JP2007184203A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部が少ないことによって粉塵などの発生を低減できるスプリングモジュールを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】スプリングモジュール１０は、セルモジュールと平行に配置される第１の平板１２と、第１の平板１２に対向する第２の平板１３と、一端が第１の平板１２に接し、他端が第２の平板１３に接するスプリング９と、第１の平板１２および第２の平板１３を、セルモジュールの積層方向への相対移動を許容し且つこの積層方向と垂直な方向への相対移動を制限しつつ接続する接続具１４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、スプリングモジュールを有する燃料電池に関する。

燃料電池は、複数のセルモジュールが積層された燃料電池スタックを有する。また、セルモジュールを構成するセルには、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置されている。そして、アノードに水素を含む燃料ガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触すると、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

燃料電池スタックでは、内部抵抗の増大や、反応ガスのシール性の低下などを防ぐために、積層されているセルモジュール同士を加圧保持している。具体的には、セルモジュールを一対のエンドプレートによって挟持し、少なくとも一方のエンドプレートが弾性体を介して他方のエンドプレートの側に押し付けられるようにすることによって、セルモジュールが締結される構造としている。この場合、セルモジュールを締結する荷重の大きさが、セル面の全域に渡って均一であるとともに、大きく変動しないようにすることが必要となる。

特許文献１には、セルモジュールとエンドプレートの間にスプリングモジュールを設けた燃料電池が開示されている。ここで、スプリングモジュールは、相対的に傾斜且つ変位可能な第１のケーシングおよび第２のケーシングと、これらの間に並列に配置され、互いに独立である複数のスプリングとによって構成されている。この構造によれば、セル面の全域に渡って荷重を均一にかけることができるとともに、セルモジュールの積層方向における荷重の変動も低減できるとされる。

特開２００４−２８８６１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスプリングモジュールは、ボックス型のアッセンブリであり、第１のケーシングの側壁と第２のケーシングの側壁とが接触する摺動部を有する。このため、摺動部で粉塵などが発生して、燃料電池の動作に不具合を生じるおそれがあった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、摺動部が少ないことによって粉塵などの発生を低減できるスプリングモジュールを備えた燃料電池を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、積層された複数のセルモジュールを有する燃料電池において、前記セルモジュールと平行に配置される第１の平板と、前記第１の平板に対向する第２の平板と、一端が前記第１の平板に接し、他端が前記第２の平板に接するスプリングとを備えたスプリングモジュールと、前記第１の平板および前記第２の平板を接続する接続具とを有することを特徴とするものである。

本発明において、前記接続具は、前記セルモジュールの積層方向への相対移動を許容し且つ前記積層方向と垂直な方向への相対移動を制限するものとすることが好ましい。また、この場合、前記接続具は、前記第１の平板に固定された第１のブッシュと、前記第２の平板に固定されるとともに、前記第１のブッシュに勘合する第２のブッシュとを有し、前記第１のブッシュと前記第２のブッシュは、それぞれ前記セルモジュールの積層方向と平行な方向に相対的に移動可能であり、前記第１のブッシュおよび前記第２のブッシュのそれぞれが他方に突き当たり、前記第１のブッシュおよび前記第２のブッシュの移動が停止することによって、前記スプリングの伸縮する幅が規定されるものとすることができる。

本発明の燃料電池によれば、接続具を介して第１の平板と第２の平板が接続しているので、摺動部を少なくすることができる。したがって、スプリングモジュールからの粉塵などの発生を低減することができる。

図１〜図４を用いて、本実施の形態における燃料電池について説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

図１は、本実施の形態において、セルモジュールの積層方向に対して垂直方向から見たときの燃料電池スタックの平面図である。

燃料電池スタック１は、１つのセルから構成されたセルモジュール２が複数積層された構造（以下、セル積層体と称す。）を有する。尚、セルモジュール２は、複数のセルから構成されていてもよい。

セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられた触媒層からなるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられた触媒層からなるカソードとからなる。そして、膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれに、拡散層を介してセパレータが設けられる。ここで、アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。一方、カソード側のセパレータには、酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成されている。但し、本実施の形態では、アノード側およびカソード側のセパレータに、反応ガス流路を設けないセパレータ（フラットセパレータ）を用いてもよい。

セル積層体の両端には、ターミナル３、インシュレータ４およびエンドプレート５が配置されていて、セル積層体をセルモジュール２の積層方向に締め付けている。また、セル積層体の外側には、セルモジュール２の積層方向に延びたテンションプレート６が設けられている。テンションプレート６は、ボルト７によってエンドプレート５に固定されている。さらに、セル積層体の側面は、外部拘束部材８によって拘束されている。これにより、例えば、走行中の振動などによって、燃料電池スタックに荷重がかかった際に、セルモジュール間ですべりが生じて、燃料電池スタックがばらけてしまうのを防ぐことができる。

エンドプレート５とインシュレータ４の間には、複数のスプリング９を有するスプリングモジュール１０が配置されている。スプリングモジュール１０は、セルモジュール２に対して所定の荷重をかけている。この荷重は、スプリングボックス１０とエンドプレート５の間に設けられた調整ネジ１１によって調整することができる。

図２（ａ）および（ｂ）は、セルモジュール２の積層方向に対して垂直方向から見たときのスプリングモジュール１０の断面図である。図２（ａ）は、スプリングモジュール１０に対して、予荷重が印加された状態を示している。一方、図２（ｂ）は、スプリングモジュール１０に対して、最大荷重、すなわち、スプリングモジュール１０がそれ以上変形しない荷重が印加された状態を示している。これらの図に示すように、スプリングモジュール１０は、セルモジュール２の積層方向と平行に配置される第１の平板１２と、第１の平板１２に対向する第２の平板１３と、第１の平板１２および第２の平板１３を接続する接続具１４と、一端が第１の平板１２に接し、他端が第２の平板１３に接するスプリング９とを有している。

本実施の形態において、第１の平板１２および第２の平板１３は、剛性の大きい材料からなるものとする。例えば、ステンレス材などは、剛性が大きく、また、耐腐食性も良好であることから好ましく用いられる。一方、スプリング９は、図２（ａ）および（ｂ）の例ではコイルスプリングを用いているが、皿バネなどの他の弾発性を持つ部材を用いてもよい。

図３は、セルモジュール１０の積層方向から見たときのスプリングモジュール１０の平面図である。この図に示すように、スプリングモジュール１０には、複数のスプリング９がそれぞれ独立に設けられている。設ける箇所および数については、スプリングモジュール１０の大きさに応じて適宜設定することができるが、第１の平板１２と第２の平板１３が撓まないよう適当に分散して設けることが好ましい。例えば、図３では、周辺部だけでなく中央部にもスプリング９を設けている。これにより、第１の平板１２および第２の平板１３が撓むのを効果的に防止することが可能となる。したがって、セル面の全域に渡って所望の荷重を均一にかけることができるので、燃料電池に発電分布が生じるのを防ぐことができる。

また、スプリングモジュール１０には、スプリング９とは別に複数の接続具１４がそれぞれ独立に設けられている。接続具１４を設ける箇所および数についても、スプリングモジュール１０の大きさに応じて適宜設定することができる。接続具１４は、第１の平板１２および第２の平板１３を、セルモジュール２の積層方向への相対移動を許容し且つこの積層方向と垂直な方向への相対移動を制限しつつ接続している。

図４は、図２（ａ）のＡ−Ａ´線に沿う接続具１４の断面図である。この図に示すように、接続具１４は、第１のブッシュとしての内側ブッシュ１６と、第２のブッシュとしての外側ブッシュ１８とを有する。内側ブッシュ１６は、第１のボルト１５によって第１の平板１２に固定される。一方、外側ブッシュ１８は、第２のボルト１７によって第２の平板１３に固定される。また、内側ブッシュ１６の所定の位置には勘合ピン１９が設けられており、外側ブッシュ１８には、勘合ピン１９の大きさに合わせて、セルモジュール２の積層方向に長い長穴２０が設けられている。そして、勘合ピン１９が長穴２０を通るようにして、内側ブッシュ１６と外側ブッシュ１８とが勘合している。

スプリングモジュール１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、外側ブッシュ１８に内側ブッシュ１６を勘合し、この状態で内側ブッシュ１６の所定の位置に勘合ピン１９を圧入する。これにより得られた接続具１４を、第１の平板１２に設けられた第１の座溝２１にセットして第１のボルト１５で固定する。

次に、第１の平板１２に設けられた第２の座溝２２にスプリング９をセットした後、接続具１４およびスプリング９を介して第１の平板１２と対向する位置に第２の平板１３を置く。このとき、第２の平板１３に設けられた第３の座溝２３に接続具１４が、第４の座溝２４にスプリング９がそれぞれはめ込まれるようにする。

次いで、圧縮機（図示せず）を用いて、第１の平板１２と第２の平板１３の間を狭め、この状態で第２のボルト１７によって接続具１４を第２の平板１３に固定する。これにより、スプリングモジュール１０を得ることができる。尚、スプリング９および接続具１４にかかる予荷重は、スプリング９のバネ特性などを考慮して決定される。

次に、接続具１４の動作について説明する。

内側ブッシュ１６と外側ブッシュ１８は、それぞれセルモジュール２の積層方向と平行な方向に相対的に移動することができる。そして、内側ブッシュ１６および外側ブッシュ１８のそれぞれが他方に突き当たり、内側ブッシュ１６および外側ブッシュ１８の移動が停止することによって、スプリング９の伸縮する幅を規定している。以下に、接続具１４の動作についてさらに詳しく説明する。

第２の平板１３に荷重がかかると、外側ブッシュ１８が第１の平板１２の側に移動する。これにより、第１の平板１２と第２の平板１３の間隔が狭まり、第１の平板１２および第２の平板１３にかかるスプリング９の荷重が増大する。そして、外側ブッシュ１８に設けられた長穴２０の一方の端部が勘合ピン１９に突き当たると、外側ブッシュ１８はそれ以上移動しなくなる。この状態は、図２（ｂ）に示した最大荷重が印加された状態に対応する。

次いで、第２の平板１３にかかる荷重が軽減されると、外側ブッシュ１８は第１の平板１２から離れる方向に移動する。これにより、第２の平板１３も第１の平板１２から離れる方向に移動する。そして、外側ブッシュ１８に設けられた長穴２０の他方の端部が勘合ピン１９に突き当たると、外側ブッシュ１８はそれ以上移動しなくなる。この状態は、図２（ａ）に示した予荷重が印加された状態に対応する。

このように、接続具１４は、予荷重がかけられた状態と最大荷重がかけられた状態で動作を停止するので、スプリング９の伸縮する幅を限定することができる。特に、最大荷重を規定することによって、スプリング９を構成する線材が線間密着するのを防げるので、金属疲労や磨耗によってスプリング９が劣化するのを低減することが可能となる。

尚、本実施の形態においては、必ずしも勘合ピン１９が長穴２０の端部に突き当たる位置を外側ブッシュ１８の停止位置としなくてもよい。例えば、図４において、外側ブッシュ１８の端部１８ａが内側ブッシュ１６に突き当たる位置としてもよいし、内側ブッシュ１６ａの端部が外側ブッシュ１８に突き当たる位置としてもよい。内側ブッシュ１６と外側ブッシュ１８とが、いずれかの位置で突き当たることにより、外側ブッシュ１８の移動を停止できるので、第１の平板１２と第２の平板１３とが接触するのを防ぐことが可能となる。

スプリングモジュールを上記の構成とすることによって、次のような効果を得ることができる。

特許文献１に記載のスプリングモジュールはボックス型のアッセンブリであり、２つのケーシングは、底壁と、底壁の外側縁から対向するケーシングの側に延びる側壁とをそれぞれ有する。この構造によれば、スプリングモジュールがセルの積層方向に変形する際に、２つの側壁が接触することとなる。したがって、この部分が摺動部となって、粉塵などを発生するおそれがある。

一方、本実施の形態においては、接続具１４によって第１の平板１２と第２の平板１３を接続しているので、第１の平板１２と第２の平板１３とが接触することはない。尚、外側ブッシュ１８が移動する際に、外側ブッシュ１８と内側ブッシュ１６との間に摺動部２５が生じるが、その面積は特許文献１に比較して僅かに過ぎない。さらに、摺動部２５にオイルなどを塗布しておけば、粉塵などの発生を防ぐことができる。したがって、本実施の形態によれば、粉塵などによって燃料電池に不具合が生じるおそれを低減することができる。

さらに、特許文献１では、底壁は、その周囲のみで支持される構造となっているので、底壁に撓みが生じて、セル面の全域に渡って荷重を均一にかけることができなくなるおそれがある。また、一方のケーシングから他方のケーシングに荷重を１００％伝達することができなくなるので、セルモジュールに対して所望の荷重を付与することができなくなるおそれもある。

また、本実施の形態においては、平板に剛性の高い材料を用いているので、平板が撓むのを防いで、セル面の全域に渡って所望の荷重を均一にかけることができる。したがって、燃料電池に発電分布が生じるのを防ぐことが可能となる。特許文献１では、底壁は剛体板ではなく、セルの積層方向に変形可能な板である。すなわち、剛性の低いケーシングによって、剛性の低いセル積層体やインシュレータに荷重をかけるので、ケーシングに必ず変形を生じる。これに対して、本実施の形態のように剛性の高い平板を用いた方が、容易にセル面に対して均一な荷重をかけることができる。尚、セル面の全域に渡って均一な荷重をかけるためには、第１の平板１２と第２の平板１３とが互いに平行であることが好ましい。

さらに、本実施の形態によれば、第１の平板１２と第２の平板１３の裏面に突出する部材がない。したがって、スプリングモジュール１０の組み付けが容易となる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、接続具は、一端が第２の平板に固定されるとともに、他端が第１の平板に設けられた貫通孔を通って第１の平板の裏面に突き出る軸部を備えた構造とすることができる。ここで、軸部は、第１のストッパおよび第２のストッパとを有するとともに、第２の平板にかかる荷重の変動によってセルモジュールの積層方向に移動可能である。この構造によれば、第１のストッパが第１の平板の表面に突き当たることによって、または、第２のストッパが第１の平板の裏面に突き当たることによって、スプリングの伸縮する幅を規定することができる。

図５（ａ）および（ｂ）に、上記スプリングモジュールの断面図を示す。尚、これらの図は、図１のセルモジュール２の積層方向に対して垂直方向から見た場合に対応する。

図５（ａ）は、スプリングモジュール３０に対して、予荷重が印加された状態を示している。一方、図５（ｂ）は、スプリングモジュール３０に対して、最大荷重、すなわち、スプリングモジュール３０がそれ以上変形しない荷重が印加された状態を示している。これらの図に示すように、スプリングモジュール３０は、図１のセルモジュール２の積層方向に垂直な第１の平板３１と、第１の平板３１に対向する第２の平板３２と、第１の平板３１および第２の平板３２を接続する接続具３３と、一端が第１の平板３１に接し、他端が第２の平板３２に接するスプリング３４とを有している。

接続具３３は、一端が固定部３５によって第２の平板３２に固定されるとともに、他端が第１の平板３１に設けられた貫通孔（図示せず）を通って、第１の平板３１の裏面に突き出た軸部３６と、軸部３６に設けられた第１のストッパ３７および第２のストッパ３８とを有する。ここで、第１のストッパ３７は、第１の平板３１と第２の平板３２の間に設けられている。一方、第２のストッパ３８は、第１の平板３１の裏面側に設けられている。

第２の平板３２に荷重がかかると、軸部３６が第１の平板３１の側に移動する。これにより、第１の平板３１と第２の平板３２の間隔が狭まり、第１の平板３１および第２の平板３２にかかるスプリング３４の荷重が増大する。そして、第１のストッパ３７が第１の平板３１の表面に突き当たると、軸部３６はそれ以上移動しなくなる。この状態は、図５（ｂ）に示した最大荷重が印加された状態に対応する。

次いで、第２の平板３２にかかる荷重が軽減されると、軸部３６は第１の平板３１から離れる方向に移動する。これにより、第２の平板３２も第１の平板３１から離れる方向に移動する。そして、第２のストッパ３８が第１の平板３１の裏面に突き当たると、軸部３６はそれ以上移動しなくなる。この状態は、図５（ａ）に示した予荷重が印加された状態に対応する。

このように、接続具３３は、予荷重がかけられた状態と最大荷重がかけられた状態で動作を停止する。したがって、この構成によっても、スプリング３０の伸縮する幅を限定することができる。但し、この場合、軸部３６および第２のストッパ３８が第１の平板３１の裏面側に、固定部３５が第２の平板３２の裏面側にそれぞれ突出している。したがって、スプリングモジュール３０が対向する他の部品（図示せず）と衝突することによって動作に支障が生じないよう、他の部品に凹部を設けるなどの措置が必要となる。

本実施の形態における燃料電池スタックの平面図である。 本実施の形態において、セルモジュールの積層方向に対して垂直方向から見たときのスプリングモジュールの断面図であり、（ａ）は予荷重がかけられた状態、（ｂ）は最大荷重がかけられた状態を示す。 本実施の形態において、セルモジュールの積層方向から見たときのスプリングモジュールの平面図である。 図２（ａ）のＡ−Ａ´線に沿う接続具の断面図である。 本実施の形態における他のスプリングモジュールの断面図であり、（ａ）は予荷重がかけられた状態、（ｂ）は最大荷重がかけられた状態を示す。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ ターミナル
４ インシュレータ
５ エンドプレート
６ テンションプレート
７ ボルト
８ 外部拘束部材
９，３４ スプリング
１０，３０ スプリングモジュール
１１ 調整ネジ
１２，３１ 第１の平板
１３，３２ 第２の平板
１４，３３ 接続具
１５ 第１のボルト
１６ 内側ブッシュ
１７ 第２のボルト
１８ 外側ブッシュ
１９ 勘合ピン
２０ 長穴
２１ 第１の座溝
２２ 第２の座溝
２３ 第３の座溝
２４ 第４の座溝
２５ 摺動部
３５ 固定部
３６ 軸部
３７ 第１のストッパ
３８ 第２のストッパ

Claims (3)

1. 積層された複数のセルモジュールを有する燃料電池において、
   前記セルモジュールと平行に配置される第１の平板と、
   前記第１の平板に対向する第２の平板と、
   一端が前記第１の平板に接し、他端が前記第２の平板に接するスプリングとを備えたスプリングモジュールと、
   前記第１の平板および前記第２の平板を接続する接続具とを有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記接続具は、前記セルモジュールの積層方向への相対移動を許容し且つ前記積層方向と垂直な方向への相対移動を制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記接続具は、前記第１の平板に固定された第１のブッシュと、
   前記第２の平板に固定されるとともに、前記第１のブッシュに勘合する第２のブッシュとを有し、
   前記第１のブッシュと前記第２のブッシュは、それぞれ前記セルモジュールの積層方向と平行な方向に相対的に移動可能であり、
   前記第１のブッシュおよび前記第２のブッシュのそれぞれが他方に突き当たり、前記第１のブッシュおよび前記第２のブッシュの移動が停止することによって、前記スプリングの伸縮する幅が規定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。

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