JP5740214B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池に関する。

燃料電池は、複数の単位電池を積層してなる燃料電池積層体に、水素ガス等の燃料と空気等の酸化剤ガスを供給して、これら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、外部に取出す発電装置である。燃料電池積層体の単位電池は、両面にアノード電極とカソード電極が設けられた固体高分子膜等からなる電解質膜を、その両側からセパレータで挟持してなる。セパレータは、電解質膜のアノード電極とカソード電極に接する燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝等を有している。

燃料電池は、単位電池の積層状態を保持するために締付け装置を備えている。締付け装置は、燃料電池積層体の積厚方向両側に夫々配設された一対の締付け部材と、これらの部材を互に近付くように締付けた状態に保持するボルト・ナット等からなる締付け保持手段とで形成されている。

締付け装置の締付け部材には、締付け保持手段により付与される締付け力で変形して反らない強度が要求されている。そのため、締付け部材を金属材又は絶縁材等で一体に製造された厚板状の構造物とした従来技術が知られている
燃料電池の用途は、例えば車載用の他、建物に付属する発電設備としての用途等が知られている。いずれの用途にしても、例えば燃料電池を設置する際等における取扱いを容易にするために、重量を低減することが要請されており、又、これと併せて製造コストの低減も要請されている。

締付け部材が合成樹脂等の絶縁材で形成されている場合、この締付け部材が、締付け保持手段が付与する締付け力によって割れる可能性が考えられる。このため、締付け部材は金属製とすることが望ましい。

しかし、金属製締付け部材が厚板状の一体構造物であると、その重さが必然的に増えることは否めないので、前記要請を満たす上では、厚板状の金属製締付け部材は適していない。更に、厚板状の一体構造物からなる締付け部材を作るには、所定の厚みを有した比較的面積が大きい金属板から不要部を切断や打ち抜き等の作業によって除くことが必要である。このため、一体構造物の厚板状金属製締付け部材は、製造の手間が掛かることに加えて、材料の無駄が多く、よって、製造コストを低減する上では改善の余地がある。

更に、こうして製造された金属製締付け部材は、締付け力で変形しない程度の強度を確保する必要により、板厚が厚いので、この締付け部材を一対備えた燃料電池の重量が重くなることは避けられない。

又、既述の要請を満たす上で、燃料電池が大形化することは、その設置スペースが増えるので、好ましくなく、この点についての改善も望まれている。

特開平１０−２７００６６号公報 特開２００７−１７９９９２号公報

発明が解決しようとする課題は、高さ方向の大形化を抑制しつつ軽量化とコストの低減が可能な燃料電池を提供することにある。

実施形態の燃料電池は、複数の単位電池を積層してなる燃料電池積層体と、締付け装置とを具備する。締付け装置を、燃料電池積層体の積厚方向両側に夫々配設された一対の締付けアセンブリ、及びこれらのアセンブリを互に近付くように締付けて単位電池の積層状態を保持する締付け保持手段により形成する。締付けアセンブリは、互に交叉して配置された第１の梁と第２の梁を備える。第１、第２の梁のうちの一方の梁はその長手方向中央部に他方の梁が通された切欠き溝を有する。第１、第２の梁のうちの切欠き溝を有している方の梁が、単位電池の積厚方向と平行でかつ相対向した側壁部と、これら側壁部にわたって一体に設けられた側壁間壁部とを有する。切欠き溝の奥行き寸法（Ｈ３）と切欠き溝に通されている梁の高さ寸法（Ｈ１）が等しく、切欠き溝を有している方の梁と切欠き溝に通されている梁とが交叉部において接触している構成であることを特徴としている。

第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１の燃料電池を示す平面図である。 図１の燃料電池をそのマニホルドを外した状態で示す斜視図である。 図１の燃料電池をそのマニホルドを外した状態で分解して示す斜視図である。 図１の燃料電池が備える締付けアセンブリを示す斜視図である。 図５の締付けアセンブリを分解し保護板とともに示す斜視図である。 図５の締付けアセンブリの交差部を示す断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池が備える締付けアセンブリを示す斜視図である。 図８の締付けアセンブリを分解し保護板とともに示す斜視図である。 第３実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 第４実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。

以下、第１実施形態に係る燃料電池について、図１〜図７を参照して詳細に説明する。

図１及び図２中符号１は例えば外部マニホルド式の燃料電池を示している。図３及び図４に示すように燃料電池１は、燃料電池積層体３と、一対の集電板５と、一対の絶縁板７と、一対の保護板８と、少なくとも一個例えば複数具体的には四個のマニホルドつまり第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４(図１及び図２参照)と、締付け装置２１を備えている。

燃料電池積層体３は複数の単位電池を積層してなり、その平面視形状は、四角形具体的には長方形である。各単位電池は、両面にアノード電極とカソード電極が設けられた固体高分子膜等からなる四角形の電解質膜を、その両側から電解質膜と同形のセパレータで挟持してなる。

アノード電極とカソード電極は、多孔質カーボンペーパー等で形成されたガス拡散層と、固体高分子膜と接する面に形成された触媒層を有している。触媒層は、白金或いは白金化合物からなる。各単位電池は、そのアノード電極とカソード電極の夫々に水素ガス等の燃料と空気等の酸化剤が供給されることにより、電気化学反応により電気エネルギーを発生する。

各セパレータは、ガス不透過性で導電性の部材からなる。例えば、各セパレータは、黒鉛板を切削加工して形成され、或いは、黒鉛粉末と樹脂の混合物をモールド加工して形成され、若しくは金属材料を加工しかつ表面に耐食性を付加すること等により形成されている。これらのセパレータは、電解質膜のアノード電極とカソード電極に接する燃料流路溝及び酸化剤流路溝等を有している。更に、第１実施形態では、燃料電池積層体３には冷却水流路溝が形成されたセパレータが使用されている。

燃料電池１において各セパレータの外縁部から燃料流路溝と酸化剤流路溝に夫々導入された燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化剤ガス（例えば空気）は、燃料流路溝と酸化剤流路溝を流通してアノード電極とカソード電極に供給される。これとともに、アノード電極とカソード電極で消費されなかった排ガス、及び電気化学反応により発生した水蒸気又は水は、燃料流路溝及び酸化剤流路溝を流通して各セパレータの外縁部から各流路溝の外部に排出される。更に、燃料電池積層体３のセパレータは既述のように冷却水流路溝を有しているので、この冷却水流路溝を流通する冷却水により、アノード電極とカソード電極での電気化学反応に伴い発生した熱は、燃料電池積層体３の外部に排出される。

一対の集電板５は、導電性材料、例えば黒鉛のプレートからなる。これら導電板５の平面視形状及び大きさは、燃料電池積層体３の平面視形状及び大きさと同じである。これら集電板５は、燃料電池積層体３の積厚方向の両端面、図３及び図４では燃料電池積層体３の上面及び下面に重なって夫々設置されている。集電板５には図示しない電流取出しケーブルが接続されている。燃料電池積層体３での電気化学反応により発生した電気エネルギーは、集電板５に集められ、ここから更に図示しない電力取出しケーブルを経由して燃料電池１の外部に取出される。

一対の絶縁板７は、絶縁材料、例えば合成樹脂のプレートからなる。これら絶縁板７の平面視形状及び大きさは、燃料電池積層体３の平面視形状及び大きさと同じである。これら絶縁板７は、燃料電池積層体３をその積厚方向に挟むように集電板５に重なって夫々設置されている。

一対の保護板８は、絶縁板７より高強度の金属製例えば鋼板からなる。これら保護板８の平面視形状及び大きさは、燃料電池積層体３の平面視形状及び大きさと同じである。このため、保護板８の平面視形状及び大きさは、集電板５及び絶縁板７の平面視形状及び大きさとも同じである。これら保護板８は、燃料電池積層体３をその積厚方向に挟むように絶縁板７に重なって夫々設置されている。保護板８は、燃料電池１の軽量化を促進するために薄板であることが好ましく、例えば、後述する梁を構成する鋼板の板厚以下の薄い鋼板で形成するとよい。また、保護板８は、燃料電池１の軽量化を促進するために樹脂製や補強材入りの樹脂製であってもよい。

これら保護板８はその四周の縁（周縁）に図６等に示すように縁板部９を夫々有している。各縁板部９は図３及び図４に示すように集電板５から離れる方向に折り曲げられている。これとともに、保護板８の縁に沿って延びた縁板部９の長さは、この縁板部９が折り曲げられた保護板８の縁の長さより短い。連結孔として例えばねじ孔９ａが各縁板部９の夫々に少なくとも一個設けられている。

第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４は、一側面が開口された箱型の構造物であって、その一側面開口を燃料電池積層体３の側面に臨ませて、燃料電池積層体３の各側面を覆って配設されている。

これらのマニホルドの取付け構造を説明する。第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４の夫々は、その両端部に図１に示すように取付け部１５を夫々有している。取付け部１５は、板状であり、その大きさは縁板部９の大きさに略等しく、図示しないボルト通孔を複数有している。第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４は、その取付け部１５を保護板８の縁板部９に重ね合わせて、連結具例えばボルト１６を前記ボルト通孔に通してねじ孔９ａにねじ込むことにより、夫々取付けられている。こうして取付けられた各マニホルドと燃料電池積層体３の側面との間には図示しないシール材が挟まれていて、燃料電池積層体３の側面とこれを覆ったマニホルドとの間の気水密が確保されている。

図２に示すように第１マニホルド１１と第２マニホルド１２は、燃料電池積層体３の互に平行な一対の側面を覆って配置され、第３マニホルド１３と第４マニホルド１４は、燃料電池積層体３の互に平行な他の一対の側面を覆って配置されている。図１及び図２に示すように第１マニホルド１１と第２マニホルド１２の例えば二箇所にマニホルド配管１７，１８が夫々突出され、第３マニホルド１３と第４マニホルド１４の例えば一箇所にマニホルド配管１９が夫々突出されている。これらのマニホルド配管１７〜１９は、いずれも燃料電池積層体３の積厚方向と平行で、かつ、例えば図１において上向きに設けられている。

マニホルド配管１７〜１９は、燃料又は空気若しくは冷却水を導くもので、これらを流通して燃料又は空気若しくは冷却水が、燃料電池積層体３に供給され或いは燃料電池積層体３から排出される。尚、これらマニホルド配管１７〜１９の配置は、燃料電池積層体３での燃料流路溝、酸化剤流路溝、及び冷却水流路溝の配置等に応じて適宜変更可能であり、図示の配置に制約されない。

次に、締付け装置２１について説明する。この締付け装置２１は、図３等に示すように一対の締付けアセンブリ２２と複数の締付け保持手段３１を具備している。

図５及び図６等に示すように締付けアセンブリ２２は、燃料電池積層体３を挟む構造物である複数の締付け部材具体的には第１の梁２３、第２の梁２６、及びレジスタンス部品２９を組み合わせて形成されている。

第１の梁２３は、金属製例えば板厚が２ｍｍ程度の鋼板製であり、図３〜図６に示すように相対向した側壁部２３ａと、側壁間壁部２３ｂを有して、例えば長手方向と直交する断面の形状が溝形をなしている。相対向した側壁部２３ａは、燃料電池積層体３が有した単位電池の積厚方向と平行であり、側壁間壁部２３ｂは相対向した側壁部２３ａの例えば高さ方向一端にわたって一体に設けられている。このため、第１の梁２３は、その長手方向両端が夫々開放されているとともに、相対向した側壁部２３ａの高さ方向他端間も開放されている。

第１の梁２３は燃料電池積層体３の積厚方向の端面の対角線の長さより長い。この第１の梁２３はその長手方向中央部に切欠き溝２４を有している。具体的には、側壁部２３ａの長手方向中央部に切欠き溝２４が夫々形成されている。これら切欠き溝２４は第１の梁２３の幅方向（側壁部２３ａにわたる方向）に互に対向しているとともに、側壁部２３ａの高さ方向他端縁、言い換えれば、側壁間壁部２３ｂと反対側の縁に開放されている。更に、図６に示すように切欠き溝２４の幅Ｗ１は第１の梁２３の幅Ｗ２より広い。又、側壁間壁部２３ｂの長手方向両端部に夫々連結孔２５が開けられている。

第２の梁２６は第１の梁２３と同様な構成である。つまり、第２の梁２６は、金属製例えば板厚が２ｍｍ程度の鋼板製であり、相対向した側壁部２６ａと、側壁間壁部２６ｂを有して、例えば長手方向と直交する断面の形状が溝形をなしている。相対向した側壁部２６ａは、燃料電池積層体３が有した単位電池の積厚方向と平行であり、側壁間壁部２６ｂは相対向した側壁部２６ａの例えば高さ方向一端にわたって一体に設けられている。このため、第２の梁２６は、その長手方向両端が夫々開放されているとともに、相対向した側壁部２６ａの高さ方向他端間も開放されている。

図６に示すように第２の梁２６の高さ寸法Ｈ１は、第１の梁２３の高さ寸法Ｈ２より低く、例えば切欠き溝２４の開放端から奥端までの高さ、つまり、切欠き溝２４の奥行き寸法Ｈ３(図６参照)に等しい。更に、第２の梁２６の幅Ｗ２は、切欠き溝２４の幅Ｗ１より狭い。

第２の梁２６は、第１の梁２３と同じ長さで、その長手方向中央部に切欠き溝２７を有している。具体的には、側壁部２６ａの長手方向中央部に切欠き溝２７が夫々設けられている。これら切欠き溝２７は第２の梁２６の幅方向（側壁部２６ａにわたる方向）に互に対向しているとともに、側壁部２６ａの高さ方向他端縁、言い換えれば、側壁間壁部２６ｂと反対側の縁に開放されている。更に、切欠き溝２７の幅Ｗ３は第２の梁２６の幅Ｗ２より広い。又、側壁間壁部２６ｂの長手方向両端部に夫々連結孔２８が開けられている。

第１の梁２３と第２の梁２６は、それらを展開した形状に、平らな鋼板をプレス機械により打ち抜いた後、この打ち抜かれた板を同じプレス機械若しくは他のプレス機械を用いて折り曲げることにより形成される。尚、前記打ち抜きの際には、切欠き溝及びに連結孔に相当する部位が同時に打ち抜かれる。したがって、材料取りが良いとともに、簡易に第１の梁２３と第２の梁２６を製造可能である。

これら第１の梁２３と第２の梁２６は互に交叉してＸ字形状に組み合わされている。具体的には、第２の梁２６が第１の梁２３の切欠き溝２４に通されている。これにより、第１の梁２３及び第２の梁２６の長手方向に延びる開口が同じ高さとなるとともに、第２の梁２６の側壁間壁部２６ｂが第１の梁２３に形成された切欠き溝２４の奥端に接した状態に、第１の梁２３と第２の梁２６が組み合わされている。

このように組み合わせる作業において、切欠き溝２４の幅Ｗ１より第２の梁２６の幅Ｗ２が狭いので、切欠き溝２４の縁と第２の梁２６の側壁部２６ａが競ることがなく、切欠き溝２４に第２の梁２６を容易に通すことが可能である。

レジスタンス部品２９はむく（言い換えれば、中実）の金属製例えば鋼材製のブロックからなり、以下の形状に制約されないが、材料取りを向上するために四角形、具体的には菱形（図７参照）をなしたブロックが採用されている。このレジスタンス部品２９の平行な二辺の長さは切欠き溝２４の幅Ｗ１に略等しく、他の平行な他の二辺の長さ切欠き溝２７の幅Ｗ３に略等しい。更に、図６に示すようにレジスタンス部品２９の厚みＴは、第１の梁２３及び第２の梁２６をなした鋼板の板厚より厚く、かつ、切欠き溝２７の奥行き寸法Ｈ４に略等しい。

ここに、略等しいとは、寸法が一致している態様を含んでいるとともに、切欠き溝２４又は切欠き溝２７とレジスタンス部品２９の四周との間に僅かな隙間が形成される寸法関係にある態様も含んでいる。後者の態様を採用した場合、高い寸法精度が厳密に要求されないので、製造が容易でそれに応じた製造コストの低減を図ることが可能である。

レジスタンス部品２９は切欠き溝２４，２７に夫々嵌合して第１の梁２３と第２の梁２６の交叉部に配設されている。レジスタンス部品２９の互に平行な二辺は、切欠き溝２４の互に平行な溝縁に接触して又は極小な隙間を設けて配置され、かつ、互に平行な他の二辺は、切欠き溝２７の互に平行な溝縁に接触して又は極小な隙間を設けて配置されている。このように配設されたレジスタンス部品２９の切欠き溝２７の開放端側の側面の高さ位置と、側壁部２３ａの側壁間壁部２３ｂと反対側の縁及び側壁部２６ａの側壁間壁部２６ｂと反対側の縁の高さ位置とは、同じである。このレジスタンス部品２９により、第１の梁２３と第２の梁２６とがＸ字形状に交差した組み合わせ状態が保持されている。

この保持状態をより確実にするとともに、製造において高い寸法精度が要求されないようにし、かつ、レジスタンス部品２９を第１の梁２３及び第２の梁２６と一体に取扱うことができるようにするために、実施形態１では、レジスタンス部品２９と第１の梁２３及び第２の梁２６が溶接されている。

つまり、図７に示すようにレジスタンス部品２９の各角部は第１の梁２３及び第２の梁２６の交叉部から突出されているので、これら角部と第１の梁２３の側壁部２３ａ及び第２の梁２６の側壁部２６ａとが、図７に示すように夫々溶接されている。図７中符号３０は溶接ビードを示している。尚、溶接に代えてねじ止めによりレジスタンス部品２９を第１の梁２３及び第２の梁２６に固定することも可能である。又、この固定を担う溶接等は省略しても良い。

前記構成の一対の締付けアセンブリ２２のうちの一方は、第１の梁２３及び第２の梁２６が燃料電池積層体３の対角線上に位置されるように一方の保護板８上に配設される。この配設により、一方の締付けアセンブリ２２が有した第１の梁２３の側壁部２３ａと、第２の梁２６の側壁部２６ａの長手方向に延びる縁と、レジスタンス部品２９とが、一方の保護板８に接触される。同様に、他方の締付けアセンブリ２２は、第１の梁２３及び第２の梁２６が燃料電池積層体３の対角線上に位置されるように他方の保護板８上に配設される。この配設により、他方の締付けアセンブリ２２が有した第１の梁２３の側壁部２３ａと、第２の梁２６の側壁部２６ａの長手方向に延びる縁と、レジスタンス部品２９とが、他方の保護板８に接触される。

燃料電池積層体３を積厚方向に見た場合に、以上のように配設された一対の締付けアセンブリ２２の第１の梁２３の長手方向の端部と第２の梁２６の長手方向の端部の夫々は、燃料電池積層体３の四隅から突出されて、これらの端部に形成された連結孔２５同士、及び連結孔２８同士は、夫々燃料電池積層体３の積厚方向に対向される。

更に、以上のように締付けアセンブリ２２が配設されるに伴い、保護板８の縁板部９及び各マニホルド１１〜１４の取付け部１５、及びマニホルド配管１７〜１９が、第１の梁２３の側壁部２３ａと、これに対向した第２の梁２６の側壁部２７ｂとの間のスペースに配設される。

各締付け保持手段３１は、例えば図１及び図４等に示すように少なくとも両端部にねじ部３２ａを有した締付け軸３２と、これに螺合される一対のナット３３とからなる。締付け保持手段３１は、燃料電池積層体３をその厚み方向から挟むように配設された一対の締付けアセンブリ２２を連結して設けられている。

即ち、締付け軸３２は、燃料電池積層体３の四隅近傍に、この燃料電池積層体３の積厚方向と略平行に配置されている。この締付け軸３２の両端部のねじ部３２ａは、燃料電池積層体３の積厚方向に相対向した第１の梁２３の連結孔２５又は第２の梁２６の連結孔２８に夫々貫通されていて、このねじ部３２ａにナット３３が螺合されている。ナット３３はその締付けにより、第１の梁２３の側壁間壁部２３ｂ又は第２の梁２６の側壁間壁部２６ｂに着座する。

したがって、以上のように一対の締付けアセンブリ２２と組み合わされた各締付け保持手段３１のナット３３が夫々締付けられることにより、締付け装置２１の組立てが完了する。これに伴い、各締付け保持手段３１の締付け力が締付けアセンブリ２２に波及するので、積厚方向の両側に集電板５及び絶縁板７が重なって配置された燃料電池積層体３に対して、一対の締付けアセンブリ２２が互に近付けられるように燃料電池積層体３が締付けられ、この積層体が有した複数の単位電池が互いに密接した積層状態に保持される。

燃料電池１は、締付けアセンブリ２２を備え、かつ、このアセンブリのＸ字状に交叉された第１の梁２３と第２の梁２６が、鋼板を断面溝形状に折り曲げた構成であるので、中実の鋼材で第１と第２の梁が一体に形成された構成の締付けアセンブリと同程度の強度を確保できる。これにより、燃料電池積層体３に、所定の締付け力が付与され、締付け面圧が小さい箇所の発生が抑制されるに伴い、締付け面圧が小さい箇所での積層部材間の接触抵抗の増加に伴う発電効率の低下を抑制可能である。

既述のように第１の梁２３と第２の梁２６が薄い鋼板を断面溝形状に折り曲げた構成であるので、これらの梁が中実の鋼材で形成された構成に比較して、一対の締付けアセンブリ２２の重量が軽くなる。それに伴い、燃料電池１を軽量化できる。

締付けアセンブリ２２の第１の梁２３と第２の梁２６は、それらが組み合わされた形状で材料取りされるのではなく、個々に鋼板から材料取りされ折り曲げて作られているので、これら材料取りに伴う材料の無駄が少ない。加えて、厚い鋼板を切断又は切削して第１の梁２３と第２の梁２６が形成されたものではなく、薄い鋼材をプレス加工等で折り曲げて第１の梁２３と第２の梁２６を形成できる。このように締付けアセンブリ２２を得る上での材料費の削減と製造費の低減が可能であることに伴い、締付けアセンブリ２２のコストが低減されるので、燃料電池１のコストを低減することが可能である。なお、第１の梁２３と第２の梁２６は、樹脂製や補強材入りの樹脂製で中空の構造としてもよい。これにより、中実で形成された構成に比較して、締付けアセンブリ２２の重量が軽くなり、それに伴い、燃料電池１を軽量化でき、材料の使用量も削減できる。

締付けアセンブリ２２の第１の梁２３と第２の梁２６は、第１の梁２３が有した切欠き溝２４に第２の梁２６を通してＸ字状に組まれている。このため、第２の梁２６を切欠き溝２４がない第１の梁２３に重ね合わせて、これらをＸ字状に組み合わせた構成と比較して、締付けアセンブリ２２の高さ寸法を低くできる。これにより、燃料電池１の高さ寸法の大形化を抑制することが可能できる。

以上説明したように実施形態１に係る燃料電池１によれば、高さ方向の大形化を抑制しつつ軽量化とコストの低減が可能である。

更に、第１実施形態の燃料電池１が備える締付けアセンブリ２２は、第１の梁２３の切欠き溝２４及び第２の梁２６の切欠き溝２７に夫々略密に嵌合されたレジスタンス部品２９を有している。このため、切欠き溝２４により第１の梁２３の長手方向中央部の強度が低下しているにも拘らず、締付け保持手段３１による締付け力で、切欠き溝２４の幅Ｗ１及び切欠き溝２７の幅Ｗ３が変わることを抑制できる。

つまり、切欠き溝２４が狭まるように第１の梁２３が変形することをレジスタンス部品２９で抑制できるとともに、切欠き溝２７が狭まるように第２の梁２６が変形することをレジスタンス部品２９で抑制できる。したがって、締付け保持手段３１により一対の締付けアセンブリ２２に与えられる締付け力が、締付けアセンブリ２２を介して有効に燃料電池積層体３に波及されるので、燃料電池積層体３の締付け面圧を均一化することが可能である。

この場合、第１の梁２３の相対向する側壁部２３ａの長手方向に延びる縁、第２の梁２６の相対向する側壁部２６ａの長手方向に延びる縁、及びレジスタンス部品２９が、ともに保護板８に押付けられて、締付け力が燃料電池積層体３に波及される。このため、既述のように第２の梁２６を切欠き溝２４がない第１の梁２３に重ね合わせて、これらをＸ字状に組み合わせた構成の場合のように、第１の梁２３の高さ寸法に応じて保護板８から離れた状態にある第２の梁２６に加えられる締付け力を、燃料電池積層体３に波及させるための中継部品を要しないので、構成が単純である。

前記構成の燃料電池１は、締付けアセンブリ２２が接する保護板８を備えているので、締付けアセンブリ２２の形状にならって、このアセンブリが保護板８に接触する箇所に応力が集中することが緩和される。これにより、絶縁板７及び集電板５が、締付け荷重による応力集中で損傷することを防止することが可能である。

燃料電池１が備える保護板８は、四角形でその四辺の夫々に略直角に折り曲げられた縁板部９を有している。これら縁板部９によって保護板８が補強されているので、締付け荷重による保護板８の変形が抑制される。これに伴い、保護板８が薄い場合であっても、締付けアセンブリ２２から波及される締付け荷重が保護板８全体に分散されて、燃料電池積層体３の前面に対して締付け面圧を均一化することが可能である。

更に、保護板８の縁板部９は、第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４を支持するために利用されている。これにより、燃料電池積層体３の外側に配置される第１マニホルド１１〜第４マニホルド１４を取付ける構成を簡略にできる。

図８及び図９は第２実施形態を示している。第２実施形態は以下説明する構成が第１実施形態とは相違しており、それ以外の構成は第１実施形態と同じである。このため、第１実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。

この第２実施形態の燃料電池では、締付けアセンブリ２２の第２の梁２６の構成等が、以下のように第１実施形態とは異なる。

詳しくは、第２の梁２６は長手方向に直交する断面が四角いむく（中実）の鋼材で作られていて、その長手方向中央部には切欠き溝は設けられていないとともに、連結孔２８は第２の梁２６を高さ方向に貫通して設けられている。第１の梁２３の切欠き溝２４の幅Ｗ１は、第２の梁２６の幅Ｗ２と同じである。そのため、切欠き溝２４を通って第１の梁２３と交叉した第２の梁２６の側面は、切欠き溝２４の互に平行な縁２４ａ（図９参照）に接している。この第２実施形態では、第１実施形態で採用したレジスタンス部品は省略されているとともに、第１の梁２３と第２の梁２６はその交叉部で溶接されていても良い。

第２実施形態の燃料電池で、以上説明した以外の構成は図８及び図９に示されない構成を含めて第１実施形態と同じである。したがって、この第２実施形態においても、第１実施形態で既に説明した理由により前記課題が解決されて、高さ方向の大形化を抑制しつつ第１の梁２３の採用による軽量化とコストの低減が可能な燃料電池を提供することが可能である。

しかも、第２の梁２６が中実であって、その側面が切欠き溝２４の互に平行な縁２４ａに接しているので、締め付け保持手段３１による締付け力で、第１の梁２３が変形することを第２の梁２６自体で実現できる。これにより、第１実施形態で採用したレジスタンス部品を省略できるので、第１実施形態の燃料電池と比較して部品点数及び組立て工数が少なくなり、それに伴って構成の単純化と更なるコストの低減を図ることが可能である。

図１０は第３実施形態を示している。第３実施形態は以下説明する構成が第１実施形態とは相違しており、それ以外の構成は第１実施形態と同じである。このため、第１実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。

この第３実施形態は、内部マニホルド式の燃料電池１とした点が第１実施形態とは異なる。

第３実施形態で、燃料電池積層体３をなした各部材には複数の貫通孔（図示しない）が設けられていて、これら貫通孔は、セパレータに形成された燃料流路溝、又は酸化剤流路溝、或いは冷却水流路溝のいずれかに連続されている。更に、互に連通された各貫通孔がなす通路に連通する通孔（図示しない）が、集電板５、絶縁板７、及び保護板８の夫々設けられている。そして、集電板５、絶縁板７、保護板８のいずれかの通孔に、マニホルド配管１７〜マニホルド配管１９が接続されている。又、第３実施形態では、第１実施形態で採用した複数のマニホルドは省略されているとともに、保護板８の縁板部９に対して第１実施形態で採用したねじ孔（連結孔）は省略されている。

第３実施形態の燃料電池１で、以上説明した以外の構成は図１０に示されない構成を含めて第１実施形態と同じである。したがって、この第３実施形態においても、第１実施形態で既に説明した理由により前記課題が解決されて、高さ方向の大形化を抑制しつつ軽量化とコストの低減が可能な燃料電池を提供することが可能である。

しかも、内部マニホルド式の燃料電池であるので、第１実施形態で採用した複数のマニホルドを省略できるに伴い、更なる軽量化とコストの低減を図ることが可能である。

図１１は第４実施形態を示している。第４実施形態は以下説明する構成が第１実施形態とは相違しており、それ以外の構成は第１実施形態と同じである。このため、第１実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。

この第４実施形態は、内部マニホルド式の燃料電池１とした点が第１実施形態とは異なる。

第４実施形態で、燃料電池積層体３の四隅に、この積層体の積厚方向に貫通する通孔（図示しない）が夫々設けられている。これらの通孔には締付け保持手段３１の締付け軸３２が通されている。これとともに、第１の梁２３と第２の梁２６は、燃料電池積層体３を平面視した場合の対角線と略等しい長さに形成されている。又、燃料電池積層体３をなした各部材には複数の貫通孔（図示しない）が設けられていて、これら貫通孔は、セパレータに形成された燃料流路溝、又は酸化剤流路溝、或いは冷却水流路溝のいずれかに連続されている。更に、互に連通された各貫通孔がなす通路に連通する通孔（図示しない）が、集電板５及び絶縁板７に夫々設けられている。又、第４実施形態では、第１実施形態で採用した一対の保護板は省略されている。そして、集電板５と絶縁板７のいずれかの通孔には、マニホルド配管１７〜マニホルド配管１９が接続されている。又、第４実施形態では、第１実施形態で採用した複数のマニホルドは省略されている。

第４実施形態の燃料電池で、以上説明した以外の構成は図１１に示されない構成を含めて第１実施形態と同じである。したがって、この第４実施形態においても、第１実施形態で既に説明した理由により前記課題が解決されて、高さ方向の大形化を抑制しつつ軽量化とコストの低減が可能な燃料電池を提供することが可能である。

しかも、内部マニホルド式の燃料電池１であるので、第１実施形態で採用した複数のマニホルドを省略できるに伴い、構成の単純化並びに軽量化とコストの低減を図ることが可能である。加えて、第１実施形態と比較して保護板８の省略と第１の梁２３及び第２の梁２６が短いことにより、更なる構成の単純化並びに軽量化とコストの低減を図ることが可能であるとともに、燃料電池１の高さ方向以外の小形化も図ることが可能である。

以上説明した各実施形態は単なる例示であり、これらに実施を制約されるものではなく、各実施形態の特徴を組み合わせて実施することが可能であるとともに、これらの特徴を燃料電池の構成の一部分のみに適用して実施することも可能である。例えば、第２実施形態で説明した中実な構成の第２の梁２６は、第３、第４の実施形態の第２の梁に適用可能である。

又、例えば第１、第３、第４の実施形態で採用した第１の梁２３及び第２の梁２６、第２実施形態で採用した第１の梁２３は、断面溝形状の鋼材に代えて、単位電池の積厚方向と平行でかつ相対向した側壁部と、これら側壁部にわたって一体に設けられた側壁間壁部とを有する構成であれば使用可能であり、例えば、長手方向に直交する方向の断面形状がＨ形断面又は中空の略四角形断面を有した鋼材を用いることも可能である。

更に、締付けアセンブリは、第１の梁の長手方向中央部に、燃料電池積層体と反対体側に開放されて第２の梁が通る切欠き溝を設けるとともに、第２の梁の長手方向中央部に燃料電池積層体側に開放して第１の梁が通る切欠き溝を設けて、第１の梁と第２の梁をＸ字状に組み合わせた構成とすることもできる。この場合、各切欠き溝にレジスタンス部品を嵌合して、第１の梁に形成された切欠き溝の縁にこの溝に嵌合されたレジスタンス部品を溶接等により固定するとともに、第２の梁に形成された切欠き溝の縁にこの溝に嵌合された他のレジスタンス部品を溶接等により固定することで、締付け力で切欠き溝が互に開いて変形することがないように構成することが積層された単位電池相互間に所定の締付け面圧を確保する上で好ましい。

１…燃料電池、３…燃料電池積層体、５…集電板、８…保護板、９…縁板部、９ａ…ねじ孔(連結孔)、１１〜１４…マニホルド、１５…取付け部、１６…ボルト（連結具）、２１…締付け装置、２２…締付けアセンブリ、２３…第１の梁、２３ａ…第１の梁の側壁部、２３ｂ…第１の梁の側壁間壁部、２４…第１の梁の切欠き溝、Ｗ１…第１の梁の切欠き溝の幅、２６…第２の梁、２６ａ…第３の梁の側壁部、２６ｂ…第３の梁の側壁間壁部、２７…第２の梁の切欠き溝、Ｗ３…第２の梁の切欠き溝の幅、２９…レジスタンス部品、３１…締付け保持手段

Claims (5)

1. 複数の単位電池を積層してなる燃料電池積層体と、
   この燃料電池積層体の積厚方向両側に夫々配設された一対の締付けアセンブリ、及びこれらのアセンブリを互に近付くように締付けて前記単位電池の積層状態を保持する締付け保持手段とで形成された締付け装置と、を具備する燃料電池であって、
   前記締付けアセンブリが、互に交叉して配置された第１の梁と第２の梁とを備え、
   前記第１の梁と第２の梁のうちの一方の梁がその長手方向中央部に切欠き溝を有していて、この切欠き溝に他方の梁が通されているとともに、
   前記第１の梁と第２の梁のうちの前記切欠き溝を有している方の梁が、前記単位電池の積厚方向と平行でかつ相対向した側壁部と、これら側壁部にわたって一体に設けられた側壁間壁部とを有し、
   前記切欠き溝の奥行き寸法（Ｈ３）と前記切欠き溝に通されている梁の高さ寸法（Ｈ１）が等しく、前記切欠き溝を有している方の梁と前記切欠き溝に通されている梁とが交叉部において接触していることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１の梁と第２の梁がともに、前記側壁部と前記側壁間壁部を有してその長手方向中央部に切欠き溝が形成され、
   前記締付けアセンブリが、前記第１の梁と第２の梁との交叉部に配設されたレジスタンス部品を、更に備え、
   前記第１の梁の長手方向中央部の前記切欠き溝の奥行き寸法（Ｈ３）と前記第２の梁の高さ寸法（Ｈ１）が等しく、且つ、前記レジスタンス部品の厚み（Ｔ）と前記第２の梁の長手方向中央部の前記切欠き溝の奥行き寸法（Ｈ４）が略等しく、前記レジスタンス部品が前記第１の梁と第２の梁との交叉部において接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池積層体の積厚方向の端面上に集電板とこれに積層された絶縁板が配設されているとともに、前記絶縁板と前記締付けアセンブリとの間に保護板が挟まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記保護板が、前記集電板と略同形状で、かつ、前記保護板の周縁に前記集電板から離れる方向に折り曲げられて前記第１の梁と第２の梁の相対向した側面間に配設された縁板部を有していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 両端部に取付け部を夫々有したマニホルドを更に備え、前記取付け部を前記燃料電池積層体の積厚方向の両側に夫々配設された前記保護板が有した前記縁板部に連結して、前記マニホルドが前記燃料電池積層体の側面を覆って配設されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。

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