(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに積層された複数のセルが集合したセル積層体と、
該セルの積層面の輪郭と略同一の主要面と、該主要面とは反対側の対向面と、厚さ方向の側面とを有し、該セル積層体を挟むように該セル積層体の先頭のセルの前方と末尾のセルの後方にそれぞれ該対向面が対向配置された端板と、
該セルを加圧するために、該セル積層体を積層方向で取囲むように該端板の該主要面間に張設され該端板の該側面上を、該セル積層体及び該端板の長手方向の中心部を覆って積層方向に通過する弾性体の無端バンドとを備え、
該端板は弾性体であると共に、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板の該対向面は、該対向面と該バンドが通過する側面とが交差する縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する湾曲形状をなし、かつ該バンドが掛けられた状態では該端板が弾性変形して該端板の該セルに対する加圧力が該端板対向面全面に亘って均一となる燃料電池のスタック構造。
【請求項２】
該少なくとも一方の端板は厚さが均一な部材により構成されると共に、該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する断面湾曲形状をなす反りが予め付与されている請求項１記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項３】
該少なくとも一方の端板は、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、該主要面が平坦面をなし、該対向面に関しては該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する中央部厚肉、縁部薄肉形状をなす請求項１記載の燃料電池のスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池のスタック構造に関し、特に多数の発電素子（セル）を積層した積層体の先頭と末尾にそれぞれ端板を配置し、積層方向に圧力を加えた燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、セルと呼ばれる発電素子を複数並べて接続し、燃料電池スタックとして使用するのが一般的である。ここでセルは、水素イオンを通す高分子の伝導体膜を、水素極と酸素極からなる２枚の電極で挟んでおり、更にその両側をセパレータで囲む構造である。酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互いに独立して供給されると、水素ガスは水素極によって水素イオンとなり、伝導体膜を通過して酸素極側に移動する。このとき水素は電子を放出しそれが電位差を生じさせる。電位差は１セル当りで１ボルト以下でありわずかであるが、多数のセルを積層して直列接続することで高い電圧が得られる。
【０００３】
１個のセルの出力を向上させるためには、伝導体膜と電極との密着が必要である。また、燃料電池スタック全体の出力を向上させるためには、各セル間の密着度を向上させて、接続部分での電力の伝達損失を防ぐ必要があり、セルの積層体に所望の圧縮力を作用させる必要がある。このために、例えば米国特許第５，７８９，０９１号に記載される燃料電池のスタック構造によれば、図６，図７に示されるように、複数のセル２が集合したセル積層体３の先頭と末尾にそれぞれセル２と略同寸法の板状の端板１０４を配置し、弾性体無端バンド５を端板１０４間にセル積層体３を取囲むように張設して、燃料電池のスタック構造１０１を提供している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、スタック構造全体の小型化、軽量化の目的から、端板１０４の厚さは極力薄いことが望まれる。しかし、上述した従来の燃料電池のスタック構造１０１において、端板１０４の厚さを薄くしてその剛性が低下すると、バンド掛けによる積層体保持構造に起因して、図７のグラフに示されるように、端板１０４の角部（バンドの折曲がり部）付近の積層体３への圧縮応力が高く、端板１０４の中央部での圧縮応力が低くなる。よって端板１０４を薄くしバンド５の張力を増大させると、各セル２に対する加圧力の不均一が生じたり、図７に示されるような、端板１０４やセル２そのものの変形すら生じるおそれがあり、各セル２の発電能力の低下や、発電不能、セル２間の電気的接続不良を来す結果となる。
【０００５】
そこで本発明は、セルに対して均一に加圧力を作用することができ、各セルの発電能力の低下がなく、セル間の電気的接続を長期に亘って保証することが可能な燃料電池のスタック構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、互いに積層された複数のセルが集合したセル積層体と、該セルの積層面の輪郭と略同一の主要面と、該主要面とは反対側の対向面と、厚さ方向の側面とを有し、該セル積層体を挟むように該セル積層体の先頭のセルの前方と末尾のセルの後方にそれぞれ該対向面が対向配置された端板と、該セルを加圧するために、該セル積層体を積層方向で取囲むように該端板の該主要面間に張設され該端板の該側面上を、該セル積層体及び該端板の長手方向の中心部を覆って積層方向に通過する弾性体の無端バンドとを備えた燃料電池のスタック構造において、該端板は弾性体であると共に、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板の該対向面は、該対向面と該バンドが通過する側面とが交差する縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する湾曲形状をなし、かつ該バンドが掛けられた状態では、該端板は弾性変形して該端板の該セルに対する加圧力が該端板対向面全面に亘って均一となる燃料電池のスタック構造を提供している。
【０００７】
ここで、該少なくとも一方の端板は厚さが均一な部材により構成されると共に、該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する断面湾曲形状をなす反りが予め付与されているのが好ましい。
【０００８】
また、該少なくとも一方の端板は、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、該主要面が平坦面をなし、該対向面に関しては該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する中央部厚肉、縁部薄肉形状をなしているのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による燃料電池のスタック構造について図１乃至図３に基づき説明する。
【００１０】
図１に示されるように、燃料電池のスタック構造１は互いに積層された複数のセル２が集合したセル積層体３と、セル積層体３を挟むように配置された一対の端板４、４と、セル積層体３を取囲むように端板４、４間に張設された無端バンド５とを有する。
【００１１】
それぞれのセル２の構造は、従来のセルと同様であり、水素電極と、酸素電極と両電極間に配置された伝導体膜と、一方のセルの水素電極と他方のセルの酸素電極とを仕切るためのセパレータを備える。上述したように、酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互いに独立して供給されると、水素ガスは水素極によって水素イオンとなり、伝導体膜を通過して酸素極側に移動する。このとき水素は電子を放出し電位差を生じさせる。そしてセル積層体３は、隣接するセル２を互いに積層させて電気的に接続したものであり、多数のセル２積層して直列接続することで所望の高い電圧が得られる。
【００１２】
それぞれの端板４は厚さが均一な塑性変形しない弾性体により構成され、セル２の積層面の輪郭と略同一の主要面４Ａと、主要面４Ａとは反対側の対向面４Ｂと、厚さ方向の側面４Ｃとを有し、セル積層体２を挟むようにセル積層体２の先頭のセル２Ａの前方と、末尾のセル２Ｚの後方にそれぞれの端板４の対向面４Ｂが対向配置される。
【００１３】
無端バンド５も塑性変形しない弾性体により構成され、セル２間の電気的接続を確保するためにセル２を加圧する目的から、セル積層体３を積層方向で取囲むように端板４の主要面４Ａ、４Ａ間に張設される。この状態では、無端バンド５は、端板４の側面４Ｃ上を積層方向に通過する。なお、無端バンド５は、各セル２間の電気的接続を保証し、かつ端板４が塑性変形しない程度の弾性収縮力を有するものであればよい。
【００１４】
ここで、無端バンド５が掛けられる前の自由状態においては、それぞれの端板４の対向面４Ｂは、対向面４Ｂと無端バンド５が通過する側面４Ｃとが交差する縁部４Ｄが、対向するセル２Ａ、２Ｚから離間し、対向面の中央部のみがセル２Ａ、２Ｚに接触可能な湾曲形状をなすように、予め反りが付与されている。
【００１５】
この状態から、セル積層体３を積層方向に取囲むように端板４の主要面４Ａ、４Ａ間に無端ベルト５を掛けると、無端ベルトの収縮力によって端板４、４が弾性変形し、図３に示されるように、端板４の反りが解消して平板状をなす。
【００１６】
ベルトが掛った状態では、主要面４Ａと平行なベルトの収縮力Ｆ１と、積層方向と平行なベルトの収縮力Ｆ２とにより、上記縁部４Ｄにおいては、Ｆ１とＦ２の合力Ｆ３が作用し、縁部４Ｄは、端板４の他の部位よりも大きな加重が作用することになるが、縁部４Ｄは対向するセル２Ａ、２Ｚから離間し、対向面４Ｂの中央部のみがセル２Ａ、２Ｚに接触可能な湾曲形状をなすように端板４には予め反りが付与されていたので、無端ベルト５が掛けられた後は、上記加重の相違から、縁部４Ｄを含む端板４の対向面４Ｂ全体が平坦面となると共に、対向面４Ｂの全面が、セル２又はセル積層体３に対して均一な加圧力をもたらすことになる。その結果、セル２相互のズレや変形を防止でき、セル２間の良好な電気的接続関係を維持することができる。
【００１７】
本発明の第２の実施の形態による燃料電池のスタック構造について図４、図５に基づき説明する。第２の実施の形態による燃料電池のスタック構造１１は、第１の実施の形態によるスタック構造１と端板の形状を除いて同一である。第２の実施の形態による端板１４は、無端バンド５が掛けられる前の自由状態においては、主要面１４Ａは略平坦面をなし、対向面１４Ｂが円弧状をなしている。具体的には、第１の実施の形態における縁部４Ｄに対応する対向面１４Ｂの縁部１４Ｄが、対向するセル２Ａ、２Ｚから離間し、対向面の中央部のみがセル２Ａ、２Ｚに接触する湾曲形状であって、中央部が厚肉、縁部が薄肉となる。
【００１８】
この状態から、セル積層体３を積層方向に取囲むように端板１４の主要面１４Ａ、１４Ａ間に無端ベルト５を掛けると、無端ベルト５の収縮力によって端板１４、１４が弾性変形し、図５に示されるように、端板１４の対向面１４Ｂ全面が対向するセル２Ａ、２Ｚと密着する。
【００１９】
当初端板１４は、中央部が厚肉、縁部が薄肉形状であって、縁部１４Ｄがセル２Ａ、２Ｚから離間し対向面１４Ｂの中央部のみがセル２Ａ、２Ｚに接触可能な湾曲形状をなしているので、ベルトが掛った後では、上述したように、縁部１４Ｄとそれ以外の部位の荷重の相違から、縁部１４Ｄを含む端板１４の対向面１４Ｂ全体が平坦面となると共に、対向面１４Ｂの全面が、セル２又はセル積層体３に対して均一な加圧力をもたらすことになる。その結果、第１の実施の形態と同様に、セル２相互のズレや変形を防止でき、セル２間の良好な電気的接続関係を維持することができる。
【００２０】
本発明による燃料電池のスタック構造は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【００２１】
例えば、弾性無端バンド４は当初より無端構造である必要はなく、１本の帯状体の端部をバンドの所望の位置に係止可能なものでも良い。
【００２２】
また、上述した実施の形態ではそれぞれの端板の対向面が、湾曲形状をなしているが、対向面全面でセル２に対する均等な加圧力が提供できる限りにおいては、片方の端板の対向面のみを湾曲形状としてもよい。
【００２３】
更に、無端バンド４の内周面は、端板４、１４の主要面４Ａ、１４Ａと、側面４Ｃ、１４Ｃとに圧力下で接触することになるが、無端バンド４の局部的な応力集中を避けるために、この主要面４Ａ，１４Ａと側面４Ｃ、１４Ｃとの交差部４Ｅ、１４Ｅは角部のない丸みを帯びる形状にしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１記載の燃料電池のスタック構造によれば、無端バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板のセルに対向する対向面に関しては、バンドが通過する側面と交差する縁部が、対向するセルから離間し、対向面の中央部のみがセルに接触する湾曲形状をなしているので、バンドが掛けられた後は、バンドによる圧縮荷重によって、縁部を含む対向面全体が平坦面状をなして、セルに対する加圧力が端板対向面全面に亘って均一となる。よって、セルの変形や、セル間の電気的接続不良を防止することができる。
【００２５】
請求項２、３記載の燃料電池のスタック構造によれば、端板が単純な形状であり製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の端板の形状を示す。
【図３】本発明の第１の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板の形状、並びに端板がセルに作用する応力分布を示す。
【図４】  本発明の第２の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の端板の形状を示す。
【図５】本発明の第２の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板の形状、並びに端板がセルに作用する応力分布を示す。
【図６】従来の燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の状態を示す。
【図７】従来の燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板のセルに作用する応力分布を示す図。
【符号の説明】
１、１１  燃料電池のスタック構造
２、２Ａ、２Ｚ  セル
３  セル積層体
４、１４  端板
４Ａ、１４Ａ  端板の主要面
４Ｂ、１４Ｂ  端板の対向面
４Ｃ、１４Ｃ  端板の側面（ベルト通過面）
４Ｄ、１４Ｄ  端板の縁部
５  無端ベルト
【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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