(57)【要約】【課題】プレートにより押圧される燃料電池スタックの変形を抑制する。【解決手段】エンドプレート４０には、荷重調節ネジ６０を固定的に支持する孔部５０と、荷重調節ネジ７２を長辺方向（ｙ軸方向）にスライド可能に支持する孔部５２とが設けられており、エンドプレート４０は、この荷重調節ネジ６０，７２を通じて、燃料電池スタック２０，２２を押圧している。孔部５０，５２に位置ずれが生じたような場合、荷重調節ネジ７２がスライドするため、燃料電池スタック２０，２２の歪みを抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックと、
燃料電池スタックの積層方向の端側に設けられ、燃料電池スタックの積層方向に押圧荷重を与えるプレートと、
プレートからの押圧荷重を燃料電池スタック側に伝達する複数の荷重部材と、
少なくとも一つの荷重部材に対し、当該荷重部材に作用する力に応じて、積層方向に垂直な面内におけるプレートまたは燃料電池スタックとの相対位置を直線または曲線に沿って一次元的に変位させる変位機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
少なくとも一つの荷重部材は、積層方向に垂直な面内におけるプレート及び燃料電池スタックとの相対位置を固定された固定荷重部材であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
一つの荷重部材のみが固定荷重部材であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池において、
変位機構は、少なくとも一つの荷重部材を、少なくとも一つの固定荷重部材とを結ぶ方向に一次元的に変位させることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池において、
積層方向に垂直な面において、燃料電池スタック及びプレートは互いに対応した矩形状であり、
変位機構は、少なくとも一つの荷重部材を、矩形の一辺に平行な方向に一次元的に変位させることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
燃料電池スタックにおける前記一辺を含む側面、及びこの側面に向かい合う側面に、燃料電池スタックに近接配置され、燃料電池スタックを補強するフレーム部材を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
変位機構は、燃料電池スタックとの相対位置を固定したまま、プレートに対する相対位置を変位させることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを押圧するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、一般に、燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを積層方向に押圧して設置される。
【０００３】
下記特許文献１には、燃料電池スタックの端側に設けられたエンドプレートが、エンドプレートから突出した複数の荷重調整ネジを通じて燃料電池スタックを押圧する技術が開示されている。この技術では、荷重調整ネジの突出量を変化させることにより、押圧力が調整されている。
【０００４】
下記特許文献２，３には、エンドプレート及び燃料電池スタックを貫通するシャフト挿入孔にシャフトを通して、これらを拘束する技術が開示されている。この技術では、シャフト挿入孔およびシャフトを扁平形状もしくは偏心形状に形成し、挿入時と拘束時にシャフトの方向を変えることで、挿入と拘束を容易化している。
【０００５】
下記特許文献４には、エンドプレート及び燃料電池スタックを貫通するシャフト挿入孔に、熱膨張を許容する遊びを設ける技術が開示されている。また、下記特許文献５の図１にも、一対のシャフト挿入孔の一方に遊びを設ける技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８８６１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１８５７３７号公報
【特許文献３】特開２００６−１８５７３８号公報
【特許文献４】特開２００５−１６６４２０号公報
【特許文献５】特開２００１−９３５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の技術は、離散的に配された複数の荷重箇所を通じて、燃料電池スタックを押圧するものである。この技術では、エンドプレート側と燃料電池側において、荷重箇所を固定されており、押圧状態は基本的にこの固定位置によって定められる。
【０００８】
燃料電池スタックに対する押圧がアンバランス（対称性が崩れてしまう状態）であると、燃料電池スタックが比較的大きく変形してしまい、場合によっては周囲の部材（締結部材など）と干渉してしまうおそれもある。特に、扁平形状（長方形や楕円形など高さと幅が異なる形状）の燃料電池スタックにおいて、２点以上の加重箇所を通じて荷重を均一化する場合には、部品の公差に起因して、燃料電池スタックとエンドプレートとの間で位置ずれが発生したり、燃料電池スタックにねじり力を加えてしまったり、アンバランスが発生したりして、燃料電池スタックの変形を大きくしてしまう場合がある。
【０００９】
上記特許文献２乃至４の技術は、いずれも燃料電池スタックを貫通するシャフトについての技術に過ぎない。
【００１０】
本発明の目的は、離散的に配された複数の荷重箇所を通じて燃料電池スタックを押圧する技術を改良することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、押圧された燃料電池スタックの変形を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池の一態様においては、積層された複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックと、燃料電池スタックの積層方向の端側に設けられ、燃料電池スタックの積層方向に押圧荷重を与えるプレートと、プレートからの押圧荷重を燃料電池スタック側に伝達する複数の荷重部材と、少なくとも一つの荷重部材に対し、当該荷重部材に作用する力に応じて、積層方向に垂直な面内におけるプレートまたは燃料電池スタックとの相対位置を直線または曲線に沿って一次元的に変位させる変位機構と、を備える。
【００１３】
プレートは、燃料電池スタックを積層方向の端側から押圧する（圧迫する）ための部材であり、エンドプレートと呼ばれることもある。プレートは、典型的には燃料電池スタックの両端側に設けられ、燃料電池スタックを両側から押圧するが、燃料電池スタックの一端側にのみ設けられ他端側に向かって押圧するものであってもよい。プレートによる押圧力は、例えば、押圧した状態で両端側のプレートを相互につなぎ合わせる（テンションプレートと呼ばれるような部材で結合すればよい）ことで与えられる。
【００１４】
プレートの押圧力は、複数の荷重部材によって、燃料電池スタック側の離散的な箇所に伝達される。プレートと荷重部材との間には適当な中間部材を設けることが可能であり、また、荷重部材と燃料電池スタックの間に適当な中間部材を設けることもできる。後者の中間部材の例としては、スプリングボックスなどの弾性体層を挙げることができる。変位機構は、ある直線に沿ってあるいはある曲線に沿って一次元的に荷重部材を変位させる。つまり、変位機構においては、変位の自由度は、定められた直線または曲線に沿った方向のみであり、その直線あるいは曲線から外れる方向には変位できないように設定されている。変位機構は、変位方向に作用する力など、荷重部材に作用する力に応じて荷重部材を変位させる。変位機構によって変位可能となる荷重部材は、一つであってもよいし、複数であってもよい。なお、変位機構は、例えば、直線あるいは曲線状に延びる溝構造（貫通していない凹状の構造）または貫通孔構造と、その溝構造または孔構造にガイドされて移動可能な部材とを組み合わせて作ることができる。
【００１５】
この構成によれば、荷重部材が変位することで、プレート、荷重部材、燃料電池スタックなどに作用する力の開放が行われる。特に燃料電池セルが積層された燃料電池スタックは、比較的変形しやすい特性をもつため、力の開放によって歪みが低減もしくは解消されることになる。しかも、荷重部材の変位方向が一次元的に制限されているため、歪みの解消方向を制御できる可能性がある。また、変位させる方向については、変位機構あるいは荷重部材の取付精度を他の方向に比べて低くすることが可能となるため、製造コストを低減できる余地も生じる。
【００１６】
本発明の燃料電池の一態様においては、少なくとも一つの荷重部材は、積層方向に垂直な面内におけるプレート及び燃料電池スタックとの相対位置を固定された固定荷重部材である。また、本発明の燃料電池の一態様においては、一つの荷重部材のみが固定荷重部材である。固定荷重部材によって、燃料電池スタックとプレートとの結合の基準点が作られるため、変位機構による変位の制御が容易化される。
【００１７】
本発明の燃料電池の一態様においては、変位機構は、少なくとも一つの荷重部材を、少なくとも一つの固定荷重部材とを結ぶ方向に一次元的に変位させる。言い換えれば、変位対象となる荷重部材と固定荷重部材とを結ぶ方向に垂直な方向（回転方向）には、当該荷重部材を変位させない。一般に固定荷重部材に対しては、そのまわりの回転方向には、燃料電池スタックとプレートとの間の位置関係に自由度が残る。したがって、変位機構が回転方向への変位を許さない場合には、回転の自由度を断つことになり、燃料電池スタックとプレートとの間の位置関係が安定したものとなる。
【００１８】
本発明の燃料電池の一態様においては、積層方向に垂直な面において、燃料電池スタック及びプレートは互いに対応した矩形状であり、変位機構は、少なくとも一つの荷重部材を、矩形の一辺に平行な方向に一次元的に変位させる。矩形状とは、近似的に正方形または長方形とみなせる形状をいう。つまり、完全な正方形または長方形である必要はなく、頂点が丸みをおびていてもよいし、辺に凹凸があったり、辺が緩やかな曲線によって構成されていてもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池の一態様においては、燃料電池スタックにおける前記一辺を含む側面、及びこの側面に向かい合う側面に、燃料電池スタックに近接配置され、燃料電池スタックを補強するフレーム部材を備える。フレーム部材の例としては、積層方向の両端側のプレートに渡されたテンションプレートや、燃料電池ケースなどを挙げることができる。この構成においては、変位方向を制御する結果、こうしたフレーム部材との干渉（衝突）が回避できるようになる。
【００２０】
本発明の燃料電池の一態様においては、変位機構は、燃料電池スタックとの相対位置を固定したまま、プレートに対する相対位置を変位させる。この構成においては、燃料電池スタック側の構造を簡略化することが可能となる。しかし、もちろん、変位機構を燃料電池スタック側に設けることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に本実施の形態を例示する。
【００２２】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池１０の概略構成を示す斜視図である。燃料電池１０は、ほぼ正方形をなす薄い燃料電池セル１２，１４，１６，．．．をｘ軸方向に積層して形成した二本の燃料電池スタック２０，２２を備えている。燃料電池スタック２０，２２は、ｙ軸方向に近接して並置されており、全体として直方体形状に形成された燃料電池スタック体を構成している。具体的には、燃料電池スタック体は、積層方向（ｘ軸方向）に長く伸びており、また、積層方向に垂直な方向においてはｙ軸方向に比較的長くｚ軸方向に比較的短い長方形状をなす直方体形状に形成されている。
【００２３】
燃料電池スタック２０，２２の積層方向における紙面奥側（ｘ軸の正の側）の端部には、燃料電池スタック体のｙ−ｚ平面の形状に対応した長方形状の金属製部材であるエンドプレート３０が設けられている。また、燃料電池スタック２０，２２の紙面手前側（ｘ軸の負の側）の端部には、二つの金属製のプレート３２，３４及び両者に挟まれたバネ（スプリング）を備えた弾性体層であるスプリングボックス３６が設けられ、スプリングボックス３６の手前側には、金属製のエンドプレート４０が設けられている。これらのプレート３２，３４及びエンドプレート４０も、エンドプレート３０と同様に、燃料電池スタック体のｙ−ｚ平面形状に対応した長方形状に作られている。ただし、エンドプレート３０，４０の大きさは、燃料電池スタック２０，２２及びプレート３２，３４よりも若干大きい。
【００２４】
両エンドプレート３０，４０には、金属製の板状部材であるテンションプレート４２，４４，４６，４８が渡されている。具体的には、エンドプレート３０，４０が並置された面広の側面（ｘ−ｙ平面に拡がる側面）のうち上側（ｚ軸の正の側）の側面には、燃料電池スタック２０の近傍に配置されたテンションプレート４２と、燃料電池スタック２２の近傍に配置されたテンションプレート４４が設けられている。また、下側（ｚ軸の負の側）の側面にも、燃料電池スタック２０，２２付近に、それぞれテンションプレート４６，４８が近接配置されている。テンションプレート４２，４４，４６，４８は、その一端がエンドプレート３０に固定され、他端がエンドプレート４０に固定されている。エンドプレート３０，４０は、燃料電池スタック２０，２２やプレート３２，３４よりも若干大きいため、テンションプレート４２，４４，４６，４８は、燃料電池スタック２０，２２やプレート３２，３４には接触しておらず、わずかに距離をおいて近接している。
【００２５】
テンションプレート４２，４４，４６，４８は、両エンドプレート３０，４０から伸張力を受けており、その反作用として、テンションプレート４２，４４，４６，４８は、両エンドプレート３０，４０を互いに引き寄せる方向に押圧している。そして、両エンドプレート３０，４０は、スプリングボックス３６及び燃料電池スタック２０，２２に押圧力を与えており、これにより、各燃料電池セル１２，１４，１６，．．．が強く密着して拘束されている。エンドプレート３０と燃料電池スタック２０，２２とは面接触しており、面全体を通じて押圧力が伝達されている。他方、エンドプレート４０とスプリングボックス３６との間には、荷重部材として二つの荷重調節ネジが離散的に設けられており、この荷重調節ネジを通じて押圧力が伝達されている。荷重調節ネジは、それぞれ、エンドプレート４０の面広の板面（ｙ−ｚ平面に拡がる面）に設けられた孔部５０，５２に設けられている。
【００２６】
なお、図示を省略しているが、燃料電池１０には、燃料電池セル１２，１４，１６，．．．に燃料ガス（水素ガスなど）や酸素ガス（空気など）を供給する供給機構が設けられており、燃料電池セル１２，１４，１６，．．．では燃料ガスを酸化させて発電を行っている。また、燃料電池１０には、これらの発電電力を出力するための電気回路なども構築されている。燃料電池１０は、例えば、車両に搭載され、車両の運行用の電力を発電する発電機として利用される。
【００２７】
続いて、図２を用いて、エンドプレート４０がスプリングボックス３６を押圧するための機構について説明する。図２（ａ）は、図１に示したＡＡ’面（孔部５０，５２を通り、ｘ−ｙ平面上に拡がる面）における燃料電池１０の断面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池１０をｘ軸の負の方向から正の方向に向かってみた正面図である。
【００２８】
エンドプレート４０に設けられた孔部５０は、ネジがきられた真円形状の孔である。孔部５０には、荷重部材としての荷重調節ネジ６０が捻入されている。荷重調節ネジ６０は、エンドプレート４０からスプリングボックス３６側に突出するように配置され、その先端の凸部はスプリングボックス３６のプレート３４に設けられた受け部６２の凹部６４と嵌合している。
【００２９】
他方、エンドプレート４０に設けられた孔部５２は、ｙ軸方向（エンドプレート４０の長辺方向）に細長い。そして、手前側（ｘ軸の負の方向側）に比べ奥側（ｘ軸の正の方向側であり、スプリングボックス３６の側）が一段階大きく形成されている。この孔部５２には、ストッパ７０が挿入されている。ストッパ７０の外周は、孔部５２の段差に対応して、手前側が細く奥側が太く作られている。このため、ストッパ７０は、細長の孔部５２にガイドされながらｙ軸方向にスライドすることができる。ストッパ７０の内部には、ネジがきられた真円形状の孔部が設けられており、この孔部には、荷重部材としての荷重調節ネジ７２が捻入されている。荷重調節ネジ７２は、エンドプレート４０及びストッパ７０からスプリングボックス３６側に突出するように配置されており、その先端の凸部はプレート３４に設けられた受け部７４の凹部７６と嵌合している。
【００３０】
ストッパ７０及び孔部５２は、荷重調節ネジ７２を孔部５２に沿ってｙ軸方向にスライドさせる変位機構を構成している。すなわち、荷重調節ネジ７２は、この変位機構のために、凹部７６から受けるｙ軸方向の力に応じてスライドし、エンドプレート４０に対するｙ軸方向の相対位置を変位させる。また、この変位によってエンドプレート４０やプレート３４に生じていた歪みが解消するため、変位機構がない場合に比べ、荷重調節ネジ７２と燃料電池スタック２２とのｙ軸方向の相対位置も若干変わることになる。
【００３１】
孔部５０，５２は、エンドプレート４０の短辺の中心線上（ｚ軸方向の中点を通り、ｙ軸方向に伸びる線上）で、かつ、長辺を１／４及び３／４に分割した付近に設けられている。この位置は、それぞれ、燃料電池スタック２０，２２の中心付近に相当する位置であり、燃料電池スタック２０，２２をあまり歪ませることなく押圧できる位置である。
【００３２】
荷重調節ネジ６０，７２は、燃料電池スタック２０，２２に対する押圧力が適切な値となるように設定される。例えば、荷重調節ネジ６０，７２をスプリングボックス３６側にねじ込む（スプリングボックス３６側への突出を大きくする方向に移動させる）場合には、バネ３５の縮みが大きくなり、燃料電池スタック２０，２２に対する押圧力が大きくなる。また、二つの荷重調節ネジ６０，７２のねじ込み量を相対的に変化させ、スプリングボックス３６の傾きを変化させることで、二つの燃料電池スタック２０，２２に対する押圧力を個別的に調整できるようになる。
【００３３】
荷重調節ネジ６０，７２は、スプリングボックス３６、そして燃料電池スタック２０，２２をある程度バランスよく押圧するように設定される。これは、燃料電池スタック２０，２２を不均一に押圧した場合には、燃料電池スタック２０，２２が歪む傾向にあるからである。例えば、荷重調節ネジ６０，７２が配置される位置が、短辺の中心よりもｚ軸の負の方向に設定された場合には、燃料電池スタック２０はｚ軸の正の方向に押し出される。そして、押し出される変位が大きい場合には、テンションプレート４２と干渉を起こす（ぶつかってしまう）ことも考えられる。
【００３４】
そこで、荷重調節ネジ６０，７２の配置位置は、燃料電池スタック２０，２２をバランスよく押圧できるように設定されている。特に、燃料電池スタック２０，２２とテンションプレート４２，４４，４６，４８との干渉を回避するため、荷重調節ネジ６０，７２の配置位置は、燃料電池スタック２０，２２のｚ軸方向の中心付近を押圧するように高精度に設定されている。具体的には、エンドプレート４０における孔部５０，５２のｚ軸方向の位置、及び、プレート３４における凹部６４，７６のｚ軸方向の位置の公差を小さくするように注意が払われている。
【００３５】
他方、周囲の部材との干渉の可能性が小さいｙ軸方向については、ｚ方向に比べて低い精度で配置位置が設定されていてもよい。ｙ軸方向には、変位機構によって荷重調節ネジ７２がスライドするため、孔部５０，５２と凹部６４，７６の４者の相対位置関係の歪みが低減されるからである。さらにｙ軸方向については、発電時の発熱に起因した熱膨張や、テンションプレート４２，４４，４６，４８などの取付の影響も低減することが可能となる。
【００３６】
続いて、図３を用いて、荷重調節ネジ及び変位機構の配置位置のバリエーションについて説明する。図３は、図２（ｂ）に対応する図であり、エンドプレートの正面図を表している。
【００３７】
図３に示したエンドプレート８０では、エンドプレート８０の中央（ｙ軸方向の中心かつｚ軸方向の中心）に孔部８２が設けられ、そこからｙ軸に沿って等距離だけ離れた両側に孔部８４，８６が設けられている。これらの孔部８２，８４，８６は、いずれもエンドプレート８０の短辺の中心線上に設けられている。
【００３８】
孔部８２は、ネジがきられた真円形状の孔であり、その内部には荷重調節ネジ９０が捻入されている。他方、孔部８４，８６は、エンドプレート８０の長辺方向（ｙ軸方向）に伸びる横長の孔である。そして、孔部８４には、荷重調節ネジ９４が捻入されたストッパ９２が設置されており、孔部８６には、荷重調節ネジ９８が捻入されたストッパ９６が設置されている。つまり、荷重調節ネジ９４，９８は、それぞれ、孔部８４とストッパ９２、及び、孔部８６とストッパ９６による変位機構によって、ｙ軸方向に変位可能に配置されている。
【００３９】
このエンドプレート８０では、荷重調節ネジ９０は、燃料電池スタック２０，２２からなる燃料電池スタック体の中心に位置するように、ｙ軸方向及びｚ軸方向に高い精度で配置されている。しかし、荷重調節ネジ９４，９８は、ｙ軸方向にスライドできるため、孔部８４，８６をｙ軸方向に高精度に設ける必要はない。
【００４０】
以上に示した例では、複数の荷重調節ネジが短辺の中心線上にのみ配置され、変位機構が一又は二以上の荷重調節ネジを長辺方向にスライド可能にする態様について記した。このスライドの方向は、テンションプレート等との干渉が発生する可能性の小さい方向であると捉えることもできるし、固定的な荷重調節ネジとを結ぶ方向（その固定的な荷重調節ネジのまわりを回転しない方向）であると捉えることもできる。
【００４１】
荷重調節ネジをエンドプレート上に平面的な拡がりをもたせて配置する（つまり、全てを直線上に並べる配置は行わない）ことも可能である。このような例としては、４つの荷重調節ネジを、エンドプレートの各頂点寄りに配置する態様を挙げることができる。そして、この場合には、変位機構を様々な態様で設けることが可能である。例えば、一つの荷重調節ネジを固定的に設置し、この対角にある荷重調節ネジを変位可能に設置する態様が考えられる。変位の方向は、対角線方向（固定的な荷重調節ネジとを結ぶ方向）にすることもできるし、テンションプレートとの干渉が発生する可能性の小さい方向にすることも可能である。残る二つの荷重調節ネジは、固定して設置されても、１次元的に変位可能に設置されてもよい。あるいは、歪みの発生を低減する観点から、残る二つの荷重調節ネジの少なくとも一つに対し、エンドプレートの平面内の各方向に変位可能な遊びを設けて設置するようにしてもよい。
【００４２】
なお、以上の説明においては、荷重調節ネジに対する変位機構をエンドプレートの側に設ける例について示した。しかし、変位機構はスプリングボックス（燃料電池スタック）の側に設けられてもよいし、エンドプレートとスプリングボックスの両者の側に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態にかかる燃料電池の斜視図である。
【図２】図１に示した燃料電池の水平断面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。
【図３】変形例にかかるエンドプレートの正面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  燃料電池、１２，１４，１６  燃料電池セル、２０，２２  燃料電池スタック、３０，４０  エンドプレート、３２，３４  プレート、３５  バネ、３６  スプリングボックス、４２，４４，４６，４８  テンションプレート、５０，５２  孔部、６０，７２  荷重調節ネジ、６２，７４  受け部、６４，７６  凹部、７０  ストッパ。
【図１】
2008204909.tif 000003
【図２】
2008204909.tif 000004
【図３】
2008204909.tif 000005