(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートが配置されセル積層体に圧縮荷重がかけられて両エンドプレートがセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結されてスタックが構成され、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートが配置され、前記セル積層方向一端のエンドプレートがエンドプレート本体と該エンドプレート本体とは別体の調整部とから構成され、前記プレッシャプレートが互いに別体の２つの部材から構成され、前記セル積層方向一端のエンドプレートのエンドプレート本体と調整部との間、および前記プレッシャプレートの前記２つの部材の間、に荷重変動低減機構が配置され、各荷重変動低減機構が、対向面を互いに全面密着させて重ねられ互いに並列に配置された複数の皿ばねから構成され、前記皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の範囲に設定され、かつ、前記皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲に設定され、前記皿ばねの荷重対変位曲線が定荷重領域を有している、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、燃料電池に関し、とくに燃料電池の締結構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、セルの積層体からモジュールを構成し、モジュールの積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレートにて固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。そのため、燃料電池の環境温度は、運転停止時の周囲温度（たとえば、２０℃）と運転時の冷却媒体温度（約８０℃）との間に繰り返し変化し、それによって締め付け荷重も変動する。また、膜、電極のクリープによっても締め付け荷重は変わる。
上記の電気化学反応が正常に行われるには、スタックの締め付け荷重が大きく変動しないことが必要である。
特開平９−２５９９１６号公報では、燃料電池スタックをセル積層方向に延びる４本のロッド・ナットで加圧する構造をとっており、スタックのエンドプレートよりセル積層方向外側にロッドの端部を延ばし、このロッド延長部にナットを螺合させ、ナットとスタックエンドプレート間に圧縮コイルスプリングを設けた構造をとっており、それによってスタック締め付け荷重の変動を低減させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のコイルスプリングによる荷重変動吸収構造でも、スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じるとその量に比例してスタック締め付け荷重が変化する。そして、締め付け荷重の変動を小さくするには、コイルスプリングを長くしなければならず、その場合はエンドプレートより突出するロッド延長部の長さが大となるため、燃料電池スタックの全長が長くなり、車両への搭載に不利になる。
本発明の目的は、燃料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重の変動を小さくでき、それを燃料電池スタックの全長をほとんど長くしないで達成できる燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートが配置されセル積層体に圧縮荷重がかけられて両エンドプレートがセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結されてスタックが構成され、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートが配置され、前記セル積層方向一端のエンドプレートがエンドプレート本体と該エンドプレート本体とは別体の調整部とから構成され、前記プレッシャプレートが互いに別体の２つの部材から構成され、前記セル積層方向一端のエンドプレートのエンドプレート本体と調整部との間、および前記プレッシャプレートの前記２つの部材の間、に荷重変動低減機構が配置され、各荷重変動低減機構が、対向面を互いに全面密着させて重ねられ互いに並列に配置された複数の皿ばねから構成され、前記皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の範囲に設定され、かつ、前記皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲に設定され、前記皿ばねの荷重対変位曲線が定荷重領域を有している、燃料電池。
【０００５】
上記（１）の燃料電池では、荷重変動低減機構が対向面を互いに全面密着させて重ねられ互いに並列に配置された複数の皿ばねからなり、該皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の範囲にあり、皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲にあり、皿ばねの荷重対変位曲線が定荷重領域を有しているので、スタック締付け荷重がスタックにかかった時に、皿ばねの傾斜角度が反転しているかまたは反転近傍にあって、皿ばねは変形の割に荷重がほとんど変わらない定荷重領域にあるようにすることができる。その結果、燃料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重の変動は小さい。また、荷重変動低減機構にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用い、皿ばねを、エンドプレート、プレッシャプレート、に配したので、皿ばねがエンドプレートの外側に延在することはない。その結果、燃料電池の長さがコイルスプリングがエンドプレートの外側に延在する場合のように長くなることはなく、燃料電池を車両に搭載する上で有利となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図５を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９（たとえば、２セルモジュール）を形成し、モジュール１９を多数積層してモジュール１９群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付け、セル積層体２３の両外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）にて締結したものからなる。
締結部材２４がテンションプレートからなる場合、テンションプレート２４の各端部はスタック両端のエンドプレート２２Ａ、２２Ｂの各々に燃料電池積層方向と直交方向に延びるボルト２５にて固定される。以下では、締結部材２４がテンションプレートからなる場合を例にとる。ただし、締結部材２４にはテンションプレートに代えて燃料電池積層方向に延びるスルーボルト・ナットを用いてもよい。
【０００８】
図１に示すように、スタック２３のセル積層方向一端のエンドプレート２２Ａと該エンドプレート２２Ａのセル積層方向内側に設けたインシュレータ２１との間に、プレッシャプレート２６が配置されている。
【０００９】
スタック２３の燃料電池積層方向一端のエンドプレート２２のプレッシャプレート２６側の面に凹部２７が設けられており、プレッシャプレート２６のエンドプレート２２側の面に湾曲面をもつ凸部２８が設けられている。凸部２８の湾曲面は、球面または円筒面からなる。凸部２８は凹部２７に接触され押し付けられており、この状態でスタック２３は、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材であるテンションプレート２４にて締結されている。プレッシャプレート２６のエンドプレート２２側の面のうち凸部２８以外の部分と、エンドプレート２２のプレッシャプレート２６側の面のうち凹部２７以外の部分との間には隙間があって、プレッシャプレート２６とエンドプレート２２は互いに干渉する角度まで相対的に傾くことが可能である。これによって、セルの平行度が悪くても、接触部で点押しでき、プレッシャプレート２６全域でほぼ均一にセルを押すことができる。
【００１０】
セル積層方向一端のエンドプレート２２Ａは、エンドプレート本体２２ａと、エンドプレート本体２２ａとは別体の調整部２２ｂとから構成されている。調整部２２ｂはエンドプレート本体２２ａに対してねじ３０で軸方向に位置調整可能である。
調整部２２ｂは、エンドプレート本体２２ａに対して回転を拘束された雌ねじ部２２ｂ−１と、該雌ねじ部２２ｂ−１にねじ部３０で螺合され雌ねじ部２２ｂ−１に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部２２ｂ−２とから構成されている。凹部２７は雄ねじ部２２ｂ−２に形成されている。
調整部２２ｂの凹部２７と反対側には六角溝孔３１を形成しておき、そこに六角頭のドライバを挿入し回転させて調整部２２ｂの少なくとも一部を回転させ、軸方向に移動させてセル積層方向の位置の微調整を行うことができるようにしてある。
【００１１】
プレッシャプレート２６は、セル積層方向に２つの部材、すなわち、セル積層体側の部材２６ａと、該部材２６ａとは別体の、凸部２８が形成された部材２６ｂ、に分割されている。
【００１２】
図３、図４に示すように、エンドプレート２２、プレッシャプレート２６、プレッシャプレート２６とエンドプレート２２との間、の何れか少なくとも１箇所に、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構３２が設けられている。
荷重変動低減機構３２は、円形の内周、外周をもつ円錐状のばね、いわゆる皿ばね（荷重変動低減機構であるから符号を３２とする）からなり、変形に対して大きな荷重が出せるようになっている。
皿ばねからなる荷重変動低減機構３２は、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷重方向に直列に配置される。荷重変動低減機構３２は、互いに直列に配置された２組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂから構成したものであってもよいし、または、１組の皿ばねからなってもよい。各組の皿ばねは、１枚の皿ばねからなるか、または複数の皿ばねを重ねたものからなる。
【００１３】
荷重変動低減機構３２が互いに直列に設けられた複数組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂからなる場合、皿ばね３２Ａは凸部２８と凹部２７の接触部よりエンドプレート２２側にあり、皿ばね３２Ｂは凸部２８と凹部２７の接触部よりプレッシャプレート２６側にある。皿ばね３２Ａ、３２Ｂの小径端は凸部２８と凹部２７の接触部側にあり、皿ばね３２Ａ、３２Ｂの大径端はそれぞれエンドプレート２２側、プレッシャプレート２６側にある。
荷重変動低減機構３２の少なくとも一部３２Ａが、エンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂとの間に配置されている。また、荷重変動低減機構３２の少なくとも一部３２Ｂが、プレッシャプレート２６の２つの部材２６ａ、２６ｂの間に配置されている。
【００１４】
荷重変動低減機構３２を構成する皿ばね３２は、スタック締結荷重を付与された時に反転状態になる、すなわち、自由状態（図３）での皿ばねの傾斜が荷重付与時（図４）に逆傾斜になるか、または反転近傍にある。
皿ばねには、図５に示すように、その荷重対変位曲線（縦軸が荷重、横軸が変位）において反転点（円錐から逆円錐への反転点）とその近傍にフラット領域Ｈ（変位が生じても荷重がほとんど変化しない定荷重領域）があらわれる。本発明の燃料電池では、セル積層体に締結荷重をかけた時に、荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねは、丁度定荷重領域（フラット領域）にある。
【００１５】
荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねを定荷重領域（フラット領域）で使用するために、荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねの有効高さｈ／板厚ｄ比が１．３〜１．５の範囲に設定されている。皿ばねの有効高さｈとは、皿ばねに荷重をかけていない自由状態においた時の、内径端と外径端における、皿ばね上面または下面間の軸方向距離のことである。皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３より小さくても、１．５より大きくても、皿ばねを定荷重領域で使用できなくなる。
また、荷重変動低減機構３２を定荷重領域（フラット領域）で使用するために、荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねは、皿ばねの内径Ｄi ／外径Ｄ0 比が０．４〜０．７の範囲に設定されている。皿ばねの内径／外径比が０．４より小さい、あるいは、０．７より大きいと、高応力が発生し、耐久性上に問題が発生する。
【００１６】
本発明の燃料電池の作用については、荷重変動低減機構３２を設けたので、燃料電池環境温度が冷熱サイクル等により変動しても、またはクリープによって膜や電極の厚みが変化しても、荷重変動低減機構３２がセル積層体の伸縮を吸収し、セル積層体にかかる荷重の変動を抑えることができる。また、荷重変動低減機構３２は、皿ばねからなるので、凸部２８と凹部２７との接触部からの荷重を外周側に分散させてエンドプレート２２、またはプレッシャプレート２６、またはエンドプレート２２とプレッシャプレート２６、に伝えることができ、セルを均一に押圧するのに有利となる。
【００１７】
また、荷重変動低減機構３２を構成する皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲にあるので、または、皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の範囲にあるので、または、皿ばねの有効高さ／板厚比が１．３〜１．５の範囲にあるとともに皿ばねの内径／外径比が０．４〜０．７の範囲にあるので、スタック締付け荷重がスタック２３にかかった時に、皿ばねの傾斜角度が反転する（荷重付与前の円錐状態が荷重付与後に逆円錐状態になる）かまたは反転近傍（円錐状態から逆円錐状態に変わる近傍）にあって、皿ばねは変形の割に荷重がほとんど変わらない定荷重領域（図５のフラット域Ｈ）にある。その結果、燃料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重の変動は小さい。
【００１８】
また、荷重変動低減機構３２にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用い、皿ばねを、エンドプレート２２、プレッシャプレート２６、エンドプレート２２とプレッシャプレート２６との間、の何れか少なくとも１箇所に配したので、皿ばねがエンドプレート２２の外側に延在することはない。その結果、燃料電池の長さがコイルスプリングがエンドプレートの外側に延在する場合のように長くなることはなく、燃料電池を車両に搭載する上で有利となる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、荷重変動低減機構が対向面を互いに全面密着させて重ねられ互いに並列に配置された複数の皿ばねからなり、該皿ばねの内径／外径比を０．４〜０．７の範囲に設定し、皿ばねの有効高さ／板厚比を１．３〜１．５の範囲に設定し、皿ばねの荷重対変位曲線が定荷重領域を有しているので、スタック締付け荷重がスタックにかかった時に、皿ばねが定荷重領域にあるようにすることができ、その結果、燃料電池スタックに熱膨張・収縮やクリープ変形が生じても、スタック締め付け荷重の変動は小さい。また、荷重変動低減機構にコイルスプリングを用いずに皿ばねを用いたので、皿ばねがエンドプレートの外側に延在することはなく、燃料電池の長さが長くなることはなく、燃料電池を車両に搭載する上で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構とその近傍部の、スタック締結前の、断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構とその近傍部の、スタック締結後の、断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の荷重変動低減機構（皿ばね）の荷重対変位のグラフである。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２２ａ  エンドプレート本体
２２ｂ  調整部
２２ｂ−１  雌ねじ部
２２ｂ−２  雄ねじ部
２３  スタック
２４  テンションプレート
２５  ボルト
２６  プレッシャプレート
２６ａ  セル積層体側の部材
２６ｂ  凸部が形成された部材
２７  凹部
２８  凸部
３０  ねじ（調整ねじ機構）
３１  六角溝孔
３２、３２Ａ，３２Ｂ  荷重変動低減機構（たとえば、皿ばね）
【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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