(57)【要約】【課題】複数の単位電池の積層方向中央部における面圧力低下を防止する。【解決手段】電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池１を構成し、この単位電池１を複数積層して燃料電池スタックを構成する。各単位電池１の発電領域をほぼ一定としつつ、各単位電池１におけるセパレータの積層方向と交わる面の面積を、スタック積層方向両端部から同中央部に向かうに従って連続的に小さくする。【選択図】      図１
2004319360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記各単位電池の発電領域を互いにほぼ一定としつつ、前記積層方向中央部の単位電池におけるセパレータの積層方向と交わる面の面積を、積層方向両端部の単位電池におけるセパレータの同面積より小さくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの積層方向と交わる面の面積を、前記積層方向両端部から同中央部に向かうに従って連続的に小さくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの積層方向と交わる面の面積を、前記単位電池の積層方向に沿って、［各セパレータの面積＝端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）］（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの積層方向と交わる面の面積を、前記積層方向両端部から中央部に向かうに従って段階的に小さくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの積層方向と交わる面の面積を、前記各段階においてそれぞれ独立して、前記積層方向端部側から同中央部側に向かうに従って連続的に小さくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、前記各段階における前記セパレータの面積を、前記単位電池の積層方向に沿って、［各セパレータの面積＝端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定したことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置して構成した膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持して単位電池を構成している。上記したアノード側電極およびカソード側電極は、いずれも触媒層およびガス拡散層を備えている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、通常、上記した単位電池を複数積層し、これらを両側から締結固定することにより、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、触媒層でアノード側電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間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するために、このカソード側電極において、前記水素イオン、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における複数積層してある各単位電池に対し、所望の締付面圧力が均一に付与されない場合、燃料電池スタック内のセパレータ同士、あるいはセパレータとガス拡散層などとの電気的接触抵抗の増加や、セパレータ間などのシール不良による反応ガス（水素、空気）のリークを生じる可能性がある。このため、スタックに対する締結荷重によって付与される各単位電池での締付面圧力は、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の端部にプレッシャプレートおよびエンドプレートを設け、プレッシャプレートとエンドプレートとの間に、締結荷重方向に直列に荷重変動低減機構を設ける構成が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、さらにそれぞれの外側をセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して燃料電池スタックを形成する場合には、スタックにおける積層方向中央部分の締付面圧力が最小値となる面圧力分布を積層方向に形成する傾向がある。その結果、電気的接触抵抗の増加やガスシール不良が発生する可能性がある。
【００１０】
そこで、この発明は、複数の単位電池の積層方向中央部における締付面圧力の低下を防止することを目的とする。
【００１１】
【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、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記各単位電池の発電領域を互いにほぼ一定としつつ、前記積層方向中央部の単位電池におけるセパレータの積層方向と交わる面の面積を、積層方向両端部の単位電池におけるセパレータの同面積より小さくした構成としてある。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、スタックに対する締結荷重、単位電池に付与される締付面圧力、セパレータの面積は、［締付面圧力＝締結荷重／セパレータ面積］の関係にあるため、複数積層した各単位電池の発電領域を互いにほぼ一定としつつ、積層方向中央部のセパレータの積層方向と交わる面の面積を、同両端部のセパレータの同面積より小さくすることで、積層方向中央部の締付面圧力低下を防止することができ、これにより電気的接触抵抗の低減およびシール性向上を達成することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
まず、この発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，図２を用いて説明する。この発明に係わる燃料電池スタックは、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。
【００１５】
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、例えば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。
【００１６】
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。
【００１７】
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に酸化剤ガス（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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、セパレータ１５の燃料ガス流路と反対側に冷却媒体流路２７を形成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
また、上記した燃料電池スタックの一方の端部のエンドプレート３７には、図１に示すように、燃料ガス入口５１および同出口５３、酸化剤ガス入口５５および同出口５７、冷却水（冷却媒体）入口５９および同出口６１を、それぞれ備えている。これら各入口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の各分配流路および、各出口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の各集合流路を、集電板２９，絶縁板３３および積層体３を貫通して形成する。
【００２９】
上記した各分配流路および集合流路は、前記したセパレータ１５のアノード側電極９側に形成した燃料ガス流路、セパレータ１７のカソード側電極１１側に形成した酸化剤ガス流路２５、セパレータ１５の燃料ガス流路と反対側に形成した冷却媒体流路２７の各対応する流路にそれぞれ連通している。
【００３０】
上記した積層体３に分配流路を形成するために、図２に示すように、セパレータ１５，ガスケット１９，電解質膜７，ガスケット２１，セパレータ１７には、燃料ガス入口５１に対応する位置に、燃料ガス入口用連通部１５ａ，１９ａ，７ａ，２１ａ，１７ａをそれぞれ形成してある。
【００３１】
同様に、燃料ガス出口５３，酸化剤ガス入口５５および同出口５７，冷却水入口５９および同出口６１についても、それぞれ対応する連通部を、セパレータ１５，ガスケット１９，電解質膜７，ガスケット２１，セパレータ１７に設けてある。
【００３２】
図３は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池スタックの側面図である。この実施形態は、単位電池１の積層方向に、その積層方向両端部Ａから中央部Ｂに向かうに従って、各単位電池１におけるセパレータ１５，１７の積層方向と交わる面の面積（以下、単にセパレータの面積とする。）を、連続的に小さくなるよう変化させている。このため、この燃料電池スタックを図３のように側面から見ると、スタックの両端部Ａから同中央部Ｂにかけて、セパレータ１５，１７の外形で形づくられるスタック外形が連続的に絞られた形態をとる。この場合、図３中で上下方向から見た形状についても、中央部Ｂが絞られた形状としてもよい。
【００３３】
すなわち、上記した実施形態においては、セパレータ１５，１７の面積を、単位電池１の積層方向に沿って、［各単位電池１におけるセパレータの面積＝スタック端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）］（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定している。
【００３４】
ここで、上記したセパレータ１５，１７の面積を変化させる場合、発電領域となる発電に直接係わる活性部の面積（アクティブエリア）を、各単位電池１相互でほぼ一定としている。これにより、複数の単位電池１相互間でセパレータ１５，１７の面積を変化させたとしても、複数の単位電池１毎に、発電性能が均一化し、スタックとしての発電性能を所望に確保することができる。一方、上記発電領域を複数の単位電池毎に変化させた場合には、単位電池毎に発電性能が異なってしまい、スタックとしての発電性能を著しく阻害することになる。
【００３５】
図４は、スタック積層方向の両端部Ａならびに中央部Ｂのセパレータ１５，１７の外形（面積）と、活性部Ｃの外形（面積）との関係の一例を示している。活性部Ｃの面積は、セパレータ１５，１７の面積が最も小さくなる中央部Ｂの面積より小さく、各単位電池１相互間でほぼ一定である。
【００３６】
図５は、本実施形態に係わるスタック積層方向位置と、その位置における単位電池１相互間の締付面圧力（面全体の平均値）との関係の一例を示す。ここで、実線は、本実施形態における面圧力を示し、二点鎖線は、図６に示すセパレータの外形（面積）を積層方向両端部から中央部まで一定とした比較例の面圧力を示す。
【００３７】
比較例は、スタックの端部と、同中央部のセパレータの面積は同一なため、スタックを側面から見ると、図６に示すように長方形に見える。このようなスタックにあっては図５の二点鎖線に一例を示すように、スタック端部と比較してスタック中央部の面圧力が低くなる傾向を示すことがわかっている。その原因として、スタック内の各部品の歪、摩擦などによる単位電池相互間荷重の減衰などが考えられる。
【００３８】
そして、比較例でのスタック中央部での面圧力の最小値は、必要面圧Ｐｒを下回るほど小さくなっている。
【００３９】
このようにスタック端部と中央部とで面圧力に大きな差が生じる場合、スタック中央部の面圧力が単位電池１間の電気的接触抵抗を所望の値以下に抑える、あるいはシール部の面圧力を所望の値以上に保つのに不充分となる場合が生じる。その際、スタック端部からの締結荷重を増して、全体的にスタックの面圧力を増す方策も考えられるが、過大な面圧力はガス拡散層の過大な潰れを招き、スタック発電性能を低下させることにもつながりかねないため、安易に積層のための締結荷重を増すことはできない。
【００４０】
一方、本実施形態では、締結荷重を増すことなく、セパレータ１５，１７の面積を、スタック両端部より中央部で小さくすることで、図５に示すように、設計面圧Ｐｄを比較例と同等とした場合に、最小値が必要面圧Ｐｒより大きくなり、比較例よりも、各単位電池１相互間の面圧力をより均一にすることができる。これにより、電気的接触抵抗の低減および、シール性向上を達成することができる。
【００４１】
ここで、スタックに対する締結荷重、単位電池１に付与される締付面圧力、セパレータ面積の間には、一般的に［締付面圧力＝締結荷重／セパレータ面積］という関係が大まかに成り立つ。したがって、セパレータ１５，１７の面積を中央部Ｂで減少させることによって、中央部Ｂでの締付面圧力減少を防ぎ、全体として均一化した面圧力を得ることができる。
【００４２】
また、上記したようにセパレータ１５，１７の面積を連続的に変化させることにより、後述する段階的に変化させる場合と比較して、単純な構成となるので、製造コストを低く抑えることができる。
【００４３】
図７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側面図である。この実施形態は、前記した第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック１の積層方向に、スタックの両端部Ａから同中央部Ｂに向かって、セパレータ１５，１７の面積が小さくなるよう変化させる構成となっているが、スタック構成によっては積層方向に連続的に面圧力が変化するとは限らないので、スタック両端部Ａから同中央部Ｂに向かって、セパレータ１５，１７の面積が段階的に小さくなるよう変化させている。
【００４４】
すなわち、ここではスタック両端部Ａを含む端部側の各領域Ｐでのセパレータ１５，１７の面積を各単位電池１相互間で一定とし、この各領域Ｐに対し、各領域Ｐ相互間の領域Ｑにおけるセパレータ１５，１７の面積を段階的に小さくしている。そして、上記中央部の領域Ｑにおいては、領域Ｐに最も近い部分から中央部Ｂに向かうに従って、セパレータ１５，１７の面積が連続的に小さくなるよう変化させている。
【００４５】
このような構成とすることで、積層方向の面圧力の減少に応じてセパレータ１５，１７の面積を調整できるので、積層方向面圧力の分布をより一層小さく抑える、あるいは必要な領域のみ積層方向の面圧力を改善することができ、電気的接触抵抗に起因するスタック性能ならびに、シール性能の低下を最小限に抑えることができる。
【００４６】
図８は、本実施形態に係わるスタック積層方向位置と、その位置における単位電池１相互間の面圧力（面全体の平均値）の一例を示す。ここで、実線は、本実施形態における面圧力を示し、二点鎖線は、前記図６に示すセパレータの外形（面積）を積層方向両端部から中央部まで一定とした比較例の面圧力を示す。これによれば、本実施形態においても、設計面圧Ｐｄを比較例と同等とした場合に、最小値が必要面圧Ｐｒより大きくなり、比較例よりも、各単位電池１相互間の面圧力を均一にすることができる。
【００４７】
なお、上記図７の実施形態においては、セパレータ１５，１７の面積の変化を、領域Ｐと領域Ｑの２段階としているが、３段階以上としてもよい。
【００４８】
さらに、この複数段階においてそれぞれに独立して、セパレータ１５，１７の面積が連続的に小さくなるよう変化させてもよい。すなわち、各段階におけるセパレータ１５，１７の面積を、単位電池１の積層方向に沿って、［各単位電池１におけるセパレータの面積＝スタック端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）］（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定する。
【００４９】
なお、上記した各実施形態における図５，図８でのスタック積層方向の面圧力の平均値は、あくまでも一例を示すものであり、必ずしも図３，図７の側面図の積層方向位置と一致するとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による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正面図である。
【図４】第１の実施形態におけるスタック積層方向の両端部ならびに中央部のセパレータの外形（面積）と、活性部の外形（面積）との関係を示す説明図である。
【図５】第１の実施形態および比較例に係わる単位電池の積層方向位置と、その位置における面圧力との相関図である。
【図６】比較例による燃料電池スタックの正面図である。
【図７】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。
【図８】第２の実施形態および比較例に係わる単位電池の積層方向位置と、その位置における面圧力との相関図である。
【符号の説明】
１  単位電池
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
【図１】
2004319360.tif 000003
【図２】
2004319360.tif 000004
【図３】
2004319360.tif 000005
【図４】
2004319360.tif 000006
【図５】
2004319360.tif 000007
【図６】
2004319360.tif 000008
【図７】
2004319360.tif 000009
【図８】
2004319360.tif 000010