(57)【要約】【課題】積層された複数のセルに最適な押し付け力を付与することと製造コストを抑えることとの両立を図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】スタックのセル積層方向端部に配置される押圧部と、スタックと押圧部とを挟持する一対の支持部材と、を備え、押圧部は、積層された複数のセルの反応部を押圧する第１の部分と、マニホールド部を押圧する第２の部分とを有し、スタックのセル積層方向端部に押し当てられる第１部材と、複数の弾性部材と、第１部材と対向して配置される第２部材と、を含んでなり、複数の弾性部材は、第１の部分及び第２の部分と、第２部材と、の間に挟持され、スタックと押圧部とが一対の支持部材によって挟持されると、複数の弾性部材は圧縮され、第２の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さが第１の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さよりも大きくなるように保持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応が起こる反応部とガス又は冷却液の出入口となるマニホールド部とを含むセル、が複数積層されたスタックを備える燃料電池であって、
前記スタックのセル積層方向端部に配置される押圧部と、
前記スタックと前記押圧部とを挟持する一対の支持部材と、を備え、
前記押圧部は、積層された複数のセルの反応部を押圧する第１の部分と、マニホールド部を押圧する第２の部分とを有し、前記スタックのセル積層方向端部に押し当てられる第１部材と、
複数の弾性部材と、
前記第１部材と対向して配置される第２部材と、を含んでなり、
前記複数の弾性部材は、少なくとも前記第１の部分及び前記第２の部分と、前記第２部材と、の間に挟持され、
前記第２の部分における前記第１部材と前記第２部材との間隔は、前記第１の部分における前記第１部材と前記第２部材との間隔よりも小さく、
前記スタックと前記押圧部とが前記一対の支持部材によって挟持されると、前記複数の弾性部材は圧縮され、前記第２の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さが前記第１の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さよりも大きくなるように保持されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記第１部材の前記第２の部分におけるセル積層方向の厚さは、前記第１の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
前記第２部材は、前記第１の部分に対向する第３の部分と、前記第２の部分に対向する第４の部分を有し、
前記第２部材の前記第４の部分におけるセル積層方向の厚さは、前記第３の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の燃料電池であって、
前記複数の弾性部材は全て同一のものであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルが複数積層されたスタックを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応が起こる反応部とガス又は冷却水の出入口となるマニホールド部とを含む単セルを複数積層し、その積層体は、単セルの積層方向両端に配置したエンドプレートによって押さえ付けられるという構造が一般的である。単セルの積層体の両端をエンドプレートで押さえ付けることにより、各単セル同士を押し当ててガス漏れを防止し、燃料電池のシール性を確保することができる。
【０００３】
燃料電池のシール性を向上させるためには、エンドプレートの押し付け力を増加させることが好ましいが、押し付け力を高く設定すると、単セルの反応部が、その押し付け力で潰れてしまう場合がある。そこで、セル積層体の一方の端部に押し当てられるエンドプレートを、積層された複数の単セルの反応部を押圧する内側部と、マニホールド部分を押圧する外側部とに分割して別体とし、その内側部と外側部に弾性係数の異なるばねをそれぞれ配置し、内側部及び外側部とスプリングリテーナーでそれらのばねを挟持するという技術が知られている。（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池のシール性を確保しつつ、セルの反応部が押し付け力によって潰れるのを防止するためには、エンドプレートを分割したり、複数の異なる種類のばねが必要とされる等、製造コストが割高になってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電気化学反応が起こる反応部とガス又は冷却液の出入口となるマニホールド部とを含むセル、が複数積層されたスタックを備える燃料電池であって、スタックのセル積層方向端部に配置される押圧部と、スタックと押圧部とを挟持する一対の支持部材と、を備え、押圧部は、積層された複数のセルの反応部を押圧する第１の部分と、マニホールド部を押圧する第２の部分とを有し、スタックのセル積層方向端部に押し当てられる第１部材と、複数の弾性部材と、第１部材と対向して配置される第２部材と、を含んでなり、複数の弾性部材は、少なくとも第１の部分及び第２の部分と、第２部材と、の間に挟持され、第２の部分における第１部材と第２部材との間隔は、第１の部分における第１部材と第２部材との間隔よりも小さく、スタックと押圧部とが一対の支持部材によって挟持されると、複数の弾性部材は圧縮され、第２の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さが第１の部分に設けられた弾性部材の圧縮される長さよりも大きくなるように保持されることを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、燃料電池のシール性を確保しつつ、セルの反応部が押し付け力によって潰れるのを防止するために、エンドプレートを分割等する必要が無く、燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池であって、第１部材の前記第２の部分におけるセル積層方向の厚さは、第１の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きいことが好適である。
【０００９】
本発明の燃料電池であって、第２部材は、第１の部分に対向する第３の部分と、第２の部分に対向する第４の部分を有し、第２部材の第４の部分におけるセル積層方向の厚さは、第３の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きいことが好適である。
【００１０】
本発明の燃料電池であって、複数の弾性部材は全て同一のものであることが好適である。
【００１１】
かかる構成によれば、複数の異なる種類のばねを必要としないので、燃料電池の製造コストの一層の低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、積層された複数のセルの反応部及びマニホールド部に最適な押し付け力を付与することと燃料電池の製造コストを抑えることの両立を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の一形態を示す燃料電池１０の側面図である。燃料電池１０は、燃料電池スタック３、スプリングボックス１２、一対のエンドプレート１４を備える。スプリングボックス１２は、燃料電池スタック３の一端部に配置され、スプリングボックス１２と燃料電池スタック３は、一対のエンドプレート１４によって挟持される。締結ロッド１６は、一対のエンドプレート１４を貫通し、その両端は固定ナット１８で固定されている。また、複数の調整ボルト２０が、一方のエンドプレート１４を貫通し、該調整ボルト２０の先端部はスプリングボックス１２に押し当てられている。調整ボルト２０によって、スプリングボックス１２を押し当てる力を適宜変化させることが可能となる。
【００１５】
燃料電池スタック３は、単セル１が複数積層されて構成されている。なお、本実施形態においては、単セル１が複数積層された積層体を燃料電池スタック３としているが、燃料電池スタック３は個々の単セル１が発電した電力を集めるための集電部材や、絶縁部材を含む構成であっても良く、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。図２は、本実施形態に係る単セル１の構成を示す概略構成図である。以下、図２を参照しながら説明する。個々の単セル１は、電解質膜（例えば高分子膜）の両側に、一対のアノード電極２２及びカソード電極２４が取り付けられて構成される膜電極接合体２６が、第１セパレータ２８と、第２セパレータ３０とで挟み込まれる構成となっている。
【００１６】
個々の単セル１は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて電力を発電する。燃料ガスである水素ガスは、水素ガス入口流路４０を通って、第２セパレータ３０の、アノード電極２２と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた水素ガス入口マニホールド３２に供給され、該水素ガス入口マニホールド３２から第２セパレータ３０に設けられた、図示しない水素ガス供給通路を通って、アノード電極２２に流れ込む。アノード電極２２では、次の式（１）に示すような電気化学反応が起こる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（１）
上記電気化学反応に使用されなかった水素ガスは、第２セパレータ３０の、アノード電極２２と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた水素ガス出口マニホールド３４に集合し、水素ガス出口流路４２を通って排出される。また、上記化学反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜を通ってカソード電極２４に移動し、電子（ｅ−）は図示しない外部の電気回路を通ってカソード電極２４に移動する。
【００１７】
酸化剤である空気は、空気入口流路４４を通って、第１セパレータ２８の、カソード電極２４と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた空気入口マニホールド３６に供給され、該空気入口マニホールド３６から第１セパレータに設けられた、空気供給通路４８を通って、カソード電極２４に流れ込む。カソード電極２４では、次の式（２）に示すような電気化学反応が起こる。
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
上記電気化学反応に使用されなかった空気は、第１セパレータ２８の、カソード電極２４と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた図示しない空気出口マニホールド、に集合し、空気出口流路４６を通じて排出される。
【００１８】
上記電気化学反応により発熱した膜電極接合体２６を冷却するための冷却水は、冷却水入口流路５４を通って、第２セパレータ３０の、アノード電極２２と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた冷却水入口マニホールド５０に供給され、該冷却水入口マニホールド５０から第２セパレータ３０に設けられた、冷却水供給通路５８を通って、膜電極接合体２６を冷却する。そして、冷却水は、第２セパレータ３０の、アノード電極２２と接触する部分の周囲を囲む外縁部、に設けられた冷却水出口マニホールド５２に集合し、冷却水出口流路５６を通じて排出される。
【００１９】
再び図１に戻って説明する。スプリングボックス１２は、スタック３の単セル積層方向端部に押し当てられる下プレート５と、複数のスプリング７と、下プレートと対向して配置される上プレート９と、から構成される。ここで、下プレート５は、積層された複数の単セル１の電気化学反応が起こる反応部を押圧する第１の部分Ｂと、ガスや冷却水の出入口であるマニホールド部が設けられたセパレータの外縁部、を押圧する第２の部分Ａとを有する。下プレート５は、スプリング７の圧縮による弾性力を受けて撓みを生じることができる程度の厚さの部材である。また、図３に示すように、下プレート５の第２の部分Ａにおける単セル積層方向の厚さは、第１の部分Ｂにおける単セル積層方向の厚さよりも大きい。
【００２０】
第１の部分Ｂには形状、大きさ、ばね係数等が略同一であるスプリング７が複数個配置される。第２の部分Ａには、第１の部分Ｂに配置されたスプリング７と同一のスプリング７が下プレート５の外縁に沿って複数個配置されている。これらのスプリング７は、下プレート５及び上プレート９によって挟持されている。下プレート５の第２の部分Ａにおける単セル積層方向の厚さは、第１の部分Ｂにおける単セル積層方向の厚さよりも大きいため、第２の部分Ａにおける下プレート５と上プレート９との間隔は、第１の部分Ｂにおける下プレート５と上プレート９との間隔よりも小さい。
【００２１】
スプリングボックス１２と燃料電池スタック３が一対のエンドプレート１４によって挟持されると、上プレート９と下プレート５との間に挟持されている複数のスプリング７は圧縮され、スプリング７の圧縮によって生じる弾性力が燃料電池スタック３を単セル１の積層方向に押し当てる力となる。上述したとおり、第２の部分Ａにおける下プレート５と上プレート９との間隔は、第１の部分Ｂにおける下プレート５と上プレート９との間隔よりも小さいので、下プレート５の第２の部分Ａに配置されたスプリング７がセル積層方向に縮む長さは、第１の部分Ｂに配置されたスプリング７がセル積層方向に縮む長さよりも大きくなる。
【００２２】
このとき、第２の部分Ａに配置されたスプリング７の圧縮によって生じる弾性力は、第１の部分Ｂに配置されたスプリング７の圧縮によって生じる弾性力よりも大きく、下プレート５は撓んで、第２の部分Ａは、第１の部分Ｂよりも下方に変位する。そして、積層された複数の単セル１のセパレータの外縁部が押し付けられる力は、反応部が押し付けられる力よりも大きくなる。
【００２３】
スプリングボックス１２が、積層された複数の単セル１のガスや冷却水の出入口マニホールド部を押し当てる力を、積層された複数の単セル１の電気化学反応が起こる反応部を押し当てる力よりも大きくすることにより、ガス漏れを防止して燃料電池１０のシール性を確保すると共に、反応部に付与される押圧力が過大となって、反応部に設けられている電極や、電解質膜が押し潰されてしまうことを防止することができる。そして、本実施形態によれば、エンドプレートを分割等する必要が無く、異なる種類のばねを必要としないため、燃料電池１０の製造コストが割高になることは無い。
【００２４】
本実施形態においては、スプリングボックス１２の下プレート５の第２の部分Ａにおけるセル積層方向の厚さは、第１の部分Ｂにおけるセル積層方向の厚さよりも大きい態様としているが、例えば下プレート５のセル積層方向の厚さは均一に設定し、下プレート５の第２の部分Ａに対向する、上プレート９の第４の部分におけるセル積層方向の厚さを、下プレート５の第１の部分Ｂに対向する、上プレート９の第３の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きくする態様であっても良い。また、下プレート５の第２の部分Ａにおけるセル積層方向の厚さを第１の部分Ｂにおけるセル積層方向の厚さよりも大きくすると共に、上プレート９の第４の部分におけるセル積層方向の厚さを、上プレート９の第３の部分におけるセル積層方向の厚さよりも大きくする態様であっても良く、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。
【００２５】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る単セルの構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る下プレートの斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  単セル、３  燃料電池スタック、５  下プレート、７  スプリング、９  上プレート、１０  燃料電池、１２  スプリングボックス、１４  エンドプレート、１６  締結ロッド、１８  固定ナット、２０  調整ボルト、２２  アノード電極、２４  カソード電極、２６  膜電極接合体、２８  第１セパレータ、３０  第２セパレータ、３２  水素ガス入口マニホールド、３４  水素ガス出口マニホールド、３６  空気入口マニホールド、４０  水素ガス入口流路、４２  水素ガス出口流路、４４  空気入口流路、４６  空気出口流路、４８  空気供給通路、５０  冷却水入口マニホールド、５２  冷却水出口マニホールド、５４  冷却水入口流路、５６  冷却水出口流路、５８  冷却水供給通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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