JP6265067B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。

特許文献１には、燃料電池のバイポーラプレート（セパレータプレート）に対して、プレス加工またはスタンピングにより凸部を形成し、該凸部によりばねシール構造を形成し、２つのセル（発電ユニット）間をシールする燃料電池スタックが記載されている。

特開２００８−５４７１８３号公報

発電ユニットを構成する部品点数は多く、それぞれがスタックの積層方向の厚さに対して公差を有している。そのため、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）における厚さと、シール部における厚さは、必ずしも一致しない。その結果、発電ユニットを積層して燃料電池スタックを形成する場合、シール性能を確保したときの圧縮量がばらつくおそれがある。また、圧縮量を大きくしたときには、大きな締結荷重がかかる。大きな締結荷重に対抗するために、燃料電池スタックの締結部品の強度、体格を大きくすると、コスト、質量が大きくなる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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、燃料電池スタックの製造方法が提供される。この製造方法は、（ｉ）少なくとも一方のセパレータプレートにばねシール部を有する一対のセパレータプレートを形成する工程と、（ｉｉ）前記一対のセパレータプレートを用いて発電ユニットを形成する工程と、（ｉｉｉ）前記発電ユニットを積層して燃料電池スタックを形成する工程と、を備え、前記工程（ｉｉ）と同時、又は、前記工程（ｉｉ）と（ｉｉｉ）との間において、前記ばねシール部を塑性変形させる工程を有する。この形態の製造方法によれば、燃料電池スタックを形成する前にばねシール部を塑性変形させるので、燃料電池スタック形成時に、シール位置まで圧縮したときにセパレータプレートにかかる荷重を、ばねシール部を塑性変形させない場合においてかかる荷重よりも、小さく出来る。その結果、燃料電池スタックの締結部品の強度、体格を大きくしなくてもよい。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックの製造方法が提供される。この製造方法は、（ｉ）少なくとも一方のセパレータプレートにばねシール部を有する一対のセパレータプレートを形成する工程と、（ｉｉ）前記一対のセパレータプレートを用いて発電ユニットを形成する工程と、（ｉｉｉ）前記発電ユニットを積層して燃料電池スタックを形成する工程と、を備え、前記工程（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）と同時、又は、前記工程（ｉｉ）と（ｉｉｉ）との間において、前記ばねシール部を塑性変形させる工程を有する。この形態の製造方法によれば、燃料電池スタックを形成すると同時に、又は燃料電池スタックを形成する前にばねシール部を塑性変形させるので、燃料電池スタック形成時に、シール位置まで圧縮したときにセパレータプレートにかかる荷重を、ばねシール部を塑性変形させない場合においてかかる荷重よりも、小さく出来る。その結果、燃料電池スタックの締結部品の強度、体格を大きくしなくてもよい。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法の他、燃料電池スタック、燃料電池用セパレータプレートの製造方法等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。 発電ユニットを積層方向の一方の側から見た図である。 燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。 本実施形態における燃料電池スタックの製造工程を示すフローチャートである。 塑性変形を示す説明図である。 受部における変形量と荷重との関係を示す説明図である。 ばねシール部の構成の変形例を示す説明図である。

図１は、燃料電池スタック１０の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１０は、発電ユニット１００（「単セル」とも呼ぶ）と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０、２４０と、を備える。発電ユニット１００は、複数有り、積層されている。ターミナルプレート２００、２１０は、積層された発電ユニット１００の両側にそれぞれ配置されており、発電ユニット１００からの電圧、電流を取り出すために用いられる。絶縁プレート２２０は、ターミナルプレート２００の外側に配置されている。なお、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０が搭載される車両のボディとの固定場所によっては、ターミナルプレート２１０の外側に絶縁プレートを配置する構成であってもよい。エンドプレート２３０、２４０は、発電ユニット１００と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、を締結するために燃料電池スタック１０の両側に配置される。

発電ユニット１００と、ターミナルプレート２００と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０とは、それぞれ複数の開口部を有しており、これらの開口部が連通してマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５が形成されている。マニホールド３１０は、発電ユニット１００に酸化剤ガスを供給するために用いられるので、酸化剤ガス供給マニホールド３１０とも呼ぶ。以下、マニホールド３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、それぞれの役割から、「酸化剤ガス排出マニホールド３１５」、「燃料ガス排出マニホールド３２０」、「燃料ガス供給マニホールド３２５」、「冷媒供給マニホールド３３０」、「冷媒排出マニホールド３３５」とも呼ぶ。

図２は、発電ユニット１００を積層方向の一方の側から見た図である。図２においては、第１のセパレータプレート１５０が見えている。第１のセパレータプレート１５０は、マニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５を形成するための開口部１５０１〜１５０６を備えている。開口部１５０１〜１５０４の周りを囲うようにシールライン１８０が形成され、さらに、開口部１５０５、１５０６と第１のセパレーター１５０の内部を囲うようにシールライン１８２が形成されている。

図３は、燃料電池スタック１０の製造工程を示す説明図である。なお、図３は、図２の３Ａ−３Ｂ切断線で切ったときの断面を示している。まず、膜電極ガス拡散層接合体１１０（「ＭＥＧＡ１１０」とも呼ぶ）と、一対のセパレータプレート１５０、１６０と、が準備される。ＭＥＧＡ１１０は、触媒層接合電解質膜１２０（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ、以下「ＣＣＭ１２０」と呼ぶ。）と、ガス拡散層１３０、１３２と、を備える。ＣＣＭ１２０は、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ塗工された触媒層とを備えている。ＣＣＭ１２０は、ＣＣＭ１２０の両面には、それぞれガス拡散層１３０、１３２と、が配置される。ガス拡散層１３０、１３２は、導電性を有する部材、例えば、カーボンペーパー、カーボン不織布により形成されている。ガス拡散層１３０、１３２は、金属製の多孔体、エキスパンドメタルを含んでいても良い。ＭＥＧＡ１１０の外縁は、樹脂製の補強フレーム１４０により囲われている。

第１のセパレータプレート１５０は、略長方形をした金属製の板状部材であり、例えば、プレス加工により形成される。第１のセパレータプレート１５０は、シールライン形成用凸部１５２（以下、単に「凸部１５２」と呼ぶ）と、凸部１５３と、ばね支点部１５４と、流路形成部１５６と、を備える。凸部１５２と凸部１５３は、いずれも、発電ユニット１００の積層方向の外側（図４では上側）に凸となる形状を有している。凸部１５２は、凸部１５３の上に形成されている。ばね支点部１５４は、凸部１５３の両側に設けられている。ばね支点部１５４の３Ｂ側（図３の右側）には、流路形成部１５６が設けられている。ばね支点部１５４から凸部１５２の頂部までの高さは、ばね支点部１５４から流路形成部１５６の頂部までの高さよりも高い。

第２のセパレータプレート１６０は、略長方形をした金属製の板状部材であり、例えば、プレス加工により形成される。第２のセパレータプレート１６０は、シールライン形成用受部１６２（以下、単に「受部１６２」と呼ぶ）と、ばね支点部１６４と、流路形成部１６６と、を備える。受部１６２は、発電ユニット１００の積層方向の外側（図４では下側）に凸となる形状を有している。ばね支点部１６４は、受部１６２の両側に設けられている。ばね支点部１５４の４Ｂ側（図４の右側）には、流路形成部１５６が設けられている。ばね支点部１６４から受部１６２の頂部までの高さＨ１は、ばね支点部１６４から流路形成部１６６の頂部までの高さＨ２よりも高い。または、(ぱね支点部１５４から凸部１５２の頂部までの高さＨ３)＋(ばね支点部１６４から受部１６２の頂部までの高さＨ１)＞（ばね支点部１５４から流路形成部１５６の頂部までの高さＨ４）＋（ばね支点部１６４から流路形成部１６６の頂部までの高さＨ２)の関係を満たすように、凸部１５２の頂部の高さ、流路形成部１５６の頂部の高さ、受部１６４の頂部の高さ、流路形成部１６６の頂部の高さが設定されればよい。なお、この高さの関係は圧縮前の関係である。受部１６２の頂部には、ゴムシート１７０が配置されている。

ＭＥＧＡ１１０及び補強フレーム１４０に、第１、第２のセパレータプレート１５０、１６０が接合されて、発電ユニット１００が形成される。図３（Ｂ）に示すように、補強フレーム１４０と、ばね支点部１５４とが接触し、ガス拡散層１３０に流路形成部１５６が接触するように、第１のセパレータプレート１５０が配置される。このとき、凸部１５２と凸部１５３は、補強フレーム１４０から離れた状態である。凸部１５２と、凸部１５３と、補強フレーム１４０とに囲われた空間１５５は、発電ユニット１００の締結時に変形可能な変形可能空間である。流路形成部１５６と、ガス拡散層１３０との間に、第１のガス流路１９０が形成されている。

また、補強フレーム１４０と、ばね支点部１６４とが接触し、ガス拡散層１３２に流路形成部１６６が接触するように、第２のセパレータプレート１６０が配置される。このとき、受部１６２は、補強フレーム１４０から離れた状態である。受部１６２と、補強フレーム１４０とに囲われた空間１６５は、発電ユニット１００の締結時に変形可能な変形可能空間である。流路形成部１６６と、ガス拡散層１３２との間に、第２のガス流路１９２が形成されている。

次に、図３（Ｃ）に示すように、第１のセパレータプレート１５０の凸部１５２と第２のセパレータプレート１６０の受部１６２とが対向し、第１のセパレータプレート１５０の流路形成部１５６と、第２のセパレータプレート１６０の流路形成部１６６とが対向するように、発電ユニット１００が積層配置される。このとき、流路形成部１５６と、流路形成部１６６と、が接触し、流路形成部１５６と流路形成部１６６との間に冷媒流路１９４が形成される。また、第１のセパレータプレート１５０の凸部１５２と第２のセパレータプレート１６０の受部１６２とが接触する。この状態で締結荷重が掛けられると、図３（Ｃ）に示すように、凸部１５２、１５３は、受部１６２によって押され、ばね支点部１５４を支点として、補強フレーム１４０の方に変形する。また、受部１６２は、凸部１５２、１５３によって押され、ばね支点部１６４を支点として、補強フレーム１４０の方に変形する。この状態では、凸部１５２は、ゴムシート１７０を挟んで受部１６２に押されており、第１のセパレータプレート１５０と第２のセパレータプレート１６０との間にシールライン１８２を形成する。なお、締結荷重がかけられなくなると、凸部１５２、１５３と、受部１６２は、図３（Ｂ）に示す状態に戻る。このように、凸部１５２、１５３は、ばね支点部１５４を支点としたばねのように振る舞うので、ばねシール部とも呼ぶ。また、受部１６２は、ばね支点部１６４を支点としたばねのように振る舞うので、ばねシール部とも呼ぶ。

図４は、本実施形態における燃料電池スタックの製造工程を示すフローチャートである。本実施形態では、発電ユニット１００の形成後、ばねシール部（凸部１５２、１５３、あるいは受部１６２）少なくとも一方を塑性変形させる。

ステップＳ１００では、補強フレーム１４０を有するＭＥＧＡ１１０と、第１、第２のセパレータプレート１５０、１６０と、が準備される。このステップＳ１００は、図３（Ａ）で説明したように行われる。ステップＳ１１０では、補強フレーム１４０を有するＭＥＧＡ１１０と、第１、第２のセパレータプレート１５０、１６０と、が接合される。このステップＳ１１０は、図３（Ｂ）で説明したように行われる。

ステップＳ１２０では、第１、２のセパレータプレート１５０、１６０の少なくとも一方を塑性変形させる。なお、塑性変形させる部位は、第１のセパレータプレート１５０では、凸部１５２と凸部１５３のいずれか、または両方であり、第２のセパレータプレート１６０では、受部１６２である。図３（Ｃ）に示すのと同様に、発電ユニット１００を積層し、圧縮して荷重をかける。このとき、燃料電池スタック１０を形成するときと同等又はそれよりも圧縮量を多くし、降伏点を越えて圧縮することで、塑性変形させる。

図５は、塑性変形を示す説明図である。本実施形態では、燃料電池スタック１０を形成するときと同等またはそれよりも多く発電ユニット１００を圧縮することにより、塑性変形を実現する。図５（Ａ）は、複数の発電ユニット１００が配置された状態を示している。図５（Ｂ）では、燃料電池スタック１０を形成するときと同等またはそれよりも多く発電ユニット１００を圧縮する。このとき、受部１６２は、凸部１５２により押され、弓状に変形する。このときの受部１６２の変形量が境界（Ｌ３）を超えると、受部１６２は、塑性変形する。変形量が境界を超える点を降伏点とも呼ぶ。なお、Ｌ３の値は、受部１６２の大きさ、形状に依存する。一旦塑性変形すると、荷重を抜いても、受部１６２は、図５（Ｃ）に示すように、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の中間の状態（Ｌ２だけ変形した状態）までしか戻らず、図５（Ａ）に示す元の状態には戻らない。また、凸部１５２、１５３についても、受部１６２に押され、補強フレーム１４０側に変形する。このときの受部１６２の変形量が境界を超えると、凸部１５２、１５３は、塑性変形する。凸部１５２、１５３は、図５（Ｃ）に示すように、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の中間の状態にしか戻らず、図５（Ａ）に示す元の状態には戻らない。

図６は、受部１６２における変形量と、荷重との関係を示す説明図である。横軸は、受部１６２の変形量であり、図５（Ａ）に示す状態における変形量を０としている。縦軸は、受部１６２にかかる荷重である。塑性変形前では、変形量を０のときの荷重は０であり、変形量がＬ３までは、変形量に比例した荷重がかかる。この間の変形は、弾性変形である。変形量が大きくなってＬ３に達すると、受部１６２は、降伏し、塑性変形する。一旦Ｌ１まで変形させ塑性変形すると、荷重を０に戻しても、元の形状には戻らず、Ｌ２の変形が残る。ただし、塑性変形後であっても、変形量がＬ２からＬ１までの間では、変形量に比例して荷重が増加する弾性変形する。図６では、第２のセパレータプレート１６０の受部１６２における変形量と、荷重との関係を説明したが、第１のセパレータプレート１５０の凸部１５２、１５３における変形量と、荷重との関係についても同様である。

図４のステップＳ１３０では、燃料電池スタックを締結する。具体的には、発電ユニット１００を積層し、受部１６２の変形量がＬ２〜Ｌ１の間のＬ４（図６）となるように圧縮する。このときの荷重は、Ｆ２であり、シールに必要な最低荷重Ｆｍｉｎよりも大きな荷重がかかっている。そのため、ガスや冷媒がリークすることはない。また、荷重Ｆ２は、塑性変形前においてＬ４まで圧縮したときにかかる荷重Ｆ３よりも小さい。したがって、受部１６２を塑性変形することにより、燃料電池スタック１０の形成時に受部１６２を同じＬ２だけ変形（圧縮）しても、荷重が小さくて済む。その結果、燃料電池スタック１０の締結部品の強度、体格を大きくする必要がなくなり、燃料電池スタック１０の製造コストを低減し、燃料電池スタック１０の質量を低減できる。凸部１５２、１５３についても同様に、塑性変形させることにより、凸部１５２、１５３を同じだけ変形（圧縮）しても、荷重が小さくて済む。

図７は、ばねシール部の構成の変形例を示す説明図である。図７（Ａ）の構成は、第２のセパレータプレートの受部１６２をばね支点部１６４と同一平面としたものである。この構成では、第２のセパレータプレート１６０の受部１６２は、補強フレーム１４０と接しており、凸部１５２により押圧されても変形しない。そのため、第１のセパレータプレート１５０の凸部１５２、１５３を塑性変形させ、受部１６２を塑性変形させないようにできる。なお、受部１６２が凸形状で無くなった分、凸部１５２、１５３の高さを高くしても良い。

図７（Ｂ）の構成は、第１のセパレータプレート１５０の凸部１５３を設けずに、ばね支点部１５４を凸部１５２側に広げている。そのため、凸部１５２の両側にばね支点部１５４が配置されている。この構成の場合、凸部１５３がないため、第１のセパレータプレート１５０は変形し難く、第２のセパレータプレート１６０の受部１６２のみが変形し、塑性変形する。このように、セパレータプレート１５０、１６０の形状により、いずれか一方のセパレータプレートのみを塑性変形させても良く、本実施形態で説明したように、両方のセパレータプレート１５０、１６０を塑性変形させても良い。

図７（Ｃ）の構成は、凸部１５２の頂部にゴムシート１７２を設け、受部１６２のゴムシート１７０を無くした構成である。このような構成であっても、凸部１５２は、ゴムシート１７２を挟んで受部１６２に押圧されており、第１のセパレータプレート１５０と第２のセパレータプレート１６０との間にシールライン１８２が形成される。

図７（Ｄ）の構成は、受部１６２にゴムシート１７０を設けることに加え、凸部１５２の頂部にゴムシート１７２を設けた構成である。このような構成であっても、凸部１５２は、ゴムシート１７０、１７２を挟んで受部１６２に押圧されており、第１のセパレータプレート１５０と第２のセパレータプレート１６０との間にシールライン１８２が形成される。このように、ゴムシートは、凸部１５２と受部１６２の少なくとも一方にあればよい。

上記説明では、シールライン１８２を例にとり説明したが、シールライン１８０についても同様の構成であってもよい。

上記説明では、複数の発電ユニット１００を積層し、通常よりも多く圧縮することで、第１、第２のセパレータプレート１５０、１６０のばねシール部（凸部１５２、１５３、受部１６２）を塑性変形させていたが、燃料電池スタック１０を組み立てる前に、発電ユニット１００を、例えば圧縮装置を用いて圧縮し、塑性変形させても良い。この場合、流路形成部１５６、１６６の部分は圧縮せず、ばねシール部（凸部１５２、１５３、受部１６２）に対応する部分のみを圧縮しても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック
１００…発電ユニット
１１０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１２０…触媒層接合電解質膜（ＣＣＭ）
１３０、１３２…ガス拡散層
１４０…補強フレーム
１５０…第１のセパレータプレート
１５２…シールライン形成用凸部（凸部）
１５３…凸部
１５４…ばね支点部
１５５…空間
１５６…流路形成部
１６０…第２のセパレータプレート
１６２…シールライン形成用受部（受部）
１６４…ばね支点部
１６５…空間
１６６…流路形成部
１７０、１７２…ゴムシート
１８０、１８２…シールライン
１９０…第１のガス流路
１９２…第２のガス流路
１９４…冷媒流路
２００、２１０…ターミナルプレート
２２０…絶縁プレート
２３０…エンドプレート
３１０…酸化剤ガス供給マニホールド
３１５…酸化剤ガス排出マニホールド
３２０…燃料ガス排出マニホールド
３２５…燃料ガス供給マニホールド
３３０…冷媒供給マニホールド
３３５…冷媒排出マニホールド
１５０１〜１５０６…開口部

Claims (1)

1. 燃料電池スタックの製造方法であって、
   （ｉ）少なくとも一方のセパレータプレートにばねシール部を有する一対のセパレータプレートを形成する工程と、
   （ｉｉ）前記一対のセパレータプレートを用いて発電ユニットを形成する工程と、
   （ｉｉｉ）前記発電ユニットを積層して燃料電池スタックを形成する工程と、
   を備え、
   前記工程（ｉｉ）と同時、又は、前記工程（ｉｉ）と（ｉｉｉ）との間において、前記ばねシール部を塑性変形させる工程を有する、燃料電池スタックの製造方法。

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