JP2018137039A - セパレータ支持構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストの低廉化を図りつつ、ケーシングに外部荷重が付与された場合でもケーシングとセパレータとの間の絶縁性を確実に確保することができるセパレータ支持構造を提供する。【解決手段】セパレータ支持構造１０Ａは、セパレータ３０に設けられた金属製の凸部６２と、金属製のケーシング１４の内面２２ａｓからセパレータ３０が位置する側に突出して凸部６２が挿入される凹部５４を形成する一組の突出部５６と、少なくとも凹部５４内で凸部６２を覆う第１絶縁部６４と、第１絶縁部６４から突出部５６とセパレータ３０との間に延在した第２絶縁部６６とを備える。【選択図】図３
Description
本発明は、燃料電池を収容する金属製のケーシングに対して前記燃料電池の金属製のセパレータを支持するセパレータ支持構造に関する。
従来、燃料電池を複数積層することにより構成された燃料電池スタック本体と、燃料電池スタック本体を収容する金属製のケーシングとを備えた燃料電池スタックが公知である。燃料電池スタックでは、燃料電池の金属製のセパレータがセパレータ支持構造によってケーシングに支持されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
セパレータ支持構造は、セパレータから外周側に突出して樹脂材がモールドされた金属製のタブと、ケーシングの内面からセパレータ側に突出して樹脂材付きのタブが挿入される凹部を形成する一対の突出部とを有する。ケーシングの内面には、燃料電池スタック本体を囲むように絶縁体が設けられている。
従来のセパレータ支持構造では、ケーシングの内面に燃料電池スタックを囲むように絶縁体を設けているため、製造コストが高騰化するという問題がある。コストの低廉化のためにケーシングの内面の絶縁体を省略すると、ケーシングに外部荷重が付与されて燃料電池が突出部に対してスイング（傾動）した際に、突出部とセパレータとの金属露出部同士が互いに接触又は近接するおそれがある。そうすると、突出部とセパレータの間を絶縁するために適切な絶縁距離（空間距離）を確保できなくなり、ケーシングとセパレータとの間の絶縁性を確保できなくなる可能性がある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、コストの低廉化を図りつつ、ケーシングに外部荷重が付与された場合でもケーシングとセパレータとの間の絶縁性を確保することができるセパレータ支持構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るセパレータ支持構造は、燃料電池を収容する金属製のケーシングに対して前記燃料電池の金属製のセパレータを支持するセパレータ支持構造であって、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに設けられた金属製の凸部と、前記ケーシングの内面から前記セパレータが位置する側に突出して前記凸部が挿入される凹部を形成する一組の突出部と、少なくとも前記凹部内で前記凸部を覆う第１絶縁部と、前記第１絶縁部から各前記突出部と前記セパレータとの間に延在した第２絶縁部と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、第２絶縁部を設けているため、ケーシングに外部荷重が付与されて燃料電池が突出部に対してスイングした際に、突出部とセパレータとの金属露出部同士の間隔を、第２絶縁部を設けない場合と比較して長くすることができる。これにより、燃料電池が突出部に対してスイングした場合であっても、突出部とセパレータとの間に適切な絶縁距離を確保することができる。よって、ケーシングとセパレータとの間の絶縁性を確保することができる。また、ケーシングの内面に絶縁体を設ける場合と比較して絶縁体で覆う面積を小さくすることができるため、コストの低廉化を図ることができる。
上記のセパレータ支持構造において、前記第１絶縁部は、前記凸部の突出端側を被覆し、前記第２絶縁部は、前記凸部の基端側及び前記セパレータの縁部の一部を被覆していてもよい。
このような構成によれば、ケーシングとセパレータとの間の絶縁性をより確実に確保することができる。
上記のセパレータ支持構造において、前記凸部は、前記セパレータに対して接合されていてもよい。
このような構成によれば、セパレータの製造時に切除するセパレータ外周の材料を少なくすることができ材料コストを低減することができる。
上記のセパレータ支持構造において、前記第２絶縁部のうち前記突出部の突出端に対向する面は、前記第１絶縁部から離間する方向に向かって前記セパレータが位置する側に傾斜した傾斜面であってもよい。
このような構成によれば、燃料電池が突出部に対してスイングした際に、第２絶縁部が突出部に当たることを抑えることができる。
上記のセパレータ支持構造において、前記第１絶縁部は、前記凸部から各前記突出部に向かって突出した一組の膨出部を有し、各前記膨出部の突出端部には、円弧状の湾曲凸面が形成されていてもよい。
このような構成によれば、燃料電池が突出部に対してスイングした際に、第１絶縁部及び突出部に過度な荷重が作用することを抑えることができる。
上記のセパレータ支持構造において、前記第１絶縁部は前記凸部から各前記突出部に向かって突出した一組の膨出部を有し、各前記膨出部の突出端部には、平坦面が形成されていてもよい。このような構成によれば、第１絶縁部を簡単な構成にすることができ経済的である。
本発明によれば、第１絶縁部から各突出部とセパレータとの間に第２絶縁部が延在しているため、コストの低廉化を図りつつ、ケーシングに外部荷重が付与された場合でもケーシングとセパレータとの間の絶縁性を確保することができる。
以下、本発明に係るセパレータ支持構造についてそれを備えた燃料電池システムとの関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るセパレータ支持構造１０Ａは、例えば、燃料電池車両に搭載された燃料電池スタック１２に用いられる。燃料電池スタック１２は、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼等の電気伝導性を有する金属製のケーシング１４と、ケーシング１４に収容されて複数の燃料電池１６（発電セル）が積層されてなる燃料電池スタック本体１８（セル積層体）とを備える。
図１及び図３において、ケーシング１４は、長方形状の燃料電池１６の積層方向（矢印Ａ方向）の両端に配設された一組のエンドプレート２０と、燃料電池スタック本体１８を燃料電池１６の短手方向（矢印Ｂ方向）から挟むように配設された一組のサイドパネル２２ａと、燃料電池スタック本体１８を燃料電池１６の長手方向（矢印Ｃ方向）から挟むように配設された一組のサイドパネル２２ｂとにより構成されている。一組のサイドパネル２２ａと一組のサイドパネル２２ｂから構成される中空筒部材は、鋳造や押出し成形により一体で構成してもよい。
図２に示すように、燃料電池１６は、固体高分子電解質膜２４をカソード電極２６ａとアノード電極２６ｂで挟持して構成された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ２８）と、ＭＥＡ２８の両側に配設されたカソードセパレータ３０ａ及びアノードセパレータ３０ｂとを備えている。
燃料電池１６の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３４ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３６ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂは、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
燃料電池１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３６ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３４ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
カソードセパレータ３０ａのＭＥＡ２８に向かう面３８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３２ａと酸化剤ガス出口連通孔３２ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。
アノードセパレータ３０ｂのＭＥＡ２８に向かう面４２ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。
カソードセパレータ３０ａとアノードセパレータ３０ｂとは、互いに対向する面３８ｂ、４２ｂ間に冷却媒体流路４６を一体的に形成する。冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂとは、矢印Ｃ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝を有する。
図２及び図３に示すように、カソードセパレータ３０ａ及びアノードセパレータ３０ｂは、カソードセパレータ３０ａの上下の各長辺とアノードセパレータ３０ｂの上下の各長辺とのそれぞれに設けたセパレータ支持構造１０Ａによってケーシング１４に対して支持されている。カソードセパレータ３０ａの各長辺とアノードセパレータ３０ｂの各長辺は、酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂが設けられていない辺である。なお、以下の説明では、カソードセパレータ３０ａとアノードセパレータ３０ｂとを区別しない場合には、単に「セパレータ３０」と表示する。
本実施形態では、セパレータ３０は、２つのセパレータ支持構造１０Ａによってケーシング１４に支持されている（図３参照）。セパレータ支持構造１０Ａは、ケーシング１４のサイドパネル２２ａの内面２２ａｓの矢印Ｃ方向の略中央に設けられたケーシング側係合部５０と、セパレータ３０の長辺の略中央に設けられてケーシング側係合部５０に係合するセパレータ側係合部５２とを備える。ケーシング側係合部５０は、各サイドパネル２２ａの内面２２ａｓの矢印Ｃ方向の中央に１つだけ設けられる例に限定されず、各サイドパネル２２ａの内面２２ａｓの任意の位置に任意の数だけ設けることができる。また、セパレータ側係合部５２は、セパレータ３０の各長辺の略中央に１つだけ設けられる例に限定されず、セパレータ３０の各長辺の任意の位置に任意の数だけ設けることができる。
図４Ａに示すように、ケーシング側係合部５０は、サイドパネル２２ａの内面２２ａｓからセパレータ３０が位置する側に突出してセパレータ側係合部５２が挿入される凹部５４を形成する一組の突出部５６を有する。
突出部５６は、燃料電池スタック本体１８の積層方向（矢印Ａ方向）の略全長に亘って延在している（図１参照）。一組の突出部５６は、矢印Ｃ方向に互いに所定の隙間を空けて対向している。各突出部５６の対向面は、互いに離間する方向に円弧状に窪んだ湾曲凹面５８である。すなわち、凹部５４は、サイドパネル２２ａの内面２２ａｓの一部である平坦面６０と、２つの湾曲凹面５８とによって構成されている。各突出部５６の厚さ（矢印Ｃ方向に沿った寸法）は、突出方向に向かって細く形成されている。なお、各突出部５６及びサイドパネル２２ａの内面２２ａｓは、その全面が金属露出部となっている。つまり、ケーシング１４の内面には、絶縁性部材が設けられておらず、ケーシング１４の内面は絶縁性を有していない。
セパレータ側係合部５２は、セパレータ３０の外周部から外方に突出するようにセパレータ３０に設けられた金属製の凸部６２と、凸部６２に設けられた第１絶縁部６４と、第１絶縁部６４から各突出部５６とセパレータ３０との間に延在した第２絶縁部６６とを有する。
凸部６２は、セパレータ３０と同様の材料によって構成された長方形状の板部材であって、セパレータ３０に対して溶接又はろう付け等によって接合されている。
本実施形態では、凸部６２の基端部には、接合用の孔６８（長孔）が形成されている。凸部６２の突出端部及び第１絶縁部６４には、燃料電池スタック１２の製造時に各燃料電池１６を位置決めするためのロッド７０が挿通される位置決め孔７２が形成されている。なお、ロッド７０は、燃料電池スタック１２の製造後に位置決め孔７２から抜き取られてもよいし、位置決め孔７２に残されてもよい。ロッド７０は、絶縁性を有する材料から構成されるのが好ましい。
第１絶縁部６４は、絶縁性を有する樹脂材料によって構成されている。第１絶縁部６４は、凸部６２の突出端側の全面を被覆している。換言すれば、凸部６２の突出端側は、第１絶縁部６４によって樹脂モールドされている。なお、凸部６２のうち位置決め孔７２を構成する内面には、第１絶縁部６４が設けられていても設けられていなくてもよい。
第１絶縁部６４の外形形状は、凹部５４の形状に対応している。すなわち、第１絶縁部６４は、凸部６２から各突出部５６に向かって突出した一組の膨出部７４を有する。各膨出部７４の突出端部には、円弧状の湾曲凸面７５が形成されている。湾曲凸面７５と湾曲凹面５８との間には、相対的に移動ができる程度の隙間が設けられている。また、第１絶縁部６４には、平坦面６０に対向する平坦面７７が設けられている。
第２絶縁部６６は、第１絶縁部６４に対して一体的に設けられている。具体的には、第２絶縁部６６は、凸部６２の基端側とセパレータ３０の長辺の縁部の中央部分とを被覆している。換言すれば、凸部６２の基端側とセパレータ３０の長辺の縁部の中央部分とは第２絶縁部６６によって樹脂モールドされている。なお、凸部６２の基端部は、第２絶縁部６６によって被覆されていない。
第２絶縁部６６のうち突出部５６の突出端に対向する面は、第１絶縁部６４から離間する方向に向かってセパレータ３０が位置する側に傾斜した傾斜面７６である。傾斜面７６と突出部５６の突出端との離間距離と傾斜面７６の傾斜角度は、セパレータ３０が突出部５６に対してスイング（矢印Ｃ方向に傾動）した際に傾斜面７６が突出部５６に当たらないような大きさに設定されている。第２絶縁部６６の矢印Ｃ方向に沿った長さは、一組の突出部５６の突出端の間の距離よりも長い。換言すれば、第２絶縁部６６は、突出部５６の突出端よりもセパレータ３０の側方（サイドパネル２２ｂ側）に延在している。
上記のように構成された本実施形態に係る燃料電池スタック１２では、特に、車載用として使用される際、揺れや振動の他、矢印Ｃ方向に沿った外部荷重が付与される場合がある。この際、燃料電池１６は、セパレータ支持構造１０Ａによってケーシング１４に対して支持されているため、ケーシング１４に対する位置ずれが抑制される。
本実施形態に係るセパレータ支持構造１０Ａは、以下の効果を奏する。
セパレータ支持構造１０Ａは、セパレータ３０の外周部から外方に突出するようにセパレータ３０に設けられた金属製の凸部６２と、ケーシング１４の内面２２ａｓからセパレータ３０が位置する側に突出して凸部６２が挿入される凹部５４を形成する一組の突出部５６と、少なくとも凹部５４内で凸部６２を覆う第１絶縁部６４と、第１絶縁部６４から各突出部５６とセパレータ３０との間に延在した第２絶縁部６６と、を備える。
このような構成によれば、第２絶縁部６６を設けているため、図４Ｂに示すように、ケーシング１４に外部荷重が付与されて燃料電池１６が突出部５６に対してスイングした際に、突出部５６とセパレータ３０との金属露出部同士の間隔を、第２絶縁部６６を設けない場合と比較して長くすることができる。これにより、燃料電池１６が突出部５６に対してスイングした場合であっても、突出部５６とセパレータ３０との間に適切な絶縁距離（空間距離）を確保することができる。よって、ケーシング１４とセパレータ３０との間の絶縁性を確保することができる。また、ケーシング１４の内面に絶縁体を設ける場合と比較して絶縁体で覆う面積を小さくすることができるため、コストの低廉化を図ることができる。
第１絶縁部６４は、凸部６２の突出端側を被覆し、第２絶縁部６６は、凸部６２の基端側及びセパレータ３０の縁部の一部を被覆している。このような構成によれば、ケーシング１４とセパレータ３０との間の絶縁性をより確実に確保することができる。
凸部６２は、セパレータ３０に対して接合されている。これにより、セパレータ３０の製造時に切除するセパレータ３０の外周の材料を少なくすることができ材料コストを低減することを抑えることができる。
第２絶縁部６６のうち突出部５６の突出端に対向する面は、第１絶縁部６４から離間する方向に向かってセパレータ３０が位置する側に傾斜した傾斜面７６である。このような構成によれば、湾曲凹面５８に倣って湾曲凸面７５が滑らかにスイング（燃料電池１６が突出部５６に対してスイング）した際に、第２絶縁部６６が突出部５６に当たることを抑えることができる
第１絶縁部６４は、凸部６２から各突出部５６に向かって突出した一組の膨出部７４を有し、各膨出部７４の突出端部には、円弧状の湾曲凸面７５が形成されている。このような構成によれば、燃料電池１６が突出部５６に対してスイングした際に、第１絶縁部６４に過度な荷重が作用することを抑えることができる。
次に、第１〜第３変形例に係るセパレータ支持構造１０Ｂ〜１０Ｄについて説明する。
図５Ａに示す第１変形例に係るセパレータ支持構造１０Ｂでは、第１絶縁部６４ａの各膨出部７４の突出端部には、凸部６２の突出方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在した平坦面７５ａが形成されている。すなわち、平坦面７５ａは、第１絶縁部６４ａの両側に形成されている。また、各突出部５６ａの対向面は、平坦面７５ａに平行な平坦面５８ａとして形成されている。このような構成によれば、第１絶縁部６４ａ及び突出部５６ａを簡単な構成にすることができる。
図５Ｂに示す第２変形例に係るセパレータ支持構造１０Ｃでは、第１絶縁部６４ｂの各膨出部７４の突出端部には、第２絶縁部６６に向かって凸部６２が位置する側に傾斜した平坦面７５ｂが形成されている。すなわち、平坦面７５ｂは、第１絶縁部６４ｂの両側に形成されている。また、各突出部５６ｂの対向面は、平坦面７５ｂに平行な平坦面５８ｂとして形成されている。つまり、平坦面５８ｂは、平坦面６０からセパレータ３０が位置する側に向かって凸部６２が位置する側に傾斜している。ただし、平坦面５８ｂは、傾斜せずにセパレータ３０が位置する側に向かって真直ぐに（凸部６２に対して平行に）延在していてもよい。このような構成であっても、上述したセパレータ支持構造１０Ｂと同様の効果を奏する。
図５Ｃに示す第３変形例に係るセパレータ支持構造１０Ｄでは、第１絶縁部６４ｃの各膨出部７４の突出端部には、第２絶縁部６６に向かって凸部６２が位置する側とは反対側に傾斜した平坦面７５ｃが形成されている。すなわち、平坦面７５ｃは、第１絶縁部６４ｃの両側に形成されている。また、各突出部５６ｃの対向面は、平坦面７５ｃに平行な平坦面５８ｃとして形成されている。つまり、平坦面５８ｃは、平坦面６０からセパレータ３０が位置する側に向かって凸部６２が位置する側とは反対側に傾斜している。ただし、平坦面５８ｃは、傾斜せずにセパレータ３０が位置する側に向かって真直ぐに（凸部６２に対して平行に）延在していてもよい。このような構成であっても、上述したセパレータ支持構造１０Ｂと同様の効果を奏する。
本発明は、上述した構成に限定されない。凸部６２は、セパレータ３０に対して一体的に設けられていてもよい。この場合、凸部６２は、セパレータ３０と一体的にプレス成形される。また、セパレータ支持構造１０Ａ〜１０Ｄは、セパレータ３０の各長辺の任意の位置に複数設けられていてもよい。
本発明に係るセパレータ支持構造は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０Ａ〜１０Ｄ…セパレータ支持構造 １２…燃料電池スタック
１４…ケーシング ３０…セパレータ
５４…凹部 ６２…凸部
６４、６４ａ〜６４ｃ…第１絶縁部 ６６…第２絶縁部
１４…ケーシング ３０…セパレータ
５４…凹部 ６２…凸部
６４、６４ａ〜６４ｃ…第１絶縁部 ６６…第２絶縁部
Claims (6)
- 燃料電池を収容する金属製のケーシングに対して前記燃料電池の金属製のセパレータを支持するセパレータ支持構造であって、
前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに設けられた金属製の凸部と、
前記ケーシングの内面から前記セパレータが位置する側に突出して前記凸部が挿入される凹部を形成する一組の突出部と、
少なくとも前記凹部内で前記凸部を覆う第１絶縁部と、
前記第１絶縁部から各前記突出部と前記セパレータとの間に延在した第２絶縁部と、を備える、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。 - 請求項１記載のセパレータ支持構造において、
前記第１絶縁部は、前記凸部の突出端側を被覆し、
前記第２絶縁部は、前記凸部の基端側及び前記セパレータの縁部の一部を被覆している、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。 - 請求項１又は２に記載のセパレータ支持構造において、
前記凸部は、前記セパレータに対して接合されている、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセパレータ支持構造において、
前記第２絶縁部のうち前記突出部の突出端に対向する面は、前記第１絶縁部から離間する方向に向かって前記セパレータが位置する側に傾斜した傾斜面である、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセパレータ支持構造において、
前記第１絶縁部は、前記凸部から各前記突出部に向かって突出した一組の膨出部を有し、
各前記膨出部の突出端部には、円弧状の湾曲凸面が形成されている、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセパレータ支持構造において、
前記第１絶縁部は前記凸部から各前記突出部に向かって突出した一組の膨出部を有し、
各前記膨出部の突出端部には、平坦面が形成されている、
ことを特徴とするセパレータ支持構造。
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