(57)【要約】【課題】燃料電池の温度環境に関わらず燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させる。【解決手段】積層された複数の単電池を含む積層体がケースに収容された燃料電池は、積層体の積層方向に沿う側面とケースの内面との間に配置された拘束部材を備える。ケースに収容されていない状態における拘束部材の厚さは、大気圧条件よりも高い所定の加圧条件の下において積層体の側面とケースの内面との間の隙間未満であり、大気圧の条件の下において隙間以上である。【選択図】図５
2016195065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の単電池を含む積層体がケースに収容された燃料電池であって、
前記積層体の積層方向に沿う側面と前記ケースの内面との間に配置された拘束部材を備え、
前記ケースに収容されていない状態における前記拘束部材の厚さは、大気圧条件よりも高い所定の加圧条件の下において前記積層体の前記側面と前記ケースの前記内面との間の隙間未満であり、前記大気圧条件の下において前記隙間以上である、
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単電池が積層されたスタック構造の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（燃料極と酸素極）にそれぞれ反応ガス（水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の電解質膜を含む発電体で構成される単電池を積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。
【０００３】
ところで、燃料電池は、その使用条件によって、外部からの衝撃や振動に対する十分な耐性が要求される場合がある。燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させるために、単電池の積層体の積層方向に沿う側面を覆うプレートを設け、そのプレートと積層体との間に緩衝部材を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１）。緩衝部材は、内部に空気が密閉された中空部材で構成されている。この燃料電池では、緩衝部材の常温時における厚さを薄く設計することにより燃料電池の組み付けを容易とするとともに、燃料電池の使用時において、燃料電池の温度上昇に応じた緩衝部材の内部の空気の膨張により積層体の各単電池の動きを抑制して、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記緩衝部材では、例えば、低温環境での始動時のように、燃料電池が低温の状態において内部の空気が収縮することになり、各単電池の動きの抑制することができずに燃料電池の耐衝撃性、耐振動性が低下する、という課題がある。このため、燃料電池の組み付けを容易とするとともに、燃料電池の温度環境に関わらず積層体（「燃料電池スタック」とも呼ぶ）に含まれる各単電池の動きを抑制して、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、積層された複数の単電池を含む積層体がケースに収容された燃料電池が提供される。この燃料電池は、前記積層体の積層方向に沿う側面と前記ケースの内面との間に配置された拘束部材を備える。前記ケースに収容されていない状態における前記拘束部材の厚さは、大気圧条件よりも高い所定の加圧条件の下において前記積層体の前記側面と前記ケースの前記内面との間の隙間未満であり、前記大気圧の条件の下において前記隙間以上である。
この形態によれば、例えば、積層体をケースに収容した後、加圧条件下で、積層体の積層方向に沿う側面とケースの内面との間に拘束部材を配置し、その後、大気圧条件下に戻すことにより、積層体の拘束を容易に行うことができる。また、燃料電池の温度環境に関係なく積層体を拘束することができるとともに、積層体に含まれる複数の単電池の動きを抑制することができ、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることができる。
【０００８】
本発明は、この他にも、上記形態の燃料電池を搭載した車両もしくは移動体のような装置発明、燃料電池の製造方法もしくは設置方法などの方法発明を始めとして、種々の形態にて実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における燃料電池の概略構成を示す斜視図である。
【図２】実施形態における燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。
【図３】２つのエンドプレート及び積層体のケース内への収容および締結の方法を示す説明図である。
【図４】非拘束締結体中に拘束部材を配置する方法を示す説明図である。
【図５】非拘束締結体中に配置した拘束部材によって積層体を拘束する方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．実施形態：
図１は、一実施形態としての燃料電池１００の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した燃料電池１００を分解して示す斜視図である。なお、図１及び図２に示すように、燃料電池１００は、積層体１０と、２枚のエンドプレート２０Ａ，２０Ｂと、プレッシャープレート３０と、４つの拘束部材４０と、２つの絶縁体５０と、ケース６０と、を備えている。なお、図１は、図示の便宜上、ケース６０を透視した状態で示しており、絶縁体５０を破線で示している。
【００１１】
積層体１０は、複数の単電池１１が積層された電池スタックと、２枚の集電板１２と、２枚の絶縁板１３から構成されている。２枚の集電板１２は、電池スタックの積層方向（Ｘ方向）の両端部に、電池スタックを挟むように配置されている。２枚の絶縁板１３は、集電板１２の外側にそれぞれ配置されている。絶縁板１３は、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１２は、緻密質カーボンや銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。
【００１２】
単電池１１は、図示は省略するが、発電体としての膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう）と、ＭＥＡを挟持するセパレータと、から構成されている。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された触媒電極と、触媒電極とセパレータとの間にそれぞれ配置された拡散層と、から構成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたイオン交換膜である。触媒電極は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。拡散層は、反応ガス（酸化ガスや燃料ガス）の流路として機能し、例えば、金属やカーボンを用いて構成された多孔体である。
【００１３】
第１のエンドプレート２０Ａと、第２のエンドプレート２０Ｂ及びプレッシャープレート３０は、積層体１０を積層方向に挟持するための挟持部材である。エンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及びプレッシャープレート３０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。ケース６０も、同様に、剛性を確保するため、鋼等の金属やセラミックスによって形成されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、第１のエンドプレート２０Ａは、積層体１０を挟持した状態で、ケース６０の開口部６１を覆うようにボルト７０によってケース６０に結合されている。また、プレッシャープレート３０は、積層体１０を挟持した状態で荷重調整ネジ６４によって押圧されている。荷重調整ネジ６４は、開口部６１に対向するケース側面６２に設けられた複数（本例では６つ）のネジ穴６３にねじ込まれることによってプレッシャープレート３０を押圧する。これにより、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及び積層体１０がケース６０に締結された状態でケース６０内に収容されている。なお、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂ及び積層体１０のケース６０内への収容及び締結の方法については後述する。
【００１５】
２つの絶縁体５０は、ケース６０と積層体１０とを絶縁するための絶縁部材であり、積層体１０を積層方向（Ｘ方向）に垂直な上下方向（Ｚ方向）から挟んで覆うように、ケース６０の内面に当接して配置される。絶縁体５０は、剛性及び絶縁を確保した種々の部材、例えば、絶縁性の樹脂や絶縁性のセラミックス、絶縁材料の塗工により絶縁処理が施された金属等によって形成されている。
【００１６】
４つの拘束部材４０は、積層体１０の積層方向に沿う４つの側面の端部である４か所の角部を覆うように、積層体１０の積層方向に沿う側面と絶縁体５０の内面との間に配置されたＬ字型の部材である。拘束部材４０は、積層体１０に含まれる各単電池１１の動きを抑制するための拘束機能、及び、燃料電池に対する衝撃や振動を抑制し、耐衝撃性や耐振動性を高めるための緩衝機能を発揮する部材である。ケース６０の内面が絶縁材料の塗工等により絶縁処理が施されている場合やケース６０が絶縁性部材で形成されている場合には、絶縁体５０は省略可能であり、その場合、拘束部材４０は、積層体１０の積層方向に沿う側面とケース６０の内面との間に設置される。なお、４つの拘束部材４０は、後述するように、積層体１０がケース６０内に収容された後にケース側面６２に設けられた４つの挿入孔６５から挿入されて設置される。
【００１７】
開口部６１に対向するケース側面６２には、ネジ穴６３や挿入孔６５の他に２つの貫通孔６７が設けられている。各挿入孔６５には挿入孔を閉じるための挿入カバー６６が装着されており、各貫通孔６７には換気カバー６８が装着されている。なお、２つの貫通孔６７は、後述するように、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０のケース６０への締結において、プレッシャープレート３０を押圧するための加圧シャフトの挿入孔として利用される。
【００１８】
図３は、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０のケース６０内への収容及び締結の方法を示す説明図である。図３は、図示の便宜上、積層体１０を覆うケース６０及び絶縁体５０の紙面手前側の側面（図１のＹ方向の手前側の側面に対応）を破断した状態を模式的に示している。
【００１９】
図３（Ａ）に示すように、締結治具の支持部９２で第１のエンドプレート２０Ａを支持し、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０を、支持部９２とプレッシャープレート３０とで挟持した状態で、加圧シャフト９４によってプレッシャープレート３０側から押圧する。加圧シャフト９４は、不図示の搬送治具に載置されたケース６０の貫通孔６７を介してプレッシャープレート３０を押圧する。ケース６０にはあらかじめ絶縁体５０がケース６０の内面に接するように配置されている。これにより、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０に、設定した所定の荷重（例えば、１０ｋＮ〜１００ｋＮの範囲内の荷重）が付与される。
【００２０】
荷重が付与された状態を維持したまま、図３（Ｂ）に示すように、搬送治具に載置されたケース６０を、開口部６１の外側のフランジ６９が第１のエンドプレート２０Ａのフランジ２１に接触するまで移動させ、第１のエンドプレート２０Ａとケース６０とをボルト７０で締結する。そして、ケース６０の開口部６１と対向するケース側面６２のネジ穴６３に荷重調整ネジ６４をプレッシャープレート３０に接触するまでネジ込むことにより、加圧シャフト９４による荷重の付与を無くした後も、その荷重を荷重調整ネジ６４によって維持させた状態とすることができる。これにより、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０をケース６０内に収容するとともに、ケース６０に締結することができる。なお、以下では、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０がケース６０内に収容されてケース６０に締結されているが、まだ拘束部材４０が設置されていない状態の構造体を「非拘束締結体８０」とも呼ぶ。
【００２１】
図４は非拘束締結体８０中に拘束部材４０を配置する方法を示す説明図である。図４（Ａ）に示すように、非拘束締結体８０及び４つの拘束部材４０を加圧容器１１０内に配置する。なお、図４（Ａ）は、図示の便宜上、非拘束締結体８０を覆うケース６０及び絶縁体５０の紙面手前側の側面（図１のＹ方向の手前側の側面に対応）で破断した状態を模式的に示している。
【００２２】
拘束部材４０は、上記したように、積層体１０の各単電池１１の動きを拘束する拘束機能および衝撃や振動を抑制する緩衝機能を発揮する部材である。また、拘束部材４０は、さらに、加圧によって体積が収縮する性質を有する部材である。この拘束部材４０としては、連結していない孔を有する多孔質性で、かつ、ダイラタンシー特性を有する種々の部材を用いることができる。「ダイラタンシー特性」とは、非線形粘弾性の一種であり、急激な外力に対し固体のように振る舞い、ゆっくりとした外力に対し液体のように振る舞う特性、例えば、瞬間的に大きな衝撃が加わったときに硬化するような特性を言う。
【００２３】
一例として、拘束部材４０は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料や有機材料を含有した多孔質材料からなる部材を用いることができる。例えば、拘束部材４０は、ポリウレタン発泡体又はセルロース発泡体等の気泡発泡体の空孔中に、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料を含有させた複合材料で構成することができる。
【００２４】
ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料としては、例えば、シリコーン・バウンシング・パテ（silicon bouncing putties）が挙げられる。ここで、シリコーン・バウンシング・パテは、ジメチルシロキサンをホウ酸を触媒として重合してなるホウ素含有シロキサンポリマーである。この材料は、変形速度に敏感な、せん断増粘性の材料であり、低速のひずみ変形では粘性流になるが、高速のひずみ変形では、十分な粘度上昇を果たす。
【００２５】
また、ダイラタンシー特性を付与する有機材料としては、例えば、粘性流体中の固体粒子の分散液とした液状もしくはゲル状の物質が挙げられる。有機材料は、樹脂材料を、中空体または発泡体の多孔質体に加工することにより、樹脂内部にダイラタンシー特性を付与する有機材料を内封させることにより拘束部材４０として用いることができる。なお、拘束部材４０として用いられるダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した多孔質材料については、例えば、国際公開２０１２／０８１１７３号に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。
【００２６】
ケース６０に収容されていない状態における拘束部材４０の厚さは、通常の燃料電池の使用環境である大気圧条件下（９００ｈｐａ〜１１００ｈｐａ（０．８８ａｔｍ〜１．０８ａｔｍ））の状態（以下、「常圧状態」とも呼ぶ）において、非拘束締結体８０の積層体１０とケース６０の内面（具体的には、ケース６０の内面に接するように配置された絶縁体５０の内面）との間の隙間８１の長さ以上の厚さに設定されている。
【００２７】
そして、拘束部材４０を非拘束締結体８０中に配置する場合には、加圧容器１１０内を大気圧条件下よりも高い所定の加圧条件下（例えば、１１１５ｈｐａ〜２０２７ｈｐａ（１．１ａｔｍ〜２ａｔｍ））の加圧状態とする。この場合、加圧容器１１０内に配置された拘束部材４０は圧縮されて、拘束部材４０の厚さは隙間８１よりも薄くなる。これにより、拘束部材４０をケース側面６２の挿入孔６５から挿入して、図４（Ｂ）に示すように、隙間８１に拘束部材４０を配置することができる。なお、図４（Ｂ）は、図示の便宜上、ケース６０のケース側面６２を破断し、荷重調整ネジ６４を省略した状態で模式的に示している。但し、ケース側面６２からの拘束部材４０の挿入位置を示すために、ケース側面６２に設けられた挿入孔６５については破線枠で示している。なお、拘束部材４０の挿入や抜出は、拘束部材４０を把持するとともに、拘束部材４０を挿入孔６５から隙間８１へ挿入するための不図示の挿入ロボットハンドによって実行される。
【００２８】
図５は、非拘束締結体８０中に配置された拘束部材４０によって積層体１０を拘束する方法を示す説明図である。なお、図５（Ａ）は、図４（Ａ）と同様に、図示の便宜上、拘束部材４０を配置済みの非拘束締結体８０を、ケース６０及び絶縁体５０の紙面手前側の側面（図１のＹ方向の手前側の側面に対応）で破断した状態を模式的に示している。また、図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）と同様に、図示の便宜上、ケース６０のケース側面６２を破断し、荷重調整ネジ６４を省略した状態で模式的に示している。
【００２９】
図４で説明したように拘束部材４０を隙間８１に配置した後、加圧容器１１０の加圧状態を止めて、大気圧条件下の常圧状態に戻すと、圧縮されていた拘束部材４０は膨張する。上記したように、常圧状態での拘束部材４０の厚さは隙間８１以上に設定されているので、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、隙間８１が拘束部材４０で埋められる。これにより、拘束部材４０の拘束機能によって積層体１０を拘束して各単電池の動きを抑制し、緩衝機能によって衝撃や振動を抑制し、耐衝撃性や耐振動性を確保した燃料電池１００（図１）を得ることができる。
【００３０】
ここで、従来、拘束部材の組み付けは、積層体をケースに収容してケースに積層体を締結する前に、積層体上に拘束部材を配置し、ケースの内面で拘束部材を押しつぶしながらケースに積層体を収容して締結することにより行われていた。このため、ケースの内面から拘束部材に加わる押圧力によって積層体に含まれる部材、例えば、単電池を構成する部材（ＭＥＡ，セパレータ）等が変形する、という問題があった。また、拘束部材を交換する際に、ケースの組み付けを解除することが要求される、という問題があった。また、課題で説明したように、燃料電池が低温の状態において、拘束能力が低下して、各単電池の動きを抑制することができない、という問題があった。
【００３１】
しかしながら、上記実施形態の場合には、ケース６０を第１のエンドプレート２０Ａに締結して、２つのエンドプレート２０Ａ，２０Ｂで挟持された積層体１０をケース６０内に収容した後、加圧状態で圧縮された拘束部材４０をケース６０の外部から挿入して積層体１０上に配置する。そして、加圧状態を常圧状態に戻して拘束部材４０を膨張させて、積層体１０とケース６０の内面（具体的には絶縁体５０の内面）との間の隙間８１を拘束部材４０で埋めて、積層体１０の拘束を実現している。このため、上記のように、ケースに積層体を収容する際に拘束部材に加わる押圧力によって積層体に含まれる部材、単電池１１を構成する部材等が変形することを抑制することができる。また、温度環境に関係なく積層体を拘束することができるとともに、積層体に含まれる複数の単電池の動きを抑制することができ、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることができる。
【００３２】
また、拘束部材４０を交換する場合、燃料電池１００を加圧容器１１０に配置して、加圧状態とすれば、拘束部材４０を圧縮して挿入孔６５から容易に抜き出すことが可能である。従って、上記のように、ケースの組み付けを解除することなく、容易に拘束部材４０の交換が可能である。
【００３３】
Ｂ．変形例：
上記実施形態では、積層体１０の角部を覆うように４つの拘束部材４０を設けた場合を例に示したが、これに限定されるものではない。例えば、積層体１０の積層方向に沿う４つの側面にそれぞれ拘束部材が設けられた構成としてもよい。また、積層体１０の対向する２つの側面にそれぞれ拘束部材が設けられた構成としてもよい。また、積層体１０のいずれか一つの側面に拘束部材が設けられた構成としてもよい。
【００３４】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…積層体
１１…単電池
１２…集電板
１３…絶縁板
２０Ａ，２０Ｂ…エンドプレート
２１…フランジ
３０…プレッシャープレート
４０…拘束部材
５０…絶縁体
６０…ケース
６１…開口部
６２…ケース側面
６３…ネジ穴
６４…荷重調整ネジ
６５…挿入孔
６６…挿入カバー
６７…貫通孔
６８…換気カバー
６９…フランジ
７０…ボルト
８０…非拘束締結体
８１…隙間
９２…支持部
９４…加圧シャフト
１００…燃料電池
１１０…加圧容器
【図１】
2016195065.tif 000003
【図２】
2016195065.tif 000004
【図３】
2016195065.tif 000005
【図４】
2016195065.tif 000006
【図５】
2016195065.tif 000007