(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも製造コストが小さい燃料電池スタック構造を提供する。【解決手段】複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの構造を維持するための金属製のテンションプレート１と、前記燃料電池スタックの少なくとも一部を覆う金属製のスタックケース２と、を含む燃料電池スタック構造であって、燃料電池スタック１における燃料電池セルの積層方向の端部の一方の面に、スタックケース２と金属製の第一端子接続部材３とが接続され、他方の面に、金属製の第二端子接続部材４が接続され、第一端子接続部材３と第二端子接続部材４はいずれも板状構造を有し、スタックケース２と第一端子接続部材３は同じ材料で構成され、第一端子接続部材３の熱膨張率はテンションプレート１よりも大きく、テンションプレート１の熱膨張率は第二端子接続部材４よりも大きいことを特徴とする、燃料電池スタック構造。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの構造を維持するための金属製のテンションプレートと、
前記燃料電池スタックの少なくとも一部を覆う金属製のスタックケースと、を含む燃料電池スタック構造であって、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の端部の一方の面に、前記スタックケースと金属製の第一端子接続部材とが接続され、他方の面に、金属製の第二端子接続部材が接続され、
前記第一端子接続部材と前記第二端子接続部材はいずれも板状構造を有し、
前記スタックケースと前記第一端子接続部材は同じ材料で構成され、
前記第一端子接続部材の熱膨張率は前記テンションプレートよりも大きく、前記テンションプレートの熱膨張率は前記第二端子接続部材よりも大きいことを特徴とする、燃料電池スタック構造。
【請求項２】
前記第一端子接続部材及び前記スタックケースがアルミを含み、前記テンションプレートがステンレスを含み、前記第二端子接続部材が銅を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来よりも製造コストの小さい燃料電池スタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックにおけるバスバーとして、温度や湿度変化に追従するフレキシブルバスバーを使用することが知られている。特許文献１には、正極端子又は負極端子と、エンドプレートに配置されたリレーとを、フレキシブルバスバーにより接続した燃料電池の車両搭載構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６２１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者が検討した結果、特許文献１に記載のフレキシブルバスバーは、板状のバスバーに比べてコストが高いことが分かった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来よりも製造コストの小さい燃料電池スタック構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池スタック構造は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの構造を維持するための金属製のテンションプレートと、前記燃料電池スタックの少なくとも一部を覆う金属製のスタックケースと、を含む燃料電池スタック構造であって、前記燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の端部の一方の面に、前記スタックケースと金属製の第一端子接続部材とが接続され、他方の面に、金属製の第二端子接続部材が接続され、前記第一端子接続部材と前記第二端子接続部材はいずれも板状構造を有し、前記スタックケースと前記第一端子接続部材は同じ材料で構成され、前記第一端子接続部材の熱膨張率は前記テンションプレートよりも大きく、前記テンションプレートの熱膨張率は前記第二端子接続部材よりも大きいことを特徴とする。
【０００６】
本発明においては、前記第一端子接続部材及び前記スタックケースがアルミを含み、前記テンションプレートがステンレスを含み、前記第二端子接続部材が銅を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、テンションプレートの熱膨張率を、第一端子接続部材の熱膨張率未満かつ第二端子接続部材の熱膨張率を超えるものとすることにより、熱膨張率による寸法差が吸収されるため、第一端子接続部材及び第二端子接続部材が板状の場合でも、これら端子接続部材間の距離は熱変動することが無く、さらに、板状部材を用いるため従来のフレキシブルバスバーを使用した構造体よりも製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る燃料電池スタック構造の一実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の燃料電池スタック構造は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの構造を維持するための金属製のテンションプレートと、前記燃料電池スタックの少なくとも一部を覆う金属製のスタックケースと、を含む燃料電池スタック構造であって、前記燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の端部の一方の面に、前記スタックケースと金属製の第一端子接続部材とが接続され、他方の面に、金属製の第二端子接続部材が接続され、前記第一端子接続部材と前記第二端子接続部材はいずれも板状構造を有し、前記スタックケースと前記第一端子接続部材は同じ材料で構成され、前記第一端子接続部材の熱膨張率は前記テンションプレートよりも大きく、前記テンションプレートの熱膨張率は前記第二端子接続部材よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
上述したように、特殊な材料を含むバスバーを用いた場合、コストがかさみ、また、材料によっては折り曲げ等の成形性が悪化するおそれがある。
本発明者は、鋭意努力の結果、互いに熱膨張率の異なる端子接続部材を、燃料電池スタックのプラス及びマイナスにそれぞれ採用することにより、スタックケースと端子接続部材の熱膨張率（線膨張係数）の違いによる相対ずれ及び歪みを補正できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
本発明に使用される燃料電池セルは、通常、膜・電極接合体を備える。膜・電極接合体は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜、及び当該高分子電解質膜を挟む一対のカソード電極及びアノード電極を備える。燃料電池セルは、膜・電極接合体の他に、当該膜・電極接合体を電極の外側から挟む一対のセパレータを備える。セパレータと電極との境界にはガス流路が設けられていてもよい。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層及びガス拡散層の積層体が用いられる。
高分子電解質膜、カソード及びアノード電極、並びにセパレータについては、従来から燃料電池に使用されているものを用いることができる。
以上の燃料電池セルを２つ以上積層することにより、燃料電池スタックが形成される。
【００１２】
本発明における金属製のテンションプレートは、燃料電池スタック構造の形状を維持できる程度の強度があればよい。テンションプレートは、燃料電池の電極反応に関与する部材であってもよいし、全く関与しない部材であってもよい。燃料電池の電極反応に関与する部材としては、例えば、電極集電体が挙げられる。
テンションプレートは、燃料電池スタック全体を覆う必要はないが、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に平行な側面の少なくとも一部又は全部に配置されることが好ましい。
十分な強度を有し、かつ、後述する通り中程度の熱膨張率を有するという観点から、テンションプレートは、ステンレスを含むことが好ましい。
【００１３】
本発明における金属製のスタックケースは、燃料電池スタックの少なくとも一部を覆うことができる程度の容積を有するものであれば、特に限定されない。
内部の燃料電池スタックを保護できる程度の強度を有し、かつ、後述する通り比較的高い熱膨張率を有するという観点から、スタックケースは、アルミを含むことが好ましい。
【００１４】
本発明においては、燃料電池スタックの正極側と負極側にそれぞれ１つずつ端子接続部材を設ける。第一端子接続部材と第二端子接続部材のうち、いずれが正極側に設置されていてもよい。
第一端子接続部材は、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の端部の一方の面、及びスタックケースの内側の一部に接続されている。第一端子接続部材と燃料電池スタックの当該面との接続部分、及び第一端子接続部材とスタックケースの当該部分との接続部分は、重なっていてもよいし、異なる部分であってもよい。すなわち、第一端子接続部材に伝わる熱が、燃料電池スタックの当該面及びスタックケースの当該部分に、いずれも均一に伝わる構造であれば、接続部分及びその態様は特に限定されない。
第一端子接続部材は、板状構造を有し、かつ、スタックケースと同じ材料で構成されている。したがって、第一端子接続部材は、アルミを含むことが好ましく、アルミ箔又はアルミ板であることがより好ましい。板状の第一端子接続部材を用いることにより、従来の特殊な材料を含むバスバーを使用した構造体よりも製造コストを下げることができる。
【００１５】
第二端子接続部材は、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の端部の他方の面と接続されている。第二端子接続部材に伝わる熱が、スタックの当該面に均一に伝わる構造であれば、接続部分及びその態様は特に限定されない。
第二端子接続部材は、板状構造を有する。また、第二端子接続部材は、後述する通り比較的小さい熱膨張率を有するという観点から、銅を含むことが好ましく、銅箔又は銅板であることがより好ましい。板状の第二端子接続部材を用いることにより、従来の特殊な材料を含むバスバーを使用した構造体よりも製造コストを下げることができる。
【００１６】
本発明においては、第一端子接続部材及びスタックケースの熱膨張率がテンションプレートよりも大きく、テンションプレートの熱膨張率が第二端子接続部材よりも大きいという構成をとる。ここで、α１を第一端子接続部材及びスタックケースの熱膨張率、α２をテンションプレートの熱膨張率、α３を第二端子接続部材の熱膨張率とすると、これら３つの熱膨張率の関係は下記式（１）に示す通りとなる。
α１＞α２＞α３    式（１）
このように、テンションプレートの熱膨張率を、第一端子接続部材の熱膨張率未満かつ第二端子接続部材の熱膨張率を超えるものとすることにより、熱膨張率による寸法差を吸収でき、その結果、第一端子接続部材及び第二端子接続部材が板状であっても、これら端子接続部材間の距離が熱変動せず、熱による歪みの発生を抑えることができる。
【００１７】
本発明においては、燃料電池スタック構造の寸法ａ及び寸法ｂを、下記式（２）に示す通りに設定することが好ましい。
ａ×α１＝ｂ×α２−（ｂ−ａ）×α３    式（２）
上記式（２）中、α１、α２、及びα３は、いずれも上述した各熱膨張率の値である。また、寸法ａは、第一端子接続部材が接続した燃料電池スタックの面から、第一及び第二端子接続部材に挟まれかつこれら端子接続部材先端から等しい距離離れた仮想線までの寸法を指し、寸法ｂは、燃料電池スタックの積層方向厚さを指す。
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池スタック構造の一実施形態を示す平面図である。図１に示す通り、本発明に係る燃料電池スタック構造の一実施形態１００は、テンションプレート１、スタックケース２、第一端子接続部材３、及び第二端子接続部材４を備える。端子接続部材については、説明の便宜上、太線で示す。ここで、燃料電池スタックは、紙面に対しテンションプレート１の反対側に位置しており、紙面に略垂直な方向に複数の燃料電池セルが積層してなる。各燃料電池セルの平面方向は、紙面の上下方向と略同一とする。したがって、燃料電池セルの積層方向は紙面の左右方向と略同一となり、積層した燃料電池セルの一方の端が第一端子接続部材３と、他方の端が第二端子接続部材４と、それぞれ接続している。
燃料電池スタックにおいて、第一端子接続部材３が接続した面を寸法基準とし、当該寸法基準から、第一及び第二端子接続部材に挟まれかつこれら端子接続部材先端から等しい距離離れた仮想線までの寸法を寸法ａとし、燃料電池スタックの積層方向厚さをｂとする。
このように、寸法基準側の第一端子接続部材をスタックケースと同じ熱膨張率α１とし、かつ、寸法基準とは反対側に位置する第二端子接続部材の熱膨張率α３を、テンションプレートの熱膨張率α２よりも小さくすることにより、燃料電池スタック構造内部の熱膨張による寸法差を吸収でき、第一及び第二端子接続部材の歪を抑えることができる。
また、寸法ａ及び寸法ｂを上記式（２）により規定することによって、燃料電池スタック構造内部の熱膨張差をより緩和することができる。
【実施例】
【００１９】
以下に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。
【００２０】
１．燃料電池スタック構造の製造
［実施例１］
まず、テンションプレートとしてＳＵＳ３０４を備える燃料電池スタック、スタックケースとしてアルミニウム製ケース、第一端子接続部材（バスバーＡ）としてアルミニウム製板状バスバー、第二端子接続部材（バスバーＢ）として銅製板状バスバーをそれぞれ用意した。なお、各材料の熱膨張率（線膨張係数）は以下の通りである。
ＳＵＳ３０４の熱膨張率：１７．３×１０−６
アルミニウムの熱膨張率：２３×１０−６
銅の熱膨張率：１６．８×１０−６
このように、スタックケースとバスバーＡに同一の材料を用いることにより、スタックケースとバスバーＡとの間の熱膨張による歪み発生を予め防止できる。
【００２１】
上記材料を、図１に示すように組み立てた。上記式（２）に、α１＝２３×１０−６、α２＝１７．３×１０−６、及びα３＝１６．８×１０−６を代入し、方程式を整理すると、寸法ａ及び寸法ｂの関係は以下の通りとなる。
ａ×（２３×１０−６）＝ｂ×（１７．３×１０−６）−（ｂ−ａ）×（１６．８×１０−６）
２３ａ＝１７．３ｂ−１６．８（ｂ−ａ）
６．２ａ＝０．５ｂ
ａ＝０．０８１ｂ    式（２ｂ）
上記式（２ｂ）より、寸法ａを寸法ｂの８．１％の長さにすることにより、スタックケースとバスバーＢとの間の熱膨張による歪み発生、及びテンションプレートとバスバーＢとの間の熱膨張による歪み発生を予め防止できる。
【００２２】
このように、（１）スタックケースとバスバーＡに同一の材料を使用し、かつ（２）寸法ａを寸法ｂの８．１％の長さとすることにより、スタックケース内に生じる熱膨張によってバスバーＡ及びバスバーＢがいずれも歪まないため、フレキシブルバスバー等の特殊なバスバーを用いることなく、寸法調整のみで熱膨張差に由来する部材の歪みを防止することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１  テンションプレート
２  スタックケース
３  第一端子接続部材（バスバーＡ）
４  第二端子接続部材（バスバーＢ）
ａ  第一端子接続部材が接続した燃料電池スタックの面から、第一及び第二端子接続部材に挟まれかつこれら端子接続部材先端から等しい距離離れた仮想線までの寸法
ｂ  燃料電池スタックの積層方向厚さ
１００  燃料電池スタック構造の一実施形態
【図１】
2015153633.tif 000003