特開 2024-145358 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの組立方法

(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】P2024145358

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの組立方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2404 20160101AFI20241004BHJP

   H01M 8/248 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241004BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2404

H01M8/248

H01M8/2475

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 2023057672

(22)【出願日】2023-03-31

(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】田中 直樹

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA21

5H126AA25

5H126AA28

5H126BB06

5H126HH02

(57)【要約】

【課題】ケースの取付後にセルの積層を容易に行うことが可能な燃料電池スタックの組立方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの組立方法は、エンドプレート２３の上方に配置される絶縁プレート２２を、テーブル２０２に対し上下方向に移動可能なロッド２０３を介して保持する工程と、絶縁プレート２２上に、発電セル１を積層してセル積層体を形成する工程と、を含む。保持する工程は、エンドプレート２３の貫通孔２３０を通過したロッド２０３の上端部を絶縁プレート２２の貫通孔２２０の周面に当接させて、絶縁プレート２２を保持することを含む。
【選択図】図４

【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、を交互に積層してなるセル積層体と、
前記セル積層体を包囲する筐体と、
前記セル積層体の積層方向の端部に配置されたエンドユニットと、を備える燃料電池スタックであって、
前記エンドユニットは、前記筐体の端部に固定されるエンドプレートと、前記エンドプレートと前記セル積層体との間に配置される中間プレートと、を有し、
前記エンドプレートおよび前記中間プレートには、前記エンドプレートと前記中間プレートとを前記積層方向と平行に貫通し、反応ガスと冷却媒体とを前記セル積層体に供給および前記セル積層体から排出するための複数の連通孔がそれぞれ開口され、
前記中間プレートの前記連通孔は、前記エンドプレートの前記連通孔よりも小さく、
前記中間プレートは、前記燃料電池スタックの組立時または分解時に、組立台上に搭載された前記エンドプレートの前記連通孔を通過したロッド部材により昇降可能に支持されるように、前記連通孔の周面に前記ロッド部材の先端部が当接される当接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、
前記当接部は、前記中間プレートの前記連通孔の周面に設けられた段部により構成され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、
前記中間プレートは、前記エンドプレートに向けて突設され、前記エンドプレートの前記連通孔に嵌合するとともに、前記連通孔が設けられる突出部を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記筐体の内側の表面に取り付けられ、前記積層方向に延在するガイド部材をさらに備え、
前記セパレータは、前記ガイド部材に係合する係合部を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項5】

積層方向を上下方向として組み立てられる燃料電池スタックの組立方法であって、
組立台の上面に下側エンドプレートを搭載するとともに、前記下側エンドプレートにケースの下端部を固定する搭載工程と、
前記下側エンドプレートの上方に配置される中間プレートを、前記組立台に対し上下方向に移動可能なロッド部材を介して前記下側エンドプレートの上方のセル積層位置に保持する保持工程と、
前記ロッド部材を介して保持された前記中間プレート上に、電解質膜と電極とを含む膜電極構造体と、セパレータと、を交互に積層し、セル積層体を形成する積層工程と、
前記ロッド部材を下方に移動することにより前記中間プレートを下降し、前記下側エンドプレートの上面に載置する下降工程と、
上側エンドプレートを介して前記セル積層体を上方から押圧し、前記上側エンドプレートを前記ケースの上端部に固定する加圧工程と、を含み、
前記下側エンドプレートおよび前記中間プレートには、前記下側エンドプレートと前記中間プレートとをそれぞれ上下方向に貫通し、反応ガスと冷却媒体とを前記セル積層体に供給および前記セル積層体から排出するための複数の連通孔がそれぞれ開口され、
前記中間プレートの前記連通孔は、前記下側エンドプレートの前記連通孔よりも小さく、
前記保持工程は、前記下側エンドプレートの前記連通孔を通過した前記ロッド部材の上端部を前記中間プレートの前記連通孔の周面に当接させて、前記中間プレートを前記セル積層位置に保持すること含むことを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池スタックの組立方法において、
前記下降工程は、前記積層工程で、前記膜電極構造体または前記セパレータ、または前記膜電極構造体と前記セパレータとの組み合わせを単位積層物として積層するたびに、前記単位積層物の厚みに相当する分、前記中間プレートを下降することを含み、前記積層工程と前記下降工程とを交互に行うことを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。

【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の組立方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人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技術開発が行われている。このような燃料電池を構成する燃料電池スタックは、一般に、組立台の上面にエンドプレート、インシュレータ、ターミナルプレートなどを順次搭載した後、複数の発電セルを積層して組み立てられる。この点に関し、従来、エンドプレートから立設された位置決めピンに沿って発電セルを位置決めしながら積層するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７１７４７８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、エンドプレートには積層体を包囲するケースが取り付けられるが、上記特許文献１記載の装置では、ケースがない状態で発電セルを積層するように構成されており、ケースの取付後にケース内の空間に発電セルを積層することは、ケースが障害となって難しい。

【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、を交互に積層してなるセル積層体と、セル積層体を包囲する筐体と、セル積層体の積層方向の端部に配置されたエンドユニットと、を備える。エンドユニットは、筐体の端部に固定されるエンドプレートと、エンドプレートとセル積層体との間に配置される中間プレートと、を有する。エンドプレートおよび中間プレートには、エンドプレートと中間プレートとを積層方向と平行に貫通し、反応ガスと冷却媒体とをセル積層体に供給およびセル積層体から排出するための複数の連通孔がそれぞれ開口される。中間プレートの連通孔は、エンドプレートの前記連通孔よりも小さい。中間プレートは、燃料電池スタックの組立時または分解時に、組立台上に搭載されたエンドプレートの連通孔を通過したロッド部材により昇降可能に支持されるように、連通孔の周面にロッド部材の先端部が当接される当接部を有する。

【0006】

本発明の他の態様である燃料電池スタックの組立方法は、積層方向を上下方向として組み立てられる燃料電池スタックの組立方法であって、組立台の上面に下側エンドプレートを搭載するとともに、下側エンドプレートにケースの下端部を固定する搭載工程と、下側エンドプレートの上方に配置される中間プレートを、組立台に対し上下方向に移動可能なロッド部材を介して下側エンドプレートの上方のセル積層位置に保持する保持工程と、ロッド部材を介して保持された中間プレート上に、電解質膜と電極とを含む膜電極構造体と、セパレータと、を交互に積層し、セル積層体を形成する積層工程と、ロッド部材を下方に移動することにより中間プレートを下降し、下側エンドプレートの上面に載置する下降工程と、上側エンドプレートを介してセル積層体を上方から押圧し、上側エンドプレートをケースの上端部に固定する加圧工程と、を含む。下側エンドプレートおよび中間プレートには、下側エンドプレートと中間プレートとをそれぞれ上下方向に貫通し、反応ガスと冷却媒体とをセル積層体に供給およびセル積層体から排出するための複数の連通孔がそれぞれ開口される。中間プレートの連通孔は、下側エンドプレートの連通孔よりも小さい。保持工程は、下側エンドプレートの連通孔を通過したロッド部材の上端部を中間プレートの連通孔の周面に当接させて、中間プレートをセル積層位置に保持することを含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ケースの取付後に、ケース内の空間に発電セルを容易に積層することができる。

【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III-III線に沿った断面図。

【図4】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの組立方法に用いられる組立装置の概略構成を示す図。

【図5A】図４の要部構成を拡大して示す図。

【図5B】図５Ａの矢視VB図。

【図6A】図５Ａの変形例を示す図。

【図6B】図５Ａの別の変形例を示す図。

【図7】図４の参考例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１～図７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概略的に説明する。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。図１の各方向は、後述する燃料電池スタック１００の組立時の方向に一致する（図４参照）。この方向は、燃料電池スタック１００を車両に搭載したときの方向と同一であるとは限らない。例えば燃料電池スタック１００を車両に搭載したときには、図１の前後方向が上下方向（鉛直方向）となり、図１の上下方向が前後方向または左右方向となり、図１の左右方向が前後方向またはそのまま左右方向となる。

【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の上下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の前面、右面、後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、上面および下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。セル積層体１０とケース３０の各側壁３００との間には、上下方向に延在する棒状ないし板状のガイド部材５０（図２）が介装される。

【0013】

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、上下方向に積層して構成される。

【0014】

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の上下両側に配置され、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、上下方向に交互に配置される。

【0015】

セパレータ３は、断面が波板状の上下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。

【0016】

電極アッセンブリ２の上側のセパレータ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の下側のセパレータ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。

【0017】

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、電解質膜の上面に設けられたアノード電極と、電解質膜の下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、電解質膜の上面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、電極触媒層の上面には、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、電解質膜の下面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、電極触媒層の下面には、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。

【0018】

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。

【0019】

上下のエンドユニット２０は、それぞれターミナルプレート２１と、絶縁プレート２２と、エンドプレート２３とを有する。なお、上側のエンドユニット２０をドライ側エンドユニット、下側のエンドユニット２０をウェット側エンドユニットと呼ぶこともある。上下一対のターミナルプレート２１，２１は、セル積層体１０を挟んでその上下両側に配置される。上下一対の絶縁プレート２２，２２は、ターミナルプレート２１，２１を挟んでその上下両側に配置される。上下一対のエンドプレート２３，２３は、絶縁プレート２２，２２を挟んでその上下両側に配置される。

【0020】

ターミナルプレート２１は、金属製の略矩形状の板状部材であり、セル積層体１０で電気化学反応により生成された電力を取り出すための端子部を有する。絶縁プレート２２は、非導電性を有する樹脂製またはゴム製の略矩形状の板状部材であり、ターミナルプレート２１とエンドプレート２３とを電気的に絶縁する。エンドプレート２３は、金属製または高強度に構成された樹脂製の板状部材であり、上下のエンドプレート２３には、それぞれケース３０の上下両端部がボルトにより締結される。

【0021】

下側のエンドユニット２０には、エンドユニット２０を上下方向に貫通する複数の貫通孔（連通孔）２０ａ～２０ｆが開口される。なお、貫通孔２０ａ～２０ｆは、それぞれターミナルプレート２１を貫通する貫通孔、絶縁プレート２２を貫通する貫通孔およびエンドプレート２３を貫通する貫通孔を含むが、図１では、便宜上、これらをまとめて貫通孔２０ａ～２０ｆとして示す。

【0022】

貫通孔２０ａは、セル積層体１０の内部に燃料ガスを供給するための連通孔である。貫通孔２０ｂは、セル積層体１０から外部に冷却媒体を排出するための連通孔である。貫通孔２０ｃ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連通孔である。貫通孔２０ｄは、セル積層体１０の内部に酸化剤ガスを供給するための連通孔である。貫通孔２０ｅは、セル積層体１０の内部に冷却媒体を供給するための連通孔である。貫通孔２０ｆは、セル積層体１０から外部に燃料ガスを排出するための連通孔である。

【0023】

セル積層体１０の左右方向両端部には、貫通孔２０ａ～２０ｄに連通するように上下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２０ａ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２０ｄ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２０ｆ，２０ｃ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２０ｅ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２０ｂを介して排出される。

【0024】

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、収容空間ＳＰ０に面する４つの側壁３００の内面３０ａ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（収容空間ＳＰ０の中心側）に突設されるとともに、側壁３００の長手方向（上下方向）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。

【0025】

ガイド部材５０は、上下方向に延在する樹脂製の細長部材であり、その断面形状は、長手方向（上下方向）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を構成するセパレータ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あるいは発電セル１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】

図３は、エンドユニット２０の貫通孔２０ａの構成を示す図１のIII-III線に沿った断面図である。なお、エンドユニット２０の他の貫通孔２０ｂ～２０ｆの構成も図３と同様である。図３に示すように、貫通孔２０ａは、ターミナルプレート２１の貫通孔２１０と、絶縁プレート２２の貫通孔２２０と、エンドプレート２３の貫通孔２３０とを含む。なお、ターミナルプレート２１と絶縁プレート２２とは中間プレートを構成する。絶縁プレート２２のみで中間プレートを構成してもよい。絶縁プレート２２は、貫通孔２０ａの位置に対応して、下方に突出する突出部２２１を有し、貫通孔２２０は突出部２２１に設けられる。

【0028】

エンドプレート２３の貫通孔２３０の径は、突出部２２１の外周面の径と等しく、突出部２２１の外周面は貫通孔２３０に嵌合される。嵌合状態では、突出部２２１の下端面２２ａとエンドプレート２３の下端面２３ａとは同一水平面上に位置する。なお、下端面２３ａが下端面２２ａより下方に位置してもよい。

【0029】

以上の燃料電池スタック１００は、組立装置を用いて組み立てられる。図４は、組立装置２００の概略構成を示す図である。図４には、組立装置２００を用いて燃料電池スタック１００を組み立てる際の一工程が併せて示される。図４に示すように組立装置２００は、基台に立設された複数の脚部２０１と、脚部２０１の上端部に固定され、水平方向に延在する略板状のテーブル２０２とを有する。

【0030】

テーブル２０２には、エンドユニット２０の複数の貫通孔（例えば４箇所の貫通孔２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｆ）に対応して、テーブル２０２を上下方向に貫通する複数（例えば４個）の貫通孔２０２ａが開口される。なお、図４には、テーブル２０２の上面に載置されたエンドプレート２３（ウェット側エンドプレート２３）と、エンドプレート２３に固定されたケース３０とが併せて示される。ケース３０の側壁３００の内側には、ガイド部材５０が取り付けられる。

【0031】

貫通孔２０２ａには、テーブル２０２の下方から、上下方向に細長のロッド２０３が挿入される。ロッド２０３は、テーブル２０２の底面に取り付けられた駆動装置２０５により上下方向に移動可能に支持される。駆動装置２０５は、シリンダやモータなどのアクチュエータを有し、アクチュエータの駆動によりロッド２０３を昇降することができる。ロッド２０３の外径は、エンドプレート２３の貫通孔２３０の径よりも小さく、ロッド２０３は貫通孔２３０を通過可能である。

【0032】

ロッド２０３が最大に下降した最大下降位置（位置Ａ）においては、ロッド２０３の上端面はテーブル２０２の上面とほぼ同一位置またはテーブル２０２の上面よりも下方に位置する。なお、所定量（例えばエンドプレート２３の板厚）を限度として、ロッド２０３の上端面がテーブル２０２の上面から突出してもよい。ロッド２０３が最大に上昇した最大上昇位置（位置Ｂ）においては、ロッド２０３の上端面がエンドプレート２３の上端面よりも所定量上方に突出する。

【0033】

ロッド２０３の上端部は、絶縁プレート２２の貫通孔２２０の所定位置まで嵌合する。これを所定嵌合状態と呼ぶ。所定嵌合状態では、ロッド２０３が貫通孔２２０の周面を摺動することなく、ロッド２０３が絶縁プレート２２を支持できる。これにより図４の位置Ｂに示すように、絶縁プレート２２を、エンドプレート２３の上面から離間してセル積層位置に保持できる。この状態で、矢印Ｚに示すように電極アッセンブリ２とセパレータ３（発電セル１として示す）が交互に積層される。なお、図４では、発電セル１の貫通孔、すなわちエンドユニット２０の貫通孔２０ａに連通する連通孔（図３）を点線で示す。

【0034】

図５Ａは、図４のロッド２０３の先端部を拡大して示す図であり、図５Ｂは、図５Ａの矢視VＢ図である。図５Ａに示すように、ロッド２０３の上端部の外周面には、複数（図では４個）の弾性体２０４が周方向等間隔に装着される。弾性体２０４は、樹脂やゴムにより構成される。図５Ｂでは誇張して示すが、弾性体２０４の外側の頂点を通る外接円２０４ａの径は、貫通孔２２０の径よりもやや大きい。したがって、弾性体２０４は、径方向に圧縮されて貫通孔２２０に嵌合される。すなわち、貫通孔２２０と干渉する弾性体２０４の角部が圧縮されて、弾性体２０４が嵌合される。

【0035】

貫通孔２２０の周面には、弾性体２０４が当接する当接部２２０ａが設けられる。貫通孔２２０は、例えば下端の入口から上方に向かうに従い徐々に径が小さくなる。これにより、当接部２２０ａが構成される。このような当接部２２０ａを設けることにより、貫通孔２２０への弾性体２０４の最大嵌合量が制限される。その結果、弾性体２０４が最大に嵌合した際に弾性体所定嵌合状態となり、所定嵌合状態におけるロッド２０３の最大嵌合位置を規定できる。なお、弾性体２０４とロッド２０３の外周面との間に板ばね等の付勢部材からなる爪機構を設け、貫通孔２０２ａの縮径により最大嵌合位置で弾性体２０４に付勢力を付与することで、爪機構を介して貫通孔２２０の周面における弾性体２０４の位置を固定するようにしてもよい。爪機構は、弾性体２０４が所定位置まで嵌合したときに、外径方向に突出するなどの動作をするように構成すればよい。

【0036】

図６Ａは、図５Ａの変形例を示す図である。図６Ａの例では、貫通孔２２０の周面に、当接部２２０ａとして段差部２２２が設けられる。段差部２２２は、水平方向に延在する端面２２２ａを有し、端面２２２ａの下方の貫通孔２２０の径が、端面２２２ａの上方の貫通孔２２０の径よりも大きい。ロッド２０３の外周面の径は、端面２２２ａの下方の貫通孔２２０の径とほぼ等しい。これにより、所定嵌合状態では、ロッド２０３の上端面が段差部２２２の端面２２２ａに当接し、ロッド２０３の最大嵌合位置を規定できる。

【0037】

図６Ｂは、図５Ａの別の変形例を示す図である。図６Ｂの例では、ロッド２０３の上端角部がテーパ状に形成され、ロッド２０３はテーパ面２０３ａを有する。テーパ面２０３ａの下方のロッド２０３の外周面の径は、絶縁プレート２２の貫通孔２２０の径よりも大きい一方、ロッド２０３の上端面２０３ｂの径は、貫通孔２２０の径よりも小さい。これにより、ロッド２０３のテーパ面２０３ａが、絶縁プレート２２の突出部２２１の内周面の角部（当接部２２０ａ）に当接し、所定嵌合状態におけるロッド２０３の最大嵌合位置を規定できる。

【0038】

本実施形態に係る燃料電池スタック１００の組立方法について説明する。燃料電池スタック１００を組み立てる場合には、まず、図４に示すように、テーブル２０２の上面の所定位置にウェット側エンドプレート２３（下側エンドプレート）を搭載して固定するとともに、ボルトを用いてケース３０の下端部をエンドプレート２３に固定する（搭載工程）。搭載工程が完了した段階では、エンドプレート２３の貫通孔２３０の下方に組立装置２００のロッド２０３が位置する。

【0039】

図示は省略するが、搭載工程ではさらに、絶縁プレート２２の突出部２２１を貫通孔２３０に嵌合し、エンドプレート２３の上面に絶縁プレート２２を搭載する、次いで、絶縁プレート２２の上面にターミナルプレート２１を搭載する。さらに、ケース３０の上端の開口からガイド部材５０を挿入し、側壁３００の内側の表面のガイド支持部３５（図２）に取り付ける。

【0040】

次に、組立装置２００の駆動装置２０５（アクチュエータ）を駆動し、ロッド２０３を上方に移動する。これにより、ロッド２０３の上端部が絶縁プレート２２の貫通孔２２０に嵌合し、所定嵌合状態となる。所定嵌合状態でロッド２０３が上方に移動すると、絶縁プレート２２は、エンドプレート２３から離間して持ち上げられ、ロッド２０３が最大に上昇した所定位置（位置Ｂ）にて保持される（保持工程）。なお、ロッド２０３の上方移動により絶縁プレート２２を持ち上げるのではなく、ロッド２０３が最大上昇位置（位置Ｂ）まで上昇した後、ケース３０の上端の開口を介して上方から絶縁プレート２２を搭載するようにしてもよい。

【0041】

次に、ケース３０の上端の開口を介して、ターミナルプレート２１の上面に、電極アッセンブリ２とセパレータ３とを交互に積層し、セル積層体１０を形成する（積層工程）。このとき、セパレータ３の端部の凸部１１（係合部）がガイド部材５０に係合しながら、電極アッセンブリ２とともにセパレータ３が積層される。これにより、ケース内における発電セル１の位置が規定され、精度よくセル積層体１０を形成できる。

【0042】

積層工程は、ロボットを用いて実行される。すなわち、ロボットのハンドでセパレータ３を吸着してセパレータ３を所定位置に搬送した後、吸着を停止することで、セパレータ３を所定位置に積層する。この場合、絶縁プレート２２が、ロッド２０３により持ち上げられて、エンドプレート２３から離間して上方の所定位置（位置Ｂ）に位置することで、ロボットのハンドから絶縁プレート２２までの距離が短くなる。このため、電極アッセンブリ２やセパレータ３、あるいはそれらを組み合わせてユニット化したものを積層する際の、自由落下の距離を短くすることができる。これにより、積層工程で電極アッセンブリ２やセパレータ３がケース３０やガイド部材５０と摺接して位置ずれすることを抑制することができる。

【0043】

積層工程で、一組の発電セル１（単位セル）が積層される度に、ロッド２０３は、駆動装置２０５の駆動により、その発電セル１の厚さ分だけ下降する（下降工程）。積層工程と下降工程とは交互に実行される。これにより、ケース３０とロボットとが干渉することなく、複数の発電セル１を、ケース３０に沿って位置決めしながらケース内に容易に積層することができる。発電セル１が所定枚数だけ積層されると、ロッド２０３は、絶縁プレート２２がエンドプレート２３の上面に載置される所定位置（位置Ａ）まで下降され、これにより下降工程が終了する。なお、全ての発電セル１の積層が完了した後にロッド２０３を下方に移動するようにしてもよい。

【0044】

次いで、セル積層体１０の上面に、ドライ側のエンドユニット２０、すなわちターミナルプレート２１、絶縁プレート２２およびエンドプレート２３を順次搭載する。この状態では、ドライ側エンドプレート２３がケース３０の上端面よりも上方に位置する。次いで、加圧機を用いてエンドプレート２３の上方から加圧力を付与して、エンドプレート２３がケース３０の上端面に当接するまでエンドプレート２３を下方に押し込む。そして、ボルトを用いてエンドプレート２３をケース３０の上端面に締結する（加圧工程）。以上で、燃料電池スタック１００の組立が完了する。組立完了後は、テーブル２０２へのエンドプレート２３の固定を解除し、燃料電池スタック１００を所定位置に搬送する。

【0045】

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、を交互に積層してなるセル積層体１０と、セル積層体１０を包囲するケース３０と、セル積層体１０の積層方向の端部に配置されたエンドユニット２０と、を備える（図１）。エンドユニット２０は、ケース３０の端部に固定されるエンドプレート２３と、エンドプレート２３とセル積層体１０との間に配置される絶縁プレート２２と、を有する（図１）。エンドプレート２３および絶縁プレート２２には、エンドプレート２３と絶縁プレート２２とを積層方向と平行に貫通し、反応ガスと冷却媒体とをセル積層体１０に供給およびセル積層体１０から排出するための複数の貫通孔（連通孔）２０ａ～２０ｆがそれぞれ開口される（図１）。絶縁プレート２２の貫通孔２２０は、エンドプレート２３の貫通孔２３０よりも小さい（図３）。絶縁プレート２２は、燃料電池スタック１００の組立時に、テーブル２０２上に搭載されたエンドプレート２３の貫通孔２３０を通過したロッド２０３により昇降可能に支持されるように、貫通孔２２０の周面にロッド２０３の先端部が当接される当接部２２０ａを有する（図５Ａ，図６Ａ，図６Ｂ）。

【0046】

この構成により、エンドプレート２３をテーブル上に載置したまま、ロッド２０３の上下動により絶縁プレート２２を昇降することができる。したがって、発電セル１が積層される位置を上方にずらすことができ、ケース３０がエンドプレート２３に固定された状態であっても、燃料電池スタック１００の組立を容易に行うことができる。したがって、燃料電池スタック１００を安価に構成することができる。

【0047】

ロッド２０３を介して絶縁プレート２２を昇降する場合、参考例である図７に示すように、エンドプレート２３に、貫通孔２３０とは別に、ロッド２０３が貫通するための貫通孔２３１を穿設し、貫通孔２３１を通過したロッド２０３の上端部で絶縁プレート２２の底面を支持することが考えられる。しかし、この場合には、燃料電池スタック１００の組立完了後に、貫通孔２３１をシールするといった新たな工程が必要となり、部品点数が増加し、コストの増加を伴う。この点、本実施形態では、ロッド２０３が、エンドプレート２３に予め設けられた複数の貫通孔２３０、すなわち反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給および排出するための貫通孔２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅを通過して、絶縁プレート２２の複数の貫通孔２２０の周面に設けられた当接部２２０ａに当接するので、エンドプレート２３に、ロッド通過用の新たな貫通孔２３１を加工する必要がなく、コストを抑えることができる。また、絶縁プレート２２の下端面にはシール部が設けられるが、当接部２２０ａは、シール部とは異なる貫通孔２２０の周面に設けられるので、シール部を損傷することなく、燃料電池スタック１００を組み立てることができる。

【0048】

（２）当接部２２０ａは、絶縁プレート２２の貫通孔２２０の周面に設けられた段差部２２２（段部）により構成される（図６Ａ）。これにより、ロッド２０３の上端部により絶縁プレート２２を安定して支持できる。

【0049】

（３）絶縁プレート２２は、エンドプレート２３に向けて突設され、エンドプレート２３の貫通孔２３０に嵌合するとともに、貫通孔２２０が設けられる突出部２２１を有する（図３）。これにより、エンドプレート２３に対する絶縁プレート２２の位置を規定することができる。また、貫通孔２２０が上下方向に長尺になり、当接部２２０ａを容易に設けることができる。

【0050】

（４）燃料電池スタック１００は、ケース３０の内側の表面に取り付けられ、積層方向に延在するガイド部材５０をさらに備える（図２）。セパレータ３は、ガイド部材５０に係合する係合部として凸部１１を有する（図２）。これにより、ガイド部材５０によって位置決めしながらセパレータ３を積層することができ、個々の発電セル１の位置を精度よく規定することができる。燃料電池スタック１００の組立完了後は、セル積層体１０をガイド部材５０によって良好に支持することができる。

【0051】

（５）積層方向を上下方向として組み立てられる燃料電池スタック１００の組立方法は、テーブル２０２の上面にウェット側エンドプレート２３を搭載するとともに、ウェット側エンドプレート２３にケース３０の下端部を固定する搭載工程と、ウェット側エンドプレート２３の上方に配置される絶縁プレート２２を、テーブル２０２に対し上下方向に移動可能なロッド２０３を介してウェット側エンドプレート２３の上方のセル積層位置で保持する保持工程と、ロッド２０３を介して保持された絶縁プレート２２上に、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、を交互に積層し、セル積層体１０を形成する積層工程と、ロッド２０３を下方に移動することにより絶縁プレート２２を下降し、ウェット側エンドプレート２３の上面に載置する下降工程と、ドライ側エンドプレート２３を介してセル積層体１０を上方から押圧し、ドライ側エンドプレート２３をケース３０の上端部に固定する加圧工程と、を含む（図４）。ウェット側エンドプレート２３および絶縁プレート２２には、ウェット側エンドプレート２３と絶縁プレート２２とをそれぞれ上下方向に貫通し、反応ガスと冷却媒体とをセル積層体１０に供給およびセル積層体１０から排出するための複数の貫通孔２０ａ～２０ｆ（２２０，２３０）がそれぞれ開口される（図１）。絶縁プレート２２の貫通孔２２０は、ウェット側エンドプレート２３の貫通孔２３０よりも小さい（図３）。保持工程では、ウェット側エンドプレート２３の貫通孔２３０を通過したロッド２０３の上端部を絶縁プレート２２の貫通孔２２０の周面に当接させて、絶縁プレート２２をセル積層位置で保持する（図４）。これにより、ケース３０をエンドプレート２３に固定した後に、電極アッセンブリ２とセパレータ３とを交互に積層するので、電極アッセンブリ２とセパレータ３とを、ケース３０（より具体的にはケース３０に取り付けられたガイド部材５０）によって位置決めしながら積層することができ、セル積層体１０を精度よく構成することができる。

【0052】

上記実施形態は、種々の形態に変形することができる。以下、いくつかの変形例について説明する。上記実施形態では、組立装置２００のロッド２０３を上下動可能に構成したが、ロッド部材を伸縮可能に設け、絶縁プレート２２を上昇させるときに伸張し、下降させるときに縮退するようにしてもよい。上記実施形態では、絶縁プレート２２に、ロッド２０３の上端部が当接する当接部２２０ａを設けたが、ターミナルプレート２１に設けてもよく、当接部が設けられる中間プレートは絶縁プレート２２であるとは限らない。ロッド２０３の上端部が当接される当接部２２０ａの構成は上述したものに限らない。例えば中間プレートの貫通孔（連通孔）に絞り部を設け、ロッド部材の上端部が絞り部に当接するようにしてもよい。この場合、絞り部が当接部になる。

【0053】

上記実施形態では、燃料電池スタック１００の組立方法について説明したが、燃料電池スタック１００の分解は組立と逆の手順で行えばよく、分解時にも同様に中間プレートの当接部を用いればよい。上記実施形態では、筐体としてのケース３０の内側の表面に、セル積層体１０の端部に設けられた凸部１１に係合するガイド部材５０を取り付けるようにしたが、ガイド部材および係合部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、テーブル２０２にロッド２０３が通過する貫通孔２０２ａを設けたが、ロッド部材を上下方向に移動可能に保持するのであれば、組立台の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、単一の電極アッセンブリ２と単一のセパレータ３とを接合して一組の単位セルを構成し、積層工程で一組の単位セルを積層するたびに、下降工程で一組の単位セルの厚さ分だけロッド２０３を介して中間プレートを下降するようにしたが、複数組の単位セルを積層するたびに、複数組の単位セルの厚さ分だけ中間プレートを下降するようにしてもよい。単一の電極アッセンブリ２と単一のセパレータ３とを接合したものを単位積層物とするのではなく、単一の電極アッセンブリ２や単一のセパレータ３を、単位積層物としてもよい。

【0054】

以上では、燃料電池スタック１００を有する燃料電池を車両に搭載する例を説明したが、燃料電池スタックは、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ができる。

【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】

３ セパレータ、１０ セル積層体、１１ 凸部、２０ａ～２０ｆ 貫通孔、２２ 絶縁プレート、２３ エンドプレート、３０ ケース、５０ ガイド部材、１００ 燃料電池スタック、２２０ 貫通孔、２２０ａ 当接部、２２２ 段差部、２３０ 貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】