JP2013178996A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池におけるシール性の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、複数の単セル１１０が積層締結されたスタック構造を有する。単セルは、膜電極接合体１０と、膜電極接合体を狭持する、第１と第２のセパレータ２１，２２とを備える。各単セルには、膜電極接合体が配置された発電領域の外周に、反応ガスを流通させるためのマニホールドＭ１〜Ｍ４を構成するマニホールド孔が設けられている。隣接する単セル同士の間には、シール部材４０を収容し、押圧された状態のシール部材の厚みを規定する側壁を有する空間が、第１と第２のセパレータに設けられた、マニホールド孔を囲む第２の凹部３２によって形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、膜電極接合体を含む単セルとも呼ばれる発電体が積層されたスタック構造を有する。各膜電極接合体には、その積層方向に沿って設けられたマニホールドを介して反応ガスが供給される。通常、マニホールドの外周には、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材が配置される（下記特許文献１等）。

ところで、膜電極接合体の電解質膜は、温度状態や湿潤状態に応じて厚さが変動する。そのため、燃料電池の運転中には、各単セルの膜電極接合体が配置された発電領域における厚さが、発電領域内の温度分布や湿度分布に応じて不均一に変動する。また、膜電極接合体の構成部材とシール部材とでは熱膨張量が異なるため、単セルの厚さは、発電領域と、シール部材が配置された、その外周の領域とでも異なってしまう。このように、燃料電池の運転中には、各単セルの厚さが不均一に変動するため、シール部材に付与される面圧が不均一となり、シール性の低下が引き起こされる場合があった。

特開２００８−２８７９１０号公報

本発明は、燃料電池におけるシール性の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池スタックであって、２枚のセパレータプレートによって狭持された膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体が含まれる発電領域の外周に、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って反応ガスを流通させるマニホールドを構成するマニホールド孔を有する複数の発電体と、積層締結された前記複数の発電体同士の間において、前記マニホールド孔を囲み、前記セパレータプレートによって押圧された状態で配置されているシール部材と、前記シール部材を収容し、前記シール部材の厚みを規定する側壁を有する空間と、を備える、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックであれば、シール部材の厚さが、シール部材の収容された空間の側壁の高さによって規定されているため、燃料電池スタックの構成部材の熱膨張などによって、シール部材が局所的に、過度に圧縮されてしまうことが抑制される。従って、燃料電池スタックのシール性の低下が抑制される。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記発電体が備える前記セパレータプレートの少なくとも一方の表面には、前記セパレータプレートの一部を厚み方向に沿って突出させた段部が形成されており、前記空間は、互いに隣接する前記セパレータプレートの段部の間に形成されている、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックであれば、セパレータプレートの加工により、シール部材の厚さを規定することができる空間を形成することができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池スタックであって、前記段部は、前記発電体が備える前記セパレータプレートの両方に形成されており、前記空間は、互いに隣接する前記セパレータプレートの互いの前記段部の上面が接触し合うことにより形成される、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックであれば、隣接する発電体のそれぞれに設けられた段部と、その段部の間に配置されるシール部材とによって、発電体同士の組み付けの際に、それらの位置ずれが発生してしまうことを抑制することができる。

［適用例４］
適用例１から３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、さらに、前記複数の発電体の間に介挿され、前記発電体の熱膨張による厚さの変動を抑制する、前記発電体よりも剛性の高い中間板を備える、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックであれば、中間板によって、発電体の厚みの変動が抑制され、シール部材に付与される面圧が不均一になることが抑制される。

［適用例５］
適用例４記載の燃料電池スタックであって、前記中間板は、複数枚が、所定の間隔で、前記複数の発電体の間に介挿されており、前記中間板の端部には、前記燃料電池スタックの積層方向にわたって延伸する軸部によって前記中間板同士を連結して、前記中間板同士の配列を整える連結軸部材が設けられている、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックであれば、連結軸部材によって中間板同士の配列が整えられるため、中間板に挟まれる発電体の位置ずれの発生も抑制される。従って、発電体の位置ずれに起因する燃料電池スタックにおけるシール性の低下が抑制される。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの構成を示す概略図。 単セルの構成を示す概略断面図。 第１と第２のセパレータの構成を説明するための概略図。 ガス連通路の構成を説明するための概略図。 第２の凹部に配置されるシール部材の構成を説明するための概略図。 運転温度の変化に対する単セルの厚さの変化を説明するための説明図。 燃料電池スタックにおいて、単セル同士の間に位置ずれが低減されている状態を説明するための概略図。 第２実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図。 第３実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図。 第４実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図。 中間板の構成を示す概略図。 第５実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図。 中間板連結部の構成を説明するための概略。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１００は、反応ガスとして酸素と水素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１００は、複数の発電体１１０（以下、「単セル１１０」と呼ぶ）が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０の積層体は、第１と第２のエンドプレート１０１，１０２によって積層方向に狭持される。

第１と第２のエンドプレート１０１，１０２には、単セル１１０の積層体に積層方向の締結力を付与するための締結部材１０３が設けられている。また、燃料電池スタック１００には、各単セル１１０に対する反応ガスや冷媒の供給／排出を行うためのマニホールドＭ１〜Ｍ６（破線で図示）が、単セル１１０と、第１のエンドプレートとを積層方向に貫通する貫通孔として形成されている。各マニホールドＭ１〜Ｍ６の形成部位については後述する。

図２は、単セル１１０の構成を示す概略断面図である。図２には、燃料電池スタック１００において隣接する任意の２つの単セル１１０の、水素供給用マニホールドＭ１近傍の部位を部分的に図示してある。単セル１１０は、電解質膜１１の両面に第１と第２の電極１２，１３が配置された膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を狭持する２枚の板状部材である、第１と第２のセパレータ２１，２２と、を備える。

電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素樹脂系のイオン交換膜である。第１と第２の電極１２，１３は、触媒を担持した導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）と、電解質膜１１と同様な電解質樹脂とを含む薄膜として構成することができる。なお、本実施例では、第１の電極１２が、酸素が供給されることにより、カソードとして機能し、第２の電極１３が、水素が供給されることにより、アノードとして機能する。

第１と第２のセパレータ２１，２２は、金属板などの導電性を有する板状基材によって構成することができる。第１と第２のセパレータ２１，２２はそれぞれ、第１と第２の電極１２，１３と電気的に導通するように配置され、集電板として機能する。

ここで、単セル１１０では、膜電極接合体１０の外周に、第１と第２のセパレータ２１，２２同士を電気的に絶縁された状態で接着するとともに、単セル１１０をシールするシール接着部材２５が配置されている。各マニホールドＭ１〜Ｍ６を構成するマニホールド孔は、そのシール接着部材２５が配置された部位を貫通して形成されている。

さらに、第１と第２のセパレータ２１，２２には、プレス加工などによって、その表面を凹凸させることにより、段部が形成されている。具体的には、各セパレータ２１，２２には、単セル１１０を構成したときに外側に配置される面（以後、「外側面」とも呼ぶ）に、第１と第２の凹部３１，３２が形成されている。なお、各セパレータ２１，２２の第１と第２の凹部３１，３２は、燃料電池スタック１００を構成したときに、隣接する単セル１１０の第１と第２の凹部３１，３２と互いに対向するように形成されている。

第１の凹部３１は、膜電極接合体１０が配置された発電領域内に形成されており、燃料電池スタック１００を構成したときに冷媒流路を形成する。第２の凹部３２は、マニホールドＭ１〜Ｍ６や、発電領域の外周に設けられており、燃料電池スタック１００を構成したときに、シール部材（シールガスケット）４０を収容・配置するための空間を形成する。なお、燃料電池１００を構成する際には、第１と第２の凹部３１，３２の両側の段部の上面がそれぞれ、隣接する単セル１１０に形成された対応する段部の上面とが確実に面接触するように締結される。

図３は、第１と第２のセパレータ２１，２２のより詳細な構成を説明するための概略図である。図３には、第１のセパレータ２１の外側面の正面図を図示してある。また、図３には、単セル１１０を構成したときに、膜電極接合体１０が配置される発電領域ＧＡを一点鎖線で図示し、燃料電池スタック１００を構成したときに、シール部材４０によって形成されるシールラインＳＬを二点鎖線で図示してある。なお、以下では、第１のセパレータ２１の外側面の構成について説明するが、第２のセパレータ２２の外側面の構成も同様である。

第１のセパレータ２１には、発電領域ＧＡの外側にマニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する複数のマニホールド孔が貫通孔として形成されている。ここで、各マニホールドＭ１〜Ｍ６は、以下のように配列されている。水素の供給用マニホールドＭ１と排出用マニホールドＭ２とは、発電領域ＧＡを挟んで互いに対角する位置に形成されている。また、酸素の供給用マニホールドＭ３と排出用マニホールドＭ４も同様に、発電領域ＧＡを挟んで互いに対角する位置に形成されている。ただし、水素の供給用マニホールドＭ１と酸素の供給用マニホールドＭ３とは、発電領域ＧＡを挟んでそれぞれ反対側に形成されている。

冷媒供給用マニホールドＭ５は、水素供給用マニホールドＭ１と酸素排出用マニホールドＭ４とに挟まれた位置に形成されている。これに対して、冷媒排出用マニホールドＭ６は、水素排出用マニホールドＭ２と酸素供給用マニホールドＭ３とに挟まれた位置に形成されている。なお、各マニホールドＭ１〜Ｍ６は、この配列構成に限定されることなく、他の配列構成で配列されるものとしても良い。

第１の凹部３１は、発電領域ＧＡ全体にわたって形成されている。なお、第１の凹部３１は、冷媒用のマニホールドＭ５，Ｍ６との間に形成された、第１の凹部３１と同様な深さの第３の凹部３３によって、冷媒用のマニホールドＭ５，Ｍ６と連結されている。この第３の凹部３３は、燃料電池スタック１００を構成したときに、第１の凹部３１と冷媒用マニホールドＭ５，Ｍ６との間の冷媒通路として機能する。なお、第３の凹部３３には、ディンプル状の複数の突起部など、冷媒の流れを制御するための流路壁が設けられるものとしても良い。

ここで、発電領域ＧＡ内には、第１の凹部３１の底面から突出した、複数の並列な略直方体形状の壁部３４が形成されている。この壁部３４は、燃料電池スタック１００を構成したときに、発電領域ＧＡ内の冷媒流路の流路壁として機能する。また、壁部３４の上面は、燃料電池スタック１００を構成したときに、隣接する第２のセパレータ２２に同様に設けられた壁部３４の上面と接触する。これによって、壁部３４は、隣接する単セル１１０の間の導電パスとして機能する。なお、壁部３４は他の配列構成を有するものとしても良い。

第２の凹部３２は、発電領域ＧＡと各マニホールドＭ１〜Ｍ６のマニホールド孔の外側を囲むとともに、反応ガスのマニホールドＭ１〜Ｍ４のマニホールド孔をそれぞれ囲む溝部として形成されている。燃料電池スタック１００を構成したときには、第２の凹部３２内に、無端枠状のシール部材４０（図２）が配置され、第２の凹部３２の底面にシールラインＳＬが形成される。なお、本明細書では、シール部材４０によって囲まれた領域の内側を、「シール部材４０の内周側」と呼び、その外側を、「シール部材４０の外周側」と呼ぶ。

ところで、反応ガスは、対応する各供給用マニホールドＭ１，Ｍ３を介して、膜電極接合体１０の各電極１２，１３に供給される。また、各電極１２，１３において発電反応に用いられなかった反応ガスを含む排ガスは、対応する各排出用マニホールドＭ２，Ｍ４を介して燃料電池スタック１００の外部へと排出される。各単セル１１０の第１と第２のセパレータ２１，２２の間には、反応ガスのための各マニホールドＭ１〜Ｍ４と、膜電極接合体１０の各電極１２，１３とを接続するためのガス連通路５１〜５４が形成されている。図３には、各ガス連通路５１〜５４の形成位置を破線で図示してある。

図４（Ａ），（Ｂ）は、ガス連通路５１〜５４の構成を説明するための概略図である。図４（Ａ）には、水素供給用マニホールドＭ１と第２の電極１３とを接続するガス連通路５１を、図２と同様な概略断面図によって図示してある。また、図４（Ｂ）には、酸素排出用マニホールドＭ４と第１の電極１２とを接続するガス連通路５４を、図２と同様な概略断面図によって図示してある。

図４（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、水素と酸素の流れを示す矢印を図示してある。なお、水素排出用マニホールドＭ２と第２の電極１３とを接続するガス連通路５２と、酸素供給用マニホールドＭ３と第１の電極１２とを接続するガス連通路５３とは、ガス連通路５１，５４と同様な構成であるため、その図示および説明は省略する。

ガス連通路５１〜５４はそれぞれ、各マニホールドＭ１〜Ｍ４と、対応する各電極１２，１３とが連結されるように、第１と第２のセパレータ２１，２２の間に配置されたシール接着部材２５を貫通させて形成されている。ただし、各ガス連通路５１〜５４と各電極１２，１３との接続箇所では、膜電極接合体１０の端部が、シール接着部材２５によって被覆され、供給先とは異なる側の電極へと反応ガスが漏洩することが抑制されている。なお、各単セル１１０には、各ガス連通路５１〜５４を形成するための部材が配置されるものとしても良い。

図５は、第２の凹部３２に配置されるシール部材４０の構成を説明するための概略図である。図５には、燃料電池スタック１００に組み付けられる前の任意の単セル１１０に、シール部材４０が配置された状態を、図２と同様な概略断面図によって図示してある。

シール部材４０は、平坦な底面を有する土台部４２と、土台部４２から突起したリップ部４１とを有する。シール部材４０は、土台部４２の底面が、第１のセパレータ２１の第２の凹部３２の底面３２ｂと面接触するように配置される。なお、本明細書では、土台部４２の底面からリップ部４１の頂部４３までの高さを、「シール部材４０の厚さ」と呼ぶ。

燃料電池スタック１００に組み付けられる前には、シール部材４０のリップ部４１の頂部４３は、第２の凹部３２の両側（シール部材４０の内周側および外周側）の凸部である段部３５の上面３５ｔから突出した状態である。燃料電池スタック１００が構成されたときには、隣接する第２のセパレータ２２の第２の凹部３２の底面３２ｂによって、リップ部４１は押圧され、シール部材４０は圧縮される。

ここで、燃料電池スタック１００が構成されたときには、図２において図示したように、隣接する単セル１１０のそれぞれの段部３５の上面３５ｔ同士が面接触するように、単セル１１０の積層体に締結力が付与される。従って、シール部材４０の厚さｔは、第２の凹部３２の底面３２ｂから段部３５の上面３５ｔまでの高さｈの２倍とほぼ等しくなるように規定される（ｔ＝ｈ×２）。

このように、本実施例の単セル１１０では、シール部材４０は、その内周側および外周側に配置された、第１の凹部３２の側壁によって、その厚さが規定されている。そのため、第１と第２のセパレータ２１，２２の間のシール接着部材２５が、燃料電池スタック１００の運転中に熱膨張した場合であっても、シール接着部材２５の下に配置されたシール部材４０が、その規定された厚さよりも圧縮されてしまうことが抑制される。また、シール接着部材２５の熱膨張に起因して、シール部材４０に付与される面圧が不均一になることが抑制される。

図６は、本実施例の燃料電池スタック１００における、運転温度の変化に対する単セル１１０の厚さの変化を説明するための説明図である。図６には、縦軸を単セル１１０の厚さとし、横軸を温度とするグラフを図示してある。

ここで、単セル１１０は、主に、膜電極接合体１０を含む発電領域ＧＡと、シール接着部材２５を含む、発電領域ＧＡの外周領域とに区分することができる。以下では、発電領域ＧＡにおける単セル１１０の厚さの平均を「単セル１１０の内側厚さＴｉ」と呼び、発電領域ＧＡの外周領域において段部３５が形成された部位の単セル１１０の厚さの平均を「単セル１１０の外側厚さＴｏ」と呼ぶ（図５）。

図６には、燃料電池スタック１００として締結された後の単セル１１０の内側厚さＴｉと外側厚さＴｏの温度変化を、実線グラフによって図示してある。また、図６には、締結力を付与される前の単セル１１０の外側厚さＴｏの温度変化を破線グラフによって図示してある。

ここで、燃料電池スタック１００は、締結力が付与された状態における単セル１１０の内側厚さＴｉと外側厚さＴｏとが、互いに等しくなるように構成されていることが好ましい。また、燃料電池スタック１００の各単セル１１０は、内側厚さＴｉと外側厚さＴｏとが、燃料電池スタック１００の運転温度の変化に対して同様に変化するように、各部材の熱膨張係数などを考慮して構成されていることが好ましい。

これによって、運転温度が変動した場合であっても、単セル１１０内の発電領域ＧＡとその外周領域との間で、単セル１１０の厚さが均一化される。従って、単セル１１０における第１と第２のセパレータ２１，２２の歪みが抑制され、シール部材４０に付与される面圧が不均一となってしまうことが抑制される。

また、燃料電池スタック１００は、締結力が付与された状態の単セル１１０の内側厚さＴｉが、少なくとも、燃料電池スタック１００の使用温度範囲において、締結力が付与される前の単セル１１０の外側厚さＴｏよりも小さくなるように構成されていることが好ましい。ここで、燃料電池スタック１００の使用温度範囲は、例えば、室温〜１００℃程度であるものとしても良い。

なお、各単セル１１０における外側厚さＴｏの製造誤差などのばらつきを考慮した場合には、下記の式（１）を満たすことが好ましい。
（締結前の外側厚さＴｏ）−（締結後の内側厚さＴｉ）＞｜各単セル１１０の外側厚さＴｏのばらつき｜…（１）

このように構成されていることにより、燃料電池スタック１００の運転温度が比較的低温になって、シール接着部材２５の厚さが小さくなる場合であっても、シール接着部材２５が各セパレータ２１，２２から乖離してしまうことが抑制される。従って、燃料電池スタック１００におけるシール性の低下が抑制される。

さらに、燃料電池スタック１００では、シール部材４０の内周側と外周側の両方において、シール部材４０のリップ部４１と、段部３５の上面３５ｔの端部との間の幅ｗ１，ｗ２が、それぞれに隣り合う段部３５の幅ｗ３，ｗ４よりも大きくなるように構成されていることが好ましい（図５）。即ち、下記の不等式（２）が満たされていることが好ましい。
ｗ１＜ｗ３，ｗ２＜ｗ４ …（２）

このように構成されていることにより、燃料電池スタック１００を構成する際に、隣接する単セル１１０の段部３５が、シール部材４０と段部３５との間の間隙に嵌り込んでしまうことを抑制することができる。そして、シール部材４０の頂部４３を、隣接する第２のセパレータ２１の第２の凹部３２の底面３２ｂに確実に接触させることができる。

また、本実施例の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の組み付けを以下のように行うことができる。
（ａ）第１の単セル１１０の、第１のセパレータ２１に設けられた第２の凹部３２にシール部材４０を配置する。
（ｂ）第２の単セル１１０の、第２のセパレータ２２に設けられた第２の凹部３２を、第１の単セル１１０に配置されたシール部材４０のリップ部４１の位置に合わせて、第２の単セル１１０を第１の単セル１１０の上に配置する。
このように、本実施例の燃料電池スタック１００では、シール部材４０および第２の凹部３２を、単セル１１０の積層の際の位置決めの指標として利用することができ、単セル１１０同士の位置ずれを低減することができる。

図７は、燃料電池スタック１００において、単セル１１０同士の間に位置ずれが低減されている状態を説明するための概略図である。本実施例の燃料電池スタック１００であれば、上述したように、隣接する単セル１１０の段部３５が、第２の凹部３２の隙間に嵌り込んでしまうことが抑制されている。また、単セル１１０の積層の際に、シール部材４０と、第２の凹部３２とを、単セル１１０同士の位置合わせの指標とすることができる。従って、単セル１１０同士の間の位置ずれを、シール部材４０の配置位置の誤差の範囲内に抑制することが可能であり、シール部４０の頂部４３が確実に単セル１１０同士の間のシール性を確保することができる。

以上のように、本実施例の燃料電池スタック１００であれば、シール部材４０が、シール部材４０の厚さを規定する高さの側壁を有する第２の凹部３２に収容されているため、シール部材４０が局所的に過度に圧縮されてしまうことが抑制される。従って、燃料電池スタック１００におけるシール性の低下が抑制される。

B．第２実施例：
図８は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ａの構成を示す概略図である。図８は、単セル１１０Ａの第１のセパレータ２１Ａが、第２の凹部３２を有していない点以外は、図２とほぼ同じである。

第２実施例の単セル１１０Ａでは、第１のセパレータ２１Ａに、シール部材４０を配置するための凹部が形成されていない。しかし、燃料電池スタック１００Ａを組み付けたときに、シール部材４０は、第２のセパレータ２２に形成されている第２の凹部３２に収容されるように配置されるため、シール部材４０の厚さが、段部３５の側壁３５ｓの高さに規定される。従って、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、シール部材４０が局所的に過度に圧縮されてしまうことが抑制され、燃料電池スタック１００のシール性が低下してしまうことが抑制される。

C．第３実施例：
図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池スタック１００Ｂの構成を示す概略図である。図９は、第１と第２のセパレータ２１Ａ，２２に換えて、段部の構成が異なる第１と第２のセパレータ２１Ｂ，２２Ｂが設けられている点以外は、図８とほぼ同じである。

この第３実施例の第１と第２のセパレータ２１Ｂ，２２Ｂには、第１実施例や第２実施例で説明したような溝状の第２の凹部３２は形成されていない。第１のセパレータ２１Ｂには、シール部材４０の外周側において、隣接する第２のセパレータ２２Ｂ側へと突出する段部３６が形成され、第２のセパレータ２２Ｂには、シール部材４０の内周側において、隣接する第１のセパレータ２１Ｂ側へと突出する段部３７が形成されている。これら２つの段部３６，３７は、同じ高さを有するように形成されている。

第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂでは、シール部材４０は、第１と第２のセパレータ２１Ｂ，２２Ｂに形成された２つの段部３６，３７に挟まれた空間に配置される。このような構成であっても、シール部材４０は、２つの段部３６，３７の高さによって、燃料電池スタック１００Ｂの締結後の厚さが規定される。従って、第１実施例および第２実施例と同様に、シール部材４０が局所的に過度に圧縮されてしまうことが抑制され、燃料電池スタック１００のシール性が低下してしまうことが抑制される。

D．第４実施例：
図１０は、本発明の第４実施例としての燃料電池スタック１００Ｃの構成を示す概略図である。図１０は、単セル１１０の間に、中間板６０が介挿されている点以外は、図１とほぼ同じである。中間板６０は、単セル１１０と同様なサイズを有する板状部材であり、所定の間隔で、単セル１１０の間に介挿される。

図１１は、中間板６０の詳細な構成を示す概略図である。図１１は、単セル１１０の間に中間板６０が配置されている点以外は、図２とほぼ同じである。中間板６０には、隣接する第１と第２のセパレータ２１，２２の第１と第２の凹部３１，３２に相当する第１と第２の凹部６１，６２が形成されている。また、中間板６０には、マニホールドＭ１〜Ｍ６を構成するマニホールド孔６３が貫通孔として形成されている。

ここで、中間板６０は、剛性が比較的高い部材によって構成されていることが好ましい。中間板６０は、単セル１１０よりも高い剛性を有していることが好ましい。また、中間板６０は、熱膨張係数が比較的低い部材によって構成されていることが好ましい。

第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃでは、中間板６０の近傍に配置された単セル１１０は、中間板６０によって厚さが不均一に変動することが抑制される。即ち、中間板６０は、単セル１１０の厚みの変動を抑制し、各単セル１１０の厚さのばらつきを矯正するための補強板として機能する。

このように、第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃであれば、単セル１１０の間に介挿された中間板６０によって、燃料電池スタック１００Ｃの運転中に、各単セル１１０の厚さが不均一に変動してしまうことが抑制される。従って、シール部材４０に付与される面圧が不均一になることが抑制され、燃料電池スタック１００Ｃのシール性の低下が抑制される。

E．第５実施例：
図１２は、本発明の第５実施例としての燃料電池スタック１００Ｄの構成を示す概略図である。図１２は、中間板６０Ｄの外周端が単セル１１０の外周端より突出している点と、その中間板６０Ｄの突出した端部に、中間板６０Ｄ同士を連結する中間板連結部７０が設けられている点以外は、図１０とほぼ同じである。

図１３は、中間板連結部７０の詳細な構成を説明するための概略図である。図１３には、中間板連結部７０によって連結された２つの中間板６０Ｄと、中間板６０Ｄに隣接する単セル１１０の概略断面が、図１１と同様に図示してある。

中間板連結部７０は、中間板６０の端部を貫通して、単セル１１０の積層方向に沿って延伸する軸部７１を備えている。軸部７１と中間板６０Ｄの貫通孔６５の内壁面との間には、軸部７１を挿通して保持する筒状の絶縁部材７２が配置されている。絶縁部材７２は、軸部７１を介して、中間板６０Ｄ同士が電気的に導通してしまうこと抑制する。

第５実施例の燃料電池スタック１００Ｄでは、この中間板連結部７０の軸部７１を基準として、中間板６０Ｄの位置ずれが抑制される。従って、燃料電池スタック１００Ｄにおける単セル１１０同士の位置ずれの誤差が、所定の間隔で適宜介挿された複数の中間板６０Ｄによって補正され、単セル１１０の位置ずれに起因する燃料電池スタック１００Ｄのシール性の低下が抑制される。
F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

F1．変形例１：
上記実施例では、セパレータ２１，２２を凹凸させることにより形成された段部によって、シール部材４０を収容する空間が形成されており、その空間の側壁の高さによって、燃料電池スタック１００を構成したときのシール部材４０の厚さが規定されていた。しかし、シール部材４０を収容するための空間は、セパレータ２１，２２を凹凸させた段部によって形成されなくとも良い。シール部材４０を収容するための空間は、単セル１１０同士の間に配置された他の部材によって形成されるものとしても良い。

F2．変形例２：
上記実施例では、シール部材４０は、リップ部４１と、土台部４２とを有していた。しかし、シール部材４０は、他の構成を有するものとしても良い。シール部材４０は、例えば、断面が略円形の無端状枠部材によって構成されるものとしても良い。

F3．変形例３：
上記実施例の単セル１１０，１１０Ａ，１１０Ｂでは、セパレータ２１，２１Ａ，２１Ｂ，２２，２２Ｂを凹凸させることにより、反応ガスのための流路溝が形成されていた。しかし、単セル１１０，１１０Ａ，１１０Ｂでは、そうした凹凸による流路溝が省略されるものとしても良い。この場合には、膜電極接合体１０と各セパレータ２１，２１Ｂ，２２，２２Ａ，２２Ｂとの間に、ガス流路として機能する流路部材が配置されるものとしても良い。なお、流路部材としては、導電性を有する多孔質な部材を用いることが可能であり、例えば、網目状に複数の貫通孔が配列された、いわゆるエキスパンドメタルを用いることが可能である。

F4．変形例４：
上記実施例では、燃料電池スタック１００〜１００Ｄは、固体高分子形燃料電池であった。しかし、本発明は、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池に適用することが可能である。

１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…第１の電極
１３…第２の電極
２１，２１Ａ，２１Ｂ…第１のセパレータ
２２，２２Ｂ…第２のセパレータ
２５…シール接着部材
３１…第１の凹部
３２…第２の凹部
３２ｂ…底面
３３…第３の凹部
３４…壁部
３５…段部
３５ｓ…側壁
３５ｔ…上面
３６，３７…段部
４０…シール部材
４１…リップ部
４２…土台部
４３…頂部
５１〜５４…ガス連通路
６０，６０Ｄ…中間板
６１，６２…第１と第２の凹部
６３…マニホールド孔
６５…貫通孔
７０…中間板連結部
７１…軸部
７２…絶縁部材
１００，１００Ａ〜１００Ｄ…燃料電池スタック
１０１，１０２…第１と第２のエンドプレート
１０３…締結部材
１１０，１１０Ａ…単セル
ＧＡ…発電領域
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド
ＳＬ…シールライン

Claims (5)

1. 燃料電池スタックであって、
   ２枚のセパレータプレートによって狭持された膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体が含まれる発電領域の外周に、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って反応ガスを流通させるマニホールドを構成するマニホールド孔を有する複数の発電体と、
   積層締結された前記複数の発電体同士の間において、前記マニホールド孔を囲み、前記セパレータプレートによって押圧された状態で配置されているシール部材と、
   前記シール部材を収容し、前記シール部材の厚みを規定する側壁を有する空間と、
   を備える、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記発電体が備える前記セパレータプレートの少なくとも一方の表面には、前記セパレータプレートの一部を厚み方向に沿って突出させた段部が形成されており、
   前記空間は、互いに隣接する前記セパレータプレートの段部の間に形成されている、燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックであって、
   前記段部は、前記発電体が備える前記セパレータプレートの両方に形成されており、
   前記空間は、互いに隣接する前記セパレータプレートの互いの前記段部の上面が接触し合うことにより形成される、燃料電池スタック。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、さらに、
   前記複数の発電体の間に介挿され、前記発電体の熱膨張による厚さの変動を抑制する、前記発電体よりも剛性の高い中間板を備える、燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックであって、
   前記中間板は、複数枚が、所定の間隔で、前記複数の発電体の間に介挿されており、
   前記中間板の端部には、前記燃料電池スタックの積層方向にわたって延伸する軸部によって前記中間板同士を連結して、前記中間板同士の配列を整える連結軸部材が設けられている、燃料電池スタック。

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