(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、シール部材のシール性を確保するとともに、シール部材に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体に対して加える。【解決手段】複数の単セルを積層した積層体１０Ｌの積層方向の両端部にそれぞれエンドプレート２０ａ，２０ｂを配置し、これらを締結棒３０およびナット３２を用いて締結することによって、複数の単セルの積層方向の寸法が一定寸法に規定された燃料電池スタック１００を構成する。エンドプレート２０ａ，２０ｂの締結の際には、積層体１０Ｌの端部とエンドプレート２０ｂとの間であって、単セル１０が備える発電体１０ａと対向する部位に、発電体１０ａとほぼ同一の外形形状有するシム４０を挟み込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う発電体の周縁部にシール部材を配置するとともに、前記発電体および前記シール部材をセパレータによって挟持して構成される単セルを複数積層した積層体と、
前記単セルの積層方向についての前記積層体の両端部にそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、
前記発電体と略同一の外形形状を有し、前記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と前記エンドプレートとの間であって、前記発電体と対向する部位に配置されるシムと、
前記一対のエンドプレート間に前記積層体および前記シムを挟んだ状態で、前記一対のエンドプレートを締結することによって、前記積層体に対して、前記積層方向に押圧力を加えるとともに、前記一対のエンドプレート間の距離を一定寸法に規定するための締結部材と、
を備え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、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層させた積層体を備える燃料電池スタックの形態で利用される。この燃料電池スタックにおいて、各単セルは、膜電極接合体を含む発電体の周縁部に、燃料電池スタック内を流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止するためのシール部材を配置するとともに、これらをセパレータによって挟持して構成される。そして、このような燃料電池スタックでは、一般に、シール部材のシール性を確保したり、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減したりするために、単セルの積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。
【０００３】
ところで、燃料電池スタックでは、上記シール部材のシール性を確保するために要求される荷重と、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減するために要求される荷重とが異なる場合があった。そこで、例えば、下記特許文献１では、複数の単セルの積層体における発電部（発電体）とシール部（シール部材）とに対して異なる締結荷重を加える締結荷重付与機構を備える燃料電池（燃料電池スタック）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７９４０２号公報
【特許文献２】特開２００７−５９１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、シール部での良好なシール性を確保しつつ発電部に対して過大な荷重がかからないように単セルの積層体を締結することを目的としており、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減するために、シール部に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電部に対して加えることについては考慮されていなかった。また、燃料電池スタックの構造が比較的複雑だった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、シール部材のシール性を確保しつつ、シール部材に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体に対して加えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池スタックであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う発電体の周縁部にシール部材を配置するとともに、前記発電体および前記シール部材をセパレータによって挟持して構成される単セルを複数積層した積層体と、前記単セルの積層方向についての前記積層体の両端部にそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、前記発電体と略同一の外形形状を有し、前記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と前記エンドプレートとの間であって、前記発電体と対向する部位に配置されるシムと、前記一対のエンドプレート間に前記積層体および前記シムを挟んだ状態で、前記一対のエンドプレートを締結することによって、前記積層体に対して、前記積層方向に押圧力を加えるとともに、前記一対のエンドプレート間の距離を一定寸法に規定するための締結部材と、を備える燃料電池スタック。
【０００９】
適用例１の燃料電池スタックでは、上記締結部材を用いて上記一対のエンドプレートを締結することによって、上記積層体に対して、上記単セルの積層方向に押圧力を加えるとともに、エンドプレート間の距離を一定寸法に規定して締結することによって、上記シール部材に対して適切な荷重を加え、上記シール部材のシール性を確保することができる。なお、上記シール部材に対して加えられる荷重の大きさは、例えば、上記シール部材の材質および厚さや、上記セパレータの厚さを変更することによって、適宜、適切に変更可能である。
【００１０】
さらに、適用例１の燃料電池スタックでは、上記単セルの積層方向についての上記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と上記エンドプレートとの間であって、上記発電体と対向する部位に、上記発電体と略同一の外形形状を有するシムが配置されるので、比較的容易に、上記シール部材に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を上記発電体に対して適切に加えることができる。なお、上記発電体に対して加えられる荷重の大きさは、例えば、上記シムの厚さを変更することによって、適宜、適切に変更可能である。
【００１１】
つまり、適用例１の燃料電池スタックによれば、比較的簡易な構成で、シール部材のシール性を確保するとともに、シール部材に加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体に加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成および製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成および製造方法を示す説明図である。図１では、燃料電池スタック１００の側面図を、燃料電池スタック１００を構成する単セル１０の断面図とともに示した。
【００１４】
この燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０を積層させた積層体１０Ｌを有している。各単セル１０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含む発電体１０ａを備えている。そして、各単セル１０は、発電体１０ａの周縁部にシール部材１０ｂを配置するとともに、これらをセパレータ１０ｃによって挟持することにより構成されている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、シール部材１０ｂとして、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有するシリコーンゴムを用いるものとした。また、セパレータ１０ｃとして、導電性および可撓性を有する金属製のセパレータを用いるものとした。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１５】
そして、燃料電池スタック１００は、概略、単セル１０の積層方向についての積層体１０Ｌの両端部に、エンドプレート２０ａ，２０ｂを配置し、これらを締結棒３０およびナット３２を用いて締結することによって構成される。締結棒３０およびナット３２は、本発明における締結部材に相当する。そして、エンドプレート２０ａとエンドプレート２０ｂとを締結することによって、積層体１０Ｌに対して、単セル１０の積層方向に押圧力が加えられる。なお、各エンドプレート２０ａ，２０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、積層体１０Ｌとエンドプレート２０ａとの間、および、積層体１０Ｌとエンドプレート２０ｂとの間には、それぞれ、図示しない集電板、および、絶縁板が介装される。また、各集電板には、それぞれ出力端子が設けられており、これらの出力端子から燃料電池スタック１００によって発電された電力を出力可能となっている。
【００１６】
燃料電池スタック１００において、各エンドプレート２０ａ，２０ｂと各締結棒３０とは、例えば、各エンドプレート２０ａ，２０ｂの四隅に厚さ方向に形成された各貫通孔２０ｈに、各締結棒３０における棒状部３０ａの両端部に形成された雄ネジ部３０ｂを挿入して、内壁に雌ねじが形成されたナット３２を雄ネジ部３０ｂに螺合することによって固定される。なお、締結棒３０における棒状部３０ａの太さは、各エンドプレート２０ａ，２０ｂに形成された各貫通孔２０ｈのサイズよりも太く設定されており、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の長さは、積層体１０Ｌに加えられる締結荷重の大きさに関わらず、棒状部３０ａの長さによって規定される。
【００１７】
一般に、燃料電池スタックにおいて、複数の単セル１０を締結する締結構造としては、本実施例の燃料電池スタック１００のように、締結棒３０によって、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の長さが規定される、いわゆる定寸構造の燃料電池スタックと、スプリング等を用いて、積層体１０Ｌに対して一定の荷重が加えられる、いわゆる定荷重構造の燃料電池スタックとが知られている。そして、定荷重構造の燃料電池スタックでは、定寸構造の燃料電池スタックと比較して、例えば、単セル１０に一定荷重が加わり続けるため、単セル１０における各部のクリープが進行しやすい、上記スプリング等を配置するためのスペースが必要であり、燃料電池スタックの体格が大型になりやすいという欠点がある。このため、本実施例の燃料電池スタック１００では、複数の単セル１０の締結構造として定寸構造を採用することによって、上述した定荷重構造の欠点を解消している。
【００１８】
以下、燃料電池スタック１００の製造工程の一例を説明する。まず、矩形形状を有するエンドプレート２０ａの四隅に、それぞれ、積層体１０Ｌを締結するための締結棒３０を固定する（図１の上段参照）。次に、エンドプレート２０ａ上に所定数の単セル１０を積層して、積層体１０Ｌを構成する。なお、図示は省略しているが、各単セル１０は、それぞれ、四隅に切り欠き部が形成されたほぼ矩形形状を有しており、各切り欠き部をそれぞれ締結棒３０に当接させることによって、エンドプレート２０ａ上における積層体１０Ｌの位置決めがなされる。次に、エンドプレート２０ｂに形成された各貫通孔２０ｈに、各締結棒３０の他方の雄ネジ部３０ｂを挿入してナット３２によって固定することにより、積層体１０Ｌにおける単セル１０の積層方向に締結荷重が加えられる。
【００１９】
この際、積層体１０Ｌとエンドプレート２０ｂとの間であって、積層体１０Ｌを構成する各単セル１０における発電体１０ａと対向する部位に、発電体１０ａとほぼ同一の外形形状を有するシム４０を配置した状態で、エンドプレート２０ｂを固定する。積層体１０Ｌとエンドプレート２０ｂとの間にシム４０を挟み込むことによって、各単セル１０は、シール部材１０ｂの弾力性、および、セパレータ１０ｃの可撓性によって撓みつつ、各単セル１０における発電体１０ａが配置された領域が押圧される（図１の下段参照）。なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、エンドプレート２０ｂの積層体１０Ｌと対向する側の面に、シム４０が嵌合する嵌合凹部２０ｂｄが形成されており、この嵌合凹部２０ｂｄによって、シム４０の位置決め、および、位置ずれを防止することができる。
【００２０】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１００によれば、締結棒３０およびナット３２を用いてエンドプレート２０ａ，２０ｂを締結することによって、積層体１０Ｌに対して、単セル１０の積層方向に押圧力を加えるとともに、エンドプレート２０ａ，２０ｂ間の距離を一定寸法に規定して締結することによって、上記シール部材に対して適切な荷重を加え、上記シール部材のシール性を確保することができる。なお、シール部材１０ｂに対して加えられる荷重の大きさは、例えば、シール部材１０ｂの材質および厚さや、セパレータ１０ｃの厚さを適切に設計することによって可能である。
【００２１】
さらに、本実施例の燃料電池スタック１００よれば、単セル１０の積層方向についての積層体１０Ｌの端部とエンドプレート２０ｂとの間であって、発電体１０ａと対向する部位に、シム４０が介装されるので、シール部材１０ｂに対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体１０ａに対して適切に加えることができる。なお、発電体１０ａに対して加えられる荷重の大きさは、例えば、シム４０の厚さを適切に設計することによって可能である。
【００２２】
つまり、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、比較的簡易な構成で、シール部材１０ｂのシール性を確保するとともに、シール部材１０ｂに加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体１０ａに加えることができる。
【００２３】
なお、本実施例では、積層体１０Ｌとエンドプレート２０ｂとの間にシム４０を介装するものとしたが、さらに、積層体１０Ｌとエンドプレート２０ａとの間にもシム４０を介装するようにしてもよい。すなわち、単セル１０の積層方向についての積層体１０Ｌの両端部にシム４０を介装するようにしてもよい。こうすることによって、積層体１０Ｌの一方の端部にシム４０を介装する場合と比較して、発電体１０ａに荷重を加えるときのセパレータ１０ｃの撓み量を半分に減少させ、セパレータ１０ｃのクリープを抑制することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１００…燃料電池スタック
１０…単セル
１０Ｌ…積層体
１０ａ…発電体
１０ｂ…シール部材
１０ｃ…セパレータ
２０ａ，２０ｂ…エンドプレート
２０ｈ…貫通孔
２０ｂｄ…嵌合凹部
３０…締結棒
３０ａ…シャフト部
３０ｂ…雄ネジ部
３２…ナット
４０…シム
【図１】
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