(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを製造する際に、エージング処理における荷重によって膜電極接合体やガス拡散層が破損することを抑制する。【解決手段】複数の燃料電池セル１０を積層する積層工程（ステップＳ１００）と、複数の燃料電池セル１０を積層したセル積層体２０に対して、燃料電池セル１０の積層方向に、振動荷重を加えることによって、初期クリープを進行させるエージング処理を施すエージング処理工程（ステップＳ１１０）と、エージング処理が施されたセル積層体２０を締結する締結工程（ステップＳ１２０）と、を備える。【選択図】図１
2012185920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの製造方法であって、
複数の燃料電池セルを積層する積層工程と、
前記積層された複数の燃料電池セルを締結する締結工程と、
を備え、さらに、
前記複数の燃料電池セルに対して、前記燃料電池セルの積層方向に振動荷重を加えることによって、初期クリープを進行させるエージング処理を施すエージング処理工程を備える、
燃料電池スタックの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記エージング処理工程は、前記複数の燃料電池セルを積層した積層体に対して、前記エージング処理を施す工程を含む、
燃料電池スタックの製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記エージング処理工程は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれに対して個別に、前記エージング処理を施す工程を含む、
燃料電池スタックの製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記振動荷重の周波数は、３（Ｈｚ）以上である、
燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
燃料電池セルの初期クリープを進行させる燃料電池セルのエージング方法であって、
前記燃料電池セルに対して、前記燃料電池セルの表面に対して略垂直な方向に、振動荷重を加える工程を備える、
燃料電池セルのエージング方法。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池セルのエージング方法であって、
前記振動荷重の周波数は、３（Ｈｚ）以上である、
燃料電池セルのエージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの製造方法、および、燃料電池セルのエージング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを積層させて構成される燃料電池スタックの形態で利用される。
【０００３】
そして、この燃料電池スタックを製造する際には、各燃料電池セルからの燃料ガスや、酸化剤ガスや、冷却媒体の漏洩を防止するため、および、燃料電池スタックを構成する部材同士の接触抵抗を低減するために、複数の燃料電池セルは、これらの積層方向に締結荷重が加えられた状態で締結される。このため、燃料電池セルを構成する部材には、上記締結荷重によって、経時的にクリープが生じる。そして、このクリープ量の変化率は、一般に、燃料電池スタックの製造後の初期の段階で大きい。
【０００４】
そこで、従来、燃料電池セルに対して荷重（静荷重）を加えて初期クリープを進行させるエージング処理を施した後に、複数の燃料電池セルを締結する技術が提案されている（下記特許文献参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１２０３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４４９２号公報
【特許文献３】特開２０１０−６１９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池スタックの製造時間短縮の観点から、上記エージング処理は、短時間で完了することが求められる。そして、上記エージング処理を短時間で完了するための方法としては、燃料電池セルに対して、高い荷重を加えることが考えられる。
【０００７】
しかし、燃料電池セルに高い荷重を加えると、燃料電池セルが備える膜電極接合体やガス拡散層が破損する場合がある。そして、この破損は、燃料電池スタックの発電性能の低下や、短寿命化を招く。
【０００８】
本発明は、上述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製造する際に、エージング処理における荷重によって膜電極接合体やガス拡散層が破損することを抑制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、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
燃料電池スタックの製造方法であって、
複数の燃料電池セルを積層する積層工程と、
前記積層された複数の燃料電池セルを締結する締結工程と、
を備え、さらに、
前記複数の燃料電池セルに対して、前記燃料電池セルの積層方向に振動荷重を加えることによって、初期クリープを進行させるエージング処理を施すエージング処理工程を備える、
燃料電池スタックの製造方法。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記エージング処理工程は、前記複数の燃料電池セルを積層した積層体に対して、前記エージング処理を施す工程を含む、
燃料電池スタックの製造方法。
【００１２】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記エージング処理工程は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれに対して個別に、前記エージング処理を施す工程を含む、
燃料電池スタックの製造方法。
【００１３】
適用例１ないし３の燃料電池スタックの製造方法では、エージング処理工程において、燃料電池セルに対して、振動による加速度が作用するので、静荷重を加える場合よりも低い荷重、かつ、短時間で、燃料電池セルの初期クリープを進行させることができる。そして、比較的低い荷重でエージング処理工程を行うので、荷重によって燃料電池セルが備える膜電極接合体やガス拡散層が破損することを抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記振動荷重の周波数は、３（Ｈｚ）以上である、
燃料電池スタックの製造方法。
【００１５】
上記振動荷重の周波数を３（Ｈｚ）以上とすることによって、先に説明した破損を抑制する効果が顕著になることが分かった。
【００１６】
本発明は、上述の燃料電池スタックの製造法としての構成の他、燃料電池セルのエージング方法の発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。
【図２】本実施例の燃料電池スタックの製造工程による効果を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。まず、積層工程として、複数の燃料電池セル１０、および、他の部材を積層して、燃料電池スタックの仮組付を行う（ステップＳ１００）。なお、図示は省略するが、燃料電池セル１０は、概ね、膜電極ガス拡散層接合体をセパレータで挟持することによって構成されている。そして、本実施例では、燃料電池スタックの仮組付の際、複数の燃料電池セル１０を、鉛直方向に積層するものとした。このとき、複数の燃料電池セル１０を積層したセル積層体２０の積層方向についての寸法Ｌは、Ｌ＝Ｌ１であるものとする。
【００１９】
次に、エージング処理工程として、セル積層体２０に対して、燃料電池セル１０の積層方向に、振動荷重を加える（ステップＳ１１０）。ここで、「振動荷重を加える」とは、振動を加えつつ、荷重を加えること意味している。振動は、周期的振動であってもよいし、非周期的振動であってもよい。本実施例では、振動荷重の振動は、周期的振動であり、振動荷重の周波数は、１０（Ｈｚ）であるものとした。振動荷重の振幅は、任意に設定可能であり、また、一定であってもよいし、ランダムであってもよい。このエージング処理工程によって、セル積層体２０における各燃料電池セル１０では、初期クリープが進行する。そして、本実施例では、セル積層体２０の積層方向についての寸法Ｌが、Ｌ＝Ｌ２（＜Ｌ１）にクリープするまで、エージング処理工程を継続するものとした。
【００２０】
次に、セル積層体２０の積層方向についての寸法ＬをＬ＝Ｌ２に維持したまま、締結工程として、締結部材によって、燃料電池スタックを締結する（ステップＳ１２０）。以上の製造工程によって、燃料電池スタック１００は完成する。
【００２１】
図２は、本実施例の燃料電池スタックの製造工程による効果を示す説明図である。図２に、本実施例の燃料電池スタックの製造工程、および、比較例の燃料電池スタックの製造工程について、エージング処理工程において、セル積層体２０に加える荷重の経時変化を実線で示した。また、本実施例の燃料電池スタックの製造工程、および、比較例の燃料電池スタックの製造工程について、エージング処理工程におけるセル積層体２０の積層方向についての寸法の経時変化を破線で示した。なお、比較例の燃料電池スタックの製造工程は、エージング処理工程において、セル積層体２０に対して静荷重を加える点で、本実施例の燃料電池スタックの製造工程と異なっている。そして、エージング処理工程以外の工程は、本実施例の燃料電池スタックの製造工程と同じである。
【００２２】
図示するように、比較例の燃料電池スタックの製造工程では、エージング処理工程において、セル積層体２０の積層方向についての寸法がＬ１からＬ２（＜Ｌ１）にクリープするまでに、実施例よりも高い荷重を、実施例よりも長い時間加える必要があった。換言すれば、本実施例の燃料電池スタックの製造工程では、エージング処理工程において、比較例よりも低い荷重を、比較例よりも短い時間加えるだけで、セル積層体２０の寸法は、Ｌ１からＬ２にクリープした。
【００２３】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタックの製造工程では、エージング処理工程において、セル積層体２０に対して、振動荷重を加えることによって、セル積層体２０に対して、振動による加速度が作用するので、静荷重を加える場合よりも低い荷重、かつ、短時間で、燃料電池セル１０の初期クリープを進行させることができる。そして、比較的低い荷重でエージング処理工程を行うので、荷重によって燃料電池セル１０が備える膜電極接合体やガス拡散層が破損することを抑制することができる。
【００２４】
Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。第２実施例では、複数の燃料電池セル１０のそれぞれに対して個別に、エージング処理を施した後に、複数の燃料電池セル１０等を積層して締結する点で、第１実施例と異なっている。
【００２５】
まず、エージング処理工程として、複数の燃料電池セル１０に対して、燃料電池セル１０の積層方向に、それぞれ個別に、振動荷重を加える（ステップＳ２００）。本実施例においても、第１実施例と同様に、振動荷重の周波数は、１０（Ｈｚ）であるものとした。この工程によって、各燃料電池セル１０では、初期クリープが進行する。
【００２６】
そして、エージング処理工程によって、エージング処理が施された複数の燃料電池セル１０、および、他の部材を積層して、燃料電池スタックの組み付けを行い（ステップＳ２１０）、燃料電池スタックを締結する（ステップＳ２２０）。以上の製造工程によって、燃料電池スタック１００は完成する。
【００２７】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックの製造工程では、エージング処理工程において、複数の燃料電池セル１０のそれぞれに対して個別に、振動荷重を加えることによって、各燃料電池セル１０に対して、振動による加速度が作用するので、静荷重を加える場合よりも低い荷重、かつ、短時間で、燃料電池セル１０の初期クリープを進行させることができる。そして、比較的低い荷重でエージング処理工程を行うので、荷重によって燃料電池セル１０が備える膜電極接合体やガス拡散層が破損することを抑制することができる。
【００２８】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００２９】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、エージング処理工程における振動荷重の周波数は、１０（Ｈｚ）であるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記振動荷重の周波数は、３（Ｈｚ）以上であることが好ましい。
【００３０】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、図２に示したように、エージング処理工程における振動荷重の波形は、三角波であるものとしたが、本発明は、これに限られない。振動荷重の波形を、のこぎり波や、正弦波等、他の波形としてもよい。また、振動荷重の波形を、非周期的な波形としてもよい。
【００３１】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、積層工程において、複数の燃料電池セル１０を、鉛直方向に積層するものとしたが、本発明は、これに限られない。複数の燃料電池セル１０を、水平方向に積層するようにしてもよい。
【００３２】
Ｃ４．変形例４：
上記第１実施例では、セル積層体２０の積層方向についての寸法がＬ１からＬ２にクリープするまで、エージング処理工程を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、エージング処理工程を、初期クリープが十分に進行したと推測される所定時間行うようにしてもよい。また、エージング処理工程を、単位時間当たりのクリープ量が、初期クリープが十分に進行したと推測される所定値以下になるまで行うものとしてもよい。これらのことは、第２実施例の燃料電池スタックの製造工程についても同様である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…燃料電池セル
２０…セル積層体
１００…燃料電池スタック
【図１】
2012185920.tif 000003
【図２】
2012185920.tif 000004
【図３】
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