JP6689092B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
車両等に搭載される燃料電池スタックは、燃料電池積層体(以下、単に積層体という。)と、積層体を収納するケーシングと、を有している(例えば、下記特許文献1参照)。
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。
ケーシングは、積層体を積層方向の両側から挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレート間を架け渡す連結バーと、積層体の周囲を積層方向に直交する方向から取り囲むサイドパネルと、を有している。
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。
上述した燃料電池スタックでは、アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。
特開2014−216269号公報 特開2013−179032号公報
ところで、従来の燃料電池スタックでは、積層体内を流れる反応ガス(燃料ガスや酸化剤ガス)が各単位セル間や各種シール部材の隙間等を通して積層体の外部に漏れ出る場合がある。この場合、積層体の外部に漏れ出た反応ガスは、例えばエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を通してケーシングの外部に漏れ出るおそれがある。特に、燃料ガスに用いられる水素ガスは、分子が小さいため、上述した課題が顕著になる可能性がある。
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。
そこで、筒状ノックの外周面と取付孔の内周面との間に、筒状ノックの外周面及び取付孔の内周面に密接するシール部材を介在させる構成が考えられる。シール部材は、燃料電池スタックの組付時やメンテナンス時等において、例えば筒状ノックに外挿された状態で、筒状ノックとともに取付孔内に着脱される。
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。
そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、シール部材の損傷を抑制し、ケーシングの外部への反応ガスの漏れや、ケーシングの外部からの水の進入を長期に亘って抑制できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載した発明は、複数の燃料電池セル(例えば、実施形態における単位セル2)が第1方向に積層された燃料電池積層体(例えば、実施形態における積層体3)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(例えば、実施形態における第1エンドプレート81及び第2エンドプレート82)、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(例えば、実施形態における第1連結バー83及び第2連結バー84)を有し、前記燃料電池積層体を収納するケーシング(例えば、実施形態におけるケーシング4)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(例えば、実施形態における締結部材100)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(例えば、実施形態におけるエンドプレート側取付孔101)及び連結部材側取付孔(例えば、実施形態における連結バー側取付孔102)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(例えば、実施形態における筒状ノック110)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(例えば、実施形態における外側シール部材122)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(例えば、実施形態における内側シール部材123)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(例えば、実施形態における外側面取り部131)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(例えば、実施形態における内側面取り部132)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
請求項2に記載した発明では、前記外側面取り部の最大内径(例えば、実施形態における最大内径φA)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(例えば、実施形態における外径φB)よりも大きくてもよい。
請求項3に記載した発明では、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(例えば、実施形態におけるエンドプレート側境界面101c)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(例えば、実施形態における曲面部150)が形成されていてもよい。
請求項1に記載した発明によれば、積層体から漏れ出てケーシング内に存在する反応ガスが各取付孔を通して燃料電池スタックの外部に放出されるのを抑制できる。
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。
ここで、エンドプレート側取付孔の外側開口縁及び内側開口縁に面取り部を形成することで、エンドプレート側取付孔の内面と、エンドプレートのうち第1方向を向く端面との境界部分(外側境界部分及び内側境界部分)が滑らかに連なることになる。これにより、燃料電池スタックの組付時やメンテナンス時等において、シール部材を取付孔に着脱する際、上述した境界部分にシール部材が接触するのを抑制できる。その結果、シール部材の損傷を抑制し、上述したケーシングの外部への反応ガスの漏れや、ケーシングの外部からの水の進入を長期に亘って抑制できる。
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。
請求項2に記載した発明によれば、外側面取り部の最大内径がシール部材の第1方向から見た正面視外形に比べて大きいため、上述した各境界部分とシール部材との接触を確実に抑制できる。
請求項3に記載した発明によれば、仮にエンドプレート側取付孔の外側開口縁にシール部材が接触したとしても、シール部材の損傷を抑制できる。
第1実施形態の燃料電池スタックを第1エンドプレート側から見た分解斜視図である。 図1に示す単位セルの分解斜視図である。 図1のIII−III線に相当する断面図である。 図5のIV−IV線に相当する断面図である。 第1実施形態の燃料電池スタックを第2エンドプレート側から見た分解斜視図である。 図1のVI−VI線に相当する断面図である。 シール部材の着脱時を示す各取付孔を含むエンドプレート及び連結バーの拡大断面図である。 第2実施形態に係るエンドプレート側取付孔を含むエンドプレートの拡大断面図である。
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(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。
燃料電池スタック1は、積層体(燃料電池積層体)3と、積層体3を収納するケーシング4と、を主に備えている。
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。
<単位セル>
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。
単位セル2の各セパレータ21,22は、MEA23のアノード電極32側に配置された第1セパレータ21、及びMEA23のカソード電極33側に配置された第2セパレータ22である。なお、以下の説明では、各セパレータ21,22において、同一の構成については同様の符号を付してまとめて説明する。
各セパレータ21,22は、セパレータプレート35と、セパレータプレート35の外周部を被覆する被覆部材36と、を有している。
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は図1のIII−III線に相当する断面図である。
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。
図2に示すように、単位セル2の各角部には、入口側ガス連通孔(酸化剤ガス入口連通孔41i及び燃料ガス入口連通孔42i)と、出口側ガス連通孔(酸化剤ガス出口連通孔41o及び燃料ガス出口連通孔42o)と、が形成されている。各連通孔41i,41o,42i,42oは、単位セル2をA方向に貫通している。図2に示す例において、単位セル2の右上角部には、酸化剤ガス(例えば、空気等)を供給するための酸化剤ガス入口連通孔41iが形成されている。単位セル2の右下角部には、燃料ガス(例えば、水素等)を供給するための燃料ガス入口連通孔42iが形成されている。また、単位セル2の左下角部には使用済みの酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔41oが形成されている。単位セル2の左上角部には、使用済みの燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔42oが形成されている。
単位セル2において、各入口連通孔41i,42iに対してB方向の内側に位置する部分には、冷媒入口連通孔43iがそれぞれ形成されている。
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。
各セパレータ21,22(セパレータプレート35)の中央部は、プレス成形等によって凹凸形状とされている。セパレータ21,22のうち、MEA23と対向する面は、MEA23との間にそれぞれガス流路45,46を形成している。
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。
第2セパレータ22のカソード電極33を向く面と、MEA23のカソード電極33と、の間には、酸化剤ガス流路46が形成されている。酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス入口連通孔41i及び酸化剤ガス出口連通孔41oにそれぞれ連通している。
図3に示すように、積層体3は、一の単位セル2の第1セパレータ21と、一の単位セル2に隣接する他の単位セル2の第2セパレータ22と、が重ね合わされた状態で、A方向に積層されて構成される。そして、一の単位セル2の第1セパレータ21と、他の単位セル2の第2セパレータ22と、の間には、冷媒流路55が形成されている。図2に示すように、冷媒流路55は、冷媒入口連通孔43i及び冷媒出口連通孔43oにそれぞれ連通している。なお、冷媒流路55を流通する冷媒として、例えば純水やエチレングリコール等が好適に用いられる。
なお、単位セル2の積層構造は、上述の構成に限定されるものではない。例えば、3枚のセパレータと、各セパレータ間に挟持された2枚のMEAと、により単位セルを構成しても構わない。また、各連通孔のレイアウトについても適宜設計変更が可能である。
図4は、図5のIV−IV線に相当する断面図である。
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ターミナルプレート61に対してA方向の外側には、第1インシュレータ66が配置されている。第1インシュレータ66は、正面視外形が第1ターミナルプレート61よりも大きくなっている。また、第1インシュレータ66は、A方向の厚さが第1ターミナルプレート61よりも厚くなっている。
第1インシュレータ66の中央部には、A方向の外側に向けて窪む収容部71が形成されている。収容部71内には、上述した第1ターミナルプレート61が収容されている。
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。
図4に示すように、上述した第2ターミナルプレート62は、各単位セル2のうち、A方向の他方側に位置する単位セル(以下、第2端部セル2bという。)のカソード電極33に第2セパレータ22を介して導通している。第2ターミナルプレート62には、A方向の外側に向けて突出する出力端子64(図5参照)が形成されている。
第2ターミナルプレート62に対してA方向の外側には、第2インシュレータ67が配置されている。第2インシュレータ67は、正面視外形が第2ターミナルプレート62よりも大きくなっている。また、第2インシュレータ67は、A方向の厚さが第2ターミナルプレート62よりも厚くなっている。
第2インシュレータ67の中央部には、A方向の外側に向けて窪む収容部73が形成されている。収容部73内には、上述した第2ターミナルプレート62が収容されている。
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。
<ケーシング>
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。
図3、図4に示すように、エンドプレート81,82は、積層体3をA方向の両側から挟持している。各エンドプレート81,82は、正面視外形が単位セル2よりも大きい長方形状に形成されている。図3に示すように、第1エンドプレート81は、積層体3との間に第1ターミナルプレート61及び第1インシュレータ66を挟み込んだ状態で、積層体3に対してA方向の一方側に配置されている。
図1に示すように、第1エンドプレート81の各角部には、ガス入口孔(酸化剤ガス入口孔85i及び燃料ガス入口孔86i)及びガス出口孔(酸化剤ガス出口孔85o及び燃料ガス出口孔86o)が形成されている。ガス入口孔85i,86iは、第1インシュレータ66の対応する各ガス入口接続孔(例えば、酸化剤ガス入口接続孔72)を通してガス入口連通孔41i,42iにそれぞれ連通している。ガス出口孔85o,86oは、第1インシュレータ66の対応する各ガス出口接続孔を通してガス出口連通孔41o,42oにそれぞれ連通している。
第1エンドプレート81の各角部には、複数のガスマニホールド91i,91o,92i,92oが接続されている。各ガスマニホールド91i,91o,92i,92oは、酸化剤ガス入口マニホールド91i、酸化剤ガス出口マニホールド91o、燃料ガス入口マニホールド92i及び燃料ガス出口マニホールド92oである。各ガスマニホールド91i,91o,92i,92oは、第1エンドプレート81からA方向の外側に向けて延びる筒状に形成されている。
酸化剤ガス入口マニホールド91iは、酸化剤ガス入口孔85i及び酸化剤ガス入口接続孔72(図3参照)を通して積層体3の酸化剤ガス入口連通孔41i(図3参照)に連通している。酸化剤ガス入口マニホールド91iには、図示しない酸化剤ガス入口配管が接続される。
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。
燃料ガス入口マニホールド92iは、第1エンドプレート81の燃料ガス入口孔86i及び第1インシュレータ66の燃料ガス入口接続孔を通して積層体3の燃料ガス入口連通孔42i(図2参照)に連通している。燃料ガス入口マニホールド92iには、図示しない燃料ガス入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4に示すように、第2エンドプレート82は、積層体3との間に第2ターミナルプレート62及び第2インシュレータ67を挟み込んだ状態で、積層体3に対してA方向の他方側に配置されている。
図5は、燃料電池スタック1を第2エンドプレート82側から見た分解斜視図である。
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。
第2エンドプレート82には、複数の冷媒マニホールド(冷媒入口マニホールド96i及び冷媒出口マニホールド96o)が接続されている。冷媒入口マニホールド96iは、B方向から見た側面視でアーチ状に形成されている。冷媒入口マニホールド96iは、C方向における両側の開口部が第2エンドプレート82の各冷媒入口孔95iのうち、対応する冷媒入口孔95iにそれぞれ連通している。これにより、冷媒入口マニホールド96iは、冷媒入口孔95i及び冷媒入口接続孔74(図3参照)を通して積層体3の冷媒入口連通孔43iに連通している。冷媒入口マニホールド96iにおけるC方向の中央部には、入口ポート98が突設されている。なお、入口ポート98には、図示しない冷媒入口配管が接続される。
冷媒出口マニホールド96oは、B方向から見た側面視でアーチ状に形成されている。冷媒出口マニホールド96oは、C方向における両側の開口部が第2エンドプレート82の各冷媒出口孔95oのうち、対応する冷媒出口孔95oにそれぞれに連通している。これにより、冷媒出口マニホールド96oは、冷媒出口孔95o及び第2インシュレータ67の図示しない冷媒出口接続孔を通して積層体3の冷媒出口連通孔43oに連通している。冷媒出口マニホールド96oにおけるC方向の中央部には、出口ポート99が突設されている。出口ポート99には、図示しない冷媒出口配管が接続される。
図1に示すように、第1連結バー83及び第2連結バー84は、A方向に沿って延在する板状に形成されている。なお、各連結バー83,84の断面形状は、矩形状や円形状等、適宜変更が可能である。
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。
各サイドパネル80は、積層体3の周囲(B方向の外側及びC方向の外側)にそれぞれ配置されている。各サイドパネル80は、積層体3、ターミナルプレート61,62及びインシュレータ66,67、エンドプレート81,82及び連結バー83,84を、B方向の外側及びC方向の外側から取り囲んでいる。
次に、各エンドプレート81,82と各連結バー83,84との締結構造について詳述する。但し、各エンドプレート81,82と各連結バー83,84との締結構造は、何れも同様の構成である。そのため、以下の説明では第1エンドプレート81と第1連結バー83との締結構造について主に説明し、その他の部分の締結構造については説明を省略する。
図6は、図1のVI−VI線に相当する断面図である。
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。
第1連結バー83におけるA方向の外側端面87において、A方向でエンドプレート側取付孔101と重なる部分には、連結バー側取付孔102が形成されている。連結バー側取付孔102は、A方向に沿って延びるとともに、第1連結バー83のA方向の外側端面87上で開口している。連結バー側取付孔102におけるA方向の外側開口部は、エンドプレート側取付孔101に連通している。
連結バー側取付孔102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、連結バー側取付孔102は、A方向の外側に位置する連結バー側大径部102aと、連結バー側大径部102aに対してA方向の内側に連なる連結バー側小径部102bと、を有している。
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。
各取付孔101,102内には、筒状ノック110が挿入されている。筒状ノック110は、第1エンドプレート81と第1連結バー83との位置決めを行うとともに、第1エンドプレート81と第1連結バー83との間に作用するせん断荷重を受けるものである。筒状ノック110は、A方向に延びる筒状に形成されている。
筒状ノック110は、エンドプレート側小径部101b内と連結バー側大径部102a内に跨って配置されている。本実施形態において、筒状ノック110におけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aにおけるA方向の合計長さと同等になっている。筒状ノック110におけるA方向の内側端面は、連結バー側大径部102aと連結バー側小径部102bとの連結バー側境界面102cにA方向の外側から突き当たっている。一方、筒状ノック110におけるA方向の外側端面は、エンドプレート側大径部101aとエンドプレート側小径部101bとのエンドプレート側境界面101cと同等の位置に配置されている。なお、筒状ノック110におけるA方向の長さは、エンドプレート側小径部101b及び連結バー側大径部102aにおけるA方向の合計長さ以下であれば、適宜変更が可能である。
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。
筒状ノック110の外周面には、収容溝120,121がA方向に間隔をあけて2つ形成されている。各収容溝120,121は、筒状ノック110における径方向の内側に窪むとともに、筒状ノック110の全周に亘って形成されている。各収容溝120,121のうち、A方向の外側に位置する外側収容溝120は、筒状ノック110のうちエンドプレート側小径部101b内に位置する部分に形成されている。一方、各収容溝120,121のうち、A方向の内側に位置する内側収容溝121は、筒状ノック110のうち連結バー側大径部102a内に位置する部分に形成されている。
各収容溝120,121内には、シール部材122,123がそれぞれ収容されている。シール部材122,123は、それぞれ弾性変形可能な材料により形成されている(例えば、Oリング等)。シール部材122,123は、A方向を軸方向とする環状に形成されている。なお、図示の例において、シール部材122,123は、A方向に沿う断面視形状が円形状に形成されているが、これに限らず、矩形状等に形成しても構わない。
シール部材122,123は、ラジアル方向(A方向に直交する方向)に圧縮変形(弾性変形)した状態で、各収容溝120,121内にそれぞれ収容されている。この場合、シール部材122,123のうち、A方向の外側に位置する外側シール部材(第1シール部材)122は、外側収容溝120内に収容された状態で、外側収容溝120の内面及びエンドプレート側小径部101bの内周面に密接している。一方、シール部材122,123のうち、A方向の内側に位置する内側シール部材(第2シール部材)123は、内側収容溝121内に収容された状態で、内側収容溝121の内面及び連結バー側大径部102aの内周面に密接している。
締結部材100は、エンドプレート側取付孔101を通して連結バー側取付孔102内で螺着されている。具体的に、締結部材100の頭部100aは、ワッシャ112を間に挟んでエンドプレート側境界面101cにA方向の外側から当接している。この場合、ワッシャ112及び頭部100aの一部は、エンドプレート側大径部101a内に収容されている。これにより、第1エンドプレート81からの頭部100aのA方向の外側への突出量が抑えられている。なお、本実施形態の締結部材100は、例えば六角ボルトが好適に用いられている。但し、締結部材100は、六角ボルトに限らず、六角穴付きボルト等であっても構わない。
締結部材100の軸部100bは、外径が筒状ノック110の内径よりも小さくなっている。軸部100bは、各取付孔101,102内において、筒状ノック110内を貫通している。軸部100bの先端部は、連結バー側小径部102b内でに螺着されている。
図7は、シール部材122,123の着脱時を示す各取付孔101,102を含むエンドプレート81,82及び連結バー83,84の拡大断面図である。
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方向の外側に位置する外側面取り部131は、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と、がなす角部を切除して形成されている。外側面取り部131のうち、少なくとも最大内径φA(A方向の外側端縁での内径)は、各シール部材122,123の自然長(圧縮変形していない状態)での外径φBよりも大きくなっている。
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。
外側面取り部131の面取り角度θ1は、内側面取り部132の面取り角度θ2よりも大きくなっている。なお、各面取り部131,132の「面取り角度」とは、各面取り部131,132の内面のうちA方向の中心を通る接線と、A方向と、のなす角度である。本実施形態において、各面取り部131,132の面取り部θ1,θ2は、互いに鋭角(5°〜45°程度)に設定されている。
また、連結バー側取付孔102のうち、連結バー側大径部102aにおけるA方向の外側開口縁には、連結バー側面取り部133が形成されている。連結バー側面取り部133は、いわゆる丸面取りである。具体的に、連結バー側面取り部133は、A方向に沿う縦断面視において、連結バー側取付孔102の径方向の内側に向けて凸の曲線状に形成されている。連結バー側面取り部133は、連結バー側大径部102aの内面と、第1連結バー83におけるA方向の外側端面87と、がなす角部を切除して形成されている。なお、連結バー側面取り部133は、上述した外側面取り部131と同等の形状に形成されている。但し、連結バー側面取り部133の形状は適宜設計変更が可能である。例えば、連結バー側面取り部133の面取り角度が、内側面取り部132の面取り角度θ2と同等であっても構わない。
以上、説明した本実施形態では、外側収容溝120の内面及びエンドプレート側小径部101bの内周面に弾性変形した状態で密接する外側シール部材122を有する構成とした。そのため、図6に示すように、取付孔101,102内に進入した反応ガスが、筒状ノック110の外周側を通ってA方向の外側への流れるのを外側シール部材122によって抑制できる。
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。
また、ケーシング4の外部に存在する水がエンドプレート側取付孔101を通してケーシング4内に進入するのを、外側シール部材122によって塞き止めることができる。この場合、第1エンドプレート81と第1連結バー83との境界部分よりもA方向の外側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノック110のせん断応力を受ける部分の腐食を抑制できる。
図7に示すように、本実施形態では、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それぞれ面取り部131,132を形成する構成とした。
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。
特に、本実施形態では、外側面取り部131の面取り角度θ1を、内側面取り部132の面取り角度θ2よりも大きくする構成とした。
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。
また、本実施形態では、外側面取り部131の最大内径φAがシール部材122,123の自然長での外径に比べて大きいため、外側境界部分P1とシール部材122,123との接触を確実に抑制できる。
なお、第1エンドプレート81と第2連結バー84、第2エンドプレート82と第1連結バー83、及び第2エンドプレート82と第2連結バー84それぞれの締結構造についても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。
(第2実施形態)
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。
図8に示すように、曲面部150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内に向けて凸の曲線状に形成されている。曲面部150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、がなす角部を切除して形成されている。曲面部150は、外側面取り部131の内面とエンドプレート側境界面101cとの間を滑らかに接続している。なお、本実施形態において、曲面部150の曲率半径は、外側面取り部131の曲率半径よりも小さくなっている。
本実施形態では、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することに加え、仮にエンドプレート側小径部101bにおけるA方向の外側開口縁にシール部材122,123が接触したとしても、シール部材122,123の損傷を抑制できる。なお、上述した連結バー側面取り部133の内面と、連結バー83,84におけるA方向の外側端面87と、の境界部分に曲面部を形成しても構わない。
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
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、取付孔101,102を多段形状に形成した場合について説明したが、これに限らず、全体に亘って一様な内径に形成しても構わない。この場合、外側面取り部は、エンドプレート側取付孔におけるA方向の外側開口縁において、エンドプレート側取付孔の内面と、エンドプレート81,82におけるA方向の外側端面と、がなす角部を切除して形成される。
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。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。
1…燃料電池スタック
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)

  1. 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。

  2. 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。
  3. 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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