JP7067510B2 - 燃料電池積層体の締結機構 - Google Patents

Description

本開示は、積層されている複数の単セルを含む燃料電池積層体を積層方向に締結する締結機構に関する。

燃料電池が、エネルギー源として注目されている。燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に、それぞれ、水素ガスのような燃料ガス（アノード供給ガス）と酸素のような酸化剤ガス（カソード供給ガス）を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。燃料電池は、固定式の電源として用いられるだけでなく、電気自動車の動力源として用いられている。このような燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層させて構成される燃料電池積層体の形態で利用される。

燃料電池の積層体は、単セルの積層状態の維持、燃料ガス及び酸化剤ガス等の漏洩防止、並びに燃料電池の構成部材間における接触抵抗の低減などを目的として、積層方向に締結圧が加えられた状態で、締結される。このような締結のために、締結機構が用いられる。

特許文献１は、複数の単セルを積層して形成されたセル積層体を備えている燃料電池積層体を開示している。当該文献は、セル積層体と、このセル積層体の両端に積層されている一対の端板と、セル積層体及び一対の端板を積層方向に締め付ける締付部材とを有している燃料電池スタックについて、記載している。

特許文献２は、荷重付与機構を備えている燃料電池積層体を開示している。当該文献によれば、この荷重付与機構によって、単セルによって構成される積層体に、積層方向に沿った荷重が、付与される。当該文献によれば、締結バンドの一端が、保持部を介してエンドプレートに保持される。当該保持部は、締結バンドの一端のロール部中に配置された丸棒状のナット部材と、エンドプレートの貫通孔を貫通し、当該ナット部材に設けられたネジ穴に螺入される締結ネジと、から構成されることが、記載されている。

また、上記特許文献２は、幅方向の長さが締結バンドの幅よりも長く、かつ締結バンドよりも外側の位置にネジ穴が形成されているナット部材についても、記載している。この構成では、エンドプレートへの締結バンドの固定が、締結バンドの外側において、２つの締結ネジを介して、行われる。

特開２０１０－００９８４４号公報 特開２０１６－０２７５４３号公報

従来技術に係る締結機構では、締結バンドに、締結ネジを通すための貫通孔が設けられているため、所望の強度を得るために、締結バンドの幅を太くするなどの方策が必要であった。また、２本以上のネジを介して締結バンドの端部を固定する場合には、均等な締結圧の付与が比較的困難になるおそれがあった。

本開示に係る発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、締結バンドの強度が向上しており、かつ均等な締結圧を比較的簡便に付与及び調節することができる締結機構を提供することを、目的とする。

本開示は、以下の手段によって上記の目的を達成するものである。

積層された複数の単セルを含む燃料電池積層体を積層方向に締結する締結機構であって、
この締結機構が、前記燃料電池積層体の前記積層方向の両端に配置されている第一エンドプレート及び第二エンドプレート、締結バンド、並びに連結部材を有しており、
前記連結部材が、前記積層方向において互いに対向している締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有している枠状の形状であり、前記エンドプレート連結部が、雌ネジを有しており、かつ
前記締結バンドの１又は両方の端部が、前記締結バンド連結部に巻き付いて連結しており、かつ前記連結部材、及び前記エンドプレート連結部の前記雌ネジに螺合された１本のみの雄ネジを介して、前記第一エンドプレート又は前記第二エンドプレートに連結しており、それにより、前記締結バンドが、前記第一エンドプレート及び前記第二エンドプレートを介して前記燃料電池積層体に対して締結圧を付与するようになっている、
締結機構。

本開示によれば、締結バンドの強度が向上しており、かつ均等な締結圧を比較的簡便に付与及び調節することができる締結機構を、提供することができる。

図１は、本開示に係る締結機構を有している燃料電池積層体の、１つの実施態様の断面概略図である。 図２は、本開示に係る締結機構を有している燃料電池積層体の、別の実施態様の断面概略図である。 図３は、本開示に係る締結機構の１つの実施態様の部分の概略的な斜視図である。 図４は、従来技術に係る締結機構の１つの実施態様の部分の概略的な斜視図である。 図５は、従来技術に係る締結機構の別の実施態様の部分の概略的な斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本開示に係る締結機構の実施の形態を説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々変形して実施できる。図面に示されている形態は、本開示の例示であり、本開示を限定するものではない。

本開示に係る締結機構は、
積層された複数の単セルを含む燃料電池積層体を積層方向に締結するものであり、
燃料電池積層体の積層方向の両端に配置されている第一エンドプレート及び第二エンドプレート、締結バンド、並びに連結部材を有しており、
連結部材が、積層方向において互いに対向している締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有している枠状の形状であり、エンドプレート連結部が、雌ネジを有しており、かつ
締結バンドの１又は両方の端部が、締結バンド連結部に巻き付いて連結しており、かつ前記連結部材、及びエンドプレート連結部の雌ネジに螺合された１本のみの雄ネジを介して、第一エンドプレート又は第二エンドプレートに連結しており、それにより、締結バンドが、第一エンドプレート及び第二エンドプレートを介して燃料電池積層体に対して締結圧を付与するようになっている。

図１～図３を参照して、本開示に係る締結機構の実施態様について、以下で詳細に説明する。

図１に示す実施態様では、締結バンド１１が、積層されている単セル１８を含んでいる燃料電池積層体１０の、積層方向Ｓに沿う１つの側面部に沿って延在し、第二エンドプレート１２４の、燃料電池積層体１０の反対側に向いている表面にわたって延在し、かつ、燃料電池積層体１０の、上記側面部の反対側に位置している別の側面部に沿って、積層方向Ｓに延在している。締結バンド１１の両方の端部が、連結部材１３ａ及び１３ｂに、それぞれ連結している。雄ネジ１４ａ及び雄ネジ１４ｂが、第一エンドプレート１２２の、燃料電池積層体１０の反対側に向いている表面から、第一エンドプレート１２２に設けられている貫通孔を通って、連結部材１３ａ及び１３ｂに、それぞれ、連結している。燃料電池積層体１０は、積層されている単セル１８に加えて、ターミナル１６２，１６４及びインシュレータ１５２，１５４を有している。また、図１に示す実施態様では、燃料電池積層体１０と第二エンドプレート１２４との間に、プレッシャプレート１７及びバネ１９が配置されている。

締結バンドが、図１のようにして延在している場合には、第二エンドプレートと締結バンドとの接触領域の全体にわたって締結圧を加えることが可能であり、バランスよく締結圧を付与することが可能となる。さらに、このような構成によれば、容易に締結圧の調節を行うことができる。

代替的には、図２に示すように、２つの締結バンド２１ａ及び２１ｂが、燃料電池積層体１０の、積層方向Ｓに沿う１つの側面部のみに沿って、それぞれ、延在していてもよい。すなわち、一方では、１つの締結バンド２１ａが、燃料電池積層体１０の、積層方向Ｓに沿う１つの側面部のみに沿って延在し、その両端部において、第一エンドプレート１２２及び第二エンドプレート１２４に、それぞれ、連結されていてよい。他方では、もう１つの締結バンド２１ｂが、燃料電池積層体１０の、上記側面部の反対側に位置している別の１つの側面部に沿って、積層方向Ｓに延在し、その両端部において、第一エンドプレート１２２及び第二エンドプレート１２４に、それぞれ、連結されていてよい。

図２に示す実施態様では、締結バンド２１ａ及び２１ｂのそれぞれの一端が、それぞれ、連結部材２３ａ及び２３ｂに接続され、かつ締結バンド２１ａ及び２１ｂのそれぞれの他端が、それぞれ、第二エンドプレート１２４に、連結部材を介さずに、直接に連結されている。このような構成によって、簡便な締結圧の付与及び調節を可能としつつ、安定性がさらに向上した締結圧の付与を実現することが、可能となる。

連結部材を介さない締結バンドの連結は、例えば、図２で見られるように、締結バンド２１ａ、２１ｂの一端を座金２６ａ、２６ｂと第二エンドプレート１２４の積層体側表面との間に挟み、ボルト２４ｃ、２４ｄ及びナット２８ａ、２８ｂでこれを固定することによって、行ってよい。

本開示に係るさらに別の代替的な実施態様では、締結バンドが、締結バンドの一端において連結部材に連結し、図１に示すような態様で積層体の２つの側面部及び第二エンドプレートの表面を周回し、かつ、締結バンドの他端において、連結部材を介さずに、直接に第二エンドプレートに連結していてよい。このような構成によって、締結圧の簡便な付与及び調節を可能としつつ、締結機構をさらに単純化することができる。

図３は、本開示に係る締結機構の１つの実施態様の部分の概略的な斜視図である。図３は、図１の一部に対応しており、連結部材１３ａとその周囲の拡大図を斜視図で表している。図３において見られるように、連結部材１３ａが、枠形状を有しているバックル部材である。締結バンド連結部１３２ａが、この枠形状の一端を構成しており、ここに、締結バンド１１の端部が、巻き付いて連結している。エンドプレート連結部１３４ａが、枠形状を有しているバックル部材の、締結バンド連結部１３２ａに対向している他端を構成している。エンドプレート連結部１３４ａに、雌ネジ１３６ａが設けられている。雌ネジ１３６ａは、締結バンドの締結方向に沿って平行に延在している。１つの雄ネジ１４ａが、第一エンドプレート１２２に設けられた貫通孔を通って、この雌ネジ１３６ａに螺合しており、それによって、エンドプレート連結部１３４ａと、第一エンドプレート１２２とが連結されている。なお雌ネジ１３６ａは、締結バンドの締結方向においてエンドプレート連結部１３４ａを貫通するように形成されていてもよく、又は貫通しないように形成されていてもよい。

以上のような構成によって、締結バンドが、第一エンドプレート及び第二エンドプレートを介して、燃料電池積層体に対して、積層方向に締結圧を付与するようになっている。

また、本開示に係る締結機構では、連結部材に対する雄ネジの締め込みの程度を調節することによって、連結部材及び締結バンドの端部を、積層方向に沿って移動させることができる。その結果として、積層方向における燃料電池積層体に対する締結圧の大きさを調節することが、可能となっている。

図４は、従来技術に係る締結機構の１つの実施態様の部分の概略的な斜視図である。従来の燃料電池積層体の締結機構では、エンドプレート４２を貫通してくる雄ネジ４４ａ及び４４ｂが、締結バンド４１に設けられた貫通孔４８を通して、ナット部材４３に設けられている対応する雌ネジ（図示せず）に、それぞれ、螺入している。このような締結機構では、締結バンドに貫通孔４８があることに起因して、所望の強度を得るために、バンドの幅などを太くするなどの必要が生じるおそれがあった。

これに対して、本開示に係る締結機構では、図３を参照して詳述したように、連結部材の異なる部位において、それぞれ、締結バンドへの連結、及びエンドプレートへの連結が、行われる。このような構成によれば、雄ネジを通すための貫通孔を締結バンドに設ける必要がなくなり、締結バンドの強度の確保が比較的容易になる。結果として、締結機構の強度が向上する。

また、従来技術からは、図５に例示するような締結機構も知られている。この締結機構では、丸棒状のナット部材５３が、締結バンド５１の幅よりも長い幅方向の長さを有しており、かつ締結バンド５１よりも外側の位置に、雌ネジ（図示せず）を有している。したがって、エンドプレート５２への締結バンド５１の固定が、締結バンド５１の外側において、２つの雄ネジ５４ａ及び５４ｂを介して、行われる。このような締結機構では、２以上の場所における雄ネジの締め具合を調和させる必要があり、均等な締結圧の付与及び締結圧の調節が、比較的複雑になるおそれがあった。

これに対して、本開示に係る締結機構では、締結バンドが連結される締結バンド連結部と、エンドプレートが連結されるエンドプレート連結部とが、積層方向において対向している。このような構成では、締結バンドの締結方向と、雄ネジの螺入方向とを、積層方向において一直線上に配置することができる。結果として、１つの雄ネジのみを介して、締結バンドと第一エンドプレート又は第二エンドプレートとを固定することが可能となり、積層方向における均等な締結圧の付与及び調節が、比較的簡便な様式で実現される。

以上のように、本開示によれば、締結バンドの強度が向上しており、かつ均等な締結圧を比較的簡便に付与及び調節することができる締結機構を、提供することができる。

≪締結機構≫
本開示に係る締結機構は、積層された複数の単セルを含む燃料電池積層体を積層方向に締結する。本開示に係る締結機構は、燃料電池積層体の積層方向の両端に配置されている第一エンドプレート及び第二エンドプレート、締結バンド、並びに連結部材を有している。

燃料電池積層体については後述する。燃料電池積層体は、公知のものであってよい。

〈エンドプレート〉
第一エンドプレート及び第二エンドプレートが、それぞれ、燃料電池積層体の、積層方向における両端に配置されている。エンドプレートは、締結機構が生み出す積層方向の力を、燃料電池積層体に均等に伝える機能を有している。

エンドプレートは、特に限定されず、公知のものから構成されてよい。例えば、エンドプレートは、剛性を確保するために、金属又は繊維強化プラスチックから構成されていてよい。金属としてはステンレス鋼を挙げることができる。繊維強化プラスチックとしては、例えば、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどが用いられるが、これらに限定されない。エンドプレートが、アルミニウム等の金属、又は、十分な剛性を有している樹脂等からなる板材であってよい。

〈連結部材〉
本開示に係る締結機構が、連結部材を有している。連結部材を介して、後述する締結バンドの１又は両方の端部が、第一エンドプレート又は第二エンドプレートに、連結される。連結部材としては、例えば、引張強度及び剛性に関して優れた特性を有している金属製部材を使用してよい。連結部材が、エンドプレートに関して上述したのと同様なものから、構成されていてもよい。

連結部材が、枠状の形状を有している。連結部材が、図３で示されているような、円形の断面形状を有している枠形状のバックル部材であってよい。

連結部材が、積層方向において互いに対向している締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有している。

（締結バンド連結部）
連結部材が、締結バンド連結部を有している。連結部材の、締結バンドの端部が巻き付けられる部位が、締結バンド連結部である。この締結バンド連結部に、締結バンドの１又は両方の端部が、巻き付いて連結している。締結バンド連結部は、積層方向において、エンドプレート連結部に対向している。

締結バンド連結部における締結バンドの連結は、例えば、図３において見られるように、締結バンドの端部を締結バンド連結部にロール状に巻きつけ、これを溶接することによって、実施してよい。ロール状に形成されたこのような締結バンドの端部は、ロール部として言及される。

（エンドプレート連結部）
連結部材が、エンドプレート連結部を有している。連結部材の、締結バンド連結部の外側に位置しており、かつ雄ネジを受け入れるための雌ネジが設けられている部位が、エンドプレート連結部である。エンドプレート連結部が、積層方向において、上記締結バンド連結部に対向している。

エンドプレート連結部が、雌ネジを有している。この雌ネジに螺合された１本のみの雄ネジを介して、エンドプレート連結部が、第一エンドプレート又は第二エンドプレートに連結している。雄ネジは、エンドプレートの、積層体の反対側に向いている表面から、エンドプレートに設けられた貫通孔を通って、エンドプレート連結部に設けられた雌ネジに螺合してよい。

エンドプレート連結部における雌ネジは、好ましくは、雌ネジの形成方向、すなわち雄ネジの螺入方向が、積層方向に沿った締結バンドの幅方向における中心軸の延長線に一致するように、形成される。そのようにして、積層方向における均一な締結圧の付与が、１つの雄ネジによって、簡便に実現される。なお本開示に関して「幅方向」は、積層方向及び厚み方向に直交している方向を意味する。

（厚さ）
なお、連結部材の、エンドプレート連結部における厚みＤ２が、締結バンド連結部における厚みＤ１よりも大きくてもよい。このような構成によって、エンドプレート連結部の強度を保持しつつ、燃料電池積層体の全体としての体格増大を抑制することが可能となる。すなわち、このような構成によって、雌ネジが設けられているエンドプレート連結部の強度を維持するために十分な厚みを保持しつつ、締結バンドが巻き付けられる締結バンド連結部の厚みを、抑制することができる。結果として、締結バンドが巻き付けられることに起因する体格増大を、抑制することができる。

本開示に関して、締結バンド連結部及びエンドプレート連結部の「厚み」は、締結バンドの締結方向に対して垂直な方向であって、締結バンドの、ロール部の外に位置している面に対する法線方向における、最大の長さ、を意味している。「厚み」方向を、図１及び図３において、Ｗで表している。

有利には、厚みＤ２と厚みＤ１との差異が、締結バンドの厚みの２倍に等しい。このようにして、締結バンドが巻き付けられた締結バンド連結部の全体としての厚みと、エンドプレート連結部の厚みが、等しくなる。

〈締結バンド〉
本開示の締結機構が、締結バンドを有している。締結バンドの１又は両方の端部が、締結バンド連結部に巻き付いて連結しており、かつ連結部材、及びエンドプレート連結部の雌ネジに螺合された１本のみの雄ネジを介して、第一エンドプレート又は第二エンドプレートに連結しており、それにより、締結バンドが、第一エンドプレート及び第二エンドプレートを介して燃料電池積層体に対して締結圧を付与するようになっている。

すなわち、締結バンドによって、第一エンドプレートと第二エンドプレートとの間に位置している積層体に対して積層方向の締結圧が加えられ、かつ締結圧が加えられた状態が、維持される。

締結バンドは、特に限定されず、公知のものから構成されてよい。例えば、締結バンドとして、引張強度に優れた部材、例えば金属製バンド部材を使用してよい。締結バンドは、薄い板状の形状であってよく、好ましくは、金属製の薄板であってよい。

≪燃料電池積層体≫
燃料電池積層体が、図１において見られるように、積層されている複数の単セル１８を含んでいる。単セル１８は、同形状であってよく、例えば板状であってよい。ここで、「複数」とは、２以上を意味する。すなわち、本開示の燃料電池積層体は、２以上の積層されている単セル１８を有していればよい。本開示において、複数の単セル１８の数の上限は、特に限定されず、燃料電池積層体の使用用途及び／又は使用目的に応じて設定してよい。

燃料電池積層体が、単セル以外に、図１において見られるように、ターミナル１６２、１６４、及びインシュレータ１５２、１５４を含んでいてよい。

〈単セル〉
単セルは、一対のセパレータ、及び一対のセパレータの間に挟持されている膜電極接合体（ＭＥＡ，Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。膜電極接合体は、アノード側電極（燃料極）とカソード側電極（空気極）との間に挟持された電解質膜を有している発電体である。それぞれの電極が、触媒層及びガス拡散層から構成されている。

〈ターミナル〉
ターミナルは、燃料電池積層体において発電された電力を集電して外部に出力する機能を有している。ターミナルは、例えば、緻密質カーボン製、又は銅若しくはアルミニウム製の、ガス不透過な導電性部材によって、形成されていてよい。電力を出力するための出力端子を、ターミナルに設けてよい。図１において見られるように、ターミナル１６２及びターミナル１６４を、燃料電池積層体１０の、積層方向Ｓにおける両端において、第一エンドプレート１２２と積層されている単セル１８との間、及び第二エンドプレート１２４と積層されている単セル１８との間に、それぞれ、配置してよい。

〈インシュレータ〉
インシュレータは、漏電を防止する絶縁機能を有している。インシュレータが、ゴム、又は樹脂などの絶縁性部材によって形成されていてよい。図１において見られるように、インシュレータ１５２及びインシュレータ１５４を、燃料電池積層体１０の、積層方向Ｓにおける両端において、第一エンドプレート１２２とターミナル１６２との間、及びターミナル１６４と第二エンドプレート１２４との間に、それぞれ、配置してよい。

≪プレッシャプレート≫
本開示に係る１つの実施態様では、締結機構が、随意に、プレッシャプレートを有していてよい。プレッシャプレートは、積層体に締結圧を付与することによって、積層体の積層状態を維持する役割を有している。図１において見られるように、プレッシャプレート１７を、燃料電池積層体１０と、エンドプレートとの間に配置してよい。

図１において見られるように、プレッシャプレート１７と、これに隣接しているエンドプレートとの間に、バネ１９を配置してもよい。このバネ１９は、締結機構からの力を弾性的に燃料電池積層体１０に伝える機能を有している。特には、このようなバネによって、燃料電池積層体に付与される締結圧の変動幅を比較的小さくすることが可能となる。また、バネは、その反発力に起因して、締結バンドのゆるみを防止する役割も有しうる。

１０ 燃料電池積層体
１１、２１ａ、２１ｂ、４１、５１ 締結バンド
１２２ 第一エンドプレート
１２４ 第二エンドプレート
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ 連結部材
１３２ａ 締結バンド連結部
１３４ａ エンドプレート連結部
１３６ａ 雌ネジ
１４ａ、１４ｂ、４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ 雄ネジ
１５２、１５４ インシュレータ
１６２、１６４ ターミナル
１７ プレッシャプレート
１８ 単セル
１９ バネ
４２、５２ エンドプレート
４３、５３ ナット部材
４８ 締結バンドに設けられた貫通孔
２４ｃ、２４ｄ ボルト
２６ａ、２６ｂ 座金
２８ａ、２８ｂ ナット
Ｓ 積層方向
Ｗ 厚み方向

Claims (1)

1. 積層された複数の単セルを含む燃料電池積層体を積層方向に締結する締結機構であって、
   この締結機構が、前記燃料電池積層体の前記積層方向の両端に配置されている第一エンドプレート及び第二エンドプレート、締結バンド、並びに連結部材を有しており、
   前記連結部材が、前記積層方向において互いに対向している締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有している枠状の形状であり、前記エンドプレート連結部が、雌ネジを有しており、かつ
   前記締結バンドの１又は両方の端部が、前記締結バンド連結部に巻き付いて連結しており、かつ前記連結部材、及び前記エンドプレート連結部の前記雌ネジに螺合された１本のみの雄ネジを介して、前記第一エンドプレート又は前記第二エンドプレートに連結しており、それにより、前記締結バンドが、前記第一エンドプレート及び前記第二エンドプレートを介して前記燃料電池積層体に対して締結圧を付与するようになっている、
   締結機構。

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