JP6334346B2 - 燃料電池スタックの寿命評価方法および製造方法 - Google Patents
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Description
まず、寿命評価の対象となる燃料電池スタックについて説明する。
ε2:被締付部のひずみ
α1:締付部の線膨張係数[℃−1]
α2:被締付部の線膨張係数[℃−1]
t1:運転時の温度[℃]
t0:締付時の温度[℃]
L:締付部および被締付部の長さ[mm]
λ:締付部および被締付部の熱伸び[mm]
α21〜α2n:各部の線膨張係数[℃−1]
L21〜L2n:各部の厚さ[mm]
dσ/dt=E・dε/dt (a)
dσ/dt:応力変化
E:ヤング率(MPa)
dε/dt:クリープ速度(%/h)
また、時間硬化則の構成式は以下のとおりであり、クリープ曲線からクリープリラクセーションを推定できる。
dεc/dt=A・σ^n・t^m (b)
σ:応力(MPa)
t:時間(h)
応力が一定の場合、クリープひずみは上記式を基に以下のように表すことができる。
εc=Aσ^n・[(t^(m+1))/(m+1)] (c)
εc:クリープひずみ(%)
(a)式に(c)を代入すると、(16)式が得られる。
図4は、燃料電池スタック10の製造方法の製造工程を示すフロー図である。実施形態の製造方法は、以下の工程により製造を行う。
寿命評価の対象となる燃料電池スタック10は、図1に示される5層の単位燃料電池11を有するものである。寿命評価においては、第1のセパレータ111、第2のセパレータ14、金属板12、シール部13、保持部16、ワッシャ18、および締付部21を実質的に考量した。各部材の構成は、以下の通りである。
式(1)から、締付部21の1本当たりの締付力(p)は250[N]となる。なお、式(1)中、締付トルク(T)は1[N・m]、トルク係数(K)は0.2、呼び径(d)は0.02[m]とした。式(1a)から、締付部21の全体(12本分)の合計締付力(P)は3000[N]となる。式(3)から、締付部21の締付時の応力(σ1)は1.0[MPa]となる。式(3)中、締付部21の合計有効断面積(A1)は2940[mm2]とした。式(4)から、被締付部23の締付時の応力(σ2)は1.5[MPa]となる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (16)
- シール部を介して積層された複数の単位燃料電池、および前記複数の単位燃料電池を積層方向に挟持する一対の保持部を有する被締付部と、前記被締付部の締付に用いられる締付部とを有する燃料電池スタックの寿命評価方法であって、
前記締付部および前記被締付部について、締付時の応力を求めるステップと、
前記締付部および前記被締付部について、締付時の温度と運転時の温度との温度差での熱膨張による応力を求めるステップと、
前記締付時の応力と前記熱膨張による応力とを用いて、前記締付部および前記被締付部について、運転開始時の応力を求めるステップと、
前記運転開始時の応力を用いて、前記締付部および前記被締付部について、運転中の応力を求めるステップと、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの寿命評価方法。 - 前記締付部の締付時の応力は、前記締付部の各締付力を合計した合計締付力を前記締付部の各有効断面積を合計した合計有効断面積で除して求めることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記被締付部の締付時の応力は、前記締付部の各締付力を合計した合計締付力を前記被締付部における前記シール部の面積で除して求めることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記締付部の各締付力は、前記締付部の締付トルク、トルク係数、および呼び径を用いて求めることを特徴とする請求項2または3記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記締付部および前記被締付部の熱膨張による応力は、締付時の温度と運転時の温度との温度差、前記締付部のヤング率、線膨張係数、および各有効断面積を合計した合計有効断面積、ならびに前記被締付部のヤング率、線膨張係数、および前記シール部の面積を用いて求めることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記被締付部のヤング率として、前記保持部のヤング率を用いることを特徴とする請求項5記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記被締付部の線膨張係数として、前記被締付部を構成する部材の線膨張係数および厚さから求められる等価線膨張係数を用いることを特徴とする請求項5または6記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記締付部の運転開始時の応力は、前記締付部の締付時の応力と前記締付部の熱膨張による応力との差とすることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記被締付部の運転開始時の応力は、前記被締付部の締付時の応力と前記被締付部の熱膨張による応力との差とすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記締付部の運転中の応力は、前記締付部の運転開始時の応力を初期値として求めることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 前記被締付部の運転中の応力は、前記締付部の運転中の応力に、前記締付部と前記被締付部との運転開始時の応力の比を乗じて求めることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
- 請求項1乃至11のいずれか1項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法により、複数の製造条件について前記被締付部の運転中の応力を求めるステップと、
前記複数の製造条件のうち、前記被締付部の運転中の応力が所望の応力を有する製造条件を採用して燃料電池スタックを製造するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 前記複数の製造条件は、前記締付部の本数、締付トルク、および呼び径、前記単位燃料電池の積層数、前記シール部の面積、ならびに前記保持部の厚さの中から選ばれる少なくとも一種が異なることを特徴とする請求項12記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 前記所望の応力は、運転温度800℃かつ運転時間1000時間の運転条件において、20MPa以上であることを特徴とする請求項12または13記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 前記製造条件として、前記締付部について求められる運転開始時の応力が70MPa以下であるものを採用することを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 前記製造条件として、前記締付部の各有効断面積を合計した合計有効断面積(A1)と、前記締付部における前記シール部の面積(A2)との比(A1/A2)が0.3以上となるものを採用することを特徴とする請求項12乃至15のいずれか1項記載の燃料電池スタックの製造方法。
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