図面 (/)

技術 燃料電池スタック

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 武山誠西海弘章大竹康貴糸賀道太郎戸沼利之
出願日 2013年7月8日 (7年5ヶ月経過) 出願番号 2013-142805
公開日 2015年1月22日 (5年11ヶ月経過) 公開番号 2015-015220
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 使用不適 隙間調整部材 組み込み作業性 中間近傍 冷却マニホールド テンションシャフト 拘束領域 隙間設定
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年1月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリーク冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供すること。

解決手段

燃料電池スタック10は、複数の単セル20を積層させた積層体2と、複数の単セル20が積層される第1方向に対して垂直な第2方向への複数の単セル20相互の位置ずれ規制する外部拘束部材と、を備える。外部拘束部材である外部拘束部材303,304は、第1方向に沿って積層体2の全長に渡って設けられ、積層体2との間の隙間は、積層体2に対して外部から第2方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体2が外部拘束部材である外部拘束部材303,304に接触するように設けられる。

概要

背景

複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックでは、一般に、単セル間、および、単セル内における接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内を流れる流体燃料ガス酸化剤ガス冷却水)の漏洩を防止したりするために、単セルが積層された積層体の積層方向締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。

例えば、下記特許文献1では、積層方向への締結荷重に加えて、積層方向に直交する方向からも積層体を押圧することで、ケースと積層体との位置関係を保持する技術が開示されている。具体的には、ケースと積層体との間の隙間を調整するための隙間調整機構として、積層方向に垂直な側方から押圧する側部押圧プレートと、積層方向に垂直な上方から押圧する上部押圧プレートと、それら側部押圧プレート及び上部押圧プレートを積層体に向かって押圧する調整ねじとを備えるものが開示されている。下記特許文献1においては、側部押圧プレート及び上部押圧プレートによって積層体を押圧することで、積層体のずれを抑制するものとしている。

概要

コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供すること。燃料電池スタック10は、複数の単セル20を積層させた積層体2と、複数の単セル20が積層される第1方向に対して垂直な第2方向への複数の単セル20相互の位置ずれ規制する外部拘束部材と、を備える。外部拘束部材である外部拘束部材303,304は、第1方向に沿って積層体2の全長に渡って設けられ、積層体2との間の隙間は、積層体2に対して外部から第2方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体2が外部拘束部材である外部拘束部材303,304に接触するように設けられる。

目的

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

燃料電池スタックであって、複数の単セルを積層させた積層体と、前記複数の単セルが積層される第1方向に対して垂直な第2方向への前記複数の単セル相互の位置ずれ規制する外部拘束部材と、前記積層体及び前記外部拘束部材を収容するケースと、を備え、前記外部拘束部材は、前記第1方向に沿って前記積層体の全長に渡って設けられ、前記外部拘束部材と前記積層体とは、通常使用時において第1隙間が生じるように配置されると共に、前記ケースと前記積層体とは、通常使用時において第2隙間が生じるように配置されており、前記第1隙間は、前記積層体に対して外部から前記第2方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、前記積層体が前記外部拘束部材に接触するように設けられ、前記第2隙間は、前記第1隙間よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。

請求項2

前記所定負荷の衝撃力は、その衝撃力の付加によって前記複数の単セルの積層位置が相互にずれた状態となる衝撃力であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。

請求項3

前記所定負荷の衝撃力は、前記燃料電池スタックが搭載される車両のエアバッグ展開する衝撃力であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。

請求項4

前記外部拘束部材と前記積層体との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材が配置され、前記燃料電池スタックに前記積層体を組み込む際の第1温度では、前記外部拘束部材と前記隙間調整部材との間の隙間及び/又は前記積層体と前記隙間調整部材との間の隙間が、前記第1隙間よりも広い第3隙間であり、前記通常使用時の第2温度では、前記外部拘束部材と前記隙間調整部材との間の隙間及び/又は前記積層体と前記隙間調整部材との間の隙間が、前記第1隙間であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。

請求項5

前記外部拘束部材の少なくとも一部が熱膨張性を有する材料によって構成され、前記燃料電池スタックに前記積層体を組み込む際の第1温度では、前記外部拘束部材と前記積層体との間の隙間が、前記第1隙間よりも広い第3隙間であり、前記通常使用時の第2温度では、前記外部拘束部材と前記積層体との間の隙間が、前記第1隙間であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。

技術分野

0001

本発明は、複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックに関する。

背景技術

0002

複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックでは、一般に、単セル間、および、単セル内における接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内を流れる流体燃料ガス酸化剤ガス冷却水)の漏洩を防止したりするために、単セルが積層された積層体の積層方向締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。

0003

例えば、下記特許文献1では、積層方向への締結荷重に加えて、積層方向に直交する方向からも積層体を押圧することで、ケースと積層体との位置関係を保持する技術が開示されている。具体的には、ケースと積層体との間の隙間を調整するための隙間調整機構として、積層方向に垂直な側方から押圧する側部押圧プレートと、積層方向に垂直な上方から押圧する上部押圧プレートと、それら側部押圧プレート及び上部押圧プレートを積層体に向かって押圧する調整ねじとを備えるものが開示されている。下記特許文献1においては、側部押圧プレート及び上部押圧プレートによって積層体を押圧することで、積層体のずれを抑制するものとしている。

先行技術

0004

特開2005−71869号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上記従来の技術では、積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが常時接触している構造を採用しているため、積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとの熱膨張率の差に起因して摺動が発生したり、通常使用時の振動に起因して積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが干渉し単セルが破損・変形したりすることが考えられ、ガスリークや冷却水リークの原因となりうる。また、単セルを積層して積層体を構成する際には、単セル相互を完全に重ねあわせて積層することは困難であり、多少の初期ずれが生じる。この初期ずれは、設計時に考慮しているずれであり、この初期ずれに起因してガスリークや冷却リークが起こるものではない。しかしながら、常時接触の設置態様を採用すると、初期ずれ状態で積層されている場合に、そのずれた単セルに折れ曲がりといった不具合が発生する原因ともなりうる。このように積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが常時接触したとしても単セルが破損・変形しないようにするためには、単セルにフレームを設けるといった単セルの強度を十分に確保する手段を講じることが必要であるが、コスト増や質量増、体格増などに繋がる恐れがある。

0006

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、複数の単セルを積層させた積層体と、複数の単セルが積層される第1方向に対して垂直な第2方向への複数の単セル相互の位置ずれ規制する外部拘束部材と、積層体及び外部拘束部材を収容するケースと、を備える。外部拘束部材は、第1方向に沿って積層体の全長に渡って設けられている。外部拘束部材と積層体とは、通常使用時において第1隙間が生じるように配置されると共に、ケースと積層体とは、通常使用時において第2隙間が生じるように配置されている。第1隙間は、積層体に対して外部から第2方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体が外部拘束部材に接触するように設けられ、第2隙間は、第1隙間よりも大きくなるように設定されている。

0008

本発明によれば、通常使用時において積層体と外部拘束部材とは接触しないので、積層体は第2方向においては拘束されない状態で保持される。従って、積層体と外部拘束部材が接触した状態で燃料電池を使用することに起因する単セルの破損・変形を防止し、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。また、積層体と外部拘束部材との間の隙間は、積層体に対して外部から所定負荷以上の衝撃力が加えられた場合に、積層体と外部拘束部材とが接触するような第1隙間となるように設けられている。結果、外部から衝撃力が加わったとしても所定負荷よりも小さな衝撃力であり積層体の継続使用が可能な状態であれば、積層体と外部拘束部材とは接触せず、単セルの破損・変形に起因するガスリークや冷却水リークを抑制することができる。一方、外部から加わった衝撃力が、積層体を継続使用できなくする程度のものであれば、積層体と外部拘束部材とが接触することで単セルの積層位置の相互のずれを抑制することができ、単セルの積層位置の相互のずれに起因するガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

0009

具体的には、本発明の積層体は外部拘束部材とは通常使用時において接触していないため、外部から衝撃力が加わって、積層体が移動する。積層体を構成する複数の単セルは何らかの形態で押圧保持されるなどしているので、複数の単セルの積層位置は相対的に移動する。例えば、積層体が積層方向における両端から押圧されている場合には、積層体の積層方向における中央近傍で単セルが大きく動き端部近傍では単セルは小さく動く。積層体全体で見た場合には、両端を保持され、中央近傍が大きく変位し、撓んだ状態となる。積層体を構成する単セル同士は、ガスケットといったシール部材によって相互にある程度拘束されており、過大な衝撃力が加わらなければ、この拘束作用によって元の位置関係に戻るように構成されている。したがって、積層体が撓んだ状態では、衝撃力が加わる短い時間を経過すれば、単セル相互の復元作用によって元の撓んでいない状態に戻る。しかしながら、単セル相互の復元作用を超える衝撃力が加われば、その衝撃力が加わる短い時間が経過しても、積層体が元の状態に戻らず、単セルの積層位置が相互にずれた状態となる。このように、単セルの積層位置が相互に大きく移動し、ガスケットといったシール部材の復元力によって元の状態に戻らない場合、ガスケットによじれが生じている状態や、一方のセルのガスケットを超えた位置まで他方のマニホールドが移動している状態が発生しうる。よって、単セルの積層位置が相互にずれた状態においては、ガスリークや冷却水リークが発生する虞があるところ、本発明では、外部拘束部材で規制をすることで単セルの積層位置の相互のずれを抑止している。

0010

また本発明に係る燃料電池スタックでは、所定負荷の衝撃力は、その衝撃力の付加によって前記複数の単セルの積層位置が相互にずれた状態となる衝撃力であることも好ましい。

0011

このように単セルの積層位置が相互にずれた状態となりうる所定負荷がかかると、撓んだ状態の積層体を外部拘束部材で拘束し、単セルの積層位置の相互のずれを防止するので、ガス漏れの発生を確実に抑制できる。

0012

また本発明に係る燃料電池スタックでは、所定負荷は、燃料電池スタックが搭載される車両のエアバッグ展開する衝撃力に対応するものであることも好ましい。

0013

エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、車内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル相互の積層位置が、ガスケット等の復元力を越えて移動し、単セルの積層位置の相互のずれが生じてしまう蓋然性が高い。そこで、所定負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セルの積層位置の相互のずれが生じることを防止できる。

0014

また本発明に係る燃料電池スタックでは、外部拘束部材と積層体との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材が配置され、燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、第1隙間よりも広い第3隙間であり、通常使用時の第2温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、第1隙間であることも好ましい。

0015

この好ましい態様では、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材を、外部拘束部材と積層体との間に配置することで、組み込み時の第1温度と通常使用時の第2温度との差を利用し、外部拘束部材と積層体との間の隙間を調整している。燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体と隙間調整部材との間の隙間を、第1隙間よりも広い第3隙間とすることができるので、積層体の組み込みが容易なものとなる。そして、第1温度から通常使用時の第2温度に温度が上昇すると隙間調整部材が膨張し、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第1隙間となり、上述したように積層体の撓みは許容しつつも単セルの積層位置にずれが生じないような拘束が可能となる。

0016

また本発明に係る燃料電池スタックでは、外部拘束部材の少なくとも一部が熱膨張性を有する材料によって構成され、燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、第1隙間よりも広い第3隙間であり、通常使用時の第2温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、第1隙間であることも好ましい。

0017

この好ましい態様では、外部拘束部材の少なくとも一部を、熱膨張性を有する材料によって構成することで、組み込み時の第1温度と通常使用時の第2温度との差を利用し、外部拘束部材と積層体との間の隙間を調整している。燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間を、第1隙間よりも広い第3隙間としているので、積層体の組み込みが容易なものとなる。そして、第1温度から通常使用時の第2温度に温度が上昇すると外部拘束部材が膨張し、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第1隙間となり、上述したように積層体の撓みは許容しつつも単セルの積層位置にずれが生じないような拘束が可能となる。

発明の効果

0018

本発明によれば、コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することができる。

図面の簡単な説明

0019

本発明の実施形態である燃料電池スタックの断面を示す断面図である。
図1において積層体を保持する状態を説明するための図である。
外部拘束部材と積層体との隙間を調整する隙間調整部材について説明するための図である。
外部拘束部材と積層体との隙間を調整する隙間調整部材について説明するための図である。
隙間の設定についてその考え方を説明するための図である。

実施例

0020

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

0021

図1は、本発明の実施形態である燃料電池スタック10の概略構成を示す断面図である。図1は、全体として略直方体形状を成す燃料電池スタック10の略中央近傍において、平板状を成す単セル20に沿った断面を示すものである。燃料電池スタック10は、複数の単セル20と、ケース3と、電圧監視ユニット40と、を備えている。尚、図1において、紙面に沿った平面において互いに直交するx軸及びy軸を定義し、紙面に直交する方向に沿ったz軸を定義する。以下の説明において、このx軸(x軸方向)、y軸(y軸方向、第2方向)、z軸(z軸方向、第1方向)を適宜用いる。

0022

単セル20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り構成されている。本実施形態では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質としては、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック10における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック10に要求される出力に応じて任意に設定可能である。複数の単セル20は、z軸方向に沿って積層され、積層体2を構成している。従って、z軸方向は、複数の単セル20の積層方向(第1方向)でもある。

0023

ケース3は、凹状部分30と、プレート31とを備える。ケース3は、凹状部分30の開口部分をプレート31で塞ぐことで構成されている。ケース3は、複数の単セル20を積層した積層体2と、電圧監視ユニット40を収容するための容器である。ケース3は、略長方形断面を成す単セル20の一方の長辺に沿った第1面301(凹状部分30の底面が形成する面)と、第1面301に対向する第2面302(プレート31が形成する面)を有する。

0024

第1面301のz軸方向に沿った一辺側には、外部拘束部材303が形成され、第1面301のz軸方向に沿った他辺側には、外部拘束部材304が形成されている。第2面302のz軸方向に沿って外部拘束部材303に対向する位置に、外部拘束部材306が形成され、第2面302のz軸に沿って外部拘束部材304に対向する位置に、外部拘束部材307が形成されている。外部拘束部材303は、略四角断面を成す棒状部分として凹状部分30と一体的に形成されている。外部拘束部材304は、略四角断面を成す棒状部分として凹状部分30と一体的に形成されている。外部拘束部材306は、略四角断面を成す棒状部分としてプレート31と一体的に形成されている。外部拘束部材307は、略四角断面を成す棒状部分としてプレート31と一体的に形成されている。外部拘束部材303,304,306,307は、外部からの衝撃力に耐えうるような剛性で構成されている。

0025

本実施形態では、テンションシャフト305は、積層体2の積層方向両端側から複数の単セル20を押圧するためのケース3の対向する壁を繋ぐテンションシャフトとして構成されている。このテンションシャフト305は、エンドプレートを繋ぐ機能を果たすことが可能な程度の強度を備えている。

0026

図2に、積層体2がケース3によって保持されている状態を説明するための図を示す。図2に示されているように、積層体2は、ケース3の一対の壁3aと壁3bとによって押圧されて保持されている。壁3aと壁3bとは、テンションシャフト305によって繋がれている。積層体2は、壁3aと壁3bとによって押圧されて保持されているので、壁3a及び壁3b以外とは接触せず浮いている状態となっている。このように、積層体2が壁3a及び壁3bのみと接触して浮いている状態であっても、通常使用における単セル20の積層位置の相互のずれを抑制できる程度の押圧力で押圧保持されているので、ガス漏れの虞はない。尚、締結の押圧力は極力小さい方が、コスト、質量、体格の観点からは好ましいものである。押圧力を極力抑えるためには、単セル20相互の摩擦力を高めることが好ましい。具体的には、単セル20相互の接触面積を増やしたり、単セル20間に介在するガスケットの粘着力を増やしたりすることが好ましい。

0027

図1に戻って説明を続ける。本実施形態の燃料電池スタック10は、図1に示すように、図に向かって左側が車両前方方向、図に向かって右側が車両後方方向となるように車載されるものである。燃料電池スタック10を搭載した車両が前突した場合、その衝撃力は右側から左側に伝達され、燃料電池スタック10の積層体2は撓む。積層体2が復元可能なように撓む程度よりも大きな衝撃力が加わると、積層体2を構成する単セル20の積層位置が互いにずれる。このように積層体2が撓みの限界量に達すると、積層体2は外部拘束部材303,306に衝突し、単セル20の積層位置の相互ずれが抑制される。

0028

衝撃力が外部から加わった際に、外部拘束部材303,304,306,307が複数の単セル20を拘束する機能は、積層体2を構成する単セル20の積層位置の相互のずれを抑制し、積層体2からのガスのリークを防止するためのものである。具体的には、外部から衝撃力が加わって、積層体2が撓んで、外部拘束部材303,304,306,307のいずれか少なくとも一つに当接する。図2を参照しながら説明したように、積層体2は、壁3aと壁3bとから押圧力を受けて保持されているので、壁3a及び壁3bに当接している両端は移動しにくく、壁3a及び壁3bから離れた中央付近移動しやすい。従って、図2に示す積層体2の中央近傍(壁3aと壁3bとの間の略中間近傍)では、単セル20が大きく動き、積層体2の端部近傍(壁3a又は壁3bに当接している単セル20は小さく動く。積層体2全体で見た場合には、壁3a及び壁3bに両端を保持され、中央近傍が大きく変位した状態となる。

0029

この撓んだ状態に何らの規制もしなければ、積層体2を構成する単セル20の積層位置にずれが発生し、ガス漏れの虞が生じるところ、本実施形態では、上述したような積層体2の挙動がおきた場合でも、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2との隙間を、単セル20の積層位置のずれが生じない程度に確保し、積層体2の移動をある程度許容しつつも単セル20の積層位置が相互にずれることを抑止している。換言すれば、外部拘束部材303,304,306,307によって囲まれた空間内での積層体2の撓みを許容し、その空間の広さ、すなわち積層体2と外部拘束部材303,304,306,307との間の隙間を、単セル20の積層位置の相互のずれが生じないように設定することで、通常使用時の単セル20の破損・変形を抑制しつつ、衝突時のガスリークを確実に抑制している。

0030

積層体2と外部拘束部材303との間の距離及び積層体2とケース3の側面308との間の距離は、ゴム部材203を考慮しない寸法で、積層体2と外部拘束部材303との間の距離が積層体2とケース3の側面308との間の距離よりも小さくなるように設定されている。このように設定することで、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると、積層体2と外部拘束部材303とが最初に当接し、他の部分が破損・変形することを抑制することができる。外部拘束部材303に当接する部分ではない積層体2の各部は、マニホールド及びシールが外側に近く、ケース3に当たるとガス漏れや冷却水漏れの虞があるためである。積層体2と外部拘束部材303との間の距離は、積層体2の積層長に応じて変更することが好ましく、積層長の1〜2%に設定することが好ましい。積層体2の積層長が長くなると単セル20の積層位置のずれが生じやすくなるためである。

0031

複数の単セル20それぞれには、緩衝用のゴム部材203,204,205,206,207,207aが設けられている。ゴム部材203は、外部拘束部材303に対向する角に設けられており、ゴム部材204は、外部拘束部材304に対向する角に設けられている。ゴム部材205は、テンションシャフト305に対向する位置に設けられている。ゴム部材206、ゴム部材207、及びゴム部材207aは、ゴム部材203及びゴム部材204が設けられていない角部近傍に設けられている。また、ゴム部材206は、外部拘束部材306に対向する部分に設けられており、ゴム部材207及びゴム部材207aは、外部拘束部材307近傍に対向する部分に設けられている。

0032

ゴム部材207に対向するプレート31の部分には、凸部を形成することも好ましい。衝撃力が外部から加わった際に、衝撃力が所定負荷以上であれば、凸部とゴム部材207とが当たるように構成することが好ましい。

0033

ゴム部材203の面203yと、外部拘束部材303の面303yとの間の隙間は、単セル20の外部拘束部材303側の側面208とケース3の側面308との間の隙間よりも小さくなるように設定されている。また、ゴム部材203の面203xと外部拘束部材303の面303xとの間の隙間は、他の箇所の隙間よりも小さくなるように設定されており、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると最初に当接するように設定されている。従って、側面201と第1面301との間の隙間は、ゴム部材203の面203xと外部拘束部材303の面303xとの間の隙間よりも大きくなるように設定されている。

0034

同様に、ゴム部材204の面204yと、外部拘束部材304の面304yとの間の隙間は、単セル20の外部拘束部材304側の側面209とケース3の側面309との間の実質的な隙間(実際の隙間から電圧監視ユニット40を除いた隙間)よりも小さくなるように設定されている。また、ゴム部材204の面204xと外部拘束部材304の面304xとの間の隙間は、ゴム部材203の面203xと外部拘束部材303の面303xとの間の隙間と同様に、他の箇所の隙間よりも小さくなるように設定されており、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると最初に当接するように設定されている。従って、側面201と第1面301との間の隙間は、ゴム部材204の面204xと外部拘束部材304の面304xとの間の隙間よりも大きくなるように設定されている。外部拘束部材306,307と積層体2との間の隙間も、外部拘束部材303,304と同様に設定されている。

0035

尚、本実施形態において、所定負荷の衝撃力とは、積層体2の継続使用が不可能になるほどの負荷の衝撃力である。具体的には、上述したように衝撃力が加わることで積層体2を構成する単セル20同士がずれ始める。そこで、そのずれに起因してガスリークが起こらないように、積層体2の移動や単セル20のずれを規制する範囲を確定するため、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2との間の隙間が定められている。この隙間は、積層体2の撓みの許容量(それ以上撓むと単セル20相互の積層位置のずれが発生する量)に単セル20の寸法公差、単セル20を積層して積層体2と成した場合のずれを考慮したものである。

0036

このように設定することで、積層体2を構成する単セル20がガスリークを起こすほどの衝撃力が所定負荷として加われば、積層体2は移動し、外部拘束部材303,304,306,307に当接し、ガスリークが生じないようにすることができる。所定負荷の衝撃力とは、そのままの衝撃力を積層体2に加えれば、ガスリークや冷却水リークが発生し、積層体2そのものの交換が必要となる衝撃力である。従って、外部拘束部材303,304,306,307で過大な単セル20の積層位置のずれを防止しているとはいえ、単セル20が外部拘束部材303,304,306,307に衝突しているので、単セル20が破損・変形している可能性がある。そのため、所定負荷の衝撃力が加わって、積層体2が外部拘束部材303,304,306,307に当接した場合には、使用者音声又は画像等によって通知し、積層体2の交換を促すことが好ましい。

0037

また、所定負荷の衝撃力を、例えば、エアバッグが展開する程度の衝突における衝撃力とすることも好ましい変形例である。エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、社内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル20相互の積層位置がガスケット等のシール部材の復元力を越えて移動し、単セル20相互の積層位置のずれが生じてしまう蓋然性が高い。そこで、所的負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セル20の積層位置の相互のずれが生じることを防止できる。

0038

上述したように本実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の単セル20を積層させた積層体2と、複数の単セル20が積層される第1方向(z軸方向)に対して垂直な第2方向(y軸方向)への複数の単セル20相互の積層位置ずれを抑制する外部拘束部材303,304,306,307と、を備える。外部拘束部材303,304,306,307は、第1方向に沿って積層体2の全長に渡って設けられている。外部拘束部材303,304,306,307と積層体2とは、通常使用時(燃料電池スタック10に積層体2が組み込まれた後であって、燃料電池スタック10が搭載された車両等が通常の運転状況であるとき)において隙間(第1隙間)が生じるように配置されている。その隙間(第1隙間)は、積層体2に対して外部から第2方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体2が外部拘束部材である外部拘束部材303,304に接触するように設けられ、所定負荷は、積層体2の継続使用が不適当使用不適状態となりうる負荷である。

0039

本実施形態によれば、通常時において積層体2と外部拘束部材303,304,306,307とは接触しないので、積層体2は第2方向においては拘束されない状態で保持される。従って、積層体2と外部拘束部材303,304,306,307が常時接触した状態で燃料電池を紙葉することに起因する単セル20の破損・変形を防止し、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。また、積層体2と外部拘束部材303,304,306,307との間の隙間は、積層体2に対して外部から所定負荷以上の衝撃力が加えられた場合に、積層体2と外部拘束部材303,304,306,307とが接触するような第1隙間として設けられていることに加え、所定負荷とは積層体2の継続使用が不適当な使用不適状態となりうる負荷である。結果、外部から衝撃力が加わったとしても所定負荷よりも小さな衝撃力であり積層体2の継続使用が可能な状態であれば、積層体2と外部拘束部材303,304,306,307とは接触せず、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

0040

一方、外部から加わった衝撃力が、積層体2を継続使用できなくする程度のものであれば、積層体2と外部拘束部材303,304,306,307とが接触することで単セル20の積層位置ずれを抑制することができ、やはりガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

0041

具体的には、積層体2は外部拘束部材303,304,306,307とは通常使用時において接触していないため、外部から衝撃力が加わって、積層体2が移動する。積層体2を構成する複数の単セル20は何らかの形態で押圧保持されるなどしているので、複数の単セル20は相対的に移動する。図2に示すように、積層体2が積層方向における両端から押圧されているので、積層体2の積層方向における中央近傍で単セル20が大きく動き、端部近傍では単セル20は小さく動く。積層体2全体で見た場合には、両端を保持され、中央近傍が大きく変位し、撓んだ状態となる。

0042

積層体2を構成する単セル20同士は、ガスケットといったシール部材によって相互にある程度拘束されており、過大な衝撃力が加わらなければ、この拘束作用によって元の位置関係に戻るように構成されている。したがって、積層体2が撓んだ状態では、衝撃力が加わる短い時間を経過すれば、単セル20相互の復元作用によって元の撓んでいない状態に戻る。しかしながら、単セル20相互の復元作用を超える衝撃力が加われば、その衝撃力が加わる短い時間が経過しても、積層体2が元の状態に戻ることがない。このように、単セル20相互の積層位置がずれてしまい、ガスケットといったシール部材の復元力によっては元の状態に戻らない場合、ガスケットによじれが生じている場合や、一方の単セル20のガスケットを超えた位置まで他方の単セル20のマニホールドが移動している状態が発生しうる。よって単セル20の積層位置が相互にずれた状態では、ガスリークや冷却水リークが発生する虞があるところ、本実施形態では、外部拘束部材303,304,306,307で規制をすることで単セル20の積層位置の相互のずれを抑止している。

0043

また本実施形態では、使用不適状態は、衝撃力の付加によって複数の単セル20の少なくとも一部がずれ、ガス漏れが発生し得る状態であるように設定されている。このように使用不適状態を設定し、その使用不適状態となりうる所定負荷がかかると、単セル20相互がずれた状態の積層体2を外部拘束部材303,304,306,307で拘束し、それ以上の単セル20相互のずれを防止するので、ガス漏れの発生を確実に抑制できる。

0044

また本実施形態では、所定負荷は、燃料電池スタック10が搭載される車両のエアバッグが展開する衝撃力に対応するものであることも好ましい。エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、車内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル20相互の積層位置がずれてしまう蓋然性が高い。そこで、所定負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セル20相互の積層位置のずれが生じることを防止できる。

0045

上述した本実施形態では、積層体2(単セル20)と外部拘束部材303,304,306,307との隙間が第1隙間となるように設定されている。第1隙間とは、外部から衝撃が加わった際の積層体2の変形が自身の弾性変形限界を超え、単セル20相互がずれてしまう場合に、積層体2(単セル20)が外部拘束部材303,304,306,307に接触するようになる程度の隙間として定義される。

0046

この隙間設定の考え方を、図5を参照しながら説明する。図5は、隙間と耐G性能との相関関係を示した図である。図5において、「単セル間摩擦拘束領域」とは、外部から衝撃が加わった場合に、積層体2を構成する単セル20相互の摩擦力(単セル20の間にはガスケットといったシール部材が配置されているので、このシール部材に起因する摩擦力)によって単セル20相互の積層位置のずれを防止する領域である。隙間を図中破線よりも大きく設定すると、積層体2は単セル20相互の摩擦力のみで単セル20相互の積層位置のずれを抑止するので、その抑止力には限界があり、結果として耐G性能は低い状態となる。

0047

一方、図5において、「外部拘束領域」とは、積層体2の周囲に配置された外部拘束部材303,304,306,307によって、外部から衝撃が加わった場合であっても、積層体2を構成する単セル20相互のずれが抑制される領域である。図示するように、隙間が狭くなるほど、耐G性能は向上する。従って、第1隙間は、積層体2を構成する単セル20同士が復元力をもって相対的に移動するいわば弾性的な変形状態から、単セル20同士が復元力をもたなくなり相互にずれてしまういわば塑性的な変形状態に変形する手前で、外部拘束部材303,304,306,307が積層体2に接触保持する程度の第1隙間に設定することが好ましいものである。

0048

ところで、この第1隙間は、積層体2の変形のみを考慮しており、燃料電池スタック10に対する積層体2の組み込み作業性を考慮したものではない。単セル20を積層して積層体2を構成する際には、単セル20相互を完全に重ねあわせて積層することは困難であり、多少の初期ずれが生じるものである。また、初期ずれが全くない場合であっても、燃料電池スタック10に積層体2を組み込むにあたっては、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2の組み込みルートとの間になるべく大きな隙間があることが好ましく、初期ずれがあればその大きな隙間の必要性は増大する。

0049

そこで、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材を配置することが好ましい。この隙間調整部材は、外部拘束部材303,304,306,307に密着して設けられても、積層体2(単セル20)に密着されて設けられてもよい。外部拘束部材303,304,306,307と積層体2(単セル20)との間に介在することができれば、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2(単セル20)とのいずれにも密着しないように配置されてもよい。そして、燃料電池スタック10に積層体2を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材303,304,306,307と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体2(単セル20)と隙間調整部材との間の隙間が、第1隙間よりも広い第3隙間であり、通常使用時の第2温度(第2温度>第1温度)では、外部拘束部材303,304,306,307と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体2(単セル20)と隙間調整部材との間の隙間が、第1隙間であることが好ましい。

0050

このように、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料(樹脂ゴム等)によって構成される隙間調整部材を、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2(単セル20)との間に配置することで、組み込み時の第1温度と通常使用時の第2温度との差を利用し、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2との間の隙間を調整することができる。燃料電池スタック10に積層体2を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材303,304,306,307と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体2と隙間調整部材との間の隙間を、第1隙間よりも広い第2隙間とすることができるので、積層体2の組み込みが容易なものとなる。そして、第1温度から通常使用時の第2温度に温度が上昇すると隙間調整部材が膨張し、外部拘束部材303,304,306,307と隙間調整部材との間の隙間及び/又は積層体2と隙間調整部材との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第1隙間となり、上述したように積層体2の撓みは許容しつつも単セル20にずれが生じないような拘束が可能となる。

0051

上述した隙間調整部材は、外部拘束部材が、外部拘束部材303,304,306,307である場合に限られず、ケース3やテンションシャフト305であっても設けることが可能である。図3に、ケース3に隙間調整部材5を設けた例を示す。

0052

図3に示すように、隙間調整部材5はケース3に密着して設けられ、隙間調整部材5と単セル20との間に上述したような隙間が設けられている。単セル20の隙間調整部材5に対応する位置には、冷却マニホールド20aが設けられている。冷却マニホールド20aが設けられている部分は、単セル20が発電時に発熱する部分である。この発熱した部分を冷却するために冷却マニホールド20aが設けられている。従って、積層体2内部の温度に近いのが、冷却マニホールド20a近傍となる。そこで、冷却マニホールド20aの近傍に隙間調整部材5を配置することで、隙間調整部材5に熱を伝えやすく、より迅速に第2隙間から第1隙間へと遷移させることができる。

0053

図4に、テンションシャフト305に隙間調整部材5aを設けた例を示す。図4に示すように、隙間調整部材5aはテンションシャフト305の全周に渡って覆うように設けられ、隙間調整部材5aと単セル20との間に上述したような隙間が設けられている。

0054

隙間調整部材5をケース3に設ける場合も、隙間調整部材5aをテンションシャフト305に設ける場合も、ゴムや樹脂等を射出成形等でケース3やテンションシャフト305に吹き付けることで設けることができる。

0055

また、外部拘束部材303,304,306,307を、少なくともその一部において熱膨張性を有する部材で構成し、隙間調整部材5の機能を外部拘束部材303,304,306,307で担わせることも好ましい。そして、燃料電池スタック10に積層体2を組み込む際の第1温度では、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2(単セル20)との間の隙間が、第1隙間よりも広い第3隙間であり、通常使用時の第2温度(第2温度>第1温度)では、外部拘束部材303,304,306,307と積層体2(単セル20)との間の隙間が、第1隙間であることが好ましい。

0056

2:積層体
3:ケース
5,5a:隙間調整部材
10:燃料電池スタック
20:単セル
20a:冷却マニホールド
30:凹状部分
31:プレート
40:電圧監視ユニット
201:側面
202:側面
203,204,205,206,207,207a:ゴム部材
208:シールライン
301:第1面
302:第2面
303,304,306,307:外部拘束部材
305:テンションシャフト

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ