JP4227736B2 - 固体高分子水電解セル構造体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子水電解セル構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子水電解セル構造体は、固体高分子電解質を用いた電気化学的セル構造体であり、例えば、ソーダ電解に適用される。
固体高分子水電解セル構造体では、セルとセパレータとが交互に積層された構造となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するために、セル積層体を所定の圧力で締付けて接触性を高め、接触抵抗を低く抑える必要がある。
【０００３】
従来、板状部材が多数重ねられた積層体について、両端面を所定の圧力で押圧して締付ける締付構造としては、特開平１１−９７０５４号公報に開示された技術（第１従来技術）が知られている。図７を参照して、この第１従来技術について説明する。
【０００４】
図７に示すように、この積層体の締付構造体は、板状部材１１０が積み重ねられた積層体１０１の両端を一対のエンドプレート１０２で挟持し、該エンドプレート１０２の貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿通し、該タイロッド１３０の両端から締付部材１３１を用いてエンドプレート１０２を締め付ける積層体１０１の締付構造に於て、少なくとも一方のエンドプレート１０２と積層体１０１の間に配備され、積層体１０１を押圧する押圧プレート１０４と、基端部が押圧プレート１０４に固定され、先端部がエンドプレート１０２に形成された貫通孔１２１から臨出する棒状の部材であって、該エンドプレート１０２の貫通孔１２１の中を移動可能に配備されて、押圧プレート１０４を支える支持棒１０５と、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４の間に配備され、圧縮作用に抗して反発力を有する弾性部材１０７と、支持棒１０５の先端部に取り付けられ、弾性部材１０７を所定の圧縮状態に保持する係止部材１０６とを具えており、弾性部材１０７を所定の圧縮状態に保持した状態で、タイロッド１３０の締付部材１３１を締め付けてエンドプレート１０２を積層体１０１側へ移動させることにより、押圧プレート１０４を介して積層体１０１を徐々に締め付けていき、積層体１０１が所定の締付状態に達すると、弾性部材１０７が所定の圧縮状態よりもさらに圧縮されて、押圧プレート１０４とエンドプレート１０２の間隔が狭まるようにしている。
【０００５】
次に、図７および図８を参照して、第１従来技術の積層体の締付構造についての締付方法について説明する。
【０００６】
［準備工程］
まず、図８に示すように、押圧プレート１０４の各ネジ穴４０に支持棒１０５の端部を螺着し、例えば所定枚数の皿バネ１０７を支持棒１０５に通した後、エンドプレート１０２の貫通孔１２１の中に支持棒１０５を通す。次に、プレス装置を用いて、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４を所定の圧力で押圧して皿バネ１０７を圧縮する。この圧縮状態を維持するために、支持棒１０５の先端に取り付けたナットなどの係止部材１０６を回して、エンドプレート１０２を係止する。次に、積層体１０１の一方側にエンドプレート１０２を当接し、積層体１０１の他方側に押圧プレート１０４を当接させる。両エンドプレート１０２の貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿通し、該タイロッドの両端から、ナットなどの締付部材１３１を取り付ける。
【０００７】
［締付工程］
前記準備工程の後に締付工程が行なわれる。この工程では、タイロッド１３０の一方の端部（図７では左側）からナット１３１を締め付けることにより、エンドプレート１０２を積層体１０１の方へ移動させる。このとき、弾性部材１０７は所定の圧縮状態が維持された儘であり、この圧縮状態を維持する力は、締付工程の最初の段階では、積層体１０１を締め付けるのに要する力よりも大きいから、押圧プレート１０４は積層体１０１を押圧する。積層体１０１が所定の締付力に達すると、今度は、弾性部材１０７を圧縮状態を維持する力の方が小さくなり、弾性部材１０７は、所定の圧縮状態よりもさらに圧縮されて、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４との間の距離が狭まり、係止部材１０６が緩み始める。この時点を以て、タイロッド１３０におけるナット１３１の締付けを終了し、これにより積層体１０１の締付けが完了する。
【０００８】
この第１従来技術では、準備工程において、一方のエンドプレート１０２と押圧プレート１０４が所定の圧力で押圧され且つ弾性部材１０７が圧縮されて、支持棒１０５と係止部材１０６により押圧状態が維持される。第１従来技術以前の従来の積層体の締付構造では、皿バネなどの弾性部材が無負荷の状態から所定圧力での圧縮状態となるまで、弾性部材の反発力に抗してナットを回す必要があるのに比べて、第１従来技術では、弾性部材が予め圧縮状態にあるから、弾性部材の反発力に抗してナットを回す量が少なく、労力が低減される。また、準備工程により押圧状態を維持しているエンドプレート１０２および押圧プレート１０４は、所定の締付力を示す指標となるから、積層体１０１の締付けに際し、測定装置が不要である。
【０００９】
またさらに、他の従来技術として、特開２０００−２０８１６３号公報に開示された技術（第２従来技術）が知られている。図９を参照して、この第２従来技術について説明する。
【００１０】
第２従来技術では、スタックを均一に締結できる燃料電池スタック締結装置が、次のように開示されている。図９に示すように、単セルを積層したスタック２１０の下部を支持する下部ホルダ２１１と、スタック２１０の頂部を押さえる上部ホルダ２１２と、この上部ホルダ２１２の上部に配置された押さえ材２１３と、この押さえ材２１３と下部ホルダ２１１を貫通し両端にナット２１５が螺合する締付けロッド２１４と、下部ホルダ２１１の下部に設けられたナット２１５と下部ホルダ２１１の間に設けられ締付けロッド２１４が内部を貫通しているバネ２１６と、押さえ材２１３に螺合し先端が上部ホルダ２１２の頂部に当接する複数の締付け力調整ボルト２１７と、を備えている。
【００１１】
第２従来技術では、スタック２１０は変形を防止するため、剛性の大きな下部ホルダ２１１に載置され、頂部に同様に剛性の大きな上部ホルダ２１２が設けられている。上部ホルダ２１２の上には下部ホルダ２１１に比べ剛性の小さな押さえ材２１３が設けられ、この押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを締付けロッド２１４が貫通し、この両端にナット２１５が螺合して、押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを結合している。下部ホルダ２１１とナット２１５の間には締付けロッド２１４が内部を貫通しているバネ２１６が設けられている。押さえ材２１３にはほぼ一様な間隔で締付け力調整ボルト２１７が螺合され、その先端が上部ホルダ２１２の上面に当接しスタック２１０に一様な締付け力を与えるようになっている。
【００１２】
押さえ材２１３は剛性を小さくしているので、図９に示すように締付けロッド２１４で締め付けると撓むが、各締付け力調整ボルト２１７の締め付けトルクを同じにすることにより、上部ホルダ２１２に均一な押圧力を与えることができる。温度変化により各部材が伸縮してもバネ２１６の働きにより、スタック２１０の締め付け力の変化を防止することができる。
【００１３】
従来の固体高分子水電解セル構造体としては、日本国特許第３０４０６２１号公報に開示された技術が知られている。
【００１４】
以下、上記公報に記載の従来技術（第３従来技術）を図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。ここで、図１０（Ａ）はこの第３従来技術に係る固体高分子電解セル構造体の正面図、図１０（Ｂ）は図１（Ａ）の側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）を部分的に拡大した図である。
【００１５】
図中の符号３１１は固体高分子電解質膜を用いたセル（面積：４０ｃｍ×４０ｃｍ）を示し、両サイドに配置されたセパレータ３１２ａ、３１２ｂと積層されて積層体が構成されている。この積層体は、両側に絶縁板３１３ａ、３１３ｂを介して夫々配置されたエンドフランジ３１４ａ、３１４ｂにより挟まれている。これらのエンドフランジ３１４ａ、３１４ｂは前記積層体より一回り大きく、両エンドフランジ３１４ａ、３１４ｂの４隅はセル締付け用ボルト３１５とこのボルト３１５と螺合するナット３１６により締結されている。前記エンドフランジ３１４ａ、３１４ｂには、夫々端子板３１７ａ、３１７ｂが取り付けられている。前記端子板３１７ａ，３１７ｂの夫々の周囲の前記エンドフランジ３１４ａ，３１４ｂの中央付近にはネジ穴３１８が設けられ、これらネジ穴３１８に押付けねじ３１９が螺合されている。前記エンドフランジ３１４ａの所定の位置には、Ｈ２Ｏ入口３２０、Ｈ２出口３２１、Ｏ２出口３２２が夫々設けられている。
【００１６】
図１０の固体高分子電解セル構造体によれば、セル３１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂからなる積層体を絶縁板３１３ａ，３１３ｂを介して挟むエンドフランジ３１４ａ，３１４ｂの中央部付近に、押付けねじ３１９を夫々設けた構成になっているため、絶縁板３１３ａ，３１３ｂを介してセパレータ３１２ａ，３１２ｂを両側から押さえ付けることができ、もってセル３１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂとの接触性を従来に比べて向上できる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１従来技術において、弾性部材１０７の力Ｆは、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４との距離ｘによって決まる。
Ｆ＝ｋｘ．
但し、ｋは弾性部材１０７のバネ定数である。
【００１８】
図７および前述の説明から明らかなように、上記第１従来技術では、支持棒１０５ａ〜１０５ｅのそれぞれに相当する場所での距離ｘａ〜ｘｅを、独立に制御することができない。このことから、積層体１０１の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御することができない。よって、積層体１０１の内部での均一な接触を確保できず、接触抵抗が大きいことがあった。
【００１９】
上記第２従来技術では、押さえ部材２１３を締付けロッド２１４で締付けることで、押さえ部材２１３が撓んだときに、各締付け力調整ボルト２１７の締め付けトルクを同じにすることにより、上部ホルダ２１２に均一な押圧力を与える旨が記載されているが、上記第２従来技術において、スタック２１０に締付け力を付与しているのは、各締付け力調整ボルト２１７のみであるから、各締付け力調整ボルト２１７は、基本的な締付け力付与の機能と、締付け力の微調整という機能を併用することになる。
【００２０】
積層体への締付力の制御が行い易いことが望まれている。
積層体への締付力の制御を高精度に行えることが望まれている。
積層体への締付力を微調整するときの調整幅が大きいことが望まれている。
積層体への締付力が面に対して均一に作用することが望まれている。
特に、大面積の積層体への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を調整できることが望まれている。
【００２１】
積層体に付与する締付力（面圧）を上げ過ぎることにより固体高分子電解質膜がいたむことを防ぐことが望まれている。
積層体の内部の圧力が高くても流体のリークを抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い易いことが望まれている。
積層体に供給される純水に、積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオンが付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止できることが望まれている。
【００２２】
本発明の目的は、積層体への締付力の制御が行い易い固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の他の目的は、積層体への締付力の制御を高精度に行うことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体への締付力を微調整するときの調整幅が大きい固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体への締付力が面に対して均一に作用する固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、特に、大面積の積層体への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を調整できる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
【００２３】
本発明の更に他の目的は、積層体に付与する締付力（面圧）を上げ過ぎることにより固体高分子電解質膜がいたむことを防ぐことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体の内部の圧力が高くても流体のリークを抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い易いことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体に供給される純水に、積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオンが付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止できることができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示されるためのものではない。
【００２５】
本発明の固体高分子水電解セル構造体は、固体高分子電解質膜を用いたセル（３１）と、前記セル（３１）に積層されるセパレータ（３２）と、前記セル（３１）と前記セパレータ（３２）とを含む積層体（３０）を挟んで前記積層体（３０）に締付力を付与するための第１および第２のフランジ部（３６、３７）と、支持部材（３５）と、前記支持部材（３５）に設けられ、前記第１のフランジ部（３６）の中央部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な複数の締付力調整部材（４４）とを備えている。
【００２６】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記複数の締付力調整部材（４４）は、前記第１のフランジ部（３６）の前記中央部の前記複数部位に対して前記押圧力を付与した結果、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）により付与される前記締付力と協働して、前記積層体（３０）に対して面方向に均一な締付力が付与されるように機能する。
【００２７】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、更に、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）のそれぞれを貫通し、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）を介して前記積層体（３０）に前記締付力を付与するための締付ロッド（４７）を備えている。
【００２８】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体（３０）は、前記第２のフランジ部（３７）に対して、水平に設置されている。
【００２９】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体（３０）は、電極部（５１）を有し、前記電極部（５１）は、水が前記積層体（３０）に導入されるための入口（７０）から離間した位置に設けられている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施の形態について説明する。
【００３１】
図１は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の側断面図である。
図２は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の正面図である。
図３は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の水平断面図である。
図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の図１のＡ部拡大図である。
【００３２】
図１から図４を参照して、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の構成について説明する。
【００３３】
図１において、符号３１は、固体高分子電解質膜を用いたセルである。固体高分子電解質膜を用いたセル３１の上下には、セパレータ３２が配置されている。固体高分子電解質膜を用いたセル３１およびセパレータ３２は、複数積層されている。固体高分子電解質膜を用いたセル３１およびセパレータ３２が複数積層されてなる集合体の上下には、その集合体にそれぞれ接触するようにブスバー５１が設けられている。ブスバー５１と上記集合体を挟むように絶縁板（例えばベークライト）３３ａ、３３ｂが設けられいる。
【００３４】
積層体３０は、固体高分子電解質膜を用いたセル３１、セパレータ３２、ブスバー５１および絶縁板３３ａ、３３ｂを含んで構成される。
【００３５】
絶縁板３３ａ、３３ｂの中央部には、それぞれ凹部３３ｃ、３３ｄが形成されており、その凹部３３ｃ、３３ｄにブスバー５１、５１が入っている。その凹部３３ｃ、３３ｄおよびブスバー５１、５１は、後述するＨ２Ｏ入口７０、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２の場所までは、（図１において左右方向に）延在しないように形成されている。これにより、Ｈ２Ｏ入口７０からセル３１に供給される純水（Ｈ２Ｏ）に、ブスバー５１、５１から溶出した銅イオンが付いて、固体高分子電解質膜セル３１およびそれを用いた水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止することができる。
【００３６】
後述するように、積層体３０には、内フランジ部３６および厚フランジ部３７と、第２の支持ロッド４７を用いて所望の締付力の殆どが付与され、更に積層体３０に対して必要な締付力を得る（微調整する）ときの、その締付力の補正（バックアップ）用に、ボルトなどの押込部材４４と付勢手段４１と外フランジ部３５と第１の支持ロッド３８とを用いる。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体は、積層体３０が水平に置かれ、積層体３０には鉛直方向から締付力が作用する。積層体３０が水平に置かれることにより、積層体３０の自重により積層体３０が押えられる。
上記第１〜第３従来技術では、積層体が縦置きされていた（垂直方向に置かれていた）のに対して、本実施形態の積層体３０を水平置きしたのは、次の理由からである。
【００３８】
上記第１〜第３従来技術のように積層体を縦置きにすると、その積層体に付与すべき締付力の向きとその積層体に作用する自重の向きが９０度異なる。そこで、自重により積層体（固体高分子電解質膜）が下方向にずれないようにするためには、そのずれを防止可能な程度まで、横方向からの締付力（面圧）を上げざるを得ない。そうすると、その締付力の大きさに固体高分子電解質膜等が耐えられずに、固体高分子電解質膜等がいたむことがある。そこで、本実施形態では、積層体３０の自重により積層体３０を押えることができ、積層体３０のずれが無い、水平置き構造を採用している。この水平置き構造は、特に、本実施形態のように、積層体３０の固体高分子電解質膜のセル３１が大面積（例えば１ｍ×１ｍ）の多層積層構造である場合に、上記効果が大きい。
【００３９】
図１および図２に示すように、外フランジ部３５の外縁部の複数箇所（１０箇所）には、第１の支持ロッド３８を挿通させる貫通孔３５ａが形成されている。第１の支持ロッド３８の両端には、ネジ部が形成されている。第１の支持ロッド３８の先端部のネジ部は、厚フランジ部３７のネジ穴３７ａに螺着されている。第１の支持ロッド３８の基端部のネジ部は、外フランジ部３５から突出する部分にて、ナットなどの締付部材３９を用いて締付けられる。
【００４０】
図１および図３に示すように、外フランジ部３５と積層体３０との間には、積層体３０を押圧するための内フランジ部３６が配備される。内フランジ部３６と外フランジ部３５との間には、複数の付勢手段（弾性部材、バネなど）４１が設けられる。
【００４１】
図１および図２に示すように、外フランジ部３５の中央部には、９個の貫通孔４２が形成されている。貫通孔４２には、雌ネジが刻設されている。貫通孔４２には、ボルトなどの押込部材４４が挿通している。押込部材４４は、貫通孔４２の雌ネジと螺合する雄ネジを有している。
【００４２】
図１および図４に示すように、押込部材４４の先端部４４ａには、付勢手段４１を収容する第１支持部４５が当接している。第１支持部４５は、下方に開口する有底円筒状に形成されている。押込部材４４の先端部４４ａは、第１支持部４５の外底面４５ａに、その垂直な方向（鉛直方向）から接触している。押込部材４４を回転させることにより、押込部材４４の先端部４４ａの外フランジ部３５からの突出量を調整することができる。
【００４３】
図１および図４に示すように、内フランジ部３６の上面３６ａには、付勢手段４１を収容する第２支持部４６が固設されている。第２支持部４６は、上方に開口する有底円筒状に形成されている。第２支持部４６の外底面４６ａは、内フランジ部３６に固定されている。
【００４４】
第２支持部４６の外径は、第１支持部４５の内径よりも小さく形成されている。付勢手段４１の基端部４１ａは、第２支持部４６の内底面４６ｂに固定され、付勢手段４１の先端部４１ｂは、第１支持部４５の内底面４５ｂに固定されている。付勢手段４１の伸縮量は、外フランジ部３５に対する押込部材４４の押し込み量によって決定される。付勢手段４１が伸縮するときに、第１支持部４５の内周面と第２支持部４６の外周面とは、互いに摺接しながら相対的に移動する。
【００４５】
図１から図３に示すように、内フランジ部３６の所定の位置には、Ｈ２Ｏ入口７０、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２がそれぞれ設けられている。Ｈ２Ｏ入口７０から積層体３０に水（Ｈ２Ｏ）が導入され、セル３１での水電解の結果のＨ２およびＨ２Ｏが、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１から排出され、Ｏ２およびＨ２Ｏが、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２から排出される。
【００４６】
図１から図３に示すように、内フランジ部３６の外縁部の複数箇所（３２箇所）には、第２の支持ロッド４７を挿通させる貫通孔４９が形成されている。第２の支持ロッド４７の両端には、ネジ部が形成されている。第２の支持ロッド４７の先端部のネジ部は、厚フランジ部３７のネジ穴３７ｂに螺着されている。第２の支持ロッド４７の基端部のネジ部は、内フランジ部３６から突出する部分にて、ナットなどの締付部材４８を用いて締付けられる。
【００４７】
次に、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の締付方法について説明する。
【００４８】
まず、厚フランジ部３７の上面の所定位置に積層体３０を載置する。その積層体３０の周囲に位置する厚フランジ部３７の各ネジ穴３７ｂに、第２の支持ロッド４７の先端部を螺着する。次いで、第２の支持ロッド４７の基端部を、内フランジ部３６の貫通孔４９に挿通させた後に、内フランジ部３６を積層体３０の上部に載置する。次いで、内フランジ部３６から突出している第２の支持ロッド４７の基端部のネジ部に締付部材４８を螺合させることにより、内フランジ部３６によって、積層体３０に所望の締付力の殆どを付与する。
【００４９】
次に、厚フランジ部３７の外縁部の各ネジ穴３７ａに、第１の支持ロッド３８の先端部を螺着する。次に、第１の支持ロッド３８の基端部を、外フランジ部３５の貫通孔３５ａに挿通させた後に、外フランジ部３５を第１支持部４５の外底面４５ａの上に載置する。次いで、第１の支持ロッド３８の基端部のネジ部に、締付部材３９を螺着させる。このとき、第１の支持ロッド３８に螺合した後の締付部材３９は、外フランジ部３５とは接触しておらず、外フランジ部３５との間には、隙間が空いている。
【００５０】
次に、９本の押込部材４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを、外フランジ部３５の各貫通孔４２に挿通させ、各押込部材４４を外フランジ部３５に対して押し込んでいく。各押込部材４４の押し込み量は、内フランジ部３６および第２の支持ロッド４７によって積層体３０に付与された締付力の面方向の不均一性を補正するために必要な量に設定される。
【００５１】
この各押込部材４４の押し込みを進めるに連れて、第１支持部４５の外底面４５ａと外フランジ部３５とが漸次離間して、締付部材３９に対して外フランジ部３５が接近していくと同時に、各押込部材４４の先端部は、第１支持部４５を介して、各付勢手段４１を押圧する。
【００５２】
その後、各押込部材４４の押し込みを更に進めると、外フランジ部３５が締付部材３９に接触する。その接触後に、各押込部材４４の押し込みを更に進めると、その押し込み量だけ第１支持部４５が下がって、その付勢手段４１による押圧力が積層体３０に対する締付力として伝達される。各押込部材４４の押し込みによって積層体３０が締付けられる結果、内フランジ部３６と締付部材４８との間には、若干の隙間が形成されることがある。
【００５３】
本実施形態によれば、９本の押込部材４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを任意に所望の押込量だけ押し込むことが可能であるため、積層体３０の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御できる。これは、図５に示すように、外フランジ部３５が第１の支持ロッド３８による締付力によって撓んだときに、特に有効である。
【００５４】
第１従来技術では、図７および上記説明から明らかなように、積層体１０１への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を任意に調整するという本実施形態の技術思想が開示されていない。
また、第１従来技術では、エンドプレート２０２が図５の外フランジ部３５のように撓んだときであっても、積層体１０１を均一に締付けるという技術思想は開示されていない。
第１従来技術では、積層体１０１の締付けが完了したとき、係止部材１０６は緩んでおり、エンドプレート１０２から離間している。
一般に、工作精度の関係から、プレートの面を精密な平面に形成することは困難であるが、第１従来技術によれば、押圧プレート１３０の面が精密な平面でない限り、積層体１０１の面に均一に押圧することは不可能である。これに対し、本実施形態によれば、内フランジ部３６の面が仮に精密な平面でなくても、複数の押込部材４４および付勢手段４１を個別に操作することにより、積層体３０に対し面に均一な締付力を付与することができる。また、本実施形態によれば、内フランジ部３６の厚さを薄く形成することができる。
【００５５】
第２の支持ロッド４７によって、内フランジ部３６と厚フランジ部３７とを連結するのは、次の理由からである。
固体高分子水電解セル構造体において、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１から排出されるＨ２は、例えば、水素吸蔵合金に吸着させるために、所定の高圧（例えば０．６ＭＰａ）で排出される必要がある。電気自動車に搭載される燃料電池の場合には、その燃料電池の積層体の内部圧力が、例えば０．３ＭＰａ程度であることを考えると、固体高分子水電解セル構造体の積層体３０の内部圧力は、かなりの高圧である。この内圧を保持するためには、スタックが大面積になるに従って、フランジを開く力が大きくなるため、締付力を大きくする必要がある。しかし、過大な締付力は積層体３０の固体高分子電解質膜を破損させたり、シール材を塑性変形させてリークを発生させる危険性がある。しかし、流体（Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ）がリークしないように、積層体３０のシール性を確保する必要がある。
【００５６】
次に、図６を参照して、本実施形態の効果について説明する。
【００５７】
図６に示すように、従来の方法では、積層体に対する締付圧力を６ＭＰａまで上げないと、積層体の接触抵抗を０．２ｍΩまで下げることができなかったのに対し、本実施形態によれば、積層体３０への締付圧力が２ＭＰａで積層体３０の接触抵抗を０．２ｍΩまで下げることができた。本実施形態によれば、接触性の改善により従来の約１／３の締付圧力で抵抗が安定化することが確認できた。
【００５８】
次に、図１１を参照して、厚フランジ部３７の板厚について説明する。
（考え方）
第２および第１の支持ロッド（ボルト）４７、３８による加圧に耐えるようにする。
（モデル）
図１１に示すような梁に中央集中荷重がかかるモデルを仮定し、曲げ応力が制限値以内に入るようにする。
（材料）
材料はＳＵＳ３０４（δｙ≧２０．９ｋｇｆ／ｍｍ２）である。
（応力）
撓みが大きくならないよう、応力の制限値δａを５ｋｇｆ／ｍｍ２とする。
以下の４つの式から厚フランジ部３７の必要板厚ｈは、５０ｍｍであることが分かる。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【００５９】
次に、外フランジ部３５の板厚について説明する。
応力の制限値以外は、厚フランジ部３７と同じである。（考え方）、（モデル）、（材料）は、厚フランジ部３７と同じである。
（応力）
応力の制限値δａを１０ｋｇｆ／ｍｍ２とする。
以下の式から外フランジ部３５の必要板厚ｈは、３５ｍｍであることが分かる。
【数５】
【００６０】
次に積層体の中央を押すボルト（押込部材４４）のサイズと数について説明する。
ボルト材質を通常用いるＳＣＭ３とすると、
・ボルト５本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／５本＝１ｔｏｎｆの荷重を負担する。
・ボルト３本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／３本＝１．７ｔｏｎｆの荷重を負担する。
【００６１】
以上、本実施形態は、固体高分子水電解セル構造体であるとして説明したが、固体高分子水電解セル構造体に限定されることなく、その他の積層体の締付構造にも適用可能である。所定の締付力で締め付けることが重要とされる積層体を対象とするものであり、例えば燃料電池におけるセル積層体のように、板状の単位セルが多数重ねられたものを挙げることができる。なお、その他の積層体として、電気自動車などに使用される大型の二次電池、プレート式熱交換器、大容量コンデンサ等がある。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シール材および内圧に対する締付力は内側の締結ボルトで保持し、固体高分子膜への均一締付力調整を外側ボルトと弾性体付き押しボルトで調整することにより、積層体への締付力の制御が行い易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施の形態の側断面図である。
【図２】図２は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の正面図である。
【図３】図３は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の水平断面図である。
【図４】図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の図１のＡ部拡大図である。
【図５】図５は、本実施形態の効果の一つを説明するための一部を誇張した側断面図である。
【図６】図６は、本実施形態の効果の一つを説明するための締付荷重と抵抗との関係を示すグラフ図である。
【図７】図７は、第１従来技術を示す側面図である。
【図８】図８は、第１従来技術における支持棒、係止部材および弾性部材を示す要部断面図である。
【図９】図９は、第２従来技術を示す側面図である。
【図１０】図１０は、第３従来技術を示し、図１０（Ａ）は正面図、図１０（Ｂ）は側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）の一部を拡大した図である。
【図１１】図１１は、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施形態において、フランジ部の板厚を説明するためのモデルを示す図である。
【符号の説明】
３０ 積層体
３１ 固体高分子電解膜を用いたセル
３２ セパレータ
３３ａ 絶縁板
３３ｂ 絶縁板
３３ｃ 凹部
３３ｄ 凹部
３５ 外フランジ部
３５ａ 貫通孔
３６ 内フランジ部
３６ａ 上面
３７ 厚フランジ部
３７ａ ネジ穴
３７ｂ ネジ穴
３８ 第１の支持ロッド
３９ 締付部材
４１ 付勢手段
４１ａ 基端部
４１ｂ 先端部
４２ 貫通孔
４４ 押込部材
４４ａ 先端部
４５ 第１支持部
４５ａ 外底面
４５ｂ 内底面
４６ 第２支持部
４６ａ 外底面
４６ｂ 内底面
４７ 第２の支持ロッド
４８ 締付部材
４９ 貫通孔
５１ ブスバー
７０ Ｈ２Ｏ入口
７１ Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口
７２ Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子水電解セル構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子水電解セル構造体は、固体高分子電解質を用いた電気化学的セル構造体であり、例えば、ソーダ電解に適用される。
固体高分子水電解セル構造体では、セルとセパレータとが交互に積層された構造となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するために、セル積層体を所定の圧力で締付けて接触性を高め、接触抵抗を低く抑える必要がある。
【０００３】
従来、板状部材が多数重ねられた積層体について、両端面を所定の圧力で押圧して締付ける締付構造としては、特開平１１−９７０５４号公報に開示された技術（第１従来技術）が知られている。図７を参照して、この第１従来技術について説明する。
【０００４】
図７に示すように、この積層体の締付構造体は、板状部材１１０が積み重ねられた積層体１０１の両端を一対のエンドプレート１０２で挟持し、該エンドプレート１０２の貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿通し、該タイロッド１３０の両端から締付部材１３１を用いてエンドプレート１０２を締め付ける積層体１０１の締付構造に於て、少なくとも一方のエンドプレート１０２と積層体１０１の間に配備され、積層体１０１を押圧する押圧プレート１０４と、基端部が押圧プレート１０４に固定され、先端部がエンドプレート１０２に形成された貫通孔１２１から臨出する棒状の部材であって、該エンドプレート１０２の貫通孔１２１の中を移動可能に配備されて、押圧プレート１０４を支える支持棒１０５と、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４の間に配備され、圧縮作用に抗して反発力を有する弾性部材１０７と、支持棒１０５の先端部に取り付けられ、弾性部材１０７を所定の圧縮状態に保持する係止部材１０６とを具えており、弾性部材１０７を所定の圧縮状態に保持した状態で、タイロッド１３０の締付部材１３１を締め付けてエンドプレート１０２を積層体１０１側へ移動させることにより、押圧プレート１０４を介して積層体１０１を徐々に締め付けていき、積層体１０１が所定の締付状態に達すると、弾性部材１０７が所定の圧縮状態よりもさらに圧縮されて、押圧プレート１０４とエンドプレート１０２の間隔が狭まるようにしている。
【０００５】
次に、図７および図８を参照して、第１従来技術の積層体の締付構造についての締付方法について説明する。
【０００６】
［準備工程］
まず、図８に示すように、押圧プレート１０４の各ネジ穴４０に支持棒１０５の端部を螺着し、例えば所定枚数の皿バネ１０７を支持棒１０５に通した後、エンドプレート１０２の貫通孔１２１の中に支持棒１０５を通す。次に、プレス装置を用いて、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４を所定の圧力で押圧して皿バネ１０７を圧縮する。この圧縮状態を維持するために、支持棒１０５の先端に取り付けたナットなどの係止部材１０６を回して、エンドプレート１０２を係止する。次に、積層体１０１の一方側にエンドプレート１０２を当接し、積層体１０１の他方側に押圧プレート１０４を当接させる。両エンドプレート１０２の貫通孔１２０にタイロッド１３０を挿通し、該タイロッドの両端から、ナットなどの締付部材１３１を取り付ける。
【０００７】
［締付工程］
前記準備工程の後に締付工程が行なわれる。この工程では、タイロッド１３０の一方の端部（図７では左側）からナット１３１を締め付けることにより、エンドプレート１０２を積層体１０１の方へ移動させる。このとき、弾性部材１０７は所定の圧縮状態が維持された儘であり、この圧縮状態を維持する力は、締付工程の最初の段階では、積層体１０１を締め付けるのに要する力よりも大きいから、押圧プレート１０４は積層体１０１を押圧する。積層体１０１が所定の締付力に達すると、今度は、弾性部材１０７を圧縮状態を維持する力の方が小さくなり、弾性部材１０７は、所定の圧縮状態よりもさらに圧縮されて、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４との間の距離が狭まり、係止部材１０６が緩み始める。この時点を以て、タイロッド１３０におけるナット１３１の締付けを終了し、これにより積層体１０１の締付けが完了する。
【０００８】
この第１従来技術では、準備工程において、一方のエンドプレート１０２と押圧プレート１０４が所定の圧力で押圧され且つ弾性部材１０７が圧縮されて、支持棒１０５と係止部材１０６により押圧状態が維持される。第１従来技術以前の従来の積層体の締付構造では、皿バネなどの弾性部材が無負荷の状態から所定圧力での圧縮状態となるまで、弾性部材の反発力に抗してナットを回す必要があるのに比べて、第１従来技術では、弾性部材が予め圧縮状態にあるから、弾性部材の反発力に抗してナットを回す量が少なく、労力が低減される。また、準備工程により押圧状態を維持しているエンドプレート１０２および押圧プレート１０４は、所定の締付力を示す指標となるから、積層体１０１の締付けに際し、測定装置が不要である。
【０００９】
またさらに、他の従来技術として、特開２０００−２０８１６３号公報に開示された技術（第２従来技術）が知られている。図９を参照して、この第２従来技術について説明する。
【００１０】
第２従来技術では、スタックを均一に締結できる燃料電池スタック締結装置が、次のように開示されている。図９に示すように、単セルを積層したスタック２１０の下部を支持する下部ホルダ２１１と、スタック２１０の頂部を押さえる上部ホルダ２１２と、この上部ホルダ２１２の上部に配置された押さえ材２１３と、この押さえ材２１３と下部ホルダ２１１を貫通し両端にナット２１５が螺合する締付けロッド２１４と、下部ホルダ２１１の下部に設けられたナット２１５と下部ホルダ２１１の間に設けられ締付けロッド２１４が内部を貫通しているバネ２１６と、押さえ材２１３に螺合し先端が上部ホルダ２１２の頂部に当接する複数の締付け力調整ボルト２１７と、を備えている。
【００１１】
第２従来技術では、スタック２１０は変形を防止するため、剛性の大きな下部ホルダ２１１に載置され、頂部に同様に剛性の大きな上部ホルダ２１２が設けられている。上部ホルダ２１２の上には下部ホルダ２１１に比べ剛性の小さな押さえ材２１３が設けられ、この押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを締付けロッド２１４が貫通し、この両端にナット２１５が螺合して、押さえ材２１３と下部ホルダ２１１とを結合している。下部ホルダ２１１とナット２１５の間には締付けロッド２１４が内部を貫通しているバネ２１６が設けられている。押さえ材２１３にはほぼ一様な間隔で締付け力調整ボルト２１７が螺合され、その先端が上部ホルダ２１２の上面に当接しスタック２１０に一様な締付け力を与えるようになっている。
【００１２】
押さえ材２１３は剛性を小さくしているので、図９に示すように締付けロッド２１４で締め付けると撓むが、各締付け力調整ボルト２１７の締め付けトルクを同じにすることにより、上部ホルダ２１２に均一な押圧力を与えることができる。温度変化により各部材が伸縮してもバネ２１６の働きにより、スタック２１０の締め付け力の変化を防止することができる。
【００１３】
従来の固体高分子水電解セル構造体としては、日本国特許第３０４０６２１号公報に開示された技術が知られている。
【００１４】
以下、上記公報に記載の従来技術（第３従来技術）を図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。ここで、図１０（Ａ）はこの第３従来技術に係る固体高分子電解セル構造体の正面図、図１０（Ｂ）は図１（Ａ）の側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）を部分的に拡大した図である。
【００１５】
図中の符号３１１は固体高分子電解質膜を用いたセル（面積：４０ｃｍ×４０ｃｍ）を示し、両サイドに配置されたセパレータ３１２ａ、３１２ｂと積層されて積層体が構成されている。この積層体は、両側に絶縁板３１３ａ、３１３ｂを介して夫々配置されたエンドフランジ３１４ａ、３１４ｂにより挟まれている。これらのエンドフランジ３１４ａ、３１４ｂは前記積層体より一回り大きく、両エンドフランジ３１４ａ、３１４ｂの４隅はセル締付け用ボルト３１５とこのボルト３１５と螺合するナット３１６により締結されている。前記エンドフランジ３１４ａ、３１４ｂには、夫々端子板３１７ａ、３１７ｂが取り付けられている。前記端子板３１７ａ，３１７ｂの夫々の周囲の前記エンドフランジ３１４ａ，３１４ｂの中央付近にはネジ穴３１８が設けられ、これらネジ穴３１８に押付けねじ３１９が螺合されている。前記エンドフランジ３１４ａの所定の位置には、Ｈ２Ｏ入口３２０、Ｈ２出口３２１、Ｏ２出口３２２が夫々設けられている。
【００１６】
図１０の固体高分子電解セル構造体によれば、セル３１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂからなる積層体を絶縁板３１３ａ，３１３ｂを介して挟むエンドフランジ３１４ａ，３１４ｂの中央部付近に、押付けねじ３１９を夫々設けた構成になっているため、絶縁板３１３ａ，３１３ｂを介してセパレータ３１２ａ，３１２ｂを両側から押さえ付けることができ、もってセル３１１とセパレータ３１２ａ，３１２ｂとの接触性を従来に比べて向上できる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１従来技術において、弾性部材１０７の力Ｆは、エンドプレート１０２と押圧プレート１０４との距離ｘによって決まる。
Ｆ＝ｋｘ．
但し、ｋは弾性部材１０７のバネ定数である。
【００１８】
図７および前述の説明から明らかなように、上記第１従来技術では、支持棒１０５ａ〜１０５ｅのそれぞれに相当する場所での距離ｘａ〜ｘｅを、独立に制御することができない。このことから、積層体１０１の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御することができない。よって、積層体１０１の内部での均一な接触を確保できず、接触抵抗が大きいことがあった。
【００１９】
上記第２従来技術では、押さえ部材２１３を締付けロッド２１４で締付けることで、押さえ部材２１３が撓んだときに、各締付け力調整ボルト２１７の締め付けトルクを同じにすることにより、上部ホルダ２１２に均一な押圧力を与える旨が記載されているが、上記第２従来技術において、スタック２１０に締付け力を付与しているのは、各締付け力調整ボルト２１７のみであるから、各締付け力調整ボルト２１７は、基本的な締付け力付与の機能と、締付け力の微調整という機能を併用することになる。
【００２０】
積層体への締付力の制御が行い易いことが望まれている。
積層体への締付力の制御を高精度に行えることが望まれている。
積層体への締付力を微調整するときの調整幅が大きいことが望まれている。
積層体への締付力が面に対して均一に作用することが望まれている。
特に、大面積の積層体への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を調整できることが望まれている。
【００２１】
積層体に付与する締付力（面圧）を上げ過ぎることにより固体高分子電解質膜がいたむことを防ぐことが望まれている。
積層体の内部の圧力が高くても流体のリークを抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い易いことが望まれている。
積層体に供給される純水に、積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオンが付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止できることが望まれている。
【００２２】
本発明の目的は、積層体への締付力の制御が行い易い固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の他の目的は、積層体への締付力の制御を高精度に行うことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体への締付力を微調整するときの調整幅が大きい固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体への締付力が面に対して均一に作用する固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、特に、大面積の積層体への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を調整できる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
【００２３】
本発明の更に他の目的は、積層体に付与する締付力（面圧）を上げ過ぎることにより固体高分子電解質膜がいたむことを防ぐことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体の内部の圧力が高くても流体のリークを抑制しつつ積層体への締付力の制御が行い易いことができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、積層体に供給される純水に、積層体のブスバー（電極部）から溶出した金属イオンが付くことにより、固体高分子電解質膜および水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止できることができる固体高分子水電解セル構造体を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示されるためのものではない。
【００２５】
本発明の固体高分子水電解セル構造体は、固体高分子電解質膜を用いたセル（３１）と、前記セル（３１）に積層されるセパレータ（３２）と、前記セル（３１）と前記セパレータ（３２）とを含む積層体（３０）を挟んで前記積層体（３０）に締付力を付与するための第１および第２のフランジ部（３６、３７）と、支持部材（３５）と、前記支持部材（３５）に設けられ、前記第１のフランジ部（３６）の中央部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な複数の締付力調整部材（４４）とを備えている。
【００２６】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記複数の締付力調整部材（４４）は、前記第１のフランジ部（３６）の前記中央部の前記複数部位に対して前記押圧力を付与した結果、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）により付与される前記締付力と協働して、前記積層体（３０）に対して面方向に均一な締付力が付与されるように機能する。
【００２７】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、更に、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）のそれぞれを貫通し、前記第１および第２のフランジ部（３６、３７）を介して前記積層体（３０）に前記締付力を付与するための締付ロッド（４７）を備えている。
【００２８】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体（３０）は、前記第２のフランジ部（３７）に対して、水平に設置されている。
【００２９】
本発明の固体高分子水電解セル構造体において、前記積層体（３０）は、電極部（５１）を有し、前記電極部（５１）は、水が前記積層体（３０）に導入されるための入口（７０）から離間した位置に設けられている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施の形態について説明する。
【００３１】
図１は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の側断面図である。
図２は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の正面図である。
図３は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の水平断面図である。
図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の図１のＡ部拡大図である。
【００３２】
図１から図４を参照して、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の構成について説明する。
【００３３】
図１において、符号３１は、固体高分子電解質膜を用いたセルである。固体高分子電解質膜を用いたセル３１の上下には、セパレータ３２が配置されている。固体高分子電解質膜を用いたセル３１およびセパレータ３２は、複数積層されている。固体高分子電解質膜を用いたセル３１およびセパレータ３２が複数積層されてなる集合体の上下には、その集合体にそれぞれ接触するようにブスバー５１が設けられている。ブスバー５１と上記集合体を挟むように絶縁板（例えばベークライト）３３ａ、３３ｂが設けられいる。
【００３４】
積層体３０は、固体高分子電解質膜を用いたセル３１、セパレータ３２、ブスバー５１および絶縁板３３ａ、３３ｂを含んで構成される。
【００３５】
絶縁板３３ａ、３３ｂの中央部には、それぞれ凹部３３ｃ、３３ｄが形成されており、その凹部３３ｃ、３３ｄにブスバー５１、５１が入っている。その凹部３３ｃ、３３ｄおよびブスバー５１、５１は、後述するＨ２Ｏ入口７０、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２の場所までは、（図１において左右方向に）延在しないように形成されている。これにより、Ｈ２Ｏ入口７０からセル３１に供給される純水（Ｈ２Ｏ）に、ブスバー５１、５１から溶出した銅イオンが付いて、固体高分子電解質膜セル３１およびそれを用いた水電解に悪影響を及ぼすことを未然に防止することができる。
【００３６】
後述するように、積層体３０には、内フランジ部３６および厚フランジ部３７と、第２の支持ロッド４７を用いて所望の締付力の殆どが付与され、更に積層体３０に対して必要な締付力を得る（微調整する）ときの、その締付力の補正（バックアップ）用に、ボルトなどの押込部材４４と付勢手段４１と外フランジ部３５と第１の支持ロッド３８とを用いる。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体は、積層体３０が水平に置かれ、積層体３０には鉛直方向から締付力が作用する。積層体３０が水平に置かれることにより、積層体３０の自重により積層体３０が押えられる。
上記第１〜第３従来技術では、積層体が縦置きされていた（垂直方向に置かれていた）のに対して、本実施形態の積層体３０を水平置きしたのは、次の理由からである。
【００３８】
上記第１〜第３従来技術のように積層体を縦置きにすると、その積層体に付与すべき締付力の向きとその積層体に作用する自重の向きが９０度異なる。そこで、自重により積層体（固体高分子電解質膜）が下方向にずれないようにするためには、そのずれを防止可能な程度まで、横方向からの締付力（面圧）を上げざるを得ない。そうすると、その締付力の大きさに固体高分子電解質膜等が耐えられずに、固体高分子電解質膜等がいたむことがある。そこで、本実施形態では、積層体３０の自重により積層体３０を押えることができ、積層体３０のずれが無い、水平置き構造を採用している。この水平置き構造は、特に、本実施形態のように、積層体３０の固体高分子電解質膜のセル３１が大面積（例えば１ｍ×１ｍ）の多層積層構造である場合に、上記効果が大きい。
【００３９】
図１および図２に示すように、外フランジ部３５の外縁部の複数箇所（１０箇所）には、第１の支持ロッド３８を挿通させる貫通孔３５ａが形成されている。第１の支持ロッド３８の両端には、ネジ部が形成されている。第１の支持ロッド３８の先端部のネジ部は、厚フランジ部３７のネジ穴３７ａに螺着されている。第１の支持ロッド３８の基端部のネジ部は、外フランジ部３５から突出する部分にて、ナットなどの締付部材３９を用いて締付けられる。
【００４０】
図１および図３に示すように、外フランジ部３５と積層体３０との間には、積層体３０を押圧するための内フランジ部３６が配備される。内フランジ部３６と外フランジ部３５との間には、複数の付勢手段（弾性部材、バネなど）４１が設けられる。
【００４１】
図１および図２に示すように、外フランジ部３５の中央部には、９個の貫通孔４２が形成されている。貫通孔４２には、雌ネジが刻設されている。貫通孔４２には、ボルトなどの押込部材４４が挿通している。押込部材４４は、貫通孔４２の雌ネジと螺合する雄ネジを有している。
【００４２】
図１および図４に示すように、押込部材４４の先端部４４ａには、付勢手段４１を収容する第１支持部４５が当接している。第１支持部４５は、下方に開口する有底円筒状に形成されている。押込部材４４の先端部４４ａは、第１支持部４５の外底面４５ａに、その垂直な方向（鉛直方向）から接触している。押込部材４４を回転させることにより、押込部材４４の先端部４４ａの外フランジ部３５からの突出量を調整することができる。
【００４３】
図１および図４に示すように、内フランジ部３６の上面３６ａには、付勢手段４１を収容する第２支持部４６が固設されている。第２支持部４６は、上方に開口する有底円筒状に形成されている。第２支持部４６の外底面４６ａは、内フランジ部３６に固定されている。
【００４４】
第２支持部４６の外径は、第１支持部４５の内径よりも小さく形成されている。付勢手段４１の基端部４１ａは、第２支持部４６の内底面４６ｂに固定され、付勢手段４１の先端部４１ｂは、第１支持部４５の内底面４５ｂに固定されている。付勢手段４１の伸縮量は、外フランジ部３５に対する押込部材４４の押し込み量によって決定される。付勢手段４１が伸縮するときに、第１支持部４５の内周面と第２支持部４６の外周面とは、互いに摺接しながら相対的に移動する。
【００４５】
図１から図３に示すように、内フランジ部３６の所定の位置には、Ｈ２Ｏ入口７０、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２がそれぞれ設けられている。Ｈ２Ｏ入口７０から積層体３０に水（Ｈ２Ｏ）が導入され、セル３１での水電解の結果のＨ２およびＨ２Ｏが、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１から排出され、Ｏ２およびＨ２Ｏが、Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口７２から排出される。
【００４６】
図１から図３に示すように、内フランジ部３６の外縁部の複数箇所（３２箇所）には、第２の支持ロッド４７を挿通させる貫通孔４９が形成されている。第２の支持ロッド４７の両端には、ネジ部が形成されている。第２の支持ロッド４７の先端部のネジ部は、厚フランジ部３７のネジ穴３７ｂに螺着されている。第２の支持ロッド４７の基端部のネジ部は、内フランジ部３６から突出する部分にて、ナットなどの締付部材４８を用いて締付けられる。
【００４７】
次に、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の締付方法について説明する。
【００４８】
まず、厚フランジ部３７の上面の所定位置に積層体３０を載置する。その積層体３０の周囲に位置する厚フランジ部３７の各ネジ穴３７ｂに、第２の支持ロッド４７の先端部を螺着する。次いで、第２の支持ロッド４７の基端部を、内フランジ部３６の貫通孔４９に挿通させた後に、内フランジ部３６を積層体３０の上部に載置する。次いで、内フランジ部３６から突出している第２の支持ロッド４７の基端部のネジ部に締付部材４８を螺合させることにより、内フランジ部３６によって、積層体３０に所望の締付力の殆どを付与する。
【００４９】
次に、厚フランジ部３７の外縁部の各ネジ穴３７ａに、第１の支持ロッド３８の先端部を螺着する。次に、第１の支持ロッド３８の基端部を、外フランジ部３５の貫通孔３５ａに挿通させた後に、外フランジ部３５を第１支持部４５の外底面４５ａの上に載置する。次いで、第１の支持ロッド３８の基端部のネジ部に、締付部材３９を螺着させる。このとき、第１の支持ロッド３８に螺合した後の締付部材３９は、外フランジ部３５とは接触しておらず、外フランジ部３５との間には、隙間が空いている。
【００５０】
次に、９本の押込部材４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを、外フランジ部３５の各貫通孔４２に挿通させ、各押込部材４４を外フランジ部３５に対して押し込んでいく。各押込部材４４の押し込み量は、内フランジ部３６および第２の支持ロッド４７によって積層体３０に付与された締付力の面方向の不均一性を補正するために必要な量に設定される。
【００５１】
この各押込部材４４の押し込みを進めるに連れて、第１支持部４５の外底面４５ａと外フランジ部３５とが漸次離間して、締付部材３９に対して外フランジ部３５が接近していくと同時に、各押込部材４４の先端部は、第１支持部４５を介して、各付勢手段４１を押圧する。
【００５２】
その後、各押込部材４４の押し込みを更に進めると、外フランジ部３５が締付部材３９に接触する。その接触後に、各押込部材４４の押し込みを更に進めると、その押し込み量だけ第１支持部４５が下がって、その付勢手段４１による押圧力が積層体３０に対する締付力として伝達される。各押込部材４４の押し込みによって積層体３０が締付けられる結果、内フランジ部３６と締付部材４８との間には、若干の隙間が形成されることがある。
【００５３】
本実施形態によれば、９本の押込部材４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ…）のそれぞれを任意に所望の押込量だけ押し込むことが可能であるため、積層体３０の複数部位のそれぞれへの締付力を独立に制御できる。これは、図５に示すように、外フランジ部３５が第１の支持ロッド３８による締付力によって撓んだときに、特に有効である。
【００５４】
第１従来技術では、図７および上記説明から明らかなように、積層体１０１への締付力が面に対して均一に作用するために、面の中央部に与える押し付け量を任意に調整するという本実施形態の技術思想が開示されていない。
また、第１従来技術では、エンドプレート２０２が図５の外フランジ部３５のように撓んだときであっても、積層体１０１を均一に締付けるという技術思想は開示されていない。
第１従来技術では、積層体１０１の締付けが完了したとき、係止部材１０６は緩んでおり、エンドプレート１０２から離間している。
一般に、工作精度の関係から、プレートの面を精密な平面に形成することは困難であるが、第１従来技術によれば、押圧プレート１３０の面が精密な平面でない限り、積層体１０１の面に均一に押圧することは不可能である。これに対し、本実施形態によれば、内フランジ部３６の面が仮に精密な平面でなくても、複数の押込部材４４および付勢手段４１を個別に操作することにより、積層体３０に対し面に均一な締付力を付与することができる。また、本実施形態によれば、内フランジ部３６の厚さを薄く形成することができる。
【００５５】
第２の支持ロッド４７によって、内フランジ部３６と厚フランジ部３７とを連結するのは、次の理由からである。
固体高分子水電解セル構造体において、Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口７１から排出されるＨ２は、例えば、水素吸蔵合金に吸着させるために、所定の高圧（例えば０．６ＭＰａ）で排出される必要がある。電気自動車に搭載される燃料電池の場合には、その燃料電池の積層体の内部圧力が、例えば０．３ＭＰａ程度であることを考えると、固体高分子水電解セル構造体の積層体３０の内部圧力は、かなりの高圧である。この内圧を保持するためには、スタックが大面積になるに従って、フランジを開く力が大きくなるため、締付力を大きくする必要がある。しかし、過大な締付力は積層体３０の固体高分子電解質膜を破損させたり、シール材を塑性変形させてリークを発生させる危険性がある。しかし、流体（Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ）がリークしないように、積層体３０のシール性を確保する必要がある。
【００５６】
次に、図６を参照して、本実施形態の効果について説明する。
【００５７】
図６に示すように、従来の方法では、積層体に対する締付圧力を６ＭＰａまで上げないと、積層体の接触抵抗を０．２ｍΩまで下げることができなかったのに対し、本実施形態によれば、積層体３０への締付圧力が２ＭＰａで積層体３０の接触抵抗を０．２ｍΩまで下げることができた。本実施形態によれば、接触性の改善により従来の約１／３の締付圧力で抵抗が安定化することが確認できた。
【００５８】
次に、図１１を参照して、厚フランジ部３７の板厚について説明する。
（考え方）
第２および第１の支持ロッド（ボルト）４７、３８による加圧に耐えるようにする。
（モデル）
図１１に示すような梁に中央集中荷重がかかるモデルを仮定し、曲げ応力が制限値以内に入るようにする。
（材料）
材料はＳＵＳ３０４（δｙ≧２０．９ｋｇｆ／ｍｍ２）である。
（応力）
撓みが大きくならないよう、応力の制限値δａを５ｋｇｆ／ｍｍ２とする。
以下の４つの式から厚フランジ部３７の必要板厚ｈは、５０ｍｍであることが分かる。
【数１】
次に、外フランジ部３５の板厚について説明する。
応力の制限値以外は、厚フランジ部３７と同じである。（考え方）、（モデル）、（材料）は、厚フランジ部３７と同じである。
（応力）
応力の制限値δａを１０ｋｇｆ／ｍｍ２とする。
以下の式から外フランジ部３５の必要板厚ｈは、３５ｍｍであることが分かる。
【数５】
次に積層体の中央を押すボルト（押込部材４４）のサイズと数について説明する。
ボルト材質を通常用いるＳＣＭ３とすると、
・ボルト５本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／５本＝１ｔｏｎｆの荷重を負担する。
・ボルト３本の場合、１本当たり５ｔｏｎｆ／３本＝１．７ｔｏｎｆの荷重を負担する。
【００６１】
以上、本実施形態は、固体高分子水電解セル構造体であるとして説明したが、固体高分子水電解セル構造体に限定されることなく、その他の積層体の締付構造にも適用可能である。所定の締付力で締め付けることが重要とされる積層体を対象とするものであり、例えば燃料電池におけるセル積層体のように、板状の単位セルが多数重ねられたものを挙げることができる。なお、その他の積層体として、電気自動車などに使用される大型の二次電池、プレート式熱交換器、大容量コンデンサ等がある。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シール材および内圧に対する締付力は内側の締結ボルトで保持し、固体高分子膜への均一締付力調整を外側ボルトと弾性体付き押しボルトで調整することにより、積層体への締付力の制御が行い易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施の形態の側断面図である。
【図２】図２は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の正面図である。
【図３】図３は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の水平断面図である。
【図４】図４は、本実施形態の固体高分子水電解セル構造体の図１のＡ部拡大図である。
【図５】図５は、本実施形態の効果の一つを説明するための一部を誇張した側断面図である。
【図６】図６は、本実施形態の効果の一つを説明するための締付荷重と抵抗との関係を示すグラフ図である。
【図７】図７は、第１従来技術を示す側面図である。
【図８】図８は、第１従来技術における支持棒、係止部材および弾性部材を示す要部断面図である。
【図９】図９は、第２従来技術を示す側面図である。
【図１０】図１０は、第３従来技術を示し、図１０（Ａ）は正面図、図１０（Ｂ）は側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）の一部を拡大した図である。
【図１１】図１１は、本発明の固体高分子水電解セル構造体の一実施形態において、フランジ部の板厚を説明するためのモデルを示す図である。
【符号の説明】
３０ 積層体
３１ 固体高分子電解膜を用いたセル
３２ セパレータ
３３ａ 絶縁板
３３ｂ 絶縁板
３３ｃ 凹部
３３ｄ 凹部
３５ 外フランジ部
３５ａ 貫通孔
３６ 内フランジ部
３６ａ 上面
３７ 厚フランジ部
３７ａ ネジ穴
３７ｂ ネジ穴
３８ 第１の支持ロッド
３９ 締付部材
４１ 付勢手段
４１ａ 基端部
４１ｂ 先端部
４２ 貫通孔
４４ 押込部材
４４ａ 先端部
４５ 第１支持部
４５ａ 外底面
４５ｂ 内底面
４６ 第２支持部
４６ａ 外底面
４６ｂ 内底面
４７ 第２の支持ロッド
４８ 締付部材
４９ 貫通孔
５１ ブスバー
７０ Ｈ２Ｏ入口
７１ Ｈ２／Ｈ２Ｏ出口
７２ Ｏ２／Ｈ２Ｏ出口
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜を用いたセルと、
前記セルに積層されるセパレータと、
前記セルと前記セパレータとを含む積層体を挟んで前記積層体に締付力を付与するための第１および第２のフランジ部と、
前記第１のフランジ部に対して、前記第２のフランジ部と反対の側に位置する支持部材と、
前記支持部材に設けられ、前記第１のフランジ部の中央部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な複数の締付力調整部材と、
前記第１のフランジ部の縁を締付け、前記第１および第２のフランジ部を介して前記積層体に前記締付力を付与する複数の締付ロッドと
を備えた
固体高分子水電解セル構造体。 - 請求項１記載の固体高分子水電解セル構造体において、
前記複数の締付力調整部材は、
前記第１のフランジ部の前記中央部の前記複数部位に対して前記押圧力を付与した結果、前記第１および第２のフランジ部により付与される前記締付力と協働して、前記積層体に対して面方向に均一な締付力が付与されるように機能する
固体高分子水電解セル構造体。 - 請求項１または２に記載の固体高分子水電解セル構造体において、
前記積層体は、
水平に設置されている
固体高分子水電解セル構造体。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の固体高分子水電解セル構造体において、
前記積層体は、
電極部を有し、
前記電極部は、
水が前記積層体に導入されるための入口から離間した位置に設けられている
固体高分子水電解セル構造体。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の固体高分子水電解セル構造体において、
前記複数の締付力調整部材は、
前記第１のフランジ部と、前記支持部材と、の間に弾性部材
を有する
固体高分子水電解セル構造体。 - 請求項５記載の固体高分子水電解セル構造体において、
更に、前記複数の締付力調整部材は、
前記弾性部材に当接する押込部材
を有する
固体高分子水電解セル構造体。
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