(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、前記プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、該凸部を前記凹部に接触させ、前記プレッシャプレートの前記セル積層方向内側にインシュレータを設け、該インシュレータの前記プレッシャプレート側の面に凹部を有し、該インシュレータの凹部に前記プレッシャプレートを配置した燃料電池。
【請求項２】
セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、前記プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、該凸部を前記凹部に接触させ、前記凹部と前記凸部の少なくとも一方にグリースを塗布した燃料電池。
【請求項３】
セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、前記プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、該凸部を前記凹部に接触させ、前記凸部と前記凹部との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構を設け、前記荷重変動低減機構を前記凸部と前記凹部との接触部よりセル積層体側に配置した燃料電池。
【請求項４】
前記セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対し前記セル積層方向に位置を調整可能とされた調整部とを有しており、前記凸部と前記凹部との接触部のセル積層方向線上に前記調整部を設けた請求項１−３の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記凸部の凸状の湾曲面の中心を、プレッシャプレートのセル積層体側の面上に位置させた請求項１−３の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セルを車両用の固体高分子型セルから構成した請求項１−３の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セル積層方向両端のエンドプレートの各エンドプレートと前記締結部材との結合を、セレーションとボルトによる結合とした請求項１−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対し前記セル積層方向に位置を調整可能とされた調整部とを有しており、該調整部に前記凹部が形成されている請求項１または請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記プレッシャプレート、前記セル積層方向一端のエンドプレート、前記プレッシャプレートと前記セル積層方向一端のエンドプレートとの間、の何れか少なくとも１箇所に、前記凸部と前記凹部との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構を設けた請求項１−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記プレッシャプレートの前記セル積層方向内側にインシュレータを設け、該インシュレータの前記プレッシャプレート側の面に凹部を有し、該凹部に前記プレッシャプレートを配置した請求項２−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記凸部の前記湾曲面が球面からなる請求項１−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記締結部材でセルのセル積層方向と直交方向への移動が規制される場合は、前記凸部の前記湾曲面が締結部材で規制されない方向に湾曲した円筒面からなる請求項１−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記荷重変動低減機構が互いに直列に設けられた複数組の皿ばねからなる請求項９記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対して位置調整可能な調整部とからなり、前記エンドプレート本体と前記調整部との間に、前記荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されており、前記調整部は前記エンドプレート本体に対して回転を拘束された雌ねじ部と該雌ねじ部に螺合され雌ねじ部に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部とから構成されている請求項９記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記プレッシャプレートはセル積層方向に２つの部材に分割されており、該２つの部材の間に、前記荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されている請求項９記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記プレッシャプレートはセル積層方向に２つの部材に分割されており、該２つの部材のうちセル積層方向外側の部材に前記凸部が形成されておりかつ荷重センサが設けられている請求項１−６の何れか一項記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記プレッシャプレートの側面のセル積層方向の高さを前記インシュレータの前記凹部の内側面のセル積層方向の高さより低くしてある請求項１または請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記荷重変動低減機構は皿ばねからなり、該皿ばねはスタック締結荷重を付与された時に反転状態になる請求項９記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記プレッシャプレートおよび前記エンドプレートに形成されスタック締結荷重を付与され反転状態にされた前記皿ばねに接触して該皿ばねから荷重を受ける座面には、反転された前記皿ばねの傾斜と等しいかそれ以上の傾斜がつけられている請求項１８記載の燃料電池。
【請求項２０】
セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートの前記セル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、前記スタックの前記セル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、前記プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、該凸部を前記凹部に接触させ、
前記凸部の凸状の湾曲面の中心を、プレッシャプレートのセル積層体側の面上に位置させ、前記締結部材でセルのセル積層方向と直交方向への移動が規制される場合は、前記凸部の前記湾曲面が締結部材で規制されない方向に湾曲した円筒面からなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに燃料電池の締結構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、セルの積層体からモジュールを構成し、モジュールの積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレートにて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
上記の電気化学反応が正常に行われるには、スタックの締め付け荷重がスタックの電極部の横断面全域にわたって均一で、しかも大きく変動しないことが必要である。また、カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。そのため、燃料電池の環境温度は、運転停止時の周囲温度（たとえば、２０℃）と運転時の冷却媒体温度（約８０℃）との間に繰り返し変化し、それによって締め付け荷重も変動する。また、膜、電極のクリープによっても荷重は変わる。
特開平９−２５９９１６号公報は、スタックを均一に締め付けるために、燃料電池スタックをスタックの外側で燃料電池積層方向に延びる４本のロッド・ナットで加圧する締結構造を開示している。また、ナットとスタック間には加圧コイルスプリングが設けられており、それによって荷重変動が低減している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の締結構造では、スタックを構成するセルの平行度合いが悪い場合、均一な面圧で締め付けることが難しい。均一面圧で加圧されない場合、燃料電池の性能低下が生じたり、最悪の場合には反応ガス（水素、空気）のリークが生じるおそれがある。また、燃料電池積層方向に延びる４本のロッド・ナットで加圧する締結構造では、エンドプレートより燃料電池積層方向外側にロッドの端部やナットが延びるために、燃料電池スタックの全長が長くなり、車両への搭載に不利になる。
本発明の目的は、燃料電池のスタックを面圧が均一かほぼ均一になるように燃料電池積層方向に加圧できる燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
本発明の燃料電池は、セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックのセル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、スタックのセル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、凸部を凹部に接触させ、プレッシャプレートのセル積層方向内側にインシュレータを設け、該インシュレータの前記プレッシャプレート側の面に凹部を有し、該インシュレータの凹部にプレッシャプレートを配置したものからなる。
ここで、エンドプレートやプレッシャプレートは板状のものに限るものではない。たとえば、中空の箱状のものなども含む。
また、本発明の燃料電池は、セルを積層したセル積層体のセル積層方向両端にエンドプレートを配置しセル積層体に圧縮荷重をかけて両エンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材にて締結してスタックを構成し、該スタックのセル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側にプレッシャプレートを配置し、スタックのセル積層方向一端のエンドプレートのセル積層方向内側の面に凹部を設け、プレッシャプレートのセル積層方向外側の面に湾曲面をもつ凸部を設け、凸部を凹部に接触させものにおいて、
（イ）凹部と凸部の少なくとも一方にグリースを塗布したもの、
（ロ）前記凸部と前記凹部との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構を設け、前記荷重変動低減機構を前記凸部と前記凹部との接触部よりセル積層体側に配置したもの、
（ハ）セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対しセル積層方向に位置を調整可能とされた調整部とを有しており、凸部と凹部との接触部のセル積層方向線上に調整部を設けたもの、
（ニ）凸部の凸状の球面の中心を、プレッシャプレートのセル積層体側の面上に位置させたもの、
（ホ）  セルを車両用の固体高分子型セルから構成したもの、
のいずれかであってもよい。
上記燃料電池は、つぎの構造をとることができる。
望ましくは、セル積層方向両端のエンドプレートの各エンドプレートと締結部材との結合は、セレーションとボルトによる結合からなる。
望ましくは、セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対しセル積層方向に位置を調整可能とされた調整部とを有しており、該調整部に前記凹部が形成されている。
望ましくは、プレッシャプレート、セル積層方向一端のエンドプレート、プレッシャプレートとセル積層方向一端のエンドプレートとの間、の何れか少なくとも１箇所に、凸部と凹部との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構が設けられている。
望ましくは、プレッシャプレートのセル積層方向内側にインシュレータが設けられており、該インシュレータはプレッシャプレート側の面に凹部を有しており、該凹部にプレッシャプレートが配置されている。
望ましくは、凸部の湾曲面は球面からなる。
締結部材でセルのセル積層方向と直交方向への移動が規制される場合は、凸部の湾曲面は締結部材で規制されない方向に湾曲した円筒面からなってもよい。
望ましくは、荷重変動低減機構は互いに直列に設けられた複数組の皿ばねからなる。
望ましくは、セル積層方向一端のエンドプレートはエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対して位置調整可能な調整部とからなり、エンドプレート本体と前記調整部との間に、荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されている。調整部はエンドプレート本体に対して回転を拘束された雌ねじ部と該雌ねじ部に螺合され雌ねじ部に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部とから構成されている。
望ましくは、プレッシャプレートはセル積層方向に２つの部材に分割されており、該２つの部材の間に、荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されている。
望ましくは、プレッシャプレートはセル積層方向に２つの部材に分割されており、該２つの部材のうちセル積層方向外側の部材に凸部が形成されておりかつ荷重センサが設けられている。
望ましくは、プレッシャプレートの側面のセル積層方向の高さがインシュレータの凹部の内側面のセル積層方向の高さより低くしてある。
望ましくは、荷重変動低減機構は皿ばねからなり、該皿ばねはスタック締結荷重を付与された時に反転状態になる。
望ましくは、プレッシャプレートおよびエンドプレートに形成されスタック締結荷重を付与され反転状態にされた皿ばねに接触して該皿ばねから荷重を受ける座面には、反転された皿ばねの傾斜と等しいかそれ以上の傾斜がつけられている。
【０００５】
上記本発明の燃料電池では、エンドプレートとプレッシャプレートとを凸部と凹部との接触構造としたので、セルの平行度が悪くても、接触部で点押しでき、かつプレッシャプレート全域でほぼ均一に押すことができる。また、プレッシャプレート側に凸部を設けたので、セルの平行度のずれを、凸部の湾曲面の中心がセル積層方向と直交方向に振れることなく凸部の湾曲面の中心での回動だけで吸収でき、セル積層体がセル積層方向と直交方向に振れることを抑制できる。また、エンドプレートに凹部を設けたので、凸部と凹部が横方向にずれることもなく、安定した締結が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図２１を参照して、説明する。図１〜図１５は本発明の実施例１を示し、図１６は本発明の実施例２を示し、図１７〜図２１は本発明の実施例３を示す。
本発明の全実施例にわたって共通するまたは類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００７】
まず、本発明の全実施例にわたって共通するかまたは類似する部分の構成、作用を、たとえば図１〜１５を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、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１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９（たとえば、２セルモジュール）を形成し、モジュール１９を多数積層してモジュール１９群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付け、セル積層体２３の両外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）にて締結したものからなる。
締結部材２４がテンションプレートからなる場合、テンションプレート２４の各端部はスタック両端のエンドプレート２２Ａ、２２Ｂの各々に燃料電池積層方向と直交方向に延びるボルト２５にて固定される。以下では、締結部材２４がテンションプレートからなる場合を例にとる。ただし、締結部材２４にはテンションプレートに代えて燃料電池積層方向に延びるスルーボルト・ナットを用いてもよい。
【０００９】
図１〜図６に示すように、スタック２３のセル積層方向一端のエンドプレート２２Ａと該エンドプレート２２のセル積層方向内側に設けたインシュレータ２１との間に、プレッシャプレート２６が配置されている。プレッシャプレートはスタック２３のセル積層方向他端側には設けられない。
【００１０】
スタック２３の燃料電池積層方向一端のエンドプレート２２（エンドプレート２２が本体２２ａと調整部２２ｂとの分割されている場合は、本体２２ａと調整部２２ｂの何れかの部材）のプレッシャプレート２６側の面に凹部２７が設けられており、プレッシャプレート２６（プレッシャプレート２６がセル積層方向内側の部材２６ａと外側の部材２６ｂに分割されている場合は、部材２６ａと部材２６ｂの何れかの部材）のエンドプレート２２側の面に湾曲面をもつ凸部２８が設けられている。凸部２８の湾曲面は、球面または円筒面からなる。凸部２８は凹部２７に接触され押し付けられており、この状態でスタック２３は、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材であるテンションプレート２４にて締結されている。プレッシャプレート２６のエンドプレート２２側の面のうち凸部２８以外の部分と、エンドプレート２２のプレッシャプレート２６側の面のうち凹部２７以外の部分との間には隙間があって、プレッシャプレート２６とエンドプレート２２は互いに干渉する角度まで相対的に傾くことが可能であり、図３に示すように、首振り可能である。また、この首振りが自在に行われるように、凸部２８と凹部２７の少なくとも一方にはグリースが塗布されている。
【００１１】
凹部２７は凹状の球面から構成されていてもよいし、図６に示すように、非球面、たとえば凹状の円錐面から構成されていてもよい。円錐面の場合はグリースを保持しやすい。
凸部２８の凸状の球面の中心は、図４に示すように、プレッシャプレート２６のセル積層体側の面上かその近傍にある。
【００１２】
凸部２８と凹部２７の接触、押し付け構造の作用については、エンドプレート２２とプレッシャプレート２６とを凸部２８と凹部２７とで接触させ押し付けたので、セルの平行度が悪くても、接触部で点押しでき、かつプレッシャプレート２６がセルの傾きに応じて傾いてプレッシャプレート２６全域でほぼ均一にセルを押すことができる。
【００１３】
また、プレッシャプレート２６側に凸部２８を設けたので、セルの平行度のずれを、凸部の球面の中心がセル積層方向と直交方向に振れることなく凸部の球面の中心での回動だけで吸収でき、セル積層体がセル積層方向と直交方向に振れることを抑制できる。もしも、凸部がエンドプレートの方にあると、図５に示すように、凸部の球面の中心はエンドプレートの外側面の近傍に位置することとなりその凸部の球面の中心まわりにプレッシャプレートが回転した時に、プレッシャプレートは回転と同時に回転角×プレッシャプレートと回転中心間距離だけ積層方向と直交に振れることになり、セルの位置振れが生じてしまう。しかし、本発明のように凸部２８がプレッシャプレート２６側にあるとプレッシャプレート２６が凸部２８の球面の中心まわりに回転してもセルの位置振れはほとんど無い。また、エンドプレート２２に凹部２７を設けたので、凸部２８と凹部２７が横方向にずれることもなく、安定した締結が可能である。
【００１４】
図７〜図１０に示すように、エンドプレート２２と締結部材であるテンションプレート２４との結合は、セレーション２９と燃料電池積層方向と直交する方向に延びるボルト２５（ねじである場合を含む）による結合としてある。エンドプレート２２とテンションプレート２４との接触部には、エンドプレート２２とテンションプレート２４の各々にセレーション２９の歯（たとえば、三角歯、ただし三角歯に限るものでなく矩形歯でもよいしそれ以外の微小凹凸加工でもよい）が形成されており、歯を合わせてボルト２５で締め付けた時に、エンドプレート２２とテンションプレート２４間にセル積層方向に滑りが生じないようにしてある。
テンションプレート２４は、図８に示すように、セル積層体の各側部に１つずつ設けられてもよいし、図９に示すように、スタック２３の各側部に複数設けられてもよい。
【００１５】
セレーション２９が設けられた場合は、セレーションの歯のピッチより小さい寸法の、位置調整とその位置調整の結果としての荷重調整をすることができないので、その位置、荷重調整を可能にするために、燃料電池積層方向一端の矩形状のエンドプレート２２Ａを、エンドプレート本体２２ａと、エンドプレート本体２２ａとは別体の調整部２２ｂとから構成し、調整部２２ｂに凹部２７を形成するようにした。調整部２２ｂは、図７に示すように、エンドプレート本体２２ａの中央部に設けられた雌ねじが切られた穴に螺合する、外周に雄ねじ３０をもつ単一の部材から構成されてもよいし、または、図１７に示すように、ねじ３９で互いに螺合された、雌ねじ部材２２ｂ−１と雄ねじ部材２２ｂ−２との２つの部材からなっていてもよい。調整部２２ｂ（調整部２２ｂが２つの部材２２ｂ−１、２２ｂ−２からなる場合は雄ねじ部材２２ｂ−２）の凹部２７と反対側には六角溝孔３１を形成しておき、そこに六角頭のドライバを挿入し回転させて調整部２２ｂ（調整部２２ｂが２つの部材２２ｂ−１、２２ｂ−２からなる場合は雄ねじ部材２２ｂ−２）を回転させ、軸方向に移動させてセル積層方向の位置の微調整を行うことができるようにしてある。
【００１６】
セレーション、ボルト締結構造の作用については、セレーションが無い場合は、ボルト締め付け力によるエンドプレート２２とテンションプレート２４との接触面の摩擦力によって、接触面と平行方向の滑りを止めることになるので、ボルト２５に大きな荷重を出せる太い径のボルトが必要であるが、摩擦係合をセレーション歯係合とすることによって、ボルト２５の締め付け力は従来より小でよく、その分ボルト２５の径が小さくなり、エンドプレート２２に形成するねじ孔も径が小となって、エンドプレート２２の厚さを従来より薄くでき、その場合はスタック全長を短縮できる。また、セレーション２９により、スタック２３の両端のエンドプレート２２の平行度が出せる。また、調整部２２ｂ（調整部２２ｂが２つの部材２２ｂ−１、２２ｂ−２からなる場合は雄ねじ部材２２ｂ−２）の回転は六角溝孔３１を利用した回転としたので、軸方向に突出せず、スタック２３の全長を長くしない。これによって、車両への搭載上有利である。
【００１７】
図１１、図１２に示すように、エンドプレート２２、プレッシャプレート２６、プレッシャプレート２６とエンドプレート２２との間、の何れか少なくとも１箇所に、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構３２が設けられている。荷重変動低減機構３２は、円形の内周、外周をもつ円錐状のばね、いわゆる皿ばね（荷重変動低減機構であるから符号を３２とする）からなり、変形に対して大きな荷重が出せるようになっている。皿ばねを用いることによって、他のばねに比べて、スタック２３の全長の増加を最低限に抑えることができる。
荷重変動低減機構３２と、凸部２８と凹部２７との接触部との配置の順序は、図１１に示すように、エンドプレート２２からプレッシャプレート２６に向かって接触部、荷重変動低減機構３２の順でもよいし、あるいは、図１２に示すように、エンドプレート２２からプレッシャプレート２６に向かって荷重変動低減機構３２、接触部の順でもよいし、あるいは、図１７に示すように、荷重変動低減機構３２を互いに直列に配置された２組の皿ばねから構成し、そのうちの１組を接触部のエンドプレート２２側に配置し、他の組を接触部のプレッシャプレート２６側に配置したものであってもよい。
【００１８】
荷重変動低減機構３２の作用については、凸部２８と凹部２７との接触部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構３２を設けたので、燃料電池環境温度が冷熱サイクル等により変動しても、またはクリープによって膜や電極の厚みが変化しても、荷重変動低減機構３２がセル積層体の伸縮を吸収し、セル積層体にかかる荷重の変動を抑えることができる。
また、荷重変動低減機構３２と、凸部２８と凹部２７との接触による首振り機構との組み合わせにより、平面的にも、経時的にも均一な面圧を付与することができる。
【００１９】
図１３〜図１５に示すように、プレッシャプレート２６のセル積層方向内側に設けたインシュレータ（電気絶縁板）２１のプレッシャプレート２６側の面に凹部３３が形成されており、凹部３３にプレッシャプレート２６が配置されている。これによって、プレッシャプレート２６の外面とインシュレータ２１の外面間の距離Ｂは、プレッシャプレート２６の単独の厚さとインシュレータ２１の単独の厚さとの和より小となっている。
【００２０】
このインシュレータ構造の作用については、プレッシャプレート２６外面とインシュレータ２１外面間の距離Ｂの短縮により、スタック２３の全長が短くなる。
また、インシュレータ２１はプレッシャプレート２６とターミナル２０の間にあり、凹部３３にプレッシャプレート２６を配置した構造により、凹部３３を形成しない場合の沿面絶縁距離（インシュレータ２１の板厚）に比べて、インシュレータ２１の沿面絶縁距離Ｃが増大している。
また、インシュレータ２１のターミナル２０側に凹部を設けてそこにターミナル２０を入れることにより、上記と同様にインシュレータ２１の沿面距離Ｃが増大する。この場合、インシュレータ２１の両面に凹部を設けると、さらにインシレータ２１の沿面距離Ｃが増大する。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成、作用を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図１５に示すように、プレッシャプレート２６に形成された凸部２８の凸状湾曲面が球面の一部からなる。
本発明の実施例１の作用については、凸部２８の湾曲面が球面からなるので、セルがどの方向に傾いても、すなわち、セル積層方向と直交する方向とのセル面の平行度がどの方向にずれても、セル面を均一な圧力で押すことができる。
【００２２】
本発明の実施例２では、図１６に示すように、締結部材であるテンションプレート２４でセルのセル積層方向と直交方向の移動（ずれ）が規制される場合は、プレッシャプレート２６に形成した凸部２８の湾曲面は、球面に代えて、セルの移動がテンションプレート２４で規制されない方向に湾曲した円筒面とてしてもよい。その場合のエンドプレート２２に形成される凹部２７は、凸部２８を受け入れて凸部２８と接触する凹状の円筒面かあるいは凹状のテーパ面とされる。
本発明の実施例２の作用については、セルの移動がテンションプレート２４で規制されない方向において、円筒面が球面と同様の作用を果たすので、本発明の実施例１で説明したと同様の作用が得られる。
【００２３】
本発明の実施例３では、図１７〜図２１に示すように、荷重変動低減機構３２が互いに直列に設けられた複数組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂからなる。また、各組の皿ばねは、１枚の皿ばねからなるか、または複数の皿ばねを積層したものからなる。凸部２８と凹部２７の接触部は、複数組の皿ばね３２Ａ、３２Ｂの間に配置されている。皿ばね３２Ａは凸部２８と凹部２７の接触部よりエンドプレート２２側にあり、皿ばね３２Ｂは凸部２８と凹部２７の接触部よりプレッシャプレート２６側にある。皿ばね３２Ａ、３２Ｂの小径端は凸部２８と凹部２７の接触部側にあり、皿ばね３２Ａ、３２Ｂの大径端はそれぞれエンドプレート２２側、プレッシャプレート２６側にある。
この荷重変動低減機構では、荷重変動低減機構３２が皿ばねからなるので、セル積層体の熱膨張・収縮およびセルのクリープによる経時変形に追従してその変形を吸収することができる。また、荷重変動低減機構が互いに直列に設けられた複数組のばねからなるので、凸部２８と凹部２７との接触部を複数組のばね３２Ａ、３２Ｂ間に配置することにより、凸部２８と凹部２７との接触部の荷重を、エンドプレート２２側にもプレッシャプレート２６側にも、中央部側から外周側に分散させて伝えることができる。
【００２４】
セル積層方向一端のエンドプレート２２Ａは、エンドプレート本体２２ａと該エンドプレート本体２２ａに対して位置調整可能な調整部２２ｂとからなる。エンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂとの間に、荷重変動低減機構３２の少なくとも一部３２Ａが配置されている。調整部２２ｂは、エンドプレート本体２２ａに対して回転を拘束された雌ねじ部２２ｂ−１と、該雌ねじ部２２ｂ−１にねじ部３０で螺合され雌ねじ部２２ｂ−１に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部２２ｂ−２とから構成されている。凹部２７は雄ねじ部２２ｂ−２に形成されている。
このエンドプレート構造では、セル積層方向一端のエンドプレート２２Ａがエンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂの分割構成とし、エンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂとの間に、荷重変動低減機構の一部３２Ａを配置したので、荷重変動低減機構３２Ａを皿ばねとすることにより、調整部２２ｂで点押しで受けた荷重をエンドプレート本体２２ａに分散させて伝えることができる。また、調整部２２ｂがエンドプレート本体２２ａに対して回転を拘束された雌ねじ部２２ｂ−１と該雌ねじ部２２ｂ−１に螺合され雌ねじ部２２ｂ−１に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部２２ｂ−２とから構成されているので、雄ねじ２２ｂ−２を雌ねじ２２ｂ−１に対して回転させても雌ねじ２２ｂ−１は回転を拘束されたままとすることができ、エンドプレート本体２２ａと調整部２２ｂとの間の荷重変動低減機構３２Ａに捩じり力がかからなくすることができる。
【００２５】
プレッシャプレート２６は、セル積層方向に２つの部材、すなわち、セル積層体側の部材２６ａと、該部材２６ａとは別体の、凸部２８が形成された部材２６ｂ、に分割されており、この２つの部材の間に、荷重変動低減機構３２の少なくとも一部３２Ｂが配置されている。荷重変動低減機構３２Ｂは皿ばねの積層体からなる。
このプレッシャプレート構造では、プレッシャプレート２６の２つの部材２６ａ、２６ｂの間の、荷重変動低減機構３２Ｂを皿ばねとしたので、凸部２８と凹部２７の接触部で点押しで受けた荷重を、２つの部材２６ａ、２６ｂのうちセル積層体側の部材２６ａに分散させて伝えることができる。
【００２６】
プレッシャプレート２６の２つの部材２６ａ、２６ｂのうちセル積層方向外側の部材２６ｂに、凸部２８が形成されておりかつ荷重センサ３４が設けられている。荷重センサ３４は、たとえば歪ゲージからなり、部材２６ｂに等間隔に複数、たとえば４箇所、設けられている。
荷重センサ３４を設けた構造では、荷重センサ３４は凸部２８と凹部２７との接触部よりセル側にあり、セルに垂直にかかる荷重を正確に測定することができる。
【００２７】
プレッシャプレート２６の外側面のコーナ部はテーパ面３６とされている。これによって、プレッシャプレート２６の側面のセル積層方向の高さｈ1 は、インシュレータ２１の凹部３３の内側面のセル積層方向の高さｈ2 より低くしてある。
このインシュレータ構造では、コンパクトな構造で、インシュレータ２１を挟むプレッシャプレート２６とターミナル２０間の、インシュレータ２１外面に沿った絶縁距離（図２０のａ＋ｂ＋ｃ）を長くとることができる。
【００２８】
荷重変動低減機構３２（３２Ａ、３２Ｂ）は皿ばねからなり、該皿ばね３２はスタック締結荷重を付与された時に反転状態になる、すなわち、自由状態（図１７）での皿ばねの傾斜が荷重付与時（図１８、図１９）に逆傾斜になる。
この荷重変動低減機構３２では、図２１のばねの荷重対変位曲線（縦軸が荷重、横軸が変位）において皿ばね反転点とその近傍にフラット領域Ｈ（変位が生じても荷重がほとんど変化しない領域）があらわれ、該フラット領域でセル積層体に締結荷重をかけることにより、セル積層体に熱膨張・収縮変形やクリープ変形があるにかかわらず、スタック締結荷重が安定する。
【００２９】
プレッシャプレート２６およびエンドプレート２２に形成されスタック締結荷重を付与され反転状態にされた皿ばね３２に接触して該皿ばね３２から荷重を受ける座面３５には、反転された皿ばね３２の傾斜θと等しいかそれ以上の傾斜がつけられている。
この座面３５の傾斜構造では、皿ばね３２と座面３５とは、皿ばね３２の反転前から反転後にわたって、座面３５の同一部、すなわち皿ばね３２の内周端と外周端、で座面３５と線接触し、反転の前後で皿ばね３２の座面３５との接触位置が変化して荷重が変動することはない。すなわち、セル積層体にかかる締め付けが安定する。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１−６の燃料電池によれば、エンドプレートとプレッシャプレートとを凸部と凹部との嵌合構造としたので、セルの平行度が悪くても、嵌合部で点押しでき、かつプレッシャプレート全域でほぼ均一に押すことができる。また、プレッシャプレート側に凸部を設けたので、セル積層体がセル積層方向と直交方向に振れることを抑制できる。また、エンドプレートに凹部を設けたので、凸部と凹部が横方向にずれることもなく、安定した締結が可能である。
請求項１の燃料電池によれば、インシュレータに凹部を設けてその凹部にプレッシャプレートを配置したので、セルからプレッシャブレートまでのインシュレータ外面に沿った沿面距離が長くなり、電気絶縁性が向上する。また、インシュレータとプレッシャプレートとの積層方向と直交方向のずれを抑制できる。
請求項２の燃料電池によれば、グリースの塗布によりプレッシャプレートとエンドプレートの相対的首振りが自在に行われる。
請求項４の燃料電池によれば、凹部と凸部の接触部のセル積層方向上に調整部が設けられているので、凸部に作用する力を傾きなく調整できる。
請求項５の燃料電池によれば、凸部の凸状の球面の中心を、プレッシャプレートのセル積層体側の面上に位置させたので、セルの平行度のずれを、凸部の球面の中心がセル積層方向と直交方向に振れることなく凸部の球面の中心での回動だけで吸収できる。
請求項７の燃料電池によれば、エンドプレートと締結部材とをセレーションとボルトとで締結するようにしたので、セレーションによりエンドプレートと締結部材とのすべりが無くなり、締結部材をエンドボルトに締め込むボルトの締結荷重も小にでき、エンドプレートを厚くする必要が無くなり、それだけスタック長を短くできる。
請求項８の燃料電池によれば、調整ねじ部を設けたので、セレーションを用いたすべり防止構造を採用してもセレーション歯の１ピッチ以内の微調整まで行うことができる。
請求項９の燃料電池によれば、凸部と凹部との嵌合部と締結荷重方向に直列に、荷重変動低減機構を設けたので、冷熱サイクル、経時変化等により荷重が変化しても、セル積層体にかかる荷重の変動を抑えることができる。
請求項１０の燃料電池によれば、インシュレータに凹部を設けてその凹部にプレッシャプレートを配置したので、セルからプレッシャブレートまでのインシュレータ外面に沿った沿面距離が長くなり、電気絶縁性が向上する。また、インシュレータとプレッシャプレートとの積層方向と直交方向のずれを抑制できる。
請求項１１の燃料電池によれば、凸部の湾曲面が球面からなるので、セル積層方向と直交する方向とのセル面の平行度がどの方向にずれても、セル面を均一な圧力で押すことができる。
請求項１２および請求項２０の燃料電池によれば、締結部材でセルのセル積層方向と直交方向への移動が規制される場合は、凸部の湾曲面は締結部材で規制されない方向に湾曲した円筒面からなってもよく、その場合は、セル積層方向と直交する方向とのセル面の平行度が締結部材でセルのセル積層方向と直交方向への移動が規制されない方向にずれても、セル面を均一な圧力で押すことができる。
請求項１３の燃料電池によれば、荷重変動低減機構が皿ばねからなるので、セル積層体の熱膨張・収縮およびセルのクリープによる経時変形に追従してそれを吸収することができ、かかる力を中央部から外周側に分散させて伝えることができる。また、荷重変動低減機構が互いに直列に設けられた複数組のばねからなるので、凸部と凹部との接触部を複数組のばね間に配置することにより、凸部と凹部との接触部の荷重を、エンドプレート側にもプレッシャプレート側にも、中央部側から外周側に分散させて伝えることができる。
請求項１４の燃料電池によれば、セル積層方向一端のエンドプレートがエンドプレート本体と該エンドプレート本体に対して位置調整可能な調整部とからなり、エンドプレート本体と調整部との間に、荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されているので、荷重変動低減機構の少なくとも一部を皿ばねとすることにより、調整部で点押しで受けた荷重をエンドプレート本体に分散させて伝えることができる。また、調整部がエンドプレート本体に対して回転を拘束された雌ねじ部と該雌ねじ部に螺合され雌ねじ部に対して軸方向に位置調整可能な雄ねじ部とから構成されているので、雄ねじを雌ねじに対して回転させても雌ねじは回転を拘束されたままとすることができ、エンドプレート本体と調整部との間の荷重変動低減機構に捩じり力がかからなくすることができる。
請求項１５の燃料電池によれば、プレッシャプレートがセル積層方向に２つの部材（凸部が形成された部材と、セル積層体側の部材）に分割されており、該２つの部材の間に、荷重変動低減機構の少なくとも一部が配置されているので、荷重変動低減機構の少なくとも一部を皿ばねとすることにより、凸部と凹部の接触部で点押しで受けた荷重を、２つの部材のうちセル積層体側の部材に分散させて伝えることができる。
請求項１６の燃料電池によれば、２分割プレッシャプレートの凸部形成部材に荷重センサが設けられているので、荷重センサは凸部と凹部との接触部よりセル側にあり、セルに垂直にかかる荷重を正確に測定することができる。
請求項１７の燃料電池によれば、プレッシャプレートの側面のセル積層方向の高さがインシュレータの凹部の内側面のセル積層方向の高さより低くしてあるので、コンパクトな構造で、インシュレータを挟む両部材（プレッシャプレートとターミナル）間の、面に沿った絶縁距離を長くとることができる。
請求項１８の燃料電池によれば、荷重変動低減機構が皿ばねからなり、該皿ばねはスタック締結荷重を付与された時に反転状態になるので、ばねの荷重対変位曲線において皿ばね反転点とその近傍にフラット領域（変位が生じても荷重がほとんど変化しない領域）があらわれ、該フラット領域でセル積層体に締結荷重をかけることにより、セル積層体に熱膨張・収縮変形やクリープ変形があるにかかわらず、スタック締結荷重が安定する。
請求項１９の燃料電池によれば、プレッシャプレートおよびエンドプレートに形成された皿ばね受け用座面には、反転された状態にある時の皿ばねの傾斜と等しいかそれ以上の傾斜がつけられているので、皿ばねと座面とは、皿ばねの反転前から反転後にわたって、座面の同一部で線接触し、反転の前後で皿ばねの座面との接触位置が変化して荷重が変動することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明の実施例の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池でセルが斜めの場合の燃料電池の一部概略図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池でプレッシャプレートの回転中心を示す燃料電池の一部概略図である。
【図５】本発明の実施例１に対する比較例（本発明に含まず）の燃料電池でプレッシャプレートの回転中心を示す燃料電池の一部概略図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池で凹部が非球面からなる燃料電池の一部断面図である。
【図７】本発明の実施例１の燃料電池の全体正面図である。
【図８】本発明の実施例１の燃料電池の（１枚ものの）テンションプレートの正面図である。
【図９】本発明の実施例１の燃料電池の（複数枚ものの）テンションプレートの正面図である。
【図１０】本発明の実施例１の燃料電池の調整ねじの斜視図である。
【図１１】本発明の実施例１の燃料電池の一部の概略構成図である。
【図１２】本発明の実施例１の燃料電池の一部の概略構成図であって、皿ねじと嵌合部の順を図１１と逆にした燃料電池の一部の概略構成図である。
【図１３】本発明の実施例１の燃料電池の一部の概略構成図である。
【図１４】本発明の実施例１の燃料電池の一部の拡大概略構成図（図１３のＡ−Ａ断面図）である。
【図１５】本発明の実施例１の燃料電池のプレッシャプレートとインシュレーションの斜視図である。
【図１６】本発明の実施例２の燃料電池の一部の概略斜視図である。
【図１７】本発明の実施例３の燃料電池の一部の、荷重付与前の状態の、断面図である。
【図１８】本発明の実施例３の燃料電池の一部の、荷重付与後の状態（皿ばね反転状態）の、断面図である。
【図１９】本発明の実施例３の燃料電池の一部の、荷重付与後の状態（皿ばね反転状態）の、テンションプレートも含んだ部分の、断面図である。
【図２０】本発明の実施例３の燃料電池の一部の、プレッシャプレート外周部とその近傍の断面図である。
【図２１】本発明の実施例３の燃料電池の荷重変動低減機構（皿ばね）の荷重対変位のグラフである。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２２ａ  エンドプレート本体
２２ｂ  調整部
２２ｂ−１  雌ねじ部
２２ｂ−２  雄ねじ部
２３  スタック
２４  テンションプレート
２５  ボルト
２６  プレッシャプレート
２６ａ  セル積層体側の部材
２６ｂ  凸部が形成された部材
２７  凹部
２８  凸部
２９  セレーション
３０  ねじ（調整ねじ機構）
３１  六角溝孔
３２、３２Ａ，３２Ｂ  荷重変動低減機構（たとえば、皿ばね）
３３  凹部
３４  荷重センサ
３５  座面
３６  テーパ面
【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】
0003956651.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0003956651.tif 000021
【図２１】
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