JP2011233420A - 固体高分子形燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層方向に小型化が可能な燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】
枠体一体型ＭＥＡと；波形に成形された金属セパレータＡおよび金属セパレータＢを、面合わせすることで構成されたセパレータ対と；が交互に積層された燃料電池スタックであって、前記セパレータ対は、前記金属セパレータＡおよび金属セパレータＢの合わせ面の中央部よって構成された冷媒流路と、前記冷媒流路と前記冷媒供給マニホールド孔とを繋ぐ冷媒入口流路と、を有し、前記冷媒入口流路の上流は、前記金属セパレータＡの合わせ面の外周部に形成され、前記冷媒供給マニホールド孔と連通した入口溝Ａによって構成され、前記冷媒入口流路の下流は、前記金属セパレータＢの合わせ面の外周部に形成され、前記中央部と連通した入口溝Ｂによって構成される燃料電池スタック。
【選択図】図１０

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池スタックおよび固体高分子形燃料電池用セパレータ対に関する。本発明は、特に固体高分子形燃料電池を薄型化するための冷媒入口流路、冷媒出口流路および冷媒シール部材の構造に特徴を有する。

高分子形燃料電池スタック（以下単に「燃料電池スタック」とも称する）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体を有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するガス流路を有する。セパレータはさらに運転中の燃料電池スタックの温度を制御するための冷媒が流れる冷媒流路を有する。

燃料電池スタックでは、セル間の流体（反応ガスまたは冷媒）のシールを確実にし、かつセル間の接触抵抗を下げるために、セルの積層方向に圧力が加えられる。

上述のようにセパレータは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）や冷媒が流れる流路を有する。燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒は、それぞれ独立した流路に流通させる必要があるため、燃料電池スタックは、各流路間を密閉するシール部材を有する（例えば特許文献１参照）。

図１は、特許文献１に開示された燃料電池スタック１の分解斜視図である。図１に示されるように燃料電池スタック１では、ＭＥＡとＭＥＡの外周を囲む枠体とからなる枠体一体型ＭＥＡ１４と、枠体一体型ＭＥＡ１４を挟む一対のセパレータ（アノードセパレータ１５Ａおよびカソードセパレータ１５Ｂ）とからなる燃料電池単セル２が積層されている。特許文献１の燃料電池スタック１が有するセパレータは、金属板をプレス加工で波形に成形することで製造された、金属セパレータである。

図２Ａはアノードセパレータ１５Ａの枠体一体型ＭＥＡ１４との接触面の裏面の拡大図である。図２Ａに示されるように、アノードセパレータ１５Ａは、流路が形成された中央部４１と、中央部４１を囲む外周部４３とを有する。外周部４３は冷媒が通る冷媒供給マニホールド孔２２と、冷媒供給マニホールド孔２２と冷媒流路とを繋ぐ冷媒入口流路５１と、を有する。また、アノードセパレータ１５Ａは、冷媒が冷媒入口流路５１から外部にリークすることを防止するため、シール部材２８Ｂを有する。

図２Ｂはカソードセパレータ１５Ｂの枠体一体型ＭＥＡ１４と接触面の拡大図である。図２Ｂに示されるように、カソードセパレータ１５Ｂも、流路が形成された中央部４１と、中央部４１を囲む外周部４３とを有する。外周部４３は酸化ガスが通る酸化ガス供給マニホールド孔２３と、酸化ガス供給マニホールド孔２３と酸化ガス流路とを繋ぐ酸化ガス入口流路６１とを有する。また、カソードセパレータ１５Ｂは、酸化ガスが酸化ガス入口流路６１から外部にリークすることを防止するため、シール部材２８Ｃを有する。

図３Ａは特許文献１に開示された燃料電池スタック１の図２Ａおよび図２ＢにおけるＡＡ線による断面図である。図３Ａに示されるように、燃料電池スタック１では、隣接するアノードセパレータ１５Ａの外周部とカソードセパレータ１５Ｂと外周部の間にシール部材（２７、２８Ｂ）が配置される。このため、燃料電池スタック１では、隣接するアノードセパレータ１５Ａの外周部とカソードセパレータ１５Ｂの外周部とが直接接触しない。

また、特許文献１では、燃料電池スタック１にセルの積層方向の圧力（以下単に「締結圧」とも称する）を加えたときに、セパレータがゆがむことを防止するために、セパレータの外周部に凹凸形状（３１、３２）を設けている。

セパレータの外周部が凹凸形状（３１、３２）を有さなかった場合、図３Ｂに示されるように、締結圧を加えたとき、セパレータが変形し、冷媒入口流路５１や酸化ガス入口流路６１などが閉塞することがある。

特開２００６−１４７２５８号公報

しかしながら、隣接するセパレータ間にシール部材が配置され、隣接するセパレータの外周部同士が直接接触しない燃料電池スタックでは、仮にゆがみ防止のための凹凸形状を設けたとしても、締結圧によってセパレータが変形しやすかった。セパレータが変形すると、シールの信頼性が低下し、反応ガスや冷媒が外部に漏れ出す可能性があった。

また、特許文献１に記載された燃料電池スタック１のように、冷媒入口流路や反応ガス入口流路を形成する外周部が、ゆがみ防止のための凹凸形状を有すると、冷媒入口流路や反応ガス入口流路の圧力損失が増大し、冷媒流路または反応ガス流路に充分な量の流体を供給できなくなる恐れがある。

これらの問題を解決するために、隣接するセパレータ間にシール部材を配置せず、隣接するセパレータの外周部同士を接触させることが考えられる（図４、図５参照）。

図４は、燃料電池スタックにおいて隣接するセパレータ１３０Ａとセパレータ１３０Ｂとの斜視図を示す。図４に示されるように燃料電池スタックでは、隣接するセパレータ１３０Ａとセパレータ１３０Ｂとが面合せされることで、セパレータ対１４０が構成される。

図４に示されるようにセパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂは、外周部１３３に燃料ガス供給マニホールド孔１１０、酸化ガス供給マニホールド孔１１２、冷媒供給マニホールド孔１１４、燃料ガス排出マニホールド孔１１１、酸化ガス排出マニホールド孔１１３および冷媒排出マニホールド孔１１５を有する。

また、セパレータ１３０Ａの面合せされる面（以下単に「合わせ面」とも称する）の外周部１３３Ａは、中央部１３１Ａと冷媒供給マニホールド孔１１４とを繋ぐ冷媒入口流路１４３と、中央部１３１と冷媒排出マニホールド孔１１５とを繋ぐ冷媒出口流路１４５とを有する（図５、図６参照）。一方、セパレータ１３０Ｂの外周部１３３Ｂは、冷媒入口流路および冷媒出口流路を有さず、平坦である。

セパレータ１３０Ａは、合わせ面の裏面（以下単に「裏面」とも称する）の外周部に、燃料ガス供給マニホールド孔１１０および燃料ガス排出マニホールド孔１１１を囲む燃料ガスシール部材１５３Ａと、酸化ガス供給マニホールド孔１１２および酸化ガス排出マニホールド孔１１３を囲む酸化ガスシール部材１５５Ａと、冷媒供給マニホールド孔１１４および冷媒排出マニホールド孔１１５を囲む冷媒シール部材１５７Ａを有する。

一方、セパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂは、合わせ面には、シール部材を有さない。また、図４では、セパレータ１３０Ａとセパレータ１３０Ｂの外周部１３３同士が接触する。一方、冷媒入口流路１４３および冷媒出口流路１４５では、冷媒の流入を確保するため、セパレータ１３０Ａとセパレータ１３０Ｂとは接触しない。

このように、セパレータ１３０Ａの外周部とセパレータ１３０Ｂと外周部同士を接触させることで、締結圧によってセパレータが変形し、シール信頼性が低下することを防止することができる。

また、図４に示されたセパレータ１３０Ａの裏面の外周部１３３Ａは、セパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂの合わせ面の接触面を基準として高くなった面Ｘ（以下単に「高面Ｘ」とも称する）と、セパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂの合わせ面の接触面を基準として高面Ｘよりも低い面（以下「低面Ｙ」とも称する）とを有する。高面Ｘは、冷媒入口流路１４３および冷媒出口流路１４５の裏側に対応する面であり、低面Ｙは、セパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂの合わせ面の接触領域の裏面である。

図４に示されたセパレータ１３０Ａでは、冷媒シール部材１５７Ａは、高面Ｘ上に配置されている。

しかし、図４に示されたセパレータ対１４０を用いると、燃料電池スタックがセルの積層方向に大型化し、燃料電池スタックの小型化が困難であった。以下、図５および図６を参照し、図４に示されたセパレータ対１４０では、燃料電池スタックの小型化が困難である理由について説明する。

図５は、図４に示されたセパレータ対１４０を有する燃料電池スタックの図４のβ線による断面図であり、図６は、図４に示されたセパレータ対１４０を有する燃料電池スタックの図４のγ線による断面図である。

図５および図６に示された燃料電池スタックでは、枠体一体型ＭＥＡ１２０と、２枚のセパレータ（セパレータ１３０Ａおよびセパレータ１３０Ｂ）を面合わせすることで構成されたセパレータ対１４０とが交互に積層されている。

枠体一体型ＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２１とＭＥＡ１２１の外周を囲む枠体１２３とを有する。枠体１２３は、冷媒シール部材１５７を保持する凹部１２４を有する。

図５および図６に示されるように、セパレータ対１４０は、冷媒流路１４１と、冷媒供給マニホールド孔１１４とを繋ぐ冷媒入口流路１４３を有する。

また、冷媒シール部材１５７Ａは、高面Ｘ上に形成されている。このように、シール部材が高面Ｘに配置されると、シール部材を含むセパレータ対１４０の厚さＴ１を、冷媒入口流路の深さと、冷媒シール部材１５７の厚さと、の和未満にすることはできない。

また、このように、冷媒シール部材１５７Ａが高面Ｘに配置される場合、枠体一体型ＭＥＡの枠体を厚くする必要があった。図５および図６に示されるように、冷媒シール部材１５７Ａが高面Ｘに配置される場合、冷媒シール部材１５７を収容する凹部１２４が設けられた領域１２２（以下「最薄部１２２」とも称する）の枠体１２３の厚さが最も薄くなる。

枠体１２３は一定の厚さ以上でなければ成形できない。例えば枠体１２３の材料がポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）である場合、枠体１２３の厚さを０．５ｍｍ未満にすることは困難になる。このため、図５および図６に示されたような燃料電池スタックでは、最薄部１２２の厚さを例えば０．５ｍｍ以上に設定しなければならない。このため、枠体１２３の厚さＴ２を、冷媒入口流路１４３の深さと、冷媒シール部材の高さ、枠体の最薄部１２２の厚さ（例えば０．５ｍｍ）の和未満にすることができない。

また、このような冷媒入口流路１４３は冷媒シール部材によって押しつぶされる恐れがあるため、凹凸形状３１で補強する必要があった。このため、図４〜図６に開示されたセパレータ対１４０では、凹凸形状３１によって冷媒入口流路１４３の圧力損失が高くなるという問題を依然として解決できていない。

このように、冷媒シール部材１５７Ａが高面Ｘ上に配置されると、セパレータ対１４０の厚さＴ１および枠体１２３の厚さＴ２とが増加するので、燃料電池スタックがセルの積層方向に大型化してしまう。

この問題を解決するために冷媒シール部材１５７Ａを低面Ｙに配置することが考えられる。しかしながら冷媒供給マニホールド孔を囲む冷媒シール部材１５７Ａを低面Ｙに配置するためには、冷媒入口流路１４３を横切る低面Ｙを形成することが求められる。図４〜６に示されたようなセパレータ対１４０に、冷媒入口流路１４３を横切る低面Ｙを形成すると、冷媒入口流路１４３が閉塞してしまい、冷媒が冷媒流路１４１に流入できなくなる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、冷媒シール部材が低面に配置され、セル積層方向に小型化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。

［１］ＭＥＡと、前記ＭＥＡの外周を囲み、冷媒供給マニホールド孔を有する枠体と、を有する枠体一体型ＭＥＡと；波形に成形された金属セパレータＡおよび金属セパレータＢを、面合わせすることで構成されたセパレータ対であって、それぞれの前記金属セパレータは、流路を形成する中央部と、前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔を有する外周部と、合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部材とを有する、セパレータ対と；が交互に積層された燃料電池スタックであって、前記枠体は、前記冷媒シール部材を収容する凹部を有し、前記セパレータ対は、前記金属セパレータＡおよび金属セパレータＢの合わせ面の中央部よって構成された冷媒流路と、前記冷媒流路と前記冷媒供給マニホールド孔とを繋ぐ冷媒入口流路と、を有し、前記冷媒入口流路の上流は、前記金属セパレータＡの合わせ面の外周部に形成され、前記冷媒供給マニホールド孔と連通した入口溝Ａによって構成され、前記冷媒入口流路の下流は、前記金属セパレータＢの合わせ面の外周部に形成され、前記中央部と連通した入口溝Ｂによって構成され、前記金属セパレータＡの前記合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部材Ａは、前記冷媒供給マニホールド孔と、前記溝Ａとを囲み、前記金属セパレータＢの前記合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部Ｂは、前記冷媒供給マニホールド孔を囲む、燃料電池スタック。
［２］前記セパレータ対を平面視したとき、前記冷媒シール部材Ａが囲む領域は、前記冷媒シール部材Ｂが囲む領域を包含し、前記冷媒シール部材Ａと前記冷媒シール部材Ｂとは重ならない、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記外周部は、冷媒排出マニホールド孔をさらに有し、前記セパレータ対は、前記冷媒流路と前記冷媒排出マニホールド孔とを繋ぐ冷媒排出流路をさらに有し、前記冷媒排出流路の上流は、前記金属セパレータＢの合わせ面の外周部に形成され、前記中央部と連通した出口溝Ｂによって構成され、前記冷媒排出流路の下流は、前記金属セパレータＡの合わせ面の外周部に形成され、前記冷媒排出マニホールド孔と連通した出口溝Ａによって構成される、［１］または［２］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記金属セパレータＡは、燃料極セパレータであり、前記金属セパレータＢは、空気極セパレータである、［１］〜［３］のいずれかに記載の燃料電池スタック。

本発明によれば、冷媒マニホールド孔を囲む冷媒シール部材を低面に配置することができるので、枠体およびセパレータ対を薄くすることができる。このため、本発明によれば燃料電池スタックをセル積層方向に小型化することができる。

従来の燃料電池スタックの分解斜視図 従来の金属セパレータの平面図 従来の燃料電池スタックの断面図 隣接するセパレータ間にシール部材を有さないセパレータ対の分解斜視図 図４に開示されたセパレータ対を有する、燃料電池スタックの断面図 図４に開示されたセパレータ対を有する、燃料電池スタックの断面図 本発明の燃料電池スタックの斜視図 本発明の燃料電池スタックの断面図 本発明の燃料電池スタックの分解斜視図 本発明のセパレータ対の分解斜視図 冷媒供給マニホールド孔近辺のセパレータ対の拡大斜視図 本発明のセパレータ対の断面の拡大図 本発明のセパレータ対の断面の拡大図 冷媒排出マニホールド孔近辺のセパレータ対の拡大斜視図 本発明のセパレータ対の断面の拡大図 本発明のセパレータ対の断面の拡大図

本発明は、固体高分子形燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに関する。本発明の燃料電池スタックは、冷媒供給マニホールド孔と冷媒流路とを繋ぐ冷媒入口流路の構造を工夫することで、燃料電池スタックの小型化を可能にしたことを特徴とする。

本発明の燃料電池スタックでは、（１）枠体一体型膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下単に「ＭＥＡ」とも称する）と、（２）セパレータ対とが交互に積層される。また、本発明の燃料電池スタックは、さらに、集電板やエンドプレートを有していてもよい（図７参照）。

（１）枠体一体型ＭＥＡ
枠体一体型ＭＥＡは、ａ）ＭＥＡ（膜電極接合体）と、ｂ）枠体とからなる。

ａ）ＭＥＡ（膜電極接合体）
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。

高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。

触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。

触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。

ガス拡散層は、触媒層上に配置され、燃料ガスまたは酸化ガスの通気性と、電子伝導性との両方を併せ持つ。ガス拡散層は炭素繊維の織布または不織布であってもよいし、炭素粉末とバインダからなる多孔質シートであってもよい。ガス拡散層には、触媒層に供給する反応ガスが流れる反応ガス流路を構成する溝が形成されていてもよい。

ｂ）枠体
枠体は、ＭＥＡの外周を囲み、ＭＥＡを保持するための部材である。枠体は、触媒電極がセパレータと接することができるようにＭＥＡを収容する。

枠体は、耐熱性および耐酸性を有することが好ましく、通常は樹脂からなる。このような枠体の材料の例には、ポリプロピレンやポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレングリコールなどが含まれる。

枠体は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド孔、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド孔、酸化ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔、冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド孔、冷媒を排出するための冷媒排出マニホールド孔を有する。

また、枠体は後述するセパレータに設けられたシール部材を収容するための凹部を有する（図１２、符番１２４参照）。枠体がシール部材を収容するための凹部を有することで、枠体一体型ＭＥＡとセパレータ対とを積層するときに、枠体一体型ＭＥＡとセパレータ対との位置決めが容易になる。

枠体は、１）枠体の形状のキャビティが成形された金型を準備し、２）金型のキャビティ内に、上述したような枠体の材料を充填し、冷却し、固体化させることによって成形されてもよい。

（２）セパレータ対
セパレータ対は、２枚のセパレータ（セパレータＡおよびセパレータＢ）を面合せすることで構成された導電性部材である。セパレータ対を構成するセパレータＡとセパレータＢとは接着されていても、接着されていなくてもよい。

セパレータＡおよびセパレータＢの一方は燃料極セパレータであり、他方が空気極セパレータである。本発明では、セパレータＡが燃料極セパレータであり、セパレータＢが空気極セパレータであってもよく；セパレータＡが空気極セパレータであり、セパレータＢが燃料極セパレータであってもよい。

セパレータ対は、反応ガス流路と、冷媒流路と、冷媒供給マニホールド孔とを繋ぐ冷媒入口流路と、冷媒流路と冷媒排出マニホールド孔とを繋ぐ冷媒出口流路と、を有する。さらに、セパレータ対は、冷媒入口流路と冷媒流路との間、および冷媒流路と冷媒出口流路と冷媒分配部との間に冷媒分配部を有していてもよい（図１２、図１５参照）。セパレータ対が有する冷媒入口流路および冷媒出口流路の数は特に限定されないが通常は１０〜１５本である。

セパレータ対は、セパレータＡおよびセパレータＢを面合せすることで構成されることから、セパレータＡおよびセパレータＢは面合せされる面（以下「合わせ面」とも称する）と合わせ面の裏面（以下「裏面」とも称する）を有する。

本発明では、セパレータ対を構成するセパレータは金属板を波形に成形することで製造された金属セパレータである。セパレータＡおよびセパレータＢは、中央部と、外周部と、シール部材と、を有する。

中央部は、反応ガス流路および冷媒流路を形成するための領域である。セパレータＡおよびセパレータＢの裏面の中央部は、反応ガス流路を形成し、セパレータＡおよびセパレータＢの合わせ面の中央部は冷媒流路を形成する。また、中央部は反応ガス分配部および冷媒分配部を形成してもよい。

本発明ではセパレータＡおよびセパレータＢの両方の中央部が波形に成形されていてもよいし（実施の形態１、図８参照）、セパレータＡおよびセパレータＢの一方の中央部のみが波形に成形され、他方の中央部は平坦であってもよい。セパレータＡおよびセパレータＢの一方の中央部のみが波形に成形される場合、ガス拡散層に反応ガス流路を構成する溝が形成される。

外周部は、セパレータの縁を含み中央部を囲む領域である。本発明のセパレータ対では、セパレータＡの合わせ面の外周部と、セパレータＢ合わせ面の外周部とが接触する。

外周部は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド孔、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド孔、酸化ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔、冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド孔、冷媒を排出するための冷媒排出マニホールド孔を有する。

また、合わせ面の外周部は、上述した冷媒入口流路を構成する入口溝と、冷媒出口流路を構成する出口溝と、を有する。本発明は、入口溝および出口溝の構造を工夫することで、冷媒入口流路および冷媒出口流路を閉塞することなく、冷媒入口流路および冷媒出口流路を横切る低面を形成したことを特徴とする。ここで「低面」とは、セパレータＡおよびセパレータＢの合わせ面の接触領域の裏面、ならびにセパレータＡおよびセパレータＢの合わせ面の接触領域の裏面と同じ高さを有する面を意味する。以下入口溝および、出口溝の構造について説明する。

ａ）入口溝の構造について
本発明では、セパレータＡが有する入口溝Ａの構造と、セパレータＢが有する入口溝Ｂの構造が異なることを特徴とする。

具体的には、セパレータＡが有する入口溝Ａは、冷媒供給マニホールド孔と連通し、冷媒流路を形成する中央部と連通していない。このためセパレータＡは、入口溝Ａと中央部との間に低面を有する。一方で、セパレータＢが有する入口溝Ｂは、冷媒流路を形成する中央部と連通し、冷媒供給マニホールド孔と連通していない（図１０、図１２参照）。このためセパレータＢは、冷媒供給マニホールド孔と入口溝Ｂとの間に低面を有する。

このため、本発明では、冷媒入口流路の上流が、入口溝Ａによって構成され、冷媒入口流路の下流が入口溝Ｂによって構成され、そして、冷媒入口流路を横切る低面が、セパレータＡおよびセパレータＢに形成される。

ｂ）出口溝の構造について
入口溝と同様に、本発明では、セパレータＡが有する出口溝Ａの構造と、セパレータＢが有する出口溝Ｂの構造が異なることを特徴とする。

例えば、セパレータＡが有する出口溝Ａが冷媒排出マニホールド孔と連通し、冷媒流路を形成する中央部と連通せず；セパレータＢが有する出口溝Ｂが冷媒流路を形成する中央部と連通し、冷媒排出マニホールド孔と連通しない。または、セパレータＡが有する出口溝Ａが冷媒流路を形成する中央部と連通し、冷媒排出マニホールド孔と連通せず；セパレータＢが有する出口溝Ｂが冷媒排出マニホールド孔と連通し、冷媒流路を形成する中央部と連通しない。

このため、冷媒出口流路の上流が出口溝Ａによって構成され、冷媒出口流路の下流が出口溝Ｂによって構成されるか、または、冷媒出口流路の上流が出口溝Ｂによって構成され、冷媒出口流路の下流が出口溝Ａによって構成される。また、冷媒出口流路を横切る低面が、セパレータＡおよびセパレータＢに形成される。

このように、本発明では、冷媒入口流路および冷媒出口流路の上流および下流を、別々のセパレータに形成された溝で構成することで、冷媒入口流路および冷媒出口流路を閉塞することなく、冷媒入口流路および冷媒出口流路を横切る低面を形成することができる。

シール部材は、反応ガスおよび冷媒をシールするための部材である。シール部材には、セパレータの外周に設けられた外周シール部材と、燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を囲む燃料ガスシール部材と、酸化ガス供給マニホールド孔および酸化ガス排出マニホールド孔を囲む酸化ガスシール部材と、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を囲む冷媒シール部材とが含まれる。

本発明では、シール部は裏面の外周部にのみ設けられ、合わせ面に設けられていないことを特徴とする。このため、本発明では、セパレータＡの外周部とセパレータＢの外周部とが接触する。セパレータＡの外周部とセパレータＢの外周部とが接触すると、締結圧が加えられた場合であっても、セパレータの外周部が変形することはない。このため、本発明のセパレータ対は、シールの信頼性が高い。

また、上述のように本発明は、セパレータＡおよびセパレータＢは冷媒入口流路および冷媒出口流路を横切る低面を有する。このため本発明では、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を囲む冷媒シール部材を低面に配置することができる。

セパレータＡの冷媒シール部材Ａを低面に配置するには、例えば、セパレータＡの冷媒シール部材Ａを、冷媒供給マニホールド孔および入口溝Ａを囲むように配置すればよい。また、セパレータＢの冷媒シール部材Ｂを低面に配置するには、セパレータＢの冷媒シール部材Ｂを、冷媒供給マニホールド孔のみを囲むように配置すればよい。

このように、冷媒シール部材を、外周部の低面に配置することで、シール部材を含むセパレータ対の厚さを減少させることができる。また、冷媒シール部材を外周部の低面に設けることで、全てのシール部材（外周シール部材、燃料ガスシール部材および酸化ガスシール部材）を同一平面（低面）上に形成することが可能となる。全てのシール部材を同一平面上に形成できれば、全てのシール部材の断面および圧縮率を同じ設計にすることが可能となり、各シール部材の耐久性のばらつきを防止することができる。

さらに、セパレータ対を平面視したとき、冷媒シール部材Ａと冷媒シール部材Ｂとは重ならないことが好ましい。例えば、セパレータＡの冷媒シール部材Ａが囲む領域に、セパレータＢの冷媒シール部材Ｂが囲む領域を包含させることで、冷媒シール部材Ａと冷媒シール部材Ｂとが重なることを防止することができる。

冷媒シール部材Ａと冷媒シール部材Ｂとを重ならせないことで、枠体一体型ＭＥＡの枠体の最薄部を減らすことができ、枠体の強度を向上させることができる。このため、枠体を厚くせずとも、枠体の強度を確保することができ、枠体を薄くすることができる。

シール部材の材料は、弾性を有するものであれば特に限定されず、熱硬化性材料であっても、熱可塑性材料であってもよい。熱硬化性材料の例には、シリコーンゴム（ＶＱＭ）やエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などが含まれる。熱可塑性材料の例には、エラストマーなどが含まれる。

また、シール部材の近傍の領域の外周部は段差を有さず、平坦であることが好ましい。より具体的には、シール部材からの距離が０．５ｍｍ以内の領域の外周部は、段差を有さないことが好ましい。シール部材の近傍の領域が平坦でないと、シール部材を成形する際に、金型からシール部材が漏れ、シール部材を所望の形状に成形できない恐れがある。また、シール部材の近傍の領域が平坦でないと、シール部材の形状に合わせた金型を作製することが困難になる。

このように、本発明によれば、セパレータ対および枠体の厚さを薄くすることができるので、燃料電池スタックのセル積層方向の長さを縮めることができる。このため、本発明によれば、燃料電池スタックを小型化することができる。

本発明の効果については、図面の参照しながら詳細に説明する。以下図面を参照し、本発明の燃料電池スタックについて説明する。

図７は本発明の燃料電池スタック１００の斜視図を示す。図７に示されるように燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セルを有する。単セルの積層体は、エンドプレート１０７に挟まれ、締結ボルト１０８およびナット１０９によって固定されている。

また、燃料電池スタック１００は、一方のエンドプレート１０７に燃料ガス供給口１０１、冷媒供給口１０２、酸化ガス供給口１０３、燃料ガス排出口１０４、冷媒排出口１０５および酸化ガス排出口１０６を有する。燃料ガス供給口１０１は、燃料ガス供給マニホールドに連結し；冷媒供給口１０２は、冷媒供給マニホールドに連結し；酸化ガス供給口１０３は、酸化ガス供給マニホールドに連結する。また、燃料ガス排出口１０４は、燃料ガス排出マニホールドに連結し；冷媒排出口１０５は、冷媒排出マニホールドに連結し；酸化ガス排出口１０６は、酸化ガス排出マニホールドに連結する。

図８は、図７に示された燃料電池スタック１００の一点鎖線αによる断面図である。また、図９は、燃料電池スタック１００の分解斜視図の拡大図である。

図８および図９に示されるように、燃料電池スタック１００では、枠体一体型ＭＥＡ１２０とセパレータ対１４０が交互に積層される。セパレータ対１４０は、燃料電池スタック１００において隣り合う金属セパレータ（燃料極セパレータ１３０Ａ、空気極セパレータ１３０Ｂ）によって構成される。

図９に示されるように枠体一体型ＭＥＡ１２０を挟む２つのセパレータ対１４０は、同一の構造を有する。また、図９に示されるように、枠体一体型ＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２１と、ＭＥＡ１２１の外周を囲む枠体１２３とからなる。ＭＥＡ１２１はさらに、高分子電解質膜１２５と、高分子電解質膜１２５をはさむ一対の触媒電極１２７とを有する（図１２参照）。

枠体１２３は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔１１１、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド孔１１２、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔１１３、冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド孔１１４、および冷媒を排出するための冷媒排出マニホールド孔１１５を有する。

図１０は、図９に示されたセパレータ対１４０の分解斜視図である。図１０に示されるように、セパレータ対１４０は、燃料極セパレータ１３０Ａと空気極セパレータ１３０Ｂを面合わせすることで構成される。

それぞれのセパレータ（１３０Ａおよび１３０Ｂ）は、波形に成形された中央部１３１と、中央部１３１を囲む外周部１３３と、外周部１３３に設けられたシール部材とを有する。

中央部１３１の裏面は反応ガス流路１３９を形成し、中央部１３１の合わせ面は冷媒流路１４１を形成する。また、中央部１３１は、反応ガス流路１３９の上流および下流に反応ガス分配部１３２を形成し、冷媒流路１４１の上流および下流に冷媒分配部１４２を形成する。裏面の中央部１３１はＭＥＡ１２１の触媒電極１２７と接触する。

外周部１３３は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド孔１１１、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド孔１１２、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔１１３、冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド孔１１４、および冷媒を排出するための冷媒排出マニホールド孔１１５を有する。

燃料極セパレータ１３０Ａの合わせ面の外周部１３３Ａには、３本の入口溝１３５Ａおよび３本の出口溝１３７Ａが形成されている。入口溝１３５Ａは、冷媒供給マニホールド孔１１４と連通し、中央部１３１Ａと連通していない。また、出口溝１３７Ａは、冷媒排出マニホールド孔１１５と連通し、中央部１３１Ａと連通していない。

このように入口溝１３５Ａは、冷媒供給マニホールド孔１１４と中央部１３１Ａとを直接繋がない。このため、燃料極セパレータ１３０Ａは、入口溝１３５Ａと、中央部１３１Ａとの間に、低面Ｙを有する。同様に、出口溝１３７Ａは冷媒排出マニホールド孔１１４と中央部１３１Ａとを直接繋がない。このため、燃料極セパレータ１３０Ａは、出口溝１３７Ａと、中央部１３１Ａとの間に低面Ｙを有する。

空気極セパレータ１３０Ｂの合わせ面の外周部１３３Ｂには、３本の入口溝１３５Ｂおよび３本の出口溝１３７Ｂが形成されている。入口溝１３５Ｂは、中央部１３１Ｂと連通し、冷媒供給マニホールド孔１１４と連通していない。また、出口溝１３７Ｂは、中央部１３１Ｂと連通し、冷媒排出マニホールド孔１１５と連通していない。

このように入口溝１３５Ｂは冷媒供給マニホールド孔１１４と中央部１３１Ｂとを直接繋がない。このため、空気極セパレータ１３０Ｂは、冷媒供給マニホールド孔１１４と、入口溝１３５Ｂとの間に、低面Ｙを有する。同様に、出口溝１３７Ａは冷媒排出マニホールド孔１１４と中央部１３１Ａとを直接繋がない。このため、空気極セパレータ１３０Ａは、冷媒排出マニホールド孔１１４と、出口溝１３７Ａとの間に低面Ｙを有する。

入口溝１３５および出口溝１３７の幅は、０．８ｍｍ〜２ｍｍであり、深さは、０．２５〜０．５ｍｍであることが好ましい。入口溝１３５および出口溝１３７の幅が２ｍｍ以上であると、締結圧によって溝がつぶされ、冷媒入口流路および冷媒出口流路が閉塞するおそれがある。一方で、入口溝１３５および出口溝１３７の幅が０．８ｍｍ未満であったり、溝の深さが０．２５ｍｍ未満であったりすると、冷媒入口流路および冷媒出口流路の圧力損失が大きくなり、冷媒流路に充分な量の冷媒を供給できなくなるおそれがある。

シール部材には、セパレータの外周に設けられた外周シール部材１５１、燃料ガス供給マニホールド孔１１０および燃料ガス排出マニホールド孔１１１を囲む燃料ガスシール部材１５３と、酸化ガス供給マニホールド孔１１２および酸化ガス排出マニホールド孔１１３を囲む酸化ガスシール部材１５５と、冷媒供給マニホールド孔１１４および冷媒排出マニホールド孔１１５を囲む冷媒シール部材１５７とが含まれる。

外周シール部材１５１は、反応ガスや冷媒が燃料電池スタックの外部に漏れることを防止する。燃料ガスシール部材１５３は、燃料ガスが通るマニホールド孔から燃料ガスが漏れることを防止する。酸化ガスシール部材１５５は、酸化ガスが通るマニホールド孔から酸化ガスが漏れることを防止する。冷媒シール部材１５７は、冷媒が通るマニホールド孔から冷媒が漏れることを防止する。このため、燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒の３つの流体は混ざり合うことはない。

図１０における点線は、図示された空気極セパレータ１３０Ｂの裏面に配置されたシール部材を示す。図１０に示されるように、シール部材はセパレータ１３０の裏面の外周部１３３にのみ設けられ、合わせ面の外周部１３３に設けられていない。また、燃料極セパレータ１３０Ａの外周部１３３Ａと空気極セパレータ１３０Ｂの外周部１３３Ｂとが接触する。このため、締結圧が加えられた場合であっても、セパレータ１３０の外周部１３３が変形することはない。

次に、本発明の特徴である冷媒入口流路１４３および冷媒シール部材１５７について説明する。

図１１は、セパレータ対１４０の冷媒供給マニホールド孔１１４付近の拡大斜視図である。また、図１２は、燃料電池スタック１００の図１１におけるβ線による断面の拡大図であり、図１３は、燃料電池スタックの図１１におけるγ線による断面の拡大図である。

図１２に示されるように、セパレータ対１４０は、冷媒流路１４１と、冷媒分配部１４２と、冷媒入口流路１４３を有する。冷媒入口流路１４３の上流は、入口溝１３５Ａによって構成され、冷媒入口流路１４３の下流は、入口溝１３５Ｂによって構成される。

入口溝１３５Ａと入口溝１３５Ｂとは一部オーバーラップしている。このように、溝１３５Ａと溝１３５Ｂとがオーバーラップすることで冷媒が冷媒入口流路の上流から下流に流れることができる。溝１３５Ａと溝１３５Ｂとがオーバーラップした領域の幅Ｗは、通常１〜２ｍｍである。

図１２に示されるように、冷媒シール部材１５７Ａは、冷媒供給マニホールド孔１１４および入口溝１３５Ａを囲み、入口溝１３５Ａと中央部１３１との間の低面Ｙａ上に配置される。また、冷媒シール部材１５７Ｂは、冷媒供給マニホールド孔１１４を囲み、冷媒供給マニホールド孔１１４と入口溝１３５Ｂとの間の低面Ｙｂ上に配置される。

このため、冷媒シール部材１５７Ａは、入口溝１３５Ｂの配置位置と重なり、冷媒シール部材１５７Ｂは、入口溝１３５Ａの配置位置と重なる。

このように、本発明では、冷媒シール部材１５７が低面Ｙに配置されるので、シール部を含むセパレータ対１４０の厚さＴ１を、セパレータを構成する金属板の厚さと２つの冷媒シール部材の厚さの和まで薄くすることができる。

また、図１１および図１２に示されるように、セパレータ対１４０を平面視したとき、冷媒シール部材１５７Ａによって囲まれる領域は、冷媒シール部材１５７Ｂによって囲まれる領域よりも大きく、冷媒シール部材１５７Ａと冷媒シール部材１５７Ｂとは重ならない。

このように、冷媒シール部材１５７Ａと冷媒シール部材１５７Ｂとが重ならないと、枠体１２３が最も薄くなる領域１２２は、外周シール部材１５１Ａおよび外周シール部材１５１Ｂによって挟まれた領域のみになる。一方、冷媒シール部材１５７Ａと冷媒シール部材１５７Ｂとが重なると、外周シール部材１５１Ａおよび外周シール部材１５１Ｂによって挟まれた領域および外周シール部材１５７Ａおよび外周シール部材１５７Ｂによって挟まれた領域が最も薄くなり、枠体１２３が最も薄くなる領域１２２が増加する（図５参照）。

枠体１２３が最も薄くなる領域が増加するとその分、枠体１２３の強度が低下するので、その分、枠体１２３の厚みを増加させる必要がある。

一方、本発明のように、枠体１２３の薄くなる領域が少ないと、枠体１２３を厚くしなくとも枠体が強度を確保することができる。このため、枠体１２３の薄くなる領域が増加した場合と比較して、枠体１２３を薄くすることができる。

次に、冷媒出口流路および冷媒シール部材１５７について説明する。

図１４は、セパレータ対１４０の冷媒排出マニホールド孔１１５付近の拡大斜視図である。また、図１５は、燃料電池スタック１００の図１４におけるβ線による断面の拡大図であり、図１６は、燃料電池スタック１００の図１４におけるγ線による断面の拡大図である。

図１６に示されるように、セパレータ対１４０は、冷媒分配部１４２と冷媒排出マニホールド孔１１４を繋ぐ冷媒出口流路１４５を有する。冷媒出口流路１４５の上流は、出口溝１３７Ｂによって構成され、冷媒出口流路１４５の下流は、出口溝１３７Ａによって構成される。

出口溝１３７Ｂと出口溝１３７Ａとは一部オーバーラップしている。このように、出口溝１３７Ｂと出口溝１３７Ａとがオーバーラップすることで冷媒が冷媒出口流路の上流から下流に流れることができる。出口溝１３７Ｂと出口溝１３７Ａとがオーバーラップした領域の幅Ｗは、通常１〜２ｍｍである。

図１４〜図１６に示されるように、冷媒シール部材１５７Ａは、冷媒排出マニホールド孔１１５および出口溝１３７Ａを囲み、出口溝１３７Ａと中央部１３１との間の低面Ｙａ上に配置される。また、冷媒シール部材１５７Ｂは、冷媒排出マニホールド孔１１５を囲み、冷媒排出マニホールド孔１１５と入口溝１３５Ｂとの間の低面Ｙｂ上に配置される。

このため、冷媒シール部材１５７Ａは、出口溝１３７Ｂの配置位置と重なり、冷媒シール部材１５７Ｂは、出口溝１３７Ａの配置位置と重なる。

次にこのような燃料電池スタックにおける燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒の流れについて説明する。

燃料ガス供給口１０１から燃料ガス供給マニホールドに流入した燃料ガスは、燃料極セパレータ１３０Ａの中央部１３１に形成された燃料ガス流路１３９Ａを通って、燃料ガス排出マニホールドに流入し、燃料ガス排出口１０４から排出される。燃料ガスは、燃料ガス流路１３９Ａを通ることでＭＥＡ１２１の触媒電極に供給され、燃料電池の発電に寄与する。

酸化ガス供給口１０３から酸化ガス供給マニホールドに流入した酸化ガスは、空気極セパレータ１３０Ｂの中央部１３１Ｂに形成された酸化ガス流路１３９Ｂを通って、酸化ガス排出マニホールドに流入し、酸化ガス排出口１０６から排出される。酸化ガスは、酸化ガス流路１３９Ｂを通ることでＭＥＡ１２１の触媒電極に供給され、燃料電池の発電に寄与する。

冷媒供給口１０２から冷媒供給マニホールドに流入した冷媒は、冷媒入口流路１４３を通って、冷媒流路に流入する。冷媒は冷媒流路を通る過程で燃料電池から熱を奪う。その後冷媒は、冷媒出口流路１４５から、冷媒排出マニホールドに流入する。

本発明のシール部材一体型セパレータ対は、シールの信頼性が高いことから、セパレータ流路を流れるガスや冷媒の流れを規制し、互いの混合を確実に防止する。また、本発明の燃料電池スタックは、例えばポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムに使用される。

１００ 燃料電池スタック
１０１ 燃料ガス供給口
１０２ 冷媒供給口
１０３ 酸化ガス供給口
１０４ 燃料ガス排出口
１０５ 冷媒排出口
１０６ 酸化ガス排出口
１０７ エンドプレート
１０８ 締結ボルト
１０９ ナット
１１０ 燃料ガス供給マニホールド孔
１１１ 燃料ガス排出マニホールド孔
１１２ 酸化ガス供給マニホールド孔
１１３ 酸化ガス排出マニホールド孔
１１４ 冷媒供給マニホールド孔
１１５ 冷媒排出マニホールド孔
１２０ 枠体一体型ＭＥＡ
１２１ ＭＥＡ
１２２ 枠体最薄部
１２３ 枠体
１２４ 凹部
１２５ 高分子電解質膜
１２７ 触媒電極
１３０ 金属セパレータ
１３１ 中央部
１３２ 反応ガス分配部
１３３ 外周部
１３５ 入口溝
１３７ 出口溝
１３９ 反応ガス流路
１４０ セパレータ対
１４１ 冷媒流路
１４２ 冷媒分配部
１４３ 冷媒入口流路
１４５ 冷媒出口流路
１５１ 外周シール部材
１５３ 燃料ガスシール部材
１５５ 酸化ガスシール部材
１５７ 冷媒シール部材

Claims (4)

1. ＭＥＡと、前記ＭＥＡの外周を囲み、冷媒供給マニホールド孔を有する枠体と、を有する枠体一体型ＭＥＡと；
   波形に成形された金属セパレータＡおよび金属セパレータＢを、面合わせすることで構成されたセパレータ対であって、それぞれの前記金属セパレータは、流路を形成する中央部と、前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔を有する外周部と、合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部材とを有する、セパレータ対と；が交互に積層された燃料電池スタックであって、
   前記枠体は、前記冷媒シール部材を収容する凹部を有し、
   前記セパレータ対は、
   前記金属セパレータＡおよび金属セパレータＢの合わせ面の中央部よって構成された冷媒流路と、
   前記冷媒流路と前記冷媒供給マニホールド孔とを繋ぐ冷媒入口流路と、を有し、
   前記冷媒入口流路の上流は、前記金属セパレータＡの合わせ面の外周部に形成され、前記冷媒供給マニホールド孔と連通した入口溝Ａによって構成され、
   前記冷媒入口流路の下流は、前記金属セパレータＢの合わせ面の外周部に形成され、前記中央部と連通した入口溝Ｂによって構成され、
   前記金属セパレータＡの前記合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部材Ａは、前記冷媒供給マニホールド孔と、前記溝Ａとを囲み、
   前記金属セパレータＢの前記合わせ面の裏面の前記外周部に設けられた冷媒シール部Ｂは、前記冷媒供給マニホールド孔を囲む、燃料電池スタック。
2. 前記セパレータ対を平面視したとき、前記冷媒シール部材Ａが囲む領域は、前記冷媒シール部材Ｂが囲む領域を包含し、前記冷媒シール部材Ａと前記冷媒シール部材Ｂとは重ならない、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記外周部は、冷媒排出マニホールド孔をさらに有し、
   前記セパレータ対は、前記冷媒流路と前記冷媒排出マニホールド孔とを繋ぐ冷媒排出流路をさらに有し、
   前記冷媒排出流路の上流は、前記金属セパレータＢの合わせ面の外周部に形成され、前記中央部と連通した出口溝Ｂによって構成され、
   前記冷媒排出流路の下流は、前記金属セパレータＡの合わせ面の外周部に形成され、前記冷媒排出マニホールド孔と連通した出口溝Ａによって構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記金属セパレータＡは、燃料極セパレータであり、
   前記金属セパレータＢは、空気極セパレータである、請求項１に記載の燃料電池スタック。

Images