JP2007227059A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セルの積層方向の締結力が各セルに均等にはたらく燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池（１００）は、複数のセルを含む積層部品が積層されたスタック（１０）と、スタックの側面に設けられ積層部品の積層方向に伸びる外側部材（２０）とを備え、外側部材のスタック側には、積層方向における積層部品と外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段（２２）が設けられていることを特徴とする。各積層部品は、摩擦力低減手段によって同じ自由度を持って移動することができる。この場合、スタックの締結力が各積層部品に均等に分散する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のセルを積層させた燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

一般に、燃料電池は、複数のセルが積層され、積層方向に所定の荷重をかけて締結されたスタック構造を有している。このようなスタックにおいては、セルの積層方向と垂直の方向に力が加わった場合にセルの位置ずれが生じる可能性がある。そこで、外部拘束部材をスタックの側面に接触させることによってセルの位置ずれを防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−５６８１４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、スタックの側面においてスタックと外部拘束部材との間に摩擦力が生じる。この場合、セルは、積層方向にスムーズに移動することができない。その結果、スタックの積層方向の締結力が各セルに均等にはたらかないおそれがある。

本発明は、セルの積層方向の締結力が各セルに均等にはたらく燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、複数のセルを含む積層部品が積層されたスタックと、スタックの側面に設けられ積層部品の積層方向に伸びる外側部材とを備え、外側部材のスタック側には積層方向における積層部品と外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、各積層部品の積層方向に外力、熱膨張力等がはたらく場合、各積層部品が積層方向に移動しようとする。この場合、摩擦力低減手段によって各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減されることになる。その結果、各積層部品は、同じ自由度を持って移動することができる。この場合、スタックの締結力が各積層部品に均等に分散することになる。したがって、各セルにおける面圧のばらつきを抑制することができる。その結果、セルにおける水素リークを防止することができるとともに、セルにおける接触抵抗の低減化を図ることができる。

摩擦力低減手段は、積層方向に回転可能な複数の回転部材を含んでいてもよい。この場合、各積層部品が積層方向に移動しようとした場合に回転部材が回転する。それによって、各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減される。また、積層部品は回転部材に対向する凹部を備え、回転部材は凹部に対向しつつ回転可能であってもよい。この場合、凹部によって積層部品の位置決めがなされる。

摩擦力低減手段は、回転部材をセルの積層方向と略垂直方向に伸縮可能に保持する保持手段をさらに備えていてもよい。また、保持手段は、弾性部材によって回転部材を保持してもよい。この場合、積層方向と略垂直方向の外力を保持手段によって吸収することができる。

摩擦力低減手段は、複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備えていてもよい。この場合、各積層部品が積層方向に移動しようとした場合に、ベルトの駆動によって各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減される。また、積層部品にはスプリングボックスが含まれていてもよい。この場合、積層方向の外力、セルの熱膨張力等をスプリングボックスによって吸収することができる。また、スプリングボックスの伸縮に伴う各積層部品の移動の際の摩擦力が摩擦力低減手段によって低減される。さらに、外側部材は、積層部品の積層方向の両端に固定されていてもよい。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、積層部品を所定の領域に案内するための複数の外側部材が所定の間隔を空けて配置された第１基材を準備する準備工程と、外側部材に案内させつつ積層部品を第１基材上に順に積層する第１積層工程とを含み、外側部材の積層部品側の面には積層部品の積層方向における積層部品と外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池の製造方法においては、外側部材によって各積層部品の位置決めがなされるとともに、摩擦力低減手段によって外側部材と各積層部品との間における摩擦力が低減される。それにより、スタックの締結の際に締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、摩擦力の低減によって各積層部品の損傷を防止することができる。それにより、製造コストの低減化を図ることができる。さらに、外側部材を燃料電池の構成部品として用いることができる。したがって、外側部材を着脱する工程を省略することができる。

摩擦力低減手段は積層方向に回転可能な回転部材を複数含み、第１積層工程は回転部材を回転させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、各積層部品を積層する際に回転部材が回転する。それによって、各積層部品の積層の際の摩擦力が低減される。

積層部品は回転部材に対向する凹部を備え、第１積層工程は凹部を回転部材に対向させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、凹部によって積層部品の位置決めをすることができる。

摩擦力低減手段は複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備え、第１積層工程はベルトを駆動させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、各積層部品を積層する際に、ベルトが駆動する。それによって、各積層部品の積層の際の摩擦力が低減される。

積層部品を積層した後に第２基材を積層部品上に積層する第２積層工程と、第２基材に対して第１基材側に所定の圧力を加えつつ第２基材を外側部材に締結する締結工程とをさらに含んでいてもよい。また、外側部材は積層方向に分割可能であり、締結工程の後に積層部品よりも上側の外側部材を分離する分離工程をさらに含んでいてもよい。この場合、積層工程から締結工程までの工程にわたって積層部品の位置がずれることを防止することができる。また、スタックの締結後には不要な外側部材を簡単な作業によって取り外すことができる。

本発明によれば、スタックの締結力を各セルに均等に分散させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池１００は、スタック１０および複数の外側部材２０を備える。スタック１０は、エンドプレート１ａ上に、インシュレータ２ａ、ターミナル３ａ、複数のセル４、ターミナル３ｂ、インシュレータ２ｂ、スプリングボックス５およびエンドプレート１ｂが順に積層された構造を有する。

エンドプレート１ａ，１ｂは、スタック１０に含まれる他の積層部品を挟持するための部材である。インシュレータ２ａ，２ｂは、絶縁体から構成され、セル４からの発生電力の漏電を防止する。ターミナル３ａ，３ｂは、セル４からの発生電力を外部に取り出すための配線等を備える。セル４は、セパレータ、アノード、電解質、カソードおよびセパレータが順に積層された構造を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。本実施例においては、セル４の積層数は、例えば、数百程度である。

スプリングボックス５は、各積層部品の積層方向に伸縮可能な複数のスプリングを内部に備える。それにより、スプリングボックス５は、各積層部品の積層方向にかかる外力を吸収することができる。また、スプリングボックス５は、各セル４の熱膨張力等の内力を吸収することができる。エンドプレート１ａとエンドプレート１ｂとの間には、所定の圧力が加えられている。それにより、各積層部品が積層方向と垂直方向に位置ずれすることが抑制される。

外側部材２０は、エンドプレート１ａの各角部からエンドプレート１ｂの対応する各角部に伸びる部材である。各外側部材２０は、エンドプレート１ａ，１ｂの各角部を挟む両側面にボルト等によって固定されている。それにより、各積層部品の位置ずれを防止することができる。

以下、図２および図３を参照しつつ外側部材２０の詳細について説明する。図２は、外側部材２０を図１の矢印Ｘの方向に見た場合の図である。図３は、外側部材２０を図１の矢印Ｙの方向に見た場合の図である。図２および図３に示すように、外側部材２０は、基材２１、複数のベアリング２２、複数の保持部材２３およびベルト２４を含む。ベルト２４は、例えば、ニトリル系、クロロプレン系等のゴムから構成されるものである。

基材２１は、矢印Ｘの方向に見た場合に断面Ｌ字状となる形状を備える。基材２１の各面には、一対の孔２５が積層部品の積層方向に所定の間隔で形成されている。各孔２５は、スタック１０側の端部において径が小さくなっている。保持部材２３は、孔２５と平行に配置された棒状部材を２本含む。この棒状部材は、中央部に孔２５のスタック１０側における端部の径よりも小さい径を有する縮径部を備える。また、棒状部材の縮径部以外の径は、孔２５のスタック１０側における端部の径よりも大きくなっている。それにより、棒状部材の縮径部は、孔２５内において摺動可能となっている。また、保持部材２３が孔２５からスタック１０側に抜け落ちることを防止することができる。

保持部材２３は、ベアリング２２を、２本の棒状部材のスタック１０側の端部において積層部品の積層方向に回転可能に保持している。棒状部材の外周には、棒状部材の長さ方向に伸縮可能なバネ２６が設けられている。それにより、ベアリング２２は、孔２５と平行に伸縮可能であり、スタック１０に対して所定の付勢力を付勢することができる。また、ベルト２４は、複数のベアリング２２にわたって巻き回されている。

本実施例に係る燃料電池１００においては、各積層部品の積層方向に外力、熱膨張力等がはたらく場合、スプリングボックス５が伸縮可能であることから各積層部品が積層方向に移動しようとする。この場合、各積層部品の移動に伴うベルト２４の駆動とともに、ベアリング２２が回転する。それにより、各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減されることになる。その結果、各積層部品は、同じ自由度を持って移動することができる。この場合、スタック１０の締結力が各セル４に均等に分散することになる。したがって、各セル４における面圧のばらつきを抑制することができる。その結果、セル４における水素リークを防止することができるとともに、セル４における接触抵抗の低減化を図ることができる。

なお、ベルト２４は必ずしも設けられている必要はない。この場合、各ベアリング２２が回転することによって、各積層部品は同じ自由度を持って移動することができる。また、積層部品の移動に対する摩擦力低減手段は、上記のベアリング構造に限られない。摩擦力低減手段は、各積層部品の積層方向に回転可能に保持されたものであればよい。摩擦力低減手段は、例えば、滑車等でもよい。

また、摩擦力低減手段は、必ずしもスタック１０に対して付勢力を備えている必要はなく、所定の位置に固定されていてもよい。外側部材２０が設けられる位置は特に限定されない。各積層部品が積層方向と垂直方向に位置ずれしないようにスタック１０を固定する箇所に配置されていればよい。さらに、ベアリング２２の径は特に限定されない。ベアリング２２の径は、ベルト２４の材質、セル４の厚さ等を考量して変更してもよい。また、ベアリング２２の数は特に限定されない。ベアリング２２の数は、ベアリング２２の径、セル４の積層枚数等によって変更してもよい。

また、燃料電池１００が上記構造を有することによって、燃料電池１００の製造工程においても、スタック１０の締結力を各積層部品に対して均等に分散させることができる。以下、その詳細について説明する。図４は、燃料電池１００の製造方法について説明するための図である。図４（ａ）に示すように、まず、エンドプレート１ａに外側部材２０を固定するとともに、外側部材２０上に、外側部材２０と同様の構造を有する延長部材３０を固定する。延長部材３０にも、外側部材２０と同様のベアリングが設けられている。外側部材２０と延長部材３０との接続は、外側部材２０の上端および延長部材３０下端のいずれか一方に凹部が形成され、他方にその凹部と嵌合する凸部が形成されていれば実現可能である。

次に、図４（ｂ）に示すように、各積層部品をエンドプレート１ａ上に順に積層する。この場合、延長部材３０および外側部材２０を用いて案内することによって各積層部品の位置決めがなされるとともに、ベアリング２２の回転によって延長部材３０および外側部材２０と各積層部品との間における摩擦力が低減される。それにより、各積層部品の損傷を防止することができる。図４（ｃ）は、全ての積層部品が積層された状態を示す。図４（ｃ）に示すように、締結力が加えられていない状態においては、積層部品全体の積層長さは外側部材２０の長さよりも大きくなっている。

次いで、図４（ｄ）に示すように、エンドプレート１ｂに対して所定の圧力を加えて積層部品の積層長さを小さくするとともに、エンドプレート１ｂと外側部材２０とを固定する。この場合、エンドプレート１ｂから下向きに締結力が加えられることによって各積層部品がエンドプレート１ａ側に移動することになるが、ベアリング２２による摩擦低減機能によってスタック１０の締結力が各積層部品に均等にはたらくことになる。次に、図４（ｅ）に示すように、延長部材３０と外側部材２０とを分離することによって、燃料電池１００が完成する。

このように、図４に示す製造方法によれば、スタック１０の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、各積層部品の損傷を防止することができることから、製造コストの低減化を図ることができる。さらに、燃料電池１００の構成部品である外側部材２０を位置決め用冶具として用いることができる。したがって、位置決め用冶具を着脱する工程を省略することができる。

本実施例においては、ベアリング２２が摩擦力低減手段および回転部材に相当し、バネ２６が弾性部材に相当し、エンドプレート１ａが第１基材に相当し、エンドプレート１ｂが第２基材に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、各積層部品の形状である。以下、その詳細について説明する。

図５は、エンドプレート１ｂの上面側から燃料電池１００ａを見た場合の一部拡大図である。図５に示すように、各積層部品においてベアリング２２と接触する箇所に凹部６０が形成されている。ベアリング２２およびベルト２４は、この凹部６０に沿って運動する。この場合、ベアリング２２によって各積層部品の位置決めがなされる。したがって、各積層部品の積層方向と垂直方向の外力が加わっても、各積層部品の位置がずれることが防止される。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図６は、燃料電池１００ｂの斜視図である。燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、スプリングボックス５が設けられていない点である。燃料電池１００ｂにおいてはスプリングボックス５が設けられている場合に比較して各積層部品の移動量は小さくなるが、各積層部品は、大きな外力によって移動しようとする。この場合、ベアリング２２の回転によって各積層部品が元の位置に摩擦力を受けることなく戻ることができる。したがって、本実施例に係る燃料電池１００ｂにおいても、スタック１０の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、図４で示したように、製造工程においてもスタック１０の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の全体構成を示す斜視図である。 外側部材を図１の矢印Ｘの方向に見た場合の図である。 外側部材を図１の矢印Ｙの方向に見た場合の図である。 燃料電池の製造方法について説明するための図である。 エンドプレートの上面側から燃料電池を見た場合の一部拡大図である。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の全体構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ エンドプレート
４ セル
５ スプリングボックス
１０ スタック
２０ 外側部材
２１ 基材
２２ ベアリング
２３ 保持部材
２４ ベルト
２６ バネ
３０ 延長部材
１００，１００ａ，１００ｂ 燃料電池

Claims (14)

1. 複数のセルを含む積層部品が積層されたスタックと、
   前記スタックの側面に設けられ、前記積層部品の積層方向に伸びる外側部材とを備え、
   前記外側部材の前記スタック側には、前記積層方向における前記積層部品と前記外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記摩擦力低減手段は、前記積層方向に回転可能な複数の回転部材を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記積層部品は、前記回転部材に対向する凹部を備え、
   前記回転部材は、前記凹部に対向しつつ回転可能であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記摩擦力低減手段は、前記回転部材を前記セルの積層方向と略垂直方向に伸縮可能に保持する保持手段をさらに備えることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
5. 前記保持手段は、弾性部材によって前記回転部材を保持することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記摩擦力低減手段は、前記複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記積層部品には、スプリングボックスが含まれることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記外側部材は、前記積層部品の積層方向の両端に固定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 積層部品を所定の領域に案内するための複数の外側部材が所定の間隔を空けて配置された第１基材を準備する準備工程と、
   前記外側部材に案内させつつ前記積層部品を前記第１基材上に順に積層する第１積層工程とを含み、
   前記外側部材の前記積層部品側の面には、前記積層部品の積層方向における前記積層部品と前記外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とする燃料電池の製造方法。
10. 前記摩擦力低減手段は、前記積層方向に回転可能な回転部材を複数含み、
    前記第１積層工程は、前記回転部材を回転させつつ前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記積層部品は、前記回転部材に対向する凹部を備え、
    前記第１積層工程は、前記凹部を前記回転部材に対向させつつ、前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
12. 前記摩擦力低減手段は、前記複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備え、
    前記第１積層工程は、前記ベルトを駆動させつつ前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項１０または１１記載の燃料電池の製造方法。
13. 前記積層部品を積層した後に、第２基材を前記積層部品上に積層する第２積層工程と、
    前記第２基材に対して前記第１基材側に所定の圧力を加えつつ前記第２基材を前記外側部材に締結する締結工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
14. 前記外側部材は、前記積層方向に分割可能であり、
    前記締結工程の後に、前記積層部品よりも上側の外側部材を分離する分離工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池の製造方法。
    
    

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