JP6388004B2 - 燃料電池、および、燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
[形態1]
燃料電池であって、複数の単セルが積層されたセル積層体であって、前記複数の単セルの積層方向に沿った積層体側面を有するセル積層体と、前記セル積層体のうち、少なくとも前記積層体側面を取り囲むケースと、を備え、前記ケースは、第1ケース側壁と、前記第1ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第1対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第1対向側壁と、を有する第1ケースと、前記セル積層体を挟んで前記第1ケース側壁と対向する第2ケース側壁と、前記第2ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第2対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第2対向側壁と、を有する第2ケースと、前記積層方向について前記セル積層体よりも一方の側に位置するケース底壁と、を有し、前記第1対向側壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第1端部と、前記第2対向側壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第2端部とが接合されており、前記セル積層体には、前記積層方向の両側から挟むように締結力が加えられており、前記第1ケースは、さらに、前記第1ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第1交差壁であって、前記一対の第1対向側壁と交差する第1交差壁を有し、前記第2ケースは、さらに、前記第2ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第2交差壁であって、前記一対の第2対向側壁と交差する第2交差壁を有し、前記第1交差壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第3端部と、前記第2交差壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第4端部とが接合されており、前記第1交差壁と前記第2交差壁とによって前記ケース底壁が構成されており、前記ケース底壁は、前記締結力を受けて前記締結力を維持する、燃料電池。この形態によれば、抜き勾配を有する第1対向側壁の第1端部と、抜き勾配を有する第2対向側壁の第2端部とが接合されている。これにより、抜き勾配を有する凹状の部材にプレートを取り付けることでケースを形成するよりも抜き勾配に起因してケースが大型化することを抑制できる。
[形態2]
燃料電池の製造方法であって、前記燃料電池は、複数の単セルが積層されたセル積層体であって、前記複数の単セルの積層方向に沿った積層体側面を有するセル積層体と、前記セル積層体のうち、少なくとも前記積層体側面を取り囲むケースと、を備え、前記ケースは、第1ケース側壁と、前記第1ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第1対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第1対向側壁と、を有する第1ケースと、前記セル積層体を挟んで前記第1ケース側壁と対向する第2ケース側壁と、前記第2ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第2対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第2対向側壁と、を有する第2ケースと、を有し、前記第1対向側壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第1端部と、前記第2対向側壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第2端部とが接合されており、前記ケースは、さらに、前記積層方向について前記セル積層体よりも一方の側に位置するケース底壁を有し、前記第1ケースは、さらに、前記第1ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第1交差壁であって、前記一対の第1対向側壁と交差する第1交差壁を有し、前記第2ケースは、さらに、前記第2ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第2交差壁であって、前記一対の第2対向側壁と交差する第2交差壁を有し、前記第1交差壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第3端部と、前記第2交差壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第4端部とが接合されており、前記第1交差壁と前記第2交差壁とによって前記ケース底壁が構成されており、前記燃料電池の製造方法は、(a)前記第1端部と前記第2端部とを突き合わせて、突き合せた部分である第1突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、
(b)前記第3端部と前記第4端部とを突き合わせて、突き合わせた部分である第2突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、(c)前記工程(a)および前記工程(b)の後に、少なくとも前記セル積層体を前記ケースの内側に配置する工程と、を備える、燃料電池の製造方法。この形態によれば、レーザー溶接によって第1ケースと第2ケースとを接合する場合に比べ、第1ケースと第2ケースとの温度が低い状態で接合できるので、第1ケースと第2ケースとが熱によって変形する可能性を低減できる。
A−1.燃料電池100の構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池100の断面図である。図1は、複数の単セル11の積層方向SDおよび紙面上下方向である第1方向D1に平行な燃料電池100の断面図である。積層方向SDと第1方向D1とは直交する。図1において、上側に示す断面図の下側には、単セル11の斜視図を示している。
図6は、燃料電池100の製造工程を示すフローチャートである。図7は、製造工程の一工程で用いる第1ツール50を説明するための図である。
図10は、第1の比較例の燃料電池100Vを説明するための図である。図10は、図5に相当する模式図である。図10では、第1ケース28Vおよび第2ケース29Vは、図5の第1ケース28および第2ケース29と同様に所定の厚みを有するが、図示は省略している。燃料電池100Vと燃料電池100(図5)との違いは、主にケース21Vの構成である。その他の構成については燃料電池100と同様の構成であるため、燃料電池100と同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
上記実施形態によれば、抜き勾配DA1を有する第1側壁220と抜き勾配DA2を有する第2側壁230とが接合されている(図5)。これにより、抜き勾配DA1を有する凹状の部材にプレートを取り付けることでケース21V(図10)を形成するよりも抜き勾配DA1,DA2に起因してケース21が大型化することを抑制できる。本実施形態では、第2方向D2と積層方向SDにおけるケース21の大型化を抑制できる。また、抜き勾配DA1,DA2は、ケース21の長さが最も短い方向(第1方向D1)の長さL1を形成する第1側壁220と第2側壁230とに設けられている(図5)。これにより、抜き勾配DA1,DA2に起因してケース21が大型化することをより抑制できる。また、図11に示すように、第1ケース28Wと第2ケース29WとをボルトBTなどの締結部材によって固定するためには、第1ケース28Wと第2ケース29Wに締結部材用のフランジ235,237を設ける必要がある。一方で上記形態によれば、第1端部220Eと第2端部230Eとを接合することでケース21を形成しているので、第1ケース28と第2ケース29とをボルトBTなどの締結部材によって固定する場合に比べ、フランジ235,237を設ける必要がない。これにより、ケース21の大型化をさらに抑制できる。また、上記実施形態によれば、ケース21と積層体側面SP1〜SP4とに接触する介在層30を有する(図5)。これにより、セル積層体12に振動などの外力が加わった場合でも、ケース21にセル積層体12が当たることを抑制できるのでセル積層体12が損傷や変形する可能性を低減できる。また上記実施形態によれば、介在層30がケース21と積層体側面SP1〜SP4とに積層方向SDに亘って接触しているので、各単セル11の積層方向SDと直交する方向への位置ズレを抑制できる。各単セル11の位置ズレを抑制することで、位置ズレを考慮する必要がなく、介在層30を配置する隙間分だけをケース21に設ければよい。よって、ケース21の大型化をより一層抑制できる。
上記実施形態では、径D52を有する第1ツール50を用いて接合部JPを形成していたが(図7)、これに限定されるものではない。例えば、径が異なる2つのツールを用いて接合部JPを形成してもよい。以下では2つのツールを用いて接合部JPを形成する好ましい変形態様について説明する。
上記実施形態では、一対の側壁介在層30bは、第1方向D1について接合部JP(中央CP1)を挟んで位置していたが(図5)、これに限定されるものではない。例えば、一対の側壁介在層30bを2組設け、第3積層体側面SP3側の2つの側壁介在層30bを第1方向D1について接合部JP(中央CP1)を挟んだ位置に配置し、第4積層体側面SP4側の2つの側壁介在層30bも同様に第1方向D1について接合部JP(中央CP1)を挟んだ位置に配置してもよい。また、一対の側壁介在層30bの別の変形態様を以下に説明する。
D−1.第1変形例:
上記実施形態では、積層方向SD、第1方向D1、第2方向D2のうちで、ケース21の長さが最も短い方向は第1方向D1であったが、これに限定されるものではない。例えば、積層方向SDや第2方向D2がケース21の長さが最も短くてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池100が車両に搭載された場合、第2ケース側壁213はケース21の底面を構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、第4ケース側壁219が底面を構成してもよい。この場合、図5の紙面左右方向が第1方向D1となり、紙面上下方向が第2方向D2となる。
また、上記実施形態では、積層方向SDと直交する方向である第1方向D1にケース21が2分割されていたが、これに限定されるものではない。図17は、第2変形例を説明するための図である。図17は、図1に相当する図である。本変形例において上記実施形態の燃料電池10と同様の構成については同一の符号を付すと共に説明を省略する。図17に示すように、燃料電池100aのケース21aは、第1ケース28aと第2ケース29aとによって構成されている。ケース21aは、積層方向SDについて一端部であるケース底壁218と、積層方向SDについて他端である端面21Eとを有する。第1ケース28aは、ケース底壁218から端面21E側に延びる第1周囲壁222を有する。第1周囲壁222は、第1〜第4積層体側面SP1〜SP4と対向する4つの壁(図では壁222Aと壁222Bのみ図示)を有する。第1周囲壁222は、ケース底壁218から端面21E側に向かうに従いケース21aの外方に拡がる抜き勾配DA1を有する。第2ケース29aは、端面21Eからケース底壁218側に延びる第2周囲壁223を有する。第2周囲壁223は、第1〜第4積層体側面SP1〜SP4と対向する4つの壁(図では壁223Aと壁223Bのみ図示)を有する。第2周囲壁223は、端面21Eからケース底壁218側に向かうに従いケース21aの外方に拡がる抜き勾配DA2を有する。第1周囲壁222のうち端面21E側の端部220Eと、第2周囲壁223のうちケース底壁218側の端部230Eとは接合されている。このようにしても、抜き勾配DA1,DA2に起因してケース21aが積層方向SDと直交する第1方向D1と第2方向D2とに大型化することを抑制できる。また、介在層30によって、セル積層体12に振動などの外力が加わった場合でも、ケース21aにセル積層体12が当たることを抑制できるのでセル積層体12が損傷や変形する可能性を低減できる。ここで、ケース21aの長さのうち、積層方向SDの長さが第1方向D1の長さや第2方向D2の長さよりも短いことが好ましい。こうすることで、抜き勾配DA1,DA2に起因してケース21aが大型化することをより抑制できる。
上記実施形態では、ケース21は、第1ケース28と第2ケース29とが摩擦攪拌接合によって接合されることで接合部JPを有していたが、接合方法はこれに限定されるものではなく他の種々の接合方法を用いて接合部JPを形成してもよい。例えば、TIG溶接、MIG溶接、レーザー溶接などの溶融接合によって第1ケース28と第2ケースとを接合することで接合部JPを形成してもよい。
ケース21は、ケース底壁218を有していたが(図4)、有さなくてもよい。この場合、筐体20は、ケース21の積層方向SDについて開口OPとは反対側の開口を塞ぐ蓋部材を有する。
11…単セル
12…セル積層体
15…ターミナルプレート
20…筐体
21,21a…ケース
21E…端面
21V…ケース
21Va…ケース
21W…ケース
25…蓋部材
28,28V,28W,28a…第1ケース
29,29V,29W,29a…第2ケース
30…介在層
30a,30aa…底壁介在層
30a1…第1底壁介在層
30a2…第2底壁介在層
30b,30bV,30ba…側壁介在層
30b1…第1側壁介在層
30b2…第2側壁介在層
50…第1ツール
52…第1ショルダー部
54…第1ピン
60…第2ツール
62…第2ショルダー部
64…第2ピン
100,100V,100W,100a…燃料電池
111…膜電極接合体
112…セパレータ
116…樹脂シート
151…酸化剤ガス供給流路
152…酸化剤ガス排出流路
153…燃料ガス供給路
154…燃料ガス排出流路
155…冷却媒体供給流路
156…冷却媒体排出流路
158…接続口
211…第1ケース側壁(第1底壁)
211A〜211C…周縁部
213…第2ケース側壁(第2底壁)
213A〜213C…周縁部
215…第3ケース側壁
215A…第1対向側壁
215B…第2対向側壁
218…ケース底壁
218A…第1交差壁
218B…第2交差壁
219…第4ケース側壁
219A…第1対向側壁
219B…第2対向側壁
220…第1側壁
220E…第1端部
220Ea…第3端部
222…第1周囲壁
222A,222B…壁
223…第1周囲壁
223A,223B…壁
230…第2側壁
230E…第2端部
230Eb…第2端部
235,237…フランジ
251…接続口
BT…ボルト
CL1,CL2…軸線
CR1,CR2…角部
D1…第1方向
D2…第2方向
SD…積層方向
D52…径
DA1,DA2…抜き勾配
G…ガスケット
JP…接合部
JP1,JP3…第1接合部
JP2…第2接合部
OP…開口
SP1…第1積層体側面
SP2…第2積層体側面
SP3…第3積層体側面
SP4…第4積層体側面
SP5…第1積層体端部側面
SP6…第2積層体端部側面
JR1,JR1a,JR2…接合領域
KD1,KD2…角部
Claims (7)
- 燃料電池であって、
複数の単セルが積層されたセル積層体であって、前記複数の単セルの積層方向に沿った積層体側面を有するセル積層体と、
前記セル積層体のうち、少なくとも前記積層体側面を取り囲むケースと、を備え、
前記ケースは、
第1ケース側壁と、前記第1ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第1対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第1対向側壁と、を有する第1ケースと、
前記セル積層体を挟んで前記第1ケース側壁と対向する第2ケース側壁と、前記第2ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第2対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第2対向側壁と、を有する第2ケースと、
前記積層方向について前記セル積層体よりも一方の側に位置するケース底壁と、を有し、
前記第1対向側壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第1端部と、前記第2対向側壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第2端部とが接合されており、
前記セル積層体には、前記積層方向の両側から挟むように締結力が加えられており、
前記第1ケースは、さらに、前記第1ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第1交差壁であって、前記一対の第1対向側壁と交差する第1交差壁を有し、
前記第2ケースは、さらに、前記第2ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第2交差壁であって、前記一対の第2対向側壁と交差する第2交差壁を有し、
前記第1交差壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第3端部と、前記第2交差壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第4端部とが接合されており、
前記第1交差壁と前記第2交差壁とによって前記ケース底壁が構成されており、
前記ケース底壁は、前記締結力を受けて前記締結力を維持する、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
前記一対の第1対向側壁はそれぞれ、前記第1ケース側壁と前記第2ケース側壁とが対向する第1方向の長さが、互いに接合されている前記第1対向側壁と前記第2対向側壁との前記第1方向における合計の長さの1/3以上2/3以下であり、
前記一対の第2対向側壁はそれぞれ、前記第1方向の長さが、互いに接合されている前記第1対向側壁と前記第2対向側壁との前記第1方向における合計の長さの1/3以上2/3以下である、燃料電池。 - 請求項2に記載の燃料電池であって、
前記一対の第1対向側壁はそれぞれ、前記第1方向の長さが、互いに接合されている前記第1対向側壁と前記第2対向側壁との前記第1方向における合計の長さの1/2であり、
前記一対の第2対向側壁はそれぞれ、前記第1方向の長さが、互いに接合されている前記第1対向側壁と前記第2対向側壁との前記第1方向における合計の長さの1/2である、燃料電池。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法であって、
(a)前記第1端部と前記第2端部とを突き合わせて、突き合せた部分である第1突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、
(b)前記第3端部と前記第4端部とを突き合わせて、突き合わせた部分である第2突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、
(c)前記工程(a)および前記工程(b)の後に、少なくとも前記セル積層体を前記ケースの内側に配置する工程と、を備える、燃料電池の製造方法。 - 請求項4に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(a)では、円柱状の第1ショルダー部と、第1ショルダー部の先端面から突出する第1ピンとを備える第1ツールを用いて前記摩擦攪拌接合が行われ、
前記工程(b)では、円柱状の第2ショルダー部であって前記第1ショルダー部とは径の異なる第2ショルダー部と、第2ショルダー部の先端面から突出する第2ピンとを備える第2ツールを用いて前記摩擦攪拌接合が行われる、燃料電池の製造方法。 - 燃料電池の製造方法であって、
前記燃料電池は、
複数の単セルが積層されたセル積層体であって、前記複数の単セルの積層方向に沿った積層体側面を有するセル積層体と、
前記セル積層体のうち、少なくとも前記積層体側面を取り囲むケースと、を備え、
前記ケースは、
第1ケース側壁と、前記第1ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第1対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第1対向側壁と、を有する第1ケースと、
前記セル積層体を挟んで前記第1ケース側壁と対向する第2ケース側壁と、前記第2ケース側壁の周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する一対の第2対向側壁であって、前記セル積層体を挟んで互いに対向する一対の第2対向側壁と、を有する第2ケースと、を有し、
前記第1対向側壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第1端部と、前記第2対向側壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第2端部とが接合されており、
前記ケースは、さらに、前記積層方向について前記セル積層体よりも一方の側に位置するケース底壁を有し、
前記第1ケースは、さらに、前記第1ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第1交差壁であって、前記一対の第1対向側壁と交差する第1交差壁を有し、
前記第2ケースは、さらに、前記第2ケース側壁の前記周縁部から立ち上がる、抜き勾配を有する第2交差壁であって、前記一対の第2対向側壁と交差する第2交差壁を有し、
前記第1交差壁のうち前記第1ケース側壁の側とは反対側の第3端部と、前記第2交差壁のうち前記第2ケース側壁の側とは反対側の第4端部とが接合されており、
前記第1交差壁と前記第2交差壁とによって前記ケース底壁が構成されており、
前記燃料電池の製造方法は、
(a)前記第1端部と前記第2端部とを突き合わせて、突き合せた部分である第1突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、
(b)前記第3端部と前記第4端部とを突き合わせて、突き合わせた部分である第2突合部分を摩擦攪拌接合によって接合する工程と、
(c)前記工程(a)および前記工程(b)の後に、少なくとも前記セル積層体を前記ケースの内側に配置する工程と、を備える、燃料電池の製造方法。 - 請求項6に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(a)では、円柱状の第1ショルダー部と、第1ショルダー部の先端面から突出する第1ピンとを備える第1ツールを用いて前記摩擦攪拌接合が行われ、
前記工程(b)では、円柱状の第2ショルダー部であって前記第1ショルダー部とは径の異なる第2ショルダー部と、第2ショルダー部の先端面から突出する第2ピンとを備える第2ツールを用いて前記摩擦攪拌接合が行われる、燃料電池の製造方法。
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