(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記端板及び前記側板に設けられ、連結ピンを挿入するための端板側支持部及び側板側支持部と、
を備え、
前記端板側支持部と前記側板側支持部とは、前記連結ピンに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピンの軸方向に互いに離間して交互に配置されるとともに、
前記積層体に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、前記側板の積層方向両端に設けられる各側板側支持部の軸線間の距離は、各端板に設けられる各端板側支持部の軸線間の距離よりも短尺に設定され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記載の燃料電池スタックにおいて、前記端板側支持部及び前記側板側支持部は、前記連結ピンが挿入される孔部内壁面に、孔部中心側に膨出する湾曲面を有す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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。
【０００３】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図７に示すように、単セル１が数積層されたセル列２を備え、このセル列２の一方の端部に可動エンドプレート３が配設された状態で、シリンダ４内に収容されている。可動エンドプレート３は、シリンダ４に対して単セル１の積層方向に移動可能である。
【０００５】
セル列２の可動エンドプレート３と反対側の端部には、固定エンドプレート５が配設されるとともに、シリンダ４の前記可動エンドプレート３側の開口端は、スプリングリテーナ６を介して閉止されている。
【０００６】
可動エンドプレート３は、内側部３ａと外側部３ｂとに２分割され、前記内側部３ａとスプリングリテーナ６との間及び前記外側部３ｂと前記スプリングリテーナ６との間には、それぞれ個別のばね要素となる内側スプリング７ａ及び外側スプリング７ｂが介装されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、シリンダ４内にセル列２が収容されるとともに、このセル列２の一方の端部に、可動エンドプレート３と内側スプリング７ａ及び外側スプリング７ｂとが配設されている。このため、燃料電池スタックは、セル列２の積層方向(矢印Ｌ方向)に相当に長尺化し、前記燃料電池スタックの小型化が図られないという問題がある。特に、車載用燃料電池スタックとして使用する際には、狭小なスペースを有効に利用する必要があり、上記の従来技術では、良好に対応することができないおそれがある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、長期間にわたって積層体に所望の荷重を確実に付与することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。
【００１１】
ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板及び前記側板に設けられ、連結ピンを挿入するための端板側支持部及び側板側支持部とを備えるとともに、前記端板側支持部と前記側板側支持部とは、前記連結ピンに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピンの軸方向に互いに離間して交互に配置されている。
【００１２】
そして、積層体に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、側板の積層方向両端に設けられる各側板側支持部の軸線間の距離は、各端板に設けられる各端板側支持部の軸線間の距離よりも短尺に設定されている。
【００１３】
さらに、端板側支持部及び側板側支持部は、連結ピンが挿入される孔部内壁面に、孔部中心側に膨出する湾曲面を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、端板側支持部及び側板側支持部に連結ピンが挿入される際、前記端板側支持部と前記側板側支持部とが互いに離間しており、前記連結ピンに弾性曲げ変形が発生する。このため、積層体に積層方向の伸縮が発生した際、連結ピンの弾性により前記積層体の伸縮量を吸収することができる。従って、積層体にへたり等が惹起しても、連結ピンの弾性作用により前記積層体に対して安定した締め付け力を付与することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを長期間にわたって良好に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２（絶縁プレート１８を用いてもよい）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４により一体的に保持される。
【００１７】
図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。
【００１８】
単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００１９】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。
【００２１】
アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。
【００２２】
第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２３】
第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。
【００２４】
第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。
【００２５】
第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。
【００２６】
図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。
【００２７】
図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。
【００２８】
ケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。
【００２９】
側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６５を介して互いに固定され、ケーシング２４が構成される（図４参照）。
【００３０】
エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１支持部（端板側支持部）６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つの第１支持部（端板側支持部）６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１支持部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。
【００３１】
積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２支持部（側板側支持部）７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２支持部（側板側支持部）７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２支持部７０ａ、７０ｂには、孔７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２支持部７２ａ、７２ｂには、孔７３ａ、７３ｂが形成される。
【００３２】
図４に示すように、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１支持部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。
【００３３】
同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１支持部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。
【００３４】
図５に示すように、第１支持部６６ａ、６６ｂと第２支持部７２ａとは、連結ピン６４ｂに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピン６４ｂの軸方向（矢印Ｂ方向）に互いに距離Ｓだけ離間して交互に配置される。この距離Ｓは、連結ピン６４ｂの剛性、直径、積層体１４全体の弾性、必要締め付け荷重等に基づいて設定される。
【００３５】
積層体１４に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、側板６０ｂの積層方向（矢印Ａ方向）両端に設けられる各第２支持部７２ａ、７２ａの軸線間の距離Ｌ１は、各エンドプレート２０ａ、２０ｂに設けられる各第１支持部６６ａ、６６ｂの軸線間の距離Ｌ２よりも短尺に設定される（距離Ｌ１＜距離Ｌ２）。
【００３６】
図６に示すように、第１支持部６６ａ、６６ｂの孔６７ａ、６７ｂの内壁面には、孔中心側に膨出する湾曲面７４が設けられる。第２支持部７２ａの孔７３ａの内壁面には、孔中心側に膨出する湾曲面７６が設けられる。湾曲面７４、７６は、連結ピン６４ｂの弾性曲げ変形を良好に行わせるためのガイド面を構成しており、少なくとも曲げ方向の内壁面に設ければよい。
【００３７】
なお、第１支持部６６ａ、６６ｂと第２支持部７２ｂ、７２ｂとの関係、第１支持部６６ｃ、６６ｄと第２支持部７０ａ、７０ａとの関係、及び前記第１支持部６６ｃ、６６ｄと第２支持部７０ｂ、７０ｂとの関係は、上記の第１支持部６６ａ、６６ｂと第２支持部７２ａ、７２ａとの関係と同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３９】
先ず、燃料電池スタック１０を組み立てる際には、側板６０ａ〜６０ｄがアングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６５を介して互いに固定されるとともに、所定数の単位セル１２を積層した積層体１４が、前記側板６０ａ〜６０ｄ内に配置される。
【００４０】
次いで、積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される一方、前記積層体１４には、一旦、実装時の締め付け荷重よりも大きな荷重が積層方向に付与される。このため、積層体１４では、電解質膜・電極構造体３０、第１金属セパレータ３２及び第２金属セパレータ３４が積層方向に圧縮され、前記積層体１４全体は、積層方向に圧縮保持される。
【００４１】
この状態で、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの第１支持部６６ｃ、６６ｄとに、連結ピン６４ａが一体的に挿入される。同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの第１支持部６６ａ、６６ｂとに、連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。これにより、ケーシング２４が組み立てられる。
【００４２】
上記のように、ケーシング２４が組み立てられた後、積層体１４への荷重の付与が解除される。従って、積層体１４は、積層方向の圧縮力が解除されるため、それ自体の弾性によって積層方向外方に拡張される。
【００４３】
この場合、本実施形態では、図５に示すように、第１支持部６６ａ、６６ｂと第２支持部７２ａ、７２ａとは、互いに距離Ｓだけ離間して交互に配置されるとともに、積層体１４に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、各第２支持部７２ａ、７２ａの軸線間の距離Ｌ１は、各第１支持部６６ａ、６６ｂの軸線間の距離Ｌ２よりも短尺に設定されている。
【００４４】
このため、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、積層方向外方に押圧されて移動し、連結ピン６４ａ、６４ｂが弾性曲げ変形される。従って、連結ピン６４ａ、６４ｂは、ばね機能を有し、エンドプレート２０ａ、２０ｂを互いに積層方向内方に押圧する。
【００４５】
ここで、例えば、図６に示すように、第１支持部６６ａ、６６ｂの孔６７ａ、６７ｂの内壁面及び第２支持部７２ａの孔７３ａの内壁面には、湾曲面７４、７６が設けられている。これにより、連結ピン６４ｂの弾性曲げ変形が、良好且つ確実に遂行される。
【００４６】
次に、燃料電池スタック１０を運転する際には、先ず、図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００４７】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００４８】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４９】
次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。
【００５０】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。
【００５１】
この場合、上記の燃料電池スタック１０では、連結ピン６４ａ、６４ｂが弾性曲げ変形しており、ばね機能を有してエンドプレート２０ａ、２０ｂを互いに積層方向内方に押圧している（図５参照）。このため、積層体１４に伸縮が発生した際に、連結ピン６４ａ、６４ｂ自体の弾性により、前記積層体１４の伸縮量を吸収することができる。
【００５２】
従って、特に長期間の使用によって積層体１４にへたり等が惹起しても、連結ピン６４ａ、６４ｂの弾性作用下に、前記積層体１４に対して安定した締め付け力を確実に付与することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１０を長期間にわたって良好に使用することができるという効果が得られる。しかも、積層体１４の端部には、前記積層体１４の伸縮を吸収するための皿ばね等の弾性部材が不要になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの一部拡大平面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている燃料電池スタックの断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池スタック          １２…単位セル
１４…積層体                    １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート              ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材              ２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体      ３２、３４…金属セパレータ
４２…固体高分子電解質膜        ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極            ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路              ５２…酸化剤ガス流路
５４、５６…シール部材          ６０ａ〜６０ｄ…側板
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材    ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…支持部
６７ａ〜６７ｄ、７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂ…孔
７４、７６…湾曲面
【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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【図７】
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