JP6341063B2 - Manufacturing method of fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell stack.
複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、積層方向に沿った燃料電池本体の外周面の外側に設けられたテンションプレートと、燃料電池本体の外周面とテンションプレートとの間に配置される、低摩擦特性、緩衝特性及び絶縁特性を有する介在層とを備える燃料電池スタックが開示されている(例えば、特許文献1参照)。介在層としては、例えば発泡性の樹脂やゴムが例示されている。 A fuel cell body including a stack formed by stacking a plurality of fuel cell single cells along the stacking direction; a tension plate provided outside the outer peripheral surface of the fuel cell body along the stacking direction; and a fuel There has been disclosed a fuel cell stack including an intervening layer having a low friction characteristic, a buffer characteristic and an insulating characteristic, which is disposed between an outer peripheral surface of a battery main body and a tension plate (see, for example, Patent Document 1). Examples of the intervening layer include foamable resin and rubber.
特許文献1の燃料電池スタックの製造方法としては、特許文献1には具体的に明示されていないが、積層方向に沿った燃料電池本体の外周面上に介在層を配置し、その介在層上にテンションプレートを配置する方法が考え得る。すなわち、燃料電池本体の外周面上にそれぞれ介在層を配置し、続いて、各介在層の上にテンションプレートを配置し、その後、各テンションプレート同士を接続する方法である。この場合、板状のテンションプレートで燃料電池本体を囲むため、水密性を確保するためにテンションプレート間に挿入するガスケットや、テンションプレート同士を接続するためのボルトのような部材が必要であり、製造コストが増加し生産性が低下する。それに対処すべく検討を行った結果、発明者らは、テンションプレートの代わりに箱型のケースを用意し、外周面に介在層を配置された燃料電池本体をケースに収めることで、水密性を確保しつつ、製造コストの低減や生産性の向上が可能であることを見出した。ここで、介在層の機能、特に緩衝特性を発揮させるためには、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に圧縮状態で介在層を配置する必要がある。しかし、燃料電池本体をケースに収める形態の場合、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に圧縮状態で介在層を配置することは極めて困難である。燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層を配置可能な技術が望まれる。
Although the method for manufacturing the fuel cell stack of
本発明によれば、複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、前記積層方向に沿い前記燃料電池本体を囲む四つの側壁と少なくとも一つの開口とを有し、前記燃料電池本体が収容されるケースと、前記燃料電池本体と前記ケースとの間に配置され、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層とを備える燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池本体が前記ケースに収容されたときの、前記積層方向に沿った前記燃料電池本体の外周面と前記外周面に対向する前記ケースの前記側壁の内周面との距離よりも大きい厚みを有する前記介在層を、前記外周面のうちの向かい合う二つの面にそれぞれ配置する工程と、前記向かい合う二つの面に配置された介在層を、前記介在層の厚みが前記距離よりも小さくなるように、前記介在層の前記積層方向の一端から他端までローラで潰す工程と、前記介在層の厚みが前記距離にまで膨らむ前に、前記ケースを前記燃料電池本体に対して相対移動させながら、前記開口を介して前記燃料電池本体を前記ケースに収容する工程と、を備える、燃料電池スタックの製造方法が提供される。 According to the present invention, a fuel cell main body including a stack formed by stacking a plurality of fuel cell single cells along the stacking direction, four side walls surrounding the fuel cell main body along the stacking direction, and at least A case in which the fuel cell main body is accommodated, and an intervening layer disposed between the fuel cell main body and the case and having a restoring force to return to the original dimensions when deformed A fuel cell stack manufacturing method comprising: an outer peripheral surface of the fuel cell main body along the stacking direction when the fuel cell main body is accommodated in the case; A step of disposing the intervening layer having a thickness larger than the distance from the inner peripheral surface of the side wall on each of the two opposing surfaces of the outer peripheral surface; and an interposition disposed on the two opposing surfaces Crushing with a roller from one end to the other end in the stacking direction of the intervening layer so that the thickness of the intervening layer is smaller than the distance, and before the thickness of the intervening layer swells to the distance, And a step of accommodating the fuel cell main body in the case through the opening while moving the case relative to the fuel cell main body.
燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層を配置することができる。 An intervening layer can be appropriately disposed between the outer peripheral surface of the fuel cell main body and the inner peripheral surface of the case.
実施例に係る燃料電池スタックAについて説明する。図1及び図2は、燃料電池スタックAの概略断面図である。ただし、図1は図2のE1−E1断面図であり、図2は図1のE2−E2断面図である。燃料電池スタックAは、燃料電池本体1と、燃料電池本体1が収容されるケース2と、燃料電池本体1とケース2との間に配置される介在層3とを備える。
The fuel cell stack A according to the example will be described. 1 and 2 are schematic sectional views of the fuel cell stack A. FIG. However, FIG. 1 is an E1-E1 sectional view of FIG. 2, and FIG. 2 is an E2-E2 sectional view of FIG. The fuel cell stack A includes a fuel cell
燃料電池本体1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され電気化学反応により電力を発生する。燃料電池本体1は、積層体11と、ターミナルプレート12と、エンドプレート14と、絶縁プレート13とを備える。積層体11は、複数の燃料電池単セルを積層方向Sに沿って積層することにより形成される。ターミナルプレート12は、積層体11の積層方向Sの両端部に配置される。エンドプレート14は、ターミナルプレート12の積層方向Sの外側に配置される。絶縁プレート13は、ターミナルプレート12とエンドプレート14との間に配置される。ターミナルプレート12、エンドプレート14及び絶縁プレート13は、積層方向Sに垂直な断面でみると、それぞれ長方形状をなしている。そのとき、ターミナルプレート12及び絶縁プレート13は互いにほぼ同じ大きさである。一方、エンドプレート14はターミナルプレート12及び絶縁プレート13とほぼ同じ大きさか又はこれらよりもわずかに大きい。ターミナルプレート12及びエンドプレート14は導電性材料から形成され、絶縁プレート13は電気絶縁性材料から形成される。
The
ケース2は、燃料電池本体1を圧縮状態で収容し、燃料電池本体1を拘束する。ケース2は、ケース本体22と、蓋プレート21とを備える。ケース本体22は、その内部に燃料電池本体1を収容可能である。ケース本体22は、ほぼ直方体であり、積層方向Sに沿い燃料電池本体1を囲む四つの側壁22aと底壁22bとを有し、底壁22bに対向して開口を有する。ケース本体22の内部における底面の広さは、燃料電池本体1の積層方向Sに垂直な断面よりもやや大きい。ケース本体22の内部における積層方向Sの長さ、すなわち深さは、燃料電池本体1が積層方向Sに圧縮されたときの積層方向Sの長さと同じかやや長い。蓋プレート21は、ケース本体22の蓋であり、ケース本体22に締結部材(図示せず)で締結される。ケース本体22及び蓋プレート21は、ステンレスやアルミニウムのような金属で形成される。
The
ケース本体22内に燃料電池本体1が収容されて蓋プレート21が閉じられ、ケース本体22と蓋プレート21とが締結部材で締結されると、燃料電池本体1は蓋プレート21とケース本体22の底壁22bとにより両側から積層方向S内向きに押されて、拘束される。その結果、燃料電池本体1の両側のエンドプレート14、14が積層方向S内向きに互いに近づく。したがって、積層体11、ターミナルプレート12、絶縁プレート13及びエンドプレート14が積層方向Sに関し互いに密着される。このとき、積層方向Sに沿った燃料電池本体1の外周面1aと外周面1aに対向するケース2の側壁22aの内周面2aとの間に距離Dの隙間が形成される。その隙間に介在層3が配置される。
When the fuel cell
なお、ケース本体22の深さが圧縮状態の燃料電池本体1の積層方向Sの長さよりやや長いときには、例えば、ケース本体22の底壁22bの外側からボルトが締め込まれることで、底壁22bの内側から突き出したボルトが燃料電池本体1のエンドプレート14を押して燃料電池本体1を拘束する。図示しない別の実施例では、燃料電池本体1がケース2に収容されると、蓋プレート21とそれに接するエンドプレート14とが締結部材で締結され、ケース本体22の底壁22bとそれに接するエンドプレート14とが締結部材で締結されることで、ケース2と燃料電池本体1とが締結される。
When the depth of the
燃料電池スタックAの積層方向Sの一端に位置する蓋プレート21、ターミナルプレート12、絶縁プレート13及びエンドプレート14は、これら蓋プレート21、ターミナルプレート12、絶縁プレート13及びエンドプレート14を積層方向Sに貫通して燃料電池スタックAの外部から積層体11に到る複数の流通路(図示せず)を備える。これら流通路には、水素のような燃料ガスを積層体11に供給する供給路、燃料ガスを積層体11から排出する排出路、空気のような酸化剤ガスを積層体11に供給する供給路、酸化剤ガスを積層体11から排出する排出路、冷却水を積層体11に供給する供給路、及び冷却水を積層体11から排出する排出路が含まれる。
The
燃料電池単セルはそれぞれアノード極及びカソード極(図示せず)を有し、アノード極は一側に隣接する燃料電池単セルのカソード極に電気的に接続され、カソード極は他側に隣接する燃料電池単セルのアノード極に電気的に接続される。積層体11の一端のアノード極は一方のターミナルプレート12に電気的に接続され、他端のカソード極は他方のターミナルプレート12に電気的に接続される。燃料電池単セルは、燃料電池単セルに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セルで発生した電力は、ターミナルプレート12から燃料電池スタックAの外部に到る複数の配線を介して燃料電池スタックAの外部に取り出される。燃料電池スタックAから取り出された電力は例えば車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。エンドプレート14及びケース2は接地されている。なお、これらの電気的な構成については、図示を省略している。
Each single fuel cell has an anode electrode and a cathode electrode (not shown), and the anode electrode is electrically connected to the cathode electrode of the fuel cell unit cell adjacent to one side, and the cathode electrode is adjacent to the other side. It is electrically connected to the anode electrode of the single fuel cell. The anode electrode at one end of the laminate 11 is electrically connected to one
介在層3は、燃料電池本体1に加わる衝撃を吸収し、燃料電池本体1の位置ずれを抑制し、燃料電池本体1とケース2とを電気的に絶縁する部材である。介在層3は、燃料電池本体1とケース2との間、すなわち積層方向Sに沿った燃料電池本体1の外周面1aと外周面1aに対向するケース2の側壁22aの内周面2aとの間に配置され、かつ、外周面1aのうちの二組の向かい合う二つの面にそれぞれ配置される。また、積層方向Sの断面(例えば図1)で見た場合、介在層3は、積層方向Sに沿って燃料電池本体1の一端から他端に亘って設けられる。一方、積層方向Sと垂直な断面(例えば図2)で見た場合、介在層3は、少なくとも燃料電池本体1の四つの角部Cnの近傍に、すなわち少なくともケース2の四つの角部の近傍に設けられる。
The intervening
図2に示す実施例では、外周面1aのうちの向かい合う二つの面1a−1、1a−2には、それぞれの一方の角部Cnの近傍に一対の介在層3−1a、3−1bが配置され、それぞれの他方の角部Cnの近傍に他の一対の介在層3−2a、3−2bが配置される。また、外周面1aのうちの向かい合う二つの面1a−3、1a−4には、それぞれの一方の角部Cnの近傍に一対の介在層3−3a、3−3bが配置され、それぞれの他方の角部Cnの近傍に他の一対の介在層3−4a、3−4bが配置される。図示しない別の実施例では、外周面1aの一つの面につき、角部近傍の二枚ではなく、ほぼ全面を覆う一枚の介在層3が配置される。
In the embodiment shown in FIG. 2, a pair of intervening layers 3-1a and 3-1b are provided in the vicinity of one corner Cn on the two opposing
介在層3を、積層方向Sの断面(図1)で見た場合、積層方向Sに沿って燃料電池本体1の一端から他端に亘って設けるのは、積層方向Sに垂直な方向の力が加わったとき、各燃料電池単セルが位置ずれするのを抑制するためであり、特に位置ずれし易い積層体11の中央部を確実に保持するためである。また、介在層3を、積層方向Sと垂直な断面(図2)で見た場合、少なくともケース2の四つの角部に設けるのは、燃料電池単セルが位置ずれしようとするとき介在層3に掛かる力をケース2で支持する場合、少なくとも剛性の高いケース2の角部で支持することで介在層3に掛かる力を安定的に支持できるからである。また、介在層3を、外周面1aのうちの向かい合う二つの面に対になるようにそれぞれ配置するのは、介在層3を介して燃料電池本体1の両側から均等に燃料電池本体1を拘束する力や介在層3を押し潰す力を付与するためである。
When the intervening
介在層3は、電気的絶縁性及び復元力を有する。復元力とは、外力により寸法が変化したとき、元の寸法に戻ろうとする力である。介在層3の材料としては、電気的絶縁性及び復元力を有していれば特に限定されず、例えば、樹脂の弾性材に例示される。介在層3は、好ましくはダイラタント的特性を更に有する。ダイラタント的特性とは、ゆっくりとした入力荷重には流動性を示し、ゆっくり変形し、急激な入力荷重には固体のように振る舞い、ほとんど変形しない性質をいう。その場合、介在層3の材料としては、上記特性に加えてダイラタント的特性を更に有していれば特に限定されず、例えば、樹脂と固形物との混合物が挙げられる。具体的には、シリコーンオイルとホウ酸の混合物が例示される。また、ダウコーニング社のダウコーニング3179(ダウコーニングは登録商標)や、Wacker GmbH社のM48、M49のような製品を用いることもできる。また、シリコーン樹脂(ゲルを含む)とシリカとの混合物を用いることもできる。図1及び図2及び以下に示す実施例では、介在層3が電気的絶縁性及び復元力に加えてダイラタント的特性を更に有する場合について説明する。
The intervening
介在層3としては、荷重ゼロの状態では、燃料電池本体1の外周面1aとケース2の側壁22aの内周面2aとの距離Dよりも大きい厚みを有するものが用いられる。そして、外周面1aに配置された介在層3が潰されてその厚みが距離Dよりも小さくなり、その厚みが距離Dにまで膨らむ前に燃料電池本体1がケース2に収容されることで、介在層3に影響されずに燃料電池本体1がケース2に収容される。この場合、介在層3は、その後にその復元力により距離Dと同じ厚みに回復するが、本来の厚みが距離Dよりも大きいので、本来の厚みを回復することなく圧縮状態で燃料電池本体1の外周面1aとケース2の側壁22aの内周面2aとの間に配置される。介在層3が圧縮状態で配置されることで、燃料電池本体1に加わる衝撃が吸収し易くなり、燃料電池本体1の位置ずれがより抑制される。
As the
介在層3にダイラタント的特性を有する材料を用いることが好ましい理由は以下のとおりである。
The reason why it is preferable to use a material having a dilatant characteristic for the
燃料電池スタックAが車両に搭載される場合、車両の衝突などで急激な衝撃を受けることがある。燃料電池スタックAが急激な衝撃を受けると、燃料電池本体1には積層方向Sに平行及び垂直な方向の力が加わる。このうちの積層方向Sに垂直な方向の力により、積層体11の各燃料電池単セルは元の位置から力の方向にずれようとする。特に各燃料電池単セルのうち、積層方向Sにおける中央部に位置する燃料電池単セルは、両端の燃料電池単セルに比べて、積層方向Sに垂直な方向に移動しやすいので、より大きくずれようとする。ここで、積層体11における積層方向Sに垂直な方向の側の外周面1aには、ダイラタント的特性を有する介在層3が配置されている。そのため、車両の衝突時の衝撃で各燃料電池単セルが急激にずれようとしたとき、介在層3は急激な変化を受けて、固体のように振る舞う。その結果、介在層3は、積層体11における各燃料電池単セルの位置ずれの発生を抑制し、位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生を抑制できる。
When the fuel cell stack A is mounted on a vehicle, a sudden impact may occur due to a vehicle collision or the like. When the fuel cell stack A receives a sudden impact, a force in a direction parallel to and perpendicular to the stacking direction S is applied to the fuel cell
一方、車両の衝突などではなく、例えば、積層体11の燃料電池単セルの熱膨張などに起因して各燃料電池単セルが積層方向Sに垂直な方向にゆっくりと変形することがある。ここで、積層体11における積層方向Sに垂直な方向の側の外周面1aには、ダイラタント的特性を有する介在層3が配置されている。そのため、熱膨張などで燃料電池単セルがゆっくりと変形するとき、介在層3はゆっくりとした変化を受けて、流動的に変化する。その結果、介在層3は、燃料電池単セルの変形によって生じた燃料電池単セルと介在層3との隙間を埋めるように変形する。このように、燃料電池単セルと介在層3との隙間の発生が抑制されるので、車両の衝突時に燃料電池単セルが急激にずれようとしても、介在層3によりずれが抑えられ、それにより燃料電池単セルの位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生が抑制される。
On the other hand, each fuel cell single cell may be slowly deformed in a direction perpendicular to the stacking direction S due to, for example, thermal expansion of the fuel cell single cell of the stacked
次に、実施例に係る燃料電池スタックAの製造方法について説明する。図3〜図5、図7〜図11は、燃料電池スタックAの各製造工程を示す概略断面図である。 Next, a method for manufacturing the fuel cell stack A according to the embodiment will be described. 3 to 5 and 7 to 11 are schematic cross-sectional views showing each manufacturing process of the fuel cell stack A.
まず、ケース2の蓋プレート21を固定治具(図示せず)に保持する。そして、図3に示すように、保持された蓋プレート21に燃料電池本体1を荷重Pで押し付ける。それにより、燃料電池本体1は、蓋プレート21に接する側、すなわち蓋プレート21側と、蓋プレート21側の反対側とから荷重Pで圧縮される。本製造方法において、燃料電池本体1は、蓋プレート21とケース本体22とが締結されるまで荷重Pで圧縮され続ける。
First, the
次に、介在層3を用意する。介在層3の厚みは、燃料電池本体1がケース2に収容されたときの、燃料電池本体1の外周面1aとケース2の側壁22aの内周面2aとの距離Dよりも大きい厚みd1である。厚みd1は、介在層3に加わる厚さ方向の荷重がゼロのときの厚みである。介在層3の長さは燃料電池本体1の一端から他端までの長さであり(図1)、介在層3の幅は少なくとも燃料電池本体1の角部Cn近傍を覆う幅であり、介在層3の数は例えば外周面1aの四つの面の各々に二枚ずつ、合計八枚である(図2)。そして、図4及び図5に示すように、介在層3を、燃料電池本体1の外周面1aの四つの角部Cn近傍に二枚ずつ配置する。ただし、図4は図5のE4−E4断面図であり、図5は図4のE5−E5断面図である。すなわち、介在層3−1a、3−1b及び3−2a、3−2bを向かい合う二つの面1a−1、1a−2にそれぞれ配置し、介在層3−3a、3−3b及び3−4a、3−4bを向かい合う二つの面1a−3、1a−4にそれぞれ配置する。
Next, the intervening
続いて、図6に示すような圧縮器30を準備する。圧縮器30は介在層3を押し潰すための治具である。圧縮器30は、燃料電池本体1の積層方向Sに垂直な断面よりもやや大きい長方形のフレーム32を備える。フレーム32は、長方形の各辺に対応するフレーム部材32−1〜32−4から構成され、互いに着脱可能に結合される。具体的には、フレーム部材32−1の一端とフレーム部材32−2の一端、フレーム部材32−2の他端とフレーム部材32−3の一端、フレーム部材32−3の他端とフレーム部材32−4の一端、及び、フレーム部材32−4の他端とフレーム部材32−1の他端、がそれぞれ着脱可能に結合される。ローラ31は、円筒形状又は円柱形状を有し、円筒又は円柱の軸とフレーム32とが重なり、例えばフレーム32を軸として回転可能にフレーム32に支持される。図6に示す実施例では、ローラ31のうちのローラ31−1a、31−2aはフレーム部材32−1に、ローラ31−1b、31−2bはフレーム部材32−2に、ローラ31−3a、31−4aはフレーム部材32−3に、及び、ローラ31−3b、31−4bはフレーム部材32−4に、それぞれ回転可能に支持される。このとき、四つのフレーム32−1、32−2、32−3、32−4は、共通の平面RS内を延びている。この平面RSを圧縮器平面と称すると、ローラ31−1a〜31−4bの外面のうち最も内側に位置する部分31aは、圧縮器平面RS内に位置することになる。なお、図示しない別の実施例では、ローラ31の軸とフレーム32とは別の部材であり、ローラ31の端部で結合される。
Subsequently, a
次に、図7に示すように、圧縮器30を、燃料電池本体1における蓋プレート21側とは反対側にセットする。ただし、圧縮器平面RSが積層方向Sに対して垂直になり、各ローラ31の外面のうち最も内側に位置する部分31aと燃料電池本体1の外周面1aとの距離dgがいずれもほぼ同じ値になり、ローラ31の回転軸、すなわちフレーム32が積層方向Sに対して垂直な方向に延びるように、圧縮器30を配置する。また、各ローラ31での距離dgは、介在層3の厚みd1よりも小さく、かつ、燃料電池本体1の外周面1aとケース2の側壁22aの内周面2aとの距離Dよりも小さい。
Next, as shown in FIG. 7, the
その後、図8に示すように、介在層3をローラ31で潰し、介在層3と燃料電池本体1とをケース2内に収容する。具体的には、まず、圧縮器平面RSが積層方向Sに対して垂直になり、各ローラ31での距離dgがいずれもほぼ同じ値になり、その値を保つようにしながら、蓋プレート21側とは反対側から蓋プレート21側へ積層方向Sに沿って圧縮器30を移動させる。言い換えると、燃料電池本体1が圧縮器30の内側に挿入されるように、圧縮器30を移動させる。そのとき、ローラ31の外面のうち最も内側に位置する部分31aと燃料電池本体1の外周面1aとの距離dgは介在層3の厚みd1よりも小さいため、ローラ31は介在層3にぶつかり介在層3を変形させる。ここで、ローラ31の回転軸は積層方向Sに対して垂直に延びているため、ローラ31はフレーム32を軸として回転(自転)しながら介在層3を外周面1aに向かって押し潰す。その結果、押し潰された介在層3は厚みd2となる。ただし、距離dg≦厚みd2<距離D、である。ここで、介在層3はダイラタント的特性を有しているので、ゆっくり変形させる、すなわちゆっくり潰すことで、容易に変形することができる。この場合、元の形状に戻るのもゆっくりと戻る、すなわちしばらくの間、介在層3は厚みの薄い状態を維持する。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the intervening
図9に示すように、ケース本体22を考慮せずに蓋プレート21側とは反対側から圧縮器30及び燃料電池本体1を見ると、圧縮器30は燃料電池本体1を囲むように配置される。一対のローラ31−1a、31−1bは、向かい合う二つの面1a−1、1a−2に配置された一対の介在層3−1a、3−1bを、積層方向Sの一方の端から他方の端まで押し潰す。同様に、一対のローラ31−2a、31−2bは、向かい合う二つの面1a−1、1a−2に配置された一対の介在層3−2a、3−2bを、積層方向Sの一方の端から他方の端まで押し潰す。また、一対のローラ31−3a、31−3bは、向かい合う二つの面1a−3、1a−4に配置された一対の介在層3−3a、3−3bを、積層方向Sの一方の端から他方の端まで押し潰す。また、一対のローラ31−4a、31−4bは、向かい合う二つの面1a−4、1a−4に配置された一対の介在層3−4a、3−4bを、積層方向Sの一方の端から他方の端まで押し潰す。
As shown in FIG. 9, when the
圧縮器30が蓋プレート21にまで達した場合、圧縮器30のフレーム部材32−1〜32−4同士の結合を取り外して、圧縮器30を燃料電池本体1から取り除く。
When the
このとき、一対のローラ31が一対の介在層3を押し潰す力は、その大きさが同じで、その方向が互いに逆である。そのため、ローラ31が介在層3を押し潰す力が燃料電池本体1に印加されても、その力が積層方向Sに垂直な方向に燃料電池単セルをずらすことはない。それにより、燃料電池本体1上で介在層3を押し潰す場合でも、燃料電池本体1の複数の燃料電池単セルが外力でずれることを防止できる。
At this time, the force with which the pair of
更に、図8及び図9に示すように、上記の圧縮器30による介在層3の押し潰しと並行して、介在層3の厚みが距離Dにまで膨らむ前に、ケース2のケース本体22を燃料電池本体1に対して相対的に移動させながら、開口を介してケース本体22に燃料電池本体1を収容する。すなわち、燃料電池本体1と介在層3とをケース2内に収容する。その後、ケース本体22をボルトのような締結部材(図示せず)で蓋プレート21に締結する。このとき、図10に示すように、ケース本体22に収容された燃料電池本体1の外周面1a上の介在層3は厚みd2程度であるため、介在層3にほとんど触れることなくケース本体22が燃料電池本体1を容易に収容できる。図示しない別の実施例では、上記の圧縮器30による介在層3の押し潰しが終わり、圧縮器30を燃料電池本体1から取り除いた後、介在層3の厚みが距離Dにまで膨らむ前に、開口を介してケース本体22に燃料電池本体1を収容する。なお、荷重Pはケース2の底壁22bに設けられた開口部(配線や配管用)を介して印加することができる。図示しない更に別の実施例では、ケース本体22に底壁22bを設けず、開口を介してケース本体22に燃料電池本体1を収容した後、ケース本体22をボルトのような締結部材(図示せず)で蓋プレート21に締結すると共に、底壁22bをボルトのような締結部材(図示せず)で側壁22aに締結する。図示しない更に別の実施例では、圧縮器30は複数個あり、積層方向Sに沿って複数の圧縮器30が間隔をあけて並んで配置され、それら複数の圧縮器30が介在層3を押し潰す。
Further, as shown in FIGS. 8 and 9, in parallel with the crushing of the intervening
その後、図11に示すように、介在層3は、復元力により元の形状、すなわち厚みd1に戻ってゆく。しかし、外周面1aと内周面2aとの隙間が距離Dしかないため、介在層3は、厚みDまで戻った後に圧縮された状態で外周面1aと内周面2aとの間に保持される。
Thereafter, as shown in FIG. 11, the intervening
図12は、各製造工程における介在層3の厚みの関係を示す側面図である。荷重がゼロの状態、すなわち図4の工程では介在層3の厚みはd1であるが、ローラ31で押し潰された状態、すなわち図10の工程では介在層3の厚みはd2にまで薄くなる。その後、介在層3の厚みは徐々に回復して、図11の段階では最終的に介在層3の厚みはDとなり、圧縮された状態で保持される。ただし、d2<D<d1である。
FIG. 12 is a side view showing the relationship of the thickness of the intervening
以上により、燃料電池スタックAが完成される。このとき、介在層3が膨らみながら厚みを回復しつつ、燃料電池本体1の各プレートや各燃料電池単セルの凹凸に合わせてケース2との隙間を埋め、燃料電池本体1の外周面1aとケース2の内周面2aとの間に圧縮状態で配置される。
Thus, the fuel cell stack A is completed. At this time, while the thickness of the intervening
図13及び図14は、ローラ31を用いる効果を説明する断面図である。上記した製造方法では、ローラ31で介在層3を押し潰すとき、図13に示すようにローラ31が回転(自転)するので、ローラ31が積層方向Sの蓋プレート21へ向かう向きSaに並進していても、ローラ31の前方領域FAにおいて介在層3が膨れ上がることはない。これは、ローラ31と介在層3とが接触して密着したとき、ローラ31が回転することにより、介在層3には並進方向の力がほとんど働かず、燃料電池本体1方向の力、すなわち介在層3を押し潰す方向の力が支配的に働くためと考えられる。
13 and 14 are cross-sectional views for explaining the effect of using the
一方、図14に示すように仮に回転(自転)しない円柱体131を用いるとすると、円柱体131が積層方向の蓋プレート21の向きSaに並進していると、円柱体131の前方領域FAにおいて、介在層3が膨れ上がって凸部3rを形成してしまう。そうなると、凸部3rを含めた介在層3の厚みが距離Dを超えてしまい、燃料電池本体1をケース本体22に収容することが困難となるおそれがある。これは、円柱体131と介在層3とが接触して密着したとき、円柱体131が回転しないことにより、介在層3には並進方向の力が支配的に働き、介在層3の厚み方向の上側部分、すなわち円柱体131と接触した部分が削り取られるように前方領域FAへ押し出されるためと考えられる。
On the other hand, if a
このように、ローラ31を回転可能とした圧縮器30を用いることで、介在層3に凸部を形成することなく、所望の厚みd2に押し潰すことができる。
In this way, by using the
図15は、介在層3を押し潰す前後での介在層3の厚みの関係を示す断面図である。例えば、外周面1aにおける向かい合う二つの面1a−1、1a−2において、それぞれ当初の介在層3の厚みがp1、q1であり、押し潰された後の厚みがp2、q2とする。ただし、p1とq1は上記のd1に対応し、p2とq2とは上記のd2に対応する。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the relationship of the thickness of the intervening
図16は、介在層3を押し潰す前後での介在層3と燃料電池単セルとの関係の一例を示す断面図である。積層体11の燃料電池単セル11aの相対的な位置は、詳細に見れば、積層体11の積層方向Sの中心線Cに対して垂直方向にずれている場合がある。例えば、各燃料電池単セル11aの長さをLとすると、中心線Cに対して上側の長さがL/2、下側の長さがL/2にそれぞれなることが理想的である。しかし、積層のばらつきにより、燃料電池単セル11aの一部は中心線Cに対して外向き又は内向きに少しずれる。図16の左側の図に示す例では、燃料電池単セル11a1、11a3、11a5では、上側及び下側の端部の位置はそれぞれ上側及び下側のL/2の位置の線C1及び線C2に合っている。しかし、燃料電池単セル11a2、11a6では、上側の端部の位置は線C1から内向きに、下側の端部の位置は線C2から外向きに少しずれている。仮にこのずれの大きさを1単位とすると、燃料電池単セル11a2、11a6では、内向きに1単位分及び外向きに1単位分それぞれずれている。更に、燃料電池単セル11a4では、上側の端部の位置は線C1から外向きに1単位分、下側の端部の位置は線C2から内向きに1単位分それぞれずれている。更に、燃料電池単セル11a7では、上側の端部の位置は線C1から内向きに2単位分、下側の端部の位置は線C2から外向きに2単位分それぞれずれている。しかし、図15に示すように介在層3を押し潰すことで、図16の右側の図に示すように各燃料電池単セル11aのずれに関わらず、各燃料電池単セル11aの外側に沿って隙間なく介在層3を配置することができる。また、そのとき、例えば、燃料電池単セル11a4の上側の端部では、外向きのずれが大きいために介在層3の圧縮量が大きく、したがって内向きに大きな力が作用する。しかし、下側の端部では、内向きのずれが大きいために介在層3の圧縮量が小さく、したがって内向きの力がほとんど作用しない。したがって全体として燃料電池単セル11a4が過度に圧縮されない。このように、積層体11の中心線Cに対して左右方向及び上下方向において、燃料電池単セルが過度に圧縮されないように介在層3を概ね均等に潰すことができる。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of the relationship between the intervening
このとき、図15において、例えば、p1、q1(=d1)を5mmとし、p2、q2(=d2)を約2mm程度とすると、|(p1−p2)−(q1−q2)|≦1.5mm、とすることが好ましい。このようにすることで、燃料電池本体1の外周面1aのすべてにおいて介在層3が均等に圧縮され、燃料電池本体1がケース2内で均等に保持される。
In this case, in FIG. 15, for example, if p1 and q1 (= d1) are 5 mm and p2 and q2 (= d2) are about 2 mm, | (p1-p2) − (q1−q2) | ≦ 1. 5 mm is preferable. By doing in this way, the intervening
上記の燃料電池スタックの製造方法では、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層3を利用する。すなわち、燃料電池本体1の外周面1aのうちの向かい合う二つの面に配置された介在層3を、一対のローラ31で、燃料電池本体1の外側から内側へ力を印加しながら押し潰す。このとき、一対のローラ31が介在層3を押し潰す力は、その大きさが同じで、その方向が互いに逆であるため、互いに打ち消し合う。それにより、燃料電池本体1に外力を発生させず、積層体11での燃料電池単セルのずれを発生させずに介在層3を押し潰すことができる。また、燃料電池本体1とケース2との距離(隙間)D未満に介在層3を潰すことで、燃料電池本体1のケース2への挿入に要する外力を削減でき、燃料電池本体1のケース2への挿入し易さを向上できる。加えて、燃料電池本体1がケース2内に収まった後に介在層3の厚みが復元することで、燃料電池本体1とケース2との間に圧縮状態で介在層3を容易に配置できる。また、ケース2が水密、締結、外部拘束の機能を有するため、それら機能を実現する構成が簡略化され、燃料電池スタックAの大きさを小さくでき、コストを低減できる。更に、燃料電池スタックAが急激な衝撃を受けたとき、介在層3は固体のように振る舞い、各燃料電池単セルの位置ずれの発生を抑制し、位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生を抑制できる。また、燃料電池単セルが緩やかに変形したとき、介在層3は流動性を示し、各燃料電池単セルの変形によって生じた隙間を埋めるように変形し、燃料電池単セルと介在層3との間の隙間の発生を抑制できる。
In the fuel cell stack manufacturing method described above, the intervening
以上説明されたように、実施例の燃料電池スタックAの製造方法は、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層3を配置することができる。
As described above, in the method of manufacturing the fuel cell stack A according to the embodiment, the intervening
次に、図17〜図19を参照して、別の実施例について説明する。 Next, another embodiment will be described with reference to FIGS.
図17及び図18は、別の実施例のケース2を示す断面図及び平面図である。ただし、図17は図18のE17−E17断面図である。ケース2では、ケース本体22の側壁22aにおける開口側の端部に、圧縮器30が設けられる。したがって、ローラ31は、側壁22aにおける開口側の端部に設けられる。フレーム32は、側壁22aの内側、すなわち内周面2aに取り付けられている。ローラ31は、フレーム32を回転軸として、フレーム32に回転可能に支持される。ローラ31の回転軸は積層方向Sに対して垂直な方向に延びている。水密性を高めるために、ローラ31と側壁22aとの境界には、ケース本体22と蓋プレート21とを締結した後に必要に応じてシール材を挿入する。図示しない別の実施例では、側壁22aはローラ31全体を覆うように、すなわちローラ31の燃料電池本体1と面しない側を覆うように、ローラ31の近傍の部分が凸型に形成される。
17 and 18 are a cross-sectional view and a plan view showing the
燃料電池スタックAの製造方法については、図19に示すように、ローラ31により介在層3を押し潰しながら、燃料電池本体1をケース本体22に収容する。すなわち、介在層3をローラ31により押し潰す工程と、燃料電池本体1をケース2に収容する工程とが並行して行われる。この場合、介在層を押し潰した後に圧縮器30を取り外す必要はなく、生産性を向上できる。その他の工程については、図3〜図12の実施例の場合と同様である。
As for the manufacturing method of the fuel cell stack A, as shown in FIG. 19, the fuel cell
このように、ローラ31を有する圧縮器30をケース2に組み込むことにより、介在層3を予め潰す工程と、燃料電池本体1をケース2に収容する工程とを実質的に同時に行うことができる。それにより、燃料電池スタックAの組み付けに係る時間を短縮して、生産性を向上でき、製造コストを低減できる。また、圧縮器30を廃止することで製造コストを低減できる。また、介在層3の厚みの回復が早い材料を介在層3に用いても、より確実に回復よりも先に燃料電池本体1のケース2への収容を完了することができる。また、厚みの回復力が高い、すなわち拘束力の高い材料を介在層3として使用することができる。
Thus, by incorporating the
次に、図20〜図22を参照して、更に別の実施例について説明する。 Next, still another embodiment will be described with reference to FIGS.
図20及び図21は、更に別の実施例のケース2を示す断面図及び平面図である。ただし、図20は図21のE20−E20断面図である。ケース2では、ケース本体22の側壁22aにおける開口側の端部に圧縮器30が設けられ、更に積層方向Sに沿って複数の圧縮器30が間隔をあけて並んで設けられる。したがって、側壁22aにおける開口側の端部にローラ31が設けられるだけでなく、更に積層方向Sに沿ってローラ31が設けられる。圧縮器30の数は任意である。側壁22aにおける開口側の端部以外のローラ31に関して、ローラ31の燃料電池本体1と面しない側が側壁22aの外側に露出するように側壁22aに孔が形成される。水密性を高めるために、ローラ31と側壁22aとの境界には、ケース本体22と蓋プレート21とを締結した後に必要に応じてシール材を挿入する。フレーム32は、側壁22aの内側、すなわち内周面2aに取り付けられる。図示しない別の実施例では、側壁22aはローラ31全体を覆うように、すなわちローラ31の燃料電池本体1に面しない側を覆うように、ローラ31の近傍の部分が凸型に形成される。
20 and 21 are a sectional view and a plan view showing the
燃料電池スタックAの製造方法については、図22に示すように、複数のローラ31により介在層3を押し潰しながら、燃料電池本体1をケース本体22に収容する。すなわち、介在層3をローラ31により押し潰す工程と、燃料電池本体1をケース2に収容する工程とが並行して行われる。この場合、介在層を押し潰した後に圧縮器30を取り外す必要はなく、生産性を向上できる。その他の工程については、図3〜図12の実施例の場合と同様である。
Regarding the method of manufacturing the fuel cell stack A, as shown in FIG. 22, the fuel cell
この場合、図16〜図18の別の実施例と同様の効果を奏することができる。加えて、この更に別の実施例では、複数のローラ31を有する圧縮器30をケース2に組み込むことにより、介在層3をケース2の開口側の端部だけでなく、ケース2の内部でも潰すことができる。それにより、厚みの回復力がより高い、すなわち拘束力のより高い材料を介在層3として使用することができる。また、製造後の燃料電池スタックAを分解する場合、複数のローラ31が介在層3を押し潰すので、ケース本体22を容易に取り外すことができる。
In this case, the same effects as those of the other embodiments of FIGS. In addition, in this further embodiment, by incorporating a
次に、図23を参照して、更に別の実施例について説明する。 Next, still another embodiment will be described with reference to FIG.
図2に示す実施例では、外周面1aのうちの、二組の向かい合う二つの面1a−1、1a−2及び1a−3、1a−4に介在層3が配置される。図23に示す実施例では、外周面1aのうちの、一組の向かい合う二つの面1a−1、1a−2のみに介在層3、すなわち介在層3−1a、3−1b/3−2a、3−2bが配置される。介在層3の拘束力が大きい場合、例えば介在層3の圧縮の程度が大きい場合には、面1a−3、1a−4に介在層3が無くても、面1a−1、1a−2の介在層3だけで、面1a−3、1a−4に垂直な方向の燃料電池単セルのずれを防止等、図2の実施例の場合と同等の効果を奏することができる。加えて、介在層3が削減されるので、生産性を向上でき、製造コストを低減できる。図示しない別の実施例では、外周面1aの一つの面につき、角部近傍の二枚ではなく、ほぼ全面を覆う一枚の介在層3が配置される。
In the embodiment shown in FIG. 2, the intervening
1 燃料電池本体
1a 外周面
2 ケース
2a 内周面
3 介在層
11 積層体
31 ローラ
A 燃料電池スタック
D 距離
d1 厚み
S 積層方向
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料電池本体が前記ケースに収容されたときの、前記積層方向に沿った前記燃料電池本体の外周面と前記外周面に対向する前記ケースの前記側壁の内周面との距離よりも大きい厚みを有する前記介在層を、前記外周面のうちの向かい合う二つの面にそれぞれ配置する工程と、
前記向かい合う二つの面に配置された介在層を、前記介在層の厚みが前記距離よりも小さくなるように、前記介在層の前記積層方向の一端から他端までローラで潰す工程と、
前記介在層の厚みが前記距離にまで膨らむ前に、前記ケースを前記燃料電池本体に対して相対移動させながら、前記開口を介して前記燃料電池本体を前記ケースに収容する工程と、
を備える、燃料電池スタックの製造方法。 A fuel cell main body including a stack formed by stacking a plurality of fuel cell single cells along the stacking direction; four side walls surrounding the fuel cell main body along the stacking direction; and at least one opening. A fuel cell stack including a case in which the fuel cell main body is accommodated, and an intervening layer disposed between the fuel cell main body and the case and having a restoring force to return to the original dimensions when deformed. A manufacturing method of
Thickness greater than the distance between the outer peripheral surface of the fuel cell main body along the stacking direction and the inner peripheral surface of the side wall of the case facing the outer peripheral surface when the fuel cell main body is accommodated in the case Arranging the intervening layer having each of two opposing surfaces of the outer peripheral surface;
Crushing the intervening layer disposed on the two opposite surfaces with a roller from one end to the other end in the stacking direction of the intervening layer so that the thickness of the intervening layer is smaller than the distance;
Storing the fuel cell main body in the case through the opening while moving the case relative to the fuel cell main body before the thickness of the intervening layer expands to the distance;
A method for manufacturing a fuel cell stack.
請求項1に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The step of crushing the intervening layer with the roller and the step of accommodating the fuel cell main body in the case are performed in parallel, and the fuel cell main body is accommodated in the case while crushing the intervening layer with the roller. The method for producing a fuel cell stack according to claim 1.
請求項2に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method of manufacturing a fuel cell stack according to claim 2, wherein the roller is provided on the side wall of the case.
請求項3に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell stack according to claim 3, wherein the roller is provided at an end of the side wall of the case on the opening side.
前記介在層を前記ローラで潰す工程は、
前記介在層を、前記複数のローラで潰す工程を備える
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The roller includes a plurality of rollers arranged along the stacking direction,
The step of crushing the intervening layer with the roller,
The method for producing a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, further comprising a step of crushing the intervening layer with the plurality of rollers.
前記介在層を、前記外周面のうちの一方の向かい合う二つの面にそれぞれ配置し、前記外周面のうちの他方の向かい合う二つの面にそれぞれ配置する工程を備え、
前記介在層を前記ローラで潰す工程は、
前記一方の向かい合う二つの面に配置された介在層をローラで潰すと共に、前記他方の向かい合う二つの面に配置された介在層を他のローラで潰す工程を備える
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The step of disposing the intervening layer on the two faces facing each other,
Arranging the intervening layer on each of the two opposing surfaces of the outer peripheral surface, and disposing each of the intervening layers on the other two opposing surfaces of the outer peripheral surface,
The step of crushing the intervening layer with the roller,
6. The method includes crushing the intervening layer disposed on the two opposing surfaces with a roller and crushing the interposing layer disposed on the other two opposing surfaces with another roller. 6. A method for producing a fuel cell stack according to the item.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the intervening layer has a dilatant characteristic.
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