特開 2024-142631 燃料電池スタックおよび筐体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142631

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】燃料電池スタックおよび筐体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2475 20160101AFI20241003BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2475

H01M8/2465

H01M8/10 101

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054854

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【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】100154380

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100081972

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 豊

(72)【発明者】

【氏名】大島 悠太

(72)【発明者】

【氏名】坂野 雅章

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126AA28

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE06

5H126EE11

5H126FF10

5H126HH01

(57)【要約】

【課題】燃料電池スタックを安価に構成する。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、膜電極構造体とセパレータとを所定方向に交互に積層して構成された略直方体形状を呈するセル積層体と、所定方向に延在するセル積層体の４つの側面にそれぞれ対向する上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４を有し、セル積層体１０を収容する収容空間ＳＰ０を形成するケース３０と、を備える。上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４は、それぞれ略矩形状である略板状部材により構成される。ケース３０は、上壁３１と右壁３２との接続面、右壁３２と下壁３３との接続面、下壁３３と左壁３４との接続面、および左壁３４と上壁３１との接続面に、それぞれ摩擦拡販接合による接合部を有し、さらに収容空間ＳＰ０に面する側壁３００の内面３０ａに、機械加工されたガイド支持部３５を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜と電極とを含む膜電極構造体と、セパレータと、を所定方向に交互に積層して構成された略直方体形状を呈するセル積層体と、
前記所定方向に延在する前記セル積層体の４つの側面にそれぞれ対向する第１側壁、前記第１側壁に連なる第２側壁、前記第２側壁に連なる第３側壁、および前記第３側壁と前記第１側壁とに連なる第４側壁を有し、前記セル積層体を収容する収容空間を形成する筐体と、を備える燃料電池スタックであって、
前記第１側壁、前記第２側壁、前記第３側壁および前記第４側壁は、それぞれ略矩形状である略板状部材により構成され、
前記筐体は、前記第１側壁と前記第２側壁との接続面、前記第２側壁と前記第３側壁との接続面、前記第３側壁と前記第４側壁との接続面、および前記第４側壁と前記第１側壁との接続面に、それぞれ摩擦拡販接合による接合部を有し、
さらに前記収容空間に面する少なくとも前記第１側壁の内側表面に、機械加工された被加工部を有す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に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第１側壁と前記第２側壁との接続面は、前記第１側壁の内側表面と前記第２側壁の一端面との接続面であり、
前記第２側壁と前記第３側壁との接続面は、前記第３側壁の内側表面と前記第２側壁の他端面との接続面であり、
前記第３側壁と前記第４側壁との接続面は、前記第３側壁の内側表面と前記第４側壁の一端面との接続面であり、
前記第４側壁と前記第１側壁との接続面は、前記第１側壁の内側表面と前記第４側壁の他端面との接続面であ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または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第１側壁と前記セル積層体との間、前記第２側壁と前記セル積層体との開、前記第３側壁と前記セル積層体との間、および前記第４側壁と前記セル積層体との間にそれぞれ介装され、前記所定方向に延在するガイド部材をさらに備え、
前記第１側壁、前記第２側壁、前記第３側壁および前記第４側壁は、それぞれ内側表面に前記ガイド部材を支持するガイド支持部を有し、
前記ガイド支持部は、前記被加工部であることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

それぞれ略矩形状に延在するとともに略板状に構成された第１側壁、第２側壁、第３側壁および第４側壁のうち、少なくとも前記第１側壁の表面に機械加工する工程と、
互いに略直交して配置された、前記第１側壁と前記第２側壁との接続面、前記第２側壁と前記第３側壁との接続面、前記第３側壁と前記第４側壁との接続面、および前記第４側壁と前記第１側壁との接続面に沿って、それぞれ略円柱状の接合ツールを回転しながら押し当てて、これら接続面をそれぞれ摩擦拡販接合する工程と、を含み、
前記摩擦拡販接合する工程では、前記第１側壁、前記第２側壁、前記第３側壁および前記第４側壁によって包囲された空間に、前記接合ツールの押し当て荷重を受ける治具を配置することを含むことを特徴とする筐体の製造方法。

【請求項5】

請求項４に記載の筐体の製造方法において、
前記第１側壁と前記第２側壁との接続面は、
前記第２側壁の一方側の表面の所定位置から前記２側壁の板厚方向に第１長さだけ延在する第１接続面と、
前記第２側壁の他方側の表面の前記所定位置から所定量だけオフセットした位置から前記第２側壁の板厚方向に第２長さだけ延在する第２接続面と、
前記第２側壁の板厚方向と垂直方向に延在し、前記第１接続面と前記第２接続面とを接続する第３接続面と、を含むことを特徴とする筐体の製造方法。

【請求項6】

請求項４または５に記載の筐体の製造方法において、
前記機械加工する工程は、前記第１側壁、前記第２側壁、前記第３側壁および前記第４側壁の内側表面にそれぞれ、前記接続面と略平行に延在するガイド部材であり、前記空間に収容物を案内しながら収容するためのガイド部材を支持するガイド支持部を加工する工程を含み、
前記摩擦拡販接合する工程は、前記ガイド支持部で前記治具を支持することを含むことを特徴とする筐体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックおよび燃料電池スタックなどに用いられる筐体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。この種の燃料電池に用いられる燃料電池スタックとして、従来より、断面略コ字状である反割れ形状の第１ケースと第２ケースとを、摩擦撹拌接合を用いて接合することで、燃料電池スタックのセル積層体を収容するためのケースを製造するようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、第１ケースと第２ケースとをそれぞれ鋳造により作製した後、摩擦撹拌接合により両者を接合して、セル積層体を収容するための収容空間を有するケースを製造する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６３８８００４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種のケースには、収容空間に面したケースの内壁に、何らかの機械加工が必要となる場合がある。しかしながら、ケースの内壁を機械加工するためには、専用の工具が必要となり、コストの増加を伴う。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様である燃料電池スタックは、電解質膜と電極とを含む膜電極構造体と、セパレータと、を所定方向に交互に積層して構成された略直方体形状を呈するセル積層体と、所定方向に延在するセル積層体の４つの側面にそれぞれ対向する第１側壁、第１側壁に連なる第２側壁、第２側壁に連なる第３側壁、および第３側壁と第１側壁とに連なる第４側壁を有し、セル積層体を収容する収容空間を形成する筐体と、を備える。第１側壁、第２側壁、第３側壁および第４側壁は、それぞれ略矩形状である略板状部材により構成される。筐体は、第１側壁と第２側壁との接続面、第２側壁と第３側壁との接続面、第３側壁と第４側壁との接続面、および第４側壁と第１側壁との接続面に、それぞれ摩擦拡販接合による接合部を有し、さらに収容空間に面する少なくとも第１側壁の内側表面に、機械加工された被加工部を有する。

【0006】

本発明の他の態様である筐体の製造方法は、それぞれ略矩形状に延在するとともに略板状に構成された第１側壁、第２側壁、第３側壁および第４側壁のうち、少なくとも第１側壁の表面に機械加工する工程と、互いに略直交して配置された、第１側壁と第２側壁との接続面、第２側壁と第３側壁との接続面、第３側壁と第４側壁との接続面、および第４側壁と第１側壁との接続面に沿って、それぞれ略円柱状の接合ツールを回転しながら押し当てて、これら接続面をそれぞれ摩擦拡販接合する工程と、を含む。摩擦拡販接合する工程では、第１側壁、第２側壁、第３側壁および第４側壁によって包囲された空間に、接合ツールの押し当て荷重を受ける治具を配置することを含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、燃料電池スタックの筐体の内部に安価に機械加工を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。

【図2】図１のII-II線に沿った断面図。

【図3】図１の燃料電池スタックに含まれるケースの接合工程の一例を示す図。

【図4】互いに接合される側壁の接続面の一例を示す図。

【図5A】本発明の実施形態に係る筐体の製造方法における側壁製造工程の一例を示す図。

【図5B】図５Ａに続く前加工工程の一例を示す図。

【図5C】図５Ｂに続く接合工程の一例であり、図３とは異なる例を示す図。

【図5D】図５Ｃに続く後加工工程の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１～図５Ｄを参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池の主たる要素を構成する。燃料電池は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生することができる。燃料電池は、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に搭載することもできる。

【0010】

まず、燃料電池スタックの全体構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００の全体構成を概略的に示す斜視図である。以下では、便宜上、図示のように互いに直交する三軸方向を、前後方向、左右方向および上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。これらの方向は、車両の前後方向、左右方向および上下方向と同一であるとは限らない。例えば図１の前後方向は、車両の前後方向であってもよく、左右方向であってもよく、上下方向であってもよい。

【0011】

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、セル積層体１０と、セル積層体１０の前後両端部に配置されたエンドユニット２０と、セル積層体１０を包囲するケース３０と、を有し、全体が略直方体形状を呈する。

【0012】

ケース３０は、セル積層体１０の上面、右面、下面および左面にそれぞれ対向した略矩形状の４つの側壁３００を有する。これら４つの側壁３００により、前面および後面が開放された略ボックス状の収容空間ＳＰ０が形成される。ケース３０は、アルミニウムや鉄などの金属によって構成される。エンドユニット２０は、金属製のエンドプレート２１を含み、ケース３０の前面および後面は、エンドユニット２０で覆われる。

【0013】

セル積層体１０とケース３０の各側壁３００との間には、ガイド部材５０（図２）が介装される。ガイド部材５０は、前後方向に延在する棒状ないし板状部材であり、予め側壁３００の内面にそれぞれ取り付けられる。

【0014】

図１のＡ部には、ケース３０の側壁３００の一部を破断して示す。図１のＡ部に示すように、セル積層体１０は、複数の発電セル１（便宜上、単一のセル１のみ示す）を、ガイド部材５０によって案内されながら、前後方向に積層して構成される。

【0015】

発電セル１は、電解質膜と電極とを含む接合体を有する電極アッセンブリ２と、電極アッセンブリ２の前後両側に配置され、電極アッセンブリ２を挟持するセパレータ３と、を有する。電極アッセンブリ２とセパレータ３とは、前後方向に交互に配置される。

【0016】

セパレータ３は、断面が波板状の前後一対の金属製の薄板を有し、これら一対の薄板の外周部同士を接合して一体に構成される。セパレータ３には耐腐食性に優れた導電性の材料が用いられ、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。一対の薄板は、セパレータ３の内部に冷却媒体（例えば水）が流れる冷却流路を形成するようにプレス成形などによって凹凸状に形成され、冷却媒体の流れにより発電セル１の発電面が冷却される。

【0017】

電極アッセンブリ２の前側のセパレータ３は、例えばアノード側のセパレータ（アノードセパレータ）であり、アノードセパレータ３と電極アッセンブリ２との間に、水素を含む燃料ガスが流れるアノード流路が形成される。電極アッセンブリ２の後側のセパレータ３は、例えばカソード側のセパレータ（カソードセパレータ）であり、カソードセパレータ３と電極アッセンブリ２との間に、酸素を含む酸化剤ガスが流れるカソード流路が形成される。

【0018】

電極アッセンブリ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と、膜電極接合体の周囲を支持する樹脂製のフレームと、を有する。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の前面に設けられたアノード電極と、電解質膜の後面に設けられたカソード電極とを有する。膜電極接合体を、膜電極構造体と呼ぶこともある。電解質膜は、例えば固体高分子電解質膜である。アノード電極は、電解質膜の前面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、電極触媒層の前面には、燃料ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。カソード電極は、電解質膜の後面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、電極触媒層の後面には、酸化剤ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。

【0019】

アノード電極では、アノード流路およびガス拡散層を介して供給された燃料ガス（水素）が、触媒の作用によってイオン化され、電解質膜を通過してカソード電極側へ移動する。このとき生じた電子は、外部回路を通過し、電気エネルギとして取り出される。カソード電極では、カソード流路およびガス拡散層を介して供給された酸化剤ガス（酸素）と、アノード電極から導かれた水素イオンおよびアノード電極から移動した電子とが反応し、水が生成される。生成された水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水は電極アッセンブリ２の外部へ排出される。

【0020】

前側のエンドプレート２１には、貫通孔２１１～２１６が開口される。貫通孔２１１は、セル積層体１０の内部に燃料ガスを供給するための貫通孔である。貫通孔２１２は、セル積層体１０から外部に冷却媒体を排出するための貫通孔である。貫通孔２１３は、セル積層体１０から外部に酸化剤ガスを排出するための貫通孔である。貫通孔２１４は、セル積層体１０の内部に酸化剤ガスを供給するための貫通孔である。貫通孔２１５は、セル積層体１０の内部に冷却媒体を供給するための貫通孔である。貫通孔２１６は、セル積層体１０から外部に燃料ガスを排出するための貫通孔である。

【0021】

セル積層体１０の左右方向両端部には、貫通孔２１１～２１６に連通するように前後方向に延在する複数の流路（マニホールド）が形成される。セル積層体１０の内部のアノード流路には、貫通孔２１１を介して供給された燃料ガスが導かれ、カソード流路には貫通孔２１４を介して供給された酸化剤ガスが導かれる。これにより発電セル１で発電が行われる。供給後の燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれ貫通孔２１６，２１３を介してセル積層体１０から排出される。セル積層体１０には貫通孔２１５を介して供給された冷却媒体が導かれ、これにより発電面が冷却される。セル積層体１０を通過した冷却媒体は、貫通孔２１２を介して排出される。

【0022】

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、特にケース３０の構成に特徴がある。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図２に示すように、ケース３０の側壁３００は、セル積層体１０の上面、右面、下面および左面にそれぞれ対向した上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４を含む。以下では、ケース内の収容空間ＳＰ０の中心側をケース内側と呼ぶ。

【0023】

収容空間ＳＰ０に面する側壁３００の内面３０ａ、すなわち、上壁３１の下面、右壁３２の左面、下壁３３の上面および左壁３４の右面には、それぞれガイド部材５０を支持するガイド支持部３５が設けられる。ガイド支持部３５は、側壁３００の内面３０ａからケース内側に突設されるとともに、側壁３００の長手方向（前後方向）に延設される。ガイド支持部３５は、例えば収容空間ＳＰ０に面する部位に凹部３５ａを有する。凹部３５ａにガイド部材５０が嵌合する。

【0024】

ガイド支持部３５は、側壁３００の内面３０ａを例えば機械加工することにより、側壁３００自体に設けることができる。ガイド支持部３５を側壁３００とは別体に設けるとともに、ガイド支持部３５をボルトなどで側壁３００に固定することもできる。ガイド支持部３５が別体である場合にも、側壁３００の内面３０ａに、ガイド支持部３５を取り付けるための座面やボルト孔などの加工が必要である。

【0025】

ガイド部材５０は、前後方向に延在する樹脂製の細長部材であり、例えば押出成形により形成される。ガイド部材５０の断面形状は、長手方向（前後方向）にわたって均一である。ガイド部材５０は、例えばケース内側に向けて凹部５１を有する。凹部５１に、セル積層体１０の前後左右の縁部が嵌合される。

【0026】

具体的には、セル積層体１０のセパレータ３の前後左右の縁部に、ガイド部材５０に対応して凸部１１が設けられ、凸部１１が凹部５１に嵌合しながらセパレータ３が積層される。この場合、予め単一のセパレータ３に単一の電極アッセンブリ２を溶着または接着等により接合して一組の単位セルを形成しておくことで、セパレータ３の積層時に電極アッセンブリ２を同時に積層できる。また、ガイド部材５０を介してセパレータ３を積層することで、ケース３０に対しセパレータ３を精度よく位置決めしながらセル積層体１０を構成できる。

【0027】

ケース３０は、側壁３００のガイド支持部３５などの加工が完了した後、側壁３００の端部同士が接合されて形成される。具体的には、右壁３２の上端面および左壁３４の上端面が、それぞれ上壁３１の内面３０ａの右端部および左端部に接合される。右壁３２の下端面および左壁３４の下端面が、それぞれ下壁３３の内面３０ａの右端部および左端部に接合される。これらの接合には、摩擦攪拌接合が用いられる。

【0028】

図３は、右壁３２と上壁３１、および右壁３２と下壁３３の接合工程の一例を示す図である。図３の接合工程においては、まず、基台２００上に左壁３４を載置する。さらに、左壁３４の両端面に上壁３１と下壁３３とを当接させた状態で、基台２００上に上壁３１と下壁３３とを立設する。このとき、上壁３１および下壁３３が外側に倒れないように上壁３１および下壁３３の両側をブロック２０１で抑える。次いで、左壁３４の上面に所定長さの治具２０２を設置し、治具２０２の上面に右壁３２を搭載する。すなわち、上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４によって囲まれた空間ＳＰ１に、治具２０２を設置する。

【0029】

このとき、右壁３２の両端面が上壁３１の端部および下壁３３の端部に位置するように治具２０２の高さが設定される。これにより、右壁３２の両端面に上壁３１と下壁３３とを当接させた状態で、上方からの押し下げ荷重に対抗するように治具２０２により右壁３２を保持することができる。なお、側壁３００の接合前の状態をワークと呼ぶこともある。したがって、図３は、ワークの接合工程を示す。

【0030】

この状態で、先端に略円筒形状のプローブ２１０ａを有するツール２１０を回転させながら、右壁３２の端面と上壁３１との接続面ＳＦ１および右壁３２の端面と下壁３３との接続面ＳＦ２に、上方からツール２１０を押し当てる。これにより、接続面ＳＦ１と接続面ＳＦ２とを摩擦攪拌接合する。次いで、ワーク全体を上下方向に反転し、左壁３４の端面と上壁３１との接続面ＳＦ４および左壁３４の端面と下壁３３との接続面ＳＦ３を、同様に摩擦攪拌接合する。これによりケース３０が製造される。

【0031】

なお、摩擦撹拌接合後には、接続面ＳＦ１～ＳＦ４は存在せず、接続面ＳＦ１～ＳＦ４はそれぞれ接合部ＳＷ１～ＳＷ４となる。接合部ＳＷ１～ＳＷ４の大きさは、ツール先端部の直径によって定まり、接合部ＳＷ１～ＳＷ４は接続面ＳＦ１～ＳＦ４を中心とした所定領域に存在する。

【0032】

このように摩擦攪拌接合により側壁３００同士を接合するので、接合強度が高く、接合による変形や歪も少ない。したがって、予めケース３０の内面３０ａに設けられたガイド支持部３５に、ガイド部材５０を容易に嵌合することができる。また、図３の例では、右壁３２の両端面に接続面ＳＦ１，ＳＦ２がある。このため、ワークの姿勢を変更することなく同一方向からツール２１０を近づけて、２つの接続面ＳＦ１，ＳＦ２の接合を行える。これにより、ワークの姿勢変更の回数が減少し、効率的な接合が可能である。

【0033】

図２に示すように、ケース３０（上壁３１）の上面には、燃料電池スタック１００の発電を制御するための電圧制御ユニット（ＶＣＵ）２０５が搭載される。上壁３１の上面には、側壁３００同士の接合部は設けられず、上面は凹凸なく平坦に形成される。このため、上壁３１の上面に、電圧制御ユニット２０５を、がたつくことなく良好に搭載することができる。

【0034】

図３では、側壁３００の接続面ＳＦ１～ＳＦ４を、それぞれ単一の平面によって構成したが、互いに垂直な複数の平面によって構成してもよい。図４はその一例を示す図であり、上壁３１と右壁３２との接続面ＳＦ１の他の例を示す。

【0035】

図４では、接続面ＳＦ１は、複数の面ＳＦ１１，ＳＦ１２，ＳＦ１３により構成される。すなわち、接続面ＳＦ１は、右壁３２の端面に設けられ、側壁３００（右壁３２）の外面３０ｂから内面３０ａにかけて所定長さｔ１だけ外面３０ｂに対し垂直に延在する外側接続面ＳＦ１１と、内面３０ａから外面３０ｂにかけて所定長さｔ２だけ内面３０ａに対し垂直に延在する内側接続面ＳＦ１２と、外側接続面ＳＦ１１と内側接続面ＳＦ１２とに直交して外側接続面ＳＦ１１と内側接続面ＳＦ１２とを接続する中間接続面ＳＦ１３とを有する。

【0036】

換言すると、接続面ＳＦ１は、ツール２１０の回転中心である軸線ＣＬ１に対して垂直な方向に互いにオフセットした一対の接続面（外側接続面ＳＦ１１、内側接続面ＳＦ１２）と、各接続面ＳＦ１１，ＳＦ１２にＬ字状に接続される接続面（中間接続面ＳＦ１３）とを有する。したがって、互いに対向する上壁３１の端面および右壁３２の端面はそれぞれ段付き状に構成される。

【0037】

一対の接続面ＳＦ１１，ＳＦ１２のオフセット量Ｗ（接続面ＳＦ１３の長さ）はツール先端部のプローブ２１０ａの直径Ｄよりも小さい値に設定される。接続面ＳＦ１１，ＳＦ１２は、軸線ＣＬ１を挟んで等距離に設けられる。外側接続面ＳＦ１１の長さｔ１は、プローブ２１０ａの長さＬ１以下に設定される。なお、側壁３００の板厚ｔ０から長さｔ１を減算した値が、内側接続面ＳＦ１２の長さｔ２である。図示は省略するが、他の接続面ＳＦ２～ＳＦ４も図４と同様に構成される。

【0038】

ツール２１０は、軸線ＣＬ１を接続面ＳＦ１１，ＳＦ１２の中心に一致させた状態で、外面３０ｂに対し垂直に押し当てられ、プローブ２１０ａの先端部が内面３０ａに到達するまで移動される。このとき、中間接続面ＳＦ１３がツール２１０の押し付け荷重を受けるため、上壁３１に対し右壁３２の位置が図４のＡ１方向にずれることを防止することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができる。治具２０２を不要とすることもできる。

【0039】

筐体としてのケース３０の製造方法をまとめると以下のようになる。まず、図５Ａに示すように、略板状の金属製の４つの側壁３００、すなわち上壁３１と右壁３２と下壁３３と左壁３４とを製造する。例えば鍛造加工や鋳造加工、押出成形によってこれら側壁３００を製造する（側壁製造工程）。なお、側壁製造工程では、側壁３００の端面に、エンドプレート２１（図１）を取り付けるためのフランジ部３０１が設けられる。

【0040】

次いで、図５Ｂに示すように、側壁３００を不図示の加工台の上にセットして、側壁３００に必要な機械加工を施す（前加工工程）。例えば、センサに接続されたケーブルが通過するための貫通孔３０２を加工する。機械加工工程では、側壁３００の内面３０ａにガイド支持部３５を設ける加工も行う。この段階では、内面３０ａが露出しているため、側壁３００に対する種々の加工を容易に行うことができる。なお、側壁製造工程で、側壁３００にガイド支持部３５を設けた上で、機械加工工程で、ガイド支持部３５に対し加工（切削加工や孔開け加工など）を行うようにしてもよい。

【0041】

次いで、図３に示すように、治具２０２を用いて側壁３００の接続面ＳＦ１～ＳＦ４を接合する（接合工程）。すなわち、ツール２１０を回転させながら接続面ＳＦ１～ＳＦ４の上方からツール２１０を押し付けて、接続面ＳＦ１～ＳＦ４を摩擦撹拌接合する。図３に代えて、図５Ｃに示すように接合工程を行うようにしてもよい。図５Ｃでは、側壁３００によって囲まれた空間ＳＰ１に、略十字型の治具２０６が設置される。治具２０６の上端部、下端部、右端部および左端部は、それぞれ側壁３００の内面３０ａのガイド支持部３５に嵌合される。これにより、ガイド部材５０を支持するためのガイド支持部３５を流用して、治具２０６を容易に保持できる。

【0042】

次いで、図５Ｄに示すように、ケース３０のフランジ部３０１に、ボルト孔３０１ａを加工する（後加工工程）。フランジ部３０１はケース３０の端部に設けられるため、ケース３０が組み立てられた状態であっても、フランジ部３０１の加工を容易に行うことができる。以上で、ケース３０の製造が完了する。

【0043】

その後、燃料電池スタック１００を組み立てる場合には、図２に示すようにケース３０のガイド支持部３５（凹部３５ａ）にガイド部材５０を嵌合する。そして、ガイド部材５０に沿って電極アッセンブリ２とともにセパレータ３を所定枚数だけ積層し、セル積層体１０を構成する。さらに、加圧機により、エンドユニット２０を介してセル積層体１０１の両端部に押し付け力を付与してセル積層体１０１を所定長さに圧縮する。そして、その状態で、ボルトを用いてケース３０のフランジ部３０１をエンドプレート２１に締結する。

【0044】

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池スタック１００は、電解質膜と電極とを含む電極アッセンブリ２と、セパレータ３と、を前後方向に交互に積層して構成された略直方体形状を呈するセル積層体１０と、前後方向に延在するセル積層体１０の４つの側面にそれぞれ対向する４つの側壁３００、すなわち上壁３１、上壁３１に連なる右壁３２、右壁３２に連なる下壁３３、および下壁３３と上壁３１とに連なる左壁３４を有し、セル積層体１０を収容する収容空間ＳＰ０を形成するケース３０と、を備える（図１，図２）。上壁３１，右壁３２，下壁３３および左壁３４は、それぞれ略矩形状である略板状部材により構成される（図１）。ケース３０は、上壁３１と右壁３２との接続面ＳＦ１、右壁３２と下壁３３との接続面ＳＦ２、下壁３３と左壁３４との接続面ＳＦ３、および左壁３４と上壁３１との接続面ＳＦ４に、それぞれ摩擦拡販接合により接合された接合部ＳＷ１～ＳＷ４を有する（図３）。さらにケース３０は、収容空間ＳＰ０に面する少なくとも上壁３１の内面３０ａに、機械加工が施されたガイド支持部３５を有する（図２）。

【0045】

このように接合時の歪が少ない摩擦撹拌接合により、４つの側壁３００を接合してケース３０を構成するので、側壁３００の接合前に、つまり側壁３００が単体の段階で、側壁３００の内面３０ａや外面３０ｂに各種の機械加工を施すことができる。このため、例えば上壁３１の内面３０ａに、ガイド支持部３５を設けるための機械加工が必要な場合に、当該機械加工を容易に行うことができる。すなわち、ケース３０が組み立てられた状態でケース３０の内面３０ａを加工する場合、専用の工具等が必要となるが、本実施形態によれば専用の工具等が不要であり、燃料電池スタック１００のケース３０を容易かつ安価に構成することができる。

【0046】

（２）上壁３１と右壁３２との接続面ＳＦ１は、上壁３１の内面３０ａと右壁３２の上端面との接続面であり、右壁３２と下壁３３との接続面ＳＦ２は、下壁３３の内面３０ａと右壁３２の下端面との接続面であり、下壁３３と左壁３４との接続面ＳＦ３は、下壁３３の内面３０ａと左壁３４の下端面との接続面であり、左壁３４と上壁３１との接続面ＳＦ４は、上壁３１の内面３０ａと左壁３４の上端面との接続面である（図２，図３）。これにより、上壁３１の上面に接合部は露出せず、上面を、凹凸がない平坦面とすることができる。したがって、上壁３１の上面に、電圧制御ユニット２０５などの機器を安定して搭載することができる。また、下壁３３の下面に接合部は露出せず、下面を、凹凸がない平坦面とすることができる。したがって、燃料電池スタック１００を車体に安定して搭載できる。さらに、右壁３２の両端面および左壁３４の両端面にそれぞれ接続面ＳＦ１，ＳＦ２およびＳＦ３，ＳＦ４が設けられので、複数の接続面ＳＦ１，ＳＦ２およびＳＦ３，ＳＦ４に同一方向からツール２１０を押し当てることができる。このため、ワークの姿勢変更の回数が少なく、側壁３００の効率的な接合が可能である。

【0047】

（３）燃料電池スタック１００は、上壁３１とセル積層体１０との間、右壁３２とセル積層体１０との開、下壁３３とセル積層体１０との間、および左壁３４とセル積層体１０との間にそれぞれ介装され、前後方向に延在するガイド部材５０をさらに備える（図２）。上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４は、それぞれ内面３０ａにガイド部材５０を支持するガイド支持部３５を有する（図２）。ガイド支持部３５は、機械加工が施されて形成される。これにより、ガイド部材５０を、側壁３００の内面３０ａに容易かつ精度よく取り付けることができ、ガイド部材５０に沿って複数の発電セル１を良好に積層することができる。

【0048】

（４）燃料電池スタック１００に用いられる筐体（ケース３０）の製造方法は、それぞれ略矩形状に延在するとともに略板状に構成された上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４の表面に機械加工する工程（前加工工程）と、互いに略直交して配置された、上壁３１と右壁３２との接続面ＳＦ１、右壁３２と下壁３３との接続面ＳＦ２、下壁３３と左壁３４との接続面ＳＦ３、および左壁３４と上壁３１との接続面ＳＦ４に沿って、それぞれ略円柱状のツール（接合ツール）２１０を回転しながら押し当てて、これら接続面ＳＦ１～ＳＦ４をそれぞれ摩擦拡販接合する工程（接合工程）と、を含む（図３，図５Ｂ，図５Ｃ）。接合工程では、上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４によって包囲された空間ＳＰ１に、ツール２１０の押し当て荷重を受ける治具２０２、２０６を配置することを含む（図３，図５Ｃ）。この構成により、ケース３０の内部に機械加工が必要な場合であっても、専用の工具を用いることなく、ケース３０を容易かつ安価に製造することができる。

【0049】

（５）上壁３１と右壁３２との接続面ＳＦ１は、右壁３２の外面３０ｂの所定位置から右壁３２の板厚方向に所定長さｔ１だけ延在する外側接続面ＳＦ１１と、右壁３２の内面３０ａの所定位置から所定量Ｗだけオフセットした位置から右壁３２の板厚方向に所定長さｔ２だけ延在する内側接続面ＳＦ１２と、右壁３２の板厚方向と垂直方向に延在し、外側接続面ＳＦ１１と内側接続面ＳＦ１２とを接続する中間接続面ＳＦ１３と、を含むようにしてもよい（図４）。これにより、接合工程でツール２１０から押し付け荷重が作用した場合に、接続面ＳＦ１での上壁３１に対する右壁３２の位置ずれを防ぐことができ、接続面ＳＦ１での接合を容易かつ精度よく行うことができる。

【0050】

（６）前加工工程は、上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４の内面３０ａ（空間ＳＰ１に面する側）にそれぞれ、接続面ＳＦ１～ＳＦ４と略平行に延在するガイド部材５０、すなわち、空間ＳＰ１にセパレータ３を案内しながら収容するためのガイド部材５０を支持するガイド支持部３５を加工する工程を含む。接合工程は、ガイド支持部３５で治具２０６を支持することを含む（図５Ｃ）。このようにガイド支持部３５を介して治具２０６を支持するので、ツール２１０の押し付け荷重に対抗するための治具２０６を、ケース内で安定的に保持することができる。

【0051】

上記実施形態は種々の形態に変形することができる。上記実施形態では、４つの側壁３００にそれぞれ、機械加工された被加工部としてガイド支持部３５を設けるようにしたが、被加工部の構成はこれに限らない。ガイド部材５０とガイド支持部３５はなくてもよい。少なくとも第１側壁の内側表面に被加工部を設けるのであれば、第２側壁、第３側壁、第４側壁に機械加工部を設けなくてもよい。ここで、第１側壁とは、上壁３１、右壁３２、下壁３３および左壁３４のいずれかであり、第２側壁は第１側壁に連なる側壁であり、第３側壁は第２側壁に連なる側壁であり、第４側壁は第３側壁および第１側壁に連なる側壁である。

【0052】

上記実施形態では、電解質膜と電極とを含む膜電極接合体としての電極アッセンブリ２とセパレータ３とを前後方向（所定方向）に交互に積層して積層体（セル積層体１０）を構成したが、積層方向は前後方向に限らず上下方向であってもよい。上記実施形態では、側壁３００が端部に屈曲部を含まないように４つの側壁３００をそれぞれ略板状に構成したが、４つの側壁３００のいずれが、９０°屈曲した屈曲部を端部に含んでもよい。上記実施形態では、一対の接続面ＳＦ１，ＳＦ２および一対の接続面ＳＦ３，ＳＦ４が、それぞれ同一方向（図３の上下方向）に延在するようにしたが、これらが異なる方向に延在してもよい。

【0053】

上記実施形態（図４）では、上壁３１を第１側壁、右壁３２を第２側壁として、右壁３２の一方側の表面である外面３０ｂの所定位置から右壁３２の板厚方向に所定長さｔ１（第１長さ）だけ延在する外側接続面ＳＦ１１（第１接続面）と、右壁３２の他方側の表面である内面３０ａの所定位置から所定量Ｗだけオフセットした位置から右壁３２の板厚方向に所定長さｔ２（第２長さ）だけ延在する内側接続面ＳＦ１２（第２接続面）と、右壁３２の板厚方向と垂直方向に延在し、外側接続面ＳＦ１１と内側接続面ＳＦ１２とを接続する中間接続面ＳＦ１３（第３接続面）と、を含むように接続面ＳＦ１を構成したが、第１側壁と第２側壁の構成はこれに限らない。第１側壁は上壁３１以外、すなわち、右壁３２、下壁３３および左壁３４のいずれであってもよく、第２側壁は右壁３２以外、すなわち、上壁３１、下壁３３および左壁３４のいずれであってもよい。

【0054】

以上では、燃料電池スタック１００のケース３０内にセル積層体１０を収容する例を示したが、本発明の筐体は燃料電池スタック以外の筐体として用いることもできる。したがって、筐体内に収容される収容物は、セル積層体に限らない。

【0055】

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

【0056】

２ 電極アッセンブリ、３ セパレータ、１０ セル積層体、３０ ケース、３１ 上壁、３２ 右壁、３３ 下壁、３４ 左壁、３５ ガイド支持部、５０ ガイド部材、１００ 燃料電池スタック、２０２，２０６ 治具、２１０ ツール、ＳＦ１～ＳＦ４ 接続面、ＳＦ１１ 外側接続面、ＳＦ１２ 内側接続面、ＳＦ１３ 中間接続面、ＳＷ１～ＳＷ４ 接合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】