JPH0845535A

JPH0845535A - 燃料電池締付装置

Info

Publication number: JPH0845535A
Application number: JP6197193A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Otsubo; 三生大坪
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料電池の締付に当り、ばねの変位制御性を
主体に利用してベローズの弱点をカバーする。【構成】上下ボルスタ１，２間に、中間ホルダー７を
挟んで高層化した燃料電池スタック８を、上下ホルダー
５，６で挾持させて配置する。上ボルスタ１と上ホルダ
ー５との間の同一平面内に、複数のばね１２とベローズ
１３を介在設置し、上下ボルスタ１，２間を締付ロッド
１０で締付ける。ばね１２は燃料電池として必要な最低
締付力を付加できる大きさ及び数とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換させるエネルギー部門
で用いる燃料電池のスタックを締め付けるための燃料電
池締付装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池のうち、たとえば、溶融炭酸塩
型燃料電池は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質に
しみ込ませてなるタイル（電解質板）をカソード（酸素
極）とアノード（燃料極）の両電極で両面から挟み、カ
ソード側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃料
ガスを供給することによりカソード側とアノード側で各
々反応を行わせて発電を行わせるようにしたものを１セ
ルとし、各セルをセパレータを介し多層に積層してスタ
ックとするようにしてある。

【０００３】上記スタックとした燃料電池は、各セルご
とに電池性能が良好に維持されることが必要であり、電
極反応部においてカソード及びアノードの各電極とタイ
ルとセパレータとが一様な圧力分布で接触しているこ
と、内部マニホールド型の燃料電池にあっては、周辺部
のウェットシール部のシール性が維持されていること、
寿命中の起動、停止及び負荷変動（温度変化）における
スタックの高さ変化に対して追従性があること、等が要
求される。そのため、燃料電池全体を一定の締付力で均
一に締め付けることが必要である。

【０００４】かかる必要性を満たすために、燃料電池を
締付装置で締め付けることが行われているが、燃料電池
の大出力が得られるようにするために、セルの積層数を
多くして高積層化を図ろうとする場合には、図３に一例
を示す如く、中間ホルダー７を挟んで積層した上下の燃
料電池スタック８を、下ボルスタ２上に下断熱ブロック
４と下ホルダー６を介在させて載置すると共に、上部の
燃料電池スタック８上に上ホルダー５を介して上断熱ブ
ロック３を載置し、更に、上断熱ブロック３とその上方
の上ボルスタ１との間に有する金属製のベローズ９を介
在させ、上下のボルスタ１，２間を、締付ロッド１０及
びナット１１で締め付けるようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池を圧力容器内
に収容して高圧力下で運転する場合には、ベローズ９の
圧力はそれ以上高くする必要があり、たとえば、圧力容
器内の圧力が７atm のときには、ベローズ９の圧力は１
１atm 程度必要となるが、通常のプラントの窒素ガス、
制御用空気圧は８atm 程度が一般的である。この場合、
昇圧装置等が必要となると共に高圧ガス取締法の法規上
の制約を受けることになって、複雑な制御が必要となる
高圧対策をとらなければならず、大容量の電源やそれに
付随した大がかりな設備が必要となる等、プラント効率
が悪くてコスト高になる問題がある。

【０００６】一方、ベローズ９に代えて、ばねを用いる
ようにした方式もあるが、ばね式の場合、高温下での使
用によりばね定数が変化したり、長期使用によるクリー
プ現象に伴ってばね反力が低下し、締付荷重の変動率が
大きくなることによりスタックの性能の悪化を招く問題
がある。

【０００７】因に、燃料電池ではないが、実公昭４８−
１０２６５号に開示されているように、整流器スタック
について、ベローズとばねとを、上下相反する方向から
圧力が作用するように併用して締め付ける方式もある
が、整流器スタックの場合、締付力の変動を許容してお
り、しかも、ベローズの圧力は特に制約がない点で燃料
電池と相違しているだけでなく、複数の異なった独立の
スタックを共通の基台の上で締め付ける点でも燃料電池
の場合とは異なっている。

【０００８】そこで、本発明は、ベローズの内圧を低く
できるようにして高圧対策を不要とし、且つ高温による
クリープに伴う変動もカバーすることができるようにし
ようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、上下のボルスタ間に、中間ホルダーを挟
んで高積層化した燃料電池スタックを、上下ホルダーで
挾持させて配置して、上記上下のボルスタを締付ロッド
で締め付けるようにし、且つ上記上ボルスタと上ホルダ
ーとの間の同一平面内に、複数個のばねとベローズとを
介在させ、該ばねを燃料電池として必要な最低締付力を
付加できる大きさ及び数とした構成とする。

【００１０】又、中間ホルダーの位置を固定し、且つ下
ボルスタと下ホルダーとの間に、複数のばねとベローズ
とを介在させた構成とする。

【００１１】

【作用】上ボルスタと上ホルダーとの間にばねとベロー
ズとを介在させると、燃料電池スタックに収縮が生じた
ときに、その収縮量にばねとベローズが追従させられる
ため、締付力の変動率を小さくできる。この際、主とし
てばねの圧力が作用し、不足分がベローズで補われるの
で、ベローズの内圧を低くすることができる。すなわ
ち、ベローズのみの場合締付荷重制御であり、変形を押
えることはできないが、ばねも用いるとばねは変位制御
であり、電池内部の変形を生じるような場合にはそれを
抑制する。つまり、電池が膨張しようとするとばねは縮
み、反力が大きくなる。逆に電池が縮むとばねは伸び反
力が小さくなる。

【００１２】又、中間ホルダーを固定し、且つ下ボルス
タと下ホルダーとの間にもばねとベローズを付加する
と、上下対称の配置となることから、締付力が更に安定
化することになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１４】図１は本発明の一実施例を示すもので、図
３に示す従来の締付装置と同様に、中間ホルダー７を挟
んで上下の燃料電池スタック８を重ねて高層化したもの
を上下のボルスタ１，２間に配置して、下部の燃料電池
スタック８の下端面を支持する下ホルダー６と下ボルス
タ２との間に下断熱ブロック４を介在させると共に、上
部の燃料電池スタック８の上面に配した上ホルダー５と
上ボルスタ１との間に上断熱ブロック３を介在させ、上
下ボルスタ１，２間を締付ロッド１０及びナット１１で
締め付けるようにしてある構成において、上記上ボルス
タ１と上ホルダー５上の上断熱ブロック３との間の同一
平面内に、複数個のばね１２とベローズ１３とを、平面
的に一方が偏ることなく交互に均一配置となるように介
在設置した構成とする。

【００１５】上記ばね１２は、それ自身にて燃料電池と
して必要な最低締付力を付加できる大きさ及び数とし、
一方、ベローズ１３は、空気圧又はＮ₂ガス圧を用いる
型式として、内圧を通常の供給圧力（７kg／cm²g 程
度）以下とし、負担する荷重を、ばね１２が９〜８割程
度、ベローズ１３が１〜２割程度となるようにして、運
転圧に応じた適正締付力がベローズ１３の圧力を変化さ
せることで一定に制御されるようにしてある。

【００１６】なお、本実施例では、中間ホルダー７が締
付ロッド１０に対し摺動できるようにしてある。又、図
中、１４は、燃料電池スタック８を締付ロッド１０をも
含めて包囲させるようにした保温兼断熱材を示す。

【００１７】上記構成としてあるため、高積層とした燃
料電池スタック８に大きな収縮量が生じても、その収縮
量はばね１２とベローズ１３によって、ばね１２を主と
し且つベローズ１３を副として追従させることができ
て、締付荷重を一定に保つことができる。すなわち、燃
料電池スタック８の収縮による高さ変化は、主としてば
ね１２の伸びによる変位制御性の効果で追従することが
できるが、長期使用等によりばね反力が低下した場合に
は、ベローズ１３の内圧によって補うことができる。こ
の場合、ベローズ１３の内圧は、ベローズ１３だけを用
いている場合に比して低い圧力で賄うことができるの
で、従来必要であった高圧対策としての昇圧装置や複雑
な制御等を不要とすることができ、又、圧力制御精度も
比較的ラフでよいことになる。

【００１８】したがって、本発明においては、ばね１２
のみによる場合の締付力の変動率を小さくでき、高温に
よるクリープに伴う変動もカバーすることができ、更
に、万一、ベローズ１３の圧力源にトラブルが生じたと
しても、最低締付力はばね１２によって確保することが
できるので極端な締付力低下を起す虞もない。

【００１９】又、本発明においては、燃料電池スタック
８用の保温兼断熱材１４を、締付ロッド１０を含めて囲
繞するように設けてあるため、締付力の変化を更に小さ
くできる利点がある。すなわち、燃料電池の場合、圧力
容器内に入れて運転を行うと高温になるので、燃料電池
スタック８を保温兼断熱材１４で囲むようにするが、こ
の際、燃料電池スタック８の部分だけを保温兼断熱材１
４で囲むと、締付ロッド１０と燃料電池スタック８との
間に熱膨張差が生じてしまうが、その点本発明では、上
記した如く、締付ロッド１０を含めて保温兼断熱材１４
により囲むようにしたので、上記熱膨張差が小さくな
り、締付力への影響を小さくすることができる。

【００２０】次に、図２は本発明の他の実施例を示すも
ので、上記図１に示すものと同様な構成において、中間
ホルダー７を、締付ロッド１０にナット１５にて位置固
定として、下部の燃料電池スタック８の変形に対し下側
でも締付力が付与できるように、下ボルスタ２と下断熱
ブロック４との間の同一平面内に、ばね１２とベローズ
１３とを、上ボルスタ１側と同様に介在設置したもので
ある。

【００２１】図２の実施例の場合には、中間ホルダー７
を固定として、ばね１２とベローズ１３により上下対称
的に締付力を与えることができるようにしてあるため、
上下の燃料電池スタック８及び中間ホルダー７の自重の
影響を小さくでき、上下での締付力の差を更に安定化さ
せることができる。

【００２２】なお、本発明は上記実施例にのみ限定され
るものではなく、たとえば、図１の実施例では、中間ホ
ルダー７を締付ロッド１０に摺動自在に支持させるよう
にした場合を示したが、中間ホルダー７は締付ロッド１
０に支持させなくてもよいこと、又、図２の実施例で
は、中間ホルダー７を締付ロッド１０に固定する場合を
示したが、中間ホルダー７を締付ロッド１０以外の他の
場所に固定するようにしてもよいこと、その他本発明の
要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るこ
とは勿論である。

【００２３】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の燃料電池締付
装置によれば、中間ホルダーを挟んで上下ホルダー間に
挾持させた燃料電池スタックを上下のボルスタ間で締付
ロッドを用いて締め付けるようにしてある構成において
上ボルスタと上ホルダーとの間の同一平面内に、複数の
ばねとベローズとを介在させて、ばねにて最低締付力が
得られるようにしたので、燃料電池スタックの停止時と
運転中及び負荷変動時に膨張、収縮が生じたときに、主
としてばねによってその収縮量を吸収することができ
て、その不足分をベローズにて補うことができ、したが
って、ばねのみによる場合の締付圧力の変動率を小さく
でき且つ高温によるクリープに伴う変動もカバーでき、
一方、ベローズのみの場合よりもベローズの圧力を小さ
くできることから、高圧対策が不要となると共に、ベロ
ーズの圧力制御精度をラフにすることが可能となり、プ
ラント効率を向上できてコスト的にも有利となり、更
に、ベローズのみにくらべばねの変位制御性を生かし、
温度分布による電池内部のセパレータの面外変形を抑制
する効果があり、又、中間ホルダーを固定してばねとベ
ローズとを上下に設けることにより、締付荷重の安定を
更に図ることができる、等の優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池締付装置の一実施例を示す概
要図である。

【図２】本発明の他の実施例の概要図である。

【図３】従来の燃料電池締付装置の一例を示す概要図で
ある。

【符号の説明】

１上ボルスタ２下ボルスタ５上ホルダー６下ホルダー７中間ホルダー８燃料電池スタック１０締付ロッド１２ばね１３ベローズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下のボルスタ間に、中間ホルダーを挟
んで高積層化した燃料電池スタックを、上下ホルダーで
挾持させて配置して、上記上下のボルスタを締付ロッド
で締め付けるようにし、且つ上記上ボルスタと上ホルダ
ーとの間の同一平面内に、複数個のばねとベローズとを
介在させ、該ばねを燃料電池として必要な最低締付力を
付加できる大きさ及び数とした構成を有することを特徴
とする燃料電池締付装置。
【請求項２】中間ホルダーの位置を固定し、且つ下ボ
ルスタと下ホルダーとの間に、複数のばねとベローズと
を介在させた請求項１記載の燃料電池締付装置。