JP7141438B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法に関する。
燃料電池スタックは、例えば、複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、セル積層体の両端に設けられた一組のエンドプレート部とを備える。各発電セルは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体(MEA)と、MEAの両側に配設されたセパレータ部材とを有する。
このような燃料電池スタックは、発電セルの内部抵抗の増大や反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)のシール性の低下等を阻止するために、積層されている複数の発電セル同士を確実に加圧保持する必要がある。例えば、特許文献1には、加圧装置を用いてセル積層体を一方のエンドプレート部に向かって押圧することにより当該セル積層体に圧縮荷重を付与する燃料電池スタックの製造方法が開示されている。
特開2014-212090号公報
ところで、セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、セパレータ本体には、発電領域を周回するように延在して反応ガスの漏出を防止する流路シール部が設けられることがある。流路シール部は、セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部を含む。流路シール部のシールビード部は、セル積層体に圧縮荷重を付与した際に弾性変形する。
このような燃料電池スタックを製造する際にセル積層体を一方のエンドプレート部に向かって押圧した場合、当該一方のエンドプレート部には、積層方向から見て、流路シール部に重なる部分にセル積層体からの比較的大きな反力(弾性変形したシールビード部の復元力)が作用する。そうすると、エンドプレート部がセル積層体からの反力によって変形する可能性がある。
また、セパレータ本体には、発電領域に反応ガスを供給するための反応ガス流路を形成する流路凸部が発電領域に向かって一体的に突出成形されることがある。流路凸部は、セル積層体に圧縮荷重を付与した際に弾性変形する。
このような燃料電池スタックを製造する際にセル積層体を一方のエンドプレート部に向かって押圧した場合、当該一方のエンドプレート部には、積層方向から見て、発電領域に重なる部分にセル積層体からの比較的大きな反力(弾性変形した流路凸部の復元力)が作用する。そうすると、エンドプレート部がセル積層体からの反力によって変形する可能性がある。
上述した反力によって変形しないようにエンドプレート部の全体を分厚くすると、燃料電池スタックの重量が増大するとともに大型化するという問題がある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、小型化及び軽量化を図りつつセル積層体に圧縮荷重を付与する際にエンドプレート部が変形することを抑えることができる燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材とを有する複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタックであって、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、前記セパレータ本体には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域を周回するように延在して反応ガスの漏出を防止する流路シール部が設けられ、前記流路シール部は、前記圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部を含み、前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が前記エンドプレート部の厚さが厚くなるように設けられ、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路シール部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタックである。
本発明の第2の態様は、電解質膜の一方の面にカソード電極が配設されると共に当該電解質膜の他方の面にアノード電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材とを有する複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタックであって、前記発電セルは、前記電解質膜の一方の面に前記カソード電極が接触すると共に前記電解質膜の他方の面に前記アノード電極が接触した発電領域を有し、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、前記セパレータ本体には、前記発電領域に反応ガスを供給するための反応ガス流路を形成する流路凸部が前記発電領域に向かって一体的に突出成形され、前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が前記エンドプレート部の厚さが厚くなるように設けられ、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路凸部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタックである。
本発明の第3の態様は、燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池スタックは、上述した燃料電池スタックであり、前記エンドプレート部の前記面を下方に向けた状態で前記複数の突起部の前記支持面が加圧装置の支持治具の受圧面に接触するように前記エンドプレート部をセットするセット工程と、前記複数の発電セルを前記エンドプレート部の上に積層して前記セル積層体を形成する積層工程と、前記セル積層体を前記加圧装置の押圧部材により前記エンドプレート部に向けて押圧する押圧工程と、前記セル積層体に前記圧縮荷重が付与されるように前記セル積層体の前記エンドプレート部とは反対側に、当該エンドプレート部とは別のエンドプレート部を設ける配置工程と、を含む、燃料電池スタックの製造方法である。
本発明によれば、セル積層体に圧縮荷重を付与する際に、エンドプレート部に設けられた複数の突起部の支持面を加圧装置の支持治具の受圧面に接触させた状態でセル積層体をエンドプレート部に向かって押圧することができる。これにより、セル積層体の流路シール部又は発電領域からエンドプレート部に作用した反力を複数の突起部を介して支持治具の受圧面で効率的に受けることができるため、エンドプレート部が変形することを抑えることができる。また、この場合、エンドプレート部の全体を分厚くする必要がないため、燃料電池スタックの小型化及び軽量化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図1のII-II線に沿った燃料電池スタックの縦断面図である。 図2のセル積層体の一部省略分解斜視図である。 図3のIV-IV線に沿った燃料電池スタックの一部省略拡大断面図である。 接合セパレータを第1セパレータ部材側から見た平面図である。 接合セパレータを第2セパレータ部材側から見た平面図である。 図3のVII-VII線に沿った燃料電池スタックの一部省略拡大断面図である。 第1ケース部材をスタック本体とは反対側から見た平面説明図である。 図8のIX-IX線に沿った一部省略断面図である。 図2のX-X線に沿った一部省略断面図である。 図1の燃料電池スタックの製造方法を説明するためのフローチャートである。 押圧工程の第1の説明図である。 押圧工程の第2の説明図である。 押圧工程の第3の説明図である。 変形例に係る第1ケース部材をスタック本体とは反対側から見た平面説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。ただし、燃料電池スタック10は、定置型であってもよい。
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック10は、スタック本体12とケースユニット14とを備える。スタック本体12は、複数の発電セル16が互いに積層されたセル積層体18を有する。燃料電池スタック10は、複数の発電セル16の積層方向(矢印A方向)が水平になるように配置される。
図2において、セル積層体18の積層方向の一端(矢印A1方向の端)には、第1ターミナルプレート20a、第1内側絶縁プレート22a及び第1外側絶縁プレート24aが外方(矢印A1方向)に向かって順次配設されている。セル積層体18の積層方向の他端(矢印A2方向の端)には、第2ターミナルプレート20b、第2内側絶縁プレート22b及び第2外側絶縁プレート24bが外方(矢印A2方向)に向かって順次配設されている。スタック本体12は、セル積層体18、第1ターミナルプレート20a、第1内側絶縁プレート22a、第1外側絶縁プレート24a、第2ターミナルプレート20b、第2内側絶縁プレート22b及び第2外側絶縁プレート24bを含む。
第1ターミナルプレート20a及び第2ターミナルプレート20bの各々は、導電性を有する材料(例えば、銅やアルミニウム等の金属材料)により構成されている。第1内側絶縁プレート22a及び第2内側絶縁プレート22bの各々は、例えば、電気絶縁性を有する樹脂材料により矩形状(四角形状)に形成されている。
第1内側絶縁プレート22aのセル積層体18に向かう内面(矢印A2方向の面)には、第1ターミナルプレート20aが配設される第1凹部26aが形成されている(図4参照)。第2内側絶縁プレート22bのセル積層体18に向かう内面(矢印A1方向の面)には、第2ターミナルプレート20bが配設される第2凹部26bが形成されている。第1外側絶縁プレート24a及び第2外側絶縁プレート24bの各々は、例えば、電気絶縁性を有する樹脂材料により矩形状(四角形状)に形成されている。第1内側絶縁プレート22aと第1外側絶縁プレート24aは一体で形成されていてもよい。第2内側絶縁プレート22bと第2外側絶縁プレート24bは一体で形成されていてもよい。
図3及び図4に示すように、発電セル16は、横長の長方形状を有する。発電セル16は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体(以下、「樹脂枠付きMEA28」という)と、樹脂枠付きMEA28の両側に配設された第1セパレータ部材30及び第2セパレータ部材32とを有する。第1セパレータ部材30及び第2セパレータ部材32は、金属薄板、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して構成される。第1セパレータ部材30と第2セパレータ部材32とは、図示しない複数の接合ラインにより互いに接合されて接合セパレータ33を形成する。
樹脂枠付きMEA28は、電解質膜・電極構造体(以下、「MEA34」という)と、MEA34の外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材36(樹脂枠部、樹脂フィルム)とを備える。
図4に示すように、MEA34は、電解質膜38と、電解質膜38の一方の面38aに設けられたカソード電極40と、電解質膜38の他方の面38bに設けられたアノード電極42とを有する。
電解質膜38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38は、カソード電極40及びアノード電極42に挟持される。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。
詳細は図示しないが、カソード電極40は、電解質膜38の一方の面38aに接合される第1電極触媒層と、当該第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38の他方の面38bに接合される第2電極触媒層と、当該第2電極触媒層に積層される第2ガス拡散層とを有する。
樹脂枠部材36の内周端部は、カソード電極40の外周端部とアノード電極42の外周端部とで挟持されている。樹脂枠付きMEA28の樹脂枠部は、樹脂枠部材36を用いることなく、電解質膜38をカソード電極40及びアノード電極42よりも外方に突出させることにより形成してもよい。この場合、電解質膜38のうちカソード電極40及びアノード電極42よりも外方に突出した部分の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
発電セル16は、電解質膜38の一方の面38aにカソード電極40が接触するとともに電解質膜38の他方の面38bにアノード電極42が接触した発電領域44を有する。すなわち、発電領域44は、樹脂枠部材36の内周端よりも内側に位置する。発電領域44は、矩形状(四角形状)に形成される。
図3において、各発電セル16の長辺方向の一端縁部(矢印B1方向の端縁部)には、酸化剤ガス供給連通孔46a、冷却媒体供給連通孔48a、燃料ガス排出連通孔50bが設けられている。酸化剤ガス供給連通孔46a、冷却媒体供給連通孔48a、燃料ガス排出連通孔50bは、発電セル16の短辺方向(矢印C方向)に配列して設けられている。
酸化剤ガス供給連通孔46a、冷却媒体供給連通孔48a、燃料ガス排出連通孔50bは、それぞれ、セル積層体18、第1内側絶縁プレート22a及び第1外側絶縁プレート24aを積層方向に貫通している。酸化剤ガス供給連通孔46aには、一方の反応ガスである酸化剤ガス(例えば、酸素含有ガス)が矢印A2方向に向かって流通する。冷却媒体供給連通孔48aには、冷却媒体(例えば、純水、エチレングリコール、オイル等)が矢印A2方向に向かって流通する。燃料ガス排出連通孔50bには、他方の反応ガスである燃料ガス(例えば、水素含有ガス)が矢印A1方向に向かって流通する。
各発電セル16の長辺方向の他端縁部(矢印B2方向の端縁部)には、燃料ガス供給連通孔50a、冷却媒体排出連通孔48b、酸化剤ガス排出連通孔46bが設けられている。燃料ガス供給連通孔50a、冷却媒体排出連通孔48b、酸化剤ガス排出連通孔46bは、矢印C方向に配列して設けられている。
燃料ガス供給連通孔50a、冷却媒体排出連通孔48b、酸化剤ガス排出連通孔46bは、それぞれ、セル積層体18、第1内側絶縁プレート22a及び第1外側絶縁プレート24aを積層方向に貫通している。燃料ガス供給連通孔50aには、燃料ガスが矢印A2方向に向かって流通する。冷却媒体排出連通孔48bには、冷却媒体が矢印A1方向に向かって流通する。酸化剤ガス排出連通孔46bには、酸化剤ガスが矢印A1方向に向かって流通する。
各発電セル16の短辺方向の一端部(矢印C1方向の端部)には、第1ドレン連通孔52及び第2ドレン連通孔54が設けられている。第1ドレン連通孔52及び第2ドレン連通孔54は、それぞれ、セル積層体18、第1内側絶縁プレート22a及び第1外側絶縁プレート24aを積層方向に貫通している。
第1ドレン連通孔52は、発電セル16の長手方向の中央よりも矢印B1方向にずれて位置している。第1ドレン連通孔52は、第2内側絶縁プレート22b又は第2外側絶縁プレート24bに設けられた図示しない連通路を介して燃料ガス排出連通孔50bに連通している。すなわち、第1ドレン連通孔52は、発電セル16の運転時(発電時)に発生した生成水のうち燃料ガス排出連通孔50bに導かれたものを外部に排出する。
第2ドレン連通孔54は、発電セル16の長手方向の中央よりも矢印B2方向にずれて位置している。第2ドレン連通孔54は、第2内側絶縁プレート22b又は第2外側絶縁プレート24bに設けられた図示しない連通路を介して酸化剤ガス排出連通孔46bに連通している。すなわち、第2ドレン連通孔54は、発電セル16の運転時(発電時)に生成した生成水のうち酸化剤ガス排出連通孔46bに導かれたものを外部に排出する。
上述した連通孔(酸化剤ガス供給連通孔46a等)の配置、形状及び大きさは、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。
図4及び図5に示すように、第1セパレータ部材30は、金属板状の第1セパレータ本体56を備える。第1セパレータ本体56の樹脂枠付きMEA28に向かう面(以下、「表面56a」という。)には、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路58(反応ガス流路)が設けられる。酸化剤ガス流路58は、酸化剤ガス供給連通孔46aと酸化剤ガス排出連通孔46bとに流体的に連通する。酸化剤ガス流路58は、カソード電極40(発電領域44)に反応ガスである酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の直線状の第1流路凸部60の間に形成された複数の直線状の第1流路溝62を有する。ただし、酸化剤ガス流路58(第1流路凸部60及び第1流路溝62)は、矢印B方向に波状に延在してもよい。第1流路凸部60は、プレス成形により、MEA34に向かって突出するように第1セパレータ本体56に一体成形されている。
図4において、第1流路凸部60の横断面形状は、第1流路凸部60の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第1流路凸部60は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第1流路凸部60は、互いに対向するように配置された一対の第1側部63と、一対の第1側部63の突出端同士を連結する第1頂部65とを有する。一対の第1側部63の間隔は、第1頂部65に向かって徐々に狭くなっている。なお、第1側部63は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)と平行であってもよい。つまり、第1流路凸部60の横断面形状は、矩形状又は正方形状であってもよい。
図5に示すように、第1セパレータ本体56の表面56aにおいて、酸化剤ガス供給連通孔46aと酸化剤ガス流路58との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部64aからなるエンボス列を複数有する第1入口バッファ部66aが設けられる。また、第1セパレータ本体56の表面56aにおいて、酸化剤ガス排出連通孔46bと酸化剤ガス流路58との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部64bからなるエンボス列を複数有する第1出口バッファ部66bが設けられる。
第1セパレータ本体56の表面56aには、反応ガス(酸化剤ガス若しくは燃料ガス)又は冷却媒体である流体の漏出を防止するための第1シール部68が設けられている。第1シール部68は、樹脂枠部材36に押し付けられている(図4参照)。第1シール部68は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)から見て、直線状に延在している。ただし、第1シール部68は、セパレータ厚さ方向から見て、波状に延在してもよい。
第1シール部68は、複数の連通孔(酸化剤ガス供給連通孔46a等)を個別に囲む複数の第1連通孔シール部70と、第1セパレータ本体56の外周部に設けられた第1流路シール部72とを有する。
以下、複数の第1連通孔シール部70のうち、酸化剤ガス供給連通孔46aを囲むものを「第1連通孔シール部70a」といい、酸化剤ガス排出連通孔46bを囲むものを「第1連通孔シール部70b」という。また、複数の第1連通孔シール部70のうち、燃料ガス供給連通孔50aを囲むものを「第1連通孔シール部70c」といい、燃料ガス排出連通孔50bを囲むものを「第1連通孔シール部70d」という。さらに、複数の第1連通孔シール部70のうち、冷却媒体供給連通孔48aを囲むものを「第1連通孔シール部70e」といい、冷却媒体排出連通孔48bを囲むものを「第1連通孔シール部70f」という。さらにまた、複数の第1連通孔シール部70のうち、第1ドレン連通孔52及び第2ドレン連通孔54を囲むものを「第1連通孔シール部70g」という。
第1流路シール部72は、反応ガス(酸化剤ガス)の漏れを防止するためのものである。第1流路シール部72は、酸化剤ガス流路58、第1入口バッファ部66a、第1出口バッファ部66b及び複数の第1連通孔シール部70a~70dを囲む。第1連通孔シール部70e~70gは、第1流路シール部72の外側に位置する。第1流路シール部72は、発電領域44を周回するように延在している(図4参照)。
第1セパレータ本体56の長辺方向一端側(矢印B1方向)において、第1流路シール部72は、第1連通孔シール部70aと第1連通孔シール部70eとの間、第1連通孔シール部70dと第1連通孔シール部70eとの間を延在するように、蛇行している。
第1セパレータ本体56の長辺方向他端側(矢印B2方向)において、第1流路シール部72は、第1連通孔シール部70cと第1連通孔シール部70fとの間、第1連通孔シール部70bと第1連通孔シール部70fとの間を延在するように、蛇行している。
図4に示すように、第1シール部68は、プレス成形により、樹脂枠付きMEA28に向かって突出するように第1セパレータ本体56に一体成形された第1シールビード部76と、第1シールビード部76に設けられた第1樹脂材78とを有する。第1シールビード部76の横断面形状は、第1シールビード部76の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第1シールビード部76は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第1シールビード部76は、互いに対向するように配置された一対の第1ビード側部80と、一対の第1ビード側部80の突出端同士を連結する第1ビード頂部82とを有する。一対の第1ビード側部80の間隔は、第1ビード頂部82に向かって徐々に狭くなっている。なお、第1ビード側部80は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)と平行であってもよい。つまり、第1シールビード部76の横断面形状は、矩形状又は正方形状であってもよい。
第1樹脂材78は、第1シールビード部76の突出端面(第1ビード頂部82の外面)に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第1樹脂材78は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。なお、第1樹脂材78はなくてもよい。
図5において、第1セパレータ本体56には、第1連通孔シール部70の内側(酸化剤ガス供給連通孔46a側)及び外側(酸化剤ガス流路58側)を連通するブリッジ部84が設けられる。第1セパレータ本体56には、第1連通孔シール部70の内側(酸化剤ガス排出連通孔46b側)及び外側(酸化剤ガス流路58側)を連通するブリッジ部86が設けられる。
図4及び図6に示すように、第2セパレータ部材32は、金属板状の第2セパレータ本体88を備える。第2セパレータ本体88の樹脂枠付きMEA28に向かう面(以下、「表面88a」という。)には、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路90(反応ガス流路)が形成される。燃料ガス流路90は、燃料ガス供給連通孔50aと燃料ガス排出連通孔50bとに流体的に連通する。燃料ガス流路90は、アノード電極42(発電領域44)に反応ガスである燃料ガスを供給する。
燃料ガス流路90は、矢印B方向に延在する複数の直線状の第2流路凸部92の間に形成された複数の直線状の第2流路溝94を有する。ただし、燃料ガス流路90(第2流路凸部92及び第2流路溝94)は、矢印B方向に波状に延在してもよい。第2流路凸部92は、プレス成形により、MEA34に向かって突出するように第2セパレータ本体88に一体成形されている。
図4において、第2流路凸部92の横断面形状は、第2流路凸部92の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第2流路凸部92は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第2流路凸部92は、互いに対向するように配置された一対の第2側部95と、一対の第2側部95の突出端同士を連結する第2頂部97とを有する。一対の第2側部95の間隔は、第2頂部97に向かって徐々に狭くなっている。なお、第2側部95は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)と平行であってもよい。つまり、第2流路凸部92の横断面形状は、矩形状又は正方形状であってもよい。
図6に示すように、第2セパレータ本体88の表面88aにおいて、燃料ガス供給連通孔50aと燃料ガス流路90との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部96aからなるエンボス列を複数有する第2入口バッファ部98aが設けられる。また、第2セパレータ本体88の表面88aにおいて、燃料ガス排出連通孔50bと燃料ガス流路90との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部96bからなるエンボス列を複数有する第2出口バッファ部98bが設けられる。
第2セパレータ本体88の表面88aには、反応ガス(酸化剤ガス若しくは燃料ガス)又は冷却媒体である流体の漏出を防止するための第2シール部100が設けられている。第2シール部100は、樹脂枠部材36に押し付けられている(図4参照)。第2シール部100は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)から見て、直線状に延在している。ただし、第2シール部100は、セパレータ厚さ方向から見て、波状に延在してもよい。
第2シール部100は、複数の連通孔(燃料ガス供給連通孔50a等)を個別に囲む複数の第2連通孔シール部102と、第2セパレータ本体88の外周部に設けられた第2流路シール部104とを有する。
以下、複数の第2連通孔シール部102のうち、燃料ガス供給連通孔50aを囲むものを「第2連通孔シール部102a」といい、燃料ガス排出連通孔50bを囲むものを「第2連通孔シール部102b」という。また、複数の第2連通孔シール部102のうち、酸化剤ガス供給連通孔46aを囲むものを「第2連通孔シール部102c」といい、酸化剤ガス排出連通孔46bを囲むものを「第2連通孔シール部102d」という。さらに、複数の第2連通孔シール部102のうち、冷却媒体供給連通孔48aを囲むものを「第2連通孔シール部102e」といい、冷却媒体排出連通孔48bを囲むものを「第2連通孔シール部102f」という。さらにまた、複数の第2連通孔シール部102のうち、第1ドレン連通孔52及び第2ドレン連通孔54を囲むものを「第2連通孔シール部102g」という。
第2流路シール部104は、反応ガス(燃料ガス)の漏れを防止するためのものである。第2流路シール部104は、燃料ガス流路90、第2入口バッファ部98a、第2出口バッファ部98b及び複数の第2連通孔シール部102a~102dを囲む。第2連通孔シール部102e~102gは、第2流路シール部104の外側に位置する。第2流路シール部104は、発電領域44を周回するように延在している(図4参照)。
第2セパレータ本体88の長辺方向一端側(矢印B1方向)において、第2流路シール部104は、第2連通孔シール部102cと第2連通孔シール部102との間、第2連通孔シール部102bと第2連通孔シール部102との間を延在するように、蛇行している。
第2セパレータ本体88の長辺方向他端側(矢印B2方向)において、第2流路シール部104は、第2連通孔シール部102aと第2連通孔シール部102との間、第2連通孔シール部102dと第2連通孔シール部102との間を延在するように、蛇行している。
図4に示すように、第2シール部100は、プレス成形により、樹脂枠付きMEA28に向かって突出するように第2セパレータ本体88に一体成形された第2シールビード部106と、第2シールビード部106に設けられた第2樹脂材108とを有する。第2シールビード部106の横断面形状は、第2シールビード部106の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第2シールビード部106は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第2シールビード部106は、互いに対向するように配置された一対の第2ビード側部110と、一対の第2ビード側部110の突出端同士を連結する第2ビード頂部112とを有する。一対の第2ビード側部110の間隔は、第2ビード頂部112に向かって徐々に狭くなっている。なお、第2ビード側部110は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)と平行であってもよい。つまり、第2シールビード部106の横断面形状は、矩形状又は正方形状であってもよい。
第2樹脂材108は、第2シールビード部106の突出端面(第2ビード頂部112の外面)に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第2樹脂材108は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。なお、第2樹脂材108はなくてもよい。
図6において、第2セパレータ本体88には、第2連通孔シール部102の内側(燃料ガス供給連通孔50a側)及び外側(燃料ガス流路90側)を連通するブリッジ部114が設けられる。第2セパレータ本体88には、第2連通孔シール部102の内側(燃料ガス排出連通孔50b)及び外側(燃料ガス流路90側)を連通するブリッジ部116が設けられる。
図3及び図4において、互いに接合される第1セパレータ本体56の裏面56bと第2セパレータ本体88の裏面88bとの間には、冷却媒体供給連通孔48aと冷却媒体排出連通孔48bとに流体的に連通する冷却媒体流路118が形成される。冷却媒体流路118は、酸化剤ガス流路58が形成された第1セパレータ本体56の裏面形状と、燃料ガス流路90が形成された第2セパレータ本体88の裏面形状とが重なり合って形成される。
図4に示すように、発電セル16において、複数の第1流路凸部60の各々は、MEA34を介して複数の第2流路凸部92の各々に対向している。第1流路シール部72は、樹脂枠部材36を介して第2流路シール部104に対向している。複数の第1連通孔シール部70の各々は、樹脂枠部材36を介して複数の第2連通孔シール部102の各々に対向している(図3参照)。
図4及び図7に示すように、第1内側絶縁プレート22aの内面には、矢印A1方向の最外に位置する第1セパレータ部材30の第1シール部68が配置される溝部120が形成されている。つまり、最外に位置する第1セパレータ部材30の第1流路シール部72は、溝部120の底面に押し付けられる。
第1内側絶縁プレート22aのうち矢印A方向に発電領域44と重なる部位の外面(矢印A1方向の面)は、第1外側絶縁プレート24aの内面(矢印A2方向の面)に面接触している。第1内側絶縁プレート22aのうち矢印A方向に第1シール部68及び第2シール部100と重なる部位の外面は、第1外側絶縁プレート24aの内面に面接触している。
図7において、第1内側絶縁プレート22aには、第1ドレン連通孔52から導かれた生成水をスタック本体12の外部に排出するための第1ドレン管122と第2ドレン管124とが設けられている。第1外側絶縁プレート24aには、第1ドレン管122が挿通する第1挿通孔126と第2ドレン管124が挿通する第2挿通孔128とが矢印A方向に貫通形成されている。
図1及び図2に示すように、ケースユニット14は、スタック本体12を収納するスタック収納空間Saを形成するスタックケース130と、燃料電池用補機131(図2参照)を収納する補機収納空間Sbを形成する補機ケース132とを備える。ケースユニット14は、矢印A方向と直交する方向から見て矩形状であり、その長辺が矢印A方向に沿って延在する。
図2に示すように、スタックケース130は、スタック本体12の外周面を覆う四角筒状の周壁ケース134と、周壁ケース134の一端(矢印A1方向の端)に配設された第1エンドプレート部136と、周壁ケース134の他端(矢印A2方向の端)に配設された第2エンドプレート部138とを含む。すなわち、スタック収納空間Saは、周壁ケース134、第1エンドプレート部136及び第2エンドプレート部138によって形成される。
第1エンドプレート部136は、周壁ケース134の一端側の第1開口部134aを閉塞するように周壁ケース134に図示しないボルトにより接合される。第1エンドプレート部136と周壁ケース134との間には、第1開口部134aの外周に沿って、弾性材料からなる環状のシール部材140が介装されている。第1エンドプレート部136のスタック本体12に向かう面(矢印A2方向の面)は、第1外側絶縁プレート24aに面接触している。第1エンドプレート部136の詳細な構成については後述する。
第2エンドプレート部138は、周壁ケース134の他端側の第2開口部134bを閉塞するように周壁ケース134にボルト142により接合される。第2エンドプレート部138と周壁ケース134との間には、第2開口部134bの外周に沿って、弾性材料からなる環状のシール部材144が介装されている。スタック本体12(第2外側絶縁プレート24b)と第2エンドプレート部138との間には、セル積層体18に作用する圧縮荷重の大きさを調整するための複数枚のシムプレート146が配設されている。シムプレート146は、第2エンドプレート部138に面接触する。換言すれば、第2エンドプレート部138をボルト142によって周壁ケース134に締め付けることにより、セル積層体18には圧縮荷重が付与される。
補機ケース132は、補機収納空間Sbに収容された燃料電池用補機131を保護するための保護ケースである。補機収納空間Sbに収容される燃料電池用補機131としては、例えば、図示しない気液分離器、インジェクタ、エジェクタ、燃料ガスポンプ、バルブ類等が挙げられる。
補機ケース132は、矢印A1方向が開口した箱型の第1ケース部材148と、矢印A2方向が開口した箱型の第2ケース部材150とを互いに接合することにより形成される。第1ケース部材148は、上述した第1エンドプレート部136と、第1エンドプレート部136の外周縁部から矢印A1方向に突出した第1周壁部152と、第1周壁部152の突出端に設けられた環状の第1フランジ部154とを含む。第1エンドプレート部136は、スタックケース130の壁部と補機ケース132の壁部の両方を兼ねている。換言すると、第1エンドプレート部136は、スタック収納空間Saと補機収納空間Sbとの隔壁である。
第2ケース部材150は、ケースユニット14の矢印A1方向の端に位置する外側プレート156と、外側プレート156の外周縁部から矢印A2方向に突出した第2周壁部158と、第2周壁部158の突出端に設けられた環状の第2フランジ部160とを含む。第1ケース部材148と第2ケース部材150とは、第1フランジ部154と第2フランジ部160とを互いに接触させた状態でボルト162によって締結することによって一体化される。
図8に示すように、第1エンドプレート部136は、矩形状に形成されている。第1エンドプレート部136には、2つの配管用開口部164、166が形成されている。2つの配管用開口部164、166は、第1エンドプレート部136の長辺方向(矢印B方向)に互いに離間して配置されている。各配管用開口部164、166は、第1エンドプレート部136の短辺方向(矢印C方向)に沿って延びている。
一方の配管用開口部164には、酸化剤ガス供給連通孔46a、冷却媒体供給連通孔48a及び燃料ガス排出連通孔50bにそれぞれ接続される接続配管(図示せず)が通される。他方の配管用開口部166には、燃料ガス供給連通孔50a、冷却媒体排出連通孔48b及び酸化剤ガス排出連通孔46bにそれぞれ接続される接続配管(図示せず)が通される。
図2、図4、図7~図9に示すように、第1エンドプレート部136の第2ケース部材150側の面136aには、矢印C方向に沿って直線状に延在した複数の溝168が形成されている。複数の溝168は、矢印B方向に沿って間隔を置いて配置されている。つまり、図8及び図9において、第1エンドプレート部136には、互いに隣接する溝168の間にリブ170が形成されている。複数の溝168と複数のリブ170は、2つの配管用開口部164、166の間に位置している(図8参照)。
また、図2、図4、図7~図9に示すように、第1エンドプレート部136の面136aには、複数の突起部171が設けられている。複数の突起部171は、第1エンドプレート部136の面136aから一体的に突出している。各突起部171の突出端には、矢印A1方向を指向する平坦な支持面172が設けられている。
図4において、複数の突起部171の高さH1(第1エンドプレート部136の面136aから支持面172までの距離)は、互いに同じに設定されている。換言すれば、複数の突起部171の支持面172は、矢印A方向と直交する単一平面(同一平面)上に位置する。
図2において、各突起部171の高さH1は、第1周壁部152の高さH2(第1エンドプレート部136の面136aから第1周壁部152の突出端までの距離)よりも低い。すなわち、複数の突起部171の支持面172は、第1周壁部152の突出端よりも第1エンドプレート部136側(矢印A2方向)に位置している。
図8に示すように、本実施形態において、第1エンドプレート部136の面136aには、複数の突起部171として、2つの第1突起部174a、174b、2つの第2突起部176a、176b、1つの中央突起部177と、4つの外周突起部178a、178b、178c、178dとが設けられている。各第1突起部174a、174bは、第1エンドプレート部136から円柱状に突出したボスである(図4参照)。
図4及び図8において、2つの第1突起部174a、174bの支持面172は、矢印A方向から見て、第1流路シール部72及び第2流路シール部104(以下、単に「流路シール部182」という)と重なる位置にある。すなわち、2つの第1突起部174a、174bの支持面172は、矢印A方向から見て、第1シールビード部76及び第2シールビード部106(以下、単に「シールビード部184」という)と重なる位置にある。
具体的に、2つの第1突起部174a、174bは、矢印A方向から見て発電領域44の第1ドレン管122(第2ドレン管124)とは反対側(矢印C2方向)に位置している。換言すれば、2つの第1突起部174a、174bは、発電領域44よりも上方に位置している。2つの第1突起部174a、174bは、矢印A方向から見て発電領域44の矢印C2方向の2つの角部のそれぞれに隣接する位置にある。
図7に示すように、各第2突起部176a、176bは、第1エンドプレート部136から円管状に突出したボスである。第2突起部176aの内孔は、第1エンドプレート部136を貫通するとともに第1ドレン管122が挿通する貫通孔186である。第2突起部176bの内孔は、第1エンドプレート部136を貫通するとともに第2ドレン管124が挿通する貫通孔188である。2つの第2突起部176a、176bの支持面172は、矢印A方向から見て、流路シール部182と重なる位置にある。すなわち、2つの第2突起部176a、176の支持面172は、矢印A方向から見て、シールビード部184と重なる位置にある。
図8において、2つの第2突起部176a、176bは、矢印A方向から見て発電領域44よりも矢印C1方向に位置している。換言すれば、2つの第2突起部176a、176bは、発電領域44よりも下方に位置している。2つの第2突起部176a、176bの支持面172は、矢印A方向から見て発電領域44の矢印C1方向の2つの角部のそれぞれに隣接する位置にある。
図2、図4、図8及び図9において、中央突起部177と4つの外周突起部178a、178b、178c、178dの各々は、第1エンドプレート部136から円柱状に突出したボスである。中央突起部177は、矢印A方向から見て発電領域44の中央に対して重なる位置にある(図8参照)。
図8において、4つの外周突起部178a、178b、178c、178dは、矢印A方向から見て発電領域44の外周縁部に対して重なる位置にある。具体的に、外周突起部178a、178b、178c、178dは、矢印A方向から見て発電領域44の各辺の中央部に対して重なる位置にある。
すなわち、外周突起部178aは、矢印A方向から見て発電領域44の中央よりも矢印B1方向の部分に重なるように位置している。外周突起部178aは、第1突起部174aと第2突起部176aとの間に位置する。外周突起部178bは、矢印A方向から見て発電領域44の中央よりも矢印B2方向の部分に重なるように位置している。外周突起部178bは、第1突起部174bと第2突起部176bとの間に位置する。
外周突起部178cは、矢印A方向から見て発電領域44の中央よりも矢印C2方向の部分に重なるように位置している。外周突起部178dは、矢印A方向から見て発電領域44の中央よりも矢印C1方向の部分に重なるように位置している。
図8及び図9に示すように、中央突起部177及び外周突起部178c、178dの各々は、互いに隣接するリブ170を跨ぐようにこれらリブ170の間の溝168に設けられている。つまり、溝168の両側に位置するリブ170は、中央突起部177と外周突起部178c、178dとを介して互いに繋がっている。換言すれば、中央突起部177及び外周突起部178c、178dの各々は、互いに隣接するリブ170にそれぞれ連結している。
図9において、複数のリブ170の矢印A1方向の端は、複数の突起部171の支持面172よりもセル積層体18側(矢印A2方向)に位置している。換言すれば、複数の突起部171の支持面172は、複数のリブ170の端面よりも矢印A1方向に位置している。なお、矢印A方向において、各リブ170の端面は、第1エンドプレート部136の面136aと同じ位置にある。
図2及び図10に示すように、第2エンドプレート部138のスタック本体12とは反対側の面138a(外面)には、複数の突起部179が設けられている。複数の突起部179は、第2エンドプレート部138の面138aから一体的に円柱状に突出している。各突起部179の突出端には、矢印A2方向を指向する平坦な支持面180が設けられている。
複数の突起部179の高さ(第2エンドプレート部138の面138aから支持面180までの距離)は、互いに同じに設定されている。換言すれば、複数の突起部179の支持面180は、矢印A方向と直交する単一平面(同一平面)上に位置する。
第2エンドプレート部138の面138aに対する複数の突起部179の配置は、第1エンドプレート部136の面136aに対する複数の突起部171の配置と略同じである。換言すれば、複数の突起部179は、矢印A方向から見て複数の突起部171に対して重なる位置にある。
つまり、複数の突起部179の支持面180は、矢印A方向から見てシールビード部184に対して重なる位置にあるものと、矢印A方向から見て発電領域44に対して重なる位置にあるものとを含む。
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。
まず、酸化剤ガスは、図3及び図5に示すように、酸化剤ガス供給連通孔46aから第1セパレータ部材30の酸化剤ガス流路58に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、MEA34のカソード電極40に供給される。
一方、燃料ガスは、図3及び図6に示すように、燃料ガス供給連通孔50aから第2セパレータ部材32の燃料ガス流路90に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路90に沿って矢印B方向に移動し、MEA34のアノード電極42に供給される。
従って、各MEA34では、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、カソード電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス排出連通孔46bに沿って矢印A方向に排出される。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、燃料ガス排出連通孔50bに沿って矢印A方向に排出される。
また、冷却媒体供給連通孔48aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ部材30と第2セパレータ部材32との間に形成された冷却媒体流路118に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA34を冷却した後、冷却媒体排出連通孔48bから排出される。
次に、本実施形態に係る燃料電池スタック10の製造方法について、以下に説明する。
図11に示すように、燃料電池スタック10の製造方法は、準備工程、セット工程、積層工程、押圧工程、配置工程を含む。まず、準備工程(ステップS1)において、周壁ケース134の一端に第1ケース部材148のみを固定する(図12参照)。つまり、周壁ケース134には、第2エンドプレート部138が取り付けられていない。また、第1ケース部材148には、第2ケース部材150が取り付けられていない。
続いて、セット工程(ステップS2)において、第1エンドプレート部136の面136aを鉛直下方に向けた状態で第1ケース部材148を加圧装置300の支持治具302にセットする(図12参照)。この際、各突起部171の支持面172は、支持治具302の平坦な受圧面302aに面接触する。
その後、積層工程(ステップS3)において、第1外側絶縁プレート24a、第1内側絶縁プレート22a、第1ターミナルプレート20a、複数の発電セル16(セル積層体18)、第2ターミナルプレート20b、第2内側絶縁プレート22b、第2外側絶縁プレート24b、複数枚のシムプレート146を、周壁ケース134内に順次積層してセル積層体18を形成する。
続いて、押圧工程(ステップS4)において、押圧部材304によってシムプレート146を下方に向かって押圧する荷重エージングを行う。換言すれば、押圧工程では、セル積層体18を第1エンドプレート部136に向かって押圧する。そうすると、セル積層体18には、圧縮荷重が付与される。この押圧工程においてセル積層体18に付与される圧縮荷重は、燃料電池スタック10の運転時にセル積層体18に作用する圧縮荷重よりも大きい。また、押圧工程では、所望の圧縮荷重がセル積層体18に繰り返し付与される。ただし、押圧工程において、セル積層体18に付与する圧縮荷重の大きさ、回数、タイミング等は適宜設定可能である。
押圧工程においてセル積層体18に圧縮荷重が付与されると、図13及び図14に示すように、第1流路凸部60、第2流路凸部92及びシールビード部184が弾性変形する。そうすると、第1エンドプレート部136には、積層方向(矢印A方向)か見て発電領域44と流路シール部182とに重なる部分にセル積層体18から比較的大きな反力が作用する。
そして、流路シール部182から第1エンドプレート部136に向かって作用する反力は、第1突起部174a、174b及び第2突起部176a、176bを介して支持治具302の受圧面302aで受圧される。また、図13に示すように、発電領域44から第1エンドプレート部136に向かって作用する反力は、外周突起部178a、178b、178c、178d及び中央突起部177を介して支持治具302の受圧面302aで受圧される。そのため、第1エンドプレート部136がセル積層体18からの反力によって変形することが抑えられる。
このような押圧工程(荷重エージング)を行うことにより、第1流路凸部60、第2流路凸部92及びシールビード部184を予め所望の量だけ予備変形させることができる。これにより、第1流路凸部60、第2流路凸部92及びシールビード部184の運転時のへたりを緩和することができる。
押圧工程の終了後、押圧部材304を除去し、配置工程(ステップS5)において、第2エンドプレート部138を周壁ケース134に対してボルト142で固定する(図2参照)。この際、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180を第1エンドプレート部136に向かって押圧する。これにより、第2エンドプレート部138が変形することを抑えつつ第2エンドプレート部138を周壁ケース134に対してボルト142で効率的に固定することができる。このような配置工程により、セル積層体18には、所望の圧縮荷重が付与された状態となる。また、第1ケース部材148内に燃料電池用補機131を収納した状態で第1ケース部材148に対して第2ケース部材150をボルト162で固定する(図2参照)。これにより、燃料電池スタック10の製造が完了する。
この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック10及び燃料電池スタック10の製造方法は、以下の効果を奏する。
本実施形態において、第1エンドプレート部136のうちセル積層体18とは反対側の面136aには、積層方向(矢印A方向)を指向する支持面172を有する複数の突起部171が設けられている。複数の突起部171は、積層方向から見て流路シール部182に対して重なる位置にある。複数の突起部171の支持面172は、積層方向と直交する単一平面(同一平面)上に位置する。
このような構成によれば、セル積層体18に圧縮荷重を付与する際に、第1エンドプレート部136に設けられた複数の突起部171の支持面172を加圧装置300の支持治具302の受圧面302aに接触させた状態でセル積層体18を第1エンドプレート部136に向かって押圧することができる。そうすると、セル積層体18の流路シール部182から第1エンドプレート部136に作用した反力(弾性変形したシールビード部184の復元力)を、複数の突起部171を介して支持治具302の受圧面302aで効率的に受けることができる。そのため、第1エンドプレート部136が変形することを抑えることができる。また、この場合、第1エンドプレート部136の全体を分厚くする必要がないため、燃料電池スタック10の小型化及び軽量化を図ることができる。
複数の突起部171は、積層方向から見て、発電領域44の両側に位置する第1突起部174a、174b及び第2突起部176a、176bを含む。
このような構成によれば、流路シール部182から第1エンドプレート部136に作用した反力を第1突起部174a、174bと第2突起部176a、176bを介して支持治具302の受圧面302aでバランスよく受けることができる。
第1突起部174a、174bは、間隔を置いて複数(2つ)設けられ、第2突起部176a、176bは、間隔を置いて複数(2つ)設けられている。
このような構成によれば、流路シール部182から第1エンドプレート部136に作用した反力を複数の第1突起部174a、174bと複数の第2突起部176a、176bを介して支持治具302の受圧面302aで一層バランスよく受けることができる。
第1突起部174a、174bは、第1エンドプレート部136に一体成形されるとともに中実に形成されている。
このような構成によれば、第1突起部174a、174bによって第1エンドプレート部136の剛性を効果的に高めることができる。
第2突起部176a、176bは、発電領域44よりも下方に位置している。第2突起部176a、176bには、複数の発電セル16の発電により生成された生成水を外部に排出するための貫通孔186、188が形成されている。
このような構成によれば、ドレン用の貫通孔186、188が形成された突起部を第2突起部176a、176bとして利用することができる。つまり、第2突起部176a、176bとは別にドレン用の貫通孔が形成された突起部を設ける必要がないため、燃料電池スタック10の小型軽量化を図ることができる。
第2エンドプレート部138の複数の突起部179は、積層方向から見て流路シール部182に対して重なる位置にあり、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180は、積層方向と直交する単一平面上に位置する。
このような構成によれば、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180を第1エンドプレート部136に向かって押圧しながら第2エンドプレート部138をセル積層体18の積層方向の端部に固定することができる。これにより、第2エンドプレート部138が流路シール部182からの反力によって変形することを抑えつつ第2エンドプレート部138を効率的に固定することができる。
本実施形態において、複数の突起部171は、積層方向から見て発電領域44に対して重なる位置にある。複数の突起部171の支持面172は、積層方向と直交する単一平面(同一平面)上に位置する。
このような構成によれば、セル積層体18に圧縮荷重を付与する際に、セル積層体18の発電領域44から第1エンドプレート部136に作用した反力(弾性変形した第1流路凸部60及び第2流路凸部92の復元力)を、複数の突起部171を介して支持治具302の受圧面302aで効率的に受けることができる。そのため、第1エンドプレート部136が変形することを抑えることができる。また、この場合、第1エンドプレート部136の全体を分厚くする必要がないため、燃料電池スタック10の小型化及び軽量化を図ることができる。
発電領域44は、四角形状に形成されている。複数の突起部171は、積層方向から見て発電領域44の各辺部の中央部に対して重なる位置にある複数の外周突起部178a、178b、178c、178dを含む。
このような構成によれば、発電領域44から第1エンドプレート部136に作用した反力を、複数の外周突起部178a、178b、178c、178dを介して支持治具302の受圧面302aでバランスよく受けることができる。
複数の突起部171は、積層方向から見て発電領域44の中央部に対して重なる位置にある中央突起部177を含む。
このような構成によれば、発電領域44から第1エンドプレート部136に作用した反力を、中央突起部177を介して支持治具302の受圧面302aで受けることができる。
第1エンドプレート部136の面136aには、一方向に延在した複数のリブ170が互いに離間して配置されている。複数の突起部171(中央突起部177及び外周突起部178c、178d)は、複数のリブ170の間を跨ぐように設けられている。
このような構成によれば、第1エンドプレート部136の剛性を複数の突起部171(中央突起部177及び外周突起部178c、178d)によって高めることができる。
複数のリブ170のセル積層体18とは反対側(矢印A1方向)の端は、複数の突起部171の支持面172よりもセル積層体18側(矢印A2方向)に位置している。
このような構成によれば、第1エンドプレート部136を支持治具302にセットした際に支持治具302の受圧面302aを複数の突起部171の支持面172に確実に接触させることができる。
第2エンドプレート部138の複数の突起部179は、積層方向から見て発電領域44に対して重なる位置にあり、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180は、積層方向と直交する単一平面上に位置する。
このような構成によれば、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180を第1エンドプレート部136に向かって押圧しながら第2エンドプレート部138をセル積層体18の積層方向の端部に固定することができる。これにより、第2エンドプレート部138が発電領域44からの反力によって変形することを抑えつつ第2エンドプレート部138を効率的に固定することができる。
本実施形態では、セット工程において、第1エンドプレート部136の面136aを下方に向けた状態で複数の突起部171の支持面172が加圧装置300の支持治具302の受圧面302aに接触するように第1エンドプレート部136をセットする。そして、押圧工程において、セル積層体18を加圧装置300の押圧部材304により第1エンドプレート部136に向けて押圧している。
このような方法によれば、セル積層体18(流路シール部182又は発電領域44)から第1エンドプレート部136に作用した反力を、複数の突起部171を介して支持治具302の受圧面302aで効率的に受けることができる。
配置工程では、第2エンドプレート部138の複数の突起部179の支持面180を第1エンドプレート部136に向かって押圧しながら第2エンドプレート部138を固定する。
このような方法によれば、第2エンドプレート部138の変形を抑えつつ第2エンドプレート部138を効率的に固定することができる。
燃料電池スタック10は、上述した構成に限定されない。第1突起部174a、174b及び第2突起部176a、176bは、矢印A方向から見て流路シール部182に対して隣接する位置(重ならない位置)にあってもよい。この場合であっても、セル積層体18に圧縮荷重を付与する際に、流路シール部182から第1エンドプレート部136に作用した反力を、第1突起部174a、174b及び第2突起部176a、176bを介して支持治具302の受圧面302aで効率的に受けることができる。複数の突起部179は、積層方向(矢印A方向)から見て流路シール部182に対して隣接する位置(重ならない位置)にあってもよい。
複数の突起部171、179の数、位置、大きさ、形状は、上述したものに限定されず、適宜設定可能である。具体的に、燃料電池スタック10は、例えば、上述した第1ケース部材148に代えて図15に示す変形例に係る第1ケース部材148aを備えてもよい。
図15に示すように、第1ケース部材148aでは、4つの外周突起部178a、178b、178c、178dは、矢印A方向から見て、発電領域44の各角部に対して重なる位置にある。この場合、2つの第1突起部174a、174bは、上方に位置する外周突起部178c、178dから適度な距離離れた位置にあるのが好ましい。このような構成の第1ケース部材148aであっても、上述した第1ケース部材148と同様の効果を奏する。
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。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、電解質膜(38)の両側に電極(40、42)が配設されてなる電解質膜・電極構造体(34)と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材(30、32)とを有する複数の発電セル(16)が互いに積層されて形成されたセル積層体(18)と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部(136)と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタック(10)であって、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体(56、88)を有し、前記セパレータ本体には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域(44)を周回するように延在して反応ガスの漏出を防止する流路シール部(182)が設けられ、前記流路シール部は、前記圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部(184)を含み、前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面(136a)には、前記積層方向を指向する支持面(172)を有する複数の突起部(171)が設けられ、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路シール部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタックを開示している。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て、前記発電領域の両側に位置する第1突起部(174a、174b)及び第2突起部(176a、176b)を含んでもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記第1突起部は、間隔を置いて複数設けられ、前記第2突起部は、間隔を置いて複数設けられてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記第1突起部は、前記エンドプレート部に一体成形されるとともに中実に形成されてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記第2突起部は、前記発電領域よりも下方に位置し、前記第2突起部は、前記複数の発電セルの発電により生成された生成水を外部に排出するための貫通孔(186、188)が形成されてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート部の外縁部から前記セル積層体とは反対側に向かって突出した周壁部(152)を有してもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数の突起部の前記支持面は、前記周壁部の突出端よりも前記セル積層体が位置する側にあってもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート部は、第1エンドプレート部であり、前記燃料電池スタックは、前記セル積層体を前記第1エンドプレート部とは反対側から覆う第2エンドプレート部(138)を備え、前記第2エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面(138a)には、前記積層方向を指向する支持面(180)を有する複数の突起部(179)が設けられ、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路シール部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置してもよい。
上記実施形態は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材とを有する複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタックであって、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、前記セパレータ本体には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に反応ガスを供給するための反応ガス流路(58、90)を形成する流路凸部(60、92)が前記発電領域に向かって一体的に突出成形され、前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が設けられ、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタックを開示している。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記発電領域は、四角形状に形成され、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の各辺部の中央部に対して重なる位置にある複数の外周突起部(178a~178d)を含んでもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記発電領域は、四角形状に形成され、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の各角部に対して重なる位置にある外周突起部を含んでもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の中央部に対して重なる位置にある中央突起部(177)を含んでもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート部の前記面には、一方向に延在した複数のリブ(170)が互いに離間して配置され、前記複数の突起部は、前記複数のリブの間を跨ぐように設けられてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数のリブの前記セル積層体とは反対側の端は、前記複数の突起部の前記支持面よりも前記セル積層体側に位置してもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート部は、第1エンドプレート部であり、前記燃料電池スタックは、前記セル積層体を前記第1エンドプレート部とは反対側から覆う第2エンドプレート部を備え、前記第2エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が設けられ、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置してもよい。
上記実施形態は、燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池スタックは、上述した燃料電池スタックであり、前記エンドプレート部の前記面を下方に向けた状態で前記複数の突起部の前記支持面が加圧装置(300)の支持治具(302)の受圧面(302a)に接触するように前記エンドプレート部をセットするセット工程と、前記複数の発電セルを前記エンドプレート部の上に積層して前記セル積層体を形成する積層工程と、前記セル積層体を前記加圧装置の押圧部材(304)により前記エンドプレート部に向けて押圧する押圧工程と、前記セル積層体に前記圧縮荷重が付与されるように前記セル積層体の前記エンドプレート部とは反対側に、当該エンドプレート部とは別のエンドプレート部を設ける配置工程と、を含む、燃料電池スタックの製造方法を開示している。
上記の燃料電池スタックの製造方法において、前記配置工程では、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面を前記第1エンドプレート部に向かって押圧しながら前記第2エンドプレート部を固定してもよい。
10…燃料電池スタック 16…発電セル
18…セル積層体 30…第1セパレータ部材
32…第2セパレータ部材 34…電解質膜・電極構造体(MEA)
38…電解質膜 40…カソード電極
42…アノード電極 44…発電領域
56…第1セパレータ本体 58…酸化剤ガス流路(反応ガス流路)
60…第1流路凸部 88…第2セパレータ本体
90…燃料ガス流路(反応ガス流路) 92…第2流路凸部
136…第1エンドプレート部 152…第1周壁部
170…リブ 171、179…突起部
172、180…支持面 174a、174b…第1突起部
176a、176b…第2突起部 177…中央突起部
178a~178d…外周突起部 182‥流路シール部
184…シールビード部 186、188…貫通孔
300…加圧装置 302…支持治具
302a…受圧面

Claims (17)

  1. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材とを有する複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタックであって、
    前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、
    前記セパレータ本体には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域を周回するように延在して反応ガスの漏出を防止する流路シール部が設けられ、
    前記流路シール部は、前記圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部を含み、
    前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が前記エンドプレート部の厚さが厚くなるように設けられ、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路シール部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、
    前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタック。
  2. 請求項1記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て、前記発電領域の両側に位置する第1突起部及び第2突起部を含む、燃料電池スタック。
  3. 請求項2記載の燃料電池スタックであって、
    前記第1突起部は、間隔を置いて複数設けられ、
    前記第2突起部は、間隔を置いて複数設けられている、燃料電池スタック。
  4. 請求項2又は3に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第1突起部は、前記エンドプレート部に一体成形されるとともに中実に形成されている、燃料電池スタック。
  5. 請求項2~4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数の発電セルは、水平方向に積層され、
    前記第2突起部は、前記発電領域よりも下方に位置し、
    前記第2突起部は、前記複数の発電セルの発電により生成された生成水を外部に排出するための貫通孔が形成されている、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であって、
    前記エンドプレート部の外縁部から前記セル積層体とは反対側に向かって突出した周壁部を有する、燃料電池スタック。
  7. 請求項6記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数の突起部の前記支持面は、前記周壁部の突出端よりも前記セル積層体が位置する側にある、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であって、
    前記エンドプレート部は、第1エンドプレート部であり、
    前記燃料電池スタックは、前記セル積層体を前記第1エンドプレート部とは反対側から覆う第2エンドプレート部を備え、
    前記第2エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が設けられ、
    前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路シール部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、
    前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタック。
  9. 電解質膜の一方の面にカソード電極が配設されると共に当該電解質膜の他方の面にアノード電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータ部材とを有する複数の発電セルが互いに積層されて形成されたセル積層体と、前記複数の発電セルの積層方向から前記セル積層体を覆うように設けられたエンドプレート部と、を備え、前記セル積層体には、前記積層方向に沿った圧縮荷重が付与されている燃料電池スタックであって、
    前記発電セルは、前記電解質膜の一方の面に前記カソード電極が接触すると共に前記電解質膜の他方の面に前記アノード電極が接触した発電領域を有し、
    前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、
    前記セパレータ本体には、前記発電領域に反応ガスを供給するための反応ガス流路を形成する流路凸部が前記発電領域に向かって一体的に突出成形され、
    前記エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が前記エンドプレート部の厚さが厚くなるように設けられ、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記流路凸部に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、
    前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタック。
  10. 請求項9記載の燃料電池スタックであって、
    前記発電領域は、四角形状に形成され、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の各辺部の中央部に対して重なる位置にある複数の外周突起部を含む、燃料電池スタック。
  11. 請求項9記載の燃料電池スタックであって、
    前記発電領域は、四角形状に形成され、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の各角部に対して重なる位置にある外周突起部を含む、燃料電池スタック。
  12. 請求項9~11のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域の中央部に対して重なる位置にある中央突起部を含む、燃料電池スタック。
  13. 請求項9~12のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記エンドプレート部の前記面には、一方向に延在した複数のリブが互いに離間して配置され、
    前記複数の突起部は、前記複数のリブの間を跨ぐように設けられている、燃料電池スタック。
  14. 請求項13記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数のリブの前記セル積層体とは反対側の端は、前記複数の突起部の前記支持面よりも前記セル積層体側に位置している、燃料電池スタック。
  15. 請求項9~14のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記エンドプレート部は、第1エンドプレート部であり、
    前記燃料電池スタックは、前記セル積層体を前記第1エンドプレート部とは反対側から覆う第2エンドプレート部を備え、
    前記第2エンドプレート部のうち前記セル積層体とは反対側の面には、前記積層方向を指向する支持面を有する複数の突起部が設けられ、
    前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部は、前記積層方向から見て前記発電領域に対して重なる位置又は隣接する位置にあり、
    前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面は、前記積層方向と直交する単一平面上に位置する、燃料電池スタック。
  16. 燃料電池スタックの製造方法であって、
    前記燃料電池スタックは、請求項1~15のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであり、
    前記エンドプレート部の前記面を下方に向けた状態で前記複数の突起部の前記支持面が加圧装置の支持治具の受圧面に接触するように前記エンドプレート部をセットするセット工程と、
    前記複数の発電セルを前記エンドプレート部の上に積層して前記セル積層体を形成する積層工程と、
    前記セル積層体を前記加圧装置の押圧部材により前記エンドプレート部に向けて押圧する押圧工程と、
    前記セル積層体に前記圧縮荷重が付与されるように前記セル積層体の前記エンドプレート部とは反対側に、当該エンドプレート部とは別のエンドプレート部を設ける配置工程と、を含む、燃料電池スタックの製造方法。
  17. 請求項16記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
    前記燃料電池スタックは、請求項8又は15に記載の燃料電池スタックであり、
    前記配置工程では、前記第2エンドプレート部の前記複数の突起部の前記支持面を前記第1エンドプレート部に向かって押圧しながら前記第2エンドプレート部を固定する、燃料電池スタックの製造方法。
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