JP2009187778A - 燃料電池スタックおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成でＭＥＡとセパレータとの間の接触圧が反応面内で均一となるように、押圧力を与える複数のコイルバネの位置を正確に配置することのできる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数の単セルを積層した積層部１１と、その両側に配置した一対の集電板１２ａ，１２ｃと、さらに外側に配置した電気絶縁性の樹脂を成形してなる一対の端板１３ａ，１３ｃと、集電板１２ａ，１２ｃの間に配置された複数のコイルバネ１４ａ，１４ｃからなる燃料電池スタックで、端板に、コイルバネ１４ａ，１４ｃを保持し、コイルバネの一部が挿入される深さの凹部であり、凹部の内壁面に設けられた凸部から構成されるコイルバネ保持構造を設１４ａ，１４ｃを設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等に用いる燃料電池スタックとその製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池では、高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を密着して配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散電極層を配置してアノードおよびカソードを構成した膜−電極接合体（以降、ＭＥＡと称する）を、一対の導電性のセパレータで挟持したものを基本構成とし、この基本構成を単セルと呼ぶ。

そして両セパレータのアノードとカソードとに接する面にそれぞれ設けたガス流路を通して、アノードおよびカソードにそれぞれ水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。

そしてアノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素原子から電子が解放されて水素イオンが生成されるとともにこの電子がセパレータを介して外部回路（負荷）を通じてカソードに到達する。一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソードに到達する。そして、カソードにおいて、水素イオンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。

なお、セパレータとＭＥＡとの間には、反応ガスが所定の領域から漏れ出ないようにするためのシール構造を備えたＭＥＡガスケットが設けられている。

一般的に、燃料電池は必要電力を得るために、単セルを電気的に直列に複数積層して締結した状態（燃料電池スタックと呼ぶ）で用いられる。

すなわち単セルのアノード側セパレータと隣接する単セルのカソード側セパレータとを電気的に接続するように重ねて単セルの積層体を構成する。また、隣接する単セル間の反応面に対応する場所には、発電の際に発生した熱を取り去るための冷却水を、アノード側セパレータおよび／またはカソード側セパレータに設けた冷却水流路に流通し、燃料電池スタックの温度を所定の温度にコントロールする。

そして隣接する単セル間には、この冷却水が所定の領域から漏れ出ないようにするための冷却水シールが配置されている。

燃料電池スタックは、積層した単セルの両端に外部回路と接続して電力を取り出すための端子を備えた集電板を備え、さらにその外側に一対の端板を備え、この一対の端板間を締結治具によって締結することにより構成される。また、端板と集電板間には、弾性体（例えばコイルバネや皿バネなど）が配置され、セパレータとＭＥＡとの間に押圧力を与えている。

また、この弾性体は、ＭＥＡガスケットおよび冷却水シールにも押圧力を与え、シール性を発揮させている。また、燃料電池スタックの発電時と発電停止時に生じる温度差による燃料電池スタック構成部品の熱膨張・収縮による締結の緩みやシール性の低下、さらには長期間の使用による燃料電池スタック構成材料のクリープによる締結の緩みやシール性の低下を抑制する機能も果たしている。

ところでセパレータとＭＥＡとの押圧力は、反応面内で均一であることが好ましい。すなわち反応面内での押圧力はセパレータとＭＥＡとの間の接触抵抗に密接に関係するので、押圧力の分布が発電の分布を引き起こし、ＭＥＡの耐久性を低下させることが考えられるためである。

よって一般的な燃料電池スタックでは、複数のコイルバネを反応面の押圧力が均一になるように配慮して端板と集電板間に配置している。

燃料電池スタックの製造方法は、次のとおりである。まず第１の端板の集電板と対向する面を上にして配置し、所定の位置に複数のコイルバネを配置する。さらにその上に第１の集電板、複数の単セルの積層体、第２の集電板の順番で重ねる。さらに第２の集電板の上の所定の位置に複数のコイルバネを配置して、第２の端板を重ねた後、第１および第２の端板間を締結治具でコイルバネから所定の押圧力が発生するように締結し、燃料電池スタックを製造する。

また、図７に示す従来の燃料電池スタックは、図８に示すように複数のコイルバネ３４を第１および第２のケーシング３０，３１でアッセンブリ化したスプリングモジュール３２を集電板４２と端板４３との間に配置し、ＭＥＡとセパレータとの接触圧を均一にできる燃料電池スタックも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２８８６１８号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池スタックでは、以下のような課題があった。

すなわち、一般的に燃料電池スタックには低コスト化および重量の軽量化が求められているおり、そのためには使用するコイルバネの本数を少なくし、また燃料電池スタックの構成を比較的簡単にしたいが、ＭＥＡとセパレータとの間の接触圧が反応面で均一でなければ、燃料電池スタックの発電時に電流密度分布が発生し、電流密度が高い部分のＭＥＡの劣化が早くなり、結果として燃料電池スタックの耐久性が低下してしまう。

よって、ＭＥＡとセパレータとの接触圧を反応面内で均一に保った状態でコイルバネの本数を削減するためには、コイルバネの位置を、応力分布解析などを用いて最適化した位置に正確に配置しなければいけない。

しかし、端板または集電板の上に配置した複数のコイルバネの上に、集電板または端板を重ねる従来の燃料電池スタックでは、組立ての際にコイルバネの位置がずれてしまうことがあり、複数のコイルバネを正確な位置に配置することが困難であり、また、従来のスプリングモジュールを用いた燃料電池スタックでは、コイルバネを収めるケーシングが必要なために燃料電池スタックの部品点数や重量が増加することになる。

また、従来の燃料電池スタックの製造方法では、端板または集電板の上に複数のコイルバネを配置して、その上に集電板または端板を重ねるためにコイルバネの位置を正確に配置するのが困難であり、また配置しても他の部材を積み重ねる際に、コイルバネの位置が所定の位置からずれてしまう可能性があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、比較的簡単な構成でコイルスバネを所定の位置に正確に配置することができ、ＭＥＡとセパレータとの接触圧を狙い通りに均一に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。

また、本発明は、上記従来の製造方法の課題を解決するものであり、コイルバネの位置を正確に配置して燃料電池スタックを製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、複数の単セルからなる積層部と、前記積層部の両端に設けた一対の集電板と、前記集電板の両外側に設けた一対の端板と、前記一対の端板間を締結する締結治具と、前記複数の単セル間および積層部と集電板との間に押圧力を与える複数のコイルバネとを有し、前記端版には、前記コイルバネの一部が挿入されて前記コイルバネを保持する、内壁面に凸部を有する凹部を設けた。

これにより、コイルバネを端板の正確な位置に配置することができる。

また、上記燃料電池スタックの製造方法の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックの製造方法は、第１の端板の所定の位置に第１のコイルバネ群を配置する工程と、前記第１の端板の上に第１の集電板、複数のセル、第２の集電板を順番に重ねて配置する工程と、第２の端板の所定の位置に第２のコイルバネ群を配置する工程と、前記第２の端板を前記第２のコイルバネ群を下にして第２の集電板の上に配置する工程と、前記第１の端板と前記第２の端板を締結する工程とを有する。

これにより、燃料電池スタックの構成部材を積み重ねる際に、コイルバネの位置がずれるのを抑制することができる。

本発明の燃料電池スタックは、コイルバネを端板の正確な位置に配置することができるために、燃料電池スタックに組んだときにＭＥＡとセパレータとの接触圧を設計通り均一にすることが可能となり、発電時に電流密度分布が発生し、局所的にＭＥＡが劣化して燃料電池スタックの耐久性が低下することを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池スタックの製造方法は、端板の所定の位置にあらかじめ複数のコイルバネを固定した後に燃料電池スタックを構成する他の部材と積層することが可能なために、積層の際にバネの位置がずれるのを抑制することができる。

請求項１に記載の発明は、複数の単セルからなる積層部と、積層部の両端に設けた一対の集電板と、集電板の両外側に設けた一対の端板と、一対の端板間を締結する締結治具と、複数の単セル間および積層部と集電板との間に押圧力を与える複数のコイルバネとを有し、端版には、コイルバネの一部が挿入されてコイルバネを保持する、内壁面に凸部を有する凹部を設けた。

凹部の内壁面に設けられた凸部から構成されるコイルバネ保持構造を有する燃料電池スタックであり、端板の所定の位置に設けた凹部にコイルバネを挿入した際、凹部の内壁面に設けた凸部によってコイルバネが保持されるためにコイルバネの位置を正確に配置することができる。

請求項２に記載の発明は、複数の単セルからなる積層部と、積層部の両端に設けた一対の集電板と、集電板の両外側に設けた一対の端板と、一対の端板間を締結する締結治具と、複数の単セル間および積層部と集電板との間に押圧力を与える複数のコイルバネとを有し、端板の集電板と対向する位置には、コイルバネの内穴部を押接することによりコイルバネを保持する係止部を設けたものであり、コイルバネの位置を正確に配置することができる。

請求項３に記載の発明は、第１の端板の所定の位置に第１のコイルバネ群を配置する工程と、第１の端板の上に第１の集電板、複数のセル、第２の集電板を順番に重ねて配置する工程と、第２の端板の所定の位置に第２のコイルバネ群を配置する工程と、第２の端板を第２のコイルバネ群を下にして第２の集電板の上に配置する工程と、第１の端板と第２の端板を締結する工程とを有するものであり、この製造方法により、第１の端板の上に配置したコイルバネが、第１の集電板および単セルの積層体等を積み重ねる際にずれるのを抑制することが、また、第２の端板に配置した複数のコイルバネが第２の集電板の上に積層するときにずれるのを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池スタックの製造方法のうち、第２の端板の所定の位置に第２のコイルバネ群を配置する工程が、第２の端板に設けた、内壁面に凸部を有する複数の凹部に第２のコイルバネ群を挿入することにより、凹部が第２のコイルバネ群を保持するものであり、比較的簡単な構成で第２のコイルバネ群の位置を第１の端板に対して正確に配置することが可能となる。

また、第２の端板に第２のコイルバネ群を配置した後は、第２の端板を逆さにしても第２のコイルバネが落下することを抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池スタックの製造方法のうち、第１の端板の所定の位置に第１のコイルバネ群を配置する工程が第１の端板に設けた、内壁面に凸部を有する複数の凹部に第１のコイルバネ群を挿入することにより、凹部が第１のコイルバネ群を保持するものであり、第１の端版においても、比較的簡単な構成で第１のコイルバネ群の位置を端板に対して正確に配置することが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池スタックの製造方法のうち、第２の端板の所定の位置に第２のコイルバネ群を配置する工程が、第２の端板の集電板と対向する位置に設けた、第２のコイルバネ群の内穴部を押接することによって前記第２のコイルバネ群を保持する複数の係止部に、第２のコイルバネ群を装着するものであり、比較的簡単な構成で第２のコイルバネ群の位置を第２の端板に対して正確に配置することが可能となる。

また、第２の端板に第２のコイルバネ群を配置した後は、第２の端板を逆さにしても第２のコイルバネが落下することを抑制することができる。

また、燃料電池スタックを締結して第２のコイルバネ群が圧縮されると、第２のコイルバネの内径が大きくなることにより、第２のコイルバネ群を保持していた係止部と第２のコイルバネが当接しなくなり、バネ係止部がコイルバネの圧縮を妨げることがない。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池スタックの製造方法のうち、第１の端板の所定の位置に第１のコイルバネ群を配置する工程が、第１の端板の集電板と対向する位置に設けた、第１のコイルバネ群の内穴部を押接することによって第１のコイルバネを保持する複数の係止部に、第１のコイルバネ群を装着するものであり、第１の端版においても、比較的簡単な構成で第１のコイルバネ群の位置を端板に対して正確に配置することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明による実施の形態１における燃料電池スタックを構成する単セルの分解図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池の単セルは、高分子電解質膜１０１をカソードとアノードとを形成する一対の電極１０４で挟んで構成したＭＥＡ１０５と、ＭＥＡ１０５の外周を保持し、ＭＥＡ１０５と一体化された電気的絶縁物の樹脂で形成された枠体１を、一対のカーボン製のアノード側セパレータ１０７ａとカーボン製のカソード側セパレータ１０７ｃで挟み込んで構成されている。枠体１、アノード側セパレータ１０７ａおよびカソード側セパレータ１０７ｃは互いに主面の大きさが同じ矩形状に形成されている。

アノード側セパレータ１０７ａ、カソード側セパレータ１０７ｃ、および枠体１の主面における一方の側部（図１で示す左側で、以降、第１の側部と称す）の上部には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド孔２が形成され、他方の側部（図１で示す右側で、以降、第２の側部と称す）の下部には、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド孔３が形成されている。

また、第２の側部の上部には、外部から酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド孔４が形成され、第１の側部の下部には、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔５が、単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して形成されている。

さらに、アノード側セパレータ１０７ａ、カソード側セパレータ１０７ｃ、および枠体１の酸化剤ガス入口マニホールド孔４の上部で内側には冷却水入口マニホールド孔６が形成され、酸化剤ガス出口マニホールド孔５の下部で内側には冷却水出口マニホールド孔７が単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して形成されている。

そして、燃料ガス入口マニホールド孔２，燃料ガス出口マニホールド孔３，酸化剤ガス入口マニホールド孔４，酸化剤ガス出口マニホールド孔５，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７は、後述するように、複数の単セルを積層して燃料電池スタックとした際に、それぞれ燃料ガス供給マニホールド，燃料ガス排出マニホールド，酸化剤ガス供給マニホールド，酸化剤ガス排出マニホールド，冷却水供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールドを構成する。

また、枠体１のカソード側には、電極１０４，酸化剤ガス入口マニホールド孔４および酸化剤ガス出口マニホールド孔５を囲う領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２（図示せず），燃料ガス出口マニホールド孔３，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７の外周をそれぞれ囲う領域に、各領域に流通する反応ガスまたは冷却水がその領域外に漏れ出ないようにするためのカソード側ＭＥＡガスケット１１０ｃが設けてある。

また、枠体１のアノード側には、カソード側と同様に、電極１０４，燃料ガス入口マニホールド孔２（図示せず）および燃料ガス出口マニホールド孔３を囲う領域と、酸化剤ガス入口マニホールド孔４，酸化剤ガス出口マニホールド孔５，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７の外周をそれぞれ囲う領域に、各領域に流通する反応ガスまたは冷却水がその領域外に漏れ出ないようにするためのアノード側ＭＥＡガスケット（図示せず）が設けてある。

また、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面（以降、この面をアノード側セパレータ１０７ａの正面とする）には、燃料ガス入口マニホールド孔２（図示せず）と燃料ガス出口マニホールド孔３を結び、電極１０４に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１０６が設けてある。

この燃料ガス流路１０６は、枠体１のアノード側の電極１０４と燃料ガス入口マニホールド孔２と燃料ガス出口マニホールド孔３を囲うＭＥＡガスケットで外部とシールされた領域内に対応する位置に、実質、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とを複数組み合わせてサーペンタイン状に形成されている。

具体的には第１の側部側にある燃料ガス入口マニホールド孔２から、水平方向に第２の側部に向かって延び、ＭＥＡガスケットで囲まれた領域内の第２の側部近傍で、鉛直方向下向きに向きを変えて所定の距離下向きに延びた後、再び第１の側部に向かって水平に延びる。

そしてそこから、所定の回数上記流路パターンをＭＥＡガスケットで囲まれた領域内で繰り返して、最終的に燃料ガス出口マニホールド孔３に到達する構成である。

そして、燃料ガス流路１０６が設けられた領域は、燃料ガス入口マニホールド孔２および燃料ガス出口マニホールド孔３と接続される水平部の一部を除いて電極１０４と接する領域と概ね重なる。これにより、燃料ガスを電極１０４の全面に行き渡らせることが可能となる。

また、カソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面（図示せず）（以降、この面をカソード側セパレータ１０７ｃの正面とする）には、アノード側セパレータ１０７ａの正面と同様に、酸化剤ガス入口マニホールド孔４と酸化剤ガス出口マニホールド孔５とを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（図示せず）がサーペンタイン状に設けられている。

酸化剤ガス流路が設けられた領域は、酸化剤ガス入口マニホールド孔４および酸化剤ガス出口マニホールド孔５と接続される水平部の一部を除いて電極１０４と接する領域と概ね重なる。これにより、酸化剤ガスを電極１０４の全面に行き渡らせることが可能となる。

また、カソード側セパレータ１０７ｃの正面でない側の主面（以降、この面をカソード側セパレータ１０７ｃの背面とする）には、冷却水入口マニホールド孔６と冷却水出口マニホールド孔７とを結ぶ冷却水流路８が設けてある。

そして、さらにカソード側セパレータ１０７ｃの背面には、冷却水流路８，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７を囲む領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２，燃料ガス出口マニホールド孔３，酸化剤ガス入口マニホールド孔４および酸化剤ガス出口マニホールド孔５の各孔外周の領域をそれぞれ囲む冷却水シール９を設け、各領域に流通する反応ガスおよび冷却水が外部に漏れ出ないようにしてある。

冷却水流路８は、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とで実質的に構成されている。具体的には、冷却水流路８は、第２の側部の上側にある冷却水入口マニホールド孔６から鉛直下向きに所定距離延びてから、第１の側部側に向きを変えて第２の側部に至り、再度、鉛直下向きに向きを変える。

そして所定の距離下向きに延びた後、今度は第２の側部に向かって水平方向に延びて第２の側部に至り、第２の側部で下向きに向きを変えて所定の距離延びた後、今度は第１の側部に向かって水平に延びる。そして、この水平と鉛直の流路パターンを所定回数繰り返し、最後は、第１の側部下側にある冷却水出口マニホールド孔７に接続する。

この冷却水流路８が設けられた領域は、カソード側セパレータ１０７ｃの正面に酸化剤ガス流路が設けられた領域および、アノード側セパレータの正面の燃料ガス流路１０６が設けられた領域、すなわち電極１０４の領域と概ね重なる。ただし、冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７と接続される鉛直部の一部は、前記領域の外側に位置する。

図２は図１に示す単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックの斜視図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。ただし、図２における左側面を図３では上として示している。

図２に示すように、燃料電池スタックは図１に示す単セルを、単セルのアノード側セパレータ１０７ａと、隣接する単セルのカソード側セパレータ１０７ｃとが電気的に接続するようにして複数枚積層した積層体１１の両端には第１の集電板１２ａと第２の集電板１２ｃを配置し、さらにその両端に第１の端板１３ａと第２の端板１３ｃを配置し、第１の端板１３ａと第２の端板１３ｃ間を締結ボルト（図示せず）で締結したものである。

第１の集電板１２ａには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドに対応した貫通穴が設けてあり、第２の集電板１２ｃには燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドに対応した貫通穴が設けてある。

また、第１の集電板１２ａおよび第２の集電板１２ｃの一部が積層体１１の主面形状から突出し、端子部１２ｄ，１２ｅを形成して外部負荷（図示せず）と接続されている。一般的にこの第１の集電板１２ａ，第２の集電板１２ｃは、燃料電池スタックで発生した電力を、少ない損失で長期間にわたって外部回路に取り出すために、積層体１１との接触抵抗が小さく、耐食性に優れ、導電性が良いことが求められるため、金属製のものが使われる。

しかしながら、燃料電池スタックのコストや重量が増加することを抑制するためには、金属板をプレス成形で打ち抜いた様な比較的簡単な形状のものを用いるのが望ましい。よって本実施の形態の燃料電池スタックでは、真鍮の薄板に金メッキを施し、平面度および耐食性、導電性を向上させたものを集電板として用いた。

第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃは電気絶縁性の樹脂で形成されている。第２の端板１３ｃには、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第２の端板１３ｃの第２の集電板１２ｃに対向する主面の反対面には、燃料ガスを燃料電池スタックに導入する燃料ガス入口配管１５、酸化剤ガスを燃料電池スタックに導入する酸化剤ガス入口配管１６、そして冷却水を燃料電池スタックに導入する冷却水入口配管１７が設けてある。

また、第１の端板１３ａには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第１の端板１３ａの第１の集電板１２ａに対向する面の反対面には、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口配管と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口配管と、冷却水を排出する冷却水出口配管が設けてある。

また、図３に示すように積層体１１を挟む第１の集電板１２ａ，第２の集電板１２ｃと第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃの間には複数のコイルバネ１４ａ，１４ｃが、一部を第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃに収納される形で配置してある。

なお複数のコイルバネ１４ａ，１４ｃの配置位置は、各単セルにおいてＭＥＡとセパレータとの接触圧が反応面内で均一になるように応力分布解析や実験によって考慮して決定している。

図４は、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃにコイルバネ１４ａ，１４ｃが収まったところの主要部を示す図であり、（ａ）が上面図で、（ｂ）が側断面図である。

図４に示すように、第１の端板１３ａの第１の集電板１２ａと対向する面および第２の端板１３ｃの第２の集電板１２ｃと対向する面には、コイルバネ１４ａ，１４ｃを圧縮した際にコイルバネ１４ａ，１４ｃの一部が完全に収まることなく突出する深さで、コイルバネ１４ａ，１４ｃの外径よりも大きな径の凹部１８ａ，１８ｃが設けられており、コイルバネ１４ａ，１４ｃはこの凹部１８ａ，１８ｃに収められている。

そして凹部１８ａ，１８ｃの内壁面には、挿入されたコイルバネ１４ａ，１４ｃを保持するためのリブ１９ａ，１９ｃが、コイルバネ１４ａ，１４ｃを挟み込むように複数設けてある。

この複数のリブ１９ａ，１９ｃは、コイルバネ１４ａ，１４ｃを軽く圧入することによってコイルバネ１４ａ，１４ｃを保持するもので、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃを、コイルバネ１４ａ，１４ｃを挿入した状態で上下逆さまにしてもコイルバネ１４ａ，１４ｃが落下しない程度の保持力としている。

さらにリブ１９ａ，１９ｃは、コイルバネ１４ａ，１４ｃが圧縮されて外径が大きくなったときには変形する強度の形状または材料で形成されており、コイルバネ１４ａ，１４ｃの変形を阻害することが無いように考慮している。

この構成により、部材が増えることなく、比較的簡単な構成で複数のコイルバネ１４ａ，１４ｃを第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃの所定の位置に正確に配置することが可能となる。

このため、燃料電池スタックを組み立てた際にコイルバネの位置がずれてＭＥＡとセパレータとの間の接触圧力に分布が生じて発電時の電流密度に分布が生じ、電流密度が大きいところからＭＥＡが劣化して耐久性が低下してしまうことを抑制することができる。

なお、本実施の形態１では、リブは凹部１８ａ，１８ｃの中心に向かって延出した４個のリブ１９ａ，１９ｃとしたが、同様に凹部１８ａ，１８ｃの中心に向かった３個のリブでもよく、また、１個のリブと凹部１８ａ，１８ｃの内壁でコイルバネ１４ａ，１４ｃを保持する構造でも良い。また、リブの形状についても、本実施の形態１に示すようなリブ形状ではなく、凹部１８ａ，１８ｃ内壁面に設けた半球状の突起などでも同様の役割を果たすことができる。

また、本実施の形態１では、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃにコイルバネ１４ａ，１４ｃの保持構造を持たせたが、第１の集電板１２ａ，第２の集電板１２ｃに保持構造を持たせても良い。しかしながら、前述のように集電板は金属製のものが一般的であり、構造が複雑になればコストおよび重量が増加して好ましくない。よって、樹脂成形で形成した端板にコイルバネの保持構造を持たせたほうが集電板を単純な平板とすることも可能であり、より好ましい。

なお、図４には第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃに同様の構成で、コイルバネ１４ａ，１４ｃの保持構造を設けたが、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃに必ずしも同様の構成を設ける必要はない。コイルバネ１４ａ，１４ｃの保持構造を異なる構成とすることによって、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃの識別機能を持たせることも可能である。

次に、上記のように構成された燃料電池スタックの製造方法について、以下に示す。

図５は、本実施の形態１の燃料電池スタックの製造工程を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず第１の端板１３ａの凹部１８ａにコイルバネ１４ａを配置する（ステップＳ１０１）。このとき、コイルバネ１４ａをリブ１９ａ間に圧入して第１の端板１３ａと固定する。次にコイルバネ１４ａを備えた第１の端板１３ａの上に、第１の集電板１２ａを重ね（ステップＳ１０２）。

次に、ＭＥＡ１０５とＭＥＡガスケット１１０とが一体化された枠体１を、一対のセパレータ１０７で挟持したものを、カソード側セパレータ１０７ｃが上になるようにして配置し、そのカソード側セパレータ１０７ｃの上に冷却水シール９を配置した後、次の単セル１０を同じくカソード側セパレータ１０７ｃが上になるように配置することで製造した（ステップＳ１０３）複数の単セル１０の積層体１１を重ね（ステップＳ１０４）、さらに、第２の集電板１２ｃの順番で下から重ねて積み上げる（ステップＳ１０５）。

このときコイルバネ１４ａは第１の端板１３ａに固定されているために、配置位置がすれることはない。

また、単セル１０の積層体１１は、前述のようにＭＥＡ１０５とＭＥＡガスケット１１０とが一体化された枠体１を、一対のセパレータ１０７で挟持したものを、カソード側セパレータ１０７ｃが上になるようにして配置し、そのカソード側セパレータ１０７ｃの上に冷却水シール９を配置した後、次の単セル１０を同じくカソード側セパレータ１０７ｃが上になるように配置することで製造する。

次に第２の端板１３ｃにコイルバネ１４ｃを、リブ１９ｃ間に圧入して挿入し（ステップＳ１０６）、コイルバネ１４が第２の集電板１２ｃに接するように第２の端板１３ｃを逆さまにして重ねる（ステップＳ１０７）。このとき、コイルバネ１４ｃはリブ１９ｃにより保持されているために、落下したり配置位置がずれたりすることはない。

次に第１の端板１３ａと第２の端板１３ｃとの間を締結治具で締結する。このとき、コイルバネ１４ｃの長さが所定の長さ収縮してＭＥＡ１０５とセパレータとの間の接触圧およびＭＥＡガスケットと冷却水シールに押圧力が所定の圧力となるように両端板間の距離を調整して締結する。

なお、本実施の形態１では、図示していないが第１の端板１３ａと第２の端板１３ｃとの間を、第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃ，集電板１２および単セル１０の外周部で冷却水シールおよびＭＥＡガスケットの外側で発電に寄与しない部分を貫通し、単セルおよび集電板のそれぞれと電気的に絶縁されたボルトで締結した（ステップＳ１０８）。

また、本実施の形態１では、コイルバネ１４ａを配置した第１の端板１３ａの下からボルトを挿入して垂直に立てて固定し、このボルトをガイドとして集電板および単セルを積層していくことで集電板および単セルの位置がずれることを抑制した。

この製造方法により、部品点数や製造工程を大幅に増やすことなく、複数のコイルバネを端板の所定の位置にずれることなく正確に配置することが可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態２の燃料電池スタックが、実施の形態１の燃料電池スタックと異なる点は、端板でコイルバネを保持する構造についてであり、以降、コイルバネの保持構造について詳細に説明する。

図６は、本発明による実施の形態２における燃料電池スタックを構成する端板にコイルバネを配置したところの主要部を示す図であり、（ａ）は端板にコイルバネを配置したときの上面図、（ｂ）はコイルバネの設置前を示す側面図、（ｃ）はコイルバネを圧縮した時の上面図、（ｄ）は同じくコイルバネを圧縮した時の側面図である。

図６に示すように、本実施の形態２の燃料電池スタックの端板２０には、コイルバネ１４を配置する位置に、十字状のリブ２１がコイルバネ１４の全長よりも十分低い高さで突出している。

この十字状のリブ２１は、コイルバネ１４を配置して単セル１０の積層体１１を押圧した際、ＭＥＡとセパレータとの接触圧が反応面内で均一になるように考慮して設けてある。

また、リブ２１は、コイルバネ１４が圧縮されていない自然長のときの内穴よりもリブ２１の十字の先端を結んだ外周の径の方がわずかに大きくなるように形成されている。すなわち、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、コイルバネ１４を圧縮した際にはコイルバネ１４の内穴径が大きくなり、リブ２１に当接することなくコイルバネ１４にリブ２１を挿入することができ、コイルバネ１４を自然長に戻すとリブ２１がコイルバネ１４の内穴部を押接してコイルバネ１４を係止するものである。

この構成により、コイルバネ１４を所定の位置に正確に配置することが可能となり、また、燃料電池スタックの組立て時にコイルバネ１４の位置がずれることも抑制することができる。

よって、コイルバネの位置ずれから生じるＭＥＡとセパレータとの接触圧力分布によって、発電時に電流密度分布が生じて高電流となる部分のＭＥＡの劣化が促進されて、燃料電池スタック全体としての劣化が早まる、ということを抑制することができる。

さらに、本構成により端板２０にコイルバネ１４を配置した状態では、リブ２１によってコイルバネが保持されてコイルバネが下にくるように端板を逆さに向けてもコイルバネは保持されたままであり、燃料電池スタックの組立ての際に比較的簡単に組み立てることが可能となる。

さらに締結によってコイルバネ１４が圧縮されると、コイルバネ１４の内穴径が大きくなり、リブ２１との当接がなくなるため、リブ２１がコイルバネ１４の収縮変形を阻害することがない。

なお、本実施の形態２では、コイルバネ１４をコイルバネ１４の内穴部を押接して係止する係止部を十字状のリブとしたが、形状はこれに限らず、３本のリブを組み合わせたものや円柱の突起部でも同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池スタックは、発電時に電流密度分布が発生し、局所的にＭＥＡが劣化して燃料電池スタックの耐久性が低下することを抑制することができるので、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの単セルの分解図 同実施の形態の燃料電池スタックの斜視図 同実施の形態の燃料電池スタックの断面図 （ａ）同実施の形態の燃料電池スタックの要部上面図（ｂ）同実施の形態の燃料電池の要部側面図 同実施の形態の燃料電池スタックの製造工程を示すフローチャート （ａ）本発明の実施の形態２における燃料電池スタックにおける端板にコイルバネを配置したときの要部上面図（ｂ）同実施の形態の燃料電池スタックにおける端板にコイルバネを設置する前の状態を示す要部側面図（ｃ）同実施の形態の燃料電池スタックにおける端板のコイルバネを圧縮した時の状態を示す要部上面図（ｄ）同実施の形態の燃料電池スタックにおける端板のコイルバネを圧縮した時の状態を示す要部側面図 従来の燃料電池スタックの側面図 従来の燃料電池スタックに用いるスプリングモジュールの断面図

符号の説明

１ 枠体
２ 燃料ガス入口マニホールド孔
３ 燃料ガス出口マニホールド孔
４ 酸化剤ガス入口マニホールド孔
５ 酸化剤ガス出口マニホールド孔
６ 冷却水入口マニホールド孔
７ 冷却水出口マニホールド孔
８ 冷却水流路
９ 冷却水シール
１０ 単セル
１１ 積層体
１２ａ 第１の集電板
１２ｃ 第２の集電板
１２ｄ，１２ｅ 端子部
１３ａ 第１の端板
１３ｃ 第２の端板
１４，１４ａ，１４ｃ コイルバネ
１５ 燃料ガス入口配管
１６ 酸化剤ガス入口配管
１７ 冷却水入口配管
１８ａ，１８ｃ 凹部
１９ａ，１９ｃ，２１ リブ
２０ 端板
１０１ 高分子電解質膜
１０４ 電極
１０５ ＭＥＡ
１０６ 燃料ガス流路
１０７ａ アノード側セパレータ
１０７ｃ カソード側セパレータ
１１０ｃ カソード側ＭＥＡガスケット

Claims (7)

1. 複数の単セルからなる積層部と、前記積層部の両端に設けた一対の集電板と、前記集電板の両外側に設けた一対の端板と、前記一対の端板間を締結する締結治具と、前記複数の単セル間および積層部と集電板との間に押圧力を与える複数のコイルバネとを有し、前記端版には、前記コイルバネの一部が挿入されて前記コイルバネを保持する、内壁面に凸部を有する凹部を設けた燃料電池スタック。
2. 複数の単セルからなる積層部と、前記積層部の両端に設けた一対の集電板と、前記集電板の両外側に設けた一対の端板と、前記一対の端板間を締結する締結治具と、前記複数の単セル間および積層部と集電板との間に押圧力を与える複数のコイルバネとを有し、前記端板の前記集電板と対向する位置には、前記コイルバネの内穴部を押接することにより前記コイルバネを保持する係止部を設けた燃料電池スタック。
3. 第１の端板の所定の位置に第１のコイルバネ群を配置する工程と、前記第１の端板の上に第１の集電板、複数のセル、第２の集電板を順番に重ねて配置する工程と、第２の端板の所定の位置に第２のコイルバネ群を配置する工程と、前記第２の端板を前記第２のコイルバネ群を下にして第２の集電板の上に配置する工程と、前記第１の端板と前記第２の端板を締結する工程とを有する燃料電池スタックの製造方法。
4. 前記第２の端板の所定の位置に前記第２のコイルバネ群を配置する工程は、前記第２の端板に設けた、内壁面に凸部を有する複数の凹部に前記第２のコイルバネ群を挿入することにより、前記凹部が前記第２のコイルバネ群を保持する請求項３に記載の燃料電池スタックの製造方法。
5. 前記第１の端板の所定の位置に前記第１のコイルバネ群を配置する工程は、前記第１の端板に設けた、内壁面に凸部を有する複数の凹部に前記第１のコイルバネ群を挿入することにより、前記凹部が前記第１のコイルバネ群を保持する請求項４に記載の燃料電池スタックの製造方法。
6. 前記第２の端板の所定の位置に前記第２のコイルバネ群を配置する工程は、前記第２の端板の前記集電板と対向する位置に設けた、前記第２のコイルバネ群の内穴部を押接することによって前記第２のコイルバネ群を保持する複数の係止部に、前記第２のコイルバネ群を装着する請求項３に記載の燃料電池スタックの製造方法。
7. 前記第１の端板の所定の位置に前記第１のコイルバネ群を配置する工程は、前記第１の端板の前記集電板と対向する位置に設けた、前記第１のコイルバネ群の内穴部を押接することによって前記第１のコイルバネを保持する複数の係止部に、前記第１のコイルバネ群を装着する請求項６に記載の燃料電池スタックの製造方法。