JP5067055B2 - Fuel cell and fuel cell manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、積層された複数の燃料電池セルを備えるセル積層体を備え、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池のセル積層体の締結に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a cell stack including a plurality of stacked fuel battery cells, and electrochemically generating electric power using a reaction gas, and more particularly to fastening a cell stack of a fuel cell.
燃料電池のセル積層体を締結するための締結構造としては、セル積層体の積層方向の両端において、前記セル積層体に当接する一対のエンドプレートと、セル積層体の積層方向に沿って一対のエンドプレート間に配設されたシャフト状のサイドメンバとを備え、締結ボルトによってエンドプレートとサイドメンバとを締結する構成が提案されている(例えば、特許文献1、2)。 The fastening structure for fastening the cell stack of the fuel cell includes a pair of end plates that abut the cell stack at both ends in the stacking direction of the cell stack, and a pair of cells along the stacking direction of the cell stack. A configuration has been proposed in which a shaft-shaped side member disposed between end plates is provided and the end plate and the side member are fastened by a fastening bolt (for example, Patent Documents 1 and 2).
図14は従来採用されていた締結構造を説明するための説明図である。この図14の上段に示すように、積層方向に沿って締結ボルト64rによってエンドプレート61rとサイドメンバ62rとを締結する場合、エンドプレート間のセル積層体は両エンドプレートによる押圧力を受け、その反力をエンドプレート61rに及ぼす。この反力は、図中に示すようにエンドプレート61rをセル積層体の積層方向外側に撓ませるように当該プレートに作用する。このため、図14の下段に示すように、エンドプレート61rは、エンドプレート端面側においてサイドメンバ62rと接する箇所を支点Psとしてテコの作用を締結ボルト64rに及ぼし、締結ボルト64rはいわゆる釘抜きの作用を受けることになる。この釘抜き作用により、エンドプレート61rとサイドメンバ62rとが当接する付近における締結ボルト64rの一部分Pbに応力が集中してしまう。そのため、このような締結構造では、セル積層体の締結を行う場合の強度を十分に確保するために、締結ボルトのサイズを十分に大きくする必要があり、その結果、燃料電池が大型化してしまうという問題が指摘されるに至った。
FIG. 14 is an explanatory view for explaining a fastening structure conventionally employed. As shown in the upper part of FIG. 14, when the
本発明は、上記した課題を踏まえ、セル積層体を締結する際のボルトによる締結強度の向上を図ることをその目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to improve the fastening strength with bolts when fastening a cell laminate.
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。 In order to achieve at least a part of the above object, the present invention adopts the following configuration.
[適用1:燃料電池]
反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、
積層された複数の燃料電池セルを備えるセル積層体と、
該セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端において、前記セル積層体に当接する一対のエンドプレートと、
該一対のエンドプレート間において前記積層方向に沿って配設され、前記セル積層体の前記積層方向長さより短寸のシャフト状のサイドメンバと、
前記積層方向に沿って前記サイドメンバの端面から突出して前記エンドプレートを貫通するボルト軸を備え、該ボルト軸が螺合する雌ネジ穴に前記ボルト軸を螺合させて前記エンドプレートと前記サイドメンバとを締結する締結ボルト部と、
前記短寸の前記サイドメンバと前記エンドプレートとの間の間隙を、前記ボルト軸を取り囲むようにして埋めて硬化した充填基材とを備える
ことを要旨とする。
[Application 1: Fuel cell]
A fuel cell that generates electricity electrochemically using a reaction gas,
A cell stack comprising a plurality of stacked fuel cells; and
A pair of end plates in contact with the cell stack at both ends in the stacking direction in which the plurality of fuel cells in the cell stack are stacked;
A shaft-shaped side member that is disposed between the pair of end plates along the stacking direction and is shorter than the stacking direction length of the cell stack,
A bolt shaft that protrudes from the end surface of the side member along the stacking direction and penetrates the end plate is provided, and the bolt shaft is screwed into a female screw hole into which the bolt shaft is screwed, so that the end plate and the side A fastening bolt portion for fastening the member;
The gist of the present invention is to provide a filling base material that is filled and hardened so as to surround the bolt shaft so as to surround the gap between the short side member and the end plate.
[適用2:燃料電池の製造方法]
反応ガスを用いた電気化学的な発電の単位である燃料電池セルを複数積層したセル積層体を備えた燃料電池の製造方法であって、
前記セル積層体の前記燃料電池セルの積層方向の両端にエンドプレートを当接させ、
前記セル積層体の両端のエンドプレート間に、前記セル積層体の前記積層方向長さより短寸のシャフト状サイドメンバを配設し、
前記積層方向に沿って前記サイドメンバの端面から突出して前記エンドプレートを貫通するボルト軸を該ボルト軸が螺合する雌ネジ穴に螺合させる締結ボルト部にて前記ボルト軸の締め付けを行い、前記短寸の前記サイドメンバと前記エンドプレートとの間に間隙を残して前記セル積層体を前記エンドプレートの間で締結し、
前記間隙を、前記ボルト軸を取り囲むようにして充填基材にて埋め、該充填基材を硬化させる
ことを要旨とする。
[Application 2: Manufacturing method of fuel cell]
A method for producing a fuel cell comprising a cell laminate in which a plurality of fuel cells that are units of electrochemical power generation using a reaction gas are laminated,
The end plate is brought into contact with both ends of the fuel cell in the stacking direction of the cell stack,
Between the end plates at both ends of the cell laminate, a shaft-shaped side member shorter than the stacking direction length of the cell laminate is disposed,
The bolt shaft is tightened with a fastening bolt portion that projects from the end surface of the side member along the stacking direction and is screwed into a female screw hole into which the bolt shaft is screwed. Fastening the cell stack between the end plates leaving a gap between the short side members and the end plates;
The gist is to fill the gap with a filling base material so as to surround the bolt shaft, and to cure the filling base material.
燃料電池の有するセル積層体の締結に際しては、セル積層体の両端に位置して当該積層体端面に当接する両エンドプレートとこの両エンドプレートの間のサイドメンバとを締結ボルト部にて締結し、これによりエンドプレート間のセル積層体についての締結を図る。この締結は、締結ボルトのボルト軸をエンドプレートを貫通してサイドメンバの雌ネジ穴に至らしめ、そのボルト軸をサイドメンバの雌ネジ穴に螺合させることでなされる。或いは、サイドメンバ端面から突出してエンドプレートを貫通したボルト軸に雌ネジ穴を有するナットをエンドプレートの外側で螺合させることでなされる。 When fastening the cell stack that the fuel cell has, the end bolts positioned at both ends of the cell stack and contacting the end faces of the stack and the side members between the end plates are fastened by the fastening bolts. Thus, the cell laminate between the end plates is fastened. This fastening is performed by passing the bolt shaft of the fastening bolt through the end plate to reach the female screw hole of the side member, and screwing the bolt shaft into the female screw hole of the side member. Alternatively, it is made by screwing a nut having a female screw hole on the bolt shaft protruding from the end face of the side member and penetrating the end plate outside the end plate.
ところで、サイドメンバは、セル積層体の前記積層方向長さより短寸のシャフトであることから、セル積層体は、サイドメンバとエンドプレートとの間に間隙を残した状態で締結ボルトにて締結される。そして、この間隙はボルト軸を取り囲むようにして埋めて硬化した充填基材で埋められるが、上記した締結が行われた状態においては、サイドメンバとエンドプレートとの間に間隙を残しておくことができる。つまり、エンドプレートをサイドメンバの端面に当接させないで、セル積層体を締結できる。 By the way, since the side member is a shaft shorter than the length in the stacking direction of the cell stack, the cell stack is fastened by a fastening bolt with a gap left between the side member and the end plate. The The gap is filled with a filling base material that is filled and hardened so as to surround the bolt shaft. However, in the state where the fastening is performed, the gap is left between the side member and the end plate. Can do. That is, the cell stack can be fastened without bringing the end plate into contact with the end surface of the side member.
そうすると、図14で説明したように、締結済みのセル積層体が押圧に対する反力をエンドプレートに及ぼしたとしても、この反力を受けるエンドプレートは、その反力に応じてセル積層体の積層方向外側に撓むものの、エンドプレート端面側でのサイドメンバとの当接を起こさないことから、締結ボルトに釘抜きの作用を及ぼさない。よって、サイドメンバ端面の雌ネジ穴への締結ボルトのボルト軸螺合を通してセル積層体を締結する際には、釘抜き作用による応力集中を締結ボルトに起きないようにできるので、セル積層体の締結を行う場合の強度を、締結ボルトのサイズを不用意に大きくすることなく確保もしくは向上できる。このため、燃料電池の大型化を高い実効性で回避できる。そして、上記したボルト軸螺合を通してセル積層体を締結した状態において、サイドメンバとエンドプレートとの間の間隙を、ボルト軸を取り囲むようにして充填基材にて埋め、該充填基材を硬化させる。よって、充填基材硬化後のセル積層体の締結は、上記の隙間の充填基材とサイドメンバとが一体となった状態のものとなる。このような充填基材とサイドメンバとの一体化は、燃料電池を拘束する剛性の向上に寄与するので、燃料電池に対してセル積層体の積層方向と交差する方向から加わる外力に対する耐衝撃性も高まる。 Then, as described in FIG. 14, even if the cell stack that has been fastened exerts a reaction force against the pressing on the end plate, the end plate that receives this reaction force is stacked in accordance with the reaction force. Although it bends outward in the direction, it does not cause contact with the side member on the end face side of the end plate, so that it does not exert a nail pulling action on the fastening bolt. Therefore, when fastening the cell laminate through the bolt shaft screwing of the fastening bolt into the female screw hole on the side member end face, it is possible to prevent stress concentration due to the nail pulling action from occurring on the fastening bolt. It is possible to ensure or improve the strength when performing the above without inadvertently increasing the size of the fastening bolt. For this reason, enlargement of the fuel cell can be avoided with high effectiveness. Then, in a state in which the cell stack is fastened through the bolt shaft screwing described above, the gap between the side member and the end plate is filled with the filling base material so as to surround the bolt shaft, and the filling base material is cured. Let Therefore, fastening of the cell laminate after curing of the filling base material is in a state where the filling base material and the side member in the gap are integrated. Such integration of the filling base material and the side member contributes to improvement of rigidity for restraining the fuel cell, and therefore, impact resistance to external force applied to the fuel cell from the direction intersecting the stacking direction of the cell stack. Will also increase.
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、ボルト軸螺合を通したセル積層体の締結状態でのサイドメンバとエンドプレートとの間隙を充填基材にて埋めるに当たり、まず、この間隙におけるサイドメンバ端面とエンドプレートとの間にスペーサを介在させ、次いで、スペーサとサイドメンバ端面との隙間および/またはスペーサとエンドプレートとの隙間に接着剤を充填して硬化させることもできる。こうすれば、間隙に介在するスペーサは、接着剤によりサイドメンバと一体化し、エンドプレートとも一体化することから、間隙を埋める充填基材としての強度を確保できる。 The fuel cell described above can be configured as follows. For example, when filling the gap between the side member and the end plate in the fastening state of the cell laminate through the bolt shaft screwing with the filling base material, first, a spacer is provided between the end face of the side member and the end plate in the gap. Then, the gap between the spacer and the side member end surface and / or the gap between the spacer and the end plate can be filled with an adhesive and cured. In this way, the spacer interposed in the gap is integrated with the side member by the adhesive and is also integrated with the end plate, so that the strength as a filling base material filling the gap can be secured.
また、スペーサを、締結ボルトによるセル積層体の締結後において、ボルト軸を取り囲むように隙間においてボルト軸に装着可能な態様、例えば、ボルト軸の軸径より大きな径の貫通孔を有する筒状体を貫通孔の軸方向に分割したスペーサ、或いは、ボルト軸が入り込むスリットを有するスペーサとできる。こうすれば、締結ボルトによるセル積層体の締結後におけるスペーサ装着が簡便となり、作業の簡便化を進めることができる。 Also, after fastening the cell stack with fastening bolts, the spacer can be attached to the bolt shaft in a gap so as to surround the bolt shaft, for example, a cylindrical body having a through-hole having a diameter larger than the shaft diameter of the bolt shaft Can be a spacer that is divided in the axial direction of the through hole, or a spacer having a slit into which the bolt shaft enters. If it carries out like this, the spacer mounting | wearing after the cell laminated body fastening with a fastening bolt will become easy, and simplification of an operation | work can be advanced.
また、接着剤を、母材に分散材を分散させた複合材とすれば、硬化後の接着剤とスペーサからなる充填基材しての強度を高めることができるので、上記した耐衝撃性の向上に寄与できる。この場合、充填基材そのものを、間隙充填後に硬化する複合材、例えば繊維強化複合材(プラスチック)とすることもできる。 Further, if the adhesive is a composite material in which a dispersion material is dispersed in a base material, the strength as a filling base material composed of a cured adhesive and a spacer can be increased. It can contribute to improvement. In this case, the filled base material itself can be a composite material that hardens after gap filling, for example, a fiber-reinforced composite material (plastic).
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は本発明の実施例としての燃料電池10の全体構成を示す斜視図、図2はこの燃料電池10の全体構成の要部を分解して示す分解斜視図、図3は図1のA−A断面で燃料電池10を切断した断面を締結箇所と共に示す断面図、図4はセル積層体50の詳細構成を示す説明図である。これらに図示するように、燃料電池10は、積層された複数の燃料電池セルを備えるセル積層体50と、セル積層体50を締結する締結機構60とを備え、タンクや改質器などの図示しないガス供給部から供給される反応ガスの電気化学反応によって発電する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a
本実施例では、燃料電池10は、固体高分子型の燃料電池を含み、燃料電池10に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池10に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池10に用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。本実施例では、燃料電池10は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池であり、燃料電池10に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池10の外部に排出され、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池10に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池10の外部に排出される。
In the present embodiment, the
図4に示すように、セル積層体50は、略同一形状に成形された複数の板状部材を積層して構成され、セル積層体50は、これらの部材の形状を断面とする柱状の立体となる。本実施例では、図2および図4に示すように、セル積層体50は、直方体の上面から底面にわたって矩形断面の四隅を切り欠いた形状を有する。燃料電池10のセル積層体50は、反応ガスの電気化学反応が行われる膜電極接合体(MEA)320を有する発電プレート300と、発電プレート300に反応ガスを供給するセパレータ200とを備え、これら発電プレート300およびセパレータ200は交互に複数積層されている。これによって、セル積層体50には、発電プレート300を二つのセパレータ200で挟み込んだ燃料電池セルが複数形成される。セル積層体50は、セパレータ200および発電プレート300を交互に積層したスタック構造を両側から挟持して燃料電池セルの各々で発電された電気を集電する一対のターミナル120、420と、ターミナル120、420で挟持されたスタック構造を更に両側から挟持して電気的に絶縁する一対のインシュレータ110、410とを備える。
As shown in FIG. 4, the
本実施例では、燃料電池10は、図1〜図3に示すように、セル積層体50を保護する拘束シート510を備え、セル積層体50の積層方向Dsに沿った側面は、拘束シート510によって包まれている。本実施例では、拘束シート510は、ゴム製やウレタン製のシート状の部材を含む。
In this embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, the
燃料電池10の締結機構60は、図1〜図3に示すように、セル積層体50を積層方向Dsの両端から挟持する一対のエンドプレート61、63と、この両エンドプレート間においてセル積層体50の積層方向Dsに沿って配設されるサイドメンバ62と、エンドプレート61、63の各々とサイドメンバ62とを連結してセル積層体50の締結に関与する締結ボルト64と、エンドプレート61、63の各々とサイドメンバ62との各間に配設・形成される充填ジョイント部66とを備える。この場合、サイドメンバ62は、セル積層体50の4隅に用意され、セル積層体50の積層方向の長さより短寸のシャフト(角柱シャフト)とされている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
締結機構60の充填ジョイント部66は、完成品としての燃料電池10を示す図1および図3に示すように、本実施例では、スペーサ660と、当該スペーサとサイドメンバ端面およびサイドメンバとの隙間にて硬化した接着材層670とを含む。この充填ジョイント部66の構成および形成の様子は、以下の通りである。
As shown in FIG. 1 and FIG. 3 showing the
図5は対向するエンドプレート61とサイドメンバ62とを締結ボルト64および充填ジョイント部66にて連結した様子を断面視にて拡大して示す拡大断面図である。図6はエンドプレート61とサイドメンバ62との連結の様子を断面視にて分解して示す説明図、図7はエンドプレート61とサイドメンバ62との連結の様子を斜視にて示す説明図である。締結機構60を構成する締結ボルト64は、丸棒状のボルト軸644を有する金属製のボルトであり、ボルト軸644の一端側を雄ネジ部646とし、他端側を六角形のボルトヘッド642とする。このボルトヘッド642は、エンドプレート61の貫通孔614の径より大きくされ、ボルト軸644はエンドプレート61の貫通孔614およびサイドメンバ62の通過穴624より小径とされている。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which the
締結機構60のエンドプレート61、63は、図1〜図3に示すように、セル積層体50の断面形状に合わせた金属製の板状部材である。エンドプレート61、63は、サイドメンバ62に対応する位置に設けられ積層方向Dsに略沿って締結ボルト64を貫通させる貫通孔614を有し、エンドプレート61は、貫通孔614に加え、反応ガスや冷却水を供給および排出するためにセル積層体50に設けられた流路に連通する貫通孔618を有する。図5〜図7に示すように、エンドプレート61、63の貫通孔614は、締結ボルト64のボルト軸644の直径より大径とされている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
締結機構60のサイドメンバ62は、エンドプレート61側およびエンドプレート63側の各端側に、締結ボルト64の雄ネジ部646と螺合する雌ネジ穴626と、ボルト軸644の案内孔となる通過穴624とを備える。本実施例では、燃料電池10は、角柱状に成形された四つのサイドメンバ62を備え、これら四つのサイドメンバ62は、拘束シート510上からセル積層体50の四隅のコーナ段差部にそれぞれ嵌るように当接した状態で配設される。
The
充填ジョイント部66のスペーサ660は、ボルト軸644の軸径より大きな径の貫通孔661を有する筒状体を貫通孔661の軸方向に分割したいわゆるツーピース部材である。本実施例では、二つのスペーサ660を貫通孔661の側で向かい合わせた場合、その外郭形状(四角形状)はサイドメンバ62とほぼ同じようにされている。この場合、一方のスペーサ660は、サイドメンバ62を上記したようにセル積層体50の四隅に配設する際、セル積層体50のコーナ段差部に装着される。よって、他方のスペーサ660をセル積層体50のコーナ段差部に装着済みのスペーサ660に向かい合うよう配設することで、スペーサ660は、ボルト軸644を取り囲むことになる。そして、こうしたスペーサ装着は、スペーサ660が上記したツーピース部材であるために、締結ボルト64によるセル積層体50の締結後において実行できる。
The
次に、燃料電池10の製造工程、詳しくはセル積層体50の締結の様子について説明する。図8はセル積層体50の締結の手順を説明するための説明図である。燃料電池10の製造に際しては、まず、図4に示したセル積層体50を製作し、そのセル積層体50を図2に示すように対向するエンドプレート61、63で挟み込む。これにより、セル積層体50は、その両端においてエンドプレート61、63に当接する。次に、セル積層体50の両端のエンドプレート61、63の間に、既述したようにセル積層体50の積層方向長さより短寸とされたサイドメンバ62をセル積層体50の各コーナ段差部に配設する。このサイドメンバ配設と同時に或いはそれに前後して、一方のスペーサ660を、セル積層体50の各コーナ段差部に配設する。この場合、サイドメンバ62をセル積層体50の積層方向長さより短寸とするに際しては、図8(A)に示すように、サイドメンバ62の端面とエンドプレート61、63との間に、サイドメンバ62の厚み以上の間隙Kが形成されるよう、サイドメンバ長さが規定されている。
Next, a manufacturing process of the
サイドメンバ62の配設が完了すると、締結ボルト64を、エンドプレート61の外側から貫通孔614に挿入し、ボルト先端の雄ネジ部646をサイドメンバ62における雌ネジ穴626に螺合させる。そして、セル積層体50を締結する際に規定されている所定の締め付けトルクで締結ボルト64を締め付ける。このボルト締め付けにより、セル積層体50は、エンドプレート61、63の間で締結される。このセル積層体50の締結が完了した状態は、図8(A)に示されており、この状態では、サイドメンバ62が既述したように短寸であることから、サイドメンバ62とその両端側のエンドプレート61、63との間には間隙Kが形成される。この場合、一方のスペーサ660は、間隙Kにおいてセル積層体50に装着済みであるが、この間隙Kを埋めるものではない。
When the arrangement of the
セル積層体50の締結完了後は、図8(B)に示すように、他方のスペーサ660を、セル積層体50に装着済みのスペーサ660と向かい合わせて装着する。これにより、向かい合うスペーサ660は、締結ボルト64によるセル積層体50の締結後において、ボルト軸644を取り囲むように間隙Kにおいてボルト軸644に装着された状態となる。
After completing the fastening of the
次に、図8(C)に示すように、エポキシ系接着剤の容器SCから、エポキシ系接着剤をスペーサ660の両側の隙間に注入・充填し、充填済みの接着剤を硬化させる。これにより、間隙Kは、締結ボルト64のボルト軸644がスペーサ660と硬化済みのエポキシ系接着剤とで取り囲まれるようにして埋められることになる。この硬化済みエポキシ系接着剤は、接着材層670となる。そして、サイドメンバ62は、間隙Kにて硬化したエポキシ系接着剤とスペーサ660と一体となった上で、セル積層体50の両端のエンドプレート61、63を支えることになる。この場合、エポキシ系接着剤を間隙Kに注入・充填するに当たり、スペーサ660がサイドメンバ端面、或いはエンドプレートに当接した状態であれば、スペーサ660の一方の側にエポキシ系接着剤を間隙Kに注入・充填するようにすることもできる。
Next, as shown in FIG. 8C, the epoxy adhesive is injected and filled into the gaps on both sides of the
以上説明したように、本実施例の燃料電池10では、セル積層体50の締結に際して、セル積層体50の両端に位置して当該積層体端面に当接するエンドプレート61、63とこの両エンドプレートの間のサイドメンバ62とを締結ボルト64にて締結し、これによりエンドプレート間のセル積層体50についての締結を図る。この締結は、締結ボルト64のボルト軸先端の雄ネジ部646をエンドプレート61、63を貫通してサイドメンバ52の雌ネジ穴626に至らしめ、雄ネジ部646をサイドメンバ62の雌ネジ穴626に螺合し、締結ボルト64を所定のトルクで締め付けることでなされる。既述したようにサイドメンバ62は短寸とされていることから、この締結ボルト64の締め付けは、図8(A)に示すように、サイドメンバ62の端面とエンドプレート61、63との間に間隙Kを残した状態でなされる。この場合、間隙Kには一方のスペーサ660が存在するが、エンドプレート端面側、図における上端側では、サイドメンバ62の端面とエンドプレート61、63との間に間隙Kが残されていることに変わりはない。このため、エンドプレート61、63をサイドメンバ62の端面に当接させないで、セル積層体50を締結できる。
As described above, in the
本実施例では、このようにしてセル積層体50の締結が完了した後に、図8(B)に示すように、他方のスペーサ660をセル積層体50に装着済みのスペーサ660と向かい合わせて装着し、その上で、図8(C)に示すように、この間隙Kをエポキシ系接着剤で埋めて当該接着剤を硬化させ、向かい合ったスペーサ660の両側に接着材層670を形成する。そして、接着材層670の形成後にあっては、サイドメンバ62とスペーサ660および接着材層670は一体化して、セル積層体50の両端のエンドプレート61、63を支える。
In this embodiment, after the fastening of the
従って、図8(A)に示すセル積層体50の締結に際しては、この締結に伴いエンドプレート61、63は、セル積層体50から押圧に対する反力を受けてセル積層体50の積層方向外側に撓むものの、エンドプレート端面側でのサイドメンバ62とは当接することはない。このため、エンドプレート61、63は、セル積層体50の締結に際してテコの作用による釘抜き作用を締結ボルト64に及ぼさないので、釘抜き作用による応力集中を締結ボルト64に起きないようにできる。この結果、本実施例の燃料電池10では、セル積層体50の締結を行う場合の強度(締結強度)を、締結ボルト64のサイズを不用意に大きくすることなく確保できる。換言すれば、同じサイズの締結ボルト64を用いてセル積層体50の締結を行った場合には、セル積層体50の締結強度を向上できる。このため、本実施例によれば、燃料電池10の小型化を推進できる。
Therefore, when the
しかも、本実施例の燃料電池10では、締結ボルト64によるセル積層体50の締結後に、サイドメンバ62とエンドプレート61、63との間の間隙Kにスペーサ660が介在した状態でエポキシ系接着剤を硬化させて接着材層670を形成して、間隙Kを、スペーサ660と接着材層670で取り囲むようにして埋め尽くし、サイドメンバ62とスペーサ660および接着材層670とを一体化してセル積層体50の両端のエンドプレート61、63を支えるようにした。このため、接着材層670を介したスペーサ660とサイドメンバ62との一体化、および、エンドプレート61、63との一体化により、間隙Kを埋めるスペーサ660と接着材層670の強度を確保した上で、燃料電池10をセル積層体50の積層方向に沿って拘束する剛性を高めることができる。よって、燃料電池10に対してセル積層体50の積層方向と交差する方向から加わる外力に対する耐衝撃性も高まる。この場合、本実施例では、向かい合うスペーサ660の外郭形状をサイドメンバ62と同様の四角形状としたので、サイドメンバ62とスペーサ660とはその対向面積、即ち接着材層670による接着面積が増すので、上記した一体化の上で好ましい。
Moreover, in the
また、本実施例では、セル積層体50の締結に先立って一方のスペーサ660をセル積層体50に装着し、締結後において他方のスペーサ660を装着済みのスペーサ660に向かい合わせて容易に装着できる。よって、燃料電池製造の際の作業の簡便化を図ることができる。
In this embodiment, one
次に、他の実施例について説明する。図9は図2相当図であり他の実施例の燃料電池10の全体構成の要部を分解して示す分解斜視図、図10は図7相当図でありスペーサ663を用いた場合のエンドプレート61とサイドメンバ62との連結の様子を斜視にて示す説明図である。図示するように、この実施例では、用いるスペーサ663は、締結ボルト64のボルト軸644の径より大きい幅のスリット664を有する。そして、このスペーサ663を用いる場合にあっては、スペーサ663の未装着の状態でセル積層体50の締結を行い、締結後に、スペーサ663をボルト軸644がスペーサ663に入り込むように装着し、既述したようにエポキシ系接着剤にて接着材層670を形成する。この実施例によっても、上記した効果を奏することができる。
Next, another embodiment will be described. FIG. 9 is an exploded perspective view corresponding to FIG. 2 and an exploded perspective view showing an essential part of the overall configuration of the
図11はまた別の実施例におけるサイドメンバ62とエンドプレート61との連結の様子をセル積層体締結が完了した状態で断面視にて拡大して示す拡大断面図、図12はこの実施例におけるセル積層体締結の際のサイドメンバ62とエンドプレート61との連結の様子を斜視にて示す説明図である。
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing a state of connection between the
図11に示すように、この実施例では、サイドメンバ62は、先端に円柱形状の案内筒部627を備え、当該筒部外周にはスリーブ665が遊嵌されている。スリーブ665は、案内筒部627の外周において軸方向に移動であり、軸方向に沿ってスリット666を有する。このスリット666は、エポキシ系接着剤の注入のためのものであり、スリット経路は、内部への接着剤の注入の便のため、一部箇所が円形とされている。そして、完成状態の燃料電池10においては、この図11に示すように、スリーブ665は、案内筒部627に遊嵌したままエンドプレート61に当接するよう位置し、スリーブ内部には接着材層671が形成されている。
As shown in FIG. 11, in this embodiment, the
この実施例では、図12に示すように、スリーブ665を案内筒部627の基部側に位置させ、この状態で、締結ボルト64によりエンドプレート61とサイドメンバ62を連結してセル積層体50を締結する。この際にあっても、サイドメンバ62の端面、即ち案内筒部627の先端面とエンドプレート61との間には間隙Kが形成され、この間隙Kを残したまま既述したようにセル積層体50の締結が行われる。そして、この締結後には、図12に示す矢印Xの方向にスリーブ665を滑らせてボルト軸644の軸周りに空隙を形成し、当該空隙に、スリット666からエポキシ系接着剤を注入・充填して、スリット内に接着材層671を形成する。
In this embodiment, as shown in FIG. 12, the
この実施例にあっても、セル積層体50の締結に際してはエンドプレート61とサイドメンバ62は、間隙Kを残したまま締結ボルト64により締め付けられるので、両者の当接を起こさない。また、締結完了後には、スリーブ665で囲まれた空隙に接着材層671を形成してサイドメンバ62とスリーブ665を一体化する。よって、この実施例によっても、既述した効果を奏することができる。
Even in this embodiment, when the
そして、スリーブ665の内部に注入・充填するエポキシ系接着剤を、炭素繊維等を分散材(フィラー)とした複合材とすることができる。こうすれば、硬化後の接着材層671自体の強度向上、並びにスリーブ665とサイドメンバ62との一体化物としての強度を高めることができるので、燃料電池10に対してセル積層体50の積層方向と交差する方向から加わる外力に対しての耐衝撃性をより高めることができる。
The epoxy adhesive to be injected and filled into the
この実施例は次のように変形できる。図13はスリーブ665を用いた変形例でのサイドメンバ62とエンドプレート61との連結の様子をセル積層体締結が完了した状態で断面視にて拡大して示す拡大断面図である。この変形例では、エンドプレート61は、サイドメンバ62の側に座グリ穴615を備える。そして、スリーブ665は、サイドメンバ62の案内筒部627に遊嵌したままエンドプレート61の座グリ穴615に入り込み、その内部の接着材層671を取り囲む。この変形例でのセル積層体50の締結は、図12で説明したようにスリーブ665を案内筒部627の基部側に位置した状態で行われ、その締結後に、スリーブ665を座グリ穴615に嵌め込んで接着材層671が形成される。この変形例では、スリーブ665とその内部で硬化した接着材層671とにより、エンドプレート61とサイドメンバ62の一体化がより確実となるので、燃料電池10に対してセル積層体50の積層方向と交差する方向から加わる外力に対しての耐衝撃性をより高めることができる。なお、この変形例にあっても、エポキシ系接着剤を炭素繊維等を分散材(フィラー)とした複合材とすれば、より好ましい。
This embodiment can be modified as follows. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a state of connection between the
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、スペーサ660をツーピース部材としたりスリ割りを有する部材としたが、貫通孔を有するだけのスペーサであってその厚みが間隙Kの間隔より薄いスペーサを、締結ボルト64のボルト軸644に遊嵌させておいて、セル積層体50を締結するようにすることもできる。
As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Is possible. For example, in the above-described embodiment, the
また、サイドメンバ62とエンドプレート61との間のセル積層体50の締結に際し、締結ボルト64の雄ネジ部646をサイドメンバ端面の雌ネジ穴626に螺合させたが、次のようにできる。つまり、サイドメンバ62の雌ネジ穴626にいわゆる寸切りのボルト軸を螺合させた上で、当該ボルト軸をサイドメンバ端面から突出させてエンドプレート61を貫通させる。そして、エンドプレート61の外側において、ボルト軸先端側にナットを螺合させるようにすることもできる。或いは、サイドメンバ62の端面にボルト軸そのものを切削形成し、このボルト軸の先端側にナットを螺合させるようにしてもよい。
Further, when the
10…燃料電池
50…セル積層体
52…サイドメンバ
60…締結機構
61、63…エンドプレート
62…サイドメンバ
64…締結ボルト
66…充填ジョイント部
110…インシュレータ
120…ターミナル
200…セパレータ
300…発電プレート
510…拘束シート
614…貫通孔
615…座グリ穴
618…貫通孔
624…通過穴
626…雌ネジ穴
627…案内筒部
642…ボルトヘッド
644…ボルト軸
646…雄ネジ部
660…スペーサ
661…貫通孔
663…スペーサ
664…スリット
665…スリーブ
666…スリット
670…接着材層
671…接着材層
K…間隙
SC…容器
DESCRIPTION OF
Claims (10)
積層された複数の燃料電池セルを備えるセル積層体と、
該セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端において、前記セル積層体に当接する一対のエンドプレートと、
該一対のエンドプレート間において前記積層方向に沿って配設され、前記セル積層体の前記積層方向長さより短寸のシャフト状のサイドメンバと、
前記積層方向に沿って前記サイドメンバの端面から突出して前記エンドプレートを貫通するボルト軸を備え、該ボルト軸が螺合する雌ネジ穴に前記ボルト軸を螺合させて前記エンドプレートと前記サイドメンバとを締結する締結ボルト部と、
前記短寸の前記サイドメンバと前記エンドプレートとの間の間隙を、前記ボルト軸を取り囲むようにして埋めて硬化した充填基材とを備える
燃料電池。 A fuel cell that generates electricity electrochemically using a reaction gas,
A cell stack comprising a plurality of stacked fuel cells; and
A pair of end plates in contact with the cell stack at both ends in the stacking direction in which the plurality of fuel cells in the cell stack are stacked;
A shaft-shaped side member that is disposed between the pair of end plates along the stacking direction and is shorter than the stacking direction length of the cell stack,
A bolt shaft that protrudes from the end surface of the side member along the stacking direction and penetrates the end plate is provided, and the bolt shaft is screwed into a female screw hole into which the bolt shaft is screwed, so that the end plate and the side A fastening bolt portion for fastening the member;
A fuel cell comprising: a filling base material which is filled and hardened so as to surround the bolt shaft so as to surround the gap between the short side member and the end plate.
前記充填基材は、
前記間隙において、前記サイドメンバの端面と前記エンドプレートとの間に介在するスペーサと、
該スペーサと前記サイドメンバの端面との隙間および/または前記スペーサと前記エンドプレートとの隙間を埋めて硬化する接着剤とを含む
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The filling substrate is
A spacer interposed between the end surface of the side member and the end plate in the gap;
A fuel cell comprising: an adhesive that fills and cures a gap between the spacer and the end surface of the side member and / or a gap between the spacer and the end plate.
前記セル積層体の前記燃料電池セルの積層方向の両端にエンドプレートを当接させ、
前記セル積層体の両端のエンドプレート間に、前記セル積層体の前記積層方向長さより短寸のシャフト状サイドメンバを配設し、
前記積層方向に沿って前記サイドメンバの端面から突出して前記エンドプレートを貫通するボルト軸を該ボルト軸が螺合する雌ネジ穴に螺合させる締結ボルト部にて前記ボルト軸の締め付けを行い、前記短寸の前記サイドメンバと前記エンドプレートとの間に間隙を残して前記セル積層体を前記エンドプレートの間で締結し、
前記間隙を、前記ボルト軸を取り囲むようにして充填基材にて埋め、該充填基材を硬化させる
燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell comprising a cell laminate in which a plurality of fuel cells that are units of electrochemical power generation using a reaction gas are laminated,
The end plate is brought into contact with both ends of the fuel cell in the stacking direction of the cell stack,
Between the end plates at both ends of the cell laminate, a shaft-shaped side member shorter than the stacking direction length of the cell laminate is disposed,
The bolt shaft is tightened with a fastening bolt portion that projects from the end surface of the side member along the stacking direction and is screwed into a female screw hole into which the bolt shaft is screwed. Fastening the cell stack between the end plates leaving a gap between the short side members and the end plates;
A method of manufacturing a fuel cell, wherein the gap is filled with a filling substrate so as to surround the bolt shaft, and the filling substrate is cured.
前記間隙を前記充填基材にて埋める際には、
前記間隙における前記サイドメンバの端面と前記エンドプレートとの間にスペーサを介在させ、
該スペーサと前記サイドメンバの端面との隙間および/または前記スペーサと前記エンドプレートとの隙間に接着剤を充填して硬化させる
燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell according to claim 4 or 5, wherein
When filling the gap with the filling substrate,
A spacer is interposed between the end surface of the side member in the gap and the end plate;
A method of manufacturing a fuel cell, wherein an adhesive is filled in the gap between the spacer and the end surface of the side member and / or the gap between the spacer and the end plate.
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