JP2021153004A - 燃料電池用エンドプレート - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用エンドプレートにおいて、リブが交差する部位の近傍で望ましくない程度に大きな応力が発生することを抑える。【解決手段】単セルを含む部材が積層された燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置される燃料電池用エンドプレートは、燃料電池スタックの外側に向くように配置される面において、第１方向に延びる第１リブと、第１方向とは異なる第２方向に延びて、第１リブと交差し、第１リブよりも高さが低く形成されている第２リブと、を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池用エンドプレートに関する。

燃料電池用エンドプレートの強度を高めるために、燃料電池用エンドプレートの外面に、水平方向および鉛直方向（縦横方向）にそれぞれ延びる複数の補強用リブを格子状に設ける構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−０３２４２１号公報

しかしながら、上記のように縦横に延びるリブを格子状に設ける場合には、縦方向に延びるリブと横方向に延びるリブとが交差する部位の近傍で、局所的に望ましくない程度に大きな応力が発生し得ることを、本願発明者らは見いだした。このように局所的に大きな応力が発生すると、エンドプレートが疲労を起こして強度低下し得る。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、単セルを含む複数の部材が積層された燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置される燃料電池用エンドプレートが提供される。この燃料電池用エンドプレートは、前記燃料電池スタックの外側に向くように配置される面において、第１方向に延びる第１リブと、前記第１方向とは異なる第２方向に延びて、前記第１リブと交差し、前記第１リブよりも高さが低く形成されている第２リブと、を備える。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、第２リブの高さを、第１リブの高さよりも低くしているため、エンドプレートにおいて局所的に発生する応力の大きさを抑えることができる。
（２）上記形態の燃料電池用エンドプレートにおいて、前記第１リブと前記第２リブとの高さの差は、４ｍｍ以上であることとしてもよい。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、エンドプレートにおいて局所的に発生する応力の大きさを抑える効果を高めることができる。
（３）上記形態の燃料電池用エンドプレートにおいて、前記第１リブは、前記第２リブを前記第１リブと同じ高さに形成して、前記燃料電池用エンドプレートを前記燃料電池スタック内に組み込んだと仮定したときに、前記第１リブで発生する応力の最大値が、前記第２リブで発生する応力の最大値よりも大きくなるリブであることとしてもよい。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、第１リブと第２リブの高さが同じであれば、より大きな応力が生じることになる第１リブで生じる応力を低減することにより、エンドプレート全体で、局所的な応力の増大を抑える効果を高めることができる。
（４）上記形態の燃料電池用エンドプレートにおいて、前記燃料電池用エンドプレートは、互いに対向して配置される一対の短辺と、互いに対向して配置されて前記一対の短辺よりも長く形成されている一対の長辺と、に囲まれて、前記積層方向に見たときに四角形状を有する板状部材であり、前記第１リブは、前記一対の長辺間をつなぐように形成されており、前記第２リブは、前記一対の短辺間をつなぐように形成されていることとしてもよい。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、より大きな応力が生じ易い第１リブにおいて、局所的に発生する応力の大きさを抑えることができる。
（５）上記形態の燃料電池用エンドプレートにおいて、前記第１リブおよび前記第２リブは、前記燃料電池スタックを前記積層方向に見たときに、前記単セルと重なる領域に設けられていることとしてもよい。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、燃料電池用エンドプレートにおいて、単セルと重なるために変形量が大きくなり易い領域に第１リブおよび第２リブを設けることにより、燃料電池用エンドプレートにおいて変形に対する強度を確保しつつ、局所的に応力が大きくなることを抑える効果を高めることができる。
（６）上記形態の燃料電池用エンドプレートにおいて、前記燃料電池スタックを締結するための締結箇所が複数設けられており、前記第１リブおよび前記第２リブのうちの少なくとも一方は、複数の前記締結箇所のうちの２つの締結箇所の間を結ぶ位置に設けられたリブを含むこととしてもよい。この形態の燃料電池用エンドプレートによれば、第１リブあるいは第２リブを設けることによりエンドプレートの剛性を向上させる効果を、さらに高めることができる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用エンドプレートの製造方法や、エンドプレートを備える燃料電池等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの外観を表わす斜視図。 燃料電池スタックの概略構成を表わす断面模式図。 エンドプレートの表面形状を表わす平面図。 エンドプレートの断面模式図。 実施形態のエンドプレートの表面形状を表わす斜視図。 比較例のエンドプレートの表面形状を表わす斜視図。 領域Ａおよび領域Ｂで生じる応力の大きさを比較した説明図。

Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池スタック１０の外観を表わす斜視図であり、図２は、燃料電池スタック１０の概略構成を表わす断面模式図である。図１には、図２の断面の位置を、２−２断面として示している。図１、図２、および、後述する図３、図４には、各図の間の対応関係を示すために、互いに直交するＸＹＺ軸を示している。燃料電池スタック１０は、例えば車両等の移動体に搭載されて、移動体の駆動用電源として使用することができる。また、燃料電池スタック１０は、定置型の電源として使用してもよい。

燃料電池スタック１０は、単セル１２を複数積層して成る積層体１１と、一対のターミナルプレート３１、一対の絶縁板（インシュレータ）３５、および一対のエンドプレート３６、３７を備える。燃料電池スタック１０では、エンドプレート３６、絶縁板３５、ターミナルプレート３１、積層体１１、ターミナルプレート３１、絶縁板３５、およびエンドプレート３７が、この順に積層されている。このように、エンドプレート３６、３７は、燃料電池スタック１０の積層方向の端部に配置されている。なお、図１および図２では、エンドプレート３６の表面は、平坦面として表わされているが、エンドプレート３６の表面（燃料電池スタック１０の外側に向く−Ｚ方向側の表面）には、リブを含む凹凸形状が形成されている。エンドプレート３６の具体的な形状については、後に詳しく説明する。

燃料電池スタック１０は、図２に示すように、さらに、スタックケース１４を備える。図１では、スタックケース１４は省略されている。燃料電池スタック１０は、スタックケース１４内に、図１に示す積層構造をエンドプレート３７側から収納することによって作製される。スタックケース１４は、＋Ｚ方向端部の内壁において図１の積層構造を支持している。燃料電池スタック１０を作製する際には、スタックケース１４内に上記積層構造が収納されて、単セル１２の積層方向（Ｚ方向）に押圧力を加えた状態で、締結部材であるボルト１６によってエンドプレート３６がスタックケース１４に対して締結される。なお、燃料電池スタック１０は、スタックケース１４を備えることなく、異なる方法で積層方向に押圧力を加えた状態で締結されていてもよい。

燃料電池スタック１０は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１０を構成する各単セル１２では、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスが流れる流路が形成され、カソード側に酸化ガスが流れる流路が形成されている。各単セル１２内において燃料ガスが流れる流路を、「セル内燃料ガス流路」とも呼ぶ。また、各単セル１２内において酸化ガスが流れる流路を、「セル内酸化ガス流路」とも呼ぶ。さらに、隣り合う単セル１２間には、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒が流れる「セル間冷媒流路」が形成されている。本実施形態の燃料電池スタック１０は、固体高分子形燃料電池であるが、固体高分子形燃料電池に限らず、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池としてもよい。

燃料電池スタック１０において電気化学反応により発生した電力は、ターミナルプレート３１において集電されて、ターミナルプレート３１から取り出される。絶縁板３５は、ゴムや樹脂等の絶縁性材料によって形成されている。エンドプレート３６、３７は、金属材料、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、あるいはステンレス鋼などにより構成することができる。

図１に示すように、エンドプレート３６は、その外周部に、６つの穴部４１〜４６を備えている。エンドプレート３６の「外周部」とは、積層方向に見たときのエンドプレート３６の外周の近傍の部分を意味する。また、絶縁板３５、ターミナルプレート３１、および積層体１１にも、穴部４１〜４６と積層方向に重なる位置に、同様の穴部が設けられている。これらの穴部は、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通するマニホールドを形成する。すなわち、各セル内燃料ガス流路や各セル内酸化ガス流路との間で、燃料ガスや酸化ガスの供給あるいは排出を行なう反応ガスマニホールドや、各セル間冷媒流路との間で冷媒の供給あるいは排出を行なう冷媒マニホールドを形成する。エンドプレート３６に設けられた穴部４１〜４６は、上記した各マニホールドの開口部であり、穴部４１〜４６には、燃料ガス、酸化ガス、あるいは冷媒を、燃料電池スタック１０に供給または排出するための配管が接続される。

なお、図１に示すように、本実施形態では、燃料電池スタック１０の一方の端部側（エンドプレート３６側）において、全てのマニホールドが開口しているが、異なる構成としても良い。例えば、上記した６つのマニホールドのうちの少なくとも一部が、エンドプレート３７側で開口することとしてもよい。また、燃料電池スタック１０内において、例えば、一方の端部側（例えば、マニホールドの開口部を有しないエンドプレート３７側）に、締結圧の変動を吸収する部材（例えば板バネ）を設けるなど、異なる部材をさらに配置することとしてもよい。

Ｂ．エンドプレートの構成：
図３は、エンドプレート３６の一方の面の形状、具体的には、−Ｚ方向側の表面の形状を模式的に表わす平面図である。また、図４は、エンドプレート３６の断面模式図である。図３では、図４の断面の位置を４−４断面として示しており、既述した図２の断面に対応する位置を、２−２断面として示している。

エンドプレート３６は、図２に示すように、エンドプレート３６の外周部において、スタックケース１４に締結されるため、単セル１２の積層面の大きさに対して、上記した締結のための余裕を持たせた大きさとなっている。エンドプレート３６の大きさは、単セル１２の大きさやスタックケース１４の厚み等に応じて適宜設定すればよい。例えば、エンドプレート３６のＸ方向の長さは、単セル１２の積層面の面積を広く確保して燃料電池の発電性能を高める観点から、１００ｍｍ以上とすることが好ましく、２００ｍｍ以上とすることがより好ましく、３００ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。また、エンドプレート３６のＸ方向の長さは、燃料電池のコンパクト性を確保する観点から、６００ｍｍ以下とすることが好ましく、５００ｍｍ以下とすることがより好ましく、４００ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。エンドプレート３６のＹ方向の長さは、上記のように燃料電池の発電性能を確保する観点から、１００ｍｍ以上とすることが好ましく、１５０ｍｍ以上とすることがより好ましく、２００ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。また、エンドプレート３６のＹ方向の長さは、燃料電池のコンパクト性を確保する観点から、５００ｍｍ以下とすることが好ましく、４００ｍｍ以下とすることがより好ましく、３００ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。ただし、エンドプレート３６の大きさは、上記した範囲よりも小さくてもよく、大きくてもよい。

エンドプレート３６の厚みは、燃料電池スタック１０に対して押圧力を加えた締結に用いる部材として適した剛性が得られれば、任意に設定することができる。エンドプレート３６の厚みは、例えば、十分な剛性を確保する観点から、１０ｍｍ以上が好ましく、１５ｍｍ以上がより好ましく、２０ｍｍ以上がさらに好ましい。また、エンドプレート３６の厚みは、燃料電池のコンパクト性を確保して軽量化を実現する観点から、７０ｍｍ以下が好ましく、６０ｍｍ以下がより好ましく、５０ｍｍ以下がさらに好ましい。ただし、エンドプレート３６の厚みは、上記した範囲よりも薄くてもよく、厚くてもよい。なお、「エンドプレート３６の厚み」とは、エンドプレート３６が絶縁板３５と接するＸＹ平面に平行な接触面から、エンドプレート３６における最も高い位置（エンドプレート３６の−Ｚ方向側の表面において、上記接触面から−Ｚ方向に最も離間した箇所）までの距離をいう。

エンドプレート３６には、図３に示すように、外周部に複数（図３では１６個）のボルト穴１７が設けられている。これらのボルト穴１７は、図１に示す積層構造を、図２に示すようにスタックケース１４に収納する際に、締結部材であるボルト１６がはめ込まれてスタックケース１４に対して締結される部位である。ボルト穴１７が設けられた箇所は、「締結箇所」とも呼ぶ。締結箇所は、既述した穴部４１〜４６よりもさらに外周寄りに設けられている。燃料電池スタック１０では、上記のようにエンドプレート３６の外周部の締結箇所においてスタックケース１４に対して締結されることにより、上記締結箇所よりも積層面の中心寄りの領域、例えば、積層方向（Ｚ方向）に単セル１２と重なる領域において、締結圧とは逆向きの力が、反力として発生する。すなわち、エンドプレート３６に対しては、積層体１１側から、−Ｚ方向の力が加えられる。図３では、積層方向に見たときに積層体１１と重なる領域を、単セル領域２６として示している。上記のように積層体１１側から力が加えられることにより、エンドプレート３６において変形が生じる。具体的には、図３に示すように、積層方向に見たときに四角形状を有するエンドプレート３６の外周を成す各辺に沿って締結箇所を設けた場合には、エンドプレート３６は、外周から中心に向かうにつれて外側（−Ｚ方向）大きくたわむことになる。その結果、エンドプレート３６では応力が発生する。なお、エンドプレート３６の固定方法は、ボルト１６を用いたスタックケース１４への固定以外の方法であってもよい。また、締結箇所の数や位置は、図３に示す位置に限らず、種々変更が可能である。

エンドプレート３６には、さらに、線状に延びる複数の凸部として、第１リブ２０ａ〜２０ｄと、第２リブ２２ａ〜２２ｄと、が設けられている。第１リブ２０ａ〜２０ｄは、Ｙ方向に平行に形成されている。第１リブ２０ａ〜２０ｄが延びる方向（Ｙ方向）は、「第１方向」とも呼ぶ。また、第２リブ２２ａ〜２２ｄは、Ｘ方向に平行に形成されており、第１リブ２０ａ〜２０ｄと交差している。第２リブ２２ａ〜２２ｄが延びる方向（Ｘ方向）は、「第２方向」とも呼ぶ。本実施形態では、複数の第１リブ２０ａ〜２０ｄは、互いに同じ高さに形成されており、複数の第２リブ２２ａ〜２２ｄも、互いに同じ高さに形成されている。「第１リブ２０ａ〜２０ｄの高さ」あるいは「第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さ」とは、「エンドプレート３６の厚み」と同様に、既述したエンドプレート３６の裏面である接触面から、各リブにおける最も高い位置（エンドプレート３６の−Ｚ方向側の表面において、上記接触面から−Ｚ方向に最も離間した箇所）までの距離をいう。このように、Ｙ方向に延びる第１リブ２０ａ〜２０ｄと、Ｘ方向に延びる第２リブ２２ａ〜２２ｄとを設けることにより、既述したエンドプレート３６で生じるたわみに対する曲げ剛性が高まる。

本実施形態のエンドプレート３６では、上記した第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さを、第１リブ２０ａ〜２０ｄの高さよりも低くしている。図４では、エンドプレート３６における第１リブ２０ａ〜２０ｄの高さを「高さα」として示しており、第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さを「高さβ」として示している。本実施形態では、「高さα＞高さβ」となっている。上記のように第２リブ２２ａ〜２２ｄを第１リブ２０ａ〜２０ｄよりも低く形成することにより、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとの交差部には、段差が形成される。図４では、第１リブ２０ａ〜２０ｄの高さと、第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さとの差を、「差γ」として示している。本実施形態の「差γ」は、上記した交差部における段差のＺ方向の長さである。差γは、後述する局所的な応力を低減する観点から、３ｍｍ以上とすることが好ましく、４ｍｍ以上とすることがより好ましい。また、差γは、加工や取り扱いの容易さの観点から、２５ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以下がより好ましい。ただし、差γは、３ｍｍ未満であってもよく、２５ｍｍを超えていてもよい。差γについては、後に詳しく説明する。なお、第１リブ２０ａ〜２０ｄの幅と第２リブ２２ａ〜２２ｄの幅とは、例えば同じとすることができる。ここで、リブの幅が「同じ」であるとは、リブ同士の幅の相違が、例えば１０％以下である場合を含む広い概念を有する。ただし、第１リブ２０ａ〜２０ｄの幅と第２リブ２２ａ〜２２ｄの幅とは異なっていてもよく、また、第１リブ２０ａ〜２０ｄ同士、あるいは第２リブ２２ａ〜２２ｄ同士で、リブの幅が異なっていてもよい。

図３に示すように、エンドプレート３６において、−Ｚ方向側の表面には、さらに、各穴部４１〜４６を囲むように、凸部２４が設けられている。凸部２４を設けることにより、エンドプレート３６における各穴部４１〜４６の近傍の剛性を高めることができると共に、各穴部４１〜４６に対する燃料ガス、酸化ガス、あるいは冷媒の配管の接続が容易になる。本実施形態では、凸部２４は、第１リブ２０ａ〜２０ｄと同等の高さに形成されている。また、本実施形態のエンドプレート３６では、締結箇所を含む外周部も、第１リブ２０ａ〜２０ｄと同程度に厚く形成されている。

以上のように構成された本実施形態のエンドプレート３６によれば、第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さを、第１リブ２０ａ〜２０ｄの高さよりも低くしているため、エンドプレート３６において局所的に発生する応力の大きさを抑えることができる。エンドプレート３６において、繰り返し、あるいは継続して、特定箇所で大きな応力が生じると、エンドプレート３６が疲労を起こして強度が低下し得る。本実施形態のように、高さの異なるリブを設けて局所的に発生する応力の大きさを抑えることにより、エンドプレート３６の疲労に起因する強度低下を抑えることができる。以下では、エンドプレート３６で発生する局所的な応力と、リブの高さとの関係についてさらに説明する。

エンドプレート３６において生じる応力は、例えば、エンドプレート３６の形状、エンドプレート３６の材質、エンドプレート３６の固定方法（固定位置や、固定部位における回転の自由の有無などを含む）、エンドプレート３６に隣接する部材（本実施形態では絶縁板３５）の形状や材質、積層体１１側からの入力荷重分布、エンドプレート３６と隣接する部材との界面の拘束条件（滑りの有無を含む）などの条件を用いて、ＣＥＡ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析により求めることができる。

図５は、本実施形態のエンドプレート３６の表面形状を拡大して模式的に表わす斜視図である。また、図６は、比較例のエンドプレートの表面形状を拡大して模式的に表わす斜視図である。図５のエンドプレート３６では、第２リブ２２ａ〜２２ｄは、第１リブ２０ａ〜２０ｄよりも低く形成されており、図６の比較例のエンドプレートでは、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとは、同じ高さに形成されている。なお、図５および図６では、積層体１１側から−Ｚ方向に加えられる力によってエンドプレートがたわむ様子を、誇張して表現している。

図５および図６に示すエンドプレートについてＣＥＡ解析を行なうと、いずれのエンドプレートにおいても、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとの交差部の近傍、および、各リブにおける交差部間の中央部において、局所的に大きな応力の発生が認められた。図５、図６、および既述した図３では、上記交差部の近傍領域を、「領域Ａ」として示しており、上記交差部間の中央部の領域を、「領域Ｂ」として示している。

積層体１１側から−Ｚ方向の力が加えられてエンドプレートがたわむときには、各リブも湾曲する。このとき、第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄの各々は、交差部において他方のリブに拘束されることにより、交差部間の短い範囲（以下、リブにおける交差部間の短い範囲を「リブ断片」とも呼ぶ）ごとに、大きな曲率で曲がることになる。そのため、交差部近傍、すなわち、交差部間のリブ断片の端部において、特に大きな応力が発生すると考えられる。ＣＥＡ解析の結果、局所的に大きな応力が発生する領域Ａは、交差部の近傍領域における各リブの側面部分（図５および図６参照）であることが確認された（データ示さず）。

領域Ｂは、上記のように、交差部で端部が拘束されつつ曲がる各リブ断片の頭頂部である。ＣＥＡ解析の結果、局所的に大きな応力が発生する領域Ｂは、交差部間の各リブ断片における−Ｚ方向の表面の中央部（図５および図６参照）であることが確認された（データ示さず）。

図７は、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとの高さの差γを種々異ならせてＣＥＡ解析を行ない、領域Ａおよび領域Ｂで生じる応力（ミーゼス応力）の大きさを求めた結果を示す説明図である。図７では、図７に示す比較例のエンドプレート、すなわち、差γ＝０のエンドプレートを、サンプル１としている。サンプル２〜サンプル５は、本実施形態のエンドプレート３６であって、（第１リブの高さα）＞（第２リブの高さβ）であり、差γの大きさが互いに異なっている。サンプル２，３，４，５の順で、差γの大きさは、４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍとしている。図７では、比較例であるサンプル１の領域Ａの応力（第１リブのリブ断片における交差部近傍の最大応力）の値を、「ｘ」としている。そして、サンプル１の領域Ｂの応力（第１リブのリブ断片における中央部の最大応力）の値や、他のサンプルの領域Ａおよび領域Ｂの応力の値を、上記「ｘ」と比較した相対値として示している。

図７に示すように、比較例のサンプル１では、領域Ａにおいて、特に大きな応力が発生する結果となった。これに対して、第２リブ２２ａ〜２２ｄを第１リブ２０ａ〜２０ｄよりも低くしたサンプル２〜５では、領域Ａにおける応力が大きく低下することが確認された。これは、第２リブを低くすることにより、第１リブ２０ａ〜２０ｄが交差部で第２リブ２２ａ〜２２ｄに拘束される力が弱まることで、第１リブ２０ａ〜２０ｄの個々のリブ断片ごとに大きな曲率で曲がる状態ではなく、第１リブ２０ａ〜２０ｄ全体がより小さな曲率で曲がる状態に近づき、領域Ａで発生する応力が低減されたためと考えられる。

なお、差γを大きくするほど、領域Ａの応力を低減する効果が高まる傾向が認められ、また、差γを大きくするほど、領域Ｂの応力が高まる傾向が認められた。このように差γを大きくして、比較例に比べてＢ領域の応力が高まる場合であっても、エンドプレート３６全体としては、最も応力が高まる箇所の応力の値は小さくなった。

上記のように、本実施形態によれば、延びる方向が異なる２種類のリブ（第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄ）を設けることによるエンドプレート３６全体の剛性を高める効果を得つつ、特に局所的に応力が大きくなる領域Ａにおける応力を低減できることが確認された。エンドプレートにおいては、一般に、リブの高さを高くするほど曲げ剛性が高まると考えられる。そのため、異なる２方向に延びる２種のリブを設ける場合には、各リブの高さをできるだけ高くして、例えば、２種のリブの高さを、できる限り高くした同じ高さにすることで、エンドプレート全体の剛性が高められてエンドプレートの強度を向上させることができるとも考えられる。しかしながら、本実施形態では、異なる２方向に延びる２種のリブ（第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄ）のうちの一方のリブ（第２リブ２２ａ〜２２ｄ）を低くすることにより、局所的な応力の増大を抑え、結果的に、エンドプレートの疲労による強度低下を抑えている。

本実施形態のエンドプレート３６は、積層方向に見たときに四角形状を有する板状部材として形成されている。このような場合には、短辺（本実施形態ではＹ方向に延びる辺）に沿って延びる短いリブ（本実施形態では第１リブ２０ａ〜２０ｄ）の方が、長辺（本実施形態ではＸ方向に延びる辺）に沿って延びる長いリブ（本実施形態では第２リブ２２ａ〜２２ｄ）よりも、エンドプレート３６がたわんだときに変形の曲率が大きくなり、大きな応力が生じ易い。そのため、長辺に沿って延びる長い第２リブ２２ａ〜２２ｄを低くして、大きな応力が生じ易い短い第１リブ２０ａ〜２０ｄの領域Ａで生じる応力を低減することにより、エンドプレート３６全体で、局所的な応力の増大を抑える効果を高めることができる。なお、第１リブ２０ａ〜２０ｄは、短辺に平行でなくてもよいが、互いに対向する一対の長辺間をつなぐように形成されることが望ましい。また、第２リブ２２ａ〜２２ｄは、長辺に平行でなくてもよいが、互いに対向する短辺間をつなぐように形成されていることが望ましい。

また、本実施形態では、第１リブ２０ａ〜２０ｄは、互いに対向する辺に設けられたボルト穴１７同士を結ぶ位置に設けられている。同様に、第２リブ２２ａ〜２２ｄの少なくとも一部も、互いに対向する辺に設けられたボルト穴１７同士を結ぶ位置に設けることとしてもよい。このように、第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄのうちの少なくとも一方のうちの少なくとも一部のリブを、２つの締結箇所間を結ぶ位置に設けることにより、リブを設けてエンドプレート３６の剛性を向上させる効果を、さらに高めることができる。ただし、第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄのいずれも、２つの締結箇所間を結ぶ位置に設けないこととしてもよい。

本実施形態の第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄは、積層方向に見たときに、単セル１２と重なる領域（単セル領域２６）に設けられている（図３参照）。エンドプレート３６は、エンドプレート３６をスタックケース１４に締結することにより、積層体１１側から−Ｚ方向の力を受けて変形するため、このような構成とすることで、エンドプレート３６において変形に対する強度を確保しつつ、局所的に応力が大きくなることを抑える効果を高めることができる。また、本実施形態の第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄは、積層方向に見たときに、各単セル１２が備える電解質層および電極層と重なる領域（以下、発電領域２８とも呼ぶ）に設けられている（図３参照）。発電領域２８と重なる領域は、エンドプレート３６において、特に変形量が大きくなる領域である。ただし、第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄは、積層方向に見たときに、単セル１２や発電領域２８と重ならない領域に設けることとしてもよい。

第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄの高さは、それぞれ、エンドプレート３６全体で均一でなくてもよい。例えば、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄの各々を、エンドプレート３６の中央部に近いほど高さが次第に高くなるように形成してもよい。この場合であっても、交差部を含む領域で、一方のリブ（第２リブ２２ａ〜２２ｄ）を他方のリブ（第１リブ２０ａ〜２０ｄ）よりも低くすることで、既述した効果が得られる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記実施形態では、エンドプレート３６を、積層方向に見たときに四角形状を有する板状部材として形成して、第１リブ２０ａ〜２０ｄは短辺に平行（Ｙ方向に平行）であり、第２リブ２２ａ〜２２ｄは長辺に平行（Ｘ方向に平行）であることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、エンドプレート３６は、積層方向に見たときに四角形状とは異なる形状を有することとしてもよい。あるいは、第１リブ２０ａ〜２０ｄが延びる方向、および、第２リブ２２ａ〜２２ｄが延びる方向は、互いに異なる任意の方向とすることができる。また、複数の第１リブ２０ａ〜２０ｄ同士は互いに平行でなくてもよく、複数の第２リブ２２ａ〜２２ｄ同士は互いに平行でなくてもよい。この場合には、複数の第１リブ同士が成す角度、および、複数の第２リブ同士が成す角度が、予め定めた範囲内であればよい。また、第１リブ２０ａ〜２０ｄおよび第２リブ２２ａ〜２２ｄは、それぞれ、積層方向に見たときに直線状に延びる構成に代えて、曲線状に延びる構成としてもよい。第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとが交差する交差部が形成されており、第２リブ２２ａ〜２２ｄが第１リブ２０ａ〜２０ｄよりも低く形成されていればよい。

また、上記実施形態では、第１リブ２０ａ〜２０ｄと第２リブ２２ａ〜２２ｄとは、４本ずつ設けたが、第１リブおよび第２リブの数は、異なる数としてもよい。第１リブと第２リブの各々は、１本であってもよく、４以外の複数であってもよい。

上記のように、エンドプレート３６の形状や、第１リブおよび第２リブの配置や数を異ならせる場合であっても、第２リブよりも高さが高い第１リブは、第２リブを第１リブと同じ高さに形成して、得られた燃料電池用エンドプレートを燃料電池スタック１０内に組み込んだと仮定したときに、発生する応力の最大値が第２リブよりも大きくなることが好ましい。上記のように仮定したときの応力は、既述したＣＥＡ解析により求めることができる。このような構成とすれば、第１リブと第２リブの高さが同じであれば、より大きな応力が生じることになる第１リブで生じる応力を低減することにより、エンドプレート３６全体で、局所的な応力の増大を抑える効果を高めることができる。ただし、リブの高さの高低に係る関係は、上記とは逆にすることも可能である。

（Ｃ２）上記実施形態では、エンドプレート３６における第１リブおよび第２リブが形成された面の裏面は、平坦面としたが、凹凸を有する面としてもよい。この場合であっても、エンドプレート３６の接触面（エンドプレート３６が絶縁板３５と接するＸＹ平面に平行な面）からの積層方向の高さが、第１リブに比べて第２リブの方が低く形成されていればよい。

（Ｃ３）上記実施形態では、第１リブおよび第２リブをエンドプレート３６に設けたが、エンドプレート３６に代えて、あるいはエンドプレート３６に加えて、エンドプレート３７において、同様のリブ形状を設けてもよい。

（Ｃ４）上記実施形態では、第１リブおよび第２リブを設けたエンドプレートは金属製としたが、樹脂製とする等、異なる材料でエンドプレートを形成してもよい。燃料電池の運転温度や要求される強度や重量に応じて、エンドプレートを構成する材料を適宜選択すればよい。

本開示は、上述の実施形態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。

１０…燃料電池スタック、１１…積層体、１２…単セル、１４…スタックケース、１６…ボルト、１７…ボルト穴、２０ａ〜２０ｄ…第１リブ、２２ａ〜２２ｄ…第２リブ、２４…凸部、２６…単セル領域、２８…発電領域、３１…ターミナルプレート、３５…絶縁板、３６，３７…エンドプレート、４１〜４６…穴部

Claims (6)

1. 単セルを含む複数の部材が積層された燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置される燃料電池用エンドプレートであって、
   前記燃料電池スタックの外側に向くように配置される面において、
   第１方向に延びる第１リブと、
   前記第１方向とは異なる第２方向に延びて、前記第１リブと交差し、前記第１リブよりも高さが低く形成されている第２リブと、
   を備える燃料電池用エンドプレート。
2. 請求項１に記載の燃料電池用エンドプレートであって、
   前記第１リブと前記第２リブとの高さの差は、４ｍｍ以上である
   燃料電池用エンドプレート。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用エンドプレートであって、
   前記第１リブは、前記第２リブを前記第１リブと同じ高さに形成して、前記燃料電池用エンドプレートを前記燃料電池スタック内に組み込んだと仮定したときに、前記第１リブで発生する応力の最大値が、前記第２リブで発生する応力の最大値よりも大きくなるリブである
   燃料電池用エンドプレート。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用エンドプレートであって、
   前記燃料電池用エンドプレートは、互いに対向して配置される一対の短辺と、互いに対向して配置されて前記一対の短辺よりも長く形成されている一対の長辺と、に囲まれて、前記積層方向に見たときに四角形状を有する板状部材であり、
   前記第１リブは、前記一対の長辺間をつなぐように形成されており、前記第２リブは、前記一対の短辺間をつなぐように形成されている
   燃料電池用エンドプレート。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池用エンドプレートであって、
   前記第１リブおよび前記第２リブは、前記燃料電池スタックを前記積層方向に見たときに、前記単セルと重なる領域に設けられている
   燃料電池用エンドプレート。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池用エンドプレートであって、
   前記燃料電池スタックを締結するための締結箇所が複数設けられており、
   前記第１リブおよび前記第２リブのうちの少なくとも一方は、複数の前記締結箇所のうちの２つの締結箇所の間を結ぶ位置に設けられたリブを含む
   燃料電池用エンドプレート。

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