JP6778288B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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と、積層体を収容するスタックケースとを備える。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、外方に突出するタブを外周に備える。タブは、スタックケース内で積層体の積層方向に沿って延在する連結部材（サポートバー）の凹部に収容されている。これにより、衝撃時の荷重が燃料電池スタックにかかった際には、サポートバーにタブが係合して、セパレータ同士の位置ずれが防止される。

特開２０１６−１４３５４５号公報

本発明は、上記の技術に関連してなされたものであり、サポートバーによりセパレータの荷重を一層良好に受け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、セパレータを有する複数の発電セルを積層した積層体と、前記積層体の積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレート間において前記積層方向に沿って延在し、前記セパレータの外周に係合可能なサポートバーとを備える燃料電池スタックであって、前記サポートバーは、延在方向の両端部から中央部に向かって徐々に幅が狭くなる。

上記の燃料電池スタックは、サポートバーの幅が延在方向の両端部から中央部に向かって徐々に狭くなることで、サポートバーの剛性を、延在方向の両端部から中央部に向かって徐々に低くすることができる。これにより、サポートバーは、中央部付近において曲がり易くなる。従って、燃料電池スタックが衝撃荷重を受けた際には、積層体の積層方向中央付近の発電セルの移動にサポートバーの中央部の変形が追従し易いため、サポートバーの中央部での応力集中を緩和することが可能となり、衝撃荷重を一層良好に受けることが可能となる。また、サポートバーの軽量化が図られるため、燃料電池スタック全体として軽量化を促すことができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの全体構成を示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの発電セルの構成を示す分解斜視図である。 図３Ａは、サポートバーの平面図である。図３Ｂは、サポートバーを矢印Ａ方向からみた矢視図である。 サポートバーを有する燃料電池スタックにおいて図１のＩＶ−ＩＶ線に対応する箇所を概略的に示す側面断面図である。 図５Ａは、図１のＶＡ−ＶＡ線に対応する箇所のサポートバー及びタブを示す断面図である。図５Ｂは、図１のＶＢ−ＶＢ線に対応する箇所のサポートバー及びタブを示す断面図である。

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を複数備える。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。

燃料電池スタック１０は、燃料電池自動車に積層体１４を搭載するために、積層体１４を収容するスタックケース１６を備える。また、スタックケース１６の一端側には、燃料電池スタック１０を含む図示しない燃料電池システムの配管、補機（デバイス）等が連結される。

スタックケース１６は、収容空間２０ａを有する筒状のケース本体２０と、ケース本体２０の両端を閉じる一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂとを備える。ケース本体２０は、押出成形、鋳造等により、天板、一対の側板及び底板が連なる一体構造物として構成される。ケース本体２０の軸方向（矢印Ａ方向）両端部には、収容空間２０ａに連通する開放部２０ｂが設けられている。開放部２０ｂを囲うケース本体２０の両端面には、本体側ネジ穴２０ｃが複数形成されている。なお、ケース本体２０は、別体に構成された天板、一対の側板及び底板を接合した構成でもよい。

収容空間２０ａにおいて、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）一端側には、ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２３ａが外方に向かって順に配置される。また複数の発電セル１２の積層方向他端側には、ターミナルプレート２２ｂ、インシュレータ２３ｂが外方に向かって順に配置される。

そして、ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２３ａ、を含む積層体１４の積層方向一端部には、エンドプレート２４ａが配置される。ターミナルプレート２２ｂ、インシュレータ２３ｂを含む積層体１４の積層方向他端部には、エンドプレート２４ｂが配置される。

一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂの各々には、複数の締結孔２５が設けられている。複数の締結孔２５は、ケース本体２０の複数の本体側ネジ穴２０ｃに対向している。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、燃料電池スタック１０の組立時に、ボルト２６が各締結孔２５を通して本体側ネジ穴２０ｃに螺合されることで、ケース本体２０に固定される。ケース本体２０とエンドプレート２４ａ、２４ｂの間には、燃料電池スタック１０の組立時に、ガスの漏出を遮断するシール部材２７（図４参照）が配置される。

このように構成された燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂ間にて積層体１４を挟持して、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂを介してケース本体２０から積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を積層体１４に付与する。締付荷重の調整は、インシュレータ２３ａ、２３ｂの厚さの調整又は厚さを調整したシムの配置等により行う。この締付荷重によって、積層体１４を構成する複数の発電セル１２は、発電時における反応ガスの漏出等が抑制されると共に、発電面に適切な面圧が付与される。

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を挟持する一対のセパレータ３２、３４とを備える（以下、２つのセパレータ３２、３４をまとめてセパレータ３０ともいう）。具体的には、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とを有する。

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とイオン交換成分を含むペースト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しシール性を確保する。この樹脂枠部材３６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、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２２ａ、インシュレータ２３ａ及びエンドプレート２４ａ）を貫通し、エンドプレート２４ａ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導電性を有する金属セパレータに構成される。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。また、第１及び第２セパレータ３２、３４の外周３３、３５には、絶縁性樹脂材料が設けられていてもよい。さらに、第１及び第２セパレータ３２、３４は、ビードシールの代わりに弾性を有するゴムシールを用いてもよい。

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積層体１４に形成される。これにより積層体１４は、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。

また図１〜図２に示すように、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）の各外周３３、３５には、複数のタブ（突出片）６０（例えば、一対のタブ６０）がそれぞれ設けられている。複数のタブ６０は、第１及び第２セパレータ３２、３４の長辺である上辺と下辺に設けられる。上辺側のタブ６０は、矢印Ｂ方向中央部に対して他端側に寄った位置にあり、下辺側のタブ６０は、矢印Ｂ方向中央部に対し一端側に寄った位置にある。なお、各外周３３、３５上におけるタブ６０の位置は特に限定されるものではない。また、一方のセパレータ３０のみにタブ６０を設け、他方のセパレータ３０にタブ６０を設けなくてもよい。

各タブ６０は、支持部６２、荷重受け部６４及びリブ６５を有する。支持部６２は、台形状を呈し、プレス成形によりセパレータ３０の外周３３、３５から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出するように一体成形される。リブ６５は、支持部６２に形成され、積層方向に突出すると共に支持部６２の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。

荷重受け部６４は、接合部６３を介して支持部６２に接合される。荷重受け部６４は、その幅方向両側の各々が略三角形状に形成され、幅方向（矢印Ｂ方向）中心線を基準に対称形状を呈している。荷重受け部６４の中央部には、位置決め孔６６が形成されている。位置決め孔６６には、燃料電池スタック１０の製造時に複数の発電セル１２を位置決めするためのロッド（不図示）が挿通される。

荷重受け部６４は、金属薄板により構成され、外周及び位置決め孔６６の内周が絶縁性樹脂材料により構成される。荷重受け部６４を構成する樹脂材料は、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２３ａ、２３ｂと同様の材料を適用することができる。なお、タブ６０の構成は、特に限定されず、例えば、支持部６２と荷重受け部６４が一体成形されていてもよい。荷重受け部６４の形状も、矩形状、台形状等に形成されていてもよい。この荷重受け部６４は、ろう付け、溶接等によって支持部６２に接合される。

以上のタブ６０は、図１に示すように、複数の発電セル１２（セパレータ３０）の積層状態で、矢印Ａ方向に沿って一列に並ぶタブ列６８を構成する。本実施形態においてタブ列６８は、積層体１４の外周である上面と下面の各々に形成される。燃料電池スタック１０は、このタブ列６８（複数のタブ６０）を収容する凹部７２を有し、セパレータ３０の外周３３、３５に係合可能なサポートバー７０を備える。

図１、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、サポートバー７０は、各タブ列６８に対応して設けられる。すなわち、サポートバー７０は、矩形状のセパレータ３０の４辺のうち一対の長辺（矢印Ｃ方向に位置する上辺と下辺）に１つずつ配置される。なお、タブ６０及びサポートバー７０の設置位置は、燃料電池自動車が受ける荷重の方向に応じて任意に設計してよい。例えば、サポートバー７０は、セパレータ３０の一対の長辺のうちいずれか１つに設けられるだけでもよい。或いは、セパレータ３０の上辺や下辺が短辺に構成されている場合はこの短辺に設けられてもよい。またサポートバー７０は、セパレータ３０の４辺全てに設けられてもよい。さらにサポートバー７０は、セパレータ３０の一辺に対し複数設けられてもよい。

サポートバー７０は、ケース本体２０の矢印Ａ方向（発電セル１２の積層方向）の長さに略一致する全長に設定されている。このサポートバー７０は、タブ列６８（セパレータ３０のタブ６０）を収容する凹部７２を積層体１４と対向する面に備える。凹部７２は、断面視で、底の角部にＲ形状を有する横長の溝であり、サポートバー７０の底部７４と一対の側部７６とで構成されている。凹部７２は、サポートバー７０の延在方向（矢印Ａ方向）全長にわたって形成される。

サポートバー７０は、タブ６０の幅方向（矢印Ｂ方向）の荷重を受けることが可能な適宜の剛性を有していれば、構成材料については特に限定されない。例えば、サポートバー７０の構成材料としては、アルミニウム、鉄、チタン等の金属材料を適用し得る。なお、サポートバー７０は、絶縁性樹脂材料により構成してもよく、又は金属製の本体に絶縁性樹脂部材を被覆して構成してもよい。この場合、タブ６０の外周を樹脂材料で覆うことなく金属材料だけで構成することも可能となる。

また図４に示すように、本実施形態において、サポートバー７０の積層体１４の積層方向に沿った一端部７０ａは、エンドプレート２４ａに接合される。その一方で、サポートバー７０の積層体１４の積層方向に沿った他端部７０ｂは、締付荷重を付与しないようにエンドプレート２４ｂに支持される。すなわち、燃料電池スタック１０は、サポートバー７０から積層体１４に締付荷重を付与しない構造となっている。

具体的には、サポートバー７０の一端部７０ａには、一対の接合用穴部７８が形成される一方で、エンドプレート２４ａには、各接合用穴部７８に対応して一対の孔部８０が形成される。そして、一対の接合用穴部７８及び一対の孔部８０に対し一対の中空ノックピン８２及び一対の締結ボルト８４が挿入され、締結ボルト８４の挿入方向先端の雄ネジ部が接合用穴部７８の雌ネジ部に螺合される。これによりサポートバー７０の一端部７０ａとエンドプレート２４ａとが強固に締結される。なお、サポートバー７０の一端部７０ａに設けられる締結ボルト８４（及び接合用穴部７８）の数は、２つに限定されるものでない。

また、サポートバー７０の他端部７０ｂには、一対の第１穴８６が形成される一方で、エンドプレート２４ｂには、各第１穴８６に対応して一対の第２穴８８が形成される。第１穴８６と第２穴８８は、相互に対向し合うことで袋形状の空間を形成する。そして、一対の第１穴８６及び一対の第２穴８８に対し一対の中実ピン９０（又は中空のピン）が挿入される。これによりサポートバー７０の他端部７０ｂは、積層体１４に対し締付荷重を付与せずに、エンドプレート２４ｂに支持される。中実ピン９０に支持されたサポートバー７０の他端部７０ｂの端面とエンドプレート２４ｂとの間には、微小な隙間がある。つまり、本明細書における「支持」とは、サポートバー７０が中実ピン９０の軸方向に移動可能、且つ半径方向に移動不能であることを言う。

また、本実施形態に係るサポートバー７０は、図３Ａに示す平面視で、両端部（一端部７０ａ、他端部７０ｂ）に幅広部９２（幅広部９２ａ、９２ｂ）をそれぞれ有すると共に、一対の幅広部９２の間に当該幅広部９２に連なる幅変化部９４とを有する。

幅広部９２は、凹部７２を囲う一対の側部７６の矢印Ｂ方向の肉厚が大きく形成されることで、その全体の矢印Ｂ方向の幅が広く設定されている。また幅広部９２の矢印Ｂ方向の幅は、矢印Ａ方向に沿って一定である。サポートバー７０における幅広部９２の形成範囲（矢印Ａ方向に沿った長さ）は、例えば、サポートバー７０の全長に対し１／１０〜１／３程度に設定される。

これら一対の幅広部９２は、図５Ａに示すサポートバー７０の矢印Ｂ方向に沿った断面視で、積層体１４の積層方向両端部付近のタブ６０（タブ列６８）を収容する。また、一端部７０ａ側の幅広部９２ａ（一対の側部７６）内には、上述した一対の接合用穴部７８が形成されている。つまり幅広部９２ａはエンドプレート２４ａとの締結構造を構成する。さらに、他端部７０ｂ側の幅広部９２ｂ（一対の側部７６）内には、上述した一対の第１穴８６が形成されている。つまり幅広部９２ｂはエンドプレート２４ｂとの支持構造を構成する。

一方、幅変化部９４は、一対の幅広部９２ａ、９２ｂからサポートバー７０の矢印Ａ方向の中央部７０ｃに向かって矢印Ｂ方向の幅が徐々に狭くなる括れた形状に形成されている。すなわち、幅変化部９４の矢印Ｂ方向の両側面には、中央部７０ｃに向かって幅方向内側に傾斜する一対の傾斜面９６がそれぞれ形成されている。

一対の傾斜面９６は、直線状且つ滑らかに延在しており、また中央部７０ｃにおいて１８０°よりも若干小さい広角θを形成している。なお傾斜面９６は、直線状に延在することに限らず、湾曲しながら延在していてもよい。幅広部９２ａ、９２ｂに対する傾斜面９６の傾斜角度αは、特に限定されるものではないが、例えば、幅広部９２の側面に対して１°〜１０°の範囲に設定されるとよい。幅変化部９４において凹部７２の形状は一定であり、側部７６の矢印Ｂ方向の肉厚が変化している。例えば、矢印Ａ方向の中央部７０ｃ（幅変化部９４）における側部７６の肉厚Ｗｃは、矢印Ａ方向の両端部（幅広部９２ａ、９２ｂ）における側部７６の肉厚Ｗｅに対して１／２以下程度に設定されることが好ましい。

幅変化部９４の中央部７０ｃ付近の凹部７２は、図５Ｂに示すサポートバー７０の矢印Ｂ方向に沿った断面視で、積層体１４を構成する発電セル１２のうち積層方向中央部に位置する複数の発電セル１２のタブ６０（タブ列６８）を収容する。この幅変化部９４は、凹部７２の形状が変わらない一方で、傾斜面９６により外形側のみが括れ形状となっていることで、両端部（幅広部９２）から中央部７０ｃに向かってサポートバー７０の剛性を徐々に低くしている。

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及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２４ａ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、発電が行われる。

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が行われる。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。

そして、燃料電池スタック１０は、図１、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、各発電セル１２のタブ６０がサポートバー７０の凹部７２に配置されている。これにより例えば、燃料電池自動車が前方（矢印Ｂ方向）から衝撃を受けて燃料電池スタック１０に衝撃荷重がかかった場合でも、サポートバー７０の凹部７２にタブ６０が係合することで、各発電セル１２の横ずれが防止される。

ここで、矢印Ｂ方向の衝撃荷重がかかった際には、サポートバー７０は、積層体１４の積層方向両端部側の発電セル１２に対し、積層方向中央部側における複数の発電セル１２から受ける応力が大きい。これに対し、本実施形態に係るサポートバー７０では、幅変化部９４によりその延在方向（矢印Ａ方向）の中央部７０ｃが括れていることで、剛性が低くなっている。このため、サポートバー７０は、積層方向中央部側の発電セル１２の移動に応じて容易にしなるように追従し、発電セル１２から受ける応力をサポートバー７０全体に良好に分散させる（中央部７０ｃの応力集中を緩和する）ことができる。

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、積層体１４の締付荷重は、ケース本体２０、及びエンドプレート２４ａ、２４ｂを適用したものに限定されない。例えば、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂの各々にサポートバー７０を連結する（つまりサポートバー７０の他端部７０ｂを支持構造とせずに締結構造とする）ことで、サポートバー７０を用いて積層体１４に締付荷重を付与する構成でもよい。

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、サポートバー７０の幅が延在方向の両端部（一端部７０ａ、他端部７０ｂ）から中央部７０ｃに向かって徐々に狭くなることで、サポートバー７０の剛性を、延在方向の両端部から中央部７０ｃに向かって徐々に低くすることができる。これにより、サポートバー７０は、中央部７０ｃ付近において曲がり易くなる。従って、燃料電池スタック１０が衝撃荷重を受けた際には、積層体１４の積層方向中央付近の発電セル１２の移動にサポートバー７０の中央部７０ｃの変形が追従し易いため、サポートバー７０の中央部７０ｃでの応力集中を緩和することが可能となり、衝撃荷重を一層良好に受けることが可能となる。また、サポートバー７０の軽量化が図られるため、燃料電池スタック１０全体として軽量化を促すことができる。

また、セパレータ３０の外周３３、３５には、外側に突出するタブ６０が設けられ、サポートバー７０は、セパレータ３０に対向する面にタブ６０を収容可能な凹部７２を有する。このように、サポートバー７０は、凹部７２にタブ６０を収容することで、セパレータ３０の外周３３、３５を強固に係合して、セパレータ３０の横ずれをより確実に抑制することができる。

また、凹部７２は、延在方向に沿って同一形状で連続している。これにより、サポートバー７０は、幅が狭くなっても凹部７２の幅が変わらないので、延在方向に沿ってサポートバー７０の剛性を低下させつつ、タブ６０を安定的に収容することができる。

また、サポートバー７０は、矩形状のセパレータ３０の外周３３、３５のうち上辺と下辺の各々に１つ設けられる。このように上辺と下辺に設けられたサポートバー７０により、燃料電池スタック１０は、燃料電池自動車の前方から衝撃荷重を受けた際に、発電セル１２の上下において発電セル１２の横ずれを良好に抑制することができる。またサポートバー７０の設置数が少なくなるため、燃料電池スタック１０自体の軽量化をより促進することができる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
３０…セパレータ ３２…第１セパレータ
３４…第２セパレータ ６０…タブ
７０…サポートバー ７０ａ…一端部
７０ｂ…他端部 ７０ｃ…中央部
７２…凹部 ９２、９２ａ、９２ｂ…幅広部
９４…幅変化部 ９６…傾斜面

Claims (4)

1. セパレータを有する複数の発電セルを積層した積層体と、
   前記積層体の積層方向の両端に設けられた一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレート間において前記積層方向に沿って延在し、前記セパレータの外周に係合可能なサポートバーとを備える燃料電池スタックであって、
   前記サポートバーは、延在方向の両端部から中央部に向かって徐々に幅が狭くなる
   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、
   前記セパレータの外周には、外側に突出するタブが設けられ、
   前記サポートバーは、前記セパレータに対向する面に前記タブを収容可能な凹部を有する
   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、
   前記凹部は、前記延在方向に沿って同一形状で連続している
   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、
   前記サポートバーは、矩形状の前記セパレータの前記外周のうち上辺と下辺の各々に１つ設けられる
   燃料電池スタック。

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