(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックが衝撃を受けた際に生じる剪断力によって、積層体アセンブリが破壊されることを簡単な構成により抑制する。【解決手段】  燃料電池スタック１００を構成する積層体アセンブリ１０は、電解質・電極接合体１４の両側を第１ガス拡散層１３，１５、第２ガス拡散層１２，１６、セパレータ１１，１７で挟持して構成される。第１ガス拡散層１３，１５は、それぞれ第１ガス拡散層１３ａ〜１３ｃ，１５ａ〜１５ｃの各層を接着処理せずに積層して形成されている。積層体アセンブリ１０にその積層面に沿った剪断力が作用すると、第１ガス拡散層１３の各層の積層面及び第１ガス拡散層１５の各層の積層面においてすべりが生じ、剛性の小さい第１ガス拡散層１３，１５が破壊に至る、積層体アセンブリ１０の限界変位量が大きくなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質・電極接合体とガス拡散層とセパレータとを備えた積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池スタックであって、
前記複数の積層体アセンブリのうち、少なくとも一部の積層体アセンブリにおいて、前記ガス拡散層は、前記積層体アセンブリの積層面に沿った方向の所定の剪断力により互いに摺動する複数の層が積層されて形成された
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記少なくとも一部の積層体アセンブリは、前記燃料電池スタックの両端付近に積層された
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記複数の積層体アセンブリの全てにおいて、前記ガス拡散層は、前記摺動する複数の層が積層されて形成された
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池スタックであって、
前記複数の積層体アセンブリが、前記積層面に沿った方向に所定量以上変位することを拘束する構造体を備えた
燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池スタックであって、
前記ガス拡散層を形成する前記複数の層は、同一材質からなる複数の層を含む
燃料電池スタック。
【請求項６】
電解質・電極接合体とガス拡散層とセパレータとを備えた燃料電池の積層体アセンブリであって、
前記ガス拡散層は、前記電解質・電極接合体、ガス拡散層及びセパレータの積層面に沿った方向の所定の剪断力により互いに摺動する複数の層が積層されて形成された
積層体アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質・電極接合体とガス拡散層とセパレータとを備えた積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、単一の積層体アセンブリ（一組の電解質と電極などからなる燃料電池の最小単位）から得られる電圧は、一般的に０．７Ｖ程度と小さいため、通常、複数の積層体アセンブリを積層・締結した燃料電池スタックが使用される。かかる燃料電池スタックは、衝撃により大きな加速度を受けると、その両端に積層面に沿った剪断力が生じ、燃料電池スタックから積層体アセンブリが外れたり、剪断ひずみにより破壊に至ったりすることが問題となっていた。
【０００３】
このような問題点に対して、下記特許文献１では、積層体アセンブリを所定数積層したモジュールを積層した構成とし、モジュールごとに締結シャフトと連結して、積層方向と垂直方向に拘束する燃料電池を開示している。かかる燃料電池は、モジュール当たりに作用する剪断力を分散化させることができるので、衝撃による燃料電池スタックの破壊を抑制することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８３３５８号公報
【０００５】
しかしながら、上記の方法では、燃料電池スタックの構成が複雑となり、製造の作業性や経済性に欠けるという問題があった。
【０００６】
また、燃料電池スタックには、衝撃等による積層体アセンブリのズレを防止するために、積層体の側面に沿って、プレート状や棒状のストッパが設けられることがある。かかる燃料電池スタックを構成する複数の積層体アセンブリの形状は、通常、厳密に一致しているわけではなく、製造の過程で僅かなバラツキが生じる。こうした積層体アセンブリを多数積層したときには、上述のストッパと積層体の側面との間に微細な凹凸空間が生じることになる。
【０００７】
この凹凸空間が、積層体アセンブリが破壊に至る剪断ひずみ量よりも小さい場合には、ストッパにより剪断ひずみが止まるので、積層体アセンブリが破壊に至ることはない。しかし、この凹凸空間が、積層体アセンブリが破壊に至る剪断ひずみ量よりも大きい場合には、積層体アセンブリは破壊に至ることがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックが衝撃を受けた際に生じる剪断力によって、積層体アセンブリが破壊されることを簡単な構成により抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の少なくとも一部を解決する本発明の燃料電池スタックは、
電解質・電極接合体とガス拡散層とセパレータとを備えた積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池スタックであって、
前記複数の積層体アセンブリのうち、少なくとも一部の積層体アセンブリにおいて、前記ガス拡散層は、前記積層体アセンブリの積層面に沿った方向の所定の剪断力により互いに摺動する複数の層が積層されて形成された
ことを要旨とする。
【００１０】
かかる構成の燃料電池スタックにおいては、大きな衝撃を受けるなどして、積層体アセンブリの積層面に沿った方向の剪断力が生じても、ガス拡散層を構成する複数の層が摺動できるので、簡単な構成により、ガス拡散層に作用する剪断力を小さくし、ガス拡散層の破壊を抑制することができる。
【００１１】
また、かかる構成の燃料電池スタックにおいて、少なくとも一部の積層体アセンブリは、燃料電池スタックの両端付近に積層されたものとしてもよい。このような構成とすれば、燃料電池スタックが大きな衝撃を受けたときに、燃料電池スタックに生じる剪断力が最も大きくなる両端付近において、ガス拡散層を構成する複数の層が摺動できる。したがって、効率的な構成によりガス拡散層の破壊を抑制することができる。
【００１２】
また、かかる構成の燃料電池スタックにおいて、複数の積層体アセンブリの全てにおいて、ガス拡散層は、摺動する複数の層が積層されて形成されたものとしてもよい。このような構成とすれば、燃料電池スタックが大きな衝撃を受けたときに、全ての積層体アセンブリにおいて、ガス拡散層を構成する複数の層が摺動できる。したがって、ガス拡散層の破壊抑制効果を高めることができる。
【００１３】
また、かかる構成の燃料電池スタックにおいて、複数の積層体アセンブリが、積層面に沿った方向に所定量以上変位することを拘束する構造体を備えたものとしてもよい。このような構成とすれば、燃料電池スタックが大きな衝撃を受けたときに、拘束構造体が積層体アセンブリの変位を所定量以下に抑える。また、積層体アセンブリが所定量まで変位する際には、ガス拡散層を構成する複数の層が摺動するので、その分だけガス拡散層の剪断量を小さくできる。したがって、ガス拡散層の破壊を抑制することができる。
【００１４】
また、かかる構成の燃料電池スタックにおいて、ガス拡散層を形成する複数の層は、同一材質からなる複数の層を含むものとしてもよい。このような構成とすれば、単一の材質からなるガス拡散層であっても、ガス拡散層を構成する複数の層を摺動して、ガス拡散層の破壊を抑制することができる。
【００１５】
なお、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池スタックを構成する積層体アセンブリとしても構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施例について説明する。
（１）燃料電池スタックの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構造を示す斜視図である。燃料電池スタック１００は、駆動源として車両に搭載される固形高分子形の燃料電池である。その概略構造は、図示するとおり、積層体アセンブリ１０を複数積層した積層体２０の両側をターミナル３４ａ，３４ｂ、インシュレータ３２ａ，３２ｂで挟持し、更に、その両端に配されたエンドプレート３０ａ，３０ｂで締結される（積層体アセンブリ１０の詳細は、図２を用いて後述する）。これらの積層体２０、インシュレータ３２ａ，３２ｂ、ターミナル３４ａ，３４ｂの４隅は、図示するように、矩形状に角が取れた形状となっている。
【００１７】
また、エンドプレート３０ａ，３０ｂは、その４隅に貫通孔を有している。外部拘束棒４０ａ〜４０ｄは、この貫通孔を貫通し、エンドプレート３０ａ及び３０ｂの外側からナットで締結されることで、エンドプレート３０ａとエンドプレート３０ｂとを締結する機能を果たす。
【００１８】
かかる外部拘束棒４０ａ〜４０ｄは、積層体２０、インシュレータ３２ａ，３２ｂ、ターミナル３４ａ，３４ａの４隅の角が取れた２面と接するように配置されている。したがって、見かけ上では、積層体２０、インシュレータ３２ａ，３２ｂ、ターミナル３４ａ，３４ａは、外部拘束棒４０ａ〜４０ｄによって、上下左右の４点で固定されており、上下左右いずれにも移動できない状態となっている。
【００１９】
ただし、実際には、積層体２０を構成する複数の積層体アセンブリ１０の大きさには、製造精度の問題で僅かなバラツキが生じる。したがって、厳密に言えば、例えば、外部拘束棒４０ａは、最も外部拘束棒４０ａ側に張り出した積層体アセンブリ１０と接しているだけであり、他の積層体アセンブリ１０と外部拘束棒４０ａとの間には、微細な凹凸空間が生じている。外部拘束棒４０ｂ〜４０ｄについても、同様である。
【００２０】
なお、本実施例においては、外部拘束棒４０ａ〜４０ｄが、燃料電池スタック１００の締結部材としての機能と、積層体２０の固定部材としての機能とを兼ね備えるものとしたが、締結部材と、固定部材を別々に設けてもよい。また、外部拘束棒の本数は、４本に限らず、これよりも少ない構成、例えば２本としたり、多い構成、例えば６本としたりしてもよい。
【００２１】
（２）積層体アセンブリ１０の概略構成：
次に、図１に示した燃料電池スタック１００を構成する積層体アセンブリ１０の概略構成について図２に示す。積層体アセンブリ１０は、電解質・電極接合体１４の両端を、第１ガス拡散層１３及び１５、第２ガス拡散層１２及び１６、セパレータ１１及び１７で挟持して構成される。
【００２２】
電解質・電極接合体１４は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、湿潤状態でプロトン伝導性を備えた固体高分子材料の電解質膜と、当該電解質膜を両側から挟むように配置されたアノード電極及びカソード電極とからなる。アノード電極およびカソード電極は、触媒担持カーボンと固体高分子材料の電解質とからなる。
【００２３】
第１ガス拡散層１３及び第２ガス拡散層１２は、燃料ガスの流路として機能するものであり、第１ガス拡散層１３はカーボンファイバー、第２ガス拡散層１２は、金属製多孔体（発泡金属）からなる。第１ガス拡散層１３は、第２ガス拡散層１２と比べて空隙率が小さく、ガスの透過性は劣るが、電解質・電極接合体を保護する機能を果たす。一方、第２ガス拡散層１２は、第１ガス拡散層１３と比べて空隙率が大きく、また、燃料電池スタック１００の締付圧力に対してその形状を維持しやすい特長を有しており、ガスの透過性や生成水の排出性を十分に確保する。また、第１ガス拡散層１３は、それぞれ同一材質の複数の層１３ａ〜１３ｃが積層されて形成されている。なお、説明は省略するが、酸化ガスの流路として機能する第１ガス拡散層１５及び第２ガス拡散層１６についても、同様の構成である。
【００２４】
なお、本実施例においては、上述の通り、ガス拡散層を２種類の材質で形成したが、このような形態に限られるものではない。例えば、単一の材質のみで形成したり、３種以上の材質で形成したりしてもよい。材質も、上述のカーボンファイバーや発泡金属に限らず、メタルファイバークロス、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルトなど種々の材質を用いることができる。
【００２５】
セパレータ１１，１７は、燃料ガス及び酸化ガスの供給・排出流路や隔壁として機能するものであり、本実施例においてはステンレスからなるが、他の金属やカーボン材質のものであってもよい。
【００２６】
かかる構成の積層体アセンブリ１０は、本実施例では、各部材がホットプレス等による接着処理が施されて形成されている。ただし、第１ガス拡散層１３を構成する層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ同士のそれぞれの接触面、第１ガス拡散層１５を構成する１５ａ，１５ｂ，１５ｃのそれぞれの接触面については、特に接着処理は施されていない。したがって、これらの接触面については、積層体アセンブリ１０を基に燃料電池スタック１００を組み立てた段階においても、図１に示したエンドプレート３０ａ及びエンドプレート３０ｂによって両端から締結されて、シール性を確保できる程度に密着した状態となるのであって、接触面に沿った方向に所定の剪断力が加われば、接触面に沿って摺動する状態である。
【００２７】
（３）燃料電池スタック１００の作用・効果：
次に、かかる構成の燃料電池スタック１００の作用・効果について以下に説明する。図３は、図１に示した燃料電池スタック１００の上面視図である。図中の積層体２０は、燃料電池スタック１００を搭載した車両が、前方方向に衝突した状態を示している。図中の凹凸空間５０ａ，５０ｂは、上述した積層体アセンブリ１０と外部拘束棒４０ａ，４０ｂとの間の微細な凹凸空間である。ただし、説明の便のため、空間の大きさは誇張して図示している。
【００２８】
図示するように、積層体２０を構成する積層体アセンブリ１０は、衝突時の慣性力により剪断ひずみが生じて、積層体２０の中央部ほど大きく前方へ変位している。その変位量は、外部拘束棒４０ａがストッパとして作用するために、最大でも凹凸空間５０ａの最大幅、すなわち図中の最大変位量Ｄｍａｘとなる。この剪断ひずみは、本実施例の積層体アセンブリ１０の構成においては、剛性が小さい第１ガス拡散層１３，１５で生じる。
【００２９】
ここで、図３に示した剪断ひずみが生じている際の積層体アセンブリ１０の状態について図４を用いて説明する。図４（ｂ）は、比較例としての従来の積層体アセンブリにおける第１ガス拡散層６３，６５と電解質・電極接合体６４を示している。上述した本発明の積層体アセンブリ１０との構成の違いは、第１ガス拡散層６３，６５が多層積層構造となっていない点である。
【００３０】
従来の積層体アセンブリでは、図示するように、第１ガス拡散層６３と電解質・電極接合体６４との接触面と、第１ガス拡散層６５と電解質・電極接合体６４との接触面とは、いずれも接着した状態であり、第１ガス拡散層６３，６５において剪断ひずみが生じている。このとき、第１ガス拡散層６３，６５が破壊に至る、積層体アセンブリの限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−０は、第１ガス拡散層６３，６５が破壊に至る剪断ひずみ量である限界剪断ひずみ量Ｓｌｉｍｉｔを用いて、次式（１）で表される。
Ｄｌｉｍｉｔ−０＝Ｓｌｉｍｉｔ・・・（１）
【００３１】
一方、本発明の積層体アセンブリ１０における第１ガス拡散層１３，１５及び電解質・電極接合体１４を図４（ａ）に示す。図示するように、第１ガス拡散層１３ｃと電解質・電極接合体１４との接触面と、第１ガス拡散層１５ｃと電解質・電極接合体１４との接触面とは、いずれも接着した状態である。そして、第１ガス拡散層１３ａ〜１３ｃ，１５ａ〜１５ｃのそれぞれにおいて剪断ひずみが生じている。また、第１ガス拡散層１３ａと第１ガス拡散層１３ｂ、第１ガス拡散層１３ｂと第１ガス拡散層１３ｃ、第１ガス拡散層１５ａと第１ガス拡散層１５ｂ、第１ガス拡散層１５ｂと第１ガス拡散層１５ｃとの接触面は、上述のとおり接着処理を施していないために、剪断力により互いに摺動した状態となっている。
【００３２】
このとき、第１ガス拡散層１３，１５が破壊に至る、積層体アセンブリ１０の限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−１は、第１ガス拡散層１３または１５がその機能を損なわない最大のすべり量である限界すべり量ＬＤｌｉｍｉｔ、第１ガス拡散層１３，１５を構成する層の積層数ｎを用いて、概ね次式（２）で表される。
Ｄｌｉｍｉｔ−１＝Ｓｌｉｍｉｔ＋ＬＤｌｉｍｉｔ×（ｎ−１）×２・・・（２）
【００３３】
これらの限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−０，Ｄｌｉｍｉｔ−１が、上述の最大変位量Ｄｍａｘよりも大きければ、積層体アセンブリ１０は、自身が破壊に至る変位量に達する前に外部拘束棒４０ａによりその変位を止められるので、第１ガス拡散層１３，１５は破壊に至ることはない。しかし、限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−０，Ｄｌｉｍｉｔ−１が最大変位量Ｄｍａｘ以下であれば、第１ガス拡散層１３，１５は破壊に至ることがある。
【００３４】
上式（１），（２）から明らかなように、実施例としての積層体アセンブリ１０の限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−１は、比較例としての積層体アセンブリの限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−０よりも、第１ガス拡散層１３，１５の積層面（１３ａと１３ｂ、１３ｂと１３ｃ、１５ａと１５ｂ、１５ｂと１５ｃの接触面）にすべりが生じる分だけ大きくなる。したがって、実施例としての積層体アセンブリ１０は、比較例と比べて、限界変位量Ｄｌｉｍｉｔ−１を最大変位量Ｄｍａｘよりも大きくしやすく、第１ガス拡散層１３，１５の破壊を抑制することができる。
【００３５】
なお、本実施例においては、積層体２０を構成する全ての積層体アセンブリ１０について、図２に示したように、第１ガス拡散層１３，１５を摺動可能な積層構造としたが、必ずしもこのような態様に限られない。積層体２０を構成する複数の積層体アセンブリ１０のうち、少なくとも一部の積層体アセンブリ１０において、このような構成としてもよい。例えば、慣性力による剪断力は、燃料電池スタック１００の両端で大きくなるので、両端付近のみこのような構成とすれば、効率的な構成により、第１ガス拡散層１３，１５の破壊を抑制することができる。
【００３６】
また、本実施例においては、第１ガス拡散層１３，１５は、それぞれ同一の材質からなる第１ガス拡散層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃで構成される３層積層構造としたが、積層数は３層に限るものではない。例えば、２層積層構造としたり、４層以上の積層構造としたりしてもよい。また、同一の材質の層を積層することに限らず、異なる材質の層を積層して形成してもよい。
【００３７】
また、本実施例においては、第１ガス拡散層１３と第１ガス拡散層１５とは同じ積層数により構成されるものとしたが、このような態様に限られるものではない。例えば、第１ガス拡散層１３と第１ガス拡散層１５とで異なる材質を用いる場合には、両材質の特性を考慮して、互いに異なる積層数としたり、いずれか一方のみを積層構造としたりしてもよい。
【００３８】
以上のように、第１ガス拡散層１３及び１５を積層構造で形成する燃料電池スタック１００の部位や、積層数など種々の諸元は、積層体アセンブリ１０の積層数、外部拘束棒４０ａ，４０ｂのたわみの程度などを考慮して、適宜設定すればよい。
【００３９】
また、本実施例においては、積層体アセンブリ１０を構成する部位のうち、第１ガス拡散層１３及び１５の剛性が小さく、破壊されやすいため、当該部位を多層積層構造として破壊を抑制するものとしたが、他の部位、例えば、第２ガス拡散層１２，１６の剛性が小さい場合には、当該他の部位を多層積層構造としてもよい。ガス拡散層を３種類以上の材質で形成する場合であっても、同様に、剛性が小さい部位を多層積層構造としてもよい。
【００４０】
また、ガス拡散層が複数の材質で構成される場合、例えば、実施例に示したように、第１ガス拡散層１３と第２ガス拡散層１２とから構成される場合には、これらの接触面も摺動可能となるように、材質を選定してもよい。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本実施例の燃料電池スタック１００は、外部拘束棒４０ａ〜４０ｄを備えるものとしたが、これらを備えない構成であってもよい。もとより、本発明の燃料電池スタックは、実施例に示した車両に搭載される固形高分子形の燃料電池に限らず、種々の燃料電池として構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示した積層体アセンブリ１０の概略構成を示す説明図である。
【図３】図１に示した燃料電池スタック１００の上面視図である。
【図４】剪断ひずみが生じている際の積層体アセンブリ１０の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…積層体アセンブリ
１１，１７…セパレータ
１２…第２ガス拡散層
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…第１ガス拡散層
１４…電解質・電極接合体
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…第１ガス拡散層
１６…第２ガス拡散層
２０…積層体
３０ａ，３０ｂ…エンドプレート
３２ａ，３２ｂ…インシュレータ
３４ａ，３４ｂ…ターミナル
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…外部拘束棒
５０ａ，５０ｂ…凹凸空間
６３…第１ガス拡散層
６４…電解質・電極接合体
６５…第１ガス拡散層
１００…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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