JP2005142049A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 積層電池スタック内の面圧分布ばらつき解消に好適な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み、前記電極の一方に燃料ガスを供給し且つ前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する導電性セパレータが配列されて単セルを構成し、前記単セルを複数個積層した積層体２をその両端に配置したエンドプレート３により締付ける燃料電池スタック１であり、前記両エンドプレート３に配列した複数の転動ローラ６に巻掛けて積層体２周りに線状部材５を複数回巻回し、エンドプレート３同士が互いに接近する方向に締付けて構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池セルを積層して形成する燃料電池スタックに関するものである。

従来から燃料電池セルを積層して形成する燃料電池スタックの締付け機構として、複数の締付けボルトにより積層端のエンドプレート同士を締付けることが行われており、このような締付け機構では、締付け力を管理するための工程増加によるコスト上昇や発生させる面圧のばらつきおよび電池性能のばらつきを発生する。

上記のような不具合を解消させるために、ピアノ線等により積層端のエンドプレートを含む燃料電池スタックを複数回にわたり巻回してその両端を夫々エンドプレートに固定し、ピアノ線の巻回途中にバネ機構を配置することで、小型軽量かつ簡易な組立工程により積層電池スタックを構成し、積層電池スタック内の面圧分布ばらつきを低減したものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−１２６７５０号公報

しかしながら、上記従来例では、巻回したピアノ線がエンドプレート外端面および側面に接触し且つエンドプレートの角で屈曲される構成となっているため、エンドプレート間に架渡されているピアノ線個々の引張り力が均等とならず、積層電池スタック内の面圧分布ばらつきが解消されない虞がある。

しかも、燃料電池スタックは運転に伴う温度上昇で膨張し、ピアノ線が引回し方向に移動しようとするが、ピアノ線はエンドプレートの角で屈曲されているため、引回し方向の移動が規制され、積層電池スタック内の面圧分布ばらつきが大きくなり、部分的に過大な応力が発生して破損する虞もある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、積層電池スタック内の面圧分布ばらつき解消に好適な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、単セルを複数個積層した積層体をその両端に配置したエンドプレートにより締付ける燃料電池スタックであって、前記両エンドプレート夫々に、エンドプレートの互いに対向した端部近傍に端部に沿って複数の転動ローラを配列し、線状部材を夫々の転動ローラに次々と巻掛けつつ前記両エンドプレートおよび積層体周りに複数回巻回し、エンドプレート同士が互いに接近する方向に締付けて構成した。

したがって、本発明では、単セルを複数個積層した積層体をその両端に配置したエンドプレートにより締付ける燃料電池スタックであって、前記両エンドプレート夫々に、エンドプレートの互いに対向した端部近傍に端部に沿って複数の転動ローラを配列し、線状部材を夫々の転動ローラに次々と巻掛けつつ前記両エンドプレートおよび積層体周りに複数回巻回し、エンドプレート同士が互いに接近する方向に締付けて構成したため、燃料電池スタックを構成する積層された各セルはその面内において均等な締付け力で締付けることができ、面圧分布のバラツキが生じようとすると、面圧が高くなる部位に向かって面圧が低い部位から線状部材が巻回方向に移動して面圧分布がばらつくのを抑制することができ、燃料電池スタックに部分的に過大な応力が発生することを抑制できる。

以下、本発明の燃料電池スタックを各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明を適用した燃料電池スタックの第１実施形態を示し、図１は燃料電池スタックの斜視図、図２は燃料電池スタックの要部を示す部分断面図、図３は転動ローラの正面図、図４は燃料電池スタックの張力調整機構の概略図である。

図１において、燃料電池スタック１は、単セルの積層体２の両端にエンドプレート３を配置して構成される。積層体２を挟んだエンドプレート３は、エンドプレート３に一端部を固定し、エンドプレート３の外側から複数回巻付けた後、張力調整機構４を介して他端部をエンドプレート３に固定したピアノ線等のワイヤーからなる線状部材５により積層体２を積層方向（エンドプレート同士が互いに接近する方向）に締付けて構成している。すなわち、積層体２を囲繞するようにエンドプレート３の外側に巻回した線状部材５は、張力調整機構４により調整された張力により締付けて、エンドプレート３を介して積層体２を締付け、各セルのシール部や電極に必要な面圧をかけるようにしている。

エンドプレート３の線状部材５と接触する角部近傍には、図２に示すように、線状部材５の引回し方向を転換させる転動ローラ６が夫々端部に沿って配列され、線状部材５に発生する張力をその線状部材５の全長範囲において均等となるよう構成している。即ち、線状部材５は転動ローラ６に巻掛けされ、転動ローラ６を介してエンドプレート３同士を締付けている。線状部材５は、転動ローラ６によりエンドプレート３から離れて位置し、線状部材５がエンドプレート３と摩擦接触することが防止される。転動ローラ６は、図３に示すように、線状部材５を案内するように転動面７を円周に亘って窪ませた形状となっている。なお、図２では、エンドプレート３の端部に転動ローラ６を設ける図１とは異なり、エンドプレート３に線状部材５を通す貫通穴８を設けて、燃料電池スタック１を横置きに設置する場合に、エンドプレート３の縁を図示していない設置面に当接させて、線状部材５が設置面に接触しないようにしている。

前記張力調整機構４は、図４に示すように、エンドプレート３に固定したベース１０上で、ウォームギヤ１１に噛合うホイールギヤ１２の対称位置に配置したローラ１３に線状部材５を巻掛けて構成する。ウォームギヤ１１はサーボモータ１５により回転駆動するようにし、ウォームギヤ１１の回転位置を調整することによってホイールギヤ１２の回転位置、即ち、ローラ１３の回転位置を調整し、線状部材５の張力を調整するようにしている。線状部材５に発生している張力は、線状部材５の端部をベース１０に固定する部分に配置したロードセル１６により検出するようにし、ロードセル１６で検出した張力が、予め設定した範囲となるようサーボモータ１５によりローラ１３の回転位置（公転位置）を調整する。

以上の構成になる燃料電池スタック１においては、転動ローラ６を介してエンドプレート３同士を線状部材５で締付けると、燃料電池スタック１を構成する積層された各セルはその面内において均等な締付け力で締付けることができ、面圧分布のバラツキが生じようとすると、面圧が高くなる部位に向かって面圧が低い部位から線状部材５が巻回方向に移動して面圧分布がばらつくのを抑制する。線状部材５は転動ローラ６により案内されて巻回方向に円滑に移動される。

また、張力調整機構４により線状部材５の生ずる張力を予め設定した張力範囲に調整しているため、燃料電池スタック１を構成する積層された各セルに加わる面圧は、常時調整される。従って、外気温度や燃料電池の運転に伴って発生する反応熱により、セルで構成する積層体２が積層方向に膨張して、線状部材５に発生している張力が増加し、線状部材５の端部に設けたロードセル１６により検出される張力が予め設定した張力範囲を超えると、サーボモータ１５によりローラ１３の位置を調整して、線状部材５の張力を低下させて、設定した張力範囲に調整する。

また、外気温度の低下や運転停止等により燃料電池の温度が低下することにより積層体２が収縮して、線状部材５に発生する張力が低下する場合においても、同様に、線状部材５の端部に設けたロードセル１６により検出される張力が予め設定した張力範囲未満となると、サーボモータ１５によりローラ１３の位置を調整して、線状部材５の張力を増加させて、設定した張力範囲に調整する。

また、線状部材５は、燃料電池の長期に亘る使用により伸びを生じて燃料電池スタック１に作用させる締付け力が低下するものであるが、線状部材５に作用する張力が低下する場合には、張力調整機構４により常に設定範囲に調整されるため、燃料電池スタック１に加える締付け力が低下することも防止することができる。

図５は、エンドプレート３の外側に線状部材５を巻回するのでなく、エンドプレート３の側面同士に開口するよう設けた貫通穴１８に線状部材５を通すようにしたものである。このように構成すると、エンドプレート３の外端面に線状部材５が存在しないため、燃料電池スタック１を縦置きに設置する場合に、線状部材５が設置面に接触しないようにしている。

図６は、線状部材５に横線により目印２０を付け、目盛り２１を付けたインジケータ２２を線状部材５の背面に位置させてエンドプレート３に固定した線状部材５の応力表示装置である。線状部材５は燃料電池スタック１の膨張・収縮に応じて張力調整機構４により張力が調整されて、その全長が変化するため、線状部材５に付けた目印２０も移動する。従って、線状部材５の伸縮状態を目印２０の位置により確認することができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）単セルを複数個積層した積層体２をその両端に配置したエンドプレート３により締付ける燃料電池スタック１であって、前記両エンドプレート３夫々に、エンドプレート３の互いに対向した端部近傍に端部に沿って複数の転動ローラ６を配列し、線状部材５を夫々の転動ローラ６に次々と巻掛けつつ前記両エンドプレート３および積層体２周りに複数回巻回し、エンドプレート３同士が互いに接近する方向に締付けて構成したため、燃料電池スタック１を構成する積層された各セルはその面内において均等な締付け力で締付けることができ、面圧分布のバラツキが生じようとすると、面圧が高くなる部位に向かって面圧が低い部位から線状部材５が巻回方向に移動して面圧分布がばらつくのを抑制することができ、燃料電池スタック１に部分的に過大な応力が発生することを抑制できる。

（イ）転動ローラ６は、巻回した線状部材５の引張り方向が転換する、例えば、他方のエンドプレート３へ架渡されるために方向転換されるエンドプレート３の角部近傍において、線状部材５に巻掛かっているため、燃料電池の膨張・収縮や線状部材５の伸縮に応じて円滑に線状部材５を巻回方向に移動させることができる。

（ウ）図２に示すように、線状部材５はエンドプレート３を貫通させて設けた穴８を通って他方のエンドプレート３へ架渡すと、エンドプレート３の端部を取付部に当接させて燃料電池を横置きする場合にも、線状部材５は取付部に当接することがなく、円滑に伸縮方向に移動可能とできる。

（エ）図５に示すように、線状部材５をエンドプレート３の端面に沿って設けた貫通穴１８を通り、貫通穴１８の端部に設けた転動ローラ６に巻掛けた後、他方のエンドプレート３に架渡すと、エンドプレート３の外端面に線状部材５が存在しないため、燃料電池スタック１を縦置きに設置する場合に、線状部材５が設置面に接触しないようにできる。

（オ）線状部材５は、一端がいずれか一方のエンドプレート３に固定され、他端が張力調整手段４を介していずれかのエンドプレート３に固定されるため、長期に亘る使用により線状部材５に伸びを生じて燃料電池スタック１に作用させる締付け力が低下して、線状部材５に作用する張力が低下する場合には、張力調整機構４により常に設定範囲に調整されるため、燃料電池スタック１に加える締付け力が低下することも防止することができる。

また、外気温度や燃料電池の運転に伴って発生する反応熱により、セルで構成する積層体２が積層方向に膨張し且つ運転停止後に収縮して、線状部材５に発生している張力が増加または減少し、線状部材５の端部に設けたロードセル１６により検出される張力が予め設定した張力範囲を超えると、サーボモータ１５によりローラ１３の位置を調整して、線状部材５の張力を低下および増加させて、設定した張力範囲に調整することができる。従って、燃料電池スタック１を構成する積層された各セルに加わる面圧は、常時所定値に調整される。

（第２実施形態）
図７は、本発明を適用した燃料電池スタックの第２実施形態を示す部分断面図である。本実施形態においては、燃料電池スタックのセル内の面圧分布をより積極的に変更可能にしたものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図７において、本実施形態の燃料電池スタック１は、エンドプレート３の角部に設けた転動ローラ６に加えて、転動ローラ６間に第２の転動ローラ９を線状部材５に係合させて配置したものである。第２の転動ローラ９はエンドプレート３外面からの高さと角部の転動ローラ６との相対位置を調整可能としている。

この第２の転動ローラ９は、そのエンドプレート３外面からの高さを変化させることにより、その位置でのエンドプレート３に加える面圧を調整可能であり、しかも、面圧を調整する位置を線状部材５に沿って変更可能である。

このような第２の転動ローラ９を用いることにより、面圧を高めたい部分、例えば、面圧をエンドプレート３の中央部で高めたい場合には、第２の転動ローラ９を角部の転動ローラ６間の中間位置に位置させることで、角部の転動ローラ６とは独立して面圧を調整することができる。また、面圧を高める割合は、第２の転動ローラ９のエンドプレート３外面よりの高さを変化させることで調整することができる。このようにして、エンドプレート３の角部の転動ローラ６によっては調整できない転動ローラ６の間の面圧を木目細かく調整することができる。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（オ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

従って、エンドプレート３の角部の転動ローラ６によっては調整できない転動ローラ６の間の面圧を木目細かく調整することができる。

（キ）エンドプレート３は、複数巻回した前記転動ローラ６間の線状部材５のいずれかに巻掛ける第２の転動ローラ９を備え、前記第２の転動ローラ９は、前記転動ローラ６間の線状部材５に巻掛ける位置を線状部材５に沿って変更可能であるため、面圧を高めたい部分、例えば、面圧をエンドプレート３の中央部で高めたい場合には、第２の転動ローラ９を角部の転動ローラ６間の中間位置に位置させることで、角部の転動ローラ６とは独立して調整することができる。従って、エンドプレート３の角部の転動ローラ６によっては調整できない転動ローラ６の間の面圧を木目細かく調整することができる。

なお、上記実施形態において、線状部材５の巻付け方法として、一本の線状部材を螺旋状に巻付けるものについて説明したが、図示はしないが、２本以上の線状部材を用い、夫々締付け範囲を分けて複数回巻付けるようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図。 同じく燃料電池スタックの要部を示す部分断面図。 転動ローラの正面図。 燃料電池スタックの張力調整機構の概略図。 燃料電池スタックの線状部材の配列位置を変更した応用例１を示す断面図。 燃料電池スタックの線状部材による応用例２を示す斜視図。 本発明の第２実施形態を示す部分断面図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 積層体
３ エンドプレート
４ 張力調整機構、張力調整手段
５ 線状部材
６ 転動ローラ
７ 転動面
８、１８ 貫通穴
９ 第２の転動ローラ

Claims (9)

1. 触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み、前記電極の一方に燃料ガスを供給し且つ前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配列して単セルを構成し、前記単セルを複数個積層した積層体をその積層両端に配置したエンドプレートにより締付ける燃料電池スタックであって、
   前記両エンドプレート夫々に、エンドプレートの互いに対向した端部近傍に端部に沿って複数の転動ローラを配列し、
   線状部材を夫々の転動ローラに次々と巻掛けつつ前記両エンドプレートおよび積層体周りに複数回巻回し、エンドプレート同士が互いに接近する方向に締付けて構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記転動ローラは、巻回した線状部材の引張り方向が転換する部分の線状部材に巻掛けるようエンドプレートに回転可能に配列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. 前記転動ローラは、線状部材が他方のエンドプレートへ架渡されるために方向転換されるエンドプレートの角部近傍に配列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。
4. 前記線状部材は、エンドプレートを貫通させて設けた穴を通って他方のエンドプレートへ架渡され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。
5. 前記線状部材は、エンドプレートの端面に沿って設けた貫通穴を通り、貫通穴の端部に設けた転動ローラに巻掛けられた後、他方のエンドプレートに架渡され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。
6. 前記エンドプレートは、複数巻回した前記転動ローラ間の線状部材のいずれかに巻掛ける第２の転動ローラを備え、
   第２の転動ローラは、エンドプレート面からの高さを変更可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
7. 前記エンドプレートは、複数巻回した前記転動ローラ間の線状部材のいずれかに巻掛ける第２の転動ローラを備え、
   前記第２の転動ローラは、前記転動ローラ間の線状部材に巻掛ける位置を線状部材に沿って変更可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
8. 前記線状部材は、一端がいずれか一方のエンドプレートに固定され、他端が張力調整手段を介していずれかのエンドプレートに固定されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
9. 前記張力調整手段は、線状部材の張力を検出する張力検出手段の検出信号に応じて、張力が予め設定した範囲内となるよう線状部材を巻取り且つ巻放すものであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。
   

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