JP2009081037A - 燃料電池スタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けにあたり、使用する締結ボルトを低減または廃止するのに有利な燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料電池スタック装置は、スタック２と、第１係合部３４をもつ第１エンドプレート３と、第２係合部４４をもつ第２エンドプレート４と、スタック２の各セルを互いに密接させる方向に付勢する付勢部材５と、テンションプレート６とを備えている。テンションプレート６では、付勢部材５の付勢力により第１係合部３４に係脱可能に係合する第１被係合部６１と、付勢部材５の付勢力により第２係合部４４に係脱可能に係合する第２被係合部６２とが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明はスタックの積層方向の両側にエンドプレートを有する燃料電池スタック装置に関する。

燃料電池スタック装置は、燃料電池のセルを積層方向に積層して形成されたスタックと、スタックの積層方向の一端部側に配置された第１エンドプレートと、スタックの積層方向の他端部側に配置された第２エンドプレートと、スタックの各セル同士を互いに密接させる方向に付勢する付勢部材と、スタックの積層方向に沿ったスタック側面を覆うテンションプレートとを備えている。テンションプレートは、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に配置されており、付勢部材の付勢力を張力として受けつつ、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間の間隔を規定する。
特開２００６−３３１８０５号公報 特開２００１−１３５３４４号公報

上記した燃料電池スタック装置によれば、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けにあたり、使用する締結ボルトの数が多く、組み付け性は面倒である。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けにあたり、使用する締結ボルトを低減または廃止するのに有利な燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。

（１）様相１に係る燃料電池スタック装置は、（ｉ）燃料電池のセルを積層方向に積層して形成されたスタックと、（ｉｉ）スタックの積層方向の一端部側に配置され第１係合部をもつ第１エンドプレートと、（ｉｉｉ）スタックの積層方向の他端部側に配置され第２係合部をもつ第２エンドプレートと、（ｉｖ）第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に配置され第１エンドプレートおよび第２エンドプレートを互いに離間する方向に付勢させることにより、スタックの各セルを互いに密接させる方向に付勢する付勢部材と、（ｖ）スタックの積層方向に沿ったスタック側面を覆うように第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に配置され、付勢部材の付勢力を受けて第１係合部に係脱可能に係合する第１被係合部と付勢部材の付勢力を受けて第２係合部に係脱可能に係合する第２被係合部とを備えるテンションプレートと、を具備していることを特徴とする。

付勢部材は、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に配置されており、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートを互いに離間する方向に付勢させる。これによりスタックの各セル同士の密接する方向に付勢力が作用し、セル同士を密接させる。

テンションプレートは、スタックの積層方向に沿ったスタック側面を覆うように第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間に配置されている。付勢部材の付勢力を受け、テンションプレートの第１被係合部は、第１エンドプレートの第１係合部に係脱可能に係合する。また、付勢部材の付勢力を受け、テンションプレートの第２被係合部は、第２エンドプレートの第２係合部に係脱可能に係合する。

上記したように付勢部材の付勢力を利用することにより、第１エンドプレートとテンションプレートとを組み付けると共に、第２エンドプレートとテンションプレートとを組み付けることができる。即ち、テンションプレートの第１被係合部と第１エンドプレートの第１係合部とを係合させる係合力の増加に、付勢部材の付勢力が作用する。またテンションプレートの第２被係合部と第２エンドプレートの第２係合部とを係合させる係合力の増加に、付勢部材の付勢力が作用する。

（２）様相２に係る燃料電池スタック装置によれば、上記様相において、（ｉ）スタックの積層方向と交差する方向に沿ってテンションプレートを第１エンドプレートおよび第２エンドプレートに対して相対移動させて接近させることにより、第１係合部と第１被係合部とを対面させると共に第２係合部と第２被係合部とを対面させる対面操作と、（ｉｉ）対面操作後に付勢部材の付勢力を受けて第１エンドプレートおよび第２エンドプレートをスタックの積層方向において互いに離間させる方向に付勢させて相対移動させる付勢操作とにより、（ｉｉｉ）第１エンドプレートの第１係合部は、テンションプレートの第１被係合部と係脱可能に係合すると共に、第２エンドプレートの第２係合部は、テンションプレートの第２被係合部と係脱可能に係合する。

かかる対面操作と付勢操作により、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けを、付勢部材の付勢力を利用することにより、実施することができる。この結果、付勢部材の付勢力を受けて、テンションプレートの第１被係合部は、第１エンドプレートの第１係合部に係脱可能に係合することができる。また、付勢部材の付勢力を受けて、テンションプレートの第２被係合部は、第２エンドプレートの第２係合部に係脱可能に係合することができる。

本発明によれば、上記したように付勢部材の付勢力を利用することにより、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けを実施することができる。この場合、付勢部材の付勢力を利用するため、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートとテンションプレートとの組み付けにあたり、使用する締結ボルトの数を低減したり、締結ボルトを廃止したりできる。なお補助的であれば、締結ボルトを使用しても良い。

各様相によれば、第１エンドプレートの第１係合部としては、凸状でも良いし、凹状でも良い。同様に第２エンドプレートの第２係合部としては、凸状でも良いし、凹状でも良い。要するに、第１係合部としては、テンションプレートの第１被係合部と係脱可能に係合できるものであれば良い。第２係合部としては、テンションプレートの第２被係合部と係脱可能に係合できるものであれば良い。テンションプレートの第１被係合部および第２被係合部としては、凸状でも良いし、凹状でも良い。

テンションプレートの第１被係合部は、テンションプレートを厚み方向に貫通する第１被係合開口と、第１被係合開口の縁部に形成された第１被係合突起とを備えていることが好ましい。テンションプレートの第２被係合部は、テンションプレートを厚み方向に貫通する第２被係合開口と、第２被係合開口の縁部に形成された第２被係合突起とを備えていることが好ましい。第１エンドプレートの第１係合部は、第１被係合突起が嵌まる第１凹部を形成する第１包囲壁を備えていることが好ましい。第２エンドプレートの第２係合部は、第２被係合突起が嵌まる第２凹部を形成する第２包囲壁を備えていることが好ましい。

テンションプレートは軽量化用の開口窓を備えている形態が例示される。これによりテンションプレートが軽量化される。開口窓は、テンションプレートにおいて、第１被係合部と第２被係合部との間に形成されている形態が例示される。

第１エンドプレート及び第２エンドプレートの材質としては、炭素鋼系や合金鋼等の金属、硬質樹脂、セラミックス等が挙げられる。テンションプレートの材質としては、炭素鋼系や合金鋼等の金属、硬質樹脂、セラミックス等が挙げられる。殊に、高張力鋼が例示される。

（実施形態１）
本発明を具体化した実施形態１について図１〜図１２を参照しつ説明する。燃料電池スタック装置１は定置用でも車両用でも良い。図１は燃料電池スタック装置１の平面視を示す。図２は燃料電池スタック装置１の側面視を示す。図１に示すように、燃料電池スタック装置１は、燃料電池のスタック２と、第１エンドプレート３と、第２エンドプレート４と、付勢部材５と、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）に沿ったスタック側面２３をそれぞれ覆うように対向するテンションプレート６（合計２個）とを備えている。スタック２は、燃料電池のプレート状のセル２０を積層方向（矢印Ｘ方向）に積層して形成されている。セル２０は、固体高分子系または無機系のイオン伝導膜を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極に燃料を供給する燃料用の配流板と、膜電極接合体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤用の配流板とを備えている。図１に示すように、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において、スタック２の外側には、電気エネルギ取り出し用の端子部材２１が配置されている。スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において、スタック２の外側には、電気絶縁性をもつ第１絶縁部材２２および第２絶縁部材２３が配置されている。第１絶縁部材２２の外側に位置するように、プレッシャプレート２４が第１絶縁部材２２と第１エンドプレート３との間に配置されている。

図１に示すように、第１エンドプレート３はスタック２の積層方向（横方向，矢印Ｘ方向）の一端部側に配置されており、スタック２のセル２０の表面方向に沿っている第１プレート部３０と、第１プレート部３０に対して第２エンドプレート４に向けて曲成された互いに対向する２個の第１フランジ部３１とを備えている。

図１に示すように、第２エンドプレート４はスタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）の他端部側に配置されており、スタック２のセル２０の表面方向（表面の２次元方向）に沿っている第２プレート部４０と、第２プレート部４０に対して曲成され互いに対向する２個の第２フランジ部４１とを備えている。

図５は第１エンドプレート３を示す。図５に示すように、第１エンドプレート３は、第１プレート部３０の上部に対して曲成され外方に向かう反り防止兼用の吊り下げ用の第１上フランジ部３８と、第１プレート部３０の下部に対して曲成され外方に向かう反り防止兼用の設置用の第１下フランジ部３９とを備えている。

図６は第２エンドプレート４を示す。図６に示すように、第２エンドプレート４は、第２プレート部４０の上部に対して曲成され外方に向かう第２上フランジ部４８と、第２プレート部４０の下部に対して曲成され外方に向かう第２下フランジ部４９とを備えている。

図１に示すように、付勢部材５は、第１エンドプレート３と第２エンドプレート４との間に配置されている。具体的には、付勢部材５は、第１エンドプレート３とプレッシャプレート２４との間に配置されている。付勢部材５は、第１エンドプレート３および第２エンドプレート４を矢印Ｘ方向において互いに離間する方向に付勢させる。これにより付勢部材５の付勢力は、スタック２の各セル２０同士を互いに密接させる方向に作用する。なお、付勢部材５はコイルバネとされているが、これに限定されるものではなく、板バネ、皿バネなどの公知のバネとしても良い。なお、付勢部材５とプレッシャプレート２４との間には、バネの位置決め等の他の部材が存在する場合でも良い。

図１および図２に示すように、テンションプレート６は、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）に沿ったスタック側面２３を覆うように、第１エンドプレート３と第２エンドプレート４との間に配置されている。テンションプレート６は、スタック２の積層方向と交差する方向（矢印Ｙ方向）において、スタック２の両側に合計２個配置されている。テンションプレート６の材質は、高い強度をもつ材料（例えば炭素鋼系、合金鋼系、アルミ合金系、チタン合金系）が好ましい。殊に、高い耐引張性をもつ高張力鋼が例示される。

図３はテンションプレート６の側面視を示す。図３に示すように、テンションプレート６は平板形状をなしており、上辺６ｕ、下辺６ｄ、２つの側辺６ｓを備えている。テンションプレート６は、矢印Ｈ方向（高さ方向）に間隔を隔てて並設された複数の第１被係合部６１と、矢印Ｈ方向に間隔を隔てて並設された複数の第２被係合部６２とを備えている。テンションプレート６の第１被係合部６１は、第１エンドプレート３の第１係合部３４に係合可能であるため、第１係合部３４に対面可能な位置に形成されている。テンションプレート６の第２被係合部６２は、第２エンドプレート４の第２係合部４４に係合可能であるため、第２係合部４４に対面可能な位置に形成されている。

図３に示すように、テンションプレート６において、第１被係合部６１は、テンションプレート６を厚み方向に貫通する第１被係合開口６０１と、第１被係合開口６０１の縁に凸をなす爪状に形成された第１被係合突起６０２とを備えている。第１被係合突起６０２は先端６０２ｅをもつ。第１被係合開口６０１は丸みをもつほぼ四角形状をなしており、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において互いに対向する直状をなす辺６０１ａ，辺６０１ｂと、スタック２の高さ方向（矢印Ｈ方向）において互いに対向する辺６０１ｃ，辺６０１ｄとをもつ。第１被係合突起６０２は、辺６０１ａ，辺６０１ｂのうちスタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において外側の辺６０１ａに一体に形成されており、第２エンドプレート４に向かう方向（矢印Ｘ２方向）に指向している。

図３に示すように、第１被係合開口６０１を構成する辺６０１ｃ，辺６０１ｄは、凹丸み状をもつ円弧軌跡で規定されている。この場合、第１被係合開口６０１における応力集中を緩和でき、第１被係合開口６０１の耐久性の向上に有利である。更に、図４に示すように、辺６０１ａの端領域６０１ｘ、辺６０１ｂの端領域６０１ｗは、それぞれ丸みをもつ。この場合、応力集中の緩和に一層有利であり、第１被係合開口６０１の耐久性の向上に一層有利である。

更に、図３に示すように、テンションプレート６において、第２被係合部６２は、テンションプレート６を厚み方向に貫通する第２被係合開口６２１と、第２被係合開口６２１の縁部に形成された第２被係合突起６２２とを備えている。第２被係合開口６２１は、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において互いに対向するほぼ直状をなす辺６２１ａ，辺６２１ｂと、スタック２の高さ方向（矢印Ｈ方向）において互いに対向すると共に丸みをもつ辺６２１ｃ，辺６２１ｄとをもつ。第２被係合突起６２２は、辺６２１ａ，辺６２１ｂのうちスタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において外側の辺６２１ａに形成されており、第１エンドプレート３に向かう方向（矢印Ｘ２方向）に指向している。

図５は第１エンドプレート３を示す。図５に示すように、第１エンドプレート３の第１フランジ部３１には第１係合部３４が高さ方向（矢印Ｈ方向，鉛直方向）に沿って複数個（合計４個）形成されている。各第１係合部３４の高さ位置は、テンションプレート６の第１被係合部６１の高さ位置に対応するように設定されている。第１エンドプレート３の各第１係合部３４は、第１被係合突起６０２が嵌まる第１凹部３５を形成する第１包囲壁３６を備えている。第１包囲壁３６は、端面３６ｐをもつ袋壁状（フック壁状）とされている。なお、第１包囲壁３６のうち端面３６ｐの反対側は、閉鎖されて閉鎖壁３６ｍとされている。閉鎖壁３６ｍは第１包囲壁３６の強化に貢献できる。

図６は第２エンドプレート４を示す。第２エンドプレート４の第２フランジ部４１には第２係合部４４が高さ方向（矢印Ｈ方向，鉛直方向）に沿って複数個（合計４個）形成されている。各第２係合部４４の高さ位置は、テンションプレート６の第２被係合部６２の高さ位置に対応するように設定されている。第２エンドプレート４の第２係合部４４は、第２被係合突起６２２が嵌まる第２凹部４５を形成する第２包囲壁４６を備えている。第２包囲壁４６は、端面４６ｐをもつ袋壁状（フック壁状）とされている。なお、第２包囲壁４６のうち端面４６ｐの反対側は、閉鎖壁４６ｍとされている。

なお、図６に示すように、第２エンドプレート４の第２プレート部４０は、酸化剤導入孔７１、スタック２を冷却する冷却水導入孔７３、燃料導入孔７５を備えていると共に、酸化剤導出孔７２、スタック２を冷却する冷却水導出孔７４、燃料導出孔７６を備えている。酸化剤導入孔７１はスタック２の酸化剤極の入口に繋がる。冷却水導入孔７３はスタック２の内部の冷却通路の入口に繋がる。燃料導入孔７５はスタック２の燃料極の入口に繋がる。酸化剤導出孔７２はスタック２の酸化剤極の出口に繋がる。冷却水導出孔７４はスタック２の内部の冷却通路の出口に繋がる。燃料導出孔７６はスタック２の燃料極の出口に繋がる。なお、各導入孔および各導出孔の位置はこれに限定されるものではなく、燃料、酸化剤および冷却水の流れ方向に応じて適宜変更できる。

本実施形態によれば、図２に示すように、第１エンドプレート３の第１係合部３４を構成する上側の第１辺壁３４ｕ、下側の第１辺壁３４ｄは、所定の曲率で曲成された円弧凸状に形成されており、第１係合部３４の第１包囲壁３６の三次元ドーム化が進行している。この場合、第１係合部３４における応力集中を緩和でき、第１係合部３４の耐久性を向上させるのに有利である。同様に、第２エンドプレート４の第２係合部４４を構成する上側の第２辺壁４４ｕ、下側の第２辺壁４４ｄは、所定の曲率で曲成された円弧凸状に形成されており、第２係合部４４の第２包囲壁４６の三次元ドーム化が進行している。この場合、第２係合部４４における応力集中を緩和でき、第２係合部４４の耐久性を向上させるのに有利である。なお、図２において、スタック２はスタック下面２ｄとスタック上面２ｕとを備えている。

次に、第１エンドプレート３および第２エンドプレート４にテンションプレート６を組み付ける手順について説明を加える。図７〜図１０は、第１エンドプレート３の第１係合部３４とテンションプレート６の第１被係合部６１とを係脱可能に係合させる過程を示す。第２エンドプレート４の第２係合部４４とテンションプレート６の第２被係合部６２とを係合させる過程も同様である。便宜上、図７〜図１０に従って、第１エンドプレート３の第１係合部３４とテンションプレート６の第１被係合部６１とを係合させる過程を説明する。

図７において、矢印Ｙ方向は、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）と直交（交差）する方向を示す。矢印Ｙ方向において、テンションプレート６の第１被係合部６１の第１被係合開口６０１を、第１エンドプレート３の第１フランジ部３１の第１係合部３４に接近させた状態で対向させる。次に、テンションプレート６を第１エンドプレート３に対して矢印Ｙ１方向（図７参照）に沿って相対移動させて更に接近させる。これにより図８に示すように、第１エンドプレート３のフック壁状をなす第１係合部３４の第１包囲壁３６と、テンションプレート６の第１被係合部６１の第１被係合開口６０１とを嵌め込む（図８参照）。この場合、図示はしないものの、同様に、第２エンドプレート４の第２係合部４４はテンションプレート６の第２被係合部６２の第２被係合開口６２１に嵌め込まれる。

この状態において、付勢部材５の付勢力が作用すると、第１エンドプレート３および第２エンドプレート４は、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）において互いに離間させる方向に付勢されて相対移動する。即ち、第１係合部３４がテンションプレート６の第１被係合部６１の第１被係合開口６０１に嵌め込まれた状態において、第１エンドプレート３が矢印Ｘ１方向（付勢力の付勢方向）に付勢されて変位する（図８，図９参照）。この結果、第１エンドプレート３の第１係合部３４の第１凹部３５は、テンションプレート６の第１被係合部６１の第１被係合突起６０２に嵌まり、両者の係合度が進行する（図９，図１０参照）。

図１０は、組み付けが終了した状態における第１係合部３４付近の斜視図を示す。図１１は同断面図を示す。組み付けが完了した状態では、図１０に示すように、第１係合部３４の第１包囲壁３６の端面３６ｐが、第１被係合突起６０２をもつ辺６０１ａに前記付勢力により強く押圧される。なお、辺６０１ａ付近（殊に、辺６０１ａ付近において第１被係合突起６０２付近）に応力が集中し易い領域が存在する（図１０および図４において、×印として示す）。

また図１０に示すように、第１エンドプレート３の第１被係合突起６０２は第１凹部３５内に進入し、第１包囲壁３６により覆われて第１包囲壁３６に係合している。このため、図１０に示す第１被係合突起６０２は、矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に容易には離脱することができない。即ち、エンドプレートは矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に容易には離脱することができない。

図１２は、組み付けが終了した状態における第２係合部４４付近の斜視図を示す。図１２に示すように、第２エンドプレート４の第２被係合部６２側については、第２被係合突起６２２をもつ辺６２１ａは、第２係合部４４の第２包囲壁４６の端面４６ｐに前記付勢力により押圧される。なお、辺６２１ａ付近（殊に、辺６２１ａ付近において第２被係合突起６２２付近）に応力が集中し易い領域が存在する（図１２において×印として示す）。また図１２に示すように、第２エンドプレート４の第２被係合突起６２２は第２凹部４５内に進入し、第２包囲壁４６により覆われて第２包囲壁４６に係合している。このため、第２被係合突起６２２は、矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に容易には離脱することができない。

なお、テンションプレート６を第１エンドプレート３および第２エンドプレート４から取り外す場合について説明する。この場合、図１０に示す状態において、付勢部材５の付勢力に抗しつつ、作業者またはロボットなどが第１エンドプレート３と第２エンドプレート４との間隔を狭める。すると、第１係合部３４の係合状態は、図１０に示す状態→図９に示す状態→図８に示す状態に順に移行する。そして、図８に示す状態において、テンションプレート６を矢印Ｙ２方向（スタック２のセル２０の積層方向と交差する方向の外側）に相対的に移動させれば、テンションプレート６を第１エンドプレート３および第２エンドプレート４から取り外すことができる。第２係合部４４についても同様である。

以上説明したように本実施形態によれば、第１エンドプレート３とテンションプレート６との組み付け、更には、第２エンドプレート４とテンションプレート６との組み付けにあたり、付勢部材５の付勢力を利用することにより、締結ボルトを用いることなく、第１エンドプレート３の第１係合部３４とテンションプレート６の第１被係合部６１とを係合できる。同様に、第２エンドプレート４の第２係合部４４とテンションプレート６の第２被係合部６２とを係合できる。この場合に置いても、付勢部材５の付勢力を利用することにより、締結ボルトを用いることなく組み付け得る。従って、締結ボルトを廃止することができる。

なお、必要に応じて、補助的に締結ボルトを用いても良い。この場合においても、使用される締結ボルトの数は従来よりも少なく、締結ボルトも従来よりも小型である。更に、組み付けにあたり、締結ボルトが廃止されているため、高い熟練度を廃止するのに有利である。

また、高い引張強度を有する高張力鋼でテンションプレート６を形成すれば、テンションプレート６の強度を確保しつつこれの厚みを更に薄くでき、テンションプレート６の軽量化を図り得る。また高張力鋼等の鋼板の厚みであっても、プレス成形によって係合部を作製することができる。

図２は第１エンドプレート３の側面視を示す。図２に示すように第１係合部３４の第１包囲壁３６を構成する上側の辺壁３４ｕおよび下側の辺壁３４ｄは、側面視において、円弧凸形状をなす。この場合、第１係合部３４の第１包囲壁３６における応力集中の緩和に有利である。同様に、第２係合部４４の上側の辺壁４４ｕおよび下側の辺壁４４ｄは、側面視において、円弧凸形状をなす。この場合、第２係合部４４の第２包囲壁４６における応力集中の緩和に有利である。従って第１係合部３４および第２係合部４４の耐久性の向上に貢献できる。

図７は、第１エンドプレート３の第１フランジ部３１の第１係合部３４の第１包囲壁３６付近を示す。第１包囲壁３６は、第１包囲壁３６に隣接する小開口３７を第１エンドプレート３に形成した後に、金属製の第１エンドプレート３の第１フランジ部３１の壁部をプレス成形で部分的に矢印Ｙ３方向に膨出成形させることにより、端面３６ｐを形成しつつ、ほぼドーム形状に形成されている。この場合、プレス成形が冷間加工であれば、第１係合部３４の第１包囲壁３６を加工硬化により強化させて耐久性を向上させることができる。第２係合部４４の第２包囲壁４６についても同様である。なお、プレス成形は冷間加工に限らず、温間加工、熱間加工にしても良い。

更に、図７に示すように、第１係合部３４の第１凹部３５の入口３５ｉ側には、小開口３７が第１フランジ部３１を厚み方向に貫通するように形成されている。この場合、小開口３７が第１係合部３４の第１包囲壁３６に隣設して形成されているため、プレス成形の際に、第１包囲壁３６の膨出成形が容易となる。ここで図７に示すように、小開口３７の長さＬ１とし、第１係合部３４の第１包囲壁３６の高さ方向のサイズをＬ２とすると、Ｌ１はＬ２よりも大きく設定されている（Ｌ１＞Ｌ２）。この結果、図７に示すように、小開口３７は、第１凹部３５の入口３５ｉよりも外側（上側）に位置する開口部３７ａと、第１凹部３５の入口３５ｉよりも外側（下側）に位置する開口部３７ｃとをもつ構造を備えている。かかる構造によれば、組み付け時、プレス成形時等における第１包囲壁３６および小開口３７付近の応力集中を抑えるのに有利となる。更に図７に示すように、開口部３７ａの縁３７ｅと、開口部３７ｃの縁３７ｆとは、円弧凹状（ほぼ半円形状）とされており、前述したように端面３６ｐが押圧されるときであっても、第１包囲壁３６付近における応力集中の緩和に一層有利である。従って、第１包囲壁３６の耐久性の向上を一層図り得る。

ところで、テンションプレート６は、厚みが厚いため軽量化が要請されている。ここで、図３に示すように、第１被係合突起６０２および第２被係合突起６２２は、スタック２の積層方向（矢印Ｘ方向）に沿って突設されている。テンションプレート６は、これの厚み方向に貫通する軽量化用の開口窓６５（図３参照）を複数備えている。これによりテンションプレート６が軽量化されている。開口窓６５は、矢印Ｘ方向に沿って長く延設されており、長手方向の端６５ａ，６５ｃは半円形状をなす。テンションプレート６において、隣設する開口窓６５間には壁部分６ｍが矢印Ｘ方向に沿って延設されている。

換言すると、図３に示すように、開口窓６５は、第１被係合開口６０１と第２被係合開口６２１との間に形成されている。ここで、図３に示す仮想線Ｐａは、テンションプレート６において、矢印Ｘ方向において互いに隣設する第１被係合部６１および第２被係合部６２について、第１被係合部６１を構成する第１被係合突起６０２の高さ方向（矢印Ｈ方向）の中心と、第２被係合部６２を構成する第２被係合突起６２２の高さ方向（矢印Ｈ方向）の中心とを繋ぐ仮想線である。図３に示す仮想線Ｐｃ，Ｐｅは、高さ方向（矢印Ｈ方向，第１係合部３４の並設方向，第２係合部４４の並設方向）において互いに隣設する仮想線Ｐａ間に位置する。図３に示すように、仮想線Ｐａに沿って、軽量化用の開口窓６５がテンションプレート６において延設されている。

ここで、エンドプレート３，４とテンションプレート６とが組み付けられている状態のときには、図３において、第１被係合開口６０１のうち第１被係合突起６０２を有する辺６０１ａに引張力Ｆ１（図３参照，付勢部材５の付勢力に基づく）が作用する。実際的には、引張力Ｆ１は、辺６０１ａのうち第１被係合突起６０２の両脇付近に作用するが、便宜上、辺６０１ａに作用すると取り扱うことができる。引張力Ｆ１，Ｆ２は仮想線Ｐａに沿って作用すると考えられる。同様に、第２被係合開口６２１のうち第２被係合突起６２２を有する辺６２１ａに引張力Ｆ２（引張力Ｆ１と反対方向，図３参照，付勢部材５の付勢力に基づく）が作用する。

ここで、上記組み付け状態における応力解析シュミレーションの結果によれば、仮想線Ｐｃ，Ｐｅの部位においては、仮想線Ｐａの部位よりも、引張力Ｆ１，Ｆ２の影響を受け易く、単位面積あたり応力が相対的に高くなることが確認されている。このため開口窓６５は、仮想線Ｐｃ，Ｐｅの位置に形成するのではなく、仮想線Ｐａの位置において、第１被係合開口６０１と第２被係合開口６２１との間に形成されている。上記した仮想線Ｐｃ，Ｐｅの位置には壁部分６ｍが形成されている。なお、テンションプレート６は高い強度をもつ材料（例えば高張力鋼）で形成されているため、開口窓６５を形成しても支障がない。

（実施形態２）
図１３は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１包囲壁３６は第１凹部３５をもつ。第１凹部３５において、軽量化等のため、入口３５ｉと反対側にも開口３５ｋが形成されている。前述したように、テンションプレート６と第１エンドプレート３とを組み付けるときには、テンションプレート６の第１被係合突起６０２をもつ辺６０１ａは、第１係合部３４の第１包囲壁３６の端面３６ｐに押圧されて係合する。かかる係合構造であるため、第１包囲壁３６の開口３５ｋを形成しても、係合力の維持には支障がないためである。更にプレス工程において型抜き性が容易である。本実施形態においても、第１エンドプレート３および第２エンドプレート４とテンションプレート６とは、締結ボルトを用いることなく、組み付けられる。

（実施形態３）
図１４（Ａ）（Ｂ）は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１４（Ａ）（Ｂ）は、第２エンドプレート４とテンションプレート６とが係合する過程を表す断面図を示す。まず、図１４（Ａ）に示すように、矢印Ｙ方向において、テンションプレート６（一点鎖線で示す）を第２エンドプレート４の第２フランジ部４１に対向させる。次に、テンションプレート６を第１エンドプレート３に対して矢印Ｙ１方向に沿って相対移動させて更に接近させる。これにより図１４（Ａ）に示すように、第２エンドプレート４の第２フランジ部４１の第２係合部４４と、テンションプレート６の第２被係合部６２の第２被係合開口６２１とを嵌め込む。

この状態において、付勢部材５の付勢力により、第２エンドプレート４は矢印Ｘ２方向に付勢されて相対移動する。この結果、図１４（Ｂ）に示すように、第２エンドプレート４の第２係合部４４の第２凹部４５と、テンションプレート６の第２被係合突起６２２とは互いに嵌合して係合される。この状態では、図１４（Ｂ）に示すように、テンションプレート６の第２被係合突起６２２の先端６２２ｅと、第２係合部４４の第２包囲壁４６の内壁面４６ｉとは、互いに当接している。このように当接している状態では、第２エンドプレート４の第２被係合突起６２２は、第２包囲壁４６により覆われて第２包囲壁４６に係合している。このため、第２被係合突起６２２は矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に離脱することができない。即ち、テンションプレート６は矢印Ｙ２方向（スタック積層方向と交差する方向の外方）に離脱することができない。このようにして第２エンドプレート４とテンションプレート６とは、締結ボルトを用いることなく、組み付けられる。第１エンドプレート３とテンションプレート６との組み付けも同様な構造であり、締結ボルトを用いることなく、組み付けられる。

（実施形態４）
図１５（Ａ）（Ｂ）は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第２エンドプレート４の第２フランジ部４１には、第２係合部４４が形成されている。第２係合部４４は、実施形態１と同様の構成をもち、第２凹部４５を形成する第２包囲壁４６を備えている。第２包囲壁４６は袋壁状とされている。図１５（Ａ）（Ｂ）に示すように、テンションプレート６の第２被係合部６２Ｂは、テンションプレート６をプレス成形により部分的に曲成した凸をなす爪状の第２被係合突起６２２Ｂと、第２凹み部６２７とを有する。第２被係合突起６２２Ｂは、テンションプレート６から第２エンドプレート４の第２プレート部４０に向けてプレス成形（冷間加工，温間加工および熱間加工）により部分的に曲成されている。この場合、プレス成形が冷間加工であれば、第２被係合突起６２２Ｂの加工硬化による強化が期待される。

図１５（Ａ）に示すように、矢印Ｙ方向（スタック２の積層方向と交差する方向）において、テンションプレート６（一点鎖線で示す）を第２エンドプレート４の第２フランジ部４１に対向させる。次に、テンションプレート６を矢印Ｙ１方向に沿って相対移動させて接近させる。これにより図１５（Ａ）に示すように、第２エンドプレート４の第２係合部４４とテンションプレート６の第２被係合部６２Ｂとを対面させる。この状態において、付勢部材５の付勢力により、第２エンドプレート４は矢印Ｘ２方向に付勢されて相対移動する。このため図１５（Ｂ）に示すように、第２エンドプレート４の第２係合部４４の第２凹部４５と、テンションプレート６の第２被係合部６２Ｂの第２被係合突起６２２Ｂとは互いに嵌合して係合される。

この状態では、図１５（Ｂ）に示すように、テンションプレート６の第２被係合突起６２２Ｂは、第２エンドプレート４の第２係合部４４の第２包囲壁４６により覆われている。このため、第２被係合突起６２２Ｂは、矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外側）に離脱することができない。なお、図示はしないものの、第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とが係合する過程も同様である。

（実施形態５）
図１６（Ａ）（Ｂ）は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第２エンドプレート４の第２フランジ部４１には、第２係合部としての第２係合孔４４Ｃが形成されている。第２係合孔４４Ｃは、第２フランジ部４１の厚み方向に貫通する。テンションプレート６の第２被係合部６２Ｃは、テンションプレート６をプレス成形により部分的に曲成した凸をなす爪状をなす第２被係合突起６２２Ｃと、凹状部６２７とを有する。

図１６（Ａ）に示すように、矢印Ｙ方向（スタック２の積層方向と交差する方向）において、テンションプレート６（一点鎖線で示す）を第２エンドプレート４の第２フランジ部４１に対向させる。次に、テンションプレート６を第２フランジ部４１に対して矢印Ｙ１方向に沿って相対移動させて接近させる。これにより図１６（Ａ）に示すように、第２エンドプレート４の第２係合開口４４Ｃと、テンションプレート６の第２被係合部６２Ｃとを嵌合させる。

この状態において、付勢部材５の付勢力により、第２エンドプレート４は矢印Ｘ２方向に付勢されて相対移動する。この結果、図１６（Ｂ）に示すように、テンションプレート６の第２被係合突起６２２Ｃは、第２エンドプレート４の第２係合部４４Ｃの縁部４４９により覆われて縁部４４９に係合している。第２被係合突起６２２Ｃは、矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に離脱することができない。この結果、テンションプレート６は矢印Ｙ２方向（スタック２の積層方向と交差する方向の外方）に離脱することができない。なお、図示はしないものの、第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とが係合する過程も同様である。

（実施形態６）
図１７は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。テンションプレート６には窓開口が形成されていないため、更なる強化が図られる。

（その他）
上記した実施形態１によれば、軽量化用の開口窓６５は仮想線Ｐａに沿って形成されているが、場合によっては、仮想線Ｐｃ，Ｐｅに沿って開口窓６５を形成しても良い。更に上記した実施形態１によれば、酸化剤導入孔７１、冷却水導入孔７３、燃料導入孔７５、酸化剤導出孔７２、冷却水導出孔７４、燃料導出孔７６が第２エンドプレート４の第２プレート部４０に形成されているが、これに限らず、第１エンドプレート３の第１プレート部３０に形成されていても良い。

スタック２は、鉛直方向に沿った複数のセル２０を水平方向に沿って積層させる構造であるが、これに限らず、水平方向に沿ったセル２０を鉛直方向に沿って積層させる構造としても良い。第１係合部３４の数は複数個であれば良い。第２係合部４４の数は複数個であれば良く、第１係合部３４と同数個でも良いし、異なっていても良い。

上記した実施形態１によれば、第１係合部３４の第１凹部３５の入口３５ｉ側には、小開口３７が第１フランジ部３１を厚み方向に貫通するように形成されているが、これに限らず、小開口３７は形成されていなくても良い。小開口３７の長さＬ１としては、Ｌ１＞Ｌ２とされているが、これに限定されない。小開口３７は、開口部３７ａおよび開口部３７ｃをもつが、これに限定されない。

更に、第１エンドプレート３の第１上フランジ部３８、第１下フランジ部３９を廃止しても良い。第２エンドプレート４の第２上フランジ部４８、第２下フランジ部４９を廃止しても良い。第１係合突起６０２および第２係合突起６２２を強化処理（焼入処理など）しても良い。第１被係合開口６０１の周縁および第２被係合開口６２１の周縁を強化処理（例えば焼入処理など）しても良い。特に、応力が作用し易い辺６０１ａの周縁，辺６２１ａの周縁を強化処理（例えば焼入処理など）しても良い。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、ポータブル用等の燃料電池スタック装置に利用することができる。

実施形態１に係り、燃料電池スタック装置の平面に沿った断面図である。 実施形態２に係り、燃料電池スタック装置の側面図である。 テンションプレートの側面図である。 テンションプレートの第１被係合部の第１被係合開口の付近を部分的に示す側面図である。 第１係合部を有する第１エンドプレートの斜視図である。 第２係合部を有する第２エンドプレートの斜視図である。 第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とを係合させる直前の状態を示す斜視図である。 第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とを係合させる途中過程を示す斜視図である。 第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とを係合させる途中過程を示す斜視図である。 第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とが係合している状態を示す斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）は、第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とが係合する過程を示す断面図である。 第２エンドプレートの第２係合部とテンションプレートの第２被係合部とが係合している状態を示す斜視図である。 実施形態２に係り、第１エンドプレートの第１係合部とテンションプレートの第１被係合部とが係合している状態を示す斜視図である。 実施形態３に係り、（Ａ）（Ｂ）は、第２エンドプレートの第２係合部とテンションプレートの第２被係合部とが係合する過程を示す断面図である。 実施形態４に係り、（Ａ）（Ｂ）は、第２エンドプレートの第２係合部とテンションプレートの第２被係合部とが係合する過程を示す断面図である。 実施形態５に係り、（Ａ）（Ｂ）は、第２エンドプレートの第２係合部とテンションプレートの第２被係合部とが係合する過程を示す断面図である。 実施形態６に係り、燃料電池スタック装置の側面図である。

符号の説明

１は燃料電池スタック装置、２はスタック、２０はセル、２４はプレッシャプレート、３は第１エンドプレート、３１は第１フランジ部、３４は第１係合部、３５は第１凹部、３６は第１包囲壁、４は第２エンドプレート、４１は第２フランジ部、４４は第２係合部、４５は第２凹部、４６は第２包囲壁、５は付勢部材、６５は開口窓、６はテンションプレート、６１は第１被係合部、６０１は第１被係合開口、６０２は第１被係合突起、６２は第２被係合部、６２１は第２被係合開口、６２２は第２被係合突起、Ｘはスタック積層方向を示す。

Claims (5)

1. 燃料電池のセルを積層方向に積層して形成されたスタックと、
   前記スタックの積層方向の一端部側に配置され第１係合部をもつ第１エンドプレートと、
   前記スタックの積層方向の他端部側に配置され第２係合部をもつ第２エンドプレートと、
   前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとの間に配置され前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートを互いに離間する方向に付勢させることにより、前記スタックの各前記セル同士を互いに密接させる方向に付勢する付勢部材と、
   前記スタックの積層方向に沿ったスタック側面を覆うように前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとの間に配置され、前記付勢部材の付勢力を受けて前記第１係合部に係脱可能に係合する前記第１被係合部と前記付勢部材の付勢力を受けて前記第２係合部に係脱可能に係合する第２被係合部とを備えるテンションプレートと、を具備していることを特徴とする燃料電池スタック装置。
2. 請求項１において、前記スタックの積層方向と交差する方向に沿って前記テンションプレートを前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートに対して相対移動させて接近させることにより、前記第１係合部と前記第１被係合部とを対面させると共に前記第２係合部と前記第２被係合部とを対面させる対面操作と、前記対面操作後に前記付勢部材の付勢力を受けて前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートを前記スタックの積層方向において互いに離間させる方向に付勢させて相対移動させる付勢操作とにより、
   前記第１エンドプレートの前記第１係合部は、前記テンションプレートの前記第１被係合部と係脱可能に係合すると共に、前記第２エンドプレートの前記第２係合部は、前記テンションプレートの前記第２被係合部と係脱可能に係合することを特徴とする燃料電池スタック装置。
3. 請求項１または２において、前記テンションプレートの前記第１被係合部は、前記テンションプレートを厚み方向に貫通する第１被係合開口と、前記第１被係合開口の縁部に形成された第１被係合突起とを備えており、
   前記テンションプレートの前記第２被係合部は、前記テンションプレートを厚み方向に貫通する第２被係合開口と、前記第２被係合開口の縁部に形成された第２被係合突起とを備えており、
   前記第１エンドプレートの前記第１係合部は、前記第１被係合突起が嵌まる第１凹部を形成する第１包囲壁を備え、
   前記第２エンドプレートの前記第２係合部は、前記第２被係合突起が嵌まる第２凹部を形成する第２包囲壁を備えていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記テンションプレートは軽量化用の開口窓を備えていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
5. 請求項４において、前記開口窓は、前記テンションプレートにおいて、前記第１被係合部と第２被係合部との間に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック装置。

Images