JP2003151611A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層体に付与する面圧を周縁側と中央側とで
均一化できるとともに、小型化や軽量化を図ることので
きる燃料電池スタックを提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜９を一対の電極１
０、１１で挟持した単位セル２を一対のセパレータ１
４，１５を介して複数個積層した積層体３を有する。こ
の積層体３を介装する一対のエンドプレート６と、該一
対のエンドプレート６の間を一定の距離に維持するケー
ス８と、セパレータ１４，１５間に設けられ、該積層体
３を両側のエンドプレート６に対して押圧する板バネ１
９とを有する燃料電池スタック１である。そして、少な
くとも一方のエンドプレート６が、前記積層体に当接す
る面の面方向外側から内側に肉厚を厚くした球面部７を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質を一対の電
極で挟んで構成される単位セルがセパレータを介して複
数積層されてなる燃料電池スタックに関するものであ
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電極とカソード電極を対設して
構成された単位セルを、一対のセパレータによって挟持
してなる単位セルを積層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、単位セルを所
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。カソード電極には、酸化剤ガス（例え
ば酸素を含む空気）が供給されているために、このカソ
ード電極において、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を車体に取り付けた
一例を図６に示す。燃料電池スタック１００は、前記単
位セル１０１を直列に積層した積層体１０２を備えてい
る。積層体１０２は、一対のエンドプレート１０５、１
０８により、電極プレート１０３，絶縁プレート１０４
を介して両側から挟み込まれている。一方のエンドプレ
ート１０５は緩衝部材（ワッシャ）１０６を介してバッ
クアッププレート１０７に接続され、他方のエンドプレ
ート１０８は皿バネ１０９を介してバックアッププレー
ト１１０に接続される。前記バックアッププレート１０
７，１１０とこれらに挟み込まれる積層体１０２等は、
前記バックアッププレート１０７，１１０の両端面にて
締結されるスタッドボルト１１１により、積層方向に貫
通され、これにより上記のような積層状態が保持される
のである。このように構成した前記燃料電池スタック１
００は、バックアッププレート１０７とエンドプレート
１０８とが取り付け部材１１３により車体パネル１１２
に連結されることで、車体に取り付けられるのである。

【０００５】前記燃料電池スタック１００においては、
前記スタッドボルト１１１が積層体１０２を積層方向に
貫通しているため、積層体１０２が積層方向以外に移動
しないように抑制されている。また、前記バックアップ
プレート１１０と前記エンドプレート１０８との間に介
装された皿バネ１０９により、積層体１０２を積層方向
に加圧する。また、積層体１０２を構成する単位セル１
０１が熱膨張やへたりなどにより寸法変化した場合に、
皿バネ１０９がそれに倣って伸縮し、この寸法変化に対
応して加圧するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池ス
タックを車両に搭載するにあたっては、燃料電池スタッ
クの小型化や軽量化が大きな課題となっている。ここ
で、上記したバックアッププレートはスタッドボルトを
保持するために必要ではあるものの、これを設けること
により積層方向の厚みが大きくなるとともに重量も増加
するため、燃料電池スタックにはバックアッププレート
を使用しないことが望ましい。

【０００７】そこで、燃料電池スタックの一方の側にの
みバックアッププレート１１０を設けるとともに、他方
の側にはバックアッププレート１０７を設けずエンドプ
レート１２１のみを設けて、燃料電池スタックの軽量
化、小型化を図ることが提案されている。しかしなが
ら、前記燃料電池スタック１００からバックアッププレ
ート１０７を単に無くしただけでは、エンドプレート１
０５側の積層方向の剛性が不足して変形するため、こち
ら側から積層体１０２に付与する面圧（圧力）がばらつ
いてしまい、エンドプレート１０５周縁側に比べて中央
側の面圧が低下する。特に、エンドプレート１０５の厚
みが小さくなると、上述したエンドプレート１０５の変
形がより顕著になり、エンドプレート１０５から積層体
１０２に付与する面圧が周縁側に比べて中央側で著しく
減少してしまう。このため、積層体１０２の各単位セル
において中央側の電気的接触抵抗（以下、接触抵抗とい
う）が増加してしまうおそれがあった。

【０００８】したがって、かかる単位セルの接触抵抗を
中央側においても低く維持するためには、図７に示した
ように、エンドプレート１２１の厚みを大きくして積層
体１０２への加圧力を一定以上に保つ必要があるため、
結局燃料電池スタック１２０の小型化、軽量化を十分に
図ることができないという問題があった。また、上記の
ように積層体１０２をスタッドボルト１１１で締め付け
て保持する構造では、このスタッドボルト１１１を締結
するためのバックアッププレート等が必要となるため、
燃料電池スタック１２０の小型化や軽量化が制限されて
しまうという問題があった。また、上記のようにバック
アッププレート１１０とエンドプレート１０８との間に
皿バネ１０９を設けた場合には、バックアッププレート
１１０において、スタッドボルト１１１による締め付け
荷重がかかる作用点と、皿バネ１０９による弾性力がか
かる作用点の位置がずれてしまう。このため、バックア
ッププレート１１０が張り出す様に湾曲してしまい、こ
ちら側から積層体１０２に付与する面圧が周縁側に比べ
て中央側で減少してしまうという問題があった。さら
に、従来においては、各単位セル間において、圧力を調
整するような構造とはなっていないため、各単位セルに
付与される面圧にばらつきがでるおそれがあった。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、積層体に付与する面圧を周縁側と中央側とで
均一化できるとともに、小型化や軽量化を図ることので
きる燃料電池スタックを提供することを一の目的とす
る。また、本発明は、さらに小型化や軽量化を図ること
のできる燃料電池スタックを提供することを他の目的と
する。本発明は、各単位セル毎に付与される面圧を調整
して均一化できる燃料電池スタックを提供することを他
の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施
の形態における固体高分子電解質膜９）を一対の電極
（例えば、実施の形態におけるアノード電極１０および
カソード電極１１）で挟持した単位セル（例えば、実施
の形態における単位セル２）を一対のセパレータ（例え
ば、実施の形態におけるセパレータ１４，１５）を介し
て複数個積層した積層体（例えば、実施の形態における
積層体３）を有し、該積層体を介装する一対のエンドプ
レート（例えば、実施の形態におけるエンドプレート
６）と、該一対のエンドプレートの間を一定の距離に維
持する保持手段（例えば、実施の形態におけるケース
８）と、セパレータ間に設けられ、該積層体を両側のエ
ンドプレートに対して押圧する拡張手段（例えば、実施
の形態における板バネ１９）とを有する燃料電池スタッ
ク（例えば、実施の形態における燃料電池スタック１）
であって、少なくとも一方のエンドプレートが、前記積
層体に当接する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くして
なる（例えば、実施の形態における球面部７）ことを特
徴とする燃料電池である。

【００１１】このように構成することで、バックアップ
プレートを設けずにエンドプレートの厚みを小さくして
も、エンドプレートから積層体に付与される面圧が中央
側においても低下することなく、周縁側と同様に所定の
値に維持される。このため、積層体の接触抵抗を低く維
持できるとともに、バックアッププレートを設ける必要
が無くなるため、燃料電池スタックの軽量化や小型化を
図ることができる。なお、燃料電池としては、固体高分
子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸
塩型のうち、いずれであってもよい。

【００１２】請求項２に記載した発明は、前記保持手段
が前記積層体を内部に収容する箱体であることを特徴と
する燃料電池スタックである。このように構成すること
で、スタッドボルト等の緊締部材が不要となる。したが
って、スタッドボルトを通す貫通孔を設けるために確保
していた余分な寸法が不要となるため、燃料電池スタッ
クのさらなる小型化および軽量化を図ることができる。

【００１３】請求項３に記載した発明は、前記拡張手段
が板バネであることを特徴とする燃料電池スタックであ
る。このように構成することで、一対のセパレータは、
板バネに当接する全面に亘り押圧力が付与されて、各単
位セル毎に付与される面圧を調整して均一化することが
できる。また、燃料電池運転時や停止時に伴う熱膨張や
収縮による寸法変化や、該燃料電池スタックを搭載した
車両の走行中に振動などによって燃料電池スタックに荷
重が作用した際においても、板バネが上記寸法変化や荷
重を吸収するように変位するため、セパレータ同士やこ
れらのセパレータを備える単位セル同士の電気的な接触
が確実に維持される。加えて、拡張手段を板バネとした
ことにより、各単位セルにて発生する積層方向の寸法変
化を、前記板バネが弾性変形することにより吸収できる
ため、燃料電池スタック全体の積層方向の長さを一定範
囲内に維持することができる。さらに、燃料電池スタッ
クに振動が発生して各単位セルに荷重が加わった場合で
あっても、各単位セルに加わった荷重を前記板バネで受
けることができるため、各単位セルに過度な荷重が加わ
ることを防止でき、単位セルに対する安全性を高めるこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態における
を図面と共に説明する。図１は本発明の実施形態におけ
る燃料電池スタックを示す概略構成図である。この燃料
電池スタック１は、所定数の単位セル２が互いに電気的
に直列に接続されるとともに矢印Ａ方向に積層されてな
る積層体３と、該積層体３を挟持する一組の集電用電極
４，５と、このうちの集電用電極４，５の外側に配設さ
れたエンドプレート６と、これら積層体３、集電用電極
４，５および一対のエンドプレート６（６ａ、６ｂ）を
収容するケース８とを備える。

【００１５】前記単位セル２は、固体高分子電解質膜９
をアノード電極１０とカソード電極１１とで挟み込んだ
ものである。固体高分子電解質膜９としては、ペルフル
オロスルホン酸ポリマーに水を含浸させたもの等が用い
られる。また、アノード電極１０およびカソード電極１
１は、カーボンペーパー等からなる多孔質ガス拡散層
（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カ
ーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に積層されて
なる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有し、電極触
媒層同士が固体高分子電解質膜９を介して対向するよう
に該固体高分子電解質膜９に接合されている。このよう
に構成された単位セル２は、シール部材１２，１３を介
して一対のセパレータ１４，１５で挟持されている。な
お、セパレータ１４，１５には、燃料ガス、酸化剤ガ
ス、冷却水を供給・排出するための連通孔１６，１７，
１８がそれぞれ設けられているが、これらについては詳
細を略す。

【００１６】積層体３は、所定数の上記単位セル２がセ
パレータ１４，１５を介して互いに電気的に直列接続さ
れることにより構成されている。このうち、両端に位置
する単位セル２には、集電用電極４，５がそれぞれ電気
的に接続される。そして、エンドプレート６は、漏電防
止用の絶縁プレート２０を介して集電用電極４，５の外
側に配置されている。また、ケース８は、金属製の有底
面枠体からなり、このケース８と集電用電極４，５との
間にも、漏電を防止するために絶縁プレート２０が介装
されている。

【００１７】本実施の形態においては、前記絶縁プレー
ト２０の外側には、エンドプレート６が設けられ、この
エンドプレート６で前記絶縁プレート２０を介して積層
体３を挟み込んでいる。図２の斜視図に示したように、
本実施の形態におけるエンドプレート６は、前記積層体
３に当接する面の面方向外側から内側に肉厚を厚くして
なる球面部７を備えている。これにより、エンドプレー
ト６から積層体３に付与される面圧が中央側においても
低下することなく、周縁側と同様に所定の値に維持され
る。このため、積層体３の接触抵抗を中央側でも周縁側
と同様に低く維持でき、従来のように積層体３に対する
面圧を均一化するためのバックアッププレートを設ける
必要が無くなる。なお、図１に示したように、一方のエ
ンドプレート６ｂには、前記セパレータ１４，１５と同
様に連通孔１６，１７，１８が形成されているが、他方
のエンドプレート６ａには連通孔が形成されていない。
以下、特に区別する必要が無い場合には、前記エンドプ
レート６ａ、６ｂをエンドプレート６として説明する。
なお、本実施の形態においては、エンドプレート６に球
面部７を設けたが、前記積層体３に当接する面の面方向
外側から内側に肉厚を厚くしてなる形状であればこれに
限らず、例えば四角形状や三角形状等の多角形状であっ
てもよい。また、エンドプレート６と球面部７は一体で
なくてもよく、別部材を接合してもよい。

【００１８】また、前記エンドプレート６ａ、６ｂの両
側面には、先端部が下方に向けて突出する略Ｌ字状の突
起部材２４が取り付けられている。一方、前記ケース８
の内面隅部には、略円筒状の収容部材２５が前記突起部
材２４と同数（本実施の形態においては４つ）設けられ
ている。前記収容部材２５同士の間隔は、各エンドプレ
ート６ａ、６ｂにおける突起部材２４同士の間隔に対応
して設定されている。加えて、収容部材２５上面には、
前記突起部材２４の先端部２４ａに対応した面積と深さ
を備えた穴部２５ａが形成されている。このようにした
ため、各エンドプレート６ａ、６ｂそれぞれに備えた突
起部材２４の先端部２４ａを、収容部材２５の穴部２５
ａにそれぞれ差し込むことで、各エンドプレート６ａ、
６ｂをケース８内の設定位置に位置決め保持することが
できるのである。

【００１９】さらに、このケース８における前記エンド
プレート６ｂ側の端面には、前記セパレータ１４，１５
と同様に連通孔１６〜１８が設けられている。そして、
ケース８の外面の各隅角部には、該ケース８を自動車車
体に連結する図示しないボルト（連結部材）を通すため
の貫通孔２１（図１参照）が設けられたマウント用ボス
部２２が接合されている。

【００２０】セパレータ１４，１５間には、板バネ１９
が介装がされている。板バネ１９は平滑な金属板からな
り、荷重が加えられた際に弾性変形し、かつ前記荷重が
除去されて元に形状に復帰する際に弾発力を付与する。
この弾発付勢により積層体３を構成する各単位セル２同
士の電気的な接触が確保される。これについては詳細を
後述する。

【００２１】前記燃料電池スタック１は、図３の断面図
に示したように、自動車等（車両）の車体パネル２３の
所定箇所に配置された後、ケース８のマウント用ボス部
２２の貫通孔２１（図１参照）に通された図示しないボ
ルトが前記車体パネル２３に設けられたボルト孔に螺合
されることにより、車体パネル２３に位置決め固定され
る。

【００２２】上記のようにして構成された燃料電池スタ
ック１に対し、ケースの連通孔に水素含有ガス供給機
構、酸素含有ガス供給機構、冷却水供給機構（いずれも
図示せず）がそれぞれ連結されるとともに、連通孔にガ
ス回収機構、冷却水回収機構（いずれも図示せず）が連
結される。なお、燃料電池の発電機構については説明を
省略する。

【００２３】本実施の形態における燃料電池スタック１
では、積層体３をケース８内に収容しているので、従来
に示したようなスタッドボルトを使用する必要がない。
したがって、スタッドボルトを保持するための肉厚なバ
ックアッププレートを設ける必要が無く、上述したよう
に積層体３に対する面圧を均一化するためにバックアッ
ププレートを設ける必要もないため、バックアッププレ
ートが不要となり、燃料電池スタック１の積層方向の寸
法を従来に比して著しく小さくすることができる。すな
わち、燃料電池スタック１を小型化することができるの
で、この燃料電池スタック１を自動車車体に搭載する際
に必要なスペースが低減でき、利便性を高めることがで
きる。また、上記したようにバックアッププレートが不
要であるため、その分軽量化を図ることができる。

【００２４】また、上記したようにセパレータ１４，１
５間に板バネ１９を介装したことで、各単位セル２で発
生する寸法変化を前記板バネ１９により吸収することが
できる。これについて図４および図５を用いて説明す
る。図４は、積層体３を構成する単位セル２の要部を示
す断面図である。また、図５は、板バネ１９の作用を示
す説明図である。なお、図４において、符号３０、３
１，３２はそれぞれ燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷
却媒体流路を示しているが、これらについては説明を省
略する。

【００２５】図４に示したように、板バネ１９は、単位
セル２を構成するセパレータ１４，１５間に介装され、
セパレータ１４，１５から面圧を受ける。具体的には、
燃料電池スタック１の運転時には、各単位セル２は積層
方向に沿って熱膨張を起こし、板バネ１９は前記セパレ
ータ１４，１５の当接した箇所から面圧を受ける（図５
（ａ）参照）。図４，図５において、矢印Ｂは板バネ１
９がセパレータ１４の当接面１４ａから受ける面圧の方
向を示し、矢印Ｃは板バネ１９がセパレータ１５の当接
面１５ａから受ける面圧の方向を示す。前記板バネ１９
は、セパレータ１４，１５からの面圧を受けると、図５
（ｂ）に示すように弾性変形して、前記セパレータ１
４，１５からの面圧を吸収する。したがって、各単位セ
ル２が積層方向に膨張するように変形した場合であって
も、前記板バネ１９により積層方向の寸法変化を吸収す
ることができるため、積層体３，ひいては燃料電池スタ
ック１全体の積層方向の長さを一定範囲内に維持するこ
とができる。また、前記板バネ１９が各単位セル２から
の面圧を吸収するように変位するため、各単位セル２に
余分な荷重がかかって接触抵抗を増加するおそれがな
く、各単位セル２の内部抵抗の増大を抑制できるため、
各単位セル２、ひいては燃料電池スタック１全体から目
的とする性能を十分に得ることできる。

【００２６】また、燃料電池スタック１の運転が停止し
て温度が下がり、各単位セル２が積層方向に沿って収縮
した際には、板バネ１９が元の形状に復帰する。この
際、板バネ１９がセパレータ１４，１５を弾発付勢す
る。すなわち、セパレータ１４，１５は板バネ１９によ
って押圧され、これにより、各単位セル２に対する加圧
保持力が維持される。また、各単位セル２にいわゆるへ
たりが生じた場合にも同様に、板バネ１９がセパレータ
１４，１５を弾発付勢することによって単位セル２に対
する加圧保持力が維持される。さらに、セパレータ１
４，１５に反りやうねり等の形状誤差が発生した場合で
あっても、前記板バネ１９が、セパレータ１４，１５に
適正な形状となる方向に弾性力を付与するため、前記セ
パレータ１４，１５、ひいては単位セル２の反りやうね
りを吸収することができる。

【００２７】また、この燃料電池スタック１が搭載され
た燃料電池車を走行させると、走行中の振動や、発進お
よび停止の繰り返し等によって燃料電池スタック１に荷
重が作用する。しかしながら、ケース８が車体に堅く連
結されているので、この荷重を充分に受けることができ
る。したがって、積層体３に対する加圧保持力が低下す
ることを回避できる。すなわち、この場合にも、単位セ
ル２同士の電気的な接触を維持できる。

【００２８】このように、本実施の形態における燃料電
池スタック１においては、積層体３をケース８に収容
し、かつ板バネ１９によってセパレータ１４，１５に弾
発付勢するため、燃料電池スタック１における単位セル
２同士の電気的な接触を維持しながら該燃料電池スタッ
ク１の小型化を図ることができる。また、エンドプレー
ト６は、従来のように積層体の両端に設ける必要は特に
なく、少なくとも片側に設けらればよい。しかもバック
アッププレートを使用する必要がないので、燃料電池ス
タック１の軽量化を図ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載し
た発明によれば、積層体の接触抵抗を低く維持できると
ともに、バックアッププレートを設ける必要が無くなる
ため、軽量化や小型化を図ることができる。請求項２に
記載した発明によれば、スタッドボルト等の緊締部材が
不要となり、そのための余分な寸法代が不要となるた
め、燃料電池スタックのさらなる小型化および軽量化を
図ることができる。請求項３に記載した発明によれば、
各単位セル毎に付与される面圧を調整して均一化するこ
とができるため、各単位セル同士の電気的接触を良好に
保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の実施形態における燃料電池ス
タックを示す概略構成図である。

【図２】 図１のエンドプレートを示す斜視図である。

【図３】 図１の燃料電池スタックを示す断面図であ
る。

【図４】 図３の積層体を構成する単位セルの要部を示
す断面図である。

【図５】 図３の板バネに面圧が加えられた場合の説明
図である。

【図６】 従来の燃料電池スタックを示す断面図であ
る。

【図７】 従来の燃料電池スタックを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ 単位セル ３ 積層体 ６ エンドプレート ７ 球面部 ８ ケース １０ アノード電極 １１ カソード電極 １４、１５ セパレータ １９ 板バネ

フロントページの続き (72)発明者 小坂 祐一郎 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 名越 健太郎 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC08 CX08 CX10 HH03 HH09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質を一対の電極で挟持した単位セル
   を一対のセパレータを介して複数個積層した積層体を有
   し、 該積層体を介装する一対のエンドプレートと、 該一対のエンドプレートの間を一定の距離に維持する保
   持手段と、 セパレータ間に設けられ、該積層体を両側のエンドプレ
   ートに対して押圧する拡張手段とを有する燃料電池スタ
   ックであって、 少なくとも一方のエンドプレートが、前記積層体に当接
   する面の周縁側よりも内側の肉厚を厚くしてなることを
   特徴とする燃料電池スタック。
2. 【請求項２】 前記保持手段が前記積層体を内部に収容
   する箱体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池スタック。
3. 【請求項３】 前記拡張手段が板バネであることを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタッ
   ク。