(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて簡易な構成で、積層方向に垂直な面内方向への慣性荷重に対する耐性を強化する技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、発電体とセパレータの少なくとも一方の機能を有するプレートが複数積層された積層体と、積層体の積層方向の外側から挟持する一対のエンドプレートと、セル積層体の積層方向に伸びて一対のエンドプレートに締結されたズレ抑制部材と、２以上のプレートに亘って積層体とズレ抑制部材との間に配置された変形可能な中間材と、を備える。２以上のプレートとズレ抑制部材の少なくとも一方は、中間材と接する面の少なくとも一部に凹凸形状が形成されている。【選択図】図３
2008277102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
発電体とセパレータの少なくとも一方の機能を有するプレートが複数積層された積層体と、
前記積層体の積層方向の外側から挟持する一対のエンドプレートと、
前記セル積層体の積層方向に伸びて前記一対のエンドプレートに締結されたズレ抑制部材と、
２以上の前記プレートに亘って前記積層体と前記ズレ抑制部材との間に配置された変形可能な中間材と、
を備え、
前記２以上のプレートと前記ズレ抑制部材の少なくとも一方は、前記中間材と接する面の少なくとも一部に凹凸形状が形成されている燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、さらに、
前記積層体の積層方向の両端で前記一対のエンドプレートを前記積層方向に圧縮付勢する締結部材を備え、
前記締結部材と前記ズレ抑制部材は、構造的に一体化されている燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
前記中間材は、弾性体であり、
前記ズレ抑制部材は、前記積層方向と垂直な方向に前記積層体を圧縮付勢する燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、さらに、
前記積層方向を軸として前記積層体および前記ズレ抑制部材の周囲を覆うとともに閉じた形状を有し、前記ズレ抑制部材を前記積層体の外周側から圧縮付勢する帯状部材を備える燃料電池スタック。
【請求項５】
燃料電池を搭載する車両であって、
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックを有する燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両に搭載可能な燃料電池用スタックの構造として、発電体として機能するプレートと、セパレータとして機能するプレートを複数交互に積層した構成が提案されている。このような構造は単体では、プレートの積層方向（本明細書では、単に積層方向と呼ぶ。）に対して垂直な方向（本明細書では、単に面内方向と呼ぶ。）への慣性荷重に対する耐性が弱いという問題を有していた。積層方向への慣性荷重に対しては、各プレートが面圧方向に抗力を発生させることができるのに対して、面内方向への慣性荷重に対してはプレート相互間に働く摩擦力で抗力を発生させることになるからである。このため、たとえば特許文献１に開示されるように、各プレートの外周に凹部を持たせるとともに、この凹部と嵌合する形状を備えたケーシングで面内方向へのズレを抑制するように構成された構造も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８００９号公報
【特許文献２】特開２００５−５６８１４号公報
【特許文献３】特開平８−１６２１４３号公報
【特許文献４】特開２００３−２０３６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような嵌合による拘束は、嵌合部に慣性荷重が集中するためケーシングやプレートの外周に対して強い剛性が要求され重量増加の要因となっていた。加えて、このような拘束は、各プレートやケーシングの形状に対して厳しい形状公差や組み立て精度を要求することにもなっていた。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて簡易な構成で、積層方向に垂直な面内方向への慣性荷重に対する耐性を強化する技術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】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、
発電体とセパレータの少なくとも一方の機能を有するプレートが複数積層された積層体と、
前記積層体の積層方向の外側から挟持する一対のエンドプレートと、
前記セル積層体の積層方向に伸びて前記一対のエンドプレートに締結されたズレ抑制部材と、
２以上の前記プレートに亘って前記積層体と前記ズレ抑制部材との間に配置された変形可能な中間材と、
を備え、
前記２以上のプレートと前記ズレ抑制部材の少なくとも一方は、前記中間材と接する面の少なくとも一部に凹凸形状が形成されている。
【０００７】
本発明の燃料電池スタックでは、２以上のプレートに亘って積層体とズレ抑制部材との間に変形可能な中間材が配置され、２以上のプレートとズレ抑制部材の少なくとも一方は中間材と接する面の少なくとも一部に凹凸形状が形成されている。この凹凸形状は、変形可能な中間材との間に嵌合状態を形成し、摩擦力としての荷重伝達を向上させることができる。この嵌合には、たとえば特許文献１に開示されるような凹凸形状の嵌め合いを考慮する必要がないので、嵌合状態を実現するための形状公差を厳しく要求しなくても嵌合状態を簡易に実現することができる。
【０００８】
ここで、「変形可能」の変形には、（１）中間材がウレタンシートやゴムといった弾性体の場合におけるプレートやズレ抑制部材を押しつける際の弾性変形や（２）中間材が樹脂や接着剤といった硬化性材料の場合における硬化前の変形といった各種の変形を含む。さらに、「発電体とセパレータの少なくとも一方の機能を有するプレートが複数積層された積層体と」とは、たとえば「発電体の機能を有するプレートと、セパレータの機能を有するプレートとが複数交互に積層された積層体」や「発電体とセパレータの双方の機能を有するプレートが複数積層された積層体」、あるいは「発電体の機能を有するプレートの両端からセパレータの機能を有する２枚のプレートが挟持するプレート群が複数積層された積層体」といった種々の形態を含む。
【０００９】
上記燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記積層体の積層方向の両端で前記一対のエンドプレートを前記積層方向に圧縮付勢する締結部材を備え、
前記締結部材と前記ズレ抑制部材は、構造的に一体化されても良い。こうすれば、締結部材とズレ抑制部材の構造的な一体化によってズレ抑制部材の剛性をさらに増大させることができる。
【００１０】
上記燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記中間材は、弾性体であり、
前記ズレ抑制部材は、前記積層方向と垂直な方向に前記積層体を圧縮付勢するようにしても良い。こうすれば、嵌合状態を簡易に再現することができるので、組み付け性や再利用性の向上を実現することが可能となる。
【００１１】
上記燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記積層方向を軸として前記積層体および前記ズレ抑制部材の周囲を覆うとともに閉じた形状を有し、前記ズレ抑制部材を前記積層体の外周側から圧縮付勢する帯状部材を備えるようにしても良い。こうすれば、帯状部材に発生する引っ張り荷重によってズレ抑制部材の付勢力を効果的に増大させることができる。
【００１２】
本発明は、燃料電池を搭載する車両を提供する。この燃料電池を搭載する車両は、
上記のいずれかに記載の燃料電池スタックを有する燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える。
【００１３】
なお、本発明は、燃料電池、燃料電池スタック製造方法その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｃ．変形例：
【００１５】
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例における半製品としての燃料電池スタック１００ｈの構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００ｈは、積層体１１０と、積層体１１０を積層方向（図１では、左右方向）の両端から挟持する一対のエンドプレート１５０、１６０と、一対のエンドプレート１５０、１６０による挟持を実現するために一対のエンドプレート１５０、１６０を締結する４組のボルト１２１及びナット１２２とを備えている。燃料電池スタック１００ｈには、積層体１１０に燃料ガスや冷却液を供給するための複数の貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。
【００１６】
図１の座標系は、燃料電池スタック１００ｈが車両３００に搭載される際に想定されている各方向を表している。たとえば前後方向は、車両の前後方向を示し、また、左右方向と上下方向とは、それぞれ車両の左右方向と上下方向とを示している。本実施例では、車両の設計において、衝突や追突を考慮して前後方向に最も大きな衝撃が加わることが想定されているものとする。
【００１７】
車両３００は、車輪３１０と、車輪３１０に機械的な駆動力を供給するギアボックス３２０と、ギアボックス３２０に機械的な駆動力を供給するモーター３３０と、半製品としての燃料電池スタック１００ｈから製造される燃料電池スタック１００（後述）を有する燃料電池３５０と、燃料電池から供給される電力を三相交流の駆動電力としてモーター３３０に供給する駆動回路３４０とを備えている。
【００１８】
図２は、半製品としての燃料電池スタック１００ｈを上側（図１の座標系）から見た図である。積層体１１０は、本実施例では、複数のプレート１０ａ〜１０ｕが積層された積層体として構成されている。複数のプレート１０ａ〜１０ｕは、発電体とセパレータとを含んでいる。複数のプレート１０ａ〜１０ｕに示された矢印は、図示しない車両に前後方向への衝撃が加わって、この衝撃によって半製品としての燃料電池スタック１００ｈのプレート１０ａ〜１０ｕで発生する慣性力と摩擦力である。複数のプレート１０ａ〜１０ｕの各々において、慣性力と摩擦力とは、それぞれ塗りつぶされた矢印と、ハッチングされた矢印とで示されている。
【００１９】
プレート１０ａ〜１０ｕの各々における慣性力と摩擦力の関係は、以下のとおりである。たとえば、プレート１０ｋでは、プレート１０ｋの慣性力（塗りつぶしの矢印）と摩擦力（ハッチングされた矢印）とが釣り合っている。ここで、慣性力は、プレート１０ｋ単体の慣性力である。摩擦力は、プレート１０ｋを挟持する２枚のプレート１０ｊ、１０Ｌとプレート１０ｋとの間で働く摩擦力である。一方、プレート１０ａでは、プレート１０ａ〜１０ｊの慣性力の和とプレートｋの慣性力の半分の和と、摩擦力とが釣り合っている。ここで、摩擦力は、プレート１０ａとエンドプレート１５０との間で働く摩擦力である。
【００２０】
このように、半製品としての燃料電池スタック１００ｈは、積層方向（左右方向）に垂直な方向（面内方向）に慣性荷重が加わった場合には、積層方向に累積された慣性荷重をプレート１０ａ〜１０ｕの相互間の摩擦力あるいはエンドプレート１５０、１６０との摩擦力で抗力を発生させることになる。このため、面内方向への慣性荷重に対する耐性が弱くプレート相互間のズレが発生し得るので、特許文献１に開示されるような技術をはじめとして種々の技術が提案されている。
【００２１】
図３は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、半製品としての燃料電池スタック１００ｈに対してズレ抑制部材２００と、１４本のボルト２２０とを備えている。ズレ抑制部材２００は、積層体１１０の積層方向に伸びて一対のエンドプレート１５０、１６０に１４本のボルト２２０で締結されている。
【００２２】
図４は、第１実施例の燃料電池スタック１００の断面ＡＡを示す説明図である。ズレ抑制部材２００は、絶縁性と弾性とを兼ね備えるウレタンシート２１０を介して、積層体１１０を付勢している。この付勢は、ズレ抑制部材２００と積層体１１０との間の間隙よりもウレタンシート２１０の厚さを厚くすることによって本実施例では実現されている。この付勢は、ウレタンシート２１０の両側で働く摩擦力を介して積層体１１０に働く慣性力をズレ抑制部材２００に伝えるためである。
【００２３】
本実施例では、ズレ抑制部材２００と積層体１１０との双方において、ウレタンシート２１０と接触する面に凹凸形状が与えられている。この凹凸形状は、ズレ抑制部材２００や積層体１１０と、ウレタンシート２１０との間に嵌合状態を形成し、摩擦係数を大きくするために与えられたものである。この凹凸形状は、サンドブラストや溶射、切削その他の表面形状を変化させる加工によって実現することができる。たとえばサンドブラストでは、Ｒａ０．２〜２０μｍ、Ｒｚ１〜１２０μｍ位（ＪＩＳ  Ｂ０６０１−１９９４）といった比較的に小さな表面粗さ（不規則な凹凸）を実現し、一方、溶射は、Ｒａ１５〜４０μｍ、Ｒｚ８０〜２００μｍ位（ＪＩＳ  Ｂ０６０１−１９９４）といった比較的に大きな表面粗さ（不規則な凹凸）を実現することができる。なお、切削では、さらに大きな凹凸形状（規則的あるいは不規則な凹凸）を実現することができる。
【００２４】
このようにしてズレ抑制部材２００や積層体１１０に形成された凹凸形状は、図４の拡大図ＢＢに示されるように、弾性を有するウレタンシート２１０に押しつけられるとウレタンシート２１０の変形を生じさせて嵌合状態を実現することになる。このような嵌合状態は、嵌合状態を実現するための形状公差を厳しく要求しなくても、摩擦力として顕著に荷重を伝達することができる。加えて、摩擦力を介して荷重を受けるズレ抑制部材２００は、荷重の方向（前後方向）に大きな幅を有するので、摩擦面を大きく取ることができるとともに、荷重の方向に大きな剛性を有しているという効率的な荷重の流れが実現されていることになる。
【００２５】
このように、第１実施例では、弾性を有するウレタンシート２１０とズレ抑制部材２００とを介して効率的にエンドプレート１５０、１６０に荷重を流す構成を簡易に実現している。
【００２６】
なお、第１実施例では、積層体１１０とズレ抑制部材２００との間にウレタンシート２１０が配置されているが、たとえばゴムその他の弾性体でも良いく、ガラスエポキシその他の樹脂や接着剤といった中間材でも良い。このようにしても、積層体１１０やズレ抑制部材２００の凹凸面との間の嵌合状態を簡易に形成することができる。ただし、接着剤を使用する際には、積層体１１０とズレ抑制部材２００の少なくとも一方との間にラップフィルムを挟むことによって組み付け性や再利用性を向上させるようにすることが好ましい。また、このような材料の種類に応じて、凹凸形状の表面粗さや規制性（不規則性）を選択することが好ましい
【００２７】
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの構成：
図５は、本発明の第２実施例における組立前の燃料電池スタック１００ａの構成を示す説明図である。第２実施例の組立前の燃料電池スタック１００ａは、積層体１１０ａを挟持するエンドプレート１５０ａ、１６０ａを締結する４組の締結部材としてのスタッド１２１ａ、１２２ａが、第２実施例のズレ抑制部材２００ａ（後述）と結合され、構造的に一体化されている点で第１実施例と相違する。なお、図５では、説明を分かりやすくするためにズレ抑制部材２００ａの図示が省略されている。また、図５の座標系は、燃料電池スタック１００ｈａが車両（図示せず）に搭載される際に想定されている各方向を表している。
【００２８】
エンドプレート１５０ａ、１６０ａは、積層体１１０ａの積層方向の両端で積層体１１０ａを挟持するように、４本のスタッド１２１ａと８個のボルト１２２ａとで締結されている。４本のスタッド１２１ａは、エンドプレート１５０ａが有する４個のストッパ１５２と、エンドプレート１６０ａが有する４個のストッパ１６２とで積層方向に垂直な方向（前後方向と上下方向）への動きが規制されている。
【００２９】
図６は、第２実施例のズレ抑制部材２００ａと２本のスタッド１２１ａとが溶接あるいは図示しない締結部品で結合され、構造的に一体化されている様子を示す説明図である。このような構造的な一体化は、ズレ抑制部材２００ａの端部における面外の変形を２本のスタッド１２１ａによって規制し、ズレ抑制部材２００ａの剛性をさらに増大させるために行われているものである。ズレ抑制部材２００ａは、第１実施例と同様に荷重の方向（前後方向）に大きな幅を有するので荷重の方向に大きな剛性を有しているが、第２実施例では、ズレ抑制部材２００ａの端部における面外の変形を規制して、さらに剛性を増大させているのである。加えて、第２実施例では、さらにズレ抑制部材２００ａの角部をストッパ１５２、１６２で規制して剛性を増大させている。
【００３０】
ズレ抑制部材２００ａ及び２本のスタッド１２１ａには、弾性を有するウレタンシート２１０ａとが接着されている。ウレタンシート２１０ａは、ズレ抑制部材２００ａと積層体１１０ａとの間の摩擦力による荷重伝達能力を増大させるために装備されたものである。
【００３１】
図７は、本発明の第２実施例における組立後の燃料電池スタック１００ａの構成を示す説明図である。図７では、ズレ抑制部材２００ａの図示が省略されていないので、２本のスタッド１２１ａとズレ抑制部材２００ａとが一体的に構成された構造部品２３０（図６）が装着された様子が示されている。
【００３２】
第２実施例の燃料電池スタック１００ａにおける衝撃荷重は以下のように伝達される。すなわち、積層体１１０ａで生じた前後方向の慣性荷重は、先ず積層体１１０ａとウレタンシート２１０ａとの間の摩擦力を介してズレ抑制部材２００ａに伝達される。この摩擦力による荷重の伝達は、ウレタンシート２１０ａの弾力性と積層体１１０ａの面に施された凹凸形状とによって嵌合状態を生じさせて摩擦係数を増大させるとともに、２本のスタッド１２１ａからズレ抑制部材２００ａの面外方向への荷重によって増大した積層体１１０ａとウレタンシート２１０ａとの間に働く垂直抗力とによって実現されている。
【００３３】
ズレ抑制部材２００ａに伝達された荷重は、次に２本のスタッド１２１ａとの一体化によって実現された高剛性の構造部品２３０（図６）を介して、エンドプレート１５０ａ、１６０ａのストッパ１５２、１６２に効率的に伝達されることになる。
【００３４】
このように、第２実施例では、積層体１１０ａを挟持する一対のエンドプレート１５０ａ、１６０ａを積層方向に圧縮するスタッド１２１ａを備える。このスタッド１２１ａは、ズレ抑制部材２００ａと構造的に一体化されているので、積層体１１０ａとズレ抑制部材２００ａの間の垂直抗力を大きくするとともに、面外方向の変形を規制するので、ズレ抑制部材２００ａの板厚を薄くすることも可能である。
【００３５】
なお、第２実施例では、８個のストッパ１５２、１６２とで４本のスタッド１２１ａの前後方向だけでなく上下方向への動きも規制されているがたとえば前後方向だけを規制するストッパ（図示せず）とするとともに、図８に示されるような積層体１１０ａを上下から覆うケーシングとしての役割をも果たすズレ抑制部材２００ｂと４本のスタッド１２１ａの一体化構成としても実現することが可能である。
【００３６】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【００３７】
Ｃ−１．上述の各実施例では、ズレ抑制部材２００、２００ａと積層体１１０、１１０ａとの双方に凹凸形状を与えているが、一方のみでも良い。すなわち、たとえばズレ抑制部材２００にウレタンシート２１０を接着し、積層体１１０の側にのみ凹凸形状を与えるようにしても良いし、あるいは逆でも良い。さらに、接着する側にも凹凸形状を与えるようにしても良い。このように、積層体１１０、１１０ａとズレ抑制部材２００、２００ａの少なくとも一方が中間材と接する位置において凹凸形状を有するように構成されていればよい。
【００３８】
Ｃ−２．上記実施例では、複数のプレート１０ａ〜１０ｕの全てに亘って積層体１１０、１１０ａとズレ抑制部材２００、２００ａとの間にウレタンシート２１０、２１０ａが配置されているが、少なくとも一部のプレート（たとえば２以上のプレート）に亘って配置されていれば良い。
【００３９】
Ｃ−３．上記実施例において、さらに、積層方向を軸として積層体１１０、１１０ａおよびズレ抑制部材２００、２００ａの周囲を覆うとともに閉じた形状を有し、ズレ抑制部材２００、２００ａを積層体１１０、１１０ａと反対側から圧縮する帯状部材を備えるようにしても良い。こうすれば、帯状部材に発生する引っ張り荷重によってズレ抑制部材の付勢力を効果的に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例における半製品としての燃料電池スタック１００ｈの構成を示す説明図。
【図２】半製品としての燃料電池スタック１００ｈを上側から見た図。
【図３】第１実施例の燃料電池スタック１００の構成を示す説明図。
【図４】第１実施例の燃料電池スタック１００の断面ＡＡを示す説明図。
【図５】本発明の第２実施例における組立前の燃料電池スタック１００ａの構成を示す説明図。
【図６】第２実施例のズレ抑制部材２００ａと２本のスタッド１２１ａとが結合され構造的に一体化されている様子を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例における組立後の燃料電池スタック１００ａの構成を示す説明図。
【図８】第２実施例の変形例のズレ抑制部材２００ｂと２本のスタッド１２１ａとが結合され構造的に一体化されている様子を示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
１０ａ〜１０ｖ…プレート
１００…燃料電池スタック
１００ａ…燃料電池スタック
１００ｈ…燃料電池スタック（半製品）
１００ｈａ…燃料電池スタック（半製品）
１１０、１１０ａ…積層体
１２１…ボルト
１２１ａ…スタッド
１２２、１２２ａ…ナット
１５０、１６０、１５０ａ、１６０ａ…エンドプレート
１５２、１６２…ストッパ
２００、２００ａ…ズレ抑制部材
２１０、２１０ａ…ウレタンシート
２２０…ボルト
２３０…構造部品
【図１】
2008277102.tif 000003
【図２】
2008277102.tif 000004
【図３】
2008277102.tif 000005
【図４】
2008277102.tif 000006
【図５】
2008277102.tif 000007
【図６】
2008277102.tif 000008
【図７】
2008277102.tif 000009
【図８】
2008277102.tif 000010