(57)【要約】【課題】  テンションプレートの、エンドプレートとの係合のための凹凸を形成するのに、削り出し加工量が少ない、燃料電池スタックの提供。【解決手段】  本発明の燃料電池スタック２３は、テンションプレート２４Ａと、該テンションプレートに固定されエンドプレート２２と係合することによりエンドプレートとのセル積層方向の相対移動を制限された連結部材２４Ｂとを、有する。  連結部材２４Ｂはテンションプレートと別体に形成されてテンションプレートに固定され、エンドプレートとの係合部が連結部材２４Ｂのみに形成される。  連結部材２４Ｂの一部（薄肉部）２４Ｂｂはテンションプレート２４Ａと重なっており、該連結部材２４Ｂの一部２４Ｂｂはテンションプレート２４Ａよりセル積層体４１から遠い側にある構成をとることができる。  燃料電池スタック２３は、連結部材２４Ｂを外側から覆うカバー５４を有する構成をとることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テンションプレートと、該テンションプレートに固定されエンドプレートと係合することによりエンドプレートとのセル積層方向の相対移動を制限された連結部材とを、有する燃料電池スタック。
【請求項２】
前記連結部材はテンションプレートと別体に形成されてテンションプレートに固定され、エンドプレートとの係合部がテンションプレートと連結部材のうち連結部材のみに形成されている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
連結部材の一部はテンションプレートと重なっており、前記連結部材の一部はテンションプレートよりセル積層体から遠い側にある請求項１または請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
連結部材を外側から覆うカバーを有する請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０００−６７８８７号公報は、テンションプレートをエンドプレートに係合させた燃料電池スタックを開示している。テンションプレートの、エンドプレートとの係合のための凸部はテンションプレート自体に形成されている。
【特許文献１】特開２０００−６７８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の燃料電池スタックにおいて、係合のための凹凸（たとえば、凸部）をテンションプレートに形成するには、長尺もののテンションプレート自体に係合のための凹凸（たとえば、凸部）を削り出し加工する必要がある。そのため、テンションプレートの、凹凸を形成しない部分をその全長にわたって削り取って、削り取らない部分を凸部として残す必要があり、テンションプレートの削り加工量が多くなり、製造が煩雑になる。
【０００４】
本発明の目的は、テンションプレート（およびその端部に取り付けた連結部材）の、エンドプレートとの係合のための凹凸を形成するのに、削り出し加工量が少ない燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明の燃料電池スタックは、テンションプレートと、該テンションプレートに固定されエンドプレートと係合することによりエンドプレートとのセル積層方向の相対移動を制限された連結部材とを、有する燃料電池スタックである。
上記燃料電池スタックにおいて、連結部材はテンションプレートと別体に形成されてテンションプレートに固定され、エンドプレートとの係合部がテンションプレートと連結部材のうち連結部材のみに形成されている構成をとることができる。
上記燃料電池スタックにおいて、連結部材の一部はテンションプレートと重なっており、該連結部材の一部はテンションプレートよりセル積層体から遠い側にある構成をとることができる。
上記燃料電池スタックにおいて、連結部材を外側から覆うカバーを有する構成をとることができる。
【発明の効果】
【０００６】
上記燃料電池スタックは、テンションプレートと連結部材を有し、連結部材がエンドプレートと係合する構造（たとえば、凹凸）を有するので、係合構造の加工（たとえば、削り出し加工）を連結部材に限ることができ、テンションプレートのほぼ全長にわたって削り出し加工を行っていた従来構造に比べて、凹凸形成の加工量が少なくなり、加工が簡素化する。
また、連結部材はテンションプレートと別体に形成されてテンションプレートに固定される場合は、連結部材における凹凸の削り出し加工を行った後に、連結部材をテンションプレートに溶接等により固定することができ、連結部材の係合構造（たとえば、凹凸）の加工（たとえば、削り出し加工）が容易になる。
また、連結部材の一部（後述する薄肉部）がテンションプレートと重なっており、連結部材の一部はテンションプレートよりセル積層体から遠い側にある場合は、燃料電池スタックにセル積層方向の締結荷重がかかった時に、エンドプレートおよびテンションプレートに曲げ変形が生じても、燃料電池スタックに近い側の連結部材の角部が燃料電池スタックのセル積層体に干渉することが無いか、あるいは干渉することが抑制され、セルの損傷が防止される。
また、連結部材の一部がテンションプレートよりセル積層体から遠い側にある場合は、連結部材の角部がテンションプレートより外側に露出しその近傍にセル電圧モニタなどのワイヤハーネスケーブルが配索されているとケーブルが連結部材の角部に当たって車両の振動を繰り返し受けたときにケーブル被覆が損傷するおそれがあるが、連結部材を外側から覆うカバーを有する場合は、カバーがケーブルの連結部材角部への当たりを阻止するので、ケーブルの損傷を防止または抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池スタックを図１〜図８を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たとえば移動体、たとえば燃料電池自動車に搭載されてもよい。ただし、自動車以外、たとえば家庭用の固定型燃料電池に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池（セルともいう）１０は、図６〜図８に示すように、膜−電極アッセンブリ１９（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねた構造を有する。
膜−電極アッセンブリ１９は、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリ１９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体４１とし、セル積層体４１のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４をエンドプレート２２にボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体４１に荷重付与部４０によりセル積層方向に締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
【００１１】
各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１２】
各種流体は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえばシール接着剤からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴム等からなるガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、シール接着剤、またはガスケットから構成されてもよい。
【００１３】
締結部材２４は、たとえば、テンションプレート２４Ａ、および／または、テンションプレート２４Ａとは別体で作製されテンションプレート２４Ａにたとえばスポット溶接等で固定されエンドプレート２２に凹凸５０（セル積層方向と直交する方向に突出、後退する凹凸）でセル積層方向に係合される連結部材２４Ｂを、含む。エンドプレート２２のうち凹凸５０が形成されるのは、その端面である。テンションプレート２４Ａとセル積層体４１の外周面との間には、隙間４２が設けられている。連結部材２４Ｂは、エンドプレートの側面に接触する位置にある厚肉部２４Ｂａと、厚肉部２４Ｂａより薄くセル積層体４１の外周側に近づく方向にセル積層方向に張り出す薄肉部２４Ｂｂを有し、薄肉部２４Ｂｂはテンションプレート２４Ａと重なり、薄肉部２４Ｂｂにてテンションプレート２４Ａにたとえばスポット溶接５１等で固定される。連結部材２４Ｂの厚肉部２４Ｂａの厚さは、テンションプレート２４Ａの厚さより大である。
【００１４】
凹凸５０については、連結部材２４Ｂとエンドプレート２２の一方に形成された凸部を５０Ａ、連結部材２４Ｂとエンドプレート２２の他方に形成された凹部を５０Ｂとする。図示例は、連結部材２４Ｂに凸部５０Ａが形成され、エンドプレート２２に凹部５０Ｂが形成された場合を示す。ただし、エンドプレート２２に凸部５０Ａが形成され、連結部材２４Ｂに凹部５０Ｂが形成されてもよい。
連結部材２４Ｂがテンションプレート２４Ａと別体であるため、テンションプレート２４Ａに固定される前の、連結部材２４Ｂ単独の段階で、凹凸５０（たとえば、凸部５０Ａ）が、連結部材２４Ｂに、たとえば削り出し加工にて、形成される。
【００１５】
締結部材２４が凹凸５０構造でエンドプレート２２にセル積層方向に係合する場合は、締結部材２４を摩擦力（＝摩擦係数×ボルト２５の締結力）のみでエンドプレート２２にセル積層方向に固定する必要がないので、締結部材２４をエンドプレート２２の側面に締結するボルト２５の締結力は小で済み、極端な場合、凹凸５０が外れない程度に締結部材２４をエンドプレート２２の側面に連結すればよい。
【００１６】
セル積層体４１の外周面には、セル１０の積層構造におけるセル間の微小の段差や、セル間のガスケット配置のための隣接セル間の外周部の隙間が、存在することがある。したがって、スタック締結部材２４が連結部材２４Ａを含む場合、スタック締結部材２４の連結部材２４Ａが、セル積層体４１との熱膨張差などによって、セル積層体４１の外周面に対して相対的に少量移動すると、連結部材２４Ａの角部（セル積層体に近い側の角部）がセル積層体４１の外周面をこすりながら移動すると、連結部材２４Ａがセル１０の外周部を損傷するおそれがある。連結部材２４Ａは金属、たとえばＳＵＳで、セル１０の外周部はカーボン、または薄板のメタルプレートであるから、干渉すると、セル１０の外周部の方が損傷する。
【００１７】
それを防止するために、図１、および図２の（ロ）に示すように、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂを、テンションプレート２４Ａよりもスタック積層体４１から遠い側に配置してある。
もしも、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂが、テンションプレート２４Ａよりもスタック積層体から近い側にあると（図２の（イ））、図４の（イ）、（ロ）に示すように、テンションプレート２４Ａおよび連結部材２４Ｂにセル積層方向の引張力がかかった時に、テンションプレート２４Ａおよび連結部材２４Ｂが、スポット溶接５１等の固定部で反り、かつエンドプレート２２がエンドプレート端部がエンドプレート中央部よりセル積層方向にセル積層体４１に近づく方向に曲げ変形し、図３（イ）に示すように、薄肉部２４Ｂｂの角部５２がセル積層体４１に近づく方向に連結部材２４Ｂが傾いて連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂの角部５２がセル積層体４１の外周面に当たるおそれがある。
【００１８】
しかし、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂが、テンションプレート２４Ａよりもセル積層体４１から遠い側に配置してあると、荷重付与部４０がセル積層体４１に荷重を付与して、テンションプレート２４Ａおよび連結部材２４Ｂにセル積層方向の引張力がかかった時に、テンションプレート２４Ａおよび連結部材２４Ｂが、スポット溶接５１等の固定部で反っても、かつエンドプレート２２がエンドプレート端部がエンドプレート中央部よりセル積層方向にセル積層体４１に近づく方向に曲げ変形しも、図３（ロ）に示すように、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂの角部５２とセル積層体４１の外周面との間にテンションプレート２４Ａが介在するので、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂの角部５２がセル積層体４１の外周面に当たるおそれはないか、当たるおそれが抑制される。
【００１９】
テンションプレート２４Ａの端部のうち、荷重付与部４０が存在する側の端部は、その内側にセル積層体４１が存在しないので、連結部材２４Ｂとテンションプレート２４Ａとの結合部近傍やエンドプレート２２が変形しても、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂの角部５２がセル積層体４１の外周面に当たるおそれがないので、連結部材２４Ｂの薄肉部２４Ｂｂはテンションプレート２４Ａより内側にあってもよいし、あるいはテンションプレート２４Ａより外側にあってもよい。
【００２０】
燃料電池スタック２３に接続された電気配線、たとえば、高電圧ケーブル５３の少なくとも一部が、燃料電池スタック２３の連結部材２４Ｂの角部５５と干渉する位置に配索される場合は、図５に示すように、角部５５および／またはボルト２４等の突出部（セル積層方向と直交する方向に突出する突出部）の角部を連結部材２４Ｂの外側（セル積層体４１と反対側）から覆うカバー（プロテクターといってもよい）５４が設けられることが望ましい。このカバー５４は、望ましくは非導電性材料（たとえば、樹脂）から構成され、カバー５４の、ケーブル５３との当たり部は、望ましくは角落としされている（丸められている）。カバー５４は、連結部材２４Ｂの全長のうち、ケーブル５３と干渉する部位にだけ設けられればよい。カバー５４は連結部材２４Ｂに両面テープ５５等によって固定される。
【００２１】
つぎに、本発明の燃料電池スタックの作用、効果を説明する。
上記燃料電池スタック２３は、テンションプレート２４Ａと連結部材２４Ｂを有し、連結部材２４Ｂがエンドプレート２２と係合する構造（たとえば、凹凸５０）を有するので、係合構造の加工（たとえば、削り出し加工）を連結部材２４Ｂに限ることができ、テンションプレート２４Ａのほぼ全長にわたって削り出し加工を行っていた従来構造（テンションプレートと連結部材とが一体であった構造）に比べて、凹凸形成の加工量が少なくなり、加工が簡素化する。
また、連結部材２４Ｂはエンドプレート２２と凹凸５０にてセル積層方向に係合するので、摩擦力でセル積層方向に固定する場合に比べて、ボルト２５の締結力は小で済み、ボルト２５とそのまわりの構造を小型化、簡素化できる。
【００２２】
また、連結部材２４Ｂはテンションプレート２４Ａと別体に形成されてテンションプレート２４Ａに固定される場合は、連結部材２４Ｂにおける凹凸５０の削り出し加工を行った後に、連結部材２４Ｂをテンションプレート２２にスポット溶接（５１）等により固定することができ、連結部材２４Ｂの係合構造（たとえば、凹凸５０）の加工（たとえば、削り出し加工）が、テンションプレート２４Ａの加工と独立に行われ、容易になる。
【００２３】
また、連結部材２４Ｂの一部がテンションプレート２４Ａと重なっており、連結部材２４Ｂの一部である薄肉部２４Ｂｂがテンションプレート２４Ａよりセル積層体４１から遠い側にある場合は、燃料電池スタック２３にセル積層方向の締結荷重がかかった時に、エンドプレート２２およびテンションプレート２４Ａに曲げ変形が生じて、連結部材２４Ｂがセル積層方向から角部５２がセル積層体に近づく方向に傾いても、燃料電池スタック２３に近い側の連結部材２４Ｂの角部５２とセル積層体４１との間にテンションプレート２４Ａが介在するので、燃料電池スタック２３に近い側の連結部材２４Ｂの角部５２が燃料電池スタック２３のセル積層体４１に干渉することが無いか、あるいは干渉することが抑制され、セル１０の損傷が防止される。その結果、連結部材２４Ｂとセル積層体４１との間に熱膨張差などによりセル積層方向の相対移動が生じても、角部５２がセル積層体４１の外周部を損傷することがない。
【００２４】
また、連結部材２４Ｂの一部がテンションプレート２４Ａよりセル積層体４１から遠い側にある場合は、連結部材２４Ｂの角部５２がテンションプレート２４Ａより外側に露出しその近傍にセル電圧モニタなどのワイヤハーネスケーブル５３が配索されているとケーブル５３が連結部材２４Ｂの角部５２に当たって車両の振動を繰り返し受けたときにケーブル５３の被覆が損傷するおそれがあるが、連結部材２４Ｂを外側から覆うカバー５４を有する場合は、カバー５４がケーブル５３の連結部材角部５２への当たりを阻止するので、ケーブル５３の損傷が防止または抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池スタックの、連結部材とその近傍における、側面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの、連結部材とその近傍における、側面図であって、（イ）は連結部材の薄肉部がテンションプレートよりもセル積層体側にある場合を示し、（ロ）は連結部材の薄肉部がテンションプレートよりもセル積層体と反対側にある場合を示す。
【図３】本発明の燃料電池スタックの側面図であって、  （イ）は連結部材の薄肉部がテンションプレートよりもセル積層体側にある場合を示し、  （ロ）は連結部材の薄肉部がテンションプレートよりもセル積層体と反対側にある場合を、示す。
【図４】溶接接合された２部材（たとえば、連結部材の薄肉部とテンションプレート）の側面図であって、  （イ）は２部材に引張力がかかる前の状態を示し、  （ロ）は２部材に引張力がかかっている状態を示す。
【図５】本発明の燃料電池スタックの、連結部材およびカバーとその近傍における、側面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの平面図である。
【図７】図６の一部の拡大断面図である。
【図８】図６のセル部位の正面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  ＭＥＡ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材
２４Ａ  テンションプレート
２４Ｂ  連結部材
２４Ｂａ  厚肉部
２４Ｂｂ  薄肉部
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  第１のシール部材
３３  第２のシール部材
４０  荷重付与部
４１  セル積層体
４２  隙間
５０  凹凸
５０Ａ  凸部
５０Ｂ  凹部
５１  スポット溶接部
５２  角部
５３  ケーブル
５４  カバー
５５  両面テープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007141637.tif 000007
【図６】
2007141637.tif 000008
【図７】
2007141637.tif 000009
【図８】
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