JP5161809B2 - セル押圧アセンブリおよび燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリ、および前記セル押圧アセンブリを有する燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、発電効率が高く、排熱も利用できるといった優れた特徴を有する。燃料電池には様々な種類があるが、固体高分子形燃料電池は、低コスト、省スペース化に優れており、家庭用コージェネレーションシステムや自動車の動力源などとして期待されている。

固体高分子形燃料電池（以下「燃料電池スタック」ともいう）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体と、前記セル積層体の両側に配置された集電板およびエンドプレートとを有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。また、ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極、空気極）とから構成される。

燃料電池スタックの各単セルの燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、空気極に酸素を含む酸化ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒によって水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは高分子電解質膜を通過して空気極側に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。外部回路を通る電子は電気エネルギーとして利用される。空気極では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応して、水が生成される。

セル積層体は、セル間およびセル内の接触抵抗の低減、ならびに反応ガスおよび水のシール性を確保するために、所定の荷重を印加される。このとき、印加する荷重が小さすぎると、燃料電池スタックの性能を十分に発揮させることができない。一方、印加する荷重が大きすぎると、ＭＥＡがダメージを受けてしまい、発電効率が低下してしまう。したがって、セル積層体には、そのセル積層体にとって適切な荷重を印加することが好ましい。

セル積層体に荷重を印加する方法には様々なものがあるが、例えばセル押圧アセンブリを用いた方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図１は、特許文献１のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。図１に示されるように、セル押圧アセンブリ１０は、エンド側部材１１およびセル側部材１２（いずれもアルミニウム合金の板）と、エンド側部材１１とセル側部材１２との間に配置された複数のコイルスプリング１３とを有する。

図２は、セル押圧アセンブリ１を組み付けられた特許文献１の燃料電池スタックの構成を示す側面図である。図２に示されるように、燃料電池スタック（固体高分子形燃料電池）２０は、セル押圧アセンブリ１０と、セル積層体２２と、一対のターミナルプレート２４と、一対の絶縁プレート２６と、一対のエンドプレート２８と、複数のアジャストロッド３０とを有する。特許文献１の燃料電池スタック２０では、アジャストロッド３０のねじ込み量Ｌを大きくすることで、セル押圧アセンブリ１０のコイルスプリング１３の弾性力を利用してセル積層体２２に荷重を印加する。

このように、特許文献１のセル押圧アセンブリは、アジャストロッドのねじ込み量を調整することで、セル積層体に適切な荷重を印加することができる。
特開２００８−６０００６号公報

しかしながら、上記従来のセル押圧アセンブリには、アジャストロッドを用いて荷重を印加するため、燃料電池スタックの部品点数が増加し、燃料電池スタックの構造が複雑になってしまうという問題があった。また、燃料電池スタックの製造工程が多くなり、製造コストが増加してしまうという問題もあった。

また、上記従来のセル押圧アセンブリには、複数のアジャストロッドを用いて荷重を印加するため、セル積層体に印加される荷重が不均一になる可能性があった。このように荷重の印加が不均一な場合、燃料ガスおよび酸化ガスの拡散が不均一になったり、ＭＥＡがダメージを受けたりするため、発電効率が低下してしまう。

上記問題点を解消する手段として、アジャストロッドを用いずに従来のセル押圧アセンブリのみで荷重を印加すること、すなわち、図２においてＬ＝０とすることが考えられる。この場合、寸法が定まったフレーム（例えば、間隔が固定された一対のエンドプレート）内にセル積層体と共に収容されたセル押圧アセンブリが、コイルスプリングの弾性力を利用してフレーム（エンドプレート）およびセル積層体を押すことで、セル積層体に荷重を印加することになる。

しかしながら、この方法では、セル押圧アセンブリおよびセル積層体をフレーム内に収容する際に、フレームの周長よりも小さくなるようにセル押圧アセンブリおよびセル積層体を圧縮しなければならない。このとき、セル積層体に過度の荷重を印加しなければならないため、ＭＥＡがダメージを受けてしまう可能性が高い（図７参照）。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、セル積層体に過度の荷重を印加することなく、セル積層体と共に寸法が定まったフレームに収容することが可能であり、かつセル積層体に所望の荷重を印加することができるセル押圧アセンブリ、および前記セル押圧アセンブリを有する燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明者は、セル押圧アセンブリを予め圧縮した状態で固定しておくことで、上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明の第一は、以下のセル押圧アセンブリに関する。

［１］燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリであって、
エンド側部材と、前記エンド側部材に対向して配置され、前記エンド側部材よりも前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な２以上の弾性部材と、前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する１または２以上の固定部材と、を有し、
前記セル側部材は、それぞれ独立した２以上のセル側単位部材からなり、
前記２以上の弾性体は、それぞれ、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材との間に配置され、
前記２以上の固定部材は、それぞれ、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材とを固定する、セル押圧アセンブリ。
［２］前記エンド側部材または前記セル側部材は、樹脂製である、［１］に記載のセル押圧アセンブリ。
［３］前記弾性部材は、コイルばねである、［１］または［２］に記載のセル押圧アセンブリ。
［４］前記固定部材は、ボルトである、［１］〜［３］のいずれかに記載のセル押圧アセンブリ。
［５］燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリであって、
エンド側部材と、
前記エンド側部材に対向して配置され、前記エンド側部材よりも前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、
前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な１または２以上の弾性部材と、
前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する１または２以上の、クランプからなる固定部材と、を有する、セル押圧アセンブリ。

また、本発明の第二は、以下の燃料電池スタックに関する。

［６］膜電極接合体および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを２以上積層したセル積層体と、前記セル積層体を押圧するセル押圧アセンブリと、前記セル積層体および前記セル押圧アセンブリを収容するフレームと、を有する燃料電池スタックであって、
前記セル押圧アセンブリは、前記フレームに近接して配置されるエンド側部材と、
前記エンド側部材に対向して配置され、前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な１または２以上の弾性部材と、前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する場合に、固定部材が前記エンド側部材または前記セル側部材に係止するための係止部と、を有する、燃料電池スタック。
［７］前記固定部材は、ボルトであり、前記ボルトは、前記エンド側部材に設けられた穴を通り、前記セル側部材に設けられた係止部に係止する、［６］に記載の燃料電池スタック。
［８］前記固定部材は、クランプであり、前記係止部は、前記エンド側部材および前記セル側部材に設けられた係止部に係止する、［６］または［７］に記載の燃料電池スタック。

本発明によれば、寸法が定まったフレームであっても、過度の荷重を印加することなくセル積層体をフレームに収容することができ、さらにセル積層体に所望の荷重を印加することができる。したがって、本発明によれば、ＭＥＡにダメージを与えることなく燃料電池スタックを製造することができる。

１．セル押圧アセンブリ
本発明のセル押圧アセンブリは、燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリであって、エンド側部材と、セル側部材と、１または２以上の弾性部材と、１または２以上の固定部材とを有する。

エンド側部材およびセル側部材は、互いに対向して配置される部材である。本発明のセル押圧アセンブリを燃料電池スタックに組み付けた場合、セル側部材は、エンド側部材よりもセル積層体に近接して配置される。エンド側部材およびセル側部材の形状は、特に限定されず、セル積層体やエンドプレート、フレームなどの形状や、固定部材の種類などに応じて適宜設定すればよい。例えば、エンド側部材およびセル側部材の形状は、矩形板状である。また、エンド側部材およびセル側部材には、弾性部材を保持するための凹部が形成されていてもよい。

エンド側部材およびセル側部材の材料は、所望の強度を確保しうるものであれば特に限定されず、必要とする性質（例えば、導電性の有無など）やコストなどを考慮して選択すればよい。エンド側部材およびセル側部材の材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、およびアルミニウム合金などの金属が含まれる。例えば、本発明のセル押圧アセンブリとセル積層体との間に集電板を配置する場合は、エンド側部材およびセル側部材の材料を絶縁体としてもよい。一方、本発明のセル押圧アセンブリとセル積層体との間に集電板を配置しない場合は、エンド側部材の材料を絶縁体とし、セル側部材の材料を導電体としてもよい。このようにすることで、本発明のセル押圧アセンブリ（セル側部材）は、集電板としても機能しうる。なお、セル側部材の材料を導電体とする代わりに、セル側部材の表面に金メッキを施しても同様の効果を得ることができる。

エンド側部材およびセル側部材は、それぞれ１つの部材であってもよいが、複数の単位部材から構成されていてもよい。例えば、エンド側部材が１つの部材からなり、セル側部材が複数の部材からなっていてもよい（実施の形態３参照）。逆に、エンド側部材が複数の部材からなり、セル側部材が１つの部材からなっていてもよい。いずれの場合も、各単位部材は、他の単位部材とは独立に揺動することができる。

弾性部材は、セル積層体に荷重を印加するための弾性エネルギーを蓄積可能な部材であり、エンド側部材とセル側部材との間に配置される。弾性部材の例には、コイルばね、板ばね、皿ばねが含まれる。弾性部材の種類および性質（例えば、ばね定数など）ならびに弾性部材を配置する数は、セル積層体の大きさやセル積層体への最適荷重に応じて適宜選択すればよい。

固定部材は、弾性部材を圧縮変形させてエンド側部材とセル側部材との間隔を所定の間隔とした状態で、エンド側部材とセル側部材とを固定している。固定部材は、本発明のセル押圧アセンブリを燃料電池スタックに組み付けた後に取り外し可能なものが好ましい。取り外し可能な固定部材の例には、ボルト、クランプ、環状バンドが含まれる。なお、本明細書において、エンド側部材とセル側部材とを固定するために固定部材がエンド側部材またはセル側部材に係止する箇所を「係止部」ということがある。例えば、固定部材がボルトの場合は、エンド側部材またはセル側部材に設けられた雌ねじを有する穴（ボルト固定穴）が係止部である。固定部材がクランプの場合は、クランプが挟み込む部分（凸部）が係止部である。固定部材が環状バンドの場合は、環状バンドが引っかかる部分（凸部）が係止部である。このように、エンド側部材およびセル側部材の少なくとも一方は、係止部を有する。

本発明のセル押圧アセンブリは、固定部材によりエンド側部材とセル側部材とが固定されているため、セル積層体と共にフレーム内に容易に収容しうる厚さとなっている。本発明のセル押圧アセンブリの使用方法については、本発明の燃料電池スタックの製造方法を説明する際に説明する。

２．燃料電池スタック
本発明の燃料電池スタックは、セル積層体と、本発明のセル押圧アセンブリと、フレームとを有する。また、本発明の燃料電池スタックは、任意に、集電板や絶縁プレート、エンドプレートなどの他の構成要素をさらに有していてもよい。本発明のセル押圧アセンブリ以外の各構成要素については、従来の燃料電池スタックで用いられているものをそのまま使用してもよい。

セル積層体は、複数の単セルを積層して直列に接続したものである。発電単位である単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。

ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。燃料極および空気極は、それぞれ、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。

高分子電解質膜は、湿潤状態において、水素イオンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例には、フッ素系の高分子電解質膜、炭化水素系の高分子電解質膜が含まれる。

触媒電極の触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極の触媒層に含まれる触媒の例には、白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金が含まれる。また、燃料極の触媒層に含まれる触媒の例には、白金や白金とルテニウムとの合金が含まれる。触媒電極の触媒層は、これらの触媒を担持させたカーボン微粒子（アセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなど）に、水素イオン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成されうる。

ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散しうるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。

セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の板である。セパレータの材料の例にはカーボン、金属が含まれる。セパレータは、冷媒を供給するための冷媒入口マニホールドおよび冷媒を排出するための冷媒出口マニホールドを有することが好ましい。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化ガスを給排気するためのマニホールドを有することが好ましい。さらに、セパレータは、冷媒や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。

本発明のセル押圧アセンブリは、前述の通り、エンド側部材と、セル側部材と、１または２以上の弾性部材とを有する。本発明のセル押圧アセンブリは、燃料電池スタックに組み込まれる前の状態では固定部材を有しているが、燃料電池スタックに組み込まれた後の状態では固定部材を有していないことがある。ただし、この場合も、本発明のセル押圧アセンブリは、固定部材がエンド側部材またはセル側部材に係止するための係止部を有している。固定部材を外されたセル押圧アセンブリは、弾性部材の弾性力を利用してフレームおよびセル積層体を押すことで、セル積層体に荷重を印加する。前述の通り、本発明のセル押圧アセンブリは、集電板としても機能することができる。

フレームは、セル積層体およびセル押圧アセンブリを収容する部材である。フレームは、任意に、集電板や絶縁プレート、エンドプレートなどの他の構成要素を収容してもよい。フレームの形状は、１）セル積層体およびセル押圧アセンブリを収容しうる入口を有し、２）フレーム内のセル押圧アセンブリから固定部材を取り外すことが可能であり、かつ３）セル押圧アセンブリの復元力を外部に逃がさない形状、であれば特に限定されない。また、フレームの材料は、セル押圧アセンブリの復元力（セル積層体への圧力）に耐えうる剛性を有するものであれば特に限定されない。例えば、フレームは、一対のエンドプレートを所定の間隔で固定したものであってもよいし、剛性を有する箱や、剛性を有する環状バンド（エンドレスバンド）であってもよい。

次に、上記構成を有する本発明の燃料電池スタックの製造方法について説明する。

本発明の燃料電池スタックの製造方法は、１）セル積層体、本発明のセル押圧アセンブリおよびフレームを準備する第１のステップと、２）セル積層体およびセル押圧アセンブリをフレーム内に収容する第２のステップと、３）セル押圧アセンブリの固定部材を外して、セル積層体に荷重を印加する第３のステップと、を有する。

第１のステップでは、セル積層体と、エンド側部材とセル側部材とが固定部材により固定された本発明のセル押圧アセンブリと、フレームとを準備する。セル積層体に含まれる単セルの枚数は、求める特性に応じて適宜選択すればよい。フレームは、フレーム内の収容部分の高さがセル積層体およびセル押圧アセンブリ（圧縮されているもの）の高さの合計よりも高いものを準備する。

第２のステップでは、セル積層体およびセル押圧アセンブリ（圧縮されているもの）をフレーム内に収容する。フレーム内の収容部分の高さがセル積層体およびセル押圧アセンブリ（圧縮されているもの）の高さの合計よりも高いため、セル積層体およびセル押圧アセンブリは、フレーム内に容易に収容されうる。このとき、任意に、集電板や絶縁プレート、エンドプレートなどの他の構成要素も収容してもよい。

第３のステップでは、セル押圧アセンブリの固定部材を外して、セル積層体に荷重を印加する。例えば、固定部材がボルトの場合は、フレームに設けられた貫通孔からボルトを抜く。また、固定部材がクランプまたは環状バンドの場合は、フレームの側面の開放部からクランプまたは環状バンドを外す。固定部材を外されたセル押圧アセンブリは、弾性部材に蓄積されていた弾性エネルギーにより、エンド側部材がフレームを押し、セル側部材がセル積層体を押して、セル積層体に荷重を印加する。

以上の手順により、寸法が定まったフレームであっても、過度の荷重を印加することなくセル積層体をフレームに収容することができ、さらにセル積層体に最適な荷重を印加することができる。

なお、本発明の燃料電池スタックでは、固定部材を抜いた後であっても、固定部材をエンド側部材またはセル側部材に再度係合させることで、セル積層体に過度の荷重を印加することなくセル押圧アセンブリを圧縮することもできる。このようにすることで、燃料電池スタックの特定の部材の交換や、リサイクルなどを容易に行うことができるようになる。

以上のように、本発明のセル押圧アセンブリを用いれは、ＭＥＡにダメージを与えることなく燃料電池スタックを製造することができる。このように製造された本発明の燃料電池スタックは、セル積層体に適切な荷重が印加されており、接触抵抗が小さく、かつ反応ガスおよび水のシール性が高いため、発電効率に優れている。

本発明のセル押圧アセンブリは、従来のセル押圧アセンブリとは異なりアジャストロッドが不要であるため、燃料電池スタックの構造をシンプルにすることが可能であり、製造コストを低減させうる。さらに本発明のセル押圧アセンブリは、アジャストロッドが不要であるため、セル積層体に荷重を均一に印加することができる。

以下、本発明の製造方法の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施の形態により限定されない。

（実施の形態１）
実施の形態１では、固定部材がボルトであり、弾性部材がコイルばねであるセル押圧アセンブリについて説明する。

図３は、本発明の実施の形態１のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。図３（Ａ）は、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ１００ａを示す断面図である。一方、図３（Ｂ）および（Ｃ）は、燃料電池スタックに組み付けられた後のセル押圧アセンブリを示す断面図であり、図３（Ｂ）は、ボルト（固定部材）を緩めた状態のセル押圧アセンブリ１００ｂを示す断面図、図３（Ｃ）は、ボルト（固定部材）を抜いた状態のセル押圧アセンブリ１００ｃを示す断面図である。

図３（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組みつけられる前のセル押圧アセンブリ１００ａは、エンド側部材１１０、セル側部材１２０、複数のコイルばね１３０、および複数のボルト１４０を有する。

エンド側部材１１０は、矩形状の樹脂板である。エンド側部材１１０の下面（セル側部材１２０と対向する面）には、コイルばね１３０の上端を収容するための凹部が形成されている（不図示）。また、エンド側部材１１０には、複数のボルト貫通孔１１２が形成されている（図３（Ｃ）参照）。ボルト貫通孔はそれぞれ段差を有し、ボルト貫通孔の段差より上側の部分の直径は下側の部分の直径よりも大きい。この段差は、ボルト１４０の頭部の抜け止めとして機能する（図３（Ａ）参照）。

セル側部材１２０も、矩形状の樹脂板である。セル側部材１２０の上面（エンド側部材１１０と対向する面）には、コイルばね１３０の下端を収容するための凹部が形成されている（不図示）。また、セル側部材１２０には、複数のボルト固定穴１２２が形成されている（図３（Ｃ）参照）。ボルト固定穴１２２の内面には、ボルト１４０の雄ねじに対応する雌ねじが形成されている。ボルト固定穴１２２は、ボルト１４０（固定部材）がセル側部材１２０と係合するための係止部として機能する（図３（Ａ）参照）。

コイルばね１３０は、セル積層体に適切な荷重を印加するのに適切なばね定数を有するばねである。コイルばね１３０は、エンド側部材１１０とセル側部材１２０との間に規則的に配置されている。

ボルト１４０は、頭部と、先端に雄ねじを有する軸部とからなる。ボルト１４０は、頭部がエンド側部材１１０の段差に係止し、軸部の雄ねじがセル側部材１２０のボルト固定穴１２２の雌ねじと螺合することで、エンド側部材１１０とセル側部材１２０とを固定している（図３（Ａ）参照）。軸部の長さは、エンド側部材１１０とセル側部材１２０とを固定した際に、セル押圧アセンブリ１００ａの厚さを十分に薄くしうる長さとすることが好ましい。

図３（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ１００ａは、ボルト１４０によりエンド側部材１１０とセル側部材１２０とが固定されている。そのため、セル押圧アセンブリ１００ａはセル積層体と共にフレーム内に収容しうる厚さとなっており、かつセル積層体を押圧するための弾性エネルギーがコイルばね１３０に蓄積されている。

図４は、本発明の実施の形態１のセル押圧アセンブリを有する燃料電池スタックの構成を示す断面図である。図４に示されるように、燃料電池スタック４００は、セル積層体４１０と、一対の集電板４２０と、ボルト固定穴１２２を有するセル押圧アセンブリ１００ｃと、エンドプレート４３０と、フレーム４４０とを有する。

セル積層体４１０は、発電単位である単セルを所定の数積層したものである。各単セルは、直列に接続されている。

集電板４２０は、セル積層体４１０を積層方向の両端から挟む導電性の板である。燃料電池スタック４００の電力は、集電板４２０に設けられた電力取出部（図示せず）から取り出される。

セル押圧アセンブリ１００ｃは、セル積層体４１０および一対の集電板４２０の上に配置されている。セル押圧アセンブリ１００ｃは、燃料電池スタック４００を製造する際にボルト１４０を抜かれていることがあるが、少なくともボルト１４０があったことを示すボルト固定穴１２２を有している。セル押圧アセンブリ１００ｃは、エンドプレートとしての機能も果たしている。すなわち、セル押圧アセンブリ１００ｃは、次に説明する１枚のエンドプレート４３０と共に、一対のエンドプレートとしてセル積層体４１０および一対の集電板４２０を挟持している。

エンドプレート４３０は、セル積層体４１０および一対の集電板４２０の下に配置されている矩形状の樹脂板である。エンドプレート４３０には、燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化ガス供給口、酸化ガス排出口、冷媒供給口および冷媒排出口が形成されている。前述の通り、エンドプレート４３０は、セル押圧アセンブリ１００ｃと共にセル積層体４１０および一対の集電板４２０を挟持している。

フレーム４４０は、側面が開放された直方体状の筐体であり、その内部にセル積層体４１０、一対の集電板４２０、セル押圧アセンブリ１００ｃおよびエンドプレート４３０を収容している。図４では、図面奥方向と手前方向の側面が開放されている。フレーム４４０は、剛性を有する樹脂でできており、所定の寸法を有している。また、フレーム４４０には、セル押圧アセンブリ１００ｃのボルト貫通孔１１２に対応する位置に、ボルト貫通孔４４２が形成されている。

次に、図５を参照して、実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する方法について説明する。

まず、図５（Ａ）に示されるように、セル積層体４１０、ボルト１４０によりエンド側部材１１０とセル側部材１２０とが固定されているセル押圧アセンブリ１００ａ、一対の集電板４２０、エンドプレート４３０およびフレーム４４０を準備する。図５（Ａ）では、フレーム４４０のみを図示している。

次いで、図５（Ｂ）に示されるように、セル積層体４１０、セル押圧アセンブリ１００ａ、一対の集電板４２０およびエンドプレート４３０を所定の順番で重ねて、フレーム４４０の側面の開放部からフレーム４４０内に収容する。このとき、セル押圧アセンブリ１００ａは、ボルト１４０によりエンド側部材１１０とセル側部材１２０とが固定されているため、他の部材と共にフレーム４４０内に収容しうる厚さとなっている。

次いで、図５（Ｃ）に示されるように、セル押圧アセンブリ１００ａのボルト１４０を抜いて、セル積層体４１０に荷重を印加する。ボルト１４０を抜かれたセル押圧アセンブリ１００ｃは、エンド側部材１１０がフレーム４４０を押し、セル側部材１２０がセル積層体４１０などを押し、セル積層体４１０に荷重を印加する（図３（Ｃ）参照）。なお、セル積層体４１０に適切な荷重を印加できるのであれば、ボルト１４０を完全に抜かなくてもよい（図３（Ｂ）参照）。

以上の手順により、セル積層体に過度の荷重を印加することなく、燃料電池スタックを製造することができる。

ここで本発明のセル押圧アセンブリの効果を示すために、従来のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造した場合のシミュレーション結果と、実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造した場合のシミュレーション結果を示す。

本シミュレーションでは、２０枚の単セルを積層したセル積層体への最適荷重を５２５ｋｇｆと設定した。ＭＥＡの接触抵抗を減少させるには、７ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力が必要であると一般的にいわれている。セパレータとＭＥＡとの接触面積がＭＥＡの面積の半分（燃料ガス流路または酸化ガス流路の部分は接触しない）と仮定すると、面積１２０ｃｍ^２のＭＥＡの接触抵抗を減少させるのに必要な荷重は４２０ｋｇｆ（＝７×１２０／２）となる。また、反応ガスおよび水のシール性の確保に１０５ｋｇｆの荷重が必要であると仮定すると、セル積層体への最適荷重は５２５ｋｇｆ（４２０＋１０５）となる。

セル積層体の両端には集電板を配置した（不図示）。セル積層体および一対の集電板（不図示）を積層したときの厚さ（無荷重状態）は６０ｍｍと設定した。エンドプレートの厚さは、２０ｍｍと設定した。

セル押圧アセンブリのエンド側部材の厚さは２０ｍｍ、セル側部材の厚さは２５ｍｍと設定した。また、セル押圧アセンブリは、１５個のコイルばね（ＳＷＬ２５−６０、株式会社ミスミ；自由長６０ｍｍ、ｋ＝３.５ｋｇｆ／ｍｍ）を有するものと設定した。

上記セル積層体（集電板を含む）、エンドプレートおよびセル押圧アセンブリを、内部高さ（セル積層体の積層方向の高さ）１６５ｍｍのフレームに収容して、燃料電池セルスタックを製造するものとして、シミュレーションを行った。

図６および図７は、従来のセル押圧アセンブリ１０を用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。

図６（Ａ）に示されるように、従来のセル押圧アセンブリ１０の厚さは１０５ｍｍであり、無荷重のセル積層体４１０の厚さは６０ｍｍであり、エンドプレート４３０の厚さは２０ｍｍである。図６（Ｂ）に示されるように、従来のセル押圧アセンブリ１０、セル積層体４１０およびエンドプレート４３０を積層すると、合計の厚さが１８５ｍｍとなってしまうため、このままではこれらの積層物を内部高さ１６５ｍｍのフレーム４４０内に収容することはできない。したがって、従来のセル押圧アセンブリ１０を用いて燃料電池スタックを製造するには、図７に示されるように、これらの積層物に荷重を印加して、フレーム４４０内に収容できる厚さにする必要がある。

従来のセル押圧アセンブリ１０、セル積層体４１０およびエンドプレート４３０に、５２５ｋｇｆの荷重を印加した場合、図７（Ａ）に示されるように、従来のセル押圧アセンブリ１０の厚さは９５ｍｍとなり、セル積層体４１０の厚さは５０ｍｍとなる。その結果、図７（Ｂ）に示されるように、従来のセル押圧アセンブリ１０、セル積層体４１０およびエンドプレート４３０の積層物の厚さは１６５ｍｍとなるが、このままではこれらの積層物を内部高さ１６５ｍｍのフレーム４４０内に収容することは困難である。したがって、従来のセル押圧アセンブリ１０を用いて燃料電池スタックを製造する場合には、セル積層体４１０への最適荷重よりも大きな荷重を印加することが必要となり、ＭＥＡにダメージを与えてしまうことになる。

一方、図８および図９は、実施の形態１のセル押圧アセンブリ１００ａを用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。

図８（Ａ）に示されるように、実施の形態１のセル押圧アセンブリ１００ａの厚さは８０ｍｍであり、無荷重のセル積層体４１０の厚さは６０ｍｍであり、エンドプレート４３０の厚さは２０ｍｍである。図８（Ｂ）に示されるように、実施の形態１のセル押圧アセンブリ１００ａ、セル積層体４１０およびエンドプレート４３０を積層しても、合計の厚さが１６０ｍｍであるため、このままこれらの積層物を内部高さ１６５ｍｍのフレーム４４０内に収容することができる。したがって、図９（Ａ）に示されるように、実施の形態１のセル押圧アセンブリ１００ａを用いて燃料電池スタックを製造する場合は、セル積層体４１０に荷重を印加することなく、セル積層体４１０をフレーム４４０内に収容することができる。そして、図９（Ｂ）に示されるように、フレーム４４０内に収容されたセル押圧アセンブリ１００ａからボルト１４０を抜くことで、セル積層体４１０に最適荷重を印加することができる。なお、一旦ボルト１４０を抜いた後であっても、再度ボルト１４０をねじ込むことで、セル押圧アセンブリ１００ａの厚さを縮めることもできる。

以上のように、実施の形態１のセル押圧アセンブリは、従来のセル押圧アセンブリと異なり、過度の荷重を印加することなくセル積層体をフレームに収容することができ、さらにセル積層体に所望の荷重を印加することができる。したがって、実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いることで、ＭＥＡにダメージを与えずに、優れた発電効率の燃料電池スタックを製造することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、固定部材がクランプであり、弾性部材がコイルばねであるセル押圧アセンブリについて説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。図１０（Ａ）は、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ２００ａを示す断面図であり、図１０（Ｂ）は、燃料電池スタックに組み付けられた後のセル押圧アセンブリ２００ｂを示す断面図である。

図１０（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ２００ａは、エンド側部材２１０、セル側部材２２０、複数のコイルばね２３０、および２つのクランプ２４０を有する。

エンド側部材２１０は、矩形状の樹脂板である。エンド側部材２１０の面方向の端部には、クランプ２４０が挟むための凸部２１２が形成されている。凸部２１２は、クランプ２４０（固定部材）がエンド側部材２１０と係合するための係止部として機能する（図１０（Ｂ）参照）。

セル側部材２２０も、矩形状の樹脂板である。セル側部材２２０の面方向の端部には、クランプ２４０が挟むための凸部２２２が形成されている。凸部２２２は、クランプ２４０（固定部材）がセル側部材２２０と係合するための係止部として機能する（図１０（Ｂ）参照）。

コイルばね２３０は、セル積層体に適切な荷重を印加するのに適切なばね定数を有するばねである。コイルばね２３０は、エンド側部材２１０とセル側部材２２０との間に規則的に配置されている。

クランプ２４０は、クランプ固定ボルト２４２によりエンド側部材２１０に固定されており、エンド側部材２１０の凸部２１２およびセル側部材２２０の凸部２２２を挟み込むことで、エンド側部材１１０とセル側部材１２０とを固定している（図１０（Ａ）参照）。

図１０（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ２００ａは、クランプ２４０によりエンド側部材２１０とセル側部材２２０とが固定されている。そのため、セル押圧アセンブリ２００ａはセル積層体と共にフレーム内に収容しうる厚さとなっており、かつセル積層体を押圧するための弾性エネルギーがコイルばね２３０に蓄積されている。

次に、図１１を参照して、実施の形態２のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する方法について説明する。

まず、図１１（Ａ）に示されるように、セル積層体４１０、クランプ２４０によりエンド側部材２１０とセル側部材２２０とが固定されているセル押圧アセンブリ２００ａ、一対の集電板４２０、エンドプレート４３０およびフレーム４４０を準備する。図１１（Ａ）では、フレーム４４０のみを図示している。図１１において、フレーム４４０は、図面奥方向と手前方向の側面で連続しており、図面左右方向の側面が開放されている。

次いで、図１１（Ｂ）に示されるように、セル積層体４１０、セル押圧アセンブリ２００ａ、一対の集電板４２０およびエンドプレート４３０を所定の順番に重ねて、フレーム４４０の側面の開放部からフレーム４４０の内部に収納する。このとき、セル押圧アセンブリ２００ａは、クランプ２４０によりエンド側部材２１０とセル側部材２２０とが固定されているため、他の部材と共にフレーム４４０内に収容しうる厚さとなっている。

次いで、図１１（Ｃ）に示されるように、セル押圧アセンブリ２００ａのクランプ２４０を外して、セル積層体４１０に荷重を印加する。クランプ２４０を外されたセル押圧アセンブリ２００ｂは、エンド側部材２１０がフレーム４４０を押し、セル側部材２２０がセル積層体４１０などを押し、セル積層体４１０に荷重を印加する（図１１（Ｃ）参照）。

以上の手順により、セル積層体に過度の荷重を印加することなく燃料電池スタックを製造することができる。

以上のように、実施の形態２のセル押圧アセンブリは、実施の形態１のセル押圧アセンブリと同様に、過度の荷重を印加することなくセル積層体をフレームに収容することができ、さらにセル積層体に所望の荷重を印加することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、固定部材がボルトであり、弾性部材がコイルばねであり、セル側部材が複数の単位部材からなるセル押圧アセンブリについて説明する。

図１２は、本発明の実施の形態３のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。図１２（Ａ）は、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ３００ａを示す断面図であり、図１２（Ｂ）は、燃料電池スタックに組み付けられた後のセル押圧アセンブリ３００ｂを示す断面図である。

図１２（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ３００ａは、エンド側部材３１０、複数のセル側単位部材３２０、複数のコイルばね３３０、および複数のボルト３４０を有する。

エンド側部材３１０は、矩形状の樹脂板である。エンド側部材３１０には、複数のボルト貫通孔が形成されている。ボルト貫通孔はそれぞれ段差を有し、ボルト貫通孔の段差より上側の部分の直径は下側の部分の直径よりも大きい。この段差は、ボルト３４０の頭部の抜け止めとして機能する。また、エンド側部材３１０の下面（セル側単位部材３２０と対向する面）の各ボルト貫通孔の周囲には、セル側単位部材３２０の一部を保持するための凹部が形成されている。

セル側単位部材３２０は、それぞれ金属板をプレス加工して形成された部材である。セル側単位部材３２０の下面（セル積層体や集電板などと接する面）には、それぞれボルト固定穴３２２が形成されている（図１２（Ｂ）参照）。ボルト固定穴３２２の内面には、ボルト３４０の雄ねじに対応する雌ねじが形成されている。ボルト固定穴３２２は、ボルト３４０（固定部材）がセル側単位部材３２０と係合するための係止部として機能する（図１２（Ａ）参照）。

コイルばね３３０は、セル積層体に適切な荷重を印加するのに適切なばね定数を有するばねである。コイルばね３３０は、エンド側部材３１０とセル側単位部材３２０の平坦部（セル積層体や集電板などと接する部分）との間に１つ配置されている（図１２（Ａ）参照）。

ボルト３４０は、頭部と、先端に雄ねじを有する軸部とからなる。ボルト３４０は、頭部がエンド側部材３１０の段差に係止し、軸部の雄ねじがセル側単位部材３２０のボルト固定穴３２２の雌ねじと螺合することで、エンド側部材３１０とセル側単位部材３２０とを固定している。軸部の長さは、エンド側部材３１０とセル側単位部材３２０とを固定した際に、セル押圧アセンブリ３００ａの厚さを十分に薄くしうる長さとすることが好ましい。

図１２（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックに組み付けられる前のセル押圧アセンブリ３００ａは、ボルト３４０によりエンド側部材３１０とセル側単位部材３２０とが固定されている。そのため、セル押圧アセンブリ３００ａはセル積層体と共にフレーム内に収容しうる厚さとなっており、かつセル積層体を押圧するための弾性エネルギーがコイルばね３３０に蓄積している。

実施の形態３のセル押圧アセンブリは、実施の形態１のセル押圧アセンブリと同様の手順で、燃料電池スタックの製造に使用することができる。

実施の形態３のセル押圧アセンブリは、実施の形態１のセル押圧アセンブリと同様に、過度の荷重を印加することなくセル積層体をフレームに収容することができ、さらにセル積層体に所望の荷重を印加することができる。また、実施の形態３のセル押圧アセンブリは、金属板をプレス加工することでセル側単位部材を安価に製造することができるため、燃料電池スタックの製造コストをより低減させることができる。

本発明のセル押圧アセンブリは、セル積層体に過度の荷重を印加することなく、所望の荷重のみを印加することができるため、燃料電池スタックの製造に有用である。

従来のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。 従来のセル押圧アセンブリを組み付けられた燃料電池スタックの構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。 実施の形態１のセル押圧アセンブリを有する燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する方法を説明するための模式図である。 従来のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。 従来のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。 実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。 実施の形態１のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態２のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。 実施の形態２のセル押圧アセンブリを用いて燃料電池スタックを製造する方法を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３のセル押圧アセンブリの構成を示す断面図である。

１０ セル押圧アセンブリ
１１ エンド側部材
１２ セル側部材
１３ スプリング群
２０ 燃料電池スタック
２２ セル積層体
２４ ターミナルプレート
２６ 絶縁プレート
２８ エンドプレート
３０ アジャストロッド
１００，２００，３００ セル押圧アセンブリ
１１０，２１０，３１０ エンド側部材
１１２ ボルト貫通孔
１２０，２２０ セル側部材
１２２，３２２ ボルト固定穴
１３０，２３０，３３０ コイルばね
１４０，３４０ ボルト
２１２，２２２ 凸部
２４０ クランプ
２４２ クランプ固定ボルト
３２０ セル側単位部材
４００ 燃料電池スタック
４１０ セル積層体
４２０ 集電板
４３０ エンドプレート
４４０ フレーム
４４２ ボルト貫通孔

Claims (8)

1. 燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリであって、
   エンド側部材と、前記エンド側部材に対向して配置され、前記エンド側部材よりも前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な２以上の弾性部材と、前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する１または２以上の固定部材と、を有し、
   前記セル側部材は、それぞれ独立した２以上のセル側単位部材からなり、
   前記２以上の弾性体は、それぞれ、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材との間に配置され、
   前記２以上の固定部材は、それぞれ、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記各セル側単位部材とを固定する、
   セル押圧アセンブリ。
2. 前記エンド側部材または前記セル側部材は、樹脂製である、請求項１に記載のセル押圧アセンブリ。
3. 前記弾性部材は、コイルばねである、請求項１または２に記載のセル押圧アセンブリ。
4. 前記固定部材は、ボルトである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセル押圧アセンブリ。
5. 燃料電池スタックのセル積層体を押圧するためのセル押圧アセンブリであって、
   エンド側部材と、
   前記エンド側部材に対向して配置され、前記エンド側部材よりも前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、
   前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な１または２以上の弾性部材と、
   前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する１または２以上の、クランプからなる固定部材と、
   を有する、セル押圧アセンブリ。
6. 膜電極接合体および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを２以上積層したセル積層体と、前記セル積層体を押圧するセル押圧アセンブリと、前記セル積層体および前記セル押圧アセンブリを収容するフレームと、を有する燃料電池スタックであって、
   前記セル押圧アセンブリは、
   前記フレームに近接して配置されるエンド側部材と、
   前記エンド側部材に対向して配置され、前記セル積層体に近接して配置されるセル側部材と、
   前記エンド側部材と前記セル側部材との間に配置され、前記セル積層体を押圧するための弾性エネルギーを蓄積可能な１または２以上の弾性部材と、
   前記弾性部材を圧縮変形させて前記エンド側部材と前記セル側部材との間隔を狭くした状態で、前記エンド側部材と前記セル側部材とを固定する場合に、固定部材が前記エンド側部材または前記セル側部材に係止するための係止部と、
   を有する、燃料電池スタック。
7. 前記固定部材は、ボルトであり、
   前記ボルトは、前記エンド側部材に設けられた穴を通り、前記セル側部材に設けられた係止部に係止する、請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記固定部材は、クランプであり、
   前記係止部は、前記エンド側部材および前記セル側部材に設けられた係止部に係止する、請求項６または７に記載の燃料電池スタック。

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