JP5691646B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を積層させてなる燃料電池スタックに関する。

この種の燃料電池スタックとして、特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、燃料電池を複数積層してなる積層体と、この積層体の上下両側に配置された一対の締結板と、その積層体の左右両側に配置された一対の補強板とを備えている。

上記した燃料電池の積層方向の両端には一対の集電板，スペーサとともに、それらの両外端面に金属又は樹脂により形成したエンドプレートを配置しており、そのエンドプレートどうしを燃料電池の上下両側に配置した締結板により互いに複数のボルトにより締結した構成になっている。

特開２０１０‐１２３４９２号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池スタックでは、エンドプレートと締結板及びエンドプレートと補強板との各締結を、複数のボルトによって行なっていたので、それらの組み立てが煩雑である。
また、エンドプレートを樹脂で形成したときには、そのエンドプレートにも雌ねじをインサート成形しなければならず、それらの製造工程の複雑化を招いているという課題が未解決のままであった。

そこで本発明は、ボルト等の締結具を用いることなく、容易に短時間で組み立てることができるとともに、製造を容易に行なえる燃料電池スタックの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、一対のエンドプレート間に複数の燃料電池を積層させて挟持し、かつ、それらのエンドプレートにより燃料電池どうしを挟圧するようにして締結板により締結している燃料電池スタックにおいて、上記両エンドプレートと締結板の双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、ボルト等の締結具を用いることなく、容易に短時間で組み立てることができるとともに、製造を容易に行うことができる。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。 同上の燃料電池スタックの一部をなす燃料電池の要部の拡大断面図である。 同上の燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートと締結板との締結状態を示す部分拡大断面図である。 一例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。 同上の掛合維持部品をエンドプレートに装着固定した状態を示す部分拡大図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす締結板を取り外して示す分解斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を拡大して示す拡大断面図である。 第三の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 第四の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）は、第五の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートの斜視図であり、（Ａ）は補強部材を固着した後の様子を示し、（Ｂ）は、補強部材を固着する前の様子を示している。 他例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図、図３は、同上の燃料電池スタックの一部をなす燃料電池の要部の拡大断面図、図４は、エンドプレートと締結板との締結状態を示す部分拡大断面図である。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、図１，２に示すように、一対のエンドプレート２０，２１間に、集電板８，９及び複数の燃料電池Ａを積層させ、かつ、それらのエンドプレート２０，２１により、燃料電池Ａどうしを挟圧するようにして締結板３０，３１及び補強板４０，４０によって締結した構成のものである。

本実施形態においては、それらエンドプレート２０，２１，締結板３０，３１及び補強板４０，４０それぞれに、互いに掛合締結する掛合締結部Ｂ１〜Ｂ３を設けている。

燃料電池Ａは、図３に示す一対のセパレータ５０，５１間に、ガス拡散層５２，５２及びそれらガス拡散層５２，５２間に配設したセル構成体５３を挟入した構成のものであり、積層方向αから見た正面視において、横長方形にして形成されている。
この構成により、燃料電池Ａの積層方向αにおける弾性伸縮変形を行なえるようにしている。

上記燃料電池Ａには、これの積層方向αと直交する水平方向βにおける両側部に、図２に示すように、カソード流入側マニホールド６０，冷却水流入側マニホールド６１及びアノード流出側マニホールド６２、及びアノード流入側マニホールド６３，冷却水流出側マニホールド６４及びカソード流出側マニホールド６５がそれぞれ縦一列に配設されている。

本実施形態において示すエンドプレート２０は合成樹脂製のものであり、それは、他の締結板３０，３１及び補強板４０，４０に比べて十分な厚みと強度を有し、かつ、上記水平方向βに長い横長方形にして形成されている。
このエンドプレート２０の中心には、集電板８の電極８ａを外部に突出させるための電極孔２０ａが形成されている。

また、上記水平方向βにおける両側部には、上記カソード流入側マニホールド６０，冷却水流入側マニホールド６１及びアノード流出側マニホールド６２、及びアノード流入側マニホールド６３，冷却水流出側開口６４及びカソード流出側マニホールド６５に対向して、カソード流入側開口２１ａ，冷却水流入側開口２１ｂ及びアノード流出側開口２１ｃ、及びアノード流入側開口２１ｄ，冷却水流出側開口２１ｅ及びカソード流出側開口２１ｆが配列形成されている。

エンドプレート２０の上辺縁２０ｂと下辺縁２０ｃには、詳細を後述する締結板３０，３１の締結用係止片３２，３２を取り付けるための取付け凹部２２と取付け凹部２３とが形成されている。

取付け凹部２２は、カソード流入側開口２１ａとアノード流入側開口２１ｄとの間にわたる長さにして形成されている。換言すると、締結板３０の締結用係止片３２に対応する幅と長さに形成されており、これには、互いに所要の間隔にして掛合突起２２ａが複数突設されている。図２においては、４つの掛合突起２２ａを配した例を示している。

掛合突起２２ａは互いに同形同大の円柱形に形成され、また、取付け凹部２２内に配設されていることにより、上記カソード流入側マニホールド６０とアノード流入側マニホールド６３の周縁を避けて形成されている。
本実施形態においては、掛合突起２２ａをエンドプレート２０から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。

取付け凹部２３は、アノード流出側開口２１ｃとカソード流出側開口２１ｆとの間にわたる長さにして形成されている。換言すると、締結板３１の係止片３３に対応する幅と長さに形成されており、これには、互いに所要の間隔にして掛合突起２３ａが複数突設されている。なお、図２には、４つの掛合突起２３ａを配した例を示している。

掛合突起２３ａは互いに同形同大の円柱形に形成され、また、取付け凹部２３内に配設されていることにより、上記アノード流出側マニホールド６２とカソード流出側マニホールド６５の周縁を避けて形成されている。本実施形態においては、掛合突起２３ａをエンドプレート２０から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。
すなわち、掛合突起２２ａ，２３ａは、各マニホールド６０〜６５の周縁を避けるように配設形成されている。

エンドプレート２０の上記した水平方向βにおける辺縁２０ｄ，２０ｅには、詳細を後述する補強板４０，４０の係止片４１，４１を取り付けるための取付け凹部２４，２４が形成されている。

取付け凹部２４は、上下辺縁２０ｂ，２０ｃにわたり、補強板４０の係止片４１に対応する幅に一致して形成されており、これには、互いに所要の間隔にして円柱形の掛合突起２４ａが複数突設されている。なお、図２には、３つの掛合突起２４ａを配した例を示している。本実施形態においては、掛合突起２４ａをエンドプレート２０から削り出しにより形成することにより、強度を確保している。
すなわち、掛合突起２４ａは、各マニホールド６０〜６５の周縁を避けるように配設形成されている。

エンドプレート２１は、上記したエンドプレート２０と同形同大に形成されており、その中心に電極孔２１を形成しているとともに、各辺縁には、上記したエンドプレート２０に形成している凹部２２〜２４と同じ凹部を形成している。なお、上述したエンドプレート２０について説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

締結板３０は、上記した水平方向βにおける辺縁３０ａ，３０ｂ、積層方向αにおける辺縁３０ｃ，３０ｄにより、平面視において横長方形に形成されている。
辺縁３０ａ，３０ｂ間の寸法は、上記したエンドプレート２０，２１の両側部間の寸法にほぼ一致させており、辺縁３０ｃ，３０ｄの寸法は、積層した燃料電池Ａ等の積層方向での長さを勘案して設定している。

辺縁３０ｃ，３０ｄには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３２，３２が、それら辺縁３０ｃ，３０ｄの全長よりも短く、かつ、図示下向きに折曲形成されている。
締結用係止片３２には、互いに所要の間隔にして、上記各掛合突起２２ａに掛合する掛合孔３２ａが同数対向して形成されている。
本実施形態においては、掛合突起２２ａ、掛合孔３２ａ及び締結用係止片３２により、掛合締結部Ｂ１を構成している。これにより、ボルト等の締結具を用いることなく、簡易な構成により、エンドプレート２０，２１と締結板３０，３１とを締結固定することができる。

締結板３１は、上記した水平方向βにおける辺縁３１ａ，３１ｂ、積層方向αにおける辺縁３１ｃ，３１ｄにより、上記締結板３０と同じ横長方形に形成されている。
辺縁３１ｃ，３１ｄには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３３，３３が、それら辺縁３１ｃ，３１ｄの全長よりも短く、かつ、図示上向きに折曲形成されている。
締結用係止片３３には、互いに所要の間隔にして、上記各掛合突起２３ａに掛合する掛合孔３３ａが同数対向して形成されている。
本実施形態においては、掛合突起２３ａ、掛合孔３３ａ及び締結用係止片３２により、掛合締結部Ｂ２を構成している。

補強板４０は、互いに積層した複数の燃料電池Ａの撓みを防止するためのものであり、積層方向αと直交する鉛直方向γにおける辺縁４０ａ，４０ｂ、積層方向αにおける辺縁４０ｃ，４０ｄにより、側面視において横長方形に形成されている。

辺縁４０ａ，４０ｂ間の寸法は、上記したエンドプレート２０，２１の両側部間の寸法にほぼ一致させており、辺縁４０ｃ，４０ｄ間の寸法は、積層した燃料電池Ａ等の積層方向での長さを勘案して設定している。

辺縁４０ｃ，４０ｄには、これらの辺縁４０ｃ，４０ｄの全長にわたり一定の幅にして係止用締結片４１，４１が形成されている。
この係止用締結片４１，４１には、互いに所要の間隔にして、上記掛合突起２４ａに掛合する掛合孔４１ａが複数形成されている。

本実施形態においては、掛合突起２４ａ，掛合孔４１ａ及び係止用締結片４１により、掛合締結部Ｂ３を構成している。
また、辺縁４０ａ，４０ｂには、互いに積層した複数の燃料電池Ａの上面及び下面に弾性的に当接する補強片４２，４２が、それらの辺縁４０ａ，４０ｂの全長にわたり一定の幅にして形成されている。
すなわち、補強片４２，４２は、互いに積層した複数の燃料電池Ａを鉛直方向γで弾性的に支持することにより、それらの燃料電池Ａの撓みを防止するものである。

上記の構成においては、締結板３０，３１をエンドプレート２０，２１間に架け渡し、係止用締結片３２，３２、３３，３３をエンドプレート２０，２１に当接係止させると、図４に示すように、係止用締結片３２（３２）、３３（３３）の各掛合孔２２ａ，３３ａが、これに対応する係止突起２３ａ，３３ａに掛合し、その掛合状態は、締結板３０，３１による狭圧力によって維持される。
また、補強板４０の係止用締結片４１，４１に形成した各掛合孔４１ａ，４１ａが、これに対応する突起２４ａ，２４ａに掛合し、その掛合状態は、補強板４０による狭圧力によって維持される。

図５は、一例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図、図６は、その掛合維持部品をエンドプレートに装着固定した状態を示す部分拡大図である。
なお、一例に係る掛合維持部品を配設した燃料電池スタックは、上記図１〜４において説明したものと同一であるので、その説明を省略し、一例に係る掛合維持部品について説明する。

一例に係る掛合維持部品７０は、上記した掛合締結部Ｂ１〜Ｂ３の各掛合状態を維持させるためのものである。
本実施形態に示す掛合維持部品７０はマニフォルド形成部品であり、エンドプレート２０の鉛直方向γにおける両辺縁７０ａ，７０ｂ間の寸法を、そのエンドプレート２０の鉛直方向γにおける両辺縁間の寸法に一致させ、かつ、水平方向βにおける辺縁７０ｃ，７０ｄ間の寸法を、掛合締結部Ｂ３全体と掛合締結部Ｂ１，Ｂ２の一部に当接させられる寸法にしている。

なお、７１は、上記したカソード流入側開口２１ａ，冷却水流入側開口２１ｂ及びアノード流出側開口２１ｃ、及びアノード流入側開口２１ｄ，冷却水流出側開口２１ｅ及びカソード流出側開口２１ｆに連通するマニフォルドである。

図６に示すように、上記した掛合維持部品７０を、エンドプレート２０の両辺縁部に当接固定すると、その掛合維持部品７０によって、締結用係止片３２，３３、４１，４１をエンドプレート２０との間に挟圧固定した状態になる。
これにより、掛合締結部Ｂ１〜Ｂ３の各掛合状態をよりしっかりと維持させることができる。

また、掛合維持部品７０としてマニフォルド形成部品を使用することにより、上記した掛合状態を維持する機能とともに、外部に接続するための機能を併有させられるので、部品点数を減らすことができるとともに、軽量化を図ることができる。
なお、マニフォルド形成部品に代えて、これと同様の大きさ，形状にしたジャンクションボックスを採用することもできる。

図７は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図８は、その燃料電池スタックの一部をなす締結板を取り外して示す分解斜視図、図９は、その燃料電池スタックの要部を拡大して示す拡大断面図である。

本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタック１０Ａは、上述のものとは別異の構成にした掛合締結部を採用したものである。そこで、本実施形態においては、構成が異なる掛合締結部について説明し、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
なお、図７，８には、上述したものと同様の補強板について示していないが、必要に応じて設けた構成にしてもよいことは勿論である。

本実施形態において示す締結板３０は、積層方向αにおける辺縁３０ｃ，３０ｄに、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３４，３４が、それら辺縁３０ｃ，３０ｄの全長よりも短く、かつ、図示下向きに折曲形成されている。

締結板３１には、積層方向αにおける辺縁３１ｃ，３１ｄ（図８参照）に、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３５，３５が、それらの全長よりも短く、かつ、図示上向きに折曲形成されている。
上記の締結用係止片３４には、図９に示すような、エンドプレート２０に形成した掛合溝２６に掛合する掛合片３４ａが水平に折曲形成され、同じく、締結用係止片３５にも掛合片３５ａが水平に折曲形成されている。

一方、エンドプレート２０の辺縁２０ｂ，２０ｃの近傍であって、その辺縁２０ｂ，２０ｃと平行に、上記した掛合片３４ａ，３５ａを掛合するための掛合溝２６，２６が辺縁２０ｄ，２０ｅ間にわたり形成されている。

締結板３０，３１をエンドプレート２０，２１間に架け渡して、図８に示すように、係止用締結片３４、３５をエンドプレート２０，２１の掛合溝２６，２６に挿入すると、係止用締結片３４、３５の各掛合片３４ａ，３５ａが、掛合溝２６，２６に掛合し、その掛合状態は、締結板３０，３１による狭圧力によって維持される。

図１０は、第三の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第三の実施形態に係る燃料電池スタック１０Ｂは、燃料電池Ａの積層方向αと直交する水平方向βにおけるエンドプレート２０，２１の両側部間の寸法Ｗ１を、同方向βにおける補強板４０，４０の両側部間の寸法Ｗ２よりも大きく設定したものである。

この構成により、構造の簡素化を図ることができるとともに、補強板４０，４０の外れ防止機能を、エンドプレート２０，２１の両側方に突出した部分２０ｇ，２０ｇに持たせている。従って、組み立てと補強板４０の簡素化をそれぞれ図ることができる。
「両側方に突出した部分２０ｇ，２０ｇ」は、（Ｗ１−Ｗ２）／２の寸法差を有している部分であり、補強板４０，４０の縁部に、何らかの部材等が衝接することにより、補強板４０，４０に、これを引き剥がすような外力が作用しないようにしている。

図１１は、第四の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第四の実施形態に係る燃料電池スタック１０Ｃは、掛合締結部Ｂ４を、エンドプレート２０，２１の両側面と、これに対向する補強板４０，４０の両側面に配設した構成のものである。
具体的には、エンドプレート２０，２１の両辺縁２０ｄ，２０ｅの側面２０ｈ，２０ｉに、円柱形にした複数の掛合突起２５を所要の間隔で突設している。

一方、補強板４０，４０の辺縁４０ｃには、上記掛合突起２５に対向する位置に、掛合孔２７が形成されている。
この構成により、構造の簡素化を図るとともに、外れ防止機能を掛合締結部Ｂ４に持たせている。

図１２（Ａ），（Ｂ）は、第五の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなすエンドプレートの斜視図であり、（Ａ）は補強部材を固着した後の様子を示し、（Ｂ）は、補強部材を固着する前の様子を示している。

なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。また、エンドプレート２１については、エンドプレート２０と同等のものであり、また、締結板３０，３１も上記と同等のものであるので、それらの図示と説明を省略する。

第五の実施形態に係る燃料電池スタック１０Ｄは、エンドプレート２０，２１に、少なくともマニフォルド部分を補強するための補強部材２８を配設した構成のものである。
本実施形態においては、補強部材をピンとして形成しており、そのピンの一部をエンドプレート２０，２１の両側面２０ｈ，２０ｉに形成した嵌合孔２９，２９から突出させている。

上記構成からなるエンドプレート２０，２１によれば、ピン２８が締結板３０，３１が係止されていない部分を補強することができる。また、変形をさらにピン２８の一部がエンドプレート２０，２１の両側面より突出させているので、補強板４０，４０を係止させることができる。
これにより、面圧の均一性、シール耐久性の向上とともに、補強板４０，４０の位置決めを行なうことができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
図１３は、他例に係る掛合維持部品を燃料電池スタックに配設した様子を示す斜視図である。
なお、他例に係る掛合維持部品を配設した燃料電池スタック１０は、上記図１〜４において説明したものと同一であるので、その説明を省略し、一例に係る掛合維持部品について説明する。

他例に係る掛合維持部品８０は、上記した掛合締結部Ｂ１，Ｂ２の各掛合状態を維持させるためのものである。
本実施形態に示す掛合維持部品８０は、エンドプレート２０の鉛直方向γにおける両辺縁８０ａ，８０ｂ間の寸法を、そのエンドプレート２０の鉛直方向γにおける両辺縁間の寸法に一致させ、かつ、水平方向βにおける辺縁８０ｃ，８０ｄ間の寸法を、掛合締結部Ｂ１，Ｂ２の一部に当接させられる寸法にしている。

上記した掛合維持部品８０を、エンドプレート２０の中央部分に当接固定すると、その掛合維持部品８０によって、締結用係止片３２，３３をエンドプレート２０との間に挟圧固定した状態になる。
これにより、掛合締結部Ｂ１，Ｂ２の各掛合状態をよりしっかりと維持させることができる。

また、本発明は次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、エンドプレートを合成樹脂により形成したものを例示したが、これに限るものではなく、金属製であってもよい。

・熱可塑性樹脂によりエンドプレートを形成しておくとともに、そのエンドプレートに掛合突起を突設し、その掛合突起と、締結板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、その掛合突起を、互いの掛合状態が解かれないように溶融変形させてもよい。これにより、締結板とエンドプレートとの掛合状態を維持させることができる。

・また、エンドプレートの掛合突起と、補強板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、互いの掛合が解除されないように掛合突起を溶融変形させてもよい。これにより、補強板とエンドプレートとの掛合状態を維持させることができる。

・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。

１０ 燃料電池スタック
２０，２１ エンドプレート
３０，３１ 締結板
４０ 補強板
Ｂ１ 掛合締結部（掛合突起２２ａ，掛合孔３２ａ，締結用係止片３２）
Ｂ２ 掛合締結部（掛合突起２４ａ，掛合突起２３ａ、掛合孔３３ａ，締結用係止片３２）
Ｂ３ 掛合締結部（掛合突起２４ａ，掛合孔４１ａ，係止用締結片４１）

Claims (10)

1. 一対のエンドプレート間に複数の燃料電池を積層させて挟持し、かつ、締結板により上記のエンドプレートどうしを締結することにより燃料電池を挟圧する燃料電池スタックにおいて、
   上記燃料電池が積層方向に弾性伸縮変形するものであり、
   上記両エンドプレートと締結板の双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部が形成され、
   上記エンドプレートにより上記燃料電池を挟圧し、締結したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 互いに積層した複数の燃料電池の撓みを防止するために補強する補強板を有しており、
   その補強板とエンドプレートの双方に、これらを互いに掛合締結するための掛合締結部を形成した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. 掛合締結部は、互いに掛合する掛合孔と掛合突起である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. エンドプレートに装着固定することにより、少なくとも一部の掛合締結部の掛合状態が解除されないように押さえる掛合維持部品を配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 燃料電池の積層方向と直交する方向におけるエンドプレートの両側部間の寸法を、同方向における補強板の両側部間の寸法よりも大きく設定していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 掛合締結部を、エンドプレートの両側面と、これに対向する補強板の両側面に配設したことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. エンドプレートには、少なくともマニフォルド部分を補強するための補強部材が配設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 補強部材がピンであり、そのピンの一部をエンドプレートの両側面より突出させていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. エンドプレートが熱可塑性樹脂から形成されているとともに、エンドプレートに掛合突起が突設されており、
   エンドプレートの掛合突起と、締結板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、その掛合突起を、互いの掛合状態が解かれないように溶融変形させていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. エンドプレートの掛合突起と、補強板の掛合孔とを互いに掛合させた後に、互いの掛合が解除されないように掛合突起を溶融変形させていることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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