JP2006185868A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板の平面度を保つことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタック４と、該燃料電池スタック４とともに用いられる回路基板とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック４の構成部材であるテンションプレート５と、回路基板としてのセルモニタ基板１１とを３点で取付けた。燃料電池スタック４は、螺嵌による伸縮によりセル積層体１に作用する締結力を調整する螺嵌部材を有しており、セルモニタ基板１１は螺嵌部材側を１点で支持し、他側を２点で支持した。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムが備える回路基板の取付け構造に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。詳細には、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体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締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、燃料電池スタックが形成される（例えば、特許文献１参照）。
図５はこのような燃料電池スタックの一例を示す側面図、図６は上面図である。同図において、符号１はエンドプレート２Ａ、２Ｂにより両端から締結されたセル積層体である。セル積層体１のエンドプレート２Ａ側には、ボルト３の螺嵌に伴いエンドプレート２Ａ−セル積層体１間に介在する不図示の皿バネ等が伸縮して当該セル積層体１に所定の圧縮力を付与する螺嵌部材が設けられており、ボルト３の螺嵌によりセル積層体１をセル積層方向に締付けた後、エンドプレート２Ａ、２Ｂ間をセル積層方向に延びるテンションプレート５にて締結することにより、燃料電池スタック４が形成される。
燃料電池スタック４の上方には複数のカラー（連結部材）６を介してケースプレート１０が４点で支持されており、該ケースプレート１０の上方に回路基板としてセルモニタ基板１１（２段基板）が固定されている。符号１３は、燃料電池スタック４を支持するマウントである。

上記の構成においては、図５及び図６に示したようにケースプレート１０はカラー６によって４点で支持されている。図８はカラー６の具体的な構成である。カラー６は、円筒状の樹脂部６ａの内部に二つのナット６ｂが埋め込まれた形状となっている。ケースプレート１０に設けられた不図示の孔にボルトを貫通させてナット６ｂと螺合させることでケースプレート１０が絶縁状態でテンションプレート５に固定される。
特開２００２−３６７６５６号公報

ところで、エンドプレート２Ａはボルト３の締結の際に回転してねじれが発生する場合がある。図７のようにエンドプレート２Ａ側に螺嵌されたボルト３にトルクを加えて締結するため、図の矢印のようにエンドプレート２Ａに回転が生ずる。したがって、この場合、エンドプレート２Ａの傾きの影響を受け、セルモニタ基板１１の平面度を保つことが困難となる。
例えば、図６の点Ａ〜点Ｃはカラー６によるケースプレート１０の固定位置を示しているが、点Ｃはエンドプレート２Ａの回転軸Ｌから離れているために、エンドプレート２Ａが回転した場合の変位量が大きい。したがって点Ｃ近傍でケースプレート１０の歪み量が大きくなるという問題がある。
特にケースプレート１０に固定されたセルモニタ基板１１が２段基板であると、ケースプレート１０の歪みがセルモニタ基板１１の２段目で顕著に表れる。
また、カラー６は絶縁を目的として樹脂部６ａとナット６ｂとの組み合わせにより構成されている。しかしながら、使用される複数のカラー６の寸法バラツキが大きいため、図９のようにケースプレート１０を平面状態で固定することができず、セルモニタ基板１１の平面度悪化の原因となるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、回路基板の平面度を保つことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に記載の発明は、複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックとともに用いられる回路基板とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの構成部材と、前記回路基板とが３点で取付けられていることを特徴とする。

本発明によれば、回路基板が３点で支持されることで、回路基板が固定される安定した平面が一つに定まり、回路基板の歪みが抑えられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記構成部材は、前記各セルを締結するテンションプレートであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、セル積層体のセル積層方向外方に互いに一定の間隔を隔てて保持されたエンドプレートと、これら両エンドプレ−トがなす隙間においてセル積層体の一端側に設けられ、螺嵌による伸縮によりセル積層体に作用する締結力を調整する螺嵌部材と、を更に有し、前記回路基板は、前記セルの積層方向に沿って設けられているとともに、前記螺嵌部材側が１点で支持され、他側が２点で支持されていることを特徴とする。

セルを螺嵌部材（ボルト、皿バネ等）により締結する構成では、燃料電池スタックに回転（ねじれ）が発生する場合がある。本発明によれば、回転が発生した場合に変位量が大きい螺嵌部材側、言い換えれば、締付トルクを加える側を１点のみで支持することで、回路基板の歪みが抑えられる。なお該螺嵌部材側の１点は、燃料電池スタックの中央に近い位置に設けるほど、スタックのねじれ回転軸に近くなるため、変位量が小さくなる。

請求項４に記載の発明は、複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックとともに用いられる回路基板とを備えた燃料電池システムにおいて、前記回路基板が、前記燃料電池スタックの構成部材に対して連結部材を介して取付けられ、該連結部材の少なくとも一部が弾性体であることを特徴とする。

少なくとも一部とは、複数の連結部材のうちのいくつかの連結部材のみ、と、各連結部材の特定の部位のみ、の両方を含む。例えば、連結部材を円筒状の樹脂部と該樹脂部に埋め込まれたナットとにより構成する。そして複数の連結部材のうち、いくつかの連結部材の樹脂部を弾性率の高い素材により構成する。または、樹脂部の上部または下部に、弾性率が高く、ある程度変形可能な素材を設ける。
本発明により、弾性体が弾性変形することで連結部材の寸法バラツキが吸収される。

本発明においては以下の効果を得ることができる。
回路基板は３点で支持されていることにより、安定して支持される一つの平面が定まる。さらに、スタックが回転した際に変位の大きい螺嵌部材側を一点で支持することにより、回路基板の歪み発生を抑制することができる。したがって回路基板の平面度を保つことができる。
また、連結部材の少なくとも一部を弾性体とすることにより、弾性体が弾性変形して連結部材の寸法バラツキが吸収され、回路基板の平面度を保つことができる。

次に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお従来技術と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの上面図である。同図に示す燃料電池スタック４において、ＭＥＡとセパレータとからなるセルを積層して構成されたセル積層体１のエンドプレート２Ａ側には、ボルト３の螺嵌によりエンドプレート２Ａ−セル積層体１間に介在する不図示の皿バネ等が伸縮して当該セル積層体１に所定の圧縮力を付与する螺嵌部材が設けられている。
つまり、燃料電池スタック４は、セル積層体１のセル積層方向外方に互いに一定の間隔を隔てて保持されたエンドプレート２Ａ，２Ｂと、これら両エンドプレ−ト２Ａ，２Ｂがなす隙間においてセル積層体１の一端側（エンドプレート２Ａ側）に設けられ、螺嵌による伸縮によりセル積層体１に作用する締結力を調整する例えば皿バネ等の弾発部を含む螺嵌部材とを有し、ボルト３の螺嵌により弾発部を圧縮させてセル積層体１をセル積層方向に締付けた後、エンドプレート２Ａ，２Ｂ間をセル積層方向に延びるテンションプレート５にて締結した構成とされている。
さらに本実施形態においては、ケースプレート１０が点Ａ、点Ｂ、点Ｅの３点でカラー６によって支持されている。ここで、エンドプレート２Ｂ側を点Ａ、点Ｂによる２点支持とし、ボルト３を含む螺嵌部材（図７参照）側、つまり、締付トルクを加える側であるエンドプレート２Ａ側を点Ｅによる１点支持とする。点Ｅは、点Ｃ、点Ｄ（図６参照）の中間部に位置する。

また、３個所のマウント１３のうち、高電圧側の二つのマウント１３が基準マウントとなっている。すなわち、マウント１３とスタック４とをボルト留めするためにスタック４には所定の孔が設けられているが、基準マウント側では、該孔径は小さく、互いの位置ずれが生じない孔径となっている。他側のマウント１３側は多少の位置ずれを許容できるように大きい径となっている。基準マウントが揃えられていることで、基板端面がケースと干渉する等の問題が防がれる。
このため、固定の際のテンションプレート５の歪みは分配器側のエンドプレート２Ａ側で発生する。したがって、セルモニタ基板１１のＷ方向への位置ずれを最小限に抑えるため、点Ａ、点Ｂを基準孔とする。すなわち、ケースプレート１０にはカラー６と固定するために不図示のボルト孔が設けられているが、点Ａ、点Ｂにおいては該孔は小さく、互いの位置ずれが生じない孔径となっている。点Ｅでは多少の位置ずれを許容できるように大きい孔径となっている。

このように、ケースプレート１０はカラー６によって３点で支持されていることにより、一つの安定した平面による固定が可能となる。さらに、エンドプレート２Ａが回転した際に変位の大きいボルト３側を一点（点Ｅ）で支持することにより、ケースプレート１０の歪み発生を抑制することができる。特に点Ｅは点Ｃと比較して回転軸からの距離が近いため、エンドプレート２Ａが回転した際の変位量が小さい。したがって、ケースプレートの歪みをさらに小さく抑えることができる。なお、点Ｅをより内側に位置させると、回転軸にさらに近くなるために変位量を小さくする上で好ましい。しかしながら、本実施形態では、ケースプレート１０およびセルモニタ基板１１を安定して固定するため、本実施形態では点Ｃと点Ｄの中間位置に点Ｅを位置させている。

さらに、点Ａ、点Ｂを基準孔とし、点Ｅでケースプレート１０が多少の位置ずれを生ずることができるように構成されている。したがってセルモニタ自体のＷ方向の位置ずれを最小限に抑えることができ、テンションプレート５の歪みと比較してケースプレート１０の歪みを小さく抑えることができる。

以上のように、本実施形態においては、エンドプレート２Ａに回転が発生した場合でもケースプレート１０の歪みを抑え、セルモニタ基板１１の平面度を保つことができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態においては、カラー６の少なくとも一部を、樹脂部６ａよりも弾性率の高いブッシュ材（弾性体）とする。詳細には図２に示したように、樹脂部６ａのカラー螺設方向（軸線方向）下方に、該樹脂部６ａよりも弾性率の高いブッシュ材６ｃをナット６ｂの端面（外面）から前記カラー螺設方向外側に突出するように設け、樹脂部６ａがブッシュ材６ｃを介してテンションプレート５上で支持されるカラー（連結部材）１６を形成する。
このカラー１６を用いることで、カラー１６の寸法バラツキが大きく、ケースプレート１０の締結面が斜めとなった場合でも、図３のようにブッシュ材６ｃが弾性変形して寸法バラツキを吸収し、ケースプレート１０およびセルモニタ基板１１の平面度を保つことができる。

また、変形例として、複数のカラー６のうち、いくつかの樹脂部６ａ全体を弾性率の高い素材（例えば上記のブッシュ材）で構成し、他を上記従来技術と同様のカラー６とするようにしてもよい。この場合、弾性率の高い素材で構成したブッシュ材が変形することで、カラーの寸法バラツキが吸収され、ケースプレート１０およびセルモニタ基板１１の平面度が保たれる。

さらに、変形例として、以下のように構成してもよい。
図４に示したように、ケースプレート１０’として、テンションプレート５’の剛性よりも高い剛性を有する素材により構成する。これにより、複数のカラー６に寸法バラツキがあった場合でも、ケースプレート１０’は変形せずにテンションプレート５’が変形する。これによりカラー６の寸法バラツキが吸収され、ケースプレート１０’の平面度を保つことができる。
なお、本第２実施形態及び該実施形態の変形例は、上記第１実施形態と組み合わせもよいし、独立して適用してもよい。

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの上面図である。 本発明の第２実施形態として示したカラーの一部を破断した斜視図である。 同カラーを用いてケースプレートを固定した状態を示した側面図である。 本発明の変形例として、ケースプレートを固定した状態を示した側面図である。 従来の燃料電池スタックの側面図である。 同燃料電池スタックの上面図である。 同燃料電池スタックの要部斜視図である。 従来のカラーの一部を破断した斜視図である。 従来のカラーを用いてケースプレートを固定した状態を示した側面図である。

符号の説明

１…セル積層体、２Ａ，２Ｂ…エンドプレート、３…ボルト（螺嵌部材）、４…燃料電池スタック、６ｃ…ブッシュ材（弾性体）、１０…ケースプレート、１１…セルモニタ基板（回路基板）、１６…カラー（連結部材）

Claims (4)

1. 複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックとともに用いられる回路基板とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの構成部材と、前記回路基板とが３点で取付けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記構成部材は、前記各セルを締結するテンションプレートであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. セル積層体のセル積層方向外方に互いに一定の間隔を隔てて保持されたエンドプレートと、これら両エンドプレ−トがなす隙間においてセル積層体の一端側に設けられ、螺嵌による伸縮によりセル積層体に作用する締結力を調整する螺嵌部材と、を更に有し、
   前記回路基板は、前記セルの積層方向に沿って設けられているとともに、前記螺嵌部材側が１点で支持され、他側が２点で支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックとともに用いられる回路基板とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記回路基板が、前記燃料電池スタックの構成部材に対して連結部材を介して取付けられ、該連結部材の少なくとも一部が弾性体であることを特徴とする燃料電池システム。

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