JP6800201B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備えた燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルを構成している。発電セルが所定の数だけ積層した積層体を備えた燃料電池スタックが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池スタックでは、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられている（例えば、特許文献１参照）。シール部材は、フッ素系やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて、金属セパレータにシーリングビードを形成する構成が採用されている。

米国特許第６６０５３８０号明細書 特開２０１５−１９１８０２号公報

本発明は、上述した従来技術に関連してなされたものであり、積層体の積層方向端部において良好なシール性を確保することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外周部又は外周部に設けられた枠部に接触するように前記積層体の積層方向に向かって突出したシール用ビード部が形成され、積層体の積層方向両側には、前記シール用ビード部が弾性変形するように前記積層体を前記積層方向に挟持するインシュレータ及びエンドプレートが配設されている燃料電池スタックであって、前記積層体は、前記積層方向の両端に位置する端部金属セパレータを有し、各前記端部金属セパレータには、前記積層方向の外側に向かって突出した端部シール用ビード部が形成され、前記シール用ビード部及び前記端部シール用ビード部のそれぞれは、前記積層方向からの平面視で波状に延在し、前記インシュレータ又は前記エンドプレートの外周部には、前記端部シール用ビード部に当接するシール部材が設けられ、前記シール部材の幅寸法は、前記端部シール用ビード部の最大幅寸法よりも大きく、前記シール部材は、前記積層方向からの平面視で直線状に延在し、前記端部シール用ビード部は、前記積層方向からの平面視で、前記端部シール用ビード部の延在方向と直交する方向に突出した第１凸部と、前記第１凸部の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部と、を有することにより前記波状に延在し、前記シール部材の幅寸法は、前記第１凸部の突出端と前記第２凸部の突出端との間の間隔よりも大きい、ことを特徴とする。

さらにまた、上記の燃料電池スタックにおいて、前記インシュレータ又は前記エンドプレートにおける前記積層体に向かう面には、前記シール部材が配設される凹部が形成されていることが好ましい。

また、上記の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ及び前記端部金属セパレータには、前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路と、前記反応ガス及び冷却媒体が流通する複数の連通孔と、が形成され、前記シール用ビード部及び前記端部シール用ビード部は、前記ガス流路を周回するとともに前記連通孔の周囲に設けられていることが好ましい。

さらに、上記の燃料電池スタックにおいて、前記積層体の前記積層方向の一端に位置する前記端部金属セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部又は前記枠部における前記積層方向の他端側を指向する面に接触する前記金属セパレータと同一構成であり、前記積層体の前記積層方向の他端に位置する前記端部金属セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部又は前記枠部における前記積層方向の一端側を指向する面に接触する前記金属セパレータと同一構成であることが好ましい。

さらにまた、上記の燃料電池スタックにおいて、前記シール部材は、全体が弾性材料により構成されていることが好ましい。

また、上記の燃料電池スタックにおいて、前記インシュレータ又は前記エンドプレートには、前記シール部材が配設される凹部が形成され、前記シール部材は、前記端部シール用ビード部に当接するシール本体と、前記シール本体に設けられた固定部と、を有し、前記シール本体は、前記凹部を形成する両側の側面に対して離間し、前記固定部は、前記凹部を形成する両側の側面に挟持されていることが好ましい。

さらに、上記の燃料電池スタックにおいて、前記シール部材は、前記端部シール用ビード部に対向する位置に重ねて配置された金属板及び弾性シール部材を有し、前記金属板は、前記インシュレータにより支持されるとともに、前記端部シール用ビード部と前記弾性シール部材との間に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、シール部材の幅寸法が端部シール用ビード部の最大幅寸法よりも大きい。これにより、シール部材を端部シール用ビード部に確実に当接させることができるため、積層体の積層方向端部において良好なシール性を確保することができる。

本発明に係る一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 前記燃料電池スタックの発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータ（第１端部金属セパレータ）の正面説明図である。 第２金属セパレータ（第２端部金属セパレータ）の正面説明図である。 一方のインシュレータの正面説明図である。 図７のインシュレータの一部拡大説明図である。 他方のインシュレータの正面説明図である。 図９のインシュレータの一部拡大説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１弾性シール部材及び第２弾性シール部材の断面説明図である。 本発明に係る燃料電池スタックの構成例を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池スタックの別の構成例を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池スタックのさらに別の構成例を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池スタックの他の構成例を示す断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。なお、複数の発電セル１２は、重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されていてもよい。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

図２において、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

図３及び図４に示すように、発電セル１２は、樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持されることにより構成される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図３に示すように、外周に枠形状の樹脂フィルム（枠部）４６を有する樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４４とを有する。

固体高分子電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。固体高分子電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。

カソード電極４２は、固体高分子電解質膜４０の一方の面４０ａに接合される第１電極触媒層４２ａと、前記第１電極触媒層４２ａに積層される第１ガス拡散層４２ｂとを有する。第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜４０と同一未満の外形寸法に設定される。なお、第１電極触媒層４２ａは、固体高分子電解質膜４０と同一の外形寸法を有していてもよいし、第１ガス拡散層４２ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

アノード電極４４は、固体高分子電解質膜４０の他方の面４０ｂに接合される第２電極触媒層４４ａと、前記第２電極触媒層４４ａに積層される第２ガス拡散層４４ｂとを有する。第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜４０と同一未満の外形寸法に設定される。なお、第２電極触媒層４４ａは、固体高分子電解質膜４０と同一の外形寸法を有していてもよいし、第２ガス拡散層４４ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

第１電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

第１ガス拡散層４２ｂの外周先端縁部と第２ガス拡散層４４ｂの外周先端縁部との間には、枠形状（四角環状）を有する樹脂フィルム４６が挟持される。樹脂フィルム４６の内周端面は、固体高分子電解質膜４０の外周端面に近接又は当接する。

図４に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂フィルム４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム４６を用いることなく、固体高分子電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した固体高分子電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図４に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。図５に示すように、酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に沿って直線状に延在する複数本の凸部４８ａの間に設けられた直線状の流路溝４８ｂを有する。なお、凸部４８ａ及び流路溝４８ｂは、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の面３０ａには、プレス成形により、断面が波形状の酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂと一体（又は個別）に第１シールライン５２（シール用ビード部）が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。

図３に示すように、第１シールライン５２は、先端に向かって先細りの断面形状を有する。第１シールライン５２の先端は、平坦形状である。ただし、第１シールライン５２の先端は、凸状のＲ形状であってもよい。

図５及び図１０に示すように、第１シールライン５２は、積層方向からの平面視で波状に延在している。すなわち、第１シールライン５２は、その延在方向と直交する方向に突出した第１凸部５３と、第１凸部５３の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部５５とを有する。

第１凸部５３及び第２凸部５５のそれぞれの突出端部は、円弧状に湾曲している。第１凸部５３の突出長は、第２凸部５５の突出長と略同一である。ただし、第１凸部５３の突出長は、第２凸部５５の突出長よりも長くても短くてもよい。第１シールライン５２は、全長に亘って略一定幅に形成されている。ただし、第１シールライン５２は、一定幅でなくてもよい。

図５において、第１シールライン５２は、面３０ａの外周縁部を周回する外側ビード部５２ａを有する。第１シールライン５２は、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部５２ｂを有する。

第１シールライン５２は、さらに燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部５２ｃを有する。外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃは、面３０ａ側に突出する凸形状を有する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

冷却媒体入口連通孔３６ａを周回する連通孔ビード部５２ｃと内側ビード部５２ｂとの間には、入口通路部５４ａが面３０ａ側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する連通孔ビード部５２ｃと内側ビード部５２ｂとの間には、出口通路部５４ｂが面３０ａ側に膨出形成される。入口通路部５４ａ及び出口通路部５４ｂは、第１金属セパレータ３０の面３０ｂ側の後述する冷却媒体流路６６に冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを連通させる通路を構成する。

図３及び図５に示すように、外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃの凸部先端面には、樹脂材５６ａが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ａは、例えば、ポリエステルが使用される。なお、樹脂材５６ａは、外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃの平面形状を打ち抜いたシートを貼ることにより構成してもよい。また、樹脂材５６ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。図６に示すように、燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に沿って直線状に延在する複数本の凸部５８ａの間に設けられた直線状の流路溝５８ｂを有する。なお、凸部５８ａ及び流路溝５８ｂは、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の面３２ａには、プレス成形により、断面が波形状の燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂと一体（又は個別）に第２シールライン６２（シール用ビード部）が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。

図３に示すように、第２シールライン６２は、先端に向かって先細りの断面形状を有する。第２シールライン６２の先端は、平坦形状である。ただし、第２シールライン６２の先端は、凸状のＲ形状であってもよい。

図６及び図８に示すように、第２シールライン６２は、積層方向からの平面視で波状に延在している。すなわち、第２シールライン６２は、その延在方向と直交する方向に突出した第１凸部６３と、第１凸部６３の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部６５とを有する。

第１凸部６３及び第２凸部６５のそれぞれの突出端部は、円弧状に湾曲している。第１凸部６３の突出長は、第２凸部６５の突出長と略同一である。ただし、第１凸部６３の突出長は、第２凸部６５の突出長よりも長くても短くてもよい。第２シールライン６２は、全長に亘って略一定幅に形成されている。ただし、第２シールライン６２は、一定幅でなくてもよい。

図６において、第２シールライン６２は、面３２ａの外周縁部を周回する外側ビード部６２ａを有する。第２シールライン６２は、燃料ガス流路５８、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部６２ｂを有する。

第２シールライン６２は、さらに酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部６２ｃを有する。外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃは、面３２ａ側に突出する凸形状を有する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

冷却媒体入口連通孔３６ａを周回する連通孔ビード部６２ｃと内側ビード部６２ｂとの間には、入口通路部６４ａが面３２ａ側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する連通孔ビード部６２ｃと内側ビード部６２ｂとの間には、出口通路部６４ｂが面３２ａ側に膨出形成される。入口通路部６４ａ及び出口通路部６４ｂは、第２金属セパレータ３２の面３２ｂ側の後述する冷却媒体流路６６に冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを連通させる通路を構成する。

図３及び図６に示すように、外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃの凸部先端面には、樹脂材５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ｂは、例えば、ポリエステルが使用される。なお、樹脂材５６ｂは、外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃの平面形状を打ち抜いたシートを貼ることにより構成してもよい。また、樹脂材５６ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図４に示すように、互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、表面に酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、表面に燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図３に示すように、積層体１４は、積層方向（矢印Ａ方向）の両端に位置する第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第２端部金属セパレータ３２ｅを有する。第２端部金属セパレータ３２ｅは、積層体１４の積層方向の一端（インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが位置する側の端）に位置し、第１端部金属セパレータ３０ｅは、積層体１４の積層方向の他端（インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが位置する側の端）に位置する。

図３及び図５において、第１端部金属セパレータ３０ｅは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６における積層方向の一端側（インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが位置する側）を指向する面４６ａに接触する第１金属セパレータ３０と同一構成である。そのため、第１端部金属セパレータ３０ｅの詳細な説明については省略する。

以下の説明では、第１端部金属セパレータ３０ｅの第１シールライン５２、外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ、連通孔ビード部５２ｃを「第１端部シールライン５２ｅ」、「外側端部ビード部５２ａｅ」、「内側端部ビード部５２ｂｅ」、「連通孔端部ビード部５２ｃｅ」と呼ぶ。

図３及び図６において、第２端部金属セパレータ３２ｅは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６における積層方向の他端側（インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが位置する側）を指向する面４６ｂに接触する第２金属セパレータ３２と同一構成である。

以下の説明では、第２端部金属セパレータ３２ｅの第２シールライン６２、外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ、連通孔ビード部６２ｃを「第２端部シールライン６２ｅ」、「外側端部ビード部６２ａｅ」、「内側端部ビード部６２ｂｅ」、「連通孔端部ビード部６２ｃｅ」と呼ぶ。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部６８ａ、６８ｂが設けられる。

端子部６８ａは、絶縁性筒体７０ａに挿入されてインシュレータ１８ａの孔部７２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部７４ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部６８ｂは、絶縁性筒体７０ｂに挿入されてインシュレータ１８ｂの孔部７２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部７４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部７６ａ、７６ｂが形成され、前記凹部７６ａ、７６ｂの底面には、孔部７２ａ、７２ｂが設けられる。

インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

図３及び図７に示すように、インシュレータ１８ａの積層体１４に向かう面１９ａには、第２端部シールライン６２ｅ（端部シール用ビード部）に当接するシール部材としての第１弾性シール部材８０（外側シール部８０ａ、内側シール部８０ｂ）が配設される第１凹部８２（外側凹部８２ａ、内側凹部８２ｂ）が形成されている。外側シール部８０ａと内側シール部８０ｂとの積層方向の弾性係数は、互いに異なっていてもよい。第１弾性シール部材８０の形状、寸法、材質は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。

図３において、第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の両側の側面８３との間には、第１弾性シール部材８０が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓａが形成されている。

具体的には、第１凹部８２の幅寸法Ｗ１は、第１弾性シール部材８０の幅寸法Ｗ２よりも大きく、第１弾性シール部材８０は第１凹部８２の側面８３に対して離間している（図８参照）。第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の側面８３との間隔は、略一定に設定されている。隙間Ｓａは、第１弾性シール部材８０の幅方向両側に設けられている。

第１弾性シール部材８０は、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第１弾性シール部材８０は、第１凹部８２の底面８３ａに対して接着（接着剤による接着）又は融着されている。

第１弾性シール部材８０の第２端部シールライン６２ｅに向かう面８１は、第２端部金属セパレータ３２ｅをターミナルプレート１６ａに密着させるために、第１凹部８２内に位置している。第１弾性シール部材８０の面８１は、固体高分子電解質膜４０（積層体１４の積層方向と直交する平面）に対して平行な平坦形状を有する。

第１凹部８２及び第１弾性シール部材８０は、積層方向からの平面視で直線状に延在している（図７参照）。図８に示すように、第１弾性シール部材８０の面８１の幅寸法Ｗ２は、第２端部シールライン６２ｅの先端面（樹脂材５６ｂ）の幅寸法Ｗ３（最大幅寸法）よりも大きい。さらに、幅寸法Ｗ２は、第１凸部６３の突出端と第２凸部６５の突出端との間隔Ｗ４よりも大きい。詳細には、幅寸法Ｗ２は、間隔Ｗ４の１２０％〜２００％の範囲に設定するのが好ましい。

図７において、第１凹部８２は、外側端部ビード部６２ａｅに対向する位置に形成された外側凹部８２ａと、内側端部ビード部６２ｂｅに対向する位置に形成された内側凹部８２ｂと、連通孔端部ビード部６２ｃｅに対向する位置に形成された連通孔用凹部８２ｃとを有する。

第１弾性シール部材８０は、外側凹部８２ａ内に配設された外側シール部８０ａと、内側凹部８２ｂ内に配設された内側シール部８０ｂと、連通孔用凹部８２ｃに配設された連通孔シール部８０ｃとを有する。

すなわち、外側シール部８０ａは、インシュレータ１８ａの面１９ａの外縁部の外側凹部８２ａを周回し、外側端部ビード部６２ａｅに当接する。内側シール部８０ｂは、内側凹部８２ｂを周回し、内側端部ビード部６２ｂｅに当接する。連通孔シール部８０ｃは、第２端部金属セパレータ３２ｅの酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂに対向する部位をそれぞれ周回し、連通孔端部ビード部６２ｃｅに当接する。

本実施形態では、図７から理解されるように、外側シール部８０ａと内側シール部８０ｂとは、互いに別体に設けられている。連通孔シール部８０ｃのうち冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する部分については、外側シール部８０ａに対して別体であるとともに内側シール部８０ｂに対して一体的に設けられている。

連通孔シール部８０ｃのうち酸化剤料ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回する部分については、外側シール部８０ａ及び内側シール部８０ｂに対して別体に設けられている。

なお、外側凹部８２ａ、内側凹部８２ｂ及び連通孔用凹部８２ｃは、互いに連通するように形成され、外側シール部８０ａ、内側シール部８０ｂ及び連通孔シール部８０ｃは、一体成形されていてもよい。また、外側シール部８０ａ及び外側凹部８２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図３及び図９に示すように、インシュレータ１８ｂの積層体１４に向かう面１９ｂには、第１端部シールライン５２ｅ（端部シール用ビード部）に当接するシール部材としての第２弾性シール部材８４（外側シール部８４ａ、内側シール部８４ｂ）が配設される第２凹部８６（外側凹部８６ａ、内側凹部８６ｂ）が形成されている。外側シール部８４ａと内側シール部８４ｂとの積層方向の弾性係数は、互いに異なっていてもよい。第２弾性シール部材８４の形状、寸法、材質は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。

図３において、第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の両側の側面８７との間には、第２弾性シール部材８４が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓｂが形成されている。

具体的には、第２凹部８６の幅寸法Ｗ５は、第２弾性シール部材８４の幅寸法Ｗ６よりも大きく、第２弾性シール部材８４は第２凹部８６の側面８７に対して離間している（図１０参照）。第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の側面８７との間隔は、略一定に設定されている。隙間Ｓｂは、第２弾性シール部材８４の幅方向両側に設けられている。

第２弾性シール部材８４は、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第２弾性シール部材８４は、第２凹部８６の底面８７ａに対して接着（接着剤による接着）又は融着されている。

第２弾性シール部材８４の第１端部シールライン５２ｅに向かう面８５は、第１端部金属セパレータ３０ｅをターミナルプレート１６ｂに密着させるために、第２凹部８６内に位置している。第２弾性シール部材８４の面８５は、固体高分子電解質膜４０（積層体１４の積層方向と直交する平面）に対して平行な平坦形状を有する。

第２凹部８６及び第２弾性シール部材８４は、積層方向からの平面視で直線状に延在している（図９参照）。図１０に示すように、第２弾性シール部材８４の面８５の幅寸法Ｗ６は、第１端部シールライン５２ｅの先端面（樹脂材５６ａ）の幅寸法Ｗ７（最大幅寸法）よりも大きい。さらに、幅寸法Ｗ６は、第１凸部５３の突出端と第２凸部５５の突出端との間隔Ｗ８よりも大きい。詳細には、幅寸法Ｗ６は、間隔Ｗ８の１２０％〜２００％の範囲に設定するのが好ましい。

図９において、第２凹部８６は、外側端部ビード部５２ａｅに対向する位置に形成された外側凹部８６ａと、内側端部ビード部５２ｂｅに対向する位置に形成された内側凹部８６ｂと、連通孔端部ビード部５２ｃｅに対向する位置に形成された連通孔用凹部８６ｃとを有する。

第２弾性シール部材８４は、外側凹部８６ａ内に配設された外側シール部８４ａと、内側凹部８６ｂ内に配設された内側シール部８４ｂと、連通孔用凹部８６ｃに配設された連通孔シール部８４ｃとを有する。

すなわち、外側シール部８４ａは、インシュレータ１８ｂの面１９ｂの外縁部の外側凹部８６ａを周回し、外側端部ビード部５２ａｅに当接する。内側シール部８４ｂは、内側凹部８６ｂを周回し、内側端部ビード部５２ｂｅに当接する。連通孔シール部８４ｃは、第１端部金属セパレータ３０ｅの燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂに対向する部位をそれぞれ周回し、連通孔端部ビード部５２ｃｅに当接する。

本実施形態では、図９から理解されるように、外側シール部８４ａと内側シール部８４ｂとは、互いに別体に設けられている。連通孔シール部８４ｃのうち第１端部金属セパレータ３０ｅの冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂに対向する部位を周回する部分については、外側シール部８４ａに対して別体であるとともに内側シール部８４ｂに対して一体的に設けられている。

連通孔シール部８４ｃのうち第１端部金属セパレータ３０ｅの燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに対向する部位を周回する部分については、外側シール部８４ａ及び内側シール部８４ｂに対して別体に設けられている。

なお、外側凹部８６ａ、内側凹部８６ｂ及び連通孔用凹部８６ｃは、互いに連通するように形成され、外側シール部８４ａ、内側シール部８４ｂ及び連通孔シール部８４ｃは、一体成形されていてもよい。また、外側シール部８４ａ及び外側凹部８６ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

このような燃料電池スタック１０では、第１シールライン５２及び第２シールライン６２が弾性変形するように、各連結バー２４をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定することによって積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与されている。そのため、第１シールライン５２及び第２シールライン６２は、樹脂フィルム４６を積層方向から挟持するように弾性変形している。すなわち、樹脂フィルム４６には、第１シールライン５２の弾性力と第２シールライン６２の弾性力とが作用しているため、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の漏れが防止される。

次に、このように構成される燃料電池スタック１０の動作について説明する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８のカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８のアノード電極４４に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２８では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４４ａ及び第１電極触媒層４２ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

インシュレータ１８ａ、１８ｂ又はエンドプレート２０ａ、２０ｂの外周部には、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）に当接するシール部材（第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４）が設けられ、シール部材（第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４）の幅寸法Ｗ２、Ｗ６は、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）の最大幅寸法Ｗ３、Ｗ７よりも大きい。

このような構成によれば、シール部材（第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４）を端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）に確実に当接させることができるため、積層体１４の積層方向端部において良好なシール性を確保することができる。

ところで、第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４を設けなかった場合、インシュレータ１８ａには第２端部シールライン６２ｅの弾性力が片側からしか作用せず、インシュレータ１８ｂには第１端部シールライン５２ｅの弾性力が片側からしか作用しない。そのため、積層体１４の積層方向端部のシール性の低下が惹起される。

しかしながら、インシュレータ１８ａに第２端部金属セパレータ３２ｅの第２端部シールライン６２ｅに当接する第１弾性シール部材８０を設けている。そのため、第２端部シールライン６２ｅには第１弾性シール部材８０の弾性力が作用し、第１弾性シール部材８０には第２端部シールライン６２ｅの弾性力が作用する。

インシュレータ１８ｂに第１端部金属セパレータ３０ｅの第１端部シールライン５２ｅに当接する第２弾性シール部材８４を設けている。そのため、第１端部シールライン５２ｅには第２弾性シール部材８４の弾性力が作用し、第２弾性シール部材８４には第１端部シールライン５２ｅの弾性力が作用する。従って、積層体１４の積層方向の両端部のシール性を向上させることができる。

第１シールライン５２、第１端部シールライン５２ｅ、第２シールライン６２及び第２端部シールライン６２ｅが積層方向からの平面視で波状に延在している。そのため、これらシールラインが直線状に延在する場合と比較して、第１シールライン５２、第１端部シールライン５２ｅ、第２シールライン６２及び第２端部シールライン６２ｅの剛性が向上する。

これにより、第１シールライン５２、第１端部シールライン５２ｅ、第２シールライン６２及び第２端部シールライン６２ｅでのシール面圧の相対的な低下が抑制されるため、シール面圧のバラツキを抑制することができる。

第１弾性シール部材８０の幅寸法Ｗ２は、第２端部シールライン６２ｅの幅寸法Ｗ３（最大幅寸法）よりも大きい（図８参照）。これにより、第２端部シールライン６２ｅの先端面（樹脂材５６ｂ）を第１弾性シール部材８０に確実に接触させることができる。第２弾性シール部材８４の幅寸法Ｗ６は、第１端部シールライン５２ｅの幅寸法Ｗ７（最大幅寸法）よりも大きい（図１０参照）。これにより、第１端部シールライン５２ｅの先端面（樹脂材５６ａ）を第２弾性シール部材８４に確実に接触させることができる。

第２端部シールライン６２ｅは、その延在方向と直交する方向に突出した第１凸部６３と、第１凸部６３の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部６５とを有する。第１弾性シール部材８０の幅寸法Ｗ２は、第１凸部６３の突出端と第２凸部６５の突出端との間隔Ｗ４よりも大きい（図８参照）。これにより、第２端部シールライン６２ｅの先端面を第１弾性シール部材８０に一層確実に接触させることができる。

第１端部シールライン５２ｅは、その延在方向と直交する方向に突出した第１凸部５３と、第１凸部５３の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部５５とを有する。第２弾性シール部材８４の幅寸法Ｗ６は、第１凸部５３の突出端と第２凸部５５の突出端との間隔Ｗ８よりも大きい（図１０参照）。これにより、第１端部シールライン５２ｅの先端面を第２弾性シール部材８４に一層確実に接触させることができる。

インシュレータ１８ａの面１９ａには第１弾性シール部材８０が配設される第１凹部８２が形成され、インシュレータ１８ｂの面１９ｂには第２弾性シール部材８４が配設される第２凹部８６が形成されている。これにより、積層体１４が積層方向に大型化することを抑えることができる。

第１シールライン５２及び第１端部シールライン５２ｅは、酸化剤ガス流路４８を周回するとともに酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲に設けられている。これにより、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）並びに冷却媒体の漏れを確実に防止することができる。

第２シールライン６２及び第２端部シールライン６２ｅは、燃料ガス流路５８を周回するとともに燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲に設けられている。これにより、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）並びに冷却媒体の漏れを確実に防止することができる。

本実施形態では、第１端部金属セパレータ３０ｅが第１金属セパレータ３０と同一構成であるとともに第２端部金属セパレータ３２ｅが第２金属セパレータ３２と同一構成である。すなわち、第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第２端部金属セパレータ３２ｅを専用品にしなくてもよいため、燃料電池スタック１０の部品の種類を少なくすることができ、燃料電池スタック１０の製造工数の削減を図ることができる。

ところで、例えば、燃料電池スタック１０の発電が開始されると燃料電池スタック１０の温度が上昇し、燃料電池スタック１０の発電が停止されると燃料電池スタック１０の温度が下降する。一般的に、接合セパレータ３３の線膨張係数とインシュレータ１８ａ、１８ｂの線膨張係数との差は比較的大きい。

しかしながら、本実施形態では、第２端部シールライン６２ｅがインシュレータ１８ａではなく第１弾性シール部材８０に当接している。そのため、例えば、図１１に示すように、熱膨張又は熱収縮によってインシュレータ１８ａと第２端部シールライン６２ｅの位置関係が矢印Ｃ方向にずれた場合であっても、第１弾性シール部材８０が弾性変形することにより、第２端部シールライン６２ｅ及び第１弾性シール部材８０の接触位置がずれることを抑えることができる。

これと同様に、第１端部シールライン５２ｅがインシュレータ１８ｂではなく第２弾性シール部材８４に当接している。そのため、例えば、熱膨張又は熱収縮によってインシュレータ１８ｂと第１端部シールライン５２ｅの位置関係が矢印Ｃ方向にずれた場合であっても、第２弾性シール部材８４が弾性変形することにより、第１端部シールライン５２ｅ及び第２弾性シール部材８４の接触位置がずれることを抑えることができる。従って、燃料電池スタック１０の温度変化によって積層体１４の積層方向端部のシール性が低下することを抑えることができる。

なお、第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅのインシュレータ１８ａ、１８ｂに対する位置ずれは、燃料電池スタック１０に対して積層方向と直交する方向に振動や荷重が作用した場合等にも発生し得る。

また、第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の側面８３との間には所定の隙間Ｓａが形成され、第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の側面８７との間には所定の隙間Ｓｂが形成されている。そのため、第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４を容易且つ確実に弾性変形させることができる。

さらに、第１弾性シール部材８０における積層体１４に向かう面８１が平坦形状であるため、第２端部シールライン６２ｅを第１弾性シール部材８０の面８１に対して効率的に密着させることができる。また、第２弾性シール部材８４における積層体１４に向かう面８５が平坦形状であるため、第１端部シールライン５２ｅを第２弾性シール部材８４の面８５に対して効率的に密着させることができる。

本発明は上述した構成に限定されない。例えば、第１弾性シール部材８０をインシュレータ１８ａの面１９ａに設けるとともに第２弾性シール部材８４をインシュレータ１８ｂの面１９ｂに設けてもよい。この場合、第１凹部８２及び第２凹部８６を設ける必要がないため、インシュレータ１８ａ、１８ｂの構成を簡素化することができる。

また、上述した実施形態では、第１弾性シール部材８０をインシュレータ１８ａに設けるとともに第２弾性シール部材８４をインシュレータ１８ｂに設けている。しかしながら、図１２に示すように、インシュレータ１８ａ、１８ｂが接合セパレータ３３よりも一回り小さい場合等には、エンドプレート２０ａに形成した第１凹部８２に第１弾性シール部材８０を設けるとともにエンドプレート２０ｂに形成した第２凹部８６に第２弾性シール部材８４を設けてもよい。

ただし、第１弾性シール部材８０をエンドプレート２０ａの面２９ａに設けるとともに第２弾性シール部材８４をエンドプレート２０ｂの面２９ｂに設けてもよい。この場合、エンドプレート２０ａ、２０ｂの構成を簡素化することができる。

上述した実施形態では、第１金属セパレータ３０には、樹脂フィルム４６に接触するように積層体１４の積層方向に向かって突出した第１シールライン５２が形成されている。また、第２金属セパレータ３２には、樹脂フィルム４６に接触するように積層体１４の積層方向に向かって突出した第２シールライン６２が形成されている。

しかしながら、本発明では、図１３に示すように、第１シールライン５２及び第２シールライン６２は、樹脂フィルム４６が設けられていない電解質膜・電極構造体２８の外周部に接触するように設けられていてもよい。

図１４に示すように、燃料電池スタック１０は、上述した第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４に代えてシール部材としての第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２を備えていてもよい。第１弾性シール部材９０は、上述した第１弾性シール部材８０と同様、外側シール部９０ａ、内側シール部９０ｂ及び図示しない連通孔シール部を含む。第２弾性シール部材９２は、上述した第２弾性シール部材８４と同様、外側シール部９２ａ、内側シール部９２ｂ及び図示しない連通孔シール部を含む。

第１弾性シール部材９０は、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、上述した第１弾性シール部材８０と同様のものが挙げられる。第１弾性シール部材９０は、第２端部シールライン６２ｅに当接するシール本体９４と、シール本体９４に設けられた固定部９６とを含む。

シール本体９４は、横断面が矩形状に形成されている。シール本体９４と第１凹部８２の両側の側面８３との間には、シール本体９４が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓｃが形成されている。換言すれば、シール本体９４は、第１凹部８２の両側の側面８３から離間している。シール本体９４と側面８３との間隔は、第１弾性シール部材９０の延在方向に沿って略一定に設定されている。隙間Ｓｃは、シール本体９４の幅方向両側に設けられている。

シール本体９４の第２端部シールライン６２ｅに向かう面９１は、第１凹部８２内に位置している。シール本体９４の面９１は、固体高分子電解質膜４０に対して平行な平坦形状を有する。

シール本体９４の面９１の幅寸法Ｗ９は、上述した第１弾性シール部材８０の面８１の幅寸法Ｗ２（図８参照）と同様に設定されている。すなわち、幅寸法Ｗ９は、第２端部シールライン６２ｅの先端面（樹脂材５６ｂ）の幅寸法Ｗ３（最大幅寸法、図８参照）よりも大きい。幅寸法Ｗ９は、第１凸部６３の突出端と第２凸部６５の突出端との間隔Ｗ４（図８参照）よりも大きい。

固定部９６は、シール本体９４における積層体１４とは反対側に一体的に設けられている。固定部９６は、第１凹部８２の両側の側面８３に当接している。換言すれば、固定部９６は、第１凹部８２の両側の側面８３によって挟持されている。これにより、第１弾性シール部材９０が第１凹部８２に対して幅方向に位置ずれすることを抑えることができる。また、燃料電池スタック１０の製造時に、第１弾性シール部材９０が第１凹部８２から脱落することを抑制できる。

固定部９６は、第１凹部８２の底面８３ａ側に向かって凸状に突出した湾曲面９６ａが形成されている。湾曲面９６ａの一部は、第１凹部８２の底面８３ａに対して当接している。なお、湾曲面９６ａと第１凹部８２の底面８３ａとは、互いに接着又は融着されていない。ただし、湾曲面９６ａの一部は、第１凹部８２の底面８３ａに対して接着（接着剤による接着）又は融着されていてもよい。この場合、第１弾性シール部材９０が第１凹部８２に対して幅方向に位置ずれすることを一層抑えることができる。また、燃料電池スタック１０の製造時に、第１弾性シール部材９０が第１凹部８２から脱落することを一層抑制できる。

第２弾性シール部材９２は、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、上述した第１弾性シール部材９０と同様のものが挙げられる。第２弾性シール部材９２は、第１端部シールライン５２ｅに当接するシール本体９８と、シール本体９８に設けられた固定部１００とを含む。

シール本体９８は、横断面が矩形状に形成されている。シール本体９８と第２凹部８６の両側の側面８７との間には、シール本体９８が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓｄが形成されている。換言すれば、シール本体９８は、第２凹部８６の両側の側面８７から離間している。シール本体９８と側面８７との間隔は、第２弾性シール部材９２の延在方向に沿って略一定に設定されている。隙間Ｓｄは、シール本体９８の幅方向両側に設けられている。

シール本体９８の第１端部シールライン５２ｅに向かう面９５は、第２凹部８６内に位置している。シール本体９８の面９５は、固体高分子電解質膜４０に対して平行な平坦形状を有する。

シール本体９８の面９５の幅寸法Ｗ１０は、上述した第２弾性シール部材８４の面８５の幅寸法Ｗ６（図１０参照）と同様に設定されている。すなわち、幅寸法Ｗ１０は、第１端部シールライン５２ｅの先端面（樹脂材５６ａ）の幅寸法Ｗ７（最大幅寸法、図１０参照）よりも大きい。幅寸法Ｗ１０は、第１凸部５３の突出端と第２凸部５５の突出端との間隔Ｗ８（図１０参照）よりも大きい。

固定部１００は、シール本体９８における積層体１４とは反対側に一体的に設けられている。固定部１００は、第２凹部８６の両側の側面８７に当接している。換言すれば、固定部１００は、第２凹部８６の両側の側面８７によって挟持されている。これにより、第２弾性シール部材９２が第２凹部８６に対して幅方向に位置ずれすることを抑えることができる。また、燃料電池スタック１０の製造時に、第２弾性シール部材９２が第２凹部８６から脱落することを抑制できる。

固定部１００は、第２凹部８６の底面８７ａ側に向かって凸状に突出した湾曲面１００ａが形成されている。湾曲面１００ａの一部は、第２凹部８６の底面８７ａに対して当接している。なお、湾曲面１００ａと第２凹部８６の底面８７ａとは、互いに接着又は融着されていない。ただし、湾曲面１００ａの一部は、第２凹部８６の底面８７ａに対して接着（接着剤による接着）又は融着されていてもよい。この場合、第２弾性シール部材９２が第２凹部８６に対して幅方向に位置ずれすることを一層抑えることができる。また、燃料電池スタック１０の製造時に、第２弾性シール部材９２が第２凹部８６から脱落することを一層抑制できる。

このような第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２によれば、上述した第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４と同様の効果を奏する。

インシュレータ１８ａ、１８ｂには、シール部材（第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２）が配設される凹部（第１凹部８２及び第２凹部８６）が形成されている。

シール部材（第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２）は、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）に当接するシール本体９４、９８と、シール本体９４、９８に設けられた固定部９６、１００とを有する。シール本体９４、９８は、凹部（第１凹部８２及び第２凹部８６）を形成する側面８３、８７に対して離間し、固定部９６、１００は、凹部（第１凹部８２及び第２凹部８６）を形成する側面８３、８７に挟持されている。

このような構成によれば、シール部材（第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２）が凹部（第１凹部８２及び第２凹部８６）に対して幅方向に位置ずれすることを抑えることができる。

第１弾性シール部材９０及び第２弾性シール部材９２は、図１２に示すエンドプレート２０ａ、２０ｂに形成された第１凹部８２及び第２凹部８６のそれぞれに配設されていてもよい。

図１５に示すように、燃料電池スタック１０は、上述した第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４に代えて第１シール部材１１０及び第２シール部材１１２を備えていてもよい。第１シール部材１１０は、第２端部シールライン６２ｅに対向する位置に設けられている。

第１シール部材１１０は、第１金属板１１４と第１弾性シール部材１１６を有する。第１金属板１１４と第１弾性シール部材１１６とは、積層方向に互いに重ねて配置されている。第１金属板１１４は、電気絶縁性を有する支持部材であるインシュレータ１８ａに支持されるとともに、第２端部シールライン６２ｅと第１弾性シール部材１１６との間に配置されている。

第１金属板１１４は、インシュレータ１８ａに当接するとともに、インシュレータ１８ａに対し、積層方向（矢印Ａ方向）に対して垂直な方向に摺動可能である。第２端部シールライン６２ｅの先端面（凸部）と第１弾性シール部材１１６とは、積層体１４の積層方向から見て互いに重なる位置に設けられている。

第１金属板１１４は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同系統の金属材料からなる。第１金属板１１４は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同じ材料からなることが好ましいが、第２端部金属セパレータ３２ｅと線膨張係数が略同一であれば、第２端部金属セパレータ３２ｅと異なる組成の金属材料により構成されてもよい。第１金属板１１４は、第２端部シールライン６２ｅに対向する連続した一枚のプレートである。

第１金属板１１４の幅寸法Ｗ１１は、上述した第１弾性シール部材８０の面８１の幅寸法Ｗ２（図８参照）と同様に設定されている。すなわち、幅寸法Ｗ１１は、第２端部シールライン６２ｅの先端面（樹脂材５６ｂ）の幅寸法Ｗ３（最大幅寸法、図８参照）よりも大きい。幅寸法Ｗ１１は、第１凸部６３の突出端と第２凸部６５の突出端との間隔Ｗ４（図８参照）よりも大きい。

インシュレータ１８ａには、第１弾性シール部材１１６を収容する溝１１８が設けられている。溝１１８は、第２端部シールライン６２ｅに対向する位置に設けられている。第１金属板１１４は、溝１１８を跨いで配置されている。第１弾性シール部材１１６は、第１金属板１１４と溝１１８の底部との間に弾性圧縮状態で挟持されている。従って、第１弾性シール部材１１６は、第１金属板１１４と溝１１８の底部とに密着して気密シールを形成している。

インシュレータ１８ａは、溝１１８が形成された凹部１２０を有する。凹部１２０は、第２端部シールライン６２ｅに対向する位置に設けられている。第１金属板１１４は、凹部１２０に収容されている。第１金属板１１４の外周端１１４ｅと、当該外周端１１４ｅに対向する凹部１２０の側壁面１２１との間には、第１金属板１１４の熱膨張を許容するための隙間Ｓｅが設けられている。凹部１２０は、ターミナルプレート１６ａを収容する凹部７６ａの全周に亘って囲んでいる。

第２シール部材１１２は、第１端部シールライン５２ｅに対向する位置に設けられている。第２シール部材１１２は、第２金属板１２２と第２弾性シール部材１２４を有する。第２金属板１２２と第２弾性シール部材１２４とは、積層方向に互いに重ねて配置されている。第２金属板１２２は、電気絶縁性を有する支持部材であるインシュレータ１８ｂに支持されるとともに、第１端部シールライン５２ｅと第２弾性シール部材１２４との間に配置されている。

第２金属板１２２は、インシュレータ１８ｂに当接するとともに、インシュレータ１８ｂに対し、積層方向（矢印Ａ方向）に対して垂直な方向に摺動可能である。第１端部シールライン５２ｅの先端面（凸部）と第２弾性シール部材１２４とは、積層体１４の積層方向から見て互いに重なる位置に設けられている。

第２金属板１２２は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同系統の金属材料からなる。第２金属板１２２は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同じ材料からなることが好ましいが、第１端部金属セパレータ３０ｅと線膨張係数が略同一であれば、第１端部金属セパレータ３０ｅと異なる組成の金属材料により構成されてもよい。第２金属板１２２は、第１端部シールライン５２ｅに対向する連続した一枚のプレートである。

第２金属板１２２の幅寸法Ｗ１２は、上述した第２弾性シール部材８４の面８５の幅寸法Ｗ６（図１０参照）と同様に設定されている。すなわち、幅寸法Ｗ１２は、第１端部シールライン５２ｅの先端面（樹脂材５６ａ）の幅寸法Ｗ７（最大幅寸法、図１０参照）よりも大きい。幅寸法Ｗ１２は、第１凸部５３の突出端と第２凸部５５の突出端との間隔Ｗ８（図８参照）よりも大きい。

インシュレータ１８ｂには、第２弾性シール部材１２４を収容する溝１２６が設けられている。溝１２６は、第１端部シールライン５２ｅに対向する位置に設けられている。第２金属板１２２は、溝１２６を跨いで配置されている。第２弾性シール部材１２４は、第２金属板１２２と溝１２６の底部との間に弾性圧縮状態で挟持されている。従って、第２弾性シール部材１２４は、第２金属板１２２と溝１２６の底部とに密着して気密シールを形成している。

インシュレータ１８ｂは、溝１２６が形成された凹部１２８を有する。凹部１２８は、第１端部シールライン５２ｅに対向する位置に設けられている。第２金属板１２２は、凹部１２８に収容されている。第２金属板１２２の外周端１２２ｅと、当該外周端１２２ｅに対向する凹部１２８の側壁面１２９との間には、第１金属板１１４の熱膨張を許容するための隙間Ｓｆが設けられている。凹部１２８は、ターミナルプレート１６ｂを収容する凹部７６ｂの全周に亘って囲んでいる。

図１５において、シール部材（第１シール部材１１０及び第２シール部材１１２）は、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）に対向する位置に重ねて配置された金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）及び弾性シール部材（第１弾性シール部材１１６及び第２弾性シール部材１２４）を有する。金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）は、インシュレータ１８ａ、１８ｂにより支持されるとともに、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）と弾性シール部材（第１弾性シール部材１１６及び第２弾性シール部材１２４）との間に配置されている。

つまり、弾性シール部材（第１弾性シール部材１１６及び第２弾性シール部材１２４）よりも剛性が高く且つインシュレータ１８ａ、１８ｂにより支持された金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）が、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）と弾性シール部材（第１弾性シール部材１１６及び第２弾性シール部材１２４）との間に配置される。このため、全体が弾性材料により構成されるシール部材を用いた場合と異なり、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）の傾きを防止することができる。

また、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）が金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）で支持されるため、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）の積層方向位置の変動をなくし、金属セパレータ（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）に過大な圧縮荷重が加えられることを抑制することができる。

さらに、金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）及び端部金属セパレータ（第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第２端部金属セパレータ３２ｅ）は、いずれも金属製であり線膨張係数が互いに近いため、温度変化に伴う熱膨張時又は熱収縮時に金属板（第１金属板１１４及び第２金属板１２２）と端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）との接触位置がずれることを防止することができる。従って、端部シール用ビード部（第１端部シールライン５２ｅ及び第２端部シールライン６２ｅ）において良好なシール性を確保することができる。

本実施形態では、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の間に樹脂フィルム付きＭＥＡ２８を挟持した発電セル１２を構成し、各発電セル１２間に冷却媒体流路６６を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、３枚以上の金属セパレータと２枚以上の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備え、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。

間引き冷却構造では、単一の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路が形成され且つ他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。従って、一枚の金属セパレータが電解質膜・電極構造体間に配置される。

シール部材（第１弾性シール部材８０、９０、第２弾性シール部材８４、９２、第１シール部材１１０及び第２シール部材１１２）は、第１シールライン５２及び第２シールライン６２と同じように、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

本発明に係る燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １８ａ、１８ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２８…樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
３０…第１金属セパレータ ３０ｅ…第１端部金属セパレータ
３２…第２金属セパレータ ３２ｅ…第２端部金属セパレータ
３３…接合セパレータ ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３６ａ…冷却媒体入口連通孔
３６ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４０…固体高分子電解質膜
４６…樹脂フィルム
５２…第１シールライン（シール用ビード部）
６２…第２シールライン（シール用ビード部）
８０、９０…第１弾性シール部材（シール部材）
８２…第１凹部
８４、９２…第２弾性シール部材（シール部材）
８６…第２凹部
１１０…第１シール部材（シール部材）
１１２…第２シール部材（シール部材）

Claims (7)

1. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外周部又は外周部に設けられた枠部に接触するように前記積層体の積層方向に向かって突出したシール用ビード部が形成され、
   積層体の積層方向両側には、前記シール用ビード部が弾性変形するように前記積層体を前記積層方向に挟持するインシュレータ及びエンドプレートが配設されている燃料電池スタックであって、
   前記積層体は、前記積層方向の両端に位置する端部金属セパレータを有し、
   各前記端部金属セパレータには、前記積層方向の外側に向かって突出した端部シール用ビード部が形成され、
   前記シール用ビード部及び前記端部シール用ビード部のそれぞれは、前記積層方向からの平面視で波状に延在し、
   前記インシュレータ又は前記エンドプレートの外周部には、前記端部シール用ビード部に当接するシール部材が設けられ、
   前記シール部材の幅寸法は、前記端部シール用ビード部の最大幅寸法よりも大きく、
   前記シール部材は、前記積層方向からの平面視で直線状に延在し、
   前記端部シール用ビード部は、
   前記積層方向からの平面視で、前記端部シール用ビード部の延在方向と直交する方向に突出した第１凸部と、
   前記第１凸部の突出方向とは反対方向に突出した第２凸部と、を有することにより前記波状に延在し、
   前記シール部材の幅寸法は、前記第１凸部の突出端と前記第２凸部の突出端との間の間隔よりも大きい、
   ことを特徴とす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において、
   前記インシュレータ又は前記エンドプレートにおける前記積層体に向かう面には、前記シール部材が配設される凹部が形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記金属セパレータ及び前記端部金属セパレータには、
   前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路と、
   前記反応ガス及び冷却媒体が流通する複数の連通孔と、が形成され、
   前記シール用ビード部及び前記端部シール用ビード部は、前記ガス流路を周回するとともに前記連通孔の周囲に設けられている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の前記積層方向の一端に位置する前記端部金属セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部又は前記枠部における前記積層方向の他端側を指向する面に接触する前記金属セパレータと同一構成であり、
   前記積層体の前記積層方向の他端に位置する前記端部金属セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部又は前記枠部における前記積層方向の一端側を指向する面に接触する前記金属セパレータと同一構成である、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記シール部材は、全体が弾性材料により構成されている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記インシュレータ又は前記エンドプレートには、前記シール部材が配設される凹部が形成され、
   前記シール部材は、
   前記端部シール用ビード部に当接するシール本体と、
   前記シール本体に設けられた固定部と、を有し、
   前記シール本体は、前記凹部を形成する側面に対して離間し、
   前記固定部は、前記凹部を形成する側面に挟持されている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記シール部材は、
   前記端部シール用ビード部に対向する位置に重ねて配置された金属板及び弾性シール部材を有し、
   前記金属板は、前記インシュレータにより支持されるとともに、前記端部シール用ビード部と前記弾性シール部材との間に配置されている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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