(57)【要約】【課題】部品点数を削減することができ、しかも積層体側面の体積増加を最小限に抑えることができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】単セル２１の積層方向の両端にエンドプレート３，４および可動プレート５を有している。また、エンドプレート３と可動プレート５とは、棒状のバネ部材６，６，６，６で連結されている。それぞれのバネ部材６は、同じ種類のものであり、単セル２１の積層方向の中央部において、単セル２１の積層面に沿うようにＳ字状に折り曲げられて、ばね性が発揮されるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルの積層方向に荷重を与えて保持する燃料電池スタックであって、
前記単セルの積層方向の両端に少なくとも一対のエンドプレートを有し、前記エンドプレート間は、棒状のバネ部材で連結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】
前記棒状のバネ部材は複数用いられ、前記単セルの中心領域側に位置する棒状のバネ部材のバネ定数は、前記中心領域より外側の外周領域側に位置する棒状のバネ部材のバネ定数よりも高いことを特徴とする請求項１に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、複数の単セルが積層された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池自動車などの車両に搭載される燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜をアノード（水素極）とカソード（空気極）とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面を、さらに導電性のセパレータで挟んで構成した単セルが複数積層された構造となっている。また、燃料電池スタックでは、単セルの積層体の両端にエンドプレートを設けて、積層体の両側から荷重をかけた状態で保持している。ところで、この種の燃料電池スタックでは、スタック温度に応じてＭＥＡが膨張と収縮を繰り返すので、この膨張と収縮により発生した燃料電池スタックの内部荷重の上昇と低下を吸収するための機構が必要になる。この機構としては、例えば、特許文献１では、単セルの積層方向の一端に皿バネなどの複数のスプリングを内蔵したスプリングモジュールを用いる技術が提案され、特許文献２では、平板を波形に折り曲げてばね性を持たせた治具でエンドプレート（端板）同士を連結する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２８８６１８号公報（段落００１３、図１）
【特許文献２】特開２００５−１４１９３５号公報（段落００１１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、多数の単セルが積層された積層体を必要な荷重（大きな荷重）で保持するには、多数のスプリング、特に皿バネではさらに多数のスプリングを使用しなければならないという問題がある。また、特許文献２に記載の技術では、エンドプレート同士を連結するための治具が単セルの積層方向に対して直角に波打つ形状であるため、積層体の側面からの突出量が大きくなり、体積効率が低下するという問題がある。
【０００４】
また、特許文献２に記載の技術では、単セルの積層体の側面に一様（特許文献２の図２のｗ方向）に延びているため、面圧分布を持たせることができない。つまり、単セルの中心領域は電極が配置される部分であるため、荷重が低いと電気抵抗が上昇する問題があり、また、単セルの外周領域では荷重を上げ過ぎると水素などのガス流路の周囲のシール部分が劣化し易くなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、部品点数を削減することができ、しかも積層体側面の体積増加を最小限に抑えることができ、また単セルの面に対する荷重の面圧分布を持たせることができる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】
【０００６】
請求項１に係る発明は、単セルの積層方向に荷重を与えて保持する燃料電池スタックであって、前記単セルの積層方向の両端に少なくとも一対のエンドプレートを有し、前記エンドプレート間は、棒状のバネ部材で連結されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、棒状のバネ部材を用いることにより、従来のように多数のスプリングを設ける必要がなくなる。しかも、線状に形成されたバネ部材であり、単セルの積層体側面に沿う方向に曲げてばね性を付与することができるので、積層体側面から外側に大きく突出することがない。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記棒状のバネ部材は複数用いられ、前記単セルの中心領域側に位置する棒状のバネ部材のバネ定数は、前記中心領域より外側の外周領域側に位置する棒状のバネ部材のバネ定数よりも高いことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明によれば、単セルの中心領域側に与えられる荷重を高くできるので電気抵抗を下げることができ、外周領域側に与えられる荷重を低くできるので反応ガスの流路のシール部の劣化を低減できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、部品点数を削減することができ、しかも積層体側面の体積増加を最小限に抑えることができる。また、単セルの面に対する荷重の面圧分布を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は第１実施形態の燃料電池スタックを示す側面図、図２（ａ）は図１のＡ矢視図、（ｂ）は図１のＢ矢視図、（ｃ）は図１のＣ矢視図、図３は単セルの積層構造を示す分解斜視図である。なお、以下では、本実施形態の燃料電池スタック１を車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、航空機や船舶などの他の乗り物や、定置式のものに適用することもできる。また、積層方向は、縦方向でも横方向でもかまわない。
【００１２】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック１は、積層体２、エンドプレート３，４、可動プレート５、バネ部材６などで構成されている。
【００１３】
前記積層体２は、単セル２１が厚み方向に複数積層された構造を有し、各単セル２１が直列に接続されている。単セル２１は、図３に示すように、固体高分子からなる電解質膜２２の一面側を触媒が担持されたアノード（燃料極）２３、他面側を触媒が担持されたカソード（空気極）２５で挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ）と、このＭＥＡの両面をさらに挟む導電性のセパレータ２４，２６とで構成されている。
【００１４】
前記電解質膜２２は、紙面の上端部右側（手前側）に燃料ガスとしての水素が流通する貫通孔２２ａ、上端部左側（奥側）に酸化剤ガスとしての空気が流通する貫通孔２２ｂがそれぞれ形成され、下端部右側（手前側）に空気が流通する貫通孔２２ｃ、下端部左側（奥側）に水素が流通する貫通孔２２ｄがそれぞれ形成されている。さらに、電解質膜２２には、左側部（奥側）に燃料電池スタック１を冷却するための冷媒が流通する貫通孔２２ｅ，２２ｅ、右側部（手前側）に冷媒が流通する貫通孔２２ｆ，２２ｆがそれぞれ上下方向に並んで形成されている。また、前記アノード２３およびカソード２５は、各貫通孔２２ａ〜２２ｆと重ならないように電解質膜２２よりも面積が小さく形成されて、電解質膜２２の両面に積層されている。
【００１５】
前記セパレータ２４は、アノード２３側に積層される四角板形状であり、前記貫通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと連通する連通孔２４ａ、２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが穿設されている。また、セパレータ２４には、アノード２３と対向する面に、クシ歯状のアノード流路２４ｓが形成され、このアノード流路２４ｓの上部が連通孔２４ａと連通し、下部が連通孔２４ｄと連通している。さらに、セパレータ２４には、前記貫通孔２２ｅ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｆと連通する連通孔２４ｅ，２４ｅ，２４ｆ，２４ｆが穿設されている。また、前記セパレータ２６は、カソード２５側に積層される四角板形状であり、前記貫通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと連通する連通孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが穿設されている。また、セパレータ２６には、カソード２５と対向する面に、クシ歯状のカソード流路２６ｓが形成され、このカソード流路２６ｓの上部が連通孔２６ｂと連通し、下部が連通孔２６ｃと連通している。さらに、セパレータ２６には、前記貫通孔２２ｅ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｆと連通する連通孔２６ｅ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｆが穿設されている。なお、冷媒が流通する流路については図示を省略する。
【００１６】
図１に示すように、前記エンドプレート３，４は、単セル２１の積層方向の両側に設けられている。一方のエンドプレート３は、図２（ａ）に示すように、単セル２１（図３参照）の面を覆うことができ単セル２１より若干大きな面を有する略四角板状であり、前記連通孔２６ａ（図３参照）に対応する上端部右側（図１の手前側）にアノードガス導入口３ａ、前記連通孔２６ｂ（図３参照）に対応する上端部左側（図１の奥側）にカソードガス導入口３ｂ、前記連通孔２６ｃ（図３参照）に対応する下端部右側（図１の手前側）にカノードガス排出口３ｃ、前記連通孔２６ｄ（図３参照）に対応する下端部左側（図１の奥側）にアノードガス排出口３ｄがそれぞれ形成されている。また、エンドプレート３には、その四隅に、スライドレール７（図１参照）が取り付けられる取付穴３ｇ，３ｇ，３ｇ，３ｇが形成されている。他方のエンドプレート４は、図２（ｃ）に示すように、エンドプレート３と同じ大きさの略四角板状であり、前記連通孔２４ｅ（図３参照）に対応する右側部（図１の奥側）に冷媒導入口４ｅ，４ｅ、前記連通孔２４ｆ（図３参照）に対応する左側部（図１の手前側）に冷媒排出口４ｆ，４ｆがそれぞれ形成されている。また、エンドプレート４には、その四隅に、スライドレール７が取り付けられる取付穴４ｇ，４ｇ，４ｇ，４ｇが形成されている。
【００１７】
図１に示すように、前記可動プレート５は、積層体２とエンドプレート４との間に配設されている。この可動プレート５は、エンドプレート４とほぼ同じ形状の略四角板状であり、前記各冷媒導入口４ｅに対応する位置に導入孔５ｅ、前記各冷媒排出口４ｆに対応する位置に排出孔５ｆがそれぞれ形成されている。また、可動プレート５の四隅には、ボールベアリングなどの、可動プレート５が滑らかにスライド動作できるような機構が組み込まれたスライド穴５ｇ，５ｇ，５ｇ，５ｇが穿設されている。
【００１８】
本実施形態では、積層体２の一端に配置されたエンドプレート３と、他端に配置された可動プレート５およびエンドプレート４とで挟まれた状態で、スライドレール７の一端がエンドプレート３の各取付穴３ｇ（図２（ａ）参照）に固定され、可動プレート５の各スライド穴５ｇ（図２（ｂ）参照）に挿通され、他端がエンドプレート４の各取付穴４ｇ（図２（ｃ）参照）に固定されている。そして、エンドプレート３の下端部（図２（ａ）の斜線部）と、エンドプレート４の下端部（図２（ｃ）の斜線部）とがそれぞれ車体に固定される。したがって、エンドプレート３，４は、常に固定された状態である。
【００１９】
なお、前記エンドプレート４と可動プレート５との間には、冷媒導入口４ｅと導入孔５ｅとを密に繋ぐフレキシブルな配管（図示せず）、および冷媒排出口４ｆと排出孔５ｆとを密に繋ぐフレキシブルな配管８が設けられている。この配管としては、ゴムや樹脂などで形成された円筒状または蛇腹状の配管などで形成され、配管の伸縮によって可動プレート５の変動を吸収して、冷媒導入口４ｅから導入された冷媒を、導入孔５ｅを介して各単セル２１に漏れなく供給でき、また各単セル２１から排出された冷媒を、排出孔５ｆを介して冷媒排出口４ｆから漏れなく排出できるようになっている。また、積層体２が膨張して可動プレート５がエンドプレート４側に最大で移動したときに、エンドプレート４と可動プレート５とが干渉しないように所定の余裕シロが設定されている。
【００２０】
また、エンドプレート３および可動プレート５には、その中心部に一番端の単セル２１Ａ（２１）が接続される金属端子Ｔ１，Ｔ２が設けられ、エンドプレート４には、その中心部に金属端子Ｔ２と接続される金属端子Ｔ３が設けられている。
【００２１】
前記バネ部材６は、棒状に形成されたものであり、エンドプレート３，４および可動プレート５の長手方向の各側（図２（ａ）〜（ｃ）参照）、すなわちエンドプレート３のアノード導入口３ａおよびカソード導入口３ｂ、ＭＥＡのアノード２３およびカソード２５、エンドプレート３のアノード排出口３ｄおよびカソード排出口３ｃが並ぶ面である積層体２の側面２Ａ（図１参照）に対向する側に、同一種類のものが上下方向に間隔を開けて複数本設けられ、各バネ部材６の一端がエンドプレート３の側面３ｓに固定され、他端が可動プレート５の側面５ｓに固定されて、積層体２の積層方向に所定の荷重が作用するようになっている。また、各バネ部材６は、単セル２１の積層方向の中央部において積層体２の側面２Ａに沿う方向にＳ字状に折り曲げられて、このＳ字部分でばね性を発揮できるようになっている。なお、このときの荷重は、単セル２１の種類や積層枚数などに応じて適宜変更される。また、本実施形態では、各側面２Ａに４本ずつ配置したが、これに限定されるものではなく、各側面２Ａに３本以下または５本以上配置してもよい。
【００２２】
なお、バネ部材６の形状は、本実施形態に限定されるものではなく、図４に示すように、エンドプレート３，４および可動プレート５の長手方向の各側、すなわち積層体２の側面２Ａに対向する側に、一端から他端まで弓形に湾曲させて、その凸側が互いに内側（上下）を向くような形状のバネ部材６Ａ，６Ａであってもよい。
【００２３】
次に、前記した燃料電池スタック１の作用について説明する。図３に示すように、エンドプレート３のアノード導入口３ａ（図２（ａ）参照）から水素が供給されると、この水素は、連通孔２４ａからアノード流路２４ｓに導入され、アノード２３の電極全面に供給される。アノード２３で反応に寄与せずにアノード流路２４ｓを通過した水素は、連通孔２４ｄを通ってアノード排出口３ｄから排出される。一方、エンドプレート３のカソード導入口３ｂ（図２（ａ）参照）から空気が供給されると、この空気は、連通孔２６ｂからカソード流路２６ｓに導入され、カソード２５の電極全面に供給される。カソード２５で反応に寄与せずにカソード流路２６ｓを通過した空気は、連通孔２６ｃを通って連通孔２６ｃから排出される。これにより、アノード２３では、供給された水素がプロトンと電子に分解され、プロトンが電解質膜２２を透過し、電子が外部負荷（走行モータなど）を通ってそれぞれカソード２５に移動する。カソード２５では、電解質膜２２を透過してきたプロトン、外部負荷を経由してきた電子が空気中の酸素と反応して水が生成される。なお、この生成水も、未反応の空気とともに連通孔２６ｃを介してカソード排出口３ｃから排出される。
【００２４】
また、燃料電池スタック１での発電は発熱反応であるため、燃料電池スタック１が所定の温度を超えないように、冷媒導入口４ｅから冷媒が導入されることによって燃料電池スタック１が冷却される。冷媒導入口４ｅから導入された冷媒は、配管８、導入孔５ｅ、連通孔２４ｅ、貫通孔２２ｅ、連通孔２６ｅを通って各単セル２１の図示しない流路に導入され、連通孔２６ｆ、貫通孔２２ｆ、連通孔２４ｆ、排出孔５ｆ、配管（図示せず）を通って冷媒排出口４ｆから排出される。
【００２５】
ところで、本実施形態の燃料電池スタック１では、温度に応じてＭＥＡが膨張、収縮を繰り返す、つまり温度が高いときにＭＥＡが膨張し、温度が低いときにＭＥＡが収縮する。したがって、ＭＥＡが膨張したときには、ＭＥＡの膨張圧力によって各バネ部材６が伸張しながら、可動プレート５が各スライドレール７上をスライドしながらエンドプレート４に近づく方向に移動し、ＭＥＡが収縮したときには、各バネ部材６が収縮しながら、可動プレート５が各スライドレール７上をスライドしながらエンドプレート４から遠ざかる方向に移動する。このようにＭＥＡの膨張および収縮に応じて可動プレート５を移動させることで、単セル２１の積層体２が常に適度な荷重で保持されるようになっている。
【００２６】
このように、本実施形態では、棒状のバネ部材６を用いているので、バネ部材６の個数を従来の皿バネなどと比べて低減でき、部品点数の削減が可能になり、さらに積層体２の側面から突出する量を抑えることができるので、燃料電池スタック１の積層体２の側面からの体積増加（外形寸法増加）を最小限に抑えることが可能になる。
【００２７】
図５は第２実施形態の燃料電池スタックを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図、図６は第２実施形態の燃料電池スタック１Ａの作用を示す概略図である。なお、第２実施形態の燃料電池スタック１Ａは、第１実施形態におけるバネ部材６に替えてバネ部材６Ｂ，６Ｃが設けられている。
【００２８】
前記バネ部材６Ｂは、棒状または線状に形成されたものであり、単セル２１の積層方向の中央部において積層体２の側面２Ａに沿う方向に凸状に湾曲（曲率が大）するように折り曲げられている。また、バネ部材６Ｃは、バネ部材６Ｂと同じ材質で棒状または線状に形成され、積層方向の中央部において積層体２の側面２Ａに沿う方向に凸状に湾曲（曲率が小）するように折り曲げられている。これにより、それぞれの凸状の湾曲部分によりばね性が発揮されるようになっている。また、第２実施形態では、バネ部材６Ｂのバネ定数をＫ１とし、バネ部材６Ｃのバネ定数をＫ２としたときに、Ｋ１＞Ｋ２となるように設定されている。また、バネ部材６Ｂ，６Ｃは、積層体２の側面２Ａの片側に各２本ずつ設けられ、各バネ部材６Ｂが中心領域Ｑ１側において凸側が互いに対向するように（上下に）配置され、各バネ部材６Ｃが中心領域Ｑ１より外側の外周領域Ｑ２において凸側が互いに対向するように（上下に）配置されている。
【００２９】
図６に示すように、バネ定数の高いバネ部材６Ｂを中心領域Ｑ１側に配置し、バネ部材６Ｂよりもバネ定数の低いバネ部材６Ｃを外周領域Ｑ２に配置して、単セル２１の高さ方向において面圧分布を持たせることが可能になる。これにより、第１実施形態での効果に加えて、各単セル２１の中心領域Ｑ１つまり電極が配置されている領域に強い荷重（荷重大）が作用することで電気抵抗を下げることができ、また単セル２１の外周領域Ｑ２つまり水素などのガスの通り道となる各単セル２１の連通孔２４ａ〜２４ｄ、２６ａ〜２６ｄの領域に弱い荷重（荷重小）が作用することでシール部のゴム部材などの劣化の促進を抑制できるようになる。
【００３０】
なお、前記した各実施形態では、エンドプレート３，４と可動プレート５で積層体２を保持するようにしたが、これに限定されるものではなく、可動プレート５を設けずに、エンドプレート３，４の一方を車体に固定し、他方を可動で車体に支持させる構成としてもよい。
【００３１】
また、第２実施形態では、バネ部材６Ｂ，６Ｃの同じ材質で折り曲げ形状によってバネ定数を変化させているが、材質の異なるバネ部材を用いてバネ定数を変化させるようにしてもよい。
【００３２】
また、本実施形態では、上下方向に縦長の燃料電池スタック１としているが、これに限定されるものではなく、横長などの燃料電池スタックであってもよい。また、エンドプレート３における水素および酸素の出入口は長手方向（上下方向）の両端部に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態の燃料電池スタックを示す側面図である。
【図２】（ａ）は図１のＡ矢視図、（ｂ）は図１のＢ矢視図、（ｃ）は図１のＣ矢視図である。
【図３】単セルの積層構造を示す分解斜視図である。
【図４】バネ部材の変形例を示す平面図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池スタックを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池スタックの作用を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１，１Ａ  燃料電池スタック
２      積層体
３，４  エンドプレート
５      可動プレート
６，６Ａ〜６Ｃ  バネ部材
２１    単セル
Ｋ１，Ｋ２  バネ定数
Ｑ１    中心領域
Ｑ２    外周領域
【図１】
2007213980.tif 000003
【図２】
2007213980.tif 000004
【図３】
2007213980.tif 000005
【図４】
2007213980.tif 000006
【図５】
2007213980.tif 000007
【図６】
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