JP5114973B2 - 燃料電池および燃料電池用締結装置 - 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構成す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、燃料電池においてセル積層体を締結する構造に関する。
燃料電池には、セル積層体を締結するための構造として、セル積層体の積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、その一対のエンドプレートの間に挟持されるサイドメンバとを備え、セル積層体の積層方向に略沿ったボルト軸力によってエンドプレートとサイドメンバとを連結したものがある。次の特許文献1には、セル積層体の積層方向に略沿った連結ボルトの軸力によってエンドプレートとサイドメンバとを連結した燃料電池が開示されている。
特開2004−335336号公報
従来、セル積層体の積層方向に略沿った連結ボルトの軸力によってエンドプレートとサイドメンバとを連結した燃料電池では、セル積層体の積層方向に交差する方向からの荷重によるエンドプレートとサイドメンバとの間のズレを阻止するための抗力は、エンドプレートとサイドメンバとを連結する連結ボルトの軸力に依存するため、燃料電池の強度を十分に確保するためには、連結ボルトのサイズを十分に大きくする必要があった。その結果、燃料電池が大型化してしまうという問題があった。
本発明は、上記した課題を踏まえ、セル積層体を締結する構造の強度を向上させることができる燃料電池および燃料電池用締結装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明の一形態である燃料電池は、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構成するセル積層体と、前記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それぞれ当接する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に挟持された状態で、該一対のエンドプレート間の距離を確定すると共に、前記セル積層体における異なる隅にそれぞれ配置された4つのサイドメンバと、前記積層方向に沿ったボルト軸力によって、前記一対のエンドプレートと前記4つのサイドメンバとを連結する複数の連結ボルト部と、前記一対のエンドプレートの各々に設けられ、前記4つのサイドメンバの各々における前記積層方向に直交する方向を向いた2つの表面に当接する複数のストッパ部とを備えることを特徴とする。この燃料電池によれば、エンドプレートに設けられたストッパ部が、サイドメンバに当接することによって、積層方向に直交する方向にサイドメンバが移動するのを抑制する。その結果、エンドプレートおよびサイドメンバを積層方向に沿ったボルト軸力で連結してセル積層体を締結する締結構造の強度を向上させることができる。
上述の燃料電池は、次の態様を採ることもできる。例えば、前記エンドプレートは、他方のエンドプレートと共に前記サイドメンバを挟持するエンドプレート本体部を含み、前記ストッパ部は、前記エンドプレート本体部とは別体に形成され、該エンドプレート本体部に連結された別体ストッパ部を含むとしても良い。これによって、エンドプレート本体部とサイドメンバとをボルト軸力で連結した後で、そのエンドプレート本体部に別体ストッパ部を連結することによって、エンドプレートおよびサイドメンバをセル積層体に対して取り付ける工程を容易に行うことができる。
また、前記サイドメンバは、前記積層方向に沿った方向を向いた表面であって前記エンドプレートに当接する表面であるサイド当接面と、前記サイド当接面から前記積層方向に沿って突出したサイド突出部とを含み、前記ストッパ部は、前記サイド突出部に嵌合するエンド陥没部を含むとしても良い。これによって、エンドプレートに対するサイドメンバの位置決めを容易に行うことができる。
また、前記サイドメンバは、前記積層方向に沿った方向を向いた表面であって前記エンドプレートに当接する表面であるサイド当接面と、前記サイド当接面から前記積層方向に沿って陥没したサイド陥没部とを含み、前記ストッパ部は、前記サイド陥没部に嵌合するエンド突出部を含むとしても良い。これによって、エンドプレートに対するサイドメンバの位置決めを容易に行うことができる。
また、本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を用いて走行する車両、燃料電池を運転する燃料電池システム、セル積層体を締結する締結装置、セル積層体を締結する方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
A.実施例:
A−1.燃料電池10の構成:
図1は、燃料電池10の全体構成を示す斜視図である。図2は、燃料電池10の全体構成を示す組立斜視図である。図3は、図1のA−A断面で燃料電池10を切断した断面を示す断面図である。図1,2,3に示すように、燃料電池10は、積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体50と、セル積層体50を締結する締結装置60とを備え、燃料電池10の外部から供給された反応ガスの電気化学反応によって発電する。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。
図4は、セル積層体50の詳細構成を示す説明図である。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。
図1,2,3に示すように、本実施例では、燃料電池10は、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。
図1,2,3に示すように、燃料電池10は、締結装置60を構成する部材として、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610,630と、セル積層体50を挟持するエンドプレート610,630間の距離を確定するサイドメンバ620と、エンドプレート610とサイドメンバ620とを連結する連結ボルト640と、エンドプレート630とサイドメンバ620とを連結する連結ボルト650とを備える。
締結装置60のエンドプレート610は、セル積層体50の断面形状よりも一回り大きな金属製の板状部材である。エンドプレート610は、セル積層体50の積層方向Dsに略沿って突出してサイドメンバ620の側面に当接するストッパ部612と、サイドメンバ620に対応する位置に設けられ連結ボルト640を貫通可能な貫通孔部614と、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部618とを備える。本実施例では、図2および3に示すように、エンドプレート610のストッパ部612は、サイドメンバ620の表面のうち、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向を向いた表面であって、セル積層体50が位置する側とは反対側を向いた二つの表面に当接する。これによって、ストッパ部612は、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50の反対側へ向かう方向にサイドメンバ620が移動するのを抑制する。
締結装置60のエンドプレート630は、セル積層体50の断面形状よりも一回り大きな金属製の板状部材である。エンドプレート630は、セル積層体50の積層方向Dsに略沿って突出してサイドメンバ620の側面に当接するストッパ部632と、サイドメンバ620に対応する位置に設けられ連結ボルト650を貫通可能な貫通孔部634とを備える。本実施例では、図2および3に示すように、エンドプレート630のストッパ部632は、サイドメンバ620の表面のうち、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向を向いた表面であって、セル積層体50が位置する側とは反対側を向いた二つの表面に当接する。これによって、ストッパ部632は、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50の反対側へ向かう方向にサイドメンバ620が移動するのを抑制する。
締結装置60のサイドメンバ620は、金属製の柱状部材である。サイドメンバ620は、エンドプレート610に当接する一方の端面に設けられ連結ボルト640と螺合可能なボルト穴部624と、エンドプレート630に当接する他方の端面に設けられ連結ボルト650と螺合可能なボルト穴部625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620を備え、これら四つのサイドメンバ620は、拘束シート510上からセル積層体50の四隅にそれぞれ嵌るように当接した状態で配置される。
締結装置60の連結ボルト640は、金属製のボルトであり、セル積層体50の積層方向Dsに略沿った方向で、エンドプレート610の貫通孔部614を貫通して、サイドメンバ620のボルト穴部624に螺合する。これによって、エンドプレート610とサイドメンバ620とは、セル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力によって連結される。
締結装置60の連結ボルト650は、金属製のボルトであり、セル積層体50の積層方向Dsに略沿った方向で、エンドプレート630の貫通孔部634を貫通して、サイドメンバ620のボルト穴部625に螺合する。これによって、エンドプレート630とサイドメンバ620とは、セル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力によって連結される。
A−2.作用効果:
以上説明した燃料電池10によれば、エンドプレート610,630に設けられたストッパ部612,632が、サイドメンバ620に当接することによって、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50とは反対側へ向かう方向にサイドメンバ620が移動するのを抑制する。その結果、エンドプレート610,630およびサイドメンバ620をセル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力で連結してセル積層体50を締結する締結構造の強度を向上させることができる。
B.他の実施形態:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論であり、例えば、次のような変形も可能である。
B−1.第1変形例:
図5は、第1変形例におけるエンドプレート610aとサイドメンバ620aとの連結構造を示す断面図である。図6は、第1変形例におけるサイドメンバ620aの一部を示す部分斜視図である。第1変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例におけるエンドプレート610およびサイドメンバ620に代えて、エンドプレート610aおよびサイドメンバ620aを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池10と同様である。
第1変形例におけるサイドメンバ620aの構成は、セル積層体50の積層方向Dsに略沿った方向を向いてエンドプレート610aに当接する表面から積層方向Dsに略沿って突出したサイド突出部622aを備える点を除き、上述の実施例におけるサイドメンバ620と同様である。図6に示すように、本実施例では、サイドメンバ620aのサイド突出部622aは、ボルト穴部624の近傍に四つ設けられた直方体状の突起である。
第1変形例におけるエンドプレート610aの構成は、上述の実施例のエンドプレート610のストッパ部612に代えて、サイドメンバ620aのサイド突出部622aに嵌合するエンド陥没部612aを備える点を除き、上述の実施例におけるエンドプレート610と同様である。図5に示すように、本実施例では、エンドプレート610aのエンド陥没部612aは、サイドメンバ620aのサイド突出部622aの長さよりも深く陥没した空間を形成し、サイドメンバ620aにおけるサイド突出部622aの表面のうち、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向を向いた表面であって、セル積層体50が位置する側とは反対側を向いた表面に当接する。これによって、エンド陥没部612aは、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50の反対側へ向かう方向にサイドメンバ620aが移動するのを抑制する。
以上説明した第1変形例の燃料電池によれば、エンドプレート610に設けられたエンド陥没部612aが、サイドメンバ620aのサイド突出部622aに嵌合することによって、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50とは反対側へ向かう方向にサイドメンバ620aが移動するのを抑制する。その結果、エンドプレート610aおよびサイドメンバ620aをセル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力で連結してセル積層体50を締結する締結構造の強度を向上させることができる。
B−2.第2変形例:
図7は、第2変形例におけるサイドメンバ620bの一部を示す部分斜視図である。第1変形例におけるサイドメンバ620aのサイド突出部622aは、ボルト穴部624の近傍に四つ設けられた直方体状の突起であるのに対して、第2変形例におけるサイドメンバ620bのサイド突出部622bは、ボルト穴部624の周囲を取り囲む中空の円柱状の突起である点で異なる。これによっても、第1変形例と同様に、セル積層体50を締結する締結構造の強度を向上させることができる。
B−3.第3変形例:
図8は、第3変形例におけるエンドプレート610cとサイドメンバ620cとの連結構造を示す断面図である。第3変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例におけるエンドプレート610およびサイドメンバ620に代えて、エンドプレート610cおよびサイドメンバ620cを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池10と同様である。
第3変形例におけるエンドプレート610cの構成は、上述の実施例のエンドプレート610のストッパ部612に代えて、セル積層体50の積層方向Dsに略沿った方向を向いてサイドメンバ620cに当接する表面から積層方向Dsに略沿って突出したエンド突出部612cを備える点を除き、上述の実施例におけるエンドプレート610と同様である。
第3変形例におけるサイドメンバ620cの構成は、エンドプレート610cのエンド突出部612cに嵌合するサイド陥没部622cを備える点を除き、上述の実施例におけるサイドメンバ620と同様である。図8に示すように、本実施例では、サイドメンバ620cのサイド陥没部622cは、エンドプレート610cのエンド突出部612cの長さよりも深く陥没した空間を形成し、エンドプレート610cのエンド突出部612cは、サイドメンバ620cにおけるサイド陥没部622cの表面のうち、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向を向いた表面であって、セル積層体50が位置する側とは反対側を向いた表面に当接する。これによって、エンド突出部612cは、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50の反対側へ向かう方向にサイドメンバ620cが移動するのを抑制する。
以上説明した第3変形例の燃料電池によれば、エンドプレート610cに設けられたエンド突出部612cが、サイドメンバ620cのサイド陥没部622cに嵌合することによって、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50とは反対側へ向かう方向にサイドメンバ620cが移動するのを抑制する。その結果、エンドプレート610cおよびサイドメンバ620cをセル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力で連結してセル積層体50を締結する締結構造の強度を向上させることができる。
B−4.第4変形例:
図9は、第4変形例におけるエンドプレート610dとサイドメンバ620との連結構造を示す断面図である。図10は、第4変形例におけるエンドプレート610dとサイドメンバ620との連結構造を示す部分斜視図である。第4変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例におけるエンドプレート610に代えて、エンドプレート610dを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池10と同様である。
第4変形例におけるエンドプレート610dは、セル積層体50と共にサイドメンバ620に当接するエンドプレート本体部611dと、エンドプレート本体部611dとは別体に形成された別体ストッパ部612dと、別体ストッパ部612dをエンドプレート本体部611dに連結する連結ボルト618dとを備える。エンドプレート610dのエンドプレート本体部611dは、サイドメンバ620に対応する位置に設けられ連結ボルト640を貫通可能な貫通孔部614と、連結ボルト618dと螺合可能なボルト穴部617dとを備える。エンドプレート610dの別体ストッパ部612dは、エンドプレート本体部611dに取り付けられた連結ボルト640と別体ストッパ部612dとが干渉するのを回避する貫通孔部616dと、連結ボルト618dを貫通可能な貫通孔部619dとを備える。
エンドプレート610dの連結ボルト618dは、金属製のボルトであり、セル積層体50の積層方向Dsに略沿った方向で、別体ストッパ部612dの貫通孔部616dを貫通して、エンドプレート本体部611dのボルト穴部617dに螺合する。これによって、別体ストッパ部612dは、エンドプレート本体部611dに連結されると共に、セル積層体50の積層方向Dsに略沿って突出してサイドメンバ620の側面に当接する。
以上説明した第4変形例の燃料電池によれば、エンドプレート本体部611dに連結された別体ストッパ部612dが、サイドメンバ620に当接することによって、セル積層体50の積層方向Dsに交差する方向であってセル積層体50とは反対側へ向かう方向にサイドメンバ620が移動するのを抑制する。その結果、エンドプレート610dおよびサイドメンバ620をセル積層体50の積層方向Dsに略沿ったボルト軸力で連結してセル積層体50を締結する締結構造の強度を向上させることができる。また、エンドプレート本体部611dとサイドメンバ620とをボルト軸力で連結した後で、そのエンドプレート本体部611dに別体ストッパ部612dを連結することによって、エンドプレート610dおよびサイドメンバ620をセル積層体50に対して取り付ける工程を容易に行うことができる。
B−5.その他の変形例:
本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態として、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、上述の実施例におけるエンドプレート610のストッパ部612は、サイドメンバ620の位置に対応して突出するものとしたが、エンドプレート610の全周にわたって突出するものとしても良い。また、変形例1ないし4では、一方のエンドプレートの構成を上述の実施例から変更する態様を示したが、他方のエンドプレートの構成も同様に変更しても良いし、上述の実施例および変形例1ないし4の各構成を適宜組み合わせても良い。また、本実施例では、連結ボルト640,650によってエンドプレート610,630とサイドメンバ620とを連結する構成としたが、サイドメンバ620の端部に雄ネジを形成し、エンドプレート610,630側からナットを螺合させることによって、これらの部材を連結する構成としても良い。
燃料電池10の全体構成を示す斜視図である。 燃料電池10の全体構成を示す組立斜視図である。 図1のA−A断面で燃料電池10を切断した断面を示す断面図である。 セル積層体50の詳細構成を示す説明図である。 第1変形例におけるエンドプレート610aとサイドメンバ620aとの連結構造を示す断面図である。 第1変形例におけるサイドメンバ620aの一部を示す部分斜視図である。 第2変形例におけるサイドメンバ620bの一部を示す部分斜視図である。 第3変形例におけるエンドプレート610cとサイドメンバ620cとの連結構造を示す断面図である。 第4変形例におけるエンドプレート610dとサイドメンバ620との連結構造を示す断面図である。 第4変形例におけるエンドプレート610dとサイドメンバ620との連結構造を示す部分斜視図である。
符号の説明
10...燃料電池
50...セル積層体
60...締結装置
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
610...エンドプレート
610a...エンドプレート
610c...エンドプレート
610d...エンドプレート
611d...エンドプレート本体部
612...ストッパ部
612a...エンド陥没部
612c...エンド突出部
612d...別体ストッパ部
614...貫通孔部
616d...貫通孔部
617d...ボルト穴部
618...貫通孔部
618d...連結ボルト
619d...貫通孔部
620...サイドメンバ
620a...サイドメンバ
620b...サイドメンバ
620c...サイドメンバ
622a...サイド突出部
622b...サイド突出部
622c...サイド陥没部
624,625...ボルト穴部
630...エンドプレート
632...ストッパ部
634...貫通孔部
640,650...連結ボルト
Ds...積層方向

Claims (6)

  1. 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構成するセル積層体と、
    前記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それぞれ当接する一対のエンドプレートと、
    前記一対のエンドプレートの間に挟持された状態で、該一対のエンドプレート間の距離を確定すると共に、前記セル積層体における異なる隅にそれぞれ配置された4つのサイドメンバと、
    前記積層方向に沿ったボルト軸力によって、前記一対のエンドプレートと前記4つのサイドメンバとを連結する複数の連結ボルト部と、
    前記一対のエンドプレートの各々に設けられ、前記4つのサイドメンバの各々における前記積層方向に直交する方向を向いた2つの表面に当接する複数のストッパ部と
    を備える燃料電池。
  2. 前記ストッパ部は、前記積層方向に直交する前記方向に前記サイドメンバが移動するのを抑制する請求項1記載の燃料電池。
  3. 請求項1または2記載の燃料電池であって、
    前記エンドプレートは、他方のエンドプレートと共に前記サイドメンバを挟持するエンドプレート本体部を含み、
    前記ストッパ部は、前記エンドプレート本体部とは別体に形成され、該エンドプレート本体部に連結された別体ストッパ部を含む燃料電池。
  4. 請求項1ないし3のいずれか記載の燃料電池であって、
    前記サイドメンバは、
    前記積層方向に沿った方向を向いた表面であって前記エンドプレートに当接する表面であるサイド当接面と、
    前記サイド当接面から前記積層方向に沿って突出したサイド突出部と
    を含み、
    前記ストッパ部は、前記サイド突出部に嵌合するエンド陥没部を含む燃料電池。
  5. 請求項1ないし3のいずれか記載の燃料電池であって、
    前記サイドメンバは、
    前記積層方向に沿った方向を向いた表面であって前記エンドプレートに当接する表面であるサイド当接面と、
    前記サイド当接面から前記積層方向に沿って陥没したサイド陥没部と
    を含み、
    前記ストッパ部は、前記サイド陥没部に嵌合するエンド突出部を含む燃料電池。
  6. 積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体を締結する燃料電池用締結装置であって、
    前記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それぞれ当接する一対のエンドプレートと、
    前記一対のエンドプレートの間に挟持された状態で、該一対のエンドプレート間の距離を確定すると共に、前記セル積層体における異なる隅にそれぞれ配置された4つのサイドメンバと、
    前記積層方向に沿ったネジ軸で螺合することによって、前記一対のエンドプレートと前記4つのサイドメンバとを連結する複数の連結ネジ部と、
    前記一対のエンドプレートの各々に設けられ、前記4つのサイドメンバの各々における前記積層方向に直交する方向を向いた2つの表面に当接する複数のストッパ部と
    を備える燃料電池用締結装置。
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