JP2004362940A - 燃料電池セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの修理やリサイクルのときに必要となる、スタックの解体、再組立てが容易な燃料電池スタックを提供することにある。
【解決手段】複数の燃料電池セル（１）をエンドプレート（２−１、２−２）で挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部又は下部の少なくとも一方に折り曲げ部８−１−ａ〜８−４−ａが形成された締め付け板（８−１〜８−４）を複数枚備え、前記締め付け板の折り曲げ部を前記エンドプレートに固定する燃料電池スタック。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロトン導電性高分子固体電解質と、その両側に接合された一対の空気極および燃料極と、前記燃料極側に燃料を供給する機能を有し、前記空気極側に空気中の酸素を供給する機能を有したセパレータ板とを備え、これらが、複数枚、積層されることを特徴とした燃料電池スタック、いわゆるバイポーラー構造をもつ燃料電池スタックに関する。
特に、固体高分子型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、液体燃料供給型燃料電池のスタックの締め付け、一体化方法に関するものである。
また、上記の燃料電池スタックを容易に構成することが可能で、さらに一体化のためのコストが安く、また、燃料電池スタックの体積出力密度の向上につながる燃料電池スタックの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。
特に、プロトン導電性高分子固体電解質を電解質として用いた固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であり、移動体用電源、家庭用コジェネレーション電源、携帯用電源として有望である。
【０００３】
これらの燃料電池は、電解質膜の両側に空気極および燃料極を接合した膜／電解質接合体が、これらに空気および燃料を供給するための流路構造を持ったセパレータ板を介して多数積層して構成される。
【０００４】
燃料電池のセパレータ板は、空気および燃料を供給するための流路構造とともに、燃料電池からの出力を取り出すために、導電性が要求され、通常１〜１０ｍｍ程度の炭素製、もしくは金属製の板からなる。
【０００５】
このような燃料電池は、通常単電池あたり取り出し得る電圧は、固体高分子型燃料電池で０．５〜０．８Ｖ程度、直接メタノール型燃料電池で０．３〜０．４Ｖ程度であるため、燃料電池の使用用途に合わせて、数セルから数百セル直列に接続する必要がある。
このような直列接続を行うために、複数の膜／電解質接合体が、セパレーター板を介して積層した集合電池が燃料電池スタックと呼ばれる。
また、このように積層して構成した燃料電池スタックを、バイポーラー型燃料電池スタックと呼ぶ。
【０００６】
このようなバイポーラー型の燃料電池スタックは、比較的簡単な部品を積層することで任意の必要な電圧まで積層でき、構造がシンプルで設計の自由度が大きいといった特長がある。
【０００７】
このようなバイポーラー型の燃料電池スタックは、燃料電池の最も基本的な構造であり、移動体用、コジェネレーション用、携帯用等のほとんどの燃料電池がこの構造のスタックを採用している。
【０００８】
しかしながら、上記のような特長を持つバイポーラー型燃料電池は、エンドプレートで挟持して、複数のボルト、ナットでスタック全体を均等に締め付ける必要があり、その締め付けに時間がかかり、スタック製造コスト増加の原因となっていた。
また、燃料電池スタック内にその締め付けのための空間が必要であり、さらに締め付け部分を設けるためにエンドプレートを大きくする必要があった。
このため、燃料電池スタックの軽量化の障害となるとともに、体積出力密度を大きく下げる要因となっていた。
【０００９】
図７及び図８は、従来の燃料電池スタックの締め付け構造の一例を示す図である。
図７は、従来の燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための斜視図であり、１は、膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、固定用ボルト、ナット３によって締め付けて燃料電池スタックを構成している。
また、図７において、４は燃料入口、５は空気入口を示し、燃料入口４から燃料を供給し、空気入口５から空気を供給することによって、燃料電池で発生した出力を端子板６−１、６−２より取り出す構造になっている。
【００１０】
上記図７の従来の燃料電池スタック構造では、複数本（図２では１２本）の固定用ボルト、ナット３で締め付けており、これらの組立て取り外しを行うのは大変であった。
また、これらの固定用ボルト、ナット３を取り付けるために、燃料電池セルを構成するセパレーター板に対して、一回り大きなエンドプレート２−１、２−２を設ける必要があり、これによって燃料電池スタック内に余剰な空間が生じるため、出力密度の低下の原因であった。
【００１１】
また、図８は従来型の燃料電池スタックの積層方向から見た断面図である。
図８の構造では、固定用ボルト、ナット３の一方にスプリングバネ７を設けて、燃料電池スタックのエンドプレート２−１、２−２に一定の圧力をかけ、各燃料電池セル間の接触抵抗を小さくするとともに、燃料電池セル間に設けられたパッキングによって、燃料漏れや空気漏れの発生を防止する構造となっていた。
【００１２】
これらの点から、バイポーラー型燃料電池スタックの出力密度の向上、コストダウン、製造プロセスの簡略化を図るためには燃料電池スタックの締め付け方法の改良が不可欠であった。
【００１３】
上記問題を解決するものとして、また、「電解質層と、前記電解質層を挟持する触媒反応層を有する一対の電極と、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給するための流路を有する導電性セパレータとの積層体からなり、前記積層体の側面に前記積層体の積層方向と同等の長さを有する１枚以上の補強板を取り付けたことを特徴とする燃料電池。」も知られている。（例えば、特許文献１参照）
また、「単電池を複数積層してなる積層体を備える電池モジュールであって、前記積層体の積層方向に沿った側面に配置され、該積層体に積層方向の押圧力を作用させた状態で該積層体の両積層端に係合される係合部を有し、該押圧力が除去された際に該積層体に積層方向の所定の押圧力を作用させるモジュール形成部材を備える電池モジュール。」が知られている。（例えば、特許文献２参照）
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−１２６７４９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平０９−０９２３２４号公報（特許請求の範囲）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池スタック、ばね構造およびボルトによる締め付け具を用いて、燃料電池スタックの締め付けを行う方法であるため、コンパクト化に対しては一定の効果があるものの、燃料電池スタックの締め付けをばね構造と、ボルトによる締め付けで行っており、締め付け具自体は固定されていないため、振動や衝撃に対して弱いという問題があった。
【００１６】
また、上記特許文献２に記載のものは、筒状のモジュール形成部材の中にスタックを入れ、外部から、圧力をかけた状態でこのモジュール形成部材の一部をカシメ、これによって、スタックの積層方向に圧縮圧をかける方法であり、筒状のモジュール構成部材の中にスタック構成部材を挿入することが難しく、また、スタックの修理やリサイクルのときに必要となる、スタックの解体、再組立てが困難であるという問題があった。
【００１７】
本発明の課題
（目的）は、燃料電池スタックの修理やリサイクルのときに必要となる、スタックの解体、再組立てが容易な燃料電池スタックを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、著者らは、バイポーラー型スタックの締め付け方について検討を行い、有効な締め付け方を適用した燃料電池スタックを見い出した。
【００１９】
複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、
前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部又は下部の少なくとも一方に折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、前記締め付け板の折り曲げ部を前記エンドプレートに固定する。（請求項１）
【００２０】
この構造の燃料電池スタックでは、複数のボルト、ナットでスタック全体を均等に締め付ける必要がなく、締め付け板の固定を行うのみであるため、その締め付けにかかる時間は大幅に短縮することができる。
なお、締め付け板とエンドプレートとの固定はボルト締めや溶接で行うことができる。
さらに、従来のボルト、ナットでの締め付け方法と比較してコンパクトとなり、スタックの出力密度の向上を図ることができる。
【００２１】
特に、前記締め付け板の折り曲げ部の少なくとも一方は、曲面を形成して弾性力を生じるように形成されている。（請求項２）
この構造では、折り曲げ部の曲面によって、締め付け板の折り曲げ部の間に複数の燃料電池セルが圧挿されるので、弾性部材として別の弾性部材を用いる必要がない。
【００２２】
また、複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、
前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部及び下部で折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、前記締め付け板の一方の折り曲げ部を一方のエンドプレートで固定し、他方の折り曲げ部を弾性部材を介して前記エンドプレートに当接すると共に、前記折り曲げ部を他方のエンドプレートに押さえ板を介して固定する。（請求項３）
この構造は、締め付け板の折り曲げ部の間に複数の燃料電池セルを介挿して保持し、弾性部材によって該複数のセルを押圧することができるので、該複数のセルに締め付け圧を十分にかけることができる。
なお、締め付け板とエンドプレートとの固定はボルト締めや溶接で行うことができる。
【００２３】
また、前記弾性部材としては、板バネ又はスプリングバネを用いることができる。（請求項４）
【００２４】
また、前記押さえ板としては、金属ロープとすることもできる。（請求項５）
この金属ロープとしては、ステンレス繊維を編み込んだものがよく、これを用いて締め付け板を柔軟に固定することができる。
【００２５】
複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、
前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部又は下部の一方に折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、前記締め付け板の折り曲げ部が形成されていない部分を前記エンドプレート蝶番で回転可能に固定し、前記締め付け板の折り曲げ部を前記エンドプレートに固定する。（請求項６）
このような構造では、折り曲げ部の曲面によって、締め付け板の折り曲げ部の間に複数の燃料電池セルが圧挿されるので、弾性部材として別の弾性部材を用いる必要がなく、固定のためのボルト数や溶接部の数を半分にすることができるため、より短時間でスタックの組立てを行うことが可能となる。
【００２６】
また、前記締め付け板の折り曲げ部の前記エンドプレートに対する固定は、固定板を介してボルト締め又は締め付け板と固定板との溶接で行う。（請求項７）
この構造では、用途や積層体の構造に合った燃料電池スタックが得られる。
【００２７】
前記燃料電池セルは、プロトン導電性高分子固体電解質とその両側に接合された一対の空気極および燃料極と、前記燃料極側に燃料を供給するための機能を有し、前記空気極側に空気中の酸素を供給する機能を有したセパレータ板を備え、これらが一体化されたものとする。（請求項８）
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施について説明する。
図１及び図２は、本発明の第１の実施例である燃料電池スタックの構造を示す図である。
図１は、本発明の燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための斜視図であり、１は、膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、締め付け板８−１〜８−４を介して、固定用ボルト３で締め付けて燃料電池スタックを構成している。
また、図１において、４は燃料入口、５は空気入口を示し、燃料入口４から燃料を供給し、空気入口５から空気を供給することによって、燃料電池で発生した出力を端子板６−１、６−２より取り出す構造になっている。
【００２９】
前記締め付け板８−１〜８−４は、スタックの側面に配し、一部に圧縮力を発生する折り曲げ部８−１−ａ〜８−４−ａを設け、該折り曲げ部をエンドプレート２−１、２−２の外側に設けた固定板９を介して固定用ボルト、ナット３で固定している。
このように、固定用ボルト、ナット３で間接的に固定しているので、振動や衝撃を与えても、スタックは影響を受けることが少ない。
【００３０】
また、スタックの組立て時には、積層した燃料電池セル１及び固定板９に外部から圧力をかけ、この状態で締め付け板８−１〜８−４をはめ込み、８本のボルト（片側４本）で固定を行えば良く、極めて、組み立て操作が簡便である。
解体時には、８本のボルト（片側４本）をはずした後、締め付け板８−１〜８−４をずらして取り外すだけで良く極めて、解体操作が簡便である。
なお、締め付け板の数は、４側面に１本ずつ配さなくてもよい。即ち、対向する２側面に１本ずつ配したり、４側面に２本ずつ配することもできる。
【００３１】
また、本発明の第１の実施例（図１）の構造における一点鎖線Ａ−Ａで切断した断面図を図２に示す。
図２では、締め付け板８−１および８−４の一部に折り曲げ部８−１−ａ及び８−４−ａが設けられ、これによって締め付け圧を発生させている。
即ち、図８の従来例における、スプリングバネ７の作用を兼ねている。
なお、図２では、締め付け板８−１および８−４の下部は、直接エンドプレート２−１にボルト締めされて固定されているが、上部と同様にエンドプレートの上に配した固定板９に固定する構造としても良い。
また、逆に、上部の固定を固定板９を省略してエンドプレート２−２に直接固定しても良い。
【００３２】
次に、図３を用いて、本発明の第２の実施例である燃料電池スタックについて説明する。
図３は、本発明の第２の実施例である燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための断面図である。
図３において、１は膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、締め付け板８−１〜８−４（締め付け板８−２および８−３は図示せず、以下同じ）によって、固定用ボルト、ナット３で締め付けて燃料電池スタックを構成している。
【００３３】
前記締め付け板８−１および８−４の一方に圧縮力を発生する折り曲げ部８−１−ａ、８−４−ａを設け、他方は蝶番１０で直接、下のエンドプレート２−１に固定されている。
そして、該折り曲げ部８−１−ａ、８−４−ａをエンドプレート２−２の外側に設けた固定板９を介して固定用ボルト、ナット３で固定している。
このような構造では、固定のためのボルト、ナット３の数を半分にすることができるため、より短時間でスタックの組立てを行うことが可能となる。
なお、固定板９を省略してエンドプレート２−２に固定用ボルト、ナット３で直接固定しても良い。
【００３４】
次に、図４を用いて、本発明の第３の実施例である燃料電池スタックについて説明する。
図４は、本発明の第３の実施例である燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための断面図である。
図４において、１は膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、締め付け板８−１〜８−４、板バネ１１及び押さえ板１２を用いて、固定用ボルト、ナット３で締め付けて燃料電池スタックを構成している。
【００３５】
この構造では、締め付け板８−１〜８−４で複数の燃料電池セルを保持し、該複数のセルを押圧するのに板バネ構造を採用した。
このような構造にすると、締め付け板８−１〜８−４の折り曲げ部８−１−ａ〜８−４−ａに曲面を形成して締め付けようとしても、締め付け圧を十分に複数の燃料電池セルにかけられないことがあるのを解消することができる。なぜならば、締め付け板８−１〜８−４には、複数の燃料電池セルを積層して固定できるのに適した材質のものが用いられ、必ずしも該複数のセルを押圧するのに十分な弾性力を有しているとは限らない。そのため、固定板９と締め付け板８−１〜８−４の折り曲げ部８−１−ａ〜８−４−ａとの間に板バネ１１を介在させて押さえ板１２で該複数のセルを押圧する方式として、上記した問題の解消を図っている。
なお、固定板９を省略してエンドプレート２−２に固定用ボルト、ナット３で直接固定しても良い。
【００３６】
次に、図５を用いて、本発明の第４の実施例である燃料電池スタックについて説明する。
図５は、本発明の第４の実施例である燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための断面図である。
図５において、１は膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、締め付け板８−１〜８−４、スプリングバネ７及び押さえ板１２を用いて、固定用ボルト、ナット３で締め付けて燃料電池スタックを構成している。
【００３７】
このような構造でもやはり、締め付け板８−１〜８−４を直接、固定板９やエンドプレート２−２に固定すると、締め付け圧が十分に燃料電池スタックにかからないため、固定板９と締め付け板８−１〜８−４の間にスプリングバネ７を介在させて押さえ板１２で該複数のセルを押圧する方式としている。図４のものとは板バネ１１をスプリングバネ７に変更した点が相違している。
【００３８】
次に、図５の第４の実施例の変形例について図６を用いて説明する。
図６は、本発明の第４の実施例の変形例である燃料電池スタックの締め付け構造を説明するための断面図である。
図６において、１は膜／電解質接合体およびセパレーター板よりなる燃料電池セルで、該セルを複数個エンドプレート２−１、２−２により挟んで、締め付け板８−１〜８−４、スプリングバネ７及び金属ロープ１３を用いて、固定用ボルト、ナット３で締め付けて燃料電池スタックを構成している。
【００３９】
この構造では、図５の第４の実施例における押さえ板１２の代わりに柔軟性のあるステンレス繊維を編みこんだを金属ロープ１３を用いて押圧する方式とした。
このような構造にすると、前述した押さえ板１２であれば、それが振動によってはずれることが考えられるが、金属ロープ１３であれば、締め付け板８−１〜８−４の折り曲げ部８−１−ａ〜８−４−ａを前記金属ロープ１３の一端に固定し、固定用ボルト、ナット３のワッシャーを前記金属ロープ１３の他端に固定することによって上記した問題の解消を図ることができる。また、金属ロープ１３は複数本とすることによって強く押圧することができる。さらに、固定板９に複数の固定用ボルト、ナット３の固定穴を設けるか、該固定穴を細長い溝にしておけば、積層するセル数が変化した場合でも、容易に対応することができる。
【００４０】
上記した図３〜６はいずれも断面図であり、その斜視図は図１のような４本の締め付け板を有するものであるが、締め付け板の数は４本に限られるものではない。即ち、前述した如く、２本又は８本でも良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜８に係る本発明は、バイポーラー型の燃料電池スタックを積層して締め付ける構造として最適であり、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のスタック構造の外観（斜視図）である。
【図２】本発明の第１の実施例の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例の断面図である。
【図６】本発明の第４の実施例変形例の断面図である。
【図７】従来のスタック構造の外観である。
【図８】従来のスタック構造の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池セル
２−１、２−２ エンドプレート
３ ボルト、ナット
４ 燃料入口
５ 空気入口
６−１、６−２ 端子板
７ スプリングバネ
８−１〜８−４ 締め付け板
８−１−ａ〜８−４−ａ 折り曲げ部
９ 固定板
１０ 蝶番
１２ 押さえ板
１３ 金属ロープ

Claims (8)

1. 複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部又は下部の少なくとも一方に折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、
   前記締め付け板の折り曲げ部を前記エンドプレートに固定することを特徴とる燃料電池スタック。
2. 前記締め付け板の折り曲げ部の少なくとも一方は、曲面を形成して弾性力を生じるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部及び下部で折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、
   前記締め付け板の一方の折り曲げ部を一方のエンドプレートに固定し、
   他方の折り曲げ部を弾性部材を介して前記エンドプレートに当接すると共に、前記折り曲げ部を他方のエンドプレートに押さえ板を介して固定することを特徴とする燃料電池スタック。
4. 前記弾性部材は板バネ又はスプリングバネであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記押さえ板は、金属ロープであることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池スタック。
6. 複数の燃料電池セルをエンドプレートで挟んだ積層体を保持した固定する燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の側部に当接し、且つ、積層体の上部又は下部の一方に折り曲げ部が形成された締め付け板を複数枚備え、
   前記締め付け板の折り曲げ部が形成されていない部分を前記エンドプレート蝶番で回転可能に固定し、
   前記締め付け板の折り曲げ部を前記エンドプレートに固定することを特徴とする燃料電池スタック。
7. 前記締め付け板の折り曲げ部の前記エンドプレートに対する固定は、固定板を介して、ボルト締め又は締め付け板と固定板との溶接で行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記燃料電池セルは、プロトン導電性高分子固体電解質と、その両側に接合された一対の空気極および燃料極と、前記燃料極側に燃料を供給する機能を有し、前記空気極側に空気中の酸素を供給する機能を有したセパレータ板とを備え、これらが一体化されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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