JP4956890B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、とくに燃料電池のスタック構造に関する。

特開２００２−１２４２９１号公報に開示されているように、また、図１５、図１６に示すように、燃料電池、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。流体流路２６、２７、２８をシールするために、ゴムガスケット３２や接着剤シール３３が設けられている。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単セル１９を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。

各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

従来のスタックでは、モジュールの保持はつぎのように行っている。
セル積層体のセル積層方向の一端にばね３４が配置されるとともに首振り部３５と調整ねじ３６が設けられる。スタック２３のモジュールは、ばね３４のばね力でセル積層方向に定荷重が付与されて保持され、セル積層方向と直交する方向には、ばね力×まさつ係数をまさつ力として保持される。
モジュールをセル積層方向と直交する方向に、より一層確実に保持するために、モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で拘束することもある。

従来のスタックには、つぎの問題がある。
１．セル積層体の総質量Ｍに、セル積層方向と直交する方向に数Ｇ〜２０Ｇ程度（Ｇは重力の加速度）の加速度αの衝撃がかかると、セル積層体の端部近傍には、Ｍα／２の剪断力がかかり、この剪断力がばね力×まさつ係数より大となると、セル積層体の端部近傍のモジュール間ですべりが生じて、スタックがばらけてしまう。
２．モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で保持すると、ばね力でＭＥＡや拡散層などのセル構成部材がクリープした時の、スタック端部セルが外部拘束材に対してセル積層方向に移動した時に外部拘束材にひっかかり、セルが損傷するおそれがある。クリープ量を少なくするためにばね力を小さくすると、必要なセル間接触面圧を得ることができなくなる。
特開２００２−１２４２９１号公報

本発明が解決しようとする第１の課題は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることである。
本発明が解決しようとする第２の課題は、（イ）セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時のスタックのばらけと、（ロ）外部拘束材を設けた場合、セル構成部材のクリープによってセルが移動し、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかって生じるセルの損傷である。

本発明の第１の目的は、セル積層体にセル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止できる燃料電池を提供することである。
本発明の第２の目的は、セル積層体にセル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止でき、かつ、外部拘束材を設けた場合でも、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかることがない燃料電池を提供することである。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 単セルを複数積層した多セル集合体と該多セル集合体のセル積層方向両端に配置した端部セルとを含む多セルモジュールを、複数、セル積層方向に直列に積層して構成した燃料電池スタックと、
全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、各多セルモジュールを、該各多セルモジュールの端部セルにてセル積層方向と直交する方向に拘束する拘束シャフトと、
を備え、
前記多セルモジュールの前記端部セルがセル積層方向と直交する方向に延長されて該端部セルに延長部が設けられ、該延長部にて多セルモジュールがセル積層方向と直交する方向に前記拘束シャフトにより拘束され、
前記端部セルが、発電をしないダミーセルであり、
前記端部セルが、前記多セル集合体のセルの形状とほぼ同じ形状の導電性のセパレータ部分と、中央に孔をもち枠状とされた前記延長部とを有し、前記セパレータ部分が前記延長部の前記中央の孔に嵌まり込む凸部を有する、燃料電池。 （２） 前記多セルモジュールの前記端部セルの前記延長部に孔を設け、該孔に拘束シャフトを挿通して多セルモジュールをセル積層方向と直交する方向に拘束した（１）記載の燃料電池。
（３） 前記拘束シャフトが燃料電池スタックの締結シャフトと共通のシャフトである（２）記載の燃料電池。
（４） 隣接する多セルモジュールの端部セル同士が、前記拘束シャフトとは別の連結部材により連結されている（１）記載の燃料電池。
（５） 前記連結部材がクリップである（４）記載の燃料電池。
（６） 前記連結部材がボルトまたはリベットである（４）記載の燃料電池。
（７） 前記連結部材が多セルモジュールの端部セルの延長部に形成された耳を隣接する多セルモジュールの端部セルの延長部を抱き込むように折り曲げたかしめ構造である（４）記載の燃料電池。
（８） 前記端部セルの孔と、該孔を挿通する前記拘束シャフトとは、絶縁部材により互いに電気的に絶縁される（２）記載の燃料電池。
（９） 前記絶縁部材が前記孔に固定されたブッシュである（８）記載の燃料電池。
（１０） 前記ブッシュに該ブッシュの前記孔からの抜けを防止するつば部が設けられている（９）記載の燃料電池。
（１１） 前記絶縁部材が前記拘束シャフトに支持された筒状部材である（８）記載の燃料電池。
（１２） 前記多セルモジュールの前記端部セルをセル積層方向と直交する方向に延長して該端部セルに前記延長部を設け、前記多セルモジュールの両端の端部セルの前記延長部間に、該端部セルの前記延長部のセル積層方向の変形を抑制する変形抑制部材を設けた（１）記載の燃料電池。
（１３） 前記変形抑制部材が弾性体からなる（１２）記載の燃料電池。

上記（１）の燃料電池では、燃料電池スタックを複数の多セルモジュールに分割し、各多セルモジュールを、該各多セルモジュールの端部セルにてセル積層方向と直交する方向に拘束したので、セル積層体の全体の質量をＭ、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、従来、セル積層体全体にＭαの横力が作用しＭα／２の剪断力Ｓがセル積層体の端部のモジュールにかかっていたのに対し、本発明では分割数をｎとすると、各多セルモジュールに作用する横力がＭα／ｎとなり、各多セルモジュールにおける剪断力がＳ／ｎとなり、高Ｇの横方向衝撃に対応可能となる。
また、各多セルモジュールにセル積層方向にかけるばね力は、Ｍα／２の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく、接触抵抗を低くするために必要な力をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができ、クリープ量も減少する。
また、スタックを複数の多セルモジュールに分割したため、ＭＥＡなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック両端のセルに集中することなく、各多セルモジュールに分散され、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量も減少によって、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量も低減する。
また、多セルモジュールをセル積層体の外側から外部拘束部材で保持する構造をとらないので、多セルモジュールのセルが、熱膨張などにより変位したとしても、外部拘束部材にひっかかって割れたりすることがない。
また、多セルモジュールをセル積層体の外側から外部拘束部材で保持する構造をとらないので、外部拘束部材やモジュール枠が不要であり、燃料電池スタックをコンパクトかつ軽量にすることができる。軽量化によって高Ｇの横方向衝撃への対応にさらに有利となる。また、枠が廃止できることで、セルモニター等のセルへの取付けも容易になる。
また、多セルモジュールの端部セルをセル積層方向と直交する方向に延長して該端部セルに延長部を設け、該延長部にて多セルモジュールをセル積層方向と直交する方向に拘束したので、多セルモジュールのセル構成に大幅な設計変更を加える必要がない。

上記（１）の燃料電池では、端部セルをダミーセルとしたので、端部セルを発電性能と無関係に力を受ける構造材としての条件を満たすように設計することができ、横方向衝撃に十分な強度と確実性をもって対応することができる。
上記（１）の燃料電池では、セパレータ部分が前記延長部の前記中央の孔に嵌まり込む凸部を有するので、凸部は隣りの多セルモジュールの端部セルと接触し得る。
上記（２）の燃料電池では、多セルモジュールの端部セルの前記延長部に孔を設け、該孔に拘束シャフトを挿通して多セルモジュールをセル積層方向と直交する方向に拘束したので、多セルモジュールの横方向支持が強度大で、かつ、安定した支持となる。
上記（３）の燃料電池では、拘束シャフトが燃料電池スタックの締結シャフトと共通のシャフトであるため、拘束シャフトとして新たにシャフトを追加して設ける必要がなく、構成の単純化、部品点数の削減をはかることができる。

上記（４）の燃料電池では、隣接する多セルモジュールの端部セル同士が、拘束シャフトとは別の連結部材により連結されているので、多セルモジュールの端部セルに十分な剛性を持たせることができる。そのため、隣接する多セルモジュールの対向端部セル間にシールゴムを挟み込んでスタックに締結荷重をかけても、端部セルがシールゴムと反対側に逃げずに、シールゴムにシール上必要な面圧を与えることができる。また、連結部材を設けたことにより、端部セルの面剛性不足をカバーするための端部セルの板厚増加が不要となり、端部セルの板厚低減、薄肉化、軽量化をはかることができる。これによって、多セルモジュールをさらに軽量化でき、横方向衝撃への対応が容易になる。
上記（５）、（６）、（７）の燃料電池では、連結部材の態様が例示されている。
上記（８）、（９）、（１０）、（１１）の燃料電池では、端部セルの孔と、該孔を挿通する拘束シャフトとは、絶縁部材により互いに電気的に絶縁されるので、端部セルにカーボンセパレータや金属セパレータを用いることができる。端部セルの延長部が樹脂である場合は、孔と拘束シャフト間に絶縁部材を設ける必要はない。
上記（１２）、（１３）の燃料電池では、多セルモジュールの両端の端部セル延長部間に、該端部セル延長部のセル積層方向の変形を抑制する変形抑制部材を設けたので、端部セル延長部が片持ち状態となり強度的に不安定で変形しやすいにもかかわらず、変形抑制部材によって倒れ込み・変形が抑えられ、多セルモジュールの動きを悪くする要因を排除できる。

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図１４、図１５を参照して説明する。図１５の単セルの構成は従来の図１５の単セルの構成に準じる。
図１〜図４は本発明の実施例１を示し、図５〜図７は本発明の実施例２を示し、図８、図９は本発明の実施例３を示し、図１０は本発明の実施例４を示し、図１１は本発明の実施例５を示し、図１２は本発明の実施例６を示し、図１３、図１４は本発明の実施例７を示す。図１５は本発明の何れの実施例にも適用可能である。本発明の全実施例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。

まず、本発明の全実施例に共通する、または類似する部分を、たとえば、図１〜図４、図１５を参照して説明する。
本発明の燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、上下方向でもよいし、水平方向でもよいし、あるいは斜め方向でもよく、任意である。
膜−電極アッセンブリは、図１５に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電製樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、またはこれらの組合せ、の何れであってもよい。
セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。

セパレータ１８には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が貫通している。各種（冷媒、燃料ガス、酸化ガス）流体供給配管からそれぞれのマニホールド２９、３０、３１に各種流体が供給され、それぞれのマニホールド２９、３０、３１の入り側からセルの流路２６、２７、２８に流体が流入し、セルの流路２６、２７、２８から流体がそれぞれのマニホールド２９、３０、３１の出側に流出し、各種流体排出配管から出ていく。スタック２３への各種流体供給配管と各種流体排出配管は、スタック２３のセル積層方向一端側に設けられている。
各種流体流路は、各種流体が互いに混じり合わないよう、また外部にリークしないように、シール材３２、３３によってシールされている。３２はゴムシール（ゴムガスケットともいう）であり、３３は接着剤シールである。

ＭＥＡをセパレータ１８で挟んで単セル１９を構成し、複数のセル１９（たとえば、５〜３０のセル、望ましくは１０〜３０セル）を積層し必要に応じてセル同士を接着剤３３にて接着した多セル集合体（マルチセル集合体）４１と該マルチセル集合体４１の両端に配置された端部セル４２とから多セルモジュール（マルチセルモジュール）４０を構成する。図３、図４は多セルモジュール４０を示す。マルチセル集合体４１において、セル１９同士をゴムシール３２に代えて接着剤シール３３で接着した場合は、多セル集合体４１が一体となる。セル同士間をゴムシール３２でシールした場合は、多セル集合体４１は各セルに分離できる。
そして、図１に示すように、多セルモジュール４０をセル積層方向に直列に配置し、直列配置された複数の多セルモジュール４０の、セル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、直列に配置された複数の多セルモジュール４０をセル積層方向に締め付け、多セルモジュール４０の外側で全多セルモジュール４０にわたってセル積層方向に延びる外側部材２４と、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
外側部材２４は、たとえば、複数（４本以上、望ましくは６本以上、たとえば、１０本）の締結シャフトからなり、図１４に示した従来のテンションプレート２４の役割を兼ねるので、締結シャフトの符号はテンションプレートと同じく「２４」とする。

これによって、隣接する多セルモジュール４０は、各多セルモジュール４０の端部セル４２部位で、外側部材２４（「接続部材」、あるいは、「締結シャフト」ともいう）で接続される。
本発明の燃料電池１０は、単セルを、複数、セル厚み方向に直列に、積層して構成した多セルモジュール４０を、複数、直列に積層して燃料電池スタック２３を構成してある。複数の多セルモジュールの各多セルモジュール４０は、複数のセルを積層した多セル集合体４１と、多セル集合体４１の両端の端部セル４２と有する。そして、各多セルモジュール４０は、端部セル４２にて、セル積層方向と直交する方向に拘束してある。
両端の端部セル４２の間に、セル同士を接着剤にて接着した一体型の多セル集合体４１を配置するとともに、多セル集合体４１と端部セル４２とを接着剤にてシール接着する。端部セル４２は、発電をしないダミーセルとしてもよいし、あるいは発電を行う発電セルとしてもよい。端部セル４２を、発電をしないダミーセルとした場合は、端部セル４２は力を受ける構造部材として設計される。

多セルモジュール４０の端部セル４２はセル積層方向と直交する方向に延長されて端部セル４２に延長部４２ａ（「延長部」は「フランジ部分」と言ってもよい）が設けられている。多セルモジュール４０は、該多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａにてセル積層方向と直交する方向に拘束される。
端部セル４２は、多セル集合体４１のセルの形状とほぼ同じ形状の導電性のセパレータ部分４２ｂと、中央に孔４２ｃをもつ枠状の延長部４２ａとを有していてもよい。セパレータ部分４２ｂは延長部４２ａの孔４２ｃに嵌まり込む凸部４２ｄを有する。凸部４２ｄの高さは延長部４２ａの孔４２ｃの縁部の厚さと等しい。これによって、凸部４２ｄは隣りの多セルモジュール４０の端部セル４２のセパレータと接触し得る。枠状の延長部４２ａとセパレータ部分４２ｂには、燃料ガス、酸化ガス、冷媒の各マニホールド２９、３０、３１が形成されている。

延長部４２ａとセパレータ部分４２ｂとは一体であってもよいし、図３、図４に示すように別体に形成されてセパレータ部分４２ｂが延長部４２ａにはめ込まれてシール接着されたものであってもよい。
延長部４２ａがセパレータ部分４２ｂと一体に形成される場合は、延長部４２ａもセパレータ部分４２ｂと同様に導電性を有するが、延長部４２ａがセパレータ部分４２ｂと別体に形成される場合は、延長部４２ａは導電性を有する材料から構成されてもよいし、あるいは、樹脂のように導電性を有さない材料から構成されてもよい。
また、延長部４２ａは、図３、図４に示すように、セル積層方向に、セパレータ部分４２ｂよりも厚く形成されて剛性が高められていてもよいし、あるいはセパレータ部分４２ｂと同じ厚さであってもよい。

多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａに、延長部４２ａをセル積層方向に貫通する孔４３が、複数、形成されている。孔４３は、たとえば端部セル４２の延長部４２ａの４隅に形成されている。孔４３の数は、４個以上で、望ましくは６個以上、さらに望ましくは８個以上であり、たとえば、１０個である。１０個設けられる場合は、たとえば、端部セル４２の延長部４２ａの矩形の長辺に、上に５個、下に５個設けられるといった具合である。
端部セル４２の延長部４２ａの孔４３に拘束シャフト２４を挿通して多セルモジュール４０をセル積層方向と直交する方向に拘束する。

拘束シャフト２４は、燃料電池スタック２３の締結シャフト２４と共通のシャフトであってもよい。図１は、拘束シャフト２４が、燃料電池スタック２３の締結シャフト２４と共通のシャフトである場合を示している。燃料電池スタック２３の締結シャフト２４は燃料電池スタック２３の両端のエンドプレート２２間にわたって延びている。この締結シャフト２４を用いて、特別に他の拘束シャフトを設けることなく、各多セルモジュール４０をセル積層方向と直交する方向に拘束する。拘束シャフト２４は、孔４３内を摺動してもよい。

つぎに、本発明の燃料電池の、全実施例にわたって共通する部分の作用、効果を説明する。
燃料電池スタック２３を複数の多セルモジュール４０に分割し、各多セルモジュール４０を、該各多セルモジュール４０の端部セル４２にてセル積層方向と直交する方向に拘束したので、セル積層体の全体の質量をＭ、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、従来、セル積層体全体にＭαの横力が作用しＭα／２の剪断力Ｓがセル積層体の端部のモジュールにかかっていたのに対し、本発明では分割数をｎとすると、各多セルモジュール４０に作用する横力がＭα／ｎとなり、各多セルモジュール４０における剪断力が最大Ｓ／ｎとなり、高加速度の横方向衝撃に対応可能となる。

また、各多セルモジュール４０にセル積層方向にかけるばね力は、従来の必要であったＭα／２の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく（Ｍα／（２ｎ）の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力でよい）、セル間接触抵抗（通電抵抗）を低くするために必要な力（この力は、（Ｍα／（２ｎ）の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせる力よりは大きい）をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができる。また、ばね力低減に伴ってＭＥＡや接着剤シール等のクリープ量も減少する。

また、スタック２３を複数の多セルモジュール４０に分割したため、ＭＥＡなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック２３の両端のセルに集中することなく、各多セルモジュール４０に分散され、各多セルモジュール４０の各セルのセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量の減少によって、各多セルモジュール４０のセルのセル積層方向の変位量も低減する。

また、多セルモジュール４０をセル積層体の外側から外部拘束部材（たとえば、図１４でテンションプレートとセル積層体との間にスポンジゴムを挿入してセル積層体を外部拘束するような構造）で保持する構造をとらないので、多セルモジュール４０のセルが、熱膨張などにより変位したとしても、外部拘束部材にひっかかって割れたり曲がったりすることがない。

また、多セルモジュール４０をセル積層体の外側から外部拘束部材で保持する構造をとらないので、外部拘束部材やモジュール枠（たとえば、セル積層体をモジュール枠で覆ってそれを外部拘束部材で拘束するような場合におけるモジュール枠）が不要であり、燃料電池スタック２３をセル積層方向と直交する方向に、外部拘束部材やモジュール枠の厚み分、コンパクトかつ軽量にすることができる。この軽量化によって高加速度の横方向衝撃への対応がさらに有利となる。また、上記のモジュール枠が廃止できることで、セルモニター等のセルへの取付けも容易になる。モジュール枠を設けた場合は、モジュール枠に孔を設けてその孔を通してセルモニターをセルに固定しなければならず、構造、作業が複雑になる。

端部セル４２をダミーセルとした場合は、発電性能と無関係に、端部セル４２を、力を受ける構造材として設計することができ、横方向衝撃に十分な強度と確実性をもって対応することができる。
多セルモジュール４０の端部セル４２をセル積層方向と直交する方向に延長して該端部セル４２に延長部４２ａを設け、該延長部４２ａにて多セルモジュール４０をセル積層方向と直交する方向に拘束したので、多セルモジュール４０のセル構成を従来と同じ構成とすることができ、セル構成に大幅な設計変更を加える必要がない。

多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａに孔４３を設け、該孔４３に拘束シャフト２４を挿通して多セルモジュール４０をセル積層方向と直交する方向に拘束したので、端部セル４２と拘束シャフト２４が一種の梯子状フレームを構成し、多セルモジュール４０の横方向支持が強度大で、かつ、安定した支持となる。
また、拘束シャフト２４が燃料電池スタックの締結シャフト２４と共通のシャフトであるため、拘束シャフトとして新たにシャフトを追加して設ける必要がなく、構成の単純化、部品点数の削減をはかることができる。

つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１〜図４に示すように、多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａは樹脂材にて構成され、セパレータ部分４２ｂはステンレスにて構成される。延長部４２ａに形成される孔４３は矩形枠状の延長部４２ａの４隅に設けられている。
多セルモジュール４０の多セル集合体４１のセルは互いに接着剤３３にてシール接着される。多セル集合体４１のセルと端部セル４２とは互いに接着剤３３にてシール接着される。隣接する多セルモジュール４０と多セルモジュール４０との間のシールはシールゴム３２である。
締結シャフト２４が拘束シャフトとして延長部４２ａに形成される孔４３を挿通し、多セルモジュール４０をセル積層方向と直交する方向に拘束する。端部セル４２は延長部４２ａが樹脂材であるため、締結シャフト２４とは絶縁されており、特別な電気絶縁構造は不要である。
その他の構成は前述の本発明の全実施例に共通する構成に準じる。

本発明の実施例１の作用・効果については、セル積層方向を車両左右方向にして車両に搭載した燃料電池で、車両が衝突した際の外力は、端部セル４２に入るため、直接多セルモジュールのセルには力は働かない。端部セル４２に挟まれた内側セルには慣性力のみが働く。モジュール単位のセル枚数を小さくすることで、たとえば２０枚程度（５〜３０枚程度の一例）とすることで、慣性力が低減でき、接着剤３３による接着のみで十分固定が可能である。端部セル４２間は摩擦力ですべらないようになっているが、その力を越えるとシャフト２４の拘束力で押さえる。
その他の作用・効果は前述の本発明の全実施例に共通する作用・効果に準じる。

〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図５〜図７に示すように、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士が、拘束シャフト２４とは別の連結部材５０により連結されている。本発明の実施例２では、連結部材５０はクリップ５０Ａである。クリップ５０Ａはばね性を有していてもよいし、あるいは有していなくてもよい。

本発明の実施例２の作用・効果については、隣接する多セルモジュール４０間の締結は、スタック端部のばねのばね荷重により押さえられ、多セルモジュール４０間のマニホールドまわりはシールゴム３２によってシールされるが、多セルモジュール４０の各セル間が全部接着シール構造の場合、シールゴム３２に隣接する部分に接着剤層が存在すると端部セル４２が撓むので、端部セル４２に十分な剛性が無いと、端部セル４２同士が開く方向に逃げて、シールゴム３２に必要な面圧を与えられない。
しかし、本発明の実施例２では、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士を、延長部４２ａの端で、クリップ５０Ａで押さえることにより、十分なシール面圧をシールゴム３２に与えることができるようになる。クリップ５０Ａによって、端部セル４２の面剛性不足をカバーすることができ、端部セル４２の板厚の低減をはかることができ、薄肉化によって、軽量化をはかることができる。

〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図８、図９に示すように、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士が、拘束シャフト２４とは別の連結部材５０により連結されている。本発明の実施例３では、連結部材５０はボルト５０Ｂやリベットである。

本発明の実施例３の作用・効果については、多セルモジュール４０がセル間が全部接着シール構造の場合、シールゴム３２に隣接する部分に接着剤層が存在すると端部セル４２が撓むので、端部セル４２に十分な剛性が無いと、シールゴム３２に必要な面圧を与えられない。
しかし、本発明の実施例３では、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士を、延長部４２ａの端で、ボルト５０Ｂやリベットで押さえることにより、十分なシール面圧をシールゴム３２に与えることができるようになる。ボルト５０Ｂやリベットによって、端部セル４２の面剛性不足をカバーすることができ、端部セル４２の板厚の低減をはかることができ、薄肉化によって、軽量化をはかることができる。

〔実施例４〕
本発明の実施例４では、図１０に示すように、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士が、締結シャフト２４とは別の連結部材５０により連結されている。締結シャフト２４と連結部材５０の両方が用いられてもよいし、連結部材５０のみで連結されてもよい。本発明の実施例４では、連結部材５０は多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａに形成された耳５０Ｃであり、この耳５０Ｃを隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２の延長部４２ａを抱き込むように折り曲げてかしめる。かしめた後にかしめ部にスポット溶接を施すとより強固になる。

本発明の実施例４の作用・効果については、多セルモジュール４０がセル間が全部接着シール構造の場合、シールゴム３２に隣接する部分に接着剤層が存在すると端部セル４２が撓むので、端部セル４２に十分な剛性が無いと、シールゴム３２に必要な面圧を与えられない。
しかし、本発明の実施例４では、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士を、かしめ構造により、またはかしめ構造と溶接構造により押さえることにより、十分なシール面圧をシールゴム３２に与えることができるようになる。ボルト５０Ｂやリベットによって、端部セル４２の面剛性不足をカバーすることができ、端部セル４２の板厚の低減をはかることができ、薄肉化によって、軽量化をはかることができる。

〔実施例５〕
本発明の実施例５では、図１１に示すように、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２が、カーボンプレートやメタルプレートなどの導電性材料から構成されていて、端部セル４２の孔４３に拘束シャフト２４が挿通している場合、端部セル４２の孔４３と、該孔４３を挿通する拘束シャフト２４とは、絶縁部材５１により互いに電気的に絶縁される。
絶縁部材５１は、孔４３に固定された絶縁性樹脂ブッシュ５１Ａからなる。「ブッシュ」は「グロメット」である場合を含む。ブッシュ５１Ａの厚さａは、使用する電圧環境に応じて決定する。
ブッシュ５１Ａは一端にブッシュの径方向に拡がるつば部５２が設けられており、端部セル４２には孔４３まわりにつば部５２を雌雄の関係で受け入れる段差状凹部５３が形成されている。隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２に、つば部５２を段差状凹部５３に嵌めてブッシュ５１Ａを装着し、つば部５２を対向させた状態で隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２同士を連結部材にて連結する。

本発明の実施例５の作用・効果については、ブッシュ５１Ａを設けたので、シャフト２４とセルの短絡を防止することができる。これによって、端部セル４２の延長部４２ａをセルのカーボンセパレータやメタルセパレータ自体を延長することにより形成することが許され、延長部４２ａをセパレータ部分４２ｂとは別に樹脂から形成する場合に比べて、構造の単純化をはかることができる。

〔実施例６〕
本発明の実施例６では、図１２に示すように、隣接する多セルモジュール４０の端部セル４２が、カーボンプレートやメタルプレートなどの導電性材料から構成されていて、端部セル４２の孔４３に拘束シャフト２４が挿通している場合、端部セル４２の孔４３と、該孔４３を挿通する拘束シャフト２４とは、絶縁部材５１により互いに電気的に絶縁される。
絶縁部材５１は、締結シャフト２４に被せられた絶縁性樹脂パイプ５１Ｂからなる。「パイプ」は締結シャフト２４に施された絶縁コーティングで置き換えられてもよい。樹脂パイプ５１Ｂの厚さａは、使用する電圧環境に応じて決定する。

本発明の実施例６の作用・効果については、樹脂パイプ５１Ｂを設けたので、シャフト２４とセルの短絡を防止することができる。これによって、端部セル４２の延長部４２ａをセルのカーボンセパレータやメタルセパレータ自体を延長することにより形成することが許され、延長部４２ａをセパレータ部分４２ｂとは別に樹脂から形成する場合に比べて、構造の単純化をはかることができる。

〔実施例７〕
本発明の実施例７では、図１３（実施例７の第１の構造を示す）、図１４（実施例７の第２の構造を示す）に示すように、多セルモジュール４０の端部セル４２をセル積層方向と直交する方向に延長して該端部セル４２に延長部４２ａが設けられる。そして、各多セルモジュール４０のセル積層方向の両端の端部セル４２延長部４２ａ間に、該端部セル延長部４２ａのセル積層方向の変形を抑制する変形抑制部材５４が設けられている。
変形抑制部材５４は弾性体からなる。

本発明の実施例７の第１の構造では、図１３に示すように、多セルモジュール４０のセル積層方向両端の端部セル４２の延長部４２ａは、セル積層方向に、互いに近づく方向にセパレータ部分４２ｂから突出しており、各延長部４２ａには大径孔５５ａと小径孔５５ｂとを有する段付き貫通孔５５が形成されている。２つの延長部４２ａの段付き貫通孔５５は、大径孔５５ａが小径孔５５ｂより、多セルモジュール４０のセル積層方向内側に位置する。多セルモジュール４０のセル積層方向両端の端部セル４２は、電気絶縁性のある円筒状のカラー５６と、電気絶縁性のある、環状で、かつ、環状と直交する方向に変位するように波うつ、ウエーブワッシャ５７を挟んでいる。ウエーブワッシャ５７が弾性体の変形抑制部材５４を構成している。カラー５６は、ウエーブワッシャ５７を挿通している。カラー５６の一端部は、多セルモジュール４０のセル積層方向一端の端部セル４２の延長部４２ａに形成された段付き貫通孔５５の大径孔５５ａに嵌入しており、カラー５６の他端部は、多セルモジュール４０のセル積層方向他端の端部セル４２の延長部４２ａに形成された段付き貫通孔５５の大径孔５５ａに嵌入している。ウエーブワッシャ５７は多セルモジュール４０のセル積層方向両端の端部セル４２の延長部４２ａの端面間に位置しており、段付き貫通孔５５には嵌入していない。拘束シャフト２４がカラー５６を挿通している。

本発明の実施例７の第２の構造は、図１４に示すように、本発明の実施例７の第１の構造のウエーブワッシャ５７をゴム系のカラー５８に置き換えた構造を有するものからなる。この場合は、ゴム系のカラー５８が弾性体の変形抑制部材５４を構成している。段付き貫通孔５５とその大径孔５５ａおよび小径孔５５ｂ、カラー５６、拘束シャフト２４は、本発明の実施例７の第１の構造における段付き貫通孔５５とその大径孔５５ａおよび小径孔５５ｂ、カラー５６、拘束シャフト２４と同じ構造である。

本発明の実施例７の作用・効果は、つぎの通りである。
端部セル４２の延長部４２ａは、多セル集合体（マルチセル集合体）４１からセル積層方向と直交する方向に突出しており、多セル集合体（マルチセル集合体）４１部分（セパレータ部分４２ｂ）に対して片持ち状態となり、多セルモジュール４０のセル積層方向内側方向に倒れやすく、変形しやすいので、強度的に不安定である。端部セル４２の延長部４２ａが多セルモジュール４０のセル積層方向内側方向に倒れたり変形すると、貫通孔５５の角部が拘束シャフト２４に当たって摺動の抵抗となりやすい。また、延長部４２ａが多セルモジュール４０のセル積層方向内側方向に倒れたり変形すると、多セルモジュール４０間のシールゴム３２に必要な面圧を与えられない。

しかし、本発明の実施例７の第１の構造および第２の構造では、多セルモジュール４０の両端の端部セル延長部４２ａ間に、該端部セル延長部４２ａのセル積層方向の変形（多セルモジュール４０のセル積層方向内側への変形）を抑制する変形抑制部材５４を設けたので、端部セル延長部４２ａが片持ち状態となり強度的に不安定で変形しやすいにもかかわらず、変形抑制部材５４によって端部セル延長部４２ａの倒れ込み・変形が抑えられ、多セルモジュール４０の動きを悪くする要因を排除できる。
また、変形抑制部材５４を弾性体としたので、端部セル延長部４２ａをある荷重まで支えることができるようにし、それ以上の荷重、たとえば熱膨張を拘束する荷重は逃がすことができる。これによって、無理なく、端部セル延長部４２ａの倒れ込み・変形が抑えられる。

本発明の実施例１の燃料電池のスタックの断面図である。 本発明の実施例１の燃料電池の多セルモジュールの斜視図である。 本発明の実施例１の燃料電池の多セルモジュールの一端の端部セルの分解斜視図である。 本発明の実施例１の燃料電池の多セルモジュールの分解斜視図である。 本発明の実施例２の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、連結部材であるクリップを含む側面図である。 本発明の実施例２の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、連結部材であるクリップを含む正面図である。 シールゴムと接着剤層との関係を示す、図５の一部の側面図である。 本発明の実施例３の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、連結部材であるボルトまたはリベットを含む側面図である。 図８のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施例４の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、連結部材である「かしめ耳」を含む側面図である。 本発明の実施例５の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、絶縁部材であるブッシュを含む断面図である。 本発明の実施例６の燃料電池の隣接する多セルモジュールの、絶縁部材である樹脂パイプを含む断面図である。 本発明の実施例７の第１の構造に係る燃料電池の隣接する多セルモジュールの、変形抑制部材を含む断面図である。 本発明の実施例７の第２の構造に係る燃料電池の隣接する多セルモジュールの、変形抑制部材を含む断面図である。 燃料電池のセルの断面図である。 従来の燃料電池のスタックの断面図である。

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結シャフト（拘束シャフト）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ シール材（ゴムガスケット）
３３ シール材（接着剤）
３４ ばね
３５ 首振り部
３６ 調整ねじ
４０ 多セルモジュール（マルチセルモジュール）
４１ 多セル集合体（マルチセル集合体）
４２ 端部セル
４２ａ 延長部
４２ｂ セパレータ部分
４２ｃ 孔
４２ｄ 凸部
４３ 孔
５０ 連結部材
５０Ａ クリップ
５０Ｂ ボルトまたはリベット
５０Ｃ かしめの耳
５１ 絶縁部材
５１Ａ 樹脂ブッシュ
５１Ｂ 樹脂パイプ
５２ つば部
５３ 段差状凹部
５４ 変形抑制部材
５５ 段付き貫通孔
５５ａ 大径孔
５５ｂ 小径孔
５６ カラー
５７ ウエーブワッシャ
５８ ゴム系カラー

Claims (13)

1. 単セルを複数積層した多セル集合体と該多セル集合体のセル積層方向両端に配置した端部セルとを含む多セルモジュールを、複数、セル積層方向に直列に積層して構成した燃料電池スタックと、
   全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、各多セルモジュールを、該各多セルモジュールの端部セルにてセル積層方向と直交する方向に拘束する拘束シャフトと、
   を備え、
   前記多セルモジュールの前記端部セルがセル積層方向と直交する方向に延長されて該端部セルに延長部が設けられ、該延長部にて多セルモジュールがセル積層方向と直交する方向に前記拘束シャフトにより拘束され、
   前記端部セルが、発電をしないダミーセルであり、
   前記端部セルが、前記多セル集合体のセルの形状とほぼ同じ形状の導電性のセパレータ部分と、中央に孔をもち枠状とされた前記延長部とを有し、前記セパレータ部分が前記延長部の前記中央の孔に嵌まり込む凸部を有する、燃料電池。
2. 前記多セルモジュールの前記端部セルの前記延長部に孔を設け、該孔に拘束シャフトを挿通して多セルモジュールをセル積層方向と直交する方向に拘束した請求項１記載の燃料電池。
3. 前記拘束シャフトが燃料電池スタックの締結シャフトと共通のシャフトである請求項２記載の燃料電池。
4. 隣接する多セルモジュールの端部セル同士が、前記拘束シャフトとは別の連結部材により連結されている請求項１記載の燃料電池。
5. 前記連結部材がクリップである請求項４記載の燃料電池。
6. 前記連結部材がボルトまたはリベットである請求項４記載の燃料電池。
7. 前記連結部材が多セルモジュールの端部セルの延長部に形成された耳を隣接する多セルモジュールの端部セルの延長部を抱き込むように折り曲げたかしめ構造である請求項４記載の燃料電池。
8. 前記端部セルの孔と、該孔を挿通する前記拘束シャフトとは、絶縁部材により互いに電気的に絶縁される請求項２記載の燃料電池。
9. 前記絶縁部材が前記孔に固定されたブッシュである請求項８記載の燃料電池。
10. 前記ブッシュに該ブッシュの前記孔からの抜けを防止するつば部が設けられている請求項９記載の燃料電池。
11. 前記絶縁部材が前記拘束シャフトに支持された筒状部材である請求項８記載の燃料電池。
12. 前記多セルモジュールの前記端部セルをセル積層方向と直交する方向に延長して該端部セルに前記延長部を設け、前記多セルモジュールの両端の端部セルの前記延長部間に、該端部セルの前記延長部のセル積層方向の変形を抑制する変形抑制部材を設けた請求項１記載の燃料電池。
13. 前記変形抑制部材が弾性体からなる請求項１２記載の燃料電池。

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