燃料電池スタック
【課題】燃料電池に外部荷重が付与された際、前記外部荷重を確実に受けることができ、前記燃料電池の損傷を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４を備え、前記燃料電池１４の積層方向両端には、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。燃料電池１４には、積層方向に貫通する位置決め孔部５８、６０が設けられる一方、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、前記積層方向に延在し、各位置決め孔部５８、６０に一体に挿入されるノックピン６２、６４が配設される。位置決め孔部５８、６０の内壁面とノックピン６２、６４とは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面を有している。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４を備え、前記燃料電池１４の積層方向両端には、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。燃料電池１４には、積層方向に貫通する位置決め孔部５８、６０が設けられる一方、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、前記積層方向に延在し、各位置決め孔部５８、６０に一体に挿入されるノックピン６２、６４が配設される。位置決め孔部５８、６０の内壁面とノックピン６２、６４とは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けら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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の単位セルを積層する必要がある。このため、各単位セル同士を正確に位置決めしなければならず、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の組立方法が知られている。
【０００４】
この組立方法は、図１０に示すように、スタック１の加圧用の加圧板２にセル組立用位置決め穴３が穿設されており、前記位置決め穴３には、端面を面取りした長いＰＴＦＥ製のノックピン４が直立状態で挿入されている。次に、位置決め穴３が穿設されたセル５は、順次、それぞれの位置決め穴３がノックピン４に嵌合して積層されることにより、スタック１が構成されている。その後、スタック１は、締め付け固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３４７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１では、円柱状のノックピン４が各セル５に設けられた円形状の位置決め穴３に一体に挿入されている。このため、特にスタック１が燃料電池電気自動車に搭載されている場合、衝突等により外部荷重（衝撃）が前記スタック１に付与された際、セル５の位置決め穴３を形成する内壁面とノックピン４とが点接触又は線接触し易い。従って、内壁面に集中荷重がかかってしまい、前記内壁面が破損するという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池に外部荷重が付与された際、前記外部荷重を確実に受けることができ、前記燃料電池の損傷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】
【０００８】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【０００９】
この燃料電池スタックでは、燃料電池には、積層方向に貫通する位置決め孔部が設けられる一方、第１エンドプレートと第２エンドプレートとには、前記積層方向に延在し、前記位置決め孔部に一体に挿入されるノックピンが配設されている。そして、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面を有している。
【００１０】
また、この燃料電池スタックでは、燃料電池は、長方形状を有するとともに、位置決め孔部は、前記燃料電池の長辺方向両端側に設けられることが好ましい。
【００１１】
さらに、この燃料電池スタックでは、少なくとも１つの支持平面同士は、面方向が鉛直方向に沿って配置されることが好ましい。
【００１２】
さらにまた、この燃料電池スタックは、燃料電池車両に対して燃料電池の積層方向が車両幅方向に沿って搭載されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、少なくとも２つの支持平面同士が当接することにより、前記外部荷重を受けることができる。従って、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、支持平面で外部荷重を受けるため、前記外部荷重を確実に受けることが可能になり、燃料電池の損傷を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の平面説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの位置決め構造を示す斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する位置決め孔部とノックピンとの説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【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位置決め構造の概略説明図である。
【図１０】特許文献１に開示されている燃料電池の組立方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、燃料電池自動車１２に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４が、立位姿勢で燃料電池自動車１２の走行方向（矢印Ａ方向）に交差する車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。
【００１６】
図１及び図２に示すように、複数の燃料電池１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと絶縁プレート１８ａ、１８ｂとを介装して第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。第１エンドプレート２０ａの中央部からは、ターミナルプレート１６ａに接続された出力端子２２ａが延在する一方、第２エンドプレート２０ｂの中央部からは、ターミナルプレート１６ｂに接続された出力端子２２ｂが延在する（図２参照）。
【００１７】
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、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端を第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂにボルト２６を介して固定され、複数の積層された燃料電池１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。
【００１８】
図３に示すように、燃料電池１４は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００１９】
燃料電池１４の矢印Ａ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池１４の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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入口連通孔３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１４の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１４の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。
【００２２】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。
【００２３】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。
【００２４】
互いに隣接する燃料電池１４を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２５】
第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。
【００２６】
電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
【００２７】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
【００２８】
燃料電池１４の長辺方向両端側には、それぞれ矢印Ｃ方向略中間高さ位置に、積層方向に貫通する位置決め孔部５８、６０が設けられる。位置決め孔部５８は、図４に示すように、鉛直方向に長尺な縦長開口部５８ａと、前記縦長開口部５８ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長開口部５８ｂとを有する。縦長開口部５８ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面５８ａｖを有する一方、横長開口部５８ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面５８ｂｄ、５８ｂｕを有する。
【００２９】
位置決め孔部６０は、位置決め孔部５８と同様に、鉛直方向に長尺な縦長開口部６０ａと、前記縦長開口部６０ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長開口部６０ｂとを有する。縦長開口部６０ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６０ａｖを有する一方、横長開口部６０ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６０ｂｄ、６０ｂｕを有する。
【００３０】
図５に示すように、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、積層方向に延在し、各位置決め孔部５８、６０に一体に挿入されるノックピン６２、６４が配設される。ノックピン６２、６４は、各位置決め孔部５８、６０内に隙間を設けて挿入されてもよく、又は、隙間なく嵌合してもよい。ノックピン６２、６４は、好ましくは、ＳＵＳ（ステンレス）、アルミニウム、鉄、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂、カーボン等で形成される。
【００３１】
ノックピン６２は、図５及び図６に示すように、断面略ト型形状を有し、鉛直方向に延在する縦長部６２ａと、前記縦長部６２ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長部６２ｂとを有する。縦長部６２ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６２ａｖを有する一方、横長部６２ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６２ｂｄ、６２ｂｕを有する。
【００３２】
ノックピン６４は、ノックピン６２と同様に、断面略ト型形状を有し、鉛直方向に延在する縦長部６４ａと、前記縦長部６４ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長部６４ｂとを有する。縦長部６４ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６４ａｖを有する一方、横長部６４ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６４ｂｄ、６４ｂｕを有する。
【００３３】
図２に示すように、第１エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。
【００３４】
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。
【００３５】
先ず、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４０ａに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。
【００３６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。
【００３７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、発電が行われる。
【００３９】
次いで、カソード電極５４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３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、アノード電極５６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３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。
【００４１】
ところで、図１に示すように、燃料電池自動車１２には、例えば、走行中に前後方向（矢印Ａ方向）から衝撃が与えられる場合がある。このため、燃料電池スタック１０には、矢印Ａ方向に外部荷重が付与され、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂ間に挟持されている複数の燃料電池１４が、前記第１エンドプレート２０ａ及び前記第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ方向に移動し易い。
【００４２】
図６に示すように、燃料電池１４が、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ１方向（走行方向前方）に移動すると、位置決め孔部５８を構成する縦長開口部５８ａの鉛直支持平面５８ａｖは、ノックピン６２を構成する縦長部６２ａの鉛直支持平面６２ａｖに当接する（図６中、実線参照）。
【００４３】
さらに、燃料電池１４は、反力により第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ２方向（走行方向後方）に移動する。従って、位置決め孔部６０を構成する縦長開口部６０ａの鉛直支持平面６０ａｖは、ノックピン６４を構成する縦長部６４ａの鉛直支持平面６４ａｖに当接する（図６中、二点鎖線参照）。
【００４４】
このように、第１の実施形態では、燃料電池１４に矢印Ａ方向の外部荷重が付与されると、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２とが、鉛直支持平面５８ａｖと鉛直支持平面６２ａｖとで、すなわち、面接触で前記外部荷重を受けるとともに、位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とが、鉛直支持平面６０ａｖと鉛直支持平面６４ａｖとで、すなわち、面接触で前記外部荷重を受けることができる。
【００４５】
これにより、例えば、円柱形状のノックピンを使用して点接触又は線接触により外部荷重を受ける構成に比べ、位置決め孔部５８、６０の内壁面に集中荷重が付与されることがない。このため、燃料電池１４の損傷を可及的に抑制することが可能になり、簡単な構成で、燃料電池スタック１０を良好に保護することができるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０に上下方向の外部荷重が付与された際、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２及び位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とにより、面接触で前記外部荷重を良好に受けることが可能になる。
【００４７】
すなわち、位置決め孔部５８は、横長開口部５８ｂを形成する水平支持平面５８ｂｄ、５８ｂｕを有する一方、ノックピン６２は、横長部６２ｂを構成する水平支持平面６２ｂｄ、６２ｂｕを有している。従って、燃料電池１４が上方に移動した際、水平支持平面５８ｂｄと水平支持平面６２ｂｄとが面接触して外部荷重を受ける一方、前記燃料電池１４が下方に移動した際、水平支持平面５８ｂｕと水平支持平面６２ｂｕとが面接触して外部荷重を受けることができる。
【００４８】
同様に、位置決め孔部６０は、横長開口部６０ｂを形成する水平支持平面６０ｂｄ、６０ｂｕを有する一方、ノックピン６４は、横長部６４ｂを構成する水平支持平面６４ｂｄ、６４ｂｕを有している。これにより、燃料電池１４が上方に移動した際、水平支持平面６０ｂｄと水平支持平面６４ｂｄとが面接触して外部荷重を受ける一方、前記燃料電池１４が下方に移動した際、水平支持平面６０ｂｕと水平支持平面６４ｂｕとが面接触して外部荷重を受けることが可能になる。
【００４９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の分解斜視説明図である。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。
【００５０】
燃料電池スタック８０は、燃料電池８１を構成する金属セパレータ８２と電解質膜・電極構造体８４とが交互に積層される。図８に示すように、電解質膜・電極構造体８４を構成する固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜５２の外周端部には、樹脂製の額縁部（額縁状枠部材）８６が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００５１】
図７に示すように、額縁部８６は、横長形状を有するとともに、長辺側の一端縁部（矢印Ａ方向一端側）には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、位置決め孔部５８及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。額縁部８６の長辺側の他端縁部（矢印Ａ方向他端側）には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、位置決め孔部６０及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００５２】
金属セパレータ８２の外周端部は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び位置決め孔部５８、６０の内側に配置される。
【００５３】
金属セパレータ８２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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状の金属板により構成される。金属セパレータ８２は、例えば、単一の金属板を折り返して形成される。金属セパレータ８２の両面には、電解質膜・電極構造体８４のアノード電極５６に対向するアノードセパレータ面８８と、前記電解質膜・電極構造体８４のカソード電極５４に対向するカソードセパレータ面９０とを有する。
【００５４】
金属セパレータ８２のアノードセパレータ面８８には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路４４が形成される。燃料ガス流路４４は、矢印Ａ方向に波形状を有して延在する。
【００５５】
金属セパレータ８２のカソードセパレータ面９０に、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路４２が形成される。酸化剤ガス流路４２は、矢印Ａ方向に波形状を有して延在する。カソードセパレータ面９０には、上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部９２ａと冷却媒体排出孔部９２ｂとが形成される。金属セパレータ８２の内部には、冷却媒体供給孔部９２ａ及び冷却媒体排出孔部９２ｂに連通して冷却媒体を矢印Ｃ方向に流通させる冷却媒体流路４６が形成される。冷却媒体流路４６は、燃料ガス流路４４の裏面形状と酸化剤ガス流路４２の裏面形状との重なり形状（それぞれの流路形状が逆位相である）により構成される。
【００５６】
額縁部８６の両面には、シール部材９４が設けられる（図８参照）。シール部材９４は、カソード電極５４側の面に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを酸化剤ガス流路４２に連通する。シール部材９４は、アノード電極５６側の面に、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを燃料ガス流路４４に連通する。
【００５７】
燃料電池８１は、矢印Ｂ方向に複数積層されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け保持される。各燃料電池８１の位置決め孔部５８、６０には、ノックピン６２、６４が一体に挿入される。
【００５８】
このように構成される燃料電池スタック８０では、図７に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、金属セパレータ８２の酸化剤ガス流路４２に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体８４のカソード電極５４に沿って矢印Ａ方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガス入口連通孔３８ａに供給された燃料ガスは、金属セパレータ８２の燃料ガス流路４４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ａ方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔３８ｂに排出される。
【００６０】
従って、電解質膜・電極構造体８４では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、発電が行われる。
【００６１】
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、金属セパレータ８２を構成するカソードセパレータ面９０に形成されている複数の冷却媒体供給孔部９２ａから前記金属セパレータ８２の内部に導入される。
【００６２】
金属セパレータ８２の内部には、冷却媒体流路４６が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路４６に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部９２ｂから冷却媒体出口連通孔４０ｂに排出される。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、燃料電池８１に外部荷重が付与されると、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２とが、平面同士を当接させて前記外部荷重を受ける一方、位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とが、平面同士を当接させて前記外部荷重を受けることができる。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
なお、第１及び第２の実施形態では、断面略ト型形状を有するノックピン６２、６４及び位置決め孔部５８、６０を採用しているが、これに限定されるものではない。少なくとも２つの平面同士が当接することにより、外部荷重を受けることができる構成であればよく、種々の形状を選択することができる。
【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１００の位置決め構造の概略説明図である。
【００６６】
燃料電池スタック１００は、複数の長方形状を有する燃料電池１０２を積層しており、前記燃料電池１０２の長辺方向両端側には、開口断面矩形状の位置決め孔部１０４、１０６が設けられる。位置決め孔部１０４は、鉛直支持平面１０４ｖｒ、１０４ｖｌと、水平支持平面１０４ｈｄ、１０４ｈｕとを有する。位置決め孔部１０６は、鉛直支持平面１０６ｖｒ、１０６ｖｌと、水平支持平面１０６ｈｄ、１０６ｈｕとを有する。
【００６７】
各位置決め孔部１０４、１０６には、断面略Ｈ型形状を有するノックピン１０８、１１０が一体に挿入される。ノックピン１０８は、一対の縦長部１０８ａと、前記縦長部１０８ａの高さ方向略中間部同士を連結する横長部１０８ｂとを有する。各縦長部１０８ａは、鉛直支持平面１０８ａｖと水平支持平面１０８ａｄ、１０８ａｕとを有する。ノックピン１１０は、一対の縦長部１１０ａと、前記縦長部１１０ａの高さ方向略中間部同士を連結する横長部１１０ｂとを有する。各縦長部１１０ａは、鉛直支持平面１１０ａｖと水平支持平面１１０ａｄ、１１０ａｕとを有する。
【００６８】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１００に矢印Ａ方向の外部荷重が付与された際、ノックピン１０８側では、縦長部１０８ａの鉛直支持平面１０８ａｖが位置決め孔部１０４の鉛直支持平面１０４ｖｒ又は１０４ｖｌに面接触し、前記外部荷重を受けることができる。一方、ノックピン１１０側では、縦長部１１０ａの鉛直支持平面１１０ａｖが位置決め孔部１０６の鉛直支持平面１０６ｖｒ又は１０６ｖｌに面接触し、前記外部荷重を受けることが可能になる。
【００６９】
また、燃料電池スタック１００に矢印Ｃ方向の外部荷重が付与された際、ノックピン１０８側では、縦長部１０８ａの水平支持平面１０８ａｄが位置決め孔部１０４の水平支持平面１０４ｈｄに、又は水平支持平面１０８ａｕが水平支持平面１０４ｈｕに面接触し、前記外部荷重を受けることができる。一方、ノックピン１１０側では、縦長部１１０ａの水平支持平面１１０ａｄが位置決め孔部１０６の水平支持平面１０６ｈｄに、又は水平支持平面１１０ａｕが水平支持平面１０６ｈｕに面接触し、前記外部荷重を受けることが可能になる。
【００７０】
これにより、位置決め孔部１０４、１０６及びノックピン１０８、１１０が採用されても、位置決め孔部５８、６０及びノックピン６２、６４を用いる上記の第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】
【００７１】
１０、８０、１００…燃料電池スタック １２…燃料電池自動車
１４、８１、１０２…燃料電池 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０、８４…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
５８、６０、１０４、１０６…位置決め孔部
５８ａｖ、６０ａｖ、６２ａｖ、６４ａｖ、１０４ｖｌ、１０４ｖｒ、１０６ｖｌ、１０６ｖｒ、１０８ａｖ、１１０ａｖ…鉛直支持平面
５８ｂｄ、５８ｂｕ、６０ｂｄ、６０ｂｕ、６２ｂｄ、６２ｂｕ、６４ｂｄ、６４ｂｕ、１０４ｈｄ、１０４ｈｕ、１０６ｈｄ、１０６ｈｕ、１０８ａｄ、１０８ａｕ、１１０ａｄ、１１０ａｕ…水平支持平面
６２、６４、１０８、１１０…ノックピン
８２…金属セパレータ ８６…額縁部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けら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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の単位セルを積層する必要がある。このため、各単位セル同士を正確に位置決めしなければならず、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の組立方法が知られている。
【０００４】
この組立方法は、図１０に示すように、スタック１の加圧用の加圧板２にセル組立用位置決め穴３が穿設されており、前記位置決め穴３には、端面を面取りした長いＰＴＦＥ製のノックピン４が直立状態で挿入されている。次に、位置決め穴３が穿設されたセル５は、順次、それぞれの位置決め穴３がノックピン４に嵌合して積層されることにより、スタック１が構成されている。その後、スタック１は、締め付け固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３４７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１では、円柱状のノックピン４が各セル５に設けられた円形状の位置決め穴３に一体に挿入されている。このため、特にスタック１が燃料電池電気自動車に搭載されている場合、衝突等により外部荷重（衝撃）が前記スタック１に付与された際、セル５の位置決め穴３を形成する内壁面とノックピン４とが点接触又は線接触し易い。従って、内壁面に集中荷重がかかってしまい、前記内壁面が破損するという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池に外部荷重が付与された際、前記外部荷重を確実に受けることができ、前記燃料電池の損傷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】
【０００８】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【０００９】
この燃料電池スタックでは、燃料電池には、積層方向に貫通する位置決め孔部が設けられる一方、第１エンドプレートと第２エンドプレートとには、前記積層方向に延在し、前記位置決め孔部に一体に挿入されるノックピンが配設されている。そして、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面を有している。
【００１０】
また、この燃料電池スタックでは、燃料電池は、長方形状を有するとともに、位置決め孔部は、前記燃料電池の長辺方向両端側に設けられることが好ましい。
【００１１】
さらに、この燃料電池スタックでは、少なくとも１つの支持平面同士は、面方向が鉛直方向に沿って配置されることが好ましい。
【００１２】
さらにまた、この燃料電池スタックは、燃料電池車両に対して燃料電池の積層方向が車両幅方向に沿って搭載されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、少なくとも２つの支持平面同士が当接することにより、前記外部荷重を受けることができる。従って、位置決め孔部の内壁面とノックピンとは、支持平面で外部荷重を受けるため、前記外部荷重を確実に受けることが可能になり、燃料電池の損傷を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の平面説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの位置決め構造を示す斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する位置決め孔部とノックピンとの説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【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位置決め構造の概略説明図である。
【図１０】特許文献１に開示されている燃料電池の組立方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、燃料電池自動車１２に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４が、立位姿勢で燃料電池自動車１２の走行方向（矢印Ａ方向）に交差する車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。
【００１６】
図１及び図２に示すように、複数の燃料電池１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと絶縁プレート１８ａ、１８ｂとを介装して第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。第１エンドプレート２０ａの中央部からは、ターミナルプレート１６ａに接続された出力端子２２ａが延在する一方、第２エンドプレート２０ｂの中央部からは、ターミナルプレート１６ｂに接続された出力端子２２ｂが延在する（図２参照）。
【００１７】
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、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端を第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂにボルト２６を介して固定され、複数の積層された燃料電池１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。
【００１８】
図３に示すように、燃料電池１４は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００１９】
燃料電池１４の矢印Ａ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池１４の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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入口連通孔３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１４の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１４の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。
【００２２】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。
【００２３】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。
【００２４】
互いに隣接する燃料電池１４を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２５】
第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。
【００２６】
電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
【００２７】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
【００２８】
燃料電池１４の長辺方向両端側には、それぞれ矢印Ｃ方向略中間高さ位置に、積層方向に貫通する位置決め孔部５８、６０が設けられる。位置決め孔部５８は、図４に示すように、鉛直方向に長尺な縦長開口部５８ａと、前記縦長開口部５８ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長開口部５８ｂとを有する。縦長開口部５８ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面５８ａｖを有する一方、横長開口部５８ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面５８ｂｄ、５８ｂｕを有する。
【００２９】
位置決め孔部６０は、位置決め孔部５８と同様に、鉛直方向に長尺な縦長開口部６０ａと、前記縦長開口部６０ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長開口部６０ｂとを有する。縦長開口部６０ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６０ａｖを有する一方、横長開口部６０ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６０ｂｄ、６０ｂｕを有する。
【００３０】
図５に示すように、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、積層方向に延在し、各位置決め孔部５８、６０に一体に挿入されるノックピン６２、６４が配設される。ノックピン６２、６４は、各位置決め孔部５８、６０内に隙間を設けて挿入されてもよく、又は、隙間なく嵌合してもよい。ノックピン６２、６４は、好ましくは、ＳＵＳ（ステンレス）、アルミニウム、鉄、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂、カーボン等で形成される。
【００３１】
ノックピン６２は、図５及び図６に示すように、断面略ト型形状を有し、鉛直方向に延在する縦長部６２ａと、前記縦長部６２ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長部６２ｂとを有する。縦長部６２ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６２ａｖを有する一方、横長部６２ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６２ｂｄ、６２ｂｕを有する。
【００３２】
ノックピン６４は、ノックピン６２と同様に、断面略ト型形状を有し、鉛直方向に延在する縦長部６４ａと、前記縦長部６４ａの高さ方向略中間部から水平方向内方に突出する横長部６４ｂとを有する。縦長部６４ａは、面方向が鉛直方向に沿って配置される鉛直支持平面６４ａｖを有する一方、横長部６４ｂは、面方向が水平方向に沿って配置される水平支持平面６４ｂｄ、６４ｂｕを有する。
【００３３】
図２に示すように、第１エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。
【００３４】
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。
【００３５】
先ず、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４０ａに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。
【００３６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。
【００３７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、発電が行われる。
【００３９】
次いで、カソード電極５４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３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、アノード電極５６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３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。
【００４１】
ところで、図１に示すように、燃料電池自動車１２には、例えば、走行中に前後方向（矢印Ａ方向）から衝撃が与えられる場合がある。このため、燃料電池スタック１０には、矢印Ａ方向に外部荷重が付与され、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂ間に挟持されている複数の燃料電池１４が、前記第１エンドプレート２０ａ及び前記第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ方向に移動し易い。
【００４２】
図６に示すように、燃料電池１４が、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ１方向（走行方向前方）に移動すると、位置決め孔部５８を構成する縦長開口部５８ａの鉛直支持平面５８ａｖは、ノックピン６２を構成する縦長部６２ａの鉛直支持平面６２ａｖに当接する（図６中、実線参照）。
【００４３】
さらに、燃料電池１４は、反力により第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂに対して矢印Ａ２方向（走行方向後方）に移動する。従って、位置決め孔部６０を構成する縦長開口部６０ａの鉛直支持平面６０ａｖは、ノックピン６４を構成する縦長部６４ａの鉛直支持平面６４ａｖに当接する（図６中、二点鎖線参照）。
【００４４】
このように、第１の実施形態では、燃料電池１４に矢印Ａ方向の外部荷重が付与されると、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２とが、鉛直支持平面５８ａｖと鉛直支持平面６２ａｖとで、すなわち、面接触で前記外部荷重を受けるとともに、位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とが、鉛直支持平面６０ａｖと鉛直支持平面６４ａｖとで、すなわち、面接触で前記外部荷重を受けることができる。
【００４５】
これにより、例えば、円柱形状のノックピンを使用して点接触又は線接触により外部荷重を受ける構成に比べ、位置決め孔部５８、６０の内壁面に集中荷重が付与されることがない。このため、燃料電池１４の損傷を可及的に抑制することが可能になり、簡単な構成で、燃料電池スタック１０を良好に保護することができるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０に上下方向の外部荷重が付与された際、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２及び位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とにより、面接触で前記外部荷重を良好に受けることが可能になる。
【００４７】
すなわち、位置決め孔部５８は、横長開口部５８ｂを形成する水平支持平面５８ｂｄ、５８ｂｕを有する一方、ノックピン６２は、横長部６２ｂを構成する水平支持平面６２ｂｄ、６２ｂｕを有している。従って、燃料電池１４が上方に移動した際、水平支持平面５８ｂｄと水平支持平面６２ｂｄとが面接触して外部荷重を受ける一方、前記燃料電池１４が下方に移動した際、水平支持平面５８ｂｕと水平支持平面６２ｂｕとが面接触して外部荷重を受けることができる。
【００４８】
同様に、位置決め孔部６０は、横長開口部６０ｂを形成する水平支持平面６０ｂｄ、６０ｂｕを有する一方、ノックピン６４は、横長部６４ｂを構成する水平支持平面６４ｂｄ、６４ｂｕを有している。これにより、燃料電池１４が上方に移動した際、水平支持平面６０ｂｄと水平支持平面６４ｂｄとが面接触して外部荷重を受ける一方、前記燃料電池１４が下方に移動した際、水平支持平面６０ｂｕと水平支持平面６４ｂｕとが面接触して外部荷重を受けることが可能になる。
【００４９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の分解斜視説明図である。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。
【００５０】
燃料電池スタック８０は、燃料電池８１を構成する金属セパレータ８２と電解質膜・電極構造体８４とが交互に積層される。図８に示すように、電解質膜・電極構造体８４を構成する固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜５２の外周端部には、樹脂製の額縁部（額縁状枠部材）８６が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００５１】
図７に示すように、額縁部８６は、横長形状を有するとともに、長辺側の一端縁部（矢印Ａ方向一端側）には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、位置決め孔部５８及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。額縁部８６の長辺側の他端縁部（矢印Ａ方向他端側）には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、位置決め孔部６０及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００５２】
金属セパレータ８２の外周端部は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び位置決め孔部５８、６０の内側に配置される。
【００５３】
金属セパレータ８２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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状の金属板により構成される。金属セパレータ８２は、例えば、単一の金属板を折り返して形成される。金属セパレータ８２の両面には、電解質膜・電極構造体８４のアノード電極５６に対向するアノードセパレータ面８８と、前記電解質膜・電極構造体８４のカソード電極５４に対向するカソードセパレータ面９０とを有する。
【００５４】
金属セパレータ８２のアノードセパレータ面８８には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路４４が形成される。燃料ガス流路４４は、矢印Ａ方向に波形状を有して延在する。
【００５５】
金属セパレータ８２のカソードセパレータ面９０に、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路４２が形成される。酸化剤ガス流路４２は、矢印Ａ方向に波形状を有して延在する。カソードセパレータ面９０には、上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部９２ａと冷却媒体排出孔部９２ｂとが形成される。金属セパレータ８２の内部には、冷却媒体供給孔部９２ａ及び冷却媒体排出孔部９２ｂに連通して冷却媒体を矢印Ｃ方向に流通させる冷却媒体流路４６が形成される。冷却媒体流路４６は、燃料ガス流路４４の裏面形状と酸化剤ガス流路４２の裏面形状との重なり形状（それぞれの流路形状が逆位相である）により構成される。
【００５６】
額縁部８６の両面には、シール部材９４が設けられる（図８参照）。シール部材９４は、カソード電極５４側の面に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを酸化剤ガス流路４２に連通する。シール部材９４は、アノード電極５６側の面に、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを燃料ガス流路４４に連通する。
【００５７】
燃料電池８１は、矢印Ｂ方向に複数積層されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け保持される。各燃料電池８１の位置決め孔部５８、６０には、ノックピン６２、６４が一体に挿入される。
【００５８】
このように構成される燃料電池スタック８０では、図７に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、金属セパレータ８２の酸化剤ガス流路４２に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体８４のカソード電極５４に沿って矢印Ａ方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガス入口連通孔３８ａに供給された燃料ガスは、金属セパレータ８２の燃料ガス流路４４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ａ方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔３８ｂに排出される。
【００６０】
従って、電解質膜・電極構造体８４では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、発電が行われる。
【００６１】
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、金属セパレータ８２を構成するカソードセパレータ面９０に形成されている複数の冷却媒体供給孔部９２ａから前記金属セパレータ８２の内部に導入される。
【００６２】
金属セパレータ８２の内部には、冷却媒体流路４６が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路４６に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部９２ｂから冷却媒体出口連通孔４０ｂに排出される。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、燃料電池８１に外部荷重が付与されると、位置決め孔部５８の内壁面とノックピン６２とが、平面同士を当接させて前記外部荷重を受ける一方、位置決め孔部６０の内壁面とノックピン６４とが、平面同士を当接させて前記外部荷重を受けることができる。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
なお、第１及び第２の実施形態では、断面略ト型形状を有するノックピン６２、６４及び位置決め孔部５８、６０を採用しているが、これに限定されるものではない。少なくとも２つの平面同士が当接することにより、外部荷重を受けることができる構成であればよく、種々の形状を選択することができる。
【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１００の位置決め構造の概略説明図である。
【００６６】
燃料電池スタック１００は、複数の長方形状を有する燃料電池１０２を積層しており、前記燃料電池１０２の長辺方向両端側には、開口断面矩形状の位置決め孔部１０４、１０６が設けられる。位置決め孔部１０４は、鉛直支持平面１０４ｖｒ、１０４ｖｌと、水平支持平面１０４ｈｄ、１０４ｈｕとを有する。位置決め孔部１０６は、鉛直支持平面１０６ｖｒ、１０６ｖｌと、水平支持平面１０６ｈｄ、１０６ｈｕとを有する。
【００６７】
各位置決め孔部１０４、１０６には、断面略Ｈ型形状を有するノックピン１０８、１１０が一体に挿入される。ノックピン１０８は、一対の縦長部１０８ａと、前記縦長部１０８ａの高さ方向略中間部同士を連結する横長部１０８ｂとを有する。各縦長部１０８ａは、鉛直支持平面１０８ａｖと水平支持平面１０８ａｄ、１０８ａｕとを有する。ノックピン１１０は、一対の縦長部１１０ａと、前記縦長部１１０ａの高さ方向略中間部同士を連結する横長部１１０ｂとを有する。各縦長部１１０ａは、鉛直支持平面１１０ａｖと水平支持平面１１０ａｄ、１１０ａｕとを有する。
【００６８】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１００に矢印Ａ方向の外部荷重が付与された際、ノックピン１０８側では、縦長部１０８ａの鉛直支持平面１０８ａｖが位置決め孔部１０４の鉛直支持平面１０４ｖｒ又は１０４ｖｌに面接触し、前記外部荷重を受けることができる。一方、ノックピン１１０側では、縦長部１１０ａの鉛直支持平面１１０ａｖが位置決め孔部１０６の鉛直支持平面１０６ｖｒ又は１０６ｖｌに面接触し、前記外部荷重を受けることが可能になる。
【００６９】
また、燃料電池スタック１００に矢印Ｃ方向の外部荷重が付与された際、ノックピン１０８側では、縦長部１０８ａの水平支持平面１０８ａｄが位置決め孔部１０４の水平支持平面１０４ｈｄに、又は水平支持平面１０８ａｕが水平支持平面１０４ｈｕに面接触し、前記外部荷重を受けることができる。一方、ノックピン１１０側では、縦長部１１０ａの水平支持平面１１０ａｄが位置決め孔部１０６の水平支持平面１０６ｈｄに、又は水平支持平面１１０ａｕが水平支持平面１０６ｈｕに面接触し、前記外部荷重を受けることが可能になる。
【００７０】
これにより、位置決め孔部１０４、１０６及びノックピン１０８、１１０が採用されても、位置決め孔部５８、６０及びノックピン６２、６４を用いる上記の第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】
【００７１】
１０、８０、１００…燃料電池スタック １２…燃料電池自動車
１４、８１、１０２…燃料電池 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０、８４…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
５８、６０、１０４、１０６…位置決め孔部
５８ａｖ、６０ａｖ、６２ａｖ、６４ａｖ、１０４ｖｌ、１０４ｖｒ、１０６ｖｌ、１０６ｖｒ、１０８ａｖ、１１０ａｖ…鉛直支持平面
５８ｂｄ、５８ｂｕ、６０ｂｄ、６０ｂｕ、６２ｂｄ、６２ｂｕ、６４ｂｄ、６４ｂｕ、１０４ｈｄ、１０４ｈｕ、１０６ｈｄ、１０６ｈｕ、１０８ａｄ、１０８ａｕ、１１０ａｄ、１１０ａｕ…水平支持平面
６２、６４、１０８、１１０…ノックピン
８２…金属セパレータ ８６…額縁部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池には、積層方向に貫通する位置決め孔部が設けられる一方、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとには、前記積層方向に延在し、前記位置決め孔部に一体に挿入されるノックピンが配設され、
前記位置決め孔部の内壁面と前記ノックピンとは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面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記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、長方形状を有するとともに、
前記位置決め孔部は、前記燃料電池の長辺方向両端側に設けら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又は２記載の燃料電池スタックにおいて、少なくとも１つの前記支持平面同士は、面方向が鉛直方向に沿って配置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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、燃料電池車両に対して前記燃料電池の積層方向が車両幅方向に沿って搭載されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池には、積層方向に貫通する位置決め孔部が設けられる一方、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとには、前記積層方向に延在し、前記位置決め孔部に一体に挿入されるノックピンが配設され、
前記位置決め孔部の内壁面と前記ノックピンとは、外部荷重が付与された際、それぞれ互いに当接する少なくとも２つの支持平面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記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、長方形状を有するとともに、
前記位置決め孔部は、前記燃料電池の長辺方向両端側に設けら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又は２記載の燃料電池スタックにおいて、少なくとも１つの前記支持平面同士は、面方向が鉛直方向に沿って配置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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、燃料電池車両に対して前記燃料電池の積層方向が車両幅方向に沿って搭載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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−９８１５４（Ｐ２０１３−９８１５４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３２８３（Ｐ２０１１−２４３２８３）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【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２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]