JP2005268135A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 金属板材からなるセパレータを用いて、冷却空間の形成も考慮しながらスタックの低背化をより効果的に図ることができ、かつ、スタックを貫通するマニホルドと、セパレータ間に形成されたガス反応空間とのガス流通効率も高めることができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタックにおいて、冷却用空間ＣＳ側の第二区画部材３５をガス反応空間ＧＲＳ側の第一区画部材３７よりも面内外側に配置し、両区画部材の間に位置する領域に副ガス流通孔３４を形成する。冷却用空間ＣＳの主ガス流通孔３３の周囲部分、つまりマニホルド分岐部６１ｓを横方向のガス流通路として流用し、これとセパレータ１０ａ，１０ｂの厚さ方向に形成された副ガス流通孔３４とを介して、マニホルド６１Ａ，６１Ｂとガス反応空間ＧＲＳとを連通させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池スタックに関する。

特開２００１−６８１２９号公報 特開２０００−０２１４１８号公報 特開平１０−２２８９１４号公報 特開２００２−３７３６７３号公報 特開平８−２２２２３７号公報

従来、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池等、種々の燃料電池が提案されている。これらのうち固体高分子形燃料電池は固体高分子電解質膜を使用するものであり、低温動作が可能であり、小型化及び軽量化も容易なので、燃料電池自動車等への搭載用として検討されている。具体的には、プロトンを輸送するための固体高分子電解質膜を一対の電極層により挟んで単位電池を形成するとともに、該電極層の表面に燃料ガス（水素ガス）あるいは酸化剤ガス（空気）の拡散層を形成するための多孔質導電性シート（例えばカーボンペーパー）を配置し、さらにセパレータを積層配置する。該セパレータの板面には、上記の多孔質導電性シートにガス供給するための凹部が形成される。また、セパレータは、単位電池の電極層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される必要がある。

従来、該セパレータの材質としては、特許文献５の従来技術として例示されているようなカーボンを主体とするものが用いられてきた。上記のごとく、燃料電池用のセパレータは、ガス拡散層形成用に複雑な凹凸を板面に形成する必要がある。従って、その形状加工を固体カーボン素材からの削り出しで行なうのは、製造効率を考慮すれば全く現実的でない。従って、従来は、カーボン粉末に熱可塑性樹脂などの高分子材料からなるバインダを配合し、射出成形等で望みの形状を得るようにしていた。しかし、このようにして得られるカーボン製のセパレータは、絶縁性のバインダを相当量含有するため導電性に乏しく、内部抵抗が増大しやすいため、多数（例えば１００個以上）の単位電池を積層して用いる場合には、電流取出効率が著しく低下する問題がある。また、燃料電池の小型化薄型化を図る場合、セパレータの厚さもなるべく小さくすることが望ましいが、上記のカーボンセパレータは強度に乏しく、２〜３ｍｍ程度が厚さ縮小の限界であった。さらに、燃料電池セルの各単位セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを分配供給するためのマニホルドをスタックの厚さ方向に貫通形成しなければならない。この場合、２つのセパレータの間に形成されるガス反応空間（固体高分子電解質膜により仕切られた燃料ガス空間と酸化剤ガス空間からなる）を、燃料ガス用及び酸化剤ガス用の個別のマニホルドに対し相互にシールする構造や、前記ガス反応空間と交互に形成される冷却用の空間とを互いに分離するためのシール構造が必要であるが、このシールを含めた空間分離のための構造が複雑で部品点数も多く、組み立ての工数増大につながるだけでなく、信頼性の低下も招きやすい問題がある。

そこで、加工性と導電性及び強度を両立させるために、セパレータを金属にて形成する燃料電池構造が種々提案されている（例えば特許文献１〜５）。

上記のマニホルドを形成するためには、特許文献５の図３に開示されているごとく、セパレータに形成された貫通孔（２３）の周囲を枠部材（区画部材）３０ａ，３０ｂで分離する必要がある。しかし、従来の構造では以下のような欠点がある。
（１）目的とするガスを供給すべきガス反応空間は、そのガスに対応するマニホルドと連通していなければならないが、この連通路３４を枠部材３０ａ，３０ｂに対し、横方向に貫通する形で設けていた。そのため、枠部材３０ａ，３０ｂは、連通路３４を形成する分だけ厚くしなければならず、スタックの低背化を図る観点において明らかに不利である。（２）薄い枠部材３０ａ，３０ｂに横方向の連通路３４を形成するので、連通路３４の断面積は縮小せざるを得ず、逆にセパレータ面内の長さは増大する。その結果、ガス流通抵抗が増大するので、発電に必要なガス量を確保するためにガス供給圧を相当高める必要が生じ、ガス供給用のブロア等によるシステムの内部電力消費が増大し、結果として発電効率が下がる問題がある。
（３）特許文献５の構造では、セパレータの両面に燃料ガス空間形成用の突起と酸化剤ガス形成用の突起とを振り分けて形成しており、冷却用空間の形成が全く考慮されていない。

本発明の課題は、金属板材からなるセパレータを用いて、冷却空間の形成も考慮しながらスタックの低背化をより効果的に図ることができ、かつ、スタックを貫通するマニホルドと、セパレータ間に形成されたガス反応空間とのガス流通効率も高めることができる燃料電池スタックを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、
各々金属板材からなる第一セパレータと第二セパレータとが空間を隔てて板厚方向に交互に配置されてなり、第一セパレータの第二主表面側の空間がガス反応用空間として、同じく第一主表面側の空間が冷却空間としてそれぞれ定められてなり、かつ、ガス反応用空間は、板厚方向の途中位置にて固体高分子電解質膜により、第一セパレータ側の燃料ガス空間と第二セパレータ側の酸化剤ガス空間とに区画され、
燃料ガス空間へのガス供給マニホルド、燃料ガス空間からのガス排出マニホルド、酸化剤ガス空間へのガス供給マニホルド及び酸化剤ガス空間からのガス排出マニホルドを個別に形成するために、第一セパレータと第二セパレータとを積層方向に一括して貫く主ガス流通孔の組が、それらマニホルドの種別毎に形成され、かつ、それら各主ガス流通孔の組毎に、
ガス反応用空間を挟んで隣接する第一セパレータと第二セパレータとの間には、対応する主ガス流通孔を取り囲む形で、ガス反応用空間の各主ガス流通孔と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第一区画部材が配置され、
冷却用空間を挟んで隣接する第二セパレータと第一セパレータとの間には、対応する主ガス流通孔を取り囲む形で、ガス反応用空間の各主ガス流通孔と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第二区画部材が配置され、
板厚方向と直交する仮想面への投影において、第一区画部材の外周縁が第二区画部材の内周縁よりも内側に位置し、燃料ガス用の主ガス流通孔の組においては第一セパレータに、また、酸化剤ガス用の主ガス流通孔の組においては第二セパレータに、それぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料ガス空間又は酸化剤ガス空間に出入りさせる副ガス流通孔が、第一区画部材の外周縁と第二区画部材の内周縁とに挟まれた領域において、主ガス流通孔に随伴する形でセパレータの板厚方向に貫通して形成されてなることを特徴とする。

本発明の燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜にて燃料ガス空間と酸化剤ガス空間とに仕切られるガス反応空間に対し、燃料ガス空間を形成するための第一セパレータと、酸化剤ガス空間を形成するための第二セパレータとを個別に設け、交替配列する両セパレータ間の各空間は、一つおきにガス反応空間として利用し、残りを冷却用空間として利用できるので、冷却効率の良好な燃料電池スタックが実現する（（３）の課題が解決されている）。

そして、各セパレータを貫通して形成されるマニホルド用の主ガス流通孔の内側は、ガス反応空間側においては第一区画部材により分離し、冷却用空間側においては第二区画部材により分離する。このマニホルドは、ガス反応空間をなす燃料ガス空間と酸化剤ガス空間とのいずれかと連通させなければならないが、本発明ではこの連通構造を、第一区画部材への横穴形成ではなく、セパレータに厚さ方向の貫通孔、つまり副ガス流通孔を形成することにより実現する。具体的には、冷却用空間側の第二区画部材をガス反応空間側の第一区画部材よりも面内外側に配置し、両区画部材の間に位置する領域に副ガス流通孔を形成する。これにより、冷却用空間の主ガス流通孔の周囲部分を横方向のガス流通路として流用することができ、これとセパレータの厚さ方向に形成された副ガス流通孔とを介して、マニホルドとガス反応空間とを連通させることができる。第一区画部材は横穴形成されないので、面内のガス流通を確保できる範囲内でその高さを大幅に減ずることができ、燃料電池スタックの低背化に大いに寄与する（（１）の課題が解決されている）。また、冷却用空間側の主ガス流通孔の周囲領域は横方向のガス流通となるが、特許文献５のような枠部材への横穴形成といった制約を受けることなく、空間高さ方向に広く流通断面を確保できる。他方、セパレータを貫通する副ガス流通孔は、孔面積を増加させる場合も、セパレータ面内への拡張を考えればよいので容易である。その結果、マニホルドとガス反応空間との連通部におけるガス流通抵抗も大幅に減少でき、ガス反応空間へのガス供給効率を高めることができる（（２）の課題が解決されている）。なお、各マニホルドの内径、副ガス流通孔の数及び内径は、必要に応じて任意に選択できる。

第一区画部材の内周面と、該第一区画部材を間に挟んで位置する第一セパレータ及び第二セパレータの各主ガス流通孔の内周面とは、（同一平面形状（例えば円形）として）これらを互いに一致するように配置することで、筒状のマニホルド本体を形成できる。第一区画部材とセパレータとの内周面が一致することで、流体抵抗の小さい平滑な内周面を有したマニホルド本体が実現できる。また、第二区画部材の内周面と、該第二区画部材を間に挟んで位置する第一セパレータ及び第二セパレータの各主ガス流通孔の周縁領域とは、マニホルド本体からセパレータの板面方向に鍔状に突出するマニホルド分岐部を形成する。該マニホルド分岐部が副ガス流通孔を介して燃料ガス空間又は酸化剤ガス空間と連通することになる。該マニホルド分岐部では横方向のガス流通となるが、冷却用空間を高さ方向一杯に利用して形成されるものなので、ガス流通抵抗も小さくて済む。

第一区画部材と第二区画部材とは、第一セパレータ側に面した端面と第二セパレータに面した端面との一方を対応するセパレータに接着し、セパレータ組み立て時に反対側の端面を他方のセパレータの主表面と密着させることができる。区画部材をセパレータと一体化することで、燃料電池スタックを組み立てる際に、小さな区画部材を位置決めハンドリングする手間が省かれるとともに、区画部材の位置ずれも生じにくい。

より具体的には、第一セパレータ又は第二セパレータに対し、副ガス流通孔が随伴する主ガス流通孔を各々取り囲む形で、第一区画部材を同じセパレータの一方の主表面に、第二区画部材を同じセパレータの他方の主表面にそれぞれ接着することができる。この場合、それら接着された第一区画部材と第二区画部材との間に位置するセパレータ領域に、副ガス流通孔を形成できる。また、本発明の燃料電池用金属セパレータは、該構成における燃料電池スタックの第一セパレータ又は第二セパレータとして使用され、副ガス流通孔が随伴する主ガス流通孔を各々取り囲む形で、第一区画部材がセパレータの一方の主表面に、第二区画部材がセパレータの他方の主表面にそれぞれ接着されてなり、それら接着された第一区画部材と第二区画部材との間に位置するセパレータ領域に、副ガス流通孔が形成されてなることを特徴とする。

この構造によると、第一セパレータと第二セパレータとを積層するだけで、２つの区画部材の位置決め配置が自動的に完了するだけでなく、区画部材の非接着側の端面は、その密着先となるセパレータの主表面に副ガス流通孔が必然的に非存在となるので、セパレータ積層時に第一セパレータと第二セパレータとの間に面内方向の位置ずれが生じても、区画部材と副ガス流通孔との相対的な位置関係は接着によりはじめから規制されているので、副ガス流通孔が区画部材にて塞がれる心配が全くない利点を有する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の燃料電池スタックの一例を積層形態にて模式的に説明するものである。該燃料電池スタック１は、各々金属板材からなる第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとが空間を隔てて板厚方向に交互に配置されてなり、第一セパレータ１０ａの第二主表面側の空間がガス反応用空間ＧＲＳとして、同じく第一主表面側の空間が冷却空間ＣＳとしてそれぞれ定められている。また、ガス反応用空間ＧＲＳは、板厚方向の途中位置にて固体高分子電解質膜３により、第一セパレータ１０ａ側の燃料ガス空間ＦＧＳと第二セパレータ１０ｂ側の酸化剤ガス空間ＯＧＳとに区画されている。セパレータ１０ａ，１０ｂは、主表面を含む表層部が少なくとも金属材料で構成された板状体、例えばニッケル基合金やステンレス鋼などの金属材料板か、基材シート表面に金属メッキ等の導電処理を施した複合材料板で構成される。

固体高分子電解質膜３はスルホン酸基を含むフッ素樹脂にて形成され、これを挟む形で一対の電極層２，４を有し、該固体高分子電解質膜３と電極２，４とによりなる単位電池本体５を有する。具体的には、固体高分子電解質膜３の第一主表面が第一電極層２で覆われ、該第一電極層２上に拡散層形成用の多孔質導電性シート２ｃ（例えばカーボンペーパー）が配置され、さらに燃料ガス空間ＦＧＳを形成する凹部２１を有した第一セパレータ１０ａが積層されている。また、同じく固体高分子電解質膜３の第二主表面は第二電極層４で覆われ、該第二電極層４上に拡散層形成用の多孔質導電性シート４ｃ（例えばカーボンペーパー）が配置され、さらに、酸化剤ガス空間ＯＧＳを形成する凹部２１を有した第二セパレータ１０ｂが積層されている。

単位電池本体５とセパレータ１０とを単位セルＵとして、この単位セルＵが複数積層される。単位セルＵはたとえば５０〜４００個程度積層され、その積層体の両端に、単位セルＵと接触する側から、集電板８、絶縁シート７及び締め付け板６がそれぞれ配置されて、燃料電池スタック１とされる。集電板８と複数の単位セルＵとは直列に接続され、複数の単位電池本体５からの電流が集められることになる。

燃料電池スタック１には、各燃料ガス空間ＦＧＳ及び酸化剤ガス空間ＯＧＳに対し燃料ガスないし酸化剤ガスを出入りさせるためのマニホルドが積層方向に形成される。図３に示すように、燃料ガス用の第一セパレータ１０ａには、燃料ガス空間ＦＧＳへのガス供給マニホルド６１Ａ、及び燃料ガス空間ＦＧＳからのガス排出マニホルド６１Ｂを形成するための補助凹部３１Ａ，３１Ｂが形成されている。また、図４に示すように、酸化剤ガス用の第二セパレータ１０ｂにも、酸化剤ガス空間ＯＧＳへのガス供給マニホルド６１Ａ及び酸化剤ガス空間ＯＧＳからのガス排出マニホルド６１Ｂを形成するための補助凹部３１Ａ，３１Ｂが形成されている。

具体的には、第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとを積層方向に一括して貫く主ガス流通孔３３の組が、上記マニホルドの種別毎に形成されている。各マニホルドの形成形態は種別によらず同じである。図２はその構成概念を断面にて示すものである。各主ガス流通孔３３の組毎に、以下のような構造が形成されている。すなわち、ガス反応用空間ＧＲＳを挟んで隣接する第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとの間には、対応する主ガス流通孔３３を取り囲む形で、ガス反応用空間ＧＲＳの各主ガス流通孔３３と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第一区画部材３７が配置されている。

冷却用空間を挟んで隣接する第二セパレータ１０ｂと第一セパレータ１０ａとの間には、対応する主ガス流通孔３３を取り囲む形で、ガス反応用空間ＧＲＳの各主ガス流通孔３３と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第二区画部材３５が配置されている。板厚方向と直交する仮想面への投影において、第一区画部材３７の外周縁は第二区画部材３５の内周縁よりも内側に位置している。

そして、燃料ガス用の主ガス流通孔３３の組においては第一セパレータ１０ａに、また、酸化剤ガス用の主ガス流通孔３３の組においては第二セパレータ１０ｂに、それぞれ燃料ガスＦＧ又は酸化剤ガスＯＧを燃料ガス空間ＦＧＳ又は酸化剤ガス空間ＯＧＳに出入りさせる副ガス流通孔３４が形成されている。副ガス流通孔３４は、第一区画部材３７の外周縁と第二区画部材３５の内周縁とに挟まれた領域において、主ガス流通孔３３に随伴する形でセパレータ１０ａ，１０ｂの板厚方向に貫通して形成されている。

第一区画部材３７の内周面（円筒面である）と、該第一区画部材３７を間に挟んで位置する第一セパレータ１０ａ及び第二セパレータ１０ｂの各主ガス流通孔３３の内周面（円筒面である）とは、互いに一致するように配置されて筒状のマニホルド本体６１ｍが形成されている。他方、第二区画部材３５の内周面（円筒面である）と、該第二区画部材３５を間に挟んで位置する第一セパレータ１０ａ及び第二セパレータ１０ｂの各主ガス流通孔３３の周縁領域とは、マニホルド本体６１ｍからセパレータの板面方向に鍔状に突出するマニホルド分岐部６１ｓを形成している。そして、該マニホルド分岐部６１ｓが副ガス流通孔３４を介して燃料ガス空間ＦＧＳ又は酸化剤ガス空間ＯＧＳと連通している。

第一区画部材３７と第二区画部材３５とは、第一セパレータ１０ａ側に面した端面と第二セパレータ１０ｂに面した端面との一方が、対応するセパレータ１０ａ，１０ｂに接着され、セパレータ組み立て時に反対側の端面が他方のセパレータの主表面と直接又は他部材を介して間接的に当接するようになっている。本実施形態では、第一区画部材３７が、後述の膜保持用シール部材５０，５０を介して相手側のセパレータとの間で、固体高分子電解質膜３を挟みつけて保持するようになっている（なお、相手側のセパレータに、第一区画部材３７に対応した補助区画部材３７’を設け、該補助区画部材３７’と第一区画部材３７との間で膜保持用シール部材５０，５０及び固体高分子電解質膜３を挟みつけてもよい）。図３及び図４に示すように、第一セパレータ１０ａ又は第二セパレータ１０ｂに対し、副ガス流通孔３４が随伴する主ガス流通孔３３（これらは補助凹部３１Ａ，３１Ｂに形成されている）を各々取り囲む形で、第一区画部材３７が同じセパレータの一方の主表面に、第二区画部材３５が同じセパレータの他方の主表面にそれぞれ接着されている。そして、それら接着された第一区画部材３７と第二区画部材３５との間に位置するセパレータ領域に、副ガス流通孔３４が形成されている。

上記の燃料電池スタック１では、固体高分子電解質膜３にて燃料ガス空間ＦＧＳと酸化剤ガス空間ＯＧＳとに仕切られるガス反応空間ＧＲＳに対し、燃料ガス空間ＦＧＳを形成するための第一セパレータ１０ａと、酸化剤ガス空間ＯＧＳを形成するための第二セパレータ１０ｂとを個別に設け、交替配列する両セパレータ間の各空間は、一つおきにガス反応空間ＧＲＳとして利用し、残りを冷却用空間ＣＳとして利用できるので、冷却効率の良好な燃料電池スタック１が実現する。

そして、各セパレータ１０ａ，１０ｂを貫通して形成されるマニホルド用の主ガス流通孔３３の内側は、ガス反応空間ＧＲＳ側においては第一区画部材３７により分離し、冷却用空間ＣＳ側においては第二区画部材３５により分離する。各マニホルド（図２では６１Ａ，６１Ｂ）は、ガス反応空間ＧＲＳをなす燃料ガス空間ＦＧＳと酸化剤ガス空間ＯＧＳとのいずれかと連通させなければならないが、本発明ではこの連通構造を、第一区画部材３７への横穴形成ではなく、セパレータ１０ａ，１０ｂに厚さ方向の貫通孔、つまり副ガス流通孔３４を形成することにより実現する。具体的には、冷却用空間ＣＳ側の第二区画部材３５をガス反応空間ＧＲＳ側の第一区画部材３７よりも面内外側に配置し、両区画部材の間に位置する領域に副ガス流通孔３４を形成する。これにより、冷却用空間ＣＳの主ガス流通孔３３の周囲部分、つまりマニホルド分岐部６１ｓを横方向のガス流通路として流用することができ、これとセパレータ１０ａ，１０ｂの厚さ方向に形成された副ガス流通孔３４とを介して、マニホルドとガス反応空間ＧＲＳとを連通させることができる。第一区画部材３７は横穴形成されないので、面内のガス流通を確保できる範囲内でその高さを大幅に減ずることができ、燃料電池スタック１の低背化に大いに寄与する。また、この構造では、マニホルド分岐部６１ｓにおいて横方向のガス流通となるが、冷却用空間ＣＳを高さ方向一杯に利用して形成されるものなので、ガス流通抵抗も小さくて済む。

以下、本実施形態について、さらに詳しく説明する。図６に示すように、本実施形態の補助凹部３１Ａ，３１Ｂにおいては、直径の異なる円環状に形成された第一区画部材３７と第二区画部材３５とが主ガス流通孔３３の周りに同心的に配置されている。副ガス流通孔３４は、第一区画部材３７と第二区画部材３５との間に位置する円環状の領域の周方向に沿って複数個（ここでは一定の間隔で）形成されている。これにより、主ガス流通孔３３の周囲にて、副ガス流通孔３４を経由したガス反応空間ＧＲＳとマニホルド分岐部６１ｓとの間のガスの流通をよりスムーズに行なうことができる。

図３及び図４に示すように、第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとの積層体に対し、燃料ガス用のマニホルド６１Ａ，６１Ｂと酸化剤ガス用のマニホルド１６１Ａ，１６１Ｂとは、面内方向の互いに異なる位置に形成されている。図３に示すように、燃料ガス用のマニホルド６１Ａ，６１Ｂにおいては、副ガス流通孔３４が随伴する主ガス流通孔３３が第一セパレータ１０ａにのみ、選択的に形成されている。また、図４に示すように、酸化剤ガス用のマニホルド１６１Ａ，１６１Ｂにおいては、副ガス流通孔３４が随伴する主ガス流通孔３３が第二セパレータ１０ｂにのみ、選択的に形成されている。これにより、面積の限られた各セパレータ１０ａ，１０ｂの面内に、種別の異なるガス用のマニホルド６１Ａ，６１Ｂ及び１６１Ａ，１６１Ｂを効率的に形成できる。

本実施形態では、図３及び図４に示すように、第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとの積層体に対し、燃料ガス空間ＦＧＳへのガス供給マニホルド６１Ａ、燃料ガス空間ＦＧＳからのガス排出マニホルド６１Ｂ、酸化剤ガス空間ＯＧＳへのガス供給マニホルド１６１Ａ及び酸化剤ガス空間ＯＧＳからのガス排出マニホルド１６１Ｂが、積層面内において四辺形の各頂点に位置する形で、燃料ガス用のマニホルド６１Ａ，６１Ｂと酸化剤ガス用のマニホルド１６１Ａ，１６１Ｂとが交互に配列するように形成されている。すなわち、上記の四辺形（図３及び図４において蛇行形態の溝２１が形成されている領域）領域をガス反応空間ＧＲＳ（すなわち、燃料ガス空間ＦＧＳ及び酸化剤ガス空間ＯＧＳ）として利用する場合、第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとのいずれにおいても、四辺形状の燃料ガス空間ＦＧＳないし酸化剤ガス空間ＯＧＳには、いずれも対角位置にガス供給マニホルド６１Ａ，１６１Ａ及びガス排出マニホルド６１Ｂ，１６１Ｂが形成されるので、燃料ガス空間ＦＧＳないし酸化剤ガス空間ＯＧＳへガスを均一かつ効率よく流通させることができ、かつ、燃料ガス側と酸化剤ガス側とでは異なる対角位置にマニホルドが形成されるので、２種のガスの通路が干渉し合うこともない。なお、

次に、第一セパレータ１０ａには第二主表面側と、第二セパレータ１０ｂの第一主表面側には、固体高分子電解質膜３との間に燃料ガス空間ＦＧＳ又は酸化剤ガス空間ＯＧＳを形成するためのガス空間用凹部（２１，３６Ａ，３６Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ）が、金属板材の成型加工（例えば金型プレス加工）により開口形成されている。図３及び図４において、各セパレータ１０ａ，１０ｂの第一主表面側と第二主表面側の凹凸状態を示している。図中、ハッチングを施していない領域は施してある領域よりも引っ込んでいること（つまり、凹となっていること）を示している。そして、この凹部の形成領域内に、副ガス流通孔３４の随伴した主ガス流通孔３３が形成されている。セパレータ１０ａ，１０ｂに凹部形成することで、スペーサ等を別途設けることなく、各セパレータ１０ａ，１０ｂ間にガス反応空間ＧＲＣを容易に形成でき、しかも凹部の一部がマニホルド分岐部６１ｓの形成にも寄与する。図３及び図４に示すように、具体的には、副ガス流通孔３４の随伴した主ガス流通孔３３を形成する補助凹部の裏面を、第二区画部材３５すなわちマニホルド分岐部６１ｓの形成に利用できる。

この場合、凹部はガス流通溝部３６Ａ，２１，３６Ｂを有するものとして形成できる。本実施形態では、該溝部３６Ａ，２１，３６Ｂのガス入口側の端部とガス出口側の端部に、副ガス流通孔３４の随伴した主ガス流通孔３３を形成するための補助凹部３１Ａ，３１Ｂが連通する形で形成されている。供給用のマニホルドから導入されたガスを、上記の溝部３６Ａ，２１，３６Ｂに沿ってガス反応空間ＧＲＣの面内に偏りなく導くことができ、ひいては燃料電池の動作効率の向上に寄与する。

本実施形態においては、図３及び図４に示すように、ガス流通溝部３６Ａ，２１，３６Ｂは、セパレータ１０ａ，１０ｂの面内にて予め定められた距離を隔てて対向する１対の第一溝部３６Ａ，３６Ｂと、該第一溝部３６Ａ，３６Ｂ同士を複数箇所にて並列につなぐ複数の第二溝部２１とを有する。図５は、図３ないし図４における第二溝部２１の形成形態を模式化して描きなおしたものである。

図３及び図４において、前述の補助凹部３１Ａ，３１Ｂは１対の第一溝部３６Ａ，３６Ｂのそれぞれに形成されている。具体的にはガス供給側の補助凹部３１Ａと、ガス排出側の補助凹部３１Ｂとが設けられ、各補助凹部３１Ａ，３１Ｂが、対応する第一溝部３６Ａ，３６Ｂの互いに異なる端部側に形成されている（なお、図５に一点鎖線で示すように、補助凹部３１Ａ，３１Ｂが、対応する第一溝部３６Ａ，３６Ｂの長手方向における途中位置に形成されていてもよい）。複数の第二溝部２１のそれぞれは、１対の第一溝部３６Ａ，３６Ｂの間で蛇行形態に形成されている。該蛇行形態の第二溝部２１は、１対の第一溝部３６Ａ，３６Ｂの対向する内縁位置に蛇行の折り返えし点が設定されている。

図３及び図４に示すように、第一セパレータ１０ａの第一主表面と第二セパレータ１０ｂの第二主表面には、板面の外周縁に沿って環状のガス封止用溝部４０が開口形成されている。ガス封止用溝部４０は、反対側の主表面（つまり、ガス反応空間ＧＲＣを形成する側の主表面）においては、ガス空間用凹部（ガス流通溝部）３６Ａ，２１，３６Ｂを区画する凸状部を形成する。そして、図８に示すように、該ガス封止用溝部４０の内周縁に沿って冷却媒体封止用シール部材４１が配置される。冷却媒体封止用シール部材４１の高さは、補助凹部３１Ａ，３１Ｂの深さ、セパレータ１０ａ，１０ｂを構成する金属板材の厚み及び第二区画部材３５の合計に対応した設定されている。第一セパレータ１０ａと第二セパレータ１０ｂとの各ガス封止用溝部４０は、冷却媒体封止用シール部材４１を挟んで開口側が対向配置され、冷却空間ＣＳを形成する。図３及び図４に示すように、ガス封止用溝部４０の底には、冷却空間ＣＳに水等の冷却流体を供給する冷却流体用貫通孔３９が形成される（ガス反応空間ＧＲＣ側では、２つのセパレータ１０ａ，１０ｂの間において、該冷却流体用貫通孔３９の周囲が図示しない冷却流体シール部材でシールされる）。

図７に示すように、固体高分子電解質膜３の周縁部は、第一セパレータ１０ａの第二主表面の周縁部に沿って配置された膜保持用シール部材５０と、第二セパレータ１０ｂの第一主表面の周縁部に配置された膜保持用シール部材５０との間でシール保持される。該膜保持用シール部材５０の内周縁は、ガス封止用溝部４０の底部裏面の内周縁に対応した形状とされる。図８に示すように、第一区画部材３７（一方のセパレータ１０ａ（１０ｂ）の補助凹部３１Ａ，３１Ｂの内側底面に配置されている）は、膜保持用シール部材５０を介して他方のセパレータ１０ｂ（１０ａ）の主表面に当接している。そして、膜保持用シール部材５０，５０の間に固体高分子電解質膜３を配置し、第一区画部材３７と他方のセパレータ１０ｂとの間でこれらを挟みつけて保持することで、第一区画部材３７の内側の主ガス流通孔３３の周囲のシール効果を一層高めることができる（なお、固体高分子電解質膜３には主ガス流通孔３３の位置に貫通孔が形成され、ガス流通が妨げられないようになっている）。

図３の第一セパレータ１０ａと図４の第二セパレータ１０ｂとは、互いに異なる対角位置を選ぶ形で副ガス流通孔３４が随伴する主ガス流通孔３３が形成され、残余の対角位置には副ガス流通孔３４が随伴しない主ガス流通孔３３が形成されている。これらを、図示通りの位置関係にて図７に示すように交互に積層すると、燃料ガス用のマニホルド６１Ａ，６１Ｂと酸化剤ガス用のマニホルド１６１Ａ，１６１Ｂとにおいて、それぞれ、副ガス流通孔３４が随伴する主ガス流通孔３３と、副ガス流通孔３４が随伴しない主ガス流通孔３３とが交互に配置される構造が得られる。この場合、副ガス流通孔３４が随伴しない主ガス流通孔３３の位置に補助凹部３１Ａ，３１Ｂを非形成としておく。すると、図８に示すように、一方のセパレータ１０ａ（１０ｂ）の補助凹部３１Ａ，３１Ｂの底部裏面に、第二区画部材３５の一方の端面が当接する一方、該二区画部材３５の他方の端面を、隣接する他方のセパレータ１０ｂ（１０ａ）の、補助凹部３１Ａ，３１Ｂが非形成となっている主表面領域に当接させることができる。この場合、第一区画部材３７を補助凹部３１Ａ，３１Ｂ内にて補助凹部３１Ａ，３１Ｂの深さに対応する高さにて形成することができる。

本発明の燃料電池スタックを積層形態にて模式的に示す図。 本発明の燃料電池スタックの、ガス反応空間とマニホルドとの連通部構造を模式的に示す図。 第一セパレータの実施形態を示す平面図、裏面図及びＡ−Ａ断面図。 第二セパレータの実施形態を示す平面図、裏面図及びＡ−Ａ断面図。 第一セパレータ及び第二セパレータにおけるガス流通溝部の形成形態を概念的に示す図。 図３における主ガス流通孔、副ガス流通孔、第一区画部材及び第二区画部材の周辺を拡大して示す平面図。 本発明の燃料電池スタックの積層形態を具体的に例示して示す断面図。 図７のガス反応空間とマニホルドとの連通部構造を拡大して示す断面図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
３ 固体高分子電解質膜
１０ａ 第一セパレータ
１０ｂ 第二セパレータ
３３ 主ガス流通孔
３４ 副ガス流通孔
３７ 第一区画部材
３５ 第二区画部材
６１Ａ，１６１Ａ ガス供給マニホルド
６１Ｂ，１６１Ｂ ガス排出マニホルド
６１ｍ マニホルド本体
６１ｓ マニホルド分岐部
ＧＲＳ ガス反応用空間
ＦＧＳ 燃料ガス空間
ＯＧＳ 酸化剤ガス空間

Claims (9)

1. 各々金属板材からなる第一セパレータと第二セパレータとが空間を隔てて板厚方向に交互に配置されてなり、第一セパレータの第二主表面側の空間がガス反応用空間として、同じく第一主表面側の空間が冷却空間としてそれぞれ定められてなり、かつ、前記ガス反応用空間は、前記板厚方向の途中位置にて固体高分子電解質膜により、第一セパレータ側の燃料ガス空間と第二セパレータ側の酸化剤ガス空間とに区画され、
   前記燃料ガス空間へのガス供給マニホルド、前記燃料ガス空間からのガス排出マニホルド、前記酸化剤ガス空間へのガス供給マニホルド及び前記酸化剤ガス空間からのガス排出マニホルドを個別に形成するために、前記第一セパレータと前記第二セパレータとを積層方向に一括して貫く主ガス流通孔の組が、それらマニホルドの種別毎に形成され、かつ、それら各主ガス流通孔の組毎に、
   前記ガス反応用空間を挟んで隣接する第一セパレータと第二セパレータとの間には、対応する主ガス流通孔を取り囲む形で、前記ガス反応用空間の各主ガス流通孔と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第一区画部材が配置され、
   前記冷却用空間を挟んで隣接する第二セパレータと第一セパレータとの間には、対応する主ガス流通孔を取り囲む形で、前記ガス反応用空間の各主ガス流通孔と連通する一部分を、残余の空間部分から区画する環状の第二区画部材が配置され、
   前記板厚方向と直交する仮想面への投影において、前記第一区画部材の外周縁が前記第二区画部材の内周縁よりも内側に位置し、燃料ガス用の主ガス流通孔の組においては前記第一セパレータに、また、酸化剤ガス用の主ガス流通孔の組においては前記第二セパレータに、それぞれ前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記燃料ガス空間又は前記酸化剤ガス空間に出入りさせる副ガス流通孔が、前記第一区画部材の外周縁と前記第二区画部材の内周縁とに挟まれた領域において、前記主ガス流通孔に随伴する形でセパレータの板厚方向に貫通して形成されてなることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記第一区画部材の内周面と、該第一区画部材を間に挟んで位置する前記第一セパレータ及び前記第二セパレータの各前記主ガス流通孔の内周面とが互いに一致するように配置されて筒状のマニホルド本体が形成され、他方、前記第二区画部材の内周面と、該第二区画部材を間に挟んで位置する前記第一セパレータ及び前記第二セパレータの各主ガス流通孔の周縁領域とが、前記マニホルド本体からセパレータの板面方向に鍔状に突出するマニホルド分岐部を形成し、該マニホルド分岐部が前記副ガス流通孔を介して前記燃料ガス空間又は前記酸化剤ガス空間と連通してなる請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 前記第一区画部材と前記第二区画部材とは、前記第一セパレータ側に面した端面と前記第二セパレータに面した端面との一方が、対応するセパレータに接着され、セパレータ組み立て時に反対側の端面が他方のセパレータの主表面と密着するようになっている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記第一セパレータ又は前記第二セパレータに対し、前記副ガス流通孔が随伴する前記主ガス流通孔を各々取り囲む形で、前記第一区画部材が同じセパレータの一方の主表面に、前記第二区画部材が同じセパレータの他方の主表面にそれぞれ接着されてなり、それら接着された第一区画部材と第二区画部材との間に位置するセパレータ領域に、前記副ガス流通孔が形成されてなる請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 直径の異なる円環状に形成された前記第一区画部材と前記第二区画部材とが前記主ガス流通孔の周りに同心的に配置され、前記副ガス流通孔は前記第一区画部材と前記第二区画部材との間に位置する円環状の領域の周方向に沿って複数個形成されてなる請求項３又は請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記第一セパレータと前記第二セパレータとの積層体に対し、前記燃料ガス用のマニホルドと前記酸化剤ガス用のマニホルドとが、面内方向の互いに異なる位置に形成され、前記燃料ガス用のマニホルドにおいては、前記副ガス流通孔が随伴する前記主ガス流通孔が前記第一セパレータにのみ、前記酸化剤ガス用のマニホルドにおいては、前記副ガス流通孔が随伴する前記主ガス流通孔が前記第二セパレータにのみ、それぞれ選択的に形成されてなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記固体高分子電解質膜との間に前記燃料ガス空間又は前記酸化剤ガス空間を形成するためのガス空間用凹部が、前記第一セパレータには第二主表面側に、前記第二セパレータには第一主表面側にそれぞれ開口するように、前記金属板材の成型加工により形成され、該凹部の形成領域内に、前記副ガス流通孔の随伴した前記主ガス流通孔が形成されている請求項５又は請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記凹部はガス流通溝部を有し、該溝部のガス入口側の端部とガス出口側の端部には、前記副ガス流通孔の随伴した前記主ガス流通孔を形成するための補助凹部が前記溝部と連通する形で形成され、
   前記燃料ガス用のマニホルドと前記酸化剤ガス用のマニホルドとにおいては、それぞれ、前記副ガス流通孔が随伴する前記主ガス流通孔と、前記副ガス流通孔が随伴しない前記主ガス流通孔とが交互に配置されるとともに、該前記副ガス流通孔が随伴しない主ガス流通孔の位置には前記補助凹部が非形成となっており、一方のセパレータの前記補助凹部の底部裏面に前記第二区画部材の一方の端面が当接する一方、該二区画部材の他方の端面が、隣接する他方のセパレータの、補助凹部非形成となっている主表面領域に当接してなる請求項７記載の燃料電池スタック。
9. 前記固体高分子電解質膜の周縁部が、前記第一セパレータの第二主表面の周縁部に沿って配置された膜保持用シール部材と、前記第二セパレータの第一主表面の周縁部に配置された膜保持用シール部材との間でシール保持されるとともに、一方のセパレータの前記第一区画部材は、前記膜保持用シール部材を介して他方のセパレータの主表面との間で前記固体高分子電解質膜を挟みつけて保持する請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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