(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池が積層されてなる燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体の上面に位置し角部に少なくとも２個の耳部を有する上部集電板と、前記燃料電池積層体の下面に位置し角部に少なくとも２個の耳部を有する下部集電板と、前記上部集電板の前記耳部と前記下部集電板の対応する耳部とを前記燃料電池積層体の積層方向の締結する少なくとも２個の締結手段とを有する燃料電池積層フレームと、
前記下部集電板の下方に位置する下部梁を有し前記燃料電池積層フレームを支持する支持フレームと、
前記下部集電板を前記下部梁に絶縁固定する下部固定部と、を備え、
前記下部固定部は、前記下部集電板の各々の前記耳部のほぼ直下に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
各々の前記締結手段はタイロッドを有し、前記下部固定部は前記タイロッドを介して前記下部集電板を前記下部梁に絶縁固定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
各々の前記タイロッドは、前記下部集電板の耳部の近傍で長手方向に分離可能に断続して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記下部集電板の耳部には貫通孔が形成されており、前記貫通孔に絶縁スリーブが配設されており、前記タイロッドは前記絶縁スリーブを貫通し前記下部集電板の前記耳部の上側および下側で締結されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池積層体、および燃料電池積層体の、支持フレームへの設置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、一般に燃料極と酸素極の電極に挟まれる形で個体もしくは液体の電解質を含み、一般に気体の燃料が燃料極と電解質の中間層の取り入れられ、同様に、一般に気体の酸化剤が酸素極と電解質の中間層に取り入れられ、電解質において電気を生じる電気化学的装置である。
【０００３】
一般的に、燃料電池を用いて多くの電気を発電するためには、これらの燃料極、酸素極、電解質および燃料、酸化剤の流路部品等からなる単位電池を多数積層する方法がとられる。ここで、運転中および輸送中に燃料や酸化剤および電解質が単位電池から流出したり別の単位電池に移動することがないように、単位電池を積層した燃料電池積層体を形成する場合には、積層体が構造的に安定で、かつ密閉されていることが重要となる。
【０００４】
そこで燃料電池積層体は、安定性と密閉性を保持するため、一般に積層体の外枠となる構造部品をタイロッドで締め付け、単位電池構成部品が一定の圧縮荷重で締め付けられた状態に組み立てられる。
【０００５】
さらに、燃料電池積層体および外枠となる構造部品とタイロッドを含む燃料電池積層体フレームは、地震等の災害時や輸送の際に生じる外力から電池積層体を保護するために、剛体の支持フレームの上へ設置される。
【０００６】
また、燃料電池による感電および地絡事故を防止するため、一般に剛体の支持フレームは、燃料電池積層体から電気的に絶縁されている必要がある。
【０００７】
典型的な燃料電池積層体据え付け方法は、図４で示される。
【０００８】
上部集電板８と下部集電板１０は燃料電池積層体４の上下端に有り、電極１２の積層方向に垂直に位置し、燃料電池積層体４は、上部集電板８と下部集電板１０を含んでいる燃料電池積層体フレーム６の中に位置している。
【０００９】
燃料電池積層体４への圧縮力は、上部集電板８の耳部１６から下部集電板１０の対応する耳部１８に通した、実質的には電極１２の積層方向に垂直である４本のタイロッド１４によって負荷される。
【００１０】
上下にネジ部のあるタイロッド１４は、上下集電板の耳部１６，１８に形成された開口部に通され、上下からナット２０にて所定の位置に固定される。
【００１１】
絶縁座金２２は、ナット２０と上下集電板の表面２４の間に設置され、絶縁スリーブ２６は、タイロッド１４と上下集電板８，１０とが接触する範囲でタイロッド１４と上下集電板８，１０の間に設置される。
【００１２】
さらに、燃料電池積層体フレーム６は、剛体の燃料電池積層体支持フレーム２７の上へ設置される。
【００１３】
支持フレーム２７は、上部梁２８と下部梁３０および、２つ以上の側面か角部に設置される支柱３２，３４を有する剛体で、箱状の構造物である。
【００１４】
燃料電池フレーム６の上部集電板８は剛体支持フレーム２７の上部梁２８に絶縁固定部３６を介して水平方向に拘束される。
【００１５】
そして、燃料電池フレーム６の下部集電板１０は、４つのセラミック製絶縁部品３８によって剛体の支持フレーム２７の下部梁３０に固定されている。縁部品３８は、耳部１８の位置に比べて燃料電池積層体４の中心線１１からかなり近い位置に設けられていた。
【００１６】
これらの構成は、燃料電池積層体を支持・固定し、電気的に絶縁な構造を提供し、燃料電池積層体の安全な輸送と地震等の災害の場合の燃料電池積層体の保護を実現する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料電池積層体を設置する上で、セラミック等の絶縁材料を使用する際には、以下のような問題点がある。
【００１８】
上述の構成の燃料電池積層体４の輸送の際にしばしば発生する現象であるが、燃料電池積層体４に外力が加わると絶縁部品３８には、大きな応力が作用する。従来、縁部部品３８は、耳部１８の位置に比べて燃料電池積層体４の中心線１１からかなり近い位置に設けられており、絶縁部品３８と他の絶縁部品３８との間隔が耳部１８と耳部１８との間隔に比べてかなり小さい。また、一般にセラミック等の絶縁材料の曲げ強さは非常に弱い。
【００１９】
このため、積層体４に水平方向の力が負荷されたり支持フレーム２７が外力によって変形させられた場合、絶縁部品３８に大きなモーメントがかかり破損してしまい、絶縁部品３８を交換する必要が生じる。
【００２０】
そこで本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、経済的で耐久性と安全性に優れ軽量化も実現でき、燃料電池積層体フレームと支持フレームの間では絶縁・据え付け構造を有する燃料電池を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、複数の単位電池が積層されてなる燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の上面に位置し角部に少なくとも２個の耳部を有する上部集電板と、前記燃料電池積層体の下面に位置し角部に少なくとも２個の耳部を有する下部集電板と、前記上部集電板の前記耳部と前記下部集電板の対応する耳部とを前記燃料電池積層体の積層方向の締結する少なくとも２個の締結手段とを有する燃料電池積層フレームと、前記下部集電板の下方に位置する下部梁を有し前記燃料電池積層フレームを支持する支持フレームと、前記下部集電板を前記下部梁に絶縁固定する下部固定部と、を備え、前記下部固定部は、前記下部集電板の各々の前記耳部の直下に設けられる。
【００２２】
また、各々の前記締結手段はタイロッドを有し、前記下部固定部は前記タイロッドを介して前記下部集電板を前記下部梁に絶縁固定する。
【００２３】
各々の前記タイロッドは、その上端から下端に至るまで単一のロッドで形成されている。
【００２４】
また、各々の前記タイロッドは、前記下部集電板の耳部の近傍で長手方向に分離可能に断続して形成されている。
【００２５】
また、前記下部固定部は、前記タイロッドの下部を前記下部梁面上に固着された据え付け部材に取り付け前記下部集電板を前記下部梁に絶縁固定する。
【００２６】
前記下部集電板の耳部には貫通孔が形成されており、前記貫通孔に絶縁スリーブが配設されており、前記タイロッドは前記絶縁スリーブを貫通し前記下部集電板の前記耳部の上側および下側で締結されている。
【００２７】
上述の発明において、下部固定部は、下部集電板の各々の耳部のほぼ直下に設けられているので、下部固定部を燃料電池積層体の中心軸から離れて配置し下部固定部と他の下部固定部との間隔を大きくすることができ、この結果、燃料電池積層体に水平方向の力が負荷されたり支持フレームが外力によって変形させられた場合でも、下部固定部に大きなモーメントがかからないようにし破損しないようにすることができる。
【００２８】
また、各々の締結手段はタイロッドを有し、下部固定部はこのタイロッドを介して下部集電板を下部梁に絶縁固定するようにしているので、下部固定部を経済的で耐久性と安全性に優れ軽量化可能に構成することができ、この結果、経済的で耐久性と安全性に優れ軽量化も実現できる燃料電池を提供できる。
【００２９】
このように、燃料電池積層体から絶縁されたタイロッドの下端部を支持フレームに直接固定する構造にすることによって、強い圧縮荷重を受ける最下部の従来の据え付け絶縁部品の使用を廃止でき、機械的強度の低い絶縁部品の割れを防止できる。また、燃料電池積層体の据え付け位置を燃料電池積層体の底部の直下ではなく、下部集電板の耳部の下へ移動することによって、据え付け時の耐久性、安全性が向上し、構造の簡潔な絶縁・据え付け構造を提供することができる。
【００３０】
【発明の実施の態様】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
図１は、燃料電池積層体と支持フレームによる据え付けに関する本発明の第１の実施形態を示す概略図であり、図２は図１の燃料電池積層体据え付け部の断面図である。
【００３２】
燃料電池積層体４は燃料極と酸素極からなる複数の単位電池を含み、燃料電池積層体４は、積層体に十分な圧縮荷重を負荷することで寸法的な安全性を維持し反応ガスの漏出を防ぐとともに燃料電池積層体の良好な発電機能を実現するように、燃料電池積層体フレーム６により固定されている。
【００３３】
燃料電池積層体フレーム６は、燃料電池積層体４の上端に位置する上部集電板８と燃料電池積層体４の下端に位置する下部集電板１０とを含んでおり、上下集電板８，１０は、燃料電池積層体４を圧縮しても変形の少ない剛体の板状構造物である。
【００３４】
上下集電板８、１０の各々には、燃料電池積層体４より外側に突き出しており、一般には板の４つの角部から突出している耳部１６と１８が形成されている。
上部集電板８の耳１６には貫通孔２１があり、その直下の下部集電板１０の耳１８にも貫通孔２３があり、この構造により、上部集電板８の貫通孔２１と下部集電板１０の貫通孔２３にタイロッド１４を垂直に通すことが可能となる。
【００３５】
タイロッド１４の上下端にはネジ部があり、タイロッド１４の上部に取り付けたナット２０で、上部集電板８に固定され、下部集電板１０の貫通孔２３においては、下部集電板１０の耳部１８の上面４２にナット４０が設置され、下部集電板１０の耳１８の下面４６にはナット４４が設置され、タイロッド１４が下部集電板１０の耳１８に固定される。下部集電板１０の貫通孔２３の内周面には、絶縁スリーブ２６が配設されている。
【００３６】
これらの２つのナット２０と４４を締め付けることで、燃料電池積層体４にかかる圧縮荷重を保持することができる。
【００３７】
また、燃料電池積層体４からタイロッド１４を電気的に絶縁するために、ナット２０と上部集電板８の間には絶縁座金２２が設置され、下部集電板１０の上面と下部集電板１０の上面４２にあるナット４０との間、および下部集電板１０の下面と下部集電板１０の下面４６にあるナット４４との間には絶縁座金４５が絶縁スリーブ２６を囲うように設置されている。
【００３８】
これにより、燃料電池積層体４はタイロッド１４から電気的に絶縁されることになり、この結果、燃料電池積層体４は、タイロッド１４を介して燃料電池積層体を据え付けている剛体の支持フレーム２７からも電気的に絶縁される。
【００３９】
絶縁座金４５は、一般的にはセラミックかマイカかガラス繊維接着マイカで作られるが、その他の絶縁材料も使用することができる。
【００４０】
タイロッド１４は、上下集電板８，１０の４つの耳１６、１６、１８、１８に固定され、これらを締め付けることによって、燃料電池積層体４に所定の圧縮荷重を負荷することができる。
【００４１】
また、各タイロッドのナット２０あるいはナット４４を同時に締め付けることによって、上下集電板８，１０を平行に維持した状態で燃料電池積層体４に均一な圧縮荷重を負荷することができる。
【００４２】
また、所定の荷重で締め付けた後、タイロッド１４は、下部集電板１０の上面４２に設置されたナット４０を締め付けることで所定の位置に固定される。
【００４３】
燃料電池積層体フレーム６は、更に、剛体の支持フレーム２７に据え付けられ、剛体の支持フレーム２７により、燃料電池の設置場所への輸送中、および地震等の災害時に加わる外力から、燃料電池積層体４は保護される。
【００４４】
剛体の支持フレーム２７は、燃料電池積層体フレーム６の上方と下方に位置する上部梁２８と下部梁３０、および、燃料電池積層体フレーム６の対角にある２本以上の側面支柱３２と３４からなり、上部梁２８，３０と側面支柱３２，３４とは互いに固定されているか、もしくは、着脱可能な機構により接続されている。
【００４５】
上部梁２８には、燃料電池積層体４の上面に向かい合う平面２９があり、燃料電池積層体フレーム６の上部集電板８と剛体の支持フレーム２７の上部梁２８の平面２９を接続し、かつ上部集電板８と剛体の支持フレーム２７を電気的に絶縁する機能を有する接続部３６が設置されている。
【００４６】
また同様に、剛体の支持フレーム２７の下部梁３０には、燃料電池積層体フレーム６の下部集電板１０に向かい合う平行な平面４８があり、燃料電池積層体フレーム６を固定する据付部５０が一般的には４箇所設置されている。
【００４７】
下部集電板１０を下部梁３０に絶縁固定する下部固定部としては、タイロッド１４の下方部分が用いられる。このタイロッド１４の下方部分は耳部１８から電気的に絶縁されるように、絶縁座金４５を経て下部梁３０に固着された燃料電池フレーム据付部５０にナット４４，５６によって取り付けられる。
【００４８】
据付部５０には、タイロッド１４を通す貫通孔５２がありナット５６と座金５８でタイロッド１４と固定される。
【００４９】
上述の、フレーム、集電板、梁、タイロッド、ナットの材料としては、全て構造用鋼材か、もしくは他の剛性の高い材料を使用することができる。
【００５０】
本実施の形態によれば、最も強い圧縮荷重を受ける最下部の据付け位置を燃料電池積層体４の底部の直下ではなく、下部集電板１０の耳部１８のほぼ直下に設定することにより、燃料電池積層体をより安定に据え付けることができ、タイロッド１４の端部を支持フレーム２７に直接据え付けるため、剛性の低い絶縁材料を使う必要がなく絶縁部の割れが防止できる。
【００５１】
また、下部集電板１０を下部梁３０に絶縁固定するための下部固定部として、据付部５０やタイロッド１４の下方部分等を用いたので、耳部のほぼ直下に下部固定部を設けることが可能になる。この結果、据付部５０等と中心線１１との間隔を大きく設定でき、従って据付部５０等と隣りの据付部５０等との間隔を大きく設定でき、燃料電池積層体に水平方向の力が負荷されたり支持フレームが外力によって変形させられた場合でも、据付部５０やタイロッド１４の下方部分等に大きなモーメントがかからないようにして破損しないようにすることができる。
また、より安定した固定方法であるため、移動中においても燃料電池積層体の据付部にはより小さい荷重しか負荷されないため、剛体の支持フレーム２７は、従来の技術より軽量化、薄型化が可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す概略図であり、燃料電池積層体と支持フレームによる据え付けの燃料電池積層体据え付け部の断面図である。
【００５４】
本実施の形態では、第１の実施の形態では一体であったタイロッド１４を上部のタイロッド１４ａと、短い下部タイロッド１４ｂに２分割しており、上部のタイロッド１４ａと短い下部タイロッド１４ｂは、ナット４０で接続されている。
【００５５】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に最も強い圧縮荷重を受ける最下部の据付け位置を燃料電池積層体の直下から下部集電板１０の耳１８の下にすることにより、燃料電池積層体をより安定に据え付けることができ、タイロッドの端部を支持フレーム２７に直接据え付けるため、剛性の低い絶縁材料を使う必要がなく絶縁部の割れを防止でき、より安定した固定方法であるため、移動中においても燃料電池積層体の据付部にはより小さい荷重しか負荷されないため、剛体の支持フレーム２７は、従来の技術より軽量化、薄型化が可能となり、さらに、燃料電池積層体４に圧縮荷重を負荷していない状態、あるいは端に電池を積層していない状態で上部のタイロッド１４ａを取り外した状態でも下部集電板１０を下部梁３０の設置部５０へ設置することが可能となり、燃料電池積層体４の組み立ておよび保守を容易に実施できる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、下部固定部は、下部集電板の各々の耳部のほぼ直下に設けられているので、下部固定部を燃料電池積層体の中心軸から離れて配置し下部固定部と他の下部固定部との間隔を大きくすることができ、この結果、燃料電池積層体に水平方向の力が負荷されたり支持フレームが外力によって変形させられた場合でも、下部固定部に大きなモーメントがかからないようにし破損しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池積層体と支持フレームによる据え付けの実施の形態の一例を示す概略図。
【図２】本発明における支持フレームの下部梁と燃料電池積層体フレームとの接続関係を示す断面図。
【図３】本発明におけるタイロッドを分割した場合の支持フレームの下部梁と燃料電池積層体フレームとの接続関係を示す断面図。
【図４】従来技術の燃料電池積層体フレームと支持フレームの関係を示す概略図。
【符号の説明】
４  燃料電池積層体
６  燃料電池積層体フレーム
８  上部集電板
１０  下部集電板
１１  中心線
１２  電極
１４  タイロッド
１４ａ  上部タイロッド
１４ｂ下部タイロッド
１６  上部集電板耳部
１８  下部集電板耳部
２０  ナット
２１  上部集電板貫通孔
２２  絶縁座金
２３  下部集電板貫通孔
２４  上部集電板表面
２６  絶縁スリーブ
２７  支持フレーム
２８  上部梁
２９  上部梁下面
３０  下部梁
３２  側面支柱
３４  側面支柱
３６  絶縁固定部
３８  絶縁部品
４０  ナット
４２  下部集電板耳部上面
４４  ナット
４５  絶縁座金
４６  下部集電板耳部下面
５０  燃料電池フレーム据付部
５２  据付部
５６  ナット
５８  座金
【図１】
0003547918.tif 000002
【図２】
0003547918.tif 000003
【図３】
0003547918.tif 000004
【図４】
0003547918.tif 000005