(57)【要約】      （修正有）【課題】スタック組立時間と工程を短縮させ、自動化装置を利用した組立が可能で大量生産に適した燃料電池スタックの締結方法と、燃料電池スタックを提供する。【解決手段】多数の単位セルとその両先端にエンドプレートを具備した燃料電池スタックにおいて、両先端のエンドプレートを固定するための締結バー１０７と、前記締結バーの端部を貫通し、ヘッド部１０で支持しながらエンドプレート１０６に締結される固定ブロック１１と、前記固定ブロックの締結方向に対して直角を成しながら前記締結バーを貫通して固定ブロックと締結される固定ピン１２と、からなり、前記固定ピンはエンドプレート上の引っかけ突起に回転操作により引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする。【選択図】図１
2009200024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の単位セルとその両先端にエンドプレートを具備した燃料電池スタックにおいて、
両先端のエンドプレートを固定するための締結バーと、
前記締結バーの端部を貫通し、ヘッド部で支持しながらエンドプレートに締結される固定ブロックと、
前記固定ブロックの締結方向に対して直角を成しながら前記締結バーを貫通して固定ブロックと締結される固定ピンと
からなることを特徴とする燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項２】
前記固定ピンはエンドプレート上の引っかけ突起に回転操作により引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記固定ピンは長さ方向に沿って形成された溝、及び引っかけ溝を具備し、溝の一端及び引っかけ溝の一端は互いに疎通可能となるように横に連結され、エンドプレート側にある引っかけ突起が溝に沿って移動し、ピンの回転により引っかけ溝側に移動して引っかけられるように構成されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記固定ピンは固定ブロック上に締結されてピンを引っかけるキーにより引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記キーは少なくとも１つの凹凸部を有する板形態からなる固定ブロックのスロット内にはめ合わせて締結されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記固定ピンは固定ブロック上に締結されてピンを引っかけるボールにより引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記固定ピンはエンドプレート上の溝部内に位置しながら、ピンを締結する際、弾力を提供するスプリングを含むことを特徴とする、請求項１、２、４、６のうちいずれか一項に記載の燃料電池自動車の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池自動車のメインパワー供給源である燃料電池スタックに係り、さらに詳しくは、固定ブロックと固定ピンを使用して燃料電池スタックを締結する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、水素燃料電池自動車の燃料電池システムは燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えるのではなく、燃料電池スタック内で電気化学的に直接電気エネルギーに変換する一種の発電システムである。
【０００３】
前記燃料電池システムは大きく電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料である水素を供給する水素供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気（酸素）供給装置、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御し、水管理機能を行う熱／水管理システム（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＴＭＳ）、及び燃料電池システムの作動全般を制御する燃料電池システム制御装置などを含む。
このような燃料電池システムにおいて、メインパワー供給源である燃料電池スタックは空気中の酸素と燃料である水素の供給を受けて電気を生産する装置である。
【０００４】
燃料電池スタックの単位セル１００は、図１０に示すように、電極膜（ＭＥＡ；１０１）、ガス拡散層（ＧＤＬ；１０２）、分離板１０３、気密を維持するためのガスケット１０４などから構成され、下記の（化１）の化学反応により電気を発生させる。
［化１］
Ａｎｏｄｅ：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
Ｃａｔｈｏｄ：１／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ
このような反応を通して、単位セルでは０．６〜１．０Ｖ、平均約０．７Ｖの電気が発生する。
【０００５】
自動車に適用される燃料電池スタックは高出力が必要であるため、適切な電圧範囲を得るために約４００個以上の単位セルを積層して使用する。
このように４００個以上の単位セルを直列で積層するための方法としては、長いボルト１０５を利用して積層されたセルの両先端に位置したエンドプレート１０６を固定する方法（図１１）、締結バー１０７または締結プレートをエンドプレート１０６にボルト締めを行って固定する方法（図１２）、スタック全体にバンド１０８を巻き付ける方法（図１３）などがある。
ここで、符号１０９は多数の単位セルを積層させて作った単位モジュールを表す。
【０００６】
例えば、米国特許第６，４５５，１７９号、第４，３４５，００９号及び特開２００４−６５４９２号には、一般的に燃料電池スタックに広く利用される長いボルトとナットを利用してスタックを締結する方法が開示されている。
しかし、この方法はボルト締結に多大な時間を必要とするため、自動工程に適応しない。
更に、特開２００６−５４０６７号、特開２００６−６６２５６号、特開２００６−７３２２６号、特開２００６−７３４５９号にはエンドプレートと下、上、横板に形成されているタブ部にピンを挿入してスタックを締結する方法が開示されている。
しかし、この方法は振動や衝撃によりピンが抜ける恐れがある。
【０００７】
また、米国特許第６，６４５，６５９号にはエンドプレートとテンションプレートを鋸歯状とボルトを利用して固定してスタックを締結する方法が開示されている。
しかし、この方法はボルト締めにより多大な時間が必要とされる。
更に、米国特許第５，７８９，９０１号には締結バンドと皿ばねを利用してスタックを締結する方法が開示されている。
しかし、この方法は締結時、高い荷重が必要であるため高圧プレスを利用して締結するが、締結バンドを利用してスタック全体を巻く場合はこのような組立方法は不可能である。
【０００８】
このように既存のスタック締結方法は大部分、組立時に多量のボルトを利用するため、組立時にボルト締め工程により時間が非常にかかり、多くの工程が必要であり、スタックを自動化装置を利用して組み立てる際、障害となるため量産化には不利である。
【特許文献１】米国特許第６，４５５，１７９号
【特許文献２】米国特許第４，３４５，００９号
【特許文献３】特開２００４−６５４９２号
【特許文献４】特開２００６−５４０６７号
【特許文献５】特開２００６−６６２５６号
【特許文献６】特開２００６−７３２２６号
【特許文献７】特開２００６−７３４５９号
【特許文献８】米国特許第６，６４５，６５９号
【特許文献９】米国特許第５，７８９，９０１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、スタックを締結する際、固定ブロックと固定ピンを利用してスタックを締結する新しい形態の締結方式を具現することで、スタック組立時の時間と工程を短縮させることができ、自動化装置を利用した組立が可能な、大量生産に適した燃料電池スタックの締結方法と、その方法で組み立てた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】
【００１０】
前記目的を達成するための本発明は、多数の単位セルとその両先端にエンドプレートを具備した燃料電池スタックにおいて、両先端のエンドプレートを固定するための締結バーと、前記締結バーの端部を貫通し、ヘッド部で支持しながらエンドプレートに締結される固定ブロックと、前記固定ブロックの締結方向に対して直角を成しながら前記締結バーを貫通して固定ブロックと締結される固定ピンと、からなることを特徴とする。
【００１１】
前記固定ピンはエンドプレート上の引っかけ突起に回転操作により引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする。
【００１２】
前記固定ピンは、長さ方向に沿って形成された溝、及び引っかけ溝を具備し、溝の一端及び引っかけ溝の一端は互いに疎通可能となるように横に連結され、エンドプレート側にある引っかけ突起が溝に沿って移動し、ピンの回転により引っかけ溝側に移動して引っかけられるように構成されることを特徴とする。
【００１３】
前記固定ピンは固定ブロック上に締結されてピンを引っかけるキーにより引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする。
【００１４】
前記キーは少なくとも１つの凹凸部を有する板形態からなる固定ブロックのスロット内にはめ合わせて締結されることを特徴とする。
【００１５】
前記固定ピンは固定ブロック上に締結されてピンを引っかけるボールにより引っかけ及び解除され、着脱可能な構造で締結されることを特徴とする。
【００１６】
前記固定ピンはエンドプレート上の溝部内に位置しながら、ピンを締結する際、弾力を提供するスプリングを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池スタックの締結方法は、固定ブロックとピンを簡単に締結する方法であるため、スタックを組み立てる際にかかる時間と工程を節約することができる。
例えば、ボルト締結の場合、手作業により行われる実際のモジュール締結時間が１０〜３０分である反面、固定ブロックと固定ピンの締結方法を適用すると、１〜５分内で締結することができるため、生産性の向上に大きく役立つ。
また、ボルト締めのための後加工工程がなくなるため、燃料電池スタックの材料費の節減にも大きく役立ち、組立に劣らず容易に分解が可能であるため、取り扱いの面でも有利である。
更に、固定ブロックと固定ピンの締結方法の場合、簡単な締結が可能であるため、自動化概念を導入化することが容易であり、量産化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池自動車の燃料電池スタックについて説明する。
【実施例】
【００１９】
図１及び図２は本発明の一実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図と断面図であり、本発明に係る燃料電池スタック締結構造の一例を示す。
数百枚の単位セルが積層された単位モジュール１０９の両先端にエンドプレート１０６が配置され、このように配置される両側のエンドプレート１０６との間に多数の締結バー１０７が架けられると同時に、この時の締結バー１０７に固定ブロック１１と固定ピン１２が締結されて一つのスタックが完成する。
【００２０】
このように一つの燃料電池スタックを完成させるための締結方式として、本発明では固定ブロック１１と固定ピン１２を利用して締結する方式を提供する。
前記固定ブロックと固定ピンを利用して締結する場合、締結が容易にできることはもちろん、容易に分解が可能であるためスタックの組立及び解体がそれだけ容易であり、また既存のボルト締結と比較すると、締結時間を大幅に減らすことができる。
【００２１】
固定ブロック１１と固定ピン１２を利用した締結方法を具体的に見てみると、まず両側のエンドプレート１０６を支える締結バー１０７は両側のエンドプレート１０６の間に引っかける形態で装着される。
【００２２】
このように締結バー１０７の端部がエンドプレート１０６の外面に引っかかっている状態で固定ブロック１１と固定ピン１２が各々所定の方向、例えば、ブロックはＸ方向、ピンはＹ方向に締結バー１０７を貫通しながらエンドプレート１０６と固定ブロック１１に各々締結されることで、固定ブロック１１と固定ピン１２を利用したスタックの締結が完了する。
【００２３】
即ち、固定ブロック１１は締結バー１０７を貫通し、そのヘッド部１０で締結バーの外面を押しながらエンドプレート１０６に締結し、固定ピン１２は固定ブロック１１の締結方向と直角を成しながら固定ブロック締結部位と隣接した位置で締結バー１０７を貫通して固定ブロック１１に締結される。
この時の固定ピン１２の端部は固定ブロック１１に締結された後、更に少し伸ばされてエンドプレート１０６に形成されている溝部２１内に位置決めされる。
ここで、固定ブロック１１は締結時にヘッド部１０を利用して締結バー１０７を押す方法で固定させることができ、この時のヘッド部１０は楔形、長方形などの多様な形態にできる。
【００２４】
更に、固定ブロック１１は四角形のブロック体２４とこのブロック体２４より広い面積を持つヘッド部１０で構成され、このような一つの完全なブロック形態に形成されるか、必要に応じては幅中心線上に沿って垂直方向に切断した１／２ブロック形態にも形成され、完全なブロック形態であろうと１／２ブロック形態であろうと機能面では同一である。
また、固定ブロック１１の挿入部分、即ち、ブロック体２４は上の四角形以外に楕円形、円形などの多様な形態に形成することができる。
【００２５】
図３ａ及びｂは本発明の一実施例による燃料電池スタック締結構造において、ピンの締結形態を表す斜視図である。
図３ａとｂには、固定ピン１２の着脱可能な形態の一例を表す。
まず、エンドプレート１０６には引っかけ突起１６が具備され、この時の引っかけ突起１６はエンドプレート１０６を貫通する固定ピン１２を引っかける役割をする。
引っかけ突起１６の場合、エンドプレート１０６に直接具備される形態を基本とする。
【００２６】
別の例として、引っかけ突起１６を有するリング状のストッパー１３がエンドプレート１０６に具備される形態を適用することもできる。
これによって、締結時に固定ピン１２はストッパー１３を通過して固定ブロック１１に締結されながら回転操作を通してストッパー側に引っかけられたり解除されたりする。
このために、固定ピン１２には一方の端部から長さ方向に沿って延長された溝１４が形成され、この溝１４の一方の先端部分には溝と通じながら円周方向に延長された引っかけ溝１５が形成される。
【００２７】
従って、締結時に固定ピン１２が引っかけ突起１６により案内を受けながら、溝１４を通して差し込まれて円周方向に一定角度、例えば、約９０°回転すると、その引っかけ溝１５内に引っかけ突起１６が嵌合され、結局このような引っかけ作用により固定ピン１２の締結状態が維持される。
この時、固定ピン１２の片方の頭部分には挿入工具溝２３が形成されており、ここにドライバーなどのような工具を差し込むことができるため、固定ピン１２の締結または解除作業を容易に行うことができる。
【００２８】
更に、本発明では固定ピン１２の締結及び解除と関連してスプリング２２の力を利用することができる。
例えば、固定ピン１２の端部をスプリング２２により支持されるようにし、このスプリング２２の力を適切に利用することで、ピンの締結状態を堅固に維持することができ、また、解除時に容易にピンの引っかけ状態を解除した後、抜くことができる。
このために、スプリング２２はエンドプレート１０６に具備されている溝部２１内に装着され、固定ピン１２の端部を弾力的に支持する。
【００２９】
従って、締結が完了した状態ではスプリング２２の押し出す力により固定ピン１２の引っかけ溝１５の凹部内に引っかけ突起１６が堅固に引っかけられるため、固定ピン１２が自然に抜けることがなくなり、即ち、ピンがスプリングの力により外側に継続的な力を受けるため、振動や衝撃により抜けなくなり、また、解除時には固定ピン１２をわずかに押した状態でピンを円周方向に約９０°回転させると（締結時の逆方向に回転させると）、引っかけ状態が容易に解除されながらピンが若干突き出るため、固定ピン１２を容易に抜くことができる。
【００３０】
図４及び図５は本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図及び断面図である。
図４及び図５に示すように、両側のエンドプレート１０６の間に引っかけられている締結バー１０７に固定ブロック１１と固定ピン１２を締結して固定する方式は、先に言及した一実施例と方式、機能、および効果が同一である。
即ち、固定ブロック１１は締結バー１０７を貫通してそのヘッド部１０で締結バーの外面を押しながらエンドプレート１０６に締結され、継続して固定ピン１２は固定ブロック１１の締結方向と直角を成しながら、この固定ブロック締結部位と隣接した位置で締結バー１０７を貫通して固定ブロック１１に締結させることで、スタック全体の組立が完了する。
但し、ここでは固定ピン１２を着脱可能に締結する方法の別の例を提供する。
【００３１】
このために、図６ａ及びｂに示すように、固定ピン１２は固定ブロック１１上に締結されながらピンを引っかけるキー１７により引っかけ及び解除されるが、この時のキー１７は両側２ヶ所程度の凹凸部１８を有する板形態とからなり、一方の先端にＵ−溝２７が形成されており、ここに固定ピン１２を引っかけることで固定させる。
このようなキー１７は固定ブロック１１に具備されているスロット１９内に締結されるが、このために固定ブロック１１にはブロック幅中心線上において、ヘッド部１０の前面からブロック体２４の内側まで深く開いた形態の直線状のスロット１９が形成され、このように形成されるスロット１９に沿ってキー１７が締結される。
【００３２】
締結された状態でのキー１７は凹凸部１８がスロット１９の壁面に密着加圧されるはめ合わせ形態となるため、衝撃や振動が加えられてもめったに抜けなくなる。
この時のスロット１９は、入口側が若干広く開いた形態となっているため、脱去時に工具などを容易に差し込んでキー１７を抜くことができる。
従って、中間ほどに凹入部２６を有する固定ピン１２を固定ブロック１１のブロック体２４に貫通締結し、これに対して垂直方向にキー１７をスロット１９内に完全に差し込むと固定ピン１２の凹入部２６にキー１７のＵ−溝２７が引っかけられるため、固定ピン１２は抜けなくなる。
モジュール分解時には工具を利用してキー１７を抜いた後、固定ピン１２を抜くことができ、もちろん固定ピン１２の脱去時にスプリング２２の力を利用することができる。
【００３３】
図７及び図８は本発明のまた別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図及び断面図である。
図７及び図８に示すように、固定ブロック１１と固定ピン１２を締結して固定する方法は、先に言及した２種の実施例と方法、機能、および効果が同一である。
即ち、固定ブロック１１は締結バー１０７を貫通し、そのヘッド部１０で締結バーの外面を押してやりながらエンドプレート１０６に締結され、固定ピン１２は固定ブロック１１の締結方向と直角を成して締結バー１０７を貫通して固定ブロック１１に締結される。
【００３４】
次に、固定ピン１２を着脱可能に締結する別の例を説明する。
図９ａ及びｂに示すように、固定ピン１２の締結状態を維持するために両側にボール２０が具備される。
この時のボール２０は固定ブロック１１のブロック体２４に形成されている孔内に側面側から挿入装着されるが、その後端にボールスプリング２８が配置された後、ブロック体２４に締結されるセットスクリュー２５が装着されて完成する。
ボール２０は後ろ側に配置されるボールスプリング２８の力を受けてその前側に位置する固定ピン１２を押して支持することができ、孔の先にある突起により前側の完全脱去を防止することができる。
【００３５】
従って、中間に凹入部２６を有する固定ピン１２を固定ブロック１１のブロック体２４に貫通締結すると、固定ピン１２の凹入部２６に両側でボール２０が引っかけられるため固定ピン１２は抜けなくなる。
この時、ボール２０を支持するボールスプリング２８の弾性力を適切に調節（設定）してピンの固定力を調節することができる。
モジュール分解時には工具を利用して固定ピン１２を強制的に抜くことができる。
【００３６】
このように本発明に係る燃料電池スタックの締結方法は固定ブロックと固定ピンを利用してスタックを締結する方法であり、数百枚の単位セルが積層された単位モジュールの両先端に置かれているエンドプレートを締結バーで固定してスタックを締結することによって、ボルトの代りに固定ブロックを利用して固定し、固定ブロックが抜けないように固定ピンで固定する。
このような方法を利用すると、大量生産が可能な簡単な締結が可能となり、また容易に分解が可能である。
【００３７】
締結過程では、まずモジュールを必要な圧力まで圧縮した後、締結バーをエンドプレートの両側を包むように差し込んだ後、固定ブロックを挿入して固定ピンを差し込み、圧力を解くとモジュールが締結される。
分解は逆順で行われる。
このような方法を利用すると、締結時にボルト締めをしないため、締結に必要な時間を大きく省くことができる。
手作業で行われる実際のモジュール締結時間が１０〜３０分である反面、本発明の方法を利用すると、１〜５分内で締結を行うことができ、生産性向上に大きく役立ち、ボルト締めをする後加工工程がなくなるため、燃料電池スタックの材料費節減にも大きく役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池スタック締結構造を表す断面図である。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池スタック締結構造のピンの締結形態を表す斜視図である。
【図４】本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図である。
【図５】本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す断面図である。
【図６】本発明の別の実施例による燃料電池スタック締結構造のピンの締結形態を表す斜視図である。
【図７】本発明のまた別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す斜視図である。
【図８】本発明のまた別の実施例による燃料電池スタック締結構造を表す断面図である。
【図９】本発明のまた別の実施例による燃料電池スタック締結構造のピンの締結形態を表す斜視図である。
【図１０】一般的な燃料電池スタックの単位セルを表す断面図である。
【図１１】従来の燃料電池スタック締結構造の一例を表す斜視図である。
【図１２】従来の燃料電池スタック締結構造の別の例を表す斜視図である。
【図１３】従来の燃料電池スタック締結構造のまた別の例を表す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ヘッド部
１１  固定ブロック
１２  固定ピン
１３  ストッパー
１４  溝
１５  引っかけ溝
１６  引っかけ突起
１７  キー
１８  凹凸部
１９  スロット
２０  ボール
２１  孔部
２２  スプリング
２３  挿入工具溝
２４  ブロック体
２５  セットスクリュー
２６  凹入部
２７  Ｕ−溝
２８  ボールスプリング
【図１】
2009200024.tif 000003
【図２】
2009200024.tif 000004
【図３】
2009200024.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009200024.tif 000009
【図８】
2009200024.tif 000010
【図９】
2009200024.tif 000011
【図１０】
2009200024.tif 000012
【図１１】
2009200024.tif 000013
【図１２】
2009200024.tif 000014
【図１３】
2009200024.tif 000015