JP2019046542A - 燃料電池締付構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】締付板の構造を簡略化しつつ、セル積層体の面圧を均一化することが可能な燃料電池締付構造体を提供する。【解決手段】本実施形態によれば、燃料電池締付構造体は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の積層方向の両端面側からセル積層体を締め付ける２つの締付板と、２つの締付板を連結させる複数の連結具と、を備え、２つの締付板のそれぞれは、セル積層体に対向配置され、セル積層体を積層方向に押圧する押圧部と、押圧部のセル積層体に対向する面とは反対の面側に突き出して押圧部の面に沿って延在する凸状の梁部と、を有し、梁部は、複数の連結具を固定する複数の締結部を有し、押圧部と梁部とは、一体成形されている。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、燃料電池締付構造体の構成に関する。
に関する。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出すシステムである。この燃料電池発電システムは一般に、比較的小型であり、高効率で、環境性に優れるという特徴を有する。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。

このような燃料電池システムの燃料電池本体は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類される。特に、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性に優れ、高出力密度を有する。このため、一般家庭向けの小型コージェネレーションシステムや燃料電池自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子形燃料電池発電システムは、例えば、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する熱利用系等を有している。また、燃料電池発電システムの性能を示す指標として、燃料の供給量に対する発電量として定義される発電効率が用いられる。つまり、この発電効率が高いほど、燃料の使用量を削減できる。このため、燃料電池スタックの発電効率を上げることが望まれている。

燃料電池スタックは、例えば電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置して構成される電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、セパレータとで構成される燃料電池セルを複数積層して、セル積層体として構成される。セル積層体は、締付板により所定の面圧となるように締結して構成される。これにより、セル積層体の積層体間の接触抵抗が低減され、積層体のシール機能が維持される。また、セル積層体の発電効率を上げるためには、セル積層体の平面内の面圧を均一に保つ必要がある。さらに、燃料電池発電システムの小型化のために、締付板の薄型化、軽量化が要求されている。

特開２０１２−２５６５４０号公報

しかしながら、従来の締付板は平板に複数の梁を溶接して組み合わせた構造を採用しているため、複数の梁の高さがそれぞれ相違したり、各梁が平板の中心に対して非対称になったり、各梁の肉厚が場所によって相違して亀裂が生じる等の不具合が生じる恐れがある。このような不具合により、セル積層体内の面圧が不均一になり、発電性能が低下する恐れもある。

また、従来の締付板に用いられる梁は、組み合わせ部分を除き、梁の長手方向の断面積が一定であるため、平板に加える圧に対して梁の構造強度が過剰となってしまう。このため、締付板の総重量が必要以上に増大する恐れがある。さらに、平板に複数の梁を溶接する必要があり、製造工数が増えてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、締付板の構造を簡略化しつつ、セル積層体の面圧を均一化することが可能な燃料電池締付構造体を提供することである。

本実施形態によれば、燃料電池締付構造体は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の積層方向の両端面側から前記セル積層体を締め付ける２つの締付板と、前記２つの締付板を連結させる複数の連結具と、を備え、前記２つの締付板のそれぞれは、前記セル積層体に対向配置され、前記セル積層体を積層方向に押圧する押圧部と、前記押圧部の前記セル積層体に対向する面とは反対の面側に突き出して前記押圧部の面に沿って延在する凸状の梁部と、を有し、前記梁部は、前記複数の連結具を固定する複数の締結部を有し、前記押圧部と前記梁部とは、一体成形されている。

本発明によれば、セル積層体内の面圧をより均一化できる。

第１実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図。 マニホールドを装着した状態の燃料電池構造体を示す図。 締付板の斜視図。 比較例１の締付板を示す図。 比較例２の締付板を示す図。 評価した締付板の強度、形状変化についてまとめた図。 母材の厚さと締付板の強度、形状変化についてまとめた図。 変形例に係る締付板の斜視図。 第２実施形態に係る締付板の斜視図。 締付板をＡ方向から見た側面図。 締付板をＢ方向から見た側面図。 図１２（ａ）は、図９の一部領域Ｃに対応する図３で示す締付板の部分を拡大した図、図１２（ｂ）は、図９の一部領域Ｃの拡大図。 第１実施形態に係る締付板と、第２実施形態に係る締付板の強度、形状変化についてまとめた図。 締付板と電極端子とを示す図。 燃料電池構造体の断面図を模式的に示す図。 第３実施形態に係る締付板の側面図を示す図。 集電板と積層体の境界面における面圧を測定した領域を示す図。 段差距離と面圧の標準偏差との関係についてまとめた図。 セル積層体における面圧分布の標準偏差を示すグラフの図。 セル積層体の発電特性を示す図。 第４実施形態に係る締付板の背面、すなわちセル積層体に対向する面側の構造を示す図。 締付板を連結具に締結する工程順序を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池構造体１の斜視図である。図１に示すように、燃料電池構造体１は、燃料電池セルにおける電気化学反応により発電する構造体である。すなわち、燃料電池構造体１は、セル積層体１０と、２つの集電板２０と、２つの絶縁板２５と、燃料電池締付構造体３０とを備えて構成されている。セル積層体１０は、複数の燃料電池セルを積層したものである。燃料電池セルは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気との電気化学反応により発電する。すなわち、燃料電池セルは、例えば、電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置して構成される電解質膜・電極接合体と、電解質膜・電極接合体にガス供給を行うと共に燃料と酸化剤を分離する機能を有するセパレータとを有する。セパレータは、例えば微細孔を有する導電性多孔質板で構成されている。また、セパレータは、冷却水流路を有する。冷却水流路は、供給された冷却水をその表面から蒸発し、燃料電池セルを加湿する。なお、冷却水路を有しないセパレータを用いてもよい。

セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０が配置されている。２つの集電板２０は、板状の導電体であり、セル積層体１０の両端面のそれぞれに配置されている。２つの絶縁板２５は、板状の絶縁体であり、２つの集電板２０と、２つの締付板１００との間にそれぞれ配置されている。このように、セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０と２つの絶縁板２５が順に配置されており、これらを一体的に積層方向の両側から２つの締付板１００で締め付けることで、燃料電池構造体１が得られる。

燃料電池締付構造体３０は、セル積層体１０に面圧を加える構造体であり、２つの締付板１００と、複数の連結具２００と、を備えて構成されている。２つの締付板１００は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体１０の積層方向の両側からセル積層体１０を締め付ける部材である。締付板１００は、押圧部１１０と、梁部１２０とを有している。これら押圧部１１０と、梁部１２０とは一体形成されている。締付板１００の詳細な構造は、後述する。

連結具２００は、２つの締付板１００を連結させる部材である。すなわち、本実施形態における連結具２００は、タイロッド２０２と、二つの座金２０４と、二つのナット２０６と、を有している。図１に示すように、２つの締付板１００に設けられた対向する孔部にタイロッド２０２を通した状態で、座金２０４を介してナット２０６が締め付けられ、２つの締付板１００が連結されている。

図１の燃料電池構造体１におけるセル積層体１０の周囲にはマニホールドが装着される。マニホールドとは、燃料ガス、空気および冷却水の流路を備えた部材である。

図２は、マニホールドを装着した状態の燃料電池構造体１を示す図である。図２に示す燃料電池構造体１は、第１マニホールド４０と、第２マニホールド４２と、第３マニホールド４４と、第４マニホールド４６とを更に有する。

第１マニホールド４０は、冷却水マニホールドと空気ガスマニホールドを有している。第２マニホールド４２は、燃料ガスマニホールドである。第３マニホールド４４は、冷却水マニホールドと空気ガスマニホールドを有している。第４マニホールド４６は、燃料ガスマニホールドである。冷却水入口４０Ａから導入された冷却水は、セパレータ側面から供給され、セパレータの流水路を介して冷却水出口４４Ａから排出される。一方で、空気ガス入口４０Ｂから空気ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった空気ガスが空気ガス出口４０Ｃから排出される。また、燃料ガス入口４６Ａから燃料ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった燃料ガスが燃料ガス出口４６Ａから排出される。

図１及び図２を参照にしつつ、図３に基づき締付板１００の形状を説明する。図３は、締付板１００の斜視図である。図１及び図２に示すように、押圧部１１０は、セル積層体１０に対向配置され、セル積層体１０を積層方向に押圧する。実際には、セル積層体１０の積層方向の両側には、集電板２０と絶縁体２５が配置されているため、押圧部１１０は、絶縁体２５と集電板２０を介して、セル積層体１０を両側から押圧することになる。図３に示すように、押圧部１１０は、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅと、押圧部１１０の面方向に交差する方向に折り曲げられた折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとを、有している。このうち、部分押圧部１１０Ｅは、押圧部１１０の中央側に配置され、その周囲に部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄが配置されている。折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄはそれぞれ、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄの縁側を折り曲げて形成されている。図２に示すように、折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄにはそれぞれ、第４マニホールド４６と、第１マニホールド４０と、第２マニホールド４２と、第３マニホールド４４とが取り付けられる。

図３に示すように、梁部１２０は、押圧部１１０からセル積層体１０とは反対側に突き出して押圧部１１０の面に沿って延在する凸状の梁である。梁部１２０は、複数の連結具２００を固定する複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄを有している。これら複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは、梁部１２０の縁側に配置されている。これらから分かるように、２つの締付板１００は、複数の連結具２００を複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄに固定することで、セル積層体１０を積層方向に押圧する。

また、梁部１２０は、複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄのうち、隣接する２つの締結部同士を繋ぐ複数の凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄを有し、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの中央側の凸状サイズは、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄ側の凸状サイズよりも小さく形成されている。例えば、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの中央側の凸状高さは、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄ側の凸状高さよりも低く形成されている。

さらにまた、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの一端側の締結部から他端側の締結部まで、連続的に凸状高さが変化するように形成されている。このような形状にすることで、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの中央側の肉厚が薄くなるおそれがなくなる。仮に、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの凸状サイズが長手方向の全長にわたって同一であるとすると、これら４つの凸状部は長手方向の中央側でより接近しているため、中央側の肉厚サイズが締結部側の肉厚サイズよりも薄くなりやすい。肉厚サイズが薄くなると、亀裂が生じやすくなり、セル積層体１０を押圧する面内圧力も不均一になりやすい。これに対して、本実施形態のように、中央側の凸状高さを締結部側の凸状高さよりも低くすれば、中央側の肉厚サイズが薄くならなくなり、亀裂も生じにくくなって、セル積層１０を押圧する面内圧力も均一化できる。また、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの中央側の凸状高さを締結部側の凸状高さよりも低くすることにより、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの全体での板材料の使用量を削減でき、軽量化を図ることができる。

凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄは、押圧部１１０の中央部に配置される部分押圧部１１０Ｅの外側に配置されている。また、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄは、押圧部１１０の面内で押圧部１１０の中心位置に対して点対称に配置されている。これにより、セル積層体１０の押圧力が面内で均一化される。また、梁部１２０は、複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄ付近に、押圧部１１０と面一の鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄを有している。鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄを設けることで、絶縁体２５との接触面積を増大できる。

本実施形態に係る締付板１００は、例えば、厚さ２．０ミリメータの高張力鋼（引っ張り強度４００ＭＰａ）を母材とし、金型を使用して複数回の加圧プレス工程を経て成形される。

上述のように金型を使用して複数回の加圧プレス工程で締付板１００を製作し、締付板１００の強度と外観形状を評価した。図４は、評価の参考に用いた比較例１の締付板を示す図であり、表面側の締付板１００ａの斜視図と、裏面側の締付板１００ｂの斜視図とを示している。図４の締付板では、比較参照のため、凸形状の梁部１２０Ａの凸状高さを長手方向に沿って同一にしている。図５は、比較例２の締付板を示す図である。この締付板では、折り返し部が設けられていない。なお、図５における凸状部の構造は、図３に示す本実施形態の凸状部と同様である。また、特許文献１に記載の締付板と同様の構造の締付板を従来例として評価した。

本実施形態に係る締付板１００の母材厚さを１．５〜３．５ミリメータの間で変更し、締付板１００の強度と外観形状を評価した。締付板１００の材料は高張力鋼（引っ張り強度４００ＭＰａ）とし、金型を使用して複数回の加圧プレス工程を経て成形した。

次に本実施の形態による作用、効果について説明する。まず、図３に示す凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの凸状高さの効果について説明する。図６は、評価した締付板の強度、形状変化についてまとめた図である。図６に示すように、同一の母材を使用しても、比較例１の締付板（図４）のように凸形状の梁部の凸状高さを中心部と外周部で同一にすると、一部で亀裂が発生する。これは、加圧プレス工程における中央部での凸形状の梁部の形成時に、肉厚不足が発生するためと考えられている。

一方、図３に示す本実施形態に係る締付板１００（具体例１）は、梁部の凸状高さに勾配を持たせて、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの一端側の締結部から他端側の締結部まで、連続的に凸状高さを変化させ、中央部から外周部にかけて徐々に高くなるような形状を採用している。このような形状を採用することにより、中央部での肉厚サイズが薄くならなくなるため、凸形状の梁部に亀裂が生じなくなる。

さらに、上述のように、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの中央側の凸状高さを低くすることで、梁部１２０を構成する板材料の使用量を削減でき、締付板１００を軽量化できる。

次に、本実施形態に係る締付板１００が有する折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ（折り返し構造）の作用、効果について説明する。折り返し部を有しない締付板である比較例２（図５）を連結具２００に所定の締付圧で締結したところ、押圧部と、梁部との境界に変形が生じた。

一方、図３に示す本実施の形態に係る締付板１００を比較例２（図５）と同等の締付圧で連結具２００に締結したところ、比較例２のような変形は生じなかった。これは、折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄを設けることで、締付板１００の強度がより増加するためである。

次に、本実施形態に係る締付板１００の母材の厚さに関する作用、効果について説明する。図７は、母材の厚さと締付板の強度、形状変化についてまとめた図である。図７に示すように、母材厚さを２．０ミリメータ未満となる１．５ミリメータ（比較例３）を使用した場合には、一体ブレス後に局所的に肉厚が過小となる箇所が散見され、シワが発生した。一方、厚さ３．０ミリメータを超える母材（比較例４）を使用した場合には、一体プレス工程で肉厚分布が不均一となり、一部箇所で亀裂が発生した。

一方で、具体例１から４に示すように、高張力鋼（引っ張り強度４００ＭＰａ）の母材厚さを２．０ミリメータ以上３．０ミリメータ以下にすると、締付板１００の外観形状にシワも亀裂も生じなかった。これにより、高張力鋼（引っ張り強度４００ＭＰａ）の母材厚さが２．０ミリメータ以上３．０ミリメータ以下の場合には、金型を使用した複数回の加圧プレス工程による締付板１００の製造に適していることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池締付構造体３０によれば、締付板１００の梁部１２０の凸状高さに勾配を持たせて、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄの一端側の締結部から他端側の締結部まで、連続的に凸状高さを変化させ、凸状高さが長手方向の中央部から締結部側にかけて徐々に高くなるような形状とした。これにより、押圧部１１０と梁部１２０とを一体成形する加圧プレス工程における肉厚不足が解消されるとともに軽量化が可能となる。

また、凸状部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄは、押圧部１１０の面内で押圧部１１０の中心位置に対して点対称に配置されている。これにより、セル積層体１０を押圧する面圧をより均一化することが可能である。

さらにまた、締付板１００に折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄを設けることにより、締付板１００の強度を向上できる。本実施形態では、押圧部１１０、梁部１２０および折り返し部１１２Ａ〜Ｄを有する締付板１００を一体成形するので、溶接加工を行わずとも締付板１００を製造可能であり、溶接加工よりも製造工数を低減できる。

（変形例）
図８は、変形例に係る締付板の斜視図である。図８に示すように、変形例に係る締付板は、凸状体の凸状高さを一端側の締結部から他端側の締結部まで、連続的に変化させ、凸状高さが中央部から外周部にかけて徐々に高くなるような形状を有する。これにより、図３と同様に、押圧部１１０と梁部１２０とを一体成形する加圧プレス工程における肉厚不足が解消されるとともに軽量化が可能となる。また、梁部１２０の凸状を図３に示す凸状と同様の形状としてもよい。

（第２実施形態）
第１の実施形態による締付板１００にてセル積層体１０を締め付けた場合、梁部１２０と折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとの接合付近に応力が集中し、押圧部１１０の押圧力が高くなると、上述した接合付近（以下、応力集中部と呼ぶ）に亀裂が生じるおそれがある。第２の実施形態は、上述した応力集中部の応力を緩和するものである。

第２実施形態に係る締付板１００は、鍔部と折り返し部とを面接合させる面接合部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ、３００Ｆ、３００Ｇ、３００Ｈを有することで、第１実施形態に係る締付板１００と相違する。以下に第１実施形態と相違する点を説明する。第１実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

図９は、第２実施形態に係る締付板１００の斜視図である。この図９に示すように、押圧部１１０は、鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄと折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとを面接合させる面接合部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ、３００Ｆ、３００Ｇ、３００Ｈを更に有している。

図１０は、締付板１００をＡ方向から見た側面図である。図１１は、締付板１００をＢ方向から見た側面図である。図１０と図１１からわかるように、Ａ方向とＢ方向のいずれにおいても、締付板１００の側面図はほぼ同一である。図１２（ａ）は、図９の一部領域Ｃに対応する図３で示す締付板の部分を拡大した図であり、図１２（ｂ）は、図９の一部領域Ｃの拡大図である。

これら図９乃至図１２に示すように、鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄと折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとは、面接合されている。これにより、鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄと折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとの接合面積が第１の実施形態よりも広くなる。

図１３は、第１実施形態に係る締付板１００と、第２実施形態に係る締付板１００の強度、形状変化についてまとめた図である。すなわち、図３で示す第１実施形態に係る締付板１００が具体例３に対応し、図９で示す第２実施形態に係る締付板１００が具体例５に対応する。ここで、強度に関しては、有限要素法による強度解析を行った。

図１３に示すように、第１実施形態に係る締付板１００（具体例３）、及び第２実施形態に係る締付板１００（具体例５）のいずれも、表面形状に亀裂やシワ等の異常領域は発生しない。一方で、第１実施形態に係る締付板１００と、第２実施形態に係る締付板１００を比較すると、面接合部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ、３００Ｆ、３００Ｇ、３００Ｈを設けることで、応力集中部の相当応力が８９１ＭＰａから２８５ＭＰａまで６８％も低減する。このように、締付板１００に面接合部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ、３００Ｆ、３００Ｇ、３００Ｈを設けることで、締付板１００における応力集中部の応力を緩和でき、締付板１００の締付圧力をより高くすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池締付構造体３０によれば、締付板１００の押圧部１１０と面一の鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄと、押圧部１１０の面方向に交差する方向に折り曲げられた折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄとを面接合させる面接合部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ、３００Ｆ、３００Ｇ、３００Ｈを設けるため、これら面接合部の相当応力を低減させることができ、締付板１００の強度を向上できる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る締付板１００では、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の中央部１１０Ｅを、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の縁部よりも、セル積層体１０側に突き出させたものである。以下に第２実施形態と相違する点を説明する。第２実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

図１４は、締付板１００と電流端子３５０とを示す図である。図１４に示すように中央部の部分押圧部１１０Ｅに、集電板２０に接続される電流端子３５０が設けられている。

図１５は、燃料電池構造体１の断面図を模式的に示す図である。この図１５に示すように、セル積層体１０は、複数の燃料電池セル１２を積層して構成されている。燃料電池構造体１は、セル積層体１０の両端に、集電板２０と、絶縁板２５と、締付板１００とを配置し、タイロッド２０２及び二つのナット２０６によって締め付けることにより構成されている。燃料電池セル１２は、固体高分子膜の両端に、触媒を塗布した燃料極及び酸化剤極を配し、その両端に燃料極流路と酸化剤極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路板によって構成されている。このような燃料電池構造体１では、燃料電池セルの１枚では起電力が１Ｖ程度と小さいため、燃料電池セル１２を一般に１０枚以上積層して、電気的に直列につなぎ高電圧出力を得ている。

また、絶縁板２５には、図１４に示す電流端子３５０に対応する位置に、電極端子３５０を集電板２０まで通すための孔部が設けられている。電極端子３５０は、この孔部を介して集電板２０に接続されている。

図１６は、第３施形態に係る締付板１００の側面図を示す図である。この図１６に示すように、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の中央部１１０Ｅは、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄよりも、セル積層体１０側に突き出している。図１６では、セル積層体１０に対向する面側の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄよりも突き出ている中央部１１０Ｅの段差距離をΔｔとしている。

複数の連結具２００が複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄに固定されていない状態では、押圧部１１０の中央部１１０Ｅは、押圧部１１０の折り返し部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄよりも、０．６ｍｍ乃至０．７ｍｍの範囲内の大きさでセル積層体１０側に突き出している。

一方で、複数の連結具２００が複数の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄに固定された状態では、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の中央に位置する部分押圧部１１０Ｅと、その周囲の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄは、ともにセル積層体１０を締め付ける。すなわち、この場合、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の中央に位置する部分押圧部１１０Ｅと、その周囲の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄはともに、複数の連結具２００の締めつけ力により面一となってセル積層体１０を押圧し、面圧は均一になる。

図１４に示すように、電流端子３５０は、上述のように絶縁板２５に設けられた孔部を介して、セル積層体１０側に突き出している締付板１００の中央部１１０Ｅに対応する絶縁板２０上の領域と、中央部１１０Ｅに対応する集電板２５上の領域との間に接続されている。中央部１０４Ｅは、押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の縁部よりも、セル積層体側に突き出しているので、電流端子３５０が電気的に接合される集電板２０の周辺には、絶縁板２５を介して中央部１０４Ｅの押圧力が常にかかっている。これにより、電極端子３５０と集電板２０との間の接触抵抗が低減されると共に安定化する。

上述のように、厚さ２．６ミリメータの高張力鋼（引っ張り強度４４０ＭＰａ）を母材とし、金型を使用して複数回の加圧プレス工程を経て締付板１００を製作した。ここでは、比較例として段差距離Δｔ＝０．１〜０．５ミリメータの締付板１００を製作した。また、特許文献１に記載の締付板と同様の構成の締付板を従来例として評価した。

評価として、セル積層体１０の面圧分布を測定した。図１７は、集電板２０とセル積層体１０の境界面における面圧を測定した領域を示す図である。ここでは、図１７に示すように、集電板２０とセル積層体１０との境界面における領域１〜１３の面圧を測定し、評価を行った。

図１８は、段差距離Δｔと面圧の標準偏差との関係についてまとめた図である。図１９は、セル積層体１０における面圧分布の標準偏差を示すグラフの図である。横軸は段差距離Δｔを示し、縦軸は面圧分布の標準偏差を示す。図１８及び図１９に示すように、段差距離Δｔが小さくなるに従い、面圧の標準偏差が増加する。これは、連結具２００の締付力で締付板１００の中央部がたわみ、段差距離Δｔが小さくなるに従い、中央部にかかる押圧が低減するためである。これにより、面圧が不均一となると共に、抵抗増大の原因となっている。

逆に、Δｔの増加に伴い、中央部付近の面圧不足が解消する。したがって、Δｔの値を調整することで、面圧の標準偏差が最小化する。本実施形態に係る締付板１００では、Δｔを０．６〜０．７ミリメータの範囲内とすることで、面圧の標準偏差が最小化している。この値は、従来例１で示す曲げ加工した部材を溶接した締付板よりも低い値となっている。すなわち、本実施形態に係る締付板１００が連結具２００に締結された場合、従来用いられている一般的な締付板よりも面圧がより均一化する。このように、締付板１００の軽量化、薄型化を進めることで発生しうるたわみにも、例えば１ミリメータ未満の段差を設けることで、対応可能となる。

図２０は、セル積層体１０の発電特性を示す図である。縦軸は平均セル電圧を示し、横軸は、電流密度を示す。ここで、平均セル電圧は、セル積層体１０を構成する単セルの電圧平均値であり、電流密度は、各セルを流れる電流の密度である。この図２０に示すように、本実施形態に係る締付板１００が連結具２００に締結された場合、平均セル電圧の低下に伴う、電流密度の低下が電流密度の全範囲で一番少なく、最も発電特性が良いことを示している。このように、セル積層体１０の面圧分布を均一化すると、セル積層体１０の発電特性もより改善される。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池締付構造体３０によれば、締付板１００の押圧部１１０のセル積層体１０に対向する面側の中央部１０４Ｅを、押圧部のセル積層体に対向する面側の縁部よりも、セル積層体１０側に突き出すことで、所定圧で締付板１００を締結する場合にたわみが生じても、押圧部１１０のセル積層体に対向する面側の中央部１０４Ｅの押圧力を維持でき、セル積層体１０の面圧分布をより均一化できる。このため、セル積層体１０の発電特性もより改善される。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る締付板１００は、セル積層体１０を破損させることなく、締付体１００の締付力を適正化するものである。

以下に第３実施形態と相違する点を説明する。第３実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

図９を参照にしつつ、図２１及び図２２に基づき、第４実施形態に係る締付板１００の構成を説明する。図２１は、第４実施形態に係る締付板１００の背面、すなわちセル積層体１０に対向する面側の構造を示す図である。図２２は、締付板１００を連結具２００に締結する工程順序を示す図である。

図２１及び図２２に示すように、締付板１００は、梁部１２０により分断された複数の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅを有し、複数の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅのうち、部分押圧部１１０Ｅは、押圧部１１０の中央に配置され、それ以外の部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄは、部分押圧部１１０Ｅの周囲に配置されている。部分押圧部１１０Ｅは第３の実施形態と同様にセル積層体１０側に突き出していてもよいし、第１または第２の実施形態のように突き出していなくてもよい。

また、図９、図２１及び図２２に示すよう、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅは、梁部１２０に接している。図２１は、締付体１００をセル積層体１０側から見た図であり、梁部１２０の部分は、凹状に窪んでいる。部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅは、凹状に窪んだ部分に接するように配置されている。

部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅのセル積層体１０に対向する面側は、平坦または曲面であり、積層体受け部４００として機能する。積層体受け部４００は、セル積層体１０を積層方向の両側から押圧する部分であり、理想的には、セル積層体１０の端面の全体が積層体受け部４００に面接触するのが望ましい。本実施形態では、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅのセル積層体１０側の面を平坦または曲面にしているため、セル積層体１０の両端面との接触性がよくなる。なお、セル積層体１０の両端面には、上述のように絶縁板２５が配置されている。

また、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅのセル積層体１０側の面を平坦または曲面にするということは、角部がないことを意味し、締付体１００にてセル積層体１０を締め付けたときに、セル積層体１０の両端面を傷付けるおそれがなくなる。

また、第３の実施形態と同様に、押圧部１１０の中央に位置する部分押圧部１１０Ｅを、セル積層体１０側に突き出させることで、より、セル積層体１０との接触性を向上できる。これにより、締付板１００の締結時にたわみが生じた場合に、曲面が平坦化し、たわみの影響を低減可能である。なお、本実施形態に係る締付板１００の材料は、例えば、高張力鋼、亜鉛メッキ工板、ＳＵＳ板などである。

図２２に示すように、本実施形態に係る締付板１００の締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは、平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄを有している。平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄは、梁部１２０におけるタイロッド２０２を通す孔部の周辺に配置されており、座金２０４が接触する部分である。座金２０４が接触する部分が湾曲した形状を持つと、締付時に座金２０４が梁部１２０の上で傾き、タイロッド２０２がセル積層体１０に対して傾くことがある。タイロッド２０２が斜めに傾いた状態でセル積層体１０を締め付けると、セル積層体１０の締付力が狙いの締付圧とならなくなってしまう。このため、セル積層体１０中のシール機能の働きが弱くなり、ガスリークが生じえる。また締付面圧が小さくなることで燃料電池セル間の接触抵抗が大きくなり、発電効率が低下することがある。さらには、タイロッド２０２が斜めに傾いた状態でセル積層体１０を締め付けると、締付板１００の座金接触部に傾いた方向で力が掛かり、締付板１００が破損してしまう恐れがある。

これに対して、本実施形態に係る締付板１００は、座金２０４が接触する部分に平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄを設けているため、座金２０４が平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄに面接触する。よって、タイロッド２０２がセル積層体１０に対して傾くという不具合が生じなくなる。よって、本実施形態によれば、セル積層体１０の締付圧を高めることができ、ガスリークを防止できるとともに、発電効率の向上や締付板１００の破損防止を図ることができる。

より具体的には、図２２に示すように、タイロッド２０２は、締付板１００の対向する孔部を通り、セル積層体１０とは反対側における締付板１００の平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄに締結具であるナット２０６と座金２０４とにより取り付けられる。すなわち、連結具２００は、締結具２０４、２０６を締結させて、対応する締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄに固定される。

また、本実施形態に係る締付板１００は、梁部１２０における凸状の一部を平坦にした抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄを有している。抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄは、締付板１００を締結する際に、不図示の締付装置との接触面積を大きくするために設けられている。なお、抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄの面積と、締付装置側の接触部の面積とを異ならせてもよい。例えば、締付装置側の接触部の面積を抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄの面積よりも大きくすることで、抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄと締付装置側の接触部とのずれにも対応可能となる。

燃料電池締付構造体３０により燃料電池構造体１を締結する際には、先ず、２つの締付板１００によりセル積層体１０を狭持させる。続いて、不図示の締付装置により締付板１００に所定の圧を加え、セル積層体１０と、集電板２０と、絶縁板２５と、締付板１００とを仮固定する。この場合、締付板１００の抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄが、締付装置と接する。抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄは平面であり、締付装置の接触部も平面であるので、抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄと締付装置とは平面が重なるように接する。

次に、締結具であるナット２０６を所定の締め付け圧で締め付け、固定する。そして、締付装置が締付板１００に加えている圧を減圧し、締付板１００から締付装置を開放する。

本実施形態に係る燃料電池締付構造体３０では、部分押圧部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅのセル積層体１０に対向する面側を平坦または曲面にしているため、締付板１００の締結時にセル積層体１０との接触性がよくなり、セル積層体１０の両端面を損傷させずに、所望の締付力でセル積層体１０を締め付けることができる。

また、本実施形態では、締結部１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄに平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄを設けるため、座金２０４が平坦面部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄに面接触し、タイロッド２０２がセル積層体１０に対して傾くおそれがなくなる。

さらにまた、締付板１００に抑え部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄを設けることにより、締付装置と締付板１００との接触性がよくなり、締付板１００によるセル積層体１０の締付力を適性化することができる。これにより、セル積層体１０の面圧を均一化できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池構造体、１０：セル積層体、２０：集電板、２５：絶縁板２５、３０：燃料電池締付構造体、１００：締付板、１１０：押圧部、１１０Ａ〜Ｅ：部分押圧部、１１２Ａ〜Ｄ：折り返し部、１２０：梁部、１２２Ａ〜Ｄ：締結部、１２４Ａ〜Ｄ：凸状部、１２６Ａ〜Ｄ：鍔部、２００：連結具、３００Ａ〜Ｈ：面接合部、３５０：電流端子

Claims (8)

1. 複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の積層方向の両端面側から前記セル積層体を締め付ける２つの締付板と、
   前記２つの締付板を連結させる複数の連結具と、を備え、
   前記２つの締付板のそれぞれは、
   前記セル積層体に対向配置され、前記セル積層体を積層方向に押圧する押圧部と、
   前記押圧部の前記セル積層体に対向する面とは反対の面側に突き出して前記押圧部の面に沿って延在する凸状の梁部と、を有し、
   前記梁部は、前記複数の連結具を固定する複数の締結部を有し、
   前記押圧部と前記梁部とは、一体成形されている、燃料電池締付構造体。
2. 前記梁部は、隣接する２つの前記締結部同士を繋ぐ複数の凸状部を有し、
   前記凸状部の長手方向中央側の凸状サイズは、前記凸状部の前記締結部側の凸状サイズよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池締付構造体。
3. 前記凸状部の長手方向中央側の凸状高さは、前記凸状部の前記締結部側の凸状高さよりも低い、請求項２に記載の燃料電池締付構造体。
4. 前記凸状部は、一端側の前記締結部から他端側の前記締結部まで、連続的に凸状高さが変化する、請求項２または３に記載の燃料電池締付構造体。
5. 前記複数の凸状部は、前記押圧部の中心位置を含む所定範囲の外側に配置されている、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池締付構造体。
6. 前記複数の凸状部は、前記押圧部の中心位置に対して点対称に配置されている、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池締付構造体。
7. 隣接する２つの前記凸状部は、前記締結部側で一つに統合されている、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池締付構造体。
8. 前記梁部は、前記複数の締結部付近に、前記押圧部と面一の鍔部を有し、
   前記押圧部は、
   前記押圧部の面方向に交差する方向に折り曲げられた折り返し部と、
   前記鍔部と前記折り返し部とを面接合させる面接合部と、を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池締付構造体。

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