(57)【要約】【課題】  優れた出力特性を有し、しかも小型化が可能な燃料電池スタックを提供することにある。【解決手段】  複数の燃料電池セル１が積層された上下両側に所定量のたわみが付与された端板２を当て、端板２を対向する辺に配置された一対のばね性の平板治具８で負荷して端板２を平坦にすることにより、各燃料電池セル１は均等な面圧が加えられた状態で挟持される。ばね性の平板治具８は、端板２の長さｂと略等しい幅ｗを有し、波付けを施すことが、均等な面圧付加の観点から好ましい。また、各孔４、５、６、７の存在による剛性の低下分を補償する部材である厚肉部９を設けると、端板２の曲げ剛性を均一にすることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板バネ機能を有し、所定量の負荷が加わった状態で平坦となって均一な面圧分布を付与する端板によって燃料電池セルの積層体が挟持されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記端板には、予め塑性変形によるたわみが与えられている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記端板には、
δ＝｛（Ｘ／ａ）−２（Ｘ3／ａ3）＋（Ｘ4／ａ4）｝×ｑａ4／２Ｅｔ3
（δは締付け前の端板曲面たわみ量、ａは端板の幅、Ｘは幅方向位置、ｑは均等面圧、ｔは端板の厚さ、Ｅは端板の縦弾性係数）
で表わされる量のたわみが与えられている請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記端板には孔が形成されており、該孔の存在による剛性低下を補償する部材が該端板に設けられている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記部材は前記孔の周囲に形成された厚肉部である請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記端板は、対向する辺に配置された一対のばね性平板治具によって前記積層体に均一な面圧を付与している請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記ばね性平板治具には波付けが施されている請求項６記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記燃料電池セルは、高分子電解質型燃料電池セルである請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記燃料電池セルは、ダイレクトメタノール型燃料電池セルである請求項１記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）やダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のように固体高分子を電解質膜とした固体高分子型燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池スタックは、図３（ａ）の側面図および図３（ｂ）の平面図に示すように、固体電解質膜およびセパレータ等からなる燃料電池セル１の積層体を両側から端板２で挟み、端板２の四隅をボルト３で締付けた構造である（例えば、特許文献１）。なお、図において、４は燃料ガス流入孔、５は空気流入孔、６は燃料ガス排出孔、７は空気及び水の排出孔である。
【０００３】
かかる燃料電池スタックにおいて、反応には、ＰＥＦＣの場合は燃料ガス（水素）と空気（または酸素）が用いられ、また、ＤＭＦＣの場合はメタノールと空気が用いられるので、このようなガスまたは液体のシールのため、燃料電池セルを構成するＭＥＡ（電解質膜−電極構造体）／拡散層／セパレータ間に均等に面圧を付与することが重要であり、通常５〜１０ｋｇ／ｃｍ2というかなり大きな面圧が付与されている。
【０００４】
この面圧の付与は、燃料電池スタックの特性と直接関係する。図４には、面圧と拡散層／セパレータ／拡散層の電気抵抗値（接触抵抗値）の関係が示されており、電気抵抗値の面圧への依存性は顕著であり、面圧が大きい方が電気抵抗値は小さくなる。電気抵抗値の測定は、図５に示すように、Ｃｕ電極の間に拡散層／セパレータ／拡散層を挟み、これを加圧して行った。なお、図４の面圧は、セパレータリブ面の面圧であり、平均面圧という意味では実際にはこの約１／２に対応する。一方、ＭＥＡの耐圧の点では、平均面圧で１０ｋｇ／ｃｍ2程度である。したがって、燃料電池の特性と寿命の点から、５〜１０ｋｇ／ｃｍ2の範囲で一定値にコントロールすることが必要である。
【特許文献１】特開平１０−１６２８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような構成であると、薄い平坦な端板を用いたのでは、端板に負荷を加えたとき容易に撓んでしまい、周辺部の面圧は高く、中央部は低くなり、肝心の中央部の電気抵抗が増大し、燃料電池の特性は低下してしまうことになる。厚い端板を用いると、全体として嵩張った燃料電池スタックとなってしまう。近年、金属セパレータを用いることにより燃料電池スタックをコンパクト化することが検討されており、端板の厚さを低減する必要性に迫られている。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、優れた出力特性を有し、しかも小型化が可能な燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、板バネ機能を有し、所定量の負荷が加わった状態で平坦となって均一な面圧分布を付与する端板で燃料電池セルを挟持した燃料電池スタックを提供する。
【０００８】
本発明において、端板は、板バネ機能を有するもので、均一な面圧分布を呈するように負荷した際に発生するたわみ量と同量の逆方向のたわみ量を端板に予め塑性変形により与えておき、燃料電池セルを挟持した端板に所定量の負荷を加えることで、使用状態では、弾性変形の範囲内で均一な面圧を付与することが可能となる。
【０００９】
図１（ａ）は、塑性変形によりたわみを付与した状態の端板を示し、図１（ｂ）は、端板の両端に負荷Ｒ１、Ｒ２を加えて平坦形状とした状態の端板を示している。端板に予め与えるたわみ量は、変形が二次元の場合、所定圧を負荷した弾性たわみの計算により次の式でもって与えられる。
δ＝｛（Ｘ／ａ）−２（Ｘ3／ａ3）＋（Ｘ4／ａ4）｝×ｑａ4／２Ｅｔ3
・・・ （１）
ここに、δは締付け前の端板曲面たわみ量、ａは端板の幅、Ｘは幅方向位置、ｑは均等面圧、ｔは端板の厚さ、Ｅは端板の縦弾性係数である。
最大のたわみ量δ（ｍａｘ）は次式で与えられる。
δ（ｍａｘ）＝５ｑａ4／３２Ｅｔ3  ・・・ （２）
また、端板のたわみ変形により発生する応力は、最大たわみ部、表面で最大となり、その応力σ（ｍａｘ）は次式で与えられる。
σ（ｍａｘ）＝ｑａ2／４ｔ2  ・・・ （３）
この応力値が、端板の耐力値を超えない範囲で使用する必要がある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池スタックは、板バネ機能を有し、所定量の負荷が加わった状態で平坦となって均一な面圧分布を付与する端板によって燃料電池セルの積層体を挟持するものであり、小スペースの端板を使用することで小型の燃料電池セルを実現できる。しかも、燃料電池セルには所定量の均一な面圧付与することができるので、優れた出力特性を有する燃料電池スタックを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２は、本発明の燃料電池スタックの一実施の形態の斜視説明図であり、１は燃料電池セル、２は端板、４は燃料ガス流入孔、５は空気流入孔、６は燃料ガス排出孔、７は空気及び水の排出孔、８はばね性の平板治具、９は厚肉部である。複数の燃料電池セル１が積層された上下両側に図１（ａ）に示したように所定量のたわみが付与された端板２を当て、端板２を対向する辺に配置された一対のばね性の平板治具８で負荷して端板２を平坦にすることにより、各燃料電池セル１は均等な面圧が加えられた状態で挟持される。ばね性の平板治具８は、端板２の長さｂと略等しい幅ｗを有し、波付けを施すことが、均等な面圧付加の観点から好ましい。また、各孔４、５、６、７の存在による剛性の低下分を補償する部材である厚肉部９を設けると、端板２の曲げ剛性を均一にすることができる。端板２の材質としてはばね性を有するものであれば特に限定されないが、チタン、ＳＵＳ、鉄、アルミニウム合金等をあげることができる。
【００１２】
（実施例１）
図２に示す構成の小型のＰＥＦＣスタックを試作した。面積３０ｍｍ2の角型セパレータ（ＭＥＡ面積２０ｍｍ2）を３０層積層し、これを端板で挟持した。端板は、厚さ１．２ｍｍのチタン板であり、予めδ（ｍａｘ）＝０．７５ｍｍのたわみ変形を与えたものを使用した。面圧として１０ｋｇ／ｃｍ2、トータル９０ｋｇの負荷が加わる条件でスタックを組上げた結果、端板は、±０．０５ｍｍのバラツキ公差の平坦度に入った。
【００１３】
このＰＥＦＣスタックの電池特性は、メタノールを使用したＤＭＦＣ作動では、ＯＣＶで１６．５Ｖ、最大出力で１．５Ｗを示した。水素ガスを使用したＰＥＦＣ作動では、ＯＣＶで１７Ｖ、最大出力で３６Ｗを示した。
【００１４】
（実施例２）
図２に示す構成のポータブル中型のＰＥＦＣスタックを試作した。面積１４０ｍｍ2の角型セパレータ（ＭＥＡ面積１２５ｍｍ2）を５０層積層し、これを端板で挟持した。端板は、厚さ５．４ｍｍのＳＵＳ板であり、予めδ（ｍａｘ）＝１．８ｍｍのたわみ変形を与えたものを使用した。面圧として１０ｋｇ／ｃｍ2、トータル２０００ｋｇの負荷が加わる条件でスタックを組上げた結果、端板は、±０．２ｍｍのバラツキ公差の平坦度に入った。
【００１５】
このＰＥＦＣスタックの電池特性は、メタノールを使用したＤＭＦＣ作動では、ＯＣＶで２７．５Ｖ、最大出力で７５Ｗを示した。水素ガスを使用したＰＥＦＣ作動では、ＯＣＶで４５Ｖ、最大出力で１．８ｋＷを示した。
【００１６】
上記実施例では、ＤＭＦＣおよびＰＥＦＣへの適用例について説明したが、本発明は、車載用燃料電池や定置型分散電源用燃料電池へも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明において使用される端板の一実施の形態の説明図であり、図１（ａ）は、たわみを与えた状態の説明図、図１（ｂ）は、負荷を加えて均一な面圧分布を付与した状態の説明図。
【図２】本発明の燃料電池スタックの一実施の形態の説明図。
【図３】燃料電池スタックの従来例の説明図であり、図３（ａ）は、側面説明図、図３（ｂ）は平面説明図。
【図４】燃料電池スタックの面圧と電気抵抗値の関係の説明図。
【図５】電気抵抗値の測定方法の説明図。
【符号の説明】
【００１８】
１：燃料電池セル
２：端板
３：ボルト
４：燃料ガス流入孔
５：空気流入孔
６：燃料ガス排出孔
７：空気及び水排出孔
８：ばね性の平板治具
９：厚肉部
【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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