特許 6442304 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6442304

(24)【登録日】2018年11月30日

(45)【発行日】2018年12月19日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20181210BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20181210BHJP

   H01M 8/247 20160101ALI20181210BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20181210BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0202

   H01M8/2465

   H01M8/247

   !H01M8/10 101

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-18100(P2015-18100)

(22)【出願日】2015年2月2日

(65)【公開番号】特開2016-143545(P2016-143545A)

(43)【公開日】2016年8月8日

【審査請求日】2017年11月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100149261

【弁理士】

【氏名又は名称】大内 秀治

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(72)【発明者】

【氏名】西山 忠志

(72)【発明者】

【氏名】奈良 由介

(72)【発明者】

【氏名】高木 孝介

【審査官】 近藤 政克

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０９６３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７９０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７０６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９４２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８４２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２１２１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／２４７

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層される燃料電池スタックであって、
前記セパレータには、前記単位セルの積層方向に直交する方向の荷重を受ける樹脂製の荷重受け部が設けられる一方、
前記単位セルの積層方向に延在して複数個の該単位セルを支持するとともに、前記荷重受け部に係合する係合部を有する連結部材を備え、
前記荷重受け部は、前記セパレータの外周縁部から外方に突出する凸状部を有し、
前記係合部は、前記凸状部が挿入される凹状部を有し、
前記凸状部の側面と前記凹状部を形成する側面との間隔は、該凸状部の根本部側の間隔が前記凸状部の先端側の間隔よりも小さな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記凸状部の前記側面は、該凸状部の根本部側から前記先端側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有する、又は、前記凹状部を形成する前記側面は、該凸状部の根本部側から前記先端側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、外部荷重による前記荷重受け部の変位時において、前記係合部と前記荷重受け部との接点は、該荷重受け部の前記外周縁部から先端部までの距離の中央よりも、該外周縁部側に近接することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層される燃料電池スタックであって、
前記セパレータには、前記単位セルの積層方向に直交する方向の荷重を受ける樹脂製の荷重受け部が設けられる一方、
前記単位セルの積層方向に延在して複数個の該単位セルを支持するとともに、前記荷重受け部に係合する係合部を有する連結部材を備え、
前記荷重受け部は、前記セパレータの外周縁部から内方に陥没する凹状部を有し、
前記係合部は、前記凹状部に挿入される凸状部を有し、
前記凹状部を形成する側面と前記凸状部の側面との間隔は、該凹状部の深さ方向内方側の間隔が前記凹状部の深さ方向外方側の間隔よりも小さな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項5】

請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記凹状部を形成する前記側面は、該凹状部の深さ方向内方側から前記深さ方向外方側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有する、又は、前記凸状部の前記側面は、該凹状部の深さ方向内方側から前記深さ方向外方側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項6】

請求項４又は５記載の燃料電池スタックにおいて、外部荷重による前記荷重受け部の変位時において、前記係合部と前記荷重受け部との接点は、該荷重受け部の前記外周縁部から前記凹状部の底面までの距離の中央よりも、前記底面側に近接することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位セルは、長方形状を有し、前記荷重受け部は、該長方形状の各辺に設けられるとともに、
長辺又は短辺の一方の辺側に設けられる前記荷重受け部が変位した際、他方の辺側の前記外周縁部と前記連結部材とが面接触することを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層される燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、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を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

【0003】

燃料電池スタックには、通常、積層方向一端部に位置する単位セルから積層方向他端部に位置する単位セルまでの間、締め付け荷重を付与して前記単位セルが脱落することを防止するために、締結部材が設けられている。

【0004】

特に、車載用燃料電池スタックには、外部から衝撃荷重が加わる場合がある。その際、単位セルの積層方向には、締結部材によって締め付け荷重が付与されているため、積層方向に対しては、前記単位セルの移動が発生し難い。一方、積層方向に直交する方向（高さ方向及び水平方向）では、単位セルに締め付け荷重が付与されていないため、前記単位セルに移動が生じ易い。

【0005】

そこで、このような移動を抑制するために、セパレータの外周縁部に荷重受け部を設け、該荷重受け部で衝撃荷重を吸収することが考えられる。例えば、本出願人は、特許文献１において、燃料電池スタックをケーシングに収容するとともに、所定のセパレータに設けた荷重受け部を、前記ケーシングの内壁に当接するように突出させた構成を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−２７７６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、上記の荷重受け部は、樹脂材で形成されている。このため、荷重受け部がケーシングの内壁に当接する際に、場合によっては、前記荷重受け部が損傷するおそれがある。

【0008】

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、荷重受け部が破損することを可及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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層される燃料電池スタックに関するものである。

【0010】

セパレータには、単位セルの積層方向に直交する方向の荷重を受ける樹脂製の荷重受け部が設けられている。一方、単位セルの積層方向に延在して複数個の該単位セルを支持するとともに、荷重受け部に係合する係合部を有する連結部材を備えている。

【0011】

荷重受け部は、セパレータの外周縁部から外方に突出する凸状部を有し、係合部は、前記凸状部が挿入される凹状部を有している。そして、凸状部の側面と凹状部を形成する側面との間隔は、該凸状部の根本部側の間隔が前記凸状部の先端側の間隔よりも小さな寸法に設定されている。

【0012】

また、凸状部の側面は、該凸状部の根本部側から先端側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有する、又は、凹状部を形成する側面は、該凸状部の根本部側から前記先端側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有することが好ましい。

【0013】

さらに、外部荷重による荷重受け部の変位時において、係合部と荷重受け部との接点は、該荷重受け部の外周縁部から先端部までの距離の中央よりも、該外周縁部側に近接することが好ましい。

【0014】

さらにまた、本発明では、荷重受け部は、セパレータの外周縁部から内方に陥没する凹状部を有し、係合部は、前記凹状部に挿入される凸状部を有している。そして、凹状部を形成する側面と凸状部の側面との間隔は、該凹状部の深さ方向内方側の間隔が前記凹状部の深さ方向外方側の間隔よりも小さな寸法に設定されている。

【0015】

また、凹状部を形成する側面は、該凹状部の深さ方向内方側から深さ方向外方側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有することが好ましい。又は、凸状部の側面は、凹状部の深さ方向内方側から深さ方向外方側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有することが好ましい。

【0016】

さらに、外部荷重による荷重受け部の変位時において、係合部と前記荷重受け部との接点は、該荷重受け部の外周縁部から凹状部の底面までの距離の中央よりも、前記底面側に近接することが好ましい。

【0017】

さらにまた、単位セルは、長方形状を有し、荷重受け部は、該長方形状の各辺に設けられるとともに、長辺又は短辺の一方の辺側に設けられる前記荷重受け部が変位した際、他方の辺側の外周縁部と連結部材とが面接触することが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、荷重受け部を構成する凸状部の側面と、連結部材（係合部）を構成する凹状部の側面との間隔は、該凸状部の根本部側の間隔が前記凸状部の先端側の間隔よりも小さな寸法に設定されている。このため、燃料電池スタックに外部荷重（衝撃）が付与されて単位セルが変位した際に、荷重受け部は、凸状部の根本部側で連結部材に接触している。

【0019】

従って、凸状部に大きな応力（モーメント）が作用することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、荷重受け部が破損することを可及的に抑制することが可能になる。

【0020】

また、本発明によれば、荷重受け部を構成する凹状部の側面と、連結部材（係合部）を構成する凸状部の側面との間隔は、該凹状部の深さ方向内方側の間隔が前記凹状部の深さ方向外方側の間隔よりも小さな寸法に設定されている。このため、燃料電池スタックに外部荷重（衝撃）が付与されて単位セルが変位した際に、荷重受け部は、凹状部の深さ方向内方側（底面側）で連結部材に接触している。

【0021】

従って、荷重受け部に大きな応力（モーメント）が作用することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、荷重受け部が破損することを可及的に抑制することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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全体斜視図である。

【図2】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【図3】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視図である。

【図4】第１連結部材と第１荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【図5】第２連結部材と第２荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【図6】本発明の第２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。

【図7】第２の実施形態において、第１連結部材と第１荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【図8】第２の実施形態において、第２連結部材と第２荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【図9】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。

【図10】第３の実施形態において、第１連結部材と第１荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【図11】第３の実施形態において、第２連結部材と第２荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の単位セル（燃料電池）１２が、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される積層体１４を有する。燃料電池スタック１０は、例えば、車載用燃料電池スタックを構成し、図示しない燃料電池車両（燃料電池電気自動車）に搭載される。

【0024】

積層体１４の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１６ａ、第１絶縁プレート１８ａ、第１エンドプレート２０ａが内方から外方に向かって、この順序で配設される。積層体１４の積層方向他端においても同様に、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２絶縁プレート１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂが内方から外方に向かって、この順序で配設される。

【0025】

第１エンドプレート２０ａの中央部からは、第１ターミナルプレート１６ａに接続された第１出力端子２２ａが延在する。第２エンドプレート２０ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート１６ｂに接続された第２出力端子２２ｂが延在する。

【0026】

第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂは、横長の長方形状を有するとともに、各長辺間には、積層体１４の外方に沿って第１連結部材２４が配置される（図１及び図２参照）。第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂの各短辺間には、積層体１４の外方に沿って第２連結部材２６が配置される。第１連結部材２４及び第２連結部材２６は、それぞれ第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとにねじ２７を介して固定される（図１参照）。

【0027】

積層体１４を構成する単位セル１２は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２とを備える。

【0028】

電解質膜・電極構造体２８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（陽イオン交換膜）３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード電極３６及びアノード電極３８とを備える。単位セル１２は、固体高分子形燃料電池である。

【0029】

カソード電極３６及びアノード電極３８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３４の両面に形成される。

【0030】

第１セパレータ３０及び第２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、又は、その金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等からなる。なお、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

【0031】

図３に示すように、単位セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４２ｂとが上下に設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

【0032】

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとが設けられる。

【0033】

単位セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂ側には、矢印Ａ方向に互いに連通して、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａが上下に設けられる。各冷却媒体供給連通孔４４ａは、冷却媒体を供給するものであり、互いに対向する辺に設けられる。

【0034】

単位セル１２の短辺方向の両端縁部他方側には、すなわち、燃料ガス供給連通孔４２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ側には、矢印Ａ方向に互いに連通して、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂが上下に設けられる。各冷却媒体排出連通孔４４ｂは、冷却媒体を排出するものであり、互いに対向する辺に設けられる。

【0035】

第１セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２８に向かう面３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとを連通する酸化剤ガス流路４６が形成される。酸化剤ガス流路４６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

【0036】

第２セパレータ３２の電解質膜・電極構造体２８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２ａと燃料ガス排出連通孔４２ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

【0037】

第２セパレータ３２の面３２ｂと隣接する第１セパレータ３０の面３０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４４ａ、４４ａと冷却媒体排出連通孔４４ｂ、４４ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。冷却媒体流路５０は、電解質膜・電極構造体２８の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

【0038】

第１セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第１セパレータ３０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３２の面３２ａ、３２ｂには、この第２セパレータ３２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。

【0039】

第１シール部材５２及び第２シール部材５４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

【0040】

単位セル１２では、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の外周縁部５６ａにおいて、長辺側（図３中、上端部及び下端部）の中央に、それぞれ内部に切り欠いて切り欠き部５８ａ、５８ｂが形成される。切り欠き部５８ａ、５８ｂの略中央部位には、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂが第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体又は別個に設けられる。

【0041】

図２及び図３に示すように、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、例えば、樹脂材で形成される。第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体構成される基台部６２ａ、６２ｂと、前記基台部６２ａ、６２ｂから外方に突出する凸状部６４ａ、６４ｂとを一体に有する。基台部６２ａ、６２ｂは、外周縁部５６ａと同一平面に配置される。

【0042】

凸状部６４ａは、矩形状（正方形又は長方形）を有し、図４に示すように、両方の側面６５、６５は、互いに平行に且つ基台部６２ａに直交して外方に延在する。凸状部６４ｂは、上記の凸状部６４ａと同様に構成される。

【0043】

なお、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２と一体の金属板からなり、表面に絶縁処理を施してもよい。また、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の長辺側の各対角の対称位置に設けてもよい。

【0044】

第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、積層方向に配列されるとともに、複数の前記第１荷重受け部６０ａ同士及び複数の前記第１荷重受け部６０ｂ同士は、後述するように、各第１連結部材２４の凹状部７６ａ、７６ｂに一体に係合（挿入）する。

【0045】

第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の外周縁部５６ａにおいて、短辺側（図３中、右端部及び左端部）には、それぞれ高さ位置を異にして（又は同一にして）、第２荷重受け部６６ａ、６６ｂが一体又は別個に設けられる。第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、例えば、樹脂材で形成され、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体構成される。

【0046】

第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、外周縁部５６ａから内方に陥没する凹状部６８ａ、６８ｂを有するとともに、位置決め孔部７０ａ、７０ｂを設ける。各位置決めピン７２ａ、７２ｂが、各位置決め孔部７０ａ、７０ｂ内に隙間を設けて挿入される。

【0047】

図２に示すように、第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、例えば、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂと同様に樹脂材で形成される。各第２荷重受け部６６ａ同士及び各第２荷重受け部６６ｂ同士は、積層方向に配列されており、後述するように、各第２連結部材２６の凸状部８２ａ、８２ｂが一体に係合（挿入）する。

【0048】

第１連結部材２４は、押し出し成形された板状部材により構成される。第１連結部材２４は、断面屈曲形状を有し、単位セル１２の各第１荷重受け部６０ａ、６０ｂの凸状部６４ａ、６４ｂが係合する係合部７４ａ、７４ｂが積層方向に延在して設けられる。係合部７４ａ、７４ｂは、凸状部６４ａ、６４ｂが挿入される凹状部７６ａ、７６ｂを有する。

【0049】

図４に示すように、凸状部６４ａの側面６５と凹状部７６ａを形成する側面７８ａとの間隔Ｓ１は、該凸状部６４ａの根本部６４ａｂ側の間隔Ｓ１が前記凸状部６４ａの先端部６４ａｓ側の間隔Ｓ１よりも小さな寸法に設定される。側面７８ａの開放側端部には、第１荷重受け部６０ａに点接触するＲ形状部が形成される一方、凸状部６４ａの根本部６４ａｂ側にも、Ｒ形状部が形成される。

【0050】

第１の実施形態では、凹状部７６ａを形成する側面７８ａは、凸状部６４ａの根本部６４ａｂ側から先端部６４ａｓ側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有する。なお、凹状部７６ｂ側は、凹状部７６ａ側と同様であり、その詳細な説明は省略する。

【0051】

外部荷重による第１荷重受け部６０ａの変位時において、係合部７４ａと前記第１荷重受け部６０ａとの接点Ｐ１は、該第１荷重受け部６０ａの根本部６４ａｂ（外周縁部５６ａ）から先端部６４ａｓまでの距離ｈ１の中央ｈ１ｏよりも、該根本部６４ａｂ側に近接する。より好ましくは、接点Ｐ１は、第１荷重受け部６０ａの破損防止用管理寸法ｔ１の範囲内に位置する。

【0052】

図２に示すように、第２連結部材２６は、押し出し成形された板状部材により構成される。第２連結部材２６は、断面屈曲形状を有し、単位セル１２の各第２荷重受け部６６ａ、６６ｂの凹状部６８ａ、６８ｂに係合する係合部８０ａ、８０ｂが積層方向に延在して設けられる。係合部８０ａ、８０ｂは、凹状部６８ａ、６８ｂに挿入される凸状部８２ａ、８２ｂを有する。

【0053】

凸状部８２ａは、図５に示すように、両方の側面８４、８４が先端側に向かって外方に傾斜するテーパ面を構成する。凸状部８２ａを形成する側面８４と凹状部６８ａの側面８６との間隔Ｓ２は、該凹状部６８ａの深さ方向内方側の間隔Ｓ２が前記凹状部６８ａの深さ方向外方側の間隔Ｓ２よりも小さな寸法に設定される。凹状部６８ａの深さ方向内方及び凸状部８２ａの根本部には、Ｒ形状部が形成される。

【0054】

第１の実施形態では、凸状部８２ａを形成する側面８４は、凹状部６８ａの深さ方向内方側から深さ方向外方側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有する。なお、凸状部８２ｂ側は、凸状部８２ａ側と同様であり、その詳細な説明は省略する。

【0055】

外部荷重による第２荷重受け部６６ａの変位時において、係合部８０ａと前記第２荷重受け部６６ａとの接点Ｐ２は、該第２荷重受け部６６ａの外周縁部５６ａから凹状部６８ａの底面６８ａｅまでの距離ｈ２の中央ｈ２ｏよりも、前記底面６８ａｅ側に近接する。より好ましくは、接点Ｐ２は、第２荷重受け部６６ａの破損防止用管理寸法ｔ２の範囲内に位置する。

【0056】

図２に示すように、長辺側の第１荷重受け部６０ａ、６０ｂが変位した際、一方の短辺側の外周縁部５６ａと第２連結部材２６とが面接触する。同様に、短辺側の第２荷重受け部６６ａ、６６ｂが変位した際、一方の長辺側の外周縁部５６ａと第１連結部材２４とが面接触する。

【0057】

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａには、全ての流体連通孔が形成される。全ての流体連通孔とは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス供給連通孔４２ａ、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス排出連通孔４２ｂ、冷却媒体供給連通孔４４ａ及び冷却媒体排出連通孔４４ｂである。これらには、図示しないマニホールド部材が連結される。なお、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、所望の流体連通孔を振り分けて形成してもよい。

【0058】

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。

【0059】

先ず、図１に示すように、第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔４０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔４４ａ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。

【0060】

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第１セパレータ３０の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８のカソード電極３６に供給される。

【0061】

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４２ａから第２セパレータ３２の燃料ガス流路４８に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に、酸化剤ガスの流れ方向とは対向するように移動し、電解質膜・電極構造体２８のアノード電極３８に供給される。

【0062】

従って、電解質膜・電極構造体２８では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８に供給される燃料ガスとが、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。

【0063】

次いで、電解質膜・電極構造体２８のカソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体２８のアノード電極３８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４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

【0064】

また、一対の冷却媒体供給連通孔４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２間の冷却媒体流路５０に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２８を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

【0065】

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第１荷重受け部６０ａを構成する凸状部６４ａの側面６５と、第１連結部材２４を構成する凹状部７６ａの側面７８ａとの間隔Ｓ１が設定されている。この間隔Ｓ１では、凸状部６４ａの根本部６４ａｂ側の寸法が、前記凸状部６４ａの先端部６４ａｓ側の寸法よりも小さな寸法に設定されている。

【0066】

このため、燃料電池スタック１０に外部荷重（衝撃）が付与されて（図２中、荷重Ｆａ又は荷重Ｆｂ）、単位セル１２が矢印Ｂ方向に変位した際に、第１荷重受け部６０ａは、凸状部６４ａの根本部６４ａｂ側で第１連結部材２４に接触している（図４中、接点Ｐ１参照）。

【0067】

従って、凸状部６４ａには、大きな応力（モーメント）が作用することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、第１荷重受け部６０ａが破損することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

【0068】

さらに、係合部７４ａと第１荷重受け部６０ａとの接点Ｐ１は、該第１荷重受け部６０ａの根本部６４ａｂから先端部６４ａｓまでの距離ｈ１の中央ｈ１ｏよりも、該根本部６４ａｂ側に近接している。このため、第１荷重受け部６０ａの破損をより確実に防止することができる。なお、第１荷重受け部６０ｂは、上記の第１荷重受け部６０ａと同様の効果が得られる。

【0069】

また、第１の実施形態では、図５に示すように、第２荷重受け部６６ａを構成する凹状部６８ａの側面８６と、第２連結部材２６を構成する凸状部８２ａの側面８４との間隔Ｓ２が設定されている。この間隔Ｓ２では、凹状部６８ａの深さ方向内方側（底面６８ａｅ側）の寸法が、前記凹状部６８ａの深さ方向外方側の寸法よりも小さな寸法に設定されている。

【0070】

このため、燃料電池スタック１０に外部荷重（衝撃）が付与されて（図２中、荷重Ｆｃ又は荷重Ｆｄ）、単位セル１２が矢印Ｃ方向に変位した際に、第２荷重受け部６６ａは、凹状部６８ａの深さ方向内方側（底面６８ａｅ側）で第２連結部材２６に接触している（図５中、接点Ｐ２参照）。

【0071】

従って、第２荷重受け部６６ａには、大きな応力（モーメント）が作用することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、第２荷重受け部６６ａが破損することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

【0072】

さらに、係合部８０ａと第２荷重受け部６６ａとの接点Ｐ２は、外周縁部５６ａから凹状部６８ａの底面６８ａｅまでの距離ｈ２の中央ｈ２ｏよりも、前記底面６８ａｅ側に近接している。このため、第２荷重受け部６６ａの破損をより確実に防止することができる。なお、第２荷重受け部６６ｂは、上記の第２荷重受け部６６ａと同様の効果が得られる。

【0073】

さらにまた、図２に示すように、長辺側の第１荷重受け部６０ａ、６０ｂが変位した際、一方の短辺側の外周縁部５６ａと第２連結部材２６とが面接触する。同様に、短辺側の第２荷重受け部６６ａ、６６ｂが変位した際、一方の長辺側の外周縁部５６ａと第１連結部材２４とが面接触する。従って、面接触により荷重の一部を保持することができ、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂ及び第２荷重受け部６６ａ、６６ｂに係る荷重を良好に低減させることが可能になる。

【0074】

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９０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。

【0075】

燃料電池スタック９０は、各単位セル１２の長辺側に、積層方向に沿って第１連結部材９２が配置されるとともに、前記単位セル１２の短辺側に、前記積層方向に沿って第２連結部材９４が配置される。単位セル１２の長辺側には、第１連結部材９２、９２に係合する第１荷重受け部９６ａ、９６ｂが設けられ、前記単位セル１２の短辺側には、第２連結部材９４、９４に係合する第２荷重受け部９８ａ、９８ｂが設けられる。

【0076】

第１荷重受け部９６ａ、９６ｂは、例えば、樹脂材で形成され、基台部６２ａ、６２ｂから外方に突出する凸状部１００ａ、１００ｂを有する。図７に示すように、凸状部１００ａの両方の側面１０２は、該凸状部１００ａの根本部１００ａｂ側から先端部１００ａｓ側に向かって内方に傾斜するテーパ形状を有する。第１連結部材９２は、凹状部１０３ａを有するとともに、前記凹状部１０３ａを形成する一対の側面１０４ａは、係合部７４ａに互いに平行に設けられる。

【0077】

外部荷重による第１荷重受け部９６ａの変位時において、係合部７４ａと前記第１荷重受け部９６ａとの接点Ｐ１は、該第１荷重受け部９６ａの根本部１００ａｂから先端部１００ａｓまでの距離ｈ１の中央ｈ１ｏよりも、該根本部１００ａｂ側に近接する。より好ましくは、接点Ｐ１は、第１荷重受け部９６ａの破損防止用管理寸法ｔ１の範囲内に位置する。なお、第１荷重受け部９６ｂは、上記の第１荷重受け部９６ａと同様に構成される。

【0078】

図６に示すように、第２荷重受け部９８ａ、９８ｂは、例えば、樹脂材で形成され、外周縁部５６ａから内方に陥没する凹状部１０５ａ、１０５ｂを有する。図８に示すように、凹状部１０５ａを形成する側面１０６は、該凹状部１０５ａの深さ方向内方側（底面１０５ａｅ側）から前記深さ方向外方側に向かって外方に傾斜するテーパ形状を有する。第２連結部材９４は、凹状部１０５ａ、１０５ｂに挿入される凸状部１０８ａ、１０８ｂを設ける。凸状部１０８ａ、１０８ｂは、矩形状（一対の側面が互いに平行）を有する。

【0079】

図８に示すように、外部荷重による第２荷重受け部９８ａの変位時において、係合部８０ａと前記第２荷重受け部９８ａとの接点Ｐ２は、外周縁部５６ａから凹状部１０５ａの底面１０５ａｅまでの距離ｈ２の中央ｈ２ｏよりも、前記底面１０５ａｅ側に位置する。より好ましくは、接点Ｐ２は、第２荷重受け部９８ａの破損防止用管理寸法ｔ２の範囲内に位置する。なお、第２荷重受け部９８ｂは、上記の第２荷重受け部９８ａと同様に構成される。

【0080】

このように構成される第２の実施形態では、簡単な構成で、第１荷重受け部９６ａ、９６ｂ及び第２荷重受け部９８ａ、９８ｂが破損することを可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0081】

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１１０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及び第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０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。

【0082】

燃料電池スタック１１０は、各単位セル１２の長辺側に、積層方向に沿って第１連結部材１１２が配置されるとともに、前記単位セル１２の短辺側に、前記積層方向に沿って第２連結部材９４が配置される。単位セル１２の長辺側には、第１連結部材１１２、１１２に係合する第１荷重受け部６０ａ、６０ｂが設けられ、前記単位セル１２の短辺側には、第２連結部材９４、９４に係合する第２荷重受け部１１４ａ、１１４ｂが設けられる。

【0083】

図１０に示すように、第１連結部材１１２は、凸状部６４ａが挿入される凹状部１１６ａを有するとともに、前記凹状部１１６ａは、第１側面１１８ａと第２側面１１８ｂとにより構成される。第１側面１１８ａは、凹状部１１６ａの開放側端部に設けられ、前記第１側面１１８ａの内側端部には、段差を介して幅広な第２側面１１８ｂが連結される。第１側面１１８ａは、距離ｈ１の中央ｈ１ｏよりも、根本部６４ａｂ側に、より好ましくは、接点Ｐ１は、第１荷重受け部６０ａの破損防止用管理寸法ｔ１の範囲内に位置する。

【0084】

図９に示すように、第２荷重受け部１１４ａ、１１４ｂは、例えば、樹脂材で形成され、外周縁部５６ａから内方に陥没する凹状部１２０ａ、１２０ｂを有する。図１１に示すように、凹状部１２０ａは、第１側面１２２ａと第２側面１２２ｂとにより構成される。

【0085】

第１側面１２２ａは、凹状部１２０ａの深さ方向内方側、すなわち、底面１２０ａｅから深さ方向外方側に向かって所定の範囲に設けられる。第１側面１２２ａの端部には、段差を介して幅広な第２側面１２２ｂが連結される。第１側面１２２ａは、距離ｈ２の中央ｈ２ｏよりも、底面１２０ａｅ側に、より好ましくは、接点Ｐ２は、第２荷重受け部１１４ａの破損防止用管理寸法ｔ２の範囲内に位置する。なお、第２荷重受け部１１４ｂは、上記の第２荷重受け部１１４ａと同様に構成される。

【0086】

このように構成される第３の実施形態では、簡単な構成で、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂ及び第２荷重受け部１１４ａ、１１４ｂが破損することを可及的に抑制することが可能になる等、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。

【符号の説明】

【0087】

１０、９０、１１０…燃料電池スタック
１２…単位セル １４…積層体
２４、２６、９２、９４、１１２…連結部材
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜 ３６…カソード電極
３８…アノード電極 ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５６ａ…外周縁部
６０ａ、６０ｂ、６６ａ、６６ｂ、９６ａ、９６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…荷重受け部
６２ａ、６２ｂ…基台部
６４ａ、６４ｂ、８２ａ、８２ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…凸状部
６５、７８ａ、８４、８６、１０４ａ、１０６、１１８ａ、１１８ｂ、１２２ａ、１２２ｂ…側面
６８ａ、６８ｂ、７６ａ、７６ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、１０５ａ、１０５ｂ、１１６ａ、１２０ａ、１２０ｂ…凹状部
７４ａ、７４ｂ、８０ａ、８０ｂ…係合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】