(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで配置した一対の電極をセパレータで狭持して単位セルを構成し、前記セパレータの積層面に、その外周辺に沿ってガスケットを配置し、前記単位セルを複数積層した両面にエンドプレートを配置して積層体を構成し、
前記積層体の外側から積層方向へ一本以上のベルトを掛け回して締結し、
前記ベルトが前記エンドプレートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近と前記ガスケット延長上付近であたるように、前記エンドプレートの厚みを前記ベルトの巻き付け方向に関する中央部と周辺部で増加させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記積層体をその周辺部において積層方向に貫通するタイロッドにより締結した請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記エンドプレートの厚みを増加させた前記ベルトの掛け回し方向に関する中央部と周辺部の間に、前記ベルトの外側から前記積層体に向かってフックを設置してベルト張力を高めるようにした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記積層体の積層面を長方形に形成し、前記エンドプレートの外側面における前記ベルトの掛け回し方向を前記積層面の短辺方向とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ベルトが掛け回される前記エンドプレートの端部を曲面により形成する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ベルトを少なくとも三本以上巻き付け、そのうちの中央付近に巻き付けたベルトの締付ける力を、その他のベルトが締付ける力より大きくする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【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構造、特に燃料電池スタックの圧迫構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子形燃料電池としては、固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極およびカソード側電極の外側にセパレータを設置することにより形成した単位セルを複数積層した燃料電池スタックが知られている。ところで固体高分子形燃料電池では、単位セル内の電極とセパレータの間や複数積層されたセル間には接触抵抗が存在し、この接触抵抗が増大することによりスタックの端子電圧が低下する。接触抵抗の原因の一つは、不十分なセパレータ間の面当たりであることが多い。従って、接触抵抗を低減するためにセル面全体に均一に圧力をかけて締付ける必要がある。
【０００３】
そこで特開２００１−１５５７６０においては、エンドプレートにプレートアセンブリを取り付けアレンヘッドソケットによって必要な箇所に必要なトルクで圧迫できるようになっている。
【０００４】
特開２０００−２９４２６８においては、一方のエンドプレートの外側にはシリコンオイルを封入した液体チャンバを形成し、他方のエンドプレートの外側には燃料電池内部側に押圧する加圧手段を設けることによりセル面に均一な圧力をかけている。
【０００５】
また、特開２００１−１４３７４１においては、燃料電池スタックの横寸法と縦寸法の比に対応した個数だけエンドプレートに皿バネを設置することによりセル面に圧力をかけている。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開２００１−１５５７６０においては、アレンヘッドソケットの周囲に集中的に力がかかってしまうという問題や、アレンヘッドソケットの数が多い場合には組み立てに時間がかかるという問題がある。
【０００７】
また、特開２０００−２９４２６８および特開２００１−１４３７４１においては、エンドプレート以外に付加的に取り付ける部品が多く、燃料電池スタック自身の重量が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は簡単な構成でセル面に適切な圧力をかけることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、電解質膜を挟んで配置した一対の電極をセパレータで狭持して単位セルを構成し、前記セパレータの積層面に、その外周辺に沿ってガスケットを配置し、前記単位セルを複数積層した両面にエンドプレートを配置して積層体を構成し、前記積層体の外側から積層方向へ一本以上のベルトを掛け回して締結し、前記ベルトが前記エンドプレートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近と前記ガスケット延長上付近であたるように、前記エンドプレートの厚みを前記ベルトの巻き付け方向に関する中央部と周辺部で増加させた。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記積層体をその周辺部において積層方向に貫通するタイロッドにより締結した。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記エンドプレートの厚みを増加させた前記ベルトの掛け回し方向に関する中央部と周辺部の間に、前記ベルトの外側から前記積層体に向かってフックを設置してベルト張力を高めるようにした。
【００１３】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記積層体の積層面を長方形に形成し、前記エンドプレートの外側面における前記ベルトの掛け回し方向を前記積層面の短辺方向とする。
【００１４】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ベルトが掛け回される前記エンドプレートの端部を曲面により形成する。
【００１５】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記ベルトを少なくとも三本以上巻き付け、そのうちの中央付近に巻き付けたベルトの締付ける力を、その他のベルトが締付ける力より大きくする。
【００１６】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、圧力のかかり難いエンドプレートの中央付近を厚くすることで、ベルトを巻き付けて締付けたときにエンドプレート中央付近の積層面にかかる圧力を増大させて単位セル間の接触面積が増大させるとともに、ベルトがエンドプレートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近とガスケット延長付近にあたることで、セパレータの中央付近とガスケット付近に圧力をかけることができる。これにより、接触抵抗を低減して高出力の燃料電池を提供するとともに、セパレータ間の気密を保持でき、十分な面当たりを確保することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、積層体の周辺部にタイロッドを設置することにより、積層面に確実に圧力をかけることができる。
【００１９】
第３の発明によれば、エンドプレートの厚みを増加させた部分の間にベルトの外側から積層体側へ向かってフックを取り付けることにより、ベルトの張力が増加するので積層面にかかる圧力を増加することができる。
【００２０】
第４の発明によれば、エンドプレートの外側面におけるベルトの掛け回し方向を積層面の短辺方向とすることにより、積層体の積層構造が安定するので、燃料電池の機械的強度を向上することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、積層体のベルトが掛け回されるエンドプレートの端部を曲面により形成することで、端部に集中する力を曲面に沿って分散できるので、積層体の機械強度を向上することができ、ベルトの応力集中を改善できる。
【００２２】
第６の発明は、中央部に設置したベルトを締付ける力を他のベルトを締付けるための力より強くすることで力のかかり難い積層面中央付近に圧力をかけることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１に第１の参考例における燃料電池スタックを形成する単位セル１２の構成を示す。単位セル１２は、セパレータ２１、電極２４、固体高分子電解質膜２５を積層することにより形成する。
【００２４】
積層方向についての最も外側には、セパレータ２１としての一対の板状のアノード側セパレータ２１Ａとカソード側セパレータ２１Ｂを設置する。セパレータ２１の内側の面２２ａにセパレータ２１の外周に沿ってガスケット２６を配置する。セパレータ２１のガスケット２６に取り囲まれている部分にガスマニホールド２３を形成し、燃料電池スタック外部から燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する。
【００２５】
セパレータ２１の間に挟まれるように電極２４としての一対のアノード側電極２４Ａ、カソード側電極２４Ｂを設置する。電極２４の積層面をガスケット２６に囲まれた面より小さく形成して、セパレータ２１のガスケット２６に囲まれた内側面に接触するように設置する。
【００２６】
電極２４の更に内側に、固体高分子電解質膜２５を設置する。固体高分子電解質膜２５は積層面がセパレータ２１に形成したガスケット２６に取り囲まれる面より広くなるように形成する。
【００２７】
このように単位セル１２を形成して積層面両側から圧迫することにより、ガスケット２６を介したセパレータ２１と固体高分子電解質膜２５間の気密を保持して、セパレータ２１と電極２４との面当たりを確保する。
【００２８】
また図２に示すように、燃料電池スタックをこのような単位セル１２を複数積層することにより形成するので、積層したセル１２間の気密を保持するために、アノード側セパレータ２１Ａおよびカソード側セパレータ２１Ｂの外側面２２ｂにも同様に、積層面の外周に沿ってガスケット２６を配置する。
【００２９】
図２に第１の参考例における燃料電池スタックの概略を示す。
【００３０】
前述のような燃料電池単位セル１２を複数枚積層して電極群１４を形成する。電極群１４の積層方向両側からインシュレータ１８を介してエンドプレート９を設置することにより積層体１７を形成する。
【００３１】
ここで、積層体１７の両端部にあたるエンドプレート９の形状を説明する。
【００３２】
エンドプレート９のインシュレータ１８に対峙する平面である内側面を、長辺１０ａおよび短辺１０ｂからなる長方形により形成する。このとき、エンドプレート９の積層方向の厚み（以下、厚み）を短辺１０ｂに沿って変化させる。ここでは、短辺１０ｂの両端部１３ｂで最も薄く、短辺１０ｂの中央部１３ａにいくにしたがって徐々に厚みが増加する蒲鉾形状とする。一方、長辺１０ａ方向に関しては、エンドプレート９の厚みを一定とする。
【００３３】
また、エンドプレート９の短辺１０ｂの端部１３ｂを、図３に示すように曲面により形成する。ここでは、短辺１０ｂ側から見たときに、端部１３ｂが円弧状になるように形成する。これにより、積層体１７を短辺１０ｂ側からみたときに、積層体１７の外周の角は曲面により形成される。このように形成することで、後述するようにベルト１１を巻き付けたときに、角に集中する力を曲面に沿って分散できるので積層体の機械強度を向上することができる。
【００３４】
図２に示すように、このようなエンドプレート９を端部に配置した積層体１７に、積層方向にベルト１１を掛け回して積層面に圧力をかける。
【００３５】
ベルト１１を、長辺１０ａ方向に並列した複数本、ここでは３本のベルト１１−ａ、１１−ｂ、１１−ｃにより形成する。ここで、ベルト１１が短辺１０ｂ上を横切るように巻くことも可能だが、燃料電池スタックが積層方向に極端に長い場合には、長辺１０ａ方向に並列した複数のベルトを配置した方が積層構造を安定させることができる。エンドプレート９の各辺の長さが変わらない燃料電池スタックにおいては、どちらの配置とすることもできる。
【００３６】
このようなエンドプレート９を形成し、ベルト１１により積層体１７を締結させることにより、圧力のかかり難い積層面中央部がベルト１１により確実に圧迫されるので、セパレータ２１間の面当たりを十分なものにすることができる。積層面への圧力分布は、エンドプレート９の厚み変化の程度により調整することができる。例えば、端部１３ｂから中央部１３ａにかけて厚み変化が急激なものとすると、積層面にかけられる圧力が積層面中央部に集中する。このようにエンドプレート９の形状を調整することにより、積層面に均一な圧力をかけて接触抵抗を低減することができるので、燃料電池を効率よく運転することができる。
【００３７】
また、短辺１０ｂの端部１３ｂを曲面により形成することで、つまり、ベルト１１が掛け回される積層体１７の外周の角を曲面により形成することで、ベルト１１による圧力が、例えば平面により形成したときには角に集中するのを避けて曲面に分散することができ、エンドプレート９の機械的強度を向上することができ、ベルトの応力集中を改善できる。
【００３８】
ここで、エンドプレート９を形成する材質としては、SUS、銅、アルミニウム、強化プラスチック等が使用できるが、弾性率の大小によって適宜厚みを設定することで、エンドプレート９に必要な機械強度を維持することができる。
【００３９】
また、ベルト１１には燃料電池作動時にエンドプレート９が達する温度に耐えられる限り公知のあらゆる材質のものを使用することができる。また燃料電池の構造上、ベルト１１が電極群１４の設側面に接触する可能性がある場合は、絶縁処理を施すか、もしくは絶縁性のものを使用し、ベルト１１に電流が流れることで出力が低下するのを防ぐことが望ましい。
【００４０】
本参考例では両方のエンドプレート９の厚みを変化させたが、片方のみ変化させてもよい。
【００４１】
次に第１の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ側からみたときの形状を図４に示す。
【００４２】
エンドプレート９の厚みを短辺１０ｂの両方の端部１３ｂと中央部１３ａで共に厚くして、短辺１０ｂ側からみると曲線により三つの凸状部３１、３２、３３が形成されるようにした。ここで、端部１３ｂに形成した凸状部３１、３２よりも、中央部１３ａに形成した凸状部３３の厚みを大きくする。また、その厚みの差を、ベルト１１を巻いたときにベルト１１が凸状部３１、３２の一部、少なくともガスケット２６の積層方向延長上に接触・加圧するような程度の差となるように形成する。このように形成することで、中央部１３ａおよび端部１３ｂがベルト１１の支点となり、圧力が集中してかかりやすくなる。
【００４３】
ベルト１１による積層方向の圧力は中央部１３ａ、端部１３ｂを介して積層面に伝えることができ、その圧力分布を、凸状部３１、３２、３３を形成する曲面の形状を変え、ベルトが接触する領域を調整することにより調整することができる。ここでは、凸状部３１、３２の厚みは同じくすることで凸状部３１、３２に同じ大きさの圧力がかかるようにした。
【００４４】
このように形成することで、圧力のかかり難い中央部１３ａに圧力をかけることができるとともに、ガスケット２６にも圧力をかけることができるので、さらにセパレータ２１間の圧力を保持することができ、接触抵抗による出力の低下を抑制することができる。
【００４５】
第２の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂからみたときの形状を図５に示す。
【００４６】
第１の実施形態と同様にエンドプレート９に凸状部３１、３２、３３を形成し、ベルト１１を巻きつける。次に、ベルト１１の上から凸状部３１、３３間の凹状部３５にフック３４ａ、凸状部３３、３２の間の凹状部３６にフック３４ｂを設置する。フック３４は、例えばＬ字状やコの字形状のものを用いて、ベルトの外側から長辺１０ａに沿って配置し、長辺１０ａの端部でプレート９に固定する。このとき、フック３４により凹状部３５、３６とベルト１１の距離が縮まるようにフック３４とエンドプレート９との距離を調整する。このように形成することで、ベルト１１の巻き付け方向の張力がさらに大きくなり凸状部の頂点付近には積層方向内側に向かう圧力がさらに大きくなるので、セパレータ２１の接触が促進される。また、凸状部３１、３２、３３を同じ厚みにしても、フック３４により凸状部３３にかかる圧力を確保できる。
【００４７】
ここで、フック３４はスタックの締付けとほぼ同じ大きさの力がかかるため、力に応じた十分な機械強度を有する材質を適用する。フック３４とエンドプレート９との隙間は、形成した三つの凸状部３１、３２、３３の厚さやベルトの締付け力の大きさによって適宜変えることができる。
【００４８】
このように、エンドプレート９の凹状部にフック３４を取り付けることで、少ない部材で積層方向により大きな圧力を加えることができる。
【００４９】
なお、ここではフック３４を取り付けることで確実に端部１３ｂに形成した凸状部３１、３２にベルト１１からの圧力を加えることができるので、凸状部３１、３２の厚さと凸状部３３の厚さを同じにすることができる。これによりエンドプレート９の設計・製造が容易になる。
【００５０】
第２の参考例を説明する。本参考例における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ側からみたときの形状を図６に示す。
【００５１】
第１の参考例のエンドプレート９において、エンドプレート９の外側面１４ｂの４隅にタイロッド５１を設置する。タイロッド５１は電極群１４、インシュレータ１８、エンドプレート９から成る積層体１７を積層方向に貫通するように設置し、積層方向両側から締付けナット５２により積層体１７に所定の圧力をかける。タイロッド５１はセパレータ２１に形成したガスケット２６の近くを貫通するように設置する。
【００５２】
また、ベルト１１をタイロッド５１間の短辺１０ｂ方向に沿って巻き付けて、セパレータ２１、２２の中心付近に圧力をかける。
【００５３】
このように形成することで、タイロッド５１によりガスケット２６に直接圧力をかけることができ、接触抵抗を低減することができる。また、中央にベルト１１を巻きつけることで、圧力のかかり難い中央部に圧力をかけることができ、接触抵抗の大きい中央付近の接触を確実にすることができるので、さらに接触抵抗を低減できる。
【００５４】
第３の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの概略を図７に示す。
【００５５】
エンドプレート９の厚みを長辺１０ａ方向に沿って変化させる。ここでは段階的に厚みを変化させ、それぞれの厚さを形成する両端部４１、４２と中央部４３の三段により厚みを変化させる。また、長辺１０ａ方向の中央部４３の厚さが、その両側部４１、４２の厚さより大きく形成する。ここで、中央部４３および両側部４１、４２の幅をベルト１１の幅よりも広くし、中央部４３にベルト１１−ｂを巻きつけ、両側部４１、４２にベルト１１―ａ、１１−ｃを巻きつける。ベルト１１−ａ、１１−ｂ、１１−ｃの巻きつけ長さを等しくすることで、中央部４３にかかる圧力を両側部４１、４２に比べて大きくすることができる。また、段階的に厚さを変化させているので、ベルト１１を所定の位置に容易に取り付けることができる。
【００５６】
本実施形態においては、複数のベルト１１を用いたが、１本のベルト１１により中央部４３および両側部４１、４２を覆うように巻きつけてもよい。１本のベルトを巻きつけることで、エンドプレート９の厚みが大きい部分にかかる圧力を集中的に増加することができる。
【００５７】
また、ここではベルト１１の巻きつけ部分の長さを一定としてプレート１０の厚みを変化させたが、プレート９の厚みは変化させずにベルト１１の巻きつけ部分の長さを変化させることで、かかる圧力を調整してもよい。
【００５８】
さらに、ベルト１１の上からエンドプレート９の厚み変化に合わせて形成したフックを取り付けたり、ガスケット２６付近にタイロッド５１と締付けナット５２を取り付けたりすることもできる。また、第１の実施形態のように一つの凸状部が形成されたエンドプレート９について、ベルト１１の巻きつけ方向に垂直な方向についての厚みを変化させてもよい。
【００５９】
このように構成することで、それぞれのベルト１１の巻き付け方向についてのエンドプレート９にかかる圧力の分布を適正化できるだけでなく、複数のベルト１１の巻き付け位置ごとのエンドプレート９にかかる圧力の分布をも適正化することができる。
【００６０】
ここで、図８に第２の参考例による締付け力分布を、図９に従来技術による比較例の締付け力分布を示す。どちらも、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのカーボン製セパレータを使用して、セパレータ間には感圧紙を挟んでスタックを組み立てた。第２の参考例についてはエンドプレート９に端部１３ｂの厚さが７ｍｍに対して中央部１３ａ厚さが１０ｍｍのものを用い、エンドプレート９の四隅をあらかじめタイロッド５１で組み立て後にベルト１１で締付けを行った。一方比較例については、エンドプレートに厚さ７ｍｍ一定のエンドプレートを用いてタイロッドで組み立てた。分解後に取り出された感圧紙の内、図８が第２の参考例によるもの、図９が比較例によるものである。従来技術である図９においては中央部分の圧力が不十分であるのが分かる。これに対して、第２の参考例に適用した場合は前面に亘って圧力が一定であり、中央部分も十分な圧力を得られている。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の参考例における燃料電池スタックを形成する単位セルの構成図である。
【図２】  第１の参考例における燃料スタックの構成図である。
【図３】  第１の参考例における燃料電池スタックの端部の拡大図である。
【図４】  第１の実施形態における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図５】  第２の実施形態における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図６】  第２の参考例における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図７】  第３の実施形態における燃料電池スタックの端部の図である。
【図８】  第２の参考例による締付け力分布を示す図である。
【図９】  従来技術による締付け力分布を示す図である。
【符号の説明】
９    エンドプレート
１１  ベルト
２１  セパレータ
２４  電極
２６  ガスケット
３４  フック
５１  タイロッド
５２  （締付け）ナット
【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】
0003952744.tif 000008
【図８】
0003952744.tif 000009
【図９】
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