JP2015018658A - 燃料電池スタック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池スタック構造では、経年変化により積層体の拘束力が低下することがあるという問題点があった。
【解決手段】四角形板状の単セルＣを積層して成る積層体Ａと、積層体Ａを積層方向に拘束し且つ単セルＣ同士の一方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第１抑制手段５７Ａと、単セルＣ同士の他方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第２抑制手段５８Ａとを備え、第２抑制手段５８Ａが、積層体Ａにおける前記一方の対辺側の積層端面を被う曲面状の基板部１１と、基板部１１の両端部に連続して積層体Ａにおける前記他方の対辺側の積層端面に接触する一対の保持部１２を備え、且つ両保持部１２を積層体Ａに圧接させるばね性を有し、第２抑制手段５８Ａのばね性により積層体Ａの振動を吸収し、積層体Ａの耐振動性能を高めて、積層体Ａの拘束力を長期にわたって維持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、自動車等の移動体の駆動用電源として用いられる燃料電池スタックに関し、とくに、複数の単セルを積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックに関するものである。

従来において、単セルの積層体を備えた燃料電池スタック構造としては、例えば、燃料電池スタック装置の名称で特許文献１に記載されているものがあった。特許文献１に記載の燃料電池スタック装置は、複数のセルを積層して形成したスタックと、スタックの積層方向両側に配置したエンドプレートと、スタックと一方のエンドプレートの間に設けたプレッシャープレートを備えている。

また、燃料電池スタック装置は、一方のエンドプレートとプレッシャープレートの間に、スプリングが介装してあると共に、両側のエンドプレートを一対のテンション部材で連結している。この燃料電池スタック装置は、スプリングにより、スタックに対して積層方向の所定荷重を付与しつつ、エンドプレート及びテンション部材により、スタックの積層状態を維持している。このほか、単セルの積層体を備えた燃料電池スタックとしては、特許文献２及び３に記載されてものがある。

特開２００９−１８１７２３号公報 特開２０１０−１２３４９２号公報 特開平９−９２３２４号公報

しかしながら、上記したような従来の燃料電池スタック装置では、例えば車両の電源に用いた場合、走行時の振動によってスタック全体も振動し、これによりエンドプレートやテンション部材に摩耗や劣化といった経時変化が生じて、スタックの拘束力が低下するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、単セルの積層体を備えた燃料電池スタック構造において、積層体の耐振動性能を高めて、積層体の拘束力を長期にわたって維持することができる燃料電池スタック構造を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池スタック構造は、四角形板状の単セルを積層して成る積層体と、積層体を単セルの積層方向に拘束し且つ単セル同士の一方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第１抑制手段と、単セル同士の他方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第２抑制手段とを備えている。そして、燃料電池スタック構造は、第２抑制手段が、積層体における前記一方の対辺側の積層端面を被う曲面状の基板部と、基板部の両端部に連続して積層体における前記他方の対辺側の積層端面に接触する一対の保持部を備え、且つ両保持部を積層体に圧接させるばね性を有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池スタック構造は、単セルの積層体を備えた燃料電池スタック構造において、第１抑制手段及び第２抑制手段により単セル同士の面内方向（面に沿う方向）の動きを抑制しつつ、第２抑制手段のばね性により積層体の振動をも吸収するので、積層体の耐振動性能が高められ、積層体の拘束力を長期にわたって維持することができる。

また、上記の燃料電池スタック構造は、第２抑制手段が曲面状の基板部を有することから、両保持部の間隔を積層体の幅よりも小さくすることで、より大きな弾性力を得ることが可能になり、積層体を充分な力で挟持することができる。これにより、単セル同士の動きを抑制する機能や積層体の振動吸収機能がより一層高められる。

本発明の燃料電池スタック構造を説明する燃料電池スタックの斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。 燃料電池スタック構造の第１実施形態を説明する斜視図（Ａ）、補強板の装着前の断面図（Ｂ）、及び補強板の装着後の断面図（Ｃ）である。 燃料電池スタック構造の第２実施形態を説明する断面図である。 燃料電池スタック構造の第３実施形態を説明する斜視図である。 燃料電池スタック構造の第４実施形態を説明する断面図である。 燃料電池スタック構造の第５実施形態を説明する断面図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）に示すように、四角形板状の単セルＣを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する長方形板状を成している。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの一方の対辺側である長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、他方の対辺側である短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

単セルＣは、詳細な図示を省略したが、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを備えると共に、膜電極接合体と各セパレータとの間にアノードガス及びカソードガスの夫々のガス流路を形成したものである。

膜電極接合体は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示を省略するが、固体高分子から成る電解質層をアノード電極層とカソード電極層とで挟持した構造を有している。セパレータは、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。

上記の単セルＣは、図１に示すように、両短辺に沿って、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が配列してある。図１中で左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上側から、アノードガス供給用（Ｈ１）、冷却液排出用（Ｈ２）及びカソードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々のマニホールドを形成する。また、図１中で右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上側から、カソードガス供給用（Ｈ４）、冷却液供給用（Ｈ５）及びアノードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々のマニホールドを形成する。各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。

なお、図示を省略したが、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール材が配置してある。これらのシール材は、接着剤としても機能するもので、膜電極接合体とセパレータとを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール材は、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に対応した流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

上記の単セルＣは、所定枚数を積層してセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する単セルＣ同士の間には、冷却液（例えば水）の流路を形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却液の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却液の流路内に配置されている。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルＣとほぼ同じ矩形板状で同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。このシールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材及び内周シール部材が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材によりセルモジュールＭ間の流路を流通する冷却液の漏出を防止する。

ここで、本発明の燃料電池スタック構造は、長方形板状（四角形板状）の単セルＣを積層して成る積層体Ａと、積層体Ａを単セルＣの積層方向に拘束し且つ単セルＣ同士の短辺（一方の対辺）に沿う方向の動きを抑制する第１抑制手段と、単セルＣ同士の長辺（他方の対辺）に沿う方向の動きを抑制する第２抑制手段とを備えている。また、燃料電池スタックＦＳは、車両に搭載する場合、図１に例示するように、単セルＣの積層方向が水平方向となるようにし、且つ単セルＣの長辺側の積層端面が上下になる向きで設置される。

この実施形態における積層体Ａは、セルモジュールＭ及びシールプレートＰで構成されており、このほか、両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを含む構成であっても構わない。また、第１抑制手段は、両締結板５７Ａ，５７Ｂ、若しくは両締結板５７Ａ，５７Ｂ及び両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂであって、積層体Ａを単セルＣの積層方向に拘束すると共に、単セルＣ同士の短辺に沿う方向（図１中で上下方向）の動きを抑制する。他方、第２抑制手段は、両補強板５８Ａ，５８Ｂ、すなわち積層体Ａの単セルＣの両短辺側に夫々装着される補強板５８Ａ，５８Ｂであって、単セルＣ同士の長辺に沿う方向（図１中で左右方向）の動きを抑制する。

そして、燃料電池スタック構造では、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂが、図２（Ａ）に示すように、積層体Ａにおける単セルＣの短辺側の積層端面を被う曲面状の基板部１１と、基板部１１の両端部に連続して積層体Ａにおける単セルＣの長辺側の積層端面に接触する一対の保持部１２，１２を備え、且つ両保持部１２，１２を積層体Ａに圧接させるばね性を有するものとなっている。

また、この実施形態において、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂは、基板部１１が、外側に突出する曲面状に形成されている。なお、図２（Ａ）では、第１抑制手段としての締結板（５７Ａ，５７Ｂ）やエンドプレート（５６Ａ，５６Ｂ）の図示を省略している。

さらに、基板部１１は、外側面にショットピーニングを施すことで曲面状に形成することができ、これにより、保持部１２，１２を積層体Ａに圧接させるようにばね性が付与される。このほか、基板部１１は、例えばプレス加工によっても曲面状に形成することが可能である。

補強板５８Ａ，５８Ｂは、積層体Ａへの装着前では、図２（Ｂ）に示すように、両保持部１２，１２が互いの先端を接近させた状態になっている。そして、補強板５８Ａ，５８Ｂは、図２（Ｃ）に示すように、両保持部１２，１２を押し広げるようにして積層体Ａに装着される。これにより、補強板５８Ａ，５８Ｂは、両保持部１２，１２を積層体Ａにおける単セルＣの長辺側の積層端面（各図中で上下の面）に圧接させて、積層体Ａの単セルＣの短辺に沿う方向の振動を吸収する。

また、補強板５８Ａ，５８Ｂは、積層体Ａの振動を吸収するのであるが、振動を減衰させる機能だけでなく、積層体Ａの共振周波数を大きくして振動を抑制する調整機能も含むものである。燃料電池スタックＦＳは、図１に示すように、単セルＣの積層方向を水平方向にし且つ単セルＣの長辺側の積層端面を上下にして車両に搭載した場合、単セルＣの短辺に沿う方向（上下方向）に振動が生じやすい。このため、燃料電池スタックＦＳは、両短辺側に設けた補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂにばね性をもたせている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａの振動方向（図２中で上下方向）にばね要素を組み付けたものと同等になる。とくに、この実施形態の場合は、基板部１１及び保持部１２を有する補強板５８Ａ，５８Ｂが積層体Ａの積層方向全長に及ぶので、ばね要素がセル積層方向に連続している構造となる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、簡単な構造の補強板５８Ａ，５８Ｂにより積層体Ａを保持して、同積層体Ａの共振周波数（固有振動数）を大きくする。

上記構成を備えた燃料電池スタック構造は、第１抑制手段としての締結板５７Ａ，５７Ｂ、及び第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂにより、単セルＣ同士の面内方向（面に沿う方向）の動きを抑制する。これと同時に、燃料電池スタック構造は、補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂのばね性により、積層体Ａの単セルＣの短辺に沿う方向の振動を吸収するので、積層体Ａの耐振動性能が高められ、積層体Ａの拘束力を長期にわたって維持することができる。

また、上記の燃料電池スタック構造では、補強板５８Ａ，５８Ｂが、単セルＣ同士の長辺に沿う方向の動きを抑制すると共に、積層体Ａの単セルＣの短辺に沿う方向の振動を吸収する。このため、補強板５８Ａ，５８Ｂは、第１抑制手段の機能、すなわち単セルＣ同士の短辺に沿う方向の動きを抑制する機能を併せ持つものとなる。これにより、燃料電池スタック構造では、第１抑制手段としての締結板５７Ａ，５７Ｂに代えて、図２中に仮想線で示す締結バンド６７を採用することが可能である。この場合、締結バンド６７は、積層体Ａを単セルＣの積層方向に拘束することを主機能とし、単セルＣ同士の短辺に沿う方向の動きも補助的に抑制する。

さらに、上記の燃料電池スタック構造は、補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂが、曲面状の基板部１１を有することから、両保持部１２，１２の間隔を積層体Ａの短辺側の幅よりも小さくすることで、より大きな弾性力を得ることが可能になり、積層体Ａを充分な力で挟持することができる。

つまり、基板部が平坦である場合には、両保持部の間隔を積層体の幅以上にすることが不可欠で、積層体を挟持する力は保持部の弾性力のみに頼ることになる。これに対して、上記補強板５８Ａ，５８Ｂは、基板部１１が曲面状であるから、両保持部１２，１２の間隔を積層体Ａの短辺側の幅よりも小さくして積層体Ａに装着すると、基板部１１が平坦に近づく状態に変形するので、その反力を利用することができる。これにより、全体の弾性力が大きくなって積層体を挟持する力も増大し、単セルＣ同士の動きを抑制する機能や積層体Ａの振動吸収機能がより一層高められる。

さらに、上記の燃料電池スタック構造は、第２抑制手段が、基板部１１及び保持部１２，１２を備え且つばね性を有する補強板５８Ａ，５８Ａであるから、構造をきわめて簡単なものにし、部品点数の削減、組み立て性の向上、製造コストの低減などを実現し得るものとなる。

さらに、上記の燃料電池スタック構造は、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂの基板部１１を、外側に突出する曲面状に形成したので、きわめて簡単な構成で充分なばね性を付与することができる。また、基板部１１を曲面状に形成するに際し、ショットピーニングを採用した場合には、例えば加工時間を選択することで、基板部１１に付与するばね定数を任意に設定することが可能である。さらに、上記の如く基板部１１を外側に突出する曲面状に形成することで、積層体Ａと基板部１１との間に隙間が形成され、この隙間を冷却用空気の流通空間として活用し得る。

図３〜図６は、本発明に係わる燃料電池スタック構造の第２〜第５の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、第１実施形態の構成と同一部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図３に示す燃料電池スタック構造は、第１実施形態と同等の積層体Ａや、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８を備えたうえで、積層体Ａと補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂの基板部１１との間に、積層体Ａの単セルの長辺に沿う方向の振動を吸収する補完ばね機構６１を備えたものとなっている。

補完ばね機構６１は、積層体Ａにおける単セルＣの短辺側積層端面のほぼ全面を被う大きさの板状部材であって、図３に示す断面中央部に、外側（図３中で右側）へ突出した屈曲部６１Ａを有すると共に、断面両端部に、積層体Ａ側に向けた湾曲部６１Ｂ，６１Ｂを有しており、これにより厚さ方向へのばね性が付与されている。

上記の燃料電池スタック構造は、補強板５８Ａ，５８Ｂにより、積層体Ａの単セルＣの短辺に沿う方向の振動を吸収するのに加えて、補完ばね機構６１により、積層体Ａの単セルＣの長辺に沿う方向の振動をも吸収することができ、積層体Ａの耐振動性能のさらなる向上を図ることができる。

〈第３実施形態〉
図４に示す燃料電池スタック構造は、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂが、曲面状にした基板部１１を有すると共に、基板部１１と保持部１２との連続部分において外側に膨出した曲成部１３を有するものとなっている。この実施形態の曲成部１３は、外側に膨出した断面Ｃ形状を成している。この補強板５８Ａ，５８Ｂは、曲面状の基板部１１及び曲成部１３により、両保持部１２，１２を積層体Ａに圧接させるばね性を有するものとなっている。

上記の燃料電池スタック構造にあっても、先の実施形態と同様に、第２抑制手段である補強板５８Ａ，５８Ｂにより積層体Ａの耐振動性能を高めて、積層体Ａの拘束力を長期にわたって維持することができると共に、とくに、曲成部１３により保持部１２の外側への可動範囲が大きくなるので、積層体Ａに装着し易いなどの利点がある。

〈第４実施形態〉
図５に示す燃料電池スタック構造は、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂが、凸曲面状にした基板部１１を有している。また、第２抑制手段としての一方（図中で左方）の補強板５８Ａは、曲面状に形成した保持部１２を有している。さらに、同じく第２抑制手段としての他方（図中で右方）の補強板５８Ｂは、基板部１１と保持部１２との連続部分において外側に膨出した曲成部１４を有している。

一方の補強板５８Ａにおける両保持部１２，１２は、先端部が互いに外側に開く曲面状に形成してある。また、他方の補強板５８Ｂにおける曲成部１４は、単セルＣの短辺に沿う方向（図５中で上下方向）に膨出した断面角形状を成している。

上記の燃料電池スタック構造にあっても、先の実施形態と同様に、基板部１１、保持部１２及び曲成部１４を有する補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂにより、積層体Ａの耐振動性能を高めて、積層体Ａの拘束力を長期にわたって維持することができる。また、一方の補強板５８Ａは、曲面状の保持部１２により積層体Ａに装着し易いという利点があり、さらに、他方の補強板５８Ｂは、曲成部１３により保持部１２の外側への可動範囲が大きくなるので、積層体Ａに装着し易いという利点がある。なお、この実施形態では、左右で構成の異なる補強板５８Ａ，５８Ｂを示したが、左右に同一構成の補強板を設けることも当然可能である。

〈第５実施形態〉
図６に示す燃料電池スタック構造は、第２抑制手段としての補強板５８Ａ，５８Ｂが、曲面状にした基板部１１を有している。また、第２抑制手段としての一方（図中で左方）の補強板５８Ａは、保持部１２の先端部近傍に、内側に凹んだ屈曲部１５を有している。さらに、同じく第２抑制手段としての他方（図中で右方）の補強板５８Ｂは、波形状に形成した保持部１２を有している。

上記の燃料電池スタック構造にあっても、先の実施形態と同様に、基板部１１，保持部１２及び屈曲部１５を有する補強板（第２抑制手段）５８Ａ，５８Ｂにより、積層体Ａの耐振動性能を高めて、積層体Ａの拘束力を長期にわたって維持することができる。また、一方の補強板５８Ａは、曲成部１５が、積層体Ａに係合して抜け止めとして機能する。さらに、他方の補強板５８Ｂは、保持部１２を波形状にしたので、保持部１２の可動範囲が大きくなって、積層体Ａに装着し易いという利点がある。なお、この実施形態にあっても、第４実施形態と同様に、左右で構成の異なる補強板５８Ａ，５８Ｂを示したが、左右に同一構成の補強板を設けることも当然可能である。

さらに、本発明に係わる燃料電池スタック構造は、図２〜図６に示す第１〜第５の実施形態で示した補強板５８Ａ，５８Ｂにおける各部位、すなわち基板部１１，保持部１２，曲成部１３〜１５の各部のばね定数が異なるものにしても良い。これにより、積層体Ａの各部に応じた適切な圧接力を設定することができる。

なお、本発明に係わる燃料電池スタック構造は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各実施形態の構成を組み合わせたり、各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更したりすることが可能である。

Ａ 積層体
Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
１１ 基板部
１２ 保持部
１３ 曲成部
１４ 曲成部
５７Ａ，５７Ｂ 締結板（第１抑制手段）
５８Ａ，５８Ｂ 補強板（第２抑制手段）
６１ 補完ばね機構
６７ 締結バンド（第１抑制手段）

Claims (8)

1. 四角形板状の単セルを積層して成る積層体と、
   積層体を単セルの積層方向に拘束し且つ単セル同士の一方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第１抑制手段と、
   単セル同士の他方の対辺に沿う方向の動きを抑制する第２抑制手段とを備え、
   第２抑制手段が、積層体における前記一方の対辺側の積層端面を被う曲面状の基板部と、基板部の両端部に連続して積層体における前記他方の対辺側の積層端面に接触する一対の保持部を備え、且つ両保持部を積層体に圧接させるばね性を有することを特徴とする燃料電池スタック構造。
2. 単セルが、長方形板状であって、前記一方の対辺が短辺であり、前記他方の対辺が長辺であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
3. 第２抑制手段の基板部が、外側に突出する曲面状に形成してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック構造。
4. 第２抑制手段の基板部が、ショットピーニングを施すことにより曲面状に形成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック構造。
5. 打２抑制手段が、基板部と保持部との連続部分において外側に膨出した曲成部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック構造。
6. 第２抑制手段の保持部が、波形状若しくは曲面状に形成してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック構造。
7. 第２抑制手段における基板部及び保持部のばね定数が異なることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック構造。
8. 積層体と第２抑制手段の基板部との間に、積層体の振動を吸収する補完ばね機構を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック構造。

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