(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
燃料電池セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックを用意する工程と、
前記燃料電池スタックの積層方向両端を挟持し、前記積層方向に締結荷重を加えた状態を保持して前記燃料電池スタックを締結可能な締結部材を用意する工程と、
前記締結後の締結荷重の値を決定し規定荷重として設定する工程と、
前記燃料電池スタックにおいて、前記積層方向に前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記燃料電池スタックの前記積層方向の長さである荷重スタック長を取得する工程と、
前記締結部材において、前記締結荷重を加えた前記締結によって前記燃料電池スタックから受ける反力の方向に、前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記締結部材の前記積層の方向の長さである荷重締結部材長を取得する工程と、
前記荷重スタック長と前記荷重締結部材長との差分を取得する工程と、
前記締結部材において、前記燃料電池スタックを挟持する面に設けられた複数の荷重調整ネジのそれぞれのせり出し量を、前記複数の荷重調整ネジのそれぞれが前記燃料電池スタックの面に接触するように、前記差分に相当する長さに調整する工程と、
前記せり出し量の調整後に、前記締結部材を用いて前記規定荷重で前記燃料電池スタックを締結する工程と
を備える燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、締結部材を用いて燃料電池スタックを締結した燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルを複数積層して成る燃料電池スタックを所定の荷重で締結する方法として、例えば下記特許文献１の技術が知られている。これは、燃料電池スタックを締結部材を用いて締結した後、締結部材に設けられた複数の荷重調整ネジのせり出し量を調整することによって、燃料電池スタックに加える積層方向の荷重を調整する技術である。
【０００３】
しかし、かかる技術は、締結荷重を規定の値にしつつ、締結後の各燃料電池セルの積層面の面方向に荷重が均一にかかるように、複数の荷重調整ネジのせり出し量を調整するのが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５９４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを適切に締結することのできる技術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】
【０００６】
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、以下の形態または適用例を取ることが可能である。本発明の一形態は、燃料電池の製造方法であって、燃料電池セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックを用意する工程と；前記燃料電池スタックの積層方向両端を挟持し、前記積層方向に締結荷重を加えた状態を保持して前記燃料電池スタックを締結可能な締結部材を用意する工程と；前記締結後の締結荷重の値を決定し規定荷重として設定する工程と；前記燃料電池スタックにおいて、前記積層方向に前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記燃料電池スタックの前記積層方向の長さである荷重スタック長を取得する工程と；前記締結部材において、前記締結荷重を加えた前記締結によって前記燃料電池スタックから受ける反力の方向に、前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記締結部材の前記積層の方向の長さである荷重締結部材長を取得する工程と；前記荷重スタック長と前記荷重締結部材長との差分を取得する工程と；前記締結部材において、前記燃料電池スタックを挟持する面に設けられた複数の荷重調整ネジのそれぞれのせり出し量を、前記複数の荷重調整ネジのそれぞれが前記燃料電池スタックの面に接触するように、前記差分に相当する長さに調整する工程と；前記せり出し量の調整後に、前記締結部材を用いて前記規定荷重で前記燃料電池スタックを締結する工程と；を備える。このような形態であれば、締結前に予め荷重調整ネジのせり出し量の調整をしてから燃料電池スタックを締結するので、締結後に複数の荷重調整ネジのせり出し量を個々に調整して締結荷重を調整する場合と比較して、締結後における前記燃料電池セルの積層面に均一に荷重を加えた状態を保持して締結をすることができる。その他、本発明は、以下のような形態として実現することもできる。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池の製造方法であって、燃料電池セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックを用意する工程と、前記燃料電池スタックの積層方向両端を挟持し、前記積層方向に締結荷重を加えた状態を保持して前記燃料電池スタックを締結可能な締結部材を用意する工程と、前記締結後の締結荷重の値を決定し規定荷重として設定する工程と、前記燃料電池スタックにおいて、前記積層方向に、前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記燃料電池スタックの前記積層方向の長さである荷重スタック長を取得する工程と、前記締結部材において、前記締結荷重を加えた前記締結によって前記燃料電池スタックから受ける反力の方向に、前記規定荷重と等しい荷重を加えて、前記締結部材の前記積層の方向の長さである荷重締結部材長を取得する工程と、前記荷重スタック長と前記荷重締結部材長との差分を取得する工程と、前記締結部材において、前記燃料電池スタックを挟持する面に設けられた複数の荷重調整ネジのそれぞれのせり出し量を、前記差分に相当する長さに調整する工程と、前記せり出し量の調整後に、前記締結部材を用いて前記規定荷重で前記燃料電池スタックを締結する工程とを備える燃料電池の製造方法。
【０００８】
この燃料電池の製造方法によると、締結前に予め荷重調整ネジのせり出し量の調整をしてから燃料電池スタックを締結するので、締結後に複数の荷重調整ネジのせり出し量を個々に調整して締結荷重を調整する場合と比較して、締結後における前期燃料電池セルの積層面に均一に荷重を加えた状態を保持して締結をすることができる。ここで、荷重スタック長とは、締結部材による挟持によって、締結部材と接する積層方向両端の当接面間の距離をいう。
【０００９】
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締結方法、燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池１０の構成を示す説明図である。
【図２】締結処理の流れを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池の構造：
図１は本発明の一実施例として製造された燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池１０は、燃料電池セル１２を複数積層した積層体の両端をプレッシャープレート１４とエンドプレート１６とで挟持した燃料電池スタック１８を備える。また、燃料電池１０は、燃料電池スタック１８を締結する締結部材として、断面がコの字型の形状をしたスタックケース２２を備える。燃料電池スタック１８は、燃料電池セル１２の積層方向（以下、単に積層方向とも呼ぶ）に所定の荷重が加えられた状態で、スタックケース２２と１８の一部であるエンドプレート１６とによって締結されている。図示するように、燃料電池スタック１８の一部であるエンドプレート１６と、スタックケース２２とが、４つの締結ボルト２６で固定されることによって締結がされている。
【００１２】
スタックケース２２には、プレッシャープレート１４と当接する面に８つの貫通したネジ穴が設けられており、燃料電池スタック１８に加える積層方向の荷重（以下、締結荷重とも呼ぶ）を調整するための荷重調整ネジ３０が８つ嵌挿されている。荷重調整ネジ３０は、スタックケース２２からプレッシャープレート１４側へせり出しており、プレッシャープレート１４を押圧している。荷重調整ネジ３０のせり出しの長さ（以下、せり出し量とも呼ぶ）は、荷重調整ネジ３０の回転による締緩によって調整することができる。締結荷重の調整は、荷重調整ネジ３０のせり出し量を調整することによって行われる。
【００１３】
（Ａ２）締結工程：
次に、燃料電池１０の製造方法として、燃料電池スタック１８をエンドプレート１６とスタックケース２２とによって締結する工程（以下、締結工程とも呼ぶ）について説明する。本実施例における締結工程は、予め定めた規定の締結荷重（以下、規定荷重とも呼ぶ）を加え、加えた締結荷重が各燃料電池セル１２の積層面の面方向に均一にかかるように締結する処理である。
【００１４】
図２は、締結工程の流れを説明する説明図である。締結工程における第１工程として、燃料電池スタック１８を規定荷重で締結した場合の、締結後の燃料電池スタック１８の積層方向の長さの予想値を取得する。具体的には、図２の第１工程に示すように、燃料電池スタック１８に積層方向の規定荷重を加えるために、荷重を測定するロードセルＬＤ１を備えた加圧シリンダＳＬ１を用意する。そして、荷重を加える前後の燃料電池スタック１８の積層方向の長さの変位を測定するために、変位計ＭＳ１を燃料電池スタック１８に設置する。本実施例においては、変位計ＭＳ１としてレーザ測定計を用いる。その後、燃料電池スタック１８を加圧シリンダＳＬ１に設置する。また、スタックケース２２によって締結された状態に近い状態で燃料電池スタック１８に規定荷重を加えるために、燃料電池スタック１８を加圧シリンダＳＬ１に設置する際、プレッシャープレート１４と加圧シリンダＳＬ１における押圧面との間に、荷重調整ネジ３０と直径が等しい円柱の金属片ＭＴを設置する。
【００１５】
このようにして加圧シリンダＳＬ１に燃料電池スタック１８を設置した後、ロードセルＬＤ１で荷重を測定しながら、加圧シリンダＳＬ１によって燃料電池スタック１８に積層方向の規定荷重を加える。本実施例においては、規定荷重は４０［ＫＮ］である。燃料電池スタック１８は、荷重を加えることによって、燃料電池スタック１８を構成する各部材が歪み、積層方向の長さが短くなる。その後、規定荷重を加えた状態で、変位計ＭＳ１によって燃料電池スタック１８の積層方向の長さの変位を測定する。変位測定後、マスターゲージなどの燃料電池スタック１８の積層方向の既知の長さと、測定した変位との差分によって、規定荷重を加えた状態での燃料電池スタック１８の積層方向の長さ（以下、荷重スタック長Ｐとも呼ぶ）を算出し、荷重スタック長Ｐを、締結後の燃料電池スタック１８の積層方向の長さの予想値とする。また、本実施例において荷重スタック長Ｐとは、図示するように、燃料電池スタック１８に規定荷重を加えた状態における、エンドプレート１６における燃料電池セル１２との当接面から、プレッシャープレート１４におけるスタックケース２２との対向面までの積層方向の長さを言う。
【００１６】
上記第１工程によって荷重スタック長Ｐを取得後、締結工程における第２工程として、スタックケース２２を用いて燃料電池スタック１８を規定荷重で締結した場合の、締結後のスタックケース２２の積層方向の長さの予想値を取得する。具体的には、図２の第２工程に示すように、スタックケース２２に、締結によって燃料電池スタック１８から受ける締結荷重に対する反力の方向（以下、反力方向とも呼ぶ）に規定荷重を加えるために、荷重を測定するロードセルＬＤ２を備えた加圧シリンダＳＬ２を用意する。そして、スタックケース２２の積層方向の長さの変位を測定するために、変位計ＭＳ２をスタックケース２２に設置する。本実施例においては、変位計ＭＳ２としてレーザ測定計を用いる。その後、加圧シリンダＳＬ２にスタックケース２２を設置する。また、燃料電池スタック１８を締結した状態に近い状態でスタックケース２２に規定荷重を加えるために、スタックケース２２が備える８本の荷重調整ネジ３０を、互いに等しい所定の長さだけせり出した状態にする。
【００１７】
このようにして加圧シリンダＳＬ２にスタックケース２２を設置した後、ロードセルＬＤ２で荷重を測定しながら、加圧シリンダＳＬ２によってスタックケース２２に反力方向の規定荷重を加える。本実施例においては、第１工程と同様、規定荷重は４０［ＫＮ］である。スタックケース２２は、荷重を加えることによって歪み、積層方向の長さが長くなる。そして、規定荷重を加えた状態で、変位計ＭＳ２によってスタックケース２２の積層方向の長さの変位を測定する。その後、マスターゲージなどのスタックケース２２の積層方向の既知の長さと、測定した変位との差分によって、規定荷重を加えた状態でのスタックケース２２の長さ（以下、荷重締結部材長Ｑとも呼ぶ）を算出し、荷重締結部材長Ｑを、締結後のスタックケース２２の積層方向の長さの予想値とする。また、本実施例において荷重締結部材長Ｑとは、図示するように、スタックケース２２に規定荷重を加えた際の、プレッシャープレート１４との対向面からエンドプレート１６との当接面までの積層方向の長さを言う。
【００１８】
締結工程における第３工程として、締結前のスタックケース２２において、荷重調整ネジ３０のせり出しを行う。荷重調整ネジ３０のせり出し量は荷重スタック長Ｐと荷重締結部材長Ｑの差分Ｒ（＝Ｑ-Ｐ）に設定する。具体的には、荷重調整ネジ３０の回転数とせり出し量との関係を表した関数によって演算を行う演算装置（以下、回転数演算装置とも呼ぶ）を用い、差分Ｒに対応する荷重調整ネジ３０の回転数を算出する。そして、実際にスタックケース２２が有する８本の荷重調整ネジ３０のそれぞれを、算出した回転数だけ回転させ、スタックケース２２におけるプレッシャープレート１４との当接面から差分Ｒのせり出しを実現する。このようにすることで、８本の荷重調整ネジ３０のせり出し量が互いに均等となる。なお、説明の便宜上、第１工程から第３工程までにおいて、荷重スタック長Ｐと荷重締結部材長Ｑとを取得し、取得した荷重スタック長Ｐと荷重締結部材長Ｑから差分Ｒを算出して回転数を算出すると説明したが、実際には、回転数演算装置が、第１工程で取得した燃料電池スタック１８の変位と第２工程で取得したスタックケース２２の変位とを用いて差分Ｒを算出し、荷重調整ネジ３０の回転数を出力する。
【００１９】
また第３工程においては、差分Ｒの荷重調整ネジ３０のせり出しを行うとしたが、第２工程において、予め、所定のせり出し量だけ、荷重調整ネジ３０のせり出しを行っているので、第３工程においては、第２工程における所定のせり出し量から調整するせり出し量を算出して荷重調整ネジ３０の調整を行うとしてもよい。
【００２０】
第３工程において荷重調整ネジ３０のせり出しを行った後、締結工程における第４工程として、燃料電池スタック１８をスタックケース２２と押圧用の治具である押圧プレート２８とで挟持し、積層方向に荷重を加えながら燃料電池スタック１８の締結を行う。具体的には、別途加圧シリンダを用意し（図示省略）、燃料電池スタック１８を挟持するスタックケース２２と押圧プレート２８とを押圧し、図１で説明したように、スタックケース２２とエンドプレート１６とを締結ボルト２６で固定する。また、本実施例においては、締結を行う際に用いる加圧シリンダにロードセルを設置し、加圧シリンダの押圧する圧力と、締結後に押圧を緩解する時の圧力との関係から、締結荷重を取得し、燃料電池スタック１８の締結荷重が規定荷重（４０[ＫＮ]）であることを確認する。このようにして、スタックケース２２とエンドプレート１６とを用いて燃料電池スタック１８を締結し、締結工程を終了する。
【００２１】
以上説明したように、本実施例で説明した締結工程を採用して燃料電池１０を製造すると、締結前に、８本の荷重調整ネジ３０のせり出し量を等しく設定し、その後に締結を行うので、８本の荷重調整ネジ３０は各々均等な荷重でプレッシャープレート１４を押圧する。従って、燃料電池セル１２の積層面の面方向に締結荷重が均一に加えられた状態で、燃料電池スタック１８の締結を行うことができる。即ち、８本の荷重調整ネジ３０うち少なくとも１本がプレッシャープレート１４を押圧していないといった現象を回避することができる。また、締結後に各荷重調整ネジ３０がプレッシャープレート１４を均等に押圧するように各荷重調整ネジ３０のせり出し量を個々に調整する場合と比較して、荷重調整ネジ３０のせり出し量の調整を容易に行い締結を行うことができる。さらに、本実施例における締結工程は、予め、燃料電池スタック１８およびスタックケース２２の歪みを考慮して、締結荷重が規定荷重となるように荷重調整ネジ３０のせり出し量を設定しているので、締結後の燃料電池スタック１８に加えられる締結荷重の値を、精度良く規定荷重にすることができる。
【００２２】
本実施例においては、回転数演算装置を用いて荷重調整ネジ３０の回転数を算出し、荷重調整ネジ３０のせり出し量を設定しているので、締結荷重を精度良く規定荷重にすることができる。また、上述したように、締結時に用いる加圧シリンダにロードセルを設置することにより締結荷重が規定荷重となっているかを確認することが可能であるため、締結荷重をさらに精度良く規定荷重とすることができる。
【００２３】
Ｂ．変形例：
この発明は上記の実施例や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態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｂ１）変形例１：
上記実施例では、スタックケース２２において、荷重調整ネジ３０を設置するためのネジ穴は、プレッシャープレート１４との当接面から外部に向けて貫通した貫通孔であったが、当接面から凹状に設けられた有底孔としてもよい。このようにすることで、荷重調整ネジ３０のせり出しを行った後にスタックケース２２の外部にできる凹部を塞ぐ蓋や樹脂を不要とすることができる。
【００２４】
（Ｂ２）変形例２：
上記実施例においては、荷重調整ネジ３０は８本として説明したが、荷重調整ネジ３０は、８本以上でも８本以下でも、スタックケース２２に設置可能な範囲で任意の本数を採用することができる。このようにしても上記実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、４本以上の荷重調整ネジ３０を備えるスタックケース２２を採用した場合には、荷重調整ネジ３０うち少なくとも１本がプレッシャープレート１４を押圧していないといった現象を回避することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０…燃料電池
１２…燃料電池セル
１４…プレッシャープレート
１６…エンドプレート
１８…燃料電池スタック
２２…スタックケース
２６…締結ボルト
２８…押圧プレート
３０…荷重調整ネジ
Ｐ…荷重スタック長
Ｑ…荷重締結部材長
Ｒ…差分
ＭＴ…金属片
ＬＤ１，ＬＤ２…ロードセル
ＳＬ１，ＳＬ２…加圧シリンダ
ＭＳ１，ＭＳ２…変位計
【図１】
0005765252.tif 000002
【図２】
0005765252.tif 000003