(57)【要約】【課題】  締結具のヘッド部の外径拡大や締結点数の増加を伴うことなく、エンドプレートの曲げ剛性の確保および重量低減の相反する機能を両立させる。【解決手段】  固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配置し、それらを一対のセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して積層体を構成し、この積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持する。一対のエンドプレート相互間を、軸部１３と軸部１３の端部に位置して軸部１３より大きな外径のヘッド部１５とをそれぞれ備えたテンションロッド１１を用いて締結固定する。このテンションロッド１１に、軸部１３とヘッド部１５とを連結する板状部材からなる補強部１７を設ける。補強部１７によってヘッド部１５の曲げ剛性が高まり、エンドプレートの変位を抑制する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配置し、それらを一対のセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して積層体を構成し、この積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持し、この一対のエンドプレート相互間を、軸部と軸部の端部に位置して軸部より大きな外径のヘッド部とをそれぞれ備えた締結具で締結固定する燃料電池スタックにおいて、前記締結具に、前記ヘッド部の前記エンドプレートから離れる方向の曲げ剛性を高める補強部を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記補強部は前記締結具の軸部とヘッド部とを連結することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記補強部を板状部材で構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記締結具の配置位置を支持点とした前記エンドプレートの積層方向への曲げ作用に対抗する位置に、前記補強部が位置するよう前記締結具を締結することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートに前記補強部が入り込む凹部を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、前記凹部は、前記補強部が当接して前記締結具の回転を規制する回転規制部を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記補強部は、前記ヘッド部の前記エンドプレート対向面から前記軸部の先端側に向けて細くなる円錐形状のテーパ部を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートに前記テーパ部が入り込む凹部を設け、この凹部は、前記テーパ部が接触する凹状のテーパ面を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ヘッド部は、前記軸部の先端側に形成したねじ部に螺合するナットであることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単位電池の積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持し、この一対のエンドプレート相互間を締結具によって締結固定する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配置し、それらを一対のセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して積層体を構成し、この積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持固定している。
【０００３】
そして、この一対のエンドプレート相互間を加圧手段で加圧しつつ締結ロッドで締結固定するものが、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−３３１９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した積層体を両側から挟持固定するエンドプレートには、発電性能向上やガスシール性確保のため、加圧手段からの圧力をスタック内の電極やガスシール部に均等に付与できるように、積層方向への変位を抑制する曲げ剛性の確保と、燃料電池スタック単位重量あたりの出力向上のための重量低減および燃料電池スタック小型化のための厚さ低減とが、それぞれ求められる。
【０００５】
このように、エンドプレートには、曲げ剛性の確保に伴う重量増加と、出力向上や小型化の要求に伴う重量低減の相反する機能の両立が求められる。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、エンドプレート自体に上記の相反する機能の達成を要求してしまうため、エンドプレートの曲げ剛性の確保と、出力向上や小型化のための重量低減との双方を達成することは困難となっている。
【０００７】
また、締結ロッドのヘッド部の外径拡大や締結点数の増加によりエンドプレートの剛性を補う場合、外径拡大や部品点数増加による重量増加や組立性悪化などの問題が発生する。
【０００８】
そこで、本発明は、締結具のヘッド部の外径拡大や締結点数の増加を伴うことなく、エンドプレートの曲げ剛性の確保および重量低減の相反する機能を両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配置し、それらを一対のセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して積層体を構成し、この積層体の両端を一対のエンドプレートで挟持し、この一対のエンドプレート相互間を、軸部と軸部の端部に位置して軸部より大きな外径のヘッド部とをそれぞれ備えた締結具で締結固定する燃料電池スタックにおいて、前記締結具に、前記ヘッド部の前記エンドプレートから離れる方向の曲げ剛性を高める補強部を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、一対のエンドプレート相互間を締結固定する締結具に、そのヘッド部の曲げ剛性を高める補強部を設けたので、この補強部がエンドプレートの変位を抑制し、締結具におけるヘッド部の外径拡大や締結点数を増加することなく、エンドプレートの剛性を補うことができ、したがってエンドプレートの曲げ剛性の確保および重量低減の相反する機能を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
まず、本発明の全実施形態にわたって共通するか、または類似する部分の基本となる構成および作用を、図１を用いて説明する。本発明に係わる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池とする。）であり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１３】
図１は燃料電池スタックの全体を示す斜視図である。この燃料電池スタックは、１Ｖ程度の起電圧を生じる単位電池１を複数積層して積層体３を形成する。積層体３を構成する複数の単位電池１は、それぞれが燃料電池として機能する。積層体３の積層方向両端には、集電板５，絶縁板７，エンドプレート９をそれぞれ順に配置し、これにより燃料電池スタックを構成する。
【００１４】
そして、この燃料電池スタックは、四隅に配置して内部を貫通するテンションロッド１１を用いて締結する。なお、ここでテンションロッド１１の本数は４本（四隅）とは限らず、所望の締結力が確保できる仕様であるならばその限りではない。
【００１５】
集電板５は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、絶縁板７は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成する。エンドプレート９は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成する。また、２枚の集電板５には、それぞれ出力端子５ａを設けてあり、燃料電池スタックで生じた起電力を、この出力端子５ａを介して出力する。
【００１６】
なお、上記した燃料電池スタックの締結方法は、テンションロッド１１を積層体３の内部に貫通させる必要はなく、エンドプレート９の外周縁部を積層体３の外周縁部より外側に突出させるようエンドプレート９を大きく形成し、この外側に突出したエンドプレート９同士を締結するようにしてもよい。
【００１７】
（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態に係わるテンションロッド１１を示す。図２（ａ）はテンションロッド１１の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の底面図である。
【００１８】
テンションロッド１１は、前記図１に示した積層体３，集電板５，絶縁板７，エンドプレート９の内部を貫通した貫通孔に挿入する軸部１３と、軸部１３の端部に位置して軸部１３より大径で一方のエンドプレート９に締結荷重を伝達するヘッド部１５と、軸部１３とヘッド部１５とを連結する三角形状の板状部材からなる補強部１７とを、それぞれ備えている。
【００１９】
補強部１７は、軸部１３を間に挟んで互いに対向する位置に一対設け、ヘッド部接合端面１７ａがヘッド部１５のエンドプレート９に対向する面１５ａに接合し、軸部接合端面１７ｂが軸部１３のヘッド部１５近傍の外周面１３ａに接合している。この補強部１７は軸部１３およびヘッド部１５と一体化したものでも、また軸部１３およびヘッド部１５に対して溶接などで後から取り付けてもよい。
【００２０】
軸部１３のヘッド部１５と反対側の端部には、ねじ部１３ｂを形成し、ねじ部１３ｂを図１に示してあるヘッド部１５と反対側のエンドプレート９から外部に突出させ、この突出させたねじ部１３ｂに図示しないナットを螺合させる。
【００２１】
この図示しないナットは、前記したヘッド部１５と同様に、軸部１３より大きな外径のヘッド部を構成しており、したがって、前記した軸部１３，ヘッド部１５および補強部１７を備えたテンションロッド１１と、上記したナットとで、軸部と軸部の端部に位置して軸部より大きな外径のヘッド部とをそれぞれ備えた締結具を構成している。
【００２２】
上記したテンションロッド１１は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成し、単位電池１同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施す。また、テンションロッド１１による締結区間内には、例えばバネ鋼などの荷重付与手段を介在させる場合がある。
【００２３】
次に、本実施形態におけるエンドプレート９の変位抑制原理について説明する。
【００２４】
図３は、燃料電池スタックに所定の荷重を付与した際の変位動作説明図で、（ａ）はエンドプレート９の変位に伴うテンションロッド１１の変形を示し、（ｂ）はテンションロッド１１近傍位置Ｐでのエンドプレート９の変位を示す。一方図４は、本実施形態のテンションロッド１１に対して補強部１７を備えていない従来のテンションロッド１１０を用いた場合の図３と同様の変位動作説明図である。
【００２５】
これによれば、従来のテンションロッド１１０に対し、本実施形態のテンションロッド１１においては、補強部１７が、ヘッド部１５のエンドプレート９から離れる方向の曲げ変形を抑制（θ1＞θ2）する。その結果、図５に示すように、エンドプレート９の最大変位δを、従来のδ1に対してδ2と低減（δ1＞δ2）できる。
【００２６】
次に、図６（ａ）を用いて、第１の実施形態によるテンションロッド１１のエンドプレート９上への配置例を示す。図６中に一点鎖線で示したエンドプレート９の変位を抑制したい方向に対し、テンションロッド１１に設けた補強部１７の向きを合わせている。すなわち、テンションロッド１１の配置位置を支時点としたエンドプレート１１の積層方向への曲げ作用に対抗する位置に補強部１７が位置するようテンションロッド１１を締結する。これにより、補強部１７によるヘッド部１５の曲げ変形抑制効果、ひいてエンドプレート９の変位抑制効果を得ることができる。
【００２７】
図６（ｂ）は、図６（ａ）に対しテンションロッド１１の位置を変化させた場合である。また、図７（ａ）は円形のエンドプレート１１Ａ、図７（ｂ）は三角形状のエンドプレート１１Ｂを使用した例を示す。いずれも、エンドプレート９，９Ａ，９Ｂの一点鎖線で示した変位を抑制したい方向に対して、テンションロッド１１の補強部１７の向きを合わせている。
【００２８】
次に、図８を用いてテンションロッド１１の位置決め機能について説明する。図８（ａ）は図６におけるエンドプレート９およびテンションロッド１１のＡ−Ａ断面図、図８（ｂ）は図６における同Ｂ−Ｂ断面図である。
【００２９】
これら図８（ａ），（ｂ）に示すように、エンドプレート９には、補強部１７が入り込んでエンドプレート９との干渉を回避する凹部としての溝１９を形成する。溝１９ａは、図８（ｂ）に示すように、その幅を板状の補強部１７の厚さより僅かに大きくすることで、補強部１７と溝１９とがキーとキー溝との関係となり、テンションロッド１１のエンドプレート９に対する回転自由度を無くして位置決めを容易に行える。すなわち、溝１９の側面１９ａは、図示しないナットのねじ部１３ｂへの螺合時に補強部１７が当接してテンションロッド１１の回転を規制する回転規制部となる。
【００３０】
ここで、上記した溝１９ａを、前記図６，図７に示したエンドプレート９，９Ａ，９Ｂの一点鎖線で示した変位を抑制したい方向に合わせよう形成することで、補強部１７の向きを、エンドプレート９，９Ａ，９Ｂの一点鎖線で示した変位を抑制したい方向に容易に合わせることができる。
【００３１】
また、補強部１７が溝１９内に入り込むことで、テンションロッド１１は、エンドプレート９に締結したときに、エンドプレート９への片当たりを防止し、面圧分布の均一化を図ることができる。
【００３２】
なお、図９，図１０に示すように、テンションロッド１１に設けた補強部１７の配置数や配置位置は、エンドプレート９の変位を抑制したい方向に合わせ自由に設定できる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態に係わるテンションロッド１１を示す。図１１（ａ）はテンションロッド１１の正面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の底面図である。このテンションロッド１１は、前記した第１の実施形態によるテンションロッド１１における板状の補強部１７に代えて、軸部１３とヘッド部１５とを連結するテーパ部２１を設けている。テーパ部２１は、ヘッド部１５のエンドプレート対向面から軸部１３の先端側に向けて細くなる円錐形状を呈しており、例えばテンションロッド１１を機械加工にて製造する際に意図的に残すことで容易に設けることができる。
【００３４】
次に、図１２を用いて図１１のテンションロッド１１とエンドプレート９との嵌め合い構造について説明する。エンドプレート９には、テンションロッド１１のテーパ部２１が入り込んで接触する凹部としての凹状のテーパ面２３を形成する。これにより、テンションロッド１１は、エンドプレート９に締結したときに、テンションロッド１１とエンドプレート９との接触面積が増加してエンドプレート９への片当たりを防止し、面圧分布の均一化を図ることができる。また、テンションロッド１１のエンドプレート９に対する回転方向の位置の制限がないことから組立性が向上する。
【００３５】
図１３，図１４は、上記図１１に示したテーパ部２１の変形例を示す。図１３のテーパ部２１Ａは、軸部１３からヘッド部１５の外周側の端部との間を、凹状の曲面に形成している。この場合、エンドプレート９側には、テーパ部２１Ａが入り込む凹部を設け、この凹部の内面形状を、テーパ部２１Ａの凹状の曲面に対応する凸状の曲面とする。この凸状の曲面は、テーパ部２１Ａの凹状の曲面に全面が接触してもよく、凹状の曲面に沿った一部が全周にわたり接触してもよい。
【００３６】
一方図１４のテーパ部２１Ｂは、ヘッド部１５側の端部２１Ｂａをヘッド部１５の外周側端部より中心側として、ヘッド部１５の外周側にエンドプレート９に対向する面１５ｂを形成している。この場合、テーパ部２１Ｂが入り込むテーパ状の凹部をエンドプレート９に設け、テーパ部２１Ｂをこの凹部内の全面またはテーパ部の傾斜に沿った一部の全周に接触させるとともに、面１５ｂをエンドプレート９の表面に接触させる。あるいは、面１５ｂをエンドプレート９に接触させず、テーパ部２１Ｂを凹部内の全面またはテーパ部の傾斜に沿った一部の全周に接触させてもよい。
【００３７】
このように、テンションロッド１１に設けるテーパ部２１は、ヘッド部１５の剛性を補助できる形状であればどのような形状でも構わない。
【００３８】
（第３の実施形態）
図１５に、本発明の第３の実施形態に係わる締結具を示す。この締結具は、前記図４に示した従来のテンションロッド１１０を使用し、テンションロッド１１０のねじ部１３ｂに螺合するナット２５に、前記図１１に示した第２の実施形態おけるテンションロッド１１のテーパ部２１と同様のテーパ部２７を補強部として設けている。このテーパ部２７に対応してエンドプレート９に、前記図１２に示したテーパ面２３と同様なテーパ面を設ける。これにより、ナット２５を設けた側のエンドプレート９に対しても、変位抑制効果を発揮することができる。
【００３９】
なお、上記したナット２５のテーパ部２７に代えて、図２に示した第１の実施形態のような板状部材からなる補強部を設けてもよい。
【００４０】
また、テンションロッド１１に補強部を設ける構成と、ナット２５に補強部を設ける構成とを、互いに組み合わせることで、両端のエンドプレート９の変位抑制効果を期待できる。ただし、この場合、テンションロッド１１およびナット２５の各補強部を、図２に示した第１の実施形態のように板状部材とした場合には、テンションロッド１１とナット２５のいずれか一方の補強部が、エンドプレート９に対して回転可能となるように、エンドプレート９に対する回転規制部を設定しないようにする必要がある。
【００４１】
本発明によれば、前記補強部は前記締結具の軸部とヘッド部とを連結する構成としたので、エンドプレートの変位を抑制するための機能を、締結具に容易に持たせることができる。
【００４２】
前記補強部を板状部材で構成することで、この板状部材がエンドプレートの剛性を補うことができる。
【００４３】
前記締結具の配置位置を支時点とした前記エンドプレートの積層方向への曲げ作用に対抗する位置に前記補強部が位置するよう前記締結具を締結することで、エンドプレートの変形抑制をより一層期待できる。
【００４４】
前記エンドプレートに前記補強部が入り込む凹部を設けたので、補強部とエンドプレートとの干渉を回避できて、締結具のエンドプレートへの片当たりを防ぐことができ、面圧分布の均一化を図ることができる。
【００４５】
前記凹部は、前記補強部が当接して前記締結具の回転を規制する回転規制部を備えているので、補強部のエンドプレートに対する位置決めが行え、補強部の向きを、エンドプレートの変位を抑制したい方向に合わせた状態を確保することができ、補強部のエンドプレートに対する変形抑制効果を継続して維持することができる。
【００４６】
前記補強部は、前記ヘッド部の前記エンドプレート対向面から前記軸部の先端側に向けて細くなる円錐形状のテーパ部を備えているので、補強部の加工を、締結具の生産時に容易に行え、しかも締結具のエンドプレートに対する回転方向の位置の制限がないことから組立性が向上する。
【００４７】
前記エンドプレートに前記テーパ部が入り込む凹部を設け、この凹部は、前記テーパ部が接触する凹状のテーパ面を備えているので、締結具とエンドプレートとの接触面積が増加して締結具のエンドプレートへの片当たりを防止し、面圧分布の均一化を図ることができる。また、締結具のエンドプレートに対する回転方向の位置の制限がないことから組立性が向上する。
【００４８】
前記ヘッド部を、前記軸部の先端側に形成したねじ部に螺合するナットとすることで、このナットを設けた側のエンドプレートに対しても、変位抑制効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係わるテンションロッドの正面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図３】燃料電池スタックに所定の荷重を付与した際の変形動作説明図で、（ａ）はエンドプレートの変位に伴うテンションロッドの変形を示し、（ｂ）はテンションロッド近傍でのエンドプレートの変位を示す。
【図４】従来の燃料電池スタックに所定の荷重を付与した際の変形動作説明図で、（ａ）はエンドプレートの変位に伴うテンションロッドの変形を示し、（ｂ）はテンションロッド近傍でのエンドプレートの変位を示す。
【図５】エンドプレートの変形抑制原理を示す説明図である。
【図６】第１の実施形態によるテンションロッドのエンドプレート上への配置例を示す説明図である。
【図７】図６に対しエンドプレートの形状の変更した場合のテンションロッドのエンドプレート上への配置例を示す説明図である。
【図８】（ａ）は図６のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】（ａ）は図２のテンションロッドの変形例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図１０】図９のテンションロッドによるエンドプレート上への配置例を示す説明図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係わるテンションロッドの正面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図１２】第２の実施形態におけるテンションロッドとエンドプレートとの嵌め合い構造図である。
【図１３】（ａ）は図１１のテンションロッドの変形例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図１４】（ａ）は図１１のテンションロッドの他の変形例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係わるテンションロッドおよびナットの正面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  単位電池
３  単位電池の積層体
９  エンドプレート
１１  テンションロッド（締結具）
１３  軸部
１３ｂ  ねじ部
１５  ヘッド部
１７  板状部材からなる補強部
１９  溝（凹部）
１９ａ  溝の側面（回転規制部）
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２７  テーパ部（補強部）
２３  凹状のテーパ面（凹部）
２５  ナット（締結具，ヘッド部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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