JP6689092B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
積層体は、複数の単位セルが積層されて構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで構成された膜電極構造体(MEA)と、膜電極構造体を挟持するセパレータと、を備えている。
エンドプレート及び連結バーは、積層体の積層方向に互いに突き合わされた状態で、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に挿通された締結部材によって締結されている。例えば下記特許文献2には、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に、筒状ノックが配設された構成が開示されている。筒状ノックは、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔間を跨って配設されるとともに、締結部材に外挿されている。
また、ケーシングの外部に存在する水が、エンドプレート側取付孔や連結バー側取付孔内に進入すると、筒状ノック等の腐食に繋がるおそれがある。
しかしながら、シール部材を取付孔に着脱する際、例えばエンドプレート側取付孔の内面と、エンドプレートにおける積層方向を向く端面と、のなす角部にシール部材が接触すると、シール部材の損傷に繋がるおそれがある。
特に、第1シール部材がエンドプレート側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックの外周側を通して燃料電池スタック外部へ漏れ出るのを抑制できる。
また、ケーシングの外部に存在する水がエンドプレート側取付孔を通してケーシング内に進入するのを、第1シール部材によって塞き止めることができる。この場合、エンドプレートと連結部材との境界部分よりもエンドプレート側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノックのせん断応力を受ける部分の腐食を抑制できる。
また、第2シール部材が連結部材側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックにおける第1方向の積層体側から回り込んで筒状ノックの内周側に進入するのを抑制できる。
特に、外側面取り部の面取り角度を、内側面取り部の面取り角度よりも大きくする構成とした。そのため、シール部材の装着時において、エンドプレートのうち、上述した外側境界部分にシール部材が接触するのを確実に抑制できる。
一方、第2シール部材がエンドプレート側取付孔における第1方向の内側開口縁を通過する際は、第2シール部材が既に圧縮変形されている。また、第2シール部材がエンドプレート側取付孔における第1方向の内側開口縁を通過する際に、筒状ノックの一部が連結部材側取付孔内に位置している場合には、エンドプレートと連結部材との位置ずれが起こり難い。そのため、内側面取り部の面取り角度を外側面取り部の面取り角度に比べて小さくしたとしても、第2シール部材と上述した内側境界部分との接触を抑制できる。そして、内側面取り部の面取り角度を外側面取り部の面取り角度に比べて小さくすることで、エンドプレートにおける第1方向の内側端面と、連結部材における第1方向の外側端面との接触面積(座面面積)を確保できる。その結果、エンドプレートと連結部材との間の締結力を確保できる。
(第1実施形態)
[燃料電池スタック]
図1は本実施形態の燃料電池スタック1を第1エンドプレート81側から見た分解斜視図である。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1は、図示しない車両の前部に画成されたモータルームやフロア下に搭載されている。燃料電池スタック1は、例えば駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池スタック1は、例えば図中のA方向(第1方向)が車両の幅方向、B方向が車両の前後方向、C方向が車両の上下方向となるようにして車両に搭載される。
積層体3は、複数の単位セル(燃料電池セル)2がA方向に積層されて構成されている。なお、以下の説明では、上述したA方向、B方向及びC方向において、積層体3の中央部に近づく向きを内側といい、積層体3の中央部から離間する向きを外側という場合がある。
図2は単位セル2の分解斜視図である。
図2に示すように、単位セル2は、例えば一対のセパレータ21,22と、各セパレータ21,22間に挟持された膜電極構造体23(以下、単にMEA23という。)と、を備えている。MEA23は、固体高分子電解質膜31と、固体高分子電解質膜31をA方向の両側から挟持するアノード電極32及びカソード電極33と、を備えている。
アノード電極32及びカソード電極33は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層と、を有している。
固体高分子電解質膜31は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。固体高分子電解質膜31は、A方向から見た正面視外形がアノード電極32及びカソード電極33よりも大きくなっている。図2の例において、固体高分子電解質膜31の中央部には、アノード電極32及びカソード電極33が重ね合わされている。固体高分子電解質膜31の外周部は、アノード電極32及びカソード電極33に対して額縁状にはみ出している。
セパレータプレート35は、B方向を長手方向とする長方形状の金属板、又はカーボン板により構成されている。なお、図2の例において、セパレータプレート35は、正面視外形が固体高分子電解質膜31と同等に形成されている。セパレータプレート35は、A方向から見てMEA23に重なり合っている。
図3に示すように、被覆部材36は、ゴム等の弾性変形可能な材料により形成されている。被覆部材36は、固体高分子電解質膜31の外周部にA方向で密接している。
単位セル2において、各出口連通孔41o,42oに対してB方向の内側に位置する部分には、冷媒出口連通孔43oがそれぞれ形成されている。なお、一対の冷媒入口連通孔43i同士及び一対の冷媒出口連通孔43o同士は、アノード電極32及びカソード電極33を間に挟んでそれぞれC方向で対向する位置に配置されている。
具体的に、第1セパレータ21のアノード電極32を向く面と、MEA23のアノード電極32と、の間には、燃料ガス流路45が形成されている。燃料ガス流路45は、燃料ガス入口連通孔42i及び燃料ガス出口連通孔42oにそれぞれ連通している。
図3、図4に示すように、積層体3に対してA方向の両側には、ターミナルプレート(第1ターミナルプレート61及び第2ターミナルプレート62)がそれぞれ配置されている。各ターミナルプレート61,62は、正面視の外形がセパレータ21,22よりも小さくなっている。図3に示すように、第1ターミナルプレート61は、積層体3(各単位セル2)のうち、A方向の一方側に位置する単位セル(以下、第1端部セル2aという。)のアノード電極32に第1セパレータ21を介して導通している。第1ターミナルプレート61には、A方向の外側に向けて突出する出力端子63(図1参照)が形成されている。
第1インシュレータ66の外周部(収容部71の外側に位置する部分)は、第1端部セル2aにおける第1セパレータ21(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス入口連通孔41i,42iに各別に連通する酸化剤ガス入口接続孔72及び燃料ガス入口接続孔(不図示)が形成されている。また、第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス出口連通孔41o,42oに各別に連通する図示しない酸化剤ガス出口接続孔及び燃料ガス出口接続孔が形成されている。
第2インシュレータ67の外周部(収容部73の外側に位置する部分)は、第2端部セル2bにおける第2セパレータ22(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。また、第2インシュレータ67の外周部には、上述した各冷媒連通孔43i,43oに各別に連通する冷媒入口接続孔74及び冷媒出口接続孔(不図示)が形成されている。
図1に示すように、ケーシング4は、積層体3よりも一回り大きい箱型に形成されている。ケーシング4は、その内部に積層体3を収納している。具体的に、ケーシング4は、一対のエンドプレート(第1エンドプレート81及び第2エンドプレート82)と、連結バー(エンドプレート81,82のうち対向する辺同士を各別に連結する一対の第1連結バー83及び一対の第2連結バー84)と、4枚のサイドパネル80と、を備えている。
酸化剤ガス出口マニホールド91oは、第1エンドプレート81の酸化剤ガス出口孔85o及び第1インシュレータ66の酸化剤ガス出口接続孔を通して積層体3の酸化剤ガス出口連通孔41o(図2参照)に連通している。酸化剤ガス出口マニホールド91oには、図示しない酸化剤ガス出口配管が接続される。
燃料ガス出口マニホールド92oは、第1エンドプレート81の燃料ガス出口孔86o及び第1インシュレータ66の燃料ガス出口接続孔を通して積層体3の燃料ガス出口連通孔42o(図2参照)に連通している。燃料ガス出口マニホールド92oには、図示しない燃料ガス出口配管が接続される。
図5に示すように、第2エンドプレート82には、一対の冷媒入口孔95i及び一対の冷媒出口孔95oが形成されている。冷媒入口孔95iは、第2インシュレータ67の対応する冷媒入口接続孔74(図4参照)を通して冷媒入口連通孔43iに連通している。冷媒出口孔95oは、第2インシュレータ67の対応する冷媒出口接続孔を通して冷媒出口連通孔43oに連通している。
各連結バー83,84は、A方向の両端面が各エンドプレート81,82におけるA方向の内側端面に突き合わされた状態で、一対の締結部材100によってエンドプレート81,82にそれぞれ締結されている。具体的に、第1連結バー83は、積層体3に対してC方向の両側において各エンドプレート81,82の長辺部分同士を連結している。第2連結バー84は、積層体3に対してB方向の両側において、各エンドプレート81,82の短辺部分同士を連結している。なお、締結部材100は、各連結バー83,84ごとに3本以上設けられていても構わない。
図6に示すように、第1エンドプレート81のうち、A方向で第1連結バー83と重なる部分には、エンドプレート側取付孔101が形成されている。エンドプレート側取付孔101は、第1エンドプレート81をA方向に貫通する円形の貫通孔である。エンドプレート側取付孔101は、A方向の内側に位置するものほど内径が小さい多段形状になっている。具体的に、エンドプレート側取付孔101は、A方向の外側に位置するエンドプレート側大径部101aと、エンドプレート側大径部101aに対してA方向の内側に連なるエンドプレート側小径部101bと、を有している。エンドプレート側大径部101aにおけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101bよりも短くなっている。なお、本実施形態において、エンドプレート側取付孔101は、B方向に間隔をあけて2つ形成されている。
連結バー側大径部102aの内径は、エンドプレート側小径部101bの内径と同等になっている。
連結バー側取付孔102のうち、少なくとも連結バー側小径部102bは、雌ねじ孔になっている。
また、筒状ノック110の外径は、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aの内径よりも小さくなっている。また、筒状ノック110の内径は、連結バー側小径部102bの内径以上になっている。
ここで、図7に示すように、エンドプレート側取付孔101のうち、エンドプレート側小径部101bにおけるA方向の両端開口縁には、面取り部131,132が形成されている。各面取り部131,132は、いわゆる丸面取りである。具体的に、各面取り部131,132は、A方向に沿う縦断面視において、エンドプレート側取付孔101の径方向の内側に向けて凸の曲線状に形成されている。
面取り部131,132のうち、A方向の内側に位置する内側面取り部132は、エンドプレート側小径部101bの内面と、第1エンドプレート81におけるA方向の内側端面と、がなす角部を切除して形成されている。なお、内側面取り部132の最大内径φC(A方向の内側端縁での内径)は、各シール部材122,123の外径φBより小さくても構わない。
また、本実施形態では、内側収容溝121の内面及び連結バー側大径部102aの内周面に弾性変形した状態で密接する内側シール部材123を有する構成とした。そのため、取付孔101,102内に進入した反応ガスが、筒状ノック110におけるA方向の内側を回り込んで筒状ノック110の内周側に進入するのを内側シール部材123によって抑制できる。
これにより、取付孔101,102と締結部材100との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔101,102からケーシング4の外部に放出されるのをシール部材122,123によって抑制できる。
この構成によれば、エンドプレート側小径部101bの内面と、エンドプレート側境界面101cや第1エンドプレート81におけるA方向の内側端面と、のそれぞれの境界部分(外側境界部分P1及び内側境界部分P2)が滑らかに連なることになる。これにより、燃料電池スタック1の組付時やメンテナンス時等において、シール部材122,123を取付孔101,102に着脱する際、上述した境界部分P1,P2にシール部材122,123が接触するのを抑制できる。その結果、シール部材122,123の損傷を抑制し、上述したケーシング4の外部への反応ガスの漏れや、ケーシング4の外部からの水の進入を長期に亘って抑制できる。
この構成によれば、シール部材122,123の装着時において、自然長のシール部材122,123と上述した外側境界部分P1との接触を確実に抑制できる。
一方、内側シール部材123がエンドプレート側小径部101bにおけるA方向の内側開口縁を通過する際は、内側シール部材123が既に圧縮変形されている。また、内側シール部材123がエンドプレート側小径部101bにおけるA方向の内側開口縁を通過する際に、筒状ノック110の一部が連結バー側取付孔102内に位置している場合には、第1エンドプレート81と第1連結バー83との位置ずれが起こり難い。そのため、内側面取り部132の面取り角度θ2を外側面取り部131の面取り角度θ1に比べて小さくしたとしても、内側シール部材123と上述した内側境界部分P2との接触を抑制できる。そして、内側面取り部132の面取り角度θ2を外側面取り部131の面取り角度θ1に比べて小さくすることで、第1エンドプレート81におけるA方向の内側端面と、第1連結バー83におけるA方向の外側端面87との接触面積(座面面積)を確保できる。その結果、第1エンドプレート81と第1連結バー83との間の締結力を確保できる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図8は、第2実施形態に係るエンドプレート側取付孔101を含むエンドプレート81,82の拡大断面図である。本実施形態では、外側面取り部131の内面と、エンドプレート側境界面101cと、の境界部分に曲面部150を形成した点で上述した第1実施形態と相違している。なお、以下の説明では、第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
例えば、上述した実施形態では、上述した実施形態では、シール部材を2つ用いた場合について説明したが、3つ以上の複数用いても構わない。
上述した実施形態では、締結部材100の頭部100aがエンドプレート側大径部101a内に収容された構成について説明したが、これに限られない。
上述した実施形態では、各面取り部131〜133が丸面取りである構成について説明したが、これに限らず、平面取りであっても構わない。また、各面取り部131〜133のうち、何れかの面取り部を丸面取りとし、残りの面取り部を平面取りとしても構わない。
2…単位セル(燃料電池セル)
3…積層体(燃料電池積層体)
4…ケーシング
81…第1エンドプレート(エンドプレート)
82…第2エンドプレート(エンドプレート)
83…第1連結バー(連結部材)
84…第2連結バー(連結部材)
100…締結部材
101…エンドプレート側取付孔
101b…エンドプレート側小径部(エンドプレート側取付孔)
101c…エンドプレート側境界面(外側端面)
102…連結バー側取付孔
110…筒状ノック
122…外側シール部材(第1シール部材)
123…内側シール部材(第2シール部材)
131…外側面取り部
132…内側面取り部
150…曲面部
Claims (3)
- 複数の燃料電池セルが第1方向に積層された燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体を前記第1方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレート、及び前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結部材を有し、前記燃料電池積層体を収納するケーシングと、
前記第1方向に延びる軸部を有し、前記エンドプレートと前記連結部材とを前記第1方向で締結する締結部材と、
前記エンドプレート及び前記連結部材のうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結部材側取付孔内を前記第1方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結部材側取付孔内で前記軸部に外挿された筒状ノックと、
前記エンドプレート側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第1シール部材と、
前記連結部材側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記連結部材側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第2シール部材と、
前記エンドプレート側取付孔のうち、前記第1方向における前記連結部材側取付孔とは反対側に開口する外側開口縁に形成された外側面取り部と、
前記エンドプレート側取付孔のうち、前記第1方向における前記連結部材側取付孔に向けて開口する内側開口縁に形成された内側面取り部と、を備え、
前記外側面取り部の内面と前記第1方向とのなす面取り角度は、前記内側面取り部の内面と前記第1方向とのなす面取り角度よりも大きく、
前記軸部は、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結部材側取付孔内において、前記筒状ノック内を貫通し、前記連結部材側取付孔内で螺着されていることを特徴とする燃料電池スタック。
- 前記外側面取り部の最大内径は、前記第1シール部材及び前記第2シール部材における前記第1方向から見た正面視外形よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
- 前記エンドプレートのうち、前記外側面取り部の内面と、前記外側面取り部の内面に連なり前記第1方向の外側を向く外側端面と、の境界部分には、前記エンドプレート側取付孔内に向けて凸の曲面部が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池スタック。
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