(57)【要約】【課題】低コスト化を図り、体格や質量が小さくなるように構成しつつ、単セル相互のガス漏れを惹起するほどの位置ずれを抑制可能な燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単セル２０を積層させた積層体２と、複数の単セル２０が積層される第１方向に対して垂直な第２方向への複数の単セル２０相互の位置ずれを抑制する外部拘束部材と、を備える。外部拘束部材は、第１方向に沿った積層体２の少なくとも２つの角部全体に渡って設けられる角拘束部材３０３，３０４と、積層体２に対して外部から第２方向に沿った衝撃力が加えられた際に、角拘束部材３０３，３０４を回転軸として積層体２が回転し得る方向に交わって位置する積層体２の一側面に対向して設けられる回転抑止部材３０５と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
複数の単セルを積層させた積層体と、
前記複数の単セルが積層される第１方向に対して垂直な第２方向への前記複数の単セル相互の位置ずれを抑制する外部拘束部材と、を備え、
前記外部拘束部材は、
前記第１方向に沿った前記積層体の少なくとも２つの角部全体に渡って設けられる角拘束部材と、
前記積層体に対して外部から前記第２方向に沿った衝撃力が加えられた際に、前記角拘束部材を回転軸として前記積層体が回転し得る方向に交わって位置する前記積層体の一側面に対向して設けられる回転抑止部材と、を有する燃料電池スタック。
【請求項２】
前記回転抑止部材の剛性は、前記角拘束部材の剛性よりも低くなるように形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記回転抑止部材は、前記積層体が回転して接触すると前記複数の単セル間にガス漏れが生じない程度のずれを許容するように変形する、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記角拘束部材は、前記積層体の前記第１方向に沿った第１側面の両端に沿って設けられ、
前記回転抑止部材は、前記積層体の前記第１側面に対向する第２側面に沿って設けられる、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記回転抑止部材は、前記第２側面の前記第１方向に沿った中心線に対して均等に対向するように一又は二以上設けられてなる、請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記回転抑止部材は、前記中心線に略沿って一つのみ設けられている、請求項５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、複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックでは、一般に、単セル間、および、単セル内における接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内を流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止したりするために、単セルの積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。
【０００３】
そして、このような燃料電池スタックにおいて、単セルの積層方向に対して垂直方向から衝撃力が加わり、この衝撃力によって、単セルが積層方向に対して垂直方向に位置ずれした場合には、ガスが漏れるほどにずれてしまう恐れがある。具体的に、ガスが漏れるほどの単セル相互のずれとは、ガスケットによじれ、破損、脱落などが起こるずれの場合や、隣接する単セルの一方の単セルのマニホールドシールを超えた位置まで他方の単セルのマニホールドが移動するほどのずれの場合が考えられる。そこで、従来、燃料電池スタックに関して、単セルの積層方向に対して垂直方向への位置ずれを抑制する、つまり、複数の単セルを外部拘束するための種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１では、積層体を構成する複数の単セルの積層方向に対して垂直方向への単セルの位置ずれを抑制するための外部拘束部材を設ける技術が開示されている。具体的には、積層体の積層方向に対して平行な面に、積層方向全体に亘って当接させた状態で、積層体に複数の外部拘束部材を設けるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７０６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術では、複数の外部拘束部材が、積層体の積層方向に平行な４つの面それぞれに、積層方向全体に亘って当接させた状態で積層体に対して位置決めされ、固定されている。各外部拘束部材は、それらが対向する積層体の面のずれを抑制する役割を果たしているので、複数の単セルの積層方向に対して垂直方向から衝撃力が加わったときであっても、単セルの積層方向に対して垂直方向への位置ずれを抑制することができる。
【０００７】
しかしながら、積層体の積層方向に平行な４つの面それぞれに外部拘束部材を当接若しくはやや隙間をおいて対向させることで、複数の単セル相互の位置ずれを抑制しようとすれば、４つの面それぞれに対応する少なくとも４つの外部拘束部材が必要となる。そしてこの４つの外部拘束部材は積層体にかかる衝撃力を受け止めると共に単セルのずれ抑制の役割も果たしていることから、積層体に衝撃力が加わった場合にその衝撃力がそのまま４つの外部拘束部材の内いずれかに伝達されることになり、積層方向に対して垂直な方向全てのずれを抑制するためには、４つの外部拘束部材全てが少なくとも外部から加えられた衝撃力に耐えうるほどの強度を持つ必要がある。このように外部からの衝撃力に耐えうるほどの強度を持つ外部拘束部材は、その断面積を増やす必要があることから、断面外形が大きくなり、質量の増大やスタック全体の体格増大、コスト上昇を招くことになる。また、断面外形をそのままに保つため、外部拘束部材の剛性を上げることも考えられるが、材料変更が必要となりコスト上昇を招くことになる。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト化を図り、体格や質量が小さくなるように構成しつつ、単セル相互のガス漏れを惹起するほどの位置ずれを抑制可能な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】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、複数の単セルを積層させた積層体と、複数の単セルが積層される第１方向に対して垂直な第２方向への複数の単セル相互の位置ずれを抑制する外部拘束部材と、を備える。外部拘束部材は、第１方向に沿った積層体の少なくとも２つの角部全体に渡って設けられる角拘束部材と、積層体に対して外部から第２方向に沿った衝撃力が加えられた際に、角拘束部材を回転軸として積層体が回転し得る方向に交わって位置する積層体の一側面に対向して設けられる回転抑止部材と、を有する。
【００１０】
本発明によれば、角拘束部材を第１方向に沿った２つの角部全体に渡って設けているので、角拘束部材が配置されている角部を外部から衝撃力が加わる方向に配置することになり、外部から衝撃力が加わった場合に角拘束部材を回転軸として積層体が回転する。そこで本発明では、角拘束部材を回転軸として積層体が回転し得る方向に交わって位置する積層体の一側面に対向するように回転抑止部材を配置することで、少なくとも２つの角拘束部材及び少なくとも一つの回転抑止部材によって、複数の単セル相互の位置ずれによるガス漏れ、換言すればガス漏れするほどの位置ずれを抑制することができる。従って、外部から加わる衝撃力に耐えうる強度を持つ角拘束部材を、積層体が動く可能性のある全ての方向を拘束するように配置する必要がなく、その本数を低減することができる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記回転抑止部材の剛性は、前記角拘束部材の剛性よりも低くなるように形成されていることも好ましい。
【００１２】
上述したように回転抑止部材は、角拘束部材を回転軸として積層体が回転するのを抑制するための部材であり、積層体からガス漏れが生じない範囲では積層体の回転を許容するように変形することができる部材である。そこでこの好ましい態様では、回転抑止部材の剛性を角拘束部材の剛性よりも低くすることで、角拘束部材の質量を減じたり断面積を減じたりすることができる。
【００１３】
また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記回転抑止部材は、前記積層体が回転して接触すると前記複数の単セル間にガス漏れが生じない程度のずれを許容するように変形することも好ましい。
【００１４】
回転抑止部材が積層体の回転による接触によって変形することを許容し、その許容の程度を積層体の単セル間にガス漏れが生じない程度とすることで、回転抑止部材の質量減や断面積減を実現しつつ、ガス漏れ防止も実現することができる。
【００１５】
また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記角拘束部材は、前記積層体の前記第１方向に沿った第１側面の両端に沿って設けられ、前記回転抑止部材は、前記積層体の前記第１側面に対向する第２側面に沿って設けられることも好ましい。
【００１６】
この好ましい態様では、角拘束部材が第１側面の両端に沿って設けられているので、外部からの衝撃力が加わると、角拘束部材が配置されている第１側面のいずれかの辺を回転軸として積層体が回転する。そこで、第１側面に対向する第２側面に沿って回転抑止部材を設けることで、積層体の回転を確実に抑止することができる。
【００１７】
また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記回転抑止部材は、前記第２側面の前記第１方向に沿った中心線に対して均等に対向するように一又は二以上設けられてなることも好ましい。
【００１８】
この好ましい態様では、回転抑止部材を第２側面の中心線に対して均等に対向するように設けているので、いずれの角拘束部材を中心として積層体が回転したとしても、確実に積層体の回転を抑止することができる。
【００１９】
また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記回転抑止部材は、前記中心線に略沿って一つのみ設けられていることも好ましい。
【００２０】
この好ましい態様では、回転抑止部材を中心線に略沿って設けることで、回転抑止部材を一つのみ設けても、第２側面の中心線に対して均等に対向するように配置することができ、いずれの角拘束部材を中心として積層体が回転したとしても、確実に積層体の回転を抑止することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低コスト化を図り、体格や質量が小さくなるように構成しつつ、単セル相互のガス漏れを惹起するほどの位置ずれを抑制可能な燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池スタックの断面を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。
【図３】図１及び図２のＡ部を拡大して示す図である。
【図４】図１において積層体を保持する状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態である燃料電池スタック１０の概略構成を示す断面図である。図１は、全体として略直方体形状を成す燃料電池スタック１０の略中央近傍において、平板状を成す単セル２０に沿った断面を示すものである。燃料電池スタック１０は、複数の単セル２０と、ケース３と、電圧監視ユニット４０と、を備えている。尚、図１において、紙面に沿った平面において互いに直交するｘ軸及びｙ軸を定義し、紙面に直交する方向に沿ったｚ軸を定義する。以下の説明において、このｘ軸（ｘ軸方向、第２方向）、ｙ軸（ｙ軸方向）、ｚ軸（ｚ軸方向、第１方向）を適宜用いる。
【００２５】
単セル２０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。本実施形態では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質としては、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック１０における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。複数の単セル２０は、ｚ軸方向に沿って積層され、積層体２を構成している。従って、ｚ軸方向は、複数の単セル２０の積層方向（第１方向）でもある。
【００２６】
ケース３は、凹状部分３０と、プレート３１とを備える。ケース３は、凹状部分３０の開口部分をプレート３１で塞ぐことで構成されている。ケース３は、複数の単セル２０を積層した積層体２と、電圧監視ユニット４０と、その他補機（図に明示せず）を収容するための容器である。ケース３は、略長方形断面を成す単セル２０の一方の長辺に沿った第１面３０１（凹状部分３０の底面が形成する面）と、第１面３０１に対向する第２面３０２（プレート３１が形成する面）を有する。
【００２７】
第１面３０１のｚ軸方向に沿った一辺には、角拘束部材３０３が形成され、第１面３０１のｚ軸方向に沿った他辺には、角拘束部材３０４が形成されている。角拘束部材３０３は、略三角断面を成す棒状部分として凹状部分３０と一体的に形成されている。角拘束部材３０４は、略四角断面を成す棒状部分として凹状部分３０と一体的に形成されている。角拘束部材３０３及び角拘束部材３０４は、外部からの衝撃力に耐えうるような剛性で構成されている。外部からの衝撃に耐えうるような剛性とは、単セル２０の積層方向に対して垂直方向から衝撃力が加わった際、積層体２のケース３内での移動や単セル２０の位置ずれによって角拘束部材３０３に積層体２が直接衝突したとしても、変形しないような剛性である。ここでいう直接衝突とは、衝撃力が加わった際に、積層体２が一番初めにその部材（本段落の記載の場合は、角拘束部材３０３）に衝突することである。
【００２８】
本実施形態では、回転抑止部材３０５は、積層体２の積層方向両端側から複数の単セル２０を押圧するためのケース３の対向する壁を繋ぐテンションシャフトとして構成されている。このテンションシャフトである回転抑止部材３０５は、直接に衝撃力が加われば曲がってしまうけれども、ケース３の対向する壁を繋ぐ機能は果たすことが可能な程度の強度を備えている。具体的には、回転抑止部材３０５の剛性は、単セル２０の積層方向に対して垂直方向から衝撃力が加わった際、積層体２のケース３内での移動や単セル２０の位置ずれによって回転抑止部材３０５に積層体２が直接衝突した場合には、変形する程度の剛性である。回転抑止部材３０５の役割を鑑みれば、回転抑止部材３０５の剛性を、積層体２が直接衝突したときにまで変形しない程度に高める必要はない。ただし、積層体２が角拘束部材３０３に直接衝突した後に二番目に衝突した場合には、回転抑止部材３０５は変形しない程度の剛性を有する必要がある。
【００２９】
図４に、積層体２がケース３によって保持されている状態を説明するための図を示す。図４に示されているように、積層体２は、ケース３の一対の壁３ａと壁３ｂとによって押圧されて保持されている。壁３ａと壁３ｂとは、テンションシャフトである回転抑止部材３０５によって繋がれている。積層体２は、壁３ａと壁３ｂとによって押圧されて保持されているので、壁３ａ及び壁３ｂ以外とは接触せず浮いている状態となっている。このように、積層体２が壁３ａ及び壁３ｂのみと接触して浮いている状態であっても、押圧保持されているので、通常使用における単セル２０相互のずれは抑制でき、ガス漏れの恐れもない。
【００３０】
図１に戻って説明を続ける。本実施形態の燃料電池スタック１０は、図１に示すように、図に向かって左側が車両前方方向、図に向かって右側が車両後方方向となるように車載されるものである。燃料電池スタック１０を搭載した車両が前突した場合、その衝撃力は右側から左側に伝達され、燃料電池スタック１０の積層体２は、角拘束部材３０３に衝突し、角拘束部材３０３を中心に時計回りのＰ方向に回転し、回転抑止部材３０５に衝突する。より具体的には、車両が前突した場合、図１に示す積層体２の左上角部は、角拘束部材３０３に衝突する。この衝突の後、なおも衝撃力によって積層体２は図１の左側に移動しようとするが、左上角部は角拘束部材３０３によって移動を規制されるため、図１の左下のみに移動しようとし、時計回りのＰ方向に回転しようとする回転力が働く。一方、燃料電池スタック１０を搭載した車両が後突した場合、その衝撃力は左側から右側に伝達され、燃料電池スタック１０の積層体２は、角拘束部材３０４に衝突し、角拘束部材３０４を中心に反時計回り（Ｐ方向とは逆方向）に回転し、回転抑止部材３０５に衝突する。以下の説明では、前突して積層体２がＰ方向に回転する場合を例にして説明する。
【００３１】
角拘束部材３０３及び角拘束部材３０４は、第１面３０１の対向する辺にそれぞれ沿うように設けられている。従って、一側面である側面２０２は、角拘束部材３０３及び角拘束部材３０４が設けられている第１面３０１とは異なる第２面３０２に対向する面である。
【００３２】
衝撃力が外部から加わった際に、角拘束部材３０３，３０４及び回転抑止部材３０５が複数の単セル２０を拘束する機能は、積層体２の撓みを抑制し、単セル２０相互からのガスのリークを防止するためのものである。具体的には、外部から衝撃力が加わって、浮いている状態の積層体２が移動し、角拘束部材３０３又は角拘束部材３０４に当接する。その当接によって、積層体２は、角拘束部材３０３又は角拘束部材３０４を回転軸として回転し、回転抑止部材３０５に衝突する。図４を参照しながら説明したように、積層体２は、壁３ａと壁３ｂとから押圧力を受けて保持されているので、壁３ａ及び壁３ｂに当接している両端は回転しにくく、壁３ａ及び壁３ｂから離れた中央付近は回転しやすい。従って、図４に示す積層体２の中央近傍（壁３ａと壁３ｂとの間の略中間近傍）では、単セル２０が大きく動き、積層体２の端部近傍（壁３ａ又は壁３ｂに当接している単セル２０は小さく動く。積層体２全体で見た場合には、壁３ａ及び壁３ｂに両端を保持され、中央近傍が大きく変位し、撓んだ状態となる。この撓んだ状態に何らの規制もしなければ、積層体２を構成する単セル２０同士のずれが、ガス漏れを惹起するほどのものになるところ、本実施形態では、回転抑止部材３０５で規制をすることでガス漏れを惹起するほどの単セル２０相互のずれを抑止している。
【００３３】
尚、本実施形態では、回転抑止部材３０５が、側面２０２の中心線（図１のｚ方向に延びる線であって、側面２０２の中央を通る線）に沿って設けられ、側面２０２の中心線に対して均等に側面２０２と対向するように設けられている。尚、図２に示すように、回転抑止部材３０５を二つ設けた燃料電池スタック１０ａも好適な変形例である。図２に示す変形例では、一対の回転抑止部材３０５が、側面２０２の中心線（図１のｚ方向に延びる線であって、側面２０２の中央を通る線）に沿って設けられ、側面２０２の中心線に対して均等に側面２０２と対向するように設けられている。
【００３４】
複数の単セル２０それぞれには、緩衝用のゴム部材２０３，２０４，２０５，２０６，２０７が設けられている。ゴム部材２０３は、角拘束部材３０３に対向する角に設けられており、ゴム部材２０４は、角拘束部材３０４に対向する角に設けられている。ゴム部材２０５は、回転抑止部材３０５に対向する位置に設けられている。ゴム部材２０６及びゴム部材２０７は、ゴム部材２０３及びゴム部材２０４が設けられていない角部近傍に設けられている。
【００３５】
図３に、図１及び図２のＡ部分の拡大図を示す。図３に示すように、側面２０１のゴム部材２０３側近傍端には、衝撃吸収用の穴２０１ａが形成されている。このように穴２０１ａを形成することで、大きな衝撃力が外部から加わった場合であっても、折れ曲がりライン２０１ｂ，２０１ｃに沿って単セル２０が変形するので、シールライン２０８に影響が出ないように曲がりを制御することができる。このような衝撃吸収用の穴２０１ａは、角拘束部材３０３，３０４及び回転抑止部材３０５に対向する単セル２０の部位に形成することが好ましい。特に、角拘束部材３０３，３０４に対向する部分の単セル２０は、角拘束部材３０３，３０４と強く干渉するので、このような衝撃吸収用の穴２０１ａを設けることが好ましいものである。
【００３６】
上述したように本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の単セル２０を積層させた積層体２と、複数の単セル２０が積層される第１方向（ｚ軸方向）に対して垂直な第２方向（ｙ軸方向）への複数の単セル２０相互の位置ずれを抑制する外部拘束部材と、を備える。外部拘束部材は、第１方向に沿った積層体２の少なくとも２つの角部全体に渡って設けられる角拘束部材３０３，３０４と、積層体２に対して外部から第２方向（ｙ軸方向）に沿った衝撃力が加えられた際に、角拘束部材３０３，３０４を回転軸として積層体２が回転し得る方向に交わって位置する積層体２の一側面である側面２０２に対向して設けられる回転抑止部材３０５と、を有する。
【００３７】
本実施形態によれば、角拘束部材３０３，３０４を第１方向（ｚ軸方向）に沿った積層体１の２つの角部全体に渡って積層体１と対向するように設けているので、角拘束部材３０３，３０４が配置されている角部を外部から衝撃力が加わる方向に配置することができ、外部から衝撃力が加わった場合に角拘束部材３０３，３０４を回転軸として積層体２が回転しようとする。そこで本実施形態では、角拘束部材３０３，３０４を回転軸として積層体２が回転し得る方向に交わって位置する積層体２の一側面である側面２０２に対向するように回転抑止部材３０５を配置し、少なくとも２つの角拘束部材３０３，３０４及び一つの回転抑止部材３０５によって複数の単セル２０相互の位置ずれを抑制することができる。また、回転抑止部材３０５は、角拘束部材３０３，３０４がある程度衝撃力を受け止めた後の回転力のみに抵抗するように形成すればよいので、角拘束部材３０３，３０４よりも剛性の低いものとすることができる。
【００３８】
本実施形態では、角拘束部材３０３，３０４は、ケース３と一体化された剛性の高い梁部分として構成されている。角拘束部材３０３，３０４は、図１に示すように単セル２０の長手辺の一方の両端に対応する位置に配置されている。このように配置することで、燃料電池スタック１０を搭載した車両が衝突し、非常に大きな衝撃力が発生した場合であっても、積層体２が移動して角拘束部材３０３，３０４に衝突し、しかるのちに積層体２が回転して（積層体２の一部が撓んで）回転抑止部材３０５に当接して拘束されることで、セル間ずれによるガスのリークを防止することができる。
【００３９】
本実施形態では、角拘束部材３０３，３０４と単セル２０との接触が平面接触となるように、それぞれの対向する部分の形状が定められている。このように形状を工夫することで、積層体２が撓んで角拘束部材３０３，３０４及び回転抑止部材３０５に当接して拘束された場合の積層体２への悪影響を最小限のものとすることができる。
【００４０】
本実施形態では、回転抑止部材３０５は円形断面を成すように構成されている。このように円形断面とすることで、角当たりを防ぐことができる。また、複数の単セル２０それぞれには、緩衝用のゴム部材２０３，２０４，２０５，２０６，２０７を設けることで、単セル２０の変形を防ぐことができる。
【００４１】
また、本実施形態では、角部に角拘束部材３０３，３０４を設けているので、単セル２０の発電面を大きくとることができる。従来の技術では、側面に斜めに切り欠いた部位を設け、その部位に一本ずつ計二本の部材を配置しているため、その部位を形成する分だけ発電面が小さくなってしまう。また、角部にそれで全ての衝撃を受ける二本の部材を配置したとしても、その部材の強度を大きくしなければならず、燃料電池スタック全体の体格、コスト、重量を増大させる原因となる。一方、本実施形態のように、角部に角拘束部材３０３，３０４を設けることで、単セル２０の発電面を大きくとることができると共に、体格、コスト、重量の増大原因を排除することができる。
【符号の説明】
【００４２】
２：積層体
３：ケース
１０：燃料電池スタック
２０：単セル
３０：凹状部分
３１：プレート
４０：電圧監視ユニット
２０１：側面
２０１ａ：穴
２０１ｂ，２０１ｃ：折れ曲がりライン
２０２：側面
２０３，２０４，２０５，２０６，２０７：ゴム部材
２０８：シールライン
３０１：第１面
３０２：第２面
３０３，３０４：角拘束部材
３０５：回転抑止部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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