JP2016004739A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池積層時の傾きを抑制する。
【解決手段】燃料電池は膜電極接合体と膜電極接合体の外縁部を支持する補強フレームと膜電極接合体と補強フレームとを挟持する第１及び第２のセパレータプレートとを備え、第１のセパレータプレートは燃料電池の積層時において隣接して配置される燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されるシールライン形成用突出部とシールライン形成用突出部の両側に設けられた第１の接合部とを備え、第２のセパレータプレートは隣接して配置される燃料電池の第１のセパレータプレートのシールライン形成用突出部に押圧される受部と受部の両側に設けられた第２の接合部とを備え、燃料電池はさらにシールライン形成用突出部及び受部の両側のうちの少なくとも一方の側に設けられた傾斜抑制部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にセパレータプレートのシールライン近傍の構造に関する。

特許文献１には、セパレータに凸部を設け、凸部の頂部に高分子弾性層を配置して、凸部を高分子膜に当接させてシールする構成を有する燃料電池が記載されている。

特開２００６−５４０５８号公報

一方のセパレータプレートに凸部を有する一対のセパレータプレートを有する燃料電池（「単セル」とも呼ぶ）を積層して燃料電池スタックを形成する場合、セパレータプレートの凸部を、隣接する燃料電池のセパレータプレートに当接させる。そして、凸部と隣接する燃料電池のセパレータプレートとの間の反力によりシールを実現する。ここで、セパレータプレートの製造公差、積層時の燃料電池の配置ずれにより、凸部の位置がずれる場合がある。かかる場合、セパレータプレートにモーメントが生じ、セパレータプレートが傾斜する。その結果、シールラインにおいて十分な反力が得られず、十分なシールを実現できない場合があった。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁部を支持する補強フレームと、前記膜電極接合体と前記補強フレームとを挟持する第１のセパレータプレート及び第２のセパレータプレートと、を備える。前記第１のセパレータプレートは、前記燃料電池の積層時において隣接して配置される燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されてシールラインを形成するシールライン形成用突出部と、前記シールライン形成用突出部の両側に設けられた第１の接合部と、を備える。前記第２のセパレータプレートは、隣接して配置される燃料電池の第１のセパレータプレートのシールライン形成用突出部に押圧されて前記シールラインを形成する受部と、前記受部の両側に設けられた第２の接合部と、を備える。前記燃料電池は、さらに、前記シールライン形成用突出部及び前記受部の両側のうちの少なくとも一方の側に設けられた傾斜抑制部と、を備える。この形態の燃料電池によれば、燃料電池を積層して燃料電池スタックを形成するときに、傾斜抑制部により、セパレータプレートの傾きを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記燃料電池の積層前における積層方向の厚さについて、前記シールライン形成用突出部の頂部と前記受部との間における厚さが最も厚く、前記傾斜抑制部における厚さは、その次に厚くてもよい。この形態の燃料電池によれば、燃料電池を積層するときに、隣接する燃料電池は、最初にシールライン形成用突出部の頂部と受部とが接触し、次いで、傾斜抑制部が接触する。この傾斜抑制部により、セパレータプレートの傾きを抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記傾斜抑制部は、前記第１のセパレータプレートを前記シールライン形成用突出部の突出方向と同方向の凸形状に変形させることにより形成されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部を第１のセパレータプレートを用いて形成できる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記傾斜抑制部は、前記第２のセパレータプレートを前記シールライン形成用突出部の突出方向と反対方向の凸形状に変形させることにより形成されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部を第２のセパレータプレートを用いて形成できる。

（５）上記形態の燃料電池において、傾斜抑制部における前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートとの間は、前記補強フレームにより埋められていてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部における前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートとの間は、前記補強フレームにより埋められているので、傾斜抑制部が変形し難い。

（６）上記形態の燃料電池において、補強フレームは、前記燃料電池の外部に設けられる外部拘束材まで延びていてもよい。この形態の燃料電池によれば、補強フレームが外部拘束材まで延びているので、衝撃を受けたときでも、燃料電池をずれ難くできる。

（７）上記形態の燃料電池において、前記傾斜抑制部は、前記補強フレームの厚さを厚くすることにより形成されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部を、補強フレームを用いて形成できる。

（８）上記形態の燃料電池において、前記傾斜抑制部は、前記第１の接合部の前記補強フレームと反対側または前記第２の接合部の前記補強フレームと反対側に傾斜抑制部材を配置することにより形成されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部を、前記第１の接合部または前記第２の接合部の上の傾斜抑制部材を用いて形成できる。

（９）上記形態の燃料電池において、さらに、前記第１の接合部の前記補強フレームと反対側、または前記第２の接合部の前記補強フレームと反対側に、堰を備えてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部に加えて堰を備えるので、流体が、第１の接合部の補強フレームと反対側、または第２の接合部の補強フレームと反対流体を流れる脇流れを抑制できる。

（１０）上記形態の燃料電池において、前記堰は、前記シールライン形成用突出部よりも前記膜電極接合体側に配置されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、傾斜抑制部材は、シールライン形成用突出部よりも前記膜電極接合体側に配置されているので、傾斜抑制部材を堰として利用できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法の他、燃料電池スタック、燃料電池用セパレータプレートの製造方法等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。 補強フレームと膜電極接合体とを示す説明図である。 第１のセパレータプレートを示す説明図である。 燃料電池のシールライン近傍の断面を示す説明図である。 本実施形態の燃料電池を位置ずれが無い状態で積層した状態を示す説明図である。 本実施形態の燃料電池を位置ずれが有る状態で積層した状態を示す説明図である。 比較例の燃料電池を位置ずれが有る状態で積層した状態を示す説明図である。 燃料電池の凸部近傍の他の構成例を示す説明図である。 燃料電池の凸部近傍の他の構成例を示す説明図である。 第２の実施形態における凸部近傍を示す説明図である。 第３の実施形態における凸部近傍を示す説明図である。 シールラインが２本並んでいる領域における構成を示す説明図である。 第５の実施形態にかかる燃料電池スタックを示す説明図である。 介在層を有する燃料電池スタックの外縁部を示す説明図である。 介在層を有する比較例の燃料電池スタックの外縁部を示す説明図である。 介在層を有する比較例の燃料電池スタックの外縁部を示す説明図である。 第５の実施形態の変形例を示す説明図である。 図１７（Ａ）における補強フレームの平面図である。 介在層を補強フレームの四隅のみに設けるための構成を示す説明図である。 第６の実施形態における第１のセパレータプレートを示す説明図である。 図２０の切断線２０Ａ−２０Ｂ及び切断線２０Ｃ−２０Ｄで燃料電池１００を切ったときの断面を示す説明図である。 堰の形状の例を示す説明図である。 第６の実施形態の変形例を示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池１００（「単セル」とも呼ぶ）と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０、２４０と、を備える。燃料電池１００は、補強フレーム１４０と、第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０と、を備える。補強フレーム１４０は、樹脂で形成された額縁状の部材であり、内側に膜電極接合体（ＭＥＡ）を有している。第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０とは、補強フレーム１４０を挟持している。燃料電池１００は、複数有り、積層されている。ターミナルプレート２００、２１０は、積層された燃料電池１００の両側にそれぞれ配置されており、燃料電池１００からの電圧、電流を取り出すために用いられる。絶縁プレート２２０は、ターミナルプレート２００の外側に配置されている。なお、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０が搭載される車両のボディとの固定場所によっては、ターミナルプレート２１０の外側に絶縁プレートを配置する構成であってもよい。エンドプレート２３０、２４０は、燃料電池１００と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、を締結するために燃料電池スタック１０の両側に配置される。

燃料電池１００と、ターミナルプレート２００と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０とは、それぞれ複数の開口部を有しており、これらの開口部が連通してマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５が形成されている。マニホールド３１０は、燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するために用いられるので、「酸化剤ガス供給マニホールド３１０」とも呼ぶ。以下、マニホールド３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、それぞれの役割から、「酸化剤ガス排出マニホールド３１５」、「燃料ガス排出マニホールド３２０」、「燃料ガス供給マニホールド３２５」、「冷媒供給マニホールド３３０」、「冷媒排出マニホールド３３５」とも呼ぶ。

図２は、補強フレーム１４０と膜電極接合体１１０とを示す説明図である。補強フレーム１４０は、樹脂で形成された略長方形の額縁形状を有している。補強フレーム１４０の中央部には、膜電極接合体１１０が支持されている。膜電極接合体は、プロトン伝導性を有する電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された触媒層と、を備える。なお、膜電極接合体１１０の代わりに、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を用いても良い。膜電極ガス拡散層接合体は、膜電極接合体１１０の触媒層の上にさらにガス拡散層を有する構成を有している。補強フレーム１４０の対向する辺には、開口部１４０１〜１４０６が開けられており、これらの開口部１４０１〜１４０６は、マニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５（図１）を形成するために用いられる。

図３は、第１のセパレータプレート１５０を示す説明図である。第１のセパレータプレート１５０は、金属で形成された略長方形の板状部材である。第１のセパレータプレート１５０の対向する辺には、開口部１５０１〜１５０６が開けられており、これらの開口部１５０１〜１５０６は、マニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５（図１）を形成するために用いられる。第１のセパレータプレート１５０は、中央部に、凹凸のある形状を有する流路形成部１５６を備える。流路形成部１５６の膜電極接合体１１０側は、反応ガスが流れる領域であり、流路形成部１５６の膜電極接合体１１０と反対側は、冷媒が流れる領域である。第１のセパレータプレート１５０は、開口部１５０１〜１５０６の周りにシールライン１８２を備える。第１のシールライン１８２は、後述するが、第１のセパレータプレート１５０に形成されたシールライン形成用突出部１５２が隣接する第２のセパレータプレート１６０に押圧されることにより形成される。また、開口部１５０５と、１５０６と、流路形成部１５６を囲うように第２のシールライン１８３が形成されている。第２のシールライン１８３も同様に、第１のセパレータプレート１５０に形成されたシールライン形成用突出部１５２が隣接する第２のセパレータプレート１６０に押圧されることにより形成される。

図４は、燃料電池のシールライン１８２近傍の断面を示す説明図である。燃料電池１００は、シールライン１８２近傍の構成として、弾性変形部４００と、接合部４１０と、傾斜抑制部４２０とを備える。

弾性変形部４００は、第１のセパレータプレート１５０に形成されたシールライン形成用突出部１５２と、シールライン形成用突出部１５２の両側に形成された凸部１５３と、第２のセパレータプレート１６０に形成された受部１６２と、補強フレーム１４０と、ゴムシート１７０と、を備える。シールライン形成用突出部１５２は、隣接する燃料電池１００の方（図の上方）に突出した略三角形形状を有している。凸部１５３は、シールライン形成用突出部１５２と同方向に凸となる形状を有している。そのため、凸部１５３と補強フレーム１４０との間に、変形可能空間１５５が形成されている。燃料電池１００の積層時において、燃料電池１００を積層方向に圧縮する力が加わったときには、シールライン形成用突出部１５２及び凸部１５３は、補強フレーム１４０の方に弾性変形する。受部１６２は、シールライン形成用突出部１５２の突出方向と反対方向（図の下方）に凸となる形状を有している。受部１６２と補強フレーム１４０との間は、補強フレーム１４０を形成する樹脂により埋められている。埋められた補強フレーム１４０は、受部１６２の変形を抑制する。受部１６２の頂部には、ゴムシート１７０が配置されている。ゴムシート１７０は、シールライン形成用突出部１５２と受部１６２とが接触してシールラインを形成する際のシール層としての機能を有する。

接合部４１０は、弾性変形部４００の両側に設けられている。接合部４１０は、第１のセパレータプレート１５０に形成された第１の接合部１５４と、第２のセパレータプレート１６０に形成された第２の接合部１６４と、補強フレーム１４０とを備える。第１の接合部１５４は、補強フレーム１４０に接合する平らな形状を有し、第２の接合部１６４は、補強フレーム１４０に接合する平らな形状を有している。接合部４１０は、弾性変形部４１０が弾性変形するときに、ばね支点して機能する。

傾斜抑制部４２０は、接合部４１０を挟んで弾性変形部４００と反対側に設けられている。傾斜抑制部４２０は、第１のセパレータプレート１５０に形成された傾斜抑制用凸部１５８と、第２のセパレータプレート１６０に形成された傾斜抑制用凸部１６８と、樹脂フレーム１４０とを備える。傾斜抑制用凸部１５８は、シールライン形成用突出部１５２と同方向に凸となる形状を有しており、傾斜抑制用凸部１６８は、受部１６２の凸の方向と同方向に凸となる形状を有している。傾斜抑制部４２０においては、補強フレーム１４０は、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８との間を埋めている。

第１のセパレータプレート１５０の第１の接合部１５４からシールライン形成用突出部１５２の頂部までの高さＨ１と、第１の接合部１５４から凸部１５３までの高さＨ２と、第１の接合部１５４から傾斜抑制用凸部１５８までの高さＨ３の大きさの順番は、シールライン形成用突出部１５２の頂部までの高さＨ１が一番大きく、次いで、傾斜抑制用凸部１５８までの高さＨ３、凸部１５３までの高さＨ２の順である。なお、第２のセパレータプレート１６０の第２の接合部１６４から受部１６２の頂部までの高さＨ４と、第２の接合部１６４から傾斜抑制用凸部１６８の頂部までの高さＨ５は、同じ高さであってもよく、高さＨ５を高さＨ４よりも大きくしても良い。ただし、高さＨ５を高さＨ４よりも大きくする場合には、傾斜抑制用凸部１６８の頂部から傾斜抑制用凸部１５８の頂部までの高さは、受部１６２の頂部からシールライン形成用突出部１５２の頂部までの高さよりも小さくなくてはならない。なお、高さＨ１〜Ｈ５の関係は、燃料電池１００を積層する前の関係である。

図５は、本実施形態の燃料電池を位置ずれが無い状態で積層した状態を示す説明図である。ここでは、５個の燃料電池１００ａ〜１００ｅを積層している。燃料電池スタック１０（図１）を締結する締結力を受けると、燃料電池１００ａの受部１６２は、接触している燃料電池１００ｂのシールライン形成用突出部１５２から、Ｆ１の力を受ける。このとき、シールライン形成用突出部１５２と凸部１５３は、作用・反作用の法則により燃料電池１００ａの受部１６２Ｆ１の反力を受け、補強フレーム１４０の方に弾性変形する。力Ｆ１及びその反力により、シールライン形成用突出部１５２と受部１６２との間でシールライン１８２（図３）が形成される。燃料電池１００ｃ〜１００ｅのシールライン形成用突出部１５２と、燃料電池１００ｂ〜１００ｄの受部１６２の間についても同様に力Ｆ２〜Ｆ４及びその反力によってシールラインが形成される。ここで、燃料電池１００ａ〜１００ｅに位置ずれが無い場合には、力Ｆ１〜Ｆ４は、ひとつの直線に乗り、燃料電池１００を傾けようとするモーメントは生じない。

図６は、本実施形態の燃料電池を位置ずれが有る状態で積層した状態を示す説明図である。図５の場合と同様に、５個の燃料電池１００ａ〜１００ｅを積層している。図６では、燃料電池１００ａは、燃料電池１００ｂに対して、図面の右側にずれている。そのため、燃料電池スタック１０（図１）を締結する締結力を受け、燃料電池１００ａの受部１６２が接触している燃料電池１００ｂのシールライン形成用突出部１５２からＦ１の力を受けた場合、燃料電池１００ａの受部１６２は、時計回り方向のモーメントＭ１を受ける。しかし、燃料電池１００ａの傾斜抑制用凸部１６８は、燃料電池１００ｂの傾斜抑制用凸部１５８からの抗力Ｎ１を受けるため、時計回り方向のモーメントＭ１が相殺され、燃料電池１００ａは傾かない。同様に、燃料電池１００ｂは反時計回り方向のモーメントＭ２を受けるが、燃料電池１００ａの傾斜抑制用凸部１６８からの抗力Ｎ２を受けるため、反時計回り方向のモーメントＭ２が相殺され、燃料電池１００ｂは傾かない。傾斜抑制部４２０（傾斜抑制用凸部１５８、傾斜抑制用凸部１６８）は、モーメントに対する抗力を発生させて、燃料電池１００ｂを傾かせない。燃料電池１００ｃ、１００ｄについても同様である。

図７は、比較例の燃料電池を位置ずれが有る状態で積層した状態を示す説明図である。比較例の燃料電池１００ｆ〜１００ｊは、傾斜抑制部４２０（第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８、第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８）を備えていない。なお、図７における燃料電池１００ｆ〜１００ｊの位置ずれの向き、大きさは、図６における燃料電池１００ａ〜１００ｅにおける位置ずれの向き、大きさと同じにしている。燃料電池１００ｆの受部１６２は、燃料電池１００ｇのシールライン形成用突出部１５２からＦ１の力を受けると、時計回り方向のモーメントＭ１を受ける。ここで、比較例の燃料電池１００ｆは、傾斜抑制用凸部１６８を備えず、燃料電池１００ｇは傾斜抑制用凸部１５８を備えない。そのため、モーメントＭ１に対向するための抗力Ｎ１が発生せず、燃料電池１００ｆは時計回り方向に傾く。同様に、燃料電池１００ｇ、１００ｉは反時計回りに傾き、燃料電池１００ｈは、時計回り方向に傾く。

以上、説明したように、本実施形態では、燃料電池１００は、傾斜抑制部４２０（傾斜抑制用凸部１５８、１６８）を備えているため、燃料電池１００を積層するときに位置ずれが生じて燃料電池１００にモーメントが発生しても、傾斜抑制部４２０の傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８とが接触してモーメントに対抗する。その結果、燃料電池１００を傾き難くできる。なお、燃料電池１００の積層前における第１の接合部１５４から傾斜抑制用凸部１５８の頂部までの高さＨ３は、第１の接合部１５４から凸部１５３の高さＨ２までよりも高く、第１の接合部１５４からシールライン形成用突出部１５２の頂部までの高さＨ１よりも低いことが好ましい（図４参照）。なお、第２の接合部１６４から傾斜抑制用凸部１６８までの高さＨ５は、第２の接合部１６４から受部１６２までの高さＨ４と同じ高さであってもよい（図４参照）。その結果、燃料電池１００の積層時において、最初に、第１のセパレータプレート１５０のシールライン形成用突出部１５２が隣接する燃料電池の第２のセパレータプレート１６０の受部１６２に接触し、次に、傾斜抑制用凸部１５８が傾斜抑制用凸部１６８に接触するので、モーメントに対抗できる。なお、前述した高さＨ１〜Ｈ５の関係は、燃料電池１００を積層する前の関係であり、燃料電池の積層方向への圧縮時には、圧縮力に応じて高さＨ１〜Ｈ５の関係が変更される。

図８は、燃料電池１００のシールライン形成用突出部１５２近傍の他の構成例を示す説明図である。図８（Ａ）に示す例は、傾斜抑制部４２０の傾斜抑制用凸部１５８と補強フレーム１４０との間、傾斜抑制用凸部１６８と補強フレーム１４０との間が樹脂により埋められていない点が、図４に示す構成と異なる。第１のセパレータプレート１５０及び第２のセパレータプレート１６０は、例えば金属で形成されており、傾斜抑制用凸部１５８、１６８は剛性を有している。そのため、傾斜抑制用凸部１５８と補強フレーム１４０との間、及び傾斜抑制用凸部１６８と補強フレーム１４０との間が樹脂により埋められていなくても、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８とが接触することで抗力を発生してモーメントに対抗できる。なお、図４に示すように樹脂で埋めると剛性がより高くなり、押圧による傾斜抑制用凸部１５８、傾斜抑制用凸部１６８の変形に対して、より対抗し易い。また、図８（Ａ）に示す例は、受部１６２と補強フレーム１４０との間に変形可能空間１６５を備えている設けることで、受部１６２についても弾性変形部として機能させることが出来る。

図８（Ｂ）に示す例は、図８（Ａ）の第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８と補強フレーム１４０との間及び第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と補強フレーム１４０との間を樹脂で埋めているが、第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８の右端まで及び第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８の右端までを樹脂で埋めていない構成である。このように、第１のセパレータプレート１５０の右端まで及び第２のセパレータプレート１６０の右端まで樹脂で埋めていなくても、積層時の押圧による傾斜抑制用凸部１５８、傾斜抑制用凸部１６８の変形に対して、対抗できる。

図８（Ｃ）に示す例は、図８（Ａ）の第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８と補強フレーム１４０との間にわずかな隙間を空けて樹脂が埋められ、第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と補強フレーム１４０との間にわずかな隙間を空けて樹脂が埋められている構成である。この場合、積層時の押圧によって傾斜抑制用凸部１５８、傾斜抑制用凸部１６８がわずかに変形しても、補強フレーム１４０がそれ以上の変形を抑制できる。

図８（Ｄ）は、凸部１６２の左側の第２の接合部１６４ａからの受部１６２までの高さと、第２の接合部１６４ａから傾斜抑制用凸部１６８までの高さと、第２の接合部１６４ａから受部１６２と傾斜抑制用凸部１６８間の第２の接合部１６４ｂまでの高さと、を同じ大きさにし、さらに、受部１６２、第２の接合部１６４ｂ、傾斜抑制用凸部１６８と補強フレーム１４０に樹脂を埋めた構成である。このような構成であっても、積層時には、最初にシールライン形成用突出部１５２と隣接する単セル（燃料電池１００）の受部１６２とが接触し、次いで、傾斜抑制用凸部１５８と隣接する単セル（燃料電池１００）の傾斜抑制用凸部１６８とが接触するので、モーメントに対抗することができる。このように、第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制部の形状は、凸形状でなくても良い。

図９は、燃料電池１００のシールライン形成用突出部１５２近傍の他の構成例を示す説明図である。図９（Ａ）に示す構成は、図８（Ｄ）に示す傾斜抑制部４２０の構成と同様の構成が、シールライン形成用突出部１５２、１５３、１６２の左側にも設けられている。なお、第２のセパレータプレート１６０は平らになっている。このように、傾斜抑制部４２０は、シールライン形成用突出部１５２と凸部１５３の両側に設けられていても良い。図９（Ｂ）に示す構成は、図８（Ｄ）の構成の左側に、図８（Ａ）の傾斜抑制部４２０の構成を加えた構成である。図９（Ｂ）に示すように、シールライン形成用突出部１５２、１５３を挟むように設けられている２つの傾斜抑制部４２０の構成は、同じ構成で無くても良い。図９（Ｃ）は、左側の傾斜抑制用凸部１５８を無くし、その代わりに補強フレーム１４０を右側の傾斜抑制用凸部１５８と同じ高さまで厚く形成している。このように、傾斜抑制用凸部１５８の代わりに補強フレーム１４０を厚くすることにより、傾斜抑制部４２０として機能させても良い。図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す形態では、２つの傾斜抑制部４２０の少なくとも一方を用いてモーメントに対抗すればよいので、燃料電池１００をより傾き難くできる。なお、図９（Ｃ）に示す構成では、左側の補強フレーム１４０を厚くすることで傾斜抑制部４２０として機能させたが、補強フレーム１４０の厚さを変更せず、その代わりに別の部材（傾斜抑制部材）を補強フレーム１４０に配置することで、傾斜抑制部４２０を構成しても良い。

第２の実施形態：
図１０は、第２の実施形態におけるシールライン形成用突出部１５２近傍を示す説明図である。第１の実施形態の第１のセパレータプレート１５０は、接合部４１０を挟んで、弾性変形部４００と反対側に傾斜抑制部４２０を設けていた。第２の実施形態では、接合部４１０に傾斜抑制部４２０としての機能も持たせている。すなわち、接合部４１０における第２のセパレータプレート１６０から第１のセパレータプレート１５０までの高さと、傾斜抑制部４２０における第２のセパレータプレート１６０から第１のセパレータプレート１５０までの高さとを同じ大きさにして、接合部４１０と傾斜抑制部４２０において、第１のセパレータプレート１５０と第２のセパレータプレート１６０との間を補強フレーム１４０で埋めている。なお、受部１６２については、第２の接合部１６４との段差を無くしている。また、弾性変形部４００においては、ばね構造を形成するために、補強フレーム１４０に凹部１４１を設け、第１のセパレータプレート１５０と、補強フレーム１４０の凹部１４１との間の変形可能空間を設けている。第２の実施形態は、傾斜抑制部４２０が、接合部４１０を兼ねているため、燃料電池１００の面積を小さく出来る。

第３の実施形態：
図１１は、第３の実施形態におけるシールライン形成用突出部１５２近傍を示す説明図である。図１１（Ａ）は、燃料電池１００のシールライン形成用突出部１５２近傍を積層方向から見た図であり、図１１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ、図１１（Ａ）の燃料電池１００を１１Ａ−１１Ｂ切断線、１１Ｃ−１１Ｄ切断線、１１Ｅ−１１Ｆ切断線で切ったときの断面を示す説明図である。第３の実施形態の燃料電池１００は、図１１（Ａ）に示すように、ジグザグあるいは波状に蛇行するシールライン形成用突出部１５２を備えている。傾斜抑制用凸部１５８は、シールライン形成用突出部１５２が形成するジグザグ線あるいは波状の蛇行線に沿って左右交互に配置されている。図１１（Ｂ）、（Ｃ）における断面では、傾斜抑制部４２０は、シールライン形成用突出部１５２に一方の側にしか存在しないように見えるが、図１１（Ｄ）に示す断面では、傾斜抑制部４２０の傾斜抑制部４２０は、シールライン形成用突出部１５２の両側に存在する。そのため、２つの傾斜抑制部４２０の少なくとも一方でモーメントに対抗すればよいので、燃料電池１００をより傾き難くできる。ここで、図１１（Ａ）における縦方向のシール幅Ｚは、傾斜抑制部４２０がシールライン形成用突出部１５２に一方の側にしか存在しない場合とほぼ同じである。傾斜抑制部４２０を、シールライン形成用突出部１５２の両側に設けると、その分、シール幅Ｚが大きくなるが、第３の実施形態に示す構成を採用することにより、シール幅Ｚを大きくせずに、傾斜抑制部４２０を、シールライン形成用突出部１５２の両側に存在させるのと同様の効果を得ることが出来る。

第４の実施形態：
図１２は、シールラインが２本並んでいる領域における構成を示す説明図である。シールラインが２本並んでいる領域は、例えば、図３の開口部１５０１〜１５０６の周りの一部に存在する。この場合、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、シールラインを形成する２つのシールライン形成用突出部１５２の両側と、２つのシールライン形成用突出部１５２の間の３箇所に傾斜抑制用凸部１５８（１５８ａ〜１５８ｃ）を設けても良い。この場合、燃料電池１００を傾けようとするモーメントに対しては、２つのシールライン形成用突出部１５２の両側の傾斜抑制用凸部１５８（１５８ａ、１５８ｂ）を用いて抗力を発生させることで、燃料電池１００の傾きを抑制できる。そのため、２つのシールライン形成用突出部１５２の間の傾斜抑制用凸部１５８（１５８ｃ）については、剛性は必ずしも必要では無い。例えば、図１２（Ａ）に示すように傾斜抑制用凸部１５８ｃを補強フレーム１４０で埋める構成であっても良く、図１２（Ｂ）に示すように傾斜抑制用凸部１５８ｃを補強フレーム１４０で埋めない構成であっても良い。また、図１２（Ｃ）に示すように、２つのシールライン形成用突出部１５２の間の傾斜抑制用凸部１５８ｃを設けない構成であってもよい。図１２（Ｄ）に示すように、図１２（Ｃ）の構成を採用した上で、２つの凸部１５３の間の第１の接合部１５４の上に樹脂部材１４４を配置し、傾斜抑制部４２０として機能させても良い。すなわち、樹脂部材１４４は、請求項における傾斜抑制部材として機能する。このように、シールラインが２本並んでいる領域においても、傾斜抑制用凸部１５８（傾斜抑制部）を設けることで、燃料電池１００の傾きを抑制できる。

第５の実施形態：
図１３は、第５の実施形態にかかる燃料電池スタック１０を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、ケース２０に収納されて、車両に搭載される。燃料電池スタック１０とケース２０との間には、外部拘束材３０が設けられる。外部拘束材３０は、燃料電池スタック１０を搭載する車両が外部より衝撃を受けたときに、燃料電池スタック１０の燃料電池１００がずれないようにするための緩衝材、拘束材として作用する。外部拘束材３０は、平均径の小さな小片体、例えば、砂や、樹脂ビーズや、ガラスビーズなど、絶縁性を有する材料を用いて形成されている。外部拘束材３０を構成する小片体は、ケース２０の上部に設けられた小片体供給部２２からケース２０と燃料電池スタック１０との間に供給される。

図１４は、外部拘束材３０を有する燃料電池スタック１０の外縁部を示す説明図である。図１４では、燃料電池１００を５個図示している（１００ａ〜１００ｅ）。本実施形態では、外部拘束材３０は、傾斜抑制用凸部１５８、１６８の外縁に配置される。ただし、燃料電池１００ａの第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と、燃料電池１００ｂの第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８とが、略接触している状態であっても良い。例えば、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８とを常に密着・圧縮して使用することにより、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８が外部拘束材３０に接触する構造であってもよい。燃料電池１００ａの傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８との間は補強フレーム１４０で埋められており、さらに、補強フレーム１４０は、外部拘束材３０まで延びている。他の燃料電池１００ｂ〜１００ｅについても同様である。この状態で燃料電池スタック１０を搭載する車両が外より衝撃などの力を受けた場合、燃料電池１００ａ〜１００ｅは、外部拘束材３０から力を受け、燃料電池１００ａ〜１００ｅのセパレータプレート１５０、１６０が変形する場合がある。セパレータプレート１５０、１６０が少し変形すると、例えば、燃料電池１００ａの第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と、燃料電池１００ｂの第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８とが接触し、あるいは、燃料電池１００ｂの第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と、燃料電池１００ｃの第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８とが接触して、それ以上の変形が抑制される。すなわち、隣接する燃料電池１００間において、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８とが接触することで、セパレータプレート１５０、１６０の変形の変形量が少なく抑えられる。そのため、燃料電池１００（１００ａ〜１００ｅ）が仮にずれてセパレータプレート１５０、１６０が変形したとしても、セパレータプレート１５０、１６０の変形量は少なく、セパレータプレート１５０、１６０の傾きを抑制できる。なお、補強フレーム１４０は、燃料電池１００が外から力を受けたときに燃料電池１００がずれることを抑制するために燃料電池１００の外部に設けられる外部拘束材３０まで延びていてもよい。

図１５は、外部拘束材３０を有する比較例の燃料電池スタック１０の外縁部を示す説明図である。比較例の燃料電池スタック１０は、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８を備えていない。そのため、外部拘束材３０と接する位置において、燃料電池１００ａの第２のセパレータプレート１６０と、燃料電池１００ｂの第１のセパレータプレート１５０とは接触しておらず、燃料電池１００ｂの第２のセパレータプレート１６０と、燃料電池１００ｃの第１のセパレータプレート１５０とは接触していない。そのため、燃料電池スタック１０を搭載する車両が外部より衝撃を受けた場合、燃料電池１００ａ〜１００ｃは、外部拘束材３０から力を受け、例えば、燃料電池１００ａは、反時計回り方向に変形し、燃料電池１００ｂ、１００ｃは、時計回り方向に変形するおそれがある。

図１６は、外部拘束材３０を有する比較例の燃料電池スタック１０の外縁部を示す説明図である。燃料電池スタック１０と、外部拘束材３０の構成は、図１５に示す例と同じ構成である。燃料電池スタック１０を搭載する車両が外部より衝撃を受けた場合、燃料電池１００ａ〜１００ｃが変形しなくても、外部拘束材３０の小片体が２つの燃料電池１００ａと１００ｂとの間、１００ｂと１００ｃとの間に侵入することで、シールライン形成用突出部１５２と受部１６２との間に十分な反力が発生することを妨げる、あるいは、シールライン形成用突出部１５２と受部１６２との間のシール性を悪化させるおそれがある。しかし、本実施形態（図１４）では、燃料電池１００ａの第２のセパレータプレート１６０の傾斜抑制用凸部１６８と、燃料電池１００ｂの第１のセパレータプレート１５０の傾斜抑制用凸部１５８とは接触している。さらに、傾斜抑制用凸部１５８と傾斜抑制用凸部１６８との間は補強フレーム１４０で埋められて、補強フレーム１４０が外部拘束材３０まで達しているので、外部拘束材３０の小片体が２つの燃料電池１００ａと１００ｂとの間、１００ｂと１００ｃとの間に侵入することを抑制できる。

図１７は、第５の実施形態の変形例を示す説明図である。この変形例では、第１のセパレータプレート１５０の外部拘束材３０側の傾斜抑制用凸部１５８を設けない代わりに、補強フレーム１４０を用いて凸部１４２を形成している。第２のセパレータプレート１６０は、図９（Ａ）に示すのと同様に平らである。凸部１４２の頂部は、図１７（Ａ）に示すように、ゴムシート１７２が配置されても良く、図１７（Ｂ）に示すように、凹凸部１４３が形成されていても良い。これらの形態では、凸部１４２は、傾斜抑制用凸部１５８の代わりに傾斜抑制部４２０として機能する。さらに、燃料電池スタック１０を搭載する車両が外部より衝撃を受け、燃料電池１００ａ〜１００ｃが、外部拘束材３０から力を受けた場合であっても、凸部１４２は、隣接する燃料電池の第２のセパレータプレート１６０と接触しているので、燃料電池１００の変形や、外部拘束材３０の小片体の侵入を抑制できる。

図１８は、図１７（Ａ）における補強フレーム１４０の平面図である。この形態では、外部拘束材３０は、ケース２０の全領域ではなく、補強フレーム１４０の四隅のみに設けられている。この場合、補強フレーム１４０の凸部１４２上に配置されるゴムシート１７２は、例えば、外部拘束材３０に隣接する部分にのみ設ければ良い。図１７（Ｂ）に示す凹凸部１４３を形成する場合も同様である。

図１９は、外部拘束材３０を、補強フレーム１４０の四隅のみに設けるための構成を示す説明図である。補強フレーム１４０は、四隅近くの辺上に、外部拘束材３０を構成する小片体が回り込むことを抑制するための突部材１４５を備える。外部拘束材３０を形成するための小片体をケース２０に供給するときに、この突部材１４５により、小片体は、補強フレーム１４０の四隅のみに供給され、補強フレーム１４０の各辺の中央近傍には、供給されない。このように、補強フレーム１４０が突部材１４５を備えることにより、外部拘束材３０を構成する小片体を、補強フレーム１４０の四隅にのみに形成することが可能となる。

第６の実施形態：
図２０は、第６の実施形態における第１のセパレータプレート１５０を示す説明図である。第１のセパレータプレート１５０上の長辺に沿ったシールライン１８２（シールライン形成用突出部１５２により形成される）は、長辺の中央部で、傾斜抑制部４２０を構成する傾斜抑制用凸部１５８の内側にあり、長辺の中央部を挟む領域で、傾斜抑制部４２０を構成する傾斜抑制用凸部１５８の外側にある。さらに、長辺の中央部を挟む領域では、シールライン形成用突出部１５２と傾斜抑制用凸部１５８との間に堰１９０が設けられている。

図２１は、図２０の切断線２０Ａ−２０Ｂ及び切断線２０Ｃ−２０Ｄで燃料電池１００を切ったときの断面を示す説明図である。図２１（Ａ）は、図２０の切断線２０Ａ−２０Ｂで燃料電池１００を切ったときの断面であり、図２１（Ｂ）は、図２０の切断線２０Ｃ−２０Ｄで燃料電池１００を切ったときの断面を示している。図２１（Ｂ）に示す断面は、図４に示すものと同様の構成である。

燃料電池１００は、図２１（Ａ）に示すように、シールライン形成用突出部１５２と傾斜抑制用凸部１５８との間の第１の接合部１５４の補強フレーム１４０と反対側に、堰１９０を備える。堰１９０が配置される第１の接合部１５４の補強フレーム１４０と反対側は、シールライン形成用突出部１５２により形成されるシールライン１８２の内側（ＭＥＡ１１０側）であり、冷媒が流れる。ここに冷媒が流れると、流路形成部１５６を流れる冷媒の量が少なくなり、ＭＥＡ１１０（図２）を十分に冷却することが出来なくなるおそれがある。本実施形態によれば、シールライン形成用突出部１５２よりＭＥＡ１１０側であって、シールライン形成用突出部１５２と傾斜抑制用凸部１５８との間の第１の接合部１５４に、堰１９０を備えるので、冷媒がバイパスして第１の接合部１５４の上を流れることを抑制し、ＭＥＡ１１０を十分に冷却することが可能となる。また、堰１９０は、堰としての機能の他、傾斜抑制部材として傾斜抑制部４２０の機能も有している。

図２２は、堰の形状の例を示す説明図である。図２２（Ａ）に示す例では、堰１９０ａの形状は、半長円形であり、流れを抑制したい流体の流れる方向と直交している。図２２（Ｂ）に示す例では、堰１９０ｂの形状は円形であり、シールライン形成用突出部１５２に沿って複数の円形の堰１９０ｂが設けられている。図２２（Ｃ）に示す例では、堰１９０ｃの形状は、長円形であり、流れを抑制したい流体の流れる方向と平行である。このように、堰１９０の方向は、流れを抑制したい流体の流れる方向と直交、平行のいずれで有っても良く、円形にして方向を定めなくても良い。また、堰１９０ａ〜１９０ｃは、第１の接合部１５４にバイパスする流体の量を少なく出来れば、流体の流れを完全に止めなくてもよい。堰１９０は、例えば、ゴムや、発泡ウレタンなどの樹脂を、第１の接合部１５４の補強フレーム１４０と反対側に貼り付けることにより、容易に形成できる。

図２３は、第６の実施形態の変形例を示す説明図である。この変形例では、第１のセパレータプレート１５０の長辺に沿った領域のシールライン形成用突出部１５２を、図１１に示す例と同様に、ジグザグあるいは波状に蛇行させている。その上で、傾斜抑制用凸部１５８と、堰１９０と、を交互に設けている。シールライン１８２（シールライン形成用突出部１５２）の形状を直線にすると、面内の位置により、反力が低下するおそれがあるが、シールライン１８２（シールライン形成用突出部１５２）の形状をジグザグあるいは、波状にすると、反力の面内バラツキを緩和することができる。また、シールライン１８２（シールライン形成用突出部１５２）の形状をジグザグあるいは波状に蛇行させた上で、傾斜抑制用凸部１５８と、堰１９０と、を交互に設けているので、シール幅Ｚを小さくすることができ、さらに、流体のバイパス流量を低減できる。

以上説明したように、傾斜抑制部４２０は、セパレータプレートの傾斜抑制用凸部１５８、１６８を用いて形成されても良く、補強フレーム１４０の厚さを厚くして形成されても良い。また、第１の接合部１５４の上に、ゴム、発泡ウレタンなどの樹脂部材を配置することで形成されても良い。また、第１の接合部１５４の補強フレームと反対側に堰１９０を配置し、傾斜抑制部４２０としての機能を持たせても良い。傾斜抑制部４２０がセパレータプレートの傾斜抑制用凸部１５８、１６８を用いて形成され、さらに、第１の接合部１５４の補強フレームと反対側に堰１９０が設けられる構成であってもよい。

上記実施形態において、シール層を形成するゴムシート１７０は、受部１６２に配置されていたが、シールライン形成用突出部１５２の頂部に設けられていても良い。また、シール層を形成する材料はゴムに限られず、ゴムシート１７０の代わりに樹脂で形成されたシール層を用いても良い。なお、シール層（ゴムシート１７０）は無くても良い。シール層が無くても、セパレータプレート１５０、１６０の傾きを抑制できる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック
２０…ケース
２２…小片体供給部
３０…外部拘束材
１００、１００ａ〜１００ｈ…燃料電池
１１０…膜電極接合体
１４０…補強フレーム
１４１…凹部
１４２…凸部
１４３…凹凸部
１４４…樹脂部材
１４５…突部材
１５０…第１のセパレータプレート
１５２…凸部（シールライン）
１５３…凸部
１５４…接合部
１５５…変形可能空間
１５６…流路形成部
１５８、１５８ａ〜１５８ｃ…凸部
１６０…第２のセパレータプレート
１６２…凸部（受部）
１６４、１６４ａ、１６４ｂ…接合部
１６５…変形可能空間
１６８…凸部
１７０…ゴムシート
１７２…ゴムシート
１８２、１８３…シールライン
１９０、１９０ａ〜１９０ｃ…堰
２００…ターミナルプレート
２１０…ターミナルプレート
２２０…絶縁プレート
２３０…エンドプレート
３１０…酸化剤ガス供給マニホールド
３１５…酸化剤ガス排出マニホールド
３２０…燃料ガス排出マニホールド
３２５…燃料ガス供給マニホールド
３３０…冷媒供給マニホールド
３３５…冷媒排出マニホールド
４００…弾性変形部
４１０…接合部
４２０…傾斜抑制部
１４０１〜１４０６、１５０１〜１５０６…開口部
Ｚ…シール幅
Ｆ１〜Ｆ４…力
Ｍ１〜Ｍ４…モーメント
Ｎ１〜Ｎ４…抗力

Claims (10)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の外縁部を支持する補強フレームと、
   前記膜電極接合体と前記補強フレームとを挟持する第１のセパレータプレート及び第２のセパレータプレートと、
   を備え、
   前記第１のセパレータプレートは、
   前記燃料電池の積層時において隣接して配置される燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されてシールラインを形成するシールライン形成用突出部と、
   前記シールライン形成用突出部の両側に設けられた第１の接合部と、
   を備え、
   前記第２のセパレータプレートは、
   隣接して配置される燃料電池の第１のセパレータプレートのシールライン形成用突出部に押圧されて前記シールラインを形成する受部と、
   前記受部の両側に設けられた第２の接合部と、
   を備え、
   前記燃料電池は、さらに、
   前記シールライン形成用突出部及び前記受部の両側のうちの少なくとも一方の側に設けられた傾斜抑制部と、を備える、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記燃料電池の積層前における積層方向の厚さについて、前記シールライン形成用突出部の頂部と前記受部との間における厚さが最も厚く、前記傾斜抑制部における厚さは、その次に厚い、燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記傾斜抑制部は、前記第１のセパレータプレートを前記シールライン形成用突出部の突出方向と同方向の凸形状に変形させることにより形成されている、燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記傾斜抑制部は、前記第２のセパレータプレートを前記シールライン形成用突出部の突出方向と反対方向の凸形状に変形させることにより形成されている、燃料電池。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池において、
   前記傾斜抑制部における前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートとの間は、前記補強フレームにより埋められている、燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池において、
   前記補強フレームは、前記燃料電池の外部に設けられる外部拘束材まで延びている、燃料電池。
7. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記傾斜抑制部は、前記補強フレームの厚さを厚くすることにより形成されている。
8. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記傾斜抑制部は、前記第１の接合部の前記補強フレームと反対側または前記第２の接合部の前記補強フレームと反対側に傾斜抑制部材を配置することにより形成されている。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、さらに、
   前記第１の接合部の前記補強フレームと反対側、または前記第２の接合部の前記補強フレームと反対側に、堰を備える、燃料電池。
10. 請求項９に記載の燃料電池において、
    前記堰は、前記シールライン形成用突出部よりも前記膜電極接合体側に配置されている、燃料電池。

Images