(57)【要約】【課題】  燃料電池をケース内に格納した場合の耐震特性を向上させる。【解決手段】  セパレータ６７の外周部に、その全周にわたり弾性部材８７を設ける。弾性部材８７は、セパレータ６７の面上に設定するシール部材６９と一体成形し、燃料電池スタックをケースに格納する際に、弾性部材８７の外周面をケース内壁に接触させた状態とする。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に電極を備えた電解質膜を一対のセパレータで狭持して構成した燃料電池をケース内に格納する燃料電池装置において、前記燃料電池の外周部に弾性部材を設け、この弾性部材を前記ケース内壁に接触させることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記弾性部材を、前記セパレータの外周部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記セパレータの少なくとも一方の面にシール部材を形成し、前記弾性部材は、前記シール部材と同材質であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記セパレータの少なくとも一方の面にシール部材を形成し、前記弾性部材は、前記シール部材と一体成形されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、前記セパレータの外周部全周にわたり設けたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記セパレータを多角形状とし、この多角形状としたセパレータの各一辺部における一部に前記弾性部材を設けたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に燃料電池装置。
【請求項７】
前記セパレータを矩形状とし、この矩形状とした前記セパレータの互いに対向する二辺部に前記弾性部材を設けたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記弾性部材は、前記セパレータの互いに対向する二辺部それぞれの少なくとも２箇所に設けたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃料電池を前記ケース内に複数格納し、互いに隣接する前記燃料電池の弾性部材同士を接触させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両面に電極を備えた電解質膜を一対のセパレータで狭持して構成した燃料電池をケース内に格納する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の耐振構造として、単位電池を複数積層した電池積層体と、この電池積層体の積層方向に沿う側面を覆うプレートとの間に、低摩擦特性と絶縁特性と緩衝特性とを有する弾性部材を形成するものが、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２０３６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、通常燃料電池はケースに収納して使用するが、その際燃料電池は、ケースの内壁面に非接触状態としている。
【０００４】
ここで、例えば車両などの移動体に燃料電池を搭載する場合、ケースとケース内部の燃料電池は、走行時における振動を受けたときに、ねじれ、曲げ、剛体揺れなどの固有モードで励振し、ケースや燃料電池、またはケースに対する燃料電池支持部に強い応力が掛かり、セパレータなどの燃料電池構成部品や燃料電池支持部の破損を招き、燃料電池の性能や信頼性が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池をケース内に格納した場合の耐震特性を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、両面に電極を備えた電解質膜を一対のセパレータで狭持して構成した燃料電池をケース内に格納する燃料電池装置において、前記燃料電池の外周部に弾性部材を設け、この弾性部材を前記ケース内壁に接触させることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の外周部に設けた弾性部材をケース内壁に接触させた状態で、燃料電池をケース内に格納したので、ケースに対し外部から振動が付与されたとしても、この振動は弾性部材が吸収し、ケースや燃料電池を構成する部品の破損を防止し、燃料電池の性能や信頼性の低下を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
まず、本発明の全実施形態にわたって共通するか、または類似する部分の基本となる構成および作用を、図１〜図３を用いて説明する。本発明に係わる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池とする。）であり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１０】
図１は燃料電池スタックの全体を示す斜視図である。この燃料電池スタックは、１Ｖ程度の起電圧を生じる単位電池１を、複数積層して電池積層体３を形成する。電池積層体３を構成する複数の単位電池１は、それぞれが燃料電池として機能し、矩形状の薄板に形成している。そして、この燃料電池スタックは、四隅に配置して内部を貫通するテンションロッド５を用いて締結する。テンションロッド５は、電池積層体３に面圧を作用させるとともに、その面圧を保持するもので、金属性の部材からなる。
【００１１】
なお、ここでテンションロッド５の本数は４本（四隅）とは限らず、所望の締結力が確保できる仕様であるならばその限りではない。
【００１２】
図２は単位電池１の構造を示す分解斜視図である。単位電池１は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜７と、電解質膜７の一方の面に配置した触媒層およびガス拡散層からなるアノード側電極９（燃料極）と、電解質膜７の他方の面に配置した触媒層およびガス拡散層からなるカソード側電極１１（空気極）とで、膜−電極アッセンブリ（MEA）１３を構成している。
【００１３】
ＭＥＡ１３の両側には、アノード側電極９に燃料ガス（水素）を、カソード側電極１１に酸化ガス（酸素、通常は空気）をそれぞれ供給するための流体通路を形成するセパレータ１５および１７を、シール部材１９および２１を介してそれぞれ配置する。
【００１４】
電解質膜７は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成したプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００１５】
セパレータ１５，１７は、ガス不透過のカーボン、またはカーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形する。
【００１６】
上記したセパレータ１５のアノード側電極９側には図示しない燃料ガス流路を、セパレータ１７のカソード側電極１１側には酸化剤ガス流路２５を、それぞれ形成してあり、また、必要に応じて冷却媒体流路２７を形成する。燃料ガス流路、酸化剤ガス流路２５あるいは冷却媒体流路２７は、前記したテンションロッド５の締結により発生する圧力により、単位電池１が積層方向に所定の面圧を受けた状態で、シール部材１９，２１によりシールされる。
【００１７】
シール部材１９，２１は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料によって形成する。
【００１８】
上記した燃料電池スタックは、複数の単位電池１からなる電池積層体３の積層方向両端に、図１に示すように集電板２９，３１、絶縁板３３，３５、エンドプレート３７，３９をそれぞれ配置する。
【００１９】
また、図１では省略してあるが、図３に示すように、燃料電池スタックの積層方向一端側のエンドプレート３９と、エンドプレート３９の積層方向内側に設けた絶縁板３５との間に、内側エンドプレート４７を配置し、エンドプレート３９と内側エンドプレート４７との間に、例えば皿ばねなどからなる変動吸収部材４９を設置して、スタックに作用する面圧の変動を吸収する。
【００２０】
また、燃料電池スタックの他方の端部のエンドプレート３７には、図１に示すように、燃料ガス入口５１および同出口５３、酸化剤ガス入口５５および同出口５７、冷却水入口５９および同出口６１を、それぞれ備えている。
【００２１】
上記した燃料電池スタックは、例えば車両などの移動体に設置する図４に示すような箱状のケース６３に、燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃとして、複数格納する。このケース６３は、例えばアッパカバーとロアカバーとで構成して、これら各カバー相互を嵌合させて内部を密閉する。なお、ケース６３に格納する燃料電池スタックは、３つに限らず、４つ以上でも２つ以下でも構わない。
【００２２】
各燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃは、図４のＡ−Ａ断面図である図５にも示すように、単位電池１の積層方向の一方の端部を、ケース６３の内壁に固定したブロック６６に、連結ロッド６８を介して連結する。連結ロッド６８は、エンドプレート３７，３９のうちの一方の例えばエンドプレート３７に一端を固定し、他端をブロック６６に形成した摺動孔６６ａに対して摺動可能に挿入する。
【００２３】
ここで、ケース６３に格納する燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃは、前記図２に示したセパレータ１５，１７に代えて、図６に平面図として示すようなセパレータ６７とする。このセパレータ６７には、前記図２に示したシール部材１９，２１に相当するシール部材６９を一体成形などにより取り付けてある。
【００２４】
すなわち、このシール部材６９は、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路からなる反応ガス流路７１の周囲と、前記図１に示した燃料ガス入口５１および同出口５３、酸化剤ガス入口５５および同出口５７、冷却水入口５９および同出口６１にそれぞれ対応する各マニホールド孔７３および７５、７７および７９、８１および８３の周囲とを囲むように設置する。
【００２５】
また、このセパレータ６７の四隅には、前記図１に示したテンションロッド５を挿入するロッド挿入孔８５を形成してある。
【００２６】
そして、上記したセパレータ６７の外周部には、その全周にわたり、シール部材６９と同材質の弾性部材８７を、シール部材６９と一体成形して設置する。
【００２７】
なお、この弾性部材８７は、セパレータ６７の図６中で裏面側に設置するシール部材、すなわち単位電池１相互間に設定するシール部材に対しても一体成形可能である。
【００２８】
上記図６に示したようなセパレータ６７を使用して単位電池１を構成し、この単位電池１を図１に示すように多数積層して電池積層体３を構成すると、図４に示すように、図１に示す電池積層体３の周囲を弾性部材８７で覆う状態となる。このとき、各単位電池１におけるセパレータ６７それぞれの弾性部材８７は、図４のように積層方向に隙間なく密着させて一体化させるようにしてもよく、また弾性部材８７相互間に隙間が形成されるようにしてもよい。
【００２９】
そして、このとき、積層方向両端に位置する燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｃの各弾性部材８７は、中央の燃料電池スタック６５Ｂに対向する面を除く周囲三方の外周面がケース６３の内壁６３ａに接触し、中央の燃料電池スタック６５Ｂは、両側の燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｃに対向する面を除く図４中で紙面に直交する方向の２面が、ケース６３の内壁６３ａに接触する。
【００３０】
また、互いに隣接する燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂの各弾性部材８７同士および、互いに隣接する燃料電池スタック６５Ｂ，６５Ｃの各弾性部材８７同士は、それぞれ接触部１０および２０にて互いに接触する。
【００３１】
つまり、弾性部材８７は、周囲四方の面が、ケース６３の内壁か、隣接する燃料電池スタックの弾性部材８７のいずれかに接触することになる。これにより燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃは、ケース６３内で固定された状態となる。
【００３２】
上記した本発明の第１の実施形態によれば、車両走行時などに、燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃを格納したケース６３に対し外部から振動が付与されたとしても、この振動はセパレータ６７の外周部に設けた弾性部材８７が吸収し、ケース６３や燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃに対するねじれや曲げ変形量を緩和することができる。これにより、ケース６３や燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃを構成する各種部品の破損を防止し、燃料電池の性能や信頼性の低下を回避することができる。
【００３３】
また、ケース６３に対するブロック６６や連結ロッド６８を備えた燃料電池支持部への荷重負荷も低減し、燃料電池支持部のガタつき防止も達成できる。
【００３４】
さらに、ケース６３については、その外周面の膜振動が低減し、剛性向上が期待できる。
【００３５】
また、弾性部材８７を絶縁性材料で構成し、かつ、各弾性部材８７を電池積層体３の積層方向に互いに密着させる場合には、燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃの外周面を覆う絶縁カバー（シート）が不要となり、部品点数の削減に寄与することができ、燃料電池として軽量化を達成できる。
【００３６】
上記した弾性部材８７は、シール部材６９と同材質であるので、シール部材６９と同時にセパレータ６７に対して一体成形することができ、弾性部材８７を成形するための工程を新たに追加する必要がなく、現工程のままの作業工程で行える。
【００３７】
また、従来のシール部材の成形時には、シール部材６９の原料を型に流し込むための注入口をセパレータ６７の面上におけるシール部材６９が形成される位置付近に設ける必要があったが、外周部の弾性部材８７と同時に成形することで、注入口はセパレータ６７の外周部に設けることができ、セパレータ面を有効活用でき、発電効率に影響するアクティブエリアを拡大することが可能となる。
【００３８】
図７は、前記図６に示した第１の実施形態の変形例によるセパレータ６７の平面図である。これは、シール部材６９と一体の弾性部材８９の外周面の形状を、周方向に沿って波形の凹凸形状としている。すなわち、波形とすることで、弾性部材８９の外周面の一部が、ケース６３の内壁や、隣接する燃料電池スタックの弾性部材８９に接触する。
【００３９】
また、弾性部材８９の外周面の形状は、上記のほかに、周方向に沿って角形の凹凸状とするなど各種考えられる。
【００４０】
図８は、本発明の第２の実施形態に係わるセパレータ６７の平面図である。この実施形態は、矩形状としたセパレータ６７の各一辺部における中央部に、矩形状の弾性部材９１を、セパレータ６７の外周縁部から突出するように、シール部材６９と一体成形している。この弾性部材９１は、セパレータ６７の面上に位置する内側部位９１ａと、セパレータ６７の外周部を覆う位置にある外側部位９１ｂとで、断面ほぼＬ字形状を呈している。
【００４１】
この実施形態の場合は、第１の実施形態と同様の効果を有するほか、第１の実施形態に比べ、弾性部材９１として使用する材料が少なくて済み、材料コストが低減するとともに軽量化を達成できる。また、燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃをケース６３に組付ける際、ケース６３の内壁６３ａとの接触抵抗が少ないため、組付け作業性が向上する。
【００４２】
図９は、本発明の第３の実施形態に係わるセパレータ６７の平面図である。この実施形態は、セパレータ６７における図９中で上下の外周部に、それぞれ２つずつの弾性部材９３を、シール部材６９と一体成形している。この弾性部材９３も、前記図８の弾性部材９１と同様に、セパレータ６７の面上に位置する内側部位９３ａと、セパレータ６７の外周部を覆う位置にある外側部位９３ｂとで、断面ほぼＬ字形状を呈している。
【００４３】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係わるセパレータ６７の平面図である。この実施形態は、セパレータ６７における図１０中で左右の外周部に、それぞれ２つずつの弾性部材９５を、シール部材６９と一体成形している。この弾性部材９５も、前記図８の弾性部材９１と同様に、セパレータ６７の面上に位置する内側部位９５ａと、セパレータ６７の外周部を覆う位置にある外側部位９５ｂとで、断面ほぼＬ字形状を呈している。
【００４４】
なお、上記図８〜図１０に示した弾性部材９１，９３，９５は、各図中の平面視で矩形状のほか、半円形、台形，楕円形など、各種の形状が考えられる。
【００４５】
図１１は、前記図８に示した第２の実施形態の変形例で、前記図４のＢ−Ｂ断面図に相当する断面図である。これは、図８と同様に矩形状としたセパレータ６７の各一辺部における中央部に、矩形状の弾性部材９７，９９を設け、そのうち互いに隣接する燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ相互間および、燃料電池スタック６５Ｂ，６５Ｃ相互間に位置する弾性部材９９の互いに対向する面を、曲線状の凹凸形状として、互いに嵌合させている。
【００４６】
これにより、燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃのケース６３への組付け性が向上するとともに、互いに隣接する燃料電池スタック相互のずれを防止することができる。
【００４７】
図１２は、前記図９に示した第３の実施形態の変形例で、前記図４のＢ−Ｂ断面図に相当する断面図である。これは、図９と同様に各燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃの図１２中で上下両側のセパレータ外周部に、それぞれ２つずつの弾性部材１０１を設けている。ただし、この場合には、各弾性部材１０１の外側端部をセパレータ６７より外側に突出させ、この突出部１０１ａを、ケース６３の内壁６３ａや、隣接する燃料電池セパレータにおける弾性部材１０１の突出部１０１ａに接触させる。
【００４８】
なお、上記した各実施形態における弾性部材８７，８９，９１，９３，９５，９７，９９，１０１は、シール部材６９と別材料で構成してもよく、その場合の弾性部材は、セパレータ６７の外周部に接着などにより固定するか、あるいは、シール部材６９の成形と別工程でセパレータ６７に一体成形する。
【００４９】
なお、上記した各実施形態では、各燃料電池スタック６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃの内部をテンションロッド５が貫通するものとしたが、電池積層体３の積層方向に沿う側面をテンションプレートにより覆うものについても、本発明の弾性部材８７，８９を適用できる。
【００５０】
また、セパレータ６７ついては、材質が金属でもよく、また形状も矩形状に限らず、円形や三角形あるいは五角形などの多角形状でもよく、その外周部が外側に露出しているものであればどのような形状でも構わない。ただし、その形状に合わせてケースの形状も合わせる必要がある。
【００５１】
本発明によれば、前記弾性部材を、前記セパレータの外周部に設けたので、ケースに対し外部から振動が付与されたとしても、この振動は弾性部材が吸収し、ケースや燃料電池を構成する部品の破損を防止し、燃料電池の性能や信頼性の低下を回避することができる。
【００５２】
前記セパレータの少なくとも一方の面にシール部材を形成し、前記弾性部材は、前記シール部材と同材質であるので、弾性部材をセパレータに対しシール部材と同時に一体成形でき、弾性部材を成形するための工程を新たに追加する必要がなく、現工程のままの作業工程で行える。
【００５３】
また、従来のシール部材の成形時には、シール部材の原料を型に流し込むための注入口をセパレータの面上におけるシール部材が形成される位置付近に設ける必要があったが、外周部の弾性部材と同時に成形することで、注入口はセパレータの外周部に設けることができ、この結果セパレータ面を有効活用でき、発電効率に影響するアクティブエリアを拡大することが可能となる。
【００５４】
前記セパレータの少なくとも一方の面にシール部材を形成し、前記弾性部材は、前記シール部材と一体成形されているので、弾性部材を成形するための工程を新たに追加する必要がなく、現工程のままの作業工程で行える。
【００５５】
前記弾性部材は、前記セパレータの外周部全周にわたり設けたので、ケースや燃料電池に入力される振動エネルギの吸収性を効率よく高めることができ、ケースや燃料電池のねじれや曲げ変形量を緩和することができる。
【００５６】
前記セパレータを多角形状とし、この多角形状としたセパレータの各一辺部における一部に前記弾性部材を設けたり、あるいは前記セパレータを矩形状とし、この矩形状とした前記セパレータの互いに対向する二辺部に前記弾性部材を設けることで、セパレータの外周部全周に弾性部材を設けるものに比較して、材料コストの低減および軽量化が達成できる。また、燃料電池をケースに組付ける際に、ケース内壁との接触抵抗が少ないため、組付け作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおける単位電池の分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックの正面断面図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックをケースに格納した状態を示す断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図４の燃料電池スタックに使用するセパレータの平面図である。
【図７】図６の変形例を示すセパレータの平面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係わるセパレータの平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係わるセパレータの平面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係わるセパレータの平面図である。
【図１１】図８の変形例を示す、図４のＢ−Ｂ断面図に相当する断面図である。
【図１２】図８の他の変形例を示す、図４のＢ−Ｂ断面図に相当する断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
６７  セパレータ
６９  シール部材
６３  ケース
６３ａ  ケース内壁
８７，８９，９１，９５，９７，９９，１０１  弾性部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006040717.tif 000009
【図８】
2006040717.tif 000010
【図９】
2006040717.tif 000011
【図１０】
2006040717.tif 000012
【図１１】
2006040717.tif 000013
【図１２】
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