JP2007257865A - 燃料電池スタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドプレートが樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、荷重印加要素による荷重が長期にわたりエンドプレートに安定的に受けられる燃料電池スタック装置を提供する。
【解決手段】この装置は、セル積層体１１の一端側に設けられた第１エンドプレート１３と、積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレート１２と、セル積層方向に荷重を印加してセル１０同士を接近させる荷重印加要素８とをもつ。第１エンドプレート１３および第２エンドプレート１２のうちの少なくとも一方は、金属部材１３１，１２１と、金属部材１３１，１２１を保持する樹脂材料部１３５，１２５とを備えている。金属部材１３１，１２１は荷重印加要素８と接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のセルを積層した燃料電池スタック装置に関する。

燃料電池スタック装置は、複数のセルを厚み方向に積層して形成されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の一端側に設けられた第１エンドプレートと、セル積層体の積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレートと、セル積層体のセル積層方向に荷重を印加してセル同士を接近させる荷重印加要素とを備えている（特許文献１）。荷重印加要素は、セルの積層方向にセルを貫通するボルトと、ボルトを締結するナットとで形成されている。上記したエンドプレートは、導電性を有する金属製の導電板と、集電板を保持する樹脂材料部とで形成されている。導電板は集電機能を果たす。

更に、特許文献２，３には、エンドプレートをもつ燃料電池スタック装置が開示されている。
特開２００３−３３１９０５号公報の図４ 特開２００４−３１１０８４号公報 特開平１０−２７００６６号公報

上記した特許文献１に係る技術によれば、エンドプレートは樹脂を用いて形成されているため、軽量化を図るのに有利である。そしてボルトに対してナットを締結すれば、セルが積層された状態で組み付けられる。しかしながら、エンドプレートは樹脂を基材としているため、荷重が樹脂に直接作用する。故に、使用期間が長期にわたると、樹脂の部分的なへたり、樹脂の部分的なクリープ変形が大きくなるおそれがある。この場合、荷重印加要素により印加される荷重が変動し、セル同士の圧接力が変化するおそれがある。故に、燃料電池スタック装置の耐久性の向上、高品質化には好ましくない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、エンドプレートが樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、荷重印加要素による荷重が長期にわたりエンドプレートに安定的に受けられ、耐久性の向上、高品質化に有利な燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池スタック装置は、複数のセルを厚み方向に積層して形成されたセル積層体と、
セル積層体の積層方向の一端側に設けられた第１エンドプレートと、
セル積層体の積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレートと、
第１エンドプレートとセル積層体との間、または、第２エンドプレートとセル積層体との間に設けられたプレッシャプレートと、
第１エンドプレートまたは第２エンドプレートとプレッシャプレートとの間に設けられ、セル積層体のセル積層方向に荷重を印加してセル同士を接近させる荷重印加要素とを具備する燃料電池スタック装置において、
第１エンドプレート、第２エンドプレートおよびプレッシャプレートのうちの少なくとも一つは、金属で形成され荷重印加要素と接触している金属部材と、金属部材を保持する樹脂材料部とを備えていることを特徴とする。

樹脂材料部は、金属部材に比較して局部的なクリープ変形、局部的なへたりが発生し易い。この点本発明によれば、第１エンドプレート、第２エンドプレートおよびプレッシャプレートのうちの少なくとも一つは、金属で形成された金属部材と、金属部材を保持する樹脂材料部とを備えている。よってエンドプレートの軽量化が図られている。

そしてエンドプレートまたはプレッシャプレートの構成要素である金属部材は、荷重印加要素と接触する。このため荷重印加要素による荷重が樹脂材料部に直接的に作用することが抑制される。従って、燃料電池スタック装置の使用期間が長期化しても、樹脂材料部の局部的なクリープ変形、局部的なへたり等が抑制される。よって、荷重印加要素により印加される荷重が変動することが抑制され、セル同士の圧接力が変化することが抑制される。従って、エンドプレートは樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、荷重印加要素による荷重が長期にわたりエンドプレートに安定的に受けられる。

本発明によれば、エンドプレートおよび／またはプレッシャプレートは、樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、荷重印加要素による荷重が、エンドプレートおよび／またはプレッシャプレートの樹脂材料部に直接的に作用することが抑制される。このため、燃料電池スタック装置の使用期間が長期化しても、樹脂材料部の局部的なクリープ変形、局部的なへたり等が抑制される。よって、エンドプレートおよび／またはプレッシャプレートは、荷重印加要素による荷重を長期にわたり安定的に受けることができる。燃料電池スタック装置の耐久性の向上、高品質化に有利となる。

燃料電池スタック装置は、複数のセルを厚み方向に積層して形成されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の一端側に設けられた第１エンドプレートと、セル積層体の積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレートと、第１エンドプレートに対して所定間隔隔離して設けられたプレッシャプレートと、プレッシャプレートと第１エンドプレートとの間に設けられセル積層体のセル積層方向に荷重を印加してセル同士を接近させる荷重印加要素とを具備する形態が例示される。

セルは、高さ方向に沿って積層されていても良いし、水平方向に沿って積層されていても良い。荷重印加要素は、セル積層体のセル積層方向に荷重を印加してセル同士を接近させるものであれば何でも良い、荷重印加要素としてバネ要素が例示される。バネ要素は皿バネ、コイルバネ、板バネなどが例示される。荷重印加要素としては、セル積層体を積層方向に貫通するボルト、ボルトを締結するナットとの組み合わせが例示される。

第１エンドプレート、第２エンドプレート、プレッシャプレートのうちの少なくとも一つは、金属部材と、金属部材を保持する樹脂材料部とを備えている。金属部材は荷重印加要素と接触している。金属部材は金属を母材として形成されている部材を意味すし、その形状および構造は特に限定されるものではなく、平板状、盤状が例示される。樹脂材料部は樹脂を母材として形成されている部材を意味し、その形状および構造は特に限定されるものではない。

金属部材の材質、樹脂材料部の材質、金属部材の厚み、樹脂材料部の厚みは、燃料電池スタック装置の用途等に応じて適宜選択される。金属部材を構成する金属としては、炭素鋼、合金鋼（ステンレス鋼を含む）、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等が例示されるが、これらに限定されるものではない。金属部材は焼入処理などの硬化処理を施しても良い。殊に、金属部材のうち荷重印加要素による荷重が印加される領域に、硬化処理を施しても良い。

樹脂材料部を形成する樹脂としては、熱可塑性樹脂でも、熱硬化性樹脂でも良く、補強材による強化樹脂でも良く、補強材としては補強繊維、補強粒子が挙げられ、ガラス繊維、金属繊維、カーボン繊維、セラミックス繊維、ガラス粒子、金属粒子、カーボン粒子、セラミックス粒子等が挙げられる。樹脂としては、公知の樹脂を採用でき、強度が高いもの、硬いものが好ましい。従って強度および耐衝撃性に優れたエンジニアプラスチックでも良い。例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、更には、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ＡＢＳ樹脂の１種または２種以上が例示されるが、これらに限定されるものではない。

好ましい形態によれば、金属部材は外面に露出するように、エンドプレートおよび／またはプレッシャプレートの樹脂材料部に埋設されている。この場合、樹脂材料部は荷重印加要素に対して反対側に配置されており、荷重印加要素による荷重を受けた金属部材を樹脂材料部は金属部材の背面から支持する。荷重印加要素がバネ要素である場合には、金属部材はバネ要素を着座させるバネ座として機能することができる。

プレッシャプレートとしては、セル積層体と第１エンドプレートとの間に介在していても良いし、あるいは、セル積層体と第２エンドプレートとの間に介在していても良い。荷重印加要素としては、第１エンドプレートとセル積層体との間に介在していても良いし、あるいは、第２エンドプレートとセル積層体との間に介在していても良いし、あるいは、双方の間に介在していても良い。具体的には、荷重印加要素としては、プレッシャプレートと第１エンドプレートとの間に介在していても良いし、あるいは、プレッシャプレートと第２エンドプレートとの間に介在していても良い。

金属部材にバネ座が固定されているか、一体成形されている形態が例示される。バネ座の形状は特に限定されるものではなく、バネの種類に応じて適宜選択できる。金属部材には補強リブが設けられている形態が例示される。補強リブは、金属部材のうち荷重印加要素による荷重を直接受ける面に形成しても良いし、あるいは、反対側に形成しても良い。

好ましい形態によれば、セル積層体の積層方向に延設されたテンション部材と、テンション部材を第１エンドプレートおよび／または第２エンドプレートに取り付ける取付具とを具備している。取付具としては取付ボルトが例示される。金属部材は、取付具が取り付けられる被取付部をもつ。被取付部としては雌螺子部が例示される。

好ましい形態によれば、テンション部材はプレート状でも、浅底の箱状でも良い。テンション部材は、第１エンドプレートおよび／または第２エンドプレートのうち前記積層方向における端面に対面して係合可能な端面鍔部と、セル積層体の側面に対面する側面鍔部とを有する。側面鍔部は端面鍔部を補強することができる。

以下、本発明の実施例１を図１および図２を参照して説明する。燃料電池スタック装置は、平面形状がほぼ矩形形状をなす固体高分子電解質型の複数のセル１０を厚み方向に積層して形成されたほぼ直方体形状をなすスタック１が設けられている。各セル１０は、水平方向つまり矢印Ｘ方向に沿って積層されている。スタック１は、複数のセル１０を厚み方向に積層したほぼ直方体形状をなすセル積層体１１と、セル積層体１１の積層方向（矢印Ｘ方向）の一方の端に配置されたほぼ矩形平板形状をなす第１エンドプレート１３と、セル積層体１１の積層方向（矢印Ｘ方向）の他方の端に配置されたほぼ矩形平板形状をなす第２エンドプレート１２と、を備えている。

更に図１に示すように、バネ８が設けられている。バネ８は、テンション部材２を介してスタック１の各セル１０を密接させる方向（矢印Ｆ１方向）に付勢力をもつ荷重印加要素として機能する。バネ８は、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）に付勢力をもつコイルバネとされており、軸芯ＰＡをもつ。バネ８は、プレッシャプレート１６と第１エンドプレート１３との間に介在している。バネ８の付勢力により、プレッシャプレート１６は第２エンドプレート１２に向けて付勢されており、積層体１１の各セル１０が互いに密接する。

図１に示すように、第１エンドプレート１３は、平坦なプレート状の第１金属部材１３１と、第１金属部材１３１を保持する電気絶縁材料で形成された盤状の第１樹脂材料部１３５とで形成されている。第１金属部材１３１は、炭素鋼、合金鋼等の鉄系、またはアルミニウム合金といった金属で形成されており、外面に露出するように第１樹脂材料部１３５に埋設されている。第１樹脂材料部１３５は、樹脂を基材として形成されており、第１金属部材１３１の端部に係合して外れ止めを図る第１係合部１３７をもつ。第１金属部材１３１は、第１樹脂材料部１３５を構成している樹脂材よりもへたり、クリープ変形が少ない。

第１樹脂材料部１３５はバネ８に対して反対側に配置されており、バネ８による矢印Ｆ２方向への荷重を受けた第１金属部材１３１を第１金属部材１３１の背面１３１ｒから支持する。このためバネ８による荷重（矢印Ｆ２方向）が第１エンドプレート１３に作用する。このときバネによる荷重は第１金属部材１３１に直接的に作用し、第１樹脂材料部１３５に直接的に作用することが抑制される。このため第１樹脂材料部１３５の部分的なクリープ変形、部分的なへたり等が抑制される。従って第１エンドプレートは樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８による荷重が長期にわたり第１エンドプレートに安定的に受けられる。

図１に示すように、第２エンドプレート１２は、プレート状の第２金属部材１２１と、第２金属部材１２１を保持する第２樹脂材料部１２５とで形成されている。第２金属部材１２１は、炭素鋼、合金鋼等の鉄系、またはアルミニウム合金といった金属で形成されており、外面に露出するように第２樹脂材料部１２５に埋設されている。第２樹脂材料部１２５は樹脂を基材として形成されており、電気絶縁機能を有する。第２金属部材１２１は、第２樹脂材料部１２５を構成している樹脂材よりもへたり、クリープ変形が少ない。第２樹脂材料部１２５は、第２金属部材１２１の端部に係合して外れ止めを図る第２係合部１２７をもつ。第２エンドプレート１２において、第２樹脂材料部１２５はスタック１に対して反対側に配置されている。

バネ８による荷重を受けたスタック１の付勢力（矢印Ｆ１方向）を第２金属部材１２１を受圧し、更に第２金属部材１２１の背面１２１ｒから第２樹脂材料部１２５は第２金属部材１２１を支持する。このためバネ８による荷重がスタック１を介して第２エンドプレート１２に作用するものの、バネ８による荷重が第２樹脂材料部１２５に直接的に作用することが抑制される。よって、第２樹脂材料部１２５の部分的なクリープ変形、部分的なへたり等が抑制される。従って第２エンドプレート１２は樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８による荷重が長期にわたり第２エンドプレート１２に安定的に受けられる。

第２エンドプレート１２の第２金属部材１２１は、炭素鋼、合金鋼等の鉄系、またはアルミニウム合金等といった導電性をもつ金属で形成されており、第２樹脂材料部１２５により電気絶縁されている。このため第２金属部材１２１は、スタック１で発電した電気エネルギを取り出す電気エネルギ取り出し要素として機能するターミナルとして使用される。このため、第２エンドプレート１２の第２金属部材１２１をターミナルとして使用しつつも、従来から使用されていた電気絶縁インシュレータを設けずとも良く、部品点数の削減を図り得る。即ち、第２エンドプレート１２は、スタック１のターミナルとしての機能と、電気絶縁インシュレータとしての機能とを果たしており、ハイブリッド機能をもつ。

図１に示すように、プレッシャプレート１６は、プレート状の第３金属部材１６１と、プレート状の第４金属部材１６７と、第３金属部材１６１および第４金属部材１６７を保持する電気絶縁性をもつ第３樹脂材料部１６４とで形成されている。第３樹脂材料部１６４は電気絶縁機能を有している。第３樹脂材料部１６４は、第３金属部材１６１の端部に係合して外れ止めを図る第３係合部１６８と、第４金属部材１６７の端部に係合して外れ止めを図る第４係合部１６９とをもつ。

第３金属部材１６１は炭素鋼、合金鋼等の鉄系、またはアルミニウム合金等といった金属で形成されており、バネ８側の外面に露出するように第３樹脂材料部１６４に埋設されており、バネ８の他端に対面している。第４金属部材１６７は、炭素鋼、合金鋼等の鉄系、またはアルミニウム合金等といった金属で形成されており、第３金属部材１６１と反対側の外面に露出するように第３樹脂材料部１６４に埋設されており、スタック１に対面している。第３金属部材１６１および第４金属部材１６７は、第３樹脂材料部１６４を構成している樹脂材よりもへたり、クリープ変形が少ない。

図１に示すように、プレッシャプレート１６では第３金属部材１６１と第４金属部材１６７とは互いに非接触であり、互いに電気的に導通するものではない。その理由としては、第３金属部材１６１と第４金属部材１６７との間に、電気絶縁性を有する第３樹脂材料部１６４が配置されているためである。第４金属部材１６７は導電性をもつ金属（例えば炭素鋼、合金鋼）で形成されており、スタック１の電気エネルギを取り出す電気エネルギ取り出し要素として機能するターミナルとして使用される。

ここで、前記したようにプレッシャプレート１６の第３樹脂材料部１６４は電気絶縁機能を有しており、電気絶縁インシュレータとして機能する。このため、プレッシャプレート１６の第４金属部材１６７をターミナルとして使用しつつも、従来から使用されていた電気絶縁インシュレータをプレッシャプレート１６とスタック１との間に介在させずとも良く、部品点数の削減を図り得る。即ち、プレッシャプレート１６は、ターミナルとしての機能と、電気絶縁インシュレータとしての機能とを果たす。

更に、図１に示すように、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）に沿って延設されたテンション部材２が設けられている。テンション部材２は、バネ８による荷重を受け止めるものである。

図２に示すように、ナット状の第１被取付部５が、第１エンドプレート１３の第１樹脂材料部１３５の内部にインサート成形により埋設状態に保持されている。第１被取付部５は、第１雌螺子部５１を有する第１螺孔５３をもつ。第１被取付部５の第１螺孔５３は、第１樹脂材料部１３５の連通孔１３９を介して外部に連通している。テンション部材２には厚み方向に貫通する挿入孔２３が連通孔１３９に連通するように形成されている。

そして、図２から理解できるように、ボルト状の取付具６０をテンション部材２の挿入孔２３に挿入し、更に、取付具６０の第１雄螺子部６３を連通孔１３９に第１被取付部５の第１雌螺子部５１に螺合させる。これによりテンション部材２の一端部２ａは第１エンドプレート１３に着脱可能に取り付けられている。なお、ナット状の第１被取付部５は第１エンドプレート１３の第１樹脂成形部１３５に埋設されているものの、第１金属部材１３１とは接触していない。

同様に、図２に示すように、ナット状の第２被取付部５Ｂが、第２エンドプレート１２の第２樹脂材料部１２５の内部にインサート成形により埋設状態に保持されている。第２被取付部５Ｂは、第２雌螺子部５１Ｂを有する第２螺孔５３Ｂをもつ。第２被取付部５Ｂの第２螺孔５３Ｂは、第２樹脂材料部１２５の連通孔１３９Ｂを介して外部に連通している。テンション部材２には厚み方向に貫通する挿入孔２３が連通孔１３９Ｂに連通するように形成されている。そして図２に示すように、テンション部材２の他端部２ｃにおいて、ボルト状の取付具６０をテンション部材２の挿入孔２３に挿入し、更に、取付具６０の第２雄螺子部６３を第２被取付部５Ｂの第２雌螺子部５１Ｂに螺合させる。これによりテンション部材２の他端部２ｃは第２エンドプレート１２に着脱可能に取り付けられている。

以上説明したように本実施例によれば、第１エンドプレート１３は、プレート状の第１金属部材１３１と、第１金属部材１３１を保持する第１樹脂材料部１３５とで形成されている。第１樹脂材料部１３５は、バネ８による荷重を受けた第１金属部材１３１を第１金属部材１３１の背面１３１ｒから支持する。このためバネ８による荷重が第１エンドプレート１３に作用するものの、バネ８による荷重が第１樹脂材料部１３５に直接的に作用することが抑制される。第１樹脂材料部１３５の部分的なクリープ変形、部分的なへたり等が抑制される。従って第１エンドプレート１３は樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８による荷重が長期にわたり第１エンドプレート１３に安定的に受けられる。

プレッシャプレート１６についても、第３金属部材１６１および第４金属部材１６７は、第３樹脂材料部１６４を構成している樹脂材よりもへたり、クリープ変形が少ない。従ってプレッシャプレート１６は樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８による荷重が長期にわたりプレッシャプレート１６に安定的に受けられる。

第２エンドプレート１２は、プレート状の第２金属部材１２１と、第２金属部材１２１を保持する第２樹脂材料部１２５とで形成されている。第２樹脂材料部１２５は、バネ８による荷重を受けたスタック１の付勢力を第２金属部材１２１を受圧し、更に第２金属部材１２１の背面１２１ｒから第２樹脂材料部１２５は第２金属部材１２１を支持する。このためバネ８による荷重がスタック１を介して第２エンドプレート１２に作用するものの、バネ８による荷重が第２樹脂材料部１２５に直接的に作用することが抑制される。第２樹脂材料部１２５のクリープ変形、へたり等が抑制される。従って第２エンドプレート１２は樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８による荷重が長期にわたり第２エンドプレート１２に安定的に受けられる。

従って本実施例によれば、使用期間が長期にわたったとしても、バネ８による荷重の変化を抑制することができ、セル積層体１１を構成するセル１０間のシールが良好に維持される。

本実施例によれば次のように設定されている。即ち、第２エンドプレート１２については、第２金属部材１２１の投影面積は、スタック１の積層方向における端面の投影面積よりも大きく設定されている。よって、第２金属部材１２１と樹脂材料部１２５との投影接触面積は、同金属部材１２１とスタック１との投影接触面積（スタック１の積層方向における端面の投影面積）よりも大きく設定されている。これによりバネ８のバネ荷重が大きいときであっても、樹脂材料部１２５への面圧が低減される。第２金属部材１２１の投影面積とは、第２金属部材１２１のうちスタック１に対面する表面に対して、これと直交する方向から投影するときの投影面積をいう。他の金属部材についても同様である。第２金属部材１２１と樹脂材料部１２５との投影接触面積とは、第２金属部材１２１と樹脂材料部１２５との接触面に対して、これと直交する方向から投影するときの投影面積をいう。

また、プレッシャプレート１６については、第４金属部材１６７の投影面積は、スタック１の積層方向における端面の投影面積よりも大きく設定されている。よって、第４金属部材１６７と樹脂材料部１６４との投影接触面積は、同金属部材１６７とスタック１との投影接触面積（スタック１の積層方向における端面の投影面積）よりも大きく設定されている。これによりバネ８のバネ荷重が大きいときであっても、樹脂材料部１６４への面圧が低減される。

更に本実施例によれば、第１エンドプレート１３については、第１金属部材１３１の投影面積は、スタック１の積層方向の端面の投影面積よりも大きいことが望ましい。よって第１金属部材１３１と樹脂材料部１３５との投影接触面積は、スタック１の積層方向の端面の投影面積よりも大きいことが望ましい。そのためそのように設定されている。プレッシャプレート１６については、第３金属部材１６１の投影面積は、スタック１の積層方向の端面の投影面積よりも大きいことが望ましい。よって、第３金属部材１６１と樹脂材料部１６４との投影接触面積は、スタック１の積層方向の端面の投影面積よりも大きいことが望ましい。このためそのように設定されている。この場合、樹脂材料部１３５，１６４への面圧が低減される。

図１から理解できるように、第１エンドプレート１３については、第１金属部材１３１の投影面積、つまり、第１金属部材１３１と樹脂材料部１３５との投影接触面積は、同金属部材１３１と荷重印加要素であるバネ８との接触面積（荷重印加要素の着座面積）よりも大きい。この場合、バネ８のバネ荷重が大きいときであっても、樹脂材料部１３５への面圧が低減される。また、プレッシャプレート１６については、第３金属部材１６１の投影面積、つまり、第３金属部材１６１と樹脂材料部１６４との投影接触面積は、同金属部材１６１と荷重印加要素であるバネ８との接触面積（荷重印加要素の着座面積）よりも大きい。これによりバネ８のバネ荷重が大きいときであっても、樹脂材料部１６４への面圧が低減される。

ここで、金属部材１３１，１６１は、荷重印加要素であるバネ８が着座するものである。このような金属部材１３１，１６１の面方向に沿った断面積に対する荷重印加要素の着座面積の割合としては、２０％（５：１）または１４．３％（７：１）とすることができる。金属部材１３１，１６１の面方向に沿った断面積に対する荷重印加要素の着座面積の割合としては、５０％以下が望ましい。殊に３０％以下、２０％以下が望ましい。

図３〜図６は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図３および図４に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１は、Ｌの字形状にほぼ９０度曲成された第１曲成部１３８をもち、断面コの字形状とされている。第１曲成部１３８とテンション部材２との間には樹脂層１３５ｃが形成されている。第１曲成部１３８は第１雌螺子部５１Ｘ（被取付部）をもつ。

そして図４に示すように、ボルト状の取付具６０をテンション部材２の挿入孔２３に挿入し、更に、取付具６０の第１雄螺子部６３を、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１に形成されている第１曲成部１３８の第１雌螺子部５１Ｘ（被取付部）に螺合させる。これによりテンション部材２の一端部２ａは第１エンドプレート１３に着脱可能に取り付けられている。

また図５に示すように、第２エンドプレート１２の第２金属部材１２１は、Ｌの字形状にほぼ９０度曲成された第２曲成部１２８をもち、断面コの字形状とされている。第２曲成部１２８とテンション部材２との間には樹脂層１２５ｃが形成されている。第２曲成部１２８は第２雌螺子部５１Ｘをもつ。図５に示すように、ボルト状の取付具６０をテンション部材の挿入孔２３に挿入し、更に、取付具６０の第２雄螺子部６３を、第２エンドプレート１２の第２金属部材１２１に形成されている第２曲成部１２８の第２雌螺子部５１Ｘに螺合させる。これによりテンション部材２の他端部２ｃは第２エンドプレート１２に着脱可能に取り付けられている。

図６は第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１をインサート成形する過程を示す。図６に示すように、第１金属部材１３１を成形型７００のキャビティ７０１内に配置する。この場合、第１金属部材１３１の第１曲成部１３８の第１雌螺子部５１Ｘにボルト状の取付具６０の第１雄螺子部６３を予め螺合させておく。その理由としては、第１雌螺子部５１Ｘに樹脂が流れないようにするためである。そして、流動性をもつ樹脂材料をこれが第１金属部材１３１を覆うように成形型７００のキャビティ７０１に装填し固化させる。これにより第１金属部材１３１が第１樹脂材料部１３５にインサート成形され、第１エンドプレート１３が形成される。この場合、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１自体が取付具６０を締結する締結機能を有するため、部品点数の削減を図り得る。第２エンドプレート１２も同様に成形できる。

図７は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図７に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１は、第１曲成部１３８をもち、断面コの字形状とされている。第１曲成部１３８には、第１雌螺子部５１Ｃをもつナット状の被取付部５Ｃが溶接、半田付けまた接着、圧入等で固定されている。そして、図７に示すように、ボルト状の取付具６０をテンション部材２の挿入孔２３、第１樹脂材料部１３５の連通孔１３９に挿入し、更に、取付具６０の第１雄螺子部６３を、ナット状の被取付部５Ｃの第１雌螺子部５１Ｃ（被取付部）に螺合させる。これによりテンション部材２の一端部２ａは第１エンドプレート１３に着脱可能に取り付けられる。テンション部材２の他端部２ｃを第２エンドプレート１２に同様な構造で固定できる。

図８は実施例４を示す。図８に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１のうちバネ８に対面する表面１３１ａには、バネ座として機能する筒体８５が溶接、半田付けまたは接着、圧入等で固定されている。プレッシャプレート１６の第３金属部材１６１のうちバネ８に対面する表面１６１ａには、同様に、筒体８５Ｂが溶接、半田付けまたは接着、圧入等で固定されている。筒体８５および筒体８５Ｂは、金属製または硬質樹脂製であり、コイル状のバネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的に配置されている。

筒体８５および筒体８５Ｂはコイル状のバネ８を案内して保持するため、バネ８に対する保持性を高めることができる。なお、筒体８５および筒体８５Ｂにより第１金属部材１３１および第３金属部材１６１を補強する効果も期待できる。第２エンドプレート１２に筒体を設けても良い。

図９は実施例５を示す。図９に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１のうちバネ８に背向する表面１３１ｃには、筒体８５Ｃが溶接、半田付け、接着、圧入等で固定されており、第１樹脂材料部１３５に埋設されている。プレッシャプレート１６の第３金属部材１６１のうちバネ８に背向する表面１６１ｃには、筒体８５Ｄが溶接、半田付け、接着、圧入等で固定されており、第３樹脂材料部１６４に埋設されている。

筒体８５Ｃおよび筒体８５Ｄは金属製または硬質樹脂製であり、コイル状のバネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的に配置されており、バネ８の荷重に基づく負荷を受ける。なお、筒体８５Ｃおよび筒体８５Ｄにより第１金属部材１３１および第３金属部材１６１を補強する効果も期待できる。第２エンドプレート１２の第２樹脂材料部１２５に埋設されるように筒体を設けても良い。

図１０（Ａ）（Ｂ）は実施例６を示す。図１０（Ａ）に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１のうちバネ８に対面する部分の壁１３１ｍは、コイル状のバネ８に向けて円筒形状にプレス成形により張り出されている。これにより円筒形状をなす筒体８５Ｅが、バネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的に成形されている。張り出し成形部分は加工硬化により強化されているため、バネ８の荷重を良好に受けることができる。

図１０（Ａ）に示すように、プレッシャプレート１６の第３金属部材１６１のうちバネ８に対面する部分の壁１６１ｍは、バネ８に向けて円筒形状にプレス成形により張り出されている。これにより円筒形状をなす筒体８５Ｆが、バネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的に成形されている。張り出し成形部分は加工硬化により強化されているため、バネ８の荷重を良好に受けることができる。筒体８５Ｅにより、第１エンドプレート１３を構成する第１金属部材１３１と第１樹脂材料部１３５との接合面積が増加するので、一体性が向上する。筒体８５Ｆにより、プレッシャプレート１６を構成する第３金属部材１６１と第３樹脂材料部１６４との接合面積が増加するので、一体性が向上する。

また図１０（Ｂ）に示すように、バネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的となるように、金属製の第１金属部材１３１の壁１３１ｍをプレス成形により張り出して筒体８６Ｈが形成されている。筒体８６Ｈの内部に、バネ８の長さ方向の一端部を収容し、バネ座として使用している。また、バネ８の軸芯ＰＡの回りにバネ８と同軸的にまたは実質的に同軸的となるように、プレッシャプレート１６の金属製の第３金属部材１６１の壁１６１ｍをプレス成形により張り出して筒体８６Ｋが形成されている。筒体８６Ｋの内部に、バネ８の長さ方向の他端部を収容し、バネ座として使用している。第１金属部材１３１および第３金属部材１６１の厚みが薄いときであっても、張り出し成形した壁１３１ｍ，１６１ｍは、加工硬化により強化されているため、バネ８の荷重を良好に受けることができる。

図１１〜図１３は実施例７を示す。図１１に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１のうちバネ８に背向する表面１３１ｃには、第１補強リブ８７ｆが溶接、半田付け等で固定されている。第２エンドプレート１２の第２金属部材１２１のうちスタック１に背向する表面１２１ｃには、第２補強リブ８７ｓが溶接、半田付け等で固定されている。プレッシャプレート１６の第３金属部材１６１のうちバネ８に背向する表面１６１ｃには、第３補強リブ８７ｔが溶接、半田付け等で固定されている。

これによりバネ８の荷重が大きいときであっても、あるいは、第１金属部材１３１、第２金属部材１２１および第３金属部材１６１の厚みを薄くするときであっても、第１金属部材１３１、第２金属部材１２１および第３金属部材１６１の過剰変形が抑制される。

更に、図１３はテンション部材２Ｍの平面図を示す。図１４はテンション部材２Ｍを下から視認した斜視図を示す。図１３および図１４に示すように、テンシン部材２Ｍはバネ８による荷重を受けるものであり、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）に沿って延設された平板状をなすテンション部材本体２０と、テンション部材本体２０の一方の端側に一体的に設けられた鍔状の係合部４と、テンション部材本体２０の他方の端側に一体的に設けられた鍔状の係合部３とを有する。

図１４に示すように、テンション部材２のうち矢印Ｘ方向の一方側には、２つの係合部４が鍔状に形成されている。テンション部材２のうち矢印Ｘ方向の他方側には、２つの係合部３が鍔状に形成されている。

図１１および図１２に示すように、係合部３は、スタック１の端部に相当する第２エンドプレート１２の隅角部１２ｍにそれぞれ係合可能とされている。係合部４は、スタック１の端部に相当する第１エンドプレート１３の隅角部１３ｍにそれぞれ係合可能とされている。なお、係合部３および係合部４は、テンション部材本体２０に対して曲成状態に鍔状に形成されている。

図１３および図１４に示すように、係合部３は、端面鍔部３１と側面鍔部３２とを有する。係合部４は、端面鍔部４１と側面鍔部４２とを有する。側面鍔部３２は斜辺部３２ｘをもつ。側面鍔部４２は斜辺部４２ｘをもつ。斜辺部３２ｘおよび斜辺部４２ｘは、テンション部材本体２０に向かうにつれて互いに接近するように傾斜している。図１４において、矢印Ｈ方向は、テンション部材２のテンション部材本体２０の表面に対して垂直方向を示す。矢印Ｈ方向と平行な方向に沿って一つの係合部３を視認するとき、係合部３を構成する端面鍔部３１と側面鍔部３２とは、Ｌの字形状をなしている。２つの係合部３の端面鍔部３１同士は一体的に接続されており、テンション部材２の短辺２ｓ側に配置されている。従って、矢印Ｈ方向と平行な方向に沿って二つの係合部３を視認するとき、二つの第１係合部３を構成する端面鍔部３１と側面鍔部３２とは、コの字形状をなしている。

また図１４に示すように、矢印Ｈ方向と平行な方向に沿って一つの係合部４を視認するとき、係合部４を構成する端面鍔部４１と側面鍔部４２とは、Ｌの字形状をなしている。２つの係合部４の端面鍔部４１同士は一体的に接続されており、テンション部材２の短辺２ｓ側に配置されている。従って、矢印Ｈ方向と平行な方向に沿って二つの係合部３を視認するとき、二つの係合部４を構成する端面鍔部４１と側面鍔部４２とは、コの字形状をなしている。

図１３に示すように、テンション部材２の各長辺２ｐ側には、切欠状の開口２ｒが形成されている。開口２ｒにより、テンション部材本体２０の幅Ｄ１は、テンション部材２の短辺２ｓの幅Ｄ２よりも小さくされている。テンション部材２の材質は特に限定されず、金属でも良いし、樹脂でも良い。

組付時には、先ず、図１１に示すように、セル積層体１１、エンドプレート１２，１３等を組み付けてスタック１を形成する。その後、スタック１に２つのテンション部材２をスタック１の上方および下方（図１１に示す矢印Ｓ１方向）から嵌め込んで被着させる。この結果、テンション部材２はスタック１の上面１ｕ側および下面１ｄ側に被着される。

本実施例によれば、図１１に示すように、一つのテンション部材２をスタック１に装備すれば、テンション部材２に形成されている２つの係合部３の端面鍔部３１により、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）における他方側の第２エンドプレート１２の２つの隅角部１２ｍをそれぞれ保持することができる。また、図１１に示すように、テンション部材２に形成されている２つの係合部４の端面鍔部４１により、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）における一方側の第１エンドプレート１３の２つの隅角部１３ｍを保持することができる。

本実施例によれば、図１３および図１４に示すように、テンション部材２の係合部３において、端面鍔部３１と側面鍔部３２とが一体的に接合されているため、端面鍔部３１は側面鍔部３２により補強されている。この結果、端面鍔部３１の拡開方向（図１１に示す矢印Ｘ１方向）への変位を側面鍔部３２が抑制できる。またテンション部材２の係合部４において、端面鍔部４１と側面鍔部４２とが一体的に接合されているため、端面鍔部４１は側面鍔部４２により補強されている。この結果、端面鍔部４１の拡開方向（矢印Ｘ２方向）への変位を側面鍔部４２が抑制できる。これによりスタック１のセル１０に適切な圧接力を与えるのに有利である。

図１５は実施例８を示す。図１５に示すように、第１エンドプレート１３は、プレート状の第１金属部材１３１と、第１金属部材１３１を保持する第１樹脂材料部１３５とで形成されている。第１金属部材１３１は、バネ８Ｅ側の外面に露出するように第１樹脂材料部１３５に埋設されている。第１樹脂材料部１３５はバネ８Ｅに対して反対側に配置されており、バネ８Ｅによる荷重を受けた第１金属部材１３１を第１金属部材１３１の背面１３１ｒから支持する。このためバネ８Ｅによる荷重が第１エンドプレート１３に作用するものの、バネ８Ｅによる荷重が第１樹脂材料部１３５に直接的に作用することが抑制される。第１樹脂材料部１３５のクリープ変形、へたり等が抑制される。従って第１エンドプレート１３は樹脂を用いて形成されているにもかかわらず、バネ８Ｅによる荷重が長期にわたり第１エンドプレート１３に安定的に受けられる。バネ８Ｅは、複数の板バネ８を積層させた板バネ構造とされている。

図１５に示すように、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１には、雌螺子部５１Ｅをもつ螺孔５３Ｅで形成された第１被取付部５Ｅが形成されている。螺孔５３Ｅは第１金属部材１３１を厚み方向に貫通する。第１エンドプレート１３の第１樹脂材料部１３５にも、螺孔５３Ｅに連通する連通孔１３９Ｅが形成されている。テンション部材２の端面鍔部４１にも挿入孔２３Ｅが形成されている。挿入孔２３Ｅ、連通孔１３９Ｅ、螺孔５３Ｅは、積層方向（矢印Ｘ方向）に貫通している。

図１５に示すように、ボルト状の取付具６０をテンション部材２Ｍの挿入孔２３Ｅに挿入し、更に取付具６０の第１雄螺子部６３を連通孔１３９Ｅを介して第１金属部材１３１の第１被取付部５Ｅの螺孔５３Ｅに螺合させる。これによりテンション部材２Ｍの一端部２ａは、第１エンドプレート１３の第１金属部材１３１に着脱可能に取り付けられている。テンション部材２Ｍの他端部についても同様に第２エンドプレート１２に取り付けることができる。

図１５に示すように、テンション部材２Ｍに形成されている係合部４の端面鍔部４１により、スタック１の積層方向（矢印Ｘ方向）における一方側の第１エンドプレート１３の２つの隅角部１３ｍを保持することができる。本例においても、実施例１と同様のプレッシャプレート１６が設けられている。プレッシャプレート１６の第３樹脂材料部１６４によりアノードとカソードとのショートが防止されている。

図１６は実施例９を示す。図１６に示すように、第１エンドプレート１３は、プレート状の第１金属部材１３１と、第１金属部材１３１を保持する第１樹脂材料部１３５Ｆとで形成されている。第１樹脂材料部１３５Ｆは、ガラス繊維等の補強繊維を配合した樹脂で形成されており、補強されている。

バネ８の荷重が大きいとき、あるいは、第１金属部材１３１の厚みが薄いとき、バネ８による荷重により、第１金属部材１３１ひいては第１エンドプレート１３は湾曲する方向（矢印Ｒ１方向）に反る傾向がある。そこで、第１金属部材１３１のうちバネ８に対面する表面１３１ａには、補強リブ８９が設けられている。この場合、第１エンドプレート１３が矢印Ｒ１方向に湾曲するとき、補強リブ８９の長さが収縮する方向に、補強リブ８９に圧縮力が作用する。一般的には部材は引張力よりも圧縮力に対して強い。このため、バネ８の荷重が大きいときであっても、補強リブ８９により第１エンドプレート１３の反りを抑えるのに有利である。補強リブ８９はバネ８と干渉しない位置に設ける。第２エンドプレート１２を同様な構造としても良い。

（その他）
本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した実施例では、第１エンドプレート１３とセル積層体１１との間にプレッシャプレート１６およびバネ８（荷重印加要素）が設けられている構造が採用されているが、この構造に限らず、または、この構造と共に、第２エンドプレート１２とセル積層体１１との間にプレッシャプレート１６およびバネ８が設けられている構造としても良い。

上記した記載からの次の技術的思想も把握される。
・複数のセルを厚み方向に積層して形成されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の一端側に設けられた第１エンドプレートと、セル積層体の積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレートと、第１エンドプレートとセル積層体との間、および／または、第２エンドプレートとセル積層体との間に設けられ、セル積層体のセル積層方向に荷重を印加してセル同士を接近させる荷重印加要素とを具備する燃料電池スタック装置において、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートのうちの少なくとも一方は、金属で形成され荷重印加要素と接触している金属部材と、金属部材を保持する樹脂材料部とを備えていることを特徴とする燃料電池スタック装置。セル積層体と第１エンドプレートとの間にプレッシャプレートを設けることができる。

本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用等の燃料電池システムに利用できる。

実施例１に係り、燃料電池スタック装置の断面図である。 実施例１に係り、テンション部材をエンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例２に係り、燃料電池スタック装置の断面図である。実施例１に係り、テンション部材の平面図である。 実施例２に係り、テンション部材を第１エンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例２に係り、テンション部材を第２エンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例２に係り、第１エンドプレートをインサート成形する過程を示す部分断面図である。 実施例３に係り、テンション部材を第１エンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例４に係り、第１エンドプレートとプレッシャープレートとの間に配置されているバネ付近を拡大して示す部分断面図である。 実施例５に係り、第１エンドプレートとプレッシャープレートとの間に配置されているバネ付近を拡大して示す部分断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は実施例６に係り、第１エンドプレートとプレッシャープレートとの間に配置されているバネ付近を拡大して示す部分断面図である。 実施例７に係り、燃料電池スタック装置の断面図である。 実施例７に係り、テンション部材をエンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例７に係り、テンション部材の平面図である。 実施例７に係り、テンション部材の斜視図である。 実施例８に係り、テンション部材をエンドプレートに取り付けている構造を示す部分断面図である。 実施例９に係り、第１エンドプレートを示す断面図である。

符号の説明

１はスタック、１０はセル、１１は積層体、１２は第２エンドプレート、１２１は第２金属部材、１２５は第２樹脂材料部、１２８は曲成部、１３は第１エンドプレート、１３１は第１金属部材、１３５は第１樹脂材料部、１３８は曲成部、１６はプレッシャープレート、１６１は第３金属部材、１６４は第３樹脂材料部、１６７は第４金属部材、２はテンション部材、５は被取付部、６０は取付具、８はバネ（荷重印加要素）、８５は筒体（バネ座）を示す。

Claims (5)

1. 複数のセルを厚み方向に積層して形成されたセル積層体と、
   前記セル積層体の積層方向の一端側に設けられた第１エンドプレートと、
   前記セル積層体の積層方向の他端側に設けられた第２エンドプレートと、
   前記第１エンドプレートと前記セル積層体との間、または、前記第２エンドプレートと前記セル積層体との間に設けられたプレッシャプレートと、
   前記第１エンドプレートまたは前記第２エンドプレートと前記プレッシャプレートとの間に設けられ、前記セル積層体の前記セル積層方向に荷重を印加して前記セル同士を接近させる荷重印加要素とを具備する燃料電池スタック装置において、
   前記第１エンドプレート、前記第２エンドプレートおよび前記プレッシャプレートのうちの少なくとも一つは、
   金属で形成され前記荷重印加要素と接触している金属部材と、前記金属部材を保持する樹脂材料部とを備えていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
2. 請求項１において、前記金属部材は外面に露出するように前記樹脂材料部に埋設されており、前記樹脂材料部は前記荷重印加要素に対して反対側に配置されており、前記荷重印加要素による荷重を受けた前記金属部材を前記金属部材の背面から支持することを特徴とする燃料電池スタック装置。
3. 請求項１または２において、前記荷重印加要素はバネ要素であり、前記金属部材は前記バネ要素を着座させるバネ座を有することを特徴とする燃料電池スタック装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記金属部材には補強リブが設けられていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記セル積層体の積層方向に延設されたテンション部材と、前記テンション部材を前記第１エンドプレートおよび／または前記第２エンドプレートに取り付ける取付具とを具備しており、
   前記金属部材は、前記取付具が取り付けられる被取付部をもつことを特徴とする燃料電池スタック装置。

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