(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの荷重調整や量産が容易にする。【解決手段】燃料電池スタックの締結装置は、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックの全体を収納可能なチャンバと、前記チャンバの内部の温度と湿度とが予め設定された目標温度範囲と目標湿度範囲にそれぞれ収まるように制御する温度湿度制御装置と、温度と湿度とが前記目標温度範囲と前記目標湿度範囲に収まるように調整された前記チャンバに収納された前記燃料電池スタックに対して前記燃料電池スタックの積層方向に所定の荷重を印加して保持する荷重付与装置と、を備える。【選択図】図１
2016110863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの締結装置であって、
積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックの全体を収納可能なチャンバと、
前記チャンバの内部の温度と湿度とが予め設定された目標温度範囲と目標湿度範囲にそれぞれ収まるように制御する温度湿度制御装置と、
温度と湿度とが前記目標温度範囲と前記目標湿度範囲に収まるように調整された前記チャンバに収納された前記燃料電池スタックに対して前記燃料電池スタックの積層方向に所定の荷重を印加して保持する荷重付与装置と、
を備える、燃料電池スタックの締結装置。
【請求項２】
燃料電池スタックの製造方法であって、
チャンバの中に積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックの部品を配置して燃料電池スタックを構成する工程と、
前記チャンバの内部の温度と湿度とが予め設定された目標温度範囲と目標湿度範囲にそれぞれ収まるように制御する工程と、
温度と湿度とが前記目標温度範囲と前記目標湿度範囲に収まるように調整された前記チャンバに収納された前記燃料電池スタックに対して前記燃料電池スタックの積層方向に所定の荷重を印加して保持する工程と、
前記所定の荷重が印加された状態で前記燃料電池スタックを締結する工程と、
を備える、燃料電池スタックの製造方法。
【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締結装置及び締結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック（「セルスタック」とも呼ぶ。）は、セルの表面にほぼ均一に圧力（以下「面圧」と呼ぶ。）を掛けることにより接触抵抗を低くし、発電性能を向上できる。燃料電池スタックの積層方向に面圧を発生させて、セルに荷重を付与する荷重付与手段を用いた燃料電池スタックの締結方法が知られている（特許文献１）。この方法では、荷重付与手段は、発電中の積層面の温度分布に基づいて締結時の初期荷重を設定し、当該初期荷重によってセルに荷重を付与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８５７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に従って燃料電池スタックの初期荷重を決め、最終荷重の調整を行っても、締結時の温度、湿度等の雰囲気が変わると、狙いとする最終締結状態からずれる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池スタックの締結装置が提供される。この締結装置は、  積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックの全体を収納可能なチャンバと、前記チャンバの内部の温度と湿度とが予め設定された目標温度範囲と目標湿度範囲にそれぞれ収まるように制御する温度湿度制御装置と、温度と湿度とが前記目標温度範囲と前記目標湿度範囲に収まるように調整された前記チャンバに収納された前記燃料電池スタックに対して前記燃料電池スタックの積層方向に所定の荷重を印加して保持する荷重付与装置と、を備える。この形態によれば、燃料電池スタックをチャンバに収納し、所定の温度、湿度にした状態で、燃料電池スタックに所定の荷重を掛けて締結できるので、従来の締結装置に比べて、燃料電池スタックの荷重調整や量産が容易である。
【０００７】
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装置の他、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池スタックの締結装置を示す説明図。
【図２】チャンバの内部に配置された燃料電池スタックを加圧バーから見たときを示す説明図。
【図３】燃料電池スタックの締結工程を示すフローチャート。
【図４】チャンバの内部の温度と湿度の時間変化の一例を示す説明図。
【図５】燃料電池スタックの締結工程における加圧荷重の変化の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池スタック２００の締結装置１０を示す説明図である。燃料電池スタック２００は、複数の単セル２１０の積層体であるセルスタック２１５の両面に、集電プレート２２０、２２５と、絶縁プレート２３０、２３５と、締結プレート２４０、２４５（「エンドプレート２４０」、「エンドプレート２４５」とも呼ぶ。）と、スタックマニホールドプレート２５０と、がこの順の配置されたものである。この燃料電池スタック２００は、締結の終了後にスタックケース２６０内に収納される。集電プレート２２０、２２５は、セルスタック２１５から電力を取り出すために用いられる。絶縁プレート２３０、２３５は、セルスタック２１５を他の部材（例えば締結プレート２４０、２４５や、燃料電池スタック２００が取り付けられる車両のボディ（図示せず））から絶縁する。締結プレート２４０、２４５は、セルスタック２１５に所望の面圧が掛かるように、例えば、締結シャフト２７０とナット２７５によって、互いに締結される。スタックマニホールドプレート２５０は、セルスタック２１５に、燃料ガスと、酸化剤ガスと、冷却液とを供給及び排出するための複数のマニホールドを備えている。なお、締結プレート２４５と、スタックマニホールドプレート２５０は、一体に形成されていても良い。
【００１０】
締結装置１０は、密閉可能なチャンバ１００と、荷重付与装置１１０と、加圧バー１２０、１２５と、プレッシャープレート１３０、１３５と、載置台１４０と、温度湿度制御装置１５０と、給気配管１６０と、排気配管１６５と、ロボットアーム１７０と、スタックケース移動装置１８０と、を備える。載置台１４０は、燃料電池スタック２００を載置する台である。載置台１４０の上面は、燃料電池スタック２００の構成部品を積層するときの積層基準面となる。燃料電池スタック２００のスタックマニホールドプレート２５０の外側には、プレッシャープレート１３５と加圧バー１２５とがこの順に配置されている。反対側のプレッシャープレート１３０には、加圧バー１２０が接続されている。加圧バー１２０は荷重付与装置１１０に接続されている。
【００１１】
荷重付与装置１１０は、雄ねじが切られたネジ棒１１２と、モータ１１４と、押圧板１１６、１１７と、ロードセル１１８とを備える。ネジ棒１１２と加圧バー１２０との間には、押圧板１１６、１１７と、押圧板１１６と１１７に挟まれたロードセル１１８とが配置されている。ネジ棒１１２とモータ１１４とは、ボールネジ機構を構成しており、モータ１１４が回転することで、ネジ棒１１２を軸に沿った方向に移動させる。ネジ棒１１２が移動すると、加圧バー１２０も移動する。ロードセル１１８は、燃料電池スタック２００に掛かる荷重を測定する。本実施形態では、ネジ棒１１２は、荷重付与装置１１０に収納されているが、ネジ棒１１２の一部は、荷重付与装置１１０の外部に突き出ていても良い。さらに、ネジ棒１１２は、チャンバ１００の外部に突き出ていても良い。
【００１２】
温度湿度制御装置１５０は、給気配管１６０と、排気配管１６５により、チャンバ１００と接続されており、チャンバ１００の内部の温度と湿度がそれぞれの目標値になるように制御する。チャンバ１００には、チャンバ１００の内部の温度と湿度とを測定する温湿度センサ３００が設けられている。温度湿度制御装置１５０には、温度湿度制御装置１５０がチャンバ１００の内部の過剰な水分を除湿した時に生じる水を排水する配水管１５２が設けられている。
【００１３】
ロボットアーム１７０は、荷重付与装置１１０によって所定の荷重が燃料電池スタック２００に掛けられているときに、締結シャフト２７０とナット２７５とを用いて、燃料電池スタック２００を締結する締結装置である。スタックケース移動装置１８０は、スタックケース２６０の中に燃料電池スタック２００を収納するように、スタックケース２６０を移動させる。
【００１４】
図２は、チャンバ１００の内部に配置された燃料電池スタック２００を加圧バー１２０から見たときを示す説明図である。プレッシャープレート１３０の四隅には切り欠きが形成されており、締結プレート２４０が見えている。締結プレート２４０の四隅には、締結シャフト２７０が積層方向に貫通している。締結シャフト２７０の反対側（奥側）は、締結プレート２４５と固定されている。ロボットアーム１７０は、ナット２７５を用いて、締結プレート２４０を固定する。プレッシャープレート１３０の切り欠きは、締結シャフト２７０の位置により決まるため、四隅以外の場所であってもよい。
【００１５】
図３は、燃料電池スタック２００の締結工程を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、チャンバ１００の内部の載置台１４０の上に、締結プレート２４５、絶縁プレート２３５、集電プレート２２５、複数の単セル２１０、集電プレート２２０、絶縁プレート２３０、締結プレート２４０、プレッシャープレート１３０を順に配置した後、チャンバ１００のドア（図示せず）を閉めて密閉する。チャンバ１００のドアは、例えば、側面（図３の紙面手前側または紙面奥側）に設けられ、このドアから、単セル２１０等をチャンバ１００の内部に搬入可能である。
【００１６】
ステップＳ１１０では、作業者が、チャンバ１００の内部の温度と相対湿度（単に「湿度」と呼ぶ。）の目標値を設定する。温度の目標値は、１０℃〜４０℃の範囲内の値とすることが好ましく、２０〜２５℃の範囲内とすることがさらに好ましく、２２℃〜２３℃の範囲とすることが最も好ましい。また湿度の目標値は、３０％〜７０％の範囲とすることが好ましく、４０％〜５０％の範囲とすることがさらに好ましい。これらの温度の目標値及び湿度の目標値を、設定温度及び設定湿度とも呼ぶ。
【００１７】
温度湿度制御装置１５０は、温湿度センサ３００で測定された温度の実測値（「実測温度」とも呼ぶ。）と湿度の実測値（「実測湿度」とも呼ぶ。）が、設定温度と設定湿度に近づくように給気配管１６０を介してチャンバ１００の内部に供給される空気の温度と湿度を制御する。この制御としては、フィードバック制御を用いても良く、オープンループ制御を用いても良い。
【００１８】
ステップＳ１２０では、荷重付与装置１１０を用いて、燃料電池スタック２００に所定の荷重を加える。具体的には、荷重付与装置１１０は、加圧バー１２０を燃料電池スタック２００の方向に移動させることによって、燃料電池スタック２００に荷重を印加する。
【００１９】
ステップＳ１３０では、所定の時間が経過するまで待機する。本実施形態では、チャンバ１００のドアを開けて燃料電池スタック２００の部品を配置するので、チャンバ１００の内部の温度や湿度は、一旦、チャンバ１００の外部の温度や湿度と等しくなる。また、チャンバ１００に配置された直後の燃料電池スタック２００の部品の温度は、チャンバ１００の外部の温度と等しい。一方、チャンバ１００を閉じて所定の十分な時間が経過すれば、チャンバ１００の内部の温度と湿度は一定の値（設定温度、設定湿度）となり、燃料電池スタック２００の部品の温度も設定温度と等しくなる。
【００２０】
図４は、チャンバ１００の内部の温度と湿度の時間変化の一例を示す説明図である。時間の経過とともに、実測温度、実測湿度が一定の値（設定温度、設定湿度）に近づいており、それぞれの目標範囲ΔＴ、ΔＨ（それぞれ「目標温度範囲」「目標湿度範囲」とも呼ぶ。）に収まっていることがわかる。これらの目標範囲ΔＴ、ΔＨは、それぞれの目標値に所定の許容差（例えば、±２℃、及び±３％）を加えた範囲である。なお、図４では、設定温度が外気温とほぼ同じであったため、設定温度と実測温度が重なっている。
【００２１】
ステップＳ１４０では、Ｆ−Ｓ（フォース−ストローク）特性を測定する。燃料電池スタック２００は、荷重を加えて圧縮すると縮み、荷重を抜くと縮みがもとに戻るバネ特性を有している。Ｆ−Ｓ特性の測定では、荷重と圧縮量との関係を測定し、この関係が所定の範囲内に収まっているか否か、を判断する。例えば、ばね定数が所定の範囲内に入っているか否かが判断される。Ｆ−Ｓ特性が所定の範囲内に収まっていればステップＳ１５０に移行し、収まっていなければステップＳ１８０に移行する。ステップＳ１８０では、荷重付与装置１１０は、加圧バー１２０を燃料電池スタック２００と反対方向に移動させて燃料電池スタック２００に掛かる荷重を抜く。その後、チャンバ１００を開けて、燃料電池スタック２００の部品を取り出して終了する。
【００２２】
ステップＳ１５０では、ロボットアーム１７０は、燃料電池スタック２００の荷重が保持された状態で、締結シャフト２７０と、ナット２７５を用いて、燃料電池スタック２００を締結する。
【００２３】
ステップＳ１６０では、燃料電池スタック２００をスタックケース２６０に収納する。例えば、載置台１４０を下げ、スタックケース２６０を燃料電池スタック２００の方向に移動させることで、燃料電池スタック２００をスタックケース２６０に収納することが可能である。ステップＳ１７０では、チャンバ１００のドアを開け、スタックケース２６０に収納された燃料電池スタック２００を取り出す。
【００２４】
図５は、燃料電池スタック２００の締結工程（図３のステップＳ１２０〜Ｓ１５０）における加圧荷重の変化の一例を示す説明図である。ここでは、４つの加圧荷重Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４（Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４）が用いられている。載置台１４０の上に燃料電池スタック２００の部品が配置されると、荷重付与装置１１０は、加圧バー１２０を燃料電池スタック２００の方向に移動させる。荷重付与装置１１０は、加圧バー１２０がプレッシャープレート１３０に接触するまでは、比較的速い速度で加圧バー１２０を移動させる。時刻ｔ１で加圧バー１２０がプレッシャープレート１３０に接触すると、荷重付与装置１１０は、時刻ｔ１までよりも加圧バー１２０の移動速度を少し遅くして荷重Ｎ４まで荷重を増加させる。
【００２５】
時刻ｔ２になると、加圧バー１２０による荷重はＮ４に到達する。ここで、荷重付与装置１１０は、加圧バー１２０の移動を停止し、時刻ｔ３まで荷重を掛けたまま待機する。ここで時刻ｔ２〜ｔ３までの時間は、チャンバ１００の内部の温度、湿度、及び燃料電池スタック２００の温度が定常状態となるまでの時間であり、例えば数十分から４５分、あるいは１時間程度であってもよい。時刻ｔ２〜ｔ３までの時間をプレクリープ時間とも呼ぶ。
【００２６】
時刻ｔ３になると（チャンバ１００の内部の温度や湿度が定常状態となると）、荷重付与装置１１０は、荷重をＮ２まで下げ、次にＮ４まで上げることを何回か繰り返してＦ−Ｓ特性を測定する。Ｆ−Ｓ特性とは、上述したように、荷重と圧縮量の関係を示す特性である。Ｆ−Ｓ特性が所定の範囲内に収まっていれば、荷重付与装置１１０は、荷重を、締結荷重であるＮ３とする。この状態で、燃料電池スタック２００は締結される。締結荷重Ｎ３は、目標温度により定まる値であり、燃料電池スタック２００の最終的な目標荷重Ｎｔ±ΔＮよりも少し（１ｋＮ程度）大きな値である。ΔＮは、目標荷重の許容誤差であり、例えば０．５ｋＮである。
【００２７】
以上、本実施形態によれば、チャンバ１００の内部に燃料電池スタック２００の部品を配置し、チャンバ１００の内部の温度と湿度がそれぞれの目標範囲（ΔＴ、ΔＨ）に収まった状態で荷重を加え、チャンバ１００の内部の温度、湿度が定常状態になってから燃料電池スタックを締結するので、従来の締結装置に比べて、燃料電池スタック２００の荷重調整や量産が容易である。
【００２８】
変形例：
上記説明では、チャンバの内部の温度の目標値の好ましい範囲は、１０℃〜４０℃の範囲であり、２０〜２５℃の範囲がより好ましく、２２℃〜２３℃の範囲が最も好ましい、と説明した。ここで、チャンバ１００の外部の温度に合わせて３つの区分（２０℃未満、２０℃以上〜３０℃未満、３０℃以上）にわけ、各区分において、チャンバ１００の内部の温度と、湿度と、締結荷重Ｎ３の大きさを定めても良い。チャンバ１００の外部の温度（例えば工場の室温）と、チャンバ１００の内部の温度が近ければ、チャンバ１００の内部の温度を制御するためのエネルギーを少なく出来る。
【００２９】
本実施形態では、燃料電池スタック２００の締結後にスタックケース２６０に燃料電池スタック２００を収納しているが、チャンバ１００から燃料電池スタック２００を取り出した後で、燃料電池スタック２００をスタックケース２６０に収納しても良い。こうすれば、チャンバ１００の大きさを小さく出来る。また、荷重付与装置１１０をチャンバ１００の中でなく、チャンバ１００の外部に配置しても良い。
【００３０】
本実施形態では、ロボットアーム１７０が、燃料電池スタック２００の荷重が保持された状態で、締結シャフト２７０と、ナット２７５を用いて、燃料電池スタック２００を締結する、と説明したが、ロボットアーム以外の装置、例えば作業員が電動工具を用いて、手動で締結を行っても良い。
【００３１】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３２】
１０…締結装置
１００…チャンバ
１１０…荷重付与装置
１１２…ネジ棒
１１４…モータ
１１６…押圧板
１１８…ロードセル
１２０、１２５…加圧バー
１３０、１３５…プレッシャープレート
１４０…載置台
１５０…温度湿度制御装置
１５２…配水管
１６０…給気配管
１６５…排気配管
１７０…ロボットアーム
１８０…スタックケース移動装置
２００…燃料電池スタック
２１０…単セル
２１５…セルスタック
２２０、２２５…集電プレート
２３０、２３５…絶縁プレート
２４０、２４５…締結プレート（エンドプレート）
２５０…スタックマニホールドプレート
２６０…スタックケース
２７０…締結シャフト
２７５…ナット
３００…温湿度センサ
【図１】
2016110863.tif 000003
【図２】
2016110863.tif 000004
【図３】
2016110863.tif 000005
【図４】
2016110863.tif 000006
【図５】
2016110863.tif 000007