JP2009158381A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、積層体にかかる面圧を調整する技術を提供する。
【解決手段】電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体が、複数積層されて成る積層体と、積層体の端部に配置され、積層体の積層方向に伸縮可能な伸縮部材と、を備える燃料電池スタックであって、伸縮部材は、第１のプレートと、第１のプレートと対向して配置される第２のプレートと、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置される弾性体と、第２のプレートから突設されるシャフトと、を備え、第１のプレートには、シャフトが挿通される貫通孔が形成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池スタックに関する。

電解質膜の両面に電極を配置して成る発電体を、セパレータを介在させて複数積層した積層体を有する燃料電池スタックでは、従来から、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するためや、電極の接触抵抗を低減させるために、燃料電池スタックの積層方向に、締結荷重が加えられている。例えば、積層体の両端にエンドプレートを備え、テンションプレートを介して両端のエンドプレートを締結することにより、積層体の積層方向に締結荷重を加える方法がある。

ところで、燃料電池スタックを構成する発電体やセパレータ等のスタック構成部品は、燃料電池スタックの発電時の発熱により膨張する。一方、テンションプレートには、発電時の熱はほとんど伝わらないため、ほとんど膨張しない。すなわち、燃料電池スタックの運転時でも、燃料電池スタックの積層方向において、テンションプレートは伸張(膨張)しないため、燃料電池スタックの両端が固定された状態で、各スタック構成部品が膨張することになり、積層体の積層方向にかかる荷重（以下、「面圧」ともいう。）が増大することがあった。

また、燃料電池スタックの運転・停止に伴い、電解質膜、電極のクリープにより、それぞれの厚さが減少することがある。そのような場合には、積層体の積層方向にかかる荷重が小さくなり、電極の接触抵抗が増加したり、シール性が低下する場合がある。

そこで、複数のコイルスプリングを２枚のプレートで挟んだスプリングモジュールを、積層体とエンドプレートとの間に配置して、積層体の積層方向に対する伸縮に対応してスプリングモジュールが伸縮することにより、積層体の積層方向にかかる面圧を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−２８８６１８号公報

しかしながら、上記した積層体において、例えば、電極の製造誤差により、電極の面方向において、厚さの不均一が生じることがある。同様に、電解質膜、セパレータにも、それぞれ、面方向において、厚さの不均一が生じることがある。そのように厚さが不均一な部品を積層することにより、積層体の一端の積層面が、他端の積層面に対して傾斜した状態になることがある。

また、発電時に、電極、電解質膜、セパレータ等の積層体の各構成部材において、それぞれの面方向に、偏った熱分布が生じると、積層方向に均一に膨張しないため、積層体の一端の積層面が、他端の積層面に対して傾斜した状態になることがある。

このような場合に、上記したスプリングモジュールでは、２枚のプレートが、積層面方向にずれるおそれがある。そうすると、スプリングが、積層方向と平行に伸縮しないで、積層方向に対して傾斜して伸縮するため、積層体に対して、積層方向に、所望の荷重が得られないおそれがあった。また、積層方向に垂直な方向に不要な荷重がかかるおそれがある。

なお、このような問題は、コイルスプリングを用いる場合に限定されず、皿バネ、ゴム、スポンジ等、種々の弾性体を用いて、積層体の積層方向にかかる面圧を調整する部材に共通する問題である。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、積層体にかかる面圧を調整する技術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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体が、複数積層されて成る積層体と、前記積層体の端部に配置され、前記積層体の積層方向に伸縮可能な伸縮部材と、を備える燃料電池スタックであって、
前記伸縮部材は、
第１のプレートと、
前記第１のプレートと対向して配置される第２のプレートと、
前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配置される弾性体と、
前記第２のプレートから突設されるシャフトと、
を備え、
前記第１のプレートには、
前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

本発明の燃料電池スタックによれば、伸縮部材の第１のプレートの備える貫通孔に、第２のプレートから突設されるシャフトが挿通されるため、対向する第１のプレートと第２のプレートとの面方向の位置がずれたり、互いのプレートの対向する角度が大きく傾くのを抑制することができる。

なお、弾性体は、弾性を有する部材であればよい。例えば、コイルバネ、皿バネ、板バネ等の種々のバネ、ゴム、スポンジ等の種々の弾性体を用いることができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも、前記積層体側に位置することを特徴とする燃料電池スタック。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記伸縮部材は、
前記貫通孔の内周を覆う貫通孔被覆部材をさらに備え、
前記貫通孔被覆部材の前記シャフトに対する摩擦係数は、前記第１のプレートの前記貫通孔の前記シャフトに対する摩擦係数よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。

このようにすると、貫通孔被覆部材を備えない場合に比べて、シャフトと接触することにより生じる摩擦力が小さくなるため、その摩擦力により積層体に余分な荷重がかかるのを抑制することができる。また、シャフトと第１のプレートの貫通孔とが直接接触することにより、その接触部分が削れたりして、伸縮部材が劣化するのを抑制することができる。

なお、摩擦係数は、動摩擦係数、静止摩擦係数いずれか一方でもよく、その両方によって規定してもよい。

［適用例４］ 適用例３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記貫通孔被覆部材は、樹脂製であることを特徴とする燃料電池スタック。

［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
前記伸縮部材は、
前記シャフトが前記貫通孔から抜けないように留める留め具をさらに備え、
前記第１のプレートは、
前記貫通孔と連通すると共に、前記留め具の少なくとも一部が入る凹部を、さらに備えることを特徴とする燃料電池スタック。

留め具としては、例えば、ボルト、ねじ、ピン等を用いることができる。留め具により、シャフトが貫通孔から抜けないため、伸縮部材が一体化される。そして、第１のプレートが、留め具の少なくとも一部が入る凹部を備えるため、留め具が第１のプレートよりも突出する突出量を低減させることができる。

［適用例６］ 適用例１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
前記弾性体は、
コイルバネであり、
前記第１および第２のプレートには、
対向する各対向面に開口する、凹状のバネ穴が形成され、
前記バネ穴は、
その底面から、前記開口部に向かって拡径していることを特徴とする燃料電池スタック。

バネ穴が、その底面から開口部に向かって拡径していることにより、例えば、コイルバネが、第１のプレートまたは第２のプレートに対して、斜めに伸縮する場合に、バネ穴の内側の面に当たり難くなる。そのため、コイルバネがバネ穴に接触することにより、コイルバネが磨耗するのを抑制することができる。

［適用例７］ 適用例１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
前記弾性体は、
コイルバネであり、
前記第１および第２のプレートには、
対向する各対向面に開口する、凹状のバネ穴が形成されると共に、
前記バネ穴の内周を覆うバネ穴被覆部材をさらに備え、
前記バネ穴被覆部材の前記コイルバネに対する摩擦係数は、前記第１および第２のプレートに設けられる前記バネ穴の前記コイルバネに対する摩擦係数よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。

このようにすると、例えば、コイルバネが、第１のプレートまたは第２のプレートに対して、斜めに伸縮する場合に、仮に、コイルバネとバネ穴被覆部材とが接触したとしても、コイルバネとバネ穴とが直接接触する場合に比べて、コイルバネに生じる摩擦力が小さくなるため、コイルバネが磨耗するのを抑制することができる。

［適用例８］ 適用例７に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記バネ穴被覆部材は、樹脂製であることを特徴とする燃料電池スタック。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．実施例の構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００Ａの構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００Ａは、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池であり、図１に示すように、一端からエンドプレート１１、絶縁板１２、集電板１３、積層体１４、集電板１５、絶縁板１６、スプリング部材３０、プレッシャプレート１７、エンドプレート１８の順に積層されて構成される。

そして、テンションプレート１９を、ボルト２０によって、エンドプレート１１、１８に締結すると共に、アジャストスクリュー２１によってプレッシャプレート１７を所定の押圧力で押圧することにより、燃料電池スタック１００Ａは、積層体１４に、積層方向（図中のＸ方向）の所定の押圧力がかかった状態で保持されている。エンドプレート１８の略中心には、アジャストスクリュー２１が入る貫通孔が設けられており、その内周にはねじ山が形成されている。そして、アジャストスクリュー２１の外周にもねじ山が形成されており、アジャストスクリュー２１のねじ山を、エンドプレート１８の貫通孔の内周に形成されたねじ山に螺合させることにより、アジャストスクリュー２１の位置が固定されて、所定の押圧力でプレッシャプレート１７を押圧する。なお、集電板１３、１５には、それぞれ出力端子(図示しない)が設けられており、燃料電池スタック１００Ａで発電した電力を出力可能となっている。

積層体１４は、図示するように、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）１４ｍとセパレータ１４ｓとを交互に積層して構成される。ＭＥＡ１４ｍは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の両面にそれぞれ配置されたアノード、カソードと、アノード、カソードに積層される拡散層と、から成る。セパレータ１４ｓには、アノードに燃料ガスとしての水素、カソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するためのガス流路、および燃料電池冷却用の冷却水を流すための冷却水流路が形成される。本実施例におけるＭＥＡ１４ｍが請求項における発電体に、スプリング部材３０が請求項における伸縮部材に、それぞれ、相当する。

Ａ１−１．スプリング部材３０の構成：
図２はスプリング部材３０の全体構成を示す斜視図、図３は図２におけるＡ−Ａ切断面を模式的に示す説明図である。図２、３に示すように、スプリング部材３０は、アッパープレート３１と、ロアープレート３２と、複数のコイルスプリング３３と、シャフト３４と、ワッシャ３７と、ボルト３８と、を主に備える。

図示するように、アッパープレート３１は、積層体１４の積層面形状と同様の略長方形状を成す、アルミ製の平板である。アッパープレート３１には、シャフト３４が挿通される貫通孔３５が、４つの角付近と、中心付近に、計６箇所形成されている。貫通孔３５の内周は、ＰＯＭ（ポリアセタール）製の被覆部材３６で覆われている。なお、貫通孔３５は、略円柱状の空洞を成し、その直径は、シャフト３４の断面の直径よりも若干大きい。

被覆部材３６は、略リング状を成し、その両端には、外側に張り出した爪３６ｎが形成されており、被覆部材３６を、アッパープレート３１の貫通孔３５に押し込めることにより、図３に示すように、爪３６ｎがアッパープレート３１に引っ掛かり、貫通孔３５の内周を覆う状態になる。

また、アッパープレート３１の、ロアープレート３２と対向する対向面には、コイルスプリング３３の一端が嵌合されるバネ穴３９ｕが複数、穿設されている。

ロアープレート３２は、アッパープレート３１と同様の略長方形状を成す、アルミ製の平板である。そして、ロアープレート３２の、アッパープレート３１と対向する対向面には、コイルスプリング３３の他端が嵌合されるバネ穴３９ｌが、上記した３９ｕと同数個、穿設されている。

コイルスプリング３３は、バネ鋼から成る。バネ鋼としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４８０１に規定される、シリコンマンガン鋼鋼材（ＳＵＰ６、ＳＵＰ７）、マンガンクロム鋼鋼材（ＳＵＰ９、ＳＵＰ９Ａ）、クロムバナジウム鋼鋼材（ＳＵＰ１０）、マンガンクロムボロン鋼鋼材（ＳＵＰ１１Ａ）、シリコンクロム鋼鋼材（ＳＵＰ１２）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＵＰ１３）を、用いることができる。

シャフト３４は、ニッケル−リン合金メッキが施された鉄製の中空円柱であり、ロアープレート３２の４つの角付近と、中心付近の、計６箇所から突設されている。スプリング部材３０の完成時には、シャフト３４は、貫通孔３５に挿通されている。なお、シャフト３４の内周には、ねじ山が形成されており、ナットとしての機能も果たす。

図３に示すように、ロアープレート３２のバネ穴３９ｌにコイルスプリング３３の一端を嵌合させると共に、コイルスプリング３３の他端をアッパープレート３１のバネ穴３９ｕに嵌合させる。そして、貫通孔３５に挿通されたシャフト３４の内周に形成されているねじ山にボルト３８を螺合させることにより、シャフト３４を介して、アッパープレート３１とロアープレート３２とが締結される。

シャフト３４とボルト３８との間には、ワッシャ３７が挟まれており、ワッシャ３７の直径は、貫通孔３５の直径より大きいため、ボルト３８を締めることにより、シャフト３４は貫通孔３５から抜けなくなり、スプリング部材３０は、一体化される。なお、シャフト３４の長さを変更すると、コイルスプリング３３の単体時の高さ（図中Ｘ方向の長さ）を変更することができる。

本実施例におけるアッパープレート３１が、請求項における第１のプレートに、ロアープレート３２が請求項における第２のプレートに、コイルスプリング３３が請求項における弾性体に、シャフト３４が請求項におけるシャフトに、貫通孔３５が請求項における貫通孔に、被覆部材３６が請求項における貫通孔被覆部材に、それぞれ相当する。

Ａ２．実施例の動作：
次に、本実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるスプリング部材３０の動作について、図４に基づいて、説明する。図４は、燃料電池スタック１００Ａの図１におけるＸ１部拡大図である。図４（ａ）は、燃料電池スタック１００Ａの運転停止中、（ｂ）は燃料電池スタック１００Ａの運転中を示している。

図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１００Ａの運転停止中は、積層体１４は、伸縮していない、初期長さ（積層方向（Ｘ方向）の長さ）であるため、スプリング部材３０も初期状態である。すなわち、ワッシャ３７がアッパープレート３１に接触する位置にある。

燃料電池スタック１００Ａの運転中は、発電に伴う発熱により、積層体１４の各構成部品が膨張するため、積層体１４の積層方向の長さが長くなる。そうすると、積層体１４は、スプリング部材３０のロアープレート３２を押すが、アッパープレート３１は、プレッシャプレート１７により押さえつけられており、位置が略固定されているため、コイルスプリング３３が収縮する。すなわち、積層体１４とエンドプレート１８との間にスプリング部材３０を配置することにより、積層体１４の積層方向の長さの変化を、スプリング部材３０が吸収している。したがって、スプリング部材３０を配置しない場合と比べると、積層体１４が伸縮した場合に、積層体１４にかかる荷重（面圧）を、所定の荷重範囲内に収めることができる。

Ａ３．実施例の効果：
本実施例の燃料電池スタック１００Ａの効果を、比較例の燃料電池スタック１００Ｐと比較して説明する。図５は、燃料電池スタック１００Ａの効果を説明するための説明図、図６は、比較例の燃料電池スタック１００Ｐに用いられるスプリング部材３０Ｐの構成を示す説明図、図７は、燃料電池スタック１００Ｐの構成を説明するための部分拡大図である。

比較例の燃料電池スタック１００Ｐは、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるスプリング部材３０に代えて、スプリング部材３０Ｐを用いている。燃料電池スタック１００Ｐは、スプリング部材３０Ｐ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａと同様であるため、燃料電池スタック１００Ｐの全体構成の説明を省略する。なお、図６、７において、第１の実施例と同一の構成には、同一の符号を付している。

図６に示すように、スプリング部材３０Ｐは、アッパープレート３１Ｐと、ロアープレート３２Ｐと、複数のコイルスプリング３３と、を主に備える。アッパープレート３１Ｐは、第１の実施例のアッパープレート３１と同様の略長方形状を成す、アルミ製の平板であり、第１の実施例と同様に、ロアープレート３２Ｐと対向する対向面には、コイルスプリング３３の一端が嵌合されるバネ穴３９ｕが複数、穿設されている。ロアープレート３２Ｐは、アッパープレート３１Ｐと同様の略長方形状を成す、アルミ製の平板である。そして、ロアープレート３２Ｐの、アッパープレート３１Ｐと対向する対向面には、第１の実施例のロアープレート３２と同様に、コイルスプリング３３の他端が嵌合されるバネ穴３９ｌが、上記した３９ｕと同数個、穿設されている。コイルスプリング３３の両端が、各バネ穴３９ｕ、３９ｌに嵌合されると、位置決め固定されることにより、スプリング部材３０Ｐは一体化されている。

燃料電池スタック１００Ｐの運転中に、発電に伴う発熱による熱分布に、積層体１４の積層面方向の偏りがあると、積層体１４が均一に膨張しないことがある。例えば、図７に示すように、積層体１４の積層面が、アッパープレート３１に対して傾斜して膨張すると、ロアープレート３２Ｐが傾斜した状態で押される。そのため、図示するように、アッパープレート３１Ｐの面方向に対して、ロアープレート３２Ｐが、図中のＺ軸方向にずれるおそれがある。

そうすると、コイルスプリング３３が、積層方向（Ｘ方向）に対して斜めに縮む。そのため、コイルスプリング３３の伸縮によりコイルスプリング３３がロアープレート３２Ｐを押す押圧力は、図７に実線矢印で示すように、積層方向に対して、傾いている。すなわち、積層体１４の積層面を押す押圧力が、図７に破線矢印で示すように分散されるため、積層体１４の積層方向に沿った所望の荷重を得ることができなくなるおそれがある。また、積層方向に垂直な方向（Ｚ方向）に、不要な荷重がかかるおそれがある。

それに対し、本実施例の燃料電池スタック１００Ａにおいて、スプリング部材３０は、シャフト３４が貫通孔３５に挿通された状態で一体化されている。そのため、図５に示すように、たとえ、積層体１４が上記と同様に膨張して、その積層面が、アッパープレート３１の対向面に対して傾斜した状態になり、ロアープレート３２の対向面がアッパープレート３１の対向面に対して傾斜した状態になったとしても、その傾きやずれは、貫通孔３５とシャフト３４によって制限される。

そのため、図５に実線矢印で示すように、コイルスプリング３３の伸縮によりコイルスプリング３３がロアープレート３２を押す押圧力は、積層方向（Ｘ方向）に対して少ししか傾いていない。すなわち、図５に破線矢印で示すように、コイルスプリング３３がロアープレート３２を押す押圧力は、ほとんど分散されず、積層方向にかかっている。したがって、積層体１４の積層方向（Ｘ方向）に沿った荷重が低減するのを抑制することができる。また、積層方向に垂直な方向（Ｚ方向）に、不要な荷重がかかるのを、抑制することができる。なお、図５、７において、説明を明瞭にするために、積層体１４の傾きおよびロアープレート３２のずれを、若干大きめに記載している。

また、図５に示すように、シャフト３４が、貫通孔３５に対して斜めに移動する場合には、貫通孔３５とシャフト３４とが接触して、貫通孔３５の角が削れたり、接触する際の摩擦力により、積層体１４に対して余分な荷重がかかるおそれがある。この問題に対して、貫通孔３５の直径を大きくして、シャフト３４と貫通孔３５とが接触しないようにすることが考えられる。しかしながら、貫通孔３５の直径を大きくすると、シャフト３４が積層体１４の積層面方向に動ける範囲が広がるため、アッパープレート３１とロアープレート３２とのずれ量が大きくなるおそれがある。

それに対し、本実施例のスプリング部材３０は、貫通孔３５の内周を被覆する被覆部材３６を備えている。アルミ製のアッパープレート３１に設けられた貫通孔３５のニッケルーリン合金めっきの鉄製シャフト３４に対する摩擦係数（静止摩擦係数、動摩擦係数を含む）よりも、ＰＯＭ製の被覆部材３６のシャフト３４に対する摩擦係数の方が小さい。そのため、図５に示すように、シャフト３４が被覆部材３６に接した状態になったとしても、その接触部に働く摩擦力が、被覆部材３６がない場合と比べると、小さくなる。したがって、その摩擦力により、積層体１４に余分な荷重がかかるのを低減させることができる。また、その摩擦力により、貫通孔３５の開口部の角が削れて、スプリング部材３０が劣化するのを、被覆部材３６を備えることにより、抑制することができる。

Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．実施例の構成：
図８は、本実施例の燃料電池スタック１００Ｂの構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１００Ｂは、図示するように、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるスプリング部材３０に代えて、スプリング部材３０Ｂを用いているが、それ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａの構成と同様である。そのため、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａと同一の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

Ｂ１−１．スプリング部材３０Ｂの構成：
図９はスプリング部材３０Ｂの全体構成を示す斜視図、図１０は図９におけるＡ−Ａ切断面を模式的に示す説明図である。図９、１０に示すように、スプリング部材３０Ｂは、アッパープレート３１Ｂと、ロアープレート３２と、複数のコイルスプリング３３と、シャフト３４Ｂと、ワッシャ３７と、ボルト３８と、を主に備える。本実施例のスプリング部材３０Ｂにおいて、アッパープレート３１Ｂの構成と、シャフト３４Ｂの長さが第１の実施例のスプリング部材３０と異なるが、それ以外の構成は、第１の実施例のスプリング部材３０の構成と同様であるため、第１の実施例と同一の符号を付して、その説明を省略する。

アッパープレート３１Ｂは、図９に示すように、第１の実施例と同様の略長方形状を成す、アルミ製の平板である。第１の実施例のアッパープレート３１と同様の箇所に、貫通孔３５Ｂが設けられている。さらに、アッパープレート３１Ｂには、貫通孔３５Ｂと連通し、貫通孔３５Ｂと同心の略円柱状の空洞を成し、その円の直径が貫通孔３５Ｂよりも大きく、エンドプレート１８側の面に開口する凹部４０が設けられている。凹部４０の直径は、ワッシャ３７の直径よりも、若干大きい。なお、本実施例におけるワッシャ３７とボルト３８が、実施例における留め具に相当し、凹部４０が請求項における凹部に相当する。

そして、第１の実施例のスプリング部材３０と同様に、ロアープレート３２のバネ穴３９ｌにコイルスプリング３３の一端を嵌合させると共に、コイルスプリング３３の他端をアッパープレート３１Ｂのバネ穴３９ｕに嵌合させ、貫通孔３５に挿通されたシャフト３４Ｂに、ワッシャ３７を介してボルト３８を締結させることにより、スプリング部材３０Ｂは、一体化される。このとき、図１０に示すように、ボルト３８の頭部は、凹部４０に埋もれて、アッパープレート３１Ｂのエンドプレート１８側の面から、突出しない。一体化された状態で、本実施例のスプリング部材３０Ｂにおけるアッパープレート３１Ｂとロアープレート３２間の距離は、第１の実施例のスプリング部材３０におけるアッパープレート３１とロアープレート３２間の距離と等しい。

Ｂ２．実施例の動作：
次に、本実施例の燃料電池スタック１００Ｂにおけるスプリング部材３０Ｂの動作について、図１１に基づいて、説明する。図１１は、燃料電池スタック１００Ｂの図８におけるＸ１部拡大図である。図１１（ａ）は、燃料電池スタック１００Ｂの運転停止中、（ｂ）は燃料電池スタック１００Ｂの運転中を示している。

図１１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１００Ｂの運転停止中は、積層体１４は、伸縮していない、初期長さ（積層方向（Ｘ方向）の長さ）であるため、スプリング部材３０Ｂも初期状態である。すなわち、ボルト３８の頭部が、凹部４０に埋もれて、ボルト３８の頭部上面がアッパープレート３１Ｂのエンドプレート１８側の面と一致する位置にある。

燃料電池スタック１００Ｂの運転中は、発電に伴う発熱により、積層体１４の各構成部品が膨張するため、積層体１４の積層方向の長さが長くなる。そうすると、積層体１４は、スプリング部材３０Ｂのロアープレート３２を押すが、アッパープレート３１Ｂは、プレッシャプレート１７により押さえつけられており、位置が略固定されているため、コイルスプリング３３が収縮する。図１１（ｂ）に示すように、コイルスプリング３３が収縮した分だけ、シャフト３４Ｂは、アッパープレート３１Ｂから突出する。

Ｂ３．実施例の効果：
本実施例の燃料電池スタック１００Ａの効果を、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａと比較して説明する。例えば、第１の実施例において、図４に示すように、積層体１４が膨張した場合に、積層体１４は、最大で、積層方向（図中のＸ方向）に長さＬｓだけ長くなるものとし、ボルト３８の頭部上面とアッパープレート３１との距離をＬｈとする。積層体１４が最大限膨張した場合に、ボルト３８の頭部上面とエンドプレート１８との間に、距離Ｌｒの余裕を持たせるものとすると、エンドプレート１８とアッパープレート３１との距離Ｌ１を、少なくとも長さ（Ｌｓ＋Ｌｈ＋Ｌｒ）分は、空けておくことが好ましい。それだけ空けておくと、積層体１４が最大限膨張した際に、ボルト３８の頭部がエンドプレート１８に接触しないため、積層体１４に対してエンドプレート１８による荷重はかからない。

一方、第２の実施例において、図１１に示すように、積層体１４が膨張した場合に、最大で、積層方向に長さＬｓだけ長くなるものとし、第１の実施例と同様に、積層体１４が最大限膨張した場合に、ボルト３８の頭部上面とエンドプレート１８との間に、距離Ｌｒの余裕を持たせるものとすると、エンドプレート１８とアッパープレート３１Ｂとの距離Ｌ２を、長さ（Ｌｓ＋Ｌｒ）分だけ、空けておけばよい。それだけ空けておけば、積層体１４が最大限膨張した際に、エンドプレート１８による荷重は、かからない。

上記したように、第１の実施例と第２の実施例では、スプリング部材３０、３０Ｂ以外は、同一の構成であり、また、スプリング部材３０、３０Ｂの初期状態における、アッパープレート３１（３１Ｂ）、ロアープレート３２間の距離は等しい。そのため、アッパープレート３１（３１Ｂ）とエンドプレート１８との間の距離によって、燃料電池スタック１００Ａ、１００Ｂ全体の積層方向の長さが決まる。よって、第２の実施例の燃料電池スタック１００Ｂは、その積層方向の長さを、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａよりも、Ｌｈ分短くすることができる。すなわち、本実施例におけるスプリング部材３０Ｂでは、アッパープレート３１Ｂに、ボルト３８の頭部が埋もれるような凹部４０が形成されていることによって、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａよりも、燃料電池スタック１００Ｂを小型化することができる。

Ｃ．第３の実施例：
本実施例の燃料電池スタックは、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるスプリング部材３０に代えて、スプリング部材３０Ｃを用いているが、それ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａの構成と同様である。そのため、以下に、スプリング部材３０Ｃについて、図１２に基づいて説明する。なお、第１の実施例におけるスプリング部材３０と同一の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

Ｃ１．スプリング部材３０Ｃの構成：
図１２は、スプリング部材３０Ｃの一部を拡大して、断面構成を示す説明図である。本実施例におけるスプリング部材３０Ｃは、第１の実施例におけるスプリング部材３０と同様に、アッパープレート３１Ｃと、ロアープレート３２Ｃと、複数のコイルスプリング３３と、シャフト３４と、ワッシャ３７と、ボルト３８と、を主に備える。本実施例のアッパープレート３１Ｃが第１の実施例のアッパープレート３１と異なるのは、バネ穴３９ｕの内側を覆う、ＰＯＭ（ポリアセタール）製のバネ穴被覆部材４１ｕを備えることであり、また、本実施例のロアープレート３２Ｃが第１の実施例のロアープレート３２と異なるのは、バネ穴３９ｌの内側を覆う、ＰＯＭ製のバネ穴被覆部材４１ｌを備えることである。なお、本実施例におけるバネ穴被覆部材４１ｕ、４１ｌが、請求項におけるバネ穴被覆部材に相当する。

Ｃ２．実施例の効果：
上記したように、本実施例におけるスプリング部材３０Ｃでは、アッパープレート３１Ｃとロアープレート３２Ｃの備えるバネ穴３９ｕ、３９ｌは、それぞれ、ＰＯＭ製のバネ穴被覆部材４１ｕ、４１ｌに覆われている。上記したように、コイルスプリング３３はバネ鋼製、アッパープレート３１Ｃ、３２Ｃはアルミ製である。コイルスプリング３３のバネ穴被覆部材４１ｕ、４１ｌに対する摩擦係数は、コイルスプリング３３のアッパープレート３１Ｃ、３２Ｃのバネ穴３９ｕ、３９ｌに対する摩擦係数よりも小さい。そのため、仮に、積層体１４が傾斜して膨張して、コイルスプリング３３が斜めに収縮し、バネ穴被覆部材４１ｕ、４１ｌと接触して変位しても、バネ穴３９ｕ、３９ｌと接触して変位する場合に比べて、コイルスプリング３３に生じる摩擦力が小さくなる。したがって、摩擦によりバネが磨耗するのを抑制することができる。

Ｄ．第４の実施例：
本実施例の燃料電池スタックは、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるスプリング部材３０に代えて、スプリング部材３０Ｄを用いているが、それ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００Ａの構成と同様である。そのため、以下に、スプリング部材３０Ｄについて、図１３に基づいて説明する。なお、第１の実施例におけるスプリング部材３０と同一の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

Ｄ１．スプリング部材３０Ｄの構成：
図１３は、スプリング部材３０Ｄの一部を拡大して、断面構成を示す説明図である。本実施例におけるスプリング部材３０Ｄは、第１の実施例におけるスプリング部材３０と同様に、アッパープレート３１Ｄと、ロアープレート３２Ｄと、複数のコイルスプリング３３と、シャフト３４と、ワッシャ３７と、ボルト３８と、を主に備える。本実施例のスプリング部材３０Ｄが第１の実施例のスプリング部材３０と異なるのは、アッパープレート３１Ｄに設けられるバネ穴３９ｕＤと、ロアープレート３２Ｄに設けられるバネ穴３９ｌＤの形状である。図示するように、本実施例のバネ穴３９ｕＤ、３９ｌＤは、その開口部の角に丸みを付けている。

Ｄ２．実施例の効果：
上記したように、本実施例におけるスプリング部材３０Ｄでは、アッパープレート３１Ｄとロアープレート３２Ｄの備えるバネ穴３９ｕＤ、３９ｌＤは、それぞれ、その開口部の角に丸みを付けている。そのため、仮に、積層体１４が傾斜して膨張して、コイルスプリング３３が斜めに収縮しても、バネ穴３９ｕＤ、３９ｌＤと接触し難くなる。したがって、摩擦によりバネが磨耗するのを抑制することができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記した実施例において、アッパープレート３１とロアープレート３２との間に配置される弾性体として、コイルスプリング３３を用いたが、これに限定されず、例えば、皿バネ、ゴム、スポンジ等、種々の弾性体を用いることができる。このような弾性体を用いる場合にも、上記した実施例のようにすることによって、同様の効果を得ることができる。

（２）また、上記した実施例において、アルミ製のアッパープレート３１、ロアープレート３２、鉄製のシャフト３４、バネ鋼製のコイルスプリング３３、ＰＯＭ製の被覆部材３６、バネ穴被覆部材４１ｕ、４１ｌを用いているが、それらの材料に限定されない。例えば、被覆部材３６としては、被覆部材３６のシャフト３４に対する摩擦係数が、アッパープレート３１の貫通孔３５のシャフト３４に対する摩擦係数よりも小さくなるような材料を選定すればよく、プラスチックに限定されず、ゴム材であってもよいし、セラミックや、金属であってもよい。

（３）上記した実施例において、スプリング部材３０は、積層体１４とエンドプレート１８との間に配置されているが、例えば、積層体１４とエンドプレート１１との間に配置してもよいし、２つのスプリング部材３０を、積層体１４とエンドプレート１１との間と、積層体１４とエンドプレート１８との間の両方に配置してもよい。さらに、エンドプレート１１やエンドプレート１８に代えて、スプリング部材３０を配置するようにしてもよい。そのようにすると、燃料電池スタック１００全体の積層方向の長さを短くすることができる。

（４）上記した実施例において、シャフト３４は、ロアープレート３２の４つの角付近と、中心付近に、計６箇所形成されて、貫通孔３５もアッパープレート３１の同様の箇所に設けられているが、これらの個数および配置は、上記した実施例に限定されない。例えば、シャフト３４をロアープレート３２の中心に１本、貫通孔３５をアッパープレート３１の中心に１箇所だけ設けるようにしてもよい。このようにしても、アッパープレート３１とロアープレート３２とが、大きくずれることを抑制することができる。

（５）また、上記第４の実施例において、バネ穴３９ｕＤ、３９ｌＤの開口部の角に丸みを付けたものを示したが、例えば、３９ｕＤ、３９ｌＤの形状を、底面から開口部に向けてテーパ状に拡径するような形状（穴の形状が、円錐台形状）にしてもよい。このようにしても、コイルスプリング３３が斜めに伸縮する場合に、バネ穴３９ｕＤ、３９ｌＤと接触し難くなるため、摩擦によりバネが磨耗するのを抑制することができる。

（６）上記した実施例において、ロアープレート３２が、アッパープレート３１よりも積層体１４側に位置しているが、アッパープレート３１が、ロアープレート３２よりも積層体１４側に位置するようにしてもよい。その場合、積層体１４が膨張すると、コイルスプリング３３が縮んで、シャフト３４がアッパープレート３１から、積層体１４の方に向かって突出する。そのため、例えば、アッパープレート３１とロアープレート３２を、積層体１４の積層面の大きさよりも大きく形成して、その周縁部にシャフト３４を突設し、スプリング部材３０を構成した場合に、シャフト３４が積層体１４の周囲に配置されるようにする。そうすれば、シャフト３４が積層体１４の方に向かって突出しても、積層体１４に当たったりすることがない。そして、ロアープレート３２とエンドプレート１８との間に空間を設ける必要がなくなるため、燃料電池スタック１００の積層方向（図中のＸ方向）の長さを短くすることができる。

（７）上記した実施例において、アッパープレート３１にバネ穴３９ｌを、ロアープレート３２にバネ穴３９ｕを設けて、コイルスプリング３３の位置を決めているが、例えば、アッパープレート３１、ロアープレート３２に、突起を設けて、その突起をコイルスプリング３３の輪に挿すことによって、コイルスプリング３３の位置を決めるようにしてもよい。

（８）上記した実施例において、シャフト３４が貫通孔３５から抜けないように留める留め具として、ワッシャ３７とボルト３８を用いているが、留め具はこれに限定されない。例えば、その頭部が貫通孔３５の開口面積よりも大きいボルトのみを用いてもよい。このようにしても、ボルトの頭部が、アッパープレート３１に引っ掛かって、シャフト３４が貫通孔３５から抜けないように留めることができる。また、シャフト３４の長さ方向に垂直に貫通孔を設け、その貫通孔に、ピンを挿し、そのピンにより、シャフト３４が貫通孔３５から抜けないように留めるようにしてもよい。

本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００Ａの構成を示す説明図である。 スプリング部材３０の全体構成を示す斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ切断面を模式的に示す説明図である。 燃料電池スタック１００Ａの図１におけるＸ１部拡大図である。 燃料電池スタック１００Ａの効果を説明するための説明図である。 比較例の燃料電池スタック１００Ｐに用いられるスプリング部材３０Ｐの構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００Ｐの構成を説明するための部分拡大図である。 発明の第２の実施例としての燃料電池スタック１００Ｂの構成を示す説明図である。 スプリング部材３０Ｂの全体構成を示す斜視図である。 図９におけるＡ−Ａ切断面を模式的に示す説明図である。 燃料電池スタック１００Ｂの図８におけるＸ１部拡大図である。 スプリング部材３０Ｃの一部を拡大して断面構成を示す説明図である。 スプリング部材３０Ｄの一部を拡大して断面構成を示す説明図である。

符号の説明

１１、１８…エンドプレート
１２、１６…絶縁板
１３、１５…集電板
１４…積層体
１４ｍ…ＭＥＡ
１４ｓ…セパレータ
１７…プレッシャプレート
１９…テンションプレート
２０…ボルト
２１…アジャストスクリュー
３０、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｐ…スプリング部材
３１、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｐ…アッパープレート
３２、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｐ…ロアープレート
３３…コイルスプリング
３４、３４Ｂ…シャフト
３５、３５Ｂ…貫通孔
３６…被覆部材
３６ｎ…爪
３７…ワッシャ
３８…ボルト
３９ｌ、３９ｕ、３９ｌＤ、３９ｕＤ…バネ穴
４０…凹部
４１ｌ、４１ｕ…バネ穴被覆部材
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｐ…燃料電池スタック

Claims (8)

1. 電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体が、複数積層されて成る積層体と、前記積層体の端部に配置され、前記積層体の積層方向に伸縮可能な伸縮部材と、を備える燃料電池スタックであって、
   前記伸縮部材は、
   第１のプレートと、
   前記第１のプレートと対向して配置される第２のプレートと、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配置される弾性体と、
   前記第２のプレートから突設されるシャフトと、
   を備え、
   前記第１のプレートには、
   前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２のプレートは、前記第１のプレートよりも、前記積層体側に位置することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記伸縮部材は、
   前記貫通孔の内周を覆う貫通孔被覆部材をさらに備え、
   前記貫通孔被覆部材の前記シャフトに対する摩擦係数は、前記第１のプレートの前記貫通孔の前記シャフトに対する摩擦係数よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記貫通孔被覆部材は、樹脂製であることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記伸縮部材は、
   前記シャフトが前記貫通孔から抜けないように留める留め具をさらに備え、
   前記第１のプレートは、
   前記貫通孔と連通すると共に、前記留め具の少なくとも一部が入る凹部を、さらに備えることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記弾性体は、
   コイルバネであり、
   前記第１および第２のプレートには、
   対向する各対向面に開口する、凹状のバネ穴が形成され、
   前記バネ穴は、
   その底面から、前記開口部に向かって拡径していることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記弾性体は、
   コイルバネであり、
   前記第１および第２のプレートには、
   対向する各対向面に開口する、凹状のバネ穴が形成されると共に、
   前記バネ穴の内周を覆うバネ穴被覆部材をさらに備え、
   前記バネ穴被覆部材の前記コイルバネに対する摩擦係数は、前記第１および第２のプレートに設けられる前記バネ穴の前記コイルバネに対する摩擦係数よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
8. 請求項７に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記バネ穴被覆部材は、樹脂製であることを特徴とする燃料電池スタック。

Images