(57)【要約】【課題】  簡単な構造で軽量化および省スペース化を図り得るワーク保持装置を提供する。【解決手段】  ワーク保持装置１０は、ワークＷを第１基準面Ｐ１との間で保持する保持部２１を備える第１保持部材２０と、第１保持部材に隙間を隔てて配置される第２保持部材３０と、第１カム面２３が形成された第１熱変形部２２と、第２カム面３３が形成された第２熱変形部３２と、を有する。第１と第２の保持部材は、第１と第２の熱変形部を嵌め合わせて重ねられる。第１熱変形部は、第２熱変形部を形成する材質の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材質から形成されている。そして、温度に応じて熱変化した第１と第２の熱変形部の変形量の相違を、第１と第２のカム面を介して、第１基準面に対する保持部の変位に変換する。ワークは、例えば、複数個の燃料電池セルを積層して構成され、温度の上昇に伴って積層方向に沿って熱膨張する積層体である。【選択図】図１
2006173055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基準面と、前記第１基準面に対して離間して向かい合う第２基準面との間に配置され、温度に応じて熱変形するワークを前記第１基準面との間で保持するワーク保持装置において、
前記ワークを前記第１基準面との間で保持する保持部を備える第１保持部材と、
前記第１保持部材に隙間を隔てて配置される第２保持部材と、
前記第１保持部材に設けられ第１カム面が形成された第１熱変形部と、
前記第２保持部材に設けられ前記第１カム面に対して摺動自在な第２カム面が形成された第２熱変形部と、を有し、
前記第１保持部材および前記第２保持部材は、前記第１熱変形部と前記第２熱変形部とを嵌め合わせて重ねられ、
前記第１変形部は、前記第２変形部を形成する材質の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材質から形成されてなり、
温度に応じて熱変化した前記第１と第２の熱変形部の変形量の相違を、前記第１と第２のカム面を介して、前記第１基準面に対する前記保持部の変位に変換してなるワーク保持装置。
【請求項２】
温度の上昇に伴って熱変化した前記第１と第２の熱変形部の変形量の相違を、前記保持部が前記第１基準面から離間する方向への変位に変換することを特徴とする請求項１に記載のワーク保持装置。
【請求項３】
温度の上昇に伴って熱変化した前記第１と第２の熱変形部の変形量の相違を、前記保持部が前記第１基準面に接近する方向への変位に変換することを特徴とする請求項１に記載のワーク保持装置。
【請求項４】
前記ワークは、複数個の燃料電池セルを前記第１基準面から前記第２基準面に向かう方向に沿って積層して構成され、温度の上昇に伴って前記方向に沿って熱膨張する積層体であることを特徴とする請求項１または２に記載のワーク保持装置。
【請求項５】
前記保持部は、前記ワークに面接触する平面形状を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のワーク保持装置。
【請求項６】
前記第１と第２のカム面の傾斜角度を変更することによって、単位温度変化あたりの前記保持部の変位量を調整自在であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のワーク保持装置。
【請求項７】
前記第１と第２の熱変形部を形成する各材質の線膨張係数の差を変更することによって、単位温度変化あたりの前記保持部の変位量を調整自在であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のワーク保持装置。
【請求項８】
前記第１と第２の保持部材を形成する各材質および前記第１と第２の熱変形部を形成する各材質が持つ性質によって定まる機能をさらに有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のワーク保持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度に応じて熱変形するワークを保持するためのワーク保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を加圧し、コンプレッションが掛かった状態で当該積層体を締め付け保持している。燃料電池セルは、例えば、触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガスを供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配置して構成されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
積層体は、温度に応じて熱変形するワークの一種であり、温度の上昇に伴って燃料電池セルの積層方向に沿って熱膨張する。このため、燃料電池スタックは、ばね部材などを含むワーク保持装置によって積層体を保持し、ばね部材の弾性変形によって、積層体の熱変形による変位を吸収している。
【特許文献１】特開２００３−３１７７９３号公報
【特許文献２】特開昭６１−１４８７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱変形による変位を吸収するためにばね部材などを配置したワーク保持装置にあっては、その重量が比較的重く、設置するためにも比較的大きなスペースを要している。このため、積層体をワーク保持装置によって保持してなる燃料電池スタック全体の重量が増すという問題がある。さらに、燃料電池スタックの体積が増加する結果、燃料電池スタックの単位体積当たりの起電力、と定義される出力密度が悪化するという問題もある。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構造で軽量化および省スペース化を図り得るワーク保持装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は下記の手段により達成される。
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、第１基準面と、前記第１基準面に対して離間して向かい合う第２基準面との間に配置され、温度に応じて熱変形するワークを前記第１基準面との間で保持するワーク保持装置において、
前記ワークを前記第１基準面との間で保持する保持部を備える第１保持部材と、
前記第２基準面を形成する面を備え前記第１保持部材に隙間を隔てて配置される第２保持部材と、
前記第１保持部材に設けられ第１カム面が形成された第１熱変形部と、
前記第２保持部材に設けられ前記第１カム面に対して摺動自在な第２カム面が形成された第２熱変形部と、を有し、
前記第１保持部材および前記第２保持部材は、前記第１熱変形部と前記第２熱変形部とを嵌め合わせて重ねられ、
前記第１変形部は、前記第２変形部を形成する材質の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材質から形成されてなり、
温度に応じて熱変化した前記第１と第２の熱変形部の変形量の相違を、前記第１と第２のカム面を介して、前記第１基準面に対する前記保持部の変位に変換してなるワーク保持装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１と第２の保持部材を変位させる駆動が温度変化によってなされるので、簡単な構造で軽量化および省スペース化を図り得るワーク保持装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係るワーク保持装置１０の構成を示す概念図、図１（Ｂ）は、ワーク保持装置１０の第１保持部材２０および第２保持部材３０を示す斜視図、図２（Ａ）（Ｂ）は、ワーク保持装置１０の作用の説明に供する図である。
【００１１】
図１（Ａ）（Ｂ）を参照して、ワーク保持装置１０は、第１基準面Ｐ１と、第１基準面Ｐ１に対して離間して向かい合う第２基準面Ｐ２との間に配置され、温度に応じて熱変形するワークＷを第１基準面Ｐ１との間で保持するために用いられる。このワーク保持装置１０は、概説すれば、ワークＷを第１基準面Ｐ１との間で保持する保持部２１を備える第１保持部材２０と、第１保持部材２０に隙間を隔てて配置される第２保持部材３０と、第１保持部材２０に設けられ第１カム面２３が形成された第１熱変形部２２と、第２保持部材３０に設けられ第１カム面２３に対して摺動自在な第２カム面３３が形成された第２熱変形部３２と、を有している。第１保持部材２０および第２保持部材３０は、第１熱変形部２２と第２熱変形部３２とを嵌め合わせて重ねられている。第１熱変形部２２は、第２熱変形部３２を形成する材質の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材質から形成されている。そして、温度に応じて熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違を、第１と第２のカム面２３、３３を介して、第１基準面Ｐ１に対する保持部２１の変位に変換している。
【００１２】
第１基準面Ｐ１および第２基準面Ｐ２はともにその位置（図１において上下位置）が変化せず固定されているとする。この場合には、第１基準面Ｐ１と第２基準面Ｐ２との間の距離は、ワークＷが温度に応じて熱変形しても一定のままである。
【００１３】
第１保持部材２０は、板形状を有している。図中上側がワークＷを第１基準面Ｐ１との間で保持する保持部２１となる。保持部２１は、ワークＷに面接触する平面形状を有している。ワークＷの支持を面接触で行うため、ワークＷに対して荷重を均一に付与でき、さらに、剛性にも優れたものとなる。
【００１４】
第１熱変形部２２は、第１保持部材２０に設けられ、第１保持部材２０の図中上下面のうち第２保持部材３０に向かい合う下面側に形成した凹部２４から構成されている。凹部２４は、底部と、底部から下面に向けて拡がる側部とを含んでいる。この側部によって、第１熱変形部２２に第１カム面２３が形成されている。凹部２４は、短手方向に沿う略中央部において、長手方向に伸びている。図示例では、第１熱変形部２２は、第１保持部材２０に一体的に設けられている。
【００１５】
第２保持部材３０は、板形状を有している。図示例では、第２保持部材３０は第２基準面Ｐ２を形成する面を備えている。図中下面が第２基準面Ｐ２を形成する面となる。
【００１６】
第２熱変形部３２は、第２保持部材３０に設けられ、第２保持部材３０の図中上下面のうち第１保持部材２０に向かい合う上面側に形成した凸部３４から構成されている。凸部３４は、頂部と、頂部から上面に向けて拡がる側部とを含んでいる。この側部によって、第２熱変形部３２に第２カム面３３が形成されている。凸部３４は、短手方向に沿う略中央部において、長手方向に伸びている。図示例では、第２熱変形部３２は、第２保持部材３０に一体的に設けられている。
【００１７】
第１カム面２３および第２カム面３３の傾斜角度θは等しく設定されている。第１熱変形部２２と第２熱変形部３２とを相互に嵌め合わせて、第１保持部材２０および第２保持部材３０が重ねられている。第２熱変形部３２の高さ寸法は、第１保持部材２０が変位しても第２保持部材３０の上面に接触しない寸法に設定されている。
【００１８】
図示するワーク保持装置１０にあっては、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違を、保持部２１が第１基準面Ｐ１から離間する方向への変位に変換するようにしている。この変換を行うため、第１熱変形部２２は、第２熱変形部３２を形成する材質（例えば、セラミックス）の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材質（例えば、アルミニウム）から形成されている。さらに、第１熱変形部２２を凹部２４から構成し、第２熱変形部３２を凹部２４に嵌まり合う凸部３４から構成してある。
【００１９】
図２（Ａ）の左側には、第１と第２の熱変形部２２、３２の寸法諸元などを決定した際の基準温度における状態が示され、右側には、基準温度よりも温度が上昇した状態が示されている。図２（Ｂ）の左側には、基準温度における状態が示され、右側には、基準温度よりも温度が下降した状態が示されている。
【００２０】
まず、図２（Ａ）に示すように、基準温度よりも温度が上昇すると、線膨張係数が大きい第１熱変形部２２の方が、第２熱変形部３２よりも大きく膨張変形する。第１熱変形部２２は第２熱変形部３２の凸部３４に嵌まり合う凹部２４であるので、嵌まり合う深さが深くなり、第１保持部材２０および第２保持部材３０の厚み寸法が減少する。この結果、保持部２１が第１基準面Ｐ１から離間する方向（図中下側）に変位する。このようにして、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違が、第１と第２のカム面２３、３３を介して、保持部２１が第１基準面Ｐ１から離間する方向への変位に変換される。保持部２１の変位によって、第１基準面Ｐ１との間の距離つまりワークＷを保持する距離が長くなる。したがって、温度の上昇に伴って第１基準面Ｐ１から第２基準面Ｐ２に向かう方向に沿って膨張するワークＷを保持している場合には、ワークＷを保持する力を、ワークＷの膨張に追従してほぼ均一に維持することができる。
【００２１】
一方、図２（Ｂ）に示すように、基準温度よりも温度が下降すると、線膨張係数が大きい第１熱変形部２２の方が、第２熱変形部３２よりも大きく収縮変形する。第１熱変形部２２は第２熱変形部３２の凸部３４に嵌まり合う凹部２４であるので、嵌まり合う深さが浅くなり、第１保持部材２０および第２保持部材３０の厚み寸法が増加する。この結果、保持部２１が第１基準面Ｐ１に接近する方向（図中上側）に変位する。このようにして、温度の下降に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違が、第１と第２のカム面２３、３３を介して、保持部２１が第１基準面Ｐ１に接近する方向への変位に変換される。保持部２１の変位によって、第１基準面Ｐ１との間の距離つまりワークＷを保持する距離が短くなる。したがって、温度の下降に伴って第１基準面Ｐ１から第２基準面Ｐ２に向かう方向に沿って収縮するワークＷを保持している場合には、ワークＷを保持する力を、ワークＷの収縮に追従してほぼ均一に維持することができる。
【００２２】
第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する材質や第１と第２の熱変形部２２、３２の凹凸の組み合わせを選択することによって、上述したものとは逆に、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違を、保持部２１が第１基準面Ｐ１に接近する方向への変位に変換することもできる。例えば、第１と第２の熱変形部２２、３２の凹凸の組み合わせが図２に示される組み合わせである場合には、第２熱変形部３２を、第１熱変形部２２を形成する材質（例えば、セラミックス）の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材質（例えば、アルミニウム）から形成すればよい。この場合には、基準温度よりも温度が上昇すると、線膨張係数が大きい第２熱変形部３２の方が、第１熱変形部２２よりも大きく膨張変形する。第１熱変形部２２は第２熱変形部３２の凸部３４に嵌まり合う凹部２４であるので、嵌まり合う深さが浅くなり、第１保持部材２０および第２保持部材３０の厚み寸法が増加する。この結果、保持部２１が第１基準面Ｐ１に接近する方向（図中上側）に変位する。このようにして、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違が、第１と第２のカム面２３、３３を介して、保持部２１が第１基準面Ｐ１に接近する方向への変位に変換される。保持部２１の変位によって、第１基準面Ｐ１との間の距離つまりワークＷを保持する距離が短くなる。したがって、温度の上昇に伴って第１基準面Ｐ１から第２基準面Ｐ２に向かう方向に沿って収縮するワークＷを保持している場合には、ワークＷを保持する力を、ワークＷの収縮に追従してほぼ均一に維持することができる。このように、第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する材質を入れ替えることによって、温度の上昇に伴って保持部２１が変位する方向を容易に逆転することができる。
【００２３】
ワーク保持装置１０は、第１と第２の保持部材２０、３０の駆動が温度変化によってなされるため、温度変化に対して変形するワークＷを保持する場合に、汎用的に使用することができる。
【００２４】
第１と第２の熱変形部２２、３２を介して嵌め合わせた第１と第２の保持部材２０、３０を１組だけ配置した例を示したが、複数の組を積層するように配置してもよい。１組だけ配置する場合に比べて、ワークＷのより大きい熱変形に対応することができるからである。また、複数の組を離間して配置してもよい。ワークＷの部分ごとに異なる変位を吸収することができるからである。
【００２５】
次に、図３（Ａ）（Ｂ）を参照して、保持部２１の変位量を決定する条件について説明する。
【００２６】
線膨張係数が異なる材質として、アルミニウムとセラミックスとを例に挙げて説明する。アルミニウムの線膨張係数は、２４×１０−５／ｍ・ｋ、セラミックスの線膨張係数は、４×１０−５／ｍ・ｋである。
【００２７】
温度変化による物質長さ変化は、下記の式（１）により定まる。  
【００２８】
ΔＬ＝α（Ｔ２−Ｔ１）×Ｌ    ・・・式（１）
ここで、
ΔＬ      ：変位
α        ：線膨張係数
Ｔ２−Ｔ１：物質の温度差
Ｌ        ：物質の長さ
伸び量の差を知るために、αを二物質の線膨張係数の差を用いると、
α        ：２０×１０−５
また、Ｔ２−Ｔ１として、保持したワークＷが達する最高温度として９０℃、常温を２０℃とすると、
Ｔ２−Ｔ１：７０
となる。
【００２９】
ここで、図３（Ａ）に示すように、カム同士の接触面つまりカム面の傾斜角度θを４５°に設定すると、長さ方向の変位と、それに垂直な方向の変位が同一となる。保持部２１の変位量１ｍｍのときの条件を知りたい場合、変位ΔＬが１ｍｍのとき、垂直方向の変位も１ｍｍとなるので、ΔＬ＝１（１０℃あたり０．１５ｍｍ変位）として計算する。式（１）より、Ｌ＝約７０ｍｍとなる（図３（Ｂ）参照）。
【００３０】
同様に、カム面の傾斜角度θを６０°とした場合には、Ｌ＝約４０ｍｍ、カム面の傾斜角度θを３０°とした場合には、Ｌ＝約１２０ｍｍとなる。
【００３１】
図４（Ａ）には、カム面の傾斜角度θを変えると、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量が変わる状態が示され、図４（Ｂ）には、第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質の線膨張係数の差を変えると、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量が変わる状態が示されている。図４（Ｂ）に示される３つの状態において、第１熱変形部２２の材質の線膨張係数は右側に行くほど大きくなっている。
【００３２】
図４（Ａ）に示すように、第１と第２のカム面２３、３３の傾斜角度θを変更することによって、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量を調整自在となる。例えば、傾斜角度θが４５°の場合の厚み方向の変位を１とすると、傾斜角度θが６０°の場合には同じ温度変化で厚み方向の変位が約１．７となり、傾斜角度θが３０°の場合には同じ温度変化で厚み方向の変位が約０．６となる。
【００３３】
図４（Ｂ）に示すように、第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質の線膨張係数の差を変更することによって、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量を調整自在となる。例えば、同じ温度変化であっても、線膨張係数の大きい材質からなる第１熱変形部２２の方が大きく変形するので、厚み方向の変位も大きくなる。
【００３４】
このように、第１と第２のカム面２３、３３の傾斜角度θを変更したり、第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質の線膨張係数の差を変更したりすることによって、保持部２１の変位量を簡単に変更できる。したがって、ワーク保持装置１０は、温度変化によるワークＷの変形量に柔軟かつ細かく対応することができ、様々なワークＷを保持するために使用することができる。このように設計変更が容易であり、かつ、汎用性が高い点も、本発明のワーク保持装置１０の利点の１つである。なお、カム面の傾斜角度θの変更および線膨張係数の差の変更の両者を組み合わせて保持部２１の変位量を変更してもよいことは言うまでもない。
【００３５】
カム面の傾斜角度θは、３０°〜６０°に設定することが好ましい。傾斜角度θが３０°よりも小さい場合には、荷重に対して、カム面のせん断方向の力が小さく、第１と第２の保持部材２０、３０が駆動つまり変位されないからである。角度θが６０°よりも大きい場合には、荷重に対して十分な保持を行うための剛性が低下するからである。なお、後述するが、カム面の傾斜角度θの範囲を拡大するためには、カム面の摩擦係数を制御するための手段４０、４２を施す（図５参照）。
【００３６】
ワーク保持装置１０は、第１と第２の保持部材２０、３０を形成する各材質および第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質が持つ性質によって定まる機能をさらに有することができる。例えば、各材質が持つ性質には、導電性、絶縁性、あるいは熱伝導性があるが、これらの性質によって定まる、電気的導通機能、電気的絶縁機能、あるいは伝熱機能がワーク保持装置１０に付与される。したがって、ワークＷを保持する機構とは別個に配置していた集電板や絶縁板などの機能をワーク保持装置１０に一体化させることによって、別個に配置していた集電板などを廃止することが可能となる。
【００３７】
図５（Ａ）は、第２カム面３３に溝４０を形成した第１と第２の保持部材２０、３０を示す斜視図、図５（Ｂ）は、第１と第２のカム面２３、３３の間に摩擦低減手段４２を施した第１と第２の保持部材２０、３０を示す斜視図である。
【００３８】
図５（Ａ）に示すように、潤滑冷却剤４１を流すための溝４０を第２カム面３３に形成してもよい。溝４０に潤滑冷却剤４１を流すことによって、第１と第２のカム面２３、３３の潤滑性を維持できる。これにより、ワーク保持装置１０が対応できる荷重の範囲を広げて、ワーク保持装置１０の汎用性を高めることができる。さらに、カム面２３、３３同士の摺動による摩擦熱は極微量であるので、溝４０に潤滑冷却剤４１を流すことによって、ワーク保持装置１０を冷却するのみならず、保持したワークＷを冷却することも可能となる。
【００３９】
図５（Ｂ）に示すように、摩擦低減手段４２としての油膜やベアリングなどを、第１と第２のカム面２３、３３の間に組み込むことによって、第１と第２のカム面２３、３３の間の摩擦抵抗を低減して、ワーク保持装置１０を高い荷重においても円滑に作動させることができる。これにより、ワーク保持装置１０が対応できる荷重の範囲を広げて、ワーク保持装置１０の汎用性を高めることができる。
【００４０】
図６は、第１熱変形部２２が異なる材質からなる伸縮部２２ａと接触部２２ｂとを含む、第１と第２の保持部材２０、３０を示す断面図である。
【００４１】
図示例では、第１熱変形部２２が伸縮部２２ａと接触部２２ｂとを含み、伸縮部２２ａを、所望の線膨張係数を有する材質から形成し、第１カム面２３を含む接触部２２ｂを、所望の剛性を有する材質から形成してある。かかる構成では、変位のための部位（伸縮部２２ａ）と、剛性のための部位（接触部２２ｂ）とが第１熱変形部２２に設定されているので、変位および剛性の両立を図った柔軟な設計を行い得る。
【００４２】
なお、図示省略するが、第２熱変形部３２の方に伸縮部と接触部とを含めてもよいし、第１と第２の両方の熱変形部に伸縮部と接触部とを含めてもよい。
【００４３】
次に、本発明のワーク保持装置１０によってワークＷを保持した実施形態について説明する。
【００４４】
図７（Ａ）は、本発明の実施形態に係るワーク保持装置１０によって、複数個の燃料電池セル５１を積層した積層体５２を保持した燃料電池スタック５０の一例を示す図、図７（Ｂ）は、ワーク保持装置１０による積層体５２の支持形態を示す概念図である。図８（Ａ）は、熱変形による変位を吸収するためにばね部材１０１を配置した対比例のワーク保持装置１００によって、積層体１０２を保持した燃料電池スタック１１０を示す図、図８（Ｂ）は、対比例のワーク保持装置１００による積層体１０２の支持形態を示す概念図である。
【００４５】
図７（Ａ）を参照して、燃料電池スタック５０は、例えば電気自動車の動力源として使用され、複数個の燃料電池セル５１を積層した積層体５２と、積層体５２の図中下端に配置されるエンドプレート５３と、積層体５２の図中上端に配置されるワーク保持装置１０と、エンドプレート５３とワーク保持装置１０とを接近させて積層体５２を締め付けるためのタイロッドボルト５４と、を有している。燃料電池セル５１間には、Ｏリングなどの図示しないシール部材が配置されている。積層体５２を締め付けることによって、燃料電池セル５１におけるシール部や電極に必要な面圧を付与している。タイロッドボルト５４に代えて、スタックワイヤとも指称される線状部材によって積層体５２を締め付けるタイプの燃料電池スタックもある。図示省略するが、燃料電池スタック５０には、燃料である水素を供給するための燃料供給系、空気を供給するための空気供給系、冷却水を循環させて燃料電池スタック５０を冷却する冷却水循環系などの公知の要素が接続されている。
【００４６】
燃料電池セル５１は、触媒反応層を有する一対の電極により電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガス（水素）を供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガス（空気）を供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料極では、水素が水素イオンと電子に解離する。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオンおよび電子が反応して水が生成し、外部に排出される。燃料電池スタック５０の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜などイオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによってイオン伝導性電解質として機能する。
【００４７】
ワーク保持装置１０は、第１基準面Ｐ１と、第１基準面Ｐ１に対して離間して向かい合う第２基準面Ｐ２との間に配置され、温度に応じて熱変形するワークＷを第１基準面Ｐ１との間で保持する。
【００４８】
本実施形態においては、エンドプレート５３の図中上面５３ａが第１基準面Ｐ１に相当し、ワーク保持装置１０の図中上面１０ａが第２基準面Ｐ２に相当する。タイロッドボルト５４によって、エンドプレート上面５３ａ（第１基準面Ｐ１）およびワーク保持装置上面１０ａ（第２基準面Ｐ２）はともにその位置が変化せず固定されている。したがって、エンドプレート上面５３ａとワーク保持装置上面１０ａとの間の距離は、ワークＷが温度に応じて熱変形しても一定のままである。積層体５２は、複数個の燃料電池セル５１を第１基準面Ｐ１から第２基準面Ｐ２に向かう方向に沿って積層して構成され、温度の上昇に伴って積層方向に沿って熱膨張するものである。この積層体５２がワークＷに相当する。
【００４９】
ワーク保持装置１０は、積層体５２をエンドプレート上面５３ａとの間で保持する保持部２１を備える第１保持部材２０と、ワーク保持装置上面１０ａを形成する面を備え第１保持部材２０に隙間を隔てて配置される第２保持部材３０と、第１保持部材２０に設けられ第１カム面２３が形成された第１熱変形部２２と、第２保持部材３０に設けられ第１カム面２３に対して摺動自在な第２カム面３３が形成された第２熱変形部３２と、を有している。第１保持部材２０および第２保持部材３０は、タイロッドボルト５４に挿通され、第１熱変形部２２と第２熱変形部３２とを嵌め合わせて重ねられている。第１熱変形部２２は、第２熱変形部３２を形成する材質の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材質から形成されている。そして、温度に応じて熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違を、第１と第２のカム面２３、３３を介して、第１基準面Ｐ１に対する保持部２１の変位に変換している。
【００５０】
第１保持部材２０は、板形状を有し、図中下側が積層体５２をエンドプレート上面５３ａとの間で保持する保持部２１となる。このように、保持部２１は、積層体５２に面接触する平面形状を有している。ばね部材１０１を含む対比例のワーク保持装置１００にあっては点荷重の集合によって積層体１０２を支持することになるが（図８（Ｂ））、本実施形態では、面接触によって積層体５２を支持している（図７（Ｂ））。このため、積層体５２に対して荷重を均一に付与でき、さらに、剛性にも優れたものとなる。
【００５１】
第１熱変形部２２は、第１保持部材２０に一体的に設けられ、第１保持部材２０の図中上下面のうち第２保持部材３０に向かい合う上面側に形成した凸部２５から構成されている。凸部２５の傾斜側面によって、第１カム面２３が形成されている。
【００５２】
第２保持部材３０は、板形状を有している。図中上面が第２基準面Ｐ２を形成する面となる。
【００５３】
第２熱変形部３２は、第２保持部材３０に一体的に設けられ、第２保持部材３０の図中上下面のうち第１保持部材２０に向かい合う下面側に形成した凹部３５から構成されている。凹部３５の傾斜内側面によって、第２カム面３３が形成されている。
【００５４】
第１カム面２３および第２カム面３３の傾斜角度θは等しく設定されている。第１熱変形部２２と第２熱変形部３２とを相互に嵌め合わせて、第１保持部材２０および第２保持部材３０が重ねられている。
【００５５】
本実施形態のワーク保持装置１０にあっては、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違を、保持部２１がエンドプレート上面５３ａから離間する方向への変位に変換するようにしている。この変換を行うため、第２熱変形部３２は、第１熱変形部２２を形成する材質の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材質から形成されている。さらに、第１熱変形部２２を凸部２５から構成し、第２熱変形部３２を凸部２５に嵌まり合う凹部３５から構成してある。
【００５６】
定常状態（例えば、２０℃）よりも温度が上昇すると、線膨張係数が大きい第２熱変形部３２の方が、第１熱変形部２２よりも大きく膨張変形する。第１熱変形部２２は第２熱変形部３２の凹部３５に嵌まり合う凸部２５であるので、嵌まり合う深さが深くなり、第１保持部材２０および第２保持部材３０の厚み寸法が減少する。この結果、保持部２１がエンドプレート上面５３ａから離間する方向（図中上側）に変位する。このようにして、温度の上昇に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違が、第１と第２のカム面２３、３３を介して、保持部２１がエンドプレート上面５３ａから離間する方向への変位に変換される。保持部２１の変位によって、エンドプレート上面５３ａとの間の距離つまり積層体５２を保持する距離が長くなる。したがって、温度の上昇に伴ってエンドプレート上面５３ａから第２保持部材３０上面に向かう方向に沿って膨張する積層体５２を保持しているが、積層体５２を保持する力を、積層体５２の膨張に追従してほぼ均一に維持することができる。
【００５７】
一方、運転温度（例えば、９０℃）から温度が下降すると、線膨張係数が大きい第２熱変形部３２の方が、第１熱変形部２２よりも大きく収縮変形する。第１熱変形部２２は第２熱変形部３２の凹部３５に嵌まり合う凸部２５であるので、嵌まり合う深さが浅くなり、第１保持部材２０および第２保持部材３０の厚み寸法が増加する。この結果、保持部２１がエンドプレート上面５３ａに接近する方向（図中下側）に変位する。このようにして、温度の下降に伴って熱変化した第１と第２の熱変形部２２、３２の変形量の相違が、第１と第２のカム面２３、３３を介して、保持部２１がエンドプレート上面５３ａに接近する方向への変位に変換される。保持部２１の変位によって、エンドプレート上面５３ａとの間の距離つまり積層体５２を保持する距離が短くなる。したがって、温度の下降に伴ってエンドプレート上面５３ａから第２基準面Ｐ２に向かう方向に沿って収縮する積層体５２を保持しているが、積層体５２を保持する力を、積層体５２の収縮に追従してほぼ均一に維持することができる。
【００５８】
前述したように、第１と第２のカム面２３、３３の傾斜角度θを変更することによって、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量を調整自在となる。また、第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質の線膨張係数の差を変更することによって、単位温度変化あたりの保持部２１の変位量を調整自在となる。したがって、積層体５２の熱変形による膨張または収縮の程度に応じて、最適な設計を柔軟に行うことができる。
【００５９】
さらに、燃料電池スタック５０は、ワーク保持装置１０によって、第１と第２の保持部材２０、３０を形成する各材質および第１と第２の熱変形部２２、３２を形成する各材質が持つ性質によって定まる機能をさらに有することができる。例えば、第１保持部材２０を形成する材質として導電性の性質を持つ材質を選択すれば、その性質によって定まる電気的導通機能により、第１保持部材２０を集電板として機能させることができる。また、第２保持部材３０を形成する材質として絶縁性の性質を持つ材質を選択すれば、その性質によって定まる電気的絶縁機能により、第２保持部材３０を絶縁板として機能させることができる。
【００６０】
図８（Ａ）を参照して、対比例のワーク保持装置１００にあっては、ばね部材１０１の図中上側にはエンドプレート１０３が設けられ、ばね部材１０１の図中下側にはプッシャープレート１０４および絶縁プレート１０５が配置されている。このため、対比例のワーク保持装置１０にあっては、その重量が比較的重く、設置するためにも比較的大きなスペースを要している。また、複数のばね部材１０１を用いることにより積層体５２に面圧をかける構成であるため（図８（Ｂ）参照）、複数のばね部材１０１の弾性力を一つの均一な面圧に変換する機構（具体的には、一枚のプッシャープレート１０４）を用いなければならない。また、積層体５２を支持する部位がばね部材１０１という弾性体であるため、剛性が低くなる虞があり、これを改善するためには、ばね部材１０１が動く方向を制限するための機構を設けなければならず、部品点数が多く、小型化が阻害され、コストの増加を招くことになる。
【００６１】
これに対して、本実施形態のワーク保持装置１０は、ばね部材１０１が不要であり、第１と第２の保持部材２０、３０は、対比例のワーク保持装置１００におけるプレート類１０３、１０４、１０５と同程度の重量および設置スペースである。このため、本実施形態のワーク保持装置１０にあっては、ばね部材１０１の重量分の軽量化を図ることができ、ばね部材１０１を設置するためのスペースを省くことができる。したがって、本実施形態のワーク保持装置１０によれば、簡単な構造で、軽量化および省スペース化を図ることができる。
【００６２】
このワーク保持装置１０によって積層体５２を保持してなる燃料電池スタック５０にあっては、全体の重量を低減でき、さらに、燃料電池スタック５０の体積を小さくできる結果、燃料電池スタック５０の出力密度の向上を図ることができる。
【００６３】
また、積層体５２の端部（ワーク保持装置１０が設置される側の上端部）の構造が簡素なものとなる。
【００６４】
また、複数のばね部材１０１を用いる点接触による加重付与ではなく、面接触による均一な面圧を積層体５２に付与することができ、これを通して、燃料電池スタック５０の性能の向上を図ることができる。
【００６５】
また、面接触による支持機構となるため、ばね部材１０１による支持機構に比べて、支持機構の剛性が向上し、これを通して、燃料電池スタック５０全体の剛性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係るワーク保持装置の構成を示す概念図、図１（Ｂ）は、ワーク保持装置の第１保持部材および第２保持部材を示す斜視図である。
【図２】図２（Ａ）（Ｂ）は、ワーク保持装置の作用の説明に供する図である。
【図３】図３（Ａ）（Ｂ）は、保持部の変位量を決定する条件についての説明に供する図である。
【図４】図４（Ａ）は、カム面の傾斜角度を変えると、単位温度変化あたりの保持部の変位量が変わることの説明に供する図、図４（Ｂ）は、第１と第２の熱変形部を形成する各材質の線膨張係数の差を変えると、単位温度変化あたりの保持部の変位量が変わることの説明に供する図である。
【図５】図５（Ａ）は、第２カム面に溝を形成した第１と第２の保持部材を示す斜視図、図５（Ｂ）は、第１と第２のカム面の間に摩擦低減手段を施した第１と第２の保持部材を示す斜視図である。
【図６】第１熱変形部が異なる材質からなる伸縮部と接触部とを含む、第１と第２の保持部材を示す断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、本発明の実施形態に係るワーク保持装置によって、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を保持した燃料電池スタックの一例を示す図、図７（Ｂ）は、ワーク保持装置による積層体の支持形態を示す概念図である。
【図８】図８（Ａ）は、熱変形による変位を吸収するためにばね部材を配置した対比例のワーク保持装置によって、積層体を保持した燃料電池スタックを示す図、図８（Ｂ）は、対比例のワーク保持装置による積層体の支持形態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０      ワーク保持装置、
２０      第１保持部材、
２１      保持部、
２２      第１熱変形部、
２２ａ    伸縮部、
２２ｂ    接触部、
２３      第１カム面、
２４      凹部、
２５      凸部、
３０      第２保持部材、
３２      第２熱変形部、
３３      第２カム面、
３４      凸部、
３５      凹部、
４０      溝、
４１      潤滑冷却剤、
４２      摩擦低減手段、
５０      燃料電池スタック、
５１      燃料電池セル、
５２      積層体（ワーク）、
５３      エンドプレート、
５３ａ    エンドプレート上面（第１基準面）、
５４      タイロッドボルト、
Ｐ１      第１基準面、
Ｐ２      第２基準面、
Ｗ        ワーク、
θ        カム面の傾斜角度。
【図１】
2006173055.tif 000003
【図２】
2006173055.tif 000004
【図３】
2006173055.tif 000005
【図４】
2006173055.tif 000006
【図５】
2006173055.tif 000007
【図６】
2006173055.tif 000008
【図７】
2006173055.tif 000009
【図８】
2006173055.tif 000010