WO2007148811A1

WO2007148811A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2007148811A1
Application number: PCT/JP2007/062648
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Inagaki; Akihiko Takami
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2007-12-27
Also published as: JP2008004307A; US20090280388A1; CA2654037A1; DE112007001563T5; CN101473484A

Abstract

　本発明の燃料電池１０は、セル積層体２２の積層方向の外側に配置されたエンドプレート１６と、セル積層体２２のエンドプレート１６側に設けられるとともに、エンドプレート１６に対してセル積層体２２の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジ５０でセル積層体２２に与える圧縮荷重が調整される押圧手段２７とを有し、荷重調整ネジ５０と押圧手段２７との係合部２８，５１が、エンドプレート１６及び押圧手段２７のうちの少なくともいずれか一方に対して荷重調整ネジ５０の径方向に移動可能に設けられている。

Description

明細書燃料電池

技術分野

本発明は、燃料電池に関し、特にその組み立て精度向上に有効な技術に関する。

背景技術

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によつて発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。

このような燃料電池は、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によつて発電するセルを所要数積層したセル積層体と、このセル積層体の積層方向の外側に配置されたェンドプレートと、このェンドプレートに対してセル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、セル積層体のェンドプレート側に設けられるとともに、荷重調整ネジでセル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段（スプリングボックス、皿パネあるいはプレツシャプレート等）とを有する燃料電池スタックとして構成されている。

このようなスタック構造の燃料電池において、エンドプレートに多角形状の貫通孔を形成し、この貫通孔に嵌合することで回転が規制された回転規制部材に荷重調整ネジを螺合させた構造のものがある（例えば特開平 8— 1 7 1 9 2 6号公報参照）。発明の開示

ところで、燃料電池には、荷重調整ネジ及び押圧手段に、互いに荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部を設けたものがある力このような燃料電池においては、荷重調整ネジの径方向におけるエンドプレ一トと押圧手段との位置関係が係合部の係合で決められてしまうため、製造誤差等があった場合に、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向（セル面内方向）でのエンドプレートと押圧手段との位置合わせが実質的に困難であった。

そこで、本発明は、セル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置合わせが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、複数のセルが積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の外側に配置されたェンドプレートと、前記ェンドプレートに対して前記セル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、前記セル積層体の前記ェンドプレート側に設けられるとともに、前記荷重調整ネジで前記セル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段とを有する燃料電池において、前記荷重調整ネジ及び前記押圧手段の互いに前記荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、前記ェンドプレート及ぴ前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている。かかる構成とすることによって、エンドプレート及び押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して、荷重調整ネジ及び押圧手段の互いに位置を合わせて係合する係合部を荷重調整ネジの径方向に移動させれば、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向においてェンドプレートと押圧手段との位置を合わせことができる。

この場合、前記エンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能で且つ 3 6 0度以上の回転が規制された介在部材を設けるのが好ましい。

また、前記荷重調整ネジが複数設けられている場合に、これら荷重調整ネジのそれぞれと前記押圧手段との各係合部が前記ェンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向 P T/JP2007/062648

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に移動可能に設けられているのが好ましい。

さらに、前記押圧手段が、前記係合部として凹部又は凸部を有するのが好ましい。

本発明によれば、荷重調整ネジ及び押圧手段の互いに荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、エンドプレート及び押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して荷重調整ネジの径方向に移動可能であるため、荷重調整ネジの径方向つまりセル積層体の積層方向に直交する方向においてエンドプレートと押圧手段との位置合わせが可能となり、組み立て精度を向上できる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る燃料電池の第 1実施形態を示す正断面図である。

図 2は、同実施形態のストッパ、ェンドプレート及ぴ荷重調整ネジを示す平面図である。

図 3は、本発明に係る燃料電池の第 2実施形態を示す部分正断面図である。

発明を実施するための最良の形態

次に、本発明に係る燃料電池の第 1実施形態を図 1及び図 2を参照しつつ説明する。

図 1は、燃料電池 1 0を示すものである。この燃料電池 1◦は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池 1 0は、燃料電池スタック 1 1と、この燃料電池スタック 1 1の外側を覆う合成樹脂等の絶縁材料からなるスタックケース 1 2とを有している。なお、スタックケース 1 2は、合成樹脂等の絶縁材料で被覆された金属からなる場合もある。

燃料電池スタック 1 1は、一対の矩形状のェンドプレート 1 5 , 1 6同士を互いの外縁部同士をテンションプレート 1 7で連結して外側部分が構成されており、これらエンドプレート 1 5， 1 6及ぴテンションプレート 1 7は例えばジユラルミン等で形成されている。

また、燃料電池スタック 1 1は、一方のエンドプレート 1 5の他方のェンドプレート 1 6側に、一方のェンドプレート 1 5側から順に、矩形状の絶縁プレート 1 8、ターミナルプレート 1 9及びカバ一プレート 2 0が配置され、このカバープレート 2 0の他方のェンドプレート 1 6の側に、燃料ガス及ぴ酸化ガスの供給を受けて発電する平面視矩形状のセル 2 1を所要数積層してなるセル積層体 2 2がセル 2 1の積層方向をェンドプレート 1 5， 1 6同士を結ぶ方向にして配置されている。

さらに、燃料電池スタック 1 1は、セル積層体 2 2の他方のエンドプレート 1 6の側に、セル積層体 2 2側から順に、矩形状の力パープレート 2 4、ターミナルプレート 2 5及び絶縁プレート 2 6が配置され、この絶縁プレート 2 6の他方のェンドプレート 1 6側に、平面視矩形状のスプリングボックス（押圧手段） 2 7が配置されている。

スプリングボックス 2 7には、図示略の複数のコイルスプリングが設けられており、これらのコイルスプリングを介して絶縁プレート 2 6つまりセル積層体 2 2を積層方向に押圧するようになつている。また、スプリングポックス 2 7には、その所定の複数箇所、具体的には二箇所の位置に、球面状をなしてセル積層体 2 2とは反対側に突出する凸部（係合部） 2 8が形成されている。これらの凸部 2 8はスプリングボックス 2 7の長さ方向に所定の間隔をあけて配置されている。

そして、第 1実施形態においては、上記した他方のェンドブレート 1 6力 07 062648

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図 2にも示すように、テンションプレート 1 7に連結される矩形状のエンドプレート本体 3 0と、このェンドプレート本体 3 0のテンションプレート 1 7への連結位置よりも内側の範囲に設けられる所定の複数枚、具体的には二枚のストッパ（介在部材） 3 1とで構成されている。

エンドプレート本体 3 0には、その長さ方向に所定の間隔をあけて複数の貫通穴 3 2が厚さ方向に貫通して形成されている。これら貫通穴 3 2， 3 2 は、同形状をなしており、それぞれ、スプリングボックス 2 7とは反対側にあってスプリングボックス 2 7とは反対側から見て円形状をなす挿入穴部 3 3と、スプリングボックス 2 7側にあって揷入穴部 3 3より大径でスプリングボックス 2 7側から見て円形状をなすように一定深さで凹む座ぐり穴部 3 4と、これら挿入穴部 3 3と座ぐり穴部 3 4との境界位置にあって座ぐり穴部 3 4側が大径となるテーパ状のテーパ穴部 3 5とを有している。同じ一つの貫通穴 3 2を構成する揷入穴部 3 3、座ぐり穴部 3 4及びテーパ穴部 3 5 は同軸をなしている。

また、エンドプレート本体 3 0には、各貫通穴 3 2 , 3 2のそれぞれの座ぐり穴部 3' 4の底面 3 4 aに、揷入穴部 3 3と平行に回転規制穴部 3 6が形成されている。ここで、各回転規制穴部 3 6は、軸線方向から見て円形状をなしており、いずれも、両揷入穴部 3 3， 3 3の中心を通る直線上に形成されている。

複数のストツノ 3 1， 3 1は、同形状をなしており、それぞれ、内側に雌ネジ 4 0が形成された円筒状のボス部 4 1と、このボス部 4 1の軸線方向の中間位置から全周にわたって半径方向外側に延出する略円板状のフランジ部 4 2とを有している。フランジ部 4 2が軸線方向の中間位置に形成されることで、ボス部 4 1は、フランジ部 4 2の軸線方向一側から突出する円筒部 4 3とフランジ部 4 2の軸線方向逆側から突出する円筒部 4 4とを有している。また、ストッパ 3 1は、フランジ部 4 2の軸線方向一側とここから突出する円筒部 4 3との境界位置に、フランジ部 4 2側が大径のテーパ部 4 5が形成されており、フランジ部 4 2の軸線方向逆側とここから突出する円筒部 4 4との境界位置に、フランジ部 4 2側が大径のテーパ部 4 6が形成されている。同じ一つのストッパ 3 1を構成するボス部 4 1、フランジ部 4 2、テーパ部 4 5及びテーパ部 4 6は同軸をなしている。ここで、フランジ部 4 2を補強するために円筒部 4 4から放射状にリプを形成しても良い。

また、ストツノ 3 1には、フランジ部 4 2から軸線方向の円筒部 4 3側に •これと平行に突出する円柱状の回転規制ピン部 4 8が形成されている。ボス部 4 1の中心と回転規制ピン部 4 8の中心との距離は、ェンドプレート本体 3 0における貫通穴 3 2の中心と回転規制穴部 3 6の中心との距離と等しくされている。

このようなストッパ 3 1 , 3 1がそれぞれエンドプレート本体 3 0に、ボス部 4 1の一方の円筒部 4 3を揷入穴部 3 3に、テーパ部 4 5をテーパ穴部 3 5に、フランジ部 4 2を座ぐり穴部 3 4にそれぞれ挿入しつつ、回転規制ピン部 4 8を回転規制穴部 3 6に揷入することで、フランジ部 4 2を座ぐり穴部 3 4の底面 3 4 aに当接させることになるが、このとき、揷入穴部 3 3 が円筒部 4 3よりも大径で、テーパ穴部 3 5がテーパ部 4 5よりも大径で、座ぐり穴部 3 4がフランジ部 4 2よりも大径で、回転規制穴部 3 6が回転規制ピン部 4 8よりも大径となっている。

その結果、ストツノ、 ° 3 1は、エンドプレート本体 3 0に対して、雌ネジ 4 0の径方向つまりこれに螺合する後述の荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能な遊ぴを有しており、しかも 3 6 0度全ての径方向に移動可能となっている。その結果、これに螺合する荷重調整ネジ 5 0も、ェンドプレート 1 6に対して径方向に移動可能となっており、しかも 3 6 0度全ての径方向に移動可能となっている。

各ストッパ 3 1の雌ネジ 4 0には上記した荷重調整ネジ 5 0がそれぞれ螺 7

合されており、これらの荷重調整ネジ 5 0がそれぞれ、スプリングボックス 2 7の一対一で対応する凸部 2 8に当接する。ここで、荷重調整ネジ 5 0には、凸部 2 8と当接する側に、凸部 2 8と荷重調整ネジ 5 0の径方向における位置を合わせて係合する球面状の凹部（係合部） 5 1が同軸に形成されており、 M部 5 1とは反対側に六角ボルト等の工具を嵌合させる工具嵌合部 5 2が同軸に形成されている。

これら荷重調整ネジ 5 0は、この工具嵌合部 5 2に嵌合する工具を介して回転させられることで、エンドプレート 1 6に対してその軸線方向、つまりセル積層体 2 2の積層方向に沿って移動することになり、その結果、スプリングボックス 2 7のセル積層体 2 2への圧縮荷重を調整することになる。ここで、この荷重調整ネジ 5 0の回転時に、ストッパ 3 1も連れ回りしようとするが、その回転規制ピン部 4 8がエンドプレート本体 3 0の回転規制穴部 3 6の内壁面に当接することでエンドプレート本体 3 0に対する回転が規制されることになり、スプリングボックス 2 7の荷重が高くなると、ェンドプレート本体 3 0の座ぐり穴部 3 4の底面 3 4 aとフランジ部 4 2との摩擦でも回転が規制されることになつて、荷重調整ネジ 5 0のみがエンドプレ一ト本体 3 0に対して回転する。

また、スプリングボックス 2 7による圧縮荷重が小さい状態では、荷重調整ネジ 5 0の締め込みによる荷重のパランスで荷重調整ネジ 5 0の球面状の凹部 5 1とこれに係合するスプリングボックス 2 7の球面状の凸部 2 8とが自動的に調心され、この調心を可能とするようにエンドプレート本体 3 0に対してストッパ 3 1が互いの当接面で摺動しつつ荷重調整ネジ 5 0とともに荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動することになる。

言い換えれば、互いに荷重調整ネジ 5 0の径方向における中心位置を合わせて係合する荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1とスプリングボックス 2 7の凸部 2 8とが、ストッパ 3 1とともに、エンドプレート 1 6に対して荷重調整ネジ 5◦の径方向に移動可能となっている。

より具体的には、組み立て時に、エンドプレート 1 6のエンドプレート本体 3 0とスプリングボックス 2 7とが位置基準（拘束位置） Xで位置を合わせた状態で荷重調整ネジ 5 0が締め込まれることになるが、製造誤差等で荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1の位置とスプリングボックス 2 7の凸部 2 8の位置とが当初一致していなくても、荷重調整ネジ 5 0がストツノ 3 1とともにエンドプレート本体 3 0に対し適宜摺動することで、エンドプレート本体 3 0とスプリングボックス 2 7とが位置を合わせた状態のまま荷重調整ネジ 5 0がスプリングボックス 2 7に対する位置を合わせることになる。

このように荷重調整ネジ 5 0が径方向に移動可能でなければ、ェンドブレートとスプリングボックスとの位置がずれてしまうことになり、また、場合によっては複数の荷重調整ネジが対応するスプリングボックスの複数の凸部に適正に係合できなくなってしまうのであるが、このような事象を生じることがないのである。

以上に述べた第 1実施形態によれば、エンドプレート 1 6に対して荷重調整ネジ 5 0が径方向に移動可能であり、その結果、互いに荷重調整ネジ 5 0 の径方向における位置を合わせて係合する荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1とスプリングボックス 2 7の凸部 2 8と力エンドプレート 1 6に対して荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能であるため、荷重調整ネジ 5 0の径方向つまりセル積層体 2 2の積層方向に直交する方向においてエンドプレート 1 6とスプリングボックス 2 7との位置合わせが可能となり、組み立て精度を向上できる。

しかも、ェンドプレート 1 6に対してその一部を構成するストッパ 3 1を荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能に設けているため、簡素な構造でェンドプレート 1 6とスプリングボックス 2 7との位置合わせが可能となる。加えて、ェンドプレート 1 6に対してストッパ 3 1の回転が規制されているため、ストッパ 3 1が荷重調整ネジ 5 0と連れ回りしてしまうことはなく、良好に荷重調整ネジ 5 0を軸線方向に移動させることができる。

ここで、ェンドプレート本体 3 0に対してストッパ 3 1力 3 6 0度以上'の回転が規制されていれば良く、言い換えれば 3 6 0未満の範囲で回動を許容できる。勿論、 3 6 0度近傍までの回動を許容する必要はなく、好ましくはェンドブレート本体 3 0に対しストツバ 3 1の上記摺動を可能とする最小限の回動を許容するのが良い。さらには、エンドプレート本体 3 0に回転規制ピン部を形成し、ストツノ 3 1のフランジ部 4 2にこれを揷通させる回転規制穴部を形成しても良い。

また、荷重調整ネジ 5 0が複数設けられているが、互いに係合する荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1とスプリングボックス 2 7の凸部 2 8との組が、それぞれ、エンドプレート 1 6に対して荷重調整ネジ 5 0の径方向に個別に移動可能に設けられており、具体的には、複数の荷重調整ネジ 5 0が、それぞれェンドプレート 1 6に対して荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能に設けられているため、上記のように、ェンドプレート 1 6とスプリングボックス 2 7との位置を合わせた状態のまま複数の荷重調整ネジ 5 0でスプリングボッタス 2 7の発生荷重を調整できる。

さらに、荷重調整ネジ 5 0には凹部 5 1が形成され、スプリングボックス 2 7には荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1と係合する凸部 2 8が設けられているため、係合後はこれらの位置ずれが防止されることになり、スプリングボッタス 2 7に適正に荷重を発生させることができる。勿論、これとは逆に、荷重調整ネジ 5 0に凸部を形成し、スプリングボックス 2 7にこれに係合する凹部を形成しても良い。

なお、上記第 1実施形態では、エンドプレート 1 6にストッパ 3 1のフランジ部 4 2よりも大径の座ぐり穴部 3 4を形成し、この座ぐり穴部 3 4内にストッパ 3 1のフランジ部 4 2を揷入したが、座ぐり穴部 3 4を設けず、フランジ部 4 2を直接エンドプレート 1 6に当接させる構造としても良い。次に、本発明に係る燃料電池の第 2実施形態を主に図 3を参照しつつ第 1 実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第 1実施形態と同様の部分には同一の符号を付し説明は略す。

第 2実施形態においては、第 1実施形態のようにェンドブレート 1 6に対し荷重調整ネジ 5 0が径方向に移動可能に設けられているのではなく、スプリングボックス 2 7に対し荷重調整ネジ 5 0が径方向に移動可能に設けられている。

つまり、まずェンドブレート 1 6に直接複数、具体的には二箇所の雌ネジ 4 0が形成されており、これら雌ネジ 4 0， 4 0にそれぞれ上記した荷重調整ネジ 5 0が螺合されている。なお、エンドプレート 1 6に直接雌ネジ 4 0 を形成するのではなく、別の部材に雌ネジ 4 0を形成し、この部材をエンドプレート 1 6に対し雌ネジ 4 0の径方向に移動不可に取り付けても良い。他方、スプリングボックス 2 7は、第 1実施形態のスプリングボックスのェンドブレート 1 6側に複数の同形状の収納凹部 5 5を形成した形状のスプリングボックス本体 5 6を有している。これら収納凹部 5 5は、エンドプレート 1 6側から見て円形状をなしており、その底面 5 5 aには中心から位置をずらして回転規制穴部 5 7が中心軸線と平行に形成されている。各回転規制穴部 5 7もェンドプレート 1 6側から見て円形状をなしている。

そして、スプリングボックス 2 7は、各収納凹部 5 5に収納される同形状の複数のストッパ (介在部材) 6 0を有している。これらのストッパ 6 0は円板状をなしており、エンドプレート 1 6側の中心位置に第 1実施形態と同様の凸部 2 8が形成され、凸部 2 8とは反対側に、中心からずれて円柱状の回転規制ピン部 6 1が中心軸線と平行に形成されている。ストッパ 6 0の中心から回転規制ピン部 6 1の中心までの距離と、収納凹部 5 5の中心から回転規制穴部 5 7の中心までの距.離とは等しくされている。第 2実施形態においては、収納凹部 5 5がストッパ 6 0よりも大径で、回転規制穴部 5 7が回転規制ピン部 6 1よりも大径となっている。その結果、ストッパ 6 0は、スプリングボックス本体 5 6に対して、荷重調整ネジ 5 0 の径方向に移動可能な遊ぴを有しており、しかも 3 6 0度全ての径方向に移動可能となっている。

この第 2実施形態においても、第 1実施形態と同様に、組み立て時に、ェンドプレート 1 6とスプリングボックス 2 7のスプリングボックス本体 5 6 とが位置を合わせた状態で荷重調整ネジ 5 0が締め込まれることになるが、スプリングボックス 2 7による圧縮荷重が小さ、状態では、荷重調整ネジ 5 0の締め込みによる荷重のバランスで荷重調整ネジ 5 0の球面状の凹部 5 1 とこれに係合するスプリングボックス 2 7の球面状の凸部 2 8とが自動的に調心され、この調心を可能とするようにスプリングボックス本体 5 6に対してストツパ 6 0が摺動し荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動することになる。言い換えれば、互いに中心位置を合わせて係合する荷重調整ネジ 5 0の凹部 5 1とスプリングボックス 2 7の凸部 2 8とが、ストッパ 6 0とともにスプリングボックス 2 7のスプリングボックス本体 5 6に対して荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能となっている。よって、第 1実施形態と同様の効果を奏する。

なお、第 1実施形態と第 2実施形態とを組み合わせても良い。つまり、荷重調整ネジ 5 0とスプリングボックス 2 7の互いに位置を合わせて係合する凹部 5 1及ぴ凸部 2 8を、ェンドプレート 1 6及びスプリングボックス 2 7 の両方に対して荷重調整ネジ 5 0の径方向に移動可能に設けても良い。ただし、ェンドプレート 1 6をェンドプレート本体 3 0と移動可能なストッパ 3 1とに分けて、エンドプレート 1 6に対して、互いに係合する凹部 5 1及ぴ凸部 2 8を移動させる第 1実施形態が、製造コスト等の観点からより好ましい。

Claims

請求の範囲

1 . 複数のセルが積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の外側に配置されたェンドブレートと、前記ェンドプレートに対して前記セル積層体の積層方向に沿って移動する荷重調整ネジと、前記セル積層体の前記ェンドプレート側に設けられるとともに、前記荷重調整ネジで前記セル積層体に与える圧縮荷重が調整される押圧手段とを有する燃料電池において、

前記荷重調整ネジ及び前記押圧手段の互レ、に前記荷重調整ネジの径方向における位置を合わせて係合する係合部が、前記エンドプレート及ぴ前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている燃料電池。

2 . 請求項 1に記載の燃料電池において、

前記ェンドブレート及ぴ前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能で且つ 3 6 0度以上の回転が規制された介在部材を設けた燃料電池。

3 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池において、

前記荷重調整ネジが複数設けられており、これら荷重調整ネジのそれぞれと前記押圧手段との前記各係合部が前記ェンドプレート及び前記押圧手段のうちの少なくともいずれか一方に対して前記荷重調整ネジの径方向に移動可能に設けられている燃料電池。

4 . 請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記押圧手段が、前記係合部として凹部又は凸部を有する燃料電池。