JP4956882B2

JP4956882B2 - 燃料電池

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Description

本発明は燃料電池に関し、とくに燃料電池のスタック構造に関する。

特開２００２−１２４２９１号公報に開示されているように、また、図３０、図３１に示すように、燃料電池、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。流体流路２６、２７、２８をシールするために、ゴムガスケット３２や接着剤シール３３が設けられている。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単セル１９を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。

各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
従来のスタック法では、モジュールの保持はつぎのように行っている。
セル積層体のセル積層方向の一端にばね３４が配置されるとともに首振り部３５と調整ねじ３６が設けられる。スタック２３のモジュールは、ばね３４のばね力でセル積層方向に定荷重が付与されて保持され、セル積層方向と直交する方向には、ばね力×まさつ係数をまさつ力として保持される。
モジュールをセル積層方向と直交する方向により一層確実に保持するために、モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で拘束することもある。

従来のスタック法には、つぎの問題がある。
１．セル積層体の総質量Ｍに、セル積層方向と直交する方向に数Ｇ〜２０Ｇ程度（Ｇは重力の加速度）の加速度αの衝撃がかかると、セル積層体の端部近傍には、Ｍα／２の剪断力がかかり、この剪断力がばね力×まさつ係数より大となると、セル積層体の端部近傍のモジュール間ですべりが生じて、スタックがばらけてしまう。
２．モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で保持すると、ばね力でＭＥＡや拡散層などのセル構成部材がクリープした時の、スタック端部セルが外部拘束材に対してセル積層方向に移動した時に外部拘束材にひっかかり、セルが損傷するおそれがある。クリープ量を少なくするためにばね力を小さくすると、必要なセル間接触面圧を得ることができなくなる。
特開２００２−１２４２９１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることである（第１の課題）。
本発明が解決しようとするもう一つの問題点は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時のスタックのばらけと、外部拘束材を設けた場合、セル構成部材のクリープによってセルが移動し、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかって生じるセルの損傷である（第２の課題）。

本発明の目的は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止できる燃料電池を提供することである（第１の目的）。
本発明のもう一つの目的は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止でき、かつ、外部拘束材を設けた場合でも、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかることがない燃料電池を提供することである（第２の目的）。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）直列に配置された複数の多セルモジュールと、外側部材と、外部拘束部材とを有し、
前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールは、複数のセルを積層した多セル集合体と、該多セル集合体を囲み該多セル集合体のセル積層方向に延びる第１の壁を備えたモジュール枠とを有しており、
前記各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁とは互いに非接触でかつセル積層方向に互いに非拘束であり、
前記外部拘束部材は、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁の外面と前記外側部材の内面との間に設けられ、前記外部拘束部材は、前記第１の壁の外面と前記外側部材の内面とに接触しており、前記外部拘束部材は、変形可能な材料から構成されており、
前記外側部材は、前記複数の多セルモジュールと前記外部拘束部材との外側で、全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、かつ、前記直列に配置された複数の多セルモジュールのセル積層方向両側に配置されたエンドプレート間に延びている、
燃料電池。
（２）前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールでは、多セル集合体のセル同士が互いに接着されている（１）記載の燃料電池。
（３）前記モジュール枠は、互いに離間した隣り合う多セルモジュール間に跨がって設けられている（１）記載の燃料電池。
（４）前記複数の多セルモジュールをセル積層方向に直列に配置し、該直列に配置された複数の多セルモジュールを含むスタックの一端にスプリングボックスをセル積層方向に直列に配置して、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールに、セル積層方向に、前記スプリングボックスからのばね力をかけ、
前記スタックの他端に燃料ガスおよび酸化ガスの導入部を設けた（１）記載の燃料電池。
（５）前記モジュール枠の外面と前記外部拘束部材の内面とを点接触させた（１）記載の燃料電池。
（６）前記多セル集合体と外部とを電気的に接続する部材を前記多セル集合体に設置するための開口を前記モジュール枠に設けた（１）記載の燃料電池。
（７）前記モジュール枠が、互いに別体の２以上の枠部材から構成されている（１）記載の燃料電池。
（８）セルモニターを前記多セル集合体のセルに取付け、前記モジュール枠から前記セルモニターの外側面に延びるセルモニター押さえが前記モジュール枠に設けられている（１）記載の燃料電池。
（９）前記モジュール枠の少なくとも一部が非導電性材料からなる（１）記載の燃料電池。
（１０）前記モジュール枠が弾性部材からなる（１）記載の燃料電池。
（１１）前記弾性部材の表面の摩擦係数を前記弾性部材自体の摩擦係数より小さくした（１０）記載の燃料電池。
（１２）前記モジュール枠にワイヤーを埋め込んだ（１０）記載の燃料電池。

上記（１）の燃料電池では、スタックを複数の多セルモジュールに分割し、各多セルモジュールを、セル積層方向と直交する方向に外側部材で受けるようにしたので、セル積層体の全体の質量をＭ、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、従来、セル積層体全体にＭαの横力が作用しＭα／２の剪断力Ｓがセル積層体の端部のモジュールにかかっていたのに対し、本発明では分割数をｎとすると、各多セルモジュールに作用する横力がＭα／ｎとなり、各多セルモジュールにおける剪断力がＳ／ｎとなり、高Ｇの横方向衝撃に対応可能となる。
また、各多セルモジュールにセル積層方向にかけるばね力は、Ｍα／２の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく、接触抵抗を低くするために必要な力をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができ、クリープ量も減少する。
また、スタックを複数の多セルモジュールに分割したため、ＭＥＡなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック両端のセルに集中することなく、各多セルモジュールに分散され、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量の減少によって、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量も低減する。その結果、外部拘束部材を設けた場合、各多セルモジュールの外部拘束部材に対するセル積層方向の変位量が低減する。そのため、ＭＥＡなどのクリープが生じても、各多セルモジュールのセルが外部拘束部材に対して大きく変位したり、その変位によって外部拘束部材にひっかかって割れたりすることがなくなる。
また、各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁とはセル積層方向に互いに非拘束であるので、セル積層方向のセルの熱膨張とモジュール枠の熱膨張差によって、セルが割れることがない。
また、各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁の外面と外側部材の内面との間に、外部拘束部材が設けられており、外部拘束部材は、第１の壁の外面と外側部材の内面とに接触しているので、多セルモジュールの横力を外部拘束部材を介して外側部材で確実に受けることができる。
また、外部拘束部材は変形可能な材料から構成されているので、外側部材と多セルモジュールの横方向熱膨張差（外側部材の温度は外気温の影響を受け、多セルモジュールの温度はセルの発熱の影響を受けるので、両者の間には温度差があり、熱膨張差が出る）を外部拘束部材の変形で逃がすことができる。

上記（２）の燃料電池では、セル同士が互いに接着されているので、多セルモジュールに衝撃の横力がかかった時の、セル間の剪断力の少なくとも一部は接着力によっても受けられ、高Ｇの衝撃横力への対応が容易である。また、セル同士が外面を合わされて（凹凸なく）接着されている場合、ＭＥＡなどのクリープによってセル外面がセル外面とモジュール枠の第１の壁間の接着材に対してセル積層方向に相対変位を生じても、それによるセルの接着材とのひっかかりや割れも生じない。
上記（３）の燃料電池では、モジュール枠が、互いに離間した隣り合う多セルモジュール間に跨がって設けられており、隣り合う多セルモジュールのモジュール枠はセル積層方向に互いに離間しており、隣り合う多セルモジュールのモジュール枠と多セル集合体との間に設けられた接着剤はセル積層方向に互いに離間しているので、モジュール枠および接着剤は自由にセル積層方向に熱膨張変形ができる。
上記（４）の燃料電池では、複数の多セルモジュールをセル積層方向に直列に配置し、その多セルモジュールの直列体にスプリングボックスをセル積層方向に直列に配置したので、スタックを複数の多セルモジュールに分割しても、１つのスプリングボックスからのばね力の定荷重を全多セルモジュールにかけることができる。

上記（５）の燃料電池では、モジュール枠の外面と外部拘束部材の内面とを点接触させたので、モジュール枠と外側部材のクリアランスの最小化と、多セル集合体の積層バラツキの抑制とを、両立可能である。
上記（６）の燃料電池では、多セル集合体と外部とを電気的に接続する部材を多セル集合体に設置するための開口をモジュール枠に設けたので、セルモニタ配線が可能である。
上記（７）の燃料電池では、モジュール枠が、互いに別体の２以上の枠部材から構成されているので、枠部材間にセルモニターの配線のスペースが生じ、セルモニタ配線が可能である。
上記（８）の燃料電池では、モジュール枠からセルモニターの外側面に延びるセルモニター押さえがモジュール枠に設けられているので、セルモニターの脱落を防止できる。
上記（９）の燃料電池では、モジュール枠の少なくとも一部が非導電性材料（たとえば、ゴム、樹脂など）からなるので、衝撃吸収が可能である。
上記（１０）の燃料電池では、モジュール枠が弾性部材（たとえば、ゴム）からなるので、モジュール枠の寸法をセルモジュールの外形寸法よりある一定寸法小さくすることで、モジュール枠に引張力をもたせることができ、その結果、接着剤の廃止、接着設備不要、接着剤硬化時間の不要による工程短縮などをはかることができる。
上記（１１）の燃料電池では、弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくしたので、ゴム製モジュール枠が樹脂の外部拘束部材に対してすべりやすくなり、すべりが悪い場合に生じるおそれのあるＭＥＡの荷重抜けなどを防止できる。
上記（１２）の燃料電池では、モジュール枠にワイヤー（望ましくは、伸縮可能なワイヤー）を埋め込んだので、装着時にワイヤを引張り多セルモジュールにはめ込むことができ、簡単に装着でき、かつ、外れにくいモジュール枠とすることができる。

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図２９、図３０を参照して説明する。図３０のセルの構成は従来のセルの構成に準じる。
図１〜図４は本発明の実施例１を示し、
図５は本発明の実施例２を示し、
図６は本発明の実施例３を示し、
図７〜図９は本発明の実施例４を示し、図１０は本発明の実施例５を示し、
図１１は本発明の実施例６を示し、
図１２〜図１５は本発明の実施例７を示し、
図１６、図１７は本発明の実施例８を示し、
図１８、図１９は本発明の実施例９を示し、
図２０、図２１は本発明の実施例１０を示し、
図２２、図２３は本発明の実施例１１を示し、
図２４は本発明の実施例１２を示し、
図２５、図２６、図２７は本発明の実施例１３を示し、
図２８、図２９は本発明の実施例１４を示す。図２７は本発明の何れの実施例にも適用可能である。本発明の全実施例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。

まず、本発明の全実施例に共通する、または類似する部分を、たとえば、図１〜図４、図９を参照して説明する。
本発明の燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、上下、または水平に限るものではなく、任意である。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電製樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、またはこれらの組合せ、の何れであってもよい。
セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。

セパレータ１８には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が貫通している。各種（冷媒、燃料ガス、酸化ガス）流体供給配管からそれぞれのマニホールド２９、３０、３１に各種流体が供給され、それぞれのマニホールド２９、３０、３１の入り側からセルの流路２６、２７、２８に流体が流入し、セルの流路２６、２７、２８から流体がそれぞれのマニホールド２９、３０、３１の出側に流出し、各種流体排出配管から出ていく。スタック２３への各種流体供給配管と各種流体排出配管は、スタック２３のセル積層方向一端側に設けられている。
各種流体流路は、各種流体が互いに混じり合わないよう、また外部にリークしないように、シール材３２、３３によってシールされている。図示例では、３２はゴムガスケット３２（ゴムガスケットは接着剤シールとしてもよい）であり、３３は接着剤シール（シール接着剤ともいう）である。

ＭＥＡをセパレータ１８で挟んで単セル１９を構成し、複数のセル１９（たとえば、５セル以上、望ましくは１０〜３０のセル）を積層し必要に応じてセル同士を接着剤（前述の接着剤シール３３）にて接着した多セル集合体（マルチセル集合体）４１とモジュール枠４２とから多セルモジュール（マルチセルモジュール）４０を構成し、多セルモジュール４０をセル積層方向に直列に配置し、この直列配置された複数の多セルモジュール４０のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、直列配置された複数の多セルモジュール４０の全体をセル積層方向に締め付け、多セルモジュール４０の外側で全多セルモジュール４０にわたってセル積層方向に延びる外側部材２４と、ボルト・ナット２５にて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
外側部材２４は、たとえば、ケーシングからなり、従来のテンションプレート２４の役割を兼ねるので、符号はテンションプレートと同じく「２４」とする。

したがって、本発明の燃料電池１０は、セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール４０と、外側部材２４とを有する。
複数の多セルモジュールの各多セルモジュール４０は、複数のセルを積層した多セル集合体４１と、多セル集合体４１を囲み多セル集合体４１のセル積層方向に延びる第１の壁４３を備えたモジュール枠４２とを有する。
外側部材２４は、複数の多セルモジュール４０の外側で、全多セルモジュール４０にわたってセル積層方向に延びている。

燃料電池スタック２３を多セルモジュール４０に分割する際、たとえば、スタック２３が２００セルあって、２０セルで１多セルモジュールを構成する場合は、多セルモジュール数は１０となる。
各多セルモジュール４０では、セル１９のセル積層方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール４０の多セル集合体４１は該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２によってセル積層方向に拘束されていない。

望ましくは、各多セルモジュール４０では、セル１９同士が互いに接着されている。隣り合う多セルモジュール４０間では、セル１９同士は接着されていない。
ただし、各多セルモジュール４０において、セル１９同士が互いに接着されていなくてもよい。
各多セルモジュール４０でセル同士が接着される場合は、その接着は、流路シール用の接着剤３３（図３０）にて行われ、その場合は、ゴムガスケット３２（図３０）は用いられず、ゴムガスケット３２の部分のシールは接着剤３３によって行われる。

各多セルモジュール４０では、セル１９のセル積層方向と直交する方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール４０の多セル集合体４１の外面と該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の内面との間に、空間が形成されているか、または変形可能な接着材４５が設けられている。
セル１９は発電部で熱を生じるが、第１の壁４３は熱を生じず外側部材２４を介して外気温の影響を受けるので、セル１９と第１の壁４３との間には熱膨張差が生じるが、セル１９と第１の壁４３との間に空間を設けるか、その空間に変形可能な接着材４５を配置することにより、その熱膨張差を逃がすことができる。ただし、隣り合う多セルモジュール４０間には、セル積層方向に、第１の壁４３間、および接着材４５間に、空間を設けておいて、接着材４５が自由にセル積層方向に、その結果セル積層方向と直交する方向に熱膨張変形できるようにしてある。

複数の多セルモジュール４０の各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に、外部拘束部材４６が設けられている。外部拘束部材４６は、第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収することができるように、変形可能な材料から構成されることが望ましい。そのような材料として、樹脂や、ガラス混入エポキシ材がある。ただし、外部拘束部材４６の材料は、樹脂や、ガラス混入エポキシ材に限るものではない。
第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に外部拘束部材４６を配置したため、車両衝突時などに多セルモジュール４０にかかる慣性力を外部拘束部材４６を介して外側部材２４で受けることができる。ただし、外部拘束部材４６を変形可能な材料とすることにより、第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収できるようにしてある。

セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール４０に対して、セル積層方向に直列に、スプリングボックス４７が配置されており、複数の多セルモジュールの各多セルモジュール４０に、セル積層方向に、スプリングボックス４７からのばね力（定荷重）がかけられている。スプリングボックス４７は、互いに並列に配置された複数のねじ４８を有している。スプリングボックス４７は、スタック２３の各種流体の供給、排出管が接続されない方の端部に設けられており、インシュレータ２１とエンドプレート２２との間に配置されている。そのばね力はスプリングボックス４７とエンドプレート２２との間に設けられた調整ねじ４９によって調整可能である。ただし、スプリングボックス４７は設けられなくてもよい。

モジュール枠４２は、セル積層方向に延びる第１の壁４３の他に、セル積層方向と直交する方向に延び、かつ、セル積層方向と直交する方向に剛性を有する第２の壁４４を有していてもよい。第２の壁４４はなくてもよい。
モジュール枠４２が第２の壁４４を有する場合、多セルモジュール４０の多セル集合体４１は、図２に示すように、第２の壁４４のセル積層方向両側に配置されていてもよいし、図３に示すように、第２の壁４４のセル積層方向片側に配置されていてもよい。
モジュール枠４２が第２の壁４４を有する場合、第２の壁４４は、導電性をもつ必要がある。ただし、第１の壁４３は導電性をもっても、もたなくてもよい。

つぎに、本発明の全実施例に共通する部分の作用、効果を説明する。
図１０の従来の燃料電池では、セル積層体の横力が両端のみで支持されているので、セル積層体の全体の質量をＭ、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、セル積層体全体にＭαの横力が作用しＭα／２の剪断力がセル積層体の各端部のモジュールにかかっていた。
これに対し、本発明の燃料電池１０では、スタック２３を複数の多セルモジュール４０に分割し、各多セルモジュール４０の横力を、セル積層方向と直交する方向に外側部材２４で受けるようにしたので、セル積層体の全体の質量をＭ、衝撃を受けた時の横方向加速度をα、スタック２３の多セルモジュールへの分割数をｎとした場合、各多セルモジュール４０に作用する横力はＭα／ｎとなり、この横力を各多セルモジュールの両端で支持してもその剪断力のＭα／（２ｎ）となり、高Ｇの横方向衝撃に対応可能となる。

また、各多セルモジュール４０にセル積層方向にかけるばね力は、従来と異なり、Ｍα／２の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく、電気接触抵抗を低くするために必要な力をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができる。その結果、ＭＥＡや拡散層のクリープ量も減少する。

また、スタック２３を複数の多セルモジュール４０に分割したため、ＭＥＡなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック両端のセルに集中することなく、各多セルモジュール４０に分散され、各多セルモジュール４０のセル１９のセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量の減少によって、各多セルモジュール４０のセル１９のセル積層方向の変位量も低減する。その結果、第１の壁４３を設けた場合、各多セルモジュール４０の外部拘束部材４６に対するセル積層方向の変位量が低減する。そのため、ＭＥＡなどのクリープが生じても、各多セルモジュール４０のセル１９が外部拘束部材４６に対して大きく変位したり、その変位によって外部拘束部材４６にひっかかって割れたりすることがなくなる。

各多セルモジュール４０の多セル集合体４１がモジュール枠４２によってセル積層方向に拘束されていないので、セル積層方向の多セル集合体４１の熱膨張とモジュール枠４２の熱膨張差によって、セル１９が割れることがない。
もしもモジュール枠４２の第１の壁４３の両端を多セル集合体４１側に折り曲げて多セル集合体４１のセル積層方向両端をセル積層方向に第１の壁の折り曲げ部により拘束すると、第１の壁４３と多セル集合体４１とがセル積層方向に熱膨張差を生じた場合、セル１９のカーボンセパレータが第１の壁の折り曲げ部によって強く押されて割れたりするが、本発明では、多セル集合体４０がモジュール枠４２によってセル積層方向に拘束されていないので、カーボンセパレータが割れることはない。

また、多セルモジュール４０においてセル１９同士がセル面で互いに接着されている場合は、多セルモジュール４０に車両衝突などの衝撃の横力がかかった時の、セル間の剪断力の少なくとも一部は接着力によっても受けられ、また、上記のように本発明では剪断力が小さいこともあり、高Ｇの横方向衝撃への対応が容易である。また、セル同士が外面を合わされて（凹凸なく）接着されている場合、ＭＥＡなどのクリープによってセル外面が、接着材４５（セル外面とモジュール４２の第１の壁４３間の接着材４５が設けられている場合の接着材４５）に対してセル積層方向に相対変位を生じても、それによるセル１９の、接着材４５とのひっかかりや割れも生じない。

各多セルモジュール４０の多セル集合体４１の外面と該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の内面との間に、空間が形成されているかまたは変形可能な接着材４５が設けられている場合は、セル１９の、セル積層方向と直交する方向の、モジュール枠４２および接着材４５との相対熱膨張やクリープ変位を、互いのひっかかりを生じることなく（ひっかかっても接着材４５の変形により）、逃がすことができる。

各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に、外部拘束部材４６が設けられているので、多セルモジュール４０の衝撃の横力を外側部材２４で確実に受けることができる。外側部材２４の温度は外気温の影響を受け、多セルモジュール４０の温度はセル１９の発電時の発熱の影響を受けるので、両者の間には温度差があり、熱膨張差が出るが、外側部材２４と多セルモジュール４０の横方向熱膨張差を、外部拘束部材４６の変形で逃がすことができる。

複数の多セルモジュール４０をセル積層方向に直列に配置し、その多セルモジュール４０の直列配置にスプリングボックス４７をセル積層方向に直列に配置した場合は、スタック２３を複数の多セルモジュール４０に分割しても、１つのスプリングボックス４７からのばね力の定荷重を全多セルモジュール４０にかけることができる。また、スプリング４８によって多セルモジュール４０にセル積層方向の定荷重をかけるので、多セルモジュール４０に熱膨張やクリープの変形が生じても、定荷重をほとんど変化させることなく、変形をスプリング４８で吸収することができる。

つぎに、本発明の各実施例の特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図４に示すように、モジュール枠４２は、セル積層方向に延びる第１の壁４３と、セル積層方向と直交する方向に延びる第２の壁４４とを有している。第２の壁４４は導電性を有する材料から構成され、たとえば、ＳＵＳなどの金属材料から構成される。第１の壁４３は非導電性材料であっても導電性材料であってもよく、樹脂から構成されても、ＳＵＳなどの金属材料から構成されてもよい。第２の壁４４の外周と第１の壁４３の内周とは連結または一体に形成されている。
第２の壁４４には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１などの流体マニホールドが貫通している。
多セル集合体４１の第２の壁４４側のセパレータは、第２の壁４４とシール接着剤でシール接着されていてもよいし、あるいは、第２の壁４４とは接着されないで、第２の壁４４とはＯリング５０によってシールされていてもよい。

本発明の実施例１の作用、効果については、多セル集合体４１にかかる衝撃の横力の少なくとも一部は、第２の壁４４を介して第１の壁４３に伝えられ、第１の壁４３から外部拘束部材４６を介して外側部材２４で受けられる。多セル集合体４１の外面と第１の壁４３の内面との間に接着材４５が存在する場合は、多セル集合体４１にかかる衝撃の横力の一部は接着材４５を介して第１の壁４３に伝えられる。
外部から横力が入る場合は、外側部材２４からの横力が外部拘束部材４６を介して第１の壁４３に入るが、この荷重は第２の壁４４で受けられるので、多セル集合体４１には外部荷重がほとんど入らない。また、第１の壁４３は外部からの荷重を分散しセル１９にかかる面圧を下げるので、接着材４５が設けられた場合でも、セル積層方向における、セル１９と接着材４５とのひっかかりを防止することができる。

本発明の実施例２では、図５に示すように、モジュール枠４２の第２の壁４４内には、冷媒通路５１が形成されている。この冷媒通路５１は、冷媒マニホールド２９に連通している。第２の壁４４の、セルとの接触面は、導電材から構成されている。
冷媒通路５１は、第２の壁４４を２枚の板で作り、そのうちの１枚の板に冷媒流路を形成し、もう１枚の板を張り合わせることにより、容易に形成することができる。冷媒通路５１は、第２の壁４４に接触するセルのセパレータのうち、強く冷却したい部分は通路を密に形成し、冷却を弱めたい部分は通路を疎に形成することにより、冷却に強弱と分布をつけることができる。

本発明の実施例２の作用、効果については、第２の壁の、セルとの接触面は、導電材から構成されているので、多セルモジュール間の通電を行うことができる。また、冷媒通路５１に冷媒を流すことにより、各多セルモジュール４０の第２の壁４４側の端部セルの冷却制御（温度制御）をすることができる。

本発明の実施例３では、図６に示すように、モジュール枠４２の第２の壁４４内には、冷媒通路５１が形成されている。この冷媒通路５１は、冷媒マニホールド２９に連通している。第２の壁４４の、セルとの接触面は、導電材から構成されている。また、第２の壁４４の、セルとの接触面の少なくとも一部は、セル積層方向に変位可能に形成されている。この変位可能構造は、たとえば、第２の壁４４の、セル積層方向に変位させたい部分の周囲に形成された波形状部５２からなる。

本発明の実施例３の作用、効果については、セルとの接触面の少なくとも一部が、セル積層方向に変位可能に形成されているので、セル積層方向のセル面圧を制御することができる。また、冷媒圧によりセル１９にセル積層方向荷重を付与することができ、定荷重付与用のばね（スプリングボックス４７のスプリング４８）を廃止することができる。その場合は、スプリングボックス４７の厚み分、スタック２３のコンパクト化をはかることができる。

本発明の実施例４では、図７〜図９に示すように、モジュール枠４２が第２の壁４４をもたず、第１の壁４３のみを有する。
多セルモジュール４０は複数セルの多セル集合体４１を有し、多セル集合体４１はモジュール枠４２の第１の壁４３内に配置される。この場合、図８、図９に示すように、第１の壁４３の２面を基準として多セル集合体４１をモジュール枠４２に位置決めすることが望ましい。多セル集合体４１の複数セル１９同士は互いに接着されていることが望ましい。ただし、接着されていなくてもよい。多セル集合体４１の外面とモジュール枠４２の第１の壁４３の内面との間には、望ましくは接着材４５が設けられる。隣り合う多セルモジュール間には、セル積層方向に、第１の壁４３間、および接着材４５間に、空間が設けられている。

本発明の実施例４の作用、効果については、各多セルモジュール４０は、衝撃の横力（多セル集合体４１の慣性力の横方向成分）を、モジュール枠４２の第１の壁４３と外側拘束材４６を介して、外側部材２４で受けられる。そのため、スタック端部のセルに剪断力が集中することはない。
本発明は、燃料電池のスタック構造に利用できる。

本発明の実施例５では、図１０に示すように、モジュール枠４２の外面と外部拘束部材４６の内面とが軸方向に見て点接触させてある。この軸方向点接触は、モジュール枠４２と外部拘束部材４６との少なくとも一方に、図１０の例ではモジュール枠４２に、モジュール枠４２の軸方向の中央部に、外側に突出する突起６０を設けて、この突起６０の頂点でモジュール枠４２の外面と外部拘束部材４６の内面とを接触させる。突起６０は、図１０に示すように、頂点が尖った断面が三角形の突起であってもうよいし、あるいは円弧状の突起であってもよい。
上記において「軸方向に見て点接触」には、「軸方向と直交する方向には線接触している」場合を含む。突起６０は、モジュール枠４２の外面と外部拘束部材４６の内面との何れに形成されてもよいし、あるいは両方に形成されてもよい。

本発明の実施例５の作用、効果はつぎの通りである。
多セルモジュール４０を積層する場合、多セルモジュール４０のセル数が多い程、モジュール枠４２の全長Ｌが長くなる。多セルモジュール４０を積層すると、隣接する多セルモジュール４０の端部のセル面Ｂが合わさる。モジュール枠４２の外面Ａは面Ｂに垂直であることが望ましいが、実際には組み立て誤差などにより多少バラツキをもつ。このバラツキを逃がすために、モジュール枠４２の外面と外部拘束部材４６の内面との間にはクリアランスＣが必要であるが、モジュール枠４２の全長Ｌが長い程、クリアランスＣを多くとる必要がある。クリアランスＣを多くとると衝撃が加わったときに多セルモジュール４０がセル積層方向と直交する方向に面Ｂでずれやすくなるという問題が出る。逆にクリアランスＣを小さくすると、隣接する多セルモジュール４０の端部のセル面Ｂが合わなくなり積層バラツキが出るという問題が出る。
本発明の実施例５では、突起６０を設けて、モジュール枠４２の外面と外部拘束部材４６の内面とを点接触させたので、モジュール枠４２と外部拘束部材４６間の突起６０の先端におけるクリアランスＣの最小化と、多セル集合体の積層バラツキの抑制とを、両立可能である。これによって、衝撃が加わったときに多セルモジュール４０がセル積層方向と直交する方向にずれにくく、かつ、隣接する多セルモジュール４０が端部のセル面Ｂで合った積層体を作製できる。

本発明の実施例６では、図１１に示すように、多セル集合体４１と外部とを電気的に接続する部材、すなわちセルモニターと配線、を多セル集合体４１に取り付けるための開口６１がモジュール枠４２に設けられている。開口６１は、孔でもよいし、切り欠きでもよい。この開口６１を通して、セルモニターを多セル集合体４１のセルに取付け、セルモニターに接続する配線を開口６１を通して外部に導く。
本発明の実施例６の作用、効果については、多セル集合体４１と外部とを電気的に接続する部材を多セル集合体４１に設置するための開口６１をモジュール枠４２に設けたので、多セル集合体４１がモジュール枠４２で覆われていても、セルモニタ配線が可能である。

本発明の実施例７では、図１２〜図１５に示すように、モジュール枠４２が、互いに別体の、または一部で互いに一体に連結された、２以上の枠部材４２ａ、４２ｂから構成されている。枠部材４２ａ、４２ｂの間にはスペースがある。
枠部材４２ａ、４２ｂは、図１３に示すように、端部セルの位置で、互いに連結していてもよい。
枠部材４２ａ、４２ｂは、図１４に示すように、多セル集合体４１のセル積層方向の途中で、互いに連結していてもよい。
また、各枠部材４２ａ、４２ｂは、互いに連結されずに、図１５に示すように、接着剤４５で多セル集合体４１のセルに接着されてもよい。
本発明の実施例７の作用、効果については、枠部材４２ａ、４２ｂの間にはスペースがあるので、このスペースを通してセルモニターを多セル集合体４１のセルに取付け、セルモニターに接続する配線を外部に導くことができる。

本発明の実施例８では、図１６、図１７に示すように、モジュール枠４２の内面に接着剤用の溝６３が形成されている。溝６２の数は１本でも、複数本でもよい。溝６２はセル積層方向と直交する方向に延びる。
本発明の実施例８の作用、効果については、モジュール枠４２の内面に接着剤用の溝６２が形成されているので、接着剤が溝６２内に入り、接着剤の外部への洩れを抑制でき、安定した接着が可能である。

本発明の実施例９では、図１８、図１９に示すように、モジュール枠４２からセルモニター６３の外側面に延びるセルモニター押さえ６４がモジュール枠４２に設けられている。セルモニター押さえ６４はモジュール枠４２に一体的に形成されている。セルモニター押さえ６４とセルモニター６３との間には僅かな隙間、たとえば０．５ｍｍ程度の隙間を設ける。
本発明の実施例９の作用、効果については、モジュール枠４２からセルモニター６３の外側面に延びるセルモニター押さえ６４がモジュール枠４２に設けられているので、セルモニター６３のセルからの脱落を防止することができる。

本発明の実施例１０では、図２０、図２１に示すように、モジュール枠４２の少なくとも一部が非導電性材料、たとえば樹脂、ゴムなどからなる。
また、多セルモジュール４０の多セル集合体４１の矩形の端部セル１９Ａ（積層方向端部のセル）の四隅部位に、樹脂製のモジュール枠４２を構成する枠部材４２ｃを配置し、端部セル１９Ａに一体化する。枠部材４２ｃは端部セル以外のセルとは別体で、多セル集合体４１がセル積層方向に熱膨張・伸縮しても、相対的に動き得る。両端セルの枠部材４２ｃ間にスペースａをとることで、多セル集合体４１がセル積層方向に収縮することができる。
本発明の実施例１０の作用、効果については、モジュール枠４２の少なくとも一部が非導電性材料からなるので、衝撃吸収が可能であるとともに、各セルのセパレータ間の絶縁を確保することができる。
また、多セルモジュール４０の多セル集合体４１の端部セル１９Ａの四隅部位に樹脂製のモジュール枠４２ｃを構成する枠部材４２ｃを一体化して配置したので、モジュール枠４２の小型化、コンパクト化、軽量化をはかることができる。また、事前に端部セル１９Ａと枠部材４２ｃをアッセンブリにすれば、モジュール枠４２の組み立ての効率化をはかることができる。

本発明の実施例１１では、図２２、図２３に示すように、モジュール枠４２の少なくとも一部が弾性部材、たとえばゴムからなる。図２２はモジュール枠４２の全部がゴムからなる場合を示し、図２３はモジュール枠４２の一部、たとえばセルの四隅がゴムからなり、残りが樹脂からなる場合を示す。
本発明の実施例１１の作用、効果については、自由状態での弾性モジュール枠４２の寸法を多セル集合体４１の外形より、ある一定寸法小さくすることで、モジュール枠４２を多セル集合体４１に取り付けたときのモジュール枠４２に引張力Ｔを生じさせる。これによって、モジュール枠４２を多セル集合体４１に接着するための接着剤が廃止可能となる。接着剤を廃止することにより、接着剤塗布設備が不要となり、また、接着剤硬化時間分、組み立て工程を短縮できる。また、ゴムの弾性で衝撃吸収ができる。

本発明の実施例１２では、図２４に示すように、モジュール枠４２を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくする。弾性部材の表面の摩擦係数を小さくするには、ポリテトラフルオロエチレンなど、潤滑性のよい樹脂プレート６５をモジュール枠４２の弾性部材の外表面に溶着、はめ込みなどにより貼付するか、樹脂コーティングを施すなどによる。
本発明の実施例１２の作用、効果については、ゴム製モジュール枠４２と樹脂製の外部拘束部材４６とはまさつ係数が大きくすべりが悪い。しかし、弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくので、ゴム製モジュール枠４２が樹脂の外部拘束部材４６に対してすべりやすくなり、すべりが悪い場合に生じるおそれのあるＭＥＡの荷重抜けなどを防止することができる。

本発明の実施例１３では、図２５、図２６、図２７に示すように、モジュール枠４２を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材のモジュール枠４２を多セルモジュール４０の多セル集合体４１の端部セル１９Ａに連結する。モジュール枠４２の端部セル１９Ａとの連結は、図２５に示すように、端部セル１９Ａのセル積層方向外側面に溝６６を設け、モジュール枠４２に設けた凸部６７を溝６６に嵌合させるか、図２６、図２７に示すように、端部セル１９Ａのセル積層方向外側面に円筒の突起６８を設け、モジュール枠４２に設けた孔６９を突起６８に嵌合させるか、などにより行う。
本発明の実施例１３の作用、効果については、モジュール枠４２を端部セル１９Ａに安定的に固定することができる。これによって、モジュール枠４２が多セル集合体４１が外れることを防止し、モジュール枠４２にセル積層方向に引張力を安定的にかけることができる。

本発明の実施例１４では、図２８、図２９に示すように、モジュール枠４２を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材のモジュール枠４２にワイヤー７０を埋め込んだ。ワイヤー７０は、伸縮可能なワイヤーであることが望ましく、たとえば、ゴム、ばね等からなる。モジュール枠４２の多セル集合体４１には、多セル集合体４１の上下部に、多セル集合体４１の全セルにわたって形成された溝７１を形成しておく。モジュール枠４２の多セル集合体４１への装着時には、ワイヤー７０を引張り、モジュール枠４２を多セル集合体４１に嵌めた後、ワイヤー７０の引張りを解除して、モジュール枠４２のワイヤー埋め込み部を溝７１にはめ込む。
本発明の実施例１１の作用、効果については、モジュール枠４２のワイヤー７０を埋め込んだ部分を拡げてはめ込むという簡単な操作でモジュール枠４２を多セル集合体４１にはめ込むことができる。また、モジュール枠４２のワイヤー埋め込み部を溝７１にはめ込む構造をとっているため、はめ込み後はモジュール枠４２が多セル集合体４１から外れにくく、モジュール枠４２を多セル集合体４１に接着するための接着剤が廃止可能となる。接着剤を廃止することにより、接着剤塗布設備が不要となり、また、接着剤硬化時間分、組み立て工程を短縮できる。また、ゴムの弾性で衝撃吸収ができる。

本発明の実施例１の燃料電池のスタックの断面図である。本発明の実施例１の燃料電池の多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例１の燃料電池の、もう一つの多セルモジュールの断面図である。図２の多セルモジュールのモジュール枠の断面図である。本発明の実施例２の燃料電池の多セルモジュールのモジュール枠の断面図である。本発明の実施例３の燃料電池の多セルモジュールのモジュール枠の第２の壁の断面図である。本発明の実施例４の燃料電池のスタックの断面図である。本発明の実施例４の燃料電池のスタックの横断面図である。本発明の実施例４の燃料電池の多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例５の燃料電池の一つの多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例６の燃料電池の一つの多セルモジュールの斜視図である。本発明の実施例７の燃料電池の一つの多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例７の燃料電池の一つの多セルモジュールの、複数の枠体の連結構造を示す斜視図である。本発明の実施例７の燃料電池の一つの多セルモジュールの、複数の枠体の連結構造を示す、図１３と異なる構造の、斜視図である。本発明の実施例７の燃料電池の一つの多セルモジュールの、複数の枠体の連結構造を示す、図１３、図１４と異なる構造の、斜視図である。本発明の実施例８の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠（接着剤用溝が１本の場合）の斜視図である。本発明の実施例８の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠（接着剤用溝が２本の場合）の斜視図である。本発明の実施例９の燃料電池の一つの多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例９の燃料電池の一つの多セルモジュールの一部の拡大断面図である。本発明の実施例１０の燃料電池の一つの多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例１０の燃料電池の一つの多セルモジュールの、図２０と直交する方向の、断面図である。本発明の実施例１１の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠（モジュール枠の全部がゴム）の断面図である。本発明の実施例１１の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠（モジュール枠の一部がゴム）の断面図である。本発明の実施例１２の燃料電池の一つの多セルモジュールのの断面図である。本発明の実施例１３の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠の断面図である。本発明の実施例１３の燃料電池の一つの多セルモジュールのモジュール枠の断面図である（端部セルとの固定部の凹凸が図２５と逆）。図２６のモジュール枠の端部セルとの固定部の正面図である。本発明の実施例１４の燃料電池の一つの多セルモジュールの断面図である。本発明の実施例１４の燃料電池の一つの多セルモジュールの正面図である。燃料電池のセルの断面図である。従来の燃料電池のスタックの断面図である。

符号の説明

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セル
１９Ａ多セル集合体の端部セル
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３１酸化ガスマニホールド
３２シール材（ゴムガスケット）
３３シール材（接着剤）
３４ばね
３５首振り部
３６調整ねじ３６
４０多セルモジュール（マルチセルモジュール）
４１多セル集合体（マルチセル集合体）
４２モジュール枠
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ枠部材
４３第１の壁
４４第２の壁
４５接着材
４６外部拘束部材
４７スプリングボックス
４８スプリング
４９調整ねじ
５０Ｏリング
５１冷却通路
５２波形形状部
６０突起
６１開口
６２溝
６３セルモニター
６４セルモニター押さえ
６５樹脂プレート
６６溝
６７凸部
６８突起
６９孔
７０ワイヤー
７１溝

Claims

直列に配置された複数の多セルモジュールと、外側部材と、外部拘束部材とを有し、
前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールは、複数のセルを積層した多セル集合体と、該多セル集合体を囲み該多セル集合体のセル積層方向に延びる第１の壁を備えたモジュール枠とを有しており、
前記各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁とは互いに非接触でかつセル積層方向に互いに非拘束であり、
前記外部拘束部材は、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールのモジュール枠の第１の壁の外面と前記外側部材の内面との間に設けられ、前記外部拘束部材は、前記第１の壁の外面と前記外側部材の内面とに接触しており、前記外部拘束部材は、変形可能な材料から構成されており、
前記外側部材は、前記複数の多セルモジュールと前記外部拘束部材との外側で、全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、かつ、前記直列に配置された複数の多セルモジュールのセル積層方向両側に配置されたエンドプレート間に延びている、
燃料電池。
前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールでは、多セル集合体のセル同士が互いに接着されている請求項１記載の燃料電池。
前記モジュール枠は、互いに離間した隣り合う多セルモジュール間に跨がって設けられている請求項１記載の燃料電池。
前記複数の多セルモジュールをセル積層方向に直列に配置し、該直列に配置された複数の多セルモジュールを含むスタックの一端にスプリングボックスをセル積層方向に直列に配置して、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールに、セル積層方向に、前記スプリングボックスからのばね力をかけ、
前記スタックの他端に燃料ガスおよび酸化ガスの導入部を設けた請求項１記載の燃料電池。
前記モジュール枠の外面と前記外部拘束部材の内面とを点接触させた請求項１記載の燃料電池。
前記多セル集合体と外部とを電気的に接続する部材を前記多セル集合体に設置するための開口を前記モジュール枠に設けた請求項１記載の燃料電池。
前記モジュール枠が、互いに別体の２以上の枠部材から構成されている請求項１記載の燃料電池。
セルモニターを前記多セル集合体のセルに取付け、前記モジュール枠から前記セルモニターの外側面に延びるセルモニター押さえが前記モジュール枠に設けられている請求項１記載の燃料電池。
前記モジュール枠の少なくとも一部が非導電性材料からなる請求項１記載の燃料電池。
前記モジュール枠が弾性部材からなる請求項１記載の燃料電池。
前記弾性部材の表面の摩擦係数を前記弾性部材自体の摩擦係数より小さくした請求項１０記載の燃料電池。
前記モジュール枠にワイヤーを埋め込んだ請求項１０記載の燃料電池。