(57)【要約】【課題】各セルに取り付けた電圧端子が他の電圧端子などに接触して短絡することを防止する。【解決手段】  本発明は、燃料電池スタックにおいて、セパレータ（１）の端部からその一部を延設して形成されるセパレータ延設部（９）と、セパレータ延設部（９）に取り付けられる電圧端子（１４、１５、１７）と、セパレータ延設部（９）が互いに接触しないようにセパレータ延設部（９）のセル（６）の積層方向への変形を抑制する変形抑制手段（１２、１３）とを備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に配設される触媒層をガス拡散層で狭持して発電部を形成し、前記発電部を一対のセパレータで狭持して構成されるセルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータの端部からその一部を延設して形成されるセパレータ延設部と、
前記セパレータ延設部に取り付けられる電圧取り出し用の電圧端子と、
前記セパレータ延設部が互いに接触しないように前記セパレータ延設部の前記セルの積層方向への変形を抑制する変形抑制手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータ延設部は前記一対のセパレータのうちの一方のみに延設される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】
前記変形抑制手段は、前記セパレータ延設部において前記セルの積層方向に連通するセパレータ連通孔と、前記セパレータ連通孔の内径と略同一の径を持ち、積層された前記各セルの前記セパレータ連通孔に挿通される非導電性のピンとから構成され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】
前記変形抑制手段は、隣接する前記セパレータ延設部を離間させる方向へ付勢するように前記セパレータ延設部の間に介装される弾性体によって構成され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５】
前記変形抑制手段は、前記セパレータ延設部において前記セルの積層方向に連通するセパレータ連通孔と、前記セパレータ連通孔の内径と略同一の径を持ち、積層された前記各セルの前記セパレータ連通孔に挿通される非導電性のピンと、隣接する前記セパレータ延設部を離間させる方向へ付勢するように前記セパレータ延設部の間に介装される弾性体とから構成され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６】
前記電圧端子には前記ピンの径より大径の開口部を有する電圧端子連通孔が形成されており、
前記電圧端子は前記電圧端子連通孔に前記ピンを挿通させて前記セパレータに取り付けられることを特徴とする請求項３または５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記電圧端子は、前記弾性体によって前記セパレータ延設部へと圧着付勢されることで前記セパレータ延設部に取り付けられ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。
【請求項８】
前記セルの前記発電部以外の非発電部において、前記電解質膜を前記セパレータより内側で狭持する非導電性の補強部材と、
前記セパレータ延設部に対応した形状となるように前記補強部材に延設され、かつ前記セパレータ連通孔と対応する位置に補強部材連通孔を有する補強部材延設部と、
を備え、
前記ピンは、前記電圧端子連通孔と前記セパレータ連通孔との間で前記補強部材連通孔に挿通されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記セルの前記発電部以外の非発電部において、前記電解質膜を前記セパレータより内側で狭持する非導電性の補強部材と、
前記セパレータ延設部に対応した形状となるように前記補強部材に延設された補強部材延設部と、
を備え、
前記電圧端子は、前記セパレータ延設部に密着する前記補強部材延設部と前記弾性体との間に配設されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
【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】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜の両面に設けられた触媒層を一対のガス拡散層で狭持した構造体を一対のセパレータで狭持してセルを構成し、さらにこれを多数積層して燃料電池スタックを構成する。燃料電池システムは、燃料極側に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、酸化剤極側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、各電極で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出す。
【０００３】
また、燃料電池スタックを構成する各セルが正常な状態にあるか否かを判定するために、各セルの電圧を測定することが知られており、各セルに電圧端子を取り付けて電圧を測定する技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３６７６４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池スタックの小型化及び出力密度向上のために、金属薄板によってセパレータを構成することが知られている。このような金属セパレータは板厚が極めて薄いので、電圧端子の取り付けに際してセパレータの端面に電圧端子穴を設けたり電圧端子を接着したりすることは困難である。また、１セル当たりの厚みも薄くなるので、各セルに取り付けた電圧端子が隣接する電圧端子や電圧端子の取り付け部位に接触して短絡するおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、各セルに取り付けた電圧端子が他の電圧端子などに接触して短絡することを防止する燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、電解質膜（２）の両面に配設される触媒層（３）をガス拡散層（４）で狭持して発電部（５）を形成し、発電部（５）を一対のセパレータ（１）で狭持して構成されるセル（６）を複数積層した燃料電池スタック（５０、６０、７０）において、セパレータ（１）の端部からその一部を延設して形成されるセパレータ延設部（９）と、セパレータ延設部（９）に取り付けられる電圧取り出し用の電圧端子（１４、１５、１７）と、セパレータ延設部（９）が互いに接触しないようにセパレータ延設部（９）のセル（６）の積層方向への変形を抑制する変形抑制手段（１２、１３）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電圧端子の取り付け部分においてスタックの積層方向への変形を極力抑制できるので、各セルに取り付けた電圧端子が隣接する他の電圧端子や電圧端子取り付け部分などに接触して短絡することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における燃料電池スタックのセルを示す概略構成図である。図１（ａ）はセルを積層方向から見た透視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。セパレータ１は、電解質膜の両面に配置される触媒層をガス拡散層によって狭持して構成されるＭＥＡ５（Membrane Electrode Assembly）（発電部）を両側から狭持してセル６を構成する。セパレータ１の一部を構成する発電エリア７には、ＭＥＡ５との間に反応ガスを流す流路が形成される。
【００１１】
マニホールド８はセパレータ１の両端部付近に貫通穴として形成され、発電エリア７の流路に反応ガスを導入または導出する開口部である。
【００１２】
セパレータ突起部９（セパレータ延設部）はセパレータ１の一方の端部からセパレータ１の面方向外側に延在しており、セパレータ突起部９にはセパレータ連通孔１０が設けられる。セパレータ突起部９は酸化剤極側のセパレータ１にのみ設けられる。
【００１３】
セル６は以上のように構成されており、このようなセル６を積層して燃料電池スタック５０を構成すると隣り合うセパレータ突起部９の間の間隔が狭く、セパレータ突起部９の積層方向への変形によってセパレータ突起部９に取り付けられた電圧取得用の電圧端子１４と隣り合う電圧端子１４とが短絡するおそれがある。
【００１４】
そこで、本実施形態では上記問題を防止するため、以下のような構成となっている。
【００１５】
図２は本実施形態における燃料電池スタックの一部を示した概略構成図である。各セル６はセパレータ１の面と垂直方向に積層されて燃料電池スタック５０を構成する。
【００１６】
ピン１２（変形抑制手段）は、各酸化剤極側セパレータ１のセパレータ突起部９に設けられたセパレータ連通孔１０に挿通される。ピン１２はセパレータ突起部９の折れ曲がりを防止するようにセパレータ連通孔１０と略同一の径を有する非導電性部材である。また、ピン１２はセパレータ１やＭＥＡ５を積層して燃料電池スタック５０を形成するときの位置決め手段として利用することもできる。
【００１７】
スプリング１３（変形抑制手段）は隣接するセパレータ突起部９の間にピン１２を中心軸として設けられ、両側のセパレータ突起部９をそれぞれ逆方向に付勢する。スプリング１３はセパレータ突起部９の間の絶縁を保持するため樹脂などの非導電性部材によって形成される。
【００１８】
電圧端子１４はセパレータ突起部９に接着または溶接によって取り付けてもよいし、セパレータ突起部９を挟み込むような先端形状によって取り付けてもよい。
【００１９】
これにより、セパレータ突起部９は両面からスプリング１３によって付勢されるので、セパレータ突起部９の積層方向への変形を防止できる。また、ピン１２とセパレータ連通孔１０とのクリアランスがほとんどないのでセパレータ突起部９が積層方向へ変形しようとしても、セパレータ連通孔１０の内周面とピン１２の外周面との接触によってセパレータ突起部９の積層方向への変形を防止できる。よって、隣り合う電圧端子１４またはセパレータ突起部９の短絡を防止することができる。
【００２０】
以下、本実施形態における燃料電池の作用について説明する。セパレータ突起部９にセル６の積層方向の応力が発生したとき、セパレータ突起部９はその方向に変形しようとする。しかし、セパレータ突起部９に設けられたセパレータ連通孔１０を貫通するピン１２の径とセパレータ連通孔１０の内径とはほぼ同一であるので、セパレータ突起部９が積層方向へ変形しようとしてもセパレータ連通孔１０の内周面とピン１２の外周面との接触によりセパレータ突起部９の変形は抑制される。
【００２１】
また、セパレータ突起部９の両側にはピン１２を中心軸としてスプリング１３が介装されており、セパレータ突起部９は両側のスプリング１３の付勢力によって定位置に保持される。
【００２２】
以上のように本実施形態では、酸化剤極側の各セパレータ突起部９にそれぞれ設けられた各セパレータ連通孔１０に、セパレータ連通孔１０の内径と略同一の径を有する一本のピン１２が挿通されるので、セパレータ突起部９の変形を抑制することができる。よって、隣り合う電圧端子１４またはセパレータ突起部９の間の短絡を防止することができる。
【００２３】
また、ピン１２を中心軸としてスプリング１３がセパレータ突起部９の両側に介装されるので、セパレータ突起部９の振動を抑制して隣り合う電圧端子１４またはセパレータ突起部９の間の短絡を防止することができる。
【００２４】
さらに、電圧端子１４を取り付けるセパレータ突起部９は一対のセパレータ１のうちの一方のみに設けられるので、隣接するセパレータ突起部９の間の間隔を長くして電圧端子１４の短絡をより確実に防止することができる。
【００２５】
（第２実施形態）
次に図３、図４を参照しながら第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態における燃料電池スタックの一部を示す概略構成図である。図４は、本実施形態に用いられる電圧端子を示す構成図である。図４（ａ）は中央に穴が設けられた電圧端子を示しており、図４（ｂ）は一端が開口したＵ字形の電圧端子を示している。なお、同一の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００２６】
本実施形態における燃料電池スタック７０の構成は第１実施形態とほぼ同一である。本実施形態では電圧端子１５の形状及び配設位置が第１実施形態と異なる。電圧端子１５は図４（ａ）に示すような中央にピン１２の径より大きな内径を持つ穴１６（電圧端子連通孔）が設けられており、この穴１６をピン１２が貫通するようにセパレータ突起部９とスプリング１３との間に取り付けられる。電圧端子１５はスプリング１３によって常にセパレータ突起部９の方に付勢される。また、電圧端子１５のセパレータ突起部側の面を金メッキ処理することで電圧端子１５とセパレータ突起部との間の導電性を向上させることができる。さらに、図４（ａ）の電圧端子１５に代えて図４（ｂ）の電圧端子１７を用いてもよい。電圧端子１７にはピン１２が挿通できる長溝１７ａが形成されている。
【００２７】
電圧端子１５または１７とセパレータ突起部９との間の短絡を防止するため、ピン１２の中心からセパレータ突起部９の端部までの距離ａ及びピン１２の中心から電圧端子１５または１７のセパレータ１と反対側の端部までの距離ｂは、隣り合う電圧端子１５または１７の間の距離（一つのセル６の厚さ）より小さく設定される。また、スプリング１３の径は極力大きくして電圧端子１５または１７をより広い範囲で付勢する。
【００２８】
以下、本実施形態における燃料電池スタック６０の作用について説明する。セパレータ突起部９にセルの積層方向の応力が発生したとき、セパレータ１はその方向に変形しようとする。しかし、セパレータ突起部９に設けられたセパレータ連通孔１０を貫通するピン１２の径とセパレータ連通孔１０の内径とはほぼ同一であるので、セパレータ突起部９が積層方向へ変形しようとしてもセパレータ連通孔１０の内周面とピン１２の外周面との接触によりセパレータ突起部９の変形は抑制される。
【００２９】
また、セパレータ突起部９が振動しても、電圧端子１５または１７はセパレータ突起部９とスプリング１３との間でスプリング１３によってセパレータ突起部９に当接保持されるので、電圧端子１５または１７とセパレータ突起部９との接触は保持される。
【００３０】
さらに、セパレータ突起部９が振動しても、電圧端子１５に設けられた穴１６にピン１２を貫通させているので電圧端子１５が脱落することはない。
【００３１】
以上のように本実施形態では、酸化剤極側の各セパレータ突起部９にそれぞれ設けられた各セパレータ連通孔１０にセパレータ連通孔１０の内径と略同一の径を有する一本のピン１２が挿通され、このピン１２を中心軸としてスプリング１３がセパレータ突起部９の両側に介装されるので、セパレータ突起部９の変形及び振動を防止して隣接する電圧端子１５または１７とセパレータ突起部９との間の短絡を防止することができる。
【００３２】
また、電圧端子１５または１７はセパレータ突起部９とスプリング１３との間でスプリング１３によってセパレータ突起部９に当接保持されるので、セパレータ突起部９が振動しても電圧端子１５または１７とセパレータ突起部９との接触を保持することができる。
【００３３】
さらに、電圧端子１５に設けられた穴１６にピン１２を貫通させているので、セパレータ突起部９または電圧端子１５の振動による電圧端子１５の脱落を防止することができる。
【００３４】
（第３実施形態）
次に図５、図６を参照しながら第３実施形態について説明する。図５は、本実施形態における燃料電池スタックのＭＥＡを示す構成図である。図５（ａ）はＭＥＡを示す概略図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、同一の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００３５】
本実施形態における燃料電池スタック７０の構成は第２実施形態とほぼ同一である。本実施形態ではＭＥＡ５の構造の一部及び電圧端子１５の取り付け位置が第２実施形態と異なる。
【００３６】
ＭＥＡ５は発電エリア７において図５（ｂ）に示したように電解質膜２の両面に触媒層３を配置し、さらに一対のガス拡散層４で狭持した構造となっている。電解質膜２はＭＥＡ５と同一の面積を有し、触媒層３及びガス拡散層４は発電エリア７と同一の面積を有する。
【００３７】
ＭＥＡ５の非発電エリア１８は電解質膜２を両面から樹脂製の補強部材１９で狭持した構造となっている。補強部材１９はセパレータ１と同一の外寸を持ち、補強部材突起部２０（補強部材延設部）がセパレータ１に設けられたセパレータ突起部９と同一の形状となるように補強部材１９の一方の端部から面方向外側に延在している。補強部材１９はセパレータ１と同様にピン１２の径とほぼ同一の内径を持つ補強部材連通孔２１を有する。また、補強部材連通孔２１は燃料電池スタック７０の組立時の位置決め手段として利用してもよい。
【００３８】
次に、図５で示したＭＥＡ５をセパレータ１で狭持して積層した燃料電池スタック７０について図６を用いて説明する。図６は本実施形態の燃料電池スタック７０の一部を示した構成図である。本実施形態の燃料電池スタック７０ではセパレータ１に加えてＭＥＡ５もセル６の面方向外側（図６中左側）に突出している。ピン１２は電圧端子１５、補強部材突起部２０及びセパレータ突起部９の各連通孔に挿通されている。
【００３９】
スプリング１３はセパレータ突起部９と、下側に隣接するセル６の補強部材突起部２０に取り付けられた電圧端子１５との間に介装され電圧端子１５を補強部材突起部側へ付勢する。スプリング１３は導電性材料で形成されており、電圧端子１５とセパレータ突起部９との間で通電する。電圧端子１５は補強部材突起部２０を構成する樹脂製補強部材１９に取り付けられているので、電圧端子１５とＭＥＡ５との間は絶縁され通電することはない。
【００４０】
以下、本実施形態における燃料電池の作用について説明する。セパレータ突起部９及び補強部材突起部２０にセル６の積層方向の応力が発生したとき、セパレータ突起部９及び補強部材突起部２０はその方向に変形しようとする。しかし、補強部材突起部２０に設けられた補強部材連通孔２１を貫通するピン１２の径と、セパレータ連通孔１０及び補強部材連通孔２１の内径とはほぼ同一であるので、セパレータ突起部９が積層方向へ変形しようとしても、セパレータ連通孔１０及び補強部材連通孔２１の内周面とピン１２の外周面との接触によりセパレータ突起部９及び補強部材突起部２０の変形は抑制される。
【００４１】
また、補強部材突起部２０が振動しても、電圧端子１５は補強部材突起部２０とスプリング１３との間でスプリング１３によって補強部材突起部２０に当接保持されるので、電圧端子１５と補強部材突起部２０との接触は保持される。
【００４２】
さらに、補強部材突起部２０が振動しても、電圧端子１５に設けられた穴１６にピン１２を貫通させているので電圧端子１５が外れることがない。
【００４３】
さらにまた、補強部材突起部２０が変形して電圧端子１５が隣り合うセル６のセパレータ１に接触しても、電圧端子１５と隣り合うセル６のセパレータ１とは導電性のスプリング１３によって接続されているので、電気的に短絡することはない。
【００４４】
以上のように本実施形態では、補強部材連通孔２１及びセパレータ連通孔１０に補強部材連通孔１０の内径と略同一の径を有する一本のピン１２が挿通され、このピン１２を中心軸としてスプリング１３が電圧端子１５と、隣り合うセル６のセパレータ１との間に介装されるので、補強部材突起部２０のセル積層方向への変形及び振動を防止することができる。
【００４５】
また、電圧端子１５は補強部材突起部２０と、隣り合うセル６のセパレータ１との間に介装されるスプリング１３によって補強部材突起部２０に当接保持されるので、補強部材突起部２０が振動しても電圧端子１５と補強部材突起部２０との接触を保持することができる。
【００４６】
さらに、電圧端子１５に設けられた穴にピン１２を貫通させているので、補強部材突起部２０の振動による電圧端子１５の脱落を防止することができる。
【００４７】
さらにまた、ＭＥＡ５の補強部材突起部２０の表面を構成する非導電性部材に電圧端子１５を取り付けたので、電圧端子１５とＭＥＡ５とが短絡することはない。また電圧端子１５と隣り合うセル６のセパレータ１との間に導電性のスプリング１３が介装されているので、補強部材突起部２０が変形しても電圧端子１５と隣り合うセル６のセパレータ１との間で短絡することはない。よって、より確実に電圧端子１５の短絡を防止することができる。
【００４８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００４９】
例えば第１〜第３実施形態ではピン１２をセパレータ突起部９のセパレータ連通孔１０に挿通してセパレータ突起部９の変形を防止しているが、これに加えてピン１２をセパレータ連通孔１０でセパレータ突起部９に接着してもよい。これにより、より確実にセパレータ突起部９の変形を防止することができる。
【００５０】
また、第１〜第３実施形態ではスプリング１３を用いているが、これに限定されることなく同様の機能を有する弾性体に置き換えてもよい。このとき、第１、第２実施形態では非導電性物質または絶縁処理されたものである必要があり、第３実施形態では弾性体自身の固有抵抗による電圧降下を大きく生じないものである必要がある。
【００５１】
さらに、第１〜第３実施形態ではセパレータ突起部９及び補強部材突起部２０は酸化剤極側セパレータにのみ設けられているが、燃料極側セパレータにのみ設けても同様の効果が得られる。
【００５２】
さらにまた、第１〜第３実施形態ではセパレータ突起部９または補強部材突起部２０の変形をピン１２とスプリング１３とによって抑制しているが、ピン１２またはスプリング１３のうちのいずれか一方のみを用いてもよい。
【００５３】
さらにまた、ピン１２は各セル６のセパレータ突起部９に挿通されるので、セル積層時の位置決め手段として利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態における燃料電池のセルを示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池スタックの一部を示した概略構成図である。
【図３】第２実施形態における燃料電池スタックの一部を示した概略構成図である。
【図４】電圧端子を示す構成図である。
【図５】第３実施形態における燃料電池スタックのＭＥＡを示す構成図である。
【図６】第３実施形態における燃料電池スタックの一部を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  セパレータ
２  電解質膜
３  触媒層
４  ガス拡散層
５  ＭＥＡ
６  セル
７  発電エリア
８  マニホールド
９  セパレータ突起部
１０  セパレータ連通孔
１２  ピン
１３  スプリング
１４  電圧端子
１５  電圧端子
１６  穴
１７  電圧端子
１７ａ  長溝
１８  非発電エリア
１９  補強部材
２０  補強部材突起部
２１  補強部材連通孔
５０  燃料電池スタック
６０  燃料電池スタック
７０  燃料電池スタック
【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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