燃料電池システム
【課題】燃料電池の大型化を抑えつつ、せん断力に対する燃料電池の強度を確保する。
【解決手段】この発明の燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、スタックの積層方向両側に、スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートとを有している。第１エンドプレートと第２エンドプレートとは、両エンドプレート間を連絡する第１締結部材により締結されている。また、第１エンドプレート又は第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、第１締結部材の少なくとも一箇所とは、第１エンドプレート又は第２エンドプレートと、第１締結部材とを、積層方向に対して斜めに連絡する第２締結部材によって締結されている。
【解決手段】この発明の燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、スタックの積層方向両側に、スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートとを有している。第１エンドプレートと第２エンドプレートとは、両エンドプレート間を連絡する第１締結部材により締結されている。また、第１エンドプレート又は第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、第１締結部材の少なくとも一箇所とは、第１エンドプレート又は第２エンドプレートと、第１締結部材とを、積層方向に対して斜めに連絡する第２締結部材によって締結されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池に関する。更に、具体的には、発電部がセパレータを介して複数積層されたスタックを備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、複数の発電部がセパレータを介して積層されたスタックを有する燃料電池が開示されている。この燃料電池においてスタックの積層方向両側には、一対のエンドプレートが配置されている。また、スタックの四隅に、一方のエンドプレートと他方のエンドプレートを連絡するようにしてＬ字型の締結部材が配置されている。この締結部材は、各エンドプレートの四隅（角）にそれぞれボルトによって固定されている。特許文献１の燃料電池は、このようにエンドプレート間をＬ字型の締結部材により締結することによりある程度の締結力で保持されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４２８５２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４０００７号公報
【特許文献３】特開２００３−３１７７９２号公報
【特許文献４】特開２００４−６３１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スタック構造を有する燃料電池が外力等により加振されると、スタック内にせん断力が発生し積層された発電部にズレやすべりを生じさせる場合がある。このため、例えば特許文献１のようにスタック四隅に締結部材を配置して燃料電池を締結することにより、せん断力の低減を図っている。
【０００５】
しかし、燃料電池の要求出力の増大等により発電部の積層数が増加する場合、スタックの積層方向の長さが長くなる。スタック積層方向の長さが長くなると、外力等により生じるせん断力はより大きなものとなる。従って、締結部材にかかる応力もより大きなものとなるため、締結部材にはこの応力に耐え得る大きな強度が要求される。
【０００６】
その一方で、燃料電池の小型化の要求から締結部材についても小型化、軽量化が望まれる。従って、締結部材の強度を、締結部材の大型化、重量化により高めることは、燃料電池の小型化の観点から好ましいものではない。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の大型化を抑えつつ、せん断力に対しても燃料電池の強度を確保できるよう改良した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、
前記スタックの積層方向両側に、前記スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートと、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを連絡し、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを締結する第１締結部材と、
前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、前記第１締結部材の少なくとも一箇所とを連絡し、前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートと、前記第１締結部材とを、前記積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記第２締結部材は、線状部材であることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記第２締結部材は、前記第２締結部材の張力を調整する調整手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記第１締結部材は、前記スタックの四隅にそれぞれ配置された４本の締結部材を含み、
前記第２締結部材は、前記スタックの前記積層方向に平行な側面のうち、少なくとも対向する２側面に配置され、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートと、前記４本の締結部材のうち該側面側に配置される２本の締結部材のそれぞれとに接続し、かつ、前記第２エンドプレートと、前記２本の締結部材のそれぞれとに接続することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第１部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第２部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、前記２つの第１部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第２部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、前記２つの第１部材は、該側面において互いに交差するように配置され、
前記２つの第２部材は、該側面において互いに交差するように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第５から第７の発明において、前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第１部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第３部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第２部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第４部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、
前記２つの第３部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第４部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、第５から９のいずれかの発明において、
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と、他方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であることを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、第５から９のいずれかの発明において、
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と他方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明の燃料電池は、スタック両側の第１又は第２エンドプレートと、第１、第２エンドプレートを連絡する第１締結部材とを、積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材を有する。これにより、第１締結部材に対してかかる積層方向に対して垂直な方向の力を、第１締結部材に対して斜めに締結された第２締結部材によって緩和することができる。従って、第１締結部材の積層方向の断面積が比較的小さなものとしても、第１締結部材の必要強度を確保できると共に、せん断力を抑えて燃料電池に生じるずれを抑制することができる。
【００２０】
第２の発明によれば、第２締結部材を線状部材とすることにより、第１締結部材を張力により支持することができる。これにより燃料電池の大型化を抑えつつ、確実に第１締結部材にかかる力を緩和することができる。
【００２１】
第３の発明によれば、第２締結部材の張力を調整することができる。これにより第２締結部材が第１締結部材を補強する力を調整することができる。従って、より確実に第１締結部材を支持し、第１締結部材にかかる力を緩和することができる。
【００２２】
第４〜第１１の発明によれば、第２締結部材は、第１エンドプレートと４つの締結部材のそれぞれ、及び、第２エンドプレートと４つの締結部材のそれぞれとに接続する。従って、第１締結部材である４つの締結部材にかかる力をより確実に緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２４】
実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。図１の燃料電池は例えば車両等の移動体に搭載して用いることができる。図１に示すように、燃料電池は複数のセル１０が積層されて構成されるスタックを有している。各セル１０は電解質膜（電解質）及びその両側に配置された一対の電極（アノード極及びカソード極）からなる発電部と、その両側に配置された一対のセパレータとを有している。
【００２５】
なお、この実施の形態において、図１の左右方向がセル１０の積層方向であり、この方向を単に「積層方向」と称することとする。また、図１に示す面は、燃料電池の積層方向に平行な側面である。この燃料電池において、この側面に対向する側面との構成は同一であり、説明の簡略化のため、図１に示す一側面側の構成について説明する。
【００２６】
スタックの積層方向両外側（即ち、図１における左右側）には、それぞれ集電板１２が配置され、更にその外側に、絶縁体１４を介してエンドプレート１６ａ、１６ｂ（第１エンドプレート、第２エンドプレート）がそれぞれ配置されている。スタックの角（四隅）には４つの角材１８ａ、１８ｂ（第１締結部材、４本の締結部材）が、それぞれ絶縁シート２０ａ、２０ｂを介して配置されている。角材１８ａ、１８ｂは、それぞれ第１エンドプレート１６ａと第２エンドプレート１６ｂを連絡し、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、４つの角材１８ａ、１８ｂそれぞれの両端に、ボルト等（図示せず）によって締結されている。これにより燃料電池は所定の締結力により締結されて保持されている。
【００２７】
エンドプレート１６ａ、１６ｂの、図１の側面に現れる部分の中央部一箇所には、後述する固定部２２ａ、２２ｂがそれぞれ設けられている。一方、角材１８ａ、１８ｂの、図１の側面に現れる部分の中央部一箇所には、後述する固定部２４ａ、２４がそれぞれ設けられている。
【００２８】
燃料電池のこの側面には、固定部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂに支持されたワイヤ（第２締結部材）２６ａ〜２６ｄによる補強機構が取り付けられている。なお各ワイヤ２６ａ〜２６ｄは絶縁材によるコーティングが施されており、短絡が防止されている。
【００２９】
具体的に、エンドプレート１６ａの固定部２２ａは、ワイヤ２６ａ、２６ｂ（第１部材）それぞれの一方の端部を支持している。ワイヤ２６ａ、２６ｂの他端は、２本の角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂにそれぞれ支持されている。同様に、エンドプレート１６ｂの固定部２２ｂは、ワイヤ２６ｃ、２６ｄ（第２部材）それぞれの一方の端部を支持している。ワイヤ２６ｃ、２６ｄの他端は、２本の角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂにそれぞれ支持されている。
【００３０】
つまり、図１の側面において２本のワイヤ２６ａ、２６ｂは、エンドプレート１６ａの一箇所（固定部２２ａ）と、角材１８ａ又は角材１８ｂの一箇所（固定部２４ａ又は固定部２４ｂ）とにそれぞれ接続し、２本のワイヤ２６ｃ、２６ｄは、エンドプレート１６ｂの一箇所（固定部２２ｂ）と、角材１８ａ又は１８ｂの一箇所（固定部２４ａ又は２４ｂ）とにそれぞれ接続している。ワイヤ２６ａ〜２６は、エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び角材１８ａ、１８ｂに対して斜め方向に配置され、所定の張力で支持されている。詳細は後述するが、ワイヤ２６ａ〜２６ｄは、それぞれ中央付近に、各ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力を調整するための張力調整部材３０を有している。
【００３１】
図２は、この発明の実施の形態における燃料電池の、セル１０のセパレータについて説明するための模式図である。図２は、積層方向に垂直な面であって、アノード極側に配置されるセパレータのアノード極に接する面を表している。図２に示すように、セパレータは、外周辺の一辺（図２では左辺）付近において、水素入口３２を有し、この一辺に対向する辺（右辺）付近に水素出口３４を有している。セパレータは、水素入口３２及び水素出口３４が形成された一対の辺とは異なる一対の辺（下辺、上辺）に、それぞれ酸素入口３６と酸素出口３８とを有している。水素入口３２下方には冷却剤入口４０が設けられ、水素出口３４上方には、冷却剤出口４２が形成されている。
【００３２】
このセパレータの、各ガスや水の入口、出口（３２〜４２）に使用されていない四隅（角）の部分には切り欠き４４ａ、４４ｂが形成されている。ここでスタック内のアノード極側及びカソード極側のセパレータ及び発電部は、全て図２に示すセパレータと同一の位置に同一形状の各ガスや水の入口、出口（３２〜４２）及び、切り欠き４４ａ、４４ｂを有している。従ってセル１０が積層されたスタックは、その四隅に、この切り欠き４４ａ、４４ｂが連結することで構成される凹部を有している。
【００３３】
一方、角材１８ａ、１８ｂの積層方向の断面形状は、切り欠き４４ａ、４４ｂの形状とほぼ一致する。角材１８ａ、１８ｂは、切り欠き４４ａ、４４ｂによって構成されるスタック四隅の凹部に、絶縁シート２０ａ、２０ｂを介して嵌めこまれている。従って、角材１８ａ、１８ｂはスタックから突出しない構成となっている。
【００３４】
図３は、この発明の実施の形態における燃料電池の固定部について説明するための図である。図３に示すように固定部２２ａはボルトであって、エンドプレート１６ａにねじ込まれることで固定されている。一方、図３（ｂ）に示されるように、各ワイヤ２６ａ、２６ｂそれぞれの両端部はリング状に形成されている。ワイヤ２６ａ、２６ｂのリング状の一端部に、固定部２２ａであるボルトの軸部が挿入されている。これによりワイヤ２６ａ、２６ｂはエンドプレート１６ａに固定されている。
【００３５】
全ての固定部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは同様の構成によりワイヤ２６ａ〜２６ｄを支持する。即ち、エンドプレート１６ｂの固定部２２ｂのボルト軸部は、ワイヤ２６ｃ、２６ｄの一端部に挿入され、ワイヤ２６ｃ、２６ｄの端部をエンドプレート１６ｂに固定している。また角材１８ａの固定部２４ａのボルト軸部は、ワイヤ２６ａ、２６ｃの一端部に挿入され、ワイヤ２６ａ、２６ｃの端部を角材１８ａに固定している。角材１８ｂの固定部２４ｂのボルト軸部は、ワイヤ２６ｂ、２６ｄの一端部に挿入され、ワイヤ２６ｂ、２６ｄの端部を角材１８ｂに固定している。
【００３６】
図４は、この発明の実施の形態における張力調整機構を説明するための図である。ワイヤ２６ａは、固定部２２ａと固定部２４ａとの間を接続するが、ワイヤ２６ａ自体は実際には一続きになっておらず、中央部付近に切断部を有し、その切断部において張力調整機構３０が接続している。
【００３７】
具体的にワイヤ２６ａは、その切断部において左ボルト５２と右ボルト５４とのそれぞれに連結し固定されている。左ボルト５２、右ボルト５４の、ワイヤ２６ａとの連結部とは反対側は、それぞれナット５６に捩じ込まれて固定される。つまりワイヤ２６ａはその切断部において左ボルト５２又は右ボルト５４とに連結し、両ボルト５２、５４がナット５６に挿入されて連結することで、ワイヤ２６ａと張力調整機構３０とが一続きとなって、固定部２２ａと固定部２４ｂとの間を連絡している。
【００３８】
ここで、左ボルト５２または右ボルト５４のナット５６への捩じ込み量を調整することで、ワイヤ２６ａの張力が調整される。これによりワイヤ２６ａが第１エンドプレート１６ａと角材１８ａとの間を補強する力の大きさを調節することができる。
【００３９】
他のワイヤ２６ｂ〜２６ｄは、ワイヤ２６ａと同じ構成を有しており、ワイヤ２６ｂ〜２６ｄそれぞれに張力調整機構３０が取り付けられている。これにより各ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力が調整され、エンドプレート１６ａ又はエンドプレート１６ｂと、角材１８ａ又は角材１８ｂとの間を補強する力の強度をそれぞれ調節することができる。
【００４０】
このように燃料電池においては、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間を拘束部材である角材１８ａ、１８ｂにより締結して支持すると共に、角材１８ａ、１８ｂとエンドプレート１６ａ、１６ｂとの間をワイヤ２６ａ〜２６ｄにより斜めに締結して支持ししている。これにより燃料電池が外力等により加振され、せん断力が生じた場合にも、角材１８ａ、１８ｂによりそのせん断力が低減される。また角材１８ａ、１８ｂにはせん断力による応力が発生するが、ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力によって角材１８ａ、１８ｂはそれぞれエンドプレート１６ａ、１６ｂの斜め方向に支持されている。従って、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力は、ワイヤ２６ａ〜２６ｄによる補強によって緩和される。従って、この実施の形態の燃料電池においてはせん断力によるセル１０のズレを抑制することができる。
【００４１】
また、実施の形態の燃料電池においては、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力により緩和している。従って、角材１８ａ、１８ｂに要求される強度は小さくなり、角材１８ａ、１８ｂの積層方向に垂直な断面の面積を小さくすることができる。従って、この実施の形態では、角材１８ａ、１８ｂを小さくして、セパレータの不使用部分（この実施の形態では４角の切り欠き４４ａ、４４ｂ）に配置している。これにより、燃料電池のせん断力に対する強度、及び角材１８ａ、１８ｂの強度を確保しつつ、燃料電池の角材１８ａ、１８ｂの外部への突出を抑えることができる。従って、燃料電池の強度を確保しつつ燃料電池の小型化を図ることができる。
【００４２】
なお、この発明において、ワイヤ等の線状部材の配置形状は、この実施の形態に説明したワイヤ２６ａ〜２６ｄの配置形状に限るものではない。図５〜図８は、この発明の実施の形態における他のワイヤ配置の例を説明する模式図である。
【００４３】
例えば、図５に示す燃料電池は、エンドプレート１６ａの図５に現れる側面において、下側、上側の端部付近にそれぞれ固定部１２２ａ、１２２ｂを有している。ワイヤ１２６ａは、上側の角材１８ａの固定部２４ａと、エンドプレート１６ａの下側の固定部１２２ａとを接続し、ワイヤ１２６ｂは、下側の角材１８ｂの固定部２４ｂとエンドプレート１６ａの上側の固定部１２２ｂとを締結する。各ワイヤ１２６ａ、１２６ｂには、それぞれ張力調整部材３０が設けられている。即ち、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂは、エンドプレート１６ａの比較的離れた位置に設けられた異なる固定部１２２ａ、１２２ｂに接続し、互いに交差するように配置されている。
【００４４】
なお、この構造は図１において左右対称となっており、エンドプレート１６ｂにも同様に上下２箇所の固定部１２２ｂ、１２２ａが形成され、この固定部１２２ａと角材１８ａの固定部２４ａ、固定部１２２ｂと角材１８ｂの固定部２４ｂとが、それぞれワイヤ１２６ａ、１２６ｂにより締結されている。また、図５の側面に対向する側面も同様の構成となっている。
【００４５】
図５に示す構造では、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂと角材１８ａ、１８ｂとの締結角度が鋭角となる。これにより、角材１８ａ、１８ｂに生じる積層方向に垂直な方向の力に対するワイヤ１２６ａ、１２６ｂの補強力をより大きくすることができ、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をより確実に緩和することができる。従って燃料電池の強度をより高く確保することができ、あるいは、角材１８ａ、１８ｂの更なる小型化を図ることができる。
【００４６】
なお、図５における構造では、固定部１２２ａ、１２２ｂはエンドプレート１６ａ、１６ｂの上下、即ち、エンドプレート１６ａ、１６ｂと角材１８ａ、１８ｂとの締結位置付近に設けられる。このような場合、エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び角材１８ａ、１８ｂを締結するボルト等の締結部材と、固定部１２２ａ、１２２ｂとが接触しないよう、かつ、この締結部付近の強度を確保できるように考慮して、固定部１２２ａ、１２２ｂの設置位置を決定すべきである。また、図５の構造のように、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂが交差する場合には、ワイヤ同士が互いに干渉しないように、ワイヤのスタックからの距離に差をつけることが望ましい。
【００４７】
図６に示す構造では、図１の４本のワイヤ２６ａ〜２６ｄに加えて、更に４本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂが配置されている。具体的には、角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂと、角材１８ａ、１８ｂのエンドプレート１６ａ側の端部との中間位置付近に、それぞれ固定部２２４ａ、２２４ｂが設けられている。ワイヤ２２６ａ、２２６ｂは、この固定部２２４ａ、２２４ｂと、エンドプレートの固定部２２ａとに、それぞれ固定される。また、各ワイヤ２２６ａ、２２６ｂには、それぞれ、ワイヤ２６ａ〜２６ｄと同様の張力調整部材３０が設置されている。
【００４８】
なお、図６の燃料電池は、図６の側面において左右対称の構成となっており、エンドプレート１６ｂ側にも、２つの固定部２２４ａ、２２４ｂ及びそれに固定される２本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂが追加された構造となっている。また、図６の側面に対向する側面も同様の構成となっている。このように、補強部材であるワイヤの本数を増加させることで、燃料電池の強度をより大きくすることができ、あるいは、角材１８ａ、１８ｂの更なる小型化を図ることができる。
【００４９】
また、実施の形態においては、エンドプレート１６ａ、１６ｂ又は角材１８ａ、１８ｂの同一の固定部に、それぞれ複数のワイヤが固定される場合について説明した。しかし、この発明において、固定部が支持するワイヤの数は、１以上であればその数を限定されるものでない。
【００５０】
例えば、図７に示される例では、エンドプレート１６ａ、１６ｂそれぞれには、２箇所ずつ固定部３２２ａ、３３２ｂが設置されている。また、同様に、角材１８ａ、１８ｂのそれぞれには、２箇所ずつの固定部３２４ａ、３２４ｂが設置されている。ワイヤ２６ａ〜２６ｄは、それぞれ異なる固定部３２２ａ、３２２ｂ、３２４ａ、３２４ｂによって固定される。具体的に例えば、ワイヤ２６ａ、２６ｂは、固定部３２２ａ、３２２ｂにおいてそれぞれエンドプレート１６ａに固定されている。また、ワイヤ２６ａ、２６ｃは、異なる２つの固定部３２４ａ、３２４ｂにおいて、それぞれ角材１８ａに固定されている。
【００５１】
なお、図７の燃料電池は、図７の側面において左右、上下に対称の構造となっており、各固定部に１本ずつのワイヤが固定されている。また、図７の側面に対向する側面も同様の構成となっている。このように各ワイヤ２６ａ〜２６ｄを固定する固定部をそれぞれ別なものとすることで、固定部３２２ａ、３２２ｂ、３２４ａ、３２４ｂの突出量をワイヤの太さ分小さくすることができ、燃料電池の更なる小型化を図ることができる。
【００５２】
但し、このように異なる固定部を設ける場合にも、角材１８ａ、１８ｂそれぞれに対するワイヤの角度が大きくなることが望ましい。従って、例えば図７のようにワイヤ２６ａ、２６ｂを交差させない場合、角材１８ａ、１８ｂのそれぞれと各固定部３２２ａとの積層方向に垂直な方向の距離を大きく取れるように、２つの固定部３２２ａは共に、エンドプレート１６ａの中央部付近に設置することが望ましい。
【００５３】
また、例えば、図８は、図６の構成において追加された４本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂを支持するエンドプレート側の固定部を増加した例を示すものである。具体的に、図８の燃料電池において、エンドプレート１６ａには、固定部２２ａ上下かつ固定部２２ａに近い位置に、２つの固定部４２２ａ、４２２ｂが設けられている。ワイヤ２２６ａ、２２６ｂの一端は、この固定部４２２ａ、４４２ｂにおいてエンドプレート１６ａにそれぞれ接続されている。なお、角材１８ａ、１８ｂ側の固定箇所は図６と同様の固定部２２４ａ、２２４ｂである。
【００５４】
また、この燃料電池も図８の側面において左右対称の構成となっており、エンドプレート１６ｂ側にも、固定部２２ｂを挟んで配置された固定部４２２ａ、４２２ｂが設けられ、各固定部に１本ずつのワイヤ２２６ａ、２２６ｂが固定されている。また、図６の側面に対向する側面も同様の構成となっている。図８に示すような構成によれば、１つの固定部に支持されるワイヤの本数を少なくすることで固定部における支持強度を確保することができると共に、固定部２２ａ、２２ｂの突出をワイヤ２本分小さく抑えることができる。
【００５５】
また、図５〜図８においてワイヤの配置構造の他の例を説明したが、この発明はこれらに限定されるものではなく、ワイヤによりエンドプレート１６ａと角材１８ａ又は１８ｂの間、エンドプレート１６ｂと角材１８ａ又は１８ｂとの間が斜め方向に支持されるものであれば、他の配置を有するものであってもよい。従って、ワイヤの固定部の位置もこの実施の形態に説明したように、エンドプレート１６ａ、１６ｂの中央部や上下端部、角材１８ａ、１８ｂの中央部等に限定するものではない。但し、上記したように、エンドプレート１６ａ又は１６ｂ側の固定部と、その固定部に固定されたワイヤの他端が接続される角材１８ａ又は１８ｂとの積層方向に垂直な方向の距離は大きく取ることが望ましい。
【００５６】
また、この実施の形態では、スタックの対向する２側面に補強用のワイヤを配置する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、エンドプレート１６ａ、１６ｂに垂直な４側面全てにおいて補強部材を配置するようにしたもの等であってもよい。
【００５７】
また、この実施の形態において、張力調整機構は各ワイヤに連結された左右のボルト５２、５４とナット５６とを有し、このボルト５２、５４のナット５６への捩じ込み量によりワイヤの張力を調整する場合について説明した。このようにワイヤの長さを調整する張力調整機構により、ワイヤによる補強力を適宜調整することができる。しかし、この発明において張力調整機構はこのような構造に限るものではなく、各ワイヤの張力を調整できるものであれば、これに限るものではない。また、この発明においては、このような張力調整機構を有していないものであってもよい。
【００５８】
また、この実施の形態では、エンドプレート１６ａ、１６ｂと角材１８ａ、１８ｂとを支持する補強部材を、ワイヤ２６ａ〜２６ｄ等により構成する場合について説明した。しかし、この発明において補強部材は、これに限るものではなく、ワイヤに代えて、ピアノ線、高強度繊維等の線状部材を用いることができる。他の線状部材を用いる場合にも、その材料が絶縁体でない場合には絶縁体でコーティングするなどの処理をすることが望ましい。また、ワイヤの場合と同様に、その張力を調整する張力調整機構を設置することもできる。
【００５９】
また、この発明は、このような線状部材を用いるものに限るものでもない。例えば、ワイヤ同様にエンドプレート１６ａ又は１６ｂ、角材１８ａ、１８ｂに対して斜めの方向に配置された板により構成される補強プレートを用いたものであってもよい。この場合にも、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をプレートにより補強することができる。また補強プレートは薄いものでもよく、燃料電池の大型化を抑制しつつ、燃料電池の強度を確保することができる。
【００６０】
また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における燃料電池のセパレータと角材とについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態における固定部の構造について説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態における張力調整機構について説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ セル
１６ａ、１６ｂ エンドプレート
１８ａ、１８ｂ 角材
２０ａ、２０ｂ 絶縁シート
２２ａ、２２ｂ、３２２ａ、３２２ｂ、４２２ａ、４２２ｂ 固定部
２４ａ、２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、３２４ａ、３２４ｂ 固定部
２６ａ〜２６ｄ、１２６ａ、１２６ｂ、２２６ａ、２２６ｂ ワイヤ
３０、１３０、２３０ 張力調整機構
４４ａ、４４ｂ 切り欠き
５２ 左ボルト
５４ 右ボルト
５６ ナット
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池に関する。更に、具体的には、発電部がセパレータを介して複数積層されたスタックを備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、複数の発電部がセパレータを介して積層されたスタックを有する燃料電池が開示されている。この燃料電池においてスタックの積層方向両側には、一対のエンドプレートが配置されている。また、スタックの四隅に、一方のエンドプレートと他方のエンドプレートを連絡するようにしてＬ字型の締結部材が配置されている。この締結部材は、各エンドプレートの四隅（角）にそれぞれボルトによって固定されている。特許文献１の燃料電池は、このようにエンドプレート間をＬ字型の締結部材により締結することによりある程度の締結力で保持されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４２８５２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４０００７号公報
【特許文献３】特開２００３−３１７７９２号公報
【特許文献４】特開２００４−６３１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スタック構造を有する燃料電池が外力等により加振されると、スタック内にせん断力が発生し積層された発電部にズレやすべりを生じさせる場合がある。このため、例えば特許文献１のようにスタック四隅に締結部材を配置して燃料電池を締結することにより、せん断力の低減を図っている。
【０００５】
しかし、燃料電池の要求出力の増大等により発電部の積層数が増加する場合、スタックの積層方向の長さが長くなる。スタック積層方向の長さが長くなると、外力等により生じるせん断力はより大きなものとなる。従って、締結部材にかかる応力もより大きなものとなるため、締結部材にはこの応力に耐え得る大きな強度が要求される。
【０００６】
その一方で、燃料電池の小型化の要求から締結部材についても小型化、軽量化が望まれる。従って、締結部材の強度を、締結部材の大型化、重量化により高めることは、燃料電池の小型化の観点から好ましいものではない。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の大型化を抑えつつ、せん断力に対しても燃料電池の強度を確保できるよう改良した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、
前記スタックの積層方向両側に、前記スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートと、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを連絡し、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを締結する第１締結部材と、
前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、前記第１締結部材の少なくとも一箇所とを連絡し、前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートと、前記第１締結部材とを、前記積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記第２締結部材は、線状部材であることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記第２締結部材は、前記第２締結部材の張力を調整する調整手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記第１締結部材は、前記スタックの四隅にそれぞれ配置された４本の締結部材を含み、
前記第２締結部材は、前記スタックの前記積層方向に平行な側面のうち、少なくとも対向する２側面に配置され、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートと、前記４本の締結部材のうち該側面側に配置される２本の締結部材のそれぞれとに接続し、かつ、前記第２エンドプレートと、前記２本の締結部材のそれぞれとに接続することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第１部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第２部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、前記２つの第１部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第２部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、前記２つの第１部材は、該側面において互いに交差するように配置され、
前記２つの第２部材は、該側面において互いに交差するように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第５から第７の発明において、前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第１部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第３部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第２部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第４部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、
前記２つの第３部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第４部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、第５から９のいずれかの発明において、
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と、他方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であることを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、第５から９のいずれかの発明において、
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と他方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明の燃料電池は、スタック両側の第１又は第２エンドプレートと、第１、第２エンドプレートを連絡する第１締結部材とを、積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材を有する。これにより、第１締結部材に対してかかる積層方向に対して垂直な方向の力を、第１締結部材に対して斜めに締結された第２締結部材によって緩和することができる。従って、第１締結部材の積層方向の断面積が比較的小さなものとしても、第１締結部材の必要強度を確保できると共に、せん断力を抑えて燃料電池に生じるずれを抑制することができる。
【００２０】
第２の発明によれば、第２締結部材を線状部材とすることにより、第１締結部材を張力により支持することができる。これにより燃料電池の大型化を抑えつつ、確実に第１締結部材にかかる力を緩和することができる。
【００２１】
第３の発明によれば、第２締結部材の張力を調整することができる。これにより第２締結部材が第１締結部材を補強する力を調整することができる。従って、より確実に第１締結部材を支持し、第１締結部材にかかる力を緩和することができる。
【００２２】
第４〜第１１の発明によれば、第２締結部材は、第１エンドプレートと４つの締結部材のそれぞれ、及び、第２エンドプレートと４つの締結部材のそれぞれとに接続する。従って、第１締結部材である４つの締結部材にかかる力をより確実に緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２４】
実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。図１の燃料電池は例えば車両等の移動体に搭載して用いることができる。図１に示すように、燃料電池は複数のセル１０が積層されて構成されるスタックを有している。各セル１０は電解質膜（電解質）及びその両側に配置された一対の電極（アノード極及びカソード極）からなる発電部と、その両側に配置された一対のセパレータとを有している。
【００２５】
なお、この実施の形態において、図１の左右方向がセル１０の積層方向であり、この方向を単に「積層方向」と称することとする。また、図１に示す面は、燃料電池の積層方向に平行な側面である。この燃料電池において、この側面に対向する側面との構成は同一であり、説明の簡略化のため、図１に示す一側面側の構成について説明する。
【００２６】
スタックの積層方向両外側（即ち、図１における左右側）には、それぞれ集電板１２が配置され、更にその外側に、絶縁体１４を介してエンドプレート１６ａ、１６ｂ（第１エンドプレート、第２エンドプレート）がそれぞれ配置されている。スタックの角（四隅）には４つの角材１８ａ、１８ｂ（第１締結部材、４本の締結部材）が、それぞれ絶縁シート２０ａ、２０ｂを介して配置されている。角材１８ａ、１８ｂは、それぞれ第１エンドプレート１６ａと第２エンドプレート１６ｂを連絡し、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、４つの角材１８ａ、１８ｂそれぞれの両端に、ボルト等（図示せず）によって締結されている。これにより燃料電池は所定の締結力により締結されて保持されている。
【００２７】
エンドプレート１６ａ、１６ｂの、図１の側面に現れる部分の中央部一箇所には、後述する固定部２２ａ、２２ｂがそれぞれ設けられている。一方、角材１８ａ、１８ｂの、図１の側面に現れる部分の中央部一箇所には、後述する固定部２４ａ、２４がそれぞれ設けられている。
【００２８】
燃料電池のこの側面には、固定部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂに支持されたワイヤ（第２締結部材）２６ａ〜２６ｄによる補強機構が取り付けられている。なお各ワイヤ２６ａ〜２６ｄは絶縁材によるコーティングが施されており、短絡が防止されている。
【００２９】
具体的に、エンドプレート１６ａの固定部２２ａは、ワイヤ２６ａ、２６ｂ（第１部材）それぞれの一方の端部を支持している。ワイヤ２６ａ、２６ｂの他端は、２本の角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂにそれぞれ支持されている。同様に、エンドプレート１６ｂの固定部２２ｂは、ワイヤ２６ｃ、２６ｄ（第２部材）それぞれの一方の端部を支持している。ワイヤ２６ｃ、２６ｄの他端は、２本の角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂにそれぞれ支持されている。
【００３０】
つまり、図１の側面において２本のワイヤ２６ａ、２６ｂは、エンドプレート１６ａの一箇所（固定部２２ａ）と、角材１８ａ又は角材１８ｂの一箇所（固定部２４ａ又は固定部２４ｂ）とにそれぞれ接続し、２本のワイヤ２６ｃ、２６ｄは、エンドプレート１６ｂの一箇所（固定部２２ｂ）と、角材１８ａ又は１８ｂの一箇所（固定部２４ａ又は２４ｂ）とにそれぞれ接続している。ワイヤ２６ａ〜２６は、エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び角材１８ａ、１８ｂに対して斜め方向に配置され、所定の張力で支持されている。詳細は後述するが、ワイヤ２６ａ〜２６ｄは、それぞれ中央付近に、各ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力を調整するための張力調整部材３０を有している。
【００３１】
図２は、この発明の実施の形態における燃料電池の、セル１０のセパレータについて説明するための模式図である。図２は、積層方向に垂直な面であって、アノード極側に配置されるセパレータのアノード極に接する面を表している。図２に示すように、セパレータは、外周辺の一辺（図２では左辺）付近において、水素入口３２を有し、この一辺に対向する辺（右辺）付近に水素出口３４を有している。セパレータは、水素入口３２及び水素出口３４が形成された一対の辺とは異なる一対の辺（下辺、上辺）に、それぞれ酸素入口３６と酸素出口３８とを有している。水素入口３２下方には冷却剤入口４０が設けられ、水素出口３４上方には、冷却剤出口４２が形成されている。
【００３２】
このセパレータの、各ガスや水の入口、出口（３２〜４２）に使用されていない四隅（角）の部分には切り欠き４４ａ、４４ｂが形成されている。ここでスタック内のアノード極側及びカソード極側のセパレータ及び発電部は、全て図２に示すセパレータと同一の位置に同一形状の各ガスや水の入口、出口（３２〜４２）及び、切り欠き４４ａ、４４ｂを有している。従ってセル１０が積層されたスタックは、その四隅に、この切り欠き４４ａ、４４ｂが連結することで構成される凹部を有している。
【００３３】
一方、角材１８ａ、１８ｂの積層方向の断面形状は、切り欠き４４ａ、４４ｂの形状とほぼ一致する。角材１８ａ、１８ｂは、切り欠き４４ａ、４４ｂによって構成されるスタック四隅の凹部に、絶縁シート２０ａ、２０ｂを介して嵌めこまれている。従って、角材１８ａ、１８ｂはスタックから突出しない構成となっている。
【００３４】
図３は、この発明の実施の形態における燃料電池の固定部について説明するための図である。図３に示すように固定部２２ａはボルトであって、エンドプレート１６ａにねじ込まれることで固定されている。一方、図３（ｂ）に示されるように、各ワイヤ２６ａ、２６ｂそれぞれの両端部はリング状に形成されている。ワイヤ２６ａ、２６ｂのリング状の一端部に、固定部２２ａであるボルトの軸部が挿入されている。これによりワイヤ２６ａ、２６ｂはエンドプレート１６ａに固定されている。
【００３５】
全ての固定部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは同様の構成によりワイヤ２６ａ〜２６ｄを支持する。即ち、エンドプレート１６ｂの固定部２２ｂのボルト軸部は、ワイヤ２６ｃ、２６ｄの一端部に挿入され、ワイヤ２６ｃ、２６ｄの端部をエンドプレート１６ｂに固定している。また角材１８ａの固定部２４ａのボルト軸部は、ワイヤ２６ａ、２６ｃの一端部に挿入され、ワイヤ２６ａ、２６ｃの端部を角材１８ａに固定している。角材１８ｂの固定部２４ｂのボルト軸部は、ワイヤ２６ｂ、２６ｄの一端部に挿入され、ワイヤ２６ｂ、２６ｄの端部を角材１８ｂに固定している。
【００３６】
図４は、この発明の実施の形態における張力調整機構を説明するための図である。ワイヤ２６ａは、固定部２２ａと固定部２４ａとの間を接続するが、ワイヤ２６ａ自体は実際には一続きになっておらず、中央部付近に切断部を有し、その切断部において張力調整機構３０が接続している。
【００３７】
具体的にワイヤ２６ａは、その切断部において左ボルト５２と右ボルト５４とのそれぞれに連結し固定されている。左ボルト５２、右ボルト５４の、ワイヤ２６ａとの連結部とは反対側は、それぞれナット５６に捩じ込まれて固定される。つまりワイヤ２６ａはその切断部において左ボルト５２又は右ボルト５４とに連結し、両ボルト５２、５４がナット５６に挿入されて連結することで、ワイヤ２６ａと張力調整機構３０とが一続きとなって、固定部２２ａと固定部２４ｂとの間を連絡している。
【００３８】
ここで、左ボルト５２または右ボルト５４のナット５６への捩じ込み量を調整することで、ワイヤ２６ａの張力が調整される。これによりワイヤ２６ａが第１エンドプレート１６ａと角材１８ａとの間を補強する力の大きさを調節することができる。
【００３９】
他のワイヤ２６ｂ〜２６ｄは、ワイヤ２６ａと同じ構成を有しており、ワイヤ２６ｂ〜２６ｄそれぞれに張力調整機構３０が取り付けられている。これにより各ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力が調整され、エンドプレート１６ａ又はエンドプレート１６ｂと、角材１８ａ又は角材１８ｂとの間を補強する力の強度をそれぞれ調節することができる。
【００４０】
このように燃料電池においては、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間を拘束部材である角材１８ａ、１８ｂにより締結して支持すると共に、角材１８ａ、１８ｂとエンドプレート１６ａ、１６ｂとの間をワイヤ２６ａ〜２６ｄにより斜めに締結して支持ししている。これにより燃料電池が外力等により加振され、せん断力が生じた場合にも、角材１８ａ、１８ｂによりそのせん断力が低減される。また角材１８ａ、１８ｂにはせん断力による応力が発生するが、ワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力によって角材１８ａ、１８ｂはそれぞれエンドプレート１６ａ、１６ｂの斜め方向に支持されている。従って、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力は、ワイヤ２６ａ〜２６ｄによる補強によって緩和される。従って、この実施の形態の燃料電池においてはせん断力によるセル１０のズレを抑制することができる。
【００４１】
また、実施の形態の燃料電池においては、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をワイヤ２６ａ〜２６ｄの張力により緩和している。従って、角材１８ａ、１８ｂに要求される強度は小さくなり、角材１８ａ、１８ｂの積層方向に垂直な断面の面積を小さくすることができる。従って、この実施の形態では、角材１８ａ、１８ｂを小さくして、セパレータの不使用部分（この実施の形態では４角の切り欠き４４ａ、４４ｂ）に配置している。これにより、燃料電池のせん断力に対する強度、及び角材１８ａ、１８ｂの強度を確保しつつ、燃料電池の角材１８ａ、１８ｂの外部への突出を抑えることができる。従って、燃料電池の強度を確保しつつ燃料電池の小型化を図ることができる。
【００４２】
なお、この発明において、ワイヤ等の線状部材の配置形状は、この実施の形態に説明したワイヤ２６ａ〜２６ｄの配置形状に限るものではない。図５〜図８は、この発明の実施の形態における他のワイヤ配置の例を説明する模式図である。
【００４３】
例えば、図５に示す燃料電池は、エンドプレート１６ａの図５に現れる側面において、下側、上側の端部付近にそれぞれ固定部１２２ａ、１２２ｂを有している。ワイヤ１２６ａは、上側の角材１８ａの固定部２４ａと、エンドプレート１６ａの下側の固定部１２２ａとを接続し、ワイヤ１２６ｂは、下側の角材１８ｂの固定部２４ｂとエンドプレート１６ａの上側の固定部１２２ｂとを締結する。各ワイヤ１２６ａ、１２６ｂには、それぞれ張力調整部材３０が設けられている。即ち、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂは、エンドプレート１６ａの比較的離れた位置に設けられた異なる固定部１２２ａ、１２２ｂに接続し、互いに交差するように配置されている。
【００４４】
なお、この構造は図１において左右対称となっており、エンドプレート１６ｂにも同様に上下２箇所の固定部１２２ｂ、１２２ａが形成され、この固定部１２２ａと角材１８ａの固定部２４ａ、固定部１２２ｂと角材１８ｂの固定部２４ｂとが、それぞれワイヤ１２６ａ、１２６ｂにより締結されている。また、図５の側面に対向する側面も同様の構成となっている。
【００４５】
図５に示す構造では、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂと角材１８ａ、１８ｂとの締結角度が鋭角となる。これにより、角材１８ａ、１８ｂに生じる積層方向に垂直な方向の力に対するワイヤ１２６ａ、１２６ｂの補強力をより大きくすることができ、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をより確実に緩和することができる。従って燃料電池の強度をより高く確保することができ、あるいは、角材１８ａ、１８ｂの更なる小型化を図ることができる。
【００４６】
なお、図５における構造では、固定部１２２ａ、１２２ｂはエンドプレート１６ａ、１６ｂの上下、即ち、エンドプレート１６ａ、１６ｂと角材１８ａ、１８ｂとの締結位置付近に設けられる。このような場合、エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び角材１８ａ、１８ｂを締結するボルト等の締結部材と、固定部１２２ａ、１２２ｂとが接触しないよう、かつ、この締結部付近の強度を確保できるように考慮して、固定部１２２ａ、１２２ｂの設置位置を決定すべきである。また、図５の構造のように、ワイヤ１２６ａ、１２６ｂが交差する場合には、ワイヤ同士が互いに干渉しないように、ワイヤのスタックからの距離に差をつけることが望ましい。
【００４７】
図６に示す構造では、図１の４本のワイヤ２６ａ〜２６ｄに加えて、更に４本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂが配置されている。具体的には、角材１８ａ、１８ｂの固定部２４ａ、２４ｂと、角材１８ａ、１８ｂのエンドプレート１６ａ側の端部との中間位置付近に、それぞれ固定部２２４ａ、２２４ｂが設けられている。ワイヤ２２６ａ、２２６ｂは、この固定部２２４ａ、２２４ｂと、エンドプレートの固定部２２ａとに、それぞれ固定される。また、各ワイヤ２２６ａ、２２６ｂには、それぞれ、ワイヤ２６ａ〜２６ｄと同様の張力調整部材３０が設置されている。
【００４８】
なお、図６の燃料電池は、図６の側面において左右対称の構成となっており、エンドプレート１６ｂ側にも、２つの固定部２２４ａ、２２４ｂ及びそれに固定される２本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂが追加された構造となっている。また、図６の側面に対向する側面も同様の構成となっている。このように、補強部材であるワイヤの本数を増加させることで、燃料電池の強度をより大きくすることができ、あるいは、角材１８ａ、１８ｂの更なる小型化を図ることができる。
【００４９】
また、実施の形態においては、エンドプレート１６ａ、１６ｂ又は角材１８ａ、１８ｂの同一の固定部に、それぞれ複数のワイヤが固定される場合について説明した。しかし、この発明において、固定部が支持するワイヤの数は、１以上であればその数を限定されるものでない。
【００５０】
例えば、図７に示される例では、エンドプレート１６ａ、１６ｂそれぞれには、２箇所ずつ固定部３２２ａ、３３２ｂが設置されている。また、同様に、角材１８ａ、１８ｂのそれぞれには、２箇所ずつの固定部３２４ａ、３２４ｂが設置されている。ワイヤ２６ａ〜２６ｄは、それぞれ異なる固定部３２２ａ、３２２ｂ、３２４ａ、３２４ｂによって固定される。具体的に例えば、ワイヤ２６ａ、２６ｂは、固定部３２２ａ、３２２ｂにおいてそれぞれエンドプレート１６ａに固定されている。また、ワイヤ２６ａ、２６ｃは、異なる２つの固定部３２４ａ、３２４ｂにおいて、それぞれ角材１８ａに固定されている。
【００５１】
なお、図７の燃料電池は、図７の側面において左右、上下に対称の構造となっており、各固定部に１本ずつのワイヤが固定されている。また、図７の側面に対向する側面も同様の構成となっている。このように各ワイヤ２６ａ〜２６ｄを固定する固定部をそれぞれ別なものとすることで、固定部３２２ａ、３２２ｂ、３２４ａ、３２４ｂの突出量をワイヤの太さ分小さくすることができ、燃料電池の更なる小型化を図ることができる。
【００５２】
但し、このように異なる固定部を設ける場合にも、角材１８ａ、１８ｂそれぞれに対するワイヤの角度が大きくなることが望ましい。従って、例えば図７のようにワイヤ２６ａ、２６ｂを交差させない場合、角材１８ａ、１８ｂのそれぞれと各固定部３２２ａとの積層方向に垂直な方向の距離を大きく取れるように、２つの固定部３２２ａは共に、エンドプレート１６ａの中央部付近に設置することが望ましい。
【００５３】
また、例えば、図８は、図６の構成において追加された４本のワイヤ２２６ａ、２２６ｂを支持するエンドプレート側の固定部を増加した例を示すものである。具体的に、図８の燃料電池において、エンドプレート１６ａには、固定部２２ａ上下かつ固定部２２ａに近い位置に、２つの固定部４２２ａ、４２２ｂが設けられている。ワイヤ２２６ａ、２２６ｂの一端は、この固定部４２２ａ、４４２ｂにおいてエンドプレート１６ａにそれぞれ接続されている。なお、角材１８ａ、１８ｂ側の固定箇所は図６と同様の固定部２２４ａ、２２４ｂである。
【００５４】
また、この燃料電池も図８の側面において左右対称の構成となっており、エンドプレート１６ｂ側にも、固定部２２ｂを挟んで配置された固定部４２２ａ、４２２ｂが設けられ、各固定部に１本ずつのワイヤ２２６ａ、２２６ｂが固定されている。また、図６の側面に対向する側面も同様の構成となっている。図８に示すような構成によれば、１つの固定部に支持されるワイヤの本数を少なくすることで固定部における支持強度を確保することができると共に、固定部２２ａ、２２ｂの突出をワイヤ２本分小さく抑えることができる。
【００５５】
また、図５〜図８においてワイヤの配置構造の他の例を説明したが、この発明はこれらに限定されるものではなく、ワイヤによりエンドプレート１６ａと角材１８ａ又は１８ｂの間、エンドプレート１６ｂと角材１８ａ又は１８ｂとの間が斜め方向に支持されるものであれば、他の配置を有するものであってもよい。従って、ワイヤの固定部の位置もこの実施の形態に説明したように、エンドプレート１６ａ、１６ｂの中央部や上下端部、角材１８ａ、１８ｂの中央部等に限定するものではない。但し、上記したように、エンドプレート１６ａ又は１６ｂ側の固定部と、その固定部に固定されたワイヤの他端が接続される角材１８ａ又は１８ｂとの積層方向に垂直な方向の距離は大きく取ることが望ましい。
【００５６】
また、この実施の形態では、スタックの対向する２側面に補強用のワイヤを配置する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、エンドプレート１６ａ、１６ｂに垂直な４側面全てにおいて補強部材を配置するようにしたもの等であってもよい。
【００５７】
また、この実施の形態において、張力調整機構は各ワイヤに連結された左右のボルト５２、５４とナット５６とを有し、このボルト５２、５４のナット５６への捩じ込み量によりワイヤの張力を調整する場合について説明した。このようにワイヤの長さを調整する張力調整機構により、ワイヤによる補強力を適宜調整することができる。しかし、この発明において張力調整機構はこのような構造に限るものではなく、各ワイヤの張力を調整できるものであれば、これに限るものではない。また、この発明においては、このような張力調整機構を有していないものであってもよい。
【００５８】
また、この実施の形態では、エンドプレート１６ａ、１６ｂと角材１８ａ、１８ｂとを支持する補強部材を、ワイヤ２６ａ〜２６ｄ等により構成する場合について説明した。しかし、この発明において補強部材は、これに限るものではなく、ワイヤに代えて、ピアノ線、高強度繊維等の線状部材を用いることができる。他の線状部材を用いる場合にも、その材料が絶縁体でない場合には絶縁体でコーティングするなどの処理をすることが望ましい。また、ワイヤの場合と同様に、その張力を調整する張力調整機構を設置することもできる。
【００５９】
また、この発明は、このような線状部材を用いるものに限るものでもない。例えば、ワイヤ同様にエンドプレート１６ａ又は１６ｂ、角材１８ａ、１８ｂに対して斜めの方向に配置された板により構成される補強プレートを用いたものであってもよい。この場合にも、角材１８ａ、１８ｂに生じる応力をプレートにより補強することができる。また補強プレートは薄いものでもよく、燃料電池の大型化を抑制しつつ、燃料電池の強度を確保することができる。
【００６０】
また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における燃料電池のセパレータと角材とについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態における固定部の構造について説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態における張力調整機構について説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態における燃料電池の他の例について説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ セル
１６ａ、１６ｂ エンドプレート
１８ａ、１８ｂ 角材
２０ａ、２０ｂ 絶縁シート
２２ａ、２２ｂ、３２２ａ、３２２ｂ、４２２ａ、４２２ｂ 固定部
２４ａ、２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、３２４ａ、３２４ｂ 固定部
２６ａ〜２６ｄ、１２６ａ、１２６ｂ、２２６ａ、２２６ｂ ワイヤ
３０、１３０、２３０ 張力調整機構
４４ａ、４４ｂ 切り欠き
５２ 左ボルト
５４ 右ボルト
５６ ナット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、
前記スタックの積層方向両側に、前記スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートと、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを連絡し、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを締結する第１締結部材と、
前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、前記第１締結部材の少なくとも一箇所とを連絡し、前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートと、前記第１締結部材とを、前記積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２締結部材は、線状部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２締結部材は、前記第２締結部材の張力を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１締結部材は、前記スタックの四隅にそれぞれ配置された４本の締結部材を含み、
前記第２締結部材は、前記スタックの前記積層方向に平行な側面のうち、少なくとも対向する２側面に配置され、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートと、前記４本の締結部材のうち該側面側に配置される２本の締結部材のそれぞれとに接続し、かつ、前記第２エンドプレートと、前記２本の締結部材のそれぞれとに接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第１部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第２部材と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記２つの第１部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第２部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記２つの第１部材は、該側面において互いに交差するように配置され、
前記２つの第２部材は、該側面において互いに交差するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第１部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第３部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第２部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第４部材と、
を備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記２つの第３部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第４部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と、他方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と他方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極とを含む発電部がセパレータを介して積層されたスタックと、
前記スタックの積層方向両側に、前記スタックを挟んで配置された第１エンドプレートと第２エンドプレートと、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを連絡し、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを締結する第１締結部材と、
前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートの少なくとも一箇所と、前記第１締結部材の少なくとも一箇所とを連絡し、前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートと、前記第１締結部材とを、前記積層方向に対して斜めに締結する第２締結部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２締結部材は、線状部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２締結部材は、前記第２締結部材の張力を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１締結部材は、前記スタックの四隅にそれぞれ配置された４本の締結部材を含み、
前記第２締結部材は、前記スタックの前記積層方向に平行な側面のうち、少なくとも対向する２側面に配置され、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートと、前記４本の締結部材のうち該側面側に配置される２本の締結部材のそれぞれとに接続し、かつ、前記第２エンドプレートと、前記２本の締結部材のそれぞれとに接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第１部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの該側面側の箇所と、にそれぞれ接続する２つの第２部材と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記２つの第１部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第２部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記２つの第１部材は、該側面において互いに交差するように配置され、
前記２つの第２部材は、該側面において互いに交差するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２締結部材は、前記２側面のそれぞれの側面において、
前記第１エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第１部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第３部材と、
前記第２エンドプレートの該側面側の箇所と、前記２本の締結部材それぞれの前記第２部材との接続箇所とは異なる箇所と、にそれぞれ接続する２つの第４部材と、
を備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記２つの第３部材のそれぞれは、前記第１エンドプレートの異なる箇所に接続され、
前記２つの第４部材のそれぞれは、前記第２エンドプレートの異なる箇所に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と、他方の第２部材とが接続する箇所は、同一箇所であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記２本の締結部材のうち一方の締結部材において、前記２つの第１部材のうち一方の第１部材と、前記２つの第２部材のうち一方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であり、
他方の締結部材において、他方の第１部材と他方の第２部材とが接続する箇所は、異なる箇所であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−３６３６（Ｐ２０１０−３６３６Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６３４４２（Ｐ２００８−１６３４４２）
【出願日】平成２０年６月２３日（２００８．６．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２３日（２００８．６．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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