(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの出力特性及び燃料電池スタックの搭載性を向上させることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】複数の単セル６２を積層させることによって形成されたモジュールユニット５５と、該モジュールユニット５５を挟んで配設された第１、第２の保持部材と、前記モジュールユニット５５を第１、第２の保持部材によって挟持し、かつ、所定の組付荷重で締め付ける締付部材とを有する。第１、第２の保持部材は、モジュールユニット５５を締め付ける前の状態で、各単セル６２の積層方向において、モジュールユニット５５と接触する面から反った湾曲形状にされる。モジュールユニット５５を締め付けた後の状態で、第１、第２の保持部材が平坦（たん）に、かつ、互いに平行になる。各単セル６２に一様に、かつ、均一な面圧を加えることができる。【選択図】        図１
2004288539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを積層させることによって形成されたモジュールユニットと、該モジュールユニットを挟んで配設された第１、第２の保持部材と、前記モジュールユニットを前記第１、第２の保持部材によって挟持し、かつ、所定の組付荷重で締め付ける締付部材とを有するとともに、前記第１、第２の保持部材は、モジュールユニットを締め付ける前の状態で、各単セルの積層方向において、モジュールユニットと接触する面から反った湾曲形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１、第２の保持部材は横長の矩形の形状を有し、前記締付部材は前記第１、第２の保持部材の両端に配設される請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１、第２の保持部材の湾曲形状は、両端支持部分等分布荷重が加わったときの撓み量に基づいて形成される請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。
【０００３】
そのために、前記燃料電池搭載車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の水を凝縮させ、空気と水とを分離させる凝縮器等を備える。
【０００４】
図２は従来のスタックユニットの平面図である。
【０００５】
図において、１０は燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック１０は、筐体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に配設された横長の矩（く）形の形状を有するスタックユニット５９を備え、該スタックユニット５９は、モジュールユニット５５を、横長の矩形の形状を有する第１、第２の保持部材としてのエンドプレート５７、５８によって挟み、該エンドプレート５７、５８の両端において、ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって所定の組付荷重で締め付けることによって組み立てられる。そのために、前記エンドプレート５７、５８の両端には、ボルトｂ１、ｂ２を貫通させるための図示されない穴が形成される。また、前記ボルトｂ１、ｂ２は、ヘッド部ｈｄ、該ヘッド部ｈｄから延在させて形成されたロッド部ｒｄ、及びロッド部ｒｄより先端側に形成された図示されないねじ部を備え、該ねじ部において前記ナットｎ１、ｎ２と螺（ら）合させられる。前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２は、表面が絶縁処理される。
【０００６】
前記モジュールユニット５５は、一つ又は二つ以上のモジュール５２、該モジュール５２を挟んで配設され、燃料電池の端子を構成するターミナル５３、５４、並びに前記モジュール５２及びターミナル５３、５４を挟んで配設され、絶縁材料によって形成された絶縁材としてのインシュレータ５６を備える。
【０００７】
前記モジュール５２において、水素ガス供給系によって供給された水素ガスを構成する水素と、空気供給系によって供給された空気を構成する酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、前記水素と酸素との反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュール５２は、燃料電池の要素を構成する薄い膜状の複数の図示されない単セルを備え、かつ、該各単セルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。
【０００８】
そして、前記各単セルは、固体高分子から成る電解質膜を挟んで、拡散層を構成する空気極、及び反応層を構成する燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離するとともに、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータから成る（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３１７２３５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２は、前記エンドプレート５７、５８の両端においてモジュールユニット５５を前記組付荷重で締め付けるようになっているので、前記エンドプレート５７、５８を強度の低い材料によって形成すると、エンドプレート５７、５８は、両端がボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって引き寄せられ、長手方向における中央がモジュールユニット５５による反力によって外方に押されたときに、湾曲してしまう。
【００１１】
その結果、各単セルに一様に、かつ、均一な面圧を加えることができず、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリと各セパレータとの間の接触抵抗にばらつきが発生するので、各単セルによって発生させられるセル電圧にもばらつきが発生し、燃料電池スタックによって安定した出力電圧を発生させることができない。
【００１２】
そこで、エンドプレート５７、５８を、ステンレス鋼のような強度の大きい材料によって、しかも、十分な厚さに形成するようにしている。
【００１３】
したがって、燃料電池スタックが大型化するとともに、重量が大きくなり、燃料電池スタックの搭載性が低下してしまう。
【００１４】
本発明は、前記従来の燃料電池スタックの問題点を解決して、出力特性及び搭載性を向上させることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、複数の単セルを積層させることによって形成されたモジュールユニットと、該モジュールユニットを挟んで配設された第１、第２の保持部材と、前記モジュールユニットを前記第１、第２の保持部材によって挟持し、かつ、所定の組付荷重で締め付ける締付部材とを有する。
【００１６】
そして、前記第１、第２の保持部材は、モジュールユニットを締め付ける前の状態で、各単セルの積層方向において、モジュールユニットと接触する面から反った湾曲形状を有する。
【００１７】
本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記第１、第２の保持部材は横長の矩形の形状を有する。そして、前記締付部材は前記第１、第２の保持部材の両端に配設される。
【００１８】
本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記第１、第２の保持部材の湾曲形状は、両端支持部分等分布荷重が加わったときの撓（たわ）み量に基づいて形成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施の形態におけるモジュールユニットを締め付ける前のスタックユニットの平面図、図３は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの概念図、図４は本発明の実施の形態におけるモジュールの要部拡大図、図５は本発明の実施の形態におけるモジュールユニットを締め付けた後のスタックユニットの平面図、図６は本発明の実施の形態におけるエンドプレートに加わる両端支持部分等分布荷重を説明する第１の図、図７は本発明の実施の形態におけるエンドプレートに加わる両端支持部分等分布荷重を説明する第２の図である。
【００２１】
図において、１０は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタック、２０は該燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス供給系、３０は前記燃料電池スタック１０に媒体としての空気を供給する空気供給系、４０は前記燃料電池スタック１０に水を供給するための水供給系、５０は前記燃料電池スタック１０からガスを排出するためのガス排出系である。
【００２２】
本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を使用しているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。
【００２３】
前記燃料電池スタック１０は、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に配設された所定の形状の、本実施の形態においては、横長の矩形の形状を有するスタックユニット５９を備え、該スタックユニット５９は、モジュールユニット５５を、横長の矩形の形状を有する第１、第２の保持部材としてのエンドプレート８７、８８によって挟み、該エンドプレート８７、８８の両端において、エンドプレート８７、８８間に架設されたボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって所定の組付荷重で締め付けることによって組み立てられる。そのために、前記エンドプレート８７、８８の両端には、ボルトｂ１、ｂ２を貫通させるための図示されない穴が形成される。また、前記ボルトｂ１、ｂ２は、ヘッド部ｈｄ、該ヘッド部ｈｄから延在させて形成されたロッド部ｒｄ、及び該ロッド部ｒｄより先端側（図１及び５において下端側）に形成された図示されないねじ部を備え、該ねじ部において前記ナットｎ１、ｎ２と螺合させられる。
【００２４】
前記エンドプレート８７、８８は、比重の小さい材料又は軽量な材料、例えば、アルミニウム又は該アルミニウムを含んだ合金によって形成される。前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２は、表面が絶縁処理される。なお、前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって締付部材が構成される。
【００２５】
前記モジュールユニット５５は、一つ又は二つ以上のモジュール５２、該モジュール５２を挟んで配設され、燃料電池スタック１０の端子を構成するターミナル５３、５４、並びに前記モジュール５２及びターミナル５３、５４を挟んで配設され、絶縁材料によって形成された絶縁材としてのインシュレータ５６を備える。
【００２６】
ところで、前記モジュール５２において、前記水素ガス供給系２０によって供給された水素ガスを構成する水素と、前記空気供給系３０によって供給された空気を構成する酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、前記水素と酸素との反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュール５２は、燃料電池スタック１０の要素を構成する薄い膜状の単セル６２を複数個積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成された集合体から成る。前記各単セル６２は、固体高分子から成る電解質膜１２を挟んで、拡散層を構成する空気極１１、及び反応層を構成する燃料極１３を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）６１、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１を分離するとともに、前記空気極１１に臨ませて空気供給路１８を、前記燃料極１３に臨ませて燃料供給路１９を形成するセパレータ１６から成る。なお、該各セパレータ１６は、二つの隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１間に共通の分離部材として配設される。また、本実施の形態において、前記燃料極１３は水素極によって形成される。
【００２７】
前記空気極１１及び燃料極１３における電解質膜１２と接触する面には、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層が形成される。また、空気極１１に代えて酸素極を配設し、媒体としての空気に代えて純酸素を燃料電池スタック１０に供給することもできる。
【００２８】
前記スタックケース内には、前記燃料電池スタック１０より上方に、各空気極１１に空気を分配し、供給するための供給用のマニホールド１４が、燃料電池スタック１０より下方に、空気極１１内のガスを集合させ、ガス排出系５０に排出するための排気用のマニホールド１５が形成され、マニホールド１４、１５は前記空気供給路１８と連通させられ、燃料供給路１９と遮蔽（へい）される。そのために、前記セパレータ１６における空気極１１と面する側には、図４に示されるように、垂直方向に延びる複数の突起７１が形成され、該各突起７１間の溝７２によって前記空気供給路１８が構成される。前記突起７１及び溝７２によって第１の凹凸が構成される。空気は、マニホールド１４に供給された後、前記各空気供給路１８に分配され、空気供給路１８を下方に向けて流れ、マニホールド１５に送られる。
【００２９】
また、前記セパレータ１６における燃料極１３と面する側においては、全周が隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１に対して接着剤によって接着され、シールされるとともに、シールされた部分の内側には、マトリックス状に突出させて複数の突起７３が形成され、該各突起７３間の平坦（たん）部７４に、前記燃料極１３に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路１９が形成される。前記突起７３及び平坦部７４によって第２の凹凸が構成される。水素ガスは、前記各セパレータ１６を積層することによって形成された、水素ガスを供給するための供給用のマニホールド７５に供給された後、前記燃料供給路１９を水平に流れ、水素ガスを排出するための排出用のマニホールド７６に送られる。
【００３０】
前記水素ガス供給系２０は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置及び水素供給装置としての燃料タンク２１、該燃料タンク２１から前記マニホールド７５を介して燃料極１３に水素ガスを供給するための供給管２２、及び該供給管２２に配設され、前記燃料極１３に供給される水素ガスの圧力を調整する水素供給調整部としての調圧弁２３を備える。
【００３１】
なお、前記燃料タンク２１に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、前記調圧弁２３の開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電させられ、水素吸蔵合金が加熱される。
【００３２】
また、前記空気供給系３０は、空気搬送部材としてのブロア（Ｂ）３８、該ブロア３８からマニホールド１４に空気を供給するための供給管３１等を備え、前記ガス排出系５０は、ガス中の蒸気を凝縮させて水を回収する回収部材としての凝縮器３３、マニホールド１５から排出されたガスを凝縮器３３に供給するための排出管３２、前記凝縮器３３によって水が回収された後のガスを大気中に排出するための排気管３６等を備える。
【００３３】
したがって、前記ブロア３８を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記マニホールド１４に供給することができる。また、マニホールド１５から排出されたガスは、排出管３２を介して凝縮器３３に供給され、該凝縮器３３によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になり、水が回収された後のガスが排気管３６を介して外部に排出される。なお、前記凝縮器３３に凝縮促進部材として冷却ファン６０が配設され、該冷却ファン６０の回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
【００３４】
そして、前記水供給系４０は、水供給源としての水タンク４２、水搬送部材としてのポンプ（Ｐ）４６、空気極冷却手段としての噴射装置（インジェクタ）４１、前記水タンク４２から排出された水を噴射装置４１に供給するための供給管４５、マニホールド１５の下部に溜（た）まり、マニホールド１５から排出された水を水タンク４２に供給するための排出管４３、前記凝縮器３３から排出された水を水タンク４２に供給するための排出管３４、マニホールド１５から排出された水、及び前記凝縮器３３から排出された水を回収し、水タンク４２に供給する水回収ポンプ４７を備える。また、図示されない制御装置によって燃料電池搭載車両に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させてポンプ（Ｐ）４６に印加する電圧を調整することにより、噴射装置４１に供給される水の圧力を調整することができる。
【００３５】
前記凝縮器３３においてガスと分離させられた水は、排出管３４、４３を介して水タンク４２に排出され、水タンク４２に蓄えられる。該水タンク４２に水位検出部としての水位センサ３９が配設され、該水位センサ３９によって水タンク４２内の水のレベル、すなわち、水位が検出される。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としてのアラーム４４が点滅し、水が不足していることをオペレータに通知する。この場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファン６０の回転速度を高くすることによって凝縮器３３の能力を高くし、水の回収量を多くする。
【００３６】
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることをオペレータに通知することもできる。その場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファン６０の回転速度を低くすることによって凝縮器３３の能力を低くし、水の回収量を少なくする。また、前記水位センサ３９及び冷却ファン６０を図示されない制御装置に接続し、水位センサ３９によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファン６０の回転速度を変更することもできる。
【００３７】
ところで、前記空気極１１はカソードとして、燃料極１３はアノードとして機能し、空気極１１に空気を、燃料極１３に水素ガスを供給し、空気極１１及び燃料極１３に前記セパレータ１６を介して負荷２８を接続すると、燃料極１３において形成される水素イオンが、水分を含んだ電解質膜１２内をプロトン（Ｈ＋  ）の形態で空気極１１側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極１３で発生した電荷が負荷２８を介して空気極１１側に移動し、これに伴って出力電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって前記燃料電池スタック１０において出力電流が発生させられ、該出力電流を負荷２８に供給することができる。
【００３８】
なお、燃料極１３から排出された水素ガスの一部を、排気ガスとして排気管２４を介して間欠的に大気中に排出するために、前記排気管２４に排気弁２５が配設される。この場合、燃料電池搭載車両の負荷が大きくなると、燃料極１３に供給される水素ガスの量が多くされるので、燃料極１３から排出される水素ガスの量も多くなる。そこで、前記制御装置は、燃料電池搭載車両の負荷に応じて間欠的に排気弁２５を開閉し、負荷が大きくなると、排気弁２５を開放する間隔を狭くする。また、前記燃料極１３から排出される水素ガスの残りは、水素循環ポンプ４９によって循環路４８を流れた後、前記供給管２２に戻される。なお、燃料極１３から排出された水素ガスのすべてを大気中に排出することもできる。
【００３９】
本実施の形態において、前記負荷２８は、前記出力電流において直流を相電流に変換する図示されないインバータ、及び前記相電流が供給されて駆動される図示されない駆動モータから成る。なお、単セル６２において発生させられたセル電圧は、第１の検出部としての電圧センサ（Ｖ）２９によって、単セル６２によって発生させられた出力電流は第２の検出部としての図示されない電流センサによって検出される。
【００４０】
そのために、前記各セパレータ１６の外周縁の所定の箇所、本実施の形態においては、側縁には、外方に向けて突出させて図示されない接続端子が一体に形成され、該各接続端子と図示されない検出端子とが接続され、該検出端子に前記電圧センサ２９及び電流センサが接続される。
【００４１】
ところで、前記水素と酸素とが反応する際に熱が発生するが、該熱によって燃料電池スタック１０の温度が高くなると、前記反応の速度が低くなってしまう。そこで、前記マニホールド１４の上端に噴射装置４１を配設し、該噴射装置４１からスタックユニット５９に向けて、冷却用の水を霧状に噴射するようにしている。
【００４２】
そして、前記水は、空気と共に空気供給路１８を下方に向けて流れ、その間に周囲の空気、空気極１１の表面、電解質膜１２の表面等から熱を奪って蒸発して蒸気となり、該蒸気によって蒸発潜熱による冷却、すなわち、潜熱冷却が行われ、燃料電池スタック１０が冷却される。さらに、前記蒸気又は蒸気にならない液滴の水は、空気極１１を通過して電解質膜１２に供給される。したがって、ブロア３８による送風によって電解質膜１２が必要以上に乾燥するのを防止することができる。
【００４３】
このように、燃料電池スタック１０が冷却されるので、水素と酸素との反応の速度が低下するのを防止することができる。また、燃料電池スタック１０、特に、空気極１１、電解質膜１２等が熱によって破損するのを防止することができるだけでなく、電解質膜１２において水分が蒸発するのを防止することができる。
【００４４】
そして、空気中の反応した酸素以外の成分、燃料電池スタック１０の冷却に伴って発生した蒸気、及び水素と酸素との反応によって生成された水は、ガスとしてマニホールド１５に送られる。
【００４５】
なお、前記空気極１１は、燃料電池スタック１０を作動させている間、生成された水、及び噴射された水に常に接触させられるので、耐水性の高い材料によって形成する必要がある。また、空気極１１の表面に水の膜が形成されると、空気極１１の実効面積が小さくなるので、空気極１１を撥（はっ）水性の高い材料によって形成する必要がある。そこで、本実施の形態においては、空気極１１として、カーボンクロスを基材とし、（Ｃ＋ＰＴＦＥ）を塗布して拡散層を形成したものを使用した。また、電解質膜１２としては、ナフィオン（商品名：デュポン社製）の汎（はん）用的な薄膜を使用し、電解質膜１２の膜厚は、空気極１１側において生成された水を燃料極１３側に逆浸透させることができるように設定される。前記燃料極１３としては、部品を共通化させるために空気極１１と同じものを使用した。
【００４６】
ところで、前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２は、前記エンドプレート８７、８８の両端においてモジュールユニット５５を前記組付荷重で締め付けるようになっているので、前記エンドプレート８７、８８を前記アルミニウム等のように強度の低い材料によって形成すると、エンドプレート８７、８８は、両端がボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって引き寄せられ、長手方向における中央がモジュールユニット５５による反力によって外方に押されて変形し、湾曲することになる。
【００４７】
これに伴って、各単セル６２に一様に、かつ、均一な面圧を加えることができなくなると、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１と各セパレータ１６との間の接触抵抗にばらつきが発生し、各単セル６２によって発生させられるセル電圧にもばらつきが発生し、燃料電池スタック１０によって安定した出力電圧を発生させることができなくなってしまう。
【００４８】
そこで、モジュールユニット５５を締め付ける前の状態で、図１に示されるように、前記エンドプレート８７、８８を湾曲させ、ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２による締付方向であり、かつ、各単セルの積層方向において、モジュールユニット５５と接触する面の中心から弓なりに反った湾曲形状にする。そして、エンドプレート８７、８８の両端が前記締付荷重でボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって引き寄せられ、長手方向における中央がモジュールユニット５５による反力によって外方に押されたときに、前記エンドプレート８７、８８が弾性変形し、図５に示されるように、平坦に、かつ、互いに平行になるような湾曲形状とされる。
【００４９】
ところで、モジュールユニット５５を締め付けたとき、前記エンドプレート８７、８８には、両端がボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２によって支持された状態で、モジュールユニット５５による反力によって等分布荷重、すなわち、両端支持部分等分布荷重が加わる。なお、エンドプレート８７、８８には、同じ両端支持部分等分布荷重が加わるので、ここでは図６及び７に従ってエンドプレート８７についてだけ説明する。
【００５０】
図において、Ｌ、ｂ及びｈは、エンドプレート８７の寸法を表す長さ、幅及び厚さである。また、ｐ１、ｐ２はエンドプレート８７を支持する支点であり、該支点ｐ１、ｐ２は、ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２の中心軸に相当する。また、ｗはエンドプレート８７において各支点ｐ１、ｐ２から距離Ｌ１、Ｌ２（Ｌ１＝Ｌ２）だけ中央側の、距離Ｌ３にわたって延びる領域に、前記モジュールユニット５５による反力としてエンドプレート８７に加わる両端支持部分等分布荷重であり、各支点ｐ１、ｐ２から前記領域の中心までの距離はｘである。前記モジュールユニット５５の幅は距離Ｌ３と等しい。なお、距離Ｌ１〜Ｌ３、ｘによって両端支持部分等分布荷重ｗがエンドプレート８７に加わる位置が表される。
【００５１】
ここで、エンドプレート８７を構成するアルミニウムの弾性特性を表す弾性特性値としての縦弾性係数をＥとし、エンドプレート８７を変形させるときのモーメントを表す断面二次モーメントをＩとしたとき、断面二次モーメントＩは、
Ｉ＝（ｂ・ｈ３  ）／１２
である。
【００５２】
そして、前記両端支持部分等分布荷重ｗが前記距離Ｌ３の領域に加わったときの最大の撓み量、すなわち、最大撓み量をδとすると、最大撓み量δは、次に示される梁撓み量計算式によって算出することができる。
【００５３】
δ＝｛ｗ／（６・Ｅ・Ｉ）｝・｛（Ｌ３・ｘ／Ｌ）・（Ｌ２＋Ｌ３／２）・｛（Ｌ１＋Ｌ３／２）・（Ｌ＋Ｌ２＋Ｌ３／２）−Ｌ３  ２／４−ｘ２  ｝＋（ｘ−Ｌ１）４  ／４｝
このようにして算出された最大撓み量δに基づいて、前記エンドプレート８７を湾曲形状にする。なお、湾曲形状は、アルミニウムの鋳造品を切削することによって形成することができる。
【００５４】
このように、モジュールユニット５５を締め付ける前の状態で、エンドプレート８７、８８が湾曲形状にされるので、モジュールユニット５５を締め付けた後、前記エンドプレート８７、８８が平坦に、かつ、互いに平行になる。したがって、各単セル６２に一様に、かつ、均一な面圧を加えることができ、前記メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１と各セパレータ１６との間の接触抵抗にばらつきが発生することがないので、各単セル６２によって発生させられるセル電圧にばらつきが発生するのを防止することができる。その結果、燃料電池スタック１０によって安定した出力電圧を発生させることができる。
【００５５】
また、エンドプレート８７、８８を、ステンレス鋼のような強度の大きい材料によって、しかも、十分な厚さに形成する必要がないので、燃料電池スタック１０を小型化することができるとともに、重量を小さくすることができる。そして、例えば、前記燃料電池スタック１０を燃料電池搭載車両の床下に搭載することが容易になり、燃料電池スタック１０の搭載性を向上させることができる。
【００５６】
本実施の形態においては、エンドプレート８７、８８をアルミニウムによって形成するようになっているが、ステンレス鋼のような、強度の高い材料を使用し、かつ、板厚を小さくすることもできる。その場合、板厚が小さくされるのでエンドプレート８７、８８を弾性変形させることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックにおいては、複数の単セルを積層させることによって形成されたモジュールユニットと、該モジュールユニットを挟んで配設された第１、第２の保持部材と、前記モジュールユニットを前記第１、第２の保持部材によって挟持し、かつ、所定の組付荷重で締め付ける締付部材とを有する。
【００５８】
そして、前記第１、第２の保持部材は、モジュールユニットを締め付ける前の状態で、各単セルの積層方向において、モジュールユニットと接触する面から反った湾曲形状を有する。
【００５９】
この場合、前記第１、第２の保持部材は、モジュールユニットを締め付ける前の状態で、各単セルの積層方向において、モジュールユニットと接触する面から反った湾曲形状にされるので、モジュールユニットを締め付けた後の状態で、第１、第２の保持部材が平坦に、かつ、互いに平行になる。したがって、各単セルに一様に、かつ、均一な面圧を加えることができ、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリと各分離部材との間の接触抵抗にばらつきが発生することがないので、各単セルによって発生させられるセル電圧にばらつきが発生するのを防止することができる。その結果、燃料電池スタックによって安定した出力電圧を発生させることができる。
【００６０】
また、第１、第２の保持部材を、強度の大きい材料によって、しかも、十分な厚さに形成する必要がないので、燃料電池スタックを小型化することができるとともに、重量を小さくすることができる。そして、例えば、前記燃料電池スタックを燃料電池搭載車両の床下に搭載することが容易になり、燃料電池スタックの搭載性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモジュールユニットを締め付ける前のスタックユニットの平面図である。
【図２】従来のスタックユニットの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの概念図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるモジュールの要部拡大図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるモジュールユニットを締め付けた後のスタックユニットの平面図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるエンドプレートに加わる両端支持部分等分布荷重を説明する第１の図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるエンドプレートに加わる両端支持部分等分布荷重を説明する第２の図である。
【符号の説明】
１０    燃料電池スタック
５５    モジュールユニット
６２    単セル
８７、８８    エンドプレート
ｂ１、ｂ２    ボルト
ｎ１、ｎ２    ナット
【図１】
2004288539.tif 000003
【図２】
2004288539.tif 000004
【図３】
2004288539.tif 000005
【図４】
2004288539.tif 000006
【図５】
2004288539.tif 000007
【図６】
2004288539.tif 000008
【図７】
2004288539.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月26日(2003.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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