(57)【要約】【課題】積層体の撓みを効率的に抑制すること。【解決手段】複数の単セル１０が積層され、複数の単セル１０のうちの一端側の単セル１０ａが他端側の単セル１０ｂよりも重力方向上側に位置する積層体１２と、積層体１２の積層方向に沿う側面２４に対向して設けられた外周部材１６と、積層体１２の側面２４と外周部材１６との間に外周部材１６に組み付けられて設けられ、積層体１２の側面２４側に押圧されて積層体１２を支持する支持部材１８と、を備え、支持部材１８は、積層体１２を支持する力が積層体１２の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるように、積層体１２の側面と外周部材１６との間に設けられている燃料電池スタック。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層され、前記複数の単セルのうちの一端側の単セルが他端側の単セルよりも重力方向上側に位置する積層体と、
前記積層体の積層方向に沿う側面に対向して設けられた外周部材と、
前記積層体の側面と前記外周部材との間に前記外周部材に組み付けられて設けられ、前記積層体の側面側に押圧されて前記積層体を支持する支持部材と、を備え、
前記支持部材は、前記積層体を支持する力が前記積層体の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるように、前記積層体の側面と前記外周部材との間に設けられている燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜と電解質膜を挟持する電極とを有する単セルを積層してスタック構造とした燃料電池スタックが知られている。燃料電池スタックでは、外部から力が加わることで、複数の単セルが積層された積層体が撓み、単セル間にずれが発生することがある。そこで、単セル間のずれを抑制するために、複数の単セルが積層された積層体と積層体を収納するケースとの隙間を調整する隙間調整機構を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７１８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、複数の単セルの積層方向に均等な間隔で隙間調整機構を設けて単セル間のずれを抑制している。しかしながら、複数の単セルが積層され且つ一端側の単セルが他端側の単セルよりも重力方向上側に位置する積層体に対して、積層体の撓みを効率的に抑制するという点で改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、積層体の撓みを効率的に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】
本発明は、複数の単セルが積層され、前記複数の単セルのうちの一端側の単セルが他端側の単セルよりも重力方向上側に位置する積層体と、前記積層体の積層方向に沿う側面に対向して設けられた外周部材と、前記積層体の側面と前記外周部材との間に前記外周部材に組み付けられて設けられ、前記積層体の側面側に押圧されて前記積層体を支持する支持部材と、を備え、前記支持部材は、前記積層体を支持する力が前記積層体の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるように、前記積層体の側面と前記外周部材との間に設けられている燃料電池スタックである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、積層体の撓みを効率的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの透視側面図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る燃料電池スタックの透視斜視図、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、積層体の角部での断面図である。
【図３】図３は、支持部材の斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、比較例に係る燃料電池スタックの透視側面図、図４（ｂ）は、比較例に係る燃料電池スタックで生じる課題を説明する図である。
【図５】図５は、実施例１の変形例に係る燃料電池スタックの透視斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、実施例２に係る燃料電池スタックの透視側面図、図６（ｂ）は、実施例２の変形例に係る燃料電池スタックの透視側面図である。
【図７】図７は、実施例３に係る燃料電池スタックの透視側面図である。
【図８】図８は、実施例４に係る燃料電池スタックの透視側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図１のように、実施例１の燃料電池スタック１００は、積層体１２と、エンドプレート１４と、外周部材１６と、支持部材１８と、を備える。燃料電池スタック１００は、例えば燃料電池自動車又は電気自動車などに搭載される。
【００１１】
積層体１２は、複数の単セル１０が重力方向に積層されて形成されている。すなわち、複数の単セル１０のうちの一端側の単セル１０ａは他端側の単セル１０ｂよりも重力方向上側に位置している。なお、単セル１０ａが単セル１０ｂよりも重力方向上側に位置していれば、積層体１２の積層方向は重力方向に完全に一致する場合に限られず、重力方向に対して斜めに傾いた方向であってもよい。
【００１２】
単セル１０は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル１０は、１対のセパレータと膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）とを備える。１対のセパレータは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、ＭＥＧＡに供給する燃料ガスが流れる燃料ガス流路及び酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を形成する。
【００１３】
ＭＥＧＡは、電解質膜と電解質膜の両側に配置された１対の触媒層とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含む。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。１対の触媒層は、電気化学反応を進行させる触媒を担持したカーボン粒子と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。ＭＥＡの両側に１対のガス拡散層が配置されている。ＭＥＡと１対のガス拡散層とによってＭＥＧＡが形成される。１対のガス拡散層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成される。
【００１４】
エンドプレート１４は、積層体１２を積層方向から挟んで設けられている。エンドプレート１４は、積層体１２を積層方向に押し付けて単セル１０同士を密着させている。エンドプレート１４は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金などの金属で形成される。なお、エンドプレート１４と積層体１２との間には、燃料電池が発電した電力を外部に取り出すためのターミナル及び単セル１０とエンドプレート１４とを絶縁させるインシュレータなどを備えていてもよい。
【００１５】
外周部材１６は、積層体１２の積層方向に沿う側面２４に対向して設けられている。外周部材１６は、例えばエンドプレート１４に固定されていて、積層体１２の側面２４を覆って設けられている。外周部材１６は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金などの金属で形成されている。
【００１６】
支持部材１８は、積層体１２の側面２４と外周部材１６との間に外周部材１６に組み付けられて設けられている。支持部材１８は、積層体１２を積層方向で２等分した中央ライン３０よりも重力方向上側に寄って設けられている。すなわち、積層体１２の重力方向上側の端を一端５０とし、重力方向下側の端を他端５２とした場合、支持部材１８は積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側に寄って設けられている。言い換えると、支持部材１８を積層体１２の積層方向で２等分した中央ライン３２は、積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側に寄っている。一例として、支持部材１８の積層体１２の積層方向の長さは３０ｍｍであり、支持部材１８の中央ライン３２は積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側に１５ｍｍシフトしている。支持部材１８は、外周部材１６に設けられたネジなどの固定部材４４によって積層体１２の側面２４側に押圧されて積層体１２を支持している。
【００１７】
図２（ａ）は、実施例１に係る燃料電池スタックの透視斜視図、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、積層体の角部での断面図である。図２（ｂ）は、積層体の角部のうちの支持部材が設けられた領域での断面図であり、図２（ｃ）は、支持部材が設けられていない領域での断面図である。図２（ａ）のように、支持部材１８は、Ｌ字型の形状を有し、積層体１２の側面２４のうちの４つの角部に設けられている。
【００１８】
図３は、支持部材の斜視図である。図３のように、支持部材１８は、例えばステンレス鋼などの金属部４０と、例えば樹脂（ポリプロピレンなど）などの弾性部４２と、で形成されている。金属部４０は、弾性部４２を覆うように設けられている。したがって、積層体１２の側面２４には支持部材１８の弾性部４２が当接する。金属部４０の厚さｔ１及び弾性部４２の厚さｔ２は、例えば３ｍｍである。支持部材１８の幅Ｗ、長さＬ、及び高さＨは、例えば３０ｍｍである。なお、支持部材１８は、金属部４０だけで形成されていてもよいし、弾性部４２だけで形成されていてもよい。支持部材１８が弾性部４２を含むことで、外周部材１６が変形したときの変位を弾性部４２で吸収でき、積層体１２への影響を抑えることができる。
【００１９】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）のように、外周部材１６は、支持部材１８が組み付けられた部分では他の部分に比べて外側に突出している。これにより、積層体１２の側面２４と外周部材１６との間に支持部材１８が設けられる空間が確保されている。支持部材１８は、外周部材１６に設けられたネジなどの固定部材４４によって積層体１２の側面２４に押し付けられている。
【００２０】
ここで、実施例１の燃料電池スタックの効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池スタックについて説明する。図４（ａ）は、比較例に係る燃料電池スタックの透視側面図、図４（ｂ）は、比較例に係る燃料電池スタックで生じる課題を説明する図である。図４（ａ）のように、比較例の燃料電池スタック５００では、積層体１２の側面２４と外周部材１６との間に支持部材１８が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２１】
比較例１の燃料電池スタック５００では、複数の単セル１０が重力方向に積層されて積層体１２が形成されている。このため、例えば燃料電池スタック５００を備えた自動車が加減速をした場合又は他の自動車などに衝突した場合、図４（ｂ）のように、積層体１２の積層方向に交差する方向の慣性力が積層体１２に働くようになる。この慣性力によって、積層体１２に撓みが生じ、この撓みが大きいときには、単セル１０間にずれが生じることが起こり得る。積層体１２の撓みは、積層体１２を積層方向で２等分した中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側（重力方向上側）で起こり易い。これは以下の理由によるものである。
【００２２】
すなわち、複数の単セル１０が重力方向に積層された積層体１２では、積層体１２の重力方向下側にある単セル１０ほど重力方向上側にある単セル１０の重みがかかるようになる。このため、積層体１２の重力方向下側にある単セル１０は重力方向上側にある単セル１０に比べて圧縮荷重が大きくなる。積層体１２の積層方向に交差する方向の力が積層体１２に加わると、単セル１０のうちの剛性が比較的低いガス拡散層が変形し、この変形によって積層体１２が撓むことが生じる。単セル１０の変形は、大きな圧縮荷重がかかっている積層体１２の重力方向下側にある単セル１０では起こり難く、圧縮荷重が小さい積層体１２の重力方向上側にある単セル１０で起こり易い。したがって、積層体１２の積層方向に交差する方向の力が積層体１２に加わると、積層体１２の重力方向上側は重力方向下側に比べて撓み易くなり変形量が大きくなり易い。このような理由から、図４（ｂ）のように、積層体１２の積層方向に交差する方向の慣性力が積層体１２に加わると、積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側（重力方向上側）で撓みが起こり易くなる。
【００２３】
これに対し、実施例１によれば、図１のように、積層体１２の側面２４と外周部材１６との間に、積層体１２の側面２４側に押圧されて積層体１２を支持する支持部材１８が設けられている。支持部材１８は、積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側（重力方向上側）に寄って設けられていて、積層体１２を支持する力が積層体１２の中央ライン３０より重力方向下側よりも重力方向上側で大きくなっている。すなわち、支持部材１８による積層体１２を支持する力が、積層体１２の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなっている。これにより、積層体１２のうちの撓みが起こり易い重力方向上側の部位を支持部材１８で重点的に支持でき、積層体１２の撓みを効率的に抑制することができる。例えば積層体１２の積層方向の全体にわたって積層体１２の側面２４に支持部材１８を点在して設ける場合に比べて、支持部材１８の部品点数を削減しつつ、積層体１２の撓みを抑制することができる。
【００２４】
図５は、実施例１の変形例に係る燃料電池スタックの透視斜視図である。図５のように、実施例１の変形例の燃料電池スタック１１０では、支持部材１８が、積層体１２の側面２４の４つの角部ではなく、各側面２４の平坦部に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２５】
支持部材１８は、実施例１のように積層体１２の側面２４の角部に設けられてもよいし、実施例１の変形例のように積層体１２の側面２４の平坦部に設けられてもよい。
【実施例２】
【００２６】
図６（ａ）は、実施例２に係る燃料電池スタックの透視側面図、図６（ｂ）は、実施例２の変形例に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図６（ａ）のように、実施例２の燃料電池スタック２００では、支持部材１８が積層体１２の積層方向で間隔を開けて並んで積層体１２の側面２４に設けられている。積層体１２の一端５０側に位置する支持部材１８は、積層体１２を積層方向で３等分した３等分ライン３４のうちの積層体１２の一端５０側に位置する３等分ライン３４よりも積層体１２の一端５０側に寄って配置されている。積層体１２の他端５２側に位置する支持部材１８は、積層体１２の３等分ライン３４のうちの積層体１２の他端５２側に位置する３等分ライン３４よりも積層体１２の一端５０側に寄って配置されている。すなわち、支持部材１８を積層体１２の積層方向で２等分した中央ライン３２は、積層体１２の３等分ライン３４よりも積層体１２の一端５０側に寄っている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２７】
図６（ｂ）のように、実施例２の変形例の燃料電池スタック２１０では、積層体１２を積層方向で２等分した中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側での積層体１２の側面２４に、積層体１２の積層方向で間隔を開けて並んだ２つの支持部材１８が設けられている。積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の他端５２側での積層体１２の側面２４に、積層体１２の積層方向で１つの支持部材１８が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２８】
実施例２のように、積層体１２の積層方向に並んで設けられた２つの支持部材１８が、積層体１２の３等分ライン３４よりも積層体１２の一端５０側（重力方向上側）に寄って設けられている場合でもよい。実施例２の変形例のように、積層体１２の積層方向に並んで複数の支持部材１８が設けられ、積層体１２の中央ライン３０よりも積層体１２の一端５０側（重力方向上側）に設けられた支持部材１８の個数が他端５２側（重力方向下側）に設けられた支持部材１８の個数よりも多い場合でもよい。これらの場合でも、支持部材１８による積層体１２を支持する力が積層体１２の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体１２の撓みを効率的に抑制することができる。
【実施例３】
【００２９】
図７は、実施例３に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図７のように、実施例３の燃料電池スタック３００では、積層体１２の側面２４に積層体１２の積層方向で間隔を開けて並んだ支持部材１８ａ及び１８ｂが設けられている。支持部材１８ａは、例えば積層体１２を積層方向で３等分した３等分ライン３４のうちの積層体１２の一端５０側に位置する３等分ライン３４の箇所で積層体１２の側面２４に設けられている。支持部材１８ｂは、例えば積層体１２の３等分ライン３４のうちの積層体１２の他端５２側に位置する３等分ライン３４の箇所で積層体１２の側面２４に設けられている。例えば、支持部材１８ａを積層体１２の積層方向で２等分した中央ライン３２ａは積層体１２の一端５０側に位置する３等分ライン３４に一致し、支持部材１８ｂを積層体１２の積層方向で２等分した中央ライン３２ｂは積層体１２の他端５２側に位置する３等分ライン３４に一致している。
【００３０】
積層体１２の積層方向において、支持部材１８ａは支持部材１８ｂよりも長くなっている。例えば、積層体１２の積層方向における長さが、支持部材１８ｂでは３０ｍｍであるのに対し、支持部材１８ａでは５０ｍｍとなっている。したがって、支持部材１８ａが積層体１２の側面２４に当接する面積は支持部材１８ｂが積層体１２の側面２４に当接する面積よりも大きくなっている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３１】
実施例３のように、積層体１２の一端５０側（重力方向上側）に、積層体１２の他端５２側（重力方向下側）に設けられた支持部材１８ｂが積層体１２に当接する面積よりも大きな面積で当接する支持部材１８ａが設けられている場合でもよい。この場合でも、支持部材１８ａ及び１８ｂによる積層体１２を支持する力が積層体１２の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体１２の撓みを効率的に抑制することができる。
【実施例４】
【００３２】
図８は、実施例４に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図８のように、実施例４の燃料電池スタック４００では、積層体１２を積層方向で３等分した３等分ライン３４のうちの積層体１２の一端５０側に位置する３等分ライン３４の箇所で積層体１２の側面２４に支持部材２０が設けられている。積層体１２の３等分ライン３４のうちの積層体１２の他端５２側に位置する３等分ライン３４の箇所で積層体１２の側面２４に支持部材２２が設けられている。例えば、支持部材２０を積層体１２の積層方向で２等分した中央ライン３２ｃ及び支持部材２２を２等分した中央ライン３２ｄは積層体１２の３等分ライン３４に一致している。支持部材２０は、支持部材２２よりも高い硬度（例えば高いビッカース硬度）を有する。例えば、支持部材２０はステンレス鋼などの金属で形成され、支持部材２２はポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３３】
実施例４のように、積層体１２の一端５０側（重力方向上側）に設けられた支持部材２０が、積層体１２の他端５２側（重力方向下側）に設けられた支持部材２２よりも硬い場合でもよい。この場合でも、支持部材２０及び２２による積層体１２を支持する力が積層体１２の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体１２の撓みを効率的に抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０〜１０ｂ  単セル
１２  積層体
１４  エンドプレート
１６  外周部材
１８〜２２  支持部材
２４  側面
３０  中央ライン
３２〜３２ｄ  中央ライン
３４  ３等分ライン
４０  金属部
４２  弾性部
４４  固定部材
５０  一端
５２  他端
１００〜５００  燃料電池スタック
【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】
2019075247.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019075247.tif 000009
【図８】
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