(57)【要約】【課題】保持力のばらつきを低減すると共に保持剛性を確保した燃料電池スタックの保持方法を提供する。保持剛性を確保して高い発電性能を有する燃料電池及びこの燃料電池を搭載した燃料電池車両を提供する。【解決手段】燃料電池スタック３a,３bを単セルの積層方向に少なくとも２個以上並列に配置して、各燃料電池スタック３a,３bの外周面に外部マニホールド４a,４b,５a,５b及び各燃料電池スタック３a,３b間に中央マニホールド６を各々形成し、中央マニホールド６にばね反力を有する固定部材（保持具）７a,７b,８a,８bの一端を固定すると共に、外部マニホールドの上方を覆い他端を開放して各燃料電池スタック３a,３b及び外部マニホールド４a,４b,５a,５bを固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを単セルの積層方向に少なくとも２個以上並列に配置して、前記各燃料電池スタックの外周面に外部マニホールド及び前記各燃料電池スタック間に中央マニホールドを各々形成し、
前記中央マニホールドにばね反力を有する固定部材の一端を固定すると共に、前記外部マニホールドの上方を覆い他端を開放して前記各燃料電池スタック及び外部マニホールドを固定する燃料電池スタックの保持方法。
【請求項２】
前記固定部材に、前記外部マニホールド側に突出した固定用突起を形成して前記外部マニホールドを固定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの保持方法。
【請求項３】
前記燃料電池スタックよりも高い剛性を有する土台上に前記複数の各燃料電池スタックを固定配置することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタックの保持方法。
【請求項４】
単セルの積層方向に並行に隣接配置した複数の燃料電池スタックと、
前記各燃料電池スタック間に形成された中央マニホールドと、
前記各燃料電池スタックの外周面に形成された外部マニホールドと、
前記燃料電池スタック間に配置された中央マニホールドに一端が固定されると共に他端が開放され、前記燃料電池スタック及び前記中央マニホールドを固定するばね反力を有する固定部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記固定部材は、前記外部マニホールド側に突出した固定用突起を１個又は２個以上有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
さらに、前記複数の各燃料電池スタックを固定配置する前記燃料電池スタックよりも高い剛性を有する土台を備えることを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項４から６までのいずれか１項に記載の燃料電池を搭載し、これを動力源として用いたことを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車等に搭載される燃料電池を形成する複数の燃料電池スタックを保持する燃料電池スタックの保持方法、燃料電池及び燃料電池を搭載した燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに変換する装置である。化学エネルギを電気エネルギに直接変換できるため、燃料電池の発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高い。また、化石燃料を使用しないため資源の枯渇が問題とならず、発電に伴い排気ガスが生じない等の利点を有するため、燃料電池は地球環境保護の観点からも注目されている。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池の構成は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層した燃料電池スタックを含むものである。より詳細には、固体高分子電解質膜の一方の面側に触媒層及び拡散層から成る電極を形成し、他方の面側に触媒層及び拡散層から成る電極を形成した単セルを構成し、各電極の外周に各々セパレータを配置したものを複数個積層して燃料電池スタックを構成している。燃料電池スタックの本体側面には、燃料ガスを供給するマニホールドを形成し、マニホールド外周をバンドで被覆してマニホールドを固定する方法が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、バンド以外にもワイヤやボルトを使用してマニホールドを燃料電池スタックに固定する方法が開示されている。
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ９９/２２４１３（第２９頁、第１１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のバンド、ワイヤあるいはボルトを使用してガスマニホールドと燃料電池スタックとを連結して燃料電池スタックを保持する方法では、燃料電池内での張力のばらつきが大きくなり、剛性を確保することは難しかった。
【０００６】
特に、ボルトを使用してガスマニホールドを燃料電池スタックに固定して燃料電池を構成する場合は、燃料電池スタック外周面に複数のガスマニホールドを個別に固定する必要があるため、燃料電池が特定の形状にならざるを得ず、形状に制約が生じていた。また、固定用のボルト数が大量に必要となり、固定作業が煩雑となっていた。
【０００７】
さらに、燃料電池を複数の燃料電池スタックから構成する場合には、複数の燃料電池スタックを単セルの積層方向に並列に配置し、各燃料電池スタックの外周にマニホールドを形成すると共に各燃料電池スタック間にマニホールドを挟む形状として各燃料電池スタックを連結している。この場合に、従来の方法を使用すると、各燃料電池スタックが複数のマニホールドに対して個別に動いてしまい、剛性を確保できないという傾向がより顕著になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池スタックの保持方法は、燃料電池スタックを単セルの積層方向に少なくとも２個以上並列に配置して、前記各燃料電池スタックの外周面に外部マニホールド及び前記各燃料電池スタック間に中央マニホールドを各々形成し、前記中央マニホールドにばね反力を有する固定部材の一端を固定すると共に、前記外部マニホールドの上方を覆い他端を開放して前記各燃料電池スタック及び外部マニホールドを固定することを要旨とする。
【０００９】
本発明の燃料電池は、単セルの積層方向に並行に隣接配置した複数の燃料電池スタックと、前記各燃料電池スタック間に形成された中央マニホールドと、前記各燃料電池スタックの外周面に形成された外部マニホールドと、前記燃料電池スタック間に配置された中央マニホールドに一端が固定されると共に他端が開放され、前記燃料電池スタック及び前記中央マニホールドを固定するばね反力を有する固定部材と、を備えることを要旨とする。
【００１０】
本発明の燃料電池車両は、上記燃料電池を搭載し、これを動力源として用いたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池スタックの保持方法によれば、ばね力を有する成型が容易な板ばね状の保持部材を使用したため保持力のばらつきを低減できると共に、各燃料電池スタック間に形成されるマニホールドを中心として各燃料電池スタック及びマニホールドを固定したため保持剛性を確保することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池によれば、外部マニホールドを用いるスタックを並列に配置する際の組付けを最適化して、一対又は複数の燃料電池スタックが個別に動くのを防止したため、保持剛性を確保することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池車両によれば、走行時に発生する振動等の過酷な環境下においても発電性能が低下しないため、走行距離が延びるだけでなく安定した走行が可能となる。
【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係る燃料電池スタックの保持方法及びこれを用いて構成した燃料電池について、自動車に搭載される燃料電池を挙げて、図１〜図３により説明する。
【００１５】
＜第１実施形態（図１、図２）＞
本実施形態では、燃料電池自動車に搭載される自動車用燃料電池の構成及びこの自動車用燃料電池での燃料電池スタックの保持方法を説明する。なお、ここでは、２個の燃料電池を単セルの積層方向に並列に配置した燃料電池を挙げて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る自動車用燃料電池の断面構造を示す図である。図１に示すように、自動車用燃料電池１は、収納容器２内部に一対の燃料電池スタック３a, ３bが隣接して並行に配置される。燃料電池スタック３a, ３bの内部構造は図示しないが、各燃料電池スタック３a, ３bは、固体電解質型電解質膜の両面側に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを配置して膜電極接合体(MEA)を構成し、さらに、各ガス拡散層の両面にセパレータを配置し、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を形成した単セルを複数個積層した構成を有する。左右の各燃料電池スタック３a, ３bは、単セルの積層方向に並列に配置される。
【００１７】
各燃料電池スタック３a, ３bの外周面には、外部マニホールドとして、それぞれ上部マニホールド４a, ４b及び下部マニホールド５a, ５bが燃料電池スタック３a, ３bに剛接合して形成され、各燃料電池スタック３a, ３b間には、隣接する燃料電池スタック３a, ３bに剛接合した中央マニホールド６が形成される。
【００１８】
中央マニホールド６の上面側には、固定部材として、ばね力を有する板ばね状の保持具７a,７bが剛接合により接続され、各保持具７a,７bは、中央マニホールド６で連結して一体化され（７c）、位置７cから燃料電池スタック３a, ３b上面側に形成された上部マニホールド４a,４bに向かって配置される。さらに、保持具７a,７bは、上部マニホールド４a,４bの上方を覆い、燃料電池スタック３a, ３b外周の上部マニホールド４a,４bを被覆している。上部マニホールド４a,４bを被覆する各保持具７a,７bは、上部マニホールド４a,４b側に突出した固定用突起A,B,C,Dがそれぞれ２箇所に形成されており、各突起A,B,C,Dが上部マニホールド４a,４bの両端部より内側に位置し、各突起A,B,C,D部分で保持具７a,７bが上部マニホールド４a,４bに接続している。これにより中央マニホールド６上面側に接続された各保持具４a,４bは、燃料電池スタック３a, ３b及び上部マニホールド４a,４bを保持し固定している。
【００１９】
また、中央マニホールド６下面側には、ばね力を有する板ばね状の保持具８a,８bが剛接合により接続され、各保持具８a,８bは、中央マニホールド６上面側と同様に、燃料電池スタック３a, ３b及び下部マニホールド５a,５bを保持して固定している。
【００２０】
上記構成により各保持具７a,７b,８a,８bにより保持された各燃料電池スタック３a, ３bは、燃料電池スタック３a, ３bと同等か、あるいは燃料電池スタック３a, ３bよりもはるかに剛体である土台９上に、載置台１０a,１０b,１０c,１０dを介して固定配置される。
【００２１】
図１に示す自動車用燃料電池１を自動車に搭載した際、自動車用燃料電池１の上面側から外観した図を図２に示す。図２に示すように、中央マニホールド６の両側に燃料電池スタック３a, ３bが隣接して剛接合され、各燃料電池スタック３a, ３b上には、燃料電池スタック３a, ３bの幅よりも狭い上部マニホールド４a, ４bが形成される。中央マニホールド６には、図１に示す保持具７a,７bが７c位置から接続され、複数の保持具１１a,１１b,１２a,１２b,１３a,１３bが、保持具７a,７bから所定の間隔を空けて接続される。
【００２２】
上記構成の自動車用燃料電池１では、各燃料電池スタック３a, ３bの外周面側に形成された上部マニホールド４a,４b、下部マニホールド５a,５bあるいは中央マニホールド６から、燃料となる空気及び水素ガスを燃料電池スタック内に導入して、各燃料電池スタック３a, ３b内の単セルで空気中の酸素ガスと水素ガスとを電気化学反応させて、電力を生成すると共に水を生成している。
【００２３】
また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの保持方法は、上記構成の自動車燃料電池１を用いて燃料電池スタックを保持する方法である。具体的には、燃料電池スタック３a, ３bを単セルの積層方向に２個以上並列に配置して、各燃料電池スタック３a, ３bの外周面に外部マニホールドとして上部マニホールド４a,４b及び下部マニホールド５a,５bを形成すると共に、各燃料電池スタック３a, ３b間に中央マニホールド６を各々形成する。そして、中央マニホールド６にばね反力を有する固定部材である保持具１１a,１１b,１２a,１２b,１３a,１３bの一端を固定すると共に、上部マニホールド４a,４b及び下部マニホールド５a,５bの上方を覆い他端を開放して各燃料電池スタック３a,３b及び上部マニホールド４a,４b及び下部マニホールド５a,５bを固定する方法である。
【００２４】
本実施形態によれば、一対の燃料電池スタック間に配置される中央マニホールドから固定具を出し、固定具を燃料電池スタック外周の外部マニホールドを被覆して固定しているため、各燃料電池スタックが個別に動くのを防止し、保持剛性を確保することができる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、ばね力を有する成型が容易な板ばね状の保持具を使用して各燃料電池スタック及び各マニホールドを保持したため、燃料電池スタックの保持力のばらつきを低減することができるだけでなく、部品数を減らし、形状に制約されることなく複数のマニホールドを保持することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、中央マニホールドに連結し上部及び下部のマニホールドに向かい左右に開放した保持具を一体化して構成したため、最小限の部品数で複数のマニホールドを固定することができ、この結果、燃料電池の形状自由度が高まる。
【００２７】
さらに、本実施形態によれば、強固な共通の土台上に複数の燃料電池スタックを形成したため、より確実に燃料電池スタックの保持剛性を確保することができる。
【００２８】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池を自動車に搭載すると、自動車等の燃料電池車両は、走行時に振動等が発生して過酷な環境下に晒されるが、このような環境下であっても保持具により各燃料電池スタックが保持されるため、発電性能が低下することがなく、走行距離を延ばし、安定した走行が可能となる。また、燃料電池の形状自由度が高まるため、車室内の空間を有効活用することができる。
【００２９】
＜他の実施形態（図３）＞
本実施形態では、第１実施形態に示した構成と異なる構成の自動車用燃料電池について、図３を用いて説明する。
【００３０】
図３は、本実施の形態に係る自動車用燃料電池の構成を示す断面図である。図３に示すように、自動車用燃料電池１４は、燃料電池スタックを載置する土台を形成することなく、収納容器２内に２個の燃料電池スタックを並列に配置し保持している。また、保持具７a,７b,８a,８bには、図１に示した固定用突起A,B,C,Dを構成することなく、中央マニホールド６に保持具７a,７b,８a,８bの一端部を連結したものである。
【００３１】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、保持力のばらつきを低減すると共に保持剛性を確保した燃料電池とすることができる。
【００３２】
前述した各実施形態においては、２個の燃料電池スタックにより燃料電池を構成して、各燃料電池スタックを保持する方法を説明したが、本発明の燃料電池は、２個の燃料電池スタックから構成されるものに限定されず、３個以上の複数の燃料電池スタックを並列に配置した燃料電池とすることも可能である。
【００３３】
なお、本実施形態では、自動車用燃料電池を例に挙げて説明したが本発明の燃料電池は、自動車への搭載に限定されるものではなく、電化製品等その他の機関にも適用することが可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係る２個の燃料電池スタックを並列に保持した自動車用燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池を自動車に搭載した際に上面から外観した構成を示す図である。
【図３】本発明における他の実施の形態に係る２個の燃料電池スタックを並列に保持した自動車用燃料電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…自動車用燃料電池, 
２…収納容器,
３a,３b…燃料電池スタック,
４a,４b…上部マニホールド,
５a,５b…下部マニホールド,
６…中央マニホールド, 
７a,７b,８a,８b…保持具,
９…土台,
１０a,１０b,１０c,１０d…載置台,
【図１】
2005166403.tif 000003
【図２】
2005166403.tif 000004
【図３】
2005166403.tif 000005