JP6386396B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来の燃料電池スタックは、例えば、特許文献１に記載されているように、複数の燃料電池（「単位セル」とも呼ばれる）が積層される積層体の積層方向の両端の第１エンドプレート及び第２エンドプレート間に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられている。荷重付与機構は、バンド部材の一端が第１エンドプレートの外表面に固定されるとともに、バンド部材が、積層体の一方の側部に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレートの外表面を周回した後、積層体の他方の側部に沿って積層方向に延在した後、バンド部材の他端が第１エンドプレート外表面に沿って伸縮可能な弾性部材に係合され、弾性部材が保持部に保持される構造を有している。

特開２０１３−０２０７４０号公報

ここで、特許文献１に記載された燃料電池スタックでは、積層方向に延在したバンド部材の方向が第１エンドプレートの角部で外表面に沿った方向に向きを変えて弾性部材に係合されている。このため、弾性部材の伸縮を調整してバンド部材に加えられるテンションを調整する際に、バンド部材に加えられるテンションに応じて第１エンドプレートの角部に接触するバンド部材の部分に摩擦力が発生する。従って、実際の荷重の調整では、この摩擦力を加味してバンド部材に加えるテンションの調整を行なわなければならないため、その調整が困難である、という課題がある。また、燃料電池スタックの積層方向の寸法公差（各部材の積層方向の寸法公差の和）およびバンド部材の寸法公差の吸収も、弾性部材の伸縮を調整することによって行われるため、上記寸法公差の吸収が可能な伸縮可能量を有することが要求される。しかしながら、第１エンドプレートの外表面に沿って弾性部材および保持部材が設けられた構造では、弾性部材の伸縮方向に対応する第１エンドプレートの外表面の鉛直方向の長さの制限によって、弾性部材の伸縮の調整可能範囲（いわゆるストローク）を十分に確保することが困難な場合がある、という課題がある。さらにまた、第１エンドプレートの外表面に沿って弾性部材および保持部材が設けられた構造では、燃料電池スタックの積層方向が長尺化する、という課題がある。そのほか、従来の燃料電池スタックでは、その小型化や、低コスト化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、積層された複数の単位セルを含む積層体と、前記積層体の積層方向の両端に配置される第１エンドプレート及び第２エンドプレートと、を有する燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートから前記積層体に前記積層方向に沿った荷重を付与する荷重付与機構を少なくとも一つ備える。前記荷重付与機構は；締結バンドと；前記積層体の前記積層方向に沿った第１の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの一端を保持する第１保持部と；前記第１の側面部と反対側の前記積層体の第２の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの他端を保持する第２保持部と；を備える。前記締結バンドは、前記第１保持部から前記第１の側面部に沿って前記積層方向に延在し、前記第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記第２の側面部に沿って前記積層方向に延在して前記第２保持部まで達している。前記第２保持部は、前記締結バンドの他端に設けられた他端用ナット部材と、前記第１エンドプレートを介して前記他端用ナット部材に螺入されて、前記締結バンドの前記他端の保持位置を前記第２の側面部に沿って前記積層方向に調節可能に保持する他端用締結ネジと、を有し、前記他端用ナット部材の前記積層方向に沿った断面形状は、前記積層方向の厚さが前記積層方向に直交する向きの厚さに比べて厚い形状である。
この形態の燃料電池スタックによれば、荷重付与機構の第１保持部および第２保持部が第１エンドプレートの内表面側に設けられるので、荷重付与機構を有する燃料電池スタックの長尺化を抑制することが可能である。また、第２保持部において締結バンドの他端の保持位置を第２の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第２の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにテンションを加え、第２エンドプレートの外表面を周回する締結バンドを介して、第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体に積層方向に沿って荷重を加えることができる。このため、第１エンドプレートの外表面側の角部に対して締結バンドが接触しないようにすることができ、課題で説明した第１エンドプレートの角部に接触するバンド部材の部分に発生する摩擦力を加味する必要がないので、荷重調整が容易である。また、他端用ナット部材がエンドプレートの上端よりも上側にはみ出してしまうことを抑制しつつ、他端用ナット部材の中央部の強度が不足することを抑制することができる。
上記形態の燃料電池スタックにおいて、前記締結バンドの前記他端は、前記他端用ナット部材を覆う他端ロール部を有し、前記他端用ナット部材の前記積層方向に沿った断面形状は、前記他端ロール部の輪郭形状に合わせた形状であるとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックによれば、他端用ナット部材がエンドプレートの上端よりも上側にはみ出してしまうことを抑制しつつ、他端用ナット部材の中央部の強度が不足することを抑制することができる。
上記形態の燃料電池スタックにおいて、前記他端用ナット部材は、前記積層体の幅方向の長さが前記締結バンドの幅よりも長く、前記締結バンドよりも外側の位置に、前記他端用締結ネジが螺入されるネジ穴を有するとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックによれば、他端用締結ネジの第１エンドプレートの幅方向における位置を変更することができる。
上記形態の燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第１保持部は、前記締結バンドの一端に設けられた一端用ナット部材と、前記第１エンドプレートを介して前記一端用ナット部材に螺入されて、前記締結バンドの前記一端の保持位置を前記第１の側面部に沿って前記積層方向に調節可能に保持する一端用締結ネジと、を有するとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックによれば、第２保持部において締結バンドの他端を第２の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第２の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにテンションを加えるとともに、第１保持部においても締結バンドの一端を第１の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第１の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにもテンションを加えることができる。これにより、第２エンドプレートの外表面を周回する締結バンドの部分を介して積層体の第１の側面部側および反対の第２の側面部側の両側から第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体にバランス良く荷重を加えることができ、荷重調整がさらに容易である。
上記形態の燃料電池スタックにおいて、さらに、他の締結バンドと、前記積層体の前記第１の側面部および前記第２の側面部以外の第３の側面部および第４の側面部のうち、前記第３の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記他の締結バンドの一端を保持する第３保持部と、前記第４の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記他の締結バンドの他端を保持する第４保持部とを有する他の荷重付与機構を備えるとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックによれば、第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体の全体にバランス良く荷重を加えることができる。
その他、本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、積層された複数の単位セルを含む積層体と、前記積層体の積層方向の両端に配置される第１エンドプレート及び第２エンドプレートと、を有する燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートから前記積層体に前記積層方向に沿った荷重を付与する荷重付与機構を少なくとも一つ備える。そして、荷重付与機構は、締結バンドと；前記積層体の前記積層方向に沿った第１の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの一端を保持する第１保持部と；前記第１の側面部と反対側の前記積層体の第２の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの他端を保持する第２保持部と；を備える。そして、前記締結バンドは、前記第１保持部から前記第１の側面部に沿って前記積層方向に延在し、前記第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記第２の側面部に沿って前記積層方向に延在して前記第２保持部まで達しており；前記第２保持部は、前記第２の側面部に沿って前記締結バンドの他端の保持位置を前記積層方向に調節可能な他端保持位置調整部を有し、前記他端保持位置調整部を介して前記締結バンドの他端を保持する。この形態の燃料電池スタックによれば、荷重付与機構の第１保持部および第２保持部が第１エンドプレートの内表面側に設けられるので、荷重付与機構を有する燃料電池スタックの長尺化を抑制することが可能である。また、第２保持部において他端保持位置調整部によって締結バンドの他端の保持位置を第２の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第２の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにテンションを加え、第２エンドプレートの外表面を周回する締結バンドを介して、第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体に積層方向に沿って荷重を加えることができる。このため、第１エンドプレートの外表面側の角部に対して締結バンドが接触しないようにすることができ、課題で説明した第１エンドプレートの角部に接触するバンド部材の部分に発生する摩擦力を加味する必要がないので、荷重調整が容易である。

（２）上記形態の燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第１保持部は、前記第１の側面部に沿って前記締結バンドの一端の保持位置を前記積層方向に調節可能な一端保持位置調整部を有し、前記一端保持位置調整部を介して前記締結バンドの一端を保持するようにしてもよい。この形態の燃料電池スタックによれば、第２保持部において他端保持位置調整部によって締結バンドの他端を第２の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第２の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにテンションを加えるとともに、第１保持部においても一端保持位置調整部によって締結バンドの一端を第１の側面部に沿って積層方向に移動させることによって、第１の側面部に沿って積層方向に延在する締結バンドにもテンションを加えることができる。これにより、第２エンドプレートの外表面を周回する締結バンドの部分を介して積層体の第１の側面部側および反対の第２の側面部側の両側から第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体にバランス良く荷重を加えることができ、荷重調整がさらに容易である。

（３）上記形態の燃料電池スタックにおいて、さらに、前記積層体の前記第１の側面部および前記第２の側面部以外の第３の側面部および第４の側面部のうち、前記第３の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの一端を保持する第３保持部と、前記第４の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの他端を保持する第４保持部とを有する他の荷重付与機構を備えるようにしてもよい。この形態の燃料電池スタックによれば、第２エンドプレートと第１エンドプレートとの間の積層体の全体にバランス良く荷重を加えることができる。

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、燃料電池スタックや、燃料電池スタックの荷重付与機構等の態様で実現することができる。

第１実施形態としての燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。 図１の第１保持部の一つを拡大して模式的に示す説明図である。 第１保持部の変形例を拡大して模式的に示す説明図である。 形状制約を有するエンドプレートを用いた燃料電池スタックの一例を模式的に示す斜視図である。 図４に示した形状制約を有するエンドプレートの場合に変形例の第１保持部および第２保持部による荷重付与機構を適用した場合の燃料電池スタックの一例を模式的に示す斜視図である。 第２実施形態としての燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。 積層体の上側側面部および下側側面に沿って荷重付与機構を配置するとともに、積層体の左側側面および下側側面に沿って荷重付与機構を配置した一例を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態としての燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。図１（Ａ）は上側の平面図を示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の幅方向の左側の側面図を示している。燃料電池スタック１０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の右端から、第１エンドプレート２０ａ、絶縁板３０ａ、集電板４０ａ、複数の単位セル５０、集電板４０ｂ、絶縁板３０ｂ、および、第２エンドプレート２０ｂを順に積層することによって構成されている。すなわち、燃料電池スタック１０は、絶縁板３０ａ、集電板４０ａ、複数の単位セル５０、集電板４０ｂ、及び、絶縁板３０ｂが積層された積層体６０を、積層方向の両端に配置した第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂで挟持することによって構成されている。なお、図１（Ａ）では、縦方向が燃料電池スタック１０の幅方向（左右方向）を示し、横方向が各部材の積層方向を示している。また、図１（Ｂ）では、横方向は図１（Ａ）と同じ積層方向を示し、縦方向は燃料電池スタック１０の高さ方向（上下方向）を示している。

単位セル５０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）と、ＭＥＡを上記積層方向で挟持する一対のセパレータと、を備える（不図示）。ＭＥＡは、電解質膜の一方の面に触媒層およびガス拡散層からなる電極（アノード）が形成され、電解質膜の他方の面に触媒層およびガス拡散層からなる電極（カソード）が形成された発電体である。なお、セパレータの表面には、反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）を流すための溝状の流路や冷却水を流すための溝状の流路が形成されている。ただし、反応ガスの流路は、セパレータの表面に形成された溝状の流路ではなく、ＭＥＡとセパレータとの間に独立して設けられた多孔質体流路によって構成される場合もある。

第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂは、剛性を確保するため、鋼やアルミ等の金属によって形成されている。なお、絶縁板３０ａ，３０ｂ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４０ａ，４０ｂは、緻密質カーボンや、銅板やアルミ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４０ａ，４０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。

なお、第１エンドプレート２０ａあるいは第２エンドプレート２０ｂには、燃料電池スタック１０内に、燃料ガスや酸化ガス、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている（不図示）。また、燃料電池スタック１０内部には、燃料ガスや酸化ガス、冷却水を、それぞれ各単位セル５０に分配して供給するため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、冷却水供給マニホールド）や、各単位セル５０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１０の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている（不図示）。

燃料電池スタックには、通常、スタック構造内のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下の抑制や、ガスの漏洩の抑制等のために、スタック構造の積層方向に、外部から所定の押圧力を加えるとともに、その押圧力を維持するための荷重を付与する荷重付与機構が設けられる。本実施形態の燃料電池スタック１０では、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０の幅方向に沿って均等に配置された３つの荷重付与機構７０が設けられている。荷重付与機構７０は、図１（Ｂ）に示すように、締結バンド７２と、積層体６０の上側側面部６１よりも上側（「第１の側面部の外側」に相当する）の第１エンドプレート２０ａの内表面で締結バンド７２の一端を固定する第１保持部７４と、上側側面部６１とは反対側の積層体６０の下側側面部６２よりも下側（「第２の側面部の外側」に相当する）の第１エンドプレート２０ａの内表面で締結バンド７２の他端を固定する第２保持部７５と、を備える。締結バンド７２は、第１保持部７４で固定された一端から積層体６０の上側側面部６１に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレート２０ｂの外表面を周回した後、積層体６０の下側側面部６２に沿って積層方向に延在し、他端が第２保持部７５で締結されている。この締結バンド７２によって第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとの間の積層体６０に積層方向の荷重が加えられるとともに、荷重が加えられた状態が維持される。

図２は、図１の第１保持部の一つを拡大して模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は図１（Ａ）の幅方向の左端に配置される第１保持部７４を示す平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の第１保持部７４の側面図である。第１保持部７４は、積層体６０の上側側面部６１に沿って積層方向に延在する締結バンド７２の一端のロール部７２ａ中に配置される幅方向に長い丸棒状のナット部材７８と、ナット部材７８の２か所のネジ穴７８ａに第１エンドプレート２０ａの貫通孔２２ａを介して螺入される２本の締結ネジ７６と、から構成される。

ロール部７２ａは、締結バンド７２として引張強度に優れた部材のバンド、例えば、金属製バンドを利用することとし、その一端をロール状に丸めて溶接することにより形成される。ナット部材７８および締結ネジ７６も、同様に、引張強度に優れるとともに剛性の高い金属製の部材が用いられる。ナット部材７８の２か所のネジ穴７８ａは、丸棒の軸方向（図２の幅方向）の中点を通り、軸方向に垂直な中心線７８ｃｘ（締結バンド７２の中心線７２ｃｘに一致）に対して線対称な位置に、中心線７８ｃｘ（積層方向）に平行に形成された雌ネジである。締結ネジ７６は、第１エンドプレート２０ａの外表面側に配置され、第１エンドプレート２０ａの内表面側への積層方向に沿った移動を規制する頭部７６ａと、頭部７６ａの端部から積層方向に平行に延在し、第１エンドプレート２０ａの貫通孔２２ａを介してナット部材７８のネジ穴７８ａに螺入される雄ネジ部分を有するネジ部７６ｂと、から構成される。

締結ネジ７６のネジ部７６ｂをナット部材７８のネジ穴７８ａに螺入させることにより、ナット部材７８を覆う締結バンド７２のロール部７２ａ（締結バンドの一端）を第１エンドプレート２０ａの内表面側に保持することができる。また、２つの締結ネジ７６の頭部７６ａを回転させて、ネジ部７６ｂのネジ穴７８ａへの螺入量を変化させることにより、ナット部材７８の位置を積層方向に沿って移動させることができる。これにより、ナット部材７８を覆う締結バンド７２のロール部７２ａ（締結バンドの一端）を保持しつつ、その位置を積層方向に沿って移動させることができる。従って、締結バンド７２の一端を積層方向に沿って移動可能な状態で第１エンドプレート２０ａの内表面に締結し固定することができる。

図２のような拡大図示は省略するが、第２保持部７５（図１（Ｂ））も、第１保持部７４と同様に、積層体６０の下側側面部６２に沿って積層方向に延在する締結バンド７２の他端のロール部７２ｂと、ロール部７２ｂ中に配置される幅方向に長い丸棒状のナット部材７８と、ナット部材７８の２か所のネジ穴７８ａに第１エンドプレート２０ａの貫通孔２２ａを介して螺入される２本の締結ネジ７６と、から構成される。そして、第２保持部７５も、第１保持部７４と同様に、ナット部材７８を覆う締結バンド７２のロール部７２ｂ（締結バンドの他端）を保持しつつ、その位置を積層方向に沿って移動させることができる。これにより、締結バンド７２の他端を積層方向に沿って移動可能な状態で第１エンドプレート２０ａの内表面側に保持することができる。

以上のように、本実施形態における荷重付与機構７０は、第１保持部７４において締結バンド７２の一端の位置を積層方向に沿って調整して、上側側面部６１に沿って積層方向に延在する締結バンド７２にテンションを加えるとともに、第２保持部７５において締結バンド７２の他端の位置を積層方向に沿って調整（調節）して、下側側面部６２に沿って積層方向に延在する締結バンド７２にもテンションを加えることができる。これにより、第２エンドプレート２０ｂの外表面を周回する締結バンド７２の部分を介して上側側面部６１側および下側側面部６２側の両側から第２エンドプレート２０ｂと第１エンドプレート２０ａとの間の積層体６０に対してバランス良く荷重を加えることができ、容易に荷重の調整が可能である。

ここで、従来の荷重付与機構は、上記したように、第１エンドプレートの外表面でバンド部材（締結バンド）を締結する方向に対して、積層方向に延在するバンド部材の方向が第１エンドプレートの角部で直角に向きを変える構造のため、第１エンドプレートの角部に接触するバンド部材で摩擦力が発生し、荷重調整が困難となる、という課題があった。これに対して、本実施形態の荷重付与機構７０の第１保持部７４及び第２保持部７５は、それぞれ、締結ネジ７６およびナット部材７８によって締結バンド７２を第１エンドプレート２０ａに締結する方向を、上側側面部６１および下側側面部６２に沿って積層方向に延在する締結バンド７２に加えるテンションの方向（積層方向）に一致させることができるので、上記課題を解決することが可能である。

また、第１保持部７４及び第２保持部７５は、第１エンドプレート２０ａの内表面側に設けられている。このため、本実施形態の荷重付与機構７０は、第１エンドプレートの外表面に設けられることによって燃料電池スタックの積層方向が長尺化するという従来の荷重付与機構の課題を解決することが可能である。

さらにまた、第１保持部７４及び第２保持部７５における締結バンド７２の位置の調整可能範囲（ストローク量）は、積層方向に沿った締結ネジ７６のネジ部７６ｂのうち雄ネジ部分の長さに対応する。そして、燃料電池スタックの積層方向の長さは、通常、積層体６０およびエンドプレート２０ａ，２０ｂの積層方向の各寸法公差の和（「燃料電池スタックの積層方向の寸法公差」とも呼ぶ）および締結バンド７２の寸法公差に比べて十分に長い。従って、第１保持部７４及び第２保持部７５のそれぞれの締結ネジ７６の雄ネジ部分の長さを、燃料電池スタックの積層方向の寸法公差および締結バンド７２の寸法公差分の長さに応じて設定することにより、これらの寸法公差を吸収するためのストローク量を容易に確保して寸法公差を吸収することが可能である。これにより、本実施形態の荷重付与機構７０は、従来の荷重付与構造ではストローク量を十分に確保することが困難である、という課題を解決することが可能である。なお、上記効果に着目すると、エンドプレートの高さあるいは幅に比べて積層方向の長さが長い、いわゆる扁平構造の燃料電池スタックにおいて、本実施形態の荷重付与機構７０の構造は特に有効である。

さらにまた、従来の荷重付与構造のようにいずれか一方の締結バンドの端部の位置のみを調整可能な場合では、燃料電池スタックの積層方向の寸法公差の２倍の長さ分および締結バンドの寸法公差分を吸収するための調整可能範囲（ストローク量）が要求される。これに対して、本実施形態の荷重付与機構７０では、第１保持部７４及び第２保持部７５のそれぞれにおいて、燃料電池スタックの積層方向の寸法公差分および締結バンド７２の半分の寸法公差分を吸収するためのストローク量で調整が可能である。

なお、以上の説明からわかるように、第２保持部７５においてナット部材７８あるいは締結バンド７２の他端のロール部７２ｂ及びナット部材７８が積層方向に伸縮可能な他端保持位置調整部に相当し、第１保持部７４においてナット部材７８あるいは締結バンド７２の一端のロール部７２ａ及びナット部材７８が積層方向に伸縮可能な一端保持位置調整部に相当する。

図３は、第１保持部の変形例を拡大して模式的に示す説明図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）に対応する変形例の第１保持部７４Ｂの平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の変形例の第１保持部７４Ｂのナット部材７８Ｂを拡大して示す斜視図である。変形例の第１保持部７４Ｂは、幅方向の長さが締結バンド７２の幅よりも長く、締結バンド７２よりも外側の位置にネジ穴７８ａが形成されたナット部材７８Ｂを用いており、締結バンド７２の外側で締結ネジ７６によって第１エンドプレート２０ａに締結バンド７２の一端を締結（固定）する構造を有している。この構造にすれば、締結ネジ７６の第１エンドプレート２０ａの幅方向における位置を変更することができる。

ただし、幅方向の長さを長くしてネジ穴７８ａの間隔を広くすると、締結バンド７２に加えるテンションを支えるためのナット部材の中央部の強度が、積層方向に沿った方向、すなわち、幅方向に垂直な方向に関して不足する可能性がある。これに対応するには、単純には、幅方向の長さに応じて丸棒の径を大きくすればよい。しかしながら、径を大きくした場合、ナット部材がエンドプレートの上端よりも上側にはみ出してしまう可能性があり、単純に丸棒の径を大きくできない可能性がある。

そこで、図３（Ｂ）に示すように、変形例の第１保持部７４Ｂの積層方向に沿った断面形状を、締結バンド７２に加わるテンションの方向、すなわち、積層方向の厚さを厚くするとともに、締結バンド７２のロール部７２ａの輪郭形状に合わせた形状とすることが好ましい。なお、上側の第１保持部７４を変形例の第１保持部７４Ｂのように変更する場合、対となる下側の第２保持部７５も同様の構造に変更される。第１保持部及び第２保持部を変形例の構造とすることにより、以下で説明する問題の解決を図ることが可能となる。

図１（Ｂ）に示した第１エンドプレート２０は、その外形を矩形状として模式的に示されている。しかしながら、実際のエンドプレートでは、種々の部品が取り付けられることによる形状の制約や、燃料電池スタックの設置場所に対応するための形状の制約、燃料電池スタックの組み立て時の積層の位置決めのための形状の制約等、形状に種々の制約がある。

図４は、形状制約を有するエンドプレートを用いた燃料電池スタックの一例を模式的に示す斜視図である。この燃料電池スタック１０Ｂでは、燃料電池スタックの組み立て時の積層の位置決めのために、第１エンドプレート２０ａＢの下側の幅方向の左右両側に切り欠け形状２４ａが設けられており、第２エンドプレート２０ｂＢの下側の幅方向の左右両側に切り欠け形状２４ｂが設けられている。このため、図１，２に示した第１保持部７４及び第２保持部７５による荷重付与機構７０では、締結ネジ７６の配置位置を確保するために、左右両側の荷重付与機構７０の締結バンド７２が中央に寄ってしまう。この場合、締結バンド７２により第１エンドプレート２０ａＢと第２エンドプレート２０ｂＢとの間で積層体６０に対して積層方向に加える荷重が幅方向の中央側に偏り、両側の締結バンド７２よりも外側では荷重が加わり難くなるため、シール不良や接触抵抗増加による発電性能低下等の不具合を引き起こす可能性がある。

図５は、図４に示した形状制約を有するエンドプレートの場合に変形例の第１保持部及び第２保持部による荷重付与機構を適用した場合の燃料電池スタックの一例を模式的に示す斜視図である。この燃料電池スタック１０Ｂｍでは、図４の左右両側の荷重付与機構７０を、変形例の第１保持部７４Ｂおよび第２保持部７５Ｂを用いた荷重付与機構７０Ｂに変更することにより、第１エンドプレート２０ａの切り欠け形状２４ａを避けて締結ネジ７６を配置することができる。これにより、締結バンド７２を幅方向でバランス良く配置して、第１エンドプレート２０ａＢと第２エンドプレート２０ｂＢとの間の積層体６０に対してバランス良く荷重を加えることが可能となる。なお、図の例では、中央の荷重付与機構については、実施形態の第１保持部７４及び第２保持部７５による荷重付与機構７０のままとした場合を示しているが、変形例の第１保持部７４Ｂ及び第２保持部７５Ｂによる荷重付与機構７０Ｂに変更することも可能である。実施形態の第１保持部７４及び第２保持部７５による荷重付与機構７０と変形例の第１保持部７４Ｂ及び第２保持部７５Ｂによる荷重付与機構７０Ｂを組み合わせて用いることで、種々のエンドプレートの形状に対応して、締結バンドをバランス良く配置して、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの間の積層体に対してバランス良く荷重を加えることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態としての燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の下側の側面図を示している。燃料電池スタック１０Ｃは、第１実施形態の荷重付与機構７０が荷重付与機構７０Ｃに置き換えられた点が異なっており、積層体６０およびエンドプレート２０ａ，２０ｂは同じである。また、荷重付与機構７０Ｃは、図６（Ｂ）に示すように、第１実施形態の第１保持部７４（図１及び図２参照）のみが第１保持部７４Ｃに置き換えられた構造を有している。

第１保持部７４Ｃは、座金７７Ｃと２組のボルト７６Ｃおよびナット７８Ｃとから構成れ、締結バンド７２の一端を座金７７Ｃと第１エンドプレート２０ａの内表面との間に挟みこんで締結し固定する構造を有している。

本実施形態の荷重付与機構７０Ｃは、第１保持部７４Ｃにおいて締結バンド７２の一端を第１エンドプレート２０ａの内表面上に固定するとともに、第２保持部７５において締結バンド７２の他端の位置を積層方向に沿って調整することにより、締結バンド７２に加えるテンションを調整することができる。これにより、第１実施形態の荷重付与機構７０と同様に、第２エンドプレート２０ｂの外表面を周回する締結バンド７２の部分を介して下側側面部６２側から第２エンドプレート２０ｂと第１エンドプレート２０ａとの間の積層体６０に対して荷重を加えることができ、容易に荷重の調整が可能である。ただし、第１実施形の荷重付与機構７０の方が、第２エンドプレート２０ｂの外表面を周回する締結バンド７２の部分を介して上側側面部６１側および下側側面部６２側の両側から第２エンドプレート２０ｂと第１エンドプレート２０ａとの間の積層体６０に対してバランス良く荷重を加えることができるので、より容易に荷重の調整が可能である。

そして、第１実施形態で説明したように、本実施形態の第２保持部７５は、締結ネジ７６およびナット部材７８によって締結バンド７２を第１エンドプレート２０ａに締結する方向を、下側側面部６２に沿って積層方向に延在する締結バンド７２に加えるテンションの方向（積層方向）に一致させることができる。これにより、従来の荷重付与機構における、第１エンドプレートの角部に接触するバンド部材で摩擦力が発生し、荷重調整が困難となる、という課題を解決することが可能である。

また、第１保持部７４Ｃ及び第２保持部７５は、第１エンドプレート２０ａの内表面側に設けられている。このため、本実施形態の荷重付与機構７０Ｃも、第１実施形態の荷重付与機構７０と同様に、従来の荷重付与構造では、第１エンドプレートの外表面に設けられることによって燃料電池スタックの積層方向が長尺化する、という課題を解決することが可能である。

さらにまた、第２保持部７５の締結ネジ７６の雄ネジ部分の長さを、燃料電池スタックの積層方向の寸法公差の２倍分の長さおよび締結バンド７２の寸法公差分の長さに応じて設定することにより、これらの寸法公差を吸収するためのストローク量を容易に確保して寸法公差を吸収することが可能である。これにより、本実施形態の荷重付与機構７０Ｃも、第１実施形態の荷重付与機構７０と同様に、従来の荷重付与構造ではストローク量を十分に確保することが困難である、という課題を解決することが可能である。上記効果に着目すると、第１実施形態の荷重付与機構７０と同様に、エンドプレートの高さに比べて積層方向の長さが長い、いわゆる扁平構造の燃料電池スタックにおいて、本実施形態の荷重付与機構７０の構造は特に有効である。

Ｃ．変形例：
なお、上記実施形態および変形例では、第１保持部および第２保持部が積層体の上側側面部の上側（外側）および上側側面部の下側（外側）に配置された荷重付与機構を例に説明したが、第１保持部および第２保持部を上下反対に配置するようにしてもよい。また、第１保持部および第２保持部が積層体の左側側面部の外側および右側側面部の外側あるいは左右反対に配置するようにしてもよい。第１保持部が配置される積層体の側面部の外側が第１の側面部の外側に相当し、第２保持部が配置される積層体の側面部の外側が第２の側面部の外側に相当する。また、第１保持部および第２保持部が積層体の上側側面部の上側（外側）および上側側面部の下側（外側）に配置された荷重付与機構と、第１保持部および第２保持部が積層体の左側側面部の外側および右側側面部の外側に配置された荷重付与機構杯の両方を備える構成としてもよい。なお、図７は、積層体６０の上側側面部６１および下側側面部６２に沿って荷重付与機構７０を配置するとともに、積層体の左側側面部６３および右側側面部６４に沿って荷重付与機構７０を配置した一例を示す説明図である。なお、図７において、左側側面部６３および右側側面部６４に沿って配置された荷重付与機構７０のうち、第１保持部７４が本発明の第３保持部に相当し、第２保持部７５が本発明の第４保持部に相当する。また、右側側面部６４が本発明の第３の側面部に相当し、左側側面部６３が本発明の第４の側面部に相当する。

また、上記実施形態では、幅方向に３つの荷重付与機構を配置する場合を例に説明したが、これ限定されるものではない。１つの荷重付与機構や２つの荷重付与機構、４つ以上の荷重付与機構を配置してもよい。１つあるいは２つの荷重付与機構とする場合、例えば、締結バンドの幅およびナット部材の幅を大きくし、締結ネジを３本以上として構成するようにしてもよい。また、４つ以上の荷重付与機構とする場合、例えば、締結バンドの幅およびナット部材の幅を小さくし、締結ネジを１本として構成するようにしてもよい。燃料電池スタックの幅方向にバランス良く荷重を付与することができれば、荷重付与機構の数や、締結ネジの数に特に限定はない。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック
１０Ｂ…燃料電池スタック
１０Ｃ…燃料電池スタック
１０Ｄ…燃料電池スタック
１０Ｂｍ…燃料電池スタック
２０ａ…第１エンドプレート
２０ｂ…第２エンドプレート
２０ａＢ…第１エンドプレート
２０ｂＢ…第２エンドプレート
２２ａ…貫通孔
２４ａ，２４ｂ…切り欠け形状
３０ａ，３０ｂ…絶縁板
４０ａ，４０ｂ…集電板
５０…単位セル
６０…積層体
６１…上側側面部
６２…下側側面部
６３…左側側面部
６４…右側側面部
７０…荷重付与機構
７０Ｂ…荷重付与機構
７０Ｃ…荷重付与機構
７２…締結バンド
７２ａ…ロール部
７２ｂ…ロール部
７２ｃｘ…中心線
７４…第１保持部
７４Ｂ…第１保持部
７４Ｃ…第１保持部
７５…第２保持部
７５Ｂ…第２保持部
７６…締結ネジ
７６ａ…頭部
７６ｂ…ネジ部
７６Ｃ…ボルト
７７Ｃ…座金
７８…ナット部材
７８ａ…ネジ穴
７８ｃｘ…中心線
７８Ｂ…ナット部材
７８Ｃ…ナット

Claims (5)

1. 積層された複数の単位セルを含む積層体と、前記積層体の積層方向の両端に配置される第１エンドプレート及び第２エンドプレートと、を有する燃料電池スタックであって、
   前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートから前記積層体に前記積層方向に沿った荷重を付与する荷重付与機構を少なくとも一つ備え、
   前記荷重付与機構は、
   締結バンドと、
   前記積層体の前記積層方向に沿った第１の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの一端を保持する第１保持部と、
   前記第１の側面部と反対側の前記積層体の第２の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記締結バンドの他端を保持する第２保持部と、
   を備え、
   前記締結バンドは、前記第１保持部から前記第１の側面部に沿って前記積層方向に延在し、前記第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記第２の側面部に沿って前記積層方向に延在して前記第２保持部まで達しており、
   前記第２保持部は、前記締結バンドの他端に設けられた他端用ナット部材と、前記第１エンドプレートを介して前記他端用ナット部材に螺入されて、前記締結バンドの前記他端の保持位置を前記第２の側面部に沿って前記積層方向に調節可能に保持する他端用締結ネジと、を有し、
   前記他端用ナット部材の前記積層方向に沿った断面形状は、前記積層方向の厚さが前記積層方向に直交する向きの厚さに比べて厚い形状である
   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であって、
   前記締結バンドの前記他端は、前記他端用ナット部材を覆う他端ロール部を有し、
   前記他端用ナット部材の前記積層方向に沿った断面形状は、前記他端ロール部の輪郭形状に合わせた形状である
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記他端用ナット部材は、前記積層体の幅方向の長さが前記締結バンドの幅よりも長く、前記締結バンドよりも外側の位置に、前記他端用締結ネジが螺入されるネジ穴を有する
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、さらに、
   前記第１保持部は、前記締結バンドの一端に設けられた一端用ナット部材と、前記第１エンドプレートを介して前記一端用ナット部材に螺入されて、前記締結バンドの前記一端の保持位置を前記第１の側面部に沿って前記積層方向に調節可能に保持する一端用締結ネジと、を有する
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、さらに、
   他の締結バンドと、
   前記積層体の前記第１の側面部および前記第２の側面部以外の第３の側面部および第４の側面部のうち、前記第３の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記他の締結バンドの一端を保持する第３保持部と、前記第４の側面部よりも外側の前記第１エンドプレートの内表面側で前記第１エンドプレートに対して前記他の締結バンドの他端を保持する第４保持部とを有する他の荷重付与機構を備える
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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