特開 2023-30654 燃料電池、電気化学装置及び燃料電池の締付調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023030654

(43)【公開日】2023-03-08

(54)【発明の名称】燃料電池、電気化学装置及び燃料電池の締付調整方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/248 20160101AFI20230301BHJP

【ＦＩ】

H01M8/248

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021135899

(22)【出願日】2021-08-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100164688

【弁理士】

【氏名又は名称】金川 良樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】菊池 勇

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA25

5H126EE22

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】締付板に撓みが生じたとしても、締付板からセル積層体に均一的な面圧を付与できる燃料電池を提供する。
【解決手段】一実施の形態によれば、燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体１０と、燃料電池セルの積層方向でセル積層体１０上に配置される集電板２０と、集電板２０上に配置される絶縁板３０と、絶縁板３０上に配置され、セル積層体１０側に締め付けられることで集電板２０及び絶縁板３０をセル積層体１０に保持する締付構造体４０と、を備える。締付構造体４０は、絶縁板３０に面接触する平面部分を有する第１締付板４１と、第１締付板４１上に配置され、セル積層体１０側に締め付けられることで第１締付板４１を絶縁板３０に押し付ける第２締付板４２と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池セルを積層したセル積層体と、
前記燃料電池セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、
前記集電板上に配置される絶縁板と、
前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付構造体と、を備え、
前記締付構造体は、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する第１締付板と、前記第１締付板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記第１締付板を前記絶縁板に押し付ける第２締付板と、を有する、燃料電池。

【請求項2】

前記第１締付板の曲げ剛性は、前記絶縁板の曲げ剛性よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記第２締付板は、外周に沿うように形成された外側押圧部と、前記外側押圧部よりも中央側に設けられた内側押圧部と、を有し、
前記外側押圧部及び前記内側押圧部はそれぞれ、前記第１締付板に接しており、
前記外側押圧部と前記内側押圧部との間には、前記セル積層体側とは反対の側にへこむ凹部が設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記第２締付板は、前記セル積層体から分離された状態において、前記内側押圧部が厚さ方向で前記外側押圧部よりも突き出るように構成される、請求項３に記載の燃料電池。

【請求項5】

前記第２締付板は、前記外側押圧部と前記内側押圧部とを接続する接続部を有し、
前記接続部の厚さ方向での断面形状はＵ字状であり、前記凹部は、Ｕ字状の前記接続部の内面により形成される、請求項３又は４に記載の燃料電池。

【請求項6】

前記第２締付板は、前記外側押圧部の外周側に締結部を有し、前記締結部から前記積層方向に付加される力により前記セル積層体側に締め付けられる、請求項３乃至５のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項7】

前記第２締付板は、前記積層方向で見る場合に前記第１締付板の外周側に張り出す締結部を有し、前記締結部から前記積層方向に付加される力により前記セル積層体側に締め付けられ、
前記第１締付板には、前記締結部の張り出し方向とは反対の方向に延びる切欠きが設けられている、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項8】

前記第１締付板は、矩形状であり、前記締結部は、前記第１締付板の四隅から張り出しており、
前記切欠きは、前記第１締付板の四隅に設けられている、請求項７に記載の燃料電池。

【請求項9】

前記第２締付板は、プレス成形品である、請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項10】

前記第２締付板の厚さは、３ｍｍ以下である、請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項11】

複数の電気化学セルを積層したセル積層体と、
前記電気化学セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、
前記集電板上に配置される絶縁板と、
前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付構造体と、を備え、
前記締付構造体は、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する第１締付板と、前記第１締付板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記第１締付板を前記絶縁板に押し付ける第２締付板と、を有する、電気化学装置。

【請求項12】

複数の燃料電池セルを積層したセル積層体と、前記燃料電池セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、前記集電板上に配置される絶縁板と、前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付板と、を備える燃料電池の締付調整方法であって、
前記締付板を取り外す工程と、
前記絶縁板上に、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する追加締付板を設ける工程と、
前記追加締付板上に前記締付板を配置し前記セル積層体側に締め付けることで前記追加締付板を前記絶縁板に押し付け、前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する工程と、を有する、燃料電池の締付調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、燃料電池、電気化学装置及び燃料電池の締付調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池、電解装置等の電気化学装置が知られている。燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤とを化学的に反応させることで燃料から電気エネルギーを取り出す装置である。

【0003】

燃料電池の一例として、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体と、一対の集電板と、一対の絶縁板と、一対の締付板と、を備えるものがある。

【0004】

上記タイプの燃料電池では、一対の集電板、一対の絶縁板及び一対の締付板が、セル積層体を挟み込むように配置される。一方側の集電板、絶縁板及び締付板は、セル積層体の積層方向における一方側の端面上にこの順で配置される。他方側の集電板、絶縁板及び締付板は、セル積層体の積層方向における他方側の端面上にこの順で配置される。そして、一対の締付板に跨がる締結材により一対の締付板が互いに近づくように締め付けられる。これにより、各部材が一体化される。

【0005】

上記のような締付板は、通常、セル積層体の外周側に張り出す複数の張り出し部分を有する。そして、各張り出し部分にはそれぞれ、締結位置が設定される。そして、一対の締付板を互いに近づくように締め付ける際には、締付板が、各締結位置で締付力を受ける。このとき、締付板は、締め付けに伴う撓みにより例えばその中央部分が浮き易くなる。

【0006】

締付板を用いる燃料電池では、隣り合う燃料電池セルの間の接触抵抗が大きくならないようにセル積層体に対する締付板からの面圧を均一にすることが望ましい。しかしながら、上述の浮きは、面圧の均一化を阻害し得る。

【0007】

締付板の構造としては、互いに交差するように組み合わされる複数の梁を有する構造や、部品の簡素化の観点から金型で一体成型される構造などが知られている。

【0008】

複数の梁を有する構造の締付板では、板厚を増加させたり、複数のリブを設けたりすることで、剛性増加により上述の浮きを抑制できる。ただし、形状及び構造が複雑になるため、コストが増加する虞がある。

【0009】

一方で、一体成型される構造の締付板の場合、通常、プレスや曲げの加工性（加工限界）の観点から板厚が数ｍｍ程度に制約される。そのため、剛性を確保し難い。そこで、一体成型される構造の締付板では、締め付け時に浮き易くなる位置にセル積層体側への凸部を設けることで、セル積層体に対する面圧の均一化を図る場合もある。

【0010】

しかしながら、上記凸部を有する締付板では、絶縁板に対する面圧が例えば凸部とその周囲とで異なる。この場合、一般に剛性が低い集電板及び絶縁板を介して、締付板からセル積層体に対して分布のある圧力がかかり得る。したがって、凸部を有する締付板であっても、面圧の均一化に関して依然として改善の余地がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特許第５７４０２１４号公報

【特許文献2】特開２０１９－４６５４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、締付板に撓みが生じたとしても、締付板からセル積層体に均一的な面圧を付与できる燃料電池、電気化学装置及び燃料電池の締付調整方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

一実施の形態に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体と、前記燃料電池セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、前記集電板上に配置される絶縁板と、前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付構造体と、を備える。前記締付構造体は、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する第１締付板と、前記第１締付板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記第１締付板を前記絶縁板に押し付ける第２締付板と、を有する。

【0014】

一実施の形態に係る電気化学装置は、複数の電気化学セルを積層したセル積層体と、前記電気化学セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、前記集電板上に配置される絶縁板と、前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付構造体と、を備える。前記締付構造体は、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する第１締付板と、前記第１締付板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記第１締付板を前記絶縁板に押し付ける第２締付板と、を有する。

【0015】

一実施の形態に係る燃料電池の締付調整方法は、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体と、前記燃料電池セルの積層方向で前記セル積層体上に配置される集電板と、前記集電板上に配置される絶縁板と、前記絶縁板上に配置され、前記セル積層体側に締め付けられることで前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する締付板と、を備える燃料電池の締付調整方法である。この方法は、前記締付板を取り外す工程と、前記絶縁板上に、前記絶縁板に面接触する平面部分を有する追加締付板を設ける工程と、前記追加締付板上に前記締付板を配置し前記セル積層体側に締め付けることで前記追加締付板を前記絶縁板に押し付け、前記集電板及び前記絶縁板を前記セル積層体に保持する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、締付板に撓みが生じたとしても、締付板からセル積層体に均一的な面圧を付与できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一実施の形態に係る燃料電池の斜視図である。

【図2】図１に示す燃料電池の分解斜視図である。

【図3】図１に示す燃料電池のセル積層体における流路構造を説明する概略図である。

【図4】図１に示す燃料電池が備える締付構造体のうちの第１締付板を示す図である。

【図5】図１に示す燃料電池が備える締付構造体のうちの第２締付板を示す図である。

【図6】図５に示す第２締付板の締付前における断面図である。

【図7】図５に示す第２締付板の締付後における断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付の図面を参照して一実施の形態に係る電気化学装置の例である燃料電池１を説明する。

【0019】

＜燃料電池の全体構成＞
図１は、一実施の形態に係る燃料電池１の斜視図である。図２は、燃料電池１の分解斜視図である。図１及び図２に示す燃料電池１は、セル積層体１０に含まれる燃料電池セル１０ｃ（図２参照）で電気化学反応を発生され、これにより発電する装置である。

【0020】

燃料電池１は、セル積層体１０と、一対の集電板２０と、一対の絶縁板３０と、一対の締付構造体４０と、締結部材５０と、マニホルドユニット６０と、を備える。

【0021】

図２に示すように、セル積層体１０は、複数の電気化学セルとしての燃料電池セル１０ｃを積層して構成される。燃料電池セル１０ｃは、例えば、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気（酸化剤）との電気化学反応により発電する。なお、図１及び図２における符号Ｓｔは、燃料電池セル１０ｃが積層される方向（以下、積層方向）を示している。

【0022】

燃料電池セル１０ｃは、例えば、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込むことで構成される接合体と、この接合体に燃料及び酸化剤を供給するための流路を形成するセパレータと、を有する。セパレータは、例えば微細孔を有する導電性多孔質板で構成されてもよい。また、セパレータには、冷却水流路が設けられてもよい。また、図示のセル積層体１０の外形は直方体状であるが、立方体状でもよいし、その他の六面体、その他の立体形状でもよい。

【0023】

一対の集電板２０は、第１集電板２０ａと、第２集電板２０ｂとで構成される。第１集電板２０ａは、セル積層体１０の積層方向Ｓｔにおける一方側（図１及び図２において上側）の端面上に配置される。第２集電板２０ｂは、セル積層体１０の積層方向Ｓｔにおける他方側（図１及び図２において下側）の端面上に配置される。

【0024】

第１集電板２０ａ及び第２集電板２０ｂは、矩形の板状の導電体であり、例えばセル積層体１０で生成された電気エネルギーを外部に送り出すための部材である。第１集電板２０ａ及び第２集電板２０ｂは、セル積層体１０の矩形状の端面と同一又は相似の形状に形成される。第１集電板２０ａ及び第２集電板２０ｂは、一般に金属製の板材で構成されるが、導電体であればよい。第１集電板２０ａ及び第２集電板２０ｂは、例えば黒鉛の板材で構成されてもよい。

【0025】

一対の絶縁板３０は、第１絶縁板３０ａと、第２絶縁板３０ｂとで構成される。第１絶縁板３０ａは、積層方向Ｓｔで第１集電板２０ａ上に配置される。第２絶縁板３０ｂは、積層方向Ｓｔで第２集電板２０ｂ上に配置される。第１絶縁板３０ａ及び第２絶縁板３０ｂは、矩形の板状の絶縁体であり、例えば合成樹脂の板材で構成される。詳しくは、第１絶縁板３０ａ及び第２絶縁板３０ｂは、対面する第１集電板２０ａ又は第２集電板２０ｂと同一又は相似の矩形状に形成されている。

【0026】

一対の締付構造体４０は、第１締付構造体４０ａと、第２締付構造体４０ｂとで構成される。第１締付構造体４０ａは、積層方向Ｓｔで第１絶縁板３０ａ上に配置される。第２締付構造体４０ｂは、積層方向Ｓｔで第２絶縁板３０ｂ上に配置される。第１締付構造体４０ａ及び第２締付構造体４０ｂはそれぞれ、第１締付板４１と、第２締付板４２と、を有する。以下、第１締付構造体４０ａにおける第１締付板４１は、第１締付板４１ａで表記され、第１締付構造体４０ａにおける第２締付板４２は、第２締付板４２ａで表記される。第２締付構造体４０ｂにおける第１締付板４１は、第１締付板４１ｂで表記され、第２締付構造体４０ｂにおける第２締付板４２は、第２締付板４２ｂで表記される。

【0027】

第１締付板４１ａ、４１ｂはそれぞれ板状の部材であり、対応する絶縁板３０ａ，３０ｂと、対応する第２締付板４２ａ，４２ｂと、の間に配置される。本実施の形態では、第１締付板４１ａ、４１ｂが互いに同じ形状であり、第２締付板４２ａ，４２ｂも互いに同じ形状である。以下の説明では、第１締付板４１ａ，４１ｂの構成要素において互いに同一のものには、同一の符号が示され、第２締付板４２ａ，４２ｂの構成要素において互いに同一のものにも、同一の符号が示される。

【0028】

ただし、第１締付板４１ａ、４１ｂは必ずしも互いに同じ形状でなくてもよいし、第２締付板４２ａ，４２ｂも必ずしも互いに同じ形状でなくてもよい。

【0029】

図１及び図２に示すように、第２締付板４２ａ，４２ｂはそれぞれ、積層方向Ｓｔで見る場合に第１締付板４１ａ、４１ｂの外周側に張り出す複数の締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄを有する。詳しくは、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄは、セル積層体１０、集電板２０、絶縁板３０及びマニホルドユニット６０の外周側に対しても張り出している。なお、ここで言う「外周側に張り出す」とは、積層方向Ｓｔに対して直交する方向で、例えば第１締付板４１ａ、４１ｂ等の部材を外側に越えることを意味する。

【0030】

図２に示すように、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄにはそれぞれ、積層方向Ｓｔに貫通する貫通孔４２４Ａ１，４２４Ｂ１，４２４Ｃ１，４２４Ｄ１が形成されている。締結部材５０は、複数の締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄに対応して複数で設けられる。締結部材５０は、図中上側にある第２締付板４２ａの締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄと、図中下側にある第２締付板４２ｂの締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄとの間に跨がり、第２締付板４２ａと第２締付板４２ｂとを互いに近づくように締め付ける。

【0031】

本実施の形態における締結部材５０は、スタッドボルト５２と、一対のワッシャ５４と、一対のナット５６と、を含む。スタッドボルト５２の一端部は、第２締付板４２ａにおける貫通孔４２４Ａ１，４２４Ｂ１，４２４Ｃ１，４２４Ｄ１に通され、スタッドボルト５２の他端部は、第２締付板４２ｂにおける貫通孔４２４Ａ１，４２４Ｂ１，４２４Ｃ１，４２４Ｄ１に通される。そして、スタッドボルト５２の一端部及び他端部のそれぞれにワッシャ５４及びナット５６が取り付けられる。

【0032】

以上の締結部材５０の取付状態において、スタッドボルト５２の一端部側のナット５６及びスタッドボルト５２の他端部側のナット５６のうちの少なくともいずれかがセル積層体１０側に締め付けられることで、第２締付板４２ａ，４２ｂは、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄから積層方向Ｓｔに付加される力によりセル積層体１０側に締め付けられる。これにより、集電板２０及び絶縁板３０がセル積層体１０に保持される。なお、第１締付板４１ａ、４１ｂ及び第２締付板４２ａ，４２ｂの構造の詳細は後述する。

【0033】

マニホルドユニット６０は、図１に示すようにセル積層体１０の周囲に配置されている。マニホルドユニット６０は、酸化剤極入口マニホルド６１と、酸化剤極出口マニホルド６２と、燃料極入口マニホルド６３と、燃料極出口マニホルド６４と、を有している。

【0034】

上述したように、燃料電池セル１０ｃは、例えば、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込むことで構成される接合体と、この接合体に燃料及び酸化剤を供給するための流路を形成するセパレータと、を有する。この場合、セパレータでは、通常、一方の面に燃料極流路が形成され、他方の面に酸化剤極流路が形成される。

【0035】

図３は、セル積層体１０における流路構造を説明する概略図である。図３には、各マニホルド６１～６４と、燃料電池セル１０ｃを構成するセパレータ６５と、セパレータ６５に形成される燃料極流路６６と、が示されている。

【0036】

燃料極入口マニホルド６３及び燃料極出口マニホルド６４は、セル積層体１０を介して向き合っている。そして、燃料極入口マニホルド６３及び燃料極出口マニホルド６４は、燃料極流路６６に流体的に接続する。発電を行う際には、水素を含む燃料（燃料ガス）が、図示されない配管部を流通して、燃料極入口マニホルド６３に入り、燃料極流路６６を通り、燃料極出口マニホルド６４から、図示されない配管部を流通して、外部へ排出される。酸化剤は、図示されない配管部を流通して、酸化剤極入口マニホルド６１に入り、セパレータ上の図示しない酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホルド６２から、図示されない配管部を流通して、外部へ排出される。

【0037】

＜締付構造体の構成＞
以下、締付構造体４０における第１締付板４１ａ、４１ｂ及び第２締付板４２ａ，４２ｂについて詳述する。本実施の形態では、第１締付板４１ａ、４１ｂが互いに同じ形状であり、第２締付板４２ａ，４２ｂも互いに同じ形状である。したがって、説明の便宜のために、以下では、第１締付板４１ａ及び第２締付板４２ａについて説明し、第１締付板４１ｂ及び第２締付板４２ｂの説明は省略する。

【0038】

（第１締付板）
第１締付板４１ａは、上述したように板状の部材であり、対応する第１絶縁板３０ａと、対応する第２締付板４２ａとの間に配置されている。図４は、セル積層体１０が位置する側から見た場合の第１締付板４１ａを示す図である。図２及び図４に示すように、第１締付板４１ａは概略矩形の板状であり、第１絶縁板３０ａに面接触する平面部分４１１を有する。

【0039】

本実施の形態では、第１締付板４１ａが、対面する第１絶縁板３０ａと重ね合わされた際に、第１絶縁板３０ａに包含される大きさで形成されている。よって、本実施の形態では、第１締付板４１ａの第１集電板２０ａ側の主面の全体が平面部分４１１となる。なお、本実施の形態では第１締付板４１ａが第１絶縁板３０ａに包含されるため、第１締付板４１ａは、第１絶縁板３０ａよりも小さい。この場合であっても、平面部分４１１は、第１絶縁板３０ａの中央を含む９０％以上の範囲に面接触することが望ましい。一方で、平面部分４１１は、第１絶縁板３０ａよりも大きく形成され、第１絶縁板３０ａの全体に面接触してもよい。

【0040】

第１締付板４１ａは、第１絶縁板３０ａよりも高強度の部材から構成され、具体的には、第１締付板４１ａの曲げ剛性は、第１絶縁板３０ａの曲げ剛性よりも大きい。第１締付板４１ａは、例えば金属製の板材や、高強度の樹脂の板材で構成されてもよいが、その材質は特に限定されるものではない。

【0041】

また、第１締付板４１ａの四隅には、切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄが形成されている。上述した第２締付板４２ａの締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄは、積層方向Ｓｔで見る場合に第１締付板４１ａの四隅から外周側に張り出す。これに対して、切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄは、対応する締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄの張り出し方向とは反対の方向に延びている。
このような切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄが設けられることで、締結時に撓む締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄと第１締付板４１ａとの接触時における面圧が緩和される。なお、本実施の形態では、第１締付板４１ａが対面する第１絶縁板３０ａと重ね合わされた際、第１締付板４１ａの周縁は、切欠き部分を除いて第１絶縁板３０ａの周縁に沿う状態になる。

【0042】

本実施の形態では、切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄが、図４に示すようにＬ字状に形成されるが、その形状は特に限定されない。切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄは、例えば、矩形状、面取り状、中央側に凹む円弧状などでもよい。また、切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄは形成されてなくてもよい。

【0043】

（第２締付板）
第２締付板４２ａは、第１締付板４１a上に配置され、上述した締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄを介してセル積層体１０側に締め付けられることで、第１締付板４１aを第１絶縁板３０aに押し付ける。図５は、セル積層体１０が位置する側から見た場合の第２締付板４２ａを示す図である。

【0044】

図２及び図５に示すように、第２締付板４２ａは、平面視で概略矩形の板本体部４２０と、板本体部４２０の四隅から張り出す上述の締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄと、を有する。板本体部４２０は、締付時に第１締付板４１ａと重ね合わされる部分である。図６は、第２締付板４２ａの締付前における断面図であり、図２のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面図である。図７は、図６に対応する断面図であり、第２締付板４２ａの締付後における断面図である。

【0045】

図６及び図７も参照し、板本体部４２０は平坦な形状ではなく、凹凸形状を有する。図１及び図２に示すように、板本体部４２０は、外周に沿うように形成された外側押圧部１１０と、外側押圧部１１０よりも中央側に設けられた内側押圧部１１５と、外側押圧部１１０と内側押圧部１１５とを接続する接続部としての梁部１２０と、を有し、梁部１２０が外側押圧部１１０及び内側押圧部１１５に対して隆起することで凹凸形状を形成している。

【0046】

外側押圧部１１０及び内側押圧部１１５は、第２締付板４２ａがセル積層体１０側に締め付けられた際に、第１締付板４１aに接する部分である。すなわち、外側押圧部１１０及び内側押圧部１１５は、第１締付板４１ａを介して第１絶縁板３０ａを押圧することになる。

【0047】

一方で、梁部１２０は、第１締付板４１aに接しない部分である。図６及び図７に示すように、梁部１２０の厚さ方向での断面形状はＵ字状である。Ｕ字状の梁部１２０は、その内面により凹部１２０Ａを形成する。凹部１２０Ａは、セル積層体１０側とは反対の側にへこんでおり、これにより、梁部１２０は、第２締付板４２ｂがセル積層体１０側に締め付けられた場合であっても第１締付板４１aに接しない。

【0048】

外側押圧部１１０及び内側押圧部１１５についてより詳しく説明すると、本実施の形態では、図６に示すように第２締付板４２ａがセル積層体１０から分離された状態において、内側押圧部１１５が、厚さ方向（積層方向Ｓｔ）で外側押圧部１１０よりも突き出る。

【0049】

図６では、内側押圧部１１５の突き出し量Δｔが誇張して描かれているが、突き出し量Δｔは、第２締付板４２ｂの厚さの２５％以上４０％以下、特に３０％以上３５％以下でもよい。より具体的には、例えば第２締付板４２ｂの厚さが２ｍｍで高張力鋼から形成される場合に、突き出し量Δｔは、０．６ｍｍ以上０．７ｍｍ以下でもよい。

【0050】

一方で、図７に示すように第２締付板４２ａがセル積層体１０側に締め付けられた状態では、内側押圧部１１５及び外側押圧部１１０は共に、第１締付板４１ａに同一面上で接する。第２締付板４２ａでは、外側押圧部１１０の外周側に締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄが位置する。そして、第２締付板４２ａは、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄから積層方向Ｓｔに付加される力によりセル積層体１０側に締め付けられる。

【0051】

上記のように締め付けられた場合、第２締付板４２ａにおいて外側押圧部１１０よりも中央側に位置する内側押圧部１１５は、セル積層体１０側とは反対の側に浮きやすくなる。ここで、上述したように第２締付板４２ａがセル積層体１０から分離された状態において、内側押圧部１１５が厚さ方向で外側押圧部１１０よりも突き出る場合には、第２締付板４２ａがセル積層体１０側に締め付けられた際に内側押圧部１１５及び外側押圧部１１０が第１締付板４１ａに接する状態を形成できる。これにより、第２締付板４２ａからの押圧力を第１締付板４１ａに均一的に付与でき、部分的な応力集中を回避できる。なお、外側押圧部１１０に対する内側押圧部１１５の突き出し量Δｔの望ましい値は、第２締付板４２ｂの厚さや材質に応じて変化する。

【0052】

外側押圧部１１０は、概略矩形の板本体部４２０の四辺に沿うように形成され、図２に示すように、第１辺部１１０Ａと、第２辺部１１０Ｂと、第３辺部１１０Ｃと、第４辺部１１０Ｄと、を有している。内側押圧部１１５は、第１辺部１１０Ａ、第２辺部１１０Ｂ、第３辺部１１０Ｃ及び第４辺部１１０Ｄに囲まれるように位置している。内側押圧部１１５は、板本体部４２０の中央を含み、板本体部４２０と相似形状になっている。

【0053】

梁部１２０は、上述したように厚さ方向での断面形状がＵ字状となる部分であり、詳しくは、外側押圧部１１０の内周側で概略矩形の四辺を形成するように連なる第１梁要素１２４Ａ、第２梁要素１２４Ｂ、第３梁要素１２４Ｃ及び第４梁要素１２４Ｄを有する。第１梁要素１２４Ａ、第２梁要素１２４Ｂ、第３梁要素１２４Ｃ及び第４梁要素１２４Ｄはそれぞれ、長手方向に直交する厚さ方向での断面形状がＵ字状となる。第１梁要素１２４Ａ、第２梁要素１２４Ｂ、第３梁要素１２４Ｃ及び第４梁要素１２４Ｄは、内側押圧部１１５の中心位置に対して点対称に配置されている。

【0054】

本実施の形態では、梁部１２０と締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄとが接続されている。詳しくは、第１梁要素１２４Ａと第２梁要素１２４Ｂとの結合部分では、断面形状がＵ字状となる第１梁要素１２４Ａと第２梁要素１２４Ｂは、内側押圧部１１５側を向く互いの内壁部を結合させる一方、それぞれの外壁部を板本体部４２０の対角線に沿うように板本体部４２０の角部側に延ばして結合させない。そして、板本体部４２０の対角線に沿うように延びる第１梁要素１２４Ａの外壁部と第２梁要素１２４Ｂの外壁部は上端を互いに接続され、Ｕ字状の断面形状を形成する。そして、板本体部４２０の対角線の延長方向を向く第１梁要素１２４Ａ及び第２梁要素１２４Ｂの外壁部の端部に、締結部４２４Ａが接続する。締結部４２４ＡはＵ字状の断面形状を有し、そのＵ字状の断面を、第１梁要素１２４Ａの外壁部と第２梁要素１２４Ｂの外壁部が形成するＵ字状の断面に連続させるように接続している。

【0055】

上述の接続態様と同様に、第２梁要素１２４Ｂと第３梁要素１２４Ｃとの結合部分に締結部４２４Ｂが接続する。第３梁要素１２４Ｃと第４梁要素１２４Ｄとの結合部分に締結部４２４Ｃが接続する。第４梁要素１２４Ｄと第１梁要素１２４Ａとの結合部分に締結部４２４Ｄが接続する。

【0056】

上述のように梁部１２０と締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄとが接続されることで、隣り合う締結部の間に梁要素が滑らかに連続する状態になる。ここで、各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄそれぞれの中央側の高さは、両側に位置する締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄ側の部分の高さよりも小さくてもよい。本実施の形態では、具体的には各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄの高さが、その両端から中央に向かうに従い漸減している。

【0057】

本実施の形態では第２締付板４２ａがプレス成形品である。この場合、上述のような形状にすることで、各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄの中央側の肉厚が薄くなる状況を抑制できる。仮に、各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄの高さが長手方向の全長にわたって同一であるとすると、図２に示すように例えば４つの梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄは長手方向の中央側でより接近しているため、中央側の肉厚サイズが締結部側の肉厚サイズよりも薄くなりやすい。肉厚サイズが薄くなると、亀裂が生じやすくなり、セル積層体１０を押圧する面圧も不均一になりやすい。これに対して、本実施の形態のように、各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄの中央側の高さを締結部側の高さよりも低くすれば、中央側の肉厚サイズが薄くならなくなり、亀裂も生じにくくなって、セル積層体１０を押圧する面圧も均一化できる。また、各梁要素１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄの全体での材料の使用量を削減でき、軽量化を図ることができる。

【0058】

また、隣り合う締結部とその間に位置する梁要素とで構成される部分は、一方の締結部から他方の締結部にかけて、連続的に高さが変化するように形成されてもよい。

【0059】

また、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄはそれぞれ、セル積層体１０側を向く縁部に、外側押圧部１１０と面一の鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄを有する。鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄを設けることで、第１締付板４１ａと第２締付板４２ａとの接触面積を増大できる。また、貫通孔４２４Ａ１，４２４Ｂ１，４２４Ｃ１，４２４Ｄ１は、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄの先端側における上面（セル積層体１０側とは反対の側の面）に設けられている。

【0060】

第２締付板４２ａは、例えば厚さ２ｍｍの高張力鋼（引っ張り強度４００ＭＰａ）を母材とし、金型を使用して複数回の加圧プレス工程を経て1枚の板から一体成型される。この場合、第２締付板４２ａの板厚は２ｍｍ以下になる。第２締付板４２ａの板厚は特に限定されるものではないが、加工性の観点では、母材は厚すぎるのも薄すぎるのも良くない。この観点から、第２締付板４２ａの板厚は１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下でもよいし、２ｍｍ以上３ｍｍ以下でもよい。板厚は公知の測定手段で測定され得る。

【0061】

上述のように第２締付板４２ａの板厚が比較的小さい場合には、軽量化及び加工性で有利になる、一方で、第２締付板４２ａの剛性は小さくなる。具体的には、第２締付板４２ａの曲げ剛性は、第１締付板４１ａの曲げ剛性よりも小さくなる。

【0062】

ここで、第２締付板４２ａの剛性が小さくなる場合、締結時に第２締付板４２ａが撓んで例えば中央側の部分が浮きやすくなる。これに対して、本実施の形態では中央側に凸状の内側押圧部１１５を設け、内側押圧部１１５は凹部１２０Ａにより外側押圧部１１０と分離されている。しかも、内側押圧部１１５は締結前の状態において外側押圧部１１０よりも突き出る。これにより、第２締付板４２ａは撓んだとして第１締付板４１ａの広い範囲に接する。一方、第２締付板４２ａは、部分的に第１締付板４１ａに接することになるため、第１締付板４１ａには分布のある面圧が第２締付板４２ａから伝わる。しかし、第１締付板４１ａは平坦な板状で、第１絶縁板３０ａに面接触する平面部分４１１を有する。これにより、第１締付板４１ａからセル積層体１０側に均一的な面圧を付与できる。

【0063】

＜作用・効果＞
次に、本実施の形態の作用・効果について説明する。

【0064】

燃料電池１を組み立てる際、まず、第１集電板２０ａがセル積層体１０の積層方向Ｓｔにおける一方側の端面上に配置され、第２集電板２０ｂが、セル積層体１０の積層方向Ｓｔにおける他方側の端面上に配置される。次いで、第１絶縁板３０ａが、積層方向Ｓｔで第１集電板２０ａ上に配置され、第２絶縁板３０ｂが、積層方向Ｓｔで第２集電板２０ｂ上に配置される。

【0065】

次いで、第１絶縁板３０ａ上に、第１締付板４１ａ及び第２締め付板４２ａがこの順で配置され、第２絶縁板３０ｂ上に、第１締付板４１ｂ及び第２締め付板４２ｂがこの順で配置される。そして、第２締付板４２ａの締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄと、第２締付板４２ｂの締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄとの間にそれぞれ締結部材５０を設け、締結部材５０によって、第２締付板４２ａと第２締付板４２ｂとを互いに近づくように締め付ける。

【0066】

上述のように締結部材５０を締め付ける際、第２締付板４２ａ，４２ｂが撓みやすくなり、例えば中央側の部分が浮きやすくなる。これに対して、本実施の形態では、第２締付板４２ａ，４２ｂの中央側に凸状の内側押圧部１１５を設け、内側押圧部１１５は凹部１２０Ａにより外側押圧部１１０と分離されている。しかも、内側押圧部１１５は締結前の状態において外側押圧部１１０よりも突き出る。これにより、第２締付板４２ａ，４２ｂが撓んだとして第１締付板４１ａの広い範囲に接する。

【0067】

一方、第２締付板４２ａ，４２ｂは、外側押圧部１１０と内側押圧部１１５とで部分的に第１締付板４１ａに接することになるため、第１締付板４１ａ，４１ｂには分布のある面圧が第２締付板４２ａ，４２ｂから伝わる。しかし、第１締付板４１ａ，４１ｂは平坦な板状で、絶縁板３０ａ，３０ｂに面接触する平面部分４１１を有する。これにより、第１締付板４１ａ，４１ｂからセル積層体１０側に均一的な面圧を付与できる。すなわち、絶縁板３０、集電板２０、セル積層体１０が、締付力による応力集中で損傷すること等を防止できる。

【0068】

以上に説明した本実施の形態に係る燃料電池１は、複数の燃料電池セル１０ｃを積層したセル積層体１０と、セル積層体１０上に配置される集電板２０と、集電板２０上に配置される絶縁板３０と、絶縁板３０上に配置され、セル積層体１０側に締め付けられることで集電板２０及び絶縁板３０をセル積層体１０に保持する締付構造体４０と、を備える。そして、締付構造体４０は、絶縁板３０に面接触する平面部分４１１を有する第１締付板４１と、第１締付板４１上に配置され、セル積層体１０側に締め付けられることで第１締付板４１を絶縁板３０に押し付ける第２締付板４２と、を有する。これにより、締付板（詳しくは、第２締付板４２）に撓みが生じたとしても、第２締付板４２からセル積層体１０に均一的な面圧を付与できる。そして、面圧の均一化により接触抵抗を抑制でき、燃料電池１の性能を向上できる。

【0069】

また、締付構造体４０においては板状の第１締付板４１で剛性が担保できるため、第２締付板４２は板厚の薄型化を可能とし、重量を削減できる。さらに、第２締付板４２の一体成型において板厚を薄くすると、加工性が上がり、プレス成型のコストを削減できる。また、第２締付板４２を薄くする等して撓みやすくすることで、締付時の伸び縮みを吸収できるため、燃料電池セル１０ｃの破損を抑制でき且つ締付力の低下も抑制できる。

【0070】

また、本実施の形態では第２締付板４２が積層方向Ｓｔで見る場合に第１締付板４１の外周側に張り出す締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄを有し、第２締付板４２は、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄから積層方向Ｓｔに付加される力によりセル積層体１０側に締め付けられる。そして、第１締付板４１には、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄの張り出し方向とは反対の方向に延びる切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄが形成される。詳しくは、切欠き４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄは、第１締付板４１の四隅に設けられている。この場合、第２締付板４２の締付時に締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄがセル積層体１０側に撓んだ際に、締結部４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄやその鍔部１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄにおける大きく撓む部分が、第１締付板４１と接触するのを回避でいる。これにより、第１締付板４１において局所的に応力集中が生じるのを回避でき、第２締付板４２からセル積層体１０により均一的な面圧を付与できる。

【0071】

なお、２枚の締付板によってセル積層体を挟み込む燃料電池は既に存在する。上述した本実施の形態における第１締付板４１は、このような既存の燃料電池に対して追加的に設けられもよく、これにより、既存の燃料電池の締付力が調整されてもよい。
すなわち、この場合には、まず、締付板を取り外す工程が行われる。
次いで、絶縁板上に、絶縁板に面接触する平面部分を有する追加締付板（第１締付板４１相当）を設ける工程が行われる。
そして、追加締付板上に上記締付板を配置しセル積層体側に締め付けることで追加締付板を絶縁板に押し付け、集電板及び絶縁板をセル積層体に保持する工程が行われる。

【0072】

以上、一実施の形態及び変形例を説明したが、上記実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施の形態及びその他の変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0073】

例えば上述の実施の形態では燃料電池１が説明されたが、他の実施の形態として、上述した締付構造体４０が、水素製造装置等として機能する電気化学装置（電解装置）に適当されてもよい。この場合、この電気化学装置は、複数の電気化学セルを積層したセル積層体と、電気化学セルの積層方向でセル積層体上に配置される集電板と、集電板上に配置される絶縁板と、絶縁板上に配置され、セル積層体側に締め付けられることで集電板及び絶縁板をセル積層体に保持する締付構造体と、を備える。そして、締付構造体が、絶縁板に面接触する平面部分を有する第１締付板と、第１締付板上に配置され、セル積層体側に締め付けられることで第１締付板を絶縁板に押し付ける第２締付板と、を有する。
マニホルドの配置は上述の実施の形態に限定されない。例えば、入出口を有するマニホルドと、このマニホルドにセル積層体を介して対向する対向マニホルドとを有する構造が採用されてもよい。この場合、入口からのガスは、セル積層体を介して対向マニホルドに流入してターンし、セル積層体を介して出口側に流れる。

【符号の説明】

【0074】

１…燃料電池、１０…セル積層体、１０ｃ…燃料電池セル、２０…集電板、２０ａ…第１集電板、２０ｂ…第２集電板、３０…絶縁板、３０ａ…第１絶縁板、３０ｂ…第２絶縁板、４０…締付構造体、４０ａ…第１締付構造体、４０ｂ…第２締付構造体、４１（４１ａ，４１ｂ）…第１締付板、４１１…平面部分、４１２Ａ，４１２Ｂ，４１２Ｃ，４１２Ｄ…切欠き、４２（４２ａ，４２ｂ）…第２締付板、４２０…板本体部、４２４Ａ，４２４Ｂ，４２４Ｃ，４２４Ｄ…締結部、４２４Ａ１，４２４Ｂ１，４２４Ｃ１，４２４Ｄ１…貫通孔、５０…締結部材、５２…スタッドボルト、５４…ワッシャ、５６…ナット、６０…マニホルドユニット、６１…酸化剤極入口マニホルド、６２…酸化剤極出口マニホルド、６３…燃料極入口マニホルド、６４…燃料極出口マニホルド、６５…セパレータ、６６…燃料極流路、１１０…外側押圧部、１１０Ａ…第１辺部、１１０Ｂ…第２辺部、１１０Ｃ…第３辺部、１１０Ｄ…第４辺部、１１５…内側押圧部、１２０…梁部、１２０Ａ…凹部、１２４Ａ…第１梁要素、１２４Ｂ…第２梁要素、１２４Ｃ…第３梁要素、１２４Ｄ…第４梁要素、１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃ，１２６Ｄ…鍔部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】