JP6870630B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

積層された複数の単セルを含む積層体と、積層体を積層方向から挟持するように一対のエンドプレートとを備えた燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックでは、単セル間の接触抵抗の低減や、単セル間のシール性を確保する等の観点から、積層体に対して積層方向に所望の圧力が加えられるように一対のエンドプレートはテンションプレートにより締結されている。エンドプレートへのテンションプレートの固定は、以下のようにして行われる。エンドプレートの外周縁にはボルト孔が形成されている。テンションプレートにはこのボルト孔と一致する貫通孔が形成されている。貫通孔とボルト孔とを一致させた状態で、ボルトをテンションプレート側から貫通孔介してボルト孔に螺合することにより、テンションプレートはエンドプレートに固定されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１５２９４２号公報

燃料電池スタックの大型化を抑制するために、テンションプレートを薄型化することが考えられる。しかしながら、テンションプレートが薄型化されるとテンションプレートの耐久性が低下する可能性がある。ここで、例えば燃料電池スタックが車両に搭載されている場合には、走行時の振動等により、ボルトの座面とテンションプレートとの間で滑りが発生して、テンションプレートの貫通孔の内周面にはボルトの軸部から局所的な荷重が作用する可能性がある。これにより、貫通孔が拡大する可能性がある。テンションプレートの貫通孔が拡大すると、貫通孔とボルトとの間にがたつきが発生して、積層体に加えられる積層方向の圧力が低下する可能性がある。

そこで本発明は、積層体に加えられる積層方向の圧力の低下を抑制する燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、積層された複数の単セルを含む積層体と、前記複数の単セルが積層された積層方向で前記積層体を挟持する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを締結するテンションプレートと、前記テンションプレートを前記一対のエンドプレートに固定する複数の固定機構と、を備え、少なくとも一つの前記固定機構は、前記一対のエンドプレートの一方の外周縁に形成された凹部と、前記一対のエンドプレートの一方に前記凹部と同心円状に形成され、前記凹部よりも内径が小さいボルト孔と、前記テンションプレートに形成された貫通孔と、通し孔を有した円筒状であって、前記貫通孔及び凹部に嵌合したスリーブと、前記スリーブの前記通し孔を貫通して前記ボルト孔に螺合したボルトと、を有し、前記貫通孔は、前記ボルトの軸方向で前記一対のエンドプレートの一方に向かって内径が徐々に縮小したテーパ内周面を有し、前記スリーブは、前記軸方向で前記一対のエンドプレートの一方に向かって外径が徐々に縮小したテーパ外周面を有し、前記テーパ外周面は、前記テーパ内周面に面接触している、燃料電池スタックによって達成できる。

スリーブのテーパ外周面が、テンションプレートの貫通孔のテーパ内周面に面接触することにより、両面の接触面積を確保して密着させることができる。このため、貫通孔のテーパ内周面上に局所的な荷重が集中することを抑制でき、貫通孔の拡大を抑制できる。これにより、スリーブとテンションプレートとの間にがたつきが発生することが抑制され、積層体に加えられる積層方向の圧力の低下が抑制されている。

前記凹部は、前記軸方向で内径が一定である円筒内周面を有し、前記スリーブは、前記テーパ外周面から前記軸方向で外径が一定である円筒外周面を有し、前記円筒内周面は、前記円筒外周面に嵌合していてもよい。

前記凹部の開口縁には、前記テーパ外周面との接触を逃がすための面取り部が形成されていてもよい。

前記軸方向での前記凹部の深さは、前記軸方向での前記スリーブの前記円筒外周面の長さよりも深くてもよい。

前記通し孔の内径は、当該通し孔を貫通した前記ボルトの軸部の外径よりも所定量だけ大きく形成されていてもよい。

本発明によれば、積層体に加えられる積層方向の圧力の低下を抑制する燃料電池スタックを提供できる。

図１は、本実施例の燃料電池スタックの斜視図である。 図２は、図１の部分拡大図である。 図３は、テンションプレートをエンドプレートに固定した固定機構周辺を示した断面図である。 図４Ａは、図３の部分拡大図であり、図４Ｂは、スリーブが凹部に深く挿入された状態での拡大図である。 図５は、変形例の固定機構の周辺の断面を示した図である。

図１は、本実施例の燃料電池スタック１（以下、スタック１と称する）の斜視図である。スタック１は、積層体１２、エンドプレート１４ａ及び１４ｂ、複数のテンションプレート２４、及び複数の固定機構３０を備えている。積層体１２は、積層された複数の単セル１１、これらの単セル１１の両端部に配置されたターミナルプレート１３ａ及び１３ｂ、及びターミナルプレート１３ａとエンドプレート１４ａとの間に配置されたプレッシャープレート１３ｃを含む。図１には、複数の単セル１１等が積層された積層方向ＬＤを示している。単セル１１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。ターミナルプレート１３ａ及び１３ｂは、複数の単セル１１を挟持するように配置されており、本実施例では、スタック１の発電電力を外部に取り出すための端子部が積層体１２の外側に突出している。

一対のエンドプレート１４ａ及び１４ｂは、積層体１２を積層方向ＬＤから挟持しており、複数のテンションプレート２４によりエンドプレート１４ａ及び１４ｂが締結されることにより、積層体１２には積層方向ＬＤで所望の圧力が加えられている。これにより、単セル１１間の接触抵抗の低減や、単セル１１間のシール性が確保されている。エンドプレート１４ａ及び１４ｂは、例えば金属製である。エンドプレート１４ｂは、積層体１２よりも積層方向ＬＤに直交する方向に突出した部分を有して、例えばスタック１が車両に搭載される場合には、車体を構成する部材に固定される。尚、エンドプレート１４ｂには、複数の単セル１１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を供給する供給口や、これらを排出する排出口が形成されている。

テンションプレート２４は、積層体１２の外周面に対向して積層方向ＬＤに延び、エンドプレート１４ａ及び１４ｂを締結している。詳細には、テンションプレート２４は、エンドプレート１４ａ及び１４ｂにより積層体１２に積層方向ＬＤでの所望の圧力が加えられるように、エンドプレート１４ａ及び１４ｂのそれぞれの外周縁１４ａ１及び１４ｂ１に固定されている。テンションプレート２４は、金属製であり、積層体１２の周囲に複数設けられている。テンションプレート２４は、長手方向での長さ、及び長手方向に直交する短手方向での幅よりも、厚みが薄く形成されている。これにより、スタック１の大型化、詳細には、積層方向ＬＤに直交する面方向でのスタック１の大型化が抑制されている。固定機構３０は、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａ及び１４ｂに固定するための機構である。固定機構３０については後述する。

プレッシャープレート１３ｃは、エンドプレート１４ａとターミナルプレート１３ａとの間に配置されており、エンドプレート１４ａに取り付けられた複数の調整ネジ１４ｃの先端部により押圧されている。具体的には、調整ネジ１４ｃは、エンドプレート１４ａに形成されたネジ孔との螺合量が調整されることにより、エンドプレート１４ａからプレッシャープレート１３ｃに向けて突出した調整ネジ１４ｃの先端部の突出量が調整される。これにより積層体１２に加えられる積層方向ＬＤの圧力が微調整される。尚、ターミナルプレート１３ａとプレッシャープレート１３ｃとの間、及びターミナルプレート１３ｂとエンドプレート１４ｂとの間には、絶縁性を確保するための不図示のインシュレータが設けられている。

次に、固定機構３０について説明する。テンションプレート２４の一端は、２つの固定機構３０によりエンドプレート１４ａに固定されており、他端も、２つの固定機構３０によりエンドプレート１４ｂに固定されている。図２は、図１の部分拡大図である。固定機構３０は、ボルト４０や、ボルト４０が貫通したスリーブ５０、テンションプレート２４に形成された貫通孔２５等を含む。詳しくは後述するが、ボルト４０がエンドプレート１４ａに形成されているボルト孔に螺合することにより、スリーブ５０はボルト４０によりエンドプレート１４ａに固定され、テンションプレート２４はスリーブ５０によりエンドプレート１４ａに固定される。ボルト４０は、その軸方向ＡＤが積層方向ＬＤと直交する姿勢で、スリーブ５０をエンドプレート１４ａに固定している。

図３は、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａに固定した固定機構３０周辺を示した断面図である。図２には示されていないが、図３に示すようにエンドプレート１４ａの外周縁１４ａ１には、凹部１５が形成されている。凹部１５は、ボルト４０の軸方向ＡＤから見て円形状であり、具体的には、円筒状の円筒内周面１７と、底面１８とを有している。また、エンドプレート１４ａには、ボルト孔１９が形成されている。ボルト孔１９は、凹部１５に同心円状に形成され、凹部１５の内径よりも小さい内径を有している。ボルト孔１９の内周面には、後述するボルト４０の軸部４６に螺合するネジ溝が形成されている。尚、固定機構３０には、ボルト４０及びスリーブ５０に加え、エンドプレート１４ａに形成された凹部１５及びボルト孔１９も含まれる。

テンションプレート２４の貫通孔２５は、軸方向ＡＤでエンドプレート１４ａに向かって内径が徐々に縮小したテーパ内周面２５ａを有している。テーパ内周面２５ａの最小の内径は、エンドプレート１４ａの凹部１５の円筒内周面１７の内径と略同じ又はそれよりも大きく形成されている。尚、固定機構３０には、テンションプレート２４の貫通孔２５も含まれる。貫通孔２５については、詳しくは後述する。

ボルト４０は、金属製であり、頭部４２、座面４４、軸部４６を有している。軸部４６は、エンドプレート１４ａのボルト孔１９に螺合している。座面４４は、頭部４２及び軸部４６のそれぞれの外径よりも大きく形成されている。軸部４６は、外周面にネジ山が形成されており、ボルト孔１９のネジ溝に螺合している。

スリーブ５０は、金属製であって略円筒状に形成されており、テンションプレート２４の貫通孔２５とエンドプレート１４ａの凹部１５とに嵌合している。スリーブ５０は、上面５４、テーパ外周面５５、通し孔５６、円筒外周面５７、及び底面５８を有している。上面５４は、ボルト４０の座面４４に接触してエンドプレート１４ａ側に押圧されている。尚、ボルト４０の座面４４の外径は、座面４４がスリーブ５０から外側にはみ出さないように、上面５４の外径よりも小さく形成されている。通し孔５６には、ボルト４０の軸部４６が貫通している。通し孔５６は、ボルト孔１９とは異なり、その内周面にはネジ溝は形成されておらず、滑らかな円筒状となっている。テーパ外周面５５は、軸方向ＡＤでエンドプレート１４ａに向かって外径が徐々に縮小している。これに対して円筒外周面５７は、軸方向ＡＤで外径が一定である。円筒外周面５７は、テーパ外周面５５よりもエンドプレート１４ａ側に形成されている。円筒外周面５７の外径は、テーパ外周面５５の外径の最小値と略同じ又はそれよりも小さく形成されている。テーパ外周面５５は、テンションプレート２４の貫通孔２５のテーパ内周面２５ａに接触している。円筒外周面５７は、凹部１５の円筒内周面１７に接触している。

以上のように、スリーブ５０がテンションプレート２４の貫通孔２５とエンドプレート１４ａの凹部１５とに嵌合した状態で、ボルト４０の軸部４６が通し孔５６を介してボルト孔１９に螺合している。これによりスリーブ５０はエンドプレート１４ａに固定されている。ここで上述したように、貫通孔２５のテーパ内周面２５ａとスリーブ５０のテーパ外周面５５とは、軸方向ＡＤでエンドプレート１４ａに向かって径が徐々に縮小しており、換言すれば軸方向ＡＤでエンドプレート１４ａから離れる方向で径が徐々に拡大している。このため、スリーブ５０がエンドプレート１４ａに固定されテンションプレート２４の貫通孔２５に嵌合した状態では、テンションプレート２４はエンドプレート１４ａから離れる方向でスリーブ５０から離脱することが規制されている。即ち、エンドプレート１４ａとボルト４０との締結力がスリーブ５０に作用し、スリーブ５０に作用した力がテンションプレート２４に作用することにより、テンションプレート２４はエンドプレート１４ａに固定されている。その他のテンションプレート２４をエンドプレート１４ｂに固定する固定機構３０についても同様である。

貫通孔２５のテーパ内周面２５ａとスリーブ５０のテーパ外周面５５とは、共にテーパ状であって勾配は略同じであり、互いに面接触している。これにより、テーパ内周面２５ａ及びテーパ外周面５５の接触面積が確保され密着状態が維持されている。このように両面が密着することにより、テーパ外周面５５からテーパ内周面２５ａが受ける荷重が分散され、テーパ内周面２５ａ上に局所的に荷重が集中することが抑制されている。これにより、貫通孔２５が拡大することが抑制される。例えば、スタック１が車両に搭載されており、車両の振動がスタック１に伝達する場合であっても、テーパ内周面２５ａはテーパ外周面５５に密着しているため、貫通孔２５の拡大は抑制される。これにより、積層体１２に加えられる積層方向ＬＤの圧力の低下が抑制される。

例えば、内径が軸方向で一定である貫通孔の内周面と、外径が軸方向で一定であるスリーブの外周面とが接触する構成も考えられる。この場合、加工精度に起因した寸法誤差や組み付け誤差等により、貫通孔の内周面とスリーブの外周面とを均一に接触させることができずに、両面の接触面積を安定的に確保することが困難となる可能性がある。これにより、貫通孔の内周面の一部分に応力が集中して、貫通孔が拡大する可能性がある。特に、本実施例のテンションプレート２４のように薄型化されている場合には、このような問題が生じやすい。本実施例の場合には上述したように、テーパ内周面２５ａ及びテーパ外周面５５は共にテーパ状であって互いに面接触して密着しているため、貫通孔２５の拡大は抑制される。

また、上述したようにスリーブ５０の通し孔５６にはネジ溝が形成されておらず、通し孔５６の内径はボルト４０の軸部４６の外径よりも所定量だけ大きく形成されている。このため、通し孔５６にボルト４０が挿入された状態で、スリーブ５０はボルト４０に対して僅かに動くことができる。このようにボルト４０に対してスリーブ５０が僅かに相対移動可能であることにより、各部材の寸法誤差等を吸収しつつ、スリーブ５０のテーパ外周面５５と貫通孔２５のテーパ内周面２５ａとを密着させることができる。尚、通し孔５６の内径とボルト４０の軸部４６の外径との差は、各部材の寸法誤差等を考慮して設定すればよく、例えば、０．５ｍｍ以上であってもよく、１．０ｍｍ以上であってもよく、又は１．５ｍｍ以上であってもよい。

また、円筒外周面５７は軸方向ＡＤで外径が一定であり、円筒内周面１７も軸方向ＡＤで内径が一定である。例えば、円筒外周面５７及び円筒内周面１７も、テーパ外周面５５及びテーパ内周面２５ａと同様に互いに面接触するように、エンドプレート１４ａに向かって径が徐々に縮小したテーパ状にすることが考えられる。この場合、凹部１５とスリーブ５０とが密着しすぎて、凹部１５からスリーブ５０を取り外すことが困難となる可能性がある。凹部１５からスリーブ５０を取り外す場合とは、以下のような場合が想定される。例えばスタック１の完成後に行われる試験により複数の単セル１１の一部を交換する必要性が生じた場合に、再度スタック１を分解する場合がある。このような場合に、凹部１５からスリーブ５０を取り外すことが困難であると、スリーブ５０によりエンドプレート１４ａに固定されているテンションプレート２４も取り外すことが困難となって、スタック１の分解作業性が低下する可能性がある。本実施例では円筒外周面５７及び円筒内周面１７は軸方向ＡＤで径が一定であるため、凹部１５とスリーブ５０とが密着しすぎることが抑制され、分解作業性の低下が抑制されている。

図３には、凹部１５の深さＬ１と、スリーブ５０の円筒外周面５７の長さＬ５とが示されている。深さＬ１は、長さＬ５よりも深く形成されている。即ち、スリーブ５０の底面５８が凹部１５の底面１８に接触しない状態でテンションプレート２４がエンドプレート１４ａに固定されている。例えば、仮に底面５８及び１８同士が接触した状態の場合には、ボルト４０からスリーブ５０に作用する押圧力は、テンションプレート２４のみならずエンドプレート１４ａにも分散される。これにより、スリーブ５０からテンションプレート２４が受ける力が低下して、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａに十分な力で固定することができない可能性がある。本実施例では、上述したように底面５８及び底面１８同士が接触しないため、ボルト４０からスリーブ５０が受ける力をエンドプレート１４ａには分散させずにテンションプレート２４に伝えることができる。従って、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａに十分な力で固定することができる。

図４Ａは、図３の部分拡大図である。エンドプレート１４ａの凹部１５の開口縁には、全周に亘って面取り部１５１が形成されている。また、テーパ外周面５５と円筒外周面５７との間にはスリーブ５０の周方向に延びた円環状の窪み部５５１が形成されている。窪み部５５１は、製造工程において必然的に形成されるものであり、スリーブ５０は窪み部５５１を備えたものに限定されない。

図４Ｂは、スリーブ５０が凹部１５に深く挿入された状態での拡大図である。尚、図４Ｂは、図４Ａに対応している。例えば、各部材の寸法誤差等によって、想定されている場合よりスリーブ５０が凹部１５に深く挿入されることが有り得る。このような場合であっても、面取り部１５１によりエンドプレート１４ａとスリーブ５０との接触が回避されている。このような構成によっても、ボルト４０からスリーブ５０が受ける力をエンドプレート１４ａには分散させずにテンションプレート２４に伝えることができ、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａに十分な力で固定することができる。尚、面取り部１５１が形成されていることにより、テンションプレート２４をエンドプレート１４ａに固定する際に、凹部１５へのスリーブ５０の挿入が容易であり、スタック１の組み立て作業性も向上している。

本実施例では、複数のテンションプレート２４は、複数の固定機構３０によりエンドプレート１４ａ及び１４ｂに固定されているが、少なくとも一つのテンションプレートが固定機構３０によりエンドプレート１４ａ及び１４ｂの少なくとも一方に固定されていてもよい。

次に、変形例について説明する。尚、変形例においては、同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明は省略する。図５は、変形例の固定機構３０Ａの周辺の断面を示した図である。固定機構３０Ａのスリーブ５０Ａには、上述の実施例とは異なり、円筒外周面５７は形成されておらず、テーパ外周面５５Ａが軸方向の全体にわたって形成されている。また、エンドプレート１４ａＡの凹部１５Ａには、上述の実施例とは異なり、内径が一定である円筒内周面１７は形成されておらずに、エンドプレート１４ａＡ側に向けて内径が徐々に縮小したテーパ内周面１７Ａが形成されている。このように、スリーブ５０Ａは、上述した実施例でのスリーブ５０と比較して製造が容易となり、製造コストを抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 燃料電池スタック
１１ 単セル
１２ 積層体
１４ａ、１４ｂ エンドプレート
３０ 固定機構
４０ ボルト
５０ スリーブ

Claims (5)

1. 積層された複数の単セルを含む積層体と、
   前記複数の単セルが積層された積層方向で前記積層体を挟持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートを締結するテンションプレートと、
   前記テンションプレートを前記一対のエンドプレートに固定する複数の固定機構と、を備え、
   少なくとも一つの前記固定機構は、
   前記一対のエンドプレートの一方の外周縁に形成された凹部と、
   前記一対のエンドプレートの一方に前記凹部と同心円状に形成され、前記凹部よりも内径が小さいボルト孔と、
   前記テンションプレートに形成された貫通孔と、
   通し孔を有した円筒状であって、前記貫通孔及び凹部に嵌合したスリーブと、
   前記スリーブの前記通し孔を貫通して前記ボルト孔に螺合したボルトと、を有し、
   前記貫通孔は、前記ボルトの軸方向で前記一対のエンドプレートの一方に向かって内径が徐々に縮小したテーパ内周面を有し、
   前記スリーブは、前記軸方向で前記一対のエンドプレートの一方に向かって外径が徐々に縮小したテーパ外周面を有し、
   前記テーパ外周面は、前記テーパ内周面に面接触している、燃料電池スタック。
2. 前記凹部は、前記軸方向で内径が一定である円筒内周面を有し、
   前記スリーブは、前記テーパ外周面から前記軸方向で外径が一定である円筒外周面を有し、
   前記円筒内周面は、前記円筒外周面に嵌合している、請求項１の燃料電池スタック。
3. 前記凹部の開口縁には、前記テーパ外周面との接触を逃がすための面取り部が形成されている、請求項２の燃料電池スタック。
4. 前記軸方向での前記凹部の深さは、前記軸方向での前記スリーブの前記円筒外周面の長さよりも深い、請求項２又は３の燃料電池スタック。
5. 前記通し孔の内径は、当該通し孔を貫通した前記ボルトの軸部の外径よりも所定量だけ大きく形成されている、請求項１乃至４の何れかの燃料電池スタック。
   

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