(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの締結（組立）時の過大な荷重による膜の損傷を防止することで発電性能と耐久性に優れた燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】複数のセルが積層されたセル積層体と、上記セル積層体の上記セルの積層方向の両端のそれぞれに配設された集電板と、それぞれの上記集電板の上記セルと異なる側に配設された弾性部材と、上記セル積層体と上記弾性部材と上記集電板とを挾持する一対の端板と、を有し、上記一対の端板は、それぞれ、複数種類の第１係合部と複数種類の第２係合部と、上記第１係合部と上記第２係合部とを固定する複数のピンと、を有する燃料電池スタックを用いる。【選択図】図１
2018081861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の前記セルの積層方向の両端のそれぞれに配設された集電板と、
それぞれの前記集電板の前記セルと異なる側に配設された弾性部材と、
前記セル積層体と前記弾性部材と前記集電板とを挾持する一対の端板と、を有し、
前記一対の端板は、それぞれ、複数種類の第１係合部と複数種類の第２係合部と、
前記第１係合部と前記第２係合部とを固定する複数のピンと、
を有する燃料電池スタック。
【請求項２】
前記複数種類の第１係合部は、第３係合部と第５係合部を有し
前記複数種類の第２係合部は、第４係合部と第６係合部を有し、
前記第３係合部と前記第４係合部とは、組み合わせられ、直線状の第１貫通孔を形成し、
前記第５係合部と前記第６係合部とは、組み合わせられ、直線状の第２貫通孔を形成し、
前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とは異なる形状である請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１係合部と前記第２係合部とは、フック形状である請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記ピンは、第１ピンと第２ピンを有し、
前記第１貫通孔に第１ピンを挿入し、第２貫通孔に前記第１ピンと異なる形状の第２ピンを挿入する請求項２または３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１ピンは断面が円形状でない請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１ピンは、前記第１貫通孔中で回転でき、前記第２ピンは第２貫通孔中で回転できない請求項４または５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１係合部と前記第２係合部は、それぞれ複数あり、それぞれ交互に組み合わされ、前記第１貫通孔も複数ある請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１貫通孔の形状は、前記セルの積層方向が長手寸法となる形状である請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の前記セルの積層方向の両端に配設された集電板と、さらに前記集電板の端に配設された弾性部材と、を積層する積層工程と、
前記積層された積層体を一対の端板間で加圧しつつ、前記一対の端板のそれぞれに設けられた第１係合部と第２係合部と組み合わせて、２種類のピンで固定するセット工程と、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、燃料電池スタックのような平板部品を複数枚積層して締結する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックとは、燃料電池の単電池セルモジュールを積層した構造である。単電池セルモジュールは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。
【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。
【０００４】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料ガスを流す側の電極である燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、酸化ガスを流す側の電極である空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。
【０００５】
セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスが混ざらないようにするための導電性部材である。
【０００６】
燃料電池スタックは、このような単電池セルモジュールを積層することで、電気的に直列に接続される。さらに、一対の端板で、単電池セルモジュールを積層したセル積層体を挟み、連結ボルト等で両端から固定するのが一般的な燃料電池スタックの構造である。
【０００７】
このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単電池セルモジュールに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。
【０００８】
燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。この時、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。
【０００９】
このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電と給湯とが要求される家庭用コージェネレーションシステムとしての利用がすすんでいる。
【００１０】
特許文献１〜３では、燃料電池スタックを締結ボルトで締め付けることや、金属ベルトで締め付けることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０７０８４９号
【特許文献２】国際公開第２０１０／０９０００３号
【特許文献３】特開２０１０−２７７８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年、燃料電池材料の更なるコスト低減が求められており、特に、ＭＥＡ、その中でも高分子電解質膜（以下、膜）は性能を左右する重要部品かつコストが高いために、性能を高めながら薄く、安価な膜が開発されつつある。
【００１３】
しかしながら、薄く安価な膜は機械的な強度が弱いため、締結時に掛かる荷重によって膜が損傷し、発電効率の低下や電池寿命の低下に繋がるという課題を有している。
【００１４】
特許文献１〜３の構造の燃料電池スタックは、セル積層体に掛かる荷重を均一化する構造となっている。しかし、特許文献１〜３の構造の燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を掛け締め上げる。このため、セル積層体に所定の締結状態よりも大きな荷重を付加する必要があり、この時の荷重が膜を損傷させる問題があった。
【００１５】
本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料電池スタックの締結（組立）時の過大な荷重による膜の損傷を防止することで、発電性能と耐久性に優れた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】
【００１６】
上記目的を達成するため、複数のセルが積層されたセル積層体と、上記セル積層体の上記セルの積層方向の両端のそれぞれに配設された集電板と、それぞれの上記集電板の上記セルと異なる側に配設された弾性部材と、上記セル積層体と上記弾性部材と上記集電板とを挾持する一対の端板と、を有し、上記一対の端板は、それぞれ、複数種類の第１係合部と複数種類の第２係合部と、上記第１係合部と上記第２係合部とを固定する複数のピンと、を有する燃料電池スタックを用いる。
【００１７】
また、複数のセルが積層されたセル積層体と、上記セル積層体の上記セルの積層方向の両端に配設された集電板と、さらに上記集電板の端に配設された弾性部材と、を積層する積層工程と、上記積層された積層体を一対の端板間で加圧しつつ、上記一対の端板のそれぞれに設けられた第１係合部と第２係合部と組み合わせて、２種類のピンで固定するセット工程と、燃料電池スタックの製造方法を用いる。
【発明の効果】
【００１８】
以上の構成によって、燃料電池スタックの締結（組立）時に、所定の締結状態よりも過大な荷重がセル積層体に掛からないため、膜に損傷のない、発電性能と耐久性に優れた燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの断面図
【図２】（ａ）実施の形態における端板およびピンとの関係を示す斜視図、（ｂ）端板を組み合わせた時の連結部の拡大平面図
【図３】（ａ）〜（ｃ）実施の形態におけるピン挿入時の第３係合部と第４係合部の拡大図、（ｄ）実施の形態におけるピンの斜視図
【図４】（ａ）〜（ｃ）実施の形態におけるピン挿入時の第５係合部と第６係合部の拡大図、（ｄ）〜（ｅ）実施の形態におけるピンの斜視図
【図５】（ａ）〜（ｄ）実施の形態におけるピンの断面図
【図６】実施の形態におけるピン回転用部品の模式図
【図７】（ａ）〜（ｂ）実施の形態におけるピンの端部曲げ形状を示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの断面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、その中心部に、単電池セルモジュール２が複数積層されてセル積層体７が構成されている。セル積層体７の一方の端部の最終層には、集電板３と、複数の配管５と、締結部材として端板４ａとが配置されている。セル積層体７の他方の端部の最終層には、集電板３と、例えば複数の内側バネなどで構成される弾性体６と、締結部材として端板４ｂとが配置されている。そして、集電板３および配管５およびセル積層体７を、弾性体６を介して樹脂などの一対の端板４ａ、４ｂで締め上げて、燃料電池スタック１を構成している。
【００２１】
端板４ａ、４ｂの材料としては、成形性に優れた高強度の樹脂であることが好ましい。このような材料の例として、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などがある。特に、材質を限定するものではなく、また、金属と樹脂を一体に成形した構成や、部分的に分割した構成、金属板と樹脂板の組合せによって構成されるものなどでも良い。
【００２２】
また、複数の配管５は、燃料ガス、酸化ガス、冷媒をセル積層体７に供給および排出するための配管だが、その数は特に規定するものではなく、また何れかの端板と同一の部品として形成されていても良い。
【００２３】
図２（ａ）は、実施の形態における端板４ａ、４ｂ及びピン１０の関係を示す斜視図である。図２（ｂ）は、端板４ａ、４ｂを組み合わせた時の第１係合部９ａ、第２係合部９ｂの拡大平面図である。
【００２４】
端板４ａ、４ｂは、箱形状をしている。端板４ａと端板４ｂとは、開口部分１７で対向する。開口部分１７の対向する２辺である縁部８ａ、８ｂには、縁部８ａ、８ｂに沿って所定間隔ごとに、第１係合部９ａ、第２係合部９ｂが複数個設けられている。
【００２５】
第１係合部９ａ、第２係合部９ｂとの配置は、互い違いに配置されており、端板４ａ、４ｂを対向するように組み合わせた際に、セル積層体７の積層方向Ｘと直交する方向Ｙに貫通した貫通孔１８を形成できる。
【００２６】
第１係合部９ａ、第２係合部９ｂの形状は、各々フック形状となっている。貫通孔１８には、ピン１０を挿入することが出来る。第１係合部９ａ、第２係合部９ｂの数は特に規定するものではなく、締結荷重と端板４ａ、４ｂの強度などに応じて自由に設定することが出来る。また、端板４ａ、４ｂの開口面は長方形形状となっている。第１係合部９ａ、第２係合部９ｂが設けられた縁部８ａ、８ｂは端板４ａ、４ｂの開口面において長辺側であることが好ましい。これは、第１係合部９ａ、第２係合部９ｂに発生する応力を低減することができるためである。ただし、必ずしも長辺である必要はなく、短辺側に構成することもできる。
【００２７】
端板４ａ、４ｂの形状は同一となっていることが好ましい。端板４ａ、４ｂの製造が容易になる。また、同一形状の端板４ａ、４ｂで挟持できるので、セル積層体７に掛かる荷重のバランスを改善することができる。セル積層体７に均等に荷重できる。
【００２８】
ただし、構成はこれに限るものではなく、端板４ａ、４ｂは異なる形状で構成されていても良い。さらに、端板４ａ、４ｂには、配管５を設けるための貫通孔や、弾性体６を精度良く配置するためのリブ形状などが設けられていても良い。
【００２９】
図３（ａ）〜図４（ｄ）で第１係合部９ａ、第２係合部９ｂの詳細、その動作を説明する。第１係合部９ａ、第２係合部９ｂは、２種類ある。図３（ａ）〜図３（ｃ）の第３係合部９ｃ、第４係合部９ｄと、図４（ａ）〜図４（ｃ）の第５係合部９ｅ、第６係合部９ｆである。
【００３０】
第１係合部９ａ、第２係合部９ｂにおいて、第３係合部９ｃ、第４係合部９ｄが、第５係合部９ｅ、第６係合部９ｆより多く存在する。第５係合部９ｅ、第６係合部９ｆは、第１係合部９ａ、第２係合部９ｂの端部に位置するのが好ましい。後で説明するが、第２ピン１０ｂを第２貫通孔１８ｂに挿入するためである。
【００３１】
図３（ａ）は、第３係合部９ｃと第４係合部９ｄとを組み合わせできる第１貫通孔１８ａに第１ピン１０ａ挿入時時の拡大平面図である。なお、第１貫通孔１８ａは複数あり、直線状に並び貫通孔を形成する。
【００３２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）から、第１ピン１０ａを回転された状態を示す。図３（ｃ）は、図３（ｂ）からさらに、第１ピン１０ａを回転させた場合を示す。
【００３３】
第１ピン１０ａの回転と共に、端板４ａと端板４ｂ間が締められる。
【００３４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）の状態に対応するのが、それぞれ、図４（ａ）〜図４（ｃ）である。
【００３５】
図４（ａ）〜図４（ｃ）では、第１ピン１０ａの回転ともに、第５係合部９ｅと第６係合部９ｆとで組み合わされる第２貫通孔１８ｂが大きくなる。第２貫通孔１８ｂも複数あるのが好ましい。第１貫通孔１８ａと第２貫通孔１８ｂとは異なる形状である。
【００３６】
ここで、もし、図３（ｂ）、図４（ｂ）の状態で固定した場合、第２貫通孔１８ｂに第２ピン１０ｂを挿入し、端板４ａと端板４ｂとを固定する。同様に、図３（ｃ）、図４（ｃ）の状態で固定したい場合、第２ピン１０ｂを第２貫通孔１８ｂに挿入する。第２ピン１０ｂは、図４（ｅ）に示すように径の異なる複数本を準備する。または、図４（ｄ）のように、長さ方向で径が異なるピンを準備する。第２ピン１０ｂは、第２貫通孔１８ｂ中で回転できない。
【００３７】
結果、高分子電解質膜（以下、膜）に過大な負荷を掛けず、端板４ａ、４ｂの任意の締結時に固定できる。
【００３８】
第１ピン１０ａ、第２ピン１０ｂ、は、締結荷重を発揮させることが可能な程度の剛性を有すればよく、材質は特に限定するものではないが、好ましくは金属類、又は、繊維強化樹脂材料、など強度の比較的高い材料により構成することができる。実施の形態では、一例として、クロムモリブデン鋼鋼材ＳＣＭ４３５を使用している。
【００３９】
第１ピン１０ａの断面形状を図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す。第１ピン１０ａの断面は、楕円や長円、卵形、半円などの形状をしており、断面の長手方向がセル積層体７の積層方向となるように挿入したときに、所定の設計荷重がセル積層体７にかかるように各部材の寸法が構成されている。
【００４０】
また、第１ピン１０ａの断面形状は円形ではないため、図６で示すように回転用部品１１を一時的に取り付けることでピン１０を容易に回転させることが出来る。回転用部品１１には、孔または開口１２があり、開口１２にピン１０を入れて、ピン１０をまわす。
または、第１ピン１０ａの端部に図７（ａ）、７（ｂ）の示すように、曲げを設けるなどしても良い。
【００４１】
かかる構成および製造方法によって、ボルト機構を用いずにセル積層体７の締結時に、所定の設計荷重以上の荷重を掛けることなく締結をすることができ、膜の損傷を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の高分子電解質型燃料電池スタックは、ポータブル電源、電気自動車用電源、又
は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に対して有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池スタック
２  単電池セルモジュール
３  集電板
４ａ、４ｂ  端板
５  配管
６  弾性体
７  セル積層体
８ａ、８ｂ  縁部
９ａ  第１係合部
９ｂ  第２係合部
９ｃ  第３係合部
９ｄ  第４係合部
９ｅ  第５係合部
９ｆ  第６係合部
１０  ピン
１０ａ  第１ピン
１０ｂ  第２ピン
Ｘ  積層方向
Ｙ  方向
１１  回転用部品
１２  開口
１７  開口部分
１８  貫通孔
１８ａ  第１貫通孔
１８ｂ  第２貫通孔
【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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