JP2009252597A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】荷重調整ネジを保持する保持部材の変形を抑制することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】複数のセル２１が積層されてなるセル積層体２２と、セル積層体２２の積層方向外側に配置され、開口部３２を有するエンドプレート１６と、開口部１６から挿入され積層方向に沿って移動することでセル積層体２２に与える圧縮荷重を調整する荷重調整ネジ４１と、記荷重調整ネジ４１の径方向外側に配置されて荷重調整ネジ４１を保持する保持部３０と、を備えた燃料電池１０を構成する。保持部３０は、開口部３２の内側に配置され荷重調整ネジ４１を保持するボス部３５と、ボス部３５から荷重調整ネジ４１の径方向外側に延出してエンドプレート１６とセル積層体２２との間に配置されるフランジ部３６とを有する。フランジ部３６と前記エンドプレート１６とが、荷重調整ネジ４１の径方向近傍のみで当接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、セル積層体の圧縮荷重を調整する荷重調整ネジの保持構造に関するものである。

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ー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、さらにこの燃料電池スタックの外側をスタックケースで覆って構成されている。荷重調整ネジの周囲には、フランジ状の補強部が設けられ、この補強部により、荷重調整ネジを介したセル積層体の伸縮荷重を分散してエンドプレートに伝達するようになっている（例えば、特許文献１）。
特開２００７−１７３１６９号公報

しかしながら、セル積層体の伸張や荷重調整ネジの締め付け力の増大によって荷重調整ネジを介してエンドプレートに伝達される荷重（以下、「伝達荷重」ともいう）が大きくなった場合に、この補強部自体が変形してしまうことがあると判明した。これを図５に示す。ここで、図５は、伝達荷重が大きくなった場合の従来の燃料電池９０の要部正断面を模式的に示す図であり、エンドプレート９１、補強部９２、荷重調整ネジ９５及びスプリングボックス９６を備えている。補強部９２は、荷重調整ネジ９５と嵌合するボス部９３と、このボス部９３から軸方向外側に延びたフランジ部９４とを有し、フランジ部９４の一方の面全体がエンドプレート９１と当接している。荷重調整ネジ９５はスプリングボックス９６の凸部９７を介して圧縮荷重をセル積層体に伝達するようになっている。

図５に示すように、伝達荷重が大きくなると、エンドプレート９１が凸上に撓む。すると、エンドプレート９１に密着するフランジ部９４がエンドプレート９１の変形に合わせて湾曲してしまう。すると、ボス部９３も変形し、これにより荷重調整ネジ９５との嵌め合わせがずれてしまう。その結果、荷重調整ネジ９５の締め付けトルクが増大し、場合によっては荷重調整ネジ９５が回らなくなり、圧縮荷重の調整が困難になる。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、荷重調整ねじを介してエンドプレートに伝達される荷重が大きくなった場合であっても、荷重調整ネジを保持する保持部材の変形を抑制することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、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外側に配置され、開口部を有するエンドプレートと、前記開口部から挿入され該セル積層体の積層方向に沿って移動することで該セル積層体に与える圧縮荷重を調整する荷重調整ネジと、前記荷重調整ネジの径方向外側に配置されて該荷重調整ネジを保持する保持部と、を備えた燃料電池であって、前記保持部は、前記開口部の内側に配置され前記荷重調整ネジを保持するボス部と、該ボス部から前記荷重調整ネジの径方向外側に延出して前記エンドプレートと前記セル積層体との間に配置されるフランジ部とを有し、前記フランジ部と前記エンドプレートとが、前記荷重調整ネジの径方向近傍のみで当接することを特徴とする燃料電を構成する。

上記構成によれば、荷重調整ネジからの力は、ボス部を介してフランジ部に伝達され、さらにフランジ部とエンドプレートとの当接部にてエンドプレートに伝達されるが、当接部は荷重調整ネジの径方向近傍のみとなるので、フランジ部にかかる曲げモーメントが小さく抑えられ、これによりフランジ部の変形ひいては連結するボス部を含む保持部材全体の変形を抑制することができる。

また、上記構成において、前記フランジ部は、前記ボス部近傍に、前記エンドプレートに向かって延出する延出部を有し、該延出部にて前記エンドプレートと当接するようにしてもよい。

上記構成によれば、エンドプレートと当接する延出部はボス部の近傍であるので、フランジ部にかかる曲げモーメントを小さく抑えることができる。また、延出部を除きフランジ部とエンドプレートとの間には空間が形成されるので、たとえエンドプレートが伝達荷重により変形したとても、変形したエンドプレートがフランジ部の延出部以外の部分に接触すること、すなわち変形応力をフランジ部に与えてしまうことを防止できる。これによりフランジ部の変形をさらに抑制することができる。

また、上記構成において、前記エンドプレートは、前記開口部近傍に、前記フランジ部に向かって延出する延出部を有し、該延出部にて前記フランジ部と当接するようにしてもよい。

上記構成によれば、フランジ部と当接する延出部は、開口部近傍に配置されるので、フランジ部にかかる曲げモーメントを小さく抑えることができる。また、延出部を除きフランジ部とエンドプレートとの間には空間が形成されるので、たとえエンドプレートが伝達荷重により変形したとても、変形したエンドプレートが延出部以外の部分でフランジ部に接触すること、すなわち変形応力をフランジ部に与えてしまうことを防止できる。これによりフランジ部の変形をさらに抑制することができる。

また、上記構成において、前記エンドプレートと前記フランジ部とが、点または線接触するようにしてもよい。

上記構成によれば、エンドプレートがたとえ変形したとしても、フランジ部上の当接点（または線）は、面接触する場合と比べてエンドプレートから変形応力を受けにくいので、エンドプレートの変形に合わせてフランジ部が変形してしまうことが防止できる。

本発明によれば、セル積層体から荷重調整ねじを介して伝達される荷重が大きくなった場合であっても、荷重調整ネジを保持する保持部材の変形を抑制することのできる燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について以下の順番で説明する。各図面において、同様の機能を有する部品には同一の符号を付している。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１０の正断面図である。この燃料電池１０は、車両に好適な固体高分子型の燃料電池であるが、もちろん、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、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。

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。

エンドプレート１５の他方のエンドプレート１６側に、順に、矩形状の絶縁プレート１８、ターミナルプレート１９、カバープレート２０及び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が配置されている。セル２１の積層方向は、エンドプレート１５，１６同士を結ぶ方向と同じである（以下、セル２１が積層された方向を「積層方向」という）。尚、セル２１は各々同一構造を有し、膜−電極接合体及びこの接合体を挟持する一対のセパレータ等から構成され、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電するようになっている。

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、その中央位置に、半球面状をなしてエンドプレート１６の側に突出する突起部２８が形成されている。

エンドプレート１６は、その中央部に、厚さ方向（積層方向）に貫通する貫通孔３２（開口部）が形成されている。この貫通孔３２から荷重調整ネジ４１が挿入されスプリングボックス２７の突起部２８に当接している。荷重調整ネジ４１は、ストッパ３０（保持部材）により保持されている。より詳細には、ストッパ３０は、内側に雌ネジ３４が形成された略円筒状のボス部３５を有し、この雌ネジ３４に荷重調整ネジ４１が螺合される。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、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、その軸線方向に沿って移動し、セル積層体２２への荷重を調整するようになっている。

ストッパ３０は、さらに、ボス部３５のスプリングボックス２７側の底面から荷重調整ネジ４１の径方向外側に延出する略円板状のフランジ部３６を有している。このフランジ部３６がエンドプレート１６と当接することで、荷重調整ネジ４１の回転によるストッパ３０の軸周りの回動を防止する。尚、図１においては、貫通孔３２とボス部３５との間に遊びが設けてあるが、貫通孔３２を小さくするか、ボス部３５の外径を大きくすることでこの遊びをなくし、ストッパ３０の回動をさらに規制するようにしてもよい。

ストッパ３０と、エンドプレート１６との当接部（以下、単に「当接部」とも言う）の構造につき、さらに詳細に説明する。本実施の形態においては、エンドプレート１６は、フランジ部３６に向けて積層方向に延出した延出部３３を貫通孔３２の近傍に有しており、この延出部３３において、フランジ部３６に当接している。延出部３３の先端正断面は、凸形状であることが好ましいが、本実施形態では、略半円形状となっている。
当接部は、フランジ部３６の根元（ボス部３２側の端部）寄りに位置し、言い換えれば、荷重調整ネジ４１の径方向近傍に位置することになる。ストッパ３０は、当接部以外の部位（典型的には、フランジ部３６の自由端）では、エンドプレート１６と接触しない。ストッパ３０とエンドプレート１６との間には延出部３３の積層方向の長さ分だけ空間が形成されている。

尚、この延出部３３を含むX-X断面を図２に示すが、延出部３３は、図２（Ａ）のように、荷重調整ネジ４１やボス部３５と軸心を共通とする円環状に配置してもよいし、また図２（Ｂ）のように、荷重調整ネジ４１やボス部３５の同心円上に小径円として複数は位置してもよい。上述の通り、延出部２２の先端正断面は、略半円形状であるので、図２（Ａ）の配置の場合は、エンドプレート１６とフランジ部３６とは線接触し、図２（Ｂ）の配置の場合は、点接触することになる。

以上の構成によれば、荷重調整ネジ４１を介してエンドプレート１６に伝達される荷重が大きくなった場合であっても、ストッパ３０の変形を抑制することができる。この様子を、図３を用いて説明する。

図３は、荷重調整ネジ４１からエンドプレート１６に伝達される荷重が大きくなり、エンドプレート１６が変形した場合を模式的に示している。伝達荷重が大きくなる理由は、例えば、荷重調整ネジ４１の締め付け力を大きくした場合であるとか、セル２１内部の水分の膨張等によりセル積層体２２が伸張する場合等考えられる。ここで、図３に示すように、エンドプレート１６が積層方向外側に凸状に撓むように変形しても、ストッパ３０は変形していない。これは、上記の通り、ストッパ３０とエンドプレート１６との当接部が荷重調整ネジ４１の径方向近傍のみに位置するためである。

より具体的には、フランジ部３６は、エンドプレート１６の撓む方向とは逆方向に回転モーメントを受けるが、モーメントの腕に相当する当接部（延出部３３との接点）からボス部３５までの距離が短くなるため、回転モーメントが小さく抑えられ、これによりフランジ部３６の変形が抑制される。また、エンドプレート１６とフランジ部３６とは点または線接触するので、面接触する場合と比べてエンドプレートから変形応力をそもそも受けにくい上に、また延出部３３を除きフランジ部３６とエンドプレート１６との間には空間が形成されているので、撓んで変形したエンドプレート１６が、（延出部３３を除き）フランジ部３６と接触してしまうこともない。

以上より、エンドプレート１６の変形に合わせたフランジ部３６の変形、ひいては連結するボス部３５を含むストッパ３０全体の変形が抑制される。ストッパ３０が変形しないので、荷重調整ネジ４１との嵌め合わせがずれてしまうこともなく、荷重調整ネジ４１が回らなくなってしまうという事態も防止できる。

尚、ストッパ３０をエンドプレート１６に対し剛性の高い部材、具体的には縦弾性係数の高い部材で形成すれば、一層効果的にストッパ３０の変形を抑制することができる。例えば、フランジ部３６の積層方向の厚さを大きくしたり、または材質を変更したりすることにより剛性を高めることもできる。材質は、例えば、エンドプレート１６の材質が上述したようにジュラルミンである場合には、ストッパ３０の材質としてアルミ合金やステンレス等を選択することができる。

また、上記実施の形態においては、エンドプレート１６に延出部３３を設けて、ストッパ３０のフランジ部３６と当接させるようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、フランジ部３６のエンドプレート１６側の面でかつボス部３５近傍に、エンドプレート１６に向けて延出する延出部３８を設けて、この延出部３８をエンドプレート１６に当接させるようにしても、同様の効果を得ることができる。

また、延出部３３、３８は、それぞれエンドプレート１６、フランジ部３６から突出した凸状であれば、エンドプレート１６、フランジ部３６と同じ部材で一体に形成してもよいし、別の部材を後から取り付けて形成するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の正断面図。 (Ａ)(Ｂ)は、図１の燃料電池のX-X断面のバリエーションを示す図。 伝達荷重が大きくなった場合の同燃料電池の要部正断面を模式的に示す図。 変形例に係る燃料電池の正断面図。 伝達荷重が大きくなった場合の従来の燃料電池の要部正断面を模式的に示す図。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料電池スタック、１２…スタックケース、１５…エンドプレート、１６…エンドプレート、１７…テンションプレート、１８…絶縁プレート、１９…ターミナルプレート、２０…カバープレート、２１…セル、２２…セル積層体、２４…カバープレート、２５…絶縁プレート、２７…スプリングボックス、２８…突起部、３０…ストッパ、３２…貫通孔、３３…延出部、３４…雌ネジ、３５…ボス部、３６…フランジ部、４１…荷重調整ネジ、４２…工具嵌合部、９０…燃料電池スタック、９１…エンドプレート、９２…ストッパ、９３…ボス部、９４…フランジ部、９５…荷重調整ネジ、９６…スプリングボックス、９７…突起部

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外側に配置され、開口部を有するエンドプレートと、
   前記開口部から挿入され該セル積層体の積層方向に沿って移動することで該セル積層体に与える圧縮荷重を調整する荷重調整ネジと、
   前記荷重調整ネジの径方向外側に配置されて該荷重調整ネジを保持する保持部と、を備えた燃料電池であって、
   前記保持部は、前記開口部の内側に配置され前記荷重調整ネジを保持するボス部と、該ボス部から前記荷重調整ネジの径方向外側に延出して前記エンドプレートと前記セル積層体との間に配置されるフランジ部とを有し、
   前記フランジ部と前記エンドプレートとが、前記荷重調整ネジの径方向近傍のみで当接することを特徴とする燃料電池。
2. 前記フランジ部は、前記ボス部近傍に、前記エンドプレートに向かって延出する延出部を有し、該延出部にて前記エンドプレートと当接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記エンドプレートは、前記開口部近傍に、前記フランジ部に向かって延出する延出部を有し、該延出部にて前記フランジ部と当接することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記エンドプレートと前記フランジ部とが、点または線接触する請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池。

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