(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層されるとともに、前記単位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燃料電池スタックであって、
一方のエンドプレートとバックアッププレートとの間に設けられる面圧付与部材と、
他方のエンドプレート側に設けられ、積層されている前記単位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、
を備え、
前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に形成されるとともに、横寸法と縦寸法の比が、略３：２に設定され、
前記加圧手段は、横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備え、
前記面圧付与部材は、前記皿ばねに対応して横方向に２列に配置される６個のワッシャプレートを備え、
前記ワッシャプレートは、前記一方のエンドプレートに接する面に平坦面を設け、かつ、前記バックアッププレートに接する面に湾曲面を設ける略円盤状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２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを貫通して配置され、複数の前記単位燃料電池セルを積層方向に一体的に保持する締め付けボルトと、
前記締め付けボルトの頭部に係合する球面ワッシャと、
を備え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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層されるとともに、前記単位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た燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、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側へと移動する。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、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタック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（発電面）に付与される面圧が均一になるように、積層されている各単位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。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，４８４，６６６号公報に開示されているように、燃料電池スタックの両端に配置されているエンドプレートの一方に、上下方向および水平方向に２個ずつ合計４つの凹部を形成し、この凹部に皿ばねを配置するとともに、前記皿ばね内には、両エンドプレート間にわたってタイロッドを挿通して前記タイロッドの端部にナットを螺合することにより、前記燃料電池スタック全体を締め付け固定するように構成された燃料電池スタックが知られている。
【０００６】
【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、エンドプレートに上下および左右にそれぞれ２個ずつ凹部を形成して皿ばねを配置しているため、燃料電池スタック全体としてその高さ方向の寸法が、横方向の寸法と同等あるいはそれ以上の大きさとなっている。このため、特に、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、この燃料電池スタックを収容し得る場所が相当に限定されてしまう。
【０００７】
しかも、上記の従来技術では、エンドプレートに４個の皿ばねを配置するだけである。これにより、皿ばねを介して単位燃料電池セルの発電面全面に均一な面圧を付与することができないおそれがある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に短尺化するとともに、積層される単位燃料電池セル全体に均一な締め付け力を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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に形成されるとともに、一方のエンドプレートとバックアッププレートとの間には面圧付与部材が設けられ、他方のエンドプレート側には横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備える加圧手段が配置されている。このため、単位燃料電池セル全体に均一な面圧を付与するとともに、組み立て時に倒れ等が惹起することがなく、燃料電池スタックの組み立て作業が高精度かつ効率的に遂行される。さらにまた、単位燃料電池セルの横寸法と縦寸法の比が、略３：２に設定されている。このため、特に、横方向に２列ずつ、合計６個の皿ばねを単位燃料電池セル全面に対して均等に配置することができ、前記単位燃料電池セル全面に高精度かつ均一に面圧を付与することが可能になる。
【００１５】
さらに、面圧付与部材が皿ばねに対応して横方向に２列に配置される６個以上のワッシャプレートを備えている。ワッシャプレートは、一方の面に平坦面を設け、他方の面に湾曲面を設ける略円盤状に設定される。従って、構成が簡素化して経済的なものとなり、しかも各皿ばねと各ワッシャプレートとが互いに対向して配置されるため、モーメント荷重が付与されることを確実に防止して、燃料電池スタック全体を強固かつ確実に締め付けることが可能になる。その上、ワッシャプレートを用いることにより、厚さ方向である単位燃料電池セルの積層方向の寸法が薄肉化され、燃料電池スタック全体の積層方向を有効に短尺化することができる。
【００１７】
また、単位燃料電池セルを積層方向に一体的に保持する締め付けボルトと、前記締め付けボルトの頭部に係合する球面ワッシャとを備えている。これにより、燃料電池スタック全体を積層方向に加圧保持する際に、締め付けボルトを支持するエンドプレートやバックアッププレートが変形しても、球面ワッシャの作用下に燃料電池スタックに対して積層方向の締め付け力を確実に付与することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に関連してなされた第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００２０】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００２１】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００２２】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２３】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２４】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２５】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺な長方形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺な長方形状を有して設けられている。
【００２６】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００２７】
第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２８】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２９】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００３０】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。この第１燃料ガス流路溝７２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ、５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００３１】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。
【００３２】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００３３】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３４】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３６】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３７】
第２エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して単一の冷却媒体供給口１２８に連通する。
【００３８】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様に、それぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して単一の冷却媒体排出口１３２に連通する。冷却媒体供給口１２８および冷却媒体排出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている（図１１参照）。
【００３９】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２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１４４と、加圧手段１４５とを備える。この加圧手段１４５は、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して１列に配置される２つ以上、例えば、３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃを備える。
【００４０】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０とにより液体チャンバ１４２を設けた面圧付与用液体封入部材が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００４１】
図１２に示すように、第１燃料電池スタック１２（すなわち、単位燃料電池セル３２）は、横長の長方形状に構成されるとともに、横寸法Ｈ１が縦寸法Ｈ２の２倍以上に設定されている。
【００４２】
第１の実施形態では、横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が略ｎ（ｎは２以上の整数）：１、例えば、略３：１の整数比に設定されている。各単位燃料電池セル３２の全面に均一な面圧を付与するために、第１燃料電池スタック１２には、横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比に対応して３個の皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが等間隔ずつ離間して水平方向（矢印Ｃ方向）に配置されている。換言すれば、単位燃料電池セル３２の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が整数比に設定されることにより、その比に対応する数の皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを単位燃料電池セル３２の全面に対して均等に配置することができる。
【００４３】
図２および図１３に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマウントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００４４】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００４５】
図１４に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１５参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、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を省略する。
【００４６】
図１６に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４７】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。
【００４８】
図１４に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４９】
図１および図１７に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００５０】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００５１】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００５２】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５４】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素ガス（以下、単に空気ともいう）が供給される。さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００５５】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５６】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５７】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５８】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５９】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００６０】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体供給口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００６１】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。
【００６２】
この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体排出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、図１２に示すように、第１燃料電池スタック１２（すなわち、単位燃料電池セル３２）の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２との比が、略３：１に設定されている。そして、第１燃料電池スタック１２に対して積層方向に面圧を付与するために締め付け機構１４０が、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、第１燃料電池スタック１２の縦横比に対応して横方向に１列に配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備えている。
【００６４】
このように、第１の実施形態では、単位燃料電池セル３２の縦横比に対応して皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが設定されるため、第１燃料電池スタック１２内の面圧分布が均一になる。これにより、発電性能を有効に向上させるとともに、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを阻止して、有効なシール性を確保することができるという効果が得られる。
【００６５】
しかも、単位燃料電池セル３２の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が整数比、例えば、略３：１に設定されている。従って、その整数比に対応する数の皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを使用すれば、前記皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを単位燃料電池セル３２の全面に対して均等に配置することができる。これにより、特に、単位燃料電池セル３２の両端部に設けられた酸化剤ガス入口５６ａおよび酸化剤ガス出口５６ｂを含む酸化剤ガス連通路や、燃料ガス入口６８ａおよび燃料ガス出口６８ｂを含む燃料ガス連通路の周囲に均一な締め付け力を付与することが可能になり、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシール性を高精度に維持することができるという利点がある。
【００６６】
さらに、第１燃料電池スタック１２を横長に構成することができ、前記第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を相当に低く設定することが可能になる。従って、燃料電池システム１０は、所望の起電力を有して高さ方向の寸法を大幅に削減することができ、特に、車載用燃料電池システム１０として効果的に使用することが可能になるという利点がある。
【００６７】
また、第２セパレータ３６では、一方の面３６ａに第１および第２燃料ガス流路溝７２、７３が水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられるとともに、前記第２セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを構成する第１流路溝７６ａ、７６ｂおよび第２流路溝７８が重力方向に向かって設けられている。
【００６８】
このように、第２セパレータ３６では、第１および第２燃料ガス流路溝７２、７３と、第１および第２流路溝７６ａ、７６ｂおよび７８とが、互いに直交するように設けられており、前記第２セパレータ３６自体の曲げ剛性が有効に向上する。これにより、第２セパレータ３６の厚さを有効に薄肉化することが可能になり、第１燃料電池スタック１２全体の積層方向の寸法を容易に短尺化することが可能になる。
【００６９】
なお、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を積層方向に並列させた燃料電池システム１０を用いて説明したが、第１燃料電池スタック１２のみを使用する場合にも同様の効果が得られる。
【００７０】
図１８は、本発明に関連してなされた第２の実施形態に係る燃料電池スタック２４０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る第１燃料電池スタック１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する第３の実施形態に係る燃料電池スタック２６０においても同様である。
【００７１】
この燃料電池スタック２４０では、単位燃料電池セル３２の発電面を構成するカソード側電極４０およびアノード側電極４２が横長の長方形状を有しており、その横寸法Ｈ３がその縦寸法Ｈ４の２倍以上に設定されている。第２の実施形態では、横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比が略ｎ（ｎは２以上の整数）：１、例えば、略３：１の整数比に設定されている。
【００７２】
燃料電池スタック２４０には、発電面の横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比に対応して、３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが等間隔ずつ離間して水平方向（矢印Ｃ方向）に配置されている。すなわち、単位燃料電池セル３２の発電面の横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比が整数比に設定されることにより、その比に対応する数の皿ばね１４６ａ〜１４６ｃを発電面全面に対して均等に配置することができる。
【００７３】
これにより、第２の実施形態では、燃料電池スタック２４０内の発電面全面に均一な締め付け力を付与することが可能になり、発電性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００７４】
図１９は、本発明の実施形態である第３の実施形態に係る燃料電池スタック２６０の概略斜視説明図であり、図２０は、前記燃料電池スタック２６０の概略縦断面説明図である。
【００７５】
燃料電池スタック２６０は、締め付け機構２６２を介して積層方向に一体的に締め付け固定される。この締め付け機構２６２は、第１エンドプレート１６とバックアッププレート１４８との間に配置される面圧付与部材である６個以上、例えば、６個のワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆと、第２エンドプレート２４の外面側に設けられる加圧手段２６６とを備える。
【００７６】
ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、第１エンドプレート１６に接する側に平坦面２７６を設ける一方、バックアッププレート１４８に接触する側に球面あるいは円弧面である湾曲面２７８が設けられており、全体として略円盤状に設定されている。ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、第１エンドプレート１６側に対して水平方向に所定間隔ずつ離間して上下２列に配置されている。
【００７７】
加圧手段２６６は、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、この第２エンドプレート２４を第１エンドプレート１６側に押圧するために、水平方向に所定間隔ずつ離間して上下２列に配置される６個以上、例えば、６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを備える。皿ばね２６８ａ〜２６８ｃは、第２エンドプレート２４の上部側に水平方向に向かって配置され、かつワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｃと矢印Ａ方向に略一致する位置に設定されている。皿ばね２６８ｄ〜２６８ｆは、第２エンドプレート２４の下部側にかつワッシャプレート２６４ｄ〜２６４ｆと矢印Ａ方向に略一致する位置に対応して配置されている。
【００７８】
バックアッププレート１４８から燃料電池スタック２６０を貫通して取り付け板１５２に６本のタイロッド（締め付けボルト）２７０が挿入される。図２０に示すように、タイロッド２７０の端部にナット２７２がねじ込まれるとともに、前記タイロッド２７０の頭部２７０ａとバックアッププレート１４８との間には、球面ワッシャ２７４が介装される。
【００７９】
図２１に示すように、燃料電池スタック２６０は、横長の長方形状に形成されるとともに、横寸法Ｈ５と縦寸法Ｈ６との比が、略３：２に設定されている。
【００８０】
このように構成される第３の実施形態では、第２エンドプレート２４の面内に、上下２列でかつ水平方向に等間隔ずつ離間して６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆが水平方向（矢印Ａ方向）に２列に配置されている。このため、特に、燃料電池スタック２６０を組み付ける際に取り付け板１５２が倒れることがなく、前記燃料電池スタック２６０を、簡単な作業で効率的に組み付けることができるという効果が得られる。
【００８１】
さらに、燃料電池スタック２６０では、横寸法Ｈ５と縦寸法Ｈ６の比が、略３：２に設定されている。従って、第２エンドプレート２４の全面に対して６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを、上下方向かつ水平方向に均等に配置することが可能になり、燃料電池スタック２６０全体を面圧分布が均一になるように確実に締め付け保持することができ、有効なシール性を確保することが可能になる。
【００８２】
さらにまた、この第３の実施形態では、第１エンドプレート１６の外面側に、６個のワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆが面圧付与部材として配置されている。これにより、構成が有効に簡素化されて極めて経済的なものになるとともに、厚さ方向の寸法が削減され、燃料電池スタック２６０全体の積層方向の短尺化が容易に図られる。
【００８３】
その際、皿ばね２６８ａ〜２６８ｆの中心とワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆの中心とは、矢印Ａ方向にそれぞれ略一致するようにして配置されている。このため、皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを介して燃料電池スタック２６０に締め付け力が付与される際、モーメント荷重が発生することを有効に阻止することができ、前記燃料電池スタック２６０に曲がり等が発生することを防止し得るという効果がある。
【００８４】
また、タイロッド２７０の頭部２７０ａに係合して球面ワッシャ２７４が設けられている。従って、図２２に示すように、燃料電池スタック２６０の加圧時にバックアッププレート１４８が湾曲する際、球面ワッシャ２７４がこのバックアッププレート１４８の変形を有効に吸収し、タイロッド２７０を介して前記燃料電池スタック２６０を矢印Ａ方向に確実に締め付け固定することができる。
【００８５】
ここで、ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、平坦面２７６が第１エンドプレート１６に接触する一方、湾曲面２７８がバックアッププレート１４８の変形時にも、前記バックアッププレート１４８に面接触している。このため、燃料電池スタック２６０全体の締め付け状態を有効に維持することが可能になる。
【００８６】
図２３は、本発明に関連してなされた第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００の一部断面説明図である。
【００８７】
この燃料電池スタック３００を構成する第１エンドプレート３０２の外面側には、面圧付与部材である平板状のワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆの一部を収容するための収容溝３０６が、上下２列でかつ水平方向に所定間隔ずつ離間して６箇所に設けられている。第１エンドプレート３０２に対向して配置されるバックアッププレート３０８には、収容溝３０６に対向してワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆを部分的に収容する収容溝３１０が、上下２列でかつ水平方向に所定間隔ずつ離間して６箇所に設けられる。この収容溝３１０には、ワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆ側に突出する押圧部３１２が設けられている。
【００８８】
このように構成される燃料電池スタック３００では、例えば、６個のワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆが、第１エンドプレート３０２とバックアッププレート３０８とにそれぞれ形成された収容溝３０６、３１０に対応して配置される。これにより、ワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆを所望の位置に容易かつ確実に組み込むことができ、燃料電池スタック３００の組み付け作業性が有効に向上するという効果が得られる。
【００８９】
図２４は、本発明に関連してなされた第５の実施形態に係る燃料電池スタック３２０の一部断面説明図である。
【００９０】
この燃料電池スタック３２０では、バックアッププレート３２２に収容溝３１０の中央部からワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆ側に膨出する球面状押圧部３２４が設けられている。その他の構成は第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９１】
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック３４０の一部断面説明図である。
【００９２】
この燃料電池スタック３４０では、バックアッププレート３４２に第１エンドプレート３０２の収容溝３０６と同一形状の収容溝３４４が形成されている。この収容溝３０６、３４４には、ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆが収容されている。ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、平坦面２７６が第１エンドプレート３０２側に配置される一方、湾曲面２７８がバックアッププレート３４２側に対応して配置されている。その他の構成は第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長形状に構成されるとともに、面圧付与部材に対向して配置されている加圧手段が、横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備えている。従って、燃料電池スタックの組み付け作業性が向上するとともに、単位燃料電池セル全面の面圧分布を均一にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図１３】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１４】配管機構が省略された状態の前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１７】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの正面説明図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２０】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図２１】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図２２】前記燃料電池スタックの加圧状態を示す一部断面説明図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図２５】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
１２、１４、２４０、２６０、３００、３２０、３４０…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６、３０２…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子      ２８…配管機構
３０…取り付け機構                ３２…単位燃料電池セル
３４、３６…セパレータ            ３８…電解質膜
４０…カソード側電極              ４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝      ７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路      ８０…端子板
８２、１８０…導電プレート        １０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１３４…供給管路                  １３６…排出管路
１４０、２６２…締め付け機構      １４２…液体チャンバ
１４５、２６６…加圧手段
１４６ａ〜１４６ｃ、２６８ａ〜２６８ｆ…皿ばね
１４８、３０８、３２２、３４２…バックアッププレート
１５４、２７０…タイロッド        １６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント              １８６ａ、１８６ｂ…撚り線
１８８ａ、１８８ｂ…ゴムカバー
２６４ａ〜２６４ｆ、３０４ａ〜３０４ｆ…ワッシャプレート
【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】
0003840370.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003840370.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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