JP2007294289A - スタック締結構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮できるようにする。首振り時の動きやすさを向上させる。
【解決手段】セル積層体3と、該セル積層体3の端部に設けられて当該セル積層体3に荷重を付与する弾性体11と、該弾性体11をセル積層体3とともに挟持するエンドプレート8と、該エンドプレート8と弾性体11との間に配置されたプレッシャプレート12と、を備え、エンドプレート8とプレッシャプレート12が相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造において、プレッシャプレート12には、当該プレッシャプレート12とエンドプレート8との凹凸接触位置を、当該プレッシャプレート12が平板状である場合よりもセル積層体3側に寄せる段部5が形成されている。
【選択図】図4
【解決手段】セル積層体3と、該セル積層体3の端部に設けられて当該セル積層体3に荷重を付与する弾性体11と、該弾性体11をセル積層体3とともに挟持するエンドプレート8と、該エンドプレート8と弾性体11との間に配置されたプレッシャプレート12と、を備え、エンドプレート8とプレッシャプレート12が相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造において、プレッシャプレート12には、当該プレッシャプレート12とエンドプレート8との凹凸接触位置を、当該プレッシャプレート12が平板状である場合よりもセル積層体3側に寄せる段部5が形成されている。
【選択図】図4
Description
本発明は、スタック締結構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池のスタック締結構造中、特に発電セル積層体に荷重を付与するための弾性モジュールの改良に関する。
一般に、燃料電池(例えば固体高分子形燃料電池)は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。
このようにセルが積層されることによって構成される発電セル積層体(セルスタック、本明細書ではセル積層体という)には、その積層方向両端にエンドプレートが設けられ、さらに、当該エンドプレートとセル積層体との間に弾性体を有する弾性モジュール(例えばスプリングボックス)が配置されている場合がある。弾性モジュールは、セル積層体に対して適切な荷重を作用させるためのモジュール、発電時に生じうる熱膨張を吸収して荷重が適度に作用し続けるためのモジュールとして利用されている。
また、燃料電池において、荷重を作用させた状態下でセル積層体等を締結するためのスタック締結構造も利用されている。このようなスタック締結構造としては、エンドプレート(またはこれに付随する荷重調整用ねじ)とプレッシャプレートとを相対的に首振り運動可能としたものがある(例えば、特許文献1参照)。このような構造の具体例としては、プレッシャプレートの表面に球面形状の凸部を形成し、エンドプレートに付随の調整用ねじの端面に形成した例えば円錐状(すり鉢状)の凹部でこの凸部を受けるといういわゆる球面軸受のようなものがある。このような凹凸接触構造によれば、熱などの影響によりセル積層体に偏りや傾き、反りが生じていずれの方向に傾動したとしても追従して締結荷重を付与し続けることが可能である。
特開2002−124291号公報
しかしながら、上述したような凹凸接触構造は、衝撃などの外力に対する耐性が十分でない場合がある。また、首振り時の動きやすさが十分でない場合もある。
そこで、本発明は、衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮でき、しかも首振り時の動きやすさを向上させたスタック締結構造を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、上述したようなスタック締結構造において、セル積層体に偏りや傾き、反りが生じた場合の追従性を確保するべく、凹凸接触構造の凸部は、セル積層体の端部(最も端に位置するセル)にある首振り回転中心を曲率中心(曲率半径R)とした球面形状とされている。また、この凸部を受ける荷重調整ねじの端面には、凸部との接触領域を狭めるという観点から円錐状(すり鉢状)の凹部が形成されている場合がある(図8参照)。
ところが、このような構造の場合、曲率半径Rが大きいことに伴って凸部が曲率の小さい緩やかで広い球面となり、さらに、これに合わせて凹部も傾斜が緩やかな浅い円錐状となることがある。そうすると、凹凸接触構造の引っ掛かりが浅い(凸部と凹部とのいわば嵌合代が少ない)ため、外力の影響(例えば衝突時の大きな慣性質量のような、特にセル積層方向と垂直に作用する横方向の力による影響)を受けて凹凸部にてすべりが生じ、締結状態が保持できなくなるようなことが生じ得る。つまり、十分な耐衝撃性能・耐G(重力)性能を獲得することが難しかった。
この点、凹部を大きくすれば凹凸の嵌合代は増やすことは可能だが、大型化するにも限度がある。別の手段としては、両プレート(アッパプレートとロアプレート)の間隔を狭めることによって曲率半径Rを小さくすることが考えられるが、スプリング高さの低減には限界があるためこれも有効な手段たり得ない。すなわち、コイルスプリング等の弾性体を対向する一対のプレッシャプレート(アッパプレートとロアプレート)で挟み込むという構造の弾性モジュールの場合、要求荷重範囲(一例として、AkN〜BkN)を満足する範囲内でスプリング高さを低減するとすればばね定数を通常のもの(図9中の(1)の直線参照)から高くする必要がある(図9中の(2)の直線参照)。しかし、そうすると、要求荷重範囲に対応する有効ストロークがこれに伴って減少してしまう(図9参照)。積層方向に伸縮するセル積層体の変化にも十分に追従するためには当該伸縮ストローク以上のばね有効ストロークが必要であるから、スプリング高さを低減するにも自ずと限界がある。
以上のごとくいわば背反する要求が存在する中、本発明者は弾性モジュールの構造に再度着目して検討を重ねた結果、かかる課題の解決に結び付く技術を知見するに至った。本発明はかかる知見に基づくものであり、セル積層体と、該セル積層体の端部に設けられて当該セル積層体に荷重を付与する弾性体と、該弾性体を前記セル積層体とともに挟持するエンドプレートと、該エンドプレートと前記弾性体との間に配置されたプレッシャプレートと、を備え、前記エンドプレートと前記プレッシャプレートが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造であって、前記プレッシャプレートには、当該プレッシャプレートと前記エンドプレートとの凹凸接触位置を、当該プレッシャプレートが平板状である場合よりも前記セル積層体側に寄せる段部が形成されていることを特徴とするものである。
この締結構造においては、プレッシャプレートの形状を特有のものとすることにより、上述した背反する要求のいずれをも満たすことが可能になる。すなわち、プレッシャプレートに段部が形成されているために、凹凸接触位置(プレッシャプレートとエンドプレートとが首振り可能な状態で接触している位置)がその段差の分だけセル積層体側に寄ることとなっている。そうすると、セル積層体の端部にある首振り回転中心から凹凸接触構造における凸部の表面までの距離、すなわち上述した曲率半径Rもその段差の分だけ小さくなる。曲率半径Rが小さくなれば、曲率が大きくなることによって当該凸部はより小さく尖った形状となる。また、これに合わせて凹部を傾斜が急な深い形状とすることができる。こうした場合には、凸部のより多くの部分が凹部(軸受)に入り込んだ状態となる、換言すればいわゆるジャーナルと呼ばれる部分が増えた構造となり、引っ掛かり(係合部分)が増える結果、外力が作用した場合にも外れることが少なくなり、締結状態を保持できるようになる。
しかも、このようなスタック締結構造によれば、上述した段部以外の部分におけるプレート間隔は何ら変更する必要がない。このため、当該部分に配置される弾性体(例えばコイルスプリング)のスプリング高さは原則として不変である。したがって、弾性モジュールにおける要求荷重範囲の中でばね有効ストロークを確保することができる。
さらには、本発明にかかるスタック締結構造によれば凹凸接触構造における動きが向上するという利点も得られる。すなわち、上述したように凸部をより小さく尖った形状とし、凹部を傾斜が急な深い形状とした場合、凸部および凹部の間の接触領域(例えば周状に線接触している部分)が小さくなり、その分だけ接触抵抗が減ることになる。したがって、セル積層体に偏りや傾き、反りが生じて傾動した場合におけるプレッシャプレート等の追従性が向上するという利点もある。
上述のようなスタック締結構造においては、前記凹凸接触位置が、前記プレッシャプレートと前記弾性体との接触点の少なくとも一部よりも前記セル積層体寄りにあることが好ましい。凹凸接触位置がこのようにセル積層体寄りにあればその分だけ凸部の曲率半径Rを小さくして凹凸接触構造における引っ掛かり(係合部分)を増やすことができる。
さらに、前記セル積層体に荷重を付与する弾性体は、前記段部と前記セル積層体との間にも設けられていることが好ましい。このように段部とセル積層体との間にも弾性体を設けることにより、当該部分において荷重が抜けるのを回避し、より均一的に荷重を作用させうる状態とすることができる。また、荷重をプレッシャプレートとセル積層体との間における荷重を適度に分散させることになるから、当該プレッシャプレート自体が反る方向に作用する力を低減させることにもなる。
また、前記段部が略円筒形の底付き溝によって形成されていることも好ましい。当該段部を矩形等ではなく円形の孔を有する形状とした場合、角がなくなるために応力が集中するのを回避でき、剛性を向上させることが可能となる。
さらに、前記凹凸接触位置は前記段部の略中央にあることが好ましい。
また、前記段部の折り曲げ部は面取りされていることが好ましい。
本発明によれば、衝撃などの外力に対する十分な耐性を発揮でき、しかも首振り時の動きやすさを向上させることができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図1〜図7に本発明にかかる燃料電池のスタック締結構造の実施形態を示す。本発明にかかるスタック締結構造は、複数のセル2が積層されてなるセル積層体3に対し弾性モジュール4により積層方向への圧縮荷重を付与した状態で締結するというものであり、上述のセル積層体3と、該セル積層体3の端部に設けられて当該セル積層体3に荷重を付与する弾性体11と、該弾性体11をセル積層体3とともに挟持するエンドプレート8と、該エンドプレート8と弾性体11との間に配置されたプレッシャプレート12と、を備えている。また、エンドプレート8とプレッシャプレート12が相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触している。さらに本実施形態の場合、プレッシャプレート12には、当該プレッシャプレート12とエンドプレート8との凹凸接触位置(プレッシャプレート12とエンドプレート8とが首振り可能な状態で接触している位置)を、当該プレッシャプレート12が平板状である場合よりもセル積層体側3に寄せる段部5が形成されている(図4等参照)。
以下においては、まず、燃料電池1を構成するセル2およびセル積層体3の概略構成、ならびに弾性モジュール4の概略構成について説明し、その後、上述したスタック締結構造の形態について詳細に説明することとする。
図1に本実施形態における燃料電池1のセル2の概略構成を示す。図示するように構成されるセル2は、順次積層されることによってセル積層体3を構成する。このように形成されたセル積層体3は、その両端を例えばエンドプレート8で挟まれ、さらにこれら対向するエンドプレート8どうしを繋ぐようにテンションプレート9が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される(図2、図3参照)。なお、対向するように配置される一対のエンドプレートのうち、弾性体11等の反対側に位置するものについては符号8’で示している(図2、図3参照)。
このようなセル2が積層されたセル積層体3によって構成される燃料電池1は、例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとして用いることができる。また、場合によっては定置の燃料電池1として用いることも可能である。
セル2は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ)30と、MEA30を挟持する一対のセパレータ20(図1においてはそれぞれ符号20a,20bを付して示している)とで構成されている(図1参照)。MEA30および各セパレータ20a,20bはおよそ矩形の板状に形成されている。また、MEA30はその外形が各セパレータ20a,20bの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、MEA30と各セパレータ20a,20bとは、それらの間の周辺部を第1シール部材13a、第2シール部材13bとともに成形樹脂によってモールドされている。
MEA30は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)31と、電解質膜31を両面から挟んだ一対の電極(アノードおよびカソード)32a,32bとで構成されている(図1参照)。これらのうち、電解質膜31は、各電極32a,32bよりも僅かに大きくなるように形成されている。この電解質膜31には、その周縁部33を残した状態で各電極32a,32bが例えばホットプレス法により接合されている。
MEA30を構成する電極32a,32bは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材(拡散層)で構成されている。一方の電極(アノード)32aには燃料ガス(反応ガス)としての水素ガス、他方の電極(カソード)32bには空気や酸化剤などの酸化ガス(反応ガス)が供給され、これら2種類の反応ガスによりMEA30内で電気化学反応が生じてセル2の起電力が得られるようになっている。
セパレータ20a,20bは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。本実施形態のセパレータ20a,20bの基材は板状のメタルで形成されているものであり(メタルセパレータ)、この基材の電極32a,32b側の面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキで形成された皮膜)が形成されている。
また、セパレータ20a,20bの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ20a,20bの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35、あるいは冷却水流路36を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ20aの電極32a側となる内側の面には水素ガスのガス流路35が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図1参照)。同様に、セパレータ20bの電極32b側となる内側の面には酸化ガスのガス流路34が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図1参照)。例えば本実施形態の場合、セル2におけるこれらガス流路34およびガス流路35は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する2つのセル2,2に関し、一方のセル2のセパレータ20aの外面と、これに隣接するセル2のセパレータ20bの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路36が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている(図1参照)。なお、隣接するセル2,2のセパレータ20aとセパレータ20bは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。
さらに、上述したように各セパレータ20a,20bは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ20aにおいては、水素ガスのガス流路35を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路35を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。さらに、セパレータ20bにおいては、酸化ガスのガス流路34を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路34を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。
また、セパレータ20a,20bの長手方向の端部付近(本実施形態の場合であれば、図1中向かって左側に示す一端部の近傍)には、酸化ガスの入口側のマニホールド15a、水素ガスの出口側のマニホールド16b、および冷却水の出口側のマニホールド17bが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド15a,16b,17bは各セパレータ20a,20bに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図1参照)。さらに、セパレータ20a,20bのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド15b、水素ガスの入口側のマニホールド16a、および冷却水の入口側のマニホールド17aが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド15b,16a,17aも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図1参照)。
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ20aにおける水素ガス用の入口側マニホールド16aと出口側マニホールド16bは、セパレータ20aに溝状に形成されている入口側の連絡通路61および出口側の連絡通路62を介してそれぞれが水素ガスのガス流路35に連通している。同様に、セパレータ20bにおける酸化ガス用の入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、セパレータ20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路63および出口側の連絡通路64を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路34に連通している(図1参照)。さらに、各セパレータ20a,20bにおける冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bは、各セパレータ20a,20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路65および出口側の連絡通路66を介してそれぞれが冷却水流路36に連通している。ここまで説明したような各セパレータ20a,20bの構成により、セル2には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、例えば水素ガスは、セパレータ20aの入口側マニホールド16aから連絡通路61を通り抜けてガス流路35に流入し、発電領域(MEA30や各電極32a,32bが設けられていて発電が行われる領域)での発電に供された後、連絡通路62を通り抜けて出口側マニホールド16bに流出することになる。
第1シール部材13a、第2シール部材13bは、ともに複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成されているものである(図1参照)。これらのうち、第1シール部材13aはMEA30とセパレータ20aとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20aのうちガス流路35の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第2シール部材13bは、MEA30とセパレータ20bとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20bのうちガス流路34の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
さらに、隣接するセル2,2のセパレータ20bとセパレータ20aとの間には、複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成された第3シール部材13cが設けられている(図1参照)。この第3シール部材13cは、セパレータ20bにおける冷却水流路36の周囲の部分と、セパレータ20aにおける冷却水流路36の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
また、セル積層体3には、燃料電池1の運転状態を監視し制御するためにセル2の電圧を測定するためのセルモニタ(図示省略)が設けられている。燃料電池1においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われるようになっている。
弾性モジュール4は、弾性力によってセル積層体3に圧縮力を作用させるためのモジュールとして形成されているものであり、セル積層体3が熱膨張もしくは熱収縮し、あるいは両者を繰り返しているような場合にも変化を吸収しつつ荷重を作用させ続けるようにした部材である。例えば本実施形態の弾性モジュール4は、互いに並列に配置される複数の弾性体11と、該複数の弾性体11を発電セル(以下、単にセルともいう)2の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート12とを備えている。なお、以下の説明においては、便宜上、一対のプレッシャプレート12のうちセル積層体3寄りのものをロアプレート、もう一方のものをアッパプレートと表現する場合がある。また、ロアプレートは符号12’で示すこととする(図2等参照)。
弾性体11はプレッシャプレート12(アッパプレート12およびロアプレート12’)によって挟持され、その状態で弾性力を発揮してセル積層体3に圧縮力を作用させるよう設けられている部材であり、例えば本実施形態の場合には複数の弾性体11がセル2の積層方向と交差(直交)する方向に並べられている。さらに本実施形態におけるこれら弾性体11は、伸縮する際の中心軸をセル積層方向に一致させた状態で互いに並列となるように配置されている(図3参照)。また、これら弾性体11は、プレッシャプレート12を介して均一でムラの少ない荷重を付与するという観点、できるだけ多くの弾性体11を配置することによって更に均一な荷重を付与できるようにするという観点からは等間隔で密な配列となっていることが好ましい。このような弾性体11の具体例は特に限定されるものではないが、本実施形態においては扱い易さやコスト等の面で優れるコイルスプリングをこの弾性体11として用いることとし、これら複数のコイルスプリングを一対のプレッシャプレート12で挟み込んだ形態としている(図3参照)。
プレッシャプレート12は、上述した複数の弾性体11を挟持する部材であり、セル2の積層方向に対向するように一対(アッパプレート12およびロアプレート12’)が設けられてそれらの間に弾性体11が配置されている(図3参照)。
続いて、本実施形態にかかる燃料電池1のスタック締結構造の形態について詳細に説明する(図4等参照)。
本実施形態においては、上述したエンドプレート8とアッパプレート(プレッシャプレート)12とが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触させるようにしている。また、アッパプレート12には、当該アッパプレート12とエンドプレート8との凹凸接触位置を、当該アッパプレート12が平板状である場合よりもセル積層体3側に寄せる段部5が形成されている(図4参照)。
ここで、エンドプレート8とアッパプレート12とを凹凸接触させるための構造(本明細書ではこれを便宜的に凹凸接触構造と呼んでいる)は、例えば本実施形態においては以下のようになっている。すなわち、アッパプレート12に球面状の凸部6を設けるとともに、エンドプレート8には凹部7を設け、凸部6の少なくとも一部を凹部7に入り込ませた状態としていわゆる球面軸受のような機構としている。このような凹凸接触構造によれば、エンドプレート8とアッパプレート12との間においていずれの方向にも相対的な首振り運動をすることが可能である。したがって、多数(例えば200〜400程度)のセル2を積層して例えば台形に近似した状態になるなど偏りが生じて歪んだとしても、アッパプレート12が首振り運動をし、偏りに応じた分だけ適宜角度を変えて追従することが可能である。
凹部7は、凸部6との間で凹凸接触し、相対首振り運動が可能な凹凸接触構造を構成するものであれば具体的な形状が特に限定されることはなく、例えば球面状の凸部6に合わせて半球状に凹んだ形状としてもよい。また、凹凸接触時の接触領域を限定するという観点からすれば、本実施形態のように円錐状に凹んだ形状の凹部7としてもよい(図4等参照)。こうした場合、凸部6と凹部7とが周状に線接触することとなるから接触抵抗が低減しうる。
また、本実施形態では、エンドプレート8の一部をセル積層方向に移動可能な構成とし、当該部分の先端に上述した凹部7を設けることとしている。複数のセル2からなるというセル積層体3の構成上、燃料電池1の個体ごとに積層厚みのばらつきが生じうるが、このような構成によれば凹凸接触位置を積層方向に微調整して個体ごとのばらつきを吸収できるという点で好ましい。例えば本実施形態においては、エンドプレート8の中央部にめねじ8cを設け、ねじ部付き接続部材8aの当該ねじ部8bをこのめねじ8cにねじ込んだ構成とし、このねじ部付き接続部材8aを適宜回転することによって凹凸接触位置をセル積層方向に移動させうるようにしている(図4参照)。ねじ部付き接続部材8aのセル積層体3側の端部には凹部7が設けられている。
また、上述したようにアッパプレート12には段部5が形成されており、この段部5が、当該アッパプレート12とエンドプレート8との凹凸接触位置をセル積層体3側に寄せている。この場合、凹凸接触位置をどの程度セル積層体3側に寄せるかは適宜設定・変更することができるが、凸部6の曲率半径Rを小さくする観点からすれば段部5の段差(深さ)を大きくしてセル積層体3側に大きく寄せることが好ましい。例えば本実施形態では、凹凸接触位置が、アッパプレート12と弾性体11の接触点より少なくともセル積層体3寄りに位置するように段部5を形成している(図4参照)。
このような段部5の具体的形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態ではアッパプレート12のほぼ中央となる位置に略円筒形の底付き溝を設け、アッパプレート12全体をハットのような構造とし、これによって当該アッパプレート12の中央部に段部5を形成している(図4、図5参照)。積層方向からみた場合の段部5の形状は例えば矩形等とすることもできるが、本実施形態のように円形の孔を有する形状とした場合、角がなくなるために当該段部5の一部に応力が集中するのを回避でき、剛性を向上させることが可能だという点で好適である。また、凸部6はこのような底付き溝の中央位置に設けることとし、荷重が均等に作用するようにしている(図5参照)。このような段差5は、例えば、コップ状または底のある容器を押し出すように行う絞り加工によって形成することができる。
さらに、段部5の折り曲げ部は必要に応じて面取りされていうことが好ましい。折り曲げ部の外側においては隅肉を削ぎ、内側においては隅肉を付けることによって丸みをもった形状とすることが好適である(図4参照)。
以上のようなスタック締結構造によれば、凹凸接触位置(アッパプレート12とエンドプレート8とが首振り可能な状態で接触している位置)が、段部5における段差分だけセル積層体3側に寄ることになるから、セル積層体3の端部にある首振り回転中心Cから凸部6の表面までの距離(すなわち曲率半径R)もその段差分だけ小さくなる。これによって曲率が大きくなった当該凸部6は従前よりも小さく尖った形状となるから、より多くの部分が凹部(軸受)7に入り込みうる形状となる(比較例として示す図8も参照)。さらに、本実施形態では、これに合わせて凹部7を従前よりも傾斜が急な深い形状としている(図4参照)。つまりは上述したようにいわゆるジャーナルと呼ばれる部分が増えた構造となり、引っ掛かり(係合部分)が増える結果、外力が作用した場合にも外れるおそれが少ない凹凸接触構造となる(図4参照)。
しかも、このようなスタック締結構造によれば、エンドプレート8とアッパプレート12とに挟まれた空間のうち、上述した段部5以外の部分におけるプレート間隔は何ら変更する必要がない。このため、当該部分に配置される弾性体(例えばコイルスプリング)11の長さ(高さ)は原則として不変である。したがって、弾性モジュール4における要求荷重範囲の中でばね有効ストロークを確保することができる。
さらに、本実施形態のスタック締結構造によれば凹凸接触構造における動きが向上しうる。すなわち、上述したように凸部6をより小さく尖った球面形状とし、凹部7を傾斜が急な深い形状としているから、凸部6および凹部7の間の周状かつ線状の接触領域が小さくなりその分だけ接触抵抗が減る。したがってアッパプレート12等の動きが向上し、セル積層体3に偏りや傾き、反りが生じて傾動した場合における追従性が向上することになる。
また、従前のスタック締結構造の場合、首振りの可動範囲が十分といえるほどには大きくないため荷重の変動を十分に吸収することが難しいことがあったが、上述したような本実施形態のスタック締結構造によれば、首振り半径(曲率半径R)を従前よりも小さくすることによって可動範囲を大きくし、荷重の変動を十分に吸収することが可能となる。
なお、ここまで説明した実施形態においては段部5の周囲にのみ弾性体11を配置したスタック締結構造を示したが(図4参照)、段部5が形成されている部分にも弾性体11を配置すればなお好適である。すなわち、段部5の周囲にのみ弾性体11を配置した場合には当該段部5の部分においていわば荷重が抜けたような分布(図6および図7においてはロアプレート12’に加わる荷重分布を示している)となることがあるが、当該段部5が形成されている部分にも弾性体11を配置すれば荷重を分散して分布を均一化することが可能となる(図7参照)。また、荷重分布に偏りがあるとその分だけアッパプレート12を反らすような力も作用しうるが、このように荷重を分散して均一化することにより反りを抑制することができる。アッパプレート12に反りが生じると弾性モジュール4による荷重の精度が低下しかねないが、荷重を分散して均一化したスタック締結構造によればこのような事態を抑制することができる。また、アッパプレート12において一定の反り量が許容されている場合には、このように荷重を分散・均一化することによって反りを抑制できるから、その分だけ当該アッパプレート12の板厚を薄くし、これによって燃料電池1の軽量化およびコスト低減を図ることもできる。
このようなスタック締結構造とする場合、弾性体としては、段部5およびロアプレート12’の間隔や荷重の大きさ等を考慮した小型のものを採用することが望ましい。図7においては、段部5およびロアプレート12’の間に配置される弾性体を符号11’で示している。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では凹凸接触構造の一例としてアッパプレート(プレッシャプレート)12に凸部6、エンドプレート8(のねじ部付き接続部材8a)に凹部7を設けた場合について説明したが、これは、凹凸関係がこれと逆の場合を排除するものではない。要は、一方側の凸部と他方側の凹部とで首振り可能な凹凸接触構造が形成されているスタック締結構造に対して本発明を適用することが可能である。
また、本実施形態では、エンドプレート8の一部をセル積層方向に移動可能なねじ部付き接続部材8aとし、このねじ部付き接続部材8aの先端部分に凹凸接触構造を構成したが、このようなねじ部付き接続部材8aはセル積層体3の積層厚みのばらつきを吸収しうる点で好ましいものであり、当該ねじ部付き接続部材8aの有無にかかわらず本発明を適用することが可能である。
1…燃料電池、2…セル、3…セル積層体、4…弾性モジュール、5…段部、8…エンドプレート、11…弾性体、12…アッパプレート(プレッシャプレート)
Claims (6)
- セル積層体と、該セル積層体の端部に設けられて当該セル積層体に荷重を付与する弾性体と、該弾性体を前記セル積層体とともに挟持するエンドプレートと、該エンドプレートと前記弾性体との間に配置されたプレッシャプレートと、を備え、前記エンドプレートと前記プレッシャプレートが相対的な首振り運動が可能となるように凹凸接触しているスタック締結構造であって、
前記プレッシャプレートには、当該プレッシャプレートと前記エンドプレートとの凹凸接触位置を、当該プレッシャプレートが平板状である場合よりも前記セル積層体側に寄せる段部が形成されている
ことを特徴とするスタック締結構造。 - 前記凹凸接触位置が、前記プレッシャプレートと前記弾性体との接触点の少なくとも一部よりも前記セル積層体寄りにあることを特徴とする請求項1に記載のスタック締結構造。
- 前記セル積層体に荷重を付与する弾性体が、前記段部と前記セル積層体との間にも設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のスタック締結構造。
- 前記段部が略円筒形の底付き溝によって形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスタック締結構造。
- 前記凹凸接触位置が、前記段部の略中央にあることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のスタック締結構造。
- 前記段部の折り曲げ部が面取りされていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のスタック締結構造。
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