JP2013054913A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】皿バネや他の部品の設計自由度を確保したまま、他の構造物との位置合わせや積層した複数枚の皿バネを整列させて重ね合わせることができるようにする。
【解決手段】本発明は、二種類の発電用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数のセルユニット１０を互いに重ね合わせているとともに、それらのセルユニット１０を一対のエンドプレート２０，３０間に挟入し、それらエンドプレート２０，３０を複数枚の皿バネ５０を介して弾圧している燃料電池スタックにおいて、上記複数の皿バネ５０どうしを整列させるためのバネガイド６０を、上記皿バネ５０間に配設している。
【選択図】図２

Description

本発明は、二種類の発電用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数のセルユニットを互いに重ね合わせ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、「燃料電池スタック構造体」とした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された燃料電池スタック構造体は、中心部にガス流路を有する薄板状のセパレータと、単セルを保持していると共に中心部にガス流路を有し且つその縁部をセパレータの縁部に接合させた薄板状のセル板と、セパレータ及びセル板の各中心部間に位置してセパレータ及びセル板の間に形成される空間内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る積層体を備え、この積層体を弾性体とともに断熱容器内に収容して、この断熱容器に固定する断熱蓋により積層体を固体電解質型燃料電池の積層方向に加圧する構成のものである。

特開２００７‐１８８５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池スタック構造体では、皿バネによって所要の弾性力を得るようにしているが、この場合、皿バネの特性を得るべく設計を行なうと、他の構造（ボルト等）との寸法関係を調整することが難しく、また、それらの位置合わせも困難である。

また、所要の弾性力を中心部に正確に作用させる必要があるが、皿バネの孔がボルトに対して大きいため、上記中心部に対する位置合わせを行なうことが難しい。
さらに、所要の弾性力を得るために複数枚の皿バネを重ねて使用すると、皿バネどうしにズレが生じ、必ずしも設計通りの弾性力を発揮させることができないという課題が未解決のままである。

そこで本発明は、弾性体自体や他の部品の設計自由度を確保したまま、他の構造物との位置合わせや複数枚の弾性体を整列させて積み重ねることができ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、二種類の発電用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数のセルユニットを互いに重ね合わせているとともに、それらのセルユニットを一対のエンドプレート間に挟入して、それらエンドプレートを複数の弾性体を介して弾圧固定している燃料電池スタックにおいて、上記複数の弾性体どうしを整列させるための弾性体ガイドを、それら弾性体間に配設している。
上記の構成では、弾性体ガイドを弾性体間に配設することにより、複数の弾性体どうしを整列させている。

本発明によれば、弾性体自体や他の部品の設計自由度を確保したまま、他の構造物との位置合わせや複数枚の弾性体を整列させて積み重ねることができる。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。 同上の燃料電池スタックの構成を示す説明図である。 （Ａ）は、一例に係るバネガイドを含む部分拡大正面図、（Ｂ）は、一例に係るバネガイドの拡大平面図、（Ｃ）は、その一例に係るバネガイドの拡大正面図である。 （Ａ）は、他例に係る弾性体ガイドの使用態様を示す正面図、（Ｂ）は、その平面図、（Ｃ）は、その正面図である。 別例に係る弾性体ガイドの平面図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す説明図である。 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す説明図である。

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外観斜視図、図２は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す説明図、図３（Ａ）は、一例に係るバネガイドを含む部分拡大正面図、（Ｂ）は、一例に係るバネガイドの拡大平面図、（Ｃ）は、その一例に係るバネガイドの拡大正面図である。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックＡ１は、互いに積み重ねた複数の固体電解質型セルユニット１０…を、一対のエンドプレート２０，３０間に挟入して固定した構造になっている。

固体電解質型セルユニット１０は、これの内外に、二種類の発電用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うものであり、それらの発電用ガスのうちの一方のものを流通させるための流通孔１１を中心軸Ｏ１に一致して形成した平面視円板形のものである。
なお、以下には固体電解質型セルユニット１０を、単に「セルユニット」という。
「二種類の発電用ガス」は、例えば水素含有ガスと酸素含有ガスである。

エンドプレート２０は、所要の内径にしたガス流通孔２１を中心に穿設し、かつ、上記セルユニット１０とほぼ同じ外径にした円形基板２２の一面２２ａに、円筒形の収容部２３を一体に突設したものである。
なお、本実施形態においては、収容部２３をエンドプレート２０と一体に形成したものを例示しているが、収容部２３をエンドプレート２０と別体に形成してもよい。

円形基板２２の上記一面２２ａであって、ガス流通孔２１の周縁には、下記の絶縁リング３５を位置決めするための位置決め凸部２２ｂが円環形に形成されている。
なお、収容部２３の上部には、一方の発電用ガスの出口２３ａが形成されている。

エンドプレート３０は、下記の締結ボルト４０の外径と同じ内径にしたボルト孔３１を中心に穿設し、かつ、上記セルユニット１０とほぼ同外径にした円形基板３２の他面３２ａに、円筒形の収容部３３を一体的に突設したものであり、その収容部３３には、一方の発電用ガスの入口３３ａが形成されている。

上記したエンドプレート２０，３０どうしの固定は、これらを貫通する全長にした締結用ボルト４０により行なっており、その締結用ボルト４０には、絶縁リング３５、スペーサ３６、複数の弾性体の一例である皿バネ５０、弾性体ガイド（以下、「皿バネガイド」という。）６０、ワッシャ７０、補助ワッシャ７５が嵌装されている。
なお、４１は、締結ボルト４０に螺合されているナットである。

絶縁リング３５は、上記位置決め凸部２２ｂの外径に一致する内径にした貫通孔３５ａを形成した平面視円形に形成されている。
スペーサ３６は、絶縁リング３５の貫通孔３５ａとほぼ同径の貫通孔３６ａを形成したものであり、皿バネ５０から受ける外力によって変形，破損を生じない強度を有するものである。

皿バネ５０は、上記したセルユニット１０を弾性的に挟圧するためのものであり、必要な挟圧力に応じた枚数を皿バネガイド６０を介して積み重ねて使用している。
なお、皿バネ５０としては、座付きのもの、段付きのもの等を適宜採用することができる。

図３にも示すように、一例に係る皿バネガイド６０は、これの上下側に積み重ねた皿バネ５０どうしをそれぞれ整列させて位置決めするためのものである。
本実施形態においては、互いに反対向きにした皿バネ５０，５０、５０，５０どうしを整列させて位置決めするための位置決め部６１が形成されている。

位置決め部６１は、皿バネ５０の孔を区画する内周壁面５１ａに当接する外径にした当接筒６２を平面視円環形に立設しているとともに、その当接筒６２の中間に、これの上下側に積層している皿バネ５０，５０、５０，５０の各内縁部に当接する平面視円形の当接片５３を外方に水平にして突出させたものである。
本実施形態においては、位置決め部６１で囲繞された空間α（図３（Ｂ）参照）が、一方の発電用ガスを流通させるためのものである。以下、空間αを「ガス流通部α」という。

当接筒６２は、複数枚の皿バネ５０の各内周壁面５１ａに同時に当接する高さＨ１（図３（Ｃ）参照）に形成されている。すなわち、高さＨ１は、同時に当接位置決めする複数枚の皿バネ５０の厚みｔを勘案して設定すればよいものである。

当接筒６２の内周壁面６２ａには、締結用ボルト４０に対する位置合わせのための位置合わせ片６４が、中心軸線Ｏ１回りに等角度間隔にして内方に向けて突設されている。本実施形態においては、４つの位置合わせ用突起６４を９０度間隔で配設しているが、例えば３つの位置合わせ片６４を１２０度間隔に配設してもよい。

ワッシャ７０は、皿バネ５０の外径よりもやや大きな外径にした円板形のものであり、これの中心にはボルト挿通孔７１が、また、そのボルト挿通孔７１の周囲には、互いに９０度間隔にして４つのガス流通口７２がそれぞれ形成されている。

補助ワッシャ７５は、上記のワッシャ７０を締結ボルト４０に対して位置決めするためのものであり、図３（Ａ）に示すように、その締結ボルト４０の外径に一致する内径の挿通孔７５ａを形成した円板形のものである。
挿通孔５０ａの下面辺縁には、上記したワッシャ７０のボルト挿通孔７１の内径に一致する外径にした嵌合突起７６を円環形に突設している。

以上の構成にした燃料電池スタックＡ１では、複数のセルユニット１０を挟入したエンドプレート２０，３０を、締結ボルト４０，ナット４１によって締結すると、複数枚の皿バネ５０によってセルユニット１０を所要の弾性力で挟圧することができる。
また、皿バネ５０どうしは、これらの各内周壁面５１ａが皿バネガイド６０の当接筒６２に当接することにより整列されて位置決めされる。

以上の構成からなる燃料電池スタックＡ１によれば、次の効果を得ることができる。
・皿バネや他の部品の設計自由度を確保したまま、他の構造物との位置合わせや積層した複数枚の皿バネを整列させて重ね合わせることができる。

・セルユニット１０内を流通させる一方の発電用ガスを流通させるためのガス流通部αを皿バネガイド６０に形成しているので、発電用ガスの流通を妨げることがない。
・位置決め部を、複数の皿バネの孔を区画する各内周壁面に当接する構成にしたときには、小型化を図ることができる。
・位置決め部を、複数の皿バネの各外周壁面に当接する構成にしたときには、より安定して皿バネを位置決めすることができる。
・締結ボルト４０に対する位置合わせを行なうための位置合わせ片６４を皿バネガイド６０に突設させているので、荷重の必要な中心軸線Ｏ１に正確に一致させて加重をかけることができる。

次に、図４を参照して、他例に係る皿バネガイドについて説明する。図４（Ａ）は、他例に係る皿バネガイドの使用態様を示す正面図、（Ｂ）は、その平面図、（Ｃ）は、その正面図である。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。

図４（Ａ）には、上記一例に係る皿バネガイド６０の上側に積層した皿バネ５０，５０上に、他例に係る皿バネガイド６０Ａを介して皿バネ５０，５０を積み重ねた使用態様を示している。

他例に係る皿バネガイド６０Ａは、これの上下側に積み重ねた皿バネ５０どうしをそれぞれ整列させて位置決めするためのものである。
本実施形態においては、互いに反対向きにした皿バネ５０，５０、５０，５０どうしを整列させて位置決めするための位置決め部６５が形成されている。

位置決め部６５は、皿バネ５０の外周壁面５１ｂに当接する外径にした当接筒６６を平面視円環形に立設している。
上記当接筒６６の内壁面６６ａの中間には、これの上下側に積層している皿バネ５０，５０、５０，５０の各外縁部に当接し、かつ、締結用ボルト４０に対する位置合わせのための位置合わせ片６７が中心軸線Ｏ１回りに等角度間隔で内方に向けて突設されている。

本実施形態においては、４つの位置合わせ片６７を９０度間隔で配設しているが、例えば３つの位置合わせ用突起６７を１２０度間隔に配設してもよい。
なお、本実施形態においては、当接筒６６で囲繞された空間α１が、一方の発電用ガスを流通させるためのものである。以下、空間α１を「ガス流通口α１」という。

当接筒６６は、複数枚の皿バネ５０の各外周壁面４１ａに同時に当接する高さＨ２に形成されている。すなわち、高さＨ２は、同時に当接位置決めする複数枚の皿バネ５０の厚みを勘案して設定すればよいものである。

別例に係る弾性体ガイドについて、図５を参照して説明する。図５は、別例に係る皿バネガイドの平面図である。
皿バネガイド６０Ｂは、皿バネ５０よりもやや大径にした平面視円形のものであり、中心軸線Ｏ１に一致して締結ボルト４０を挿通するボルト挿通孔６８が形成されているとともに、その周囲に、８つのガス流通孔６９が中心軸線Ｏ１を中心とした４５度間隔にして形成されている。
このような構成にした皿バネガイド６０Ｂを採用しても、上記した効果を得ることができる。

次に、図６を参照して、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックについて説明する。図６は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す説明図である。
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。

本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックＡ２は、上記した燃料電池スタックＡ１における絶縁リングの配設位置を異ならせているとともに、スペーサを省略した構成のものである。

本実施形態においては、一対のエンドプレート２０，３０のうち、エンドプレート３０の他面３２ａに絶縁リング３５を配設している。
エンドプレート３０のボルト孔３１の周縁には、円環形のリング位置決め突起３２ｂが形成されており、これに絶縁リング３５を位置決めしている。
このような構成にした燃料電池スタックＡ２であっても、上記燃料電池スタックＡ１と同等の効果を得ることができる。

図７は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す説明図である。
本発明の第三の実施形態に係る燃料電池スタックＡ３は、一対のエンドプレート２０，３０のうち、エンドプレート３０の他面３２ａに絶縁リング３５、スペーサ３６、皿バネ５０，５０、皿バネガイド６０、皿バネ５０，５０及びワッシャ８０を順に積み重ねた構成にしたものである。

ワッシャ８０は、締結ボルト４０の頭部４０ａの外径が、皿バネ５０，５０の外径に比較して小さいために、その頭部４０ａによって皿バネ５０，５０を有効に固定するためのものであり、頭部４０ａの外径が皿バネ５０，５０の外径よりも等しいか大きいものであれば、必ずしも配設する必要はない。
このような構成にした燃料電池スタックＡ３であっても、上記燃料電池スタックＡ１，Ａ２と同等の効果を得ることができる。

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。
上述した実施形態においては、皿バネガイド６０の上側に２枚の皿バネ５０，５０を積層し、当該下側にも２枚の皿バネ５０，５０を積層した例について示しているが、皿バネガイド６０の上下側に積層する皿バネ５０の枚数が異なる場合には、上記当接片６４を挟む上下側の当接筒５２の長さを対応させて設定すればよい。

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 セルユニット
２０，３０ エンドプレート
４０ 締結ボルト
５０ 弾性体（皿バネ）
６０ 弾性体ガイド（皿バネガイド）
６１ 位置決め部
６４，６７ 位置合わせ片
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 燃料電池スタック
α，α１ ガス流通部

Claims (6)

1. 二種類の発電用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数のセルユニットを互いに積み重ねているとともに、それらのセルユニットを一対のエンドプレート間に挟入して、それらエンドプレートを複数の弾性体を介して弾圧固定している燃料電池スタックにおいて、
   上記複数の弾性体どうしを整列させるための弾性体ガイドを、それら弾性体間に配設したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 弾性体ガイドには、セルユニット内を流れる一方の発電用ガスを流通させるためのガス流通部を形成している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. 弾性体が皿バネであり、
   弾性体ガイドは、互いに反対向きにした皿バネどうしを整列させて位置決めするための位置決め部が形成されてい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. 位置決め部は、複数の皿バネの孔を区画する各内周壁面に当接することにより、それら皿バネどうしを整列させて位置決めすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 位置決め部は、複数の皿バネの各外周壁面に当接することにより、それら皿バネどうしを整列位置決めすることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池スタック。
6. 一対のエンドプレートどうしを締結ボルトにより締結しており、
   弾性体ガイドには、締結ボルトに対して位置合わせを行なうための位置合わせ片が突設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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