JP2008004307A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置合わせを可能とする。
【解決手段】セル積層体２２の積層方向の外側に配置されたエンドプレート１６と、セル積層体２２のエンドプレート１６側に設けられるとともに、エンドプレート１６に対してセル積層体２２の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジ５０でセル積層体２２に与える圧縮荷重が調整される押圧手段２７とを有し、荷重調整ネジ５０と押圧手段２７との係合部２８，５１が、エンドプレート１６及び押圧手段２７のうちの少なくともいずれか一方に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にその組み立て精度向上に有効な技術に関する。

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たエンドプレートと、このエンドプレートに対してセル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、セル積層体のエンドプレート側に設けられるとともに、荷重調整ネジでセル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段（スプリングボックス、皿バネあるいはプレッシャプレート等）とを有する燃料電池スタックとして構成されている。

このようなスタック構造の燃料電池において、エンドプレートに多角形状の貫通孔を形成し、この貫通孔に嵌合することで回転が規制された回転規制部材に荷重調整ネジを螺合させた構造のものがある（例えば特許文献１参照）。
特開平８−１７１９２６号公報

ところで、燃料電池には、荷重調整ネジ及び押圧手段に、互いに荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部を設けたものがあるが、このような燃料電池においては、荷重調整ネジの径方向におけるエンドプレートと押圧手段との位置関係が係合部の係合で決められてしまうため、製造誤差等があった場合に、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向（セル面内方向）でのエンドプレートと押圧手段との位置合わせが実質的に困難であった。

そこで、本発明は、セル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置合わせ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、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、前記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、前記エンドプレートに対して前記セル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、前記セル積層体の前記エンドプレート側に設けられるとともに、前記荷重調整ネジで前記セル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段とを有する燃料電池において、前記荷重調整ネジ及び前記押圧手段の互いに前記荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている。

かかる構成とすることによって、エンドプレート及び押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して、荷重調整ネジ及び押圧手段の互いに位置を合わせて係合する係合部を荷重調整ネジの径方向に移動させれば、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置を合わせことができる。

この場合、前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能で且つ３６０度以上の回転が規制された介在部材を設けるのが好ましい。

また、前記荷重調整ネジが複数設けられている場合に、これら荷重調整ネジのそれぞれと前記押圧手段との各係合部が前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられているのが好ましい。

さらに、前記押圧手段が、前記係合部として凹部又は凸部を有するのが好ましい。

本発明によれば、荷重調整ネジ及び押圧手段の互いに荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、エンドプレート及び押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して荷重調整ネジの径方向に移動可能であるため、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置合わせが可能となり、組み立て精度を向上できる。

次に、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を図１及び図２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スタックケース１２とを有している。なお、スタックケース１２は、合成樹脂等の絶縁材料で被覆された金属からなる場合もある。

燃料電池スタック１１は、一対の矩形状のエンドプレート１５，１６同士を互いの外縁部同士をテンションプレート１７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１５，１６及びテンションプレート１７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、一方のエンドプレート１５の他方のエンドプレート１６側に、一方のエンドプレート１５側から順に、矩形状の絶縁プレート１８、ターミナルプレート１９及びカバープレート２０が配置され、このカバープレート２０の他方のエンドプレート１６の側に、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がセル２１の積層方向をエンドプレート１５，１６同士を結ぶ方向にして配置されている。

さらに、燃料電池スタック１１は、セル積層体２２の他方のエンドプレート１６の側に、セル積層体２２側から順に、矩形状のカバープレート２４、ターミナルプレート２５及び絶縁プレート２６が配置され、この絶縁プレート２６の他方のエンドプレート１６側に、平面視矩形状のスプリングボックス（押圧手段）２７が配置されている。

スプリングボックス２７には、図示略の複数のコイルスプリングが設けられており、これらのコイルスプリングを介して絶縁プレート２６つまりセル積層体２２を積層方向に押圧するようになっている。また、スプリングボックス２７には、その所定の複数箇所、具体的には二箇所の位置に、球面状をなしてセル積層体２２とは反対側に突出する凸部（係合部）２８が形成されている。これらの凸部２８はスプリングボックス２７の長さ方向に所定の間隔をあけて配置されている。

そして、第１実施形態においては、上記した他方のエンドプレート１６が、図２にも示すように、テンションプレート１７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１７への連結位置よりも内側の範囲に設けられる所定の複数枚、具体的には二枚のストッパ（介在部材）３１とで構成されている。

エンドプレート本体３０には、その長さ方向に所定の間隔をあけて複数の貫通穴３２が厚さ方向に貫通して形成されている。これら貫通穴３２，３２は、同形状をなしており、それぞれ、スプリングボックス２７とは反対側にあってスプリングボックス２７とは反対側から見て円形状をなす挿入穴部３３と、スプリングボックス２７側にあって挿入穴部３３より大径でスプリングボックス２７側から見て円形状をなすように一定深さで凹む座ぐり穴部３４と、これら挿入穴部３３と座ぐり穴部３４との境界位置にあって座ぐり穴部３４側が大径となるテーパ状のテーパ穴部３５とを有している。同じ一つの貫通穴３２を構成する挿入穴部３３、座ぐり穴部３４及びテーパ穴部３５は同軸をなしている。

また、エンドプレート本体３０には、各貫通穴３２，３２のそれぞれの座ぐり穴部３４の底面３４ａに、挿入穴部３３と平行に回転規制穴部３６が形成されている。ここで、各回転規制穴部３６は、軸線方向から見て円形状をなしており、いずれも、両挿入穴部３３，３３の中心を通る直線上に形成されている。

複数のストッパ３１，３１は、同形状をなしており、それぞれ、内側に雌ネジ４０が形成された円筒状のボス部４１と、このボス部４１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略円板状のフランジ部４２とを有している。フランジ部４２が軸線方向の中間位置に形成されることで、ボス部４１は、フランジ部４２の軸線方向一側から突出する円筒部４３とフランジ部４２の軸線方向逆側から突出する円筒部４４とを有している。

また、ストッパ３１は、フランジ部４２の軸線方向一側とここから突出する円筒部４３との境界位置に、フランジ部４２側が大径のテーパ部４５が形成されており、フランジ部４２の軸線方向逆側とここから突出する円筒部４４との境界位置に、フランジ部４２側が大径のテーパ部４６が形成されている。同じ一つのストッパ３１を構成するボス部４１、フランジ部４２、テーパ部４５及びテーパ部４６は同軸をなしている。ここで、フランジ部４２を補強するために円筒部４４から放射状にリブを形成しても良い。

また、ストッパ３１には、フランジ部４２から軸線方向の円筒部４３側にこれと平行に突出する円柱状の回転規制ピン部４８が形成されている。ボス部４１の中心と回転規制ピン部４８の中心との距離は、エンドプレート本体３０における貫通穴３２の中心と回転規制穴部３６の中心との距離と等しくされている。

このようなストッパ３１，３１がそれぞれエンドプレート本体３０に、ボス部４１の一方の円筒部４３を挿入穴部３３に、テーパ部４５をテーパ穴部３５に、フランジ部４２を座ぐり穴部３４にそれぞれ挿入しつつ、回転規制ピン部４８を回転規制穴部３６に挿入することで、フランジ部４２を座ぐり穴部３４の底面３４ａに当接させることになるが、このとき、挿入穴部３３が円筒部４３よりも大径で、テーパ穴部３５がテーパ部４５よりも大径で、座ぐり穴部３４がフランジ部４２よりも大径で、回転規制穴部３６が回転規制ピン部４８よりも大径となっている。

その結果、ストッパ３１は、エンドプレート本体３０に対して、雌ネジ４０の径方向つまりこれに螺合する後述の荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能な遊びを有しており、しかも３６０度全ての径方向に移動可能となっている。その結果、これに螺合する荷重調整ネジ５０も、エンドプレート１６に対して径方向に移動可能となっており、しかも３６０度全ての径方向に移動可能となっている。

各ストッパ３１の雌ネジ４０には上記した荷重調整ネジ５０がそれぞれ螺合されており、これらの荷重調整ネジ５０がそれぞれ、スプリングボックス２７の一対一で対応する凸部２８に当接する。ここで、荷重調整ネジ５０には、凸部２８と当接する側に、凸部２８と荷重調整ネジ５０の径方向における位置を合わせて係合する球面状の凹部（係合部）５１が同軸に形成されており、凹部６１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５２が同軸に形成されている。

これら荷重調整ネジ５０は、この工具嵌合部５２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１６に対してその軸線方向、つまりセル積層体２２の積層方向に沿って移動することになり、その結果、スプリングボックス２７のセル積層体２２への圧縮荷重を調整することになる。

ここで、この荷重調整ネジ５０の回転時に、ストッパ３１も連れ回りしようとするが、その回転規制ピン部４８がエンドプレート本体３０の回転規制穴部３６の内壁面に当接することでエンドプレート本体３０に対する回転が規制されることになり、スプリングボックス２７の荷重が高くなると、エンドプレート本体３０の座ぐり穴部３４の底面３４ａとフランジ部４２との摩擦でも回転が規制されることになって、荷重調整ネジ５０のみがエンドプレート本体３０に対して回転する。

また、スプリングボックス２７による圧縮荷重が小さい状態では、荷重調整ネジ５０の締め込みによる荷重のバランスで荷重調整ネジ５０の球面状の凹部５１とこれに係合するスプリングボックス２７の球面状の凸部２８とが自動的に調心され、この調心を可能とするようにエンドプレート本体３０に対してストッパ３１が互いの当接面で摺動しつつ荷重調整ネジ５０とともに荷重調整ネジ５０の径方向に移動することになる。

言い換えれば、互いに荷重調整ネジ５０の径方向における中心位置を合わせて係合する荷重調整ネジ５０の凹部５１とスプリングボックス２７の凸部２８とが、ストッパ３１とともに、エンドプレート１６に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能となっている。

より具体的には、組み立て時に、エンドプレート１６のエンドプレート本体３０とスプリングボックス２７とが位置基準（拘束位置）Ｘで位置を合わせた状態で荷重調整ネジ５０が締め込まれることになるが、製造誤差等で荷重調整ネジ５０の凹部５１の位置とスプリングボックス２７の凸部２８の位置とが当初一致していなくても、荷重調整ネジ５０がストッパ３１とともにエンドプレート本体３０に対し適宜摺動することで、エンドプレート本体３０とスプリングボックス２７とが位置を合わせた状態のまま荷重調整ネジ５０がスプリングボックス２７に対する位置を合わせることになる。

このように荷重調整ネジ５０が径方向に移動可能でなければ、エンドプレートとスプリングボックスとの位置がずれてしまうことになり、また、場合によっては複数の荷重調整ネジが対応するスプリングボックスの複数の凸部に適正に係合できなくなってしまうのであるが、このような事象を生じることがないのである。

以上に述べた第１実施形態によれば、エンドプレート１６に対して荷重調整ネジ５０が径方向に移動可能であり、その結果、互いに荷重調整ネジ５０の径方向における位置を合わせて係合する荷重調整ネジ５０の凹部５１とスプリングボックス２７の凸部２８とが、エンドプレート１６に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能であるため、荷重調整ネジ５０の径方向つまりセル積層体２２の積層方向に直交する方向においてエンドプレート１６とスプリングボックス２７との位置合わせが可能となり、組み立て精度を向上できる。

しかも、エンドプレート１６に対してその一部を構成するストッパ３１を荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能に設けているため、簡素な構造でエンドプレート１６とスプリングボックス２７との位置合わせが可能となる。加えて、エンドプレート１６に対してストッパ３１の回転が規制されているため、ストッパ３１が荷重調整ネジ５０と連れ回りしてしまうことはなく、良好に荷重調整ネジ５０を軸線方向に移動させることができる。

ここで、エンドプレート本体３０に対してストッパ３１が３６０度以上の回転が規制されていれば良く、言い換えれば３６０未満の範囲で回動を許容できる。勿論、３６０度近傍までの回動を許容する必要はなく、好ましくはエンドプレート本体３０に対しストッパ３１の上記摺動を可能とする最小限の回動を許容するのが良い。さらには、エンドプレート本体３０に回転規制ピン部を形成し、ストッパ３１のフランジ部４２にこれを挿通させる回転規制穴部を形成しても良い。

また、荷重調整ネジ５０が複数設けられているが、互いに係合する荷重調整ネジ５０の凹部５１とスプリングボックス２７の凸部２８との組が、それぞれ、エンドプレート１６に対して荷重調整ネジ５０の径方向に個別に移動可能に設けられており、具体的には、複数の荷重調整ネジ５０が、それぞれエンドプレート１６に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能に設けられているため、上記のように、エンドプレート１６とスプリングボックス２７との位置を合わせた状態のまま複数の荷重調整ネジ５０でスプリングボックス２７の発生荷重を調整できる。

さらに、荷重調整ネジ５０には凹部５１が形成され、スプリングボックス２７には荷重調整ネジ５０の凹部５１と係合する凸部２８が設けられているため、係合後はこれらの位置ずれが防止されることになり、スプリングボックス２７に適正に荷重を発生させることができる。勿論、これとは逆に、荷重調整ネジ５０に凸部を形成し、スプリングボックス２７にこれに係合する凹部を形成しても良い。

なお、上記第１実施形態では、エンドプレート１６にストッパ３１のフランジ部４２よりも大径の座ぐり穴部３４を形成し、この座ぐり穴部３４内にストッパ３１のフランジ部４２を挿入したが、座ぐり穴部３４を設けず、フランジ部４２を直接エンドプレート１６に当接させる構造としても良い。

次に、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を主に図３を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付し説明は略す。

第２実施形態においては、第１実施形態のようにエンドプレート１６に対し荷重調整ネジ５０が径方向に移動可能に設けられているのではなく、スプリングボックス２７に対し荷重調整ネジ５０が径方向に移動可能に設けられている。

つまり、まずエンドプレート１６に直接複数、具体的には二箇所の雌ネジ４０が形成されており、これら雌ネジ４０，４０にそれぞれ上記した荷重調整ネジ５０が螺合されている。なお、エンドプレート１６に直接雌ネジ４０を形成するのではなく、別の部材に雌ネジ４０を形成し、この部材をエンドプレート１６に対し雌ネジ４０の径方向に移動不可に取り付けても良い。

他方、スプリングボックス２７は、第１実施形態のスプリングボックスのエンドプレート１６側に複数の同形状の収納凹部５５を形成した形状のスプリングボックス本体５６を有している。これら収納凹部５５は、エンドプレート１６側から見て円形状をなしており、その底面５５ａには中心から位置をずらして回転規制穴部５７が中心軸線と平行に形成されている。各回転規制穴部５７もエンドプレート１６側から見て円形状をなしている。

そして、スプリングボックス２７は、各収納凹部５５に収納される同形状の複数のストッパ（介在部材）６０を有している。これらのストッパ６０は円板状をなしており、エンドプレート１６側の中心位置に第１実施形態と同様の凸部２８が形成され、凸部２８とは反対側に、中心からずれて円柱状の回転規制ピン部６１が中心軸線と平行に形成されている。ストッパ６０の中心から回転規制ピン部６１の中心までの距離と、収納凹部５５の中心から回転規制穴部５７の中心までの距離とは等しくされている。

第２実施形態においては、収納凹部５５がストッパ６０よりも大径で、回転規制穴部５７が回転規制ピン部６１よりも大径となっている。その結果、ストッパ６０は、スプリングボックス本体５６に対して、荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能な遊びを有しており、しかも３６０度全ての径方向に移動可能となっている。

この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、組み立て時に、エンドプレート１６とスプリングボックス２７のスプリングボックス本体５６とが位置を合わせた状態で荷重調整ネジ５０が締め込まれることになるが、スプリングボックス２７による圧縮荷重が小さい状態では、荷重調整ネジ５０の締め込みによる荷重のバランスで荷重調整ネジ５０の球面状の凹部５１とこれに係合するスプリングボックス２７の球面状の凸部２８とが自動的に調心され、この調心を可能とするようにスプリングボックス本体５６に対してストッパ６０が摺動し荷重調整ネジ５０の径方向に移動することになる。

言い換えれば、互いに中心位置を合わせて係合する荷重調整ネジ５０の凹部５１とスプリングボックス２７の凸部２８とが、ストッパ６０とともにスプリングボックス２７のスプリングボックス本体５６に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能となっている。よって、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせても良い。つまり、荷重調整ネジ５０とスプリングボックス２７の互いに位置を合わせて係合する凹部５１及び凸部２８を、エンドプレート１６及びスプリングボックス２７の両方に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能に設けても良い。ただし、エンドプレート１６をエンドプレート本体３０と移動可能なストッパ３１とに分けて、エンドプレート１６に対して、互いに係合する凹部５１及び凸部２８を移動させる第１実施形態が、製造コスト等の観点からより好ましい。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す正断面図である。 同実施形態のストッパ、エンドプレート及び荷重調整ネジを示す平面図である。 本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す部分正断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料電池スタック、１６…エンドプレート、２１…セル、２２…セル積層体、２７…スプリングボックス（押圧手段）、２８…凸部（係合部）、３０…エンドプレート本体、３１…ストッパ（介在部材）、５０…荷重調整ネジ、５１…凹部（係合部）、６０…ストッパ（介在部材）。

Claims (4)

1. 複数のセルが積層されてなるセル積層体と、前記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、前記エンドプレートに対して前記セル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、前記セル積層体の前記エンドプレート側に設けられるとともに、前記荷重調整ネジで前記セル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段とを有する燃料電池において、
   前記荷重調整ネジ及び前記押圧手段の互いに前記荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能で且つ３６０度以上の回転が規制された介在部材を設けた燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記荷重調整ネジが複数設けられており、これら荷重調整ネジのそれぞれと前記押圧手段との前記各係合部が前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   前記押圧手段が、前記係合部として凹部又は凸部を有する燃料電池。

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