JP4197931B2

JP4197931B2 - 固体高分子形燃料電池スタックの締付構造

Info

Publication number: JP4197931B2
Application number: JP2002345790A
Authority: JP
Inventors: 隆川鍋
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: JP2004179057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものであり、詳しくはセルを積層した固体高分子形燃料電池スタックの締付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のセルを積層したスタックを締め付ける燃料電池の締付装置については、図１（特許文献１の第１図を引用）に示すものがある。これは、曲面部３８ａを設けた加圧板３５ａ、３５ｂを、曲面部３８ａが溶融塩形のスタック３１の反対方向を向くようにスタック３１の両側に配置し、さらに、曲面部３８ａを加圧板３５ａ、３５ｂとで挟むように曲面部３８ａの上方に加圧ビーム３２ａ、３２ｂを配置し、さらに、加圧ビーム３２ａ、３２ｂの両側を貫通した締付ロッド３３で締め付けることにより、曲面部３８ａを介してスタック３１を加圧固定させたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、図２（特許文献２の第１図を引用）に示すように、単電池１とセパレータ２との間に介在されるスペーサ３とを交互に積層してなる平板型固体電解質燃料電池にその積層方向に圧縮加重を加える装置において、燃料電池を載置する下部架台５と、下部架台５上に燃料電池の最上面のほぼ中央部に載せた球体１０と、球体１０の上に載置した上部架台６と、下部架台５と上部架台６を接近させることにより両架台間に挟持された燃料電池に積層方向の圧縮加重を加えるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２５９９１６号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−１３９２２３号公報（第３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１（特開平９−２５９９１６号公報）の燃料電池の締付装置では、スタック３１を挟んで設けられた1対の加圧ビーム３２ａ、３２ｂのそれぞれの両端に設けられた締付ロッド３３の貫通穴と、１対の加圧ビームのそれぞれで加圧される加圧板３５ａ、３５ｂに設けられた曲面部３８ａの位置関係を見ると、締付ロッドの貫通穴同士を結ぶ方向と曲面部３８ａ同士を結ぶ方向とが同一に設けられている。この場合、１対の加圧ビーム３２ａ、３２ｂの両端の締付ロッドによる締付圧に差があると、曲面部３８ａに加わる荷重の均衡が崩れ、締付圧の大きい締付ロッドの方向にある曲面部３８ａに、荷重の移動が生じることになり、スタック３１を構成するセル同士の接触面での面内の接触圧の分布が不均一になってしまう。その結果、セル間で発生する反応ガスや冷却水の漏れ、応力ひずみで生じるセルの機械的破損、セル同士の接触圧が低い部分で生じる接触抵抗の増加に伴うセル間の電力伝達損失による発電効率の低下などの問題が生じる可能性がある。
【０００６】
また、上記特許文献２（特開平９−１３９２２３号公報）の平板型固体電解質燃料電池では、単電池１とセパレータ２との間に介在されるスペーサ３とを交互に積層した燃料電池に、燃料電池の積層方向の両端に配置された下部架台５と球体１０とで圧縮荷重が加えられている。この状態では、球体１０による荷重は燃料電池の最も外側のセパレータ２の中心付近に点荷重として加えられており、点荷重を受けたセパレータ２が点荷重を単電池１の積層方向に、均一な分布の面荷重として伝達するためには、点荷重を受けたセパレータ２が自身内で点荷重を均一な分布の面荷重になるように分散することが必要である。そのためには、点荷重を受けても変形しない材料、形状などを考慮した堅牢なセパレータ２が必要となり、その結果、燃料電池の重量化、大型化が避けられない問題となる。また、容量の大きい燃料電池を実現するための手段として積層される単電池１の面積を大きくする方法があるが、単位面積当たり一定荷重を確保するためには、単電池１の面積が大きくなるにしたがって球体１０による荷重の増加、及び、さらなる堅牢なセパレータ２が要求さる。従って、燃料電池の大容量化に伴って、重量化、大型化が相乗的に進行することになる。また、さらに大容量化が大きく進んだ場合には、均一分布の面荷重の確保が難しくなることも考えられ、その場合には、上記特許文献１（特開平９−２５９９１６号公報）ついて述べた問題点が生じる可能性も否定できない。
本発明は、上記問題に鑑みて創案なされたものであり、小型、軽量、高品質、低コストで、セル間の電力伝達損失を少なくして発電効率を向上させた個体高分子形燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両側に配置されたエンドプレートと、前記エンドプレートを挟んで前記セル積層体と反対側に配置され、前記エンドプレートを介して前記積層方向に圧縮荷重を加えるタイプレートとを具備し、前記タイプレートは前記セル積層体の積層方向の片側に複数設けられ、且つ、前記セル積層体を挟んで対称な位置に対称な配置で設けられると共に、前記タイプレートに、前記セル積層体を該セル積層体の積層方向と直交する面で切断した切断面の長手方向の中心線上に荷重点を設けて、且つ、前記タイプレートに、前記荷重点を結ぶ直線方向と直交する方向の中心線上にタイロッドを通す貫通穴を配設することにより、前記荷重点を結ぶ方向への荷重点の移動をなくすようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記タイプレートに、２ヶ所の荷重点が設けられたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、片側に配置された前記タイプレートの数は、片側に配置されたタイプレートに設けられた荷重点の総数以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図３乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１３】
図３は、本発明に係る固体高分子形燃料電池スタックの締付構造の実施例を示す分解斜視図、図４は組立斜視図であるが、ここでは図３について説明する。この実施例の固体高分子形燃料電池のスタックモジュール３０は、（図示していないが）中心となる高分子電解質膜を両側から触媒電極となる燃料極と空気極とで挟み、その外側に集電材として多孔質の支持層を、さらにその外側に水素や酸素の反応ガスの供給通路を設けたセパレータを配置し、一体化してセルが構成されている。そして、前記構成のセルを積層したスタック部２０を中心に、外側に向かって順次それぞれ1対の、スタック部２０で発電した電気を外部に取り出すための集電板２１、電気的な絶縁を確保するためのインシュレータ２３、スタック部２０に面内均一な圧縮荷重を加えるためのエンドプレート２４が配置され、最も外側にはエンドプレート２４に荷重を加えるための片側に２枚のタイプレート２５が配置されている。そして、２枚のタイプレート２５のそれぞれスタック部２０を挟んで対称な位置に対称に配置された1対のタイプレート２５の両端部に貫通孔７１が設けられ、両端部にネジ部２６が設けられたタイロッド２７の両端部を1対のタイプレート間を結んで貫通させて外側からナット２８で締め付けることのより、スタック部２０、集電板２１、インシュレータ２３、エンドプレート２４、タイプレート２５に圧縮荷重を加えた状態で一体化したものである。
【００１４】
ここで、タイプレート２５とエンドプレート２４について詳しく説明する。タイプレート２５は、スタックモジュール３０の最も外側に配置されて、エンドプレート２４に与えるための荷重を保持する働きと、保持した荷重をエンドプレート２４に伝達し、荷重を受けたエンドプレート２４がスタック部２０に均一な分布の面荷重として加圧する働きを与えている。後者の働きは、タイプレート２５のスタック部２０方向に、スタック部２０をスタック部２０のセル積層方向と直交する面で切断した切断面の長手方向の中心線上に荷重点２９を設け、この荷重点２９でエンドプレート２４に荷重を加えることによりスタック部２０に面の圧縮荷重として加えるものである。点荷重を与える構成は、図５に示すように、タイプレート２５の荷重点の位置に設けられたネジ孔６０にスタック部の反対方向からスタック部に向けてネジ６１を螺嵌し、タイプレート２５のスタック部２０方向に飛び出したネジ部６２にカラー６３を差込み、その上から皿バネ６４を差込んだものである。また、エンドプレート２４のタイプレート側の面には、タイプレート２５の荷重点２９に対応する位置にガイド穴７０が設けられていおり、タイプレート２５の荷重点２９から飛び出したネジ部６２をエンドプレート２４に設けられたガイド穴７０に差込み、荷重を加えることによりネジ部６２に取り付けられた皿バネ６４を介してエンドプレート２４に荷重が伝達されるようになっている。一方前者の働きは、上述したように、片側に配置された２枚のタイプレート２５のそれぞれスタック部２０を挟んで対称な位置に対称に配置された1対のタイプレート２５の両端部に貫通孔７１を設け、両端部にネジ部２６が設けられたタイロッド２７の両端部を両タイプレート２５間を結んで貫通させて外側からナット２８で締め付けられている。そして、タイプレート２５の両端面に設けられた２ヶ所の貫通穴７１を結ぶ方向は、図６のようにタイプレートの荷重点２９を結ぶ方向と直交する方向の中心線上に設けられている。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子形燃料電池スタックの締付構造は、セルを積層したスタック部に圧縮荷重を加えるためのタイプレートが片側複数に分割された構成になっておる。これにより、必要な圧縮荷重は、分割されたタイプレートに分散され、１枚のタイプレートに求められる荷重が軽減できるため、タイプレートに要求される堅牢の度合が緩和され、スタックモジュールの小型、軽量化に寄与するものである。
【００１６】
また、タイプレートを分割したことによって、一枚のタイプレートの大きさを小さくでき、製造時の公差を少なく設定できる。従って製品の組み立て精度が向上し、品質、性能が一定したものを再現よく製造することができる。
【００１７】
また、タイプレートを分割したことによって一枚のタイプレートの点荷重となるバネやタイプレートなどに取付誤差があったとしても、他のタイプレートで調整し補償して均等な荷重を確保することがでるため、余裕をもった設計、製造が可能となる。
【００１８】
また、寸法の異なる複数の製品をシリーズ化して製品のラインアップを図る場合、タイプレート１枚で機能させると、製品ごとにタイプレートの設計、製造を行なわなければならない。それに対し、タイプレートが分割されたことにより小型になったため、設計条件に多少の制限はあるものの、共通部品として使用することが可能となり、設計工数の低減、多量生産によるコスト低減に結びつく。
【００１９】
また、圧縮荷重の調整が１枚のタイプレートにつき２ヶ所ででるため調整が簡単になると同時に、１枚のタイプレートで３ヶ所以上の荷重調整が必要な場合に起こる調整不良からくる面のひずみによるセルの破損が防止できる。
【００２０】
また、エンドプレートのタイプレート側の面にタイプレートの荷重点に対応する位置にガイド穴を設け、タイプレートの荷重点から飛び出したネジ部をエンドプレートに設けられたガイド穴に差込んでタイプレートの荷重を加えるようにしたことにより、タイプレートの荷重点をエンドプレートの決められた位置に容易に、且つ、正確に合わせることができる。従って組み立て効率が向上し、低価格化に繋がる。
【００２１】
また、タイプレートのスタック部方向に、スタック部をスタック部のセル積層方向と直交する面で切断した切断面の長手方向の中心線上に荷重点を設け、この荷重点でエンドプレートに荷重を加えるようにしてあるため、荷重点を結ぶ方向に直行する方向に設けられたタイロッドの締付力の均衡が多少崩れていても、荷重点を結ぶ方向への荷重点の移動はなく、タイロッドの締め付け方向への荷重の移動もタイロッドの締め付け力の差に比較してきわめて小さい。したがって、タイロッドの締め付け調整が簡便で、セル同士の接触面での面内の接触圧の分布が不均一になってしまうことによるセル間で発生する反応ガスや冷却水の漏れ、応力ひずみで生じるセルの機械的破損、セル同士の接触圧が低い部分で生じる接触抵抗の増加に伴うセル間の電力伝達損失による発電効率の低下などの問題がなく、信頼性が高く、発電効率が良く、安定な性能が確保できると同時に、多量の生産にあたっては、簡便な荷重調整による製造コストの低減、性能にバラツキが少ないため、再現性のある製品が製造できるなど、きわめて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考文献１（特開平９−２５９９１６号公報）に第１図として記載されたものである。
【図２】参考文献２（特開平９−１３９２２３号公報）に第１図として記載されたものである。
【図３】本発明に係わる固体高分子形燃料電池スタックの締付構造の実施例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明に係わる固体高分子形燃料電池スタックの締付構造の実施例を示す組立斜視図である。
【図５】本発明に係わる固体高分子形燃料電池スタックの締付構造の実施例の一部分を示す部分側面図である。
【図６】本発明に係わる固体高分子形燃料電池スタックの締付構造の実施例における荷重点と貫通穴との位置関係を示す参考図である。
【符号の説明】
２０スタック部
２１集電板
２３インシュレータ
２４エンドプレート
２５タイプレート
２６ネジ部
２７タイロッド
２８ナット
２９荷重点
３０スタックモジュール
７０ガイド穴

Claims

セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両側に配置されたエンドプレートと、前記エンドプレートを挟んで前記セル積層体と反対側に配置され、前記エンドプレートを介して前記積層方向に圧縮荷重を加えるタイプレートとを具備し、前記タイプレートは前記セル積層体の積層方向の片側に複数設けられ、且つ、前記セル積層体を挟んで対称な位置に対称な配置で設けられると共に、前記タイプレートに、前記セル積層体を該セル積層体の積層方向と直交する面で切断した切断面の長手方向の中心線上に荷重点を設けて、且つ、前記タイプレートに、前記荷重点を結ぶ直線方向と直交する方向の中心線上にタイロッドを通す貫通穴を配設することにより、前記荷重点を結ぶ方向への荷重点の移動をなくすようにしたことを特徴とする固体高分子形燃料電池スタックの締付構造。
前記タイプレートに、２ヶ所の荷重点が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池スタックの締付構造。
片側に配置された前記タイプレートの数は、片側に配置されたタイプレートに設けられた荷重点の総数以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池スタックの締付構造。