(57)【要約】【課題】簡単な調整作業で、発電面全面に所望の締め付け荷重を確実且つ均一に付与することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層される積層体１２ａの積層方向両端には、エンドプレート３２ａ、３２ｂが設けられる。燃料電池スタック１０は、積層方向の荷重を調整する荷重調整機構４２を備え、前記荷重調整機構４２は、一方のエンドプレート３２ｂに設けられ、積層方向に進退して燃料電池１２を押圧可能な複数の押圧ロッド４６ａ〜４６ｇと、各押圧ロッド４６ａ〜４６ｇに設けられ、回転することにより前記押圧ロッド４６ａ〜４６ｇを個別に前記積層方向に進退させるギヤ部材４８ａ〜４８ｇと、複数の前記ギヤ部材４８ａ〜４８ｇを連動して回転させる単一の駆動用ギヤ部材とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
前記積層方向の荷重を調整する荷重調整機構を備え、
前記荷重調整機構は、一方の前記エンドプレートに設けられ、回転することにより前記積層方向に個別に進退して前記燃料電池を押圧可能な複数の押圧部材と、
各押圧部材に設けられ、前記押圧部材を個別に回転させるギヤ部材と、
複数の前記ギヤ部材を連動して回転させる単一の駆動用ギヤ部材と、
を備え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、少なくとも２つの前記押圧部材は、前記駆動用ギヤ部材の回転により、それぞれ前記積層方向への移動距離が異なる距離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３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記押圧部材と前記ギヤ部材とは、スプラインにより連結されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、立位姿勢で水平方向に積層され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、電電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、エンドプレートが設けられ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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して所望の締め付け荷重を付与する荷重付与機構が採用されている。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックの運転時には、生成水により電解質膜が膨潤する一方、停止時には、前記電解質膜が収縮する。このため、電解質膜の膨潤及び収縮が繰り返されることにより、発電セルに偏った変形が発生し易い。従って、発電セルの発電面全面に対し、均一な荷重を付与することが困難になるおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セル押圧アセンブリが知られている。この燃料電池用セル押圧アセンブリは、図７に示すように、押圧部材１ａ、１ｂから荷重が加えられるエンド側部材２と、前記エンド側部材２に対向して配置され、該エンド側部材２よりもセル積層体３に近接して配置されるセル側部材４と、前記エンド側部材２と前記セル側部材４との間に介装され、前記セル積層体３を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な弾性部材５とを備えている。
【０００６】
ここで、エンド側部材２は、押圧部材１ａ、１ｂからの荷重を受ける荷重受け部６ａ、６ｂを持つ複数の単位部材７ａ、７ｂを有しており、複数の単位部材７ａ、７ｂは、各々独立して揺動可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−６０００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、締結荷重を調整する際に、２つの押圧部材１ａ、１ｂを、それぞれ図示しないエンドプレートに設けられたねじ孔に対して所定の方向に且つ所定の回数だけ螺回させる必要がある。このため、締結荷重の調整作業が繁雑化するとともに、発電面全面に対して均一な締結荷重を付与することが困難になるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な調整作業で、発電面全面に所望の締め付け荷重を確実且つ均一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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１１】
この燃料電池スタックは、積層方向の荷重を調整する荷重調整機構を備え、前記荷重調整機構は、一方のエンドプレートに設けられ、回転することにより前記積層方向に個別に進退して燃料電池を押圧可能な複数の押圧部材と、各押圧部材に設けられ、前記押圧部材を個別に回転させるギヤ部材と、複数の前記ギヤ部材を連動して回転させる単一の駆動用ギヤ部材とを備えている。
【００１２】
また、この燃料電池スタックでは、少なくとも２つの押圧部材は、駆動用ギヤ部材の回転により、それぞれ積層方向への移動距離が異なる距離に設定されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池スタックでは、押圧部材とギヤ部材とは、スプラインにより連結されることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、燃料電池は、立位姿勢で水平方向に積層されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、例えば、駆動用ギヤ部材及び各ギヤ部材の各ギヤ比及び各押圧部材の１回転当たりの積層方向への移動距離等を予め設定しておく。そして、単一の駆動用ギヤ部材を回転操作すると、複数のギヤ部材が連動して回転されるとともに、各ギヤ部材に設けられている押圧部材は、それぞれ積層方向に個別に且つ所望の移動距離ずつ進退する。このため、各押圧部材は、燃料電池の各部位をそれぞれ所望の押圧状態で押圧することができる。
【００１６】
これにより、駆動用ギヤ部材を回転操作するだけで、すなわち、簡単な調整作業で、燃料電池の発電面全面に所望の締め付け荷重を確実且つ均一に付与することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックのエンドプレート側からの正面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する荷重調整機構の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックの膨潤状態を示す側面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレート側からの正面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレート側からの正面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている燃料電池用セル押圧アセンブリの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１２ａを備えるとともに、前記燃料電池１２は、立位姿勢（発電面を鉛直方向に平行にした姿勢）で水平方向（矢印Ｈ方向）に積層される。燃料電池スタック１０は、燃料電池システム１３に組み込まれる。
【００１９】
各燃料電池１２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１４をカソード電極１６とアノード電極１８とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０を備える。なお、固体高分子電解質膜１４は、フッ素系イオン交換膜の他、炭化水素（ＨＣ）系イオン交換膜を使用してもよい。
【００２０】
カソード電極１６及びアノード電極１８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１４の両面に形成される。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２０は、カソード側セパレータ２２及びアノード側セパレータ２４で挟持される。カソード側セパレータ２２及びアノード側セパレータ２４は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２２】
カソード側セパレータ２２と電解質膜・電極構造体２０との間には、酸化剤ガス流路２６が設けられるとともに、アノード側セパレータ２４と前記電解質膜・電極構造体２０との間には、燃料ガス流路２８が設けられる。燃料電池１２間には、冷却媒体流路３０が形成される。
【００２３】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、エンドプレート３２ａ、３２ｂが配設され、前記エンドプレート３２ａ、３２ｂは、複数の締結ボルト３４により積層方向に締め付け荷重が付与される。
【００２４】
エンドプレート３２ａ側には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、各酸化剤ガス流路２６に酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス供給装置３６と、各燃料ガス流路２８に燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給装置３８と、各冷却媒体流路３０に冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール、オイル等）を供給する冷却媒体供給装置４０とが接続される。
【００２５】
エンドプレート３２ｂ側には、積層方向の荷重を調整する荷重調整機構４２が設けられる。荷重調整機構４２は、エンドプレート３２ｂの内側に配置され、燃料電池１２に対して積層方向に押圧力を付与する押圧プレート４４を設ける。
【００２６】
図１〜図３に示すように、荷重調整機構４２は、エンドプレート３２ｂに設けられ、積層方向に進退して押圧プレート４４を押圧することにより、燃料電池１２を押圧可能な複数の押圧ロッド（押圧部材）４６ａ〜４６ｇと、前記押圧ロッド４６ａ〜４６ｇに設けられるギヤ部材４８ａ〜４８ｇとを備える。
【００２７】
図２に示すように、押圧ロッド４６ａ〜４６ｃと押圧ロッド４６ｅ〜４６ｇとは、エンドプレート３２ｂの左右に２列に振り分けて設けられる。押圧ロッド４６ｄは、エンドプレート３２ｂの中央上部に、押圧ロッド４６ａ〜４６ｃと押圧ロッド４６ｅ〜４６ｇとの中間上部に位置して設けられる。
【００２８】
図３に示すように、押圧ロッド４６ａ〜４６ｄは、それぞれの先端部にねじ部５０ａ〜５０ｄを形成する一方、エンドプレート３２ｂには、前記ねじ部５０ａ〜５０ｄが螺合するねじ孔５２ａ〜５２ｄが形成される。ねじ部５０ａ、５０ｃとねじ部５０ｂ、５０ｄとは、互いに螺回方向が反対に設定されるとともに、前記ねじ部５０ａ〜５０ｄのピッチは、それぞれ異なる値（少なくとも２つが異なる値であってもよい）に設定される。すなわち、押圧ロッド４６ａ〜４６ｄは、それぞれ１回転する際に、積層方向への移動距離が異なる距離に設定される。
【００２９】
押圧ロッド４６ａ〜４６ｄの外周部には、スプライン５４ａ〜５４ｄが形成される。スプライン５４ａ〜５４ｄは、ギヤ部材４８ａ〜４８ｄの軸心に形成されたスプライン孔５６ａ〜５６ｄに係合する。ギヤ部材４８ａ〜４８ｄは、順次、互いに噛合するとともに、互いに一定のギヤ比（例えば、同一のギヤ比）に設定される。
【００３０】
押圧ロッド４６ｅ〜４６ｇは、それぞれの先端部にねじ部５０ｅ〜５０ｇを形成する一方、エンドプレート３２ｂには、前記ねじ部５０ｅ〜５０ｇが螺合するねじ孔５２ｅ〜５２ｇが形成される。ねじ部５０ｅ、５０ｇとねじ部５０ｆとは、互いに螺回方向が反対に設定されるとともに、前記ねじ部５０ｅ〜５０ｇのピッチは、それぞれ異なる値（少なくとも２つが異なる値であってもよい）に設定される。すなわち、押圧ロッド４６ｅ〜４６ｇは、それぞれ１回転する際に、積層方向への移動距離が異なる距離に設定される。
【００３１】
押圧ロッド４６ｅ〜４６ｇの外周部には、スプライン５４ｅ〜５４ｇが形成される。スプライン５４ｅ〜５４ｇは、ギヤ部材４８ｅ〜４８ｇの軸心に形成されたスプライン孔５６ｅ〜５６ｇに係合する。ギヤ部材４８ｅ〜４８ｇは、順次、互いに噛合するとともに、互いに一定のギヤ比（例えば、同一のギヤ比）に設定される。
【００３２】
エンドプレート３２ｂには、各ねじ孔５２ａ〜５２ｇを周回して段付き孔部５８が設けられる。各段付き孔部５８の大径部側には、保持部材６０がボルト６２を介して固定される。各保持部材６０の内周部とギヤ部材４８ａ〜４８ｇとの間には、ベアリング６４が介装される。ギヤ部材４８ａ〜４８ｇの端部には、係止ナット６６が螺合するとともに、前記係止ナット６６は、段付き孔部５８の小径部側に配置されて前記ギヤ部材４８ａ〜４８ｇの抜け止め機能を有する。
【００３３】
ギヤ部材４８ａ〜４８ｇは、順次、噛合して互いに反対方向に回転自在である。ギヤ部材４８ａ、４８ｃ、４８ｅ及び４８ｇが、図２中、矢印Ａ方向に回転する一方、ギヤ部材４８ｂ、４８ｄ及び４８ｆが、図２中、矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向とは反対方向）に回転する際、押圧ロッド４６ａ〜４６ｇは、同一方向に移動する。ギヤ部材４８ａ〜４８ｇの中、例えば、前記ギヤ部材４８ａは、他の前記ギヤ部材４８ｂ〜４８ｇを連動して回転させる単一の駆動用ギヤ部材を構成する。
【００３４】
燃料電池システム１３は、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、例えば、燃料電池１２の電極面圧分布を検出し、その検出結果に基づいて駆動用ギヤ部材であるギヤ部材４８ａの回転数を算出することができる。コントローラ７０は、電極面圧分布に代えて、例えば、冷却媒体の温度、燃料ガスの温度及び酸化剤ガスの温度を検出し、その検出結果に基づいて駆動用ギヤ部材であるギヤ部材４８ａの回転数を算出することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０には、酸化剤ガス供給装置３６から酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給装置３８から水素含有ガス（例えば、水素ガス）等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給装置４０から純水やエチレングリコール、又はオイル等の冷却媒体が供給される。
【００３７】
酸化剤ガスは、カソード側セパレータ２２の酸化剤ガス流路２６に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体２０のカソード電極１６に供給される。一方、燃料ガスは、アノード側セパレータ２４の燃料ガス流路２８に導入され、電解質膜・電極構造体２０のアノード電極１８に供給される。
【００３８】
これにより、電解質膜・電極構造体２０では、カソード電極１６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極１８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て発電が行われる。
【００３９】
また、冷却媒体供給装置４０では、冷却媒体が冷却媒体流路３０に供給される。この冷却媒体は、各燃料電池１２を冷却した後、燃料電池スタック１０から排出される。
【００４０】
上記のように、燃料電池スタック１０により発電が行われると、カソード電極１６側には、電気科学反応により生成水が発生する。一方、アノード電極１８側には、生成水が逆拡散し易い。そして、各燃料電池１２は、立位姿勢で水平方向に積層しており、前記燃料電池１２の下部側には、生成水が凝縮した凝縮水の滞留が惹起し易い。
【００４１】
このため、各燃料電池１２を構成する電解質膜・電極構造体２０は、固体高分子電解質膜１４が凝縮水を吸収して膨潤するとともに、特に前記固体高分子電解質膜１４の下部側の膨潤量が上部側の膨潤量に比べて大きくなる。従って、図４に示すように、燃料電池スタック１０では、積層方向に対して下部側の膨潤量が上部側の膨潤量よりも相当に大きくなり、全体として撓みが発生するおそれがある。
【００４２】
この場合、第１の実施形態では、各ギヤ部材４８ａ〜４８ｇのギヤ比や各押圧ロッド４６ａ〜４６ｇの１回転当たりの移動距離が予め設定されている。特に、燃料電池スタック１０の下部側に配置されている押圧ロッド４６ａ、４６ｇの移動距離が最大となるように、設定されている。一方、燃料電池スタック１０の上部側に配置されている押圧ロッド４６ｄの移動距離が最小になるように、設定されている。
【００４３】
そして、単一の駆動用ギヤ部材であるギヤ部材４８ａが回転操作されると、複数のギヤ部材４８ｂ〜４８ｇが、順次、連動して回転される。具体的には、図３に示すように、ギヤ部材４８ａが回転すると、このギヤ部材４８ａのスプライン孔５６ａに係合するスプライン５４ａを介して押圧ロッド４６ａが回転する。押圧ロッド４６ａのねじ部５０ａは、エンドプレート３２ｂのねじ孔５２ａに噛合しており、前記押圧ロッド４６ａが回転することにより、ねじ部５０ａ及びねじ孔５２ａの噛合作用下に、該押圧ロッド４６ａが軸方向（矢印Ｃ方向）に移動する。
【００４４】
ギヤ部材４８ａの回転は、このギヤ部材４８ａに噛合するギヤ部材４８ｂに伝達され、前記ギヤ部材４８ａと同様に、押圧ロッド４６ｂが軸方向に移動する。ギヤ部材４８ｂの回転は、ギヤ部材４８ｃに伝達され、前記ギヤ部材４８ｃの回転は、ギヤ部材４８ｄに伝達される。同様にして、ギヤ部材４８ｄの回転は、ギヤ部材４８ｅからギヤ部材４８ｆに、さらにギヤ部材４８ｇに伝達される（図２参照）。
【００４５】
このため、各ギヤ部材４８ａ〜４８ｇに設けられている押圧ロッド４６ａ〜４６ｇは、それぞれ積層方向に個別に且つ所望の移動距離ずつ進退して燃料電池１２を押圧することができる。
【００４６】
これにより、単一のギヤ部材４８ａ（駆動用ギヤ部材）を回転操作するだけで、すなわち、簡単な調整作業で、燃料電池１２の発電面全面に所望の締め付け荷重を確実且つ均一に付与することが可能になるという効果が得られる。
【００４７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０のエンドプレート８２側からの正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
エンドプレート８２には、荷重調整機構８４が設けられる。荷重調整機構８４は、エンドプレート８２に設けられ、燃料電池（図示せず）を押圧可能な複数の押圧ロッド（押圧部材）８６ａ〜８６ｃと、前記押圧ロッド８６ａ〜８６ｃに設けられるギヤ部材８８ａ〜８８ｃとを備える。
【００４９】
ギヤ部材８８ａ、８８ｂ及び８８ｃは、順次、互いに噛合するとともに、互いにギヤ比を変更させている。具体的には、ギヤ部材８８ａ、８８ｂ及び８８ｃは、順に、直径を小さく（且つ歯数を少なく）設定することにより、前記ギヤ部材８８ａが１回転する際に、前記ギヤ部材８８ｂが１回転を超えて回転し、さらに前記ギヤ部材８８ｂが１回転する際に、前記ギヤ部材８８ｃが１回転を超えて回転するように設定される。駆動用ギヤ部材は、例えば、ギヤ部材８８ａにより構成される。
【００５０】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０のエンドプレート９２側からの正面説明図である。
【００５１】
エンドプレート９２には、荷重調整機構９４が設けられる。荷重調整機構９４は、エンドプレート９２に設けられ、燃料電池（図示せず）を押圧可能な複数の押圧ロッド（押圧部材）９６ａ、９６ｂと、前記押圧ロッド９６ａ、９６ｂに設けられるギヤ部材９８ａ、９８ｂとを備える。
【００５２】
ギヤ部材９８ａ及び９８ｂは、互いに噛合するとともに、互いにギヤ比を変更させている。具体的には、ギヤ部材９８ａは、ギヤ部材９８ｂよりも直径が小さく（且つ歯数を少なく）設定することにより、前記ギヤ部材９８ｂが１回転する際に、前記ギヤ部材９８ａが１回転を超えて回転するように設定される。駆動用ギヤ部材は、例えば、ギヤ部材９８ａにより構成される。
【００５３】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、単一のギヤ部材８８ａ、９８ａ（駆動用ギヤ部材）を回転操作するだけで、すなわち、簡単な調整作業で、燃料電池の発電面全面に所望の締め付け荷重を確実且つ均一に付与することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５４】
１０、８０…燃料電池スタック        １２…燃料電池
１４…固体高分子電解質膜            １６…カソード電極
１８…アノード電極                  ２０…電解質膜・電極構造体
２６…酸化剤ガス流路                ２８…燃料ガス流路
３０…冷却媒体流路                  ３２ａ、３２ｂ、８２…エンドプレート
３４…締結ボルト                    ３６…酸化剤ガス供給装置
３８…燃料ガス供給装置              ４０…冷却媒体供給装置
４２、８４…荷重調整機構            ４４…押圧プレート
４６ａ〜４６ｇ、８６ａ〜８６ｃ…押圧ロッド
４８ａ〜４８ｇ、８８ａ〜８８ｃ…ギヤ部材
５０ａ〜５０ｇ…ねじ部              ５２ａ〜５２ｇ…ねじ孔
５４ａ〜５４ｇ…スプライン          ５６ａ〜５６ｇ…スプライン孔
７０…コントローラ
【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】
2013157096.tif 000007
【図６】
2013157096.tif 000008
【図７】
2013157096.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月19日(2012.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2013157096.tif 000010