JPH02291670A - 燃料電池の締付装置、焼成装置及び焼成運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池の締付装置に関し、さらに詳しくは、
高積層スタックの燃料電池に好適な締付装置及び焼成装
置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池スタックは、主として電解質板、電極、セパレ
ータ等の平板形状の部材を多数積層して構成される。そ
の電池スタックの性能を高水準に維持して運転する為に
は、スタックの上下から加圧して、ある一定の締付面圧
をかけ、各部材の接触及び端部でのガスシールを良好に
保つ必要がある。

しかし、電池スタックはその高さが運転中に収縮する為
、その収縮に追従して一定の力で締付けなければならな
い。

そこで従来の締付装置は特開昭５８−１６３１８５号公
報に記載のように、電池スタックと押え板との間に伸縮
性を有する加圧槽を装着するようになっており、スタッ
クの収縮に追従できると共にその締付面圧をコントロー
ルすることができる構造となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、高積層化した時の伸縮部材のストロー
クの増大について配慮されておらず、電池のコンパクト
化の点に問題があった。

すなわち、燃料電池、その中でも溶解炭酸塩型燃料電池
は収縮量が多く、単位電池（セル）当り２ＩＴ［ＩＩＩ
程度収縮する。実用化スタックの積層数を５００セルと
仮定すると、スタックの収縮量は約１ｍとなり、その収
縮量に追従できる伸縮部材の高さは１ｍ以上となる。従
って締付装置を含めたスタックの高さが大きくなり、そ
れを収納する圧力容器等の高さも大きくなり、価格及び
輸送の面で好ましくなかった。

本発明は前記燃料電池の締付装置の高さを低減し、コン
パクトな燃料電池の締付装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的は、電池の締付装置を、複数個の伸縮郁材を分
離する手段を介して直列に装置して構成することにより
達成される。

したがって、本発明の燃料電池の締付装置は、単位電池
を複数個積層してなる燃料電池スタックを上下より挟圧
して締付けるように構成された燃料電池の締付装置にお
いて、前記燃料電池スタックの上下のいずれか一方、ま
たは、両方に、燃料電池スタックの単位電池の積層方向
に伸長力の働《複数個の伸縮部材を直列状に、かつ、各
伸縮部材の前記伸長力が総合的に燃料電池スタックに働
いて燃料電池スタックを締付けるように配備するととも
に、前記伸縮部材の一部による前記燃料電池スタックの
締付状態を保持したまま残りの伸縮部材を除去し得る手
段を具備したことを特徴とする。

本発明の燃料電池の締付装置のより具体的な態様として
は、第１図又は第５図に示すように、単位電池を複数個
積層してなる燃料電池スタックを上下より挟圧して締付
けるように構成された燃料電池の締付装置において、焼
成用締付板及び上締付板を下締付板上に、それぞれ、上
方への移動を規制する固定手段によって上下に配備し、
前記上締付板及び下締付板間に燃料電池スタックを収容
するとともに、前記焼成用締付板及び上締付板間に焼成
用伸縮部材を、また、前記上締付板及び前記燃料電池ス
タックの上部間に運転用伸縮部材を、それぞれ、前記各
伸縮部材の伸長力が上方より総合的に燃料電池スタック
に働いて燃料電池スタックを締付けるよう設置し、かつ
、前記運転用伸縮部材による前記燃料電池スタックの締
付状態を保持したまま、前記焼成用締付板及びその固定
手段を着脱し得るように構成したことを特徴とし、或い
は、第４図に示すように、単位電池を複数個積層してな
る燃料電池スタックを上下より挟圧して締付けるように
構成された燃料電池の締付装置において、焼成用締付板
及び上締付板を下締付板上に、それぞれ、上方への移動
を規制とする固定手段によって上下に配備し、前記上締
付板及び下締付板間に燃料電池スタックを収容するとと
もに、前記焼成用締付板及び上締付板間に焼成用伸縮部
材を、また、前記燃料電池スタックの下部及び前記下締
付板間に運転用伸縮部材を、それぞれ、前記各伸縮部材
の伸長力が上下より総合的に燃料電池スタックに働いて
燃料電池スタックを締付けるよう設置し、かつ、前記運
転用伸縮部材による前記燃料電池スタックの締付状態を
保持したまま、前記焼成用締付板及びその固定手段を着
脱自在としたことを特徴とする。

また、前記燃料電池の締付装置に゛おける上締付板及び
焼成用締付板の固定手段としては、具体的には、例えば
前記各図に示すように、それぞれ、下締付板に立設され
た運転用締付ポルト及び焼成用締付ボルトからなり、ま
た、好ましくは焼成用伸縮部材としてベローズが、また
、運転用伸縮部材としてバネが用いられる。

さらに、本発明の燃料電池の焼成装置は、単位電池を複
数個積層してなる燃料電池スタックを収容して、上下よ
り挟圧して締付けた状態で燃料電池の焼成を行う燃料電
池の焼成装置において、前記燃料電池スタックの上部に
燃料電池スタックの単位電池の積層方向にそれぞれ伸長
力及び拡開作用の働く１乃至複数個の伸縮部材及び伸縮
機構を直列状に、かつ、前記伸縮部材の伸長力及び前記
伸縮機構の伸長による押圧力が総合的に燃料電池スタッ
クに働いて燃料電池スタックを締付けるように配備する
とともに、前記伸縮部材の少なくとも一部による前記燃
料電池スタックの締付状態を保持したまま、これを残り
の伸縮機構等から取り外し得る手段を具備したことを特
徴とする。

本発明の燃料電池の締付装置の好ましい態様としては、
例えば、第６図に示すように、単位電池を複数個積層し
てなる燃料電池スタックを収容して、上下より挟圧して
締付けた状態で燃料電池の焼成を行う燃料電池の焼成装
置において、所要の間隔をおいて上下に固定された焼成
用締付板間に上締付板及び下締付板を、それぞれ、上方
への移動を規制する固定手段及び下方への移動を規制す
る固定手段によって上下に配備し、前記上締付板及び前
記下締付板間に燃料電池スタックを収容するとともに、
上部の焼成用締付板及び前記上締付板間に剛性のスペー
サーを介在させ、前記上締付板及び前記燃料電池の上部
間に運転用伸縮部材を設置し、下部の焼成用締付板上に
下締付板の下部に当接して伸長にともなう押圧力を働か
せるシリンダー機構を配備することにより、前記運転用
伸縮部材の伸長力及び前記シリンダー機構の伸長による
押圧力が総合的に燃料電池スタックに働いて燃料電池ス
タックを締付けるように構成するとともに、前記運転用
伸縮部材による前記燃料電池スタックの締付状態を保持
したまま、これを残りのシリンダー機構等から取り外し
得る手段を具備したことを特徴とする。

さらに、本発明の燃料電池の焼成及び運転方法は、上記
燃料電池の締付装置に燃料電池スタックを収容した状態
で、燃料電池スタックの焼成を行い、ついで、上記運転
用伸縮部材による前記燃料電池スタックの締付状態を保
持したまま焼成用伸縮部材、焼成用締付板及び固定手段
を除去し、前記燃料電池スタックを前記運転用伸縮部材
による締付状態を保持したまま圧力容器内に収容して燃
料電池の運転を行うことを特徴とする。

本発明の燃料電池の焼成及び運転方法のより具体的な態
様としては、第６図に示すように、前記上締付板及び焼
成用締付板の固定手段が、下締付板に立設された運転用
締付ボルト及び焼成用締付ボルトからなり、また、焼成
用伸縮部材がベローズからなり、運転用伸縮部材がバネ
からなる。

（作　用〕 溶解炭酸塩型燃料電池スタックの収縮特性は第２図に示
す様に、収縮量の大部分がスタック焼成時に生ずる。こ
の焼成というのはスタックを組み立てた後、温度を電解
質であるアルカリ金属炭酸塩の融点以上に上げ、電解質
基板中のバインダー等を飛散させると共に、飛散後に形
成される基板中の空孔に、溶解した電解質を含浸させる
過程のことである。

従って締付用の伸縮部材のストロークは、焼成中は大き
いが、運転中は小さいことになる。

そこで、焼成中に用いた大ストロークの伸縮部材を焼成
後に取り外し、小ストロークの伸縮部材に取り替えて運
転すれば、運転中の締付装置を含む電池高さを低減する
ことができることになる。

しかしこの伸縮部材を取り替える時、電池の締付面圧を
解放すると、電解質基板中に亀裂が生じたり、積層した
セルがずれる等の問題があり不可能であった。

本発明では前記伸縮部材の一部による前記燃料電池スタ
ックの締付状態を保持したまま残りの伸縮部材或いは伸
縮機構を除去し得るようにしているから、焼成時の大収
縮を吸収した後、前記残りの伸縮部材を燃料電池スタッ
クの締付面圧を解放せずに取り外すことができ、前記一
部の収縮部材による燃料電池の締付状態を保持したまま
運転できるようになる。従って、電池に悪影響を与える
ことなく、運転時の電池高さを低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図による説明する。

電池スタック１は上下より電気絶縁体２により挟まれて
おり、その上部に運転用ベローズ３を設置し、下締付板
４と上締付板５の間に挟持されている。さらに上締付板
５の上部には焼成用ベローズ７及び焼成用締付板８が設
置されている。

また下締付板４と上締付板５は、運転用締付ボルト６に
よって、それらの相互間の距離を一定に保つことができ
る様になっており、下締付板４と焼成用締付板８も焼成
用ボルト９によって距離が一定に保たれている。また、
前記運転用締付ポルト６及び焼成用ボルト９は、ナット
が螺合する部分以外には螺子が存在せず、上締付板５及
び焼成用締付板８は上方への移動は規制されるが、下方
への移動はフリーとなっている。さらに電池スタック１
の周囲には断熱材１０が設けられており、電気絶縁体２
と共にスタック１の高い温度が締付装置に伝わらない様
になっている。

この電池の運転法は以下に示す手順で行う。

まず、運転用ベローズ３及び焼成用ベローズ７がそれぞ
れ収縮した状態になって、各ベローズの伸長力が上方よ
り総合的にスタック１に働いてこれを締付ける様に焼成
用締付ボルト９の長さを調整して、下締付板４と焼成用
締付板８の間の距離が広がらない様に固定する。次に運
転用ベローズ３及び焼成用ベローズ７それぞれに窒素ガ
スを送り込み、スタックの締付面圧が所定の値になる様
に窒素ガスの圧力を調整する。その後スタック１の温度
を上げてゆき焼成を行うこの段階では運転用締付ボルト
６は必要ない為、取り外しておいてもかまわない。

焼成中にスタック１の高さが収縮するにつれて運転用ベ
ローズ３及び焼成用ベローズ７の高さが伸びてゆき、焼
成中の締付力を一定に保つことができる。

焼成終了後は、運転用ベローズ３が収縮した状態になる
様に運転用締付ボルト６によって、下締付板４と上締付
板５の間隔を調整して固定する。

その後焼成用ベローズ７のみ、内部のガス圧力を抜き、
焼成用ベローズ７、焼成用締付板８及び焼成用締付ボル
ト９を取り外す。

この様に焼成用の締付装置を取り外しても、下締付板４
と上締付板５が運転用締付ボルト６によって固定されて
いると共に、運転用ベローズ３が加圧されていることか
ら、スタック１を締付けている運転用ベローズ３の伸長
力は一定に保たれていることになる。

次に燃料電池は、供給する反応ガスの圧力を高くした方
が性能が向上する為、運転する時は、第３図に示す様な
圧力容器１１の中に設置される。運転中のスタック１の
収縮に追従しながら、一定の伸長力で締付ける運転用ベ
ローズ３は、運転中のスタック１の収縮量が小さいこと
から、ストローク大きく取る必要がない為、コンパクト
なものとなる。従って圧力容器１１もコンパクトにでき
る。

以上の実施例では、伸縮部材としてベローズを運転用と
焼成用各１個ずつ計２個を用いたが、伸縮部材を２個以
上直列に用いてもかまわない。また、第４図に示す様に
、ベローズ等の伸縮部材をスタックの下方に設置するこ
ともできる。さらに、伸縮部材としてベローズ以外に、
ばね、シリンダー等も使用可能である。

伸縮部材、特に運転用のものにベローズを用いた場合、
ベローズの内圧を調整することで、スタックの締付面圧
を自由にコントロールできる点ではすぐれているが、第
３図に示す様に圧力容器１１の中に設置して運転するこ
とになるので、圧力容器１１の内圧と、運転用ベローズ
３の内圧との差圧を所定の値にコントロールしなければ
ならず、運転が複雑となる。

その点を考慮したのが第５図に示す実施例である。

これは、第１図における運転用ベローズ３をばね１２に
替えたものであり、このばねｌ２によって運転中のスタ
ック１の収縮量を吸収するものである。

この方式の場合、スタックの収縮によって締付面圧が若
干変化すると共に、締付面圧を自由に変化させられない
という短所もあるが、ガス圧力等を制御する必要がなく
、運転が容易になる特長を有する。

第６図は電池の焼成専用に行う焼成装置である。

この装置は、電池スタック１を、運転用の締付装置も含
めて上下の焼成用締付板８の間に設置し、シリンダー１
３を伸長させて下締付板４の下部に押圧力を働かせるこ
とにより電池スタック１に締付面圧をかけつつスタック
１の温度を上げ、焼成を行うものであり、焼成時の大き
な収縮量はシリンダＩ３の伸長により吸収する構造とな
っている。なお、その他の固定手段等の構成は、第１図
等の実施例とほぼ同様の構成となっているが、上部の焼
成用締付板及び上締付板間には、前記各実施例の場合と
異なり、合成のスベーサ−７′を介在させてある。この
装置でスタック１を焼成した後、前述と同様に、運転用
ベローズ３の内圧を所定の値に保ってスタック１の締付
状態を維持したまま下締付板４と上締付板５を運転用締
付ボルト６で固定し、その後、シリンダー１３を縮しめ
てスタック１を運転用締付装置ごと取り外して第３図の
如く、圧力容器に移設して運転を行う。この焼成装置は
圧力容器とする必要はない。また多くのスタックを次々
に焼成する為、焼成用の伸縮機構には、比較的耐久性の
高いシリンダー１３を用いているが、これを伸縮部材で
あるベローズ等に換えることもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、焼成時のスタック収縮を吸収した伸縮
部材或い伸縮機構の残部を取り外して運転できる為、燃
料電池をコンパクトにできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の締付装置の一実施例の継断
面図である。 第２図は溶解炭酸塩型燃料電池スタックの収縮特性であ
る。 第３図は運転中の電池構造の樅断面図である。 第４図は本発明の燃料電池の締付装置の第２の実施例の
樅断面図である。 第５図は本発明の燃料電池の締付装置の第３の実施例の
縦断面図である。 第６図は本発明の燃料電池の焼成装置の縦断面図である
。 １・・・燃料電池スタック、２・・・電気絶縁体、３・
・・運転用ベローズ、４・・・下締付板、５・・・上締
付板、６・・・運転用締付ボルト、７・・・焼成用ベロ
ーズ、７′・・・スペーサ−　８・・・焼成用締付板、
９・・・焼成用締付ポルト、１０・・・断熱材、１１・
・・圧力容器、１２・・・ばね、１３・・・シリンダー 第 １図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単位電池を複数個積層してなる燃料電池スタックを
   上下より挟圧して締付けるように構成された燃料電池の
   締付装置において、前記燃料電池スタックの上下のいず
   れか一方、または、両方に、燃料電池スタックの単位電
   池の積層方向に伸長力の働く複数個の伸縮部材を直列状
   に、かつ、各伸縮部材の前記伸長力が総合的に燃料電池
   スタックに働いて燃料電池スタックを締付けるように配
   備するとともに、前記伸縮部材の一部による前記燃料電
   池スタックの締付状態を保持したまま残りの伸縮部材を
   除去し得る手段を具備したことを特徴とする燃料電池の
   締付装置。 ２、単位電池を複数個積層してなる燃料電池スタックを
   上下より挟圧して締付けるように構成された燃料電池の
   締付装置において、焼成用締付板及び上締付板を下締付
   板上に、それぞれ、上方への移動を規制する固定手段に
   よって上下に配備し、前記上締付板及び下締付板間に燃
   料電池スタックを収容するとともに、前記焼成用締付板
   及び上締付板間に焼成用伸縮部材を、また、前記上締付
   板及び前記燃料電池スタックの上部間に運転用伸縮部材
   を、それぞれ、前記各伸縮部材の伸長力が上方より総合
   的に燃料電池スタックに働いて燃料電池スタックを締付
   けるよう設置し、かつ、前記運転用伸縮部材による前記
   燃料電池スタックの締付状態を保持したまま、前記焼成
   用締付板及びその固定手段を着脱し得るように構成した
   ことを特徴とする燃料電池の締付装置。 ３、単位電池を複数個積層してなる燃料電池スタックを
   上下より挟圧して締付けるように構成された燃料電池の
   締付装置において、焼成用締付板及び上締付板を下締付
   板上に、それぞれ、上方への移動を規制とする固定手段
   によって上下に配備し、前記上締付板及び下締付板間に
   燃料電池スタックを収容するとともに、前記焼成用締付
   板及び上締付板間に焼成用伸縮部材を、また、前記燃料
   電池スタックの下部及び前記下締付板間に運転用伸縮部
   材を、それぞれ、前記各伸縮部材の伸長力が上下より総
   合的に燃料電池スタックに働いて燃料電池スタックを締
   付けるよう設置し、かつ、前記運転用伸縮部材による前
   記燃料電池スタックの締付状態を保持したまま、前記焼
   成用締付板及びその固定手段を着脱自在としたことを特
   徴とする燃料電池の締付装置。 ４、単位電池を複数個積層してなる燃料電池スタックを
   収容して、上下より挟圧して締付けた状態で燃料電池の
   焼成を行う燃料電池の焼成装置において、前記燃料電池
   スタックの上部に燃料電池スタックの単位電池の積層方
   向にそれぞれ伸長力及び拡開作用の働く１乃至複数個の
   伸縮部材及び伸縮機構を直列状に、かつ、前記伸縮部材
   の伸長力及び前記伸縮機構の伸長による押圧力が総合的
   に燃料電池スタックに働いて燃料電池スタックを締付け
   るように配備するとともに、前記伸縮部材の少なくとも
   一部による前記燃料電池スタックの締付状態を保持した
   まま、これを残りの伸縮機構等から取り外し得る手段を
   具備したことを特徴とする燃料電池の焼成装置。 ５、単位電池を複数個積層してなる燃料電池スタックを
   収容して、上下より挟圧して締付けた状態で燃料電池の
   焼成を行う燃料電池の焼成装置において、所要の間隔を
   おいて上下に固定された焼成用締付板間に上締付板及び
   下締付板を、それぞれ、上方への移動を規制する固定手
   段及び下方への移動を規制する固定手段によって上下に
   配備し、前記上締付板及び前記下締付板間に燃料電池ス
   タックを収容するとともに、上部の焼成用締付板及び前
   記上締付板間に剛性のスペーサーを介在させ、前記上締
   付板及び前記燃料電池の上部間に運転用伸縮部材を設置
   し、下部の焼成用締付板上に下締付板の下部に当接して
   伸長にともなう押圧力を働かせるシリンダー機構を配備
   することにより、前記運転用伸縮部材の伸長力及び前記
   シリンダー機構の伸長による押圧力が総合的に燃料電池
   スタックに働いて燃料電池スタックを締付けるように構
   成するとともに、前記運転用伸縮部材による前記燃料電
   池スタックの締付状態を保持したまま、これを残りのシ
   リンダー機構等から取り外し得る手段を具備したことを
   特徴とする燃料電池の焼成装置。 ６、請求項２又は請求項３記載の燃料電池の締付装置に
   燃料電池スタックを収容した状態で、燃料電池スタック
   の焼成を行い、ついで、請求項２又は請求項３記載の運
   転用伸縮部材による前記燃料電池スタックの締付状態を
   保持したまま焼成用伸縮部材、焼成用締付板及び固定手
   段を除去し、前記燃料電池スタックを前記運転用伸縮部
   材による締付状態を保持したまま圧力容器内に収容して
   燃料電池の運転を行うことを特徴とする燃料電池の焼成
   及び運転方法。 ７、上締付板及び焼成用締付板の固定手段が、下締付板
   に立設された運転用締付ボルト及び焼成用締付ボルトで
   あることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料
   電池の焼成及び運転方法。