特許 6696852 燃料電池

(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】6696852

(24)【登録日】2020年4月27日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20200511BHJP

   H01M 8/2404 20160101ALI20200511BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20200511BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2465

   H01M8/2404

   !H01M8/10 101

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-140627(P2016-140627)

(22)【出願日】2016年7月15日

(65)【公開番号】特開2018-10839(P2018-10839A)

(43)【公開日】2018年1月18日

【審査請求日】2019年4月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(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

(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】三好 新二

(72)【発明者】

【氏名】竹内 弘明

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／１２３００６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２７００８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９１８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２９７３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５８１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０７６３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０８１９６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２１１２４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

矩形状のセルを複数積層したセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースとを備える燃料電池であって、
前記セル積層体のセル積層方向に沿う側面と前記ケースとの間に配置される、第１衝撃保護体及び第２衝撃保護体を備え、
前記第１衝撃保護体及び前記第２衝撃保護体は、前記セル積層方向に垂直な断面でみたときに、前記セルの角部を間に挟んで配置されており、
前記第１衝撃保護体を通り、前記セルにおける第１衝撃保護体が配置された一辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１延長線と、前記セルの重心を通り、前記一辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１重心延長線との間の距離をａとし、
前記第２衝撃保護体を通り、前記セルにおける前記第２衝撃保護体が配置された他辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２延長線と、前記セルの重心を通り、前記他辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２重心延長線との間の距離をｂと定義した場合に、
前記第１衝撃保護体の弾性率Ｅａと、前記第２衝撃保護体の弾性率Ｅｂとの弾性率の比は、Ｅａ／Ｅｂ＝ｂ／ａの関係を満たす、燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）は、発電機能を発揮する複数の単セル（以下、セルとも称する）が積層された構造を有する。当該単セルは、高分子電解質膜の両端に一対（アノード、カソード）の触媒層が配設された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、当該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有する。燃料電池は、通常、複数のセルを積層した燃料電池スタックとして、例えば燃料電池車両に搭載される。

【0003】

燃料電池スタックは、特に車載用として使用される際、揺れや振動の他、外部荷重が付与され易い。また、車両の衝突時において、燃料電池スタックを確実に保護する必要がある。そこで、例えば下記特許文献１のような、燃料電池スタックを保護するための構造が提案されている。

【0004】

下記特許文献１には、複数のセルを積層した積層体をケースに収容し、積層体とケースとを一対の連結バーにより接続した燃料電池が開示されている。この一対の連結バーは、ケースと積層体との間であって、積層体のセル積層方向（セルを積層する方向）に沿う側面の略中央側に配置されている。このような連結バーが開示された下記特許文献１によれば、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタックを確実に保護することができる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−２２５８０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、積層体のセル間のずれは、セル積層方向に対して垂直な方向に発生しやすい。このずれの要因は、燃料電池スタックに振動が加えられた場合に、セル積層方向に対して垂直な断面でみたときのセルの重心を中心とする搖動モーメントの発生によるものである。上記特許文献１の燃料電池では、ケースとセル積層体との間に連結バー（衝撃保護体）を設けて燃料電池スタックを保護する工夫がなされているものの、上述した搖動モーメントについて何ら考慮されていなく、セル間のずれが生じるおそれがあった。

【0007】

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、積層体のセル間のずれの発生を抑制することができる燃料電池を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池は、矩形状のセルを複数積層したセル積層体と、前記セル積層体を収容するケースとを備える燃料電池であって、前記セル積層体のセル積層方向に沿う側面と前記ケースとの間に配置される、第１衝撃保護体及び第２衝撃保護体を備え、前記第１衝撃保護体及び前記第２衝撃保護体は、前記セル積層方向に垂直な断面でみたときに、前記セルの角部を間に挟んで配置されており、前記第１衝撃保護体を通り、前記セルにおける第１衝撃保護体が配置された一辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１延長線と、前記セルの重心を通り、前記一辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１重心延長線との間の距離をａとし、前記第２衝撃保護体を通り、前記セルにおける前記第２衝撃保護体が配置された他辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２延長線と、前記セルの重心を通り、前記他辺に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２重心延長線との間の距離をｂと定義した場合に、前記第１衝撃保護体の弾性率Ｅａと、前記第２衝撃保護体の弾性率Ｅｂとの弾性率の比は、Ｅａ／Ｅｂ＝ｂ／ａの関係を満たす。

【0009】

本発明に係る燃料電池では、Ｅａ／Ｅｂ＝ｂ／ａの関係を満たすように第１衝撃の弾性率及び第２衝撃保護体の弾性率を設定している。これにより、セル積層方向に対して垂直な断面でみたときに、セルの重心を中心として発生する互いに逆方向の搖動モーメントを同じ値にすることができ、逆方向の搖動モーメントが互いに相殺されることとなる。その結果、セル積層体の搖動が抑制され、セル積層体の単セル間のずれの発生を抑制することができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、積層体のセル間のずれの発生を抑制することができる燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係る燃料電池スタックのセル積層方向に沿った断面を示す概略断面図である。

【図2】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図3】（Ａ）第１変形例に係る燃料電池スタックを説明するための図である。（Ｂ）第２変形例に係る燃料電池スタックを説明するための図である。

【図4】（Ａ）衝撃保護体の弾性率、硬度と衝撃反力の関係を示すグラフである。（Ｂ）衝撃保護体の厚さ、予圧縮率と衝撃反力の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0013】

まず、本発明の実施形態における燃料電池の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態における燃料電池スタック（燃料電池）の、セル積層方向に沿った断面を示す概略断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であって、全体として略直方体形状を成す燃料電池スタックの略中央近傍において、セル積層方向に垂直な断面（平板状を成す単セルに沿った断面）を示すものである。

【0014】

燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する。図１に示すように、燃料電池スタック１は、矩形状の単セル２０を複数積層したセル積層体２と、ケース３と、第１の衝撃保護体４と、第２の衝撃保護体５とを備える。

【0015】

単セル２０（図２参照）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。なお、燃料電池スタック１における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１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、セル積層方向Ｓ（図１）に沿って積層され、セル積層体２を構成している。

【0016】

ケース３は、略直方体形状の容器であり、セル積層体２と、第１の衝撃保護体４と、第２の衝撃保護体５と、を少なくとも収容する。ケース３は、セル積層体２と所定間隔の隙間をあけた状態でセル積層体２を覆うように設けられている。

【0017】

ケース３とセル積層体２のセル積層方向Ｓに沿う側面との間には、衝撃保護体（第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５）が配置されている。この第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５は、セル積層方向Ｓに垂直な断面でみたときに、図２に示すように、単セル２０の角部２０ｃを間に挟むように配置されている。

【0018】

第１衝撃保護体４は、略長方形断面を成すセル積層体２のセル積層方向Ｓに沿う側面のうち短面側の側面（図１に示す短面２Ａ）に沿って、セル積層方向Ｓに延在して配置される。セル積層方向Ｓに対して垂直な断面でみたときには、図２に示すように、第１衝撃保護体４は、単セル２０の短辺２０ａの両端側（言い換えれば、単セル２０の角部２０ｃ近傍）に配置されている。本実施形態では、第１衝撃保護体４は、略四角断面を成す棒状部材で構成される。しかしながらこの例に限定されず、本実施形態における第１衝撃保護体４は、セル積層体２の単セル２０間のずれの発生を抑制可能な機能を有していれば、その形状や個数等を適宜変更することが可能である。

【0019】

第２衝撃保護体５は、セル積層体２のセル積層方向Ｓに沿う側面のうち長面側の側面（図１に示す長面２Ｂ）に沿って、セル積層方向Ｓに延在して配置される。セル積層方向Ｓに対して垂直な断面でみたときには、図２に示すように、第２衝撃保護体５は、単セル２０の長辺２０ｂの両端側（言い換えれば、単セル２０の角部２０ｃ近傍）に配置されている。本実施形態では、第２衝撃保護体５は、略四角断面を成す棒状部材で構成される。しかしながら、この例に限定されず、本実施形態における第２衝撃保護体５は、セル積層体２の単セル２０間のずれの発生を抑制可能な機能を有していれば、その形状や個数等を適宜変更することが可能である。

【0020】

ところで、セル積層体２の単セル２０間のずれは、セル積層方向Ｓ（図１参照）に対して垂直な方向（図２では上下方向（矢印Ｐ方向））で発生しやすい。図２の矢印Ｐは、振動の衝撃加速度が加わる方向を示す。図２の矢印Ｐ方向に振動に起因する衝撃加速度が加わると、第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５は衝撃加速度を受け止め、衝撃反力Ｆａ、Ｆｂとそれに伴う搖動モーメントＭａ、Ｍｂ（搖動モーメントＭａ、Ｍｂは、図２に示す距離ａ、ｂを用いて、Ｍａ＝Ｆａ×ａ、Ｍｂ＝Ｆｂ×ｂと示される。距離ａ、ｂの詳細は後述）が発生する。この搖動モーメントＭａと、搖動モーメントＭｂは相互に逆回転方向であり、これら搖動モーメントの大きさが異なる場合には、セル積層体２の単セル２０間にずれが生じるおそれがある。つまり、燃料電池スタック１におけるセル積層体２の単セル２０間のずれの発生を抑制するためには、搖動モーメントを抑制することが好ましい

【0021】

そこで、搖動モーメントを抑制する方法として、ケース３とセル積層体２との間に配置する複数の衝撃保護体のそれぞれの弾性率を同じにし、当該衝撃保護体の強度を上げることで（部材を厚くすることで）、搖動モーメントを抑制するという考え方がある。しかしながら、この手法では、衝撃保護体の厚さを大きくしているため、燃料電池スタックの体格が大きくなるという問題が発生してしまう。このような燃料電池スタックの体格が大きくなる問題を解決することを意図して、衝撃保護体の厚みを薄くした場合、各々の衝撃保護体が同じ弾性率であると搖動モーメントが抑制できなくなってしまう。

【0022】

以上に鑑みて、本発明者らは種々の実験を重ねた結果、次のように衝撃保護体の弾性率を設定すれば、衝撃保護体の厚みを薄くしながら搖動モーメントを抑制できるという知見を見出した。この知見に基づき本実施形態では、第１衝撃保護体４の弾性率Ｅａと、第２衝撃保護体５の弾性率Ｅｂとの比は、図２に示す距離ａ、距離ｂを用いた場合、下記式（１）の関係を満たすように設定される。
Ｅａ／Ｅｂ＝ｂ／ａ・・・（１）
（ｂ／ａ≒（長辺２０ｂの幅Ｄｂ）／（短辺２０ａの幅Ｄａ））

【0023】

上記式（１）における距離ａは、次のように設定されている。すなわち、図２に示すセル積層方向に垂直な断面でみたときに、第１衝撃保護体４を通り、単セル２０における第１衝撃保護体４が配置された一辺（図２に示す短辺２０ａ）に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１延長線Ｌ１と、単セル２０の重心Ｇを通り、上記短辺２０ａに沿う方向に対して垂直な方向に延びる第１重心延長線Ｌ１ｇとの間の距離を、距離ａと設定する。

【0024】

上記式（１）における距離ｂは、次のように設定されている。すなわち、図２に示すセル積層方向に垂直な断面でみたときに、第２衝撃保護体５を通り、単セル２０における第２衝撃保護体５が配置された他辺（図２に示す長辺２０ｂ）に沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２延長線Ｌ２と、単セル２０の重心Ｇを通り、長辺２０ｂに沿う方向に対して垂直な方向に延びる第２重心延長線Ｌ２ｇとの間の距離を、距離ｂと設定する。

【0025】

以上のように本実施形態では、上記式（１）に示す関係に基づき、第１衝撃保護体４の弾性率と第２衝撃保護体５との弾性率とを設定している。これにより、図２に示す、単セル２０の重心Ｇを中心として発生する互いに逆方向の搖動モーメント（Ｍａ、Ｍｂ）を同じ値にすることができ、逆方向の搖動モーメントが互いに相殺されることとなる。そのため、セル積層体２の搖動が抑制され、セル積層体２の単セル２０間のずれの発生を抑制することができる。

【0026】

なお、燃料電池スタック１の長辺方向（図２では左右方向）の両端部には、セル積層方向に連通した連通孔３０が複数形成されている。両端部のうち一方側の３つの連通孔３０は、酸化剤ガス供給連通孔、燃料ガス供給連通孔、冷却媒体供給連通孔のいずれかを構成するものである。この酸化剤ガス供給連通孔は、酸化剤ガス（例えば酸素含有ガス）を供給する一方、燃料ガス供給連通孔は、燃料ガス（例えば水素含有ガス）を供給し、冷却媒体供給連通孔は冷却媒体を供給するものである。両端部のうちの他方側の３つの連通孔３０は、酸化剤ガス排出連通孔、燃料ガス排出連通孔、冷却媒体排出連通孔のいずれかを構成するものである。この酸化剤ガス排出連通孔は、酸化剤ガスを排出するためのものであり、燃料ガス排出連通孔は燃料ガスを排出するためのものであり、冷却媒体排出連通孔は冷却媒体を排出するためのものである。

【0027】

続いて変形例について説明する。図３（Ａ）は第１変形例における燃料電池スタックのセル積層方向に垂直な断面を示す。図３（Ｂ）は、第２変形例における燃料電池スタックのセル積層方向に垂直な断面を示す。図３に示す変形例における燃料電池スタックは、図１及び図２で示した第１衝撃保護体及び第２衝撃保護体の個数や形状等を変化させたもので、それ以外の構成や機能は同じである。従って、既に説明した構成や機能と同じ部分についてはその説明を省略する。

【0028】

第１変形例における燃料電池スタック１では、図３（Ａ）に示すように、第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５は、単セル２０の長辺２０ｂ及び短辺２０ａに沿って断続的に配置されている。詳細には、セル積層方向に対して垂直な断面でみたときに、第１衝撃保護体４は、単セル２０の短辺２０ａの両端側（言い換えれば、角部２０ｃ近傍）に配置されると共に、短辺２０ａの中央側に１つ配置、すなわち計６個配置されている。第２衝撃保護体５は、単セル２０の長辺２０ｂの両端側（言い換えれば、角部２０ｃ近傍）に配置されると共に、単セル２０の長辺２０ｂの中央側に１つ配置、すなわち計６個配置されている。

【0029】

第２変形例における燃料電池スタック１では、第１衝撃保護体４の厚さｔａと、第２衝撃保護体５の厚さｔｂとを異ならせている。例えば図３（Ｂ）に示すように、第１衝撃保護体４により大きい衝撃反力が発生するように、第１衝撃保護体４の厚さｔａを第２衝撃保護体５の厚さｔｂよりも薄くすることが好適である。なお、第１衝撃保護体４の厚さｔａとは、セル積層方向に対して垂直な断面でみたときの、第１衝撃保護体４の厚さ方向（図３では左右方向）の大きさ（幅）を意味する。第２衝撃保護体５の厚さｔｂとは、セル積層方向に対して垂直な断面でみたときの、第２衝撃保護体５の厚さ方向（図３では上下方向）の大きさ（幅）を意味する。

【0030】

以上説明した本実施形態では、第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５のそれぞれは、図２に示したように、単セル２０の４つの角部２０ｃを挟むように配置されているが（言い換えれば、第１衝撃保護体４を角部２０ｃ近傍に４個、第２衝撃保護体５を角部２０ｃ近傍に４個）、この例に限定されない。例えば、単セル２０における対向する一対の角部近傍（すなわち、２つの角部２０ｃ近傍）のみに第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５を配置しても良い。この場合、第１衝撃保護体４は２個、第２衝撃保護体５は２個配置されることとなる。その他、第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５としての機能を有していれば、第１衝撃保護体４及び第２衝撃保護体５の個数や形状等を適宜変更することが可能である。

【0031】

他の変形例として、第１衝撃保護体４の材料の硬度Ｋａと、第２衝撃保護体の材料の硬度Ｋｂとの比は、図２に示す距離ａ、距離ｂを用いた場合、下記式（２）の関係を満たすように設定しても良い（図４（Ａ）参照）。
Ｋａ／Ｋｂ＝ｂ／ａ・・・（２）

【0032】

また、第１衝撃保護体４をケース３内に収容するときの予圧縮率Ｒａと、第２衝撃保護体５をケース３内に収容するときの予圧縮率Ｒｂとを異ならせてもよい。予圧縮率は，予圧縮による保護体の厚さの変形量Δｔを予圧縮前の厚さｔで除した値である。振動に起因する衝撃加速度が燃料電池スタックに加わった場合に生じる衝撃反力Ｆａ、Ｆｂ（図２参照）を仮定した場合に、衝撃反力Ｆａ、Ｆｂと予圧縮率Ｒａ、Ｒｂとの関係を、図４（Ｂ）に示す関係に基づき設定しても良い。より詳しくには，第１衝撃保護体４と第２衝撃保護体５の横弾性係数をＧとすると，予圧縮率Ｒａと衝撃反力Ｆａの関係はＦａ＝Ｇ｛（Ｒａ−１）＋１／（Ｒａ−１）²｝，予圧縮率Ｒｂと衝撃反力Ｆｂの関係はＦｂ＝Ｇ｛（Ｒｂ−１）＋１／（Ｒｂ−１）²｝となる。したがって図２に示す距離ａ、距離ｂを用いた場合、予圧縮率Ｒａ，Ｒｂは，下記式（３）の関係を満たすように設定される。
｛（Ｒａ−１）＋１／（Ｒａ−１）²｝／｛（Ｒｂ−１）＋１／（Ｒｂ−１
）²｝＝ｂ／ａ・・・（３）

【0033】

また、第１衝撃保護体４の予圧縮前の厚さｔａと、第２衝撃保護体５の予圧縮前の厚さｔｂとを異なる厚さとする場合には、次のように設定することが好適である。すなわち、振動に起因する衝撃加速度が燃料電池スタックに加わった場合に生じる衝撃反力Ｆａ、Ｆｂ（図２参照）を仮定した場合に、衝撃反力Ｆａ、Ｆｂと厚さの逆数１／ｔａ、１／ｔｂとの関係を、図４（Ｂ）に示す関係に基づき設定することが好適である。より詳しくには、第１衝撃保護体４と第２衝撃保護体５について、横弾性係数Ｇ、予圧縮による厚さの変形量Δｔの場合，厚さｔａと衝撃反力Ｆａの関係はＦａ＝ＧΔｔ｛（１／ｔａ−１／Δｔ）＋１／（１／ｔａ−１／Δｔ）²｝，厚さｔｂと衝撃反力Ｆｂの関係はＦｂ＝ＧΔｔ｛（１／ｔｂ−１／Δｔ）＋１／（１／ｔｂ−１／Δｔ）²｝となる。したがって図２に示す距離ａ、距離ｂを用いた場合、厚さｔａ，ｔｂは，下記式（４）の関係を満たすように設定される。
｛（１／ｔａ−１／Δｔ）＋１／（１／ｔａ−１／Δｔ）²｝／｛（１／ｔｂ−１／Δｔ）＋１／（１／ｔｂ−１／Δｔ）²｝＝ｂ／ａ・・・（４）
予圧縮による厚さの変形量Δｔが大きい場合は，簡易的に下記式（５）の関係を満たすように設定してもよい。
｛（１／ｔａ−１）＋１／（１／ｔａ−１）²｝／｛（１／ｔｂ−１）＋１／（１／ｔｂ−１）²｝＝ｂ／ａ・・・（５）

【0034】

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0035】

１：燃料電池スタック
２：セル積層体
２Ａ：短面
２Ｂ：長面
３：ケース
４：第１衝撃保護体
５：第２衝撃保護体
２０：単セル（セル）
２０ａ：短辺
２０ｂ：長辺
２０ｃ：角部
３０：連通孔
Ｄａ：セル短辺の幅
Ｄｂ：セル長辺の幅
Ｅａ：第１衝撃保護体の弾性率
Ｅｂ：第２衝撃保護体の弾性率
Ｇ：重心
Ｌ１：第１延長線
Ｌ１ｇ：第１重心延長線
Ｌ２：第２延長線
Ｌ２ｇ：第２重心延長線
Ｍａ、Ｍｂ：搖動モーメント
Ｓ：セル積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】