(57)【要約】【課題】  積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できるとともに燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる燃料電池スタックの締結構造を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池スタックの締結構造（１００）は、複数のセル（１２）が積層された積層体（１４）と、セルの積層方向において積層体を挟持する一対のエンドプレート（１６）と、を含む燃料電池スタック（１０）と、車両フレーム（４０）と、車両フレームとエンドプレートとの間において車両フレームに固定され、エンドプレートに押圧力を与える押圧部材（５０）と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】      図１
2009199910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された積層体と、前記セルの積層方向において前記積層体を挟持する一対のエンドプレートと、を含む燃料電池スタックと、
車両フレームと、
前記車両フレームと前記エンドプレートとの間において前記車両フレームに固定され、前記エンドプレートに押圧力を与える押圧部材と、を備えることを特徴とする燃料電池スタックの締結構造。
【請求項２】
前記一対のエンドプレートは、少なくとも４本のシャフトによって互いに締結され、
前記押圧部材は、前記エンドプレートにおいていずれか４本の前記シャフトの中心点に押圧力を与え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締結構造。
【請求項３】
前記押圧部材は、前記エンドプレートよりも高いヤング率を有する材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタックの締結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、一般に、複数のセルが積層された積層体と、積層体を挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを連結する連結部と、を備える燃料電池スタックとして使用される（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックを車両に搭載するにあたり、燃料電池スタックの小型化および軽量化が要求される。特許文献１には、積層体に当接する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くしたエンドプレートと、セパレータ間に設けられ、積層体を両側のエンドプレートに対して押圧する拡張手段（板ばね）と、を備える燃料電池スタックが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、車両底板と車室との間または車両底板と荷室の床との間に燃料電池スタックを配設するとともに、燃料電池スタックの後方に燃料貯蔵手段を配設する燃料電池装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５１６１１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７１０７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、燃料電池スタックにおいて、発電時に積層体が膨張することがある。また、発電時において、エンドプレートも発電に伴う熱によって膨張することがある。このような積層体の膨張およびエンドプレートの膨張（以下、これらの膨張を「積層体の膨張等」と称する）が生じると、エンドプレートが変形するおそれがある。この場合、燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。また、変形に対する剛性を高めるためにエンドプレートを厚くすると、燃料電池スタックが大型化かつ重量化する。燃料電池スタックが大型化かつ重量化すると、燃料電池スタックを車両に搭載することが困難となる、あるいは、車両全体の重量が増大して燃費が悪化する、といった問題が生じるおそれがある。
【０００８】
なお、特許文献１に係る技術を応用してエンドプレートの積層体に当接する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くすると、エンドプレートを厚くした分、燃料電池スタックが大型化かつ重量化する。また、特許文献２に係る技術を応用しただけでは、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制することは困難である。
【０００９】
本発明は、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できるとともに燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる燃料電池スタックの締結構造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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池スタックの締結構造は、複数のセルが積層された積層体と、セルの積層方向において積層体を挟持する一対のエンドプレートと、を含む燃料電池スタックと、車両フレームと、車両フレームとエンドプレートとの間において車両フレームに固定され、エンドプレートに押圧力を与える押圧部材と、を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る燃料電池スタックの締結構造によれば、押圧部材は車両フレームに固定されることによって、車両フレームの剛性を利用してエンドプレートに対して押圧力を与える。それにより、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できる。また、エンドプレートの変形に対する剛性を高めるためにエンドプレートの厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる。
【００１２】
上記構成において、一対のエンドプレートは、少なくとも４本のシャフトによって互いに締結され、押圧部材は、エンドプレートにおいていずれか４本のシャフトの中心点に押圧力を与えてもよい。この構成によれば、押圧部材は、エンドプレートの変形量が大きい部位に対して押圧力を与えることができる。それにより、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を効率的に抑制することができる。
【００１３】
上記構成において、押圧部材は、エンドプレートよりも高いヤング率を有する材料からなってもよい。この構成によれば、より大きな押圧力をエンドプレートに対して与えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積層体の膨張等によるエンドプレートの変形を抑制できるとともに燃料電池スタックの小型化および軽量化を図ることができる燃料電池スタックの締結構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造１００について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造１００を示す模式的透過図である。なお、図１は、燃料電池スタック１０が搭載される車両（図示せず）を上側（車両の天井側）から見た模式的透過図である。図１において、車両の前側の方向は矢印で図示されている。燃料電池スタックの締結構造１００は、燃料電池スタック１０と、スタックケース３０と、フロントサイドメンバ４１と、ブロック５０と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数のセル１２が積層された積層体１４と積層体１４を挟持する一対のエンドプレート１６とを含む。燃料電池スタック１０は、スタックケース３０内に保持されている。具体的には、燃料電池スタック１０は、エンドプレート１６の積層体１４と反対側の端面がフロントサイドメンバ４１の長手方向と略平行になるように、スタックケース３０内に保持されている。燃料電池スタック１０のスタックケース３０内への保持方法は特に限定されない。
【００１８】
セル１２は、水素と酸素とを燃料にして発電を行う燃料電池であれば特に限定されない。本実施例においては、セル１２として、固体高分子型燃料電池を用いる。この場合、セル１２は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜を挟持するアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）と、アノードおよびカソードを挟持する一対の拡散層（図示せず）と、を含んで構成される。
【００１９】
一対のエンドプレート１６は、連結部１８によって互いに締結され、かつ後述するブロック５０によって積層体１４側に押圧されている。それにより、エンドプレート１６は、積層体１４に圧縮応力を与えている。エンドプレート１６は、ブロック５０による押圧力に耐え得る程度の剛性（ヤング率）を有する部材からなる。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート１６と積層体１４との間に、積層体１４側から順に、集電体としてのターミナルと、絶縁体としてのインシュレータと、を備えていてもよい。
【００２０】
連結部１８は、シャフト２０と、一対のボルト２２と、を含んで構成される。シャフト２０の各端部は、エンドプレート１６に当接する。一対のボルト２２は、エンドプレート１６を介してシャフト２０に螺合する。それにより、一対のエンドプレート１６は、連結部１８によって締結される。シャフト２０は、剛性部材からなり、例えばステンレス等の金属から構成される。
【００２１】
なお、連結部１８は、シャフト２０の代わりにスタッドボルトを備え、ボルト２２の代わりにスタッドボルトに螺合するナットを備えていてもよい。連結部１８によって、一対のエンドプレート１６間の距離は略一定に保持されるとともに、エンドプレート１６は積層体１４を支持する。
【００２２】
スタックケース３０は、燃料電池スタック１０を内部に保持できるものであれば特に限定されない。本実施例において、スタックケース３０は、板状の部材が燃料電池スタック１０の６面の周囲を囲むように組み合わされた箱形状を有している。スタックケース３０は、例えば取り付け金具（図示せず）によって、車両の底板に載設されている。また、スタックケース３０には、ブロック５０が貫通するための貫通孔が形成されている。
【００２３】
図２は、車両のフレーム４０を示す模式的斜視図である。図２に示すように、フレーム４０は、一対のフロントサイドメンバ４１と、一対のフロアフレーム４２と、一対のリアサイドメンバ４３と、が連結されたセパレート型のフレーム構造を有する。本実施例においては、燃料電池スタック１０は、一対のフロントサイドメンバ４１間の領域２００に配置される。
【００２４】
再び図１を参照して、ブロック５０は、スタックケース３０に設けられた貫通孔に挿通されている。ブロック５０の一端はフロントサイドメンバ４１に固定され、他端はエンドプレート１６を支持する。本実施例においては、ブロック５０として、鋼、アルミニウム合金等の金属からなる剛性部材が用いられる。
【００２５】
ブロック５０の一端がフロントサイドメンバ４１に固定され、他端がエンドプレート１６を支持することにより、ブロック５０は、フロントサイドメンバ４１の剛性を利用して、エンドプレート１６に対して押圧力を与える。つまり、ブロック５０は、押圧部材としての機能を有する。
【００２６】
なお、ブロック５０は、エンドプレート１６よりも高いヤング率を有する材料からなることが好ましい。この場合、より大きな押圧力をエンドプレート１６に与えることができるからである。また、ブロック５０の形状は、押圧力をエンドプレート１６に与えることができるのであれば、特に限定されない。
【００２７】
図３は、燃料電池スタック１０の斜視図である。なお、図３において、車両の前側の方向は、矢印で図示されている。図３に示すように、連結部１８は、エンドプレート１６の各角部と、エンドプレート１６の各長辺の中心に１つずつ配置されている。したがって、本実施例においては、エンドプレート１６は、６つの連結部１８によって締結されている。ここで、互いに隣接する４つの連結部１８の中心点を、それぞれ点７０および点７２と称する。各ブロック５０は、それぞれ点７０および点７２を押圧するように配置されている。
【００２８】
続いて、燃料電池スタックの締結構造１００の作用について説明する。図４（ａ）は、燃料電池スタックの締結構造１００がブロック５０を備えていない場合の燃料電池スタック１０を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０の発電時においては、発電に伴う熱によってエンドプレート１６は膨張する。また、発電に伴って積層体１４も膨張する。それにより、各エンドプレート１６は、積層体１４と反対側に張り出して湾曲するように変形する。この場合、エンドプレート１６の点７０および点７２における変形量は大きくなる。
【００２９】
エンドプレート１６が変形すると、エンドプレート１６によって積層体１４に与えられる圧縮応力は、不均一となる。その結果、隣接するセル１２同士の密着性は、圧縮応力の低下に伴って悪化する。隣接するセル１２同士の密着性が悪化すると、セル１２間の接触抵抗が増加することから、燃料電池スタック１０の発電性能低下のおそれが生じる。
【００３０】
なお、上記積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形を抑制する方法として、エンドプレート１６を厚くすることによってエンドプレート１６の変形に対する剛性を高める方法が考えられる。しかしながらエンドプレート１６を厚くすると、燃料電池スタック１０が大型化かつ重量化する。燃料電池スタック１０が大型化かつ重量化すると、燃料電池スタック１０を車両に搭載することが困難となる、あるいは、車両全体の重量が増大して燃費が悪化する、といった問題が生じるおそれがある。
【００３１】
図４（ｂ）は、本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造１００の作用を示す模式図である。図４（ｂ）に示すように、ブロック５０がエンドプレート１６に対して押圧力を与えることにより、積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形が抑制される。
【００３２】
本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造１００によれば、ブロック５０は、フロントサイドメンバ４１に固定されることによって、フロントサイドメンバ４１の剛性を利用してエンドプレート１６に対して押圧力を与える。それにより、積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形を抑制できる。また、エンドプレート１６の変形に対する剛性を高めるためにエンドプレート１６の厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタック１０の小型化および軽量化を図ることができる。
【００３３】
また、本実施例においてブロック５０は、エンドプレート１６の変形量が大きくなる部位に対して、押圧力を与えている。したがって、積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形を効率的に抑制することができる。
【００３４】
なお、本実施例において、ブロック５０はフロントサイドメンバ４１に固定されているが、これに限られない。ブロック５０のフレーム４０への固定箇所は、特に限定されない。例えば、燃料電池スタック１０が一対のフロアフレーム４２間に配置されている場合には、ブロック５０は、フロアフレーム４２に固定されていてもよい。また、燃料電池スタック１０が一対のリアサイドメンバ４３間に配置されている場合には、ブロック５０はリアサイドメンバ４３に固定されていてもよい。このように、ブロック５０は、フレーム４０のいずれかに固定されていればよい。
【００３５】
また、フレーム４０は、例えばモノコック型のフレームであってもよい。この場合、例えば燃料電池スタック１０がモノコック型フレームのフロント側のサイドメンバ間に配置されている場合には、ブロック５０はフロント側のサイドメンバに固定されていてもよい。
【００３６】
なお、本実施例においては６本のシャフト２０を設けたが、シャフト２０の本数は特に限定されるものではない。また、ブロック５０の押圧箇所は、特に限定されるものではない。ただし、４本以上のシャフト２０が設けられている場合、いずれか４本のシャフト２０の中心点にブロック５０が配置されることにより、エンドプレート１６の変形を効率的に抑制することができる。
【００３７】
また、燃料電池スタック１０は、複数の積層体１４が並列に配置された構成を有してもよい。この場合においても、ブロック５０によってエンドプレート１６に押圧力を与えることによって、エンドプレート１６の変形を抑制することができる。また、４本以上のシャフト２０が設けられている場合、いずれか４本のシャフト２０の中心点にブロック５０が配置されることによって、エンドプレート１６の変形を効率的に抑制することができる。
【実施例２】
【００３８】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池スタックの締結構造１００ａについて説明する。図５は、実施例２に係る燃料電池スタックの締結構造１００ａを示す模式的透過図である。燃料電池スタックの締結構造１００ａは、スタックケース３０の代わりにスタックケース３０ａを備える点と、ブロック５０の代わりにブロック５０ａを備える点と、において、図１の燃料電池スタックの締結構造１００と異なる。また、フロントサイドメンバ４１が燃料電池スタック１０の締結に寄与していない点において、図１の燃料電池スタックの締結構造１００と異なる。その他の構成は図１の燃料電池スタックの締結構造１００と同様のため、説明を省略する。
【００３９】
スタックケース３０ａは、ブロック５０ａが貫通されるための貫通孔が形成されていない点と、燃料電池スタック１０に対してブロック５０ａを介して締結力を与えることができる程度の剛性を有している点と、において、図１のスタックケース３０と異なる。スタックケース３０ａは、例えば、ステンレス等からなる。
【００４０】
ブロック５０ａは、フロントサイドメンバ４１の代わりにスタックケース３０ａの内壁面に固定されている点において、図１のブロック５０と異なる。その他の構成は、ブロック５０と同様のため、説明を省略する。
【００４１】
本実施例に係る燃料電池スタックの締結構造１００ａによれば、ブロック５０ａはスタックケース３０ａの剛性を利用して、エンドプレート１６に対して押圧力を与えることができる。それにより、積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形を抑制できる。また、エンドプレート１６の変形に対する剛性を高めるためにエンドプレート１６の厚みを厚くする必要がないことから、燃料電池スタック１０の小型化および軽量化を図ることができる。
【００４２】
なお、燃料電池スタックの締結構造は、実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造１００および実施例２に係る燃料電池スタックの締結構造１００ａが組み合わさった構造であってもよい。例えば、図５に示す４つのブロック５０ａのうち、一部のブロック５０ａの端は、スタックケース３０ａの内壁面に固定され、他のブロック５０ａの端は、フロントサイドメンバ４１に固定されていてもよい。この場合においても、積層体１４の膨張等によるエンドプレート１６の変形を抑制できるとともに、燃料電池スタック１０の小型化および軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造を示す模式的透過図である。
【図２】図２は、車両のフレームを示す模式的斜視図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックの斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造がブロックを備えていない場合の燃料電池スタックを示す模式図である。図４（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池スタックの締結構造の作用を示す模式図である。
【図５】図５は、実施例２に係る燃料電池スタックの締結構造を示す模式的透過図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  燃料電池スタック
１２  セル
１４  積層体
１６  エンドプレート
１８  連結部
２０  シャフト
２２  ボルト
３０  スタックケース
４０  フレーム
４１  フロントサイドメンバ
４２  フロアフレーム
４３  リアサイドメンバ
５０  ブロック
７０，７２  点
１００  燃料電池スタックの締結構造
【図１】
2009199910.tif 000003
【図２】
2009199910.tif 000004
【図３】
2009199910.tif 000005
【図４】
2009199910.tif 000006
【図５】
2009199910.tif 000007