JP2019175740A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池において、積層方向に所定の圧力が付与された状態で複数のスタックを容易且つ確実に連結する。【解決手段】燃料電池10を構成する複数のスタック18は、セル12を挟むようにベースプレート14とカバープレート16が設けられモジュール化されている。そして、各スタック18の間にガスケット20が挟持され複数のスタック18が積層された状態で、それぞれ連結ボルト36によって隣接するスタック18同士が連結される。また、ガスケット20には、その中央部に弾性及び導電性を有した接点プレート54を備え、この接点プレート54が、各スタック18におけるカバープレート16及びベースプレート14に当接した状態で挟持される。これにより、複数のスタック18を積層させるように連結する際、該スタック18の構成部品の製造誤差等に起因して生じた変形が、接点プレート54の弾性によって吸収される。【選択図】図2
Description
本発明は、積層された複数のセルを有した燃料電池に関する。
従来から、複数のセルが積層された燃料電池が知られており、このような燃料電池は、例えば、特許文献1に開示されるように、積層された複数のセルからなる積層体の一端側に固定エンドプレートが設けられ、他端側に可動プレートが配置されている。そして、可動プレートは、他端側に設けられた別の固定エンドプレートのシリンダによって積層体側へと押されることで、前記積層体を構成するセルが加圧される。また、積層体の一端及び他端側に設けられた固定エンドプレートは、締結ロッドによって軸方向に固定されている。
上述したような平板状のセルを積層させた燃料電池では、所望の発電性能を得るためにセルの全体に対し、所望の荷重が均一に付与されることが望ましい。そのため、複数のセルの積層方向に沿った両端に固定エンドプレートと可動プレートとを配置し、この可動プレートをシリンダで押圧することで複数のセルに対して所望の荷重を付与している。
しかしながら、セルの数が多くなると各構成部品の製造誤差やばらつきが、その数量分だけ積み重なって増加してしまい、それに伴って、前記セルに対して積層方向へ付与される荷重にばらつきが生じ、スタック内における各セルの間の接触圧力が低下し電気抵抗が増加することで発電効率が低下したり、燃料の供給・排出されるポートのシール面圧が低下して漏れが発生するという問題がある。
本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、積層方向に所定の圧力が付与された状態で複数のスタックを容易且つ確実に連結することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、セルを有した複数のスタックが積層された燃料電池において、
スタックは、積層方向においてセルの一端側に設けられる第1のベースと、積層方向においてセルの他端側に設けられる第2のベースとを有し、
隣接する2つのスタックにおいて、一方のスタックにおける第1のベースと、他方のスタックにおける第2のベースとが対向し締結部材によって積層方向に互いに連結されることを特徴とする。
スタックは、積層方向においてセルの一端側に設けられる第1のベースと、積層方向においてセルの他端側に設けられる第2のベースとを有し、
隣接する2つのスタックにおいて、一方のスタックにおける第1のベースと、他方のスタックにおける第2のベースとが対向し締結部材によって積層方向に互いに連結されることを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池を構成するスタックが、積層方向においてセルに対して一端側に設けられる第1のベースと、積層方向においてセルに対して他端側に設けられる第2のベースとを備え、隣接する2つのスタックにおいて、互いに対向する一方のスタックにおける第1のベースと、他方のスタックにおける第2のベースとが締結部材によって積層方向に連結される。
従って、隣接する一方のスタックにおける第1のベースと他方のスタックにおける第2のベースとを締結部材によって連結可能な構成とすることで、複数のスタックを積層させた場合でも、各スタックにおける構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがない。
その結果、複数のセルを固定エンドプレートと可動プレートとの間に挟持して荷重を付与していた従来の燃料電池と比較し、各スタックに対して積層方向に付与される荷重が均一となるように管理できるため、所定の圧力を付与した状態で各スタックを容易且つ確実に積層させ連結することができ、各スタック間のシール性を確保することも可能となる。
また、一方のスタックと他方のスタックとの間には、各ユニット間の燃料の漏れを防止するガスケットと、ガスケットに設けられ、弾性及び導電性を有したプレートと、が設けられ、プレートの少なくとも一部をセルに臨むように配置するとよい。
さらに、プレートを、スタックに臨む表面が積層方向に凹凸状となるように形成するとよい。
本発明によれば、以下の効果が得られる。
すなわち、燃料電池を構成するスタックを、積層方向においてセルの一端側に設けられる第1のベースと、積層方向においてセルの他端側に設けられる第2のベースとから構成し、隣接する2つのスタックにおいて、互いに対向する一方のスタックにおける第1のベースと、他方のスタックにおける第2のベースとを締結部材によって積層方向に連結することにより、複数のスタックを積層させた場合でも、各スタックにおける構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがない。
その結果、固定エンドプレートと可動プレートとの間に複数のセルを挟持して保持していた従来の燃料電池と比較し、各スタックに対して積層方向に付与される荷重を均一となるように管理しながら容易且つ確実に積層させ連結することができ、各スタック間のシール性を確保して燃料の漏出を防止できる。
本発明に係る燃料電池について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図1において、参照符号10は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を示す。
この燃料電池10は、図1及び図2に示されるように、セル12と、該セル12の一端部に当接するベースプレート(第1のベース)14と、該セル12の他端部に当接するカバープレート(第2のベース)16とがモジュール化されたスタック18を有し、このスタック18は、単一又は複数のセル12が積層されて形成され、このスタック18が複数設けられて積層されると共に、隣接する一方のスタック18のベースプレート14と他方のスタック18のカバープレート16との間にガスケット20が挟持されている。なお、本実施の形態では、5つのスタック18が積層された燃料電池10について説明する。
また、複数のスタック18が積層された燃料電池10において、その積層方向(矢印A1、A2方向)における一端部側(矢印A1方向)にトップカバー22が設けられ、該積層方向(矢印A2方向)に沿った他端部側にアンダーカバー24が設けられる。すなわち、燃料電池10の両端部が、トップカバー22及びアンダーカバー24によって覆われている。
セル12は、図示しない電解質膜の両側に設けられるアノード層及びカソード層と、その外側に設けられるセパレータとから構成され、このセパレータにはガス通路12a(図3参照)が形成される。
ベースプレート14は、図1〜図3に示されるように、例えば、セル12よりも大きな面積を有した矩形状のプレートからなり、その四隅近傍には、厚さ方向(矢印A1、A2方向)に沿って貫通した第1ボルト孔26がそれぞれ形成されている。なお、第1ボルト孔26は、ベースプレート14の角部28を挟むように一対ずつ設けられ合計8個形成されている。
また、ベースプレート14には、セル12に臨む位置に反応ガス(燃料)の供給される第1供給ポート30(図3参照)と、余剰となった該反応ガスの排出される第1排出ポート(図示せず)とが対になるように形成され、前記第1供給ポート30及び前記第1排出ポートは、例えば、長尺な長円状にそれぞれ形成され、略平行となるように形成されると共に厚さ方向(矢印A1、A2方向)に沿って貫通している。
さらに、ベースプレート14には、第1供給ポート30及び第1排出ポートの長手方向に臨むように第2ボルト孔32が形成され、この第2ボルト孔32は、その内周面に沿ってねじの刻設されたねじ孔であり、スタック18を構成するセル12、ベースプレート14、カバープレート16を厚さ方向(矢印A1、A2方向)に固定するための固定ボルト34が螺合される。
すなわち、ベースプレート14において、第2ボルト孔32、第1供給ポート30及び第1排出ポートが、第1ボルト孔26よりも内側となる位置に形成されている。
カバープレート16は、ベースプレート14と略同一形状となるプレートからなり、セル12を挟んでベースプレート14と対向するように設けられ、第1ボルト孔26に臨む四隅近傍には、該第1ボルト孔26に挿通された連結ボルト(締結部材)36の螺合される第3ボルト孔38が形成されている。第3ボルト孔38は、その内周面にねじの刻設されたねじ孔であり、ベースプレート14の第1ボルト孔26に対応して8個設けられている。
また、カバープレート16には、図2及び図3に示されるように、セル12に臨み、且つ、その厚さ方向においてベースプレート14の第1供給ポート30及び第1排出ポートと一直線状となる位置に、それぞれ第2供給ポート40、第2排出ポート42が形成される。この第2供給ポート40及び第2排出ポート42は、第1供給ポート30及び第1排出ポートと略同一形状となる長円状に形成される(図2参照)。
さらに、カバープレート16には、第3ボルト孔38よりも内側となる位置に4個の第4ボルト孔44が形成され、カバープレート16の厚さ方向において、ベースプレート14の第2ボルト孔32と一直線状となるように形成される。
そして、第4ボルト孔44には、カバープレート16側からセル12側(矢印A2方向)に向かって固定ボルト34が挿通され、該セル12に挿通された後にベースプレート14の第2ボルト孔32へと螺合されることで、前記カバープレート16、前記セル12、前記ベースプレート14が厚さ方向(積層方向)に一体的に固定されてモジュール化された1つのスタック18が構成される。
ガスケット20は、図1〜図4に示されるように、例えば、マイカ等から一定厚さで形成されたプレートからなり、ベースプレート14及びカバープレート16と略同一面積となるように形成され、積層される各スタック18のカバープレート16の上面と隣接するスタック18におけるベースプレート14の下面との間に挟持される。
このガスケット20には、ベースプレート14の第1供給ポート30及び第1排出ポート、カバープレート16の第2供給ポート40及び第2排出ポート42にそれぞれ臨んで連通する供給孔46及び排出孔48を有すると共に、連結ボルト36の挿通される挿通孔50が8個形成される(図2参照)。
これにより、隣接する2つのスタック18の間における第1供給ポート30と第2供給ポート40との間、第1排出ポートと第2排出ポート42との間が、ガスケット20によってそれぞれシールされ、反応ガスの外部への漏出が防止される。
また、ガスケット20の中央には、断面矩形状で厚さ方向(矢印A1、A2方向)に貫通した収納孔52が形成され、この収納孔52にはプレート状に形成された接点プレート(プレート)54が収納される。この接点プレート54は、例えば、導電性を有した鋼板を成形することで弾性を有しており、ガスケット20と略同一厚さ又は若干厚くなるように形成される。
また、接点プレート54は、図3及び図4に示されるように、各スタック18に臨む表面が断面凹凸状に形成されており、積層された各スタック18のベースプレート14、カバープレート16がそれぞれ当接した際、該接点プレート54の両面に対して十分な接触圧力で接触させることが可能となる。
そして、燃料電池10の積層方向(矢印A1、A2方向)において、積層される一方のスタック18におけるベースプレート14と、該スタック18に対してアンダーカバー24側に配置される他方のスタック18のカバープレート16との間に、接点プレート54を含むガスケット20が挟持され、前記ベースプレート14の第1ボルト孔26に挿通された連結ボルト36を、ガスケット20の挿通孔50を介して前記カバープレート16の第3ボルト孔38へと螺合させることで、隣接するスタック18同士が積層方向(矢印A1、A2方向)において連結される。すなわち、連結ボルト36は、第1及び第3ボルト孔26、38の数量に対応して8本設けられる。
トップカバー22及びアンダーカバー24は、図1及び図2に示されるように、それぞれベースプレート14及びカバープレート16と同一形状となるプレートからなり、前記トップカバー22が、最も一端部側(矢印A1方向)となるスタック18のカバープレート16に対してガスケット20を挟んで配置される。そして、トップカバー22の孔部56に挿通された8本の第1締結ボルト58が、該カバープレート16の第3ボルト孔38へと螺合されることで固定される。
また、トップカバー22の角部には、電源線であるパワーライン60が電源用ボルト62によって接続され、例えば、セル12で発電された電力が外部へと出力される。
一方、アンダーカバー24は、最も他端部側(矢印A2方向)となるスタック18のベースプレート14に対してガスケット20を挟んで配置され、その孔部64に挿通された8本の第2締結ボルト66が、該ベースプレート14の第1ボルト孔26へと螺合されることで固定される。また、アンダーカバー24には、各スタック18の第1及び第2供給ポート30、40、第1及び第2排出ポート42に臨む位置に、図示しない供給口及び排出口が開口して連通している。
そして、供給口から反応ガスが供給されることで、各スタック18の第1及び第2供給ポート30、40を介して該反応ガスが積層方向(矢印A1方向)に沿って流れ、各セル12へと供給されると共に、余剰となった反応ガスが、各スタック18の第1排出ポート、第2排出ポート42を通じて積層方向(矢印A2方向)に沿って流れて排出口から外部へと排出される。
本発明の実施の形態に係る燃料電池10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、複数のセル12を積層して組み付ける場合について説明する。なお、ここでは、図1及び図2に示されるように、5つのスタック18を積層させて組み付ける場合について説明する。
先ず、燃料電池10における積層方向(矢印A1、A2方向)において、隣接する各スタック18の間にガスケット20を配置し、下方(矢印A2方向)に配置される一方のスタック18のカバープレート16と、このスタック18に対して上方(矢印A1方向)に配置される他方のスタック18のベースプレート14とを対向させ、且つ、両者の間に接点プレート54を有したガスケット20を配置した状態で、該ガスケット20を介して両者を当接させる。
すなわち、一方のスタック18と他方のスタック18との間にガスケット20が挟まれた状態となる。
そして、各スタック18におけるベースプレート14の第1ボルト孔26とカバープレート16の第3ボルト孔38とが、スタック18の積層方向(矢印A1、A2方向)に一直線状となった状態で、前記第1ボルト孔26に挿通させた連結ボルト36を、ガスケット20の挿通孔50を介して第3ボルト孔38へと螺合させる。
これにより、積層方向に隣接する2つのスタック18のうち、一方のスタック18のベースプレート14と他方のスタック18のカバープレート16とが連結ボルト36によって連結されることで、隣接する2つのスタック18が積層された状態で互いに連結される。
この際、各スタック18における構成部品からの反力等によってベースプレート14やカバープレート16が変形することがあるが、このような場合でも、前記ベースプレート14と前記カバープレート16との間に挟持されたガスケット20の接点プレート54が弾性変形することで前記変形が好適に吸収される。
そのため、各スタック18を連結した際に生じる変形の影響を受けることなく、各スタック18を所定の位置で高精度に積層させ、且つ、積層方向へと均一な荷重が付与された状態で連結できるため、各スタック18を所定の接触圧力で確実に接続することが可能となる。
そして、最後に、最も一端部側に配置されたスタック18と、最も他端部側に配置されたスタック18に対し、それぞれトップカバー22及びアンダーカバー24を第1及び第2締結ボルト58、66によって固定することで、複数のスタック18の積層された燃料電池10が構成される。
以上のように、本実施の形態では、積層された複数のスタック18を有した燃料電池10において、セル12と、該セル12の一端部を覆うベースプレート14と、該セル12の他端部を覆うカバープレート16とをモジュール化してスタック18を構成し、このスタック18を、前記燃料電池10の積層方向(矢印A1、A2方向)に積層させ、その隣接する2つのスタック18において、互いに対向させたベースプレート14とカバープレート16とを複数の連結ボルト36によって連結している。
このように、隣接するスタック18同士をそれぞれ連結ボルト36で連結可能な構成とすることで、複数のスタック18を積層させた場合でも、各スタック18における構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがなく、複数のセルを固定エンドプレートと可動プレートとの間に挟持して荷重を付与していた従来の燃料電池と比較し、各スタック18に対して積層方向に付与される荷重が均一となるように容易且つ高精度に管理することができる。
その結果、複数のスタック18を容易且つ確実に積層させて互いに連結することができ、それに伴って、各スタック18の間における反応ガスのシール性を確保することができる。
また、隣接するスタック18の間にガスケット20を設けて挟持する構成とすることで、隣接する各スタック18の第1及び第2供給ポート30、40や、第1排出ポート、第2排出ポート42を流れる反応ガスの外部への漏出が確実に防止される。
さらに、弾性及び導電性を有した接点プレート54をガスケット20に設け、このガスケット20を介して隣接するスタック18同士を当接させることで、例えば、複数のスタック18を積層させて組み付けた際に、各スタック18の構成部品の反力等によってベースプレート14及びカバープレート16が変形した場合でも、接点プレート54の弾性によって該変形を好適に吸収することができる。
そのため、各スタック18を互いに連結した際に生じる変形の影響を受けることなく、各スタック18を所定の位置で高精度に積層させることができ、各スタック18を所望の接触圧力で確実に接続することが可能となるため、電気抵抗の増加が回避され、従来の燃料電池と比較して発電効率を向上させることができる。
さらにまた、セル12と、該セル12を挟むように配置されたベースプレート14及びカバープレート16からスタック18を構成することで、その構成を簡素化することができ、前記スタック18の数量を増減させるための取り扱いが容易であり、その作業も容易となる。
またさらに、各スタック18同士を連結するためのベースプレート14及びカバープレート16が同一形状で形成されているため、その連結作業を容易に行うことができると共に、スタック18の管理や保管等も容易である。
また、スタック18をモジュール化することで、このスタック18の数量を容易に増減させることができ、それに伴って、燃料電池10の出力を容易に調整することが可能となる。
さらに、連結ボルト36は、ベースプレート14及びカバープレート16において、セル12を中心として均等となるように配置されているため、前記連結ボルト36でスタック18を連結する際の締結力(荷重)が前記セル12に対して均等に付与するように組み付けることができる。
さらに、上述した燃料電池10では、5つのスタック18を有する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、必要とされる出力に応じて前記スタック18の数量を適宜増減させればよい。
なお、本発明に係る燃料電池は、上述の実施の形態に限らず、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。
10…燃料電池 12…セル
14…ベースプレート 16…カバープレート
18…スタック 20…ガスケット
22…トップカバー 24…アンダーカバー
26…第1ボルト孔 32…第2ボルト孔
34…固定ボルト 36…連結ボルト
38…第3ボルト孔 44…第4ボルト孔
54…接点プレート
14…ベースプレート 16…カバープレート
18…スタック 20…ガスケット
22…トップカバー 24…アンダーカバー
26…第1ボルト孔 32…第2ボルト孔
34…固定ボルト 36…連結ボルト
38…第3ボルト孔 44…第4ボルト孔
54…接点プレート
Claims (3)
- セルを有した複数のスタックが積層された燃料電池において、
前記スタックは、積層方向において前記セルの一端側に設けられる第1のベースと、前記積層方向において前記セルの他端側に設けられる第2のベースとを有し、
隣接する2つのスタックにおいて、一方のスタックにおける第1のベースと、他方のスタックにおける第2のベースとが対向し締結部材によって前記積層方向に互いに連結されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、
一方のスタックと他方のスタックとの間には、各ユニット間の燃料の漏れを防止するガスケットと、
該ガスケットに設けられ、弾性及び導電性を有したプレートと、
が設けられ、
前記プレートの少なくとも一部が前記セルに臨むように配置されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1又は2記載の燃料電池において、
前記プレートは、前記スタックに臨む表面が前記積層方向に凹凸状となるように形成されることを特徴とする燃料電池。
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