JP6576977B2 - 燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックに関する。

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（発電セル）を備えている。この単位セルは、通常、所定の数だけ積層して締め付けることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、外部から衝撃荷重が加わる場合がある。その際、単位セルは、積層方向に直交する方向（締め付け荷重が付与されていない方向）に移動が生じ易い。

例えば、特許文献１には、このような移動を抑制することができる燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックは、セパレータの外周部から外方に突出するようにセパレータに板状の荷重受け部を設け、一対のエンドプレートを互いに連結する連結部材に荷重受け部を当接させることにより単位セルの積層方向に直交する方向の荷重を受けることができるように構成されている。

特開２０１６−１４３５４５号公報

ところで、上述した燃料電池スタックでは、プレス成形された板状の荷重受け部をセパレータの外周縁部に重ね合わせて互いに接合（溶接）することがある。この場合、プレス成形により荷重受け部の片面にはバリが成形されることがある。そのため、荷重受け部をセパレータに接合する際には、荷重受け部のうちバリのない面がセパレータの面に接触するように荷重受け部をセパレータに対して位置決めする（重ね合わせる）必要がある。

しかしながら、荷重受け部がその幅方向の中心線に対して対称に形成されていると、荷重受け部のバリのない面がセパレータの面に接触しているか否かを見分けることが容易ではない。そのため、荷重受け部のセパレータに対する誤組が懸念される。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、荷重受け部のセパレータに対する誤組を容易に防止することができる燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用セパレータ部材は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、前記荷重受け部には、前記中心線から前記幅方向の片方にずれた位置に第１孔が形成され、前記セパレータには、前記荷重受け部が前記セパレータに接合された状態で前記第１孔に連通する第２孔が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータ部材は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、前記荷重受け部には、前記中心線から前記幅方向の片方にずれた位置に第１係合部が設けられ、前記セパレータには、前記荷重受け部が前記セパレータに接合された状態で前記第１係合部に係合する第２係合部が設けられていることを特徴とする。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記第１係合部は、切欠部であり、前記第２係合部は、前記切欠部に挿入される突出部であってもよい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記セパレータのうち前記荷重受け部と前記セパレータとの接合部の近傍には、前記積層方向に突出したリブが設けられ、前記突出部は、前記リブから延出していてもよい。

本発明に係る燃料電池用セパレータ部材は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、前記荷重受け部のうち前記セパレータの外周部から外方に突出した凸部は、前記中心線に対して対称に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータ部材は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、前記荷重受け部には、前記セパレータとは反対側に突出したバリが形成されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、上述した燃料電池用セパレータ部材を有する単位セルが複数積層されることを特徴とする。

本発明によれば、荷重受け部が幅方向の中心線に対して非対称であるため、例えば、荷重受け部をプレス成形した場合に、荷重受け部のバリのない面がセパレータの面に接触しているか否かを容易に見分けることができる。よって、荷重受け部のセパレータに対する誤組を容易に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータ部材を備えた燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの模式的横断面図である。 図１の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２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図２の荷重受け構造の拡大説明図である。 図５に示す燃料電池用セパレータ部材の製造方法の説明図である。 図５の荷重受け構造の作用を説明するための拡大説明図である。 図８Ａは変形例に係る燃料電池用セパレータ部材を説明する一部省略平面図であり、図８Ｂは図８ＡのＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿った断面図である。 図８Ａに示す燃料電池用セパレータ部材の製造方法の説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、複数の単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）が燃料電池自動車の水平方向（車幅方向又は車長方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載される。ただし、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２の積層方向が燃料電池自動車の鉛直方向（車高方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載されてもよい。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａと絶縁プレート１８ａとを介してエンドプレート２０ａが、外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂと絶縁プレート１８ｂとを介してエンドプレート２０ｂが、外方に向かって、順次、配設される。つまり、一組のエンドプレート２０ａ、２０ｂは、複数の単位セル１２の積層方向の両端に位置している。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が延在し、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が延在している。

各エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長の長方形状を有する。図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結部材２４ａ〜２４ｄ（連結バー）が配置される。各連結部材２４ａ〜２４ｄの両端は、ボルト２６によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されている（図１参照）。これにより、連結部材２４ａ〜２４ｄは、積層体１４に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。連結部材２４ａは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している。連結部材２４ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。連結部材２４ｃ、２４ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各短辺の中央に位置している。

燃料電池スタック１０は、積層体１４を積層方向と直交する方向から覆うカバー部２８を備えている。カバー部２８は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの短手方向（矢印Ｃ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ａ、３０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ｃ、３０ｄとを有する。各サイドパネル３０ａ〜３０ｄは、ボルト３２によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定されている。カバー部２８は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。

図３及び図４に示すように、単位セル１２は、ＭＥＡ３４（電解質膜・電極構造体）と、ＭＥＡ３４を挟持する第１セパレータ３６ａ及び第２セパレータ３６ｂとを備えている。

図３において、単位セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔４０ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔４２ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔４０ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

なお、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂのそれぞれは、エンドプレート２０ａにも形成されている（図１参照）。酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図３及び図４に示すように、第１セパレータ３６ａのＭＥＡ３４に向かう面３６ａａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４が設けられる。酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。

第２セパレータ３６ｂのＭＥＡ３４に向かう面３６ｂａには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、矢印Ａ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。

第１セパレータ３６ａと第２セパレータ３６ｂとは、互いに対向する面３６ａｂ、３６ｂｂ間に冷却媒体流路４８を一体的に形成する。冷却媒体流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝を有する。

ＭＥＡ３４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５０（陽イオン交換膜）と、固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード電極５２及びアノード電極５４を有する。

固体高分子電解質膜５０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４よりも大きな平面寸法（外形寸法）を有する。すなわち、固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４よりも外周側に突出している。

カソード電極５２は、固体高分子電解質膜５０の面５０ａに接合されている。アノード電極５４は、固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに接合されている。カソード電極５２及びアノード電極５４のそれぞれは、電極触媒層とガス拡散層とを含む。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。ガス拡散層は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

なお、ＭＥＡ３４は、固体高分子電解質膜５０の平面寸法をカソード電極５２及びアノード電極５４の平面寸法よりも小さく形成し、カソード電極５２の外周縁部とアノード電極５４の外周縁部との間に枠形状を有する樹脂フィルム（樹脂枠部材）を挟持するように構成してもよい。

第１セパレータ３６ａ及び第２セパレータ３６ｂは、長方形状（四角形状）に形成されている。第１セパレータ３６ａ及び第２セパレータ３６ｂ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金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ３６ａと第２セパレータ３６ｂとは、面３６ａｂと面３６ｂｂを対向させた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合される。

第１セパレータ３６ａには、第１シールライン５８ａがＭＥＡ３４に向かって膨出成形されている。第１シールライン５８ａの突出端面は、固体高分子電解質膜５０の面５０ａに気密に接触する平坦面である（図４参照）。ただし、第１シールライン５８ａの突出端面は、Ｒ形状であってもよい。第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６ａの外周部を周回することにより、第１セパレータ３６ａとＭＥＡ３４との間から流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）が外部に漏出することを防止する。すなわち、第１シールライン５８ａは、その突出端面が固体高分子電解質膜５０の面５０ａに直接接触して弾性変形することによりシールするメタルビードシールとして構成されている。ただし、第１シールライン５８ａは、弾性を有するゴムシール部材で形成されていてもよい。

第２セパレータ３６ｂには、第２シールライン５８ｂがＭＥＡ３４に向かって膨出成形されている。第２シールライン５８ｂの突出端面は、固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに気密に接触する平坦面である（図４参照）。ただし、第２シールライン５８ｂの突出端面は、Ｒ形状であってもよい。第２シールライン５８ｂは、第２セパレータ３６ｂの外周部を周回することにより、第２セパレータ３６ｂとＭＥＡ３４との間から流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）が漏出することを防止する。すなわち、第２シールライン５８ｂは、その突出端面が固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに直接接触して弾性変形することによりシールするメタルビードシールとして構成されている。ただし、第２シールライン５８ｂは、弾性を有するゴムシール部材で形成されていてもよい。

図２及び図３に示すように、第１セパレータ３６ａには、単位セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための荷重受け構造６０ａ、６０ｂが設けられている。

図５に示すように、荷重受け構造６０ａは、支持部６２ａ、当接部６３ａ、荷重受け部６４ａ、リブ６５ａ及び突出部６７ａを備える。支持部６２ａは、プレス成形により第１セパレータ３６ａに一体的に設けられている。支持部６２ａは、第１セパレータ３６ａの一方の長辺の一部が外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出することによって形成されている。支持部６２ａは、連結部材２４ａに対向するように第１セパレータ３６ａの一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している（図２及び図３参照）。

当接部６３ａは、連結部材２４ａのうち単位セル１２に対向する面２４ａａに形成された凹部６６ａを有する。凹部６６ａは、連結部材２４ａの単位セル１２の積層方向の全長に亘って延在している（図１参照）。凹部６６ａは、横断面が角部にＲ形状を有する略長方形状の溝である。

荷重受け部６４ａは、板状に構成されており、支持部６２ａに設けられている。荷重受け部６４ａは、荷重受け部６４ａの幅方向（矢印Ｂ方向）の中心を通り且つ荷重受け部６４ａの第１セパレータ３６ａの外周部からの突出方向（矢印Ｃ方向）に沿った中心線ＣＬに対して、非対称に構成されている。

荷重受け部６４ａは、支持部６２ａから矢印Ｃ方向に向かって外方に突出した凸部６８と、凸部６８に一体的に設けられて支持部６２ａに接合された取付部７０とを備える。凸部６８は、中心線ＣＬに対して対称に構成されている。凸部６８は、その幅方向（矢印Ｂ方向）の中央部に位置する凸部本体７２と、凸部本体７２の幅方向の両端から幅方向の両側に向かって膨出した一組の膨出部７４とを有する。

凸部本体７２の中央部には、燃料電池スタック１０の製造時に各単位セル１２を位置決めするためのロッド７８が挿通される位置決め孔８０が形成されている（図４参照）。なお、ロッド７８は、各単位セル１２の位置決めが完了した後で位置決め孔８０から抜き取られてもよいし、位置決め孔８０に残されてもよい。

凸部本体７２の矢印Ｃ方向の突出端７２ａは、凹部６６ａを構成する底面８２に対して隙間を介して対向している。各膨出部７４は、略三角形状に形成されている。すなわち、各膨出部７４は、凸部本体７２から矢印Ｂ方向に最も離間した位置にある頂部７４ａと、凸部本体７２の根本部７２ｂから頂部７４ａまで支持部６２ａから離間する方向に直線状に傾斜した第１傾斜部７４ｂと、凸部本体７２の突出端７２ａから頂部７４ａまで支持部６２ａに近接する方向に直線状に傾斜した第２傾斜部７４ｃとを有する。

頂部７４ａは、弧状に形成されている。頂部７４ａは、位置決め孔８０の中心よりも支持部６２ａ側に位置している。換言すれば、頂部７４ａは、凸部本体７２の矢印Ｃ方向の中心よりも支持部６２ａ側に位置している。凸部６８の矢印Ｃ方向に沿った突出長Ｌ１（支持部６２ａから凸部６８の突出端７２ａまでの間隔）は、凹部６６ａの矢印Ｃ方向に沿った深さ寸法Ｌ２よりも大きい。そのため、凸部６８の根本部７２ｂは、凹部６６ａの外側に露出している（凹部６６ａ内に挿入されていない）。これにより、支持部６２ａが当接部６３ａに矢印Ｃ方向で当接することが抑制される。頂部７４ａは、燃料電池スタック１０に外部荷重が作用していない状態で、凹部６６ａの側面８３に対して離間している。

凸部６８は、その外形形状を構成するベース部８４と、ベース部８４の外表面を被覆する絶縁部８６とを有する。ベース部８４と取付部７０とは、１枚の金属板をプレス成形することによって一体的に成形されている。ベース部８４及び取付部７０を構成する材料としては、第１セパレータ３６ａ及び第２セパレータ３６ｂを構成する材料と同様のものが挙げられる。絶縁部８６は、ベース部８４と連結部材２４ａとの間の電気的な接続を遮断するためのものである。

取付部７０は、中心線ＣＬに対して非対称に構成されている。取付部７０は、略長方形状に形成されており、矢印Ｂ方向に延びている。取付部７０は、支持部６２ａの矢印Ｂ方向の中央部に位置している。なお、図６に示すように、第１セパレータ３６ａには、荷重受け部６４ａとは反対方向に突出したバリ１０２がプレス成形時に形成され、取付部７０には、第１セパレータ３６ａとは反対方向に突出したバリ１０４が形成されている。

取付部７０は、支持部６２ａの面に重ねられた状態で溶接又はろう付け等によって支持部６２ａに対して接合されている。取付部７０と支持部６２ａとを互いに接合する接合部８８（溶接ビード）は、取付部７０の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。

荷重受け部６４ａにおける第１セパレータ３６ａに設けられた支点としての接合部８８と一方の膨出部７４の頂部７４ａとの前記突出方向に沿った距離Ｌ３は、接合部８８と他方の膨出部７４の頂部７４ａとの突出方向に沿った距離Ｌ４と同一である。

取付部７０には、中心線ＣＬから幅方向（矢印Ｂ方向）の片方にずれた位置に第１係合部としての切欠部９０が形成されている。切欠部９０は、取付部７０のうち凸部６８とは反対側の辺（長辺）から凸部６８側に向かって接合部８８の手前まで矢印Ｃ方向に沿って直線状に延在している。切欠部９０の突出端（凸部６８側の端）は、半円状（円弧状）に形成されている。

リブ６５ａ及び突出部６７ａは、プレス成形により第１セパレータ３６ａに一体的に設けられている。リブ６５ａ及び突出部６７ａは、第１セパレータ３６ａの一部が積層方向に突出することにより形成されている。リブ６５ａは、接合部８８の近傍に位置するとともに荷重受け部６４ａの凸部６８の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。リブ６５ａは、第１セパレータ３６ａのうちＭＥＡ３４に接触する面３６ａａが位置する側に向かって円弧状に突出している。ただし、リブ６５ａの突出端は、平坦面であってもよい。図４に示すように、リブ６５ａの突出端は、第２セパレータ３６ｂに設けられた荷重受け構造６０ａのリブ６５ａの突出端に当接している。リブ６５ａの延在方向（矢印Ｂ方向）の中心は、荷重受け部６４ａの中心線ＣＬ上に位置している。

突出部６７ａは、リブ６５ａの矢印Ｂ方向の中心から片側にずれた位置から取付部７０側に向かって矢印Ｃ方向に沿って直線状に延在している。突出部６７ａは、荷重受け部６４ａが第１セパレータ３６ａに接合された状態で切欠部９０に挿入される第２係合部として構成されている。なお、第１セパレータ３６ａにおける中心線ＣＬに対する突出部６７ａの対称位置には突出部は形成されていない。

突出部６７ａの矢印Ａ方向に沿った突出長は、リブ６５ａの矢印Ａ方向に沿った突出長と同一である。そのため、突出部６７ａの矢印Ａ方向に沿った突出端は、第２セパレータ３６ｂに設けられた荷重受け構造６０ａの突出部６７ａの突出端に当接している。突出部６７ａの矢印Ｃ方向の突出端は、半円状（円弧状）に形成されている。

図２及び図３に示すように、荷重受け構造６０ｂは、支持部６２ｂ、当接部６３ｂ、荷重受け部６４ｂ、リブ６５ｂ及び突出部６７ｂを備える。支持部６２ｂは、プレス成形により第１セパレータ３６ａに一体的に設けられている。支持部６２ｂは、第１セパレータ３６ａの他方の長辺の一部が外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出することにより形成されている。支持部６２ｂは、連結部材２４ｂに対向するように第１セパレータ３６ａの他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。

当接部６３ｂは、連結部材２４ｂのうち単位セル１２に対向する面２４ｂａに形成された凹部６６ｂを有する。凹部６６ｂは、連結部材２４ｂの単位セル１２の積層方向の全長に亘って延在している。凹部６６ｂは、横断面が略長方形状の溝であって、上述した凹部６６ａと同様の構成を有している。

本実施形態において、荷重受け部６４ｂは、支持部６２ｂに設けられている。荷重受け部６４ｂは、上述した荷重受け部６４ａと同様の構成（荷重受け部６４ａを上下反転した構造）を有している。そのため、荷重受け部６４ｂの詳細な説明については省略する。

荷重受け部６４ａと荷重受け部６４ｂは、第１セパレータ３６ａの面の中央を中心として点対称に位置している。ただし、荷重受け部６４ａと荷重受け部６４ｂとは、点対称に位置していなくてもよい。

リブ６５ｂ及び突出部６７ｂは、上述したリブ６５ａ及び突出部６７ａと同様に構成されている。リブ６５ｂ及び突出部６７ｂの突出端は、第２セパレータ３６ｂに設けられた荷重受け構造６０ｂのリブ６５ｂ及び突出部６７ｂの突出端に当接している。

第２セパレータ３６ｂには、第１セパレータ３６ａと同様、単位セル１２の矢印Ｂ方向に沿った外部荷重（衝撃荷重）を受けるための荷重受け構造６０ａ、６０ｂが設けられている。第２セパレータ３６ｂの荷重受け構造６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３６ａと同様のため、その詳細な説明については省略する（上述した第１セパレータ３６ａの荷重受け構造６０ａ、６０ｂの説明を参照）。

次に、このように構成される燃料電池スタック１０の作用について説明する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３６ａの酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体のカソード電極５２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ３６ｂの燃料ガス流路４６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体のアノード電極５４に供給される。

従って、各ＭＥＡ３４では、カソード電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極５２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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５４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４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

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３６ａと第２セパレータ３６ｂとの間に形成された冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ３４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、積層体１４が慣性力を受けた際、図７に示すように、荷重受け部６４ａ、６４ｂが当接部６３ａ、６３ｂに当接することにより単位セル１２の積層方向に直交する方向（矢印Ｂ方向）の荷重を受けることが可能に構成されている。

本実施形態では、第１セパレータ３６ａに設けられた各支持部６２ａ、６２ｂに荷重受け部６４ａ、６４ｂが接合されることにより燃料電池用セパレータ部材（以下、「セパレータ部材１００ａ」と称する。）が構成されている。また、第２セパレータ３６ｂに設けられた各支持部６２ａ、６２ｂに荷重受け部６４ａ、６４ｂが接合されることにより燃料電池用セパレータ部材（以下、「セパレータ部材１００ｂ」と称する。）が構成されている。

次に、セパレータ部材１００ａの製造方法について説明する。なお、セパレータ部材１００ｂの製造方法については、セパレータ部材１００ａの製造方法と同様であるため、その説明は省略する。

まず、金属板をプレス成形することにより第１セパレータ３６ａを製造する。これにより、第１セパレータ３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、燃料ガス入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４２ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び第１シールライン５８ａ、支持部６２ａ、６２ｂ、リブ６５ａ、６５ｂ及び突出部６７ａ、６７ｂが成形される。この際、第１セパレータ３６ａの片面（面）の縁部にはバリ１０２が成形される（図４及び図６参照）。

また、金属板をプレス成形することによりベース部８４を成形し、そのベース部８４の一部に絶縁部８６を被覆することにより荷重受け部６４ａ、６４ｂを製造する。この際、ベース部８４の片面の縁部にはバリ１０４が成形される（図４及び図６参照）。

そして、荷重受け部６４ａの切欠部９０に第１セパレータ３６ａの突出部６７ａが挿入されるように荷重受け部６４ａを第１セパレータ３６ａの支持部６２ａに対して位置決めする。この際、荷重受け部６４ａのうちバリ１０４のない側の面が第１セパレータ３６ａのうちバリ１０２のない側の面に重ね合された場合（荷重受け部６４ａの表裏が正しい方向である場合）に切欠部９０に突出部６７ａが挿入される。一方、荷重受け部６４ａのうちバリ１０４のある面が第１セパレータ３６ａのうちバリ１０２のない側の面に重ね合された場合（荷重受け部６４ａの表裏が誤った方向である場合）には、切欠部９０に突出部６７ａは挿入されない。そして、荷重受け部６４ａが第１セパレータ３６ａに位置決めされた後、取付部７０と支持部６２ａとを互いに接合する。

その後、荷重受け部６４ａと同様、荷重受け部６４ｂを第１セパレータ３６ａの支持部６２ｂに対して位置決めした後で接合する。これにより、セパレータ部材１００ａが製造されるに至る。

本実施形態は、以下の効果を奏する。なお、以下では、主にセパレータ部材１００ａについて説明するが、セパレータ部材１００ｂにおいても同様の効果を奏する。

セパレータ部材１００ａは、燃料電池スタック１０の単位セル１２を構成する第１セパレータ３６ａと、第１セパレータ３６ａの外周部から外方に突出するように第１セパレータ３６ａに接合された板状の荷重受け部６４ａとを備える。

荷重受け部６４ａは、荷重受け部６４ａの幅方向の中心を通り且つ荷重受け部６４ａの突出方向に沿った中心線ＣＬに対して非対称に形成されている。これにより、荷重受け部６４ａをプレス成形した場合に、荷重受け部６４ａのバリ１０４のない面が第１セパレータ３６ａのうちバリ１０２がない面に接触しているか否か（荷重受け部６４ａの表裏が正しい方向であるか否か）を容易に見分けることができる。よって、荷重受け部６４ａの第１セパレータ３６ａに対する誤組を容易に防止することができる。

荷重受け部６４ａには、中心線ＣＬから幅方向の片方にずれた位置に切欠部９０が形成され、第１セパレータ３６ａには、荷重受け部６４ａが第１セパレータ３６ａに接合された状態で切欠部９０に挿入される突出部６７ａが設けられている。

そのため、荷重受け部６４ａを第１セパレータ３６ａに位置決めする際に、切欠部９０に突出部６７ａが挿入されているか否かによって、荷重受け部６４ａの表裏が正しい方向であるか否かを容易に確認することができる。

第１セパレータ３６ａのうち荷重受け部６４ａと第１セパレータ３６ａとの接合部８８の近傍には、積層方向に突出したリブ６５ａが設けられ、突出部６７ａは、リブ６５ａから延出している。これにより、第１セパレータ３６ａのうち接合部８８の近傍の部位の剛性をリブ６５ａと突出部６７ａとによって高めることができるため、荷重受け部６４ａが第１セパレータ３６ａに対して積層方向に倒れることを抑えることができる。

荷重受け部６４ａのうち第１セパレータ３６ａの外周部から外方に突出した凸部６８は、中心線ＣＬに対して対称に形成されている。そのため、凸部６８の構成を簡素化することができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。燃料電池スタック１０は、変形例に係るセパレータ部材１００ａａ、１００ｂａを備えていてもよい。なお、セパレータ部材１００ａａ、１００ｂａの説明において、上述したセパレータ部材１００ａ、１００ｂと同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、セパレータ部材１００ｂａは、セパレータ部材１００ａａと同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、セパレータ部材１００ａａは、第１セパレータ１３０ａと、第１セパレータ１３０ａの支持部６２ａに接合された荷重受け部６４ａａと、第１セパレータ１３０ａの支持部６２ｂに接合された荷重受け部６４ｂａとを備える。

荷重受け部６４ａａは、凸部６８と、中心線ＣＬに対して非対称に構成された取付部１１０とを有する。取付部１１０には、中心線ＣＬから幅方向（矢印Ｂ方向）の片方にずれた位置に第１孔１１２（貫通孔）が形成されている。第１孔１１２は、接合部８８の近傍（接合部８８からリブ６５ａが位置する側に若干ずれた位置）に形成されている。荷重受け部６４ａａは、荷重受け部６４ａと同様に構成されている。

第１セパレータ１３０ａの支持部６２ａには、荷重受け部６４ａａが第１セパレータ１３０ａに接合された状態で第１孔１１２に連通する第２孔１１４（貫通孔）が形成されている。なお、第１セパレータ１３０ａにおける中心線ＣＬに対する第２孔１１４の対称位置には孔は形成されていない。荷重受け部６４ｂａは、荷重受け部６４ａａと同様に形成されている。

セパレータ部材１００ｂａには、第２セパレータ１３０ｂと、第２セパレータ１３０ｂの支持部６２ａに接合された荷重受け部６４ａａと、第２セパレータ１３０ｂの支持部６２ｂに接合された荷重受け部６４ｂａとを備える。第２セパレータ１３０ｂは、第１セパレータ１３０ａと同様に形成されている。

次に、セパレータ部材１００ａａの製造方法について説明する。

まず、プレス成形により、第２孔１１４を有する第１セパレータ１３０ａと、第１孔１１２を有する荷重受け部６４ａａとを成形する。そして、荷重受け部６４ａａの第１孔１１２と第１セパレータ１３０ａの第２孔１１４とが互いに連通するように荷重受け部６４ａａを第１セパレータ１３０ａの支持部６２ａに対して位置決めする。この際、荷重受け部６４ａａのうちバリ１０４のない側の面が第１セパレータ１３０ａのうちバリ１０２のない側の面に接触するように重ね合された場合（荷重受け部６４ａａの表裏が正しい方向である場合）に第１孔１１２と第２孔１１４とが互いに連通する。一方、荷重受け部６４ａａのうちバリ１０４のある面が第１セパレータ１３０ａのうちバリ１０２のない側の面に接触するように重ね合された場合（荷重受け部６４ａａの表裏が誤った方向である場合）には、第１孔１１２と第２孔１１４とは互いに連通しない。

そして、図８Ｂ及び図９に示すように、位置決め確認用のピン部材１２０を第１孔１１２と第２孔１１４とに挿入することにより、第１セパレータ１３０ａに位置決めされた荷重受け部６４ａａの表裏が正しい方向であることを確認する。この際、荷重受け部６４ａａの表裏が誤っている場合には、第１孔１１２と第２孔１１４とが互いに連通しないため、ピン部材１２０を挿通させることができない。この場合、第１孔１１２と第２孔１１４とが互いに連通しないことを第１孔１１２から第２孔１１４に向かって光が透過するか否かにより確認してもよい。なお、確認が終わった後、ピン部材１２０は、第１孔１１２及び第２孔１１４から抜き取られる。そして、荷重受け部６４ａａが第１セパレータ１３０ａに位置決めされた後、取付部１１０と支持部６２ａとを互いに接合する。

その後、荷重受け部６４ａａと同様に荷重受け部６４ｂａを第１セパレータ１３０ａの支持部６２ｂに対して位置決めした後で接合する。これにより、セパレータ部材１００ａａが製造されるに至る。

変形例に係るセパレータ部材１００ａａにおいて、荷重受け部６４ａａには、中心線ＣＬから幅方向の片方にずれた位置に第１孔１１２が形成され、第１セパレータ１３０ａには、荷重受け部６４ａａが第１セパレータ１３０ａに接合された状態で第１孔１１２に連通する第２孔１１４が形成されている。

これにより、荷重受け部６４ａａを第１セパレータ１３０ａに位置決めした際に、第１孔１１２と第２孔１１４とが互いに連通しているか否かによって、荷重受け部６４ａａの表裏が正しい方向であるか否かを容易に確認することができる。

本発明は、セパレータ部材１００ａ、１００ｂにおいて、凸部６８を中心線ＣＬに対して非対称に構成し、切欠部９０及び突出部６７ａ、６７ｂを省略してもよい。また、セパレータ部材１００ａａ、１００ｂａにおいて、凸部６８を中心線ＣＬに対して非対称に構成し、第１孔１１２及び第２孔１１４を省略してもよい。これにより、第１セパレータ３６ａ、１３０ａに位置決めした際の凸部６８の形状を見ることによって、荷重受け部６４ａ、６４ｂ、６４ａａ、６４ｂａの表裏が正しい方向であるか否かを確認することができる。

この場合、例えば、膨出部７４における第２傾斜部７４ｃと頂部７４ａとの境界部分のＲ形状をそれぞれの膨出部７４で異なる大きさに形成することにより凸部６８を中心線ＣＬに対して非対称にすることができる。また、例えば、膨出部７４における第１傾斜部７４ｂの根本部７２ｂ側の端部のＲ形状をそれぞれの膨出部７４で異なる大きさにすることにより、凸部６８を中心線ＣＬに対して非対称にすることができる。凸部６８の構造は、非対称であれば限定されない。

荷重受け部６４ａ、６４ｂ、６４ａａ、６４ｂａは、第１セパレータ３６ａ、１３０ａ及び第２セパレータ３６ｂ、１３０ｂの各長辺の中央に位置していてもよい。また、荷重受け部６４ａ、６４ｂ、６４ａａ、６４ｂａは、第１セパレータ３６ａ、１３０ａ及び第２セパレータ３６ｂ、１３０ｂの各長辺に２つ以上設けられていてもよい。

本発明に係る燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック １２…単位セル
３６ａ、１３０ａ…第１セパレータ ３６ｂ、１３０ｂ…第２セパレータ
６３ａ、６３ｂ…当接部 ６８…凸部
７２…凸部本体 ７４…膨出部
ＣＬ…中心線

Claims (7)

1. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、
   前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、
   前記荷重受け部には、前記中心線から前記幅方向の片方にずれた位置に第１孔が形成され、
   前記セパレータには、前記荷重受け部が前記セパレータに接合された状態で前記第１孔に連通する第２孔が形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
2. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、
   前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、
   前記荷重受け部には、前記中心線から前記幅方向の片方にずれた位置に第１係合部が設けられ、
   前記セパレータには、前記荷重受け部が前記セパレータに接合された状態で前記第１係合部に係合する第２係合部が設けられている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
3. 請求項２記載の燃料電池用セパレータ部材において、
   前記第１係合部は、切欠部であり、
   前記第２係合部は、前記切欠部に挿入される突出部である、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
4. 請求項３記載の燃料電池用セパレータ部材において、
   前記セパレータのうち前記荷重受け部と前記セパレータとの接合部の近傍には、前記積層方向に突出したリブが設けられ、
   前記突出部は、前記リブから延出している、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
5. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、
   前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、
   前記荷重受け部のうち前記セパレータの外周部から外方に突出した凸部は、前記中心線に対して対称に形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
6. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに接合された板状の荷重受け部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記荷重受け部の幅方向は、前記荷重受け部の前記セパレータの外周部からの突出方向と積層方向とに直交する方向であり、
   前記荷重受け部は、前記荷重受け部の前記幅方向の中心を通り且つ前記荷重受け部の前記突出方向に沿った中心線に対して、非対称に形成され、
   前記荷重受け部には、前記セパレータとは反対側に突出したバリが形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材を有する単位セルが複数積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
   

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