CN110165272A - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

燃料电池堆包括：包括堆叠的单元电池的堆叠体；在单元电池堆叠的堆叠方向上夹持堆叠体的端板；紧固端板的张力板；将张力板固定至端板的固定机构，固定机构中至少之一包括：形成在端板之一的外周边缘中的凹陷部；螺栓孔，其形成在端板之一中，与凹陷部同心地形成，并且具有比凹陷部的内径小的内径；形成在张力板中的通孔；套筒，其形成为具有通孔的圆柱形状并被嵌合到张力板的通孔和凹陷部中；以及螺栓，其穿过套筒的通孔并拧入螺栓孔，张力板的通孔包括其内径在螺栓的轴向方向上朝向端板之一逐渐减小的渐缩内周表面，套筒包括其外径在轴向方向上朝向端板之一逐渐减小的渐缩外周表面，并且渐缩外周表面与渐缩内周表面表面接触。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池堆。

背景技术

已知一种燃料电池堆，其包括：堆叠体，该堆叠体包括堆叠的单元电池；以及端板，该端板从堆叠方向夹持堆叠体。在这样的燃料电池堆中，考虑到减小单元电池之间的接触电阻并确保单元电池之间的密封特性，一对端板优选地通过张力板紧固，使得可以在堆叠方向上向堆叠体施加期望的压力。张力板以如下方式固定至端板。在端板的外周边缘中形成螺栓孔。在张力板中形成通孔，以便与螺栓孔对准。在通孔和螺栓孔彼此对准的状态下，通过将螺栓从张力板穿过通孔拧入螺栓孔中来将张力板固定至端板(例如，参见日本未审查专利申请公布第2008-152942号)。

为了抑制燃料电池堆的尺寸的增加，考虑使张力板变薄。然而，在张力板变薄的情况下，张力板的耐久性可能劣化。在本文中，例如，在燃料电池堆安装在车辆上的情况下，由于驱动振动等，螺栓的座表面与张力板之间可能发生滑动，从而可能从螺栓的轴部分在张力板的通孔的内圆周上施加局部载荷。这可能会扩大通孔。当张力板的通孔扩大时，在通孔与螺栓之间可能发生异响(rattling)，并且施加到堆叠体的堆叠方向上的压力可能降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池堆，其抑制在堆叠方向上施加到堆叠体的压力的降低。

上述目的通过一种燃料电池堆实现，该燃料电池堆包括：堆叠体，其包括堆叠的单元电池；端板，其在堆叠单元电池的堆叠方向上夹持堆叠体；张力板，其紧固端板；以及固定机构，其将张力板固定至端板，其中，固定机构中的至少一个包括：凹陷部，其形成在端板中的一个端板的外周边缘中；螺栓孔，其形成在端板中的所述一个端板中，与凹陷部同心地形成，并且具有比凹陷部小的内径；通孔，其形成在张力板上；套筒，其形成为具有通孔的圆柱形状，并被嵌合到张力板的通孔和凹陷部中；以及螺栓，其穿过套筒的通孔并拧入螺栓孔，张力板的通孔包括渐缩内周表面，渐缩内周表面的内径在螺栓的轴向方向上朝向端板中的所述一个端板逐渐减小，套筒包括渐缩外周表面，渐缩外周表面的外径在轴向方向上朝向端板中的所述一个端板逐渐减小，并且渐缩外周表面与渐缩内周表面表面接触。

套筒的渐缩外周表面与张力板的通孔的渐缩内周表面表面接触，从而确保两个表面之间的接触区域并使两个表面彼此紧密接触。因此，可以抑制张力板的通孔的渐缩内周表面上的局部载荷集中，并且可以抑制张力板的通孔的扩大。因此，抑制了套筒与张力板之间发生异响，并且抑制了在堆叠方向上施加到堆叠体的压力的降低。

凹陷部可以包括圆柱形内周表面，圆柱形内周表面的内径在轴向方向上是恒定的，套筒可以包括圆柱形外周表面，圆柱形外周表面的外径从渐缩外周表面起在轴向方向上是恒定的，以及圆柱形内周表面可以与圆柱形外周表面嵌合。

可以在凹陷部的开口边缘处有形成倒角部，以避免与渐缩外周表面接触。

凹陷部在轴向方向上的深度可以大于套筒的圆柱形外周表面在轴向方向上的长度。

套筒的通孔的内径可以比穿过套筒的通孔的螺栓的轴部分的外径大预定量。

本发明的有益效果

根据本发明，可以提供一种燃料电池堆，其抑制在堆叠方向上施加到堆叠体的压力的降低。

附图说明

图1是根据本实施方式的燃料电池堆的透视图；

图2是图1的局部放大图；

图3是示出将张力板固定至端板的固定机构的周边的截面图；

图4A是图3的局部放大图，并且图4B是深插入凹陷部的套筒的放大图；以及

图5是示出根据变型的固定机构的周边的截面的视图。

具体实施方式

图1是根据本实施方式的燃料电池堆1(下文中称为堆叠1)的透视图。堆叠1包括堆叠体12、端板14a和14b、张力板24和固定机构30。堆叠体12包括堆叠的单元电池11、布置在这些单元电池11的各个端部处的端子板13a和13b，以及布置在端子板13a与端板14a之间的压板13c。图1示出了堆叠单元电池11等的堆叠方向LD。单元电池11是聚合物电解质燃料电池，其通过供应有燃料气体(例如，氢气)和氧化剂气体(例如，空气)作为反应气体来生成电力。端子板13a和13b布置成夹持单元电池11。在本实施方式中，端子板13a和13b中的每一个具有端子部，用于将生成的电力从堆叠1提取到外部并且突出到堆叠体12的外部。

端板14a和14b在堆叠方向LD上夹持堆叠体12，并且端板14a和14b通过张力板24紧固，以便在堆叠方向LD上向堆叠体12施加期望的压力。这确保了单元电池11之间的接触电阻的降低，并确保了单元电池11之间的密封特性。端板14a和14b中的每一个由例如金属制成。端板14b包括从堆叠体12沿与堆叠方向LD垂直的方向突出的部分。例如，在将堆叠1安装在车辆上的情况下，端板14b固定至构成车身的构件。端板14b设置有用于将燃料气体、氧化剂气体和冷却水供应至单元电池11的供应端口，以及用于将它们排出的排出端口。

面向堆叠体12的外周表面的张力板24在堆叠方向LD上延伸并且紧固端板14a和14b。具体地，张力板24固定至各个端板14a和14b的外周边缘14a1和14b1，使得通过端板14a和14b将堆叠方向LD上的期望压力施加到堆叠体12。张力板24由金属制成。张力板24围绕堆叠体12设置。张力板24形成为与其纵向长度和其在与纵向垂直的短方向上的宽度相比较薄。这抑制了堆叠1的尺寸的增加，具体地在与堆叠方向LD垂直的平面方向上的堆叠1的尺寸的增加。固定机构30是用于将张力板24固定至端板14a和14b的机构。稍后将描述固定机构30。

布置在端板14a与端子板13a之间的压板13c被附接至端板14a的调节螺钉14c的端部施压。具体地，通过对调节螺钉14c进入形成在端板14a中的螺纹孔中的拧入量的调节，调节螺钉14c从端板14a朝向压板13c的突出量被调节。因此，精细地调节施加到堆叠体12的堆叠方向LD上的压力。另外，在端子板13a与压板13c之间以及在端子板13b与端板14b之间设置用于确保绝缘的未示出的每个绝缘体。

接下来，将描述固定机构30。张力板24的一端通过两个固定机构30固定至端板14a，并且张力板24的另一端也通过两个固定机构30固定至端板14b。图2是图1的局部放大图。固定机构30包括螺栓40、螺栓40所穿过的套筒50、形成在张力板24中的通孔25等。如稍后将详细描述的，螺栓40被拧入形成在端板14a中的螺栓孔中，以通过螺栓40将套筒50固定至端板14a，并通过套筒50将张力板24固定至端板14a。螺栓40以螺栓40的轴向方向AD与堆叠方向LD垂直的姿势将套筒50固定至端板14a。

图3是示出将张力板24固定至端板14a的固定机构30的周边的截面图。尽管未在图2中示出，但是如图3所示，在端板14a的外周边缘14a1上形成有凹陷部15。当沿螺栓40的轴向方向AD观察时，凹陷部15具有圆形形状。具体地，凹陷部15包括圆柱形内周表面17和底表面18。在端板14a中形成有螺栓孔19。与凹陷部15同心地形成的螺栓孔19具有比凹陷部15的内径小的内径。螺栓孔19的内周表面形成有螺纹槽，以与稍后描述的螺栓40的轴部46螺纹连接。另外，固定机构30不仅包括螺栓40和套筒50，还包括形成在端板14a中的凹陷部15和螺栓孔19。

张力板24的通孔25包括渐缩内周表面25a，渐缩内周表面25a的内径在轴向方向AD上朝向端板14a逐渐减小。渐缩内周表面25a的最小内径基本上等于或大于端板14a的凹陷部15的圆柱形内周表面17的内径。另外，固定机构30还包括张力板24的通孔25。稍后将详细描述通孔25。

由金属制成的螺栓40包括头部42、座表面44和轴部46。轴部46拧入端板14a的螺栓孔19中。座表面44的外径大于头部42和轴部46的各自的外径。在其外周表面上形成有螺纹的轴部46拧入螺栓孔19的螺纹槽中。

由金属制成并形成为大致圆柱形状的套筒50嵌合到张力板24的通孔25和端板14a的凹陷部15中。套筒50包括上表面54、渐缩外周表面55、通孔56、圆柱形外周表面57和底表面58。与螺栓40的座表面44接触的上表面54被压向端板14a。另外，螺栓40的座表面44的外径小于上表面54的外径，使得座表面44不突出到套筒50外部。螺栓40的轴部46穿过通孔56。与螺栓孔19不同，通孔56形成为光滑的圆柱形状，而不在其内周表面上形成螺纹槽。渐缩外周表面55的外径在轴向方向AD上朝向端板14a逐渐减小。另一方面，圆柱形外周表面57的外径在轴向方向AD上是恒定的。与渐缩外周表面55相比，圆柱形外周表面57靠近端板14a。圆柱形外周表面57的外径基本上等于或小于渐缩外周表面55的外径的最小值。渐缩外周表面55与张力板24的通孔25的渐缩内周表面25a接触。圆柱形外周表面57与凹陷部15的圆柱形内周表面17接触。

如上所述，在套筒50嵌合到张力板24的通孔25和端板14a的凹陷部15中的状态下，螺栓40的轴部分46通过通孔56拧入到螺栓孔19中。因此，套筒50固定至端板14a。如上所述，通孔25的渐缩内周表面25a和套筒50的渐缩外周表面55的各自的直径在轴向方向AD上朝向端板14a逐渐减小，换句话说，各自的直径在轴向方向AD上远离端板14a逐渐增加。因此，在套筒50嵌合到固定至端板14a的张力板24的通孔25中的状态下，张力板24被抑制从套筒50远离端板14a分离。也就是说，端板14a与螺栓40之间的紧固力施加在套筒50上，并且施加在套筒50上的力施加在张力板24上，从而将张力板24固定至端板14a。这同样适用于将其他张力板24固定至端板14b的固定机构30。

各自形成为具有基本相同的梯度的渐缩形状的通孔25的渐缩内周表面25a和套筒50的渐缩外周表面55彼此表面接触。因此，确保渐缩内周表面25a与渐缩外周表面55之间的接触区域保持紧密接触状态。由于这两个表面以这种方式彼此紧密接触，因此从渐缩外周表面55施加到渐缩内周表面25a的载荷被分散，从而抑制了渐缩内周表面25a上的局部载荷集中。这抑制了通孔25的扩大。例如，即使当配备有堆叠1的车辆的振动传递到其上时，由于渐缩内周表面25a与渐缩外周表面55紧密接触，因此抑制了通孔25的扩大。因此，抑制了施加到堆叠体12的堆叠方向LD上的压力降低。

例如，假设其内径在轴向方向上恒定的张力板的通孔的内周表面与其外径在轴向方向上恒定的套筒的外周表面接触。在这种情况下，由于通过加工精度导致的尺寸误差、装配误差等，可能难以使张力板的通孔的内周表面和套筒的外周表面彼此均匀接触。因此，可能难以稳定地确保两个表面之间的接触区域。因此，应力可能集中在张力板的通孔的内周表面的一部分上，这可能扩大张力板的通孔。特别是，在如本实施方式那样张力板24较薄的情况下，容易发生这样的问题。在本实施方式中，如上所述，渐缩内周表面25a和渐缩外周表面55是渐缩的并且彼此靠近并且表面接触，从而抑制了通孔25的扩大。

此外，如上所述，在套筒50的通孔56中没有形成螺纹槽，并且通孔56的内径比螺栓40的轴部46的外径大预定量。因此，在螺栓40插入到通孔56中的状态下，套筒50可以相对于螺栓40稍微移动。由于套筒50可以以这种方式相对于螺栓40稍微移动，因此可以吸收每个构件的尺寸误差等，并且使套筒50的渐缩外周表面55和通孔25的渐缩内周表面25a彼此紧密接触。此外，可以在将每个构件的尺寸误差等考虑在内的情况下设置通孔56的内径与螺栓40的轴部46的外径之间的差，并且该差可以是例如0.5mm或更大、1.0mm或更大或者1.5mm或更大。

另外，圆柱形外周表面57的外径在轴向方向AD上是恒定的，并且圆柱形内周表面17的内径在轴向方向AD上也是恒定的。例如，假设如渐缩外周表面55和渐缩内周表面25a一样，圆柱形外周表面57和圆柱形内周表面17各自形成为其直径朝向端板14a逐渐减小的渐缩形状，以便彼此表面接触。在这种情况下，凹陷部15和套筒50可能彼此过度紧密接触，并且可能难以将套筒50从凹陷部15分离。假设以如下方式将套筒50从凹陷部15分离的情况。例如，当考虑完成的堆叠1的测试结果的情况下需要更换几个单元电池11时，可能要拆卸堆叠1。在这种情况下，如果难以将套筒50从凹陷部15分离，则也可能难以将通过套筒50固定至端板14a的张力板24分离，因此堆叠1的拆卸可操作性可能会劣化。在本实施方式中，由于圆柱形外周表面57和圆柱形内周表面17的每个直径在轴向方向AD上是恒定的，所以抑制了凹陷部15和套筒50彼此过度紧密接触，这抑制了拆卸可操作性的劣化。

图3示出了凹陷部15的深度L1和套筒50的圆柱形外周表面57的长度L5。深度L1大于长度L5。也就是说，张力板24固定至端板14a，其中套筒50的底表面58不与凹陷部15的底表面18接触。例如，如果底表面58和18彼此接触，则从螺栓40施加到套筒50上的压力不仅分散到张力板24而且分散到端板14a。因此，从套筒50施加到张力板24的力可能减小，因此张力板24不能以足够的力固定至端板14a。由于在本实施方式中底表面58和18如上所述不相互接触，因此从螺栓40施加到套筒50的力可以传递至张力板24而不会分散到端板14a。因此，张力板24可以以足够的力固定至端板14a。

图4A是图3的局部放大图。在端板14a的凹陷部15的开口边缘周围形成有倒角部151。在渐缩外周表面55与圆柱形外周表面57之间形成有凹槽部551，凹槽部551在套筒50的圆周方向上延伸并具有年轮形状。在制造过程中不可避免地形成凹槽部551，并且套筒50不限于具有凹陷部551。

图4B是深插入凹陷部15中的套筒50的放大视图。图4B对应于图4A。例如，由于每个构件的尺寸误差等，套筒50可以比预期更深地插入到凹陷部15中。即使在这种情况下，通过倒角部151也避免了端板14a与套筒50之间的接触。即使利用这种构造，从螺栓40施加到套筒50的力也可以传递至张力板24而不会分散到端板14a，因此可以足够的力将张力板24固定至端板14a。另外，由于形成倒角部151，因此当张力板24固定至端板14a时，易于将套筒50插入到凹陷部15中，并且堆叠1的组装可操作性也得到改善。

在本实施方式中，张力板24通过固定机构30固定至端板14a和14b，但是至少一个张力板可以通过固定机构30固定至端板14a和14b中的至少一个。

接下来，将描述变型。在该变型中，相同的部件由相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。图5是示出根据变型的固定机构30A的周边的截面的视图。与上述实施方式不同，固定机构30A的套筒50A没有形成有圆柱形外周表面57，而是在整个轴向方向上具有渐缩外周表面55A。此外，与上述实施方式不同，端板14aA的凹陷部15A没有形成具有恒定内径的圆柱形内周表面17，而是形成具有内径朝向端板14aA逐渐减小的渐缩内周表面17A。如上所述，套筒50A比上述实施方式中的套筒50更容易制造，从而抑制了制造成本的增加。

尽管已经详细描述了本发明的一些实施方式，但是本发明不限于特定实施方式，而是可以在要求保护的本发明的范围内变化或改变。

Claims (6)

1.一种燃料电池堆，包括：

堆叠体，其包括堆叠的单元电池；

端板，其在堆叠所述单元电池的堆叠方向上夹持所述堆叠体；

张力板，其紧固所述端板；

固定机构，其将所述张力板固定至所述端板；

其中，

所述固定机构中的至少一个包括：

凹陷部，其形成在所述端板中的一个端板的外周边缘中；

螺栓孔，其形成在所述端板中的所述一个端板中，与所述凹陷部同心地形成，并且具有比所述凹陷部小的内径；

通孔，其形成在所述张力板上；

套筒，其形成为具有通孔的圆柱形状，并被嵌合到所述张力板的所述通孔和所述凹陷部中；以及

螺栓，其穿过所述套筒的所述通孔并拧入所述螺栓孔，

所述张力板的所述通孔包括渐缩内周表面，所述渐缩内周表面的内径在所述螺栓的轴向方向上朝向所述端板中的所述一个端板逐渐减小，

所述套筒包括渐缩外周表面，所述渐缩外周表面的外径在所述轴向方向上朝向所述端板中的所述一个端板逐渐减小，并且

所述渐缩外周表面与所述渐缩内周表面表面接触。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，

所述凹陷部包括圆柱形内周表面，所述圆柱形内周表面的内径在所述轴向方向上是恒定的，

所述套筒包括圆柱形外周表面，所述圆柱形外周表面的外径从所述渐缩外周表面起在所述轴向方向上是恒定的，以及

所述圆柱形内周表面与所述圆柱形外周表面嵌合。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，在所述凹陷部的开口边缘处形成有倒角部，以避免与所述渐缩外周表面接触。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池堆，其中，所述凹陷部在所述轴向方向上的深度大于所述套筒的所述圆柱形外周表面在所述轴向方向上的长度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池堆，其中，所述套管的所述通孔的内径比穿过所述套筒的所述通孔的所述螺栓的轴部的外径大预定量。

6.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述套管的所述通孔的内径比穿过所述套筒的所述通孔的所述螺栓的轴部的外径大预定量。