(57)【要約】【課題】接触抵抗を低減させて発電性能を向上することのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】メタルサポートセル１１０Ｍと、セパレータ１２０と、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０とを溶接した溶接部１８０と、溶接部の積層方向の変位を吸収する吸収用反力をメタルサポートセルに付与するばね部１３１と、該ばね部の変位量を規定するストッパー部１３２と、を有する。【選択図】図５Ａ
2019106765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を両側から一対の電極で狭持してなる発電セルと、前記発電セルを支持する金属製のメタルサポート部と、を含むメタルサポートセルと、
前記発電セルとの間にガスが流通するための流路部を区画形成するセパレータと、
前記メタルサポートセルと前記セパレータとを溶接した溶接部と、
前記溶接部の積層方向の変位を吸収する吸収用反力を前記メタルサポートセルに付与するばね部と、
該ばね部の変位量を規定するストッパー部と、を有する、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記ばね部は、同一面上に複数の弾性部材を有し、
前記複数の弾性部材は、前記溶接部を挟んで両側に配置される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記ばね部および前記ストッパー部は、一体に構成される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記ばね部および前記ストッパー部は、それぞれ別体に構成される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記ばね部および前記ストッパー部は、一部品によって構成される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
圧縮される前の前記ばね部の高さは、前記ストッパー部の高さよりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、供給されたガスによって発電する発電セルと、発電セルとの間にガスが流通するための流路部を区画形成するセパレータと、を含むセルユニットを複数積層して構成される。燃料電池スタックの発電性能を向上させるためには、積層された構成部材間の接触抵抗を低減する必要がある。【０００３】
例えば、下記特許文献１には、集電補助層と発電セルとの接触抵抗を低下させるために発電セルの電極間に集電補助層を埋め込んだ構造を有する燃料電池スタックが開示されている。また、下記特許文献２には、集電部材をアクティブエリアの外側に延伸させてアクティブエリアの外側で構成部材間の電気的接触を確保する燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３５３２１号公報
【特許文献２】特許第４３３１７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セパレータの流路部は、凹凸形状からなるため、高さにばらつきが生じやすい。特に、メタルサポートセル型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、セパレータをメタルサポートセルに溶接する場合がある。溶接部は、溶接品質によってセパレータの高さにばらつきが生じやすい。セパレータの流路部の高さにばらつきがあると、燃料電池スタックの接触抵抗が増加して、発電性能が低下してしまう場合がある。【０００６】
上記特許文献１および特許文献２の燃料電池スタックでは、セパレータの高さのばらつきを考慮していないため、接触抵抗が増加して発電性能が低下してしまう可能性がある。【０００７】
本発明の目的は、接触抵抗を低減させて発電性能を向上することのできる燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックは、メタルサポートセルと、セパレータと、前記メタルサポートセルと前記セパレータとを溶接した溶接部と、を有する。該燃料電池スタックは、前記溶接部の積層方向の変位を吸収する吸収用反力を前記メタルサポートセルに付与するばね部と、該ばね部の変位量を規定するストッパー部と、をさらに有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図２】図１に示すセルユニットの分解斜視図である。
【図３】図２に示すメタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。
【図４】図２の４−４線に沿うメタルサポートセルアッセンブリーの部分断面図である。
【図５Ａ】第１実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図５Ｂ】第１実施形態に係るばね部およびストッパー部の平面図である。
【図６】対比例１に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図７】対比例２に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図８】対比例３に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図９】第１実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１０】第１実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１１Ａ】第１実施形態の変形例３に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１１Ｂ】第１実施形態の変形例３に係るばね部およびストッパー部の平面図である。
【図１２Ａ】第１実施形態の変形例４に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１２Ｂ】第１実施形態の変形例４に係るばね部およびストッパー部の平面図である。
【図１３】第１実施形態の変形例５に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１４】第１実施形態の変形例６に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１５Ａ】第２実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１５Ｂ】第２実施形態に係るばね部およびストッパー部の平面図である。
【図１６】第２実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１７】対比例３に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１８】第２実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１９Ａ】第３実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図１９Ｂ】第３実施形態に係るばね部およびストッパー部の平面図である。
【図１９Ｃ】第３実施形態に係るばね部およびストッパー部の作用を説明するための断面図である。
【図２０Ａ】第４実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図２０Ｂ】第４実施形態に係る高さ調整部の平面図である。
【図２０Ｃ】第４実施形態に係る高さ調整部の作用を説明するための断面図である。
【図２１Ａ】第４実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図２１Ｂ】第４実施形態の変形例１に係る高さ調整部の平面図である。
【図２２】第４実施形態の変形例２に係る高さ調整部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１〜図５Ｂを参照して、第１実施形態の燃料電池スタック１０について説明する。本実施形態の燃料電池スタック１０は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる。
【００１２】
以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。
【００１３】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成している。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１０の上下方向を「積層方向」とも称する。
【００１４】
（セルユニット１００）
図２は、セルユニット１００の分解斜視図である。図２に示すように、セルユニット１００は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と、発電セル１１１との間にガスが流通するための流路部１２１を区画形成するセパレータ１２０と、高さ調整部１３０と、集電補助層１４０と、を順に積層して構成される。
【００１５】
セルユニット１００は、アノードガスを流通させて供給および排出するためのマニホールド部１５０（図１を参照）と、マニホールド部１５０の周囲を封止してガスの流れを制限する複数のシール部１６０（図２を参照）と、をさらに有する。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０は、セルユニット１００の外側（図２および図３の破線囲み部分）をカソードガスが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。
【００１６】
図３は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０の分解斜視図であり、図４は、その部分断面図である。図３および図４に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１１０は、長手方向Ｙに沿って複数（本実施形態では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３と、を有する。
【００１７】
メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質１１１Ｅを両側から一対の電極であるアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持してなる発電セル１１１と、発電セル１１１を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
【００１８】
図５Ａは、燃料電池スタック１０の積層構造の一部を示す断面図である。図５Ａに示すように、燃料電池スタック１０は、メタルサポートセル１１０Ｍと集電補助層１４０との間に配置された接点材１７０と、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０とを溶接した溶接部１８０と、をさらに有する。
【００１９】
以下、高さ調整部１３０の構成について詳細に説明する。なお、セルユニット１００の他の構成部材については後述において詳細に説明する。
【００２０】
（高さ調整部１３０）
図５Ａに示すように、高さ調整部１３０は、溶接部１８０の積層方向の高さの変位を吸収する吸収用反力を集電補助層１４０および接点材１７０を介してメタルサポートセル１１０Ｍに付与するばね部１３１と、ばね部１３１の変位量を規定するストッパー部１３２と、を有する。
【００２１】
図５Ｂは、ばね部１３１およびストッパー部１３２の平面図である。図５Ｂに示すように、本実施形態では、ばね部１３１およびストッパー部１３２は、一枚の平坦な基板１３３を共有することで一体に構成されている。ばね部１３１およびストッパー部１３２を一体に構成することによって、製造コストや材料コストを削減することができる。また、ばね部１３１およびストッパー部１３２の高さのばらつき（公差）の影響を低減することができる。
【００２２】
なお、本明細書中において、「ばね部およびストッパー部が一体に構成される」とは、ばね部およびストッパー部が一体部品から構成されることを意味し、該一体部品の異なる部位がばね部およびストッパー部の機能をそれぞれ発揮する形態を広く含むものとする。例えば、本実施形態のようにばね部１３１およびストッパー部１３２が一つの基板１３３を共有して一体部品を構成してもよいし、別部材からなるばね部およびストッパー部を直接的または、他の部材を介して間接的に接合して一体部品を構成してもよい。
【００２３】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ばね部１３１は、基板１３３の一部を切り欠いて上方向に起立させた第１起立片（弾性部材に相当）１３１ａおよび第２起立片１３１ｂ（弾性部材に相当）を有する。第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂは、溶接部１８０を挟んで両側に配置される。第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂは、弾性変形可能な片持ち梁である。第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂは、起立の向きが互いに長手方向Ｙに対向するように配置されている。なお、ばね部１３１の形状やばね特性（ばね定数やばねストローク）は、例えば、溶接部１８０の配置や数、燃料電池スタック１０の構造などに応じて適宜選択することができる。
【００２４】
ストッパー部１３２は、基板１３３の一部を上方向に立ち上がるように屈曲させた第１屈曲部１３２ａおよび第２屈曲部１３２ｂと、第１屈曲部１３２ａと第２屈曲部１３２ｂとの間を連結する平坦部１３２ｃと、を有するブリッジ形状を有する。ストッパー部１３２は、第１屈曲部１３２ａおよび第２屈曲部１３２ｂの端部が基板１３３に固定された両端支持の構造を有する。
【００２５】
本実施形態では、図５Ａに示すように、ばね部１３１は、ストッパー部１３２よりも溶接部１８０に近い位置に配置されている。また、スタックして圧縮される前のばね部１３１の高さ（積層方向の長さ）Ｈ１は、ストッパー部１３２の高さＨ２よりも大きい。これにより、ばね部１３１は、ストッパー部１３２との高さの差分（ステップハイト）だけ収縮することができる。ばね部１３１の収縮量によって、溶接部１８０の積層方向の高さの変位を吸収することができる。
【００２６】
ここで、図６〜図８を参照して、対比例に係る燃料電池スタックと比較して本実施形態に係る燃料電池スタック１０の作用効果について説明する。図６は、対比例１に係る燃料電池スタックの断面図であり、図７は、対比例２に係る燃料電池スタックの断面図であり、図８は、対比例３に係る燃料電池スタックの断面図である。
【００２７】
一般的に、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との溶接部１８０では、溶接品質によって高さにばらつきが生じる場合がある。例えば、図６に示す対比例１に係る燃料電池スタックのように、溶接部１８０近傍の部位が溶接熱による熱収縮を起こすと、溶接部１８０近傍の部位がその周囲の部位に比べて低くなってしまう。これにより、溶接部１８０に積層されたメタルサポートセル１１０Ｍと接点材１７０との間に隙間が発生して、接触抵抗が高くなってしまう。
【００２８】
アクティブエリアの高さのばらつきを抑制するために、例えば、図７に示す対比例２に係る燃料電池スタックは、セパレータ１２０と集電補助層１４０との間に積層方向の変位を吸収するばね部３１のみを配置している。しかしながら、対比例２に係る燃料電池スタックでは、図７の矢印で示すように振動入力時にばね部３１が振動してメタルサポートセル１１０Ｍを支持することができないため、耐振性が低下してしまう。
【００２９】
また、アクティブエリアの積層方向の剛性を高くして耐振性を高めるために、例えば、図８に示す対比例３に係る燃料電池スタックは、セパレータ１２０と集電補助層１４０との間にメタルサポートセル１１０Ｍを支持する剛性の高いリブ３２のみを配置している。しかしながら、上述したように溶接部１８０に高さのばらつきがあると、メタルサポートセル１１０Ｍと接点材１７０との間に隙間が発生して、接触抵抗が高くなってしまう。
【００３０】
これに対して、本実施形態では、図５Ａに示すように、セパレータ１２０と集電補助層１４０との間にばね部１３１およびストッパー部１３２の両方を設けている。ばね部１３１は、スタック時に収縮して、吸収用反力を集電補助層１４０および接点材１７０を介してメタルサポートセル１１０Ｍに付与する。該吸収用反力は、集電補助層１４０および接点材１７０をメタルサポートセル１１０Ｍに対して接近するように押し付ける。これにより、メタルサポートセル１１０Ｍと接点材１７０との間に生じる隙間を低減して、接触抵抗を低下させることができる。
【００３１】
また、ストッパー部１３２は、スタック時にばね部１３１が収縮する変位量を規制する。これにより、メタルサポートセル１１０Ｍと接点材１７０とを均一に接触させることができる。さらに、ストッパー部１３２は、ばね部１３１が振動することを抑制するため、耐振性を向上することができる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、ばね部１３１をストッパー部１３２よりも溶接部１８０に近い位置に配置している。熱収縮によって溶接部１８０近傍の部位がその周囲の部位に比べて低くなった場合（図６を参照）に、比較的低い溶接部１８０にばね部１３１を配置することによって、その周囲の部位との高さの差分を補うことができる。その結果、溶接部１８０の高さのばらつきをより確実に抑制することができる。
【００３３】
以下、セルユニット１００の高さ調整部１３０以外の構成について詳細に説明する。
【００３４】
（発電セル１１１）
発電セル１１１は、図３および図４に示すように、電解質１１１Ｅを両側から一対の電極であるアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持して構成される。
【００３５】
電解質１１１Ｅは、カソード１１１Ｃからアノード１１１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質１１１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
【００３６】
アノード１１１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード１１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた超硬合金が挙げられる。
【００３７】
カソード１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物が挙げられる。
【００３８】
（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図３および図４に示すように、発電セル１１１をアノード１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電気伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３９】
（セルフレーム１１３）
セルフレーム１１３は、図３および図４に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。セルフレーム１１３は、長手方向Ｙに沿って並べて配置された複数（本実施形態では、２つ）の開口部１１３Ｈを有する。セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。セルフレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。
【００４０】
セルフレーム１１３は、図３に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１１３ａ、アノードガス第２流入口１１３ｂ、アノードガス第３流入口１１３ｃ、アノードガス第１流出口１１３ｄおよびアノードガス第２流出口１１３ｅを有している。
【００４１】
（セパレータ１２０）
セパレータ１２０は、図５Ａに示すように、積層方向Ｚに隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍ間に配置される。セパレータ１２０は、メタルサポートセル１１０Ｍの発電セル１１１と対向する領域に流路部１２１を有する。流路部１２１は、発電セル１１１との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ１２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。セパレータ１２０の流路部１２１以外の領域には、絶縁処理が施されている。
【００４２】
セパレータ１２０の流路部１２１は、凹凸形状が短手方向Ｘに延在するように略直線状に形成されている。これにより、流路部１２１に沿って流れるガスの流れ方向は、短手方向Ｘである。
【００４３】
セパレータ１２０は、図２に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１２０ａ、アノードガス第２流入口１２０ｂ、アノードガス第３流入口１２０ｃ、アノードガス第１流出口１２０ｄおよびアノードガス第２流出口１２０ｅを有している。
【００４４】
（集電補助層１４０）
集電補助層１４０は、図５Ａに示すように、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との間に配置され、ガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１４０は、金網状のエキスパンドメタルである。
【００４５】
（マニホールド部１５０）
図１に示すマニホールド部１５０は、図２に示すセルフレーム１１３のアノードガス流出入口１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅおよび、セパレータ１２０のアノードガス流出入口１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅによって構成される。
【００４６】
（シール部１６０）
シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。
【００４７】
（接点材１７０）
図５Ａに示すように、接点材１７０は、メタルサポートセル１１０Ｍと集電補助層１４０との間に配置されて、両者を導通接触させる。接点材１７０を構成する材料は特に限定されないが、融点６００℃以上の遷移金属を主成分とするもので、より具体的には、銀を主成分とするものが挙げられる。
【００４８】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池スタック１０の作用効果を説明する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、電解質１１１Ｅを両側から一対の電極１１１Ａ、１１１Ｃで狭持してなる発電セル１１１と、発電セル１１１を支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を含むメタルサポートセル１１０Ｍと、発電セル１１１との間にガスの流路を区画形成するセパレータ１２０と、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０とを溶接した溶接部１８０と、溶接部１８０の積層方向の高さの変位を吸収する吸収用反力をメタルサポートセル１１０Ｍに付与するばね部１３１と、該ばね部１３１の変位量を規定するストッパー部１３２と、を有する。
【００５０】
上記燃料電池スタック１０によれば、ばね部１３１は、メタルサポートセル１１０Ｍに吸収用反力を付与して、溶接部１８０の高さのばらつきによって生じるメタルサポートセル１１０Ｍと他の構成部材（例えば接点材１７０）との接触不良を抑制することができる。また、ストッパー部１３２は、ばね部１３１の変位量を規制することによってメタルサポートセル１１０Ｍと他の構成部材（例えば接点材１７０）とを均一に接触させることができる。その結果、溶接部１８０の高さのばらつきを相殺して接触抵抗を低減することによって、燃料電池スタック１０の発電性能を向上させることができる。
【００５１】
また、ばね部１３１は、同一面（ＸＹ平面）上に第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂ（複数の弾性部材に相当）を有する。第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂは、溶接部１８０を挟んで両側に配置される。高さのばらつきが生じやすい溶接部１８０の両側にばね部１３１を配置することによって、溶接部１８０の高さのばらつきを相殺してより確実に接触抵抗を低減することができる。
【００５２】
また、ばね部１３１およびストッパー部１３２は、一体に構成される。これにより、製造コストや材料コストを削減することができる。また、ばね部１３１およびストッパー部１３２の高さのばらつき（公差）の影響を低減することができる。
【００５３】
また、圧縮される前のばね部１３１の高さＨ１は、ストッパー部１３２の高さＨ２よりも大きい。これにより、ばね部１３１は、ストッパー部１３２との高さの差分だけ収縮することができる。ばね部１３１の収縮量によって、溶接部１８０の積層方向の高さの変位を吸収することができる。
【００５４】
以下、第１実施形態の変形例について説明する。なお、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
＜第１実施形態の変形例１＞
図９は、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。第１実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックは、図９に示すように、ばね部２３１およびストッパー部１３２の基板１３３が集電補助層１４０に溶接されている点で前述した第１実施形態と異なる。
【００５６】
前述した第１実施形態では、ばね部２３１およびストッパー部１３２は基板１３３に対して集電補助層１４０側（上側）に配置されていたが、本変形例では、セパレータ１２０側（下側）に配置されている。これにより、基板１３３が集電補助層１４０側に配置されるため、基板１３３と集電補助層１４０とを容易に溶接することができる。
【００５７】
また、ばね部２３１の第１起立片２３１ａおよび第２起立片２３１ｂは、起立の向きが互いに長手方向Ｙに対向する方向と反対方向に向くように配置されている。これにより、溶接部１８０周りのセパレータ１２０の流路部１２１の凸部に第１起立片２３１ａおよび第２起立片２３１ｂが確実に当接するように配置している。
【００５８】
基板１３３と集電補助層１４０とを溶接することによって、集電補助層１４０、ばね部２３１およびストッパー部１３２が一体に構成される。集電補助層１４０、ばね部２３１およびストッパー部１３２を一体化することによって、燃料電池スタック１０の組立時の部品数を削減することができる。これにより、工数を減らして、製造コストを削減することができる。また、集電補助層１４０、ばね部２３１およびストッパー部１３２の高さのばらつき（公差）の影響を低減することができる。
【００５９】
＜第１実施形態の変形例２＞
図１０は、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックの断面図である。第１実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックは、図１０に示すように、セパレータ１２０にばね部１３１およびストッパー部１３２の基板１３３が溶接されている点で前述した第１実施形態と異なる。
【００６０】
前述した第１実施形態と同様に、基板１３３は、ばね部１３１およびストッパー部１３２に対してセパレータ１２０側（下側）に配置されている。これにより、基板１３３がセパレータ１２０側に配置されるため、基板１３３とセパレータ１２０とを容易に溶接することができる。
【００６１】
基板１３３とセパレータ１２０とを溶接することによって、セパレータ１２０、ばね部１３１およびストッパー部１３２が一体に構成される。これにより、セパレータ１２０、ばね部１３１およびストッパー部１３２を一体化することによって、燃料電池スタック１０の組立時の部品数を削減することができる。これにより、工数を減らして、製造コストを削減することができる。また、セパレータ１２０、ばね部１３１およびストッパー部１３２の高さのばらつき（公差）の影響を低減することができる。
【００６２】
＜第１実施形態の変形例３＞
図１１Ａは、第１実施形態の変形例３に係る燃料電池スタックの断面図である。図１１Ｂは、第１実施形態の変形例３に係るばね部１３１およびストッパー部２３２の平面図である。第１実施形態の変形例３に係る燃料電池スタックは、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、ストッパー部２３２がディンプルによって構成される点で前述した第１実施形態と異なる。
【００６３】
ストッパー部２３２は、基板１３３に形成された略円形状の複数の凹みであるディンプルによって構成される。ストッパー部２３２をディンプルによって形成することによって、基板１３３に対するストッパー部２３２の配置の自由度を高めることができる。これにより、所望の位置にストッパー部２３２を配置することができる。
【００６４】
＜第１実施形態の変形例４＞
図１２Ａは、第１実施形態の変形例４に係る燃料電池スタックの断面図である。図１２Ｂは、第１実施形態の変形例４に係るばね部２３１およびストッパー部３３２の平面図である。第１実施形態の変形例４に係る燃料電池スタックは、図１２Ａに示すように、ストッパー部３３２が片持ち梁である点で前述した第１実施形態と異なる。
【００６５】
第１実施形態の変形例１と同様に、ばね部２３１およびストッパー部３３２は基板１３３に対してセパレータ１２０側（下側）に配置されている。さらに、基板１３３は集電補助層１４０に溶接されている。また、ばね部２３１は、第１起立片２３１ａおよび第２起立片２３１ｂの起立の向きが互いに長手方向Ｙに対向する方向と反対方向に向くように配置されている。これにより、第１実施形態の変形例１と同様の効果を奏する。
【００６６】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、ストッパー部３３２は、基板１３３の一部を切り欠いて下方向に起立させた起立片によって形成された片持ち梁である。ストッパー部３３２を片持ち梁とすることによって、両端支持の場合に比べて容易に成形することができる。また、ストッパー部３３２の下端は、セパレータ１２０に溶接されている。ストッパー部３３２をセパレータ１２０に溶接することによってストッパー部３３２の剛性を向上させることができる。これにより、ストッパー部３３２より確実にばね部２３１の変位量を規制することができる。
【００６７】
＜第１実施形態の変形例５＞
図１３は、第１実施形態の変形例５に係る燃料電池スタックの断面図である。第１実施形態の変形例５に係る燃料電池スタックは、図１３に示すように、基板１３３に対するばね部１３１およびストッパー部４３２の上下方向の配置が逆である点で前述した第１実施形態と異なる。
【００６８】
前述した第１実施形態では、ばね部１３１およびストッパー部１３２は、基板１３３に対して同じ側に配置されていた。本変形例では、ばね部１３１は、基板１３３に対して上側に配置され、ストッパー部４３２は、基板１３３に対して下側に配置される。
【００６９】
基板１３３に対するばね部１３１およびストッパー部４３２の上下方向の配置を逆にすることによって、ばね部１３１の高さＨ１およびストッパー部４３２の高さＨ２を合計した高さによって高さのばらつきを吸収することができる。これにより、高さのばらつきが大きい場合でもばらつきを吸収することができる。
【００７０】
なお、基板１３３に対するばね部１３１およびストッパー部４３２の上下方向の配置が逆である限りにおいて、その配置は特に限定されない。例えば、ばね部１３１を基板１３３に対して下側に配置し、ストッパー部４３２を基板１３３に対して上側に配置してもよい。
【００７１】
＜第１実施形態の変形例６＞
図１４は、第１実施形態の変形例６に係る燃料電池スタックの断面図である。第１実施形態の変形例６に係る燃料電池スタックは、図１４に示すように、ストッパー部５３２が中実のリブによって形成されている点で前述した第１実施形態と異なる。
【００７２】
ストッパー部５３２は、基板１３３上に角柱状のリブをセパレータ１２０の流路部１２１が延在するガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に延在するように配置して形成されている。ストッパー部５３２を中実のリブによって形成することによって、ブリッジ形状に比べて積層方向の剛性を向上させることができる。その結果、ストッパー部５３２は、より確実にばね部１３１の変位量を規制することができる。
【００７３】
＜第２実施形態＞
図１５Ａは、第２実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。図１５Ｂは、第２実施形態に係るばね部６３１およびストッパー部６３２の平面図である。
【００７４】
第２実施形態に係る燃料電池スタックは、図１５Ａに示すように、ばね部６３１およびストッパー部６３２が別体に構成されている点で前述した第１実施形態と異なる。なお、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７５】
ばね部６３１は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、第１基板６３１Ａと、第１基板６３１Ａの一部を切り欠いて上方向に起立させた起立片６３１Ｂと、を有する。起立片６３１Ｂの構成は、前述した第１実施形態の第１起立片１３１ａおよび第２起立片１３１ｂと同様である。また、前述した第１実施形態と同様に、ばね部６３１は、ストッパー部６３２よりも溶接部１８０に近い位置に配置される。
【００７６】
ストッパー部６３２は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、第２基板６３２Ａと、第２基板６３２Ａの一部を上方向に立ち上がるように屈曲させたブリッジ形状の複数の凸部６３２Ｂと、複数の凸部６３２Ｂ間に形成され、ばね部６３１の起立片６３１Ｂを下から上に向かって挿通可能な開口部６３２Ｃと、を有する。
【００７７】
上述したように第２実施形態燃料電池スタックは、ばね部６３１およびストッパー部６３２がそれぞれ別体に構成される。これにより、ばね部６３１およびストッパー部６３２の形成材料や配置などの設計の自由度を高めることができる。
【００７８】
以下、第２実施形態の変形例について説明する。なお、前述した第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７９】
＜第２実施形態の変形例１＞
図１６は、第２実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。第２実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックは、図１６に示すように、ストッパー部６３２がばね部６３１よりも溶接部１８０に近い位置に配置される点で前述した第２実施形態と異なる。
【００８０】
図１７は、対比例３に係る燃料電池スタックの断面図である。前述した第１実施形態および第２実施形態では、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との溶接部１８０がその周囲の部位に比べて低くなってしまう場合（図６を参照）を例に挙げて説明したが、それとは逆に溶接部１８０がその周囲の部位に比べて高くなる場合もある。本変形例では、例えば、図１７に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との間に隙間がある状態で溶接されることによって、溶接部１８０近傍の部位がその周囲の部位に比べて高くなった場合を例に挙げて説明する。
【００８１】
図１６に示すように、ストッパー部６３２は、ばね部６３１よりも溶接部１８０に近い位置に配置される。溶接部１８０の周囲の高さの低い部位にばね部６３１を配置することによって、溶接部１８０との高さの差分を補うことができる。その結果、溶接部１８０高さのばらつきをより確実に抑制することができる。このように、ばね部６３１およびストッパー部１３２の配置は、溶接部１８０の溶接品質によって適宜変更することができる。
【００８２】
＜第２実施形態の変形例２＞
図１８は、第２実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックの断面図である。第２実施形態の変形例２に係る燃料電池スタックは、図１８に示すように、ストッパー部７３２をセパレータ１２０の流路部の一部によって構成する点で前述した第２実施形態と異なる。
【００８３】
ばね部７３１は、片持ち梁で構成されており、その一端が集電補助層１４０に溶接される。ばね部７３１は、セパレータ１２０の流路部１２１の凹凸形状の凹部に配置される。
【００８４】
ストッパー部７３２は、セパレータ１２０の流路部１２１の最端部に位置する凸部からなる。当該最端部に位置する凸部を高さの基準として利用することによって、ストッパー部７３２を別部材として設ける必要がなくなる。これにより、材料コストや製造コストを削減することができる。
【００８５】
＜第３実施形態＞
図１９Ａは、第３実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。図１９Ｂは、第３実施形態に係るばね部８３１およびストッパー部８３２の平面図である。図１９Ｃは、圧縮されたばね部８３１の変位（圧縮）量がストッパー部８３２によって規制された状態を示す断面図である。
【００８６】
第３実施形態に係る燃料電池スタックは、図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、ばね部８３１が円筒状のコイルばねであり、ストッパー部８３２がセパレータ８２０の溝部８２３によって構成されている点で前述した第１実施形態と異なる。なお、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８７】
図１９Ａに示すように、セパレータ８２０の流路部は、平坦な平坦部８２１と、平坦部８２１から上方に突出した複数の凸部８２２と、平坦部８２１から下方に凹んだ複数の溝部８２３と、を有する。凸部８２２および溝部８２３は、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。セパレータ８２０の凸部８２２は、セパレータ８２０の剛性を向上させるとともに、アノードガスの流路の断面積を増加することができる。セパレータ８２０の溝部８２３とメタルサポートセル１１０Ｍとの間には、互いに溶接した溶接部１８０が形成されている。
【００８８】
図１９Ｂに示すように、ばね部８３１は、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延在する円筒状のコイルばねである。図１９Ａに示すように、ばね部８３１は、溶接部１８０が形成された溝部８２３の上側に配置されている。また、ばね部８３１は、集電補助層１４０に溶接されている。集電補助層１４０とばね部８３１とを一体化することによって、燃料電池スタックの組立時の部品数を削減することができる。これにより、工数を減らして、製造コストを削減することができる。また、集電補助層１４０およびばね部８３１の高さのばらつき（公差）の影響を低減することができる。
【００８９】
ストッパー部８３２は、セパレータ８２０の溝部８２３によって構成される。図１９Ｃに示すように、ばね部８３１が積層方向に圧縮されると、ばね部８３１の断面形状は、円形状から楕円形状に変形する。このとき、ばね部８３１の楕円形状の下部が溝部８２３から構成されるストッパー部８３２に当接して、ばね部８３１は積層方向の変形が規制される。このようにして、ストッパー部８３２は、ばね部８３１の変位量を規定する。
【００９０】
上述したように第３実施形態に係るばね部８３１は円筒状のコイルばねであり、ストッパー部８３２はセパレータ８２０の溝部８２３から構成される。このように、比較的簡単な構成によってばね部８３１およびストッパー部８３２を形成することができるため、製造コストを削減することができる。
【００９１】
＜第４実施形態＞
図２０Ａは、第４実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。図２０Ｂは、第４実施形態に係る高さ調整部９３０の平面図である。
【００９２】
第４実施形態に係る燃料電池スタックは、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、ばね部とストッパー部が一部品である高さ調整部９３０によって構成される点で前述した第３実施形態と異なる。なお、前述した第３実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９３】
ここで、「ばね部とストッパー部が一部品によって構成される」とは、ばね部の機能およびストッパー部の機能の両方を兼ね備えた１つの構成部材からなり、該構成部材をスタック時に積層方向に圧縮すると弾性変形してばね部として機能し、さらに変形させるとストッパー部として機能する形態を広く含むものとする。換言すると、該構成部材は、その全体（同じ部位）がばね部の機能およびストッパー部の機能の両方の機能を発揮する。したがって、第１実施形態のように一体部品の異なる部位がばね部およびストッパー部の機能をそれぞれ発揮する「ばね部およびストッパー部が一体に構成される」形態とは相違する。
【００９４】
前述した第３実施形態と同様に、図２０Ａに示すように、セパレータ８２０の流路部は、平坦な平坦部８２１と、平坦部８２１から上方に突出した複数の凸部８２２と、平坦部８２１から下方に凹んだ複数の溝部８２３と、を有する。凸部８２２および溝部８２３は、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。溝部８２３には、セパレータ８２０とメタルサポートセル１１０Ｍとを溶接した溶接部１８０が形成されている。
【００９５】
高さ調整部９３０は、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、平坦な平坦部９３１と、平坦部９３１の一端をセパレータ８２０側に湾曲させた湾曲部９３２と、を有する。高さ調整部９３０は、弾性変形可能な材料によって形成される。また、高さ調整部９３０は、両端が集電補助層１４０に接合された両端支持の構造を有する。
【００９６】
高さ調整部９３０は、図２０Ａに示すように、湾曲部９３２の下端がセパレータ８２０の溝部８２３に当接した状態から、さらに圧縮されると、湾曲部９３２が撓む。これにより、高さ調整部９３０は、高さ方向に圧縮されて弾性力による反力を積層方向に発生する。高さ調整部９３０は、当該反力を溶接部１８０の積層方向の高さの変位を吸収する吸収用反力として利用することによってばね部として機能する。
【００９７】
高さ調整部９３０をさらに積層方向に圧縮すると、図２０Ｃに示すように、高さ調整部９３０の平坦部９３１がセパレータ８２０の平坦部８２１に当接する。これにより、高さ調整部９３０は、湾曲部９３２の変位量を規定するストッパー部として機能する。
【００９８】
上述したように第４実施形態に係る燃料電池スタックは、ばね部およびストッパー部が一部品によって構成されるため、部品数を削減して製造コストを削減することができる。
【００９９】
＜第４実施形態の変形例１＞
図２１Ａは、第４実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックの断面図である。図２１Ｂは、第４実施形態の変形例１に係る高さ調整部９３０Ａの平面図である。第４実施形態の変形例１に係る燃料電池スタックは、高さ調整部９３０Ａが片持ち梁で構成されている点で前述した第４実施形態と異なる。
【０１００】
高さ調整部９３０Ａは、図２１Ａに示すように、一端が集電補助層１４０に接合された集電補助層１４０に接合された両端支持の構造を有する。高さ調整部９３０Ａは、図２１Ｂに示すように、長手方向Ｙに複数個配置されたものが、短手方向Ｘに複数列配置されている。短手方向Ｘに隣り合う列の高さ調整部９３０Ａは、長手方向Ｙに交互に、セパレータ８２０の溝部８２３を中心として対称に配置されている。
【０１０１】
高さ調整部９３０Ａを片持ち梁で構成することによって、両端支持の場合に比べて面方向の単位面積あたりの高さ調整部９３０Ａの数を増やすことができる。これにより、高さ調整部９３０Ａは、より高い吸収用反力を付与してより確実に接触抵抗を低減することができる。
【０１０２】
＜第４実施形態の変形例２＞
図２２は、第４実施形態の変形例２に係る高さ調整部９３０Ｂの平面図である。第４実施形態の変形例２に係る高さ調整部９３０Ｂは、第４実施形態の変形例１に係る高さ調整部９３０Ａと同様に片持ち梁で構成され、長手方向Ｙに複数個配置されたものが、短手方向Ｘに複数列配置されている。図２２に示すように、長手方向Ｙに隣り合う列の高さ調整部９３０Ｂは、短手方向Ｘに重なる重なり部Ａ（図２２の破線囲み部分）を有するように配置されている。これにより、高さ調整部９３０Ｂは、重なり部Ａにおいてより一層高い吸収用反力を付与してより確実に接触抵抗を低減することができる。
【０１０３】
以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る燃料電池スタックを説明したが、本発明は実施形態において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。例えば、燃料電池スタックは、前述した実施形態および変形例の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０      燃料電池スタック、
１００    セルユニット、
１１０    メタルサポートセルアッセンブリー、
１１０Ｍ  メタルサポートセル、
１１１    発電セル、
１１１Ａ  アノード、
１１１Ｃ  カソード、
１１１Ｅ  電解質、
１１２    メタルサポート部、
１１３    セルフレーム、
１２０、８２０  セパレータ、
１３０、９３０、９３０Ａ、９３０Ｂ  高さ調整部、
１３１、２３１、６３１、７３１、８３１、  ばね部、
１３１ａ  第１起立片（弾性部材）、
１３１ｂ  第２起立片（弾性部材）、
１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２、７３２、８３２、  ストッパー部、
１３３    基板、
１４０    集電補助層、
１５０    マニホールド部、
１６０    シール部、
１７０    接点材、
１８０    溶接部、
Ｈ１      ばね部の高さ、
Ｈ２      ストッパー部の高さ、
Ｘ        （燃料電池スタックの）短手方向、
Ｙ        （燃料電池スタックの）長手方向、
Ｚ        （燃料電池スタックの）積層方向。
【図１】
2019106765.tif 000003
【図２】
2019106765.tif 000004
【図３】
2019106765.tif 000005
【図４】
2019106765.tif 000006
【図５Ａ】
2019106765.tif 000007
【図５Ｂ】
2019106765.tif 000008
【図６】
2019106765.tif 000009
【図７】
2019106765.tif 000010
【図８】
2019106765.tif 000011
【図９】
2019106765.tif 000012
【図１０】
2019106765.tif 000013
【図１１Ａ】
2019106765.tif 000014
【図１１Ｂ】
2019106765.tif 000015
【図１２Ａ】
2019106765.tif 000016
【図１２Ｂ】
2019106765.tif 000017
【図１３】
2019106765.tif 000018
【図１４】
2019106765.tif 000019
【図１５Ａ】
2019106765.tif 000020
【図１５Ｂ】
2019106765.tif 000021
【図１６】
2019106765.tif 000022
【図１７】
2019106765.tif 000023
【図１８】
2019106765.tif 000024
【図１９Ａ】
2019106765.tif 000025
【図１９Ｂ】
2019106765.tif 000026
【図１９Ｃ】
2019106765.tif 000027
【図２０Ａ】
2019106765.tif 000028
【図２０Ｂ】
2019106765.tif 000029
【図２０Ｃ】
2019106765.tif 000030
【図２１Ａ】
2019106765.tif 000031
【図２１Ｂ】
2019106765.tif 000032
【図２２】
2019106765.tif 000033
【国際調査報告】
2019106765.tif 000034
2019106765.tif 000035
2019106765.tif 000036
2019106765.tif 000037