(57)【要約】    【課題】  熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することが可能な燃料電池スタックを提供する。    【解決手段】  ＭＥＡ１０とセパレータ１８を有するセル１９を複数積層したセル積層体２０に冷却水を供給するマニホールド３１Ａ及び３１Ｂと、セル積層体２０の締結力を調整する電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂを備え、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂは、少なくとも、マニホールド３１Ａ及び３１Ｂを通過する冷却水の温度に応じて、セル積層体２０の締結力を調整する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極アッセンブリとセパレータを有するセルを複数積層してなるセル積層体と、前記セル積層体と熱交換する熱交換媒体が供給されるマニホールドと、当該セル積層体の締結力を調整する締結力調整手段と、を備えてなる燃料電池スタックであって、
前記締結力調整手段は、少なくとも、前記マニホールドを通過する熱交換媒体の温度に応じて、前記セル積層体の締結力を調整する燃料電池スタック。
【請求項２】
前記締結力調整手段は、前記セル積層体の一方の端部に配設されたセパレータが、他方の端部に配設されたセパレータに対して傾斜するように、前記セル積層体の締結力を調整する請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体と、前記セパレータとの温度差に応じて、前記セル積層体の締結力を調整する請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記締結力調整手段は、さらに前記セパレータの熱膨張率に基づいて前記セル積層体の締結力を調整する請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記締結力調整手段は、さらに前記熱交換媒体の流量に応じて前記セル積層体の締結力を調整する請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記締結力の作用点が、前記マニホールドの延長線上に位置する請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度が前記セパレータの温度より高いほど、前記マニホールド近傍の熱膨張を吸収して、締結力が弱くなるよう前記セル積層体の締結力を調整する請求項１ないし請求項６記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度が前記セパレータの温度より低いほど、前記マニホールド近傍の熱収縮を吸収して、締結力が強くなるよう前記セル積層体の締結力を調整する請求項１ないし請求項６記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
膜−電極アッセンブリとセパレータを有するセルを複数積層してなるセル積層体と、前記セル積層体と熱交換する熱交換媒体が供給される入口側マニホールドと、前記セル積層体の締結力を調整する弾性体と、を備えてなる燃料電池スタックであって、
前記入口側マニホールドの延長線上に、前記弾性体を配設してなる燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記入口側マニホールドに連通して熱交換媒体を流通して外部に排出する出口側マニホールドをさらに備え、当該出口側マニホールドの延長線上に、前記弾性体をさらに配設してなる請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記セル積層体の外部に、当該セル積層体を締結固定するテンション部材を配設し、当該テンション部材を介して前記弾性体に締結力を付与する請求項９または請求項１０記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記セル積層体の積層方向両側にエンドプレートを備え、当該各々のエンドプレートに前記テンション部材の長手方向端部を各々固定してなり、前記弾性部材は、前記一方のエンドプレートと、前記セル積層体との間に配設されてなる請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記熱交換媒体は、前記入口側マニホールドの前記弾性体が設けられていない側の端部から供給される請求項９ないし請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記熱交換媒体は、前記出口側マニホールドの前記弾性体が設けられていない側の端部から排出される請求項１０記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記弾性体を、前記セル積層体の積層方向に複数重ねて配設してなる請求項９ないし請求項１４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記入口側マニホールドの延長線上に配設された弾性体の弾性係数が、他の領域に配設された弾性体の弾性係数と異なる請求項９ないし請求項１５のいずれか一項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、膜−電極アッセンブリとセパレータを有するセルを複数積層してなるセル積層体を締結した構造を有する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な燃料電池として、電解質層と、一対の電極とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode  Assembly）と、前記一対の電極を構成する燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）に、燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給するための流体通路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを積層してなるセル積層体の当該セルの積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて固定したものがある。
【０００３】
このような燃料電池としては、例えば、湿分により湿潤する性質をもつ素材を有する電池セルが複数個厚み方向に積層されて構成された燃料電池と、前記燃料電池の内部の湿分を検出する湿分検出手段とを具備し、前記湿分検出手段が、前記燃料電池の湿潤に伴う物理量の変化を検出する検出部を有するものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、固体高分子膜の両側に電極を配置した複数の単位セルと、前記単位セル間及び最外側に配置された燃料電池用セパレータとを交互に積層した燃料電池スタック本体に、前記単位セルや燃料電池用セパレータの積層方向に沿って冷却水を通すための冷却水用マニホールドを設けた燃料電池スタックがある。この燃料電池スタックでは、冷却水用マニホールド内に配設した皿ばねを締結用ボルトで締結した構成を有している。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらにまた、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパレータにより挟持した発電セルと、所定数の前記発電セルを積層した状態で、該発電セルの積層方向両端に配置されるエンドプレートと、前記エンドプレートに設けられ、積層された前記発電セルを一体的に締め付け固定する締め付けボルトと、前記締め付けボルトの軸力を検出する軸力検出手段と、検出された前記軸力に基づいて、前記締め付けボルトの締め付け力を調整する締め付け力調整手段と、を備えた燃料電池スタックもある。（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
そしてまた、積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持し、少なくとも一方のエンドプレートと前記積層体の間に、当該積層体を押圧する押圧プレートを配設し、当該エンドプレートと押圧プレートとの間に複数の弾性部材を配設し、これらの弾性部材によって、前記積層体を押圧する締付構造が紹介されている。（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７３８０５号公報
【特許文献２】特開２００１−６７１４号公報
【特許文献３】特開２００１−３２５９８５号公報
【特許文献４】特開平１１−９７０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した特許文献１に記載された燃料電池は、このセル積層体を冷却水で冷却または暖機すると、セパレータのうち、マニホールド近傍で局所的な収縮または膨張が生じることがあるが、セル積層体を一定の荷重にて締結しているため、この局所的な収縮または膨張に相補して締結力を調整することが困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載された燃料電池スタックでは、冷却水用マニホールド内に皿ばねを配設しているため、皿ばねが錆びて冷却水の導電性が高くなる可能性があり、セル間で短絡が生じ易くなる虞もある。
【０００９】
そしてまた、特許文献３に記載された燃料電池スタックでは、ナットをモータで回転させることにより、締付けボルトの軸力を調整することでセル積層体に対する締結力を調整しているため、ナットを回転させるために時間がかかり、冷却水の水温変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、タイムラグが生じ、即座に追従した適切な調整を行うことが困難である。また、この燃料電池スタックでは、冷却水用マニホールドに対し並列に配置されたボルトの軸力を測定して制御しているため、前記冷却水用マニホールド部で起こる面圧の変化を個別に制御することは困難である。
【００１０】
さらにまた、特許文献４に記載された積層体の締結構造では、弾性部材を面中央を基点としてＸ字形状に配置しており、冷却水用マニホールドの位置を考慮した配置がなされていない。したがって、冷却水用マニホールド部で起こる面圧の変化を個別に制御することは困難である。また、冷却水用マニホールドが前記面の一辺の中央に配置されている構成のスタックでは、荷重調整を行うことが困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来の燃料電池スタックを改良することを課題とするものであり、熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整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】
【００１２】
この目的を達成するため、本発明は、膜−電極アッセンブリとセパレータを有するセルを複数積層してなるセル積層体と、前記セル積層体と熱交換する熱交換媒体が供給されるマニホールドと、当該セル積層体の締結力を調整する締結力調整手段と、を備えてなる燃料電池スタックであって、前記締結力調整手段は、少なくとも、前記マニホールドを通過する熱交換媒体の温度に応じて、前記セル積層体の締結力を調整する燃料電池スタックを提供するものである。
【００１３】
この構成を備えた燃料電池スタックは、少なくとも、前記マニホールドを通過する熱交換媒体の温度に応じて、前記セル積層体の締結力を調整するため、熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することができる。
【００１４】
また、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記締結力調整手段は、前記セル積層体の一方の端部に配設されたセパレータが、他方の端部に配設されたセパレータに対して傾斜するように、前記セル積層体の締結力を調整することができる。
【００１５】
ここで、例えば、前記燃料電池スタックが冷間である時、前記入口側マニホールドに、比較的高温の熱交換媒体が供給された場合、前記セパレータの入口側マニホールド付近が膨張し、全体としてセル積層体の入口側マニホールド付近が膨張することになる。また、この熱交換媒体が、出口側マニホールドに到達した場合、前記セパレータの出口側マニホールド付近が膨張し、全体としてセル積層体の出口側マニホールド付近が膨張することになる。
【００１６】
したがって、前記セル積層体の一方の端部に配設されたセパレータが、他方の端部に配設されたセパレータに対して傾斜するよう締結力を調整することで、前記セル積層体にかかる荷重（締結力）をより均等に適切に保つことができる。
【００１７】
また、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度と、前記セパレータの温度との差に応じて、前記セル積層体の締結力を調整することができる。
【００１８】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度と、この熱交換媒体の温度に応じて膨張するセパレータの熱膨張率に基づいて前記セル積層体の締結力を調整することもできる。
【００１９】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度と、前記熱交換媒体の流量に応じて前記セル積層体の締結力を調整することもできる。すなわち、熱交換媒体の温度によって、セル積層体の膨張量を算出し、熱交換媒体の流量によって、この熱交換媒体がセル積層体の所定位置に到達する時間や、熱交換媒体の先端位置を算出することができる、これらの算出値に基づいて、前記セル積層体の締結力を調整することができる。
【００２０】
また、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記締結力の作用点が、前記マニホールドの延長線上に位置するよう構成することができる。このように構成することで、前記利点に加え、前記セル積層体のうち、前記熱交換媒体の温度によりセパレータが膨張または収縮し易い領域であるマニホールド近傍に前記締結力を効率よく作用させることができる。したがって、前記セル積層体にかかる荷重（締結力）をより効率よく均等に保つことができる。
【００２１】
また、前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度が前記セパレータの温度より高いほど、前記マニホールド近傍の熱膨張を吸収して、締結力が弱くなるよう前記セル積層体の締結力を調整することができる。
【００２２】
そしてまた、前記締結力調整手段は、前記熱交換媒体の温度が前記セパレータの温度より低いほど、前記マニホールド近傍の熱収縮を吸収して、締結力が強くなるよう前記セル積層体の締結力を調整することができる。
【００２３】
また、本発明は、膜−電極アッセンブリとセパレータを有するセルを複数積層してなるセル積層体と、前記セル積層体と熱交換する熱交換媒体が供給される入口側マニホールドと、前記セル積層体の締結力を調整する弾性体と、を備えてなる燃料電池スタックであって、前記入口側マニホールドの延長線上に、前記弾性体を配設してなる燃料電池スタックを提供するものである。
【００２４】
この構成を備えた燃料電池スタックは、前記セル積層体のうち、前記熱交換媒体の温度によりセパレータが膨張または収縮し易い領域である入口側マニホールド近傍に、前記締結力を効率よく作用させることができる。したがって、熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することができる。
【００２５】
また、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記入口側マニホールドに連通して熱交換媒体を流通して外部に排出する出口側マニホールドをさらに備え、当該出口側マニホールドの延長線上にも、前記弾性体をさらに配設することができる。
【００２６】
ここで、例えば、仮に、セパレータとの温度差を有する熱交換媒体が出口側マニホールドから逆流した場合、セパレータが膨張あるいは収縮し、当該セパレータに歪みが生じることがある。しかしながら、本発明では、前記弾性体を出口側マニホールドの延長線上にも配設したため、仮に、熱交換媒体が逆流したとしても、セパレータに歪みが生じることを防止することができる。
【００２７】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記セル積層体の外部に、当該セル積層体を締結固定するテンション部材を配設し、当該テンション部材を介して前記弾性体に締結力を付与する構成とすることもできる。このように、セル積層体の外部にテンション部材を配設したことで、マニホールドの内部にテンション部材を配設した場合と比べ、セパレータ面内の各部に対し、十分な締結力を得ることができる。
【００２８】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記セル積層体の積層方向両側にエンドプレートを備え、当該各々のエンドプレートに前記テンション部材の長手方向端部を各々固定してなり、前記弾性部材が、前記一方のエンドプレートと、前記セル積層体との間に配設されてなる構成とすることもできる。
【００２９】
前記熱交換媒体は、前記入口側マニホールドの前記弾性体が設けられていない側の端部から供給することができる。このように構成することで、前記利点に加え、熱交換媒体を引き回すための構成を形成する際に、弾性体が邪魔になることがなく、構成の複雑化を招くことがない。
【００３０】
また、前記熱交換媒体は、前記出口側マニホールドの前記弾性体が設けられていない側の端部から排出することができる。このように構成することで、前記利点に加え、熱交換媒体を引き回すための構成を形成する際に、弾性体が邪魔になることがなく、構造が複雑化することを防止することができる。
【００３１】
また、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記弾性体を、前記セル積層体の積層方向に複重ねて配設してもよい。このように構成することで、弾性体の付勢力の許容範囲を向上させることができる。
【００３２】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池スタックは、前記入口側マニホールドの延長線上に配設された弾性体の弾性係数が、他の領域に配設された弾性体の弾性係数と異なるよう構成することもできる。
【００３３】
ここで、セパレータのうち、マニホールド近傍では、膨張、収縮が敏感に生じるため、弾性体に必要とされる応答性は、マニホールド近傍と、他の領域とで異なることになる。したがって、入口側マニホールドの延長線上に配設された弾性体の弾性係数が、他の領域に配設された弾性体の弾性係数と異なるよう構成することで、熱交換媒体に起因して生じるセパレータの歪みを、さらに好適に抑制することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明にかかる燃料電池スタックは、少なくとも、前記マニホールドを通過する熱交換媒体の温度に応じて、前記セル積層体の締結力を調整するよう構成されているため、熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することができる。この結果、セパレータに歪みが生じることを防止してセパレータの寿命を向上することができ、信頼性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００３５】
また、本発明にかかる燃料電池スタックは、セパレータが膨張または収縮し易い領域である入口側マニホールド近傍に、前記締結力を効率よく作用させることができるため、熱交換媒体の変化に応じて起こるセパレータの局所的な収縮または膨張に対し、セル積層体に対する締結力を即座に調整し、熱交換媒体を流通させるマニホールド部で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することができる。この結果、セパレータに歪みが生じることを防止してセパレータの寿命を向上することができ、信頼性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池スタックについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態で説明する燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車等に搭載することができるが、自動車以外に用いられてもよい。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池の概略図、図２は、図１に示す燃料電池のII−II線に沿った断面図、図３は、図１に示す燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の一部拡大断面図である。
【００３９】
図１〜図３に示すように、実施例１にかかる燃料電池１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一方の面に配置された触媒層１２及び拡散層１３からなる燃料極１４（アノード）及び電解質膜１１の他方の面に配置された触媒層１５及び拡散層１６からなる酸化剤極１７（カソード）とからなる膜−電極アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」という）１０と、ＭＥＡ１０を挟んで燃料極１４と酸化剤極１７の両側に配設されたセパレータ１８と、を重ねてセル１９を形成し、該セルを１層以上積層してセル積層体２０を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）ている。
【００４０】
そして、セル積層体２０のセル積層方向の一端に、エンドプレート２１Ａを配設し、セル積層体２０のセル積層方向の他端には、プレッシャプレート２２と、このプレッシャプレート２２と間隔（空間）をおいてエンドプレート２１Ｂとを配設し、このプレッシャプレート２２とエンドプレート２１Ｂとの間に、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂを配置してスタック２３を構成している。
【００４１】
スタック２３の外側には、スタック２３をセル積層方向に締め付けるテンションプレート２４Ａ及び２４Ｂが各々配設されている。これらのテンションプレート２４Ａ及び２４Ｂは、その両端が、エンドプレート２１Ａ及び２１Ｂに、ボルトやナット等の締結部材２５によって固定されており、エンドプレート２１Ａ及び２１Ｂをつなぐ役割を果たしていると共に、プレッシャプレート２２とエンドプレート２１Ｂとの間に形成される空間を画定している。
【００４２】
また、セル積層体２０には、セル積層体２０に熱交換媒体としての冷却水を供給する入口側マニホールド３１Ａと、出口側マニホールド３１Ｂが、その積層方向に互いに間隔をおいて配設されている。この入口側マニホールド３１Ａの冷却水入口（図１でいう左側）には、エンドプレート２１Ａを貫通する冷却水入口管３２が接続されている。一方、出口側マニホールド３１Ｂの冷却水出口（図１でいう左側）には、エンドプレート２１Ａを貫通する冷却水出口管３３が接続されている。
【００４３】
冷却水入口管３２には、ここを通過する冷却水の温度を測定するための温度センサ３４Ａが接続されている。また、この冷却水入口管３２には、ここを通過する冷却水の水量を測定するための水量計３５が配設されている。一方、冷却水出口管３３には、ここを通過する冷却水の温度を測定するための温度センサ３４Ｂが接続されている。これらの温度センサ３４Ａ及び３４Ｂと、水量計３５は、電動アクチュエータ制御器３６に各々接続されており、これらによって測定されたデータが、電動アクチュエータ制御器３６に出力されるよう構成されている。
【００４４】
電動アクチュエータ３０Ａは、特に図２に示すように、入口側マニホールド３１Ａの冷却水出口側（図１でいう右側）に、入口側マニホールド３１Ａと直列に配設されている。すなわち、電動アクチュエータ３０Ａは、入口側マニホールド３１Ａの冷却水出口側の延長線上に配設されている。一方、電動アクチュエータ３０Ｂは、特に図２に示すように、出口側マニホールド３１Ｂの冷却水入口側（図１でいう右側）に、出口側マニホールド３１Ｂと直列に配設されている。すなわち、電動アクチュエータ３０Ｂは、出口側マニホールド３１Ｂの冷却水入口側の延長線上に配設されている。
【００４５】
このように、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂを、入口側マニホールド３１Ａ及び出口側マニホールド３１Ｂに各々対応した位置に配設したため、セル積層体２０は、電動アクチュエータ３０Ａによって、主に入口側マニホールド３１Ａ付近に荷重が付与され、電動アクチュエータ３０Ｂによって、主に出口側マニホールド３１Ｂ付近に荷重が付与されることになる。すなわち、セル積層体２０を締結するための締結力の作用点が、入口側マニホールド３１Ａ及び出口側マニホールド３１Ｂの延長線上に位置することになる。
【００４６】
また、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂには、これらを駆動させる電動アクチュエータ電源３７が接続されている。この電動アクチュエータ電源３７には、電動アクチュエータ制御器３６が接続されており、この電動アクチュエータ制御器３６によって制御されている。
【００４７】
次に、実施例１にかかる燃料電池１の具体的動作について説明する。なお、ここでは、スタック２３が冷間である時に、冷却水として比較的高温の温水が供給された場合について説明する。
【００４８】
冷却水入口管３２から、入口側マニホールド３１Ａの入口に冷却水が供給されると、先ず、流量計３５によって冷却水の流量が測定され、この測定値が電動アクチュエータ制御器３６に出力される。電動アクチュエータ制御器３６では、流量計３５によって測定された流量に基づいて、冷却水がセル積層体２０の所定位置に到達する時間や、冷却水の先端位置を算出する。
【００４９】
また、これとほぼ同時に、温度センサ３４Ａによって冷却水の温度が測定され、この測定値が電動アクチュエータ制御器３６に出力される。そして、電動アクチュエータ制御器３６では、温度センサ３４Ａによって測定された温度に基づいて、セル積層体２０の熱膨張量を算出する。
【００５０】
次に、電動アクチュエータ制御器３６では、これらの算出値に基づいて、電動アクチュエータ３０Ａを収縮させる量を決定し、この収縮量に基づいて、電動アクチュエータ電源３７を制御し、電動アクチュエータ３０Ａを収縮させ、セル積層体２０の締結力を調整する。
【００５１】
ここで、入口側マニホールド３１Ａに、比較的高温の冷却水が供給された場合、セル積層体２０では、入口側マニホールド３０Ａ付近が他の領域よりも膨張することになるが、電動アクチュエータ３０Ａの収縮量を前述したように調整することで、セル積層体２０にかかる荷重が均一かつ適切になるように維持することができる。この時、セル積層体２０を構成するセル１９のうち、エンドプレート２１Ｂ側最端部（図１でいう右側）に配設されたセパレータ１８は、エンドプレート２１Ａ側最端部（図１でいう左側）に配設されたセパレータ１８に対して、入口側マニホールド３１Ａが形成されている側が接近するよう傾斜するように締結力が調整される。
【００５２】
次に、電動アクチュエータ制御器３６では、冷却水が出口側マニホールド３１Ｂに到達したと考えられる時間が経過したら、電動アクチュエータ３０Ｂを収縮させる量を決定し、この収縮量に基づいて、電動アクチュエータ電源３７を制御し、電動アクチュエータ３０Ｂを収縮させ、セル積層体２０の締結力を調整する。この時、セル積層体２０のうち、エンドプレート２１Ｂ側最端部に配設されたセパレータ１８は、エンドプレート２１Ａ側最端部に配設されたセパレータ１８に対して、出口側マニホールド３１Ｂが形成されている側が接近するよう傾斜するように締結力が調整される。
【００５３】
このように、冷却水が出口側マニホールド３１Ｂに到達したと考えられる時間が経過したら、電動アクチュエータ３０Ｂを直ちに収縮させるよう、電動アクチュエータ制御器３６で制御されるため、セル積層体２０に対する締結力を即座に調整することができる。したがって、入口側マニホールド３０Ａ付近及び出口側マニホールド３１Ｂ付近で起こる面圧の変化に個別に対応して調整することができる。
【００５４】
その後、冷却水出口管３３に到達した冷却水は、温度センサ３４Ｂにより温度が測定され、この測定値が電動アクチュエータ制御器３６に出力される。電動アクチュエータ制御器３６では、温度センサ３４Ｂによって測定された温度に基づいて、セル積層体２０の熱膨張量を算出し、この値に基づいて、電動アクチュエータ３０Ｂを収縮させる量を補正し、電動アクチュエータ３０Ｂの収縮量を適切に再決定する。
【００５５】
なお、上述したセル積層体２０を締結するための締結力の調整は、冷却水の温度がセパレータ１８の温度より高いほど、この冷却水が通過している入口側マニホールド３１Ａ及び／または出口側マニホールド３１Ｂ近傍の締結力が弱くなるよう調整した。また、冷却水の温度がセパレータ１８の温度より低いほど、この冷却水が通過している入口側マニホールド３１Ａ及び／または出口側マニホールド３１Ｂ近傍の締結力が強くなるよう調整した。
【００５６】
前述した電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂによる締結力の調整は、冷却水が連続的に流れている際に繰り返し行われ、常に、セル積層体２０に均一で適切な締結力が付与されるように調整されている。
【００５７】
以上説明したように、冷却水の水量及び水温に基づいて、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂの収縮量を制御することで、セル積層体２０の締結力を調整することができるため、セル積層体２０の膨張あるいは収縮にかかわらず、セル積層体２０を常に均一で適切な荷重で締結することができる。この結果、セパレータ１８に歪みが生じることを防止してセパレータ１８の寿命を向上することができ、信頼性の高いスタック２３を提供することができる。
【００５８】
なお、実施例１では、スタック２３が冷間である時に、冷却水として比較的高温の温水が供給された場合について説明したが、スタック２３の温度が比較的高く、これに比べて冷却水の温度が低い場合には、セル積層体２０の入口側マニホールド３１Ａ及び出口側マニホールド３１Ｂ付近が収縮するため、この収縮に応じた制御を行えばよい。
【００５９】
また、実施例１では、熱交換媒体として、入口側マニホールド３１Ａ及び出口側マニホールド３１Ｂを流通する冷却水について説明したが、これに限らず、熱交換媒体は、ガス流通用のマニホールドを流通する燃料ガス（水素）や、酸化ガス（空気）であってもよく、気液混合体であってもよい。すなわち、電動アクチュエータを、ガス流通用のマニホールドの延長線上に位置するように配設し、前記締結力の作用点が、これらのガス流通用のマニホールドの延長線上に位置するように構成することもできる。
【００６０】
そしてまた、実施例１では、冷却水の流量と、入口側マニホールド３１Ａの入口付近の冷却水の温度、出口側マニホールド３１Ｂの出口付近の冷却水の温度に基づいて、セル積層体２０に付与する締結力の調整を行った場合について説明したが、これに限らず、セル積層体２０に付与する締結力の調整は、例えば、セパレータ１８と冷却水との温度差に応じて行ってもよい。
【００６１】
さらにまた、セル積層体２０に付与する締結力の調整は、例えば、冷却水の温度と、冷却水の温度に応じて膨張するセパレータ１８の熱膨張率に基づいて行ってもよい。
【００６２】
そしてまた、セル積層体２０に付与する締結力の調整は、冷却水の流量を考慮せず、入口側マニホールド３１Ａの入口付近の冷却水の温度と、出口側マニホールド３１Ｂの出口付近の冷却水の温度に基づいて行ってもよい。この場合、例えば、冷却水を供給（流通）させるためのポンプ（図示せず）の特性等を一定にすることで、冷却水の流量を考慮しなくても適切な締結力の調整を行うことができる。
【００６３】
また、実施例１では、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂによって、セル積層体２０に締結力を付与した場合について説明したが、これに限らず、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂの代わりに、油圧アクチュエータ等を使用してもよい。
【００６４】
さらにまた、本発明の他の実施例としては、例えば、図４に示すように、冷却水の温度変化の影響を受けやすい入口側マニホールド３１Ａ側にのみ電動アクチュエータ３０Ａを配設し、出口側マニホールド３１Ｂ側には、電動アクチュエータ３０Ｂに代えてスペーサ３８等、エンドプレート２１Ｂとプレッシャプレート２２との間で、セル積層体２０に力を伝達できる部材を配設してもよい。また、他の実施例としては、例えば、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂと、皿ばね等を併用して配設し、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂが受け持つ荷重を低減し、動作エネルギーを低減させてもよい。
【００６５】
そしてまた、実施例１にかかる燃料電池１では、熱交換媒体の加熱または冷却の少なくとも一方を行う熱交換手段（例えば、ラジエータやヒータ等）を、スタック２３の外部に配設し、セル積層体２０の温度に応じて熱交換を行ってもよい。
【実施例２】
【００６６】
次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池スタックについて図面を参照して説明する。
【００６７】
図５は、本発明の実施例２にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池の概略図、図６は、図５に示す燃料電池のVI−VI線に沿った断面図である。
【００６８】
なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６９】
図５及び図６に示すように、実施例２にかかるスタック２３を備えた燃料電池２の、実施例１にかかる燃料電池１との異なる点は、プレッシャプレート２２と、エンドプレート２１Ｂとの間に、電動アクチュエータ３０Ａ及び３０Ｂの代わりに、弾性体として皿ばね体４０Ａ及び４０Ｂを配設した点である。
【００７０】
具体的には、皿ばね体４０Ａは、入口側マニホールド３１Ａの冷却水出口側に配設されており、入口側マニホールド３１Ａと直列に配設された（セル積層体２０の積層方向に重ねられた）複数の皿ばねから構成されている。すなわち、皿ばね体４０Ａは、入口側マニホールド３１Ａの冷却水出口側の延長線上に配設されている。一方、皿ばね体４０Ｂは、出口側マニホールド３１Ｂの冷却水入口側に配設されており、出口側マニホールド３１Ｂと直列に配設された（セル積層体２０の積層方向に重ねられた）複数の皿ばねから構成されている。すなわち、皿ばね体４０Ｂは、出口側マニホールド３１Ｂの冷却水入口側の延長線上に配設されている。
【００７１】
次に、実施例２にかかる燃料電池２の具体的動作について説明する。なお、ここでは、スタック２３が冷間である時に、冷却水として比較的高温の温水が供給された場合について説明する。
【００７２】
冷却水入口管３２から、入口側マニホールド３１Ａの入口に冷却水が供給されると、セル積層体２０は、冷却水の温度に応じて、入口側マニホールド３１Ａ付近が熱膨し始めるが、皿ばね体４０Ａにより、セル積層体２０に付与される荷重の増加が抑制され、セル積層体２０の締結力が適切に調整される。
【００７３】
その後、冷却水出口管３３に冷却水が到達すると、セル積層体２０の出口側マニホールド３１Ｂ付近が熱膨し始めるが、皿ばね体４０Ｂにより、セル積層体２０に付与される荷重の増加が抑制され、セル積層体２０の締結力が適切に調整される。
【００７４】
このように、実施例２では、セル積層体２０の締結力を、皿ばね体４０Ａ及び４０Ｂによって調整しているため、スタック２３の温度や、冷却水の温度にかかわらず、すなわち、セル積層体２０の膨張あるいは収縮にかかわらず、セル積層体２０を常に均一で適切な荷重で締結することができる。この結果、セパレータ１８に歪みが生じることを防止してセパレータ１８の寿命を向上することができ、信頼性の高いスタック２３を提供することができる。
【００７５】
また、実施例２では、熱交換媒体として、入口側マニホールド３１Ａ及び出口側マニホールド３１Ｂを流通する冷却水について説明したが、これに限らず、熱交換媒体は、ガス流通用のマニホールドを流通する燃料ガス（水素）や、酸化ガス（空気）であってもよく、気液混合体であってもよい。すなわち、皿ばね体を、ガス流通用のマニホールドの延長線上に位置するように配設し、前記締結力の作用点が、これらのガス流通用のマニホールドの延長線上に位置するように構成することもできる。
【００７６】
また、実施例２では、弾性体として、皿ばね体４０Ａ及び４０Ｂを用いた場合について説明したが、これに限らず、弾性体としては、例えば、コイルばねや、板ばね等、を使用してもよい。
【００７７】
そしてまた、実施例２では、皿ばねを複数重ねて配設した皿ばね体４０Ａ及び４０Ｂを用いた場合について説明したが、これに限らず、皿ばね（弾性体）は、必ずしも複数重ねなくてもよい。
【００７８】
また、入口側マニホールド３１Ａの延長線上に配設された弾性体の弾性係数が、他の領域に配設された弾性体の弾性係数と異なるよう、弾性体を選択することもできる。
【００７９】
さらにまた、本発明の他の実施例としては、例えば、冷却水の温度変化の影響を受けやすい入口側マニホールド３１Ａ側に、実施例１と同様の電動アクチュエータ３０Ａを配設し、出口側マニホールド３１Ｂ側に、皿ばね体４０Ｂを配設してもよい。このようにすることで、セル積層体２０に付与される荷重の調整能力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施例１にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池の概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池スタックの電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施例にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池の概略図である。
【図５】本発明の実施例２にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池の概略図である。
【図６】図５に示す燃料電池のVI−VI線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１、２    燃料電池
１０    ＭＥＡ
１８    セパレータ
１９    セル
２０    セル積層体
２１Ａ、２１Ｂ    エンドプレート
２２    プレッシャプレート
２３    スタック
２４    テンションプレート
３０Ａ、３０Ｂ    電動アクチュエータ
３１Ａ    入口側マニホールド
３１Ｂ    出口側マニホールド
３４Ａ、３４Ｂ    温度センサ
３５    流量計
３６    電動アクチュエータ制御器
３７    電動アクチュエータ電源
４０Ａ、４０Ｂ    皿ばね体
【図１】
2006092997.tif 000003
【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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