JP2008159396A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】連結ピン挿入用の複数の筒状挿入部を良好且つ経済的に設けることができ、しかも種々の接合方式を容易に採用することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４により一体的に保持される。ケーシング２４は、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄを備え、エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとは、連結ピン６４ａ、６４ｂを介して連結される。側板６０ｂには、連結ピン６４ｂを挿入するために、別体構造の複数の第２連結部７２ａが個別に固着される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、燃料ガスが供給されるアノード側電極、酸化剤ガスが供給されるカソード側電極、及び前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に介装された電解質を有する接合体と、前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路又は前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路が設けられて前記接合体を挟持する１対のセパレータとを備える単セルが所定数で互いに電気的に直列接続された積層体を具備している。そして、積層体の外側には、集電用電極を介してエンドプレートがそれぞれ配設されており、前記積層体及び前記集電用電極は、少なくとも一側面が着脱可能なケースに収容されており、且つ前記ケースの開口端部には、前記エンドプレートがヒンジ機構によって該ケースに連結されていることを特徴としている。

特開２００２−２９８９０１号公報（図１）

ところで、上記のヒンジ機構では、エンドプレート及びケース等の板状取り付け部に、複数の筒状挿入部が設けられるとともに、前記筒状挿入部に連結ピンが一体に挿入されている。このため、板状取り付け部には、複数の筒状挿入部を一体に設ける作業が行われており、加工作業が煩雑化するおそれがある。しかも、所望の加工精度を確保する必要があり、製造コスト全体が相当に高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、連結ピン挿入用の複数の筒状挿入部を良好且つ経済的に設けることができ、しかも種々の接合方式を容易に採用することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。

ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板と前記側板とを連結する連結ピンとを備え、少なくとも前記側板又は前記端板には、前記連結ピンを挿入するために、別体構造の複数の筒状挿入部が個別に固着されている。

また、燃料電池スタックは、複数の筒状挿入部が個別に固着される取り付け板部材を備え、前記取り付け板部材は、少なくとも側板又は端板に固着されることが好ましい。

本発明では、連結ピンを挿入するための複数の筒状挿入部が、別体に構成されており、各筒状挿入部が少なくとも側板又は端板に対し個別に固着されている。従って、複数の筒状挿入部を一体に製造する場合に比べ、製造コストが大幅に削減される。しかも、有効なコストダウンを図りながら、筒状挿入部の接合方式が種々変更可能になる。これにより、材質、精度及び要求強度等に対して最適な接合状態を有するヒンジ構造（連結ピンによる連結構造）を得ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２（絶縁プレート１８を用いてもよい）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング２４は、図１に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１連結部（筒状挿入部）６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つの第１連結部（筒状挿入部）６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１連結部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６８ａ、６８ｂが形成される。このボス部６８ａ、６８ｂが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部（筒状挿入部）７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部（筒状挿入部）７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２連結部７０ａ、７０ｂには、孔７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２連結部７２ａ、７２ｂには、孔７３ａ、７３ｂが形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて第１ヒンジ構造７５ａが構成される。この第１ヒンジ構造７５ａにより、側板６０ａ、６０ｃがエンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて第２ヒンジ構造７５ｂが構成される。この第２ヒンジ構造７５ｂにより、側板６０ｂ、６０ｄがエンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７７がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔を形成する一方、側板６０ａ〜６０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６０ａ〜６０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

図５及び図６に示すように、側板６０ｂには、この側板６０ｂよりも肉厚な取り付け板部材８０が固着されるとともに、前記取り付け板部材８０には、連結ピン６４ｂを挿入するために、別体構造の３つの第２連結部７２ａが個別に接合される。なお、接合強度や形状等を維持可能であれば、第２連結部７２ａを側板６０ｂに直接接合してもよい。また、以下に説明する第２〜第３２の実施形態においても同様である。

第２連結部７２ａは、種々の材質を用いて種々の製法で構成される。例えば、第２連結部７２ａの材質が、ＳＵＳ材等の鉄鋼材である際には、粉末冶金、ＭＩＭ成形（金属射出成形）、焼結、鍛造、引き抜き等によって製造される。第２連結部７２ａの材質が、アルミニウム等の非金属材である際には、ダイキャスト、鋳造又は押し出し成形等によって製造される。第２連結部７２ａの材質が、樹脂等である際には、射出成形、押し出し成形又は注型成形等によって製造される。

各第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して種々の接合方式によって接合される。例えば、ガス溶接、抵抗溶接又は摩擦溶接等の溶接接合や、銅、銀又はステンレス等によるロウ付け溶接や、エポキシ樹脂等の接着剤による接合等が挙げられる。

第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０の端部に当接して前記第２連結部７２ａと前記取り付け板部材８０とを相対的に位置決めするための段差部位８２を設ける。図６に示すように、側板６０ｂの中立面ＮＳ上に第２連結部７２ａの孔７３ａの中心Ｏが配置される。一対の連結ピン６４ｂには、矢印Ａ方向の荷重が付与されており、側板６０ｄに曲げ方向の力が作用することを阻止するためである。

側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄは、図１に示すように、上記の側板６０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、必要に応じて上記の側板６０ｂと同様に構成される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図５及び図６に示すように、側板６０ｂの長手方向両端部に取り付け板部材８０が固着されるとともに、前記取り付け板部材８０には、それぞれ別体構造の３つの第２連結部７２ａが溶接、ロウ付け又は接着剤等を介して個別に接合されている。従って、複数の第２連結部７２ａを一体に製造する場合に比べ、製造コストが大幅に削減されるという効果が得られる。

しかも、第２連結部７２ａの材質を金属、非金属又は樹脂等の種々の材質を用いることができ、前記第２連結部７２ａの製法等の選択性（自由度）が有効に向上するとともに、有効なコストダウンを図ることが可能になる。これにより、材質、精度及び要求強度等に対して最適な接合状態を有する第２ヒンジ構造７５ｂを得ることができるという利点がある。なお、第１ヒンジ構造７５ａにおいても、同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造９０の概略分解斜視説明図であり、図８は、前記ヒンジ構造９０の概略側面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第２ヒンジ構造７５ｂと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第２の実施形態では、第１ヒンジ構造７５ａに対応する構造は図示していないが、ヒンジ構造９０が採用されることは勿論である。さらにまた、以下に説明する第３〜第３２の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

ヒンジ構造９０は、リベット９２を備え、側板６０ｂ、取り付け板部材８０及び各第２連結部７２ａには、前記リベット９２が挿入される孔部９４ａ、９４ｂ及び９４ｃが形成される。そこで、図８に示すように、孔部９４ａ〜９４ｃにリベット９２が一体に挿入された後、このリベット９２の端部が潰される。これにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０を介して側板６０ｂに接合される。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１００の概略側面説明図である。

ヒンジ構造１００は、中空又は中実のピン１０２を備え、このピン１０２が、孔部９４ａ、９４ｂ及び９４ｃに圧入される。このため、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して接合される。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１１０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造１１０は、ボルト１１２及びナット１１４を備える。ボルト１１２は、孔部９４ａ、９４ｂ及び９４ｃに一体に挿入され、その先端部にナット１１４が螺合することにより、第２連結部７２ａが側板６０ａに固定される。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１２０の概略斜視説明図である。

ヒンジ構造１２０は、取り付け板部材８０に固着される支柱１２２を備え、この支柱１２２の先端部には径方向に貫通して孔部１２４が形成される。支柱１２２は、第２連結部７２ａの孔部９４ｃに挿入されると、その先端部に設けられている孔部１２４が外部に露呈する。そして、孔部１２４に割ピン１２６が装着されることにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０を介して側板６０ｂに接合される。

図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１３０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造１３０では、取り付け板部材８０にバーリング加工を施すことにより、バーリング１３２が形成される。このバーリング１３２が第２連結部７２ａの孔部９４ｃに挿入された後、かしめ処理が施されてかしめ部１３４が設けられる。

図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１４０の概略斜視説明図である。

ヒンジ構造１４０は、取り付け板部材８０に形成される溝部１４２とこの溝部１４２の内方で且つ幅広な円柱状溝部１４４とを備える。第２連結部７２ａは、軸方向に延在する薄板部１４６と円柱部１４８とを一体に設ける。そこで、第２連結部７２ａを取り付け板部材８０に沿ってスライドさせることにより、薄板部１４６及び円柱部１４８は、溝部１４２及び円柱状溝部１４４内に差し込まれるとともに、前記円柱部１４８が抜け止め機能を有する。

図１４は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１５０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造１５０では、取り付け板部材８０に第１歯部１５２が設けられる一方、第２連結部７２ａには、前記第１歯部１５２に噛合する第２歯部１５４が設けられる。従って、第１歯部１５２と第２歯部１５４との噛合作用下に、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に接合される。

図１５は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１６０の概略斜視説明図であり、図１６は、前記ヒンジ構造１６０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造１６０を構成する第２連結部７２ａは、比較的薄肉状の板状部１６２を有し、前記板状部１６２の端部には、略９０°屈曲して爪部１６４が設けられる。側板６０ｂ及び取り付け板部材８０には、爪部１６４を挿入するための開口部１６６ａ及び１６６ｂが形成される。第２連結部７２ａは、爪部１６４が開口部１６６ａ、１６６ｂに挿入されることにより、側板６０ｂに対し支持される。

図１７は、本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１７０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造１７０は、上記のヒンジ構造１６０と略同様に構成されており、第２連結部７２ａの爪部１６４が開口部１６６ａ及び１６６ｂに挿入された後、かしめ処理によってかしめ部１７２が設けられる。従って、第２連結部７２ａは、側板６０ｂに対して一層強固に取り付けられる。

図１８は、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１８０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造１８０では、第２連結部７２ａの端部に断面略コ字状に屈曲する折り曲げ部１８２が形成されるとともに、取り付け板部材８０の端部には、前記折り曲げ部１８２とは反対方向に断面略コ字状に屈曲する折り曲げ部１８４が形成される。そして、折り曲げ部１８２、１８４同士が、互いに重ね合わされた状態で、すなわち、各折り曲げ部１８２、１８４が互いに離間する方向に突出した状態で、止め部材１８６が装着される。この止め部材１８６は、折り曲げ部１８２、１８４同士を確実に保持することができ、これにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して固定される。

図１９は、本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造１９０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造１９０では、第２連結部７２ａに折り曲げ部１８２が形成される一方、取り付け板部材８０の端部には、前記折り曲げ部１８２を囲繞するかしめ部１９２が設けられる。

図２０は、本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２００の概略側面説明図である。

このヒンジ構造２００は、上記のヒンジ構造１７０と同様に構成されるとともに、第２連結部７２ａ、取り付け板部材８０及び側板６０ｂにわたってピン２０２が一体に圧入される。

図２１は、本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２１０の概略分解斜視説明図であり、図２２は、前記ヒンジ構造２１０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造２１０を構成する第２連結部７２ａは、互いに平行な板状部２１２ａ、２１２ｂを有するとともに、前記板状部２１２ａ、２１２ｂの先端部にかしめ部２１４ａ、２１４ｂが設けられる。側板６０ｂ及び取り付け板部材８０は、かしめ部２１４ａ、２１４ｂが圧入される開口部２１６ａ、２１６ｂを設ける。

図２２に示すように、第２連結部７２ａの板状部２１２ａ、２１２ｂ間に、側板６０ｂ及び取り付け板部材８０が挿入された状態で、前記板状部２１２ａ、２１２ｂの端部にかしめ処理が施される。これにより、かしめ部２１４ａ、２１４ｂが開口部２１６ａ、２１６ｂに押し込まれ、第２連結部７２ａは、側板６０ｂ及び取り付け板部材８０に接合される。

図２３は、本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２２０の概略分解斜視説明図であり、図２４は、前記ヒンジ構造２２０の概略平面説明図である。

このヒンジ構造２２０では、第２連結部７２ａの軸方向両端に板状部２１２ａ、２１２ｂが互いに平行に設けられるとともに、前記板状部２１２ａ、２１２ｂの端部に、かしめ部２２４ａ、２２４ｂが設けられる。取り付け板部材８０の端部には、外方に突出して膨出部２２６が設けられるとともに、前記膨出部２２６には、溝部２２８ａ、２２８ｂが形成される。

膨出部２２６は、第２連結部７２ａを構成する板状部２２２ａ、２２２ｂ間に挿入される。この状態で、板状部２２２ａ、２２２ｂの端部にかしめ処理が施されることにより、かしめ部２２４ａ、２２４ｂが溝部２２８ａ、２２８ｂに圧入される。このため、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して強固に接合される。

図２５は、本発明の第１６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２３０の概略斜視説明図であり、図２６は、前記ヒンジ構造２３０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造２３０では、第２連結部７２ａに矩形状の開口部２３２が形成される。取り付け板部材８０は、開口部２３２に挿入される屈曲部２３４を有する。取り付け板部材８０の屈曲部２３４が、第２連結部７２ａの開口部２３２に挿入されるとともに、前記開口部２３２から外部に突出する壁部２３６と第２連結部７２ａとの間に矩形状の係止板２３８が圧入される。これにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０を介して側板６０ｂに接合される。

図２７は、本発明の第１７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２４０の概略斜視説明図である。

このヒンジ構造２４０では、第２連結部７２ａに開口部２４２が形成される一方、取り付け板部材８０には、同様に開口部２４４が形成される。開口部２４２、２４４には、リング状のベルト部材２４６が配置される。従って、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して傾動可能に支持される。なお、ベルト部材２４６は、例えば、樹脂、布又はゴム等によって形成される。

図２８は、本発明の第１８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２５０の概略斜視説明図である。

このヒンジ構造２５０では、第２連結部７２ａに複数の孔部２５２が形成されるとともに、取り付け板部材８０には、同様に複数の孔部２５４が形成される。各孔部２５２、２５４には、リング状にワイヤ部材２５６が挿入されるため、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に対して傾動可能に取り付けられる。

図２９は、本発明の第１９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２６０の概略斜視説明図である。

このヒンジ構造２６０では、第２連結部７２ａに孔７３ａと平行してボルト挿通用孔部２６２が形成される。取り付け板部材８０には、第２連結部７２ａの幅寸法（軸方向の寸法）に対応して、一対のリブ部２６４ａ、２６４ｂが膨出形成され、前記リブ部２６４ａ、２６４ｂ間に前記第２連結部７２ａが配置される。そして、ボルト２６６が、リブ部２６４ａ、２６４ｂ及び孔部２６２に挿入され、このボルト２６６の先端にナット２６８が螺合することにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に傾動自在に支持される。

図３０は、本発明の第２０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２７０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造２７０を構成する第２連結部７２ａは、ヒンジ構造１４０と同様に、薄板部１４６及び円柱部１４８を設ける。一対の取り付け板部材８０ａ、８０ｂは、リベット（又は圧入ピン等）２７２を介して一体に連結されるとともに、前記取り付け板部材８０ａ、８０ｂの外方側先端には、かしめ処理によりかしめ部２７４ａ、２７４ｂが設けられる。

図３１は、本発明の第２１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２８０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造２８０を構成する第２連結部７２ａには、薄板部１４６の端部に幅広部２８２が設けられる。一対の取り付け板部材８０ａ、８０ｂの先端にかしめ処理が施されることにより、それぞれ内方に屈曲してかしめ部２８４ａ、２８４ｂが設けられる。このため、かしめ部２８４ａ、２８４ｂは、第２連結部７２ａの薄板部１４６側に進入し、幅広部２８２が抜け止め係止される。

図３２は、本発明の第２２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造２９０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造２９０では、第２連結部７２ａの薄板部１４６には、切り欠き（図示せず）を介して切片部２９２ａ、２９２ｂが設けられる。一対の取り付け板部材８０ａ、８０ｂは、予め先端が屈曲成形されており、この狭小な先端間に薄板部１４６が挿入された後、切片部２９２ａ、２９２ｂにそれぞれ反対方向にかしめ処理が施される。これにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０ａ、８０ｂにかしめ接合される。

図３３は、本発明の第２３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３００の概略側面説明図である。

このヒンジ構造３００では、第２連結部７２ａの薄板部１４６の先端側に、孔７３ａ側に向かって互いに異なる方向に湾曲する切片部３０２ａ、３０２ｂが交互に設けられる。第２連結部７２ａは、一対の取り付け板部材８０ａ、８０ｂ間の狭小部分に押し込まれることにより、切片部３０２ａ、３０２ｂが薄板部１４６側に一旦は変形した後、互いに異なる方向に弾性変形する。従って、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０ａ、８０ｂに抜け止め係止される。

図３４は、本発明の第２４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３１０の概略斜視説明図である。

このヒンジ構造３１０では、第２連結部７２ａに複数の突起部３１２が膨出形成される一方、取り付け板部材８０には、前記突起部３１２に対応して複数の孔部３１４が形成される。取り付け板部材８０の各孔部３１４に、第２連結部７２ａの突起部３１２が挿入された後、前記突起部３１２にかしめ処理が施されることにより、前記第２連結部７２ａは、前記取り付け板部材８０に接合される。

図３５は、本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３２０の概略分解斜視説明図である。

このヒンジ構造３２０では、第２連結部７２ａの軸方向略中央部から棒状部３２２が膨出形成されるとともに、取り付け板部材８０には、前記棒状部３２２に対応する孔部３２４が形成される。棒状部３２２が孔部３２４に圧入、かしめ、接着、溶接又はピン結合等によって固着されることにより、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に接合される。

図３６は、本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３３０の概略分解斜視説明図である。

このヒンジ構造３３０を構成する第２連結部７２ａは、全体としてピン型形状を有し、孔７３ａとは反対方向に円柱部３３２を設ける。取り付け板部材８０には、円柱部３３２に対応して孔部３３４が形成され、前記円柱部３３２は、前記孔部３３４に圧入やかしめ等によって接合される。

図３７は、本発明の第２７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３４０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造３４０では、第２連結部７２ａに凹部３４２が形成される。この凹部３４２には、取り付け板部材８０が挿入され、溶接や接着等によって第２連結部７２ａと前記取り付け板部材８０とが接合される。

図３８は、本発明の第２８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３５０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造３５０では、第２連結部７２ａの薄板部１４６が、取り付け板部材８０に設けられる凹部３５２に挿入され、溶接や接着等によって前記第２連結部７２ａが前記取り付け板部材８０に接合される。

図３９は、本発明の第２９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３６０の概略側面説明図であり、図４０は、本発明の第３０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３７０の概略側面説明図である。

ヒンジ構造３６０では、第２連結部７２ａの一方の面３６２に取り付け板部材８０が接着や溶接等によって接合されるとともに、ヒンジ構造３７０では、第２連結部７２ａの他方の面３７２に取り付け板部材８０が接着や溶接等によって接合される。

図４１は、本発明の第３１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３８０の概略側面説明図である。

このヒンジ構造３８０では、取り付け板部材８０が湾曲形成されて第２連結部７２ａを周回するとともに、前記取り付け板部材８０の内面側には、前記第２連結部７２ａを支持するための突起部３８２ａ、３８２ｂが形成される。

図４２は、本発明の第３２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造３９０の概略分解斜視説明図である。

このヒンジ構造３９０では、第２連結部７２ａに切り欠き部３９２が設けられるとともに、軸方向両端から孔７３ａに平行に孔部３９４ａ、３９４ｂが形成される。取り付け板部材８０には、切り欠き部３９２に配置される膨出部３９６が形成されるとともに、この膨出部３９６には、孔部３９４ａ、３９４ｂと同軸上に孔部３９８が形成される。

そこで、膨出部３９６が切り欠き部３９２に配置された状態で、孔部３９４ａ、３９８及び３９４ｂに連結ピン４００が一体に圧入される。このため、第２連結部７２ａは、取り付け板部材８０に接合される。

なお、第２〜第３２の実施形態では、図示しないが、側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄにも、別体の第２連結部７０ａ、７０ｂ及び７２ｂを設けている。また、が、側板６０ａに別体の第１連結部７２ａが同様に設けられている。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂには、同様に、別体構成される第１連結部６６ａ、６６ｃ、６６ｂ及び６６ｄを設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 ケーシングを構成する側板の分解斜視図である。 前記側板の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 前記ヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第１７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第１８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第１９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第２０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。 本発明の第２７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第２９の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第３０の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第３１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略側面説明図である。 本発明の第３２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒンジ構造の概略分解斜視説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材 ２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２…酸化剤ガス流路
５４、５６…シール部材 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…連結部
７５ａ、７５ｂ、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０、３９０…ヒンジ構造
８０…取り付け板部材 ９２…リベット
１０２…ピン １１２…ボルト
１１４…ナット １２２…支柱
１２６…割ピン １３２…バーリング

Claims (2)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
   前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
   前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、
   を備え、
   少なくとも前記側板又は前記端板には、前記連結ピンを挿入するために、別体構造の複数の筒状挿入部が個別に固着されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記筒状挿入部が個別に固着される取り付け板部材を備え、
   前記取り付け板部材は、少なくとも前記側板又は前記端板に固着されることを特徴とする燃料電池スタック。

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