JP2017152116A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの積層方向に小型化する燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向Ｘの両端に設けられた一対のエンドプレート４と、エンドプレート４間に設けられた一対のテンションプレート５と、エンドプレート４とテンションプレート５のうちの一方に設けられた凸部１２と、エンドプレート４とテンションプレート５のうちの他方に設けられ該凸部１２が係合する係合部１３と、燃料電池セルの積層方向Ｘに対して燃料電池スタックと並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整するいもねじ２１とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池に関する。

一般的に、燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備えている。

従来から、積層された燃料電池セルを所定の圧力で締結する構成が開示されている。燃料電池の製造時に、積層された燃料電池セルを所定の圧力で締結できると、燃料電池の電気抵抗のばらつきによって燃料電池毎に出力電圧がばらつくことを防止できる。

特許文献１の燃料電池では、燃料電池セルの積層方向の両端側にエンドプレートを配置するとともに、一方のエンドプレートと積層された燃料電池セルの一端との間にシムを配置して燃料電池セルを締結する構造が提案されている。この燃料電池では、シムの厚みを調整することにより所定の圧力で締結が行われる。

特表２００５−５２４２１４号公報

特許文献１の燃料電池では、燃料電池セルの積層方向の両端側にエンドプレートを配置するとともに、一方のエンドプレートと積層された燃料電池セルの一端との間にシムを配置して燃料電池セルを締結する構造である。したがって、シムは、燃料電池セルの積層方向に対し燃料電池スタックと直列に配置される。そのため、燃料電池における燃料電池セルの積層方向の寸法が長くなる。つまり、燃料電池における燃料電池セルの積層方向の体格が大型化するという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、燃料電池セルの積層方向の体格を小型化する燃料電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、該エンドプレート間に設けられた一対のテンションプレートと、エンドプレートとテンションプレートのうちの一方に設けられた凸部と、エンドプレートとテンションプレートのうちの他方に設けられ凸部が係合する係合部と、燃料電池セルの積層方向に対して燃料電池スタックと並列に設けられ、一対のエンドプレート間の距離を調整する調整部材とを備えている。

凸部は、エンドプレートに設けられ、係合部は、テンションプレートに設けられていてもよい。

テンションプレートには長孔が設けられ、テンションプレートは長孔を介し締結部材によりエンドプレートに締結されていてもよい。

この発明に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、エンドプレート間に設けられた一対のテンションプレートと、テンションプレートに形成されたテーパー面であって、該テーパー面に対向するエンドプレートに向かって広角になるテンションプレートテーパー面と、エンドプレートに形成されたテーパー面であって、テンションプレートテーパー面に対向して設けられたエンドプレートテーパー面とを備えている。

この発明に係る燃料電池によれば、燃料電池セルの積層方向の体格を小型化することができる。

図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の図であり、図１（ａ）は燃料電池を模式的に示す概念正面図であり、図１（ｂ）は燃料電池を模式的に示す概念側面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の燃料電池を上からみた様子を模式的に示す概念図である。 図２は図１（ｃ）の燃料電池を分解した様子を模式的に示す要部分解組立斜視図である。 図３は図１（ｃ）の要部を拡大した様子を模式的に示す図であり、突起と係合部が係合している様子を示す図である。 図４はこの発明の実施の形態２に係る燃料電池を分解した様子を模式的に示す要部分解組立斜視図である。 図５はこの発明の実施の形態３に係る燃料電池を分解した様子を模式的に示す要部分解組立斜視図である。 図６は図５の燃料電池を組立てた様子を模式的に示す要部拡大平面図である。 図７はこの発明の実施の形態４に係る燃料電池の図であり、図７（ａ）は燃料電池を模式的に示す概念正面図であり、図７（ｂ）は燃料電池を模式的に示す概念側面図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）の燃料電池を上からみた様子を模式的に示す概念図であり、図７（ｄ）は図７（ｃ）の領域Ａの部分を拡大した図であって、燃料電池を分解した様子を模式的に示す要部分解組立斜視図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
燃料電池１は、図１（ａ）で示すように、燃料電池セル２が複数積層された燃料電池スタック３を備えている。燃料電池スタック３の燃料電池セル２は、水素イオン伝導性高分子電解質とこの水素イオン伝導性高分子電解質の両側に配置された一対の電極と、一対の電極の外側に設けられたセパレータを有している。

燃料電池１は、燃料電池スタック３の燃料電池セル２の積層方向Ｘの両端に設けられた一対のエンドプレート４と、エンドプレート４間に設けられた一対のテンションプレート５を備えている。

このうち、エンドプレート４には、図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図２で示すように、テンションプレート５を載置する切り欠き４ａが設けられている。また、この切り欠き４ａには、図２で示すようにテンションプレート５側に突出する凸部１２が設けられている。この凸部１２の断面は略矩形状である。また、切り欠き４ａには、雌ねじが形成されたボルト穴３３が設けられている。

テンションプレート５には、係合部１３が設けられている。係合部１３は、断面略矩形状の貫通孔から構成されている。また、図３で示すように、係合部１３の積層方向Ｘの長さＬ１は、凸部１２の積層方向Ｘの長さＬ２よりも長い、つまりＬ１＞Ｌ２の関係を有している。
また、テンションプレート５には、図２で示すように、雌ねじが形成されたねじ穴２２が設けられている。図１（ｂ）で示すように、このねじ穴２２は上下を一組として設けられている。また、ねじ穴２２はその一端が係合部１３に達するように設けられている。
テンションプレート５には、図２および図３で示すように長孔３２が設けられている。この長孔３２は、積層方向Ｘに沿って孔が長く形成されている。
なお、テンションプレート５には、図１（ａ）で示すように、その内面に、絶縁部６が設けられている。またテンションプレート５には、燃料電池１を載置するゴムマウント１０が取り付けられる。

燃料電池１には、図２で示すように、外周に雄ねじが形成されているいもねじ２１が設けられている。いもねじ２１は、図１（ａ）で示すように、電池セルの積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられる。つまり、いもねじ２１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘと垂直な方向に燃料電池スタック３からずれて配置される。また、図１（ｂ）で示すように、いもねじ２１は上下を一組として設けられている。いもねじ２１は、エンドプレート４の上方と下方に設けられる。
いもねじ２１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整する調整部材を構成している。
また、燃料電池１には、ボルト３４が設けられている。

次にこの燃料電池１を組立てる手順について説明する。

まず、積層された燃料電池セル２のその積層方向Ｘの両側にエンドプレート４を配置し、燃料電池スタック３に積層方向Ｘに沿った方向から圧力を加える。
次に、図３で示すようにエンドプレート４の切り欠き４ａにテンションプレート５を載置するとともに、凸部１２を係合部１３内に配置する。この配置により凸部１２が係合部１３に係合する。
次に、図２および図１（ｂ）に示すように、いもねじ２１をねじ穴２２に螺合するとともにいもねじ２１の先端を凸部１２に当接させ、製造時の締結の圧力を所定の圧力にすべく、螺合を調節して、一対のエンドプレート４間の距離を調整する。すると、燃料電池スタック３では積層方向Ｘの圧縮荷重がかかった状態となり、これにより積層された燃料電池セル２は所定の圧力で締結される。

次に長孔３２にボルト３４を挿入するとともに、ボルト３４をボルト穴３３に螺合する。すると、テンションプレート５は、長孔３２を介し、ボルト３４によりエンドプレート４に締結され、これによりボルト３４の頭部の座面の摩擦力によって積層方向Ｘに動きにくくなるので、いもねじ２１がより緩みにくいものとなる。
なお、いもねじ２１の螺合によりエンドプレート４間の距離が変化しても、長孔３２によりテンションプレート５はエンドプレート４に固定される。

この実施の形態１の燃料電池１では、燃料電池１の製造時に、積層された燃料電池セル２を所定の圧力で締結できるので、燃料電池の電気抵抗のばらつきにより燃料電池毎に出力電圧がばらつくことを防止できる。

また、実施の形態１の燃料電池１では、いもねじ２１が、図１（ａ）で示すように燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整するため、シムが燃料電池セル２の積層方向Ｘに対し燃料電池スタック３と直列に配置されている従来の燃料電池に比べ、燃料電池における燃料電池セル２の積層方向Ｘの寸法が短くなる。つまり、燃料電池における燃料電池セル２の積層方向Ｘの体格を小型化することができる。

また、この燃料電池１では、圧縮荷重の反力をいもねじ２１が受けるので、ボルト３４にはせん断負荷はかからない。そのため、ボルト３４が緩みにくい。

また、この実施の形態１の燃料電池１は、一対のエンドプレート４と、一対のテンションプレート５と、凸部１２、係合部１３、いもねじ２１、ねじ穴２２、ボルト３４、長孔３２、ボルト穴３３という少ない部品点数で作ることができ、しかも簡易な構造でボルト３４の緩みを防ぐ信頼性の高い締結構造となり、また所定の圧力で燃料電池セルを締結できる。

なお、この実施の形態１の燃料電池１では、図１（ｃ）で示すように、燃料電池セル２の幅方向の両側に、凸部１２と係合部１３といもねじ２１を設けることとしたが、これに限定されず、たとえば、燃料電池セル２の幅方向の一側に凸部１２と係合部１３といもねじ２１とを設け、他側には凸部とそれに嵌合する嵌合部を設けるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１の燃料電池１では、係合部１３を貫通孔から構成したが、これに限定されず、貫通孔に替えて、凸部１２が係合する凹部を設けるようにしてもよい。その場合、凹部はその開口部が凸部１２と対向するように形成されればよい。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池４１では、図４で示すように、テンションプレート５に凸部１２を設け、エンドプレート４に、凸部１２が係合する係合部１３を設けている。この係合部１３は、貫通孔であるが、凹部であってもよい。その場合、凹部はその開口部が凸部１２と対向するように形成されればよい。
なお、図４では、いもねじ２１、ボルト３４、ボルト穴３３、および長孔３２の図示を省略している。

実施の形態３．
実施の形態３の燃料電池５１は、図５で示すように、いもねじ２１に替えてシム６１を備えている。
図６で示すように、凸部１２と、係合部１３のエンドプレート４側の壁面１３ａとの間にシム６１を挿入する。シム６１は１枚ないし複数枚用意しておき、所定の圧力になるように必要枚数のシム６１を挿入する。

シム６１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられる。つまり、シム６１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘと垂直な方向に燃料電池スタック３からずれて配置されている。また、シム６１は上下を一組として設けられている。また、シム６１は、エンドプレート４の上方と下方に設けられる。
シム６１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整する調整部材を構成する。

この実施の形態３の燃料電池５１では、シム６１が、燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整するため、シムが燃料電池セル２の積層方向Ｘに対し燃料電池スタック３と直列に配置されている従来の燃料電池に比べ、燃料電池における燃料電池セル２の積層方向Ｘの体格を小型化することができる。

以上より、この実施の形態１〜３に係る燃料電池１、４１、５１では、エンドプレート４とテンションプレート５のうちの一方に設けられた凸部１２と、エンドプレート４とテンションプレート５のうちの他方に設けられ凸部１２が係合する係合部１３と、燃料電池セル２の積層方向Ｘに対して燃料電池スタック３と並列に設けられ、一対のエンドプレート４間の距離を調整する調整部材とを備えることとしたから、燃料電池セル２の積層方向の体格を小型化することができる。

実施の形態４．
実施の形態４の燃料電池７１は、図７（ａ）で示すように実施の形態１〜３に記載した燃料スタック３と同一のスタックを備えている。
また、燃料電池７１は、燃料電池セル２の積層方向Ｘの両端に設けられた一対のエンドプレート４と、エンドプレート４間に設けられた一対のテンションプレート５を備えている。このうち、テンションプレート５には、その内面に、絶縁部６が設けられている。

図７（ｃ）および図７（ｃ）の燃料電池の分解斜視図であって領域Ａのみを拡大して模式的に示した図７（ｄ）で示すように、テンションプレート５には、テーパー面であって、このテーパー面に対向するエンドプレート４に向かって広角になるテンションプレートテーパー面７２が形成されている。なお、このテンションプレートテーパー面７２は、先端７２ａが広がった突起の側面である。
エンドプレート４には、テーパー面であって、テンションプレートテーパー面７２に対向して設けられたエンドプレートテーパー面７３が形成されている。なお、エンドプレートテーパー面７３は、先端７３ａの溝幅が広っている溝の側面である。

また、テンションプレート５には、テーパー面７２間に、雌ねじが形成されたボルト穴７４が設けられ、エンドプレート４には、雌ねじが形成されたボルト穴７５が設けられている。また、燃料電池７１は、図７（ｃ）で示すようにボルト７６を備えている。なお、図７（ｄ）ではボルト７６の図示を省略している。

この燃料電池７１では、積層された燃料電池セル２のその積層方向のＸ両側にエンドプレート４を配置し、治具を用いて燃料電池スタック３に積層方向Ｘに沿った方向から圧力を加える。次にテンションプレート５を、そのテンションプレートテーパー面７２とエンドプレートテーパー面７３とが対向するようにエンドプレート４に対して配置する。その後、治具による押圧を解除する。すると、両端のエンドプレートが多少押し広げられ、テンションプレートテーパー面７２とエンドプレートテーパー面７３とが互いに接触する。次に、テンションプレート５のボルト穴７４とボルト穴７５とが位置決め合致されるので、ボルト穴７４とボルト穴７５とに、ボルト６を螺合させる。すると、エンドプレート４とテンションプレート５とが締結され、燃料電池スタック３では、積層方向Ｘの圧縮荷重が作用した状態が維持され、これにより積層された燃料電池セル２が、ある圧力で締結される。

この実施の形態４の燃料電池７１は、一対のエンドプレート４間の距離を調整する調整部材を設けていない。したがって、シムが燃料電池セル２の積層方向Ｘに対し燃料電池スタック３と直列に配置されている従来の燃料電池に比べ、燃料電池における燃料電池セル２の積層方向Ｘの寸法が短くなる。つまり、燃料電池における燃料電池セル２の積層方向の体格を小型化することができる。

また、この実施の形態４の燃料電池７１は、一対のエンドプレート４間の距離を調整する調整部材を設けていない。しかし、出力電圧が低い燃料電池、すなわち燃料電池セルの積層枚数が少ない燃料電池では、燃料電池スタックの積層方向Ｘの長さのばらつきは小さく、シムやいもねじ等の調整部材がなくても締結荷重を設計値内に収めることができる。したがって、この実施の形態４の燃料電池７１は、調整部材を設ける必要がない、セル枚数の少ない燃料電池スタックに適用可能な構造となる。しかもこの燃料電池７１は簡便な構造である。

この燃料電池７１では、テンションプレートテーパー面７２とエンドプレートテーパー面７３が積層方向Ｘに拡がる方向の力を受けるため、ボルト７６にせん断負荷がかかることを防ぐことができる。そのため、ボルト７６が緩みにくい。

仮に燃料電池１に熱膨張が生じた場合も、積層方向Ｘに拡がる方向の荷重を、テンションプレートテーパー面７２とエンドプレートテーパー接触面７３が受けるため、ボルト７６にせん断負荷がかかることを防ぐことができる。そのため、ボルト７６が緩みにくい。

なお、ボルト７６は中央に１つでもよいし、図７（ｂ）および図７（ｃ）で示すように複数個設けてもよい。

以上より、この実施の形態４に係る燃料電池７１では、複数の燃料電池セル２が積層された燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３の燃料電池セル２の積層方向Ｘの両端に設けられた一対のエンドプレート４と、エンドプレート４間に設けられた一対のテンションプレート５と、テンションプレート５に形成されたテーパー面であって、このテーパー面に対向するエンドプレートに向かって広角になるテンションプレートテーパー面７２と、エンドプレート４に形成されたテーパー面であって、テンションプレートテーパー面７２に対向して設けられたエンドプレートテーパー面７３とを備えるから、燃料電池セル２の積層方向の体格を小型化することができる。

１、４１、５１、７１ 燃料電池、２ 燃料電池セル、３ 燃料電池スタック、４ エンドプレート、５ テンションプレート、１２ 凸部、１３ 係合部、２１ いもねじ（調整部材）、６１ シム（調整部材）、３２ 長孔、 ３４ ボルト（締結部材）、７２ テンションプレートテーパー面、７３ エンドプレートテーパー面、Ｘ 積層方向。

Claims (4)

1. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、
   該エンドプレート間に設けられた一対のテンションプレートと、
   前記エンドプレートと前記テンションプレートのうちの一方に設けられた凸部と、
   前記エンドプレートと前記テンションプレートのうちの他方に設けられ該凸部が係合する係合部と、
   前記燃料電池セルの積層方向に対して前記燃料電池スタックと並列に設けられ、前記一対のエンドプレート間の距離を調整する調整部材と
   を備える燃料電池。
2. 前記凸部は、前記エンドプレートに設けられ、
   前記係合部は、前記テンションプレートに設けられた請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記テンションプレートには長孔が設けられ、
   前記テンションプレートは前記長孔を介し締結部材により前記エンドプレートに締結される請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、
   前記エンドプレート間に設けられた一対のテンションプレートと、
   前記テンションプレートに形成されたテーパー面であって、該テーパー面に対向するエンドプレートに向かって広角になるテンションプレートテーパー面と、
   エンドプレートに形成されたテーパー面であって、前記テンションプレートテーパー面に対向して設けられたエンドプレートテーパー面と
   を備える燃料電池。

Images