(57)【要約】【課題】走行中の振動等による、セルスタック内でのセルの変位を抑制する。【解決手段】単位セル２０を積層方向に複数積層してなる積層体３０と、積層体３０の積層方向両端に配置された一対のエンドプレート５と、積層体３０の短手方向両側に配置された一対の締結板と、積層体３０の長手方向両側に配置された一対の補強板８と、を備える燃料電池スタックであって、補強板８は締結板７及びエンドプレート５に直交する背壁部８ａと、この背壁部８ａの短手方向両端部から長手方向積層体側に延びる側壁部８ｂとを有する。そして締結板７及び補強板８を積層方向両端部でエンドプレート５に締結し、さらに締結板７及び補強板８をエンドプレート５に締結した状態で、側壁部８ｂで締結板７の長手方向両端部付近を短手方向積層体側へ押圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体及びセパレータからなる矩形の単位セルの長辺が延びる方向を長手方向、短辺が延びる方向を短手方向、厚さ方向を積層方向としたときに、
前記単位セルを積層方向に複数積層してなる積層体と、
前記積層体の短手方向両側に配置された一対の締結板と、
前記積層体の長手方向両側に配置された一対の補強板と
を備え、
前記補強板は、前記締結板に直交する背壁部と、この背壁部の短手方向両端部から長手方向積層体側に延びる側壁部とを有し、
前記側壁部が前記締結板の長手方向両端部付近を短手方向積層体側へ押圧することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記積層体の積層方向両端に配置された一対のエンドプレートを有し、
前記締結板及び前記補強板を前記エンドプレートに締結した状態で、前記締結板の長手方向両端部が前記積層体の長手方向両端部よりも外側に位置し、前記側壁部の長手方向端部が前記積層体の長手方向両端部よりも外側に位置す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】
前記締結板は、長手方向両端部が短手方向外側に向けて屈曲していることを特徴とする請求項１または２に記載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、燃料電池に関し、特に、単位セルを複数積層した燃料電池スタックの締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の動力源として用いられる燃料電池スタックは、一般に、膜電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータで挟んだ単位セルを複数積層し、これを締結することによって構成されている。このような構成の燃料電池セルスタックにおいては、積層されたセルの隙間から反応ガスや水が漏洩することを防止するために、走行中の振動等による単位セルの変位を防止する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、積層されたセルの積層方向両端に設けたエンドプレートを締結する１対の締結部材を設け、各締結部材の中央部に、セル方向に膨出し下面がセルの側面と接する膨出部を設ける構成が開示されている。この構成では、対向する膨出部の下面でセルを挟み込むことによってセルの変位を抑制している。
【特許文献１】特開２００７−１９４１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された構成は、膨出部の下面とセル部の側面、つまり、平面で積層体の側面を挟み込む構成であるので、各部品の寸法バラツキや組み付け時に生じるずれの大きさによっては、一部のセルが膨出部に挟み込まれず、走行中の振動等により変位してしまうおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明では、セルの変位を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池スタックは、膜電極接合体及びセパレータからなる矩形の単位セルの長辺が延びる方向を長手方向、短辺が延びる方向を短手方向、厚さ方向を積層方向としたときに、単位セルを積層方向に複数積層してなる積層体と、積層体の短手方向両側に配置された一対の締結板と、積層体の長手方向両側に配置された一対の補強板とを備える。そして、補強板は締結板に直交する背壁部と短手方向両端部から長手方向積層体側に延びる側壁部とを有する。さらに、側壁部が締結板の長手方向両端部付近を短手方向積層体側へ押圧する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、補強板に押圧されることによって、締結板が積層体の積層方向に延びる４辺に押し付けられるので、積層体の変位を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は本実施形態を適用する燃料電池スタックの部品構成図、図２は同じく組み立て後の状態を示す図である。なお、本実施形態の燃料電池スタックは、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型燃料電池である。
【００１０】
セル部３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、これを両側から挟むように配置したセパレータ３とからなる単位セル２０を、直列に所定枚数だけ積層したものである。以下の説明において、単位セル２０の厚さ方向を積層方向、長辺方向を長手方向、短辺方向を短手方向という。
【００１１】
セル部３０の積層方向の両端には、対の集電板４とスペーサ６を配置し、さらにこれらの両端に金属または樹脂で形成したエンドプレート５を配置する。また、セル部３０を短手方向の両側から挟むように締結板７を、長手方向の両側から挟むように補強板８を配置する。
【００１２】
そして、エンドプレート５、締結板７及び補強板８を、互いにボルト９等により締結することにより、図２に示すような燃料電池スタック１を構成する。なお、ボルト９の本数及びボルト穴位置は、あくまでも一例である。
【００１３】
図３は、燃料電池スタック１を積層方向から見た断面図である。なお、説明のために、エンドプレート５の長手方向両端部付近を投影している。
【００１４】
エンドプレート５及び締結板７は、長手方向の長さがセル部３０よりも長く、両端付近はエンドプレート５から長手方向にはみ出している。また、エンドプレート５の短手方向長さは、セル部３０の短手方向長さ（セル部幅）と略等しい。
【００１５】
補強板８は、背壁８ａと側壁８ｂからなる、セル部３０側に口を開いたコの字断面形状を有している。一対の側壁８の間隔（内幅）は、セル部幅と略等しい。そして、側壁８ｂは、後述するように組み付けたときに、先端部がセル部３０にかかるような長さとする。
【００１６】
上記の締結板７及び補強板８を、図３に示すように、締結板７がセル部３０及びエンドプレート５の上下面と接するように、かつ側壁８ｂが締結板７を両側から挟み込むように配置する。
【００１７】
ここで、背壁８ａと側壁８ｂがなす角が鋭角となるように補強板８を形成しておき、側壁８ｂを外側に撓ませるようにして組み付ける。これにより、組みつけた状態で締結板７に対して補強板８の弾性力による押し付け荷重が発生し、締結板７がセル部３０に押し付けられることになる。
【００１８】
また、各部品間の隙間に樹脂材などを充填硬化させることにより、セル部３０と締結板７、締結板７と補強板８の側壁８ｂ、の各隙間がゼロになるように各部品を組み付けてもよい。
【００１９】
上記のような構成にすれば、エンドプレート５、締結板７、及び補強板８で燃料電池スタック１全体がボックス構造となり、燃料電池スタック１全体の捩じれ、倒れ変形に対する剛性が向上する。さらに、エンドプレート５の全周で締結荷重を受ける構造になるため、エンドプレート５の変形を抑制することができ、各単位セル２０に掛かる面圧を均等に近づけることができる。
【００２０】
また、各部品には寸法公差や組み付け公差があるため、各部品間にはわずかな隙間が存在する。そして、上述したような、押し付け荷重が発生する、またはクリアランスがゼロになるような組み付けをしない場合には、このような隙間によるガタを締結板７で抑えることができないので、セル部３０が変位してしまう。
【００２１】
なお、特許文献１（特開２００７−１９４１２３号公報）には、締結板の中央部に凹状の膨出部を設け、膨出部の底面がセル部に接する構成が開示されているが、この構成では、締結荷重を受けた際に曲げモーメントが増大して、応力、変形量が増大してしまうという問題がある。また、同公報に開示されている膨出部を有さない締結板では、締結荷重を受けた際の変形等は回避できるが、上述した公差による隙間を埋める手段がないため、セル部３０の変位を防止することができない。
【００２２】
これに対して、本実施形態では、上述した公差による隙間があっても、発電中の膜の膨潤・収縮、熱や内部ガス圧の変動、車両走行振動等で発生するスタック全体の捩じれ、倒れを防止できる。
【００２３】
以上により本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００２４】
締結板７及び補強板８をエンドプレート５に締結した状態で、側壁部８ｂが締結板８ａの長手方向両端部付近を短手方向積層体側へ押圧するので、補強板に押圧されることによって締結板が積層体の積層方向に延びる４辺に押し付けられ、積層体の変位を抑制することができる。
【００２５】
第２実施形態について説明する。
【００２６】
図４は、第２実施形態の燃料電池スタック１について、図３と同様に積層方向から見た断面図である。
【００２７】
本実施形態は、基本的に第１実施形態と同様であるが、エンドプレート５の形状及び締結板７と補強板８との組み付け部の構造が異なる。
【００２８】
側壁８ｂの長さは、組みつけた際にセル部３０にかからないよう設定する。また、補強板８の内幅は、セル部幅と２枚分の締結板７の厚さとの合計よりも小さく設定する。
【００２９】
そして、締結板７を撓ませた状態で補強板８を組み付ける。組みつけた状態では、背壁８ａとエンドプレート５の長手方向端部とが当接するものとする。エンドプレート５の短手方向の寸法は、撓むことによって狭まった締結板７の長手方向先端部の間隔（端部幅）と同等またはそれ以下とする。
【００３０】
このような構成にすると、補強板８を組み付けることにより締結板７には押し付け荷重がかかることとなり、締結板７がセル部３０に押し付けられる。
【００３１】
このため、第１実施形態と同様に、寸法公差等による隙間があっても、発電中の膜の膨潤・収縮、熱や内部ガス圧の変動、車両走行振動等で発生するスタック全体の捩じれ、倒れを防止できる。
【００３２】
また、組みつけた状態で補強板８の断面は、背壁８ａと側壁８ｂのなす角が略９０度の単純なコの字状になるので、締結荷重や、スタックからの曲げ荷重が作用した場合にも、応力の増大や変形が発生しにくい。
【００３３】
さらに、締結板７の端部を内側に撓ませて組み付けるので、第１実施形態と比べて、組み付けが容易になる。
【００３４】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。
【００３５】
締結板７の長手方向両端部がセル部３０の長手方向両端部よりも外側に位置し、側壁部８ｂの長手方向端部がセル部３０の長手方向両端部よりも外側に位置するので、補強板８の断面は、背壁８ａと側壁８ｂのなす角が略９０度の単純なコの字状になる。これにより、締結荷重やスタックからの曲げ荷重が作用した場合にも、応力の増大や変形が発生しにくくなる。
【００３６】
第３実施形態について説明する。
【００３７】
図５は、第３実施形態の燃料電池スタック１について、図３と同様に積層方向から見た断面図である。
【００３８】
本実施形態は、基本的に第１実施形態と同様であるが、エンドプレート５の形状及び締結板７と補強板８との組み付け部の構造が異なる。
【００３９】
側壁８ｂの長さは、組みつけた際にセル部３０にかかるよう設定する。また、補強板８の内幅は、セル部幅と略同等に設定する。
【００４０】
締結板７は、長手方向の端部近傍にリブ４０を有する。このリブ４０は、積層方向に平行で、締結板７の長手方向端部付近が、先端に近づくほど短手方向外側に向けて開くように形成する。
【００４１】
そして、締結板７を撓ませた状態で補強板８を組み付ける。組みつけた状態では、背壁８ａとエンドプレート５の長手方向端部とが当接するものとする。エンドプレート５の短手方向の寸法（端部幅）は、撓むことによって狭まった締結板７の端部幅と同等またはそれ以下とする。また、締結板７の長手方向の先端部分は、背壁８ａと側壁８ｂで形成する角部付近と当接するものとする。
【００４２】
このような構成にすると、補強板８は角部に近い位置で締結板７からの反力を受けることになるので、側壁８ｂが撓みにくくなる。このため、締結荷重やスタックからの曲げ荷重を受けても、応力の増大や変形が発生しにくくなる。一方、締結板７は長手方向の先端部に曲げ荷重が入力されることになるので、曲げモーメントが大きくなり、撓みやすくなる。
【００４３】
また、リブ４０を設けることにより、補強板８の内幅をセル部幅と同等にしても十分な押し付け荷重を発生させることができるので、結果として、組み付けた状態での締結板７の短手方向内側への撓み量が第２実施形態に比べて小さくなる。
【００４４】
このため、第２実施形態に比べて、エンドプレート５の端部幅を大きくすることができる。エンドプレート５の長手方向端部は締結荷重を受けるので、端部幅が小さくなると、締結荷重による撓みや応力が大きくなる。しかし、本実施形態によれば、端部幅をセル部幅に近づけることができるので、上記撓みや応力の増大を抑制することができる。
【００４５】
さらに、リブ４０は積層方向と平行なので、締結荷重による引っ張り力が入力されても、リブ４０に応力が集中したり、大きく変形したりすることはない。
【００４６】
以上により本実施形態では、第２実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果が得られる。
【００４７】
締結板８は、長手方向両端部が短手方向外側に向けて屈曲しているリブ４０を備えるので、補強板８の内幅をセル部幅と同等にしても十分な押し付け荷重を発生させることができる。結果として、組み付けた状態での締結板７の短手方向内側への撓み量が第２実施形態に比べて小さくすることができる。
【００４８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】燃料電池スタックの部品構成図である。
【図２】燃料電池スタックの組み立て状態を示す図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    燃料電池スタック
２    膜電極接合体（ＭＥＡ）
３    セパレータ
４    集電板
５    エンドプレート
６    スペーサ
７    締結板
８    補強板
９    ボルト
２０  単位セル
３０  セル部
４０  リブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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