JP5278158B2

JP5278158B2 - 車両用燃料電池

Info

Publication number: JP5278158B2
Application number: JP2009121542A
Authority: JP
Inventors: 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP2010272263A

Description

本発明は車両に搭載される車両用燃料電池に関し、特に複数の単位セルを積層して構成される積層体を支持する構造の改良に関する。

燃料電池は、反応ガスである燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）を電気化学反応させて発電を行う装置である。近年、２つの電極の間の電解質に固体高分子を用いた固体高分子型の燃料電池が開発され、その優れた車載性から、自動車等の車両用の電力供給源として期待されている。

燃料電池は、複数の単位セルを積層して構成される積層体を有する。単位セルは、一方の電極である燃料極（以下、アノードと記す）と、高分子電解質膜と、他方の電極である空気極（以下、カソードと記す）とが順に積層した膜電極接合体を、２枚のセパレータで狭持した構造である。積層方向における積層体の両端には、一組のエンドプレートが設けられる。そして、積層方向における積層体の側面には、テンションシャフトが積層方向に伸びて設けられる。テンションシャフトは、積層体の両端側から積層体を締め付けるように一組のエンドプレートを締結する。このように、テンションシャフトがエンドプレートを介して積層体を積層方向に締め付けることにより、積層方向に対して垂直な方向への単位セルのずれを抑制している。

下記特許文献１には、複数のセルを積層して構成されるスタックと、このスタックの両端に設けられるエンドプレートと、各エンドプレートを、スプリングとプレッシャープレートを介して支持する支持部とを有する燃料電池支持体が記載されている。また、この燃料電池支持体は、スタックの中間に配置され連結部を備える中間プレートと、スタックの鉛直方向下方に位置し、積層方向において、中間プレートを挟んで配置された二つの固定部と、連結部と各固定部とをそれぞれ連結するリンクとを有する。このように、固定部とリンクが中間プレートの位置を規制することにより、スタックの撓みの発生を抑制することができる。

下記特許文献２には、発電積層体と、これの両端に設けられる１組のエンドプレートと、１組のエンドプレートを掛け渡して発電積層体に対して積層方向に圧縮応力を与える締結棒とを有する、車載用燃料電池スタックが記載されている。この燃料電池スタックにおいては、締結棒が連結部を介して車両の隔壁に支持されているので、発電積層体の動きを規制し、発電積層体の間にずれが発生するのを抑制することができる。

特開２００５−２３５４０６号公報特開２００８−２９０４７０号公報

従来の車両用燃料電池においては、テンションシャフトが積層体を積層方向に締め付けることにより、積層方向に対して垂直な方向への単位セルのずれを抑制している。しかしながら、車両の衝突時などに、積層方向に交差する方向に強い衝撃が燃料電池に与えられた場合、積層体内部に大きなせん断力が発生し、このせん断力によりテンションシャフトが撓むとともに、単位セルがずれてしまうという問題があった。

車両用燃料電池の耐衝撃性の向上を図るために、上記特許文献１の燃料電池支持体のように、衝突時に最も大きく撓むスタックの中間位置に中間プレートを設け、この中間プレートの移動を規制する構造を新たに設けることが考えられる。しかし、部品点数が増加してしまい、コスト及び組み立て工数が増加してしまうという問題がある。

また、上記特許文献２の車載用燃料電池スタックのように、締結棒を車両から支持し、締結棒を補強する構造を新たに設けることが考えられる。しかし、燃料電池スタックの車載用スペースが大きくなってしまうという問題がある。

さらに、従来の車両用燃料電池のテンションシャフトの剛性を大きくすることが考えられる。しかし、テンションシャフトの重量が大きくなり、車両用燃料電池自体の重量が大きくなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、簡易な構造で、車載用スペースが増大することなく、積層体の耐衝撃性の向上を図ることができる車両用燃料電池を提供することにある。

本発明は、複数の単位セルを積層して構成される積層体と、積層方向における積層体の両端に設けられる一組のエンドプレートと、積層方向における積層体の側面に嵌り、前記両端側から積層体を締め付けるように前記一組のエンドプレートを締結するテンションシャフトと、を有する車両用燃料電池において、積層方向におけるテンションシャフトの中央部と、前記側面上における燃料電池の隅部であって、前記中央部から最も離れた２つの隅部とを連結する連結部材を有することを特徴とする。

また、テンションシャフトは、積層体の側面に互いに間隔を空けて設けられた第１テンションシャフトと第２テンションシャフトとを有し、連結部材は、第１テンションシャフトの中央部と、この中央部に対応する２つの第１隅部とを連結する第１連結部材と、第２テンションシャフトの中央部と、この中央部に対応する２つの第２隅部とを連結する第２連結部材と、を有することができる。

また、第１テンションシャフトと第２テンションシャフトは前記側面の対向する両辺にそれぞれ設けられることが好適である。

また、テンションシャフトは、さらに、第１テンションシャフトと第２テンションシャフトとの間に第３テンションシャフトを有し、連結部材は、第３テンションシャフトの中央部と、第１及び第２隅部とを連結する第３連結部材を有することができる。

また、各連結部材は帯状であることができる。

また、第１及び第２連結部材と第３連結部材とは、第１及び第２隅部に向かう途中で合流して一体化することができる。

また、第１及び第２連結部材と第３連結部とが一体化した部分の幅は、その部分以外の第１及び第２連結部材の幅より大きいことが好適である。

また、前記一体化した部分の幅と、その部分以外の第１及び第２連結部材の幅との比は２：１であることが好適である。

また、前記隅部は、積層方向におけるテンションシャフトの端部であることが好適である。

本発明の車両用燃料電池によれば、簡易な構造で、車載用スペースが増大することなく、積層体の耐衝撃性の向上を図ることができる。

本実施形態の車両用燃料電池の構成を示す図である。図１のＡ−Ａ線による断面図である。別の本実施形態の車両用燃料電池の構成を示す図である。図３のＢ−Ｂ線による断面図である。

以下、本発明に係る車両用燃料電池の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、単位セルの積層方向が車幅方向になるように車両に搭載される車両用燃料電池を挙げ、この車両用燃料電池の構成について説明する。なお、本発明は、単位セルの積層方向と車幅方向とが一致するように車両に搭載される車両用燃料電池に限らず、他の方向、例えば積層方向と車両の進行方向とが一致するように車両に搭載される車両用燃料電池にも適用できる。

図１は、本実施形態の車両用燃料電池（以下、単に燃料電池という）１０の構成を示す図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線による断面図である。燃料電池１０は、複数の単位セル１２を積層して構成される積層体１４を有する。単位セル１２は、図示しないが、一方の電極であるアノードと、高分子電解質膜と、他方の電極であるカソードとが順に積層した膜電極接合体を、２枚のセパレータで狭持した構造である。

また、燃料電池１０は、積層方向における積層体１４の両端に設けられる一組のエンドプレート１６を有する。エンドプレート１６は金属製であり、例えばステンレス鋼である。エンドプレート１６には、積層体１４に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を供給するための開口（図示せず）と、積層体１４から排出燃料ガス、排出酸化剤ガス及び冷却媒体を排出するための開口（図示せず）とが形成される。また、エンドプレート１６には、後述するテンションシャフト１８を締結するボルト用の孔（図示せず）が形成される。

また、燃料電池１０は、積層方向における積層体１４の側面１４ａに、積層方向に伸びて設けられるテンションシャフト１８を有する。テンションシャフト１８は金属製であり、例えば炭素鋼、ステンレス鋼またはこれらを組み合わせた複合材である。テンションシャフト１８はエンドプレート１６に固定される。具体的には、テンションシャフト１８の両端は、ボルト（図示せず）を介してエンドプレート１６にそれぞれ締結される。この締結により、エンドプレート１６が積層体１４の両端側から積層体１４を所定の圧力で押し付け、単位セル１２間を密着させるとともに、単位セル１２間のずれを抑制する。

テンションシャフト１８は、側面１４ａの対向する辺にそれぞれ設けられ、図２に示されるように、側面１４ａに嵌るように設けられている。テンションシャフト１８が側面１４ａに嵌るとは、側面１４の一部が積層方向に沿って凹んで形成され、ここにテンションシャフト１８が嵌るということである。この構成により、積層体１４とテンションシャフト１８とは、積層方向に垂直な方向において互いに当接する。つまり、本実施形態においては、積層体１４とテンションシャフト１８とは、車両進行方向またはこれに反対の方向において互いに当接する。よって、テンションシャフト１８は、車両の振動等により生ずるこれらの方向へ移動体１４の移動、すなわち単位セル１２間のずれを規制することができる。

図２に示されるように、テンションシャフト１８は、軽量化を考慮した角パイプ形状であり、その内部が中空である。なお、テンションシャフト１８が角パイプ形状であることに限定されず、丸パイプ形状とすることもでき、または内部を中実にすることもできる。

従来技術で上述したように従来の燃料電池においては、車両の衝突時などに、積層方向に交差する方向に強い衝撃が燃料電池に与えられた場合、積層体内部に大きなせん断力が発生し、このせん断力によりテンションシャフトが撓んで変形するとともに、単位セルがずれてしまうという問題があった。

この問題を解消するために、本実施形態においては、積層方向におけるテンションシャフト１８の中央部２０と、側面１４ａ上における燃料電池１０の隅部であって、中央部２０から最も離れた２つの隅部とを連結する連結部材２２を有することを特徴とする。本実施形態の隅部とは、積層方向におけるテンションシャフト１８の端部２４のことである。しかし、本発明はこれに限定されず、隅部をエンドプレート１６の端部とすることもできる。

連結部材２２は金属製であり、テンションシャフト１８の中央部２０及び端部２４において、例えば溶接により固着される。連結部材２２は平板状であり、具体的には、所定の幅ｔ１を有する帯状である。なお、連結部材２２は平板状に限定されず、他の形状、例えば棒状であってもよい。

連結部材２２は、第１連結部材２２ａと第２連結部材２２ｂを有する。第１連結部材２２ａは、車両進行方向側のテンションシャフト１８の中央部２０と、車両進行方向に反対側のテンションシャフト１８の各端部２４とを連結するように設けられる。また、第２連結部材２２ｂは、車両進行方向に反対側のテンションシャフト１８の中央部２０と、車両進行方向のテンションシャフト１８の各端部２４とを連結するように設けられる。第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂは、図１に示されるように、それぞれＶ字状であり、これらが交差する領域において一体化されている。

このような構成により、車両の衝突時などに、積層方向に交差する方向に強い衝撃が燃料電池１０に与えられた場合、テンションシャフト１８の撓みを抑制することができる。具体的に説明すると、上記衝撃により積層体１４の慣性質量の影響を受けてテンションシャフト１８が最も変形してしまう領域、すなわち最も撓む領域は中央部２０であり、逆に最も変形しない領域、すなわち最も撓まない領域は各端部２４である。つまり、テンションシャフト１８の中央部２０は最も剛性が小さく、各端部２４は最も剛性が大きい。そこで、連結部材２２により、一方のテンションシャフト１８の、最も撓む領域である中央部２０と、他方のテンションシャフト１８の、最も撓まない領域である各端部２４とを連結し、剛性の小さい中央部２０を補強する。これにより、例えば車両前突時に、積層体１４が車両進行方向に移動しようとして車両進行方向側のテンションシャフト１８に力を付勢した場合であっても、このテンションシャフト１８の中央部２０（最も撓む領域）が他方のテンションシャフト１８の各端部２４（最も撓まない領域）に対して連結部材２２ａを介して連結され補強されているために、テンションシャフト１８の撓みが抑制される。なお、車両後突時の場合も同様に、連結部材２２ｂにより、車両進行方向に反対側のテンションシャフト１８の撓みが抑制される。

したがって、従来の燃料電池の構成から連結部材２２という簡易な構造を追加するだけで、車両の衝突時におけるテンションシャフト１８の撓みを抑制するとともに、単位セル１２のずれを抑制することができ、結果として、積層体１４の耐衝撃性を向上させることができる。

本実施形態においては、テンションシャフト１８が側面１４ａの対向する辺にそれぞれ設けられる場合について説明したが、この構成に限定されない。テンションシャフト１８が、側面１４ａに互いに間隔を空けて設けられれば、側面１４ａの辺より内側に設けられてもよい。

本実施形態においては、第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂはそれぞれＶ字状である場合について説明したが、この構成に限定されない。連結部材２２は、一方のテンションシャフト１８の中央部２０と、他方のテンションシャフト１８の１つの端部２４、またはこの端部２４よりさらに積層方向において外側のエンドプレート１６の端部とを連結するように設けられてもよい。この構成でも、一方のテンションシャフト１８の撓みを抑制することができる。

次に、別の態様の燃料電池１０について、図を用いて説明する。図３は、別の態様の燃料電池１０の構成を示す図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ線による断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この実施形態の燃料電池１０は、側面１４ａの対向する辺にそれぞれ設けられたテンションシャフト１８のほかに、これらのテンションシャフト１８の間に、さらにテンションシャフト１８を有する。このテンションシャフト１８は、側面１４ａの中央に設けられ、エンドプレート１６に固定される。具体的には、テンションシャフト１８の両端は、ボルト（図示せず）を介してエンドプレート１６にそれぞれ締結される。図４に示されるように、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８は、両辺に設けられたテンションシャフト１８と同様に、角パイプ形状であり、その内部が中空である。しかし、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８には、より強い剛性が求められるため、このテンションシャフト１８の中空部分は、他のテンションシャフト１８のそれよりも小さく形成されている。

連結部材２２は、第１連結部材２２ａと第２連結部材２２ｂの他に、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８の中央部２０と、両辺に設けられた各テンションシャフト１８の計４個の端部２４とをそれぞれ連結する第３連結部材２２ｃを有する。

本実施形態の第３連結部材２２ｃは、各端部２４に向かう途中で第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂに合流して一体化される。各連結部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが一体化されることにより、部品点数を削減することができ、組み立て工数を削減することができる。しかし、本発明は、この構成に限定されず、第３連結部材２２ｃと第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂとが別々に設けられてもよい。

また、第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂと第３連結部材２２ｃとが一体化した部分の幅ｔ２は、この部分以外の第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂの幅ｔ１より大きく形成される。具体的には、幅ｔ２と幅ｔ１との比は、２：１であることが好適である。上述の一体化した部分の幅ｔ２がそれ以外に部分の幅ｔ１より大きく形成されることにより、一体化した部分が、第１または第２連結部材２２ａ，２２ｂと、第３連結部材２２ｃとがそれぞれ連結する中央部２０から受ける合計の反力を許容することができる。

なお、図３に示されるように、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８の中央部２０領域の第３連結部材２２ｃの幅が、他の中央部２０領域の第１及び第２連結部材２２ａ，２２ｂの幅より大きく形成されている。これは、両辺のテンションシャフト１８より大きい肉厚を有する、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８と第３連結部材２２ｃとを溶接により固着するとき、第３連結部材２２ｃに生じるひずみを防止するためである。

また、図３に示されるように、各連結部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが合流する部分には孔２６が形成されている。この合流部分の幅は、上述の幅ｔ１，ｔ２より大きく、無駄な領域が含まれる。そこで、孔２６を形成することにより、無駄な領域を削減し、燃料電池１０の軽量化を図っている。なお、合流部分の無駄な領域を削減するためには孔２６を形成することに限らず、切り欠きを形成することもできる。

次に、このように構成される燃料電池１０において、車両前突時などに、車両進行方向に強い衝撃が積層体１４に与えられた場合について説明する。

上記衝撃による積層体１４の慣性質量の影響を受けて、車両進行方向側のテンションシャフト１８と、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８とが撓もうとする。これらのテンションシャフト１８の各中央部２０と、車両進行方向の反対側のテンションシャフト１８の各端部２４とにはそれぞれ連結部材２２ａ，２２ｃが連結されている。つまり、車両進行方向側のテンションシャフト１８と、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８との最も剛性が小さい部分と、車両進行方向の反対側のテンションシャフト１８の最も剛性が大きい部分とがそれぞれ連結部材２２ａ，２２ｃにより連結されている。この構成により、車両進行方向側のテンションシャフト１８と、側面１４ａの中央に設けられたテンションシャフト１８との最も剛性が小さい部分である中央部２０が補強され剛性が大きくなるので、これらのテンションシャフト１８の撓みが抑制される。なお、車両後突時の場合も同様に、各連結部材２２ｂ，２２ｃにより、車両進行方向に反対側のテンションシャフト１８の撓みが抑制される。

したがって、本実施形態においては、上述した実施形態の構成から連結部材２２ｃという簡易な構造を追加するだけで、単位セル１２のずれを確実に抑制することができ、結果として、積層体１４の耐衝撃性をさらに向上させることができる。

１０燃料電池、１２単位セル、１４積層体、１４ａ側面、１６エンドプレート、１８テンションシャフト、２０中央部、２２連結部材、２４端部、２６孔。

Claims

複数の単位セルを積層して構成される積層体と、
積層方向における積層体の両端に設けられる一組のエンドプレートと、
積層方向における積層体の側面に嵌り、前記両端側から積層体を締め付けるように前記一組のエンドプレートを締結するテンションシャフトと、
を有する車両用燃料電池において、
積層方向におけるテンションシャフトの中央部と、前記側面上における燃料電池の隅部であって、前記中央部から最も離れた２つの隅部とを連結する連結部材を有する、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項１に記載の車両用燃料電池において、
テンションシャフトは、積層体の側面に互いに間隔を空けて設けられた第１テンションシャフトと第２テンションシャフトとを有し、
連結部材は、
第１テンションシャフトの中央部と、この中央部に対応する２つの第１隅部とを連結する第１連結部材と、
第２テンションシャフトの中央部と、この中央部に対応する２つの第２隅部とを連結する第２連結部材と、
を有する、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項２に記載の車両用燃料電池において、
第１テンションシャフトと第２テンションシャフトは前記側面の対向する両辺にそれぞれ設けられる、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項３に記載の車両用燃料電池において、
テンションシャフトは、さらに、第１テンションシャフトと第２テンションシャフトとの間に第３テンションシャフトを有し、
連結部材は、第３テンションシャフトの中央部と、第１及び第２隅部とを連結する第３連結部材を有する、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項４に記載の車両用燃料電池において、
各連結部材は、帯状である、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項５に記載の車両用燃料電池において、
第１及び第２連結部材と第３連結部材とは、第１及び第２隅部に向かう途中で合流して一体化する、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項６に記載の車両用燃料電池において、
第１及び第２連結部材と第３連結部とが一体化した部分の幅は、その部分以外の第１及び第２連結部材の幅より大きい、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項７に記載の車両用燃料電池において、
前記一体化した部分の幅と、その部分以外の第１及び第２連結部材の幅との比は２：１である、
ことを特徴とする車両用燃料電池。
請求項１から８に記載の車両用燃料電池において、
前記隅部は、積層方向におけるテンションシャフトの端部である、
ことを特徴とする車両用燃料電池。