JP2007294289A - スタック締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮できるようにする。首振り時の動きやすさを向上させる。
【解決手段】セル積層体３と、該セル積層体３の端部に設けられて当該セル積層体３に荷重を付与する弾性体１１と、該弾性体１１をセル積層体３とともに挟持するエンドプレート８と、該エンドプレート８と弾性体１１との間に配置されたプレッシャプレート１２と、を備え、エンドプレート８とプレッシャプレート１２が相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造において、プレッシャプレート１２には、当該プレッシャプレート１２とエンドプレート８との凹凸接触位置を、当該プレッシャプレート１２が平板状である場合よりもセル積層体３側に寄せる段部５が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、スタック締結構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池のスタック締結構造中、特に発電セル積層体に荷重を付与するための弾性モジュールの改良に関する。

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発電セル積層体（セルスタック、本明細書ではセル積層体という）には、その積層方向両端にエンドプレートが設けられ、さらに、当該エンドプレートとセル積層体との間に弾性体を有する弾性モジュール（例えばスプリングボックス）が配置されている場合がある。弾性モジュールは、セル積層体に対して適切な荷重を作用させるためのモジュール、発電時に生じうる熱膨張を吸収して荷重が適度に作用し続けるためのモジュールとして利用されている。

また、燃料電池において、荷重を作用させた状態下でセル積層体等を締結するためのスタック締結構造も利用されている。このようなスタック締結構造としては、エンドプレート（またはこれに付随する荷重調整用ねじ）とプレッシャプレートとを相対的に首振り運動可能としたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような構造の具体例としては、プレッシャプレートの表面に球面形状の凸部を形成し、エンドプレートに付随の調整用ねじの端面に形成した例えば円錐状（すり鉢状）の凹部でこの凸部を受けるといういわゆる球面軸受のようなものがある。このような凹凸接触構造によれば、熱などの影響によりセル積層体に偏りや傾き、反りが生じていずれの方向に傾動したとしても追従して締結荷重を付与し続けることが可能である。
特開２００２−１２４２９１号公報

しかしながら、上述したような凹凸接触構造は、衝撃などの外力に対する耐性が十分でない場合がある。また、首振り時の動きやすさが十分でない場合もある。

そこで、本発明は、衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮でき、しかも首振り時の動きやすさを向上させたスタック締結構造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。まず、上述したようなスタック締結構造において、セル積層体に偏りや傾き、反りが生じた場合の追従性を確保するべく、凹凸接触構造の凸部は、セル積層体の端部（最も端に位置するセル）にある首振り回転中心を曲率中心（曲率半径Ｒ）とした球面形状とされている。また、この凸部を受ける荷重調整ねじの端面には、凸部との接触領域を狭めるという観点から円錐状（すり鉢状）の凹部が形成されている場合がある（図８参照）。

ところが、このような構造の場合、曲率半径Ｒが大きいことに伴って凸部が曲率の小さい緩やかで広い球面となり、さらに、これに合わせて凹部も傾斜が緩やかな浅い円錐状となることがある。そうすると、凹凸接触構造の引っ掛かりが浅い（凸部と凹部とのいわば嵌合代が少ない）ため、外力の影響（例えば衝突時の大きな慣性質量のような、特にセル積層方向と垂直に作用する横方向の力による影響）を受けて凹凸部にてすべりが生じ、締結状態が保持できなくなるようなことが生じ得る。つまり、十分な耐衝撃性能・耐Ｇ（重力）性能を獲得することが難しかった。

この点、凹部を大きくすれば凹凸の嵌合代は増やすことは可能だが、大型化するにも限度がある。別の手段としては、両プレート（アッパプレートとロアプレート）の間隔を狭めることによって曲率半径Ｒを小さくすることが考えられるが、スプリング高さの低減には限界があるためこれも有効な手段たり得ない。すなわち、コイルスプリング等の弾性体を対向する一対のプレッシャプレート（アッパプレートとロアプレート）で挟み込むという構造の弾性モジュールの場合、要求荷重範囲（一例として、ＡｋＮ〜ＢｋＮ）を満足する範囲内でスプリング高さを低減するとすればばね定数を通常のもの（図９中の（１）の直線参照）から高くする必要がある（図９中の（２）の直線参照）。しかし、そうすると、要求荷重範囲に対応する有効ストロークがこれに伴って減少してしまう（図９参照）。積層方向に伸縮するセル積層体の変化にも十分に追従するためには当該伸縮ストローク以上のばね有効ストロークが必要であるから、スプリング高さを低減するにも自ずと限界がある。

以上のごとくいわば背反する要求が存在する中、本発明者は弾性モジュールの構造に再度着目して検討を重ねた結果、かかる課題の解決に結び付く技術を知見するに至った。本発明はかかる知見に基づくものであり、セル積層体と、該セル積層体の端部に設けられて当該セル積層体に荷重を付与する弾性体と、該弾性体を前記セル積層体とともに挟持するエンドプレートと、該エンドプレートと前記弾性体との間に配置されたプレッシャプレートと、を備え、前記エンドプレートと前記プレッシャプレートが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造であって、前記プレッシャプレートには、当該プレッシャプレートと前記エンドプレートとの凹凸接触位置を、当該プレッシャプレートが平板状である場合よりも前記セル積層体側に寄せる段部が形成されていることを特徴とするものである。

この締結構造においては、プレッシャプレートの形状を特有のものとすることにより、上述した背反する要求のいずれをも満たすことが可能になる。すなわち、プレッシャプレートに段部が形成されているために、凹凸接触位置（プレッシャプレートとエンドプレートとが首振り可能な状態で接触している位置）がその段差の分だけセル積層体側に寄ることとなっている。そうすると、セル積層体の端部にある首振り回転中心から凹凸接触構造における凸部の表面までの距離、すなわち上述した曲率半径Ｒもその段差の分だけ小さくなる。曲率半径Ｒが小さくなれば、曲率が大きくなることによって当該凸部はより小さく尖った形状となる。また、これに合わせて凹部を傾斜が急な深い形状とすることができる。こうした場合には、凸部のより多くの部分が凹部（軸受）に入り込んだ状態となる、換言すればいわゆるジャーナルと呼ばれる部分が増えた構造となり、引っ掛かり（係合部分）が増える結果、外力が作用した場合にも外れることが少なくなり、締結状態を保持できるようになる。

しかも、このようなスタック締結構造によれば、上述した段部以外の部分におけるプレート間隔は何ら変更する必要がない。このため、当該部分に配置される弾性体（例えばコイルスプリング）のスプリング高さは原則として不変である。したがって、弾性モジュールにおける要求荷重範囲の中でばね有効ストロークを確保することができる。

さらには、本発明にかかるスタック締結構造によれば凹凸接触構造における動きが向上するという利点も得られる。すなわち、上述したように凸部をより小さく尖った形状とし、凹部を傾斜が急な深い形状とした場合、凸部および凹部の間の接触領域（例えば周状に線接触している部分）が小さくなり、その分だけ接触抵抗が減ることになる。したがって、セル積層体に偏りや傾き、反りが生じて傾動した場合におけるプレッシャプレート等の追従性が向上するという利点もある。

上述のようなスタック締結構造においては、前記凹凸接触位置が、前記プレッシャプレートと前記弾性体との接触点の少なくとも一部よりも前記セル積層体寄りにあることが好ましい。凹凸接触位置がこのようにセル積層体寄りにあればその分だけ凸部の曲率半径Ｒを小さくして凹凸接触構造における引っ掛かり（係合部分）を増やすことができる。

さらに、前記セル積層体に荷重を付与する弾性体は、前記段部と前記セル積層体との間にも設けられていることが好ましい。このように段部とセル積層体との間にも弾性体を設けることにより、当該部分において荷重が抜けるのを回避し、より均一的に荷重を作用させうる状態とすることができる。また、荷重をプレッシャプレートとセル積層体との間における荷重を適度に分散させることになるから、当該プレッシャプレート自体が反る方向に作用する力を低減させることにもなる。

また、前記段部が略円筒形の底付き溝によって形成されていることも好ましい。当該段部を矩形等ではなく円形の孔を有する形状とした場合、角がなくなるために応力が集中するのを回避でき、剛性を向上させることが可能となる。

さらに、前記凹凸接触位置は前記段部の略中央にあることが好ましい。

また、前記段部の折り曲げ部は面取りされていることが好ましい。

本発明によれば、衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮でき、しかも首振り時の動きやすさ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７に本発明にかかる燃料電池のスタック締結構造の実施形態を示す。本発明にかかるスタック締結構造は、複数のセル２が積層されてなるセル積層体３に対し弾性モジュール４により積層方向への圧縮荷重を付与した状態で締結するというものであり、上述のセル積層体３と、該セル積層体３の端部に設けられて当該セル積層体３に荷重を付与する弾性体１１と、該弾性体１１をセル積層体３とともに挟持するエンドプレート８と、該エンドプレート８と弾性体１１との間に配置されたプレッシャプレート１２と、を備えている。また、エンドプレート８とプレッシャプレート１２が相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触している。さらに本実施形態の場合、プレッシャプレート１２には、当該プレッシャプレート１２とエンドプレート８との凹凸接触位置（プレッシャプレート１２とエンドプレート８とが首振り可能な状態で接触している位置）を、当該プレッシャプレート１２が平板状である場合よりもセル積層体側３に寄せる段部５が形成されている（図４等参照）。

以下においては、まず、燃料電池１を構成するセル２およびセル積層体３の概略構成、ならびに弾性モジュール４の概略構成について説明し、その後、上述したスタック締結構造の形態について詳細に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セル積層体３を構成する。このように形成されたセル積層体３は、その両端を例えばエンドプレート８で挟まれ、さらにこれら対向するエンドプレート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る（図２、図３参照）。なお、対向するように配置される一対のエンドプレートのうち、弾性体１１等の反対側に位置するものについては符号８’で示している（図２、図３参照）。

このようなセル２が積層されたセル積層体３によって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として用いることができる。また、場合によっては定置の燃料電池１として用いることも可能である。

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と、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）とで構成されている（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の外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、ＭＥＡ３０と各セパレータ２０ａ，２０ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている。

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（アノードおよびカソード）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。これらのうち、電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも僅かに大きくなるように形成されている。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）。なお、隣接するセル２，２のセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。

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）。

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、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、発電領域（ＭＥＡ３０や各電極３２ａ，３２ｂが設けられていて発電が行われる領域）で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。

また、セル積層体３には、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われるようになっている。

弾性モジュール４は、弾性力によってセル積層体３に圧縮力を作用させるためのモジュールとして形成されているものであり、セル積層体３が熱膨張もしくは熱収縮し、あるいは両者を繰り返しているような場合にも変化を吸収しつつ荷重を作用させ続けるようにした部材である。例えば本実施形態の弾性モジュール４は、互いに並列に配置される複数の弾性体１１と、該複数の弾性体１１を発電セル（以下、単にセルともいう）２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート１２とを備えている。なお、以下の説明においては、便宜上、一対のプレッシャプレート１２のうちセル積層体３寄りのものをロアプレート、もう一方のものをアッパプレートと表現する場合がある。また、ロアプレートは符号１２’で示すこととする（図２等参照）。

弾性体１１はプレッシャプレート１２（アッパプレート１２およびロアプレート１２’）によって挟持され、その状態で弾性力を発揮してセル積層体３に圧縮力を作用させるよう設けられている部材であり、例えば本実施形態の場合には複数の弾性体１１がセル２の積層方向と交差（直交）する方向に並べられている。さらに本実施形態におけるこれら弾性体１１は、伸縮する際の中心軸をセル積層方向に一致させた状態で互いに並列となるように配置されている（図３参照）。また、これら弾性体１１は、プレッシャプレート１２を介して均一でムラの少ない荷重を付与するという観点、できるだけ多くの弾性体１１を配置することによって更に均一な荷重を付与できるようにするという観点からは等間隔で密な配列となっていることが好ましい。このような弾性体１１の具体例は特に限定されるものではないが、本実施形態においては扱い易さやコスト等の面で優れるコイルスプリングをこの弾性体１１として用いることとし、これら複数のコイルスプリングを一対のプレッシャプレート１２で挟み込んだ形態としている（図３参照）。

プレッシャプレート１２は、上述した複数の弾性体１１を挟持する部材であり、セル２の積層方向に対向するように一対（アッパプレート１２およびロアプレート１２’）が設けられてそれらの間に弾性体１１が配置されている（図３参照）。

続いて、本実施形態にかかる燃料電池１のスタック締結構造の形態について詳細に説明する（図４等参照）。

本実施形態においては、上述したエンドプレート８とアッパプレート（プレッシャプレート）１２とが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触させるようにしている。また、アッパプレート１２には、当該アッパプレート１２とエンドプレート８との凹凸接触位置を、当該アッパプレート１２が平板状である場合よりもセル積層体３側に寄せる段部５が形成されている（図４参照）。

ここで、エンドプレート８とアッパプレート１２とを凹凸接触させるための構造（本明細書ではこれを便宜的に凹凸接触構造と呼んでいる）は、例えば本実施形態においては以下のようになっている。すなわち、アッパプレート１２に球面状の凸部６を設けるとともに、エンドプレート８には凹部７を設け、凸部６の少なくとも一部を凹部７に入り込ませた状態としていわゆる球面軸受のような機構としている。このような凹凸接触構造によれば、エンドプレート８とアッパプレート１２との間においていずれの方向にも相対的な首振り運動をすることが可能である。したがって、多数（例えば２００〜４００程度）のセル２を積層して例えば台形に近似した状態になるなど偏りが生じて歪んだとしても、アッパプレート１２が首振り運動をし、偏りに応じた分だけ適宜角度を変えて追従することが可能である。

凹部７は、凸部６との間で凹凸接触し、相対首振り運動が可能な凹凸接触構造を構成するものであれば具体的な形状が特に限定されることはなく、例えば球面状の凸部６に合わせて半球状に凹んだ形状としてもよい。また、凹凸接触時の接触領域を限定するという観点からすれば、本実施形態のように円錐状に凹んだ形状の凹部７としてもよい（図４等参照）。こうした場合、凸部６と凹部７とが周状に線接触することとなるから接触抵抗が低減しうる。

また、本実施形態では、エンドプレート８の一部をセル積層方向に移動可能な構成とし、当該部分の先端に上述した凹部７を設けることとしている。複数のセル２からなるというセル積層体３の構成上、燃料電池１の個体ごとに積層厚みのばらつきが生じうるが、このような構成によれば凹凸接触位置を積層方向に微調整して個体ごとのばらつきを吸収できるという点で好ましい。例えば本実施形態においては、エンドプレート８の中央部にめねじ８ｃを設け、ねじ部付き接続部材８ａの当該ねじ部８ｂをこのめねじ８ｃにねじ込んだ構成とし、このねじ部付き接続部材８ａを適宜回転することによって凹凸接触位置をセル積層方向に移動させうるようにしている（図４参照）。ねじ部付き接続部材８ａのセル積層体３側の端部には凹部７が設けられている。

また、上述したようにアッパプレート１２には段部５が形成されており、この段部５が、当該アッパプレート１２とエンドプレート８との凹凸接触位置をセル積層体３側に寄せている。この場合、凹凸接触位置をどの程度セル積層体３側に寄せるかは適宜設定・変更することができるが、凸部６の曲率半径Ｒを小さくする観点からすれば段部５の段差（深さ）を大きくしてセル積層体３側に大きく寄せることが好ましい。例えば本実施形態では、凹凸接触位置が、アッパプレート１２と弾性体１１の接触点より少なくともセル積層体３寄りに位置するように段部５を形成している（図４参照）。

このような段部５の具体的形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態ではアッパプレート１２のほぼ中央となる位置に略円筒形の底付き溝を設け、アッパプレート１２全体をハットのような構造とし、これによって当該アッパプレート１２の中央部に段部５を形成している（図４、図５参照）。積層方向からみた場合の段部５の形状は例えば矩形等とすることもできるが、本実施形態のように円形の孔を有する形状とした場合、角がなくなるために当該段部５の一部に応力が集中するのを回避でき、剛性を向上させることが可能だという点で好適である。また、凸部６はこのような底付き溝の中央位置に設けることとし、荷重が均等に作用するようにしている（図５参照）。このような段差５は、例えば、コップ状または底のある容器を押し出すように行う絞り加工によって形成することができる。

さらに、段部５の折り曲げ部は必要に応じて面取りされていうことが好ましい。折り曲げ部の外側においては隅肉を削ぎ、内側においては隅肉を付けることによって丸みをもった形状とすることが好適である（図４参照）。

以上のようなスタック締結構造によれば、凹凸接触位置（アッパプレート１２とエンドプレート８とが首振り可能な状態で接触している位置）が、段部５における段差分だけセル積層体３側に寄ることになるから、セル積層体３の端部にある首振り回転中心Ｃから凸部６の表面までの距離（すなわち曲率半径Ｒ）もその段差分だけ小さくなる。これによって曲率が大きくなった当該凸部６は従前よりも小さく尖った形状となるから、より多くの部分が凹部（軸受）７に入り込みうる形状となる（比較例として示す図８も参照）。さらに、本実施形態では、これに合わせて凹部７を従前よりも傾斜が急な深い形状としている（図４参照）。つまりは上述したようにいわゆるジャーナルと呼ばれる部分が増えた構造となり、引っ掛かり（係合部分）が増える結果、外力が作用した場合にも外れるおそれが少ない凹凸接触構造となる（図４参照）。

しかも、このようなスタック締結構造によれば、エンドプレート８とアッパプレート１２とに挟まれた空間のうち、上述した段部５以外の部分におけるプレート間隔は何ら変更する必要がない。このため、当該部分に配置される弾性体（例えばコイルスプリング）１１の長さ（高さ）は原則として不変である。したがって、弾性モジュール４における要求荷重範囲の中でばね有効ストロークを確保することができる。

さらに、本実施形態のスタック締結構造によれば凹凸接触構造における動きが向上しうる。すなわち、上述したように凸部６をより小さく尖った球面形状とし、凹部７を傾斜が急な深い形状としているから、凸部６および凹部７の間の周状かつ線状の接触領域が小さくなりその分だけ接触抵抗が減る。したがってアッパプレート１２等の動きが向上し、セル積層体３に偏りや傾き、反りが生じて傾動した場合における追従性が向上することになる。

また、従前のスタック締結構造の場合、首振りの可動範囲が十分といえるほどには大きくないため荷重の変動を十分に吸収することが難しいことがあったが、上述したような本実施形態のスタック締結構造によれば、首振り半径（曲率半径Ｒ）を従前よりも小さくすることによって可動範囲を大きくし、荷重の変動を十分に吸収することが可能となる。

なお、ここまで説明した実施形態においては段部５の周囲にのみ弾性体１１を配置したスタック締結構造を示したが（図４参照）、段部５が形成されている部分にも弾性体１１を配置すればなお好適である。すなわち、段部５の周囲にのみ弾性体１１を配置した場合には当該段部５の部分においていわば荷重が抜けたような分布（図６および図７においてはロアプレート１２’に加わる荷重分布を示している）となることがあるが、当該段部５が形成されている部分にも弾性体１１を配置すれば荷重を分散して分布を均一化することが可能となる（図７参照）。また、荷重分布に偏りがあるとその分だけアッパプレート１２を反らすような力も作用しうるが、このように荷重を分散して均一化することにより反りを抑制することができる。アッパプレート１２に反りが生じると弾性モジュール４による荷重の精度が低下しかねないが、荷重を分散して均一化したスタック締結構造によればこのような事態を抑制することができる。また、アッパプレート１２において一定の反り量が許容されている場合には、このように荷重を分散・均一化することによって反りを抑制できるから、その分だけ当該アッパプレート１２の板厚を薄くし、これによって燃料電池１の軽量化およびコスト低減を図ることもできる。

このようなスタック締結構造とする場合、弾性体としては、段部５およびロアプレート１２’の間隔や荷重の大きさ等を考慮した小型のものを採用することが望ましい。図７においては、段部５およびロアプレート１２’の間に配置される弾性体を符号１１’で示している。

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、上述した実施形態では凹凸接触構造の一例としてアッパプレート（プレッシャプレート）１２に凸部６、エンドプレート８（のねじ部付き接続部材８ａ）に凹部７を設けた場合について説明したが、これは、凹凸関係がこれと逆の場合を排除するものではない。要は、一方側の凸部と他方側の凹部とで首振り可能な凹凸接触構造が形成されているスタック締結構造に対して本発明を適用することが可能である。

また、本実施形態では、エンドプレート８の一部をセル積層方向に移動可能なねじ部付き接続部材８ａとし、このねじ部付き接続部材８ａの先端部分に凹凸接触構造を構成したが、このようなねじ部付き接続部材８ａはセル積層体３の積層厚みのばらつきを吸収しうる点で好ましいものであり、当該ねじ部付き接続部材８ａの有無にかかわらず本発明を適用することが可能である。

本実施形態における燃料電池のセル積層体を構成するセルを分解して示す分解斜視図である。 燃料電池の構成例を示す斜視図である。 燃料電池の構成例を示す側面図である。 本発明にかかるスタック締結構造の一実施形態を示す拡大図である。 本実施形態におけるプレッシャプレート（アッパプレート）の形状を示す平面図である。 （Ａ）は段部の周囲部分にのみ弾性体を配置したスタック締結構造の概略図、（Ｂ）は当該構造の場合にロアプレートに加わる荷重分布図である。 （Ａ）は段部が形成されている部分にも弾性体を配置したスタック締結構造の概略図、（Ｂ）は当該構造の場合にロアプレートに加わる荷重分布図である。 従来構造のスタック締結構造の一例を比較例として示す概略図である。 弾性体のばね特性を概略的に示すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、４…弾性モジュール、５…段部、８…エンドプレート、１１…弾性体、１２…アッパプレート（プレッシャプレート）

Claims (6)

1. セル積層体と、該セル積層体の端部に設けられて当該セル積層体に荷重を付与する弾性体と、該弾性体を前記セル積層体とともに挟持するエンドプレートと、該エンドプレートと前記弾性体との間に配置されたプレッシャプレートと、を備え、前記エンドプレートと前記プレッシャプレートが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造であって、
   前記プレッシャプレートには、当該プレッシャプレートと前記エンドプレートとの凹凸接触位置を、当該プレッシャプレートが平板状である場合よりも前記セル積層体側に寄せる段部が形成されている
   ことを特徴とするスタック締結構造。
2. 前記凹凸接触位置が、前記プレッシャプレートと前記弾性体との接触点の少なくとも一部よりも前記セル積層体寄りにあることを特徴とする請求項１に記載のスタック締結構造。
3. 前記セル積層体に荷重を付与する弾性体が、前記段部と前記セル積層体との間にも設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のスタック締結構造。
4. 前記段部が略円筒形の底付き溝によって形成され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スタック締結構造。
5. 前記凹凸接触位置が、前記段部の略中央にあ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スタック締結構造。
6. 前記段部の折り曲げ部が面取りされていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスタック締結構造。

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