(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装されてなる接合体と前記接合体を挟持する１組のセパレータとを有する単位セルが複数個積層された積層体を備える燃料電池スタックにおいて、
前記１組のセパレータのうちの少なくとも１つは、凹部と凸部が交互に連続する部位をそれぞれ有する１組の金属板を有し、
前記１組の金属板の間には板ばねが介装されており、
かつ前記板ばねには前記１組の金属板の各凸部の頂部が当接するとともに、一方の前記金属板の凹部と他方の前記金属板の凸部とが前記板ばねを介して対向してい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、前記積層体を該積層体の両端から保持する１組のエンドプレートにそれぞれマウント用ブラケットが連結されており、
前記マウント用ブラケットの各々が所定の部材に位置決め固定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記所定の部材が車輌の車体であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装されてなる接合体と前記接合体を挟持する１組のセパレータとを有する単位セルが複数個積層された積層体を備える燃料電池スタックを加圧保持する燃料電池スタックの加圧保持方法において、
前記１組のセパレータの少なくとも１つを、凹部と凸部が交互に連続する部位をそれぞれ有する１組の金属板で構成するとともに、前記１組の金属板の間に板ばねを介装し、
前記板ばねを介して一方の前記金属板の凹部と他方の前記金属板の凸部とを対向配置した状態で前記積層体を積層方向に加圧することを特徴とする燃料電池スタックの加圧保持方法。
【請求項５】
請求項４記載の加圧保持方法において、前記積層体を１組のエンドプレートで挟持し、かつ前記１組のエンドプレート同士を緊締部材で緊締することによって前記積層体を加圧保持することを特徴とする燃料電池スタックの加圧保持方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックおよびその加圧保持方法に関し、一層詳細には、温度変化に伴って単位セルが熱膨張または収縮による寸法変化を起こした場合であっても単位セル同士の電気的な接触が確実に維持される燃料電池スタックおよびその加圧保持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に、自動車等の車輌の車体１に搭載された一般的な燃料電池スタック１０の要部拡大断面図を示す。この燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル１２が互いに電気的に直列接続されるとともに図９における左右方向に積層されてなる積層体１３を備える。
【０００３】
単位セル１２は、アノード側電極１４とカソード側電極１６との間に電解質層１８が介装されることにより構成された接合体２０と、該接合体２０を挟持する１組のセパレータ２２ａ、２２ｂとを備える。両セパレータ２２ａ、２２ｂには、アノード側電極１４に対向する面に該アノード側電極１４に燃料ガス（例えば、水素を主成分とする水素含有ガス）を供給・排出するための第１ガス流路２４が設けられる一方、カソード側電極１６に対向する面に該カソード側電極１６に酸素含有ガス（例えば、空気）を供給・排出するための第２ガス流路２６が設けられている。
【０００４】
積層体１３における両端に位置する単位セル１２、１２には、集電用電極３４ａ、３４ｂがそれぞれ電気的に接続される。さらに、該集電用電極３４ａ、３４ｂの外側に漏電防止用の絶縁プレート３６ａ、３６ｂを介してエンドプレート３８ａ、３８ｂがそれぞれ配置され、各エンドプレート３８ａ、３８ｂの外側にバックアッププレート４０ａ、４０ｂがそれぞれ配置されることにより、燃料電池スタック１０が構成される。なお、エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、単位セル１２同士の電気的な接触を維持するための複数個のばね部材、例えば、皿ばね４２が介装されている。
【０００５】
以上の構成において、燃料電池スタック１０の周縁部には、一方のバックアッププレート４０ａから他方のバックアッププレート４０ｂに至るまで延在する複数個の貫通孔４４が形成されている。これら貫通孔４４には各々タイロッド４６が通されており、該タイロッド４６にナット４８が螺合されることにより両バックアッププレート４０ａ、４０ｂが緊締されることに伴って、積層体１３、集電用電極３４ａ、３４ｂ、エンドプレート３８ａ、３８ｂが加圧保持される。この際、皿ばね４２が圧縮される。
【０００６】
ここで、燃料電池スタック１０は、エンドプレート３８ａ、バックアッププレート４０ｂにそれぞれ連結されたマウント用ブラケット５０、５２を介して車体１に搭載されている。このうち、マウント用ブラケット５２はボルト５４で車体１に連結されることによって位置決め固定されており、一方、マウント用ブラケット５０は、車体１に対して摺動自在である。すなわち、図１０に示すように、このマウント用ブラケット５０の下端部に突出形成されたアーム部５６には、段部５８を有する長円状溝６０が設けられている。該長円状溝６０を通ったボルト６２がその頭部で段部５８の底面を適切な力で押圧することによって、マウント用ブラケット５０が車体１に摺動自在に連結される。
【０００７】
燃料電池スタック１０には、さらに、燃料ガス供給・排出機構、酸素含有ガス供給・排出機構および冷却水供給・排出機構（いずれも図示せず）がそれぞれ連結される。そして、燃料電池スタック１０に冷却水を流通させる一方、該燃料電池スタック１０の温度を上昇させた状態でアノード側電極１４に燃料ガスが供給され、かつカソード側電極１６に空気等の酸素含有ガスが供給される。燃料ガス中の水素は、アノード側電極１４において、以下の反応式（Ａ）に示されるように電離し、その結果、水素イオンおよび電子が生成する。
【０００８】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ              …（Ａ）
このうち、水素イオンは、電解質層１８を介してカソード側電極１６へ移動する。一方、電子は、アノード側電極１４およびカソード側電極１６に電気的に接続された外部回路に取り出され、該外部回路を付勢するための直流の電気エネルギとして利用される。
【０００９】
その後、電子はカソード側電極１６へと至り、該カソード側電極１６に移動した水素イオンおよび該カソード側電極１６に供給された酸素含有ガス中の酸素とともに以下の反応式（Ｂ）に示される反応を起こし、水を生成する。
【００１０】
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ    …（Ｂ）
運転の最中、積層体１３が積層方向に沿って熱膨張により寸法変化を起こすと、その熱膨張量に応じて皿ばね４２が縮小する。また、運転が停止されて燃料電池スタック１０の温度が下降すると、積層体１３が収縮するとともに皿ばね４２が伸張する。このように、積層体１３が熱膨張または収縮することに追従して皿ばね４２が縮小または伸張することにより、積層体１３に対する締め付け力が略均等に維持される。すなわち、積層体１３の加圧保持が良好に維持され、これにより単位セル１２同士の電気的な接触が維持される。
【００１１】
さらに、前記電解質層１８は、上記の電気化学変化で生成した水分の吸収・放出や供給する燃料ガスおよび酸素含有ガスの湿度によって積層体１３の積層方向に沿って膨潤・収縮する。加えて、電解質層１８は、燃料電池スタック１０の運転・停止に伴う度重なる温度変化によって寸法が若干縮小する、いわゆるへたりを生じる。このへたりは、接合体２０を保持するシール部材や、セパレータ２２ａ、２２ｂ等においても同様に発生する。燃料電池スタック１０は、電解質層１８、シール部材、セパレータ２２ａ、２２ｂ等にこのような寸法変化が生じた際にも積層方向に沿って寸法変化を起こす。
【００１２】
なお、燃料電池スタック１０が寸法変化を起こして皿ばね４２が縮小または伸張する際には、マウント用ブラケット５０が車体１に対して摺動する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記から諒解されるように、皿ばね４２は、積層体１３が熱膨張または収縮した際に、自身が縮小または伸張することによって単位セル１２同士の電気的な接触を維持するという役割を果たす。換言すれば、皿ばね４２は、積層体１３が積層方向に寸法変化を起こした場合であっても、該積層体１３に対する加圧保持力を略一定に保つ加圧保持力維持機構である。
【００１４】
しかしながら、皿ばね４２を燃料電池スタック１０に組み込む場合、該皿ばね４２を保持するために、エンドプレート３８ａおよびバックアッププレート４０ａが必要となる。このため、皿ばね４２自身およびバックアッププレート４０ａによって燃料電池スタック１０の積層方向に沿う寸法が大きくなり、しかも、重量も大きくなるという不具合がある。
【００１５】
また、皿ばね４２を保持するためにタイロッド４６にてバックアッププレート４０ａ、４０ｂ同士を緊締する場合、各タイロッド４６の締め付け力を略均等にしなければならない。他の箇所に比して緩やかに締め付けられた箇所は、積層体１３が収縮した際に締め付け力が低下することがあり、その結果、積層体１３を構成する単位セル１２同士の間に接触不良が発生し、内部抵抗が増加して燃料電池スタック１０の発電特性が低下してしまうことがあるからである。
【００１６】
上記したような事態を回避するためには、タイロッド４６による締め付け力を大きくする必要がある。そして、このような状況下においても撓みが生じないように、エンドプレート３８ａ、３８ｂとしては、厚肉なものが採用される。しかしながら、このことによって、積層体１３の積層方向に沿う燃料電池スタック１０の寸法が大きくなってしまうという不具合が惹起される。また、必然的に燃料電池スタック１０の重量も大きくなり、したがって、該燃料電池スタック１０を搭載する車体１を走行させる際に大きな駆動力が必要になる。この不具合は、タイロッド４６に代替してバンド等の他の緊締部材を使用した場合においても同様に生じる。
【００１７】
さらに、上記の構成の燃料電池スタック１０では、一方のマウント用ブラケット５０が車体１に摺動自在に連結されているが、これを堅牢に位置決め固定することはできない。すなわち、マウント用ブラケット５０、５２の両方を堅牢に位置決め固定した場合には、例えば、積層体１３が熱膨張することが著しく抑制され、その結果、燃料電池スタック１０に大きな熱応力が作用してしまうことになるからである。
【００１８】
このように摺動自在に連結されたマウント用ブラケット５０では、車体１を走行させた際に生じた振動や衝撃によって燃料電池スタック１０に加わる荷重を充分に受けることができない。そこで、車体１に位置決め固定されるマウント用ブラケット５２としては、振動や衝撃による荷重を加圧することができるように大型のものが使用される。
【００１９】
しかしながら、このために、燃料電池スタック１０を搭載するスペースが広大なものとなる。しかも、マウント用ブラケット５２の重量が大きくなるので必然的に燃料電池スタック１０の重量も大きくなり、したがって、該燃料電池スタック１０を搭載する車体１を走行させる際に大きな駆動力が必要となってしまう。
【００２０】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、両マウント用ブラケットを堅牢に位置決め固定した状態であっても燃料電池スタックに作用する熱応力を抑制することが可能であるとともに、積層体がその積層方向に沿って膨張または収縮した場合においても単位セル同士の電気的な接触を維持することが可能であり、しかも、バックアッププレートを使用する必要性もない燃料電池スタックおよびその加圧保持方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装されてなる接合体と前記接合体を挟持する１組のセパレータとを有する単位セルが複数個積層された積層体を備える燃料電池スタックにおいて、
前記１組のセパレータのうちの少なくとも１つは、凹部と凸部が交互に連続する部位をそれぞれ有する１組の金属板を有し、
前記１組の金属板の間には板ばねが介装されており、
かつ前記板ばねには前記１組の金属板の各凸部の頂部が当接するとともに、一方の前記金属板の凹部と他方の前記金属板の凸部とが前記板ばねを介して対向していることを特徴とする。
【００２２】
この場合、単位セルが熱膨張または収縮して寸法変化を起こした際や、電解質層が電気化学変化で生成した水分を吸収・放出することに追従して膨潤・収縮した際、さらには、燃料電池スタックを構成する電解質層、シール部材、セパレータ等にへたりによる寸法変化が生じた際に燃料電池スタックが単位セルの積層方向に沿って寸法変化を起こしたとき、板ばねが弾性変形する。この弾性変形に伴って単位セルが弾発付勢されることにより、積層体に対する加圧保持力、ひいては互いに隣接する単位セル同士の電気的な接触を良好に維持することができる。
【００２３】
しかも、板ばねによって積層体に対する加圧保持力が維持されるので、従来技術に係る燃料電池スタックのように皿ばねを組み込む必要がなくなる。また、このためにバックアッププレートも不要となるので、燃料電池スタックにおける単位セルの積層方向に沿う寸法を小さくすることができ、かつ軽量化することができる。
【００２４】
上記したように、本発明に係る燃料電池スタックでは、板ばねが弾性変形することによって積層体に対する加圧保持力が維持される。したがって、マウント用ブラケットはほとんど変位することがない。このため、本発明に係る燃料電池スタックにおいては、前記積層体を該積層体の両端から保持する１組のエンドプレートにそれぞれ連結されたマウント用ブラケットの一方を従来のように所定の部材に摺動自在に連結する必要はなく、堅牢に位置決め固定することができる。なお、上記したように、燃料電池スタックの運転に際して単位セルが熱膨張した際には板ばねが弾性変形して熱応力を緩和するので、このような構成としたことに伴って単位セルが熱膨張することが抑制されることはない。
【００２５】
また、この場合、両マウント用ブラケットをともに堅牢に位置決め固定することができるので、従来技術に係る燃料電池スタックのように一方のマウント用ブラケットのみを位置決め固定する場合に比して、両マウント用ブラケットに加わる荷重が著しく低減する。このため、該マウント用ブラケットとしては、小型かつ軽量なものを採用することができる。したがって、燃料電池スタックの搭載スペースを狭小化することができるとともに、車輌としての総重量を小さくすることもできる。
【００２６】
なお、所定の部材の好適な例としては、車輌の車体を挙げることができる。すなわち、本発明に係る燃料電池スタックは、車載用として好適に使用することができる。ここで、車輌は、燃料電池スタックの起電力を駆動源として走行するものであればよく、一般自家用車に特に限定されるものではない。
【００２７】
さらに、本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装されてなる接合体と前記接合体を挟持する１組のセパレータとを有する単位セルが複数個積層された積層体を備える燃料電池スタックを加圧保持する燃料電池スタックの加圧保持方法において、
前記１組のセパレータの少なくとも１つを、凹部と凸部が交互に連続する部位をそれぞれ有する１組の金属板で構成するとともに、前記１組の金属板の間に板ばねを介装し、
前記板ばねを介して一方の前記金属板の凹部と他方の前記金属板の凸部とを対向配置した状態で前記積層体を積層方向に加圧することを特徴とする。
【００２８】
積層体をこのように加圧保持することによって、燃料電池スタックが熱膨張または収縮を起こした場合であっても、積層体に対する加圧保持力、ひいては互いに隣接する単位セル同士の電気的な接触を良好に維持することができる。上記したように、板ばねが弾性変形して単位セルを弾発付勢し、これにより積層体に対する加圧保持力が維持されるからである。このため、皿ばねおよびバックアッププレートが不要となるので、燃料電池スタックにおける単位セルの積層方向に沿う寸法を小さくすることができ、該燃料電池スタックを軽量化することもできる。
【００２９】
また、皿ばねおよびバックアッププレートが不要となるので、積層体を１組のエンドプレートで挟持し、かつ１組のエンドプレート同士を緊締部材で緊締することができる。この場合、バックアッププレートが存在しない分だけ燃料電池スタックの積層方向寸法を小さくすることができるとともに、かつ軽量化することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつきその加圧保持方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図９および図１０に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を用い、説明の便宜上必要な場合には参照符号にａ、ｂ等の添字を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３１】
本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図を図１に示す。この燃料電池スタック１００は、図２に示す第１単位セル１０２と第２単位セル１０４とが積層されたセルアセンブリ１０６が矢印Ａ方向に積層されかつ互いに電気的に直列接続されてなる積層体１０８を備える。
【００３２】
図２に示すように、セルアセンブリ１０６の一端縁部には、その積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素を主に含有する酸素含有ガスを供給・排出するための酸素含有ガス供給連通孔１１０および酸素含有ガス排出連通孔１１２と、燃料ガス中間連通孔１１４とが設けられている。また、他端縁部には、酸素含有ガス供給連通孔１１０および酸素含有ガス排出連通孔１１２に連通する酸素含有ガス中間連通孔１１６と、燃料ガス中間連通孔１１４にそれぞれ連通する燃料ガス供給連通孔１１８および燃料ガス排出連通孔１２０と、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体入口孔１２２および冷却媒体出口孔１２４とが設けられている。このうち、酸素含有ガス供給連通孔１１０、酸素含有ガス排出連通孔１１２、燃料ガス供給連通孔１１８、燃料ガス排出連通孔１２０、冷却媒体入口孔１２２および冷却媒体出口孔１２４は、それぞれ、燃料電池スタック１００を構成するエンドプレート１２６（図１参照）に設けられた酸素含有ガス供給口１２８、酸素含有ガス排出口１３０、燃料ガス供給口１３２、燃料ガス排出口１３４、冷却媒体供給口１３６および冷却媒体排出口１３８に連通している。
【００３３】
第１単位セル１０２は、図３に示すように、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜１８ａと、該固体高分子電解質膜１８ａを挟持するアノード側電極１４ａおよびカソード側電極１６ａを有する第１接合体２０ａを備える。アノード側電極１４ａおよびカソード側電極１６ａは、カーボンクロスまたはカーボンペーパー等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金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なる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有し、電極触媒層同士が固体高分子電解質膜１８ａを介して対向するように該固体高分子電解質膜１８ａに接合されている。
【００３４】
このように構成された第１接合体２０ａが、第１セパレータ１４０と第２セパレータ１４２とで挟持されることによって第１単位セル１０２が構成される。
【００３５】
一方、第２単位セル１０４は、第１接合体２０ａと同様に構成された第２接合体２０ｂを有する。したがって、第２接合体２０ｂにおいて、第１接合体２０ａと同一の構成要素には同一の参照符号を用い、添字ａに代えてｂを付して表すものとする。
【００３６】
図３から諒解されるように、この第２接合体２０ｂは、第２セパレータ１４２と第１セパレータ１４０とで挟持されている。すなわち、第２セパレータ１４２は、第１単位セル１０２の図２および図３における下方に積層された下流側の第２単位セル１０４の構成部材を兼ね、第１セパレータ１４０は、第２単位セル１０４の図２および図３におけるさらに下方に積層された下流側の第１単位セル１０２の構成部材を兼ねる。
【００３７】
１枚の金属薄板からなる第１セパレータ１４０において、第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに対向する一端面には、図２および図３に示すように、図２における矢印Ｃ方向に沿って延在する凹部１４４が形成されており、一方、他端面には、凸部１４６が形成されている。このうち、凹部１４４とその直上に積層される第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間には、酸素含有ガスが流通される（図３参照）。すなわち、第１セパレータ１４０において、第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに頂部が当接する凹部１４４は、酸素含有ガス流路として機能する。勿論、この凹部１４４は、酸素含有ガス供給連通孔１１０と酸素含有ガス中間連通孔１１６（図１参照）とに連通している。
【００３８】
また、凸部１４６と第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａとの間には、燃料ガスが流通される（図３参照）。すなわち、第１セパレータ１４０において、第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに頂部が当接する凸部１４６は、燃料ガス流路として機能する。勿論、この凸部１４６は、燃料ガス供給連通孔１１８と燃料ガス中間連通孔１１４（図１参照）とに連通している。
【００３９】
一方、第２セパレータ１４２は、第１セパレータ１４０と略同様に構成された第１金属板１４８と第２金属板１５０とからなる（図２および図３参照）。すなわち、第１金属板１４８には凹部１５２、凸部１５４が設けられており、かつ第２金属板１５０には、凹部１５６、凸部１５８が設けられている。そして、両金属板１４８、１５０の間には板ばね１６０が介装されており、図３から諒解されるように、両凸部１５４、１５８の各頂部はこの板ばね１６０に当接している。また、該板ばね１６０を介して、第１金属板１４８の凹部１５２は第２金属板１５０の凸部１５８に対向するように配置され、かつ第１金属板１４８の凸部１５４は第２金属板１５０の凹部１５６に対向するように配置されている。
【００４０】
図３に示すように、第１金属板１４８の凹部１５２と板ばね１６０との間、および板ばね１６０と第２金属板１５０の凹部１５６との間には、冷却水等の冷却媒体がそれぞれ流通される。その一方で、第１金属板１４８の凸部１５４と第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａとの間には酸素含有ガスが流通され、かつ第２金属板１５０の凸部１５８と第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ｂとの間には燃料ガスが流通される。
【００４１】
ここで、図２に示すように、矢印Ｃ方向に沿う板ばね１６０の寸法は、第１金属板１４８および第２金属板１５０における凸部１５８および凹部１５６が設けられた部位に比してやや小さく設定されている。このため、図４に示すように、第１金属板１４８の凹部１５２と板ばね１６０との間に流通された冷却媒体は、板ばね１６０の一端部を折り返して該板ばね１６０と第２金属板１５０の凹部１５６との間に導入される。
【００４２】
そして、この場合、板ばね１６０は平滑な金属板からなり、荷重が加えられた際に弾性変形し、かつ前記荷重が除去されて元の形状に復帰する際に弾発力を付与する。すなわち、板ばね１６０は、第１金属板１４８および第２金属板１５０を介して第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂをそれぞれ弾発付勢する作用を営む。後述するように、この弾発付勢により積層体１０８の電気的な接触が確保される。
【００４３】
すなわち、板ばね１６０としては、セルアセンブリ１０６が熱膨張または収縮した場合であっても、熱膨張または収縮前と略同等の荷重で第２金属板１５０および第１金属板１４８を介して第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂを押圧できるものが選定される。換言すれば、板ばね１６０のばね定数は、セルアセンブリ１０６の膨張量または収縮量に応じて、肉厚や支点のスパン、材質により設定すればよく、一義的に決定されるものではない。
【００４４】
積層体１０８の両端部には、タブ部１６２、１６２を有する集電用電極３４ａ、３４ｂと、漏電防止用の絶縁プレート（図示せず）とを介してエンドプレート１２６、１６４が配置される（図１参照）。上記したように、エンドプレート１２６には、酸素含有ガス供給口１２８、酸素含有ガス排出口１３０、燃料ガス供給口１３２、燃料ガス排出口１３４、冷却媒体供給口１３６および冷却媒体排出口１３８が設けられている。
【００４５】
図１および図５に示すように、積層体１０８には、一方のエンドプレート１２６から他方のエンドプレート１６４に至る貫通孔（図示せず）が複数個形成されており、各貫通孔には緊締部材としてのタイロッド４６が通されている。各タイロッド４６にナット４８（図５参照）が螺合されることにより両エンドプレート１２６、１６４が締め付けられることに伴って、積層体１０８、集電用電極３４ａ、３４ｂおよびエンドプレート１２６、１６４が一体的に加圧保持される。
【００４６】
さらに、エンドプレート１２６、１６４には、ボルト１６５、１６５を介してマウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂがそれぞれ連結されており、両マウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂは、ボルト１６８、１６８を介して車体１に強固に連結されている。すなわち、本実施の形態においては、両マウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂは、いずれも車体１に対して摺動することのないように堅牢に位置決め固定されている。
【００４７】
そして、エンドプレート１２６の燃料ガス供給口・排出口１３２、１３４に燃料ガス供給源、回収機構が連結されるとともに、酸素含有ガス供給口・排出口１２８、１３０に酸素含有ガス供給源、回収機構が連結され、さらに、冷却媒体供給口・排出口１３６、１３８に冷却水供給源、回収機構が連結される（いずれも図示せず）。
【００４８】
本実施の形態に係る燃料電池スタック１００は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４９】
この燃料電池スタック１００を運転するに際しては、該燃料電池スタック１００が所定の温度まで昇温された後、燃料ガス供給口１３２から水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸素含有ガス供給口１２８から空気等の酸素含有ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口１３６から純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０６に対し、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体が順次直列的に供給される。
【００５０】
図４に示すように、矢印Ａ方向に沿って延在する燃料ガス供給連通孔１１８に供給された燃料ガスは、第１セパレータ１４０の凸部１４６と第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａとの間に流通された後、燃料ガス中間連通孔１１４に沿って矢印Ａ方向に移動し、下流側の第２セパレータ１４２を構成する第２金属板１５０の凸部１５８と第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ｂとの間に流通される。一方、酸素含有ガス供給連通孔１１０に供給された酸素含有ガスは、第２セパレータ１４２を構成する第１金属板１４８の凸部１５４と第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａとの間に流通された後、酸素含有ガス中間連通孔１１６に沿って矢印Ａ方向に移動し、下流側の第１セパレータ１４０の凹部１４４と第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間に流通される。
【００５１】
燃料ガスおよび酸素含有ガスがこのように流通されることにより、第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ａ、１４ｂおよびカソード側電極１６ａ、１６ｂにおいて上記式（Ａ）、式（Ｂ）に示される反応が生じて起電力が発生し、その結果、集電用電極３４ａ、３４ｂのタブ部１６２、１６２に電気的に接続されたモータ（図示せず）が付勢される。なお、使用済みの燃料ガスおよび酸素含有ガスは、燃料ガス排出連通孔１２０および酸素含有ガス排出連通孔１１２をそれぞれ経て、エンドプレート１２６の燃料ガス排出口１３４および酸素含有ガス排出口１３０を介して前記回収機構へと送気される。
【００５２】
一方、冷却媒体入口孔１２２に供給された冷却媒体は、第２セパレータ１４２を構成する第１金属板１４８の凹部１５２と板ばね１６０の間に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、さらに、板ばね１６０の一端部で折り返した後、該板ばね１６０と第２金属板１５０の凹部１５６との間に導入されて矢印Ｃ方向に沿って流通する。最終的に、冷却媒体は、第２金属板１５０の冷却媒体出口孔１２４を経た後、エンドプレート１２６の冷却媒体排出口１３８を介して前記回収機構に回収される。
【００５３】
このように、燃料ガスは、第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに供給されて反応に関与した後、下流側の第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ｂに供給される。同様に、酸素含有ガスは、第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａに供給されて反応に関与した後、下流側の第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに供給される。すなわち、酸素含有ガスおよび燃料ガスは、セルアセンブリ１０６内で、上流側の第１単位セル１０２に導入されて反応に供与された後、酸素含有ガス中間連通孔１１６および燃料ガス中間連通孔１１４から下流側の第２単位セル１０４に導入されて反応に供与される。すなわち、酸素含有ガスおよび燃料ガスは、上流側の第１単位セル１０２から下流側の第２単位セル１０４に向けて直列に流通される。
【００５４】
したがって、この場合、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４には、上記従来技術に係る燃料電池スタック１０を構成する単位セル１２に比して２倍の流量で酸素含有ガスおよび燃料ガスが流通される。換言すれば、所定の起電力を得るために必要な量の酸素含有ガスおよび燃料ガスが、第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂに確実に供給される。
【００５５】
また、この場合、酸素含有ガスの流路である第１セパレータ１４０の凹部１４４と第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間、第２セパレータ１４２を構成する第１金属板１４８の凹部１５２と第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａとの間に多量の酸素含有ガスが流通されるので、上記式（Ｂ）に従ってカソード側電極１６ａ、１６ｂ上で生成した水分の排水性が向上する。このため、第１セパレータ１４０の凹部１４４と第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間、および第２セパレータ１４２を構成する第１金属板１４８の凹部１５２と第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａとの間の湿度の均一化を図ることができる。その結果、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４の電流密度分布を均一にして、濃度過電圧を低減することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
さらに、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４に亘って酸素含有ガスおよび燃料ガスが直列に流通されるため、該第１単位セル１０２および第２単位セル１０４に供給される酸素含有ガスおよび燃料ガスの流速が、従来の単位セル１２に比して増加する。したがって、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４内で発生する生成水を有効に排出することができるので、このことによってもセルアセンブリ１０６全体の排水性が大幅に向上する。
【００５７】
さらにまた、セルアセンブリ１０６では、酸素含有ガス供給連通孔１１０と酸素含有ガス排出連通孔１１２とが連通し、かつ燃料ガス供給連通孔１１８と燃料ガス排出連通孔１２０とが連通することによって、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４を繋ぐ長尺なガス流路が構成されている。このため、第１単位セル１０２および第２単位セル１０４内で圧力損失が増加する。これにより、該第１単位セル１０２および第２単位セル１０４内での酸素含有ガスおよび燃料ガスの排水性が有効に向上するとともに、燃料電池スタック１００内の各セルアセンブリ１０６への酸素含有ガスおよび燃料ガスの分配が均一化されるという利点がある。
【００５８】
また、第１セパレータ１４０と、第２セパレータ１４２（第１金属板１４８および第２金属板１５０）とは、金属薄板を用いて凹凸形状に構成されている。このため、従来技術に係る燃料電池スタック１０におけるセパレータ２２ａ、２２ｂに比して第１セパレータ１４０および第２セパレータ１４２の厚みを著しく小さくすることができるので、セルアセンブリ１０６全体、ひいては燃料電池スタック１００の積層方向（図１における矢印Ａ方向）寸法を小さくすることができる。
【００５９】
所定の温度まで昇温された燃料電池スタック１００は、積層方向（図１における矢印Ａ方向）に沿って熱膨張を起こす。これに応じて、板ばね１６０は、第１金属板１４８の凹部１５２の頂部に当接した箇所と、第２金属板１５０の凸部１５８の頂部に当接した箇所とを支点として撓む。すなわち、弾性変形することにより、該第１金属板１４８および第２金属板１５０を弾発付勢するようになる。このため、第１単位セル１０２と第２単位セル１０４とが板ばね１６０により押圧されるので、その結果、セルアセンブリ１０６、ひいては積層体１０８に対する加圧保持力が維持され、したがって、該積層体１０８の電気的な接触を良好に維持させることができる。これにより、燃料電池スタック１００全体の発電特性を良好に維持することができる。
【００６０】
このように、板ばね１６０が弾性変形を起こすので、積層体１０８を加圧保持するエンドプレート１２６、１６４に連結された両マウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂをともに車体１に堅牢に位置決め固定した場合であっても、燃料電池スタック１００が熱膨張することが妨げられることはない。このため、燃料電池スタック１００に熱応力が作用することを回避することができる。
【００６１】
したがって、マウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂとしては、上記燃料電池スタック１０を車体１に連結するマウント用ブラケット５０、５２に比して小型のものを使用することができる。この場合、２個のマウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂがともに堅牢に位置決め固定されるので、振動や衝撃によって個々のマウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂに加わる荷重は、一方のマウント用ブラケット５２を位置決め固定しかつ他方のマウント用ブラケット５０を車体１に対して摺動自在に連結する場合に比して著しく小さくなるからである。これにより、燃料電池スタック１００を搭載するスペースの狭小化およびマウント用ブラケット１６６ａ、１６６ｂの軽量化を図ることができる。
【００６２】
燃料電池スタック１００の運転が停止されて温度が下降し、該燃料電池スタック１００が積層方向（図１における矢印Ａ方向）に沿って収縮した際には、板ばね１６０が元の形状に復帰する。この際、板ばね１６０が第１金属板１４８および第２金属板１５０を弾発付勢する。すなわち、第１金属板１４８および第２金属板１５０は板ばね１６０によって押圧され、これにより積層体１０８に対する加圧保持力が維持される。
【００６３】
さらに、燃料電池スタック１００を構成する第１接合体２０ａ、第２接合体２０ｂ、第１セパレータ１４０、第２セパレータ１４２（第１金属板１４８および第２金属板１５０）等にへたりが生じた場合にも同様に、板ばね１６０が第１金属板１４８および第２金属板１５０を弾発付勢することによって積層体１０８に対する加圧保持力が維持される。
【００６４】
総括すれば、板ばね１６０を使用したことによって、燃料電池スタック１００の発電特性を低下させることなく小型化、軽量化、搭載スペースの狭小化を図ることができ、結局、車輌としての総重量を小さくすることもできる。
【００６５】
なお、この実施の形態においては、第２セパレータ１４２のみを２枚の金属板１４８、１５０で構成し、かつ両金属板１４８、１５０の間に板ばね１６０を介装したが、図６に示すように、第２セパレータ１４２同様、第１セパレータ２００も２枚の金属板２０２、２０４で構成し、これら金属板２０２、２０４の間に板ばね１６０を介装するようにしてもよい。この場合、金属板２０２の凸部２０６と第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間に酸素含有ガスを流通させるとともに凹部２０８と板ばね１６０との間に冷却媒体を流通させる一方で、金属板２０４の凹部２１０と板ばね１６０との間に冷却媒体を流通させるとともに凸部２１２と第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａとの間に燃料ガスを流通させるようにすればよい。また、板ばね１６０を介して、金属板２０２の凸部２０６と金属板２０４の凹部２１０を対向させ、かつ金属板２０２の凹部２０８と金属板２０４の凸部２１２を対向させればよい。
【００６６】
また、上記した実施の形態では、第１金属板１４８の凸部１５４のピッチと第２金属板１５０の凹部１５６のピッチを１：１で対応させているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、第１金属板１４８の凸部１５４のピッチと第２金属板１５０の凹部１５６のピッチを１：２で対応させるようにしてもよい。この場合、板ばね１６０としては、ばね定数を小さくして使用することができる。
【００６７】
さらに、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体を第１単位セル１０２から第２単位セル１０４へと直列に流通させる場合を例示して説明したが、本発明は、図８に示すような、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体を各単位セル３００に個別に流通させる一般的な燃料電池スタック（図示せず）に対しても適用することができる。
【００６８】
すなわち、この単位セル３００は、接合体２０ｃと、該接合体２０ｃを挟持する第１セパレータ３０２および第２セパレータ３０４とを有し、第２セパレータ３０４は、第１金属板３０６と第２金属板３０８とからなる。そして、第１金属板３０６と第２金属板３０８との間には、板ばね１６０が介装されている。第１セパレータ３０２は上記第１セパレータ１４０と同様に構成されており、かつ第１金属板３０６、第２金属板３０８は上記第１金属板１４８、第２金属板１５０と同様に構成されている。
【００６９】
なお、この場合、第１ガス入口通路３１０から導入された燃料ガスの一部は、主流から分岐して接合体２０ｃのアノード側電極１４ｃに供給された後、第１ガス出口通路３１２から排出される。同様に、第２ガス入口通路３１４から導入された酸素含有ガスの一部は、主流から分岐して接合体２０ｃのカソード側電極１６ｃに供給された後、第２ガス出口通路３１６から排出される。また、冷却媒体往路３１８から導入された冷却媒体の分流は、板ばね１６０の図８における上下にそれぞれ流通した後、冷却媒体復路３２０から排出される。
【００７０】
このような構成の単位セル３００が積層された積層体（図示せず）を備える燃料電池スタックにおいても、燃料電池スタックの運転・停止に伴って該積層体が積層方向に沿って熱膨張・収縮することにより寸法変化を起こした際や、燃料電池スタックを構成する接合体２０ｃ、第１セパレータ３０２、第２セパレータ３０４（第１金属板３０６および第２金属板３０８）等にへたりが生じた際に、板ばね１６０が第１金属板３０６および第２金属板３０８を弾発付勢する。これにより、前記積層体に対する加圧保持力が維持される。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックが熱膨張または収縮を起こした際に、板ばねで接合体を弾発付勢することによって互いに隣接する単位セルの電気的な接触を確保するようにしている。このため、皿ばねやバックアッププレートを使用する必要がなくなるので、燃料電池スタックにおける積層方向寸法を小さくすることができるとともに軽量化することができるという効果が達成される。
【００７２】
しかも、この場合、燃料電池スタックを構成する１組のエンドプレートを両方とも車輌の車体等の所定の部材に堅牢に位置決め固定することができるので、マウント用ブラケットとして小型かつ軽量なものを使用することができる。このため、燃料電池スタックの搭載スペースを狭小化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを構成する第１単位セルおよび第２単位セルの概略斜視図である。
【図３】セルアセンブリの概略断面図である。
【図４】セルアセンブリ内における燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体の流通方向を示すフロー説明図である。
【図５】図１の燃料電池スタックの積層方向に沿う概略側面図である。
【図６】別の実施の形態に係るセルアセンブリの概略断面図である。
【図７】また別の実施の形態に係るセルアセンブリの概略断面図である。
【図８】さらに別の実施の形態に係る単位セル内における燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体の流通方向を示すフロー説明図である。
【図９】従来技術に係る燃料電池スタックの積層方向に沿う要部拡大概略断面図である。
【図１０】図９に示されるマウント用ブラケットの概略全体斜視図である。
【符号の説明】
１…車体
１０、１００…燃料電池スタック
１２、１０２、１０４、３００…単位セル
１３、１０８…積層体
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…アノード側電極
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…カソード側電極
１８…電解質層                      １８ａ…固体高分子電解質膜
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…接合体
２２ａ、２２ｂ、１４０、１４２、２００、３０２、３０４…セパレータ
２４…第１ガス流路                  ２６…第２ガス流路
３８ａ、３８ｂ、１２６、１６４…エンドプレート
４０ａ、４０ｂ…バックアッププレート
４２…皿ばね                        ４６…タイロッド
５０、５２、１６６ａ、１６６ｂ…マウント用ブラケット
１０６…セルアセンブリ              １１０…酸素含有ガス供給連通孔
１１２…酸素含有ガス排出連通孔      １１４…燃料ガス中間連通孔
１１６…酸素含有ガス中間連通孔      １１８…燃料ガス供給連通孔
１２０…燃料ガス排出連通孔          １２２…冷却媒体入口孔
１２４…冷却媒体出口孔
１４８、１５０、２０２、２０４、３０６、３０８…金属板
１４４、１５２、１５６、２０８、２１０…凹部
１４６、１５４、１５８、２０６、２１２…凸部
１６０…板ばね
【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】
0004000248.tif 000007
【図７】
0004000248.tif 000008
【図８】
0004000248.tif 000009
【図９】
0004000248.tif 000010
【図１０】
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