(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの大型化を招くことなく、単位電池を複数積層した積層体の積層方向の面圧分布を均一化する。【解決手段】単位電池１を多数積層した積層体３を、複数のプレート５１，５３，５５，５７により、奇数個の単位電池群５９，６１，６３，６５，６７に分割する。各プレート５１，５３，５５，５７の隣接するもの同士を、弾性圧力付与機構６９，７１，７３により所定の締付圧力で締め付ける。燃料電池スタック全体は、両端をエンドプレート３７，３９で挟み、テンションロッド５で固定する。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を、セパレータを介して複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、前記単位電池の積層体を、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）の単位電池群に分割し、この分割した単位電池群相互間にプレートを介装し、このプレート相互間の前記単位電池群に対し、締付圧力付与手段により所定の締付圧力を付与することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記分割した複数の単位電池群のうち少なくとも一つを、前記単位電池の積層方向両端に配置したエンドプレート相互間に前記所定の締付圧力を付与して構成したサブスタックとしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記サブスタックを、前記単位電池の積層方向中央部に配置したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記締付圧力付与手段は、弾性的に圧力を付与する弾性圧力付与機構で構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記弾性圧力付与機構は、ばねを用いていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記弾性圧力付与機構は、テンションロッドを用いていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記締付圧力付与手段は、複数の単位電池群に対して締付圧力を付与することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記締付圧力付与手段と、前記プレートまたは前記エンドプレートとの間に電気的絶縁材を設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を、セパレータを介して複数積層して構成した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側に、アノード側電極およびカソード側電極をそれぞれ配置して構成した単位電池を、セパレータによって挟持することにより構成している。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池は、通常、上記した単位電池およびセパレータを複数積層することにより、燃料電池スタックとして使用する。
【０００４】
上記した燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給した燃料ガス（水素含有ガス）は、アノード側電極上で水素イオン化され、適度に加湿された高分子イオン交換膜を介してカソード側電極へと移動する。このとき、アノード側電極に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００５】
一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気を供給し、前記アノード側電極から移動した水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００６】
ところで、上記した燃料電池スタックは、その積層方向両端から所定に締付圧力によって締付固定するが、この締付圧力が各単位電池について均一に付与されない場合には、スタック内の接触抵抗の増加や反応ガス（水素、空気）のリークが生じる恐れがある。このため、燃料電池スタックに対する締付荷重は、積層方向全域にわたって均一で、しかも大きく変動しないことが必要である。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１には、単位電池の積層方向端部にエンドプレートおよびプレッシャプレートを設け、エンドプレートとプレッシャプレートとの間に、荷重変動低減機構を設ける燃料電池スタックが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９１号公報
【０００９】
また、特許文献２には、性能不良な単位電池交換の簡便化および、積層した単位電池に対する締付圧力の均一化を目的とし、積層した複数の単位電池を一つのブロックとして燃料電池スタック全体を複数にブロック化する構成が開示されている。
【００１０】
【特許文献２】
特開平１０−２６１４２６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、単位電池の積層数が多くなるに従って、燃料電池スタックの積層方向中央部分の面圧が低くなる傾向があり、積層方向の面圧分布が大きくなるという問題がある。
【００１２】
一方、特許文献２に記載の燃料電池スタックでは、積層方向の面圧分布を均一化できるものの、ブロック毎に一対のエンドプレートおよび押さえボルトを必要とするなど部品点数が増大し、燃料電池スタックの大型化を招いている。
【００１３】
そこで、この発明は、燃料電池スタックの大型化を招くことなく、単位電池を複数積層した積層体の積層方向の面圧分布を均一化することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を、セパレータを介して複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、前記単位電池の積層体を、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）の単位電池群に分割し、この分割した単位電池群相互間にプレートを介装し、このプレート相互間の前記単位電池群に対し、締付圧力付与手段により所定の締付圧力を付与する構成としてある。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、単位電池を複数積層して構成した単位電池の積層体を、プレートによって［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）の単位電池群に分割し、プレート相互間の単位電池群に対し、所定の締付圧力を付与するようにしたので、燃料電池スタックの大型化を招くことなく、単位電池の積層方向の面圧分布を均一化することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
まず、この本明の全実施形態にわたって共通するか、または類似する部分の基本となる構成および作用を、図１〜３を用いて説明する。この発明に係わる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池とする。）であり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１８】
図１は燃料電池スタックの全体を示す斜視図である。この燃料電池スタックは、１Ｖ程度の起電圧を生じる単位電池１を、複数積層して積層体３を形成する。この積層体３を構成する複数の単位電池１は、それぞれが燃料電池として機能する。そして、この燃料電池スタックは、後述するが、四隅に配置して内部を貫通する図示しないテンションロッドなどを用いて締結する。なお、ここでテンションロッドの本数は４本（四隅）とは限らず、所望の締結力が確保できる仕様であるならばその限りではない。
【００１９】
図２は単位電池１の構造を示す分解斜視図である。この単位電池１は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜７と、この電解質膜７の一方の面に配置した触媒層および拡散層からなるアノード側電極９（燃料極）と、電解質膜７の他方の面に配置した触媒層および拡散層からなるカソード側電極１１（空気極）とで、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１３を構成している。
【００２０】
このＭＥＡ１３の両側には、アノード側電極９に燃料ガス（水素）を、カソード側電極１１に酸化ガス（酸素、通常は空気）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１５および１７を、ガスケット１９および２１を介してそれぞれ配置する。
【００２１】
電解質膜７は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成したプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜７の表面には、触媒としての白金または、白金と他の金属からなる合金を担持させてある。
【００２２】
アノード側電極９およびカソード側電極１１は、ガス拡散電極である。これら各電極９，１１は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成する。
【００２３】
セパレータ１５，１７は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成する。例えば、カーボン材料をプレス成形したり、また、充分な耐食性が実現可能であれば、金属など他の材料によって形成してもよい。
【００２４】
上記したセパレータ１５のアノード側電極９側には図示しない燃料ガス流路を、セパレータ１７のカソード側電極１１側には酸化剤ガス流路２５を、それぞれ形成してあり、また、必要に応じて冷却媒体流路２７を形成する。
【００２５】
ガスケット１９，２１は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料によって形成する。
【００２６】
上記した燃料電池スタックは、複数の単位電池１からなる積層体３の積層方向両端に、図１に示すように集電板２９，３１、絶縁板３３，３５、エンドプレート３７，３９をそれぞれ配置する。そして、この燃料電池スタックの、例えば四隅に、前述したテンションロッドを貫通させ、テンションロッドの端部に形成した雄ねじ部に、ナット４１を螺合締結することで、締め付ける。
【００２７】
テンションロッドは、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成し、また単位電池１同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施す。
【００２８】
集電板２９，３１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し、絶縁板３３，３５は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成する。
【００２９】
エンドプレート３７，３９は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成する。また、２枚の集電板２９，３１には、それぞれ出力端子４３，４５を設けており、燃料電池スタックで生じた起電力を、この出力端子４３，４５を介して出力する。
【００３０】
上記したテンションロッドによる燃料電池スタックの締付方法は、テンションロッドを積層体３の内部に貫通させる必要はなく、図３の正面図に示すように、スタック外部でエンドプレート３７，３９同士をテンションロッド５により締め付けるようにしてもよい。
【００３１】
また、図３に示すように、燃料電池スタックの積層方向一端側のエンドプレート３９と、このエンドプレート３９の積層方向内側に設けた絶縁板３５との間に、内側エンドプレート４７を配置し、エンドプレート３９と内側エンドプレート４７との間に、ばねなどからなる加圧機構４９を設置する構造であってもよい。
【００３２】
なお、テンションロッドによる締付機構は、ナット４１を使用する必要はなく、一方のエンドプレートにねじ孔を形成し、このねじ孔にテンションロッドの一端に形成したねじ部を螺合締結するようにしてもよい。この場合、テンションロッドの他端にはボルトの頭部を形成する。
【００３３】
前記図１に示す基本構造を有する燃料電池スタックにおいて、その中心貫通線Ａに沿った積層方向の面圧分布を図４に示す。これによれば、スタック中心部分で面圧力が最小値となる傾向がある。
【００３４】
図５は単位電池の積層数と図４でのスタック中心部分の面圧力（最小値）との関係を示した図である。積層数が多くなるにつれて、スタック中心部分の面圧力は低下し、面圧力分布が不均一になる傾向があり、また積層数が増加するほど、面圧力の最小値は小さくなる。
【００３５】
要因としては、燃料スタック内の各部品の歪、摩擦などによる各単位電池間の圧力伝播の不均一性などが考えられるが、現状で詳細は不明である。
【００３６】
図６は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。なお、ここでは、前記図１に示した基本構造を有する燃料電池スタックの構成要素と同一構成部分には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
この燃料電池スタックは、図１に示した積層体３を、単位電池１の積層方向に沿って、４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって複数の単位電池群５９，６１，６３，６５，６７に分割している。
【００３８】
上記した各プレート５１，５３，５５，５７は、単位電池１の周縁部からそれぞれ突出させてあり、この突出した端部相互間を、締付圧力付与手段としての弾性圧力付与機構６９，７１，７３で互いに連結し、中心部の単位電池群５９およびその両側の単位電池群７１，７３を、それぞれ所定の締付圧力で締め付けている。
【００３９】
なお、上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、いずれも燃料電池スタックの周囲複数箇所に設けるものとする。
【００４０】
積層体３を４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって分割した中央３つの単位電池群５９，６１，６３は、単位電池群５９を中心として図６中で左右に対称となる。
【００４１】
つまり、４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって、積層体３をその積層方向に、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）、すなわち奇数個に分割している。
【００４２】
そして、この分割状態で、互いに隣接する各プレート５１，５３，５５，５７相互間に、前記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３によって所定の締付力を付与することで、積層体３の積層方向の面圧分布を均一化する。
【００４３】
ただし、中心部分の単位電池群５９以外の分割方法は、中心を対称に分割する必要はない。すなわち、例えば中心部分の単位電池群５９のみ独立して分割し、その他の部分は、単位電池１の積層数が異なっても、中心を対称に同じ個数の単位電池群に分割し、かつプレート５１，５５相互間および、プレート５３，５７相互間に、それぞれ適切な締付圧力を付与することで、面圧分布の均一化を図る。
【００４４】
なお、プレートによる積層体３の分割数は、３個以上の奇数個であればよいが、部品数、製造工数の低減を考慮すれば、少ないほどよい。
【００４５】
また、中心部分の単位電池群５９を、積層方向中心から対称に偶数個の領域に分割し、左右対称に締め付けた場合、例えば２個に分割した場合、力の釣り合いを考えると、単位電池群５９の積層方向中央に設けるプレートに働く力は０となり、実質的に１個の領域に分割したもの（単位電池群５９を積層方向中心で分割しない状態）と同等になる。このため、部品点数の減少を考えれば、単位電池群５９を積層方向中心で分割せず（図６に示す状態）、１個（積層体３全体においては奇数個）に分割する方が有利である。
【００４６】
単位電池群５９，６１，６３に締付圧力を付与する弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、プレート相互間を、ばねやゴムあるいはテンションロッドなどで連結するものとする。ただし、テンションロッドを用いる場合は、燃料電池スタック全体を締結するテンションロッド５と同様に、端部にナットを螺合させて締め付けてもよい。
【００４７】
図７に、上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３の詳細を、弾性圧力付与機構６９を例にとって説明する。上記した図７は、弾性圧力付与機構６９とプレート５３との連結部付近を示しており、テンションロッド７５の端部に連結具７７を介してボルト７９を連結する構造としてある。
【００４８】
ボルト７９は、プレート５３に形成したボルト挿入孔５３ａに挿入し、このボルト７９を連結具７７に対して締結することで、単位電池群５９に締付圧力を付与する。このとき、互いに隣接するプレート５１，５３，５５，５７相互間の電気的短絡を防止するため、ボルト７９とボルト挿入孔５３ａとの間に電気的絶縁材８１を介装する。
【００４９】
なお、弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、プレート５１，５３，５５，５７の周縁において、互いに重ならない位置とする。
【００５０】
上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３による締付圧力は、使用するばねやテンションロッドの弾性係数、変位量によって制御することが可能である。また、ボルト７９の締付力によっても締結圧力を制御できる。
【００５１】
プレート５１，５３，５５，５７は、剛性を備えた導電性材料、例えば鋼などの金属材料によって形成する。この各プレート５１，５３，５５，５７には、図７に示すように、反応ガスや冷却媒体が通過するマニホールド８３を形成しており、このマニホールド８３は、単位電池群５９に形成してあるマニホールド８４に連通している。また、プレート５３の図７中で左右両側のマニホールド８３の周囲にはガスケット８５（左側は省略）を設ける。
【００５２】
ガスケット８５は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料あるいは、金属によって形成する。
【００５３】
図８は、上記した第１の実施形態における燃料電池スタックでの面圧力分布の一例を、実線にて示している。同図（ａ）は、前記した図４と同様に中心貫通線Ａ（図１）における積層方向の面圧分布を示し、同図（ｂ）は、前記した図５と同様に積層方向中心部での面圧力と単位電池１の積層数との関係を示している。破線は、前記図４および図５でのデータである。
【００５４】
これによれば、上記図６に示した第１の実施形態における燃料電池スタックは、積層方向中央部分の面圧が、図１に示した基本構造の燃料電池スタックに比べて高くなり、積層方向に沿って全体的に均一化している。
【００５５】
このような積層方向の面圧の均一化は、積層体３をプレート５１，５３，５５，５７によって奇数個の単位電池群５９，６１，６３、６５，６７に分割し、隣接するプレート間に適切な締付圧力を付加することにより行っているので、部品点数の増大を回避でき、燃料電池スタックの大型化を防止することができる。
【００５６】
図９は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池スタックの正面図である。この実施形態の燃料電池スタックは、前記図１に示した第１の実施形態における積層方向中央部分の単位電池群５９と同様な単位電池群５９Ａを、サブスタック８７として他の部分と独立したものとしている。
【００５７】
図１０に、独立したサブスタック８７単体を示している。このサブスタック８７は、積層方向両端のエンドプレート８９，９１相互間を、前記した弾性圧力付与機構６９と同様な締付圧力付与手段としての弾性圧力付与機構９３によって所定の締付圧力を付与している。
【００５８】
そして、この中央のサブスタック８７とした単位電池群５９Ａの両側には、プレート９５，９７相互間に配置される単位電池群６１Ａおよび、プレート９９，１０１相互間に配置される単位電池群６３Ａを備える。さらにその外側には、単位電池群６５Ａおよび単位電池群６７Ａをそれぞれ備える。
【００５９】
プレート９５，９７相互間は、前記図６に示した弾性圧力付与機構７１と同様な弾性圧力付与機構１０３で、またプレート９９，１０１相互間は、前記図６に示した弾性圧力付与機構７３と同様な弾性圧力付与機構１０５で、それぞれ所定の締付圧力を付与する。
【００６０】
さらに、プレート９５とエンドプレート３７との間および、プレート９９とエンドプレート３９との間は、上記した各弾性圧力付与機構１０３，１０５と同様な弾性圧力付与機構１０７，１０９によって、それぞれ所定の締付圧力を付与する。
【００６１】
上記した図９の燃料電池スタックにおいても、中央３つの単位電池群５９Ａ，６１Ａ，６３Ａは、単位電池群５９Ａを中心として図９中で左右に対称となる。
【００６２】
つまり、４枚のプレート９５，９７，９９，１０１によって、積層体３をその積層方向に、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）、すなわち奇数個に分割していることになる。
【００６３】
サブスタック８７に用いるエンドプレート８９，９１は、第１の実施形態のプレート５１，５３，５５，５７と同様に、剛性を備えた導電性材料、例えば鋼等の金属材料によって形成する。
【００６４】
また、図１０に示すように、エンドプレート８９，９１には、プレート５１，５３，５５，５７と同様に、反応ガスや冷却媒体のマニホールド１１１を形成してあり、サブスタック８７を隣接する他の単位電池群６１Ａ，６３Ａに組み付ける際には、マニホールド１１１周囲にガスケット１１３を介装する。
【００６５】
このガスケット１１３は、前記図７に示したガスケット８５と同様に、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料あるいは、金属によって形成する。
【００６６】
なお、エンドプレート８９，９１間の電気的短絡を防止するため、前記図７に示すような電気的絶縁材８１と同様な電気的絶縁材を用いて絶縁構造を採用する。
【００６７】
その他、説明していない部分は、図６に示した第１の実施形態と同様である。
【００６８】
上記した第２の実施形態においても、燃料電池スタックの積層方向の面圧力分布は、前記した図８に実線で示したものと同様となる。したがって、燃料電池スタックの積層方向中央部分をサブスタック８７で構成した場合でも、積層方向中央部分の面圧が、図１に示した基本構造の燃料電池スタックに比べて高くなり、積層方向に沿って全体的に均一化する。
【００６９】
このような積層方向の面圧の均一化は、積層体３をプレート９５，９７，９９，１０１で奇数個の単位電池群５９Ａ，６１Ａ，６１Ａ，６３Ａ，６５Ａ，６７Ａに分割し、隣接するプレート間に適切な締付圧力を付加することにより行っているので、部品点数の増大を回避でき、燃料電池の大型化を防止することができる。
【００７０】
また、中央の単位電池群５９Ａをサブスタック化することにより、燃料電池スタック全体の製造工程の簡易性の向上や、不良単位電池交換を含めたメンテナンス性および取り扱い性の向上も得ることができる。
【００７１】
また、図９に示すように、弾性圧力付与機構１０７および１０９により、複数の単位電池群６１Ａ，６５Ａおよび６３Ａ，６７Ａを、それぞれ締め付けるようにすることで、面圧分布均一化を保持しつつ、組立て性の向上や、部品点数の減少および小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおける単位電池の分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックの一部を変更した正面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックの中心貫通線に沿った面圧分布図である。
【図５】図１の燃料電池スタックにおける単位電池の積層数と積層体中央部分の面圧力（最小値）との相関図である。
【図６】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。
【図７】図１の燃料電池スタックにおける弾性圧力付与機構の詳細を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、図４と同様に燃料電池スタックの中心貫通線に沿った面圧分布図、
（ｂ）は、図５と同様に単位電池の積層数と積層体中央部分での面圧力との相関図である。
【図９】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。
【図１０】図９の燃料電池スタックにおけるサブスタックの正面図である。
【符号の説明】
１  単位電池
３  単位電池の積層体
７  電解質膜
９  アノード側電極
１１  カソード側電極
１５，１７  セパレータ
５１，５３，５５，５７，９５，９７，９９，１０１  プレート
５９，６１，６３，６５，６７，５９Ａ，６１Ａ，６３Ａ，６５Ａ，６７Ａ  単位電池群
６９，７１，７３，９３，１０３，１０５，１０７，１０９  弾性圧力付与機構（締付圧力付与手段）
８１  電気的絶縁材
８７  サブスタック
８９，９１  エンドプレート
【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】
2004164969.tif 000008
【図７】
2004164969.tif 000009
【図８】
2004164969.tif 000010
【図９】
2004164969.tif 000011
【図１０】
2004164969.tif 000012