JP5538578B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されてボックス内に収容される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。

この種の燃料電池では、例えば、車載用として構成するために、通常、数十〜数百の燃料電池を積層してボックス内に収容する燃料電池スタックが採用されている。その際、燃料電池スタックでは、燃料電池の積層方向と交差する方向の衝撃（外部荷重）が付与される際、前記燃料電池に横ずれが惹起するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、ＭＥＡをセパレータで挟んだ単セルを用意し、複数の単セル同士を接着剤により接着した多セル集合体とモジュール枠とから多セルモジュールが構成されている。そして、多セルモジュールのセル積層方向両端には、ターミナル、インシュレーター及びエンドプレートが配設された状態で、前記多セルモジュールの外側には、外部拘束部材を介装してケーシング（外側部材）が配設されている。さらに、ケーシングが、ボルト・ナットにより固定されることにより、燃料電池スタックが構成されている。

特開２００５−５６８１４号公報

しかしながら、上記の従来技術では、複数の単セルが接着剤により接着された多セル集合体を保持する複数のモジュール枠と、前記モジュール枠を受ける外部拘束部材と、前記外部拘束部材を受けるケーシングとを備えており、構造が相当に複雑化してしまう。

しかも、燃料電池スタックの組み立て性が低下するとともに、排気や排水が困難になるという問題がある。その上、燃料電池スタック全体の外径寸法が大型化して容積が拡大するとともに、重量物となるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、外部からの荷重、又は燃料電池自体の慣性力に対して前記燃料電池の横ずれを確実に阻止するとともに、簡単な構成で、スタック全体の小型化及び軽量化を図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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されてボックス内に収容される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、燃料電池の外周部に設けられるとともに、セパレータの側部から外方に突出するガイド部と、前記ボックス内に突出して設けられ、前記ガイド部が当接して外部からの荷重を受けるガイド受け部とを備えている。

また、ボックス内の少なくとも１つの角部には、セパレータの角部が当接することにより荷重を受ける受圧部が設けられることが好ましい。

さらに、受圧部は、セパレータの角部形状に対応して湾曲乃至屈曲する支持形状部を備えることが好ましい。

さらにまた、受圧部又はガイド受け部は、ボックスを構成するパネル部材同士を連結するための連結部を備えることが好ましい。

また、連結部は、一方のパネル部材の端部に設けられ、燃料電池の積層方向に交差し且つパネル外面に沿う方向に突出する凸形状部と、前記一方のパネル部材に隣接する他方のパネル部材の端部に設けられ、前記凸形状部が挿入される凹形状部と、前記凸形状部が前記凹形状部に挿入された状態で、前記一方のパネル部材と前記他方のパネル部材とを一体に固定する受け部とを備えることが好ましい。

さらに、一方のパネル部材は、第１の凸形状部と第１の凹形状部とを積層方向に沿って交互に設けるとともに、他方のパネル部材は、前記第１の凸形状部が挿入される第２の凹形状部と第１の凹形状部に挿入される第２の凸形状部とを前記積層方向に沿って交互に設けることが好ましい。

さらにまた、本発明に係る燃料電池スタックは、燃料電池の外周部に設けられるガイド部と、ボックス内に設けられ、前記ガイド部が当接して外部からの荷重を受けるとともに、前記燃料電池の積層方向に分割されるガイド受け部とを備えている。そして、ガイド受け部は、ボックスを構成するパネル部材同士を連結するための連結部を備えるとともに、前記連結部は、積層方向に分割された複数の受け部と、前記受け部を介装して前記パネル部材同士を固定する結合部材とを備えている。

また、ボックス内の少なくとも１つの角部には、セパレータの角部が当接することにより荷重を受ける受圧部が設けられることが好ましい。

さらに、受圧部は、セパレータの角部形状に対応して湾曲乃至屈曲する支持形状部を備えることが好ましい。

さらにまた、一方のパネル部材の端部には、燃料電池の積層方向に交差し且つパネル外面に沿う方向に突出する凸形状部が設けられるとともに、前記一方のパネル部材に隣接する他方のパネル部材の端部には、前記凸形状部が挿入される凹形状部が設けられることが好ましい。

また、一方のパネル部材は、第１の凸形状部と第１の凹形状部とを積層方向に沿って交互に設けるとともに、他方のパネル部材は、前記第１の凸形状部が挿入される第２の凹形状部と第１の凹形状部に挿入される第２の凸形状部とを前記積層方向に沿って交互に設けることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の積層方向に交差する方向から外部荷重が付与されると、前記燃料電池の外周部に設けられているガイド部が、ボックス内のガイド受け部に当接する。このため、外部荷重を良好に分散させることができ、燃料電池の局部面圧が低減されて前記燃料電池の損傷を有効に阻止することが可能になる。

これにより、簡単な構成で、外部からの荷重に対して燃料電池の横ずれを確実に阻止するとともに、燃料電池スタック全体の小型化及び軽量化を図ることができる。しかも、部品数の削減が図られるため、組み立て作業性、換気性及び排水性の向上が容易に遂行可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの要部拡大断面図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するボックスの一部分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するボックスの一部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する側部パネルと受け部との分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックに外部荷重が付与された際の動作説明図である。 前記側部パネルと他の受け部との分解斜視説明図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池ユニット１２を矢印Ａ方向に積層してボックス１４内に収容している。ボックス１４は、燃料電池ユニット１２の積層方向両端に配置されるエンドプレート１６ａ、１６ｂと、前記燃料電池ユニット１２の側部に配置される４枚の側部パネル（パネル部材）１８ａ〜１８ｄと、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び前記側部パネル１８ａ〜１８ｄを互いに連結するヒンジ機構２０とを備える。側部パネル１８ａ〜１８ｄは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）、その他の金属材又はカーボン材で構成される。

図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、第１電解質膜（電解質）・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂと、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８とを備える。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６の間で、第１電解質膜・電極構造体２２ａを挟持する一方、前記第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の間で、第２電解質膜・電極構造体２２ｂを挟持する。

第１〜第３セパレータ２４、２６及び２８は、それぞれの四隅にＲ部（角部形状）２９が形成される。なお、第１〜第３セパレータ２４、２６及び２８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池ユニット１２の長辺方向（図２中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａとが設けられる。

燃料電池ユニット１２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。

燃料電池ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。

第１セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。この第１燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。

第２セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部からなる第１酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この第１酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。第２セパレータ２６の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２６ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。

第３セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通する第２酸化剤ガス流路５０が設けられる。第３セパレータ２８の面２８ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。第２セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形されるとともに、第３セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第３セパレータ２８の外周端縁部を周回して第３シール部材５６が一体成形される。

図２に示すように、第１セパレータ２４の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部６０が一体化される。各荷重受け部６０には、孔部６２ａ、６２ｂが互いに並列して設けられる。

第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８には、それぞれ第１セパレータ２４の各荷重受け部６０と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部６４、６６が一体化される。各荷重受け部６４、６６には、荷重受け部６０の孔部６２ａ、６２ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部６８ａ、６８ｂ及び７０ａ、７０ｂが形成される。

図３に示すように、孔部６２ａ、６２ｂの直径は、孔部６８ａ、６８ｂ及び７０ａ、７０ｂの直径よりも小径に設定されるとともに、荷重受け部６０、６４及び６６の中、少なくとも前記荷重受け部６４は、他の荷重受け部６０、６６よりも外方に突出する。この荷重受け部６４は、後述するように、ボックス１４を介して外部から付与される荷重（外部荷重）を受けるとともに、各燃料電池ユニット１２の積層時にガイド機能を有する樹脂製ガイド部を構成する。

なお、荷重受け部６０、６４及び６６の全てが外方に突出して、全てにより荷重を受けるように構成してもよい。また、第２セパレータ２６にのみ荷重受け部６４を設け、第１セパレータ２４及び第３セパレータ２８に荷重受け部６０、６６を設けなくてもよい。

積層方向に対して一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、孔部６２ａ、６８ａ及び７０ａに、接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ７２が挿入されるとともに、他の一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、各孔部６２ｂ、６８ｂ及び７０ｂに、同様に接続部材である樹脂クリップ７２が挿入される。

各樹脂クリップ７２は、首部７２ａが、第１セパレータ２４に係止する一方、大径なフランジ部７２ｂが、第３セパレータ２８に当接することにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が、積層方向に一体に保持される。

図４に示すように、ボックス１４を構成する側部パネル１８ａ〜１８ｄには、それぞれ荷重受け部６４に当接して、外部荷重を受けるためのガイド受け部８０ａ〜８０ｄが設けられる。ガイド受け部８０ａ、８０ｃは、荷重受け部６４に対応して３ヶ所に設けられるとともに、ガイド受け部８０ｂ、８０ｄは、前記荷重受け部６４に対応して１ヶ所に配置される。ガイド受け部８０ａ〜８０ｄは、側部パネル１８ａ〜１８ｄの内面側に一体に膨出されるリブにより構成され、燃料電池ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に延在している（図１参照）。

側部パネル１８ａ〜１８ｄの各連結部には、受圧部８２が設けられる。図４及び図５に示すように、側部パネル１８ａ、１８ｄの連結部は、前記側部パネル１８ｄの一方の立ち上がり部に、矢印Ａ方向に所定間隔ずつ離間して配置されるボルト部材８４を備える。各ボルト部材８４は、側部パネル１８ｄの立ち上がり部に対しスポット等の溶接によって固定されており、前記ボルト部材８４のねじ部８６は、前記側部パネル１８ｄから外方に突出する。

側部パネル１８ａの下端縁部には、ねじ部８６を挿通するための孔部８８が、矢印Ａ方向に沿って所定の間隔ずつ離間して形成される。側部パネル１８ｄの立ち上がり部には、ボルト部材８４で分割されて樹脂製受け部９０が貼り付けられる。なお、樹脂製受け部９０に代えて、金属製受け部やゴム製受け部を用いてもよい。

ボルト部材８４のねじ部８６は、側部パネル１８ａの孔部８８に挿入される。この孔部８８から外部に露呈するねじ部８６の先端部には、ナット９２が螺合されることにより、側部パネル１８ａと側部パネル１８ｄとが連結される。側部パネル１８ａ、１８ｂ間、側部パネル１８ｂ、１８ｃ間及び側部パネル１８ｃ、１８ｄ間の連結部は、上記の側部パネル１８ｄ、１８ａ間の連結部と同様に構成されている。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池ユニット１２の酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給されて矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。第１酸化剤ガス流路４６に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａのカソード側電極４０に沿って移動する一方、第２酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体２２ｂのカソード側電極４０に沿って移動する。

燃料ガスは、燃料電池ユニット１２の燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２４の第１燃料ガス流路４２及び第２セパレータ２６の第２燃料ガス流路４８に導入される。このため、燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂの各アノード側電極３８に沿って移動する。

従って、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂでは、各カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、各カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って流動した後、燃料電池スタック１０から排出される。同様に、各アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、燃料電池スタック１０から排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３４ａから燃料電池ユニット１２間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂを移動して燃料電池スタック１０から排出される。

ところで、燃料電池スタック１０は、車載用として図示しない車両に搭載されており、その積層方向（矢印Ａ方向）が車長方向に向かって配置されている。そして、燃料電池スタック１０に対し、側方から外部荷重Ｆが付与されると（図３参照）、ボックス１４内で燃料電池ユニット１２が矢印Ｂ方向に移動する。

その際、各燃料電池ユニット１２では、第２セパレータ２６の外周部に、外方に突出して荷重受け部６４が設けられている。このため、外部荷重Ｆを介して各燃料電池ユニット１２が、例えば、側部パネル１８ａ側に移動すると、荷重受け部６４は、前記側部パネル１８ａに設けられているガイド受け部８０ａに当接支持される（図４参照）。

一方、側部パネル１８ａと側部パネル１８ｂ、１８ｄとの連結部には、それぞれ受圧部８２が設けられている。従って、各燃料電池ユニット１２が側部パネル１８ａ側に移動する際、各荷重受け部６４がガイド受け部８０ａに当接支持されるとともに、前記燃料電池ユニット１２の上下両方のＲ部２９は、各受圧部８２を構成する樹脂製受け部９０に当接する。

これにより、外部荷重Ｆは、荷重受け部６４とガイド受け部８０ａ及びＲ部２９と樹脂製受け部９０とによって受けられる。このため、外部荷重Ｆを良好に分散させることができ、各燃料電池ユニット１２の局部面圧が低減されて前記燃料電池ユニット１２の損傷を有効に阻止することが可能になる。

従って、燃料電池スタック１０では、外部荷重Ｆに対して燃料電池ユニット１２の横ずれを確実に阻止するとともに、簡単な構成で、前記燃料電池スタック１０全体の小型化及び軽量化を図ることができるという効果が得られる。

しかも、燃料電池スタック１０は、従来構成に比べて部品数の削減が容易に図られる。このため、燃料電池スタック１０の組み立て作業性の他、この燃料電池スタック１０内での換気性や排水性の向上が容易に遂行可能になる。

なお、第１の実施形態では、燃料電池ユニット１２が、２枚の電解質膜・電極構造体（第１及び第２電解質膜・電極構造体２２ａ、２２ｂ）と３枚のセパレータ（第１〜第３セパレータ２４、２６及び２８）とにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚の電解質膜・電極構造体と２枚のセパレータとで燃料電池ユニットを構成してもよい。また、以下の第２の実施形態以降においても、同様である。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視説明図であり、図７は、前記燃料電池スタック１００の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池ユニット１０２を矢印Ａ方向に積層してボックス１０４内に収容している。ボックス１０４は、燃料電池ユニット１０２の側部に配置される４枚の側部パネル（パネル部材）１０６ａ〜１０６ｄを備える。側部パネル１０６ａ、１０６ｃは平板状に構成される一方、側部パネル１０６ｂ、１０６ｄは、矢印Ｂ方向両端部に燃料電池ユニット１０２のＲ部２９に対応して湾曲する受圧部１０８を設ける。この受圧部１０８は、断面円弧状の支持形状部を構成するとともに、Ｒ部２９が当接することにより外部荷重を受ける機能を有する。

図７に示すように、各燃料電池ユニット１０２は、矢印Ｂ方向両側部にそれぞれ２つの荷重受け部６４を設けるとともに、矢印Ｃ方向両端（上端及び下端）には、それぞれ１つの荷重受け部６４を設ける。

ボックス１０４を構成する側部パネル１０６ａ〜１０６ｄの各連結部には、矢印Ｂ方向両端に配置される荷重受け部６４に対応してガイド受け部１１０が設けられる。連結部の変形により衝撃荷重が吸収し易くなるからである。

図８に示すように、側部パネル１０６ａ、１０６ｄ間及び側部パネル１０６ｃ、１０６ｄ間の連結部は、前記側部パネル１０６ａ、１０６ｃに対し矢印Ａ方向に沿って所定間隔ずつ離間して一体化されるナット部１１２と、各ナット部１１２間に２つずつ設けられるダボ、ピン又はバーリング等の突起部１１４とを備える。

側部パネル１０６ａ、１０６ｃの下端部には、断面Ｕ字状に成形された樹脂製受け部１１６が装着される。樹脂製受け部１１６は、積層方向（矢印Ａ方向）に分割されており、各樹脂製受け部１１６は、突起部１１４により抜け止めされる。なお、樹脂製受け部１１６に代えて、金属製受け部やゴム製受け部を用いてもよい。

側部パネル１０６ｄの矢印Ｂ方向両端部には、ナット部１１２の位置に対応して複数の孔部１１８が形成される。孔部１１８には、ボルト部材１２０が挿入されるとともに、このボルト部材１２０がナット部１１２に螺合する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１００の側部側から外部荷重が付与されると、各燃料電池ユニット１０２は、例えば、側部パネル１０６ａ側に移動する。

このため、先ず、各燃料電池ユニット１０２に設けられている荷重受け部６４が、ガイド受け部１１０を構成する樹脂製受け部１１６に当接支持された後、Ｒ部２９が側部パネル１０６ｂ、１０６ｄの受圧部１０８に当接支持される。従って、燃料電池スタック１００に側方から付与される外部荷重は、荷重受け部６４と樹脂製受け部１１６及びＲ部２９と受圧部１０８とにより良好に分散される。

これにより、第２の実施形態では、燃料電池ユニット１０２の横ずれを確実に阻止するとともに、簡単な構成で、燃料電池スタック１００全体の小型化及び軽量化を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、樹脂製受け部１１６は、積層方向である矢印Ａ方向に沿って複数に分割構成されている。このため、燃料電池ユニット１０２が樹脂製受け部１１６に当接する際、この樹脂製受け部１１６が不要に破損することを抑制することが可能になる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の断面説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１３０は、複数の燃料電池ユニット１０２を積層してボックス１３２内に収容する。ボックス１３２は、側部パネル１３４ａ〜１３４ｄを備え、前記側部パネル１３４ａ、１３４ｃの内壁面には、荷重受け部６４が当接するガイド受け部８０ａ、８０ｃが設けられる。側部パネル１３４ｂ、１３４ｄの内壁面は、平滑化処理することにより、直接、荷重受け部６４が摺接自在に配置される。

側部パネル１３４ａ〜１３４ｄの各連結部１３６は、側部パネル１３４ｂ、１３４ｄに一体に固着されるボルト部１３８を備える。ボルト部１３８は、側部パネル１３４ａ、１３４ｃを貫通して外部に露呈するとともに、前記ボルト部１３８の先端部にナット１４０が螺合する。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池ユニット１０２とボックス１３２とは、荷重受け部６４とガイド受け部８０ａ、８０ｃ及びＲ部２９と受圧部１０８によって外部荷重を分散させることができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１５０の概略斜視説明図であり、図１１は、前記燃料電池スタック１５０の断面説明図である。

燃料電池スタック１５０は、複数の燃料電池ユニット１０２を矢印Ａ方向に積層してボックス１５２内に収容している。ボックス１５２は、燃料電池ユニット１０２の側部に配置される４枚の側部パネル（パネル部材）１５４ａ〜１５４ｄを備える。

ボックス１５２を構成する側部パネル１５４ａ〜１５４ｄの各連結部には、矢印Ｂ方向両端に配置される荷重受け部６４に対応してガイド受け部１５６が設けられる。

側部パネル１５４ａ（一方のパネル部材）は、矢印Ｃ方向の両端面に、第１の凸形状部１５８ａと第１の凹形状部１６０ａとを、燃料電池ユニット１０２の積層方向（矢印Ａ方向）に沿って交互に設ける。側部パネル１５４ｂ（他方のパネル部材）は、第１の凸形状部１５８ａが挿入される第２の凹形状部１６０ｂと、第１の凹形状部１６０ａに挿入される第２の凸形状部１５８ｂとを、積層方向に沿って交互に設ける。

側部パネル１５４ａ、１５４ｂ間の連結部では、第１及び第２の凹形状部１６０ａ、１６０ｂに第１及び第２の凸形状部１５８ａ、１５８ｂが挿入された状態で、前記側部パネル１５４ａと前記側部パネル１５４ｂとが、受け部１６２を介して一体に固定される。

受け部１６２は、樹脂、金属又はゴムにより構成されており、積層方向に沿って複数に分割される。図１２に示すように、側部パネル１５４ａは、第１の凸形状部１５８ａにボルト挿通用の孔部１６４が設けられる一方、側部パネル１５４ｂの第２の凸形状部１５８ｂには、溶接用の孔部１６６が形成される。受け部１６２には、ボルト１６８が、かしめ、溶接、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合）、接着又は圧入等によって固定される。

ボルト１６８の両側には、第２の凸形状部１５８ｂに設けられる孔部１６６に対応して凸部１７０が設けられる。凸部１７０は、受け部１６２が金属である場合には、例えば、プロジェクション溶接に用いられる一方、この受け部１６２が樹脂である場合には、位置決め用ダボとして機能する。受け部１６２の内面（燃料電池ユニット１０２側）の面には、Ｒ部１７２（又は、平坦部）が形成される。

受け部１６２は、側部パネル１５４ｂの内側に配設されるとともに、凸部１７０が第２の凸形状部１５８ｂに形成された孔部１６６に挿入され、例えば、プロジェクション溶接される。このため、受け部１６２は、側部パネル１５４ｂに、予め固定される。

側部パネル１５４ａは、各第１の凸形状部１５８ａが第２の凹形状部１６０ｂに挿入された状態で、各第１の凸形状部１５８ａに形成された孔部１６４にボルト１６８が挿入される。そして、このボルト１６８にワッシャ１７４及びナット１７６が取り付けられることにより、側部パネル１５４ａが側部パネル１５４ｂに一体に固定される。

その際、側部パネル１５４ａ、１５４ｂの連結部は、平坦状に構成され、ボックス１５２の外表面に、例えば、側部パネル１５４ａの端面角部が突出することがない。

なお、側部パネル１５４ｂ、１５４ｃ間、側部パネル１５４ｃ、１５４ｄ間及び側部パネル１５４ｄ、１５４ａ間の各連結部は、上記の側部パネル１５４ａ、１５４ｂ間の連結部と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂ〜ｄを付して、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第４の実施形態では、側部パネル１５４ａ〜１５４ｄの各連結部は、ボックス１５２の外表面から外部に突出することがない。このため、例えば、ボックス１５２の外面に近接してハーネス等のラインが配置される際に、このラインの断線等を良好に回避することが可能になる。

しかも、ボックス１５２全体の寸法を、可及的に燃料電池ユニット１０２の外形寸法に近似させることができる。従って、燃料電池スタック１５０全体の小型化を図るとともに、ボックス１５２全体の軽量化が可能になるという効果が得られる。

さらに、受け部１６２は、積層方向（矢印Ａ方向）に分割されるとともに、側部パネル１５４ａ〜１５４ｄの各連結部は、互いの端部同士を重ね合わせて接合することがない。これにより、図１３に示すように、外部荷重Ｆが、燃料電池スタック１５０の側方から付与されたり、セパレータ（図示せず）の慣性力が前記外部荷重Ｆと同じ方向に付加された場合、複数の受け部１６２を介してパネル変形を吸収するとともに、例えば、側部パネル１５４ａに部分的な応力集中が惹起することを良好に抑制することが可能になる。

なお、第４の実施形態では、ガイド受け部１５６に適応しているが、例えば、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する受圧部８２に適応することも可能である。

また、受け部１６２に代えて、図１４に示す樹脂製受け部１８０を用いることができる。この樹脂製受け部１８０は、中央部に金属製ナット部材１８２が、かしめ、圧入、はめ込み等によって埋設される。ナット部材１８２の両側には、樹脂クリップ１８４が装着される。樹脂クリップ１８４は、側部パネル１５４ｂの孔部１６６に挿入される一方、側部パネル１５４ａの外部からワッシャ１８５を介装してボルト１８６が孔部１６４に挿入される。このボルト１８６がナット部材１８２に螺合されることにより、側部パネル１５４ａ、１５４ｂは、樹脂製受け部１８０を介して一体に固定される。

なお、第１〜第４の実施形態では、セパレータ角部形状としてＲ部２９を用いているが、このＲ部２９に代えて略直線部を用いることができる。その際、受圧部１０８は、支持形状部として湾曲形状に代えて略直線形状に設定される。

１０、１００、１３０、１５０…燃料電池スタック
１２、１０２…燃料電池ユニット １４、１０４、１３２、１５２…ボックス １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
１８ａ〜１８ｄ、１０６ａ〜１０６ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ、１５４ａ〜１５４ｄ…側部パネル
２０…ヒンジ機構 ２２ａ、２２ｂ…電解質膜・電極構造体
２４、２６、２８…セパレータ ２９、１７２…Ｒ部
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、４８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６、５０…酸化剤ガス流路
６０、６４、６６…荷重受け部 ７２…樹脂クリップ
８０ａ〜８０ｄ、１１０、１５６…ガイド受け部
８２、１０８…受圧部 ８４、１２０…ボルト部材
９０、１１６、１８０…樹脂製受け部 ９２、１４０、１７６…ナット
１１２…ナット部 １１４…突起部
１３６…連結部 １３８…ボルト部
１５８ａ、１５８ｂ…凸形状部 １６０ａ、１６０ｂ…凹形状部
１６２…受け部

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されてボックス内に収容される燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池の外周部に設けられるガイド部と、
   前記ボックス内に設けられ、前記ガイド部が当接して外部からの荷重を受けるとともに、前記燃料電池の積層方向に分割されるガイド受け部と、
   を備え、
   前記ガイド受け部は、前記ボックスを構成するパネル部材同士を連結するための連結部を備えるとともに、
   前記連結部は、前記積層方向に分割された複数の受け部と、
   前記受け部を介装して前記パネル部材同士を固定する結合部材と、
   を備えることを特徴とす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、前記ボックス内の少なくとも１つの角部には、前記セパレータの角部が当接することにより前記荷重を受ける受圧部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記受圧部は、前記セパレータの角部形状に対応して湾曲乃至屈曲する支持形状部を備えることを特徴と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、一方のパネル部材の端部には、前記燃料電池の積層方向に交差し且つパネル外面に沿う方向に突出する凸形状部が設けられるとともに、
   前記一方のパネル部材に隣接する他方のパネル部材の端部には、前記凸形状部が挿入される凹形状部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記一方のパネル部材は、第１の凸形状部と第１の凹形状部とを前記積層方向に沿って交互に設けるとともに、
   前記他方のパネル部材は、前記第１の凸形状部が挿入される第２の凹形状部と第１の凹形状部に挿入される第２の凸形状部とを前記積層方向に沿って交互に設けることを特徴とする燃料電池スタック。

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