JP5645073B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、例えば、車両の駆動用電源として用いられる燃料電池スタックに関し、より具体的には、膜電極構造体及びセパレータで構成した単位セルを複数積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックに関するものである。

従来において、単位セルの積層体を備えた燃料電池スタックとしては、例えば特許文献１に記載されているものがあった。この特許文献１に記載の燃料電池スタックは、単位セルを水平方向に複数積層して成る積層体を一対のエンドプレートによって所定圧力で挟持すると共に、両エンドプレートを複数の帯板状のテンションプレートで連結して、積層体の加圧状態を維持している。そして、この燃料電池スタックは、積層体の間の適数箇所に中間プレートを介装して、各中間プレートの位置で積層体を支持する構造にすることで、支持部分の間の共振周波数を大きくして、積層体の曲げ剛性を高めるようにしていた。

特開２０１０−２７５４３号公報

しかしながら、上記したような従来の燃料電池スタックにあっては、積層体の中間に複数の中間プレートを介装する構成であったため、その分だけ部品点数が増すと共に、積層体全体の容積も増大するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、積層体の変位方向にばね要素を組み付けた構造にすることにより、部品点数や積層体全体の容積を増加させることなく、積層体の共振周波数（固有振動数）を高めることができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池スタックは、四角形板状の単位セルを複数積層して成る積層体と、積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第１〜第４の外周面としたときに第２及び第４の外周面に配置した一対の締結板を備えている。

そして、燃料電池スタックは、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結していると共に、一対の締結板のうちの少なくとも一方の締結板が、積層体を押えるリブを備えていると共に、締結板が、撓んだ状態にしてエンドプレートに連結することでリブを積層体に圧接させている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

なお、上記構成において、締結板と積層体とは、互いに接触した状態、若しくは振動入力時に接触する程度に極めて微小な隙間を介して近接した状態にすることができるが、互いに接触状態にしておく方がより望ましい。

本発明の燃料電池スタックによれば、部品点数や積層体全体の容積を増加させることなく、積層体の共振周波数を高めることができる。これにより、耐振動性能が向上し、構成部品の破損や発電性能の低下を防止することができると共に、製造に関わる工数やコストの低減などを実現することができる。とくに、締結板を撓んだ状態にしてエンドプレートに連結することでリブを積層体に圧接させることにより、締結板のリブの押付け荷重を発生させ、リブと積層体との接触を確実にして、リブの梁構造による振動抑制効果をさらに高めることができる。

本発明の燃料電池スタックの一実施形態を説明する斜視図（Ａ）及びリブ部分の拡大断面図（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。 図１に示す燃料電池スタックの平面図である。 図１に示す燃料電池スタックにおけるばね要素の原理を示す説明図である。 本発明の燃料電池スタックの他の実施形態におけるリブ部分の拡大断面図である。 本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態におけるリブ部分の拡大断面側面図である。 本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態における平面図である。 本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態における平面図である。 本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態における斜視図である。

図１〜図４は、本発明の燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。
図１（Ａ）及び図２に示す燃料電池スタックＦＳは、四角形板状の単位セルＦＣを複数積層して成る積層体１と、積層体１のセル積層方向（図中Ｘ方向）の両端面に配置した集電板５，５と、集電板５の外側に配置したエンドプレート２，２と、一方の組である一対の締結板（片側を図示）３と、他方の組である別の一対の締結板（片側を図示）４を備えている。エンドプレート２、及び締結板３，４は、その材料がとくに限定されるものではないが、金属製であることがより望ましい。

単位セルＦＣは、発電要素である膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した周知の構造を有するものであり、図２に示すように、長方形板状であると共に、長辺を上下にして水平方向に積層してある。なお、単位セルＦＣは、基本的に四角形板状を成すものが対象であるが、積層体１を形成した際に締結板３，４の組み付けが可能な近似形状でも良い。

両エンドプレート２は、単位セルＦＣとほぼ同等の縦横寸法を有する長方形板状を成すものであって、積層体１にアノードガス（水素）、カソードガス（空気）及び冷却流体を供給するためのマニホールドＭなどが形成してある。両集電板５は、単位セルＦＣの中央部（発電部）に対応し、エンドプレート２を貫通するコネクタ部５Ａを有している。

一方の組の各締結板３は、積層体１のセル積層方向に平行な四面を周方向に第１〜第４の外周面としたときに、第２及び第４の外周面に夫々配置してある。ここで、図１（Ａ）中では、積層体１の右側面が第１外周面であって、上面が第２外周面、図に表れない左側面が第３外周面、及び底面が第４外周面である。

つまり、図示例の積層体１は、長方形板状の単位セルＦＣを水平方向に積層しており、この状態では、単位セルＦＣの短辺に沿う方向（上下方向）に変位しやすい。そこで、燃料電池スタックＦＳは、少なくとも単位セルＦＣの長辺側となる外周面、すなわち上下の第２及び第４の外周面に締結板３が設けてある。そして、この実施形態では、耐振動性能をより一層高めるために、単位セルＦＣの短辺側の外周面である左右の第１及び第３の外周面にも、別の締結板４を設けた構成になっている。

各締結板３，４は、夫々の両端部に、フランジ状の取付部３Ａ，４Ａが折り曲げ形成してあり、複数のボルトＢにより、各取付部３Ａ，４Ａを両エンドプレート２の外面（反積層体側の面）に連結している。そして、各締結板３，４は、セル積層方向に平行で且つ積層体１を押えるリブ３Ｂ，４Ｂを備えており、このリブ３Ｂ，４Ｂが積層体１にばね要素を附与する梁構造の働きをする。

ここで、この種の燃料電池スタックＦＳでは、両エンドプレート２，２側で支持した状態において積層体１が振動すると、積層体１の中腹部の変位が最も大きくなる。そこで、前記締結板３，４のリブ３Ｂ，４Ｂは、少なくとも積層体１の振動方向の中腹部である第１〜第４の外周面の中央部に設けるのがより望ましい。

この実施形態における締結板３，４のリブ３Ｂ，４Ｂは、図１（Ｂ）に示すように、プレス加工により溝型に形成してあって、第１〜第４の外周面の中央部を通過して積層体１のセル積層方向全長にわたって設けてある。また、とくに、上下の一対の締結板３は、図１（Ｂ）に示す如く積層体１との間に隙間を形成して、リブ３Ｂの底面が積層体１に接触している。つまり、エンドプレート２の部分にリブ３Ｂ，４Ｂは無い。これにより、リブ３Ｂ，４Ｂによる梁構造が、図３に示す積層体１の範囲（斜線部分）のみに作用することとなる。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、一対のエンドプレート２，２によって積層体１及び集電板５をセル積層方向に所定圧力で挟持すると共に、両エンドプレート２と、各締結板３，４とを夫々連結することで、積層体１の加圧状態を維持している。

上記の燃料電池スタックＦＳは、各締結板３，４のリブ３Ｂ，４Ｂが、積層体１に接触する梁構造を形成していることから、とくに、第２及び第４の外周面に設けた締結板３のリブ３Ｂにより、積層体１の振動方向（図１中で上下方向）にばね要素を組み付けたものとなる。つまり、図４に示すように、ばね定数ｋを有する複数のばね要素により、質量Ｍを有する積層体１を複数箇所で支持したものと同等の構造になる。とくに、この実施形態の場合は、セル積層方向に連続するリブ３Ｂにより、ばね要素がセル積層方向全長に連続して作用する構造となって、積層体１を支持している。

このようにして、上記の燃料電池スタックＦＳは、とくに、リブ３Ｂを有する簡単な構造の上下一対の締結板３，３により、積層体１の変位を抑制するので、部品点数を増加させることなく共振周波数（固有振動数）を大きくすることができる。しかも、燃料電池スタックＦＳは、積層体１と締結板３の間に緩衝材を介装したり、積層体１の中間部を専用部材で支持したりする構成が一切不要であるから、積層体収容空間の容積が増すこともなく、両エンドプレート２，２側で支持した構造において、共振周波数を大きくすることができる。

燃料電池スタックＦＳは、エンドプレート２の各マニホールドＭに、反応用ガスや冷却流体を供給・排出するための配管を接続するので、上記の如く両エンドプレート２，２側で支持した構造にすれば、配管接続部分における振動を抑制し得るという利点がある。

そして、上記の燃料電池スタックＦＳは、上述した積層体１の共振周波数の増大に伴って、耐振動性能が向上したものとなり、振動による構成部品の破損や発電性能の低下を防止することができるほか、製造に関わる工数やコストの低減などを実現する。

また、燃料電池スタックＦＳは、積層体１の左右の第１及び第３の外周面に、別の一対の締結板４を配置したので、積層体１の加圧状態を維持する機能部品であるエンドプレート２及び各締結板３，４により、ケース一体型構造を形成することができる。これにより、別の専用ケースを廃止することが可能となり、部品点数のさらなる削減や製造コストのさらなる低減に貢献することができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、締結板３が、少なくとも積層体１の外周面の中央部に対応する位置にリブ３Ｂを備えた構成にすることで、積層体１の振動を抑制する必要最低限の構成により、積層体１の共振一次モードの腹を抑えることができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、締結板３，４のリブ３Ｂ，４Ｂをプレス加工により形成することで、部品の重量を増すことなく、リブ３Ｂ，４Ｂを有する締結板３，４を極めて容易に製造することができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、締結板３，４のリブ３Ｂ，４Ｂを積層体１のセル積層方向全長にわたって設けることで、積層体１の振動をより確実に抑制することができると共に、締結板３，４の剛性をも高めることができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、車両の駆動用電源として車載することができ、この際には、積層体１における固有振動数（共振周波数）を６０Ｈｚ以上とするのが望ましい。これにより、車両特有の振動等の外力による積層体１の共振現象を充分に抑制することができる。

なお、上記の実施形態では、締結板３のリブ３Ｂと積層体１とを接触させた場合を説明したが、リブ３Ｂと積層体１とは、振動入力時に接触する程度に極めて微小な隙間を介して、近接させた状態にしても良い。この場合には、振動の入力と同時に積層体１とリブ３Ｂとが接触して、梁構造を形成するリブ３Ｂにより積層体１の振動を抑制する。

図５は、本発明の燃料電池スタックの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の燃料電池スタックＦＳは、積層体１における上下の第２及び第４の外周面に一対の締結板３が配置してあると共に、締結板３の中央に、セル積層方向全長にわたるリブ３Ｂが形成してある。そして、締結板３におけるリブ３Ｂが、その中心線に沿ってスリットＳを有するものとなっている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、リブ３の中心線に沿ってスリットＳを設けたことで、断面においてリブ３Ｂが二分され、スリットＳ側が自由端となる二つのばね（片持ち梁）として作用させることが可能になる。これにより、積層体１の振動抑制効果をより高めることができる。

図６は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池スタックＦＳは、図５に示すものと同様の構成を備えるほかに、締結板３が、撓んだ状態にしてエンドプレート２に連結することで、リブ３Ｂを積層体１に圧接させたものとしている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、締結板３のリブ３Ｂの押付け荷重（図中矢印Ｆ）を発生させ、リブ３Ｂと積層体１との接触を確実にして、リブ３Ｂの梁構造による振動抑制効果をさらに高めることができる。

図７は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。燃料電池スタックＦＳは、先述したように、締結板３が、少なくとも積層体１の外周面の中央部に対応する位置にリブ３Ｂを備えていれば良い。そこで、図７に示す燃料電池スタックＦＳは、振動の上下側となる一対の締結板３において、その中央部のみにリブ３Ｂを設けた構成である。

上記の燃料電池スタックＦＳにあっても、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、積層体１の振動を抑制する必要最低限の構成で、積層体１の共振一次モードの腹を抑えることができる。

図８及び図９は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。ここで、本発明の燃料電池スタックは、より好ましい実施形態として、締結板のリブが、複数箇所に設けてある構成にすることができる。

すなわち、図８に示す燃料電池スタックＦＳは、振動の上下側となる一対の締結板３において、その中央部を通過するセル積層方向の中心線に沿って、三箇所にリブ３Ｂを設けた構成である。また、図９に示す燃料電池スタックＦＳは、同じく上下一対の締結板３において、その中央部を通過するセル積層方向の中心線及びその両側である３箇所に、互いに平行で且つ積層体１のセル積層方向全長わたる３本のリブ３Ｂを設けた構成である。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、梁構造として機能するリブ３Ｂの荷重点を任意に設定することができる。つまり、燃料電池スタックＦＳは、例えば、積層体１の振動特性、締結板３，４の厚さ及び材質等の諸条件に応じて、リブ３Ｂの大きさや位置、断面形状、及び積層体１に対する接触面積などを選択することで、リブ３Ｂの梁構造によるばね定数ｋを自由に設定することができる。

このように、燃料電池スタックＦＳは、積層体１の振幅を抑えたい箇所に応じてリブ３Ｂの形態を選択することにより、梁構造（リブ３Ｂ）のばね定数ｋを自由に設定して、積層体１の振動を効率良く抑制することができる。

なお、本発明の燃料電池スタックＦＳは、必須要件として、積層体１の第１〜第４の外周面のうちの第２及び第４の外周面に締結板３，３を備え、一対の締結板３，３のうちの少なくとも一方にリブ３Ｂを設けた構成である。したがって、燃料電池スタックＦＳは、片方の締結板３がリブの無い平板である構成にしたり、図９に示す如く左右の第１及び第３の外周面に締結板が無い構成にしたりすることができる。

本発明の燃料電池スタックは、より好ましい実施形態として、締結板３，４の少なくとも積層体側の面に絶縁コーティングを施した構成にすることができる。これにより、上記の燃料電池スタックＦＳは、締結板３，４と積層体１との間に絶縁部材を挿入しなくても、内外の絶縁性を確保することができ、部品点数のさらなる削減、製造の工数やコストのさらなる低減に貢献することができる。

本発明の燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部位の形態、数及び材質等々を適宜変更することが可能である。

また、上記の各実施形態においては、長方形板状の単位セルＦＣを積層して成る積層体１を例示した。この場合には、長辺及び短辺の長さの比率にもよるが、通常、単位セルの短辺に沿う方向（図１中で上下方向）に振動が生じ易いので、少なくとも振動方向である上下の第２及び第４の外周面に締結板を設け、その締結板３にリブ３Ｂを設けた構成を説明した。

本発明の燃料電池セルは、四角形板状の単位セルを積層して成る積層体を対象としているので、単位セルが正方形板状であっても良い。この場合には、第２及び第４の外周面に沿う方向、並びに第１及び第３の外周面に沿う方向に振動が生じる可能性がある。そこで、単位セルが正方形板状である場合には、第１〜第４の外周面に締結板を配置し、各締結板にリブを設ける構成にすることがより望ましく、これにより、二方向の振動を効果的に抑制することが可能となる。

ＦＣ 単位セル
ＦＳ 燃料電池スタック
１ 積層体
２ エンドプレート
３ 締結板
３Ｂ リブ
４ 締結板
４Ｂ リブ

Claims (10)

1. 四角形板状の単位セルを複数積層して成る積層体と、
   積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、
   積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第１〜第４の外周面としたときに第２及び第４の外周面に配置した一対の締結板を備えると共に、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結し、
   一対の締結板のうちの少なくとも一方が、積層体を押えるリブを備えていると共に、
   締結板が、撓んだ状態にしてエンドプレートに連結することでリブを積層体に圧接させていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 単位セルが、長方形板状であると共に、締結板を配置する積層体の第２及び第４の外周面が、単位セルの長辺側となる外周面であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 積層体の第１及び第３の外周面に、両エンドプレートに連結される別の一対の締結板を配置すると共に、別の一対の締結板のうちの少なくとも一方に前記リブを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 四角形板状の単位セルを複数積層して成る積層体と、
   積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、
   積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第１〜第４の外周面としたときに第２及び第４の外周面に配置した一対の締結板を備えると共に、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結し、
   一対の締結板のうちの少なくとも一方が、積層体を押えるリブを備えていると共に、
   前記リブが、プレス加工により形成してあり、その中心線に沿ってスリットを有していることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 締結板が、少なくとも積層体の外周面の中央部に対応する位置にリブを備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 締結板のリブが、複数箇所に設けてあることを特徴とする請求項４〜６もいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 締結板のリブが、積層体のセル積層方向全長にわたって設けてあることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 四角形板状の単位セルを複数積層して成る積層体と、
   積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、
   積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第１〜第４の外周面としたときに第２及び第４の外周面に配置した一対の締結板を備えると共に、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結し、
   一対の締結板のうちの少なくとも一方が、締結板の中央部を通過する中心線に沿った箇所のみに、積層体を押えるリブを備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
9. 締結板の少なくとも積層体側の面に絶縁コーティングが施してあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. 車両の駆動用電源として車載する燃料電池スタックであって、積層体における固有振動数が６０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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