JP5434033B2

JP5434033B2 - 燃料電池スタックケースおよび燃料電池スタックの固定方法

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Publication number: JP5434033B2
Application number: JP2008256664A
Authority: JP
Inventors: 晋一平野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: JP2010086871A

Description

本発明は、燃料電池スタックケースおよび燃料電池スタックの固定方法に関する。

燃料電池スタックは、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなり、アセンブリ積層方向の形状変化を吸収しかつスタック構成部品の面圧を均一に維持するための変位吸収機構を有し、温度変化による変形や生成水による反応膜の膨潤変形による影響を排除している（例えば、特許文献１および２参照。）。
特開平０６−１５０９４６号公報特開２００２−２６０７１１号公報

しかし、変位吸収機構は、燃料電池の発電に直接寄与しない構成部品であり、かつ、スタック構造に組み込まれている。そのため、高密度の電気エネルギーを出力するために複数のスタックによるモジュール化を図る場合、非反応部である変位吸収機構は、各モジュールに配置する必要があり、体積効率の悪化および製造コストの増加を引き起こす問題を有している。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な体積効率を有しかつ製造コストの上昇を抑制し得る燃料電池スタックケースおよび燃料電池スタックの固定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックが収容されるスタックケースである。前記スタックケースは、前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持するための変位吸収機構と、前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部と、を有する。前記変位吸収機構は、前記スタックケースに一体化されており、かつ、前記アセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばねと、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートと、を有する。前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されている。前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結されている。前記スタックケースは、スタックケース部として、アセンブリ積層方向に直列および／又はアセンブリ積層方向と交差する方向に並列に、複数配置して、組み合わせることも可能である。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックを、スタックケースに固定するための方法である。前記方法においては、前記燃料電池スタックが収容された前記スタックケースに、変位吸収機構を取り付けて一体化して、前記燃料電池スタックを固定している。前記スタックケースは、前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部を有する。前記変位吸収機構は、前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばねを有しており、前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持する。前記変位吸収機構は、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートをさらに有し、前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されており、前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結される。

本発明によれば、変位吸収機構がスタックケースに一体化されており、燃料電池スタックから独立しているため、非反応部である変位吸収機構を、燃料電池スタックの各モジュールに配置する必要はなく、体積効率の向上および製造コストの低減を図ることが可能である。また、スタックケースは、燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部を有しており、押圧部は、蓋部および基部からなり、蓋部と基部の間に燃料電池スタックが配置されており、変位吸収機構が有する板ばねは、アセンブリ積層方向に延長する中間プレートにおけるアセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばねおよび他方の端部に連結される第２板ばねからなり、第１板ばねは、アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、蓋部および基部の一方に連結され、第２板ばねは、アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、蓋部および基部の他方に連結されている。第１板ばねおよび第２板ばねは、アセンブリ積層方向の変位を吸収し、また、アセンブリ積層方向と直交する方向は、第１板ばねおよび第２板ばねが良好な剛性を有する方向であるため、第１板ばねおよび第２板ばねは、アセンブリ積層方向と直交する方向の変形を抑制することができる。つまり、第１板ばねおよび第２板ばねは、弾性変形方向以外の方向においては、良好な剛性を有するため、例えば、積載や固定のために必要とされるスタックケースの剛性を確保することが可能である。したがって、良好な体積効率を有しかつ製造コストの上昇を抑制し得る燃料電池スタックケースおよび燃料電池スタックの固定方法を提供すること可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施形態１に係る燃料電池スタックケースを説明するための断面図、図２は、図１に示される燃料電池スタックを説明するための断面図である。

実施形態１に係る燃料電池スタック１００のスタックケース１１０は、直方体状であり、蓋部（押圧部）１２０、基部（押圧部）１３０および変位吸収機構１５０を有する。燃料電池スタック１００は、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなるスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、燃料電池スタック１００の用途として好ましい。

蓋部１２０および基部１３０は、その間に燃料電池スタック１００が配置され、燃料電池スタック１００のアセンブリ積層方向の端面を支持しており、燃料電池スタック１００に所定の締付荷重（セパレータ１５，１７間の膜電極接合体１４におけるセパレータ１５，１７に相対する面を押し付ける面圧）を均一に付与するために使用される。

変位吸収機構１５０は、アセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、スタック構成部品の面圧を均一に維持するために使用され、剛性を有しかつアセンブリ積層方向Ｚに延長する中間プレート１６０と、アセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばね（第１板ばねと第２板ばね）１７０，１８０を有する。中間プレート１６０は、スタックケース１１０の側壁を構成しており、蓋部１２０および基部１３０の外周の４辺に対応して４個配置されている。なお、変位吸収機構１５０は、スタックケース１１０の各辺の側壁に複数配置することも可能である。

板ばね１７０は、中間プレート１６０の上端部から水平方向（アセンブリ積層方向と交差（直交）する方向）に延長し、上方の蓋部１２０の外周の１辺と連結している。板ばね１８０は、中間プレート１６０の下端部から水平方向に延長し、下方の基部１３０の外周の１辺と連結している。したがって、変位吸収機構１５０は、片持ちはり構造の直列と並列の組み合わせ（片持ちはり構造の４個直列が２個並列された組み合わせ）を有している。

変位吸収機構１５０は、上記のように、燃料電池スタック１００が収容されたスタックケース１１０に取り付けて一体化されて、燃料電池スタック１００を固定しており、燃料電池スタック１００におけるアセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、スタック構成部品の面圧を均一に維持している。したがって、変位吸収機構１５０は、燃料電池スタック１００から独立しているため、非反応部である変位吸収機構１５０を、燃料電池スタック１００の各モジュールに配置する必要はなく、体積効率の向上および製造コストの低減を図ることが可能である。また、変位吸収機構１５０が有する板ばねは、弾性変形方向以外の方向においては、良好な剛性を有するため、例えば、積載や固定のために必要とされるスタックケース１１０の剛性を確保することが可能である。

また、板ばね１７０，１８０が連結される中間プレート１６０は、剛性を有するため、アセンブリ積層方向と交差する水平方向の変形を抑制することができる。また、中間プレート１６０は、スタックケース１１０の側壁を構成しており、変位吸収機構１５０とスタックケース１１０とを高度に一体化することができる。

さらに、変位吸収機構１５０は、スタックケース１１０の各辺の側壁に少なくとも１つ配置されているため、スタックケース１１０が水平方向に変形しようする場合、当該変形は、隣接する変位吸収機構１５０の剛性が互いに補完し合うことで抑制される。つまり、スタックケースの水平ずれ変形を防止することができる。

なお、燃料電池スタック１００のスタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板等のガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。

エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート７０は、燃料ガスである水素を流通させるため水素導入口および水素排出口、酸化剤ガスである空気（酸素）を流通させるための空気導入口および空気排出口、冷却液を流通させるための冷却液導入口および冷却液排出口を有する。

図２は、図１に示される燃料電池スタックを説明するための断面図である。

スタック部２０は、単セルを構成するアセンブリ１０を複数積層した積層体を有する。アセンブリ１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）１４を一対のセパレータ１５，１７によって挟持してなる。膜電極接合体１４、セパレータ１５およびセパレータ１７の間における外周縁部には、シール材（不図示）が配置されている。

膜電極接合体１４は、セパレータ１５，１７と略同一形状であり、電解質膜１１、電解質膜１１を挟んで配置されるカソード電極（空気極）１２およびアノード電極（燃料極）１３を有する。カソード電極１２は、カソード触媒層およびガス拡散層を有し、アノード電極１３は、アノード触媒層およびガス拡散層を有する。電解質膜１１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。

セパレータ１５，１７は、略矩形であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。また、セパレータ１５，１７の素材として、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。

セパレータ１５は、カソード用であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１７に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、カソード電極１２に相対して配置される。

カソード電極１２に相対する凹凸部の内面と、カソード電極の表面により形成される空間Ｓ_１は、空気を流通させるための流路を構成し、空気用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される空気導入口および空気排出口に、接続されている。

セパレータ１７は、アノード用であり、セパレータ１５と略同一形状であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１５に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、アノード電極１３に相対して配置される。

アノード電極１３に相対する凹凸部の内面と、アノード電極１３の表面により形成される空間Ｓ_２は、水素を流通させるための流路を構成し、水素用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される水素導入口および水素排出口に、接続されている。

アノード電極１３に相対する凹凸部の外面と、隣接する別のアセンブリ１０のセパレータ１５の外面により形成される空間Ｓ_３は、冷却液を流通させるための流路（冷却液循環経路）を構成し、冷却液用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される冷却液導入口および冷却液排出口に、接続されている。

次に、変位吸収機構１５０を詳述する。

図３は、図１に示される燃料電池スタックの変形方向を説明するための斜視図、図４は、図１に示される変位吸収機構における板ばねの変形方向を説明するための斜視図である。

変位吸収機構１５０の板ばね１７０，１８０は、剛性に方向性を有する。例えば、図４に示されるように、幅方向Ｗおよび長さ方向Ｌに関しては、良好な剛性を有するが、厚さ方向Ｄに関しては、剛性が相対的に弱く、変形（屈曲）し易い。したがって、板ばね１７０，１８０の厚さ方向Ｄ、幅方向Ｗおよび長さ方向Ｌが、燃料電池スタック１００のアセンブリ積層方向Ｚ、水平方向（Ｘ，Ｙ方向）と一致するように、変位吸収機構１５０の板ばね１７０，１８０は、配置されている。つまり、板ばね１７０，１８０の弾性変形方向を、アセンブリ積層方向Ｚと一致させている。

したがって、図３に示されるように、燃料電池スタック１００の温度が、例えば、使用環境に応じて変化する場合、セパレータ１５，１７などの構成部品の熱膨張あるいは熱収縮に基づいて、アセンブリ積層方向Ｚに伸縮するが、板ばね１７０，１８０によって変位が吸収されるため、締付荷重（セパレータ１５，１７間の膜電極接合体１４におけるセパレータ１５，１７に相対する面を押し付ける面圧）が維持され、伸縮の影響は排除される。一方、アセンブリ積層方向Ｚと交差（直交）する水平方向は、板ばね１７０，１８０が良好な剛性を有する方向であるため、水平方向の変形は、抑制され、積層ズレなどの発生によるシール不良等の燃料電池の劣化が防止される。

図５は、図１に示される変位吸収機構を説明するための断面図、図６、図７および図８は、図５に示される変位吸収機構における回転方向の剛性向上を説明するための概念図であり、板ばねの変形、中間プレートの機能および回転方向の抑制を示している。

図６に示されるように、板ばね１７０が変形する場合、中間プレート１６０は、アセンブリ積層方向Ｚおよび水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動しようとする（図６参照）。しかし、中間プレート１６０の上端部および下端部は、板ばね１７０および板ばね１８０が連結されているため、アセンブリ積層方向Ｚの移動を許容するが、積層ズレなどを発生させる水平方向の移動が抑制される（図７参照）。また、板ばね連結構造が２重になっているため、回転方向Ｒの移動が抑制され、回転方向Ｒの剛性が向上することとなる（図８参照）。

図９は、片持ちはりのたわみ量を説明するための概念図、図１０は、板ばねのたわみ量を説明するための断面図、図１１は、変位吸収機構のたわみ量を説明するための断面図、図１２は、板ばねの固定方法を説明するための断面図である。

図９に示される片持ちはりのように、棒の一方を固定し、棒の他方に荷重を付加する場合、荷重は全て棒の先端にかかると仮定される。そのため、棒の長さをａ、断面２次モーメントをＩ、ヤング率をＥ、荷重（力）をＰで表すと、たわみ量ｖは、式ｖ＝（Ｐ・ａ^３）／（３・Ｅ・Ｉ）で表される。また、断面２次モーメントＩは、棒の断面形状により決定される。一方、変位吸収機構に係る板ばねは、断面が矩形状であり、図１０に示されるように、板ばねの幅をｂ、板ばねの厚さをｈで表すと、板ばねの断面２次モーメントＩは、式Ｉ＝（ｂ・ｈ^３）／１２で表される。

変位吸収機構１５０は、片持ちはり構造の４個直列が２個並列された組み合わせに相当しており、その変位量ｖ’は、構成要素である片持ちはり構造のたわみ量ｖの２倍である。つまり、直列に注目すると、片持ちはり構造が４個に相当し、ばね定数の４分の１となるため、変位量ｖ’’は、４・ｖによって算出される。並列に注目すると、ばね定数の２倍となるため、変位吸収機構の変位量ｖ’は、変位量ｖ’’の２分の１となる。つまり、変位量ｖ’は、式ｖ’＝ｖ’’／２＝２・ｖで表される。なお、ばね定数は、ばねに負荷（荷重）を加えたときの、荷重を伸び（変位量）で割った比例定数である。

アセンブリ積層方向Ｚに関する変位吸収機構１５０の変位量ｖ’は、例えば、常温時を基準として、２ｍｍ（動作時）〜−２ｍｍ（寒冷地）の範囲に収まるように設定される。したがって、荷重Ｐ（図１１参照）として、所定の締付荷重（セパレータ１５，１７間の膜電極接合体１４におけるセパレータ１５，１７に相対する面を押し付ける面圧）を代入することで、板ばね１７０，１８０の仕様を特定することが可能である。

また、変位吸収機構１５０による締付荷重およびたわみ量を正確に管理するためには、板ばね１７０，１８０の端部は、例えば、図１２に示されるように、ピン１９０を圧入することで、被連結部材（蓋部１２０、基部１３０および中間プレート１６０）に連結することが好ましい。この場合、板ばね１７０，１８０は、そのばね定数を正確に発揮することができる。なお、連結はボルト締結を適用することも可能である。

図１３および図１４は、実施形態１に係る変形例１および２を説明するための断面図である。

スタックケース１１０は、単独で使用する形態に限定されず、複数のスタックケースを、アセンブリ積層方向に直列および／又はアセンブリ積層方向と交差する方向に並列に配置することも可能である。

例えば、図１３に示されるように、スタックケース（スタックケース部）１１０Ａを、連結部１４０を介してアセンブリ積層方向に直列連結することも可能である。この場合、アセンブリ数量に対応して柔軟な設計が可能となり、例えば、アセンブリ数が少ない場合や多い場合であっても、容易に対応することが可能となる。なお、連結部１４０は、下方のスタックケース（スタックケース部）１１０Ａの蓋部と、隣接する上方のスタックケース（スタックケース部）１１０Ａの基部とを兼用（共有）しているが、直列連結のための構成は、特に、この形態に限定されない。

また、図１４に示されるように、スタックケース（スタックケース部）１１０Ｂを水平方向に並列連結することも可能である。この場合も、図１３に示される変形例１の場合と同様に、アセンブリ数量に対応して柔軟な設計が可能となる。なお、蓋部１２０Ａおよび基部１３０Ａは、隣接するスタックケース１１０Ｂ同士で、共有しているが、並列連結のための構成は、特に、この形態に限定されない。

以上のように、実施形態１においては、変位吸収機構１５０がスタックケース１１０に一体化されており、燃料電池スタック１００から独立しているため、非反応部である変位吸収機構１５０を、燃料電池スタック１００の各モジュールに配置する必要はなく、体積効率の向上および製造コストの低減を図ることが可能である。また、変位吸収機構１５０が有する板ばねは、弾性変形方向以外の方向においては、良好な剛性を有するため、例えば、積載や固定のために必要とされるスタックケース１１０の剛性を確保することが可能である。したがって、良好な体積効率を有しかつ製造コストの上昇を抑制し得る燃料電池スタックケースおよび燃料電池スタックの固定方法を提供すること可能である。

また、ばね１７０，１８０が連結される中間プレート１６０は、剛性を有するため、アセンブリ積層方向Ｚと交差する水平方向（ＸＹ方向）の変形を抑制することができる。また、中間プレート１６０は、スタックケース１１０の側壁を構成しており、変位吸収機構１５０とスタックケース１１０とを高度に一体化することができる。

一方、スタックケース１１０は、単独で使用する形態に限定されず、複数のスタックケースを、アセンブリ積層方向に直列および／又はアセンブリ積層方向と交差する方向に並列に配置することができる。例えば、変形例１のように、スタックケース（スタックケース部）１１０をアセンブリ積層方向に直列連結したり、変形例２のように、水平方向に並列連結したりすることも可能である。この場合、アセンブリ数量に対応して柔軟な設計が可能となり、例えば、アセンブリ数が少ない場合や多い場合であっても、容易に対応することができる。

次に、実施形態２を説明する。

図１５は、実施形態２に係る燃料電池スタックケースを説明するための断面図、図１６は、図１５に示される燃料電池スタックケースを説明するための斜視図である。なお、以下において、実施形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

実施形態２に係るスタックケース２１０は、変位吸収機構の中間プレートの構成に関し、実施形態１に係るスタックケース１１０と概して異なり、図１６に示されるように、蓋部（押圧部）２２０の外周から下方に延長する外壁部２２２、および、基部（押圧部）２３０の外周から上方に延長する外壁部２３２を有する。

上方に位置する外壁部２２２の端部２３３には、板ばね２７０が連結されており、板ばね２７０は、水平方向に延長し、中間プレート２６０の上端部と連結している。下方に位置する外壁部２３２の端部２３３には、板ばね２８０が連結されており、板ばね２８０は、水平方向に延長し、中間プレート２６０の下端部と連結している。

スタックケース２１０の側壁は、上記のように、中間プレート２６０および外壁部２２２，２３２からなり、中間プレート２６０は、側壁の一部のみを構成しており、スタックケース２１０の剛性に対する変位吸収機構２５０の影響を抑制することができる。また、変位吸収機構２５０の小型化が容易であり、その配置位置の自由度が向上するため、例えば、車両に積載する際における固定方法の選択の幅を広げることができる。また、外壁部２２２，２３２は、変形しないため、固定部として活用することが容易である。

なお、変位吸収機構２５０は、片持ちはり構造が４個並列された構成に相当し、その変位量ｖ’は、実施形態１と同様に、例えば、２ｍｍ〜−２ｍｍの範囲に収まるように設定される。

図１７は、図１５に示される燃料電池スタックケースの剛性を説明するための斜視図である（図中における遠位に位置する２辺に配置されている板ばね２７０，２８０および中間プレート２６０は不図示）。

変位吸収機構２５０は、蓋部２２０および基部２３０の外周の４辺に対応して４個配置されており、隣接する変位吸収機構２５０は、直角に交差する方向に配置されている。したがって、スタックケース２１０が水平方向（ＸＹ方向）に変形しようする場合、当該変形は、隣接する変位吸収機構２５０の剛性が互いに補完し合うことで抑制される。つまり、スタックケース２１０の水平ずれ変形が防止される。

図１８は、実施形態２に係る変形例１を説明するための断面図である（図中における遠位に位置する２辺に配置されている板ばね２７０，２８０および中間プレート２６０は不図示）。

例えば、図１８に示されるように、スタックケース２１０Ａのコーナー部を介して隣接する変位吸収機構２５０の中間プレート２６０同士を、連結板２９５によって連結することも可能であり、例えば、中間プレート２６０にスリット２６５を形成し、当該スリット２６５に山形状の連結板２９５が挿入される。この場合、蓋部２２０（スタックケース２１０）がスイングしようする場合、当該動きは、連結板２９５の剛性および隣接する変位吸収機構２５０が補完し合うことで、抑制される。つまり、スタックケース２１０Ａのスイング変形が防止される。

図１９は、実施形態２に係る変形例２を説明するための断面図、図２０および図２１は、実施形態２に係る変形例３を説明するための断面図であり、脱落防止機能および変形許容機能を示している。

変位吸収機構２５０は、別体の中間プレート２６０および板ばね２７０，２８０を連結して構成する形態に限定されず、図１９に示される略コ字状の変位吸収機構２５０Ａのように、中間プレート２６０Ａおよび板ばね２７０Ａ，２８０Ａを一体化することも可能である。この場合、変位吸収機構２５０Ａは、外壁部２２２，２３２の端部２２３，２３３から側方へ突出するフランジ部２２４，２３４に、板ばね２７０Ａ，２８０Ａを弾性的に嵌合させることで、外壁部２２２，２３２に連結させることが可能である。

つまり、一体化された中間プレート２６０Ａおよび板ばね２７０Ａ，２８０Ａを、板ばね２７０Ａ，２８０Ａの弾性力によって、外壁部２２２，２３２（スタックケース２１０）に取り付けることにより、例えば、ボルト締結やピン圧入などの作業が不要となる。したがって、変位吸収機構２５０Ａの構造を単純化しかつ作業性（生産性）を向上させることが可能である。

また、変位吸収機構２５０Ａの板ばね２７０Ａ，２８０Ａが外壁部２２２，２３２のフランジ部２２４，２３４から脱落することを防止するための機構（脱落防止手段）を設けことも好ましい。例えば、外壁部２２２，２３２のフランジ部２２４，２３４における板ばね２７０Ａ，２８０Ａと相対する面に、半球状の凸部２２６を配置し、板ばね２７０Ａ，２８０Ａに、凸部２２６の形状に対応しかつ凸部２２６と当接自在の凹部２７６を配置することが可能であるである。

この場合、スタックケース側に配置される半球状の凸部２２６と、ばね側に配置される凹部２７６とを嵌合せることにより、フランジ部２２４，２３４（スタックケース２１０）から板ばね２７０Ａ，２８０Ａが脱落することが防止される（図２０参照）。

一方、凸部２２６と凹部２７６との嵌合面は、球面状であるため、嵌合した状態でも、板ばね２７０Ａ，２８０Ａは変形し、アセンブリ積層方向の形状変化を吸収することが可能であり、変位吸収機構２５０Ａの機能に対する影響は排除されている（図２１参照）。つまり、凸部２２６および凹部２７６は、板ばね２７０Ａ，２８０Ａのアセンブリ積層方向の変形に干渉しない。なお、中間プレート２６０Ａは、剛性を確保するため、板ばね２７０Ａ，２８０Ａに比較し、厚肉化されている。

以上のように、実施形態２においては、スタックケース２１０の側壁は、中間プレート２６０および外壁部２２２，２３２からなり、中間プレート２６０は、側壁の一部のみを構成している。そのため、スタックケース２１０の剛性に対する変位吸収機構２５０の影響を抑制することができる。また、変位吸収機構２５０の小型化が容易であり、その配置位置の自由度が向上するため、例えば、車両に積載する際における固定方法の選択の幅を広げることができる。

実施形態２に係る変形例１においては、、スタックケース２１０Ａのコーナー部を介して隣接する変位吸収機構２５０Ａの中間プレート２６０同士が、連結板２９５によって連結されているため、スタックケースがスイングしようする場合、当該動きは、連結板の剛性および隣接する変位吸収機構が補完し合うことで、抑制される。つまり、スタックケースのスイング変形を防止することができる。

実施形態２に係る変形例２においては、一体化された中間プレート２６０Ａおよび板ばね２７０Ａ，２８０Ａを、板ばね２７０Ａ，２８０Ａの弾性力によって、外壁部２２２，２３２（スタックケース２１０）に取り付けることにより、例えば、ボルト締結やピン圧入などの作業が不要となる。したがって、変位吸収機構２５０の構造を単純化しかつ作業性（生産性）を向上させることが可能である。

実施形態２に係る変形例３においては、スタックケース側に配置される半球状の凸部２２６と、ばね側に配置される凹部２７６とを嵌合せることにより、フランジ部２２４，２３４（スタックケース２１０）から板ばね２７０Ａ，２８０Ａが脱落することを防止することをことができる。一方、凸部２２６と凹部２７６との嵌合面は、球面状であるため、板ばね２７０Ａ，２８０Ａのアセンブリ積層方向の変形に干渉しない。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、実施形態１と実施形態２に係る変形例１とを組み合わせたり、実施形態１に係る変形例１および２と、実施形態２やその変形例１〜３とを組み合わせたりすることも可能である。

実施形態１に係る燃料電池スタックケースを説明するための断面図である。図１に示される燃料電池スタックを説明するための断面図である。図１に示される燃料電池スタックの変形方向を説明するための斜視図である。図１に示される変位吸収機構における板ばねの変形方向を説明するための斜視図である。図１に示される変位吸収機構を説明するための断面図である。図５に示される変位吸収機構における回転方向の剛性向上を説明するための概念図であり、板ばねの変形を示している。図５に示される変位吸収機構における回転方向の剛性向上を説明するための概念図であり、中間プレートの機能を示している。図５に示される変位吸収機構における回転方向の剛性向上を説明するための概念図であり、回転方向の抑制を示している。片持ちはりのたわみ量を説明するための概念図である。板ばねのたわみ量を説明するための断面図である。変位吸収機構のたわみ量を説明するための断面図である。板ばねの固定方法を説明するための断面図である。実施形態１に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態１に係る変形例２を説明するための断面図である。実施形態２に係る燃料電池スタックケースを説明するための断面図である。図１５に示される燃料電池スタックケースを説明するための斜視図である。図１５に示される燃料電池スタックケースの剛性を説明するための斜視図である。実施形態２に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態２に係る変形例２を説明するための断面図である。実施形態２に係る変形例３を説明するための断面図であり、脱落防止機能を示している。実施形態２に係る変形例３を説明するための断面図であり、変形許容機能を示している。

符号の説明

１０アセンブリ、
１１電解質膜、
１２カソード電極、
１３アノード電極、
１４膜電極接合体、
１５，１７セパレータ、
２０スタック部、
３０，４０集電板、
５０，６０絶縁板、
７０，８０エンドプレート、
７０エンドプレート、
１００燃料電池スタック、
１１０スタックケース、
１１０Ａ，１１０Ｂスタックケース（スタックケース部）、
１２０，１２０Ａ蓋部（押圧部）、
１３０，１３０Ａ基部（押圧部）、
１４０連結部、
１５０変位吸収機構、
１６０中間プレート、
１７０，１８０板ばね、
１９０ピン、
２１０，２１０Ａスタックケース、
２２０蓋部、
２２２外壁部、
２２３端部、
２２４，２３４フランジ部、
２２６凸部、
２３０基部、
２３２外壁部、
２３３端部、
２５０，２５０Ａ変位吸収機構、
２６０，２６０Ａ中間プレート、
２６５スリット、
２７０，２７０Ａ，２８０，２８０Ａ板ばね、
２７６凹部、
２９５連結板、
Ｄ厚さ方向、
Ｌ長さ方向、
Ｐ荷重、
Ｒ回転方向、
Ｓ_１空間、
Ｓ_２空間、
Ｓ_３空間、
Ｗ幅方向、
Ｘ，Ｙ水平方向、
Ｚアセンブリ積層方向。

Claims

膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックが収容されるスタックケースであって、
前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持するための変位吸収機構と、
前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部と、を有し、
前記変位吸収機構は、前記スタックケースに一体化されており、かつ、前記アセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばねと、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートと、を有し、
前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、
前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結されている
ことを特徴とするスタックケース。
前記中間プレートは、前記スタックケースの側壁の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載のスタックケース。
前記中間プレート、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねは、一体化されており、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの弾性力によって、一体化された前記中間プレート、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねが、前記スタックケースに取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のスタックケース。
前記スタックケースからの前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの脱落を防止するための脱落防止手段を有し、
前記脱落防止手段は、スタックケース側に配置される半球状の凸部と、ばね側に配置されかつ前記凸部に対応する凹部を有しており、
前記凸部および前記凹部は、嵌合自在に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載のスタックケース。
前記スタックケースは直方体状であり、
前記変位吸収機構は、前記スタックケースの各辺の側壁に少なくとも１つ配置されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のスタックケース。
前記スタックケースのコーナー部を介して隣接する前記変位吸収機構の前記中間プレート同士を連結するための連結板を有することを特徴とする請求項５に記載のスタックケース。
前記中間プレートは、前記スタックケースの側壁を構成することを特徴とする請求項１に記載のスタックケース。
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックが収容されるスタックケース部を複数有するスタックケースであって、
前記スタックケース部は、
前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向に直列に配置されており、かつ、
前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部、および、前記アセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持するための変位吸収機構を有し、
前記変位吸収機構は、前記スタックケース部に一体化されており、かつ、前記アセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばね、および、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートを有し、
前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、
前記中間プレートは、前記スタックケースの側壁を構成しており、
前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結されており、
前記蓋部および前記基部は、隣接する前記スタックケース部によって共有されている
ことを特徴とするスタックケース。
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックが収容されるスタックケース部を複数有するスタックケースであって、
前記スタックケース部は、
前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向と交差する方向に並列に配置されており、かつ、
前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部、および、前記アセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持するための変位吸収機構を有し、
前記変位吸収機構は、前記スタックケース部に一体化されており、かつ、前記アセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばね、および、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートを有し、
前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、
前記中間プレートは、前記スタックケースの側壁を構成しており、
前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結されており、
前記蓋部および前記基部は、隣接する前記スタックケース部によって共有されている
ことを特徴とするスタックケース。
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持してなり、単セルを構成するアセンブリが複数積層されてなる燃料電池スタックを、スタックケースに固定するための方法であって、
前記燃料電池スタックが収容された前記スタックケースに、変位吸収機構を取り付けて一体化して、前記燃料電池スタックを固定しており、
前記スタックケースは、前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の端面を支持している押圧部を有しており、
前記変位吸収機構は、前記燃料電池スタックにおけるアセンブリ積層方向に弾性変形自在の板ばねを有しており、前記燃料電池スタックにおける前記アセンブリ積層方向の形状変化を吸収し、前記膜電極接合体における前記セパレータに相対する面の面圧を均一に維持し、
前記変位吸収機構は、前記アセンブリ積層方向に延長する中間プレートをさらに有し、
前記押圧部は、蓋部および基部からなり、前記蓋部と前記基部の間に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記板ばねは、前記中間プレートにおける前記アセンブリ積層方向の一方の端部に連結される第１板ばね、および、他方の端部に連結される第２板ばねからなり、
前記第１板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の一方に連結され、前記第２板ばねは、前記アセンブリ積層方向と直交する方向に延長して、前記蓋部および前記基部の他方に連結される
ことを特徴とする方法。
前記中間プレートは、前記スタックケースの側壁の一部を構成することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
一体化された前記中間プレート、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねを、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの弾性力によって、前記スタックケースに取り付けることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
スタックケース側に配置される半球状の凸部と、ばね側に配置されかつ前記凸部に対応する凹部を嵌合させることにより、前記スタックケースからの前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの脱落を防止することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記スタックケースは直方体状であり、
前記変位吸収機構を、前記スタックケースの各辺の側壁に少なくとも１つ配置する
ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
前記スタックケースのコーナー部を介して隣接する前記変位吸収機構の前記中間プレート同士を、連結板によって連結することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記スタックケースは複数であり、前記燃料電池スタックが固定された前記スタックケースを、前記アセンブリ積層方向に直列および／又は前記アセンブリ積層方向と交差する方向に並列に配置する
ことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。