JP2019046669A

JP2019046669A - 燃料電池スタックの製造方法

Info

Publication number: JP2019046669A
Application number: JP2017169264A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　弘; Hiroshi Suzuki; 弘鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-04
Also published as: JP6848773B2

Abstract

【課題】単セルの位置がずれる事を抑制できる技術を提供する。【解決手段】単セルと弾性部材とを交互に複数積層した積層体を含む燃料電池スタックの製造方法は、積層体に対して、積層体の側面から積層体の積層方向と垂直な方向に振動を与えながら積層方向に圧縮荷重を加える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。

複数の単セルを積層して燃料電池スタックを製造する方法として、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された燃料電池スタックの製造方法では、単セルを載置する台を振動させることにより、複数の単セルを整列させて積層している。この従来技術では、単セルの間にはガスケットが設けられていない。

特開２００５−１５８６１５号公報

ところで、燃料電池スタックとしては、単セルと弾性部材で形成されたガスケットとを交互に積層するタイプの燃料電池スタックも存在する。このような燃料電池スタックの製造では、単セルとガスケットとを交互に複数積層した積層体を圧縮荷重する際に、ガスケットの位置や角度に微小なずれが生じていた場合、ガスケットが圧縮荷重のかかる方向とは異なる方向に潰れて一部の単セルの位置がずれ、単セルの端部が変形するおそれがあった。そのため、単セルの位置がずれる事を抑制できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、単セルと弾性部材とを交互に複数積層した積層体を含む燃料電池スタックの製造方法が提供される。この燃料電池スタックの製造方法は、前記積層体に対して、前記積層体の側面から前記積層体の積層方向と垂直な方向に振動を与えながら前記積層方向に圧縮荷重を加える。この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、積層方向と垂直な方向に振動を与えながら積層体に圧縮荷重を加えることで、弾性部材の位置や角度に微少なずれが存在していても、単セルの外側に圧縮荷重が逃げてしまうことを抑制でき、単セルの位置がずれる事を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタックの圧縮荷重装置や、燃料電池スタックの圧縮荷重方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池スタックの積層体の概略図である。燃料電池スタックの積層を行う積層装置の一例を示す模式図である。燃料電池スタックの製造方法のフローチャートである。振動付与機構を用いずに荷重付与工程を実行した場合の参考図である。締結工程の説明図である。第２実施形態における荷重付与工程の説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法によって製造される燃料電池スタックの積層体１００の概略図である。燃料電池スタックは、固体高分子形の燃料電池であり、単セル１０と弾性部材２０とを交互に複数積層した積層体１００を含む。本実施形態において、積層体１００は積層治具３０によって積層される。

単セル１０は、電解質膜（図示せず）の両面に電極（図示せず）を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

弾性部材２０は、単セル１０の周縁部に設けられる。弾性部材２０は、反応ガスや冷却剤の漏洩（いわゆるクロスリーク）や、触媒電極同士の電気的短絡を抑制するためのガスケットである。弾性部材２０は、例えばシリコーンゴム等のゴムにより形成される。

積層治具３０は、ガイド部３１と台座３２とを備える。ガイド部３１は、積層体１００が積層方向と異なる方向に過剰に移動してしまうことを抑制する。ガイド部３１は、積層体１００の周囲において、台座３２から積層体１００の積層方向に渡って延びる軸部材である。なお、ガイド部３１は、積層体１００の積層方向の両端部に配置されるエンドプレート（図示せず）に連結させることにより、積層体１００に対して積層方向に沿った締結力を付与するための締結シャフトとして機能させることも可能である。

図２は、燃料電池スタックの積層を行う積層装置２００の一例を示す模式図である。この積層装置２００は、積層治具３０と、圧縮機構４０と、制御部５０と、振動付与機構６０とを備える。圧縮機構４０は、荷重プレート４１を介して、積層治具３０に積層された積層体１００に圧縮荷重を加える。圧縮機構４０は、制御部５０によって制御される。

振動付与機構６０は、積層体１００の積層方向と垂直な方向に沿ってガイド部３１を振動させる。図示は省略するが、この振動付与機構６０は、図１に示した複数のガイド部３１のそれぞれに振動を付与することが好ましい。この際、各ガイド部３１に付与する振動の方向は、各ガイド部３１が対向する積層体１００と垂直な方向であることが好ましい。本実施形態において、垂直とは９０±１０°の範囲に入っている場合が該当する。

図３は、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法のフローチャートである。まず、ステップＳ１００で、単セル１０と弾性部材２０とを交互に台座３２に載置する。積層体１００の両端には集電板１１、絶縁板１２、エンドプレート１３（図２）が順に積層される。ステップＳ１００の工程を載置工程という。

次に、ステップＳ１１０で、振動付与機構６０を用いて積層体１００に振動を付与しながら積層体１００の積層方向に圧縮荷重を加える。ステップＳ１１０の工程を荷重付与工程という。

図４は、振動付与機構６０を用いずに荷重付与工程を実行した場合の参考図である。荷重付与工程において、制御部５０が圧縮機構４０を制御し、単セル１０と弾性部材２０とが交互に複数積層された積層体１００の積層方向に荷重プレート４１を介して圧縮荷重を加える。この際、弾性部材２０の位置や角度に微小なずれが生じていた場合、弾性部材２０が圧縮荷重のかかる方向とは異なる方向に潰れるため、単セル１０（積層体１００）にかかる圧縮荷重の面圧分布に偏りが生じ、積層方向に圧縮荷重が伝わらず、単セル１０の外側に圧縮荷重が逃げてしまう（いわゆる荷重抜けが生じる）。この場合、Ａ部分に示すように、単セル１０の位置がずれ、端部が変形するおそれがある。

一方、図２に示すように、本実施形態の荷重付与工程は、制御部５０が、振動付与機構６０を制御してガイド部３１を図２の矢印方向に振動させながら、荷重プレート４１を制御して積層体１００の積層方向に圧縮荷重を加える。より具体的には、ガイド部３１が、積層体１００に対して、積層体１００の側面から積層体１００の積層方向と垂直な方向に振動を与えながら、荷重プレート４１が、積層方向に圧縮荷重を加える。これにより、弾性部材２０の位置や角度に微少なずれが存在していても、単セル１０を外側に押し出す荷重抜けが生じにくくなるので、単セル１０の位置がずれることを抑制できる。

振動付与機構６０がガイド部３１に付与する振動の振動数（以下、「ガイド部３１の振動数」という）は、予め実験的に定められた値であり、荷重プレート４１によって圧縮荷重が加えられて弾性部材２０が変形して単セル１０の位置ずれが発生するか否かを実験的に調べて、任意に定めることができる。ガイド部３１の振動数は１０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下が好ましい。積層方向に垂直な方向に付与する振動の振動数は、積層体１００との共振が生じないように設定することが好ましい。また、ガイド部３１の振動の振れ幅（片側振幅）は、積層体１００とガイド部３１との間の予め定められた隙間（片側クリアランス）の０．８倍以上１倍以下とすることが好ましい。

最後に、ステップＳ１２０（図３）で、所定の荷重で積層体１００を締結する。これにより、燃料電池スタックが完成する。ステップＳ１２０の工程を締結工程という。

図５は、締結工程の説明図である。ナット１４が、ガイド部３１の上端に設けられたネジ部（図示せず）と螺合して、両端のエンドプレート１３の間を締結する。なお、ガイド部３１と異なる締結部材を用いて締結を行ってもよい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、ガイド部３１に積層方向に垂直方向の振動を与えながら、積層体１００に圧縮荷重を加えるため、弾性部材２０の位置や角度に微少なずれが存在していても、単セル１０の外側に圧縮荷重が逃げてしまうことを抑制でき、単セル１０の位置がずれる事を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における荷重付与工程の説明図である。積層装置２００Ａは、第１実施形態の積層装置２００に、振動付与機構６１を追加した構成を有している。この振動付与機構６１は、積層体１００の積層方向に沿って荷重プレート４１を振動させる。第２実施形態の燃料電池スタックの製造方法は、第１実施形態の燃料電池スタックの製造方法にて製造される積層体１００（図１）と同一の形状であるため、積層体１００の構成の説明は省略する。第２実施形態の燃料電池スタックの製造方法は、荷重付与工程が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。

本実施形態では、制御部５０が、振動付与機構６１を制御して荷重プレート４１を図６の矢印方向に示す積層方向に振動させながら、積層体１００に圧縮荷重を加える。振動付与機構６１が荷重プレート４１に付与する振動の振動数（以下、「荷重プレート４１の振動数」という）は、高くしすぎると荷重プレート４１と単セル１０との間の空気の流動および圧縮で単セル面に抵抗力が発生するおそれがあり、また、ガイド部３１の振動との緩衝を避けるため、ガイド部３１の振動数の１／１０以下、１／３０以上であることが好ましい。例えば、ガイド部３１の振動数を１００Ｈｚとした場合は、荷重プレート４１の振動数は９Ｈｚ程度とする。積層方向に付与する振動の振動数は、積層体１００との共振が生じないように設定することが好ましい。また、荷重プレート４１の振動の振れ幅は、圧縮荷重を付与するために荷重プレート４１が積層方向に移動する幅の絶対値の３０％以内であることが好ましい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、積層体１００に積層方向の振動を与えながら、積層体１００の積層方向に圧縮荷重を加える。そのため、単セル１０および弾性部材２０にかかる圧縮荷重の均等化を図ることが出来る。従って、弾性部材２０の変形量の均等化を図ることができ、単セルの位置がずれる事をより効果的に抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…単セル
１１…集電板
１２…絶縁板
１３…エンドプレート
１４…ナット
２０…弾性部材
３０…積層治具
３１…ガイド部
３２…台座
４０…圧縮機構
４１…荷重プレート
５０…制御部
６０、６１…振動付与機構
１００…積層体
２００、２００Ａ…積層装置

Claims

単セルと弾性部材とを交互に複数積層した積層体を含む燃料電池スタックの製造方法であって、
前記積層体に対して、前記積層体の側面から前記積層体の積層方向と垂直な方向に振動を与えながら前記積層方向に圧縮荷重を加える、燃料電池スタックの製造方法。