(57)【要約】【課題】スタック全体の体格を小型化することのできる燃料電池スタックケースを提供する。【解決手段】エンドプレート１３およびスタックマニホールド１５から燃料電池スタック１０ヘの締結荷重が付与されていない状態において、天板部材３７ａ、３７ｂとエンドプレート１３（底面壁３３）との（接続部分の）角度θａを90度より大きく92度以下とし、天板部材３７ａ、３７ｂとスタックマニホールド１５（蓋体３５）との角度θｂを88度以上90度より小さく設定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを収容する燃料電池スタックケースであって、
前記燃料電池スタックを両側から挟持する一対のプレート部材と、
開放された一面に配置されて前記一対のプレート部材間をつなぐ板部材と、を備え、
前記一対のプレート部材は、剛性の異なる部材で構成されており、
前記一対のプレート部材から前記燃料電池スタックヘの締結荷重が付与されていない状態において、
相対的に剛性が小さいプレート部材と板部材との接続部分の角度が90度より大きく92度以下であり、相対的に剛性が大きいプレート部材と板部材との接続部分の角度が88度以上90度より小さい、燃料電池スタックケース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックケースに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。
【０００３】
燃料電池は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて積層し、そのセル積層体の両端に位置するセルの外側に一対のエンドプレートを配置し、セル積層体を一対のエンドプレートで加圧（荷重付与）・締結し、その加圧・締結されたセル積層体（以下、燃料電池スタックということがある）を燃料電池スタックケース（以下、単にスタックケースということがある）に収容して構成される。
【０００４】
この種の燃料電池では、従来、燃料電池スタックの締結を一対のエンドプレート間にて行い、締結された燃料電池スタックをスタックケース内に挿入するものが利用されていたが、部品数の低減、省スペース化等の観点から、燃料電池スタックの積層方向に配置されるエンドプレート対応部分を、剛性ケースの端面壁として使用する（言い換えれば、スタックケースをスタック締結部材の一部として用いる）スタック構造も提案されている（下記特許文献１、２参照）。
【０００５】
前記のようにスタックケースをスタック締結部材の一部として用いる燃料電池において、セルを積層してなる燃料電池スタックは、例えば、セルの積層後、該セル積層方向における片側に配置したエンドプレートの反対側からシャフトにて積層方向に沿って荷重を加え、セルが積層された状態を保持し、シャフトが通過可能であり尚かつ当該スタックケース内の換気用でもある透孔を備えたスタックケースの当該透孔にシャフトを通し、スタックケースをシャフトに沿ってスライドさせ、スタックケースとエンドプレートを締結することで、加圧・締結される（下記特許文献２参照）。
【０００６】
また、この種の燃料電池においては、例えば、セル電圧を検出するための端子を取り出すために、自動車等の車両の車体に搭載されたときにスタックケースの天板となる部分に、セル積層体の積層方向に沿う細長い開口部（端子取り出し孔）が平行に二つ並んで設けられる場合がある（下記特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−０６２８９７号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０９４１８号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、前記した如くのスタックケースをスタック締結部材の一部（つまり、セル積層体を加圧保持するエンドプレート）として用いる燃料電池においては、スタックケースが、締結時（使用時）にその締結荷重により変形を受ける。スタックケースのエンドプレートは、通常剛性差があるため、前記締結時（使用時）の締結荷重によりエンドプレート間の平行が崩れる。そのため、スタックケースの一面が開放されており、その開放部に板部材（天板）が配置されている場合（上記特許文献３参照）、前記したスタックケースの変形に伴って、前記開放部に配置された板部材（天板）が歪むおそれがあり、あらかじめ他部品あるいは周辺部品との隙を大きく確保する必要があり、スタック全体の体格が大きくなってしまうおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スタック全体の体格を小型化することのできる燃料電池スタックケースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池スタックケースは、燃料電池スタックを収容する燃料電池スタックケースであって、前記燃料電池スタックを両側から挟持する一対のプレート部材と、開放された一面に配置されて前記一対のプレート部材間をつなぐ板部材と、を備え、前記一対のプレート部材は、剛性の異なる部材で構成されており、前記一対のプレート部材から前記燃料電池スタックヘの締結荷重が付与されていない状態において、相対的に剛性が小さいプレート部材と板部材との接続部分の角度が90度より大きく92度以下であり、相対的に剛性が大きいプレート部材と板部材との接続部分の角度が88度以上90度より小さいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックを挟持するプレート部材間の平行が崩れることを考慮して、プレート部材と板部材との接続角度（接続部分の角度）を設定することで、締結荷重が付与されたときに板部材が水平に近づくので、あらかじめ他部品あるいは周辺部品との隙を大きくする必要がなくなり、スタック全体の体格を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による燃料電池スタックケースの一実施形態を用いた燃焼電池の断面図である。
【図２】図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。
【図３】図１に示される燃料電池の分解斜視図である。
【図４】燃料電池スタックケースの天板部材の変形を説明する模式図であり、（Ａ）は変形前（締結前）状態、（Ｂ）は変形後（締結後）状態を示す図である。
【図５】燃料電池スタックケースの締結時の天板部材の変形状態を誇張して示す斜視図である。
【図６】図１に示される燃料電池スタックケース（締結荷重が付与されていない状態）の要部断面図である。
【図７】図１に示される燃料電池スタックケース（締結荷重が付与された状態）の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。
【００１４】
図１は、本発明による燃料電池スタックケースの一実施形態を用いた燃焼電池の断面図である。また、図２は、図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。
【００１５】
まず、本実施形態における燃料電池１００（燃料電池スタック１０）として固体高分子型燃料電池を例にとり、図２を参照してその内部構成を概説する。
【００１６】
図２は、燃料電池１００（燃料電池スタック１０）の要部を断面視した図である。図２に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている（セル積層体９）。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。
【００１７】
ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。
【００１８】
本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１００（の燃料電池スタック１０）の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１００（の燃料電池スタック１０）の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。
【００１９】
セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。
【００２０】
本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。
【００２１】
一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。
【００２２】
さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。
【００２３】
また、隣接する２つのセル１の端部間には、燃料ガス（例えば水素）または酸化剤ガス（例えば空気）や冷却用の水をシールするシール部材としてのガスケット（不図示）が挟圧保持されている。
【００２４】
図１に示すように、前記燃料電池スタック１０（セル積層体９）の積層方向の一端側（スタックケース３０のケース本体３１の底面壁３３側の端部）には、概略矩形板状のプレッシャプレート１１が設けられ、プレッシャプレート１１の外側には、プレッシャロッド１２を介してエンドプレート（一対のプレート部材の一方）１３が設けられている。本例では、前記エンドプレート１３は、スタックケース３０の底面壁３３として使用されている（後で詳述）。
【００２５】
また、前記燃料電池スタック１０（セル積層体９）の積層方向の他端側（スタックケース３０のケース本体３１の底面壁３３側とは反対側、言い換えれば、スタックケース３０のケース本体３１の端部開口（挿入口）３４側の端部）には、外周部分に段差部１４が設けられた比較的厚肉の矩形板からなるスタックマニホールド（一対のプレート部材の他方）１５が設けられている。本例では、前記スタックマニホールド１５は、スタックケース３０の蓋体３５として使用され、図示しない締結具等を用いてスタックケース３０のケース本体３１に取り付けられている（後で詳述）。
【００２６】
前記セル１を複数積層して構成したセル積層体９で構成される燃料電池スタック１０は、例えば、スタック両端（セル積層体９のセル積層方向両端）を（プレッシャプレート１１およびプレッシャロッド１２を介して）エンドプレート１３とスタックマニホールド１５とで挟まれ（拘束され）、さらにこれらエンドプレート１３とスタックマニホールド１５とを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重が付与されて締結され、スタックケース３０に収容される。セル積層体９を積層状態で拘束するテンションプレートは、エンドプレート１３とスタックマニホールド１５とを架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該燃料電池スタック１０の両側に対向するように配置されてエンドプレート１３とスタックマニホールド１５とに接続され、セル積層体９の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。
【００２７】
前記燃料電池スタック１０を収容するスタックケース３０は、例えば、アルミニウム等の金属製あるいは樹脂製の筐体で作製されている。このスタックケース３０は、図１とともに図３を参照すればよく分かるように、基本的に、燃料電池スタック１０を内側に収容する大きさの空隙を持つ有底角筒状（言い換えれば、一端が開口した箱状）のケース本体３１と、ケース本体３１の端部開口３４を閉塞・封止する蓋体３５とを備える。なお、ケース本体３１の端部開口３４は、セル積層体９を内側に挿入するための挿入口となっている。
【００２８】
ケース本体３１は、燃料電池スタック１０の外周を囲う概略角筒状の側面壁３２と、側面壁３２の開口端に連設された底面壁３３とを有し、前述したように、前記底面壁３３は、スタック締結部材の一方であるエンドプレート１３として用いられている。換言すれば、底面壁３３はエンドプレート１３を兼ねている。また、前記蓋体３５は、スタック締結部材の他方であるスタックマニホールド１５として用いられている。換言すれば、蓋体３５はスタックマニホールド１５を兼ねている。図示しない締結具等を用いて蓋体３５（スタックマニホールド１５）がケース本体３１（の端部開口３４）に連結固定されることで、前述したように、（プレッシャプレート１１およびプレッシャロッド１２を介して）底面壁３３（エンドプレート１３）と蓋体３５（スタックマニホールド１５）との間でセル積層体９が積層方向に加圧・締結されるようになっている。
【００２９】
また、本実施形態のスタックケース３０では、図３に示すように、ケース本体３１の側面壁３２の天面が開放しており、その開放部（上から視て矩形状の開放部）３６に、セル積層体９の積層方向（すなわち、スタックケース３０の底面壁３３から蓋体３５に向かう方向）に沿って延びる細長い矩形板からなる天板部材（板部材）（図示例では、２本の天板部材）３７ａ、３７ｂが配設されている。各天板部材３７ａ、３７ｂは、積層方向に垂直な方向に横並びで設けられるとともに、断面（積層方向に垂直な断面）が矩形状を有し、各天板部材３７ａ、３７ｂの両側端付近（積層方向に垂直な方向の両側端付近）には、フランジ３８ａ、３８ｂが（外向きに）立設されている。また、本例では、一方の天板部材３７ａの幅（積層方向に垂直な方向の幅）は、他方の天板部材３７ｂの幅より若干広く設計されている。
【００３０】
前記した如くの構成を有する燃料電池１００においては、例えば上記特許文献２に所載の方法などによって、燃料電池スタック１０（セル積層体９）がスタックケース３０に挿入されて収容される。
【００３１】
ここで、前記した如くの構成を有する燃料電池１００においては、スタックケース３０が、セル積層体９を締結保持する機能を持っているが、締結荷重が付与されるときに、セル積層体９から締結荷重の反力（図１の矢印Ｘ参照）を受けることになる。本例では、エンドプレート１３（底面壁３３）とスタックマニホールド１５（蓋体３５）との間に剛性差があり（言い換えれば、剛性の異なる部材で構成されており）、エンドプレート１３（底面壁３３）の剛性が相対的に小さく（低く）、スタックマニホールド１５（蓋体３５）の剛性が相対的に大きい（高い）。そのため、前記した締結荷重の反力によって、スタックケース３０が、図１の一点鎖線矢印Ｙの方向、詳しくは、剛性の小さいエンドプレート１３の中央部分が外側へ湾曲し（膨らみ）、剛性の大きいスタックマニホールド１５の中央部分が内側へ若干湾曲する（言い換えれば、その外周部分が外側へ若干湾曲する）方向の変形を受ける。
【００３２】
前記したスタックケース３０の変形に対し、天板部材３７ａ、３７ｂの付け根部の角度（すなわち、天板部材３７ａ、３７ｂと底面壁３３との接続部分の角度、および、天板部材３７ａ、３７ｂと蓋体３５との角度）が直角となっていると、図４（Ａ）、（Ｂ）および図５に示すように、前記スタックケース３０の変形に従った天板部材３７ａ、３７ｂの変形（側面から視て、底面壁３３側が内側、蓋体３５側が外側に撓む波形状の変形）が発生し、他部品あるいは周辺部品との隙が小さくなり、必要な空間距離が確保できなくなる。
【００３３】
なお、エンドプレート１３（底面壁３３）とスタックマニホールド１５（蓋体３５）の剛性は、エンドプレート１３とスタックマニホールド１５間をつなぐ天板部材３７ａ、３７ｂの剛性に比べて十分に高いため、天板部材３７ａ、３７ｂの剛性による変形への影響は極めて小さいことが確認されている。
【００３４】
そこで、本実施形態では、あらかじめスタックケース３０（のエンドプレート１３およびスタックマニホールド１５）の変形を想定したうえで、スタックケース３０の天板部材３７ａ、３７ｂにおける使用時（締結時）の歪の発生メカニズムから、天板部材３７ａ、３７ｂの付け根部の角度（取付角度）をあらかじめ変更することにより、使用時（締結荷重付与時）にフラットな天板部材３７ａ、３７ｂとなるようにし、これにより、他部品あるいは周辺部品との隙を詰め、コンパクトな設計とする。
【００３５】
具体的には、図６に示すように、数値計算等により算出した締結時の変形量から、エンドプレート１３およびスタックマニホールド１５から燃料電池スタック１０ヘの締結荷重が付与されていない状態において、天板部材３７ａ、３７ｂとエンドプレート１３（底面壁３３）（におけるセル積層体９側の締結面）との（接続部分の）角度θａを90度より大きく92度以下とし、天板部材３７ａ、３７ｂとスタックマニホールド１５（蓋体３５）（におけるセル積層体９側の締結面）との角度θｂを88度以上90度より小さく設定する。つまり、相対的に剛性が小さいエンドプレート１３（底面壁３３）と天板部材３７ａ、３７ｂとの（接続部分の）角度θａを相対的に大きく、相対的に剛性が大きいスタックマニホールド１５（蓋体３５）と天板部材３７ａ、３７ｂとの角度θｂを相対的に小さく設定する。
【００３６】
これにより、使用時（締結荷重付与時）に、エンドプレート１３やスタックマニホールド１５が前記の如くに例えば0〜2mm程度変形した場合でも、エンドプレート１３とスタックマニホールド１５間をつなぐ天板部材３７ａ、３７ｂの変形を抑え、フラットな天板部材３７ａ、３７ｂを得ることができ（図７参照）、変形分で必要であった隙の確保が不要になり、スタック全体を小型化することができる。
【００３７】
なお、前記した天板部材３７ａ、３７ｂの付け根部の角度（取付角度）は、実際のスタックケース３０の特性、締結荷重などによって変化するため、設計変更を行うたびに、確認して修正することが好ましい。
【００３８】
このように、本実施形態の燃料電池スタックケース３０では、燃料電池スタック１０を挟持するエンドプレート１３およびスタックマニホールド１５間の平行が崩れることを考慮して、エンドプレート１３およびスタックマニホールド１５と天板部材３７ａ、３７ｂとの接続角度（接続部分の角度）を設定することで、締結荷重が付与されたときに天板部材３７ａ、３７ｂが水平（エンドプレート１３およびスタックマニホールド１５に対して略垂直）に近づくので、あらかじめ他部品あるいは周辺部品との隙を大きくする必要がなくなり、スタック全体の体格を小型化することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、燃料電池スタック１０を両側から挟持する一対の締結部材（プレート部材）のうち、エンドプレート１３がスタックケース３０と一体に構成され、スタックマニホールド１５がスタックケース３０と別体に構成されているが、燃料電池スタック１０を挟持する一対の締結部材（プレート部材）の双方を、スタックケース３０と一体あるいは別体に構成してもよいことは詳述するまでも無い。
【００４０】
また、上記実施形態では、スタック締結用の部材としてプレッシャロッド１２等を利用する場合を説明したが、燃料電池スタック１０に（積層方向に）荷重を付与できるものであれば、上述したプレッシャロッド１２等を利用したものに限定されないことは当然である。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１…セル（燃料電池セル）、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、９…セル積層体、１０…燃料電池スタック、１１…プレッシャプレート、１２…プレッシャロッド、１３…エンドプレート（プレート部材）、１４…スタックマニホールドの段差部、１５…スタックマニホールド（プレート部材）、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間、３０…スタックケース（燃料電池スタックケース）、３１…ケース本体、３２…側面壁、３３…底面壁、３４…端部開口（挿入口）、３５…蓋体、３６…開放部、３７ａ、３７ｂ…天板部材（板部材）、３８ａ、３８ｂ…フランジ、１００…燃料電池
【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】
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