JP2009043619A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は単位電池を積層した積層体にかかる締結荷重を所定値に容易に調整できるとともに、積層方向の変位を許容する弾性部材を備える燃料電池スタックにおける単位電池積層面の面圧分布を均一化する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、単位電池１２を複数積層した積層体１４と、積層方向の変位を許容する弾性部材１６と、積層体１４と弾性部材１６とを締結する締結荷重を付与する一対のエンドプレート２２，２４と、弾性部材１６とエンドプレート２４との間に位置する中間プレート３２と、を備え、中間プレート３２は、荷重入力点３４と、該荷重入力点に対して点対称な位置に２点の荷重作用点３６と、を有する燃料電池スタックである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池を単位電池として、単位電池を複数積層した燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックにおいて、単位電池の積層体を締結し、単位電池の積層面に一定の面圧を掛けることが必要である。一定の面圧を掛けることで、電気的な接触抵抗を軽減すること等により出力向上が図られるからである。

例えば特許文献１では、単位電池の積層体を積層方向に貫通する複数の締結部材を等間隔に配置することにより、単位電池の積層面に一定の面圧を掛ける燃料電池スタックの構成が開示されている。

また、特許文献２では、エンドプレートに配置された複数のバネの弾性率を異ならせることにより、単位電池の積層面に一定の面圧を付与する燃料電池スタックの構成が知られている。

また、図９に示すような、複数のバネ１０２を並列に配置した積層方向の変位を許容する弾性部材（スプリングボックス１０４）を積層体の端面に配置し、このスプリングボックス１０４をエンドプレート１０６により一点支持１０８して締結力を付与する燃料電池スタック１００の構成が知られている。

特開２０００−２６８８４３号公報 特開２００６−２５２９７２号公報

単位電池の積層面に一定の面圧を付与するために、単位電池の積層体に付与する荷重を所定値とすることが必要である。特許文献１又は特許文献２では、複数の締結部材が独立して積層体を締結して荷重を付与する構成である。そのため、それぞれの締結部材の締結荷重を測定して、合計された締結荷重の値を積層体に付与される所定値に調整しなければならない。また、単位電池の積層体の不均一な熱膨張等により、それぞれ独立した締結部材は均等に締結力を付与することが困難である。これにより、単位電池の積層面に一定の面圧が掛かっていないという問題があった。

また、図９に示す一点支持１０８されたスプリングボックス１０４を備える燃料電池スタック１００の構成において、一点支持する部分の荷重を測定することにより積層体に付与される締結荷重の合計値を測定することが出来る。しかし、一点支持されたスプリングボックスの端板１１０において、支持点に近い部分１１２の締結荷重は大きく、支持点から離れた部分１１４の締結荷重は小さくなり、面圧が均一に掛かっていないという問題があった。特に、一点支持されたスプリングボックスの端板の面圧が不均一になる問題は、単位電池の形状が辺長比の大きい矩形板の形状であるときに顕著となる。

そこで、本発明は単位電池を積層した積層体にかかる締結荷重を所定値に容易に調整できるとともに、積層方向の変位を許容する弾性部材を備える燃料電池スタックにおける単位電池積層面の面圧分布を均一化する燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、単位電池を複数積層した積層体と、前記積層体の積層方向外側に位置し、前記積層体を締結する締結荷重を付与する一対のエンドプレートと、前記積層体の一の端面と前記エンドプレートとの間に位置する中間プレートと、を備え、前記中間プレートは、前記エンドプレートからの締結荷重を中間プレートに入力する荷重入力点と、該荷重入力点に対して点対称な位置に入力された締結荷重を積層体へ作用させる２点の荷重作用点と、を有する燃料電池スタックである。

また、前記積層体の一の端面と前記エンドプレートの間に位置し、前記積層方向の変位を許容する弾性部材を有することが好適である。

また、前記中間プレートと前記弾性部材との間に前記中間プレートからの締結荷重を前記積層体に伝達する少なくとも一枚の伝達プレートを有し、前記伝達プレートは、前記中間プレートからの締結荷重を伝達プレートに入力する荷重入力点と、該荷重入力点に対して点対称な位置に入力された締結荷重を前記積層体側に作用させる２点の荷重作用点と、を有することが好適である。

また、中間プレートと伝達プレートの荷重入力点において中間プレート又は伝達プレートが、積層方向に垂直な方向に対して傾斜可能であることが好適である。

また、中間プレート又は伝達プレートの２点の荷重入力点を結ぶ線の何れか一組が交差することが好適である。

また、中間プレートは荷重作用点を３点備え、該３点は荷重入力点を重心とする正三角形の頂点を構成することが好適である。

本発明によれば、積層体にかかる締結荷重が中間プレートの荷重入力点のみから入力されるので、締結荷重を所定値にすることが容易である。さらに、積層方向の変位を許容する弾性部材は、複数の荷重作用点から均等分割された荷重を付与されるので、弾性部材の積層方向端面において面圧分布を均一化できる。

以下、実施形態について図面１−６を参照して説明する。図１−３は実施形態１を示し、図４−５は実施形態２を示し、図６は実施形態３を示す。燃料電池スタックは、例えば自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられても良い。

実施形態１の燃料電池スタックの平面図を図１に示す。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池を単位電池１２として、単位電池１２を複数枚（例えば、２００枚）積層した積層体１４と、積層体の積層方向の一の端面に位置して積層方向の変位を許容する弾性部材としてのスプリングボックス１６と、積層体１４とスプリングボックス１６との積層方向外側に位置して積層体１４とスプリングボックス１６に締結力を付与する一対のエンドプレート２２，２４と、エンドプレート２４とスプリングボックス１６の間に位置する中間プレート３２から構成される。

単位電池１２は、水素と酸素が反応して発電する発電部と、発電部を積層方向に挟む一対のセパレータとから構成される。セパレータは、発電部に水素と酸素を供給するための水素供給路と酸素供給路がそれぞれ形成されている。なお、セパレータはカーボンセパレータ又はメタルセパレータのいずれでも良い。

発電部で発電された電力は、発電部とセパレータの接触により外部に取り出すことが出来る。ここで、単位電池１２にかかる締結圧力が一定でない場合、発電部とセパレータとの接点において接触抵抗が生じて、燃料電池の出力が低下する。また、水素供給路又は酸素供給路を構成する構成部品等が変形（クリープ）してしまい、水素又は酸素の発電部への供給を阻害したり、発電部で生じる水の排水を阻害したりして、燃料電池の出力を低下させる。

スプリングボックス１６は、積層方向の変位を許容する弾性部材である。燃料電池スタック１０は発電時に高温（８０℃程度）となり熱膨張する。熱膨張の際に燃料電池スタック１０を構成する単位電池１２と他の部品（例えば、後述のテンションロッド２８）と熱膨張率が異なり、加えて、単位電池１２を構成する発電部とセパレータとの熱膨張率も異なるため、その積層方向の変位を許容する弾性部材が必要となる。

ここで、スプリングボックス１６は、単位電池１２の積層方向に配置された２枚の端板１８，２０の間に、複数の弾性体であるバネ２６を並列に配置した構成である。このバネ２６により上述の燃料電池スタック１０の積層方向の変位が吸収される。

積層体１４とスプリングボックス１６とを挟む一対のエンドプレート２２，２４は、積層体１４の外側において複数本（例えば、４本）のテンションロッド２８で締結される。テンションロッド２８はエンドプレート２２，２４の積層方向外側でナット３０により締結される。ナット３０の締め付けを強めることにより、単位電池１２にかかる面圧を強くすることが出来る。

エンドプレート２４とスプリングボックス１６との間には、中間プレート３２が介在し、複数本のテンションロッド２８によりエンドプレート２４に付加される締結荷重を、スプリングボックス１６に伝達する。

中間プレート３２は、エンドプレート２４の締結荷重を中間プレート３２に入力する荷重入力点３４を一点備える。この中間プレートの荷重入力点３４において、荷重を測定することにより積層体１４にかかる締結荷重を所定値とすることが出来る。例えば、中間プレートの荷重入力点３４にかかる荷重をロードセルにより検出し、所定の荷重となるように４個のナット３０の締め付けを調節する。

荷重入力点３４から入力された締結荷重は、中間プレート３２の２つの荷重作用点３６からスプリングボックス１６に対して作用される。ここで、実施形態１の２点の荷重作用点３６は荷重入力点３４に対して点対称に位置する。これにより、エンドプレート２４からの締結荷重は、２つの荷重作用点３６により均等に二分割される。

スプリングボックスの端板２０において、荷重作用点３６近傍の締結荷重は大きく、荷重作用点３６から離れるに従い締結荷重が小さくなる面圧分布となる。実施形態１では、等しい荷重を付与する荷重作用点３６が二つあるので、荷重作用点が一つのときに比べて面圧分布は均一化する。

なお、中間プレートの荷重入力点３４の位置は、発電部の中心位置に基づいて決めることが好適である。発電部の中心が単位電池１２の中心と一致する場合は、中間プレートの荷重入力点３４は単位電池１２の中央に位置するように設ける。一方、発電部の中心が単位電池１２の中心に対してずれている場合には、中間プレートの荷重入力点３４は発電部の中心と一致するように設ける。また、２点の荷重作用点３６は、発電部を２等分したそれぞれの中心に位置することが好適である。これにより、発電部とセパレータに一定の締結荷重を付与することができて、接触抵抗を小さくすることが出来る。

実施形態１では、エンドプレート２４と中間プレートの荷重入力点３４とを連結する連結部材４０と、中間プレートの荷重作用点３６とスプリングボックスの端板２０とを連結する連結部材４０とが、単位電池１２の積層方向に対して傾斜可能な構成となっている。この構成は、半球状の連結受け部４２と、受け部と回転可能に係合する連結係合部４４により達成される。

図２に、発電時における単位電池１２の不均一な熱膨張等により、単位電池１２の積層方向が傾斜した燃料電池スタック１０を示す。上述の連結部材４０が傾斜可能なため、傾斜した単位電池１２及びスプリングボックス１６と、中間プレート３２が平行な状態となる。これにより、エンドプレート２４からの締結荷重が、中間プレート３２を介して傾斜した積層面方向から付与されるため、単位電池１２の面圧を一定に保つことが出来る。

図３に、締結荷重により中間プレート３２が弾性変形している燃料電池スタック１０を示す。このような場合であっても、２点の荷重作用点３６は荷重入力点３４に対して点対称に位置するため、エンドプレート２４からの締結荷重は２等分されスプリングボックスの端板２０に作用させることが出来る。これにより、剛性が低く荷重に対して弾性変形するような軽量化された中間プレートを用いることが出来る。

実施形態２について、図４を用いて説明する。実施形態２の燃料電池スタック１０は、単位電池１２を複数積層した積層体１４と、積層体の積層方向の一の端面に位置し積層方向の変位を許容する弾性部材としてのスプリングボックス１６と、積層体と弾性部材との積層方向外側に位置し、積層体と弾性部材とを締結する締結荷重を付与する一対のエンドプレート２２，２４と、弾性部材とエンドプレート２４との間に位置する中間プレート３２と、中間プレートと弾性部材との間に位置する伝達プレート５２と、を備える燃料電池スタック１０である。ここで、中間プレート３２はエンドプレート２４からの締結荷重を中間プレートに入力する荷重入力点３４と、荷重入力点３４に対して点対称な位置に入力された締結荷重を伝達プレート５２に作用させる２点の荷重作用点３６とを有し、伝達プレート５２は中間プレートの荷重作用点３６から締結荷重を入力される荷重入力点５４と、荷重入力点５４に対して点対称な位置に入力された締結荷重を弾性部材へ作用させる２つの荷重作用点５６とを有する。

すなわち、実施形態２は、エンドプレート２４とスプリングボックスの端板２０の間に２層のプレートが介在する構成である。これにより、エンドプレート２４による締結荷重は中間プレート３２により２分割され、さらに伝達プレートで２分割され、スプリングボックス１６に対して伝達プレートの荷重作用点５６は４分割された締結荷重を付与する。なお、伝達プレートの荷重作用点５６は、単位電池１２の発電部を４等分したそれぞれの中心に位置することが好適である。実施形態２では、荷重作用点５６が４個あるので、荷重作用点が２つの実施形態１に比べて単位電池１２の積層面の面圧がより均一化する。

また、実施形態２の変形例として図５を示す。図５の燃料電池スタック１０は、図４に示した燃料電池スタック１０の中間プレート３２と伝達プレート５２とが、それぞれの荷重入力点３４，５４が荷重作用点３６，５６に対して積層方向の積層体１４側に窪んだ構成である。これにより、実施形態２のように中間プレート３２と伝達プレート５２を積層した場合であっても、エンドプレート２４とスプリングボックスの端板２０との距離を短くすることができ、燃料電池ボックスの体積を小さくすることが出来る。

実施形態３について、図６を用いて説明する。実施形態３の構成は、実施形態２の構成に加えて、更に伝達プレート６０を一枚備える構成である。すなわち、不図示のエンドプレートとスプリングボックスの端板２０の間に３層のプレートが介在する構成である。伝達プレート５２の荷重作用点５６は、伝達プレート６０に荷重を伝達する。伝達プレート６０の荷重入力点６４は、伝達された荷重を更に２分割してスプリングボックスの端板２０に入力する。実施形態３では、締結荷重が均等に８分割された８個の荷重入力点により、荷重入力点が４個の実施形態２に比べて単位電池１２の面圧の均一化が向上する。

加えて、実施形態３において、伝達プレート５２の２点の荷重作用点５６を結ぶ直線と伝達プレート６０の２点の荷重入力点６４を結ぶ直線とが交差しているので、単位電池１２の積層面において荷重作用点を自由に配置させることが可能となり、面圧をより均一化させることが出来る。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、実施形態１から実施形態３において、中間プレート又伝達プレートは２点の荷重作用点を備えていたが、３点の荷重作用点を備える構成も好適である。この構成を実施形態４として、図７に示す。中間プレート２０の３点の荷重作用点３６は正三角形の頂点に配置され、正三角形の重心に荷重入力点３４が位置する。これにより、荷重入力点３４から３点の荷重作用点３６までの距離が等しく、荷重入力点３４に入力される締結荷重を３分割して、荷重作用点３６から作用させることが出来る。これにより、荷重作用点が二つの実施形態１に比べて、単位電池１２の積層面の均一化が向上する。

また、図８に示すように、複数（例えば、２個）の単位電池積層体１４を一組のエンドプレート（不図示）で締結する燃料電池スタックに適用しても良い。すなわち、単位電池１２を複数積層した積層体１４を並列に複数備え、それぞれの積層体の積層方向の一の端面に位置し積層方向の変位を許容する弾性部材としてのスプリングボックス１６と、それぞれの積層体１４とスプリングボックス１６との積層方向外側に位置し、それぞれの積層体と弾性部材とを締結する締結荷重を付与する一対のエンドプレート（不図示）と、それぞれの弾性部材とエンドプレートとの間に位置する中間プレート３２と、を備える燃料電池スタックの構成であってもよい。

この場合、中間プレート３２は、エンドプレートからの締結荷重を中間プレートに入力する荷重入力点３４と、荷重入力点に対して点対称な位置に入力された締結荷重をそれぞれの弾性部材へ作用させる２点の荷重作用点３６と、を備える。これにより、複数の単位電池の積層体１４に均等に締結荷重を付与することができ、それぞれの積層体を構成する単位電池の積層面に一定の面圧を付与することが出来る。

さらに、図１０には、スプリングボックス１６を省略した例を示してある。積層体１４の一端には、積層体１４の一端の全面を支持する端板７０が配置されている。そして、中間プレートの荷重作用点３６と端板７０との間に、バネ７２が配置されている。従って、中間プレートの荷重作用点３６からの荷重はバネ７２を介し、端板７０に印加され、これによって積層体１４に締結力が作用される。この構成によっても、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、この構成において伝達プレートをさらに配置することも好適である。

実施形態１の燃料電池スタックの平面図である。 積層体の積層方向が傾斜した実施形態１の平面図である。 中間プレートが弾性変形した実施形態１の平面図である。 実施形態２の燃料電池スタックの平面図である。 実施形態２の変形例の平面図である。 実施形態３における燃料電池スタックの積層体の斜視図である。 実施形態４における燃料電池スタックの積層体の斜視図である。 実施形態５における燃料電池スタックの積層体の斜視図である。 従来技術の燃料電池スタックの平面図である。 さらに、別の実施形態の燃料電池スタックの構成を示す平面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、１２ 単位電池、１４ 積層体、１６ スプリングボックス、１８，２０ スプリングボックスの端板、２２，２４ エンドプレート、２６，７２ バネ、２８ テンションロッド、３０ ナット、３２ 中間プレート、３４ 中間プレートの荷重入力点、３６ 中間プレートの荷重作用点、４０ 連結部材、４２ 受け部、４４ 係合部、５２，６０ 伝達プレート、５４，６２ 伝達プレートの荷重入力点、５６，６４ 伝達プレートの荷重作用点、７０ 端板。

Claims (6)

1. 単位電池を複数積層した積層体と、
   前記積層体の積層方向外側に位置し、前記積層体を締結する締結荷重を付与する一対のエンドプレートと、
   前記積層体の一の端面と前記エンドプレートとの間に位置する中間プレートと、を備え、
   前記中間プレートは、前記エンドプレートからの締結荷重を中間プレートに入力する荷重入力点と、該荷重入力点に対して点対称な位置に入力された締結荷重を積層体へ作用させる２点の荷重作用点と、を有する燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の一の端面と前記エンドプレートの間に位置し、前記積層方向の変位を許容する弾性部材を有する燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記中間プレートと前記弾性部材との間に前記中間プレートからの締結荷重を前記積層体に伝達する少なくとも一枚の伝達プレートを有し、
   前記伝達プレートは、前記中間プレートからの締結荷重を伝達プレートに入力する荷重入力点と、該荷重入力点に対して点対称な位置に入力された締結荷重を前記積層体側に作用させる２点の荷重作用点と、を有する燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記中間プレートと前記伝達プレートの荷重入力点において前記中間プレート又は前記伝達プレートが、積層方向に垂直な方向に対して傾斜可能である燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記中間プレート又は前記伝達プレートの２点の荷重入力点を結ぶ線の何れか一組が交差する燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記中間プレートは前記荷重作用点を３点備え、該３点は前記荷重入力点を重心とする正三角形の頂点を構成する燃料電池スタック。

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