JP2009199910A - Conclusion structure of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックの締結構造に関する。 The present invention relates to a fastening structure for a fuel cell stack.
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池は、一般に、複数のセルが積層された積層体と、積層体を挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを連結する連結部と、を備える燃料電池スタックとして使用される(例えば特許文献1参照)。 A fuel cell is generally used as a fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of cells are stacked, a pair of end plates that sandwich the stacked body, and a connecting portion that connects the pair of end plates (for example, Patent Document 1).
ここで、燃料電池スタックを車両に搭載するにあたり、燃料電池スタックの小型化および軽量化が要求される。特許文献1には、積層体に当接する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くしたエンドプレートと、セパレータ間に設けられ、積層体を両側のエンドプレートに対して押圧する拡張手段(板ばね)と、を備える燃料電池スタックが開示されている。 Here, in order to mount the fuel cell stack on a vehicle, it is required to reduce the size and weight of the fuel cell stack. Patent Document 1 discloses an end plate (plate) provided between a separator and an end plate that is thicker on the inner side than the peripheral side of the surface that contacts the laminate, and presses the laminate against both end plates. A fuel cell stack is disclosed.
特許文献2には、車両底板と車室との間または車両底板と荷室の床との間に燃料電池スタックを配設するとともに、燃料電池スタックの後方に燃料貯蔵手段を配設する燃料電池装置が開示されている。 Patent Document 2 discloses a fuel cell in which a fuel cell stack is disposed between a vehicle bottom plate and a vehicle compartment or between a vehicle bottom plate and a cargo floor, and fuel storage means is disposed behind the fuel cell stack. An apparatus is disclosed.
ところで、燃料電池スタックにおいて、発電時に積層体が膨張することがある。また、発電時において、エンドプレートも発電に伴う熱によって膨張することがある。このような積層体の膨張およびエンドプレートの膨張(以下、これらの膨張を「積層体の膨張等」と称する)が生じると、エンドプレートが変形するおそれがある。この場合、燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。また、変形に対する剛性を高めるためにエンドプレートを厚くすると、燃料電池スタックが大型化かつ重量化する。燃料電池スタックが大型化かつ重量化すると、燃料電池スタックを車両に搭載することが困難となる、あるいは、車両全体の重量が増大して燃費が悪化する、といった問題が生じるおそれがある。 By the way, in the fuel cell stack, the laminate may expand during power generation. In addition, during power generation, the end plate may also expand due to heat generated by power generation. When the expansion of the laminate and the expansion of the end plate (hereinafter, these expansions are referred to as “expansion of the laminate, etc.”), the end plate may be deformed. In this case, the power generation performance of the fuel cell stack may be reduced. Further, if the end plate is made thicker to increase the rigidity against deformation, the fuel cell stack becomes larger and heavier. When the fuel cell stack becomes larger and heavier, it may become difficult to mount the fuel cell stack on the vehicle, or the entire vehicle may increase in weight and fuel consumption may deteriorate.
なお、特許文献1に係る技術を応用してエンドプレートの積層体に当接する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くすると、エンドプレートを厚くした分、燃料電池スタックが大型化かつ重量化する。また、特許文献2に係る技術を応用しただけでは、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制することは困難である。 In addition, by applying the technique according to Patent Document 1 and increasing the thickness on the inner side of the peripheral edge side of the surface that contacts the laminated body of the end plates, the fuel cell stack becomes larger and heavier as the end plates are made thicker. To do. Moreover, it is difficult to suppress the deformation of the end plate due to the expansion of the laminated body only by applying the technique according to Patent Document 2.
本発明は、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できるとともに燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる燃料電池スタックの締結構造を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fastening structure of a fuel cell stack that can suppress deformation of an end plate due to expansion of a laminated body and the like and can reduce the size and weight of the fuel cell stack.
本発明に係る燃料電池スタックの締結構造は、複数のセルが積層された積層体と、セルの積層方向において積層体を挟持する一対のエンドプレートと、を含む燃料電池スタックと、車両フレームと、車両フレームとエンドプレートとの間において車両フレームに固定され、エンドプレートに押圧力を与える押圧部材と、を備えることを特徴とするものである。 A fastening structure of a fuel cell stack according to the present invention includes a fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of cells are stacked, and a pair of end plates that sandwich the stacked body in the stacking direction of the cells, a vehicle frame, And a pressing member that is fixed to the vehicle frame between the vehicle frame and the end plate and applies a pressing force to the end plate.
本発明に係る燃料電池スタックの締結構造によれば、押圧部材は車両フレームに固定されることによって、車両フレームの剛性を利用してエンドプレートに対して押圧力を与える。それにより、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できる。また、エンドプレートの変形に対する剛性を高めるためにエンドプレートの厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる。 According to the fastening structure of the fuel cell stack according to the present invention, the pressing member is fixed to the vehicle frame to apply a pressing force to the end plate using the rigidity of the vehicle frame. Thereby, the deformation | transformation of an end plate by expansion etc. of a laminated body can be suppressed. Further, since it is not necessary to increase the thickness of the end plate in order to increase the rigidity against deformation of the end plate, the fuel cell stack can be reduced in size and weight.
上記構成において、一対のエンドプレートは、少なくとも4本のシャフトによって互いに締結され、押圧部材は、エンドプレートにおいていずれか4本のシャフトの中心点に押圧力を与えてもよい。この構成によれば、押圧部材は、エンドプレートの変形量が大きい部位に対して押圧力を与えることができる。それにより、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を効率的に抑制することができる。 In the above configuration, the pair of end plates may be fastened to each other by at least four shafts, and the pressing member may apply a pressing force to the center point of any of the four shafts in the end plate. According to this configuration, the pressing member can apply a pressing force to a portion where the deformation amount of the end plate is large. Thereby, the deformation | transformation of an end plate by expansion | swelling etc. of a laminated body can be suppressed efficiently.
上記構成において、押圧部材は、エンドプレートよりも高いヤング率を有する材料からなってもよい。この構成によれば、より大きな押圧力をエンドプレートに対して与えることができる。 In the above configuration, the pressing member may be made of a material having a higher Young's modulus than the end plate. According to this configuration, a larger pressing force can be applied to the end plate.
本発明によれば、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できるとともに燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる燃料電池スタックの締結構造を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fastening structure of the fuel cell stack which can aim at size reduction and weight reduction of a fuel cell stack while being able to suppress a deformation | transformation of an end plate by expansion | swelling etc. of a laminated body can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明の実施例1に係る燃料電池スタックの締結構造100について説明する。図1は、実施例1に係る燃料電池スタックの締結構造100を示す模式的透過図である。なお、図1は、燃料電池スタック10が搭載される車両(図示せず)を上側(車両の天井側)から見た模式的透過図である。図1において、車両の前側の方向は矢印で図示されている。燃料電池スタックの締結構造100は、燃料電池スタック10と、スタックケース30と、フロントサイドメンバ41と、ブロック50と、を備える。
A fuel cell
燃料電池スタック10は、複数のセル12が積層された積層体14と積層体14を挟持する一対のエンドプレート16とを含む。燃料電池スタック10は、スタックケース30内に保持されている。具体的には、燃料電池スタック10は、エンドプレート16の積層体14と反対側の端面がフロントサイドメンバ41の長手方向と略平行になるように、スタックケース30内に保持されている。燃料電池スタック10のスタックケース30内への保持方法は特に限定されない。
The
セル12は、水素と酸素とを燃料にして発電を行う燃料電池であれば特に限定されない。本実施例においては、セル12として、固体高分子型燃料電池を用いる。この場合、セル12は、電解質膜(図示せず)と、電解質膜を挟持するアノード(図示せず)およびカソード(図示せず)と、アノードおよびカソードを挟持する一対の拡散層(図示せず)と、を含んで構成される。
The
一対のエンドプレート16は、連結部18によって互いに締結され、かつ後述するブロック50によって積層体14側に押圧されている。それにより、エンドプレート16は、積層体14に圧縮応力を与えている。エンドプレート16は、ブロック50による押圧力に耐え得る程度の剛性(ヤング率)を有する部材からなる。なお、燃料電池スタック10は、エンドプレート16と積層体14との間に、積層体14側から順に、集電体としてのターミナルと、絶縁体としてのインシュレータと、を備えていてもよい。
The pair of
連結部18は、シャフト20と、一対のボルト22と、を含んで構成される。シャフト20の各端部は、エンドプレート16に当接する。一対のボルト22は、エンドプレート16を介してシャフト20に螺合する。それにより、一対のエンドプレート16は、連結部18によって締結される。シャフト20は、剛性部材からなり、例えばステンレス等の金属から構成される。
The connecting
なお、連結部18は、シャフト20の代わりにスタッドボルトを備え、ボルト22の代わりにスタッドボルトに螺合するナットを備えていてもよい。連結部18によって、一対のエンドプレート16間の距離は略一定に保持されるとともに、エンドプレート16は積層体14を支持する。
The connecting
スタックケース30は、燃料電池スタック10を内部に保持できるものであれば特に限定されない。本実施例において、スタックケース30は、板状の部材が燃料電池スタック10の6面の周囲を囲むように組み合わされた箱形状を有している。スタックケース30は、例えば取り付け金具(図示せず)によって、車両の底板に載設されている。また、スタックケース30には、ブロック50が貫通するための貫通孔が形成されている。
The
図2は、車両のフレーム40を示す模式的斜視図である。図2に示すように、フレーム40は、一対のフロントサイドメンバ41と、一対のフロアフレーム42と、一対のリアサイドメンバ43と、が連結されたセパレート型のフレーム構造を有する。本実施例においては、燃料電池スタック10は、一対のフロントサイドメンバ41間の領域200に配置される。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the
再び図1を参照して、ブロック50は、スタックケース30に設けられた貫通孔に挿通されている。ブロック50の一端はフロントサイドメンバ41に固定され、他端はエンドプレート16を支持する。本実施例においては、ブロック50として、鋼、アルミニウム合金等の金属からなる剛性部材が用いられる。
Referring to FIG. 1 again, the
ブロック50の一端がフロントサイドメンバ41に固定され、他端がエンドプレート16を支持することにより、ブロック50は、フロントサイドメンバ41の剛性を利用して、エンドプレート16に対して押圧力を与える。つまり、ブロック50は、押圧部材としての機能を有する。
One end of the
なお、ブロック50は、エンドプレート16よりも高いヤング率を有する材料からなることが好ましい。この場合、より大きな押圧力をエンドプレート16に与えることができるからである。また、ブロック50の形状は、押圧力をエンドプレート16に与えることができるのであれば、特に限定されない。
The
図3は、燃料電池スタック10の斜視図である。なお、図3において、車両の前側の方向は、矢印で図示されている。図3に示すように、連結部18は、エンドプレート16の各角部と、エンドプレート16の各長辺の中心に1つずつ配置されている。したがって、本実施例においては、エンドプレート16は、6つの連結部18によって締結されている。ここで、互いに隣接する4つの連結部18の中心点を、それぞれ点70および点72と称する。各ブロック50は、それぞれ点70および点72を押圧するように配置されている。
FIG. 3 is a perspective view of the
続いて、燃料電池スタックの締結構造100の作用について説明する。図4(a)は、燃料電池スタックの締結構造100がブロック50を備えていない場合の燃料電池スタック10を示す模式図である。図4(a)に示すように、燃料電池スタック10の発電時においては、発電に伴う熱によってエンドプレート16は膨張する。また、発電に伴って積層体14も膨張する。それにより、各エンドプレート16は、積層体14と反対側に張り出して湾曲するように変形する。この場合、エンドプレート16の点70および点72における変形量は大きくなる。
Next, the operation of the fuel cell
エンドプレート16が変形すると、エンドプレート16によって積層体14に与えられる圧縮応力は、不均一となる。その結果、隣接するセル12同士の密着性は、圧縮応力の低下に伴って悪化する。隣接するセル12同士の密着性が悪化すると、セル12間の接触抵抗が増加することから、燃料電池スタック10の発電性能低下のおそれが生じる。
When the
なお、上記積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形を抑制する方法として、エンドプレート16を厚くすることによってエンドプレート16の変形に対する剛性を高める方法が考えられる。しかしながらエンドプレート16を厚くすると、燃料電池スタック10が大型化かつ重量化する。燃料電池スタック10が大型化かつ重量化すると、燃料電池スタック10を車両に搭載することが困難となる、あるいは、車両全体の重量が増大して燃費が悪化する、といった問題が生じるおそれがある。
As a method for suppressing the deformation of the
図4(b)は、本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造100の作用を示す模式図である。図4(b)に示すように、ブロック50がエンドプレート16に対して押圧力を与えることにより、積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形が抑制される。
FIG. 4B is a schematic diagram illustrating the operation of the
本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造100によれば、ブロック50は、フロントサイドメンバ41に固定されることによって、フロントサイドメンバ41の剛性を利用してエンドプレート16に対して押圧力を与える。それにより、積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形を抑制できる。また、エンドプレート16の変形に対する剛性を高めるためにエンドプレート16の厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタック10の小型化および軽量化を図ることができる。
According to the
また、本実施例においてブロック50は、エンドプレート16の変形量が大きくなる部位に対して、押圧力を与えている。したがって、積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形を効率的に抑制することができる。
Further, in this embodiment, the
なお、本実施例において、ブロック50はフロントサイドメンバ41に固定されているが、これに限られない。ブロック50のフレーム40への固定箇所は、特に限定されない。例えば、燃料電池スタック10が一対のフロアフレーム42間に配置されている場合には、ブロック50は、フロアフレーム42に固定されていてもよい。また、燃料電池スタック10が一対のリアサイドメンバ43間に配置されている場合には、ブロック50はリアサイドメンバ43に固定されていてもよい。このように、ブロック50は、フレーム40のいずれかに固定されていればよい。
In the present embodiment, the
また、フレーム40は、例えばモノコック型のフレームであってもよい。この場合、例えば燃料電池スタック10がモノコック型フレームのフロント側のサイドメンバ間に配置されている場合には、ブロック50はフロント側のサイドメンバに固定されていてもよい。
The
なお、本実施例においては6本のシャフト20を設けたが、シャフト20の本数は特に限定されるものではない。また、ブロック50の押圧箇所は、特に限定されるものではない。ただし、4本以上のシャフト20が設けられている場合、いずれか4本のシャフト20の中心点にブロック50が配置されることにより、エンドプレート16の変形を効率的に抑制することができる。
In the present embodiment, six
また、燃料電池スタック10は、複数の積層体14が並列に配置された構成を有してもよい。この場合においても、ブロック50によってエンドプレート16に押圧力を与えることによって、エンドプレート16の変形を抑制することができる。また、4本以上のシャフト20が設けられている場合、いずれか4本のシャフト20の中心点にブロック50が配置されることによって、エンドプレート16の変形を効率的に抑制することができる。
The
続いて、本発明の実施例2に係る燃料電池スタックの締結構造100aについて説明する。図5は、実施例2に係る燃料電池スタックの締結構造100aを示す模式的透過図である。燃料電池スタックの締結構造100aは、スタックケース30の代わりにスタックケース30aを備える点と、ブロック50の代わりにブロック50aを備える点と、において、図1の燃料電池スタックの締結構造100と異なる。また、フロントサイドメンバ41が燃料電池スタック10の締結に寄与していない点において、図1の燃料電池スタックの締結構造100と異なる。その他の構成は図1の燃料電池スタックの締結構造100と同様のため、説明を省略する。
Next, a
スタックケース30aは、ブロック50aが貫通されるための貫通孔が形成されていない点と、燃料電池スタック10に対してブロック50aを介して締結力を与えることができる程度の剛性を有している点と、において、図1のスタックケース30と異なる。スタックケース30aは、例えば、ステンレス等からなる。
The
ブロック50aは、フロントサイドメンバ41の代わりにスタックケース30aの内壁面に固定されている点において、図1のブロック50と異なる。その他の構成は、ブロック50と同様のため、説明を省略する。
The
本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造100aによれば、ブロック50aはスタックケース30aの剛性を利用して、エンドプレート16に対して押圧力を与えることができる。それにより、積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形を抑制できる。また、エンドプレート16の変形に対する剛性を高めるためにエンドプレート16の厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタック10の小型化および軽量化を図ることができる。
According to the fuel cell
なお、燃料電池スタックの締結構造は、実施例1に係る燃料電池スタックの締結構造100および実施例2に係る燃料電池スタックの締結構造100aが組み合わさった構造であってもよい。例えば、図5に示す4つのブロック50aのうち、一部のブロック50aの端は、スタックケース30aの内壁面に固定され、他のブロック50aの端は、フロントサイドメンバ41に固定されていてもよい。この場合においても、積層体14の膨張等によるエンドプレート16の変形を抑制できるとともに、燃料電池スタック10の小型化および軽量化を図ることができる。
The fuel cell stack fastening structure may be a combination of the fuel cell
10 燃料電池スタック
12 セル
14 積層体
16 エンドプレート
18 連結部
20 シャフト
22 ボルト
30 スタックケース
40 フレーム
41 フロントサイドメンバ
42 フロアフレーム
43 リアサイドメンバ
50 ブロック
70,72 点
100 燃料電池スタックの締結構造
DESCRIPTION OF
Claims (3)
車両フレームと、
前記車両フレームと前記エンドプレートとの間において前記車両フレームに固定され、前記エンドプレートに押圧力を与える押圧部材と、を備えることを特徴とする燃料電池スタックの締結構造。 A fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of cells are stacked, and a pair of end plates that sandwich the stacked body in the stacking direction of the cells;
A vehicle frame;
A fuel cell stack fastening structure comprising: a pressing member that is fixed to the vehicle frame between the vehicle frame and the end plate and applies a pressing force to the end plate.
前記押圧部材は、前記エンドプレートにおいていずれか4本の前記シャフトの中心点に押圧力を与えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタックの締結構造。 The pair of end plates are fastened to each other by at least four shafts,
2. The fastening structure of a fuel cell stack according to claim 1, wherein the pressing member applies a pressing force to a center point of any four of the shafts in the end plate.
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