JP4357808B2 - 車載用燃料電池スタック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータを介して複数個積層された車載用燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）をセパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セル（単位発電セル）が構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出されることにより、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために相当に多数（例えば、数１００個程度）の燃料電池を積層して構成する必要がある。このため、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに比較的大きな荷重が作用し易い。
【０００５】
特に、燃料電池スタックの積層方向が車両の進行方向と略同一に設定されている際、前記燃料電池スタックの積層方向一端部に配設されている燃料電池（単位セル）には、相当に大きな面圧が付与されるおそれがある。これにより、燃料電池を構成する電解質・電極構造体に圧縮強度以上の面圧が作用し、前記電解質・電極構造体の耐用性が低下するという問題がある。しかも、燃料電池スタックの積層方向他端部に配設されている燃料電池では、シールの締め代が減少し、反応ガスや冷却媒体の漏れが惹起されるおそれがある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の締め付け状態を確実に維持するとともに、単位セルに過剰な面圧が作用することを阻止可能な車載用燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタックでは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数個積層されて積層体が構成されている。積層体がケーシング内に収容されるとともに、前記積層体の積層方向両端には、一組のエンドプレートが配設されるとともに、前記一組のエンドプレートが前記ケーシングにより一体的に結合されている。
【０００８】
そして、積層体内には、積層方向の所定の位置、すなわち、所定数の単位セルに対応して中間プレートが配設されるとともに、前記中間プレートは、ケーシングに対して支持機構により支持されている。
【０００９】
このように、積層体内では、中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されており、前記中間プレートは、燃料電池スタックに積層方向に外力が作用した際、エンドプレートと同様に積層方向に対する面圧（荷重）保持機能を有している。従って、特に積層方向端部に配設されている単位セルに過剰な面圧が作用することを確実に阻止し、簡単な構成で、前記単位セルを有効に保護することができる。
【００１０】
また、支持機構が、ケーシングに固定されるねじ部材と、中間プレートに形成されるとともに、凹部が設けられた係止部と、前記ねじ部材が前記凹部に挿入された状態で、該ねじ部材に螺合して前記係止部を該ねじ部材に支持するナットとを備えている。これにより、中間プレートをケーシングに支持する際に、ねじ部材を前記中間プレートの凹部に挿入した状態で、ナットを前記ねじ部材にねじ込むだけでよい。このため、簡単な構成で、燃料電池スタックの組み付け作業が迅速かつ容易に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、支持機構が、中間プレートの少なくとも一方の面側に面方向に沿って進退可能に配設される楔部材と、ケーシングに螺合して前記楔部材を前記面方向に押圧可能な押し込みボルトとを備えている。従って、単位セルにへたりが発生して燃料電池スタックの締め付け荷重が低下した際には、押し込みボルトをケーシングにねじ込むだけで、楔部材を介して中間プレートが前記単位セルの積層方向に押圧される。このため、単位セルのへたりを確実に吸収することができ、燃料電池スタック全体の締め付け荷重を確実に調整することが可能になる。
【００１２】
さらにまた、支持機構が、中間プレートをケーシングに対して積層方向に所定距離だけ移動可能に支持するダンパを備えている。これにより、燃料電池スタックに急激な外力が作用する際、特に積層方向への往復変位（慣性変位）によってシールの締め代が減少することがなく、反応ガスや冷却媒体の漏れを有効に阻止することが可能になる。しかも、積層体に熱収縮等の緩やかな変動が惹起した際には、ダンパの作用下に前記変動に追随することができ、前記積層体に過度の応力が作用することがない。
【００１３】
また、積層体の積層方向が車両の進行方向と略同一方向に設定されている。このため、例えば、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに積層方向に荷重が作用しても、中間プレートの面圧保持作用下に過剰な面圧が単位セルに付与されることがなく、前記単位セルの耐用性が有効に向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの中央部には、積層方向に突出して柱状の端子部２２ａ、２２ｂが形成されるとともに、前記端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの中央部から積層方向に突出する円筒部２４ａ、２４ｂに挿入される。
【００１６】
エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケーシング（結合部材）２６を介して一体的に結合される。積層体１４内に、積層方向の所定の位置に対応して、例えば、２枚の中間プレート２８が配設されるとともに、前記中間プレート２８が支持機構３０を介してケーシング２６に支持される。
【００１７】
図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３４と、前記電解質膜・電極構造体３４を挟持する第１および第２セパレータ３６、３８とを備える。第１および第２セパレータ３６、３８は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３６、３８をカーボン材等により構成してもよい。
【００１８】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４ｂが設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜４６と、該固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える。
【００２１】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４６の両面に接合されている。
【００２２】
第１セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４側の面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。第１セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２３】
第２セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４側の面３８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５６は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。
【００２４】
図４に示すように、中間プレート２８は、第１および第２セパレータ３６、３８と同様に金属製の板材あるいはカーボン材、またはそれぞれの材料で形成された板材の組み合わせ等により構成されている。この中間プレート２８の長辺方向（矢印Ｂ方向）両端部および短辺方向（矢印Ｃ方向）両端部には、それぞれ２個の係止部６０が所定の位置にかつ外方に突出して一体的に設けられる。各係止部６０には、開口断面半円状の凹部６２が外部に開放して形成される。
【００２５】
中間プレート２８は、積層体１４内において所定数の単位セル１２を仕切るようにして配設されており、この単位セル１２の数は、使用状態や各種構成部材の寸法および材質等によって設定されている。例えば、燃料電池スタック１０を車載用として車両９０（図６参照）に組み込み、その積層方向（矢印Ａ方向）を前記車両９０の進行方向に設定する場合が想定される。その際、中間プレート２８の配置位置および枚数は、車両９０の急発進時や急停止時等に電解質膜・電極構造体３４に圧縮強度以上の面圧が作用したり、シールの締め代が減少して反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）や冷却媒体の漏れが発生したりすることがないように設定されている。
【００２６】
ケーシング２６は、図４に示すように、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄを備えており、これらがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄには、２枚の中間プレート２８に設けられている各係止部６０に対応して、それぞれ４つの窓部６８が設けられ、各窓部６８には、支持機構３０が組み込まれる。
【００２７】
支持機構３０は、図４および図５に示すように、各窓部６８を構成する凹状壁部７０に固定されるブロック７２ａ、７２ｂを備える。ブロック７２ａ、７２ｂには、ねじ部材７４の両端が固定されるとともに、前記ねじ部材７４にはそれぞれ対をなす第１ナット７６ａ、７６ｂおよび第２ナット７８ａ、７８ｂが螺合している。このねじ部材７４が中間プレート２８の凹部６２に挿入される位置において、係止部６４の両側面が第１ナット７６ａ、７６ｂを介して保持されるとともに、前記第１ナット７６ａ、７６ｂの移動が第２ナット７８ａ、７８ｂを介して規制されている。
【００２８】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺側（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａおよび燃料ガス排出連通孔４４ｂに連通する酸化剤ガス供給口８０ａ、冷却媒体供給口８２ａおよび燃料ガス排出口８４ｂが設けられる。エンドプレート２０ａの長辺側の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに連通する燃料ガス供給口８４ａ、冷却媒体排出口８２ｂおよび酸化剤ガス排出口８０ｂが設けられる。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１０を組み立てる作業について、以下に説明する。
【００３０】
まず、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定枚数、例えば、２枚の中間プレート２８が介装されて積層体１４が得られる。この積層体１４の積層方向両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂ、インシュレータ板１８ａ、１８ｂおよびエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。その際、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの円筒部２４ａ、２４ｂに挿入されている。
【００３１】
そこで、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に所定のプレス荷重が付与された状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂにケーシング２６が取り付けられる。このケーシング２６では、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂの側部にねじ止め固定される。このため、積層体１４には、ケーシング２６を介して所定の締め付け荷重が付与されている。
【００３２】
ここで、ケーシング２６に設けられている各窓部６８には、支持機構３０が組み付けられており、前記支持機構３０を構成する各ねじ部材７４が、２枚の中間プレート２８に設けられたそれぞれの係止部６０の凹部６２に配置されている。このため、図５に示すように、支持機構３０では、第１ナット７６ａ、７６ｂが互いに近接する方向に螺回され、前記第１ナット７６ａ、７６ｂ間で係止部６０が挟持固定される。さらに、第２ナット７８ａ、７８ｂが互いに近接する方向に螺回されて第１ナット７６ａ、７６ｂに当接し、前記第１ナット７６ａ、７６ｂが弛むことを阻止している。
【００３３】
これにより、各中間プレート２８の上下および両側部にそれぞれ２つずつ設けられている係止部６０が、支持機構３０を介して挟持されることになり、前記中間プレート２８がケーシング２６に対し強固に支持される。
【００３４】
次いで、上記のように組み立てられた燃料電池スタック１０の動作について、説明する。
【００３５】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給口８４ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口８０ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口８２ａから純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ１方向に直列的に供給されることになる。
【００３６】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第２セパレータ３８の酸化剤ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するカソード側電極５０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１セパレータ３６の燃料ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するアノード側電極４８に沿って移動する。
【００３７】
従って、各電解質膜・電極構造体３４では、カソード側電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出口８４ｂから排出される。同様に、カソード側電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出口８０ｂから排出される。
【００３９】
また、冷却媒体供給口８２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４２ａから第１セパレータ３６の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂを矢印Ａ２方向に移動し、エンドプレート２０ａの冷却媒体排出口８２ｂから排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、積層体１４の積層方向両端に配設されるエンドプレート２０ａ、２０ｂがケーシング２６により結合されることによって、前記積層体１４に所定の締め付け荷重が付与されるとともに、該積層体１４内に配設されている中間プレート２８が、支持機構３０を介して前記ケーシング２６に支持されている。このため、例えば、図６に示すように、燃料電池スタック１０を車両９０の床下９２に取り付けて、前記燃料電池スタック１０の積層方向（矢印Ａ方向）を前記車両９０の進行方向に略一致して配置する際に有効に機能する。
【００４１】
具体的に説明すると、車両９０の急発進時および急停止時には、燃料電池スタック１０に対して矢印Ａ１方向および矢印Ａ２方向に比較的大きな荷重が付与される。その際、中間プレート２８を用いない従来構造では、車両９０の急発進時に矢印Ａ１方向先端側に配置されている単位セル１２に、矢印Ａ方向に積層されている他の全ての単位セル１２による面圧が付与されてしまう。これにより、矢印Ａ方向先端側の単位セル１２に、過剰な面圧が作用するおそれがある。
【００４２】
これに対して、第１の実施形態では、積層体１４内の所定の位置に、例えば、２枚の中間プレート２８が配設されるとともに、前記中間プレート２８がケーシング２６に強固に支持されている。従って、積層体１４内は、２枚の中間プレート２８を介して所定数の単位セル１２毎に３分割されており、車両９０の急発進時および急停止時には、エンドプレート２０ａ、２０ｂと中間プレート２８との間、および前記中間プレート２８の間に配置されている単位セル１２毎に独立して面圧の付与が行われる。
【００４３】
これにより、実質的に互いに作用し合う単位セル１２の個数が大幅に削減され、車両９０が急発進および／または急停止する際にも、端部に配設されている単位セル１２に過剰な面圧が作用することを確実に阻止することができ、簡単な構成で、前記単位セル１２を有効に保護することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
なお、第１の実施形態では、積層体１４内に伸縮吸収機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。この伸縮吸収機構は、積層体１４に熱収縮等の緩やかな変動が惹起した際にこの変動に追随することができ、前記積層体１４に過度の応力が作用することを阻止する機能を有する。
【００４５】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略全体斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、以下に示す第３乃至第６の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００４６】
燃料電池スタック１００は、エンドプレート２０ａ、２０ｂに結合されるケーシング（連結部材）１０２を備える。このケーシング１０２は、板金等の薄板材で構成される下板１０４ａ、上板１０４ｂおよび側板１０４ｃ、１０４ｄを備えている。下板１０４ａ、上板１０４ｂおよび側板１０４ｃ、１０４ｄには、各中間プレート２８の係止部６０の位置に対応して開口部１０６が形成され、この開口部１０６に対応して支持機構１０８が取り付けられる。この支持機構１０８では、ブロック７２ａ、７２ｂが開口部１０６の外側に位置してそれぞれの面内に溶接等によって固定されている。
【００４７】
これにより、第２の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂが薄板状のケーシング１０２に結合されるとともに、前記ケーシング１０２には、支持機構１０８を介して中間プレート２８が強固に支持されている。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、ケーシング１０２を有効に軽量化することができる。
【００４８】
なお、第２の実施形態では、薄板状のケーシング１０２を用いているが、これに代替してエンドプレート２０ａ、２０ｂの４隅を連結するアングル材（図示せず）を採用してもよく、また、前記ケーシング１０２に必要に応じて切り欠き孔を設けてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の要部説明図である。
【００５０】
燃料電池スタック１１０は、積層体１４内の所定の位置に中間プレート１１２が配設されるとともに、前記中間プレート１１２がダンパ機構（支持機構）１１４を介してケーシング１１６に支持される。ケーシング１１６は、積層体１４の積層方向両端に配置されている図示しないエンドプレートに結合されることにより、前記積層体１４に所定の締め付け荷重を付与している。
【００５１】
ダンパ機構１１４は、ダンパ本体１１８を備え、このダンパ本体１１８がケーシング１１６の内面側に固定されている。ダンパ本体１１８から延在するロッド１２０は、連結部１２２を介して中間プレート１１２に連結されている。
【００５２】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１１０全体に所定の締め付け荷重を付与するケーシング１１６に、ダンパ機構１１４を構成するダンパ本体１１８を介して中間プレート１１２が連結されている。このため、特に、燃料電池スタック１１０に積層方向（矢印Ａ方向）に振動する慣性変位が発生する際に、ダンパ機構１１４の作用下に振動を吸収し、この慣性変位を有効に低減することができる。しかも、急発進時や急停止時に慣性力による急激な変位を阻止するとともに、積層方向の熱膨張を確実に吸収することが可能になる。
【００５３】
これにより、第３の実施形態では、単位セル１２同士が離間してシールの締め代が減少することがなく、反応ガス（燃料ガスおよび酸化材ガス）や冷却媒体の漏れを確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００５４】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の要部説明図である。
【００５５】
燃料電池スタック１３０は、積層体１４内の所定の位置に配置される中間プレート１３２を備える。積層体１４に所定の締め付け荷重を付与するケーシング１３４には、中間プレート１３２に連結されるダンパ機構（支持機構）１３６が設けられる。このダンパ機構１３６は、オイル封入室１３８を備えるとともに、前記オイル封入室１３８にロッド１４０の両端が移動可能に配設される。このロッド１４０の略中央部には、中間プレート１３２が固着されている。
【００５６】
このように構成される燃料電池スタック１３０では、ダンパ機構１３６に連結された中間プレート１３２が、単位セル１２に過剰な面圧が付与されることを阻止する機能と、矢印Ａ方向への慣性変位を低減させる機能とを有しており、第３の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。
【００５７】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１５０の要部説明図である。
【００５８】
燃料電池スタック１５０は、積層体１４内に配置される中間プレート１５２を備え、この中間プレート１５２がケーシング１５４に組み込まれる支持機構１５６に支持される。
【００５９】
支持機構１５６は、中間プレート１５２の両側に配置される保持プレート１５８ａ、１５８ｂを備えており、前記保持プレート１５８ａ、１５８ｂの端部には、テーパ面１６０ａ、１６０ｂが形成される。このテーパ面１６０ａ、１６０ｂに楔部材１６２ａ、１６２ｂが係合するとともに、前記楔部材１６２ａ、１６２に押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂが当接する。押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂは、ケーシング１５４のねじ孔１６６ａ、１６６ｂに螺合している。
【００６０】
このように構成される燃料電池スタック１５０では、単位セル１２にへたりが発生して燃料電池スタック１５０の締め付け荷重が低下した際に、支持機構１５６を構成する押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂがケーシング１５４のねじ孔１６６ａ、１６６ｂにねじ込まれる。このため、押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂの先端部が楔部材１６２ａ、１６２ｂを矢印Ｄ方向に押圧し、前記楔部材１６２ａ、１６２ｂがテーパ面１６０ａ、１６０ｂを摺動して保持プレート１５８ａ、１５８ｂが互いに離間する方向に押圧される。
【００６１】
これにより、保持プレート１５８ａ、１５８ｂと図示しないエンドプレートとの間に配置されている所定数の単位セル１２には、互いに近接する方向に押圧力が付与される。従って、単位セル１２のへたりを吸収することができ、燃料電池スタック１５０全体の締め付け荷重を所望の値に確実に調整することが可能になる。その上、中間プレート１５２の積層方向両側には、楔部材１６２ａ、１６２ｂが保持プレート１５８ａ、１５８ｂを介して配設されている。このため、中間プレート１５２の積層方向の位置調整が良好に遂行される。
【００６２】
しかも、急発進時や急停止時の慣性力により、特に端部に配設されている単位セル１２に急激な変位が発生することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、単位セル１２を有効に保護することが可能になる等、第１乃至第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１１は、本発明に関連する燃料電池スタック１７０の要部説明図である。
【００６４】
燃料電池スタック１７０は、積層体１４ａ、１４ｂ間に配設される中間プレート１７２を備え、この中間プレート１７２の両側にケーシング１７４ａ、１７４ｂが分割構成される。ケーシング１７４ａ、１７４ｂの端部が支持機構１７６を介して連結されるとともに、この支持機構１７６に中間プレート１７２が支持される。
【００６５】
支持機構１７６は、ケーシング１７４ａ、１７４ｂの端部に一体的に固着されるロッド１７８を備え、このロッド１７８が中間プレート１７２の端部に貫通する。ロッド１７８には、中間プレート１７２の両側に対応してナット１８０ａ、１８０ｂを螺合するためのねじ部１８２が形成される。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１７０では、中間プレート１７２を挟んで左右に積層されている積層体１４ａ、１４ｂの中、例えば、前記積層体１４ａを構成する単位セル１２にへたりが発生した際に、ナット１８０ａ、１８０ｂを螺回して中間プレート１７２を矢印Ａ１方向に移動させる。これにより、積層体１４ａ側に押圧力が付与され、この積層体１４ａの締め付け荷重を所望の値に調整することができる。
【００６７】
しかも、急発進時や急停止時の慣性力により、特に端部に配設されている単位セル１２に急激な変位が発生することを確実に阻止することができるとともに、ケーシング１７４ａ、１７４ｂを積層方向に分割することが可能になり、燃料電池スタック１７０のメンテナンス性が有効に向上するという利点がある。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体内において、中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されており、前記中間プレートは、燃料電池スタックに積層方向に外力が作用した際、エンドプレートと同様に積層方向に対する面圧（荷重）保持機能を有している。従って、特に積層方向端部に配設されている単位セルに、過剰な面圧が作用することを確実に阻止し、簡単な構成で、前記単位セルを有効に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】 前記燃料電池スタックを構成する中間プレートおよび支持機構の斜視説明図である。
【図５】 前記支持機構による前記中間プレートの組み付け状態を示す斜視図である。
【図６】 前記燃料電池スタックを車両に搭載する際の説明図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図８】 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図９】 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図１０】 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図１１】 本発明に関連する燃料電池スタックの要部説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１１０、１３０、１５０、１７０…燃料電池スタック
１２…単位セル １４、１４ａ、１４ｂ…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２６、１０２、１１６、１３４、１５４、１７４ａ、１７４ｂ…ケーシング
２８、１１２、１３２、１５２、１７２…中間プレート
３０、１０８、１５６、１７６…支持機構
３４…電解質膜・電極構造体 ３６、３８…セパレータ
４６…固体高分子電解質膜 ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路 ５６…酸化剤ガス流路
６０…係止部 ６２…凹部
６８…窓部 ７２ａ、７２ｂ…ブロック
７４…ねじ部材
７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ、１８０ａ、１８０ｂ…ナット
１０６…開口部 １１４、１３６…ダンパ機構
１１８…ダンパ本体 １３８…オイル封入室
１４０、１７８…ロッド １５８ａ、１５８ｂ…保持プレート
１６０ａ、１６０ｂ…テーパ面 １６２ａ、１６２ｂ…楔部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータを介して複数個積層された車載用燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）をセパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セル（単位発電セル）が構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出されることにより、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために相当に多数（例えば、数１００個程度）の燃料電池を積層して構成する必要がある。このため、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに比較的大きな荷重が作用し易い。
【０００５】
特に、燃料電池スタックの積層方向が車両の進行方向と略同一に設定されている際、前記燃料電池スタックの積層方向一端部に配設されている燃料電池（単位セル）には、相当に大きな面圧が付与されるおそれがある。これにより、燃料電池を構成する電解質・電極構造体に圧縮強度以上の面圧が作用し、前記電解質・電極構造体の耐用性が低下するという問題がある。しかも、燃料電池スタックの積層方向他端部に配設されている燃料電池では、シールの締め代が減少し、反応ガスや冷却媒体の漏れが惹起されるおそれがある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の締め付け状態を確実に維持するとともに、単位セルに過剰な面圧が作用することを阻止可能な車載用燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタックでは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数個積層されて積層体が構成されている。積層体がケーシング内に収容されるとともに、前記積層体の積層方向両端には、一組のエンドプレートが配設されるとともに、前記一組のエンドプレートが前記ケーシングにより一体的に結合されている。
【０００８】
そして、積層体内には、積層方向の所定の位置、すなわち、所定数の単位セルに対応して中間プレートが配設されるとともに、前記中間プレートは、ケーシングに対して支持機構により支持されている。
【０００９】
このように、積層体内では、中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されており、前記中間プレートは、燃料電池スタックに積層方向に外力が作用した際、エンドプレートと同様に積層方向に対する面圧（荷重）保持機能を有している。従って、特に積層方向端部に配設されている単位セルに過剰な面圧が作用することを確実に阻止し、簡単な構成で、前記単位セルを有効に保護することができる。
【００１０】
また、支持機構が、ケーシングに固定されるねじ部材と、中間プレートに形成されるとともに、凹部が設けられた係止部と、前記ねじ部材が前記凹部に挿入された状態で、該ねじ部材に螺合して前記係止部を該ねじ部材に支持するナットとを備えている。これにより、中間プレートをケーシングに支持する際に、ねじ部材を前記中間プレートの凹部に挿入した状態で、ナットを前記ねじ部材にねじ込むだけでよい。このため、簡単な構成で、燃料電池スタックの組み付け作業が迅速かつ容易に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、支持機構が、中間プレートの少なくとも一方の面側に面方向に沿って進退可能に配設される楔部材と、ケーシングに螺合して前記楔部材を前記面方向に押圧可能な押し込みボルトとを備えている。従って、単位セルにへたりが発生して燃料電池スタックの締め付け荷重が低下した際には、押し込みボルトをケーシングにねじ込むだけで、楔部材を介して中間プレートが前記単位セルの積層方向に押圧される。このため、単位セルのへたりを確実に吸収することができ、燃料電池スタック全体の締め付け荷重を確実に調整することが可能になる。
【００１２】
さらにまた、支持機構が、中間プレートをケーシングに対して積層方向に所定距離だけ移動可能に支持するダンパを備えている。これにより、燃料電池スタックに急激な外力が作用する際、特に積層方向への往復変位（慣性変位）によってシールの締め代が減少することがなく、反応ガスや冷却媒体の漏れを有効に阻止することが可能になる。しかも、積層体に熱収縮等の緩やかな変動が惹起した際には、ダンパの作用下に前記変動に追随することができ、前記積層体に過度の応力が作用することがない。
【００１３】
また、積層体の積層方向が車両の進行方向と略同一方向に設定されている。このため、例えば、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに積層方向に荷重が作用しても、中間プレートの面圧保持作用下に過剰な面圧が単位セルに付与されることがなく、前記単位セルの耐用性が有効に向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの中央部には、積層方向に突出して柱状の端子部２２ａ、２２ｂが形成されるとともに、前記端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの中央部から積層方向に突出する円筒部２４ａ、２４ｂに挿入される。
【００１６】
エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケーシング（結合部材）２６を介して一体的に結合される。積層体１４内に、積層方向の所定の位置に対応して、例えば、２枚の中間プレート２８が配設されるとともに、前記中間プレート２８が支持機構３０を介してケーシング２６に支持される。
【００１７】
図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３４と、前記電解質膜・電極構造体３４を挟持する第１および第２セパレータ３６、３８とを備える。第１および第２セパレータ３６、３８は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３６、３８をカーボン材等により構成してもよい。
【００１８】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４ｂが設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜４６と、該固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える。
【００２１】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４６の両面に接合されている。
【００２２】
第１セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４側の面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。第１セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２３】
第２セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４側の面３８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５６は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。
【００２４】
図４に示すように、中間プレート２８は、第１および第２セパレータ３６、３８と同様に金属製の板材あるいはカーボン材、またはそれぞれの材料で形成された板材の組み合わせ等により構成されている。この中間プレート２８の長辺方向（矢印Ｂ方向）両端部および短辺方向（矢印Ｃ方向）両端部には、それぞれ２個の係止部６０が所定の位置にかつ外方に突出して一体的に設けられる。各係止部６０には、開口断面半円状の凹部６２が外部に開放して形成される。
【００２５】
中間プレート２８は、積層体１４内において所定数の単位セル１２を仕切るようにして配設されており、この単位セル１２の数は、使用状態や各種構成部材の寸法および材質等によって設定されている。例えば、燃料電池スタック１０を車載用として車両９０（図６参照）に組み込み、その積層方向（矢印Ａ方向）を前記車両９０の進行方向に設定する場合が想定される。その際、中間プレート２８の配置位置および枚数は、車両９０の急発進時や急停止時等に電解質膜・電極構造体３４に圧縮強度以上の面圧が作用したり、シールの締め代が減少して反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）や冷却媒体の漏れが発生したりすることがないように設定されている。
【００２６】
ケーシング２６は、図４に示すように、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄを備えており、これらがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄには、２枚の中間プレート２８に設けられている各係止部６０に対応して、それぞれ４つの窓部６８が設けられ、各窓部６８には、支持機構３０が組み込まれる。
【００２７】
支持機構３０は、図４および図５に示すように、各窓部６８を構成する凹状壁部７０に固定されるブロック７２ａ、７２ｂを備える。ブロック７２ａ、７２ｂには、ねじ部材７４の両端が固定されるとともに、前記ねじ部材７４にはそれぞれ対をなす第１ナット７６ａ、７６ｂおよび第２ナット７８ａ、７８ｂが螺合している。このねじ部材７４が中間プレート２８の凹部６２に挿入される位置において、係止部６４の両側面が第１ナット７６ａ、７６ｂを介して保持されるとともに、前記第１ナット７６ａ、７６ｂの移動が第２ナット７８ａ、７８ｂを介して規制されている。
【００２８】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺側（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａおよび燃料ガス排出連通孔４４ｂに連通する酸化剤ガス供給口８０ａ、冷却媒体供給口８２ａおよび燃料ガス排出口８４ｂが設けられる。エンドプレート２０ａの長辺側の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに連通する燃料ガス供給口８４ａ、冷却媒体排出口８２ｂおよび酸化剤ガス排出口８０ｂが設けられる。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１０を組み立てる作業について、以下に説明する。
【００３０】
まず、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定枚数、例えば、２枚の中間プレート２８が介装されて積層体１４が得られる。この積層体１４の積層方向両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂ、インシュレータ板１８ａ、１８ｂおよびエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。その際、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの円筒部２４ａ、２４ｂに挿入されている。
【００３１】
そこで、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に所定のプレス荷重が付与された状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂにケーシング２６が取り付けられる。このケーシング２６では、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂの側部にねじ止め固定される。このため、積層体１４には、ケーシング２６を介して所定の締め付け荷重が付与されている。
【００３２】
ここで、ケーシング２６に設けられている各窓部６８には、支持機構３０が組み付けられており、前記支持機構３０を構成する各ねじ部材７４が、２枚の中間プレート２８に設けられたそれぞれの係止部６０の凹部６２に配置されている。このため、図５に示すように、支持機構３０では、第１ナット７６ａ、７６ｂが互いに近接する方向に螺回され、前記第１ナット７６ａ、７６ｂ間で係止部６０が挟持固定される。さらに、第２ナット７８ａ、７８ｂが互いに近接する方向に螺回されて第１ナット７６ａ、７６ｂに当接し、前記第１ナット７６ａ、７６ｂが弛むことを阻止している。
【００３３】
これにより、各中間プレート２８の上下および両側部にそれぞれ２つずつ設けられている係止部６０が、支持機構３０を介して挟持されることになり、前記中間プレート２８がケーシング２６に対し強固に支持される。
【００３４】
次いで、上記のように組み立てられた燃料電池スタック１０の動作について、説明する。
【００３５】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給口８４ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口８０ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口８２ａから純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ１方向に直列的に供給されることになる。
【００３６】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第２セパレータ３８の酸化剤ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するカソード側電極５０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１セパレータ３６の燃料ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するアノード側電極４８に沿って移動する。
【００３７】
従って、各電解質膜・電極構造体３４では、カソード側電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出口８４ｂから排出される。同様に、カソード側電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出口８０ｂから排出される。
【００３９】
また、冷却媒体供給口８２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４２ａから第１セパレータ３６の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂを矢印Ａ２方向に移動し、エンドプレート２０ａの冷却媒体排出口８２ｂから排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、積層体１４の積層方向両端に配設されるエンドプレート２０ａ、２０ｂがケーシング２６により結合されることによって、前記積層体１４に所定の締め付け荷重が付与されるとともに、該積層体１４内に配設されている中間プレート２８が、支持機構３０を介して前記ケーシング２６に支持されている。このため、例えば、図６に示すように、燃料電池スタック１０を車両９０の床下９２に取り付けて、前記燃料電池スタック１０の積層方向（矢印Ａ方向）を前記車両９０の進行方向に略一致して配置する際に有効に機能する。
【００４１】
具体的に説明すると、車両９０の急発進時および急停止時には、燃料電池スタック１０に対して矢印Ａ１方向および矢印Ａ２方向に比較的大きな荷重が付与される。その際、中間プレート２８を用いない従来構造では、車両９０の急発進時に矢印Ａ１方向先端側に配置されている単位セル１２に、矢印Ａ方向に積層されている他の全ての単位セル１２による面圧が付与されてしまう。これにより、矢印Ａ方向先端側の単位セル１２に、過剰な面圧が作用するおそれがある。
【００４２】
これに対して、第１の実施形態では、積層体１４内の所定の位置に、例えば、２枚の中間プレート２８が配設されるとともに、前記中間プレート２８がケーシング２６に強固に支持されている。従って、積層体１４内は、２枚の中間プレート２８を介して所定数の単位セル１２毎に３分割されており、車両９０の急発進時および急停止時には、エンドプレート２０ａ、２０ｂと中間プレート２８との間、および前記中間プレート２８の間に配置されている単位セル１２毎に独立して面圧の付与が行われる。
【００４３】
これにより、実質的に互いに作用し合う単位セル１２の個数が大幅に削減され、車両９０が急発進および／または急停止する際にも、端部に配設されている単位セル１２に過剰な面圧が作用することを確実に阻止することができ、簡単な構成で、前記単位セル１２を有効に保護することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
なお、第１の実施形態では、積層体１４内に伸縮吸収機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。この伸縮吸収機構は、積層体１４に熱収縮等の緩やかな変動が惹起した際にこの変動に追随することができ、前記積層体１４に過度の応力が作用することを阻止する機能を有する。
【００４５】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略全体斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、以下に示す第３乃至第６の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００４６】
燃料電池スタック１００は、エンドプレート２０ａ、２０ｂに結合されるケーシング（連結部材）１０２を備える。このケーシング１０２は、板金等の薄板材で構成される下板１０４ａ、上板１０４ｂおよび側板１０４ｃ、１０４ｄを備えている。下板１０４ａ、上板１０４ｂおよび側板１０４ｃ、１０４ｄには、各中間プレート２８の係止部６０の位置に対応して開口部１０６が形成され、この開口部１０６に対応して支持機構１０８が取り付けられる。この支持機構１０８では、ブロック７２ａ、７２ｂが開口部１０６の外側に位置してそれぞれの面内に溶接等によって固定されている。
【００４７】
これにより、第２の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂが薄板状のケーシング１０２に結合されるとともに、前記ケーシング１０２には、支持機構１０８を介して中間プレート２８が強固に支持されている。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、ケーシング１０２を有効に軽量化することができる。
【００４８】
なお、第２の実施形態では、薄板状のケーシング１０２を用いているが、これに代替してエンドプレート２０ａ、２０ｂの４隅を連結するアングル材（図示せず）を採用してもよく、また、前記ケーシング１０２に必要に応じて切り欠き孔を設けてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の要部説明図である。
【００５０】
燃料電池スタック１１０は、積層体１４内の所定の位置に中間プレート１１２が配設されるとともに、前記中間プレート１１２がダンパ機構（支持機構）１１４を介してケーシング１１６に支持される。ケーシング１１６は、積層体１４の積層方向両端に配置されている図示しないエンドプレートに結合されることにより、前記積層体１４に所定の締め付け荷重を付与している。
【００５１】
ダンパ機構１１４は、ダンパ本体１１８を備え、このダンパ本体１１８がケーシング１１６の内面側に固定されている。ダンパ本体１１８から延在するロッド１２０は、連結部１２２を介して中間プレート１１２に連結されている。
【００５２】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１１０全体に所定の締め付け荷重を付与するケーシング１１６に、ダンパ機構１１４を構成するダンパ本体１１８を介して中間プレート１１２が連結されている。このため、特に、燃料電池スタック１１０に積層方向（矢印Ａ方向）に振動する慣性変位が発生する際に、ダンパ機構１１４の作用下に振動を吸収し、この慣性変位を有効に低減することができる。しかも、急発進時や急停止時に慣性力による急激な変位を阻止するとともに、積層方向の熱膨張を確実に吸収することが可能になる。
【００５３】
これにより、第３の実施形態では、単位セル１２同士が離間してシールの締め代が減少することがなく、反応ガス（燃料ガスおよび酸化材ガス）や冷却媒体の漏れを確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００５４】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の要部説明図である。
【００５５】
燃料電池スタック１３０は、積層体１４内の所定の位置に配置される中間プレート１３２を備える。積層体１４に所定の締め付け荷重を付与するケーシング１３４には、中間プレート１３２に連結されるダンパ機構（支持機構）１３６が設けられる。このダンパ機構１３６は、オイル封入室１３８を備えるとともに、前記オイル封入室１３８にロッド１４０の両端が移動可能に配設される。このロッド１４０の略中央部には、中間プレート１３２が固着されている。
【００５６】
このように構成される燃料電池スタック１３０では、ダンパ機構１３６に連結された中間プレート１３２が、単位セル１２に過剰な面圧が付与されることを阻止する機能と、矢印Ａ方向への慣性変位を低減させる機能とを有しており、第３の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。
【００５７】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１５０の要部説明図である。
【００５８】
燃料電池スタック１５０は、積層体１４内に配置される中間プレート１５２を備え、この中間プレート１５２がケーシング１５４に組み込まれる支持機構１５６に支持される。
【００５９】
支持機構１５６は、中間プレート１５２の両側に配置される保持プレート１５８ａ、１５８ｂを備えており、前記保持プレート１５８ａ、１５８ｂの端部には、テーパ面１６０ａ、１６０ｂが形成される。このテーパ面１６０ａ、１６０ｂに楔部材１６２ａ、１６２ｂが係合するとともに、前記楔部材１６２ａ、１６２に押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂが当接する。押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂは、ケーシング１５４のねじ孔１６６ａ、１６６ｂに螺合している。
【００６０】
このように構成される燃料電池スタック１５０では、単位セル１２にへたりが発生して燃料電池スタック１５０の締め付け荷重が低下した際に、支持機構１５６を構成する押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂがケーシング１５４のねじ孔１６６ａ、１６６ｂにねじ込まれる。このため、押し込みボルト１６４ａ、１６４ｂの先端部が楔部材１６２ａ、１６２ｂを矢印Ｄ方向に押圧し、前記楔部材１６２ａ、１６２ｂがテーパ面１６０ａ、１６０ｂを摺動して保持プレート１５８ａ、１５８ｂが互いに離間する方向に押圧される。
【００６１】
これにより、保持プレート１５８ａ、１５８ｂと図示しないエンドプレートとの間に配置されている所定数の単位セル１２には、互いに近接する方向に押圧力が付与される。従って、単位セル１２のへたりを吸収することができ、燃料電池スタック１５０全体の締め付け荷重を所望の値に確実に調整することが可能になる。その上、中間プレート１５２の積層方向両側には、楔部材１６２ａ、１６２ｂが保持プレート１５８ａ、１５８ｂを介して配設されている。このため、中間プレート１５２の積層方向の位置調整が良好に遂行される。
【００６２】
しかも、急発進時や急停止時の慣性力により、特に端部に配設されている単位セル１２に急激な変位が発生することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、単位セル１２を有効に保護することが可能になる等、第１乃至第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１１は、本発明に関連する燃料電池スタック１７０の要部説明図である。
【００６４】
燃料電池スタック１７０は、積層体１４ａ、１４ｂ間に配設される中間プレート１７２を備え、この中間プレート１７２の両側にケーシング１７４ａ、１７４ｂが分割構成される。ケーシング１７４ａ、１７４ｂの端部が支持機構１７６を介して連結されるとともに、この支持機構１７６に中間プレート１７２が支持される。
【００６５】
支持機構１７６は、ケーシング１７４ａ、１７４ｂの端部に一体的に固着されるロッド１７８を備え、このロッド１７８が中間プレート１７２の端部に貫通する。ロッド１７８には、中間プレート１７２の両側に対応してナット１８０ａ、１８０ｂを螺合するためのねじ部１８２が形成される。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１７０では、中間プレート１７２を挟んで左右に積層されている積層体１４ａ、１４ｂの中、例えば、前記積層体１４ａを構成する単位セル１２にへたりが発生した際に、ナット１８０ａ、１８０ｂを螺回して中間プレート１７２を矢印Ａ１方向に移動させる。これにより、積層体１４ａ側に押圧力が付与され、この積層体１４ａの締め付け荷重を所望の値に調整することができる。
【００６７】
しかも、急発進時や急停止時の慣性力により、特に端部に配設されている単位セル１２に急激な変位が発生することを確実に阻止することができるとともに、ケーシング１７４ａ、１７４ｂを積層方向に分割することが可能になり、燃料電池スタック１７０のメンテナンス性が有効に向上するという利点がある。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体内において、中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されており、前記中間プレートは、燃料電池スタックに積層方向に外力が作用した際、エンドプレートと同様に積層方向に対する面圧（荷重）保持機能を有している。従って、特に積層方向端部に配設されている単位セルに、過剰な面圧が作用することを確実に阻止し、簡単な構成で、前記単位セルを有効に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】 前記燃料電池スタックを構成する中間プレートおよび支持機構の斜視説明図である。
【図５】 前記支持機構による前記中間プレートの組み付け状態を示す斜視図である。
【図６】 前記燃料電池スタックを車両に搭載する際の説明図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図８】 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図９】 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図１０】 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの要部説明図である。
【図１１】 本発明に関連する燃料電池スタックの要部説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１１０、１３０、１５０、１７０…燃料電池スタック
１２…単位セル １４、１４ａ、１４ｂ…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２６、１０２、１１６、１３４、１５４、１７４ａ、１７４ｂ…ケーシング
２８、１１２、１３２、１５２、１７２…中間プレート
３０、１０８、１５６、１７６…支持機構
３４…電解質膜・電極構造体 ３６、３８…セパレータ
４６…固体高分子電解質膜 ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路 ５６…酸化剤ガス流路
６０…係止部 ６２…凹部
６８…窓部 ７２ａ、７２ｂ…ブロック
７４…ねじ部材
７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ、１８０ａ、１８０ｂ…ナット
１０６…開口部 １１４、１３６…ダンパ機構
１１８…ダンパ本体 １３８…オイル封入室
１４０、１７８…ロッド １５８ａ、１５８ｂ…保持プレート
１６０ａ、１６０ｂ…テーパ面 １６２ａ、１６２ｂ…楔部材
Claims (4)
- 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成し、前記積層体がケーシング内に収容されるとともに、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設され、前記一組のエンドプレートが前記ケーシングにより一体的に結合された車載用燃料電池スタックであって、
前記積層体内に、積層方向の所定の位置に対応して配設される中間プレートと、
前記中間プレートを前記ケーシングに対して前記積層方向に支持する支持機構と、
を備え、
前記支持機構は、前記ケーシングに固定されるねじ部材と、
前記中間プレートに形成されるとともに、凹部が設けられた係止部と、
前記ねじ部材が前記凹部に挿入された状態で、該ねじ部材に螺合して前記係止部を該ねじ部材に支持するナットと、
を備えることを特徴とする車載用燃料電池スタック。 - 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成し、前記積層体がケーシング内に収容されるとともに、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設され、前記一組のエンドプレートが前記ケーシングにより一体的に結合された車載用燃料電池スタックであって、
前記積層体内に、積層方向の所定の位置に対応して配設される中間プレートと、
前記中間プレートを前記ケーシングに対して前記積層方向に支持する支持機構と、
を備え、
前記支持機構は、前記中間プレートの少なくとも一方の面側に面方向に沿って進退可能に配設される楔部材と、
前記ケーシングに螺合して前記楔部材を前記面方向に押圧可能な押し込みボルトと、
を備えることを特徴とする車載用燃料電池スタック。 - 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成し、前記積層体がケーシング内に収容されるとともに、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設され、前記一組のエンドプレートが前記ケーシングにより一体的に結合された車載用燃料電池スタックであって、
前記積層体内に、積層方向の所定の位置に対応して配設される中間プレートと、
前記中間プレートを前記ケーシングに対して前記積層方向に支持する支持機構と、
を備え、
前記支持機構は、前記中間プレートを前記ケーシングに対して前記積層方向に所定距離だけ移動可能に支持するダンパを備えることを特徴とする車載用燃料電池スタック。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車載用燃料電池スタックにおいて、前記積層体の積層方向が車両の進行方向と略同一方向に設定されることを特徴とする車載用燃料電池スタック。
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