JP6016125B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックに関する。

複数の単セルを積層させた積層体を含む燃料電池スタックでは、一般に、単セル間、および、単セル内における接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内を流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止したりするために、単セルが積層された積層体の積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。

例えば、下記特許文献１では、積層方向への締結荷重に加えて、積層方向に直交する方向からも積層体を押圧することで、ケースと積層体との位置関係を保持する技術が開示されている。具体的には、ケースと積層体との間の隙間を調整するための隙間調整機構として、積層方向に垂直な側方から押圧する側部押圧プレートと、積層方向に垂直な上方から押圧する上部押圧プレートと、それら側部押圧プレート及び上部押圧プレートを積層体に向かって押圧する調整ねじとを備えるものが開示されている。下記特許文献１においては、側部押圧プレート及び上部押圧プレートによって積層体を押圧することで、積層体のずれを抑制するものとしている。

特開２００５−７１８６９号公報

上記従来の技術では、積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが常時接触している構造を採用しているため、積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとの熱膨張率の差に起因して摺動が発生したり、通常使用時の振動に起因して積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが干渉し単セルが破損・変形したりすることが考えられ、ガスリークや冷却水リークの原因となりうる。また、単セルを積層して積層体を構成する際には、単セル相互を完全に重ねあわせて積層することは困難であり、多少の初期ずれが生じる。この初期ずれは、設計時に考慮しているずれであり、この初期ずれに起因してガスリークや冷却リークが起こるものではない。しかしながら、常時接触の設置態様を採用すると、初期ずれ状態で積層されている場合に、そのずれた単セルに折れ曲がりといった不具合が発生する原因ともなりうる。このように積層体と側部押圧プレート及び上部押圧プレートとが常時接触したとしても単セルが破損・変形しないようにするためには、単セルにフレームを設けるといった単セルの強度を十分に確保する手段を講じることが必要であるが、コスト増や質量増、体格増などに繋がる恐れがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、複数の単セルを積層させた積層体と、複数の単セルが積層される第１方向に対して垂直な第２方向への複数の単セル相互の位置ずれを規制する外部拘束部材と、積層体及び外部拘束部材を収容するケースと、を備える。外部拘束部材は、第１方向に沿って積層体の全長に渡って設けられている。外部拘束部材と積層体とは、通常使用時において第１隙間が生じるように配置されると共に、ケースと積層体とは、通常使用時において第２隙間が生じるように配置されている。第１隙間は、積層体に対して外部から第２方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体が外部拘束部材に接触するように設けられ、第２隙間は、第1隙間よりも大きくなるように設定されている。

本発明によれば、通常使用時において積層体と外部拘束部材とは接触しないので、積層体は第２方向においては拘束されない状態で保持される。従って、積層体と外部拘束部材が接触した状態で燃料電池を使用することに起因する単セルの破損・変形を防止し、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。また、積層体と外部拘束部材との間の隙間は、積層体に対して外部から所定負荷以上の衝撃力が加えられた場合に、積層体と外部拘束部材とが接触するような第１隙間となるように設けられている。結果、外部から衝撃力が加わったとしても所定負荷よりも小さな衝撃力であり積層体の継続使用が可能な状態であれば、積層体と外部拘束部材とは接触せず、単セルの破損・変形に起因するガスリークや冷却水リークを抑制することができる。一方、外部から加わった衝撃力が、積層体を継続使用できなくする程度のものであれば、積層体と外部拘束部材とが接触することで単セルの積層位置の相互のずれを抑制することができ、単セルの積層位置の相互のずれに起因するガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

具体的には、本発明の積層体は外部拘束部材とは通常使用時において接触していないため、外部から衝撃力が加わって、積層体が移動する。積層体を構成する複数の単セルは何らかの形態で押圧保持されるなどしているので、複数の単セルの積層位置は相対的に移動する。例えば、積層体が積層方向における両端から押圧されている場合には、積層体の積層方向における中央近傍で単セルが大きく動き、端部近傍では単セルは小さく動く。積層体全体で見た場合には、両端を保持され、中央近傍が大きく変位し、撓んだ状態となる。積層体を構成する単セル同士は、ガスケットといったシール部材によって相互にある程度拘束されており、過大な衝撃力が加わらなければ、この拘束作用によって元の位置関係に戻るように構成されている。したがって、積層体が撓んだ状態では、衝撃力が加わる短い時間を経過すれば、単セル相互の復元作用によって元の撓んでいない状態に戻る。しかしながら、単セル相互の復元作用を超える衝撃力が加われば、その衝撃力が加わる短い時間が経過しても、積層体が元の状態に戻らず、単セルの積層位置が相互にずれた状態となる。このように、単セルの積層位置が相互に大きく移動し、ガスケットといったシール部材の復元力によって元の状態に戻らない場合、ガスケットによじれが生じている状態や、一方のセルのガスケットを超えた位置まで他方のマニホールドが移動している状態が発生しうる。よって、単セルの積層位置が相互にずれた状態においては、ガスリークや冷却水リークが発生する虞があるところ、本発明では、外部拘束部材で規制をすることで単セルの積層位置の相互のずれを抑止している。

また本発明に係る燃料電池スタックでは、所定負荷の衝撃力は、その衝撃力の付加によって前記複数の単セルの積層位置が相互にずれた状態となる衝撃力であることも好ましい。

このように単セルの積層位置が相互にずれた状態となりうる所定負荷がかかると、撓んだ状態の積層体を外部拘束部材で拘束し、単セルの積層位置の相互のずれを防止するので、ガス漏れの発生を確実に抑制できる。

また本発明に係る燃料電池スタックでは、所定負荷は、燃料電池スタックが搭載される車両のエアバッグが展開する衝撃力に対応するものであることも好ましい。

エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、車内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル相互の積層位置が、ガスケット等の復元力を越えて移動し、単セルの積層位置の相互のずれが生じてしまう蓋然性が高い。そこで、所定負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セルの積層位置の相互のずれが生じることを防止できる。

また本発明に係る燃料電池スタックでは、外部拘束部材と積層体との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材が配置され、燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、第１隙間よりも広い第３隙間であり、通常使用時の第２温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、第１隙間であることも好ましい。

この好ましい態様では、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材を、外部拘束部材と積層体との間に配置することで、組み込み時の第１温度と通常使用時の第２温度との差を利用し、外部拘束部材と積層体との間の隙間を調整している。燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体と隙間調整部材との間の隙間を、第１隙間よりも広い第３隙間とすることができるので、積層体の組み込みが容易なものとなる。そして、第１温度から通常使用時の第２温度に温度が上昇すると隙間調整部材が膨張し、外部拘束部材と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体と隙間調整部材との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第１隙間となり、上述したように積層体の撓みは許容しつつも単セルの積層位置にずれが生じないような拘束が可能となる。

また本発明に係る燃料電池スタックでは、外部拘束部材の少なくとも一部が熱膨張性を有する材料によって構成され、燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、第１隙間よりも広い第３隙間であり、通常使用時の第２温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、第１隙間であることも好ましい。

この好ましい態様では、外部拘束部材の少なくとも一部を、熱膨張性を有する材料によって構成することで、組み込み時の第１温度と通常使用時の第２温度との差を利用し、外部拘束部材と積層体との間の隙間を調整している。燃料電池スタックに積層体を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材と積層体との間の隙間を、第１隙間よりも広い第３隙間としているので、積層体の組み込みが容易なものとなる。そして、第１温度から通常使用時の第２温度に温度が上昇すると外部拘束部材が膨張し、外部拘束部材と積層体との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第１隙間となり、上述したように積層体の撓みは許容しつつも単セルの積層位置にずれが生じないような拘束が可能となる。

本発明によれば、コスト増、質量増、体格増に陥ることなく、ガスリークや冷却水リークを必要な範囲で抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することができる。

本発明の実施形態である燃料電池スタックの断面を示す断面図である。 図１において積層体を保持する状態を説明するための図である。 外部拘束部材と積層体との隙間を調整する隙間調整部材について説明するための図である。 外部拘束部材と積層体との隙間を調整する隙間調整部材について説明するための図である。 隙間の設定についてその考え方を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態である燃料電池スタック１０の概略構成を示す断面図である。図１は、全体として略直方体形状を成す燃料電池スタック１０の略中央近傍において、平板状を成す単セル２０に沿った断面を示すものである。燃料電池スタック１０は、複数の単セル２０と、ケース３と、電圧監視ユニット４０と、を備えている。尚、図１において、紙面に沿った平面において互いに直交するｘ軸及びｙ軸を定義し、紙面に直交する方向に沿ったｚ軸を定義する。以下の説明において、このｘ軸（ｘ軸方向）、ｙ軸（ｙ軸方向、第２方向）、ｚ軸（ｚ軸方向、第１方向）を適宜用いる。

単セル２０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。本実施形態では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質としては、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック１０における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。複数の単セル２０は、ｚ軸方向に沿って積層され、積層体２を構成している。従って、ｚ軸方向は、複数の単セル２０の積層方向（第１方向）でもある。

ケース３は、凹状部分３０と、プレート３１とを備える。ケース３は、凹状部分３０の開口部分をプレート３１で塞ぐことで構成されている。ケース３は、複数の単セル２０を積層した積層体２と、電圧監視ユニット４０を収容するための容器である。ケース３は、略長方形断面を成す単セル２０の一方の長辺に沿った第１面３０１（凹状部分３０の底面が形成する面）と、第１面３０１に対向する第２面３０２（プレート３１が形成する面）を有する。

第１面３０１のｚ軸方向に沿った一辺側には、外部拘束部材３０３が形成され、第１面３０１のｚ軸方向に沿った他辺側には、外部拘束部材３０４が形成されている。第２面３０２のｚ軸方向に沿って外部拘束部材３０３に対向する位置に、外部拘束部材３０６が形成され、第２面３０２のｚ軸に沿って外部拘束部材３０４に対向する位置に、外部拘束部材３０７が形成されている。外部拘束部材３０３は、略四角断面を成す棒状部分として凹状部分３０と一体的に形成されている。外部拘束部材３０４は、略四角断面を成す棒状部分として凹状部分３０と一体的に形成されている。外部拘束部材３０６は、略四角断面を成す棒状部分としてプレート３１と一体的に形成されている。外部拘束部材３０７は、略四角断面を成す棒状部分としてプレート３１と一体的に形成されている。外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７は、外部からの衝撃力に耐えうるような剛性で構成されている。

本実施形態では、テンションシャフト３０５は、積層体２の積層方向両端側から複数の単セル２０を押圧するためのケース３の対向する壁を繋ぐテンションシャフトとして構成されている。このテンションシャフト３０５は、エンドプレートを繋ぐ機能を果たすことが可能な程度の強度を備えている。

図２に、積層体２がケース３によって保持されている状態を説明するための図を示す。図２に示されているように、積層体２は、ケース３の一対の壁３ａと壁３ｂとによって押圧されて保持されている。壁３ａと壁３ｂとは、テンションシャフト３０５によって繋がれている。積層体２は、壁３ａと壁３ｂとによって押圧されて保持されているので、壁３ａ及び壁３ｂ以外とは接触せず浮いている状態となっている。このように、積層体２が壁３ａ及び壁３ｂのみと接触して浮いている状態であっても、通常使用における単セル２０の積層位置の相互のずれを抑制できる程度の押圧力で押圧保持されているので、ガス漏れの虞はない。尚、締結の押圧力は極力小さい方が、コスト、質量、体格の観点からは好ましいものである。押圧力を極力抑えるためには、単セル２０相互の摩擦力を高めることが好ましい。具体的には、単セル２０相互の接触面積を増やしたり、単セル２０間に介在するガスケットの粘着力を増やしたりすることが好ましい。

図１に戻って説明を続ける。本実施形態の燃料電池スタック１０は、図１に示すように、図に向かって左側が車両前方方向、図に向かって右側が車両後方方向となるように車載されるものである。燃料電池スタック１０を搭載した車両が前突した場合、その衝撃力は右側から左側に伝達され、燃料電池スタック１０の積層体２は撓む。積層体２が復元可能なように撓む程度よりも大きな衝撃力が加わると、積層体２を構成する単セル２０の積層位置が互いにずれる。このように積層体２が撓みの限界量に達すると、積層体２は外部拘束部材３０３，３０６に衝突し、単セル２０の積層位置の相互ずれが抑制される。

衝撃力が外部から加わった際に、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７が複数の単セル２０を拘束する機能は、積層体２を構成する単セル２０の積層位置の相互のずれを抑制し、積層体２からのガスのリークを防止するためのものである。具体的には、外部から衝撃力が加わって、積層体２が撓んで、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７のいずれか少なくとも一つに当接する。図２を参照しながら説明したように、積層体２は、壁３ａと壁３ｂとから押圧力を受けて保持されているので、壁３ａ及び壁３ｂに当接している両端は移動しにくく、壁３ａ及び壁３ｂから離れた中央付近は移動しやすい。従って、図２に示す積層体２の中央近傍（壁３ａと壁３ｂとの間の略中間近傍）では、単セル２０が大きく動き、積層体２の端部近傍（壁３ａ又は壁３ｂに当接している単セル２０は小さく動く。積層体２全体で見た場合には、壁３ａ及び壁３ｂに両端を保持され、中央近傍が大きく変位した状態となる。

この撓んだ状態に何らの規制もしなければ、積層体２を構成する単セル２０の積層位置にずれが発生し、ガス漏れの虞が生じるところ、本実施形態では、上述したような積層体２の挙動がおきた場合でも、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２との隙間を、単セル２０の積層位置のずれが生じない程度に確保し、積層体２の移動をある程度許容しつつも単セル２０の積層位置が相互にずれることを抑止している。換言すれば、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７によって囲まれた空間内での積層体２の撓みを許容し、その空間の広さ、すなわち積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７との間の隙間を、単セル２０の積層位置の相互のずれが生じないように設定することで、通常使用時の単セル２０の破損・変形を抑制しつつ、衝突時のガスリークを確実に抑制している。

積層体２と外部拘束部材３０３との間の距離及び積層体２とケース３の側面３０８との間の距離は、ゴム部材２０３を考慮しない寸法で、積層体２と外部拘束部材３０３との間の距離が積層体２とケース３の側面３０８との間の距離よりも小さくなるように設定されている。このように設定することで、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると、積層体２と外部拘束部材３０３とが最初に当接し、他の部分が破損・変形することを抑制することができる。外部拘束部材３０３に当接する部分ではない積層体２の各部は、マニホールド及びシールが外側に近く、ケース３に当たるとガス漏れや冷却水漏れの虞があるためである。積層体２と外部拘束部材３０３との間の距離は、積層体２の積層長に応じて変更することが好ましく、積層長の１〜２％に設定することが好ましい。積層体２の積層長が長くなると単セル２０の積層位置のずれが生じやすくなるためである。

複数の単セル２０それぞれには、緩衝用のゴム部材２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，２０７ａが設けられている。ゴム部材２０３は、外部拘束部材３０３に対向する角に設けられており、ゴム部材２０４は、外部拘束部材３０４に対向する角に設けられている。ゴム部材２０５は、テンションシャフト３０５に対向する位置に設けられている。ゴム部材２０６、ゴム部材２０７、及びゴム部材２０７ａは、ゴム部材２０３及びゴム部材２０４が設けられていない角部近傍に設けられている。また、ゴム部材２０６は、外部拘束部材３０６に対向する部分に設けられており、ゴム部材２０７及びゴム部材２０７ａは、外部拘束部材３０７近傍に対向する部分に設けられている。

ゴム部材２０７に対向するプレート３１の部分には、凸部を形成することも好ましい。衝撃力が外部から加わった際に、衝撃力が所定負荷以上であれば、凸部とゴム部材２０７とが当たるように構成することが好ましい。

ゴム部材２０３の面２０３ｙと、外部拘束部材３０３の面３０３ｙとの間の隙間は、単セル２０の外部拘束部材３０３側の側面２０８とケース３の側面３０８との間の隙間よりも小さくなるように設定されている。また、ゴム部材２０３の面２０３ｘと外部拘束部材３０３の面３０３ｘとの間の隙間は、他の箇所の隙間よりも小さくなるように設定されており、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると最初に当接するように設定されている。従って、側面２０１と第１面３０１との間の隙間は、ゴム部材２０３の面２０３ｘと外部拘束部材３０３の面３０３ｘとの間の隙間よりも大きくなるように設定されている。

同様に、ゴム部材２０４の面２０４ｙと、外部拘束部材３０４の面３０４ｙとの間の隙間は、単セル２０の外部拘束部材３０４側の側面２０９とケース３の側面３０９との間の実質的な隙間（実際の隙間から電圧監視ユニット４０を除いた隙間）よりも小さくなるように設定されている。また、ゴム部材２０４の面２０４ｘと外部拘束部材３０４の面３０４ｘとの間の隙間は、ゴム部材２０３の面２０３ｘと外部拘束部材３０３の面３０３ｘとの間の隙間と同様に、他の箇所の隙間よりも小さくなるように設定されており、外部から所定負荷以上の衝撃力が加わると最初に当接するように設定されている。従って、側面２０１と第１面３０１との間の隙間は、ゴム部材２０４の面２０４ｘと外部拘束部材３０４の面３０４ｘとの間の隙間よりも大きくなるように設定されている。外部拘束部材３０６，３０７と積層体２との間の隙間も、外部拘束部材３０３，３０４と同様に設定されている。

尚、本実施形態において、所定負荷の衝撃力とは、積層体２の継続使用が不可能になるほどの負荷の衝撃力である。具体的には、上述したように衝撃力が加わることで積層体２を構成する単セル２０同士がずれ始める。そこで、そのずれに起因してガスリークが起こらないように、積層体２の移動や単セル２０のずれを規制する範囲を確定するため、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２との間の隙間が定められている。この隙間は、積層体２の撓みの許容量（それ以上撓むと単セル２０相互の積層位置のずれが発生する量）に単セル２０の寸法公差、単セル２０を積層して積層体２と成した場合のずれを考慮したものである。

このように設定することで、積層体２を構成する単セル２０がガスリークを起こすほどの衝撃力が所定負荷として加われば、積層体２は移動し、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７に当接し、ガスリークが生じないようにすることができる。所定負荷の衝撃力とは、そのままの衝撃力を積層体２に加えれば、ガスリークや冷却水リークが発生し、積層体２そのものの交換が必要となる衝撃力である。従って、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７で過大な単セル２０の積層位置のずれを防止しているとはいえ、単セル２０が外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７に衝突しているので、単セル２０が破損・変形している可能性がある。そのため、所定負荷の衝撃力が加わって、積層体２が外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７に当接した場合には、使用者に音声又は画像等によって通知し、積層体２の交換を促すことが好ましい。

また、所定負荷の衝撃力を、例えば、エアバッグが展開する程度の衝突における衝撃力とすることも好ましい変形例である。エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、社内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル２０相互の積層位置がガスケット等のシール部材の復元力を越えて移動し、単セル２０相互の積層位置のずれが生じてしまう蓋然性が高い。そこで、所的負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セル２０の積層位置の相互のずれが生じることを防止できる。

上述したように本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の単セル２０を積層させた積層体２と、複数の単セル２０が積層される第１方向（ｚ軸方向）に対して垂直な第２方向（ｙ軸方向）への複数の単セル２０相互の積層位置ずれを抑制する外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と、を備える。外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７は、第１方向に沿って積層体２の全長に渡って設けられている。外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２とは、通常使用時（燃料電池スタック１０に積層体２が組み込まれた後であって、燃料電池スタック１０が搭載された車両等が通常の運転状況であるとき）において隙間（第１隙間）が生じるように配置されている。その隙間（第１隙間）は、積層体２に対して外部から第２方向に沿った所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、積層体２が外部拘束部材である外部拘束部材３０３，３０４に接触するように設けられ、所定負荷は、積層体２の継続使用が不適当な使用不適状態となりうる負荷である。

本実施形態によれば、通常時において積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７とは接触しないので、積層体２は第２方向においては拘束されない状態で保持される。従って、積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７が常時接触した状態で燃料電池を紙葉することに起因する単セル２０の破損・変形を防止し、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。また、積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７との間の隙間は、積層体２に対して外部から所定負荷以上の衝撃力が加えられた場合に、積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７とが接触するような第１隙間として設けられていることに加え、所定負荷とは積層体２の継続使用が不適当な使用不適状態となりうる負荷である。結果、外部から衝撃力が加わったとしても所定負荷よりも小さな衝撃力であり積層体２の継続使用が可能な状態であれば、積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７とは接触せず、ガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

一方、外部から加わった衝撃力が、積層体２を継続使用できなくする程度のものであれば、積層体２と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７とが接触することで単セル２０の積層位置ずれを抑制することができ、やはりガスリークや冷却水リークを抑制することができる。

具体的には、積層体２は外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７とは通常使用時において接触していないため、外部から衝撃力が加わって、積層体２が移動する。積層体２を構成する複数の単セル２０は何らかの形態で押圧保持されるなどしているので、複数の単セル２０は相対的に移動する。図２に示すように、積層体２が積層方向における両端から押圧されているので、積層体２の積層方向における中央近傍で単セル２０が大きく動き、端部近傍では単セル２０は小さく動く。積層体２全体で見た場合には、両端を保持され、中央近傍が大きく変位し、撓んだ状態となる。

積層体２を構成する単セル２０同士は、ガスケットといったシール部材によって相互にある程度拘束されており、過大な衝撃力が加わらなければ、この拘束作用によって元の位置関係に戻るように構成されている。したがって、積層体２が撓んだ状態では、衝撃力が加わる短い時間を経過すれば、単セル２０相互の復元作用によって元の撓んでいない状態に戻る。しかしながら、単セル２０相互の復元作用を超える衝撃力が加われば、その衝撃力が加わる短い時間が経過しても、積層体２が元の状態に戻ることがない。このように、単セル２０相互の積層位置がずれてしまい、ガスケットといったシール部材の復元力によっては元の状態に戻らない場合、ガスケットによじれが生じている場合や、一方の単セル２０のガスケットを超えた位置まで他方の単セル２０のマニホールドが移動している状態が発生しうる。よって単セル２０の積層位置が相互にずれた状態では、ガスリークや冷却水リークが発生する虞があるところ、本実施形態では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７で規制をすることで単セル２０の積層位置の相互のずれを抑止している。

また本実施形態では、使用不適状態は、衝撃力の付加によって複数の単セル２０の少なくとも一部がずれ、ガス漏れが発生し得る状態であるように設定されている。このように使用不適状態を設定し、その使用不適状態となりうる所定負荷がかかると、単セル２０相互がずれた状態の積層体２を外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７で拘束し、それ以上の単セル２０相互のずれを防止するので、ガス漏れの発生を確実に抑制できる。

また本実施形態では、所定負荷は、燃料電池スタック１０が搭載される車両のエアバッグが展開する衝撃力に対応するものであることも好ましい。エアバッグが展開する衝撃力は、車両の衝突によって乗員が動き、車内の各部に衝突してしまうのを軽減するために設定されるものであるから、エアバッグが展開する衝撃力を超えた衝撃力が加われば、単セル２０相互の積層位置がずれてしまう蓋然性が高い。そこで、所定負荷を、エアバッグが展開する衝撃力に対応するものとすることで、簡便且つ確実に、単セル２０相互の積層位置のずれが生じることを防止できる。

上述した本実施形態では、積層体２（単セル２０）と外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７との隙間が第１隙間となるように設定されている。第１隙間とは、外部から衝撃が加わった際の積層体２の変形が自身の弾性変形限界を超え、単セル２０相互がずれてしまう場合に、積層体２（単セル２０）が外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７に接触するようになる程度の隙間として定義される。

この隙間設定の考え方を、図５を参照しながら説明する。図５は、隙間と耐Ｇ性能との相関関係を示した図である。図５において、「単セル間摩擦拘束領域」とは、外部から衝撃が加わった場合に、積層体２を構成する単セル２０相互の摩擦力（単セル２０の間にはガスケットといったシール部材が配置されているので、このシール部材に起因する摩擦力）によって単セル２０相互の積層位置のずれを防止する領域である。隙間を図中破線よりも大きく設定すると、積層体２は単セル２０相互の摩擦力のみで単セル２０相互の積層位置のずれを抑止するので、その抑止力には限界があり、結果として耐Ｇ性能は低い状態となる。

一方、図５において、「外部拘束領域」とは、積層体２の周囲に配置された外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７によって、外部から衝撃が加わった場合であっても、積層体２を構成する単セル２０相互のずれが抑制される領域である。図示するように、隙間が狭くなるほど、耐Ｇ性能は向上する。従って、第１隙間は、積層体２を構成する単セル２０同士が復元力をもって相対的に移動するいわば弾性的な変形状態から、単セル２０同士が復元力をもたなくなり相互にずれてしまういわば塑性的な変形状態に変形する手前で、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７が積層体２に接触保持する程度の第１隙間に設定することが好ましいものである。

ところで、この第１隙間は、積層体２の変形のみを考慮しており、燃料電池スタック１０に対する積層体２の組み込み作業性を考慮したものではない。単セル２０を積層して積層体２を構成する際には、単セル２０相互を完全に重ねあわせて積層することは困難であり、多少の初期ずれが生じるものである。また、初期ずれが全くない場合であっても、燃料電池スタック１０に積層体２を組み込むにあたっては、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２の組み込みルートとの間になるべく大きな隙間があることが好ましく、初期ずれがあればその大きな隙間の必要性は増大する。

そこで、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材を配置することが好ましい。この隙間調整部材は、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７に密着して設けられても、積層体２（単セル２０）に密着されて設けられてもよい。外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２（単セル２０）との間に介在することができれば、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２（単セル２０）とのいずれにも密着しないように配置されてもよい。そして、燃料電池スタック１０に積層体２を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体２（単セル２０）と隙間調整部材との間の隙間が、第１隙間よりも広い第３隙間であり、通常使用時の第２温度（第２温度＞第１温度）では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体２（単セル２０）と隙間調整部材との間の隙間が、第１隙間であることが好ましい。

このように、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料（樹脂、ゴム等）によって構成される隙間調整部材を、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２（単セル２０）との間に配置することで、組み込み時の第１温度と通常使用時の第２温度との差を利用し、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２との間の隙間を調整することができる。燃料電池スタック１０に積層体２を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体２と隙間調整部材との間の隙間を、第１隙間よりも広い第２隙間とすることができるので、積層体２の組み込みが容易なものとなる。そして、第１温度から通常使用時の第２温度に温度が上昇すると隙間調整部材が膨張し、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と隙間調整部材との間の隙間及び／又は積層体２と隙間調整部材との間の隙間が、本来の狙いの隙間である第１隙間となり、上述したように積層体２の撓みは許容しつつも単セル２０にずれが生じないような拘束が可能となる。

上述した隙間調整部材は、外部拘束部材が、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７である場合に限られず、ケース３やテンションシャフト３０５であっても設けることが可能である。図３に、ケース３に隙間調整部材５を設けた例を示す。

図３に示すように、隙間調整部材５はケース３に密着して設けられ、隙間調整部材５と単セル２０との間に上述したような隙間が設けられている。単セル２０の隙間調整部材５に対応する位置には、冷却マニホールド２０ａが設けられている。冷却マニホールド２０ａが設けられている部分は、単セル２０が発電時に発熱する部分である。この発熱した部分を冷却するために冷却マニホールド２０ａが設けられている。従って、積層体２内部の温度に近いのが、冷却マニホールド２０ａ近傍となる。そこで、冷却マニホールド２０ａの近傍に隙間調整部材５を配置することで、隙間調整部材５に熱を伝えやすく、より迅速に第２隙間から第１隙間へと遷移させることができる。

図４に、テンションシャフト３０５に隙間調整部材５ａを設けた例を示す。図４に示すように、隙間調整部材５ａはテンションシャフト３０５の全周に渡って覆うように設けられ、隙間調整部材５ａと単セル２０との間に上述したような隙間が設けられている。

隙間調整部材５をケース３に設ける場合も、隙間調整部材５ａをテンションシャフト３０５に設ける場合も、ゴムや樹脂等を射出成形等でケース３やテンションシャフト３０５に吹き付けることで設けることができる。

また、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７を、少なくともその一部において熱膨張性を有する部材で構成し、隙間調整部材５の機能を外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７で担わせることも好ましい。そして、燃料電池スタック１０に積層体２を組み込む際の第１温度では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２（単セル２０）との間の隙間が、第１隙間よりも広い第３隙間であり、通常使用時の第２温度（第２温度＞第１温度）では、外部拘束部材３０３，３０４，３０６，３０７と積層体２（単セル２０）との間の隙間が、第１隙間であることが好ましい。

２：積層体
３：ケース
５，５ａ：隙間調整部材
１０：燃料電池スタック
２０：単セル
２０ａ：冷却マニホールド
３０：凹状部分
３１：プレート
４０：電圧監視ユニット
２０１：側面
２０２：側面
２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，２０７ａ：ゴム部材
２０８：シールライン
３０１：第１面
３０２：第２面
３０３，３０４，３０６，３０７：外部拘束部材
３０５：テンションシャフト

Claims (3)

1. 燃料電池スタックであって、
   複数の単セルを積層させた積層体と、
   前記複数の単セルが積層される第１方向に対して垂直な第２方向への前記複数の単セル相互の位置ずれを規制する外部拘束部材と、
   前記積層体及び前記外部拘束部材を収容するケースと、を備え、
   前記外部拘束部材は、前記第１方向に沿って前記積層体の全長に渡って設けられ、
   前記外部拘束部材と前記積層体とは、通常使用時において第１隙間が生じるように配置されると共に、前記ケースと前記積層体とは、通常使用時において第２隙間が生じるように配置されており、
   前記第１隙間は、前記外部拘束部材と、前記外部拘束部材と対向する前記積層体と、の前記第２方向における隙間であって、前記積層体に対して外部から前記第２方向に沿った前記複数の単セルの積層位置が相互にずれた状態となる衝撃力である所定負荷以上の衝撃力が加えられた際に、前記積層体が前記外部拘束部材に接触するように設けられ、
   前記第２隙間は、前記ケースと、前記外部拘束部材と対向していない前記積層体と、の前記第２方向における隙間であって、前記第１隙間よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記外部拘束部材と前記積層体との間に、少なくともその一部が熱膨張性を有する材料によって構成される隙間調整部材が配置され、
   前記燃料電池スタックに前記積層体を組み込む際の第１温度では、前記外部拘束部材と前記隙間調整部材との間の隙間及び／又は前記積層体と前記隙間調整部材との間の隙間が、前記第１隙間よりも広い第３隙間であり、
   前記通常使用時の第２温度では、前記外部拘束部材と前記隙間調整部材との間の隙間及び／又は前記積層体と前記隙間調整部材との間の隙間が、前記第１隙間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。
3. 前記外部拘束部材の少なくとも一部が熱膨張性を有する材料によって構成され、
   前記燃料電池スタックに前記積層体を組み込む際の第１温度では、前記外部拘束部材と前記積層体との間の隙間が、前記第１隙間よりも広い第３隙間であり、
   前記通常使用時の第２温度では、前記外部拘束部材と前記積層体との間の隙間が、前記第１隙間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。

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