JP2012181996A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】ボルト等の締結具を用いることなく容易に短時間で組み立てることができるとともに、製造を容易に行なえるようにする。
【解決手段】本発明は、一対のエンドプレート間に複数の燃料電池を積層させて挟持し、かつ、締結板により上記のエンドプレートどうしを締結することにより燃料電池を挟圧する燃料電池スタックにおいて、上記両エンドプレート20,21と締結板30,31の双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部B1,B2を形成したことを特徴としている。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池を積層させてなる燃料電池スタックに関する。
この種の燃料電池スタックとして、特許文献1に開示された構成のものがある。
特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、燃料電池を複数積層してなる積層体と、この積層体の上下両側に配置された一対の締結板と、その積層体の左右両側に配置された一対の補強板とを備えている。
上記した燃料電池の積層方向の両端には一対の集電板,スペーサとともに、それらの両外端面に金属又は樹脂により形成したエンドプレートを配置しており、そのエンドプレートどうしを燃料電池の上下両側に配置した締結板により互いに複数のボルトにより締結した構成になっている。
特開2010‐123492号公報
しかしながら、上記従来の燃料電池スタックでは、エンドプレートと締結板及びエンドプレートと補強板との各締結を、複数のボルトによって行なっていたので、それらの組み立てが煩雑である。
また、エンドプレートを樹脂で形成したときには、そのエンドプレートにも雌ねじをインサート成形しなければならず、それらの製造工程の複雑化を招いているという課題が未解決のままであった。
そこで本発明は、ボルト等の締結具を用いることなく、容易に短時間で組み立てることができるとともに、製造を容易に行なえる燃料電池スタックの提供を目的としている。
上記課題を解決するための本発明は、一対のエンドプレート間に複数の燃料電池を積層させて挟持し、かつ、それらのエンドプレートにより燃料電池どうしを挟圧するようにして締結板により締結している燃料電池スタックにおいて、上記両エンドプレートと締結板の双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部を設けたことを特徴としている。
本発明によれば、ボルト等の締結具を用いることなく、容易に短時間で組み立てることができるとともに、製造を容易に行うことができる。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。 同上の燃料電池スタックの一部をなす燃料電池の要部の拡大断面図である。 同上の燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートと締結板との締結状態を示す部分拡大断面図である。 一例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。 同上の掛合維持部品をエンドプレートに装着固定した状態を示す部分拡大図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす締結板を取り外して示す分解斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を拡大して示す拡大断面図である。 第三の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 第四の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 (A),(B)は、第五の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートの斜視図であり、(A)は補強部材を固着した後の様子を示し、(B)は、補強部材を固着する前の様子を示している。 他例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図2は、その燃料電池スタックの分解斜視図、図3は、同上の燃料電池スタックの一部をなす燃料電池の要部の拡大断面図、図4は、エンドプレートと締結板との締結状態を示す部分拡大断面図である。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタック10は、図1,2に示すように、一対のエンドプレート20,21間に、集電板8,9及び複数の燃料電池Aを積層させ、かつ、それらのエンドプレート20,21により、燃料電池Aどうしを挟圧するようにして締結板30,31及び補強板40,40によって締結した構成のものである。
本実施形態においては、それらエンドプレート20,21,締結板30,31及び補強板40,40それぞれに、互いに掛合締結する掛合締結部B1〜B3を設けている。
燃料電池Aは、図3に示す一対のセパレータ50,51間に、ガス拡散層52,52及びそれらガス拡散層52,52間に配設したセル構成体53を挟入した構成のものであり、積層方向αから見た正面視において、横長方形にして形成されている。
この構成により、燃料電池Aの積層方向αにおける弾性伸縮変形を行なえるようにしている。
上記燃料電池Aには、これの積層方向αと直交する水平方向βにおける両側部に、図2に示すように、カソード流入側マニホールド60,冷却水流入側マニホールド61及びアノード流出側マニホールド62、及びアノード流入側マニホールド63,冷却水流出側マニホールド64及びカソード流出側マニホールド65がそれぞれ縦一列に配設されている。
本実施形態において示すエンドプレート20は合成樹脂製のものであり、それは、他の締結板30,31及び補強板40,40に比べて十分な厚みと強度を有し、かつ、上記水平方向βに長い横長方形にして形成されている。
このエンドプレート20の中心には、集電板8の電極8aを外部に突出させるための電極孔20aが形成されている。
また、上記水平方向βにおける両側部には、上記カソード流入側マニホールド60,冷却水流入側マニホールド61及びアノード流出側マニホールド62、及びアノード流入側マニホールド63,冷却水流出側開口64及びカソード流出側マニホールド65に対向して、カソード流入側開口21a,冷却水流入側開口21b及びアノード流出側開口21c、及びアノード流入側開口21d,冷却水流出側開口21e及びカソード流出側開口21fが配列形成されている。
エンドプレート20の上辺縁20bと下辺縁20cには、詳細を後述する締結板30,31の締結用係止片32,32を取り付けるための取付け凹部22と取付け凹部23とが形成されている。
取付け凹部22は、カソード流入側開口21aとアノード流入側開口21dとの間にわたる長さにして形成されている。換言すると、締結板30の締結用係止片32に対応する幅と長さに形成されており、これには、互いに所要の間隔にして掛合突起22aが複数突設されている。図2においては、4つの掛合突起22aを配した例を示している。
掛合突起22aは互いに同形同大の円柱形に形成され、また、取付け凹部22内に配設されていることにより、上記カソード流入側マニホールド60とアノード流入側マニホールド63の周縁を避けて形成されている。
本実施形態においては、掛合突起22aをエンドプレート20から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。
取付け凹部23は、アノード流出側開口21cとカソード流出側開口21fとの間にわたる長さにして形成されている。換言すると、締結板31の係止片33に対応する幅と長さに形成されており、これには、互いに所要の間隔にして掛合突起23aが複数突設されている。なお、図2には、4つの掛合突起23aを配した例を示している。
掛合突起23aは互いに同形同大の円柱形に形成され、また、取付け凹部23内に配設されていることにより、上記アノード流出側マニホールド62とカソード流出側マニホールド65の周縁を避けて形成されている。本実施形態においては、掛合突起23aをエンドプレート20から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。
すなわち、掛合突起22a,23aは、各マニホールド60〜65の周縁を避けるように配設形成されている。
エンドプレート20の上記した水平方向βにおける辺縁20d,20eには、詳細を後述する補強板40,40の係止片41,41を取り付けるための取付け凹部24,24が形成されている。
取付け凹部24は、上下辺縁20b,20cにわたり、補強板40の係止片41に対応する幅に一致して形成されており、これには、互いに所要の間隔にして円柱形の掛合突起24aが複数突設されている。なお、図2には、3つの掛合突起24aを配した例を示している。本実施形態においては、掛合突起24aをエンドプレート20から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。
すなわち、掛合突起24aは、各マニホールド60〜65の周縁を避けるように配設形成されている。
エンドプレート21は、上記したエンドプレート20と同形同大に形成されており、その中心に電極孔21を形成しているとともに、各辺縁には、上記したエンドプレート20に形成している凹部22〜24と同じ凹部を形成している。なお、上述したエンドプレート20について説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
締結板30は、上記した水平方向βにおける辺縁30a,30b、積層方向αにおける辺縁30c,30dにより、平面視において横長方形に形成されている。
辺縁30a,30b間の寸法は、上記したエンドプレート20,21の両側部間の寸法にほぼ一致させており、辺縁30c,30dの寸法は、積層した燃料電池A等の積層方向での長さを勘案して設定している。
辺縁30c,30dには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片32,32が、それら辺縁30c,30dの全長よりも短く、かつ、図示下向きに折曲形成されている。
締結用係止片32には、互いに所要の間隔にして、上記各掛合突起22aに掛合する掛合孔32aが同数対向して形成されている。
本実施形態においては、掛合突起22a、掛合孔32a及び締結用係止片32により、掛合締結部B1を構成している。これにより、ボルト等の締結具を用いることなく、簡易な構成により、エンドプレート20,21と締結板30,31とを締結固定することができる。
締結板31は、上記した水平方向βにおける辺縁31a,31b、積層方向αにおける辺縁31c,31dにより、上記締結板30と同じ横長方形に形成されている。
辺縁31c,31dには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片33,33が、それら辺縁31c,31dの全長よりも短く、かつ、図示上向きに折曲形成されている。
締結用係止片33には、互いに所要の間隔にして、上記各掛合突起23aに掛合する掛合孔33aが同数対向して形成されている。
本実施形態においては、掛合突起23a、掛合孔33a及び締結用係止片32により、掛合締結部B2を構成している。
補強板40は、互いに積層した複数の燃料電池Aの撓みを防止するためのものであり、積層方向αと直交する鉛直方向γにおける辺縁40a,40b、積層方向αにおける辺縁40c,40dにより、側面視において横長方形に形成されている。
辺縁40a,40b間の寸法は、上記したエンドプレート20,21の両側部間の寸法にほぼ一致させており、辺縁40c,40d間の寸法は、積層した燃料電池A等の積層方向での長さを勘案して設定している。
辺縁40c,40dには、これらの辺縁40c,40dの全長にわたり一定の幅にして係止用締結片41,41が形成されている。
この係止用締結片41,41には、互いに所要の間隔にして、上記掛合突起24aに掛合する掛合孔41aが複数形成されている。
本実施形態においては、掛合突起24a,掛合孔41a及び係止用締結片41により、掛合締結部B3を構成している。
また、辺縁40a,40bには、互いに積層した複数の燃料電池Aの上面及び下面に弾性的に当接する補強片42,42が、それらの辺縁40a,40bの全長にわたり一定の幅にして形成されている。
すなわち、補強片42,42は、互いに積層した複数の燃料電池Aを鉛直方向γで弾性的に支持することにより、それらの燃料電池Aの撓みを防止するものである。
上記の構成においては、締結板30,31をエンドプレート20,21間に架け渡し、係止用締結片32,32、33,33をエンドプレート20,21に当接係止させると、図4に示すように、係止用締結片32(32)、33(33)の各掛合孔22a,33aが、これに対応する係止突起23a,33aに掛合し、その掛合状態は、締結板30,31による狭圧力によって維持される。
また、補強板40の係止用締結片41,41に形成した各掛合孔41a,41aが、これに対応する突起24a,24aに掛合し、その掛合状態は、補強板40による狭圧力によって維持される。
図5は、一例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図、図6は、その掛合維持部品をエンドプレートに装着固定した状態を示す部分拡大図である。
なお、一例に係る掛合維持部品を配設した燃料電池スタックは、上記図1〜4において説明したものと同一であるので、その説明を省略し、一例に係る掛合維持部品について説明する。
一例に係る掛合維持部品70は、上記した掛合締結部B1〜B3の各掛合状態を維持させるためのものである。
本実施形態に示す掛合維持部品70はマニフォルド形成部品であり、エンドプレート20の鉛直方向γにおける両辺縁70a,70b間の寸法を、そのエンドプレート20の鉛直方向γにおける両辺縁間の寸法に一致させ、かつ、水平方向βにおける辺縁70c,70d間の寸法を、掛合締結部B3全体と掛合締結部B1,B2の一部に当接させられる寸法にしている。
なお、71は、上記したカソード流入側開口21a,冷却水流入側開口21b及びアノード流出側開口21c、及びアノード流入側開口21d,冷却水流出側開口21e及びカソード流出側開口21fに連通するマニフォルドである。
図6に示すように、上記した掛合維持部品70を、エンドプレート20の両辺縁部に当接固定すると、その掛合維持部品70によって、締結用係止片32,33、41,41をエンドプレート20との間に挟圧固定した状態になる。
これにより、掛合締結部B1〜B3の各掛合状態をよりしっかりと維持させることができる。
また、掛合維持部品70としてマニフォルド形成部品を使用することにより、上記した掛合状態を維持する機能とともに、外部に接続するための機能を併有させられるので、部品点数を減らすことができるとともに、軽量化を図ることができる。
なお、マニフォルド形成部品に代えて、これと同様の大きさ,形状にしたジャンクションボックスを採用することもできる。
図7は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図8は、その燃料電池スタックの一部をなす締結板を取り外して示す分解斜視図、図9は、その燃料電池スタックの要部を拡大して示す拡大断面図である。
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタック10Aは、上述のものとは別異の構成にした掛合締結部を採用したものである。そこで、本実施形態においては、構成が異なる掛合締結部について説明し、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
なお、図7,8には、上述したものと同様の補強板について示していないが、必要に応じて設けた構成にしてもよいことは勿論である。
本実施形態において示す締結板30は、積層方向αにおける辺縁30c,30dに、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片34,34が、それら辺縁30c,30dの全長よりも短く、かつ、図示下向きに折曲形成されている。
締結板31には、積層方向αにおける辺縁31c,31d(図8参照)に、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片35,35が、それらの全長よりも短く、かつ、図示上向きに折曲形成されている。
上記の締結用係止片34には、図9に示すような、エンドプレート20に形成した掛合溝26に掛合する掛合片34aが水平に折曲形成され、同じく、締結用係止片35にも掛合片35aが水平に折曲形成されている。
一方、エンドプレート20の辺縁20b,20cの近傍であって、その辺縁20b,20cと平行に、上記した掛合片34a,35aを掛合するための掛合溝26,26が辺縁20d,20e間にわたり形成されている。
締結板30,31をエンドプレート20,21間に架け渡して、図8に示すように、係止用締結片34、35をエンドプレート20,21の掛合溝26,26に挿入すると、係止用締結片34、35の各掛合片34a,35aが、掛合溝26,26に掛合し、その掛合状態は、締結板30,31による狭圧力によって維持される。
図10は、第三の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第三の実施形態に係る燃料電池スタック10Bは、燃料電池Aの積層方向αと直交する水平方向βにおけるエンドプレート20,21の両側部間の寸法W1を、同方向βにおける補強板40,40の両側部間の寸法W2よりも大きく設定したものである。
この構成により、構造の簡素化を図ることができるとともに、補強板40,40の外れ防止機能を、エンドプレート20,21の両側方に突出した部分20g,20gに持たせている。従って、組み立てと補強板40の簡素化をそれぞれ図ることができる。
「両側方に突出した部分20g,20g」は、(W1−W2)/2の寸法差を有している部分であり、補強板40,40の縁部に、何らかの部材等が衝接することにより、補強板40,40に、これを引き剥がすような外力が作用しないようにしている。
図11は、第四の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第四の実施形態に係る燃料電池スタック10Cは、掛合締結部B4を、エンドプレート20,21の両側面と、これに対向する補強板40,40の両側面に配設した構成のものである。
具体的には、エンドプレート20,21の両辺縁20d,20eの側面20h,20iに、円柱形にした複数の掛合突起25を所要の間隔で突設している。
一方、補強板40,40の辺縁40cには、上記掛合突起25に対向する位置に、掛合孔27が形成されている。
この構成により、構造の簡素化を図るとともに、外れ防止機能を掛合締結部B4に持たせている。
図12(A),(B)は、第五の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートの斜視図であり、(A)は補強部材を固着した後の様子を示し、(B)は、補強部材を固着する前の様子を示している。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。また、エンドプレート21については、エンドプレート20と同等のものであり、また、締結板30,31も上記と同等のものであるので、それらの図示と説明を省略する。
第五の実施形態に係る燃料電池スタック10Dは、エンドプレート20,21に、少なくともマニフォルド部分を補強するための補強部材28を配設した構成のものである。
本実施形態においては、補強部材をピンとして形成しており、そのピンの一部をエンドプレート20,21の両側面20h,20iに形成した嵌合孔29,29から突出させている。
上記構成からなるエンドプレート20,21によれば、ピン28が締結板30,31が係止されていない部分を補強することができる。また、変形をさらにピン28の一部がエンドプレート20,21の両側面より突出させているので、補強板40,40を係止させることができる。
これにより、面圧の均一性、シール耐久性の向上とともに、補強板40,40の位置決めを行なうことができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
図13は、他例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。
なお、他例に係る掛合維持部品を配設した燃料電池スタック10は、上記図1〜4において説明したものと同一であるので、その説明を省略し、一例に係る掛合維持部品について説明する。
他例に係る掛合維持部品80は、上記した掛合締結部B1,B2の各掛合状態を維持させるためのものである。
本実施形態に示す掛合維持部品80は、エンドプレート20の鉛直方向γにおける両辺縁80a,80b間の寸法を、そのエンドプレート20の鉛直方向γにおける両辺縁間の寸法に一致させ、かつ、水平方向βにおける辺縁80c,80d間の寸法を、掛合締結部B1,B2の一部に当接させられる寸法にしている。
上記した掛合維持部品80を、エンドプレート20の中央部分に当接固定すると、その掛合維持部品80によって、締結用係止片32,33をエンドプレート20との間に挟圧固定した状態になる。
これにより、掛合締結部B1,B2の各掛合状態をよりしっかりと維持させることができる。
また、本発明は次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、エンドプレートを合成樹脂により形成したものを例示したが、これに限るものではなく、金属製であってもよい。
・熱可塑性樹脂によりエンドプレートを形成しておくとともに、そのエンドプレートに掛合突起を突設し、その掛合突起と、締結板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、その掛合突起を、互いの掛合状態が解かれないように溶融変形させてもよい。これにより、締結板とエンドプレートとの掛合状態を維持させることができる。
・また、エンドプレートの掛合突起と、補強板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、互いの掛合が解除されないように掛合突起を溶融変形させてもよい。これにより、補強板とエンドプレートとの掛合状態を維持させることができる。
・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
10 燃料電池スタック
20,21 エンドプレート
30,31 締結板
40 補強板
B1 掛合締結部(掛合突起22a,掛合孔32a,締結用係止片32)
B2 掛合締結部(掛合突起24a,掛合突起23a、掛合孔33a,締結用係止片32)
B3 掛合締結部(掛合突起24a,掛合孔41a,係止用締結片41)

Claims (10)

  1. 一対のエンドプレート間に複数の燃料電池を積層させて挟持し、かつ、締結板により上記のエンドプレートどうしを締結することにより燃料電池を挟圧する燃料電池スタックにおいて、
    上記両エンドプレートと締結板の双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部を形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 互いに積層した複数の燃料電池の撓みを防止するために補強する補強板を有しており、
    その補強板とエンドプレートの双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部を形成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
  3. 掛合締結部は、互いに掛合する掛合孔と掛合突起であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。
  4. エンドプレートに装着固定することにより、少なくとも一部の掛合締結部の掛合状態が解除されないように押さえる掛合維持部品を配設したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  5. 燃料電池の積層方向と直交する方向におけるエンドプレートの両側部間の寸法を、同方向における補強板の両側部間の寸法よりも大きく設定していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  6. 掛合締結部を、エンドプレートの両側面と、これに対向する補強板の両側面に配設したことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  7. エンドプレートには、少なくともマニフォルド部分を補強するための補強部材が配設されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  8. 補強部材がピンであり、そのピンの一部をエンドプレートの両側面より突出させていることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池スタック。
  9. エンドプレートが熱可塑性樹脂から形成されているとともに、エンドプレートに掛合突起が突設されており、
    エンドプレートの掛合突起と、締結板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、その掛合突起を、互いの掛合状態が解かれないように溶融変形させていることを特徴とする請求項3〜8のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  10. エンドプレートの掛合突起と、補強板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、互いの掛合が解除されないように掛合突起を溶融変形させていることを特徴とする請求項3〜9のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
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