特許 6018023 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6018023

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/247 20160101AFI20161020BHJP

   H01M 8/24 20160101ALI20161020BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 T

   H01M8/24 R

   !H01M8/10

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-133022(P2013-133022)

(22)【出願日】2013年6月25日

(65)【公開番号】特開2015-8086(P2015-8086A)

(43)【公開日】2015年1月15日

【審査請求日】2015年7月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】武山 誠

(72)【発明者】

【氏名】中垣 信彦

(72)【発明者】

【氏名】宮永 斎庸

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／００１６０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１９８５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１６４９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２９５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４７

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セル積層体と、該燃料電池セル積層体の端部に配置されたエンドプレートと、を有する燃料電池スタックであって、
前記エンドプレートは金属からなり、
該エンドプレートの前記燃料電池セル積層体側の表面には、該燃料電池セル積層体に対して供給され、または該燃料電池セル積層体から排出される冷却水および反応ガスの流路が溝状に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

前記エンドプレートは、略長方形であり、前記エンドプレートの長手方向における中央領域は、該中央領域の長手方向外側に位置する外側領域よりも金属が厚く形成されてい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。

【請求項3】

前記エンドプレートの前記燃料電池セル積層体側の面に形成された流路における、流体と接する面は樹脂層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記流体と接する面の樹脂層はエラストマー成分を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

前記エンドプレートの流体と接する面の樹脂層は強化ガラス繊維を含有しており、該強化ガラス繊維は、所定の方向に配向していることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池スタック。

【請求項6】

前記強化ガラス繊維は、金属が厚い領域と薄い領域の境界をまたぐ方向に配向していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。

【請求項7】

前記燃料電池セル積層体のうち前記エンドプレートと接触する側には、溝状に形成された前記流路の当該溝形状に対応して互いに一部が嵌り込む溝が加工されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池セル積層体（燃料電池スタック）のさらにセル積層方向外側には、該燃料電池スタックの圧縮力を保持するエンドプレートが設けられている。また、当該エンドプレートの強度を向上させるため、エンドプレートのセル積層方向外側に補強リブが形成されている場合がある（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−１６５２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、このようにエンドプレートの外側に補強リブが形成されていると、当該エンドプレートのさらに外側に配置される水素ポンプ等の補機さらには配管等の配置や接続が煩雑になる。また、配管のスペースを確保しなければならないため、燃料電池システム、特にスタックケースのＷ方向（車両に搭載された状態での左右方向）の寸法（以下、本明細書ではＷ寸ともいう）が大きくなりがちである。

【0005】

そこで、本発明は、スタックケースのＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減しうる構造とした燃料電池スタックを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば燃料電池車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載される車載発電システムにおいては、車両衝突時に燃料電池スタックへの入力を軽減するという観点からも燃料電池スタックのＷ寸を低減することが望ましい。すなわち、燃料電池システムが大型であると、車両衝突時にボデーとの干渉が強くなり燃料電池スタックが破損するおそれが生じる。具体的には、車両衝突時、ロッカー等のボデー部位が燃料電池スタックに強く干渉する結果、該燃料電池スタックがダメージを受けるおそれがある。ところが、従来の燃料電池スタックは、一般的に、Ｗ寸が（他の寸法よりも）大きくなるように設計されており、このように燃料電池スタックのＷ寸が大きいと、エンドプレート外側に配置される補機や配管等に関し、配置用のスペース確保が難しくなったり、エンドプレート外側で配管の曲げによる位置調整を要したりするという点でも不利である。こういった問題点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く知見を得るに至った。

【0007】

本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池セル積層体と、該燃料電池セル積層体の端部に配置されたエンドプレートと、を有する燃料電池スタックであって、
エンドプレートは金属からなり、
該エンドプレートの燃料電池セル積層体側の表面には、該燃料電池セル積層体に対して供給され、または該燃料電池セル積層体から排出される冷却水および反応ガスの流路が溝状に形成されていることを特徴としている。

【0008】

このような構造の燃料電池スタックにおいては、溝状に形成された各流路の間における部分（エンドプレートの金属部分）が補強リブの役割を果たすことから、エンドプレートの補強リブをＷ方向内側へ設けたのと同様となり、当該エンドプレートのセル積層方向外側に従来のような補強リブを形成する必要がなくなる。このため、エンドプレート外側における補機、配管等の配置が簡易になり、尚かつこれら補機、配管等の接続を補強リブが妨げるようなことがなくなり、これらの接続部分の構成を簡易にすることが可能となる。

【0009】

また、このように各溝状流体流路を形成することにより、エンドプレート外側の配管を省スペース化できる。そうすると、溝状に形成された流体流路から、エンドプレートの内部を通って、エンドプレート外側の所望の位置（タンク、エアコンプレッサ、ラジエータ、燃料電池等に接続するための最適な位置等）に各流体出入口を配置することが可能となる。こうした場合、従来のようにエンドプレート外側で配管の曲げによる位置調整をすることは不要である。また、スペースが必要である配管の曲げを廃止することにより、燃料電池システム全体のＷ方向の寸法を低減することが可能となる。

【0010】

しかも、本発明に係る燃料電池スタックにおいては、エンドプレートの表面に流体（冷却水および反応ガス）の流路が溝状に形成されることから、当該エンドプレートの加工は比較的容易なものとなる。また、流路が溝状であるということは、強度を確保しながらも重量増を抑えやすいことからエンドプレートの軽量化を図りやすくもある。

【0011】

このような燃料電池スタックにおいて、エンドプレートの長手方向における中央領域は、該中央領域の長手方向外側に位置する外側領域よりも金属が厚く形成されていることが好ましい。こうした場合、エンドプレートの長手方向における外側領域はフラットな形状のまま、エンドプレート全体として、締結荷重に耐えるための強度をさらに向上させることができる。

【0012】

また、エンドプレートの内側の面に形成された流路における、流体と接する面は樹脂層が形成されていてもよい。こうした場合、当該流体と接する面における絶縁性能、防食性能を向上させることができる。

【0013】

このような燃料電池スタックにおいて、流体と接する面の樹脂層はエラストマー成分を有するものであってもよい。一般に、金属と樹脂との複合材料においては、金属と樹脂の熱膨張差により、特に低温時に樹脂の割れが発生するおそれがあるのに対し、本発明によれば樹脂部分の伸び率を向上させることによってこのような樹脂割れを抑えやすくすることができる。

【0014】

さらに、燃料電池スタックにおいて、エンドプレートの流体と接する面の樹脂層は強化ガラス繊維を含有しており、該強化ガラス繊維は、金属が厚い領域と薄い領域の境界をまたぐ方向に配向していることも好ましい。このような構成とした場合には、樹脂の割れをさらに抑えやすくすることができる。

【0015】

この場合の樹脂層は、当該樹脂層に含有される強化ガラス繊維が所定の方向に配向されるように配置された樹脂成型用のゲートを利用して成型されたものであることが好ましい。

【0016】

また、燃料電池セル積層体のうちエンドプレートと接触する側には、溝状に形成された流路の当該溝形状に対応して互いに一部が嵌り込む溝が加工されていることが好ましい。このような燃料電池スタックにおいては、エンドプレートの厚さをさらに低減するが可能となる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、スタックケースのＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減しうる構造とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態における、樹脂層が一体成型されたエンドプレートの側面図である。

【図3】図２に示したエンドプレートをＷ方向外側から見た図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ線におけるエンドプレートの断面図である。

【図5】図３のＶ−Ｖ線におけるエンドプレートの断面図である。

【図6】図３のＶＩ−ＶＩ線におけるエンドプレートの断面図である。

【図7】エンドプレートをＷ方向内側から見た図である。

【図8】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面構造を示す図である。

【図9】エラストマー成分を添加した樹脂材の機械特性の一例を示すグラフである。

【図10】通常のナイロン系樹脂材の機械特性の一例を比較例として示すグラフである。

【図11】従来の燃料電池スタックの構造例を参考として示す図である。

【図12】従来の燃料電池スタックにおけるアンカー構造の一部を参考として示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

【0020】

燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル（図示省略）と、該セルを積層してなるセルスタック（図示省略）と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段としての制御装置７００と、を備えたシステムとして構成されている。以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成について説明し、その後、燃料電池１のスタックケース（図１１において符号３で示す）のＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減させるための構成例を説明する（図２等参照）。

【0021】

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御装置７００と、を備えている。

【0022】

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）を積層したスタック構造となっている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

【0023】

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

【0024】

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

【0025】

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

【0026】

供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８、および供給路１２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。符号１３０は、燃料電池１あるいは水素ガスの温度を検出する温度センサである。

【0027】

循環路１２３には、水素オフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ１３２が設けられている。また、排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

【0028】

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

【0029】

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリー（蓄電手段）１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリー１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリー１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリー１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

【0030】

バッテリー１６２は、バッテリーセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

【0031】

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリー１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

【0032】

制御装置７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、ポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

【0033】

セルモニタ８００は、セルにおける電圧（セル電圧）を測定して発電状況（例えば発電中におけるセル電圧の変動など）を測定するために用いられる電圧センサである（図１参照）。セルモニタ８００による測定結果に基づけば、当該燃料電池１のセル電圧を監視することができる。

【0034】

続いて、燃料電池１のスタックケース３のＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減しうるようにするための構成例を説明する（図２等参照）。なお、以下においては、燃料電池車における車両前方方向をＦＲ方向、左右方向をＷ方向という。さらに、以下においては、エンドプレート２２からみてセル積層体（図１１において符号２１で示す）のある側をＷ方向内側、その反対側をＷ方向外側という（図２参照）。

【0035】

まず、従来の構成を挙げつつ、この構成の概略を説明する。一般に、燃料電池車の衝突時などにおいて、ロッカー等のボデー部位が燃料電池スタック２（図１１参照）に当たってしまうと当該燃料電池スタック２がダメージを受けるおそれがある。このようなおそれがあることの理由としては、従来構造のスタックケースは、一般にＷ寸が（他の寸法よりも）大きくなるように設計されており、エンドプレート２２のＷ方向外側に配置される補機や配管等に関し、配置用のスペース確保が難しかったり、エンドプレート２２のＷ方向外側で配管の曲げによる位置調整を要したりしていたことが挙げられる。また、Ｗ寸が大きいことの理由としては、燃料電池セル積層体を圧縮保持するためにエンドプレート２２のＷ方向外側に補強用のリブが設けられており、その分のスペースを要していたことが挙げられる（図１１参照）。

【0036】

これに対し、本実施形態では、樹脂製のスタックマニホールド（セル積層体２１に形成される、燃料ガス、酸化ガスあるいは冷却水用のマニホールド）と金属製のエンドプレート２２とを一体にした上で、従来はエンドプレート２２のＷ方向外側に設定してある当該エンドプレート２２用の補強リブを、Ｗ方向内側に設定し、尚かつ、当該補強リブ（図８において符号２３で示す）で流体の流路（図８等において符号２５で示す）を構成するようにしている。こうした場合、スタックケース３のＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減することが可能となる。

【0037】

また、上述のように樹脂製のスタックマニホールド（図８において符号２７で示す）と金属製のエンドプレート２２とを一体成形することで、寸法精度を向上させることも可能となる。ただし、その一方で、金属（例えばアルミニウム合金）と樹脂の複合構造とすると、低温時における各材料の熱膨張差で、特に形状が屈曲した部分（図中において符号Ｗで示す）に大きな応力が発生して応力集中部位となり、曲がりや折れ、場合によっては割れに至るおそれが生じる。このようなおそれに対する対策としては、後述するように、後述するように、（１）樹脂にエラストマー成分を添加する、（２）屈曲部Ｗに平行に強化ガラス繊維が配向するように成型時のゲート２４の位置を決定する、といった手段を採り得る。

【0038】

以下、この構造についてより詳細に説明する（図２等参照）。

【0039】

燃料電池システム１００（または該燃料電池システム１００を構成する燃料電池１）は、セル積層体２１（図１１参照）の端部にエンドプレート２２を配置してなる燃料電池スタック２、該燃料電池スタック２を収容するスタックケース３等を有している。エンドプレート２２のＷ方向外側（別言すれば、エンドプレート２２を挟んで燃料電池スタック２の反対側またはセル積層体２１の反対側）には、補機類（図示省略）が設けられている。

【0040】

エンドプレート２２は、セル積層体２１の端部に配置される金属製の板状部材である。このエンドプレート２２のＷ方向内側（エンドプレート２２のセル積層体２１側）には、溝状の流路２５が形成されている。これら溝状の流路２５は、酸化ガスとしての空気（酸素）、水素ガス（燃料ガス）さらには冷却水の流路として機能する。

【0041】

また、このようなエンドプレート２２のＷ方向内側の溝は、当該エンドプレート２２の補強リブ２３を構成するように形成されている。本実施形態では、これら補強リブ２３が、スタックマニホールド２７の流路２５を形成する縦壁部２６に設定されている。別言すれば、エンドプレート２２の表面から流路２５の間に垂直方向に延びるように形成された縦壁部２６が、補強リブ２３としても機能するようになっている（図８参照）。

【0042】

なお、本実施形態では、一体的とされる樹脂製のスタックマニホールド２７と金属製のエンドプレート２２とを、これら縦壁部２６の部分において機械的に固定する。その一方で、エンドプレート２２の平坦部（エンドプレート２２の表面に沿った平坦な部分であり、図８において符号Ｆで示す）においては、スタックマニホールド２７を形成する樹脂とエンドプレート２２の金属とを固定することなくフリーな状態としている（図８参照）。

【0043】

このように、エンドプレート２２のＷ方向内側に溝状の流路２５を形成し、尚かつ該溝状の流路２５を補強リブ２３として機能させることとすれば、Ｗ方向外側に形成されていた従来の補強リブは不要となり廃することが可能となる。したがって、Ｗ方向外側の補強リブを廃することによって生じたスペースを、水素ポンプ等の補機や配管等を配置するためのスペースとして利用することができるようになる。これによれば、燃料電池スタック２のＷ寸を低減することが可能となる。また、このようにして燃料電池スタック２のＷ寸を低減できれば、燃料電池車の衝突時、車両のボデー部位が燃料電池スタック２に強く干渉するのを抑え、当該燃料電池スタック２への入力を軽減させることが可能となる。

【0044】

また、本実施形態において、エンドプレート２２の内側の面に形成された流路２５のうち、流体（酸化ガスとしての空気、水素ガス。および冷却水）と接する面には樹脂の層（樹脂コート層）が形成されている（図４等参照）。これにより、本実施形態のエンドプレート２２は、これら流体と接する面における絶縁性能、防食性能が向上したものとなっている。

【0045】

この場合、樹脂層の材質は特に限定されるものではないが、例えばエラストマー成分を有するものは好適な一例である。その背景としては以下がある。すなわち、一般に、金属と樹脂とを複合した材料でエンドプレート２２を形成した場合、金属と樹脂の熱膨張差に起因して特に低温時に樹脂の割れが発生するおそれがある。特に、本実施形態のごとく、縦壁部２６で金属（例えばアルミニウム合金）と樹脂とを機械的に固定し、平坦部Ｆではフリーとした構成の場合、低温時、金属が収縮する以上に線膨張係数の大きい樹脂部が収縮する結果、樹脂における平坦部Ｆが引っ張られて応力が発生する。さらに、補強リブ２３があるが故に屈曲部Ｗができてしまい、この部位に応力が集中しやすいが、だからといって、補強リブ２３は燃料電池スタック２の圧縮力を保持するために不可欠ともいえるものであるから、屈曲部Ｗが生じるのを回避することは難しい。この点、例えば材質のヤング率を低下させれば低温時の各部材の熱膨張差により発生する応力を低減することが可能ではあるが、低下させすぎると、燃料電池スタック２の圧縮力を保持できなかったり、大きなクリープを発生しまったりすることがある。また、応力集中を分散低減させる手段として、樹脂部と金属部（例えばアルミニウム合金部）との間にアンカーを設けたアンカー構造とすることが挙げられるが（図１２参照）、それでも不十分な場合がある。

【0046】

以上のような背景や問題点に対しては、エラストマー成分を含有した樹脂材料を用いれば樹脂部分の伸び率が向上し、このような樹脂の割れが発生するのを抑えることが可能となる。具体例を挙げると、例えばアルミニウム合金と樹脂との複合材料の場合、各材質の熱膨張係数が異なるため、特に低温時にアルミニウムが収縮する以上に樹脂が収縮するため、樹脂に引っ張り応力が発生する。この点、樹脂（例えば通常のナイロン系樹脂）にエラストマー成分を添加して靱性を向上させた樹脂材料を選択することで、屈曲部Ｗにおける割れ等を抑えることが可能となる（後述の実施例１参照）。

【0047】

また、樹脂層として、強化ガラス繊維を含有しているものを採用することも好適な一例である。屈曲部Ｗに平行に強化ガラス繊維が配向されていれば、低温時に屈曲部Ｗにおいて割れ等が発生するのを抑えやすくなる。すなわち、熱膨張差により発生しうる応力集中の方向と強化ガラス繊維方向を合わせるようにすれば、当該樹脂層の強度が大幅に向上する。

【0048】

また、上述のような強化ガラス繊維を含有した樹脂層の成型手段は種々あるが、強化ガラス繊維が所定の配向となるように成型時のゲート２４の位置を決定することは好適な手段の一例である。例示すれば、エンドプレート２２の表面における屈曲部Ｗに平行に強化ガラス繊維が配向するように成型時のゲート２４の位置を決定することができる。あるいは、強化ガラス繊維が平坦部Ｆの長手方向および屈曲部Ｗに平行に配向するようなゲート２４の位置とすることもできる。例えば図７に示すエンドプレート２２においては、成型時の樹脂流れ方向が長手方向であって向かって右側（図７中の矢印を参照）である場合に、流れ方向上流側に３箇所、下流側に１箇所のゲート２４を配置し、強化ガラス繊維が屈曲部Ｗに平行に配向されるようにしている（図７参照）。

【0049】

また、本実施形態の燃料電池１において、エンドプレート２２の長手方向における中央領域（図中、符号２２Ａで示す）は、該中央領域２２Ａの長手方向外側に位置する外側領域（図中、符号２２Ｂで示す）よりも金属の板厚が厚くなるように形成されている（図７、図８参照）。一般的に、セル積層体２１は数十トンもの荷重で圧縮されることを考慮すると、スタックマニホールド２７とエンドプレート２２を一体にした本実施形態の燃料電池１においては、特にスタックマニホールド２７の中央部を補強することが望ましい。この点、上述のように中央領域２２Ａの金属を厚く形成すれば、エンドプレート２２の全体として締結荷重に耐えるべく強度をさらに向上させることができる。また、このような構造とした場合、外側領域２２Ｂにおいてはフラットな形状のままでも、流体流路を狭めることによって中央領域２２Ａの金属を厚くすることが可能である。

【0050】

なお、上述したようにエンドプレート２２を構成する金属部分に厚い領域と薄い領域とが形成されている場合（図５等参照）、先に説明した強化ガラス繊維を、これら金属の厚い領域と薄い領域の境界をまたぐ方向に配向させることも好ましい。金属と樹脂の複合材料において、樹脂の割れは金属が厚くなっている領域の方向に向かって発生しやすいのに対し、強化ガラス繊維をこのように配向すれば樹脂に割れが発生するのを抑えやすくなる。

【0051】

また、上述のごとくエンドプレート２２のＷ方向内側に溝状の流路２５を形成した本実施形態の燃料電池１においては、セル積層体２１のうち当該エンドプレート２２と接触する側に、これら溝形状に対応した溝を加工することも好適である。この場合のセル積層体２１側の溝は、エンドプレート２２側の溝（または溝状の流路２５）との間で互いに一部が嵌り込むようになっており、尚かつ嵌り合った状態で流路２５の流域を確保するものであることが好ましい。このような構成とした場合、エンドプレート２２の厚さをさらに低減しやすくなる。

【0052】

ここまで説明したごとき燃料電池スタック２の利点を従来構造と比較しつつ説明すると以下のとおりである。

【0053】

まず、上述のごとき構造の燃料電池スタック２においては、溝状に形成された各流路２５の間における部分（エンドプレート２２の金属部分）が補強リブ２３の役割を果たすことから、いわば、補強リブ２３をＷ方向内側へ設けたのと同様の効果が得られる構造であり、当該エンドプレート２２のＷ方向外側に従来のような補強リブを形成する必要がない。このため、エンドプレート２２の外側における補機、配管等の配置が簡易になり、尚かつこれら補機、配管等の接続を補強リブが妨げるようなことがなくなり、これらの接続部分の構成を簡易にすることが可能となる。一方、従来構造の場合には、エンドプレート外側に補強リブを設けていたことから、エンドプレート外側に配置される補機や配管等の配置用のスペース確保が難しかったり、エンドプレート外側で配管の曲げによる位置調整を要したりすることがある。

【0054】

また、本実施形態に係る燃料電池スタック２によれば、溝状の流路２５を形成することにより、エンドプレート２２の外側の配管の省スペース化を実現することができる。一方、従来構造であれば内部流路が樹脂のみで構成されており、強度は期待できないため補強リブとして機能させることはできなかったし、エンドプレート外側には水素、酸素、冷却水のイン・アウトのための配管を設置するため大きなスペースを要していた。

【0055】

しかも、本実施形態に係る燃料電池スタック２においては、エンドプレート２２の表面に流体の流路２５が溝状に形成されることから、当該エンドプレート２２の加工は比較的容易である。また、流路２５が溝状であるということは、強度を確保しながらも重量増を抑えやすいことからエンドプレート２２の軽量化を図りやすくもある。一方、従来構造であればこのような利点を実現することが難しい。

【0056】

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては、冷媒が冷却水である場合について説明したが、冷却水は燃料電池１に対して給排される流体の一例にすぎず、これ他の流体であってもよいことはいうまでもない。

【実施例1】

【0057】

エラストマー成分を添加した場合の樹脂材料（エラストマー成分添加材）の機械特性を、通常ナイロン系の樹脂材料の機械特性（図１０参照）と比較しつつ、応力集中部位の強度や耐性がどの程度向上するかを調べた（図９参照）。その結果、エラストマー成分を添加した樹脂材料は、成型後初期において以下のような機械特性を有することが確認できた。
・常温（２３℃）時の歪み２％時の応力 １６０ＭＰａ〜１８０ＭＰａ
・常温（２３℃）時の破断伸び３．２％以上
・低温（−２０℃）時の歪み２％時の応力 １４０ＭＰａ〜１６０ＭＰａ
・低温（−２０℃）時の破断伸び２．９％以上

【0058】

以上の結果から、エンドプレート２２の樹脂部における曲がりや折れ、場合によっては割れに至るおそれに対し、上述の実施形態にて述べたごとくエラストマー成分を添加した樹脂材料を採用することが有効であることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明は、セル積層体２１と、該セル積層体２１の端部に配置されたエンドプレート２２とを有する燃料電池スタック２ないしは該燃料電池スタック２を含む燃料電池１に適用して好適なものである。

【符号の説明】

【0060】

１…燃料電池
２…燃料電池スタック
２１…セル積層体（燃料電池セル積層体）
２２…エンドプレート
２２Ａ…長手方向における中央領域
２２Ｂ…中央領域の長手方向外側に位置する外側領域
２４…ゲート
２５…流体の流路
２７…スタックマニホールド（樹脂層）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】