JP2019192503A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制できる燃料電池を実現できる。【解決手段】本発明の一形態に係る燃料電池１は、積層された複数の燃料電池セル１００を有する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の一方に配置される第１の加圧プレート３と、燃料電池スタック２の他方に配置される第２の加圧プレート４と、第２の加圧プレート４と重ねて配置される第３の加圧プレート６と、燃料電池セル１００がクリープした場合に当該燃料電池セル１００に加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、第２の加圧プレート４と第３の加圧プレート６との間で圧縮された状態で配置される弾性シート５と、第１の加圧プレート３と第３の加圧プレート６との間で燃料電池スタック２を加圧した状態で拘束する拘束部材７と、を備える。弾性シート５は、複数の凸状部５ｂを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及びその製造方法に関し、例えば、複数の燃料電池セルを積層して加圧した状態で拘束部材によって拘束した燃料電池及びその製造方法に関する。

一般的な燃料電池は、図１４に示すような燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備えている。燃料電池セル１００は、カソード電極側の触媒層１０１、マイクロポーラス層１０２及びガス拡散層１０３と、アノード電極側の触媒層１０４、マイクロポーラス層１０５及びガス拡散層１０６とで、電解質膜１０７が挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）シート１０８が、セパレータ１０９と１１０とによって挟み込まれた構成である。

このような燃料電池セル１００が積層される場合、特許文献１に開示されているように、空気や水素などが漏れ出さないように燃料電池セル１００が加圧された状態で締結バンドによって締結される。

特開２００５−１４２１４５号公報

一般的な燃料電池においては、燃料電池の運転時間の増加に伴い、電解質膜１０７が劣化して膜厚が減少する。また、触媒層１０１、１０４、マイクロポーラス層１０２、１０５、及びガス拡散層１０３、１０６は、いずれも空気や水素が透過するように多孔質構造となっており、燃料電池の運転時間の増加に伴い、クリープして厚さが減少する。さらに、セパレータ１０９、１１０も、波形状の頂部に荷重が集中してクリープしたり、変形したり、することで厚さが減少する。

ここで、図１５は、燃料電池スタックを加圧するために当該燃料電池スタックに加えられる荷重と燃料電池スタックの温度との関係を示しており、荷重上限値及び荷重下限値は、燃料電池スタックが良好に加圧された状態となる荷重の上限値及び下限値である。

特許文献１のように複数の燃料電池スタックを予め締結バンドによって締結して、初期状態では、燃料電池スタックの温度が変化しても荷重上限値と荷重下限値との間で燃料電池セルを加圧することができるように燃料電池を構成しても、時間の経過に伴って燃料電池セルがクリープして当該燃料電池セルに作用する面圧が減少すると、燃料電池スタックの温度が低い状態では、燃料電池スタックへの荷重が荷重下限値を下回り、燃料電池スタックを良好に加圧できていない状態となる。これにより、燃料電池セル内の接触抵抗や隣接する燃料電池セル間の接触抵抗が増加し、燃料電池スタックの発電性能が低下する課題を有する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制できる燃料電池及びその製造方法を実現する。

本発明の一態様に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層して加圧した状態で拘束部材によって拘束した燃料電池であって、
積層された複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方に配置される第１の加圧プレートと、
前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の他方に配置される第２の加圧プレートと、
前記第２の加圧プレートと重ねて配置される第３の加圧プレートと、
前記燃料電池セルがクリープした場合に当該燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で圧縮された状態で配置される弾性シートと、
前記第１の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で前記燃料電池スタックを加圧した状態で拘束する拘束部材と、
を備え、
前記弾性シートは、複数の凸状部を有する。
このように弾性シートによって、燃料電池セルに加えられる面圧を予め設定された閾値以上に維持する。そのため、燃料電池セルがクリープしても燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。

上述の燃料電池において、前記弾性シートは、予め想定した前記燃料電池セルのクリープ量に基づいて、前記燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように設定された枚数重ねられていることが好ましい。
これにより、異なる燃料電池スタックにも簡単に対応することができる。

上述の燃料電池において、前記第３の加圧プレートは、前記第２の加圧プレートの側に対して逆側の面から突出する位置決めピンを備え、
前記拘束部材は、前記位置決めピンが挿入される挿入部を備えることが好ましい。
これにより、拘束部材における燃料電池スタックに対する位置ズレを抑制することができ、燃料電池に外力が作用しても、燃料電池スタックの加圧状態を良好に維持することができる。

本発明の一態様に係る燃料電池の製造方法は、複数の燃料電池セルを積層して加圧した状態で拘束部材によって拘束する燃料電池の製造方法であって、
前記複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、前記燃料電池スタックを第１の加圧プレートと第２の加圧プレートとで挟み込んで加圧する工程と、
前記燃料電池スタックを加圧した状態で、複数の凸状部を有する弾性シートを介して前記第２の加圧プレートに第３の加圧プレートを重ねる工程と、
前記燃料電池スタックを加圧した状態で、前記第３の加圧プレートと前記第１の加圧プレートとを拘束部材で接続する工程と、
を備え、
前記燃料電池セルがクリープした際に当該燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記弾性シートを前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で圧縮させる。
このように弾性シートによって、燃料電池セルに加えられる面圧を予め設定された閾値以上に維持する。そのため、燃料電池セルがクリープしても燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。

上述の燃料電池の製造方法において、予め想定した前記燃料電池セルのクリープ量に基づいて、前記燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間に配置する前記弾性シートの枚数を設定する工程を備えることが好ましい。
これにより、異なる燃料電池スタックにも簡単に対応することができる。

上述の燃料電池の製造方法において、前記燃料電池スタックを加圧する工程では、引き込み部材を前記第２の加圧プレートに引っ掛けて前記燃料電池スタックを前記第１の加圧プレートの側に引き込む工程を有し、
前記弾性シート及び前記第３の加圧プレートは、前記引き込み部材と干渉しないように形成された切り欠き部を備えることが好ましい。
これにより、弾性シート及び第３の加圧プレートと干渉することなく、引き込み部材を第２の加圧プレートから排除することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制できる燃料電池及びその製造方法を実現できる。

実施の形態１の燃料電池を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の燃料電池を模式的に示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池における弾性シートを模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、実施の形態１の燃料電池における弾性シートの一部を模式的に示す正面図であり、（ｂ）は、実施の形態１の燃料電池における弾性シートの一部を模式的に示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池における第１の拘束部材を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の燃料電池における第２の拘束部材を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の燃料電池の製造方法において、燃料電池スタックを加圧する工程を示す正面図である。 実施の形態１の燃料電池の製造方法において、第２の加圧プレートに弾性シートを介して第３の加圧プレートを重ねる工程を示す正面図である。 実施の形態１の燃料電池の製造方法において、第１の拘束部材で燃料電池スタックを拘束する工程を示す正面図である。 実施の形態１の燃料電池の製造方法において、第１の拘束部材で燃料電池スタックを拘束した状態を示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池の製造方法において、第２の拘束部材で燃料電池スタックを拘束する工程を示す図である。 他の実施の形態の燃料電池を模式的に示す平面図である。 他の実施の形態の異なる燃料電池を模式的に示す平面図である。 一般的な燃料電池セルを模式的に示す断面図である。 燃料電池スタックを加圧するために当該燃料電池スタックに加えられる荷重と燃料電池スタックの温度との関係を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の燃料電池の構成を説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態の燃料電池を模式的に示す平面図である。なお、図１では、燃料電池スタックを簡略化して示している。ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。

燃料電池１は、図１に示すように、燃料電池スタック２、第１の加圧プレート３、第２の加圧プレート４、弾性シート５、第３の加圧プレート６及び拘束部材７を備えており、図示を省略した筐体に収容されている。

燃料電池スタック２は、背景技術の欄で説明した燃料電池セル１００が絶縁膜を介してＺ軸方向に積層されており、燃料電池セル１００に予め設定された閾値以上の面圧が加わるように加圧されている。なお、燃料電池セル１００の詳細な構成は、発明の本質的部分ではないため、説明を省略する。

燃料電池スタック２は、例えば、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸方向に長手が配置され、Ｘ軸方向に短手が配置された略長方形である。但し、燃料電池スタック２の形状は、車両への燃料電池１の配置などに応じて、適宜、変更することができる。

燃料電池スタック２には、バスバー１０が電気的に接続されている。詳細には、一方のバスバー１０は、燃料電池スタック２のＺ軸＋側に配置されたターミナル板を介して燃料電池スタック２に電気的に接続されており、Ｚ軸−方向に延在している。また、他方のバスバー１０は、燃料電池スタック２のＺ軸−側に配置されたターミナル板を介して燃料電池スタック２に電気的に接続されており、Ｚ軸−方向に延在している。但し、バスバー１０の配置や延在方向は、車両への燃料電池１の配置などに応じて、適宜、変更することができる。

第１の加圧プレート３は、燃料電池スタック２に対してＺ軸−側に配置されている。第１の加圧プレート３は、Ｚ軸方向から見て燃料電池スタック２と略等しい外形を有し、例えば、略長方形の板体である。

第１の加圧プレート３のＺ軸−側の面には、スタックマニホールド１１が固定されている。スタックマニホールド１１は、燃料電池スタック２の発電に必要な水素や空気を燃料電池スタック２に供給したり、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水を燃料電池スタック２に供給したり、する。

スタックマニホールド１１には、スタックマニホールド１１に水素や空気、冷却水を供給するための配管１２が接続されている。また、スタックマニホールド１１には、バスバー１０がＺ軸方向に貫通している。

第２の加圧プレート４は、燃料電池スタック２に対してＺ軸＋側に配置されており、第１の加圧プレート３とで燃料電池スタック２を挟み込んでいる。第２の加圧プレート４は、Ｚ軸方向から見て燃料電池スタック２と略等しい外形を有し、例えば、略長方形の板体である。

弾性シート５は、第２の加圧プレート４に対してＺ軸＋側に配置されている。図３は、本実施の形態の燃料電池における弾性シートを模式的に示す斜視図である。図４は、本実施の形態の燃料電池における弾性シートの一部を模式的に示し、（ａ）は、弾性シートの正面図であり、（ｂ）は、弾性シートの平面図である。但し、図３では、弾性シートの本体部を簡略化して示している。

弾性シート５は、エラストマー樹脂（例えば、シリコンゴム）などの弾性変形可能な材料から成り、図３及び図４に示すように、本体部５ａ、凸状部５ｂ及び切り欠き部５ｃを備えている。本体部５ａは、Ｚ軸方向から見て第２の加圧プレート４と略等しい外形を有し、例えば、略長方形を基本形態とするシート体である。

凸状部５ｂは、本体部５ａに形成されている。凸状部５ｂは、例えば、円柱形状であり、Ｚ軸方向から見て規則的に本体部５ａのＺ軸＋側の面に配置されている。但し、凸状部５ｂの形状や配置は、後述するように、適宜、変更することができ、荷重が集中して弾性変形可能な多角柱形状や錐形状でもよく、また、不規則に配置されていてもよい。

切り欠き部５ｃは、本体部５ａの複数箇所に形成されている。切り欠き部５ｃは、例えば、本体部５ａにおけるＸ軸方向で向かい合う長辺に夫々、三個ずつ略等しい間隔を開けて配置されている。なお、切り欠き部５ｃの配置は、後述するように、適宜、変更することができる。

第３の加圧プレート６は、弾性シート５に対してＺ軸＋側に配置されており、燃料電池スタック２が加圧された状態を維持するために、弾性シート５及び第２の加圧プレート４を介して、第１の加圧プレート３とで燃料電池スタック２を挟み込んでいる。つまり、第３の加圧プレート６は、弾性シート５を介して第２の加圧プレート４と重ねられている。

第３の加圧プレート６は、本体部６ａ、溝部６ｂ及び切り欠き部６ｃを備えている。本体部６ａは、Ｚ軸方向から見て第２の加圧プレート４と略等しい外形を有し、例えば、略長方形を基本形態とする板体である。

溝部６ｂは、本体部６ａのＺ軸＋側の面に形成されている。本実施の形態では、溝部６ｂとして、第１の溝部６ｄ及び第２の溝部６ｅを備えている。第１の溝部６ｄは、Ｘ軸方向に延在しており、Ｚ軸方向から見て本体部６ａの中心を通り、且つＸ軸方向に延在する直線を対称軸とする線対称に配置されている。

第２の溝部６ｅは、第１の溝部６ｄを横断するようにＹ軸方向に延在しており、Ｘ軸方向の略中央に配置されている。このとき、第１の溝部６ｄの深さは、第２の溝部６ｅの深さに比べて深い。但し、溝部６ｂは、後述するように、拘束部材７の本数や配置などに応じて、適宜、変更することができる。

切り欠き部６ｃは、Ｚ軸＋側から見て弾性シート５の切り欠き部５ｃと対応するように、本体部６ａに形成されている。そのため、切り欠き部６ｃは、例えば、本体部６ａにおけるＸ軸方向で向かい合う長辺に夫々、三個ずつ略等しい間隔を開けて配置されている。なお、切り欠き部６ｃの配置は、後述するように、適宜、変更することができる。

このような第１の加圧プレート３、第２の加圧プレート４及び第３の加圧プレート６は、燃料電池スタック２を加圧した状態で変形し難い材質を有する。

拘束部材７は、第１の加圧プレート３と第３の加圧プレート６との間で燃料電池スタック２を加圧した状態で拘束する。本実施の形態では、拘束部材７としては、例えば、第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂを備えている。図５は、本実施の形態の燃料電池における第１の拘束部材を模式的に示す斜視図である。図６は、本実施の形態の燃料電池における第２の拘束部材を模式的に示す斜視図である。

第１の拘束部材７ａは、図１及び図５に示すように、逆Ｕ字形であり、第３の加圧プレート６をＸ軸方向に跨ぐように配置されている。そして、第１の拘束部材７ａのＺ軸−側の端部は、第１の加圧プレート３に接続され、第１の拘束部材７ａのＺ軸＋側の折り返し部（即ち、逆Ｕ字形の底部）は、第３の加圧プレート６の第１の溝部６ｄの内部に配置されている。

第２の拘束部材７ｂは、図１及び図６に示すように、逆Ｕ字形であり、第３の加圧プレート６及び第１の拘束部材７ａをＹ軸方向に跨ぐように配置されている。そして、第２の拘束部材７ｂのＺ軸−側の端部は、第１の加圧プレート３に接続され、第２の拘束部材７ｂのＺ軸＋側の折り返し部は、第３の加圧プレート６の第２の溝部６ｅの内部に配置されている。

このように第１の拘束部材７ａは第３の加圧プレート６の第１の溝部６ｄの内部に配置され、第２の拘束部材７ｂは第３の加圧プレート６の第２の溝部６ｅの内部に配置されている。そのため、第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂにおける燃料電池スタック２に対する位置ズレを抑制することができ、燃料電池１に外力が作用しても、燃料電池スタック２の加圧状態を良好に維持することができる。

このとき、第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂにおける燃料電池スタック２に対する位置ズレをさらに抑制するために、第３の加圧プレート６は、位置決めピン６ｆを備えているとよい。

位置決めピン６ｆは、第３の加圧プレート６のＺ軸＋側の面から突出しており、第１の溝部６ｄと第２の溝部６ｅとの交差部分に配置されている。一方、第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂは夫々、位置決めピン６ｆが挿入される挿入部７ｃ、７ｄを備えている。挿入部７ｃ、７ｄは、例えば、貫通孔でよい。

これにより、第１の拘束部材７ａの挿入部７ｃ及び第２の拘束部材７ｂの挿入部７ｄに第３の加圧プレート６の位置決めピン６ｆを挿入すると、第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂにおける燃料電池スタック２に対する位置ズレをさらに抑制することができる。

但し、拘束部材７は、第１の加圧プレート３と第３の加圧プレート６との間で燃料電池スタック２を加圧した状態で拘束することができる形状であればよく、例えば、板状や逆Ｌ字形などでもよい。

次に、本実施の形態の燃料電池１の製造方法を説明する。図７は、本実施の形態の燃料電池の製造方法において、燃料電池スタックを加圧する工程を示す正面図である。図８は、本実施の形態の燃料電池の製造方法において、第２の加圧プレートに弾性シートを介して第３の加圧プレートを重ねる工程を示す正面図である。図９は、本実施の形態の燃料電池の製造方法において、第１の拘束部材で燃料電池スタックを拘束する工程を示す正面図である。図１０は、本実施の形態の燃料電池の製造方法において、第１の拘束部材で燃料電池スタックを拘束した状態を示す平面図である。図１１は、本実施の形態の燃料電池の製造方法において、第２の拘束部材で燃料電池スタックを拘束する工程を示す図である。なお、図７乃至図９、図１１では、ターミナル板を省略して示している。

ここで、先ず、燃料電池スタック２を加圧するための加圧装置２０の構成を説明する。加圧装置２０は、図７などに示すように、支持部２１、引き込み機構２２及び引き込み部材２３を備えている。なお、図７などでは、加圧装置２０を簡略化して示している。

支持部２１は、スタックマニホールド１１を支持するために加圧装置２０におけるＺ軸方向の所定の位置に固定されている。支持部２１は、例えば、スタックマニホールド１１のＹ軸方向の端部が配置される切り欠き部２１ａを有するＬ字形を基本形態としている。そして、支持部２１は、Ｙ軸方向に間隔を開けて配置されており、Ｘ軸方向に延在している。但し、支持部２１は、スタックマニホールド１１を支持できる構成であればよい。

引き込み機構２２は、ボールねじ２２ａ、モータ２２ｂ及び可動板２２ｃを備えており、支持部２１に対してＺ軸−側に配置されている。ボールねじ２２ａは、ねじ棒２２ｄ及びナット２２ｅを備えている。

ねじ棒２２ｄは、Ｚ軸方向に延在している。ねじ棒２２ｄのＺ軸−側の端部は、モータ２２ｂから駆動力が伝達可能にモータ２２ｂに接続され、ねじ棒２２ｄのＺ軸＋側の端部は、ねじ棒２２ｄの回転を許容可能に可動板２２ｃに固定されている。ナット２２ｅは、加圧装置２０におけるＺ軸方向の所定の位置に固定されている。

可動板２２ｃは、例えば、可動板２２ｃのＸ軸方向の長さがスタックマニホールド１１のＸ軸方向の長さより長く、第１の加圧プレート３のＹ軸方向の長さより短い略長方形の平板である。

可動板２２ｃは、Ｚ軸方向から見て、支持部２１がスタックマニホールド１１を支持した状態で当該スタックマニホールド１１からＸ軸方向の両端部がはみ出るように配置されている。このような引き込み機構２２は、モータ２２ｂが駆動すると、ねじ棒２２ｄを介して可動板２２ｃがＺ軸方向に移動する。

引き込み部材２３は、Ｚ軸方向に延在する鉛直部２３ａ及び当該鉛直部２３ａのＺ軸＋側の端部からＸ軸方向に延在する引っ掛け部２３ｂを有する逆Ｌ字形であり、Ｘ軸方向で向かい合う一組の引き込み部材２３がＹ軸方向に略等しい間隔を開けて複数組配置されている。

鉛直部２３ａのＺ軸−側の端部は、可動板２２ｃに固定されている。引っ掛け部２３ｂは、加圧装置２０を用いて燃料電池スタック２を加圧する際に第２の加圧プレート４に引っ掛けられる。但し、加圧装置２０の構成は、上述の限りでなく、燃料電池スタック２を加圧できる構成であればよい。

このような加圧装置２０を用いて、先ず、図７に示すように、加圧装置２０の支持部２１の切り欠き部２１ａに第１の加圧プレート３と固定されたスタックマニホールド１１を配置する。そして、第１の加圧プレート３をＹ軸方向で挟み込むように配置された積層治具３０の間において、第１の加圧プレート３のＺ軸＋側の面に燃料電池セル１００と絶縁膜とを積層して燃料電池スタック２を構成する。このとき、燃料電池スタック２のＺ軸−側及びＺ軸＋側にターミナル板を配置する。

さらに、積層治具３０の間において燃料電池スタック２のＺ軸＋側の面（具体的には、Ｚ軸＋側のターミナル板のＺ軸＋側の面）に第２の加圧プレート４を配置する。積層治具３０は、例えば、ＸＺ平面と平行な基準面３０ａを有する。このように積層治具３０を用いて燃料電池セル１００と絶縁膜とを積層することで、燃料電池セル１００と絶縁膜とを正確に積層することができる。

次に、加圧装置２０を用いて燃料電池セル１００に予め設定された閾値以上の面圧が加わるように当該燃料電池スタック２を加圧する。詳細には、加圧装置２０の引き込み部材２３の引っ掛け部２３ｂを第２の加圧プレート４のＺ軸＋側の面に引っ掛ける。そして、モータ２２ｂを駆動させて、ねじ棒２２ｄ及び可動板２２ｃを介して引き込み部材２３をＺ軸−側に引き込む。

これにより、燃料電池スタック２は、Ｚ軸−側に圧縮され、燃料電池セル１００に予め設定された閾値以上の面圧が加わるように加圧される。ここで、燃料電池スタック２を加圧する際の荷重は、予め設定された閾値に応じて、適宜、設定することができ、例えば、５０ｋＮに設定される。

次に、加圧装置２０によって燃料電池スタック２を加圧した状態で、図８に示すように、積層治具３０の間において、第２の加圧プレート４のＺ軸＋側の面に弾性シート５を介して第３の加圧プレート６を重ねる。

このとき、引き込み部材２３の引っ掛け部２３ｂが弾性シート５の切り欠き部５ｃ及び第３の加圧プレート６の切り欠き部６ｃの内部に配置されるように、弾性シート５及び第３の加圧プレート６は配置される。

そのため、上述のように、弾性シート５の切り欠き部５ｃ及び第３の加圧プレート６の切り欠き部６ｃの配置は、引き込み部材２３の引っ掛け部２３ｂの配置に応じて、適宜、変更することができる。

ここで、予め想定する燃料電池セル１００のクリープ量を吸収するように、弾性シート５の凸状部５ｂの高さは設定されるとよい。

また、予め想定する燃料電池セル１００のクリープ量に基づいて、燃料電池セル１００がクリープしても燃料電池セル１００に加わる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、弾性シート５の本体部５ａの厚さや凸状部５ｂの形状及び配置などが設定されるとよい。これにより、弾性シート５の弾性率を調整することができる。

さらに、予め想定する燃料電池セル１００のクリープ量に基づいて、燃料電池セル１００がクリープしても燃料電池セル１００に加わる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、弾性シート５の枚数が設定されるとよい。これにより、複数枚の弾性シート５全体のばね定数を調整することができる。

要するに、弾性シート５の形状や枚数などは、予め想定する燃料電池セル１００のクリープ量に基づいて、燃料電池セル１００がクリープしても燃料電池セル１００に加わる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、適宜、設定すればよい。

次に、図９に示すように、加圧装置２０によって燃料電池スタック２への加圧が維持された状態で、第３の加圧プレート６をＸ軸方向に跨ぐように第１の拘束部材７ａを配置し、第１の拘束部材７ａの折り返し部を第３の加圧プレート６の第１の溝部６ｄの内部に配置すると共に、第１の拘束部材７ａのＺ軸−側の端部を第１の加圧プレート３に固定する。

これにより、燃料電池スタック２は、燃料電池セル１００に予め設定された閾値以上の面圧が加わった加圧状態で拘束される。そして、弾性シート５は、燃料電池セル１００がクリープした際に当該燃料電池セル１００に加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、第２の加圧プレート４と第３の加圧プレート６との間で圧縮された状態で配置される。

このとき、図１０に示すように、第１の拘束部材７ａの挿入部７ｃに第３の加圧プレート６の位置決めピン６ｆを挿入する。これにより、第１の拘束部材７ａは、第３の加圧プレート６の第１の溝部６ｄ及び位置決めピン６ｆによって燃料電池スタック２に対する位置ズレが抑制される。

次に、図１１に示すように、第１の拘束部材７ａによって燃料電池スタック２への加圧が維持された状態で、引き込み部材２３の引っ掛け部２３ｂを第３の加圧プレート６に引っ掛けた状態を解除する。なお、図１１では、加圧装置２０の一部を省略して示している。

このとき、引き込み部材２３の引っ掛け部２３ｂが弾性シート５の切り欠き部５ｃ及び第３の加圧プレート６の切り欠き部６ｃの内部に配置されているので、弾性シート５及び第３の加圧プレート６と干渉することなく、引っ掛け部２３ｂを第２の加圧プレート４のＺ軸＋側の面から排除することができる。

そして、積層治具３０を燃料電池スタック２から離間するように移動させ、第３の加圧プレート６をＹ軸方向に跨ぐように第２の拘束部材７ｂを配置し、第２の拘束部材７ｂの折り返し部を第３の加圧プレート６の第２の溝部６ｅの内部に配置すると共に、第２の拘束部材７ａのＺ軸−側の端部を第１の加圧プレート３に固定する。

このとき、図２に示すように、第２の拘束部材７ｂの挿入部７ｄに第３の加圧プレート６の位置決めピン６ｆを挿入する。これにより、第２の拘束部材７ｂは、第３の加圧プレート６の第２の溝部６ｅ及び位置決めピン６ｆによって燃料電池スタック２に対する位置ズレが抑制される。

その後、ターミナル板を介して燃料電池スタック２にバスバー１０を電気的に接続して燃料電池スタック２を筐体で覆い、また、スタックマニホールド１１に配管１２を接続すると、燃料電池１を製造することができる。

このような燃料電池１及びその製造方法は、弾性シート５が予め圧縮された状態で配置されているため、燃料電池セル１００がクリープした際に、弾性シート５が復元するように変形する。このとき、弾性シート５の復元力によって、燃料電池スタック２をＺ軸−側に押し込み、燃料電池セル１００に加えられる面圧を予め設定された閾値以上に維持する。そのため、本実施の形態の燃料電池１及びその製造方法は、燃料電池セル１００がクリープしても燃料電池スタック２の発電性能の低下を抑制することができる。

しかも、弾性シート５の形状や枚数などを燃料電池セル１００のクリープ量に基づいて調整することで、異なる燃料電池スタック２にも簡単に対応することができる。

＜他の実施の形態＞
実施の形態１では、拘束部材７として第１の拘束部材７ａ及び第２の拘束部材７ｂを備えているが、この限りでない。例えば、図１２に示すように、燃料電池スタック２の長手方向の長さに対する短手方向の長さの比率が大きい場合は、第２の拘束部材７ｂを省略して、第１の拘束部材７ａのみを用いて燃料電池スタック２を加圧してもよい。

また、図１３に示すように、燃料電池スタック２の長手方向の長さと短手方向の長さとの差が小さい場合、第１の拘束部材７ａと第２の拘束部材７ｂとを一つずつ用いて燃料電池スタック２を加圧してもよい。要するに、拘束部材７の配置や本数は、燃料電池スタック２の形状に応じて、適宜、変更することができる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施の形態の燃料電池１は、第３の加圧プレート６が溝部６ｂや位置決めピン６ｆを備えているが、省略しても実施することができる。

１ 燃料電池
２ 燃料電池スタック
３ 第１の加圧プレート
４ 第２の加圧プレート
５ 弾性シート、５ａ 本体部、５ｂ 凸状部、５ｃ 切り欠き部
６ 第３の加圧プレート、６ａ 本体部、６ｂ 溝部（６ｄ 第１の溝部、６ｅ 第２の溝部）、６ｃ 切り欠き部、６ｆ 位置決めピン
７ 拘束部材（７ａ 第１の拘束部材、７ｂ 第２の拘束部材）
７ｃ、７ｄ 挿入部
１０ バスバー
１１ スタックマニホールド
１２ 配管
２０ 加圧装置
２１ 支持部、２１ａ 切り欠き部
２２ 引き込み機構
２２ａ ボールねじ、２２ｄ ねじ棒、２２ｅ ナット
２２ｂ モータ
２２ｃ 可動板
２３ 引き込み部材、２３ａ 鉛直部、２３ｂ 引っ掛け部
３０ 積層治具、３０ａ 基準面
１００ 燃料電池セル

Claims (6)

1. 複数の燃料電池セルを積層して加圧した状態で拘束部材によって拘束した燃料電池であって、
   積層された複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方に配置される第１の加圧プレートと、
   前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の他方に配置される第２の加圧プレートと、
   前記第２の加圧プレートと重ねて配置される第３の加圧プレートと、
   前記燃料電池セルがクリープした場合に当該燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で圧縮された状態で配置される弾性シートと、
   前記第１の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で前記燃料電池スタックを加圧した状態で拘束する拘束部材と、
   を備え、
   前記弾性シートは、複数の凸状部を有する、燃料電池。
2. 前記弾性シートは、予め想定した前記燃料電池セルのクリープ量に基づいて、前記燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように設定された枚数重ねられている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第３の加圧プレートは、前記第２の加圧プレートの側に対して逆側の面から突出する位置決めピンを備え、
   前記拘束部材は、前記位置決めピンが挿入される挿入部を備える、請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 複数の燃料電池セルを積層して加圧した状態で拘束部材によって拘束する燃料電池の製造方法であって、
   前記複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、前記燃料電池スタックを第１の加圧プレートと第２の加圧プレートとで挟み込んで加圧する工程と、
   前記燃料電池スタックを加圧した状態で、複数の凸状部を有する弾性シートを介して前記第２の加圧プレートに第３の加圧プレートを重ねる工程と、
   前記燃料電池スタックを加圧した状態で、前記第３の加圧プレートと前記第１の加圧プレートとを拘束部材で接続する工程と、
   を備え、
   前記燃料電池セルがクリープした際に当該燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記弾性シートを前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間で圧縮させる、燃料電池の製造方法。
5. 予め想定した前記燃料電池セルのクリープ量に基づいて、前記燃料電池セルに加えられる面圧が予め設定された閾値以上に維持されるように、前記第２の加圧プレートと前記第３の加圧プレートとの間に配置する前記弾性シートの枚数を設定する工程を備える、請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記燃料電池スタックを加圧する工程では、引き込み部材を前記第２の加圧プレートに引っ掛けて前記燃料電池スタックを前記第１の加圧プレートの側に引き込む工程を有し、
   前記弾性シート及び前記第３の加圧プレートは、前記引き込み部材と干渉しないように形成された切り欠き部を備える、請求項４又は５に記載の燃料電池の製造方法。

Images