JP2002302785A

JP2002302785A - 固体高分子水電解セル構造体

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Publication number: JP2002302785A
Application number: JP2001106514A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Shimizu; 克俊清水; Osao Kudome; 長生久留; Katsuo Hashizaki; 克雄橋▲崎▼; Akira Hashimoto; 彰橋本; Hiroko Handa; 博子半田; Katsuaki Inoue; 克明井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-10-18
Anticipated expiration: 2021-04-04
Also published as: JP4227736B2

Abstract

(57)【要約】【課題】積層体への締付力の制御が行い易い固体高分
子水電解セル構造体を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜を用いたセル３１
と、前記セルに積層されるセパレータ３２と、前記セル
と前記セパレータとを含む積層体３０を挟んで前記積層
体に締付力を付与するための第１および第２のフランジ
部３６、３７と、支持部材３５と、前記支持部材に設け
られ、前記第１のフランジ部３６の中央部の複数部位に
対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能
な複数の締付力調整部材４４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子水電解
セル構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子水電解セル構造体は、固体高
分子電解質を用いた電気化学的セル構造体であり、例え
ば、ソーダ電解に適用される。固体高分子水電解セル構
造体では、セルとセパレータとが交互に積層された構造
となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するた
めに、セル積層体を所定の圧力で締付けて接触性を高
め、接触抵抗を低く抑える必要がある。

【０００３】従来、板状部材が多数重ねられた積層体に
ついて、両端面を所定の圧力で押圧して締付ける締付構
造としては、特開平１１−９７０５４号公報に開示され
た技術（第１従来技術）が知られている。図７を参照し
て、この第１従来技術について説明する。

【０００４】図７に示すように、この積層体の締付構造
体は、板状部材１１０が積み重ねられた積層体１０１の
両端を一対のエンドプレート１０２で挟持し、該エンド
プレート１０２の貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿
通し、該タイロッド１３０の両端から締付部材１３１を
用いてエンドプレート１０２を締め付ける積層体１０１
の締付構造に於て、少なくとも一方のエンドプレート１
０２と積層体１０１の間に配備され、積層体１０１を押
圧する押圧プレート１０４と、基端部が押圧プレート１
０４に固定され、先端部がエンドプレート１０２に形成
された貫通孔１２１から臨出する棒状の部材であって、
該エンドプレート１０２の貫通孔１２１の中を移動可能
に配備されて、押圧プレート１０４を支える支持棒１０
５と、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４の間
に配備され、圧縮作用に抗して反発力を有する弾性部材
１０７と、支持棒１０５の先端部に取り付けられ、弾性
部材１０７を所定の圧縮状態に保持する係止部材１０６
とを具えており、弾性部材１０７を所定の圧縮状態に保
持した状態で、タイロッド１３０の締付部材１３１を締
め付けてエンドプレート１０２を積層体１０１側へ移動
させることにより、押圧プレート１０４を介して積層体
１０１を徐々に締め付けていき、積層体１０１が所定の
締付状態に達すると、弾性部材１０７が所定の圧縮状態
よりもさらに圧縮されて、押圧プレート１０４とエンド
プレート１０２の間隔が狭まるようにしている。

【０００５】次に、図７および図８を参照して、第１従
来技術の積層体の締付構造についての締付方法について
説明する。

【０００６】［準備工程］まず、図８に示すように、押
圧プレート１０４の各ネジ穴４０に支持棒１０５の端部
を螺着し、例えば所定枚数の皿バネ１０７を支持棒１０
５に通した後、エンドプレート１０２の貫通孔１２１の
中に支持棒１０５を通す。次に、プレス装置を用いて、
エンドプレート１０２と押圧プレート１０４を所定の圧
力で押圧して皿バネ１０７を圧縮する。この圧縮状態を
維持するために、支持棒１０５の先端に取り付けたナッ
トなどの係止部材１０６を回して、エンドプレート１０
２を係止する。次に、積層体１０１の一方側にエンドプ
レート１０２を当接し、積層体１０１の他方側に押圧プ
レート１０４を当接させる。両エンドプレート１０２の
貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿通し、該タイロッ
ドの両端から、ナットなどの締付部材１３１を取り付け
る。

【０００７】［締付工程］前記準備工程の後に締付工程
が行なわれる。この工程では、タイロッド１３０の一方
の端部（図７では左側）からナット１３１を締め付ける
ことにより、エンドプレート１０２を積層体１０１の方
へ移動させる。このとき、弾性部材１０７は所定の圧縮
状態が維持された儘であり、この圧縮状態を維持する力
は、締付工程の最初の段階では、積層体１０１を締め付
けるのに要する力よりも大きいから、押圧プレート１０
４は積層体１０１を押圧する。積層体１０１が所定の締
付力に達すると、今度は、弾性部材１０７を圧縮状態を
維持する力の方が小さくなり、弾性部材１０７は、所定
の圧縮状態よりもさらに圧縮されて、エンドプレート１
０２と押圧プレート１０４との間の距離が狭まり、係止
部材１０６が緩み始める。この時点を以て、タイロッド
１３０におけるナット１３１の締付けを終了し、これに
より積層体１０１の締付けが完了する。

【０００８】この第１従来技術では、準備工程におい
て、一方のエンドプレート１０２と押圧プレート１０４
が所定の圧力で押圧され且つ弾性部材１０７が圧縮され
て、支持棒１０５と係止部材１０６により押圧状態が維
持される。第１従来技術以前の従来の積層体の締付構造
では、皿バネなどの弾性部材が無負荷の状態から所定圧
力での圧縮状態となるまで、弾性部材の反発力に抗して
ナットを回す必要があるのに比べて、第１従来技術で
は、弾性部材が予め圧縮状態にあるから、弾性部材の反
発力に抗してナットを回す量が少なく、労力が低減され
る。また、準備工程により押圧状態を維持しているエン
ドプレート１０２および押圧プレート１０４は、所定の
締付力を示す指標となるから、積層体１０１の締付けに
際し、測定装置が不要である。

【０００９】またさらに、他の従来技術として、特開２
０００−２０８１６３号公報に開示された技術（第２従
来技術）が知られている。図９を参照して、この第２従
来技術について説明する。

【００１０】第２従来技術では、スタックを均一に締結
できる燃料電池スタック締結装置が、次のように開示さ
れている。図９に示すように、単セルを積層したスタッ
ク２１０の下部を支持する下部ホルダ２１１と、スタッ
ク２１０の頂部を押さえる上部ホルダ２１２と、この上
部ホルダ２１２の上部に配置された押さえ材２１３と、
この押さえ材２１３と下部ホルダ２１１を貫通し両端に
ナット２１５が螺合する締付けロッド２１４と、下部ホ
ルダ２１１の下部に設けられたナット２１５と下部ホル
ダ２１１の間に設けられ締付けロッド２１４が内部を貫
通しているバネ２１６と、押さえ材２１３に螺合し先端
が上部ホルダ２１２の頂部に当接する複数の締付け力調
整ボルト２１７と、を備えている。

【００１１】第２従来技術では、スタック２１０は変形
を防止するため、剛性の大きな下部ホルダ２１１に載置
され、頂部に同様に剛性の大きな上部ホルダ２１２が設
けられている。上部ホルダ２１２の上には下部ホルダ２
１１に比べ剛性の小さな押さえ材２１３が設けられ、こ
の押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを締付けロッド
２１４が貫通し、この両端にナット２１５が螺合して、
押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを結合している。
下部ホルダ２１１とナット２１５の間には締付けロッド
２１４が内部を貫通しているバネ２１６が設けられてい
る。押さえ材２１３にはほぼ一様な間隔で締付け力調整
ボルト２１７が螺合され、その先端が上部ホルダ２１２
の上面に当接しスタック２１０に一様な締付け力を与え
るようになっている。

【００１２】押さえ材２１３は剛性を小さくしているの
で、図９に示すように締付けロッド２１４で締め付ける
と撓むが、各締付け力調整ボルト２１７の締め付けトル
クを同じにすることにより、上部ホルダ２１２に均一な
押圧力を与えることができる。温度変化により各部材が
伸縮してもバネ２１６の働きにより、スタック２１０の
締め付け力の変化を防止することができる。

【００１３】従来の固体高分子水電解セル構造体として
は、日本国特許第３０４０６２１号公報に開示された技
術が知られている。

【００１４】以下、上記公報に記載の従来技術（第３従
来技術）を図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説
明する。ここで、図１０（Ａ）はこの第３従来技術に係
る固体高分子電解セル構造体の正面図、図１０（Ｂ）は
図１（Ａ）の側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）を部
分的に拡大した図である。

【００１５】図中の符号３１１は固体高分子電解質膜を
用いたセル（面積：４０ｃｍ×４０ｃｍ）を示し、両サ
イドに配置されたセパレータ３１２ａ、３１２ｂと積層
されて積層体が構成されている。この積層体は、両側に
絶縁板３１３ａ、３１３ｂを介して夫々配置されたエン
ドフランジ３１４ａ、３１４ｂにより挟まれている。こ
れらのエンドフランジ３１４ａ、３１４ｂは前記積層体
より一回り大きく、両エンドフランジ３１４ａ、３１４
ｂの４隅はセル締付け用ボルト３１５とこのボルト３１
５と螺合するナット３１６により締結されている。前記
エンドフランジ３１４ａ、３１４ｂには、夫々端子板３
１７ａ、３１７ｂが取り付けられている。前記端子板３
１７ａ，３１７ｂの夫々の周囲の前記エンドフランジ３
１４ａ，３１４ｂの中央付近にはネジ穴３１８が設けら
れ、これらネジ穴３１８に押付けねじ３１９が螺合され
ている。前記エンドフランジ３１４ａの所定の位置に
は、Ｈ_２Ｏ入口３２０、Ｈ_２出口３２１、Ｏ_２出口３２
２が夫々設けられている。

【００１６】図１０の固体高分子電解セル構造体によれ
ば、セル３１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂからな
る積層体を絶縁板３１３ａ，３１３ｂを介して挟むエン
ドフランジ３１４ａ，３１４ｂの中央部付近に、押付け
ねじ３１９を夫々設けた構成になっているため、絶縁板
３１３ａ，３１３ｂを介してセパレータ３１２ａ，３１
２ｂを両側から押さえ付けることができ、もってセル３
１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂとの接触性を従来
に比べて向上できる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記第１従来技術にお
いて、弾性部材１０７の力Ｆは、エンドプレート１０２
と押圧プレート１０４との距離ｘによって決まる。Ｆ＝ｋｘ．但し、ｋは弾性部材１０７のバネ定数である。

【００１８】図７および前述の説明から明らかなよう
に、上記第１従来技術では、支持棒１０５ａ〜１０５ｅ
のそれぞれに相当する場所での距離ｘａ〜ｘｅを、独立
に制御することができない。このことから、積層体１０
１の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御するこ
とができない。よって、積層体１０１の内部での均一な
接触を確保できず、接触抵抗が大きいことがあった。

【００１９】上記第２従来技術では、押さえ部材２１３
を締付けロッド２１４で締付けることで、押さえ部材２
１３が撓んだときに、各締付け力調整ボルト２１７の締
め付けトルクを同じにすることにより、上部ホルダ２１
２に均一な押圧力を与える旨が記載されているが、上記
第２従来技術において、スタック２１０に締付け力を付
与しているのは、各締付け力調整ボルト２１７のみであ
るから、各締付け力調整ボルト２１７は、基本的な締付
け力付与の機能と、締付け力の微調整という機能を併用
することになる。

【００２０】積層体への締付力の制御が行い易いことが
望まれている。積層体への締付力の制御を高精度に行え
ることが望まれている。積層体への締付力を微調整する
ときの調整幅が大きいことが望まれている。積層体への
締付力が面に対して均一に作用することが望まれてい
る。特に、大面積の積層体への締付力が面に対して均一
に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を調
整できることが望まれている。

【００２１】積層体に付与する締付力（面圧）を上げ過
ぎることにより固体高分子電解質膜がいたむことを防ぐ
ことが望まれている。積層体の内部の圧力が高くても流
体のリークを抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い
易いことが望まれている。積層体に供給される純水に、
積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオンが
付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解に悪
影響を及ぼすことを未然に防止できることが望まれてい
る。

【００２２】本発明の目的は、積層体への締付力の制御
が行い易い固体高分子水電解セル構造体を提供すること
である。本発明の他の目的は、積層体への締付力の制御
を高精度に行うことができる固体高分子水電解セル構造
体を提供することである。本発明の更に他の目的は、積
層体への締付力を微調整するときの調整幅が大きい固体
高分子水電解セル構造体を提供することである。本発明
の更に他の目的は、積層体への締付力が面に対して均一
に作用する固体高分子水電解セル構造体を提供すること
である。本発明の更に他の目的は、特に、大面積の積層
体への締付力が面に対して均一に作用するために、面の
中央部に与える押し付け量を調整できる固体高分子水電
解セル構造体を提供することである。

【００２３】本発明の更に他の目的は、積層体に付与す
る締付力（面圧）を上げ過ぎることにより固体高分子電
解質膜がいたむことを防ぐことができる固体高分子水電
解セル構造体を提供することである。本発明の更に他の
目的は、積層体の内部の圧力が高くても流体のリークを
抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い易いことがで
きる固体高分子水電解セル構造体を提供することであ
る。本発明の更に他の目的は、積層体に供給される純水
に、積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオ
ンが付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解
に悪影響を及ぼすことを未然に防止できることができる
固体高分子水電解セル構造体を提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中の請求
項対応の技術的事項には、番号、記号等が添記されてい
る。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実
施の複数・形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的
事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求
項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定さ
れることを示されるためのものではない。

【００２５】本発明の固体高分子水電解セル構造体は、
固体高分子電解質膜を用いたセル（３１）と、前記セル
（３１）に積層されるセパレータ（３２）と、前記セル
（３１）と前記セパレータ（３２）とを含む積層体（３
０）を挟んで前記積層体（３０）に締付力を付与するた
めの第１および第２のフランジ部（３６、３７）と、支
持部材（３５）と、前記支持部材（３５）に設けられ、
前記第１のフランジ部（３６）の中央部の複数部位に対
して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な
複数の締付力調整部材（４４）とを備えている。

【００２６】本発明の固体高分子水電解セル構造体にお
いて、前記複数の締付力調整部材（４４）は、前記第１
のフランジ部（３６）の前記中央部の前記複数部位に対
して前記押圧力を付与した結果、前記第１および第２の
フランジ部（３６、３７）により付与される前記締付力
と協働して、前記積層体（３０）に対して面方向に均一
な締付力が付与されるように機能する。

【００２７】本発明の固体高分子水電解セル構造体にお
いて、更に、前記第１および第２のフランジ部（３６、
３７）のそれぞれを貫通し、前記第１および第２のフラ
ンジ部（３６、３７）を介して前記積層体（３０）に前
記締付力を付与するための締付ロッド（４７）を備えて
いる。

【００２８】本発明の固体高分子水電解セル構造体にお
いて、前記積層体（３０）は、前記第２のフランジ部
（３７）に対して、水平に設置されている。

【００２９】本発明の固体高分子水電解セル構造体にお
いて、前記積層体（３０）は、電極部（５１）を有し、
前記電極部（５１）は、水が前記積層体（３０）に導入
されるための入口（７０）から離間した位置に設けられ
ている。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の固体高分子水電解セル構造体の一実施の形態につい
て説明する。

【００３１】図１は、本実施形態の固体高分子水電解セ
ル構造体の側断面図である。図２は、本実施形態の固体
高分子水電解セル構造体の正面図である。図３は、本実
施形態の固体高分子水電解セル構造体の水平断面図であ
る。図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体
の図１のＡ部拡大図である。

【００３２】図１から図４を参照して、本実施形態の固
体高分子水電解セル構造体の構成について説明する。

【００３３】図１において、符号３１は、固体高分子電
解質膜を用いたセルである。固体高分子電解質膜を用い
たセル３１の上下には、セパレータ３２が配置されてい
る。固体高分子電解質膜を用いたセル３１およびセパレ
ータ３２は、複数積層されている。固体高分子電解質膜
を用いたセル３１およびセパレータ３２が複数積層され
てなる集合体の上下には、その集合体にそれぞれ接触す
るようにブスバー５１が設けられている。ブスバー５１
と上記集合体を挟むように絶縁板（例えばベークライ
ト）３３ａ、３３ｂが設けられいる。

【００３４】積層体３０は、固体高分子電解質膜を用い
たセル３１、セパレータ３２、ブスバー５１および絶縁
板３３ａ、３３ｂを含んで構成される。

【００３５】絶縁板３３ａ、３３ｂの中央部には、それ
ぞれ凹部３３ｃ、３３ｄが形成されており、その凹部３
３ｃ、３３ｄにブスバー５１、５１が入っている。その
凹部３３ｃ、３３ｄおよびブスバー５１、５１は、後述
するＨ_２Ｏ入口７０、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ出口７１、Ｏ_２／Ｈ
_２Ｏ出口７２の場所までは、（図１において左右方向
に）延在しないように形成されている。これにより、Ｈ
_２Ｏ入口７０からセル３１に供給される純水（Ｈ_２Ｏ）
に、ブスバー５１、５１から溶出した銅イオンが付い
て、固体高分子電解質膜セル３１およびそれを用いた水
電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止することができ
る。

【００３６】後述するように、積層体３０には、内フラ
ンジ部３６および厚フランジ部３７と、第２の支持ロッ
ド４７を用いて所望の締付力の殆どが付与され、更に積
層体３０に対して必要な締付力を得る（微調整する）と
きの、その締付力の補正（バックアップ）用に、ボルト
などの押込部材４４と付勢手段４１と外フランジ部３５
と第１の支持ロッド３８とを用いる。

【００３７】図１に示すように、本実施形態の固体高分
子水電解セル構造体は、積層体３０が水平に置かれ、積
層体３０には鉛直方向から締付力が作用する。積層体３
０が水平に置かれることにより、積層体３０の自重によ
り積層体３０が押えられる。上記第１〜第３従来技術で
は、積層体が縦置きされていた（垂直方向に置かれてい
た）のに対して、本実施形態の積層体３０を水平置きし
たのは、次の理由からである。

【００３８】上記第１〜第３従来技術のように積層体を
縦置きにすると、その積層体に付与すべき締付力の向き
とその積層体に作用する自重の向きが９０度異なる。そ
こで、自重により積層体（固体高分子電解質膜）が下方
向にずれないようにするためには、そのずれを防止可能
な程度まで、横方向からの締付力（面圧）を上げざるを
得ない。そうすると、その締付力の大きさに固体高分子
電解質膜等が耐えられずに、固体高分子電解質膜等がい
たむことがある。そこで、本実施形態では、積層体３０
の自重により積層体３０を押えることができ、積層体３
０のずれが無い、水平置き構造を採用している。この水
平置き構造は、特に、本実施形態のように、積層体３０
の固体高分子電解質膜のセル３１が大面積（例えば１ｍ
×１ｍ）の多層積層構造である場合に、上記効果が大き
い。

【００３９】図１および図２に示すように、外フランジ
部３５の外縁部の複数箇所（１０箇所）には、第１の支
持ロッド３８を挿通させる貫通孔３５ａが形成されてい
る。第１の支持ロッド３８の両端には、ネジ部が形成さ
れている。第１の支持ロッド３８の先端部のネジ部は、
厚フランジ部３７のネジ穴３７ａに螺着されている。第
１の支持ロッド３８の基端部のネジ部は、外フランジ部
３５から突出する部分にて、ナットなどの締付部材３９
を用いて締付けられる。

【００４０】図１および図３に示すように、外フランジ
部３５と積層体３０との間には、積層体３０を押圧する
ための内フランジ部３６が配備される。内フランジ部３
６と外フランジ部３５との間には、複数の付勢手段（弾
性部材、バネなど）４１が設けられる。

【００４１】図１および図２に示すように、外フランジ
部３５の中央部には、９個の貫通孔４２が形成されてい
る。貫通孔４２には、雌ネジが刻設されている。貫通孔
４２には、ボルトなどの押込部材４４が挿通している。
押込部材４４は、貫通孔４２の雌ネジと螺合する雄ネジ
を有している。

【００４２】図１および図４に示すように、押込部材４
４の先端部４４ａには、付勢手段４１を収容する第１支
持部４５が当接している。第１支持部４５は、下方に開
口する有底円筒状に形成されている。押込部材４４の先
端部４４ａは、第１支持部４５の外底面４５ａに、その
垂直な方向（鉛直方向）から接触している。押込部材４
４を回転させることにより、押込部材４４の先端部４４
ａの外フランジ部３５からの突出量を調整することがで
きる。

【００４３】図１および図４に示すように、内フランジ
部３６の上面３６ａには、付勢手段４１を収容する第２
支持部４６が固設されている。第２支持部４６は、上方
に開口する有底円筒状に形成されている。第２支持部４
６の外底面４６ａは、内フランジ部３６に固定されてい
る。

【００４４】第２支持部４６の外径は、第１支持部４５
の内径よりも小さく形成されている。付勢手段４１の基
端部４１ａは、第２支持部４６の内底面４６ｂに固定さ
れ、付勢手段４１の先端部４１ｂは、第１支持部４５の
内底面４５ｂに固定されている。付勢手段４１の伸縮量
は、外フランジ部３５に対する押込部材４４の押し込み
量によって決定される。付勢手段４１が伸縮するとき
に、第１支持部４５の内周面と第２支持部４６の外周面
とは、互いに摺接しながら相対的に移動する。

【００４５】図１から図３に示すように、内フランジ部
３６の所定の位置には、Ｈ_２Ｏ入口７０、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ
出口７１、Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ出口７２がそれぞれ設けられて
いる。Ｈ_２Ｏ入口７０から積層体３０に水（Ｈ_２Ｏ）が
導入され、セル３１での水電解の結果のＨ_２およびＨ_２
Ｏが、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ出口７１から排出され、Ｏ_２および
Ｈ_２Ｏが、Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ出口７２から排出される。

【００４６】図１から図３に示すように、内フランジ部
３６の外縁部の複数箇所（３２箇所）には、第２の支持
ロッド４７を挿通させる貫通孔４９が形成されている。
第２の支持ロッド４７の両端には、ネジ部が形成されて
いる。第２の支持ロッド４７の先端部のネジ部は、厚フ
ランジ部３７のネジ穴３７ｂに螺着されている。第２の
支持ロッド４７の基端部のネジ部は、内フランジ部３６
から突出する部分にて、ナットなどの締付部材４８を用
いて締付けられる。

【００４７】次に、本実施形態の固体高分子水電解セル
構造体の締付方法について説明する。

【００４８】まず、厚フランジ部３７の上面の所定位置
に積層体３０を載置する。その積層体３０の周囲に位置
する厚フランジ部３７の各ネジ穴３７ｂに、第２の支持
ロッド４７の先端部を螺着する。次いで、第２の支持ロ
ッド４７の基端部を、内フランジ部３６の貫通孔４９に
挿通させた後に、内フランジ部３６を積層体３０の上部
に載置する。次いで、内フランジ部３６から突出してい
る第２の支持ロッド４７の基端部のネジ部に締付部材４
８を螺合させることにより、内フランジ部３６によっ
て、積層体３０に所望の締付力の殆どを付与する。

【００４９】次に、厚フランジ部３７の外縁部の各ネジ
穴３７ａに、第１の支持ロッド３８の先端部を螺着す
る。次に、第１の支持ロッド３８の基端部を、外フラン
ジ部３５の貫通孔３５ａに挿通させた後に、外フランジ
部３５を第１支持部４５の外底面４５ａの上に載置す
る。次いで、第１の支持ロッド３８の基端部のネジ部
に、締付部材３９を螺着させる。このとき、第１の支持
ロッド３８に螺合した後の締付部材３９は、外フランジ
部３５とは接触しておらず、外フランジ部３５との間に
は、隙間が空いている。

【００５０】次に、９本の押込部材４４（４４ａ、４４
ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを、外フランジ部３５の各貫
通孔４２に挿通させ、各押込部材４４を外フランジ部３
５に対して押し込んでいく。各押込部材４４の押し込み
量は、内フランジ部３６および第２の支持ロッド４７に
よって積層体３０に付与された締付力の面方向の不均一
性を補正するために必要な量に設定される。

【００５１】この各押込部材４４の押し込みを進めるに
連れて、第１支持部４５の外底面４５ａと外フランジ部
３５とが漸次離間して、締付部材３９に対して外フラン
ジ部３５が接近していくと同時に、各押込部材４４の先
端部は、第１支持部４５を介して、各付勢手段４１を押
圧する。

【００５２】その後、各押込部材４４の押し込みを更に
進めると、外フランジ部３５が締付部材３９に接触す
る。その接触後に、各押込部材４４の押し込みを更に進
めると、その押し込み量だけ第１支持部４５が下がっ
て、その付勢手段４１による押圧力が積層体３０に対す
る締付力として伝達される。各押込部材４４の押し込み
によって積層体３０が締付けられる結果、内フランジ部
３６と締付部材４８との間には、若干の隙間が形成され
ることがある。

【００５３】本実施形態によれば、９本の押込部材４４
（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを任意に所望
の押込量だけ押し込むことが可能であるため、積層体３
０の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御でき
る。これは、図５に示すように、外フランジ部３５が第
１の支持ロッド３８による締付力によって撓んだとき
に、特に有効である。

【００５４】第１従来技術では、図７および上記説明か
ら明らかなように、積層体１０１への締付力が面に対し
て均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け
量を任意に調整するという本実施形態の技術思想が開示
されていない。また、第１従来技術では、エンドプレー
ト２０２が図５の外フランジ部３５のように撓んだとき
であっても、積層体１０１を均一に締付けるという技術
思想は開示されていない。第１従来技術では、積層体１
０１の締付けが完了したとき、係止部材１０６は緩んで
おり、エンドプレート１０２から離間している。一般
に、工作精度の関係から、プレートの面を精密な平面に
形成することは困難であるが、第１従来技術によれば、
押圧プレート１３０の面が精密な平面でない限り、積層
体１０１の面に均一に押圧することは不可能である。こ
れに対し、本実施形態によれば、内フランジ部３６の面
が仮に精密な平面でなくても、複数の押込部材４４およ
び付勢手段４１を個別に操作することにより、積層体３
０に対し面に均一な締付力を付与することができる。ま
た、本実施形態によれば、内フランジ部３６の厚さを薄
く形成することができる。

【００５５】第２の支持ロッド４７によって、内フラン
ジ部３６と厚フランジ部３７とを連結するのは、次の理
由からである。固体高分子水電解セル構造体において、
Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ出口７１から排出されるＨ_２は、例えば、
水素吸蔵合金に吸着させるために、所定の高圧（例えば
０．６ＭＰａ）で排出される必要がある。電気自動車に
搭載される燃料電池の場合には、その燃料電池の積層体
の内部圧力が、例えば０．３ＭＰａ程度であることを考
えると、固体高分子水電解セル構造体の積層体３０の内
部圧力は、かなりの高圧である。この内圧を保持するた
めには、スタックが大面積になるに従って、フランジを
開く力が大きくなるため、締付力を大きくする必要があ
る。しかし、過大な締付力は積層体３０の固体高分子電
解質膜を破損させたり、シール材を塑性変形させてリー
クを発生させる危険性がある。しかし、流体（Ｏ_２、Ｈ
_２、Ｈ_２Ｏ）がリークしないように、積層体３０のシー
ル性を確保する必要がある。

【００５６】次に、図６を参照して、本実施形態の効果
について説明する。

【００５７】図６に示すように、従来の方法では、積層
体に対する締付圧力を６ＭＰａまで上げないと、積層体
の接触抵抗を０．２ｍΩまで下げることができなかった
のに対し、本実施形態によれば、積層体３０への締付圧
力が２ＭＰａで積層体３０の接触抵抗を０．２ｍΩまで
下げることができた。本実施形態によれば、接触性の改
善により従来の約１／３の締付圧力で抵抗が安定化する
ことが確認できた。

【００５８】次に、図１１を参照して、厚フランジ部３
７の板厚について説明する。（考え方）第２および第１の支持ロッド（ボルト）４
７、３８による加圧に耐えるようにする。（モデル）図１１に示すような梁に中央集中荷重がかか
るモデルを仮定し、曲げ応力が制限値以内に入るように
する。（材料）材料はＳＵＳ３０４（δｙ≧２０．９ｋｇｆ／
ｍｍ^２）である。（応力）撓みが大きくならないよう、応力の制限値δ_ａ
を５ｋｇｆ／ｍｍ^２とする。以下の４つの式から厚フラ
ンジ部３７の必要板厚ｈは、５０ｍｍであることが分か
る。

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【００５９】次に、外フランジ部３５の板厚について説
明する。応力の制限値以外は、厚フランジ部３７と同じ
である。（考え方）、（モデル）、（材料）は、厚フラ
ンジ部３７と同じである。（応力）応力の制限値δ_ａを１０ｋｇｆ／ｍｍ^２とす
る。以下の式から外フランジ部３５の必要板厚ｈは、３
５ｍｍであることが分かる。

【数５】

【００６０】次に積層体の中央を押すボルト（押込部材
４４）のサイズと数について説明する。ボルト材質を通
常用いるＳＣＭ３とすると、・ボルト５本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／５本＝１
ｔｏｎｆの荷重を負担する。・ボルト３本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／３本＝
１．７ｔｏｎｆの荷重を負担する。

【００６１】以上、本実施形態は、固体高分子水電解セ
ル構造体であるとして説明したが、固体高分子水電解セ
ル構造体に限定されることなく、その他の積層体の締付
構造にも適用可能である。所定の締付力で締め付けるこ
とが重要とされる積層体を対象とするものであり、例え
ば燃料電池におけるセル積層体のように、板状の単位セ
ルが多数重ねられたものを挙げることができる。なお、
その他の積層体として、電気自動車などに使用される大
型の二次電池、プレート式熱交換器、大容量コンデンサ
等がある。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シール材および内圧に対する締付力は内側の締結ボルト
で保持し、固体高分子膜への均一締付力調整を外側ボル
トと弾性体付き押しボルトで調整することにより、積層
体への締付力の制御が行い易い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の固体高分子水電解セル構造体
の一実施の形態の側断面図である。

【図２】図２は、本実施形態の固体高分子水電解セル構
造体の正面図である。

【図３】図３は、本実施形態の固体高分子水電解セル構
造体の水平断面図である。

【図４】図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構
造体の図１のＡ部拡大図である。

【図５】図５は、本実施形態の効果の一つを説明するた
めの一部を誇張した側断面図である。

【図６】図６は、本実施形態の効果の一つを説明するた
めの締付荷重と抵抗との関係を示すグラフ図である。

【図７】図７は、第１従来技術を示す側面図である。

【図８】図８は、第１従来技術における支持棒、係止部
材および弾性部材を示す要部断面図である。

【図９】図９は、第２従来技術を示す側面図である。

【図１０】図１０は、第３従来技術を示し、図１０
（Ａ）は正面図、図１０（Ｂ）は側面図、図１０（Ｃ）
は図１０（Ｂ）の一部を拡大した図である。

【図１１】図１１は、本発明の固体高分子水電解セル構
造体の一実施形態において、フランジ部の板厚を説明す
るためのモデルを示す図である。

【符号の説明】

３０積層体３１固体高分子電解膜を用いたセル３２セパレータ３３ａ絶縁板３３ｂ絶縁板３３ｃ凹部３３ｄ凹部３５外フランジ部３５ａ貫通孔３６内フランジ部３６ａ上面３７厚フランジ部３７ａネジ穴３７ｂネジ穴３８第１の支持ロッド３９締付部材４１付勢手段４１ａ基端部４１ｂ先端部４２貫通孔４４押込部材４４ａ先端部４５第１支持部４５ａ外底面４５ｂ内底面４６第２支持部４６ａ外底面４６ｂ内底面４７第２の支持ロッド４８締付部材４９貫通孔５１ブスバー７０Ｈ_２Ｏ入口７１Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ出口７２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋▲崎▼ 克雄長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者橋本彰長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者半田博子長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者井上克明長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 CA04 DB04 DB48 DC01 DC03 EA02 5H026 AA06 CV00 CX08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を用いたセルと、前記セルに積層されるセパレータと、前記セルと前記セパレータとを含む積層体を挟んで前記
積層体に締付力を付与するための第１および第２のフラ
ンジ部と、支持部材と、前記支持部材に設けられ、前記第１のフランジ部の中央
部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押
圧力を付与可能な複数の締付力調整部材とを備えた固体
高分子水電解セル構造体。
【請求項２】請求項１記載の固体高分子水電解セル構
造体において、前記複数の締付力調整部材は、前記第１のフランジ部の
前記中央部の前記複数部位に対して前記押圧力を付与し
た結果、前記第１および第２のフランジ部により付与さ
れる前記締付力と協働して、前記積層体に対して面方向
に均一な締付力が付与されるように機能する固体高分子
水電解セル構造体。
【請求項３】請求項１または２に記載の固体高分子水
電解セル構造体において、更に、前記第１および第２のフランジ部のそれぞれを貫通し、
前記第１および第２のフランジ部を介して前記積層体に
前記締付力を付与するための締付ロッドを備えた固体高
分子水電解セル構造体。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項に記載の
固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体は、前記第２のフランジ部に対して、水平に
設置されている固体高分子水電解セル構造体。
【請求項５】請求項１から４のいずれか１項に記載の
固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体は、電極部を有し、前記電極部は、水が前記積層体に導入されるための入口
から離間した位置に設けられている固体高分子水電解セ
ル構造体。