(57)【要約】【課題】大型化を抑制可能な燃料電池を提供する。【解決手段】単セル１１を積層させたセル積層体１２と、セル積層体１２を囲むケース２１と、を有する燃料電池１００であって、ケース２１は、第１ケース側壁３２の両側縁から抜き勾配を有する第１対向側壁３３が同一方向に立ち上げられた第１ケース３１と、第２ケース側壁４２の両側縁から抜き勾配を有する第２対向側壁４３が同一方向に立ち上げられた第２ケース４１と、第１ケース３１の第１対向側壁３３と第２ケース４１の第２対向側壁４３とを接合することで形成される角筒状のケース本体６１の一端側の開口部６２に嵌め込まれて接合されるケース底壁５１と、を有し、ケース本体６１には、開口部６２の内周に段差部６３が形成され、ケース底壁５１は、段差部６３に接触した状態で外周面からなる接合面５５が開口部６２の内周面からなる接合面６５に接合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを積層させたセル積層体と、前記セル積層体を囲むケースと、を有する燃料電池であって、
前記ケースは、
第１ケース側壁の両側縁から抜き勾配を有する第１対向側壁が同一方向に立ち上げられた第１ケースと、
第２ケース側壁の両側縁から抜き勾配を有する第２対向側壁が同一方向に立ち上げられた第２ケースと、
前記第１ケースの前記第１対向側壁と前記第２ケースの前記第２対向側壁とを接合することで形成される角筒状のケース本体の一端側の開口部に嵌め込まれて接合されるケース底壁と、
を有し、
前記ケース本体には、前記開口部の内周に段差部が形成され、
前記ケース底壁は、前記段差部に接触した状態で外周面が前記開口部の内周面に接合される
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の単セルが積層されたセル積層体をケースに収容した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１５２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池において、ケースは、凹状部分と、凹状部分の開口部分を塞ぐプレートとを有し、凹状部分とプレートとによってセル積層体の側面を取り囲んでいる。ケースの凹状部分には、製造過程において、ケースの外方に拡がる抜き勾配が形成される場合がある。抜き勾配が形成された凹状部分をケースの構成部材として用いた場合、ケースが抜き勾配に起因して大型化することで、燃料電池が大型化する場合がある。よって、燃料電池の大型化を抑制できる技術が望まれている。
その対策として、ケースを複数の部材に分割し、それら複数の部材を接合することで抜き勾配による外側への拡がりを小さくし、燃料電池を小型化することも考えられるが、部材にフランジを設けて部材同士をボルト締結する場合は小型化が難しい。また、部材同士をレーザー溶接する場合は熱によってケースが変形する虞があることから、その代替として摩擦拡散接合の採用も考えられるが、その場合は、接合軌跡が複雑になるなど、適切な接合の仕方は確立されていない。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大型化を抑制可能な燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
単セルを積層させたセル積層体と、前記セル積層体を囲むケースと、を有する燃料電池であって、
前記ケースは、
第１ケース側壁の両側縁から抜き勾配を有する第１対向側壁が同一方向に立ち上げられた第１ケースと、
第２ケース側壁の両側縁から抜き勾配を有する第２対向側壁が同一方向に立ち上げられた第２ケースと、
前記第１ケースの前記第１対向側壁と前記第２ケースの前記第２対向側壁とを接合することで形成される角筒状のケース本体の一端側の開口部に嵌め込まれて接合されるケース底壁と、
を有し、
前記ケース本体には、前記開口部の内周に段差部が形成され、
前記ケース底壁は、前記段差部に接触した状態で外周面が前記開口部の内周面に接合される。
【０００７】
この構成の燃料電池によれば、抜き勾配を有する凹状の１つ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、抜き勾配に起因したケースの外側への拡がり、ひいてはケースの大型化を抑制できる。また、ケース底壁は、段差部に接触した状態で外周面を開口部の内周面に接合して組付けられるので、ケース本体に対するケース底壁の接合軌跡を２次元のみにでき、例えば、摩擦拡散接合で接合させる場合にも、ケース底壁をケース本体へ容易に接合させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池によれば、大型化を抑制可能な燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の構成を説明する分解斜視図である。
【図２】燃料電池本体を収容するケースの分解斜視図である。
【図３】ケース本体とケース底壁との接合箇所の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成を説明する分解斜視図である。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池１００は、燃料電池本体１０と、この燃料電池本体１０を収容する筐体２０とを備えている。燃料電池本体１０と筐体２０との間には、例えば、シリコンゴムなどの弾性材料からなる介在層（図示略）が設けられている。
【００１２】
燃料電池１００は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、車両（例えば、自動車）などに搭載されて用いられる。燃料電池１００は、例えば、自動車のうち車室よりも前方に位置するフロントルームに配置される。なお、燃料電池１００は、車両に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１３】
燃料電池本体１０は、複数の単セル１１が積層されたセル積層体１２と、一対のターミナルプレート１５とを備えており、略直方体の外観形状を有する。単セル１１は、いわゆる固体高分子型燃料電池である。一対のターミナルプレート１５は、セル積層体１２を積層方向の両側に配置され、セル積層体１２で生じた電流を集める。
【００１４】
筐体２０は、ケース２１と、蓋部材２５とを備える。これらのケース２１及び蓋部材２５は、アルミニウム、チタン、マグネシウムなどの金属によって形成されている。ケース２１は、セル積層体１２の積層方向の一方側に開口部２０ａを有する凹形状とされており、この開口部２０ａに蓋部材２５が組付けられる。
【００１５】
ケース２１は、その内部が収容空間とされており、この収容空間には、開口部２０ａから燃料電池本体１０が収容される。ケース２１は、その開口部２０ａ側に、外方へ張り出すフランジ部２２を有している。フランジ部２２には、複数のボルト挿通孔２３が形成されている。
【００１６】
蓋部材２５は、矩形状の板状に形成されており、縁部に沿って複数のボルト挿通孔２６を有している。蓋部材２５は、ケース２１の開口部２０ａ側に組付けられる。蓋部材２５は、ケース２１の開口部２０ａ側に配置されることで、ボルト挿通孔２６がケース２１のボルト挿通孔２３と連通される。そして、これらの連通されたボルト挿通孔２３，２６にボルト（図示略）を挿入し、このボルトにナット（図示略）を螺合させることで、蓋部材２５がケース２１に締結固定され、これにより、燃料電池本体１０が収容されたケース２１の収容空間が閉鎖される。
【００１７】
次に、ケース２１の構造について説明する。
図２は、燃料電池本体を収容するケースの分解斜視図である。
【００１８】
図２に示すように、ケース２１は、第１ケース３１と、第２ケース４１と、ケース底壁５１とから構成されている。
【００１９】
第１ケース３１は、第１ケース側壁３２と、一対の第１対向側壁３３とを有している。第１ケース側壁３２は、外形が矩形状の平板である。第１対向側壁３３は、第１ケース側壁３２の両側縁から同一方向に立ち上げられて互いに対向位置に配置されている。第１ケース側壁３２と第１対向側壁３３とは一体に成形されている。第１ケース３１は、金型を用いて成形する際に、金型が開く方向に成形品に傾斜がつけられる。これにより、第１対向側壁３３は、第１ケース側壁３２から離れるにしたがって互いに離間するように抜き勾配を有している。抜き勾配は、例えば、０．５°以上３．０°以下の範囲に設定される。また、第１ケース３１には、その一端側に、フランジ部２２となる張り出し部３４が一体に成形されている。
【００２０】
第２ケース４１は、第２ケース側壁４２と、一対の第２対向側壁４３とを有している。第２ケース側壁４２は、外形が矩形状の平板である。第２対向側壁４３は、第２ケース側壁４２の両側縁から同一方向に立ち上げられて互いに対向位置に配置されている。第２ケース側壁４２と第２対向側壁４３とは一体に成形されている。第２ケース４１は、金型を用いて成形する際に、金型が開く方向に成形品に傾斜がつけられる。これにより、第２対向側壁４３は、第２ケース側壁４２から離れるにしたがって互いに離間するように抜き勾配を有している。抜き勾配は、例えば、０．５°以上３．０°以下の範囲に設定される。また、第２ケース４１には、その一端側に、フランジ部２２となる張り出し部４４が一体に成形されている。
【００２１】
第１ケース３１と第２ケース４１とは、第１対向側壁３３の縁部と第２対向側壁４３の縁部とを接合することで互いに組み合わされ、開口部２０ａ，６２を有する角筒状のケース本体６１を構成する（図１参照）。第１ケース３１の第１対向側壁３３の縁部と第２ケース４１の第２対向側壁４３の縁部とは、摩擦拡散接合（FSW：Friction Stir Welding）によって互いに接合される。つまり、これらの第１ケース３１と第２ケース４１とから構成されるケース本体６１には、燃料電池本体１０の収容口となる開口部２０ａと反対側にも開口部６２が形成されている。
【００２２】
ケース底壁５１は、ケース本体６１の開口部６２と略同一外形の平板状に形成されており、ケース本体６１の開口部６２の内縁に沿った外縁を有している。図１及び図２に示すように、開口部６２の内縁隅部にはＲ加工が施され、これら隅部Ｒに対応するケース底壁５１の外縁角部にはＲ加工が施されている。そして、このケース底壁５１は、第１ケース３１と第２ケース４１とからなるケース本体６１の開口部６２に嵌め込まれて接合される。これにより、燃料電池本体１０が収容可能な収容空間を有する凹状のケース２１が構成される。
【００２３】
次に、ケース本体６１とケース底壁５１との接合部分の構造について説明する。
図３は、ケース本体とケース底壁との接合箇所の断面図である。
【００２４】
図３に示すように、第１ケース３１と第２ケース４１との接合により形成されるケース本体６１の開口部６２には、段差部６３が形成されている。この段差部６３は、開口部６２の内面側に凸部を形成することで設けられている。段差部６３は、ケース本体６１の端部側におけるケース底壁５１の嵌合方向と交差する側面がストッパ面６４とされている。また、ケース本体６１の段差部６３よりも端部側におけるケース底壁５１の嵌合方向に沿う内面は、接合面６５とされている。
【００２５】
ケース本体６１の開口部６２に嵌め込まれるケース底壁５１は、その縁部に沿って嵌合方向側へ突出する係合突起５３を有しており、この係合突起５３よりも外側における嵌合方向側の面がストッパ面５４とされている。また、ケース底壁５１は、外周面が接合面５５とされている。
【００２６】
ケース２１では、ケース底壁５１がケース本体６１の開口部６２に嵌め込まれることで、係合突起５３がケース本体６１の段差部６３の内側に嵌り込み、ケース本体６１の段差部６３のストッパ面６４とケース底壁５１のストッパ面５４とが接触される。この状態で、ケース本体６１の端面６６とケース底壁５１の外面５６とが面一となるように位置決めされる。そして、ケース底壁５１とケース本体６１とは、開口部６２にケース底壁５１が嵌め込まれた状態で、互いの接合面５５，６５が接合される。これらの接合面５５，６５は、摩擦拡散接合（FSW：Friction Stir Welding）によって互いに接合される。
【００２７】
ケース本体６１の接合面６５とケース底壁５１の接合面５５との接合は、開口部６２を上方へ向けた姿勢でケース本体６１を支持させ、このケース本体６１の開口部６２にケース底壁５１を嵌合させて仮付けした状態で行われる。このとき、摩擦拡散接合装置のツールを水平面内（Ｘ−Ｙ方向）において、接合する箇所である溶接線に沿って移動させることで接合面５５，６５を接合させる。これにより、第１ケース３１と第２ケース４１とを一体化させたケース本体６１にケース底壁５１が接合されて一体化された高剛性で高強度な信頼性の高いケース２１が得られる。
【００２８】
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池１００によれば、セル積層体１２を有する燃料電池本体１０を囲うケース２１が、第１ケース３１の抜き勾配を有する第１対向側壁３３と第２ケース４１の抜き勾配を有する第２対向側壁４３とを接合することで形成される角筒状のケース本体６１の一端側の開口部６２にケース底壁５１を嵌め込んで接合した構造である。したがって、抜き勾配を有する凹状の一つ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、抜き勾配に起因したケースの外側への拡がり、ひいてはケースの大型化を抑制できる。
【００２９】
また、ケース本体６１の開口部６２にケース底壁５１を嵌め込むことで、ケース底壁５１が段差部６３に接触して所定位置に配置されるので、ケース底壁５１の組付け作業性を向上させることができ、また、組付け精度を向上させることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、ケース底壁５１は、段差部６３に接触した状態で外周面からなる接合面５５を開口部６２の内周面からなる接合面６５に接合して組付けられる。
【００３１】
ここで、ケース本体６１の端面６６に板状のケース底壁５１を突き当て、その突き当て箇所を全周にわたって接合する場合では、ケース本体６１に対するケース底壁５１の接合軌跡が複雑になる。したがって、摩擦拡散接合で接合させる場合に、ツールをＸ−Ｙ方向だけでなくＺ方向も含む３次元で移動させたり、ケース２１の姿勢を何度も変更させなければならない。
【００３２】
これに対して、本実施形態では、ケース底壁５１が、段差部６３に接触した状態で外周面からなる接合面５５を開口部６２の内周面からなる接合面６５に接合して組付けられるので、ケース本体６１に対するケース底壁５１の接合軌跡をＸ−Ｙ方向だけの２次元のみにできる。これにより、摩擦拡散接合で接合させる場合にも、ツールを複雑に移動させたり、ケース２１の姿勢を何度も変更させることなく、ケース底壁５１をケース本体６１へ容易に接合させることができ、段取り替えを削減できる。また、接合作業時間の短縮化及び接合装置の簡略化によるコスト低減が可能となり、さらには、安定して高い溶接品質を得ることができる。
【００３３】
なお、ケース本体６１の開口部６２にケース底壁５１を嵌め込んだ際に、開口部６２とケース底壁５１とは、僅かに隙間をあけて嵌合されても良く、また、隙間なく圧入された状態で嵌合されてもよい。また、ケース本体６１の開口部６２にケース底壁５１を嵌め込んだ際に、ケース底壁５１の係合突起５３は、ケース本体６１の段差部６３の内側に対して僅かに隙間をあけて嵌合されても良く、また、隙間なく圧入された状態で嵌合されてもよい。さらに、ケース２１は、気密が確保されていてもよく、また、配管やケーブルを挿通する孔部を有していてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１１  単セル
１２  セル積層体
２１  ケース
３１  第１ケース
３２  第１ケース側壁
３３  第１対向側壁
４１  第２ケース
４２  第２ケース側壁
４３  第２対向側壁
５１  ケース底壁
６１  ケース本体
６２  開口部
６３  段差部
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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