JP5910751B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、二種類の発電用ガスを互いに分離して流接させることによって発電する膜電極接合体を備えた燃料電池スタックに関する。

この種の燃料電池スタックに関連する技術として、「燃料電池システム」とした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。

特許文献１に開示されている燃料電池システムは、電解質と、この電解質の１面側に接合された第１の触媒層と、上記電解質の他面側に接合された第２の触媒層と、その第１の触媒層の電解質と反対側に接合された第１の電極と、上記第２の触媒層の電解質と反対側に接合された第２の電極と、その第１の電極に接合されたセパレータとを有する燃料電池と、第１の電極に第１種反応ガスを供給する第１の反応ガス供給部と、前記第２の電極に第２種反応ガスを供給する第２の反応ガス供給部と、燃料電池システムの動作を制御する制御部とを備え、第１の電極は、燃料電池の積層方向において前記電解質の側に配置された電解質側ガス供給路と、前記積層方向において前記セパレータの側に配置されたセパレータ側ガス供給路とを含む２層流路構造を有するものである。

上記した関連する燃料電池システムにおいては、積層された燃料電池間に冷媒流路部が形成されているとともに、その冷媒流路部に第１の電極に対して圧縮方向の弾性荷重を印加するための弾性体（与圧プレート）を備えた構成が示されている。

上記の予圧プレートは、ＭＥＡや水素極、酸素極、冷媒流路部といった燃料電池セルの構成部品の形状誤差により局所的に生じた荷重を分散させるように、それらの構成部品に均等な荷重を加えようとしたものである。

特開２００５−１５８６７０号公報

冷却効率の向上を図るためには、燃料電池セルの発電領域（アクティブエリア）に対応する部分に充分な冷媒（冷却流体）を流通させることが好ましいが、通常では、その一部が発電領域外に傍流しまい、充分な冷却を行うことが困難である。

上記予圧プレートでは、冷媒がアクティブエリア外を流れてしまうことを防止することができず、発電効率を高めることができないという課題がある。

本発明は、セルユニットの積層方向の変位を吸収するとともに、アクティブエリア外に傍流する冷却流体を防止して、発電効率を向上させられる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

実施形態に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれガス流通路を区画形成する二つのセパレータとを有する、互いに積層されたセルユニットと、隣り合う前記セルユニットの前記セパレータ間に設けられた、冷却流体を流通させる冷却流体流通路と、前記冷却流体流通路に配設された変位吸収部材とを備える。前記変位吸収部材は、前記セルユニットの積層方向における変位を弾性的に吸収する、列設された弾性突起と、前記冷却流体のアクティブエリア外への傍流を防止する、列設された傍流防止突起とを含む。前記弾性突起は、前記変位吸収部材の基板の一面に設けられ、前記各傍流防止突起は、前記基板に固定された平坦片部と、前記平坦片部を基端として、前記冷却流体の流通方向の上流側に向けて突出する上流側片部と、を有する。

上記構成においては、セルユニットの積層方向の変位を変位吸収部材によって弾性的に吸収するとともに、その変位吸収部材に形成した傍流防止突起によって、膜電極接合体に対向するアクティブエリア以外に傍流しようとする冷却流体を防止して、冷却効率を高めている。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。 図２は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。 図３は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす一例に係るセルユニットの平面図である。 図４は、図３に包囲線Ｉで示す部分の詳細を示す部分拡大図である。 図５は、図４に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分断面図である。 図６は、図４に示すＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う部分断面図である。 図７は、図４に示すＩＶ‐ＩＶ線に沿う部分断面図である。 図８は、図４に示すＶ‐Ｖ線に沿う部分断面図である。 図９は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす第一の例に係る変位吸収部材の部分斜視図である。 図１０は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす第二の例に係る変位吸収部材の部分斜視図である。 図１１は、図１０に示すＶＩ‐ＶＩ線に沿う部分拡大断面図である。 図１２は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの一部をなす第三の例に係る変位吸収部材の一部分を示す斜視図である。 図１３は、図４に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分に相当する部分断面図である。 図１４Ａは、上記第三の他例に係る変位吸収部材におけるセパレータ側嵌合部の一例に係る形成位置を模式的に示す平面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａのセパレータ側嵌合部の他例に係る形成位置を模式的に示す平面図である。 図１５Ａは、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図である。 図１５Ｂは、隣接するセパレータ及び冷却流体流通路を説明する斜視図である。 図１５Ｃは、傍流防止突起の有無による冷却流体の流量比率を示すグラフである。 図１６Ａは、図１５Ａに示す燃料電池スタックの一部をなす第四の例に係る変位吸収部材を説明する斜視図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの側面図である。 図１７は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図である。 図１８Ａは、図１７に示す燃料電池スタックの一部をなす第五の例に係る変位吸収部材を説明する斜視図である。 図１８Ｂは、図１８Ａの側面図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図、図３は、その燃料電池スタックの一部をなす第一の例に係るセルユニットの平面図である。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型のものを例としている。

図１，２に示す燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１１，１２間に、集電板１３，１４、セルユニット（燃料電池）Ａ１及び第一の例に係る変位吸収部材Ｂ１を複数積層させ、かつ、それらのエンドプレート１１，１２により、それらセルユニットＡ１どうしを挟圧するようにして締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって締結した構成のものである。なお、１８で示すものはボルト、１９で示すものはスペーサである。

セルユニットＡ１は、セルフレーム４２の両面側に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するように一対のセパレータ４０，４１を配設したものである。

「発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。

セルフレーム４２は樹脂製のものであり、本実施形態においては、セルユニットＡ１の積層方向Ｘから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成された基板４２ａの中央部分に膜電極接合体３０を配設したものである（図２参照）。

膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜を、アノード電極とカソード電極（いずれも図示しない）により挟持した構造を有するものである。この膜電極接合体３０に対向する領域がアクティブエリア（発電領域）ａ（図４参照）である。

上記の膜電極接合体３０は、一方のガス流通路を流通する水素含有ガスがアノードに流接し、かつ、他方のガス流通路を流通する酸素含有ガスがカソードに流接することにより発電を行なうものである。

図３に示すように、セルユニットＡ１の両側方には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｈがそれぞれ形成されている。

一側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、図２に示す積層方向Ｘにそれぞれの流路を形成している。

他側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）のものであり、図２に示す積層方向Ｘにそれぞれの流通路を形成している。なお、供給用のものと排出用のものは一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

図４は、図３に包囲線Ｉで示す部分の詳細を示す部分拡大図、図５は、図４に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分断面図、図６は、図４に示すＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う部分断面図、図７は、図４に示すＩＶ‐ＩＶ線に沿う部分断面図、図８は、図４に示すＶ‐Ｖ線に沿う部分断面図である。また、図９は、燃料電池スタックの一部をなす第一の例に係る変位吸収部材の部分斜視図である。

なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

セパレータ４０，４１は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記したセルフレーム４２と同形同大にして形成されている。

これらのセパレータ４０，４１のうち、セパレータ４１の両側部（一側部は図示しない）には、膜電極接合体３０に対向するアクティブエリアａ外における冷却流体の傍流を防止するための傍流防止部Ｃ１，Ｃ２が形成されている。

本実施形態において示す傍流防止部Ｃ１，Ｃ２は、発電用ガスの流通方向Ｙにおいて所要の間隔にして、後述する冷却流体流通路Ｓ１内に突出して形成されている。

傍流防止部Ｃ１は、平面視において略三角形の輪郭にし、かつ、変位吸収部材Ｂ１の側辺縁５１ｄ（図５参照）からアクティブエリアａに到る長さＬ１（図８参照）にして形成されており、冷却流体流通路Ｓ１の流入開始端（図４における下方端）に配設されている。

また、傍流防止部Ｃ１の斜片４１ｅの基端部４１ｅ´（図４参照）は、先端部４１ｅ″よりも流通方向Ｙの上流側に位置させることにより、冷却流体流通路Ｓ１内を流通する冷却流体をアクティブエリアａ寄りに偏流させられるようにしている。

傍流防止部Ｃ２は、平面視において略長穴形の輪郭にし、かつ、上記した側辺縁５１ｄからアクティブエリアａ近傍に到る長さＬ２（図５参照）にして形成されているとともに、詳細を後述する変位吸収部材Ｂ１の各平坦片部５５ｃに対向する位置に配設されている。

上記の構成からなるセルユニットＡ１では、セルフレーム４２の一端部から他端部又は他端部から一端部に水素含有ガス又は酸素含有ガスが流通する。すなわち、発電用ガスは、流通方向Ｙにおいて流通するようになっている。

上記のセルフレーム４２及び両セパレータ４０，４１は、これらの周縁にシーリングを施して液密的に接合されることによりセルユニットＡ１を構成している。

互いに積層したセルユニットＡ１，Ａ１間には、それらセルユニットＡ１，Ａ１のセパレータ４０，４１どうしを気密・液密的に接合して、その間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路Ｓ１が形成されている（図５〜８参照）。

また、セルフレーム４２及びセパレータ４０，４１それぞれのマニホールドＨが互いに連通して、セルユニットＡ１の積層方向Ｘにおけるガス流通口と冷却流体流通口（図示しない）が形成されるようになっている。

本実施形態において示す第一の例に係る変位吸収部材Ｂ１は、隣接するセルユニットＡ１，Ａ１間に区画形成される上記冷却流体流通路Ｓ１に介挿されている。

この変位吸収部材Ｂ１は、セルユニットＡ１の積層方向Ｘにおける変位を弾性的に吸収するためのものであり、基板５１の一面（図示上面）側に複数の弾性突起５０が配列形成されている。

また、図９に示すように、冷却流体の流通方向Ｙと並行な基板５１の辺縁５１ｃには、これに沿って複数の傍流防止突起５５が配列形成されている。

弾性突起５０は、上記した冷却流体流通路Ｓ１を流通する冷却流体の流通方向Ｙに沿い、かつ、その流通方向Ｙ及びこれに直交する方向Ｚにおいて互いに所定の間隔にして配列されている。

これらの弾性突起５０は、導電性の金属板からなる基板５１に一体にして形成されており、それらは、冷却流体流通路Ｓ１内を流通する冷却流体の上記流通方向Ｙと平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。

これらの弾性突起５０は、流通方向Ｙから見たときに縦長方形に、かつ、流通方向Ｙと直交する方向Ｚから見たときに穏やかなＳ字形にして、基板５１から切り起こすことにより一体に形成されている。

傍流防止突起５５は、上記膜電極接合体３０に対向するアクティブエリア（発電領域）ａ以外に傍流しようとする冷却流体を防止するためのものであり、上記基板５１の辺縁５１ｃに配列形成されることにより、上記した冷却流体流通路Ｓ１の両側方において、流通方向Ｙに沿って互いに所定の間隔にして複数配列してなるものである。

この傍流防止突起５５は、上記基板５１に一体にして形成されており、それらは、上記流通方向Ｙと平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。

具体的には、上記基板５１に連結した平坦片部（中間平坦片部）５５ｃと、この平坦片部５５ｃから一面側（図９における上面側）に向けて傾斜させた上流側片部５５ａと、他面側（図９における下面側）に向けて傾斜させた下流側片部５５ｂとを一体に形成したものである。

なお、上流側片部５５ａと下流側片部５５ｂを上流，下流逆向きに形成してもよい。

より具体的には、上流側片部５５ａを基板５１の一面側に向けて切り上げ、かつ、下流側片部５５ｂを基板５１の他面側に向けて切り下げるとともに、これの平坦片部５５ｃを基板５１のリブ５１ａに連結している。なお、平坦片部５５ｃは、上記した基板５１と同一の平面をなしている。

すなわち、流通方向Ｙから見たときに横長方形に、かつ、流通方向Ｙと直交する方向Ｚから見たときに流通方向Ｙに向けて所要の迎角をなす緩やかな傾斜姿勢にしている。

上記した弾性突起５０と傍流防止突起５５は、例えば打ち抜き加工等の切断加工や、エッチング加工等のように材料の除去を伴う加工により縁取りした部分を折り曲げることにより微細構造に形成することができる。

上記の変位吸収部材Ｂ１は、図５に示すように、基板５１をセパレータ４０に当接させ、かつ、弾性突起５０の上側辺縁５０ａと、傍流防止突起５５の上流側片部５５ａとをセパレータ４１に当接した状態にして、冷却流体流通路Ｓ１内に配設されている。

また、図５，７に示すように、傍流防止部Ｃ２を各傍流防止突起５５の平坦片部５５ｃに当接させていることにより、発電用ガスが傍流防止突起５５に流接することにより生じる回転モーメント等の影響を低減させている。

上述した第一の実施形態に係る燃料電池スタック１０によれば、次の効果を得ることができる。

アクティブエリアａ外に生じる冷却流体の傍流を防止して冷却効率を高め、発電効率を向上させることができる。

凸部として形成した傍流防止部Ｃ２によって傍流防止突起５５を抑えることにより、その傍流防止突起５５に生じる回転モーメント等の作用による変動を低減することができる。

次に、図１０，１１を参照して、第二の例に係る変位吸収部材について説明する。図１０は、第二の例に係る変位吸収部材の部分斜視図、図１１は、図１０に示すＶＩ‐ＶＩ線に沿う部分拡大断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第二の例に係る変位吸収部材Ｂ２は、上述した導電性の金属板からなる基板５１に弾性突起５０のみを一体に形成したものであり、換言すると、上述した傍流防止突起を設けていないものである。

上記した基板５１の一側片５１ｂには、当該変位吸収部材Ｂ２を位置決めするための位置決め部５２を形成している。本例に示す位置決め部５２は円形孔として形成しているが、公知の形状にすることができる。

一方、セパレータ４０であって、上記位置決め部５２に対向する位置には、円形孔として形成した位置決め部５２に嵌合する、傍流防止部を兼ねる円筒形の嵌合突起５３（図１１参照）が形成されている。

すなわち、セパレータ４０の嵌合突起５３と位置決め部５２とを嵌合することにより、セパレータ４０と変位吸収部材Ｂ２とを容易に位置決めすることができる。

次に、図１２〜１４Ｂを参照して、第三の例に係る変位吸収部材について説明する。図１２は、第三の例に係る変位吸収部材の部分斜視図、図１３は、図４に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分に相当する部分断面図である。また、図１４Ａは、第三の例に係る変位吸収部材におけるセパレータ側嵌合部の一例に係る形成位置を模式的に示す平面図、図１４Ｂは、そのセパレータ側嵌合部の他例に係る形成位置を模式的に示す平面図である。

図１〜図１１において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第三の例に係る変位吸収部材Ｂ３は、上述した変位吸収部材Ｂ１と同等の構成のものであるが、傍流防止突起５５Ａに、セパレータ４０（４１）に対する変位吸収部材Ｂ３の相対的な位置決めをするための変位吸収部材側嵌合部５５ｅを設けた点で相違している。

変位吸収部材側嵌合部５５ｅは、これを傍流防止突起５５Ａに配設することにより、アクティブエリアａ外に配設した形態のものである。

この変位吸収部材側嵌合部５５ｅは、傍流防止突起５５Ａの平坦片部（中間平坦片部）５５ｃの外辺縁から中間部分に至る長さにした溝形に形成されている。

一方、平坦片部５５ｃに対向当接するセパレータ４１の傍流防止部Ｃ２には、上記変位吸収部材位置決め部５５ｅに嵌合する有底円筒形にしたセパレータ側嵌合部４１ｆ（図１３参照）が基板５１に向けて突出して形成されている。

本実施形態においては、上記セパレータ側嵌合部４１ｆと変位吸収部材側嵌合部５５ｅとにより変位吸収部材位置決め部６０をなしている。

すなわち、セパレータ側嵌合部４１ｆと変位吸収部材側嵌合部５５ｅとを互いに嵌合させることにより、セパレータ４１（４０）と変位吸収部材Ｂ３との位置決めを行うことができる。

本実施形態においては、上述した変位吸収部材側嵌合部５５ｅを、従ってまた、変位吸収部材位置決め部６０を、二つ以上の傍流防止突起５５Ａ，５５Ａに形成している。

複数配列された傍流防止突起５５Ａのうち、流通方向Ｙの上流側端部及び下流側端部に位置する傍流防止突起５５Ａ，５５Ａを含み、これらに変位吸収部材位置決め部６０を配設している。

具体的には、図１４Ａに示すように、流通方向Ｙと平行な基板５１の両辺縁５１ｃ，５１ｃのうち、一方の辺縁５１ｃの流通方向Ｙ上流側端部の、（ａ）で示す傍流防止突起５５Ａと、他方の辺縁５１ｃの流通方向Ｙ下流側端部の、（ｂ）で示す傍流防止突起５５Ａに変位吸収部材側嵌合部５５ｅを、従ってまた、変位吸収部材位置決め部６０を配設している。

また、図１４Ｂに示すように、流通方向Ｙと平行な基板５１の両辺縁５１ｃ，５１ｃのうち、一方の辺縁５１ｃの流通方向Ｙ上流側端部の、（ｃ）で示す傍流防止突起５５Ａと、その一方の辺縁５１ｃの流通方向Ｙ下流側端部の、（ｂ）で示す傍流防止突起５５Ａに変位吸収部材側嵌合部５５ｅに、変位吸収部材位置決め部６０を配設している。

これにより、変位吸収部材の位置決めをよりしっかりと行うことができる。

図１５Ａは、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図、図１５Ｂは、隣接するセパレータ及び冷却流体流通路を説明する斜視図、図１５Ｃは、傍流防止突起の有無による冷却流体の流量比率を示すグラフである。図１６Ａは、図１５Ａに示す燃料電池スタックの一部をなす第四の例に係る変位吸収部材を説明する斜視図、図１６Ｂは、その側面図である。

上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態において示すセパレータ４０、４１はステンレス製のものであり、プレス加工により表裏反転形状に形成されている。

このセパレータ４０、４１は、膜電極接合体３０に対応する部分が波形状に形成してある。これにより、膜電極接合体３０との間に、波形の凹部によりアノードガス（水素含有ガス）及びカソードガス（酸素含有ガス：空気）それぞれのガス流通路Ｓ２，Ｓ２を形成している。図１５Ａにおいては、紙面垂直方向が各ガスの流通方向である。

両セパレータ４０、４１は、膜電極接合体３０の外周部からセルフレーム４２の端部に至る部分が平坦部４０ａ，４１ａになっている。ここで、セパレータ４０、４１は、膜電極接合体３０に対応する部分が波形状であるから、上記平坦部４０ａ、４１ａは、ガス流路Ｓ２側の波形凸部の頂部と同一平面状である。

これにより、セパレータ４０、４１は、セルフレーム４２及び膜電極接合体３０に平坦部４０ａ、４１ａが面接触して、その平坦部４０ａ、４１ａにより、それらセルフレーム４２と膜電極接合体３０とを挟持している。

両セパレータ４０、４１は、平坦部４０ａ、４１ａの中間に、内向きの溝部４０ｂ，４１ｂを有し、この溝部４０ｂ，４１ｂに、セルフレーム４２を気密的に挟持するガスシール６０，６０が配置してある。

さらに、隣接するセルユニットＡ１のセパレータ４０、４１において、溝部４０ｂ，４１ｂの外側には、双方の間を水密的に閉塞するシール部材６１，６１を配置している。

また、両セパレータ４０，４１は、表裏反転形状であるから、積層したセルユニットＡ１の間に形成した冷却流体流通路Ｓ１では、膜電極接合体３０に対応する波形状部分の間隔よりも、平坦部４０ａ、４１ａどうしの間隔の方が大きくなる。

つまり、冷却流体流通路Ｓ１では、紙面垂直方向である流通方向Ｙに沿う端部（脇部）の間隔が大きい。このため、平坦部４０ａ、４１ａの間で冷却流体が流れ易くなる。そこで、当該燃料電池スタック１０は、冷却流体流通路Ｓ１の端部に傍流防止突起５５を備えた変位吸収部材Ｂ４を設けている。

第四の他例に係る変位吸収部材Ｂ４は、図１６Ａ，１６Ｂに示すように、導電性の金属板からなるものであり、基板５１の一面に多数の弾性突起５０を縦横に配列した構造のものである。

すなわち、本実施形態において示す弾性突起５０は、流通方向Ｙにおいてそれぞれ複数の弾性突起５０を列設したそれらの突起列Ｃ１〜Ｃ４をなすように配列されている。

突起列Ｃ１をなす弾性突起５０は、冷却流体流通路Ｓ１内を流通する冷却流体の流通方向Ｙと平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。

すなわち、これらの弾性突起５０は、これの鋭角をなす板面部を流通方向Ｙの下流側に向けて配列している。

突起列Ｃ２をなす弾性突起５０は、当該冷却流体の流通方向Ｙと平行な平面において、上記突起列Ｃ１のものとは逆方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。

換言すると、突起列Ｃ２をなす弾性突起５０は、これの鋭角をなす板面部を流通方向Ｙの上流側に向けて配列している。

本実施形態においては、奇数列Ｃ１，Ｃ３の弾性突起５０を、これの鋭角をなす板面部を流通方向Ｙの下流側に向け、また、偶数列Ｃ２，Ｃ４の弾性突起５０を、これの鋭角をなす板面部を流通方向Ｙの上流側に向けて傾斜させている。

また、変位吸収部材Ｂ４は、これの流通方向Ｙに沿う端部（縦方向に沿う端部）に、上述した傍流防止突起５５を互いに所定の間隔にして一体成形している。

変位吸収部材Ｂ４は、隣接するセルユニットＡ１，Ａ１を構成するセパレータ４０，４１間に介装され、傍流防止突起５５が、セパレータ４０，４１の平坦部４０ａ、４１ａの間に介在する。このとき、変位吸収部材Ｂ４は、冷却流体流路路Ｓ１において、基板５１が、膜電極接合体３０すなわちセルユニットＡ１のアクティブエリア（発電領域）に対応する部分に配置され、傍流防止突起５５が、上記平坦部４０ａ、４１ａの間、すなわちセルユニットＡ１のアクティブエリア（発電領域）外に対応する部分に配置される。

上記構成を備えた燃料電池スタック１０によれば、各セルユニットＡ１にアノードガス及びカソードガスを供給して、電気化学反応により電気エネルギーを発生して発電を行うとともに、セルユニットＡ１，Ａ１間の冷却流体流通路Ｓ１に冷却流体を流通させて、セルユニットＡ１を冷却する。

このとき、燃料電池スタック１０は、変位吸収部材Ｂ４に一体化した傍流防止突起５５により、平坦部４０ａ、４１ａの間、すなわちセルユニットＡ１のアクティブエリア（発電領域）外に対応する部分の冷却流体の流通を妨げて、セルユニットＡ１の発電領域に対応する部分に充分な冷却流体が流通するようになる。これにより、燃料電池スタック１０は、冷却効率の向上を実現することができる。

上記の構成からなる燃料電池スタックによれば、次の効果を得ることができる。

図１５Ｃに示すように、冷却流体流通路Ｓ１において、反応面以外（発電領域外）に流通する冷却流体の流量比率（図１５Ｃの縦軸）を調べたところ、傍流防止突起５５の無い場合（図１５Ｃの符号ＢＴＮ）に比べて、傍流防止突起５５を設けた場合（図１５Ｃの符号ＢＴＡ）には、流量比率が少なくなることが判明した。つまり、冷却流体流通路Ｓ１において、セルユニットＡ１の発電領域に対応する部分に流れる冷却流体の流量比率が増して、冷却効果が向上することを確認した。

変位吸収部材Ｂ４により、上記の冷却促進に加えて、セルユニットＡ１内部の熱膨脹や膜電極接合体３０の膨潤等によるセパレータ４０，４１の変位を吸収することができる。
変位吸収部材Ｂ４が、基板５１に多数の弾性突起５０を備えるとともに、それらの傍流
防止突起５５が、片持ち梁構造であることから、傍流防止突起５５もばね機能を有するものとなり、上記したセパレータ４０，４１の変位吸収機能を広範囲に得ることができる。

セルユニットＡ１が、表裏反転形状を成し且つセルフレーム４２及び膜電極接合体３０に面接触する平坦部４０ａ、４１ａを有するセパレータ４０，４１を備えているので、セルユニットＡ１の薄型化を図ることができ、この薄型化に伴って顕著になる冷却流体の脇流れ（傍流）を巧みに防止して、冷却効率の向上を実現している。

傍流防止突起５５により、セルユニットＡ１の発電領域外に対応する部分の冷却流体の流通を妨げて、冷却効率の向上を実現するとともに、セルユニットＡ１内部の熱膨脹や膜電極接合体３０の膨潤等によるセパレータ４０，４１の変位を吸収することができる。

変位吸収部材Ｂ４に傍流防止突起５５を一体化したので、傍流防止突起５５に相当する別部品が不要であり、燃料電池スタック１０の部品点数の削減や製造コストの節減を図ることができる。

変位吸収部材Ｂ４は、上記の変位吸収機能及び冷却促進機能に加えて、セルユニットＡ１どうしを電気的に接続するコネクタとして、また、簡易な構造で積層方向の変位を充分に吸収する各機能を確保することができ、弾性突起５０や傍流防止突起５５を一体成形し得るので、製造コストも安価である。

しかも、変位吸収部材Ｂ４は、弾性突起５０の形状が簡単で小ピッチでも形成し易く、ばね剛性を小さくすることができる。このようにばね剛性が小さくなると、ばね特性が、変位に対して荷重変動の少ないものとなり、運転時の圧縮方向の変位や経時劣化によるへたりが生じても、面圧変動が小さいので各部品の電気接触抵抗が安定する。

次に、図１７，１８Ａ、１８Ｂを参照して、第五の例に係る変位吸収部材Ｂ５について説明する。図１７は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図、図１８Ａは、図１７に示す燃料電池スタックの一部をなす第五の例に係る変位吸収部材を説明する斜視図、図１８Ｂは、その側面図である。

上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第五の例に係る変位吸収部材Ｂ５は、図１８Ａ，１８Ｂに示すように、導電性の金属板からなるものであり、基板５１の一面に多数の弾性突起５４を縦横に配列した構造のものである。

すなわち、本実施形態においては、流通方向Ｙにおいて、それぞれ複数の弾性突起５４を列設した突起列Ｃ１〜Ｃ４をなすように配列されている。

突起列Ｃ１〜Ｃ４をなす弾性突起５４は、それぞれ流通方向Ｙと直交する直交方向Ｚ２に傾斜させたものと、その直交方向Ｚ２と反対方向の直交方向Ｚ１に向けたものを交互に配列している。

すなわち、突起列Ｃ１〜Ｃ４をなす弾性突起５４は、これの鋭角をなす板面部を直交方向Ｚ１に向けて配列したものと、当該板面部を直交方向Ｚ２に向けたものを流通方向Ｙにおいて交互に配列している。

変位吸収部材Ｂ５の、上記流通方向Ｙに沿う端部（縦方向に沿う端部）には、傍流防止突起５５Ｂを互いに所定の間隔にして一体成形している。

傍流防止突起５５Ｂは、上記基板５１の一側部に形成した段差部５１ａに一体にして形成されており、それらは、上記流通方向Ｙと平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。

具体的には、上記基板５１に連結した平坦片部５５ｃと、この平坦片部５５ｃから一面側に向けて傾斜させた上流側片部５５ａとを一体に形成したものである。

換言すると、上流側片部５５ａを基板５１の一面側に向けて切り上げ、かつ、平坦片部５５ｃを基板５１に連結している。

上記の変位吸収部材Ｂ５を用いた燃料電池スタックによれば、次の効果を得ることができる。

上記した各実施形態のものと同じく、セルユニットＡ１の発電領域（アクティブエリア）に対応する部分に充分な冷却流体が流通するようにし、冷却効率の向上を実現することができる。

また、上記の冷却促進に加えて、セルユニットＡ１内部の熱膨脹や膜電極構造体３０の膨潤等によるセパレータ４０，４１の変位を吸収することができる。

一のセルユニットＡ１を挟む一対の変位吸収部材Ｂ５，Ｂ５において、弾性突起５４及び傍流防止突起５５Ｂの配置を異ならせることにより、セルユニットＡ１の両側で冷却流体の流通状態を変化させて、両面からの冷却効果を高めることが可能である。

しかも、燃料電池スタック１０全体としては、弾性突起５４及び傍流防止突起５５Ｂによる支点が多数箇所に分散され、変位吸収機能のさらなる向上に貢献することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。

上述した実施形態においては、二つのセパレータのうちの一方のものに傍流防止部を形成した例について説明したが、二つのセパレータそれぞれに当該傍流防止部を形成してもよい。この場合、冷却流体の当該傍流をさらに減少させることができる。

上述した実施形態においては、複数配列された傍流防止突起のうち、流通方向Ｙの上流側端部及び下流側端部に位置する一つずつの傍流防止突起に変位吸収部材位置決め部を形成した例について説明したが、三つ以上のものに配設してもよいことは勿論である。

特願２０１２−０５８６９０号（出願日：２０１２年３月１５日）、特願２０１２−０７１１４６号（出願日：２０１２年３月２７日）、及び特願２０１２−２５１８０３号（出願日：２０１２年１１月１６日）の全内容は、ここに援用される。

以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

１０ 燃料電池スタック
３０ 膜電極接合体
４０，４１ セパレータ
４０ａ，４１ａ 平坦部
４１ｆ セパレータ側嵌合部
４２ セルフレーム
５０ 弾性突起
５１ 基板
５２ 位置決め部
５５ａ 上流側片部
５５ｂ 下流側片部
５５ｃ 平坦片部（中間平坦片部）
５５ｅ 変位吸収部材側嵌合部
５５，５５Ａ，５５Ｂ 傍流防止突起
６０ 変位吸収部材位置決め部
Ａ１ セルユニット
Ｂ１〜Ｂ５ 変位吸収部材
Ｃ１，Ｃ２ 傍流防止部
Ｓ１ 冷却流体流通路
ａ アクティブエリア

Claims (14)

1. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれガス流通路を区画形成する二つのセパレータとを有する、互いに積層されたセルユニットと、
   隣り合う前記セルユニットの前記セパレータ間に設けられた、冷却流体を流通させる冷却流体流通路と、
   前記冷却流体流通路に配設された変位吸収部材と、
   を備え、
   前記変位吸収部材は、
   前記セルユニットの積層方向における変位を弾性的に吸収する、列設された弾性突起と、
   前記冷却流体のアクティブエリア外への傍流を防止する、列設された傍流防止突起と、
   を含み、
   前記弾性突起は、前記変位吸収部材の基板の一面に設けられ、
   前記各傍流防止突起は、前記基板に固定された平坦片部と、前記平坦片部を基端として、前記冷却流体の流通方向の上流側に向けて突出する上流側片部と、を有する
   燃料電池スタック。
2. 前記膜電極接合体は、セルフレームに設けられ、
   前記二つのセパレータのそれぞれは、前記セルフレーム及び前記膜電極接合体に面接触する平坦部を有する
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記二つのセパレータの少なくとも一方は、前記冷却流体の前記アクティブエリア外への傍流を防止する傍流防止部を有する
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記二つのセパレータはそれぞれ、前記アクティブエリア外に前記冷却流体が傍流することを防止する傍流防止部を有する
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記傍流防止部は、前記変位吸収部材に当接している
   請求項３又は４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記各傍流防止部は、前記冷却流体流通路内に突出した凸部である
   請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記変位吸収部材は、前記傍流防止部に対する前記変位吸収部材の位置決めを行なうための位置決め部を有する
   請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記傍流防止部は、前記傍流防止突起に前記冷却流体が流接することに伴う前記傍流防止突起の変動を抑えるように、前記傍流防止突起に当接している
   請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
9. 前記セパレータに対する前記変位吸収部材の相対的な位置決めをするための変位吸収部材位置決め部をさらに備えた
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. 前記変位吸収部材位置決め部は、前記アクティブエリア外に設けられている
    請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記変位吸収部材位置決め部は、互いに嵌合することにより前記セパレータと前記変位吸収部材との位置決めを行うセパレータ側嵌合部及び変位吸収部材側嵌合部を有する
    請求項９又は１０に記載の燃料電池スタック。
12. 前記変位吸収部材位置決め部は、複数設けられ、
    前記変位吸収部材位置決め部を、二つ以上の前記傍流防止突起に形成した
    請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
13. 前記変位吸収部材位置決め部は、複数配列された前記傍流防止突起のうち、前記冷却流体の流通方向の上流側端部及び下流側端部に位置する傍流防止突起に形成された
    請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
14. 前記傍流防止突起は、前記弾性突起を形成した基板の前記冷却流体の流通方向と平行な辺縁に沿って配列形成され、
    前記各傍流防止突起は、前記基板に連結した中間平坦片部と、前記中間平坦片部から前記基板の一面側に向けて傾斜させた上流側片部と、前記中間平坦片部から前記基板の他面側に向けて傾斜させた下流側片部とを有し、
    前記中間平坦片部、前記上流側片部、前記下流側片部は、一体に形成された
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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