JP6790968B2 - 燃料電池スタックのエンドプレート及び燃料電池スタックのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックのセル積層体における積層方向の端部に設けられるとともにセル積層体の流路との間で流体を流通させる複数の流通孔を有するエンドプレート及びセル積層体を収容するケースとエンドプレートとの間をシールするシール構造に関する。

燃料電池は、板状をなす複数の電池セル（単セル）を厚さ方向に積層して形成されたセル積層体と、セル積層体を収容するケースと、セル積層体を積層方向に挟む一対のエンドプレートと、エンドプレートに接続された複数の接続配管とを備える燃料電池スタックを備えている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のエンドプレートには、セル積層体に形成された複数の流路との間で、アノードガス、カソードガス、及び冷却媒体（以下、流体と総称する。）をそれぞれ流通させる複数の流通孔が形成されている。

同文献に記載のエンドプレートは、複数の流通孔をそれぞれ構成する複数の貫通孔が形成された本体部を有する金属製のプレート本体と、複数の貫通孔の内周面を被覆する内周部を有する樹脂製の被覆部とを備えている（例えば同文献の図７、図９及び図１０参照）。プレート本体は、ケースのフランジが締結される締結面を有するフランジ部を有している。本体部におけるセル積層体に近接する側（内側）の端面は、フランジ部の締結面よりも内側に突出している。被覆部は、上記内周部と一体に形成されるとともにプレート本体の本体部の外周面を被覆する外周部を有している。こうした被覆部は、成形型内にプレート本体をインサートした状態にて溶融樹脂を射出することにより一体成形される。

また従来、フランジ部の締結面に収容溝を形成し、同収容部に収容されたガスケットにより、エンドプレートとケースとの間をシールするようにしたものがある。

特開２０１６−９６０３２号公報

ところで、フランジ部の締結面にガスケットを収容する収容溝が形成された構造の場合、以下の不都合が生じるおそれがある。すなわち、当該エンドプレートが車載燃料電池に対して適用された場合、沿岸地域などの走行の際に、塩水がエンドプレートとケースとの隙間を通じて上記収容溝内まで侵入し、収容溝を起点としたプレート本体の腐食が発生する。

これに対して、本願発明者は、図５に示すエンドプレート１２０のように、被覆部１４０の外周部１４４に、フランジ部１３６の内側端面を被覆するとともにケースのフランジに対向する対向部１４６を一体成形し、同対向部１４６にガスケット１５０を収容する収容溝１４６ｂを形成することを考えた。この場合、収容溝１４６ｂが樹脂製の被覆部１４０の一部（対向部１４６）に形成されているため、上述したような収容溝を起点としたプレート本体１３０の腐食を回避できる。

ところが、上記構成においては、成形後に、被覆部１４０が冷えて熱収縮しようとすることにより、被覆部１４０の外周部１４４が内側に向けて収縮するとともに、これに伴って対向部１４６がフランジ部１３６から浮き上がりやすい。そのため、浮き上がった対向部１４６に対してケースのフランジが当接した状態にて、エンドプレート１２０に対してケースが締結される。この場合、燃料電池スタックの運転に伴う温度上昇の繰り返しにより、対向部１４６がクリープ変形して収縮すると、プレート本体１３０のフランジ部１３６とケースのフランジとを締結しているボルトが緩みやすくなる。その結果、ガスケット１５０のシール圧が低下して防水性能が低下するおそれがある。

本発明の目的は、エンドプレートとケースとの間のシール性の低下を抑制することのできる燃料電池スタックのエンドプレート及び燃料電池スタックのシール構造を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池スタックのエンドプレートは、燃料電池スタックのセル積層体における積層方向の端部に設けられるとともに前記セル積層体の流路との間で流体を流通させる複数の流通孔を有するものにおいて、前記複数の流通孔をそれぞれ構成する複数の貫通孔が形成された本体部を有する金属製のプレート本体と、前記複数の貫通孔の内周面を被覆する内周部を有する樹脂製の被覆部と、を備え、前記プレート本体の厚さ方向における前記セル積層体に近接する側を内側とするとともに前記セル積層体から離間する側を外側とするとき、前記プレート本体は、前記セル積層体を収容するケースのフランジが締結される締結面を有するフランジ部を備え、前記本体部の内側端面が前記フランジ部の前記締結面よりも内側に突出しており、前記被覆部は、前記プレート本体の本体部の外周面を被覆する外周部及び前記フランジ部の内側端面を被覆するとともに前記ケースのフランジに対向する対向部を一体に有し、前記本体部の外周面には規制凹部が形成されており、前記外周部には、前記規制凹部に充填されて前記外周部の内側への収縮を規制する規制凸部が形成されている。

同構成によれば、成形型内にプレート本体をインサートして被覆部を成形する際に、プレート本体の本体部の外周面を被覆する外周部及びフランジ部の内側端面を被覆するとともにケースのフランジに対向する対向部が一体に成形される。このとき、成形後に外周部が冷えて熱収縮しようとするが、プレート本体の本体部の外周面に形成された規制凹部に被覆部の外周部の規制凸部が充填されているため、外周部の内側への収縮が規制される。これにより、被覆部の対向部がフランジ部から浮き上がることが抑制される。このため、プレート本体のフランジ部の締結面に対してケースのフランジを当接させた状態で締結することができる。したがって、燃料電池スタックの運転に伴う温度上昇の繰り返しにより、対向部がクリープ変形した場合であっても、プレート本体のフランジ部とケースのフランジとの締結が緩むことを抑制できる。

また、上記目的を達成するための燃料電池スタックのシール構造は、前記エンドプレートと、前記セル積層体を収容するとともに前記プレート本体の前記フランジ部の前記締結面に締結されるフランジを有するケースと、を備え、前記被覆部の前記対向部及び前記ケースのフランジにおける前記対向部に対向する部分のいずれか一方には収容溝が形成されており、前記収容溝には、前記エンドプレートと前記ケースとの間をシールするガスケットが収容されている。

同構成によれば、対向部がクリープ変形した場合であっても、プレート本体のフランジ部の締結面とケースのフランジとの締結が緩むことを抑制できる。これにより、ガスケットのシール圧の低下を抑制できる。

本発明によれば、エンドプレートとケースとの間のシール性の低下を抑制することができる。

燃料電池スタックのエンドプレート及び燃料電池スタックのシール構造の一実施形態について、当該エンドプレート、セル積層体、ケース、及び他のエンドプレートを互いに離間して示す分解斜視図。 同実施形態の燃料電池スタックの側面図。 図２の一部を拡大して示す断面図。 同実施形態のエンドプレートを構成するプレート本体の一部を示す断面図。 従来のエンドプレートの一部を示す断面図。

以下、図１〜図４を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、板状をなす複数の電池セル（単セル）が厚さ方向に積層されてなるセル積層体１２と、セル積層体１２を収容するケース１８と、セル積層体１２を積層方向に挟む一対のエンドプレート１４，２０とを備えている。なお、以降において、セル積層体１２の積層方向を単に積層方向と称する。

＜セル積層体１２＞
図１に示すように、セル積層体１２には、各電池セルに対してアノードガス（例えば水素ガス）、カソードガス（例えば空気中の酸素ガス）、及び冷却媒体（例えば冷却水）をそれぞれ供給する３つの流路１２ａ〜１２ｃが形成されている。また、セル積層体１２には、各電池セルにて発電に供された後のアノードガス、カソードガス、及び冷却媒体をそれぞれ排出する３つの流路１２ｄ〜１２ｆが形成されている。なお、同図では、セル積層体１２の一部をケース１８から外側に突出させた状態を示している。

＜ケース１８＞
図１及び図２に示すように、ケース１８は、セル積層体１２の外周を取り囲む周壁１８ｃを有している。ケース１８における積層方向の両端は開口しており、これらの開口には、フランジ１８ａ，１８ｂが形成されている。

＜エンドプレート１４，２０＞
図１に示すように、一方のエンドプレート２０には、セル積層体１２の複数の流路１２ａ〜１２ｆとの間でアノードガス、カソードガス、及び冷却媒体（以下、流体と総称する。）をそれぞれ流通させる複数の流通孔２２ａ〜２２ｆが設けられている。

同図に二点鎖線にて示すように、エンドプレート２０の複数の流通孔２２ａ〜２２ｆには、アノードガス、カソードガス、及び冷却媒体を給排するための複数の接続配管１６ａ〜１６ｆがそれぞれ接続される。

他方のエンドプレート１４には、流通孔が形成されていない。
次に、エンドプレート２０の構成について詳細に説明する。
図３に示すように、エンドプレート２０は、複数の流通孔２２ａ〜２２ｆをそれぞれ構成する複数の貫通孔３２が形成された本体部３０ａを有するアルミニウム製のプレート本体３０と、複数の貫通孔３２の内周面を被覆する内周部４２を有する樹脂製の被覆部４０とを備えている。被覆部４０は、ポリプロピレンなどの電気絶縁性の合成樹脂により形成されている。

プレート本体３０は、金型鋳造法の１つであるダイカスト法により形成されている。被覆部４０は、成形型内にプレート本体３０をインサートした状態で溶融樹脂を射出することにより一体成形されている。

以降において、プレート本体３０の厚さ方向におけるセル積層体１２に近接する側（同図の右側）を内側とし、セル積層体１２から離間する側（同図の左側）を外側として説明する。

図３及び図４に示すように、プレート本体３０の本体部３０ａの外周側には、フランジ部３６が形成されている。
図３に示すように、フランジ部３６の内側の端面である締結面３６ａとケース１８のフランジ１８ａとが当接された状態でフランジ部３６とフランジ１８ａとがボルト６１及びナット６２により締結されている。

図３及び図４に示すように、本体部３０ａの内側端面３３は、フランジ部３６の締結面３６ａよりも内側に突出している。
プレート本体３０の本体部３０ａの外側の端面には、貫通孔３２に連なるとともに貫通孔３２よりも拡径された外側凹部３１が形成されている。

本体部３０ａの外周面３４には、複数の規制凹部３５が本体部３０ａの周方向に間隔をおいて形成されている。規制凹部３５は、プレート本体３０の厚さ方向における締結面３６ａと同一位置に形成されている。

なお、本実施形態では、ダイカスト法により形成されたプレート本体３０に対して、フライス盤（図示略）を用いてフランジ部３６の内側端面を切削する。このとき、フライスの側面（腹）の部分によって上記規制凹部３５を形成している。これは、ダイカスト法による鋳造工程では、金型の抜き方向がプレート本体３０の厚さ方向となるため、鋳造工程の後の別の工程にて上記規制凹部３５を形成する必要があるためである。

フランジ部３６の内側端面における内周側の部分には、ケース１８のフランジ１８ａに対向するとともに本体部３０ａの外周面３４まで延在する対向凹部３７が全周にわたって形成されている。対向凹部３７におけるケース１８のフランジ１８ａに対向する部分には、部分的に深くされた環状溝のガスケット部３７ａが形成されている。

本体部３０ａの外周面と対向凹部３７との隅部には、対向凹部３７の一般部分の深さよりも深い深溝部３８が形成されている。
図３に示すように、本体部３０ａの外側凹部３１には、被覆部４０の内周部４２の外側端から外周側に延在し、接続配管１６ａ（図１参照）が接続される接続面を形成する外側部４１が充填されている。

本体部３０ａの内側端面３３には、被覆部４０の内周部４２の内側端から外周側に延在し、セル積層体１２に当接される内側部４３が形成されている。
被覆部４０は、内側部４３の外周側の端から外側に向けて延在するとともに本体部３０ａの外周面３４を被覆する外周部４４と、フランジ部３６の対向凹部３７に充填されてフランジ部３６の内側端面を被覆する対向部４６とを有している。

外周部４４には、上記対向凹部３７に充填され、外周部４４の内側への収縮を規制する規制凸部４５が形成されている。また、深溝部３８にも被覆部４０が充填されている。
対向部４６の内側端面４６ａは、フランジ部３６の締結面３６ａと同一平面上に形成されている。

対向部４６の内側端面４６ａのうちケース１８のフランジ１８ａに対向する部分には、環状の収容溝４６ｂが形成されている。収容溝４６ｂは、対向凹部３７のうちガスケット部３７ａに対応した位置に形成されている。収容溝４６ｂには、エンドプレート２０とケース１８との間をシールする環状のガスケット５０が収容されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
成形型内にプレート本体３０をインサートして被覆部４０を成形する際に、プレート本体３０の本体部３０ａの外周面３４を被覆する外周部４４及びフランジ部３６の内側端面を被覆するとともにケース１８のフランジ１８ａに対向する対向部４６が一体に成形される。このとき、成形後に外周部４４が冷えて熱収縮しようとするが、プレート本体３０の本体部３０ａの外周面３４に形成された規制凹部３５に被覆部４０の外周部４４の規制凸部４５が充填されているため、外周部４４の内側への収縮が規制される。これにより、被覆部４０の対向部４６がフランジ部３６から浮き上がることが抑制される。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレート及び燃料電池スタックのシール構造によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）エンドプレート２０のプレート本体３０は、セル積層体１２を収容するケース１８のフランジ１８ａが締結される締結面３６ａを有するフランジ部３６を備えている。本体部３０ａの内側端面３３がフランジ部３６の締結面３６ａよりも内側に突出している。被覆部４０は、プレート本体３０の本体部３０ａの外周面３４を被覆する外周部４４及びフランジ部３６の内側端面を被覆するとともにケース１８のフランジ１８ａに対向する対向部４６を一体に有している。本体部３０ａの外周面３４には規制凹部３５が形成されており、外周部４４には、規制凹部３５に充填されて外周部４４の内側への収縮を規制する規制凸部４５が形成されている。

こうした構成によれば、前記作用を奏することにより、被覆部４０の対向部４６がプレート本体３０のフランジ部３６から浮き上がることが抑制されるため、フランジ部３６の締結面３６ａに対してケース１８のフランジ１８ａを当接させた状態で締結することができる。したがって、燃料電池スタック１０の運転に伴う温度上昇の繰り返しにより、対向部４６がクリープ変形して収縮した場合であっても、プレート本体３０のフランジ部３６とケース１８のフランジ１８ａとの締結が緩むことを抑制できる。

（２）プレート本体３０のフランジ部３６には、被覆部４０の対向部４６が充填された対向凹部３７が形成されており、対向部４６の内側端面４６ａがフランジ部３６の締結面３６ａと同一平面上に形成されている。

こうした構成によれば、被覆部４０の対向部４６がプレート本体３０のフランジ部３６の締結面３６ａと同一平面上に形成されているため、ケース１８のフランジ１８ａの対向面を平面上にすることができる。したがって、ケース１８のフランジ１８ａの形状を簡単にすることができる。

（３）規制凹部３５は、プレート本体３０の厚さ方向における締結面３６ａと同一位置に形成されている。
上記規制凹部の形成位置がプレート本体３０の厚さ方向において外側であるほど、外周部４４の外側の部位の変位を規制することができ、被覆部４０の対向部４６の浮き上がりを効果的に抑制することができる。

上記構成によれば、規制凹部３５が実質的に最も外側に位置することから、外周部４４の外側端部の変位を規制することができ、同外側端部に連なる対向部４６の浮き上がりを効果的に抑制することができる。

（４）燃料電池スタック１０のシール構造は、エンドプレート２０と、セル積層体１２を収容するとともにプレート本体３０のフランジ部３６の締結面３６ａに締結されるフランジ１８ａを有するケース１８とを備えている。被覆部４０の対向部４６の内側端面４６ａには収容溝４６ｂが形成されている。収容溝４６ｂには、エンドプレート２０とケース１８との間をシールするガスケット５０が収容されている。

こうした構成によれば、プレート本体３０のフランジ部３６の締結面３６ａとケース１８のフランジ１８ａとの締結が緩むことを抑制できる。これにより、ガスケット５０のシール圧の低下を抑制でき、エンドプレート２０とケース１８との間のシール性の低下を抑制することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・規制凹部３５を、プレート本体３０の締結面３６ａよりも内側に形成することもできる。

・被覆部４０の対向部４６の収容溝４６ｂを省略し、ケース１８のフランジ１８ａの対向面にガスケット５０を収容する収容溝を形成するようにしてもよい。
・規制凹部３５を本体部３０ａ（プレート本体３０）の外周面３４の全周にわたって形成するようにしてもよい。

１０…燃料電池スタック、１２…セル積層体、１２ａ〜１２ｆ…流路、１４…エンドプレート、１６ａ〜１６ｆ…接続配管、１８…ケース、１８ａ，１８ｂ…フランジ、１８ｃ…周壁、２０，１２０…エンドプレート、２２ａ〜２２ｆ…流通孔、３０，１３０…プレート本体、３０ａ…本体部、３１…外側凹部、３２…貫通孔、３３…内側端面、３４…外周面、３５…規制凹部、３６，１３６…フランジ部、３６ａ…締結面、３７…対向凹部、３７ａ…ガスケット部、３８…深溝部、４０，１４０…被覆部、４１…外側部、４２…内周部、４３…内側部、４４，１４４…外周部、４５…規制凸部、４６，１４６…対向部、４６ａ…内側端面、４６ｂ…収容溝、５０，１５０…ガスケット、６１…ボルト、６２…ナット。

Claims (4)

1. 燃料電池スタックのセル積層体における積層方向の端部に設けられるとともに前記セル積層体の流路との間で流体を流通させる複数の流通孔を有するエンドプレートにおいて、
   前記複数の流通孔をそれぞれ構成する複数の貫通孔が形成された本体部を有する金属製のプレート本体と、
   前記複数の貫通孔の内周面を被覆する内周部を有する樹脂製の被覆部と、を備え、
   前記プレート本体の厚さ方向における前記セル積層体に近接する側を内側とするとともに前記セル積層体から離間する側を外側とするとき、
   前記プレート本体は、前記セル積層体を収容するケースのフランジが締結される締結面を有するフランジ部を備え、
   前記本体部の内側端面が前記フランジ部の前記締結面よりも内側に突出しており、
   前記被覆部は、前記プレート本体の本体部の外周面を被覆する外周部及び前記フランジ部の内側端面を被覆するとともに前記ケースのフランジに対向する対向部を一体に有し、
   前記本体部の外周面には規制凹部が形成されており、
   前記外周部には、前記規制凹部に充填されて前記外周部の内側への収縮を規制する規制凸部が形成されている、
   燃料電池スタックのエンドプレート。
2. 前記プレート本体の前記フランジ部には、前記被覆部の前記対向部が充填された対向凹部が形成されており、
   前記対向部の内側端面が前記フランジ部の前記締結面と同一平面上に形成されている、
   請求項１に記載の燃料電池スタックのエンドプレート。
3. 前記規制凹部は、前記プレート本体の厚さ方向における前記締結面と同一位置に形成されている、
   請求項２に記載の燃料電池スタックのエンドプレート。
4. 請求項２または請求項３に記載のエンドプレートと、
   前記セル積層体を収容するとともに前記プレート本体の前記フランジ部の前記締結面に締結されるフランジを有するケースと、を備え、
   前記被覆部の前記対向部及び前記ケースのフランジにおける前記対向部に対向する部分のいずれか一方には収容溝が形成されており、
   前記収容溝には、前記エンドプレートと前記ケースとの間をシールするガスケットが収容されている、
   燃料電池スタックのシール構造。