(57)【要約】【課題】異常燃焼に伴う燃焼ガスの発生によるケースの内圧の大きな上昇を抑制する。【解決手段】発明の燃料電池は、積層方向に沿って積層された複数の単電池を含む燃料電池積層体と、燃料電池積層体を収容し、燃料電池積層体を積層方向に沿って締結する中空直方体形状のケースと、を備える。ケースは、積層方向に沿って延びた４つのケース面部と、隣接するケース面部の接合位置にそれぞれ設けられた４つの角部を有している。４つの角部のうちの少なくとも１つの角部は、垂直な２つの面からなる直交内角部を有している。直交内角部を有する角部を構成する２つのケース面部の角部側のそれぞれの端部の内部には、積層方向に沿って延びた棒状部材が設けられている。棒状部材は、ケースを構成する部材よりもヤング率が大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
積層方向に沿って積層された複数の単電池を含む燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体を収容し、前記燃料電池積層体を前記積層方向に沿って締結する中空直方体形状のケースと、
を備え、
前記ケースは、前記積層方向に沿って延びた４つのケース面部と、隣接するケース面部の接合位置にそれぞれ設けられた４つの角部を有しており、
前記４つの角部のうちの少なくとも１つの角部は、垂直な２つの面からなる直交内角部を有しており、
前記直交内角部を有する角部を構成する２つのケース面部の前記角部側のそれぞれの端部の内部には、前記積層方向に沿って延びた棒状部材が設けられており、
前記棒状部材は、前記ケースを構成する部材よりもヤング率が大きい、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池積層体がケースに収容された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、燃料電池スタック（燃料電池積層体）がケースに収容された燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２４０８号公報
【特許文献２】特開２０１３−００１３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の燃料電池では、燃料ガスの異常燃焼が生じた場合に、燃焼ガスによってケース内の圧力が上昇する可能性があり、ケース内の圧力が過度に上昇すると、燃料電池スタックを含む燃料電池の全体が破壊されてしまう可能性がある、という問題がある。従って、異常燃焼によるケースの内圧の大きな上昇を抑制することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、積層方向に沿って積層された複数の単電池を含む燃料電池積層体と；前記燃料電池積層体を収容し、前記燃料電池積層体を前記積層方向に沿って締結する中空直方体形状のケースと；を備える。前記ケースは、前記積層方向に沿って延びた４つのケース面部と、隣接するケース面部の接合位置にそれぞれ設けられた４つの角部を有している。前記４つの角部のうちの少なくとも１つの角部は、垂直な２つの面からなる直交内角部を有している。前記直交内角部を有する角部を構成する２つのケース面部の前記角部側のそれぞれの端部の内部には、前記積層方向に沿って延びた棒状部材が設けられている。前記棒状部材は、前記ケースを構成する部材よりもヤング率が大きい。
この形態によれば、燃料ガスの異常燃焼に伴う燃焼ガスの発生によりケースの内部の圧力が上昇した場合に、上昇した圧力に応じた応力が直交内角部に集中し、直交内角部から角部が破壊されることにより、燃焼ガスがケースの外部へ抜けて、ケースの内圧がそれ以上に上昇しないようにすることができる。これにより、異常燃焼に伴う燃焼ガスの発生によるケースの内圧の大きな上昇を抑制し、ケース内に収容されている燃料電池積層体も破壊されて、燃料電池の全体的な破壊されてしまうことを抑制することができる。また、角部に対して設けられた２つの棒状部材は、角部が破壊されることによってケースに発生する開口の大きさを制限することができる。これにより、ケースの内部に導電性の物体が入らないようにすることができるので、不用意な漏電や感電の可能性を抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明は、燃料電池だけでなく、燃料電池積層体を収容するケース、燃料電池を搭載した車両や移動体等の種々の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の断面を示す説明図である。
【図３】比較例としてケース本体部の角部に棒状部材が設けられていない場合について示す説明図である。
【図４】ケース本体部の角部に棒状部材が設けられている場合の効果について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、一実施形態の燃料電池１００の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００の断面を示す説明図である。図１及び図２には、互いに直交する３つの方向ｘ，ｙ，ｚが図示されている。ｙ方向は鉛直上向き方向を示し、ｘ方向及びｚ方向は水平方向を示している。図３以降の図に描かれた方向ｘ，ｙ，ｚも同様である。
【００１０】
図１及び図２に示すように、燃料電池１００は、燃料電池積層体１０と、エンドプレート２０Ａ，２０Ｂと、プレッシャープレート３０と、燃料電池積層体１０の積層方向（ｘ方向）に沿う４つの側面を覆う絶縁部材４０と、４つのフィリング部材５０と、これらを収容するケース６０と、を備えている。ケース６０は、ケース本体部６０Ａと、ケース本体部６０Ａのケース開口部６１を覆うケース蓋部６０Ｂと、を有している。ケース本体部６０Ａには、後述する８つの棒状部材７０が設けられている。なお、図１は、図示の便宜上、ケース本体部６０Ａを一点鎖線で示すとともに、ケース本体部６０Ａの紙面手前側のケース面部６３を透視した状態で示している。また、部材の区別を容易にするために、ケース蓋部６０Ｂ、フィリング部材５０、及び棒状部材７０にハッチングを付している。また、実際には隠れていて見えない部分のうち、特に示したい部分については破線で示している。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池積層体１０は、複数の単電池（単セル）１１が積層された電池スタックと、２枚の集電板１２と、２枚の絶縁板１３と、を有している。２枚の集電板１２は、電池スタックの積層方向（ｘ方向）の両端部に、電池スタックを挟むように配置されている。２枚の絶縁板１３は、集電板１２の外側にそれぞれ配置されている。絶縁板１３は、樹脂等の絶縁性材料によって形成されている。集電板１２は、緻密質カーボンや銅板などのガス不透過な導電性材料によって形成されている。
【００１２】
単電池１１は、図示は省略するが、発電体としての膜電極接合体（「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、ＭＥＡを挟持するセパレータと、から構成されている。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された触媒電極と、触媒電極とセパレータとの間にそれぞれ配置された拡散層と、から構成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたイオン交換膜である。触媒電極は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。拡散層は、反応ガス（酸化ガスや燃料ガス）の流路として機能し、例えば、金属やカーボンを用いて構成された多孔体である。
【００１３】
２枚のエンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及びプレッシャープレート３０は、燃料電池積層体１０を積層方向で挟持するための挟持部材である。エンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及びプレッシャープレート３０は、鋼、チタン、アルミ、マグネシウム等の金属や合金、又は、セラミックスによって形成される。なお、本例では、鋼材を用いて形成されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、燃料電池積層体１０、エンドプレート２０Ａ，２０Ｂ、及びプレッシャープレート３０の積層方向（ｘ方向）に沿った４つの側面は、絶縁部材４０で覆われている。絶縁部材４０は、剛性及び絶縁を確保した種々の部材、例えば、絶縁性の樹脂や絶縁性のセラミックス、絶縁材料の塗工により絶縁処理が施された金属等によって形成されている。なお、ケース本体部６０Ａやケース蓋部６０Ｂの内面が絶縁材料の塗工等により絶縁処理が施されている場合やそれら自体が絶縁性部材で形成されている場合には、絶縁部材４０は省略可能である。以下では、特に区別しない限り、絶縁部材４０で覆われた状態の燃料電池積層体１０を単に「燃料電池積層体１０」として説明する。エンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及びプレッシャープレート３０も同様である。
【００１５】
図１に示すように、ケース６０のケース本体部６０Ａは、燃料電池積層体１０を内部に収容するための空間を有する略直方体の外観形状（中空直方体形状）を有する。ケース本体部６０Ａは、積層方向（ｘ方向）に沿って延びた板状の４つのケース面部６３，６４，６５，６６と、積層方向（ｘ方向）に垂直な板状のケース後面部６２と、ケース後面部６２に対向するケース開口部６１と、を有している。４つのケース面部６３，６４，６５，６６のうち、互いに隣接するケース面部の４か所の接合位置には、それぞれ、角部６７が設けられている。ケース蓋部６０Ｂは、このケース開口部６１を覆うように不図示の締結部材によってケース本体部６０Ａに結合されている。
【００１６】
ケース後面部６２のネジ穴にねじ込まれた荷重調整ネジ８０によって、プレッシャープレート３０に対して荷重が付加されることにより、プレッシャープレート３０及びエンドプレート２０Ａと、ケース蓋部６０Ｂ及びエンドプレート２０Ｂとの間で、両側から燃料電池積層体１０に対して荷重が付加されている。これにより、燃料電池積層体１０は、ケース６０に締結された状態でケース６０内に収容されている。
【００１７】
ケース６０は、剛性を確保するため、鋼や、チタン、アルミ、マグネシウム等の金属や合金、又は、セラミックスを用いて形成されたダイキャストや鋳造品である。なお、本例ではケース本体部６０Ａには、アルミ材を用いて形成されたアルミダイキャストである。また、ケース蓋部６０Ｂは、鋼材を用いてエンドプレート２０Ｂと一体に形成された鋳造品である。但し、ケース蓋部６０Ｂとエンドプレート２０Ｂとは別体で形成されていてもよい。
【００１８】
図１及び図２に示すように、４つのフィリング部材５０は、燃料電池積層体１０の積層方向に沿う４か所の角部を覆うように、これら４か所の角部と、ケース本体部６０Ａの積層方向に沿う４か所の角部６７の内角部６８との間に配置されている。内角部６８は、ｘｚ平面に沿う平面である第１内角平面６８１と、ｘｙ平面に沿う平面である第２内角平面６８２とが垂直に接する直交内角部である。第１内角平面６８１及び第２内角平面６８２をフィリング配置平面として、第１内角平面６８１とこれに対向する燃料電池積層体１０の側面との間、及び、第２内角平面６８２とこれに対向する燃料電池積層体１０の側面との間に配置されている。フィリング部材５０は、ｙｚ平面に沿う断面がＬ型で、積層方向（ｘ方向）に長い形状を有する部材である。但し、断面がＬ型の１つのフィリング部材５０に換えて、断面が矩形型で、積層方向に長い形状を有するフィリング部材を２つ用いる構成としてもよい。なお、第１内角平面６８１と第２内角平面６８２とを「垂直」とする理由は、後述するように、内角部６８に応力集中を起こすためであり、本明細書では、「垂直」とは９０°±５°の範囲を意味する。
【００１９】
フィリング部材５０は、燃料電池積層体１０に含まれる各単電池１１の動きを抑制するための拘束機能、及び、燃料電池１００に対する衝撃や振動を抑制し、耐衝撃性や耐振動性を高めるための緩衝機能を発揮する部材である。フィリング部材５０は、エポキシ樹脂などの樹脂部材やシリコンゴム等の拘束機能及び緩衝機能を発揮する種々の部材を用いて形成することができる。本例ではシリコンゴムを用いて形成されている。
【００２０】
ケース面部６３，６５の両側の第１内角平面６８１の間の内平面６３１，６５１におけるケース面部６３，６５の肉厚は、第１内角平面６８１におけるケース面部６３，６５の肉厚よりも薄くなっている。また、ケース面部６４，６６の両側の第２内角平面６８２の間の内平面６４１，６６１におけるケース面部６４，６６の肉厚は、第２内角平面６８２におけるケース面部６４，６６の肉厚よりも薄くなっている。なお、これら内平面６３１，６４１，６５１，６６１におけるケース面部６３，６４，６５，６６の肉厚については、後述する。
【００２１】
燃料電池積層体１０のケース６０内への収容は、例えば、以下のように行なわれる。図１のケース蓋部６０Ｂ、エンドプレート２０Ｂ、燃料電池積層体１０、エンドプレート２０Ａ、及び、プレッシャープレート３０に対して、不図示の荷重付与機構によってケース蓋部６０Ｂとプレッシャープレート３０の両側から荷重が付加されることにより、これらが積層され、かつ、荷重が付加された状態の積層体が構成される。この積層体に、ケース本体部６０Ａがケース開口部６１の側から被されることにより、エンドプレート２０Ｂ、燃料電池積層体１０、エンドプレート２０Ａ、及び、プレッシャープレート３０がケース本体部６０Ａ内に挿入される。ケース蓋部６０Ｂがケース本体部６０Ａに不図示の締結部材（例えば、ボルト）で結合され、荷重調整ネジ８０がプレッシャープレート３０に接触するまでケース後面部６２のネジ穴にねじ込まれ、荷重付与機構による荷重の付与が停止される。以上の手順により、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された燃料電池積層体１０が、積層方向に沿って荷重が付加された状態でケース６０に締結されるとともに、ケース６０内に収容される。なお、ケース本体部６０Ａのフィリング配置面としての内角平面６８１，６８２には、予め、フィリング部材５０が配置されている。フィリング部材５０の配置は、例えば、接着剤でフィリング部材５０を内角平面６８１，６８２に接着することにより行うことができる。
【００２２】
図１及び図２に示すように、ケース本体部６０Ａの４つの角部６７には、それぞれ、燃料電池積層体１０の積層方向に対応するケース本体部６０Ａの長手方向（ｘ方向）に沿って延びた２つの棒状部材７０が設けられている。例えば、第１ケース面部であるケース面部６３と第２ケース面部であるケース面部６４とで構成される角部６７（図２の右下）において、２つのケース面部６３，６４の角部６７側の端部の内部に、それぞれ、長手方向に沿って延びた棒状部材７０が設けられている。他の３つの角部６７も同様である。棒状部材７０は、鉄、チタン、鉄合金、チタン合金、カーボンファイバー等の部材の中から、ケース本体部６０Ａを構成する部材よりもヤング率が大きい部材を用いて形成される。本例ではケース本体部６０Ａに用いられるアルミよりもヤング率の大きい鉄を用いて形成されている。また、棒状部材７０は、ケース本体部６０Ａを成形する際に、インサート成形によってケース本体部６０Ａと一体成形される。
【００２３】
図３は、比較例としてケース本体部６０Ａの角部６７に棒状部材７０が設けられていない場合について示す説明図である。図３は、図２の右下の角部６７を例に示している。ケース６０に収容された複数の単電池１１（図１）において、燃料ガスである水素の異常燃焼が発生した場合、これに伴って発生する燃焼ガスによって、ケース６０内の圧力が上昇する。この際、ケース６０に加わる燃焼ガスの圧力に対する応力は、直交内角部である内角部６８に集中する。これにより、図３の上段に示すように、内角部６８から角部６７に亀裂が発生し、図３の下段に示すように、角部６７が破壊されて開口する。これにより、開口部から燃焼ガスが抜けることになり、ケース６０の内圧がこれ以上に上昇することが抑制される。
【００２４】
しかしながら、開口部の開口の大きさがユーザーの指より大きい場合、ケース６０の内部に存在する高電圧部に導電性の物体が接触して、不用意な漏電や感電を招く可能性がある。特に、上述したように、本実施形態では、アルミダイキャストでケース本体部６０Ａを形成しているが、アルミダイキャストのような低コスト化及び軽量化のために用いられる部材を用いた場合、部材の強度バラツキや形成後の肉厚バラツキが大きく、内角部６８に加わる応力に対する強度バラツキが大きくなり、破壊による開口の大きさのバラツキも大きくなる。なお、この問題は、他の３つの角部６７においても同様である。
【００２５】
図４は、ケース本体部６０Ａの角部６７に棒状部材７０が設けられている場合の効果について示す説明図である。図４は、図３と同様に、図２の右下の角部６７を例に示している。実施形態のケース本体部６０Ａでは、角部６７を構成するケース面部６３，６４の角部６７側のそれぞれの端部の内部に、棒状部材７０が一体成形されているので、棒状部材７０の曲げ剛性の大きさに応じて、開口の大きさを制御して、外部から物体が入り難い大きさにすることが可能である。他の３つの角部６７においても同様である。なお、棒状部材７０の曲げ剛性は、部材のヤング率と、断面二次モーメントの積で表されるので、棒状部材の断面積を調整することによって、曲げ剛性を調整し、開口の大きさを制御することができる。
【００２６】
以上のように、本実施形態の燃料電池１００では、異常燃焼に伴う燃焼ガスが発生してケース６０内の圧力が上昇して、ケース本体部６０Ａの角部６７の破壊により発生した開口部から燃焼ガスが抜けることにより、ケース６０の内圧がこれ以上に上昇することが抑制される。これにより、ケース６０内に収容されている燃料電池積層体１０が破壊されて、燃料電池１００が全体的に破壊されてしまうことを抑制することができる。
【００２７】
また、ケース本体部６０Ａの各角部６７に一体成形されている棒状部材７０によって、開口部から外部の物体が入らないように、開口部の開口の大きさを制限することができ、不用意な漏電や感電の可能性を抑制することができる。
【００２８】
また、図１で示したように、エンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及びプレッシャープレート３０で挟まれた燃料電池積層体１０は、ケース蓋部６０Ｂとケース本体部６０Ａのケース後面部６２との間で、積層方向に沿って加えられた締結荷重によってケース６０に締結されている。このため、ケース本体部６０Ａには、積層方向に沿った締結荷重を支持する剛性を要する。４つの角部６７に積層方向に沿って設けられた８つの棒状部材７０は、この締結荷重をケース本体部６０Ａとともに支持することができるので、ケース本体部６０Ａ自体が担う負担を低減することができる。このため、上述した内平面６３１，６４１，６５１，６６１におけるケース面部６３，６４，６５，６６の肉厚のように、ケース本体部６０Ａの肉厚を部分的に薄くすることが可能となり、棒状部材７０が設けられたことによる重量増を抑制することが可能である。
【００２９】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３０】
（１）上記実施形態では、内角部６８を構成する第１内角平面６８１及び第２内角平面６８２をフィリング部材５０の配置平面として、燃料電池積層体１０の角部と、ケース本体部６０Ａの内角部６８との間にフィリング部材５０を配置する場合を例に示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、内角部６８の構成は同じのまま、燃料電池積層体１０の積層方向に沿う側面とケース本体部６０Ａの積層方向に沿う側面との間にフィリング部材を配置する構成としても良い。
【００３１】
（２）上記実施形態では、ケース本体部６０Ａの積層方向に沿う４つの角部６７に棒状部材７０が設けられる場合を例に説明したが、これに加えて、ケース本体部６０Ａの積層方向に垂直な方向に沿う角部に棒状部材７０が設けられるようにしてもよい。
【００３２】
（３）上記実施形態では、４つの角部６７の内角部６８がいずれも垂直な２つの面（第１内角平面６８１，第２内角平面６８２）からなる直交内角部である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、１つの角部６７の内角部６８が直交内角部であり、他の３つの角部６７の内角部は応力が集中しない形状、例えば、角が無い丸みを持った形状としてもよい。また、２つの角部６７の内角部６８が直交内角部であり、他の２つの角部６７の内角部は応力が集中しない形状としてもよい。すなわち、少なくとも、１つの角部６７が直交内角部を有するようにしてもよい。
【００３３】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池積層体
１１…単電池
１２…集電板
１３…絶縁板
２０Ａ…エンドプレート
２０Ｂ…エンドプレート
３０…プレッシャープレート
４０…絶縁部材
５０…フィリング部材
６０…ケース
６０Ａ…ケース本体部
６０Ｂ…ケース蓋部
６１…ケース開口部
６２…ケース後面部
６３…ケース面部
６４…ケース面部
６５…ケース面部
６６…ケース面部
６７…角部
６８…内角部
７０…棒状部材
８０…荷重調整ネジ
１００…燃料電池
６３１…内平面
６４１…内平面
６５１…内平面
６６１…内平面
６８１…内角平面
６８２…内角平面
ｘ，ｙ，ｚ…方向
【図１】
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【図２】
2018045854.tif 000004
【図３】
2018045854.tif 000005
【図４】
2018045854.tif 000006