JP2009212073A - 燃料電池スタック締結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック内部の面圧を自動で補正しながら一定に維持させることができ、スタックの自重を利用して少ない力で大きい締結荷重を出すことができる燃料電池スタック締結装置を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池スタック締結装置において、前記燃料電池スタックモジュールの両側に密着するように、内表面が垂直面に形成され、その外表面が第１斜辺に形成されたエンドプレートと、前記第１斜辺と面接触しながらエンドプレートを収容する斜辺装置と、前記燃料電池スタックの荷重がスタックの内部方向へのみかかるように、前記エンドプレートの上下面に結合される第１及び第２単一方向荷重制御板と、で構成されることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池スタック締結装置に係り、より詳しくは、燃料電池スタックの自重及び斜辺装置の傾きを利用し、燃料電池スタックの内部面圧を自動で補正しながら一定に維持させることのできる燃料電池スタック締結装置に関する。

一般的に、燃料電池は水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）を反応させて電気エネルギーを生成する装置であり、膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を含む。
ＭＥＡは水素イオン（Ｈ^＋）が伝達される電解質膜を間に置き、両側に水素（Ｈ_２）が供給される燃料極（ａｎｏｄｅ）と空気が供給される空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）で構成される。
ＭＥＡと分離板が順次に積層されたものを燃料電池スタックと言い、この燃料電池スタックの最外側に水素の出入口及び空気の出入口を有するエンドプレート（＝バイポーラ板）が配置される。

前記のような燃料電池装置において、燃料電池スタックの出力電圧は各単位セルの出力電圧を合算して算出され、分離板で区分された単位セルが順次に積層されて燃料電池スタックを形成するため、合算された各単位セルの出力電圧が燃料電池スタックの出力電圧として定義される。
この時、燃料電池スタックの性能はその出力電圧のサイズで評価され、この出力電圧は分離板と分離板との間の圧力により影響を受ける。
前記構成及び動作を行う燃料電池スタックは燃料の露出を防止し、電池としての構造を備えるために、互いに積層されている多数のセルを一つに締結、固定する必要がある。このために、通常のエンドプレートを通して前記セルを一定圧力で押して締結し、長時間の使用でもスタック内部の面圧を一定に維持するためにバネのような弾性体をスタック内部に添加して締結する方式が採用されている。

図１に示すように、燃料電池スタックの内部面圧を維持するための従来の締結構造として、板バネ１と液体チャンバー２（弾性体）などを利用してスタック内部の荷重が変動時にも一定の面圧を出すように設計している。
しかしながら、従来の構造は分離板内部の締結荷重が大きくなるに従って、多量の板バネと液体チャンバーが要求されて原価の上昇を招来し、スタック内部に板バネまたは液体チャンバーが含まれることで、スタック内部の設計が複雑となる問題点がある。
特開２００７−０９５５７８号公報 特開２０００−２０８１６３号公報

本発明は、スタック内部の面圧を一定にするために、スタック外部に斜辺装置及び単一方向の荷重制御板などを含む締結装置を設置することで、スタック内部の面圧を自動で補正しながら一定に維持させることができ、スタックの自重を利用して少ない力で大きい締結荷重を出すことができる燃料電池スタック締結装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池スタック締結装置において、前記燃料電池スタックモジュールの両側に密着するように、内表面が垂直面に形成され、その外表面が第１斜辺に形成されたエンドプレートと、前記第１斜辺と面接触しながらエンドプレートを収容する斜辺装置と、前記燃料電池スタックの荷重がスタックの内部方向へのみかかるように、前記エンドプレートの上下面に結合される第１及び第２単一方向荷重制御板と、で構成されることを特徴とする。

前記エンドプレートの上面には第１引っかけ金具が形成され、前記第１単一方向荷重制御板の外側底面には前記第１引っかけ金具にかみ合わされる第１固定金具が形成され、前記エンドプレートの底面には第２引っかけ金具が形成され、前記第２単一方向荷重制御板の外側上面には前記第２引っかけ金具にかみ合わされる第２固定金具が形成され、前記斜辺装置の底板には前記第２単一方向荷重制御板の結合のための貫通孔が形成されることを特徴とする。

前記燃料電池スタックモジュール及びエンドプレート、斜辺装置の上面をカバーする上板と、前記燃料電池スタックモジュール及びエンドプレート、斜辺装置の周辺面をカバーする側板で構成された荷重付加用カバーを更に含むことを特徴とする。

前記エンドプレートの水素出入口及び空気出入口が外部に露出するように、前記荷重付加用カバーの上板には露出孔が貫通形成されることを特徴とする。

前記荷重付加用カバーの側板と、前記斜辺装置のボディー部はカバー固定手段で結合され、前記荷重付加用カバーの上板底面と前記燃料電池スタックモジュールの上面との間には振動吸収材が配置され、前記斜辺装置のボディ部の内表面には複数個の円筒形ローラーが装着されることを特徴とする。

前記斜辺装置は、前記エンドプレートの第１斜辺と面接触する第２斜辺が内表面に形成されたボディ部と、前記ボディ部の下端を一体に連結する底板とからなることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタック締結装置は、以下の効果を有する。
燃料電池スタックモジュールの内部に別の追加装置がなくても、スタックの外部に斜辺装置を適用することで少ない力で大きい締結荷重を出しながら燃料電池スタックを容易に締結させることができ、燃料電池スタックの内部面圧を自動補正しながら一定に維持させることができる。
また、燃料電池スタックの内部に板バネのような弾性体を入れないため、スタック内部の設計を単純化させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池スタック締結装置について詳しく説明する。

図２は本発明の一実施例による燃料電池スタック締結装置により燃料電池スタックが締結された状態を図示した斜視図である。また、図３は図２のＡ−Ａ線の断面図である。
図２に示すように、本発明は斜辺装置１０を具備し、この斜辺装置１０内に燃料電池スタック１２及びエンドプレート１４を斜辺の傾きを利用したくさび式（ｗｅｄｇｉｎｇ ｍａｎｎｅｒ）で挿入、締結し、燃料電池スタック１２の内部の面圧を一定となるように自動で補正して、少ない力で大きい締結荷重を得ることができる燃料電池スタック締結装置を提供しようとするものである。

エンドプレート１４は燃料電池スタック１２の両側面に配置され、図５に示すように、その上端部には外部と連結される水素供給口１６ａ、空気供給口１６ｂ、冷却水供給口１６ｃ、冷却水排出口１６ｄ、空気排出口１６ｅ、水素排出口１６ｆが形成され、その内表面は燃料電池スタック１２の両側面に密着するように上下方向に直線面を成し、その外表面は所定の傾きを有する第１斜辺１８に形成される。
この時、第１斜辺１８により、エンドプレート１４は上側から下側に次第に減少する断面積を有する。

斜辺装置１０は垂直方向に立てられた構造のボディ部２０と、このボディ部２０の下端を連結して一体に形成された底板２２で構成される。
特に、ボディ部２０の内表面はエンドプレート１４の第１斜辺１８と面接触する第２斜辺２４で形成される。
従って、斜辺装置１０の内部に燃料電池スタック１２及びエンドプレート１４をくさび式で挿入すると、ボディ部２０の第２斜辺２４に対してエンドプレート１４の第１斜辺１８がスライディングにより面接触をするようになり、結局、斜辺装置１０により燃料電池スタック１２及びエンドプレート１４の締結が行われる。

ここで、本発明の締結装置が少ない力で大きい締結荷重を出すことができる原理を図３を参照して説明する。
図４のグラフは第１及び第２斜辺１８，２４の傾きによるスタックの荷重に対する締結荷重の増加量を表し、図４の数式において、Ｒは斜辺装置の反発力、θは斜辺装置の傾き、Ｐはスタックの荷重、Φ／２は斜辺装置の縁の角度を各々表す。
更に、ｋ値はスタックの荷重をスタックの締結荷重で表す倍数を表す。
このような原理に立脚して、斜辺装置１０の斜辺の傾きθ値が８０〜８５°である時、ｋ値が３〜６の値を持つようになり、燃料電池スタックの荷重より３〜６倍に該当する締結荷重により燃料電池スタックを締結することができる。

本発明による締結装置は、燃料電池スタック１２の荷重がスタックの内部方向へのみ作用されるようにする手段であり、長方形の板体形状を有する第１及び第２単一方向荷重制御板２６，２８がエンドプレート１４の上下面に各々結合される。
より詳しくは、図７に示すように、エンドプレート１４の上面に形成された第１引っかけ金具３０に第１単一方向荷重制御板２６の外側底面に形成された第１固定金具３２をかみ合わせた後、第１単一方向荷重制御板２６を燃料電池スタック１２の内部方向に加えることで、スタックの荷重をその内部方向へのみ与えることができる。

同様に、図６に示すように、エンドプレート１４の底面に形成された第２引っかけ金具３４に第２単一方向荷重制御板２８の外側上面に形成された第２固定金具３６をかみ合わせた後、第１単一方向荷重制御板２６を燃料電池スタック１２の内部方向に加えることで、スタックの荷重をその内部方向へのみ更に与えることができる。
この時、第２単一方向荷重制御板２８の結合のために、斜辺装置１０の底板２２には貫通孔４６が形成され、この貫通孔４６を通して露出されるエンドプレート１４の底面に第２単一方向荷重制御板２８を容易に結合させることができる。

一方、図６に示すように、斜辺装置１０の第２斜辺２４には複数個の円筒形ローラー３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅが装着され、エンドプレート１４が斜辺装置１０内にくさび式で挿入される時、円筒形ローラー３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅはエンドプレート１４の第１斜辺１８と転がり接触をしながら燃料電池スタック１２の内部方向にその締結荷重をより容易に伝達する。

このように、第１及び第２単一方向荷重制御板２６，２８を燃料電池スタック１２の内部方向に加圧し、燃料電池スタックモジュールを所望する締結力で締結した後、エンドプレート１４の第１斜辺１８と斜辺装置１０の第２斜辺２４の傾きθによる面接触を利用し、燃料電池スタック１２を重力が加えられる方向に変位させることで、燃料電池スタック荷重のｋ倍に該当する大きい締結荷重で締結することができる。
更に、燃料電池スタック１２の荷重のｋ倍に該当する力を円筒形ローラー３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅを通して燃料電池スタックモジュールにより容易に伝達し、燃料電池スタック１２の内部面圧を自動で補正しながら一定に維持させることができる。

本発明の別の実施例は、重力による燃料電池スタックモジュールの荷重のみではスタックの締結面圧を出すには十分ではない点を勘案し、燃料電池スタック及びエンドプレート、斜辺装置などをカバーすることができる荷重付加用カバー４０を具備した点に特徴がある。
図８は本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結装置を表す斜視図である。また、図９は平面図、図１０は図８のＢ−Ｂ線の断面図である。

荷重付加用カバー４０は上板４２と側板４４で構成され、上板４２は燃料電池スタック１２モジュール及びエンドプレート１４、斜辺装置１０の上面をカバーし、側板４４は燃料電池スタック１２モジュール及びエンドプレート１４、斜辺装置１０の周辺面をカバーして装着される。
この時、荷重付加用カバー４０の上板４２にはエンドプレート１４の水素供給口１６ａ、空気供給口１６ｂ、冷却水供給口１６ｃ、冷却水排出口１６ｄ、空気排出口１６ｅ、水素排出口１６ｆが配管を連結するために、外部に露出するように露出孔３９が貫通形成される。

更に、荷重付加用カバー４０の側板４４と、斜辺装置１０のボディ部２０はカバー固定ネジ４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄで結合され、荷重付加用カバー４０を固定状態に維持させることができる。
従って、荷重付加用カバー４０を被せて装着すると、燃料電池スタック１０モジュールの自重に荷重付加用カバー４０の荷重及び締結力が加わり、燃料電池スタック１２の締結面圧をより増大させることができる。

一方、燃料電池システムの稼動により、燃料電池スタック１２及びエンドプレート１４などに加えられる振動によりスタック面圧の偏差が発生されるという万一の状況に備えて、振動を吸収することができる振動吸収材５０が荷重付加用カバー４０の上板４２の底面と燃料電池スタック１２モジュールの上面との間に挿入、装着される。
従って、斜辺装置１０内に燃料電池スタック１２及びエンドプレート１４をくさび式で挿入させた後、燃料電池スタック１２の荷重に荷重付加用カバー４０の荷重が加えられ、スタック内部に所望する締結荷重を伝達することができ、従って燃料電池スタックは自動で面圧補正されながら一定面圧で容易に締結される。

従来の燃料電池スタックの締結構造を図示した側面図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタック締結装置により燃料電池スタックが締結された状態を図示した斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタック締結装置により燃料電池スタックが締結された状態を表す図２のＡ−Ａ線の断面図である。 本発明による燃料電池スタック締結装置の原理及びその効果を説明するためのグラフと数式である。 本発明の一実施例による燃料電池スタック締結装置により燃料電池スタックが締結された状態であり、燃料電池スタックモジュールの先端部分のエンドプレートを拡大した平面図である。 本発明に一実施例による燃料電池スタック締結装置の斜辺装置を表す断面図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタック締結装置の一構成であり、燃料電池スタックモジュールの単一方向荷重制御部の引っかけ金具部分を表す断面図である。 本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結装置を表す斜視図である。 本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結装置を表す平面図である。 本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結装置を表す図８のＢ−Ｂ線の断面図である。

符号の説明

１０ 斜辺装置
１２ 燃料電池スタック
１４ エンドプレート
１８ 第１斜辺
２０ ボディ部
２２ 底板
２４ 第２斜辺
２６ 第１単一方向荷重制御板
２８ 第２単一方向荷重制御板
３０ 第１引っかけ金具
３２ 第１固定金具
３４ 第２引っかけ金具
３６ 第２固定金具
３８ ローラー
３９ 露出孔
４０ 荷重付加用カバー
４２ 上板
４４ 側板
４６ 貫通孔
５０ 振動吸収材

Claims (9)

1. 燃料電池スタック締結装置において、
   前記燃料電池スタックモジュールの両側に密着するように、内表面が垂直面に形成され、その外表面が第１斜辺に形成されたエンドプレートと、
   前記第１斜辺と面接触しながらエンドプレートを収容する斜辺装置と、
   前記燃料電池スタックの荷重がスタックの内部方向へのみかかるように、前記エンドプレートの上下面に結合される第１及び第２単一方向荷重制御板と、
   で構成されることを特徴とする燃料電池スタック締結装置。
2. 前記エンドプレートの上面には第１引っかけ金具が形成され、前記第１単一方向荷重制御板の外側底面には前記第１引っかけ金具にかみ合わされる第１固定金具が形成され、前記エンドプレートの底面には第２引っかけ金具が形成され、前記第２単一方向荷重制御板の外側上面には前記第２引っかけ金具にかみ合わされる第２固定金具が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック締結装置。
3. 前記斜辺装置の底板には前記第２単一方向荷重制御板の結合のための貫通孔が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック締結装置。
4. 前記燃料電池スタックモジュール及びエンドプレート、斜辺装置の上面をカバーする上板と、
   前記燃料電池スタックモジュール及びエンドプレート、斜辺装置の周辺面をカバーする側板で構成された荷重付加用カバーを更に含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック締結装置。
5. 前記エンドプレートの水素出入口及び空気出入口が外部に露出するように、前記荷重付加用カバーの上板には露出孔が貫通形成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック締結装置。
6. 前記荷重付加用カバーの側板と、前記斜辺装置のボディー部はカバー固定手段で結合されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック締結装置。
7. 前記荷重付加用カバーの上板底面と前記燃料電池スタックモジュールの上面との間には振動吸収材が配置されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック締結装置。
8. 前記斜辺装置のボディ部の内表面には複数個の円筒形ローラーが装着されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック締結装置。
9. 前記斜辺装置は、
   前記エンドプレートの第１斜辺と面接触する第２斜辺が内表面に形成されたボディ部と、
   前記ボディ部の下端を一体に連結する底板とからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック締結装置。

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