JP6389959B2 - 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図6は、本実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。図1には、燃料電池スタック100の外観構成が示されており、図2には、燃料電池スタック100の上側の平面構成が示されており、図3には、燃料電池スタック100の下側の平面構成が示されており、図4には、図1から図3のIV−IVの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図5には、図1から図3のV−Vの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図6には、図1から図3のVI−VIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図7以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102と熱交換部103とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図7から図10は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図7には、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図8には、図6に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図9には、図7のIX−IXの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図10には、図7のX−Xの位置における発電単位102の断面構成が示されている。
図11は、熱交換部103の断面構成を概略的に示す説明図である。図11には、配列方向に直交する方向における熱交換部103の断面構成が示されている。図4から図6および図11に示すように、熱交換部103は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。また、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図4および図11に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。熱交換部103は、上側および下側について発電単位102に隣接している。また、後述するように、発電単位102における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスOGが熱交換部103内の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。なお、酸化剤ガス導入マニホールド161は、各発電単位102の空気室166には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、図4、図5、図7および図9に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。
図12は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、空気極側フレーム130の形成材料である板状のマイカシートMSの表面を研磨する(S120)。この研磨工程は、例えば、マイカシートMSを、表面に研磨ペーパが巻き付けられた2つのローラの間を通過させることによって行われる。研磨工程により、マイカシートMSの両側の表面における微細な凹凸の程度が緩和され、表面粗さRaの値が小さくなる。
上述した方法により製造される燃料電池スタック100に含まれる空気極側フレーム130(マイカシートMS)のガスシール性について、性能評価を実施した。図15および図16は、性能評価に用いた試験装置500の構成を示す説明図である。また、図17は、性能評価結果の一例を示す説明図である。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (6)
- 第1の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第1の方向に延びる複数の締結部材とを備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第1の方向において他の2つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を含み、
少なくとも1つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の2つの部材の内のいずれかと対向する表面における表面粗さRaは、3.0μm以下であり、
前記シール部材はヒステリシス特性を有し、
前記シール部材に与えられる圧力と前記シール部材に生ずるひずみとの関係を表す曲線における変曲点に関し、前記シール部材の内、前記複数の締結部材の内の1つの締結部材付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値と、前記1つの締結部材と隣り合う他の前記締結部材との中間付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値とは、±20%の値であることを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
少なくとも1つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の2つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりPaの標準偏差は、0.2以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記シール部材の前記他の2つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりPaの平均値は、1.4μm以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。 - 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第1の方向において他の2つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、が前記第1の方向に並べて配置され、前記第1の方向に沿って延びる複数の締結部材で締結された燃料電池スタックの製造方法であって、
ヒステリシス特性を有する前記シール部材に前記第1の方向に沿った圧縮荷重を加える圧縮工程と、
前記圧縮工程の後に、複数の前記単セルと複数の前記シール部材とを前記複数の締結部材で締結する組立工程とを備え、
前記圧縮工程における圧縮荷重は、製造された前記燃料電池スタックを構成する前記シール部材に与えられる圧力と前記シール部材に生ずるひずみとの関係を表す曲線における変曲点に関し、前記シール部材の内、前記複数の締結部材の内の1つの締結部材付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値と、前記1つの締結部材と隣り合う他の前記締結部材との中間付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値とが、±20%の値となる圧縮荷重であることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項4に記載の燃料電池スタックの製造方法において、さらに、
前記圧縮工程の前に、前記シール部材を加熱する熱処理工程を備えることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項4または請求項5に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記圧縮工程における前記シール部材の単位面積あたりの前記圧縮荷重の値は、前記組立工程の完了時において複数の前記締結部材による前記燃料電池スタックの締結により前記シール部材に作用する単位面積あたりの荷重の値より大きいことを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
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