JP2017220299A - エンドプレート - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックからの反力を受けたとき、その反力に基づく応力が各リブに対し偏って作用することによって所定のリブに対する応力集中が生じることを抑制できるようにする。
【解決手段】エンドプレート２は、一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状のプレート本体３を備える。プレート本体３は、燃料電池におけるセルスタックのセル積層方向の端部に設けられており、プレート本体３の外縁部に設けられてセルスタックの周りを覆うケースに対し締結される締結部４と、その締結部４に囲まれた部分に格子状に延びるように形成された複数のリブ６と、を備える。リブ６に関しては、それらで囲まれた凹部５の平断面が長さの異なる一対の対角線を有する四角形状になり、凹部５がリブ６の延びる方向に沿って連続的に位置するように、且つ、凹部５における一対の対角線のうちの長い方の対角線がプレート本体３の短辺方向に沿って延びるように、形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池におけるセルスタックのセル積層方向の端部に設けられるエンドプレートに関する。

こうしたエンドプレートは、一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状に形成されたプレート本体と、そのプレート本体の外縁部に位置して燃料電池におけるセルスタックの周りを覆うケースに対し締結される締結部と、を備えている。そして、プレート本体の締結部をセルスタックのケースに対し締結すると、プレート本体（エンドプレート）によってセルスタックがセル積層方向に押圧され、その押圧を通じてセルスタックのセル積層構造が維持される。なお、このときのエンドプレートは、セルスタックを上述したように押圧することに伴い、そのセルスタックからの反力を受ける。

ところで、上記エンドプレートの製造方法としては、生産性の高い方法を採用することが要望されており、そうした要望に対応すべく鋳型内に溶融した金属を高圧で流し込むダイカスト法を採用することが考えられている。こうしたダイカスト法では、製造するエンドプレートの肉厚が厚い場合、鋳型内に溶融した金属を流し込むとき、その金属の流し込みが鋳型内のガスを排出しきる間もなく行われるため、製造されたエンドプレートにボイド（中空部位）が生じる可能性がある。

このため、エンドプレートを薄肉に形成しつつ必要な強度を得るべく、プレート本体における締結部によって囲まれた部分に、特許文献１、２に示されるように複数の肉抜き用の凹部及び複数の補強用のリブを設けることが行われている。そして、上記複数の凹部はプレート本体に対し厚さ方向に肉を抜く形状とされており、それら凹部をプレート本体に形成することによって上記リブが隣り合う凹部の間に形成されている。このようにプレート本体に上記凹部及び上記リブを設けることにより、エンドプレートを薄肉に形成しつつ同エンドプレートに必要な強度が確保されるようになる。

なお、特許文献１では、凹部の平断面が三角形や四角形などの形状であるとともに各凹部が不規則に配置されていることから、隣り合う凹部の間に形成される各リブの延びる方向がそれぞれ異なっている。また、特許文献２では、平断面が四角とされた凹部がプレート本体の長辺方向及び短辺方向に規則的に並ぶように配置されていることから、隣り合う凹部の間に形成される各リブがプレート本体の長辺方向及び短辺方向に延びて格子状となっている。

特開２０１５−９５３２１号公報 特許第５３１３５４８号公報

上記エンドプレートにおいては、プレート本体の締結部をセルスタックのケースに締結したとき、セルスタックのセル積層構造を維持すべく同セルスタックを押圧するため、そのセルスタックからの反力を受けて同反力に基づく応力が作用するようになる。

特許文献１のような凹部及びリブを採用した場合、各リブの延びる方向がそれぞれ異なっているため、セルスタックからの反力を受けてエンドプレートに応力が作用したとき、各リブに作用する応力の大きさに偏りが生じ、いずれかのリブにおける所定の箇所で応力集中が生じることは避けられない。そして、このようにエンドプレートのいずれかのリブにおける所定の箇所で応力集中が生じると、その箇所の耐久性に問題が生じるおそれがある。

また、特許文献２のような凹部及びリブを採用した場合、各リブがプレート本体の長辺方向及び短辺方向に延びて格子状となる。この場合、セルスタックからの反力を受けてエンドプレートに応力が作用したときには、長辺方向に延びるリブについては作用する応力が小さくなる一方、短辺方向に延びるリブについては作用する応力が大きくなる。これは、以下の理由による。

すなわち、長辺方向に延びるリブは、その両端部付近にプレート本体の締結部が位置しており、両端部間の距離が長くなる関係から、上記反力を受けたときに変形しやすくなって同反力に基づいて作用する応力が小さくなりやすい。一方、短辺方向に延びるリブも両端部付近にプレート本体の締結部が位置するが、短辺方向に延びるリブにおいては両端部間の距離が短くなる関係から、上記反力を受けたときに変形しにくくなって同反力に基づいて作用する応力が大きくなりやすい。

従って、特許文献２のような凹部及びリブを採用したとしても、短辺方向に延びるリブにおける所定の箇所で応力集中が生じやすくなり、その箇所の耐久性に問題が生じるおそれがある。

本発明の目的は、セルスタックからの反力を受けたとき、その反力に基づく応力が各リブに対し偏って作用することによって所定のリブに対する応力集中が生じることを抑制できるエンドプレートを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するエンドプレートは、一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状に形成されており、燃料電池におけるセルスタックのセル積層方向の端部に設けられているプレート本体と、そのプレート本体の外縁部に設けられて燃料電池におけるセルスタックの周りを覆うケースに対し締結される締結部と、上記プレート本体における上記締結部に囲まれた部分に格子状に延びるように形成されている複数のリブと、を備える。そして、上記複数のリブに関しては、それらのリブによって囲まれた凹部の平断面が長さの異なる一対の対角線を有する四角形状になり、その凹部がリブの延びる方向に沿って連続的に位置するように、且つ、凹部における一対の対角線のうちの長い方の対角線がプレート本体の短辺方向に沿って延びるように、形成されている。

この構成によれば、隣り合う凹部の間に形成されて格子状に延びるリブは、プレート本体の長辺方向及び短辺方向に対し傾斜した状態となり、且つ、規則的に並んだ状態となる。このリブの両端部はプレート本体の締結部の近傍に位置しており、プレート本体の短辺方向に対するリブの傾斜が小さくなるほど（長辺方向に対するリブの傾斜が大きくなるほど）、リブの両端部間の距離が短くなる。そして、リブの両端部間の距離が短くなるほど、プレート本体がセルスタックからの反力を受けたときにリブが変形しにくくなる一方で同リブに作用する応力が大きくなる。

リブにおける上記傾斜の大きさは、リブによって囲まれた凹部の四角形状の平断面における一対の対角線のうち長い方の対角線がプレート本体の短辺方向に沿うようプレート本体における各リブが形成されることにより、定められている。このように各リブの傾斜（リブの両端部間の長さに対応）を定めることにより、上記反力を受けたときに各リブが過度に大きく変形することが抑制される一方、上記反力に基づき各リブに作用する応力がある程度高くなる。このときに各リブに作用する応力の大きさに関しては、それらのリブがプレート本体の短辺方向に対し傾斜した状態で規則的に並んだ状態となっていることから、各リブ毎に偏った状態となることは抑制される。従って、所定のリブに対する応力集中が生じることを抑制でき、その応力集中が生じる箇所の耐久性に問題が生じることはない。

本発明によれば、セルスタックからの反力を受けたとき、その反力に基づく応力が各リブに対し偏って作用することによって所定のリブに対する応力集中が生じることを抑制できるようになる。

燃料電池のセルスタックに対するエンドプレートの取付態様を示す略図。 エンドプレートを示す平面図。 図２のプレート本体における締結部によって囲まれた部分を示す拡大図。 図３のプレート本体における凹部周りを矢印Ｄ−Ｄ方向から見た状態を示す断面図。

以下、エンドプレートの一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池のセルスタック１におけるセル積層方向（図１の左右方向）の端部にはそれぞれ、ダイカスト法によって製造されたエンドプレート２が設けられている。そして、一方のエンドプレート２（この例では図１の左側のもの）は、セルスタック１に対し、水素（燃料ガス）、空気（酸化ガス）、及び冷却水（冷却液）といった流体を給排するマニホールドとして機能する。上記セルスタック１は、エンドプレート２（マニホールド）を介して給排される水素と空気とを利用して発電を行うとともに、エンドプレート２を介して給排される冷却水によって冷却される。

図２に示すように、エンドプレート２は、一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状のプレート本体３と、そのプレート本体３の外縁部に設けられてセルスタック１（図１）の周りを囲うケース１ａに対し締結される締結部４と、を備えている。締結部４は、プレート本体３における一対の長辺及び一対の短辺に沿うように設けられている。

プレート本体３の長辺方向に沿った締結部４は、その長辺方向に所定の間隔をおいてボルト等によってセルスタック１のケース１ａに対し締結されている。また、プレート本体３の短辺方向に沿った締結部４は、その短辺方向に所定の間隔をおいてボルト等によってセルスタック１のケース１ａに対し締結されている。

上述したように、プレート本体３の締結部４をセルスタック１のケース１ａに締結すると、エンドプレート２によってセルスタック１がセル積層方向に押圧され、その押圧を通じてセルスタック１のセル積層構造が維持される。なお、このときのエンドプレート２は、セルスタック１を上述したように押圧することに伴い、そのセルスタック１からの反力を受ける。

エンドプレート２は、ダイカスト法を用いて製造されている関係から薄肉にする必要がある一方、そのように薄肉としながらも、ある程度の強度を確保する必要もある。このため、プレート本体３における締結部４によって囲まれた部分には、複数の肉抜き用の凹部５及び複数の補強用のリブ６が設けられている。上記複数の凹部５はプレート本体３に対し厚さ方向（図２の紙面と直交する方向）に肉を抜く形状とされており、それら凹部５をプレート本体３に形成することによって上記リブ６が隣り合う凹部５の間に形成されている。このようにプレート本体３に上記凹部５及び上記リブ６を設けることにより、エンドプレート２を薄肉に形成しつつ同エンドプレート２に必要な強度が確保される。

なお、エンドプレート２のプレート本体３には、リブ６によって囲まれた凹部５以外にも、複数の肉抜き用の凹部９が形成されている。これら凹部９も、凹部５と同様、プレート本体３の厚さ方向に肉を抜く形状とされている。

次に、上記凹部５及び上記リブ６の形状について詳しく説明する。
図３は、図２のプレート本体３における締結部４によって囲まれた部分、より詳しくは図２の二点鎖線で囲まれた部分を拡大して示している。図３から分かるように、複数のリブ６は、プレート本体３の長辺方向及び短辺方向に対し傾斜して格子状に延びるように形成されている。更に、複数のリブ６は、以下の（Ａ）〜（Ｃ）が実現するようにも形成されている。

（Ａ）複数のリブ６によって囲まれた凹部５の平断面が、長さの異なる一対の対角線Ｌ１，Ｌ２を有する四角形状（この例では菱形）になる。
（Ｂ）複数のリブ６によって囲まれた凹部５が、リブ６の延びる方向に沿って連続的に位置する。

（Ｃ）複数のリブ６によって囲まれた凹部５における一対の対角線Ｌ１，Ｌ２のうち、長い方の対角線Ｌ１がプレート本体３の短辺方向に沿って延びる。なお、この例では、対角線Ｌ１がプレート本体３の短辺方向と一致するとともに、対角線Ｌ２がプレート本体３の長辺方向と一致している。

図４は、図３のプレート本体３における凹部５周りを矢印Ｄ−Ｄ方向から見た状態を示す断面図である。図４から分かるように、凹部５の開口部は、その凹部５の底から離れる方向に向うほど拡開するよう面取りされている。なお、この例では丸面による面取りが行われている。また、凹部５の内壁面５ａと底面５ｂとは円弧状に湾曲した湾曲面７によって繋がっている。更に、図３に示すように、凹部５の内壁面５ａのうち隣り合う内壁面５ａ同士は、円弧状に湾曲した湾曲面８によって繋がっている。

次に、エンドプレート２の作用について説明する。
エンドプレート２において、隣り合う凹部５の間に形成されて格子状に延びるリブ６は、プレート本体３の長辺方向及び短辺方向に対し傾斜した状態となり、且つ、規則的に並んだ状態となる。このリブ６の両端部はプレート本体３の締結部４の近傍に位置しており、リブ６の両端部間の距離はプレート本体３の短辺方向に対するリブ６の傾斜が小さくなるほど（長辺方向に対するリブ６の傾斜が大きくなるほど）短くなる。そして、リブ６の両端部間の距離が短くなるほど、プレート本体３がセルスタック１からの反力を受けたとき、リブ６が変形しにくくなる一方で同リブ６に作用する応力が大きくなる。

リブ６における上記傾斜の大きさは、リブ６によって囲まれた凹部５の四角形状の平断面における一対の対角線Ｌ１，Ｌ２のうち長い方の対角線Ｌ１が、プレート本体３の短辺方向に沿うよう、プレート本体３における各リブ６を形成することにより、定められている。このようにリブ６における上記傾斜の大きさ（リブ６の両端部間の距離に対応）を定めることにより、上記反力を受けたときに各リブ６が過度に大きく変形することが抑制される一方、上記反力に基づき各リブ６に作用する応力がある程度高くなる。このときに各リブ６に作用する応力の大きさに関しては、それらのリブ６がプレート本体３の短辺方向に対し傾斜した状態で規則的に並んだ状態となっていることから、各リブ６毎に偏った状態となることは抑制される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）エンドプレート２がセルスタック１からの反力を受けたとき、その反力に基づく応力が各リブ６に対し偏って作用することにより、所定のリブ６に対する応力集中が生じることを抑制できる。従って、リブ６における応力集中が生じる箇所において耐久性に問題が生じることはない。

（２）プレート本体３における凹部５の開口部は、その凹部５の底から離れる方向に向うほど拡開するよう面取りされているため、プレート本体３（エンドプレート２）がセルスタック１からの反力を受けたとき、上記凹部５の開口部での応力集中が生じにくくなる。

（３）プレート本体３における凹部５の内壁面５ａのうち、隣り合う内壁面５ａ同士は、円弧状に湾曲した湾曲面８によって繋がっているため、プレート本体３（エンドプレート２）がセルスタック１からの反力を受けたとき、隣り合う内壁面５ａ同士の繋がる部分（湾曲面８）での応力集中が生じにくくなる。

（４）プレート本体３における凹部５の内壁面５ａと底面５ｂとは円弧状に湾曲した湾曲面７によって繋がっているため、プレート本体３（エンドプレート２）がセルスタック１からの反力を受けたとき、凹部の内壁面５ａと底面５ｂとの繋がる部分（湾曲面７）での応力集中が生じにくくなる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・凹部５の開口部における面取りは、丸面による面取りに限らず、平面による面取りであってもよい。

・凹部５の開口部における面取りについては必ずしも行う必要はない。
・凹部５の湾曲面７については必ずしも設ける必要はない。
・凹部５の湾曲面８については必ずしも設ける必要はない。

・凹部５における対角線Ｌ１については、必ずしもプレート本体３の短辺方向と同じ方向に延びている必要はなく、上記短辺方向に対しある程度傾いていてもよい。

１…セルスタック、１ａ…ケース、２…エンドプレート、３…プレート本体、４…締結部、５…凹部、６…リブ、５ａ…内壁面、５ｂ…底面、７…湾曲面、８…湾曲面、９…凹部。

Claims (4)

1. 一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状に形成されており、燃料電池におけるセルスタックのセル積層方向の端部に設けられているプレート本体と、
   前記プレート本体の外縁部に設けられて前記セルスタックの周りを覆うケースに対し締結される締結部と、
   前記プレート本体における前記締結部に囲まれた部分に格子状に延びるように形成されている複数のリブと、
   を備えるエンドプレートにおいて、
   前記複数のリブに関しては、それらのリブによって囲まれた凹部の平断面が長さの異なる一対の対角線を有する四角形状になり、その凹部が前記リブの延びる方向に沿って連続的に位置するように、且つ、前記凹部における一対の対角線のうちの長い方の対角線が前記プレート本体の短辺方向に沿って延びるように、形成されている
   ことを特徴とするエンドプレート。
2. 前記凹部の開口部は、その凹部の底から離れる方向に向うほど拡開するよう面取りされている請求項１に記載のエンドプレート。
3. 前記凹部の内壁面のうち隣り合う内壁面同士は、円弧状に湾曲した湾曲面によって繋がっている請求項１又は２に記載のエンドプレート。
4. 前記凹部の内壁面と底面とは円弧状に湾曲した湾曲面によって繋がっている請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンドプレート。

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