JP2009146853A - Laminate fastening structure and fuel cell - Google Patents

Laminate fastening structure and fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2009146853A
JP2009146853A JP2007325691A JP2007325691A JP2009146853A JP 2009146853 A JP2009146853 A JP 2009146853A JP 2007325691 A JP2007325691 A JP 2007325691A JP 2007325691 A JP2007325691 A JP 2007325691A JP 2009146853 A JP2009146853 A JP 2009146853A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
shaft
fixed
fuel cell
fixing member
fastening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007325691A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhisa Kunitake
和久 國武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007325691A priority Critical patent/JP2009146853A/en
Publication of JP2009146853A publication Critical patent/JP2009146853A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To check a change in a standard dimension caused by a drop in temperature when a laminate is fastened between end plates in the standard dimension by a shaft. <P>SOLUTION: A fastening shaft 100 includes: a first shaft 110 fixed to one end plate 10a; and a second shaft 130 fixed to the other end plate 10a, wherein a coupling shaft portion 134 is inserted into a closed end hole 116 for superimposing both shafts. A shaft fixing member 120 is disposed in an area where the shafts are superimposed to couple the first shaft 110 and the second shaft 130. The shaft fixing member 120 has a coefficient of thermal expansion β larger than that α of both shafts. As a result, the shaft fixing member 120 largely shrinks during the temperature drop, thereby: reducing the distance between an open-side end face of the first shaft 110 and an open-side end face of the second shaft 130; and extending the distance between an end face of the first shaft 110 on the end plate 10a side and an end face of the second shaft 130. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、対向する一対のエンドプレートの間に積層体を定寸に締結する積層体締結構造とこれを用いて燃料電池ユニットを複数積層して締結した燃料電池に関する。   The present invention relates to a laminated body fastening structure in which a laminated body is fastened between a pair of opposed end plates and a fuel cell in which a plurality of fuel cell units are laminated and fastened using the laminated body fastening structure.

積層体をエンドプレート間に締結するには、大別して二つの手法がある。その一つは、積層体を積層方向に押圧するための荷重を定荷重としたいわゆる定荷重方式の締結であり、他方は、積層体を定寸に締結するいわゆる定寸方式の締結である。両手法とも、エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにより積層体を締結する点で共通する。   There are roughly two methods for fastening the laminated body between the end plates. One of them is a so-called constant load type fastening in which a load for pressing the laminated body in the laminating direction is a constant load, and the other is a so-called sizing type fastening that fastens the laminated body at a constant size. Both methods are common in that the laminate is fastened by a shaft disposed on the side of the laminate between the end plates.

ところで、発電単位の燃料電池ユニットを複数積層した燃料電池では、想定される使用環境温度範囲において、各燃料電池ユニットに積層方向に掛かる荷重の変化をある程度の範囲に収めることが、発電性能の維持の観点から要請されている。こうした要請への対処は、定荷重方式の締結が簡便であり、例えば、シャフトの一部部位(伸縮部位)を温度変化に追従して伸縮するようにすることで定荷重化を図ることが提案されている(特許文献1)。   By the way, in a fuel cell in which a plurality of fuel cell units of power generation units are stacked, it is possible to maintain the power generation performance within a certain range of the load applied to each fuel cell unit in the stacking direction within the assumed operating environment temperature range. It is requested from the viewpoint of. To deal with these demands, it is easy to fasten the constant load method. For example, it is proposed to achieve constant load by expanding and contracting a part of the shaft (extension / contraction part) following the temperature change. (Patent Document 1).

特開2007−115604号公報JP 2007-115604 A

定寸方式の締結では、想定される使用環境温度範囲における燃料電池ユニットの伸縮の程度を考慮した上でエンドプレート間の間隔(即ち、締結の定寸)を規定し、この間隔の広狭を抑制することがなされている。具体的には、エンドプレート間に配設したシャフトを線膨張係数の小さい材料から形成することで、エンドプレート間の間隔の広狭を抑制することがなされている。つまり、定寸方式の締結では、エンドプレート間の間隔が一定範囲であれば、温度変化により燃料電池ユニットの伸縮が起きてもその伸縮範囲における荷重変化は発電性能維持の上から許容されることを前提として、燃料電池ユニットの締結時の定寸が定められている。   In fixed-size fastening, the distance between the end plates (that is, the fixed dimension of fastening) is specified in consideration of the degree of expansion and contraction of the fuel cell unit in the assumed operating environment temperature range, and the width of this gap is suppressed. It has been done. Specifically, the width between the end plates is suppressed by forming the shaft disposed between the end plates from a material having a small linear expansion coefficient. In other words, in fixed-size fastening, if the distance between the end plates is within a certain range, even if the fuel cell unit expands or contracts due to a temperature change, a load change in the expandable range is allowed to maintain power generation performance. As a premise, the fixed size when the fuel cell unit is fastened is determined.

この場合、シャフトの伸縮に基づくエンドプレート間の間隔の広狭は、許容範囲とはいえ燃料電池ユニットにかかる荷重の変化をもたらし、シャフト伸張による上記間隔の広がりは、上記の荷重の軽減となる。過重な荷重軽減は、積層された燃料電池ニットの不用意なズレの遠因となるので、ズレ防止の上からは荷重軽減を回避することが望ましい。よって、定寸方式の締結の際には、エンドプレート間の間隔を使用環境温度の上限を想定して定め、エンドプレート間のシャフトを線膨張係数の小さい材料とすることで、シャフト収縮が小さくなるようにされている。   In this case, the width of the gap between the end plates based on the expansion and contraction of the shaft causes a change in the load applied to the fuel cell unit although it is an allowable range, and the widening of the gap due to the extension of the shaft reduces the load. Excessive load reduction is a cause of inadvertent misalignment of the stacked fuel cell units. Therefore, it is desirable to avoid load reduction in order to prevent misalignment. Therefore, when fastening with the fixed size method, the interval between the end plates is determined assuming the upper limit of the operating environment temperature, and the shaft between the end plates is made of a material having a small linear expansion coefficient, so that the shaft shrinkage is reduced. It is supposed to be.

特許文献1で提案された定荷重方式の締結手法では、シャフトの伸縮部位のみならずシャフトの他の部位(非伸縮部位)にあっても、温度降下時に収縮を起こすことから、非伸縮部位の収縮程度によっては、この収縮による荷重変化(荷重増加)を無視できない場合もある。また、定荷重方式で締結した燃料電池にあっては、その外寸、特に積層方向の寸法が使用温度により変化するため、燃料電池搭載対象、例えば車両等にあってはその搭載に際して寸法変化を考慮せざるを得ず、搭載の自由度に制約を受ける。   In the fastening method of the constant load system proposed in Patent Document 1, not only the expansion / contraction part of the shaft but also the other part of the shaft (non-extension / contraction part) causes contraction when the temperature drops. Depending on the degree of contraction, the load change (load increase) due to the contraction may not be ignored. In addition, in the case of a fuel cell fastened by a constant load method, its outer dimensions, particularly the dimensions in the stacking direction, vary depending on the operating temperature. It must be taken into consideration and is limited by the degree of freedom of mounting.

定寸方式の締結では、定寸であるが故に搭載の自由度は高まり、エンドプレート間のシャフトの収縮が小さいほど、搭載性は高まる。しかしながら、エンドプレート間のシャフトの収縮を小さくするには、シャフトを線膨張係数の小さい材料とせざるを得ず、シャフト収縮の低減には材料選定の上から限界があった。   In the sizing method, since the size is fixed, the degree of freedom of mounting increases, and the smaller the contraction of the shaft between the end plates, the higher the mounting property. However, in order to reduce the shrinkage of the shaft between the end plates, the shaft has to be made of a material having a small linear expansion coefficient, and there is a limit in reducing the shrinkage of the shaft in terms of material selection.

本発明は、上記した課題を踏まえ、エンドプレート間に積層体をシャフトにて定寸で締結した際に、温度降下に伴う定寸寸法の変化を抑制することをその目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention has an object to suppress a change in a sizing dimension due to a temperature drop when a laminate is fastened with a shaft between end plates.

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。   In order to achieve at least a part of the above object, the present invention adopts the following configuration.

[適用:積層体締結構造]
対向する一対のエンドプレートで積層体を挟持し、前記エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにて前記積層体を定寸に締結する積層体締結構造であって、
前記シャフトは、
一方のエンドプレートに端面で固定され、前記定寸の寸法より短寸の第1シャフトと、
他方のエンドプレートに端面で固定され、前記一方のエンドプレートに向けて延びて前記第1シャフトと重なり、前記定寸の寸法より短寸の第2シャフトと、
前記第1シャフトと前記第2シャフトの両シャフトが重なった領域に配置され、前記第1シャフトの開放端側で前記第1シャフトと固定され、前記第2シャフトの開放端側で前記第2シャフトと固定されたシャフト固定部材とを備え、
該シャフト固定部材は、前記両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて前記両シャフトより大きな収縮率を呈し、温度降下時においては、シャフト固定部材自体の収縮により前記両シャフトとの固定箇所間の隔たりを狭くする
ことを要旨とする。
[Applicable: Laminated structure]
A laminated body fastening structure in which a laminated body is sandwiched between a pair of opposed end plates, and the laminated body is fastened to a fixed size by a shaft disposed on the lateral side of the laminated body between the end plates,
The shaft is
A first shaft fixed at one end plate to one end plate and shorter than the fixed dimension;
A second shaft fixed to the other end plate at an end face, extending toward the one end plate, overlapping the first shaft, and shorter than the fixed dimension;
The first shaft and the second shaft are arranged in a region where the first shaft and the second shaft overlap with each other, fixed to the first shaft on the open end side of the first shaft, and the second shaft on the open end side of the second shaft. And a fixed shaft fixing member,
The shaft fixing member is formed of a material having a larger linear expansion coefficient than both shafts and exhibits a larger shrinkage rate than both shafts. When the temperature drops, the shaft fixing member is fixed to both shafts by contraction of the shaft fixing members themselves. The gist is to narrow the gap between the points.

上記構成の積層体締結構造では、一方のエンドプレートから延びた第1シャフトと他方のエンドプレートから延びた第2シャフトとを、この両シャフトが重なった領域に配置されて両シャフトとそれぞれの開放端側で固定されたシャフト固定部材にて連結した。よって、シャフト固定部材により連結された状態では、上記の開放端と反対側の第1シャフトの端面(当接端面)と第2シャフトの端面(当接端面)とは定寸の寸法(定寸寸法)となるので、第1シャフトをその端面で一方のエンドプレートに固定し、第2シャフトをその端面で他方のエンドプレートに固定することで、エンドプレート間の積層体を定寸で締結する。   In the laminate fastening structure having the above-described configuration, the first shaft extending from one end plate and the second shaft extending from the other end plate are arranged in a region where the shafts overlap with each other, and both shafts are opened. It connected with the shaft fixing member fixed by the end side. Therefore, in a state where they are connected by the shaft fixing member, the end surface (contact end surface) of the first shaft opposite to the above open end and the end surface (contact end surface) of the second shaft are fixed dimensions (fixed dimensions). Therefore, the first shaft is fixed to one end plate at its end face, and the second shaft is fixed to the other end plate at its end face, thereby fastening the laminate between the end plates at a fixed size. .

今、第1シャフトと第2シャフトの両シャフトに固定されたシャフト固定部材が第1シャフト、第2シャフトと同じ材料であると仮定すると、この仮定シャフトは、第1〜第2の両シャフトとシャフト固定部材とに別れているものの、シャフト固定部材を介して第1、第2のシャフトが固定されていることから、単一のシャフトと変わるものではない。よって、この仮定シャフトでは、温度降下時において、共通する材料が有する線膨張係数に依存した収縮を第1〜第2の両シャフトとシャフト固定部材がそれぞれ起こし、第1シャフトの当接端面と第2シャフトの当接端面との隔たりは、共通する材料が有する線膨張係数に依存して狭くなり、この縮み代は単一のシャフトにて締結した従来の締結構造と同じとなる。   Assuming that the shaft fixing member fixed to both the first shaft and the second shaft is made of the same material as that of the first shaft and the second shaft, the hypothetical shaft includes the first and second shafts. Although it is separated from the shaft fixing member, since the first and second shafts are fixed via the shaft fixing member, it is not different from a single shaft. Therefore, in this hypothetical shaft, when the temperature drops, the first and second shafts and the shaft fixing member cause contraction depending on the linear expansion coefficient of the common material, and the contact end surface of the first shaft and the first shaft The distance from the contact end surface of the two shafts is narrowed depending on the linear expansion coefficient of the common material, and this shrinkage is the same as the conventional fastening structure fastened by a single shaft.

ところが、上記構成の積層体締結構造では、第1シャフトと第2シャフトの両シャフトに固定されたシャフト固定部材は、第1、第2の両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて両シャフトより大きな収縮率を呈することから、次のようになる。上記構成の積層体締結構造においても、温度降下に伴い第1〜第2の両シャフトとシャフト固定部材がそれぞれ収縮するが、シャフト固定部材は、上記した収縮率の関係から、このシャフト固定部材が第1、第2シャフトと同じである場合より大きく収縮して、シャフト固定部材による両シャフトの固定箇所間の隔たり狭くする。温度降下前と降下後とでのシャフト固定部材の固定箇所間の隔たりが狭くなった分は、第1と第2の両シャフトの重なり範囲が狭くなることに相当するので、この隔たりが狭くなった分だけ、第1シャフトの当接端面と第2シャフトの当接端面との隔たりは広くなる。その一方、第1と第2の両シャフトは、シャフト固定部材の収縮とは別にそれぞれ個別に収縮している。このため、この第1と第2の両シャフト個別の収縮は、シャフト固定部材が収縮することによる第1シャフトの当接端面と第2シャフトの当接端面との隔たりの広がりにより、その広がりの分だけ相殺されることになる。この結果、上記構成の積層体締結構造によれば、温度降下の際の第1シャフトの当接端面と第2シャフトの当接端面との隔たりの変化を抑制できるので、エンドプレート間に締結した積層体の定寸寸法にあっても温度降下に伴う変化を抑制できる。   However, in the laminate fastening structure having the above-described configuration, the shaft fixing member fixed to both the first shaft and the second shaft is formed of a material having a larger linear expansion coefficient than both the first and second shafts. Since the shrinkage rate is larger than that of both shafts, it is as follows. Also in the laminated body fastening structure having the above-described configuration, both the first and second shafts and the shaft fixing member are contracted as the temperature drops. However, the shaft fixing member is The shrinkage is greater than when the first and second shafts are the same, and the distance between the fixed portions of both shafts by the shaft fixing member is narrowed. Since the distance between the fixed portions of the shaft fixing member before and after the temperature decrease is equivalent to the narrower overlapping range of the first and second shafts, this distance is reduced. Accordingly, the distance between the contact end surface of the first shaft and the contact end surface of the second shaft is increased. On the other hand, the first and second shafts are individually contracted separately from the contraction of the shaft fixing member. Therefore, the individual contraction of the first and second shafts is caused by the expansion of the distance between the contact end surface of the first shaft and the contact end surface of the second shaft due to contraction of the shaft fixing member. It will be offset by the minute. As a result, according to the laminated body fastening structure configured as described above, the change in the distance between the contact end surface of the first shaft and the contact end surface of the second shaft at the time of temperature drop can be suppressed. Even if it is in the fixed dimension of a laminated body, the change accompanying a temperature fall can be suppressed.

上記した積層体締結構造は、次のような態様とすることができる。例えば、前記第1シャフトと前記第2シャフトについては、この両シャフトを同一の材料から形成するようにできる。こうすれば、第1〜第2の両シャフトとシャフト固定部材を形成するに当たっては、2種類の材料、即ち第1、第2シャフトの材料とシャフト固定部材の材料を選定すればよく、材料選定が容易となる。また、第1、第2のシャフト形成に際しては、同一材料の機械加工を行えばよいことから、加工刃物の共通化、工程管理の簡略化を図ることができる。   The laminated body fastening structure described above can be configured as follows. For example, for the first shaft and the second shaft, both shafts can be formed from the same material. In this way, in forming the first and second shafts and the shaft fixing member, two types of materials, that is, the first and second shaft materials and the shaft fixing member material may be selected. Becomes easy. Further, when the first and second shafts are formed, machining of the same material may be performed, so that it is possible to share machining blades and simplify process management.

この他、前記第1シャフトと前記第2シャフトを、前記一対のエンドプレートの間に同軸に配設するようにできる。こうすれば、両エンドプレートに挟持した積層体をその側方において同軸に締結できることから、積層体に及ぶ締め付け力(荷重)の不用意な集中を回避できる。   In addition, the first shaft and the second shaft can be arranged coaxially between the pair of end plates. By so doing, the laminate sandwiched between both end plates can be fastened coaxially on the side thereof, so that inadvertent concentration of the tightening force (load) on the laminate can be avoided.

本発明では、積層体の上記した定寸締結手法にて燃料電池ユニットを締結した燃料電池として、以下の構成を採用した。   In the present invention, the following configuration is adopted as the fuel cell in which the fuel cell unit is fastened by the above-described fixed-size fastening method of the laminate.

[適用:燃料電池]
燃料電池であって、
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットを対向する一対のエンドプレートの間に複数積層して挟持し、該積層した燃料電池ユニットを上記の積層体締結構造により前記エンドプレート間に定寸で締結する
ことを要旨とする。
[Application: Fuel cell]
A fuel cell,
A plurality of fuel cell units that generate electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen are stacked and sandwiched between a pair of opposing end plates, and the stacked fuel cell units are defined between the end plates by the above-described stacked body fastening structure. The gist is to conclude with the dimensions.

この燃料電池では、複数の燃料電池ユニットを定寸で締結した上で、温度降下が起きてもエンドプレート間に締結した複数の燃料電池ユニットの定寸寸法の変化を抑制できる。よって、締結寸法が変化することによって起きる燃料電池ユニットでの荷重変化を抑制できるので、発電性能の維持および安定化を達成できる。   In this fuel cell, after a plurality of fuel cell units are fastened to a fixed size, a change in the fixed size of the plurality of fuel cell units fastened between the end plates can be suppressed even if a temperature drop occurs. Therefore, since the load change in the fuel cell unit caused by the change in the fastening dimension can be suppressed, the power generation performance can be maintained and stabilized.

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は本発明の実施例としての燃料電池10の概略構成を示す説明図、図2は締結シャフト100の全体構成を斜視にて概略的に示す説明図、図3はこの締結シャフト100による締結の様子を説明する説明図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 10 as an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the overall configuration of a fastening shaft 100 in perspective, and FIG. It is explanatory drawing explaining the mode.

図示するように、燃料電池10は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット40を、一対のエンドプレート10aの間に複数積層させたスタック構造として備える。各燃料電池ユニット40は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却用の冷媒の流路が形成されている。なお、燃料電池ユニット40の積層数は、燃料電池10に要求される出力に応じて任意に設定可能である。   As shown in the drawing, the fuel cell 10 includes a fuel cell unit 40 that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen as a stack structure in which a plurality of layers are stacked between a pair of end plates 10a. Each fuel cell unit 40 is configured by sandwiching a membrane electrode assembly formed by joining an anode and a cathode on both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity, with a separator. In the membrane / electrode assembly, each of the anode and the cathode includes a catalyst layer bonded to each surface of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer bonded to the surface of the catalyst layer. In this example, a solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane. Other electrolyte membranes such as solid oxides may be used as the electrolyte membrane. Each separator is provided with a hydrogen flow path as a fuel gas to be supplied to the anode, an air flow path as an oxidant gas to be supplied to the cathode, and a cooling refrigerant flow path. The number of stacked fuel cell units 40 can be arbitrarily set according to the output required for the fuel cell 10.

燃料電池10は、上記したスタック構造の燃料電池ユニット40を対向する一対のエンドプレート10aで挟持するに当たり、エンドプレート10aの側にそれぞれ絶縁板20aと集電板30aとを介在させる。そして、エンドプレート10aと絶縁板20aおよび集電板30aには、それぞれの燃料電池ユニット40に水素給排、空気給排、および冷媒給排のための供給口・排出口が設けられている。また、それぞれの燃料電池ユニット40は、水素や、空気や、冷媒の分配供給の供給マニホールド(水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒供給マニホールド)や、各燃料電池ユニット40のカソード・アノードから排出されるオフガスや、冷媒を集合させて燃料電池10の外部に排出するための排出マニホールド(カソードオフガス排出マニホールド、アノード排出マニホールド、冷媒排出マニホールド)を備える(図示省略)。   In the fuel cell 10, when the fuel cell unit 40 having the above-described stack structure is sandwiched between a pair of opposing end plates 10 a, an insulating plate 20 a and a current collecting plate 30 a are interposed on the end plate 10 a side. The end plate 10a, the insulating plate 20a, and the current collecting plate 30a are provided with supply ports / discharge ports for supplying / discharging hydrogen, supplying / discharging air, and supplying / discharging the refrigerant in each fuel cell unit 40. Each fuel cell unit 40 is discharged from a supply manifold (hydrogen supply manifold, air supply manifold, refrigerant supply manifold) for distributing and supplying hydrogen, air, and refrigerant, and a cathode and an anode of each fuel cell unit 40. And a discharge manifold (cathode offgas discharge manifold, anode discharge manifold, refrigerant discharge manifold) for collecting and discharging the off-gas and refrigerant outside the fuel cell 10 (not shown).

エンドプレート10aは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板20aは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板30aは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30aには、それぞれ、図示しない出力端子が設けられており、燃料電池10で発電した電力を出力可能となっている。   The end plate 10a is formed of a metal such as steel in order to ensure rigidity. The insulating plate 20a is formed of an insulating member such as rubber or resin. The current collecting plate 30a is formed of dense carbon, a gas impermeable conductive member such as a copper plate. Each of the current collecting plates 30a is provided with an output terminal (not shown) so that the power generated by the fuel cell 10 can be output.

燃料電池10は、対向する一対のエンドプレート10aの間におけるスタック構造の燃料電池ユニット40の側方に締結シャフト100を配置して備える。締結シャフト100は、上記したスタック構造の燃料電池ユニット40を対向する一対のエンドプレート10aの間において締結する。図2および図3に示すように、この締結シャフト100は、第1シャフト110と第2シャフト130とを備える。   The fuel cell 10 includes a fastening shaft 100 disposed on the side of the fuel cell unit 40 having a stack structure between a pair of opposed end plates 10a. The fastening shaft 100 fastens the fuel cell unit 40 having the above-described stack structure between a pair of end plates 10a facing each other. As shown in FIGS. 2 and 3, the fastening shaft 100 includes a first shaft 110 and a second shaft 130.

第1シャフト110は、スタック構造の燃料電池ユニット40を対向する一対のエンドプレート10aの間において締結する際に予め規定した定寸の寸法(定寸寸法)Lより短寸の寸法L1とされ、一端側を、エンドプレート10aの貫通孔12に挿入されるボス112とし、雌ネジ113を有する。この第1シャフト110は、ボス112と反対側に、有底孔116を備える。第2シャフト130は、第1シャフト110と同一の材料から形成されたシャフト材であって、上記の定寸の寸法Lより短寸の寸法L2とされ、一端側を、エンドプレート10aの貫通孔12に挿入されるボス112とし、雌ネジ113を有する。この第2シャフト130は、ボス112と反対側を小径の連結シャフト部134とし、その先端に円盤状の固定駒136を有する。   The first shaft 110 has a dimension L1 shorter than a predetermined dimension (fixed dimension) L when the fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened between a pair of opposed end plates 10a. One end side is a boss 112 inserted into the through hole 12 of the end plate 10a, and has a female screw 113. The first shaft 110 includes a bottomed hole 116 on the side opposite to the boss 112. The second shaft 130 is a shaft material made of the same material as that of the first shaft 110, and has a dimension L2 that is shorter than the above-described fixed dimension L. The boss 112 to be inserted into the boss 12 has a female screw 113. The second shaft 130 has a small-diameter connecting shaft portion 134 on the side opposite to the boss 112 and has a disk-shaped fixing piece 136 at the tip thereof.

第1シャフト110は、一方のエンドプレート10aの貫通孔12にボス112を挿入させてエンドプレート端面と当接した状態で、ボルト102にて、エンドプレート10aに固定される。第2シャフト130にあっては、他方のエンドプレート10aの貫通孔12にボス112を挿入させてエンドプレート端面と当接した状態で、ボルト102にて、エンドプレート10aに固定され、連結シャフト部134を固定駒136と第1シャフト110の有底孔116に挿入させて、その挿入範囲に亘って第1シャフト110と重なる。この場合、第1シャフト110と第2シャフト130は、エンドプレート10aの間に同軸となり、両シャフトのボス112が挿入される貫通孔12にあっても、対向するエンドプレート10aにおいて同軸とされている。そして、締結シャフト100は、第1シャフト110と第2シャフト130の両シャフトが重なった領域にシャフト固定部材120を備える。このシャフト固定部材120は、両シャフトの重なり領域の長さを寸法L3とする筒状体であり、一端側で、第1シャフト110の開放側端面に固定された固定駒114に固定され、他端側で、第2シャフト130の連結シャフト部134先端(開放端側端面)の固定駒136に固定されている。つまり、このシャフト固定部材120は、固定駒114と固定駒136を介して、第1シャフト110の開放側端面でこの第1シャフト110と固定され、第2シャフト130、詳しくは連結シャフト部134の開放側端面で第2シャフト130と固定され、第1シャフト110の開放側端面と第2シャフト130の開放側端面との隔たりを規定することになる。図4は締結シャフト100の製造過程を示す説明図である。   The first shaft 110 is fixed to the end plate 10a with the bolt 102 in a state where the boss 112 is inserted into the through hole 12 of one end plate 10a and is in contact with the end plate end surface. In the second shaft 130, the boss 112 is inserted into the through hole 12 of the other end plate 10a and is in contact with the end plate end surface, and is fixed to the end plate 10a by the bolt 102, and the connecting shaft portion 134 is inserted into the fixed piece 136 and the bottomed hole 116 of the first shaft 110 and overlaps the first shaft 110 over the insertion range. In this case, the first shaft 110 and the second shaft 130 are coaxial between the end plates 10a, and even if they are in the through holes 12 into which the bosses 112 of both shafts are inserted, they are coaxial on the opposing end plates 10a. Yes. The fastening shaft 100 includes a shaft fixing member 120 in a region where both the first shaft 110 and the second shaft 130 overlap. This shaft fixing member 120 is a cylindrical body having a length L3 of the overlapping region of both shafts, and is fixed to a fixing piece 114 fixed to the open end surface of the first shaft 110 on one end side. On the end side, the second shaft 130 is fixed to a fixing piece 136 at the tip (open end side end surface) of the connecting shaft portion 134 of the second shaft 130. That is, the shaft fixing member 120 is fixed to the first shaft 110 at the open end surface of the first shaft 110 via the fixing piece 114 and the fixing piece 136, and the second shaft 130, specifically, the connecting shaft portion 134. The opening side end surface is fixed to the second shaft 130, and the distance between the opening side end surface of the first shaft 110 and the opening side end surface of the second shaft 130 is defined. FIG. 4 is an explanatory view showing a manufacturing process of the fastening shaft 100.

この図4に示すように、まず、シャフト固定部材120を固定駒114に当接させて溶接し、この溶接品を固定駒114が第2シャフト130の側となるように、連結シャフト部134にセットする。その後、連結シャフト部134の開放端(先端)に固定駒136を溶接し、固定駒136にシャフト固定部材120を当接させて、固定駒136にシャフト固定部材120を溶接する。次いで、第2シャフト130の連結シャフト部134を、第1シャフト110の有底孔116に挿入し、第1シャフト110の開放端に固定駒114を当接させて、第1シャフト110に固定駒114を溶接する。こうすることで、第1シャフト110と第2シャフト130とを同軸に備えて両シャフトの重なり範囲にシャフト固定部材120を有する締結シャフト100が得られ、燃料電池10は、この締結シャフト100にて、図3に示すように、対向するエンドプレート10aの間にスタック構造の燃料電池ユニット40を定寸の寸法Lにて締結する。この締結の定寸寸法Lは、この締結の寸法が広がることによる燃料電池ユニット40の不用意なズレ防止の観点から、既述したように燃料電池10の使用想定温度範囲の上限温度において定められている。   As shown in FIG. 4, first, the shaft fixing member 120 is brought into contact with the fixing piece 114 and welded, and the welded product is attached to the connecting shaft portion 134 so that the fixing piece 114 is on the second shaft 130 side. set. Thereafter, the fixing piece 136 is welded to the open end (tip) of the connecting shaft portion 134, the shaft fixing member 120 is brought into contact with the fixing piece 136, and the shaft fixing member 120 is welded to the fixing piece 136. Next, the connecting shaft portion 134 of the second shaft 130 is inserted into the bottomed hole 116 of the first shaft 110, the fixed piece 114 is brought into contact with the open end of the first shaft 110, and the fixed piece is fixed to the first shaft 110. 114 is welded. By doing so, the fastening shaft 100 having the first shaft 110 and the second shaft 130 coaxially and having the shaft fixing member 120 in the overlapping range of both shafts is obtained. As shown in FIG. 3, the fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed dimension L between the opposed end plates 10 a. The fixed dimension L of the fastening is determined at the upper limit temperature of the assumed temperature range of use of the fuel cell 10 as described above from the viewpoint of preventing inadvertent misalignment of the fuel cell unit 40 due to the widening of the fastening dimension. ing.

上記した締結シャフト100による燃料電池ユニット40締結時の定寸寸法の推移について説明する。図5はスタック構造の燃料電池ユニット40を単一のシャフトSにて定寸寸法Lにて締結した様子と締結シャフト100にて定寸寸法Lにて締結した様子とを対比して示す説明図である。図の上段は、図3に示した形態の締結シャフト100を全て同一の材料(線膨張率α)から形成したと仮定した場合の仮定シャフトに相当する単一のシャフトSを示している。温度がΔT℃降下した場合の、このシャフトSの縮み代ΔLSは、次式で表される。この場合、シャフトSの収縮率は、線膨張率αと比例することから、αを収縮率とすることもできる。   The transition of the fixed dimension when the fuel cell unit 40 is fastened by the fastening shaft 100 will be described. FIG. 5 is an explanatory view showing a state in which a fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed dimension L using a single shaft S and a state where the fuel cell unit 40 is fastened with a fixed dimension L using a fastening shaft 100. It is. The upper part of the figure shows a single shaft S corresponding to an assumed shaft when it is assumed that the fastening shafts 100 of the form shown in FIG. 3 are all made of the same material (linear expansion coefficient α). The shrinkage allowance ΔLS of the shaft S when the temperature drops by ΔT ° C. is expressed by the following equation. In this case, since the contraction rate of the shaft S is proportional to the linear expansion coefficient α, α can also be used as the contraction rate.

ΔLS=L x α x ΔT
=(L1+L2−L3)・α・ΔT
=(L1+L2)・α・ΔT−L3・α・ΔT
ΔLS = L x α x ΔT
= (L1 + L2-L3) · α · ΔT
= (L1 + L2) · α · ΔT-L3 · α · ΔT

一方、図の下段に示すように、本実施例の締結シャフト100における第1シャフト110と第2シャフト130の両シャフトは、線膨張率αの同一材料から形成され、シャフト固定部材120は、両シャフトの線膨張率αより大きな線膨張率βの材料から形成されている。この締結シャフト100の縮み代ΔL100は、次式で表される。この場合、シャフト固定部材120の収縮率は、線膨張率βと比例することから、βを収縮率とすることもでき、β>αの関係となる。   On the other hand, as shown in the lower part of the figure, both the first shaft 110 and the second shaft 130 in the fastening shaft 100 of the present embodiment are formed of the same material having a linear expansion coefficient α, and the shaft fixing member 120 It is made of a material having a linear expansion coefficient β larger than the linear expansion coefficient α of the shaft. The shrinkage allowance ΔL100 of the fastening shaft 100 is expressed by the following equation. In this case, since the contraction rate of the shaft fixing member 120 is proportional to the linear expansion coefficient β, β can also be set as the contraction rate, and β> α.

ΔL100=(L1+L2)・α・ΔT−L3・β・ΔT   ΔL100 = (L1 + L2) · α · ΔT−L3 · β · ΔT

この両縮み代ΔLSとΔL100の差分(ΔLS−ΔL100)は、次のようになる。   The difference (ΔLS−ΔL100) between the two shrinkage allowances ΔLS and ΔL100 is as follows.

ΔLS−ΔL100=((L1+L2)・α・ΔT−L3・α・ΔT)−((L1+L2)・α・ΔT−L3・β・ΔT)
=−L3・α・ΔT+L3・β・ΔT
=L3・ΔT(β−α)
ΔLS−ΔL100 = ((L1 + L2) · α · ΔT−L3 · α · ΔT) − ((L1 + L2) · α · ΔT−L3 · β · ΔT)
= -L3 · α · ΔT + L3 · β · ΔT
= L3 · ΔT (β-α)

線膨張率(収縮率)αとβの関係は、上記したようにβ>αであることから、シャフトSと締結シャフト100の両シャフトにおける縮み代の差分(ΔLS−ΔL100)は、正の値となる。このため、スタック構造の燃料電池ユニット40を単一のシャフトSにて定寸寸法Lにて締結した場合の温度降下時の縮み代は、スタック構造の燃料電池ユニット40を本実施例の締結シャフト100にて定寸寸法Lにて締結した場合より大きくなる。よって、本実施例の締結シャフト100によれば、温度降下時のシャフトの縮み(短寸化)を抑制できるので、エンドプレート10a間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット40の定寸寸法を維持できる。   Since the relationship between the linear expansion rate (shrinkage rate) α and β is β> α as described above, the difference between the shrinkage allowances of the shaft S and the fastening shaft 100 (ΔLS−ΔL100) is a positive value. It becomes. For this reason, the shrinkage allowance at the time of temperature drop when the fuel cell unit 40 having the stack structure is fastened by the single shaft S with the fixed dimension L is the same as the fastening shaft of the present embodiment. It becomes larger than the case where it is fastened with a fixed dimension L at 100. Therefore, according to the fastening shaft 100 of the present embodiment, the shrinkage (shortening) of the shaft at the time of temperature drop can be suppressed, so that the fixed size of the fuel cell unit 40 of the stack structure fastened between the end plates 10a is maintained. it can.

こうした現象は、次のように説明できる。締結シャフト100では、第1シャフト110と第2シャフト130の両シャフトに固定されたシャフト固定部材120は、第1、第2の両シャフトよりも大きな線膨張係数β(>α)の材料から形成されて両シャフトより大きな収縮率を呈する。よって、ΔT℃の温度降下に伴うシャフト固定部材120の収縮は、第1シャフト110と第2シャフト130の重なり範囲がこの両シャフトと同一の材料(線膨張率α<β)である場合より大きくなり、シャフト固定部材120が固定された第1シャフト110の開放側端面と第2シャフト130の開放側端面との隔たりは狭くなる。ΔT℃の温度降下に伴うこの両シャフトの開放側端面の隔たりの狭小化の分は、第1と第2の両シャフトの重なり範囲の狭小化に相当するので、この隔たりが狭小化された分だけ、エンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりは広くなる。   Such a phenomenon can be explained as follows. In the fastening shaft 100, the shaft fixing member 120 fixed to both the first shaft 110 and the second shaft 130 is formed of a material having a larger linear expansion coefficient β (> α) than both the first and second shafts. As a result, the shrinkage rate is larger than both shafts. Therefore, the shrinkage of the shaft fixing member 120 accompanying the temperature drop of ΔT ° C. is larger than when the overlapping range of the first shaft 110 and the second shaft 130 is the same material (linear expansion coefficient α <β). Thus, the distance between the open end surface of the first shaft 110 to which the shaft fixing member 120 is fixed and the open end surface of the second shaft 130 becomes narrow. The narrowing of the gap between the open end faces of both shafts due to the temperature drop of ΔT ° C. corresponds to the narrowing of the overlapping range of the first and second shafts. As a result, the distance between the end surfaces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10a side is widened.

その一方、第1シャフト110と第2シャフト130の両シャフトは、シャフト固定部材120の収縮とは別にそれぞれ個別に収縮している。このため、この両シャフト個別の収縮は、シャフト固定部材120が収縮することによるエンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりの広がりにより、その広がりの分だけ相殺されることになる。この結果、本実施例の締結シャフト100にてスタック構造の燃料電池ユニット40を定寸の寸法Lで締結するに当たり、エンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりを温度降下が起きても維持できるので、エンドプレート間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット40の定寸寸法Lを維持できることになる。   On the other hand, both the first shaft 110 and the second shaft 130 are individually contracted separately from the contraction of the shaft fixing member 120. For this reason, the individual contraction of both shafts is offset by the expansion of the gap between the end surfaces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10a side due to the contraction of the shaft fixing member 120. Will be. As a result, when the fuel cell unit 40 having the stack structure is fastened with the fixed dimension L by the fastening shaft 100 of the present embodiment, the distance between the both end faces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10a side is separated. Can be maintained even when a temperature drop occurs, so that the fixed dimension L of the fuel cell unit 40 having a stack structure fastened between the end plates can be maintained.

また、本実施例では、次のようにした。既述したように、シャフト固定部材120が収縮することによるエンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりの広がりは、第1シャフト110と第2シャフト130の両シャフトの個別の収縮を相殺するが、シャフト固定部材120の収縮が過大となると、上記の両端面の隔たりも大きくなり定寸寸法Lの維持に望ましくない事態となり得る。   In the present embodiment, the following was performed. As described above, the expansion of the gap between the both end surfaces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10 a side due to the contraction of the shaft fixing member 120 is caused by both the first shaft 110 and the second shaft 130. Although the individual contraction of the shaft is offset, if the contraction of the shaft fixing member 120 is excessive, the separation between the both end surfaces becomes large, which may be undesirable for maintaining the fixed dimension L.

今、締結シャフト100において、シャフト固定部材120がないと仮定する。そうすると、線膨張率αの第1シャフト110と第2シャフト130は、ΔT℃の温度降下に伴い個別に収縮してそれぞれL1・(1−α・ΔT)、L2・(1−α・ΔT)となり、両シャフトの重なり範囲の長さをLWとすると、このLWは次式で表される。   Now, it is assumed that there is no shaft fixing member 120 in the fastening shaft 100. Then, the first shaft 110 and the second shaft 130 having a linear expansion coefficient α are individually contracted with a temperature drop of ΔT ° C., and L1 · (1−α · ΔT) and L2 · (1−α · ΔT), respectively. When the length of the overlapping range of both shafts is LW, this LW is expressed by the following equation.

LW=(L1・(1−α・ΔT)+L2・(1−α・ΔT))−L   LW = (L1 · (1−α · ΔT) + L2 · (1−α · ΔT)) − L

ここで、シャフト固定部材120にて第1シャフト110と第2シャフト130とを上記したように連結した場合、熱膨張率βのシャフト固定部材120は、ΔT℃の温度降下に伴い収縮してL3・(1−β・ΔT)の長さとなる。この収縮後の長さが上記したシャフト重なり範囲LWより小さくなると、エンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりを広くし過ぎることになるので、次の関係とした。なお、図3に示したように、L3=L1+L2−Lである。   Here, when the first shaft 110 and the second shaft 130 are connected by the shaft fixing member 120 as described above, the shaft fixing member 120 having a coefficient of thermal expansion β contracts with a temperature drop of ΔT ° C. and becomes L3. The length is (1−β · ΔT). If the length after this contraction becomes smaller than the above-described shaft overlap range LW, the distance between both end surfaces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10a side becomes too wide. did. As shown in FIG. 3, L3 = L1 + L2-L.

LW≦L3・(1−β・ΔT)
(L1・(1−α・ΔT)+L2・(1−α・ΔT))−L≦L3・(1−β・ΔT)
(L1+L2−L)−(L1+L2)・α・ΔT≦L3−L3・β・ΔT
(L1+L2−L)−(L1+L2)・α・ΔT≦(L1+L2−L)−L3・β・ΔT
L3・β・ΔT≦(L1+L2)・α・ΔT
β≦((L1+L2)/L3)・α
LW ≦ L3 · (1-β · ΔT)
(L1 · (1−α · ΔT) + L2 · (1−α · ΔT)) − L ≦ L3 · (1−β · ΔT)
(L1 + L2-L)-(L1 + L2) · α · ΔT ≦ L3-L3 · β · ΔT
(L1 + L2-L)-(L1 + L2) .alpha..DELTA.T.ltoreq. (L1 + L2-L) -L3.beta..DELTA.T
L3 · β · ΔT ≦ (L1 + L2) · α · ΔT
β ≦ ((L1 + L2) / L3) · α

そうすると、既述したβ>αの関係から、本実施例では、シャフト固定部材120、および第1シャフト110、第2シャフト130を形成するための材料選定に当たり、第1シャフト110と第2シャフト130を線膨張率αの材料とした上で、シャフト固定部材120については、その線膨張率βが下記を満たす材料とした。   Then, from the above-described relationship of β> α, in the present embodiment, the first shaft 110 and the second shaft 130 are selected in selecting the material for forming the shaft fixing member 120, the first shaft 110, and the second shaft 130. Is used as a material satisfying the following linear expansion coefficient β.

α<β≦((L1+L2)/L3)・α   α <β ≦ ((L1 + L2) / L3) · α

以上説明したように、本実施例では、上記構成の締結シャフト100を用いてエンドプレート10aとの間にスタック構造の燃料電池ユニット40を定寸寸法Lで締結したので、温度降下が起きてもこの定寸寸法Lを維持できる。そして、本実施例では、その締結対象が、燃料電池10を構成する燃料電池ユニット40であることから、複数の燃料電池ユニット40を定寸寸法Lで締結した上で、この締結寸法(定寸寸法)が変化することによって起きる燃料電池ユニット40での荷重変化を抑制できるので、発電性能の維持および安定化を達成できる。   As described above, in this embodiment, since the stack structure fuel cell unit 40 is fastened to the end plate 10a with the fixed dimension L using the fastening shaft 100 having the above-described configuration, even if a temperature drop occurs. This fixed dimension L can be maintained. In this embodiment, since the fastening object is the fuel cell unit 40 constituting the fuel cell 10, the fastening dimension (fixed dimension) is determined after the plurality of fuel cell units 40 are fastened with the fixed dimension L. Since the load change in the fuel cell unit 40 caused by the change in the dimension) can be suppressed, the power generation performance can be maintained and stabilized.

また、本実施例では、上記した積層体締結構造は、第1シャフト110と第2シャフト130およびシャフト固定部材120を形成するに当たり、第1、第2の両シャフトを同一の材料から形成した。よって、この両シャフトとシャフト固定部材120を形成するに当たっては、2種類の材料、即ち第1、第2の両シャフトの材料とシャフト固定部材120の材料を選定すればよく、材料選定が容易となる。また、第1、第2の両シャフトの形成に際しては、同一材料の機械加工を行えばよいことから、加工刃物の共通化、工程管理の簡略化を図ることができる。例えば、第1シャフト110と第2シャフト130をチタン(線膨張率8x10-6K)や鋳鉄(線膨張率10x10-6K)から形成し、シャフト固定部材120をアルミニウム(線膨張率23x10-6K)やステンレス鋼(線膨張率17x10-6K)から形成できる。そして、上記両シャフトの寸法L1、L2とシャフト固定部材120の寸法L3とを、線膨張率α、βについての上記関係式を満たすように、採択すればよい。 Moreover, in the present Example, when the laminated body fastening structure described above formed the first shaft 110, the second shaft 130, and the shaft fixing member 120, the first and second shafts were formed from the same material. Therefore, when forming both shafts and the shaft fixing member 120, it is only necessary to select two kinds of materials, that is, the materials of both the first and second shafts and the material of the shaft fixing member 120. Become. In forming both the first and second shafts, machining of the same material may be performed, so that the machining tools can be shared and process management can be simplified. For example, a first shaft 110 a second shaft 130 formed of titanium (linear expansion coefficient 8x10 -6 K) and cast iron (linear expansion coefficient 10x10 -6 K), the shaft fixing member 120 aluminum (coefficient of linear expansion 23X10 -6 K) and stainless steel (linear expansion coefficient 17 × 10 −6 K). The dimensions L1 and L2 of the shafts and the dimension L3 of the shaft fixing member 120 may be selected so as to satisfy the above relational expressions for the linear expansion coefficients α and β.

また、本実施例では、第1シャフト110の有底孔116に第2シャフト130の連結シャフト部134を挿入させるようにして、両シャフトを一対のエンドプレート10aの間に同軸に配設した。よって、エンドプレート10aの間に挟持したスタック構造の燃料電池ユニット40をその側方において同軸に締結できることから、燃料電池ユニット40に及ぶ締め付け力(荷重)の不用意な集中を回避できる。   In the present embodiment, both shafts are coaxially disposed between the pair of end plates 10a so that the connecting shaft portion 134 of the second shaft 130 is inserted into the bottomed hole 116 of the first shaft 110. Therefore, since the fuel cell unit 40 having the stack structure sandwiched between the end plates 10a can be coaxially fastened on the side thereof, inadvertent concentration of the tightening force (load) on the fuel cell unit 40 can be avoided.

次に、締結シャフト100の他の形態を説明する。図6は変形例の締結シャフト100Aの概略構成を示す説明図、図7は図5相当図であり変形例の締結シャフト100Aを用いてスタック構造の燃料電池ユニット40を定寸寸法Lにて締結した様子を示す説明図である。   Next, another form of the fastening shaft 100 will be described. FIG. 6 is an explanatory view showing a schematic configuration of a modified fastening shaft 100A, and FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 5, and a fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed dimension L using the modified fastening shaft 100A. It is explanatory drawing which shows a mode made.

図示するように、この変形例の締結シャフト100Aは、その構成部材を角柱のシャフト材から形成した構成を有する。つまり、締結シャフト100Aは、線膨張率αの材料から形成した第1シャフト110Aと第2シャフト130Aとを、エンドプレート10aに当接して固定し、両シャフトの重なり範囲に線膨張率βの材料から形成したシャフト固定部材120Aを備える。このシャフト固定部材120Aにあっても、締結シャフト100におけるシャフト固定部材120と同様、一端側で、第1シャフト110Aの開放側端面に固定された固定駒114Aに固定され、他端側で、第2シャフト130Aの開放端側端面の固定駒136Aに固定されている。この締結シャフト100Aにあっても、既述した線膨張率α、βの関係を満たすようにすることで、締結シャフト100と同様の効果を奏することができる。   As shown in the drawing, the fastening shaft 100A of this modification has a configuration in which its constituent members are formed from a prismatic shaft material. That is, the fastening shaft 100A fixes the first shaft 110A and the second shaft 130A formed from a material having a linear expansion coefficient α in contact with the end plate 10a, and a material having a linear expansion coefficient β in the overlapping range of both shafts. 120A of shaft fixing members formed from the above. Even in this shaft fixing member 120A, like the shaft fixing member 120 in the fastening shaft 100, it is fixed at one end side to the fixing piece 114A fixed to the open end surface of the first shaft 110A, and at the other end side, The two shafts 130A are fixed to a fixed piece 136A on the open end side end face. Even in the fastening shaft 100A, the same effects as those of the fastening shaft 100 can be achieved by satisfying the relationship between the linear expansion coefficients α and β described above.

図8はまた別の変形例の締結シャフト100Bの要部の構成を斜視にて概略的に示す説明図、図9は図8における9−9線の断面図、図10は締結シャフト100Bの製造過程を示す説明図である。この変形例の締結シャフト100Bは、スリ割り部に二面幅を有するシャフトを挿入させるようにして第1シャフト110Bと第2シャフト130Bとを重ね合わせた点に特徴がある。   FIG. 8 is an explanatory view schematically showing a configuration of a main part of a fastening shaft 100B of another modified example in perspective, FIG. 9 is a sectional view taken along line 9-9 in FIG. 8, and FIG. 10 is a production of the fastening shaft 100B. It is explanatory drawing which shows a process. The fastening shaft 100B of this modification is characterized in that the first shaft 110B and the second shaft 130B are overlapped so that a shaft having a two-sided width is inserted into the slit portion.

図示するように、締結シャフト100Bは、第1シャフト110Bと第2シャフト130Bとを備え、第1シャフト110Bは、開放端側に鍔部114Bを備え、当該鍔部から所定範囲を小径のシャフト部150とし、鍔部114Bからシャフト部150にスリ割りしたスリット152を有する。第2シャフト130Bにあっては、開放端側に鍔部136Bを備え、当該鍔部から所定範囲を小径の連結シャフト部134Bとし、鍔部136Bから連結シャフト部134Bに掛けての領域を二面幅部138とする。この二面幅部138は、その幅がスリット152より小さくされているので、第2シャフト130Bは、二面幅部138を第1シャフト110Bのスリット152に挿入することで、二面幅部138の挿入範囲に亘って第1シャフト110Bと重なる。この場合、第1シャフト110Bと第2シャフト130Bは同軸となるようシャフト固定部材120Bにより固定される。シャフト固定部材120Bは、筒状体を半割りした湾曲プレート形状をなし、第1シャフト110Bと第2シャフト130Bの両シャフトが重なった領域に上下に配置されて、第1シャフト110Bの鍔部114Bの端面114Sと第2シャフト130Bの鍔部136Bの端面に溶接固定されている。図8では、このシャフト固定部材120Bの溶接領域をジグザグの線で示している。この締結シャフト100Bにあっても、既述した線膨張率α、βの関係を満たすようにすることで、締結シャフト100と同様の効果を奏することができる。   As illustrated, the fastening shaft 100B includes a first shaft 110B and a second shaft 130B. The first shaft 110B includes a flange portion 114B on the open end side, and a shaft portion having a small diameter within a predetermined range from the flange portion. The slit 152 is slit into the shaft portion 150 from the flange portion 114B. In the second shaft 130B, a flange 136B is provided on the open end side, a predetermined range from the flange is a small-diameter connecting shaft part 134B, and a region extending from the flange 136B to the connecting shaft part 134B is divided into two surfaces. The width portion 138 is used. Since the width of the two-surface width portion 138 is smaller than that of the slit 152, the second shaft 130B is inserted into the slit 152 of the first shaft 110B so that the two-surface width portion 138 is inserted. It overlaps with the first shaft 110B over the insertion range. In this case, the first shaft 110B and the second shaft 130B are fixed by the shaft fixing member 120B so as to be coaxial. The shaft fixing member 120B has a curved plate shape in which the cylindrical body is divided in half, and is arranged vertically in a region where both the first shaft 110B and the second shaft 130B overlap, and the flange portion 114B of the first shaft 110B. The end surface 114S of the second shaft 130B and the end surface of the flange 136B of the second shaft 130B are fixed by welding. In FIG. 8, the welding region of the shaft fixing member 120B is indicated by a zigzag line. Even in the fastening shaft 100B, the same effect as that of the fastening shaft 100 can be obtained by satisfying the relationship between the linear expansion coefficients α and β described above.

図11は第1シャフト110と第2シャフト130およびシャフト固定部材120をそれぞれ異なる線膨張率の材料から形成した締結シャフト100による締結の様子を示す説明図である。この締結シャフト100は、第1シャフト110を線膨張率α1の材料から形成し、第2シャフト130を線膨張率α2の材料から形成し、シャフト固定部材120を線膨張率βの材料から形成した。この場合の縮み代ΔL100は、次式で表される。この場合、βはα1およびα2より大きく、α1とα2はその大小を問わないが、説明の便宜上、α1>α2とする。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing a state of fastening by the fastening shaft 100 in which the first shaft 110, the second shaft 130, and the shaft fixing member 120 are formed from materials having different linear expansion coefficients. In the fastening shaft 100, the first shaft 110 is formed from a material having a linear expansion coefficient α1, the second shaft 130 is formed from a material having a linear expansion coefficient α2, and the shaft fixing member 120 is formed from a material having a linear expansion coefficient β. . The shrinkage allowance ΔL100 in this case is expressed by the following equation. In this case, β is larger than α1 and α2, and α1 and α2 do not matter, but for convenience of explanation, α1> α2.

ΔL100=(L1・α1+L2・α2)・ΔT−L3・β・ΔT   ΔL100 = (L1 · α1 + L2 · α2) · ΔT−L3 · β · ΔT

よって、図5に示した単一のシャフトS(熱膨張率α1)の縮み代ΔLSと上記の縮み代ΔL100の差分(ΔLS−ΔL100)は、次のようになる。   Therefore, the difference (ΔLS−ΔL100) between the shrinkage allowance ΔLS of the single shaft S (thermal expansion coefficient α1) shown in FIG. 5 and the above-described shrinkage allowance ΔL100 is as follows.

ΔLS−ΔL100=((L1+L2)・α1・ΔT−L3・α1・ΔT)−((L1・α1+L2・α2)・ΔT−L3・β・ΔT)
=L2・(α1−α2)・ΔT−L3・α1・ΔT+L3・β・ΔT
=L2・(α1−α2)・ΔT+L3・ΔT(β−α)
ΔLS−ΔL100 = ((L1 + L2) · α1 · ΔT-L3 · α1 · ΔT) − ((L1 · α1 + L2 · α2) · ΔT−L3 · β · ΔT)
= L2 ・ (α1−α2) ・ ΔT−L3 ・ α1 ・ ΔT + L3 ・ β ・ ΔT
= L2 · (α1−α2) · ΔT + L3 · ΔT (β−α)

線膨張率(収縮率)αとβの関係は、上記したようにβ>αであり、α1>α2であることから、シャフトSと締結シャフト100の両シャフトにおける縮み代の差分(ΔLS−ΔL100)は、正の値となる。このため、図11に示すように、第1シャフト110と第2シャフト130とシャフト固定部材120とを異なる線膨張率の材料から形成しても、温度降下時の縮み代を小さくでき、これにより既述したように、エンドプレート10a間に締結したスタック構造の燃料電池ユニット40の定寸寸法を維持できる。   Since the relationship between the linear expansion rate (shrinkage rate) α and β is β> α and α1> α2 as described above, the difference between the shrinkage allowances of both the shaft S and the fastening shaft 100 (ΔLS−ΔL100). ) Is a positive value. For this reason, as shown in FIG. 11, even if the first shaft 110, the second shaft 130, and the shaft fixing member 120 are formed of materials having different linear expansion coefficients, the shrinkage allowance at the time of temperature drop can be reduced. As described above, the fixed size of the fuel cell unit 40 having a stack structure fastened between the end plates 10a can be maintained.

また、シャフト固定部材120の線膨張率βについては、既述したエンドプレート10aの側の第1シャフト110と第2シャフト130の両端面の隔たりの広がりとの関係を同様に考えることができる。つまり、図11に示す締結シャフト100において、シャフト固定部材120がないと仮定する。そうすると、線膨張率α1の第1シャフト110と線膨張率α2の第2シャフト130は、ΔT℃の温度降下に伴い個別に収縮してそれぞれL1・(1−α1・ΔT)、L2・(1−α2・ΔT)となり、両シャフトの重なり範囲の長さをLWとすると、このLWは次式で表される。   Further, regarding the linear expansion coefficient β of the shaft fixing member 120, the relationship between the spread of the gap between both end surfaces of the first shaft 110 and the second shaft 130 on the end plate 10a side described above can be similarly considered. That is, it is assumed that there is no shaft fixing member 120 in the fastening shaft 100 shown in FIG. Then, the first shaft 110 having the linear expansion coefficient α1 and the second shaft 130 having the linear expansion coefficient α2 are individually contracted with a temperature drop of ΔT ° C., and L1 · (1−α1 · ΔT) and L2 · (1 −α2 · ΔT), where the length of the overlapping range of both shafts is LW, this LW is expressed by the following equation.

LW=(L1・(1−α1・ΔT)+L2・(1−α2・ΔT))−L   LW = (L1 · (1−α1 · ΔT) + L2 · (1−α2 · ΔT)) − L

そして、熱膨張率βのシャフト固定部材120についてのΔT℃の温度降下に伴う収縮後の長さL3・(1−β・ΔT)が上記したシャフト重なり範囲LW以上となるようにする。   Then, the length L3 · (1−β · ΔT) after the shrinkage accompanying the temperature drop of ΔT ° C. with respect to the shaft fixing member 120 having the coefficient of thermal expansion β is set to be equal to or greater than the above-described shaft overlapping range LW.

LW≦L3・(1−β・ΔT)
(L1・(1−α1・ΔT)+L2・(1−α2・ΔT))−L≦L3・(1−β・ΔT)
(L1+L2−L)−(L1・α1+L2・α2)・ΔT≦L3−L3・β・ΔT
(L1+L2−L)−(L1・α1+L2・α2)・ΔT≦(L1+L2−L)−L3・β・ΔT
L3・β・ΔT≦(L1・α1+L2・α2)・ΔT
β≦(L1・α1+L2・α2)/L3
LW ≦ L3 · (1-β · ΔT)
(L1 · (1−α1 · ΔT) + L2 · (1−α2 · ΔT)) − L ≦ L3 · (1−β · ΔT)
(L1 + L2-L)-(L1 · α1 + L2 · α2) · ΔT ≦ L3-L3 · β · ΔT
(L1 + L2-L)-(L1 · α1 + L2 · α2) · ΔT ≦ (L1 + L2-L) −L3 · β · ΔT
L3 · β · ΔT ≦ (L1 · α1 + L2 · α2) · ΔT
β ≦ (L1 · α1 + L2 · α2) / L3

そうすると、既述したβ>αの関係から、第1シャフト110と第2シャフト130および第2シャフト130を異なる線膨張率の材料から形成するようにするには、それぞれの線膨張率が下記を満たす材料とすればよい。   Then, in order to form the first shaft 110, the second shaft 130, and the second shaft 130 from materials having different linear expansion coefficients from the above-described relationship of β> α, the respective linear expansion coefficients are as follows. What is necessary is just to make it the material to fill.

α1、α2<β≦(L1・α1+L2・α2)/L3   α1, α2 <β ≦ (L1, α1 + L2, α2) / L3

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、スタック構造の燃料電池ユニット40を定寸寸法にて締結する場合を説明したが、燃料電池ユニット40に限らず種々の積層体を定寸寸法で締結する構成に適用することもできる。   As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Is possible. For example, in the above-described embodiment, the case where the fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed size has been described. You can also

本発明の実施例としての燃料電池10の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 10 as an Example of this invention. 締結シャフト100の全体構成を斜視にて概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematically the whole structure of the fastening shaft 100 by a perspective view. この締結シャフト100による締結の様子を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the mode of the fastening by this fastening shaft. 締結シャフト100の製造過程を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the fastening shaft 100. スタック構造の燃料電池ユニット40を単一のシャフトSにて定寸寸法Lにて締結した様子と締結シャフト100にて定寸寸法Lにて締結した様子とを対比して示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a comparison between a state in which a fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed dimension L by a single shaft S and a state in which the fuel cell unit 40 is fastened with a fixed dimension L by a fastening shaft 100. 変形例の締結シャフト100Aの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fastening shaft 100A of a modification. 図5相当図であり変形例の締結シャフト100Aを用いてスタック構造の燃料電池ユニット40を定寸寸法Lにて締結した様子を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view showing a state in which a fuel cell unit 40 having a stack structure is fastened with a fixed dimension L using a fastening shaft 100A of a modified example, corresponding to FIG. また別の変形例の締結シャフト100Bの要部の構成を斜視にて概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the structure of the principal part of the fastening shaft 100B of another modification in a perspective view. 図8における9−9線の断面図である。It is sectional drawing of the 9-9 line in FIG. 締結シャフト100Bの製造過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacture process of the fastening shaft 100B. 第1シャフト110と第2シャフト130およびシャフト固定部材120をそれぞれ異なる線膨張率の材料から形成した締結シャフト100による締結の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the fastening by the fastening shaft 100 which formed the 1st shaft 110, the 2nd shaft 130, and the shaft fixing member 120 from the material of a respectively different linear expansion coefficient.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池
10a…エンドプレート
12…貫通孔
20a…絶縁板
30a…集電板
40…燃料電池ユニット
100…締結シャフト
100A…締結シャフト
100B…締結シャフト
102…ボルト
110…第1シャフト
110A…第1シャフト
110B…第1シャフト
112…ボス
113…雌ネジ
114…固定駒
114A…固定駒
114B…鍔部
114S…端面
116…有底孔
120…シャフト固定部材
120A…シャフト固定部材
120B…シャフト固定部材
130…第2シャフト
130A…第2シャフト
130B…第2シャフト
134…連結シャフト部
134B…連結シャフト部
136…固定駒
136A…固定駒
136B…鍔部
138…二面幅部
150…シャフト部
152…スリット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 10a ... End plate 12 ... Through-hole 20a ... Insulating plate 30a ... Current collecting plate 40 ... Fuel cell unit 100 ... Fastening shaft 100A ... Fastening shaft 100B ... Fastening shaft 102 ... Bolt 110 ... First shaft 110A ... First Shaft 110B ... first shaft 112 ... boss 113 ... female screw 114 ... fixing piece 114A ... fixing piece 114B ... collar 114S ... end face 116 ... bottomed hole 120 ... shaft fixing member 120A ... shaft fixing member 120B ... shaft fixing member 130 ... 2nd shaft 130A ... 2nd shaft 130B ... 2nd shaft 134 ... connection shaft part 134B ... connection shaft part 136 ... fixed piece 136A ... fixed piece 136B ... collar part 138 ... two-sided width part 150 ... shaft part 152 ... slit

Claims (4)

対向する一対のエンドプレートで積層体を挟持し、前記エンドプレート間において積層体側方に配置したシャフトにて前記積層体を定寸に締結する積層体締結構造であって、
前記シャフトは、
一方のエンドプレートに端面で固定され、前記定寸の寸法より短寸の第1シャフトと、
他方のエンドプレートに端面で固定され、前記一方のエンドプレートに向けて延びて前記第1シャフトと重なり、前記定寸の寸法より短寸の第2シャフトと、
前記第1シャフトと前記第2シャフトの両シャフトが重なった領域に配置され、前記第1シャフトの開放端側で前記第1シャフトと固定され、前記第2シャフトの開放端側で前記第2シャフトと固定されたシャフト固定部材とを備え、
該シャフト固定部材は、前記両シャフトよりも大きな線膨張係数の材料から形成されて前記両シャフトより大きな収縮率を呈し、温度降下時においては、シャフト固定部材自体の収縮により前記両シャフトとの固定箇所間の隔たりを狭くする
積層体締結構造。
A laminated body fastening structure in which a laminated body is sandwiched between a pair of opposed end plates, and the laminated body is fastened to a fixed size by a shaft disposed on the lateral side of the laminated body between the end plates,
The shaft is
A first shaft fixed at one end plate to one end plate and shorter than the fixed dimension;
A second shaft fixed to the other end plate at an end face, extending toward the one end plate, overlapping the first shaft, and shorter than the fixed dimension;
The first shaft and the second shaft are arranged in a region where the first shaft and the second shaft overlap with each other, fixed to the first shaft on the open end side of the first shaft, and the second shaft on the open end side of the second shaft. And a fixed shaft fixing member,
The shaft fixing member is formed of a material having a larger linear expansion coefficient than both shafts and exhibits a larger shrinkage rate than both shafts. When the temperature drops, the shaft fixing member is fixed to both shafts by contraction of the shaft fixing members themselves. Laminated body fastening structure that narrows the gap between points.
前記第1シャフトと前記第2シャフトは、同一の材料から形成されている請求項1に記載の積層体締結構造。   The laminated body fastening structure according to claim 1, wherein the first shaft and the second shaft are formed of the same material. 前記第1シャフトと前記第2シャフトは、前記一対のエンドプレートの間に同軸に配設されている請求項1または請求項2に記載の積層体締結構造。   The laminated body fastening structure according to claim 1 or 2, wherein the first shaft and the second shaft are disposed coaxially between the pair of end plates. 燃料電池であって、
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットを対向する一対のエンドプレートの間に複数積層して挟持し、該積層した燃料電池ユニットを請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の積層体締結構造により前記エンドプレート間に定寸で締結する
燃料電池。
A fuel cell,
4. The fuel cell unit according to claim 1, wherein a plurality of fuel cell units that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are sandwiched and sandwiched between a pair of opposing end plates, and the fuel cell units are stacked. A fuel cell that is fastened to a fixed size between the end plates by a laminate fastening structure.
JP2007325691A 2007-12-18 2007-12-18 Laminate fastening structure and fuel cell Pending JP2009146853A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007325691A JP2009146853A (en) 2007-12-18 2007-12-18 Laminate fastening structure and fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007325691A JP2009146853A (en) 2007-12-18 2007-12-18 Laminate fastening structure and fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009146853A true JP2009146853A (en) 2009-07-02

Family

ID=40917204

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007325691A Pending JP2009146853A (en) 2007-12-18 2007-12-18 Laminate fastening structure and fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009146853A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306349B1 (en) * 2012-01-12 2013-09-09 지에스칼텍스 주식회사 fastener for stack and fuel cell stack using the same
EP3018748A1 (en) * 2014-11-06 2016-05-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell device
WO2018131330A1 (en) * 2017-01-11 2018-07-19 住友精密工業株式会社 Fuel cell
JP2018185984A (en) * 2017-04-26 2018-11-22 株式会社村田製作所 Fuel cell unit

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306349B1 (en) * 2012-01-12 2013-09-09 지에스칼텍스 주식회사 fastener for stack and fuel cell stack using the same
EP3018748A1 (en) * 2014-11-06 2016-05-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell device
US10483584B2 (en) 2014-11-06 2019-11-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell device
WO2018131330A1 (en) * 2017-01-11 2018-07-19 住友精密工業株式会社 Fuel cell
JP6363817B1 (en) * 2017-01-11 2018-07-25 住友精密工業株式会社 Fuel cell
JP2018185984A (en) * 2017-04-26 2018-11-22 株式会社村田製作所 Fuel cell unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10270119B2 (en) Fuel cell stack arrangement
EP1401040B1 (en) Solid-oxide fuel cell module for a fuel cell stack
KR101388318B1 (en) Solid oxide fuel cell
JP5051606B2 (en) Fuel cell
US20080286619A1 (en) Flexible bipolar plate
US8129068B2 (en) Fuel cell and fuel cell stack
JP2005190706A (en) Fuel cell stack structure
JP2009146853A (en) Laminate fastening structure and fuel cell
JP2009070674A (en) Fuel cell stack
US8283086B2 (en) Fuel cell and fuel cell stack
US7883814B2 (en) Fuel cell separator with integral seal member
JP2002343406A (en) Manifold for fuel cell
US20090197136A1 (en) High-Volume-Manufacture Fuel Cell Arrangement and Method for Production Thereof
CN111477928A (en) Fuel cell stack
JP2008078148A (en) Fuel cell
JP5200533B2 (en) Fuel cell unit and fuel cell
US10862149B2 (en) Fuel cell stack and manufacturing method therefor
JP2007184200A (en) Fuel cell stack
US11870107B2 (en) Fuel cell stack
JP2010061991A (en) Fuel cell
JP2008108485A (en) Fuel cell
JP2007042515A (en) Fuel cell stack
JP2006221955A (en) Separator of fuel cell
JP2006066257A (en) Fuel battery
JP2005174642A (en) Separator