JP2019008867A - 燃料電池スタックの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】積層体の電極積層部に適切な大きさの締結荷重を付与することが可能な燃料電池スタックの製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０の製造装置７０は、押圧手段７２と、全体荷重検出手段７４と、電極荷重検出手段７６とを備える。押圧手段７２は、発電セル１２を複数積層した積層体１４の全体を積層方向に沿って押圧する。全体荷重検出手段７４は、押圧手段７２により積層体１４を押圧した際に、シール部材３４同士が積層されたシール積層部５０及び電極同士が積層された電極積層部５２を含む積層体１４の全体にかかる全体荷重を検出する。電極荷重検出手段７６は、前記押圧手段７２により積層体１４を押圧した際に、電極積層部５２にかかる電極荷重を検出する。【選択図】図３
Description
本発明は、発電セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックの製造方法及び製造装置に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡは、燃料ガスや冷媒等の漏洩を防ぐためのシール部材が外周に設けられるとともに、セパレータに挟持されることで発電セルを構成する。発電セルは、所望の電圧を得るために必要な数が積層されることで積層体を構成し、該積層体にエンドプレート等を取り付けた燃料電池スタックの形態で利用される。
燃料電池スタックでは、積層体を積層方向の両側から一組のエンドプレートにより挟持し、該エンドプレート同士の距離を締結部材によって固定することで、積層体に所定の大きさの締結荷重を付与している。締結荷重は、例えば、電極とセパレータとの接触抵抗を十分に小さくしたり、シール部材を良好に弾性変形させてシール性を高めたりすることが可能となる適切な大きさに設定される（例えば、特許文献１を参照）。
燃料電池スタックの製造方法において、締結荷重を適切な大きさに設定するためには、例えば、積層体を挟持する一組のエンドプレートを互いに接近する方向に押圧するとともに、該エンドプレート同士の間で積層体にかかる荷重を検出する。そして、この検出値が締結荷重の設定値に応じた大きさになったときのエンドプレートの押圧状態を維持したまま締結部材を取り付けて、エンドプレート同士の距離を固定する。
ところで、上記のように構成される積層体では、シール部材同士が積層されたシール積層部が外縁に形成されるとともに、ＭＥＡの電極同士が積層された電極積層部がシール積層部よりも内側に形成される。このため、エンドプレートを介して積層体の全体を押圧した際に、該積層体の全体にかかる全体荷重は、シール積層部と電極積層部とに対して、互いに異なる大きさに分配されて加えられることになる。特に、電極積層部にかかる電極荷重と全体荷重との差は、シール積層部にかかるシール荷重と全体荷重との差に比べて大きくなり易い。
燃料電池スタックでは、電極積層部に適切な大きさの締結荷重を付与できない場合、前記接触抵抗が増大して端子電圧が低下したり、ＭＥＡが破損したりする懸念が生じるため、特に、電極積層部にかかる締結荷重を適切な大きさに設定することが好ましい。しかしながら、エンドプレートを介して積層体の全体にかかる全体荷重を検出し、この検出値を締結荷重の設定値に応じた大きさとする上記の方法では、実際に電極積層部にかかる締結荷重を適切な大きさとすることが困難である。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、積層体の電極積層部に適切な大きさの締結荷重が付与することが可能な燃料電池スタックの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられたシール部材と、を有する発電セルを複数積層することで、前記シール部材同士が積層されたシール積層部及び前記電極同士が積層された電極積層部が形成された積層体と、前記積層体をその積層方向の両端側から押圧して締結荷重を加える一組のエンドプレート及び締結部材と、を備える燃料電池スタックを製造するための燃料電池スタックの製造装置であって、前記シール積層部及び前記電極積層部を含む前記積層体の全体を前記積層方向に沿って押圧することが可能な押圧手段と、前記押圧手段により前記積層体の全体を押圧した際に、前記積層体の全体にかかる全体荷重を検出する全体荷重検出手段と、前記押圧手段により前記積層体の全体を押圧した際に、前記電極積層部にかかる電極荷重を検出する電極荷重検出手段と、を備えることを特徴とする。
この燃料電池スタックの製造装置は、エンドプレートで挟持する前の積層体の全体を押圧手段により押圧した際に、該積層体の全体にかかる全体荷重と、電極積層部にかかる電極荷重との両方を検出することができる。この検出結果から、積層体の全体荷重と電極荷重との関係、換言すると、全体荷重に対する電極荷重の大きさの割合を求めることができる。
従って、積層体を一組のエンドプレートで挟持した後であっても、上記の関係と、エンドプレートを介して積層体にかかる全体荷重の検出結果とに基づいて、該エンドプレートを介して電極積層部にかかる電極荷重を算出することができる。この電極荷重の算出結果が、適切な大きさの締結荷重に応じた値になるように、締結部材を設けることにより、電極積層部に適切な大きさの締結荷重を付与することが可能になる。
上記の燃料電池スタックの製造装置において、前記積層体と前記エンドプレートとの間に介在して前記電極積層部にかかる前記締結荷重の大きさを調整するスペーサの厚さを、前記エンドプレートで挟持する前の前記積層体を前記押圧手段により押圧した際の前記電極荷重検出手段及び前記全体荷重検出手段の検出結果に基づき選定する選定手段をさらに備えることが好ましい。
上記の検出結果から、一組のエンドプレート及び締結部材が設けられた際に、積層体の全体に加えられる締結荷重と電極積層部に加えられる締結荷重との関係が分かる。この関係に基づいて、スペーサの厚さを選定することで、実際に電極積層部に加えられる締結荷重の大きさを精度よく設定することができる。
上記の燃料電池スタックの製造装置において、前記電極荷重検出手段及び前記全体荷重検出手段により前記電極荷重及び前記全体荷重をそれぞれ検出しつつ、前記押圧手段により前記エンドプレートで挟持する前の前記積層体を繰り返し押圧して初期クリープを進行させることと、前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟んだ際に、該エンドプレートを介して前記積層体にかかる前記全体荷重を前記全体荷重検出手段により検出しつつ、前記押圧手段により前記エンドプレートを互いに接近する方向に押圧することと、一組の前記エンドプレートに互いの距離を維持する前記締結部材を設ける間、前記全体荷重の検出結果が所定の大きさに維持されるように、前記押圧手段により前記エンドプレートを押圧した状態とすることが可能であることが好ましい。
この場合、実際に電極積層部に加えられた電極荷重の大きさを電極荷重検出手段により検出しながら、押圧手段により初期クリープを進行させることができる。これによって、電極積層部での初期クリープの正確な進行度合いを把握することができる。この際、電極荷重とともに、全体荷重も全体荷重検出手段により検出することができるため、電極荷重と全体荷重との関係を求めることができる。
また、上記のようにして初期クリープを進行させた積層体を挟む一組のエンドプレートを押圧手段によって互いに接近する方向に押圧することができるとともに、エンドプレートを介して積層体にかかる全体荷重を全体荷重検出手段によって検出することができる。
さらに、押圧手段は、全体荷重検出手段による全体荷重の検出結果が所定の大きさとなったときのエンドプレートの押圧状態を維持することができる。ここで、所定の大きさとは、上記の全体荷重と電極荷重との関係と、全体荷重の検出結果とに基づいて算出される電極荷重の算出結果が、適切な締結荷重に応じた大きさになったと判断される値である。従って、この状態で、締結部材によりエンドプレート同士の距離を固定することにより、電極積層部に適切な大きさの締結荷重が付与された燃料電池スタックを得ることができる。
また、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられたシール部材と、を有する発電セルを複数積層することで、前記シール部材同士が積層されたシール積層部及び前記電極同士が積層された電極積層部が形成された積層体と、前記積層体をその積層方向の両端側から押圧して締結荷重を加える一組のエンドプレート及び締結部材と、を備える燃料電池スタックの製造方法であって、押圧手段により、前記シール積層部及び前記電極積層部を含む前記積層体の全体を積層方向に沿って押圧したときに、前記積層体の全体にかかる全体荷重を全体荷重検出手段により検出するとともに前記電極積層部にかかる電極荷重を電極荷重検出手段により検出する荷重検出工程と、前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟み、該エンドプレートを介して前記積層体にかかる前記全体荷重を前記全体荷重検出手段により検出しながら、前記押圧手段により前記エンドプレートを互いに接近する方向に押圧する押圧工程と、前記押圧工程での前記全体荷重の検出結果が、前記荷重検出工程で検出した前記全体荷重と前記電極荷重との関係に基づく所定の大きさになったときの前記エンドプレートの押圧状態を維持して、前記エンドプレート同士の距離を前記締結部材により固定する締結工程と、を有することを特徴とする。
この燃料電池スタックの製造方法によれば、荷重検出工程における検出結果から、積層体の全体荷重と電極荷重との関係を求めることができる。従って、上記の関係と、押圧工程によって得られる全体荷重の検出結果とに基づいて、エンドプレートを介して電極積層部にかかる電極荷重を算出することができる。従って、この電極荷重の算出結果が、適切な大きさの締結荷重に応じた値になるように、締結工程において締結部材を設けることで、電極積層部に適切な大きさの締結荷重が付与された燃料電池スタックを得ることができる。
上記の燃料電池スタックの製造方法において、前記積層体と前記エンドプレートとの間に介在して、前記電極積層部にかかる前記締結荷重の大きさを調整するスペーサの厚さを、前記荷重検出工程で得られた前記関係に基づき、選定手段により選定するスペーサ選定工程をさらに有し、前記押圧工程では、前記スペーサ選定工程で選定された厚さの前記スペーサと、前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟むことが好ましい。
荷重検出工程における検出結果から、一組のエンドプレート及び締結部材が設けられた際に、積層体の全体に加えられる締結荷重と電極積層部に加えられる締結荷重との関係が分かる。この関係に基づきスペーサ選定工程によりスペーサの厚さを選定し、該スペーサをエンドプレートと積層体との間に介在させることで、実際に電極積層部に加えられる締結荷重の大きさを精度よく設定することができる。
上記の燃料電池スタックの製造方法において、前記荷重検出工程では、前記全体荷重検出手段及び前記電極荷重検出手段により、前記全体荷重及び前記電極荷重を検出しながら、前記押圧手段により、前記積層体の全体を前記積層方向に沿って繰り返し押圧することで初期クリープを進行させることが好ましい。
この場合、荷重検出工程により、実際に電極積層部に加えられた電極荷重の大きさを検出しながら、初期クリープを進行させることができるため、電極積層部での初期クリープの正確な進行度合いを把握することができる。その結果、初期クリープの進行により積層方向に収縮した後の電極積層部に適切な大きさの締結荷重を加えることができるため、締結荷重の経時的な低減（荷重抜け）を効果的に抑制できる。
本発明によれば、積層体の電極積層部に適切な大きさの締結荷重を付与することができる。
以下、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法及び製造装置につき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法（以下、単に製造方法ともいう）によって得られる燃料電池スタック１０の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視部分断面図である。燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。
積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、インシュレータ１８ｂ、スペーサ２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。
図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定される。つまり、連結バー２４及びボルト２６（連結部材）によって、エンドプレート２０ａ、２０ｂ同士の距離を固定することによって、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締結荷重を付与することができる。
発電セル１２は、樹脂枠部材２８が設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０が、セパレータ３２により挟持される。セパレータは、金属や、カーボン等の導電性の材料から形成され、その外周端部を周回するように、シール部材３４が設けられている。シール部材３４は、例えば、ゴム等の弾性を有する材料から形成される。
ＭＥＡ３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するアノード電極４２及びカソード電極４４とを有する。以下では、アノード電極４２とカソード電極４４とを総称して電極ともいう。
カソード電極４４は、固体高分子電解質膜４０及びアノード電極４２よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極４２は、固体高分子電解質膜４０及びカソード電極４４よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。また、アノード電極４２、カソード電極４４及び固体高分子電解質膜４０は、同一の平面寸法に設定されてもよい。
アノード電極４２は、固体高分子電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層４２ａと、第１電極触媒層４２ａに接合される第１ガス拡散層４２ｂとを有する。第１電極触媒層４２ａ及び第１ガス拡散層４２ｂは、同一の外形寸法に設定される。
カソード電極４４は、固体高分子電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層４４ａと、前記第２電極触媒層４４ａに接合される第２ガス拡散層４４ｂとを有する。第２電極触媒層４４ａ及び第２ガス拡散層４４ｂは、同一の（又は異なる）外形寸法に設定される。
第１電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。
樹脂枠部材２８は、固体高分子電解質膜４０の外周を周回するとともに、アノード電極４２及びカソード電極４４に接合される枠形状である。なお、ＭＥＡ３０には、樹脂枠部材２８が設けられていなくてもよい。
上記のように構成される発電セル１２を複数積層した積層体１４の外縁には、シール部材３４同士が積層されたシール積層部５０が形成される。また、積層体１４のシール積層部５０よりも内側には、電極同士が積層された電極積層部５２が形成される。
図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの主面の略中央には、積層方向外方に延在する端子部５４がそれぞれ設けられる。なお、エンドプレート２０ｂ側の端子部は不図示である。端子部５４は、インシュレータ１８ａ、１８ｂをそれぞれ貫通して積層体１４と電気的に接続されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料からなる。
スペーサ２２は、樹脂からなり、後述するように、積層体１４に適切な締結加重が付与されるように、その厚さが調整される。
燃料電池スタック１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔５６ａ、冷却媒体入口連通孔（不図示）及び燃料ガス出口連通孔６０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔５６ａは、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔は、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔６０ｂは、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスを排出する。
燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔６０ａ、冷却媒体出口連通孔（不図示）及び酸化剤ガス出口連通孔５６ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔６０ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔５６ｂは、酸化剤ガスを排出する。
次いで、図３及び図４を参照しつつ、本実施形態にかかる燃料電池スタックの製造装置（以下、単に製造装置ともいう）７０について説明する。製造装置７０は、押圧手段７２と、全体荷重検出手段７４と、電極荷重検出手段７６と、制御部７８とを主に備える。
押圧手段７２は、例えば、サーボプレス等のプレス機構からなり、保持台８０に対して、押圧板８２を接近又は離間させるように進退させることによって、該押圧板８２と保持台８０との間に介在する押圧対象に荷重を付与することができる。押圧対象としては、後述するように、保持台８０側から、エンドプレート２０ａ、インシュレータ１８ａ及び積層体１４をこの順に積層した第１積層体８４（図３参照）が挙げられる。また、他の押圧対象としては、後述するように、該第１積層体８４にインシュレータ１８ｂ、スペーサ２２及びエンドプレート２０ｂをさらに積層した第２積層体８６に押圧治具８８を取り付けたもの（図４参照）が挙げられる。
押圧治具８８は、例えば、端子部が突出するエンドプレート２０ｂであっても、該エンドプレート２０ｂと押圧板８２との間に介在することで、該押圧板８２を介して第２積層体８６に略均等に荷重を付与することが可能な形状に形成されている。
保持台８０は、基台９０と、該基台９０と前記押圧対象との間に介在する配置治具９２とを有する。配置治具９２は、例えば、端子部５４が突出するエンドプレート２０ａを水平方向に安定して配置可能な形状に形成されている。
全体荷重検出手段７４は、例えば、押圧手段７２に内蔵されたロードセルからなり、前記押圧対象に押しつけられた押圧板８２にかかる荷重を検出し、検出結果を制御部７８に出力する。つまり、全体荷重検出手段７４は、第１積層体８４又は押圧治具８８を取り付けた第２積層体８６を押圧対象とした場合に、シール積層部５０及び電極積層部５２を含む積層体１４の全体にかかる全体荷重を検出することができる。
電極荷重検出手段７６は、押圧板８２の前記押圧対象に臨む面８２ａに固定された固定部材９４と、固定部材９４に対して可動である可動板９６と、固定部材９４と可動板９６との間に配設される複数のロードセル９８とを有する。
固定部材９４は、第１積層体８４を前記押圧対象とした場合に、積層体１４のシール積層部５０に当接するように押圧板８２の面８２ａから延在する延在部９４ａと、該延在部９４ａに外周が囲われた凹部９４ｂとを有する。可動板９６は、凹部９４ｂの内部を延在部９４ａの内壁面に沿って移動可能に設けられることで、積層体１４の電極積層部５２に当接可能になっている。
ロードセル９８は、凹部９４ｂの底壁と可動板９６との間に配設され、押圧板８２が第１積層体８４に接近することにともなって、電極積層部５２に押し付けられた可動板９６にかかる荷重を検出し、検出結果を制御部７８に出力する。つまり、電極荷重検出手段７６は、押圧手段７２により第１積層体８４（積層体１４）の全体を押圧した際に、電極積層部５２にかかる電極荷重を検出することができる。
これらの全体荷重検出手段７４と電極荷重検出手段７６は、押圧板８２にかかる荷重の方向に直列に配置されることで、押圧手段７２により第１積層体８４を押圧したときの全体荷重及び電極荷重をともに検出することができる
制御部７８は、全体荷重検出手段７４や電極荷重検出手段７６等の検出結果等に基づいて、押圧手段７２を制御することや、演算を行うことができる。また、制御部７８は、前記検出結果に基づいて、適切なスペーサ２２の厚さを選定する選定手段１００を含んで構成される。
なお、製造装置７０は、第１積層体８４の積層方向の変化量を検出する変位センサ（不図示）をさらに備えてもよい。変位センサにより検出された変位量も制御部７８に送られる。
次いで、製造装置７０を用いた、本実施形態に係る製造方法について説明する。先ず、保持台８０と押圧板８２との間に第１積層体８４をセットする。次に、図３に示すように、押圧手段７２により押圧板８２を保持台８０側に接近させることで、電極荷重検出手段７６の延在部９４ａをシール積層部５０に当接させるとともに、可動板９６を電極積層部５２に当接させて荷重検出工程を行う。
この荷重検出工程では、全体荷重検出手段７４及び電極荷重検出手段７６により、第１積層体８４（積層体１４）の全体にかかる全体荷重及び電極積層部５２にかかる電極荷重をともに検出しながら、押圧手段７２により押圧板８２を積層方向に沿って繰り返し進退させる。これによって、第１積層体８４の全体を繰り返し押圧して、初期クリープを進行させるエージング処理を行う。
この際、実際に電極積層部５２に加えられた電極荷重に基づいて、初期クリープを進行させることができる。従って、例えば、全体荷重に基づいて初期クリープを進行させる場合に比べて、電極積層部５２での初期クリープの進行度合いを正確に把握しながらエージング処理を行うことができる。
また、エージング処理では、上記のように、第１積層体８４の全体を繰り返し押圧する分、全体荷重検出手段７４及び電極荷重検出手段７６による検出結果を複数組み得ることができる。この複数の検出結果に基づいて、第１積層体８４における全体荷重と電極荷重との大きさの関係（実際の荷重関係）、換言すると、全体荷重に対する電極荷重の大きさの割合を高精度に求めることが可能になる。
次に、上記の荷重検出工程で得られた前記実際の荷重関係に基づき、選定手段１００により、スペーサ２２の厚さを選定する選定工程を行う。前記実際の荷重関係から、エンドプレート２０ａ、２０ｂ及び締結部材が設けられた際に、積層体１４の全体に加えられる締結荷重と電極積層部５２に加えられる締結荷重との関係が分かる。この締結荷重の関係から、電極積層部５２に加えられる締結荷重が適切な大きさとなるときの、積層体１４の全体に加えられる締結荷重の算出設定値が得られる。この算出設定値の大きさに応じたスペーサ２２の適切な厚さを予め求めておくことで、燃料電池スタック１０ごとに適切な厚さのスペーサ２２を選定することができる。これによって、実際に電極積層部５２に加えられる締結荷重が適切な大きさとなるように精度よく設定することが可能になる。
次に、押圧手段７２により押圧板８２を保持台８０から離間する方向に移動させた状態で、第１積層体８４にインシュレータ１８ｂ、上記の選定工程で選定した厚さのスペーサ２２及びエンドプレート２０ｂをこの順に積層して第２積層体８６を形成する。さらに、第２積層体８６のエンドプレート２０ｂに押圧治具８８を取り付ける。
次に、図４に示すように、押圧手段７２により押圧板８２を保持台８０側に接近させることで、電極荷重検出手段７６の可動板９６等を押圧治具８８に当接させて押圧工程を行う。すなわち、押圧工程では、積層体１４を一組のエンドプレート２０ａ、２０ｂで挟み、該エンドプレート２０ａ、２０ｂを介して積層体１４にかかる全体荷重を全体荷重検出手段７４により検出しながら、押圧手段７２によりエンドプレート２０ａ、２０ｂを互いに接近する方向に押圧する。
そして、全体荷重の検出結果が前記算出設定値となったとき、押圧手段７２による押圧状態を維持して、エンドプレート２０ａ、２０ｂ同士の距離を締結部材により固定する締結工程を行う。その結果、電極積層部５２に適切な大きさの締結荷重が加えられた燃料電池スタック１０を得ることができる。
すなわち、この製造方法及び製造装置７０によれば、エンドプレート２０ａ、２０ｂで挟持する前の積層体１４の全体を押圧手段７２により押圧した際に、該積層体１４の全体にかかる全体荷重と、電極積層部５２にかかる電極荷重との両方を検出することができる。この検出結果から、積層体１４の全体荷重と電極荷重との実際の荷重関係を求めることができる。
従って、積層体１４をエンドプレート２０ａ、２０ｂで挟持した後であっても、上記の関係と、エンドプレート２０ａ、２０ｂを介して積層体１４にかかる全体荷重の検出結果とに基づいて、該エンドプレート２０ａ、２０ｂを介して電極積層部５２にかかる電極荷重を算出することができる。この電極荷重の算出結果が、適切な大きさの締結荷重に応じた値になるように、締結部材を設けることにより、電極積層部５２に適切な大きさの締結荷重を付与することが可能になる。
また、上記の通り、電極積層部５２での初期クリープの正確な進行度合いを把握することができるため、初期クリープの進行により積層方向に収縮した後の電極積層部５２に適切な大きさの締結荷重を精度よく加えることができる。これによって、電極積層部５２における締結荷重の経時的な低減（荷重抜け）を効果的に抑制でき、ひいては、電極とセパレータの間等の接触抵抗が増大することや、ＭＥＡ３０が破損したりすることを良好に回避できる。
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ ２４…連結バー
２６…ボルト ３０…電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）
３４…シール部材 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード電極 ４４…カソード電極
５０…シール積層部 ５２…電極積層部
７０…製造装置 ７２…押圧手段
７４…全体荷重検出手段 ７６…電極荷重検出手段
７８…制御部 ８２…押圧板
８４…第１積層体 ８６…第２積層体
８８…押圧治具 ９４…固定部材
９４ａ…延在部 ９４ｂ…凹部
９６…可動板 ９８…ロードセル
１００…選定手段
１４…積層体 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ ２４…連結バー
２６…ボルト ３０…電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）
３４…シール部材 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード電極 ４４…カソード電極
５０…シール積層部 ５２…電極積層部
７０…製造装置 ７２…押圧手段
７４…全体荷重検出手段 ７６…電極荷重検出手段
７８…制御部 ８２…押圧板
８４…第１積層体 ８６…第２積層体
８８…押圧治具 ９４…固定部材
９４ａ…延在部 ９４ｂ…凹部
９６…可動板 ９８…ロードセル
１００…選定手段
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられたシール部材と、を有する発電セルを複数積層することで、前記シール部材同士が積層されたシール積層部及び前記電極同士が積層された電極積層部が形成された積層体と、前記積層体をその積層方向の両端側から押圧して締結荷重を加える一組のエンドプレート及び締結部材と、を備える燃料電池スタックを製造するための燃料電池スタックの製造装置であって、
前記シール積層部及び前記電極積層部を含む前記積層体の全体を前記積層方向に沿って押圧することが可能な押圧手段と、
前記押圧手段により前記積層体の全体を押圧した際に、前記積層体の全体にかかる全体荷重を検出する全体荷重検出手段と、
前記押圧手段により前記積層体の全体を押圧した際に、前記電極積層部にかかる電極荷重を検出する電極荷重検出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタックの製造装置。 - 請求項１記載の燃料電池スタックの製造装置において、
前記エンドプレートで挟持する前の前記積層体を前記押圧手段により押圧した際の前記電極荷重検出手段及び前記全体荷重検出手段の検出結果に基づき、前記積層体と前記エンドプレートとの間に介在して前記電極積層部にかかる前記締結荷重の大きさを調整するスペーサの厚さを選定する選定手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池スタックの製造装置。 - 請求項１又は２記載の燃料電池スタックの製造装置において、
前記電極荷重検出手段及び前記全体荷重検出手段により前記電極荷重及び前記全体荷重をそれぞれ検出しつつ、前記押圧手段により前記エンドプレートで挟持する前の前記積層体を繰り返し押圧して初期クリープを進行させることと、
前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟んだ際に、該エンドプレートを介して前記積層体にかかる前記全体荷重を前記全体荷重検出手段により検出しつつ、前記押圧手段により前記エンドプレートを互いに接近する方向に押圧することと、
一組の前記エンドプレートに互いの距離を維持する前記締結部材を設ける間、前記全体荷重の検出結果が所定の大きさに維持されるように、前記押圧手段により前記エンドプレートを押圧した状態とすることが可能であることを特徴とする燃料電池スタックの製造装置。 - 固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられたシール部材と、を有する発電セルを複数積層することで、前記シール部材同士が積層されたシール積層部及び前記電極同士が積層された電極積層部が形成された積層体と、前記積層体をその積層方向の両端側から押圧して締結荷重を加える一組のエンドプレート及び締結部材と、を備える燃料電池スタックの製造方法であって、
押圧手段により、前記シール積層部及び前記電極積層部を含む前記積層体の全体を前記積層方向に沿って押圧したときに、前記積層体の全体にかかる全体荷重を全体荷重検出手段により検出するとともに前記電極積層部にかかる電極荷重を電極荷重検出手段により検出する荷重検出工程と、
前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟み、該エンドプレートを介して前記積層体にかかる前記全体荷重を前記全体荷重検出手段により検出しながら、前記押圧手段により前記エンドプレートを互いに接近する方向に押圧する押圧工程と、
前記押圧工程での前記全体荷重の検出結果が、前記荷重検出工程で検出した前記全体荷重と前記電極荷重との関係に基づく所定の大きさになったときの前記エンドプレートの押圧状態を維持して、前記エンドプレート同士の距離を前記締結部材により固定する締結工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項４記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記積層体と前記エンドプレートとの間に介在して、前記電極積層部にかかる前記締結荷重の大きさを調整するスペーサの厚さを、前記荷重検出工程で得られた前記関係に基づき、選定手段により選定するスペーサ選定工程をさらに有し、
前記押圧工程では、前記スペーサ選定工程で選定された厚さの前記スペーサと、前記積層体を一組の前記エンドプレートで挟むことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項４又は５記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記荷重検出工程では、前記全体荷重検出手段及び前記電極荷重検出手段により、前記全体荷重及び前記電極荷重を検出しながら、前記押圧手段により、前記積層体の全体を前記積層方向に沿って繰り返し押圧することで初期クリープを進行させることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
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