JP2007280890A - 燃料電池スタックの締結構造およびこれを備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減し、さらに組付け時の作業性を向上させる。
【解決手段】複数の燃料電池セル２が積層されてなる燃料電池スタック３の当該積層方向両端に設けられるエンドプレート８と、該エンドプレート８間に架け渡されて当該燃料電池スタック３に積層方向の圧縮荷重が作用した状態を維持するテンションプレート９と、を備える締結構造であって、エンドプレート８の一部が、テンションプレート９に形成されている凹部１９に引っ掛かる形状の係合突起１８となっている。係合突起１８には、凹部１９をなす側壁面と係合する係合部１８ａが設けられていることが好ましい。また、係合部１８ａが、側壁面との間で回り対偶を形成する凹形状の曲面からなることも好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池スタックの締結構造およびこれを備えた燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池セルが積層されてなるスタックに圧縮荷重を作用させた状態で締結するための構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このようにセルが積層されることによって構成される燃料電池スタック（以下、単にスタックともいう）は、例えば、その積層方向両端にエンドプレートが設けられ、当該エンドプレートと燃料電池スタックとの間に弾性体を有する弾性モジュールが配置されたうえで、セル積層方向に圧縮荷重が作用した状態で締結されている。

従来、このような締結構造として、両エンドプレート間に架け渡したテンションプレートを利用し、当該燃料電池スタックに積層方向の圧縮荷重が作用した状態を維持するというものがある。この場合、エンドプレートとテンションプレートは、例えばそれぞれの端部に形成された孔にピンを通して結合されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１６２２７号公報

しかしながら、燃料電池スタックに圧縮荷重を作用させつつ、ピンを通してエンドプレートおよびテンションプレートを結合させる構造は部品点数が増えやすく、尚かつ組付け時の作業は煩雑である。

そこで、本発明は、部品点数を削減でき、さらに組付け時の作業性を向上させうる燃料電池スタックの締結構造およびこれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従前の締結構造は、上述のようにエンドプレートとテンションプレートをピン結合したり、あるいは貫通ボルトを用いてエンドプレートを締め付けたり、はたまた両プレートをボルトで結合したりといったようなもので、例えば大きな荷重に耐えるためには多数のボルトを必要とするなど部品点数が多く、しかも組付け時には寸法合わせも必要となる。つまり、こういった構成であるために部品点数が多く、尚かつ組付け性に劣るものであった。この点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわち、部品点数を減らすことができ尚かつ両プレートの組付け性を向上させうるという着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックの当該積層方向両端に設けられるエンドプレートと、該エンドプレート間に架け渡されて当該燃料電池スタックに積層方向の圧縮荷重が作用した状態を維持するテンションプレートと、を備えた燃料電池スタックの締結構造において、前記エンドプレートの一部が、前記テンションプレートに形成されている凹部に引っ掛かる形状の係合突起となっていることを特徴としている。

また本発明において、前記凹部は当該テンションプレートの厚さ方向に設けられた孔であり、前記係合突起は、当該エンドプレートの端部のうち面内方向に延びる部分であって前記凹部に挿入される突起である。

本発明にかかる燃料電池スタックの締結構造においては、セル積層方向と垂直な方向、換言すればセル面に平行な方向に係合突起を例えば嵌め込むようにして係合させる構造となっている。これによれば、エンドプレートの一部がテンションプレートの一部に直接係合することとなるから、例えばピンやボルトといった他の部材を利用しなくても両プレートを連結状態とすることができる。したがって、部品点数の削減を図ることが可能となる。

また、エンドプレートに形成された係合突起を、テンションプレートに形成された凹部に例えば嵌め込むようにすることで両プレートを連結状態とすることが可能である。この締結構造によれば、多くのピンやボルト等を用いて寸法合わせしながら両プレートを組み付けていた従来構造よりも組付け性が向上することになる。

このような締結構造においては、前記係合突起に、前記テンションプレートの凹部をなす側壁面と係合する係合部が設けられていることが好ましい。このような係合部を介して当該係合突起が凹部をなす側壁面に係合している場合、係合突起が外れにくくなるからその分だけ両プレートの連結状態が維持されやすくなる。

さらにこのような締結構造においては、前記係合部が、前記凹部をなす側壁面との間で回り対偶を形成する凹形状の曲面からなることが好ましい。このような曲面からなる係合部は、当該曲面および係合する側壁面の形状に応じた回転運動（揺動運動）が可能である。例えば、燃料電池スタックの締結状態下、大きな締結荷重の影響によりエンドプレートに反りが生じる場合がある。この場合、従前の構造のようにテンションプレートとエンドプレートとが例えばボルトで結合されていると、このようなエンドプレートの反りがボルトで結合されている部分を通じてテンションプレートにまで伝わり、この結果、当該テンションプレートにまで反りが生じるおそれがあり、これによる不都合を回避するためにはテンションプレートとスタックとの間に相当分のクリアランスを設ける必要があった。これに対し、本発明にかかる締結構造によれば、エンドプレートに反りが生じたとしても両プレート間に形成した回り対偶の作用によって曲げ荷重を逃がし、テンションプレートに反りが生じないようにすることが可能である。

また、前記凹部に前記係合突起が引っ掛かった状態で当該係合突起が外れるのを回避するための抜け止め手段が設けられていることも好ましい。これによれば、凹部に引っ掛かった係合突起を外れ難くすることによって両プレートの係合状態をさらに維持しやすくすることができる。

さらには、前記係合突起と前記凹部との間に、当該燃料電池スタックの積層方向への伸び縮みに応じて伸縮する弾性部材が介在していることも好ましい。

また、本発明にかかる燃料電池は上述した燃料電池スタックの締結構造を備えているというものである。

本発明によれば、締結構造にかかる部品点数を削減でき、さらに組付け時の作業性を向上させることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図６に本発明にかかる燃料電池スタックの締結構造の実施形態を示す。本実施形態における締結構造は、複数の燃料電池セル（本明細書では単にセルともいう）２が積層されてなる燃料電池スタック３の当該積層方向両端に設けられるエンドプレート８と、該エンドプレート８間に架け渡されて当該燃料電池スタック３に積層方向の圧縮荷重が作用した状態を維持するテンションプレート９と、を備えているものである。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタック３の概略構成について説明し、その後、当該燃料電池スタック３の締結構造について説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されることによって燃料電池スタック（セル積層体）３を構成する（図２参照）。また、このように形成されたスタック３は、例えばスタック両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図３、図４参照）。

なお、このようなスタック３等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池１のセパレータとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図１参照）。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図３、図４等においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２等参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数の単セル２を積層したスタック（セル積層体）３を有し、スタック３の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。また、スタック３はテンションプレート９によって積層状態で拘束されている（図３、図４参照）。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がスタック３の両側に対向するように配置される（図４参照）。テンションプレート９は、各エンドプレート８，８に接続され、単セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレート９の内側面（スタック３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレート９の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。

また、スタック３に締結力（圧縮荷重）を作用させる部材（弾性モジュール）の一例を挙げれば以下のとおりである。すなわち、互いに並列に配置されたコイルスプリング等の弾性体１１と、これら複数の弾性体１１を積層方向にて挟持する一対の板状部材１２とがスタック３の一端に配置されているものである（図４参照）。また、板状部材１２とエンドプレート８との間には接続部材１３が介在しており、当該接続部材１３自体の可撓性またはピボット状に接触する構成などによって首振り可能な構造を実現している（図４参照）。多数（例えば２００〜４００程度）のセル２を積層した結果、スタック３が例えば台形に近似した状態になるなど側方への偏りが生じて歪んだとしても、このような支持構造によれば、当該接続部材１３を中心として首を振る動きをすることにより、偏りに応じた分だけ適宜角度を変えて歪みを矯正することが可能である。さらには、当該接続部材１３がねじ部を備えていることも好ましい。ねじ部付きの接続部材１３によれば、当該位置において回転することにより板状部材１２とエンドプレート８との間隔を変化させることが可能となるから、セル積層時、積層厚みに固体毎のばらつきが生じた場合にもねじ部付き接続部材１３を相対的に回転させて軸方向長さを変えることによりスタック３の全体厚み（全体長さ）を微調整することができる。このため、スタック３に作用する締結力の微調整も行いやすい。以上のようなねじ部付き接続部材１３としては、荷重調整ねじ等と呼ばれるねじ（一例として、すりわり付き止めねじ等）を利用することが可能である。

続いて、本発明にかかる燃料電池スタック３の締結構造について説明する（図５、図６参照）。

本実施形態の締結構造においては、エンドプレート８の一部を、テンションプレート９に形成されている凹部１９に引っ掛かる形状の係合突起１８としている。この係合突起１８は、例えばエンドプレート８の端部のうち面内方向（エンドプレート８の面に平行な方向）に延びるように形成されている突起によって形成されている。一例として本実施形態ではエンドプレート８の一方の端部に略矩形の２個のいわゆる「ほぞ」のような係合突起１８を設け、凹部１９に嵌め込むことによって両プレート８，９を連結状態とさせる。また、一対のテンションプレート９がスタック３を挟んで対向するように配置される本実施形態の場合、係合突起１８は両方のテンションプレート９と係合するようにエンドプレート８の両端部に例えば対称形状となるように設けられている。ただし、係合突起１８の形状や個数が特にこのようなものに限定されることはなく、要は、凹部１９に係合して両プレート８，９を連結状態としうるものであれば足りる。

凹部１９は、上述した係合突起１８が係合するようにテンションプレート９に設けられているもので、例えば当該テンションプレート９の厚さ方向に設けられた孔によって構成される。一例として本実施形態では、上述した係合突起１８がそれぞれ嵌め込まれる２個の略矩形の透孔からなる凹部１９を設けている（図５参照）。図では特に示していないが、セル積層方向の両端に配置されるエンドプレート８のそれぞれと係合するべく、凹部１９は当該テンションプレート９の両端部に例えば対称形状となるように設けられている。

以上のように構成される締結構造では、エンドプレート８の一部（係合突起１８）がテンションプレート９の一部（凹部１９）に嵌め込まれるようにして直接係合することとなるから、例えばピンやボルトといった他の部材を利用しなくても両プレート８，９を連結状態とすることができる。したがって、他部材が不要である分だけ部品点数の削減を図ることが可能となる。

また、本実施形態の締結構造においては、エンドプレート８に形成された係合突起１８をテンションプレート９に形成された凹部１９に嵌め込むようにすることで両プレート８，９を連結状態とすることが可能であるから、多くのピンやボルト等を用いて寸法合わせしながら両プレート８，９を組み付けていた従来構造よりも組付け性、つまりは組付け作業の行い易さを向上させることができる。より具体的に説明すると以下のとおりである。すなわち、治具を利用してスタック３（エンドプレート８も含む）を積層方向に圧縮しておき、その状態でテンションプレート９を両エンドプレート８間に架け渡すようにして配置し、両エンドプレート８の係合突起１８がテンションプレート９の凹部１９に挿入された状態とする。その後、治具による加圧を解除すれば、エンドプレート８ごとスタック３が積層方向に僅かながらも伸張した状態となり、これによって係合突起１８がテンションプレート９の凹部１９に引っ掛かった状態となる。この場合、ピンやボルトの使用に伴う寸法合わせ等の煩雑な作業が不要であり、部品点数が少ないこともあって組付け作業が行い易い。

加えて、本実施形態の締結構造によれば以下のような利点もある。すなわち、例えばエンドプレート８に凹部（孔）を設け、テンションプレート９にはこの凹部に挿入される係合突起を設けるという構造、つまりは上述したのとは逆の構造である場合にも、他部材に頼ることなく両プレート８，９を連結状態とすることが可能である。ただし、このように逆の構造となっていると、係合突起を凹部へ係合させる際の挿入方向（嵌め込み方向）がセル積層方向と同じになっている場合があり、スタック３に対して締結力（圧縮荷重）を作用させるとその影響で凹部から係合突起が抜け出てしまう可能性がある。当然、これを防ぐべく係合突起には係合状態を維持するための爪やフックなどが設けられるのが一般的だが、それでも嵌め込まれる（差し込まれる）側の部材が積層方向に延びていて軸力によって締結力を維持するテンションプレート９である限り、締結時、積層方向への反力がそのままテンションプレート９の係合突起が外れるような力として作用する可能性がある。この点、本実施形態においては、積層方向とは垂直な方向へエンドプレート８の係合突起１８を差し込んで凹部１９と係合させる構造としており、差込方向と積層方向とが一致していないから、締結時に係合突起１８が凹部１９から抜け出てしまう可能性が低い。したがって、他部材によらずとも締結状態を維持しやすいという利点がある。

ここで、上述のごとき締結構造においては、係合突起１８に、凹部１９をなす側壁面１９ａの一部と係合する係合部１８ａが形成されていることが好ましい（図６参照）。このような係合部１８ａを介して当該係合突起１８が側壁面１９ａに係合している場合、係合突起１８が凹部１９から外れるのを抑制することが可能となるから両プレート８，９の締結状態をさらに維持しやすくなるという利点がある。

さらに、このような係合部１８ａは、側壁面１９ａとの間で回り対偶を形成する凹形状の曲面によって形成されていることが好ましい。さらには、側壁面１９ａが、係合部１８ａの形状に合うような凸形状の曲面によって形成されていることがさらに好ましい（図６参照）。このような凹形状の曲面からなる係合部１８ａは、当該曲面および係合する側壁面１９ａの形状に応じた回転運動（揺動運動）を可能とする。このような構造によれば、テンションプレート９に生じうる反りを抑制できるという利点がある。すなわち、燃料電池スタック３の締結状態下、大きな締結荷重の影響によりエンドプレート８に反り（より詳しくは、積層方向両側に膨らむような撓み）が生じることがあり、この場合、従前の構造のようにエンドプレート８とテンションプレート９とがボルト等で固定的に結合されていると、このようなエンドプレート８の反りがボルトで結合されている部分を通じて曲げ荷重として伝わりテンションプレート９にも反りを生じさせることがあった。これに対し、上述のような締結構造によれば、エンドプレート８に反りが生じたとしても両プレート８，９間に形成した回り対偶の作用によって曲げ荷重を逃がし、テンションプレート９には反りが生じないようにすることが可能となる。また、従前の構造においては、反りが生じたテンションプレート９がスタック３に接触するのを回避するべく当該テンションプレート９とスタック３との間に相当分のクリアランスを設ける必要があったのに対し、本実施形態の締結構造によればテンションプレート９に生じうる反りを抑制できるからこのようなクリアランスを省略するかまたは狭小化することが可能となる。このことは、燃料電池１の小型化という観点からも有効である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、テンションプレート９に形成される凹部１９の一例として矩形状の孔を例示したがこれは一例に過ぎず、他の形状とすることはもちろん、孔以外の構成によって凹部１９を形成することも可能である。孔以外の例としては、例えば一方の側面からチャネル状に切り欠いて形成した片持ち形状の切り欠き部（例えば、図５における二点鎖線に沿って切り欠いたような形状）を挙げることができる。あるいは、特に図示はしていないが、貫通していない孔（底付きの溝、あるいは天井付きの溝）を凹部１９として利用することも可能である。要は、上述した実施形態においてはテンションプレート９の厚さ方向に形成した貫通孔を凹部１９としたが、凹部１９の具体例がこのような孔に限られることはない。

また、本実施形態ではエンドプレート８の係合突起１８とテンションプレート９の凹部１９とを直接的に係合させることとしたが、これら係合突起１８と凹部１９との間に弾性部材２１を介在させることもできる（図７参照）。例えばコイルスプリング等からなる弾性部材２１は、燃料電池スタック３の積層方向への伸び縮みに応じて伸縮する。これによれば、例えば熱膨張により燃料電池スタック３が積層方向に伸びたとしても当該伸び分を吸収し、エンドプレート８やテンションプレート９に作用しうる負荷を緩和することが可能である。なお、このような弾性部材２１を介在させた状態で凹部１９に係合突起１８を係合させる際の組付け作業は、従前のようにピンやボルト等を用いて寸法合わせしながら行う作業より行い易いものである。

さらには、凹部１９に係合突起１８が引っ掛かった状態で当該係合突起１８が外れるのを回避するための抜け止め手段を設けることもできる。これによれば、凹部１９に引っ掛かった係合突起１８を外れ難くすることによって両プレート８，９の係合状態をさらに維持しやすくすることができる。特に図示していないが、このような抜け止め手段は、例えば係合突起１８と凹部１９とが回り対偶を形成していない場合であれば当該係合突起１８を仮止めするボルトや接着剤などで構成することができる。あるいは、係合突起１８と凹部１９とが回り対偶を形成している場合であれば、相対運動を妨げることのない構成、例えば係合突起１８の端面に後付けした凹部１９よりも幅広のプレート等によって抜け止め手段を構成することができる。

本実施形態におけるセルの構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの構造例を概略的に示す斜視図である。 燃料電池の構造例を示す斜視図である。 締結力（圧縮荷重）を作用させるための弾性モジュールが併設された燃料電池の構造例を示す図である。 燃料電池スタックの締結構造を構成する係合突起および凹部の一例を概略的に示す斜視図である。 図５のVI-VI線における断面図である。 本発明の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル（燃料電池セル）、３…スタック（燃料電池スタック）、８…エンドプレート、９…テンションプレート、１８…エンドプレートの係合突起、１９…テンションプレートの凹部、１９ａ…凹部をなす側壁面、２１…弾性部材

Claims (7)

1. 複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックの当該積層方向両端に設けられるエンドプレートと、該エンドプレート間に架け渡されて当該燃料電池スタックに積層方向の圧縮荷重が作用した状態を維持するテンションプレートと、を備えた燃料電池スタックの締結構造において、
   前記エンドプレートの一部が、前記テンションプレートに形成されている凹部に引っ掛かる形状の係合突起となっていることを特徴とする燃料電池スタックの締結構造。
2. 前記凹部は当該テンションプレートの厚さ方向に設けられた孔であり、前記係合突起は、当該エンドプレートの端部のうち面内方向に延びる部分であって前記凹部に挿入される突起であることを特徴とする燃料電池スタックの締結構造。
3. 前記係合突起に、前記テンションプレートの凹部をなす側壁面と係合する係合部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの締結構造。
4. 前記係合部が、前記凹部をなす側壁面との間で回り対偶を形成する凹形状の曲面からなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックの締結構造。
5. 前記凹部に前記係合突起が引っ掛かった状態で当該係合突起が外れるのを回避するための抜け止め手段が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタックの締結構造。
6. 前記係合突起と前記凹部との間に、当該燃料電池スタックの積層方向への伸び縮みに応じて伸縮する弾性部材が介在していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタックの締結構造。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の締結構造を備えていることを特徴とする燃料電池。

Images