(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなる燃料電池スタックにおいて、前記積層体及び前記固定部材には積層方向に貫通する複数の孔部が設けられており、前記孔部の各々に前記積層体を積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドが貫通しており、前記絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記積層体の孔部の内面の少なくとも一部に接しており、もって振動や衝撃によっても前記燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりしないことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、全ての絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面が前記積層体の孔部の内面の少なくとも一部と接していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなる燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックを積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記積層体の表面に接しており、もって振動や衝撃によっても前記燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりしないことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体の表面に複数個の水平方向溝部が設けられており、前記絶縁材被覆ロッドは前記水平方向溝部の内面の少なくとも一部と接していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなる燃料電池スタックにおいて、前記積層体及び前記固定部材には積層方向に貫通する複数の反応ガス用連通口が設けられており、前記連通口の各々に前記積層体を積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドが貫通しており、前記絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記連通口の内面に部分的に接しており、もって振動や衝撃によっても前記燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりしないことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層され、燃料電池セルにある孔部を貫通する複数本の絶縁材被覆ロッドにより強固に締め付けられた燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体高分子型燃料電池は、通常高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極及びカソード電極を対設して構成された複数個の燃料電池セルをセパレータを介して積層することにより燃料電池スタックとし、それを複数のボルトにより螺着することにより構成されている。この種の燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス（水素ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へ移動するとともに、イオン化の際に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用されている。カソード電極には酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）が供給されており、そこで水素イオンと電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
このような燃料電池スタックを車両等に搭載する場所としては、床下が適しているが、この場合燃料電池スタックの高さ方向の寸法をできるだけ小さくするのが望ましい。そのためには、燃料電池スタックを横置きする必要がある。この場合、各燃料電池セル及びセパレータは水平方向に積層されている。
【０００４】
積層した燃料電池セル及びセパレータを固定するために、図14及び図15に示すように、従来から燃料電池スタックの両側にエンドプレート等の固定部材11，11を配置し、固定部材11，11の外側に設けたバックアッププレート14，14の複数の孔部14a，14aに締結用ロッド６を貫通させ、ロッド６の先端のネジ部にナット6c，6cを螺着している。この場合、電気的絶縁性を確保するために、各燃料電池セル及びセパレータには、ロッド６が貫通する孔部が形成されていない。そのため、各燃料電池セル及びセパレータは滑り摩擦抵抗のみにより固定されている。なお16は皿バネを示し、18は平ワッシャを示す。
【０００５】
また特開2000-123857 号は、燃料電池積層体の両端に配置された締め付け板が複数のタイロッドにより締め付けられており、各タイロッドは電気絶縁処理層を有し、各タイロッドが貫通する前記積層体の孔部の内径は前記タイロッドの外径より大きく設定されており、積層体とタイロッドとの電気的絶縁性を確保した固体高分子型燃料電池を開示している。この燃料電池におけるタイロッド６と各セパレータとの関係は図16及び17に示す通りである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図14及び図15に示すような燃料電池スタックの固定方法だと、燃料電池スタックの縦置きの場合には問題がないが、横置きの場合には長期間の振動や衝撃等により、燃料電池スタック全体が下方に撓み、各セル及びセパレータの下方部に隙間ができてしまうという問題があった。この理由は、水平方向に延びる複数本のロッドに常時大きな負荷がかかっているので、特に下方のロッドが延びたり撓んだりするためであると考えられる。
【０００７】
また特開2000-123857号に開示の燃料電池の固定方法でも、各タイロッドと積層体の孔部内面との間に隙間があるので、長期間の振動や衝撃等により、各燃料電池セル及びセパレータがずれを起こし、それらの下部が開いてしまうという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、燃料電池セル及びセパレータを水平方向に積層してなる燃料電池スタックであって、長期間の振動や衝撃等を受けても各燃料電池セル及びセパレータがずれたり開いたりしない燃料電池スタックを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の燃料電池スタックは、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなり、前記積層体及び前記固定部材には積層方向に貫通する複数の孔部が設けられており、前記孔部の各々に前記積層体を積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドが貫通しており、前記絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記積層体の孔部の内面の少なくとも一部に接している。この構成により、各燃料電池セル及びセパレータは滑り摩擦抵抗だけでなく、複数本の絶縁材被覆ロッドにより固定されているので、長期間の振動や衝撃等を受けても下部が開くほど撓むことがない。
【００１０】
第一の燃料電池スタックでは、全ての絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面が前記積層体の孔部の内面の少なくとも一部と接しているのが好ましい。この構成により、絶縁材被覆ロッドによる各燃料電池セル及びセパレータの固定はより強固になる。
【００１１】
本発明の第二の燃料電池スタックは、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなり、前記燃料電池スタックを積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記積層体の表面に接しており、もって振動や衝撃によっても前記燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりしないことを特徴とする。この構成では、前記積層体には孔部を設ける必要がないので、燃料電池スタック全体のコスト低下が得られ、また前記絶縁材被覆ロッドの表面が前記積層体の表面に接しているので、前記積層体の撓みも防止されている。
【００１２】
第二の燃料電池スタックでは、前記積層体の表面に複数個の水平方向溝部が設けられており、前記絶縁材被覆ロッドは前記水平方向溝部の内面の少なくとも一部と接しているのが好ましい。水平方向溝部により、前記絶縁材被覆ロッドとの接触を確実にすることができる。
【００１３】
本発明の第三の燃料電池スタックは、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層されてなる積層体と、前記積層体の水平方向両側に配置された固定部材とからなり、前記積層体及び前記固定部材には積層方向に貫通する複数の反応ガス用連通口が設けられており、前記連通口の各々に前記積層体を積層方向に締め付ける絶縁材被覆ロッドが貫通しており、前記絶縁材被覆ロッドの絶縁材表面は前記連通口の内面に部分的に接しており、もって振動や衝撃によっても前記燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりしないことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池スタックの基本構造は、先願の特願平11-249830号に記載のものと同じで良い。従って、ここでは基本構造は簡単に説明することにする。
【００１５】
図12に示すように、燃料電池は、燃料電池セル32と、燃料電池セル32を狭持するセパレータ34、36とを備え、これらは水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層されて燃料電池スタック12を構成する。燃料電池スタック12の全体形状は直方体状であり、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向であり、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向である。
【００１６】
燃料電池セル32は、ナフィオンのような電解質膜38と、電解質膜38を挟んで配設されたカソード電極40及びアノード電極42とからなり、カソード電極40及びアノード電極42には、例えば多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層44、46が配設されている。
【００１７】
燃料電池セル32の両側にはガスケット48、50が設けられており、ガスケット48は、カソード電極40及びガス拡散層44を収納するための大きな開口部52を有し、ガスケット50はアノード電極42及びガス拡散層46を収納するための大きな開口部54を有する。燃料電池セル32及びガスケット48、50はセパレータ34，36により狭持されている。
【００１８】
セパレータ34の両端縁部55bには、酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）を通過させるための酸化剤ガス入口56aと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口58aと、酸化剤ガス出口56bと、燃料ガス出口58bとが設けられている。セパレータ34の下端部には冷却媒体入口60a〜60dが設けられており、上端部には冷却媒体出口60e〜60hが設けられている。またセパレータ34の面34aには、酸化剤ガス入口56aに連通する酸化剤ガス流路溝62が、水平方向に蛇行するように設けられている。酸化剤ガス流路溝62は、酸化剤ガス流路溝65に合流し、酸化剤ガス流路溝65は酸化剤ガス出口56bに連通している。セパレータ34にはロッド挿通用の孔部63が形成されている。
【００１９】
セパレータ36の短辺64b 側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口66a 及び燃料ガス入口68a が貫通しているとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口66b 及び燃料ガス出口68b が貫通している。セパレータ36の下端部には冷却媒体入口70a 〜70d が貫通しており、上端部には冷却媒体出口70e 〜70h が貫通している。図12に示すように、セパレータ36にも、燃料ガス入口68a に連通する燃料ガス流路溝（36a の側）が酸化剤ガス流路溝と同じ形状で形成されている。燃料ガス流路溝は水平方向に蛇行し、燃料ガス出口68b に連通している。また36b の側では、冷却媒体流路74a 〜74d が設けられている。セパレータ36にもロッド挿通用の孔部63が設けられている。
【００２０】
図13に示すように、エンドプレート24の短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口120aと燃料ガス入口112aとが貫通しているとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口120bと燃料ガス出口122bとが設けられている。エンドプレート24にはまた、セパレータ36の冷却媒体入口70a〜70dに連通する冷却媒体流路溝と、セパレータ36の冷却媒体出口70e〜70hに連通する冷却媒体流路溝が水平方向に形成されている。冷却媒体導入口及び冷却媒体導出口には供給管路134及び排出管路136が連結されており、供給管路134及び排出管路136は燃料電池スタック12の外方に突出している。またエンドプレート24にはロッド挿通用の孔部が形成されている。
【００２１】
図13に示すように、燃料ガスはエンドプレート24の燃料ガス入口112aに送られ、さらにセパレータ36の各燃料ガス入口68a から燃料ガス流路溝72に導入される。燃料ガス流路溝72に供給された燃料ガスは、セパレータ36の面36a に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスはガス拡散層46を通って燃料電池セル32のアノード電極42に供給される。未使用の燃料ガスは燃料ガス流路溝72に沿って移動しながらアノード電極42に供給され、未使用の燃料ガスは燃料ガス流路溝73を介して燃料ガス出口68b から排出される。
【００２２】
空気はエンドプレート24に設けられた酸化剤ガス入口120aに送られ、さらに燃料電池スタック12内に組み込まれたセパレータ34の酸化剤ガス入口56aに供給される。セパレータ34では、酸化剤ガス入口56aに供給された空気が面34a内の酸化剤ガス流路溝62に導入され、酸化剤ガス流路溝62に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。空気中の酸素はガス拡散層44からカソード電極40に供給され、未使用の空気は酸化剤ガス流路溝65を介して酸化剤ガス出口56bから排出される。酸化剤ガス出口56bに排出された空気は、エンドプレート24に設けられた酸化剤ガス出口12Obから排出される。これにより、燃料電池スタック12で発電が行われ、電力取り出し端子間に接続されたモータ等の外部負荷（図示せず）に電力が供給される。
【００２３】
燃料電池スタックは、後述する方式で積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定されている。図１は本発明の第一の実施例による燃料電池スタックを構成するセパレータを示す平面図であり、図２はそのうち絶縁材被覆ロッドが貫通した孔部付近を示す部分拡大断面図である。
【００２４】
図１において、ほぼ長方形のセパレータは、長側縁部に冷却媒体入口用開口部1a〜1dと冷却媒体出口用開口部2a〜2dが設けられており、短側縁部に酸化剤ガス入口用開口部3a、酸化剤ガス出口用開口部3b、燃料ガス入口用開口部4a、及び燃料ガス用出口開口部4bが設けられている。また各長側縁部に３つずつロッド貫通用孔部５が形成されている。
【００２５】
この実施例では、図２に示すように、各孔部５に貫通する絶縁材被覆ロッド６はロッド部6aとその軸部外周を包囲する絶縁材6bとからなり、絶縁材6bの表面は孔部５の内面の少なくとも一部に接している。その結果セパレータ（及び燃料電池セル等の燃料電池スタックの構成部材）は長期間の振動や衝撃等によってもずれたり開いたりしない状態になる。絶縁材6bの表面が孔部５の内面に全周隙間なく接触している必要はなく、複数本の絶縁材被覆ロッド６と複数の孔部５との接触により、積層体９の構成部材が左右にずれない限り、部分的な接触でも構わない。例えば各絶縁材被覆ロッド６の絶縁材6bの表面が各孔部５の内面の内側のみ又は外側のみと接触している状態でも良い。
【００２６】
図10は、図１のセパレータ及び同様の孔部配置を有する燃料電池セルを複数積層してなる積層体９の両端に固定部材11，11を配置した後で、絶縁材被覆ロッド６により締め付けた燃料電池スタック12を示す。固定部材11，11の外側に設けたバックアッププレート14，14の複数の孔部に絶縁材被覆ロッド６を貫通させ、ロッド６の先端のネジ部にナット6c，6cを螺着している。なお16は皿バネを示し、18は平ワッシャを示す。積層体９の孔部9aと絶縁材被覆ロッド６とが接しているので、燃料電池スタックを横向きに固定した状態で長期間の振動や衝撃をかけても、積層体の構成部材がずれたり開いたりすることがない。
【００２７】
図３は本発明の別の実施例による燃料電池スタックを構成するセパレータを示す。このセパレータは図１のセパレータと孔部のサイズが異なるのみであるので、ここでは孔部についてのみ説明する。この実施例では、各長側縁部における両側の孔部5a，5aは中央の孔部5bより僅かに大きな内径を有する。そのため図４に示すように、孔部5aでは絶縁材被覆ロッド６の絶縁材6bの表面とその内面との間に空隙があるが、孔部5bでは絶縁材被覆ロッド６の絶縁材6bの表面はその内面と接している。このように、各長側縁部に１つずつ小径の孔部5bをもうけることにより、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００２８】
図５及び図６は本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックを構成するセパレータを示す。このセパレータは図３のセパレータと孔部5a，5bの配置が異なるのみである。この実施例では、小径の孔部5bは対角線の位置に配置されている。このような配置の孔部でも、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００２９】
図７は本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックを構成するセパレータを示す。このセパレータは孔部を有さず、絶縁材被覆ロッド６はセパレータの外周と接している。このような絶縁材被覆ロッド６の配置でも、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００３０】
図８は本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックを構成するセパレータの溝部付近を部分的に示す。セパレータの溝部７の内面に絶縁材被覆ロッド６が接している。このような溝部７と絶縁材被覆ロッド６との接触でも、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００３１】
図９は燃料ガス入口8a、燃料ガス出口8b、酸化剤ガス入口8c及び酸化剤ガス出口8dのなかに絶縁材被覆ロッド６が貫通している例を示す。絶縁材被覆ロッド６はこれらの開口部8a〜8dの一方の端部に接触しているので、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００３２】
図11は燃料ガス入口8a、燃料ガス出口8b、酸化剤ガス入口8c及び酸化剤ガス出口8dが燃料電池スタック（図では積層体９）のほぼ中央部に位置しており、それらのなかに絶縁材被覆ロッド６が貫通している例を示す。絶縁材被覆ロッド６はこれらの開口部8a〜8dの一方の端部に接触しているので、燃料電池スタックの構成部材がずれたり開いたりするのを防止することができる。
【００３３】
【発明の効果】
上記の通り、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル及びセパレータの外縁部に複数の孔部を設け、各孔部を貫通する絶縁材被覆ロッドの表面がその内面の少なくとも一部に接するように孔部の内径を設定することにより、長期間の振動や衝撃等を受けても、燃料電池セル及びセパレータがずれたり開いたりするのを完全に防止することができる。このような構造を有する本発明の燃料電池スタックは横置き（水平方向の配置）に伴う問題を解消しているので、極めて背が低い設計にすることができ、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例による燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す平面図である。
【図２】  図１のセパレータの孔部に絶縁材被覆ロッドが貫通した状態を示す部分拡大断面図である。
【図３】  本発明の別の実施例による燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す平面図である。
【図４】  図３のセパレータの孔部に絶縁材被覆ロッドが貫通した状態を示す部分拡大断面図である。
【図５】  本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す平面図である。
【図６】  図５のセパレータの孔部に絶縁材被覆ロッドが貫通した状態を示す部分拡大断面図である。
【図７】  本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す平面図である。
【図８】  本発明のさらに別の実施例による燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す部分拡大断面図である。
【図９】  本発明のさらに別の実施例による絶縁材被覆ロッドの貫通方法を示す平面図である。
【図１０】  本発明の一実施例による燃料電池スタックを示す縦断面図である。
【図１１】  本発明のさらに別の実施例による絶縁材被覆ロッドの貫通方法を示す平面図である。
【図１２】  本発明の燃料電池スタックを構成する一組の燃料電池セル及びセパレータを示す分解斜視図である。
【図１３】  本発明の燃料電池スタックを示す部分分解斜視図である。
【図１４】  従来の燃料電池スタックに組み込むセパレータを示す平面図である。
【図１５】  図14のセパレータを組み込んだ燃料電池スタックを示す平面図である。
【図１６】  従来の燃料電池スタックに組み込む別のセパレータを示す平面図である。
【図１７】  図16のセパレータの孔部に絶縁材被覆ロッドを貫通させた状態を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
1a，1b，1c，1d・・・冷却媒体入口用開口部
2a，2b，1c，1d・・・冷却媒体出口用開口部
3a・・・酸化剤ガス入口用開口部
3b・・・酸化剤ガス出口用開口部
4a・・・燃料ガス入口用開口部
4b・・・燃料ガス出口用開口部
５・・・孔部
5a・・・ 大径の孔部
5b・・・小径の孔部
６・・・絶縁材被覆ロッド
6a・・・ロッド部
6b・・・絶縁材
6c・・・ナット
７・・・溝部
8a，8b，8c，8d・・・反応ガス用連通口
９・・・積層体
9a・・・積層体の孔部
12・・・燃料電池スタック
24・・・エンドプレート
32・・・燃料電池セル
34、36・・・セパレータ
38・・・電解質膜
40・・・カソード電極
42・・・アノード電極
44，46・・・ガス拡散層
48，50・・・ガスケット
56a，66a・・・酸化剤ガス入口
56b，66b・・・酸化剤ガス出口
58a，68a・・・燃料ガス入口
58b，68b・・・燃料ガス出口
60a〜60d、70a〜70d・・・冷却媒体入口
60e〜60h、70e〜70h・・・冷却媒体出口
62，65・・・酸化剤ガス流路溝
72・・・燃料ガス流路溝
74a〜74d・・・冷却媒体流路
134・・・供給管路
136・・・排出管路
【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】
0003673155.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003673155.tif 000011
【図１１】
0003673155.tif 000012
【図１２】
0003673155.tif 000013
【図１３】
0003673155.tif 000014
【図１４】
0003673155.tif 000015
【図１５】
0003673155.tif 000016
【図１６】
0003673155.tif 000017
【図１７】
0003673155.tif 000018