(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられる燃料電池スタックであって、
前記荷重付与機構は、一端が前記第１エンドプレートの外表面に固定され、前記積層体の一方の側部に沿って前記積層方向に延在し、前記第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って前記積層方向に延在し、該第１エンドプレートの前記外表面に他端が配置されるバンド部材と、
前記バンド部材の他端に係合し、前記第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材と、
前記弾性部材を、前記第１エンドプレートの前記外表面に保持する保持部材と、
を備え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、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートは、長方形状を有するとともに、
複数本の前記バンド部材は、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの長手方向に並列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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けら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（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。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して所望の締め付け荷重を付与する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池では、図８に示すように、単位電池の積層体１の上下には、エンドプレート２、３が配設されている。エンドプレート２、積層体１及びエンドプレート３は、帯状のバンドからなる締結部材４により締結されている。
【０００５】
締結部材４の端部は、エンドプレート２側で補助プレート５に固定されるとともに、前記補助プレート５に設けられたねじ穴には、ボルト６が螺合している。エンドプレート３側には、補助プレート７が配設されるとともに、前記補助プレート７には、凸部８が設けられている。この凸部８には、皿状のばね９が装着されている。
【０００６】
そこで、ボルト６が補助プレート５に螺入されると、前記補助プレート５がエンドプレート２から離れる方向に移動する。このため、バンド４により補助プレート７がばね９を圧縮する方向に移動する。これにより、エンドプレート２、３を介して積層体１が締め付けられ、図示しないシール部や電極に必要な面圧が付与されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０８３３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、エンドプレート２の外側に、ボルト６が螺合された補助プレート５が配設されるとともに、エンドプレート３の外側に、凸部８にばね９を配して補助プレート７が配設されている。このため、燃料電池は、積層体１の積層方向に長尺化するとともに、部品点数及び重量が相当に増加するという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池に積層方向に荷重を確実に付与することが可能な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】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１１】
この燃料電池スタックでは、荷重付与機構は、一端が第１エンドプレートの外表面に固定され、積層体の一方の側部に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って前記積層方向に延在し、前記第１エンドプレートの前記外表面に他端が配置されるバンド部材と、前記バンド部材の他端に係合し、前記第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材と、前記弾性部材を、前記第１エンドプレートの前記外表面に保持する保持部材とを備えている。
【００１２】
また、この燃料電池スタックでは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートは、長方形状を有するとともに、複数本のバンド部材は、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの長手方向に並列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、バンド部材の一端が第１エンドプレートの外表面に固定されるとともに、前記バンド部材は、積層体の一方の側部に沿って延在し、第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って延在し、さらに該第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材を介して保持されている。
【００１４】
このため、専用の押圧プレート（補助プレート）を用いる必要がなく、部品点数を有効に削減することができる。
【００１５】
しかも、弾性部材は、第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能に、すなわち、前記第１エンドプレートの前記外表面と平行に配設されている。これにより、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池に対して積層方向に荷重を確実に付与することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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を構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの概略側面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する荷重付与機構の動作説明図である。
【図５】前記荷重付与機構にローラが配設された状態の説明図である。
【図６】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７】前記燃料電池スタックの概略側面説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｂ方向（鉛直方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートを介装して第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８が配設される。
【００１８】
第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８は、横長の長方形状を有するとともに、長辺側の端部（上端部及び下端部）には、それぞれＲ部（湾曲部）１６ａ及び１８ａが形成される。長辺側の端部は、積層体１４の上下両側部よりも外方に突出する。なお、Ｒ部１６ａ及び１８ａは、少なくとも後述するバンド部材５２が接する側（外側）に設けられていればよい。
【００１９】
図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４に挟持される。第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２０】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２７ａ、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出口連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１２の矢印Ｃ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入口連通孔２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２７ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２２】
第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。
【００２３】
第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。
【００２４】
互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２７ａと冷却媒体出口連通孔２７ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。
【００２５】
第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４には、それぞれシール部材３８、４０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。
【００２７】
カソード側電極４４及びアノード側電極４６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て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４２の両面に形成されている。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８間に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構（面圧保持機構）５０を設ける。荷重付与機構５０は、複数本、例えば、３本のバンド部材５２を備えるとともに、前記バンド部材５２は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の長手方向に並列して設けられる。バンド部材５２は、好ましくは、金属バンドやカーボンファイバー等の高分子材料の強化繊維により構成される。バンド部材５２の本数は、燃料電池スタック１０の寸法に応じて適宜設定可能である。
【００２９】
バンド部材５２の一端は、第１エンドプレート１６の外表面（鉛直面）１６ｂの下端側にねじ５４を介して固定される。バンド部材５２は、積層体１４の一方の側部（下方側部）に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂを周回した後、前記積層体１４の他方の側部（上方側部）に沿って前記積層方向に延在し、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに前記バンド部材５２の他端が配置される。
【００３０】
図１及び図３に示すように、バンド部材５２の他端には、ループ部５６が設けられるとともに、前記ループ部５６には、開口部５６ａが形成される。ループ部５６は、バンド部材５２の他端が前記バンド部材５２に溶接やかしめ等によって一体に接合されることにより、構成される。
【００３１】
第１エンドプレート１６の外表面１６ｂには、各バンド部材５２のループ部５６に近接して複数個、例えば、３個の保持ブロック（保持部材）５８が設けられる。保持ブロック５８は、断面三角形状の楔形状を有し、下面が水平方向に延在し且つ上面が下方に傾斜する。保持ブロック５８には、鉛直方向に貫通する孔部５８ａが形成される。
【００３２】
各バンド部材５２のループ部５６内には、荷重調整ロッド６０の頭部６０ａが配置される。この頭部６０ａは、ロッド部６０ｂに比べて大径な円柱形状を有し、前記頭部６０ａに前記ロッド部６０ｂの一端が、ねじ締結や溶接により一体に設けられる。ロッド部６０ｂは、保持ブロック５８の孔部５８ａを貫通して下方に延在するとともに、下端部には、ねじ部６０ｃが形成される。
【００３３】
保持ブロック５８の下面には、弾性部材、例えば、コイルスプリング６２の一端（上端）が係合する。なお、コイルスプリング６２に代えて、積層された皿ばね等を使用してもよい。
【００３４】
荷重調整ロッド６０は、コイルスプリング６２内を貫通し、下端部に設けられたねじ部６０ｃに締め付けねじ６４が螺合する。この締め付けねじ６４により、コイルスプリング６２の他端（下端）が保持される。コイルスプリング６２は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置される。
【００３５】
第２エンドプレート１８の外表面１８ｂには、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、冷却媒体入口連通孔２７ａ、冷却媒体出口連通孔２７ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂにそれぞれ連通するマニホールドが形成される。なお、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂは、図４中、仮想線で示すように、外方に滑らかに繋がる凸状形状を有してもよい。
【００３６】
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。
【００３７】
先ず、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２７ａ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。
【００３８】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。
【００３９】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。
【００４０】
従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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。
【００４１】
次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４２】
また、冷却媒体入口連通孔２７ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２７ｂから排出される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０は、図１及び図３に示すように、バンド部材５２の一端が第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに固定されている。そして、バンド部材５２は、積層体１４の一方の側部に沿って延在し、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂを周回した後、前記積層体１４の他方の側部に沿って延在し、さらに第１エンドプレート１６の外表面に沿って伸縮可能なコイルスプリング６２を介して保持されている。
【００４４】
このため、専用の押圧プレート（補助プレート）を用いる必要がなく、部品点数を大幅に削減することができる。
【００４５】
しかも、コイルスプリング６２は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置されている。これにより、燃料電池スタック１０は、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池１２に積層方向に荷重を確実に付与することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、バンド部材５２は、コイルスプリング６２に荷重調整ロッド６０を介して係合している。従って、第１エンドプレート１６と第２エンドプレート１８との間に積層されている各燃料電池１２に締め付け荷重を確実に付与することができる。
【００４７】
図４に示すように、荷重調整ロッド６０のねじ部６０ｃに締め付けねじ６４がねじ込まれると（図４中、螺回方向参照）、この締め付けねじ６４と保持ブロック５８との間でコイルスプリング６２が収縮される。このため、荷重調整ロッド６０の頭部６０ａは、バンド部材５２のループ部５６を下方に引張し、前記バンド部材５２に付与される荷重が増加される。これにより、バンド部材５２による燃料電池スタック１０の締め付け荷重が調整され、前記締め付け荷重を所望の範囲内に確保することが可能になる。
【００４８】
さらにまた、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部には、それぞれＲ部１６ａ及び１８ａが形成されている。従って、バンド部材５２は、Ｒ部１６ａ及び１８ａに沿って円滑且つ確実に摺動することができるという利点がある。
【００４９】
その際、図５に示すように、バンド部材５２の摺動部位にローラ７０を配設することが可能である。ローラ７０は、好適には、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部に、各バンド部材５２に対応して回転自在に設けられる。これにより、バンド部材５２が一層円滑に摺動することができる。なお、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部には、それぞれＲ部１６ａ及び１８ａを設けなくてもよい。
【００５０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０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。
【００５１】
図６及び図７に示すように、燃料電池スタック８０は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８間に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構（面圧保持機構）８２を設ける。荷重付与機構８２を構成する各バンド部材５２は、一端が第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに保持ブロック８４を介して固定される。保持ブロック８４は、保持ブロック５８と同様に、断面三角形状の楔形状を有し、外表面１６ｂに設けられるとともに、前記保持ブロック８４にバンド部材５２の一端が固着される。保持ブロック８４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに固定されていてもよく、また、固定されていなくてもよい。固定されていない場合、第１エンドプレート１６の上下方向からバンド部材５２を締め上げることができる。
【００５２】
バンド部材５２の他端は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って延在し、ローラ８６に摺接する。第１エンドプレート１６の外表面１６ｂ上にブラケット８７が固着されるとともに、前記ブラケット８７には、ローラ８６の軸８６ａが回転自在に装着される。バンド部材５２の他端は、保持ブロック８４を越えて下方に延在するとともに、前記他端には、略９０°屈曲して支持板部８８が溶接等により一体成形される。この支持板部８８は、バンド部材５２の他の部位に比べて肉厚に構成されるとともに、前記支持板部８８には、ねじ孔８８ａが上下方向に貫通形成される。
【００５３】
ねじ孔８８ａには、荷重調整ロッド９０が螺合する。荷重調整ロッド９０は、下端部に螺回部９０ａが設けられ、前記螺回部９０ａの端部から上方にねじ部９０ｂが延在する。ねじ部９０ｂの上端には、押圧部材９２が設けられるとともに、前記押圧部材９２と保持ブロック８４の下面との間には、弾性部材、例えば、コイルスプリング９４が介装される。コイルスプリング９４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置される。押圧部材９２又は保持ブロック８４からコイルスプリング９４の中心部に向けてガイド部材（図示せず）を設けてもよい。
【００５４】
このように構成される第２の実施形態では、コイルスプリング９４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置されている。このため、燃料電池スタック８０は、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池１２に積層方向に荷重を確実に付与することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
さらに、第２の実施形態では、荷重調整ロッド９０の螺回部９０ａが螺回されると、ねじ部９０ｂが支持板部８８のねじ孔８８ａにねじ込まれる。従って、ねじ部９０ｂの上端に設けられている押圧部材９２は、コイルスプリング９４を保持ブロック８４側に押圧する。これにより、コイルスプリング９４が収縮され、支持板部８８を介してバンド部材５２に付与される荷重が増加される。
【００５６】
このため、バンド部材５２による燃料電池スタック８０の締め付け荷重が調整され、前記締め付け荷重を所望の範囲内に確保することが可能になる。
【符号の説明】
【００５７】
１０、８０…燃料電池スタック        １２…燃料電池
１４…積層体                        １６、１８…エンドプレート
２２、２４…セパレータ              ２０…電解質膜・電極構造体
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２７ａ…冷却媒体入口連通孔          ２７ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８ａ…燃料ガス入口連通孔          ２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス流路                ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路                  ３８、４０…シール部材
４２…固体高分子電解質膜            ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極                ５０、８２…荷重付与機構
５２…バンド部材                    ５４…ねじ
５６…ループ部                      ５８、８４…保持ブロック
６０、９０…荷重調整ロッド          ６０ａ…頭部
６０ｂ…ロッド部                    ６０ｃ、９０ｂ…ねじ部
６２、９４…コイルスプリング        ６４…締め付けねじ
７０、８６…ローラ                  ８８…支持板部
９０ａ…螺回部                      ９２…押圧部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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