JP2020017416A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体における電解質膜・電極構造体の電極部での積層方向の寸法変動を吸収し、電極反応面での荷重変動を効果的に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１２は、電解質膜・電極構造体２８ａとセパレータとを有する発電セル１２ｃが複数積層されてなるセル積層体１２ｓｔと、セル積層体１２ｓｔの積層方向の端部に配置されたターミナルプレート２２ａ及びインシュレータ２４ａとを備える。セル積層体１２ｓｔとインシュレータ２４ａとの間にターミナルプレート２２ａが配置されている。インシュレータ２４ａとターミナルプレート２２ａとの間に、ターミナルプレート２２ａをセル積層体１２ｓｔに向かって弾性的に押圧する弾性構造２３が設けられている。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の発電セルからなるセル積層体の端部に配置されたターミナルプレート及びインシュレータを備えた燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方にアノード電極が、他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルが構成されている。通常、所定数の発電セルが積層されるとともに積層方向に締付荷重が付与されて燃料電池スタックが構成される。このような燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に搭載されている。

特許文献１には、複数の発電セルからなるセル積層体と、エンドプレートとの間に、ターミナルプレート及び絶縁性スペーサが配置された構成が開示されている。

特開２００５−２４３２８６号公報

燃料電池スタックにおいて所望の発電性能を得るために、セル積層体には積層方向に所定の締付荷重が付与されていることが求められる。セル積層体の構成部品の寸法公差、温度変化、ガス圧変化、部品のクリープ等により締付荷重が変動すると、発電性能の低下を招くおそれがある。

本発明は、セル積層体における電解質膜・電極構造体の電極部での積層方向の寸法変動を吸収し、電極部での荷重変動を効果的に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の端部に配置されたターミナルプレート及びインシュレータとを備え、前記セル積層体と前記インシュレータとの間に前記ターミナルプレートが配置され、前記セル積層体、前記ターミナルプレート及び前記インシュレータには積層方向の荷重が付与された燃料電池スタックであって、前記インシュレータと前記ターミナルプレートとの間に、前記ターミナルプレートを前記セル積層体に向かって弾性的に押圧する弾性構造が設けられている、燃料電池スタックである。

この燃料電池スタックによれば、インシュレータとターミナルプレートの間に弾性構造が設けられているため、セル積層体における電解質膜・電極構造体の電極部（電極反応面）での積層方向の寸法変動を吸収し、電極部での荷重変動を効果的に抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを備えた燃料電池車両の斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータを酸化剤ガス流路側から見た図である。 第２金属セパレータを燃料ガス流路側から見た図である。 スタックケースの分解斜視図である。 燃料電池スタックの断面図である。 弾性構造のバネ定数の設定範囲の説明図である。

以下の説明において、上方（上部）とは、鉛直方向の上方（上部）を意味する。図１に示す燃料電池車両１１は、燃料電池システム１０を備える。燃料電池車両１１は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２が、ダッシュボード１６の前方（矢印Ａｆ方向）に形成されたフロントルーム（モータルーム）１８内に配設されている。燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１２ｃが車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなるセル積層体１２ｓｔと、セル積層体１２ｓｔを覆うスタックケース１３とを有する。

図２に示すように、発電セル１２ｃは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１金属セパレータ３０と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２金属セパレータ３２とを備える。第１金属セパレータ３０は、セパレータの一例である。第２金属セパレータ３２は、セパレータの一例である。複数の発電セル１２ｃが、例えば、矢印Ｂ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されるとともに、積層方向の締付荷重（圧縮荷重）が付与されて、燃料電池スタック１２が構成される。

第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する発電セル１２ｃにおける一方の発電セル１２ｃの第１金属セパレータ３０と、他方の発電セル１２ｃの第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

発電セル１２ｃの長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ａｒ方向側の端縁部）には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２ｃの長辺方向である水平方向の他端縁部（矢印Ａｆ方向側の端縁部）には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂと冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に設けられた枠形状の樹脂フィルム４６とを備える。電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０を挟持するカソード電極４１及びアノード電極４２とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、カソード電極４１及びアノード電極４２に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

カソード電極４１は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。アノード電極４２は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

樹脂フィルム４６の矢印Ａｒ方向側の端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ａｆ方向側の端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａ（以下、「表面３０ａ」という）には、例えば、矢印Ａ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ａ方向に延在する複数本の流路形成用凸部４８ａ間に形成された複数本の流路溝４８ｂを有する。流路形成用凸部４８ａは、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。図示例の流路溝４８ｂは、矢印Ａ方向に延在する波形状に形成されている。流路溝４８ｂは、矢印Ａ方向に延在する直線状溝であってもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス５０ａを有する入口バッファ部５０Ａが設けられる。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス５０ｂを有する出口バッファ部５０Ｂが設けられる。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により第１シールライン５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。第１シールライン５１は、シール部の一例である。第１シールライン５１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

第１シールライン５１は、酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０Ａ及び出口バッファ部５０Ｂを囲むビードシール５１ａ（以下、「内側ビード部５１ａ」という）と、内側ビード部５１ａよりも外側に設けられるとともに第１金属セパレータ３０の外周に沿って延在するビードシール５２（以下、「外側ビード部５２」という）と、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）を個別に囲む複数のビードシール５３（以下、「連通孔ビード部５３」という）とを有する。外側ビード部５２は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出するとともに当該表面３０ａの外周縁部を周回する。第１シールライン５１は、ビードシールに代えて、弾性を有するゴムシールにより構成されてもよい。

複数の連通孔ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

以下、複数の連通孔ビード部５３のうち、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲むものを「連通孔ビード部５３ａ」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲むものを「連通孔ビード部５３ｂ」と表記する。連通孔ビード部５３ａと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した入口バッファ部５０Ａ（複数個のエンボス５０ａ）が配置されている。連通孔ビード部５３ｂと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した出口バッファ部５０Ｂ（複数個のエンボス５０ｂ）が配置されている。第１金属セパレータ３０には、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの内側（連通孔３４ａ、３４ｂ側）及び外側（酸化剤ガス流路４８側）を連通するブリッジ部８０、８２が設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａに、ブリッジ部８０が設けられる。ブリッジ部８０は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８０ａを有する。複数のトンネル８０ａは、連通孔ビード部５３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。各トンネル８０ａの一端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに開口している。各トンネル８０ａの他端部には、開口部８０ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８０を介して連通している。

酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５３ｂに、ブリッジ部８２が設けられる。ブリッジ部８２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８２ａを有する。複数のトンネル８２ａは、連通孔ビード部５３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。各トンネル８２ａの一端部は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに開口している。各トンネル８２ａの他端部には、開口部８２ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８２を介して連通している。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａ（以下、「表面３２ａ」という）には、例えば、矢印Ａ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ａ方向に延在する複数本の流路形成用凸部５８ａ間に形成された複数本の流路溝５８ｂを有する。流路形成用凸部５８ａは、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。図示例の流路溝５８ｂは、矢印Ａ方向に延在する波形状に形成されている。流路溝５８ｂは、矢印Ａ方向に延在する直線状溝であってもよい。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス６０ａを有する入口バッファ部６０Ａが設けられる。また、第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス６０ｂを有する出口バッファ部６０Ｂが設けられる。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により第２シールライン６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６１は、シール部の一例である。第２シールライン６１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。当該樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

第２シールライン６１は、燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０Ａ及び出口バッファ部６０Ｂを囲むビードシール（以下、「内側ビード部６１ａ」という）と、内側ビード部６１ａよりも外側に設けられるとともに第２金属セパレータ３２の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部６２」という）と、複数の連通孔（連通孔３８ａ等）を個別に囲む複数のビードシール（以下、「連通孔ビード部６３」という）とを有する。外側ビード部６２は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに当該表面３２ａの外周縁部を周回する。第２シールライン６１は、ビードシールに代えて、弾性を有するゴムシールにより構成されてもよい。

複数の連通孔ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

以下、複数の連通孔ビード部６３のうち、燃料ガス入口連通孔３８ａを囲むものを「連通孔ビード部６３ａ」と表記し、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲むものを「連通孔ビード部６３ｂ」と表記する。連通孔ビード部６３ａと燃料ガス流路５８との間に、上述した入口バッファ部６０Ａ（複数個のエンボス６０ａ）が配置されている。連通孔ビード部６３ｂと燃料ガス流路５８との間に、上述した出口バッファ部６０Ｂ（複数個のエンボス６０ｂ）が配置されている。第２金属セパレータ３２には、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの内側（連通孔３８ａ、３８ｂ側）及び外側（燃料ガス流路５８側）を連通するブリッジ部９１、９２が設けられる。

燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６３ａに、ブリッジ部９１が設けられる。ブリッジ部９１は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９１ａを有する。複数のトンネル９１ａは、連通孔ビード部６３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。各トンネル９１ａの一端部は、燃料ガス入口連通孔３８ａに開口している。各トンネル９１ａの他端部には、開口部９１ｂが設けられている。これにより、燃料ガス入口連通孔３８ａと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９１を介して連通している。

燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６３ｂに、ブリッジ部９２が設けられる。ブリッジ部９２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９２ａを有する。複数のトンネル９２ａは、連通孔ビード部６３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。各トンネル９２ａの一端部は、燃料ガス出口連通孔３８ｂに開口している。各トンネル９２ａの他端部には、開口部９２ｂが設けられている。これにより、燃料ガス出口連通孔３８ｂと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９２を介して連通している。

図２に示すように、互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図１に示すように、セル積層体１２ｓｔの積層方向一端（矢印ＢＲ方向側）には、ターミナルプレート２２ａ及びインシュレータ２４ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体１２ｓｔの積層方向他端（矢印ＢＬ側）には、ターミナルプレート２２ｂ及びインシュレータ２４ｂが外方に向かって順次配設される。セル積層体１２ｓｔは、スタックケース１３により、積層方向（矢印Ｂ方向）に締付荷重が付与されている。ターミナルプレート２２ａ、２２ｂは、電気導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、又はこれらを主成分とする金属により構成される。

スタックケース１３は、セル積層体１２ｓｔを収納するメインケース１４と、燃料電池用補機７０を収納する補機ケース１５とを備える。スタックケース１３は、略直方体状（長辺が車両幅方向に沿って延在する直方体状）である。

図５に示すように、メインケース１４は、平面視で四角形状のケース本体７６を有する。ケース本体７６は、左側（矢印ＢＬ方向側）に形成された四角形状の左開口部７６ａと、右側（矢印ＢＲ方向側）に形成された四角形状の右開口部７６ｂと、後側（矢印Ａｒ方向側）に形成された四角形状の後方開口部７６ｃとを有し、箱型に構成されている。

ケース本体７６の上部（図示例では、ケース本体７６の鉛直方向の上面７６ｓ）の、補機ケース１５が接合される側とは反対側の２つの角部には、メインケース１４を外部に連通する孔部１４ｈが形成されている。孔部１４ｈは、ケース本体７６の上記２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１４ｈは、メインケース１４の鉛直方向の上面７６ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

メインケース１４は、さらに、ケース本体７６の右開口部７６ｂを閉じる右サイドパネル７８と、ケース本体７６の後方開口部７６ｃを閉じる後方サイドパネル７９とを備える。右サイドパネル７８は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の右端にボルト８４により接合される。右サイドパネル７８は、セル積層体１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する一方のエンドプレート６８Ａを兼ねている。ケース本体７６と右サイドパネル７８との間には、弾性材料からなるシール部材８１が、ケース本体７６と右サイドパネル７８との接合面の全周に亘って配置される。

後方サイドパネル７９は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の後端にボルト８４により接合される。ケース本体７６と後方サイドパネル７９との間には、弾性材料からなるシール部材８３が、ケース本体７６と後方サイドパネル７９との接合面の全周に亘って配置される。なお、後方サイドパネル７９は、ケース本体７６とは別部品ではなく、ケース本体７６と一体であってもよい。

図１に示すように、補機ケース１５は、燃料電池用補機７０を保護するための保護ケースであり、メインケース１４の水平方向に隣接してメインケース１４に接合されている。補機ケース１５内には、燃料電池用補機７０として、酸化剤ガス系デバイス７０Ａ及び燃料ガス系デバイス７０Ｂ及びが収容されている。

補機ケース１５内に収納されている酸化剤ガス系デバイス７０Ａは、エアポンプ７１、加湿器７３等である。補機ケース１５内に収容されている燃料ガス系デバイス７０Ｂは、インジェクタ７４、エジェクタ７５、水素ポンプ７７、バルブ類（図示せず）等である。

補機ケース１５は、メインケース１４に隣接して設けられた凹形状の第１ケース部材８８と、第１ケース部材８８に接合された凹形状の第２ケース部材９０とを有し、第１ケース部材８８内に燃料電池用補機７０の少なくとも一部が収容されている。

図５に示すように、メインケース１４と第２ケース部材９０との間に第１ケース部材８８が配置されている。第１ケース部材８８は、ケース本体７６の左端にボルト８４により接合される。ケース本体７６と第１ケース部材８８との間には、弾性材料からなるシール部材７９ｓが、ケース本体７６と第１ケース部材８８との接合面の全周に亘って配置される。これにより、ケース本体７６と第１ケース部材８８との間に気密シールが形成されている。

第１ケース部材８８は、燃料電池スタック１２に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部８８ａを一体に有する。エンドプレート部８８ａは、凹形状の第１ケース部材８８の底壁部である。すなわち、第１ケース部材８８の一部が、セル積層体１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する他方のエンドプレート６８Ｂを兼ねている。第１ケース部材８８は、例えば、鋳造により成形されている。

第１ケース部材８８は、メインケース１４に接合された上記エンドプレート部８８ａと、エンドプレート部８８ａの周縁部全周からエンドプレート部８８ａの厚さ方向（メインケース１４から離れる方向）（矢印ＢＬ方向）に延出した周壁部（第１周壁部）８８ｂとを有する。エンドプレート部８８ａと周壁部８８ｂとは、別々の部品を接合したものではなく、連続した一体の第１ケース部材８８を構成している。エンドプレート部８８ａと周壁部８８ｂとは互いに個別に製作された（互いに区別可能な）部品であり、そのようなエンドプレート部８８ａと周壁部８８ｂとが接合されて第１ケース部材８８が構成されてもよい。

第１ケース部材８８のエンドプレート部８８ａは、メインケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを区画する。周壁部８８ｂの突端（第２ケース部材９０側の端部）には外方に突出した第１フランジ部８８ｃが設けられている。

エンドプレート部８８ａの上部には、メインケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを互いに連通させる複数の換気用連通孔９４が設けられている。換気用連通孔９４は、エンドプレート部８８ａを厚さ方向（矢印Ｂ方向）に貫通する孔であり、ケース本体７６の左開口部７６ａに臨む。上記のシール部材７９ｓは、換気用連通孔９４よりも外側に配置される。

第１ケース部材８８のエンドプレート部８８ａには、燃料電池スタック１２に設けられた酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂにそれぞれ接続される接続配管（図示せず）を通すための配管用開口部９６ａ、９６ｂが形成されている。

第２ケース部材９０は、第１ケース部材８８を閉じるカバー部材であり、第１ケース部材８８にボルト８４により接合される。第２ケース部材９０は、燃料電池スタック１２から離れる方向（矢印ＢＬ方向）に凹んだ凹形状を有する。

周壁部９０ｂの突端（第１ケース部材８８側の端部）には外方に突出した第２フランジ部９０ｃが設けられている。第２ケース部材９０は、第１ケース部材８８にボルト８４により接合される。第１ケース部材８８の第１フランジ部８８ｃと第２ケース部材９０の第２フランジ部９０ｃとの間には、弾性材料からなるシール部材９３が、第１ケース部材８８と第２ケース部材９０との接合面の全周に亘って配置される。これにより、第１フランジ部８８ｃと第２フランジ部９０ｃとの間に気密シールが形成されている。

補機ケース１５の上部（図示例では鉛直方向の上面７２ｓ）の、メインケース１４が接合される側とは反対側の２つの角部には、補機ケース１５を外部に連通する孔部１５ｈが形成されている。具体的に、孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部に形成されている。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の鉛直方向の上面７２ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

外部からメインケース１４内に空気を導入してメインケース１４内を換気するために、メインケース１４には換気用空気導入孔９９が設けられている。換気用空気導入孔９９は、メインケース１４の下部（図示例では、右サイドパネル７８の下部及び後方サイドパネル７９の下部）に複数設けられている。また、補機ケース１５の下部（図示例では、第１ケース部材８８の下部及び第２ケース部材９０の下部）にも換気用空気導入孔９９が設けられている。

図６に示すように、インシュレータ２４ａとターミナルプレート２２ａとの間に、ターミナルプレート２２ａをセル積層体１２ｓｔに向かって弾性的に押圧する弾性構造２３が設けられている。インシュレータ２４ａ及びターミナルプレート２２ａは、セル積層体１２ｓｔの積層方向一方側（矢印ＢＲ方向側）の端部と、エンドプレート６８Ａ（右サイドパネル７８）との間に配置されている。セル積層体１２ｓｔの積層方向一方側には発電を行わないダミーセルが設けられてもよい。

インシュレータ２４ａは、電気的絶縁性を有する材料からなり、積層方向に厚さを有する板状部材である。インシュレータ２４ａは、セル積層体１２ｓｔとエンドプレート６８Ａとの間に挟持されており、セル積層体１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する。インシュレータ２４ａは、エンドプレート６８Ａに対して積層方向の位置が固定されている。すなわち、インシュレータ２４ａは、エンドプレート６８Ａに対して積層方向に相対変位しない。

インシュレータ２４ａは、セル積層体１２ｓｔから離れる方向（矢印ＢＲ方向）に凹んだ凹部２４ａ１と、この凹部２４ａ１を囲むとともに凹部２４ａ１に対してセル積層体１２ｓｔ側に突出した枠状外周部２４ａ２とを有する。凹部２４ａ１に、ターミナルプレート２２ａと弾性構造２３とが配置されている。凹部２４ａ１の深さ（矢印Ｂ方向に沿った寸法）は、ターミナルプレート２２ａの厚さよりも大きい。積層方向から見て、凹部２４ａ１及びターミナルプレート２２ａは、それぞれ略四角形状に形成されている。積層方向から見て、枠状外周部２４ａ２は、凹部２４ａ１の周囲を周回する略四角形状に形成されている。

積層方向から見て、インシュレータ２４ａの枠状外周部２４ａ２は発電セル１２ｃとのシール部に重なる位置に配置されている。セル積層体１２ｓｔの積層方向の一端部において、枠状外周部２４ａ２は発電セル１２ｃの外周部を全周に亘って押圧する。枠状外周部２４ａ２は、セル積層体１２ｓｔのうち電解質膜・電極構造体２８ａと積層方向に重なる位置よりも外側を押圧する。従って、枠状外周部２４ａ２は、セル積層体１２ｓｔのうち電解質膜・電極構造体２８ａと積層方向に重なる位置を押圧しない。

ターミナルプレート２２ａは、発電セル１２ｃの発電領域である電極部（カソード電極４１及びアノード電極４２）に対応する大きさの平面寸法を有する。ターミナルプレート２２ａの厚さ方向の少なくとも一部は、凹部２４ａ１内に挿入されている。ターミナルプレート２２ａの厚さは、凹部２４ａ１の深さよりも小さい。ターミナルプレート２２ａは、凹部２４ａ１の内周面をガイドとして、積層方向に変位可能である。従って、ターミナルプレート２２ａは、エンドプレート６８Ａ及びインシュレータ２４ａに対して積層方向に相対変位可能である。ターミナルプレート２２ａのセル積層体１２ｓｔと反対側の面は、凹部２４ａ１の底面と隙間を介して対向している。

積層方向から見て、ターミナルプレート２２ａは、シール部（第１シールライン５１及び第２シールライン６１）の内側で電解質膜・電極構造体２８ａと重なる位置に配置されている。セル積層体１２ｓｔの積層方向の一端部において、ターミナルプレート２２ａは発電セル１２ｃの外周部よりも内側を押圧する。従って、ターミナルプレート２２ａは、発電セル１２ｃの発電領域である電極部（電極反応面）に積層方向の締付荷重を付与する。

本実施形態において、弾性構造２３は、複数のコイルバネ２３Ａを有する。複数のコイルバネ２３Ａは、ターミナルプレート２２ａとインシュレータ２４ａとの間に、弾性圧縮状態で、互いに間隔を置いて配置されている。コイルバネ２３Ａは、水平方向及び鉛直方向のそれぞれにおいて複数個ずつ配置されている。凹部２４ａ１の底面には、各コイルバネ２３Ａの一端を保持（係止）する複数の保持部２４ｈが設けられている。各保持部２４ｈは、コイルバネ２３Ａの外周が係合する溝状に形成されている。各保持部２４ｈは、各コイルバネ２３Ａの一端内周に挿入される突起であってもよい。複数の保持部２４ｈは、ターミナルプレート２２ａの、凹部２４ａ１の底面に対向する面に設けられてもよい。

弾性構造２３は、コイルバネ２３Ａに代えて、少なくとも１つの皿バネを有してもよい。弾性構造２３は、コイルバネ２３Ａに代えて、弾性を持つ多孔質体やゴムを有してもよい。弾性構造２３は、コイルバネ２３Ａ、皿バネ、多孔質体及びゴムのうち少なくとも２つを組み合わせた構造であってもよい。複数のコイルバネ２３Ａは、ターミナルプレート２２ａに向かって面内の荷重分布が均一になるように配置される。

ターミナルプレート２２ａのセル積層体１２ｓｔ側の面（以下、「ターミナル面２２ｓ」という）と枠状外周部２４ａ２のセル積層体１２ｓｔ側の面（以下、「インシュレータ面２４ｓ」という）とは、積層方向の位置において一致していることが最も好ましい。しかしながら、ターミナル面２２ｓとインシュレータ面２４ｓとの間には、許容値以下の大きさの段差（以下、「ターミナル・インシュレータ間段差」という）が存在してもよい。許容値を超えるターミナル・インシュレータ間段差が発生すると、セパレータに許容できない変形が生じる可能性がある。このため、弾性構造２３のバネ定数Ｋは、燃料電池スタック１２の運転温度範囲において、ターミナル・インシュレータ間段差が許容値以下となるように設定される。

以下の説明では、ターミナル・インシュレータ間段差について、ターミナル面２２ｓがインシュレータ面２４ｓに対してセル積層体１２ｓｔ側（矢印ＢＬ方向側）に変位する場合をプラス側の段差と定義し、ターミナル面２２ｓがインシュレータ面２４ｓに対してエンドプレート６８Ａ側（矢印ＢＲ方向側）に変位する場合をマイナス側の段差と定義する。

弾性構造２３のバネ定数Ｋは、図７に示す適正範囲内に設定される。セル積層体１２ｓｔは温度によって剛性が変化するため、この変化に対応して弾性構造２３のバネ定数Ｋは、温度が高いほど高く（図７のＰ２）、温度が低いほど低く（図７のＰ１）する必要がある。

燃料電池スタック１２（セル積層体１２ｓｔ）の運転温度は、発電時（定格状態での発電時）の温度が、初期締結時（燃料電池スタック１２の組立時）よりも高い。バネ定数Ｋが小さすぎると、発電時に、セパレータ（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ２０）及びＭＥＡ２８ａの変位量（変形量）が大きくなる。そこで、弾性構造２３のバネ定数Ｋは、発電時に、ターミナル・インシュレータ間段差が、閾値ｔｈ１（セパレータ変位限界）よりもマイナス側にならないように設定される。従って、発電時にターミナル・インシュレータ間段差が閾値ｔｈ１（Ｑ１）を示すバネ定数Ｋが、バネ定数Ｋの下限値ｋ１となる。

一方、燃料電池スタック１２の運転温度は、冬期等、環境温度が低い状態での始動時（低温時）には、初期締結時よりも低い。バネ定数Ｋが大きすぎると、低温時に、セパレータの変形量（変位量）が大きくなりすぎる。そこで、弾性構造２３のバネ定数Ｋは、低温時に、ターミナル・インシュレータ間段差が、閾値ｔｈ２（セパレータ変位限界）よりもプラス側にならないように設定される。従って、低温時にターミナル・インシュレータ間段差が閾値ｔｈ２（Ｑ２）を示すバネ定数Ｋが、バネ定数Ｋの上限値ｋ２となる。以上より、弾性構造２３のバネ定数Ｋは、ｋ１以上、ｋ２以下に設定されることが好ましい。弾性構造２３は、反対側のターミナルプレート２２ｂとインシュレータ２４ｂとの間に設けられてもよい。

図１において、ケース本体７６の両端に接合された一対のエンドプレート６８Ａ、６８Ｂ間の距離は一定であり、一対のエンドプレート６８Ａ、６８Ｂ間に、セル積層体１２ｓｔ、一対のターミナルプレート２２ａ、２２ｂ及び一対のインシュレータ２４ａ、２４ｂが配置されている。従って、セル積層体１２ｓｔの積層方向の両端に設けられた一対のインシュレータ２４ａ、２４ｂの間の距離は一定であり、インシュレータ２４ａ、２４ｂ間に挟持されるセル積層体１２ｓｔの外周部（シール領域）の積層方向寸法は一定に保持される。ケース本体７６の代わりに、エンドプレート６８Ａ、６８Ｂの各辺の間に、平板状のプレート又はスタットボルトが配置されてもよい。

燃料電池システム１０は、さらに、スタックケース１３（メインケース１４及び補機ケース１５）から燃料ガスを排出するための排気装置９８を備える。セル積層体１２ｓｔ又は燃料電池用補機７０（燃料ガス系デバイス７０Ｂ及び酸化剤ガス系デバイス７０Ａ）から燃料ガスが漏出した場合に、燃料ガスが排気装置９８を介して車外に排出されるようになっている。排気装置９８は、メインケース１４に接続された第１換気用ダクト１００ａと、補機ケース１５に接続された第２換気用ダクト１００ｂとを有する。

第１換気用ダクト１００ａは、メインケース１４の２つの孔部１４ｈに接続された２つの接続管部１０２ａ、１０２ｂと、２つの接続管部１０２ａ、１０２ｂが合流した合流管部１０２ｃとを有する。合流管部１０２ｃは、右側フェンダー部１０８Ｒに設けられた右側排気口１１０Ｒに接続されている。第２換気用ダクト１００ｂは、補機ケース１５の２つの孔部１５ｈに接続された２つの接続管部１０４ａ、１０４ｂと、２つの接続管部１０４ａ、１０４ｂが合流した合流管部１０４ｃとを有する。合流管部１０４ｃは、左側フェンダー部１０８Ｌに設けられた左側排気口１１０Ｌに接続されている。第１換気用ダクト１００ａと第２換気用ダクト１００ｂとは、連結配管１１２を介して相互に接続されている。

次に、上記のように構成された燃料電池スタック１２の作用を説明する。

図２に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部８０及び入口バッファ部５０Ａを介して第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。そして、図２及び図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのカソード電極４１に供給される。

一方、図４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９１及び入口バッファ部６０Ａを介して第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。そして、図２及び図４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２８ａでは、カソード電極４１に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層及び第２電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、図３に示すように、カソード電極４１に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８からブリッジ部８２を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへと流動する。そして、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。同様に、図４に示すように、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５８からブリッジ部９２を介して燃料ガス出口連通孔３８ｂへと流動する。そして、図２に示すように、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、互いに接合された第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ａ方向に流れる。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２８ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、以下の効果を奏する。

この燃料電池スタック１２によれば、図６に示すように、インシュレータ２４ａとターミナルプレート２２ａの間に弾性構造２３が設けられているため、セル積層体１２ｓｔにおける電解質膜・電極構造体２８ａの電極部（カソード電極４１及びアノード電極４２）での積層方向の寸法変動を吸収し、電極部での荷重変動を効果的に抑制することが可能となる。

インシュレータ２４ａは、セル積層体１２ｓｔから離れる方向に凹んだ凹部２４ａ１を有する。凹部２４ａ１に、ターミナルプレート２２ａと弾性構造２３とが配置されている。この構成により、インシュレータ２４ａの厚みを利用してターミナルプレート２２ａと弾性構造２３とが配置されているため、弾性構造２３を設けることに伴う積層方向への寸法増加を最小限に抑えることができる。

ターミナルプレート２２ａは、発電セル１２ｃの発電領域である電極部（カソード電極４１及びアノード電極４２）に対応する大きさの平面寸法を有する。この構成により、電解質膜・電極構造体２８ａの電極部での荷重変動を一層効果的に抑制することができる。

セパレータ（第１金属セパレータ３０、第２金属セパレータ３２）の一方面には、電解質膜・電極構造体２８ａに沿って反応ガスを流す反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８、燃料ガス流路５８）と、反応ガス流路を囲んで形成された流体漏れ防止用の凸状のシール部（第１シールライン５１、第２シールライン６１）とが設けられている。インシュレータ２４ａは、凹部２４ａ１を囲むとともに凹部２４ａ１に対してセル積層体１２ｓｔ側に突出した枠状外周部２４ａ２を有する。積層方向から見て、インシュレータ２４ａの枠状外周部２４ａ２はシール部に重なる位置に配置されており、ターミナルプレート２２ａはシール部の内側で電解質膜・電極構造体２８ａと重なる位置に配置されている。この構成により、ターミナルプレート２２ａは、セル積層体１２ｓｔのシール部に荷重を付与しないため、セル積層体１２ｓｔのシール部における積層方向寸法を一定に保持しつつ（所定のシール面圧を得つつ）、電解質膜・電極構造体２８ａの電極部での荷重変動を抑制することができる。

なお、上述した本実施形態では、図１において、燃料電池スタック１２の積層方向が車両幅方向（矢印Ｂ方向）を向くように燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されているが、これとは異なり、燃料電池スタック１２の積層方向が車両前後方向（矢印Ａ方向）を向くように燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されてもよい。上述した本実施形態では、メインケース１４が右側に配置され、補機ケース１５が左側に配置されるように、燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されているが、これとは異なり、メインケース１４が左側に配置され、補機ケース１５が右側に配置されるように、燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されてもよい。

本発明は上述した実施形態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、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池車両
１２…燃料電池スタック １２ｃ…発電セル
１２ｓｔ…セル積層体 １３…スタックケース
１４…メインケース ２２ａ、２２ｂ…ターミナルプレート
２３…弾性構造 ２４ａ、２４ｂ…インシュレータ
２４ａ１…凹部 ２４ａ２…枠状外周部
２８ａ…電解質膜・電極構造体 ３０…第１金属セパレータ（セパレータ）
３２…第２金属セパレータ（セパレータ） ４１…カソード電極
４２…アノード電極 ４８…酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
５８…燃料ガス流路（反応ガス流路） ６８Ａ、６８Ｂ…エンドプレート
７６…ケース本体

Claims (9)

1. 電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の端部に配置されたターミナルプレート及びインシュレータとを備え、前記セル積層体と前記インシュレータとの間に前記ターミナルプレートが配置され、前記セル積層体、前記ターミナルプレート及び前記インシュレータには積層方向の荷重が付与された燃料電池スタックであって、
   前記インシュレータと前記ターミナルプレートとの間に、前記ターミナルプレートを前記セル積層体に向かって弾性的に押圧する弾性構造が設けられている、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記インシュレータは、前記セル積層体から離れる方向に凹んだ凹部を有し、
   前記凹部に、前記ターミナルプレートと前記弾性構造とが配置されている、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ターミナルプレートは、前記発電セルの発電領域である電極部に対応する大きさの平面寸法を有する、燃料電池スタック。
4. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータの一方面には、前記電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲んで形成された流体漏れ防止用の凸状のシール部とが設けられており、
   前記インシュレータは、前記凹部を囲むとともに前記凹部に対して前記セル積層体側に突出した枠状外周部を有し、
   前記積層方向から見て、前記インシュレータの前記枠状外周部は前記シール部に重なる位置に配置されており、前記ターミナルプレートは前記シール部の内側で前記電解質膜・電極構造体と重なる位置に配置されている、燃料電池スタック。
5. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記インシュレータは、前記凹部を囲むとともに前記凹部に対して前記セル積層体側に突出した枠状外周部を有し、
   前記セル積層体の積層方向の一端部において、前記枠状外周部は前記発電セルの外周部を押圧し、前記ターミナルプレートは前記発電セルの前記外周部よりも内側を押圧する、燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セル積層体の積層方向の両端に設けられた一対の前記インシュレータの間の距離は一定である、燃料電池スタック。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セル積層体を収容するスタックケースを備え、
   前記スタックケースは、前記セル積層体を囲むケース本体と、前記ケース本体の両端部に接合された一対のエンドプレートとを有し、
   前記一対のエンドプレート間に、前記セル積層体、一対の前記ターミナルプレート及び一対の前記インシュレータが挟持されている、燃料電池スタック。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記弾性構造は、コイルバネ、皿バネ、弾性を有する多孔質体又はゴムである、燃料電池スタック。
9. 請求項４又は５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記弾性構造のバネ定数は、前記燃料電池スタックの運転温度範囲において、前記ターミナルプレートの前記セル積層体側の面と、前記枠状外周部の前記セル積層体側の面との間の段差が、許容値以下となるように設定されている、燃料電池スタック。

Images