(57)【要約】【課題】サポートバーを一層簡素化することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、外縁３３、３５から突出するタブ６０を有する複数の発電セル１２と、複数の発電セル１２を積層した状態で収容し複数の発電セル１２の積層方向両端部に一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂを備えたスタックケース１６とを含む。また燃料電池スタック１０は、スタックケース１６内で積層方向に沿うように延在し、タブ６０を収容可能な凹部７６を有するサポートバー７０を備える。サポートバー７０の一端部７８が一方のエンドプレート２４ａに接合され、サポートバー７０の他端部８０が他方のエンドプレート２４ｂに支持される。【選択図】図４
2020119720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外縁から突出するタブを持つ複数の発電セルを有する積層体と、
前記複数の発電セルを積層した状態で収容し、前記積層体の積層方向両端部に一対のエンドプレートを備えたスタックケースと、
前記スタックケース内で前記積層方向に沿って延在し、前記タブを収容可能な凹部を有するサポートバーとを備え、前記一対のエンドプレート間で前記積層体を挟持することにより当該積層体に締付荷重を付与した燃料電池スタックであって、
前記積層方向に沿った前記サポートバーの一端部は、一方の前記エンドプレートに接合され、
前記積層方向に沿った前記サポートバーの他端部は、他方の前記エンドプレートに支持される
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、
前記スタックケースは、前記複数の発電セルを収容する筒状のケース本体に、前記一対のエンドプレートを締結して構成されることにより、前記一対のエンドプレートの間に配置される前記複数の発電セルに締付荷重を付与する
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、
前記サポートバーの一端部は、軸方向に貫通する貫通孔を備える中空ノックピンと、前記貫通孔を貫通する締結ボルトとにより一方の前記エンドプレートに接合される
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、
前記サポートバーの他端部は、前記サポートバーと他方の前記エンドプレートとに跨がって挿入されるピンにより他方の前記エンドプレートに支持される
燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、
前記サポートバーは、前記ピンが挿入される第１穴を有し、
他方の前記エンドプレートは、前記ピンが挿入される第２穴を有し、
前記第１穴と前記第２穴は、閉じた空間を形成している
燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記サポートバーは、矩形状に形成された前記発電セルの対向する一対の辺の各々に設けられる
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、特許文献１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電を行う発電セルを複数積層した積層体を備える。各発電セルは、アノード電極、電解質膜、カソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対のセパレータとを有する。
【０００３】
また、特許文献１に開示のセパレータは、外方に突出するタブを外周に備える。タブは、一対のエンドプレート間を延在する連結部材（サポートバー）の凹部に収容されている。これにより、燃料電池スタックに荷重がかかった際には、サポートバーにタブが係合して、セパレータ同士の位置ずれが防止される。また、サポートバーは、積層体の積層方向両端部に設けられる一対のエンドプレートの各々に接合されることで、エンドプレートを介して複数の発電セルに締付荷重を付与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１４３５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような複数の発電セルを積層した積層体を支持する技術に関連してなされたものであり、サポートバーを一層簡素化することができる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】
【０００６】
前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、外縁から突出するタブを持つ複数の発電セルを有する積層体と、前記複数の発電セルを積層した状態で収容し、前記積層体の積層方向両端部に一対のエンドプレートを備えたスタックケースと、前記スタックケース内で前記積層方向に沿って延在し、前記タブを収容可能な凹部を有するサポートバーとを備え、前記一対のエンドプレート間で前記積層体を挟持することにより当該積層体に締付荷重を付与した燃料電池スタックであって、前記積層方向に沿った前記サポートバーの一端部は、一方の前記エンドプレートに接合され、前記積層方向に沿った前記サポートバーの他端部は、他方の前記エンドプレートに支持される。
【発明の効果】
【０００７】
上記の燃料電池スタックは、サポートバーの一端部が一方のエンドプレートに接合され、サポートバーの他端部が他方のエンドプレートに支持されることで、複数の発電セルに対する締付荷重をサポートバーが受けない構成とすることができる。すなわち、サポートバーは、燃料電池スタックが荷重を受けた際に、発電セルのタブに係合して発電セルのセパレータの横ずれを抑制する機能に特化するように構成される。これによりサポートバーを一層簡素化することができ、例えば、サポートバーの剛性を低くして軽量化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの全体構成を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの発電セルの構成を示す分解斜視図である。
【図３】発電セル及びサポートバーを収容した状態の燃料電池スタックの断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】サポートバーの一端部の接合箇所を拡大して示す断面図である。
【図６】サポートバーの他端部の支持箇所を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、単位燃料電池である発電セル１２を複数備える。複数の発電セル１２は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４に構成されている。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池自動車に搭載されて使用される。なお、積層体１４は、燃料電池自動車の搭載状態で、複数の発電セル１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層していてもよい。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、燃料電池自動車に積層体１４を搭載するために、積層体１４を収容するスタックケース１６を備える。また、スタックケース１６の一端側には、燃料電池スタック１０を含む図示しない燃料電池システムの配管、補機（デバイス）等が連結される。
【００１２】
スタックケース１６は、収容空間２０ａを有する筒状のケース本体２０と、ケース本体２０の両端を閉じる一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂとを備える。ケース本体２０は、押出成形、鋳造等により、天板、一対の側板及び底板が連なる一体構造物として構成される。ケース本体２０の軸方向（矢印Ａ方向）両端部には、収容空間２０ａに連通する開放部２０ｂが設けられている。開放部２０ｂを囲うケース本体２０の両端面には、本体側ネジ穴２０ｃが複数形成されている。なお、ケース本体２０は、別体に構成された天板、一対の側板及び底板を接合した構成でもよい。
【００１３】
収容空間２０ａにおいて、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）一端側には、ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２３ａが外方に向かって順に配置される。また複数の発電セル１２の積層方向他端側には、ターミナルプレート２２ｂ、インシュレータ２３ｂが外方に向かって順に配置される。
【００１４】
そして、ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２３ａ、を含む積層体１４の積層方向一端部には、エンドプレート２４ａが配置される。ターミナルプレート２２ｂ、インシュレータ２３ｂを含む積層体１４の積層方向他端部には、エンドプレート２４ｂが配置される。
【００１５】
一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂの各々には、複数の締結孔２５が設けられている。複数の締結孔２５は、ケース本体２０の複数の本体側ネジ穴２０ｃに対向している。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、燃料電池スタック１０の組立時に、ボルト２６が各締結孔２５を通して本体側ネジ穴２０ｃに螺合されることで、ケース本体２０に固定される。ケース本体２０とエンドプレート２４ａ、２４ｂの間には、燃料電池スタック１０の組立時に、ガスの漏出を遮断するシール部材２７（図４〜図６参照）が配置される。
【００１６】
このように構成された燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂ間により積層体１４を挟持して、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂを介してケース本体２０から積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を積層体１４に付与する。締付荷重の調整は、インシュレータ２３ａ、２３ｂの厚さの調整又はシムの配置等により行う。この締付荷重によって、積層体１４を構成する複数の発電セル１２は、発電時における反応ガスの漏出等が抑制されると共に、発電面に適切な面圧が付与される。
【００１７】
図２に示すように、燃料電池スタック１０の発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８を挟持する一対のセパレータ３２、３４とを備える（以下、２つのセパレータ３２、３４をまとめてセパレータ３０ともいう）。具体的には、樹脂枠付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１セパレータ３２と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２セパレータ３４とを有する。
【００１８】
発電セル１２の樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材３６とを備える。さらに、ＭＥＡ２８ａは、電解質膜３８と、電解質膜３８の一方の面に設けられたカソード電極４０と、電解質膜３８の他方の面に設けられたアノード電極４２とを有する。なお、ＭＥＡ２８ａは、樹脂枠部材３６を用いることなく、電解質膜３８を外方に突出させてもよい。樹脂枠部材３６には枠状のフィルム部材を用いてもよい。
【００１９】
電解質膜３８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（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。また図示は省略するが、アノード電極４２及びカソード電極４０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とイオン交換成分を含むペーストをガス拡散層の表面に一様に塗布して形成され、電解質膜３８に接合される電極触媒層とを有する。
【００２０】
樹脂枠部材３６は、ＭＥＡ２８ａの周囲に設けられることで、電解質膜３８のコストの低減を促すと共に、ＭＥＡ２８ａと第１及び第２セパレータ３２、３４との接触圧を適切に調整しシール性を確保する。この樹脂枠部材３６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。
【００２１】
第１セパレータ３２は、一方の反応ガスである酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を流動させる酸化剤ガス流路４４を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のカソード電極４０に対向する面３２ａに備える。酸化剤ガス流路４４は、第１セパレータ３２の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４４ａ間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。
【００２２】
第２セパレータ３４は、他方の反応ガスである燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路４６を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のアノード電極４２に対向する面３４ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２上に燃料ガスの流動方向を示す）。燃料ガス流路４６は、第２セパレータ３４の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４６ａ間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。
【００２３】
また、互いに積層される第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、冷媒（例えば、水）を流動させる冷媒流路４８が設けられる。冷媒流路４８は、第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４４の裏面形状と、第２セパレータ３４の燃料ガス流路４６の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２４】
第１及び第２セパレータ３２、３４、樹脂枠部材３６の長手方向（矢印Ｂ方向）の一端部には、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、冷媒入口連通孔５２ａ及び燃料ガス出口連通孔５４ｂがそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、冷媒入口連通孔５２ａ及び燃料ガス出口連通孔５４ｂは、短手方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。酸化剤ガス入口連通孔５０ａは酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４４に供給する。冷媒入口連通孔５２ａは冷媒を冷媒流路４８に供給する。燃料ガス出口連通孔５４ｂは燃料ガスを燃料ガス流路４６から排出する。
【００２５】
第１及び第２セパレータ３２、３４、樹脂枠部材３６の長手方向（矢印Ｂ方向）の他端部には、積層方向に連通する燃料ガス入口連通孔５４ａ、冷媒出口連通孔５２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂがそれぞれ設けられる。燃料ガス入口連通孔５４ａ、冷媒出口連通孔５２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂは、短手方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。燃料ガス入口連通孔５４ａは燃料ガス流路４６に燃料ガスを供給する。冷媒出口連通孔５２ｂは冷媒流路４８から冷媒を排出する。酸化剤ガス出口連通孔５０ｂは酸化剤ガス流路４４から酸化剤ガスを排出する。
【００２６】
酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂは、積層体１４の積層方向一端側の構造部（ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２３ａ及びエンドプレート２４ａ）を貫通し、エンドプレート２４ａに接続される図示しない配管に連通する。なお酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ、冷媒出口連通孔５２ｂの配置や形状は、図示例に限定されず、燃料電池スタック１０の仕様に応じて適宜設計し得る。
【００２７】
また、第１セパレータ３２の面３２ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材３６に接触してシール（ビードシール）を形成する第１ビード部５６がプレス成形されている。第１ビード部５６は、酸化剤ガス流路４４の外周側を周回すると共に、燃料ガス入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５４ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂの周囲をそれぞれ囲み、酸化剤ガス流路４４への燃料ガスや冷媒の流入を防止する。
【００２８】
第２セパレータ３４の面３４ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材３６に接触してシール（ビードシール）を形成する第２ビード部５８がプレス成形されている。第２ビード部５８は、燃料ガス流路４６の外周側を周回すると共に、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂの周囲をそれぞれ囲み、燃料ガス流路４６への酸化剤ガスや冷媒の流入を防止する。
【００２９】
セパレータ３０（第１及び第２セパレータ３２、３４）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、或いは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することで導電性を有する金属セパレータに構成される。なお、セパレータ３０は、カーボン材料又はカーボンと樹脂の混合材料により構成されたカーボンセパレータを適用してもよい。また、第１及び第２セパレータ３２、３４の外縁３３、３５には、絶縁性樹脂材料が設けられていてもよい。
【００３０】
第１セパレータ３２と第２セパレータ３４は、溶接、ろう付け、かしめ等の接合方法により、相互に接合されて接合セパレータに構成される。複数の発電セル１２は、製造時に接合セパレータと樹脂枠付きＭＥＡ２８を交互に積層することで、第１セパレータ３２と樹脂枠付きＭＥＡ２８間の酸化剤ガス流路４４、樹脂枠付きＭＥＡ２８と第２セパレータ３４間の燃料ガス流路４６、及び第１セパレータ３２と第２セパレータ３４間の冷媒流路４８を順に繰り返した構造となる。
【００３１】
また図１〜図３に示すように、発電セル１２のセパレータ３０（第１及び第２セパレータ３２、３４）の各外縁３３、３５には、複数のタブ（突出片）６０（例えば、一対のタブ６０）がそれぞれ設けられている。複数のタブ６０は、第１及び第２セパレータ３２、３４の長辺である上辺と下辺に設けられる。上辺側のタブ６０は、矢印Ｂ方向中央部に対して一端側に寄った位置にあり、下辺側のタブ６０は、矢印Ｂ方向中央部に対し他端側に寄った位置にある。なお、各外縁３３、３５上におけるタブ６０の位置は特に限定されるものではない。
【００３２】
各タブ６０は、支持部６２、荷重受け部６４及びリブ６５を有する。支持部６２は、台形状を呈し、プレス成形によりセパレータ３０の外縁３３、３５から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出するように一体成形される。リブ６５は、支持部６２に形成され、セパレータ３０の一部が積層方向に突出すると共に支持部６２の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。
【００３３】
荷重受け部６４は、接合部６３を介して支持部６２に接合される。荷重受け部６４は、その幅方向両側の各々が略三角形状に形成され、幅方向（矢印Ｂ方向）中心線を基準に対称形状を呈している。荷重受け部６４の中央部には、位置決め孔６６が形成されている。位置決め孔６６には、燃料電池スタック１０の製造時に複数の発電セル１２を位置決めするためのロッド（不図示）が挿通される。
【００３４】
荷重受け部６４は、金属薄板により構成され、外周及び位置決め孔６６の内周が絶縁性樹脂材料により構成される。荷重受け部６４を構成する樹脂材料は、電気的な絶縁性能を備えていれば特に限定されず、例えば、ポリカーボネイト、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルフォン、フッ素樹脂等、又はインシュレータ２３ａ、２３ｂと同様の材料を適用することができる。な、タブ６０の構成は、特に限定されず、例えば、支持部６２と荷重受け部６４が一体成形されていてもよい。荷重受け部６４の形状も、矩形状、台形状等に形成されていてもよい。この荷重受け部６４は、ろう付け、溶接等によって支持部６２に接合される。
【００３５】
上記のタブ６０は、複数の発電セル１２（セパレータ３０）の積層状態で、積層体１４の上面と下面の各々に一列に並んだタブ列６８を形成する。燃料電池スタック１０は、このタブ列６８（複数のタブ６０）を収容可能な凹部７６を有するサポートバー７０を備える。タブ６０及びサポートバー７０は、相互に係合することで、各発電セル１２のセパレータ３０（第１及び第２セパレータ３２、３４）の横ずれを防止する構造を構成する。
【００３６】
サポートバー７０は、基部７２と、この基部７２の幅方向両端側から同方向に突出する一対の突部７４とを有する。図１に示すように、基部７２及び一対の突部７４は、ケース本体２０の矢印Ａ方向（発電セル１２の積層方向）の長さに略一致する全長に設定されている。サポートバー７０は、タブ６０の幅方向の荷重を受けることが可能な適宜の剛性を有していれば、構成材料については特に限定されず、積層体１４に締付荷重を付与していた従来の連結部材よりも剛性の低い金属材料を適用してよい。例えば、サポートバー７０の構成材料としては、アルミニウム、鉄等の金属材料を適用し得る。なお、サポートバー７０は、絶縁性樹脂材料により構成してもよく、又は金属製の本体に絶縁性樹脂部材を被覆して構成してもよい。この場合、タブ６０を金属材料により構成することも可能となる。
【００３７】
図１及び図３に示すように、サポートバー７０の積層体１４との対向部には、基部７２と一対の突部７４とで囲われた凹部７６が設けられる。凹部７６は、断面視で、底の角部にＲ形状を有する横長の溝であり、サポートバー７０の延在方向（矢印Ａ方向）全長にわたって形成される。
【００３８】
燃料電池スタック１０の組立状態で、タブ６０の外周は、凹部７６内においてサポートバー７０に対して非接触に配置されている。すなわち、タブ６０の矢印Ｃ方向の突出端は、凹部７６を構成する底面（基部７２）に隙間を介して対向している。またタブ６０の幅方向両側も、燃料電池スタック１０に外部荷重が作用していなければ、凹部７６を構成する一対の突部７４に僅かな隙間を空けて対向している。
【００３９】
そして図４に示すように、本実施形態に係るサポートバー７０は、積層体１４の積層方向に沿った一端部７８がエンドプレート２４ａに接合され、積層体１４の積層方向に沿った他端部８０がエンドプレート２４ｂに支持される。以下、サポートバー７０の一端部７８の接合構造及び他端部８０の支持構造について詳述する。なお、以下では、積層体１４の下側に設けられるサポートバー７０を例に説明するが、積層体１４の上側に設けられるサポートバー７０も同様の構造を有することは勿論である。
【００４０】
図１及び図５に示すように、サポートバー７０の一端部７８は、一対の中空ノックピン８２及び一対の締結ボルト８４によってエンドプレート２４ａに締結される。このため、一端部７８の一端面７８ａには、各中空ノックピン８２、各締結ボルト８４が挿入される一対の接合用穴部８６が形成されている。また、エンドプレート２４ａには、中空ノックピン８２及び締結ボルト８４が挿入される一対の孔部８８が形成されている。なお、中空ノックピン８２及び締結ボルト８４の使用数は、特に限定されず、２個以上でもよく、接合用穴部８６及び孔部８８も使用数に対応して形成されればよい。
【００４１】
中空ノックピン８２は、内側に貫通孔８２ａを有する円筒状に形成されている。中空ノックピン８２は、接合用穴部８６（ノックピン用領域８６ｂ）及び孔部８８（ノックピン用領域８８ａ）に跨がるように配置され、また接合状態では接合用穴部８６及び孔部８８に密着する。また、貫通孔８２ａを構成する中空ノックピン８２の内周面は、締結ボルト８４の外周面との間に隙間を有する内径に形成される。
【００４２】
締結ボルト８４は、挿入方向先端に雄ネジ部８４ａを有すると共に、この雄ネジ部８４ａの基端側に凹凸がない滑面部８４ｂを有する。滑面部８４ｂの軸方向長さは、中空ノックピン８２と略同じ軸方向長さに設定されている。また滑面部８４ｂよりも基端側は、締結ボルト８４のフランジ８４ｃ及び頭部８４ｄとなっている。フランジ８４ｃは、中空ノックピン８２の外形よりも径方向外側に突出している。
【００４３】
サポートバー７０の接合用穴部８６は、奥側に位置し締結ボルト８４の雄ネジ部８４ａと螺合可能な雌ネジ領域８６ａと、一端面７８ａ側に位置し中空ノックピン８２の一部を配置するノックピン用領域８６ｂとを有する。ノックピン用領域８６ｂは、雌ネジ領域８６ａよりも大径に設定されている。つまり接合用穴部８６は、軸方向に段差状に形成されている。
【００４４】
一方、エンドプレート２４ａの孔部８８は、接合用穴部８６のノックピン用領域８６ｂと同じ内径に形成されたノックピン用領域８８ａと、締結ボルト８４のフランジ８４ｃが配置されるフランジ用空間８８ｂとを有する。フランジ用空間８８ｂは、ノックピン用領域８８ａよりも大径に形成されている。孔部８８は、フランジ８４ｃに押圧される段差面８８ｃを有する。なお、接合用穴部８６は、フランジ用空間８８ｂ及び段差面８８ｃを備えず、エンドプレート２４ａの厚み方向全域にわたってノックピン用領域８８ａのみで構成してもよい。
【００４５】
すなわち、接合用穴部８６と孔部８８は、中空ノックピン８２と締結ボルト８４を組み付けた状態（中空ノックピン８２が締結ボルト８４の滑面部８４ｂに位置する状態）の外形形状と略同じ形状の穴を形成する。従って、サポートバー７０の一端部７８は、エンドプレート２４ａに隙間なく接合される。
【００４６】
図４及び図６に示すように、サポートバー７０の他端部８０は、一対の中実のピン９０によってエンドプレート２４ｂに支持される。ここで本明細書における「支持」とは、軸方向に移動可能且つ半径方向に移動不能なピン９０を介してエンドプレート２４ｂにサポートバー７０が支えられることを言う。サポートバー７０は、支持においてエンドプレート２４ａに対し非接触状態にもなり得る。また、他端部８０の他端面８０ａには、一対のピン９０が挿入される一対の第１穴９２が形成されている。その一方で、エンドプレート２４ｂには、一対のピン９０が挿入される一対の第２穴９４が形成されている。なお、ピン９０の使用数は、特に限定されず、２個以上でもよく、第１穴９２、第２穴９４も使用数に対応して形成されればよい。またピン９０は、中空状に構成されてもよい。
【００４７】
ピン９０は、締結ボルト８４の全長よりも短い軸方向長さを有する円柱状に形成されている。また、ピン９０の外径は、中空ノックピン８２の外径と略同じに設定されている。
【００４８】
サポートバー７０の第１穴９２とエンドプレート２４ｂの第２穴９４は、ピン９０の外周面に密着する内径に形成されている。第１穴９２、第２穴９４の各々の深さ（軸方向長さ）は、ピン９０の軸方向長さよりも短い。特に、第２穴９４は、エンドプレート２４ｂの外面を貫通しないように形成される。
【００４９】
第１穴９２と第２穴９４は、相互に対向し合うことで、ピン９０を挿入可能な袋形状（閉塞空間９６）を形成する。第１穴９２と第２穴９４を足した閉塞空間９６の軸方向（矢印Ａ方向）長さは、ピン９０の軸方向長さよりも長い。従って、閉塞空間９６には、ピン９０を挿入した状態で隙間９８が形成される。
【００５０】
なお、閉塞空間９６は隙間９８が存在していなくてもよい。また第２穴９４は、エンドプレート２４ｂを貫通していてもよく、この場合、エンドプレート２４ｂに第２穴９４を閉じる部材を嵌めればよい。またさらに、ピン９０を介してエンドプレート２４ｂにサポートバー７０が支持された状態では、他端部８０の端面とエンドプレート２４ｂとの間に微小な（少なくとも１０μｍの）隙間１００が形成される。すなわち、サポートバー７０は、積層体１４に締付荷重を付与しない構成となっている。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。
【００５２】
図１に示す燃料電池スタック１０の製造において、スタックケース１６のケース本体２０は、押出成形や鋳造等の製造方法により成形される。その後、ケース本体２０の一端面及び他端面に、エンドプレート２４ａ及びエンドプレート２４ｂを固定するための本体側ネジ穴２０ｃ等が形成される。また、エンドプレート２４ａ、２４ｂ、サポートバー７０も鋳造、鍛造、切削加工等の適宜の製造方法により成形される。
【００５３】
一方、積層体１４は、樹脂枠付きＭＥＡ２８、接合セパレータ（第１及び第２セパレータ３２、３４）を積層し、さらに積層方向両端部にターミナルプレート２２ａ、２２ｂ、インシュレータ２３ａ、２３ｂが積層されることで構成される。また複数の発電セル１２の積層状態では、タブ６０同士がタブ列６８を形成する。サポートバー７０は、凹部７６にタブ列６８を収容した状態で、積層体１４と共にケース本体２０に収容される。
【００５４】
スタックケース１６に対するサポートバー７０の組み付けは、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂの固定と同時に行う。すなわち、スタックケース１６の一端側は、エンドプレート２４ａをケース本体２０に固定しつつ、サポートバー７０の一端部７８をエンドプレート２４ａに接合する。
【００５５】
図５に示すように、サポートバー７０と接合する際、サポートバー７０の一対の接合用穴部８６（ノックピン用領域８６ｂ）の各々に中空ノックピン８２を挿入する。一対の中空ノックピン８２は、一端側の軸方向長さの略半分に挿入されて他端側がサポートバー７０から露出する。この露出している一対の中空ノックピン８２に、エンドプレート２４ａの一対の孔部８８を嵌め込むことで、接合用穴部８６と孔部８８の位置が合わされる。
【００５６】
そして、締結ボルト８４を、エンドプレート２４ａの外面から中空ノックピン８２の貫通孔８２ａを通して中空ノックピン８２の奥側に挿入し、締結ボルト８４の雄ネジ部８４ａを接合用穴部８６の雌ネジ領域８６ａにねじ込む。これにより、エンドプレート２４ａを通して締結ボルト８４がサポートバー７０に強固に締結される。
【００５７】
また、スタックケース１６の他端側は、エンドプレート２４ｂをケース本体２０に固定しつつ、サポートバー７０の他端部８０をエンドプレート２４ｂに支持させる。この場合、図６に示すように、サポートバー７０の一対の第１穴９２の各々にピン９０を挿入する。一対のピン９０は、一端側の軸方向長さの略半分に挿入されて他端側がサポートバー７０から露出する。この露出されている一対のピン９０に、エンドプレート２４ｂの第２穴９４を嵌め込むことで、第１穴９２と第２穴９４の位置が合わせられる。この状態で、ケース本体２０とエンドプレート２４ｂとをボルト２６により締結する。なお、エンドプレート２４ｂの締結前には、積層体１４の締付荷重を調整するため、エンドプレート２４ｂとインシュレータ２３ｂとの間に設けたシム（不図示）の厚さを調整する。これにより積層体１４が収容されたスタックケース１６が完成する。
【００５８】
燃料電池スタック１０は、図３に示すように、各発電セル１２のタブ６０がサポートバー７０の凹部７６に配置されている。これにより例えば、燃料電池自動車が矢印Ｂ方向から衝撃を受けて燃料電池スタック１０に衝撃荷重がかかった場合でも、サポートバー７０の凹部７６にタブ６０が係合することで、各発電セル１２の横ずれが防止される。
【００５９】
図２に示すように、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２４ａに連結された配管（不図示）を介して、酸化剤ガス入口連通孔５０ａに酸化剤ガスが供給され、燃料ガス入口連通孔５４ａに燃料ガスが供給され、冷媒入口連通孔５２ａに冷媒が供給され、発電が行われる。
【００６０】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａから第１セパレータ３２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、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４０に供給される。
【００６１】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５４ａから第２セパレータ３４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、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。
【００６２】
各ＭＥＡ２８ａでは、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電が行われる。カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４から酸化剤ガス出口連通孔５０ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに沿って排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路４６から燃料ガス出口連通孔５４ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔５４ｂに沿って排出される。
【００６３】
また、冷媒入口連通孔５２ａに供給された冷媒は、第１セパレータ３２と第２セパレータ３４との間に形成された冷媒流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷媒は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷媒出口連通孔５２ｂから排出される。
【００６４】
また図５及び図６に示すように、燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂと、サポートバー７０との境界部分に中空ノックピン８２、及びピン９０が存在している。中空ノックピン８２は、エンドプレート２４ａとサポートバー７０の径方向の位置決めを行い、締結ボルト８４はこの中空ノックピン８２を通ってエンドプレート２４ａとサポートバー７０を締結する。またピン９０は、エンドプレート２４ｂとサポートバー７０の径方向の位置決めを行う一方で、エンドプレート２４ｂの軸方向の荷重をサポートバー７０に伝えない。
【００６５】
なお、本発明に係る燃料電池スタック１０は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、ケース本体２０は、天板、一対の側板、底板が連なる一体構造物に限定されず、複数の板を接合したもの（分割構造）でもよい。
【００６６】
上述の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
【００６７】
燃料電池スタック１０は、サポートバー７０の一端部７８がエンドプレート２４ａに接合され、サポートバー７０の他端部８０がエンドプレート２４ｂに支持されることで、積層体１４に対する締付荷重をサポートバー７０が付与しない構成とすることができる。すなわち、サポートバー７０は、燃料電池スタック１０が荷重を受けた際に、発電セル１２のタブ６０に係合して発電セル１２のセパレータ３０の横ずれを抑制する機能に特化するように構成される。これによりサポートバー７０を一層簡素化することができ、例えば、サポートバー７０の剛性を低くして軽量化を図ることが可能となる。
【００６８】
また、スタックケース１６は、複数の発電セル１２を収容する筒状のケース本体２０に、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂを締結して構成されることにより、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂの間に配置される複数の発電セル１２に締付荷重を付与する。これにより、複数の発電セル１２は、サポートバー７０による締付荷重を受けることなく、一対のエンドプレート２４ａ、２４ｂに締結されたケース本体２０から締付荷重が安定的に付与される。
【００６９】
また、サポートバー７０の一端部７８は、軸方向に貫通する貫通孔８２ａを備える中空ノックピン８２と、貫通孔８２ａを貫通する締結ボルト８４とにより一方のエンドプレート２４ａに接合される。これにより、エンドプレート２４ａとサポートバー７０の接合構造が一層簡素化して、部品点数を低減することができる。
【００７０】
また、サポートバー７０の他端部８０は、サポートバー７０と他方のエンドプレート２４ｂとに跨がって挿入されるピン９０により他方のエンドプレート２４ｂに支持される。これにより、エンドプレート２４ｂとサポートバー７０の支持構造が一層簡素化して、部品点数を一層低減することができる。
【００７１】
また、サポートバー７０は、ピン９０が挿入される第１穴９２を有し、他方のエンドプレート２４ｂは、ピン９０が挿入される第２穴９４を有し、第１穴９２と第２穴９４は、閉じた空間（閉塞空間９６）を形成している。これにより、エンドプレート２４ｂとサポートバー７０の支持構造からは、ガスの漏出を確実に防止することができる。
【００７２】
また、サポートバー７０は、矩形状に形成された発電セル１２の対向する一対の辺の各々に設けられる。これにより、サポートバー７０は、燃料電池スタック１０が荷重を受けた際に、発電セル１２の対向する一対の辺のタブ６０にそれぞれ係合するので、セパレータ３０の横ずれをより確実に防止することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０…燃料電池スタック                  １２…発電セル
１４…積層体                            １６…スタックケース
２０…ケース本体                        ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
６０…タブ                              ６８…タブ列
７０…サポートバー                      ７６…凹部
７８…一端部                            ８０…他端部
８２…中空ノックピン                    ８２ａ…貫通孔
８４…締結ボルト                        ８６…接合用穴部
８８…孔部                              ９０…ピン
９２…第１穴                            ９４…第２穴
９６…閉塞空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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