JP2002260711A - 燃料電池の締付装置及びこの締付方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の締付ボルスタの締付け作業を手作
業で短時間に容易に完了させると共に、通常の締付装置
に別機構の締付装置を組み付けることで前処理用の締付
装置を構成する締付ベローズを小型化することができ、
締付ベローズの低コスト化、前処理設備の容器の小型化
を図る。 【解決手段】 燃料電池スタック１を水平な内側締付ボ
ルスタ９ａと水平な下部締付ボルスタ５の間で挟持し、
ばね１１による発電用締付ロッド１０の引張力で上下方
向に締付けるばね締付装置２０と、内側締付ボルスタ９
ａとその上部に位置する外側締付ボルスタ９ｂとの間に
ガス圧で伸縮する締付ベローズ６を有し、締付ベローズ
６の伸びで燃料電池スタック１を上下方向に締付けるベ
ローズ締付装置２２と、前処理容器１３外に設けられた
外側締付ボルスタ９ｂを昇降させる変位吸収駆動装置２
４と、を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料
電池に係り、特に燃料電池の最初の昇温時における燃料
電池のスタックを締め付けるために通常の締付装置の上
部にベロ−ズを載置し、更に別機構の締付装置を組み付
けた燃料電池の締付装置及びこの締付方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として
溶触炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる電解質板
（タイル）をカソード（酸素極）とアノード燃料極）の
両電極で両面から挟み、カソード側に酸化ガスを供給す
ると共にアノード側に燃料ガスを供給することによりカ
ソード側とアノード側で各々反応を行わせて発電させる
ようにしたものである。この電解質板をカソードとアノ
ードの両電極で両面から挟んだものを１セルとし、各セ
ルをセパレータを介し多層に積層してスタック（積層電
池）とする。

【０００３】このように構成したスタックは、各セルご
とに電池性能が良好に維持されることが必要であり、電
極反応部においてカソード及びアノードの各電極と電解
質板（タイル）とセパレータとが一様な圧力分布で接触
していること、内部マニホールド型の燃料電池にあって
は、周辺部のウェットシール部のシール性が維持されて
いること、運転中におけるスタックの高さ変化に対して
追従性があること等が要求される。そのため、燃料電池
はその全体を一定の締付力で均一に締め付けることが必
要である。

【０００４】そこで、従来の燃料電池の締付装置として
は、図３に一例を示すように、セルをセパレータを介し
多層に積層してなる燃料電池スタック１を、下部の締付
ボルスタ５の下部ホルダー３上に載置させ、かつこの燃
料電池スタック１の上方には上部ホルダー２を置いて、
この上部ホルダー２に電池の温度変化による熱膨張を吸
収するベローズ又はばね１１を置き、その上に上部発電
ボルスタ４を置き、その上に、空気等の流体を封入して
膨らませてある金属製の締付ベローズ６を置き、更に、
このベローズ６上に上部前処理用ボルスタ４ｂを配置し
て、上下の締付ボルスタ４ｂ、５同士を締付ロッド７及
びナット８ｂで締め付けることにより締付ベローズ６、
ホルダー２，３を介し、締付スタック１に均一な締付力
を付与させるようにしたものがある。

【０００５】このように構成した燃料電池の締付装置で
は、次のような締付方法により処理していた。最初に締
付ロッド７で仮締めした状態で前処理設備に据付け、ボ
ルスタ４ｂ，５及び締付ベローズ６で前処理時の含浸で
沈み込みを終了させた後、この前処理の締付装置が付い
た状態で締付ロッド７で締める。この締付に際してはナ
ット８を手で軽く締める。なお、図４に示すような締付
ロッド７の下部のボルスタ５の下にばね１１を設けて電
池の温度変化による締付力を調節できるようになった締
付装置も提案されている。この締付装置では、前処理用
締付ロッド１２の下部を容器１３の外側で固定してい
た。

【０００６】含浸用の締付ベローズ６の伸び吸収量の大
きいものについては、特開平２−２９１６７０号、特開
平６−８９７３７号及び特開平１０−３２０１５号等の
各公報に記載されているような締付方法又は締付装置を
用いていた。例えば、前処理時にこの大きな燃料電池ス
タック１の収縮量をベローズ６のみの伸び量で吸収さ
せ、更に、燃料電池の運転中におけるスタック高さの変
化分はこの締付ベローズ６の伸びで追従させるように構
成したものが提案されている。

【０００７】そのため、従来より上部ホルダー２と上部
の締付ボルスタ４の間に介在させるベローズ６は、大き
な伸び量を有するように高さの大きいものが用いられて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の締付装
置では、含浸用の締付ベローズとして伸び量の大きいも
のを締付装置に組み込む場合には、締付ベローズが座屈
するおそれがあり、かつ長い締付ベローズを組み込むた
め設備が大型化する問題を有していた。

【０００９】なお、単に別の締付機構を用いる締付装置
のみでは、図４に示すように前処理が終了した燃料電池
スタック１を取り出すためにベローズ６の伸びを元に戻
す（縮める）と、ロッド１０が緩みスタックに付加した
面圧が低下ないし失われてしまう問題がある。その対策
として、前処理終了後に複数のロッド１０それぞれをボ
ルトテンンショナーやナットランナーで締め付ける必要
がある。しかし締付は、一度の作業では目的とする設定
値まで締め付けられないので順番に少しずつ締める必要
があり、その締付作業に時間がかかるという問題を有し
ていた。

【００１０】また、上記の締付装置では、前処理用の締
付装置で締付けた状態で本番用発電用）のロッド１０を
締めることが必要で、この前処理用の締付装置を前処理
設備の容器１３に付けているため、その容器１３の中に
燃料電池がある状態で締付けることになり、高所作業が
必要となり、安全性を確保するための安全設備が必要と
なる等の問題を有していた。

【００１１】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料
電池の締付ボルスタの締付け作業を手作業で短時間に容
易に完了させると共に、通常の締付装置に別機構の締付
装置を組み付けることで前処理用の締付装置を構成する
締付ベローズを小型化することができ、締付ベローズの
低コスト化、前処理設備の容器の小型化を図ることがで
きる燃料電池の締付装置及びこの締付方法を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の締付装置によれ
ば、燃料電池スタック（１）を水平な内側締付ボルスタ
（９ａ）と水平な下部締付ボルスタ（５）の間で挟持
し、ばね（１１）による発電用締付ロッド（１０）の引
張力で上下方向に締付けるばね締付装置（２０）と、内
側締付ボルスタ（９ａ）とその上部に位置する外側締付
ボルスタ（９ｂ）との間にガス圧で伸縮する締付ベロー
ズ（６）を有し、該締付ベローズ（６）の伸びで燃料電
池スタック（１）を上下方向に締付けるベローズ締付装
置（２２）と、前処理容器（１３）外に設けられた前記
外側締付ボルスタ（９ｂ）を昇降させる変位吸収駆動装
置（２４）と、を備えた、ことを特徴とする燃料電池の
締付装置が提供される。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
ばね締付装置（２０）は、下部締付ボルスタ（５）の下
部に位置するばね（１１）の圧縮量を保持するように該
下部締付ボルスタ（５）の上部で発電用締付ロッド（１
０）と螺合するばね保持用ナット（１４）と、内側締付
ボルスタ（９ａ）の上部で発電用締付ロッド（１０）と
螺合する運転用ナット（１５）と、発電用締付ロッド
（１０）の上端に分離可能に連結された延長ロッド（１
０ａ）と、外側締付ボルスタ（９ｂ）の上部で該延長ロ
ッド（１０ａ）と螺合するばね圧縮用ナット（１６）
と、を備えたものである。

【００１４】また、本発明の燃料電池の締付方法によれ
ば、燃料電池スタック（１）を内側締付ボルスタ（９
ａ）と下部締付ボルスタ（５）の間で挟持し、ばね（１
１）による発電用締付ロッド（１０）の引張力で締付け
るばね締付装置（２０）と、内側締付ボルスタ（９ａ）
とその上部に位置する外側締付ボルスタ（９ｂ）との間
にガス圧で伸縮する締付ベローズ（６）を有し、該締付
ベローズ（６）の伸びで燃料電池スタック（１）を締付
けるベローズ締付装置（２２）と、を備えた燃料電池の
締付方法において、前記ばね締付装置（２０）による締
付けを解除した状態で、ベローズ締付装置（２２）によ
り燃料電池スタック（１）の締付け力を保持しながら燃
料電池スタック（１）を前処理し、次いで、ばね締付装
置（２０）により所定の締付け力に締付け後、ベローズ
締付装置（２２）による締付けを解除する、ことを特徴
とする燃料電池の締付方法が提供される。

【００１５】前処理容器（１３）外に備えた、前記外側
締付ボルスタ（９ｂ）を昇降させる変位吸収駆動装置
（２４）により、締付ベローズ（６）の伸びの途中又は
伸びと同時に外側締付ボルスタ（９ｂ）を下降させて、
締付ベローズ（６）の変位を吸収する、ことができる。

【００１６】燃料電池スタック（１）の昇温、脱脂、含
浸、酸化等の前処理を開始し、炭酸塩、タイルの軟化、
炭酸塩のタイルの含浸を起こさせ、積層した燃料電池ス
タック（１）が収縮する際に、前記締付ベローズ（６）
の内圧を一定にコントロールすることで締付圧を一定に
して締付ベローズ（６）を伸びさせ、かつその伸びに合
わせて、変位吸収駆動装置（２４）により、前処理用締
付ロッド（１２）を下方に引っ張り、前記締付ベローズ
（６）の伸びを元の状態に戻し、次いで前処理終了後、
前処理用締付ロッド（１２）で締めたままの状態で内側
締付ボルスタ（９ａ）上の運転用ナット（１５）を締
め、ばね保持用ナット（１４）を緩める、ことが好まし
い。

【００１７】上記本発明では、燃料電池スタック（１）
の初期セル積層をした後、発電用締付ロッド（１０）を
組み付け、内側締付ボルスタ（９ａ）に締付ベローズ
（６）を取り付け、燃料電池スタック（１）に載せ、発
電用締付ロッド（１０）と延長ロッド（１０ａ）で軽く
締める。この場合、内側締付ボルスタ（９ａ）は、発電
用締付ロッド（１０）での締め付け、前処理設備での前
処理用締付ロッド（１２）が入れられるように本来の締
付ロッド（１０）を例えば１０本と前処理用締付ロッド
（１２）を例えば４本で締め付ける。

【００１８】その後、締付ベローズ（６）に適正な締付
圧を掛けて締める。この状態で下部の締付ボルスタ
（５）の上に設けたばね保持用ナット（１４）を締め、
ばね（１１）の適正状態を保持する。

【００１９】次に、前処理設備に運び、前処理用容器
（１３）内で前処理用締付ロッド（１２）で締める。こ
のような状態で、昇温、脱脂、含浸、酸化等の前処理を
開始すると、炭酸塩、タイルの軟化、炭酸塩のタイルの
含浸が起こり、積層した燃料電池スタック（１）は収縮
する。そこで、締付ベローズ（６）の内圧を一定にコン
トロールすることで締付圧は一定で締付ベローズ（６）
が伸びる。

【００２０】また、本発明で、前処理完了後、内側締付
ボルスタ（９ａ）の上側の運転用ナット（１５）を軽く
手で締めることができる。また、ばね保持用ナット（１
４）を緩め、締付ベローズ（６）の圧力を抜くことで、
締付ベローズ（６）の力をばね（１１）に容易に安全に
移行させることができ、外側締付ボルスタ（９ｂ）を外
せる。また、燃料電池を前処理設備から取り出すことが
できる。ばね（１１）は発電用締付ロッド（１２）の下
側の低温部に配置することで、高温になることを考慮す
る必要がなく、そのばね（１１）の低コスト化を図れ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は本発明の燃料電池の締付装置の正面図であ
る。図２は燃料電池の締付装置の側面図である。本発明
の締付方法を用いる燃料電池の締付装置は、セルをセパ
レータを介し多層に積層してなる燃料電池スタック１
を、下部の締付ボルスタ５上に、上下のホルダ２，３で
挾持させた状態で載置し、上部ホルダ２の上方に内側締
付ボルスタ９ａを配置したものであり、この内側締付ボ
ルスタ９ａと下部締付ボルスタ５とは、例えば１０本の
発電用締付ロッド１０で締め付ける。締付ロッド１０に
は、外側ボルスタ９ｂまで延長する延長ロッド１０ａを
付ける。発電用締付ロッド１０の締付ボルスタ５の最下
端部に、燃料電池の運転中にスタック１に所定の締付面
圧を保持させるためのばね１１をそれぞれ介在させ、燃
料電池スタック１を内側締付ボルスタ９ａと下部締付ボ
ルスタ５の間で挟持し、締付けるばね締付装置２０を構
成する。

【００２２】内側締付ボルスタ９ａとその上方の外側締
付ボルスタ９ｂとの間に前処理時の燃料電池スタック１
の沈み込みに追従できるだけの伸び量を持つガス圧で伸
縮する締付ベローズ６を介在させ、この締付ベローズ６
の伸びで燃料電池スタック１を締付けるベローズ締付装
置２２を備えている。更に、内側締付ボルスタ９ａと下
部締付ボルスタ５に通した発電用締付ロッド１０の下部
締付ボルスタ５の上側にばね保持用ナット１４を螺合
し、外側ボルスタ９ｂに通した前処理用ロッド１２の下
端部を前処理設備の容器１３を貫通し、この容器１３外
に前処理用ロッド１２を引っ張る別機構の変位吸収駆動
装置２４を具備している。この変位吸収駆動装置２４
は、例えばステップモータ、ジャッキ、油圧シリンダー
等の装置である。前処理用締付ロッド１２の上端部に外
側締付ボルスタ９ｂ上でナット８を螺着させた構成にお
いて、前処理前にばね１１に適正締付力を与え、前処理
時に、締付ベローズ６で燃料電池スタック１に締付力を
付与するようにし、大きな沈み込みを可能にし、前処理
後の常温状態でばね１１だけの締付力に切り替えるよう
にする。なお、熱膨張差を吸収する設備用に用いる汎用
性のあるばねであれば、本発明に使用することができ
る。

【００２３】上記のように構成した燃料電池の締付装置
では、運転開始前の作業として、先ず、燃料電池の前処
理に際して、締付ベローズ６と発電用締付ロッド１０に
より燃料電池スタック１に締付力を付与し、ばね保持用
ナット１４でばね１１の締付力を維持し、前処理後運転
用ナット１５を締め、ばね保持用ナット１４を緩めるこ
とで、このばね１１だけの締付力で締め付け、燃料電池
スタック１の積層高さの運転中の温度変化による膨張収
縮を吸収する。

【００２４】前処理容器１３内に燃料電池スタック１を
入れて脱脂や含浸等の前処理作業を行うときに、締付ベ
ローズ６内にガスを供給し、締付ベローズ６で燃料電池
スタック１に均一な締付力を付与させるようにする。こ
れにより、前処理時の燃料電池スタック１の沈み込みを
締付ベローズ６のみの伸びで吸収させる。例えば、この
締付ベローズ６の伸び量は、２５０セルの高さが約５０
０ｍｍの場合でその１／３程度が伸びるものが好まし
い。この締付ベローズ６の伸び量に応じて、締付ベロー
ズ６を元の状態に戻す作業を前処理中に繰り返すことが
できる。

【００２５】本発明では、燃料電池スタック１の初期セ
ル積層をした後、発電用締付ロッド１０を組み付け、内
側締付ボルスタ９ａに締付ベローズ６を取り付け、燃料
電池スタック１に載せ、発電用締付ロッド１０と延長ロ
ッド１０ａで軽く締める。この場合、内側締付ボルスタ
９ａは、発電用締付ロッド１０で締め付ける。

【００２６】その後、締付ベローズ６に適正な締付圧を
掛けて締める。この状態で下部の締付ボルスタ５の上に
設けたばね保持用ナット１４を締め、ばね１１の適正状
態を保持する。

【００２７】次に、前処理設備に運び、前処理用容器１
３内で前処理用締付ロッド１２で締める。このような状
態で、昇温、脱脂、含浸、酸化等の前処理を開始する
と、炭酸塩、タイルの軟化、炭酸塩のタイルの含浸が起
こり、積層した燃料電池スタック１は収縮する。そこ
で、締付ベローズ６の内圧を一定にコントロールするこ
とで締付圧は一定で締付ベローズ６が伸びる。

【００２８】前処理完了後、内側締付ボルスタ９ａの上
側の運転用ナット１５を軽く締める。また、ばね保持用
ナット１４を緩め、締付ベローズ６の圧力を抜くこと
で、締付ベローズ６の力をばね１１に容易に安全に移行
させることができ、外側ボルスタ９ｂを外せる。また、
燃料電池を前処理設備から取り出すことができる。ばね
１１は発電用締付ロッド１２の下側の低温部に配置する
ことで、高温になることを考慮する必要がなく、そのば
ね１１の低コスト化を図れる。前処理用締付ロッド１２
の変位吸収駆動装置２４は前処理容器１３の上でも下で
も取り付けることができる。

【００２９】また、前処理完了後、上側の発電ボルスタ
の上側の運転用ナット１５を軽く締めることができる。
また、下部締付ボルスタ５の上側のばね保持用ナット１
４も軽く緩めることができる。ばね１１を発電用締付ロ
ッド１０の下側にしたのは低温部に配置することで、ば
ね１１の低コスト化を図るためである。従って、ばね等
の熱膨張差吸収の設備はいずれの場合でも使用すること
ができる。

【００３０】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池の締
付装置及びこの締付方法は、前処理完了後、発電ボルス
タの上側のナット及び下部ボルスタ上のナットを締める
作業を軽く締められるので、その作業を容易に短時間で
終了させることができ、安全である。例えば、本発明で
はボルトテンショナーやナットランナーが不要であり、
従来のボルトテンショナーやナットランナーを燃料電池
の上で作業者が両手で操作する必要がなくなるので安全
性が向上するばかりでなく、仮設足場等の安全作業対策
の設備が不要になる。

【００３２】また、少しずつ締める等の長時間の作業が
なく、前処理容器に含浸ロッド、外部に含浸ロッドを締
め付けることで前処理用締付装置を付ける締付ベローズ
を小型化することができ、締付ベローズの低コスト化、
前処理の容器の小型化が可能になる。更に、締まった状
態でナットを手で締めるので燃料電池の締付圧力をほと
んど変えることなく締め替えが可能になる、等の優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の締付装置の正面図である。

【図２】燃料電池の締付装置の側面図である。

【図３】従来の燃料電池の締付装置の全体正面図であ
る。

【図４】別の締付機構を用いた燃料電池の締付装置の全
体正面図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ６ 締付ベローズ ５ 下部締付ボルスタ ９ａ 内側締付ボルスタ ９ｂ 外側締付ボルスタ １０ 発電用締付ロッド １０ａ 延長ロッド １１ ばね １２ 前処理用締付ロッド １３ 前処理設備の容器 １４ ばね保持用ナット １５ 運転用ナット １６ ばね圧縮用ナット ２０ ばね締付装置 ２２ ベローズ締付装置 ２４ 変位吸収駆動装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池スタック（１）を水平な内側締
   付ボルスタ（９ａ）と水平な下部締付ボルスタ（５）の
   間で挟持し、ばね（１１）による発電用締付ロッド（１
   ０）の引張力で上下方向に締付けるばね締付装置（２
   ０）と、 内側締付ボルスタ（９ａ）とその上部に位置する外側締
   付ボルスタ（９ｂ）との間にガス圧で伸縮する締付ベロ
   ーズ（６）を有し、該締付ベローズ（６）の伸びで燃料
   電池スタック（１）を上下方向に締付けるベローズ締付
   装置（２２）と、 前処理容器（１３）外に設けられた前記外側締付ボルス
   タ（９ｂ）を昇降させる変位吸収駆動装置（２４）と、
   を備えた、 ことを特徴とする燃料電池の締付装置。
2. 【請求項２】 前記ばね締付装置（２０）は、 下部締付ボルスタ（５）の下部に位置するばね（１１）
   の圧縮量を保持するように該下部締付ボルスタ（５）の
   上部で発電用締付ロッド（１０）と螺合するばね保持用
   ナット（１４）と、 内側締付ボルスタ（９ａ）の上部で発電用締付ロッド
   （１０）と螺合する運転用ナット（１５）と、 発電用締付ロッド（１０）の上端に分離可能に連結され
   た延長ロッド（１０ａ）と、 外側締付ボルスタ（９ｂ）の上部で該延長ロッド（１０
   ａ）と螺合するばね圧縮用ナット（１６）と、を備えた
   ものである、 ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の締付装
   置。
3. 【請求項３】 燃料電池スタック（１）を内側締付ボル
   スタ（９ａ）と下部締付ボルスタ（５）の間で挟持し、
   ばね（１１）による発電用締付ロッド（１０）の引張力
   で締付けるばね締付装置（２０）と、内側締付ボルスタ
   （９ａ）とその上部に位置する外側締付ボルスタ（９
   ｂ）との間にガス圧で伸縮する締付ベローズ（６）を有
   し、該締付ベローズ（６）の伸びで燃料電池スタック
   （１）を締付けるベローズ締付装置（２２）と、を備え
   た燃料電池の締付方法において、 前記ばね締付装置（２０）による締付けを解除した状態
   で、ベローズ締付装置（２２）により燃料電池スタック
   （１）の締付け力を保持しながら燃料電池スタック
   （１）を前処理し、 次いで、ばね締付装置（２０）により所定の締付け力に
   締付け後、ベローズ締付装置（２２）による締付けを解
   除する、ことを特徴とする燃料電池の締付方法。
4. 【請求項４】 前処理容器（１３）外に備えた、前記外
   側締付ボルスタ（９ｂ）を昇降させる変位吸収駆動装置
   （２４）により、締付ベローズ（６）の伸びの途中又は
   伸びと同時に外側締付ボルスタ（９ｂ）を下降させて、
   締付ベローズ（６）の変位を吸収する、ことを特徴とす
   る請求項３に記載の燃料電池の締付方法。
5. 【請求項５】 燃料電池スタック（１）の昇温、脱脂、
   含浸、酸化等の前処理を開始し、炭酸塩、タイルの軟
   化、炭酸塩のタイルの含浸を起こさせ、積層した燃料電
   池スタック（１）が収縮する際に、前記締付ベローズ
   （６）の内圧を一定にコントロールすることで締付圧を
   一定にして締付ベローズ（６）を伸びさせ、かつその伸
   びに合わせて、変位吸収駆動装置（２４）により、前処
   理用締付ロッド（１２）を下方に引っ張り、前記締付ベ
   ローズ（６）の伸びを元の状態に戻し、 次いで前処理終了後、前処理用締付ロッド（１２）で締
   めたままの状態で内側締付ボルスタ（９ａ）上の運転用
   ナット（１５）を締め、ばね保持用ナット（１４）を緩
   める、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の締
   付装置を用いた締付方法。