(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの製造コストを低減可能な燃料電池スタックの締結技術を提供する。【解決手段】積層方向に積層された複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックの製造方法であって、加圧を行い締結を行わない加圧装置によって、積層方向における燃料電池スタックの長さであるスタック長の単位時間あたりの変動量が、予め定めた値以下になるまで燃料電池スタックを加圧するクリープ工程と、クリープ工程が完了した際、燃料電池スタックのスタック長を測定する測定工程と、測定工程の後、燃料電池スタックの加圧を解除する解除工程と、燃料電池スタックを加圧及び締結する加圧・締結装置によって、測定されたスタック長になるまで、加圧が解除された燃料電池スタックを再度加圧して締結する加圧・締結工程と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向に積層された複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックの製造方法であって、
加圧を行い締結を行わない加圧装置によって、前記積層方向における前記燃料電池スタックの長さであるスタック長の単位時間あたりの変動量が、予め定めた値以下になるまで前記燃料電池スタックを加圧するクリープ工程と、
前記クリープ工程が完了した際、前記燃料電池スタックのスタック長を測定する測定工程と、
前記測定工程の後、前記燃料電池スタックの加圧を解除する解除工程と、
前記燃料電池スタックを加圧及び締結する加圧・締結装置によって、前記測定されたスタック長になるまで、加圧が解除された前記燃料電池スタックを再度加圧して締結する加圧・締結工程と、を備える製造方法。
【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製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の燃料電池セルが積層して成る燃料電池スタックを締結する方法として、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された締結方法では、加圧と締結の両方を行う装置（以下、「加圧・締結装置」と呼ぶ）によって、燃料電池スタックを加圧し、締結している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１５２８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の締結方法では、加圧・締結装置によって、クリープ工程から締結工程までを行っており、その間、設備を占有している。そのため、燃料電池スタックを増産する場合、高価な加圧・締結装置を複数用意する必要があり、燃料電池スタックの製造コストが高くなる。従って、燃料電池スタックの製造コストを低減可能な燃料電池スタックの締結技術が望まれていた。
【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】
（１）本発明の一形態によれば、積層方向に積層された複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックの締結方法が提供される。この燃料電池スタックの締結方法は、加圧を行い締結を行わない加圧装置によって、前記積層方向における前記燃料電池スタックの長さであるスタック長の単位時間あたりの変動量が、予め定めた値以下になるまで前記燃料電池スタックを加圧するクリープ工程と；前記クリープ工程が完了した際、前記燃料電池スタックのスタック長を測定する測定工程と；前記測定工程の後、前記燃料電池スタックの加圧を解除する解除工程と；前記燃料電池スタックを加圧及び締結する加圧・締結装置によって、前記測定されたスタック長になるまで、加圧が解除された前記燃料電池スタックを再度加圧して締結する加圧・締結工程と、を備える。この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、加圧・締結装置よりも安価な加圧装置によってクリープ工程を済ませることができるため、高価な加圧・締結装置が燃料電池スタックの製造時に占有される時間を短くすることができる。そのため、安価な加圧装置を複数用意すれば、高価な加圧・締結装置を複数用意することなく、多数の燃料電池スタックを生産できるので、燃料電池スタックの製造コストを低減できる。
【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や、燃料電池スタックの締結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概略図である。
【図２】加圧装置の概略図である。
【図３】加圧・締結装置の概略図である。
【図４】燃料電池スタックの製造方法の概要を表わす工程図である。
【図５】各工程における燃料電池スタックのスタック長の変化を示した説明図である。
【図６】燃料電池スタックに加える荷重変化を示すグラフである。
【図７】第１変形例における概略工程図である。
【図８】第２変形例における概略工程図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法によって製造される燃料電池スタック１０の概略図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子形の燃料電池であり、燃料電池セル１１を複数積層した積層体である。燃料電池セル１１を複数積層した積層体の両端は、プレッシャープレート１２とエンドプレート１３とで挟持されている。燃料電池スタック１０は、燃料電池セル１１の積層方向に所定の荷重が加えられた状態で、エンドプレート１３と、スタックケース１５とが、締結ボルト１６で固定されることによって締結がされている。
【００１０】
スタックケース１５には、プレッシャープレート１２と当接する面に貫通したねじ穴が設けられており、燃料電池スタック１０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ねじ１７が嵌挿されている。荷重調整ねじ１７は、スタックケース１５からプレッシャープレート１２側へせり出しており、プレッシャープレート１２を押圧している。荷重調整ねじ１７のせり出しの長さ（以下、せり出し量とも呼ぶ）は、荷重調整ねじ１７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、荷重調整ねじ１７のせり出し量を調整することによって行われる。
【００１１】
図２は、本実施形態の燃料電池スタック１０の製造方法で用いる加圧装置２０の概略図である。加圧装置２０は、燃料電池スタック１０の加圧のみを行い、締結を行わない装置である。加圧装置２０は、制御装置２１と加圧シリンダ２２と変位計２３とを備える。制御装置２１は、加圧シリンダ２２を制御して燃料電池スタック１０の加圧を行うと共に、変位計２３を用いて燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬの測定を行う。スタック長ＳＬとは、燃料電池セル１１の積層方向における燃料電池スタック１０の長さである。
【００１２】
加圧シリンダ２２としては、例えば、一般的な油圧サーボシリンダを用いることができる。また、燃料電池スタック１０の加圧は、加圧シリンダ２２に限らず、例えばボールねじ等を用いて加圧してもよい。変位計２３としては、例えばレーザ変位計を用いることができる。
【００１３】
図３は、本実施形態の燃料電池スタック１０の製造方法で用いる加圧・締結装置３０の概略図である。加圧・締結装置３０は、燃料電池スタック１０の加圧と締結の両方を行なう装置である。加圧・締結装置３０は、制御装置３１と加圧シリンダ３２と変位計３３と第１のロボット３４と第２のロボット３５とを備える。制御装置３１は、加圧シリンダ３２を制御して燃料電池スタック１０の加圧を行うと共に、変位計３３を用いて燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬの測定を行う。制御装置３１は、燃料電池スタック１０の加圧が完了した後に、第１のロボット３４を制御して燃料電池スタック１０を締結ボルト１６によりスタックケース１５に締結し、第２のロボット３５を制御して荷重調整ねじ１７を燃料電池スタック１０に組み付け、最終的な燃料電池スタック１０の締結荷重を調整する。
【００１４】
図４は、本実施形態における燃料電池スタック１０の製造方法の概要を表わす工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、図２に示した加圧装置２０に燃料電池スタック１０を設置して加圧し、燃料電池スタック１０をクリープ変形させる（ステップＳ１００）。ステップＳ１００の工程をクリープ工程という。
【００１５】
図５は、各工程における燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬの変化を示した説明図である。ステップＳ１００におけるクリープ工程の開始時には、燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬは最も長い状態である。
【００１６】
図６は、燃料電池スタック１０に加える荷重変化を示すグラフである。このグラフの縦軸は荷重（ｋＮ）を示し、横軸は時間を示している。上記ステップＳ１００のクリープ工程は、タイミングｔ０からｔ１の期間に相当し、予め定められた最も大きな荷重によって燃料電池スタック１０が加圧される。この荷重のことをクリープ荷重ともいう。
【００１７】
次に、加圧装置２０の制御装置２１が、変位計２３を用いて燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬが安定したか否かを判断する（図４、ステップＳ１１０）。本実施形態では、変位計２３によって測定したスタック長ＳＬの単位時間あたりの変動量が、予め定めた基準値（例えば、０．５ｍｍ／分）以下になった場合に、スタック長ＳＬが安定したと判断する。この基準値は、燃料電池スタック１０の仕様に応じて適宜設定可能である。
【００１８】
スタック長ＳＬが安定した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、クリープ工程は完了する。その際、制御装置２１は、荷重を最大荷重から最終締結荷重に下げた上で、変位計２３を用いてスタック長ＳＬを測定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０の工程を測定工程という。測定工程におけるスタック長ＳＬの測定値は、図５に示すように長さＬ１であるものとする。また、上記ステップＳ１２０は、図６に示すタイミングｔ１からｔ２の期間に相当する。タイミングｔ１からｔ２の期間の荷重が最終締結荷重である。上記ステップＳ１１０において、スタック長ＳＬが安定していなければ（ステップ１１０：ＮＯ）、制御装置２１はスタック長ＳＬが安定するまで加圧を続ける。
【００１９】
スタック長ＳＬの測定が完了したら、加圧装置２０の制御装置２１は、加圧シリンダ２２を制御して燃料電池スタック１０の加圧を解除する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０の工程を解除工程という。解除工程が行われると、クリープの戻りが起こり、燃料電池スタック１０は、図５に示すように長さＬ１よりも伸長する。上記ステップＳ１３０の解除工程は、図６に示すタイミングｔ２からｔ３の期間に相当し、燃料電池スタック１０に加わる荷重は０である。
【００２０】
次に、燃料電池スタック１０を図３に示した加圧・締結装置３０に設置して再度加圧する（ステップＳ１４０）。上記ステップＳ１４０は、図６に示すタイミングｔ３からｔ４の期間に相当し、クリープ戻りにより、燃料電池スタック１０に加わる荷重が、一時的に最終締結荷重よりも荷重Ｎ１だけ大きくなる。
【００２１】
続いて、制御装置３１は、変位計３３を用いて燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬを測定し、測定工程において測定された長さＬ１と比較する（ステップＳ１５０）。スタック長ＳＬが、長さＬ１と等しくなった場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、制御装置３１は、第１のロボット３４を制御して燃料電池スタック１０を締結ボルト１６によりスタックケース１５に締結し（ステップＳ１６０）、第２のロボット３５を制御して燃料電池スタック１０に荷重調整ねじ１７を組み付ける。燃料電池スタック１０を締結することにより、燃料電池スタック１０の最終的なスタック長ＳＬは、図５に示すように長さＬ１になる。
【００２２】
上記ステップＳ１６０は、図６に示すタイミングｔ４以降に相当する。タイミングｔ４以降では、燃料電池スタック１０を製造ラインに放置しておくことにより、一時的に大きくなった締結荷重は、クリープ戻りが解消するため、最終締結荷重に自然に戻る。上記ステップＳ１５０において、スタック長ＳＬが長さＬ１より大きければ（ステップＳ１５０：ＮＯ）、長さＬ１と等しくなるまで加圧を続ける。ステップＳ１４０〜ステップＳ１６０の工程を加圧・締結工程という。
【００２３】
以上で説明した本実施形態の燃料電池スタック１０の製造方法によれば、加圧・締結装置３０よりも安価な加圧装置２０によってクリープ工程を済ませることができるため、ロボット等を含む高価な加圧・締結装置３０が燃料電池スタック１０の製造時に占有される時間を短くすることができる。そのため、安価な加圧装置２０を複数用意すれば高価な加圧・締結装置３０を複数用意することなく、多数の燃料電池スタック１０を生産できるので、燃料電池スタックの製造コストを低減できる。例えば、クリープ工程に要する時間が、締結に要する時間の５倍だとすると、出願人の試算によれば、製造装置全体のコストは、全てを加圧・締結装置３０によって製造する場合のおよそ半分にすることも可能である。
【００２４】
Ｂ．変形例
＜第１変形例＞
上記実施形態では、加圧装置２０によって燃料電池スタック１０にクリープ工程を実施した。これに対して、燃料電池スタック１０を、小さな積層体（以下、「小ロット」という）に分割して、クリープ工程を実施してもよい。
【００２５】
図７は、第１変形例における概略工程図である。本変形例では、小ロットごとに燃料電池セル１１の積層を行い、加圧装置２０は各小ロットの長さが安定するまで加圧する。加圧・締結装置３０は、測定工程で測長した小ロットの長さの合計長になるまで、小ロットを全て合わせて加圧し、締結する。これにより、燃料電池スタック１０の製造個数とクリープに要する時間に合わせて製造ラインの数を容易に増減することができる。
【００２６】
＜第２変形例＞
図８は、第２変形例における概略工程図である。上記実施形態あるいは上記変形例のクリープ工程において、加圧装置２０によって、クリープ荷重を燃料電池スタック１０に付加しながら、同時に燃料電池セル１１の活性化処理を行ってもよい。ここで、活性化処理とは、燃料電池に含まれる触媒を活性化させるための処理の事を指し、例えばガス置換による０〜１Ｖの電位掃引や、温水循環による膜加湿などが挙げられる。これにより、活性化処理とクリープ工程とを別々に行うよりも、短時間でかつ、少ない設備により燃料電池スタック１０を製造することができる。
【００２７】
＜第３変形例＞
上記実施形態では、燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬが安定したか否かを、スタック長ＳＬの単位時間あたりの変動量に基づき判断した。これに対して、例えば、予め燃料電池スタック１０のスタック長ＳＬが安定する時間を実験的に求めておき、その時間が経過した場合に、スタック長ＳＬが安定したと判断してもよい。
【００２８】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…燃料電池スタック
１１…燃料電池セル
１２…プレッシャープレート
１３…エンドプレート
１５…スタックケース
１６…締結ボルト
１７…荷重調整ねじ
２０…加圧装置
２１…制御装置
２２…加圧シリンダ
２３…変位計
３０…加圧・締結装置
３１…制御装置
３２…加圧シリンダ
３３…変位計
３４…第１のロボット
３５…第２のロボット
Ｌ１…長さ
Ｎ１…荷重
ＳＬ…スタック長
【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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