(57)【要約】【課題】  締結荷重印加ネジの回転による捩れ負荷が荷重センサに掛かることを抑制できる燃料電池スタックの提供。【解決手段】（１）スタックのセル積層方向一端部に締結荷重印加部４０を配置し、締結荷重印加部を構成する締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２との間に締結力印加ネジの回転が締結力測定センサに与える捩れ負荷を抑制するベアリング４３を設けた燃料電池スタック。（２）締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２とベアリング４３がアッセンブリ化されて単一の締結荷重印加部を構成している。（３）  ベアリング４３はボールベアリングである。【選択図】        図２
2007234436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックのセル積層方向の一端側に締結荷重印加部を設け、締結荷重印加部を構成する締結力印加ネジと締結力測定センサとの間に締結力印加ネジの回転が締結力測定センサに与える捩れ負荷を抑制するベアリングを設けた燃料電池スタック。
【請求項２】
締結力印加ネジと締結力測定センサとベアリングがアッセンブリ化されて単一の締結荷重印加部を構成している請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
締結力印加ネジがエンドプレートに直接螺合され、締結力印加ネジがベアリングを介して締結力測定センサに連結され、締結力測定センサはセルを含む積層体を直接押している請求項１または請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
ベアリングはボールベアリングである請求項１〜請求項３の何れか一項記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関し、とくに燃料電池スタックの締結荷重印加部に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を複数積層し締結荷重を付与して燃料電池スタックが形成される。
特開２００２−１２４２９１号公報は、エンドプレートとプレッシャプレートとの間に締結荷重印加ネジと荷重センサ（たとえば、ロードセル）を設けてセル電極部に掛かる面圧をを調整可能とするとともに締結荷重を測定できるようにした締結荷重印加部の構造を開示している。
【特許文献１】特開２００２−１２４２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の締結荷重印加部の構造には、締結荷重印加ネジの回転による捩れ負荷が荷重センサに掛かるという課題がある。
締結荷重印加ネジの回転による捩れ負荷が荷重センサに伝わることを抑制するには、図５に示すように、締結荷重印加ネジ１と荷重センサ２の間に回り止め部材３を設け、回り止め部材３の回転をエンドプレート４に固定したブラケット５で規制して、締結荷重印加ネジ１の荷重を捩れ負荷を抑制して荷重センサ２に伝える仮想構造が、考えられる。しかし、図５の構造においても、捩れ負荷は抑制できるが、ブラケット５や回り止め部材３など部品点数が増加すること、また、ブラケット５がエンドプレート４から外側に突出し、回り止め部材３の厚みが球面部３ａを設けるため厚くなって、ブラケット５の突出分および回り止め部材３の厚みが大な分、締結荷重印加部のセル積層方向の長さが長くなり、燃料電池スタックに配置スペースの問題が生じる、等の課題がある。
本発明の目的は、締結荷重印加ネジの回転による捩れ負荷が荷重センサに掛かることを抑制できる燃料電池スタックを提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、締結荷重印加ネジの回転による捩れ負荷が荷重センサに掛かることを抑制できるとともに、締結荷重印加部の部品点数の増加とセル積層方向の厚みの増加を抑えることができる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  スタックのセル積層方向一端部に締結荷重印加部を配置し、締結荷重印加部を構成する締結力印加ネジと締結力測定センサとの間に締結力印加ネジの回転が締結力測定センサに与える捩れ負荷を抑制するベアリングを設けた燃料電池スタック。
（２）  締結力印加ネジと締結力測定センサとベアリングがアッセンブリ化されて単一の締結荷重印加部を構成している（１）記載の燃料電池スタック。
（３）  締結力印加ネジがエンドプレートに直接螺合され、締結力印加ネジがベアリングを介して締結力測定センサに連結され、締結力測定センサはセルを含む積層体を直接押している（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（４）  ベアリングはボールベアリングである（１）〜（３）の何れかに記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【０００５】
上記（１）、（４）の燃料電池スタックによれば、締結力印加ネジと締結力測定センサとの間にベアリングを設けたので、ベアリングが捩れ負荷の伝達を抑制できるため、締結力印加ネジの回転が締結力測定センサに与える捩れ負荷を抑制することができる。
上記（２）の燃料電池スタックによれば、締結力印加ネジと締結力測定センサとベアリングがアッセンブリ化されて単一の締結荷重印加部となっているので、図５の場合に比べて部品点数が減少する。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、締結力印加ネジがエンドプレートに直接螺合され、締結力印加ネジがベアリングを介して締結力測定センサに連結され、締結力測定センサはセルを含む積層体を直接押しているので、図５の仮想の構造に比べて、ブラケットのエンドプレートからの突出を無くすとともに、回り止め部材をそれより薄いベアリングに変えることにより、締結荷重印加部の長さを短くすることができ、スペースが制限される車両などへの燃料電池スタックの搭載上、有利となる。
上記（４）の燃料電池スタックによれば、ベアリングはボールベアリングであるため、セル積層方向の荷重を伝達する能力を維持したまま、捩れ負荷を逃がすことができ、その結果、締結力印加ネジの回転が締結力測定センサに与える捩れ負荷を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に、本発明の燃料電池スタックを図１〜図４を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池スタック２３は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池（セルともいう）１０を積層したスタックである。燃料電池スタック１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極接合体１９は、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層（ガス拡散層ともいう）１３、１６が設けられる。
膜−電極接合体１９とセパレータ１８を重ねて構成したセル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、締結力印加ネジでないボルト２５・ナットにて固定し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ（メタルセパレータの場合は、樹脂フレームとの組み合わせであってもよい）、または導電性樹脂セパレータからなる。
【０００９】
各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１０】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。セパレータがメタルセパレータからなる場合は、メタルセパレータ１８と電解質膜１１との間に、非発電領域において、樹脂フレーム（発電領域が中抜きされた樹脂製フレームで、マニホールド孔は具備しているフレーム）が介装される場合があるが、その場合は、メタルセパレータ１８と樹脂フレームとの間、および樹脂フレームと電解質膜１１との間が第１のシール部材３２によってシールされる。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴムガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。
【００１１】
図１の例では、燃料電池スタック２３のセル積層方向一端側に、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間に、バネ箱３４が配置されている。バネ箱３４は相対動可能な第１、第２の部材３６、３７の間に複数のバネ３５が互いに並列に配置されたものからなり、一方の部材３６（インシュレータ２１に近い側の部材）の底板はプレッシャプレート３８として働き、他方の部材３７（エンドプレート２２に近い側の部材）の底板は締結荷重印加部４０からの荷重を受ける。プレッシャプレート３８はインシュレータ２１、ターミナル２０を介してセル積層体に面圧をかける。バネ箱３４は、締結荷重印加部４０からの荷重をセル面内方向に均一に分配して、セル積層体にかける。
【００１２】
燃料電池スタック２３のセル積層方向一端側に締結荷重印加部４０が設けられる。締結荷重印加部４０は、望ましくは、図１に示すようにエンドプレート２２の中央部に配置される。ただし、締結荷重印加部４０は、エンドプレート２２の中心線に対して対称の位置に複数配置されてもよい。
【００１３】
図２に拡大して示すように、締結荷重印加部４０は、エンドプレート２２に螺合される締結力印加ネジ４１と、バネ箱３４の部材３７（エンドプレート２２に近い側の部材）に押しつけられる締結力測定センサ４２と、締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２との間で締結力印加ネジ４１の軸力方向上に設けられた、締結力印加ネジ４１の回転が締結力測定センサ４２に与える捩れ負荷（締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２の、軸芯まわりの回転モーメント）を抑制するベアリング４３とを含む。ベアリング４３は、締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２の間にセル積層方向の軸力は伝達するが、締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２の間に軸芯まわりの回転モーメントは逃がす。締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２の間にベアリング４３があるために、締結力印加ネジ４１を回転させた時に締結力測定センサ４２がつれ回りすることが防止される。
【００１４】
締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２とベアリング４３は、アッセンブリ化されていて単一の締結荷重印加部４０を構成しているので、互いにばらばらにならない。
締結力印加ネジ４１は、外周にネジ４１ａがきってあり、エンドプレート２２の中央部に設けたネジ穴に、直接、螺合されている。締結力印加ネジ４１は、中央部に角穴４１ｂ（たとえば、四角穴や六角穴）が設けられており、そこにトルクレンチなどの角形頭部を挿入して回転させることができるようになっている。締結力印加ネジ４１は、望ましくは、エンドプレート２２の端面から外側に突出していない。
【００１５】
締結力測定センサ４２は、たとえばロードセル４２ａを含んでおり、ロードセルの出力（通常、歪みを電気信号に変換した出力）は取り出されてケーブル４２ｂにて制御装置（図示略）に送られる。締結力測定センサ４２は、セルを含む積層体（バネ箱３４を含む）を直接押している。締結力測定センサ４２の押部４２ｃの先端面は球面であってもよいし、または平面であってもよい。ロードセル４２ａからのケーブル４２ｂはベアリング４３の内部または外部を通り、締結力印加ネジ４１を通り抜けて、燃料電池スタック外の制御装置へと接続している。
【００１６】
ベアリング４３は、互いに隔てられかつ分離しないように連結具４３ｃにて連結された一対のレース４３ｂと、一対のレース４３ｂの間に配置されたボール４３ａを有する、ボールベアリングである。ベアリング４３は、軸力は伝達するが、軸芯まわりの回転（捩れ）は逃がす。ベアリング４３の一方のレースは締結力印加ネジ４１に連結され、ベアリング４３の他方のレースは締結力測定センサ４２に連結される。締結力印加ネジ４１はベアリング４３を介して締結力測定センサ４２に連結されている。
ベアリング４３のセル積層方向の厚さは、図５の仮想構造の回り止め部材に比べて、球面部を設ける必要がない分、小となり、締結荷重印加部４０の長さが図５の仮想構造の締結荷重印加部に比べて小である。
【００１７】
テンションプレート２４のセル積層体側表面にはインシュレータとして働くことができる横荷重がかかった時にセルがテンションプレート２４に衝突、干渉するのを防止するための緩衝材４４が設けられている。
また、図１では、エンドプレート２２とテンションプレート２４とを連結するボルト２５がセル積層方向に延びているが、テンションプレート２４がエンドプレート２２側面まで延びてボルト２５がセル積層方向と直交する方向に延びていてもよい。
【００１８】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
本発明の燃料電池スタック２３では、締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２との間にベアリング４３を設けたので、ベアリング４３が捩れ負荷の伝達を抑制できるため、締結力印加ネジ４１の回転が締結力測定センサ４２に与える捩れ負荷を抑制することができる。その結果、締結力印加ネジ４１を回してスタック締結荷重を調整する時に締結力測定センサ４２に捩れ負荷がかかることが抑制され、ひいては積層体に捩れ方向モーメントがかかることが抑制され、積層体構成部品間で捩れ方向のずれが生じることが抑制される。
【００１９】
締結力印加ネジ４１と締結力測定センサ４２とベアリング４３がアッセンブリ化されて単一の締結荷重印加部４０となっているので、図５の仮想構造に比べてブラケット、回り止め部材が無くなり、部品点数が減少する。
【００２０】
また、締結力印加ネジ４１がエンドプレート２２に直接螺合され、締結力印加ネジ４１がベアリング４３を介して締結力測定センサ４２に連結され、締結力測定センサ４２はセルを含む積層体（のバネ箱４３）を直接押しているので、図５の仮想構造に比べて、ブラケットのエンドプレートからの突出を無くすとともに、回り止め部材をそれより薄いベアリング４３に変えることにより、締結荷重印加部４０の長さを短くすることができ、スペースが制限される車両などへの、燃料電池スタック２３の搭載上、有利となる。
【００２１】
ベアリング４３はボールベアリングであるため、セル積層方向の荷重（スタック締結荷重）を伝達する能力を維持したまま、捩れ方向のモーメントを逃がすことができ、その結果、締結力印加ネジ４１の回転が締結力測定センサ４２に与える捩れ負荷を効果的に抑制することができる。したがって、締結力印加ネジ４１を回転させてスタック締結荷重を調整する時に締結力測定センサ４２が捩れ方向に回転したりセル積層体が捩れ方向に回転することがなく、スタックの部品間に捩れ方向のずれを生じさせることなく、適正な締結荷重をスタックにかけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の燃料電池スタックの、一部を断面にして示した、側面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの、締結荷重印加部の断面図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの一部の断面図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックのセル部位での正面図である。
【図５】締結荷重印加ネジの荷重センサへの捩れ負荷の伝達を、ブラケットと回り止め部材で抑制した仮想の燃料電池スタックの、締結荷重印加部の断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  ＭＥＡ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  第１のシール部材
３３  第２のシール部材
３４  バネ箱
３５  バネ
３６、３７  第１、第２の部材
３８  プレッシャプレート
４０  締結荷重印加部
４１  締結力印加ネジ
４１ａ  ネジ
４１ｂ  角穴
４２  締結力測定センサ
４２ａ  ロードセル
４２ｂ  ケーブル
４２ｃ  押部
４３  ベアリング
４３ａ  ボール
４３ｂ  レース
４３ｃ  連結具
４４  緩衝材
【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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