JP2008004505A - 燃料電池スタック、燃料電池スタックの締結方法、及び燃料電池スタック組立用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体を締結するための螺子の回転応力を相殺する。
【解決手段】複数のセルを積層して成るセル積層体を有する燃料電池スタックに少なくとも二つの螺子３０を螺入してセル積層体を締結するための方法であって、一方の螺子３０の螺入方向と他方の螺子３０の螺入方向とが逆になるように調整する。一方の螺子３０と他方の螺子３０の螺入方向は相互に逆なので、それぞれの回転応力は相殺され、エンドプレート２２ａの回転を抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は複数のセルを積層してなるセル積層体を有する燃料電池スタック、及びその締結方法並びに燃料電池スタック組立用治具に関する。

燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、イオン交換膜から成る電荷質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極（アノード極及びカソード極）によって挟持してなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有する。

セルは、アノード極に燃料ガスを供給するとともに、カソード極に酸化ガスを供給するための流体通路が形成されたセパレータと、膜−電極アッセンブリとを接合したものである。燃料電池スタックは、複数のセルを積層することでセル積層体を構成し、このセル積層体の両端のそれぞれにターミナルプレート、インシュレータ、プレッシャープレート、及びエンドプレートを配置することでセルスタックを構成し、このセルスタックをセル積層方向に締め付けて固定したものである。

燃料電池スタック全体の出力を向上させるには、電解質膜と一対の電極とを密着させ、セル間の接続部分における電力損失を低減する必要があり、そのためには、セル積層体を所望の荷重で締結する必要がある。燃料電池スタックを締結する方法として、例えば、特開２００２−２１６８３４号公報には、複数のセルを積層してなるセル積層体を有する燃料電池スタックの締結方法として、加圧プレートによってセル積層体をセル積層方向に加圧した状態で、セル積層体の両端に配置されているそれぞれのエンドプレートをテンションプレートで固定し、加圧プレートによる加圧を解除した後、セル積層体の締結力を微調整するためのねじをマニュアル操作によってエンドプレートに螺入し、螺子のねじ込み量を加減することで締結力を微調整している。
特開２００２−２１６８３４号公報

しかし、それぞれのセル積層体を締結するための調整螺子の螺入方向が同一であると、同一方向の回転応力がエンドプレートに作用するため、調整螺子の螺入方向にエンドプレートが僅かに回転してしまう。

燃料電池スタックの一般的な構成は、セル積層体両端に配置された一対のエンドプレートをテンションプレートによって固定し、スタックケース内に燃料電池スタックを収容してなるものであるが、エンドプレートが回転してしまうと、エンドプレートがスタックケースに近接し或いは接触する。すると、エンドプレートとスタックケースとの間の絶縁性が低下してしまう。

更に、エンドプレートの回転に伴いテンションプレートが屈曲するので、テンションプレート表面の平面度が低下する上に、テンションプレートがセル積層体に近接し或いは接触する。すると、テンションプレート上への部品の搭載が困難になる上に、エンドプレートとスタックケースとの間の絶縁性が低下してしまう。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セル積層体を締結するための螺子の回転応力を相殺することにある。

上記の課題を解決するため、本発明では、第一の螺子の螺入方向と第二の螺子の螺入方向とが逆になるように第一の螺子及び第二の螺子をセル積層体に螺入し、セル積層体を締結する。第一の螺子及び第二の螺子の螺入方向は相互に逆なので、それぞれの回転応力は相殺される。

尚、第一の螺子の螺子山、及び第二の螺子の螺子山のそれぞれに螺合する螺子溝は、セル積層体の両端に配置される固定部材（例えば、エンドプレート）に形成されていてもよく、或いはセル積層体自体に形成されていてもよい。また、セル積層体を締結する螺子の個数は二つに限らず、三つ以上であってもよい。また、本発明は、一つのセル積層体を複数の螺子で締結する場合のみならず、複数のセル積層体の両端のそれぞれに一枚の固定部材（例えば、エンドプレート）を共通配置し、その固定部材に複数の螺子を螺入して複数のセル積層体を締結する場合にも適用できる。

本発明によれば、第一の螺子及び第二の螺子のそれぞれによる回転応力を相殺できる。

以下、各図を参照しながら本実施形態に係る燃料電池スタック１０、燃料電池スタック１０の締結方法、及び燃料電池スタック組立用治具４０について説明する。

図４は燃料電池スタック１０の一部拡大断面図である。
セル１０ａは、膜−電極アッセンブリ１９とセパレータ１８とを重ねたものである。膜−電極アッセンブリ１９は、イオン交換膜から成る電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置された触媒層１２及び拡散層１３から成るアノード極１４と、電荷質膜１１の他方の面に配置された触媒層１５及び拡散層１６から成るカソード極１７とから成る。セパレータ１８には、アノード極１４に燃料ガスを供給するとともに、カソード極１７に酸化ガスを供給するための流体通路が形成されている。

図５は燃料電池スタック１０の側面図、図６は燃料電池スタック１０の正面図である。
燃料電池スタック１０は、複数のセル１０ａを積層して成るセルセル積層体２３を二つ併有するツインスタック構造を有する。二つのセル積層体２３の上端及び下端のそれぞれには、ターミナルプレート２０、及びインシュレータ２１が個別配置されるとともに、セル積層体２３の上端には第一のエンドプレート２２ａが共通配置される一方、セル積層体２３の下端には第二のエンドプレート２２ｂが共通配置されて、セルスタックが構成される。このセルスタックには、セル積層方向に作用する締結力が荷重された状態で、セル積層体２３の上端に配置される第一のエンドプレート２２ａと、セル積層体２３の下端に配置される第二のエンドプレート２２ｂとに対してテンションプレート２４がボルト２５によって固定される。

セル積層体２３の上端側に配置されたインシュレータ２１と第一のエンドプレート２２ａとの間には、プレッシャープレート２６が配置されている。セル積層体２３の上端に配置される第一のエンドプレート２２ａには、セル締結力を微調整するための螺子３０を螺入するための螺子溝２２ｃが穿孔されている。螺子３０を螺子溝２２ｃにねじ込んでいくと、螺子３０の凹部３０ａは、プレッシャープレート２６の凸部２６ａに嵌合する。セル積層体２３の平行度が悪くても、かかる嵌合構造により、嵌合部における点押しが可能となり、プレッシャープレート２６の全域を通じて略均一にセル積層体２３を荷重できる。セル積層体２３の締結荷重は、螺子３０の螺子込み量を加減することで、微調整可能である。

セル積層体２３の上端に配置される第一のエンドプレート２２ａと、セル積層体２３の下端に配置される第二のエンドプレート２２ｂとは、テンションプレート２４等の締結部材により略一定の間隔を隔てて、互いの板面が対向するよう固定されている。セル積層体２３の積層方向の長さは、第一及び第二のエンドプレート間の間隔よりも若干短く設定されている。このため、セル積層体２３が第一のエンドプレート２２ａ及び第二のエンドプレート２２ｂの間にて挟持されるように設けられる場合、第一のエンドプレート２２ａとセル積層体２３との間、及び第二のエンドプレート２２ｂとセル積層体２３との間には、それぞれ若干の遊びを有することになる。螺子３０は、第一のエンドプレート２２ａの外側から内側（セル積層体側）に突出可能に構成されており、その突出量を調整してセル積層体２３に当接させることにより、第一のエンドプレート２２ａ及び第二のエンドプレート２２ｂとセル積層体２３との間での荷重量を調整するとともに、セル積層体２３に締結荷重を伝達する役割を有する。

図１は燃料電池スタック組立用治具４０の正面図、図２は燃料電池スタック組立用治具４０の側面図である。
燃料電池スタック組立治具４０は、主に、治具本体５０と、燃料電池スタックをセル積層方向に加圧する加圧手段として機能する油圧シリンダ７０及び加圧プレート６０と、燃料電池スタックを載置するためのロアプレート８０とを備える。

治具本体５０は、燃料電池スタックの積み上げ位置５１と搬送位置５２とを有し、治具本体底面を形成するベースプレート５３と、本体上面を形成するトッププレート５４と、ベースプレート５３とトッププレート５４とを連結し、鉛直上方に立設する複数の支柱５５とを備える。

油圧シリンダ７０は、トッププレート５４上に立設されている。油圧シリンダ７０内を進退するロッドの下端は、セル積み上げ位置５１の鉛直上方において、加圧プレレート６０に連結されている。油圧シリンダ７０内の圧力を調整することで、加圧プレート６０を上下動させ、加圧プレート６０を介してセル積層体２３をセル積層方向に加圧する。

ロアプレート８０の底面にはベアリングが組み付けられており、ベースプレート５３に敷設されたレール５６上を積み上げ位置５１と搬送位置５２との間で往復移動可能に構成されている。ロアプレート８０の移動はマニュアル操作で行う。

トッププレート５０及び加圧プレート６０のそれぞれには、締結荷重調整具９１を挿通させるための挿通孔９０が穿孔されている。締結荷重調整具９１は、略Ｌ字に屈曲しており、その先端は、螺子３０に嵌合し得る形状（例えば、六角形）を成している。締結荷重調整具９１の先端を挿通孔９０に通して螺子３０に嵌合させた状態で、締結荷重調整具９１を回転させることで、螺子３０を第一のエンドプレート２２ａ内の螺子溝２２ｃに螺入させ、以って、プレッシャープレート２６を押圧し、セル積層体２３の締結荷重を微調整できる。

ここで、図３を参照しながら、螺子３０の螺入方向について説明する。上述の如く、燃料電池スタック１０は、ツインスタック構造を有しているので、一枚のエンドプレート２２ａには、二つのセル積層体２３の締結荷重を調整するための螺子３０が合計二つ螺入される。ここで、一方の螺子３０の螺入方向と、他方の螺子３０の螺入方向とが相互に逆向きになるように螺子３０の螺子山、及びエンドプレート２２ａの螺子溝２２ｃのそれぞれの形状を加工しておくことで、それぞれの螺子３０の螺入方向を相互に逆向きにすることができる。例えば、一方のセル積層体２３の締結荷重を調整するための螺子３０の螺入方向が右回りであるならば、他方のセル積層体２３の締結荷重を調整するための螺子３０の螺入方向を左回りとする。

このように、一方の螺子３０の螺入方向と、他方の螺子３０の螺入方向とを相互に逆向きにすることで、二つの螺子３０の回転応力を相殺できるので、エンドプレート２２ａの回転を効果的に抑制できる。また、エンドプレート２２ａの回転を抑制できるので、エンドプレート２２ａとスタックケースとの間の絶縁性やテンションプレート２４とセル積層体２３との間の絶縁性を十分に確保できる。更に、テンションプレート２４に歪みが生じないので、テンションプレート２４の平坦性も確保できる。

尚、本実施形態では、二つのセル積層体２３の上端及び下端のそれぞれに一枚のエンドプレート２２ａを共通配置してなるツインスタック構造を有する燃料電池スタック１０を例示したが、本発明はかかるスタック構造に限られるものではない。例えば、一つのセル積層体２３の上端及び下端にそれぞれ一枚のエンドプレートを個別配置し、一枚のエンドプレートに複数の螺子３０を螺入してセル積層体２３を締結するスタック構造にも適用できる。また、セル積層体２３を締結するための螺子３０の個数は、二つに限らず、三つ以上であってもよく、特に、偶数個であるのが望ましい。螺子３０の個数が偶数個である場合には、螺子３０の螺入方向を交互に逆向きにすればよい。また、螺子３０に螺合する螺子溝は、セル積層体の両端に配置される固定部材（エンドプレート２２ａ，２２ｂ以外の固定部材）に形成されてもよく、或いはセル積層体２３自体に形成されていてもよい。

本実施形態に係る燃料電池スタック組立用治具の正面図である。 本実施形態に係る燃料電池スタック組立用治具の側面図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの締結方法を示す説明図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの一部拡大断面図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの側面図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの正面図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１０ａ…セル
２２ａ，２２ｂ…エンドプレート
２３…セル積層体
３０…螺子
４０…燃料電池スタック組立用治具
９１…締結荷重調整具

Claims (3)

1. 複数のセルを積層して成るセル積層体と、前記セル積層体を締結するための第一の螺子及び第二の螺子を備える燃料電池スタックであって、前記第一の螺子の螺入方向と前記第二の螺子の螺入方向とが逆である、燃料電池スタック。
2. 複数のセルを積層して成るセル積層体を有する燃料電池スタックに第一の螺子及び第二の螺子を螺入して前記セル積層体を締結するための方法であって、前記第一の螺子の螺入方向と前記第二の螺子の螺入方向とが逆になるように前記第一の螺子及び前記第二の螺子を螺入する、燃料電池スタックの締結方法。
3. 複数のセルを積層して成るセル積層体を有する燃料電池スタックに第一の螺子及び第二の螺子を螺入して前記セル積層体を締結するための燃料電池スタック組立用治具であって、前記第一の螺子の螺入方向と前記第二の螺子の螺入方向とが逆になるように前記第一の螺子及び前記第二の螺子を螺入するための締結荷重調整具を備える、燃料電池スタック組立用治具。

Images