JP2007115604A - 積層構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量小型化を実現することができ、加えて、使用温度が変化したとしても、積層部材に対して常に均等に荷重を負荷することが可能である積層構造体を提供する。
【解決手段】複数の平板状を成す積層部材としての固体電解質型燃料電池２と、これらの固体電解質型燃料電池２を積層した状態で積層方向に加圧して締結する締結加圧部材４を備え、使用温度の変化により積層方向に膨張及び収縮を繰り返す燃料電池スタック構造体１において、締結加圧部材４の少なくとも一部分を、形状記憶合金から形成されて互いに積層する複数の固体電解質型燃料電池２を使用温度の範囲で常に積層方向に加圧する伸縮部４Ａとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の平板状を成す積層部材を積層して成り、使用温度の変化により積層方向に膨張及び収縮を繰り返す積層構造体、例えば、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とで高分子電解質膜を挟持して成る固体電解質型燃料電池を複数積層して形成される積層構造体に関するものである。

従来、上記したような積層構造体としては、例えば、積層部材としての固体電解質型燃料電池を複数積層して成る積層体をエンドプレートで挟み込み、これらのエンドプレートの縁部分を貫通する複数本のスタッドボルトの両端部にナットをねじ込むことによって、一方のエンドプレートに隣接させた締め付けプレートと他方のエンドプレートとを締結した燃料電池スタック構造体があり、この燃料電池スタック構造体では、一方のエンドプレートと締め付けプレートとの間に介在させた皿ばねの弾性力によって、積層体を両側から加圧して集電及びガスシールを行うようにしていた。
特開２００２−１５１１３５

ところが、上記した積層構造体としての燃料電池スタック構造体では、積層体を両側から加圧するのに皿ばね及び締め付けプレートを用いていることから、これらの部材の分だけ質量が増加すると共に収容スペースを必要とするという問題があった。

また、加圧のために用いる皿ばねが締め付けプレートのスタッドボルトが位置していない中央部分に配置される関係上、この締め付けプレートの中央部分が湾曲してしまい、固体電解質型燃料電池に均等に荷重をかけることができないという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、軽量小型化を実現することができ、加えて、使用温度が変化したとしても、積層部材に対して常に均等に荷重を負荷することが可能である積層構造体を提供することを目的としている。

本発明は、複数の平板状を成す積層部材と、これらの積層部材を積層した状態で積層方向に加圧して締結する締結加圧部材を備え、使用温度の変化により積層方向に膨張及び収縮を繰り返す積層構造体において、締結加圧部材の少なくとも一部分を、形状記憶合金から形成されて互いに積層する複数の積層部材を使用温度の範囲で常に積層方向に加圧する伸縮部としてある構成としたことを特徴としており、この積層構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の積層構造体では、形状記憶合金から成る伸縮部を有する締結加圧部材によって、互いに複数積層した積層部材を使用温度の範囲で常に積層方向に加圧して締結するようにしているので、従来において積層部材を両側から加圧するのに用いていた皿ばね及び締め付けプレートが必要でなくなる分だけ質量の低減化及び省スペース化が図られることとなる。

そして、本発明の積層構造体では、積層部材を両側から加圧するのに皿ばねを用いていないので、これを支持する部分が湾曲したりするようなことがなく、その結果、積層部材に対して常に均等に荷重を負荷し得ることとなる。

本発明の積層構造体によれば、上記した構成としているので、軽量小型化を実現したうえで、互いに積層した積層部材の使用温度の変化による膨張及び収縮にかかわらず、積層部材に対して常に均等に荷重を負荷することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の積層構造体において、締結加圧部材の全体を形状記憶合金から成る伸縮部として形成してある構成とすることができる。

上記した構成を採用すると、使用温度の変化に応じて締結加圧部材の全体に締付けによるひずみが生じることとなり、より一層安定した締付け力が得られることとなる。

また、本発明の積層構造体において、締結加圧部材の伸縮部以外を非伸縮部として形成してある構成とすることができ、この際、締結加圧部材の伸縮部の強度を非伸縮部よりも低く設定したり、締結加圧部材の伸縮部の断面積を非伸縮部よりも小さく設定したりすることができる。

上記したように、締結加圧部材の伸縮部以外を非伸縮部として形成すると、形状記憶合金から成る伸縮部に選択的にひずみが集中して発生することから、ひずみの管理は伸縮部の寸法管理を行うことで済むこととなり、したがって、ひずみの管理が容易なものとなる。

そして、上記したように、締結加圧部材の伸縮部の強度を非伸縮部よりも低く設定した場合には、より安定して伸縮部にひずみを生じさせ得ることとなり、一方、締結加圧部材の伸縮部の断面積を非伸縮部よりも小さく設定した場合には、より安定して伸縮部にひずみを生じさせ得るのに加えて、伸縮部の断面積管理を行うことで、締付け力の管理を行い得ることとなる。

さらに、本発明の積層構造体において、使用温度が−２０〜１００℃である場合において、締結加圧部材の伸縮部に生じるひずみを２〜６％に設定した構成とすることが可能である。

上記した構成を採用すると、伸縮部を形成する形状記憶合金の形状記憶機能により、ほぼ一定した締付け力が得られることとなる。

さらにまた、本発明の積層構造体において、締結加圧部材がプレート状を成している構成や、締結加圧部材がロッド状を成している構成や、締結加圧部材が線状を成している構成を適宜採用することが可能である。

このように、締結加圧部材がプレート状を成す構成を採用すると、ナットなどの部材を用いなくて済む分だけ省スペース化が図られることとなり、また、締結加圧部材がロッド状を成している構成を採用すると、締付けナットを用いることで締め付け作業が容易に成されることとなり、さらに、締結加圧部材が線状を成している構成を採用すると、より一層の軽量化が図られることとなる。

さらにまた、本発明の積層構造体において、締結加圧部材の伸縮部をオーステナイト変態終了温度が１００℃以上の形状記憶合金から成るものとした構成とすることができ、この場合には、伸縮部を形成する形状記憶合金が、より一層安定した形状記憶機能を発現するマルテンサイト相となるため、一段と安定した応力が発生することとなって、より一層安定した締付け力が得られることとなる。

さらにまた、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とで高分子電解質膜を挟持して成る固体電解質型燃料電池を積層部材とし、この積層部材としての固体電解質型燃料電池を複数積層して、これらの互いに積層した固体電解質型燃料電池を上記した締結加圧部材によって積層方向に加圧して締結すると、本発明を適用した燃料電池スタック構造体が得られることとなり、このような燃料電池スタック構造体では、軽量小型化が図られることとなる。

つまり、従来のものと比べて固体電解質型燃料電池を多く搭載し得ることから、出力性能が向上することとなり、したがって、車載用に適したものとなる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１〜図３は、本発明の積層構造体の一実施例を示しており、この実施例では、本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示す。

図１及び図２に示すように、この燃料電池スタック構造体１は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とで高分子電解質膜を挟持して成る固体電解質型燃料電池２を複数備えていて、これらの固体電解質型燃料電池２を積層して両側からエンドプレート３，３で挟み込み、これらのエンドプレート３，３を貫通する複数本、この実施例では４本のロッド状を成す締結加圧部材４の上下端部にナット５をねじ込むことによって、互いに積層した固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧して締結する構成を成している。

この場合、ロッド状を成す締付加圧部材４の中間部分を形状記憶合金から成る伸縮部４Ａとして形成していると共に、両端部分を非伸縮部４Ｂとして形成しており、伸縮部４Ａに常にひずみが生じるように成すことによって、固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧することができるようにしてある。

上記形状記憶合金は、オーステナイト変態終了温度以下の温度において、マルテンサイト相であり、双晶変形で塑性変形（永久変形）しない領域がある。この実施例で用いる形状記憶合金（Ｎｉ量が４９．５ａｔ％のＮｉ−Ｔｉ合金）の場合、図３（ａ）の応力−ひずみ線図（上記Ｎｉ−Ｔｉ合金を４００℃で形状記憶処理した際の室温（約２５℃）での応力-ひずみ線図）に示すように、双晶変形で約６％のひずみを付与しても、応力が大きく変化しないひずみ範囲が存在し、２〜６％のひずみ範囲において応力が３３０ＭＰａでほぼ一定となる。

この際、伸縮部４Ａの自然長を７５ｍｍとすると、１．５〜４．５ｍｍの約３ｍｍの変化があったとしても、ほぼ一定の応力の出力が可能となり、したがって、４本設置する締結加圧部材４にそれぞれねじ込むナット５の各ねじ込み量に約４ｍｍの誤差があったとしても、ほぼ一定の締付け力で固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧して締付け得ることとなる。

この実施例の燃料電池スタック構造体１において、その使用温度の範囲を−２０〜１００℃としており、使用温度の変化により積層方向に膨張及び収縮を繰り返し、積層方向寸法Ｌを３６０ｍｍとすると、−１．５〜３ｍｍの範囲で伸縮するものとなっている。

この実施例における締結加圧部材４の伸縮部４Ａに採用した形状記憶合金は、上述したように、Ｎｉ量が４９．５ａｔ％のＮｉ−Ｔｉ合金であり、オーステナイト変態終了温度が１００℃以上となるものとしている。

そこで、この実施例では、−２０℃で約２％のひずみが伸縮部４Ａに生じるようにして、締付加圧部材４をセットした。つまり、−２０℃において、約３３０ＭＰａの締付け力で固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧して締付けた。

この燃料電池スタック構造体１は、使用するに従ってその温度が上昇する。これに伴って、締結加圧部材４の伸縮部４Ａに温度が付与され、この温度により伸縮部４Ａには自然長に戻ろうとする形状回復力が発生する。その結果、締結加圧部材４は、伸縮部４Ａに生じる形状回復力により、常に固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧することとなる。

また、上記燃料電池スタック構造体１は、最大１００℃まで上昇する場合があるが、使用温度範囲内がマルテンサイトであるため、より安定な回復応力で使用することができる。

ここで、例え、形状記憶合金のオーステナイト変態終了温度が１００℃に満たないとしても、使用温度範囲内にオーステナイトとなる範囲が存在し、このオーステナイト状態においても、伸縮部４Ａには、形状記憶合金の擬弾性機能で自然長に戻ろうとする形状回復応力が生じる。

図３（ｂ）のオーステナイト相における応力−ひずみ線図に示すように、双相変形の応力はマルテンサイト相よりも高くなるが、初期の形状に戻ろうとする擬弾性効果が現れることから、この自然長に戻ろうとする擬弾性力を締付け力として活用すれば、常に固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧し得ることとなる。

さらに、この実施例において、締結加圧部材４の伸縮部４Ａを形成するＮｉ−Ｔｉ合金の強度を、非伸縮部４Ｂが塑性変形する降伏強度よりも低い強度とすることで、締結加圧部材４にナット５をねじ込む際に、より集中的に伸縮部４Ａがひずむようにしてあり、したがって、ひずみの管理は伸縮部４Ａの寸法管理を行えば済むことから、ひずみの管理が容易なものとなる、すなわち、締付け力の管理が容易なものとなる。

上記した燃料電池スタック構造体１では、形状記憶合金から成る伸縮部４Ａを有する締結加圧部材４によって、互いに複数積層した固体電解質型燃料電池２を使用温度の範囲で常に積層方向に加圧して締結するようにしているので、従来において積層部材を両側から加圧するのに用いていた皿ばね及び締め付けプレートが必要でなくなる分だけ質量の低減化及び省スペース化が図られることとなる。

このように、上記した燃料電池スタック構造体１では、皿ばね及び締め付けプレートを省いた分だけ、固体電解質型燃料電池２をより多く搭載し得ることから、出力性能が向上することとなり、したがって、車載用に適したものとなる。

また、上記した燃料電池スタック構造体１では、締結加圧部材４がロッド状を成しているので、締付けナット５を用いることで締め付け作業が容易なものとなる。

図４は、本発明の積層構造体の他の実施例を示している。この実施例においても、本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示しており、図４に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１が、先の実施例の燃料電池スタック構造体１と相違するところは、締結加圧部材１４の伸縮部１４Ａの断面積を非伸縮部１４Ｂよりも小さく設定した点にあり、他の構成は先の実施例における燃料電池スタック構造体１と同じである。

この燃料電池スタック構造体１１では、締結加圧部材１４の伸縮部１４Ａの断面積を非伸縮部１４Ｂよりも小さく設定しているので、より安定して伸縮部１４Ａにひずみを生じさせ得るのに加えて、伸縮部１４Ａの断面積管理を行うことで、締付け力の管理を行い得ることとなる。

図５は、本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示している。この実施例においても、本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示しており、図５に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体２１が、先の実施例の燃料電池スタック構造体１１と相違するところは、エンドプレート３，３の図示両端部に配置した締結加圧部材１４，１４間に、形状記憶合金から成る伸縮部２４Ａを有する締結加圧部材２４を配置し、この締結加圧部材２４の伸縮部２４Ａ及び非伸縮部２４Ｂの各断面積をいずれも締結加圧部材１４の伸縮部１４Ａ及び非伸縮部１４Ｂよりも大きく設定した点にあり、他の構成は先の実施例における燃料電池スタック構造体１１と同じである。

この燃料電池スタック構造体２１では、中央に配置した締結加圧部材２４の伸縮部２４Ａの断面積を両側に配置した締結加圧部材１４の伸縮部１４よりも大きく設定しているので、中央部分の締付け力が大きくなる。したがって、締付け加圧力を負荷し難いエンドプレート３，３の中央部分により大きな締付け力を作用させることが可能になって、固体電解質型燃料電池２のより均等な締付け加圧が可能となる。

図６及び図７は、本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示している。この実施例においても、本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示しており、図６及び図７に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体３１は、中間部分を形状記憶合金から成る伸縮部３４Ａとして形成し且つ両端部分を非伸縮部３４Ｂとして形成したプレート状を成す締結加圧部材３４を備え、この締結加圧部材３４の上下端部をボルト３６を介してエンドプレート３，３に固定することによって、互いに積層した固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧して締結する構成を成している。

この燃料電池スタック構造体３１では、締結加圧部材３４がプレート状を成しているので、ナットなどの部材を用いなくて済む分だけ省スペース化が図られることとなる。

図８及び図９は、本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示している。この実施例においても、本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示しており、図８及び図９に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体４１は、全体が形状記憶合金から成る線状の締結加圧部材４４を備え、この締結加圧部材４４の両端部をボルト４６を介して一方のエンドプレート３に固定すると共に、締結加圧部材４４の中間部分をエンドプレート３，３に設けたフック４７に互い違いに引っ掛けることによって、互いに積層した固体電解質型燃料電池２をその積層方向に加圧して締結する構成を成している。

この燃料電池スタック構造体３１では、締結加圧部材４４が線状を成しているので、ナットなどの部材を用いなくて済む分だけ省スペース化が図られるうえ、より一層の軽量化が図られることとなる。

なお、締結加圧部材４４が線状を成している場合において、この締結加圧部材４４を互いに積層した固体電解質型燃料電池２に巻き付ける構成としてもよく、この構成においても、省スペース化及びより一層の軽量化が図られることとなる。

上記した実施例では、いずれも本発明の積層構造体が燃料電池スタック構造体である場合を示したが、これに限定されるものではなく、使用温度の変化によって積層方向に膨張及び収縮を繰り返す積層構造体であれば適用可能である。

本発明の積層構造体の一実施例を示す燃料電池スタック構造体の正面説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体の側面説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体における締付加圧部材に用いた形状記憶合金のマルテンサイト相の応力−ひずみ線図（ａ）及びオーステナイト相の応力−ひずみ線図（ｂ）である。 本発明の積層構造体の他の実施例を示す燃料電池スタック構造体の正面説明図である。（実施例２） 本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示す燃料電池スタック構造体の正面説明図である。（実施例３） 本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示す燃料電池スタック構造体の正面説明図である。（実施例４） 図６の燃料電池スタック構造体の側面説明図である。（実施例４） 本発明の積層構造体のさらに他の実施例を示す燃料電池スタック構造体の正面説明図である。（実施例５） 図８の燃料電池スタック構造体の側面説明図である。（実施例５）

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１ 燃料電池スタック構造体（積層構造体）
２ 固体電解質型燃料電池
４，１４，２４，３４，４４ 締結加圧部材
４Ａ，１４Ａ，２４Ａ，３４Ａ 伸縮部
４Ｂ，１４Ｂ，２４Ｂ，３４Ｂ 非伸縮部

Claims (11)

1. 複数の平板状を成す積層部材と、これらの積層部材を積層した状態で積層方向に加圧して締結する締結加圧部材を備え、使用温度の変化により積層方向に膨張及び収縮を繰り返す積層構造体において、締結加圧部材の少なくとも一部分を、形状記憶合金から形成されて互いに積層する複数の積層部材を使用温度の範囲で常に積層方向に加圧する伸縮部としてあることを特徴とする積層構造体。
2. 締結加圧部材の全体を形状記憶合金から成る伸縮部として形成してある請求項１に記載の積層構造体。
3. 締結加圧部材の伸縮部以外を非伸縮部として形成してある請求項１に記載の積層構造体。
4. 締結加圧部材の伸縮部の強度を非伸縮部よりも低く設定した請求項３に記載の積層構造体。
5. 締結加圧部材の伸縮部の断面積を非伸縮部よりも小さく設定した請求項３又は４に記載の積層構造体。
6. 使用温度が−２０〜１００℃である場合において、締結加圧部材の伸縮部に生じるひずみを２〜６％に設定した請求項３〜５のいずれか一つの項に記載の積層構造体。
7. 締結加圧部材がプレート状を成している請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の積層構造体。
8. 締結加圧部材がロッド状を成している請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の積層構造体。
9. 締結加圧部材が線状を成している請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の積層構造体。
10. 締結加圧部材の伸縮部をオーステナイト変態終了温度が１００℃以上の形状記憶合金から成るものとした請求項１〜９のいずれか一つの項に記載の積層構造体。
11. 燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とで高分子電解質膜を挟持して成る固体電解質型燃料電池を積層部材とし、この積層部材としての固体電解質型燃料電池を複数積層した状態で締結加圧部材により積層方向に加圧して締結してある請求項１〜１０のいずれか一つの項に記載の積層構造体。

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