(57)【要約】【課題】電池セルが複数積層されて構成される燃料電池積層体を、ボルトを用いて発電領域全体に対し均一に押さえ付けるようにする。【解決手段】燃料電池積層体は、両側から一対のエンドプレート２９で挟むようにした状態で複数のボルトを用いて締結固定する。この燃料電池積層体の発電領域３５の中心３７を中心とする同心円４１，４３，４５，４７をそれぞれ設定し、この各同心円４１，４３，４５，４７と、発電領域３５より外側の周辺部位のエンドプレート２９と交わる部位に、ボルトを締結するためのボルト位置４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂ，４７ａ，４７ｂをそれぞれ設定する。各ボルト位置でのボルトの締結荷重は、発電領域３５の中心３７からボルト３３までの距離が短い場合には大きくし、距離が長くなるにしたがって小さくする。【選択図】　　　図１
2004039554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルが複数積層して構成される燃料電池積層体を、両側からエンドプレートで挟んだ状態で複数の締結具により締結固定する燃料電池積層体の締結構造において、前記複数の締結具の締結力を、前記電池セルにおける発電領域の中心から、前記締結具までの距離に応じて変化させることを特徴とする燃料電池積層体の締結構造。
【請求項２】
前記締結具の締結力は、前記電池セルにおける発電領域の中心から前記締結具までの距離が長くなるほど小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池積層体の締結構造。
【請求項３】
前記締結具は、前記電池セルにおける発電領域の中心から同一距離に複数配置され、この同一距離に配置された複数の締結具が、前記発電領域の中心を対称点として互いに点対称位置に配置されるとともに、互いに同一の締結力を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池積層体の締結構造。
【請求項４】
前記同一距離に配置されている複数の締結具の締結力は、前記締結具の数に応じて変化させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池積層体の締結構造。
【請求項５】
前記同一距離に配置されている複数の締結具の締結力は、前記締結具の数が多いほど小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池積層体の締結構造。
【請求項６】
電池セルが複数積層して構成される燃料電池積層体を、両側からエンドプレートで挟んだ状態で複数の締結具により締結固定する燃料電池積層体の締結方法において、前記複数の締結具の締結力を、前記電池セルにおける発電領域の中心から、前記締結具までの距離に応じて変化させ、前記発電領域の中心に近い方から遠い方に向けて順次締結することを特徴とする燃料電池積層体の締結方法。
【請求項７】
前記複数の締結具を、前記発電領域の中心に近い方から遠い方に向けて順次締結した後、遠い方から近い方へ順次締結することを特徴とする請求項６記載の燃料電池積層体の締結方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池セルが複数積層して構成される燃料電池積層体を、複数の締結具を用いて締結固定する燃料電池積層体の締結構造および締結方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。
【０００３】
このような燃料電池は、電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００４】
上記した燃料極および酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００５】
燃料極　　：　　　２Ｈ２　→４Ｈ＋＋４ｅ−　　　　　　　　…（１）
酸化剤極　：　　　４Ｈ＋　＋４ｅ−　＋Ｏ２　→２Ｈ２Ｏ　　　　…（２）
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では（１）の反応式が進行して水素イオンが生成される。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質形燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）の反応式が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００６】
燃料電池における一つのセルから得られる起電力は、１．０Ｖ以下であるため、所定電力が得られるように複数セルを積層して使用されており、セルの積層方向に押さえ付けて所定の圧力をかけることにより発電特性を得ている。
【０００７】
例えば、特開昭５−１８２６８４号公報、あるいは特開２０００−２０８１６３号公報には、セルの積層方向両端に締め付け用の一対の板材を設け、この板材間にボルトを通して締結を行うことにより複数セルの積層体を加圧する構造が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発電面積が大きくなる、あるいはセルの積層数が多くなると、積層体をその発電領域全体に対して均一に押さえ付けることが困難になる。また、ボルトを締結していく際に、発電領域の中心から各ボルトまでの距離が異なるものがあるため、同じような力で各ボルトを締結していくと、発電領域の中心からの距離が長い締結点では、締結による板材の撓みが大きく発生し、積層体を発電領域全体に対して均一に押さえ付けることが困難になる。
【０００９】
図１０は、複数の電池セルを図中で上下方向に積層した積層体１を、その上下両端に設けた板材であるエンドプレート３で挟み、ボルト５により締結する際に、エンドプレート３がＴだけ撓んでいる状態を示している。
【００１０】
つまり、エンドプレートの周辺部にボルトによる締結構造を持つものでは、発電領域の中心から遠い位置にある周縁の特に角部分に位置するボルトの締結度合いが過度になりやすいため、発電領域全体に対する押し付け力の均一性を欠くことになりやすい。
【００１１】
この対応策として、エンドプレートの角部を切除する構造が、特開平５−１８２６８４号公報に開示されているが、発電に供するガスが流通するガス流路の形状やマニドホールド形状に制限を加えるため、好ましくない。
【００１２】
また、エンドプレートの撓み変形を抑制する手段として、締結力に対し充分撓みが抑制できるようにエンドプレートを厚くすることも考えられる。
【００１３】
しかし、金属から構成されるエンドプレートを厚くすることは、金属の使用量を多くすることとなるため、燃料電池全体の重量が重くなり、特に移動体を念頭においた燃料電池には好ましくない。
【００１４】
また、均一締結を行うため、バネのような弾性状の新たな締結補記構造を用いる方法も、特開２０００−２０８１６３号公報に開示されている。上記のような締結補記構造を備える場合、新たに締結装置を備えるために燃料電池に直接発電に関与しない空間をさらに確保しなければならないため、燃料電池が大型化し好ましくない。まして、燃料電池のコスト低減の面からも、できるだけ避けることが望ましい。
【００１５】
そこで、この発明は、ガス流路の形状に影響を与えることなく、また燃料電池の重量増およびコアストアップを抑えつつ、電池セルが複数積層されて構成される燃料電池積層体を、締結具を用いて発電領域全体に対し均一に押さえ付けるようにすることを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、電池セルが複数積層して構成される燃料電池積層体を、両側からエンドプレートで挟んだ状態で複数の締結具により締結固定する燃料電池積層体の締結構造において、前記複数の締結具の締結力を、前記電池セルにおける発電領域の中心から、前記締結具までの距離に応じて変化させる構成としてある。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、前記締結具の締結力は、前記電池セルにおける発電領域の中心から前記締結具までの距離が長くなるほど小さく設定される構成としてある。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明の構成において、前記締結具は、前記電池セルにおける発電領域の中心から同一距離に複数配置され、この同一距離に配置された複数の締結具が、前記発電領域の中心を対称点として互いに点対称位置に配置されるとともに、互いに同一の締結力を備えている構成としてある。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、前記同一距離に配置されている複数の締結具の締結力は、前記締結具の数に応じて変化させる構成としてある。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項４の発明の構成において、前記同一距離に配置されている複数の締結具の締結力は、前記締結具の数が多いほど小さくなっている構成としてある。
【００２１】
請求項６の発明は、電池セルが複数積層して構成される燃料電池積層体を、両側からエンドプレートで挟んだ状態で複数の締結具により締結固定する燃料電池積層体の締結方法において、前記複数の締結具の締結力を、前記電池セルにおける発電領域の中心から、前記締結具までの距離に応じて変化させ、前記発電領域の中心に近い方から遠い方に向けて順次締結する締結方法としてある。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項６の発明の燃料電池積層体の締結方法において、前記複数の締結具を、前記発電領域の中心に近い方から遠い方に向けて順次締結した後、遠い方から近い方へ順次締結する締結方法としてある。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電池セルにおける発電領域の中心からの距離に応じて締結力が変化するので、ガス流路の形状に影響を与えることなく、また燃料電池の重量増および大型化を抑えつつ、発電領域全体に対する押し付け力を均一化することができる。
【００２４】
請求項２の発明によれば、締結具の締結力を、発電領域の中心に近いほど大きく、遠いほど小さくすることで、発電領域全体に対する押し付け力の均一化を確実に達成することができる。
【００２５】
請求項３の発明によれば、複数の締結具が、発電領域の中心に対して点対称位置に配置されかつ、これらを互いに同一の締結力で締結するようにしたので、複数のボルトによる荷重中心を発電領域の中心に一致させることができ、発電領域全体に対する押し付け力を均一化することができる。また、同一の締結力で締結することで、組み付け作業性が向上する。
【００２６】
請求項４の発明によれば、発電領域の中心から同一距離に配置されている締結具の数に応じて締結力が変化するようにしているので、同一距離に配置されている締結具の数によらず、発電領域全体に対する押し付け力を均一化することができる。
【００２７】
請求項５の発明によれば、発電領域の中心から同一距離に配置されている複数の締結具の数が多いほど締結力が小さくなっているので、同一距離に配置されている締結具の数によらず、発電領域全体に対する押し付け力の均一化を確実に達成することができる。
【００２８】
請求項６の発明によれば、電池セルにおける発電領域の中心からの距離に応じて締結力が変化するので、発電領域全体に対する押し付け力を均一化することができるとともに、発電領域の中心から外側へ向けて荷重を順次付与することができ、燃料電池セルに発生する応力を抑制することができる。
【００２９】
請求項７の発明によれば、締結具を、発電領域の中心に近い方から遠い方に向けて順次締結した後、遠い方から近い方へ順次締結することで、遠い方を締結することで発生する近い方での締結力の低下を抑制することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３１】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示している。ここでの燃料電池積層体は、図２にその一部を断面図として示してあり、電解質に固体高分子を用いる固体高分子電解質形燃料電池のものである。
【００３２】
この燃料電池積層体は、一つの電池セル７が、固体高分子膜からなる電解質膜９と、この電解質膜９を挟持するように電解質膜９の両面に配設される二つの電極１１，１３（燃料極と酸化剤極）と、その外側に配置されて電池セル７相互間の隔壁を成すセパレータ１５，１７とを備えており、この電池セル７が複数積層されて構成されている。
【００３３】
セパレータ１５，１７の外縁部相互間には、シール用ガスケット１９が設けられ、このシール用ガスケット１９により、水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化剤ガス、さらに各種冷却水をシールしている。
【００３４】
電解質膜９は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料により、プロトン伝導性の膜として形成されている。この電解質膜９の両面の二つの電極１１，１３は、白金または、白金とその他の金属とからなる触媒を担持するカーボン微粒子を塗布したカーボンクロス、またはカーボンペーパからなり、触媒の存在する塗布面が電解質膜９と接触している。
【００３５】
セパレータ１５，１７は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成されている。一方のセパレータ１５は、電極１１に対向する面に、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２１が形成され、他方のセパレータ１７は、電極１３に対向する面に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２３が形成されるとともに、電極１３と反対側の面に、冷却媒体が流通する冷却媒体流路２５が形成されている。
【００３６】
燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体は、それぞれの入口から燃料電池の各電池セル７へ供給され、対応する各出口から排出される。
【００３７】
図３は、上記した固体高分子形燃料電池の外観図である。この外観図で示すように、複数の電池セル７で、図３中で上下方向に燃料電池積層体２７を形成し、その燃料電池積層体２７の積層構造を維持するために、燃料電池積層体２７を図中で上下両側から金属製または強度の高い樹脂製で構成されるエンドプレート２９，３１で挟み、このエンドプレート２９，３１を複数の締結具としてのボルト３３で連結することで燃料電池が形成される。
【００３８】
図４は、上記したボルト３３の締結形態を示しており、同図（ａ）は、セパレータ１５，１７（燃料電池積層体２７）の外周側を貫通させている場合を示し、同図（ｂ）は、セパレータ１５，１７（燃料電池積層体２７）より外側へ突出した部分のエンドプレート２９，３１を連結する場合を示している。これら各例は、前記した燃料ガス流路や酸化剤ガス流路などの設計によって適宜選択される。
【００３９】
前記図１に示した第１の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造は、一方のエンドプレート２９側から見た模式的な平面図であり、前記した二つの電極１１，１３を備えた発電領域３５の中心３７を、前記複数のボルト３３による締結荷重の中心となるようにしている。
【００４０】
すなわち、上記した発電領域３５の中心３７を中心とする互いに異なる半径の同心円４１，４３，４５，４７を設定し、この同心円４１，４３，４５，４７上でかつ、発電領域３５より外側の周辺部位に位置するエンドプレートの領域に、前記したボルト３３を配置する。
【００４１】
図１においては、同心円４１におけるボルト３３の位置をボルト位置４１ａ，４１ｂとし、同心円４３におけるボルト３３の位置をボルト位置４３ａ，４３ｂとし、同心円４５におけるボルト３３の位置をボルト位置４５ａ，４５ｂとし、同心円４７におけるボルト３３の位置をボルト位置４７ａ，４７ｂとして、それぞれ示している。
【００４２】
最内周の同心円４１には、図中で上下２箇所（４１ａ，４１ｂ）、最外周から二つ目の同心円４５には、図中で左右２箇所（４５ａ，４５ｂ）、同心円４１と同心円４５との間の同心円４３には、ボルト位置４１ａと４５ｂとの間（４３ａ）および、ボルト位置４１ｂと４５ａとの間（４３ｂ）、最外周の同心円４７には、図中で左上および右下の各角部（４７ａ，４７ｂ）に、それぞれボルト位置を設定してある。
【００４３】
また、各同心円４１，４３，４５，４７における二つのボルト位置は、いずれの同心円上の二つのボルト位置についても、発電領域３５の中心３７に対し、互いに点対称の位置となっている。
【００４４】
なお、発電領域３５の周辺部には上記したボルト３３のほかに、燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却媒体をそれぞれ供給するマニホールド４９，５１および５３がそれぞれ形成されているため、それらを燃料電池の発電特性に対して効果的となるように配置した上で、上述したとおりに荷重中心を考慮して残った発電領域周辺部に、ボルト位置を決定する。
【００４５】
前記した各ボルト位置での各ボルト３３の締結荷重は、図５に示すように、発電領域３５の中心３７からボルト３３による荷重点までの距離と、締結によるエンドプレート２９（３１）の撓み量とから導かれる検量線に基づいて、エンドプレート２９（３１）のたわみ量が全周で同一の撓み量Ｐとなるような荷重が選択される。
【００４６】
すなわち、発電領域３５の中心３７からボルト３３までの距離が短い場合には、締結荷重が大の検量線Ａを、同距離が長い場合には、締結荷重が小の検量線Ｂを、同距離が中程度の場合には、締結荷重が中の検量線Ｃを、それぞれ用いる。
【００４７】
これらの各検量線は、エンドプレート２９（３１）の素材、発電領域３５の中心３７からの同心円状にあるボルト３３の数によって異なるため、これらの条件を加味して求める。
【００４８】
上記した第１の実施形態によれば、ボルト３３の締結力を、発電領域３５の中心３７に近いほど大きく、遠いほど小さくすることで、締結による発電領域３５の全体に対する押し付け力（面圧）を均一化することができる。
【００４９】
また、複数のボルト３３が、発電領域３５の中心３７に対して点対称位置に配置されかつ、これらを互いに同一の締結力で締結するようにしているので、各同心円４１，４３，４５，４７上での２本のボルト３３による荷重中心を発電領域３５の中心３７に一致させることができ、締結による発電領域３５の全体に対する押し付け力（面圧）をより均一化することができる。さらに、上記点対称位置に配置された、各同心円４１，４３，４５，４７上での２本のボルト３３を、いずれの同心円上のものについても同一の締結力で締結することで、組み付け作業性が向上する。
【００５０】
図６は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示している。この実施形態は、各同心円４１，４３，４５，４７上につき、それぞれ４箇所のボルト位置を設定している点が、前記した第１の実施形態と異なっている。その他の構成については、冷却媒体用のマニホールド５３のほかは第１の実施形態と同様である。
【００５１】
すなわち、最内周の同心円４１には、発電領域３５の中心３７を通る上下の中心線Ｌに対し、左右対称となるよう上下２箇所ずつにボルト位置４１ｃ，４１ｄおよび４１ｅ，４３ｆを、その外側の同心円４３にも、中心線Ｌに対し、左右対称となるよう上下２箇所ずつにボルト位置４３ｃ，４３ａおよび４３ｂ，４３ｄを、最外周の同心円４７には、周囲４箇所の角部に対応してボルト位置４７ａ，４７ｃ，４７ｂ，４７ｄを、それぞれ設定してある。最外周から二つ目の同心円４５には、ボルト位置を設定していない。
【００５２】
各ボルト位置でのボルト３３の締結荷重については、前記図１に示した第１の実施形態と同様に、前記した図５に示してある検量線を用いて決定される。
【００５３】
図７は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示している。この実施形態は、各同心円４１，４３，４５，４７上に配置するボルト３３を、２本配置するものと４本配置するものとを混在させている。その他の構成は、冷却媒体用のマニホールド５３を追加したほかは図６に示した第２の実施形態と同様である。
【００５４】
すなわち、最内周および最外周の各同心円４１および４７上には、図６に示した第２の実施形態と同様に、四つのボルト位置４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４３ｆおよび、四つのボルト位置４７ａ，４７ｃ，４７ｂ，４７ｄを、それぞれ設定してある。また、同心円４３上には、ボルト位置４１ｃと４７ａとの間および、ボルト位置４１ｆと４７ｂとの間に、それぞれボルト位置４３ｃ，４３ｄを設定し、その外側の同心円４５上には、ボルト位置４７ｃと４１ｄとの間および、ボルト位置４７ｄと４１ｅとの間に、それぞれボルト位置４５ｃ，４５ｄを設定してある。
【００５５】
同心円４３上のボルト位置４３ｃ，４３ｄは、発電領域３５の中心３７に対し、互いに点対称位置にあり、同心円４５上のボルト位置４５ｃ，４５ｄは、発電領域３５の中心３７に対し、互いに点対称位置にある。
【００５６】
各ボルト位置でのボルト３３の締結荷重については、図８に示すように、発電領域３５の中心３７からボルト３３による荷重点までの距離と、締結荷重によるエンドプレート２９（３１）の撓み量の検量線に基づいて、エンドプレート２９（３１）の撓み量が同一の撓み量Ｐとなるような荷重が選択される。
【００５７】
そして、ここでは一つの同心円におけるボルト位置の数が多い場合（４箇所）と、少ない場合（２箇所）とで、検量線を使い分けるようにしている。すなわち、一つの同心円に対応してボルト位置が多い場合の一点鎖線で示す検量線Ｃ，Ｄ，Ｅと、少ない場合の実線で示す検量線Ｆ，Ｇ，Ｈとを備えている。ボルト位置が多い場合の検量線Ｃ，Ｄ，Ｅは、少ない場合の検量線Ｆ，Ｇ，Ｈに比べて、ボルト３３の締結荷重を小さくしている。これらの各検量線に基づいて、各ボルト３３の締結荷重が決定される。
【００５８】
上記した第３の実施形態によれば、発電領域３５の中心３７から同一距離に配置されている複数のボルト３３の数が多いほど締結力が小さくなっているので、同心円上に設定されるボルト位置の数によらず、発電領域３５全体に対する押し付け力の均一化を確実に達成することができる。
【００５９】
上記した各実施形態における複数のボルト３３の締結作業は、発電領域３５の中心３７からの距離が短い同心円４１上のものから、その外側の同心円４３，４５，４７上のものへと順次行う。こうすることで、発電領域３５の中心３７から外側へ荷重を順次付与することができ、発電領域３５への締め付けによって発生する応力を抑制することができる。
【００６０】
また、ボルト３３を、上記したように発電領域３５の中心３７に近い方から遠い方に向けて順次締結した後は、遠い方から近い方へ順次締結することで、遠い方を締結することで発生する近い方での締結力の低下を抑制することができ、発電領域３５全体に対する押し付け力をより均一化することができる。
【００６１】
図９（ａ）は、従来の締結構造におけるボルト締結後のセパレータ面圧分布を示し、図９（ｂ）は本発明における同面圧分布を示している。従来のものは、セパレータ面圧が、外側ほどが高く中心ほど弱くなっており、全体として不均一となっている。これに対して、本発明によるものは、全体として均一となっている。
【００６２】
上記した各実施形態は、発電領域３５の全体に対する押し付け力を均一化する際に、単にボルト３３の位置やその締結力について変化させたものであるので、燃料や酸化剤ガス流路などの形状に悪影響を与えることはなく、また燃料電池の重量増およびコアストアップも抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示す模式的な平面図である。
【図２】図１の燃料電池積層体の一部を示す断面図である。
【図３】図２の燃料電池積層体を備えた固体高分子形燃料電池の外観図である。
【図４】図３の燃料電池におけるボルトの締結形態を示す説明図で、（ａ）はセパレータの外周側を貫通させている場合を示し、（ｂ）はセパレータより外側のエンドプレートを連結する場合を示している。
【図５】第１の実施形態で使用する、発電領域の中心からボルト締結位置までの距離と、エンドプレートの撓み量とから導かれる検量線を示す説明図である。
【図６】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示す模式的な平面図である。
【図７】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池積層体の締結構造を示す模式的な平面図である。
【図８】第３の実施形態で使用する、発電領域の中心からボルト締結位置までの距離と、エンドプレートの撓み量とから導かれる検量線を示す説明図である。
【図９】ボルト締結後のセパレータ面圧分布図であり、（ａ）は従来の締結構造によるもの、（ｂ）は本発明の締結構造によるものである。
【図１０】従来構造におけるエンドプレートの撓み状態を示す説明図である。
【符号の説明】
７　電池セル
２７　燃料電池積層体
２９，３１　エンドプレート
３３　ボルト（締結具）
３５　発電領域
３７　中心
【図１】
2004039554.tif 000003
【図２】
2004039554.tif 000004
【図３】
2004039554.tif 000005
【図４】
2004039554.tif 000006
【図５】
2004039554.tif 000007
【図６】
2004039554.tif 000008
【図７】
2004039554.tif 000009
【図８】
2004039554.tif 000010
【図９】
2004039554.tif 000011
【図１０】
2004039554.tif 000012