(57)【要約】【課題】外部拘束部材を備える燃料電池スタックにおいて、大きな加速度が作用した場合に燃料電池セルが位置ずれして破壊されることを好適に抑制する。【解決手段】燃料電池スタック２０は、複数積層した燃料電池セル３０と、それを挟持するターミナル４２、インシュレータ４４及びエンドプレート４６と、積層断面の４隅に積層方向に沿って設置された外部拘束シャフト５０〜８０とを備えている。燃料電池セル３０の積層断面は、積層方向の略矩形の４隅に、燃料電池セル３０がテーパ形状となるように、同一の傾斜角度で形成された傾斜部３６〜３９を備えている。奇数番目に積層される燃料電池セル３０では、傾斜部３８及び３９が外部拘束シャフト７０及び８０とそれぞれ面で当接し、偶数番目に積層される燃料電池セル３０では、傾斜部３６及び３７が外部拘束シャフト５０及び６０とそれぞれ面で当接している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックであって、
前記複数の発電体は、該発電体の前記積層方向に直交する断面において、該断面の１つの辺に対して、第１の角度で交わる第１の傾斜部と、第２の角度で交わる第２の傾斜部とを、該第１の傾斜部と第２の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細りする位置関係で備え、
前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第１の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第２の面と面で当接した、第１の発電体である
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１の角度と前記第２の角度とは、同一の角度である請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池スタックであって、
前記複数の発電体は、更に、該発電体の前記積層方向に直交する断面において、該断面の前記１つの辺と対向する辺に対して、第３の角度で交わる第３の傾斜部と、第４の角度で交わる第４の傾斜部とを、該第３の傾斜部と第４の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細りする位置関係で備え、
前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第３の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第３の面と面で当接し、前記第４の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第４の面と面で当接した、第２の発電体である
燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第３の角度と前記第４の角度とは、同一の角度である請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１の傾斜部及び前記第２の傾斜部と、前記第３の傾斜部及び第４の傾斜部とは鏡像対称形である請求項３または請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記複数の発電体は、全て、前記第１の発電体または前記第２の発電体のいずれかである請求項３ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記積層体は、前記第１の発電体と前記第２の発電体とが交互に積層された請求項６記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１ないし第４の角度は、いずれも１３５度である請求項７記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１または請求項２記載の燃料電池スタックであって、
前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第３の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第４の面と面で当接し、
前記第３の面及び前記第４の面は、前記発電体の前記積層方向に直交する断面において、前記第１の面及び前記第２の面と対向する側に設けられた
燃料電池スタック。
【請求項１０】
複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックであって、
前記複数の発電体は、該発電体の前記積層方向の略矩形断面の隣接する２つの隅部を、第１の角度及び第２の角度でそれぞれ切り欠いた第１の傾斜部と第２の傾斜部とを備え、
前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第１の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第２の面と面で当接した
燃料電池スタック。
【請求項１１】
複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックの製造方法であって、
前記複数の発電体には、該発電体の前記積層方向に直交する断面において、該断面の１つの辺に対して、第１の角度で交わる第１の傾斜部と、第２の角度で交わる第２の傾斜部とが、該第１の傾斜部と第２の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細り形状になるように形成され、
前記複数の発電体及び前記外部拘束部材を用意する工程と、
前記外部拘束部材を固定する工程と、
前記外部拘束部材のうちの第１の面と前記第１の傾斜部とを面で当接させると共に、該外部拘束部材のうちの第２の面と前記第２の傾斜部とを面で当接させて、前記複数の発電体の少なくとも一部を積層する工程と
を備えた燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１２】
複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックの製造方法であって、
前記複数の発電体は、該発電体の前記積層方向の略矩形断面の隣接する２つの隅部を、第１の角度及び第２の角度でそれぞれ切り欠いた第１の傾斜部と第２の傾斜部とを備え、
前記複数の発電体及び前記外部拘束部材を用意する工程と、
前記外部拘束部材を固定する工程と、
前記外部拘束部材のうちの第１の面と前記第１の傾斜部とを面で当接させると共に、該外部拘束部材のうちの第２の面と前記第２の傾斜部とを面で当接させて、前記複数の発電体の少なくとも一部を積層する工程と
を備えた燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発電体を積層した積層体と、発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、積層方向と直交する方向への積層体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、移動体、例えば、車両の動力源として搭載される場合、必要な出力を確保するために、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックとして構成される。かかる燃料電池スタックでは、車両の衝突事故等によって、大きな加速度が作用した場合、燃料電池セルの積層方向に直交する方向に、燃料電池セルの位置ずれを生じるおそれがある。こうした位置ずれを所定の範囲で留めるために、積層された燃料電池セルの周囲に、その積層方向に沿って、外部拘束部材を設ける技術が開発されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の技術では、大きな加速度が燃料電池セルに作用して、燃料電池セルの位置ずれが生じた際に、ずれた燃料電池セルが外部拘束部材に衝突して、燃料電池セルが破壊される可能性があった。また、かかる破壊を防止するために、燃料電池セルと外部拘束部材との間に保護シートを設置することも考えられるが、部品点数が増える点では、有効な手段ではなかった。また、燃料電池セルの締結力を大きくして、位置ずれを生じにくくすることも考えられるが、締結部材が大きくなり、装置の大型化、高コスト化を招くという点で有効ではなかった。かかる問題は、外部拘束部材を備える燃料電池スタックに共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、外部拘束部材を備える燃料電池スタックにおいて、大きな加速度が作用した場合に燃料電池セルが位置ずれして破壊されることを好適に抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックであって、前記複数の発電体は、該発電体の前記積層方向に直交する断面において、該断面の１つの辺に対して、第１の角度で交わる第１の傾斜部と、第２の角度で交わる第２の傾斜部とを、該第１の傾斜部と第２の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細りする位置関係で備え、前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第１の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第２の面と面で当接した、第１の発電体である燃料電池スタック。
【０００８】
かかる構成の燃料電池スタックは、発電体の少なくとも一部が、外部拘束部材の第１の面と第２の面とに面で当接する。したがって、当接する発電体については、発電体に大きな加速度が作用して、外部拘束部材の第１の面または第２の面に向かって位置ずれが生じる瞬間から、外部拘束部材が位置ずれ防止機能を発揮するので、発電体と外部拘束部材との間にクリアランスがある場合と比べて、発電体や外部拘束部材が破壊に至ることを抑制することができる。逆に言えば、発電体の積層方向への締結力による位置ずれ防止機能を軽減することができるので、エンドプレートなどの締結部材を軽量化、低コスト化することができる。また、かかる構成の燃料電池スタックは、先細り形状の発電体が、第１の傾斜部と第２の傾斜部の２箇所の傾斜面で外部拘束部材と当接するので、発電体が第１の面側または第２の面側に向かって位置ずれする場合には、そのいずれの方向に位置ずれが生じても、上述の効果を奏することができる。なお、上述の第１の面と第２の面とは、複数の外部拘束部材にいずれか一方がそれぞれ設けられていてもよいし、一体化された１つの外部拘束部材に両方が設けられていてもよい。
【０００９】
［適用例２］前記第１の角度と前記第２の角度とは、同一の角度である適用例１記載の燃料電池スタック。
【００１０】
かかる構成の燃料電池スタックは、第１の傾斜部と第２の傾斜部とを結ぶ方向のうちのいずれの方向に同一の加速度が作用した場合でも、発電体の位置ずれによって外部拘束部材の第１の面または第２の面に作用する力が等しくなるので、加速度が作用する方向によって、外部拘束部材が破損しやすいといったことがない。あるいは、作用力の偏りを配慮する必要がないので、外部拘束部材の製造が簡単となる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池スタックであって、前記複数の発電体は、更に、該発電体の前記積層方向に直交する断面において、該断面の前記１つの辺と対向する辺に対して、第３の角度で交わる第３の傾斜部と、第４の角度で交わる第４の傾斜部とを、該第３の傾斜部と第４の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細りする位置関係で備え、前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第３の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第３の面と面で当接し、前記第４の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第４の面と面で当接した、第２の発電体である燃料電池スタック。
【００１２】
かかる構成の燃料電池スタックは、発電体の少なくとも一部が、外部拘束部材の第３の面と第４の面とに面で当接する。したがって、当接する発電体については、適用例１と同様の効果を奏する。また、第１の面及び第２の面と、第３の面及び第４の面とは、発電体の積層方向に直交する断面において、互いに対向する辺に設けられているので、発電体が第１の面側または第２の面側に向かって位置ずれする場合、発電体が第３の面側または第４の面側に向かって位置ずれする場合のいずれにおいても、一定の効果を奏する。
【００１３】
［適用例４］前記第３の角度と前記第４の角度とは、同一の角度である適用例３記載の燃料電池スタック。
【００１４】
かかる構成の燃料電池スタックは、適用例２と同様の効果を奏する。
【００１５】
［適用例５］前記第１の傾斜部及び前記第２の傾斜部と、前記第３の傾斜部及び第４の傾斜部とは鏡像対称形である適用例３または適用例４記載の燃料電池スタック。
【００１６】
かかる構成の燃料電池スタックは、第１の傾斜部と第２の傾斜部とを結ぶ方向のうちのいずれの方向に同一の加速度が作用しても、発電体の位置ずれによって外部拘束部材の第１の面もしくは第３の面に作用する力、または、第２の面もしくは第４の面に作用する力が等しくなるので、適用例２と同様の効果を奏する。
【００１７】
［適用例６］前記複数の発電体は、全て、前記第１の発電体または前記第２の発電体のいずれかである適用例３ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池スタック。
【００１８】
かかる構成の燃料電池スタックは、複数の発電体の全てが外部拘束部材に２箇所で当接するので、全ての発電体に対して、適用例１と同様の効果を奏する。
【００１９】
［適用例７］前記積層体は、前記第１の発電体と前記第２の発電体とが交互に積層された適用例６記載の燃料電池スタック。
【００２０】
かかる構成の燃料電池スタックは、第１の発電体と第２の発電体が交互に積層されるので、第１の傾斜部側から第２の傾斜部側に向かって発電体に加速度が作用する場合と、第２の傾斜部側から第１の傾斜部側に向かって発電体に加速度が作用する場合のいずれの場合においても、第１の発電体と第２の発電体とに作用する力の、第１の傾斜部側と第３の傾斜部側とを結ぶ方向の成分は、逆向きになる。したがって、発電体に作用する力を第１の発電体と第２の発電体との間で相殺することができる。その結果、発電体から外部拘束部材に作用する力を軽減させ、発電体や外部拘束部材の破壊を抑制することができる。逆に言えば、外部拘束部材の低剛性化、軽量化、低コスト化に資する。なお、交互に積層とは、第１の発電体と第２の発電体とを１つずつ交互に積層する構成のほか、所定個数ずつ交互に積層する構成も含む。
【００２１】
［適用例８］前記第１ないし第４の角度は、いずれも１３５度である適用例７記載の燃料電池スタック。
【００２２】
かかる構成の燃料電池スタックは、適用例７において、第１の発電体と第２の発電体との間で相殺する力を、角度のパラメータとしては最大にすることができる。したがって、適用例７の効果を向上させることができる。
【００２３】
［適用例９］適用例１または適用例２記載の燃料電池スタックであって、前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第３の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第４の面と面で当接し、前記第３の面及び前記第４の面は、前記発電体の前記積層方向に直交する断面において、前記第１の面及び前記第２の面と対向する側に設けられた燃料電池スタック。
【００２４】
かかる構成の燃料電池スタックは、第１の面及び第２の面と、第３の面及び第４の面とは、発電体の積層方向に直交する断面において、互いに対向する側に設けられているので、適用例３と同様の効果を奏する。
【００２５】
また、本発明は、適用例１０の燃料電池スタックとすることもできる。
［適用例１０］複数の発電体を積層した積層体と、該発電体の周囲に積層方向と平行に設けられ、前記積層方向と直交する方向への前記発電体のずれを抑制する外部拘束部材とを備えた燃料電池スタックであって、前記複数の発電体は、該発電体の前記積層方向の略矩形断面の隣接する２つの隅部を、第１の角度及び第２の角度でそれぞれ切り欠いた第１の傾斜部と第２の傾斜部とを、該第１の傾斜部と第２の傾斜部との間の前記発電体が、該発電体の外部に向かって先細りする位置関係で備え、前記複数の発電体のうちの少なくとも一部の発電体は、前記第１の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第１の面と面で当接し、かつ、前記第２の傾斜部が、前記外部拘束部材のうちの第２の面と面で当接した燃料電池スタック。
【００２６】
本発明は、燃料電池スタックのほか、燃料電池スタックの製造方法、発電体の積層方法、燃料電池スタックを構成する発電体や外部拘束部材としても実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池スタック２０の概略構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池セル３０及び外部拘束シャフト５０〜８０の形状を示す、燃料電池スタック２０の断面図である。
【図３】燃料電池スタック２０の製造手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池スタック２０の製造工程において、燃料電池セル３０を積層する様子を示す説明図である。
【図５】比較例としての、燃料電池スタック２０における燃料電池セル３０の位置ずれの具体例を示す説明図である。
【図６】燃料電池スタック２０に加速度が作用した場合の、燃料電池セル３０のストロークと積層体に作用する力との関係を示す説明図である。
【図７】比較例としての、燃料電池スタック２０における燃料電池セル３０の位置ずれの具体例を示す説明図である。
【図８】燃料電池スタック２０に加速度が作用した場合の、燃料電池セル３０に作用する力の方向と大きさを示す説明図である。
【図９】変形例としての燃料電池セル３０の形状を示す、燃料電池スタック２０の断面図である。
【図１０】変形例としての外部拘束シャフト５０〜８０の形状を示す、燃料電池スタック２０の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池スタック２０の概略構成：
本発明の実施例としての燃料電池スタック２０の概略構成を図１に示す。燃料電池スタック２０は、図１に示すように、燃料電池セル３０を複数積層し、その両端をターミナル４２、インシュレータ４４、エンドプレート４６で挟持することで構成される。本実施例では、燃料電池スタック２０は車両に動力源として搭載されるものであり、図中のｙ方向が車両の前方、ｚ方向が車両の上方となる方向に燃料電池スタック２０が配置されている。
【００２９】
燃料電池セル３０は、固体高分子形の燃料電池であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される（図示せず）。ただし、燃料電池セル３０は、形式を限定するものではなく、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など、種々の燃料電池とすることができる。本実施例の燃料電池セル３０は、略直方体形状であり、その積層方向の略矩形形状の断面の４隅には切り欠きが形成されている。各々の燃料電池セル３０は、請求項の発電体に該当する。
【００３０】
ターミナル４２は、燃料電池セル３０で発生した電気を図示しない出力端子から取り出す集電板である。インシュレータ４４は、ターミナル４２とエンドプレート４６とを絶縁する絶縁部材である。本実施例においては、ターミナル４２及びインシュレータ４４の積層方向の断面は、燃料電池セル３０と同一サイズの略矩形形状であり、燃料電池セル３０と同様に、４隅に切り欠きが形成されている。エンドプレート４６は、燃料電池スタック２０を積層方向の両端から締結するための部材であり、マウントを介して燃料電池スタック２０の収納ケース及び車両に固定されている（図示せず）。
【００３１】
燃料電池セル３０、ターミナル４２及びインシュレータ４４の切り欠き部分には、棒状の外部拘束シャフト５０〜８０が配置されている。外部拘束シャフト５０〜８０は、エンドプレート４６の外側から、エンドプレート４６を貫通して外部拘束シャフト５０〜８０に固定されるボルトにより、エンドプレート４６に固定されている。外部拘束シャフト５０〜８０は、積層方向の内側に向けた引張力を、その両端のエンドプレート４６に作用させて、燃料電池スタック２０の締結力をエンドプレート４６に与える機能を有している。なお、エンドプレート４６は、外部拘束シャフト５０〜８０に対応する位置に貫通孔を備え、外部拘束シャフト５０〜８０は、当該貫通孔を貫通する構成としてもよい。
【００３２】
また、外部拘束シャフト５０〜８０は、燃料電池セル３０を搭載する車両の衝突事故などによって燃料電池セル３０に大きな加速度が作用し、燃料電池セル３０、ターミナル４２及びインシュレータ４４が積層方向に直交する方向に位置ずれを生じた場合に、燃料電池セル３０、ターミナル４２及びインシュレータ４４が外部拘束シャフト５０〜８０に当接することで、燃料電池セル３０等の大きな位置ずれを抑制する機能を果たす。なお、積層方向に加速度が作用した場合には、燃料電池セル３０等はエンドプレート４６によって締結されているので、位置ずれはほとんど生じない。また、本実施例において、外部拘束シャフト５０〜８０は、上述したように、締結機能と位置ずれ抑制機能とを併せ持つものとしたが、燃料電池スタック２０は、締結用のシャフトと、位置ずれ抑制用のシャフトとを、それぞれ個別的に備えていてもよい。外部拘束シャフト５０〜８０は、請求項の外部拘束部材に該当する。
【００３３】
燃料電池セル３０及び外部拘束シャフト５０〜８０の構成を更に明らかにするため、図１に示した燃料電池スタック２０のＡ−Ａ断面を図２に示す。図示するように、燃料電池セル３０は、その略矩形形状の断面の４隅に、切欠部３１〜３４を備えている。また、切欠部３１〜３４には、切欠部３１〜３４を除く燃料電池セル３０の外縁部の１組の対向する辺（車両上方側及び下方側の辺）に対して、所定の角度で交わる傾斜部３６〜３９がそれぞれ形成されている。本実施例では、傾斜部３６〜３９は、上述した１組の辺に対して交差角１３５°で交わるように形成されている。また、車両上方側に形成された傾斜部３６と傾斜部３７とは、傾斜の向きが反対に形成されており、その間に位置する燃料電池セル３０は、燃料電池セル３０の外部（車両上方側）に向かって先細りする、いわゆるテーパ形状に形成されている。
【００３４】
同様に、車両下方側に形成された傾斜部３８と傾斜部３９とは、傾斜の向きが反対に形成されており、その間に位置する燃料電池セル３０は、燃料電池セル３０の外部（車両下方側）に向かって先細りするテーパ形状に形成されている。また、燃料電池セル３０の右半分と左半分、上半分と下半分は、いずれも鏡像対称形に形成されている。傾斜部３６〜３９は、請求項の第１〜４の傾斜部に該当する。なお、燃料電池セル３０は、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水を電解質膜・電極接合体に給排するためのマニホールドを形成する貫通孔を備えているが、図２では図示を省略している。
【００３５】
また、燃料電池セル３０の切欠部３１〜３４には、外部拘束シャフト５０〜８０が設置されている。外部拘束シャフト５０〜８０の断面は、略矩形の一部を切り欠いた形状を有しており、それぞれ傾斜面５２〜８２が形成されている。傾斜面５２〜８２の傾斜角は、傾斜面５２〜８２と、燃料電池セル３０の傾斜部３６〜３９とがそれぞれ面で当接可能となるように、同じ傾きで形成されている。
【００３６】
ここで、燃料電池スタック２０の製造工程において、外部拘束シャフト５０〜８０を固定した上で、外部拘束シャフト５０〜８０の内側のスペースに燃料電池セル３０を順次積層していく場合には、燃料電池セル３０を外部拘束シャフト５０〜８０の内側のスペースに挿入するためのクリアランスが必要であるため、燃料電池セル３０を無作為に積層すれば、傾斜部３６〜３９と傾斜面５２〜８２との間には、ランダムなクリアランスが確保される。ただし、上述したように、燃料電池セル３０は、車両上方側の面と車両下方側の面にテーパ形状の傾斜部３６〜３９を備え、外部拘束シャフト５０〜８０は、その傾斜と同一の傾斜角の傾斜面５２〜８２を備えているので、車両上方側に形成された傾斜部３６及び３７が傾斜面５２及び６２とそれぞれ同時に面で当接することは可能である。同様に、車両下方側に形成された傾斜部３８及び３９が傾斜面７２及び８２とそれぞれ同時に面で当接することは可能である。本実施例における傾斜部３６〜３９と傾斜面５２〜８２との位置関係の詳細は、燃料電池スタック２０の製造方法を以下に説明することで明らかにする。
【００３７】
Ａ−２．燃料電池スタック２０の製造方法：
上述した燃料電池スタック２０の具体的構成を明らかにするために、燃料電池スタック２０の製造手順について、図３を用いて説明する。燃料電池スタック２０の製造は、まず、その構成部材を用意することから開始する（ステップＳ１１０）。燃料電池スタック２０の構成部材とは、上述した複数の燃料電池セル３０と、一組のターミナル４２、インシュレータ４４、エンドプレート４６と、外部拘束シャフト５０〜８０である。
【００３８】
部材を用意すると、次に、１組のエンドプレート４６のうちの一方に外部拘束シャフト５０〜８０を取り付ける（ステップＳ１２０）。ここでは、一方のエンドプレート４６と外部拘束シャフト５０〜８０とを図１に示した位置関係で配置し、エンドプレート４６の外側（外部拘束シャフト５０〜８０と反対側）からボルトで固定する。外部拘束シャフト５０〜８０を取り付けると、次に、１組のターミナル４２及びインシュレータ４４のうちの一方を、外部拘束シャフト５０〜８０の内側のスペースに挿入して、積層する（ステップＳ１３０）。本実施例においては、ステップＳ１３０及び後述するステップＳ１５０，Ｓ１６０では、図１に示した燃料電池スタック２０の位置関係において、ｘ方向を重力方向上方にして行うこととした。
【００３９】
ターミナル４２及びインシュレータ４４の一方を積層すると、次に、複数の燃料電池セル３０を外部拘束シャフト５０〜８０の内側のスペースに挿入して、順次積層する。具体的には、積層する燃料電池セル３０が何番目に積層するものであるかを判断し（ステップＳ１４０）、奇数番目の燃料電池セル３０であれば、図４に示すように、傾斜部３８と傾斜面７２、傾斜部３９と傾斜面８２とがそれぞれ面で当接するように、すなわち、燃料電池セル３０が外部拘束シャフト７０及び８０に同時に当接するように、燃料電池セル３０を外部拘束シャフト７０及び８０側に押し当てて積層する（ステップＳ１６０）。
【００４０】
一方、偶数番目の燃料電池セル３０であれば、図４に示すように、傾斜部３６と傾斜面５２、傾斜部３７と傾斜面６２とがそれぞれ面で当接するように、すなわち、燃料電池セル３０が外部拘束シャフト５０及び６０に同時に当接するように、燃料電池セル３０を外部拘束シャフト５０及び６０側に押し当てて積層する（ステップＳ１５０）。かかるステップＳ１４０〜Ｓ１６０の工程は、用意した全ての燃料電池セル３０を積層するまで繰返し行う（ステップＳ１７０）。
【００４１】
このようにして全ての燃料電池セル３０を積層すると、その上から残りのターミナル４２、インシュレータ４４及びエンドプレート４６を積層し（ステップＳ１８０）、エンドプレート４６の両側から締結力を加えた上で、ボルトでエンドプレート４６と外部拘束シャフト５０〜８０とを固定し、燃料電池スタック２０を締結する（ステップＳ１９０）。こうして、燃料電池スタック２０は完成となる。
【００４２】
Ａ−３．効果：
Ａ−３−１．第１の効果：
上述した燃料電池スタック２０の効果について説明する前に、燃料電池セル３０の位置ずれについて説明する。図５は、比較例としての燃料電池スタック２０を示している。図中のｘｙｚ方向及び車両との位置関係は、図１に対応している。この例では、図５（ｂ）のＡ−Ａ断面に示すように、外部拘束シャフト５０〜８０と燃料電池セル３０との間には、距離Ｄだけクリアランスが確保されている。なお、距離Ｄは、図を分かりやすく見せるために、実際の距離よりも大きく表示している。かかる燃料電池スタック２０を搭載した車両が図５（ａ）に示すように、ｙ方向前方で衝突すると、ｙ方向に慣性力が作用する。すると、エンドプレート４６に挟持された燃料電池セル３０、ターミナル４２、インシュレータ４４（以下、積層体という）は、作用した慣性力に応じたたわみを生じることとなる。かかるたわみによる燃料電池セル３０の位置ずれ量を本願では、ストロークＳという。
【００４３】
また、燃料電池スタック２０が、燃料電池セル３０の積層方向と交差する方向から慣性力を受けた際のストロークＳと、慣性力と反対の方向に作用する反力ＲＦとの関係の具体例を図６に示す。図示するラインＬ１は、燃料電池スタック２０の締結力によって、エンドプレート４６から積層体に作用する反力（静摩擦力）を示しており、ストロークＳがゼロのときには、反力もゼロであり、ストロークＳが大きくなるに従って、反力が大きくなっていることがわかる。
【００４４】
また、ラインＬ２は、燃料電池セル３０と外部拘束シャフト５０との間に距離Ｄのクリアランスがある場合（図５参照）の、ストロークＳと、積層体が外部拘束シャフト５０から受ける反力との関係を示している。距離Ｄのクリアランスに起因して、ラインＬ２では、ストロークＳが距離Ｄになるまでは、反力はゼロである。そして、ストロークＳが距離Ｄ以上になると、燃料電池セル３０と外部拘束シャフト５０とが当接した状態で外部拘束シャフト５０がたわむので、ストロークＳが大きくなるに従い、反力は大きくなる。
【００４５】
ここで、ラインＬ１とラインＬ２とを加算して、積層体に作用する合計の反力を求めれば、ラインＬ３のようになる。ラインＬ３において、燃料電池セル３０の機能に支障が生じる位置ずれ量であるストローク限界Ｓｍａｘには、反力ＲＦ１が生じているときに達することとなる。なお、ラインＬ１やラインＬ２の傾きは、燃料電池セル３０や外部拘束シャフト５０の構造や材質によって異なる。また、ラインＬ３においては、ラインＬ１と重畳する部分（０≦Ｓ＜Ｄ）については、ラインＬ１を示す線種（２点鎖線）で表示している。
【００４６】
一方、ラインＬ４は、本実施例のように、外部拘束シャフト５０との間にクリアランスがない燃料電池セル３０について、ストロークＳと、積層体が外部拘束シャフト５０から受ける反力との関係を示している。ラインＬ４は、クリアランスがないために、ストロークＳがゼロから少しでも大きくなれば、ストロークＳが大きくなるに従い、外部拘束シャフト５０から受ける反力は大きくなる。なお、ラインＬ４の傾きは、ラインＬ２の傾きと同じである。
【００４７】
ここで、ラインＬ１とラインＬ４とを加算して、燃料電池セル３０に作用する合計の反力を求めれば、ラインＬ５のようになる。ラインＬ５では、ストローク限界Ｓｍａｘには、反力ＲＦ２（＞ＲＦ１）が生じているときに達することとなる。要するに、燃料電池セル３０と外部拘束シャフト５０との間に距離Ｄのクリアランスがある場合と、クリアランスがない場合とを比較すると、クリアランスがない場合の方が、ストローク限界Ｓｍａｘに達する際の積層体に作用する反力ＲＦを大きくできるのである。
【００４８】
上述した燃料電池スタック２０では、奇数番目の燃料電池セル３０は、外部拘束シャフト７０及び８０に当接するように、偶数番目の燃料電池セル３０は、外部拘束シャフト５０及び６０に当接するように積層される。換言すれば、全ての燃料電池セル３０は、外部拘束シャフト５０及び６０、または、外部拘束シャフト７０及び８０に対してクリアランスがない。したがって、燃料電池セル３０がストローク限界Ｓｍａｘに達するまでの反力ＲＦを大きくすることができる。その結果、燃料電池セル３０がストローク限界Ｓｍａｘに達することを抑制することができる。逆に言えば、燃料電池セル３０の位置ずれを抑制するための燃料電池スタック２０の締結力を小さくしても、ストローク限界Ｓｍａｘに達しないので、エンドプレート４６等の部材を軽量化することができる。この反力ＲＦ１と反力ＲＦ２との差は、例えば、燃料電池スタック２０に対して５０Ｇの衝撃加速度を与えた場合に、１０Ｇに相当する力になることが出願人により把握されている。
【００４９】
また、燃料電池スタック２０では、燃料電池セル３０のテーパ形状の傾斜面が、車両の前方側の外部拘束シャフト５０または８０と、車両の後方側の外部拘束シャフト６０または７０の両方に燃料電池セル３０の傾斜面と当接するので、車両の前方、後方のいずれに向かう方向に慣性力が発生しても、上述の効果を得ることができる。また、車両の上方に向かう方向に慣性力が発生しても、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
一方、図５（ｂ）に示した比較例としての燃料電池スタック２０では、例えば、燃料電池セル３０を、外部拘束シャフト５０の２面（外部拘束シャフト６０側の面と外部拘束シャフト８０側の面）と、外部拘束シャフト６０の１面（外部拘束シャフト７０側の面）に当接して積層することは可能である。しかし、この場合、車両前方に向かう方向や、車両の上方に向かう方向に慣性力が発生しても、上述した本実施例の効果を得ることができるが、車両後方に向かう方向に慣性力が発生した場合には、燃料電池セル３０と外部拘束シャフト６０の外部拘束シャフト５０側の面には、クリアランスが存在するので、上述した効果を得ることができない。
【００５１】
また、比較例の燃料電池スタック２０は、例えば、外部拘束シャフト５０及び外部拘束シャフト６０の両方に燃料電池セル３０を当接させるためには、外部拘束シャフト５０と外部拘束シャフト６０と燃料電池セル３０との対向する面が平行となり、かつ、外部拘束シャフト５０と外部拘束シャフト６０とが前後左右に一切ずれないように配置する必要がある。
【００５２】
一方、本実施例の燃料電池スタック２０は、テーパ形状の傾斜面で外部拘束シャフト５０及び外部拘束シャフト６０と当接させるので、外部拘束シャフト５０と外部拘束シャフト６０と燃料電池セル３０との対向する面が平行となるように、外部拘束シャフト５０及び外部拘束シャフト６０を配置できればよい。すなわち、燃料電池スタック２０の製造段階における外部拘束シャフト５０及び外部拘束シャフト６０の位置決めにおいて、前後左右方向の位置決め精度が緩和される。したがって、燃料電池スタック２０を容易に製造することができる。
【００５３】
Ａ−３−２．第２の効果：
燃料電池スタック２０の第２の効果について、以下に説明する。まず、比較例としての、外部拘束シャフト５０及び燃料電池セル３０の位置関係を図７（ａ）に示す。この例では、外部拘束シャフト５０〜８０の内側のスペースに、燃料電池セル３０を無作為に積層した場合を示している。図示するように、外部拘束シャフト５０と、燃料電池セル３０との間には、各々の燃料電池セル３０ごとに異なる距離のクリアランスが確保されている。
【００５４】
このような位置関係の燃料電池スタック２０において、ｙ方向の前方で車両が衝突すると、燃料電池セル３０は、慣性力を受けて、外部拘束シャフト５０側に位置ずれを生じる。その際、外部拘束シャフト５０と燃料電池セル３０とのクリアランスはランダムであるから、図７（ｂ）に示すように、複数の燃料電池セル３０のうちのごく一部の燃料電池セル３０のみが、外部拘束シャフト５０に最初に衝突することになる。その結果、外部拘束シャフト５０の限られた箇所に、燃料電池セル３０から受ける荷重が集中し、外部拘束シャフト５０の破損を生じる恐れがある。あるいは、外部拘束シャフト５０と衝突した燃料電池セル３０のみに、外部拘束シャフト５０からの反力が作用するので、衝突した燃料電池セル３０の変形や座屈を生じる恐れがある。
【００５５】
一方、本実施例の燃料電池スタック２０は、偶数番目の燃料電池セル３０においては、燃料電池セル３０の傾斜部３６と外部拘束シャフト５０の傾斜面５２とが面で当接しているので、ｙ方向に慣性力が作用しても、少数の燃料電池セル３０のみに荷重が集中することがなく、傾斜部３６や傾斜面５２に、上述した破損等が生じない。また、ｙ方向への慣性力を受けると、傾斜部３６に沿って燃料電池セル３０の位置ずれが生じ、燃料電池セル３０の傾斜部３９が外部拘束シャフト８０の傾斜面８２に衝突する恐れは残るが、ｙ方向の慣性力は、傾斜部３６に沿った方向と、それに直交する方向に分解されるので、傾斜部３６に沿った方向に作用する力、すなわち、傾斜部３９が傾斜面８２に衝突する力を弱めて（ここでは１／√２になる）、傾斜部３９や傾斜面８２の破損等を抑制することができる。かかる効果は、燃料電池セル３０のいずれの斜面部に対しても、また、どのような方向に慣性力が作用した場合であっても期待できる。
【００５６】
Ａ−３−３．第３の効果：
また、燃料電池スタック２０の第３の効果について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、外部拘束シャフト５０及び６０と当接する偶数番目の燃料電池セル３０に対して、図中のｙ方向に慣性力Ｆが作用した場合に外部拘束シャフト５０との関係で燃料電池セル３０に作用する力を示している。ｙ方向に慣性力Ｆが作用すると、慣性力Ｆの、外部拘束シャフト５０の傾斜面５２に沿った方向の慣性力成分Ｆｓ１は、外部拘束シャフト５０の切欠角度θ（本実施例ではθ＝４５）を用いれば、Ｆｃｏｓθとなる。慣性力成分Ｆｓ１によって、燃料電池セル３０は、傾斜面５２に沿った位置ずれを生じることとなる。このとき、慣性力成分Ｆｓ１の−ｚ方向の成分Ｆ−ｚは、Ｆｃｏｓθｓｉｎθとなる。
【００５７】
一方、図８（ｂ）は、外部拘束シャフト７０及び８０と当接する奇数番目の燃料電池セル３０に対して、図中のｙ方向に慣性力Ｆが作用した場合に外部拘束シャフト８０との関係で燃料電池セル３０に作用する力を示している。ｙ方向に慣性力Ｆが作用すると、慣性力Ｆの、外部拘束シャフト８０の傾斜面８２に沿った方向の慣性力成分Ｆｓ１は、Ｆｃｏｓθとなる。慣性力成分Ｆｓ１によって、燃料電池セル３０は、傾斜面８２に沿った位置ずれを生じることとなる。このとき、慣性力成分Ｆｓ１のｚ方向の成分Ｆｚは、Ｆｃｏｓθｓｉｎθとなる。
【００５８】
このように、燃料電池スタック２０においては、燃料電池セル３０に対してｙ方向に慣性力が作用すると、偶数番目の燃料電池セル３０には、−ｚ方向にＦｃｏｓθｓｉｎθの力が作用し、奇数番目の燃料電池セル３０には、ｚ方向にＦｃｏｓθｓｉｎθの力が作用する。要するに、隣り合う燃料電池セル３０同士で、反対の方向に同じ大きさの力が作用することなり、これらの作用力は相殺される。したがって、外部拘束シャフト５０〜８０に対してｚ方向に作用する力を低減することができ、燃料電池セル３０や外部拘束シャフト５０〜８０の破壊を抑制することができる。逆に言えば、外部拘束シャフト５０〜８０の剛性を低減し、軽量化、低コスト化に資することができる。かかる効果は、ｙ方向に慣性力が作用した場合に限らず、−ｙ方向に慣性力が作用しても同様である。
【００５９】
なお、力成分Ｆｚ（＝Ｆｃｏｓθｓｉｎθ）及び力成分Ｆ−ｚ（＝Ｆｃｏｓθｓｉｎθ）は、次式（１）のように変換できることから、本実施例のようにθ＝４５°の場合に最大となる。すなわち、θ＝４５°の場合に相殺成分を最大にできるので、θをパラメータとして考えた場合に、外部拘束シャフト５０〜８０の低剛性化、軽量化及び低コスト化効果を最大にすることができる。
【００６０】
【数１】
2010251007.tif 000003
【００６１】
Ｂ．変形例：
上述した実施例の変形例について説明する。
Ｂ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、燃料電池セル３０は、その略矩形形状の断面の４隅に切欠部３１〜３４を備える構成としたが、切欠部３１〜３４の位置は、かかる例に限られるものではない。例えば、図９に示すように、燃料電池セル３０の車両上方側の面の内部に切欠部３１及び３２を備え、燃料電池セル３０の車両下方側の内部に切欠部３３及び３４を備える構成としてもよい。こうしても、上述の実施例と同様の効果を奏する。
【００６２】
要するに、傾斜面５２及び６２が、燃料電池セル３０の積層方向の断面の１つの辺に対して所定の角度で交わり、また、傾斜面７２及び８２が、当該１つの辺に対向する辺に対して、所定の角度で交わり、さらに、傾斜面５２と傾斜面６２との間の燃料電池セル３０及び傾斜面７２と傾斜面８２との間の燃料電池セル３０がテーパ形状に形成されていればよいのである。なお、テーパ形状は、上述の実施例に示したように燃料電池セル３０の外部に向かって先細りする形状に限らず、外部拘束シャフト５０〜８０の傾斜面の方向によっては、内側に向かって先細りする形状であってもよい。
【００６３】
Ｂ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、外部拘束シャフト５０〜８０は、その略矩形形状の断面の一部が切り欠かれた傾斜面５２〜８２を備えた構成としたが、外部拘束シャフト５０〜８０の形状は、かかる例に限られるものではない。例えば、図１０に示すように、断面が略矩形形状の外部拘束シャフト５０〜８０を、その１つの面が燃料電池セル３０の傾斜部３６〜３９とそれぞれ面で当接する位置関係で、設置してもよい。こうしても、実施例と同様の効果を奏する。
【００６４】
もとより、外部抑制部材としての外部拘束シャフト５０〜８０は、棒状の形状に限るものではない。例えば、外部拘束シャフト５０と外部拘束シャフト８０とは、一体的な板状部材であり、その両端に、傾斜面５２と傾斜面８２とが形成されていてもよい。要するに、外部抑制部材を、その一部の面が傾斜部３６〜３９と面で当接するような位置関係で配置できればよいのである。
【００６５】
Ｂ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、複数の燃料電池セル３０について、奇数番目に積層する燃料電池セル３０を、外部拘束シャフト７０及び８０に面で当接するように、偶数番目に積層する燃料電池セル３０を、外部拘束シャフト５０及び６０に面で当接するように、積層した構成について示したが、外部拘束シャフト７０及び８０に当接する燃料電池セル３０と、外部拘束シャフト５０及び６０に当接する燃料電池セル３０の積層順序は、勿論、逆であってもよい。
【００６６】
また、複数の燃料電池セル３０を１単位として、例えば、３つの燃料電池セル３０ごとに、当接させる外部拘束部材を変化させて、交互に積層してもよい。こうしても、上述した第１の効果及び第２の効果はもとより、第３の効果について、一定の効果を奏する。さらに、燃料電池セル３０は、必ずしも交互に積層する必要はなく、ランダムに、当接させる外部拘束部材を変化させて、積層してもよい。こうしても、上述した第１の効果及び第２の効果を奏することができる。
【００６７】
Ｂ−４．変形例４：
上述の実施形態では、燃料電池セル３０の断面において、傾斜部３６〜３９は、上述した１組の辺に対して交差角１３５°で交わる構成としたが、交差角度は、必ずしも１３５°である必要はなく、他の部材の配置条件に合わせて適宜設定してもよい。傾斜部３６と傾斜部３７との間の燃料電池セル３０が、上述のテーパ形状に形成され、また、傾斜部３８と傾斜部３９との間の燃料電池セル３０が、上述のテーパ形状に形成されていればよいのである。こうしても、上述の第１の効果及び第２の効果を奏する。また、第３の効果についても、一定レベルで奏することができる。
【００６８】
また、上述の実施形態においては、傾斜部３６〜３９は、同一の傾斜角度で形成したが、各々が異なる角度で形成されていてもよい。また、上述の実施形態においては、燃料電池セル３０は、左右の半分及び上下の半分がいずれも鏡像対称形になるように形成したが、必ずしも対称形でなくてもよい。ただし、燃料電池セル３０に対して、いずれの方向に慣性力が作用しても、外部拘束シャフト５０〜８０に作用する力を均一化するためには、上述した実施例のように、同一の角度で対称形に形成することが望ましい。
【００６９】
Ｂ−５．変形例５：
上述の実施形態においては、外部拘束シャフト５０及び６０、または、外部拘束シャフト７０及び８０のいずれか一方に対して、全ての燃料電池セル３０を当接させる構成としたが、一部の燃料電池セル３０のみ当接させる構成としてもよい。こうしても、一定の効果は得られる。
【００７０】
また、燃料電池セル３０は、傾斜面５２〜８２を備える構成としたが、傾斜面５２及び６２、傾斜面７２及び８２のいずれか一方を備える構成としてもよい。例えば、燃料電池セル３０が傾斜面５２及び６２のみを備える場合、一部の燃料電池セル３０の傾斜面５２及び６２が、外部拘束シャフト５０及び６０に当接し、他方の燃料電池セル３０の傾斜面５２及び６２が外部拘束シャフト７０及び８０に当接するように、燃料電池セル３０を積層してもよい。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、移動体に搭載する燃料電池スタックに限らず、外部拘束部材を備えた種々の燃料電池スタックに適用可能である。また、本発明は、燃料電池スタックのほか、燃料電池スタックの製造方法、発電体の積層方法、燃料電池スタックを構成する発電体や外部拘束部材としても実現することができる。
【符号の説明】
【００７２】
２０…燃料電池スタック
３０…燃料電池セル
３１〜３４…切欠部
３６〜３９…傾斜部
４２…ターミナル
４４…インシュレータ
４６…エンドプレート
５０…外部拘束シャフト
５２，６２，７２，８２…傾斜面
【図１】
2010251007.tif 000004
【図２】
2010251007.tif 000005
【図３】
2010251007.tif 000006
【図４】
2010251007.tif 000007
【図５】
2010251007.tif 000008
【図６】
2010251007.tif 000009
【図７】
2010251007.tif 000010
【図８】
2010251007.tif 000011
【図９】
2010251007.tif 000012
【図１０】
2010251007.tif 000013