JP2020068062A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ケースの大型化及び複数の発電セルの横ずれを抑制することができる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１０は、積層された複数の発電セル１２を有する積層体１４と、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂと、ケース２２と、積層体１４の側方に配置され、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂ同士の間を連結する連結バー２６とを備える。ケース２２の内面２５と連結バー２６には、互いの位置を規定する位置決め構造７８が設けられる。連結バー２６は、積層体１４の各々に形成された被係合部６４に係合する係合部７６を有し、且つ係合部７６を含む連結バー２６の積層体１４側に絶縁性樹脂層６８を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、特許文献１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電を行う発電セルを複数積層した積層体を備える。各発電セルは、アノード電極、電解質膜、カソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対のセパレータとを有する。

また、特許文献１に開示のセパレータは、外縁の所定位置に外側方向に突出するタブ（datum）を備える。このタブは、積層体をケース（housing）に収容した組立状態で、ケースの凹部に配置される。これにより燃料電池スタックは、荷重がかかった際にセパレータ同士の横ずれが防止される。

この種のタブは、絶縁性樹脂材料で構成され、アウトサート成形等により導電性材料（金属材料）で構成されたセパレータに連結される。セパレータとケースの間に電気を流さないためである。

米国特許出願公開第２０１６／００７２１４５号明細書

ところで、特許文献１に開示の燃料電池スタックは、各セパレータの外周に絶縁性樹脂材料を設けることで、製造コストが増大することになる。セパレータの外縁に絶縁性樹脂材料を備えない構成も考えられるが、この場合は、金属材料により構成されるケースと、発電時に電流が流れるセパレータとが電気的に導通しないように、両者の間に大きなクリアランスを設ける必要がある。しかしながら、クリアランスが大きくなると、燃料電池スタックが大型化する、積層した発電セルの横ずれ抑制機能が低下する等の不都合が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成で製造コストを大幅に低減すると共に、ケースの大型化を抑制し、また複数の発電セルの横ずれを良好に防止することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、積層された複数の発電セルを有する積層体と、前記積層体の積層方向の両端に設けられる一対のエンドプレートと、前記積層体を収容するケースと、前記積層体の側方に配置され、前記一対のエンドプレート同士の間に配置された連結バーとを備える燃料電池スタックであって、前記ケースの内面と前記連結バーには、互いの位置を規定する位置決め構造が設けられ、前記連結バーは、前記積層体に形成された被係合部に係合する係合部を有し、且つ前記係合部を含む前記連結バーの前記積層体側に絶縁性樹脂層を備える。

上記の燃料電池スタックは、位置決め構造及び係合部を備えることで、ケースに対する連結バーの位置が規定された状態で、複数の発電セルの横ずれを係合部により防止することができる。また連結バーは、積層体側に絶縁性樹脂層を備えることで、積層体の被係合部に係合部が係合しても、連結バーと積層体との絶縁性を良好に確保することができる。また、連結バーは、積層体に当接して発電セルに係合することで、ケースの大型化を抑制する。しかも連結バーは、複数の発電セルの外周の絶縁構造を不要とすることで、燃料電池スタックの製造コストを大幅に低廉化することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを概略的に示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの発電セルを示す分解斜視図である。 図３Ａは、連結バー及び発電セルの突片部の係合を示す部分斜視図である。図３Ｂは、連結バー、発電セル及びケースの内面の係合状態を示す説明図である。 図４Ａは、第１変形例に係る位置決め構造を示す説明図である。図４Ｂは、第２変形例に係る位置決め構造を示す説明図である。図４Ｃは、第３変形例に係る係合構造を示す説明図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、単位燃料電池である発電セル１２を備え、複数の発電セル１２は水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４に構成されている。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池自動車に搭載されて使用される。なお、積層体１４は、燃料電池自動車の搭載状態で、複数の発電セル１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層していてもよい。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａが外方に向かって順に配置される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂが外方に向かって順に配置される。また、積層体１４の積層方向両端には、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂが設けられる（積層される）。

さらに、燃料電池スタック１０は、積層方向に並ぶ複数の発電セル１２を覆うケース２２を有する。ケース２２は、角筒状に形成され、積層された複数の発電セル１２（積層体１４）全体を収容可能な収容空間２４ａを内側に有する収容本体２４を備える。収容空間２４ａは、矢印Ａ方向に延在し、収容本体２４の両端面に設けられた開放部２４ｂに連通している。

また、ケース２２は、収容本体２４の一対の開放部２４ｂを塞ぐ部材として、上記のエンドプレート２０ａ、２０ｂを適用している。一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂの各々は、燃料電池スタック１０の組立時に、適宜の固定手段（図示しないボルトによるネジ止め、溶着、接着等）により収容本体２４の両端面に固定される。すなわち本実施形態において、ケース２２は、収容本体２４と、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂとで構成され、複数の発電セル１２が覆われて露出しないように構成されている。

また、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂ同士の上辺の間及び下辺の間には、連結バー２６がそれぞれ締結される。各連結バー２６は、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂを介して、積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を積層体１４に付与する。なお、燃料電池スタック１０は、各連結バー２６に締め付け荷重が付与されることなく、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂが固定される収容本体２４によって締め付け荷重を積層体１４に付与してもよい。各連結バー２６は、複数の発電セル１２が積層された積層体１４をケース２２に収容した組立状態で、収容本体２４（ケース２２）の内面２５に係合する。さらに、積層体１４の側方を延在している各連結バー２６は、積層体１４と係合して各発電セル１２のずれを防止する。この連結バー２６の構成については、後に詳述する。

図２に示すように、燃料電池スタック１０の発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８を挟持する複数のセパレータ３０とを備える。具体的には、セパレータ３０は、樹脂枠付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１セパレータ３２と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２セパレータ３４とを含む。

発電セル１２の樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材３６とを備える。さらに、ＭＥＡ２８ａは、電解質膜３８と、電解質膜３８の一方の面に設けられたカソード電極４０と、電解質膜３８の他方の面に設けられたアノード電極４２とを有する。なお、ＭＥＡ２８ａは、樹脂枠部材３６を用いることなく、電解質膜３８を外方に突出させてもよい。樹脂枠部材３６には枠状のフィルム部材を用いてもよい。

電解質膜３８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固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜３８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。また図示は省略するが、アノード電極４２及びカソード電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成され、電解質膜３８に接合される電極触媒層とを有する。

樹脂枠部材３６は、ＭＥＡ２８ａの周囲に設けられることで、電解質膜３８のコストの低減を促すと共に、ＭＥＡ２８ａと第１及び第２セパレータ３２、３４との接触圧を適切に調整する。この樹脂枠部材３６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。

第１セパレータ３２は、一方の反応ガスである酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を流動させる酸化剤ガス流路４４を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のカソード電極４０に対向する面３２ａに備える。酸化剤ガス流路４４は、第１セパレータ３２の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４４ａ間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

第２セパレータ３４は、他方の反応ガスである燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路４６を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のアノード電極４２に対向する面３４ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２上に燃料ガスの流動方向を示す）。燃料ガス流路４６は、第２セパレータ３４の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４６ａ間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

また、互いに積層される第１セパレータ３２の面３２ｂと第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷媒（例えば、水）を流動させる冷媒流路４８が設けられる。冷媒流路４８は、第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４４の裏面形状と、第２セパレータ３４の燃料ガス流路４６の裏面形状とが重なり合って形成される。

第１及び第２セパレータ３２、３４、樹脂枠部材３６の長手方向（矢印Ｂ方向）の一端部には、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、冷媒入口連通孔５２ａ及び燃料ガス出口連通孔５４ｂがそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、冷媒入口連通孔５２ａ及び燃料ガス出口連通孔５４ｂは、短手方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。酸化剤ガス入口連通孔５０ａは酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４４に供給する。冷媒入口連通孔５２ａは冷媒を冷媒流路４８に供給する。燃料ガス出口連通孔５４ｂは燃料ガスを燃料ガス流路４６から排出する。

第１及び第２セパレータ３２、３４、樹脂枠部材３６の長手方向（矢印Ｂ方向）の他端部には、積層方向に連通する燃料ガス入口連通孔５４ａ、冷媒出口連通孔５２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂがそれぞれ設けられる。燃料ガス入口連通孔５４ａ、冷媒出口連通孔５２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂは、短手方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。燃料ガス入口連通孔５４ａは燃料ガス流路４６に燃料ガスを供給する。冷媒出口連通孔５２ｂは冷媒流路４８から冷媒を排出する。酸化剤ガス出口連通孔５０ｂは酸化剤ガス流路４４から酸化剤ガスを排出する。

酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂは、積層体１４の積層方向一端側の構造部（ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａ）を貫通し、エンドプレート２０ａに接続される図示しない配管に連通する。なお酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ、冷媒出口連通孔５２ｂの配置や形状は、図示例に限定されず、燃料電池スタック１０の仕様に応じて適宜設計し得る。

また、第１セパレータ３２の面３２ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材３６に接触してシール（ビードシール）を形成する第１ビード部５６がプレス成形されている。第１ビード部５６は、酸化剤ガス流路４４の外周側を周回すると共に、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂの周囲をそれぞれ囲み、酸化剤ガス流路４４への燃料ガスや冷媒の流入を防止する。

第２セパレータ３４の面３４ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材３６に接触してシール（ビードシール）を形成する第２ビード部５８がプレス成形されている。第２ビード部５８は、燃料ガス流路４６の外周側を周回すると共に、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂの周囲をそれぞれ囲み、燃料ガス流路４６への酸化剤ガスや冷媒の流入を防止する。

セパレータ３０（第１及び第２セパレータ３２、３４）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、或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することで金属セパレータに構成される。また、第１及び第２セパレータ３２、３４は、弾性体等の樹脂やゴムが外縁３３、３５に存在せずに、金属セパレータの金属部分が外縁３３、３５に露出された構成となっている。なお、セパレータ３０は、カーボン材料又はカーボンと樹脂の混合材料により構成されたカーボンセパレータを適用してもよい。

そして、第１セパレータ３２と第２セパレータ３４は、溶接、ろう付け、かしめ等の接合方法により、相互に接合されて接合セパレータに構成される。複数の発電セル１２は、製造時に接合セパレータと樹脂枠付きＭＥＡ２８を交互に積層することで、第１セパレータ３２と樹脂枠付きＭＥＡ２８間の酸化剤ガス流路４４、樹脂枠付きＭＥＡ２８と第２セパレータ３４間の燃料ガス流路４６、及び第１セパレータ３２と第２セパレータ３４間の冷媒流路４８を順に繰り返した構造を呈する。

また、発電セル１２のセパレータ３０（第１及び第２セパレータ３２、３４）は、突片部６０を各外縁３３、３５の所定箇所に有する。突片部６０は、発電セル１２の積層時に、セパレータ３０同士を位置決めさせる構成でもよい。特に、第１及び第２セパレータ３２、３４の突片部６０は、セパレータ３０の外縁３３、３５に連続して一体で形成されており、突片部６０も金属材料で成形されている。

例えば、突片部６０は、第１及び第２セパレータ３２、３４の上辺と下辺に設けられ、平面視で角部が丸い矩形状を呈している。上辺側の突片部６０は、長手方向中央部に対し長手方向他端側に寄った位置にあり、下辺側の突片部６０は、長手方向中央部に対し長手方向一端側に寄った位置にある。なお、突片部６０の位置は、図示例に限定されず、発電セル１２の外縁上の適切な箇所（例えば、長手方向中間部）に設けられてよい。

各突片部６０には、当該突片部６０を貫通する貫通孔６０ａが形成されている。貫通孔６０ａは、燃料電池スタック１０の組立時に矢印Ａ方向に延在するピン６２が挿入される。そして、発電セル１２の突片部６０は、上述の連結バー２６に係合する被係合凸部６４ａ（被係合部６４）として機能する。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、連結バー２６、及びこの連結バー２６の周辺部分の構成について詳述する。

本実施形態に係る連結バー２６は、矢印Ａ方向から見た正面視で、凹状に形成されている。連結バー２６は、金属材料で構成される本体部６６と、本体部６６の表面の所定箇所に設けられる絶縁性樹脂層６８とを有する。本体部６６を構成する金属材料は、特に限定されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、チタン等を適用するとよい。絶縁性樹脂層６８を構成する樹脂材料も、電気的な絶縁性能を備えていれば特に限定されず、例えば、ポリカーボネイト、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルフォン、フッ素樹脂等、又はインシュレータ１８ａ、１８ｂと同様の材料を適用することができる。本体部６６と絶縁性樹脂層６８は、インサート成形等の適宜の一体化加工を実施することにより、ケース２２の装着前に分離不能に構成される。

より具体的には、本体部６６は、基部７０と、この基部７０の幅方向両端側から同方向に突出する一対の突部７２とを有する。本体部６６は、収容本体２４の矢印Ａ方向（軸方向）の長さに略一致する全長に設定されている。

本体部６６の積層体１４側には、基部７０と一対の突部７２とで囲われた本体凹部６６ａが設けられ、この本体凹部６６ａは連結バー２６の延在方向（矢印Ａ方向）に沿って連続している。連結バー２６は、本体凹部６６ａの表面に絶縁性樹脂層６８が被覆されることで、絶縁性樹脂層６８で囲われた凹部７４を有することになる。凹部７４は、燃料電池スタック１０の組立状態で、積層体１４の突片部６０（被係合部６４）が挿入されて、発電セル１２の横ずれを防止する係合凹部７６ａ（係合部７６）となる。

つまり、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の突片部６０（被係合凸部６４ａ）と、連結バー２６の凹部７４（係合凹部７６ａ）とで、積層体１４を係合する係合構造７７を構成している。また係合構造７７の係合状態で、連結バー２６は、発電セル１２の外縁３３、３５と収容本体２４の内面２５との間の間隔Ｄを規定するスペーサとして機能する。

一方、絶縁性樹脂層６８は、本体部６６において積層体１４側を被覆している。具体的には、絶縁性樹脂層６８は、正面視で、基部７０の一方の側面から一方の突部７２ａに向かって延在し、一方の突部７２ａ全体を覆い、さらに本体凹部６６ａの底面（基部７０）に連続して底面を他方の突部７２ｂに向かって延在し、他方の突部７２ｂ全体を覆って基部７０の他方の側面に至っている。なお図示例では、基部７０の側面の上部は、絶縁性樹脂層６８が設けられておらず基部７０の両側面が露出されている（絶縁性樹脂層６８の段差が形成されている）が、この構成に限定されず、例えば基部７０の両側面全体が絶縁性樹脂層６８により覆われていてもよい。

絶縁性樹脂層６８の厚みは、特に限定されず、発電セル１２（セパレータ３０）と本体部６６との間に電気が流れず、また通電を抑制し得る適宜の寸法に設計されればよい。また、絶縁性樹脂層６８は、正面視で本体部６６の表面に対して概ね一様な厚みに形成され、さらに本体部６６の延在方向に沿って一様に塗布されている。

収容本体２４の内面２５と、連結バー２６の積層体１４側と反対側（収容本体２４側）とは、互いの位置を規定する位置決め構造７８を備える。収容本体２４の内面２５には、連結バー２６の収容本体２４側の形状に応じた溝部８０ａ（被位置決め凹部８０）が形成されている。詳細には、溝部８０ａは、正面視で、本体部６６の基部７０を部分的に収容可能な深さに形成され、また溝部８０ａの底部の幅は本体部６６の幅に一致している。溝部８０ａの側面は、基部７０の側面と絶縁性樹脂層６８の側面とに応じた段差状に形成されている。

連結バー２６が溝部８０ａに隙間なく嵌り込み、ケース２２に対する連結バー２６のずれが防止される。つまり、位置決め構造７８は、収容本体２４の溝部８０ａと、基部７０及び絶縁性樹脂層６８を含む連結バー２６の収容本体２４側全体からなる位置決め凸部８２とで構成される。

連結バー２６が溝部８０ａに嵌め込まれた（ケース２２に位置決めされた）状態で、連結バー２６は、ケース２２の収容空間２４ａに対して絶縁性樹脂層６８のみを露出し、本体部６６を非露出とする。この絶縁性樹脂層６８で囲われた７４に対して複数の発電セル１２の突片部６０が挿入されて嵌合する。複数の発電セル１２の外縁３３、３５も、一対の突部７２の突出端を覆う絶縁性樹脂層６８に近接した位置に配置される。なお、外縁３３、３５は絶縁性樹脂層６８に接触してもよい。

一方、連結バー２６の収容本体２４（ケース２２）側には、絶縁性樹脂層６８が設けられていない。そのため、ケース２２に連結バー２６を挿入した状態で、本体部６６が溝部８０ａの底面に接触する。このように、本体部６６がケース２２に直接嵌ることで、相互の係合状態を強固にすることができる。

また、本体部６６のエンドプレート２０ａ、２０ｂと対向する面（矢印Ａ方向の両端面）には、絶縁性樹脂層６８が設けられておらず、ボルト８４（図１参照）が締結される複数のエンドプレート用雌ネジ部８６が形成されている。エンドプレート用雌ネジ部８６は、例えば、一対の突部７２と基部７０の連結箇所に設けられている。また、本体部６６は、ケース２２の内面２５と対向する面にボルト８９が締結される複数のケース用雌ネジ部８８（図１も参照）が形成されている。なお、ケース２２と連結バー２６は、ボルト８９により固定される構成に限定されず、種々の固定手段によって固定され得る。例えば、ケース２２と連結バー２６は、ボルト８９及びケース用雌ネジ部８８に代えて、ピン及びピン用穴（共に不図示）により固定されてもよく、溶着や接着により固定されてもよい。或いはケース２２と連結バー２６は、位置決め構造７８の圧入のみで互いに固定される構成でもよい。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その作用について説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、製造時に、複数の発電セル１２を積層して積層体１４を構成する。この際、複数の発電セル１２は、突片部６０の貫通孔６０ａにピン６２が挿入されることで、発電セル１２同士の位置決めが良好になされ、突片部６０同士の位置が一致して積層される。

一方、ケース２２は、収容本体２４の一方の端面にエンドプレート２０ｂが予め固定される。また、収容本体２４の内面２５（上面２５ａ、下面２５ｂ）に形成された溝部８０ａの各々に連結バー２６が装着される。連結バー２６は、位置決め凸部８２（本体部６６及び絶縁性樹脂層６８の収容本体２４側）が溝部８０ａ（被位置決め凹部８０）に嵌め込まれ、ケース２２を通してボルト８９がケース用雌ネジ部８８に締結されることで、溝部８０ａの底面に強固に固定される。

そして、連結バー２６を固定した状態の収容本体２４の収容空間２４ａに、積層体１４と、積層方向両端に積層したターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、インシュレータ１８ａ、１８ｂとを収容する。積層体１４は、連結バー２６の凹部７４（係合凹部７６ａ）に突片部６０（被係合凸部６４ａ）が挿入されて、この凹部７４に沿って収容空間２４ａ内に収納される。

積層体１４を収容本体２４に収容した後に、エンドプレート２０ａにより収容本体２４の端面を固定する。この際、連結バー２６のエンドプレート用雌ネジ部８６は、エンドプレート２０ａを通してボルト８４が締結される。エンドプレート２０ａの締結前には、積層体１４の締め付け荷重を調整するため、エンドプレート２０ａとインシュレータ１８ａとの間に設けたシム（不図示）の厚さを調整する。これにより燃料電池スタック１０は、積層体１４がケース２２に収容された組立状態となる。

燃料電池スタック１０は、組立状態において、図３Ｂに示すように、各発電セル１２の突片部６０が連結バー２６の凹部７４に係合されている。これによりケース２２内での複数の発電セル１２の横ずれが防止される。例えば、燃料電池自動車が矢印Ｂ方向から衝撃を受けて燃料電池スタック１０に衝撃時の荷重がかかった場合でも、連結バー２６は各発電セル１２の横ずれを防止することができる。

また、ケース２２の収容空間２４ａに露出されている絶縁性樹脂層６８が、発電セル１２の外縁３３、３５及び突片部６０に接触又は近接することになり、連結バー２６に電流が流れることが防止される。従って、燃料電池スタック１０から外部に電流が漏れるのを防止することができる。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、発電において、エンドプレート２０ａに連結された配管（不図示）を介して、酸化剤ガス入口連通孔５０ａに酸化剤ガスが供給され、燃料ガス入口連通孔５４ａに燃料ガスが供給され、冷媒入口連通孔５２ａに冷媒が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５４ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

各ＭＥＡ２８ａは、カソード電極４０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の電気化学反応により発電を行う。カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４から酸化剤ガス出口連通孔５０ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに沿って排出される。同様に、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４６から燃料ガス出口連通孔５４ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔５４ｂに沿って排出される。

また、冷媒入口連通孔５２ａに供給された冷媒は、第１セパレータ３２と第２セパレータ３４との間に形成された冷媒流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷媒は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷媒出口連通孔５２ｂから排出される。

なお、本発明に係る燃料電池スタック１０は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、上述の燃料電池スタック１０は、ケース２２内の上面２５ａと下面２５ｂの各々に連結バー２６を配置しているが、これに限定されず、ケース２２の内面２５のいずれか１箇所又は３以上の箇所に連結バー２６を配置する構成とすることができる。また、積層体１４の被係合部６４（突片部６０）は、全ての発電セル１２に設けられず、部分的に設けられていてもよい。燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂをケース２２の一部に適用した構成に限定されず、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂを含む積層体１４全体を収容本体２４に収容しその両端を別部材（蓋体）で塞いだ構成でもよい。

さらに、図４Ａに示すように、第１変形例に係る連結バー２６及びケース２２は、相互を固定する位置決め構造７８Ａが上述の実施形態と異なる。具体的には、連結バー２６は、基部７０の収容本体２４側において収容本体２４に向かって突出する位置決め凸部９０を有する。また連結バー２６は、本体部６６に設けられる絶縁性樹脂層６８を、一対の突部７２に加えて基部７０の側面全体にわたって被覆している。

一方、収容本体２４（ケース２２）は、収容本体２４の内側に若干膨出する膨出部９２を有し、この膨出部９２の幅方向中央部に位置決め凸部９０が挿入される被位置決め凹部９４が設けられている。位置決め凸部９０は被位置決め凹部９４に挿入された状態で強固に嵌合される。これにより連結バー２６はケース２２の内面２５に対して位置ずれすることなく位置決めされる。なお、連結バー２６は、上述の実施形態と同様に、位置決め凸部９０に対しケース２２を通したボルト８４が締結されてもよい。

さらに図４Ｂに示すように、第２変形例に係る連結バー２６及びケース２２も、位置決め構造７８Ｂが上述の実施形態と異なっており、連結バー２６が位置決め凹部９６を有する一方で、収容本体２４が被位置決め凸部９８を有する。そして、位置決め凹部９６に被位置決め凸部９８が挿入されて両者が嵌合することで、ケース２２の内面２５に対して連結バー２６が位置ずれすることなく位置決めされる。

図４Ｃに示すように、第３変形例に係る連結バー２６及び発電セル１２は、相互に係合する係合構造７７Ａが上述の実施形態や第１及び第２変形例と異なる。すなわち、複数の発電セル１２は、樹脂枠部材３６及びセパレータ３０の外縁３３、３５に内側に窪む被係合凹部１００を有する。その一方で、連結バー２６は、発電セル１２に向かって突出する係合凸部１０２を、積層体１４側に有する。

係合凸部１０２は、上述の実施形態において本体部６６の基部７０から突出する突部７２と同様に構成され得る。連結バー２６の絶縁性樹脂層６８は、正面視で、基部７０の一方の側面から基部７０の一方の対向面を延在して係合凸部１０２の全体を覆い、さらに基部７０の他方の対向面に連続し、基部７０の他方の側面に至っている。従って、連結バー２６は、ケース２２の内面２５に固定された状態で、絶縁性樹脂層６８のみを露出した状態とする。

なお、第３変形例において、連結バー２６（本体部６６）の基部７０は、所定の高さに設計されることで、発電セル１２と収容本体２４（ケース２２）の内面２５との間の間隔Ｄを規定する。これにより、発電セル１２から収容本体２４に電流が流れることを防止することができる。

上述の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。

燃料電池スタック１０は、位置決め構造７８、７８Ａ、７８Ｂ及び係合部７６を備えることで、ケース２２に対する連結バー２６の位置が規定された状態で、複数の発電セル１２の横ずれを係合部７６により防止することができる。また連結バー２６は、積層体１４側に絶縁性樹脂層６８を備えることで、積層体１４の被係合部６４に係合部７６が係合しても、連結バー２６とケース２２との絶縁性を良好に確保することができる。すなわち、連結バー２６は、積層体１４に充分に近接して（クリアランスをなくして）発電セル１２を強固に係合すると共に、ケース２２の大型化を抑制する。しかも連結バー２６は、複数の発電セル１２の外周の絶縁構造を不要とすることで、燃料電池スタック１０の製造コストを大幅に低廉化することができる。

また、被係合部６４は、発電セル１２の外縁３３、３５から外方に突出する被係合凸部６４ａであり、係合部７６は、被係合凸部６４ａが挿入される係合凹部７６ａである。これにより、連結バー２６は、被係合凸部６４ａと係合凹部７６ａが係合する部分において適度な厚みを形成することができ、発電セル１２の外縁３３、３５とケース２２の内面２５との間隔Ｄを適切に設定することが可能となる。その結果、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の外縁３３、３５からケース２２に電気が流れることを容易に抑制することができる。なお、被係合凸部６４ａと係合凹部７６ａの係合構造７７は、図３Ｂに示すように全辺が当接する構造に限定されない。被係合凸部６４ａと係合凹部７６ａは、係合することにより被係合凸部６４ａの矢印Ｂ方向の荷重を係合凹部７６ａが受けられればよく、相互の一部が当接していればよい。

また、位置決め構造７８は、ケース２２の内面２５に設けられた被位置決め凹部８０、９４又は被位置決め凸部９８と、連結バー２６の被位置決め凹部８０、９４に係合する位置決め凸部８２、９０又は被位置決め凸部９８に係合する位置決め凹部９６とで構成され、連結バー２６のケース２２側には、絶縁性樹脂層６８が設けられていない。このように、燃料電池スタック１０は、連結バー２６のケース２２側に絶縁性樹脂層６８が設けられていないことで、位置決め構造７８による連結バー２６とケース２２の位置決めを一層強固にすることができる。

また、連結バー２６は、本体部６６と、本体部６６の表面を覆う絶縁性樹脂層６８とで構成され、絶縁性樹脂層６８は、ケース２２内に対して本体部６６を非露出としている。これにより、燃料電池スタック１０は、ケース２２内の連結バー２６全体が絶縁性樹脂層６８となり、積層体１４から連結バー２６に電気が流れることを一層確実に防止することができる。

また、被係合部６４は、発電セル１２が備えるセパレータ３０の外縁３３、３５に連続して形成されている。これにより、セパレータ３０の製造において被係合部６４を一体成形することができ、燃料電池スタック１０は、製造コストをより低廉化することができる。

また、セパレータ３０は、金属セパレータに構成され、金属部分が外縁３３、３５に露出されている。燃料電池スタック１０は、金属セパレータを適用することで、製造コストがより低減化する。しかも燃料電池スタック１０は、金属セパレータの金属部分が外縁３３、３５に露出されていても、絶縁性樹脂層６８を有する連結バー２６により、当該連結バー２６やケース２２に電気を流さないで済むので、発電した電力を効率的に取り出すことができる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…ケース ２５…内面
２６…連結バー ３０…セパレータ
３３、３５…外縁 ６０…突片部
６４…被係合部 ６４ａ…被係合凸部
６６…本体部 ６８…絶縁性樹脂層
７４…凹部 ７６…係合部
７６ａ…係合凹部 ７７、７７Ａ…係合構造
７８、７８Ａ、７８Ｂ…位置決め構造 ８０、９４…被位置決め凹部
８２、９０…位置決め凸部 ９６…位置決め凹部
９８…被位置決め凸部

Claims (6)

1. 積層された複数の発電セルを有する積層体と、
   前記積層体の積層方向の両端に設けられる一対のエンドプレートと、
   前記積層体を収容するケースと、
   前記積層体の側方に配置され、前記一対のエンドプレート同士の間に配置された連結バーとを備える燃料電池スタックであって、
   前記ケースの内面と前記連結バーには、互いの位置を規定する位置決め構造が設けられ、
   前記連結バーは、前記積層体に形成された被係合部に係合する係合部を有し、且つ前記係合部を含む前記連結バーの前記積層体側に絶縁性樹脂層を備える
   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、
   前記被係合部は、前記発電セルの外縁から外方に突出する被係合凸部であり、
   前記係合部は、前記被係合凸部が挿入される係合凹部である
   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、
   前記位置決め構造は、前記ケースの内面に設けられた被位置決め凹部又は被位置決め凸部と、前記連結バーの前記被位置決め凹部に係合する位置決め凸部又は前記被位置決め凸部に係合する位置決め凹部とで構成され、
   前記連結バーの前記ケース側には、前記絶縁性樹脂層が設けられていない
   燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記連結バーは、本体部と、前記本体部の表面を覆う前記絶縁性樹脂層とで構成され、
   前記絶縁性樹脂層は、前記ケース内に対して前記本体部を非露出としている
   燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記被係合部は、前記発電セルが備えるセパレータの外縁に一体で形成されている
   燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータは、金属セパレータに構成され、金属部分が前記外縁に露出されている
   燃料電池スタック。

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