(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、
前記連結ピンを挿入するヒンジ部と、
を備え、
全ての前記側板には、該側板よりも剛性の低い緩衝構造が設けられるとともに、
前記緩衝構造は、前記ケーシングに前記積層体の積層方向に外力が付与される際、集中して変形することにより衝撃を吸収し、前記側板の座屈による変形を抑制することを特徴とす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において、前記緩衝構造は、前記側板に設けられる開口部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記開口部は、円形状であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記緩衝構造は、前記側板を前記積層方向に分割するとともに、分割部位に配設され、前記側板よりも剛性の低い緩衝部材を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。
【０００３】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図９に示すように、電解質膜と該電解質膜を挟持する電極とを有する単電池２を積層した積層体３を備えている。積層体３の積層方向両側には、エンドプレート４、５が設けられるとともに、前記エンドプレート５と前記積層体３との間には、皿ばね６が設けられている。
【０００５】
積層体３の積層方向に沿う各側面には、前記積層体３に面圧を作用させるとともに、その面圧を保持する金属製のテンションプレート７が設けられている。
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
ところで、上記の燃料電池では、特に、車載用として用いられる場合、外部からの荷重を受け易い。その際、燃料電池に対して単電池２の積層方向に圧縮荷重が付与されると、エンドプレート４、５に比べて強度の低いテンションプレート７に座屈が発生するおそれがある。これにより、テンションプレート７は、積層体３側（内側）又は前記積層体３から離間する側（外側）に変形し、単電池２の損傷や外部のハーネスや周辺部品の損傷が惹起されるという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックに対して積層体の積層方向に外力が付与された際、ケーシングの座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能な燃料電池スタック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】
【０００９】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、前記連結ピンを挿入するヒンジ部とを備えている。そして、全ての側板には、該側板よりも剛性の低い緩衝構造が設けられるとともに、前記緩衝構造は、ケーシングに積層体の積層方向に外力が付与される際、集中して変形することにより衝撃を吸収し、前記側板の座屈による変形を抑制している。
【００１１】
また、緩衝構造は、側板に設けられる開口部を有することが好ましい。
【００１２】
さらに、緩衝構造は、側板を積層方向に分割するとともに、分割部位に配設され、前記側板よりも剛性の低い緩衝部材を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、燃料電池スタックに積層方向に外力（圧縮力）が付与されると、側板に設けられている緩衝構造を介して衝撃を吸収することができる。このため、側板の座屈による変形等を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。燃料電池スタック１０は、好適には、車載用燃料電池スタックとして使用可能である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２（絶縁プレート１８を用いてもよい）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４により一体的に保持される。
【００１６】
図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００１７】
単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００１８】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。
【００２０】
アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。
【００２１】
第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通し矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４８が形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通し矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路５０が形成される。
【００２２】
第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。
【００２３】
第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。
【００２４】
図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。
【００２５】
図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。
【００２６】
ケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。
【００２７】
エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１ヒンジ部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ２つの第１ヒンジ部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１ヒンジ部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。
【００２８】
積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２ヒンジ部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２ヒンジ部７０ａ、７０ｂには、孔部７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂには、孔部７３ａ、７３ｂが形成される。
【００２９】
側板６０ａ、６０ｃの各第２ヒンジ部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１ヒンジ部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。
【００３０】
同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１ヒンジ部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。
【００３１】
図１に示すように、側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７７がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図４参照）。
【００３２】
図１及び図４に示すように、側板６０ｂの矢印Ａ方向両端には、取り付け板部材８０が固着されるとともに、前記取り付け板部材８０には、連結ピン６４ｂを挿入するための３つの第２ヒンジ部７２ａが接合される。なお、接合強度や形状等を維持可能であれば、第２ヒンジ部７２ａを側板６０ｂに直接接合してもよい。
【００３３】
側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄは、図１に示すように、上記の側板６０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、必要に応じて上記の側板６０ｂと同様に構成してもよい。
【００３４】
側板６０ａ〜６０ｄは、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）に外力が付与される際、衝撃を吸収するための緩衝構造８２ａ〜８２ｄを設ける。緩衝構造８２ａ〜８２ｄは、側板６０ａ〜６０ｄに設けられるそれぞれ複数の円形状開口部８４ａ〜８４ｄを有する。開口部８４ａ〜８４ｄは、側板６０ａ〜６０ｄの面積や厚さ等に応じてそれぞれの個数、寸法及び配置位置等が設定される。
【００３５】
なお、開口部８４ａ〜８４ｄの形状は、円形状の他、矩形状、長円状、楕円状、三角形状又は多角形状等、種々の形状に設定することが可能である。
【００３６】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
この燃料電池スタック１０では、先ず、図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００３８】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００３９】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。
【００４１】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。
【００４２】
この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、側板６０ａ〜６０ｄは、緩衝構造８２ａ〜８２ｄを設けるとともに、前記緩衝構造８２ａ〜８２ｄは、前記側板６０ａ〜６０ｄに設けられるそれぞれ複数の開口部８４ａ〜８４ｄを有している。このため、側板６０ａ〜６０ｄは、開口部８４ａ〜８４ｄが設けられる部位近傍の強度（剛性）が、他の部位の強度（剛性）よりも低下している。
【００４３】
従って、燃料電池スタック１０では、例えば、車載用として使用される際に、積層方向（矢印Ａ方向）に荷重（外力）Ｆが付与されると、図５に示すように、開口部８４ａ〜８４ｄが潰れるようにして、特にヒンジ構造に近い位置に配置されている前記開口部８４ａ〜８４ｄの近傍が集中して変形し易い。力を受け易いからである。
【００４４】
これにより、燃料電池スタック１０に付与される積層方向の荷重は、緩衝構造８２ａ〜８２ｄを介して吸収することができ、特に、薄板状の側板６０ａ〜６０ｄの座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能になるという効果が得られる。従って、側板６０ａ〜６０ｄが内方に変形して単位セル１２が損傷したり、前記側板６０ａ〜６０ｄが外方に変形して、図示しないハーネスや周辺部品を損傷したりすることを、有効に阻止することが可能になる。
【００４５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部分解概略斜視図であり、図７は、前記燃料電池スタック９０の一部概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
燃料電池スタック９０は、ケーシング９２を備えるとともに、前記ケーシング９２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂと側板９４ａ〜９４ｄとを備える。側板９４ａ〜９４ｄは、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）に外力が付与される際、衝撃を吸収するための緩衝構造９６ａ〜９６ｄを設ける。
【００４７】
緩衝構造９６ａ〜９６ｄは、側板９４ａ〜９４ｄをそれぞれ積層方向に複数枚のプレート部９８ａ〜９８ｄに分割するとともに、各分割部位に配設される緩衝部材１００ａ〜１００ｄを有する。緩衝部材１００ａ〜１００ｄは、板厚、素材及び形状等を選択することにより、プレート部９８ａ〜９８ｄよりも低い剛性に設定される。緩衝部材１００ａ〜１００ｄとしては、例えば、ゴム材や樹脂材が用いられる。
【００４８】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック９０に積層方向の荷重Ｆが付与されると、図８に示すように、プレート部９８ａ〜９８ｄよりも剛性の低い緩衝部材１００ａ〜１００ｄが収縮変形する。このため、燃料電池スタック９０に付与される積層方向の荷重は、緩衝構造９６ａ〜９６ｄを介して吸収することができる。
【００４９】
これにより、第２の実施形態では、薄板状の側板９４ａ〜９４ｄの座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックに積層方向の荷重が付与された際の動作説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図７】前記燃料電池スタックの一部斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックに積層方向の荷重が付与された際の動作説明図である。
【図９】特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０、９０…燃料電池スタック    １２…単位セル
１４…積層体                    ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４、９２…ケーシング          ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ      ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極            ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路              ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路            ５４、５６…シール部材
６０ａ〜６０ｄ、９４ａ〜９４ｄ…側板
６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…ヒンジ部
８２ａ〜８２ｄ、９６ａ〜９６ｄ…緩衝構造
８４ａ〜８４ｄ…開口部          ９８ａ〜９８ｄ…プレート部
１００ａ〜１００ｄ…緩衝部材
【図１】
0005318461.tif 000002
【図２】
0005318461.tif 000003
【図３】
0005318461.tif 000004
【図４】
0005318461.tif 000005
【図５】
0005318461.tif 000006
【図６】
0005318461.tif 000007
【図７】
0005318461.tif 000008
【図８】
0005318461.tif 000009
【図９】
0005318461.tif 000010