JP7120088B2 - 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。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、積層体、この積層体の両端に積層されている一対の端板、並びに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、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対して、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。当該保持部が、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、ナット部材のネジ穴にエンドプレートの貫通孔を介して螺入される締結ネジ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一端の固定が、締結ネジを介して、締結バンドの外側において行われることが、記載されている。

特開２０１０－００９８４４号公報 特開２０１６－０２７５４３号公報

締結バンドをエンドプレートに結合させるためのナット部材に雌ネジが設けられるため、ナット部材が、強度確保のために十分な肉厚を有している必要がある。従来技術によれば、このナット部材に、さらに締結バンドが巻き付けられるため、締結された燃料電池積層体の全体としての体格が増大するおそれがあった。

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、強度が確保されており、かつ締結された燃料電池積層体の寸法を抑制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、締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有しており、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連結部の厚みが、前記エンドプレート連結部の厚みよりも小さくなっており、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、強度が確保されており、かつ締結された燃料電池積層体の寸法を抑制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、本開示の１つの実施態様に係る締結機構を有している燃料電池積層体の断面概略図である。 図２は、本開示の別の実施態様に係る締結機構を有している燃料電池積層体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、図３のＡＡ′における断面図である。 図５は、本開示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、締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有しており、エンドプレート連結部が、雌ネジを有しており、かつ締結バンド連結部の厚みが、エンドプレート連結部の厚みよりも小さくなっており、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５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が、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。なお、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のように延在する場合には、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、このような構成では、締結圧の調節を容易に行うことができる。

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、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、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に示すように、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、２３ｂに接続されていてよく、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てよい。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されていてよい。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、比較的単純な締結機構を実現することができる。

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の斜視図である。図３の実施態様では、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が、締結バンドの締結方向に沿って平行に延在している。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。

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、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。このようにして、積層方向における、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。

本開示に係る締結機構では、図３において見られるように、連結部材の、締結バンド連結部における厚みＤ１が、エンドプレート連結部における厚みＤ２よりも、小さくなっている。

図４は、図３のＡＡ′における断面図である。説明のために、図４では、雄ネジ１４ａの描写を省略している。上述したように、連結部材の、雌ネジ１３６ａが設けられているエンドプレート連結部１３４ａが、厚みＤ２を有しており、一方で、締結バンド１１が巻き付けられている締結バンド連結部１３２ａが、Ｄ２よりも小さい厚みＤ１を有している。なお図４において、雌ネジ１３６ａはエンドプレート連結部１３４ａの左方から途中まで形成されているが、これに限定されない。図４におけるエンドプレート連結部１３４ａを左右方向に貫通するように、雌ネジ１３６ａを形成しても良い。

本開示のこのような構成によれば、エンドプレート連結部１３４ａにおける強度を確保することができる一方で、締結バンド連結部１３２ａに締結バンドが巻き付けられることによる全体としての体格の増大を、比較的小さくすることができる。

なお、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。なお、「ロール部」は、締結バンド連結部に巻き付いている締結バンドの端部を指す。この「厚み」方向を、図１～図５において、Ｗで表している。

連結部材の形状を、図３に示すように、枠形状のバックル部材にする場合には、締結バンド連結部とエンドプレート連結部とを対向させることが可能となり、締結バンドの締結方向と雄ネジの螺入方向とを一直線上にそろえることができる。それにより、１つの雄ネジのみで積層方向における均等な締結を行うことができ、積層方向に沿った締結圧の付与及び調節を、比較的簡便に行うことが可能となる。

代替的には、連結部材が、図５において見られるように、丸棒形状を有しているナット部材であってよい。この場合には、ナット部材としての連結部材５３の、締結バンド５１の端部が巻き付けられる部位が、締結バンド連結部５３２である。一方で、連結部材５３の、締結バンド連結部５３２の外側に位置しておりかつ雄ネジ５４ａ、５４ｂを受け入れるための雌ネジ（図示せず）が設けられている部位が、エンドプレート連結部５３４ａ、５３４ｂである。雌ネジが、締結バンドの締結方向に沿って平行に延在している。エンドプレート連結部５３４ａ及び５３４ｂが、厚みＤ２を有しており、一方で、締結バンド連結部５３２が、Ｄ２よりも小さい厚みＤ１を有している。図５に示す実施形態では、２つのエンドプレート連結部５３４ａ、５３４ｂが、締結バンド５１の、積層方向Ｓに沿った幅方向における中心軸に対して対称に配置されている。このような構成では、２本の雄ネジ５４ａ、５４ｂを介してエンドプレート５２への連結を行うことができるため、締結荷重を分散して支持することができる。その結果、それぞれの雄ネジを比較的細くすることが可能となる。また、雌ネジを、締結バンド５１の、積層方向Ｓに沿った幅方向における中心軸に対して対称に配置することによって、燃料電池積層体に対して、積層方向に平行な締結圧を均等に付与することが、比較的容易に可能となる。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。

以上のように、本開示によれば、強度が確保されており、かつ締結された燃料電池積層体の寸法を抑制することができる締結機構を、提供することができる。

また、本開示の締結機構では、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。これにより、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、さらに向上する。

≪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〉
本開示に係る第一エンドプレート及び第二エンドプレートは、それぞれ、燃料電池積層体の、積層方向の両端に配置されている。これらのエンドプレートは、締結機構による積層方向の力を、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などから構成されてよい。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。この連結部材を介して、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。連結部材が、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。

連結部材としては、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。連結部材は、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。連結部材は、図３で示されているような、円形の断面を有している枠形状のバックル部材であってよいが、このような形状に限定されない。連結部材が、図５に示すような、丸棒形状を有しているナット部材であってもよい。

（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。

締結バンド連結部における締結バンドの連結は、例えば、図３及び図５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が、ロール部として言及される。

図３及び図５で示しているように、締結バンド連結部の厚みＤ１が、エンドプレート連結部の厚みＤ２よりも小さい。締結バンド連結部の厚みＤ１は、好ましくは、締結圧の下でも連結部材が変形しないような大きさである。締結バンド連結部は、その幅にわたって一定の厚みを有していてもよく、又は、締結バンド連結部の異なる部位において種々の厚みを有していてもよい。締結バンド連結部がその幅にわたって種々の厚みを有している場合には、厚みＤ１は、幅方向における最大の厚みを意味している。

（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、雌ネジを有しており、この雌ネジに螺合された雄ネジを介して、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。

本開示に係る１つの実施態様では、エンドプレート連結部における雌ネジが、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５１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。

図３及び図５で示しているように、エンドプレート連結部の厚みＤ２が、締結バンド連結部の厚みＤ１よりも大きい。エンドプレート連結部は、その幅にわたって一定の厚みを有していてもよく、又は、エンドプレート連結部の異なる部位において種々の厚みを有していてもよい。エンドプレート連結部がその幅にわたって種々の厚みを有している場合には、厚みＤ２は、幅方向における最大の厚みを意味している。

有利には、エンドプレート連結部の厚みＤ２と締結バンド連結部の厚み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、エンドプレート連結部の厚みが、締結バンドが巻き付けられている締結バンド連結部の全体としての厚みと、実質的に等しくなる。

〈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、上述の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、及び上述のエンドプレート連結部の雌ネジに螺合された雄ネジを介して、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に示すように、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を有していればよい。本開示において、複数の単セルの数の上限は、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〉
燃料電池積層体は、積層された複数の単セルを含んでいる。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）との間に電解質膜を有している発電体である。それぞれの電極は、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。ターミナルが、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。ターミナルに、燃料電池積層体において発電された電力を出力するための出力端子を、設けてよい。図１において見られるように、ターミナル１６２、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、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、第一エンドプレート１２２又は第二エンドプレート１２４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第二エンドプレート１２４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、燃料電池積層体がこのようなバネを備えることによって、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、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、５３ 連結部材
１３２ａ、５３２ 締結バンド連結部
１３４ａ、５３４ａ、５３４ｂ エンドプレート連結部
１３６ａ 雌ネジ
１４ａ、１４ｂ、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
５２ エンドプレート
２４ｃ、２４ｄ ボルト
２６ａ、２６ｂ 座金
２８ａ、２８ｂ ナット
Ｄ１ 締結バンド連結部における厚み
Ｄ２ エンドプレート連結部における厚み
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、締結バンド連結部及びエンドプレート連結部を有しており、前記エンドプレート連結部に、雌ネジが形成されており、かつ前記締結バンド連結部の厚みが、前記エンドプレート連結部の厚みよりも小さくなっており、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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