(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルがセパレータを介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設される締め付け構造を有する燃料電池であって、
少なくとも一方のエンドプレートの前記燃料電池セル側の内面側とは反対の外面側に設けられる液体チャンバと、
前記液体チャンバ内に封入される面圧付与用液体と、
他方のエンドプレートの前記燃料電池セル側の内面側とは反対の外面側に設けられ、該燃料電池セルを前記一方のエンドプレート側に押圧する加圧手段と、
前記液体チャンバを挟んで前記一方のエンドプレートに対向するバックアッププレートと、
前記加圧手段を挟んで前記他方のエンドプレートに対向する取り付けプレートと、
前記バックアッププレートと前記取り付けプレートとを一体的に固定し、複数積層された前記燃料電池セルを締め付けるボルト部材と、
を備え、
前記液体チャンバは、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートに可撓性の金属板材が固着されることにより、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートと前記金属板材との間に構成されることを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記バックアッププレートは、前記一方のエンドプレートよりも可撓性を有することを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、前記加圧手段は、皿ばねを備えることを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルがセパレータを介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設される締め付け構造を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータにより挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が知られている。この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された水素ガス（燃料ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているため、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
ところで、燃料電池セル内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面に付与される面圧が均一になるように、燃料電池セルに所望の締め付け力を付与する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特開昭５８−１６４１６８号公報に開示されているように、複数の単電池をセパレートプレートを介して積層してなるセルブロックを相互間に剛性の中間プレートを介在して複数段積み重ね、さらに両端に配したエンドプレートの間に挟んで一体に締め付けて組み立て構成した燃料電池のセルスタックにおいて、セルブロックの端面全域をカバーする寸法を有し、かつ少なくともセルブロックに接する側の壁面がフレキシブルな壁面として構成された液体封入の密閉容器をセルブロックと前記プレートとの間に介挿するとともに、各密閉容器の相互間を連通接続した燃料電池のセルスタックが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、液体封入の密閉容器がセルブロックと中間プレートおよびエンドプレートとの間に介挿されるため、この中間プレートやエンドプレートには、セルブロックに供給される水素ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等の通路を形成することができない。これにより、水素ガス、過酸化剤ガスおよび冷却水等を流すための専用の通路構造が必要となり、燃料電池全体の構成が複雑化してしまい、軽量化およびコンパクト化が遂行されないという問題が指摘されている。
【０００６】
さらに、複数段のセルブロック毎に密閉容器が設けられるとともに、各密閉容器が連通接続されている。従って、各セルブロック毎の締め付け力を制御することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、軽量化およびコンパクト化に適するとともに最適な締め付け力を確実に付与することが可能な締め付け構造を有する燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る締め付け構造を有する燃料電池では、セパレータを介して複数積層された燃料電池セルの両端にエンドプレートが配設されるとともに、少なくとも一方のエンドプレートの外側面に液体チャンバが設けられ、この液体チャンバ内に面圧付与用液体が封入される。他方のエンドプレートの外側面には、燃料電池セルを一方のエンドプレート側に押圧するための加圧手段が設けられている。さらに、液体チャンバを挟んで一方のエンドプレートに対向するバックアッププレートと、加圧手段を挟んで他方のエンドプレートに対向する取り付けプレートと、前記バックアッププレートと前記取り付けプレートとを一体的に固定し、複数積層された前記燃料電池セルを締め付けるボルト部材とを備え、前記液体チャンバは、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートに可撓性の金属板材が固着されることにより、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートと前記金属板材との間に構成されている。
【０００９】
従って、エンドプレートを介してセパレータに均一な面圧を付与することができ、燃料電池セルの性能を効率的に維持することが可能になる。しかも、エンドプレートの燃料電池セル側の内面側には、水素ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等を流すための通路を設けることができ、燃料電池全体の軽量化およびコンパクト化が容易に図られる。
【００１１】
さらに、バックアッププレートが一方のエンドプレートよりも可撓性を有しており、液体チャンバ内の液体圧力によって前記一方のエンドプレートが撓曲することがなく、前記一方のエンドプレートに均一な面圧を付与することができる。なお、液体チャンバは、可撓性の金属板材で構成され、確実な面圧付与が遂行される。一方、加圧手段は皿ばねを備えており、構成の簡素化が図られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る締め付け構造１０を有する燃料電池１２の断面平面説明図である。
【００１３】
燃料電池１２は、多数の燃料電池セル１４を第１および第２セパレータ１６、１８により挟持した状態で水平方向に積層して構成される。図２に示すように、燃料電池セル１４は、固体高分子電解質膜２０と、この電解質膜２０の両面に設けられるアノード側電極２２およびカソード側電極２４とを備えるとともに、前記アノード側電極２２および前記カソード側電極２４には、例えば、カーボンペーパ等の多孔質層である第１および第２ガス拡散層２３、２５が配設される。
【００１４】
電解質膜２０の上部には、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための孔部２６ａと、冷却水を通過させるための孔部２６ｂと、酸化剤ガス、例えば、空気を通過させるための長円状の孔部２６ｃとが設けられる。電解質膜２０の下部には、燃料ガスを通過させるための孔部２８ａと、冷却水を通過させるための孔部２８ｂと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部２８ｃとが設けられる。電解質膜２０の上部および下部には、位置決め穴３０ａ、３０ｂが形成されている。
【００１５】
第１セパレータ１６は板状に構成されており、その上部側に燃料ガスを通過させるための孔部３２ａと、冷却水を通過させるための孔部３２ｂと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部３２ｃとが設けられる。第１セパレータ１６の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３４ａと、冷却水を通過させるための孔部３４ｂと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部３４ｃとが設けられるとともに、この第１セパレータ１６の上部および下部には、位置決め孔３６ａ、３６ｂが形成される。
【００１６】
アノード側電極２２に対向する第１セパレータ１６の一方の面１６ａには、燃料ガスを通過させるための孔部３２ａ、３４ａを連通するための複数条の溝３８が互いに平行して上下方向に延在して設けられる。この溝３８は、孔部３２ａから孔部３４ａに向かって燃料ガスを通過させるための通路を構成し、前記燃料ガスがこの溝３８を介してアノード側電極２２に供給される。第１セパレータ１６の他方の面１６ｂには、冷却水を通過させるための孔部３２ｂ、３４ｂを連通する複数条の溝４０が上下方向に形成される。
【００１７】
第２セパレータ１８は、第１セパレータ１６と同様に板状に構成され、その上部側に燃料ガスを通過させるための孔部４２ａと、冷却水を通過させるための孔部４２ｂと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部４２ｃとが設けられる。第２セパレータ１８の下部側には、燃料ガス用の孔部４４ａと、冷却水用の孔部４４ｂと、酸化剤ガス用の長円状の孔部４４ｃとが設けられるとともに、この第２セパレータ１８の上部および下部には、位置決め孔４６ａ、４６ｂが形成される。カソード側電極２４に対向する第２セパレータ１８の一方の面１８ａには、酸化剤ガス用の孔部４２ｃ、４４ｃを連通し、互いに平行して上下方向に設けられる複数条の溝４８が形成され、この溝４８に沿って流れる酸化剤ガスが前記カソード側電極２４に供給される。第２セパレータ１８の他方の面１８ｂには、冷却水用の孔部４２ｂ、４４ｂを連通し、互いに平行して上下方向に設けられる複数条の溝５０が形成される。第２セパレータ１８の溝５０は、第１セパレータ１６の溝４０と一体的に冷却水用の通路を構成する。
【００１８】
図１に示すように、複数積層された燃料電池セル１４の積層方向両端にはターミナルプレート５２ａ、５２ｂが配設され、このターミナルプレート５２ａ、５２ｂには、前記燃料電池セル１４から取り出される電気エネルギを付与するための負荷５４が接続されている。ターミナルプレート５２ａ、５２ｂには、絶縁板５６ａ、５６ｂを介して第１および第２エンドプレート５８、６０が配設される。第１および第２エンドプレート５８、６０には、図示していないが、積層されている燃料電池セル１４に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給するための孔部と排出するための孔部とが形成され、これらの孔部が図示しない外部機器に接続されている。
【００１９】
締め付け構造１０は、第１エンドプレート５８の燃料電池セル１４側の内側面とは反対の外面５８ａ側に設けられる液体チャンバ６２と、この液体チャンバ６２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル６４と、第２エンドプレート６０の前記燃料電池セル１４側の内面側とは反対の外面６０ａ側に設けられ、該燃料電池セル１４を前記第１エンドプレート５８側に押圧する加圧手段６６とを備える。
【００２０】
液体チャンバ６２を挟んで第１エンドプレート５８に対向してバックアッププレート６８が配設される。バックアッププレート６８は、第１エンドプレート５８よりも薄肉状に構成されており、この第１エンドプレート５８よりも可撓性を有している。バックアッププレート６８の一方の面には、可撓性の金属板材、例えば、アルミニウム薄板７０が溶接、ろう付け、あるいは接着等により固着され、このアルミニウム薄板７０と前記バックアッププレート６８との間に液体チャンバ６２が構成される。
【００２１】
図３に示すように、バックアッププレート６８の外面６８ａには、液体チャンバ６２にシリコンオイル６４を充填するための液体封入口７２が形成され、この液体封入口７２がシーリングワシャ７４およびシーリングボルト７６を介して閉塞される。液体封入口７２と対角な位置にセンサ取り付け口７８が設けられ、このセンサ取り付け口７８にワシャ８０を介して圧力センサ８２が取着され、この圧力センサ８２が液体チャンバ６２内のシリコンオイル６４の液体圧を検出する。バックアッププレート６８には、４つのボルト孔８４が貫通形成されている。
【００２２】
加圧手段６６は、図１に示すように、第２エンドプレート６０の内面６０ａに一端が当接する皿ばね８６を備え、この皿ばね８６の他端側に取り付けプレート８８が配設される。取り付けプレート８８には、４つのボルト孔９０が形成され、バックアッププレート６８のボルト孔８４から前記取り付けプレート８８のボルト孔９０にわたってボルト９２が挿入され、このボルト９２の端部にナット９４が螺合する。なお、加圧手段６６が単一の皿ばね８６を備えているが、複数の皿ばねを採用してもよい。
【００２３】
このように構成される第１の実施の形態に係る燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００２４】
先ず、燃料電池セル１４が第１および第２セパレータ１６、１８を介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セル１４の積層方向両端にターミナルプレート５２ａ、５２ｂ、絶縁板５６ａ、５６ｂを介して第１および第２エンドプレート５８、６０が配設される。さらに、第１エンドプレート５８側には、この第１エンドプレート５８の外面５８ａに液体チャンバ６２を対向させてバックアッププレート６８が配設される一方、第２エンドプレート６０の外面６０ａ側には、加圧手段６６を構成する皿ばね８６および取り付けプレート８８が配設される。
【００２５】
バックアッププレート６８のボルト孔８４から取り付けプレート８８のボルト孔９０にわたってボルト９２が一体的に挿入され、このボルト９２の先端にナット９４が螺合する。これにより、複数積層された燃料電池セル１４は、バックアッププレート６８と取り付けプレート８８との間で一体的に締め付け保持される。その際、具体的には、各ボルト９２による締め付け荷重がそれぞれ５００ｋｇであり、液体チャンバ６２に封入されているシリコンオイル６４の使用時における液圧が６〜７ｋｇ／ｃｍ2 であり、燃料電池セル１４のアノード側電極２２およびカソード側電極２４の面積が１５０ｍｍ×１５０ｍｍに設定されている。
【００２６】
燃料電池１２では、第１セパレータ１６の溝３８に燃料ガスが供給されることにより、この燃料ガスがアノード側電極２２に供給される。一方、酸化剤ガスが第２セパレータ１８の溝４８を流れることにより、この酸化剤ガスがカソード側電極２４に供給される。また、冷却水が第１および第２セパレータ１６、１８のそれぞれの溝４０、５０間に供給され、各燃料電池セル１４を所定の温度に冷却する。これにより、各燃料電池セル１４に電子が発生し、この電子がターミナルプレート５２ａ、５２ｂから外部回路である負荷５４に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【００２７】
この場合、第１の実施形態では、第１エンドプレート５８の外面５８ａ側にアルミニウム薄板７０を介して液体チャンバ６２が設けられ、この液体チャンバ６２内に封入されたシリコンオイル６４の液圧を介して前記第１エンドプレート５８が複数積層されている燃料電池セル１４側に均一に押圧される。このため、第１エンドプレート５８により第１および第２セパレータ１６、１８に均一な面圧を与えることができ、各燃料電池セル１４に所望の締め付け力を付与して前記燃料電池セル１４の性能を効率的に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００２８】
しかも、バックアッププレート６８が液体チャンバ６２内のシリコンオイル６４の液圧によって変形しても、第１エンドプレート５８に均一な面圧を付与することができるため、このバックアッププレート６８を相当に薄肉状に構成することが可能になる。さらに、バックアッププレート６８が設けられるため、第１エンドプレート５８自体の薄肉化が図られ、燃料電池１２全体の軽量化およびコンパクト化が容易に遂行される。
【００２９】
また、第１エンドプレート５８の外面５８ａ側に液体チャンバ６２が設けられるため、この第１エンドプレート５８には、燃料電池セル１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等を供給するための各種孔部を形成することができる。従って、燃料電池１２全体の構成が有効に簡素化するという利点がある。
【００３０】
さらにまた、第２エンドプレート６０の外面６０ａ側に加圧手段６６を構成する皿ばね８６が配設されている。このため、第２エンドプレート６０を第１エンドプレート５８側に均一に加圧することができるとともに、燃料電池セル１４を含む燃料電池構造体の膨張率とボルト９２の膨張率との相違による膨張差を有効に吸収することが可能になる。
【００３１】
なお、液体チャンバ６２内のシリコンオイル６４の液圧は、バックアッププレート６８に装着されている圧力センサ８２により検出されており、この圧力センサ８２による検出結果に基づいて、前記液体チャンバ６２内の該シリコンオイル６４の液量を調整することができる。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造１００の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る締め付け構造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。
【００３３】
この締め付け構造１００では、ボルト９２の頭部９２ａとバックアッププレート６８の間に球面ワシャ１０２と、この球面ワシャ１０２に当接する球面受座１０４とが配設されている。従って、第２の実施形態では、ボルト９２を締め付けて燃料電池セル１４を加圧する際、バックアッププレート６８が球面ワシャ１０２および球面受座１０４を介して全体に撓曲する。これにより、バックアッププレート６８は、特にボルト９２に近接する位置で応力が集中することがなく、このバックアッププレート６８の損傷を一層確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００３４】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造１２０の要部説明図である。
【００３５】
この締め付け構造１２０では、エンドプレート１２２の外面１２２ａ側にアルミニウム薄板１２４が溶接、接着、またはろう付けにより固着されて液体チャンバ１２６が形成される。エンドプレート１２２の外面１２２ａ側には、バックアッププレート１２８が配設され、ボルト９２を介してこのバックアッププレート１２８が前記エンドプレート１２２側に締め付けられる。これにより、エンドプレート１２２には、液体チャンバ１２６内のシリコンオイル６４を介して均一な面圧が付与される。従って、締め付け構造１２０では、第１の実施形態と同様の効果が得られることになる。
【００３６】
図６は、本発明に関連する燃料電池を構成する締め付け構造１４０の要部説明図である。
【００３７】
この締め付け構造１４０では、エンドプレート１４２とバックアッププレート１４４との間に、別体のアルミニウム薄板１４６を介して液体チャンバ１４８が介装されている。アルミニウム薄板１４６は、中空円板状に構成されており、このアルミニウム薄板１４６内にシリコンオイル６４が封入されている。従って、第４の実施形態では、第３の実施形態と同様の効果が得られることになる。
【００３８】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造１６０を組み込む燃料電池１６２の断面平面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１２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。
【００３９】
この締め付け構造１６０は、第２エンドプレート６０の外面６０ａ側に配設される液体チャンバ１６４と、この液体チャンバ１６４内に封入されるシリコンオイル１６６と、前記液体チャンバ１６４を挟んで前記第２エンドプレート６０に対向するバックアッププレート１６８とを備えている。
【００４０】
バックアッププレート１６８の第２エンドプレート６０側の面には、アルミニウム薄板１７０が固着され、このアルミニウム薄板１７０と前記バックアッププレート１６８との間に液体チャンバ１６４が形成される。加圧手段６６は、複数個、例えば、４個の皿ばね１７２を備えている。
【００４１】
このように構成される締め付け構造１６０では、ボルト９２を介してバックアッププレート６８と取り付けプレート８８とが一体的に固定される際、第１エンドプレート５８が液体チャンバ６２内のシリコンオイル６４の液圧により加圧される一方、第２エンドプレート６０が液体チャンバ１６４内のシリコンオイル１１６６の液圧を介して押圧される。従って、第１および第２エンドプレート５８、６０間に複数積層されている燃料電池セル１４と第１および第２セパレータ１６、１８とに均一な面圧が付与され、接触抵抗を有効に減少させて所望のセル性能を確保し得るという効果がある。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、複数積層される燃料電池セルの両端に配設されるエンドプレートの少なくとも一方の外面に液体チャンバが設けられ、この液体チャンバ内に封入される液体を介して前記燃料電池セルに均一な面圧が付与される。これにより、燃料電池セルの性能を効率的に維持し得るとともに、エンドプレートに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等の孔部（または通路）を形成することができ、燃料電池全体の軽量化およびコンパクト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る締め付け構造を有する燃料電池の断面平面説明図である。
【図２】  前記燃料電池を構成する燃料電池セルの分解斜視説明図である。
【図３】  前記締め付け構造を構成するバックアッププレートの分解斜視説明図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図５】  本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図６】  本発明に関連する燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図７】  本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造を組み込む燃料電池の断面平面説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０、１４０、１６０…締め付け構造
１２、１６２…燃料電池              １４…燃料電池セル
１６、１８…セパレータ              ２０…電解質膜
２２…アノード側電極                ２４…カソード側電極
５８、６０、１２２、１４２…エンドプレート
６２、１２６、１４８、１６４…液体チャンバ
６４、１６６…シリコンオイル        ６６…加圧手段
６８、１２８、１４４、１６８…バックアッププレート
７０、１２４、１４６、１７０…アルミニウム薄板
８６、１７２…皿ばね                ９２…ボルト
１０２…球面ワシャ                  １０４…球面受座
【図１】
0004031860.tif 000002
【図２】
0004031860.tif 000003
【図３】
0004031860.tif 000004
【図４】
0004031860.tif 000005
【図５】
0004031860.tif 000006
【図６】
0004031860.tif 000007
【図７】
0004031860.tif 000008