(57)【要約】【課題】エンドプレート間に積層体をシャフトにて定寸で締結した際に、温度降下に伴う定寸寸法の変化を抑制する。【解決手段】締結シャフト１００は、一方のエンドプレート１０ａに固定される第１シャフト１１０と、他方のエンドプレート１０ａに固定される第２シャフト１３０とを備え、連結シャフト部１３４を有底孔１１６に挿入させて両シャフトを重ねる。そして、このシャフトの重なり範囲にシャフト固定部材１２０を配置して、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０とを連結する。シャフト固定部材１２０は、両シャフトの熱膨張率αより大きな熱膨張率βであることから温度降下時に大きく収縮して、第１シャフト１１０の開放側端面と第２シャフト１３０の開放側端面との隔たりを狭小化させ、エンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０の端面と第２シャフト１３０の端面との隔たりを広げる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対のエンドプレートで積層体を挟持し、前記エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにて前記積層体を定寸に締結する積層体締結構造であって、
前記シャフトは、
一方のエンドプレートに端面で固定され、前記定寸の寸法より短寸の第１シャフトと、
他方のエンドプレートに端面で固定され、前記一方のエンドプレートに向けて延びて前記第１シャフトと重なり、前記定寸の寸法より短寸の第２シャフトと、
前記第１シャフトと前記第２シャフトの両シャフトが重なった領域に配置され、前記第１シャフトの開放端側で前記第１シャフトと固定され、前記第２シャフトの開放端側で前記第２シャフトと固定されたシャフト固定部材とを備え、
該シャフト固定部材は、前記両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて前記両シャフトより大きな収縮率を呈し、温度降下時においては、シャフト固定部材自体の収縮により前記両シャフトとの固定箇所間の隔たりを狭くする
積層体締結構造。
【請求項２】
前記第１シャフトと前記第２シャフトは、同一の材料から形成されている請求項１に記載の積層体締結構造。
【請求項３】
前記第１シャフトと前記第２シャフトは、前記一対のエンドプレートの間に同軸に配設されている請求項１または請求項２に記載の積層体締結構造。
【請求項４】
燃料電池であって、
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットを対向する一対のエンドプレートの間に複数積層して挟持し、該積層した燃料電池ユニットを請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の積層体締結構造により前記エンドプレート間に定寸で締結する
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する一対のエンドプレートの間に積層体を定寸に締結する積層体締結構造とこれを用いて燃料電池ユニットを複数積層して締結した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層体をエンドプレート間に締結するには、大別して二つの手法がある。その一つは、積層体を積層方向に押圧するための荷重を定荷重としたいわゆる定荷重方式の締結であり、他方は、積層体を定寸に締結するいわゆる定寸方式の締結である。両手法とも、エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにより積層体を締結する点で共通する。
【０００３】
ところで、発電単位の燃料電池ユニットを複数積層した燃料電池では、想定される使用環境温度範囲において、各燃料電池ユニットに積層方向に掛かる荷重の変化をある程度の範囲に収めることが、発電性能の維持の観点から要請されている。こうした要請への対処は、定荷重方式の締結が簡便であり、例えば、シャフトの一部部位（伸縮部位）を温度変化に追従して伸縮するようにすることで定荷重化を図ることが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１５６０４号公報
【０００５】
定寸方式の締結では、想定される使用環境温度範囲における燃料電池ユニットの伸縮の程度を考慮した上でエンドプレート間の間隔（即ち、締結の定寸）を規定し、この間隔の広狭を抑制することがなされている。具体的には、エンドプレート間に配設したシャフトを線膨張係数の小さい材料から形成することで、エンドプレート間の間隔の広狭を抑制することがなされている。つまり、定寸方式の締結では、エンドプレート間の間隔が一定範囲であれば、温度変化により燃料電池ユニットの伸縮が起きてもその伸縮範囲における荷重変化は発電性能維持の上から許容されることを前提として、燃料電池ユニットの締結時の定寸が定められている。
【０００６】
この場合、シャフトの伸縮に基づくエンドプレート間の間隔の広狭は、許容範囲とはいえ燃料電池ユニットにかかる荷重の変化をもたらし、シャフト伸張による上記間隔の広がりは、上記の荷重の軽減となる。過重な荷重軽減は、積層された燃料電池ニットの不用意なズレの遠因となるので、ズレ防止の上からは荷重軽減を回避することが望ましい。よって、定寸方式の締結の際には、エンドプレート間の間隔を使用環境温度の上限を想定して定め、エンドプレート間のシャフトを線膨張係数の小さい材料とすることで、シャフト収縮が小さくなるようにされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で提案された定荷重方式の締結手法では、シャフトの伸縮部位のみならずシャフトの他の部位（非伸縮部位）にあっても、温度降下時に収縮を起こすことから、非伸縮部位の収縮程度によっては、この収縮による荷重変化（荷重増加）を無視できない場合もある。また、定荷重方式で締結した燃料電池にあっては、その外寸、特に積層方向の寸法が使用温度により変化するため、燃料電池搭載対象、例えば車両等にあってはその搭載に際して寸法変化を考慮せざるを得ず、搭載の自由度に制約を受ける。
【０００８】
定寸方式の締結では、定寸であるが故に搭載の自由度は高まり、エンドプレート間のシャフトの収縮が小さいほど、搭載性は高まる。しかしながら、エンドプレート間のシャフトの収縮を小さくするには、シャフトを線膨張係数の小さい材料とせざるを得ず、シャフト収縮の低減には材料選定の上から限界があった。
【０００９】
本発明は、上記した課題を踏まえ、エンドプレート間に積層体をシャフトにて定寸で締結した際に、温度降下に伴う定寸寸法の変化を抑制することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【００１１】
[適用：積層体締結構造]
対向する一対のエンドプレートで積層体を挟持し、前記エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにて前記積層体を定寸に締結する積層体締結構造であって、
前記シャフトは、
一方のエンドプレートに端面で固定され、前記定寸の寸法より短寸の第１シャフトと、
他方のエンドプレートに端面で固定され、前記一方のエンドプレートに向けて延びて前記第１シャフトと重なり、前記定寸の寸法より短寸の第２シャフトと、
前記第１シャフトと前記第２シャフトの両シャフトが重なった領域に配置され、前記第１シャフトの開放端側で前記第１シャフトと固定され、前記第２シャフトの開放端側で前記第２シャフトと固定されたシャフト固定部材とを備え、
該シャフト固定部材は、前記両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて前記両シャフトより大きな収縮率を呈し、温度降下時においては、シャフト固定部材自体の収縮により前記両シャフトとの固定箇所間の隔たりを狭くする
ことを要旨とする。
【００１２】
上記構成の積層体締結構造では、一方のエンドプレートから延びた第１シャフトと他方のエンドプレートから延びた第２シャフトとを、この両シャフトが重なった領域に配置されて両シャフトとそれぞれの開放端側で固定されたシャフト固定部材にて連結した。よって、シャフト固定部材により連結された状態では、上記の開放端と反対側の第１シャフトの端面（当接端面）と第２シャフトの端面（当接端面）とは定寸の寸法（定寸寸法）となるので、第１シャフトをその端面で一方のエンドプレートに固定し、第２シャフトをその端面で他方のエンドプレートに固定することで、エンドプレート間の積層体を定寸で締結する。
【００１３】
今、第１シャフトと第２シャフトの両シャフトに固定されたシャフト固定部材が第１シャフト、第２シャフトと同じ材料であると仮定すると、この仮定シャフトは、第１〜第２の両シャフトとシャフト固定部材とに別れているものの、シャフト固定部材を介して第１、第２のシャフトが固定されていることから、単一のシャフトと変わるものではない。よって、この仮定シャフトでは、温度降下時において、共通する材料が有する線膨張係数に依存した収縮を第１〜第２の両シャフトとシャフト固定部材がそれぞれ起こし、第１シャフトの当接端面と第２シャフトの当接端面との隔たりは、共通する材料が有する線膨張係数に依存して狭くなり、この縮み代は単一のシャフトにて締結した従来の締結構造と同じとなる。
【００１４】
ところが、上記構成の積層体締結構造では、第１シャフトと第２シャフトの両シャフトに固定されたシャフト固定部材は、第１、第２の両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて両シャフトより大きな収縮率を呈することから、次のようになる。上記構成の積層体締結構造においても、温度降下に伴い第１〜第２の両シャフトとシャフト固定部材がそれぞれ収縮するが、シャフト固定部材は、上記した収縮率の関係から、このシャフト固定部材が第１、第２シャフトと同じである場合より大きく収縮して、シャフト固定部材による両シャフトの固定箇所間の隔たり狭くする。温度降下前と降下後とでのシャフト固定部材の固定箇所間の隔たりが狭くなった分は、第１と第２の両シャフトの重なり範囲が狭くなることに相当するので、この隔たりが狭くなった分だけ、第１シャフトの当接端面と第２シャフトの当接端面との隔たりは広くなる。その一方、第１と第２の両シャフトは、シャフト固定部材の収縮とは別にそれぞれ個別に収縮している。このため、この第１と第２の両シャフト個別の収縮は、シャフト固定部材が収縮することによる第１シャフトの当接端面と第２シャフトの当接端面との隔たりの広がりにより、その広がりの分だけ相殺されることになる。この結果、上記構成の積層体締結構造によれば、温度降下の際の第１シャフトの当接端面と第２シャフトの当接端面との隔たりの変化を抑制できるので、エンドプレート間に締結した積層体の定寸寸法にあっても温度降下に伴う変化を抑制できる。
【００１５】
上記した積層体締結構造は、次のような態様とすることができる。例えば、前記第１シャフトと前記第２シャフトについては、この両シャフトを同一の材料から形成するようにできる。こうすれば、第１〜第２の両シャフトとシャフト固定部材を形成するに当たっては、２種類の材料、即ち第１、第２シャフトの材料とシャフト固定部材の材料を選定すればよく、材料選定が容易となる。また、第１、第２のシャフト形成に際しては、同一材料の機械加工を行えばよいことから、加工刃物の共通化、工程管理の簡略化を図ることができる。
【００１６】
この他、前記第１シャフトと前記第２シャフトを、前記一対のエンドプレートの間に同軸に配設するようにできる。こうすれば、両エンドプレートに挟持した積層体をその側方において同軸に締結できることから、積層体に及ぶ締め付け力（荷重）の不用意な集中を回避できる。
【００１７】
本発明では、積層体の上記した定寸締結手法にて燃料電池ユニットを締結した燃料電池として、以下の構成を採用した。
【００１８】
[適用：燃料電池]
燃料電池であって、
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットを対向する一対のエンドプレートの間に複数積層して挟持し、該積層した燃料電池ユニットを上記の積層体締結構造により前記エンドプレート間に定寸で締結する
ことを要旨とする。
【００１９】
この燃料電池では、複数の燃料電池ユニットを定寸で締結した上で、温度降下が起きてもエンドプレート間に締結した複数の燃料電池ユニットの定寸寸法の変化を抑制できる。よって、締結寸法が変化することによって起きる燃料電池ユニットでの荷重変化を抑制できるので、発電性能の維持および安定化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図、図２は締結シャフト１００の全体構成を斜視にて概略的に示す説明図、図３はこの締結シャフト１００による締結の様子を説明する説明図である。
【００２１】
図示するように、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット４０を、一対のエンドプレート１０ａの間に複数積層させたスタック構造として備える。各燃料電池ユニット４０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却用の冷媒の流路が形成されている。なお、燃料電池ユニット４０の積層数は、燃料電池１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２２】
燃料電池１０は、上記したスタック構造の燃料電池ユニット４０を対向する一対のエンドプレート１０ａで挟持するに当たり、エンドプレート１０ａの側にそれぞれ絶縁板２０ａと集電板３０ａとを介在させる。そして、エンドプレート１０ａと絶縁板２０ａおよび集電板３０ａには、それぞれの燃料電池ユニット４０に水素給排、空気給排、および冷媒給排のための供給口・排出口が設けられている。また、それぞれの燃料電池ユニット４０は、水素や、空気や、冷媒の分配供給の供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒供給マニホールド）や、各燃料電池ユニット４０のカソード・アノードから排出されるオフガスや、冷媒を集合させて燃料電池１０の外部に排出するための排出マニホールド（カソードオフガス排出マニホールド、アノード排出マニホールド、冷媒排出マニホールド）を備える（図示省略）。
【００２３】
エンドプレート１０ａは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａには、それぞれ、図示しない出力端子が設けられており、燃料電池１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００２４】
燃料電池１０は、対向する一対のエンドプレート１０ａの間におけるスタック構造の燃料電池ユニット４０の側方に締結シャフト１００を配置して備える。締結シャフト１００は、上記したスタック構造の燃料電池ユニット４０を対向する一対のエンドプレート１０ａの間において締結する。図２および図３に示すように、この締結シャフト１００は、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０とを備える。
【００２５】
第１シャフト１１０は、スタック構造の燃料電池ユニット４０を対向する一対のエンドプレート１０ａの間において締結する際に予め規定した定寸の寸法（定寸寸法）Ｌより短寸の寸法Ｌ１とされ、一端側を、エンドプレート１０ａの貫通孔１２に挿入されるボス１１２とし、雌ネジ１１３を有する。この第１シャフト１１０は、ボス１１２と反対側に、有底孔１１６を備える。第２シャフト１３０は、第１シャフト１１０と同一の材料から形成されたシャフト材であって、上記の定寸の寸法Ｌより短寸の寸法Ｌ２とされ、一端側を、エンドプレート１０ａの貫通孔１２に挿入されるボス１１２とし、雌ネジ１１３を有する。この第２シャフト１３０は、ボス１１２と反対側を小径の連結シャフト部１３４とし、その先端に円盤状の固定駒１３６を有する。
【００２６】
第１シャフト１１０は、一方のエンドプレート１０ａの貫通孔１２にボス１１２を挿入させてエンドプレート端面と当接した状態で、ボルト１０２にて、エンドプレート１０ａに固定される。第２シャフト１３０にあっては、他方のエンドプレート１０ａの貫通孔１２にボス１１２を挿入させてエンドプレート端面と当接した状態で、ボルト１０２にて、エンドプレート１０ａに固定され、連結シャフト部１３４を固定駒１３６と第１シャフト１１０の有底孔１１６に挿入させて、その挿入範囲に亘って第１シャフト１１０と重なる。この場合、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０は、エンドプレート１０ａの間に同軸となり、両シャフトのボス１１２が挿入される貫通孔１２にあっても、対向するエンドプレート１０ａにおいて同軸とされている。そして、締結シャフト１００は、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両シャフトが重なった領域にシャフト固定部材１２０を備える。このシャフト固定部材１２０は、両シャフトの重なり領域の長さを寸法Ｌ３とする筒状体であり、一端側で、第１シャフト１１０の開放側端面に固定された固定駒１１４に固定され、他端側で、第２シャフト１３０の連結シャフト部１３４先端（開放端側端面）の固定駒１３６に固定されている。つまり、このシャフト固定部材１２０は、固定駒１１４と固定駒１３６を介して、第１シャフト１１０の開放側端面でこの第１シャフト１１０と固定され、第２シャフト１３０、詳しくは連結シャフト部１３４の開放側端面で第２シャフト１３０と固定され、第１シャフト１１０の開放側端面と第２シャフト１３０の開放側端面との隔たりを規定することになる。図４は締結シャフト１００の製造過程を示す説明図である。
【００２７】
この図４に示すように、まず、シャフト固定部材１２０を固定駒１１４に当接させて溶接し、この溶接品を固定駒１１４が第２シャフト１３０の側となるように、連結シャフト部１３４にセットする。その後、連結シャフト部１３４の開放端（先端）に固定駒１３６を溶接し、固定駒１３６にシャフト固定部材１２０を当接させて、固定駒１３６にシャフト固定部材１２０を溶接する。次いで、第２シャフト１３０の連結シャフト部１３４を、第１シャフト１１０の有底孔１１６に挿入し、第１シャフト１１０の開放端に固定駒１１４を当接させて、第１シャフト１１０に固定駒１１４を溶接する。こうすることで、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０とを同軸に備えて両シャフトの重なり範囲にシャフト固定部材１２０を有する締結シャフト１００が得られ、燃料電池１０は、この締結シャフト１００にて、図３に示すように、対向するエンドプレート１０ａの間にスタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸の寸法Ｌにて締結する。この締結の定寸寸法Ｌは、この締結の寸法が広がることによる燃料電池ユニット４０の不用意なズレ防止の観点から、既述したように燃料電池１０の使用想定温度範囲の上限温度において定められている。
【００２８】
上記した締結シャフト１００による燃料電池ユニット４０締結時の定寸寸法の推移について説明する。図５はスタック構造の燃料電池ユニット４０を単一のシャフトＳにて定寸寸法Ｌにて締結した様子と締結シャフト１００にて定寸寸法Ｌにて締結した様子とを対比して示す説明図である。図の上段は、図３に示した形態の締結シャフト１００を全て同一の材料（線膨張率α）から形成したと仮定した場合の仮定シャフトに相当する単一のシャフトＳを示している。温度がΔＴ℃降下した場合の、このシャフトＳの縮み代ΔＬＳは、次式で表される。この場合、シャフトＳの収縮率は、線膨張率αと比例することから、αを収縮率とすることもできる。
【００２９】
ΔＬＳ＝Ｌ  ｘ  α  ｘ  ΔＴ
＝（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ３）・α・ΔＴ
＝（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ−Ｌ３・α・ΔＴ
【００３０】
一方、図の下段に示すように、本実施例の締結シャフト１００における第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両シャフトは、線膨張率αの同一材料から形成され、シャフト固定部材１２０は、両シャフトの線膨張率αより大きな線膨張率βの材料から形成されている。この締結シャフト１００の縮み代ΔＬ１００は、次式で表される。この場合、シャフト固定部材１２０の収縮率は、線膨張率βと比例することから、βを収縮率とすることもでき、β＞αの関係となる。
【００３１】
ΔＬ１００＝（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ−Ｌ３・β・ΔＴ
【００３２】
この両縮み代ΔＬＳとΔＬ１００の差分（ΔＬＳ−ΔＬ１００）は、次のようになる。
【００３３】
ΔＬＳ−ΔＬ１００＝（（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ−Ｌ３・α・ΔＴ）−（（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ−Ｌ３・β・ΔＴ）
＝−Ｌ３・α・ΔＴ＋Ｌ３・β・ΔＴ
＝Ｌ３・ΔＴ（β−α）
【００３４】
線膨張率（収縮率）αとβの関係は、上記したようにβ＞αであることから、シャフトＳと締結シャフト１００の両シャフトにおける縮み代の差分（ΔＬＳ−ΔＬ１００）は、正の値となる。このため、スタック構造の燃料電池ユニット４０を単一のシャフトＳにて定寸寸法Ｌにて締結した場合の温度降下時の縮み代は、スタック構造の燃料電池ユニット４０を本実施例の締結シャフト１００にて定寸寸法Ｌにて締結した場合より大きくなる。よって、本実施例の締結シャフト１００によれば、温度降下時のシャフトの縮み（短寸化）を抑制できるので、エンドプレート１０ａ間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット４０の定寸寸法を維持できる。
【００３５】
こうした現象は、次のように説明できる。締結シャフト１００では、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両シャフトに固定されたシャフト固定部材１２０は、第１、第２の両シャフトよりも大きな線膨張係数β（＞α）の材料から形成されて両シャフトより大きな収縮率を呈する。よって、ΔＴ℃の温度降下に伴うシャフト固定部材１２０の収縮は、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の重なり範囲がこの両シャフトと同一の材料（線膨張率α＜β）である場合より大きくなり、シャフト固定部材１２０が固定された第１シャフト１１０の開放側端面と第２シャフト１３０の開放側端面との隔たりは狭くなる。ΔＴ℃の温度降下に伴うこの両シャフトの開放側端面の隔たりの狭小化の分は、第１と第２の両シャフトの重なり範囲の狭小化に相当するので、この隔たりが狭小化された分だけ、エンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりは広くなる。
【００３６】
その一方、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両シャフトは、シャフト固定部材１２０の収縮とは別にそれぞれ個別に収縮している。このため、この両シャフト個別の収縮は、シャフト固定部材１２０が収縮することによるエンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりの広がりにより、その広がりの分だけ相殺されることになる。この結果、本実施例の締結シャフト１００にてスタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸の寸法Ｌで締結するに当たり、エンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりを温度降下が起きても維持できるので、エンドプレート間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット４０の定寸寸法Ｌを維持できることになる。
【００３７】
また、本実施例では、次のようにした。既述したように、シャフト固定部材１２０が収縮することによるエンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりの広がりは、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両シャフトの個別の収縮を相殺するが、シャフト固定部材１２０の収縮が過大となると、上記の両端面の隔たりも大きくなり定寸寸法Ｌの維持に望ましくない事態となり得る。
【００３８】
今、締結シャフト１００において、シャフト固定部材１２０がないと仮定する。そうすると、線膨張率αの第１シャフト１１０と第２シャフト１３０は、ΔＴ℃の温度降下に伴い個別に収縮してそれぞれＬ１・（１−α・ΔＴ）、Ｌ２・（１−α・ΔＴ）となり、両シャフトの重なり範囲の長さをＬＷとすると、このＬＷは次式で表される。
【００３９】
ＬＷ＝（Ｌ１・（１−α・ΔＴ）＋Ｌ２・（１−α・ΔＴ））−Ｌ
【００４０】
ここで、シャフト固定部材１２０にて第１シャフト１１０と第２シャフト１３０とを上記したように連結した場合、熱膨張率βのシャフト固定部材１２０は、ΔＴ℃の温度降下に伴い収縮してＬ３・（１−β・ΔＴ）の長さとなる。この収縮後の長さが上記したシャフト重なり範囲ＬＷより小さくなると、エンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりを広くし過ぎることになるので、次の関係とした。なお、図３に示したように、Ｌ３＝Ｌ１＋Ｌ２−Ｌである。
【００４１】
ＬＷ≦Ｌ３・（１−β・ΔＴ）
（Ｌ１・（１−α・ΔＴ）＋Ｌ２・（１−α・ΔＴ））−Ｌ≦Ｌ３・（１−β・ΔＴ）
（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ≦Ｌ３−Ｌ３・β・ΔＴ
（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ≦（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−Ｌ３・β・ΔＴ
Ｌ３・β・ΔＴ≦（Ｌ１＋Ｌ２）・α・ΔＴ
β≦（（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ３）・α
【００４２】
そうすると、既述したβ＞αの関係から、本実施例では、シャフト固定部材１２０、および第１シャフト１１０、第２シャフト１３０を形成するための材料選定に当たり、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０を線膨張率αの材料とした上で、シャフト固定部材１２０については、その線膨張率βが下記を満たす材料とした。
【００４３】
α＜β≦（（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ３）・α
【００４４】
以上説明したように、本実施例では、上記構成の締結シャフト１００を用いてエンドプレート１０ａとの間にスタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸寸法Ｌで締結したので、温度降下が起きてもこの定寸寸法Ｌを維持できる。そして、本実施例では、その締結対象が、燃料電池１０を構成する燃料電池ユニット４０であることから、複数の燃料電池ユニット４０を定寸寸法Ｌで締結した上で、この締結寸法（定寸寸法）が変化することによって起きる燃料電池ユニット４０での荷重変化を抑制できるので、発電性能の維持および安定化を達成できる。
【００４５】
また、本実施例では、上記した積層体締結構造は、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０およびシャフト固定部材１２０を形成するに当たり、第１、第２の両シャフトを同一の材料から形成した。よって、この両シャフトとシャフト固定部材１２０を形成するに当たっては、２種類の材料、即ち第１、第２の両シャフトの材料とシャフト固定部材１２０の材料を選定すればよく、材料選定が容易となる。また、第１、第２の両シャフトの形成に際しては、同一材料の機械加工を行えばよいことから、加工刃物の共通化、工程管理の簡略化を図ることができる。例えば、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０をチタン（線膨張率８ｘ１０-6Ｋ）や鋳鉄（線膨張率１０ｘ１０-6Ｋ）から形成し、シャフト固定部材１２０をアルミニウム（線膨張率２３ｘ１０-6Ｋ）やステンレス鋼（線膨張率１７ｘ１０-6Ｋ）から形成できる。そして、上記両シャフトの寸法Ｌ１、Ｌ２とシャフト固定部材１２０の寸法Ｌ３とを、線膨張率α、βについての上記関係式を満たすように、採択すればよい。
【００４６】
また、本実施例では、第１シャフト１１０の有底孔１１６に第２シャフト１３０の連結シャフト部１３４を挿入させるようにして、両シャフトを一対のエンドプレート１０ａの間に同軸に配設した。よって、エンドプレート１０ａの間に挟持したスタック構造の燃料電池ユニット４０をその側方において同軸に締結できることから、燃料電池ユニット４０に及ぶ締め付け力（荷重）の不用意な集中を回避できる。
【００４７】
次に、締結シャフト１００の他の形態を説明する。図６は変形例の締結シャフト１００Ａの概略構成を示す説明図、図７は図５相当図であり変形例の締結シャフト１００Ａを用いてスタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸寸法Ｌにて締結した様子を示す説明図である。
【００４８】
図示するように、この変形例の締結シャフト１００Ａは、その構成部材を角柱のシャフト材から形成した構成を有する。つまり、締結シャフト１００Ａは、線膨張率αの材料から形成した第１シャフト１１０Ａと第２シャフト１３０Ａとを、エンドプレート１０ａに当接して固定し、両シャフトの重なり範囲に線膨張率βの材料から形成したシャフト固定部材１２０Ａを備える。このシャフト固定部材１２０Ａにあっても、締結シャフト１００におけるシャフト固定部材１２０と同様、一端側で、第１シャフト１１０Ａの開放側端面に固定された固定駒１１４Ａに固定され、他端側で、第２シャフト１３０Ａの開放端側端面の固定駒１３６Ａに固定されている。この締結シャフト１００Ａにあっても、既述した線膨張率α、βの関係を満たすようにすることで、締結シャフト１００と同様の効果を奏することができる。
【００４９】
図８はまた別の変形例の締結シャフト１００Ｂの要部の構成を斜視にて概略的に示す説明図、図９は図８における９−９線の断面図、図１０は締結シャフト１００Ｂの製造過程を示す説明図である。この変形例の締結シャフト１００Ｂは、スリ割り部に二面幅を有するシャフトを挿入させるようにして第１シャフト１１０Ｂと第２シャフト１３０Ｂとを重ね合わせた点に特徴がある。
【００５０】
図示するように、締結シャフト１００Ｂは、第１シャフト１１０Ｂと第２シャフト１３０Ｂとを備え、第１シャフト１１０Ｂは、開放端側に鍔部１１４Ｂを備え、当該鍔部から所定範囲を小径のシャフト部１５０とし、鍔部１１４Ｂからシャフト部１５０にスリ割りしたスリット１５２を有する。第２シャフト１３０Ｂにあっては、開放端側に鍔部１３６Ｂを備え、当該鍔部から所定範囲を小径の連結シャフト部１３４Ｂとし、鍔部１３６Ｂから連結シャフト部１３４Ｂに掛けての領域を二面幅部１３８とする。この二面幅部１３８は、その幅がスリット１５２より小さくされているので、第２シャフト１３０Ｂは、二面幅部１３８を第１シャフト１１０Ｂのスリット１５２に挿入することで、二面幅部１３８の挿入範囲に亘って第１シャフト１１０Ｂと重なる。この場合、第１シャフト１１０Ｂと第２シャフト１３０Ｂは同軸となるようシャフト固定部材１２０Ｂにより固定される。シャフト固定部材１２０Ｂは、筒状体を半割りした湾曲プレート形状をなし、第１シャフト１１０Ｂと第２シャフト１３０Ｂの両シャフトが重なった領域に上下に配置されて、第１シャフト１１０Ｂの鍔部１１４Ｂの端面１１４Ｓと第２シャフト１３０Ｂの鍔部１３６Ｂの端面に溶接固定されている。図８では、このシャフト固定部材１２０Ｂの溶接領域をジグザグの線で示している。この締結シャフト１００Ｂにあっても、既述した線膨張率α、βの関係を満たすようにすることで、締結シャフト１００と同様の効果を奏することができる。
【００５１】
図１１は第１シャフト１１０と第２シャフト１３０およびシャフト固定部材１２０をそれぞれ異なる線膨張率の材料から形成した締結シャフト１００による締結の様子を示す説明図である。この締結シャフト１００は、第１シャフト１１０を線膨張率α１の材料から形成し、第２シャフト１３０を線膨張率α２の材料から形成し、シャフト固定部材１２０を線膨張率βの材料から形成した。この場合の縮み代ΔＬ１００は、次式で表される。この場合、βはα１およびα２より大きく、α１とα２はその大小を問わないが、説明の便宜上、α１＞α２とする。
【００５２】
ΔＬ１００＝（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）・ΔＴ−Ｌ３・β・ΔＴ
【００５３】
よって、図５に示した単一のシャフトＳ（熱膨張率α１）の縮み代ΔＬＳと上記の縮み代ΔＬ１００の差分（ΔＬＳ−ΔＬ１００）は、次のようになる。
【００５４】
ΔＬＳ−ΔＬ１００＝（（Ｌ１＋Ｌ２）・α１・ΔＴ−Ｌ３・α１・ΔＴ）−（（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）・ΔＴ−Ｌ３・β・ΔＴ）
＝Ｌ２・（α１−α２）・ΔＴ−Ｌ３・α１・ΔＴ＋Ｌ３・β・ΔＴ
＝Ｌ２・（α１−α２）・ΔＴ＋Ｌ３・ΔＴ（β−α）
【００５５】
線膨張率（収縮率）αとβの関係は、上記したようにβ＞αであり、α１＞α２であることから、シャフトＳと締結シャフト１００の両シャフトにおける縮み代の差分（ΔＬＳ−ΔＬ１００）は、正の値となる。このため、図１１に示すように、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０とシャフト固定部材１２０とを異なる線膨張率の材料から形成しても、温度降下時の縮み代を小さくでき、これにより既述したように、エンドプレート１０ａ間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット４０の定寸寸法を維持できる。
【００５６】
また、シャフト固定部材１２０の線膨張率βについては、既述したエンドプレート１０ａの側の第１シャフト１１０と第２シャフト１３０の両端面の隔たりの広がりとの関係を同様に考えることができる。つまり、図１１に示す締結シャフト１００において、シャフト固定部材１２０がないと仮定する。そうすると、線膨張率α１の第１シャフト１１０と線膨張率α２の第２シャフト１３０は、ΔＴ℃の温度降下に伴い個別に収縮してそれぞれＬ１・（１−α１・ΔＴ）、Ｌ２・（１−α２・ΔＴ）となり、両シャフトの重なり範囲の長さをＬＷとすると、このＬＷは次式で表される。
【００５７】
ＬＷ＝（Ｌ１・（１−α１・ΔＴ）＋Ｌ２・（１−α２・ΔＴ））−Ｌ
【００５８】
そして、熱膨張率βのシャフト固定部材１２０についてのΔＴ℃の温度降下に伴う収縮後の長さＬ３・（１−β・ΔＴ）が上記したシャフト重なり範囲ＬＷ以上となるようにする。
【００５９】
ＬＷ≦Ｌ３・（１−β・ΔＴ）
（Ｌ１・（１−α１・ΔＴ）＋Ｌ２・（１−α２・ΔＴ））−Ｌ≦Ｌ３・（１−β・ΔＴ）
（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）・ΔＴ≦Ｌ３−Ｌ３・β・ΔＴ
（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）・ΔＴ≦（Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ）−Ｌ３・β・ΔＴ
Ｌ３・β・ΔＴ≦（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）・ΔＴ
β≦（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）／Ｌ３
【００６０】
そうすると、既述したβ＞αの関係から、第１シャフト１１０と第２シャフト１３０および第２シャフト１３０を異なる線膨張率の材料から形成するようにするには、それぞれの線膨張率が下記を満たす材料とすればよい。
【００６１】
α１、α２＜β≦（Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２）／Ｌ３
【００６２】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、スタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸寸法にて締結する場合を説明したが、燃料電池ユニット４０に限らず種々の積層体を定寸寸法で締結する構成に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】締結シャフト１００の全体構成を斜視にて概略的に示す説明図である。
【図３】この締結シャフト１００による締結の様子を説明する説明図である。
【図４】締結シャフト１００の製造過程を示す説明図である。
【図５】スタック構造の燃料電池ユニット４０を単一のシャフトＳにて定寸寸法Ｌにて締結した様子と締結シャフト１００にて定寸寸法Ｌにて締結した様子とを対比して示す説明図である。
【図６】変形例の締結シャフト１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図７】図５相当図であり変形例の締結シャフト１００Ａを用いてスタック構造の燃料電池ユニット４０を定寸寸法Ｌにて締結した様子を示す説明図である。
【図８】また別の変形例の締結シャフト１００Ｂの要部の構成を斜視にて概略的に示す説明図である。
【図９】図８における９−９線の断面図である。
【図１０】締結シャフト１００Ｂの製造過程を示す説明図である。
【図１１】第１シャフト１１０と第２シャフト１３０およびシャフト固定部材１２０をそれぞれ異なる線膨張率の材料から形成した締結シャフト１００による締結の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池
１０ａ…エンドプレート
１２…貫通孔
２０ａ…絶縁板
３０ａ…集電板
４０…燃料電池ユニット
１００…締結シャフト
１００Ａ…締結シャフト
１００Ｂ…締結シャフト
１０２…ボルト
１１０…第１シャフト
１１０Ａ…第１シャフト
１１０Ｂ…第１シャフト
１１２…ボス
１１３…雌ネジ
１１４…固定駒
１１４Ａ…固定駒
１１４Ｂ…鍔部
１１４Ｓ…端面
１１６…有底孔
１２０…シャフト固定部材
１２０Ａ…シャフト固定部材
１２０Ｂ…シャフト固定部材
１３０…第２シャフト
１３０Ａ…第２シャフト
１３０Ｂ…第２シャフト
１３４…連結シャフト部
１３４Ｂ…連結シャフト部
１３６…固定駒
１３６Ａ…固定駒
１３６Ｂ…鍔部
１３８…二面幅部
１５０…シャフト部
１５２…スリット
【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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