JP2008004301A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】押圧装置を構成する同士の傾きを許容しつつ面方向への位置ずれを抑制し、セル積層体へ良好に圧縮荷重を付与することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】複数のセルが積層されてなるセル積層体と、セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、セル積層体とエンドプレートとの間に設けられてセル積層体への圧縮荷重を調整するスプリングモジュール２３とを設ける。アッパプレート５１とロアプレート５２との間にコイルスプリング５３及びスプリングユニット５４を配置させてスプリングモジュール２３を構成する。第１ケース６３と第２ケース６４とからなる伸縮可能な筒状ケース６１内にコイルスプリング６２を収納させてスプリングユニット５４を構成し、第１ケース６３の底部の端部を球面状の曲面として、ロアプレート５２に対して揺動可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電セルを積層させたセル積層体を有する燃料電池に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。

このような燃料電池は、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層したセル積層体と、このセル積層体の積層方向の外側に配置されるとともに荷重調整ネジで調整された圧縮荷重をセル積層体に与えるエンドプレートとを備えた燃料電池スタックとして構成されている。

そして、この燃料電池では、セル積層体への圧縮荷重の均一化及び圧縮荷重の変動の低減のため、プレート間に複数のスプリングを配置したスプリングモジュールをセル積層体とエンドプレートとの間に介在させている（例えば、特許文献１参照）。このスプリングモジュールには、各プレート間に、オイルダンパを有するショックアブソーバを備えており、このショックアブソーバによって急激な弾性変形が抑制されるようになっている。
特開２００４−２８８６１８号公報

ところで、上記スプリングモジュールでは、コイルバネが軸方向以外にも変形することより、プレート同士の傾きを許容することができるが、これらプレート同士の面方向への相対的な位置ずれが生じてしまう。ここで、ショックアブソーバを設けると、プレート同士の面方向への位置ずれをある程度抑制することができるが、このショックアブソーバは、プレート同士の傾きを許容することができず、このため、セル積層体へ付与する圧縮荷重が不均一となる恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、押圧装置を構成する板体同士の傾きを許容しつつ面方向への位置ずれを抑制し、セル積層体へ良好に圧縮荷重を付与することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、複数のセルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に設けられて前記セル積層体への圧縮荷重を調整する押圧装置とを備えた燃料電池であって、前記押圧装置には、前記板体間に、これら板体の面方向への相対変位を制限する変位制限部材が前記弾性部材を内包して設けられ、該変位制限部材は、少なくとも一方の板体に対して揺動可能とされている。

かかる構成とすることにより、変位制限部材によって板体同士の面方向への相対的な位置ずれが抑制される。また、変位制限部材は、少なくとも一方の板体に対して揺動可能とされているので、板体同士の傾きは許容される。これにより、押圧装置では、板体同士の傾きを許容しつつ面方向への位置ずれを抑制し、弾性部材による弾性力を円滑に発揮させることができ、セル積層体へ良好に圧縮荷重を付与することができる。

前記変位制限部材は、前記押圧装置に複数備えられた前記弾性部材の少なくとも１つを内包した（少なくとも１つと組み合わされた）うえで、前記板体間における複数箇所に配置されていてもよい。

この構成によれば、複数の変位制限部材によって板体同士の傾きを許容しつつ面方向への位置ずれを十分に抑制することができる。

前記変位制限部材は、前記弾性部材の輪郭に沿って（前記弾性部材の伸縮方向に沿って）延在する伸縮可能な筒体を有する構成でもよい。

この構成によれば、筒体内に収納可能な小さな弾性部材を用いることができる。

前記筒体には、内部と外部とを連通させる孔が形成されていてもよい。

この構成によれば、筒体が伸縮した際に、筒体内の圧力変動を極力抑えることができ、弾性部材の弾性力に対する圧力変動の影響を極力抑制することができる。

前記筒体は、少なくとも一端面が曲面とされていてもよい。

この構成によれば、板体に対する筒体の一端面の揺動の円滑化を図ることができ、板体の傾きを円滑に許容することができる。

本発明の燃料電池によれば、押圧装置を構成する板体同士の傾きを許容しつつ面方向への位置ずれを抑制し、セル積層体へ良好に圧縮荷重を付与することができる。

次に、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を図１〜図３を参照しつつ説明する。

図１は、燃料電池１０を示すものである。この燃料電池１０は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池１０は、燃料電池スタック１１と、この燃料電池スタック１１の外側を覆う合成樹脂等の絶縁材料からなる図示しないスタックケースとを有している。燃料電池スタック１１は、一対の矩形状のエンドプレート１２（一方は図示略）を、互いの外縁部同士をテンションプレート１３で連結して外側部分が構成されており、これらエンドプレート１２及びテンションプレート１３は例えばジュラルミン等で形成されている。

また、燃料電池スタック１１は、エンドプレート１２同士の間に燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する平面視矩形状のセル２１を所要数積層してなるセル積層体２２が設けられている。そして、一方のエンドプレート１２とセル積層体２２との間には、エンドプレート１２側から順に、スプリングモジュール（押圧装置）２３、絶縁プレート２４、ターミナルプレート２５及びカバープレート２６が配置されている。なお、カバープレート２６は省略することも可能である。

なお、図示はしないが他方のエンドプレート１２とセル積層体２２との間には、エンドプレート１２側から順に、絶縁プレート２４、ターミナルプレート２５及びカバープレート２６が配置されている。

そして、スプリングモジュール２３が設けられた側のエンドプレート１２は、テンションプレート１３に連結される矩形状のエンドプレート本体３０と、このエンドプレート本体３０のテンションプレート１３への連結位置よりも内側の範囲に設けられたストッパ３１とで構成されている。

エンドプレート本体３０には、厚さ方向に貫通する複数の貫通穴３２が形成されている。ストッパ３１は、エンドプレート本体３０のスプリングモジュール２３側に当接することで、エンドプレート本体３０を含むエンドプレート１２を補強する。このストッパ３１は、内側に雌ネジ３４が形成された円筒状のボス部３５と、このボス部３５の軸線方向の中間位置から全周にわたって半径方向外側に延出する、ボス部３５と同軸の一定厚の略円板状のフランジ部３６とを有している。

そして、ストッパ３１は、ボス部３５のうちフランジ部３６から軸線方向一側に突出する一方の円筒部３７においてエンドプレート本体３０の貫通穴３２に挿入され、フランジ部３６の全面がエンドプレート本体３０に当接されている。なお、ストッパ３１の一方の円筒部３７の軸方向長は、エンドプレート本体３０の貫通穴３２の軸方向長と同等とされており、円筒部３７の端面がエンドプレート本体３０の外側の端面と面一となっている。

そして、エンドプレート１２は、上記ストッパ３１の雌ネジ３４に螺合される荷重調整ネジ４１を有しており、この荷重調整ネジ４１がスプリングモジュール２３のエンドプレート１２側に形成された球面状の突起部２８に当接する。ここで、荷重調整ネジ４１には、突起部２８側に凹部４３が形成され、この凹部４３が突起部２８に係合するようになっている。

また、荷重調整ネジ４１には突起部２８とは反対側に六角ボルト等の工具を嵌合させる工具嵌合部４２が形成されており、荷重調整ネジ４１は、この工具嵌合部４２に嵌合する工具を介して回転させられることで、エンドプレート１２とセル積層体２２の端部との距離を調整してセル積層体２２に作用する圧縮荷重を調整する。

図２にも示すように、スプリングモジュール２３は、エンドプレート１２側のアッパプレート（板体）５１と、セル積層体２２側のロアプレート（板体）５２とを有し、これらアッパプレート５１とロアプレート５２の間に、複数のコイルスプリング（弾性部材）５３及びスプリングユニット（変位制限部材）５４が配設されている。アッパプレート５１及びロアプレート５２は、例えば、アルミニウムなどの比重の小さい金属材料から形成されており、アッパプレート５１に、荷重調整ネジ４１が当接される突起部２８が形成されている。

アッパプレート５１及びロアプレート５２には、互いの対向位置に、スプリング収納凹部５５，５６が形成されており、これらスプリング収納凹部５５，５６に、コイルスプリング５３の端部が保持されている。また、アッパプレート５１及びロアプレート５２には、互いの対向位置に、ユニット収納凹部５７，５８が形成されており、これらユニット収納凹部５７，５８に、スプリングユニット５４の端部が保持されている。

図３に示すように、スプリングユニット５４は、筒状ケース（筒体）６１と、この筒状ケース６１内に収納されたコイルスプリング（弾性部材）６２と、を備えて構成されている。筒状ケース６１は、それぞれ有底円筒形状に形成された第１ケース６３と、第２ケース６４とから構成されている。

第１ケース６３は、その内径が第２ケース６４の外径よりも僅かに大きくされており、この第１ケース６３の開口部側には、第２ケース６４の開口部側が挿入され、互いに軸方向へ摺動可能とされ、これにより、筒状ケース６１は、軸方向へ伸縮可能とされている。

そして、この第１ケース６３に第２ケース６４を挿入することにより、これら第１ケース６３と第２ケース６４とによって収納空間６５が形成され、この収納空間６５内にコイルスプリング６２が配置されている。つまり、スプリングユニット５４は、コイルスプリング６２の輪郭に沿って延在する、言い換えれば、コイルスプリング６２の伸縮方向に沿って延在する伸縮可能な筒状ケース６１を有する構造とされている。

第１ケース６３は、その底部６３ａが球面状に形成されており、この球面状の底部６３ａは、ロアプレート５２の凹部５８を構成する底面に形成された球面状の保持凹部５８ａに摺動可能に係合されている。これにより、スプリングユニット５４は、第１ケース６３側の端部にて揺動可能とされている。なお、この保持凹部５８ａは、その深さ寸法が球面状の底部６３ａの高さ寸法よりも小さくされており、スプリングユニット５４が揺動した際に、第１ケース６３の曲面とされた底部６３ａ以外の部分が保持凹部５８ａに干渉することによる揺動への影響が抑制されている。

また、第１ケース６３の側部には、空気孔（孔）６６が形成されており、この空気孔６６を介して収納空間６５と外部とが連通されている。また、アッパプレート５１には、凹部５７を構成する底面に、固定凹部５７ａが形成されており、この固定凹部５７ａには、第２ケース６４の底部６４ａが嵌合されている。

また、スプリングモジュール２３は、図１に示すように、アッパプレート５１に設けられた目盛板６７及びロアプレート５２に設けられた指針板６８を有しており、目盛板６７によって指針板６８の端部位置を読み取ることにより、スプリングモジュール２３を介してセル積層体２２に付与される圧縮荷重を把握することができるようになっている。

そして、上記燃料電池１０では、荷重調整ネジ４１によってセル積層体２２へ付与される圧縮荷重が、複数のコイルスプリング５３及びスプリングユニット５４を有するスプリングモジュール２３によって面方向に均一化され、また、発電時の膨張収縮による圧縮荷重の変動が吸収される。

ここで、アッパプレート５１とロアプレート５２との間に配置されたコイルスプリング５３は、軸方向以外にも、軸と直交する方向へも変位するのに対して、スプリングユニット５４は、第１ケース６３及び第２ケース６４が互いに軸方向へ摺動するだけで軸と直交する方向へ変位することはない。

したがって、コイルスプリング５３とともにスプリングユニット５４が設けられたアッパプレート５１及びロアプレート５２は、スプリングユニット５４によって、面方向への相対的な位置ずれが抑制される。これにより、スプリングモジュール２３では、コイルスプリング５３及びスプリングユニット５４内のコイルスプリング６２による弾性力を円滑に発揮させることができる。

さらに、スプリングユニット５４は、その筒状ケース６１の一端側である第１ケース６３がロアプレート５２に揺動可能に保持されているので、アッパプレート５１とロアプレート５２とが相対的に傾斜した際に、このスプリングユニット５４がロアプレート５２における保持箇所にて揺動して傾斜する。

つまり、本実施形態に係る燃料電池１０によれば、アッパプレート５１及びロアプレート５２の相対的な傾きを許容しつつこれらアッパプレート５１及びロアプレート５２の面方向への位置ずれを抑制し、セル積層体２２へ良好に圧縮荷重を付与することができる。

また、スプリングモジュール２３に設けられたスプリングユニット５４は、筒状ケース６１を構成する第１ケース６３に内部の収納空間６５と外部とを連通させる空気孔６６が形成されているので、第１ケース６３と第２ケース６４とが互いに摺動して伸縮した際に、収納空間６５内の圧力変動を極力抑えることができ、収納空間６５内のコイルスプリング６２の弾性力への圧力変動の影響を極力抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池の一部の断面図である。 燃料電池に設けられたスプリングモジュールの構造を説明する断面図である。 スプリングモジュールに設けられたスプリングユニットの構造を説明する断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１２…エンドプレート、２１…セル、２２…セル積層体、２３…スプリングモジュール（押圧装置）、５１…アッパプレート（板体）、５２…ロアプレート（板体）、５３…コイルスプリング（弾性部材）、５４…スプリングユニット（変位制限部材）、６２…コイルスプリング（弾性部材）、６１…筒状ケース（筒体）、６６…空気孔（孔）。

Claims (5)

1. 複数のセルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に設けられて前記セル積層体への圧縮荷重を調整する押圧装置とを備えた燃料電池であって、
   前記押圧装置は、一対の板体と、これら板体間に配置されて弾性力によって前記板体同士を互いに離間させる弾性部材とを備え、
   前記押圧装置には、前記板体間に、これら板体の面方向への相対変位を制限する変位制限部材が前記弾性部材を内包して設けられ、該変位制限部材は、少なくとも一方の板体に対して揺動可能とされている燃料電池。
2. 前記変位制限部材は、前記板体間における複数箇所に配置されている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記変位制限部材は、前記弾性部材の輪郭に沿って延在する伸縮可能な筒体を有する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記筒体には、内部と外部とを連通させる孔が形成されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記筒体は、少なくとも一端面が曲面とされている請求項３または請求項４に記載の燃料電池。

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