JP2011003384A - 燃料電池とこれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドプレート間の締結シャフトで締結した燃料電池における荷重増大操作の汎用性を高める。
【解決手段】燃料電池１０は、エンドプレート１０ａで挟持した電池セルスタック４０Ｓを締結シャフト１００で荷重を掛けて締結する一方、向かい合う上下の締結シャフト１００に撓み機構２００を組み込んで備える。この撓み機構２００は、上下の締結シャフト１００にその中央で係合した第１アーム２１０と第２アーム２２０とにボルト２３０を配設する。ボルト２３０を締め込むことにより、上下の締結シャフト１００は締結シャフト間の隔たりを変える力を受けて撓み、各電池セル４０の締結荷重の増大をもたらす。この荷重増大のためのボルト締め込み操作は、締結シャフト１００のシャフト長手方向からの締め込み操作とは異なり、締結シャフト１００に交差した電池下方側からのものとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電単位となる電池セルを複数積層した電池セルスタックを対向するエンドプレートで挟持した燃料電池に関する。

燃料電池における電池セルスタックの締結には、エンドプレートの間に掛け渡された締結シャフトが用いられ、この締結により電池セルスタックにおける各電池セル間の気密性や液密性が確保されている（例えば、特許文献１等）。

特開昭６２−２７１３６５号公報 実開昭６２−４８７６０号公報 特許第３６０５９３７号公報

これら特許文献で提案された締結手法では、締結シャフトの締め付け操作をシャフト長手方向から行い、燃料電池組み付け時において所定の初期荷重が燃料電池セルスタックの各電池セルに掛かるようにされる。各電池セルでは荷重を受け続けることによるクリープ現象が生じ得るので、一定の初期荷重のままでは電池セル間の気密性や液密性の低下が危惧されるため、各電池セルに掛かる加重を初期加重から増やすことが求められる。こうした荷重増大は、往々にして燃料電池の設置後に必要とされるため、燃料電池の設置状況や周辺機器との関連から、シャフト長手方向からのシャフト締め付け操作に支障が出ることがあった。例えば、省スペース化の観点から燃料電池端部側に周辺機器を近接設置すると、シャフト長手方向からのシャフト締め付け操作に必要な作業区域が確保できず、締め付け操作に支障をきたしかねない。

本発明は、上記した課題を踏まえ、エンドプレート間の締結シャフトで締結した燃料電池における荷重増大操作の汎用性を高めることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用１：燃料電池]
発電単位となる電池セルを複数積層した電池セルスタックを対向するエンドプレートで挟持した燃料電池であって、
前記エンドプレートの間に掛け渡されて前記エンドプレートに固定され、前記電池セルスタックを積層方向に荷重を掛けて締結する締結シャフトと、
前記エンドプレートの間で向かい合う前記締結シャフトに締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼして、前記締結シャフトの撓みを起こすシャフト撓み発現手段とを有する
ことを要旨とする。

上記構成の燃料電池では、対向するエンドプレートで挟持した電池セルスタックを、エンドプレート間に掛け渡して当該エンドプレートに固定した締結シャフトで荷重を掛けて締結する。説明の便宜上、締結シャフトによるこの荷重を初期荷重と称する。その一方、上記構成の燃料電池は、エンドプレートの間で向かい合う前記締結シャフトに対して、シャフト撓み発現手段により、締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼして締結シャフトを撓ませる。締結シャフトは、エンドプレート間に固定されていることから、その撓みは、エンドプレートを引き寄せる力をエンドプレートに及ぼすので、初期荷重の増加をもたらすことができる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼし得る側、例えば、締結シャフトに交差する方向からの締め付け操作を可能とし、その汎用性が高まる。この場合、締結シャフトのシャフト長手方向からのシャフト締め付け操作も可能であれば、より締め付け操作の汎用性が高まる。

本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。 図１における２−２線に沿った概略断面図である。 図２における矢印Ａ方向からケース下面開口を矢視して示す説明図である。 図１における４−４線に沿った概略断面図である。 撓み機構２００による締結シャフト１００やエンドプレート１０ａの挙動を模式的に示す説明図である。 締結シャフト１００の塑性変形防止対策の変形例を示す説明図である。 他の変形例の撓み機構２５０を有する燃料電池１０Ａを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図、図２は図１における２−２線に沿った概略断面図、図３は図２における矢印Ａ方向からケース下面開口を矢視して示す説明図、図４は図１における４−４線に沿った概略断面図である。

図示するように、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する発電単位の電池セル４０を複数積層して電池セルスタック４０Ｓを構成し、当該スタックを、一対のエンドプレート１０ａの間に挟持する。各電池セル４０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、およびカソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却用の冷媒の流路が形成されている。なお、電池セル４０の積層数は、燃料電池１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池１０は、上記した電池セルスタック４０Ｓを対向する一対のエンドプレート１０ａで挟持するに当たり、エンドプレート１０ａの側にそれぞれ絶縁板２０ａと集電板３０ａとを介在させる。そして、エンドプレート１０ａと絶縁板２０ａおよび集電板３０ａには、それぞれの電池セル４０に水素給排、空気給排、および冷媒給排のための供給口・排出口が設けられている。また、それぞれの電池セル４０は、水素や、空気や、冷媒の分配供給の供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒供給マニホールド）や、各電池セル４０のカソード・アノードから排出されるオフガスや、冷媒を集合させて燃料電池１０の外部に排出するための排出マニホールド（カソードオフガス排出マニホールド、アノード排出マニホールド、冷媒排出マニホールド）を備える（図示省略）。

エンドプレート１０ａは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａには、それぞれ、図示しない出力端子が設けられており、燃料電池１０で発電した電力を出力可能となっている。

燃料電池１０は、上下の各コーナーにおいて４本の締結シャフト１００を備える。締結シャフト１００は、金属製のシャフト材である第１シャフト１１０と第２シャフト１２０とを備える。第１シャフト１１０は、図１および図４に示すように、一方端をボルトヘッド１１２として備え、他方端を雄ネジ１１４とし、一方のエンドプレート１０ａの貫通孔１０ｂにプレート外側から挿入される。第２シャフト１２０は、一方端をボルトヘッド１２２として備え、他方端には第１シャフト１１０の雄ネジ１１４が螺合する雌ネジ１２４を備える。そして、この第２シャフト１２０は、雌ネジ１２４の側に二面幅部１２６を備え、雌ネジ１２４が第１シャフト１１０の雄ネジ１１４の側に位置するよう、他方のエンドプレート１０ａの貫通孔１０ｂにプレート外側から挿入される。そして、第１、第２の両シャフトは、それぞれのボルトヘッド１１２、１２２をエンドプレート外側に位置させた上で、雌ネジ１２４への雄ネジ１１４の螺合により、図１および図４に示すように、電池セルスタック４０Ｓを挟持したエンドプレート１０ａの間に掛け渡されてエンドプレートに固定された締結シャフト１００を構成する。雌ネジ１２４への雄ネジ１１４の螺合により、エンドプレート１０ａの間の電池セルスタック４０Ｓのそれぞれの電池セル４０には、積層方向の締結力（荷重）が及ぶことになる。このネジ螺合に際しては、電池セルスタック４０Ｓの締結力調整（増強）余地を残すため、雌ネジ１２４には、雄ネジ１１４の締め込み代が残った状態とされる。また、上記のネジ螺合に際しては、二面幅部１２６の平面部位表面が鉛直となるよう第２シャフト１２０を保持した上で、第１シャフト１１０の雄ネジ１１４を雌ネジ１２４に螺合され、これにより、二面幅部１２６は、その平面部位表面を上下方向に位置することになる。

このようにして締結シャフト１００により電池セルスタック４０Ｓを締結した燃料電池１０では、図１および図２に示すように、電池セルスタック４０Ｓにおけるそれぞれの電池セル４０は、各コーナーにおいて、締結シャフト１００を避けた切欠４１を有する形状とされている。

また、燃料電池１０は、一対のエンドプレート１０ａの間で向かい合う締結シャフト１００に対して、撓み機構２００を備える。この撓み機構２００は、図１および図２における上下の締結シャフト１００に組み込まれ、第１アーム２１０と、第２アーム２２０と、ボルト２３０とを備える。第１アーム２１０は、その一方端側に、締結シャフト１００における第２シャフト１２０の二面幅部１２６の形状に倣って凹条に形成された係合凹所２１１を備え、当該凹所に二面幅部１２６を嵌め込んで、下方側の締結シャフト１００に係合する。第２アーム２２０は、その一方端側に第２シャフト１２０の二面幅部１２６の形状に倣って凹条に形成された係合凹所２２１を備え、当該凹所に二面幅部１２６を嵌め込んで、上方側の締結シャフト１００に係合する。ボルト２３０は、第１アーム２１０が有するシャフト貫通孔２１２に図２における下方側から挿入され、先端の雄ネジ２３２を第２アーム２２０が有する雌ネジ２２２に螺合することで、第１、第２の両アームに掛け渡される。この撓み機構２００は、第２アーム２２０の雌ネジ２２２にボルト２３０の雄ネジ２３２を螺合することで、向かい合う上下の締結シャフト１００に対して、締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼして、上下の締結シャフト１００を撓ませる。この場合、図２に示すように、ボルト２３０は、締結シャフト１００の撓み調整（増大）余地を残すために雄ネジ２３２の締め込み代が残った螺合状態とされ、そのネジエンド２３３については、締結シャフト１００に過大な撓みを起こして塑性変形（曲げ）を招かないように設定されている。

上記した撓み機構２００の組み付け位置は、締結シャフト１００への係合をもたらす第２シャフト１２０での二面幅部１２６の形成箇所で規定される。本実施例では、図４に示すように、撓み機構２００（詳しくは第１アーム２１０、第２アーム２２０）が締結シャフト１００のほぼ中央に位置するようにされている。

また、本実施例の燃料電池１０は、図２にその一部を示す収容ケース３００に収容されている。そして、ケース下面の保守点検孔３０２に装着済みのカバー３１０を取り外すことで、ボルト２３０のボルトヘッド（本実施例では、六角穴付きボルトヘッド）が保守点検孔３０２から操作可能とされている。

以上説明した本実施例の燃料電池１０では、対向するエンドプレート１０ａで挟持した電池セルスタック４０Ｓを、エンドプレート間に掛け渡して当該エンドプレートに固定した締結シャフト１００で荷重を掛けて締結する。このシャフト締結は、図４に示すように、第２シャフト１２０の雌ネジ１２４に第１シャフト１１０の雄ネジ１１４を螺合することでなされる。このため、本実施例では、雌ネジ１２４への雄ネジ１１４の螺合状態を調節してスタック締結荷重、即ち電池セルスタック４０Ｓにおける各電池セル４０の気密性・液密性確保のための初期荷重を確保できる。しかも、本実施例では、雄ネジ１１４の締め代が残されているので、各電池セル４０に掛ける荷重を、雄ネジ１１４の更なる締め込みにより初期荷重以上に増大させることができる。つまり、燃料電池設置後の荷重増大を締結シャフト１００における雄ネジ１１４の締め込みにより達成できる。

また、本実施例の燃料電池１０では、向かい合う上下の締結シャフト１００に組み込んだ撓み機構２００におけるボルト２３０の螺合により、向かい合う上下の締結シャフト１００に対して締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼす。図５は撓み機構２００による締結シャフト１００やエンドプレート１０ａの挙動を模式的に示す説明図である。この図５に示すように、撓み機構２００により締結シャフト１００に上記の力を及ぼしてして上下の締結シャフト１００を撓ませると、エンドプレート１０ａに固定済みの上下の締結シャフト１００は、その撓みによりエンドプレート１０ａを引き寄せるので、各電池セル４０に掛ける荷重（初期荷重）を増大することができる。よって、何らかの原因で各電池セル４０に掛ける荷重を増大する必要が生じた場合には、エンドプレート１０ａに固定済みの上下の締結シャフト１００を撓み機構２００にて、荷重増大をもたらすことができる。しかも、こうした荷重増大をもたらすための操作は、燃料電池１０における上下の締結シャフト１００に組み込んだ撓み機構２００のボルト２３０の締め込み操作にてなされる。このボルト締め込み操作は、締結シャフト１００のシャフト長手方向からの締め込み操作とは異なる方向、具体的には締結シャフト１００に交差した上下方向から行うことができる。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、各電池セル４０に掛ける荷重増大のための操作を、締結シャフト１００のシャフト長手方向に加えて、シャフトと交差する電池下方側からも可能とするので、汎用性を高めることができる。しかも、本実施例では、締結シャフト１００のシャフト長手方向からのシャフト締め付け操作と電池下方側からのボルト締め付け操作とがそれぞれ可能であることから、より汎用性が高まる。

一般に、燃料電池１０をその搭載対象物、例えば車両に搭載する際には、その搭載性や保守点検の便の都合から、燃料電池１０は、その収容ケース３００と共に車両床下に搭載される。車両床下からは、サスペンション等のいわゆる足回り機器の保守点検がなされるので、燃料電池１０における荷重増大のための上記したボルト締め付け操作が電池下方側からであっても、特段の支障はない。

また、本実施例の燃料電池１０では、撓み機構２００を、締結シャフト１００のほぼ中央に組み込んだので、ボルト２３０の締め込み操作により効果的に締結シャフト１００を撓ませることができる。よって、撓み機構２００の構成部材の小型軽量化が可能となり、好ましい。

加えて、本実施例の燃料電池１０では、撓み機構２００の第１アーム２１０と第２アーム２２０を、係合凹所２１１、２２１にて第２シャフト１２０における二面幅部１２６に係合させた。よって、二面幅部１２６をその平面部位表面が上下方向となるようにしておくことで、燃料電池１０の完成後、例えば車両搭載後においても、収容ケース３００の保守点検孔３０２から撓み機構２００を燃料電池１０（詳しくは、上下に向かい合う締結シャフト１００）に組み込むことができる。つまり、燃料電池１０を搭載した車両において、各電池セル４０の荷重増大の必要性が生じた場合に、撓み機構２００を組み込んで荷重増大を図ることができる。このことは、撓み機構２００を各電池セル４０の荷重増大のためのアフターパーツとして取り扱うことができることを意味する。なお、二面幅部１２６をその平面部位表面が上下方向となるようにしておくためには、エンドプレート１０ａの貫通孔１０ｂとこの貫通孔への第２シャフト１２０の挿入部位との回転位置決め（例えば、キーとキー溝）を、二面幅部１２６の位置関係と関連付けて設けておけばよい。

更に、本実施例の燃料電池１０では、既述したように、締結シャフト１００（詳しくは、第２シャフト１２０）に対して第１、第２の両アームを二面幅部１２６と係合凹所２１１、２２１とにより係合させたので、ボルト２３０の締め込みに際して、締結シャフト１００軸周りの第１アーム２１０と第２アーム２２０の回転を抑制できる。よって、ボルト２３０の締め込みによる締結シャフト１００の撓みが確実に起きるので、確実な荷重増大を図ることができる。この場合、ボルト２３０の締め込みに伴う第１アーム２１０と第２アーム２２０の撓みは、ボルト２３０の長手方向に沿って第１、第２の両アームを厚くすること、或いは、締結シャフト１００とボルト２３０とを近接させることで回避、もしくは抑制できる。

本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施可能である。図６は締結シャフト１００の塑性変形防止対策の変形例を示す説明図である。この図６に示すように、この変形例では、ボルト２３０の締め込み側、即ち上方側の締結シャフト１００に係合する第２アーム２２０の上面に、ボルトキャップ２４０を備える。このボルトキャップ２４０は、ボルト２３０の先端においてその締め込みを規制する。よって、この変形例によっても、ボルト先端とキャップ底部との間を締結シャフト１００の撓み調整（増大）余地とした上で、締結シャフト１００に過大な撓みを起こして塑性変形（曲げ）を招かない。

図７は他の変形例の撓み機構２５０を有する燃料電池１０Ａを示す説明図である。この図７に示すように、燃料電池１０Ａは、電池セルスタック４０Ｓの各コーナーの４本の締結シャフト１００に掛け渡された撓み機構２５０を備える。この撓み機構２５０は、ベルト２５１と、ベルト両端の補強金具２５２と、ベルト固定用のボルト２５４とナット２５６とを備える。ベルト２５１は、既述したボルト２３０に代わって締結シャフト１００の撓みを起こすための物であることから、高強度で伸びの少ないベルトとされ、例えば炭素繊維をフィラーとして含有する複合材料を用いた炭素繊維補強ベルトである。補強金具２５２は、ベルト２５１のベルト端部をボルトナットによる固定の際の屈曲形状を維持するための物であり、ボルト２５４が貫通装着される。この変形例における締結シャフト１００では、第１アーム２１０や第２アーム２２０の係合を要しないことから、二面幅部１２６を形成する必要はない。

上記した撓み機構２５０のベルト２５１は、締結シャフト１００を用いた電池セルスタック４０Ｓの締結後において、スタック各コーナーの締結シャフト１００にその中央箇所付近で掛け渡される。そして、ベルト端部の補強金具２５２を図７に示すようにスタック側方側に位置させ、向かい合う補強金具２５２をボルト２５４とナット２５６により締め付ける。この締め付けにより、ベルト２５１は締結シャフト１００を撓ませて各電池セル４０の締結荷重を増大させるので、既述した効果を奏することができる。この場合、ベルト２５１のベルト長は、ベルト両端の補強金具２５２の間に所定の隙間が形成できる長さとされ、この補強金具２５２の間の間隙は、締結シャフト１００の撓み調整（増大）余地となる。

また、図１〜図４に示した燃料電池１０では、締結シャフト１００の第２シャフト１２０に二面幅部１２６を形成したが、第２シャフト１２０を二面幅部１２６を有しない丸棒状のシャフトとできる。この場合には、第１アーム２１０と第２アーム２２０における係合凹所２１１、２２１を丸棒シャフトに係合できる弧状の凹所とすればよい。

また、上記した実施例とその変形例では、締結シャフト１００を第１シャフト１１０と第２シャフト１２０とを有するものとしたが、締結シャフト１００を単一のシャフトからなる定寸の締結シャフトとすることもできる。こうしても、撓み機構２００或いは撓み機構２５０により、各電池セル４０の締結荷重を随時増大できる。

また、上記した実施例とその変形例では、上下に向き合う締結シャフト１００に対して撓みを起こすようにしたが、図１においてセル上端側の左右の締結シャフト１００とセル下端側の左右の締結シャフト１００に撓みを起こすよう撓み機構２００を組み込むこともできる。

更に、締結シャフト１００を直接撓ませるよう構成できる。この場合は、電池セルスタック４０Ｓの各電池セル４０を単純な矩形形状として、その各コーナーにおいて締結シャフト１００を上下に向かい合わせる。そして、下方側の締結シャフト１００にはボルト２３０の貫通孔を設け、上方側の締結シャフト１００にはボルト２３０の雄ネジ２３２が螺合する雌ネジを設ける。こうすれば、第１アーム２１０と第２アーム２２０が不要となり、構成の簡略化、部品点数の低減を図ることができる。

また、向かい合う締結シャフト１００を、シャフト間の隔たりが縮まるように撓ませたが、シャフト間の隔たりが広がるように撓ませる構成とすることもできる。この他、向かい合う締結シャフト１００の個々の締結シャフト１００に個別にシャフト間の隔たりが変わるよう力を及ぼして撓ませることもできる。この場合には、燃料電池１０の周辺部材から個々の締結シャフト１００にボルトなどで力を及ぼせばよい。そして、個々の締結シャフト１００への力の及ぼし方を変えれば、電池セル４０に対しての荷重増大の様子が多様化するので望ましい。

１０…燃料電池
１０Ａ…燃料電池
１０ａ…エンドプレート
１０ｂ…貫通孔
２０ａ…絶縁板
３０ａ…集電板
４０…電池セル
４０Ｓ…電池セルスタック
４１…切欠
１００…締結シャフト
１１０…第１シャフト
１１２…ボルトヘッド
１１４…雄ネジ
１２０…第２シャフト
１２２…ボルトヘッド
１２４…雌ネジ
１２６…二面幅部
２００…撓み機構
２１０…第１アーム
２１１…係合凹所
２１２…シャフト貫通孔
２２０…第２アーム
２２１…係合凹所
２２２…雌ネジ
２３０…ボルト
２３２…雄ネジ
２３３…ネジエンド
２４０…ボルトキャップ
２５０…撓み機構
２５１…ベルト
２５２…補強金具
２５４…ボルト
２５６…ナット
３００…収容ケース
３０２…保守点検孔
３１０…カバー

Claims (1)

1. 発電単位となる電池セルを複数積層した電池セルスタックを対向するエンドプレートで挟持した燃料電池であって、
   前記エンドプレートの間に掛け渡されて前記エンドプレートに固定され、前記電池セルスタックを積層方向に荷重を掛けて締結する締結シャフトと、
   前記エンドプレートの間で向かい合う前記締結シャフトに締結シャフト間の隔たりを変える力を及ぼして、前記締結シャフトの撓みを起こすシャフト撓み発現手段とを有する
   燃料電池。

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