JP2004134179A - 燃料電池スタック及びその組立方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータ13で挟持した単セル12と、前記単セル12を複数個積層し集電板21a,21bを介して挟持するフランジ23a,23bと、前記単セル12を複数個積層した単セル集合体11a〜11d間に配置された導電性を有する分離板15a〜15cと、前記単セル集合体11a〜11d、分離板15a〜15c、集電板21a〜21b、エンドフランジ23a,23bを締結する締結用ボルト24及びナット25とを具備することを特徴とする燃料電池スタック。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用や小型船舶用等に利用可能な燃料電池スタック及びその組立方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる固体高分子形燃料電池(以下、電池セルと呼ぶ)をセパレータで挟持した単セルが知られている。この単セルは通常多数積層して積層体とし、この積層体を集電板等を介してフランジで挟持して燃料電池スタックを構成している。
【0003】
図5は、従来の燃料電池スタックの一例を示す。
図中の符番1はセル集合体を示す。このセル集合体1は、例えば80枚の単セル2を積層して構成されている。ここで、単セル2は、図示しないが、固体高分子電解質膜と、この膜の両側に夫々配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、これら電池セルを挟持するセパレータから構成されている。前記セル集合体1の前面側には集電体3a,絶縁板4aを介して前面エンドフランジ5aが配置され、セル集合体1の背面側には集電体3b,絶縁板4bを介して背面エンドフランジ5bが配置されている。前記セル集合体1、集電体3a,3b、絶縁板4a,4b、両フランジ5a,5bは、複数のボルト6及びナット7により固定されている。
【0004】
なお、従来、燃料電池スタックとしては、例えば特開2001−118592、特開2001−332277が知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−118592号(第4−5頁、図3〜図5)
【0006】
【特許文献2】
特開2001−332277号(第2−5頁、図1〜図6)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図5の燃料電池スタックにおいて、例えば矢印Xで示す単セル2に不具合が生じた場合、単セル2の交換作業を行っている。しかし、従来の交換作業は、ボルト6及びナット7を外して全ての単セル2を一旦バラバラにして行うため、交換作業に長時間を費やしたり、あるいは不具合でない他の正常な単セルに悪影響を及ぼす恐れがあった。
【0008】
なお、従来、燃料電池スタックとしては、例えば特開2001−118592、特開2001−332277が知られている。
【0009】
本願第1の発明はこうした事情を考慮してなされたもので、単セルを複数個積層した単セル集合体間に導電性を有する分離板を配置した構成にすることにより、交換作業の際、従来のように全ての単セルをバラバラにする必要がなく、交換すべき単セルを含むセル集合体のみをチェックすればよく、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【0010】
本願第2の発明は、締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、新たな単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程を具備することにより、第1の発明と同様、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタックの組立方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願第1の発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータで挟持した単セルと、前記単セルを複数個積層し集電板を介して挟持するフランジと、前記単セルを複数個積層した単セル集合体間に配置された導電性を有する分離板と、前記単セル集合体、分離板、集電板及びフランジを締結する締結用ボルト及びナットとを具備することを特徴とする燃料電池スタックである。
【0012】
本願第2の発明は、前記燃料電池スタックにおいて任意の単セルを交換する必要が生じたときに、交換すべき単セルを外し、新たな単セルを組み込む燃料電池スタックの組立方法であり、前記締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、正常な単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程とを具備することを特徴とする燃料電池スタックの組立方法である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池スタック及びその組立方法について更に詳しく説明する。
本発明において、前記分離板の材質は金属(例えばSUS、チタン)製であるが、これに限定されず、導電性を有すればよい。また、分離板の枚数は単セルの積層数に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。更に、分離板に形成する締結用ボルトを装着するための貫通穴の大きさ、ピッチは単セルの積層数、大きさに応じて適宜設定すればよい。
【0014】
本発明において、「ゆるみなく仮組みする」とは、積層した単セル同士等で位置ずれ等することなく、通常の燃料電池スタックの場合と同様に、適宜な圧力下で分離用ボルト及び分離用ナットによりセル集合体、分離板、集電体及びフランジを固定することを意味する。
【0015】
本発明において、単セル集合体は複数の単セルを積層して構成されるが、単セル集合体における単セルの数は任意に設定することができる。また、単セル集合体を構成する単セルに不具合が発生した場合は、その単セルのみを交換するのではなく、カートリッジ方式で単セル集合体そのものを交換した方が作業性、他の正常な単セルへの影響の点で好ましい。
【0016】
本発明において、「任意の単セルを交換する必要が生じたとき」とは、一般に単セルそのものに特性等の点で不具合が生じた場合を示すが、これに限らず寿命が迫ったような場合等も含む。
【0017】
【実施例】
以下、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックについて図1、図2、図3を参照して説明する。ここで、図1は本実施例に係る燃料電池スタックの説明図、図2は単セル集合体を分離用ボルトと分離用ナットで締結する際の要部の説明図、図3は分離板の平面図を示す。但し、下記実施例に述べられる各構成部材の材料等は一例を示すもので、本発明はこれらに限らない。
【0018】
図1中の付番11a,11b,11c,11dは、夫々単セル集合体を示す。これらの単セル集合体11a〜11dは、例えば20枚の単セル12が積層して構成されている。また、各単セル集合体11a〜11dは、夫々図2に示すように両側のエンドセパレータ14により挟まれている。前記単セル12は、図示しないが、固体高分子電解質膜と、この膜の両側に夫々配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、これら電池セルを挟持し、燃料ガス用通路、酸化剤ガス用通路が形成されたセパレータから構成されている。
【0019】
各単セル集合体11a〜11d間には、図1に示すように金属製(例えばSUSやチタン等)の分離板15a,15b,15cが夫々配置されている。ここで、各分離板15a,15b,15cには、図4に示すように、ボルト用の貫通穴16、冷却水供給用の貫通穴17a、冷却水排出用の貫通穴17b、燃料ガス供給用の貫通穴18a、燃料ガス排出用の貫通穴18b、酸化剤ガス供給用の貫通穴19a、酸化剤ガス排出用の貫通穴19b、更には図示しないが位置決め用の複数個の貫通穴が夫々設けられている。
【0020】
前記各単セル集合体の前面側には、図1に示すように集電体21a,絶縁板22aを介して前面エンドフランジ23aが配置されている。また、各単セル集合体の背面側には、集電体21b,絶縁板22bを介して背面エンドフランジ23bが配置されている。前記単セル集合体11a〜11d、分離板15a〜15c、集電体21a,21b、絶縁板22a,22b、両フランジ23a,23bは、複数の締結用ボルト24及びナット25により固定されている。
【0021】
次に、図1の燃料電池スタックの組立方法について図2及び図4を参照して説明する。ここでは、図4に示すように、例えば矢印X部分の単セルに不具合が発生したと仮定する。
【0022】
1)まず、図4の(A)に示すように特定の締結用ボルト241及びナット251を単セル集合体11a〜11d等から外した。次に、図2及び図4の(B)に示すように、分離用(例えばセパレータ14の厚み以下)のナット26を分離板15cと単セル集合体11b間の貫通穴部分に差し込んだ。つづいて、図4の(B)に示すように、分離用ボルト27を不具合のない単セル集合体11a、分離板15c、背面エンドフランジ23b等の貫通穴を通し、ナット26でゆるみなく仮組みした。同様にして、他の貫通穴にも分離用ボルト27を通し、ナット26でゆるみなく仮組みした。
【0023】
2)同様に、不具合のない別な単セル集合体11c,11dも、図4の(C)に示すように、分離板15a,15b及び前面エンドフランジ23a等の貫通穴に分離用ボルト27を通し、ナット26でゆるみなく仮組みした。
【0024】
3)次に、正常な単セルを積層した単セル集合体を上記1)、2)とは逆の操作で不具合のある単セルを有した単セル集合体11bの代わりに組み込み、最後に締結用ボルト24及びナット25を用いて燃料電池スタックを組み立てた。
【0025】
具体的には、まず、図4の(C)の分離板15b上に、正常な単セルを積層した単セル集合体Dを位置合わせて積層した。次に、図4の(B),(C)の仮組みで使用したナット26を外し、分離用ボルト27を緩めた。つづいて、分離用ボルト27を外した後、締結用ボルト24及びナット25で単セル集合体11a,11c,11d、新たな単セル集合体D、分離板15a〜15c、前面エンドフランジ23a、背面エンドフランジ23b等を締結し、燃料電池スタックを組み立てた。
【0026】
上記実施例に係る燃料電池スタックは、図1に示すように、複数の単セル12を積層した単セル集合体11a〜11dと、これら単セル集合体11a〜11d間に配置された分離板15a〜15cと、これら単セル集合体11a〜11d及び分離板15a〜15cを集電板21a,21b及び絶縁板22a,22bを介して挟持する前面エンドフランジ23a,背面エンドフランジ23bと、前記単セル集合体11a〜11d、分離板15a〜15c、集電板21a,21b,絶縁板22a,22b、及び前面エンドフランジ23a,背面エンドフランジ23b及びフランジを締結する締結用ボルト24及びナット25とを具備した構成となっている。
【0027】
こうした構成の燃料電池スタックにおいて、任意の単セル集合体を構成する一部の単セルに不具合が発生した場合は、従来のように単セルをバラバラにすることなく、図4に示すように、不具合のない単セルの積層体である単セル集合体11a,及び単セル集合体11c,11dをまず別別にしっかりと固定した後、それらの単セル集合体間に正常な単セルを有した単セル集合体Dを配置して再度組み込んで締結用ボルト24及びナット25で締結する、いわゆるカートリッジ方式で組み立てる。従って、組立時間を従来と比べて著しく減少することができる。事実、従来、燃料電池スタックの分解、組立に丸二日かかっていたが、本発明によれば3〜4時間に短縮することができた。また、分解、組立の際、単セルを積層した単セル集合体のまま作業するので、他の正常な単セルに悪影響を及ぼすことを殆ど回避することができる。
【0028】
なお、上記実施例では、単セルに不具合が生じた場合にその単セルを含む単セル集合体そのものを交換する場合について述べたが、これに限らず、不具合が生じた単セルのみを正常な単セルに交換してもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、単セルを複数個積層した単セル集合体間に導電性を有する分離板を配置した構成にすることにより、交換作業の際、従来のように全ての単セルをバラバラにする必要がなく、不具合な単セルを含むセル集合体のみをチェックすればよく、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタック及びその組立方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの説明図。
【図2】単セル集合体を分離用ボルトとナットと締結する際の要部の説明図。
【図3】図1の燃料電池スタックの一構成である分離板の平面図。
【図4】図1の燃料電池スタックにおいて単セルに不具合が生じた場合の組立方法の説明図。
【図5】従来の燃料電池スタックの説明図。
【符号の説明】
11a〜11d…単セル集合体、
12…単セル、
14…エンドセパレータ、
15a〜15c…分離板、
16,17a,17b,18a,18b,19a,19b…貫通穴、
21a,21b…集電板、
22a,22b…絶縁板、
23a…前面エンドフランジ、
23b…背面エンドフランジ、
24,241…締結用ボルト、
25,251,26…ナット、
27…分離用ボルト。
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータで挟持した単セルと、前記単セルを複数個積層し集電板を介して挟持するフランジと、前記単セルを複数個積層した単セル集合体間に配置された導電性を有する分離板と、前記単セル集合体、分離板、集電板及びフランジを締結する締結用ボルト及びナットとを具備することを特徴とする燃料電池スタック。
- 前記フランジ、分離板及び集電体に、夫々冷却水通過用の貫通穴、燃料ガス通過用の貫通穴、酸化剤ガス通過用の貫通穴が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタック。
- 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて任意の単セルを交換する必要が生じたときに、交換すべき単セルを外し、新たな単セルを組み込む燃料電池スタックの組立方法であり、
前記締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、
仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、新たな単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程と
を具備することを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。 - 交換すべき単セルを含む単セル集合体そのものを、新たな単セルを含む単セル集合体と交換することを特徴とする請求項3記載の燃料電池スタックの組立方法。
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JP2002296289A JP2004134179A (ja) | 2002-10-09 | 2002-10-09 | 燃料電池スタック及びその組立方法 |
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Cited By (5)
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JP2003317776A (ja) * | 2002-04-29 | 2003-11-07 | Csb Battery Corp | 燃料電池およびその被膜電極組立体交換方法 |
JP2009093970A (ja) * | 2007-10-11 | 2009-04-30 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 燃料電池積層体および燃料電池積層体の単セル交換方法 |
KR101093701B1 (ko) * | 2004-06-07 | 2011-12-19 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 스택 및 이 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 |
US8647790B2 (en) | 2010-06-10 | 2014-02-11 | Samsung Sdi Co., Ltd | Replacement device for membrane-electrode assembly of fuel cell stack with separators having recess portions |
CN115064747A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-09-16 | 徐州华清京昆能源有限公司 | 一种用于固体氧化物燃料电池发电系统的热盒结构 |
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2002
- 2002-10-09 JP JP2002296289A patent/JP2004134179A/ja active Pending
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CN115064747B (zh) * | 2022-07-04 | 2023-12-01 | 徐州华清京昆能源有限公司 | 一种用于固体氧化物燃料电池发电系统的热盒结构 |
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