JP2014183015A

JP2014183015A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2014183015A
Application number: JP2013058417A
Authority: JP
Inventors: Takushi Nagano; 拓士長野; Kazumi Sugita; 一美杉田; Kazunari Mogi; 一成茂木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-29

Abstract

【課題】燃料電池スタックを積層方向の荷重を掛けて締結する際の作業軽減を図る。
【解決手段】燃料電池スタック１４を収容するスタックケース２０は、燃料電池スタック１４を積層方向の一端側で受け止めるエンドプレート２２と、燃料電池スタック１４と積層方向の他端側で対向する締結側プレート２４とを連結して備える。締結側プレート２４の雌ネジ２５に螺合する荷重調整ネジ３０は、雄ネジの谷径以下の径の小径シャフト部３２をテンションプレート２６に押し付け、雌ネジ２５への雄ネジ部３１の締め付けにより、テンションプレート２６を介して燃料電池スタック１４に積層方向の締結力を及ぼす。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、当該スタックでは、セル積層状態を維持するため、所定の荷重で締結される必要がある。このため、スタック一端側から荷重を掛けるネジの締め込み量を調整して、燃料電池スタックに加える積層方向の荷重を調整することが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−１０８０５８号公報

上記のように荷重を掛けるネジには、その全長に亘ってネジ山を有するネジが使われていたため、実際に荷重を掛ける前に相当回数のネジ込みを行う必要があり、煩雑であった。この他、ネジによる締結を図るに当たっての、軽量化も要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向の一端側を受け止める第１プレートと、前記燃料電池スタックの前記積層方向の他端側において前記燃料電池スタックと対向する第２プレートとを連結して備え、前記燃料電池スタックを収容するケースと、該ケースに収容された前記燃料電池スタックの前記積層方向の他端側において、前記燃料電池スタックと接合するケース内プレートと、前記第２プレートに貫通形成された雌ネジに螺合し、締め付けを受けて前記ケース内プレートを介して前記燃料電池スタックに前記積層方向の締結力を及ぼす締結雄ネジとを備え、該締結雄ネジは、前記雌ネジと螺合するネジ部位より前記ケース内プレートの側を雄ネジの谷径以下の小径シャフト部とする。上記形態の燃料電池では、締結雄ネジが第２プレートの雌ネジに螺合してネジの締め付けが開始される時点で、締結雄ネジの小径シャフト部をケース内プレートの側に延ばしている。そして、締結雄ネジの小径シャフト部がケース内プレートに当接した以降の締結雄ネジの締め付けにより、燃料電池スタックに積層方向の締結力を及ぼす。よって、上記形態の燃料電池スタックによれば、小径シャフト部の長さに相当する分だけ締結雄ネジの締め付けが無用となって締め付け回数が少なくなるので、作業効率の向上や、これに伴う作業コストの低減が可能となる。また、締結雄ネジにおける小径シャフト部が小径となる分、ネジの軽量化を図ることができる。この他、第２プレートの雌ネジに螺合する締結雄ネジのネジ範囲も短くなるので、雄ネジと雌ネジの螺合に伴うネジ部からの金属粉の発生も起きにくくなる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記締結雄ネジは、前記ネジ部位にネジヘッドを備えず、前記ネジ部位頂上に締め付けレンチの挿入孔を備えるようにできる。こうすれば、全長が雄ネジとされているいわゆるイモネジ用の長寸ネジにおいて、その雄ネジを切削等除去することで小径シャフト部が形成でき、簡便となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタックの締結方法や、燃料電池スタックを搭載した車両等の態様で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を構成部材の拡大視と共に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を構成部材の拡大視と共に示す説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であって、燃料電池セル１２を複数積層した燃料電池スタック１４と、スタックケース２０とを備える。スタックケース２０は、燃料電池スタック１４をケース内に収容すべく、コの字状の断面をなし、一方端をエンドプレート２２とし、他方端を締結側プレート２４とし、ケース内にはテンションプレート２６と、開口側プレート２８とを備える。エンドプレート２２は、六角孔付ボルト４０にてスタックケース２０の一端に固定され、スタックケース２０に収容された燃料電池スタック１４を、セル積層方向の一端側で受け止める。締結側プレート２４は、スタックケース２０に収容された燃料電池スタック１４と、セル積層方向の他端側において対向する。テンションプレート２６は、スタックケース２０に収容された燃料電池スタック１４と積層方向の他端側において接合し、後述の荷重調整ネジ３０からの締結力を燃料電池スタック１４に及ぼす。開口側プレート２８は、六角孔付ボルト４０にてテンションプレート２６と開口側プレート２８に固定され、スタックケース２０の開口をほぼ塞いで、燃料電池スタック１４への異物衝突を防止する。スタックケース２０は、鋳造品であるため、締結側プレート２４とスタック収容部の側壁を、型抜けのための傾斜壁とする。

この他、燃料電池１０は、締結側プレート２４の側に荷重調整ネジ３０を備える。荷重調整ネジ３０は、締結側プレート２４に形成された呼び径Ｍ１２の雌ネジ２５に螺合し、締め付けを受けることで、テンションプレート２６を介して燃料電池スタック１４にセル積層方向の締結力を及ぼす。そして、この荷重調整ネジ３０は、呼び径Ｍ１２の雄ネジ部３１と、これに続く小径シャフト部３２とを備え、雄ネジ部３１の頂上面に、図示しないトルク管理式六角レンチが挿入されるレンチ挿入孔３３を備えるものの、雄ネジ部３１にネジヘッドを備えない。小径シャフト部３２は、雄ネジ部３１からネジ山を切削等して形成され、その外形寸法は、雄ネジ部３１の呼び径Ｍ１２のネジの谷径以下とされている。つまり、荷重調整ネジ３０は、全長に亘ってＭ１２のネジを有するイモネジからネジを除去することで製造可能である。この荷重調整ネジ３０は、Ａ矢視図に示すように、上下２列で、計８個使用され、それぞれの荷重調整ネジ３０の締め付けの際には、トルク管理がなされて、所定の締結力を締め付けにより燃料電池スタック１４に掛ける。この場合、締結側プレート２４は、型抜けの都合から傾斜しているので、テンションプレート２６には、ギャップ調整用の突起２７が形成されている。

次に、荷重調整ネジ３０を用いた燃料電池スタック１４の締結の様子について説明する。燃料電池スタック１４を構成する燃料電池セル１２は、セル積層方向の力（締結力）を受けることで厚み方向に縮むので、予め定めた規定の締結荷重（規定荷重）を加えて燃料電池スタック１４を締結した際の、燃料電池スタック１４の積層方向の長さ（規定スタック長）は、実測或いは実験的に予め知ることができる。よって、まず、燃料電池スタック１４をスタックケース２０に収容して、エンドプレート２２にて燃料電池スタック１４を受け止める。次いで、テンションプレート２６を燃料電池スタック１４に接合させ、図示しない締め付け機器にて、燃料電池スタック１４をテンションプレート２６の側から仮押圧する。この際、燃料電池スタック１４の積層方向の長さが、規定荷重を加えて締結した際の規定スタック長よりやや勝るようにする。この状態で、上下２列の荷重調整ネジ３０を、雌ネジ２５にセットした上で、小径シャフト部３２の先端がテンションプレート２６或いは突起２７に接触するまで締め付ける。荷重調整ネジ３０のセットは、雌ネジ２５に雄ネジ部３１が螺合するまで、小径シャフト部３２を締結側プレート２４の外側から雌ネジ２５に差し込むことでなされ、その後、小径シャフト部３２の先端がテンションプレート２６或いは突起２７に接触するまで締め付けられる。この状態からの荷重調整ネジ３０の締め付けは、その締め付け荷重が燃料電池スタック１４に及ぶようになるので、燃料電池スタック１４を仮押圧していた締め付け機器を解除して取り除く。

次いで、個々の荷重調整ネジ３０をトルク管理式六角レンチにて徐々に締め付け、その締め付けを、燃料電池スタック１４の積層方向の長さが規定スタック長と一致するまで継続する。こうすることで、スタックケース２０に収容した燃料電池スタック１４を規定荷重で締結固定した燃料電池１０が得られ、この状態において、荷重調整ネジ３０は、その雄ネジ部３１をネジの呼び径Ｍ１２の１．５〜２倍程度の範囲で、雌ネジ２５に螺合している。こうした螺合範囲を確保することで、不用意なネジの緩みを抑制できる。そして、雄ネジ部３１の頂上の側に図示しないネジをねじ込むことで、荷重調整ネジ３０の緩み止めを行うようにしてもよい。

以上説明した本実施形態の燃料電池１０では、スタックケース２０に収容した燃料電池スタック１４を規定荷重で締結固定するに当たり、締結側プレート２４の雌ネジ２５に螺合して締め付けを受ける荷重調整ネジ３０を用いる。荷重調整ネジ３０は、雄ネジ部３１が締結側プレート２４の雌ネジ２５に螺合してその締め付けが開始される時点で、小径シャフト部３２をテンションプレート２６の側に延ばしている。そして、小径シャフト部３２がテンションプレート２６或いは突起２７に当接した以降の荷重調整ネジ３０の締め付けとその際のトルク管理により、燃料電池スタック１４を規定荷重で締結固定する。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、小径シャフト部３２の長さに相当する分だけ荷重調整ネジ３０の締め付けが無用となって締め付け回数を少なくできるので、燃料電池スタック１４の締結固定のための作業効率を向上できる他、効率向上に伴う作業コストも低減できる。また、荷重調整ネジ３０において、小径シャフト部３２を小径とした分、荷重調整ネジ３０の軽量化を図ることができると共に、締結側プレート２４の雌ネジ２５に螺合する雄ネジ部３１のネジ範囲も短くなるので、雄ネジと雌ネジの螺合に伴うネジ部からの金属粉の発生も起きにくくなる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

本実施形態では、スタックケース２０を鋳造品としたので締結側プレート２４を傾斜したものとしたが、傾斜のない締結側プレート２４としてもよく、こうすれば、突起２７を省略できる。また、エンドプレート２２と締結側プレート２４とを対向させた上で、両プレートをフレームにて連結したスタックケース２０としてもよい。

本実施形態では、荷重調整ネジ３０を頂上にネジヘッドを備えないものとしたが、六角形のネジヘッドを有するものとしてもよいほか、レンチ挿入孔３３については、六角形の有底孔に限らず、星形の有底孔としてもよい。

１０…燃料電池
１２…燃料電池セル
１４…燃料電池スタック
２０…スタックケース
２２…エンドプレート
２４…締結側プレート
２５…雌ネジ
２６…テンションプレート
２７…突起
２８…開口側プレート
３０…荷重調整ネジ
３１…雄ネジ部
３２…小径シャフト部
３３…レンチ挿入孔
４０…六角孔付ボルト

Claims

燃料電池であって、
燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向の一端側を受け止める第１プレートと、前記燃料電池スタックの前記積層方向の他端側において前記燃料電池スタックと対向する第２プレートとを連結して備え、前記燃料電池スタックを収容するケースと、
該ケースに収容された前記燃料電池スタックの前記積層方向の他端側において、前記燃料電池スタックと接合するケース内プレートと、
前記第２プレートに貫通形成された雌ネジに螺合し、締め付けを受けて前記ケース内プレートを介して前記燃料電池スタックに前記積層方向の締結力を及ぼす締結雄ネジとを備え、
該締結雄ネジは、前記雌ネジと螺合するネジ部位より前記ケース内プレートの側を雄ネジの谷径以下の小径シャフト部とする
燃料電池。
前記締結雄ネジは、前記ネジ部位にネジヘッドを備えず、前記ネジ部位頂上に締め付けレンチの挿入孔を備える請求項１に記載の燃料電池。