JP2566757B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP2566757B2
JP2566757B2 JP61112765A JP11276586A JP2566757B2 JP 2566757 B2 JP2566757 B2 JP 2566757B2 JP 61112765 A JP61112765 A JP 61112765A JP 11276586 A JP11276586 A JP 11276586A JP 2566757 B2 JP2566757 B2 JP 2566757B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池に関するものである。
〔従来技術〕 一般に燃料電池は、陽極板と陰極板の間にリン酸等の
電解液を含浸した電解質マトリックスを挟んで電池セル
を構成し、この電池セルを複数層のスタックにし、この
スタックを両端から締付板により締め付けて構成されて
おり、上記陽極板側に空気(酸素)を供給すると共に、
陰極板側に水素を供給し、水素と酸素とを反応さて水と
電気エネルギを発生させる発電機構になっている。
このような燃料電池において、上記スタックは面全体
を均一な締付力で締め付けられることが重要である。こ
の均一な締付力によって、電解液や空気,水素等の漏れ
を防止し、また電池セルの破損を防止し、それによって
発電効率を上げたり、電池寿命を延長したりすることが
できるようになるからである。従来、このようにスタッ
クに均一な締付力を与えるために、ナット締付時のトル
ク管理を極めて厳密に行うようにしていた。しかし、こ
のような厳密なトルク管理は締付作業性を低下させ、生
産性を下げる原因になっていた。
また、特に可搬型の燃料電池では重量が大きいと運搬
に不便になるため、スタックの締付部材等はできるだけ
軽量化することが望ましい。しかし、あまり締付部材の
軽量化を図ると剛性不足を招くようになり、上述したス
タックに対する均一な締付力を得ることが難しくなる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、スタックの締付操作を容易にし、し
かも締付部材の軽量化をはかりながら均一な締付けを可
能にする燃料電池を提供することにある。
〔発明の構成〕
上記目的を達成する本発明は、陽極板2と陰極板3と
の間に電解質マトリックス4を挟んで構成する複数の電
池セル1をセパレータ5を介して積層したスタック10
を、その両端面に集電板6,6を介して端板8,8を配置して
締付板11,12により締め付けた燃料電池において、前記
セパレータ5の陽極板2に対面する側に、該陽極板2に
反応用ガスを供給する案内溝5aを一方向に揃えて該セパ
レータ5を横断するように配列する一方、該セパレータ
5の陰極板3に対面する側に、該陰極板3に反応用ガス
を供給する案内溝5bを他方向に揃えて該セパレータ5を
横断するように配列し、かつ両案内溝5a,5bを互いに直
交するように配置し、前記集電板6,6の中央部に集電端
子6aを設け、前記締付板の一方12をX形に形成し、該X
形の締付板12と前記端板8との間に、該締付板12のX形
中央と、そのX形中央から四方に延びる枝部の前記X形
中央に対して点対称となる位置にそれぞれバネ13a,13b
を介在させると共に、そのX形中央に配置したバネ13a
の弾性力を周囲に配置したバネ13bのそれよりも大きく
し、その状態で前記X形の締付板12の四本枝の各端部と
前記締付板の他方11との間に、それぞれスペーサ14を介
在させて締付ボルト15とナット16により締め付け固定し
たことを特徴とするものである。
〔実施例〕 第3図において、1は電池セルであり、陽極板2と陰
極板3との間に、リン酸等の電解液を含浸した板状の電
解質マトリックス4を挟むことにより構成されている。
このような電池セル1はセパレータ5を介して多段に積
層されてスタック10を構成している。このスタック10
は、両端にそれぞれ集電板6,6が配置され、さらに絶縁
板7,7を介して端板8,8が当てられ、その状態で後述する
第1,2図のような締付構造によって固定されるようにな
っている。6aは集電板6,6の中央部に設けた集電端子
で、上述のように締付固定されるとき、絶縁板7および
端板8の孔7a,8aを貫通して外側に突出するようになっ
ている。
上記セパレータ5は、陽極板2に対面する側に一方向
に揃えてセパレータ5を横断するように配列した多数の
案内溝5a,……5aを有し、また陰極板3に対面する側に
は他方向に揃えてセパレータ5を横断するように配列し
た多数の案内溝5b,……5bを有し、これら案内溝5aと5b
とは互いに直交に交差する関係になっている。ただし、
最外側に配置したセパレータは、片面だけに案内溝5aま
たは5bを有しており、また中間位置のいくつかのセパレ
ータには冷却板9が設けられ、この冷却板9の冷却通路
9aに水,空気等の冷却流体を流すようになっている。
このような案内溝5a,5bのうち、陽極板2側に対面す
る案内溝5aには反応用ガスとしての空気(酸素)が供給
され、また陰極板3に対面する案内溝5bには反応用ガス
としての水素が供給され、それぞれが電解質マトリック
ス4の電解液と接触して電気化学反応を行い水と電気エ
ネルギとを発生するようになっている。
第1図および第2図は上述したスタック10の締付構造
を示している。スタック10は上下両端にそれぞれ端板8,
8を配置し、その状態でベース板となる下側の締付板11
の上に載置され、その上部側の端板8の上に複数個のバ
ネ13a;13b,……,13bを介してX形をした締付板12が載せ
られている。この上部側の締付板12が軽量化のために比
較的肉薄に形成してあり、そのためその剛性が小さくな
っている。また、上記バネのうち、端板中央のバネ13a
は周辺に配置した複数個のバネ13b,……,13bよりも大き
な弾性力を有するように設定されている。すなわち、両
バネともバネ定数が同じときは、中央のバネ13aの長さ
を周辺のバネ13bのそれよりも長く設定され、また長さ
が同じときは、中央のバネ13aのバネ定数を周辺のバネ1
3bのそれよりも大きくするように設定されている。
上記ベース側の締付板11の四つの隅部と、上部側のX
形をした締付板12の四つの端部との間には、それぞれス
ペーサ14,……,14を介して締付ボルト15,……,15が通さ
れ、それら締付ボルト15,……,15の両端にナット16,…
…,16が螺合し、そのナット16,……,16を調整すること
により両締付板11,12が締め付けられ、それによってス
タック10が締め付けられるようになっている。
上述のようにナット16の調整によりスタック10が締め
付けられるとき、締付板12からスタック10へ与えられる
締付力は、複数のバネ13a;13b,……,13bの弾性力を介し
て与えられるため、スタック10の面方向に均一に分布さ
れる。また、このときのナット16による締付操作は、X
形をした締付板12において、ナット16に近い曲げ反力の
大きい位置では弾性力の小さいバネ13bが介在し、また
曲げ反力の小さいX形中央の位置では弾性力の大きいバ
ネ13aが介在することによって、端板8に対する締付力
が全体に均一になるように自己調節されながら行われる
ため、ナット締付けのトルク管理は従来のように厳密で
ある必要はなく、かなり緩和されたものになる。したが
って、その締付作業を容易にすることができる。
また、締付板12は上述したように軽量化のため剛性が
小さくなっているため、上記締付けを行うと第1図に示
すように上方へ湾曲した状態になる。しかし、このよう
に締付板12が湾曲しても、中央に配置したバネ13aの弾
性力が周辺に配置したバネ13bの弾性力よりも大きく設
定してあるため、スタック10に対しては全体に均一に締
付力が与えられるようになる。
スタック10に対し、より一層均一な締付力分布を与え
るには、複数個のバネは、第2図に示すように端板8の
表面中心にバネ13aを置き、その周辺に配置するバネ13
b,……,13bをバネ13aに対し点対称となるようにしてあ
る。
また、ナット16による締め付け操作を容易にするた
め、両締付板11,12の間にスペーサ14が介在させてあ
り、このスペーサ14によって締付限界が規定されるた
め、一層確実で均一な締付力分布が得られるようにな
る。
また、上記バネ13a,13bは使用時の振動に対する緩衝
性も有するため、特に可搬型の燃料電池の場合に有利で
あり、電池セルを振動に対する破損から保護することが
できる。
また、電池セル1間に介設されたセパレータ5に、陽
極板2及び陰極板3にそれぞれ反応用ガスを供給する案
内溝5a,5bを配設すると共に、それら両案内溝5a,5bを直
交するように揃えて配列したので、電池セル1の周囲を
供給される両反応用ガス(空気と水素)及び極板で生成
した反応ガスの出入口として有効に活用しながら、セパ
レータ5の各案内溝間の電池セル1に当接する凸部とな
る部分が、電池セル1の両面で直交するようにして電池
セル1を挟む構造となることで、平面視において、凸部
同士の交部が各電池セル1に対して均一的に分散した状
態となり、それによって、締付時に、電池セルに対して
案内溝を設けた両側のセパレータ5から極部的に大きな
力が付与されることがなく、その結果、陽極板2や陰極
板3を傷つけたり、更にセパレータ5が割れる等の損傷
を容易に発生することがない。
また、集電板6の中央部に集電端子6aを配置するた
め、集電板6全体に集まる電気を外部に取り出す時の抵
抗ロスを最少限にし、更に、その中央部は、締付時に弾
性力を大きくしたバネ13aにより押圧されスタック10と
安定的な接触状態を保つため、電池セル1内で生じた電
気を集電端子6aから効率よく取り出すことができる。
なお、上述した実施例では、バネ13a,13bにコイルバ
ネを使用したが、このコイルバネに限られることなく、
例えば皿バネなどを使用するようにしてもよい。
〔発明の効果〕
上述したように本発明は、複数層の電池セルからなる
スタックを、両端に端板を介して締付板により締め付け
た燃料電池において、前記締付板の一方をX形に形成
し、該X形の締付板と前記端板との間に、該締付板のX
形中央と、そのX形中央から四方に延びる枝部の前記X
形中央に対して点対称となる位置にそれぞれバネを介在
させると共に、そのX形中央に配置したバネの弾性力を
周囲に配置したバネのそれよりも大きくする構成にした
ので、締付板を締め付けていくときのスタックに対する
締付力をバネの弾性力によって自己調整し、スタックの
全面に均一に分布させることができる。また、バネの自
己調整によってナットの締付トルクの管理も緩和される
ため、締付操作を容易にすることができる。
また、中央のバネの弾性力を周辺のバネのそれよりも
大きく設定しているため、締付板を軽量化して剛性を小
さくしても、スタックに対する締付力を均一にすること
ができる。
また、両締付板をボルトとナットで締め付けるに当た
り、その両締付板の間にスペーサを介在させているの
で、このスペーサによって締付限界を規定することがで
き、一層確実で均一な締付分布を得ることができる。
また、電池セル間に介在するセパレータに、陽極板及
び陰極板にそれぞれ反応用ガスを供給する案内溝を設け
た際に、その両案内溝を直交するように一方向と他方向
に揃えて配列したので、電池セルの周囲を供給される両
反応用ガス及び極板で生成した反応ガスの出入口として
有効に利用しながら、セパレータの案内溝間の電池セル
に当接する凸部となる部分が、電池セルの両面で直交す
るようにして該電池セルを挟むことにより、平面視にお
いて、凸部同士の交部を電池セルに対して均一的に分散
させることができるため、締付時に、電池セルに対して
案内溝を設けた両側のセパレータから極部的に大きな締
付力が付与されることがなく、それによって、電極板や
セパレータが容易に損傷するのを回避することができ
る。
また更に、集電板の中央部に集電端子を設けるので、
集電板全体に集まる電気を外部に取り出す時の抵抗ロス
を最小限にすることができ、しかも、その中央部は、締
付時に弾性力を大きくしたバネにより付勢されスタック
と安定した接触状態となるため、電池セル内で発生した
電気を集電端子から効率よく取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の実施例からなる燃料電池を一部破断し
て示す正面図、第2図は同平面図、第3図は電池セルの
スタックを締付固定する前の分解状態で示す斜視図であ
る。 1…電池セル、2…陽極板、3…陰極板、4…電解質マ
トリックス、5…セパレータ、5a,5b…案内溝、6…集
電板、6a…集電端子、8…端板、10…スタック、11,12
…締付板、13a…(中央の)バネ、13b…(周辺の)バ
ネ、14…スペーサ、15…締付ボルト、16…ナット。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−248368(JP,A) 特開 昭61−58176(JP,A) 特開 昭62−271366(JP,A) 特開 昭62−110268(JP,A) 実開 昭62−34762(JP,U) 実開 昭61−66867(JP,U) 実開 昭61−169960(JP,U) 実開 平1−107874(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】陽極板(2)と陰極板(3)との間に電解
    質マトリックス(4)を挟んで構成する複数の電池セル
    (1)をセパレータ(5)を介して積層したスタック
    (10)を、その両端面に集電板(6,6)を介して端板
    (8,8)を配置して締付板(11,12)により締め付けた燃
    料電池において、 前記セパレータ(5)の陽極板(2)に対面する側に、
    該陽極板(2)に反応用ガスを供給する案内溝(5a)を
    一方向に揃えて該セパレータ(5)を横断するように配
    列する一方、該セパレータ(5)の陰極板(3)に対面
    する側に、該陰極板(3)に反応用ガスを供給する案内
    溝(5b)を他方向に揃えて該セパレータ(5)を横断す
    るように配列し、かつ両案内溝(5a,5b)を互いに直交
    するように配置し、前記集電板(6,6)の中央部に集電
    端子(6a)を設け、前記締付板の一方(12)をX形に形
    成し、該X形の締付板(12)と前記端板(8)との間
    に、該締付板(12)のX形中央と、そのX形中央から四
    方に延びる枝部の前記X形中央に対して点対称となる位
    置にそれぞれバネ(13a,13b)を介在させると共に、そ
    のX形中央に配置したバネ(13a)の弾性力を周囲に配
    置したバネ(13b)のそれよりも大きくし、その状態で
    前記X形の締付板(12)の四本枝の各端部と前記締付板
    の他方(11)との間に、それぞれスペーサ(14)を介在
    させて締付ボルト(15)とナット(16)により締め付け
    固定したことを特徴とする燃料電池。
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