WO2010106753A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

　本発明の燃料電池スタックは、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積層したセル積層体と；前記セル積層体を挟み、集電板Ａおよび集電板Ｂからなる一対の集電板と；前記セル積層体および前記集電板を挟み、エンドプレートＡおよびエンドプレートＢからなる一対のエンドプレートと；前記エンドプレートＡと前記集電板Ａとの間に配置された弾性部材と、を有し、前記エンドプレートＡの前記集電板Ａに対向する面は、凹凸形状を有し、前記エンドプレートＡの凹部は、前記弾性部材を保持し、前記凹部の底面は、第２凸部および第２凹部を有する。

Description

燃料電池スタック

　本発明は燃料電池スタックに関する。

　燃料電池スタックとは、燃料電池セル（単セル）を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。

　高分子電解質膜は、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。

　触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。

　セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとを混ざらないようにするための導電性部材である。

　燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟むエンドプレートを有する（例えば特許文献１および特許文献２参照）。また、セル積層体に均一な荷重を加えるために、セル積層体とエンドプレートとの間にスプリングモジュールを配置したり（特許文献３および特許文献４参照）、セル積層体とエンドプレートとの間に弾性部材を配置したりする場合もある（例えば特許文献５および特許文献６参照）。

　図１は、特許文献６に記載された燃料電池スタック１の断面図である。図１に示されるように、特許文献６に記載された燃料電池スタック１は、セル積層体１２とセル積層体１２を挟むプレッシャープレート２およびプレッシャープレート８と、エンドプレート２０とを有する。エンドプレート２０とプレッシャープレート２との間には、弾性部材１９が配置されている。

　プレッシャープレートのセル積層体１２に対向する面には、導電処理が施されており、プレッシャープレートのセル積層体１２に対向する面以外の箇所は、絶縁体である。また、弾性部材１９は、エンドプレート２０の凹部９および集電板プレート２の凹部７に保持される。

　このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。

　燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して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、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。

　このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電と給湯とが要求される家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている（例えば特許文献７参照）。家庭用コージェネレーションシステムでは、発電中に発生した熱を、セパレータに設けられた流路を流れる冷媒を用いて逐次回収する。回収された熱は、さらに貯湯タンクなどに貯蔵され、必要に応じて熱エネルギとして利用される。

　また、運転時に燃料電池スタックの温度調節を容易にするために、エンドプレートのセル積層体に対向する面に凹凸形状を設ける技術が知られている（例えば特許文献８参照）。

特開２００５－１２３１１４号公報 特開平８－２０３５５３号公報 特開２００４－２８８６１８号公報 米国特許出願公開第２００５／０２７７０１２号明細書 特開２００７－２５７８６５号公報 特開２００６－１７９２２０号公報 特開２００８－２９３９９６号公報 米国特許出願公開第２００８／００９０１２２号明細書

　しかし、発電中に発生した熱は、冷媒によって回収される以外に、セル積層体からエンドプレートに伝導することがあった。エンドプレートに伝導した熱は、エンドプレートから外部に放出されることから、熱エネルギとして回収できず、発電中に発生した熱を効率的に回収できなくなるという問題があった。

　例えば、図１に示した特許文献６の燃料電池スタック１では、発電中に発生したセル積層体１２の熱が、プレッシャープレート８に伝達し、プレッシャープレート８から外部に放出される。また、発電中に発生したセル積層体１２の熱は、プレッシャープレート２および弾性部材１９を通ってエンドプレート２０まで移動し、エンドプレート２０から外部に放出されてしまう。

　本発明は、セル積層体からエンドプレートに伝導し、外部へと放出される熱量を減少させ、発電中に発生した熱を効率的に回収することができ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、エンドプレートと集電板との接触面積を減らし、かつエンドプレートと弾性部材との接触面積を減らすことで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。

　［１］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積層したセル積層体と、前記セル積層体を挟み、集電板Ａおよび集電板Ｂからなる一対の集電板と、前記セル積層体および前記集電板を挟み、エンドプレートＡおよびエンドプレートＢからなる一対のエンドプレートと、前記エンドプレートＡと前記集電板Ａとの間に配置された弾性部材と、を有する燃料電池スタックであって、前記エンドプレートＡの前記集電板Ａに対向する面は、凹凸形状を有し、前記エンドプレートＡの凹部は、前記弾性部材を保持し、前記凹部の底面は、第２凸部および第２凹部を有する、燃料電池スタック。
　［２］前記弾性部材は、前記第２凸部の頂面と接触する、［１］に記載の燃料電池スタック。
　［３］前記集電板Ａは、前記弾性部材を保持する凹部を有し、前記集電板Ａの凹部の底面は、第３凸部および第３凹部を有し、前記弾性部材は、前記第３凸部の頂面と接触する、［１］または［２］に記載の燃料電池スタック。
　［４］前記弾性部材はコイルスプリングである、［１］～［３］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
　［５］前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面は、凹凸形状を有する、［１］～［４］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
　［６］前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとの間に配置された弾性部材をさらに有し、前記エンドプレートＢの凹部は、前記弾性部材を保持し、前記凹部の底面は、第２凸部および第２凹部を有する、［５］に記載の燃料電池スタック。
　［７］前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとの間に弾性部材を有さず、前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面は、前記集電板Ｂとの接触面であり、前記エンドプレートＢの凸部の頂面と前記集電板Ｂとが接触する、［５］に記載の燃料電池スタック。
　［８］前記集電板Ｂと接触する前記エンドプレートＢの凸部の頂面の面積の合計は、前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとが対向する領域の面積の１０～３０％である、［７］に記載の燃料電池スタック。
　［９］前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面の凸部は、前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面に形成されたリブを含み、前記リブは格子を形成する、［７］または［８］に記載の燃料電池スタック。
　［１０］前記エンドプレートは、樹脂からなる、［１］～［９］のいずれかに記載の燃料電池スタック。

　本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートと集電板との接触面積が小さいことから、集電板からエンドプレートへ伝導する熱量が小さい。また本発明では、エンドプレートと弾性部材との接触面積が小さいことから、集電板から弾性部材を通ってエンドプレートへ伝導する熱量が小さく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が少ない。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができ、熱回収効率の高い燃料電池スタックを提供することができる。

　また、本発明の燃料電池スタックによれば、環状バンドで燃料電池スタックを保持した場合であっても、エンドプレートが変形しにくい。このため、本発明の燃料電池スタックでは、セル積層体に均一な荷重を印加することができ、単セル間の接触抵抗が低くなる。したがって、本発明の燃料電池スタックは発電効率が高い。

従来の燃料電池スタックの断面図 本発明の燃料電池スタックのエンドプレート、弾性部材および集電板の断面図 実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 実施の形態１のエンドプレートの集電板対向面側からの斜視図、および保持凹部の拡大正面図 実施の形態１のエンドプレートの環状バンド対向面側からの斜視図 実施の形態１のエンドプレートの断面図 実施の形態１の集電板のエンドプレート対向面側からの斜視図、および保持凹部の拡大正面図 実施の形態２の燃料電池スタックの断面図 実施の形態２のエンドプレートの集電板対向面側からの斜視図 実施の形態２のエンドプレートと集電板との断面図 実施の形態２のエンドプレートの環状バンド対向面側からの斜視図 実施の形態２のエンドプレートの接地面側からの斜視図 実施の形態３のエンドプレートの集電板対向面側からの斜視図 突起領域の拡大平面図 突起の断面図 燃料電池スタックの部分拡大断面図

　本発明の燃料電池スタックは、１）セル積層体と、２）セル積層体を挟む一対の集電板と、３）セル積層体および集電板を挟む一対のエンドプレートと、４）エンドプレートと集電板との間に配置された弾性部材と、を有する。以下それぞれの構成部材について説明する。

　１）セル積層体
　セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、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の積層物である。

　ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟み、燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、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、プロト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や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ－ＳＥＬＥＣＴ膜などが含まれる。

　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、かつ水素および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。空気極側の触媒層は、例えば触媒として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など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。

　触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有する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でき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や金属などが含まれる。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
　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。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。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。

　２）一対の集電板
　一対の集電板は、集電板Ａおよび集電板Ｂからなり、かつセル積層体を積層方向に挟む導電性部材である。集電板は、セル積層体から生じた直流電流を取り出す機能を有する。集電板は、さらに電力取り出し部を有する。燃料電池スタックの電力は、電力取り出し部から取り出される。集電板の材料の例には、ステンレス鋼や銅などの金属材料や炭素材料などが含まれる。また、集電板は、金メッキを施したステンレス鋼や銅などの金属板であってもよい。

　３）一対のエンドプレート
　一対のエンドプレートは、エンドプレートＡおよびエンドプレートＢからなり、セル積層体および一対の集電板を、セル積層体の積層方向に挟む。また、エンドプレートは燃料電池スタックの積層方向の両端部を構成する。具体的には、エンドプレートＡは、集電板Ａ側の燃料電池スタックの端部を構成し、エンドプレートＢは集電板Ｂ側の燃料電池スタックの端部を構成する。したがって、エンドプレートＡは集電板Ａに対向する面を有し、エンドプレートＢは集電板Ｂに対向する面を有する。

　エンドプレートは、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給口と；燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と；燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給口と；燃料電池スタックから酸化ガスを排出する酸化ガス排出口と；燃料電池スタックへ冷媒を供給する冷媒供給口と；燃料電池スタックから冷媒を排出する冷媒排出口とを有する。

　エンドプレートの材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。エンドプレートが熱伝導性の低い材料からなると、集電板からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。

　本発明では、少なくともエンドプレートＡの集電板Ａに対向する面（以下「集電板対向面」とも称する）は、凹凸形状を有する。すなわち本発明では、エンドプレートＡの集電板対向面は、凸部および凹部を有する。ここで、凸部とは、エンドプレートの集電板対向面に形成されたリブなどを含み、凹部とは、凸部によって規定された領域を意味する。エンドプレートＡの集電板対向面が有する複数の凹部には、後述する弾性部材を保持する凹部が含まれる。

　一方、エンドプレートＢの形状は特に限定されないが、エンドプレートＢの集電板対向面も、凹凸形状を有することが好ましい。

　４）弾性部材
　本発明の燃料電池スタックは、少なくともエンドプレートＡと集電板Ａとの間に弾性部材を有する。弾性部材は、少なくともエンドプレートＡと集電板Ａとの間に配置され、セル積層体に均一な荷重を印加するための部材である。エンドプレートＡと集電板Ａとの間に配置される弾性部材の数は１つであっても複数であってもよい。弾性部材の例にはコイルスプリングが含まれる。一方、エンドプレートＢと集電板Ｂとの間には、弾性部材が配置されていてもよいし（実施の形態１参照）、配置されなくてもよい（実施の形態２参照）。

　本発明の燃料電池スタックはエンドプレートＡの集電板対向面の凹部および凸部の形状に特徴を有する。以下、図面を用いて、エンドプレートＡの集電板対向面の凹部および凸部の形状について説明する。

　図２は、本発明の燃料電池スタックにおけるエンドプレートＡ、集電板Ａおよび弾性部材の断面図を示す。図２に示されるように、エンドプレート１０５Ａと集電板１０３Ａとの間には２以上の弾性部材１０７が配置されるので、エンドプレート１０５Ａと集電板１０３Ａとは直接接触しない。

　エンドプレート１０５Ａの集電板対向面には、複数の凸部１３１および凹部１３３が設けられている。凹部１３３は、弾性部材１０７を保持する。弾性部材１０７を保持する凹部１３３を、以下「保持凹部１３３」とも称する。

　保持凹部１３３の形状は、弾性部材１０７の形状によって適宜選択される。例えば、図２に示されたように、弾性部材１０７がコイルスプリングである場合、保持凹部１３３の形状をコイルスプリングの形状（例えば円柱状）に合わせることが好ましい。

　また、図２に示されるように、集電板１０３Ａのエンドプレート１０５Ａに対向する面には凹部１５３が設けられていることが好ましい。

　本発明では、エンドプレート１０５Ａの保持凹部１３３の底面がさらに凹凸形状を有することを特徴とする。すなわち保持凹部１３３の底面は、第２凸部１３５および第２凹部１３７を有する。第２凸部１３５の高さは、凸部（リブ）１３１の高さよりも低い。第２凸部１３５の頂面は、弾性部材１０７と接触する。一方、弾性部材１０７の一部は第２凹部１３７上にも配置される。第２凹部１３７の底面は、弾性部材１０７と接触しないことから、弾性部材１０７の一部は、保持凹部１３３の底面と接触しない。これにより、弾性部材１０７とエンドプレート１０５Ａとの接触面積が減少する。

　また、本発明では、弾性部材１０７と集電板１０３Ａとの接触面積も小さいことが好ましい。弾性部材１０７と集電板１０３Ａとの接触面積を減少させるには、図２に示されるように、集電板１０３Ａに弾性部材１０７を保持するための凹部１５３（以下「保持凹部１５３」とも称する）を形成し、保持凹部１５３の底面に凹凸形状を形成すればよい。すなわち保持凹部１５３の底面は、第３凸部１５５および第３凹部１５７を有してもよい。第３凸部１５５の頂面は、弾性部材１０７と接触する。一方、弾性部材１０７の一部は第３凹部１５７上にも配置される。第３凹部１５７の底面は、弾性部材１０７と接触しないことから、弾性部材１０７の一部は、保持凹部１５３の底面と接触しない。これにより、弾性部材と集電板との接触面積が減少する。

　このように、エンドプレートＡと集電板Ａとの間に弾性部材を配置することで、エンドプレートＡと集電板Ａとが、直接接触しない。このため、エンドプレートＡと集電板Ａとの間の空気が断熱材として機能し、集電板ＡからエンドプレートＡへ伝導する熱量が減少し、燃料電池スタックから外部へ放出される熱量が減少する。

　さらに本発明では、「弾性部材とエンドプレートＡとの接触面積」を小さくすることで、集電板Ａから弾性部材を介してエンドプレートＡへ伝導する熱量が減少し、燃料電池スタックから外部へ放出される熱量が減少する。

　このように、本発明の燃料電池スタックでは、外部に放出される熱量が少ないので、燃料電池の発電によって生じた熱を効率的に回収することができる。

　このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体に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手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物（以下単に「積層物」とも称する）に荷重を印加し、荷重を印加した状態の積層物を剛性を有する環状バンドで巻き込み、保持すればよい。また、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物に荷重を印加し、荷重を印加した状態の積層物を締結ロッドで固定してもよい。セル積層体に荷重を印加することで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。

　さらに、本発明は、燃料電池スタックが環状バンドによって保持されるときのエンドプレートの形状にも特徴を有する。具体的には、燃料電池スタックが環状バンドによって保持される場合、エンドプレートの環状バンドに対向する面（以下「環状バンド対向面」とも称する）は、凹凸形状を有し、かつ凸曲面であることが好ましい（図６、図７参照）。
　以下、燃料電池スタックが環状バンドによって保持されるときのエンドプレートの形状を、ａ）エンドプレートの環状バンド対向面と、ｂ）エンドプレートの集電板対向面とに分けて説明する。

　ａ）エンドプレートの環状バンド対向面の形状について
　燃料電池スタックが環状バンドによって保持される場合、上述のようにエンドプレートの環状バンド対向面は、凹凸形状を有する（図６参照）。すなわち、エンドプレートの環状バンド対向面は、凸部および凹部を有する。ここで、凸部とは、エンドプレートの環状バンド対向面に形成されたリブなどを含み、凹部とは、凸部によって規定された領域を意味する。

　エンドプレートの環状バンド対向面の凸部の頂面は、環状バンドと接触する。一方、エンドプレートの環状バンド対向面の凹部は、環状バンドと接触しない。このように、環状バンドが、エンドプレートの環状バンド対向面の凸部の頂面のみと接触し、凹部と接触しないことから、環状バンドとエンドプレートとの接触面積が少ない。
　このように、環状バンドとエンドプレートとの接触面積を小さくすることで、エンドプレートから環状バンドへ伝導する熱量が減少する。それにより、燃料電池スタックから外部へ放出される熱量が減少し、燃料電池の発電によって生じた熱を効率的に回収することができる。

　また、本発明では、エンドプレートの環状バンド対向面に形成されたリブは、環状バンドの巻き込み方向に沿っていることが好ましい（図６参照）。環状バンド対向面のリブ（凸部）が、環状バンドの巻き込み方向に沿うことで、エンドプレートの巻き込み方向に対する強度をさらに高めることができ、スタックが環状バンドによって保持される場合に、エンドプレートの変形を防止できる。エンドプレートが変形すると、セル積層体に均一な荷重を印加できずセル内およびセル間の接触面積が増加し、発電効率が低下する。エンドプレートの環状バンド対向面は、もちろん、環状バンドの巻き込み方向に沿ったリブ以外のリブを有していてもよい。

　また、エンドプレートの環状バンド対向面は、頂線（図６の線Ｙ参照）および底線（図６の線Ｚ参照）を有する凸曲面であることが好ましい。ここで、「底線」とは、エンドプレートの環状バンド対向面の縁のうち、頂線に平行な縁を意味する。頂線および底線は、環状バンドの巻き込み方向に垂直である。また、環状バンド対向面（凸曲面）は頂線を含む中央領域（図６の１０５ｃ参照）と；中央領域を挟み、かつ底線を含む端部領域（図６の１０５ｅ参照）と、からなる。中央領域および端部領域は共に曲面であるが、中央領域の曲率半径と端部領域の曲率半径とは異なることが好ましい。具体的には、中央領域の曲率半径（図７のα参照）は、端部領域の曲率半径（図７のβ参照）よりも大きいことが好ましい。

　このように、エンドプレートの環状バンド対向面を、凸曲面とすることで、セル積層体に均一な荷重を加えることができる。セル積層体に均一な荷重が加わることで、セル内およびセル間の接触抵抗が減少する。また、中央領域の曲率半径を、端部領域の曲率半径よりも大きくすることで、エンドプレートに加わる環状バンドによる応力を分散することができる。このため、中央領域の曲率半径を、端部領域の曲率半径よりも大きくすると、エンドプレートの厚さを薄くしてもエンドプレートがゆがむ恐れが少ない。

　また、本発明では、端部領域の面積に対する、端部領域内の環状バンドと接触する領域の面積の割合（以下単に「端部領域の接触面積の割合」とも称する）が高いことが好ましい（図６参照）。端部領域の接触面積の割合を高くすることで、環状バンドによるエンドプレートへの応力を分散させ、エンドプレートの変形防止効果をより高めることができる。

　より具体的には、端部領域の接触面積の割合は、中央領域の面積に対する、中央領域内の環状バンドと接触する領域の面積の割合（以下単に「中央領域の接触面積の割合」とも称する）よりも大きいことが好ましい。また、端部領域の接触面積の割合は、具体的には、５０％～１００％であることが好ましい。

　ｂ）エンドプレートの集電板対向面の形状について
　燃料電池スタックが環状バンドによって保持される場合、エンドプレートの集電板対向面に形成されたリブは、環状バンドの巻き込み方向に沿っていることが好ましい（図５参照）。集電板対向面のリブ（凸部）が、環状バンドの巻き込み方向に沿うことで、エンドプレートの巻き込み方向に対する強度をさらに高めることができる。もちろん、エンドプレートの集電板対向面は、環状バンドの巻き込み方向に沿ったリブ以外のリブを有していてもよい。

　また、積層物が環状バンドによって保持されている場合、エンドプレートの環状バンドに覆われない側面のうち接地面側の側面（図１３の２０５ｓ参照）は、凹凸形状を有することが好ましい（図１３の１５１参照）。燃料電池スタックの環状バンドから露出した側面は、接地面ともなりうる。接地面が凹凸形状を有すると、接地面からの熱の流出を抑えることができる。

　このように、本発明の燃料電池スタックによれば、環状バンドで燃料電池スタックを保持した場合であっても、エンドプレートが変形しにくい。このため、本発明の燃料電池スタックでは、セル積層体に均一な荷重を加えることができ、セル内およびセル間の接触抵抗が低くなる。したがって、高い発電効率を得られる。

　以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。

　［実施の形態１］
　実施の形態１では、エンドプレートＡと集電板Ａとの間に、２以上の弾性部材を有し、かつエンドプレートＢと集電板Ｂとの間にも、２以上の弾性部材を有する燃料電池スタックについて説明する。

　図３は、実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図である。図３に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、一対の集電板（１０３Ａ、１０３Ｂ）、弾性部材１０７（不図示）、一対のエンドプレート（１０５Ａ、１０５Ｂ）、環状バンド１０９を有する。燃料電池スタック１００は、酸化ガス供給口１１１、冷媒供給口１１３、燃料ガス供給口１１５、燃料ガス排出口１１７、冷媒排出口１１９および酸化ガス排出口１２１を有する。

　図４は燃料電池スタック１００の一点鎖線Ａによる断面図である。図４に示されるように、セル積層体１０１は、一対の集電板（１０３Ａおよび１０３Ｂ）によって挟まれ、セル積層体１０１および一対の集電板は一対のエンドプレート（１０５Ａおよび１０５Ｂ）によって挟まれる。また、燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０５Ａと集電板１０３Ａとの間に複数の弾性部材１０７を有し、エンドプレート１０５Ｂと集電板１０３Ｂとの間に複数の弾性部材１０７を有する。このため、エンドプレート１０５Ａと集電板１０３Ａとは直接接触せず、エンドプレート１０５Ｂと集電板１０３Ｂとは直接接触しない。

　環状バンド１０９は、セル積層体１０１、一対の集電板および一対のエンドプレートからなる積層物１０８を巻き込むことで保持する。以下、エンドプレート１０５Ａの形状について詳細に説明する。エンドプレート１０５Ｂの形状は、エンドプレート１０５Ａと同じであることから説明を省略する。

　図５Ａは、エンドプレート１０５Ａの集電板対向面側からの斜視図である。図５Ａに示されるようにエンドプレート１０５Ａの集電板対向面は、凸部１３１を有する。凸部１３１は、リブを含み、凹部を規定する。凸部１３１によって規定される凹部には弾性部材１０７を保持する保持凹部１３３が含まれる。

　また、図５Ａにおける矢印Ｘは、環状バンドの巻き込み方向を示す。図５Ａに示されるように、エンドプレート１０５Ａの集電板対向面は、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿ったリブ１３１Ｌを有する。

　図５Ｂは保持凹部１３３の正面図である。図５Ｂに示されるように、保持凹部１３３の底面は、第２凸部１３５および第２凹部１３７を有する。第２凸部１３５の高さはエンドプレート１０５Ａの凸部１３１の高さよりも低い。
　このように保持凹部１３３が第２凸部１３５および第２凹部１３７を有することで、弾性部材１０７と保持凹部１３３の底面の一部とが接触せず、弾性部材１０７とエンドプレート１０５Ａとの接触面積が減少する（図２参照）。

　図６は、エンドプレート１０５Ａの環状バンド対向面側からの斜視図である。図６における矢印Ｘは、環状バンドの巻き込み方向を示す。図６に示されるようにエンドプレート１０５Ａの環状バンド対向面の中央領域１０５ｃは、凸部１４１および凹部１４３を有する。また、凸部１４１には、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿ったリブ（凸部）１４１Ｌが含まれる。凸部１４１の頂面は、環状バンドと接触する。一方で凹部１４３は環状バンドとは接触しない。このように、環状バンドに接触するエンドプレートの面積が小さいことから、エンドプレートから環状バンドに伝導する熱が少なく、外部に放出される熱量が少ない。

　また、エンドプレート１０５Ａの環状バンド対向面は、環状バンドの巻き込み方向Ｘと垂直な頂線Ｙおよび底線Ｚを有する凸曲面である。凸曲面は、頂線を含む中央領域１０５ｃおよび底線Ｚを含む端部領域１０５ｅとからなる。端部領域１０５ｅは中央領域１０５ｃを挟む。

　また、上述のように中央領域１０５ｃは、環状バンドと接触しない凹部１４３を有するが、端部領域１０５ｅは、凹部を有さない。このため、端部領域１０５ｅの接触面積の割合が、中央領域１０５ｃの接触面積の割合よりも大きい。

　図７は、図６に示されたエンドプレート１０５Ａの一点鎖線ＡＡによる断面図である。また、図７では、凹部１３３を省略する。図７に示されるように、凸曲面は、頂線Ｙを含む中央領域１０５ｃおよび底線Ｚを含む端部領域１０５ｅとからなる。図７に示されるように、中央領域１０５ｃの曲率半径αは、端部領域１０５ｅの曲率半径βよりも大きい。

　このように、エンドプレート１０５の環状バンド対向面を、凸曲面とすることで、セル積層体に均一な荷重を印加することができる。

　また、端部領域１０５ｅの接触面積の割合を大きくすることで、環状バンド１０９によるエンドプレート１０５Ａへの応力の集中を低減することができる。さらに、中央領域１０５ｃの曲率半径を、端部領域１０５ｅの曲率半径よりも大きくすることで、エンドプレート１０５Ａへの応力の集中を低減することができ、エンドプレート１０５Ａの厚さを薄くすることができる。

　次に集電板１０３Ａの形状について説明する。集電板１０３Ｂの形状は集電板１０３Ａと同じであることから説明を省略する。
　図８Ａは、集電板１０３Ａのエンドプレート１０５Ａに対向する面側からの斜視図である。図８Ａに示されるように、集電板１０３Ａは、弾性部材１０７を保持する保持凹部１５３を有する。

　図８Ｂは集電板１０３Ａの保持凹部１５３の正面図である。図８Ｂに示されるように、保持凹部１５３の底面は、第３凸部１５５および第３凹部１５７を有する。
　このように集電板１０３Ａの保持凹部１５３が第３凸部１５５および第３凹部１５７を有することで、弾性部材１０７と集電板１０３Ａとの接触面積が減少する（図２参照）。

　このように、本実施の形態によれば、エンドプレートと集電板とが直接接触しない。さらに、本実施の形態によれば、弾性部材とエンドプレートとの接触面積および弾性部材と集電板との接触面積が小さい。このため、本実施の形態によれば、集電板からエンドプレートへ伝導し、外部へ放出される熱量が少ない。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。

　また、本実施の形態によれば、環状バンドで燃料電池スタックを保持した場合であっても、エンドプレートが変形しにくい。このため、セル積層体に均一な荷重を加えることができ、高い発電効率を得られる。

　［実施の形態２］
　実施の形態１では、エンドプレートＢと集電板Ｂとの間にも、弾性部材を有する燃料電池スタックについて説明した。実施の形態２では、エンドプレートＢと集電板Ｂとの間に弾性部材を有さない燃料電池スタックについて説明する。

　図９は、実施の形態２の燃料電池スタック２００の断面図である。図９に示されるように、燃料電池スタック２００は、エンドプレート１０５Ａと集電板１０３Ａとの間に、弾性部材１０７を有するが、エンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとの間には、弾性部材１０７を有さない。このためエンドプレート２０５Ｂの集電板対向面は、集電板２０３Ｂとの接触面である。また、本実施の形態では、集電板２０３Ｂは集電板１０３Ａと異なり、凹部を有さない。

　実施の形態２の燃料電スタック２００は、エンドプレート２０５Ｂおよび集電板２０３Ｂの形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池スタック１００と同じである。実施の形態１の燃料電池スタック１００と同一の構成要素については、同一の符号を付し説明を省略する。

　図１０は、エンドプレート２０５Ｂの集電板対向面側からの斜視図である。また、図１０における矢印Ｘは、環状バンドの巻き込み方向を示す。図１０に示されるようにエンドプレート２０５Ｂの集電板対向面は、凸部２３１および凹部２３３を有する。凸部２３１は、リブを含み、凹部２３３を規定する。

　エンドプレート２０５Ｂの集電板対向面では、リブ２３１は格子を形成する。リブが格子を形成することで、エンドプレートの集電板対向面が凹凸形状を有していても、エンドプレートの強度を保持することができる。

　また、エンドプレート２０５Ｂの集電板対向面は、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿ったリブ２３１Ｌを有する。また、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿ったリブ２３１Ｌは、エンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとが対向する領域１０２の両端まで連続している。

　図１１はエンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとが接触した様子を示す。図１１に示されるように、エンドプレート２０５Ｂの集電板対向面の凸部２３１の頂面が集電板２０３Ｂと接触する。一方、エンドプレート２０５Ｂの集電板対向面の凹部２３３は、集電板２０３Ｂと接触しない。

　集電板２０３Ｂと接触するエンドプレート２０５Ｂの凸部２３１頂面の面積の合計（エンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとの接触面積）は、エンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとが対向する領域１０２（図１０参照）の面積の１０～３０％であることが好ましい。凸部２３１の頂面の面積の合計がエンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとが対向する領域１０２の面積の１０％以下である場合、凸部２３１が集電板２０３Ｂからの圧力に耐えられずエンドプレート２０５Ｂの形状を維持できない恐れがある。一方、凸部１３１の頂面の面積の合計がエンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとが対向する領域１０２の面積の３０％以上である場合、集電板２０３Ｂからエンドプレート２０５Ｂへ伝導される熱量が増え、発電時の熱を効率的に回収できない恐れがある。

　このように、集電板２０３Ｂとエンドプレート２０５Ｂとの接触面積を小さくすることで、仮に集電板２０３Ｂとエンドプレート２０５Ｂとが直接接触する場合であっても、集電板２０３Ｂからエンドプレート２０５Ｂへ伝導する熱量が減少する。それにより、燃料電池スタックから外部へ放出される熱量が減少する。

　図１２は、エンドプレート２０５Ｂの環状バンド対向面側からの斜視図である。図１２における矢印Ｘは、環状バンドの巻き込み方向を示す。図１２に示されるように、エンドプレート２０５Ｂの環状バンド対向面は、環状バンドの巻き込み方向Ｘと垂直な頂線Ｙおよび底線Ｚを有する凸曲面である。凸曲面は、頂線を含む中央領域２０５ｃおよび底線Ｚを含む端部領域２０５ｅとからなる。端部領域２０５ｅは中央領域２０５ｃを挟む。

　エンドプレート２０５Ｂの環状バンド対向面は、凸部２４１および凹部２４３を有する。エンドプレート２０５Ｂの環状バンド対向面では、凸部２４１は、リブを含み、リブ２４１は中央領域２０５ｃ内に格子を形成する。また、エンドプレート２０５Ｂの環状バンド対向面は、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿ったリブ（凸部）２４１Ｌを有する。凸部２４１の頂面は、環状バンドと接触する。一方で凹部２４３は環状バンドとは接触しない。

　また、環状バンドと接触しない凹部２４３の面積は、端部領域２０５ｅで小さく、中央領域２０５ｃで大きい。このため、端部領域２０５ｅにおける接触面積の割合は、中央領域２０５ｃにおける接触面積よりも大きい。

　図１３は、エンドプレート２０５Ｂの接地面２０５ｓ側からの斜視図である。図１３に示されるようにエンドプレート２０５Ｂの接地面２０５ｓは、凸部１５１を有する。凸部１５１によりエンドプレート２０５Ｂの接地面２０５ｓと地面との接触面積を小さくすることができるので、外部に放出される熱量をさらに減少させることができる。

　このように、本実施の形態の燃料電池スタックは、エンドプレートＢと集電板Ｂとの間に弾性部材を有さないことから、部品数が少ない。このため、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、組み立てが容易な燃料電池スタックが提供される。

　［実施の形態３］
　実施の形態３では、実施の形態２の燃料電池スタック２００のエンドプレート２０５Ｂの集電板対向面の中央に突起を含む領域を設けた形態について説明する。本実施の形態の燃料電池スタックは、実施の形態２の燃料電池スタック２００と同様に、エンドプレートＢと集電板Ｂとの間に弾性部材を有さない。

　実施の形態３の燃料電池スタック３００は、エンドプレートＢが集電板対向面の中央に突起を含む領域を有する以外は、実施の形態２の燃料電池スタック２００と同じである。したがって、実施の形態３では、エンドプレートＢ以外の説明は省略する。

　図１４は、実施の形態３のエンドプレート３０５Ｂの集電板に対向する面側からの斜視図である。図１４に示されるように、エンドプレート３０５Ｂは、その中央に凸部２３１からの突起を含む領域３０６（以下「突起領域３０６」とも称する）を有する。ここで、「突起」とは、エンドプレート３０５Ｂの凸部２３１の頂面に形成された突起を意味する。

　図１５は、突起領域３０６の拡大平面図である。図１５に示されるように、突起領域３０６は、突起３０７を有する。突起の高さは０．０５～０．１５ｍｍであることが好ましい。突起領域３０６は、図１５Ａに示されるように複数の突起３０７を有してもよいし、図１５Ｂに示すように、一つの突起３０７を有してしてもよい。図１５Ｂのように突起領域３０６が一つの突起３０７のみを有する場合、突起領域３０６内の凸部２３１自体が、突起領域３０６以外の凸部２３１よりも高く形成される。突起領域３０６は、長軸および短軸を有することが好ましい。さらに、突起領域３０６の短軸は、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿っていることが好ましい。

　図１６Ａは図１５Ａに示された突起領域３０６の一点鎖線ＡＡによる断面図である。図１６Ａに示されるように、突起領域３０６の中央の突起３０７は、突起領域３０６の端部の突起３０７よりも高いことが好ましい。図１６Ｂは図１５Ｂに示された突起領域３０６の一点鎖線ＡＡによる断面図である。図１６Ｂに示されるように、突起領域３０６が一つの突起のみを有する場合、突起３０７は、凸曲状であり、突起３０７の高さは突起領域３０６の中央で最も高くなることが好ましい。このように、突起領域３０６の中央部の突起３０７は、突起領域３０６の周辺部の突起３０７よりも高いことが好ましい。

　以下図１７Ａおよび図１７Ｂを参照し、突起領域３０６の効果について説明する。図１７Ａに示された燃料電池スタックのエンドプレート２０５Ｂは突起領域３０６を有さず、図１７Ｂに示された燃料電池スタックのエンドプレート３０５Ｂは突起領域３０６を有する。

　図１７Ａに示されるように、環状バンド１０９でセル積層体１０１、集電板２０３Ｂおよびエンドプレート２０５Ｂを保持した場合、エンドプレートが変形し、エンドプレート２０５Ｂと集電板２０３Ｂとの間に隙間Ｇが生じる場合がある。このような場合、突起領域３０６を有さないエンドプレート２０５Ｂは、集電板２０３Ｂの中央部に荷重を伝えることができず、セル積層体１０１に均一な荷重を印加することができない。

　一方、本実施の形態のように、エンドプレート３０５Ｂが突起領域３０６を有する場合、例えエンドプレート３０５Ｂが変形した場合であっても、突起領域３０６の突起３０７によって、集電板２０３Ｂの中央部に荷重を伝えることができる。このためエンドプレートが変形した場合であってもセル積層体１０１に均一な荷重を印加することができる。

　また、図１７に示されたようにエンドプレートの変形によって生じる隙間Ｇは、集電板の中央部付近で最も大きくなる。したがって、上述のように、突起領域３０６をエンドプレート３０５の集電板対向面の中央に設け、突起領域３０６の中央部の突起３０７を、突起領域３０６の周辺部の突起３０７よりも高くすることで（図１６参照）、エンドプレートが変形した場合に、集電板２０３Ｂに接する突起領域３０６がより平坦になり、セル積層体により均一な荷重を印加することができる。

　また、エンドプレートの変形によって生じる隙間Ｇは、通常、長軸および短軸を有し、短軸が環状バンドの巻き込み方向に沿う。したがって、上述のように突起領域３０６の短軸を、環状バンドの巻き込み方向Ｘに沿うように構成することで（図１５参照）、エンドプレートが変形した場合に、集電板２０３Ｂに接する面がより平坦になり、セル積層体により均一な荷重を印加することができる。

　このように本実施の形態によれば、仮にエンドプレートが変形した場合であったとしても、セル積層体に均一な荷重を印加することができる。

　本出願は、２００９年３月１７日出願の特願２００９－０６４１５２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

　本発明の燃料電池スタックでは、外部へ放出される熱量が少ないことから、家庭用コージェネレーションシステムに利用される燃料電池スタックとして有用である。

　１００、２００　燃料電池スタック
　１０１　セル積層体
　１０２　集電板とエンドプレートとが対向する領域
　１０３、２０３　集電板
　１０５、２０５、３０５　エンドプレート
　１０７　弾性部材
　１０８　セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物
　１０９　環状バンド
　１１１　酸化ガス供給口
　１１３　冷媒供給口
　１１５　燃料ガス供給口
　１１７　燃料ガス排出口
　１１９　冷媒排出口
　１２１　酸化ガス排出口
　１３１、２３１　エンドプレートの集電板対向面の凸部
　１３３、２３３　エンドプレートの集電板対向面の凹部
　１４１、２４１　エンドプレートの環状バンド対向面の凸部
　１４３、２４３　エンドプレートの環状バンド対向面の凹部
　１５１　エンドプレートの接地面側の側面の凸部
　１３５　第２凸部
　１３７　第２凹部
　１５３　集電板の凹部
　１５５　第３凸部
　１５７　第３凹部
　３０６　突起領域
　３０７　突起

Claims (15)

1. 　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積層したセル積層体と、
   　前記セル積層体を挟み、集電板Ａおよび集電板Ｂからなる一対の集電板と、
   　前記セル積層体および前記集電板を挟み、エンドプレートＡおよびエンドプレートＢからなる一対のエンドプレートと、
   　前記エンドプレートＡと前記集電板Ａとの間に配置された弾性部材と、を有する燃料電池スタックであって、
   　前記エンドプレートＡの前記集電板Ａに対向する面は、凹凸形状を有し、
   　前記エンドプレートＡの凹部は、前記弾性部材を保持し、前記凹部の底面は、第２凸部および第２凹部を有する、燃料電池スタック。
2. 　前記弾性部材は、前記第２凸部の頂面と接触する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 　前記集電板Ａは、前記弾性部材を保持する凹部を有し、
   　前記集電板Ａの凹部の底面は、第３凸部および第３凹部を有し、
   　前記弾性部材は、前記第３凸部の頂面と接触する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 　前記弾性部材はコイルスプリングである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 　前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面は、凹凸形状を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
6. 　前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとの間に配置された弾性部材をさらに有し、
   　前記エンドプレートＢの凹部は、前記弾性部材を保持し、前記凹部の底面は、第２凸部および第２凹部を有する、請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 　前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとの間に弾性部材を有さず、
   　前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面は、前記集電板Ｂとの接触面であり、前記エンドプレートＢの凸部の頂面と前記集電板Ｂとが接触する、請求項５に記載の燃料電池スタック。
8. 　前記集電板Ｂと接触する前記エンドプレートＢの凸部の頂面の面積の合計は、前記エンドプレートＢと前記集電板Ｂとが対向する領域の面積の１０～３０％である、請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 　前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面の凸部は、前記エンドプレートＢの前記集電板Ｂに対向する面に形成されたリブを含み、
   　前記リブは格子を形成する、請求項７に記載の燃料電池スタック。
10. 　前記セル積層体、前記一対の集電板、および前記一対のエンドプレートを巻き込むことによって、保持する環状バンドをさらに有し、
    　前記エンドプレートの前記環状バンドに対向する面は、凹凸形状を有し、
    　前記エンドプレートの前記環状バンドに対向する面の凸部の頂面と、前記環状バンドとが接触する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
11. 　前記エンドプレートの前記集電板に対向する面は、凹凸形状を有し、
    　前記エンドプレートの前記集電板に対向する面の凸部は、前記エンドプレートの前記集電板に対向する面に形成されたリブを含み、
    　前記リブは、前記環状バンドの巻き込み方向に沿っている、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
12. 　前記エンドプレートの前記環状バンドに対向する面の凸部は、前記エンドプレートの前記環状バンドに対向する面に形成されたリブを含み、
    　前記リブは、前記環状バンドの巻き込み方向に沿っている、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
13. 　前記エンドプレートの前記環状バンドに対向する面は、前記環状バンドの巻き込み方向に垂直な頂線および底線を有する凸曲面であり、
    　前記凸曲面は、前記頂線を含む中央領域と、前記中央領域を挟み、かつ前記底線を含む端部領域とからなり、
    　前記中央領域の曲率半径は、前記端部領域の曲率半径よりも大きい、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
14. 　前記端部領域の面積に対する、前記端部領域内の前記環状バンドと接触する領域の面積の割合は、
    　前記中央領域の面積に対する、前記中央領域内の前記環状バンドと接触する領域の面積の割合よりも大きい、請求項１３に記載の燃料電池スタック。
15. 　前記エンドプレートは、樹脂からなる、請求項１に記載の燃料電池スタック。

Images