(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電素子または蓄電素子を形成する各要素を積層してなる積層体、または単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタックである積層体の加圧構造であって、
前記積層体の上下に位置する一対の端板と、
前記端板を上下から挟持すると共に前記積層体を積層方向に加圧する板状弾性体とを備え、
前記板状弾性体の断面形状が底面部分と前記底面部分から曲げられた２つの側面部分とを有する溝型であり、さらに、前記板状弾性体は、前記側面部分の末端で前記側面部分同士が対向する方向に折り曲げられた折り返し部分を有し、
前記端板に厚肉部を設け、前記厚肉部に、前記板状弾性体の前記折り返し部分の先端部を当接させることを特徴とする積層体の加圧構造。
【請求項２】
発電素子または蓄電素子を形成する各要素を積層してなる積層体、または単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタックである積層体の加圧構造であって、
前記積層体の上下に位置する一対の端板と、
前記端板を上下から挟持すると共に前記積層体を積層方向に加圧する板状弾性体とを備え、
前記板状弾性体の断面形状が底面部分と前記底面部分から曲げられた２つの側面部分とを有する溝型であり、さらに、前記板状弾性体の前記側面部分に開口部が設けられており、前記板状弾性体は、前記開口部で囲まれた部分に前記側面部分同士が対向する方向に曲げ加工を施すことで形成された曲げ加工部を有し、
前記端板に厚肉部を設け、前記厚肉部に、前記板状弾性体の前記側面部分の先端部を当接させることを特徴とする積層体の加圧構造。
【請求項３】
発電素子または蓄電素子を形成する各要素を積層してなる積層体、または単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタックである積層体の加圧構造であって、
前記積層体の上下に位置する一対の端板と、
前記端板を上下から挟持すると共に前記積層体を積層方向に加圧する板状弾性体とを備え、
前記板状弾性体の断面形状が底面部分と前記底面部分から曲げられた２つの側面部分とを有する溝型であり、
前記端板に突起が設けられ、前記板状弾性体は前記突起において前記端板を挟持され、
前記端板に厚肉部を設け、前記厚肉部に、前記板状弾性体の前記側面部分の先端部を当接させることを特徴とする積層体の加圧構造。
【請求項４】
前記積層体を加圧した状態で前記板状弾性体の前記底面部分と前記側面部分とのなす角度が直角となるように、前記積層体を加圧する前の状態で前記板状弾性体の前記底面部分と前記側面部分とのなす角度が予め９０度未満に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の積層体の加圧構造。
【請求項５】
前記積層体を加圧する前の状態で前記板状弾性体の前記底面部分と前記側面部分とのなす角度が６５度以上８５度以下に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の積層体の加圧構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子または蓄電素子を形成する各要素を積層してなる積層体、または単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタックである積層体の構造において、積層体の積層方向に締め付け固定するための加圧構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電素子である一次電池や燃料電池、あるいは蓄電素子である二次電池やコンデンサには、発電素子または蓄電素子を形成する各要素を積層した構造を有するものがある。あるいは単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタック構造を有するものがある。このような積層体を積層方向に締め付け、押し付け圧力を均一に掛けることにより、安定した良好な特性を得ることができ、また長寿命になることが知られている。従来、積層体構造の上下端板を介して加圧する構造として、皿ばねやコイルばねを用いるものが、開示されている（例えば、特許文献１、２、３、４参照）。
【０００３】
図１６を用いてその一例である燃料電池スタックを説明する。  
図１６に示すように積層体７１の両端部に設けられた端板７２は、ばね７６と押圧板７４、７５を介して締結ボルト７８により積層体７１に押し付けられる。締結ボルト７８、ワッシャー７９、ナット７７は、積層体７１と端板７２と押圧板７４、７５とばね７６などの締結構造を一体化するために用いられる。これらは所定の加圧力をばね７６に与え、端板７２を介して均一な圧力を積層体７１に与える。ばね７６としてはコイルばね、皿ばね、板ばねなどが用いられる。
【特許文献１】特開昭６０−２２５３７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１６７７４５号公報
【特許文献３】特公平３−２００３０号公報
【特許文献４】特開２００６−４９２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構造では、積層体７１、端板７２に圧力を掛けるための、押圧板７４、７５が必要である。また、これらを一体化するための、締結ボルト７８、ワッシャー７９、ナット７７が必要となる。このように締結による加圧構造が積層体を包み込むように取り囲むため、装置全体が大型化する。
【０００５】
例えば電池の性能を判断する一つの指標として、積層体の単位電池当たりのエネルギー容量（エネルギー密度：Ｗｈ／ｌ）がある。しかし、モバイル用電池や車載用電池として、締結構造も含めた装置全体でどのくらいエネルギーを詰め込めるかという指標（エネルギー充填率）も重要である。すなわちたとえエネルギー密度が高くても装置のケーシングの形状や構造によりエネルギー充填率が５０％になれば、見かけ上のエネルギー密度は半分に低下する。
【０００６】
そのため上記のような加圧構造を用いると、その占有体積分だけ装置のエネルギー充填率が低下し、エネルギー密度を低下させることと同じ結果を招く。そのため、可能な限りスペースを取らずに積層体を積層方向に均一に圧力を掛ける必要がある。
【０００７】
また図１６に示す構造では、小型化とばねによる荷重のばらつきの低減とを両立させることは困難である。この理由を簡単に説明する。図１７は、ばね７６への荷重とばね変形量との関係を示している。この図面に示すようにばね荷重Ｐの許容誤差ΔＰを所定の範囲内とするためには、ばね定数の大小により、許容されるばねのたわみ誤差ΔＬが変化する。すなわち、ばね定数が大きいほど、ばねのたわみ誤差ΔＬが小さくなっている。逆に、ばね定数が小さいほど、ばねのたわみ誤差ΔＬが大きくなっている。
【０００８】
このことは、積層体７１の寸法のばらつきに関して、ばね定数が小さいばねの方が、ばね定数が大きなばねよりも許容できるばらつき範囲が大きいことを示している。ばね荷重が適正荷重よりも過大になると、積層体構成物の強度が問題となる。そのため、適正荷重よりも過大なばね荷重を与えてばねのたわみ誤差ΔＬを大きく取ることはできない。しかし、ばね定数の小さなばねは、ばね定数の大きなものよりも必要なばね荷重（適正荷重）を得るためのばねの自由長が長くなる。そのため、積層体７１を包み込むために大きなスペースが必要になり、装置全体が大型化する。
【０００９】
ここで、具体的に積層体７１の寸法が、高さ１５ｍｍ、幅３５ｍｍ、奥行き８０ｍｍで、加圧力が１００Ｎから１１０Ｎである締結構造を設計し、比較した例を以下に示す。図１８に示す皿ばね８６の寸法は、板厚０．４ｍｍ、外径３２ｍｍ、内径１６ｍｍ、自由高さ１．５ｍｍである。このときのばね定数は１１０Ｎ／ｍｍである。図１９に示すコイルばね９６の寸法は、線径１．７ｍｍ、自由長７．５ｍｍ、中心径８ｍｍ、有効巻数３である。このときのばね定数は５３．４Ｎ／ｍｍである。
【００１０】
図１７に示すように、皿ばね８６のばね荷重が１００Ｎから１１０Ｎまで変化するとき、ばね変形量は０．９１ｍｍから１．０ｍｍまで変化する。したがって皿ばね８６のばね荷重は、積層体７１の寸法のばらつきを１．０ｍｍ以内に収めないと所定の範囲を逸脱することになる。一方、コイルばね９６のばね荷重が１００Ｎから１１０Ｎまで変化するとき、ばね変形量は１．８７ｍｍから２．０６ｍｍまで変化する。しかしながらコイルばね９６の自由長は７．５ｍｍと長い。
【００１１】
さらに、積層体を構成する発電素子または蓄電素子を形成する各要素や、単位発電素子、単位蓄電素子にはある程度の寸法ばらつきがある。そのため、これらを積層することによりそのばらつきはさらに大きくなる。このように積層体の積層方向の寸法が製品毎にばらつきが発生すると、締結構造で締め付けた際に加圧力もばらつき、その結果として、特性や寿命がばらつく。
【００１２】
本発明は、積層体をその積層方向に加圧する構造を簡素化することで、ばね性、省スペース性、組み立て性を同時に向上させる積層体の加圧構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を解決するために、本発明の加圧構造は、積層体の上下に位置する一対の端板と板状弾性体とを備える。板状弾性体は端板を上下から挟持すると共に積層体を積層方向に加圧する。このような簡素な構造の加圧構造を用いることで積層体をその積層方向に適正圧力で加圧しつつ、省スペース性、組み立て性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積層体を挟持すると共に、同時に積層方向に加圧することを特徴とする加圧構造を提供可能である。本発明は、押圧板と、ばねまたは締結ボルト、ナット、ワッシャーなどの加圧部品のすべてを一体化することで、ばね特性、省スペース性、組み立て性を同時に向上させることが可能な積層体の加圧構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、積層体加圧構造を有する燃料電池の斜視図、図２は同燃料電池の断面図である。図３は図１の積層体加圧構造を構成する板状弾性体である板ばね１０の側面図である。図３は積層体である積層スタック１と端板１３を挿入前の板ばね１０の状態を示している。板ばね１０の断面形状は溝型形状である。すなわち板ばね１０は底面部分１２と底面部分１２から曲げられた２つの側面部分１１とを有し、積層スタック１と端板１３を挿入した状態でコの字形状を有する。板ばね１０は、プレス加工で形成することができる。また、押し出し加工や引き抜き加工などにより形成することができる。端板１３は、金属やセラミックなどで作製することができる。
【００２９】
なお積層スタック１は、起電部である複数の膜電極接合体（以下、ＭＥＡと記述）と、ＭＥＡを挟むように配置された複数のセパレータと、一対のエンドプレートを有する（いずれも図示せず）。エンドプレートはＭＥＡの積層方向両端、すなわちＭＥＡとセパレータとの積層方向両端からＭＥＡとセパレータを挟んでいる。またＭＥＡは、アノード電極と、カソード電極と、これらの間に介在する電解質膜とを積層して構成されている（いずれも図示せず）。積層スタック１の厚さは、例えば１９ｍｍである。
【００３０】
図１、２は、積層スタック１と２つの端板１３を板ばね１０の２つの側面部分１１の間に挿入後、加圧した状態を示す。側面部分１１は、積層スタック１を押さえている。底面部分１２は、直接、積層スタック１に接触していない。積層スタック１の上下には端板１３が位置する。このように、板ばね１０の復元力により、積層スタック１を加圧しているので、加圧する力の調整などが不要である。また、組み立ても容易である。さらに、小型化できる。そして、取り外しも容易である。
【００３１】
なお図３に示すように、積層スタック１を挿入前の板ばね１０の底面部分１２と側面部分１１とのなす角度は、積層スタック１を挿入、加圧後にほぼ９０度となるように、予め９０度未満に設定しておくことが好ましい。加圧後にほぼ９０度となることにより板ばね１０の圧縮力が大きくなると共に、板ばね１０の占有体積が小さくなり、省スペース性が向上する。また省スペース性の観点から、積層スタック１と端板１３を挿入する前の状態で、板ばね１０の底面部分１２は曲面状でもよいが、むしろ平面状であることが好ましい。
【００３２】
なお板ばね１０の位置決めは、板ばね１０の底面部分１２と端板１３の端部を当接させることで行うことができる。この場合、端板１３が導体で構成されており、かつ電極を兼ねている場合は、短絡を起こさないように板ばね１０の内側に絶縁層を設けることが必要である。
【００３３】
組み立て手順としては、図４に示すように図示しない開口治具により矢印の方向に板ばね１０の側面部分１１を開口させた状態で、積層スタック１と２つの端板１３を挿入する。その後に開口治具を取り払うことで、板ばね１０の復元力によって、積層スタック１を加圧する。
【００３４】
なお、図５に示すように、奥行き方向に複数個に分割した板ばね１０Ａを用いてもよい。この構成では、積層スタック１に作用する圧力分布の均一化することができる。３分割以上がよいが、それ以上に分割してもよい。最適には３分割から４分割がよい。
【００３５】
さらに、図６に示すように、板ばね１０を２つ用いてもよい。２つの板ばね１０により、積層スタック１と２つの端板１３Ａを左右両側から挟持することで、積層スタック１をバランスよく加圧することができる。すなわち２つの板ばね１０はそれぞれの底面部分１２が相対するようにして端板１３Ａを挟持している。また端板１３Ａは、厚肉部２３と薄肉部２４の部分からなることが好ましい。このような端板１３Ａを用いた場合、厚肉部２３に板ばね１０の側面部分１１の先端部を当接させることで板ばね１０の位置決めをすることができる。このようにすれば、底面部分１２が端板１３Ａや積層スタック１に接触しないように板ばね１０を位置決めすることができる。
【００３６】
なお、板ばね１０の底面部分１２と側面部分１１とのなす好ましい角度や、板ばね１０を複数個に分割する構成、あるいは２つの板ばね１０で左右両側から挟持する構成は、以下に説明する実施の形態にも適用可能である。
【００３７】
図７は、積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図である。図８は図７に示す積層体加圧構造を構成する板状弾性体である板ばね１０Ｂの側面図である。図８は積層スタック１と端板１３Ａを挿入前の板ばね１０Ｂの状態を示している。本実施の形態では、２つの板ばね１０Ｂの側面部分１１Ｂに端板１３Ａを加圧するための突起部２５が設けられている。それ以外の構成は図６の構成と同様である。
【００３８】
このように板ばね１０Ｂの側面部分１１Ｂにそれぞれ突起部２５を設けることで、板ばね１０Ｂで端板１３Ａに掛ける力の作用点が一義的に定まり、加圧力を安定させることができる。突起部２５の位置Ｌａを適切に設計することにより、端板１３Ａに作用する圧力を均一化させることができる。
【００３９】
図９（ａ）は、積層スタック１と端板１３Ａと板ばね１０Ｂの１／４の有限要素解析モデル図である。積層スタック１は３個の燃料電池の単位セル１０１、１０２、１０３を含む。図９（ｂ）は有限要素解析結果であり、単位セル１０１、１０２、１０３の圧縮変形を積層スタック１の中心１０４からの距離に対して示したグラフである。図９（ａ）に示すモデルにおいて加圧前の各単位セルの厚さは０．６５ｍｍである。一方、加圧後の厚さは図９（ｂ）に示すようにどの単位セル、どの位置においても０．５ｍｍ付近に分布している。このように単位セル１０１、１０２、１０３の圧縮変形量は、どの位置においてもほぼ一定の値となっている。
【００４０】
図９（ｃ）は３個の単位セルの圧縮応力分布を示している。いずれの単位電池も圧縮応力は０．２０ＭＰａから０．２２ＭＰａと一定の範囲に均一化されていることがわかる。
【００４１】
このように一定の圧縮応力の大きさと均一の圧縮分布を得るためには、端板１３Ａとの接触点である突起部２５から積層スタック１の中心までの距離Ｌａを、積層スタック１の幅Ｌｏの１２％以上３８％以下とすることが好ましい。突起部２５の距離Ｌａを変化させた有限要素法解析結果より、特に距離Ｌａを幅Ｌｏの約１／４とすることが好ましいことがわかっている。
【００４２】
図９の有限要素解析は、板ばね１０Ｂの側面部分１１Ｂと底面部分１２とがなす角度を予め約７５度に設定し、突起部２５の位置が積層スタック１の中心から積層スタック１の幅の約２５％とした場合を示している。すなわち図７において、積層スタック１の中心から突起部２５までの距離Ｌａを、積層スタック１の幅Ｌｏの約１／４（２５％）とすることで積層スタック１に作用する圧力分布を均一化することができることが示されている。
【００４３】
（実施の形態１）
図１０は本発明の実施の形態１による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図、図１１は図１０に示す積層体加圧構造を構成する板状弾性体である板ばね１０Ｃの側面図である。図１１は積層スタック１と端板１３Ａを挿入前の板ばね１０Ｃの状態を示している。本実施の形態では、２つの板ばね１０Ｃは、側面部分１１Ｃの末端で、側面部分１１Ｃ同士が対向する方向に折り曲げられた折り返し部分２６を有する。それ以外の構成は、図６の構成と同様である。
【００４４】
このように板ばね１０Ｃの側面部分１１Ｃの先端部分をそれぞれ折り曲げて折り返し部分２６を設けることで、板ばね１０Ｃのばね定数を小さくしてばね性を向上させることができる。また折り返し部分２６を適切に設計することにより、端板１３Ａに掛ける力の作用点が一義的に定まり、加圧力を安定させることができる。
【００４５】
なお図１０に示すように折り返し部分２６と端板１３Ａとの接触点から積層スタック１の中心までの距離Ｌａを、積層スタック１の幅Ｌｏの１２％以上３８％以下とすることで積層スタック１に作用する圧力分布を均一化することができる。特に距離Ｌａを幅Ｌｏの約１／４とすることが好ましい。
【００４６】
（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図である。図１３（ａ）は図１２に示す積層体加圧構造を構成する板状弾性体である板ばね１０Ｄの上面図、図１３（ｂ）は図１２に示す積層体加圧構造を構成する板状弾性体である板ばね１０Ｄの側面図である。ただし、図１３（ａ）、（ｂ）は積層スタック１、端板１３Ａの挿入前の状態を示している。本実施の形態では、２つの板ばね１０Ｄの側面部分１１Ｄに開口部２７１が設けられている。そして板ばね１０Ｄは、開口部２７１で囲まれた部分に側面部分１１Ｄ同士が対向する方向に曲げ加工を施すことで形成された曲げ加工部２７を有する。それ以外の構成は、図６の構成と同様である。
【００４７】
開口部２７１は側面部分１１Ｄを縁切加工することにより設けられ、開口部２７１で囲まれた内側部分を折り曲げ線２７２で折り曲げて曲げ加工部２７を形成することで板ばね１０Ｄのばね性を向上させている。
【００４８】
また曲げ加工部２７の長さと丸みを適切に設計することにより、端板１３Ａに掛ける力の作用力と作用点が一義的に定まり、加圧力を安定させることができる。図１２に示すように曲げ加工部２７と端板１３Ａとの接触点から積層スタック１の中心までの距離Ｌａを、積層スタック１の幅Ｌｏの１２％以上３８％以下とすることで積層スタック１に作用する圧力分布を均一化することができる。特に距離Ｌａを幅Ｌｏの約１／４とすることが好ましい。
【００４９】
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図である。図１５は図１４に示す積層体加圧構造を構成する端板１３Ｂの断面図である。本実施の形態では、端板１３Ｂの薄肉部２４に突起３１が設けられ、板ばね１０が突起３１に当たって端板１３Ｂを挟持している。それ以外の構成は、図６の構成と同様である。
【００５０】
このように端板１３Ｂに突起３１を設けることにより、端板１３Ｂに掛ける力の作用点が一義的に定まり、加圧力を安定化することができる。特に図１５に示すように端板１３Ｂと板ばね１０との接触点である突起３１から積層スタック１の中心までの距離Ｌａを、積層スタック１の幅Ｌｏの１２％以上３８％以下とすることで積層スタック１に作用する圧力分布を均一化することができる。特に距離Ｌａを幅Ｌｏの約１／４とすることが好ましい。
【００５１】
なお突起３１は距離Ｌａの前後に複数個設けてもよい。複数個設けることでさらに圧力分布を均一化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明による積層体の加圧構造では、積層体を挟持すると共に積層方向に加圧することができる。また板状弾性体で加圧部品のすべてを一体化することができ、ばね特性、省スペース性、組み立て性を同時に向上させることができる。このような積層体の加圧構造は発電素子である一次電池や燃料電池、または蓄電素子である二次電池やコンデンサを形成する各要素を積層してなる積層体に有用である。さらに単位発電素子または単位蓄電素子を積層してなる積層スタックにも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】積層体加圧構造を有する燃料電池の斜視図
【図２】同燃料電池の断面図
【図３】同積層体加圧構造を構成する板状弾性体の側面図
【図４】同燃料電池の組み立て説明図
【図５】他の積層体加圧構造を有する燃料電池の斜視図
【図６】他の積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図
【図７】積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図
【図８】同積層体加圧構造を構成する板状弾性体の側面図
【図９】（ａ）同燃料電池の１／４の有限要素解析モデル図、（ｂ）有限要素解析結果のグラフ、（ｃ）有限要素解析結果のグラフ
【図１０】本発明の実施の形態１による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図
【図１１】同積層体加圧構造を構成する板状弾性体の側面図
【図１２】本発明の実施の形態２による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図
【図１３】（ａ）同積層体加圧構造を構成する板状弾性体の上面図、（ｂ）同側面図
【図１４】本発明の実施の形態３による積層体加圧構造を有する燃料電池の断面図
【図１５】同積層体加圧構造を構成する端板の断面図
【図１６】従来の燃料電池の断面図
【図１７】従来の燃料電池におけるばねへの荷重とばね変形量との関係を示すグラフ
【図１８】従来の燃料電池に用いる皿ばねの断面図
【図１９】従来の燃料電池に用いるコイルばねの断面図
【符号の説明】
【００５４】
１    積層スタック（積層体）
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ    板ばね
１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ    側面部分
１２    底面部分
１３，１３Ａ，１３Ｂ    端板
２３    厚肉部
２４    薄肉部
２５    突起部
２６    折り返し部分
２７    曲げ加工部
３１    突起
７１    積層体
７２    端板
７４，７５    押圧板
７６    ばね
７７    ナット
７８    締結ボルト
７９    ワッシャー
８６    皿ばね
９６    コイルばね
１０１，１０２，１０３    単位セル
１０４    中心
２７１    開口部
２７２    折り曲げ線
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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