JP5040043B2

JP5040043B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5040043B2
Application number: JP2006170604A
Authority: JP
Inventors: 敏幸稲垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: DE112007001371T5; CN101473486B; CA2651063A1; CN101473486A; DE112007001371B4; US20090317688A1; DE112007001371B8; JP2008004308A; WO2007148770A1; CA2651063C; US7951502B2

Description

本発明は、発電セルを積層させたセル積層体を有する燃料電池に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。

このような燃料電池は、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層したセル積層体と、このセル積層体の積層方向の外側に配置されるとともに荷重調整ネジで調整された圧縮荷重をセル積層体に与えるエンドプレートとを備えた燃料電池スタックとして構成されている。

そして、この燃料電池では、セル積層体への圧縮荷重の均一化及び圧縮荷重の変動の低減のため、プレート間に複数のスプリングを配置したスプリングモジュールをセル積層体とエンドプレートとの間に介在させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２８８６１８号公報

ところで、上記スプリングモジュールでは、エンドプレートの中央に設けられた１本の荷重調整ネジによって一方のプレートの一点に荷重を付与する構造であるので、プレートへの荷重のかかり方が不安定となり、セル積層体へ付与する圧縮荷重が不均一となる恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、押圧装置へ荷重を安定的に付与し、セル積層体へ均一に圧縮荷重を付与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。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、複数のセルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に設けられて前記セル積層体への圧縮荷重を調整する押圧装置とを備えた燃料電池であって、前記エンドプレートは、複数の荷重付与部を備え、前記押圧装置は、一対の板体と、これら板体間に配置されて弾性力によって前記板体同士を互いに離間させる弾性部材と、前記荷重付与部によって荷重が付与される複数の荷重入力部と、を備える。

この構成によれば、複数の荷重付与部によって押圧装置に対して複数の荷重入力部にて荷重を付与するので、押圧装置の板体に対して安定的に荷重を付与することができ、これにより、押圧装置の板体同士の面方向への相対的な位置ずれや傾きを抑制することができので、弾性部材による弾性力を円滑に発揮させてセル積層体に対して均一な圧縮荷重を安定的に付与することができる。

前記押圧装置は、一方向（長手方向）に沿って他方向よりも長い平面形状を有し、前記複数の荷重入力部は、当該押圧装置の長手方向に沿って配置されていてもよい。

これにより、押圧装置の板体に対して複数の荷重入力部にて付与される荷重の安定化を図ることができる。

複数の前記荷重入力部にて付与される荷重の入力中心は、前記セル積層体の反力中心に合わされた前記押圧装置の弾性力中心に一致されていてもよい。

この構成によれば、セル積層体に対して均一に荷重を付与することができ、しかも、セル積層体における不要なモーメントの発生を抑制することができる。

前記セル積層体の反力中心は、例えば、前記セルを構成するセパレータの外形、前記セパレータの少なくとも一面側に形成された流体流路（例えば、燃料ガス流路、酸化ガス流路、冷媒流路）の位置や形状、前記流体流路に燃料ガス、酸化ガス、冷媒等の流体を給排するマニホールドの位置や形状、前記セパレータ間を接着する接着剤の特性（例えば、弾性係数）や位置、前記セパレータと共に前記セルを構成する膜電極接合体との間をシールするシール部材の特性（例えば、弾性係数）や位置のうち、少なくとも１つが考慮されて決定されてもよい。

本発明の燃料電池によれば、押圧装置へ荷重を安定的に付与し、セル積層体へ均一に圧縮荷重を付与することができる。

次に、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を図１〜図５を参照しつつ説明する。

図１は、燃料電池１０を示すものである。この燃料電池１０は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池１０は、燃料電池スタック１１と、この燃料電池スタック１１の外側を覆う合成樹脂等の絶縁材料からなる図示しないスタックケースとを有している。燃料電池スタック１１は、一対の矩形状のエンドプレート１２（一方は図示略）を、互いの外縁部同士をテンションプレート１３で連結して外側部分が構成されており、これらエンドプレート１２及びテンションプレート１３は例えばジュラルミン等で形成されている。

また、燃料電池スタック１１は、エンドプレート１２同士の間に燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する平面視矩形状のセル２１を所要数積層してなるセル積層体２２が設けられている。そして、一方のエンドプレート１２とセル積層体２２との間には、エンドプレート１２側から順に、スプリングモジュール（押圧装置）２３、絶縁プレート２４、ターミナルプレート２５及びカバープレート２６が配置されている。なお、カバープレート２６は省略することも可能である。

なお、図示はしないが他方のエンドプレート１２とセル積層体２２との間には、エンドプレート１２側から順に、絶縁プレート２４、ターミナルプレート２５及びカバープレート２６が配置されている。

そして、スプリングモジュール２３が設けられた側のエンドプレート１２は、テンションプレート１３に連結される矩形状のエンドプレート本体３０と、このエンドプレート本体３０のテンションプレート１３への連結位置よりも内側の範囲に設けられたストッパ３１とで構成されている。

エンドプレート本体３０には、厚さ方向に貫通する複数の貫通穴３２が形成されている。ストッパ３１は、エンドプレート本体３０のスプリングモジュール２３側に当接することで、エンドプレート本体３０を含むエンドプレート１２を補強する。このストッパ３１は、内側に雌ネジ３４が形成された円筒状のボス部３５と、このボス部３５の軸線方向の中間位置から全周にわたって半径方向外側に延出する、ボス部３５と同軸の一定厚の略円板状のフランジ部３６とを有している。

そして、ストッパ３１は、ボス部３５のうちフランジ部３６から軸線方向一側に突出する一方の円筒部３７においてエンドプレート本体３０の貫通穴３２に挿入され、フランジ部３６の全面がエンドプレート本体３０当接されている。なお、ストッパ３１の一方の円筒部３７の軸方向長は、エンドプレート本体３０の貫通穴３２の軸方向長と同等とされており、円筒部３７の端面がエンドプレート本体３０の外側の端面と面一となっている。

そして、エンドプレート１２は、上記ストッパ３１の雌ネジ３４に螺合される複数の荷重調整ネジ（荷重付与部）４１を有しており、この荷重調整ネジ４１がスプリングモジュール２３のエンドプレート１２側に形成された球面状の突起部２８に当接する。ここで、荷重調整ネジ４１には、突起部２８側に凹部４３が形成され、この凹部４３が突起部２８に係合するようになっている。

また、荷重調整ネジ４１には突起部２８とは反対側に六角ボルト等の工具を嵌合させる工具嵌合部４２が形成されており、荷重調整ネジ４１は、この工具嵌合部４２に嵌合する工具を介して回転させられることで、エンドプレート１２とセル積層体２２の端部との距離を調整してセル積層体２２に作用する圧縮荷重を調整する。

スプリングモジュール２３は、エンドプレート１２側のアッパプレート（板体）５１と、セル積層体２２側のロアプレート（板体）５２とを有した一方向（長手方向）に沿って他方向よりも長い平面視長方形状に形成されたもので、これらアッパプレート５１とロアプレート５２の間に、複数のコイルスプリング（弾性部材）５３が配設されている。

アッパプレート５１及びロアプレート５２は、例えば、アルミニウムなどの比重の小さい金属材料から形成されており、アッパプレート５１に、荷重調整ネジ４１が当接される突起部２８が形成されている。

また、スプリングモジュール２３は、アッパプレート５１に設けられた目盛板５７及びロアプレート５２に設けられた指針板５８を有しており、目盛板５７によって指針板５８の端部位置を読み取ることにより、スプリングモジュール２３を介してセル積層体２２に付与される圧縮荷重を把握することができるようになっている。

ここで、図２は、スプリングモジュール２３が受けるセル積層体２２の反力中心Ａを示している。このセル積層体２２の反力中心Ａの位置は、セル２１を構成するセパレータの形状（例えば、セパレータの外形、セパレータの少なくとも一面側に形成された流体流路（例えば、燃料ガス流路、酸化ガス流路、冷媒流路）や該流体流路に燃料ガス、酸化ガス、冷媒等の流体を給排するマニホールドの位置、形状等）、セパレータ間を接着する接着剤あるいはセパレータと共にセル２１を構成するＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、膜電極接合体）との間をシールするシール部材の弾性係数（ヤング率）や位置等によって定まるもので、シミュレーションや計算等で求められる。

また、図３は、スプリングモジュール２３における弾性力中心Ｂを示している。この弾性力中心Ｂは、例えば、アッパプレート５１とロアプレート５２との間にてコイルスプリング５３を均等に配置すると、スプリングモジュール２３の幾何学中心となるが、この幾何学中心からなる弾性力中心Ｂがセル積層体２２の反力中心Ａと常に一致するとは限らない。

このため、このスプリングモジュール２３では、弾性力中心Ｂがセル積層体２２の反力中心Ａと一致するように、コイルスプリング５３の位置あるいは個々のコイルスプリング５３のバネ定数が決定されている。

図４及び図５は、スプリングモジュール２３への荷重入力中心Ｃを示している。この荷重入力中心Ｃは、スプリングモジュール２３へ付与（入力）される荷重の中心位置であり、本実施形態では、エンドプレート１２に設けた２つの荷重調整ネジ４１によって２カ所の突起部２８にて付与される荷重の中心位置である。具体的には、この荷重入力中心Ｃは、突起部２８の中心点からなる荷重入力部２８ａを結ぶ直線上の中点となる。

そして、上記スプリングモジュール２３では、この荷重入力中心Ｃが、セル積層体２２の反力中心Ａ及び弾性力中心Ｂに一致されている。なお、１カ所にて荷重を付与する場合は、その荷重を付与する荷重入力部が荷重入力中心Ｃとなり、３箇所以上にて荷重を付与する場合は、各荷重入力部を結んでできる多角形の重心位置となる。また、スプリングモジュール２３の各コイルスプリング５３等のバネ定数を変えることにより、荷重入力中心Ｃを設定することも可能である。

上記のように、反力中心Ａ、弾性力中心Ｂ及び荷重入力中心Ｃを一致させる手順としては、まず、セル積層体２２の反力中心Ａをシミュレーションや机上計算等で求め、次に、コイルスプリング５３の位置あるいは個々のコイルスプリング５３のバネ定数を調整することにより、スプリングモジュール２３の弾性力中心Ｂをセル積層体２２の反力中心Ａに一致させる。

その後、荷重を付与する突起部２８の中心点からなる荷重入力部２８ａの位置を調整するとともに、荷重調整ネジ４１によって荷重を調整し、スプリングモジュール２３へ付与する荷重入力中心Ｃを、反力中心Ａ及び弾性力中心Ｂに一致させる。

そして、上記燃料電池１０では、荷重調整ネジ４１によってセル積層体２２へ付与される圧縮荷重が、複数のコイルスプリング５３を有するスプリングモジュール２３によって面方向に均一化され、また、発電時の膨張収縮による圧縮荷重の変動が吸収される。

このとき、上記燃料電池１０によれば、複数の荷重調整ネジ４１によってスプリングモジュール２３に対して複数の荷重入力部２８ａにて荷重を付与しているので、スプリングモジュール２３のアッパプレート５１に対して安定的に荷重を付与することができる。

特に、一方向（長手方向）に沿って他方向よりも長い平面視長方形状のスプリングモジュール２３に対してその長手方向に沿って荷重調整ネジ４１による荷重入力部２８ａを配置させたので、スプリングモジュール２３のアッパプレート５１に対して複数の荷重入力部２８ａにて付与される荷重の安定化を図ることができる。

これにより、スプリングモジュール２３のアッパプレート５１及びロアプレート５２の面方向への相対的な位置ずれや傾きを抑制することができ、コイルスプリング５３による弾性力を円滑に発揮させてセル積層体２２に対して均一な圧縮荷重を安定的に付与することができる。

しかも、複数の荷重入力部２８ａにて付与される荷重入力中心Ｃを、セル積層体２２の反力中心Ａに合わされたスプリングモジュール２３の弾性力中心Ｂに一致させたので、セル積層体２２に対して均一に荷重を付与することができ、しかも、セル積層体２２における不要なモーメントの発生を抑制することができる。

なお、スプリングモジュール２３としては、複数のコイルスプリング５３を備えたものに限らず、一つのコイルスプリングを備えたものでも良く、あるいは、コイルスプリングに代えて皿バネを備えたものでも良い。

本実施形態に係る燃料電池の一部の断面図である。セル積層体の反力中心を示す図１におけるＡ−Ａ断面図である。スプリングモジュールの弾性力中心を示す図１におけるＢ−Ｂ断面図である。スプリングモジュールに対する荷重入力中心を示す図１におけるＣ−Ｃ断面図である。スプリングモジュールに対する荷重入力中心を示す図４とは別の断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１２…エンドプレート、２１…セル、２２…セル積層体、２３…スプリングモジュール（押圧装置）、２８ａ…荷重入力部、４１…荷重調整ネジ（荷重付与部）、５１…アッパプレート（板体）、５２…ロアプレート（板体）、５３…コイルスプリング（弾性部材）、Ａ…反力中心、Ｂ…弾性力中心、Ｃ…荷重入力中心。

Claims

複数のセルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向の外側に配置されたエンドプレートと、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に設けられて前記セル積層体への圧縮荷重を調整する押圧装置と、を備えた燃料電池であって、
前記エンドプレートは、複数の荷重付与部を有し、
前記押圧装置は、一対の板体と、これら板体間に配置されて弾性力によって前記板体同士を互いに離間させる弾性部材と、前記荷重付与部によって荷重が付与される複数の荷重入力部と、を有し、複数の前記荷重入力部にて付与される荷重の入力中心は、前記セル積層体の反力中心に合わされた前記押圧装置の弾性力中心に一致されている、
燃料電池。
前記押圧装置は、一方向に沿って他方向よりも長い平面形状を有し、
前記複数の荷重入力部は、当該押圧装置の長手方向に沿って配置されている、
請求項１に記載の燃料電池。
前記セル積層体の反力中心は、前記セルを構成するセパレータの外形、前記セパレータの少なくとも一面側に形成された流体流路の位置や形状、前記流体流路に燃料ガス、酸化ガス、冷媒等の流体を給排するマニホールドの位置や形状、前記セパレータ間を接着する接着剤の特性や位置、前記セパレータと共に前記セルを構成する膜電極接合体との間をシールするシール部材の特性や位置のうち、少なくとも１つが考慮されて決定される、
請求項１又は２に記載の燃料電池。