燃料電池スタック
【課題】外部からの荷重に対して、セパレータの変形によるシール性の低下や前記セパレータの短絡を確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池ユニット１２は、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８を備える。第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の外周部には、それぞれ所定の位置に所定数の荷重受け部７６、８０及び８２が一体化されるとともに、前記荷重受け部８０は、前記荷重受け部７６、８２よりもケーシング１４側に突出する。荷重受け部７６、８０及び８２に樹脂クリップ８８が挿入されることにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８は、前記樹脂クリップ８８を介して一体に保持される。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池ユニット１２は、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８を備える。第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の外周部には、それぞれ所定の位置に所定数の荷重受け部７６、８０及び８２が一体化されるとともに、前記荷重受け部８０は、前記荷重受け部７６、８２よりもケーシング１４側に突出する。荷重受け部７６、８０及び８２に樹脂クリップ８８が挿入されることにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８は、前記樹脂クリップ８８を介して一体に保持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。
【０００４】
この燃料電池は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、前記第１及び第２セパレータは、第１及び第２位置決め用孔部を設け、前記第１及び第２位置決め用孔部に、第１及び第２絶縁性位置決め部材が装着されるとともに、前記第１絶縁性位置決め部材の内周壁部に、前記第２絶縁性位置決め部材の外周壁部が嵌合することにより、前記第１及び第２セパレータ同士が絶縁状態で位置決めされる。
【０００５】
また、特許文献２には、電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持する単位セルを備える燃料電池であって、前記第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で保持する複数の金属クリップ部材を備え、前記金属クリップ部材は、側板部と、前記側板部の端部で屈曲して前記第１及び第２セパレータの外周を把持する第１及び第２舌片部とを有し、前記第１及び第２舌片部は、前記側板部よりも長尺に構成されるとともに、ばね性を備えることを特徴とする燃料電池が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７２０９４号公報（図３）
【特許文献２】特開２００４−２４１２０８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向に延在するタイロッドを介して前記積層方向に締め付け荷重を付与する構造の他、積層された燃料電池をボックス状のケーシング内に収容して前記積層方向に締め付け荷重を付与する構造等が採用されており、通常、車載用として各種車両に搭載されている。
【０００８】
その際、車両の衝突時に、例えば、ケーシングが変形してセパレータに接触すると、前記ケーシングを介して前記セパレータが短絡したり、前記セパレータが変形して燃料電池内のシール性が低下したりするという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、外部からの荷重に対して、セパレータの変形によるシール性の低下や前記セパレータの短絡を確実に阻止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】
【００１０】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。この燃料電池スタックは、複数のセパレータを積層方向に一体に保持する接続部材と、前記接続部材により一体に保持される前記セパレータの中、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられ、他のセパレータの外周部より外方に突出して外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部とを備えている。
【００１１】
また、樹脂製ガイド部には、接続部材である絶縁性クリップを挿入するための孔部が積層方向に形成されることが好ましい。
【００１２】
さらに、絶縁性クリップは、略円柱状を有するとともに、軸方向に延在してスリットが形成されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、樹脂製ガイド部には、外部からの荷重が付与される際、前記樹脂製ガイド部を破損可能な複数の孔部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の積層方向に交差する方向から外部荷重が付与されると、少なくとも１つのセパレータの外周部に外方に突出して設けられている樹脂製ガイド部が、前記外部荷重を受ける。その際、複数のセパレータは、接続部材により一体に保持されており、樹脂製ガイド部に付与された外部荷重が、前記接続部材を介して前記複数のセパレータに分散される。
【００１５】
これにより、燃料電池自体のずれによるシール性の低下を良好に阻止することができ、しかもセパレータの短絡が惹起することがない。さらに、燃料電池の組み立て時には、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられている樹脂製ガイド部が組み立てガイド上を摺動するため、全てのセパレータを摺動させる場合に比べ、摺動抵抗が低減されて組み立て作業が容易に遂行可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池ユニット１２を矢印Ａ方向に積層してケーシング１４内に収容している。ケーシング１４は、燃料電池ユニット１２の積層方向両端に配置されるエンドプレート１６ａ、１６ｂと、前記燃料電池ユニット１２の側部に配置される４枚の側部プレート１８ａ〜１８ｄと、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び前記側部プレート１８ａ〜１８ｄを互いに連結するヒンジ機構２０とを備える。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、少なくとも第１電解質膜（電解質）・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂと、少なくとも第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８とを設ける。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６の間で第１電解質膜・電極構造体２２ａを挟持する一方、前記第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の間で第２電解質膜・電極構造体２２ｂを挟持する。第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
【００１９】
燃料電池ユニット１２の長辺方向（図２中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａとが設けられる。
【００２０】
燃料電池ユニット１２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。
【００２１】
燃料電池ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。
【００２２】
第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂ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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。
【００２３】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０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３６の両面に形成される。
【００２４】
第１セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。この第１燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。
【００２５】
第２セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部からなる第１酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この第１酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。第２セパレータ２６の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２６ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。
【００２６】
第３セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通する第２酸化剤ガス流路５０が設けられる。第３セパレータ２８の面２８ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。
【００２７】
第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４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２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形されるとともに、第３セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第３セパレータ２８の外周端縁部を周回して第３シール部材５６が一体成形される。
【００２８】
燃料電池スタック１０は、燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８同士を相互に位置決めするための位置決め機構６０を備える。位置決め機構６０は、第２セパレータ２６の矢印Ｃ方向両端縁部に一体成形される樹脂材料製位置決め部材６２と、第１セパレータ２４に形成される第１孔部６４と、第３セパレータ２８に設けられ、前記第１孔部６４よりも小径な第２孔部６６とを備える。
【００２９】
図３に示すように、位置決め部材６２は、略リング状を有し、第１セパレータ２４の第１孔部６４に嵌合する第１凸状部６８と、第３セパレータ２８の第２孔部６６に嵌合する第２凸状部７０とを有する。位置決め部材６２は、第１凸状部６８側に円形状穴部７２を設ける一方、第２凸状部７０側に、他の位置決め部材６２の穴部７２に嵌合して前記位置決め部材６２同士を位置決めする突起部７４を設ける。
【００３０】
図２に示すように、第１セパレータ２４の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部７６が、後述するように、前記第１セパレータ２４を構成する金属プレートの切り欠き部に対応して一体化される。各荷重受け部７６には、孔部７８ａ、７８ｂが互いに並列して設けられる。
【００３１】
第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８には、それぞれ第１セパレータ２４の各荷重受け部７６と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部８０、８２が一体化される。各荷重受け部８０、８２には、荷重受け部７６の孔部７８ａ、７８ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂが形成される。
【００３２】
図４に示すように、孔部７８ａ、７８ｂの直径は、孔部８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂの直径よりも小径に設定されるとともに、荷重受け部７６、８０及び８２の中、少なくとも前記荷重受け部８０は、他の荷重受け部７６、８２よりも外方に突出する。この荷重受け部８０は、ケーシング１４を介して外部から付与される荷重（外部荷重）を受けるとともに、各燃料電池ユニット１２の積層時にガイド機能を有する樹脂製ガイド部を構成する。なお、第２セパレータ２６にのみ荷重受け部８０を設け、第１セパレータ２４及び第３セパレータ２８に荷重受け部７６、８２を設けなくてもよい。
【００３３】
積層方向に対して一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに、接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ８８が挿入されるとともに、他の一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、各孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに、同様に接続部材である樹脂クリップ８８が挿入される。
【００３４】
各樹脂クリップ８８は、首部８８ａが、第１セパレータ２４に係止する一方、大径なフランジ部８８ｂが、第３セパレータ２８に当接することにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が、積層方向に一体に保持される。
【００３５】
荷重受け部７６、８０及び８２は、以下に示す各方法によって、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８と一体化される。
【００３６】
例えば、図５に示すように、先ず、薄板状金属プレート９０が成形されるとともに、荷重受け部７６、８０及び８２に対応する樹脂部材９２が予め成形される（図５中、（ａ）参照）。
【００３７】
次いで、金属プレート９０に設けられた孔部９０ａに樹脂部材９２のボス部９２ａを挿入させた後（図５中、（ｂ）参照）、前記ボス部９２ａを熱かしめする。これにより、樹脂部材９２と金属プレート９０とは、一体化される（図５中、（ｃ）参照）。
【００３８】
さらに、図５（ｄ）に示すように、金属プレート９０の外周縁部に絶縁被覆処理を施すことにより、第１シール部材５２、第２シール部材５４及び第３シール部材５６が成形される。これにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が製作される。
【００３９】
ここで、図６に示すように、荷重受け部７６、８０及び８２は、金属プレート９０に設けられている切り欠き部９０ｂに対応して一体化されている。従って、荷重受け部７６、８０及び８２に形成される孔部７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂは、この荷重受け部７６、８０及び８２のみを積層方向に貫通しており、前記孔部７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂに金属部分が露呈することはない。
【００４０】
また、上記の熱かしめによる製造方法の他、射出成形による製造方法が採用される。図７に示すように、金属プレート９０が用意され（図７中、（ａ）参照）、この金属プレート９０が図示しない射出成形機に装填された状態で、溶融樹脂を用いて荷重受け部７６、８０及び８２が射出成形される（図７中、（ｂ）参照）。さらに、図７（ｃ）に示すように、金属プレート９０の所望の部位を覆って絶縁被覆処理を施すことにより、第１シール部材５２、第２シール部材５４及び第３シール部材５６が成形される。
【００４１】
次に、燃料電池スタック１０を組み付ける作業について、以下に説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池ユニット１２では、第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間に、第１電解質膜・電極構造体２２ａが配設されるとともに、前記第２セパレータ２６と第３セパレータ２８との間に、第２電解質膜・電極構造体２２ｂが配設される（図２参照）。この状態で、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８同士が積層方向（矢印Ａ方向）に押圧される。
【００４３】
このため、図３に示すように、第２セパレータ２６に一体成形されている位置決め部材６２では、第１凸状部６８が第１セパレータ２４の第１孔部６４に嵌合する。一方、位置決め部材６２の第２凸状部７０は、第３セパレータ２８の第２孔部６６に嵌合する。従って、第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８同士は、位置決め機構６０を介して位置決めされるとともに、燃料電池ユニット１２が組み付けられる。
【００４４】
また、所定数の燃料電池ユニット１２では、それぞれ荷重受け部７６、８０及び８２の一方の孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに樹脂クリップ８８が挿入され、この樹脂クリップ８８を介して第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８同士が互いに保持される。
【００４５】
他の所定数の燃料電池ユニット１２では、それぞれ荷重受け部７６、８０及び８２の他方の孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに樹脂クリップ８８が挿入され、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持される。
【００４６】
このように組み付けられた各燃料電池ユニット１２は、孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに挿入された樹脂クリップ８８と、孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに挿入された樹脂クリップ８８とが交互になるように、図示しないガイドレールに沿って互いに積層される。
【００４７】
その際、各燃料電池ユニット１２では、略中央に配置されている第２セパレータ２６の側部に一体化された荷重受け部８０が、第１セパレータ２４の荷重受け部７６及び第３セパレータ２８の荷重受け部８２よりも外方に膨出形成されている。
【００４８】
従って、荷重受け部８０のみが樹脂性ガイド部として機能し、この荷重受け部８０をガイドレールに沿って案内させるだけでよく、摺動抵抗が低減されるとともに、燃料電池ユニット１２同士を容易且つ正確に積層することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
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。
【００５０】
先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔３４ａ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。
【００５１】
図２に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池ユニット１２の酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給されて矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。第１酸化剤ガス流路４６に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａのカソード側電極４０に沿って移動する一方、第２酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体２２ｂのカソード側電極４０に沿って移動する。
【００５２】
燃料ガスは、燃料電池ユニット１２の燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２４の第１燃料ガス流路４２及び第２セパレータ２６の第２燃料ガス流路４８に導入される。このため、燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂの各アノード側電極３８に沿って移動する。
【００５３】
従って、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂでは、各カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５４】
次いで、各カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って流動した後、燃料電池スタック１０から排出される。同様に、各アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、燃料電池スタック１０から排出される。
【００５５】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３４ａから燃料電池ユニット１２間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂを移動して燃料電池スタック１０から排出される。
【００５６】
ところで、燃料電池スタック１０は、車載用として図示しない車両に搭載されており、その積層方向（矢印Ａ方向）が車長方向に向かって配置されている。そして、燃料電池スタック１０に対し、衝突等によって側方から外部荷重Ｆが付与されると（図４参照）、ケーシング１４を構成する側部プレート１８ａ（又は１８ｃ）が燃料電池ユニット１２側に変形する。
【００５７】
その際、各燃料電池ユニット１２では、第２セパレータ２６の外周部に、外方に突出して荷重受け部８０が設けられており、側部プレート１８ａに付与された外部荷重Ｆが、この側部プレート１８ａに接触する荷重受け部８０により受けられる。このため、荷重受け部８０は、外部荷重Ｆによって内方に変形乃至移動しようとする。
【００５８】
この場合、各燃料電池ユニット１２では、荷重受け部７６、８０、８２の孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａ（又は７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂ）に樹脂クリップ８８が挿入されており、この樹脂クリップ８８を介して第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持されている。従って、荷重受け部８０に付与された外部荷重Ｆは、樹脂クリップ８８を介して荷重受け部７６、８２にも分散され、第２セパレータ２６に外部荷重Ｆが集中して作用することがない。
【００５９】
これにより、燃料電池ユニット１２内には、ずれによるシール性の低下を惹起することがなく、しかも、側部プレート１８ａに荷重受け部８０が接触することによって、第２セパレータ２６の短絡を良好に阻止することができるという効果が得られる。
【００６０】
特に、荷重受け部８０は、金属プレート９０の孔部９０ａに対応して設けられるとともに、各荷重受け部７６、８０及び８２を一体化する接続部材として、樹脂クリップ８８が設けられている。このため、車両衝突時等に外部荷重Ｆが付与される際、側部プレート１８ａが内方に変形しても、この側部プレート１８ａと第２セパレータ２６の金属部分とが接触することを可及的に阻止し、前記第２セパレータ２６の短絡が確実に阻止されるという利点がある。
【００６１】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部拡大断面図である。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。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
燃料電池スタック１００は、各燃料電池ユニット１２を構成する荷重受け部７６、８０及び８２を一体に保持する接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ１０２を備える。この樹脂クリップ１０２は、首部８８ａ側からフランジ部８８ｂの途上まで延在するスリット１０４を設ける。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、樹脂クリップ１０２がスリット１０４を設けることにより、前記樹脂クリップ１０２自体が弾性体構造を有している。このため、ケーシング１４に外部荷重Ｆが付与され、荷重受け部８０を介して樹脂クリップ１０２に前記外部荷重Ｆが付与されると、前記樹脂クリップ１０２は、スリット１０４を介して弾性変形し、前記外部荷重Ｆを吸収することが可能になる。
【００６４】
従って、樹脂クリップ１０２は、荷重吸収機能と第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８への荷重分配機能とを有することができ、燃料電池ユニット１２自体のずれやシール不良を一層確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００６５】
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の要部拡大断面図である。
【００６６】
各燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８には、荷重受け部１１２、１１４及び１１６が一体化されるとともに、前記荷重受け部１１４が、前記荷重受け部１１２、１１６よりも外方に突出している。図９及び図１０に示すように、荷重受け部１１２、１１４及び１１６の先端側には、複数の小孔（孔部）１１８が形成される。
【００６７】
荷重受け部１１２、１１４及び１１６には、樹脂クリップ１０２（又は８８）が挿入されており、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持される。
【００６８】
このように構成される第３の実施形態では、図９に示すように、ケーシング１４に外部荷重Ｆが付与され、側部プレート１８ａが内方に変形して荷重受け部１１４の先端に当接すると、この荷重受け部１１４は、複数の小孔１１８を介して優先的に破損される。
【００６９】
このため、外部荷重Ｆは、荷重受け部１１４の破損によって良好に吸収され、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８のずれを可及的に阻止することができる。これにより、シール不良や短絡の発生を確実に阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、複数の小孔１１８は、少なくとも第２セパレータ２６に一体化される荷重受け部１１４に設けていればよい。
【００７０】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の要部拡大断面図であり、図１２は、前記燃料電池スタック１２０を構成する燃料電池ユニット１２２の分解斜視説明図である。
【００７１】
第１セパレータ２４には、第１孔部６４を設ける荷重受け部１２４が上下両端略中央に一体に設けられるとともに、第３セパレータ２８には、第２孔部６６を設ける荷重受け部１２６が上下両端略中央に一体に設けられている。第２セパレータ２６は、位置決め部材６２を一体に設ける荷重受け部１２８が上下両端略中央に設けられる。荷重受け部１２８は、荷重受け部１２４、１２６よりも外方に突出している。
【００７２】
このように構成される第４の実施形態では、位置決め機構６０を構成する位置決め部材６２が荷重受け部１２８に一体に設けられるとともに、第１孔部６４及び第２孔部６６が荷重受け部１２４、１２６に一体に設けられている。従って、位置決め機構６０の構成が簡素化され、各燃料電池ユニット１２２の製造コストが有効に削減されるという効果が得られる。
【００７３】
なお、第１〜第４の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂと、第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８とを備えた燃料電池ユニット１２、１２２を用いて説明したが、これに限定されるものではない。実質的には、１つ以上の電解質膜・電極構造体と２つ以上のセパレータを備えていればよく、以下に例示する。
【００７４】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池（単位セル）１３０の分解斜視説明図である。
【００７５】
燃料電池１３０は、電解質膜・電極構造体１３２を挟持する第１セパレータ１３４及び第２セパレータ１３６を備える。燃料電池スタックは、上記の燃料電池１３０を矢印Ａ方向に積層して構成される。
【００７６】
この第５の実施形態では、燃料電池１３０が、単一の電解質膜・電極構造体１３２を第１セパレータ１３４と第２セパレータ１３６とにより挟持している。この構成を上記の第１〜第４の実施形態に適用することができ、これによって、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【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斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池ユニットを位置決めする位置決め機構の断面拡大説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図５】前記燃料電池ユニットを構成するセパレータを熱化処理により製造する際の説明図である。
【図６】前記セパレータに一体化される荷重受け部の説明図である。
【図７】前記燃料電池ユニットを構成するセパレータを射出成形処理により製造する際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【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要部拡大断面図である。
【図１０】前記前記燃料電池ユニットを構成するセパレータに一体化される荷重受け部の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、１００、１１０、１２０…燃料電池スタック
１２、１２２…燃料電池ユニット １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
１８ａ〜１８ｄ…側部プレート ２２ａ、２２ｂ…電解質膜・電極構造体
２４、２６、２８、１３４、１３６…セパレータ
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、４８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６、５０…酸化剤ガス流路
６０…位置決め機構 ６２…位置決め部材
６４、６６、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ…孔部
７６、８０、８２、１１２、１１４、１１６、１２４、１２６、１２８…荷重受け部
８８、１０２…樹脂クリップ １０４…スリット
１１８…小孔 １３０…燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。
【０００４】
この燃料電池は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、前記第１及び第２セパレータは、第１及び第２位置決め用孔部を設け、前記第１及び第２位置決め用孔部に、第１及び第２絶縁性位置決め部材が装着されるとともに、前記第１絶縁性位置決め部材の内周壁部に、前記第２絶縁性位置決め部材の外周壁部が嵌合することにより、前記第１及び第２セパレータ同士が絶縁状態で位置決めされる。
【０００５】
また、特許文献２には、電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持する単位セルを備える燃料電池であって、前記第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で保持する複数の金属クリップ部材を備え、前記金属クリップ部材は、側板部と、前記側板部の端部で屈曲して前記第１及び第２セパレータの外周を把持する第１及び第２舌片部とを有し、前記第１及び第２舌片部は、前記側板部よりも長尺に構成されるとともに、ばね性を備えることを特徴とする燃料電池が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７２０９４号公報（図３）
【特許文献２】特開２００４−２４１２０８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向に延在するタイロッドを介して前記積層方向に締め付け荷重を付与する構造の他、積層された燃料電池をボックス状のケーシング内に収容して前記積層方向に締め付け荷重を付与する構造等が採用されており、通常、車載用として各種車両に搭載されている。
【０００８】
その際、車両の衝突時に、例えば、ケーシングが変形してセパレータに接触すると、前記ケーシングを介して前記セパレータが短絡したり、前記セパレータが変形して燃料電池内のシール性が低下したりするという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、外部からの荷重に対して、セパレータの変形によるシール性の低下や前記セパレータの短絡を確実に阻止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】
【００１０】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。この燃料電池スタックは、複数のセパレータを積層方向に一体に保持する接続部材と、前記接続部材により一体に保持される前記セパレータの中、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられ、他のセパレータの外周部より外方に突出して外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部とを備えている。
【００１１】
また、樹脂製ガイド部には、接続部材である絶縁性クリップを挿入するための孔部が積層方向に形成されることが好ましい。
【００１２】
さらに、絶縁性クリップは、略円柱状を有するとともに、軸方向に延在してスリットが形成されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、樹脂製ガイド部には、外部からの荷重が付与される際、前記樹脂製ガイド部を破損可能な複数の孔部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の積層方向に交差する方向から外部荷重が付与されると、少なくとも１つのセパレータの外周部に外方に突出して設けられている樹脂製ガイド部が、前記外部荷重を受ける。その際、複数のセパレータは、接続部材により一体に保持されており、樹脂製ガイド部に付与された外部荷重が、前記接続部材を介して前記複数のセパレータに分散される。
【００１５】
これにより、燃料電池自体のずれによるシール性の低下を良好に阻止することができ、しかもセパレータの短絡が惹起することがない。さらに、燃料電池の組み立て時には、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられている樹脂製ガイド部が組み立てガイド上を摺動するため、全てのセパレータを摺動させる場合に比べ、摺動抵抗が低減されて組み立て作業が容易に遂行可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池ユニット１２を矢印Ａ方向に積層してケーシング１４内に収容している。ケーシング１４は、燃料電池ユニット１２の積層方向両端に配置されるエンドプレート１６ａ、１６ｂと、前記燃料電池ユニット１２の側部に配置される４枚の側部プレート１８ａ〜１８ｄと、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び前記側部プレート１８ａ〜１８ｄを互いに連結するヒンジ機構２０とを備える。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、少なくとも第１電解質膜（電解質）・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂと、少なくとも第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８とを設ける。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６の間で第１電解質膜・電極構造体２２ａを挟持する一方、前記第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の間で第２電解質膜・電極構造体２２ｂを挟持する。第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
【００１９】
燃料電池ユニット１２の長辺方向（図２中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａとが設けられる。
【００２０】
燃料電池ユニット１２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。
【００２１】
燃料電池ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。
【００２２】
第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂ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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。
【００２３】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０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３６の両面に形成される。
【００２４】
第１セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。この第１燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。
【００２５】
第２セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部からなる第１酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この第１酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。第２セパレータ２６の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２６ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。
【００２６】
第３セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通する第２酸化剤ガス流路５０が設けられる。第３セパレータ２８の面２８ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。
【００２７】
第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４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２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形されるとともに、第３セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第３セパレータ２８の外周端縁部を周回して第３シール部材５６が一体成形される。
【００２８】
燃料電池スタック１０は、燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８同士を相互に位置決めするための位置決め機構６０を備える。位置決め機構６０は、第２セパレータ２６の矢印Ｃ方向両端縁部に一体成形される樹脂材料製位置決め部材６２と、第１セパレータ２４に形成される第１孔部６４と、第３セパレータ２８に設けられ、前記第１孔部６４よりも小径な第２孔部６６とを備える。
【００２９】
図３に示すように、位置決め部材６２は、略リング状を有し、第１セパレータ２４の第１孔部６４に嵌合する第１凸状部６８と、第３セパレータ２８の第２孔部６６に嵌合する第２凸状部７０とを有する。位置決め部材６２は、第１凸状部６８側に円形状穴部７２を設ける一方、第２凸状部７０側に、他の位置決め部材６２の穴部７２に嵌合して前記位置決め部材６２同士を位置決めする突起部７４を設ける。
【００３０】
図２に示すように、第１セパレータ２４の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部７６が、後述するように、前記第１セパレータ２４を構成する金属プレートの切り欠き部に対応して一体化される。各荷重受け部７６には、孔部７８ａ、７８ｂが互いに並列して設けられる。
【００３１】
第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８には、それぞれ第１セパレータ２４の各荷重受け部７６と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部８０、８２が一体化される。各荷重受け部８０、８２には、荷重受け部７６の孔部７８ａ、７８ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂが形成される。
【００３２】
図４に示すように、孔部７８ａ、７８ｂの直径は、孔部８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂの直径よりも小径に設定されるとともに、荷重受け部７６、８０及び８２の中、少なくとも前記荷重受け部８０は、他の荷重受け部７６、８２よりも外方に突出する。この荷重受け部８０は、ケーシング１４を介して外部から付与される荷重（外部荷重）を受けるとともに、各燃料電池ユニット１２の積層時にガイド機能を有する樹脂製ガイド部を構成する。なお、第２セパレータ２６にのみ荷重受け部８０を設け、第１セパレータ２４及び第３セパレータ２８に荷重受け部７６、８２を設けなくてもよい。
【００３３】
積層方向に対して一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに、接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ８８が挿入されるとともに、他の一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、各孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに、同様に接続部材である樹脂クリップ８８が挿入される。
【００３４】
各樹脂クリップ８８は、首部８８ａが、第１セパレータ２４に係止する一方、大径なフランジ部８８ｂが、第３セパレータ２８に当接することにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が、積層方向に一体に保持される。
【００３５】
荷重受け部７６、８０及び８２は、以下に示す各方法によって、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８と一体化される。
【００３６】
例えば、図５に示すように、先ず、薄板状金属プレート９０が成形されるとともに、荷重受け部７６、８０及び８２に対応する樹脂部材９２が予め成形される（図５中、（ａ）参照）。
【００３７】
次いで、金属プレート９０に設けられた孔部９０ａに樹脂部材９２のボス部９２ａを挿入させた後（図５中、（ｂ）参照）、前記ボス部９２ａを熱かしめする。これにより、樹脂部材９２と金属プレート９０とは、一体化される（図５中、（ｃ）参照）。
【００３８】
さらに、図５（ｄ）に示すように、金属プレート９０の外周縁部に絶縁被覆処理を施すことにより、第１シール部材５２、第２シール部材５４及び第３シール部材５６が成形される。これにより、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が製作される。
【００３９】
ここで、図６に示すように、荷重受け部７６、８０及び８２は、金属プレート９０に設けられている切り欠き部９０ｂに対応して一体化されている。従って、荷重受け部７６、８０及び８２に形成される孔部７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂは、この荷重受け部７６、８０及び８２のみを積層方向に貫通しており、前記孔部７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂに金属部分が露呈することはない。
【００４０】
また、上記の熱かしめによる製造方法の他、射出成形による製造方法が採用される。図７に示すように、金属プレート９０が用意され（図７中、（ａ）参照）、この金属プレート９０が図示しない射出成形機に装填された状態で、溶融樹脂を用いて荷重受け部７６、８０及び８２が射出成形される（図７中、（ｂ）参照）。さらに、図７（ｃ）に示すように、金属プレート９０の所望の部位を覆って絶縁被覆処理を施すことにより、第１シール部材５２、第２シール部材５４及び第３シール部材５６が成形される。
【００４１】
次に、燃料電池スタック１０を組み付ける作業について、以下に説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池ユニット１２では、第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間に、第１電解質膜・電極構造体２２ａが配設されるとともに、前記第２セパレータ２６と第３セパレータ２８との間に、第２電解質膜・電極構造体２２ｂが配設される（図２参照）。この状態で、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８同士が積層方向（矢印Ａ方向）に押圧される。
【００４３】
このため、図３に示すように、第２セパレータ２６に一体成形されている位置決め部材６２では、第１凸状部６８が第１セパレータ２４の第１孔部６４に嵌合する。一方、位置決め部材６２の第２凸状部７０は、第３セパレータ２８の第２孔部６６に嵌合する。従って、第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８同士は、位置決め機構６０を介して位置決めされるとともに、燃料電池ユニット１２が組み付けられる。
【００４４】
また、所定数の燃料電池ユニット１２では、それぞれ荷重受け部７６、８０及び８２の一方の孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに樹脂クリップ８８が挿入され、この樹脂クリップ８８を介して第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８同士が互いに保持される。
【００４５】
他の所定数の燃料電池ユニット１２では、それぞれ荷重受け部７６、８０及び８２の他方の孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに樹脂クリップ８８が挿入され、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持される。
【００４６】
このように組み付けられた各燃料電池ユニット１２は、孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａに挿入された樹脂クリップ８８と、孔部７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂに挿入された樹脂クリップ８８とが交互になるように、図示しないガイドレールに沿って互いに積層される。
【００４７】
その際、各燃料電池ユニット１２では、略中央に配置されている第２セパレータ２６の側部に一体化された荷重受け部８０が、第１セパレータ２４の荷重受け部７６及び第３セパレータ２８の荷重受け部８２よりも外方に膨出形成されている。
【００４８】
従って、荷重受け部８０のみが樹脂性ガイド部として機能し、この荷重受け部８０をガイドレールに沿って案内させるだけでよく、摺動抵抗が低減されるとともに、燃料電池ユニット１２同士を容易且つ正確に積層することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
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。
【００５０】
先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔３４ａ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。
【００５１】
図２に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池ユニット１２の酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給されて矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。第１酸化剤ガス流路４６に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａのカソード側電極４０に沿って移動する一方、第２酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体２２ｂのカソード側電極４０に沿って移動する。
【００５２】
燃料ガスは、燃料電池ユニット１２の燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２４の第１燃料ガス流路４２及び第２セパレータ２６の第２燃料ガス流路４８に導入される。このため、燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂの各アノード側電極３８に沿って移動する。
【００５３】
従って、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂでは、各カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５４】
次いで、各カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って流動した後、燃料電池スタック１０から排出される。同様に、各アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、燃料電池スタック１０から排出される。
【００５５】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３４ａから燃料電池ユニット１２間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂを移動して燃料電池スタック１０から排出される。
【００５６】
ところで、燃料電池スタック１０は、車載用として図示しない車両に搭載されており、その積層方向（矢印Ａ方向）が車長方向に向かって配置されている。そして、燃料電池スタック１０に対し、衝突等によって側方から外部荷重Ｆが付与されると（図４参照）、ケーシング１４を構成する側部プレート１８ａ（又は１８ｃ）が燃料電池ユニット１２側に変形する。
【００５７】
その際、各燃料電池ユニット１２では、第２セパレータ２６の外周部に、外方に突出して荷重受け部８０が設けられており、側部プレート１８ａに付与された外部荷重Ｆが、この側部プレート１８ａに接触する荷重受け部８０により受けられる。このため、荷重受け部８０は、外部荷重Ｆによって内方に変形乃至移動しようとする。
【００５８】
この場合、各燃料電池ユニット１２では、荷重受け部７６、８０、８２の孔部７８ａ、８４ａ及び８６ａ（又は７８ｂ、８４ｂ及び８６ｂ）に樹脂クリップ８８が挿入されており、この樹脂クリップ８８を介して第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持されている。従って、荷重受け部８０に付与された外部荷重Ｆは、樹脂クリップ８８を介して荷重受け部７６、８２にも分散され、第２セパレータ２６に外部荷重Ｆが集中して作用することがない。
【００５９】
これにより、燃料電池ユニット１２内には、ずれによるシール性の低下を惹起することがなく、しかも、側部プレート１８ａに荷重受け部８０が接触することによって、第２セパレータ２６の短絡を良好に阻止することができるという効果が得られる。
【００６０】
特に、荷重受け部８０は、金属プレート９０の孔部９０ａに対応して設けられるとともに、各荷重受け部７６、８０及び８２を一体化する接続部材として、樹脂クリップ８８が設けられている。このため、車両衝突時等に外部荷重Ｆが付与される際、側部プレート１８ａが内方に変形しても、この側部プレート１８ａと第２セパレータ２６の金属部分とが接触することを可及的に阻止し、前記第２セパレータ２６の短絡が確実に阻止されるという利点がある。
【００６１】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部拡大断面図である。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。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
燃料電池スタック１００は、各燃料電池ユニット１２を構成する荷重受け部７６、８０及び８２を一体に保持する接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ１０２を備える。この樹脂クリップ１０２は、首部８８ａ側からフランジ部８８ｂの途上まで延在するスリット１０４を設ける。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、樹脂クリップ１０２がスリット１０４を設けることにより、前記樹脂クリップ１０２自体が弾性体構造を有している。このため、ケーシング１４に外部荷重Ｆが付与され、荷重受け部８０を介して樹脂クリップ１０２に前記外部荷重Ｆが付与されると、前記樹脂クリップ１０２は、スリット１０４を介して弾性変形し、前記外部荷重Ｆを吸収することが可能になる。
【００６４】
従って、樹脂クリップ１０２は、荷重吸収機能と第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８への荷重分配機能とを有することができ、燃料電池ユニット１２自体のずれやシール不良を一層確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００６５】
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の要部拡大断面図である。
【００６６】
各燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８には、荷重受け部１１２、１１４及び１１６が一体化されるとともに、前記荷重受け部１１４が、前記荷重受け部１１２、１１６よりも外方に突出している。図９及び図１０に示すように、荷重受け部１１２、１１４及び１１６の先端側には、複数の小孔（孔部）１１８が形成される。
【００６７】
荷重受け部１１２、１１４及び１１６には、樹脂クリップ１０２（又は８８）が挿入されており、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が一体に保持される。
【００６８】
このように構成される第３の実施形態では、図９に示すように、ケーシング１４に外部荷重Ｆが付与され、側部プレート１８ａが内方に変形して荷重受け部１１４の先端に当接すると、この荷重受け部１１４は、複数の小孔１１８を介して優先的に破損される。
【００６９】
このため、外部荷重Ｆは、荷重受け部１１４の破損によって良好に吸収され、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８のずれを可及的に阻止することができる。これにより、シール不良や短絡の発生を確実に阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、複数の小孔１１８は、少なくとも第２セパレータ２６に一体化される荷重受け部１１４に設けていればよい。
【００７０】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の要部拡大断面図であり、図１２は、前記燃料電池スタック１２０を構成する燃料電池ユニット１２２の分解斜視説明図である。
【００７１】
第１セパレータ２４には、第１孔部６４を設ける荷重受け部１２４が上下両端略中央に一体に設けられるとともに、第３セパレータ２８には、第２孔部６６を設ける荷重受け部１２６が上下両端略中央に一体に設けられている。第２セパレータ２６は、位置決め部材６２を一体に設ける荷重受け部１２８が上下両端略中央に設けられる。荷重受け部１２８は、荷重受け部１２４、１２６よりも外方に突出している。
【００７２】
このように構成される第４の実施形態では、位置決め機構６０を構成する位置決め部材６２が荷重受け部１２８に一体に設けられるとともに、第１孔部６４及び第２孔部６６が荷重受け部１２４、１２６に一体に設けられている。従って、位置決め機構６０の構成が簡素化され、各燃料電池ユニット１２２の製造コストが有効に削減されるという効果が得られる。
【００７３】
なお、第１〜第４の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体２２ａ及び第２電解質膜・電極構造体２２ｂと、第１セパレータ２４〜第３セパレータ２８とを備えた燃料電池ユニット１２、１２２を用いて説明したが、これに限定されるものではない。実質的には、１つ以上の電解質膜・電極構造体と２つ以上のセパレータを備えていればよく、以下に例示する。
【００７４】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池（単位セル）１３０の分解斜視説明図である。
【００７５】
燃料電池１３０は、電解質膜・電極構造体１３２を挟持する第１セパレータ１３４及び第２セパレータ１３６を備える。燃料電池スタックは、上記の燃料電池１３０を矢印Ａ方向に積層して構成される。
【００７６】
この第５の実施形態では、燃料電池１３０が、単一の電解質膜・電極構造体１３２を第１セパレータ１３４と第２セパレータ１３６とにより挟持している。この構成を上記の第１〜第４の実施形態に適用することができ、これによって、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【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斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池ユニットを位置決めする位置決め機構の断面拡大説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図５】前記燃料電池ユニットを構成するセパレータを熱化処理により製造する際の説明図である。
【図６】前記セパレータに一体化される荷重受け部の説明図である。
【図７】前記燃料電池ユニットを構成するセパレータを射出成形処理により製造する際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【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要部拡大断面図である。
【図１０】前記前記燃料電池ユニットを構成するセパレータに一体化される荷重受け部の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、１００、１１０、１２０…燃料電池スタック
１２、１２２…燃料電池ユニット １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
１８ａ〜１８ｄ…側部プレート ２２ａ、２２ｂ…電解質膜・電極構造体
２４、２６、２８、１３４、１３６…セパレータ
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、４８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６、５０…酸化剤ガス流路
６０…位置決め機構 ６２…位置決め部材
６４、６６、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ…孔部
７６、８０、８２、１１２、１１４、１１６、１２４、１２６、１２８…荷重受け部
８８、１０２…樹脂クリップ １０４…スリット
１１８…小孔 １３０…燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
複数の前記セパレータを、積層方向に一体に保持する接続部材と、
前記接続部材により一体に保持される前記セパレータの中、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられ、他のセパレータの外周部より外方に突出して外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部と、
を備え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、前記樹脂製ガイド部には、前記接続部材である絶縁性クリップを挿入するための孔部が前記積層方向に形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２記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁性クリップは、略円柱状を有するとともに、軸方向に延在してスリットが形成され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乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂製ガイド部には、外部からの荷重が付与される際、該樹脂製ガイド部を破損可能な複数の孔部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
複数の前記セパレータを、積層方向に一体に保持する接続部材と、
前記接続部材により一体に保持される前記セパレータの中、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられ、他のセパレータの外周部より外方に突出して外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部と、
を備え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、前記樹脂製ガイド部には、前記接続部材である絶縁性クリップを挿入するための孔部が前記積層方向に形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２記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁性クリップは、略円柱状を有するとともに、軸方向に延在してスリットが形成され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乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂製ガイド部には、外部からの荷重が付与される際、該樹脂製ガイド部を破損可能な複数の孔部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−２７７６１（Ｐ２００８−２７７６１Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９９５６６（Ｐ２００６−１９９５６６）
【出願日】平成１８年７月２１日（２００６．７．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２１日（２００６．７．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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