(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックの利用環境領域にわたる荷重変動を考慮し、運転時の荷重抜けを可及的に阻止することを提供する。【解決手段】組み立て方法は、一組のエンドプレート２８に対し締め付け荷重を付与して燃料電池スタック１２を締め付ける締め付け工程と、燃料電池スタック１２を最大負荷で運転するとともに、最大負荷運転時の前記燃料電池スタック１２の第１締め付け荷重を検出する第１検出工程と、燃料電池スタック１２の運転を停止し、燃料電池スタック１２を氷点下の温度に冷却した状態で、燃料電池スタック１２の第２締め付け荷重を検出する第２検出工程と、新たに組み立てられた燃料電池スタック１２に、第１締め付け荷重と前記第２締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重を付加する付加工程とを有し、燃料電池スタック１２の積層方向の全長の変化量が所定の範囲内になるまで、付加工程を継続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記一組のエンドプレートに対し、互いに近接する方向に所定の締め付け荷重を付与して前記燃料電池スタックを締め付ける締め付け工程と、
前記燃料電池スタックを最大負荷で運転するとともに、最大負荷運転時の前記燃料電池スタックの第１締め付け荷重を検出する第１検出工程と、
前記燃料電池スタックの運転を停止し、該燃料電池スタックを氷点下の温度に冷却した状態で、前記燃料電池スタックの第２締め付け荷重を検出する第２検出工程と、
新たに組み立てられた燃料電池スタックに、前記第１締め付け荷重と前記第２締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重を付加する付加工程と、
を有し、
前記燃料電池スタックの積層方向の全長の変化量が所定の範囲内になるまで、上記の付加工程を継続することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項２】
請求項１記載の組み立て方法において、前記締め付け工程は、常温で行われることを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の組み立て方法において、前記氷点下の温度は、−２０℃〜−３０℃の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された燃料電池スタックの組み立て方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持して構成されている。この種の燃料電池は、所定数の電解質膜・電極構造体及びセパレータが積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
通常、燃料電池スタックには、積層方向に所望の締め付け荷重が付与されているが、長期間にわたって前記締め付け荷重が作用すると、前記燃料電池スタック内において、例えば、電解質膜・電極構造体のへたりが発生し易い。このため、燃料電池スタックの締め付け荷重及び電極荷重が低下し、接触抵抗が増大して端子電圧が低下するとともに、剛性が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、燃料電池スタックの長さの変動を抑えるために、特許文献１に開示された燃料電池とその製造方法が知られている。この製造方法は、セルモジュールに少なくとも圧縮荷重を付与して初期クリープを進行させるエージング工程を有することを特徴としている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、燃料電池スタックの環境温度領域は、氷点下から常温（数１０℃）まで、広範囲にわたっている。特に、−２０℃以下の低温環境下では、電解質膜・電極構造体の乾燥により締め付け荷重が著しく低下することが知られている。
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、氷点下起動が考慮されておらず、燃料電池スタックの荷重抜けによる接触抵抗の増加が惹起されるとともに、剛性の低下による耐ずれ強度の低下が発生するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの利用環境領域にわたる荷重変動を考慮し、簡単な工程で、運転時の荷重抜けを可及的に阻止することが可能な燃料電池スタックの組み立て方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された燃料電池スタックの組み立て方法に関するものである。
【００１０】
この組み立て方法は、一組のエンドプレートに対し、互いに近接する方向に所定の締め付け荷重を付与して燃料電池スタックを締め付ける締め付け工程と、前記燃料電池スタックを最大負荷で運転するとともに、最大負荷運転時の前記燃料電池スタックの第１締め付け荷重を検出する第１検出工程と、前記燃料電池スタックの運転を停止し、該燃料電池スタックを氷点下の温度に冷却した状態で、前記燃料電池スタックの第２締め付け荷重を検出する第２検出工程と、新たに組み立てられた燃料電池スタックに、前記第１締め付け荷重と前記第２締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重を付加する付加工程とを有し、前記燃料電池スタックの積層方向の全長の変化量が所定の範囲内になるまで、上記の付加工程を継続している。
【００１１】
また、締め付け工程は、常温で行われることが好ましい。
【００１２】
さらに、氷点下の温度は、−２０℃〜−３０℃の範囲内に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、組み立てられた燃料電池スタックのエージングにおいて、最大負荷運転時の第１締め付け荷重と氷点下の温度時の第２締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重が、前記燃料電池スタックに付加されている。
【００１４】
従って、燃料電池スタックには、低温起動を含む発電時の荷重変動を超える加圧変動が予め付与されるため、電解質膜・電極構造体のへたりによる運転時の荷重抜けを可及的に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池スタックの締め付け荷重と電極荷重とを良好に維持することができ、長期間にわたって接触抵抗の増加や剛性の低下を阻止し、良好な燃料電池スタックを確実に組み立てることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの組み立て方法を実施するための組み立て装置１０の概略構成図である。
【００１６】
組み立て装置１０は、燃料電池スタック１２を積層方向（矢印Ａ方向）が重力方向に向かうように配置した状態で、前記積層方向に締め付け荷重を付与する押圧機構（例えば、プレス機構）１４と、前記燃料電池スタック１２に付与される締め付け荷重を検出する圧力検出機構（例えば、ロードセル）１６と、前記燃料電池スタック１２の積層方向の変化量を検出する変位センサ１７と、前記押圧機構１４を制御するとともに、前記圧力検出機構１６により検出された締め付け荷重及び前記変位センサ１７により検出された変位量が送られるコントローラ１８とを備える。
【００１７】
燃料電池スタック１２は、電解質膜（電解質）・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４を介装して複数積層された積層体２６を備え、前記積層体２６の積層方向両端に一組のエンドプレート２８が配設される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００１８】
図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体２０と第１及び第２セパレータ２２、２４との間には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２９が介装される。なお、第１及び第２セパレータ２２、２４に、シール部材２９を一体成形してもよい。
【００１９】
積層体２６の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
積層体２６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。
【００２２】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成されている。
【００２３】
第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０側の面２２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２４】
第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０側の面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。第２セパレータ２４の面２４ｂと第１セパレータ２２の面２２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。
【００２５】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、本実施形態に係る組み立て方法との関連で、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００２６】
先ず、電解質膜・電極構造体２０の厚さと荷重変動（加圧幅又は最大面圧）との関係が、図４に示される。これにより、燃料電池スタック１２の組み立て時に、電解質膜・電極構造体２０に付与される荷重の変動が大きい程、前記電解質膜・電極構造体２０の厚さが小さくなる。
【００２７】
そして、図５に示すように、Ｔｂで示されている荷重変動の大きな電解質膜・電極構造体２０を有する燃料電池スタック１２では、締め付け荷重が機能限界まで低下する耐久時間は、Ｔａで示されている荷重変動の小さな電解質膜・電極構造体２０を組み込む燃料電池スタック１２に比べて長くなる。
【００２８】
従って、燃料電池スタック１２の組み立て時に、電解質膜・電極構造体２０に大きな荷重変動を負荷することにより、前記燃料電池スタック１２の発電（起動）中の荷重変動による電解質膜・電極構造体２０のへたりを抑制することが可能になる。
【００２９】
そこで、本実施形態では、先ず、常温環境下で、電解質膜・電極構造体２０が第１及び第２セパレータ２２、２４を介装して複数積層された積層体２６を形成し、前記積層体２６の積層方向両端に配設された１組のエンドプレート２８間に所望の締め付け荷重が付与されることにより、燃料電池スタック１２が締め付けられる（図３中、ステップＳ１）。
【００３０】
次いで、ステップＳ２に進んで、燃料電池スタック１２が最大負荷（定格負荷）で運転される。具体的には、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３１】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３２】
従って、各電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３４】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２４の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３５】
上記のように、燃料電池スタック１２が最大負荷で運転を行っている際、前記燃料電池スタック１２に作用する第１締め付け荷重Ｔ１が検出される（ステップＳ３）。次に、ステップＳ４に進み、燃料電池スタック１２の運転が停止された後、前記燃料電池スタック１２が冷却される。
【００３６】
そして、燃料電池スタック１２が氷点下、より具体的には、−２０℃〜−３０℃の範囲内に冷却されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、前記燃料電池スタック１２に作用する第２締め付け荷重Ｔ２が検出される。
【００３７】
ここで、燃料電池スタック１２のスタック温度と電極荷重との関係が、図６に示されている。これにより、燃料電池スタック１２のスタック温度が高くなると、すなわち、通常の発電環境下では、電解質膜・電極構造体２０が膨潤して電極荷重（及びスタック荷重）が増加する。一方、低温環境下、特に、氷点下起動では、湿度が低下して電解質膜・電極構造体２０が乾燥し、電極荷重（スタック荷重）が著しく低下する。
【００３８】
このため、図７に示すように、燃料電池スタック１２のスタック温度が低くなる程、荷重振幅幅が大きくなっている。本実施形態では、新たに組み付けられた燃料電池スタック１２のエージングにおいて、氷点下温度域から最大負荷運転時の温度域にわたる広範な荷重幅が設定される。
【００３９】
具体的には、図８に示すように、最大負荷運転時の第１締め付け荷重Ｔ１と氷点下時の第２締め付け荷重Ｔ２との間で周期的に変動する締め付け荷重（荷重幅）が設定される。すなわち、従来の常温起動時のスタック荷重Ｔ３よりも、さらに荷重幅の大きな低温起動時の第２締め付け荷重Ｔ２を考慮して、荷重エージングの荷重幅が設定される。
【００４０】
次に、ステップＳ７に進んで、新たな燃料電池スタック１２が締め付けられる。そして、新たな燃料電池スタック１２に対し、最大負荷運転時の第１締め付け荷重Ｔ１と氷点下の温度時の第２締め付け荷重Ｔ２との間で周期的に変動する締め付け荷重が付加されて、荷重エージングが行われる（ステップＳ８）。
【００４１】
具体的には、新たに組み付けられた燃料電池スタック１２は、図１に示す組み立て装置１０に対し、一方のエンドプレート２８を下側にして重力方向に配置される。さらに、コントローラ１８を介して押圧機構１４が駆動され、前記押圧機構１４の押圧作用下に、１組のエンドプレート２８間には、互いに近接する方向に締め付け荷重が付与される。
【００４２】
コントローラ１８は、圧力検出機構１６が第１締め付け荷重Ｔ１に至ったことを検出すると、押圧機構１４による押圧力を減少させる制御を行う。次いで、コントローラ１８は、圧力検出機構１６が第２締め付け荷重Ｔ２を検出すると、再度、押圧機構１４による押圧力を増加させる制御を行う。
【００４３】
一方、変位センサ１７は、燃料電池スタック１２の積層方向全長の変化量を検出する。全長の変化量が所定の範囲内に至ったことが検出されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、燃料電池スタック１２の荷重エージングが終了する（ステップＳ１０）。
【００４４】
荷重エージング後の燃料電池スタック１２は、図示しないが、タイロッド等の締結手段によって１組のエンドプレート２８間に所望の締結荷重が付与されて締結される。また、組み立て装置１０には、新たに組み立てられた燃料電池スタック１２が配置されて、上記の荷重エージング処理が行われる。
【００４５】
この場合、本実施形態では、新たに組み立てられた燃料電池スタック１２の荷重エージングにおいて、最大負荷運転時の第１締め付け荷重Ｔ１と氷点下の温度時の第２締め付け荷重Ｔ２との間で周期的に変動する締め付け荷重が、前記燃料電池スタック１２に付加されている。
【００４６】
従って、燃料電池スタック１２には、低温起動を含む発電時の荷重変動を超える加圧変動が予め付与されるため、運転時に電解質膜・電極構造体２０のへたりによる荷重抜けを可及的に抑制することができる。
【００４７】
これにより、燃料電池スタック１２の締め付け荷重と電極荷重とを良好に維持することができる。このため、長期間にわたって接触抵抗の増加や剛性の低下を阻止し、良好な燃料電池スタック１２を確実に組み立てることが可能になるという効果が得られる。
【００４８】
なお、第１締め付け荷重Ｔ１及び第２締め付け荷重Ｔ２は、全ての燃料電池スタック１２で実際に検出する必要がなく、最初の燃料電池スタック１２で検出された値を、以降の燃料電池スタック１２の組み立て時に設定値として使用すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの組み立て方法を実施するための組み立て装置の概略構成図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図３】前記組み立て方法を説明するフローチャートである。
【図４】荷重変動とＭＥＡの厚さとの関係図である。
【図５】耐久時間と締め付け荷重との関係図である。
【図６】スタック温度と電極荷重との関係図である。
【図７】前記スタック温度と荷重振幅幅との関係図である。
【図８】前記組み立て方法における変動荷重の説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…組み立て装置                  １２…燃料電池スタック
１４…押圧機構                      １６…圧力検出機構
１７…変位センサ                    １８…コントローラ
２０…電解質膜・電極構造体          ２２、２４…セパレータ
２６…積層体                        ２８…エンドプレート
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔          ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔          ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜            ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極                ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路                  ５０…冷却媒体流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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