JPH09153373A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スタックを筐体内に収納する場合に、筐体の
小形化が可能であり、信頼性が高く、大容量の燃料電池
を提供する。 【解決手段】 スタックの下部締付板２と筐体の底板５
ａとの間に、複数の絶縁支持具６を配置する。この絶縁
支持具６は、凸面球面支持具６ａと凹面球面支持具６ｂ
とからなる鉄鋼製の支持具と、絶縁板６ｃとからなる。
燃料電池本体の移動時等に、スタックの重量により筐体
の底板５ａが変形した場合、凹面球面支持具６ｂが凸面
球面支持具６ａの球面上をスライドし、絶縁板６ｃがそ
れに追随して移動する。これにより、絶縁支持具が損傷
及び破壊することがない。このような構成においては、
底板５ａの高さ方向の寸法及び絶縁支持具の高さを低く
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に係り、特
に燃料電池の支持構造を改良したものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料が持つ化学エネルギー
を、電気化学プロセスで酸化させることにより、酸化反
応に伴って放出されるエネルギーを直接電気エネルギー
に変換する装置である。この燃料電池を用いた発電シス
テムは、比較的小さな規模でも発電の熱効率が４０〜５
０％にも達し、新鋭火力発電をはるかにしのぐと期待さ
れている。

【０００３】また、近年大きな社会問題になっている公
害要因であるＳＯ_x 、ＮＯ_x の排出が極めて少なく、発
電装置内に燃焼サイクルを含まないため大量の冷却水を
必要とせず、振動も小さいなどから、騒音・排ガスなど
の環境問題が少ないという利点がある。更に、負荷変動
に対して応答性が良く、原理的に高い変換効率が期待で
きると共に、発電と同時に熱も利用するコジェネシステ
ムに向いている等の特徴があることから、その研究開発
に期待と関心が寄せられている。

【０００４】この種の装置としては、例えば、特開昭６
０−９３７６５号公報に示されたものが知られている。
すなわち、電池本体は、図９に示すように、発電のため
に用いられる多数のセル９とこれらのセル９で発生する
熱を排出するための冷却板１０とからなる積層電池スタ
ック（以下、単にスタック）、そのスタックを上下方向
から締付ける上部締付板３及び下部締付板２、シール材
１２を介した反応ガス供給・排出用のガスマニホールド
１３、冷却水供給・排出用の冷却水マニホールド１４、
電気出力取出し用のブスバー４等によって構成されてい
る。そして、上記セル９には燃料ガスと空気が、また、
冷却板１０には水等の冷媒が、外部から供給、排出され
るように構成されている。

【０００５】また、一般に、反応ガス圧力が高圧である
場合には、上記スタックを円筒形タンクに収納している
が、反応ガス圧力がほぼ大気圧である常圧型燃料電池の
場合には、上記スタックの１個または複数個を１つの筐
体内に収納して用いている。このような常圧型燃料電池
は、構造及びシステムが簡単なため、一般需要家のオン
サイトとしての使用に適している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなオンサイ
ト燃料電池には、その需要規模により、例えば５０ｋＷ
〜１０００ｋＷの出力幅があるが、これら出力段階に対
して夫々異なったセルサイズで設計するのは、セルを大
量生産する上で好ましくない。そのため、セルサイズは
１種類とし、セルの積層数を変化させることによって出
力を調整することが一般的に行われている。

【０００７】ところが、出力が１０００ｋＷに達する
と、現在の技術では、積層されるセルの高さが陸上輸送
限界を大きく越えてしまうため、更に大きなセルを製作
するか、または複数のスタックを必要としていた。

【０００８】また、セルは比較的脆い材料で構成されて
いるため、製作時の取扱や大量生産に適した寸法形状と
する必要があり、現在の技術では、１辺が約１ｍ程度の
正方形のものが適当と考えられている。また、電池本体
の効率、直交変換器の性能上の制約から、電圧を大きく
し、電流を制御することが望ましい。このため、大容量
のオンサイト用燃料電池としては、正方形セルを積層し
た複数のスタックを直列に接続した状態で、できるだけ
小さい筐体に収納する必要がある。

【０００９】図１０は、従来のスタック２個を直列に接
続した状態で１個の筐体内に収納する場合の、スタック
の配置及び接続方法の一例を示したものである。すなわ
ち、スタック１ａ及び１ｂは、共に負極を上にした状態
で配置されている。この２個のスタック１ａ，１ｂを直
列に接続するため、集電板を兼ねているスタック１ａの
下部締付板２ａと、スタック１ｂの上部締付板３ｂと
が、ブスバー４ａによって接続されている。また、スタ
ック１ｂの下部締付板２ｂが、ブスバー４ｂによって外
部に接続されている。

【００１０】また、スタック１ａ及び１ｂは直列に接続
されるため、それぞれ対地電位が異なり、スタック１ａ
はスタック１ｂよりさらに対地に対して高電圧となる。
そのため、これらのスタック１ａ，１ｂを筐体５内に配
置する際には、支持碍子１５を介して設置する必要があ
る。また、大容量機の場合は、支持碍子１５の高さは１
００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度必要とされる。

【００１１】また、図１１に示すように、各スタック１
ａ，１ｂの四側面に取り付けられているガスマニホール
ド１３には、配管接手１７が接続されており、内部配管
を筐体５内の配管１８を介して外部と取合うこととな
る。従って、通常、筐体５の４側面のうち１面または２
面に集中させて配管を取り合う構造となるため、セルの
１辺が１ｍとなる場合、筐体５の幅Ｗは３ｍにも達する
寸法となる。

【００１２】更に、このようにしてスタック１ａ，１ｂ
２個を直列に接続した状態で１個の筐体５に収納する場
合には、筐体５は、その底板５ａの高さ寸法を大きくと
ることにより十分強度のものとする必要がある。すなわ
ち、収納された燃料電池を移動のために吊り上げた場合
に、内部のスタック１ａ，１ｂの重量によって底板５ａ
に変形が生じると、底板５ａとスタック１ａ，１ｂの下
面とが平行でなくなり、スタック１ａ，１ｂの下部の支
持硝子１５が局部的に損傷して破壊する恐れがあるから
である。

【００１３】具体的には、筐体高さＨが３ｍ以上であっ
て、幅Ｗが３ｍに及ぶ大きさの大容量の燃料電池本体に
おいては、底板５ａの最大たわみ寸法が数ｍｍ以下でな
ければならず、底板５ａの高さ寸法は、２５０ｍｍ以上
必要であった。

【００１４】従って、輸送限度の高さである筐体５の高
さＨのうち、底板５ａの高さ寸法ｈ1 及び支持碍子１５
の高さｈ2 分だけ、スタック１ａ，１ｂの高さを低くし
なければならず、容積効率上不利であった。

【００１５】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、スタ
ックを筐体内に収納する場合に、筐体の小形化が可能で
あり、信頼性が高く、大容量の燃料電池を提供すること
にある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
る燃料電池は、複数個の単位電池を積み重ねた積層電池
スタックが筐体内に収納された燃料電池において、前記
積層電池スタックの下部には、当該積層電池スタックを
下方から支持する複数の支持部材が、一端が前記筐体の
底面に設置され他端が前記積層電池スタックの下端部に
接して設けられ、前記支持部材には、球面の凸部を有す
る凸面部材と、前記凸面部材の凸部に対応する凹面を有
する凹面部材とが互いの凹凸部で接触して設けられ、前
記凸面部材及び凹面部材のうちいずれか一方が前記筐体
の底面に設置され、他方が前記積層電池スタックの下端
部に接しており、前記積層電池スタックの重量により前
記筐体の底面が変形した場合に、前記凹面部材及び前記
凸面部材がその接触部分でスライドするように配置され
ていることを特徴としている。

【００１７】請求項１記載の発明によれば、筐体に収納
された燃料電池を移動のために吊り上げた場合等に、筐
体の底面が前記積層電池スタックの重量によって変形
し、筐体の底面と積層電池スタックの下面とが平行でな
くなる場合がある。そのような場合に、例えば、凸面部
材が積層電池スタックの下面に接しており、凹面部材が
筐体の底面に設置されている場合には、筐体の底面の変
形に伴い、凹面部材が凸面部材の凸部上をスライドす
る。そのため、積層電池スタック下部に設けられた支持
部材が、局部的に損傷することにより破壊されることが
ない。

【００１８】従って、筐体の底面の高さ方向の寸法を従
来に比べて低くしても、筐体の底面に弾性変形が生じた
場合に対応することができるため、筐体全体の高さを低
くすることができる。

【００１９】請求項２記載の発明による燃料電池は、請
求項１記載の発明において、前記凸面部材が、略半球形
状であり、その平面部分が前記積層電池スタックの下面
に接しており、前記凹面部材が、前記筐体の底面に設置
されていることを特徴としている。

【００２０】請求項２記載の発明によれば、筐体の底面
が変形すると、それに伴って凹面部材が半球もしくはそ
れに近い形状の凸面部材上をスライドする。

【００２１】請求項３記載の発明による燃料電池は、請
求項１または２記載の発明において、前記支持部材が、
当該支持部材を前記積層電池スタックの下部における所
定の位置に配置するための締結部材によって、前記積層
電池スタックの下部に締結されていることを特徴として
いる。

【００２２】請求項３記載の発明によれば、支持部材
は、締結部材によって所定の位置に締結されているた
め、筐体の底面の変形により凸面部材と凹面部材とがス
ライドした際にも、その位置がずれることがない。

【００２３】請求項４記載の発明による燃料電池は、複
数個の単位電池を積み重ねた積層電池スタックが筐体内
に収納された燃料電池において、前記積層電池スタック
の下部には、当該積層電池スタックを下方から支持する
複数の支持部材が、一端が前記筐体の底面に設置され他
端が前記積層電池スタックの下端部に接して設けられ、
前記支持部材の前記積層電池スタックとの接触部分に
は、球面の凸部を有する凸面部材が設けられ、前記積層
電池スタックの下端部における前記支持部材との接触部
分には、当該支持部材に形成された凸面部材の凸部に対
応する凹部が加工形成され、前記積層電池スタックの重
量により前記筐体の底面が変形した場合に、前記積層電
池スタックに形成された凹部と前記支持部材の凸面部材
とがその接触部分でスライドすることを特徴としてい
る。

【００２４】請求項５記載の発明による燃料電池は、複
数個の単位電池を積み重ねた積層電池スタックが筐体内
に収納された燃料電池において、前記積層電池スタック
の下部には、当該積層電池スタックを下方から支持する
複数の支持部材が、一端が前記筐体の底面に設置され他
端が前記積層電池スタックの下端部に接して設けられ、
前記積層電池スタックの下端部における前記支持部材と
の接触部分には、球面の凸部を有する凸面部材が設けら
れ、前記支持部材の前記積層電池スタックとの接触部分
には、前記積層電池スタックに形成された凸面部材の凸
部に対応する凹部が加工形成され、前記積層電池スタッ
クの重量により前記筐体の底面が変形した場合に、前記
積層電池スタックの凸面部材と前記支持部材の凹部とが
その接触部分でスライドすることを特徴としている。

【００２５】請求項４記載の発明によれば、積層電池ス
タック自身に凹部が加工形成されており、支持部材の凸
面部材が、この凹部との接触部分でスライドするように
なっている。また、請求項５記載の発明によれば、積層
電池スタック自身に凸面部材が設けられており、支持部
材の凹部が、この凸面部材の凸面上をスライドするよう
になっている。従って、請求項４及び５記載の発明によ
っても、積層電池スタック下部に設けられた支持部材
が、局部的に損傷することにより破壊されることがな
い。そのため、筐体の底面の高さ方向の寸法を従来に比
べて低くしても、筐体の底面に弾性変形が生じた場合に
対応することができるため、筐体全体の高さを低くする
ことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
１〜図５を参照して具体的に説明する。なお、図８及び
図９に示した従来型と同一の部材には、同一符号を付し
てその説明は省略する。

【００２７】＜構成＞図１及び図２は、本実施の形態に
よる燃料電池の構成を示す正面図及び側面図である。こ
れらの図は、２個のスタック１ａ，１ｂを直列に接続し
た状態で１個の筐体５に収納する場合の、スタック１
ａ，１ｂの配置及び接続方法の一例を示す。スタック１
ａ及び１ｂは，共に同極を上にした状態で配置されてい
る。この２個のスタック１ａ，１ｂを直列に接続するた
め、集電板を兼ねているスタック１ａの下部締付板２ａ
とスタック１ｂの上部締付板３ｂとが、ブスバー４ａに
よって接続されている。また、スタック１ｂの下部締付
板が、ブスバー４ｂによって外部に接続されている。

【００２８】また、スタック１ａ，１ｂの下部締付板２
ａ、２ｂと、筐体５の底板５ａとの間には、それぞれ４
個の絶縁支持具６が配置されている。更に、各スタック
１ａ，１ｂの下部締付板２ａ，２ｂの周辺部分に、絶縁
性のずれ止め７が配置されている。

【００２９】絶縁支持具６の具体的な構成例を、図３及
び図４に示す。図３は、絶縁支持具６の取付け平面図で
あり、図４はその横断面図である。すなわち、絶縁支持
具６は、スタック１ａ，１ｂの下部締付板２ａ，２ｂに
接する凸面球面支持具６ａと凹面球面支持具６ｂとから
なる鉄鋼製の支持具と、これら支持具と筐体５の底板５
ａとを絶縁する絶縁板６ｃとからなる。また、絶縁板６
ｃは、スタック１ａ，１ｂの下部締付板２ａ、２ｂの所
定位置に配置されるように、取付けボルト６ｄによって
位置決めされている。

【００３０】上記凸面球面支持具６ａは、半球形状であ
って、その平面部分がスタックの下部締付板２ａ，２ｂ
に接している。また、この凸面球面支持具６ａの球面部
分には、上記凹面球面支持具６ｂが、当該球面部分上を
スライド可能に接している。そのため、取付けボルト６
ｄは、凹面球面支持具６ｂのスライド動作に対応可能な
ように、間隙Ｚをあけて締付けられている。

【００３１】すなわち、図５に示すように、筐体５の底
板５ａが変形した場合、凹面球面支持具６ｂが凸面球面
支持具６ａを矢印Ａ方向にスライドするのに伴い、絶縁
板６ｃも共に移動する。この移動量に対応して、上記間
隙Ｚが設けられている。すなわち、底板５ａの変形に伴
って絶縁板６ｃが移動した場合に、その絶縁板６ｃが下
部締付板２ａ，２ｂに接して破壊することがないように
設定されている。また、筐体５の底板５ａと絶縁支持具
６との間には、フッ素樹脂等からなる絶縁シート８が配
設されている。

【００３２】＜作用効果＞以上のような構成を有する本
実施の形態の作用効果は以下の通りである。

【００３３】すなわち、燃料電池本体の輸送または移動
等のために全体を吊り上げた場合、スタック１ａ，１ｂ
の重量により、図２に示す底板５ａの中央部分ＣＮＴが
弾性変形する。これにより、図５に示すように、スタッ
ク１ａ，１ｂの下部締付板２ａ，２ｂと底板５ａとが平
行でなくなる。

【００３４】これに伴い、絶縁支持具６の凹面球面支持
具６ｂが凸面球面支持具６ａの球面上をスライドし、絶
縁板６ｃがそれに追随して移動する。このため、絶縁板
６ｃが局部的に損傷することによって破壊されることが
ない。従って、底板５ａが変形して下部締付板２ａ，２
ｂと平行でなくなっても、絶縁支持具６自体が破壊され
ない。

【００３５】このため、筐体５の底板５ａの弾性変形に
よるたわみが１０数ｍｍ以下の場合は、従来のように、
底板５ａの高さ寸法を大きくとる必要がなく、より低く
設定することができる。従って、筐体５の高さＨが３ｍ
以上であって、幅Ｗが３ｍに及ぶ大きさの燃料電池本体
においては、許容たわみ寸法を１０数ｍｍとした場合、
底板５ａの高さを１５０ｍｍ程度とすることができる。

【００３６】また、従来は、支持硝子の高さとして１０
０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度が必要であったが、本実施の形
態における絶縁支持具６の高さは、５０ｍｍ程度とする
ことができる。このため、筐体全体の高さＨを、約２０
０ｍｍ低くすることができるという効果がある。従っ
て、スタック１ａ，１ｂの高さｈも十分に確保すること
ができるため、燃料電池の容量も小さくする必要がな
い。

【００３７】＜他の実施の形態＞図６は、本発明の他の
実施の形態を示す。同図において、下部締付板２ａ，２
ｂには、凹面球面切欠部１９が設けられており、絶縁支
持具６には、上記凹面球面切欠部１９と接する鉄鋼製の
凸面球面支持具６ｅが設けられている。この凸面球面支
持具６ｅと筐体５の底板５ａとの間には、それらを絶縁
する絶縁板６ｆが配置されている。

【００３８】そして、図７に示すように、筐体５の底板
５ａが弾性変形した場合には、凸面球面支持具６ｅが凹
面球面切欠部１９を矢印Ｂ方向にスライドする。このた
め、絶縁支持具６自体が局部的に損傷して破壊されるこ
とがない。また、スタック１ａ，１ｂを組み立てる際
や、吊り下ろす際にも、スタック１ａ，１ｂの重量によ
る衝撃にも耐えることができる。

【００３９】また、図８に示すように、図６に示す凹面
球面支持具６ｅ及び絶縁板６ｆを、例えばポリイミド樹
脂積層板等の高強度の単一材料からなる絶縁板６ｇとし
てもよい。この場合も、上記と同様の作用・効果が得ら
れると共に、部品点数が少なく、単純な構造で、かつ、
信頼性の高い装置とすることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃料電
池の移動又は輸送時等に単位電池の重量によって筐体の
変形が生じた場合にも、支持部材の破壊を防止すること
ができる。また、支持部材の高さ方向の寸法を大きくす
ることなく、大容量の電池を用いることも可能である。
そのため、信頼性が高く、小型かつ大容量の燃料電池を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による燃料電池の構成を示
す平面図。

【図２】同実施の形態による燃料電池の構成を示す側面
図。

【図３】同実施の形態における絶縁支持具６の構成を示
す平面図。

【図４】同実施の形態における絶縁支持具６の横断面
図。

【図５】同実施の形態において、底板５ａが変形した場
合の絶縁支持具６の状態を示す横断面図。

【図６】本発明の他の実施の形態による燃料電池におけ
る絶縁支持具６の構成を示す正面図。

【図７】同実施の形態において、底板５ａが変形した場
合の絶縁支持具６の状態を示す正面図。

【図８】同実施の形態における絶縁支持具６の他の例を
示す正面図。

【図９】一般的な燃料電池の一構成例を示す正面図。

【図１０】従来の燃料電池の一構成例を示す正面図。

【図１１】従来の燃料電池の一構成例を示す側面図。

【符号の説明】

１（１ａ，１ｂ）…スタック ２（２ａ，２ｂ）…下部締付板 ３（３ａ，３ｂ）…上部締付板 ４（４ａ，４ｂ）…ブスバー ５…筐体 ５ａ…底板 ６…絶縁支持具 ６ａ…凸面球面支持具 ６ｂ…凹面球面支持具 ６ｃ…絶縁板 ６ｄ…取付けボルト ６ｅ…凸面球面支持具 ６ｆ…絶縁板 ６ｇ…凸面球面支持具 ７…ずれ止め ８…絶縁シート ９…セル １０…冷却板 １１…締付板 １２…シール材 １３…ガスマニホールド １４…冷却水マニホールド １５…支持碍子 １６…筐体 １７…配管接手 １８…配管 １９…凹面球面切欠部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の単位電池を積み重ねた積層電池
   スタックが筐体内に収納された燃料電池において、 前記積層電池スタックの下部には、当該積層電池スタッ
   クを下方から支持する複数の支持部材が、一端が前記筐
   体の底面に設置され他端が前記積層電池スタックの下端
   部に接して設けられ、 前記支持部材には、球面の凸部を有する凸面部材と、前
   記凸面部材の凸部に対応する凹面を有する凹面部材とが
   互いの凹凸部で接触して設けられ、前記凸面部材及び凹
   面部材のうちいずれか一方が前記筐体の底面に設置さ
   れ、他方が前記積層電池スタックの下端部に接してお
   り、 前記積層電池スタックの重量により前記筐体の底面が変
   形した場合に、前記凹面部材及び前記凸面部材がその接
   触部分でスライドするように配置されていることを特徴
   とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記凸面部材は、略半球形状であり、そ
   の平面部分が前記積層電池スタックの下面に接してお
   り、前記凹面部材は、前記筐体の底面に設置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記支持部材は、当該支持部材を前記積
   層電池スタックの下部における所定の位置に配置するた
   めの締結部材によって、前記積層電池スタックの下部に
   締結されていることを特徴とする請求項１または２記載
   の燃料電池。
4. 【請求項４】 複数個の単位電池を積み重ねた積層電池
   スタックが筐体内に収納された燃料電池において、 前記積層電池スタックの下部には、当該積層電池スタッ
   クを下方から支持する複数の支持部材が、一端が前記筐
   体の底面に設置され他端が前記積層電池スタックの下端
   部に接して設けられ、 前記支持部材の前記積層電池スタックとの接触部分に
   は、球面の凸部を有する凸面部材が設けられ、 前記積層電池スタックの下端部における前記支持部材と
   の接触部分には、当該支持部材に形成された凸面部材の
   凸部に対応する凹部が加工形成され、 前記積層電池スタックの重量により前記筐体の底面が変
   形した場合に、前記積層電池スタックに形成された凹部
   と前記支持部材の凸面部材とがその接触部分でスライド
   することを特徴とする燃料電池。
5. 【請求項５】 複数個の単位電池を積み重ねた積層電池
   スタックが筐体内に収納された燃料電池において、 前記積層電池スタックの下部には、当該積層電池スタッ
   クを下方から支持する複数の支持部材が、一端が前記筐
   体の底面に設置され他端が前記積層電池スタックの下端
   部に接して設けられ、 前記積層電池スタックの下端部における前記支持部材と
   の接触部分には、球面の凸部を有する凸面部材が設けら
   れ、 前記支持部材の前記積層電池スタックとの接触部分に
   は、前記積層電池スタックに形成された凸面部材の凸部
   に対応する凹部が加工形成され、 前記積層電池スタックの重量により前記筐体の底面が変
   形した場合に、前記積層電池スタックの凸面部材と前記
   支持部材の凹部とがその接触部分でスライドすることを
   特徴とする燃料電池。