JP2017117747A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一対のエンドプレート81,82と、一対のエンドプレート81,82間に架け渡された連結バー83,84と、エンドプレート81,82と連結バー83,84とを締結する締結部材100と、エンドプレート81,82及び連結バー83,84のエンドプレート側取付孔101及び連結バー側取付孔102内をA方向に跨って配設されるとともに、エンドプレート側取付孔101及び連結バー側取付孔102内で締結部材100に外挿された筒状ノック110と、を備え、エンドプレート側取付孔101内において、A方向で筒状ノック110と締結部材100との間に位置する部分には、少なくともエンドプレート側取付孔101の内周面及び締結部材100に密接するシール部材115が介在している。
【選択図】図6
Description
積層体は、複数の単位セルが積層されて構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで構成された膜電極構造体(MEA)と、膜電極構造体を挟持するセパレータと、を備えている。
エンドプレート及び連結バーは、積層体の積層方向に互いに突き合わされた状態で、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に挿通された締結部材によって締結されている。例えば下記特許文献2には、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に、筒状ノックが配設された構成が開示されている。筒状ノックは、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔間を跨って配設されるとともに、締結部材に外挿されている。
また、ケーシングの外部に存在する水が、エンドプレート側取付孔や連結バー側取付孔内に進入すると、筒状ノック等の腐食に繋がるおそれがある。
特に、第1シール部材が、エンドプレート側取付孔内において、第1方向で筒状ノックと締結部材との間に位置する部分で、少なくともエンドプレート側取付孔の内周面及び締結部材に密接している構成とした。そのため、筒状ノックの外周側及び内周側を通して流通する反応ガスを1つの第1シール部材によって塞き止めることができる。したがって、簡素化を図った上で、反応ガスが外部に漏れ出るのを確実に抑制できる。
また、ケーシングの外部に存在する水がエンドプレート側取付孔を通してケーシング内に進入するのを、第1シール部材によって塞き止めることができる。この場合、エンドプレートと連結バーとの境界部分よりもエンドプレート側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノックのうち、エンドプレートと連結バーとの境界部分に相当する部分(以下、せん断部分という。)の腐食を抑制できる。
特に、第2シール部材がエンドプレート側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックの外周側を通して燃料電池スタック外部へ漏れ出るのを抑制できる。
また、ケーシングの外部に存在する水がエンドプレート側取付孔を通してケーシング内に進入するのを、第2シール部材によって塞き止めることができる。この場合、エンドプレートと連結バーとの境界部分よりもエンドプレート側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノックのせん断部分の腐食を抑制できる。
また、第3シール部材が連結バー側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックにおける第1方向の積層体側から回り込んで筒状ノックの内周側に進入するのを抑制できる。
(第1実施形態)
[燃料電池スタック]
図1は本実施形態の燃料電池スタック1を第1エンドプレート81側から見た分解斜視図である。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1は、図示しない車両の前部に画成されたモータルームやフロア下に搭載されている。燃料電池スタック1は、例えば駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池スタック1は、例えば図中のA方向(第1方向)が車両の幅方向、B方向(第2方向)が車両の前後方向、C方向(第2方向)が車両の上下方向となるようにして車両に搭載される。
積層体3は、複数の単位セル(燃料電池セル)2がA方向(積層方向)に積層されて構成されている。なお、以下の説明では、上述したA方向、B方向及びC方向(重力方向)において、積層体3の中央部に近づく向きを内側といい、積層体3の中央部から離間する向きを外側という場合がある。
図2は単位セル2の分解斜視図である。
図2に示すように、単位セル2は、例えば一対のセパレータ21,22と、各セパレータ21,22間に挟持された膜電極構造体23(以下、単にMEA23という。)と、を備えている。MEA23は、固体高分子電解質膜31と、固体高分子電解質膜31をA方向の両側から挟持するアノード電極32及びカソード電極33と、を備えている。
アノード電極32及びカソード電極33は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層と、を有している。
固体高分子電解質膜31は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。固体高分子電解質膜31は、A方向から見た正面視外形がアノード電極32及びカソード電極33よりも大きくなっている。図2の例において、固体高分子電解質膜31の中央部には、アノード電極32及びカソード電極33が重ね合わされている。固体高分子電解質膜31の外周部は、アノード電極32及びカソード電極33に対して額縁状にはみ出している。
セパレータプレート35は、B方向を長手方向とする長方形状の金属板、又はカーボン板により構成されている。なお、図2の例において、セパレータプレート35は、正面視外形が固体高分子電解質膜31と同等に形成されている。セパレータプレート35は、A方向から見てMEA23に重なり合っている。
図3に示すように、被覆部材36は、ゴム等の弾性変形可能な材料により形成されている。被覆部材36は、固体高分子電解質膜31の外周部にA方向で密接している。
単位セル2において、各出口連通孔41o,42oに対してB方向の内側に位置する部分には、冷媒出口連通孔43oがそれぞれ形成されている。なお、一対の冷媒入口連通孔43i同士及び一対の冷媒出口連通孔43o同士は、アノード電極32及びカソード電極33を間に挟んでそれぞれC方向で対向する位置に配置されている。
具体的に、第1セパレータ21のアノード電極32を向く面と、MEA23のアノード電極32と、の間には、燃料ガス流路45が形成されている。燃料ガス流路45は、燃料ガス入口連通孔42i及び燃料ガス出口連通孔42oにそれぞれ連通している。
図3、図4に示すように、積層体3に対してA方向の両側には、ターミナルプレート(第1ターミナルプレート61及び第2ターミナルプレート62)がそれぞれ配置されている。各ターミナルプレート61,62は、正面視の外形がセパレータ21,22よりも小さくなっている。図3に示すように、第1ターミナルプレート61は、積層体3(各単位セル2)のうち、A方向の一方側に位置する単位セル(以下、第1端部セル2aという。)のアノード電極32に第1セパレータ21を介して導通している。図1に示すように、第1ターミナルプレート61には、A方向の外側に向けて突出する出力端子63(図1参照)が形成されている。
第1インシュレータ66の外周部(収容部71の外側に位置する部分)は、第1端部セル2aにおける第1セパレータ21(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス入口連通孔41i,42iに各別に連通する酸化剤ガス入口接続孔72及び燃料ガス入口接続孔(不図示)が形成されている。また、第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス出口連通孔41o,42oに各別に連通する図示しない酸化剤ガス出口接続孔及び燃料ガス出口接続孔が形成されている。
第2インシュレータ67の外周部(収容部73の外側に位置する部分)は、第2端部セル2bにおける第2セパレータ22(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。また、第2インシュレータ67の外周部には、上述した各冷媒連通孔43i,43oに各別に連通する冷媒入口接続孔74及び冷媒出口接続孔(不図示)が形成されている。
図1に示すように、ケーシング4は、積層体3よりも一回り大きい箱型に形成されている。ケーシング4は、その内部に積層体3を収納している。具体的に、ケーシング4は、4枚のサイドパネル80と、一対のエンドプレート(第1エンドプレート81及び第2エンドプレート82)と、連結バー(エンドプレート81,82のうち対向する2辺に各別に設けられる一対の第1連結バー83及び一対の第2連結バー84)と、を備えている。
サイドパネル80は、積層体3の周囲(B方向の両側及びC方向の両側)を取り囲んでいる。
酸化剤ガス出口マニホールド91oは、第1エンドプレート81の左下角部に配設されている。酸化剤ガス出口マニホールド91oは、第1エンドプレート81の酸化剤ガス出口孔85o及び第1インシュレータ66の酸化剤ガス出口接続孔を通して積層体3の酸化剤ガス出口連通孔41o(図2参照)に連通している。酸化剤ガス出口マニホールド91oには、図示しない酸化剤ガス出口配管が接続される。
燃料ガス出口マニホールド92oは、第1エンドプレート81の左上角部に配設されている。燃料ガス出口マニホールド92oは、第1エンドプレート81の燃料ガス出口孔86o及び第1インシュレータ66の燃料ガス出口接続孔を通して積層体3の燃料ガス出口連通孔42o(図2参照)に連通している。燃料ガス出口マニホールド92oには、図示しない燃料ガス出口配管が接続される。
図5に示すように、第2エンドプレート82には、一対の冷媒入口孔95i及び一対の冷媒出口孔95oが形成されている。冷媒入口孔95iは、第2インシュレータ67の対応する冷媒入口接続孔74(図4参照)を通して冷媒入口連通孔43iに連通している。冷媒出口孔95oは、第2インシュレータ67の対応する冷媒出口接続孔を通して冷媒出口連通孔43oに連通している。
図6に示すように、第1エンドプレート81のうち、A方向で第1連結バー83と重なる部分には、エンドプレート側取付孔101が形成されている。エンドプレート側取付孔101は、第1エンドプレート81をA方向に貫通する円形の貫通孔である。エンドプレート側取付孔101は、A方向の内側に位置するものほど内径が小さい多段形状になっている。具体的に、エンドプレート側取付孔101は、A方向の外側に位置するエンドプレート側大径部101aと、エンドプレート側大径部101aに対してA方向の内側に連なるエンドプレート側小径部101bと、を有している。エンドプレート側大径部101aにおけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101bよりも短くなっている。なお、本実施形態において、エンドプレート側取付孔101は、B方向に間隔をあけて2つ形成されている。
連結バー側大径部102aの内径は、エンドプレート側小径部101bの内径と同等になっている。図6に示す例において、連結バー側大径部102aの内周面と、エンドプレート側小径部101bの内周面と、は面一に配置されている。
連結バー側取付孔102のうち、少なくとも連結バー側小径部102bは、雌ねじ孔になっている。
なお、筒状ノック110の外径は、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aの内径よりも小さくなっている。また、筒状ノック110の内径は、連結バー側小径部102bの内径以上になっている。
次に、上述した燃料電池スタック1の作用について説明する。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1には、図示しないコンプレッサから圧送されて高温(例えば、燃料電池スタック1の作動温度と同程度)となった酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口マニホールド91iを通して供給される。また、燃料電池スタック1には、図示しない水素タンクから送出される燃料ガスが燃料ガス入口マニホールド92iを通して供給される。
一方、図1に示すように、燃料ガス入口マニホールド92i内に流入した燃料ガスは、第1エンドプレート81の燃料ガス入口孔86i及び第1インシュレータ66の燃料ガス入口接続孔を通して積層体3内に供給される。積層体3内に供給された燃料ガスは、各単位セル2の燃料ガス入口連通孔42iを、A方向における第2エンドプレート82側に向けて流通する。図2に示すように、燃料ガス入口連通孔42iを流通する燃料ガスは、燃料ガス流路45に導入されることで、MEA23のアノード電極32に供給される。
その結果、アノード電極32で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜31を透過してカソード電極33まで移動し、カソード電極33で酸化剤ガスと電気化学反応を起こして発電する。
一方、図2に示すように、アノード電極32で発電に供された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔42oに流入する。燃料ガス出口連通孔42oに流入した使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔42o内をA方向における第1エンドプレート81側に向けて流通する。その後、図1に示すように、使用済みの燃料ガスは、第1インシュレータ66の燃料ガス出口接続孔及び第1エンドプレート81の燃料ガス出口孔86oを通って燃料ガス出口マニホールド92oに排出され、再度燃料ガス入口マニホールド92iに供給される。なお、燃料ガス出口マニホールド92oに排出された燃料ガスの一部は、図示しない希釈器で使用済みの酸化剤ガスと混合して希釈された後、車外へ排出される。
この構成によれば、積層体3から漏れ出てケーシング4内に存在する反応ガス(特に燃料ガス)が各取付孔101,102を通して燃料電池スタック1(ケーシング4)の外部に放出されるのを抑制できる。
一方、取付孔101,102内に進入した反応ガスは、筒状ノック110をA方向の内側から回り込んで筒状ノック110の内周側に進入し、筒状ノック110の内周側を通ってA方向の外側に向けて流れる場合がある(図6中の矢印G2)。この場合、筒状ノック110の内周側を流れる反応ガスについても、シール部材115によってA方向の外側への流れが塞き止められることになる。これにより、取付孔101,102と締結部材100との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔101,102を通してケーシング4の外部に放出されるのをシール部材115によって抑制できる。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。図7は、第1実施形態の変形例に係る図6に相当する断面図である。本変形例では、締結部材100の軸部150を段付き形状に形成した点で上述した第1実施形態と相違している。
図7に示すように、締結部材100の軸部150は、A方向の外側に位置する大径軸部150aと、大径軸部150aに対してA方向の内側に連なる小径軸部150bと、を有している。
大径軸部150aは、エンドプレート側大径部101a及びエンドプレート側小径部101bにアキシャル方向(A方向)に跨って配置されている。大径軸部150aには、シール部材115が外挿されている。大径軸部150aの外径は、シール部材115の内径よりも大きく、エンドプレート側小径部101bの内径よりも小さくなっている。すなわち、大径軸部150aは、シール部材115との間に締め代を有している。これにより、シール部材115は、ラジアル方向に変形した状態で、エンドプレート側小径部101b及び小径軸部150bに密接している。なお、大径軸部150aには、エンドプレート側大径部101a内において、ワッシャ112が外挿されている。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図8は、第2実施形態における図6に相当する断面図である。本実施形態では、シール部材210,211を2つ用いる点で上述した第1実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図8に示す燃料電池スタック200において、筒状ノック201におけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aにおけるA方向の合計長さと同等になっている。したがって、筒状ノック201におけるA方向の内側端面は、連結バー側境界面102cにA方向の外側から突き当たっている。一方、筒状ノック201におけるA方向の外側端面は、エンドプレート側境界面101cとA方向で同等の位置に配置されている。なお、筒状ノック201におけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aにおけるA方向の合計長さ以下であれば、適宜変更が可能である。
また、本実施形態では、上述したように内側収容溝206の内面及び連結バー側大径部102aの内周面に密接する内側シール部材211を有している構成とした。そのため、取付孔101,102内に進入した反応ガスが、筒状ノック201におけるA方向の内側を回り込んで筒状ノック201の内周側に進入するのを内側シール部材211によって抑制できる。
これにより、取付孔101,102と締結部材100との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔101,102からケーシング4の外部に放出されるのをシール部材210,211によって抑制できる。
例えば、上述した実施形態では、上述した実施形態では、シール部材を1つ又は2つ用いた場合について説明したが、3つ以上の複数用いても構わない。
上述した実施形態では、締結部材100の頭部100aがエンドプレート側大径部101a内に収容された構成について説明したが、これに限られない。すなわち、締結部材100の頭部100aがエンドプレート81,82におけるA方向の外側端面に当接する構成であっても構わない。
上述した実施形態では、取付孔101,102を多段形状に形成した場合について説明したが、これに限らず、全体に亘って一様な内径に形成しても構わない。
2…単位セル(燃料電池セル)
3…積層体(燃料電池積層体)
4…ケーシング
81…第1エンドプレート(エンドプレート)
82…第2エンドプレート(エンドプレート)
83…第1連結バー(連結バー)
84…第2連結バー(連結バー)
100…締結部材
101…エンドプレート側取付孔
102…連結バー側取付孔
110…筒状ノック
115…シール部材(第1シール部材)
200…燃料電池スタック
201…筒状ノック
210…外側シール部材(第2シール部材)
211…内側シール部材(第3シール部材)
Claims (2)
- 複数の燃料電池セルが第1方向に積層された燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体を収納するケーシングと、
前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第1方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バーと、
前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第1方向で締結する締結部材と、
前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を前記第1方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノックと、を備え、
前記エンドプレート側取付孔内において、前記第1方向で前記筒状ノックと前記締結部材との間に位置する部分には、少なくとも前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記締結部材に密接する第1シール部材が介在していることを特徴とする燃料電池スタック。 - 複数の燃料電池セルが第1方向に積層された燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体を収納するケーシングと、
前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第1方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バーと、
前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第1方向で締結する締結部材と、
前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を前記第1方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノックと、を備え、
前記エンドプレート側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第2シール部材と、
前記連結バー側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記連結バー側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第3シール部材と、を有していることを特徴とする燃料電池スタック。
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