JP2014154431A - Load-applying device, and fuel cell stack with load-applying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、荷重負荷装置および荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックに関する。 The present invention relates to a load loading device and a fuel cell stack with a load loading device.
従来、固体電解質層と、固体電解質層の一方面に設けられたアノード層と、固体電解質層の他方面に設けられたカソード層とを備えた燃料電池単セルが、セパレータを介して多数積層されてなる燃料電池セルスタックが知られている。上記燃料電池セルスタックは、一般に、セル積層方向に荷重が負荷された状態で使用される。 Conventionally, a large number of fuel cell single cells each including a solid electrolyte layer, an anode layer provided on one side of the solid electrolyte layer, and a cathode layer provided on the other side of the solid electrolyte layer are stacked via separators. A fuel cell stack is known. The fuel cell stack is generally used in a state where a load is applied in the cell stacking direction.
例えば、特許文献1には、セル積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構を備えた燃料電池セルスタックが開示されている。同文献では、燃料電池セルスタックの運転状況によって変動する荷重変動に追従するためにばねにより荷重を付与する構成が記載されている。
For example,
しかしながら、従来技術は、以下の点で改良の余地がある。すなわち、燃料電池セルスタックは、燃料電池単セルに供給される燃料ガス等のガスが外部へリークしないように、通常、ガスシール部材によるガスシールが施されている。ガスシール部材は、常温で硬く、高温で軟化する性質を有している。そのため、常温にて燃料電池セルスタックを組み立てると、ガスシール部材が硬いために燃料電池セルスタック中におけるガスシール部位に隙間が生じることになる。しかし、電池運転時の高温では、ガスシール部材は軟化するとともに上記セル積層方向に加えられた荷重によって変形する。そのため、電池組み立て時に生じた燃料電池セルスタック中の隙間は、ガスシール部材によって塞がれることになる。 However, the conventional technology has room for improvement in the following points. That is, the fuel cell stack is normally sealed with a gas seal member so that gas such as fuel gas supplied to the single fuel cell does not leak to the outside. The gas seal member is hard at normal temperature and softens at high temperature. For this reason, when the fuel cell stack is assembled at room temperature, the gas seal member is hard, so that a gap is generated in the gas seal portion in the fuel cell stack. However, at a high temperature during battery operation, the gas seal member softens and deforms due to a load applied in the cell stacking direction. Therefore, the gap in the fuel cell stack generated during battery assembly is closed by the gas seal member.
ところが、ガスシール部材は、燃料電池セルスタックを構成する他の部材に比べて収縮率が大きい。そのため、燃料電池セルスタックの積層数が増えるにつれ、ガスシール部材が軟化した際にセルスタック長さの縮み変位が大きくなる。それ故、従来のばね等による荷重負荷装置では、上記縮み変位を吸収しきれず、燃料電池セルスタックに負荷される荷重が抜けてしまうといった問題が発生する。また、上記荷重の抜けを防ぐためにばね長を大きくすることも考えられるが、装置の複雑化、大型化を招くため現実的ではない。 However, the gas seal member has a larger shrinkage rate than other members constituting the fuel cell stack. Therefore, as the number of stacked fuel cell stacks increases, the contraction displacement of the cell stack length increases when the gas seal member is softened. Therefore, in a conventional load application device using a spring or the like, there is a problem that the contraction displacement cannot be absorbed and the load applied to the fuel cell stack is lost. In addition, it is conceivable to increase the spring length in order to prevent the load from dropping out, but this is not realistic because the apparatus becomes complicated and large.
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、ばねを用いることなく、セルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタックに荷重を負荷可能な荷重負荷装置、また、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of the above-described background. A load-loading device capable of absorbing a contraction displacement of a cell stack length and loading a fuel cell stack without using a spring. It was obtained in an attempt to provide a fuel cell stack with a device.
本発明の一態様は、固体電解質層と該固体電解質層の一方面に設けられたアノード層と上記固体電解質層の他方面に設けられたカソード層とを備えた燃料電池単セルがセパレータを介して多数積層されており、ガスシール部材によるガスシール部位を含む燃料電池セルスタックに対し、セル積層方向に荷重を加えるための荷重負荷装置であって、
上記燃料電池セルスタックを収容するためのスタックケースと、
該スタックケースの上端部に対向して設けられており、上下方向に回動可能となるように基端側が上記上端部に取り付けられるとともに先端側がケース内方に向けて配置されている少なくとも一対の変位追従部と、
上記変位追従部の途中部位から吊り下げられており、上記燃料電池セルスタックを載置するための下部プレートと該下部プレートに載置される上記燃料電池セルスタックの上部に載置される上部プレートとを備える吊り下げ部と、
該吊り下げ部の吊り下げ位置よりもケース内方側にて上記変位追従部に上面が接するとともに、上記上部プレートに下面が接する加圧プレートと、
を有することを特徴とする荷重負荷装置にある(請求項1)。
According to one aspect of the present invention, a fuel cell single cell including a solid electrolyte layer, an anode layer provided on one surface of the solid electrolyte layer, and a cathode layer provided on the other surface of the solid electrolyte layer is interposed via a separator. Is a load loading device for applying a load in the cell stacking direction to the fuel cell stack including the gas seal portion by the gas seal member,
A stack case for housing the fuel cell stack;
The stack case is provided opposite to the upper end of the stack case, and has at least a pair of base ends attached to the upper end so as to be pivotable in the vertical direction and the tip end is disposed inward of the case. A displacement follower;
A lower plate that is hung from an intermediate portion of the displacement follower and on which the fuel cell stack is placed, and an upper plate that is placed on the upper portion of the fuel cell stack that is placed on the lower plate A hanging part comprising:
A pressure plate in which the upper surface is in contact with the displacement follower and the lower surface is in contact with the upper plate on the inner side of the case from the hanging position of the hanging portion;
(1).
本発明の他の態様は、上記荷重負荷装置を用いてセル積層方向に荷重が負荷可能とされていることを特徴とする荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックにある(請求項7)。 Another aspect of the present invention resides in a fuel cell stack with a load-loading device, characterized in that a load can be applied in the cell stacking direction using the load-loading device.
上記荷重負荷装置は、上記構成を有している。そのため、吊り下げ部の下部プレート上に燃料電池セルスタックが載置されると、燃料電池セルスタックの自重が吊り下げ部を介して変位追従部に加えられる。ここで、吊り下げ部は、変位追従部の途中部位から吊り下げられている。また、変位追従部の基端部はスタックケースの上端部に取り付けられている。また、吊り下げ部の吊り下げ位置よりもケース内方側にて変位追従部と加圧プレートの上面とが接している。そのため、変位追従部に加えられた上記自重は、スタックケースの上端部と加圧プレートとに分配される。そして、加圧プレートに分配された上記自重が加圧プレートを介して燃料電池セルスタックに負荷される。また、電池運転時の高温により、電池組み立て時よりもセルスタック長さが縮まった場合には、加圧プレートおよび上部プレートが下方に移動することになる。この際、上記下方への移動に伴って変位追従部も基端側を基点として下方に回動して追従することができる。そのため、このような場合であっても、変位追従部より加圧プレートに加えられた上記自重が加圧プレートを介して燃料電池セルスタックに負荷される。 The load load device has the above-described configuration. Therefore, when the fuel cell stack is placed on the lower plate of the hanging part, the own weight of the fuel cell stack is applied to the displacement following part via the hanging part. Here, the suspension part is suspended from the middle part of the displacement follow-up part. Moreover, the base end part of the displacement follow-up part is attached to the upper end part of the stack case. Further, the displacement follower and the upper surface of the pressure plate are in contact with each other on the inner side of the case from the hanging position of the hanging portion. For this reason, the self-weight applied to the displacement follower is distributed to the upper end of the stack case and the pressure plate. Then, the dead weight distributed to the pressure plate is loaded on the fuel cell stack via the pressure plate. In addition, when the cell stack length is reduced as compared with the battery assembly due to the high temperature during battery operation, the pressure plate and the upper plate move downward. At this time, along with the downward movement, the displacement follower can also follow and rotate downward with the base end side as a base point. Therefore, even in such a case, the self-weight applied to the pressure plate from the displacement follower is loaded on the fuel cell stack via the pressure plate.
また、上記荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックは、上記荷重負荷装置を用いてセル積層方向に荷重が負荷可能とされているので、ばねを用いることなく、セルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタックに荷重を負荷することができる。 In addition, the fuel cell stack with the load load device is capable of applying a load in the cell stacking direction using the load load device, and therefore absorbs the contraction displacement of the cell stack length without using a spring. Thus, a load can be applied to the fuel cell stack.
よって、本発明によれば、ばねを用いることなく、セルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタックに荷重を負荷することが可能な荷重負荷装置、これを用いた荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックを提供することができる。 Therefore, according to the present invention, without using a spring, a load loading device capable of absorbing the contraction displacement of the cell stack length and loading the fuel cell stack with the load loading device using the load loading device is provided. A fuel cell stack can be provided.
上記荷重負荷装置において、燃料電池セルスタックは、ガスシール部材によるガスシール部位を含んでいる。ガスシール部材としては、例えば、ガラスシール材などを例示することができる。燃料電池セルスタックは、電池組み立て後にガスシール材によって形成された隙間をセル積層方向に有することができる。 In the load loading device, the fuel cell stack includes a gas seal portion by a gas seal member. Examples of the gas seal member include a glass seal material. The fuel cell stack can have a gap formed by the gas seal material in the cell stacking direction after battery assembly.
上記荷重負荷装置において、加圧プレートと上部プレートとは、互いの中央部において接するように構成することができる(請求項2)。 In the load application device, the pressure plate and the upper plate can be configured to contact each other at the center.
この場合は、ガスシール部材の厚みや燃料電池セルスタックの温度分布によりガスシール部材の軟化速度に違いが生じ、その結果、燃料電池単セルおよびセパレータの平行度が乱れ、傾きが生じた場合であっても、加圧プレートの中央部により上部プレートの中央部が加圧される。そのため、この場合は、燃料電池セルスタックに上部プレートが片当たりした状態で荷重が負荷され難く、上記傾きを吸収して加圧を行うことができる。 In this case, there is a difference in the softening speed of the gas seal member depending on the thickness of the gas seal member and the temperature distribution of the fuel cell stack, and as a result, the parallelism of the fuel cell single cell and the separator is disturbed and tilted. Even if it exists, the center part of an upper plate is pressurized by the center part of a pressurization plate. For this reason, in this case, it is difficult for a load to be applied in a state where the upper plate comes into contact with the fuel cell stack, and pressurization can be performed while absorbing the inclination.
上記荷重負荷装置において、加圧プレートは、上部プレートに接触させるための半球状の突起部を下面に備える構成とすることができる(請求項3)。 In the load application device, the pressure plate may be configured to include a hemispherical protrusion on the lower surface for contacting the upper plate.
この場合は、半球状の突起部の先端を上部プレートに点接触させることができるので、燃料電池セルスタックに上記傾きが生じた場合でも、上部プレートを比較的均一に加圧することができる。加圧プレートは、好ましくは、下面の中央部に上部プレートの中央部に接触させるための半球状の突起部を備えた構成とすることができる。この場合は、上記傾きを吸収した均一な加圧を行うのに有利である。 In this case, since the tip of the hemispherical protrusion can be brought into point contact with the upper plate, the upper plate can be pressed relatively uniformly even when the above-described inclination occurs in the fuel cell stack. Preferably, the pressure plate can be configured to have a hemispherical protrusion for contacting the central portion of the upper plate at the central portion of the lower surface. In this case, it is advantageous to perform uniform pressurization that absorbs the inclination.
上記荷重負荷装置は、二対の上記変位追従部を有する構成とすることができる(請求項4)。 The load load device may include two pairs of the displacement followers (claim 4).
この場合は、吊り下げ部の下部プレートを二対の変位追従部から吊り下げることができる。そのため、この場合は、燃料電池セルスタックに荷重を負荷する際のバランスに優れる。また、二対の変位追従部により加圧プレートを介して上部プレートにバランスよく荷重を負荷することができる。 In this case, the lower plate of the suspension part can be suspended from the two pairs of displacement followers. Therefore, in this case, the balance when applying a load to the fuel cell stack is excellent. Further, the load can be applied to the upper plate in a balanced manner through the pressure plate by the two pairs of displacement followers.
上記荷重負荷装置は、上記変位追従部が、その途中部位にそれぞれ長穴を備えており、上記吊り下げ部は、さらに、隣り合う各変位追従部の長穴を貫通する一対の貫通シャフトと、この貫通シャフトのそれぞれの両端部に上端部が連結されるととともに、下端部が下部プレートに固定された四本の吊り下げシャフトとを有する構成とすることができる(請求項5)。 In the load loading device, the displacement follower includes a long hole in the middle thereof, and the suspension part further includes a pair of through shafts that penetrate the long holes of the adjacent displacement followers, An upper end is connected to each end of each of the through shafts, and four hanging shafts having lower ends fixed to the lower plate can be provided.
この場合は、吊り下げ部の下部プレート上に燃料電池セルスタックが載置された際に、燃料電池セルスタックの自重を、吊り下げシャフトを介して二対の変位追従部に加えることができる。そのため、この場合は、比較的簡素な構成でセルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタックに荷重を負荷することが可能な荷重負荷装置が得られる。また、従来のようにセルスタック長さの縮み変位を吸収するためにばね長を大きくする必要もないので、装置の小型化を図りやすい利点がある。 In this case, when the fuel cell stack is placed on the lower plate of the suspension part, the weight of the fuel cell stack can be applied to the two pairs of displacement followers via the suspension shaft. Therefore, in this case, it is possible to obtain a load loading device that can absorb the contraction displacement of the cell stack length and load the fuel cell stack with a relatively simple configuration. Further, since it is not necessary to increase the spring length in order to absorb the contraction displacement of the cell stack length as in the prior art, there is an advantage that the device can be easily downsized.
なお、この場合、上記荷重負荷装置は、設計上、組み立て後の燃料電池セルスタックを荷重負荷装置に組み付けた状態において、上記変位追従部の長手方向と水平方向との間のなす角θが、0°以上90°未満となるように構成することができる。好ましくは、上記なす角θは、製造容易性等の観点から、0°より大きく90°未満となるように構成することができる。なお、上記なす角θは、後述するA:Bの比率などを考慮して適正な範囲を選択することができる。 In this case, the load load device is designed so that the angle θ formed between the longitudinal direction and the horizontal direction of the displacement follow-up portion in a state where the assembled fuel cell stack is assembled to the load load device, It can be configured to be 0 ° or more and less than 90 °. Preferably, the angle θ formed can be configured to be greater than 0 ° and less than 90 ° from the viewpoint of manufacturability and the like. The angle θ formed above can be selected in an appropriate range in consideration of the A: B ratio described later.
また、上記荷重負荷装置において、上記四本の吊り下げシャフトは、加圧プレート、上部プレートおよび燃料電池セルスタックを貫通するように設けることができる(請求項6)。 In the load application device, the four suspension shafts may be provided so as to penetrate the pressure plate, the upper plate, and the fuel cell stack.
この場合は、燃料電池セルスタックの横ずれを抑制しやすくなる。また、加圧プレートの横ずれも抑制しやすいので、均一な加圧に寄与することができる。また、四本の吊り下げシャフトは、加圧プレート、上部プレートおよび燃料電池セルスタックの四隅に配置することができる。 In this case, it becomes easy to suppress the lateral shift of the fuel cell stack. Moreover, since it is easy to suppress the lateral displacement of the pressure plate, it is possible to contribute to uniform pressure. Further, the four suspension shafts can be disposed at the four corners of the pressure plate, the upper plate, and the fuel cell stack.
なお、上記荷重負荷装置は、上記各構成を任意に組み合わせることが可能であり、また、上記荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックは、上記各構成を任意に組み合わせてなるいずれの上記荷重負荷装置も用いることが可能である。 The load load device can arbitrarily combine the above-described configurations, and the fuel cell stack with the load load device can be any load load device in which the above-described configurations are arbitrarily combined. It is possible to use.
以下、実施例の荷重負荷装置、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックについて、図面を用いて説明する。なお、鉛直方向を下方、鉛直方向と反対方向を上方、鉛直方向と垂直な方向を水平方向とする。また、同一部材については同一の符号を用いて説明する。 Hereinafter, a load loading device and a fuel cell stack with a load loading device of an embodiment will be described with reference to the drawings. It is assumed that the vertical direction is downward, the direction opposite to the vertical direction is upward, and the direction perpendicular to the vertical direction is horizontal. The same members will be described using the same reference numerals.
(実施例1)
実施例1の荷重負荷装置、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックについて、図1〜図10を用いて説明する。図1〜図7に示すように、荷重負荷装置1は、燃料電池セルスタック2に対し、セル積層方向に圧縮の荷重を加えるためのものである。また、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3は、荷重負荷装置1を用いてセル積層方向に圧縮の荷重が負荷可能とされている。
Example 1
The load loading device of Example 1 and the fuel cell stack with the load loading device will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 to 7, the
燃料電池セルスタック2は、図4および図5に示すように、燃料電池単セル20がセパレータ23を介して多数積層されており、ガスシール部材24によるガスシール部位25を含んでいる。燃料電池単セル20は、固体電解質層21と、固体電解質層21の一方面に設けられたアノード層22aと、固体電解質層21の他方面に設けられたカソード層22cとを備えている。本例では、固体電解質層21は、酸化ジルコニウム系酸化物である、8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)より板状に形成されている。固体電解質層21の厚みは、限定されるものではないが、例えば、10μm程度とすることができる。固体電解質層21は、アノード層22aおよびカソード層22cの形成領域の外側に、セル積層方向にガスを流通させるための複数の連通孔210を有している。連通孔210は、具体的には、第1連通孔211、第2連通孔212、第3連通孔213、第4連通孔214から構成されている。第1連通孔211と第2連通孔212、第3連通孔213と第4連通孔214とは、互いに隣接して配置されており、第1連通孔211と第4連通孔214、第2連通孔212と第3連通孔213とは対向して配置されている。また、本例では、アノード層22aは、Niと8YSZとのサーメットから形成されている。アノード層22aの厚みは、限定されるものではないが、例えば、50μm程度とすることができる。カソード層22cは、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(以下、LSCF)より形成されている。カソード層22cの厚みは、限定されるものではないが、例えば、800μm程度とすることができる。なお、上述の材料構成から分かるように、本例にいう燃料電池は、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いた固体酸化物形の燃料電池である。アノード層22aに供給する燃料ガスとしては水素が用いられ、カソード層22cに供給する酸化剤ガスとしては空気が用いられる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
セパレータ23は、具体的には、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスを流通させることが可能なガス流路231を有している。より具体的には、セパレータ23は、フェライト系ステンレス鋼より形成されており、一方面にガス流路231を有している。セパレータ23は、ガス流路231の形成面側が燃料電池単セル20側を向くように交互に配置される。ガス流路231の一端は、ガスを導入するためのガス導入孔232と連通されており、ガス流路231の他端は、ガス流路231を流れたガスを導出するためのガス導出孔233に連通されている。また、ガス導入孔232、ガス導出孔233の周囲には、ガス導入孔232、ガス導出孔233に隣接させてガス導入孔側流通孔234、ガス導出孔側流通孔235がそれぞれ形成されている。これらの各孔は、図5に示すように、燃料電池単セル20のアノード層22a側にセパレータ23が積層された場合、ガス導入孔232と第1連通孔211、ガス導入孔側流通孔234と第2流通孔212、ガス導出孔233と第3連通孔213、ガス導出孔側流通孔235と第4流通孔214とが、それぞれ同軸となるように配置されている。また、燃料電池単セル20のカソード層22c側にセパレータ23が積層された場合、ガス導入孔232と第2連通孔212、ガス導入孔側流通孔234と第1流通孔211、ガス導出孔233と第4連通孔214、ガス導出孔側流通孔235と第3流通孔213とが、それぞれ同軸となるように配置されている。
Specifically, the
ガスシール部材24は、少なくとも燃料電池単セル20のアノード層22aに供給される燃料ガスが外部にリークしないようにガスシールするためのものである。本例では、燃料電池単セル20のカソード層22cに供給される酸化剤ガスも併せて外部にリークしないようにガスシールするよう構成されている。具体的には、ガスシール部材24によるガスシール部位25は、図4および図5に示すように、ガス流路231、ガス導入孔232、ガス導出孔233、ガス導入孔側流通孔234、ガス導出孔側流通孔235の外周を取り囲むように設けてある。また、ガスシール部材24は、具体的には、ガラスシール材であり、図6および図7に示すように、上記外周を取り囲むように形成した溝部251から突出させた状態で配置されている。したがって、本例の燃料電池セルスタック2は、常温での電池組み立て後、燃料電池単セル20とセパレータ23との間、隣り合うセパレータ23同士の間などに、ガスシール部材24により形成された隙間26がセル積層方向に生じる。
The
荷重負荷装置1は、スタックケース10と、少なくとも一対の変位追従部11と、吊り下げ部12と、加圧プレート13とを有している。
The
スタックケース10は、燃料電池セルスタック2を収容するためのものである。本例では、具体的には、スタックケース10は、底板部101と、底板部101の両縁部より上方に延びる一対の側板部102とを有している。側板部102は、上端縁の両縁部から上方に突出する一対の支持部103を有している。支持部103間には、支持部103間を連結する連結シャフト104が設けられている。連結シャフト104の両端は、支持部103を貫通させてナット部材105により固定されている。なお、スタックケース10は、燃料電池セルスタック2を収容することができれば、特に限定されるものではない。例えば、スタックケース10は、フレーム部材により略直方体状等に構成することも可能である。
The
本例の荷重負荷装置1は、図1〜図3に示すように、二対の変位追従部11を有している。各対において、対を形成する変位追従部11は、それぞれスタックケース10の上端部に対向して設けられており、上下方向に回動可能となるように基端側がスタックケース10の上端部に取り付けられるとともに先端側がケース内方に向けて配置されている。本例では、二対の変位追従部11は、それぞれ離間して配置されている。また、各変位追従部11の基端側は、スタックケース10の上端部に設けた連結シャフト104を貫通させてある。これにより、各変位追従部11は、連結シャフト104を支点として上下方向に回動可能とされている。また、各変位追従部11は、板状を呈しており、板面の途中部位にそれぞれ長穴110を備えており、長穴110の長手方向は、変位追従部11の長手方向と一致させてある。また、本例では、設計上、組み立て後の燃料電池セルスタック2(ガスシール部材24が軟化する前)を荷重負荷装置1に組み付けた状態において、変位追従部11の長手方向と水平方向との間のなす角θ(図8(b)参照)がほぼ0°となるように構成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
吊り下げ部12は、変位追従部11の途中部位から吊り下げられており、燃料電池セルスタック2を載置するための下部プレート121と、下部プレート121に載置される燃料電池セルスタック2の上部に載置される上部プレート123とを備えている。本例では、具体的には、吊り下げ部12は、さらに、隣り合う各変位追従部11の長穴110を貫通する一対の貫通シャフト124と、一対の貫通シャフト124のそれぞれの両端部に上端部が連結されるととともに、下端部が下部プレート121に固定された四本の吊り下げシャフト126とを有している。また、吊り下げシャフト126の上端部は、貫通シャフト124の両端部に形成した平板部125の貫通孔に貫通させてあり、貫通させた上端部はナット部材127により固定されている。一方、吊り下げシャフト126の下端部は、下部プレート121の四隅に形成した雌螺子孔122に螺合されている。なお、四本の吊り下げシャフト126は、加圧プレート13、上部プレート123および燃料電池セルスタック2の四隅に配置されている。
The
加圧プレート13は、吊り下げ部12における下部プレート121に燃料電池セルスタック2が載置された場合に、吊り下げ部12の吊り下げ位置120よりもケース内方側にて変位追従部11に上面が接するとともに、上部プレート123に下面が接するように構成されている。本例では、加圧プレート13は、上部プレート123に接触させるための半球状の突起部130を下面に備えている。そして、加圧プレート13と上部プレート123とは、互いの中央部において点接触にて接するように構成されている。
When the
本例では、加圧プレート13、上部プレート123および燃料電池セルスタック2の外周部における四隅にシャフト用貫通孔14がセル積層方向に沿ってそれぞれ設けられている。そして、四本の吊り下げシャフト126は、それぞれこれらシャフト用貫通孔14内を貫通させることによって、加圧プレート13、上部プレート123および燃料電池セルスタック2を貫通するように構成されている。
In this example, the shaft through
荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3は、上述した荷重負荷装置1を用いて燃料電池セルスタック2のセル積層方向に圧縮の荷重が負荷可能とされている。
The
次に、本例の荷重負荷装置、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。 Next, the effects of the load loading device and the fuel cell stack with the load loading device of this example will be described.
荷重負荷装置1は、上記構成を有している。そのため、図8(a)示すように、吊り下げ部12の下部プレート121上に、電池組み立て後のセルスタック長さがLである燃料電池セルスタック2が載置されると、燃料電池セルスタック2の自重が吊り下げ部12を介して変位追従部11に加えられる。ここで、吊り下げ部12は、変位追従部11の途中部位から吊り下げられている。また、変位追従部11の基端部はスタックケース10の上端部に取り付けられている。また、吊り下げ部12の吊り下げ位置120よりもケース内方側にて変位追従部11と加圧プレート13の上面とが接している。そのため、変位追従部11に加えられた上記自重は、スタックケース10の上端部と加圧プレート13とに分配される。そして、加圧プレート13に分配された上記自重が加圧プレート13を介して燃料電池セルスタック2に負荷される。また、図8(b)示すように、電池運転時の高温により、電池組み立て時よりもセルスタック長さが縮まり、セルスタック長さがLよりも小さいL’となった場合には、加圧プレート13および上部プレート123が下方に移動することになる。この際、上記下方への移動に伴って変位追従部11も基端側を基点として下方に回動して追従することができる。そのため、このような場合であっても、変位追従部11より加圧プレート13に加えられた上記自重が加圧プレート13を介して燃料電池セルスタック2に負荷される。なお、本例の場合、図8(b)に示すように、連結シャフト104と吊り下げ部12の吊り下げ位置120との間の距離をA、変位追従部11および加圧プレート13の接点と吊り下げ位置120との間の距離をB、燃料電池セルスタック2の自重をPとすると、変位追従部11と加圧プレート13との各接点における荷重は、本例では4点で支持しているため(P×A)/{4×(A+B)}となる。支持点数が本例と異なる場合は、1箇所当たりの荷重はその支持点数で割ることにより求めることができる。なお、本例では、変位追従部11におけるA:Bの寸法比は約1:2とされている。
The
ここで、例えば、上記A=20mm、B=20mmとしたときに、変位追従部11の長手方向と水平方向との間のなす角θ(°)と、セルスタック長さの縮み変位L−L’(mm)との関係をシミュレーションした結果を図8に示す。また、上記なす角θ(°)と、自重に対し加圧プレート13へかかる荷重の荷重係数との関係をシミュレーションした結果を図9に示す。その結果、図8に示すように、上記なす角θが大きくなるにつれて上記縮み変位が大きくなるが、図9に示すように、上記なす角θが大きくなって上記縮み変位が大きくなった場合でも、自重により加圧プレート13を介して上部プレート123へ加圧することができることがわかる。
Here, for example, when A = 20 mm and B = 20 mm, the angle θ (°) formed between the longitudinal direction and the horizontal direction of the
また、荷重負荷装置1は、加圧プレート13が、下面の中央部に上部プレート123の中央部に接触させるための半球状の突起部130を備えており、加圧プレート13と上部プレート123とが互いの中央部において半球状の突起部130を介して接している。そのため、荷重負荷装置1は、ガスシール部材24の厚みや燃料電池セルスタック2の温度分布によりガスシール部材24の軟化速度に違いが生じ、その結果、燃料電池単セル20およびセパレータ23の平行度が乱れ、傾きが生じた場合であっても、加圧プレート13の中央部により上部プレート123の中央部が加圧される。特に、半球状の突起部130の先端を上部プレート123に点接触させることができるので、燃料電池セルスタック2に上記傾きが生じた場合でも、上部プレート123を比較的均一に加圧することができる。そのため、荷重負荷装置1は、燃料電池セルスタック2に上部プレート123が片当たりした状態で荷重が負荷され難く、上記傾きを吸収して均一な加圧を行うことができる。
In addition, the
また、荷重負荷装置1は、二対の変位追従部11を有しており、吊り下げ部12の下部プレート121を二対の変位追従部11から吊り下げることができる。そのため、荷重負荷装置1は、燃料電池セルスタック2に荷重を負荷する際のバランスに優れる。また、二対の変位追従部11により加圧プレート13を介して上部プレート123にバランスよく荷重を負荷することができる。
The
また、荷重負荷装置1は、各変位追従部11が、その途中部位にそれぞれ長穴110を備えており、吊り下げ部12は、さらに、隣り合う各変位追従部11の長穴110を貫通する一対の貫通シャフト124と、一対の貫通シャフト124のそれぞれの両端部に上端部が連結されるととともに、下端部が下部プレート121に固定された四本の吊り下げシャフト126とを有する構成とされている。そのため、荷重負荷装置1は、吊り下げ部12の下部プレート121上に燃料電池セルスタック2が載置された際に、燃料電池セルスタック2の自重を、吊り下げシャフト126を介して二対の変位追従部11に加えることができる。そのため、この場合は、比較的簡素な構成でセルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタック2に荷重を負荷することが可能な荷重負荷装置1が得られる。また、従来のようにセルスタック長さの縮み変位を吸収するためにばね長を大きくする必要もないので、装置の小型化を図りやすい利点がある。
Further, in the
また、荷重負荷装置1は、四本の吊り下げシャフト126が、加圧プレート13、上部プレート123および燃料電池セルスタック2を貫通するように設けられている。そのため、荷重負荷装置1は、燃料電池セルスタック2の横ずれを抑制しやすくなる。また、加圧プレート13の横ずれも抑制しやすいので、均一な加圧に寄与することができる。
Further, the
荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3は、荷重負荷装置1を用いてセル積層方向に荷重が負荷可能とされているので、ばねを用いることなく、セルスタック長さの縮み変位を吸収して燃料電池セルスタック2に荷重を負荷することができる。
Since the
(実施例2)
実施例2の荷重負荷装置、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタックについて、図11を用いて説明する。図11に示すように、本例の荷重負荷装置1は、設計上、組み立て後の燃料電池セルスタック2を荷重負荷装置1に組み付けた状態において、変位追従部11の長手方向と水平方向との間のなす角θが0°より大きく90°未満となるように構成されている点、変位追従部11におけるA:Bの寸法比を約1:1とした点で、実施例1の荷重負荷装置1と異なっている。また、実施例2の荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3は、実施例2の荷重負荷装置1を用いて燃料電池セルスタック2のセル積層方向に荷重が負荷可能とされている点で、実施例1の荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3と異なっている。なお、その他の構成は実施例1と同様であるので、実施例1の記載を準用する。
(Example 2)
The load loading device of Example 2 and the fuel cell stack with the load loading device will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 11, the
実施例2の荷重負荷装置1、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3は、実施例1の荷重負荷装置1、荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック3と同様の作用効果を奏することができる。
The
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said Example, A various change is possible within the range which does not impair the meaning of this invention.
1 荷重負荷装置
2 燃料電池セルスタック
20 燃料電池単セル
21 固体電解質層
22a アノード層
22c カソード層
23 セパレータ
24 ガスシール部材
25 ガスシール部位
10スタックケース
11 変位追従部
12 吊り下げ部
121 下部プレート
123 上部プレート
13 加圧プレート
3 荷重負荷装置付き燃料電池セルスタック
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記燃料電池セルスタック(2)を収容するためのスタックケース(10)と、
該スタックケース(10)の上端部に対向して設けられており、上下方向に回動可能となるように基端側が上記上端部に取り付けられるとともに先端側がケース内方に向けて配置されている少なくとも一対の変位追従部(11)と、
上記変位追従部(11)の途中部位から吊り下げられており、上記燃料電池セルスタック(2)を載置するための下部プレート(121)と該下部プレート(121)に載置される上記燃料電池セルスタック(2)の上部に載置される上部プレート(123)とを備える吊り下げ部(12)と、
該吊り下げ部(12)の吊り下げ位置(120)よりもケース内方側にて上記変位追従部(11)に上面が接するとともに、上記上部プレート(123)に下面が接する加圧プレート(13)と、
を有することを特徴とする荷重負荷装置(1)。 A solid electrolyte layer (21); an anode layer (22a) provided on one surface of the solid electrolyte layer (21); and a cathode layer (22c) provided on the other surface of the solid electrolyte layer (21). A large number of fuel cell single cells (20) are stacked via separators (23), and in the cell stacking direction with respect to the fuel cell stack (2) including the gas seal portion (25) by the gas seal member (24). A load loading device (1) for applying a load,
A stack case (10) for accommodating the fuel cell stack (2);
The stack case (10) is provided so as to face the upper end of the stack case (10). The base end is attached to the upper end so as to be rotatable in the vertical direction, and the front end is disposed toward the inside of the case. At least a pair of displacement followers (11);
A lower plate (121) for suspending the fuel cell stack (2) and the fuel mounted on the lower plate (121) are suspended from a middle portion of the displacement follower (11). A suspension part (12) comprising an upper plate (123) placed on top of the battery cell stack (2);
A pressure plate (13) whose upper surface is in contact with the displacement follower (11) on the inner side of the case with respect to the suspension position (120) of the suspension (12) and whose lower surface is in contact with the upper plate (123). )When,
A load device (1) characterized by comprising:
上記加圧プレート(13)と上記上部プレート(123)とが、互いの中央部において接するように構成されていることを特徴とする荷重負荷装置(1)。 In the load device (1) according to claim 1,
The load application device (1), wherein the pressure plate (13) and the upper plate (123) are configured to contact each other at the center.
上記加圧プレート(13)は、上記上部プレート(123)に接触させるための半球状の突起部(130)を上記下面に備えていることを特徴とする荷重負荷装置(1)。 The load device (1) according to claim 1 or 2,
The load applying device (1), wherein the pressure plate (13) includes a hemispherical projection (130) on the lower surface for contacting the upper plate (123).
二対の上記変位追従部(11)を有していることを特徴とする荷重負荷装置(1)。 In the load application apparatus (1) according to any one of claims 1 to 3,
A load device (1) having two pairs of the displacement followers (11).
上記変位追従部(11)は、その途中部位にそれぞれ長穴(110)を備えており、
上記吊り下げ部(12)は、さらに、隣り合う各変位追従部(11)の上記長穴(110)を貫通する一対の貫通シャフト(124)と、該貫通シャフト(124)のそれぞれの両端部に上端部が連結されるととともに、下端部が上記下部プレート(121)に固定された四本の吊り下げシャフト(126)とを有していることを特徴とする荷重負荷装置(1)。 In the load device (1) according to claim 4,
The displacement follower (11) is provided with a long hole (110) in the middle part thereof,
The suspension part (12) further includes a pair of penetration shafts (124) penetrating the elongated holes (110) of the adjacent displacement follower parts (11), and both ends of the penetration shafts (124). A load loading device (1) characterized in that the upper end portion is coupled to the lower plate (4) and the four lower shafts (126) are fixed to the lower plate (121).
上記四本の吊り下げシャフト(126)は、上記加圧プレート(13)、上記上部プレート(123)および上記燃料電池セルスタック(2)を貫通するように設けられていることを特徴とする荷重負荷装置(1)。 In the load device (1) according to claim 5,
The four suspension shafts (126) are provided so as to penetrate the pressure plate (13), the upper plate (123), and the fuel cell stack (2). Load device (1).
Priority Applications (1)
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JP2014232678A (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-11 | 日本特殊陶業株式会社 | Fuel cell power generation facility |
CN110504469A (en) * | 2018-05-16 | 2019-11-26 | 嘉兴市兆业新能源技术有限公司 | A kind of integrated form methane fuel cell convenient for assembling |
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