(57)【要約】【課題】スタックケースに収容した燃料電池スタックにおける燃料電池セルのズレ防止を図りつつ、軽量化を可能とする。【解決手段】燃料電池スタックを衝撃緩和用の介在層で拘束してスタックケースに収容するに当たり、スタック外形の第１の角部を挟んでシャフト状の第１の介在層と第２の介在層とをセル積層方向に延在させ、第１の角部と対角の関係にある第２の角部を挟んでシャフト状の第３の介在層と第４の介在層とを積層方向に延在させる。これに加え、第１の角部と隣り合う角部を形成するスタック側面の隣り合う角部の側に第５の介在層を配設して、この第５の介在層を、積層方向における燃料電池スタックの中央領域に延在させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックを収容するスタックケースと、
該スタックケースと前記燃料電池スタックとの間に配設された衝撃緩和用の介在層とを備え、
前記介在層は、
前記燃料電池セルの積層方向に沿って前記燃料電池スタックを見たスタック外形の第１の角部と前記スタック外形において前記第１の角部と対角の関係にある第２の角部とについてのみ、前記第１の角部を形成する第１のスタック側面と第２のスタック側面に、前記第１の角部を挟んで配設されて前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第１の介在層と第２の介在層と、前記第２の角部を形成する第３のスタック側面と第４のスタック側面に、前記第２の角部を挟んで配設されて前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第３の介在層と第４の介在層とを備え、
前記スタック外形において前記第１の角部と隣り合う角部を形成する前記第１のスタック側面の前記隣り合う角部の側には、前記積層方向における前記燃料電池スタックの少なくとも中央領域において前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第５の介在層を有する、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックはスタックケースに取り囲まれている。燃料電池スタックがスタックケース内で振動することを抑制するため、燃料電池スタックとスタックケースとの間に、衝撃緩和を図る介在層を配置する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１４／１３２５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の手法は、通常時には燃料電池スタックの振動を吸収する一方で、燃料電池セルの積層方向と交差する方向に沿って燃料電池セルに大きな力が加わるときには、燃料電池セルがずれようとする力に対して、介在層が反力を発揮して燃料電池セルのズレを抑制する点で優れている。他方、燃料電池には、コスト低減に加え、車両への搭載性や取扱性を高めるための軽量化が要請されている。こうした要請は介在層の介在領域を限定することである程度達成できるものの、介在層の介在領域をどのように限定するかという点について改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収容するスタックケースと、該スタックケースと前記燃料電池スタックとの間に配設された衝撃緩和用の介在層とを備える。そして、前記介在層は、前記燃料電池セルの積層方向に沿って前記燃料電池スタックを見たスタック外形の第１の角部と前記スタック外形において前記第１の角部と対角の関係にある第２の角部とについてのみ、前記第１の角部を形成する第１のスタック側面と第２のスタック側面に、前記第１の角部を挟んで配設されて前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第１の介在層と第２の介在層と、前記第２の角部を形成する第３のスタック側面と第４のスタック側面に、前記第２の角部を挟んで配設されて前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第３の介在層と第４の介在層とを備え、前記スタック外形において前記第１の角部と隣り合う角部を形成する前記第１のスタック側面の前記隣り合う角部の側には、前記積層方向における前記燃料電池スタックの少なくとも中央領域において前記積層方向に延在し前記燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第５の介在層を有する。
【０００７】
この形態の燃料電池によれば、燃料電池スタックに燃料電池セルの積層方向と交差する方向から作用した外力による衝撃を、燃料電池スタックを外部から拘束するシャフト状の第１〜第５の介在層のうちで、外力の作用方向と同方向の側に配設された介在層により緩和して、外力の作用方向に沿った燃料電池セルのズレを防止できる。
【０００８】
燃料電池セルは、膜・電極接合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)或いは膜・電極・ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly;ＭＥＧＡ）をセパレーターで挟持しているようにしてもよい。こうした燃料電池セルを有する燃料電池では、次の利点がある。燃料電池セルに剪断力が及ぶと、ＭＥＡやＭＥＧＡのシール部にバネ的な変形（剪断変形）が起き得る。そして、燃料電池スタックは、対角関係にある第１の角部と第２の角部とにおいて第１〜第４の介在層を介してスタックケースに収容されているので、各燃料電池セルで起きたバネ的な変形は燃料電池セルの回転のズレ変形に変わり、この回転ズレが燃料電池セルごとに重なると、回転ズレ変位は積層方向における燃料電池スタックの中央領域で大きくなる。上記形態の燃料電池は、シャフト状の第５の介在層を、スタック外形において第１の角部と隣り合う角部を形成する第１のスタック側面の隣り合う角部の側に配設して、この第５の介在層を積層方向における燃料電池スタックの少なくとも中央領域において積層方向に延在させる。よって、上記形態の燃料電池によれば、回転ズレ変位をこの変位が起き得る燃料電池スタックの中央領域において第５の介在層により抑制できるので、燃料電池セルの回転ズレを防止できる。
【０００９】
上記形態の燃料電池は、第１〜第５の介在層を第１の角部か第２の角部、或いは第１の角部と隣り合う角部の近傍に配設している。これら角部は、スタックケースにおいても角部とされており、ケース角部では、外力が作用した際のケース変位は小さい。よって、この形態の燃料電池によれば、シャフト状の介在層を隣り合う角部と角部との中間に配設した構成と比べると、ケース変位が小さい分、スタックケースの剛性や耐衝撃性を高めることができる。
【００１０】
上記形態の燃料電池によれば、スタックケースと燃料電池スタックとの間に配設する衝撃緩和用の介在層の介在領域を、第１の角部を挟んだシャフト状の第１と第２の介在層の介在領域と、第２の角部を挟んだシャフト状の第３の介在層と第４の介在層の介在領域と、第１の角部と隣り合う角部の側における燃料電池スタックの中央領域のシャフト状の第５の介在層の介在領域に限定するので、スタックケースと燃料電池スタックとの間の全域に介在層を配設する構成に比べて、軽量化を図ることができる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態における燃料電池の概略構成を分解して示す説明図である。
【図２】図１の２−２線に沿って燃料電池を断面視した概略断面図である。
【図３】燃料電池セルに剪断力が作用した際のズレ挙動を模式的に示す説明図である。
【図４】燃料電池スタックにおいて推察される燃料電池セルの回転ズレ挙動を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は実施形態における燃料電池１００の概略構成を分解して示す説明図であり、図２は図１の２−２線に沿って燃料電池１００を断面視した概略断面図である。なお、各図のＸＹＺ軸は、Ｘ軸を燃料電池セル１２２の積層方向に沿った軸としており、Ｙ軸は水平方向、Ｚ軸は鉛直方向を示す。また、図２では、スタックケース１１０を１体品としてハッチングし、燃料電池スタック１２０のハッチングを省略している。
【００１４】
燃料電池１００は、スタックケース１１０と、燃料電池スタック１２０と、第１〜第５の介在層１４１〜１４５とを備える。スタックケース１１０は、アルミ等の金属製のケースであり、ケース本体１１１と蓋体１１２とを備え、ケース本体１１１に後述の燃料電池スタック１２０を収容する。蓋体１１２は、燃料電池スタック１２０の収容後にケース本体１１１の開口部に図示しないボルトを用いて固定される。
【００１５】
燃料電池スタック１２０は、二つのエンドプレート１２１の間に複数の燃料電池セル１２２が積層されたスタック構造とされ、複数の燃料電池セル１２２を積層方向に沿って締結する。このセル締結は、エンドプレート１２１および燃料電池セル１２２の各コーナー部に開けられた貫通孔１３７に図示しない締結シャフトを挿入し、この締結シャフトをエンドプレート１２１に締結することでなされる。なお、締結シャフトをケース本体１１１に締結するようにして、複数の燃料電池セル１２２を積層方向に沿って締結してもよい。
【００１６】
エンドプレート１２１と燃料電池セル１２２は、共に、矩形形状とされ、上記した貫通孔１３７の他、ガス流入孔１３１と、ガス流出孔１３２と、エアー流入孔１３３と、エアー流出孔１３４と、冷却水流入孔１３５と、冷却水流出孔１３６とを備える。ガス流入孔１３１は、燃料ガス、例えば水素ガスをそれぞれの燃料電池セル１２２に導くための流路を形成し、ガス流出孔１３２は、未消費の水素ガスを外部に導くための流路を形成する。エアー流入孔１３３は、酸素含有ガスである空気をそれぞれの燃料電池セル１２２に導くための流路を形成し、エアー流出孔１３４は、余剰の空気を外部に導くための流路を形成する。これら流入孔と流出孔は、ＹＺ平面において、ガス流入孔１３１とガス流出孔１３２とが対角となり、エアー流入孔１３３とエアー流出孔１３４とが対角となるように、矩形短辺に沿って形成されており、Ｘ軸方向、つまりセル積層方向に沿って連続している。冷却水流入孔１３５は、冷媒をそれぞれの燃料電池セル１２２に導くための流路を形成し、冷却水流出孔１３６は、冷媒を外部に導くための流路を形成する。冷却水の流入孔と流出孔は、向かい合うよう矩形長辺に沿って形成されており、Ｘ軸方向（セル積層方向）に沿って連続している。燃料電池セル１２２は、図１の拡大図に示すように、膜・電極・ガス拡散層接合体１２２ｍをセパレーター１２２ｓで挟持しており、膜・電極・ガス拡散層接合体１２２ｍに水素ガスと空気が導かれ、セパレーター１２２ｓに冷媒が導かれる。燃料電池セル１２２の構成は、本願発明の要旨と直接関係しないので、セル構成の説明についてはこれを省略する。
【００１７】
エンドプレート１２１と燃料電池セル１２２とが矩形形状であることから、燃料電池スタック１２０にあっても、ＹＺ平面、即ちセル積層方向に沿って燃料電池スタック１２０を見たスタック外形も矩形形状となる。そして、図２に示すように、燃料電池スタック１２０の四つの角部の内の第１の角部１２５は、Ｙ軸に沿った第１のスタック側面１２５ａとＺ軸に沿った第２のスタック側面１２５ｂとで形成される。第１の角部１２５とＹＺ平面において対角の関係にある第２の角部１２６は、Ｙ軸に沿った第３のスタック側面１２６ａとＺ軸に沿った第４のスタック側面１２６ｂとで形成される。第１の角部１２５とＹＺ平面において隣り合う第３の角部１２７は、第１のスタック側面１２５ａと第４のスタック側面１２６ｂとで形成される。
【００１８】
第１〜第５の介在層１４１〜１４５は、スタックケース１１０と燃料電池スタック１２０との間の間隙１１３に配設され、いずれもダイラタント的な特性を持った弾性体であり、急激な衝撃に対しては固体のように振る舞い、ゆっくりとした衝撃に対しては流動性を示す。こうした特性から、第１〜第５の介在層１４１〜１４５は、衝撃を緩和する機能を発揮すると共に、燃料電池スタック１２０を外部から拘束する。衝撃緩和用のダイラタント的な特性を持った弾性体は、例えば、低分子量のシリコンゴム等のゴム材料に、種々の製法で得られたナノオーダーの大きさのシリカ球やポリスチレン球等を配合したゴム材料を所定形状、本実施形態では、矩形断面のシャフト状に成形することで得られる。或いは、ダイラタント流体、例えば、シリコーンオイルとホウ酸の混合物に、微量の触媒（例えば、塩化鉄や、塩化ニッケル等）を加えて高温環境下（例えば、摂氏１００度以上）において混練および乾燥させて得られる材料を中空シャフト状で可撓性を有する袋体に封入することで得られる。なお、上記した材料としては、例えば、ダウコーニング社のダウコーニング３１７９（「ダウコーニング」は、登録商標）や、Ｗａｃｋｅｒ  ＧｍｂＨ社のＭ４８，Ｍ４９を採用することができる。
【００１９】
第１〜第４の介在層１４１〜１４４は、いずれも、燃料電池スタック１２０における燃料電池セル１２２の積層領域長１２０Ｌと同じ長さのシャフト状とされ、第５の介在層１４５は、この積層領域長１２０Ｌの２０〜４０％の長さシャフト状とされている。これら第１〜第５の介在層１４１〜１４５は、ダイラタント的な特性を持った弾性体（ゴム）で形成されていれば、矩形断面のシャフト形状を自ら維持し、ダイラタント流体を弾性を有する所定形状の袋体に封入した態様であれば、袋体によって、略矩形断面のままシャフト形状を維持する。
【００２０】
第１の介在層１４１と第２の介在層１４２は、第１の角部１２５を挟んで配設されて燃料電池セル１２２の積層方向に延在し、第１の介在層１４１は、スタック外形の第１の角部１２５を形成する第１のスタック側面１２５ａに位置する。第２の介在層１４２は、第１の角部１２５を形成する第２のスタック側面１２５ｂに位置する。第３の介在層１４３と第４の介在層１４４は、第１の角部１２５と対角の関係にある第２の角部１２６を挟んで配設されて燃料電池セル１２２の積層方向に延在し、第３の介在層１４３は、スタック外形の第２の角部１２６を形成する第３のスタック側面１２６ａに位置する。第４の介在層１４４は、第２の角部１２６を形成する第４のスタック側面１２６ｂに位置する。第５の介在層１４５は、燃料電池スタック１２０のスタック外形において第１の角部１２５と隣り合う第３の角部１２７を形成する第１のスタック側面１２５ａに配設され、第３の角部１２７の側に位置する。そして、この第５の介在層１４５は、燃料電池セル１２２の積層方向における燃料電池スタック１２０の中央領域において積層方向に延在する。これら第１〜第５の介在層１４１〜１４５は、燃料電池スタック１２０のスタック外形に形成された凹溝１２０ａに入り込んで位置決めされている。なお、スタックケース１１０の内周壁に凹溝１２０ａを形成してもよい。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１００は、ダイラタント的な特性を持つ故に衝撃時に燃料電池セル１２２がずれようとする力に対する反力を発揮するシャフト状の第１〜第５の介在層１４１〜１４５を備え、これら介在層で燃料電池スタック１２０を外部から拘束する。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、燃料電池スタック１２０に燃料電池セル１２２の積層方向と交差する方向から作用した外力によって生じる燃料電池セル１２２がずれようとする力に対して、シャフト状の第１〜第５の第１〜第５の介在層１４１〜１４５のうちで、外力の作用方向と同方向の側に配設された介在層により反力を発揮して、外力の作用方向に沿った燃料電池セル１２２のズレを防止できる。
【００２２】
図３は燃料電池セル１２２に剪断力が作用した際のズレ挙動を模式的に示す説明図である。本実施形態の燃料電池１００における燃料電池セル１２２は、膜・電極・ガス拡散層接合体１２２ｍをセパレーター１２２ｓで挟持していることから、燃料電池セルに剪断力が及ぶと、膜・電極・ガス拡散層接合体１２２ｍのシール部にバネ的な変形（剪断変形）がＺ軸に沿って起き得る。図４は燃料電池スタック１２０において推察される燃料電池セル１２２の回転ズレ挙動を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１２０は、対角関係にある第１の角部１２５と第２の角部１２６とにおいて第１〜第４の介在層１４１〜１４４を介してスタックケース１１０に収容されているので、それぞれの燃料電池セル１２２で起きたバネ的な変形は、ＹＺ平面における燃料電池セル１２２の回転のズレ変形に変わる。そして、この回転ズレが燃料電池セル１２２ごとに重なると、回転ズレ変位は積層方向における燃料電池スタック１２０の中央領域１２０Ｌｃで大きくなる。こうした事象の発現に対処するため、本実施形態の燃料電池１００は、シャフト状の第５の介在層１４５を、図１や図２に示すように、スタック外形において第１の角部１２５と隣り合う第３の角部１２７を形成する第１のスタック側面１２５ａの第３の角部１２７の側に配設して、この第５の介在層１４５を積層方向における燃料電池スタック１２０の中央領域１２０Ｌｃにおいて積層方向に延在させる。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、回転ズレ変位をこの変位が起き得る燃料電池スタック１２０の中央領域１２０Ｌｃにおいて第５の介在層１４５により抑制できるので、燃料電池セル１２２の回転ズレを防止できる。
【００２３】
本実施形態の燃料電池１００は、第１〜第５の介在層１４１〜１４５を第１の角部１２５か第２の角部１２６、或いは第１の角部と隣り合う第３の角部１２７の近傍に配設している。これら角部は、スタックケース１１０においても角部とされており、ケース角部では、外力が作用した際のケース変位は小さい。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、シャフト状の介在層を第１の角部１２５と第３の角部１２７との中間に配設した構成と比べると、ケース変位が小さい分、スタックケース１１０の剛性や耐衝撃性を高めることができる。
【００２４】
本実施形態の燃料電池１００は、スタックケース１１０と燃料電池スタック１２０との間の間隙１１３に配設する衝撃緩和用の介在層を、第１の角部１２５を挟んだシャフト状の第１の介在層１４１と第２の介在層１４２、第２の角部１２６を挟んだシャフト状の第３の介在層１４３と第４の介在層１４４、および第１の角部１２５と隣り合う第３の角部１２７の側における燃料電池スタック１２０の中央領域１２０Ｌｃのシャフト状の第５の介在層１４５とする。本実施形態の燃料電池１００によれば、シャフト状の第１〜第５の介在層１４１〜１４５の介在領域を上記の様に限定することで、スタックケース１１０と燃料電池スタック１２０との間の間隙１１３の全域に介在層を配設する構成に比べて、軽量化を図ることができる。
【００２５】
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
【００２６】
既述した実施形態では、第５の介在層１４５を第１の角部１２５と隣り合う第３の角部１２７を形成する長辺の第１のスタック側面１２５ａの第３の角部１２７の側に配設したが、これに限らない。つまり、第５の介在層１４５を、第１の角部１２５と隣り合うもう一つの角部である第４の角部１２８（図２参照）を形成する第３のスタック側面１２６ａの第４の角部１２８の側に配設してもよい。また、第５の介在層１４５を、第３の角部１２７を形成する第１のスタック側面１２５ａの第３の角部１２７の側と、第４の角部１２８を形成する第３のスタック側面１２６ａの第４の角部１２８の側の両方に配設してもよい。この他、第５の介在層１４５を第１の角部１２５と隣り合う第３の角部１２７を形成する短辺の第４のスタック側面１２６ｂの第３の角部１２７の側に配設してもよい。
【００２７】
既述した実施形態では、第５の介在層１４５を燃料電池スタック１２０の積層領域長１２０Ｌの２０〜４０％の長さとしたが、第１の介在層１４１と同様に、積層領域長１２０Ｌと同じ長さとしてもよい。この他、第１〜第４の介在層１４１〜１４４を燃料電池スタック１２０の積層領域長１２０Ｌと同じ長さとしたが、積層領域長１２０Ｌの８０〜９０％の長さとして、既述したように第１の角部１２５或いは第２の角部１２６を挟んで配設してもよい。
【００２８】
既述した実施形態では、第１〜第５の介在層１４１〜１４５を、ダイラタント的な特性を持った弾性体、或いはダイラタント流体を用いて形成したが、燃料電池スタック１２０の長手方向に沿ったシャフト形状を維持できて、衝撃緩和とセルずれ抑制の機能を発揮できれば、他の弾性体を用いて形成してもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１００…燃料電池
１１０…スタックケース
１１１…ケース本体
１１２…蓋体
１１３…間隙
１２０…燃料電池スタック
１２０Ｌ…積層領域長
１２０Ｌｃ…中央領域
１２０ａ…凹溝
１２１…エンドプレート
１２２…燃料電池セル
１２２ｍ…膜・電極・ガス拡散層接合体
１２２ｓ…セパレーター
１２５…第１の角部
１２５ａ…第１のスタック側面
１２５ｂ…第２のスタック側面
１２６…第２の角部
１２６ａ…第３のスタック側面
１２６ｂ…第４のスタック側面
１２７…第３の角部
１２８…第４の角部
１３１…ガス流入孔
１３２…ガス流出孔
１３３…エアー流入孔
１３４…エアー流出孔
１３５…冷却水流入孔
１３６…冷却水流出孔
１３７…貫通孔
１４１…第１の介在層
１４２…第２の介在層
１４３…第３の介在層
１４４…第４の介在層
１４５…第５の介在層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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