JP2007066625A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セルモジュールが膨張したり収縮したりするときでも、セルモジュールの燃料電池に対して一様に、かつ、均一に面圧を加えることができ、電極の接触抵抗が増加することがなく、燃料ガスのリークが生じることがなく、出力特性が良好で、信頼性の高いようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを備える燃料電池スタックであって、前記セルモジュールを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む保持部材と、該保持部材を介して前記セルモジュールに締付荷重を付与する締付部材と、前記保持部材と締付部材との間に介在し前記燃料電池の積層方向の伸縮を吸収する補助保持部材とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配設した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うＭＥＡへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、ＭＥＡとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される（例えば、特許文献１参照。）。

図２は従来の燃料電池スタックの構成を示す図である。

図において、１０１は燃料電池スタックの燃料電池セル集合体であり、ＭＥＡとセパレータとから成る単位セルが、図における上下方向に多数積層されている。そして、前記燃料電池セル集合体１０１は、積層方向の両端からエンドプレート１０２によって挟み込まれた状態になっている。なお、燃料電池セル集合体１０１の上下に配設されたエンドプレート１０２は、締付ボルト１０３によって接続され、該締付ボルト１０３に螺（ら）合された締付ナット１０４を締め込むことによって、燃料電池セル集合体１０１を上下方向から締め付けるようになっている。

図２（ａ）は、締め付け前の状態を示しており、上下のエンドプレート１０２が燃料電池セル集合体１０１と接触する面から反った湾曲形状を有していることが分かる。そして、締付ナット１０４を締め込むことによって、燃料電池セル集合体１０１を上下方向から締め付けると、図２（ｂ）に示されるように、上下のエンドプレート１０２が平坦（たん）に、かつ、互いに平行になる。そのため、燃料電池セル集合体１０１の各単位セルに一様に、かつ、均一に面圧を加えることができる。
特開２００４−２８８５３９号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、締付ボルト１０３に螺合された締付ナット１０４を締め込み、上下のエンドプレート１０２に直接力を付与することによって、燃料電池セル集合体１０１を締め付けるようになっているので、該燃料電池セル集合体１０１の膨張や収縮に適切に対応することができなかった。例えば、常温において、図２（ｂ）に示されるように、上下のエンドプレート１０２が平坦になるように燃料電池セル集合体１０１を上下方向から締め付けていても、温度が低下して燃料電池セル集合体１０１が収縮すると、図２（ａ）に示されるように、上下のエンドプレート１０２が湾曲してしまう。すると、燃料電池セル集合体１０１の各単位セルに加えられる圧力が不均一になり、燃料電池セル集合体１０１内の電極の接触抵抗が増加したり、燃料ガスのリークが生じたり、部材が損傷を受けたりしてしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池スタックの問題点を解決して、締め付ける前の状態において湾曲した形状の保持部材と、該保持部材と反対向きに湾曲した補助保持部材とを介して積層されたセルモジュールを締め付けることによって、該セルモジュールが膨張したり収縮したりするときでも、セルモジュールの燃料電池に対して一様に、かつ、均一に面圧を加えることができ、電極の接触抵抗が増加することがなく、燃料ガスのリークが生じることがなく、出力特性が良好で、信頼性の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを備える燃料電池スタックであって、前記セルモジュールを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む保持部材と、該保持部材を介して前記セルモジュールに締付荷重を付与する締付部材と、前記保持部材と締付部材との間に介在し前記燃料電池の積層方向の伸縮を吸収する補助保持部材とを有する。

本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記セルモジュールの中心方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記補助保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記保持部材と反対方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記セルモジュールに所定の締付荷重を付与した状態において、前記保持部材は少なくとも前記セルモジュールに接触する面が該セルモジュールの端面に沿って平坦になり、前記補助保持部材は湾曲している。

本発明によれば、燃料電池スタックは、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを備える燃料電池スタックであって、前記セルモジュールを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む保持部材と、該保持部材を介して前記セルモジュールに締付荷重を付与する締付部材と、前記保持部材と締付部材との間に介在し前記燃料電池の積層方向の伸縮を吸収する補助保持部材とを有する。

この場合、セルモジュールが膨張したり収縮したりするときでも、セルモジュールの燃料電池に対して面圧を加えることができ、電極の接触抵抗が増加することがなく、燃料ガスのリークが生じることがなく、出力特性が良好で、信頼性を向上させることができる。

燃料電池スタックは、さらに、前記保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記セルモジュールの中心方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である。

この場合、セルモジュールに付与される締付荷重が面内において均一になる。

燃料電池スタックは、さらに、前記補助保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記保持部材と反対方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である。

この場合、セルモジュールの両端に近い位置に締付荷重が付与されるので、燃料ガスの漏れを防止することができる。

燃料電池スタックは、さらに、前記セルモジュールに所定の締付荷重を付与した状態において、前記保持部材は少なくとも前記セルモジュールに接触する面が該セルモジュールの端面に沿って平坦になり、前記補助保持部材は湾曲している。

この場合、温度が変化しても、保持部材による締付荷重が面内に均一に付与され、補助保持部材が熱膨張及び熱収縮を吸収するので、セルモジュールに一定の締付荷重を付与することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図３において、２０は燃料電池（ＦＣ）装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図３に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図３における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール１０は、図４に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３で構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図５に示されるように、水が移動する。図５において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図６において、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続されている。また、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。そして、該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、該圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料ガス及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、セルモジュール１０を締め付けるための締付装置について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す第１の図、図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す第２の図、図８は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図、図９は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料ガス流路の配置を示す図である。

図１及び７に示される燃料電池スタック２０おいては、複数のセルモジュール１０が図における上下方向に重ねられて積層され、上下両端から保持部材としてのエンドプレート８１によって挟まれている。さらに、各エンドプレート８１の外側には補助保持部材としての補助プレート８２が配設されている。なお、図９（ｂ）に示されるように、各セルモジュール１０内においても、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂが上下方向に重ねられて積層されている。そして、最下層のセルモジュール１０の下面は下方のエンドプレート８１の上面に当接し、最上層のセルモジュール１０の上面は上方のエンドプレート８１の下面に当接しており、複数のセルモジュール１０は、単位セル１０Ａ、すなわち、燃料電池の積層方向の両端から各２枚のエンドプレート８１及び補助プレート８２によって挟み込まれた状態になっている。

また、上下のエンドプレート８１及び補助プレート８２は、複数本、例えば、４本の締付用シャフト８４によって相互に接続されている。ここで、前記エンドプレート８１は、いかなる形状の部材であってもよいが、本実施の形態においては、図８に示されるように、概略長方形状の板材である。なお、図８は、図１及び７における上方又は下方から見たエンドプレート８１及び補助プレート８２を示している。そして、長方形の４隅に該当する箇所に図示されない貫通孔（こう）が各々形成され、各貫通孔に締付用シャフト８４の端部が挿入され、締付用ナット８５によって固定される。なお、締付用シャフト８４及び締付用ナット８５は、エンドプレート８１を介してセルモジュール１０に締付荷重を付与する締付部材として機能する。これにより、締付用シャフト８４は、２枚のエンドプレート８１を締結し、かつ、２枚のエンドプレート８１から引っ張り応力を受ける。そして、前記エンドプレート８１、補助プレート８２、締付用シャフト８４及び締付用ナット８５によって、セルモジュール１０を締め付けるための締付装置が構成される。

ところで、図８に示される例において、エンドプレート８１の平面形状は、厳密な長方形でなく、４隅の部分が長軸方向（図８における横方向）に突出し、突出した部分に締付用シャフト８４の端部が挿入される貫通孔が形成されている。換言すると、長軸方向両端の各々において、貫通孔が形成された部分の間は、中心に向けて凹入した凹部となっている。なお、貫通孔が形成された部分は、長軸方向に関して、セルモジュール１０の端よりも外側に位置する。そのため、図１及び７に示されるように、締付用シャフト８４は、セルモジュール１０の端よりも外側に位置し、セルモジュール１０に当接しない。なお、前記エンドプレート８１の凹部は、必要に応じて省略することができる。すなわち、エンドプレート８１の平面形状は長方形であってもよい。

また、図８に示されるように、補助プレート８２は、長方形状の板材であるが、エンドプレート８１よりも厚さが薄く、縦及び横の寸法がエンドプレート８１よりもわずかに短く形成されている。そして、４隅の部分に締付用シャフト８４の端部が挿入される図示されない貫通孔が形成され、各貫通孔に締付用シャフト８４の端部が挿入され、締付用ナット８５によって固定される。ここで、補助プレート８２は、図１及び７に示されるように、エンドプレート８１と締付用ナット８５との間になるように配設され、エンドプレート８１と締付用ナット８５とによって挟まれている。すなわち、２枚のエンドプレート８１は、補助プレート８２を介在させた状態で、締付部材によって締結される。なお、補助プレート８２は、エンドプレート８１と同様の凹部を備える形状であってもよい。

そして、図１に示されるように、エンドプレート８１は、締付装置がセルモジュール１０を締め付ける前の状態においては、積層されたセルモジュール１０の中心方向に突出するように湾曲した形状を備える弾性体である。ここで、エンドプレート８１は、ステンレス鋼等の弾性を備える金属から成る板状の部材であり、一種の板ばねとしての機能も備えるものである。そして、締付用ナット８５を締め込むことによって、上下のエンドプレート８１で積層されたセルモジュール１０を上下方向から締め付けると、上下のエンドプレート８１は弾性変形して、図７に示されるように、少なくともセルモジュール１０に接触する面が平坦に、かつ、互いに平行になる。そのため、積層されたセルモジュール１０の各単位セル１０Ａに一様に、かつ、均一に面圧を加えることができる。なお、締付用ナット８５を締め込む量は、積層されたセルモジュール１０に付与される締付荷重があらかじめ設定された所定値となるように調整される。

また、補助プレート８２は、図１に示されるように、締付装置がセルモジュール１０を締め付ける前の状態においては、エンドプレート８１と反対向きに、すなわち、積層されたセルモジュール１０から離れる方向に突出するように湾曲した形状を備える弾性体である。また、補助プレート８２の湾曲の度合い、すなわち、突出量は、エンドプレート８１の突出量より大きくなっている。ここで、補助プレート８２は、ステンレス鋼等の弾性を備える金属から成る板状の部材であり、一種の板ばねとしての機能も備えるものである。そして、補助プレート８２は、エンドプレート８１よりも厚さが薄く、剛性が低くなっている。すなわち、補助プレート８２は、エンドプレート８１よりもばね定数の低い板ばねとして機能する。

そして、補助プレート８２は、エンドプレート８１と締付用ナット８５とによって挟まれているので、該締付用ナット８５を締め込むことによって、上下のエンドプレート８１で積層されたセルモジュール１０を上下方向から締め付けると、弾性変形して、図７に示されるように、湾曲の度合いが小さくなり、突出量が小さくなる。なお、補助プレート８２は、エンドプレート８１よりもばね定数が低いので、締付用ナット８５を締め込むことによる変形量がエンドプレート８１よりも大きい。これにより、積層されたセルモジュール１０は、エンドプレート８１が弾性変形することによって発生するばね力、及び、補助プレート８２が弾性変形することによって発生するばね力によって締め付けられる。

このように、積層されたセルモジュール１０の各単位セル１０Ａは、平坦に、かつ、互いに平行になったエンドプレート８１を介して、一様に、かつ、均一に面圧を受け、適切な締付荷重が付与される。そのため、セルモジュール１０内の電極の接触抵抗、すなわち、空気極１２と空気極側コレクタ１４との接触抵抗、燃料極１３と燃料極側コレクタ１５との接触抵抗、空気極側コレクタ１４とセパレータ１０Ｂとの接触抵抗、燃料極側コレクタ１５とセパレータ１０Ｂとの接触抵抗等を低くすることができる。また、セルモジュール１０に適切な締付荷重を付与することによって、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂと図示されないシール部材との密着力が適切な値となり、水素ガスや空気のリークを確実に防止することができる。さらに、セルモジュール１０に適切な締付荷重を付与することによって、単位セル１０Ａ、セパレータ１０Ｂ等を構成する各部材にかかる力が適切な値となり、各部材が損傷を受けることがない。

ところで、図９に示されるように、セルモジュール１０の長手方向の両端近傍には、積層方向にセルモジュール１０を貫通する長孔（あな）８６が燃料ガス流路として形成されている。なお、図９（ａ）はセルモジュール１０の積層方向端部を示す平面図であり、図９（ｂ）はセルモジュール１０の積層方向断面を示す図である。そして、少なくとも積層方向に隣接するセルモジュール１０同士の間には、燃料ガス漏れ防止シール８７が配設され、長孔８６から燃料ガスがリークすることを防止するようになっている。なお、前記燃料ガス漏れ防止シール８７は、Ｏ−リング、面シール等のシール部材から成り、図９（ａ）に示されるように、長孔８６の周囲を取り囲むように形成された凹溝８８内に配設される。そして、前記燃料ガス漏れ防止シール８７は、図９（ｂ）において矢印で示される方向に、締付荷重が付与されることによって、セルモジュール１０の面に密着し、長孔８６から燃料ガスがリークすることを防止する。

通常、長孔８６は、セルモジュール１０の面内の利用効率を向上させるため、構造を簡素化するため等の理由によって、セルモジュール１０の面内のできる限り外周寄りの位置、すなわち、図９に示される例において、できる限り長手方向の両端に近い位置に配設される。そのため、燃料ガス漏れ防止シール８７に締付荷重を適切に付与するには、エンドプレート８１の両端近傍の部分においてもセルモジュール１０に締付荷重を付与する必要がある。

締付装置においては、エンドプレート８１が、補助プレート８２を介在させた状態で、締付部材によって締結されるようになっているので、締付用ナット８５の締付荷重は、補助プレート８２を介して、エンドプレート８１に伝えられる。ここで、補助プレート８２は、エンドプレート８１と反対向きに湾曲しており、締付荷重があらかじめ設定された所定値となる量だけ締付用ナット８５を締め込まれた状態であっても、図７に示されるように、少し湾曲した形状を維持する。そのため、図１及び７からも分かるように、補助プレート８２は、その両端縁においてエンドプレート８１と接触するようになっている。すなわち、エンドプレート８１は、常に、補助プレート８２の両端縁から締付荷重を付与される。そして、補助プレート８２の両端縁は、締付用シャフト８４の端部が挿入される貫通孔よりも外側において、エンドプレート８１の両端縁近傍に接触しているので、エンドプレート８１は、両端縁近傍の部位、すなわち、締付用シャフト８４の端部が挿入される貫通孔よりも外側の部位において締付荷重が付与される。そのため、セルモジュール１０の両端近傍の部分においてセルモジュール１０に締付荷重を付与することができ、セルモジュール１０の長手方向の両端に近い位置に配設された長孔８６の周囲を取り囲む燃料ガス漏れ防止シール８７に締付荷重を適切に付与することができる。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源７５は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック２０の単位セル１０Ａに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源７５、酸化剤供給管路７７、吸気マニホールド７４、排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０Ａにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

次に、締付装置の動作について説明する。

図７に示されるように、締付装置がセルモジュール１０を締め付けた状態では、剛性の高い板ばねとして機能する上下のエンドプレート８１は、少なくともセルモジュール１０に接触する面が平坦に、かつ、互いに平行になる。また、剛性の低い板ばねとして機能する上下の補助プレート８２は、湾曲の度合いが小さくなり、突出量が小さくなっているが、平坦にはなっていない。これにより、セルモジュール１０が膨張及び収縮した際にも、剛性の低い板ばねとして機能する補助プレート８２が弾性変形することによって、セルモジュール１０に付与される締付荷重を、あらかじめ設定された所定値となるように維持することができるとともに、積層されたセルモジュール１０の各単位セル１０Ａに一様に、かつ、均一に面圧を加える状態を維持することができる。

通常、セルモジュール１０は温度が上昇すると膨張し、温度が低下すると収縮する。そのため、燃料電池システムが運転を開始してからある程度の時間が経過すると、燃料電池スタック２０内の温度が上昇してセルモジュール１０が膨張する。一方、燃料電池スタック２０を搭載した車両が寒冷地を走行する場合のように周囲の環境が低温になると、燃料電池スタック２０内の温度が低下してセルモジュール１０が収縮する。また、通常、セルモジュール１０は、固体高分子電解質膜１１が湿潤な状態になると膨張し、固体高分子電解質膜１１が乾燥すると収縮する。そのため、水供給ノズル７６から供給される水の量が変化したり、生成水の量が変化したりすると、セルモジュール１０が膨張したり、収縮したりする。

そして、セルモジュール１０が膨張した場合には上下のエンドプレート８１が互いに離れる方向に変位するが、剛性の低い補助プレート８２が弾性変形し、湾曲の度合いが更に小さくなり、平坦な形状により近付くことによって、セルモジュール１０の膨張によるエンドプレート８１の変位を吸収する。一方、剛性の高いエンドプレート８１は、実質的に弾性変形しないので、平坦な形状を維持する。そのため、セルモジュール１０が膨張した場合でも、セルモジュール１０の各単位セル１０Ａに一様に、かつ、均一に面圧を加える状態を維持することができる。

なお、弾性変形させられることによって、板ばねとして機能する補助プレート８２の発生するばね力が増加し、セルモジュール１０に付与される締付荷重が増加する。しかし、補助プレート８２は、剛性が低いので変形量に対するばね力の増加量が小さい。そのため、セルモジュール１０に付与される締付荷重の増加量が極（ごく）わずかであり、セルモジュール１０に付与される締付荷重の値は、あらかじめ設定された所定値からほとんど変化しない。したがって、セルモジュール１０の各部材は、締付荷重の増加によって損傷を受けることがない。

また、セルモジュール１０が収縮した場合には上下のエンドプレート８１が互いに近付く方向に変位するが、剛性の低い補助プレート８２が弾性変形し、湾曲の度合いが大きくなり、突出量が大きくなることによって、セルモジュール１０の収縮によるエンドプレート８１の変位を吸収する。一方、剛性の高いエンドプレート８１は、実質的に弾性変形しないので、平坦な形状を維持する。そのため、セルモジュール１０が収縮した場合でも、セルモジュール１０の各単位セル１０Ａに一様に、かつ、均一に面圧を加える状態を維持することができる。

なお、弾性変形させられることによって、板ばねとして機能する補助プレート８２の発生するばね力が減少し、セルモジュール１０に付与される締付荷重が減少する。しかし、補助プレート８２は、剛性が低いので変形量に対するばね力の増加量が小さい。そのため、セルモジュール１０に付与される締付荷重の減少量が極わずかであり、セルモジュール１０に付与される締付荷重の値は、あらかじめ設定された所定値からほとんど変化しない。したがって、セルモジュール１０内の電極の接触抵抗を低く維持することができ、水素ガスや空気のリークを確実に防止することができる。

このように、本実施の形態において、締付装置は、締め付ける前の状態において湾曲した形状のエンドプレート８１と、該エンドプレート８１と反対向きに湾曲した剛性の低い補助プレート８２とを介して積層されたセルモジュール１０を締め付けるようになっている。これにより、締付装置は、簡単な構造でありながら、燃料電池スタック２０の各部材に寸法変化が発生しても、セルモジュール１０に付与する締付荷重をあらかじめ設定された所定値からほとんど変化しないように維持することができる。したがって、セルモジュール１０内の電極の接触抵抗を低く維持することができ、水素ガスや空気のリークを確実に防止することができ、各部材が損傷を受けることがなく、出力特性を良好に維持することができ、信頼性を向上させることができる。

また、エンドプレート８１には、補助プレート８２の両端縁から、締付用シャフト８４の端部が挿入される貫通孔よりも外側の部位において締付荷重が付与されるので、セルモジュール１０の長手方向の両端に近い位置に配設された長孔８６の周囲を取り囲む燃料ガス漏れ防止シール８７に締付荷重を適切に付与することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１０は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。

本実施の形態において、上下の補助保持部材としての補助プレート９１は、図１０に示されるように、各々、細長い長方形状の２枚の補助プレート９１ａ及び９１ｂから成る。すなわち、補助プレート９１は、エンドプレート８１の短手方向に２分割されている。また、補助プレート９１ａ及び９１ｂと締付用ナット８５との間には、長方形状の中間板９２が介在する。該中間板９２は、締付用シャフト８４の端部が挿入される貫通孔が２つずつ形成され、２枚の補助プレート９１ａ及び９１ｂの両端の各々に跨（またが）るように配設されている。なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、本実施の形態において、補助プレート９１は、２分割され、２枚の補助プレート９１ａ及び９１ｂから成るので、容易に取り付けを行うことができる。また、２枚の補助プレート９１ａ及び９１ｂの間に部材が存在しないので、補助プレート９１を軽量化することができる。さらに、補助プレート９１ａ及び９１ｂの間を通して、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３１等の管路を配設したり、図示されない補機類のコード、配管等を配設することができる。さらに、２枚の補助プレート９１ａ及び９１ｂの剛性を独立して変化させることができるので、セルモジュール１０の部位に応じて、適切な値の締付荷重を付与することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１１は本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。

本実施の形態において、上下の補助保持部材としての補助プレート９３は、図１１に示されるように、長方形状の板材であるが、中央部に形成された長方形状の開口部９３ａを有する。なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、本実施の形態において、補助プレート９３は、開口部９３ａを有するので、軽量化することができる。また、開口部９３ａを通して、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３１等の管路を配設したり、図示されない補機類のコード、配管等を配設することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１２は本発明の第４の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。

本実施の形態において、上下の補助保持部材としての補助プレート９４は、図１２に示されるように、平面形状が概略Ｘ字状の板材である。なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、本実施の形態において、補助プレート９４は、概略Ｘ字状の形状を有するので、長方形状と比較して空隙となる部分が多く、軽量化することができる。また、空隙となる部分を通して、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３１等の管路を配設したり、図示されない補機類のコード、配管等を配設することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す第１の図である。 従来の燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す第２の図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料ガス流路の配置を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。 本発明の第４の実施の形態における燃料電池スタックのエンドプレートと補助プレートとの関係を示す図である。

符号の説明

１０ セルモジュール
１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
２０ 燃料電池スタック
４８ 燃料室
８１ エンドプレート
８２、９１、９１ａ、９１ｂ、９３、９４ 補助プレート
８４ 締付用シャフト
８５ 締付用ナット
８６ 長孔

Claims (4)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを備える燃料電池スタックであって、
   前記セルモジュールを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む保持部材と、
   該保持部材を介して前記セルモジュールに締付荷重を付与する締付部材と、
   前記保持部材と締付部材との間に介在し前記燃料電池の積層方向の伸縮を吸収する補助保持部材とを有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記セルモジュールの中心方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記補助保持部材は、前記セルモジュールに締付荷重を付与していない状態において、前記保持部材と反対方向に突出するように湾曲した板状の弾性体である請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記セルモジュールに所定の締付荷重を付与した状態において、前記保持部材は少なくとも前記セルモジュールに接触する面が該セルモジュールの端面に沿って平坦になり、前記補助保持部材は湾曲している請求項３に記載の燃料電池スタック。

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