JP2020149787A

JP2020149787A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2020149787A
Application number: JP2019043810A
Authority: JP
Inventors: 智暁内山; Tomoaki Uchiyama; 康浩伊澤; Yasuhiro Izawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17

Abstract

【課題】燃料電池積層体に掛かる拘束圧の面内方向における偏りを低減することができる、燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本開示の燃料電池モジュールは、第１のエンドプレート、皿バネ、プレッシャープレート、燃料電池積層体、及び第２のエンドプレートを、この順に有している。本開示の燃料電池モジュールにおいて、３つ以上の締結部材が、第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体に押し付けている。また、燃料電池モジュールを燃料電池積層体の積層方向から見たときに、締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、皿バネの中心が配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池モジュールに関する。

複数の燃料電池構成単位セルが互いに積層された燃料電池積層体が、エンドプレート等によって拘束された構造を有する、燃料電池モジュールが知られている。このような燃料電池モジュールは、高い電圧を有することができるため、燃料電池自動車等の動力源としての利用が期待されている。

燃料電池モジュールにおいて、燃料電池積層体をエンドプレート等によって拘束する一つの構成として、特許文献１に記載の燃料電池モジュールを挙げることができる。同文献において、燃料電池積層体は、エンドプレートとプレッシャープレートの間において、一つの皿バネに対して一つの締結部材を用いた構成を開示している。

特開２００２−３５８９８５号公報

本開示者らは、燃料電池積層体を製造する際の製造誤差によって、燃料電池積層体の積層方向の長さが不均一となる場合があること、及び積層方向の長さが不均一な燃料電池積層体を、一つの皿バネに対して一つの締結部材を有する拘束部材によって積層方向に拘束した場合、燃料電池積層体に掛かる拘束圧が、面内方向において不均一となる場合があることを、見出した。

本開示は、燃料電池積層体にかかる拘束圧の面内方向における偏りを低減することができる、燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
第１のエンドプレート、皿バネ、プレッシャープレート、燃料電池積層体、及び第２のエンドプレートを、この順に有している燃料電池モジュールであって、
３つ以上の締結部材が、前記第１のエンドプレート、及び前記皿バネを介して、前記プレッシャープレートを前記燃料電池積層体に押し付けており、
前記燃料電池モジュールを前記燃料電池積層体の積層方向から見たときに、前記締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、前記皿バネの中心が配置されている、
燃料電池モジュール。

本開示によれば、燃料電池積層体にかかる拘束圧の面内方向における偏りを低減することができる。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを示す模式図である。図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを燃料電池積層体の積層方向から見たときの、皿バネと締結部材の位置関係を示す模式図である。図３は、本開示の実施形態とは異なる燃料電池モジュールを示す模式図である。図４は、本開示の実施形態とは異なる燃料電池モジュールを燃料電池積層体の積層方向から見たときの、皿バネと締結部材の位置関係を示す模式図である。図５は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを構成している皿バネ及びガイドの一例を示す模式図である。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

なお、本開示において、特段の言及がない限り、「積層方向」は、燃料電池積層体の積層方向を意味しており、「面内方向」は、燃料電池積層体の面内方向を意味している。

本開示の燃料電池モジュールは、第１のエンドプレート、皿バネ、プレッシャープレート、燃料電池積層体、及び第２のエンドプレートを、この順に有している。本開示の燃料電池モジュールにおいて、３つ以上の締結部材が、第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体に押し付けている。また、燃料電池モジュールを燃料電池積層体の積層方向から見たときに、締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、皿バネの中心が配置されている。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを示す模式図である。

図１に示す燃料電池モジュール１００は、燃料電池容器１０の内部に、第１のエンドプレート１、皿バネ２、プレッシャープレート３、ターミナルインシュレータ４、第１のターミナルプレート５、燃料電池積層体６、第２のターミナルプレート７、及び第２のエンドプレート８を、この順に有している。

図１に示す燃料電池モジュール１００において、３つの締結部材９が、第１のエンドプレート１、及び皿バネ２を介して、プレッシャープレート３を燃料電池積層体に押し付けている。

図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを構成している皿バネの一例を示す模式図である。

図２に示すように、燃料電池モジュール１００を積層方向から見たときに、締結部材９の中心同士を頂点とする三角形の外縁の内側に、皿バネの中心Ｏが配置されている。

原理によって限定されるものではないが、本開示の方法によって、燃料電池積層体にかかる拘束圧の面内方向における偏りを低減することができる原理は、以下のとおりである。

上記のとおり、燃料電池積層体を製造する際の製造誤差によって、燃料電池積層体の積層方向の長さ、すなわち燃料電池積層体の厚さが、面内方向において不均一となる場合がある。

本開示の燃料電池モジュールは、３つ以上の締結部材が、第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体に押し付けており、燃料電池モジュールを積層方向から見たときに、締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、皿バネの中心が配置されている。

したがって、積層体の厚みに合わせて３つ以上の締結部材それぞれがプレッシャープレートを押し付ける力を調節することにより、面内方向において、燃料電池積層体の厚さの分布に合わせてプレッシャープレートをより均等な力で押し付けることができるため、燃料電池積層体にかかる圧力の面内方向における偏りを低減することができる。

より具体的に説明すると、図２に示すように、皿バネ２は、例えば３つの締結部材の中心同士を頂点とする三角形の外縁の内側に、皿バネ２の中心Ｏが配置されている。そのため、各締結部材９の第１のエンドプレート１への押し込み量を調節することで、皿バネ２を介してプレッシャープレート３にかかる圧力の面内方向における傾きを、燃料電池積層体６の厚さの面内方向における分布に合わせることができる。これによって燃料電池積層体６にかかる圧力の面内方向における偏りを低減することができる。

なお、図２は、本開示の燃料電池モジュールの構成、特に、締結部材と皿バネとの位置関係や、締結部材の数及び形状等を限定する趣旨ではない。

これに対して、例えば図３に示すように、厚さが不均一な燃料電池積層体６を、一つの締結部材９によって積層方向から一軸的に圧力をかけて拘束した場合、図４に示すように、皿バネ２は、一つの締結部材９によって一点のみが押さえられる。そのため、皿バネによって拘束されるプレッシャープレートの傾きを、燃料電池積層体の厚さの分布に合わせることができず、したがって、燃料電池積層体の厚さが大きい部分には大きい拘束圧がかかり、燃料電池積層体の厚さが小さい部分には小さい拘束圧がかかる。そのため、燃料電池積層体にかかる拘束圧が、面内方向において不均一となる。

《締結部材》
締結部材は、第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体に押し付ける部材である。

３つ以上の締結部材が、第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体に押し付けており、燃料電池モジュールを積層方向から見たときに、締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、皿バネの中心が配置されている。

締結部材は、積層方向から見たときに、それぞれ皿バネの中心を中心とする同心円上に、隣り合う締結部材と皿バネの中心とにより形成される円周角が等しくなるように配置されていることが好ましい。締結部材がこのように配置されていることにより、締結部材による圧力を、より安定して皿バネに伝えることができるためである。

また、締結部材は、積層方向に関して、エンドプレートと皿バネが接触する部分と重なる位置に配置されているのが好ましい。

これにより、皿バネがエンドプレートによってより均等に圧縮されるため、皿バネが設計通りのバネ定数で、プレッシャープレートに圧力を与えることができる。

締結部材の数は、３つ以上であれば特に限定されず、例えば、３つ以上、６つ以下であってよい。締結部材は、３つ以上、４つ以上、又は５つ以上、であってよく、６つ以下、５つ以下、又は４つ以下であってよい。

締結部材の形状は、例えばネジ形状であってよい。締結部材がネジ形状を有していることにより、各締結部材の押し込み量をそれぞれ調整して、締結部材から第１のエンドプレート、及び皿バネを介して、プレッシャープレートを燃料電池積層体にかかる圧力の面内方向の分布を調整しやすい。

なお、締結部材によって第１のエンドプレートを押さえつける際に、第１のエンドプレートからの圧力を受ける部材、すなわち締結部材の土台となる部材としては、燃料電池積層体の容器を用いることができる。また、本開示の燃料電池モジュールを車両に搭載する場合には、この土台としての車両の構造部材、例えばシャシーを用いることができる。

《第１のエンドプレート》
第１のエンドプレートは、締結部材から加えられる圧力を皿バネに伝える部材である。第１のエンドプレートの形状は、締結部材から加えられる圧力を皿バネに伝えることができる任意の形状であってよい。

第１のエンドプレートは、皿バネと接触する部分に座金を有していてよい。これにより、第１のエンドプレートと皿バネとをより良好に固定して、第１のエンドプレートが、締結部材から加えられる圧力を皿バネに伝えやすくすることができる。

なお、第１のエンドプレートの材料及び形状は、燃料電池モジュールに一般的に用いられている材料及び形状を用いることができる。

《皿バネ》
皿バネは、第１のエンドプレートを介して締結部材から加えられた圧力を、プレッシャープレートに伝える部材である。皿バネは、第１のエンドプレートを介して締結部材から加えられた圧力を、プレッシャープレートに伝えることができる任意の形状であってよい。

皿バネは、例えば、皿バネがエンドプレート及びプレッシャープレートに接触できる傾き及び位置を維持するガイドによって固定されている構成を有していてよい。

このような構成において、皿バネは、内径側でガイドに固定され、かつ外径側がエンドプレート及びプレッシャープレートに接触する形状を有していることができる。

皿バネがこのような形状を有している場合、ガイドが内径側で固定されていることによって、ガイドを小さくすることができ、ガイドを軽量化することができる。

また、皿バネがエンドプレート及びプレッシャープレートに外径で接することにより、皿バネとエンドプレート及びプレッシャープレートとの接触長さが大きくなる。加えて、プレッシャープレートが燃料電池積層体に与える圧力の面内方向における分布を、より均一化することができる。また、エンドプレート及びプレッシャープレートの圧縮応力も低減することができる。

図５は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュールを構成している皿バネ及びガイドの構成の一例を示す模式図である。

図５に示す構成において、１対の皿バネ２ａ及び２ｂが、ガイド１１を中心に、上下にそれぞれ配置されている。上側に配置されている皿バネ２ａは、外径がエンドプレートに接触するように配置されており、下側に配置されている皿バネ２ｂは、外径がプレッシャープレートに接触するように配置されている。

なお、図５は、本開示の燃料電池モジュールの構成等を限定する趣旨ではない。

また、皿バネは、外径側でガイドに固定され、かつ内径側がエンドプレート及びプレッシャープレートに接触する形状を有していてもよい。

《プレッシャープレート》
プレッシャープレートは、締結部材から加えられる圧力を受けて、燃料電池積層体を押さえつける部材である。

燃料電池積層体に加えられる圧力の面内方向における分布をより均一にする観点から、プレッシャープレートの形状は、燃料電池積層体の面内方向の形状と同様であることが好ましい。

《燃料電池積層体》
燃料電池積層体は、カソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する、複数の燃料電池構成単位セルが互いに積層されている構造を有している。なお、燃料電池積層体の積層方向は、この複数の燃料電池構成単位セルが互いに積層されている方向を意味する。

なお、燃料電池積層体の材料及び形状は、燃料電池モジュールに一般的に用いられている材料及び形状を用いることができる。

《第２のエンドプレート》
第２のエンドプレートは、第１のエンドプレートと対になって、電池積層体を拘束している部材である。

なお、第２のエンドプレートの材料及び形状は、燃料電池モジュールに一般的に用いられている材料及び形状を用いることができる。また、第２のエンドプレートの材料は、第１のエンドプレートに用いたものと同様のものを用いてよい。

１第１のエンドプレート
２皿バネ
３プレッシャープレート
４ターミナルインシュレータ
５第１のターミナルプレート
６燃料電池積層体
７第２のターミナルプレート
８第２のエンドプレート
９締結部材
１０燃料電池容器
１００燃料電池モジュール

Claims

第１のエンドプレート、皿バネ、プレッシャープレート、燃料電池積層体、及び第２のエンドプレートを、この順に有している燃料電池モジュールであって、
３つ以上の締結部材が、前記第１のエンドプレート、及び前記皿バネを介して、前記プレッシャープレートを前記燃料電池積層体に押し付けており、
前記燃料電池モジュールを前記燃料電池積層体の積層方向から見たときに、前記締結部材の中心同士を頂点とする多角形の外縁の内側に、前記皿バネの中心が配置されている、
燃料電池モジュール。