JP4595318B2 - Fuel cell stack and tightening method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックおよびその締付方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack and a tightening method thereof.

従来から燃料電池構成用部品を積層してスタックに組立後に、セル全面の圧力分布を均一にしてシールを完全にできるよう加圧するセル加圧方法が提案されている(特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a cell pressurizing method has been proposed in which fuel cell components are stacked and assembled into a stack, and pressurization is performed so that the pressure distribution on the entire cell surface is uniform and the seal can be completely completed (see Patent Document 1).

これは、一方のエンドプレートのセル接触側の内面にセルの外形寸法よりは小さい凹部を設け、この凹部に加圧水を導入して、セルを加圧するようにしている。また、別の実施例では、一方のエンドプレートを上下に2分割し、この2分割のエンドプレート間に液体又は粘状物の封入したバッグを介在して、2分割のエンドプレートと他方のエンドプレートとを締結するようにしている。
特開平9−92323号公報
In this case, a concave portion smaller than the outer dimension of the cell is provided on the inner surface of one end plate on the cell contact side, and pressurized water is introduced into the concave portion to pressurize the cell. In another embodiment, one end plate is vertically divided into two, and a two-part end plate is interposed between the end plate and the other end. The plate is fastened.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-92323

ところで、積層される燃料電池構成用部品は、形状精度のばらつきを持ち必ずしも均一にはできておらず、複数枚スタッキングすると、部品精度バラツキ、シール接着剤などの厚さバラツキ、組立バラツキにより、水平方向傾き等が発生する。   By the way, stacked fuel cell components are not necessarily uniform with variations in shape accuracy, and stacking multiple sheets will cause horizontal variations due to component accuracy variations, thickness variations such as seal adhesive, and assembly variations. Direction inclination etc. occur.

このような水平方向傾きが発生したスタッキング状態で組上がった燃料電池スタックを締付ける場合には、上記従来例で示すような締付方法では、必ずしもセル全面の圧力分布を均一にできない虞があった。   When tightening a fuel cell stack assembled in a stacking state in which such a horizontal inclination occurs, there is a possibility that the pressure distribution over the entire cell surface cannot always be made uniform by the tightening method as shown in the conventional example. .

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、水平方向傾き等が発生した組立状態であってもセル全面の圧力分布を均一とできる燃料電池スタックおよびその締付方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell stack and a tightening method thereof that can make the pressure distribution on the entire cell surface uniform even in an assembled state in which a horizontal inclination or the like has occurred. With the goal.

本発明は、上下エンドプレート間に複数のセルを構成するよう燃料電池構成用部品が積層され、上下のエンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結し締付けて構成する燃料電池スタックにおいて、積層された燃料電池構成用部品間若しくは燃料電池構成用部品とエンドプレートとの間に、厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段を介挿するようにした。   The present invention is a fuel cell stack in which fuel cell components are stacked so as to form a plurality of cells between upper and lower end plates, and the upper and lower end plates are connected and tightened by a plurality of tie rod bolts. An inclination correcting means capable of arbitrarily adjusting the dimension in the thickness direction, the inclination angle, and the inclination direction is inserted between the fuel cell constituent parts or between the fuel cell constituent parts and the end plate.

したがって、本発明では、積層された燃料電池構成用部品間若しくは燃料電池構成用部品とエンドプレートとの間に、厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段を介挿するため、タイロッドボルトにより上下エンドプレートをその平行状態を維持しつつ互いに接近させて仮締めした後に、傾き補正手段の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整することで、積層された燃料電池構成用部品に均等分布の面圧を加えることができる。   Therefore, in the present invention, between the stacked fuel cell component parts or between the fuel cell component parts and the end plate, the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination correction means capable of arbitrarily adjusting the inclination direction are interposed. In order to insert, the upper and lower end plates were brought close to each other while maintaining their parallel state with tie rod bolts, and then temporarily tightened, and then the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination direction of the inclination correction means were adjusted to be stacked. An evenly distributed surface pressure can be applied to the fuel cell component.

従って、タイロッドボルトのみによる加圧・締付け時に生じるセル面内での応力集中を発生させることがなく、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。このため、セパレータの加圧による破損が大幅に低減され、不具合削減によるコスト削減、組立品質向上、組立時間短縮等が図れる。   Therefore, the stress concentration in the cell plane that occurs during pressurization and tightening with only the tie rod bolt is not generated, and the separator can be prevented from being broken, chipped, deformed, or the like due to the stress concentration. For this reason, breakage due to pressurization of the separator is greatly reduced, and cost reduction, improvement of assembly quality, shortening of assembly time, etc. can be achieved by reducing defects.

以下、本発明の燃料電池スタックおよびその締付方法を各実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, a fuel cell stack and a fastening method thereof according to the present invention will be described based on each embodiment.

(第1実施形態)
図1および図2は、本発明を適用した燃料電池スタックおよびその締付方法の第1実施形態を示し、図1は燃料電池スタックの正面図、図2は燃料電池構成用部品を示す断面図、図3は燃料電池スタックの上側エンドプレートの平面図、図4は燃料電池構成用部品の積層状態を示す正面図である。
(First embodiment)
1 and 2 show a first embodiment of a fuel cell stack to which the present invention is applied and a tightening method thereof, FIG. 1 is a front view of the fuel cell stack, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing components for constituting a fuel cell. FIG. 3 is a plan view of the upper end plate of the fuel cell stack, and FIG. 4 is a front view showing a stacked state of fuel cell component parts.

図1において、本実施形態の燃料電池スタック1は、スタッキング台2等に載置した下側エンドプレート3上に燃料電池構成用部品4を積層し、上側エンドプレート5を上端に積層して、両エンドプレート3、5をタイロッドボルト6により互いに接近する方向に締付けることで、両エンドプレート3、5間の燃料電池構成用部品4同士を所定の面圧により接触させて構成する。図1では、これらの燃料電池構成用部品4の個々の部品を全て図示するものでなく、積層した状態の概要のみを示したものである。   In FIG. 1, the fuel cell stack 1 of the present embodiment has a fuel cell component 4 stacked on a lower end plate 3 placed on a stacking table 2 or the like, and an upper end plate 5 stacked on the upper end. The two end plates 3 and 5 are tightened in a direction approaching each other by the tie rod bolts 6 so that the fuel cell constituent parts 4 between the both end plates 3 and 5 are brought into contact with each other with a predetermined surface pressure. FIG. 1 does not show all the individual parts of these fuel cell constituent parts 4, but only shows an outline of the stacked state.

前記燃料電池構成用部品4は、下側エンドプレート3から、インシュレータ4A、ターミナル4B、端側セパレータ4Cと積層し、その上にセル4D(ガス拡散層、高分子膜、ガス拡散層)と中間セパレータ4Eとを交互に所定数のセルが積み上がるまで積層され、その上に端側セパレータ4C、ターミナル4B、インシュレータ4Aとを積層するよう構成している。   The fuel cell component 4 is laminated with an insulator 4A, a terminal 4B, and an end separator 4C from a lower end plate 3, and a cell 4D (gas diffusion layer, polymer film, gas diffusion layer) and an intermediate layer thereon. The separator 4E is alternately stacked until a predetermined number of cells are stacked, and the end separator 4C, the terminal 4B, and the insulator 4A are stacked thereon.

図2に示すように、端側セパレータ4Cは、一方の面に導入ガスをガス拡散層に供給するガス流路を備えるように形成され、中間セパレータ4Fは、両側に導入ガスをガス拡散層に供給するガス流路を備えるように形成している。セル4Dは、高分子電解質膜4D1の両側にガス拡散層4D2を配置して形成され、ガス拡散層4D2の周囲の高分子膜4D1上にはシール4D3が全周に亘って貼付け等により一体に設けている。   As shown in FIG. 2, the end-side separator 4C is formed so as to have a gas flow path for supplying the introduced gas to the gas diffusion layer on one side, and the intermediate separator 4F serves as the gas diffusion layer on both sides. It forms so that the gas flow path to supply may be provided. The cell 4D is formed by disposing a gas diffusion layer 4D2 on both sides of the polymer electrolyte membrane 4D1, and a seal 4D3 is integrally attached to the polymer membrane 4D1 around the gas diffusion layer 4D2 by pasting the entire circumference. Provided.

前記インシュレータは、図示しないが、ゴムや高分子からなる弾性体に形成されて燃料電池スタック1の発電運転に伴う熱膨張および収縮を吸収可能とする。ターミナル4Bは燃料電池スタック1の発電反応による電力を取出す端子である。なお、燃料電池構成用部品4に設けられている各ガスや冷却水のマニホールドは、図示しないが、下側エンドプレート3に開口するよう構成している。   Although not shown, the insulator is formed in an elastic body made of rubber or polymer, and can absorb thermal expansion and contraction accompanying the power generation operation of the fuel cell stack 1. The terminal 4B is a terminal for taking out the electric power generated by the power generation reaction of the fuel cell stack 1. Note that the manifolds of the respective gases and cooling water provided in the fuel cell component 4 are configured to open to the lower end plate 3 (not shown).

前記上側エンドプレート5は、図1に示すように、積層方向に2分割された平面プレート7およびテーパプレート8と両プレート7、8間に挿入された複数のテーパ状駒9とから構成した傾き補正手段11を備える。図3にも示すように、傾き補正手段11の平面プレート7(二点鎖線で図示されている)は外周に枠部分7Aを備えた平板状であり、テーパプレート8(実線で図示されている)は、中央部が平坦な平面部8Aに形成され、平面部8Aから端部までの間は端部に近づくに連れて板厚を薄くした斜面部8Bに形成している。   As shown in FIG. 1, the upper end plate 5 is composed of a flat plate 7 and a tapered plate 8 divided into two in the stacking direction, and a plurality of tapered pieces 9 inserted between the plates 7 and 8. Correction means 11 are provided. As shown also in FIG. 3, the flat plate 7 (illustrated by a two-dot chain line) of the inclination correcting means 11 is a flat plate having a frame portion 7A on the outer periphery, and the tapered plate 8 (illustrated by a solid line). ) Is formed in a flat surface portion 8A having a flat central portion, and is formed in a slope portion 8B having a plate thickness that decreases from the flat surface portion 8A to the end portion as it approaches the end portion.

前記平面プレート7はタイロッドボルト6が貫通する穴7Bを備え、穴7Bを貫通させてタイロッドボルト6の先端のボルト部6Aを下側エンドプレート3にねじ結合することで、タイロッドボルト6のボルトヘッド6Bがワッシャ等を介して係合させ、テーパ状駒9およびテーパプレート8を燃料電池構成用部品4側に押付けるよう機能する。   The flat plate 7 is provided with a hole 7B through which the tie rod bolt 6 passes, and the bolt portion 6A at the tip of the tie rod bolt 6 is screwed to the lower end plate 3 by passing through the hole 7B. 6B is engaged through a washer or the like, and functions to press the tapered piece 9 and the tapered plate 8 against the fuel cell component 4 side.

前記テーパ状駒9は、そのテーパ部9Aをテーパプレート8の斜面部8Bに接触させ、テーパ部9Aの背面を平面プレート7の平面部7Cに設けた溝7Dに平面プレート7から離脱しないように移動可能に係合されて、両プレート7、8間に配置されている。テーパ状駒9は、平面プレート7の枠部分7Aにねじ係合して貫通する締付けボルト10によりその後退位置が規制されている。従って、締付けボルト10を緩めるとテーパプレート8の斜面部8B上の接触位置を端部側に移して両プレート7、8を接近させ、締付けボルト10を締付けるとテーパプレート8の斜面部8B上の接触位置を中央側の平面部8Aに近づけて両プレート7、8を離反させるよう作用する。   The tapered piece 9 has its tapered portion 9A in contact with the inclined surface portion 8B of the tapered plate 8, and the back surface of the tapered portion 9A is not separated from the flat plate 7 in the groove 7D provided in the flat portion 7C of the flat plate 7. It is movably engaged and disposed between both plates 7 and 8. The taper-shaped piece 9 is regulated in its retracted position by a fastening bolt 10 that is threadedly engaged with the frame portion 7A of the flat plate 7 and passes therethrough. Accordingly, when the tightening bolt 10 is loosened, the contact position on the inclined surface portion 8B of the taper plate 8 is moved to the end side to bring both plates 7 and 8 closer together, and when the tightening bolt 10 is tightened, the inclined plate portion 8B on the tapered plate 8 is moved. The contact position is brought close to the central plane portion 8A to act to separate the plates 7 and 8 from each other.

前記テーパ状駒9は、図3に示すように、テーパプレート8の斜面部8Bに夫々2個づつ配置されている。このため、テーパ状駒9の内一方の斜面部8Bにあるテーパ状駒9を同時に前進または後退させることで、両プレート7、8の前進後退させたテーパ状駒9がある側を離反または接近させることができ、平面部8Aを挟んで対向するテーパ状駒9を同時に前進または後退させることにより前進または後退させたテーパ状駒9がある側を離反または接近させることができる。テーパ状駒9と斜面部8Bとは線状に接触、即ち、線接触させて、両プレート7、8同士が平行でない傾斜状態となってもテーパ状駒9と斜面部8Bとの接触状態が安定するようにしている。   As shown in FIG. 3, two tapered pieces 9 are arranged on the inclined surface portion 8 </ b> B of the taper plate 8. For this reason, the taper piece 9 on one inclined surface portion 8B of the taper piece 9 is simultaneously advanced or retracted to separate or approach the side of the plates 7 and 8 where the taper piece 9 that has been advanced and retracted is located. The taper piece 9 that is advanced or retracted can be moved away or approached by simultaneously advancing or retreating the taper piece 9 opposed across the plane portion 8A. Even if the tapered piece 9 and the sloped portion 8B are in linear contact, that is, in line contact, and the two plates 7 and 8 are not parallel to each other, the contact state between the tapered piece 9 and the sloped portion 8B is maintained. I try to be stable.

以上の構成になる燃料電池スタック1は、全ての燃料電池構成用部品4が積層された状態から、下記の手順で組立てて積層方向に締付けることができる。   The fuel cell stack 1 configured as described above can be assembled and tightened in the stacking direction from the state in which all the fuel cell component parts 4 are stacked in the following procedure.

先ず、全ての燃料電池構成用部品4が積層された燃料電池スタック1の上に、上側エンドプレート5のテーパプレート8を積層する。積層した段階では、積層された燃料電池構成用部品4の厚さ方向の形状精度のバラツキ、シール接着剤などの厚さバラツキ、組立バラツキが累積して、例えば、図4に示すように、いずれかの側に倒れが生じていたり、上端面が傾斜していたりする場合がある。   First, the taper plate 8 of the upper end plate 5 is laminated on the fuel cell stack 1 in which all the fuel cell component parts 4 are laminated. At the stage of stacking, variation in the shape accuracy in the thickness direction of the stacked fuel cell constituent parts 4, variation in thickness of seal adhesive, etc., and assembly variation are accumulated. For example, as shown in FIG. There is a case where the side is tilted or the upper end surface is inclined.

次いで、タイロッドボルト6を貫通させた平面プレート7をこれら積層した燃料電池スタック1の上方に位置させ、タイロッドボルト6の先端ねじ部6Aを下側エンドプレート3のねじ穴にねじ込み平面プレート7のテーパ状駒9をテーパプレート8に接触させる。積層状態で倒れや傾斜がなければ、平面プレート7とテーパプレート8とは平面部7C、8A同士で接触するが、積層状態で倒れや傾斜が発生している場合には、倒れや傾斜が発生して正規状態から突出している側のテーパプレート8の斜面部8Bが対向するテーパ状駒9のテーパ部9Aに接触する。   Next, the flat plate 7 through which the tie rod bolt 6 is penetrated is positioned above the stacked fuel cell stack 1, and the tip screw portion 6 A of the tie rod bolt 6 is screwed into the screw hole of the lower end plate 3 to taper the flat plate 7. The shape piece 9 is brought into contact with the taper plate 8. If there is no tilting or tilting in the stacked state, the flat plate 7 and the taper plate 8 are in contact with each other on the flat surface portions 7C and 8A, but if the tilting or tilting occurs in the stacked state, the tilting or tilting occurs. Then, the inclined surface portion 8B of the taper plate 8 on the side protruding from the normal state comes into contact with the tapered portion 9A of the tapered piece 9 facing each other.

この状態から、夫々のタイロッドボルト6に軸力センサ、例えば、タイロッドボルト6に加わる軸力に応じて生ずるボルト軸部の歪量を検出するストレインゲージ等で形成した複数の軸力センサよりの出力値の最も高い出力値が予め設定した仮止め設定値に達するまで、全てのタイロッドボルト6を均等なストロークで締付けてゆく。   From this state, the output from a plurality of axial force sensors formed by an axial force sensor on each tie rod bolt 6, for example, a strain gauge that detects the strain amount of the bolt shaft portion generated according to the axial force applied to the tie rod bolt 6. All the tie rod bolts 6 are tightened with a uniform stroke until the output value with the highest value reaches the preset temporary fixing set value.

この過程において、積層状態で倒れや傾斜が発生して正規状態から突出している側のテーパプレート8の斜面部8Bが対向するテーパ状駒9のテーパ部9Aに接触した燃料電池スタック1の燃料電池構成用部品4は、斜面同士の接触により、図4に示すように、その倒れを戻すように作用する。即ち、倒れが生じて正規状態から突出している部分には前記斜面同士の接触により積極的に正規状態に戻す力が作用し、倒れが生じて正規状態から後退している部分には斜面同士が接触しないか若しくは接触してもその接触圧力は小さいために、倒れを誘発する作用が生じないか若しくは作用力が小さいものとなる。   In this process, the fuel cell of the fuel cell stack 1 is in contact with the tapered portion 9A of the tapered piece 9 facing the inclined surface portion 8B of the tapered plate 8 on the side protruding from the normal state due to collapse or inclination in the stacked state. As shown in FIG. 4, the component 4 for a structure acts so that the fall may be returned by the contact of inclined surfaces. That is, a force that positively returns to the normal state by the contact between the slopes acts on the part that has fallen and protrudes from the normal state, and the slopes have a part that has fallen and retreats from the normal state. Since the contact pressure is small even if it does not contact or does not contact, the action of inducing the fall does not occur or the acting force is small.

このようにしてタイロッドボルト6を下側エンドプレート3にねじ込んでゆくと、平面プレート7がそのテーパ状駒9によりテーパプレート8を介して積層された燃料電池構成用部品4の倒れを修正しつつ徐々にテーパプレート8と接近し、全てのテーパ状駒9をテーパプレート8に接触させ、次いで、燃料電池構成用部品4の一部に仮止め設定値の面圧を加える状態となる。この状態は、タイロッドボルト6の軸力センサのいずれかが予め設定した仮止め設定値に達することで判定することができる。   When the tie rod bolt 6 is screwed into the lower end plate 3 in this manner, the flat plate 7 is corrected by the tapered piece 9 through the taper plate 8 while correcting the falling of the fuel cell component 4. Gradually approaching the taper plate 8, all the tapered pieces 9 are brought into contact with the taper plate 8, and then a surface pressure of a temporarily fixed set value is applied to a part of the fuel cell component 4. This state can be determined when one of the axial force sensors of the tie rod bolt 6 reaches a preset temporary fixing set value.

この状態においては、上側エンドプレート5の平面プレート7の上面は、タイロッドボルト6の均等なストロークによる締付けにより、下側エンドプレート3と平行状態にあり、上側エンドプレート5のテーパプレート8は、上記均等ストロークによる締付けにより正規状態へ修正(完全に修正される場合も修正途中の場合も存在し、上面のみが傾斜して倒れがなく修正できない場合もある)操作されて積層された燃料電池構成用部品4の上端の傾斜状態や倒れ状態に倣って載置された傾斜状態や倒れ状態にある。   In this state, the upper surface of the flat plate 7 of the upper end plate 5 is in a parallel state with the lower end plate 3 by tightening with a uniform stroke of the tie rod bolt 6, and the taper plate 8 of the upper end plate 5 is Corrected to the normal state by tightening with a uniform stroke (may be completely corrected or in the middle of correction, there may be cases where only the upper surface is inclined and cannot be corrected without falling down) The upper end of the component 4 is in a tilted state or a tilted state placed following the tilted state or the tilted state.

次いで、タイロッドボルト6の軸力センサの出力値により燃料電池構成用部品4の面圧分布状態を判定し、テーパプレート8がどのように傾斜しているか判定し、面圧分布が一様となるよう、軸力センサの出力値が最も低いタイロッドボルト6に最も近いテーパ状駒9の締付けボルト10を徐々にねじ込み、テーパ状駒9を前進させて斜面部8B、9Aを介してテーパプレート8の一部を燃料電池構成用部品4側に押付け、該等タイロッドボルト6の軸力を上昇させる。   Next, the surface pressure distribution state of the fuel cell component 4 is determined from the output value of the axial force sensor of the tie rod bolt 6 to determine how the taper plate 8 is inclined, and the surface pressure distribution becomes uniform. As described above, the tightening bolt 10 of the tapered piece 9 closest to the tie rod bolt 6 having the lowest output value of the axial force sensor is gradually screwed in, and the tapered piece 9 is advanced to advance the tapered plate 8 through the slope portions 8B and 9A. A part is pressed against the fuel cell component 4 side to increase the axial force of the isotie rod bolt 6.

この軸力の上昇が別の最も低い軸力を出力している別のタイロッドボルト6の軸力を超える場合には、該当する締付けボルト10のねじ込みを停止し、新たに最も軸力が低くなったタイロッドボルト6に最も近いテーパ状駒9を同様にして締付けボルト10により前進させて、同様にテーパプレート8の一部を燃料電池構成用部品4側に押付け、該等タイロッドボルト6の軸力を上昇させる。このようにして、タイロッドボルト6の軸力を、最も低いタイロッドボルト6から徐々に上昇させるようテーパ状駒9を前進させ、全てのタイロッドボルト6の軸力が燃料電池スタック1として予め規定した設定軸力に達した段階でテーパ状駒9の位置調整を完了させる。   When the increase in the axial force exceeds the axial force of another tie rod bolt 6 that outputs another lowest axial force, the screwing of the corresponding tightening bolt 10 is stopped, and the axial force becomes the lowest again. Similarly, the taper piece 9 closest to the tie rod bolt 6 is advanced by the fastening bolt 10 in the same manner, and similarly, a part of the taper plate 8 is pressed against the fuel cell component 4 side, and the axial force of the equal tie rod bolt 6 is increased. To raise. In this way, the tapered piece 9 is advanced so as to gradually increase the axial force of the tie rod bolt 6 from the lowest tie rod bolt 6, and the axial force of all the tie rod bolts 6 is set in advance as the fuel cell stack 1. When the axial force is reached, the position adjustment of the tapered piece 9 is completed.

この調整完了状態においては、上側エンドプレート5の平面プレート7は下側エンドプレート3と平行状態にあり、テーパプレート8は、積層した燃料電池構成用部品4を均等な面圧状態で押付けるよう平面プレート7に対してテーパ状駒9により傾斜されて位置する。結果として、積層状態での燃料電池構成用部品4の倒れが吸収でき、均一な軸力が得られる。   In this adjustment completion state, the flat plate 7 of the upper end plate 5 is in a parallel state with the lower end plate 3, and the taper plate 8 presses the stacked fuel cell component parts 4 in an equal surface pressure state. It is inclined with respect to the flat plate 7 by a tapered piece 9. As a result, the fall of the fuel cell component 4 in the stacked state can be absorbed, and a uniform axial force can be obtained.

なお、上記実施形態では、積層された燃料電池構成用部品4の倒れや傾斜が正面図の面内で生ずるものについてのみを説明しているが、図示しないが、正面図と直交する面内や正面図とは斜め状態の面内で生ずる場合もあり、このような場合においても、上記締付け方法の手順を採用することで、テーパプレート8を積層された燃料電池構成用部品4に沿わせて傾斜させることができ、同様に均等な面圧状態で燃料電池構成用部品4を締付けることができる。   In the above-described embodiment, only the case where the stacked fuel cell component 4 is tilted or inclined in the plane of the front view has been described. The front view may occur in an oblique plane. Even in such a case, by adopting the procedure of the tightening method described above, the taper plate 8 is aligned with the stacked fuel cell component 4. Similarly, the fuel cell component 4 can be tightened with a uniform surface pressure.

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。   In the present embodiment, the following effects can be achieved.

(ア)積層された燃料電池構成用部品4とエンドプレート3、5との間に、厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段11を介挿するため、タイロッドボルト6により上下エンドプレート3、5をその平行状態を維持しつつ互いに接近させて仮締めした後に、傾き補正手段11の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整することで、積層された燃料電池構成用部品4に均等分布の面圧を加えることができる。従って、タイロッドボルト6のみによる加圧・締付け時に生じるセル面内での応力集中を発生させることがなく、応力集中によるセパレータの割れ、欠け、変形などの破損を防ぐことができる。このため、セパレータの加圧による破損が大幅に低減され、不具合削減によるコスト削減、組立品質向上、組立時間短縮等が図れる。   (A) A tie rod is interposed between the stacked fuel cell component 4 and the end plates 3 and 5 so as to insert a tilt correcting means 11 capable of arbitrarily adjusting the thickness direction dimension, the tilt angle, and the tilt direction. The upper and lower end plates 3, 5 were temporarily brought close to each other while maintaining their parallel state with the bolts 6, and then laminated by adjusting the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination direction of the inclination correcting means 11. An evenly distributed surface pressure can be applied to the fuel cell component 4. Therefore, the stress concentration in the cell surface that occurs during pressurization and tightening with only the tie rod bolt 6 is not generated, and breakage such as cracking, chipping, and deformation of the separator due to the stress concentration can be prevented. For this reason, breakage due to pressurization of the separator is greatly reduced, and cost reduction, improvement of assembly quality, shortening of assembly time, etc. can be achieved by reducing defects.

(イ)傾き補正手段11として、互いの相対的な間隔および角度を任意に変更可能であり、少なくとも一方の他方への対向面に中央側から端部にかけて板厚を薄くした斜面部8Bを備える二枚のプレート7、8と両プレート7、8間に配置されて当該位置におけるプレート7、8同士の間隔を調整する複数の間隔変更部材としての複数の駒9を備えるようにしたため、駒9の斜面部8Bに対する接触位置を変更することで両プレート7、8の相対的な間隔および角度を任意に変更することができ、積層された燃料電池構成用部品4に均等分布した面圧調整を容易にできる。   (A) As the inclination correction means 11, the relative distance and angle of each other can be arbitrarily changed, and at least one of the opposing surfaces to the other is provided with an inclined surface portion 8B whose thickness is reduced from the center side to the end portion. Since a plurality of pieces 9 as a plurality of interval changing members arranged between the two plates 7 and 8 and both the plates 7 and 8 and adjusting the interval between the plates 7 and 8 at the position are provided. The relative distance and angle between the plates 7 and 8 can be arbitrarily changed by changing the contact position with respect to the inclined surface portion 8B, and the surface pressure adjustment distributed evenly to the stacked fuel cell component parts 4 can be performed. Easy to do.

(ウ)傾き補正手段11の両プレート7、8の一方7は、エンドプレート5により構成され、積層された燃料電池構成用部品4の上端に斜面部8Bを備えるプレート8を積層し、複数の駒9を設置したエンドプレート7(5)を燃料電池構成用部品4の上端のプレート8に上方から接触させ、その後に、タイロッドボルト6により上下エンドプレート3、5を互いに接近させて仮締めし、次いで、傾き補正手段11の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整するため、積層された燃料電池構成用部品4の倒れを補正しつつ積層された燃料電池構成用部品4に均等分布の面圧を加えることができる。   (C) One of the plates 7 and 8 of the inclination correcting means 11 is constituted by an end plate 5, and a plate 8 having a slope portion 8B is laminated on the upper end of the laminated fuel cell component 4, The end plate 7 (5) on which the piece 9 is installed is brought into contact with the plate 8 at the upper end of the fuel cell component 4 from above, and thereafter, the upper and lower end plates 3 and 5 are brought close to each other by the tie rod bolt 6 and temporarily tightened. Then, in order to adjust the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination direction of the inclination correcting means 11, the fuel cell constituent parts 4 are evenly distributed while correcting the inclination of the stacked fuel cell constituent parts 4. Can be applied.

(第2実施形態)
図5は、本発明を適用した燃料電池スタックおよびその締付け方法の第2実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。本実施形態においては、積層途中の燃料電池構成用部品間に傾き補正手段を介在したものである。なお、第1実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a front view of a fuel cell stack showing a second embodiment of a fuel cell stack to which the present invention is applied and a tightening method thereof. In the present embodiment, an inclination correcting means is interposed between fuel cell constituent parts in the middle of stacking. The same devices as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

本実施形態の燃料電池スタック1においては、図5に示すように、傾き補正手段11としての二枚のプレート7、8は上下エンドプレート3、5間に積層されている燃料電池構成用部品4間に、燃料電池構成用部品4と同様に積層される。二枚のプレート7、8の少なくともいずれか一方には、中央部が平坦な平面部8Aに形成され、平面部8Aから端部までの間は端部に近づくに連れて板厚を薄くした斜面部8Bに形成しているテーパプレート8に構成している。図示するように、両方のプレート7、8が斜面部をそなえるテーパプレートに形成してもよい。   In the fuel cell stack 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the two plates 7, 8 as the inclination correcting means 11 are fuel cell components 4 stacked between the upper and lower end plates 3, 5. They are stacked in the same manner as the fuel cell component 4. At least one of the two plates 7 and 8 is a slope whose central portion is formed as a flat plane portion 8A, and between the plane portion 8A and the end portion, the plate thickness decreases as the end portion is approached. The taper plate 8 is formed in the portion 8B. As shown in the drawing, both plates 7 and 8 may be formed in a tapered plate having a slope portion.

プレート8の斜面部にはテーパ状駒9が介在配置され、一方のプレート7に設けた枠部分7Aにねじ結合する締付けボルト10により前記テーパ状駒9の斜面部8B上の接触位置が調整可能となっている。プレート7、8同士は、燃料電池構成用部品4と共に積層される場合には、テーパ状駒9が端部側に後退されて、平面部7C、8A同士を接触させた互いが平行状態に維持された状態とされる。なお、このプレート7、8に隣接配置される燃料電池構成用部品4としては、端側セパレータ4Cが配置され、導電材で形成したプレート7、8およびテーパ状駒9を介して端側セパレータ4C間で導通されるよう構成される。   A tapered piece 9 is interposed on the inclined surface of the plate 8, and a contact position on the inclined surface 8B of the tapered piece 9 can be adjusted by a tightening bolt 10 screwed to a frame portion 7A provided on one plate 7. It has become. When the plates 7 and 8 are laminated together with the fuel cell component 4, the tapered piece 9 is retracted to the end side, and the flat portions 7C and 8A are kept in contact with each other and maintained in a parallel state. It is assumed that it was done. As the fuel cell component 4 disposed adjacent to the plates 7 and 8, an end separator 4C is disposed, and the end separator 4C is disposed via the plates 7 and 8 and the tapered piece 9 formed of a conductive material. Configured to be conducted between.

以上の構成になる燃料電池スタック1は、下側エンドプレート3上に燃料電池構成用部品4が、例えば、スタックの半分だけ積層された段階で、傾き補正手段11として、テーパ状駒9を介在させた二枚のプレート7、8を積層し、引き続き、残り半分の燃料電池構成用部品4が積層され、上端に上側エンドプレート5が乗せられ、上下エンドプレート3、5はタイロッドボルト6により、第1実施形態と同様に均等ストロークで、タイロッドボルト6の軸力センサのいずれかが予め設定した仮止め設定値に達するまで締付けられる。   In the fuel cell stack 1 configured as described above, the tapered piece 9 is interposed as the inclination correcting means 11 when the fuel cell component 4 is stacked on the lower end plate 3 by, for example, half of the stack. The two plates 7 and 8 are stacked, the remaining half of the fuel cell component 4 is stacked, the upper end plate 5 is placed on the upper end, and the upper and lower end plates 3 and 5 are In the same manner as in the first embodiment, tightening is performed with a uniform stroke until one of the axial force sensors of the tie rod bolt 6 reaches a preset temporary fixing set value.

この状態においては、上側エンドプレート5は、タイロッドボルト6の均等なストロークによる締付けにより、下側エンドプレート3と平行状態にあり、両エンドプレート3、5間に積層されている燃料電池構成用部品4に倒れや上面に傾斜が存在する場合には、燃料電池構成用部品4の上端の一部が上側エンドプレート5に仮止め状態で接触し、残余の上面と上側エンドプレート5との間には隙間が存在することがある。   In this state, the upper end plate 5 is in parallel with the lower end plate 3 by tightening the tie rod bolts 6 with an equal stroke, and the fuel cell components stacked between the end plates 3 and 5. 4 is tilted or inclined on the upper surface, a part of the upper end of the fuel cell component 4 contacts the upper end plate 5 in a temporarily fixed state, and the remaining upper surface and the upper end plate 5 are in contact with each other. There may be gaps.

次いで、タイロッドボルト6の軸力センサの出力値により燃料電池構成用部品4の面圧分布状態を判定し、面圧分布が一様となるよう、軸力センサの出力値が最も低いタイロッドボルト6に最も近いテーパ状駒9の締付けボルト10を徐々にねじ込み、テーパ状駒9を前進させて斜面部8Bを介して両プレート7、8の一部を離間させて積層されている燃料電池構成用部品4に加わる面圧を上昇させ、該等タイロッドボルト6の軸力を上昇させる。   Next, the surface pressure distribution state of the fuel cell component 4 is determined based on the output value of the axial force sensor of the tie rod bolt 6, and the tie rod bolt 6 having the lowest output value of the axial force sensor so that the surface pressure distribution is uniform. The fastening bolt 10 of the taper piece 9 closest to is screwed in gradually, the taper piece 9 is advanced, and a part of both plates 7 and 8 are separated from each other via the slope portion 8B and stacked. The surface pressure applied to the component 4 is increased, and the axial force of the isotie rod bolt 6 is increased.

この軸力の上昇が別の最も低い軸力を出力している別のタイロッドボルト6の軸力を超える場合には、該当する締付けボルト10のねじ込みを停止し、新たに最も軸力が低くなったタイロッドボルト6に最も近いテーパ状駒9を同様にして締付けボルト10により前進させて、同様に両プレート7、8の一部を離間させて燃料電池構成用部品4に加わる面圧を上昇させ、該当タイロッドボルト6の軸力を上昇させる。このようにして、タイロッドボルト6の軸力を、最も低いタイロッドボルト6から徐々に上昇させるようテーパ状駒9を前進させ、全てのタイロッドボルト6の軸力が燃料電池スタック1として予め規定した設定軸力に達した段階でテーパ状駒9の位置調整を完了させる。   When the increase in the axial force exceeds the axial force of another tie rod bolt 6 that outputs another lowest axial force, the screwing of the corresponding tightening bolt 10 is stopped, and the axial force becomes the lowest again. Similarly, the taper piece 9 closest to the tie rod bolt 6 is advanced by the tightening bolt 10 in the same manner, and similarly, a part of both plates 7 and 8 are separated to increase the surface pressure applied to the fuel cell component 4. The axial force of the corresponding tie rod bolt 6 is increased. In this way, the tapered piece 9 is advanced so as to gradually increase the axial force of the tie rod bolt 6 from the lowest tie rod bolt 6, and the axial force of all the tie rod bolts 6 is set in advance as the fuel cell stack 1. When the axial force is reached, the position adjustment of the tapered piece 9 is completed.

この調整完了状態においては、平行状態にある上下側エンドプレート3、5間において、面圧が低い部分の傾き補正手段11のプレート7、8同士の間隔をテーパ状駒9により拡げることにより面圧を増加させ、両プレート7、8は平行状態とならず傾斜される。結果として、積層状態での燃料電池構成用部品4の倒れが吸収でき、均一な軸力が得られる。   In this adjustment completed state, the surface pressure is increased by increasing the distance between the plates 7 and 8 of the inclination correction means 11 in the portion where the surface pressure is low between the upper and lower end plates 3 and 5 in the parallel state by the tapered piece 9. The two plates 7 and 8 are tilted without being in a parallel state. As a result, the fall of the fuel cell component 4 in the stacked state can be absorbed, and a uniform axial force can be obtained.

また、燃料電池構成用部品4の積層の中間段階で傾き補正手段11の2枚のプレート7、8が面圧に応じて平行状態から互いが傾斜されるため、積層されて倒れ状態となった燃料電池構成用部品4であっても、倒れ姿勢を正規状態に近くなるよう矯正される。   In addition, since the two plates 7 and 8 of the inclination correction means 11 are inclined from the parallel state according to the surface pressure in the intermediate stage of the stacking of the fuel cell component 4, they are stacked and fallen. Even the fuel cell component 4 is corrected so that the falling posture is close to the normal state.

本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(ウ)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。   In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (c) in the first embodiment, the following effects can be achieved.

(エ)積層された燃料電池構成用部品4間に、厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段11を介挿するため、積層されて倒れ状態となった燃料電池構成用部品4であっても、倒れ姿勢を正規状態に近くなるよう矯正しつつ、傾き補正手段11の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整することで、積層された燃料電池構成用部品4に均等分布の面圧を加えることができる。   (D) Fuel that has been stacked and in a tilted state is interposed between the stacked fuel cell component parts 4 by means of the tilt correction means 11 that can arbitrarily adjust the thickness direction dimension, tilt angle, and tilt direction. Even in the battery component 4, the stacked fuel cell configuration can be obtained by adjusting the thickness direction dimension, the tilt angle, and the tilt direction of the tilt correction unit 11 while correcting the tilted posture to be close to the normal state. An evenly distributed surface pressure can be applied to the component 4 for use.

なお、上記各実施形態では、燃料電池構成用部品4として積層されるインシュレータ4Aに弾性を持たせて燃料電池運転時の熱膨張および収縮を吸収させるものについて説明したが、図示しないが、テーパ状駒9と締付けボルト10との間に弾性体を介在させて、燃料電池運転時の熱膨張および収縮を吸収させるようにしてもよい。   In each of the above embodiments, the insulator 4A laminated as the fuel cell component 4 is given elasticity to absorb the thermal expansion and contraction during the fuel cell operation. An elastic body may be interposed between the piece 9 and the tightening bolt 10 to absorb thermal expansion and contraction during fuel cell operation.

本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの正面図。The front view of the fuel cell stack which shows one Embodiment of this invention. 同じく燃料電池構成用部品を示す断面図。Sectional drawing which similarly shows the components for fuel cell components. 同じく燃料電池スタックの上側エンドプレートの平面図。The top view of the upper end plate of a fuel cell stack. 同じく燃料電池構成用部品の積層状態を示す正面図。The front view which similarly shows the lamination | stacking state of the components for fuel cell components. 本発明の第2実施形態を示す燃料電池スタックの正面図。The front view of the fuel cell stack which shows 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 スタッキング台
3 下側エンドプレート
4 燃料電池構成用部品
5 上側エンドプレート
6 タイロッドボルト
7、8 プレート
9 テーパ状駒、駒
10 締付けボルト
11 傾き補正手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Stacking stand 3 Lower end plate 4 Fuel cell component 5 Upper end plate 6 Tie rod bolt 7, 8 plate 9 Tapered piece, piece 10 Tightening bolt 11 Tilt correction means

Claims (8)

上下エンドプレート間に複数のセルを構成するよう燃料電池構成用部品が積層され、上下のエンドプレート同士を複数のタイロッドボルトにより連結し締付けて構成する燃料電池スタックにおいて、
前記積層された燃料電池構成用部品間若しくは燃料電池構成用部品とエンドプレートとの間に、厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段を介挿したことを特徴とする燃料電池スタック。
In the fuel cell stack in which fuel cell components are stacked so as to constitute a plurality of cells between the upper and lower end plates, and the upper and lower end plates are connected and tightened by a plurality of tie rod bolts,
An inclination correction means capable of arbitrarily adjusting a thickness direction dimension, an inclination angle, and an inclination direction is interposed between the stacked fuel cell constituent parts or between the fuel cell constituent parts and the end plate. And fuel cell stack.
前記傾き補正手段は、互いの相対的な間隔および角度を任意に変更可能な二枚のプレートと、両プレート間に配置されて当該位置におけるプレート同士の間隔を調整する複数の間隔変更部材と、を備えるものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   The inclination correction means includes two plates that can arbitrarily change the relative interval and angle of each other, a plurality of interval changing members that are arranged between both plates and adjust the interval between the plates at the position, The fuel cell stack according to claim 1, comprising: 前記傾き補正手段は、二枚のプレートの少なくとも一方に、他方のプレートへの対向面に中央側から端部にかけて板厚を薄くした斜面部を備え、
前記間隔変更部材は、前記斜面部と他方のプレートとの間に介在配置された複数の駒で構成され、
前記駒の斜面部に対する接触位置を変更することで両プレートの相対的な間隔および角度を任意に変更するものであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック。
The inclination correction means includes, on at least one of the two plates, a sloped portion with a reduced thickness from the center side to the end on the surface facing the other plate,
The interval changing member is composed of a plurality of pieces interposed between the slope portion and the other plate,
3. The fuel cell stack according to claim 2, wherein a relative distance and an angle between the two plates are arbitrarily changed by changing a contact position of the piece with respect to the slope portion. 4.
前記両プレートの一方は、エンドプレートにより構成されるものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。   4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein one of the two plates is constituted by an end plate. 5. 上下エンドプレート間に複数のセルを構成するよう燃料電池構成用部品が積層され、上下のエンドプレート同士を複数のタイロッドボルトより連結し締付けて構成する燃料電池スタックの締付方法において、
前記積層した燃料電池構成用部品間若しくは燃料電池構成用部品とエンドプレートとの間に厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を任意に調整可能な傾き補正手段を介挿し、
タイロッドボルトにより上下エンドプレートをその平行状態を維持しつつ互いに接近させて仮締めし、
次いで、傾き補正手段の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整して、積層された燃料電池構成用部品に均等分布の面圧を加えるようにしたことを特徴とする燃料電池スタックの締付方法。
In a fuel cell stack tightening method in which fuel cell components are stacked so as to form a plurality of cells between upper and lower end plates, and upper and lower end plates are connected and tightened by a plurality of tie rod bolts.
Between the laminated fuel cell constituent parts or between the fuel cell constituent parts and the end plate, an inclination correcting means capable of arbitrarily adjusting a thickness direction dimension and an inclination angle and an inclination direction is inserted,
While maintaining the parallel state of the upper and lower end plates with tie rod bolts, temporarily tighten them close to each other,
Next, the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination direction of the inclination correcting means are adjusted to apply a uniform surface pressure to the stacked fuel cell component parts. How to attach.
前記傾き補正手段は、互いの相対的な間隔および角度を任意に変更可能な二枚のプレートと、両プレート間に配置されて当該位置におけるプレート同士の間隔を調整する複数の間隔変更部材とから構成され、間隔変更部材を作動させて全てのタイロッドボルトの軸力が予め設定した所定値となるよう二枚のプレート間の間隔および角度を調整するものであることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池スタックの締付方法。   The inclination correcting means includes two plates that can arbitrarily change the relative interval and angle between each other, and a plurality of interval changing members that are arranged between both plates and adjust the interval between the plates at the position. 6. The structure according to claim 5, wherein the distance change member is operated to adjust the distance and angle between the two plates so that the axial force of all the tie rod bolts has a predetermined value set in advance. The method of tightening the fuel cell stack according to the description. 前記傾き補正手段は、二枚のプレートの少なくとも一方に、他方のプレートへの対向面に中央側から端部にかけて板厚を薄くした斜面部を備え、
前記間隔変更部材は、前記斜面部と他方のプレートとの間に介在配置された複数の駒で構成され、
前記駒の斜面部に対する接触位置を変更することで両プレートの相対的な間隔および角度を任意に変更するものであることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池スタックの締付方法。
The inclination correction means includes, on at least one of the two plates, a sloped portion with a reduced thickness from the center side to the end on the surface facing the other plate,
The interval changing member is composed of a plurality of pieces interposed between the slope portion and the other plate,
7. The method of tightening a fuel cell stack according to claim 6, wherein a relative position and an angle between both plates are arbitrarily changed by changing a contact position of the piece with respect to the slope portion.
前記傾き補正手段の両プレートの一方は、エンドプレートにより構成され、
積層された燃料電池構成用部品の上端に斜面部を備えるプレートを積層し、
前記複数の駒を設置したエンドプレートを燃料電池構成用部品の上端のプレートに上方から接触させ、
その後、タイロッドボルトにより上下エンドプレートを互いに接近させて仮締めし、
次いで、傾き補正手段の厚さ方向寸法および傾斜角度並びに傾斜方向を調整して、積層された燃料電池構成用部品に均等分布された面圧を加えるようにしたことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池スタックの締付方法。
One of the two plates of the tilt correction means is constituted by an end plate,
Laminating a plate having a slope portion on the upper end of the laminated fuel cell components,
The end plate on which the plurality of pieces are installed is brought into contact with the upper plate of the fuel cell component from above,
After that, the upper and lower end plates are brought close to each other with tie rod bolts and temporarily tightened.
Next, the thickness direction dimension, the inclination angle, and the inclination direction of the inclination correcting means are adjusted to apply a uniform surface pressure to the stacked fuel cell component parts. The method of tightening the fuel cell stack according to the description.
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