JP5780490B2 - 燃料電池スタックの締結方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電セルを積層させたセル積層体を有する燃料電池スタックの締結方法に関する。

燃料電池スタックは、電解質膜の両面に一対の電極を配した接合体（ＭＥＡ）やＭＥＡの両面に拡散層を配した接合体（ＭＥＧＡ）と、そのような接合体を挟持して反応ガスの流路を形成する一対のセパレータとで構成されたセルを複数積層して構成されている。また、燃料電池スタックには、セル内に供給される酸化ガス及び燃料ガスやセル間に供給される冷却水の漏れを防止するべく、セル内及びセル間にガスケット等のシール部材が設けられている。

そして、燃料電池スタックは、セル積層体の両端側から所定の締結荷重が付与された状態で組み立てられる（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、接合体のへたりによる燃料電池運転時の荷重抜けを抑制する技術として、燃料電池スタックの組立時に低温変動を含む発電時の荷重変動を超える加圧変動を予め付与しておく技術が開示されている。

特開２０１０−１５３１７４号公報

ところで、セル積層体に所定の締結荷重を付与して組み立てられる定寸構造の燃料電池スタックでは、セル内及びセル間に配されているゴム製のガスケット（シール部材）や、前記接合体（ＭＥＧＡ）の一構成部材であるガス拡散層（ＧＤＬ；Gas Diffusion Layer）に、初期クリープや経時によるへたりが生じることがある。

このように、ガスケットやガス拡散層に初期クリープやへたりが生じると、燃料電池スタックの締結荷重が早期に低下し、その結果、電極部分での十分な面圧の確保が困難となり、出力（発電電圧）や耐衝撃性能（剛性）が低下するおそれがある。その対策として特許文献１の技術が既に発案されているが、当該技術のように瞬間的に最大荷重を付与することを繰り返しても、経時的なへたりを考慮した荷重抜けを防止できない虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、良好な出力及び耐衝撃性能を得ることが可能な燃料電池スタックの締結方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池スタックの締結方法は、
複数のセルが積層されたセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、エンドプレート同士を連結して前記セル積層体に締結荷重を付与する締結部材とを有する燃料電池スタックの締結方法であって、
前記セルの構成部材の中から選択された１又は複数の構成部材の荷重に対する変位特性に基づき、前記燃料電池スタックの運転中に前記セル積層体に付与され得る最大締結荷重の下で前記選択された構成部材の初期変位が完了するまでの初期変位完了時間を求め、
前記初期変位完了時間の間前記セル積層体に前記最大締結荷重を付与した後、設計値として予め設定された締結荷重で前記セル積層体を締結するものである。

この構成では、燃料電池スタック組立時にセル積層体に最大締結荷重を付与する時間として、セル構成部材の初期変位が完了するまでの時間を採用しているので、燃料電池スタックの運転時に生じ得る早期の初期変位及びこれに起因する荷重抜けを締結時に予め終了させておくことできる。

上記締結方法において、選択された前記構成部材が複数の場合には、前記セル積層体に前記最大締結荷重を付与する時間を前記初期変位完了時間の長い方に設定してもよい。

また、本発明の発明者は、燃料電池スタックの締結方法について鋭意研究を行った結果、ガスケットやガス拡散層がセルの構成部材の中でも早期に熱クリープやへたりが発生する部材であり、早期荷重抜けに対して例えば９６％もの寄与度を占める部材であるとの知見を得た。

かかる知見に基づき、前記変位特性としては、前記セル内及び前記セル間に設けられて当該セル内及び当該セル間を流通する流体をシールするガスケットの初期クリープ特性及び／または前記セルの一構成部材であるガス拡散層の荷重変位特性を用いることが可能である。

本発明の燃料電池スタックの締結方法によれば、良好な出力及び耐衝撃性能を得ることが可能な燃料電池スタックを得ることができる。

本実施形態における燃料電池スタックの締結方法によって締結する燃料電池スタックの構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの構造例を示す側面図である。 経時による締結荷重の変動を示すグラフ図である。 ガスケットの時間とクリープとの関係を示すグラフ図である。 ガスケットの温度と初期クリープ完了時までの時間との関係を示すグラフ図である。 ガス拡散層の荷重変位特性を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態における燃料電池スタックの締結方法によって締結される燃料電池スタックの構造例を示す分解斜視図、図２は、燃料電池スタックの構造例を示す側面図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１は、複数のセル２を有しており、セル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタック１は、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。

なお、このような燃料電池スタック１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

セル２に含まれる電解質としては、膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）あるいは膜−電極−拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極−拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡともいう）３０を用いている（図１等参照）。

セル２は、ＭＥＧＡ３０、該ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１等においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＧＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＧＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＧＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２，３３と（図１参照）を含む。電解質膜３１は、各電極３２，３３よりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３４を残した状態で各電極３２，３３が例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＧＡ３０を構成する電極３２，３３は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材からなるガス拡散層で構成されている。一方の電極（アノード）３２には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３３には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＧＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

ガス拡散層は、電解質膜３１に供給される反応ガスを適度に拡散させるように形成されている層である。例えば本実施形態におけるガス拡散層は、電解質膜３１（および電極３２，３３）よりも小さく形成されている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２，３３側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路２１や水素ガスのガス流路２２、あるいは冷却水流路２３を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２側となる内側の面には水素ガスのガス流路２２が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路２３が形成されている（図１参照）。

同様に、セパレータ２０ｂの電極３３側となる内側の面には酸化ガスのガス流路２１が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路２３が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路２３が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路２２を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路２３を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路２２を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路２３を形成する凸形状（凸リブ）である。

さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路２１を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路２３を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路２１を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路２３を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド２１ａ、水素ガスの出口側のマニホールド２２ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド２３ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド２１ａ，２２ｂ，２３ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。

さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド２１ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド２２ａ、および冷却水の出口側のマニホールド２３ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド２１ｂ，２２ａ，２３ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド２２ａと出口側マニホールド２２ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路２２ｃおよび出口側の連絡通路２２ｄを介してそれぞれが水素ガスのガス流路２２に連通している。

同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド２１ａと出口側マニホールド２１ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路２１ｃおよび出口側の連絡通路２１ｄを介してそれぞれが酸化ガスのガス流路２１に連通している（図１参照）。

さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド２３ａと出口側マニホールド２３ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路２３ｃおよび出口側の連絡通路２３ｄを介してそれぞれが冷却水流路２３に連通している。

ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。
ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド２２ａから連絡通路２２ｃを通り抜けてガス流路２２に流入し、ＭＥＧＡ３０の発電に供された後、連絡通路２２ｄを通り抜けて出口側マニホールド２２ｂに流出することになる。

セパレータ２０ａ，２０ｂ間には、ガスケット２５ａ，２５ｂが設けられる（図１参照）。これらガスケット２５ａ，２５ｂは、例えば、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成される（図１参照）。これらのうち、ガスケット２５ａはＭＥＧＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ａのうちガス流路２２の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

また、ガスケット２５ｂは、ＭＥＧＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ｂのうちガス流路２１の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されたガスケット２５ｃが設けられている（図１参照）。このガスケット２５ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路２３の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路２３の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

続いて、燃料電池スタック１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池スタック１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を備え、当該セル積層体３の両端に位置するセル（端セル）２，２の外側に順次、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート（締結部材）８によって積層方向への所定の圧縮力（締結力）が加えられている。なお、本発明の締結部材は、テンションプレート８に限定されるものではなく、例えばタイロッド等の使用も可能である。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材であり、ポリカーボネート等の樹脂材料で板状に形成されている。エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。

テンションプレート８は両エンドプレート７，７間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート８は、各エンドプレート７，７にボルト等で固定され、単セル２の積層方向に所定の締結荷重を作用させた状態を維持する。

ところで、上記のような定寸構造の燃料電池スタック１では、セル積層体３の構成部材に、初期クリープや経時によるへたりが生じることがある。セル積層体３の構成部材に初期クリープやへたりが生じると、図３に示すように、初期締結荷重で締結されていた燃料電池スタックの締結荷重が早期に低下し、最低締結荷重を下回るおそれがある。すると、電極３２，３３での十分な面圧の確保が困難となり、出力や耐衝撃性能が低下してしまう。

このような早期での締結荷重の低下は、その殆どがガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃの初期クリープ及び電極３２，３３の一構成部材であるガス拡散層のへたりが原因となる。本実施形態では、かかる締結荷重の低下を抑制すべく、燃料電池スタック１の組み付けを次のように行う。

（変位特性の把握）
（１）ガスケットの初期クリープ特性の把握
図４に示すように、燃料電池スタック１を実際に運転させた場合にセル積層体３へ付与され得る最大荷重Ｎｍａｘを想定し、複数の環境温度の下で最大荷重Ｎｍａｘを付与した際における経過時間に対するガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃの厚み変化を測定する。図４では、代表例として、室温及び９０℃の場合でのガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃの厚みの変化を示している。

ガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、時間の経過とともに、その厚みが減少し、また、その厚みの減少の割合が変化する変化点が現れる。この変化点以降では、ガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃの厚みの減少が緩やかとなる。そこで、この変化点で初期クリープが完了したと判断する。このような変化点を様々な温度で測定する。その結果、この初期クリープ完了までの時間と環境温度との関係、すなわち、ガスケットの初期クリープ特性は、図５に示すような近似曲線で表されることになる。

（２）ガス拡散層の荷重変位特性の把握
図６に示すように、ガス拡散層に荷重を付与した際の変位量を測定し、その荷重と変位量との関係を割り出す。ここで、図６中Ａ，Ｂ，Ｃは、最大荷重Ｎｍａｘを付与して所定時間保持したときのガス拡散層の変位量であり、それぞれ最大荷重Ｎｍａｘでの保持時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを変化させている。保持時間は、Ｔｃ＞Ｔｂ＞Ｔａである。

（初期変位完了時間の算出）
ガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃの初期クリープ特性、すなわち、図５に基づいて、セル積層体３を締結する際の環境温度ｔにおける初期クリープが完了するまでのクリープ完了時間Ｔ１を求める。

さらに、ガス拡散層の荷重変位特性、すなわち、図６に基づいて、セル積層体３への締結荷重Ｎでの変位率が例えば３．５％以下となる荷重変位特性を選択し、その特性が得られたガス拡散層での最大荷重Ｎｍａｘの荷重保持時間Ｔ２を求める。ここで、締結荷重Ｎは、設計値として予め設定される締結荷重であり、燃料電池スタック１を締結する際にセル積層体３に付与する締結荷重である。また、変位率の３．５％は、へたりを判断するための閾値の一例であり、ガス拡散層の仕様に応じて適宜設定される。

例えば、保持時間Ｔｃのガス拡散層Ａにおける締結荷重Ｎでの変位率を求めるには、最大荷重Ｎｍａｘを付与した時の寸法Ｓ１（図６参照）と最大荷重Ｎｍａｘを付与したガス拡散層Ａへの荷重が締結荷重Ｎとなった際の寸法Ｓ２（図６参照）とから変位量ΔＳ（ΔＳ＝Ｓ１−Ｓ２）を求め、このΔＳから次式で変位率を算出する。そして、この変位率が３．５％以下であるかを判定する。

変位率＝（ΔＳ／Ｓ１）×１００（％）
次に、クリープ完了時間Ｔ１と荷重保持時間Ｔ２とを比較し、いずれか長い方の時間を選択し、その時間を初期変位完了時間Ｔとする。

（最大荷重の付与）
初期変位完了時間Ｔを設定したら、燃料電池スタック１を締結する際の環境温度ｔにおいて、セル積層体３に対して初期変位完了時間Ｔが経過するまで、最大荷重Ｎｍａｘを付与し続ける。

なお、クリープ完了時間Ｔ１が荷重保持時間Ｔ２よりも長い場合には、最大荷重Ｎｍａｘの付与時における環境温度ｔを高くし、Ｔ１を荷重保持時間Ｔ２に近づけても良い。このようにすると、クリープ完了時間Ｔ１と荷重保持時間Ｔ２との差を小さくし、最大荷重Ｎｍａｘを付与する初期変位完了時間Ｔを極力短くしてセル積層体３への影響を抑えることができる。

（締結荷重の付与）
セル積層体３に初期変位完了時間Ｔが経過するまで最大荷重Ｎｍａｘを付与し続けたら、その後、締結荷重Ｎを付与した状態で締結する。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池スタックの締結方法によれば、燃料電池スタック１の組立時にセル積層体３に最大締結荷重Ｎｍａｘを付与する時間として、セル２の構成部材の初期変位が完了するまでの時間を採用しているので、燃料電池スタック１の運転時に生じ得る早期の初期変位を締結時に予め終了させておくことできる。

これにより、セル積層体３における構成部材の初期クリープやへたりを抑え、早期に締結荷重が低下することによる出力や耐衝撃性能の低下を抑制することができる。つまり、良好な出力及び耐衝撃性能を得ることができる燃料電池スタック１の組立が可能となる。

特に、本実施形態のように、初期クリープが大きなガスケット２５ａ，２５ｂ，２５ｃや初期のへたりが大きなガス拡散層の変位特性に基づいて締結荷重を設定すれば、早期の締結荷重の低下を良好に抑えることができる。

１ 燃料電池スタック
２ セル
３ セル積層体
７ エンドプレート
８ テンションプレート（締結部材）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ ガスケット（構成部材）
３２，３３ 電極（ガス拡散層：構成部材）
Ｎ 締結荷重
Ｎｍａｘ 最大締結荷重
Ｔ 初期変位完了時間

Claims (1)

1. 複数のセルが積層されたセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、エンドプレート同士を連結して前記セル積層体に締結荷重を付与する締結部材とを有する燃料電池スタックを、前記セル内及び前記セル間に設けられて当該セル内及び当該セル間を流通する流体をシールするガスケットの初期クリープ特性及び／または前記セルの一構成部材であるガス拡散層の荷重変位特性に基づき締結する燃料電池スタックの締結方法であって、
   前記燃料電池スタックの運転中に前記セル積層体に付与され得る最大締結荷重の下で、前記ガスケットの厚みの減少の割合が変化する変化点までの時間として定義される初期クリープ完了までの時間及び／またはガス拡散層の荷重保持時間を求め、
   前記初期クリープ完了までの時間及び前記荷重保持時間のうち、いずれか長い方の時間の間、前記セル積層体に前記最大締結荷重を付与した後、設計値として予め設定された締結荷重で前記セル積層体を締結する燃料電池スタックの締結方法。

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