JP2022144192A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】外部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１において、第１マニホールド５０は、第１内部空間５１の第１ガスを、第１開口部５３を通じて積層体２に供給する。第１シール材８１は、第１マニホールド５０と積層体２との間において、第１開口部５３の周囲に周状に配置されている。集電板２０ａは立上部２２を有し、集電板２０ａの端縁２８は第１シール材８１で囲まれた領域の外側に位置する。【選択図】図４

Description

本発明の実施の形態は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、複数の単セル電池を積層した積層体を備えている。積層体には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流路がそれぞれ形成されている。燃料電池スタックは、積層体に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。積層体には、発熱した積層体を冷却するための冷却水も導入される。

積層体に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を導入・回収する方式として、外部マニホールド方式と内部マニホールド方式がある。外部マニホールド方式では、マニホールドは単セル電池とは別に設けられるため、単セル電池をコンパクトにすることができる。また、外部マニホールド方式では、マニホールドを形成する材料として絶縁性を有した安価なプラスチック等を採用可能である。このため、外部マニホールド方式では、燃料電池スタックの製造コストを抑えることができる。

特許文献１に示すように、外部マニホールド方式では、マニホールドは積層された複数の単セル電池の端面に対面して配置される。マニホールドは上記ガスまたは冷却水を収容する内部空間を有する。内部空間は、開口部を通じて上記複数の単セル電池の端面に開放されている。マニホールドと積層体との間から上記ガスや冷却水が外部に漏れ出ることを抑制するため、マニホールドの開口部の周囲には、シール材が配置されている。マニホールドと積層体との間から上記ガスや冷却水が外部に漏れ出ること効果的に防止するため、シール材の一部を比較的厚みのある絶縁板に密着させている。

特開２０１２－１５０９６１号公報

しかしながら、シール材の一部が絶縁板に密着するように配置される場合、集電板と絶縁板とが対面する位置は、シール材で囲まれた領域の内側に位置することとなる。この場合、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、外部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制することを目的とする。

本発明による燃料電池スタックは、
第１方向に積層された複数の単セル電池を含み、前記第１方向の一側を向く第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の一側を向く第２面と、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向の一側を向く第３面と、を有する積層体と、
前記第１面に対面して配置された集電板と、
前記第１方向における前記集電板の一側に配置された絶縁板と、
第１ガスを収容するための第１内部空間を有する第１マニホールドであって、前記第２面に前記第１内部空間が第１開口部を通じて開口し、前記第１内部空間の前記第１ガスを前記第１開口部を通じて前記積層体に供給する、または、前記積層体から排出された前記第１ガスを前記第１開口部を通じて前記第１内部空間に収容する第１マニホールドと、
前記第１マニホールドと前記積層体との間に、前記第２方向に見て前記第１開口部の周囲に周状に配置された第１シール材と、
前記第１ガスとは異なる第２ガスを収容するための第２内部空間を有する第２マニホールドであって、前記第３面に前記第２内部空間が第２開口部を通じて開口し、前記第２内部空間の前記第２ガスを前記第２開口部を通じて前記積層体に供給する、または、前記積層体から排出された前記第２ガスを前記第２開口部を通じて前記第２内部空間に収容する第２マニホールドと、
前記第２マニホールドと前記積層体との間に、前記第３方向に見て前記第２開口部の周囲に周状に配置された第２シール材と、
を備え、
前記集電板は、前記積層体に対面する本体部と、前記本体部の縁部から前記第１方向の一側に立ち上がる立上部と、を有し、
前記集電板の端縁は、前記第２方向に見て前記第１シール材で囲まれた領域の外側に位置し、且つ、前記第３方向に見て、前記第２シール材で囲まれた領域の外側に位置する。

本発明によれば、外部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックの内部構造を説明するための分解斜視図である。 図３は、図１に示す燃料電池スタックのマニホールドを示す斜視図である。 図４は、図１に示す燃料電池スタック内部の流体の流れを説明する概略横方向断面図である。 図５は、図１に示す燃料電池スタックの集電板を示す斜視図である。 図６は、図１に示す燃料電池スタックの絶縁板を示す斜視図である。 図７は、図１に示す燃料電池スタックの積層体、集電板および絶縁板とシール材との位置関係を示す斜視図である。 図８は、図１に示す燃料電池スタックの第１方向に沿った断面を概略的に示す図である。 図９は、図７に対応する図であって、燃料電池スタックの変形例を説明するための図である。 図１０は、図８に対応する図であって、燃料電池スタックの他の変形例を説明するための図である。 図１１は、図５に対応する図であって、燃料電池スタックのさらに他の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、図１乃至図３を参照して、燃料電池スタックの全体構成について説明する。

図１乃至図３に示す例では、燃料電池スタック１は固体高分子型燃料電池スタックである。燃料電池スタック１は、複数の単セル電池１０と、積層体の両側に配置された集電板２０ａ，２０ｂ、絶縁板３０ａ，３０ｂ及び締付板４０ａ，４０ｂと、マニホールド５０，５５，６０，６５，７０，７５とを備えている。

複数の単セル電池１０は、第１方向Ｄ１に積層されて積層体２を構成する。図１乃至図３には、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２と、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に直交する第３方向Ｄ３が示されている。積層体２は、全体として直方体の形状である。積層体２は、第１方向Ｄ１の一側を向く第１面２ａと、第２方向Ｄ２の一側を向く第２面２ｂと、第３方向の一側を向く第３面２ｃとを有する。また、積層体２は、第１方向Ｄ１の他側を向く第４面２ｄと、第２方向Ｄ２の他側を向く第５面２ｅと、第３方向の他側を向く第６面２ｆとを有する。

各単セル電池１０は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１１と、膜電極複合体１１の両側に配置された酸化剤セパレータ１２及び燃料セパレータ１３とから構成されている。膜電極複合体１１は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両側に配置された一対の電極（燃料極及び酸化剤極）とから構成されている。

酸化剤セパレータ１２の表面には酸化剤ガス流路１４が設けられている。酸化剤ガス流路１４の一端は、積層体２の第２面２ｂに開口している。酸化剤ガス流路１４の他端は、積層体の第５面２ｅに開口している。

燃料セパレータ１３の膜電極複合体１１と接する側の表面には燃料ガス流路１５が設けられている。燃料ガス流路１５の一端は、積層体２の第６面２ｆに開口している。燃料ガス流路１５の他端は、積層体２の第３面２ｃに開口している。

酸化剤セパレータ１２のもう一方の表面または燃料セパレータ１３のもう一方の表面には、冷却水流路１６が設けられている。図示された例では、冷却水流路１６は、燃料セパレータ１３の表面に設けられている。冷却水流路１６の一端は、積層体２の第５面２ｅに開口している。冷却水流路１６の他端は、積層体２の第２面２ｂに開口している。

第１集電板２０ａは、積層体２の第１面２ａに対面して配置されている。第２集電板２０ｂは、積層体２の第４面２ｄに対面して配置されている。集電板２０ａ，２０ｂは、例えばステンレスやチタン等の金属板や、カーボン板を用いて形成されている。積層体２により発電された電力は、集電板２０ａ，２０ｂに接続した電力線（図示せず）を介して外部に取り出される。

第１絶縁板３０ａは、第１方向Ｄ１における第１集電板２０ａの一側に配置されている。第２絶縁板３０ｂは、第１方向Ｄ２における第２集電板２０ｂの他側に配置されている。絶縁板は、例えばエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの耐熱性樹脂材料からなる。絶縁板３０ａ，３０ｂは、集電板２０ａ，２０ｂと締付板４０ａ，４０ｂとを電気的に絶縁する。

第１締付板４０ａは、第１方向Ｄ１における第１絶縁板３０ａの一側に配置されている。第２締付板４０ｂは、第１方向Ｄ１における第２絶縁板３０ｂの他側に配置されている。各締付板４０ａ，４０ｂの四隅には、突起４１が設けられている。突起４１に設けられた孔に通された締付スタッド３により、締付板４０ａ，４０ｂが締め付けられ、締付板４０ａ，４０ｂの間にある積層体２が締め付けられる。

各締付板４０ａ，４０ｂの中央には開口部４３が形成されている。上記電力線は、開口部４３を通じて集電板２０ａ，２０ｂに接続される。また、各締付板４０ａ，４０ｂには、マニホールド固定用のネジ孔４４が複数設けられている。

酸化剤ガス入口マニホールド５０は、積層体２の第２面２ｂに対面して設けられている。酸化剤ガス入口マニホールド５０は、酸化剤ガスを一時的に収容するための内部空間５１と、内部空間５１に接続された酸化剤ガス入口配管５２とを有している。内部空間５１は、開口部５３を通じて積層体２の第２面２ｂに向けて開放されている。内部空間５１は、酸化剤ガス流路１４の一端に連通している。

酸化剤ガス出口マニホールド５５は、積層体２の第５面２ｅに対面して設けられている。酸化剤ガス出口マニホールド５５は、酸化剤ガスを一時的に収容するための内部空間５６と、内部空間５６に接続された酸化剤ガス入口配管５７とを有している。内部空間５６は、開口部５８を通じて積層体２の第５面２ｅに向けて開放されている。内部空間５６は、酸化剤ガス流路１４の他端に連通している。

燃料ガス入口マニホールド６０は、積層体２の第６面２ｆに対面して設けられている。燃料ガス入口マニホールド６０は、燃料ガスを一時的に収容するための内部空間６１と、内部空間６１に接続された燃料ガス入口配管６２とを有している。内部空間６１は、開口部６３を通じて積層体２の第６面２ｆに向けて開放されている。内部空間６１は、燃料ガス流路１５の一端に連通している。

燃料ガス出口マニホールド６５は、積層体２の第３面２ｃに対面して設けられている。燃料ガス出口マニホールド６５は、燃料ガスを一時的に収容するための内部空間６６と、内部空間６６に接続された燃料ガス出口配管６７とを有している。内部空間６６は、開口部６８を通じて積層体２の第３面２ｃに向けて開放されている。内部空間６６は、燃料ガス流路１５の他端に連通している。

冷却水入口マニホールド７０は、積層体２の第５面２ｅに対面して設けられている。冷却水入口マニホールド７０は、冷却水を一時的に収容するための内部空間７１と、内部空間７１に接続された冷却水入口配管７２とを有している。内部空間７１は、開口部７３を通じて積層体２の第５面２ｅに向けて開放されている。内部空間７１は、冷却水流路１６の一端に連通している。図示された例では、冷却水入口マニホールド７０は、酸化剤ガス出口マニホールド５５と一体に形成されている。

冷却水出口マニホールド７５は、積層体２の第２面２ｂに対面して設けられている。冷却水出口マニホールド７５は、冷却水を一時的に収容するための内部空間７６と、内部空間７６に接続された冷却水入口配管７７とを有している。内部空間７６は、開口部７８を通じて積層体２の第２面２ｂに向けて開放されている。内部空間７６は、冷却水流路１６の他端に連通している。図示された例では、冷却水出口マニホールド７５は、酸化剤ガス入口マニホールド５０と一体に形成されている。

図４に、燃料電池スタック１における燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流れを、それぞれ破線矢印、一点鎖線矢印及び実線矢印で示す。図４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口配管６２を通じて燃料ガス入口マニホールド６０の内部空間６１に収容され、開口部６３を通じて積層体２に供給される。積層体２に供給された燃料ガスは、各単セル電池１０の燃料ガス流路１５に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口配管５２を通じて酸化剤ガス入口マニホールド５０の内部空間５１に収容され、開口部５３を通じて積層体２に供給される。積層体２に供給された酸化剤ガスは、各単セル電池１０の酸化剤ガス流路１４に導入される。そして、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が単セル電池１０で反応し、電気と水が生成される。燃料ガス流路１５から排出された燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド６５の開口部６８を通じて内部空間６６に収容され、燃料ガス出口配管６７を通じて排出される。酸化剤ガス流路１４から排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口マニホールド５５の開口部５８を通じて内部空間５６に収容され、酸化剤ガス出口配管５７を通じて排出される。

冷却水は、冷却水入口配管７２を通じて冷却水入口マニホールド７０の内部空間７１に収容され、開口部７３を通じて積層体２に供給される。積層体２に供給された冷却水は、各単セル電池１０の冷却水流路１６に導入され、単セル電池１０を冷却するために使用される。冷却水流路１６から排出された冷却水は、冷却水出口マニホールド７５の開口部７８を通じて内部空間７６に収容され、冷却水出口配管７７を通じて排出される。

マニホールド５０，５５，６０，６５，７０，７５の内部空間５１，５６，６１，６５，７１，７６内の上記ガスや冷却水が、マニホールド５０，５５，６０，６５，７０，７５と積層体２との間から漏れ出ることを防止するため、各マニホールド５０，５５，６０，６５，７０，７５と積層体２との間には、シール材８１，８２，８３，８４，８５，８６が配置されている。

図３及び図４から理解されるように、酸化剤ガス入口側シール材８１は、酸化剤ガス入口マニホールド５０と積層体２との間に配置されている。酸化剤ガス入口側シール材８１は、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス入口マニホールド５０の開口部５３の周囲に周状に配置されている。

図３及び図４から理解されるように、酸化剤ガス出口側シール材８２は、酸化剤ガス出口マニホールド５５と積層体２との間に配置されている。酸化剤ガス出口側シール材８２は、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス出口マニホールド５５の開口部５８の周囲に周状に配置されている。

図３及び図４から理解されるように、燃料ガス入口側シール材８３は、燃料ガス入口マニホールド６０と積層体２との間に配置されている。燃料ガス入口側シール材８３は、第３方向Ｄ３に見て、燃料ガス入口マニホールド６０の開口部６３の周囲に周状に配置されている。

図３及び図４から理解されるように、燃料ガス出口側シール材８４は、燃料ガス出口マニホールド６５と積層体２との間に配置されている。燃料ガス出口側シール材８４は、第３方向Ｄ２に見て、燃料ガス出口マニホールド６５の開口部６８の周囲に周状に配置されている。

図３及び図４から理解されるように、冷却水入口側シール材８５は、冷却水入口マニホールド７０と積層体２との間に配置されている。冷却水入口側シール材８５は、第２方向Ｄ２に見て、冷却水入口マニホールド７０の開口部７３の周囲に周状に配置されている。

図３及び図４から理解されるように、冷却水出口側シール材８６は、冷却水出口マニホールド７５と積層体２との間に配置されている。冷却水出口側シール材８６は、第２方向Ｄ２に見て、冷却水出口マニホールド７５の開口部７８の周囲に周状に配置されている。

図示された例では、酸化剤ガス入口側シール材８１及び冷却水出口側シール材８６の互いに隣り合う部分は、一体に形成されている。また、酸化剤ガス出口側シール材８２及び冷却水入口側シール材８５の互いに隣り合う部分は、一体に形成されている。

各シール材８１，８２，８３，８４，８５，８６は、第１方向Ｄ１に延びる部分を有する。シール材８１，８２，８５，８６は、第３方向Ｄ３に延びる部分を有する。シール材８１，８２，８５，８６の第３方向Ｄ３に延びる部分は、シール材８１，８２，８５，８６の第１方向Ｄ１に延びる部分の両端部の間を延びている。シール材８３，８４は、第２方向に延びる部分を有する。シール材８３，８４の第２方向に延びる部分は、シール材８３，８４の第１方向Ｄ１に延びる部分の両端部の間を延びている。

ところで、従来、外部マニホールド方式の燃料電池スタックでは、マニホールドと積層体との間から上記ガスや冷却水が外部に漏れ出ること効果的に防止するため、シール材の第２方向に延びる部分および第３方向に延びる部分を、比較的厚みのある絶縁板に密着させていた。しかしながらこの場合、集電板の縁部と絶縁板の縁部とが対面する位置がシール材で囲まれた領域の内側に位置することとなり、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞がある。とりわけ冷却水が燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に流入したり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが冷却水の流路に流入したりすると、燃料電池スタックの安全性を損なう虞がある。

このような点を踏まえ、本実施の形態の燃料電池スタックは、集電板と絶縁板との間の微小な隙間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制するための工夫がなされている。

具体的には、図５に示すように、各集電板２０ａ，２０ｂは、積層体２に対面する本体部２１と、本体部２１の縁部から立ち上がる立上部２２とを有している。図２、図７及び図８に示すように、第１集電板２０ａの立上部２２は、第１方向Ｄ１の一方の側に立ち上がっている。また、第２集電板２０ｂは、第１方向Ｄ２の他方の側に立ち上がっている。図示された例では、立上部２２は、周状に形成されている。

図７に示すように、立上部２２は、本体部２１の第３方向Ｄ３に沿って延びる縁部から立ち上がる第２面側部分２３及び第５面側部分２４と、本体部２１の第２方向に沿って延びる縁部から立ち上がる第３面側部分２５及び第６面側部分２６と、を有する。第２面側部分２３、第５面側部分２４、第３面側部分２５及び第６面側部分２６は、それぞれ、積層体２の第２面２ｂ、第５面２ｅ、第３面２ｃ及び第６面２ｆと同一面上に配置される。集電板２０ａ，２０ｂには、本体部２１と立上部２２とによって凹部２７が形成されている。

また、図６に示すように、絶縁板３０ａ，３０ｂは、集電板２０ａ，２０ｂの形状と相補的な形状を有する。図示された例では、各絶縁板３０ａ，３０ｂは、基部３１と、基部３１から突出する凸部３２を有する。第１絶縁板３０ａの凸部３２は、基部３１から第１方向Ｄ１の他側に突出し、図８に示すように、第１集電板２０ａの凹部２７に受容される。また、第２絶縁板３０ｂの凸部３２は、基部３１から第１方向Ｄ１の一側に突出し、図８に示すように、第２集電板２０ｂの凹部２７に受容される。第１絶縁板３０ａの基部３１は、第１集電板２０ａの立上部２２に第１方向Ｄ１の一側から当接する。第１絶縁板３０ａの凸部３２は、第１集電板２０ａの本体部２１に第１方向Ｄ１の一側から当接する。また、第１絶縁板３０ａの凸部３２は、第１集電板２０ａの立上部２２の各部分２３，２４，２５，２６に、第２方向Ｄ２の他側及び一側並びに第３方向Ｄ３の他側及び一側から当接する。

さらに、図７に示すように、酸化剤ガス入口側シール材８１の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第２面側部分２３に密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、酸化剤ガス入口側シール材８１で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス入口側シール材８１で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて酸化剤ガス入口マニホールド５０に収容された酸化剤ガスが燃料ガスや冷却水の流路に進入する、ということが防止される。

同様に、酸化剤ガス出口側シール材８２の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第５面側部分２４に密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、酸化剤ガス出口側シール材８２で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス出口側シール材８２で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて酸化剤出口マニホールド５５に収容された酸化剤ガスが燃料ガスや冷却水の流路に進入する、ということが防止される。

また、図７に示すように、燃料ガス出口側シール材８４の第２方向Ｄ２に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第３面側部分２５に密着している。そして、第３方向Ｄ３に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、燃料ガス出口側シール材８４で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第３方向Ｄ３に見て、燃料ガス出口側シール材８４で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて燃料ガス出口マニホールド６５に収容された燃料ガスが酸化剤ガスや冷却水の流路に進入する、ということが防止される。

同様に、燃料ガス入口側シール材８３の第２方向Ｄ２に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第６面側部分２６に密着している。そして、第３方向Ｄ３に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、燃料ガス入口側シール材８３で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第３方向Ｄ３に見て、燃料ガス入口側シール材８３で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて燃料ガス入口マニホールド６０に収容された燃料ガスが酸化剤ガスや冷却水の流路に進入する、ということが防止される。

また、図７に示すように、冷却水出口側シール材８６の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第２面側部分２３に密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、冷却水出口側シール材８６で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、冷却水出口側シール材８６で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて冷却水出口マニホールド７５に収容された冷却水が酸化剤ガスや燃料ガスの流路に進入する、ということが防止される。

同様に、冷却水入口側シール材８５の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の第５面側部分２４に密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、冷却水入口側シール材８５で囲まれた領域の外側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部２２とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、冷却水入口側シール材８５で囲まれた領域の外側に位置する。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間を通じて冷却水入口マニホールド７０に収容された冷却水が酸化剤ガスや燃料ガスの流路に進入する、ということが防止される。

なお、集電板に立上部を設ける代わりに、集電板の厚みを大きくすることも考えられる。しかしながら、上述したような材料で形成される集電板の厚みを大きくすると、集電板の重量や製造コスト（したがって燃料電池スタックの重量や製造コスト）が著しく増大する。この点、集電板に立上部を設ける方法によれば、集電板の厚みを大きくする方法と比較して、燃料電池スタックの重量や製造コストの増大を効果的に抑制しつつ、上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制することができる。

また、集電板に立上部を設ける代わりに、集電板と絶縁板との間に上記ガスや冷却水の進入を防止するシール部材を配置することも考えられる。しかしながら、この場合、シール部材を配置するために、集電板及び絶縁板をより高い寸法精度で加工する必要がある。このことは、集電板及び絶縁板の加工コスト（したがって燃料電池スタックの製造コスト）を著しく増大させる。この点、集電板に立上部を設ける方法によれば、集電板と絶縁板との間にシール部材を配置する方法と比較して、燃料電池スタックの製造コストの増大を効果的に抑制しつつ、上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を抑制することができる。

なお、上述した集電板２０ａ，２０ｂを作製する方法としては、任意の方法を採用可能である。例えば、集電板２０ａ，２０ｂは、鋳型等の成形型に溶融金属を充填し、これを凝固させることにより作製されてもよい。また、集電板２０ａ，２０ｂは、板状の部材を折り曲げることにより作製されてもよい。

また、積層体２に対するマニホールド５０，５５，６０，６５，７０，７５の配置は、図示された例に限られない。例えば、積層体２の第２面２ｂに酸化剤ガス出口マニホールド５５及び冷却水入口マニホールド７０が設けられ、積層体２の第５面２ｅに酸化剤ガス入口マニホールド５０及び冷却水出口マニホールド７５が設けられてもよい。また、積層体２の第３面２ｃに燃料ガス入口マニホールド６０が設けられ、積層体２の第６面２ｆに燃料ガス出口マニホールド６５が設けられてもよい。

＜変形例１＞
次に、図９を参照して、上述の実施形態による燃料電池スタックの変形例について説明する。図９に示す変形例１の燃料電池スタック１は、集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２は周状に形成されていない点で異なっている。他の構成は、図１乃至図８に示す燃料電池スタック１と略同一である。図９に示す変形例１において、図１乃至図８に示す実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

上述したように、図９に示す例では、集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２は周状に形成されていない。立上部２２の第２面側部分２３は、第６面側部分２６に接続しているが、第３面側部分２５には接続していない。また、立上部２２の第５面側部分２４は、第３面側部分２５に接続しているが、第６面側部分２６には接続していない。また、冷却水出口側シール材８６の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する絶縁板３０ａ，３０ｂに密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、冷却水出口側シール材８６で囲まれた領域の内側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、冷却水出口側シール材８６で囲まれた領域の内側に位置する。同様に、冷却水入口側シール材８５の第３方向Ｄ３に延びる部分は、対応する絶縁板３０ａ，３０ｂに密着している。そして、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、冷却水入口側シール材８５で囲まれた領域の内側に位置する。言い換えると、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、冷却水入口側シール材８５で囲まれた領域の内側に位置する。

その一方で、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、酸化剤ガス入口側シール材８１で囲まれた領域の外側に位置する。また、第２方向Ｄ２に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、酸化剤ガス出口側シール材８２で囲まれた領域の外側に位置する。また、第３方向Ｄ３に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、燃料ガス入口側シール材８３で囲まれた領域の外側に位置する。また、第３方向Ｄ３に見て、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８は、燃料ガス出口側シール材８４で囲まれた領域の外側に位置する。

図９に示す例では、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間に冷却水入口マニホールド７０または冷却水出口マニホールド７５に収容された冷却水が進入する虞がある。しかしながら、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間に進入した冷却水は、図９に矢印で示すように、立上部２２によって冷却水出口マニホールド７５または冷却水入口マニホールド７０に向けて案内される。したがって、冷却水が燃料ガスや酸化剤ガスの流路に流入することが防止されている。このような集電板２０ａ，２０ｂによっても、上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する虞を防止することができる。

また、図９に示す例では、図７に示す例と同様に、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス入口側シール材８１で囲まれた領域の外側に位置する。また、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部２２とが対面する位置が、第２方向Ｄ２に見て、酸化剤ガス出口側シール材８２で囲まれた領域の外側に位置する。また、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第３方向Ｄ３に見て、燃料ガス入口側シール材８３で囲まれた領域の外側に位置する。また、集電板２０ａ，２０ｂの縁部２８と絶縁板３０ａ，３０ｂの縁部３３とが対面する位置が、第３方向Ｄ３に見て、燃料ガス出口側シール材８４で囲まれた領域の外側に位置する。したがって、集電板２０ａ，２０ｂと絶縁板３０ａ，３０ｂとの間に酸化剤ガス及び燃料ガスが進入する、ということが防止される。

なお、図９に示す例においても、絶縁板３０ａ，３０ｂは、対応する集電板２０ａ，２０ｂの形状と相補的な形状を有している。そして、絶縁板３０ａ，３０ｂは、それぞれ、対応する集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１に第１方向Ｄ１の一側及び他側から当接する。また、絶縁板３０ａ，３０ｂは、それぞれ、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２に第１方向Ｄ１の一側及び他側から当接する。また、絶縁板３０ａ，３０ｂは、それぞれ、対応する集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２の各部分２３，２４，２５，２６に、第２方向Ｄ２の他側及び一側並びに第３方向Ｄ３の他側及び一側から当接する。

＜変形例２＞
次に、図１０を参照して、上述の実施形態による燃料電池スタックの変形例２について説明する。図１０に示す変形例２の燃料電池スタック１は、シール材９０，９１をさらに備えている点で異なっている。他の構成は、図１乃至図８に示す燃料電池スタック１と略同一である。図１０に示す変形例２において、図１乃至図８に示す実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

上述したように、図１０に示す例では、燃料電池スタック１は、第１集電板２０ａの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａの縁部との間を封止する第１面側シール材９０を備えている。第１面側シール材９０は、第１集電板２０ａの本体部２１の縁部及び積層体２の第１面２ａの縁部に沿って、周状に配置されている。したがって、第１面側シール材９０は、第２方向Ｄ２に見てシール材８１，８２，８５，８６で囲まれた領域内において、第１集電板２０ａの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａの縁部との間を封止している。また、第１面側シール材９０は、第３方向Ｄ３に見てシール材８３，８４で囲まれた領域内において、第１集電板２０ａの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａの縁部との間を封止している。

また、図１０に示す例では、燃料電池スタック１は、第２集電板２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第４面２ｄの縁部との間を封止する第４面側シール材９１を備えている。第４面側シール材９１は、第２集電板２０ｂの本体部２１の縁部及び積層体２の第４面２ｄの縁部に沿って、周状に配置されている。第４面側シール材９１は、第２方向Ｄ２に見てシール材８１，８２，８５，８６で囲まれた領域内において、第２集電板２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第４面２ｄの縁部との間を封止している。また、第４面側シール材９１は、第３方向Ｄ３に見てシール材８３，８４で囲まれた領域内において、第２集電板２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第４面２ｄの縁部との間を封止している。

このようなシール材９１によって、集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１と積層体２の第１面２ａ及び第４面２ｄとの間に、上記ガスや冷却水が進入する虞が抑制される。とりわけ、図１０に示すように、集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１と立上部２２との接続部が丸みを帯びている場合、集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａまたは第４面２ｄの縁部との間に、上記ガスや冷却水が進入可能な隙間９３が形成される。このような場合、シール材９０，９１によって上記隙間９３を封止することにより、本体部２１と積層体２の第１面２ａ及び第４面２ｄとの間に上記ガスや冷却水が進入する虞を、効果的に抑制することができる。この結果、集電板２０ａ，２０ｂと積層体２との間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する、ということが抑制される。

なお、シール材９０，９１は、第２方向Ｄ２に見て少なくともシール材８１，８２で囲まれた領域内において集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａまたは第２面２ｂの縁部との間を封止する、というように設けられていればよい。また、シール材９０，９１は、第３方向Ｄ３に見て少なくともシール材８３，８４で囲まれた領域内において集電板２０ａ，２０ｂの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａまたは第２面２ｂの縁部との間を封止する、というように設けられていればよい。言い換えると、シール材９０，９１は、集電板２０ａ，２０ｂと積層体２との間に冷却水が進入することを許容するように設けられてもよい。この場合であっても、集電板２０ａ，２０ｂと積層体２との間を通じて上記ガスや冷却水が互いの流路に進入する、ということが抑制される。

＜変形例３＞
次に、図１１を参照して、上述の実施形態による燃料電池スタックの変形例３について説明する。図１１に示す変形例３の燃料電池スタック１は、集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２に突起９５が形成されている点で異なっている。他の構成は、図１乃至図８に示す燃料電池スタック１と略同一である。図１１に示す変形例３において、図１乃至図８に示す実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

上述したように、図１１に示す例では、集電板２０ａ，２０ｂの立上部２２に突起９５が形成されている。突起９５には、積層体２で発電された電流を取り出すための電力線が接続される。立上部２２に突起９５が形成されている場合、集電板２０ａ，２０ｂに電力線を接続することが容易である。また、この場合、締付板４０ａ，４０ｂに通すための開口部４３を設ける必要がない。図示された例では、突起９５に電力線を固定するための開口部９６が形成されている。

以上のように、本実施の形態およびその変形例による燃料電池スタック１は、積層体２と、集電板２０ａと、絶縁板３０ａと、第１マニホールド５０，５５と、第１シール材８１，８２と、第２マニホールド６０，６５と、第２シール材８３，８４と、を備えている。積層体２は、第１方向Ｄ１に積層された複数の単セル電池１０を含んでいる。積層体２は、第１方向Ｄ１の一側を向く第１面２ａと、第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２の一側を向く第２面２ｂと、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２と直交する第３方向Ｄ３の一側を向く第３面２ｃと、を有している。集電板２０ａは、積層体２の第１面２ａに対面して配置されている。絶縁板３０ａは、第１方向Ｄ１における集電板２０ａの一側に配置されている。第１マニホールド５０，５５は、第１ガス（図示された例では酸化剤ガス）を収容するための第１内部空間５１，５６を有している。第１内部空間５１，５６は、第１開口部５３，５８を通じて、積層体２の第２面２ｂに開口している。そして、第１マニホールド５０，５５は、第１内部空間５１，５６の第１ガスを、第１開口部５３，５８を通じて積層体２に供給する。または、第１マニホールド５０，５５は、積層体２から排出された第１ガスを、第１開口部５３，５８を通じて第１内部空間５１，５６に収容する。第１シール材８１，８２は、第１マニホールド５０，５５と積層体２との間に配置されている。第１シール材８１，８２は、第２方向Ｄ２に見て、第１開口部５３，５８の周囲に周状に配置されている。第２マニホールド６０，６５は、第１ガスとは異なる第２ガス（図示された例では燃料ガス）を収容するための第２内部空間６１，６６を有する。第２内部空間６１，６６は、第２開口部６３，６８を通じて、積層体２の第３面２ｃに開口している。そして、第２マニホールド６０，６５は、第２内部空間６１，６６の第２ガスを、第２開口部６３，６８を通じて積層体２に供給する。または、第２マニホールド６０，６５は、積層体２から排出された第２ガスを、第２開口部６３，６８を通じて第２内部空間６１，６６に収容する。第２シール材８３，８４は、第２マニホールド６０，６５と積層体２との間に配置されている。第２シール材８３，８４は、第３方向Ｄ３に見て、第２開口部６３，６８の周囲に周状に配置されている。集電板２０ａは、積層体２に対面する本体部２１と、本体部２１の縁部から第１方向Ｄ１の一側に立ち上がる立上部２２と、を有する。集電板２０ａの端縁２８は、第２方向Ｄ２に見て、第１シール材８１，８２で囲まれた領域の外側に位置する。また、集電板２０ａの端縁２８は、第３方向Ｄ３に見て、第２シール材８３，８４で囲まれた領域の外側に位置する。

このような燃料電池スタック１によれば、第１ガスや第２ガスが集電板２０ａと絶縁板３０ａの間に進入することを防止することができる。この結果、第１ガスや第２ガス並びに冷却水が互いの流路に進入する、ということを防止することができる。

また、本実施の形態による燃料電池スタック１は、第３マニホールド７０，７５及び第３シール材８５，８６を備えている。第３マニホールド７０，７５は、冷却水を収容するための第３内部空間７１，７６を有している。第３内部空間７１，７６は、第３開口部７３，７８を通じて、積層体２の第２面２ｂに開口している。そして、第３マニホールド７０，７５は、第３内部空間７１，７６の冷却水を、第３開口部７３，７８を通じて積層体２に供給する。または、第３マニホールド７０，７５は、積層体２から排出された冷却水を、第３開口部７３，７８を通じて第３内部空間７１，７６に収容する。第３シール材８５，８６は、第３マニホールド７０，７５と積層体２との間に配置されている。第３シール材８５，８６は、第２方向Ｄ２に見て、第３開口部７３，７８の周囲に周状に配置されている。集電板２０ａの端縁２８は、第２方向Ｄ２に見て、第３シール材８５，８６で囲まれた領域の外側に位置する。

このような燃料電池スタック１によれば、冷却水が集電板２０ａと絶縁板３０ａの間に進入することを防止することができる。この結果、第１ガスや第２ガス並びに冷却水が互いの流路に進入する、ということを防止することができる。

また、本実施の形態による燃料電池スタック１において、集電板２０ａの立上部２２は、周状に形成されている。また、絶縁板３０ａは、集電板２０ａの本体部２１と立上部２２とによって形成された凹部２７に受容される凸部３２を有している。この場合、集電板２０ａおよび絶縁板３０ａを容易に作製することができる。

また、本実施の形態の変形例による燃料電池スタック１は、第２方向Ｄ２に見て少なくとも第１シール材８１，８２で囲まれた領域内及び第３方向Ｄ３に見て少なくとも第２シール材８３，８４で囲まれた領域内に、集電板２０ａの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａの縁部との間を封止する第４シール材９０，９１をさらに備えている。このような燃料電池スタック１によれば、集電板２０ａと積層体２との間に第１ガスや第２ガスが進入して、第１ガスや第２ガス並びに冷却水が互いの流路に進入する、という虞を抑制することができる。

また、本実施の形態の変形例による燃料電池スタック１は、第２方向Ｄ２に見て少なくとも第１シール材８１，８２で囲まれた領域内及び第３シール材８５，８６で囲まれた領域内、並びに、第３方向Ｄ３に見て少なくとも第２シール材８３，８４で囲まれた領域内に、集電板２０ａの本体部２１の縁部と積層体２の第１面２ａの縁部との間を封止する第４シール材９０，９１をさらに備えている。このような燃料電池スタック１によれば、集電板２０ａと積層体２との間に第１ガスや第２ガス並びに冷却水が進入して、第１ガスや第２ガス並びに冷却水が互いの流路に進入する、という虞を抑制することができる。

また、本実施の形態の変形例による燃料電池スタック１では、集電板２０ａの立上部２２に、積層体２で発電された電流を取り出すための電力線が接続される突起９５が形成されている。この場合、集電板２０ａに電力線を接続することが容易である。

上述した実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、上述した実施の形態やその変形を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：燃料電池スタック、２：積層体、２ａ：第１面、２ｂ：第２面、２ｃ：第３面、２ｄ：第４面、２ｅ：第５面、２ｆ：第６面、１０：単セル電池、２０ａ：第１集電板、２０ｂ：第２集電板、３０ａ：第１絶縁板、３０ｂ：第２絶縁板、４０ａ：第１締付板、４０ｂ：第２締付板、５０：酸化剤ガス入口マニホールド、５５：酸化剤ガス出口マニホールド、６０：燃料ガス入口マニホールド、６５：燃料ガス出口マニホールド、７０：冷却水入口マニホールド、７５：冷却水出口マニホールド、８１：酸化剤ガス入口側シール材、８２：酸化剤ガス出口側シール材、８３：燃料ガス入口側シール材、８４：燃料ガス出口側シール材、８５：冷却水入口側シール材、８６：冷却水出口側シール材、９０：第１面側シール材、９１：第４面側シール材、９５：突起

Claims (7)

1. 第１方向に積層された複数の単セル電池を含み、前記第１方向の一側を向く第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の一側を向く第２面と、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向の一側を向く第３面と、を有する積層体と、
   前記第１面に対面して配置された集電板と、
   前記第１方向における前記集電板の一側に配置された絶縁板と、
   第１ガスを収容するための第１内部空間を有する第１マニホールドであって、前記第２面に前記第１内部空間が第１開口部を通じて開口し、前記第１内部空間の前記第１ガスを前記第１開口部を通じて前記積層体に供給する、または、前記積層体から排出された前記第１ガスを前記第１開口部を通じて前記第１内部空間に収容する第１マニホールドと、
   前記第１マニホールドと前記積層体との間に、前記第２方向に見て前記第１開口部の周囲に周状に配置された第１シール材と、
   前記第１ガスとは異なる第２ガスを収容するための第２内部空間を有する第２マニホールドであって、前記第３面に前記第２内部空間が第２開口部を通じて開口し、前記第２内部空間の前記第２ガスを前記第２開口部を通じて前記積層体に供給する、または、前記積層体から排出された前記第２ガスを前記第２開口部を通じて前記第２内部空間に収容する第２マニホールドと、
   前記第２マニホールドと前記積層体との間に、前記第３方向に見て前記第２開口部の周囲に周状に配置された第２シール材と、
   を備え、
   前記集電板は、前記積層体に対面する本体部と、前記本体部の縁部から前記第１方向の一側に立ち上がる立上部と、を有し、
   前記集電板の端縁は、前記第２方向に見て前記第１シール材で囲まれた領域の外側に位置し、且つ、前記第３方向に見て、前記第２シール材で囲まれた領域の外側に位置する、燃料電池スタック。
2. 冷却水を収容するための第３内部空間を有する第３マニホールドであって、前記第２面に前記第３内部空間が第３開口部を通じて開口し、前記第３内部空間の前記冷却水を前記第３開口部を通じて前記積層体に供給する、または、前記積層体から排出された前記冷却水を前記第３開口部を通じて前記第３内部空間に収容する第３マニホールドと、
   前記第３マニホールドと前記積層体との間に、前記第２方向に見て前記第３開口部の周囲に周状に配置された第３シール材と、
   をさらに備え、
   前記集電板の端縁は、前記第２方向に見て、前記第３シール材で囲まれた領域の外側に位置する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記絶縁板は、前記集電板の形状と相補的な形状を有し、前記本体部及び前記立上部に前記第１方向の一側から当接し、且つ、前記立上部に前記第２方向の他側及び前記第３方向の他側から当接する、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記立上部は、周状に形成されており、
   前記絶縁板は、前記立上部と前記本体部とによって形成された凹部に受容される凸部を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第２方向に見て少なくとも前記第１シール材で囲まれた領域内及び前記第３方向に見て少なくとも前記第２シール材で囲まれた領域内に、前記本体部の縁部と前記積層体の第１面の縁部との間を封止する第４シール材をさらに備えた、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記第２方向に見て少なくとも前記第１シール材で囲まれた領域内及び第３シール材で囲まれた領域内、並びに、前記第３方向に見て少なくとも前記第２シール材で囲まれた領域内に、前記本体部の縁部と前記積層体の第１面の縁部との間を封止する第４シール材をさらに備えた、請求項２に記載の燃料電池スタック。
7. 前記立上部に前記積層体で発電された電流を取り出すための電力線が接続される突起が形成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

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