JP6707648B2 - 燃料電池セルスタックハウジング - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１のプリアンブルに記載の燃料電池セルスタックハウジングに関するものである。

燃料電池は、水素含有燃料ガスと空気のような酸素含有反応ガスを互いに電気化学的に反応させることにより、電力を発生させることができる。燃料電池は、基本的に水素イオンを選択的に輸送する膜で構成され、２つの電極の間に挟まれる、すなわちアノードとカソードとの間に挟まれる。膜及び電極から成る接合体は普通、膜電極接合体（「ＭＥＡ」）と表記される。燃料電池セルスタックは普通、バイポーラ板で分離される複数の積層膜電極接合体を含む。

バイポーラ板は、ＭＥＡを機械的にクランプし、かつ直列電気接続を隣接するＭＥＡ間に確立する導電性セパレータである。各バイポーラ板は、対応する電極に燃料ガスおよび反応ガスを供給する複数のガス流路を備え、更には、生成された水または余剰ガスを取り除くように適合させる。複数のＭＥＡがバイポーラ板の間にクランプされる構造体は、単位燃料電池セルと表記される。

燃料電池セルスタックの両端では、バイポーラ板は、燃料電池セルスタックをクランプするエンドプレートとして形成される。積層構造を維持し、単位燃料電池セル間の漏れを防止するために、単位燃料電池セル群を互いに押圧するように適合させた好適に均一な圧縮力を燃料電池セルスタックに加える。圧縮状態を維持するために、金属バンドまたはボルトのような締結部材を設ける、または燃料電池セルスタックをハウジングに収容する。バンド及びハウジングが、燃料電池セルスタックを包囲するのに対し、ボルトは、エンドプレートと相互作用し、単位燃料電池セルを所定の位置に保持する。

既知の接合体の不具合は様々である。燃料電池セルスタックをボルトで締結固定する場合、エンドプレートにボルト孔を設け、エンドプレートは、圧縮力を維持するために十分な強度を実現する必要がある。これにより今度は、燃料電池セルスタック中の応力が局所的に変化するようになって、燃料電池セルスタックを損傷する可能性がある。同じことが、燃料電池セルスタック中の応力を均一にするためにはこの場合も適していない金属バンドに当てはまる。

ボルト孔または金属バンドの否定的状態を回避するために、そのようなことから燃料電池セルスタックを収容するハウジングを使用することも提案されている。しかしながら、この手法は、提案されるハウジングのサイズが１種類だけであるので、別の問題を生じる。しかしながら、燃料電池セルスタックは、単位燃料電池セルが積層電池として構成されるので、燃料電池セルスタックのサイズが異なってくる。従って、サイズが１種類のハウジング内の燃料電池セルスタックに加わる応力も変化する。これにより、燃料電池セルスタックが漏れの影響を受ける（不十分な応力）状況に至ることさえある、または燃料電池セルスタックが損傷する（過剰な応力）状況に至ることさえある。

従って、本発明の目的は、燃料電池セルスタックを収容するハウジングであって、燃料電池セルスタックの構成部材を損傷することなく、燃料電池セルスタック中の応力を均一に分散させるハウジングを提供することにある。

この目的は、特許請求項１に記載の燃料電池セルスタックハウジング、及び特許請求項１０に記載の燃料電池セルスタックアセンブリにより解決される。

以下に、少なくとも下部セクションと、第１及び第２側壁と、を備える燃料電池セルスタックハウジングであって、第１及び第２側壁が、下部セクションにより離間される、当該燃料電池セルスタックハウジングが開示される。ハウジングは更に、燃料電池セルスタックを包囲するように適合させ、第１及び第２側壁に係合する少なくとも１つの締結部材を備える。更に、ハウジングの少なくとも第１側壁は、平板セクションと、弓形セクションと、を有し、弓形セクションは、第２側壁の方向に延びる。それに関して、弓形セクションと下部セクションとの間の最大可能距離が、燃料電池セルスタックハウジングの内高を定義する。燃料電池セルスタックに加えることができる均一な圧縮力を維持する燃料電池セルスタックの収容を行う場合、燃料電池セル群の全体サイズが、複数の単位燃料電池セルの組成に起因して変化する場合でも、内高は調整可能である。高さ調整により、燃料電池セル群を収容することができ、燃料電池セル群は、燃料電池セルスタックの様々な寸法に適合させることができる。これにより、燃料電池セルスタックをハウジングに、応力の増加に起因する損傷を伴うことなく、または応力不足に起因する単位燃料電池セル間の密封性を低下させることなく収容することができる。

好適には、高さ調整は、少なくとも１つの締結部材の締め付け具合により行われる。従って、ハウジングを標準ハウジングとして予め製造しておくことができ、標準ハウジングは、個々の燃料電池セルスタックに適合させることができる。必要な高さを決定した後、ハウジングを個々に製造する必要がない。

別の好適な実施形態によれば、締め付け具合は、連続的に調整可能である、または段階的に調整可能である。これにより、非常に正確な調整を、燃料電池セルスタックに必要な、異なる高さに加えることができ、これにより今度は、最適な収容が、最適な圧縮力を維持しながら行われる。従って、例えば締結部材は、最小内高を実現する第１締め付け具合、及び中間内高を実現する第２締め付け具合を有することができ、中間内高は、最小内高と締め付け解除状態の内高との間の高さである。

第１側壁及び第２側壁が、平板側面セクションと、弓形セクションと、を有する場合が更に好ましく、弓形セクションは、互いの方向に延びるが、互いにギャップにより分離される。ギャップは、側壁群のうち一方の側壁のみが弓形セクションを有する場合にも設けられることに留意されたい。更に、少なくとも１つの締結部材が、弓形セクション群の間のギャップに、または弓形セクションと側壁との間のギャップにそれぞれ架け渡されることが好ましい。その結果、本開示の高さ調整は、ハウジングの弓形セクション群の間のギャップのサイズを大きくする、または小さくすることにより行うことができ、ギャップのサイズの大小は、締結部材をより強く締め付ける、またはより弱く締め付けることにより実現することができる。

更に別の好適な実施形態によれば、側壁、特に側壁の弓形セクションは、締結部材の取り付け先のハウジングから突出するフランジ部材となる。これにより、締結部材を、例えばネジまたはボルトとしてハウジングの弓形セクションに簡便に適用することができる。

更に別の好適な実施形態によれば、少なくとも１つの側壁の平板側面セクション及び弓形セクションは、一体的に形成される、または互いに永久的に連結される。これにより、ハウジングの合計の部材数を少なくすることができ、これにより今度は、ハウジング自体の組み付け作業を速く行うことができる。

更に別の好適な実施形態によれば、下部セクションは、側壁に脱着可能に接続される。これにより、燃料電池セルスタックをハウジングの内部に収容する作業が容易になるが、その理由は、側壁及び締結部材が、予め組み付けられているからである。次に、ハウジングに、事前組み付け状態の燃料電池セルスタックを載せ、次に下部セクションを取り付けて仕上げる。

好適には、下部セクション及び側壁は、互いに係合して下部セクションを側壁に固定するインターロッキング部材を有する。これにより、下部セクションを側壁に組み付ける作業を速やかに行うことができる。

本発明の別の態様は、燃料電池セルスタックアセンブリに関するものであり、燃料電池セルスタックアセンブリは、上に説明した燃料電池セルスタックハウジングに収容される燃料電池セルスタックを備える。更に、燃料電池セルスタックは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートを備え、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に、複数の単位燃料電池セルが配置される。従って、第１エンドプレートが、ハウジングの下部セクションに平行に配置され、かつ第２エンドプレートが、側壁の弓形セクション／弓形セクション群の近傍に配置される場合が好ましい。下部セクション及び弓形セクションが下部セクション及び上部セクションと命名される場合でも、燃料電池セルスタックを備えるハウジングは、横向きに配置することもできるので、下部セクション及び上部セクションは、燃料電池セルスタックアセンブリの側方面として設けられることになることに留意されたい。

更に、押圧プレートを配設することが好ましく、押圧プレートは、第２エンドプレートと側壁の少なくとも１つの弓形セクションとの間に配置される。これにより、燃料電池セルスタックに加わる圧力を、エンドプレートに、かつ単位燃料電池セル群に均一に分散させる。

更に別の好適な実施形態によれば、弾性部材、好適には少なくとも１つのバネが、押圧プレートと燃料電池セルスタックの第２エンドプレートとの間に配置される。また、弾性部材は応力不均等を補正する。

更に、押圧プレートの形状は、側壁の弓形セクションの形状に類似させることができ、これにより、燃料電池セルスタックへの応力分散の均一性を高めることもできる。

更に別の利点及び好適な実施形態は、特許請求の範囲、詳細な説明、及び図に開示されている。更に、当業者であれば、本明細書において示唆される特徴以外に提示される特徴を、本発明の範囲を逸脱しない範囲で組み合わせることができることに留意する必要がある。

以下に、本発明について、図に示される実施形態を利用して説明する。開示される実施形態は、例示に過ぎず、保護範囲を限定するものではない。保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

燃料電池セルスタックアセンブリの好適な実施形態の斜視図である。 図１に示す燃料電池セルスタックアセンブリの正面図である。 ハウジングを部分的に削除した状態の図１及び図２の燃料電池セルスタックアセンブリの斜視図である。

以下の説明では、同じ機能部材または同様の機能部材には、同じ参照番号を付している。

図１〜図３は、燃料電池セルスタックアセンブリ１００の好適な実施形態の様々な図を示しており、燃料電池セルスタックアセンブリ１００は、燃料電池セルスタック２を包囲するハウジング１を備える。それに関して、図１は、組み付け後の燃料電池セルスタックアセンブリ１００の斜視図を示しており、図２は、組み付け後の燃料電池セルスタックアセンブリ１００の正面図を示しているのに対し、図３は、ハウジング１を部分的に取り除いた状態の燃料電池セルスタックアセンブリ１００を示している。

図１〜図３に示すように、燃料電池セルスタックハウジング１は、下部プレートとして設計される下部セクション１３により分離される第１側壁１１及び第２側壁１２を有する。第１側壁１１及び第２側壁１２はそれぞれ、図示の実施形態では、一体的に形成される平板セクション１１−１，１２−１及び弓形セクション１１−２，１２−２を含む。更に分かるように、弓形セクション１１−２，１２−２は、互いに向かう方向に延びるが、互いにギャップ１４で分離された状態を保つ。

このギャップ１４に、本実施形態のボルトナット系として図示される締結部材３が架け渡される。締結部材３を側壁１１，１２の弓形セクション１１−２，１２−２に取り付ける場合、弓形セクション１１−２，１２−２は、ハウジング１から延びるフランジ１５，１６を備えるように設計される。フランジ１５，１６は、弓形セクション１１−２，１２−２の自由端に配置され、ハウジング１から外側に延びる。

上に説明したように、締結部材３は、ボルト３３を収容する２つの円筒形ナット３１，３２を備えるボルトナット系として設計される。図１〜図３から更に分かるように、フランジ１５，１６は、僅かに湾曲して、締結部材３の円筒形ナット３１，３２を収容して固定する。円筒形ナット３１及び３２を挿通するように、ボルト３３をねじ込んでギャップ１４を、ナット３１，３２中へのボルト３３の締め付け具合によって異なるが、程度の差はあれ閉止することができる。

締結部材３の締め付け具合によって、下部セクション１３と弓形上部セクション１１−２，１２−２との最大可能距離に対応する内高ｈ_ｉを調整することができる。従って、内高は、締結部材３を締め付けることにより、従ってギャップ１４のサイズを小さくすることにより低くすることができる。この高さ調整により、ハウジング１を収容後の燃料電池セルスタック２に個々に合うように調整して、均一な最適圧力を燃料電池セルスタック内で維持することができる。

上に説明したように、２つのバイポーラ板の間に挟まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む単位燃料電池セルの燃料電池セルスタックの組成に起因して、燃料電池セルスタックの全体寸法が僅かに変化する可能性がある。これらの寸法変化が燃料電池セルスタックに生じて、燃料電池セルスタックハウジングにより維持される圧力が、収容後の燃料電池セルスタックには最適ではなくなる。これにより、燃料電池セルスタックが、過剰応力により損傷する状況、または応力が不十分になって漏れが生じる状況に陥ることさえある。記載のハウジング１が調整可能であるので、このような不完全性を解消することができるが、その理由は、ハウジングの内高ｈ_ｉを、締結部材３を所望の具合で締め付けて、ギャップ１４の開き具合を調整することにより調整することができ、これにより今度は、利用可能な内高ｈ_ｉを定義するからである。

図１〜図３に更に示すように、燃料電池セルスタック２は、第１エンドプレート２１及び第２エンドプレート２２により終端する。それによって、第１エンドプレート２１は、燃料電池セルスタックハウジング１の下部セクション１３と平行に配置される。第２エンドプレート２２が今度は、燃料電池セルスタックハウジング１の側壁１１，１２の弓形セクション１１−２，１２−２と平行に配置される。

更には、弓形セクション１１−２，１２−２と第２エンドプレート２２との間に、所謂押圧プレート２３が配置され、押圧プレート２３と第２エンドプレート２２との間に、バネ２４の形態の弾性部材が配置される。押圧プレート２３及びバネ２４はそれぞれ、エンドプレート２２に加わる押圧力の均一な分布を可能にする。従って、燃料電池セルスタック２中の局所応力も回避することができる。

図２に図示され、図２ａに詳細が図示されているように、下部セクション１３は、燃料電池セルスタックハウジング１の側壁１１，１２と一体的に形成されないが、着脱可能に設計される。下部セクション１３を側壁１１，１２から取り外す場合、インターロッキング部材１７，１８を側壁１１，１２及び下部セクション１３にそれぞれ設ける。これらのインターロッキング部材１７，１８により、下部セクション１３を側壁１１，１２にスナップ嵌合させることができる、または図３に示すように、側壁１１，１２を下部セクション１３のインターロッキング部材１８上で摺動させることができる。

図３から更に分かるように、側壁を所定の位置に配置した後、締結部材３を側壁１１，１２に取り付けることができる。当業者には明白なことであるが、図示のボルトナット系とは異なる締結部材を使用することもできる。図示のボルトナット系が今度は、円筒状に形成されるナットを、湾曲フランジ１５，１６にぴったりと重ね合わせることができるので、湾曲フランジ１５，１６は、ボルト及びナットが外れるのを防止することもできるという利点をもたらす。

有利な点として、提示される燃料電池セルスタックハウジングは、様々な寸法の燃料電池セルスタックに対する公差補正を、燃料電池セルスタックハウジングの内高を調整することができることにより容易にすることができる。これは、締結部材の異なる締め付け具合により行うことができる。更に、ケーシングは低重量を有し、エンドプレートは、低い応力に対抗する。ハウジングは、特に側壁は、アルミニウムまたは別の軽合金により形成することができ、締結部材またはフランジの開口部のような取り付け箇所の一体化は、押出成形時に容易に行われる。これらの側壁自体は、一体的に形成することができる、または２部品形状に設計することもでき、２部品形状は、例えば摩擦かくはん溶接により互いに溶着させる。更に、接合体の外形寸法は、ハウジングが燃料電池セルスタックの様々な長さに調整される場合でも維持することができる。燃料電池セルスタックハウジングの弓形セクション間に付与されるギャップは、燃料電池セルスタックをハウジングの内部に、圧縮力がスタック押圧力により加わり続けている状態で収容することができ、締結部材は、圧縮力が解放される前に予め締め付けておくという更なる利点をもたらす。

１００ 燃料電池セルスタックアセンブリ
１ 燃料電池セルスタックハウジング
１１，１２ 側壁
１１−１，１２−１ 側壁の平板セクション
１１−２，１２−２ 側壁の弓形セクション
１３ 下部セクション
１４ ギャップ
１５，１６ フランジ
１７，１８ インターロッキング部材
２ 燃料電池セルスタック
２１ 第１エンドプレート
２２ 第２エンドプレート
２３ 押圧プレート
２４ バネ部材
３ 締結部材
３１，３２ 円筒形ナット
３３ ボルト

Claims (12)

1. 少なくとも下部セクション（１３）と、第１及び第２側壁（１１；１２）と、を備える燃料電池セルスタックハウジング（１）であって、前記第１及び第２側壁（１１；１２）は、前記下部セクション（１３）により離間され、前記ハウジング（１）は、燃料電池セルスタック（２）を収容するように適合させ、前記第１及び第２側壁（１１；１２）に係合する少なくとも１つの締結部材（３）を備え、前記ハウジング（１）の少なくとも前記第１側壁（１１）は、平板セクション（１１−１）と、前記第２側壁（１２）の方向に延びる弓形セクション（１１−２）と、を有し、前記弓形セクション（１１−２）と前記下部セクション（１３）との間の最大可能距離が、前記燃料電池セルスタックハウジング（１）の内高（ｈ_ｉ）を定義し、
   前記弓形セクション（１１−２）及び前記第２側壁（１２）は、互いにギャップ（１４）により分離され、前記少なくとも１つの締結部材（３）は、前記弓形セクション（１１−２）と前記第２側壁（１２）との間の前記ギャップ（１４）に架け渡され、前記燃料電池セルスタックハウジング（１）の前記内高（ｈ_ｉ）は調整可能であり、前記高さ調整は、前記少なくとも１つの締結部材（３）の締め付け具合により行われることを特徴とする燃料電池セルスタックハウジング（１）。
2. 前記締め付け具合は、連続的に調整可能である、または段階的に調整可能である請求項１に記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
3. 前記第１側壁（１１）及び前記第２側壁（１２）は、平板側面セクション（１１−１；１２−１）と、弓形セクション（１１−２；１２−２）と、を有し、前記弓形セクション（１１−２；１２−２）は、互いに近づく方向に延びるが、互いにギャップ（１４）により分離される請求項１または２に記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
4. 前記少なくとも１つの締結部材（３）は、前記側壁（１１，１２）の前記弓形セクション（１１−２；１２−２）の間の前記ギャップ（１４）に架け渡される請求項３に記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
5. 前記側壁（１１；１２）は、前記締結部材（３）の取り付け先の前記ハウジング（１）から突出するフランジ部材（１５；１６）となる請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
6. 少なくとも１つの側壁（１１；１２）の前記平板側面セクション（１１−１；１２−１）及び前記弓形セクション（１１−２；１２−２）は、一体的に形成される、または互いに永久的に連結される請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
7. 前記下部セクション（１３）は、前記側壁（１１；１２）に脱着可能に接続される請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
8. 前記下部セクション（１３）及び前記側壁（１１；１２）は、前記下部セクション（１３）を前記側壁（１１；１２）に係合させて固定するインターロッキング部材（１７；１８）を有する請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池セルスタックハウジング（１）に収容される燃料電池セルスタック（２）を備え、前記燃料電池セルスタック（２）は、第１エンドプレート（２１）及び第２エンドプレート（２２）を備え、前記第１エンドプレート（２１）と前記第２エンドプレート（２２）との間に、複数の単位燃料電池セルが配置され、前記第１エンドプレート（２１）は、前記ハウジング（１）の前記下部セクション（１３）に平行に配置される燃料電池セルスタックアセンブリ（１００）。
10. 押圧プレート（２３）が配設され、前記押圧プレート（２３）は、前記第２エンドプレート（２２）と前記側壁（１１；１２）の前記少なくとも１つの弓形セクション（１１−２；１２−２）との間に配置される請求項９に記載の燃料電池セルスタックアセンブリ（１００）。
11. 弾性部材（２４）が、前記押圧プレート（２３）と前記燃料電池セルスタック（２）の前記第２エンドプレート（２２）との間に配置される請求項１０に記載の燃料電池セルスタックアセンブリ（１００）。
12. 前記押圧プレート（２３）の形状は、前記側壁（１１；１２）の前記弓形セクション（１１−２；１２−２）の形状に類似する請求項１０または１１に記載の燃料電池セルスタックアセンブリ（１００）。
    

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