(57)【要約】【課題】単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことを回避することを課題とする。【解決手段】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータ１３で挟持した単セル１２と、前記単セル１２を複数個積層し集電板２１ａ，２１ｂを介して挟持するフランジ２３ａ，２３ｂと、前記単セル１２を複数個積層した単セル集合体１１ａ〜１１ｄ間に配置された導電性を有する分離板１５ａ〜１５ｃと、前記単セル集合体１１ａ〜１１ｄ、分離板１５ａ〜１５ｃ、集電板２１ａ〜２１ｂ、エンドフランジ２３ａ，２３ｂを締結する締結用ボルト２４及びナット２５とを具備することを特徴とする燃料電池スタック。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータで挟持した単セルと、前記単セルを複数個積層し集電板を介して挟持するフランジと、前記単セルを複数個積層した単セル集合体間に配置された導電性を有する分離板と、前記単セル集合体、分離板、集電板及びフランジを締結する締結用ボルト及びナットとを具備することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記フランジ、分離板及び集電体に、夫々冷却水通過用の貫通穴、燃料ガス通過用の貫通穴、酸化剤ガス通過用の貫通穴が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて任意の単セルを交換する必要が生じたときに、交換すべき単セルを外し、新たな単セルを組み込む燃料電池スタックの組立方法であり、
前記締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、
仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、新たな単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程と
を具備することを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
【請求項４】
交換すべき単セルを含む単セル集合体そのものを、新たな単セルを含む単セル集合体と交換することを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタックの組立方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用や小型船舶用等に利用可能な燃料電池スタック及びその組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる固体高分子形燃料電池（以下、電池セルと呼ぶ）をセパレータで挟持した単セルが知られている。この単セルは通常多数積層して積層体とし、この積層体を集電板等を介してフランジで挟持して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
図５は、従来の燃料電池スタックの一例を示す。
図中の符番１はセル集合体を示す。このセル集合体１は、例えば８０枚の単セル２を積層して構成されている。ここで、単セル２は、図示しないが、固体高分子電解質膜と、この膜の両側に夫々配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、これら電池セルを挟持するセパレータから構成されている。前記セル集合体１の前面側には集電体３ａ，絶縁板４ａを介して前面エンドフランジ５ａが配置され、セル集合体１の背面側には集電体３ｂ，絶縁板４ｂを介して背面エンドフランジ５ｂが配置されている。前記セル集合体１、集電体３ａ，３ｂ、絶縁板４ａ，４ｂ、両フランジ５ａ，５ｂは、複数のボルト６及びナット７により固定されている。
【０００４】
なお、従来、燃料電池スタックとしては、例えば特開２００１−１１８５９２、特開２００１−３３２２７７が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１１８５９２号（第４−５頁、図３〜図５）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−３３２２７７号（第２−５頁、図１〜図６）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５の燃料電池スタックにおいて、例えば矢印Ｘで示す単セル２に不具合が生じた場合、単セル２の交換作業を行っている。しかし、従来の交換作業は、ボルト６及びナット７を外して全ての単セル２を一旦バラバラにして行うため、交換作業に長時間を費やしたり、あるいは不具合でない他の正常な単セルに悪影響を及ぼす恐れがあった。
【０００８】
なお、従来、燃料電池スタックとしては、例えば特開２００１−１１８５９２、特開２００１−３３２２７７が知られている。
【０００９】
本願第１の発明はこうした事情を考慮してなされたもので、単セルを複数個積層した単セル集合体間に導電性を有する分離板を配置した構成にすることにより、交換作業の際、従来のように全ての単セルをバラバラにする必要がなく、交換すべき単セルを含むセル集合体のみをチェックすればよく、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
本願第２の発明は、締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、新たな単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程を具備することにより、第１の発明と同様、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタックの組立方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持してなる電池セルをセパレータで挟持した単セルと、前記単セルを複数個積層し集電板を介して挟持するフランジと、前記単セルを複数個積層した単セル集合体間に配置された導電性を有する分離板と、前記単セル集合体、分離板、集電板及びフランジを締結する締結用ボルト及びナットとを具備することを特徴とする燃料電池スタックである。
【００１２】
本願第２の発明は、前記燃料電池スタックにおいて任意の単セルを交換する必要が生じたときに、交換すべき単セルを外し、新たな単セルを組み込む燃料電池スタックの組立方法であり、前記締結用ボルト及びナットを外した後、分離用ナット及び分離用ボルトを用いて、交換すべき単セルを含む単セル集合体以外のセル集合体、分離板、集電体及びフランジをゆるみなく仮組みする工程と、仮組みに使用したナット及び分離用ボルトを外しながら、正常な単セルを含む単セル集合体を、仮組みしたセル集合体、分離板、集電体及びフランジとともに締結用ボルト及びナットを用いて一体化させ、燃料電池スタックを組み立てる工程とを具備することを特徴とする燃料電池スタックの組立方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池スタック及びその組立方法について更に詳しく説明する。
本発明において、前記分離板の材質は金属（例えばＳＵＳ、チタン）製であるが、これに限定されず、導電性を有すればよい。また、分離板の枚数は単セルの積層数に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。更に、分離板に形成する締結用ボルトを装着するための貫通穴の大きさ、ピッチは単セルの積層数、大きさに応じて適宜設定すればよい。
【００１４】
本発明において、「ゆるみなく仮組みする」とは、積層した単セル同士等で位置ずれ等することなく、通常の燃料電池スタックの場合と同様に、適宜な圧力下で分離用ボルト及び分離用ナットによりセル集合体、分離板、集電体及びフランジを固定することを意味する。
【００１５】
本発明において、単セル集合体は複数の単セルを積層して構成されるが、単セル集合体における単セルの数は任意に設定することができる。また、単セル集合体を構成する単セルに不具合が発生した場合は、その単セルのみを交換するのではなく、カートリッジ方式で単セル集合体そのものを交換した方が作業性、他の正常な単セルへの影響の点で好ましい。
【００１６】
本発明において、「任意の単セルを交換する必要が生じたとき」とは、一般に単セルそのものに特性等の点で不具合が生じた場合を示すが、これに限らず寿命が迫ったような場合等も含む。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックについて図１、図２、図３を参照して説明する。ここで、図１は本実施例に係る燃料電池スタックの説明図、図２は単セル集合体を分離用ボルトと分離用ナットで締結する際の要部の説明図、図３は分離板の平面図を示す。但し、下記実施例に述べられる各構成部材の材料等は一例を示すもので、本発明はこれらに限らない。
【００１８】
図１中の付番１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、夫々単セル集合体を示す。これらの単セル集合体１１ａ〜１１ｄは、例えば２０枚の単セル１２が積層して構成されている。また、各単セル集合体１１ａ〜１１ｄは、夫々図２に示すように両側のエンドセパレータ１４により挟まれている。前記単セル１２は、図示しないが、固体高分子電解質膜と、この膜の両側に夫々配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、これら電池セルを挟持し、燃料ガス用通路、酸化剤ガス用通路が形成されたセパレータから構成されている。
【００１９】
各単セル集合体１１ａ〜１１ｄ間には、図１に示すように金属製（例えばＳＵＳやチタン等）の分離板１５ａ，１５ｂ，１５ｃが夫々配置されている。ここで、各分離板１５ａ，１５ｂ，１５ｃには、図４に示すように、ボルト用の貫通穴１６、冷却水供給用の貫通穴１７ａ、冷却水排出用の貫通穴１７ｂ、燃料ガス供給用の貫通穴１８ａ、燃料ガス排出用の貫通穴１８ｂ、酸化剤ガス供給用の貫通穴１９ａ、酸化剤ガス排出用の貫通穴１９ｂ、更には図示しないが位置決め用の複数個の貫通穴が夫々設けられている。
【００２０】
前記各単セル集合体の前面側には、図１に示すように集電体２１ａ，絶縁板２２ａを介して前面エンドフランジ２３ａが配置されている。また、各単セル集合体の背面側には、集電体２１ｂ，絶縁板２２ｂを介して背面エンドフランジ２３ｂが配置されている。前記単セル集合体１１ａ〜１１ｄ、分離板１５ａ〜１５ｃ、集電体２１ａ，２１ｂ、絶縁板２２ａ，２２ｂ、両フランジ２３ａ，２３ｂは、複数の締結用ボルト２４及びナット２５により固定されている。
【００２１】
次に、図１の燃料電池スタックの組立方法について図２及び図４を参照して説明する。ここでは、図４に示すように、例えば矢印Ｘ部分の単セルに不具合が発生したと仮定する。
【００２２】
１）まず、図４の（Ａ）に示すように特定の締結用ボルト２４１及びナット２５１を単セル集合体１１ａ〜１１ｄ等から外した。次に、図２及び図４の（Ｂ）に示すように、分離用（例えばセパレータ１４の厚み以下）のナット２６を分離板１５ｃと単セル集合体１１ｂ間の貫通穴部分に差し込んだ。つづいて、図４の（Ｂ）に示すように、分離用ボルト２７を不具合のない単セル集合体１１ａ、分離板１５ｃ、背面エンドフランジ２３ｂ等の貫通穴を通し、ナット２６でゆるみなく仮組みした。同様にして、他の貫通穴にも分離用ボルト２７を通し、ナット２６でゆるみなく仮組みした。
【００２３】
２）同様に、不具合のない別な単セル集合体１１ｃ，１１ｄも、図４の（Ｃ）に示すように、分離板１５ａ，１５ｂ及び前面エンドフランジ２３ａ等の貫通穴に分離用ボルト２７を通し、ナット２６でゆるみなく仮組みした。
【００２４】
３）次に、正常な単セルを積層した単セル集合体を上記１）、２）とは逆の操作で不具合のある単セルを有した単セル集合体１１ｂの代わりに組み込み、最後に締結用ボルト２４及びナット２５を用いて燃料電池スタックを組み立てた。
【００２５】
具体的には、まず、図４の（Ｃ）の分離板１５ｂ上に、正常な単セルを積層した単セル集合体Ｄを位置合わせて積層した。次に、図４の（Ｂ），（Ｃ）の仮組みで使用したナット２６を外し、分離用ボルト２７を緩めた。つづいて、分離用ボルト２７を外した後、締結用ボルト２４及びナット２５で単セル集合体１１ａ，１１ｃ，１１ｄ、新たな単セル集合体Ｄ、分離板１５ａ〜１５ｃ、前面エンドフランジ２３ａ、背面エンドフランジ２３ｂ等を締結し、燃料電池スタックを組み立てた。
【００２６】
上記実施例に係る燃料電池スタックは、図１に示すように、複数の単セル１２を積層した単セル集合体１１ａ〜１１ｄと、これら単セル集合体１１ａ〜１１ｄ間に配置された分離板１５ａ〜１５ｃと、これら単セル集合体１１ａ〜１１ｄ及び分離板１５ａ〜１５ｃを集電板２１ａ，２１ｂ及び絶縁板２２ａ，２２ｂを介して挟持する前面エンドフランジ２３ａ，背面エンドフランジ２３ｂと、前記単セル集合体１１ａ〜１１ｄ、分離板１５ａ〜１５ｃ、集電板２１ａ，２１ｂ，絶縁板２２ａ，２２ｂ、及び前面エンドフランジ２３ａ，背面エンドフランジ２３ｂ及びフランジを締結する締結用ボルト２４及びナット２５とを具備した構成となっている。
【００２７】
こうした構成の燃料電池スタックにおいて、任意の単セル集合体を構成する一部の単セルに不具合が発生した場合は、従来のように単セルをバラバラにすることなく、図４に示すように、不具合のない単セルの積層体である単セル集合体１１ａ，及び単セル集合体１１ｃ，１１ｄをまず別別にしっかりと固定した後、それらの単セル集合体間に正常な単セルを有した単セル集合体Ｄを配置して再度組み込んで締結用ボルト２４及びナット２５で締結する、いわゆるカートリッジ方式で組み立てる。従って、組立時間を従来と比べて著しく減少することができる。事実、従来、燃料電池スタックの分解、組立に丸二日かかっていたが、本発明によれば３〜４時間に短縮することができた。また、分解、組立の際、単セルを積層した単セル集合体のまま作業するので、他の正常な単セルに悪影響を及ぼすことを殆ど回避することができる。
【００２８】
なお、上記実施例では、単セルに不具合が生じた場合にその単セルを含む単セル集合体そのものを交換する場合について述べたが、これに限らず、不具合が生じた単セルのみを正常な単セルに交換してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、単セルを複数個積層した単セル集合体間に導電性を有する分離板を配置した構成にすることにより、交換作業の際、従来のように全ての単セルをバラバラにする必要がなく、不具合な単セルを含むセル集合体のみをチェックすればよく、単セルの交換作業時間を従来と比べ著しく短縮できるとともに、他の単セルに悪影響を及ぼすことをほとんど回避しえる燃料電池スタック及びその組立方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの説明図。
【図２】単セル集合体を分離用ボルトとナットと締結する際の要部の説明図。
【図３】図１の燃料電池スタックの一構成である分離板の平面図。
【図４】図１の燃料電池スタックにおいて単セルに不具合が生じた場合の組立方法の説明図。
【図５】従来の燃料電池スタックの説明図。
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｄ…単セル集合体、
１２…単セル、
１４…エンドセパレータ、
１５ａ〜１５ｃ…分離板、
１６，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ…貫通穴、
２１ａ，２１ｂ…集電板、
２２ａ，２２ｂ…絶縁板、
２３ａ…前面エンドフランジ、
２３ｂ…背面エンドフランジ、
２４，２４１…締結用ボルト、
２５，２５１，２６…ナット、
２７…分離用ボルト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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