JP2003151612A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成でセル面に適切な圧力をかける燃料
電池スタックを提供する。 【解決手段】電解質膜２５を挟んで配置した一対の電極
２４をセパレータ２１で狭持して単位セル１２を構成
し、この単位セル１２を複数積層した両端にエンドプレ
ート９を配置して積層体１７を構成し、エンドプレート
９の少なくとも一方は積層方向の厚みが中央付近１３ａ
で増加するように形成し、かつ積層体１７の外側から積
層方向へ一本以上のベルト１１を掛け回して締結した。
また、セパレータ２１に配置したガスケット２６上のエ
ンドプレート９の厚みも増加させることで、ガスケット
２６にもベルト１１の締付けによる圧力を加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池の構造、特に燃
料電池スタックの圧迫構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体高分子形燃料電池としては、
固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極およびカ
ソード側電極の外側にセパレータを設置することにより
形成した単位セルを複数積層した燃料電池スタックが知
られている。ところで固体高分子形燃料電池では、単位
セル内の電極とセパレータの間や複数積層されたセル間
には接触抵抗が存在し、この接触抵抗が増大することに
よりスタックの端子電圧が低下する。接触抵抗の原因の
一つは、不十分なセパレータ間の面当たりであることが
多い。従って、接触抵抗を低減するためにセル面全体に
均一に圧力をかけて締付ける必要がある。

【０００３】そこで特開２０００−１５５７６０におい
ては、エンドプレートにプレートアセンブリを取り付け
アレンヘッドソケットによって必要な箇所に必要なトル
クで圧迫できるようになっている。

【０００４】特開２０００−２９４２６８においては、
一方のエンドプレートの外側にはシリコンオイルを封入
した液体チャンバを形成し、他方のエンドプレートの外
側には燃料電池内部側に押圧する加圧手段を設けること
によりセル面に均一な圧力をかけている。

【０００５】また、特開２００１−１４３７４１におい
ては、燃料電池スタックの横寸法と縦寸法の比に対応し
た個数だけエンドプレートに皿バネを設置することによ
りセル面に圧力をかけている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
特開２０００−１５５７６０においては、アレンヘッド
ソケットの周囲に集中的に力がかかってしまうという問
題や、アレンヘッドソケットの数が多い場合には組み立
てに時間がかかるという問題がある。

【０００７】また、特開２０００−２９４２６８および
特開２００１−１４３７４１においては、エンドプレー
ト以外に付加的に取り付ける部品が多く、燃料電池スタ
ック自身の重量が大きくなってしまうという問題があ
る。

【０００８】そこで、本発明は簡単な構成でセル面に適
切な圧力をかけることのできる燃料電池を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、電解質
膜を挟んで配置した一対の電極をセパレータで狭持して
単位セルを構成し、この単位セルを複数積層した両面に
エンドプレートを配置して積層体を構成し、エンドプレ
ートの少なくとも一方は積層方向の厚みが中央付近で増
加するように形成し、かつ積層体の外側から積層方向へ
一本以上のベルトを掛け回して締結した。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、前記
積層体をその周辺部において積層方向に貫通するタイロ
ッドにより締結した。

【００１１】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記セパレータの積層面に、その外周辺に沿ってガ
スケットを配置し、前記ベルトが前記エンドプレートの
外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近と
前記ガスケット延長上付近であたるように、前記エンド
プレートの厚みを前記ベルトの巻き付け方向に関する中
央部と周辺部で増加させた。

【００１２】第４の発明は、第３の発明において、前記
エンドプレートの厚みを増加させた前記ベルトの掛け回
し方向に関する中央部と周辺部の間に、前記ベルトの外
側から前記積層体に向かってフックを設置してベルト張
力を高めるようにした。

【００１３】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記積層体の積層面を長方形に形成
し、前記エンドプレートの外側面における前記ベルトの
掛け回し方向を前記積層面の短辺方向とする。

【００１４】第６の発明は、第１から５のいずれか一つ
の発明において、前記ベルトが掛け回される前記エンド
プレートの端部を曲面により形成する。

【００１５】第７の発明は、第１から６のいずれか一つ
の発明において、前記ベルトを少なくとも三本以上巻き
付け、そのうちの中央付近に巻き付けたベルトの締付け
る力を、その他のベルトが締付ける力より大きくする。

【００１６】

【作用及び効果】第１の発明によれば、圧力のかかり難
いエンドプレートの中央付近を厚くすることで、ベルト
を巻き付けて締付けたときにエンドプレート中央付近の
積層面にかかる圧力が増加する。これにより、単位セル
間の接触面積が増加するので、少ない部材で接触抵抗を
低減でき、高出力の燃料電池を提供することができる。

【００１７】第２の発明によれば、積層体の周辺部にタ
イロッドを設置することにより、積層面に確実に圧力を
かけることができる。

【００１８】第３の発明によれば、ベルトがエンドプレ
ートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央
付近とガスケット延長付近にあたることで、セパレータ
の中央付近とガスケット付近に圧力をかけることができ
るので、セパレータ間の気密を保持でき、十分な面当た
りを確保することができる。

【００１９】第４の発明によれば、エンドプレートの厚
みを増加させた部分の間にベルトの外側から積層体側へ
向かってフックを取り付けることにより、ベルトの張力
が増加するので積層面にかかる圧力を増加することがで
きる。

【００２０】第５の発明によれば、エンドプレートの外
側面におけるベルトの掛け回し方向を積層面の短辺方向
とすることにより、積層体の積層構造が安定するので、
燃料電池の機械的強度を向上することができる。

【００２１】第６の発明によれば、積層体のベルトが掛
け回されるエンドプレートの端部を曲面により形成する
ことで、端部に集中する力を曲面に沿って分散できるの
で、積層体の機械強度を向上することができ、ベルトの
応力集中を改善できる。

【００２２】第７の発明は、中央部に設置したベルトを
締付ける力を他のベルトを締付けるための力より強くす
ることで力のかかり難い積層面中央付近に圧力をかける
ことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１に第１の実施形態における燃
料電池スタックを形成する単位セル１２の構成を示す。
単位セル１２はセパレータ２１、電極２４、固体高分子
電解質膜２５を積層することにより形成する。

【００２４】積層方向についての最も外側には、セパレ
ータ２１としての一対の板状のアノード側セパレータ２
１Ａとカソード側セパレータ２１Ｂを設置する。セパレ
ータ２１の内側の面２２ａにセパレータ２１の外周に沿
ってガスケット２６を配置する。セパレータ２１のガス
ケット２６に取り囲まれている部分にガスマニホールド
２３を形成し、燃料電池スタック外部から燃料ガスまた
は酸化剤ガスを供給する。

【００２５】セパレータ２１の間に挟まれるように電極
２４としての一対のアノード側電極２４Ａ、カソード側
電極２４Ｂを設置する。電極２４の積層面をガスケット
２６に囲まれた面より小さく形成して、セパレータ２１
のガスケット２６に囲まれた内側面に接触するように設
置する。

【００２６】電極２４の更に内側に、固体高分子電解質
膜２５を設置する。固体高分子電解質膜２５は積層面が
セパレータ２１に形成したガスケット２６に取り囲まれ
る面より広くなるように形成する。

【００２７】このように単位セル１２を形成して積層面
両側から圧迫することにより、ガスケット２６を介した
セパレータ２１と固体高分子電解質膜２５間の気密を保
持して、セパレータ２１と電極２４との面当たりを確保
する。

【００２８】また図２に示すように、燃料電池スタック
をこのような単位セル１２を複数積層することにより形
成するので、積層したセル１２間の気密を保持するため
に、アノード側セパレータ２１Ａおよびカソード側セパ
レータ２１Ｂの外側面２２ｂにも同様に、積層面の外周
に沿ってガスケット２６を配置する。

【００２９】図２に第１の実施形態における燃料電池ス
タックの概略を示す。

【００３０】前述のような燃料電池単位セル１２を複数
枚積層して電極群１４を形成する。電極群１４の積層方
向両側からインシュレータ１８を介してエンドプレート
９を設置することにより積層体１７を形成する。

【００３１】ここで、積層体１７の両端部にあたるエン
ドプレート９の形状を説明する。

【００３２】エンドプレート９のインシュレータ１８に
対峙する平面である内側面を、長辺１０ａおよび短辺１
０ｂからなる長方形により形成する。このとき、エンド
プレート９の積層方向の厚み（以下、厚み）を短辺１０
ｂに沿って変化させる。ここでは、短辺１０ｂの両端部
１３ｂで最も薄く、短辺１０ｂの中央部１３ａにいくに
したがって徐々に厚みが増加する蒲鉾形状とする。一
方、長辺１０ａ方向に関しては、エンドプレート９の厚
みを一定とする。

【００３３】また、エンドプレート９の短辺１０ｂの端
部１３ｂを、図３に示すように曲面により形成する。こ
こでは、短辺１０ｂ側から見たときに、端部１３ｂが円
弧状になるように形成する。これにより、積層体１７を
短辺１０ｂ側からみたときに、積層体１７の外周の角は
曲面により形成される。このように形成することで、後
述するようにベルト１１を巻き付けたときに、角に集中
する力を曲面に沿って分散できるので積層体の機械強度
を向上することができる。

【００３４】図２に示すように、このようなエンドプレ
ート９を端部に配置した積層体１７に、積層方向にベル
ト１１を掛け回して積層面に圧力をかける。

【００３５】ベルト１１を、長辺１０ａ方向に並列した
複数本、ここでは３本のベルト１１−ａ、１１−ｂ、１
１−ｃにより形成する。ここで、ベルト１１が短辺１０
ｂ上を横切るように巻くことも可能だが、燃料電池スタ
ックが積層方向に極端に長い場合には、長辺１０ａ方向
に並列した複数のベルトを配置した方が積層構造を安定
させることができる。エンドプレート９の各辺の長さが
変わらない燃料電池スタックにおいては、どちらの配置
とすることもできる。

【００３６】このようなエンドプレート９を形成し、ベ
ルト１１により積層体１７を締結させることにより、圧
力のかかり難い積層面中央部がベルト１１により確実に
圧迫されるので、セパレータ２１間の面当たりを十分な
ものにすることができる。積層面への圧力分布は、エン
ドプレート９の厚み変化の程度により調整することがで
きる。例えば、端部１３ｂから中央部１３ａにかけて厚
み変化が急激なものとすると、積層面にかけられる圧力
が積層面中央部に集中する。このようにエンドプレート
９の形状を調整することにより、積層面に均一な圧力を
かけて接触抵抗を低減することができるので、燃料電池
を効率よく運転することができる。

【００３７】また、短辺１０ｂの端部１３ｂを曲面によ
り形成することで、つまり、ベルト１１が掛け回される
積層体１７の外周の角を曲面により形成することで、ベ
ルト１１による圧力が、例えば平面により形成したとき
には角に集中するのを避けて曲面に分散することがで
き、エンドプレート９の機械的強度を向上することがで
き、ベルトの応力集中を改善できる。

【００３８】ここで、エンドプレート９を形成する材質
としては、SUS、銅、アルミニウム、強化プラスチック
等が使用できるが、弾性率の大小によって適宜厚みを設
定することで、エンドプレート９に必要な機械強度を維
持することができる。

【００３９】また、ベルト１１には燃料電池作動時にエ
ンドプレート９が達する温度に耐えられる限り公知のあ
らゆる材質のものを使用することができる。また燃料電
池の構造上、ベルト１１が電極群１４の設側面に接触す
る可能性がある場合は、絶縁処理を施すか、もしくは絶
縁性のものを使用し、ベルト１１に電流が流れることで
出力が低下するのを防ぐことが望ましい。

【００４０】本実施形態では両方のエンドプレート９の
厚みを変化させたが、片方のみ変化させてもよい。

【００４１】次に第２の実施形態を説明する。本実施形
態における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１
０ｂ側からみたときの形状を図４に示す。

【００４２】エンドプレート９の厚みを短辺１０ｂの両
方の端部１３ｂと中央部１３ａで共に厚くして、短辺１
０ｂ側からみると曲線により三つの凸状部３１、３２、
３３が形成されるようにした。ここで、端部１３ｂに形
成した凸状部３１、３２よりも、中央部１３ａに形成し
た凸状部３３の厚みを大きくする。また、その厚みの差
を、ベルト１１を巻いたときにベルト１１が凸状部３
１、３２の一部、少なくともガスケット２６の積層方向
延長上に接触・加圧するような程度の差となるように形
成する。このように形成することで、中央部１３ａおよ
び端部１３ｂがベルト１１の支点となり、圧力が集中し
てかかりやすくなる。

【００４３】ベルト１１による積層方向の圧力は中央部
１３ａ、端部１３ｂを介して積層面に伝えることがで
き、その圧力分布を、凸状部３１、３２、３３を形成す
る曲面の形状を変え、ベルトが接触する領域を調整する
ことにより調整することができる。ここでは、凸状部３
１、３２の厚みは同じくすることで凸状部３１、３２に
同じ大きさの圧力がかかるようにした。

【００４４】このように形成することで、圧力のかかり
難い中央部１３ａに圧力をかけることができるととも
に、ガスケット２６にも圧力をかけることができるの
で、さらにセパレータ２１間の圧力を保持することがで
き、接触抵抗による出力の低下を抑制することができ
る。

【００４５】第３の実施形態を説明する。本実施形態に
おける燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ
からみたときの形状を図５に示す。

【００４６】第２の実施形態と同様にエンドプレート９
に凸状部３１、３２、３３を形成し、ベルト１１を巻き
つける。次に、ベルト１１の上から凸状部３１、３３間
の凹状部３５にフック３４ａ、凸状部３３、３２の間の
凹状部３６にフック３４ｂを設置する。フック３４は、
例えばＬ字状やコの字形状のものを用いて、ベルトの外
側から長辺１０ａに沿って配置し、長辺１０ａの端部で
プレート９に固定する。このとき、フック３４により凹
状部３５、３６とベルト１１の距離が縮まるようにフッ
ク３４とエンドプレート９との距離を調整する。このよ
うに形成することで、ベルト１１の巻き付け方向の張力
がさらに大きくなり凸状部の頂点付近には積層方向内側
に向かう圧力がさらに大きくなるので、セパレータ２１
の接触が促進される。また、凸状部３１、３２、３３を
同じ厚みにしても、フック３４により凸状部３３にかか
る圧力を確保できる。

【００４７】ここで、フック３４はスタックの締付けと
ほぼ同じ大きさの力がかかるため、力に応じた十分な機
械強度を有する材質を適用する。フック３４とエンドプ
レート９との隙間は、形成した三つの凸状部３１、３
２、３３の厚さやベルトの締付け力の大きさによって適
宜変えることができる。

【００４８】このように、エンドプレート９の凹状部に
フック３４を取り付けることで、少ない部材で積層方向
により大きな圧力を加えることができる。

【００４９】なお、ここではフック３４を取り付けるこ
とで確実に端部１３ｂに形成した凸状部３１、３２にベ
ルト１１からの圧力を加えることができるので、凸状部
３１、３２の厚さと凸状部３３の厚さを同じにすること
ができる。これによりエンドプレート９の設計・製造が
容易になる。

【００５０】第４の実施形態を説明する。本実施形態に
おける燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ
側からみたときの形状を図６に示す。

【００５１】第１の実施形態のエンドプレート９におい
て、エンドプレート９の外側面１４ｂの４隅にタイロッ
ド５１を設置する。タイロッド５１は電極群１４、イン
シュレータ１８エンドプレート９から成る積層体１７を
積層方向に貫通するように設置し、積層方向両側から締
付けナット５２により積層体１７に所定の圧力をかけ
る。タイロッド５１はセパレータ２１に形成したガスケ
ット２６の近くを貫通するように設置する。

【００５２】また、ベルト１１をタイロッド５１間の短
辺１０ｂ方向に沿って巻き付けて、セパレータ２１、２
２の中心付近に圧力をかける。

【００５３】このように形成することで、タイロッド５
１によりガスケット２６に直接圧力をかけることがで
き、接触抵抗を低減することができる。また、中央にベ
ルト１１を巻きつけることで、圧力のかかり難い中央部
に圧力をかけることができ、接触抵抗の大きい中央付近
の接触を確実にすることができるので、さらに接触抵抗
を低減できる。

【００５４】第５の実施形態を説明する。本実施形態に
おける燃料電池スタックの概略を図７に示す。

【００５５】エンドプレート９の厚みを長辺１０ａ方向
に沿って変化させる。ここでは段階的に厚みを変化さ
せ、それぞれの厚さを形成する両端部４１、４２と中央
部４３の三段により厚みを変化させる。また、長辺１０
ａ方向の中央部４３の厚さが、その両側部４１、４２の
厚さより大きく形成する。ここで、中央部４３および両
側部４１、４２の幅をベルト１１の幅よりも広くし、中
央部４３にベルト１１−ｂを巻きつけ、両側部４１、４
２にベルト１１―ａ、１１−ｃを巻きつける。ベルト１
１−ａ、１１−ｂ、１１−ｃの巻きつけ長さを等しくす
ることで、中央部４３にかかる圧力を両側部４１、４２
に比べて大きくすることができる。また、段階的に厚さ
を変化させているので、ベルト１１を所定の位置に容易
に取り付けることができる。

【００５６】本実施形態においては、複数のベルト１１
を用いたが、１本のベルト１１により中央部４３および
両側部４１、４２を覆うように巻きつけてもよい。１本
のベルトを巻きつけることで、エンドプレート９の厚み
が大きい部分にかかる圧力を集中的に増加することがで
きる。

【００５７】また、ここではベルト１１の巻きつけ部分
の長さを一定としてプレート１０の厚みを変化させた
が、プレート９の厚みは変化させずにベルト１１の巻き
つけ部分の長さを変化させることで、かかる圧力を調整
してもよい。

【００５８】さらに、ベルト１１の上からエンドプレー
ト９の厚み変化に合わせて形成したフックを取り付けた
り、ガスケット２６付近にタイロッド５１と締付けナッ
ト５２を取り付けたりすることもできる。また、第１の
実施形態のように一つの凸状部が形成されたエンドプレ
ート９について、ベルト１１の巻きつけ方向に垂直な方
向についての厚みを変化させてもよい。

【００５９】このように構成することで、それぞれのベ
ルト１１の巻き付け方向についてのエンドプレート９に
かかる圧力の分布を適正化できるだけでなく、複数のベ
ルト１１の巻き付け位置ごとのエンドプレート９にかか
る圧力の分布をも適正化することができる。

【００６０】ここで、図８に第４の実施形態による締付
け力分布を、図９に従来技術による比較例の締付け力分
布を示す。どちらも、１００mm×１００mm×５mmtのカ
ーボン製セパレータを使用して、セパレータ間には感圧
紙を挟んでスタックを組み立てた。第４の実施形態につ
いてはエンドプレート９に端部１３ｂの厚さが７mmに対
して中央部１３ａ厚さが１０mmのものを用い、エンドプ
レート９の四隅をあらかじめタイロッド５１で組み立て
後にベルト１１で締付けを行った。一方比較例ついて
は、エンドプレートに厚さ７mm一定のエンドプレートを
用いてタイロッドで組み立てた。分解後に取り出された
感圧紙の内、図８が第４の実施形態によるもの、図９が
比較例によるものである。従来技術である図９において
は中央部分の圧力が不十分であるのが分かる。これに対
して、第４の実施形態に適用した場合は前面に亘って圧
力が一定であり、中央部分も十分な圧力を得られてい
る。

【００６１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の
範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における燃料電池スタックを形
成する単位セルの構成図である。

【図２】第１の実施形態における燃料スタックの構成図
である。

【図３】第１の実施形態における燃料電池スタックの端
部の拡大図である。

【図４】第２の実施形態における燃料電池スタックの端
部の側面図である。

【図５】第３の実施形態における燃料電池スタックの端
部の側面図である。

【図６】第４の実施形態における燃料電池スタックの端
部の側面図である。

【図７】第５の実施形態における燃料電池スタックの端
部の図である。

【図８】第４の実施形態による締付け力分布を示す図で
ある。

【図９】従来技術による締付け力分布を示す図である。

【符号の説明】

９ エンドプレート １１ ベルト ２１ セパレータ ２４ 電極 ２６ ガスケット ３４ フック ５１ タイロッド ５２ （締付け）ナット

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質膜を挟んで配置した一対の電極をセ
   パレータで狭持して単位セルを構成し、この単位セルを
   複数積層した両面にエンドプレートを配置して積層体を
   構成し、エンドプレートの少なくとも一方は積層方向の
   厚みが中央付近で増加するように形成し、かつ積層体の
   外側から積層方向へ一本以上のベルトを掛け回して締結
   したことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記積層体をその周辺部において積層方向
   に貫通するタイロッドにより締結した請求項１に記載の
   燃料電池。
3. 【請求項３】前記セパレータの積層面に、その外周辺に
   沿ってガスケットを配置し、 前記ベルトが前記エンドプレートの外側面におけるベル
   ト掛け回し方向に関する中央付近と前記ガスケット延長
   上付近であたるように、前記エンドプレートの厚みを前
   記ベルトの巻き付け方向に関する中央部と周辺部で増加
   させた請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 【請求項４】前記エンドプレートの厚みを増加させた前
   記ベルトの掛け回し方向に関する中央部と周辺部の間
   に、前記ベルトの外側から前記積層体に向かってフック
   を設置してベルト張力を高めるようにした請求項３に記
   載の燃料電池。
5. 【請求項５】前記積層体の積層面を長方形に形成し、前
   記エンドプレートの外側面における前記ベルトの掛け回
   し方向を前記積層面の短辺方向とする請求項１から４の
   いずれか一つに記載の燃料電池。
6. 【請求項６】前記ベルトが掛け回される前記エンドプレ
   ートの端部を曲面により形成する請求項１から５のいず
   れか一つに記載の燃料電池。
7. 【請求項７】前記ベルトを少なくとも三本以上巻き付
   け、そのうちの中央付近に巻き付けたベルトの締付ける
   力を、その他のベルトが締付ける力より大きくする請求
   項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。