(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、外部荷重を有効に緩和させることができ、締結保持を可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができる。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向に積層された積層体１４を設ける。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。燃料電池スタック１０は、積層体１４からエンドプレート２０ａ、２０ｂの外周を積層方向に周回する弾性ゴムベルト６０を備える。弾性ゴムベルト６０は、繋ぎ目のない円筒形状に形成されるとともに、前記弾性ゴムベルト６０の内周面は、平坦面形状６２を構成する。弾性ゴムベルト６０の外周面には、複数の弾性突起部６４が設けられる。【選択図】図１
2010140665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層される積層体を有するとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記積層体及び前記エンドプレートの外周を積層方向に周回し、前記エンドプレート間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルトを備え、
前記弾性ゴムベルトは、繋ぎ目のない円筒形状に構成されるとともに、
前記弾性ゴムベルトの内周面は、平坦面形状を有し且つ前記弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられ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において、前記弾性突起部は、前記弾性ゴムベルトの幅方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けら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において、前記弾性突起部は、前記弾性ゴムベルトの周回方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層される積層体を有するとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、例えば、所定数の単位セルが積層された積層体をボックス状のケーシング内に収容したり、エンドプレート間をタイロッドで締め付けたり、又は積層体をバンドで囲繞して締め付けたりしている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池積層体では、図８に示すように、一対の端板アセンブリ１、２間に複数の燃料電池アセンブリ３が挿入されている。端板アセンブリ１、２及び積層された複数の燃料電池アセンブリ３は、圧縮バンド４に囲繞されることにより、積層方向に圧縮力が付与されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池には、単電池の積層をバンドを用いて押圧締縛する技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００１−５０４６３２号公報
【特許文献２】特開昭６１−２７３８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、圧縮バンド４を用いる一方、特許文献２では、同様のバンドを用いており、締め付け機構の簡素化が図られている。しかしながら、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、積層体が前記外部荷重に直接影響されてしまう。これにより、積層体は、外部荷重によって所望の締結状態を保持することができず、振動や衝撃に対して弱いという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重を有効に緩和させて所望の締結状態を保持可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができる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】
【０００９】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層される積層体を有するとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
この燃料電池スタックは、積層体及びエンドプレートの外周を積層方向に周回し、エンドプレート間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルトを備え、前記弾性ゴムベルトは、繋ぎ目のない円筒形状に構成されるとともに、前記弾性ゴムベルトの内周面は、平坦面形状を有し且つ前記弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられている。
【００１１】
また、弾性突起部は、弾性ゴムベルトの幅方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることが好ましい。
【００１２】
さらに、弾性突起部は、弾性ゴムベルトの周回方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、弾性ゴムベルトは、繋ぎ目がなく、積層体側の内周面が平坦面形状を有している。このため、積層体に対して面圧を良好に分散させることができ、面圧の集中による締め付け不良を阻止することが可能になる。
【００１４】
しかも、弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられている。従って、外部荷重は、弾性突起部の弾性変形により分散及び吸収され、前記外部荷重を有効に緩和させることができる。これにより、積層体は、所望の締結保持を可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の断面側面図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を設ける。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって配設される。絶縁プレート１８ｂは、燃料電池スタック１０全体の締め付け荷重を調整するために、厚さが選択される。
【００１７】
図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持するカソード側セパレータ２４及びアノード側セパレータ２６とを備える。カソード側セパレータ２４及びアノード側セパレータ２６は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータで構成してもよい。
【００１８】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。
【００１９】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。
【００２０】
図２及び図３に示すように、カソード側セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。カソード側セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。
【００２１】
アノード側セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４０が形成される。アノード側セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、カソード側セパレータ２４の面２４ｂと重なり合うことにより冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。
【００２２】
カソード側セパレータ２４は、金属薄板上に第１シール部材４２が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ２６は、金属薄板上に第２シール部材４４が一体に射出成形される。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード側電極４８及びアノード側電極５０とを備える。
【００２４】
カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４６の両面に形成されている。
【００２５】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する酸化剤ガス入口５２ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口５４ａ、及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する燃料ガス出口５６ｂが設けられる。
【００２６】
エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３２ａに連通する燃料ガス入口５６ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口５４ｂ、及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する酸化剤ガス出口５２ｂが設けられる。
【００２７】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、積層体１４からエンドプレート２０ａ、２０ｂの外周を積層方向（矢印Ａ方向）に周回し、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルト６０を備える。エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下両端面には、弾性ゴムベルト６０に摺接する部分に対応してアール（Ｒ）が設けられる。
【００２８】
弾性ゴムベルト６０は、弾性ゴム部材で構成され、必要に応じて内部に樹脂繊維や金属繊維が設けられる。弾性ゴムベルト６０は、繋ぎ目のない円筒形状に形成されるとともに、前記弾性ゴムベルト６０の内周面は、平坦面形状６２を構成する。弾性ゴムベルト６０の外周面には、複数の弾性突起部６４が設けられる。なお、弾性ゴムベルト６０の外周面全周にわたって弾性突起部６４を設けなくてもよく、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂの面内に対応して平坦面に形成してもよい。以下の実施形態においても、同様である。
【００２９】
弾性突起部６４は、弾性ゴムベルト６０の幅方向（矢印Ｂ方向）に延在するとともに、前記弾性ゴムベルト６０の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。図４に示すように、弾性突起部６４は、弾性ゴムベルト６０の肉厚ｔ１に対して同等の肉厚ｔ２を有し、且つ前記肉厚ｔ１よりも大きな高さｔ３に設定される（ｔ１≒ｔ２＜ｔ３）。各弾性突起部６４同士の間隔ｔ４は、前記弾性突起部６４の肉厚ｔ２と同等に設定される（ｔ２≒ｔ４）。
【００３０】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口５２ａから酸化剤ガス供給連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口５６ａから燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口５４ａから冷却媒体供給連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３２】
このため、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２８ａからカソード側セパレータ２４に設けられた酸化剤ガス流路３６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４８に供給される。
【００３３】
一方、燃料ガスは、アノード側セパレータ２６に設けられている燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極５０に供給される。
【００３４】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３５】
次いで、カソード側電極４８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出され、酸化剤ガス出口５２ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される（図１参照）。
【００３６】
一方、アノード側電極５０に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに導出された後、燃料ガス出口５６ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される（図１参照）。
【００３７】
また、冷却媒体は、図３に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａから冷却媒体流路３８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。さらに、冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体出口５４ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００３８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０に積層方向に締め付け荷重を付与するために弾性ゴムベルト６０を備えるとともに、前記弾性ゴムベルト６０は、繋ぎ目がない円筒形状に形成され、積層体１４側の内周面に平坦面形状６２が構成されている。このため、積層体１４に対して面圧を良好に分散させることができ、面圧の集中による締め付け不良を阻止することが可能になる。
【００３９】
しかも、弾性ゴムベルト６０の外周面には、複数の弾性突起部６４が設けられている。従って、図４に示すように、燃料電池スタック１０に外部荷重Ｆが付与されると、この外部荷重Ｆは、弾性突起部６４が倒れ変形（弾性変形）することにより分散及び吸収され（図４中、二点鎖線参照）、前記外部荷重Ｆを有効に緩和させることができる。これにより、積層体１４は、所望の締結状態を保持可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができるという効果が得られる。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
燃料電池スタック７０は、弾性ゴムベルト６０に代えて弾性ゴムベルト７２を備える。弾性ゴムベルト７２は、弾性ゴムベルト６０と同様に構成されるとともに、前記弾性ゴムベルト７２の外周面には、複数の弾性突起部７４が設けられる。弾性突起部７４は、弾性ゴムベルト７２の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト７２の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。
【００４２】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック７０に外部荷重が付与されると、複数の弾性突起部７４の倒れ変形作用下に、前記外部荷重を分散及び吸収することができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４３】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する弾性ゴムベルト８２の一部拡大説明図である。
【００４４】
弾性ゴムベルト８２の外周面には、複数の弾性突起部８４が設けられる。弾性突起部８４は、断面台形状を有するとともに、弾性ゴムベルト８２の幅方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト８２の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。なお、弾性突起部８４は、弾性ゴムベルト８２の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト８２の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられてもよい。
【００４５】
このように構成される第３の実施形態では、外部荷重Ｆが付与されると、弾性突起部８４が潰れるように弾性変形することにより、前記外部荷重Ｆが分散及び吸収される（図６中、二点鎖線参照）。このため、外部荷重Ｆを有効に緩和させることができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック９０を構成する弾性ゴムベルト９２の一部拡大説明図である。
【００４７】
弾性ゴムベルト９２の外周面には、複数の弾性突起部９４が設けられる。弾性突起部９４は、断面波形状を有するとともに、弾性ゴムベルト９２の幅方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト９２の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。なお、弾性突起部９４は、弾性ゴムベルト９２の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト９２の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられてもよい。
【００４８】
このように構成される第４の実施形態では、外部荷重Ｆが付与されると、弾性突起部９４が潰れるように弾性変形することにより、前記外部荷重Ｆを分散及び吸収することができ、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する弾性ゴムベルトの一部拡大説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する弾性ゴムベルトの一部拡大説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する弾性ゴムベルトの一部拡大説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池積層体の斜視説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０、７０、８０、９０…燃料電池スタック
１２…単位セル                      １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート  １８ａ、１８ｂ…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート      ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ              ３６…酸化剤ガス流路
３８…冷却媒体流路                  ４０…燃料ガス流路
４６…固体高分子電解質膜            ４８…カソード側電極
５０…アノード側電極
６０、７２、８２、９２…弾性ゴムベルト
６２…平坦面形状                    ６４、７４、８４、９４…弾性突起部
【図１】
2010140665.tif 000003
【図２】
2010140665.tif 000004
【図３】
2010140665.tif 000005
【図４】
2010140665.tif 000006
【図５】
2010140665.tif 000007
【図６】
2010140665.tif 000008
【図７】
2010140665.tif 000009
【図８】
2010140665.tif 000010