JP2002151135A - 燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池スタック

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JP2002151135A JP2000347989A JP2000347989A JP2002151135A JP 2002151135 A JP2002151135 A JP 2002151135A JP 2000347989 A JP2000347989 A JP 2000347989A JP 2000347989 A JP2000347989 A JP 2000347989A JP 2002151135 A JP2002151135 A JP 2002151135A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層体の積層方向の曲がりを小さく抑えるこ
とで、車両への搭載時における他の構造物との干渉等を
防止できる燃料電池スタックの提供。 【解決手段】 積層体１７の積層方向における中間位置
に中間プレート３９を設け、該中間プレート３９に前記
積層方向に沿ってボルト部材１９を前記積層方向に直交
する方向の移動を規制した状態で設け、該ボルト部材１
９により両側位置の締付プレート２９同士を近接方向に
締め付ける。

Description

【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複数個積層されてなる
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と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
ネルギーとして利用される。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】上記燃料電池スタックの一例として、特開
平８−１７１９２６号公報に開示されたものがある。こ
の燃料電池スタックは、単位燃料電池セルおよびセパレ
ータを複数個積層させて構成されるとともに積層方向に
おける両端から電力を取り出す積層体が複数設けられ、
これら積層体間に燃料等給排部材を設けるとともに、該
燃料等給排部材を介して両側に配置される積層体のさら
に両外側に、互いに近接する方向に加圧を行う加圧機構
を設けてなるものである。
【０００５】上記燃料電池スタックは、組み付け時に、
燃料等給排部材および加圧機構を横方向に対向配置した
状態で、これらの間に単位燃料電池セルおよびセパレー
タを順次横方向すなわち水平方向に積層させるように配
置するものであるが、このように横方向に積層させる場
合、単位燃料電池セルおよびセパレータの隣り合うもの
同士の位置決めが困難であるという問題があった。
【０００６】これに対し、単位燃料電池セルおよびセパ
レータを縦方向すなわち鉛直方向に順次積層させていけ
ば、単位燃料電池セルおよびセパレータの隣り合うもの
同士の位置決めを容易かつ正確に行いながら組み付ける
ことができることになる。このため、例えば、図７に示
すように、水平配置された一方のバックアッププレート
（締付プレート）１００上に緩衝部材１０１を介して一
方のエンドプレート１０２を載置させ、該エンドプレー
ト１０２に絶縁板１０３および電極プレート１０４を載
置させ、その上にすべての単位燃料電池セル１０５およ
びセパレータ１０６，１０７を単位燃料電池セル１０５
の両側にセパレータ１０６，１０７が配置されるように
順次積層させる。そして、その上に電極プレート１０４
および絶縁板１０３を介して他方のエンドプレート１０
２を載置させ、該エンドプレート１０２上に皿バネ１０
８を介して他方のバックアッププレート（締付プレー
ト）１００を設け、両側のバックアッププレート１００
同士を連結させるボルト部材１０９をこれらバックアッ
ププレート１００同士を近接させる方向に締め上げるこ
とにより組み付けるようにした。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の燃料電池スタックは、横方向に積層させるものに比
して、単位燃料電池セル１０５およびセパレータ１０
６，１０７の隣り合うもの同士の位置決め精度を向上さ
せることができるものの、一方のバックアッププレート
１００を基準に、その上にすべての単位燃料電池セル１
０５およびセパレータ１０６，１０７を積層させるもの
であるため、各単位燃料電池セル１０５およびセパレー
タ１０６，１０７の形状誤差が累積されることでこれら
の積層体１１０が全体として積層方向に曲がってしまう
ことがあった。よって、その上に他方のバックアッププ
レート１００を載置させてバックアッププレート１００
同士をボルト部材１０９の締め付けで連結させると、燃
料電池スタック自体が積層方向に曲がった形状となって
しまう。このように傾いた形状となると、例えば車両へ
の搭載時に他の構造物と干渉等を生じてしまう等の問題
が生じてしまう。
【０００８】したがって、本発明は、積層体の積層方向
の曲がりを小さく抑えることで、車両への搭載時におけ
る他の構造物との干渉等を防止できる燃料電池スタック
の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料電池スタックは、電解質膜（例えば実
施の形態における固体高分子電解質膜１１）をアノード
側電極（例えば実施の形態におけるアノード側電極１
２）とカソード側電極（例えば実施の形態におけるカソ
ード側電極１３）とで挟んで構成される単位燃料電池セ
ル（例えば実施の形態における単位燃料電池セル１４）
をセパレータ（例えば実施の形態におけるセパレータ１
５，１６）を介して複数個積層させて積層体（例えば実
施の形態における積層体１７）を形成し、該積層体の積
層方向における両側位置に締付プレート（例えば実施の
形態におけるバックアッププレート２９）を設け、これ
ら締付プレート同士を近接方向に締め付けて積層させる
ものであって、前記積層体の積層方向における中間位置
に中間プレート（例えば実施の形態における中間プレー
ト３９）を設け、該中間プレートに前記積層方向に沿っ
てボルト部材（例えば実施の形態におけるスタッドボル
ト１９）を前記積層方向に直交する方向の移動を規制し
た状態で設け、該ボルト部材により前記両側位置の締付
プレート同士を近接方向に締め付けることを特徴として
いる。
【００１０】このように積層体の積層方向における中間
位置に中間プレートを設けており、言い換えれば、中間
プレートに対して両側に積層体を分割してそれぞれの単
位燃料電池セルおよびセパレータを積層させるため、単
位燃料電池セルおよびセパレータの厚さ方向に累積する
形状誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【００１１】また、中間プレートに積層方向に沿ってボ
ルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制し
た状態で設け、該ボルト部材により両側位置の締付プレ
ート同士を近接方向に締め付けるため、締め付け後はボ
ルト部材に対し中間プレートが積層方向に直交する方向
の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等で
該中間プレートがずれることを防止する。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態の燃料電池ス
タックを図１〜図６を参照して以下に説明する。
【００１３】図１は、この実施形態の燃料電池スタック
１０を示すものであり、この燃料電池スタック１０は車
載用のものである。燃料電池スタック１０は、図２に示
すように、固体高分子電解質膜（電解質膜）１１をアノ
ード側電極１２とカソード側電極１３とで挟んで構成さ
れる単位燃料電池セル１４がセパレータ１５，１６を介
して水平方向に複数個積層されることにより構成される
とともに両端から電力が取り出される積層体１７を一つ
有している。そして、アノード側電極１２と隣接するセ
パレータ１５との間に水素ガスが供給され、一方、カソ
ード側電極１３と隣接するセパレータ１６との間に空気
が供給される。また、各セパレータ１５，１６の背面間
の流路に冷却液が供給され、単位燃料電池セル１４を冷
却するようになっている。
【００１４】積層された単位燃料電池セル１４およびセ
パレータ１５，１６は、これらに設けられた複数の挿通
穴１８に挿通される複数のスタッドボルト（ボルト部
材）１９により積層方向における両側から締め付けられ
るものであり、単位燃料電池セル１４およびセパレータ
１５，１６を積層させた積層体１７の両端部側には、各
スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２０を有
する電極プレート２１が設けられている。
【００１５】一端側の電極プレート２１の外側には、各
スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２２を有
する絶縁板２３を介して、締め付け構造部２５が前記積
層方向に設けられている。
【００１６】この締め付け構造部２５は、各スタッドボ
ルト１９を挿通させる複数の挿通穴２６を有するエンド
プレート２７と、各スタッドボルト１９を挿通させる複
数の挿通穴２８を有するバックアッププレート（締付プ
レート）２９と、これらの間に介装される皿ばね３０と
で構成されている。
【００１７】また、他端側の電極プレート２１の外側に
は、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２
２を有する絶縁板２３を介して、締め付け構造部３２が
前記積層方向に設けられている。
【００１８】この締め付け構造部３２は、各スタッドボ
ルト１９を挿通させる複数の挿通穴２６を有するエンド
プレート２７と、各スタッドボルト１９を挿通させる複
数の挿通穴２８を有するバックアッププレート（締付プ
レート）２９と、これらの間に介装されるワッシャー等
の緩衝部材３３とで構成されている。緩衝部材３３とし
ては、皿バネ、あるいは内部流体を含んだ弾性体の袋
（例えば薄い金属の袋）等でもよい。
【００１９】そして、これら両締め付け構造部２５，３
２により必要な締め付け力で積層体１７の各単位燃料電
池セル１４に締め付け力を付与している。すなわち、積
層方向における両端位置に設けられたバックアッププレ
ート２９同士をスタッドボルト１９で近接方向に締め付
けることで、一方のバックアッププレート２９を含む締
め付け構造部２５と、他方のバックアッププレート２９
を含む締め付け構造部３２とで積層体１７の各単位燃料
電池セル１４を締め付けるのである。
【００２０】そして、一端側の締め付け構造部２５のバ
ックアッププレート２９には、車体への設置用の取付部
材３５が設けられており、また、他端側の締め付け構造
部３２のバックアッププレート２９にも、同様に車体へ
の設置用の取付部材３６が設けられている。そして、各
取付部材３５，３６が車体パネル３７に固定されるよう
になっている。
【００２１】ここで、各締め付け構造部２５，３２のバ
ックアッププレート２９に取付部材３５，３６を支持す
る場合を例にして説明したが、電極プレート２１の外側
のエンドプレート２７に取付部材３５，３６を支持して
も良い。
【００２２】そして、この実施形態においては、単位燃
料電池セル１４およびセパレータ１５，１６が積層され
て構成される積層体１７の積層方向の中間位置（具体的
には中央位置）に、導電性の金属等からなる中間プレー
ト３９が追加して設けられている。
【００２３】この中間プレート３９には、単位燃料電池
セル１４およびセパレータ１５，１６の積層方向に沿う
複数のスタッドボルト１９が、該積層方向に直交する方
向の移動が規制された状態で複数の嵌合穴４２に設けら
れている。すなわち、図３に示すように、スタッドボル
ト１９には、中間所定位置に嵌合部４０と該嵌合部４０
より大径のフランジ部４１とが隣り合って形成されてお
り、これに合わせて、中間プレート３９の嵌合穴４２
は、板厚方向における一方側にあって嵌合部４０を嵌合
させる第１嵌合穴４３と板厚方向における他方側にあっ
てフランジ部４１を嵌合させる第２嵌合穴４４とを有し
ている。
【００２４】そして、嵌合部４０を第１嵌合穴４３に、
フランジ部４１を第２嵌合穴４４にそれぞれ嵌合させる
ことで、スタッドボルト１９が、前記積層方向に直交す
る方向の移動が規制された状態で中間プレート３９に設
けられることになる。ここで、スタッドボルト１９を積
層方向に直交する方向に移動を規制するには、嵌合部４
０またはフランジ部４１のいずれか一方を対応する嵌合
穴に嵌合させてもよい。なお、スタッドボルト１９が中
間プレート３９に対し移動が規制される状態とは、嵌
合、ネジ止め、ロウ付け、溶接等により、中間プレート
３９とスタッドボルト１９とが実質的に相対位置がずれ
ない状態のことである。
【００２５】加えて、フランジ部４１が第１嵌合穴４３
と第２嵌合穴４４との間の段部４５に当接することによ
って、スタッドボルト１９は中間プレート３９に対し前
記積層方向に沿う一方向の移動も規制されることにな
る。
【００２６】以上のような構成の燃料電池スタック１０
を組み付ける場合、まず、各スタッドボルト１９を、そ
の嵌合部４０を第１嵌合穴４３に嵌合させかつそのフラ
ンジ部４１を第２嵌合穴４４に嵌合させるようにして中
間プレート３９の各嵌合穴４２に嵌合させ、この状態
で、第２嵌合穴４４を下側に配置するように中間プレー
ト３９を図示せぬ台上に載置させる。なお、このとき、
台で各スタッドボルト１９のフランジ部４１を支持する
ことで中間プレート３９からの各スタッドボルト１９の
抜けを防止する。
【００２７】そして、このときの中間プレート３９の上
面を基準面とし、この上に、セパレータ１５、単位燃料
電池セル１４およびセパレータ１６をそれぞれの各挿通
穴１８に各スタッドボルト１９を挿通させつつ積層体１
７の積層全数の１／２の数だけ縦方向に積層させる。そ
の上に、電極プレート２１をその各挿通穴２０に各スタ
ッドボルト１９を挿通させつつ載置させ、さらにその上
に、絶縁板２３をその各挿通穴２２に各スタットボルト
１９を挿通させつつ載置させ、その上に、エンドプレー
ト２７をその各挿通穴２６に各スタットボルト１９を挿
通させつつ載置させる。
【００２８】さらに、このエンドプレート２７上に緩衝
部材３３を載置させ、最後に、バックアッププレート２
９をその各挿通穴２８に各スタッドボルト１９を挿通さ
せつつ載置させる。そして、各スタッドボルト１９にナ
ット４７を螺合させることで、該ナット４７とスタッド
ボルト１９のフランジ部４１とで、中間プレート３９
と、バックアッププレート２９と、これらの間にある単
位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６等とを
締め付ける（図４参照）。
【００２９】次に、上記を上下反転させる。そして、こ
のときの中間プレート３９の上面を基準面とし、この上
に、上記と同様に、セパレータ１５、単位燃料電池セル
１４およびセパレータ１６をそれぞれの各挿通穴１８に
各スタッドボルト１９を挿通させつつ積層体１７の積層
全数の１／２の数だけ縦方向に積層させる。その上に、
電極プレート２１をその挿通穴２０に各スタッドボルト
１９を挿通させつつ載置させ、さらにその上に、絶縁板
２３をその各挿通穴２２に各スタットボルト１９を挿通
させつつ載置させ、その上に、エンドプレート２７をそ
の各挿通穴２６に各スタットボルト１９を挿通させつつ
載置させる。
【００３０】さらに、このエンドプレート２７上に皿ば
ね３０を載置させ、最後に、バックアッププレート２９
をその挿通穴２８にスタッドボルト１９を挿通させつつ
載置させる。そして、各スタッドボルト１９にナット４
７を螺合させることで、該ナット４７と中間プレート３
９とで中間プレート３９とバックアッププレート２９と
の間にある単位燃料電池セル１４およびセパレータ１
５，１６を締め付ける（図５参照）。
【００３１】そして、適宜のタイミングでバックアップ
プレート２９に設置用の取付部材３５，３６を取り付け
ることになり、燃料電池スタック１０は、その後、横に
倒された状態で、これら各取付部材３５，３６において
車体パネル３７に固定されることになる。
【００３２】以上に述べた本実施形態の燃料電池スタッ
ク１０によれば、両端から電力が取り出される一つの積
層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート３
９を設けており、言い換えれば、中間プレート３９に対
して両側に積層体１７を分割してそれぞれの単位燃料電
池セル１４およびセパレータ１５，１６を積層させるた
め、厚さ方向に累積する形状誤差を実質的に半分程度に
抑えることができる。
【００３３】したがって、単位燃料電池セル１４および
セパレータ１５，１６を縦方向に積層させて積層体１７
を形成する際に、積層体１７の積層方向の曲がりを小さ
く抑えることができ、その結果、車両への搭載時におけ
る他の構造物との干渉等を防止することができる。特
に、セパレータ１５，１６を形状誤差の比較的発生しや
すい金属のプレス成型品とした場合に効果的である。
【００３４】また、中間プレート３９に積層方向に沿っ
て各スタッドボルト１９を積層方向に直交する方向の移
動を完全に規制した状態で設け、これらスタッドボルト
１９により両端位置のバックアッププレート２９同士を
近接方向に締め付けるため、締め付け後はスタッドボル
ト１９に対し中間プレート３９が積層方向に直交する方
向の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等
で該中間プレート３９がずれることを防止する。
【００３５】したがって、中間プレート３９のスタッド
ボルト１９に対する移動を規制しない構造に比して、中
間プレート３９のずれを抑えることができる。しかも、
中間プレート３９に設けられたスタッドボルト１９が単
位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を積層
させる際のラフガイドとなり、積層作業の作業性を向上
させることができる。
【００３６】なお、以上の実施形態においては、中間プ
レート３９の第１嵌合穴４３および第２嵌合穴４４に一
体物のスタッドボルト１９の嵌合部４０およびフランジ
部４１を嵌合させることにより、中間プレート３９に対
するスタッドボルト１９の前記積層方向に沿う一方向の
移動と前記積層方向に直交する方向の移動とを規制する
場合を例にとり説明したが、図６に示すように変更する
ことも可能である。
【００３７】すなわち、スタッドボルト１９を軸線方向
において二つの分割体１９ａ，１９ｂに分割し、これら
分割体１９ａ，１９ｂのそれぞれの分割側にオネジ部４
９を形成するとともに、中間プレート３９にネジ穴５０
を形成して、各分割体１９ａ，１９ｂをオネジ部４９に
おいて中間プレート３９のネジ穴５０に螺合固定する。
このようにして、中間プレート３９に対しスタッドボル
ト１９を固定状態として、前記積層方向および前記積層
方向に直交する方向の移動を規制するのである。
【００３８】また、以上の実施形態においては、一つの
積層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート
３９を一つ設ける場合を例にとり説明したが、一つの積
層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート３
９を複数間隔をあけるように設けてもよい。この場合、
単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６の積
層数を等分割する位置に各中間プレート３９を設けるの
が好ましい。
【００３９】さらに、上記した中間プレート３９にも取
付部材を取り付け、該取付部材を介して中間プレート３
９を車体パネル３７に固定するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の燃料電池
スタックによれば、積層体の積層方向における中間位置
に中間プレートを設けており、言い換えれば、中間プレ
ートに対して両側に積層体を分割してそれぞれの単位燃
料電池セルおよびセパレータを積層させるため、単位燃
料電池セルおよびセパレータの厚さ方向に累積する形状
誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【００４１】したがって、積層体の積層方向の曲がりを
小さく抑えることができ、その結果、車両への搭載時に
おける他の構造物との干渉等を防止することができる。
特に、セパレータを形状誤差の比較的発生しやすい金属
のプレス成型品とした場合に効果的である。
【００４２】また、中間プレートに積層方向に沿ってボ
ルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制し
た状態で設け、該ボルト部材により両側位置の締付プレ
ート同士を近接方向に締め付けるため、締め付け後はボ
ルト部材に対し中間プレートが積層方向に直交する方向
の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等で
該中間プレートがずれることを防止する。
【００４３】したがって、中間プレートのボルト部材に
対する移動を規制しない構造にする場合に比して、中間
プレートのずれを抑えることができる。しかも、中間プ
レートに設けられたボルト部材が単位燃料電池セルおよ
びセパレータを積層させる際のラフガイドとなり、その
結果、積層作業の作業性をより向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの車
載状態を示す側断面図。
【図２】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの単
位燃料電池セルおよびセパレータを示す部分拡大断面
図。
【図３】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの中
間プレートおよびスタッドボルトを示す部分拡大断面
図。
【図４】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの組
み付け時の一状態を示す側断面図。
【図５】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの組
み付け時の別の状態を示す側断面図。
【図６】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの中
間プレートおよびスタッドボルトの別の例を示す部分拡
大断面図。
【図７】 燃料電池スタックの一例についての組み付け
時の状態を示す側断面図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池スタック １１ 固体高分子電解質膜（電解質膜） １２ アノード側電極 １３ カソード側電極 １４ 単位燃料電池セル １５，１６ セパレータ １７ 積層体 １９ スタッドボルト（ボルト部材） ２９ バックアッププレート（締付プレート） ３９ 中間プレート

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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をセパレー
    タを介して複数個積層させて積層体を形成し、該積層体
    の積層方向における両側位置に締付プレートを設け、こ
    れら締付プレート同士を近接方向に締め付けて積層させ
    る燃料電池スタックであって、 前記積層体の積層方向における中間位置に中間プレート
    を設け、該中間プレートに前記積層方向に沿ってボルト
    部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制した状
    態で設け、該ボルト部材により前記両側位置の締付プレ
    ート同士を近接方向に締め付けることを特徴とする燃料
    電池スタック。
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