JP2002358985A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに燃料電池の締結構造に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
In particular, it relates to a fastening structure for a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路を形成するセパレータとからセルを構成し、セルの
積層体からモジュールを構成し、モジュールの積層方向
両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレート
を配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向
に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる
テンションプレートにて固定したものからなる。固体高
分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水
素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解
質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水
素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成し
た電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反
応が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒
体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃
料電池を冷却している。そのため、燃料電池の環境温度
は、運転停止時の周囲温度（たとえば、２０℃）と運転
時の冷却媒体温度（約８０℃）との間に繰り返し変化
し、それによって締め付け荷重も変動する。また、膜、
電極のクリープによっても締め付け荷重は変わる。上記
の電気化学反応が正常に行われるには、スタックの締め
付け荷重が大きく変動しないことが必要である。特開平
９−２５９９１６号公報では、燃料電池スタックをセル
積層方向に延びる４本のロッド・ナットで加圧する構造
をとっており、スタックのエンドプレートよりセル積層
方向外側にロッドの端部を延ばし、このロッド延長部に
ナットを螺合させ、ナットとスタックエンドプレート間
に圧縮コイルスプリングを設けた構造をとっており、そ
れによってスタック締め付け荷重の変動を低減させてい
る。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell comprises an electrolyte membrane comprising an ion exchange membrane, electrodes (anode and fuel electrode) comprising a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. Membrane consisting of catalyst layer and diffusion layer electrodes (cathode, air electrode) arranged on the surface
Electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assem
bly) and a separator that forms a fluid passage for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and cathode, and a module from a stack of cells. A terminal, an insulator, and an end plate are arranged at both ends in the stacking direction of the module to form a stack, the stack is tightened in the stacking direction of the cell, and fixed by a tension plate extending in the stacking direction outside the stack of cells. Become. In a solid polymer electrolyte fuel cell, on the anode side, a reaction is performed to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen and hydrogen ions and electrons (neighboring atoms) move on the cathode side. (The electrons generated at the anode of the MEA pass through the separator) to produce water. Anode side: H 2 → 2H + + 2e - Cathode side: 2H + + 2e − + (１ ／) O 2 → H 2 O Since heat is generated in the water generation reaction at the cathode, between the separators, every cell Alternatively, a flow path through which a cooling medium (normally, cooling water) flows is formed for each of the plurality of cells, and cools the fuel cell. Therefore, the environmental temperature of the fuel cell repeatedly changes between the ambient temperature when the operation is stopped (for example, 20 ° C.) and the cooling medium temperature during the operation (about 80 ° C.), and the tightening load also changes. Also, membrane,
The tightening load also changes depending on the creep of the electrode. In order for the above-mentioned electrochemical reaction to be performed normally, it is necessary that the tightening load of the stack does not fluctuate significantly. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-259916 has a structure in which a fuel cell stack is pressurized by four rods and nuts extending in the cell stacking direction, and the ends of the rods are extended outward from the stack end plate in the cell stacking direction. A nut is screwed into the rod extension, and a compression coil spring is provided between the nut and the stack end plate, thereby reducing the variation in the stack tightening load.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池のコイルスプリングによる荷重変動吸収構造でも、ス
タックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じるとその量
に比例してスタック締め付け荷重が変化する。そして、
締め付け荷重の変動を小さくするには、コイルスプリン
グを長くしなければならず、その場合はエンドプレート
より突出するロッド延長部の長さが大となるため、燃料
電池スタックの全長が長くなり、車両への搭載に不利に
なる。本発明の目的は、燃料電池スタックに熱膨張・収
縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重の
変動を小さくでき、それを燃料電池スタックの全長をほ
とんど長くしないで達成できる燃料電池を提供すること
にある。However, even in the conventional load fluctuation absorbing structure using a coil spring of a fuel cell, when thermal expansion / contraction or creep deformation occurs in the stack, the stack tightening load changes in proportion to the amount thereof. And
In order to reduce the fluctuation of the tightening load, the coil spring must be lengthened. In this case, the length of the rod extension projecting from the end plate becomes large, so that the overall length of the fuel cell stack becomes long, Disadvantageous for mounting on An object of the present invention is to provide a fuel cell in which even if thermal expansion / shrinkage or creep deformation occurs in the fuel cell stack, the fluctuation of the stack tightening load can be reduced and the total length of the fuel cell stack can be hardly increased. It is in.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端
にエンドプレートを配置しセル積層体にスタック締付け
荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセ
ル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構
成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレ
ートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配
置し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、前記プ
レッシャプレート、前記セル積層方向一端のエンドプレ
ートと前記プレッシャプレートとの間、の何れか少なく
とも１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変
動低減機構を配置し、前記皿ばねの有効高さ／板厚比を
１．３〜１．５の範囲に設定してスタック締付け荷重が
スタックにかかった時に前記皿ばねの傾斜角度が反転し
ているかまたは反転近傍にあるようにした燃料電池。 （２） セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端
にエンドプレートを配置しセル積層体にスタック締付け
荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセ
ル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構
成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレ
ートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配
置し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、前記プ
レッシャプレート、前記セル積層方向一端のエンドプレ
ートと前記プレッシャプレートとの間、の何れか少なく
とも１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変
動低減機構を配置し、前記皿ばねの有効高さ／板厚比を
１．３〜１．５の範囲に設定した燃料電池。 （３） セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端
にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけ
て両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向
に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該ス
タックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記
セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記
セル積層方向一端のエンドプレート、前記プレッシャプ
レート、前記セル積層方向一端のエンドプレートと前記
プレッシャプレートとの間、の何れか少なくとも１箇所
に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変動低減機構
を配置し、前記皿ばねの内径／外径比を０．４〜０．７
の範囲に設定してスタック締付け荷重がスタックにかか
った時に前記皿ばねの傾斜角度が反転しているかまたは
反転近傍にあるようにした燃料電池。 （４） セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端
にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけ
て両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向
に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該ス
タックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記
セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記
セル積層方向一端のエンドプレート、前記プレッシャプ
レート、前記セル積層方向一端のエンドプレートと前記
プレッシャプレートとの間、の何れか少なくとも１箇所
に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変動低減機構
を配置し、前記皿ばねの内径／外径比を０．４〜０．７
の範囲に設定した燃料電池。The present invention to achieve the above object is as follows. (1) End plates are arranged at both ends in the cell stacking direction of a cell stack in which cells are stacked, a stack tightening load is applied to the cell stack, and both end plates are fastened outside the cell stack by fastening members extending in the cell stacking direction. A stack is formed by fastening, and a pressure plate is arranged inside the end plate at one end in the cell stacking direction of the stack in the cell stacking direction. The end plate at one end in the cell stacking direction, the pressure plate, one end in the cell stacking direction. A load variation reduction mechanism comprising at least one disc spring is disposed at at least one of the positions between the end plate and the pressure plate, and the effective height / plate thickness ratio of the disc spring is 1.3 to The inclination angle of the disc spring is reversed or reversed when a stack tightening load is applied to the stack by setting the range of 1.5. A fuel cell to be in the vicinity. (2) End plates are arranged at both ends in the cell stacking direction of the cell stack in which cells are stacked, a stack tightening load is applied to the cell stack, and both end plates are fastened outside the cell stack by a fastening member extending in the cell stacking direction. A stack is formed by fastening, and a pressure plate is arranged inside the end plate at one end in the cell stacking direction of the stack in the cell stacking direction. The end plate at one end in the cell stacking direction, the pressure plate, one end in the cell stacking direction. A load variation reduction mechanism comprising at least one disc spring is disposed at at least one of the positions between the end plate and the pressure plate, and the effective height / plate thickness ratio of the disc spring is 1.3 to Fuel cell set in the range of 1.5. (3) End plates are arranged at both ends in the cell stacking direction of the cell stack in which cells are stacked, and a compressive load is applied to the cell stack to fasten both end plates with a fastening member extending outside the cell stack in the cell stacking direction. A pressure plate is arranged inside the cell stacking direction one end plate of the stack inside the cell stacking direction one end plate, the cell stacking direction one end plate, the pressure plate, and the cell stacking direction one end. A load variation reduction mechanism including at least one disc spring is disposed at at least one of the positions between the end plate and the pressure plate, and the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is 0.4 to 0.7.
A fuel cell in which the inclination angle of the disc spring is reversed or is near the reversal when the stack tightening load is applied to the stack by setting the range to the above range. (4) End plates are arranged at both ends of the cell stack in the cell stacking direction of the cell stack, a compressive load is applied to the cell stack, and both end plates are fastened with a fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack. A pressure plate is arranged inside the cell stacking direction one end plate of the stack inside the cell stacking direction one end plate, the cell stacking direction one end plate, the pressure plate, and the cell stacking direction one end. A load variation reduction mechanism including at least one disc spring is disposed at at least one of the positions between the end plate and the pressure plate, and the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is 0.4 to 0.7.
Fuel cell set in the range of.
【０００５】上記（１）、（２）の燃料電池では、荷重
変動低減機構が少なくとも１つの皿ばねからなり、該皿
ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲にある
ので、スタック締付け荷重がスタックにかかった時に、
皿ばねの傾斜角度が反転しているかまたは反転近傍にあ
って、皿ばねは変形の割に荷重がほとんど変わらない定
荷重領域にあるようにすることができる。その結果、燃
料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じて
も、スタック締め付け荷重の変動は小さい。また、荷重
変動低減機構にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用
い、皿ばねを、エンドプレート、プレッシャプレート、
エンドプレートとプレッシャプレートとの間、の何れか
少なくとも１箇所に配したので、皿ばねがエンドプレー
トの外側に延在することはない。その結果、燃料電池の
長さがコイルスプリングがエンドプレートの外側に延在
する場合のように長くなることはなく、燃料電池を車両
に搭載する上で有利となる。上記（３）、（４）の燃料
電池では、荷重変動低減機構が少なくとも１つの皿ばね
からなり、該皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の
範囲にあるので、スタック締付け荷重がスタックにかか
った時に、皿ばねの傾斜角度が反転しているかまたは反
転近傍にあって、皿ばねは変形の割に荷重がほとんど変
わらない定荷重領域にあるようにすることができる。そ
の結果、燃料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変
形が生じても、スタック締め付け荷重の変動は小さい。
また、荷重変動低減機構にコイルスプリングを用いずに
皿ばねを用い、皿ばねを、エンドプレート、プレッシャ
プレート、エンドプレートとプレッシャプレートとの
間、の何れか少なくとも１箇所に配したので、皿ばねが
エンドプレートの外側に延在することはない。その結
果、燃料電池の長さがコイルスプリングがエンドプレー
トの外側に延在する場合のように長くなることはなく、
燃料電池を車両に搭載する上で有利となる。[0005] In the fuel cells of (1) and (2), the load variation reducing mechanism comprises at least one disc spring, and the effective height / plate thickness ratio of the disc spring is in the range of 1.3 to 1.5. When the stack tightening load is applied to the stack,
When the inclination angle of the disc spring is inverted or near the inverted, the disc spring can be in a constant load region where the load hardly changes despite its deformation. As a result, even if thermal expansion / contraction or creep deformation occurs in the fuel cell stack, the fluctuation of the stack tightening load is small. Also, instead of using a coil spring for the load fluctuation reduction mechanism, a disc spring is used, and the disc spring is replaced with an end plate, a pressure plate,
The disc spring does not extend outside the end plate because it is arranged at at least one of the positions between the end plate and the pressure plate. As a result, the length of the fuel cell does not increase as in the case where the coil spring extends outside the end plate, which is advantageous in mounting the fuel cell on a vehicle. In the fuel cells of (3) and (4), the load variation reduction mechanism is composed of at least one disc spring, and the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is in the range of 0.4 to 0.7. When the clamping load is applied to the stack, the inclination angle of the disc spring is reversed or near the reversal, so that the disc spring is in a constant load region where the load hardly changes for the deformation. As a result, even if thermal expansion / contraction or creep deformation occurs in the fuel cell stack, the fluctuation of the stack tightening load is small.
Also, since a disc spring is used for the load variation reduction mechanism without using a coil spring, and the disc spring is disposed at at least one of the end plate, the pressure plate, and between the end plate and the pressure plate, Does not extend outside the end plate. As a result, the length of the fuel cell does not increase as in the case where the coil spring extends outside the end plate,
This is advantageous in mounting the fuel cell on a vehicle.
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を、図
１〜図５を参照して、説明する。本発明の燃料電池は固
体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電
池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただ
し、自動車以外に用いられてもよい。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A fuel cell according to the present invention will be described below with reference to FIGS. The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than a car.
【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための流体通路を形成するセパレータ１８とを重ね
てセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９
（たとえば、２セルモジュール）を形成し、モジュール
１９を多数積層してモジュール１９群を構成し、モジュ
ール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端
に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレ
ート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２
３をセル積層方向に締め付け、セル積層体２３の両外側
で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たと
えば、テンションプレート）にて締結したものからな
る。締結部材２４がテンションプレートからなる場合、
テンションプレート２４の各端部はスタック両端のエン
ドプレート２２Ａ、２２Ｂの各々に燃料電池積層方向と
直交方向に延びるボルト２５にて固定される。以下で
は、締結部材２４がテンションプレートからなる場合を
例にとる。ただし、締結部材２４にはテンションプレー
トに代えて燃料電池積層方向に延びるスルーボルト・ナ
ットを用いてもよい。As shown in FIGS. 1 and 2, a solid polymer electrolyte fuel cell 10 comprises an electrolyte membrane 11 composed of an ion exchange membrane and a catalyst layer 12 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11.
And an electrode 14 (anode, fuel electrode) composed of a diffusion layer 13 and a catalyst layer 15 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11.
-Electrode assembly (MEA: Membra) composed of a diffusion layer 16 and an electrode 17 (cathode, air electrode)
ne-Electrode Assembly) and a separator 18 which forms a fluid passage for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14 and 17 to form a cell. Module 19
(For example, a two-cell module), a large number of modules 19 are stacked to form a module 19 group, and a terminal 20, an insulator 21, and an end plate 22 are provided at both ends of the module 19 group in the cell stacking direction (fuel cell stacking direction). Are arranged to form the stack 23, and the stack 2
3 is fastened in the cell stacking direction and fastened by fastening members 24 (for example, tension plates) extending in the fuel cell stack stacking direction on both outer sides of the cell stack 23. When the fastening member 24 is formed of a tension plate,
Each end of the tension plate 24 is fixed to each of the end plates 22A and 22B at both ends of the stack with bolts 25 extending in a direction perpendicular to the fuel cell stacking direction. Hereinafter, a case where the fastening member 24 is formed of a tension plate will be described as an example. However, a through bolt / nut extending in the fuel cell stacking direction may be used as the fastening member 24 instead of the tension plate.
【０００８】図１に示すように、スタック２３のセル積
層方向一端のエンドプレート２２Ａと該エンドプレート
２２Ａのセル積層方向内側に設けたインシュレータ２１
との間に、プレッシャプレート２６が配置されている。As shown in FIG. 1, an end plate 22A at one end of the stack 23 in the cell stacking direction and an insulator 21 provided inside the end plate 22A in the cell stacking direction.
, A pressure plate 26 is arranged.
【０００９】スタック２３の燃料電池積層方向一端のエ
ンドプレート２２のプレッシャプレート２６側の面に凹
部２７が設けられており、プレッシャプレート２６のエ
ンドプレート２２側の面に湾曲面をもつ凸部２８が設け
られている。凸部２８の湾曲面は、球面または円筒面か
らなる。凸部２８は凹部２７に接触され押し付けられて
おり、この状態でスタック２３は、セル積層体の外側で
セル積層方向に延びる締結部材であるテンションプレー
ト２４にて締結されている。プレッシャプレート２６の
エンドプレート２２側の面のうち凸部２８以外の部分
と、エンドプレート２２のプレッシャプレート２６側の
面のうち凹部２７以外の部分との間には隙間があって、
プレッシャプレート２６とエンドプレート２２は互いに
干渉する角度まで相対的に傾くことが可能である。これ
によって、セルの平行度が悪くても、接触部で点押しで
き、プレッシャプレート２６全域でほぼ均一にセルを押
すことができる。A concave portion 27 is provided on the pressure plate 26 side of the end plate 22 at one end of the stack 23 in the fuel cell stacking direction, and a convex portion 28 having a curved surface is formed on the pressure plate 26 side of the end plate 22 side. Is provided. The curved surface of the convex portion 28 has a spherical surface or a cylindrical surface. The protrusions 28 are in contact with and pressed against the recesses 27, and in this state, the stack 23 is fastened by a tension plate 24, which is a fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack. There is a gap between the portion of the pressure plate 26 on the side of the end plate 22 other than the protrusion 28 and the portion of the end plate 22 on the side of the pressure plate 26 other than the recess 27,
The pressure plate 26 and the end plate 22 can be relatively tilted to an angle where they interfere with each other. Thereby, even if the parallelism of the cells is poor, the cells can be point-pushed at the contact portions, and the cells can be pressed almost uniformly over the entire pressure plate 26.
【００１０】セル積層方向一端のエンドプレート２２Ａ
は、エンドプレート本体２２ａと、エンドプレート本体
２２ａとは別体の調整部２２ｂとから構成されている。
調整部２２ｂはエンドプレート本体２２ａに対してねじ
３０で軸方向に位置調整可能である。調整部２２ｂは、
エンドプレート本体２２ａに対して回転を拘束された雌
ねじ部２２ｂ−１と、該雌ねじ部２２ｂ−１にねじ部３
０で螺合され雌ねじ部２２ｂ−１に対して軸方向に位置
調整可能な雄ねじ部２２ｂ−２とから構成されている。
凹部２７は雄ねじ部２２ｂ−２に形成されている。調整
部２２ｂの凹部２７と反対側には六角溝孔３１を形成し
ておき、そこに六角頭のドライバを挿入し回転させて調
整部２２ｂの少なくとも一部を回転させ、軸方向に移動
させてセル積層方向の位置の微調整を行うことができる
ようにしてある。[0010] End plate 22A at one end in the cell stacking direction
Is composed of an end plate main body 22a and an adjusting portion 22b separate from the end plate main body 22a.
The position of the adjusting portion 22b can be adjusted in the axial direction with the screw 30 with respect to the end plate main body 22a. The adjustment unit 22b
A female screw portion 22b-1 whose rotation is restricted with respect to the end plate body 22a;
And a male screw part 22b-2 which is screwed at 0 and is axially adjustable with respect to the female screw part 22b-1.
The recess 27 is formed in the male screw portion 22b-2. A hexagonal slot 31 is formed on the opposite side of the recess 27 of the adjusting portion 22b, and a hexagonal screwdriver is inserted into the hole 31 and rotated to rotate at least a part of the adjusting portion 22b and move it in the axial direction. Fine adjustment of the position in the cell stacking direction can be performed.
【００１１】プレッシャプレート２６は、セル積層方向
に２つの部材、すなわち、セル積層体側の部材２６ａ
と、該部材２６ａとは別体の、凸部２８が形成された部
材２６ｂ、に分割されている。The pressure plate 26 has two members in the cell stacking direction, that is, a member 26a on the cell stack body side.
And a member 26b having a convex portion 28 formed separately from the member 26a.
【００１２】図３、図４に示すように、エンドプレート
２２、プレッシャプレート２６、プレッシャプレート２
６とエンドプレート２２との間、の何れか少なくとも１
箇所に、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷重方向
に直列に、荷重変動低減機構３２が設けられている。荷
重変動低減機構３２は、円形の内周、外周をもつ円錐状
のばね、いわゆる皿ばね（荷重変動低減機構であるから
符号を３２とする）からなり、変形に対して大きな荷重
が出せるようになっている。皿ばねからなる荷重変動低
減機構３２は、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷
重方向に直列に配置される。荷重変動低減機構３２は、
互いに直列に配置された２組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂか
ら構成したものであってもよいし、または、１組の皿ば
ねからなってもよい。各組の皿ばねは、１枚の皿ばねか
らなるか、または複数の皿ばねを重ねたものからなる。As shown in FIGS. 3 and 4, the end plate 22, the pressure plate 26, the pressure plate 2
6 and between the end plate 22
A load variation reduction mechanism 32 is provided at a location in series with the contact portion between the convex portion 28 and the concave portion 27 in the direction of the fastening load. The load variation reduction mechanism 32 is formed of a conical spring having a circular inner circumference and an outer circumference, that is, a so-called disc spring (the load variation reduction mechanism is denoted by reference numeral 32), so that a large load can be applied to deformation. Has become. The load variation reduction mechanism 32 composed of a disc spring is arranged in series with the contact portion between the convex portion 28 and the concave portion 27 in the fastening load direction. The load fluctuation reduction mechanism 32
It may be constituted by two sets of disc springs 32A and 32B arranged in series with each other, or may be constituted by one set of disc springs. Each set of disc springs consists of a single disc spring or a stack of multiple disc springs.
【００１３】荷重変動低減機構３２が互いに直列に設け
られた複数組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂからなる場合、皿
ばね３２Ａは凸部２８と凹部２７の接触部よりエンドプ
レート２２側にあり、皿ばね３２Ｂは凸部２８と凹部２
７の接触部よりプレッシャプレート２６側にある。皿ば
ね３２Ａ、３２Ｂの小径端は凸部２８と凹部２７の接触
部側にあり、皿ばね３２Ａ、３２Ｂの大径端はそれぞれ
エンドプレート２２側、プレッシャプレート２６側にあ
る。荷重変動低減機構３２の少なくとも一部３２Ａが、
エンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂとの間に配置
されている。また、荷重変動低減機構３２の少なくとも
一部３２Ｂが、プレッシャプレート２６の２つの部材２
６ａ、２６ｂの間に配置されている。When the load fluctuation reducing mechanism 32 is composed of a plurality of sets of disc springs 32A and 32B provided in series with each other, the disc spring 32A is located closer to the end plate 22 than the contact portion between the convex portion 28 and the concave portion 27. 32B is a convex portion 28 and a concave portion 2
7 is closer to the pressure plate 26 than the contact portion. The small-diameter ends of the disc springs 32A and 32B are located on the side of the contact between the convex portion 28 and the concave portion 27, and the large-diameter ends of the disc springs 32A and 32B are located on the end plate 22 side and the pressure plate 26 side, respectively. At least a part 32A of the load fluctuation reducing mechanism 32 is
It is arranged between the end plate main body 22a and the adjustment part 22b. In addition, at least a part 32B of the load variation reducing mechanism 32 is connected to the two members 2 of the pressure plate 26.
6a and 26b.
【００１４】荷重変動低減機構３２を構成する皿ばね３
２は、スタック締結荷重を付与された時に反転状態にな
る、すなわち、自由状態（図３）での皿ばねの傾斜が荷
重付与時（図４）に逆傾斜になるか、または反転近傍に
あるように、ばね定数を設定されている。皿ばねには、
図５に示すように、その荷重対変位曲線（縦軸が荷重、
横軸が変位）において反転点（円錐から逆円錐への反転
点）とその近傍にフラット領域Ｈ（変位が生じても荷重
がほとんど変化しない定荷重領域）があらわれるが、本
発明の燃料電池では、セル積層体に締結荷重をかけた時
に、荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねが、丁度定
荷重領域（フラット領域）にあるように、皿ばねのばね
定数を設定してある。The disc spring 3 constituting the load fluctuation reducing mechanism 32
No. 2 is in an inverted state when a stack fastening load is applied, that is, the inclination of the disc spring in the free state (FIG. 3) is inverted or is near the inversion when the load is applied (FIG. 4). Thus, the spring constant is set. In the disc spring,
As shown in FIG. 5, the load versus displacement curve (the vertical axis represents the load,
At the reversal point (reversal point from a cone to an inverted cone) at the reversal point (horizontal axis is a displacement) and a flat region H (a constant load region where the load hardly changes even when a displacement occurs) appears in the vicinity of the reversal point. When a fastening load is applied to the cell stack, the spring constant of the disc spring is set so that the disc spring constituting the load variation reducing mechanism 32 is in the constant load region (flat region).
【００１５】荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねを
定荷重領域（フラット領域）で使用するために、荷重変
動低減機構３２を構成する皿ばねの有効高さｈ／板厚ｄ
比が１．３〜１．５の範囲に設定されている。皿ばねの
有効高さｈとは、皿ばねに荷重をかけていない自由状態
においた時の、内径端と外径端における、皿ばね上面ま
たは下面間の軸方向距離のことである。皿ばねの有効高
さ／板厚比が１．３より小さくても、１．５より大きく
ても、皿ばねを定荷重領域で使用できなくなる。また、
荷重変動低減機構３２を定荷重領域（フラット領域）で
使用するために、荷重変動低減機構３２を構成する皿ば
ねは、皿ばねの内径Ｄi ／外径Ｄ0 比が０．４〜０．７
の範囲に設定されている。皿ばねの内径／外径比が０．
４より小さい、あるいは、０．７より大きいと、高応力
が発生し、耐久性上に問題が発生する。In order to use the disc spring constituting the load fluctuation reducing mechanism 32 in a constant load area (flat area), the effective height h / plate thickness d of the disc spring constituting the load fluctuation reducing mechanism 32 is used.
The ratio is set in the range of 1.3 to 1.5. The effective height h of the disc spring is an axial distance between the upper surface or the lower surface of the disc spring at the inner diameter end and the outer diameter end when the disc spring is in a free state where no load is applied. If the effective height / plate thickness ratio of the disc spring is smaller than 1.3 or larger than 1.5, the disc spring cannot be used in the constant load region. Also,
A load variation reduction mechanism 32 for use in a constant force region (flat region), the disc spring which constitutes the load variation reduction mechanism 32, the inside diameter D i / outer diameter D 0 ratio of the disc spring is 0.4 to 0. 7
Is set in the range. The inner / outer diameter ratio of the disc spring is 0.
If it is smaller than 4, or larger than 0.7, high stress is generated, and a problem occurs in durability.
【００１６】本発明の燃料電池の作用については、荷重
変動低減機構３２を設けたので、燃料電池環境温度が冷
熱サイクル等により変動しても、またはクリープによっ
て膜や電極の厚みが変化しても、荷重変動低減機構３２
がセル積層体の伸縮を吸収し、セル積層体にかかる荷重
の変動を抑えることができる。また、荷重変動低減機構
３２は、皿ばねからなるので、凸部２８と凹部２７との
接触部からの荷重を外周側に分散させてエンドプレート
２２、またはやレッシャプレート２６、またはエンドプ
レート２２とプレッシャプレート２６、に伝えることが
でき、セルを均一に押圧するのに有利となる。With respect to the operation of the fuel cell of the present invention, the load fluctuation reducing mechanism 32 is provided, so that even if the environmental temperature of the fuel cell fluctuates due to a cooling / heating cycle or the like or the thickness of the membrane or electrode changes due to creep. , Load fluctuation reduction mechanism 32
Can absorb the expansion and contraction of the cell stack, and can suppress the fluctuation of the load applied to the cell stack. In addition, since the load variation reduction mechanism 32 is formed of a disc spring, the load from the contact portion between the convex portion 28 and the concave portion 27 is dispersed to the outer peripheral side so that the end plate 22 or the somewhat lesser plate 26 or the end plate 22 The pressure can be transmitted to the pressure plate 26, which is advantageous for uniformly pressing the cells.
【００１７】また、荷重変動低減機構３２を構成する皿
ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲にある
ので、または、皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７
の範囲にあるので、または、皿ばねの有効高さ／板厚比
が１．３〜１．５の範囲にあるとともに皿ばねの内径／
外径比が０．４〜０．７の範囲にあるので、スタック締
付け荷重がスタック２３にかかった時に、皿ばねの傾斜
角度が反転する（荷重付与前の円錐状態が荷重付与後に
逆円錐状態になる）かまたは反転近傍（円錐状態から逆
円錐状態に変わる近傍）にあって、皿ばねは変形の割に
荷重がほとんど変わらない定荷重領域（図５のフラット
域Ｈ）にある。その結果、燃料電池スタックに熱膨張・
収縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重
の変動は小さい。Further, since the effective height / plate thickness ratio of the disc spring constituting the load fluctuation reducing mechanism 32 is in the range of 1.3 to 1.5, or the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is 0.1. 4-0.7
Or the effective height / plate thickness ratio of the disc spring is in the range of 1.3 to 1.5 and the inner diameter of the disc spring /
Since the outer diameter ratio is in the range of 0.4 to 0.7, when the stack tightening load is applied to the stack 23, the inclination angle of the disc spring reverses (the conical state before the load is applied becomes the inverted conical state after the load is applied). ) Or in the vicinity of the reversal (near the change from the conical state to the inverted conical state), and the disc spring is in the constant load region (the flat region H in FIG. 5) where the load hardly changes despite the deformation. As a result, thermal expansion and
Even if shrinkage or creep deformation occurs, the fluctuation of the stack tightening load is small.
【００１８】また、荷重変動低減機構３２にコイルスプ
リングを用いずに皿ばねを用い、皿ばねを、エンドプレ
ート２２、プレッシャプレート２６、エンドプレート２
２とプレッシャプレート２６との間、の何れか少なくと
も１箇所に配したので、皿ばねがエンドプレート２２の
外側に延在することはない。その結果、燃料電池の長さ
がコイルスプリングがエンドプレートの外側に延在する
場合のように長くなることはなく、燃料電池を車両に搭
載する上で有利となる。Further, a disc spring is used for the load fluctuation reducing mechanism 32 without using a coil spring, and the disc spring is connected to the end plate 22, the pressure plate 26, and the end plate 2.
The disc spring does not extend outside the end plate 22 because the disc spring is disposed at at least one of the positions between the pressure plate 2 and the pressure plate 26. As a result, the length of the fuel cell does not increase as in the case where the coil spring extends outside the end plate, which is advantageous in mounting the fuel cell on a vehicle.
【００１９】[0019]
【発明の効果】請求項１、請求項２の燃料電池によれ
ば、荷重変動低減機構の皿ばねの有効高さ／板厚比を
１．３〜１．５の範囲に設定したので、スタック締付け
荷重がスタックにかかった時に、皿ばねが定荷重領域に
あるようにすることができ、その結果、燃料電池スタッ
クに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタック
締め付け荷重の変動は小さい。また、荷重変動低減機構
にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用いたので、皿
ばねがエンドプレートの外側に延在することはなく、燃
料電池の長さが長くなることはなく、燃料電池を車両に
搭載する上で有利となる。請求項３、請求項４の燃料電
池によれば、荷重変動低減機構の皿ばねの内径／外径比
を０．４〜０．７の範囲に設定したので、スタック締付
け荷重がスタックにかかった時に、皿ばねが定荷重領域
にあるようにすることができ、その結果、燃料電池スタ
ックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタッ
ク締め付け荷重の変動は小さい。また、荷重変動低減機
構にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用いたので、
皿ばねがエンドプレートの外側に延在することはなく、
燃料電池の長さが長くなることはなく、燃料電池を車両
に搭載する上で有利となる。According to the fuel cell of the first and second aspects, the effective height / plate thickness ratio of the coned disc spring of the load variation reducing mechanism is set in the range of 1.3 to 1.5. When the tightening load is applied to the stack, the disc spring can be in the constant load area, so that even if the fuel cell stack undergoes thermal expansion / contraction or creep deformation, the fluctuation of the stack tightening load is small. . In addition, since a disc spring is used instead of a coil spring for the load variation reduction mechanism, the disc spring does not extend outside the end plate, and the length of the fuel cell does not increase. This is advantageous when mounted on a vehicle. According to the fuel cell of the third and fourth aspects, since the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring of the load variation reducing mechanism is set in the range of 0.4 to 0.7, the stack tightening load is applied to the stack. Occasionally, the disc spring can be in the constant load region, so that even if the fuel cell stack undergoes thermal expansion / contraction or creep deformation, the variation in the stack tightening load is small. Also, since a disc spring was used instead of a coil spring for the load fluctuation reduction mechanism,
The disc spring does not extend outside the end plate,
The length of the fuel cell does not increase, which is advantageous in mounting the fuel cell on a vehicle.
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。FIG. 1 is an overall schematic diagram of a fuel cell of the present invention.
【図２】図１の燃料電池の一部拡大断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the fuel cell of FIG.
【図３】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構とその近
傍部の、スタック締結前の、断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a load variation reduction mechanism of a fuel cell according to the present invention and a portion in the vicinity thereof before stacking is performed.
【図４】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構とその近
傍部の、スタック締結後の、断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell load variation reducing mechanism of the present invention and its vicinity after the stack is fastened.
【図５】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構（皿ば
ね）の荷重対変位のグラフである。FIG. 5 is a graph of load versus displacement of the load variation reduction mechanism (disc spring) of the fuel cell of the present invention.
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２２ａ エンドプレート本体 ２２ｂ 調整部 ２２ｂ−１ 雌ねじ部 ２２ｂ−２ 雄ねじ部 ２３ スタック ２４ テンションプレート ２５ ボルト ２６ プレッシャプレート ２６ａ セル積層体側の部材 ２６ｂ 凸部が形成された部材 ２７ 凹部 ２８ 凸部 ３０ ねじ（調整ねじ機構） ３１ 六角溝孔 ３２、３２Ａ，３２Ｂ 荷重変動低減機構（たとえば、
皿ばね）Reference Signs List 10 (Solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode) 15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode) 18 Separator 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 22a End plate main body 22b Adjusting portion 22b-1 Female thread portion 22b-2 Male thread portion 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Pressure plate 26a Cell laminate side member 26b Member with convex portion formed 27 Concave portion 28 Convex portion 30 Screw (Adjustment screw mechanism) 31 Hexagon slot 32, 32A, 32B Load fluctuation reduction mechanism (for example,
Disc spring)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 見倉 正明 愛知県名古屋市緑区鳴海町字上汐田68番地 中央発條株式会社内 (72)発明者 松原 慎弥 愛知県名古屋市緑区鳴海町字上汐田68番地 中央発條株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX08 CX09 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masaaki Mikura 68 Chuo-Shojita, Narumi-cho, Midori-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Chuo-Hatsujo Corporation (72) Inventor Shinya Matsubara Narumi-cho, Midori-ku, Nagoya-shi, Aichi 68 No. Kami-Shoda F-term in Chuo Spring Co., Ltd. (reference) 5H026 AA06 CX08 CX09
Claims (4)
向両端にエンドプレートを配置しセル積層体にスタック
締付け荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外
側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタッ
クを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエン
ドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレー
トを配置し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、
前記プレッシャプレート、前記セル積層方向一端のエン
ドプレートと前記プレッシャプレートとの間、の何れか
少なくとも１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる
荷重変動低減機構を配置し、前記皿ばねの有効高さ／板
厚比を１．３〜１．５の範囲に設定してスタック締付け
荷重がスタックにかかった時に前記皿ばねの傾斜角度が
反転しているかまたは反転近傍にあるようにした燃料電
池。An end plate is arranged at both ends in a cell stacking direction of a cell stack in which cells are stacked, a stack tightening load is applied to the cell stack, and both end plates are extended outside the cell stack in the cell stacking direction. Forming a stack, a pressure plate is arranged inside the end plate at one end in the cell stacking direction of the stack in the cell stacking direction, and an end plate at one end in the cell stacking direction,
A load variation reduction mechanism including at least one disc spring is disposed at at least one of the pressure plate and the end plate at one end in the cell stacking direction and the pressure plate, and the effective height of the disc spring is A fuel cell wherein the plate spring ratio is set in the range of 1.3 to 1.5 and the inclination angle of the disc spring is reversed or is close to reversed when a stack tightening load is applied to the stack.
向両端にエンドプレートを配置しセル積層体にスタック
締付け荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外
側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタッ
クを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエン
ドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレー
トを配置し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、
前記プレッシャプレート、前記セル積層方向一端のエン
ドプレートと前記プレッシャプレートとの間、の何れか
少なくとも１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる
荷重変動低減機構を配置し、前記皿ばねの有効高さ／板
厚比を１．３〜１．５の範囲に設定した燃料電池。2. A fastening member in which end plates are arranged at both ends in the cell stacking direction of a cell stack in which cells are stacked, and a stack tightening load is applied to the cell stack to extend both end plates outside the cell stack in the cell stacking direction. Forming a stack, a pressure plate is arranged inside the end plate at one end in the cell stacking direction of the stack in the cell stacking direction, and an end plate at one end in the cell stacking direction,
A load variation reduction mechanism including at least one disc spring is disposed at at least one of the pressure plate and the end plate at one end in the cell stacking direction and the pressure plate, and the effective height of the disc spring is / A fuel cell in which the plate thickness ratio is set in the range of 1.3 to 1.5.
向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重
をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積
層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成
し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレー
トの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置
し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、前記プレ
ッシャプレート、前記セル積層方向一端のエンドプレー
トと前記プレッシャプレートとの間、の何れか少なくと
も１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変動
低減機構を配置し、前記皿ばねの内径／外径比を０．４
〜０．７の範囲に設定してスタック締付け荷重がスタッ
クにかかった時に前記皿ばねの傾斜角度が反転している
かまたは反転近傍にあるようにした燃料電池。3. A fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack by applying a compressive load to the cell stack by applying an end plate to both ends of the cell stack in which the cells are stacked. A pressure plate is disposed inside the end plate at one end of the stack in the cell stacking direction in the cell stacking direction, and an end plate at one end in the cell stacking direction, the pressure plate, and the cell stacking direction. A load variation reduction mechanism comprising at least one disc spring is disposed at at least one of the end plate and the pressure plate at one end, and the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is set to 0.4.
A fuel cell in which the inclination angle of the disc spring is reversed or near the reverse when a stack tightening load is applied to the stack by setting the range to 0.7.
向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重
をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積
層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成
し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレー
トの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置
し、前記セル積層方向一端のエンドプレート、前記プレ
ッシャプレート、前記セル積層方向一端のエンドプレー
トと前記プレッシャプレートとの間、の何れか少なくと
も１箇所に、少なくとも１つの皿ばねからなる荷重変動
低減機構を配置し、前記皿ばねの内径／外径比を０．４
〜０．７の範囲に設定した燃料電池。4. A fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack by applying a compressive load to the cell stack by applying an end plate to both ends of the cell stack in which the cells are stacked. A pressure plate is disposed inside the end plate at one end of the stack in the cell stacking direction in the cell stacking direction, and an end plate at one end in the cell stacking direction, the pressure plate, and the cell stacking direction. A load variation reduction mechanism comprising at least one disc spring is disposed at at least one of the end plate and the pressure plate at one end, and the inner diameter / outer diameter ratio of the disc spring is set to 0.4.
Fuel cell set in the range of ~ 0.7.
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