(57)【要約】【課題】燃料電池内での面圧分布を均一化し、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成する。【解決手段】電解質膜７の一方側にアノード側電極９を、同他方側にカソード側電極１１をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータ１５，１７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。セパレータ１５，１７と電解質膜７との間には、溝１５ｂ，１７ｂ内に収容したガスケット１９，２１を介装する。各溝１５ｂ，１７ｂの深さは、燃料電池スタックの積層方向中央部分（ａ）で深く、端部（ｂ）で浅くする。【選択図】      図５
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【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、前記単位電池の前記セパレータ相互間に介装するシール材の変位量を、前記単位電池の積層方向に沿って変化させることで、前記アノード側電極およびカソード側電極の変位量を、単位電池相互間で均等に保持することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータに前記シール材を配置するための溝を形成しこの溝の深さを、前記単位電池の積層方向に沿って変化させ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】
前記セパレータに形成した溝の中心部に、二段目の溝を形成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】
前記シール材の自然状態での厚さを、前記単位電池の積層方向に沿って変化させ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５】
前記アノード側電極およびカソード側電極の厚さを、前記単位電池の積層方向に沿って変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セパレータに形成する溝の深さは、前記単位電池の積層方向中央部から両端部に近づくに従って浅くなる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７】
前記シール材の自然状態での厚さは、前記単位電池の積層方向中央部から両端部に近づくに従って厚くな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８】
前記アノード側電極およびカソード側電極の厚さは、前記単位電池の積層方向中央部から両端部に近づくに従って薄くなることとを特徴とする請求項５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。
【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め付け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、触媒を備えた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、所望の締め付け力が均一に付与されない場合、燃料電池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。また、接触抵抗が不均一となる恐れもあるため、燃料電池スタックに対する締め付け荷重が、燃料電池スタックの電極部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】
このため、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】
また、例えば、特許文献２，特許文献３，特許文献４には、シール性の向上を目的としたシールの形状およびシール構造が開示されている。
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−１８２６３９号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２００２−２５５８７号公報
【００１２】
【特許文献４】
特開２０００−１３３２８８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの構造では、単位電池の積層数が多くなるに従って、積層方向中央部分の面圧が低くなる可能性があり、接触抵抗が不均一となる恐れがある。
【００１４】
また、特許文献２〜４に開示されているシールの形状およびシール構造では、単位電池の積層方向や各単位電池内の面圧分布の不均一性によって、電極の潰れる量が不均一となり、接触抵抗の不均一性を生じる恐れがある。
【００１５】
そこで、この発明は、燃料電池スタック内での面圧分布を均一化し、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成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、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、前記単位電池の前記セパレータ相互間に介装するシール材の変位量を、前記単位電池の積層方向に沿って変化させることで、前記アノード側電極およびカソード側電極の変位量を、単位電池相互間で均等に保持する構成としてある。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、単位電池におけるセパレータ相互間に介装するシール材の変位量を、単位電池の積層方向に沿って変化させることで、アノード側電極およびカソード側電極の変位量を、単位電池相互間で均等に保持するようにしたため、燃料電池スタック内での面圧分布が均一化し、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
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１〜３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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、シール材としてのガスケット１９および２１を介してそれぞれ配置する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
上記したセパレータ１５のアノード側電極９側には燃料ガス流路２４（図４参照）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２４と反対側に冷却媒体流路２７を形成する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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２４、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２４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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
図４は、燃料電池スタックにおける複数の単位電池１のうちの一部を示す断面図であり、この断面部分は、前記図１に示した酸化剤ガス入口５５に通じる酸化剤ガス流路６３に対応している。
【００４０】
セパレータ１７のガスケット２１に対応する部位には、ガスケット２１を配置するための溝１７ｂを、セパレータ１５のガスケット１９に対応する部位には、ガスケット１９を配置するための溝１５ｂを、それぞれ形成してある。さらに、前記図２では図示していないが、上記したセパレータ１５の溝１５ｂと反対側の面に、溝１５ｃを形成し、この溝１５ｃに、隣接する単位電池１のセパレータ１７との間をシールするガスケット６５を配置する。
【００４１】
ここで、燃料電池スタックを締結する際に、各単位電池１にかかる面圧力は、主にガスケット１９，２１および、アノード側，カソード側各電極９，１１の変位によって支持される構造となっている。アノード側，カソード側各電極９，１１の変位は、接触抵抗およびガス拡散性を適正に確保するため、各単位電池１相互間で均等に保持することが重要である。また、ガスケット１９，２１の変位量は、シール性確保のため、一定量以上に保持することが重要である。
【００４２】
このような点を考慮した本発明の第１の実施形態を、単位電池１の断面図として図５に示す。図５（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図５（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００４３】
この第１の実施形態は、セパレータ１５，１７の溝１５ｂ，１７ｂの深さを、単位電池１の積層方向に沿って変化させている。具体的には、図５（ａ）で示す積層方向中央部分の単位電池１では、溝１５ｂ，１７ｂの深さが深く、図５（ｂ）で示す積層方向端部付近の単位電池１では、溝１５ｂ，１７ｂの深さが浅くなっている。そして、この溝１５ｂ，１７ｂは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って浅くする。
【００４４】
ここで、単位電池１における面圧分布が低下する傾向にある燃料電池スタックの積層方向中央部分において、シール性を充分確保でき、かつ接触抵抗が良好となるアノード側，カソード側各電極９，１１の潰れ量（変位量）となる面圧分布が付与されるようなガスケット１９，２１の潰れ量（変位量）に設定する。
【００４５】
一方、積層方向において面圧が最大となる傾向がある燃料電池スタックの端部付近では、図５（ｂ）に示すように、溝１５ｂ，１７ｂを、図５（ａ）に示す中央部分の溝１５ｂ，１７ｂより浅くし、ガスケット１９，２１の潰れる量を大きくする。これにより、図５（ｂ）に示す積層方向端部付近の単位電池１において、ガスケット１９，２１にかかる面圧の分配を大きくし、ここでのアノード側，カソード側各電極９，１１に分配される面圧を小さくして適切なものとする。この結果、アノード側，カソード側各電極９，１１にかかる面圧が、中央部および端部に拘わらず単位電池１相互間で均等化し、燃料電池スタック内での各単位電池１の面圧分布を均等に保持でき、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００４６】
図６は、横軸が単位電池１の積層方向位置を示し、（ａ）は、燃料電池スタックの両側からの締付面圧力Ｐ０の変化を示し、この締付面圧力Ｐ０は、燃料電池スタック中央部Ｏにて最小で、両端にいくほど大きくなっている。（ｂ）は、上記締付面圧力Ｐ０に対応するアノード側，カソード側各電極９，１１での締付面圧力Ｐ１を、実線で示す本実施形態のものと、破線で示す溝深さが同一の比較例のものとを、それぞれ示す。（ｃ）は、上記締付面圧力Ｐ０に対応するガスケット１９，２１での締付面圧力Ｐ２を、実線で示す本実施形態のものと、破線で示す溝深さが同一の比較例のものとを、それぞれ示す。
【００４７】
これによれば、図６（ｃ）のガスケット１９，２１での面圧力Ｐ２については、本実施形態では、破線で示す比較例に対し、両端部分がガスケット１９，２１の潰れ量を大きくしていることから大きくなっており、これによって図６（ｂ）の各電極９，１１での面圧力Ｐ１について、本実施形態では、破線で示す比較例に対し、中央部分が大きくなる一方、両端部分は小さくなり、全体として均等化していることがわかる。
【００４８】
すなわち、本実施形態によれば、セパレータ１５，１７相互間に介装するガスケット１９，２１の変位量を、単位電池１の積層方向に沿って変化させることで、アノード側電極９およびカソード側電極１１の変位量を、単位電池１相互間で均等に保持するようにしたため、燃料電池スタック内での面圧分布を均一化し、接触抵抗およびガス拡散性の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００４９】
図７（ａ）は、溝深さを変化させない比較例による燃料電池スタックの正面図で、同図（ｂ）はスタック中央部分Ｂの断面図、同図（ｃ）はスタック端部Ｃの断面図である。この場合、ガスケット１０１，１０３を配置する溝１０５，１０７の深さが、（ｂ）で示す中央部分と（ｃ）で示す端部とで同等としてあり、この場合には、アノード側，カソード側各電極１０９，１１１の変位が不均一（端部Ｃの方が中央部分Ｂより多く潰れている）となっている。
【００５０】
図８は、この発明の第２の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図８（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図８（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００５１】
この実施形態は、溝１５ｂ，１７ｂの中心部に、二段目の溝１５ｄ，１７ｃをそれぞれ形成した点が、第１の実施形態と異なる。この二段目の溝１５ｄ，１７ｃを含む溝１５ｂ，１７ｂの深さを、図８（ａ）で示す中央部分で深く、図８（ｂ）で示す端部で浅くしている。そして、この二段目の溝１５ｄ，１７ｃを含む溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って浅くする。
【００５２】
この場合、溝１５ｂ，１７ｂのみの深さを変化させても、二段目の溝１５ｄ，１７ｃのみを変化させても、また双方を変化させても構わない。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
この実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を有するほか、二段目の溝１５ｄ，１７ｃを設けることで、ガスケット１９，２１の位置合わせが容易となる。
【００５４】
なお、二段目の溝１５ｄ，１７ｃは、一本である必要はなく、複数本形成してガスケット１９，２１の潰れる量を変化させてもよい。
【００５５】
図９は、この発明の第３の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図９（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図９（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００５６】
この実施形態は、ガスケット１９，２１の自然状態での厚さ（図９中で左右方向の厚さ）を、燃料電池スタックの積層方向に沿って変化させている点が第１の実施形態と異なる。
【００５７】
そして、このガスケット１９，２１の自然状態での厚さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って厚くする。また、溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向に沿って変化させても、同一でもよく、この場合ガスケット１９，２１の潰れ量が、図９（ａ）に示す中央部より図９（ｂ）に示す端部で多くなればよい。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５８】
この実施形態では、単位電池１の積層方向端部付近において、第１の実施形態での溝１５ｂ，１７ｂの深さを浅くする代わりに、ガスケット１９，２１の厚さを厚くすることで、ガスケット１９，２１の潰れ量を積層方向中央部分より大きくしている。これにより、前記図６と同様の面圧分布を示し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
なお、溝１５ｂ，１７ｂの幅（図９中で上下方向の幅）は、ガスケット１９，２１の厚に応じて、すなわちガスケット１９，２１の潰れ量に応じて変化させてもよい。
【００６０】
図１０は、この発明の第４の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図１０（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図１０（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。なお、この図１０では、燃料電池スタックを締結していない状態を示している。
【００６１】
この実施形態は、アノード側，カソード側各電極９，１１の厚さを、単位電池１の積層方向に沿って変化させている点が第１の実施形態と異なる。そして、このアノード側，カソード側各電極９，１１の厚さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って薄くする。また、溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向に沿って変化させておらず、同一としてある。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００６２】
この実施形態では、図１０（ｂ）に示す単位電池１の積層方向端部付近において、第１の実施形態での溝１５ｂ，１７ｂの深さを浅くする代わりに、アノード側，カソード側各電極９，１１の厚さを薄くすることで、ガスケット１９，２１の潰れ量を積層方向中央部分より大きくしている。これにより、前記図６と同様の面圧分布を示し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【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における積層した単位電池の一部を示す断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態を示す単位電池の断面図であり、（ａ）は積層方向中央部分を、（ｂ）は積層方向端部付近をそれぞれ示す。
【図６】（ａ）は、単位電池の積層方向位置に対する燃料電池スタックの両側からの締付面圧力の変化特性図、（ｂ）は、（ａ）の締付面圧力に対応するアノード側，カソード側各電極での面圧力を、本発明および比較例について示す面圧力特性図、（ｃ）は、（ａ）の締付面圧力に対応するガスケットでの面圧力を、本発明および比較例について示す面圧力特性図である。
【図７】（ａ）は比較例による燃料電池スタックの正面図、（ｂ）は（ａ）のスタック中央部分の断面図、（ｃ）は（ａ）のスタック端部の断面図である。
【図８】この発明の第２の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【図９】この発明の第３の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【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
１５ｂ，１７ｂ  ガスケットを配置するための溝
１５ｄ，１７ｃ  二段目の溝
１９，２１  ガスケット（シール材）
【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】
2004311056.tif 000008
【図７】
2004311056.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004311056.tif 000011
【図１０】
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