JP2008293736A - 燃料電池および燃料電池用締結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、セル積層体の積層方向に交差する方向からの力に対する強度を向上させることができる燃料電池および燃料電池用締結装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池１０は、セル積層体５０の積層方向Ｄｓの両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレート６１，６３と、積層方向Ｄｓに略沿って一対のエンドプレート６１，６３の間に配設されたサイドメンバ６２と、ボルト軸６４４を有しエンドプレート６１，６３とサイドメンバ６２とを連結する連結ボルト６４と、サイドメンバ６２におけるエンドプレート６１，６３側に配設されボルト軸６４４が貫通する緩衝ジョイント６６を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体を備え、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池のセル積層体を締結する構造に関する。

燃料電池のセル積層体を締結するための締結構造としては、セル積層体の積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、セル積層体の積層方向に沿って一対のエンドプレート間に配設されたサイドメンバとを備え、連結ボルトによってエンドプレートとサイドメンバとを連結するものがある。次の特許文献１，２には、連結ボルトによってエンドプレートとサイドメンバとを連結した燃料電池が開示されている。

特開２００４−１８５８４５号公報 特開２００６−３０２９００号公報

図１５に示すように、積層方向に沿って連結ボルト６４ｒによってエンドプレート６１ｒとサイドメンバ６２ｒとを連結した場合、サイドメンバ６２ｒが積層方向に交差する方向に撓むと、サイドメンバ６２ｒが支点Ｐｓで釘抜きのようにテコの作用を連結ボルト６４ｒに及ぼし、エンドプレート６１ｒとサイドメンバ６２ｒとが当接する付近における連結ボルト６４ｒの一部分Ｐｂに応力が集中してしまう。そのため、このような締結構造では強度を十分に確保するために、連結ボルトのサイズを十分に大きくする必要があり、その結果、燃料電池が大型化してしまうという問題が生じてしまう。

本発明は、上記した課題を踏まえ、セル積層体の積層方向に交差する方向からの力に対する強度を向上させることができる燃料電池および燃料電池用締結装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 適用例１の燃料電池は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体と、前記セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、前記積層方向に略沿って前記一対のエンドプレートの間に配設されたサイドメンバと、前記積層方向に略沿って前記エンドプレートを貫通して前記サイドメンバに至るボルト軸を有し、該ボルト軸にボルト軸力を付与することよって前記エンドプレートと前記サイドメンバとを連結する連結ボルト部と、前記サイドメンバにおける前記エンドプレート側の端部に配設され、前記ボルト軸が貫通する緩衝ジョイントとを備えることを特徴とする。

適用例１の燃料電池によれば、サイドメンバが積層方向に交差する方向に撓む場合、緩衝ジョイント内でボルト軸がサイドメンバと共に撓むため、サイドメンバがボルト軸に与える釘抜き作用を緩和し、ボルト軸の一部分に応力が集中するのを抑制することができる。これによって、ボルト軸のサイズを抑制しつつ、セル積層体の積層方向に交差する方向からの力に対する強度を向上させることができる。

［適用例２］ 適用例１の燃料電池であって、前記緩衝ジョイントは、前記エンドプレート側に設けられ、前記ボルト軸が遊嵌する第１貫通孔と、前記サイドメンバ側を向いた第１球面とを有する第１球面座ジョイントと、前記サイドメンバ側に設けられ、前記ボルト軸が遊嵌する第２貫通孔と、前記第１球面座ジョイントの前記第１球面に滑動可能に嵌合する第２球面とを有する第２球面座ジョイントとを含むものであっても良い。

適用例２の燃料電池によれば、第１球面座ジョイントおよび第２球面座ジョイントを滑動させることによって、サイドメンバが積層方向に交差する方向に撓む場合に、緩衝ジョイント内でボルト軸が撓むのを可能にすることができる。第１球面座ジョイントおよび第２球面座ジョイントの材質は、エンドプレートとサイドメンバとの間に挟まれた状態で滑動可能な球面形状を保持可能な硬度を有する材質であれば良く、例えば、鋼鉄，セラミックスであっても良い。

［適用例３］ 適用例２の燃料電池であって、前記第２貫通孔の径は、前記第１貫通孔の径よりも大きいものであっても良い。適用例３の燃料電池によれば、第２貫通孔の径が第１貫通孔の径と同じ大きさの場合よりも、緩衝ジョイントの可動範囲を拡張することができる。これによって、ボルト軸の一部分に応力が集中するのを一層抑制することができる。

［適用例４］ 適用例２または３の燃料電池であって、前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔の少なくとも一方と、前記ボルト軸との間の隙間を埋める弾性体リングを含むものであっても良い。適用例４の燃料電池によれば、第１および第２球面座ジョイントの球面中心を、ボルト軸の軸心上に位置決めすることを容易に行うことができる。これによって、ジョイント球面中心とボルト軸心との間のズレに起因する第１および第２球面座ジョイント間の可動範囲の縮小を抑制することができる。

［適用例５］ 適用例２ないし４のいずれかの燃料電池であって、前記第１球面座ジョイントは、前記エンドプレートに嵌合することによって位置決めする第１嵌合部を有するものであっても良い。適用例５の燃料電池によれば、第１球面座ジョイントの球面中心を、ボルト軸の軸中心に位置決めすることを容易にすることができる。これによって、ジョイント球面中心とボルト軸中心との間のズレに起因する第１および第２球面座ジョイント間の可動範囲の縮小を抑制することができる。

［適用例６］ 適用例２ないし５のいずれかの燃料電池であって、前記第２球面座ジョイントは、前記サイドメンバに嵌合することによって位置決めする第２嵌合部を有するものであっても良い。適用例６の燃料電池によれば、第２球面座ジョイントの球面中心を、ボルト軸の軸中心に位置決めすることを容易にすることができる。これによって、ジョイント球面中心とボルト軸中心との間のズレに起因する第１および第２球面座ジョイント間の可動範囲の縮小を抑制することができる。

［適用例７］ 適用例２ないし６のいずれかの燃料電池であって、前記第１球面および前記第２球面の少なくとも一方の表面粗さは、前記緩衝ジョイントの他の表面よりも粗いものであっても良い。適用例７の燃料電池によれば、ボルト軸が塑性変形する手前で第１および第２球面座ジョイントが滑動するように第１球面と第２球面との間の摩擦係数を調整することによって、ボルト軸が塑性変形しない程度に、サイドメンバの撓み過ぎを抑制することができる。

［適用例８］ 適用例２ないし７のいずれかの燃料電池であって、前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１球面座ジョイントから前記第２球面座ジョイントに亘って埋め込まれた棒状のピンを含むものであっても良い。適用例８の燃料電池によれば、ボルト軸が塑性変形する手前でピンが切断するようにピンの強度を調整することによって、ボルト軸が塑性変形しない程度に、サイドメンバの撓み過ぎを抑制することができる。

［適用例９］ 適用例２ないし８のいずれかの燃料電池であって、前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１球面座ジョイントおよび前記第２球面座ジョイントを把持する筒状のカバーを含むものであっても良い。適用例９の燃料電池によれば、ボルト軸が塑性変形する手前でカバーが変形するようにカバーの強度を調整することによって、ボルト軸が塑性変形しない程度に、サイドメンバの撓み過ぎを抑制することができる。

［適用例１０］ 適用例２ないし９のいずれかの燃料電池であって、前記緩衝ジョイントは、前記エンドプレートから、前記第１球面座ジョイント，前記第２球面座ジョイント，前記サイドメンバに亘って設けられた梁を含むものであっても良い。適用例１０の燃料電池によれば、ボルト軸が塑性変形する手前で梁が切断するように梁の強度を調整することによって、ボルト軸が塑性変形しない程度に、サイドメンバの撓み過ぎを抑制することができる。

［適用例１１］ 適用例１ないし１０のいずれかの燃料電池であって、前記緩衝ジョイントの少なくとも一部は、弾性体から成るものであっても良い。適用例１１の燃料電池によれば、サイドメンバが積層方向に交差する方向に撓む場合、緩衝ジョイントの弾性体が変形することによって、緩衝ジョイント内でボルト軸を撓ませることができる。緩衝ジョイントの弾性体は、エンドプレートとサイドメンバとの間に挟まれた状態でボルト軸を撓ませることが可能な弾性および形状を保持可能な部材であれば良く、例えば、金属製のコイルバネであっても良いし、ポリアセタール，ポリアミドなどのエンジニアリングプラスチックや、硬質ゴムの他、ゴム層と硬質材料層とを交互に積層した積層ゴムで作られた筒状の部材であっても良い。

［適用例１２］ 適用例１２の燃料電池用締結装置は、積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体を締結する燃料電池用締結装置であって、前記セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、前記積層方向に略沿って前記一対のエンドプレートの間に配設されたサイドメンバと、前記積層方向に略沿って前記エンドプレートを貫通して前記サイドメンバに至るボルト軸を有し、該ボルト軸にボルト軸力を付与することよって前記エンドプレートと前記サイドメンバとを連結する連結ボルト部と、前記サイドメンバにおける前記エンドプレート側の端部に配設され、前記ボルト軸が貫通する緩衝ジョイントとを備えることを特徴とする。

適用例１２の燃料電池用締結装置によれば、サイドメンバが積層方向に交差する方向に撓む場合、緩衝ジョイント内でボルト軸がサイドメンバと共に撓むため、サイドメンバがボルト軸に与える釘抜き作用を緩和し、ボルト軸の一部分に応力が集中するのを抑制することができる。これによって、ボルト軸のサイズを抑制しつつ、セル積層体の積層方向に交差する方向からの力に対する強度を向上させることができる。

また、本発明の形態は、燃料電池や燃料電池用締結装置に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を用いて走行する車両、燃料電池を運転する燃料電池システム、セル積層体を締結する方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。

Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池１０の構成：
図１は、燃料電池１０の全体構成を示す斜視図である。図２は、燃料電池１０の全体構成を示す組立斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ断面で燃料電池１０を切断した断面を示す断面図である。図１，２，３に示すように、燃料電池１０は、積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体５０と、セル積層体５０を締結する締結装置６０とを備え、タンクや改質器などのガス供給部（図示しない）から供給される反応ガスの電気化学反応によって発電する。

本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池を含み、燃料電池１０に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池１０に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池１０に用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。本実施例では、燃料電池１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池であり、燃料電池１０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出され、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池１０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。

図４は、セル積層体５０の詳細構成を示す説明図である。図４に示すように、セル積層体５０は、略同一形状に成形された複数の板状部材を積層して構成され、セル積層体５０は、これらの部材の形状を断面とする柱状の立体となる。本実施例では、図２および４に示すように、セル積層体５０は、直方体の上面から底面にわたって矩形断面の四隅を切り欠いた形状を有する。燃料電池１０のセル積層体５０は、反応ガスの電気化学反応が行われる膜電極接合体（ＭＥＡ）３２０を有する発電プレート３００と、発電プレート３００に反応ガスを供給するセパレータ２００とを備え、これら発電プレート３００およびセパレータ２００は交互に複数積層されている。これによって、セル積層体５０には、発電プレート３００を二つのセパレータ２００で挟み込んだ燃料電池セルが複数形成される。セル積層体５０は、セパレータ２００および発電プレート３００を交互に積層したスタック構造を両側から挟持して燃料電池セルの各々で発電された電気を集電する一対のターミナル１２０，４２０と、ターミナル１２０，４２０で挟持されたスタック構造を更に両側から挟持して電気的に絶縁する一対のインシュレータ１１０，４１０とを備える。

本実施例では、燃料電池１０は、図１，２，３に示すように、セル積層体５０を保護する拘束シート５１０を備え、セル積層体５０の積層方向Ｄｓに沿った側面は、拘束シート５１０によって包まれている。本実施例では、拘束シート５１０は、ゴム製やウレタン製のシート状の部材を含む。

燃料電池１０の締結装置６０は、図１，２，３に示すように、セル積層体５０を積層方向Ｄｓの両端から挟持する一対のエンドプレート６１，６３と、セル積層体５０の積層方向Ｄｓに略沿ってエンドプレート６１とエンドプレート６３との間に配設されるサイドメンバ６２と、エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結する連結ボルト６４と、エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２との各間に配設される緩衝ジョイント６６とを備える。

締結装置６０の緩衝ジョイント６６は、本実施例では、エンドプレート６１，６３側に配置される凸球面座ジョイント６６０と、サイドメンバ６２側に配置される凹球面座ジョイント６７０とを含み、凸球面座ジョイント６６０および凹球面座ジョイント６７０は、相互に滑動可能に重なり合う。本実施例では、凸球面座ジョイント６６０および凹球面座ジョイント６７０は、鋼鉄製のプレート部材であるが、その材質は、エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２との間に挟まれた状態で滑動可能な形状を保持可能な硬度を有する材質であれば良く、例えば、合金，セラミックスであっても良い。凸球面座ジョイント６６０および凹球面座ジョイント６７０の構造の詳細については後述する。

図５は、エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。図６は、エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す組立断面図である。締結装置６０の連結ボルト６４は、丸棒状のボルト軸６４４を有する金属製のボルトであり、ボルト軸６４４の一端には、雄ネジを構成する雄ネジ部６４６が形成され、ボルト軸６４４の他端には、ボルト軸６４４の直径よりも大きな六角形のボルトヘッド６４２が形成されている。

締結装置６０のエンドプレート６１，６３は、図１，２，３に示すように、セル積層体５０の断面形状に合わせた金属製の板状部材である。エンドプレート６１，６３は、サイドメンバ６２に対応する位置に設けられ積層方向Ｄｓに略沿って連結ボルト６４を貫通させる貫通孔６１４を有し、エンドプレート６１は、貫通孔６１４に加え、反応ガスや冷却水を供給および排出するためにセル積層体５０に設けられた流路に連通する貫通孔６１８を有する。図５，６に示すように、エンドプレート６１，６３の貫通孔６１４は、連結ボルト６４のボルト軸６４４の直径よりも一回り大きな径を有し、連結ボルト６４が挿入される側に位置する貫通孔６１４の一端には、貫通孔６１４の直径を一回り狭めた挿入口６１２が形成され、貫通孔６１４の他端には、緩衝ジョイント６６の凸球面座ジョイント６６０に嵌合する嵌合口６１６が形成されている。

締結装置６０のサイドメンバ６２は、図１，２，３に示すように、金属製の柱状部材であり、サイドメンバ６２におけるエンドプレート６１側およびエンドプレート６３側の各端には、連結ボルト６４の雄ネジ部６４６と螺合する雌ネジを構成する雌ネジ部６２６が形成されている。図５，６に示すように、雌ネジ部６２６の手前には、連結ボルト６４のボルト軸６４４の直径よりも一回り大きなザグリ状に形成された通過穴６２４が形成され、通過穴６２４の手前には、緩衝ジョイント６６の凹球面座ジョイント６７０に嵌合する嵌合口６２２が形成されている。本実施例では、燃料電池１０は、角柱状に成形された四つのサイドメンバ６２を備え、これら四つのサイドメンバ６２は、拘束シート５１０上からセル積層体５０の四隅にそれぞれ嵌るように当接した状態で配設される。

緩衝ジョイント６６の凸球面座ジョイント６６０は、連結ボルト６４のボルト軸６４４の直径よりも一回り大きな径を有する貫通孔６６４と、エンドプレート６１，６３の嵌合口６１６に嵌合する嵌合部６６２と、サイドメンバ６２側を向いた凸球面６６６とを有する。緩衝ジョイント６６の凹球面座ジョイント６７０は、連結ボルト６４のボルト軸６４４の直径よりも一回り大きな径を有する貫通孔６７４と、サイドメンバ６２の嵌合口６２２に嵌合する嵌合部６７６と、凸球面座ジョイント６６０の凸球面６６６に滑動可能に嵌合する凹球面６７２とを有する。

本実施例では、図５に示すように、エンドプレート６１，６３の貫通孔６１４、凸球面座ジョイント６６０の貫通孔６６４、凹球面座ジョイント６７０の貫通孔６７４，サイドメンバ６２の通過穴６２４は、略同一の直径を有し、これら貫通孔６１４，貫通孔６６４，貫通孔６７４，通過穴６２４は互いに連通する。

図７は、図５の締結構造において積層方向Ｄｓに交差する方向の力Ｆがサイドメンバ６２に加えられた様子を示す説明図である。凸球面座ジョイント６６０の凸球面６６６の中心と、凹球面座ジョイント６７０の凹球面６７２の中心とは、点Ｐ１で略一致し、その点Ｐ１は、連結ボルト６４のボルトヘッド６４２側であってボルト軸６４４の略軸心上に位置する。図７に示す例では、連結ボルト６４のボルト軸６４４は、その軸心上の点Ｐ２まで、サイドメンバ６２の雌ネジ部６２６に螺合する。

サイドメンバ６２に加えられた力Ｆが、凸球面６６６と凹球面６７２との間の摩擦力に打ち勝つと、凹球面座ジョイント６７０は、凸球面座ジョイント６６０に対して点Ｐ１を支点に滑動する。これによって、緩衝ジョイント６６は、連結ボルト６４のボルト軸６４４が緩衝ジョイント６６の内部で点Ｐ１から点Ｐ２までの部位ＢＳにて撓むのを許容する。本実施例では、凸球面６６６と凹球面６７２との間の摩擦力を調整するために、凸球面６６６および凹球面６７２の少なくとも一方の表面粗さは、緩衝ジョイント６６の他の表面よりも粗い表面加工が施されている。

Ａ−２．作用効果：
以上説明した燃料電池１０によれば、サイドメンバ６２が積層方向Ｄｓに交差する方向に撓む場合、緩衝ジョイント６６内でボルト軸６４４がサイドメンバ６２と共に撓むため、サイドメンバ６２がボルト軸６４４に与える釘抜き作用を緩和し、ボルト軸６４４の一部分に応力が集中するのを抑制することができる。これによって、ボルト軸６４４のサイズを抑制しつつ、セル積層体５０の積層方向Ｄｓに交差する方向からの力Ｆに対する強度を向上させることができる。

また、緩衝ジョイント６６を、凹球面座ジョイント６７０および凸球面座ジョイント６６０で構成し、凹球面座ジョイント６７０および凸球面座ジョイント６６０を滑動させることによって、サイドメンバ６２が積層方向Ｄｓに交差する方向に撓む場合に、緩衝ジョイント６６内でボルト軸６４４が撓むのを可能にすることができる。

また、凸球面座ジョイント６６０の嵌合部６６２を、エンドプレート６１，６３の嵌合口６１６に嵌合させることによって、凸球面座ジョイント６６０がエンドプレート６１，６３に位置決めされるため、凸球面座ジョイント６６０の凸球面６６６の球面中心を、ボルト軸６４４の軸中心に位置決めすることを容易にすることができる。これによって、凸球面６６６の球面中心と、ボルト軸６４４の軸中心との間のズレに起因する凹球面座ジョイント６７０の可動範囲の縮小を抑制することができる。

また、凹球面座ジョイント６７０の嵌合部６７６を、サイドメンバ６２の嵌合口６２２に嵌合させることによって、凹球面座ジョイント６７０がサイドメンバ６２に位置決めされるため、凹球面座ジョイント６７０の凹球面６７２の球面中心を、ボルト軸６４４の軸中心に位置決めすることを容易にすることができる。これによって、凹球面６７２の球面中心と、ボルト軸６４４の軸中心との間のズレに起因する凹球面座ジョイント６７０の可動範囲の縮小を抑制することができる。

また、凸球面６６６および凹球面６７２の少なくとも一方の表面粗さは、緩衝ジョイント６６の他の表面よりも粗いため、ボルト軸６４４が塑性変形する手前で凹球面座ジョイント６７０が滑動するように凸球面６６６と凹球面６７２との間の摩擦係数を調整することによって、ボルト軸６４４が塑性変形しない程度に、サイドメンバ６２の撓み過ぎを抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論であり、例えば、次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
図８は、第１変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第１変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例における緩衝ジョイント６６に代えて、緩衝ジョイント６６ａを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第１変形例の緩衝ジョイント６６ａの構成は、上述の実施例における凹球面座ジョイント６７０に代えて、凸球面座ジョイント６６０の貫通孔６６４の径よりも大きな径を有する貫通孔６７４ａを有する凹球面座ジョイント６７０ａを備える点を除き、上述の実施例における緩衝ジョイント６６と同様である。

以上説明した第１変形例の燃料電池によれば、凹球面座ジョイント６７０ａの貫通孔６７４ａの径は、凸球面座ジョイント６６０の貫通孔６６４の径よりも大きいため、凹球面座ジョイント６７０の貫通孔６７４の径が凸球面座ジョイント６６０の貫通孔６６４と同じ大きさの径である場合よりも、緩衝ジョイント６６ａの可動範囲を拡張することができる。これによって、ボルト軸６４４の一部分に応力が集中するのを一層抑制することができる。

Ｂ−２．第２変形例：
図９は、第２変形例におけるエンドプレート６１ｂ，６３ｂの各々とサイドメンバ６２ｂとを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第２変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例におけるエンドプレート６１，６３に代えてエンドプレート６１ｂ，６３ｂを備え、サイドメンバ６２に代えてサイドメンバ６２ｂを備え、緩衝ジョイント６６に代えて緩衝ジョイント６６ｂを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。

第２変形例におけるエンドプレート６１ｂ，６３ｂの構成は、凸球面座ジョイント６６０に嵌合する嵌合口６１６が形成されていない点を除き、上述の実施例におけるエンドプレート６１，６３と同様である。第２変形例におけるサイドメンバ６２ｂの構成は、凹球面座ジョイント６７０に嵌合する嵌合口６２２が形成されていない点を除き、上述の実施例におけるサイドメンバ６２と同様である。

第２変形例における緩衝ジョイント６６ｂの構成は、凸球面座ジョイント６６０に代えて凸球面座ジョイント６６０ｂを備え、凹球面座ジョイント６７０に代えて凹球面座ジョイント６７０ｂを備える。第２変形例における凸球面座ジョイント６６０ｂの構成は、エンドプレート６１，６３に嵌合する嵌合部６６２が形成されていない点を除き、上述の実施例における凸球面座ジョイント６６０と同様である。第２変形例における凹球面座ジョイント６７０ｂの構成は、サイドメンバ６２に嵌合する嵌合部６７６が形成されていない点を除き、上述の実施例における凹球面座ジョイント６７０と同様である。

第２変形例における緩衝ジョイント６６ｂは、凸球面座ジョイント６６０ｂおよび凹球面座ジョイント６７０ｂに加え、凸球面座ジョイント６６０ｂの貫通孔６６４とボルト軸６４４との間の隙間を埋める弾性体リング６６２ｂを備える。本実施例では、弾性体リング６６２ｂは、ゴム製の筒状部材である。弾性体リング６６２ｂの材質は、緩衝ジョイント６６ｂや連結ボルト６４よりも軟らかく弾性を有する材質であれば良い。なお、他の実施形態として、凸球面座ジョイント６６０ｂと同様に、凹球面座ジョイント６７０ｂの貫通孔６７４とボルト軸６４４との間の隙間を埋める弾性体リングを、緩衝ジョイント６６ｂに設けても良い。

以上説明した第２変形例の燃料電池によれば、凸球面座ジョイント６６０ｂの球面中心を、ボルト軸６４４の軸心上に位置決めすることを容易に行うことができる。これによって、凸球面座ジョイント６６０ｂとボルト軸６４４との間のズレに起因する凹球面座ジョイント６７０ｂの可動範囲の縮小を抑制することができる。

Ｂ−３．第３変形例：
図１０は、第３変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第３変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例における緩衝ジョイント６６に代えて緩衝ジョイント６６ｃを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第３変形例における緩衝ジョイント６６ｃの構成は、凸球面座ジョイント６６０から凹球面座ジョイント６７０に亘って埋め込まれた棒状のピン６６８ｃを備える点を除き、上述の実施例における緩衝ジョイント６６と同様である。ピン６６８ｃの材質は、金属，プラスチックを含む。

以上説明した第３変形例の燃料電池によれば、ボルト軸６４４が塑性変形する手前でピン６６８ｃが切断するようにピン６６８ｃの強度を調整することによって、ボルト軸６４４が塑性変形しない程度に、サイドメンバ６２の撓み過ぎを抑制することができる。

Ｂ−４．第４変形例：
図１１は、第４変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第４変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例における緩衝ジョイント６６に代えて緩衝ジョイント６６ｄを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第４変形例における緩衝ジョイント６６ｄの構成は、凸球面座ジョイント６６０および凹球面座ジョイント６７０を把持する筒状のカバー６６８ｄを備える点を除き、上述の実施例における緩衝ジョイント６６と同様である。カバー６６８ｄの材質は、金属，プラスチックを含む。

以上説明した第４変形例の燃料電池によれば、ボルト軸６４４が塑性変形する手前でカバー６６８ｄが変形するようにカバー６６８ｄの強度を調整することによって、ボルト軸６４４が塑性変形しない程度に、サイドメンバ６２の撓み過ぎを抑制することができる。

Ｂ−５．第５変形例：
図１２は、第５変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第５変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例における緩衝ジョイント６６に代えて緩衝ジョイント６６ｅを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第５変形例における緩衝ジョイント６６ｅの構成は、エンドプレート６１，６３から、凸球面座ジョイント６６０，凹球面座ジョイント６７０，サイドメンバ６２に亘って設けられた梁６６８ｅを備える点を除き、上述の実施例における緩衝ジョイント６６と同様である。梁６６８ｅの材質は、金属，プラスチックを含む。

以上説明した第５変形例の燃料電池によれば、ボルト軸６４４が塑性変形する手前で梁６６８ｅが切断するように梁６６８ｅの強度を調整することによって、ボルト軸６４４が塑性変形しない程度に、サイドメンバ６２の撓み過ぎを抑制することができる。

Ｂ−６．第６変形例：
図１３は、第６変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第６変形例の燃料電池の構成は、上述の実施例における緩衝ジョイント６６に代えて緩衝ジョイント６６ｆを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第６変形例における緩衝ジョイント６６ｆは、上述の実施例における凸球面座ジョイント６６０および凹球面座ジョイント６７０を重ね合わせた形状を有する筒状の弾性体である。緩衝ジョイント６６ｆの材質は、エンドプレート６１，６３とサイドメンバ６２との間に挟まれた状態でボルト軸６４４の撓みを許容可能な弾性および形状を保持可能な材質であれば良く、例えば、ポリアセタール，ポリアミドなどのエンジニアリングプラスチックや、硬質ゴムの他、ゴム層と硬質材料層とを交互に積層した積層ゴムであっても良い。

以上説明した第６の変形例の燃料電池によれば、弾性体である緩衝ジョイント６６ｆを変形させることによって、サイドメンバ６２が積層方向Ｄｓに交差する方向に撓む場合に、緩衝ジョイント６６ｆ内でボルト軸６４４が撓むのを可能にすることができる。

Ｂ−７．第７変形例：
図１４は、第７変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２ｇとを連結ナット６４ｇで連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。第７変形例の燃料電池の構成は、サイドメンバ６２および連結ボルト６４に代えて、サイドメンバ６２ｇおよび連結ナット６４ｇを備える点を除き、上述の実施例における燃料電池１０と同様である。第７変形例のサイドメンバ６２ｇは、雌ネジ部６２６に代えて、雄ネジを構成する雄ネジ部６２６ｇが形成された丸棒状のボルト軸６２４ｇを備える点を除き、上述の実施例のサイドメンバ６２と同様である。サイドメンバ６２ｇのボルト軸６２４ｇは、緩衝ジョイント６６およびエンドプレート６１，６３を貫通して、エンドプレート６１，６３側から連結ナット６４ｇに螺合される。

以上説明した第７変形例の燃料電池によれば、上述の実施例と同様に、緩衝ジョイント６６内でボルト軸６２４ｇがサイドメンバ６２ｇと共に撓むため、ボルト軸６２４ｇの一部分に応力が集中するのを抑制することができる。これによって、ボルト軸６２４ｇのサイズを抑制しつつ、セル積層体５０の積層方向Ｄｓに交差する方向からの力Ｆに対する強度を向上させることができる。

Ｂ−８．その他の変形例：
本実施例では、エンドプレート６１，６３側に凸球面座ジョイント６６０を配設し、サイドメンバ６２側に凹球面座ジョイント６７０を配設したが、他の実施形態として、エンドプレート６１，６３側に凹球面座ジョイントを配設し、サイドメンバ６２側に凸球面座ジョイントを配設してもよい。この変形例では、凹球面座ジョイントおよび凸球面座ジョイントの球面中心は、図７で示したボルト軸６４４がサイドメンバ６２に螺合する軸心上の点Ｐ２付近にするのが望ましい。

また、上述の実施例において、サイドメンバ６２に通過穴６２４を設けることなく雌ネジ部６２６を設けても良い。また、第６変形例における弾性体の緩衝ジョイント６６ｆに代えて、金属製のコイルスプリングを、緩衝ジョイントとして用いても良い。また、変形例１ないし７の各構成を適宜組み合わせて燃料電池に適用しても良い。また、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態として、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。

燃料電池１０の全体構成を示す斜視図である。 燃料電池１０の全体構成を示す組立斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面で燃料電池１０を切断した断面を示す断面図である。 セル積層体５０の詳細構成を示す説明図である。 エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 エンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す組立断面図である。 図５の締結構造において積層方向Ｄｓに交差する方向の力Ｆがサイドメンバ６２に加えられた様子を示す説明図である。 第１変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第２変形例におけるエンドプレート６１ｂ，６３ｂの各々とサイドメンバ６２ｂとを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第３変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第４変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第５変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第６変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２とを連結ボルト６４で連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 第７変形例におけるエンドプレート６１，６３の各々とサイドメンバ６２ｇとを連結ナット６４ｇで連結する締結構造の詳細を示す拡大断面図である。 燃料電池を締結する関連技術による締結構造を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
５０…セル積層体
６０…締結装置
６１，６１ｂ…エンドプレート
６２，６２ｂ，６２ｇ…サイドメンバ
６３，６３ｂ…エンドプレート
６４…連結ボルト
６４ｇ…連結ナット
６６，６６ａ〜ｆ…緩衝ジョイント
１１０…インシュレータ
１２０…ターミナル
２００…セパレータ
３００…発電プレート
５１０…拘束シート
６１２…挿入口
６１４…貫通孔
６１６…嵌合口
６１８…貫通孔
６２２…嵌合口
６２４…通過穴
６２４ｇ…ボルト軸
６２６…雌ネジ部
６２６ｇ…雄ネジ部
６４２…ボルトヘッド
６４４…ボルト軸
６４６…雄ネジ部
６６０，６６０ｂ…凸球面座ジョイント
６６２…嵌合部
６６２ｂ…弾性体リング
６６４…貫通孔
６６６…凸球面
６６８ｃ…ピン
６６８ｄ…カバー
６６８ｅ…梁
６７０，６７０ａ，６７０ｂ…凹球面座ジョイント
６７２…凹球面
６７４…貫通孔
６７４ａ…貫通孔
６７６…嵌合部
Ｄｓ…積層方向

Claims (12)

1. 反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、
   積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体と、
   前記セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、
   前記積層方向に略沿って前記一対のエンドプレートの間に配設されたサイドメンバと、
   前記積層方向に略沿って前記エンドプレートを貫通して前記サイドメンバに至るボルト軸を有し、該ボルト軸にボルト軸力を付与することよって前記エンドプレートと前記サイドメンバとを連結する連結ボルト部と、
   前記サイドメンバにおける前記エンドプレート側の端部に配設され、前記ボルト軸が貫通する緩衝ジョイントと
   を備える燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記緩衝ジョイントは、
   前記エンドプレート側に設けられ、前記ボルト軸が遊嵌する第１貫通孔と、前記サイドメンバ側を向いた第１球面とを有する第１球面座ジョイントと、
   前記サイドメンバ側に設けられ、前記ボルト軸が遊嵌する第２貫通孔と、前記第１球面座ジョイントの前記第１球面に滑動可能に嵌合する第２球面とを有する第２球面座ジョイントと
   を含む燃料電池。
3. 前記第２貫通孔の径は、前記第１貫通孔の径よりも大きい請求項２記載の燃料電池。
4. 前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔の少なくとも一方と、前記ボルト軸との間の隙間を埋める弾性体リングを含む請求項２または３記載の燃料電池。
5. 前記第１球面座ジョイントは、前記エンドプレートに嵌合することによって位置決めする第１嵌合部を有する請求項２ないし４のいずれか記載の燃料電池。
6. 前記第２球面座ジョイントは、前記サイドメンバに嵌合することによって位置決めする第２嵌合部を有する請求項２ないし５のいずれか記載の燃料電池。
7. 前記第１球面および前記第２球面の少なくとも一方の表面粗さは、前記緩衝ジョイントの他の表面よりも粗い請求項２ないし６のいずれか記載の燃料電池。
8. 前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１球面座ジョイントから前記第２球面座ジョイントに亘って埋め込まれた棒状のピンを含む請求項２ないし７のいずれか記載の燃料電池。
9. 前記緩衝ジョイントは、更に、前記第１球面座ジョイントおよび前記第２球面座ジョイントを把持する筒状のカバーを含む請求項２ないし８のいずれか記載の燃料電池。
10. 前記緩衝ジョイントは、前記エンドプレートから、前記第１球面座ジョイント，前記第２球面座ジョイント，前記サイドメンバに亘って設けられた梁を含む請求項２ないし９のいずれか記載の燃料電池。
11. 前記緩衝ジョイントの少なくとも一部は、弾性体から成る請求項１ないし１０のいずれか記載の燃料電池。
12. 積層された複数の燃料電池セルを構成するセル積層体を締結する燃料電池用締結装置であって、
    前記セル積層体における前記複数の燃料電池セルが積層された積層方向の両端にそれぞれ当接する一対のエンドプレートと、
    前記積層方向に略沿って前記一対のエンドプレートの間に配設されたサイドメンバと、
    前記積層方向に略沿って前記エンドプレートを貫通して前記サイドメンバに至るボルト軸を有し、該ボルト軸にボルト軸力を付与することよって前記エンドプレートと前記サイドメンバとを連結する連結ボルト部と、
    前記サイドメンバにおける前記エンドプレート側の端部に配設され、前記ボルト軸が貫通する緩衝ジョイントと
    を備える燃料電池用締結装置。

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