(57)【要約】【課題】  燃料電池構成部材の積層体にかかる面圧分布を均一化して、電気的な接触抵抗を充分に低減させる。【解決手段】  複数積層した燃料電池単体１の上下両側に集電板３および絶縁板５をそれぞれ配置し、さらにその外側に支持板７を配置して燃料電池構成部材の積層体９とする。上部の支持板７上に複数の皿ばね１１を設置し、その上に荷重受け板１５を配置して一定荷重Ｐを付加する。複数の皿ばね１１は、積層体９の積層方向厚さ（間隔Ｔ）が厚い部位に対応するものを、同積層方向厚さが薄い部位に対応するものに比較して弾性率を高く設定する。【選択図】      図１
2006252972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜とその両側の電極とさらにその外側のセパレータとを有する燃料電池単体を複数積層し、この複数の燃料電池単体の積層方向端部に支持板を設けて燃料電池構成部材の積層体を構成し、前記支持板の前記燃料電池単体と反対側に、互いに異なる弾性率の弾性手段を複数設け、この複数の弾性手段を介して前記積層体に荷重を付加して押圧固定する押圧固定部材を設け、前記複数の弾性手段の弾性率を、前記積層体の積層方向厚さに応じて変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記積層体の積層方向厚さが厚い部位に対応する前記弾性手段は、同積層方向厚さが薄い部位に対応する前記弾性手段に比較して弾性率を高く設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記弾性手段は皿ばねであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
電解質膜とその両側の電極とさらにその外側のセパレータとを有する燃料電池単体を複数積層し、この複数の燃料電池単体の積層方向端部に設けた支持板の外側に、前記複数の燃料電池単体および前記支持板からなる燃料電池構成部材の積層体の積層方向厚さに応じて弾性率の異なる弾性手段を複数設け、この複数の弾性手段を介して押圧固定部材により前記積層体に荷重を付加して押圧固定することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
前記積層体の積層方向厚さが厚い部位に対応する前記弾性手段は、同積層方向厚さが薄い部位に対応する前記弾性手段に比較して弾性率を高く設定したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
前記弾性手段は皿ばねであることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜とその両側の電極とさらにその外側のセパレータとを有する燃料電池単体を複数積層して構成した燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池単体を複数積層してなる燃料電池スタックを製造する際には、例えば下記特許文献１に記載のように、燃料電池構成部材の積層体に充分な面圧をかけることで、電気的な接触抵抗低減による出力向上が図られる。
【特許文献１】特開２００１−２３６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の技術では、上記したように燃料電池構成部材の積層体に充分な面圧をかけることで、電気的な接触抵抗低減により出力向上が図られるが、燃料電池構成部材に積層方向の寸法ばらつきがあると、積層体にかかる面圧分布が変化する。
【０００４】
このような場合、電気的な接触抵抗を充分に低減させて発電性能を高めるためには、過大な荷重を積層体に付加する必要があり、積層体を構成する例えばセパレータの耐荷重特性を大きく高める必要が生じるものとなる。
【０００５】
特に、自動車などの移動体に搭載する燃料電池スタックにおいては、セパレータの必要以上の耐荷重特性を実現するために、セパレータ厚さを厚くしなければならず、搭載スペースの観点から、スタックを構成する燃料電池単体の数量削減につながり、限られたスペースの範囲で発電できる出力が低減するという課題が発生する。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池構成部材の積層体にかかる面圧分布を均一化して、電気的な接触抵抗を充分低減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜とその両側の電極とさらにその外側のセパレータとを有する燃料電池単体を複数積層し、この複数の燃料電池単体の積層方向端部に支持板を設けて燃料電池構成部材の積層体を構成し、前記支持板の前記燃料電池単体と反対側に、互いに異なる弾性率の弾性手段を複数設け、この複数の弾性手段を介して前記積層体に荷重を付加して押圧固定する押圧固定部材を設け、前記複数の弾性手段の弾性率を、前記積層体の積層方向厚さに応じて変化させたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の弾性手段の弾性率を、燃料電池構成部材の積層体の積層方向厚さに応じて変化させているので、燃料電池スタック製造時に積層体に一定荷重をかけた場合、燃料電池構成部材に積層方向の寸法ばらつきがあっても、積層体にかかる面圧分布を均一化することができ、積層体を構成する例えばセパレータの耐荷重特性を大きく高めることなく、必要最低限の荷重で電気的な接触抵抗を充分低減させることができ、燃料電池構成部材の寸法ばらつきによる発電性能低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの断面図である。この燃料電池スタックは、燃料電池単体１を、図１中で上下方向に複数積層し、その上下両端に、集電板３および絶縁板５をそれぞれ配置し、さらにその外側に支持板７を配置している。
【００１１】
各燃料電池単体１は、特に図示していないが、電解質膜とその両側の電極とさらにその外側のセパレータとを順次積層したものである。
【００１２】
上記した燃料電池単体１，集電板３，絶縁板５および支持板７により、燃料電池構成部材の積層体９を構成している。
【００１３】
そして、図１中で上部の支持板７上には、弾性手段としての複数の皿ばね１１を設置する。この複数の皿ばね１１の弾性率は、製造ばらつきなどによって発生する上記した積層体９の積層方向厚さに応じて変化させる。より詳細には、積層体９の積層方向厚さが厚い部位に対応する皿ばね１１は、同積層方向厚さが薄い部位に対応する皿ばね１１に比較して、弾性率を高く設定する。
【００１４】
なお、ここでの積層体９の積層方向厚さとは、図１中で下部の支持板７の下面７ａと、上部の支持板７に対する皿ばね１１の押圧面１１ａとの間隔Ｔに相当する。
【００１５】
上記した皿ばね１１の上部には、固定具１３を介して押圧固定部材としての荷重受け板１５を設置する。固定具１３は、皿ばね１１に嵌入する軸部１３ａの上部に鍔部１３ｂを備え、鍔部１３ｂ上に前記した荷重受け板１５を設置する。固定具１３の軸部１３ａの先端（下端）は、支持板７に対して常に離反した状態を保持している。したがって、荷重受け板１５に対し一定荷重Ｐを付加することで、固定具１３の鍔部１３ｂを介して皿ばね１１を撓ませることになる。
【００１６】
このようにして荷重受け板１５の上から一定荷重Ｐを付加することで、積層体９に所定の面圧を付与し、この状態で荷重受け板１５と下部の支持板７との間を、保持具１７により保持固定することで、燃料電池スタックの製造が完了する。
【００１７】
この際、複数の皿ばね１１の弾性率を以下の式によって算出する。
【００１８】
（皿ばね弾性率）＝（平均皿ばね弾性率）＋（寸法ばらつき補正弾性率）
（寸法ばらつき補正弾性率）＝（スタック製造時荷重）÷（寸法ばらつき値）
（寸法ばらつき値）=（積層体厚さ寸法）−（積層体厚さ寸法の平均値）
例えば、積層体厚さ寸法（図１の間隔Ｔに相当）を、図１の皿ばね１１を設置しているＡ部，Ｂ部でそれぞれ２０．１ｍｍ，１９．９ｍｍ、積層体厚さ寸法の平均値（皿ばね１１を設置した部位の積層体厚さ寸法Ｔの平均値）を２０ｍｍ、スタック製造時荷重（図１の一定荷重Ｐ）を１０ｋＮ、平均皿ばね弾性率（複数の皿ばね１１の弾性率の平均値）を１０ＭＰａとすると、このときの各皿ばね１１の弾性率を算出すると、Ａ部に対応するものが1１ＭＰａで、Ｂ部に対応するものが９ＭＰａとなる。
【００１９】
このようにして、燃料電池部材の積層体９の積層方向寸法に合わせて複数の皿ばね１１の弾性率を変化させることにより、燃料電池スタック製造時に積層体９に一定荷重Ｐを付加する際に、積層体９の積層方向の寸法ばらつきがあっても、積層体９にかかる面圧分布を均一化することができる。
【００２０】
この結果、積層体９を構成する例えばセパレータの耐荷重特性を大きく高めることなく、必要最低限の荷重で電気的な接触抵抗を充分低減させることができ、燃料電池構成部材の寸法ばらつきによる発電性能低下を防止することができる。
【００２１】
特に、自動車などの移動体に搭載する燃料電池スタックにおいては、セパレータの必要以上の耐荷重特性を実現するためにセパレータ厚さを厚くする必要がなく、このため搭載スペースの観点から、スタックを構成する燃料電池単体の数量を増加でき、限られたスペースで発電出力を高めることができる。
【００２２】
図２は、電流密度に対する平均セル（燃料電池単体１）電圧（実線）と電気的接触抵抗（破線）を、上記した本実施形態よるもの（太線）と、本実施形態のような弾性率の異なる皿ばねを使用しない従来（比較例）のもの（細線）とで比較している。
【００２３】
これによれば、本実施形態の燃料電池スタックは、従来の燃料電池スタックに比較して、セル電圧が高く、かつ電気的な接触抵抗が低いものとなっており、発電性能が高いものとなっている。
【００２４】
そして、このような燃料電池スタックを製造する際には、複数の皿ばね１１の弾性率を積層体９の積層方向厚さに応じて変化させることで、燃料電池スタックにかかる面圧分布を均一化できるので、低荷重でかつ安価に発電性能の高い燃料電池スタックを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの断面図である。
【図２】電流密度に対する平均セル電圧と電気的接触抵抗を、本実施形態のものと従来のものとで比較して示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池単体
７  支持板
９  燃料電池構成部材の積層体
１１  皿ばね（弾性手段）
１５  荷重受け板（押圧固定部材）
Ｔ  積層体の厚さ
【図１】
2006252972.tif 000003
【図２】
2006252972.tif 000004