(57)【要約】【課題】  水平方向傾き等が発生した組立状態であってもセル全面の圧力分布を均一とできる燃料電池スタックおよびその締付方法を提供する。【解決手段】  上下エンドプレート３、５間に燃料電池構成用部材４が積層された燃料電池スタック１を、加圧装置７により上下エンドプレート３、５を互いに接近する方向に複数の加圧点により所定加圧力で加圧し、前記加圧状態において、前記上下エンドプレート３、５同士を複数のタイロッドボルト６より連結してタイロッドボルト６をスナップトルクにより締付け、その後に加圧装置７による加圧力を開放するようにした。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下エンドプレート間に燃料電池構成用部材を積層した燃料電池スタックを、複数の加圧点により上下エンドプレートを互いに接近する方向に所定加圧力で加圧し、
前記加圧状態において、前記上下エンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結してタイロッドボルトをスナップトルクにより締付け、
その後に加圧力を開放するようにしたことを特徴とする燃料電池スタックの締付方法。
【請求項２】
下側エンドプレート上に複数のセルを構成するよう積層された燃料電池構成用部材のセパレータ上面の傾きを測定し、
前記傾きが予め設定した許容範囲を超える場合には、傾き補正プレートを前記セパレータ上に積層して前記傾きを補正し、
その上面に、燃料電池構成用部材および／または上側エンドプレートを積層し、
前記上下エンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結してタイロッドボルトを締付けて燃料電池スタックを構成することを特徴とする燃料電池スタックの締付方法。
【請求項３】
前記傾き補正プレートは、最終積層されるセパレータの上面に積層されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックの締付方法。
【請求項４】
前記セパレータ上面の傾き測定は、スタックの層途中に積層されたセパレータに対して実行され、
積層途中段階のセパレータ上面の傾きが予め設定した許容範囲を超える場合には、傾き補正プレートを前記セパレータ上に積層して前記傾きを補正し、
その上面に、燃料電池構成用部材および上側エンドプレートを積層することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックの締付方法。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、複数の加圧点により上下エンドプレートを互いに接近する方向に所定加圧力で加圧し、
前記加圧状態において、前記上下エンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結してタイロッドボルトをスナップトルクにより締付け、
その後に加圧力を開放するようにしたことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池スタックの締付方法。
【請求項６】
前記補正プレートは、一方の面を他方の面に対して傾斜させて構成し、傾斜度合いと平面内での傾斜方向とが異なる複数種のものから一つまたはいずれかを組合せて利用されることを特徴とする請求項５に記載のスタック締付方法。
【請求項７】
上下エンドプレート間に複数のセルを構成するよう燃料電池構成用部材が積層され、上下のエンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結し締付けて構成する燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池構成用部材同士の間若しくは燃料電池構成用部材といずれかのエンドプレートとの間にエンドプレート同士を平行状態とする傾き補正プレートを介挿させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックおよびその締付方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池構成用部材を積層してスタックに組立後に、セル全面の圧力分布を均一にしてシールを完全にできるよう加圧するセル加圧方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、一方のエンドプレートのセル接触側の内面にセルの外形寸法よりは小さい凹部を設け、この凹部に加圧水を導入して、セルを加圧するようにしている。また、別の実施例では、一方のエンドプレートを上下に２分割し、この２分割のエンドプレート間に液体又は粘状物の封入したバッグを介在して、２分割のエンドプレートと他方のエンドプレートとを締結するようにしている。
【特許文献１】特開平９−９２３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、積層される燃料電池構成用部材は、形状精度のばらつきを持ち必ずしも均一にはできておらず、複数枚スタッキングすると、部品精度バラツキ、シール接着剤などの厚さバラツキ、組立バラツキにより、水平方向傾き等が発生する。
【０００５】
このような水平方向傾きが発生したスタッキング状態で組上がった燃料電池スタックを締付ける場合には、上記従来例で示すような締付け方法では、必ずしもセル全面の圧力分布を均一にできない虞があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、水平方向傾き等が発生した組立状態であってもセル全面の圧力分布を均一とできる燃料電池スタックおよびその締付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】
【０００７】
本発明は、上下エンドプレート間に燃料電池構成用部材を積層した燃料電池スタックを、複数の加圧点により上下エンドプレートを互いに接近する方向に所定加圧力で加圧し、前記加圧状態において、前記上下エンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結してタイロッドボルトをスナップトルクにより締付け、その後に加圧力を開放するようにした。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明では、複数の加圧点により上下エンドプレートを互いに接近する方向に所定加圧力で加圧し、前記加圧状態において、前記上下エンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結してタイロッドボルトをスナップトルクにより締付け、その後に加圧力を開放するようにしたため、均一な圧力分布状態の燃料電池スタックを得ることができる。従って、タイロッドボルトのみによる加圧・締付け時に生じるセル面内での応力集中を発生させることがなく、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。このため、セパレータの加圧による破損が大幅に低減され、不具合削減によるコスト削減、組立品質向上、組立時間短縮等が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池スタックの締付け方法を各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明を適用した燃料電池スタックの締付け方法の第１実施形態を示し、図１は燃料電池スタックの締付け工程を示す工程図、図２および図３は仮止め時の燃料電池スタックを示す平面図および正面図、図４は締付け工程を示す概略図、図５は加圧点と締付け点との配列状態を示す概略平面図である。
【００１１】
図１は、本実施形態の燃料電池スタックの締付け工程の工程図を示す。以下に各工程を順に説明する。
【００１２】
積層（スタッキング）工程Ｓ１においては、燃料電池構成用部材が積層される。燃料電池構成用部材の積層は、図２に示すように、組立状態の燃料電池スタック１を搬送するスタッキング台２上で行われ、スタッキング台２上にエンドプレート３を設置し、その上に燃料電池構成用部材４、例えば、インシュレータ、ターミナル、セル（ガス拡散電極、高分子膜、ガス拡散電極）、セパレータ、セル、セパレータ、・・・の順に積層し、所定数のセルが積み上がった段階で最終のセパレータが積層され、その上に、ターミナル、インシュレータを積層し、更に、エンドプレート５を積層して完了する。図２では、これらの燃料電池構成用部材４の個々の部品を全て図示するものでなく、積層された状態の概要のみを示したものである。
【００１３】
タイロッドボルト仮止め工程Ｓ２においては、タイロッドボルト６を上側エンドプレート５の貫通穴５Ａ（４箇所）に貫通させ、他方の下側エンドプレート３に設けた図示しないナット穴（４箇所）に、先端のボルトをねじ込み、ボルトヘッドをワッシャ等を介してエンドプレート５に軽く接触する程度まで締込む。図２はタイロッドボルト仮止め工程Ｓ２を終了した組立状態の燃料電池スタック１を示している。
【００１４】
前記組立状態の燃料電池スタック１は、燃料電池構成用部材４の部品精度バラツキ、シール接着剤などの厚さバラツキ、組立バラツキにより、水平方向傾き等が累積されて、例えば、図３に示すように、上側エンドプレート５の上面が傾斜した状態で組上がる場合がある。
【００１５】
加圧装置へのセット工程Ｓ３では、仮組状態の燃料電池スタック１は、スタッキング台２と共に加圧装置７にセットされる。加圧装置７は、図４に示すように、基台８上に門型フレーム９を立設して備え、横フレーム９Ａには下向きに伸縮する複数の加圧シリンダ１０を配置し、加圧シリンダ１０先端には押圧ブロック１１を配置し、押圧ブロック１１の押圧面にはロードセル１２を配置している。
【００１６】
各加圧シリンダ１０は、油圧源若しくは空圧源１３よりの圧力を制御する加圧力制御装置１４から供給される圧力により押圧力が調整される。加圧力制御装置１４はコントローラ１５よりの指令に応じて加圧シリンダ１０に供給する流体の圧力を制御する。コントローラ１５には、押圧ブロック１１の押圧面に配置したロードセル１２からの加圧力信号が入力され、これらのロードセル１２よりの加圧力信号が均一となるように各加圧力制御装置１４を制御するよう構成している。
【００１７】
図４は加圧装置７にセット状態となった燃料電池スタック１を示し、スタッキング台２を加圧装置７の所定位置に位置させると、上側エンドプレート５上の設定した位置に加圧シリンダ１０の押圧ブロック１１が位置するようにしている。押圧ブロック１１の配列は、例えば、図５に示すように、上側エンドプレート５の中央部と前後左右の各４箇所の合計５箇所として、加圧シリンダ１０で押圧した場合に、セル面内で加圧力分布が均一となるよう配列されている。
【００１８】
均等加圧工程Ｓ４では、燃料電池スタック１が加圧装置７により均等に加圧される。具体的には、先ず、夫々の押圧ブロック１１の押圧面を上側エンドプレート５に接触するまでゼロトルクで加圧シリンダ１０が伸長され、接触した段階で伸長が停止される。押圧ブロック１１が上側エンドプレート５と接触したか否かはロードセル１２の加圧力信号が立ち上がったか否かで判断される。全ての押圧ブロック１１が上側エンドプレート５に接触した段階では、加圧シリンダ１０の加圧力は均等にゼロトルクとなっており、燃料電池スタック１として積層された燃料電池構成用部材４間の隙間が詰められる。
【００１９】
次いで、全ての加圧シリンダ１０の圧力上昇が開始される。即ち、各圧力制御装置１４はコントローラ１５よりの圧力上昇速度指令に基づいて加圧シリンダ１０に供給する圧力を徐々に上昇させる。各加圧点に加わる圧力は夫々ロードセル１２により検出されてコントローラ１５に入力される。
【００２０】
コントローラ１５は、ロードセル１２から入力される加圧力を監視し、圧力上昇指令に比較して加圧力が高い加圧シリンダ１０の圧力制御装置１４に対しては、時間の経過に連れて上昇する圧力上昇指令値と実加圧力とが一致するまで圧力上昇の一時停止指令を出力し、圧力上昇指令に比較して加圧力が所定値以上低い加圧シリンダ１０の圧力制御装置１４に対して加圧力差が許容範囲となるよう圧力増加指令を出力する。そして、予め設定した加圧力値に達した加圧点の圧力制御装置１４に対しては順次停止指令を出力し、全ての加圧点の加圧力が予め設定した加圧力値に達すると、全ての圧力制御装置１４の圧力上昇が停止される。
【００２１】
このように、セル面内で均等な圧力分布状態とすることにより、セル面内での一部に応力集中を発生させることがなく、スタッキングされた全てのセパレ一タに均一な圧力を加えることができ、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。
【００２２】
締付け工程Ｓ５では、タイロッドボルト６が順次締付けられる。このタイロッドボルト６の締付けは、締付けトルクを余分に加えることなく、上下エンドプレート３、５および燃料電池構成用部材４間に隙間が生じないようにスナップトルクにより締付けがなされる。
【００２３】
加圧開放工程Ｓ６では、加圧装置７の加圧力が開放される。各圧力制御装置１４は加圧シリンダ１０に供給していた流体の圧力を開放し、加圧シリンダ１０を収縮させて押圧ブロック１１を上昇させ、燃料電池スタック１を開放する。この加圧力開放により、燃料電池構成用部材４は加圧状態から開放されて元の積層状態の厚さに復帰しようとし、上下エンドプレート３、５を離反方向に押圧してタイロッドボルト６に所定の引張り荷重を付与する。
【００２４】
その後の搬出工程Ｓ７では、燃料電池スタック１は、スタッキング台２と共に搬送され搬出される。
【００２５】
以上のように、本実施形態の燃料電池スタック１の締付け方法においては、加圧装置７により上下エンドプレート３、５を複数の加圧シリンダ１０による加圧点によりセル面内で均等な圧力分布状態となるよう所定加圧力で加圧した状態で、タイロッドボルト６を余分のトルクを加えることなくスナップトルクにより締付け、その後に加圧力を開放するものであるため、均一な圧力分布状態の燃料電池スタック１を得ることができる。従って、タイロッドボルト６のみによる加圧・締付け時に生じるセル面内での応力集中を発生させることがなく、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。
【００２６】
また、燃料電池スタック１は、運転時に熱膨張および収縮を繰返す場合にも、燃料電池スタック１のスタッキング後の加圧が均一に行われていることにより、セパレータの破損を防止することができる。
【００２７】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２８】
（ア）加圧装置７により燃料電池スタック１の上下エンドプレート３、５を互いに接近する方向に複数の加圧点により所定加圧力で加圧し、前記加圧状態において、前記上下エンドプレート３、５同士を複数のタイロッドボルト６より連結してタイロッドボルト６をスナップトルクにより締付け、その後に加圧装置７による加圧力を開放するようにしたため、均一な圧力分布状態の燃料電池スタック１を得ることができる。
【００２９】
従って、タイロッドボルト６のみによる加圧・締付け時に生じるセル面内での応力集中を発生させることがなく、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。このため、セパレータの加圧による破損が大幅に低減され、不具合削減によるコスト削減、組立品質向上、組立時間短縮等が図れる。
【００３０】
（第２実施形態）
図６〜図１０は、本発明を適用した燃料電池スタックの締付け方法の第２実施形態を示し、図６は燃料電池スタックの締付け工程を示す工程図、図７はスタッキング時の燃料電池の正面図、図８は複数種類の補正プレートの平面図、図９は傾き補正後の燃料電池の正面図、図１０は別の補正方法による傾き補正後の燃料電池の正面図である。本実施形態においては、スタッキング後の燃料電池スタックの上面の傾きを補正する締付け方法を提供するものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００３１】
本実施形態の燃料電池スタック１の締付け工程においては、図６に示すように、積層（スタッキング）工程Ｓ１とタイロッドボルト仮止め工程Ｓ２との間に、最終積層セパレータ傾き測定工程Ｓ１０、最終積層セパレータ傾き判定工程Ｓ１１が挿入される。そして、最終積層セパレータ傾き判定工程Ｓ１１において、前記傾きが許容範囲を超える場合には、補正工程Ｓ１２により前記傾きを補正した後、再び最終積層セパレータ傾き測定Ｓ１０がなされ、最終積層セパレータ傾き判定工程Ｓ１１で再び傾き判定がなされ、傾きが許容範囲内に収まった段階で、その上に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレート５を積層してタイロッドボルト６の仮止め工程に移行するようにしている。新たに追加した工程Ｓ１０〜Ｓ１２について、以下に具体的に説明する。
【００３２】
最終積層セパレータ傾き測定工程Ｓ１０では、最終積層されたセパレータ４Ａ上面の傾きが測定される。即ち、図７に示すように、最終積層セパレータ４Ａの上面の複数箇所の基台８上からの高さを順次測定し、その測定結果をセル平面内において、その位置と高さ（Ｈ１〜Ｈ３）とを記憶する。この測定工程Ｓ１０では、前記均等加圧工程Ｓ４と同様ににして、積層された燃料電池構成用部材４同士の間の隙間を詰めるよう若干の加圧力を付与した状態で、測定することが望ましい。
【００３３】
最終積層セパレータ傾き判定工程Ｓ１１では、前記最終積層セパレータ傾き測定工程Ｓ１０で記憶された測定値（Ｈ１〜Ｈ３）から最終積層セパレータ４Ａ上面の傾き量と傾き方向とが許容範囲内か否かを判定する。ここでの許容範囲は、その上段にターミナル、インシュレータ、エンドプレート５を積層してタイロッドボルト６で仮止めした状態で加圧した際に、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損が生じない範囲であり、予め実験等によりその許容値が設定される。ここでの傾き判定の結果、許容範囲を超える場合には補正工程に進み、許容範囲内である場合にはタイロッドボルト６の仮止め工程Ｓ２へ進む。
【００３４】
補正工程Ｓ１２では、その最終積層セパレータ４Ａの傾きに対して上側エンドプレート５を水平にするために挿入する傾き補正セパレータ２０を選択して最終積層セパレ一タ４Ａ上に積層する。傾き補正プレート２０は、図８に示すように、傾き方向と傾き補正量とが夫々異なる複数の調整プレート２０Ａ〜２０Ｃおよび微調整プレート２０Ｄ〜２０Ｆを予め準備する。
【００３５】
前記補正プレート２０は、大幅な調整のための調整プレート２０Ａ〜２０Ｃと小幅な調整のための微調整プレート２０Ｄ〜２０Ｆを複数の調整代に応じ、且つ、その調整方向に応じて準備する。例えば、調整プレート２０Ａおよび微調整プレート２０Ｄは、前後方向の傾きを調整するものであり（前方傾きと後方傾きとは調整プレートの向きを変えることで共用される）、調整プレート２０Ｂおよび微調整プレート２０Ｅは左右方向の傾きを調整するものであり（右傾きと左傾きとは調整プレートの向きを変えることで共用される）、調整プレート２０Ｃおよび微調整プレート２０Ｆは、斜め方向傾きを調整するものであり、傾きの方向が異なる場合にも調整プレートの向きを変えることで共用できる。
【００３６】
そして、これらを種々組合せることで略全ての傾きを調整することができる。即ち、調整代および調整方向に応じて、調整プレート２０Ａ〜２０Ｃおよび／または微調整プレート２０Ｄ〜２０Ｆを単独または組合せて最終積層セパレータ４Ａ上に積層する。そして、再び、最終積層セパレータ傾き測定工程Ｓ１０で、今度は補正プレート２０の上面の傾きが測定され、最終積層セパレータ傾き判定工程Ｓ１１で補正プレート２０上面の傾きが許容範囲にあるかどうかが判定される。
【００３７】
このような工程を経て最終積層セパレ一タ４Ａの上面の傾きが補正され、傾き補正セパレ一タ２０の上にターミナル、インシュレータ、エンドプレート５を積層すると、上側エンドプレート５は下方位置のエンドプレート３と平行の位置関係が得られ、図９に示すように、加圧シリンダ１０で加圧しても積層された燃料電池構成用部材４は均一に加圧することができる。したがって、加圧によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。
【００３８】
なお、上記実施形態では、最終積層セパレータ４Ａの上面の傾きを測定して、その上に積層する補正プレート２０により傾きを調整するものについて説明したが、例えば、図１０に示すように、セパレータ４Ｂの積層の度に、若しくは、所定数のセルが積層される度に、積層されているセパレータ４Ｂの上面の高さ寸法を測定し、その傾きが許容範囲を超える場合に、傾き補正プレート２０をその都度積層することで、最終的に上側エンドプレート５を積層したときに、エンドプレート３、５同士が平行になるようにすることもできる。
【００３９】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００４０】
（イ）下側エンドプレート３上に複数のセルを構成するよう積層された燃料電池構成用部材４のセパレータ４Ａ、４Ｂ上面の傾きを測定し、前記傾きが予め設定した許容範囲を超える場合には、傾き補正プレート２０を前記セパレータ４Ａ、４Ｂ上に積層して前記傾きを補正し、その補正プレート２０の上面に、燃料電池構成用部材４および／または上側エンドプレート５を積層し、前記上下エンドプレート３、５同士を複数のタイロッドボルト６より連結してタイロッドボルト６を締付けて燃料電池スタック１を構成するため、上下エンドプレート３、５は平行状態に保たれ、加圧シリンダ１０で加圧しても燃料電池構成用部材４は均一に加圧されるため、加圧によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。
【００４１】
（ウ）傾き補正プレート２０は、最終積層されるセパレータ４Ａの上面に積層される場合に比較して、積層途中段階のセパレータ４Ｂ上面の傾きが予め設定した許容範囲を超える場合に、傾き補正プレート２０をそのセパレータ４Ｂ上に積層して傾きを補正し、その補正プレート２０の上面に、燃料電池構成用部材４および上側エンドプレート５を積層するようにすると、燃料電池構成用部材４の傾きが累積されることがなく燃料電池構成部材４を曲がりなく精度良く積層することができる。
【００４２】
（エ）補正プレート２０を、一方の面を他方の面に対して傾斜させて構成し、傾斜度合いと平面内での傾斜方向とが異なる複数種のものから一つまたはいずれかを組合せて利用すると、一定範囲内の傾きであれば迅速に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの締付け工程の工程図。
【図２】同じく仮止め時の燃料電池スタックを示す平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）。
【図３】同じく仮止め時の燃料電池スタックを示す正面図。
【図４】同じく締付け工程を示す概略図。
【図５】締付け工程時の加圧点と締付け点との配列状態を示す概略平面図。
【図６】本発明の第２実施形態を示す燃料電池スタックの締付け工程の工程図。
【図７】同じくスタッキング時の燃料電池の正面図。
【図８】複数種類の補正プレートの平面図。
【図９】傾き補正後の燃料電池の正面図。
【図１０】第２実施形態の別の補正方法による傾き補正後の燃料電池の正面図。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池スタック
２  スタッキング台
３  下側エンドプレート
４  燃料電池構成用部材
５  上側エンドプレート
６  タイロッドボルト
７  加圧装置
８  基台
９  門型フレーム
１０  加圧シリンダ
１１  押圧ブロック
１２  ロードセル
１４  加圧力制御装置
１５  コントローラ
２０  補正プレート
【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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【図９】
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【図１０】
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