(57)【要約】【課題】  セル積層面全体の面圧を均一化する。【解決手段】  セル積層体３の積層方向両端部に、電極取出板２５，絶縁板２７およびエンドプレート２９を順次配置し、一方のエンドプレート２９の外側に荷重付与部材３１を設置する。荷重付与部材３１は、内部に液体として例えば水を加圧状態で収容する弾性変形可能な液体収容部３３を備え、液体収容部３３から他方のエンドプレート２９に向けて延びる複数の連結アーム３５の端部を、他方のエンドプレート２９にボルト固定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、前記単セルの積層方向に向けて、この積層面全体に対して液圧により荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記単セルの積層方向の少なくとも一方の端部に、加圧状態の液体を収容する弾性体からなる液体収容体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記液体収容体は、前記単セルの積層方向の少なくとも一方の端部に対向する部位を前記弾性体とするとともに、前記単セルの積層方向他方の端部に向けて延びる連結部材を一体的に設け、この連結部材を前記単セルの積層方向他方の端部に設けたエンドプレートに連結固定したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記液体収容体の前記単セルに対向する部位を除く周囲を覆うケースを設け、このケースに、前記単セルの積層方向他方の端部に向けて延びる連結部材を一体的に設け、この連結部材を前記単セルの積層方向他方の端部に設けたエンドプレートに連結固定したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記単セルの積層方向の端部と前記液体収容体との間に、前記液体収容体に一体化したプレートを設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
互いに隣接する前記各単セルのセパレータ相互間に液体を加圧状態で封入し、この封入した加圧液体により、前記セパレータを弾性変形させつつ前記電極に密着させて前記積層面全体に対して荷重を付与することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セパレータの前記弾性変形する部位より外周側に、互いに隣接する前記各単セルのセパレータ相互が接触して弾性変形する接触部を設け、この接触部相互の接触に基づく弾性変形により、前記接触部より内側における前記弾性変形する部位の外周縁部を前記電極に押し付けることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記液体の液圧を調整する液圧調整手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
電解質の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、前記単セルの積層方向に向けて、この積層面全体に対して液圧により荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタックの荷重付与方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セルを複数積層してこの積層面に対して荷重を付与する燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの荷重付与方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。
【０００３】
上記した燃料電池における燃料極および酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００４】
燃料極    ：      ２Ｈ2 →４Ｈ+＋４ｅ-                …(１)
酸化剤極  ：      ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ      …(２)
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では(１)の反応式が進行して水素イオンが生成される。この生成した水素イオンが水和状態で電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では(２)の反応式が進行する。この(１)，(２)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００５】
このような燃料電池は、電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。この場合、固体高分子電解質の両側に燃料極および酸化剤極をそれぞれ設け、さらにその両側をセパレータで挟持して一つのセル（単セル）を構成している。
【０００６】
通常、燃料電池における単セルから得られる起電力は、約１．０Ｖ以下であるため、所定電力が得られるように上記した単セルを複数積層してスタックとして使用しており、この際セルの積層方向に向けて所定の荷重を付与し、固体高分子電解質両側の電極とセパレータとの間の面圧を確保することにより発電特性を得ている。
【０００７】
例えば、下記特許文献１に記載のものは、セル積層方向両端にエンドプレートを配置してスタックを構成し、このスタックをテンションプレートや、セル積層方向に延びるスルーボルト・ナットなどの締結部材で締結するとともに、セル積層方向一端のエンドプレートとセル積層体との間に皿ばねを設けることで、セル積層方向に向けて荷重を付与するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−３５８９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記した皿ばねは積層面全体に接触するわけではないので、積層面全体に対して均等に荷重を付与することができず、このため電極とセパレータとの間の面圧が不均一となり、各セル相互の発電性能にばらつきが発生するという問題がある。
【０００９】
また、皿ばねを複数用いる場合においては、皿ばね相互に部品ばらつきが発生したり、皿ばねの配置部位周囲にのみ応力が集中することから、積層面全体の面圧が不均一となり、上記と同様に、各セル相互の発電性能にばらつきが発生するという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、セル積層面全体の面圧を均一化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、前記単セルの積層方向に向けて、この積層面全体に対して液圧により荷重を付与することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、単セルの積層方向に、この積層面全体に対して液圧により荷重を付与するようにしたので、セル積層面全体の面圧を均一化することができ、各セル相互の発電性能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】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図である。この燃料電池スタックは、後述する単セル１を図１中で上下方向に複数積層してセル積層体３を構成し、このセル積層体３の積層方向に向けて荷重を付与している。
【００１５】
単セル１は、図２に詳細に示すように、電解質として固体高分子電解質４の両側に、触媒層および拡散層からなる燃料極５と、触媒層および拡散層からなる酸化剤極７とをそれぞれ配置し、さらにその両側に燃料極セパレータ９と酸化剤極セパレータ１１とをそれぞれ配置する。
【００１６】
そして、固体高分子電解質４の外周側と、燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１との間には、ガスシール材１３および１５をそれぞれ設置するとともに、互いに隣接する燃料極セパレータ９と酸化剤極セパレータ１１のそれぞれの外周縁部相互間には、冷却水シール材１７を設置する。
【００１７】
これにより、燃料極５と燃料極セパレータ９との間に燃料ガス流路１９を、酸化剤極７と酸化剤極セパレータ１１との間に酸化剤ガス流路２１をそれぞれ形成するとともに、互いに隣接する燃料極セパレータ９と酸化剤極セパレータ１１との間に、冷却水流路２３を形成する。
【００１８】
燃料極セパレータ９と酸化剤極セパレータ１１は、上記した燃料ガス流路１９および酸化剤ガス流路２１を形成すべく、例えばステンレス板を凹凸形状にプレス成形し、この凹凸形状の凸部が燃料極５および酸化剤極７からなる電極にそれぞれ密着する。
【００１９】
上記図１に示したセル積層体３の上下両端には、電極取出板２５，絶縁板２７およびエンドプレート２９を順次配置し、この上下両端のエンドプレート２９相互間にてセル積層体３に対して荷重を付与する。
【００２０】
図１中で上部のエンドプレート２９の上部には、図３に示すような荷重付与部材３１を設置する。荷重付与部材３１は、内部に液体として例えば水を加圧状態で収容する液体収容体としての液体収容部３３と、液体収容部３３から図１中で下部側のエンドプレート２９に向けて、セル積層体３の両側面に沿って延びる連結部材として複数の連結アーム３５とを備えている。
【００２１】
荷重付与部材３１は全体を樹脂で構成し、液体収容部３３のエンドプレート２９に接する加圧面３３ａについては、弾性変形可能な弾性体となる材質とするか、あるいは薄肉の弾性体として弾性変形可能な構成とする。連結アーム３５の下端は、図１中で下部側のエンドプレート２９の側面にボルト３７により固定する。
【００２２】
液体収容部３３の一側面には液体供給口３３ｂを設け、この液体供給口３３ｂから、液体タンク３９内の液体をポンプ４１により液体収容部３３に供給し、供給する液体の圧力を、液圧調整手段としてのコントローラ４３によって調整する。ここで、燃料電池は、発電によって温度が上昇し、これに伴いセル積層体３の積層厚さも熱膨張によって変化するため、コントローラ４３は、上記発電時の出力値などに基づいて、液体収容部３３に供給する液圧を調整する。
【００２３】
上述したように、本実施形態による燃料電池スタックは、単セル１を複数積層したセル積層体３の上下両側に電極取出板２５，絶縁板２７およびエンドプレート２９を順次配置し、図１中で上部に位置するエンドプレート２９のさらに上部に荷重付与部材３１を設置して、その連結アーム３５の先端を下部側のエンドプレート２９にボルト３７により締結している。
【００２４】
そして、この状態で、液体タンク３９内の液体を、ポンプ４１により液体供給口３３ｂから液体収容部３３に供給し、この供給した液体収容部３３内の液圧を規定の圧力となるよう調整する。
【００２５】
液体収容部３３に供給した加圧状態の液体は、加圧面３３ａが弾性変形しつつエンドプレート２９の全面をほぼ均等に加圧する。この際、エンドプレート２９の周縁付近は、それより内側に比べて加圧力が弱まるが、上記周縁付近は前記図２に示したようにシール材１３，１５，１７によるシール部に対応する部位であって、均一な加圧力が必要な部位はそれより内側の燃料極５および酸化剤極７を備える発電領域であるので、これら燃料極５および酸化剤極７を備える部位については均一な荷重を付与することができる。
【００２６】
これにより、燃料極５および酸化剤極７を備えるセル積層体３の積層面全体の面圧が均一化し、単セル１相互の発電性能も均一化して燃料電池スタックの電池性能が向上する。
【００２７】
また、燃料電池スタックは発電によって温度が上昇し、これに伴いセル積層体３などのスタック構成部品が熱膨張して積層厚さが厚くなるが、この熱膨張に対応して、コントローラ４３が、例えば燃料電池スタックの発電出力値に基づいて、液体収容部３３に供給する液体の圧力を調整する。これにより、燃料電池スタックのセル積層方向の厚さが温度によって変化しても、セル積層面全体に付与する荷重を常に一定に保持することができる。
【００２８】
なお、上記した荷重付与部材３１は、その連結アーム３５を備える部位を、セル積層体３の周囲四方を覆うような箱形状としてもよい。これにより、連結アーム３５を設ける場合に比較して製造が容易となる。
【００２９】
また、図１に示した荷重付与部材３１は、樹脂製に代えてステンレスなどの金属製としてもよい。金属製とした場合には、セル積層体３の側面に接触する連結アーム３５の内側に電気的絶縁部材を設ける必要がある。
【００３０】
液圧調整手段として、前記図３におけるコントローラ４３に代えて、図４に示すような機械的手段を用いてもよい。すなわち、液体収容部３３の一側面に液体供給口３３ｂのほかに液圧調整口３３ｃを設け、この液圧調整口３３ｃに液圧調整手段となる液圧調整器４５を接続する。
【００３１】
液圧調整器４５は、シリンダ４６内にピストン４７を図４中で上下可能に収容し、ピストン４７の上部側に液体を収容する液体収容室４５ａを、下部側にスプリング５１を収容するスプリング室４５ｂをそれぞれ形成する。スプリング５１は、ピストン４７を液体収容室４５ａに向けて押し付けている。
【００３２】
上記図４の構成においては、スタック構成部品が熱膨張してセル積層厚さが厚くなった場合には、液体収容部３３内の液体が、圧縮されることで液圧調整器４５の液体収容室４５ａに流れ込み、これに伴いピストン４７がスプリング５１を撓ませつつ下方に押されることで、液体収容部３３内の液圧上昇を防止する。
【００３３】
逆に、セル積層厚さが薄くなるようスタック構成部品が収縮変形した場合には、液体収容部３３内の容積が増大するので、液圧調整器４５のスプリング５１が液体収容室４５ａ内の液体を、ピストン４７を介して加圧して液体収容部３３に送り込み、液体収容部３３内の液圧低下を防止する。
【００３４】
このように、燃料電池スタックのセル積層方向の厚さが温度によって変化しても、液体収容部３３内の液圧を常にほぼ一定に確保するので、セル積層面全体にかかる面圧を適正な値とした状態で均一化することができる。
【００３５】
図５は、本発明の第２の実施形態を示す燃料電池スタックの断面図である。この燃料電池スタックは、セル積層体３の上部に順次配置した電極取出板２５，絶縁板２７のさらに上部に、固定プレート５３を介して液体収容体５５を配置している。
【００３６】
液体収容体５５は、全体が弾性変形可能なゴムなどからなる袋状のもので、内部に水などの液体を封入してあり、その加圧面５５ａを固定プレート５３の上面に接着剤などにより固定して一体化している。
【００３７】
そして、上記した液体収容体５５の上から、図５中で下部のみが開放している箱状のケース５７を被せ、その下端周囲をボルト５９によりエンドプレート２９に固定する。この際、ケース５７の固定プレート５３より下部側の側壁部分を、前記図１に示した連結アーム３５のような構造としてもよい。なお、固定プレート５３は、上記したケース５７に対し図５中で上下方向に移動可能である。
【００３８】
上記したケース５７は、第１の実施形態における荷重付与部材３１と同様に、樹脂製でも金属製でもよく、金属製とした場合には、セル積層体３に接触する側に電気的絶縁部材を設ける必要がある。
【００３９】
上記図５に示した第２の実施形態においては、液体収容体５５に供給した加圧状態の液体により、固定プレート５３の全面をほぼ均等に加圧し、この結果、その内側に位置するセル積層体３の積層面全体の面圧も均一化し、単セル１相互の発電性能も均一化して燃料電池スタックの電池性能が向上する。
【００４０】
また、第２の実施形態によれば、液体収容体５５に固定した固定プレート５３が、図１に示した第１の実施形態における上部側のエンドプレート２９の機能を発揮するので、このエンドプレート２９が不要となる。
【００４１】
なお、上記した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、液体収容体５５内の液圧を調整する図３に示したコントローラ４３などの液圧調整手段を設けてもよい。
【００４２】
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池スタックのセル積層体３の一部を示す断面図である。この実施形態は、図１または図５に示したような荷重付与を液圧で行っている燃料電池スタックもしくは、荷重付与を液圧ではなく、従来のような皿ばねなどにより行っている燃料電池スタックに対して適用可能である。
【００４３】
上記した第３の実施形態は、燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１の燃料極５および酸化剤極７にそれぞれ対応する部位を、凹凸形状の弾性変形部９ａ，１１ａとし、冷却水流路２３に供給する液体としての冷却水の圧力によって、図６（ａ）状態から弾性変形部９ａ，１１ａが弾性変形し、図６（ｂ）のように燃料極５，酸化剤極７に密着した状態となる。
【００４４】
なお、この場合図６（ｂ）では、弾性変形部９ａ，１１ａが燃料極５，酸化剤極７に完全に密着した状態のように見えるが、実際には、凹凸形状の弾性変形部９ａ，１１ａが完全な平面になるわけではないので、前記図２に示してある燃料ガス流路１９および酸化剤ガス流路２１に相当する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は確保される。
【００４５】
上記図６に示した第３の実施形態においては、液圧を利用して燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１を、燃料極５および酸化剤極７にそれぞれ加圧状態で密着させるので、これら相互の接触面圧が全体で均一化し、セル積層体３の積層面全体の面圧均一化を達成でき、この結果単セル１相互の発電性能も均一化して燃料電池スタックの電池性能が向上する。
【００４６】
なお、上記した第３の実施形態における弾性変形部９ａ，１１ａを、燃料極，酸化剤極の各セパレータ９，１１の他の部位に対して別材質として弾性変形させるようにしてもよい。
【００４７】
図７（ａ）は、上記図６の変形例で、図６（ｂ）に対応している。この例では、燃料極，酸化剤極の各セパレータ９,１１における弾性変形部９ａ，１１ａの外周側でかつ、シール材１７の内側部分に、互いに対向する方向に突出して接触する接触部９ｂ，１１ｂを設けている。
【００４８】
この場合、図７（ａ）のように接触部９ｂ，１１ｂ相互が接触した状態で、燃料極，酸化剤極の各セパレータ９,１１が、接触部９ｂ，１１ｂを含めその周辺が弾性変形する。この弾性変形により、弾性変形部９ａ，１１ａは、シール材１３，１５近傍についても、図７（ａ）のＡ部周辺を拡大して示す図７（ｂ）のように、中央側と同様に燃料極５および酸化剤極７に押し付けられて確実に密着し、セル積層体３の積層面全体の面圧がより均一化する。
【００４９】
図８（ａ）は、上記図６のさらに別の変形例で、図６（ａ）に対応している。この例は、燃料極５および酸化剤極７の各外周縁部に対応する部分の燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１が、燃料極５および酸化剤極７にそれぞれ接触するように、屈曲部９ｃ，１１ｃを形成するとともに、屈曲部９ｃ，１１ｃより外周側部分の板厚を、弾性変形部９ａ，１１ａに比べて厚くしている。
【００５０】
これにより、燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１は、外周側の剛性が高まり、シール材１３，１５近傍についても、図８（ａ）のＢ部周辺を拡大して示す図８（ｂ）のように、中央側と同様に燃料極５および酸化剤極７に押し付けられて確実に密着し、セル積層体３の積層面全体の面圧がより均一化する。
【００５１】
なお、図８の例における燃料極セパレータ９および酸化剤極セパレータ１１のシール材１３，１５近傍部位について、板厚を変化させる代わりに、弾性変形部９ａ，１１ａとは別材質として剛性を高めるようにしてもよい。
【００５２】
また、図６〜図８の例においては、冷却水流路２３に供給する冷却水の液圧を、前記した第１の実施形態と同様なコントローラ４３などの液圧調整手段により調整可能としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおけるセル積層体の詳細を示す断面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックに使用する荷重付与部材の斜視図である。
【図４】図３のコントローラに代えて機械的手段の液圧調整手段を設けた例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す燃料電池スタックの断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池スタックのセル積層体の一部を示す断面図で、（ａ）はセパレータにおける弾性変形部の変形前の状態を示し、（ｂ）は同変形後の状態を示す。
【図７】（ａ）は図６の変形例を示す図６（ｂ）に対応する断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部周辺を拡大して示す断面図である。
【図８】（ａ）は図６のさらに別の変形例を示す図６（ａ）に対応する断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部周辺を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  単セル
４  固体高分子電解質（電解質）
５  燃料極（電極）
７  酸化剤極（電極）
９  燃料極セパレータ
９ａ  燃料極セパレータの弾性変形部
９ｂ  燃料極セパレータの接触部
１１  酸化剤極セパレータ
１１ａ  酸化剤極セパレータの弾性変形部
１１ｂ  酸化剤極セパレータの接触部
２９  エンドプレート
３３  液体収容部（液体収容体）
３５  連結アーム（連結部材）
４３  コントローラ（液圧調整手段）
４５  液圧調整器（液圧調整手段）
５３  液体収容体に一体化した固定プレート
５５  液体収容体
５７  ケース
【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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【図８】
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