JP4289083B2

JP4289083B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4289083B2
Application number: JP2003300111A
Authority: JP
Inventors: 正樹高橋
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: JP2005071804A

Description

本発明は、複数の単セルを積層することにより構成された燃料電池セルスタックを弾性体によって締め付けるようにした燃料電池に関し、特には、燃料電池の使用初期に、燃料電池セルスタックに対して比較的大きい締め付け荷重を付与すると共に、燃料電池セルスタックの締め付け量が大きくなった後においても、燃料電池セルスタックに対して比較的小さい締め付け荷重を付与し続けることができる燃料電池に関する。

従来から、複数の単セルを積層することにより構成された燃料電池セルスタックを弾性体によって締め付けるようにした燃料電池が知られている。この種の燃料電池の例としては、例えば特開２００２−１９０３１３号公報に記載されたものがある。

図２は特開２００２−１９０３１３号公報に記載された従来の燃料電池における燃料電池セルスタックの端部の締め付け構造を示した図である。図２において、３は圧縮コイルバネ、７は押さえ板、８は締め付け板、９は燃料電池セルスタック、１０はスタッド、１１はナット、１２は単セル、１３はガスシール材である。図２は、燃料電池セルスタック９の片側の端部のみを示している。図示しないが、燃料電池セルスタック９の反対側の端部も、図２に示したものと同様に構成されている。

図２に示すように、単セル１２間の電気伝導を維持するため、および、単セル１２内のガスシールを行うために、燃料電池セルスタック９は、圧縮コイルバネ３によって締め付けられている。また、ガスシール材１３、ＭＥＡ（図示せず）などは、締め付けられると、クリープを起こして縮んでしまうため、ガスシール材１３、ＭＥＡなどのクリープによって単セル１２間に隙間が発生しないように、燃料電池セルスタック９は、圧縮コイルバネ３によって締め付けられている。

一般に、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化率（縮み率）は、燃料電池の使用初期に比較的大きく、時間の経過と共に小さくなる傾向がある。また、圧縮コイルバネ３による締め付け荷重が大きいほど、ガスシール材１３、ＭＥＡなどのクリープが大きくなる傾向がある。

図３は圧縮コイルバネのたわみ量（縮み量）と圧縮コイルバネの荷重との関係を示したバネのたわみ−荷重特性図である。図２に示した従来の燃料電池では、図３に示したバネＡ、バネＢ、およびバネＣのうち、バネＣが用いられる。この場合、燃料電池セルスタック９のガスシール性を維持するために、燃料電池の使用初期に燃料電池セルスタック９に対して比較的大きい締め付け荷重が付与されるようにバネＣが設定されると、燃料電池セルスタック９がクリープして燃料電池セルスタック９の締め付け量が大きくなった後、つまり、バネＣのたわみ量（縮み量）が減少した後においても、依然として、燃料電池セルスタック９に対して比較的大きい荷重がかかり続けてしまう。それにより、ガスシール材１３のみならず、ＭＥＡのクリープも大きくなり、燃料電池の特性が低下してしまうおそれがある。また、ＭＥＡのクリープが限界を超えると、ＭＥＡに穴があくなどの損傷が発生し、燃料電池の運転が不可能になるおそれがある。

一方、上述したバネＣ（図３）を用い、燃料電池セルスタック９の締め付け量が大きくなった後、つまり、バネＣのたわみ量（縮み量）が減少した後における燃料電池セルスタック９に対する締め付け荷重が比較的小さい値になるようにバネＣが設定されると、燃料電池の使用初期における燃料電池セルスタック９に対する締め付け荷重が不足してしまう。それにより、燃料電池の使用初期に、単セル１２間の電気伝導を好適に維持することができなくなってしまい、また、単セル１２内のガスシールを好適に行うことができなくなってしまう。

特開２００２−１９０３１３号公報

前記問題点に鑑み、本発明は、燃料電池の使用初期に、燃料電池セルスタックに対して比較的大きい締め付け荷重を付与すると共に、燃料電池セルスタックの締め付け量が大きくなった後においても、燃料電池セルスタックに対して比較的小さい締め付け荷重を付与し続けることができる燃料電池を提供することを目的とする。

詳細には、本発明は、ガスの漏洩を防止すると共に、ＭＥＡのクリープによる劣化を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数の単セルを積層することにより構成された燃料電池セルスタックを弾性体によって締め付けるようにした燃料電池において、弾性係数および長さの異なる複数の弾性体によって前記燃料電池セルスタックを締め付けることを特徴とする燃料電池が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が大きい部分と、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さい部分とを有するように、前記複数の弾性体の合計の締め付け量−締め付け荷重特性を設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池が提供される。

請求項１及び２に記載の燃料電池では、弾性係数および長さの異なる複数の弾性体によって燃料電池セルスタックが締め付けられる。詳細には、例えば、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が大きい部分と、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さい部分とを有するように、複数の弾性体の合計の締め付け量−締め付け荷重特性が設定されている。そのため、燃料電池の使用初期における燃料電池セルスタックに対する締め付け荷重が比較的大きい値に設定されると、燃料電池セルスタックの締め付け量が大きくなった後においても、燃料電池セルスタックに対して比較的小さい締め付け荷重が付与し続けられる。つまり、燃料電池の使用初期に、燃料電池セルスタックに対して比較的大きい締め付け荷重を付与すると共に、燃料電池セルスタックの締め付け量が大きくなった後においても、燃料電池セルスタックに対して比較的小さい締め付け荷重を付与し続けることができる。

すなわち、請求項１及び２に記載の燃料電池では、燃料電池の使用初期に、燃料電池セルスタックに対して比較的大きい締め付け荷重を付与することにより、燃料電池セルスタックを構成するガスシール材、ＭＥＡなどをクリープでなじませることができる。その上、燃料電池セルスタックの締め付け量が大きくなった後においても、比較的小さい適切な締め付け荷重を燃料電池セルスタックに対して付与し続けることにより、燃料電池の特性が低下してしまうのを抑制することができる。

図１は本発明の燃料電池の一実施形態における燃料電池セルスタックの端部の締め付け構造を示した図である。図１において、１はバネ係数が比較的小さく、自然長が比較的長い第１の圧縮コイルバネである。第１の圧縮コイルバネ１のバネ係数は、例えば約２００Ｎ／ｍｍであり、その自然長は、例えば約４０ｍｍである。２はバネ係数が比較的大きく、自然長が比較的短い第２の圧縮コイルバネである。第２の圧縮コイルバネ２のバネ係数は、例えば約４００Ｎ／ｍｍであり、その自然長は、例えば約２０ｍｍである。６は例えば約１０ｍｍの長さを有するスペーサーである。また、図１において、図２に示した参照番号と同一の参照番号は、図２に示した部品と同一の部品を示している。詳細には図示しないが、本実施形態の燃料電池では、図１に示した第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２が５個ずつ用いられている。

図３に示すように、第１の圧縮コイルバネ１のバネ係数（＝図３中のバネＡの荷重−たわみ特性）は、図２に示した従来の燃料電池において用いられる圧縮コイルバネ３のバネ係数（＝図３中のバネＣの荷重−たわみ特性）よりも小さい値に設定されている。また、第２の圧縮コイルバネ２のバネ係数（＝図３中のバネＢの荷重−たわみ特性）は、図２に示した従来の燃料電池において用いられる圧縮コイルバネ３のバネ係数（＝図３中のバネＣの荷重−たわみ特性）よりも大きい値に設定されている。

本実施形態の燃料電池では、その使用開始時に、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２の両方が圧縮せしめられた状態で取付けられる。その結果、図４に示すように、燃料電池の使用初期、つまり、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が小さい時には、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２によって燃料電池セルスタック９に付与される荷重が比較的大きい値になる。図４は本実施形態の燃料電池におけるたわみと荷重との関係、つまり、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）と、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２によって燃料電池セルスタック９に付与される荷重との関係を示した図である。

図４に示すように、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２によって燃料電池セルスタック９に付与される荷重は、クリープに伴って燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が増加するに従って、急激に減少する（図４の左側部分）。次いで、クリープに伴って燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が更に増加して、第２の圧縮コイルバネ２が自然長まで伸びきると、燃料電池セルスタック９には、第２の圧縮コイルバネ２から荷重が付与されなくなり、第１の圧縮コイルバネ１のみから荷重が付与されるようになる。その結果、燃料電池セルスタック９に付与される荷重は、クリープに伴って燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が増加するに従って、徐々に減少するようになる（図４の右側部分）。

図５は本実施形態の燃料電池の燃料電池セルスタック９に付与される荷重の経時変化と従来の燃料電池の燃料電池セルスタック９に付与される荷重の経時変化とを比較して示した図である。図５に示すように、本実施形態の燃料電池においては、燃料電池の使用初期に、燃料電池セルスタック９に比較的大きい荷重がかけられ、それにより、燃料電池セルスタック９を構成するガスシール材１３、ＭＥＡなどをクリープでなじませることができる。次いで、燃料電池セルスタック９を構成するガスシール材１３、ＭＥＡなどがクリープでなじんだ後においては、燃料電池セルスタック９に比較的小さいほぼ一定の荷重がかけられ、それにより、燃料電池の損傷を回避しながら燃料電池を安全に運転することができる。

すなわち、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さいバネＣ（図３）のみが用いられる従来の燃料電池では、図４に示したように、燃料電池の使用初期（図４の左端）、つまり、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が小さい時における燃料電池セルスタック９の締め付け荷重が比較的大きい値に設定されると、燃料電池セルスタック９の締め付け量（＝寸法変化量）が大きくなった後においても、燃料電池セルスタック９に対して比較的大きい締め付け荷重が付与し続けられてしまい、燃料電池が損傷するおそれが生じてしまう。

また、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さいバネＣ（図３）のみが用いられる従来の燃料電池では、図４に示したように、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）が増加した時（図４の右端）における燃料電池セルスタック９の締め付け荷重が比較的小さい値に設定されると、燃料電池の使用初期（図４の左端）における燃料電池セルスタック９の締め付け荷重が不足してしまう。

一方、本実施形態の燃料電池では、図１に示したように、バネ係数および自然長の異なる圧縮コイルバネ１，２によって燃料電池セルスタック９が締め付けられている。詳細には、図４に示したように、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が大きい部分（図４の左側部分）と、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さい部分（図４の右側部分）とを有するように、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２の合計の締め付け量−締め付け荷重特性が設定されている。

更に詳細には、図４に示したように、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）が増加すると、燃料電池セルスタックの締め付け荷重が急激に減少し、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）が更に増加すると、燃料電池セルスタックの締め付け荷重が徐々に減少するように、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２の合計の締め付け量−締め付け荷重特性が設定されている。そのため、図４および図５に示したように、燃料電池の使用初期（図４および図５の左端）における燃料電池セルスタック９に対する締め付け荷重が比較的大きい値に設定されると、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）が大きくなった後（図４および図５の右側）に、燃料電池セルスタック９に対して比較的小さい締め付け荷重が付与し続けられる。つまり、燃料電池の使用初期（図４および図５の左端）に、燃料電池セルスタック９に対して比較的大きい締め付け荷重を付与すると共に、燃料電池セルスタックの締め付け量（たわみ）が大きくなった後（図４および図５の右側）においても、燃料電池セルスタック９に対して比較的小さい締め付け荷重を付与し続けることができる。

すなわち、本実施形態の燃料電池においては、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２によって締め付けられた燃料電池セルスタック９を構成する部材がクリープによりたわむと、たわみに対する荷重の変化率が小さくなるように、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２が設定されている。それにより、燃料電池の使用初期において、燃料電池セルスタック９を構成するガスシール材１３がクリープでなじむように十分な荷重をかけつつ、ガスシール材がなじんだ後においては、比較的小さい一定の荷重をかけることができる。その結果、燃料電池を安全に運転することができる。

本発明の燃料電池の一実施形態における燃料電池セルスタックの端部の締め付け構造を示した図である。特開２００２−１９０３１３号公報に記載された従来の燃料電池における燃料電池セルスタックの端部の締め付け構造を示した図である。圧縮コイルバネのたわみ量（縮み量）と圧縮コイルバネの荷重との関係を示したバネのたわみ−荷重特性図である。本実施形態の燃料電池におけるたわみと荷重との関係、つまり、クリープに伴う燃料電池セルスタック９の寸法変化量（縮み量）と、第１の圧縮コイルバネ１および第２の圧縮コイルバネ２によって燃料電池セルスタック９に付与される荷重との関係を示した図である。本実施形態の燃料電池の燃料電池セルスタック９に付与される荷重の経時変化と従来の燃料電池の燃料電池セルスタック９に付与される荷重の経時変化とを比較して示した図である。

符号の説明

１第１の圧縮コイルバネ
２第２の圧縮コイルバネ
９燃料電池セルスタック
１２単セル
１３ガスシール

Claims

複数の単セルを積層することにより構成された燃料電池セルスタックを弾性体によって締め付けるようにした燃料電池において、弾性係数および長さの異なる複数の弾性体によって前記燃料電池セルスタックを締め付けることを特徴とする燃料電池。
燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が大きい部分と、燃料電池セルスタックの締め付け量に対する燃料電池セルスタックの締め付け荷重の変化率が小さい部分とを有するように、前記複数の弾性体の合計の締め付け量−締め付け荷重特性を設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。