JP4667766B2

JP4667766B2 - 燃料電池用締め付け工具

Info

Publication number: JP4667766B2
Application number: JP2004156327A
Authority: JP
Inventors: 正広小林; 明水落; 清近重; 裕孝久保
Original assignee: Advanex Inc
Current assignee: Advanex Inc
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: WO2005117194A1; JP2005339958A; EP1753065A4; EP1753065A1

Description

この発明は、積層された多数の単位電池を複数の締結具を用いて同時に締め付けるための燃料電池用締め付け工具に関する。

従来から、燃料電池の一つとして、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池ということがある）は、平板状の単位電池（単位セル）を多数積層してなるものであり、このような燃料電池においては、その性能を高水準に維持して運転するために、積層した単位電池に所定の面圧を加えるべく、これらをその積層方向で締め付ける必要がある。また、上記燃料電池においては、その運転時の発熱及び放熱により特に積層方向で伸縮することから、この伸縮に追従しつつ所定の締め付け力を付与することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
特公平７−５４７１３号公報

ところで、積層された単位電池を複数の締結具を用いて締め付ける場合、各締結具の締め付け力を均等に保って単位電池にムラなく面圧を加えるために、これらを別途プレス機等を用いて締め付けた状態で各締結具の締め込み作業を行うことが好ましいが、このような作業は燃料電池の組み立て工数を増加させてしまうという問題がある。
そこでこの発明は、複数の締結具の締め付け力を均等に保った上で燃料電池の組み立て工数を削減できる燃料電池用締め付け工具を提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、積層された多数の単位電池を複数の締結具を用いて同時に締め付けるための燃料電池用締め付け工具であって、前記各締結具に対応して設けられてこれにトルク伝達可能に係合するソケット部材と、トルク入力手段からのトルクを振り分けてこれを前記各ソケット部材に対応して設けられた回転子に伝達するトルク伝達機構と、前記各ソケット部材と回転子との間にそれぞれ設けられるクラッチ機構とを備え、前記クラッチ機構が、前記締結具の締め込みに必要なトルクが所定値以下の場合には前記回転子と共にソケット部材を回転させる一方、前記トルクが所定値よりも大きい場合には前記ソケット部材に対して回転子を空転させるものであることを特徴とする。

この構成によれば、燃料電池の組み立て時において、積層された単位電池に各締結具を仮組みした後にこれらを同時に締め込むことで、各締結具の締め付け力を均等に保って単位電池にムラなく面厚を加えることが可能となる。
このとき、各締結具の仮組み時の状態にばらつきがあっても、締結具の締め込みに必要なトルクが所定値に達した場合、換言すれば締結具の締め付け力が所定値に達した場合には、クラッチ機構がソケット部材に対して回転子を空転させるので、結果的に全ての回転子が空転するまでトルクを入力することのみで、各締結具の仮組み状態のばらつきを吸収した上でこれらを同時かつ均等に締め込むことが可能となる。

請求項１に記載した発明によれば、燃料電池の組み立て時に積層された単位電池を別途プレス機等を用いて締め付けるといった作業を要することなく、各締結具の締め付け力を均等に保って単位電池にムラなく面圧を加えることができると共に、各締結具の仮組み状態のばらつきを吸収した上でこれらを同時かつ均等に締め込むことができるため、燃料電池の組み立て工数を大幅に削減できる。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１において符号１０で示す燃料電池用締め付け工具（以下、単に締め付け装置ということがある。）は、燃料電池１の組み立て時において、積層された多数の単位電池２をその積層方向に沿う複数の締結具５を用いて同時に締め付けるべく構成されたものである。

燃料電池１は、長方形状をなす平板状の単位電池（単位セル）２を多数積層し、これを一対の締め付け板３，４で挟持してなる周知の高分子電解質形燃料電池１（ＰＥＦＣ）である。燃料電池１の周囲には複数の締結具５が互いに並列に配され、これら各締結具５の両端部がそれぞれ各締め付け板３，４の外周部に連結されてこれらに締め付け力が付与される。

各締結具５は、単位電池２の長辺側には四つが略等間隔で並び、短辺側には三つが略等間隔で並ぶようにして、一つの燃料電池１に対して合計十個設けられる。これら各締結具５の締め付け力が両締め付け板３，４を介して各単位電池２に付与されてこれらに均一な面圧を発生させる。

図３を併せて参照して説明すると、各締結具５は、単位電池２の積層方向での全長に渡るスタッドボルト６及びこれに螺着されるナット７を主としてなり、かつ圧縮コイルバネ８を介在させることで単位電池２を弾性的に締め付けるものである。以下、単位電池２の積層方向を上下方向とし、スタッドボルト６の頭部６ａ側を下方、ナット７側を上方として説明する。

スタッドボルト６は、その首下部が下側の締め付け板４の下方から上側の締め付け板３の上方に向かってこれらを上下方向に沿って貫通するように設けられる。このスタッドボルト６の上側の締め付け板３から上方に突出する部分にはナット７が螺着され、該ナット７と締め付け板３との間に圧縮コイルバネ８が介装される。

圧縮コイルバネ８の下端は締め付け板３の上面に当接し、上面は平ワッシャ９を介してナット７の下面に当接する。この圧縮コイルバネ８の伸び方向への弾性力により、上側の締め付け板３が下方に向かって付勢されると共に、下側の締め付け板４がナット７及びスタッドボルト６を介して上方に向かって付勢されて、両締め付け板３，４がこれらの間の単位電池２を締め付けるようになっている。

すなわち、ナット７を緩めれば圧縮コイルバネ８の弾性力が減少して締結具５の締め付け力が減少し、ナット７を締め込めば圧縮コイルバネ８の弾性力が増加して締結具５の締め付け力が増加する。ここで、ナット７の締め込みに必要なトルクは、圧縮コイルバネ８の弾性力の増減に比例して増減する。

このような各締結具５のナット７を所定の締め込みトルクで同時に締め込むべく、締め付け工具１０が、単一のハンドル（トルク入力手段）１２から入力されたトルクを振り分け、各締結具５に対応して設けられた複数のトルクレンチ２０を同時に作動させるようになっている。

図１，２に示すように、締め付け工具１０は、上面視で各締め付け板３，４とほぼ重合しかつ上下方向で扁平な直方体状の外観をなすボックス状のフレーム１１を介して一体的に構成されてなる。該フレーム１１の中央部分には上下方向に沿う回転軸線を有するトルク入力軸１３が配されると共に、フレーム１１の外周部分には同じく上下方向に沿う回転軸線を有する複数のトルクレンチ２０が配される。

トルク入力軸１３はフレーム１１に回転自在に支持されており、その上端部がフレーム１１の上壁部１１ａから上方に突出してこれに前記ハンドル１２の基部が連結される。すなわち、ハンドル１２の操作によりトルク入力軸１３に所望のトルクを入力可能である。トルク入力軸１３に入力されたトルクは複数のギヤで構成されるトルク伝達機構１５を介して振り分けられ、この振り分けられたトルクが各トルクレンチ２０の入力回転子（回転子）２１に伝達される。

トルク伝達機構１５は、トルク入力軸１３に同軸固定される入力ギヤ１６と、該入力ギヤ１６の四方に配されてこれに噛み合う中継ギヤ１７と、各トルクレンチ２０の入力回転子２１に一体に形成されて近接する中継ギヤ１７に噛み合う出力ギヤ１８とを有してなる。入力ギヤ１６は中継ギヤ１７及び出力ギヤ１８に対して大型とされ、ハンドル１２の角速度に対して各トルクレンチ２０の角速度を増加させるようになっている。

各中継ギヤ１７はフレーム１１に回転自在に支持されるもので、これらがフレーム１１の隅部に位置するトルクレンチ２０及びこれに隣接する二つのトルクレンチ２０のそれぞれに対応する計三つの出力ギヤ１８に噛み合うように配される。なお、単位電池２の短辺側に位置する三つのトルクレンチ２０の内の中央のものに対応する出力ギヤ１８は、二つの中継ギヤ１７に噛み合っている。

そして、ハンドル１２を用いてトルク入力軸１３に上面視で右回りのトルクを入力すると、入力ギヤ１６、各中継ギヤ１７、及び各出力ギヤ１８を介して各トルクレンチ２０の入力回転子２１に同じく右回りのトルクが伝達され、その結果、トルク入力軸１３の回転に連係して各トルクレンチ２０が作動するようになっている。

図３，４に示すように、各トルクレンチ２０は、対応する締結具５のナット７にトルク伝達可能に係合するソケット部材２２と、前記入力回転子２１と、該入力回転子２１とソケット部材２２との間に介設されてこれらの間のトルク伝達を制御するクラッチ機構２３とを有してなる。

ソケット部材２２はフレーム１１に回転自在に支持されるもので、フレーム１１の下壁部１１ｂから下方に突出するように設けられるソケット本体２４と、該ソケット本体２４の上端に連なる下側支持部２５と、該下側支持部２５の上端に連なる入力軸部２６と、該入力軸部２６の上端に連なる上側支持部２７とが一体に形成されてなる。

ソケット本体２４は下方に向かって開放する有底円筒状のもので、比較的肉厚の底壁部２４ａと比較的肉薄の周壁部２４ｂとを有してなる。このようなソケット本体２４がソケット部材２２と回転軸線を共有しており、これが締結具５に対してその圧縮コイルバネ８に被さるように装着され、底壁部２４ａの下面中央に形成された凹部２４ｃ内にナット７を嵌合させる。なお、凹部２４ｃの開口側の周縁部には、ナット７を嵌合させる際にこれを案内するガイド面２４ｄが形成されている。

下側支持部２５はソケット本体２４と同軸でかつこれに対して小径の円柱状のもので、この下側支持部２５が軸受け２８を介してフレーム１１の下壁部１１ｂに回転自在に支持される。

入力軸部２６は下側支持部２５の上端からフレーム１１上壁部１１ａ近傍まで延びる棒状のもので、ソケット部材２２の回転軸線を共有する円柱の一側に平坦な面取り部２６ａが形成されて断面略Ｄ型とされる。また、入力軸部２６の上端部は、その外周部にネジ山が刻設されてなる雄ネジ部２６ｂとされる。

上側支持部２７は、入力軸部２６と同軸の円柱状のもので、この上側支持部２７が軸受け２９を介してフレーム１１の上壁部１１ａに回転自在に支持される。この上側支持部２７の上端部にはＣクリップ２７ａが装着され、該Ｃクリップ２７ａとソケット本体２４の上端部とが各軸受け２８，２９のフランジ部を介してフレーム１１に当接することで、ソケット部材２２のフレーム１１に対する上下方向での位置決めがなされる。

ソケット部材２２の入力軸部２６には、前記入力回転子２１がソケット部材２２の回転軸線回りに相対回転自在に支持される。入力回転子２１は、入力軸部２６を挿通可能な円筒状のもので、その下部外周部には前記出力ギヤ１８が一体成形されている。

入力回転子２１の上下には円盤状の厚板ワッシャ３１，３２がそれぞれ配設される。これら各厚板ワッシャ３１，３２は、入力軸部２６の断面形状に整合する略Ｄ型の挿通孔３１ａ，３２ａを有しており、該挿通孔３１ａ，３２ａに入力軸部２６を挿通させることで、各厚板ワッシャ３１，３２が入力軸部２６に対して上下方向での相対移動が許容される一方、回転軸線回りの相対回転が規制された状態で取り付けられる。

入力回転子２１と各厚板ワッシャ３１，３２との間には複数の皿バネ３３，３４が介装される。具体的には、入力回転子２１と上側の厚板ワッシャ３１との間には、中央側よりも外周側が上方となるように配された二枚の皿バネ３３が互いに重合した状態で介装され、入力回転子２１と下側の厚板ワッシャ３２との間には、中央側よりも外周側が下方となるように配された三枚の皿バネ３４が互いに重合した状態で介装される。

入力軸部２６の雄ネジ部２６ｂにはレンチ用ナット３５が螺着され、このレンチ用ナット３５の下面と入力回転子２１の上面との間には上側の厚板ワッシャ３１及び二枚の皿バネ３３が配設される。一方、下側支持部２５の上面と入力回転子２１の下面との間には下側の厚板ワッシャ３２及び三枚の皿バネ３４が配設される。すなわち、レンチ用ナット３５の下面と下側支持部２５の上面との間には、各厚板ワッシャ３１及び皿バネ並びに入力回転子２１が配設されることとなり、これらをレンチ用ナット３５と下側支持部２５とで挟持可能とされる。

そして、レンチ用ナット３５を締め込み各皿バネ３３，３４に所定の弾性力を発生させると、これら各皿バネ３３，３４を介して各厚板ワッシャ３１，３２と入力回転子２１とが摩擦係合することとなり、その結果、入力回転子２１とソケット部材２２との間でトルクの伝達が可能となる。すなわち、各厚板ワッシャ３１，３２及び皿バネ３３，３４が、入力回転子２１とソケット部材２２との間に介在する前記クラッチ機構２３を構成している。

このようなクラッチ機構２３は、レンチ用ナット３５の締め込み量を調整し各皿バネ３３，３４の弾性力を変化させることで、入力回転子２１とソケット部材２２との摩擦係合力（クラッチ容量）を増減させることが可能である。すなわち、入力回転子２１とソケット部材２２との間で伝達可能なトルクの上限値を設定し、該上限値を超えるトルクが作用した場合には、クラッチ機構２３をスリップさせて入力回転子２１とソケット部材２２とを相対回転させることで、これらの間のトルク伝達を不能とするのである。

以上説明したように、上記実施例における燃料電池用締め付け工具１０は、積層された多数の単位電池２を複数の締結具５を用いて同時に締め付けるためのものであって、各締結具５に対応して設けられてこれにトルク伝達可能に係合するソケット部材２２と、トルク入力手段であるハンドル１２から入力されたトルクを振り分けてこれを各ソケット部材２２に対応して設けられた入力回転子２１に伝達するトルク伝達機構１５と、各ソケット部材２２と入力回転子２１との間にそれぞれ設けられるクラッチ機構２３とを備え、クラッチ機構２３が、締結具５の締め込みに必要なトルクが所定値以下の場合には入力回転子２１と共にソケット部材２２を回転させる一方、前記トルクが所定値よりも大きい場合にはソケット部材２２に対して入力回転子２１を空転させるように構成されたものである。

この構成によれば、燃料電池１の組み立て時において、積層された単位電池２に各締結具５を仮組みした後にこれらを同時に締め込むことで、各締結具５の締め付け力を均等に保って単位電池２にムラなく面厚を加えることが可能となる。
これにより、燃料電池１の組み立て時に積層された単位電池２を別途プレス機等を用いて締め付けるといった作業を要することなく、各締結具５の締め付け力を均等に保って単位電池２にムラなく面圧を加えることができ、燃料電池１の組み立て工数を削減できるという効果がある。

また、各締結具５の仮組み状態（例えばスタッドボルト６へのナット７の螺着量）にばらつきがあっても、締結具５の締め込みに必要なトルクが所定値に達した場合、換言すれば締結具５の締め付け力が所定値に達した場合には、クラッチ機構２３がソケット部材２２に対して入力回転子２１を空転させるので、結果的に全ての入力回転子２１が空転するまでトルクを入力することのみで、各締結具５の仮組み状態のばらつきを吸収した上でこれらを同時かつ均等に締め込むことが可能となる。
これにより、上述の作用効果と併せて燃料電池１の組み立て工数を大幅に削減できるという効果がある。

なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、例えば、ハンドル１２に代わり、電動式あるいはエア式等のトルク入力手段を採用してもよい。また、締結具５の締め付け力調整をボルト側を締め込むことで行うようにしてもよい。さらに、トルク伝達機構１５が、チェーンとスプロケットとを組み合わせたものやベルトとプーリとを組み合わせたものであってもよい。さらにまた、クラッチ機構２３の付勢手段として、皿バネではなくコイルバネを用いた構成であってもよいが、各トルクレンチ２０の上下方向での全長が抑えられるという点で皿バネを用いることが望ましい。
そして、上記実施例における構成は一例であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

この発明の実施例における燃料電池及び締め付け工具の斜視図である。上記締め付け工具の上面説明図である。図２におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。上記締め付け工具のトルクレンチの分解説明図である。

符号の説明

２単位電池
５締結具
１０燃料電池用締め付け工具
１２ハンドル（トルク入力手段）
１５トルク伝達機構
２１入力回転子（回転子）
２２ソケット部材
２３クラッチ機構

Claims

積層された多数の単位電池を複数の締結具を用いて同時に締め付けるための燃料電池用締め付け工具であって、
前記各締結具に対応して設けられてこれにトルク伝達可能に係合するソケット部材と、トルク入力手段からのトルクを振り分けてこれを前記各ソケット部材に対応して設けられた回転子に伝達するトルク伝達機構と、前記各ソケット部材と回転子との間にそれぞれ設けられるクラッチ機構とを備え、
前記クラッチ機構が、前記締結具の締め込みに必要なトルクが所定値以下の場合には前記回転子と共にソケット部材を回転させる一方、前記トルクが所定値よりも大きい場合には前記ソケット部材に対して回転子を空転させるものであることを特徴とする燃料電池用締め付け工具。