(57)【要約】【課題】  運転中における燃料電池の各スタック構成部品の熱膨張に起因する面圧分布の不均一を防止する。【解決手段】  燃料電池スタックをテンションロッド５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによって締結固定する。テンションロッド５ａを、温度が低い冷却水入口５９近傍に配置して位置決め孔３ａに挿入し位置決め固定する。テンションロッド５ｂは、冷却水入口５９に比べて温度が高い冷却水出口６１近傍に配置して長孔３ｂに挿入する。長孔３ｂは、テンションロッド５ａ，５ｂ相互を結ぶ直線方向に長く形成し、これによりこの直線方向のスタック構成部品の熱膨張を許容するとともに、テンションロッド５ａを中心としたスタック構成部品相互の回転変位を阻止する。【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積層体の両側に固定部材を配置し、これら固定部材および積層体からなるスタック構成部品に対し複数のロッドを貫通させて締結固定する燃料電池スタックにおいて、前記複数のロッドのうち１本は、前記積層体内に供給する冷却水の入口近傍に位置しかつ前記スタック構成部品に設けた第１貫通孔の内面に密着して位置決めを行う第１ロッドとし、他の少なくとも１本のロッドは、前記第１ロッドを中心とした前記スタック構成部品相互間の回転変位を阻止するとともに、前記スタック構成部品の熱膨張を許容する第２貫通孔に挿入される第２ロッドとする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、前記第２ロッドが挿入される第２貫通孔は、前記第１ロッドと第２ロッドのとを結ぶ直線方向に長い長孔で構成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、前記長孔は、前記第１ロッドの中心と第２ロッドの中心とを結ぶ直線方向と平行な直線部分を第２ロッドの両側に備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２ロッドは、運転中の温度が高くなる傾向にある冷却水出口近傍あるいは酸化剤ガス入口近傍に位置していることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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構成した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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、単位電池を所定数だけ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する燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒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側へと移動する。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。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が供給されているために、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。
【０００５】
ところで、燃料電池スタックとして構成する際に、その両端にエンドプレートと呼ばれる固定部材を配置し、エンドプレート間を複数のテンションロッドを貫通させて締結する構造を有するものが、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−５６８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところがこの場合、燃料電池スタックの運転中の温度上昇による、エンドプレートやセパレータなどのスタック構成部品の熱膨張によって、テンションロッドにはその径方向の応力が発生し、燃料電池スタックにかかる面圧分布が不均一となる問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、運転中における燃料電池の各スタック構成部品の熱膨張に起因する面圧分布の不均一を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、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積層体の両側に固定部材を配置し、これら固定部材および積層体からなるスタック構成部品に対し複数のロッドを貫通させて締結固定する燃料電池スタックにおいて、前記複数のロッドのうち１本は、前記積層体内に供給する冷却水の入口近傍に位置しかつ前記スタック構成部品に設けた第１貫通孔の内面に密着して位置決めを行う第１ロッドとし、他の少なくとも１本のロッドは、前記第１ロッドを中心とした前記スタック構成部品相互間の回転変位を阻止するとともに、前記スタック構成部品の熱膨張を許容する第２貫通孔に挿入される第２ロッドとすることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池スタックの運転中の温度が低くなる傾向のある冷却水入口近傍に、積層体に設けた第１貫通孔の内面に密着して位置決めを行う第１ロッドを配置し、他の少なくとも１本のロッドは、第１ロッドを中心としたスタック構成部品相互の回転変位を阻止するとともに、スタック構成部品の熱膨張を許容する第２貫通孔に挿入される第２ロッドとしたので、スタック構成部品の熱膨張により発生するロッドの径方向の応力を緩和することができ、燃料電池スタックにかかる面圧分布を均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
まず、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。本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。
【００１２】
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。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。
【００１３】
図２は単位電池１の構造を示す分解斜視図である。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、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、固定部材としてのエンドプレート３７，３９をそれぞれ配置する。これら集電板２９，３１、絶縁板３３，３５、エンドプレート３７，３９および積層体３は、スタック構成部品に相当する。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、スタック構成部品を締め付ける。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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を設けてあり、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。
【００２４】
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、すべての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同士を締め付けるテンションロッドを設けてもよい。
【００２５】
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、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を設置して、エンドプレート３７，３９間をテンションロッドで締め付ける構造であってもよい。
【００２６】
また、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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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孔１５ａ，１９ａ，７ａ，２１ａ，１７ａをそれぞれ形成してある。
【００２９】
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孔を設けてある。
【００３０】
図１に示す燃料電池スタックにおいて、発電運転時には８０℃から９０℃程度まで温度が上昇し、このとき積層体３の積層方向に対向する面での温度分布は、図１のエンドプレート３７側から見た概略図である図４に示すような傾向がある。すなわち、冷却水入口５９近傍の温度が低く、冷却水出口６１近傍の温度が高くなっている。また、酸化剤ガス入口５５近傍（燃料ガス出口５３近傍）の温度も高くなっている。
【００３１】
図５は、上記図４の温度分布を考慮したテンションロッド構成の第１の実施形態を示す、前記図４に対応する図である。発電運転時の温度が低く熱膨張が小さい傾向にある冷却水入口５９近傍に位置する第１ロッドとしてのテンションロッド５ａを、燃料電池スタック全体を貫通する第１貫通孔としての位置決め孔３ａに挿入する。
【００３２】
位置決め孔３ａはテンションロッド５ａの円形の断面形状と同様の円形であり、位置決め孔３ａに対し、その内面に密着した状態でテンションロッド５ａを挿入して位置決めを行う。
【００３３】
逆に温度が高くなる傾向にある冷却水出口６１近傍に位置するテンションロッド５ｂを、燃料電池スタック全体を貫通する第２貫通孔としての長孔３ｂに挿入する。長孔３ｂは、テンションロッド５ａ，５ｂ相互を結ぶ直線方向もしくはこの直線方向にほぼ近い方向に向けて長く形成している。
【００３４】
そして、長孔３ｂ内における上記直線方向と交差する方向の側面３ｂ１は、テンションロッド５ｂの外周面に接触した状態となる。これにより、長孔３ｂに挿入されるテンションロッド５ｂは、テンションロッド５ａを中心としたスタック構成部品相互の回転を阻止するとともに、スタック構成部品の熱膨張を許容する第２ロッドとして機能する。
【００３５】
他のテンションロッド５ｃ，５ｄ、つまり燃料ガス入口５１近傍（酸化剤ガス出口５７近傍）のテンションロッド５ｃ，酸化剤ガス入口５５近傍（燃料ガス出口５３近傍）のテンションロッド５ｄは、燃料電池スタック全体を貫通する大径孔３ｃ，３ｄにそれぞれ挿入する。
【００３６】
各大径孔３ｃ，３ｄは、テンションロッド５ａの円形の断面形状と同様の円形断面であり、かつ内径をテンションロッド５ｃ，５ｄの外径より大きく形成している。これにより、テンションロッド５ｃ，５ｄは、スタック構成部品に対して位置決めを実施しない構成とする。
【００３７】
ここで、テンションロッドの数は４本であるが、この本数に限定する必要はない。また、長孔に挿入される第２ロッドとして機能するテンションロッドを、２本以上設けてもよい。さらに、テンションロッドの断面形状は円形である必要はない。
【００３８】
このような燃料電池スタックの運転による温度上昇時には、エンドプレート３７，３９などのスタック構成部品が熱膨張する。
【００３９】
ここで、前述したように、温度が高い部位である冷却水出口６１近傍のテンションロッド５ｂを、長孔３ｂに挿入し、かつ長孔３ｂの長手方向を、位置決め用のテンションロッド５ａとを結ぶ直線方向、あるいはこの直線方向に近い方向としている。
【００４０】
このためスタック構成部品は、冷却水入口５９に比べて温度の高い冷却水出口６１近傍において、テンションロッド５ａを中心として長孔３ｂに沿って膨張し、テンションロッド５ｂの径方向に発生する応力を緩和することができる。また、冷却水入口５９に比べて温度の高い位置にあるテンションロッド５ｃ，５ｄについては大径孔３ｃ，３ｄに挿入しているので、ここでのスタック構成部品の熱膨張の際にも、テンションロッド５ｃ，５ｄの径方向に発生する応力を緩和することができる。
【００４１】
また、テンションロッド５ｂは長孔３ｂ内の側面３ｂ１に接触しているので、テンションロッド５ａを中心としたスタック構成部品相互間の回転変位を阻止することができる。
【００４２】
さらに、各テンションロッドの挿入作業は、テンションロッド５ａのみ外周面が密着する位置決め孔３ａに挿入すればよく、他のテンションロッド５ｂおよび５ｃ，５ｄについては、長孔３ｂおよび大径孔３ｃ，３ｄへ挿入すればよく、これらについてはロッドと孔との接触が低減することによって挿入作業が容易となり、スタッキング作業性が向上する。
【００４３】
図６は、前記図４に示した温度分布を考慮したテンションロッド構成の第２の実施形態を示す。この実施形態は、発電運転時の温度が高くなる傾向にある冷却水出口６１近傍のテンションロッド５ｂを挿入する第２貫通孔としての長孔３ｅを、テンションロッド５ａ，５ｂの中心相互を結ぶ破線で示す直線Ａ方向に向けて長く形成し、かつこの長孔３ｅは、上記した直線Ａ方向と平行な直線部分３ｅ１を、テンションロッド５ｂの両側に接触する状態で備えている。
【００４４】
また、同様にして発電時の温度が高くなる傾向にある酸化剤ガス入口５５近傍（燃料ガス出口５３近傍）のテンションロッド５ｄは長孔３ｆに挿入している。この長孔３ｆは、テンションロッド５ａ，５ｄの中心相互を結ぶ破線で示す直線Ｂ方向に向けて長く形成し、かつ上記した直線Ｂ方向と平行な直線部分３ｆ１を、テンションロッド５ｄの両側に接触する状態で備えている。したがって、ここでのテンションロッド５ｄは、テンションロッド５ｂとともに第２ロッドを構成しており、長孔３ｆは長孔３ｅとともに第２貫通孔を構成している。
【００４５】
第２の実施形態における上記した以外の部分は、図５に示した第１の実施形態と同様である。
【００４６】
このような構成とすることで、燃料電池スタックの運転によるスタック構成部品の熱膨張時には、スタック構成部品が、テンションロッド５ｂに対して長孔３ｅの直線部分３ｅ１によって直線Ａ方向に変位するとともに、テンションロッド５ｄに対して長孔３ｆの直線部分３ｆ１によって直線Ｂ方向に変位し、これにより熱膨脹方向をそれぞれの部分で一定とし、テンションロッド５ｂ，５ｄの径方向に発生する応力を緩和することが可能になるなど、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
本発明によれば、第２ロッドが挿入される第２貫通孔は、第１ロッドと第２ロッドとを結ぶ直線方向に長い長孔としたので、スタック構成部品の熱膨張方向をこの長孔に沿った方向とし、熱膨張により発生するロッドの径方向の応力を緩和することができ、燃料電池スタックにかかる面圧分布を均一化することができる。
【００４８】
前記長孔は、前記第１ロッドの中心と第２ロッドの中心とを結ぶ直線方向と平行な直線部分を第２ロッドの両側に備えているので、スタック構成部品が熱膨張する際に、直線部分にガイドされて熱膨張方向をより確実に長孔に沿ったものとすることができる。
【００４９】
前記第２ロッドは、運転中の温度が高くなる傾向にある冷却水出口近傍あるいは酸化剤ガス入口近傍に位置しているので、熱膨張により発生するロッドの径方向の応力を効果的に緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本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断面図である。
【図４】図１のエンドプレート側から見た燃料電池スタックの温度分布図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を示すテンションロッド構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示すテンションロッド構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  単位電池
３  単位電池の積層体（スタック構成部品）
３ａ  位置決め孔（第１貫通孔）
３ｂ，３ｅ，３ｆ  長孔（第２貫通孔）
３ｅ１，３ｆ１  直線部分
５ａ  テンションロッド（第１ロッド）
５ｂ  テンションロッド（第２ロッド）
５ｃ，５ｄ  テンションロッド
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（スタック構成部品）
２９，３１  集電板（スタック構成部品）
３３，３５  絶縁板（スタック構成部品）
３７，３９  エンドプレート（固定部材，スタック構成部品）
５５  酸化剤ガス入口
５９  冷却水入口
６１  冷却水出口
【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】
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