(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックの重量増加や、大型化を抑制しつつ、スタック構造全体に均一な荷重を加える。【解決手段】  燃料電池スタックの端部に、外部から入力された押圧力を伝達し、スタック構造を積層方向に押圧するためのスプリングモジュール７０を備える。スプリングモジュール７０は、押圧力を入力するための第１のケーシング部材７４と、この押圧力を出力するための第２のケーシング部材７２と、第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２との間に、互いに並列に配置された複数のコイルスプリング７８と、を備える。第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２とは、コイルスプリング７８の弾性作用によって、相対的に傾斜かつ変位可能である。第１のケーシング部材７４は、押圧力による第１のケーシング部材７４の変形を抑制するための変形抑制機構として、仕切板７６を備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の端部に、外部から入力された押圧力を伝達し、前記スタック構造を積層方向に押圧するための押圧モジュールを備え、
前記押圧モジュールは、
前記押圧力を入力するための第１のケーシング部材と、
前記押圧力を出力するための第２のケーシング部材と、
前記第１のケーシング部材と、前記第２のケーシング部材との間に、互いに並列に配置された複数の弾性体と、を備え、
前記第１のケーシング部材と、前記第２のケーシング部材とは、前記弾性体の作用によって、相対的に傾斜かつ変位可能であり、
前記第１のケーシング部材は、前記押圧力による前記第１のケーシング部材の変形を抑制するための変形抑制機構を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記変形抑制機構は、前記第１のケーシング部材を複数領域に区分けする仕切である、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記弾性体は、コイルスプリングであり、
前記仕切は、前記コイルスプリングを挿入可能なサイズの多角形形状の領域を形成している、
燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記弾性体は、コイルスプリングであり、
前記仕切は、断面形状が略円形であって、前記コイルスプリングを挿入可能なサイズのパイプ状部材である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池であって、
前記領域と、前記コイルスプリングの数は、ほぼ同一である、
燃料電池。
【請求項６】
請求項２ないし５記載の燃料電池であって、
前記第１のケーシング部材と、前記仕切とは、一体的に形成されている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６記載の燃料電池であって、さらに、
前記押圧力を調整するための調整ねじを有する押圧力調整機構を備える、
燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記調整ねじの数は、１〜３個である、
燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池であって、
前記押圧力調整機構は、さらに、前記第１のケーシング部材を前記押圧力の方向へ付勢するための第２のコイルスプリングを備える、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単セルを積層させたスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、所定の電解質膜の両面に、アノードとカソードとを形成した単セルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するタイプのものがある。このスタック構造を有する燃料電池（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）では、スタック構造のいずれかの箇所、例えば、単セル間や、単セル内の膜間における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制するため、通常、スタック構造を積層方向に押圧している。この押圧力は、熱膨張・収縮や、電極のクリープ等によって、経時的に変動する。この押圧力の経時的な変動を抑制するための技術として、例えば、下記特許文献には、燃料電池スタックに締結板を設け、弾性体を介して押圧する技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０８１６３号公報
【特許文献２】特開２００２−３５８９８５号公報
【特許文献３】特開２００２−１２４２９１号公報
【特許文献４】特開２００２−３０２７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、締結板には、１０００〜２０００Ｋｇｆ以上の荷重が加えられる場合があり、上記技術では、締結板の湾曲等によって、スタック構造を均一に押圧することが困難だった。例えば、締結板の板厚を増大させ、剛性を増大させることによって、締結板の湾曲を抑制することは可能ではあるが、燃料電池スタックの重量の増加や、大型化を招く。
【０００５】
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、燃料電池スタックの重量増加や、大型化を抑制しつつ、スタック構造全体に均一な荷重を加えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
複数の単セルを積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の端部に、外部から入力された押圧力を伝達し、前記スタック構造を積層方向に押圧するための押圧モジュールを備え、
前記押圧モジュールは、
前記押圧力を入力するための第１のケーシング部材と、
前記押圧力を出力するための第２のケーシング部材と、
前記第１のケーシング部材と、前記第２のケーシング部材との間に、互いに並列に配置された複数の弾性体と、を備え、
前記第１のケーシング部材と、前記第２のケーシング部材とは、前記弾性体の作用によって、相対的に傾斜かつ変位可能であり、
前記第１のケーシング部材は、前記押圧力による前記第１のケーシング部材の変形を抑制するための変形抑制機構を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の燃料電池において、押圧モジュールは、スタック構造の積層方向の一端に備えられるようにしてもよいし、両端に備えられるようにしてもよい。押圧モジュールに備えられる弾性体としては、例えば、コイルスプリングや、ゴムなどを用いることができる。
【０００８】
本発明では、押圧モジュールによって、スタック構造全体に、積層方向にほぼ均一な荷重を加えることができる。さらに、本発明では、外部から押圧力が入力される第１のケーシング部材が変形抑制機構を備えているので、第１のケーシング部材の荷重入力面の板厚を増大させる必要がない。したがって、燃料電池スタックの重量増加や、大型化を抑制することができる。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記変形抑制機構は、例えば、前記第１のケーシング部材を複数領域に区分けする仕切であるものとすることができる。
【００１０】
仕切は、溶接や、ろう付け等によって、第１のケーシング部材に接合される。こうすることによって、第１のケーシング部材の剛性を増大させることができる。
【００１１】
上記燃料電池において、前記仕切を前記第１のケーシング部材と、前記第２のケーシング部材との間に形成する場合、
前記弾性体は、コイルスプリングであり、
前記仕切は、前記コイルスプリングを挿入可能なサイズの多角形形状の領域を形成しているようにしてもよい。
【００１２】
また、前記仕切は、断面形状が略円形であって、前記コイルスプリングを挿入可能なサイズのパイプ状部材であるものとしてもよい。
【００１３】
これらによって、仕切によって区分けされた複数の領域に、複数のコイルスプリングを容易に配置することができる。
【００１４】
上記燃料電池において、前記領域および前記コイルスプリングの数は任意に設定可能であるが、
前記領域と、前記コイルスプリングの数は、ほぼ同一であるものとしてもよい。
【００１５】
こうすることによって、押圧モジュール内のスペースを効率的に利用して、コイルスプリングを配置することができる。
【００１６】
なお、上記変形抑制機構として仕切を備える燃料電池において、
前記第１のケーシング部材と、前記仕切とは、鋳造等によって、一体的に形成されているようにしてもよい。
【００１７】
こうすることによって、燃料電池スタックの組付けを容易にすることができる。
【００１８】
上述したいずれかの燃料電池において、さらに、
前記押圧力を調整するための調整ねじを有する押圧力調整機構を備えるようにしてもよい。
【００１９】
こうすることによって、押圧力を容易に調整することができる。本発明の燃料電池に、さらに、押圧力を検出する検出部と、この検出結果に基づいて押圧力を制御する制御部とを備えるようにしてもよい。こうすれば、制御部は、例えば、スタック構造に加える押圧力を所定値に維持するようにすることができる。
【００２０】
上記燃料電池において、
前記調整ねじの数は、任意に設定可能であるが、１〜３個であることが好ましい。
【００２１】
こうすることによって、押圧モジュールにバランス良く、押圧力を入力することができる。なお、調整ねじの数を４個以上にすることは、荷重バランスの観点から好ましくない。
【００２２】
上記燃料電池において、
前記押圧力調整機構は、さらに、前記第１のケーシング部材を前記押圧力の方向へ付勢するための第２のコイルスプリングを備えるようにすることが好ましい。
【００２３】
調整ねじによって第１のケーシング部材に荷重を加える場合、荷重が加えられた部分以外の部分が、荷重方向とは逆の方向に変形しやすい。本発明によって、第１のケーシング部材の変形を、さらに抑制することができる。
【００２４】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池スタックとしての構成の他、燃料電池スタックの製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．スプリングモジュールの構成：
Ｃ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した膜・電極接合体の両面を、セパレータ４０によって挟持した構成となっている（図示省略）。電解質膜としては、固体高分子型、固体酸化物型等、種々の電解質膜を適用可能である。セパレータ４０には、アノードに供給すべき水素等の燃料ガスや、カソードに供給すべき空気等の酸化ガスの流路が形成されている（図示省略）。単セルの積層数は、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。
【００２７】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数のセパレータ４０（単セル）、集電板５０、絶縁板６０、スプリングモジュール７０、エンドプレート８０の順に積層されて構成されている。スプリングモジュール７０は、外部から入力された押圧力を伝達し、スタック構造を積層方向に押圧するためのモジュールであり、本発明における押圧モジュールに相当する。このスプリングモジュール７０の詳細については、後述する。
【００２８】
エンドプレート８０のほぼ中央には、一端がスプリングモジュール７０に当接するように、調整ねじ８４が設けられており、この調整ねじ８４の締め付け具合を調整することによって、スプリングモジュール７０に入力する押圧力を調整することができる。エンドプレート８０と、調節ねじ８４とは、本発明における押圧力調整機構に相当する。本実施例では、調整ねじ８４の数は、１つであるものとしたが、スプリングモジュール７０のサイズや形状に応じて、任意に設定可能である。ただし、スプリングモジュール７０へ入力する押圧力を均一に調整する観点から、調整ねじ８４の数は、１〜３個が好ましい。また、本実施例では、スプリングモジュール７０と、エンドプレート８０との間には、複数のコイルスプリング８２が設置されており、スプリングモジュール７０を積層方向に付勢している。このコイルスプリング８２によって、スプリングモジュール７０の荷重入力側（調整ねじ８４側）のケーシング部材７２の変形を抑制することができる。コイルスプリング８２のサイズや、数や、設置位置等は、ケーシング部材７２のサイズや、剛性等に応じて、任意に設定可能である。
【００２９】
エンドプレート１０、８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。セパレータ４０は、カーボンや、金属など、導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３０】
Ｂ．スプリングモジュールの構成：
図２は、スプリングモジュール７０の構成を示す分解斜視図である。このスプリングモジュール７０は、第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２と、第１のケーシング部材７４を複数領域に区分けする仕切板７６とを備えている。本実施例では、仕切板７６は、第１のケーシング部材を３６（４×９）個の矩形領域に区分けするものとした。矩形領域の数は、任意に設定可能である。各領域には、後述するように、それぞれコイルスプリングが配置される。また、本実施例では、第１のケーシング部材７４、および、第２のケーシング部材は、矩形の箱型形状を有している。そして、第２のケーシング部材７２の開口部は、第１のケーシング部材７４の外形よりも、やや大きく形成されており、第１のケーシング部材７４を第２のケーシング部材７２に嵌合することができる。第１および第２のケーシング部材の寸法（縦×横）は、スタック構造にほぼ均一な荷重を加えるため、セパレータ４０の寸法よりも、やや大きく設定されている。
【００３１】
図３は、スプリングモジュール７０の断面図である。図示するように、第１のケーシング部材７４は、仕切板７６によって、複数領域に区分けされている。また、この仕切板７６は、第１のケーシング部材７４に溶接によって接合されている。このように、第１のケーシング部材７４に仕切板７６を接合することによって、第１のケーシング部材７４の荷重入力面の板厚ｔを増大させることなく、剛性を増大させることができる。したがって、板厚ｔを増大させることによって剛性を増大させる場合と比較して、燃料電池スタック１００の重量増加や、大型化を抑制することができる。仕切板７６は、本発明における変形抑制機構に相当する。
【００３２】
仕切板７６によって区分けされた各領域には、それぞれコイルスプリング７８が配置される。図示するように、このコイルスプリング７８の長さは、第１のケーシング部材７４の深さよりも長く設定されている。したがって、第１のケーシング部材７４に、第２のケーシング部材７２を嵌合したときに、第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２とは、当接しない。そして、第１のケーシング部材７４に荷重を入力したときには、コイルスプリング７８の弾性作用によって、第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２とは、相対的に傾斜かつ変位可能である。このような構成によって、スプリングモジュール７０は、外部からの荷重（押圧力）を伝達し、スタック構造を積層方向にほぼ均一に押圧することができる。
【００３３】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１００によれば、スプリングモジュール７０によって、スタック構造全体にほぼ均一な荷重を加えることができる。さらに、本発明では、外部から押圧力が入力される第１のケーシング部材７４が変形抑制機構として仕切板７６を備えているので、第１のケーシング部材７４の荷重入力面の板厚ｔを増大させる必要がない。したがって、燃料電池スタック１００の重量増加や、大型化を抑制することができる。
【００３４】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００３５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、第１のケーシング部材７４に、その内部を矩形領域に区分けする仕切板７６を接合するものとしたが、これに限られない。図４は、変形例１のスプリングモジュール７０Ａの構成を示す説明図である。なお、第２のケーシング部材７２は、上記実施例と同じであるから、第２のケーシング部材７２についての説明は省略する。以下に説明する変形例２、および、変形例３についても同様である。
【００３６】
変形例１では、第１のケーシング部材７４Ａに略円形のパイプ状部材７６Ａを接合する。そして、このパイプ状部材７６Ａの内部に、コイルスプリング７８を配置する。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
Ｃ２．変形例２：
図５は、変形例２のスプリングモジュール７０Ｂの構成を示す説明図である。変形例２では、第１のケーシング部材７４Ｂに、その内部を六角形の領域に区分けする仕切板７６Ｂを接合し、ハニカム構造を形成する。そして、仕切板７６Ｂによって形成された領域に、コイルスプリング７８を配置する。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。なお、ハニカム構造は、六角形に限らず、三角形等、他の多角形を適用してもよい。
【００３８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例、変形例１、変形例２では、仕切板７６、７６Ｂや、パイプ状部材７６Ａによって形成された各領域に、それぞれ１つずつのコイルスプリング７８を配置するものとしたが、これに限られない。図６は、変形例３のスプリングモジュール７０Ｃの構成を示す説明図である。変形例３では、第１のケーシング部材７４Ｃに、その内部を６個の領域に区分けする仕切板７６Ｃを接合する。そして、仕切板７６Ｃによって形成された各領域に、それぞれ６個のコイルスプリング７８を配置する。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。ただし、荷重入力面の剛性の点で、変形例３における第１のケーシング部材７４Ｃよりも、上記実施例、変形例１、変形例２における第１のケーシング部材７４、７４Ａ、７４Ｂの方が優れている。
【００３９】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例、および、変形例１〜３では、仕切板７６、７６Ｂや、パイプ状部材７６Ａによって形成された各領域に、それぞれ１つずつのコイルスプリング７８を配置するものとしたが、コイルスプリング７８を配置しない領域を設けるようにしてもよい。
【００４０】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、第１のケーシング部材７４と、仕切板７６とは、別個に形成し、溶接によって接合するものとしたが、これに限られない。第１のケーシング部材７４、および、仕切板７６は、例えば、鋳造等によって一体的に形成するようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタック１００の組付けを容易にすることができる。
【００４１】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例、および、変形例１〜３では、スプリングモジュール７０にコイルスプリング７８を用いるものとしたが、これに限られない。コイルスプリング７８の代わりに、ゴム等、他の弾性体を用いるようにしてもよい。
【００４２】
Ｃ７．変形例７：
燃料電池スタック１００において、例えば、絶縁板６０と、スプリングモジュール７０との間等に押圧力を検出する押圧力センサを設け、さらに、この押圧力センサの検出値に基づいて、押圧力を調整ねじ８４の締め付けを調整することによって、押圧力を制御する制御部を設けるようにしてもよい。こうすれば、例えば、スタック構造に加える押圧力を所定値に維持するようにすることができる。
【００４３】
Ｃ８．変形例８：
上記実施例、および、変形例１〜３では、第１のケーシング部材７４と、第２のケーシング部材７２との間に、第１のケーシング部材７４の変形抑制機構として、仕切板や、パイプ状部材を接合するものとしたが、第１のケーシング部材の、第２のケーシング部材７２の反対側に、変形抑制機構を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。
【図２】スプリングモジュール７０の構成を示す分解斜視図である。
【図３】スプリングモジュール７０の断面図である。
【図４】変形例１のスプリングモジュール７０Ａの構成を示す説明図である。
【図５】変形例２のスプリングモジュール７０Ｂの構成を示す説明図である。
【図６】変形例３のスプリングモジュール７０Ｃの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００...燃料電池スタック
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...セパレータ
５０...集電板
６０...絶縁板
７０、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ...スプリングモジュール
７２...第２のケーシング部材
７２...ケーシング部材
７４、７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃ...第１のケーシング部材
７６、７６Ｂ、７６Ｃ...仕切板
７６Ａ...パイプ状部材
７８...コイルスプリング
８０...エンドプレート
８２...コイルスプリング
【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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