JP5272371B2 - 燃料電池積層体および燃料電池積層体の単セル交換方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の単セルを積層して形成された燃料電池積層体の構造および、その一部の単セルを交換する方法に関する。

図３に、従来から知られている燃料電池スタック１の構造を示す。電解質の両主面にアノード電極とカソード電極を配置してこれをセパレータで挟持した単セル２を多数積層したセルスタック３は、両端に締め付け板が配置され、締め付け板４によりセルスタック３に圧力を付勢して燃料電池スタック１を構成している。
図３に示されるように、締め付け板４は単セル２よりも大きく形成されており、セルスタック３との重なる部分よりも外側に締め付けロッド５が挿入される貫通孔が形成されている。締め付け板４は、締め付けロッド５とナット６により締め付けられることにより、それぞれセルスタック３を加圧しており、また上側の締め付け板４とナット６の間にコイルバネ７が挿入されている。
また、セルスタック３と締め付け板４との間には、集電板８と絶縁板９とが積層されている。
このような燃料電池スタック１の構成において、締め付け板４がセルスタック３を加圧することにより、セルスタック３の単セル２間および単セル２の構成部材間の接触抵抗を低減し、単セル２の出力を上げ、また、セルスタック３内を通流する燃料ガス、空気および冷却水などの流路のシール性を保つことができる。

しかしながら、多数の単セル２からなるセルスタック３のうち、一部のセルに不具合が発生した場合には、ナット６を緩めて全ての単セル２にかかっている圧力を開放し、当該不良セルを取り除いて交換を行い、再びセルスタック３への締め付けを行わなければならず、交換作業には多大な手間と時間が発生する。
さらに、セルスタック３にかかっている圧力を開放して再締め付けを行う際には、単セル２の構成部材である電解質膜を損傷する恐れがある。電解質の両面には、夫々アノード電極とカソード電極とが配置され、各電極には燃料ガスと空気とがそれぞれ供給されているので、電解質膜が損傷を受けると燃料ガスまたは空気が電解質膜の損傷部を通って対極側へ通過してしまう所謂極間クロスリークが増大し、セル特性の大幅な低下を招く。
上記の問題に対して、特許文献１には、貫通孔を有するキー（凸部）を有する複数のバイポーラープレート組立体でユニットを形成し、キー（凸部）の形成位置が異なる２種類のユニットを交互に配置してセルスタックを構成し、交換セルが含まれるユニット以外の他のユニットをキー（凸部）の貫通孔に挿入したロッドでロックし、交換するセルが含まれるユニットのみを分離する方法が記載されている。
また特許文献２には、セルスタックを複数のブロックに分けて、ブロック毎に上板と下板とで挟んでスタック押さえボルトで締め付けて構成し、このブロックを複数個積層してセルスタックとすることで、不良な単セルを含むブロックの交換を容易化したものが記載されている。

さらに、特許文献３には、複数個積層した単セル集合体間に導電性を有する分離板を配置した構成にすることにより、不具合の発生した単セルの交換時は、交換する集合体の両側の分離板とエンドフランジ(締め付け板)とを各々分離用ボルトとナットとで固定し直すことで、交換すべき単セルを含むセル集合体のみを分解する方法が開示されている。
特開２００３−３１７７７６号公報 特開平１０−２６１４２６号公報 特開２００４−１３４１７９号公報

上述のような方法によれば、全ての単セルの締め付け圧を開放することなく、一部の不良セルが含まれるセルブロックのみを分解すれば良く、分解時の損傷といった不具合は解消されるものの、特許文献１や特許文献３に記載の方法では、不良セルの交換時に、交換セルブロック以外のセルブロックを夫々加圧固定するために、一旦全てのセルに貫通させていた締め付け用のボルトを引き抜き、交換するセルブロックの両隣の各セルブロックから各端板（締め付け板）までを夫々締め付けるためのボルトとナットを挿入しなおして締結するという手間と時間を削減するには至らない。
また、特許文献２の如く構成すると、各セルブロック毎に上板と下板およびこれらを締結するボルトとナットを供える必要があり、装置の大型化・高コスト化を招くとともに、各セルブロックの加圧力が均一になるように各セルブロック毎に調整する必要があるので、かえって作業が煩雑となるといった問題がある。
そこで、本願発明は、これらの課題を解決し、燃料電池スタックの構成を複雑化することなく、不良セルの交換をより容易に行うことを可能とする燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの単セル交換方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本願発明においては、複数の単セルを積層したセルスタックの積層方向両端の外側に端部締め付け板を備え、前記端部締め付け板は前記セルスタックとの積層部分よりも外側に形成された複数の貫通孔を有し、前記各貫通孔に挿入したスタッドボルトを介して前記両端の締め付け板をナットにより締結することによりセルスタックを加圧しており、前記スタッドボルトを貫通させた中間締め付け板を前記セルスタック内に積層して、前記中間締め付け板によりセルスタックを複数のセルブロックに分割し、前記スタッドボルトの中間締め付け板の両側に各々中間ナットを設けた構成とした燃料電池スタックの単セル交換方法において、交換する単セルを含む交換セルブロックに隣接する中間締め付け板の当該交換セルブロック側の面に中間ナットを当接させて当該中間ナットを締め付ける工程と、端部締め付け板の外側のナットを緩める工程と、前記交換セルブロックの前記緩めたナット側の積層面に接する中間締め付け板を、中間ナットを締め付けることにより前記ナット方向へ移動させる工程と、これにより圧力が開放された交換セルブロックをセルスタックから取り除く工程により行なわれる。

また、本発明の燃料電池スタックには、少なくとも一方の端部締め付け板の外側に装着されたナットとセルスタックとの間に弾性体を設ければ、交換セルブロック以外のセルブロックを加圧しながら交換セルブロックへの圧力を開放して取り出す作業がより容易に行え、好ましい。

本発明によれば、交換する単セルを含む交換セルブロックに隣接する中間締め付け板と中間ナットによる交換セルブロック以外のセルブロックへの加圧と、交換セルブロックへ付与された圧力の開放を容易に行うことができ、交換しないセルブロックへの加圧を完全に開放することなく交換セルブロックを取り出す作業の効率を大幅に向上させることができる。

図１に本発明に係る固体高分子形燃料電池スタックの実施形態を示す。
本実施形態の固体高分子形燃料電池スタック１１と、従来の固体高分子形燃料電池スタックとの違いは、セルスタック３を外側両端から加圧する端部締め付け板１４の他にセルスタック中に中間締め付け板１２が積層されている点と、各スタッドボルト１５に、中間締め付け板１２の各面に対応する数の中間ナット１３を備えている点である。
中間締め付け板１２は、端部締め付け板１４と同様に、スタッドボルト１５を４隅の貫通孔に貫通させて積層されており、セルスタック３をこの中間締め付け板１２で仕切られた複数のセルブロック１７に分割している。また、燃料電池スタックの運転中は、各セルブロック１７にかかる締め付け圧が均等になるように、中間ナット１３は中間締め付け板１２に当接せず、中間締め付け板１２との間に隙間を設けた状態で配置してある。
また、本実施形態では、一方の端部締め付け板１４の外側にはコイルバネ７を装着しており、そのさらに外側からナット１６を締め付けているが、両方の端部締め付け板１４の外側にコイルバネ７を設けることとしても良い。またコイルバネ７の挿入位置は端部締め付け板の外側に限られるものではなく、絶縁板９を端部締め付け板１４と同様の寸法に形成してスタッドボルト１５を貫通させた構造とした場合は、絶縁板９と端部締め付け板１４との間にコイルバネ７を装着することとしても良い。

そして、このような本発明の固体高分子形燃料電池スタック１１において、不良が生じた単セルを交換する際の手順を図２を参照して説明する。図２に示すセルブロックＡに含まれる単セルが不良となり、セルブロックＡを取り出すこととする。
まず、各々４個の中間ナット１３a1、１３a2をセルブロックＡに隣接する中間締め付け板１２a1、１２a2に夫々当接させるように、矢印方向へ移動させる。そして次に、コイルバネ７の外側の４個のナット１６を緩めて矢印方向へ移動させる。ここで、セルスタック３にかかる締め付け圧を完全には開放させないために、ナット１６はコイルバネ７が圧縮されている状態の範囲内での移動に留める。
その後、中間締め付け板１２a1に当接させた各中間ナット１３a1をさらに矢印方向へ締め付けて、中間締め付け板１２a1を緩めたナット方向へ移動させる。これにより、セルブロックＡへの締め付け圧が開放され、セルブロックＡを取り出すことができる。

本発明の固体高分子形燃料電池スタック構造図 本発明の固体高分子形燃料電池スタックのセルブロック交換方法説明図 従来の固体高分子形燃料電池スタック構造図

符号の説明

１、１１ 燃料電池スタック
２ 単セル
３ セルスタック
４ 締め付け板
５ 締め付けロッド
６、１６ ナット
７ コイルバネ
１２ 中間締め付け板
１３ 中間ナット
１４ 端部締め付け板
１５ スタッドボルト
１７ セルブロック

Claims (2)

1. 複数の単セルを積層したセルスタックの積層方向両端の外側に端部締め付け板を備え、前記端部締め付け板は前記セルスタックとの積層部分よりも外側に形成された複数の貫通孔を有し、前記各貫通孔に挿入したスタッドボルトを介して前記両端の締め付け板をナットにより締結することによりセルスタックを加圧しており、
   前記スタッドボルトを貫通させた中間締め付け板が前記セルスタック内に積層され、前記中間締め付け板によりセルスタックが複数のセルブロックに分割されており、
   前記スタッドボルトには、中間締め付け板の両側にそれぞれ中間ナットが備えられていることを特徴とする燃料電池スタックの単セル交換方法において、
   交換する単セルを含む交換セルブロックに隣接する中間締め付け板の当該交換セルブロック側の面に中間ナットを当接させ、締め付ける工程と、
   端部締め付け板の外側のナットを緩める工程と、
   前記交換セルブロックの前記ナット側の積層面に接する中間締め付け板を、中間ナットを締め付けることにより前記ナット方向へ移動させる工程と、
   交換セルブロックをセルスタックから取り除く工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの単セル交換方法。
2. 少なくとも一方の前記端部締め付け板の外側に備えられたナットと前記セルスタックとの間に弾性体を有す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の単セル交換方法。

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