燃料電池スタック
【課題】本発明の目的は、ケースとセル積層体との間のデッドスペースを無くし、ケース内のセルを容易に交換することができる燃料電池積層体を提供することにある。
【解決手段】本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものである。
【解決手段】本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを構成するセル積層体を収容するケースに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）との電気化学反応を利用して発電を行うセル（燃料電池セル）を積層したセル積層体と、セル積層体を収容するケースとを備える燃料電池スタックが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セル積層体を、セル積層方向に沿う側面の１つが開放されたケースに収容し、積層方向に荷重を加える荷重調整ねじにより、セル積層体を圧縮した燃料電池スタックが開示されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、セル積層体を、セル積層方向の一方端側の端面が開放されたケースに収容した燃料電池スタックが開示されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献３には、セル積層体に締結荷重を均一にかけるために、セル積層方向にセル積層体の全体に渡って延びたテンションシャフトが設けられた燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献４には、エンドプレートとセル積層方向に対して傾斜した傾斜面を有する固定プレートとの間に、セル積層方向に交差して加わった外力により傾斜面を転動する転動ローラを介在させ、この転動ローラにより、固定プレート間のセル積層体を傾斜面間隔が狭い側に移動させることが可能な燃料電池スタックが開示されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献５，６には、放水性、防塵性等の目的のために、両端が開口する筒状をなすカバーが、２枚のエンドプレート間のセル積層体を覆うように配置された燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３４１５４号公報
【特許文献２】韓国登録特許第８７５５７９号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４２００号公報
【特許文献４】特開２００９−５９５３５号公報
【特許文献５】特開２００９−１７０１６９号公報
【特許文献６】特開２００８−１５９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような燃料電池スタックでは、セル積層体を圧縮した際に生じるがケース内のデッドスペースを無くすこと、及びケース内のセルの交換が容易であることが求められている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、ケースとセル積層体との間のデッドスペースを無くし、ケース内のセルを容易に交換することができる燃料電池積層体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものである。
【００１２】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記テンション部材は、前記セル積層体のセル積層方向に沿って延設され、前記テンション部材の一端が前記エンドプレート側で固定され、前記テンション部材の他端が前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面側で固定されることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記テンション部材は、前記エンドプレートを前記セル積層方向にスライド可能に固定する固定ピンと、前記本体部に設けられ、前記固定ピンが挿着されるピン固定用溝と、を備えることが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記本体部のセル積層方向に沿う側面には、前記セル積層方向に沿って、前記セル積層体を支持するガイド部材が形成されることが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記本体部のセル積層方向に沿う側面を介して前記エンドプレートを固定する固定具を備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートの前記セル積層体側と反対側の面にざぐり穴が形成され、前記ざぐり穴から前記エンドプレートを介して前記ケースに当接し、前記エンドプレートを固定する固定具を備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面と前記セル積層方向に沿う側面との角部は、曲率Ｒを有する溝であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ケースとセル積層体との間のデッドスペースを無くして、燃料電池スタックの小型化を可能とし、また、ケース内のセルを容易に交換することができるというサービス性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態のケースの構成の一例を示す模式斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線における燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図６】図５のエンドプレートの模式平面図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。
【図９】本体部の構成の一例を示す模式斜視図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。
【図１１】ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図２は、本実施形態のケースの構成の一例を示す模式斜視図である。図１及び２に示すように、燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２を収容するケース１４と、セル積層方向の一方端に、セル積層体１２側から順に配置されるシム１６及びエンドプレート１８と、セル積層体１２を積層方向に固定するテンション部材２０と、を備える。なお、図での説明は省略するが、セル積層体１２の両端には、集電板としてのターミナルプレートと、絶縁板としてのインシュレータ等が配置されている。また、シム１６はセル積層体１２の積層方向の長さを調節する板材であり、必ずしも備える必要はない。
【００２２】
セル積層体１２を収容するケース１４は、本体部２２とカバー部（２４，２６）とを備える。図２に示すように、本体部２２は、収容するセル積層体１２のセル積層方向（Ｘ方向）に沿う側面壁の少なくとも１つの側面壁が開放された側面開放部２８及びセル積層方向の一方端側の端面壁が開放された端面開放部３０、側面開放部２８と端面開放部３０とを仕切る柱（以下、仕切り部材３２）を備える。側面開放部２８は、主に燃料電池スタック１の修理、点検等の際にケース１４からセル１０を取り出すための空間であるため、作業性の点で、燃料電池スタック１を設置した際に、ケース１４の上面となることが好ましい。なお、図での説明は省略するが、本体部２２のセル積層方向の他方端側の端面壁には、セル１０に燃料ガス及び酸化ガスを供給する配管が接続されている。
【００２３】
本体部２２は、耐衝撃性、防水性、防塵性等の点で、側面壁同士や側面壁と端面壁に継ぎ目のない一体成型品であることが好ましいが、各側面壁、端面壁をボルト等で固定して構成されるものであってもよい。
【００２４】
カバー部（２４，２６）は、側面開放部２８を覆う側面カバー部２４及び端面開放部３０を覆う端面カバー部２６を備える。図１に示すように、側面カバー部２４及び端面カバー部２６はボルト等の固定具３４により本体部２２に固定される。また、図１に示すように、本体部２２の側面開放部２８と端面開放部３０とを仕切る仕切り部材３２上に、側面カバー部２４及び端面カバー部２６の一部を配置し、ボルト等の固定具３６により固定される。このように、仕切り部材３２を設けることにより、カバー部（２４，２６）の面シールが可能となり防水性、防塵性を十分に確保することができる。
【００２５】
本体部２２及びカバー部（２４，２６）の材質は、コスト、強度、製造が容易等の点で、アルミ鋳造等の金属材料であることが好ましい。
【００２６】
テンション部材２０は、セル積層体１２のセル積層方向に沿って延設されている棒状又は板状部材である。テンション部材２０の一端はエンドプレート１８を介してナット等の固定具３８により支持され、他端は本体部２２の端面壁を介して板状ナット等の固定具４０により支持されている。具体的には、エンドプレート１８（及びシム１６）、本体部２２の端面壁に形成された孔にテンション部材２０を挿通し、エンドプレート１８及び端面壁の外側から、ナット等の固定具（３８，４０）により、テンション部材２０が固定される。これにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重が付与され、ケース１４に固定される。なお、テンション部材２０の固定方法は上記に制限されるものではなく、セル積層体１２をセル積層方向に固定することができれば、ケース１４にはどのように固定されていてもよい。
【００２７】
このように、本体部２２に、セル積層方向に沿う側面壁の少なくとも１つの側面壁が開放された側面開放部２８及びセル積層方向の一方端側の端面壁が開放された端面開放部３０を形成することにより、ケース１４内のセル１０の取り出しが容易となる（主に側面開放部２８から）。また、本体部２２の一方端側の端面壁が開放されているため、ケース１４とセル１０との間にデッドスペースがほとんど存在せず、燃料電池スタック１の小型化が可能となる。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１には、エンドプレート１８を固定する固定具４２を備えることが好ましい。本実施形態のように、端面開放部３０及び側面開放部２８が形成された本体部２２では、エンドプレート１８を本体部２２により支持することができず、振動等の多い車両等に搭載される場合には、エンドプレート１８を固定することが好ましい。具体的には、エンドプレート１８に雌ねじ部を形成し、該ボルト穴に係合する本体部２２の側面壁の位置に雌ねじ部を形成して、ボルト等の固定具４２を本体部２２の側面壁及びエンドプレート１８の雌ねじ部に螺合することにより、エンドプレート１８を本体部２２に固定する。
【００２９】
図３は、図１のＡ−Ａ線における燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図３に示すように、本体部２２の側面壁には、セル積層方向に沿ってセル積層体１２を支持するガイド部材４４が形成されている。ガイド部材４４を設けることにより、燃料電池スタック１を組み立てる際、セル１０をケース１４内に誘導することが容易となり、円滑にセル１０の積層化を行うことができる。また、ケース１４に衝撃等が加わった場合のセル１０の撓みをガイド部材４４により抑制することも可能である。本実施形態のガイド部材４４はリブ状であるが、セル１０に突起部を形成することが可能であれば、ガイド部材４４をその突起部に係合する溝としてもよい。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。図４に示す燃料電池スタック２において、図１に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す固定具４６は、イモネジ等の止めネジ等であり、例えば、仕切り部材３２に雌ねじ部を形成し、固定具４６を仕切り部の雌ねじ部に通して、固定具４６の先端をエンドプレート１８に当接させ、エンドプレート１８を固定する。このようにエンドプレート１８に止めネジ等の固定具４６を当接させ、エンドプレート１８を固定する方法を採用することにより、セル積層体１２の積層方向の長さに合わせてエンドプレート１８をセル積層方向に移動させることも、また、固定することも可能となるため、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことができる。
【００３１】
本実施形態では、止めネジ等の固定具４６を仕切り部材３２に形成した雌ねじ部に通して、エンドプレート１８を固定しているが、必ずしもこれに制限されるものではなく、例えば、カバー部（２４，２６）や本体部２２の側面壁等に雌ねじ部を形成し、止めネジ等の固定具４６を雌ねじ部に通して、固定具４６の先端をエンドプレート１８に当接させ、エンドプレート１８を固定してもよい。
【００３２】
図５は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。また、図６は、図５のエンドプレートの模式平面図である。図５に示す燃料電池スタック３において、図１に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す燃料電池スタック３のエンドプレート１８には、セル積層体１２側の面と反対側の面にざぐり穴４８が形成され、また、図６に示すように、エンドプレート１８の側辺部には、ざぐり穴４８に貫通する雌ねじ部５０が形成されている。そして、本実施形態では、止めネジ等の固定具４６をざぐり穴４８側から、エンドプレート１８の側辺部に形成した雌ねじ部５０に通して、止めネジ等の固定具４６の先端を本体部２２やカバー部（２４，２６）に当接させ、エンドプレート１８を固定する。このようにエンドプレート１８を固定することにより、本体部２２やカバー部（２４，２６）に止めネジ等の固定具４６を通す雌ねじ部５０を形成する必要がなくなるため、ケース１４の防水性、防塵性を向上させることができる。また、ざぐり穴４８はエンドプレート１８の強度を確保することができれば、その面積、深さ、数等特に制限されるものではないが、エンドプレート１８の軽量化の点では、ざぐり穴４８の面積等を大きくすることが好ましい。なお、エンドプレート１８を介して止めネジ等の固定具４６をケース１４に当接させて、エンドプレート１８を固定しているため、セル積層体１２の積層方向の長さに合わせてエンドプレート１８をセル積層方向に移動させることも、また、固定することも可能となるため、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことができる。
【００３３】
図７（Ａ），（Ｂ）及び図８（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。図７（Ａ），（Ｂ）に示すテンション部材は、図１に示すテンション部材２０に代わるものであり、エンドプレート１８をセル積層方向（Ｘ方向）にスライド可能に固定する固定ピン５２と、固定ピン５２が挿着されるピン固定用溝５４と、を備える。図９は、本体部の構成の一例を示す模式斜視図である。図９に示すように、ピン固定用溝５４は、本体部２２の側面壁や仕切り部材３２に形成される。
【００３４】
図７（Ａ），（Ｂ）のテンション部材では、固定ピン５２がセル１０のセル積層面方向（Ｙ方向）に移動するようにピン固定用溝５４が形成されている。このような固定ピン５２及びピン固定用溝５４が設けられる場合には、固定ピン５２と当接するエンドプレート１８の端部１８ａを傾斜状に加工する。そして、図７（Ｂ）に示すように、固定ピン５２がＹ方向に移動することにより、エンドプレート１８をセル積層方向（Ｘ方向）にスライドさせることができる。すなわち、セル枚数の増減によって、セル積層体１２のセル積層方向の長さが変動しても、その変動に応じて、固定ピン５２を移動させ、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重を付与し、且つセル積層体１２をケース１４に固定することが可能となる。
【００３５】
図８（Ａ），（Ｂ）のテンション部材では、固定ピン５２がセル１０の積層面方向（Ｙ方向）に対して傾斜移動するようにピン固定用溝５４が形成されている。このような固定ピン５２及びピン固定用溝５４が設けられる場合には、エンドプレート１８の一部を傾斜形状に加工する必要がない。そして、図８（Ｂ）に示すように、固定ピン５２がＹ方向に対して傾斜移動することにより、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることができる。すなわち、セル枚数の増減によって、セル積層体１２のセル積層方向の長さが変動しても、その変動に応じて、固定ピン５２を傾斜移動させ、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重を付与し、且つセル積層体１２をケース１４に固定することが可能となる。また、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことも可能となる。
【００３６】
固定ピン５２及びピン固定用溝５４は複数設けられることが好ましいが、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせ、セル積層体１２をセル積層方向に固定することができれば、その数は特に制限されるものではない。
【００３７】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本体部２２の端面壁と側面壁との角部５６は、曲率Ｒを有する溝５８であることが好ましい。溝５８は、図１０（Ａ）に示すように、角部５６から側面壁に亘って形成されてもよいし、図１０（Ｂ）に示すように、角部５６から端面壁に亘って形成されてもよいし、図１０（Ｃ）に示すように、端面壁から側面壁に亘って形成されていてもよい。
【００３８】
図１１は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面である。図１１に示すように、通常、本体部２２の端面壁と側面壁との角部５６に形成される曲率Ｒにセル１０が接触するため、角部５６に大きな応力が掛かってしまう。しかし、図９に示すように、角部５６を、曲率Ｒを有する溝５８にすることにより、セル１０の接触による角部５６の応力を緩和することが可能となる。
【００３９】
また、図１０（Ａ）に示すように、本体部２２の強度を確保する点で、溝５８を形成することによって減少する本体部２２の厚みを補うように、溝５８に対応する側壁（又は端面壁）を外側に張り出させる（張り出し部６０を形成する）ことが好ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１〜３ 燃料電池スタック、１０ セル、１２ セル積層体、１４ ケース、１６ シム、１８ エンドプレート、２０ テンション部材、２２ 本体部、２４ 側面カバー部、２６ 端面カバー部、２８ 側面開放部、３０ 端面開放部、３２ 仕切り部材、３４，３６，３８，４０，４２，４６ 固定具、４４ ガイド部材、４８ ざぐり穴、５０ 雌ねじ部、５２ 固定ピン、５４ ピン固定用溝、５６ 角部、５８ 溝、６０ 張り出し部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを構成するセル積層体を収容するケースに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）との電気化学反応を利用して発電を行うセル（燃料電池セル）を積層したセル積層体と、セル積層体を収容するケースとを備える燃料電池スタックが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セル積層体を、セル積層方向に沿う側面の１つが開放されたケースに収容し、積層方向に荷重を加える荷重調整ねじにより、セル積層体を圧縮した燃料電池スタックが開示されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、セル積層体を、セル積層方向の一方端側の端面が開放されたケースに収容した燃料電池スタックが開示されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献３には、セル積層体に締結荷重を均一にかけるために、セル積層方向にセル積層体の全体に渡って延びたテンションシャフトが設けられた燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献４には、エンドプレートとセル積層方向に対して傾斜した傾斜面を有する固定プレートとの間に、セル積層方向に交差して加わった外力により傾斜面を転動する転動ローラを介在させ、この転動ローラにより、固定プレート間のセル積層体を傾斜面間隔が狭い側に移動させることが可能な燃料電池スタックが開示されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献５，６には、放水性、防塵性等の目的のために、両端が開口する筒状をなすカバーが、２枚のエンドプレート間のセル積層体を覆うように配置された燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３４１５４号公報
【特許文献２】韓国登録特許第８７５５７９号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４２００号公報
【特許文献４】特開２００９−５９５３５号公報
【特許文献５】特開２００９−１７０１６９号公報
【特許文献６】特開２００８−１５９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような燃料電池スタックでは、セル積層体を圧縮した際に生じるがケース内のデッドスペースを無くすこと、及びケース内のセルの交換が容易であることが求められている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、ケースとセル積層体との間のデッドスペースを無くし、ケース内のセルを容易に交換することができる燃料電池積層体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものである。
【００１２】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記テンション部材は、前記セル積層体のセル積層方向に沿って延設され、前記テンション部材の一端が前記エンドプレート側で固定され、前記テンション部材の他端が前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面側で固定されることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記テンション部材は、前記エンドプレートを前記セル積層方向にスライド可能に固定する固定ピンと、前記本体部に設けられ、前記固定ピンが挿着されるピン固定用溝と、を備えることが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記本体部のセル積層方向に沿う側面には、前記セル積層方向に沿って、前記セル積層体を支持するガイド部材が形成されることが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記本体部のセル積層方向に沿う側面を介して前記エンドプレートを固定する固定具を備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートの前記セル積層体側と反対側の面にざぐり穴が形成され、前記ざぐり穴から前記エンドプレートを介して前記ケースに当接し、前記エンドプレートを固定する固定具を備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面と前記セル積層方向に沿う側面との角部は、曲率Ｒを有する溝であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ケースとセル積層体との間のデッドスペースを無くして、燃料電池スタックの小型化を可能とし、また、ケース内のセルを容易に交換することができるというサービス性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態のケースの構成の一例を示す模式斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線における燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図６】図５のエンドプレートの模式平面図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。
【図９】本体部の構成の一例を示す模式斜視図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。
【図１１】ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図２は、本実施形態のケースの構成の一例を示す模式斜視図である。図１及び２に示すように、燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２を収容するケース１４と、セル積層方向の一方端に、セル積層体１２側から順に配置されるシム１６及びエンドプレート１８と、セル積層体１２を積層方向に固定するテンション部材２０と、を備える。なお、図での説明は省略するが、セル積層体１２の両端には、集電板としてのターミナルプレートと、絶縁板としてのインシュレータ等が配置されている。また、シム１６はセル積層体１２の積層方向の長さを調節する板材であり、必ずしも備える必要はない。
【００２２】
セル積層体１２を収容するケース１４は、本体部２２とカバー部（２４，２６）とを備える。図２に示すように、本体部２２は、収容するセル積層体１２のセル積層方向（Ｘ方向）に沿う側面壁の少なくとも１つの側面壁が開放された側面開放部２８及びセル積層方向の一方端側の端面壁が開放された端面開放部３０、側面開放部２８と端面開放部３０とを仕切る柱（以下、仕切り部材３２）を備える。側面開放部２８は、主に燃料電池スタック１の修理、点検等の際にケース１４からセル１０を取り出すための空間であるため、作業性の点で、燃料電池スタック１を設置した際に、ケース１４の上面となることが好ましい。なお、図での説明は省略するが、本体部２２のセル積層方向の他方端側の端面壁には、セル１０に燃料ガス及び酸化ガスを供給する配管が接続されている。
【００２３】
本体部２２は、耐衝撃性、防水性、防塵性等の点で、側面壁同士や側面壁と端面壁に継ぎ目のない一体成型品であることが好ましいが、各側面壁、端面壁をボルト等で固定して構成されるものであってもよい。
【００２４】
カバー部（２４，２６）は、側面開放部２８を覆う側面カバー部２４及び端面開放部３０を覆う端面カバー部２６を備える。図１に示すように、側面カバー部２４及び端面カバー部２６はボルト等の固定具３４により本体部２２に固定される。また、図１に示すように、本体部２２の側面開放部２８と端面開放部３０とを仕切る仕切り部材３２上に、側面カバー部２４及び端面カバー部２６の一部を配置し、ボルト等の固定具３６により固定される。このように、仕切り部材３２を設けることにより、カバー部（２４，２６）の面シールが可能となり防水性、防塵性を十分に確保することができる。
【００２５】
本体部２２及びカバー部（２４，２６）の材質は、コスト、強度、製造が容易等の点で、アルミ鋳造等の金属材料であることが好ましい。
【００２６】
テンション部材２０は、セル積層体１２のセル積層方向に沿って延設されている棒状又は板状部材である。テンション部材２０の一端はエンドプレート１８を介してナット等の固定具３８により支持され、他端は本体部２２の端面壁を介して板状ナット等の固定具４０により支持されている。具体的には、エンドプレート１８（及びシム１６）、本体部２２の端面壁に形成された孔にテンション部材２０を挿通し、エンドプレート１８及び端面壁の外側から、ナット等の固定具（３８，４０）により、テンション部材２０が固定される。これにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重が付与され、ケース１４に固定される。なお、テンション部材２０の固定方法は上記に制限されるものではなく、セル積層体１２をセル積層方向に固定することができれば、ケース１４にはどのように固定されていてもよい。
【００２７】
このように、本体部２２に、セル積層方向に沿う側面壁の少なくとも１つの側面壁が開放された側面開放部２８及びセル積層方向の一方端側の端面壁が開放された端面開放部３０を形成することにより、ケース１４内のセル１０の取り出しが容易となる（主に側面開放部２８から）。また、本体部２２の一方端側の端面壁が開放されているため、ケース１４とセル１０との間にデッドスペースがほとんど存在せず、燃料電池スタック１の小型化が可能となる。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１には、エンドプレート１８を固定する固定具４２を備えることが好ましい。本実施形態のように、端面開放部３０及び側面開放部２８が形成された本体部２２では、エンドプレート１８を本体部２２により支持することができず、振動等の多い車両等に搭載される場合には、エンドプレート１８を固定することが好ましい。具体的には、エンドプレート１８に雌ねじ部を形成し、該ボルト穴に係合する本体部２２の側面壁の位置に雌ねじ部を形成して、ボルト等の固定具４２を本体部２２の側面壁及びエンドプレート１８の雌ねじ部に螺合することにより、エンドプレート１８を本体部２２に固定する。
【００２９】
図３は、図１のＡ−Ａ線における燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図３に示すように、本体部２２の側面壁には、セル積層方向に沿ってセル積層体１２を支持するガイド部材４４が形成されている。ガイド部材４４を設けることにより、燃料電池スタック１を組み立てる際、セル１０をケース１４内に誘導することが容易となり、円滑にセル１０の積層化を行うことができる。また、ケース１４に衝撃等が加わった場合のセル１０の撓みをガイド部材４４により抑制することも可能である。本実施形態のガイド部材４４はリブ状であるが、セル１０に突起部を形成することが可能であれば、ガイド部材４４をその突起部に係合する溝としてもよい。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。図４に示す燃料電池スタック２において、図１に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す固定具４６は、イモネジ等の止めネジ等であり、例えば、仕切り部材３２に雌ねじ部を形成し、固定具４６を仕切り部の雌ねじ部に通して、固定具４６の先端をエンドプレート１８に当接させ、エンドプレート１８を固定する。このようにエンドプレート１８に止めネジ等の固定具４６を当接させ、エンドプレート１８を固定する方法を採用することにより、セル積層体１２の積層方向の長さに合わせてエンドプレート１８をセル積層方向に移動させることも、また、固定することも可能となるため、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことができる。
【００３１】
本実施形態では、止めネジ等の固定具４６を仕切り部材３２に形成した雌ねじ部に通して、エンドプレート１８を固定しているが、必ずしもこれに制限されるものではなく、例えば、カバー部（２４，２６）や本体部２２の側面壁等に雌ねじ部を形成し、止めネジ等の固定具４６を雌ねじ部に通して、固定具４６の先端をエンドプレート１８に当接させ、エンドプレート１８を固定してもよい。
【００３２】
図５は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す模式断面図である。また、図６は、図５のエンドプレートの模式平面図である。図５に示す燃料電池スタック３において、図１に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す燃料電池スタック３のエンドプレート１８には、セル積層体１２側の面と反対側の面にざぐり穴４８が形成され、また、図６に示すように、エンドプレート１８の側辺部には、ざぐり穴４８に貫通する雌ねじ部５０が形成されている。そして、本実施形態では、止めネジ等の固定具４６をざぐり穴４８側から、エンドプレート１８の側辺部に形成した雌ねじ部５０に通して、止めネジ等の固定具４６の先端を本体部２２やカバー部（２４，２６）に当接させ、エンドプレート１８を固定する。このようにエンドプレート１８を固定することにより、本体部２２やカバー部（２４，２６）に止めネジ等の固定具４６を通す雌ねじ部５０を形成する必要がなくなるため、ケース１４の防水性、防塵性を向上させることができる。また、ざぐり穴４８はエンドプレート１８の強度を確保することができれば、その面積、深さ、数等特に制限されるものではないが、エンドプレート１８の軽量化の点では、ざぐり穴４８の面積等を大きくすることが好ましい。なお、エンドプレート１８を介して止めネジ等の固定具４６をケース１４に当接させて、エンドプレート１８を固定しているため、セル積層体１２の積層方向の長さに合わせてエンドプレート１８をセル積層方向に移動させることも、また、固定することも可能となるため、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことができる。
【００３３】
図７（Ａ），（Ｂ）及び図８（Ａ），（Ｂ）は、テンション部材の構成の他の一例を示す模式平面図である。図７（Ａ），（Ｂ）に示すテンション部材は、図１に示すテンション部材２０に代わるものであり、エンドプレート１８をセル積層方向（Ｘ方向）にスライド可能に固定する固定ピン５２と、固定ピン５２が挿着されるピン固定用溝５４と、を備える。図９は、本体部の構成の一例を示す模式斜視図である。図９に示すように、ピン固定用溝５４は、本体部２２の側面壁や仕切り部材３２に形成される。
【００３４】
図７（Ａ），（Ｂ）のテンション部材では、固定ピン５２がセル１０のセル積層面方向（Ｙ方向）に移動するようにピン固定用溝５４が形成されている。このような固定ピン５２及びピン固定用溝５４が設けられる場合には、固定ピン５２と当接するエンドプレート１８の端部１８ａを傾斜状に加工する。そして、図７（Ｂ）に示すように、固定ピン５２がＹ方向に移動することにより、エンドプレート１８をセル積層方向（Ｘ方向）にスライドさせることができる。すなわち、セル枚数の増減によって、セル積層体１２のセル積層方向の長さが変動しても、その変動に応じて、固定ピン５２を移動させ、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重を付与し、且つセル積層体１２をケース１４に固定することが可能となる。
【００３５】
図８（Ａ），（Ｂ）のテンション部材では、固定ピン５２がセル１０の積層面方向（Ｙ方向）に対して傾斜移動するようにピン固定用溝５４が形成されている。このような固定ピン５２及びピン固定用溝５４が設けられる場合には、エンドプレート１８の一部を傾斜形状に加工する必要がない。そして、図８（Ｂ）に示すように、固定ピン５２がＹ方向に対して傾斜移動することにより、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることができる。すなわち、セル枚数の増減によって、セル積層体１２のセル積層方向の長さが変動しても、その変動に応じて、固定ピン５２を傾斜移動させ、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせることにより、セル積層体１２にセル積層方向の締結荷重を付与し、且つセル積層体１２をケース１４に固定することが可能となる。また、シム１６の枚数や厚さを減少させること、またはシム１６を無くすことも可能となる。
【００３６】
固定ピン５２及びピン固定用溝５４は複数設けられることが好ましいが、エンドプレート１８をセル積層方向にスライドさせ、セル積層体１２をセル積層方向に固定することができれば、その数は特に制限されるものではない。
【００３７】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本体部２２の端面壁と側面壁との角部５６は、曲率Ｒを有する溝５８であることが好ましい。溝５８は、図１０（Ａ）に示すように、角部５６から側面壁に亘って形成されてもよいし、図１０（Ｂ）に示すように、角部５６から端面壁に亘って形成されてもよいし、図１０（Ｃ）に示すように、端面壁から側面壁に亘って形成されていてもよい。
【００３８】
図１１は、ケースを構成する本体部の構成の他の一例を示す一部模式断面である。図１１に示すように、通常、本体部２２の端面壁と側面壁との角部５６に形成される曲率Ｒにセル１０が接触するため、角部５６に大きな応力が掛かってしまう。しかし、図９に示すように、角部５６を、曲率Ｒを有する溝５８にすることにより、セル１０の接触による角部５６の応力を緩和することが可能となる。
【００３９】
また、図１０（Ａ）に示すように、本体部２２の強度を確保する点で、溝５８を形成することによって減少する本体部２２の厚みを補うように、溝５８に対応する側壁（又は端面壁）を外側に張り出させる（張り出し部６０を形成する）ことが好ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１〜３ 燃料電池スタック、１０ セル、１２ セル積層体、１４ ケース、１６ シム、１８ エンドプレート、２０ テンション部材、２２ 本体部、２４ 側面カバー部、２６ 端面カバー部、２８ 側面開放部、３０ 端面開放部、３２ 仕切り部材、３４，３６，３８，４０，４２，４６ 固定具、４４ ガイド部材、４８ ざぐり穴、５０ 雌ねじ部、５２ 固定ピン、５４ ピン固定用溝、５６ 角部、５８ 溝、６０ 張り出し部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、
前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、
前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、
前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記テンション部材は、前記セル積層体のセル積層方向に沿って延設され、
前記テンション部材の一端が前記エンドプレート側で固定され、前記テンション部材の他端が前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面側で固定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記テンション部材は、前記エンドプレートを前記セル積層方向にスライド可能に固定する固定ピンと、前記本体部に設けられ、前記固定ピンが挿着されるピン固定用溝と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記本体部のセル積層方向に沿う側面には、前記セル積層方向に沿って、前記セル積層体を支持するガイド部材が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記本体部のセル積層方向に沿う側面を介して前記エンドプレートを固定する固定具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記エンドプレートの前記セル積層体側と反対側の面にざぐり穴が形成され、前記ざぐり穴から前記エンドプレートを介して前記ケースに当接し、前記エンドプレートを固定する固定具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面と前記セル積層方向に沿う側面との角部は、曲率Ｒを有する溝であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースと、前記セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方端に配置されるエンドプレートと、前記セル積層体を積層方向に固定するテンション部材とを備える燃料電池スタックであって、
前記ケースは、本体部とカバー部とを備え、
前記本体部は、前記セル積層方向に沿う側面の少なくとも１つの側面及び前記セル積層方向の一方端側の端面が開放され、前記端面の開放部と前記側面の開放部とを仕切る仕切り部を備え、
前記カバー部は少なくとも前記端面の開放部及び側面の開放部を覆うものであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記テンション部材は、前記セル積層体のセル積層方向に沿って延設され、
前記テンション部材の一端が前記エンドプレート側で固定され、前記テンション部材の他端が前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面側で固定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記テンション部材は、前記エンドプレートを前記セル積層方向にスライド可能に固定する固定ピンと、前記本体部に設けられ、前記固定ピンが挿着されるピン固定用溝と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記本体部のセル積層方向に沿う側面には、前記セル積層方向に沿って、前記セル積層体を支持するガイド部材が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記本体部のセル積層方向に沿う側面を介して前記エンドプレートを固定する固定具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記エンドプレートの前記セル積層体側と反対側の面にざぐり穴が形成され、前記ざぐり穴から前記エンドプレートを介して前記ケースに当接し、前記エンドプレートを固定する固定具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記セル積層方向の他方端側の本体部の端面と前記セル積層方向に沿う側面との角部は、曲率Ｒを有する溝であることを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２５３７３０（Ｐ２０１１−２５３７３０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２７１６０（Ｐ２０１０−１２７１６０）
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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