JP7455712B2

JP7455712B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP7455712B2
Application number: JP2020155347A
Authority: JP
Inventors: 裕磨加藤; 勇菊池
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2024-03-26
Anticipated expiration: 2040-09-16
Also published as: JP2022049240A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池に関する。

従来から、単セル電池に冷却水と燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する外部マニホールドを有する燃料電池が知られている。また、単セル電池を複数積層した単セル電池積層体と、単セル電池積層体の両端に配置された電気を取り出すための集電板と、集電板の外側に配置された電気的に絶縁するための絶縁板で構成された燃料電池積層体を締結した構造の燃料電池が知られている。

上記の単セル電池積層体と集電板と絶縁板とを有する燃料電池積層体を締結する構造としては、燃料電池積層体の両端に一対のエンドプレートを配置し、これらのエンドプレートを跨ぐ複数のタイロッドを配置して、タイロッドをナットによって締め付ける構造のものが知られている。この構造の燃料電池では、タイロッドに設置したナットを上下させることで一対のエンドプレートをお互いに近接する方向に動かし、燃料電池積層体を締め付けることで、燃料電池積層体を構成する各部材間の接触電気抵抗を低減させている。

特開２０１９－４６５４０号公報

上述した従来の燃料電池では、燃料電池積層体を締め付けるナットの締め付け圧力が不均一であった場合や、経時および振動などによりナットに緩みが生じて締め付け圧力が均一では無くなった場合等に、エンドプレートに歪みが発生する。この歪みにより、燃料電池積層体に掛かるエンドプレートの締め付け面圧が不均一となる場合がある。

このように、燃料電池積層体に掛かるエンドプレートの締め付け面圧が不均一になると、面圧不足による接触電気抵抗の増大や、面圧過剰による燃料電池積層体の破損が発生する可能性が生じるという課題があった。

また、燃料電池積層体を締め付ける構造にエンドプレートとタイロッドを使用することにより燃料電池が一回り大きくなり、燃料電池システム内の燃料電池の占める体積が大きくなることから、燃料電池システム内の燃料電池や各部品の配置スペースが制限され、効率的な部品配置が行えないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池積層体に掛かる締め付け面圧を常に均一とすることができるとともに、よりコンパクトな燃料電池を提供することにある。

実施形態の燃料電池は、単セル電池を複数積層した単セル電池積層体と、前記単セル電池積層体の両端に配置され、電気を取り出すための集電板と、前記集電板の外側に配置され、電気的に絶縁するための絶縁板と、前記集電板と前記絶縁板の間に配置され、締め付け面圧を均一にするための弾性体と、前記単セル電池積層体の側面に配置され、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給する外部マニホールドと、前記外部マニホールドと前記絶縁板とを嵌合させて固定する嵌合構造部とを具備し、前記嵌合構造部にて、前記外部マニホールドを、前記絶縁板を互いに近接する方向に押圧した状態で前記絶縁板に固定したことを特徴とする。

実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す分解斜視図。図１の燃料電池の絶縁板と外部マニホールドとを固定した状態を示す図。

以下、実施形態に係る燃料電池ついて、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る燃料電池１００の構成を模式的に示す分解斜視図である。図１において、単セル電池を複数積層した略四角柱状の単セル電池積層体１０１は、例えば、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応を利用して発電する。単セル電池は、例えば、電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置して構成される電解質膜・電極接合体と、電解質膜・電極接合体にガス供給を行うと共に燃料と酸化剤を分離する機能を有するセパレータとを有する。

単セル電池積層体１０１の両端には、単セル電池積層体１０１から電気を取り出すための略四角形状の集電板１０２が設置されており、集電板１０２の外側には集電板１０２から電気的に絶縁するための略四角形状の絶縁板１０３が設置されている。

集電板１０２と絶縁板１０３の間には、単セル電池積層体１０１に掛かる面圧を調整するための略四角形状の弾性体１０４が設置されている。この弾性体１０４は、例えば、ゴム又は金属製のバネ体等からなり、その厚さ方向に弾性変形可能とされており、単セル電池積層体１０１及び集電板１０２の締め付け面圧を均一にする作用を果たす。

図１に示す燃料電池１００では、単セル電池積層体１０１の両側に弾性体１０４が設置されている場合を示しているが、弾性体１０４の設置は、単セル電池積層体１０１の片側のみでも構わない。なお、絶縁板１０３及び弾性体１０４には、単セル電池積層体１０１で発生させた電力を、集電板１０２を介して取り出すための電力取り出し口１０３ｂ、１０４ｂが設けられている。

単セル電池積層体１０１の長手方向に沿った４つの側面には、単セル電池積層体１０１に燃料ガスや酸化剤ガスおよび冷却水を供給する外部マニホールド１０５が配置されている。なお、図１では、説明を分かり易くするため、図中単セル電池積層体１０１の手前側に位置する単セル電池積層体１０１の２つの側面に配置される２つの外部マニホールド１０５のみを示してある。

外部マニホールド１０５と絶縁板１０３には、これらを固定するための嵌合構造部が設けられている。本実施形態の燃料電池１００では、この嵌合構造部は、以下に説明する外部マニホールド１０５に設けられた凸部１０５ａと、絶縁板１０３に設けられた凹部１０３ａとによって構成されている。しかし、嵌合構造部は、嵌合することによって外部マニホールド１０５と絶縁板１０３とを固定できるものであれば、どのような構造のものでもよく、例えば、絶縁板１０３側に凸部を設け、外部マニホールド１０５側に凹部を設けてもよい。なお、本実施形態では、単セル電池積層体１０１の長手方向に沿った４つの側面に、合計４つの外部マニホールド１０５を設けた場合について説明するが、嵌合構造部を有する外部マニホールド１０５と絶縁板１０３は、少なくとも対向する２つの側面に設ければ良い。

外部マニホールド１０５の単セル電池積層体１０１側に位置する上側端部及び下側端部（長手方向の両側端部）には、それぞれ外部マニホールド１０５から上側及び下側に向けて突出する凸部１０５ａが設けられている。図２にも示すように、これらの凸部１０５ａは、外部マニホールド１０５から突出する方向（先端側）に向けて次第に横幅が広がる形状とされており、横側端面はそれぞれ外部マニホールド１０５側に向く斜めの面となっている。

一方、絶縁板１０３の、外部マニホールド１０５側に向く４つの側面には、それぞれ外部マニホールド１０５の凸部１０５ａに対応する形状の凹部１０３ａが設けられている。すなわち、図２にも示すように、これらの凹部１０３ａは、外部マニホールド１０５側から奥側（上側若しくは下側）に向けて次第に幅広になる形状とされている。

そして、これらの絶縁板１０３の凹部１０３ａに、それぞれ外部マニホールド１０５の凸部１０５ａを嵌め込んで固定することができる嵌合構造となっている。外部マニホールド１０５の両側の凸部１０５ａを、夫々単セル電池積層体１０１の両側に配置された絶縁板１０３の凹部１０３ａに嵌合させる際には、単セル電池積層体１０１の両端に位置する絶縁板１０３を互いに近接する方向に押圧して絶縁板１０３を近接させ、単セル電池積層体１０１を締め付けている状態（弾性体１０４が厚さ方向に圧縮されて弾性変形した状態）で、絶縁板１０３の側面に設けられた凹部１０３ａに、外部マニホールド１０５に設けられた凸部１０５ａを嵌め込む。

そして、更に複数（図１に示す例では、それぞれの外部マニホールド１０５について４本）のネジ１０６で、外部マニホールド１０５と絶縁板１０３とを固定する。図２に、絶縁板１０３に設けられた凹部１０３ａに、外部マニホールド１０５に設けられた凸部１０５ａを嵌め込み、ネジ１０６をねじ込んで絶縁板１０３と外部マニホールド１０５とを固定した状態を示す。

上記のようにして、外部マニホールド１０５と絶縁板１０３とを固定することにより、厚さ方向に圧縮されて弾性変形した弾性体１０４による厚さ方向に延びようとする弾性力が加わり、凹部１０３ａと凸部１０５ａとが固定された状態となる。すなわち、凸部１０５ａの先端側の方が基端側よりも幅広の形状とされているので、図２において上下に伸びる方向に力が加わると、凸部１０５ａの下方に向く斜めの面と、凹部１０３ａの上方に向く斜めの面とが押圧されてこれらが固定された状態となる。

上記のように、弾性体１０４が厚さ方向に圧縮されて弾性変形した状態で外部マニホールド１０５と絶縁板１０３とを固定するためには、単セル電池積層体１０１、集電板１０２、弾性体１０４、絶縁板１０３を積層した状態における上下の凹部１０３ａ間の距離より、外部マニホールド１０５の両端の凸部１０５ａの距離の方が短くなるように、外部マニホールド１０５の長手方向の寸法を設定する必要がある。すなわち、両側の絶縁板１０３を押圧して近接させた状態で、凸部１０５ａが凹部１０３ａ内に嵌合可能となる寸法に設計する。

この場合、設計寸法と実際の寸法との寸法公差を考慮する必要があり、弾性体１０４の厚さ及び弾性変形可能な長さを多く設定しておくことによって、寸法公差を吸収して締め付け圧力を一定かつ均一にすることができる。例えば、寸法公差が１見込まれる場合、弾性体１０４の弾性変形可能な伸縮長さを１よりも大きく例えば２以上、３以上としておくことによって、寸法公差を吸収して締め付け圧力を一定かつ均一にすることができる。

本実施形態の燃料電池１００によれば、外部マニホールド１０５を、単セル電池積層体１０１と集電板１０２と弾性体１０４を締め付けている状態の絶縁板１０３に固定することにより、外部マニホールド１０５の固定寸法で単セル電池積層体１０１と集電板１０２と絶縁板１０３と弾性体１０４を締め付けることができ、締め付け圧力が一定かつ均一の状態を保つことができる。

また、外部マニホールド１０５に寸法公差がある場合でも、弾性体１０４が伸縮することにより締め付け面圧を均一に保つことができる。さらに、ナットなどの可動部品が不要となることから、部品点数の抑制や締め付け圧力の不足や過剰により発生する不具合を低減できる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池１００では、規定の寸法で製造された外部マニホールド１０５にて、単セル電池積層体１０１を締め付ける構造のため、単セル電池積層体１０１に掛かる締め付け圧力が常に一定かつ均一で、不変であるという利点がある。また、締め付け構造にエンドプレートやタイロッドなどを用いないことから燃料電池がコンパクトになるため、燃料電池システム内の燃料電池や部品の配置を、より自由に行うことが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００……燃料電池、１０１……単セル電池積層体、１０２……集電板、１０３……絶縁板、１０３ａ……凹部、１０３ｂ……電力取り出し口、１０４……弾性体、１０４ｂ……電力取り出し口、１０５……外部マニホールド、１０５ａ……凸部、１０６……ネジ。

Claims

単セル電池を複数積層した単セル電池積層体と、
前記単セル電池積層体の両端に配置され、電気を取り出すための集電板と、
前記集電板の外側に配置され、電気的に絶縁するための絶縁板と、
前記集電板と前記絶縁板の間に配置され、締め付け面圧を均一にするための弾性体と、
前記単セル電池積層体の側面に配置され、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給する外部マニホールドと、
前記外部マニホールドと前記絶縁板とを嵌合させて固定する嵌合構造部と
を具備し、
前記嵌合構造部にて、前記外部マニホールドを、前記絶縁板を互いに近接する方向に押圧した状態で前記絶縁板に固定した
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池であって、
前記単セル電池積層体は外形が略四角柱状であり、
前記嵌合構造部が、少なくとも前記単セル電池積層体の対向する２つの面に位置する前記外部マニホールドと前記絶縁板とを嵌合させるように設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池であって、
前記嵌合構造部は、前記外部マニホールドの両側端部に設けられた凸部と、
前記絶縁板に設けられ、前記凸部と嵌合可能な凹部と
を有することを特徴とする燃料電池。
請求項３記載の燃料電池であって、
前記凸部は、前記外部マニホールド側から先端側に向けて次第に幅広になる形状を有し、
前記凹部は、前記外部マニホールド側から奥側に向けて次第に幅広になる形状を有する
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池であって、
前記外部マニホールドと、前記絶縁板とが、前記嵌合構造部にてねじ止めされている
ことを特徴とする燃料電池。