JPWO2017060955A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

膜電極接合体２のフレーム１と、一対のセパレータ３，４とで単セルＣを構成し、単セル間にシール部材６を配置して複数の単セルＣを積層した燃料電池スタックＦＳにおいて、一対のセパレータ３，４にフレーム１と当接する支持部９，１０を設けると共に、支持部１０の一方にシール部材６を配置し、且つ両セパレータ３，４の支持部９，１０の大きさを異ならせて、一方のセパレータ３の支持部９がフレーム１と当接する基面７と、他方のセパレータ４の支持部１０がフレーム１と当接する頂面８とが、積層方向で重なる重複部Ｗを形成し、重複部Ｗによりシール部材６からの反力を単セル間で伝達支持することにより、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する。

Description

本発明は、複数の単セルを積層した構造を有する燃料電池スタックの改良に関するものである。

従来の燃料電池スタックとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持してセルを形成し、このセルを複数重ねて形成した多セルモジュールを含む構成である。セルは、周囲に非発電領域を有し、この非発電領域に、冷媒、燃料ガス及び酸化剤ガスである各流体を個別に流通させるためのマニホールドを有している。そして、燃料電池スタックは、多セルモジュールをセル積層方向に複数且つ直列に配列し、多セルモジュール間をビードガスケットにてシールした構造を有している。

日本国特開２００５−１９０７０６号公報

上記したような燃料電池スタックでは、隣接するセル同士の間や、夫々のマニホールドの周囲などに、流体の外部への漏出や、流体の他流路への漏出を阻止するためのシール部材が配置してある。ところが、従来の燃料電池スタックでは、シール部材の反力により、セパレータが内側に撓んでガス流路の狭窄が生じたり、シール部材のシール面圧が低下したりする虞があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、単セル同士の間に介装したシール部材の反力を受ける構造にして、単セルにおけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止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している。

本発明に係わる燃料電池スタックは、膜電極接合体の周囲を支持するフレームと、フレームを挟持する一対のセパレータとで単セルを構成し、該単セル間にシール部材を配置して複数の単セルを積層した構造を有している。そして、燃料電池スタックは、前記一対のセパレータにフレームと当接する支持部を設けると共に、該支持部の一方にシール部材を配置し、且つ一方のセパレータの支持部と他方のセパレータの支持部との大きさを異ならせて、一方のセパレータの支持部がフレームと当接する基面と、他方のセパレータの支持部がフレームと当接する頂面とが、積層方向で重なる重複部を形成し、当該重複部によりシール部材からの反力を単セル間で伝達支持することを特徴としている。

本発明の燃料電池スタックは、上記構成を採用したことから、単セルが、隣接する単セルとの間に介装したシール部材の反力を受ける構造になり、単セルにおけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止することができる。

燃料電池スタックの斜視図（Ａ）、及び斜視分解図（Ｂ）である。 分解状態にした単セルの平面図（Ａ）及びシールプレートの平面図（Ｂ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第１実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、及び支持部を説明する分解状態の断面図（Ｂ）である。 図３に示すセパレータの要部の平面図（Ａ）、図Ａ中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に基づく断面図（Ｂ）、及び図Ａ中のＣ−Ｃ線に基づく断面図（Ｃ）断面図である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第２実施形態を示す要部の断面図である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第３実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び（Ｂ）、並びに第４実施形態を示す要部の断面図（Ｃ）及び（Ｄ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第５実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び（Ｂ）、並びに第６実施形態を示す要部の断面図（Ｃ）及び（Ｄ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第７実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、支持部の配置を示す平面図（Ｂ）、図Ａ中のＡ−Ａ線に基づいてシール部材の配置が異なる二例を示す各々断面図（Ｃ）（Ｄ）である。 マニホールド穴の出入口部分における支持部の配置の四例を示す各々平面図（Ａ）〜（Ｄ）である。

〈第１実施形態〉
図１〜図４は、本発明に係わる燃料電池スタックの第１実施形態を説明する図である。 図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）に示すように、複数の単セルＣを積層してセルモジュールＭを形成すると共に、このセルモジュールＭを複数積層した構造を有し、セルモジュールＭ間にはシールプレートＰが介装してある。図示の単セルＣ及びシールプレートＰは、ほぼ同様の縦横寸法を有する長方形状である。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

単セルＣは、図２（Ａ）に示すように、膜電極接合体２の周囲を支持するフレーム１と、膜電極接合体２を含めてフレーム１を挟持する一対のセパレータ３，４とを備えている。この単セルＣは、フレーム１及び膜電極接合体２と一方のセパレータ３との間に、アノードガス（水素含有ガス）のガス流路が形成され、フレーム１及び膜電極接合体２と他方のセパレータ４との間に、カソードガス（酸素含有ガス：例えば空気水素含有ガス）のガス流路が形成されている。

フレーム１は、薄膜部材から成るものであって、例えば樹脂製のフィルムであり、その中央に配置した膜電極接合体２と一体化されている。膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示は省略するが、固体高分子から成る電解質層をアノード電極層とカソード電極層とで挟持した構造を有している。

各セパレータ３，４は、例えばステンレス製であって、例えばプレス加工により適宜の形状に成形され、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が、長辺方向に連続する断面凹凸形状に形成してある。各セパレータ３，４は、その断面凹凸形状の部分において、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間に、長辺方向に連通するガス流路を形成する。

シールプレートＰは、図２（Ｂ）に示すように、導電性の金属板を所定形状に成形したものであり、経時的に安定した通電を行うことができると共に、その外周縁部に沿って連続する外周シール部材５を備え、セルモジュールＭとの間に冷却液（例えば水）の流路を形成する。換言すれば、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭ同士の間を冷却液の流路とし、この流路内にシールプレートＰを配置している。また、燃料電池スタックＦＳは、単セルＣ同士の間にも、冷却液の流路を形成している。

外周シール部材５は、外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、冷却液の漏出を防止するものであり、図３に示す例では、外側シール部材５Ａと内側シール部材５Ｂとから成る二重構造にすることで、シール性をより一層高めている。

なお、図３に示すように、各フレーム１は、セパレータ３，４及びシールプレートＰよりも一回り大きく、これらよりも外側に延出した外周縁部同士を接着（符号Ｑ）することにより、流体の外部への漏出を防止し、さらに、単セルＣ同士の間の短絡を防止する構造になっている。

各単セルＣのフレーム１及びセパレータ３，４、並びにシールプレートＰは、図２に示すように、積層状態で互いに連通して流体用のマニホールドを形成するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。図示例では、単セルＣの両側の短辺に沿って、夫々３個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。

一例として、図２中の左側のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上から順に、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）、アノードガス排出用（Ｈ３）である。また、図２中の右側のマニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上から順に、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）、カソードガス排出用（Ｈ６）である。なお、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。

各単セルＣを構成するフレーム１及びセパレータ３，４には、図２（Ａ）中に点線で示すように、外周及びマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、シール部材としてのシールライン部ＳＬが設けてある。これらのシールライン部ＳＬは、接着性を有するもので、フレーム１とセパレータ３，４とを接着すると同時に、ガスや冷却液である流体が外部に漏出するのを阻止し、且つ各々の流路に他の流体が流入するのを阻止するものである。したがって、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシールライン部ＳＬは、各流路に夫々該当する流体が流通し得るように、その一部が出入口として開放されている。

また、シールプレートＰは、図２（Ｂ）に示すように、カソードガス用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ６及びアノードガス用のマニホールド穴Ｈ３，Ｈ４の周囲を封止するマニホールドシール部材６を備えている。図示例のシールプレートＰは、先述したように、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却液の流路に配置されるので、冷却液用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周囲には配置されていない。さらに、シールプレートＰは、図３（Ａ）に示すように、後述するセパレータ（３，４）の支持部（９，１０）と当接して、当該セパレータ（３，４）の支持部（９，１０）からの力を伝達支持する支持面Ｚｄ，Ｚｕを有している。

上記の燃料電池スタックＦＳは、単セル間にシール部材を配置して複数の単セルＣを積層した構造を有しており、とくに、この実施形態では、単セル間に、シール部材としてのシールライン部ＳＬや、同じくシール部材としての外周シール部材５及びマニホールドシール部材６を備えたシールプレートＰを介装したものとなっている。

ここで、上記の燃料電池スタックＦＳにおいて、前記シールライン部ＳＬは、フレーム１とセパレータ３，４とを接着して、ガスに対するシール性を確保する。これに対して、マニホールドシール部材６は、シール機能に特化し、所定のシール面圧を確保するものであるから、シールライン部ＳＬよりも大きい反発力を有する素材で形成されている。このため、燃料電池スタックＦＳでは、主にマニホールドシール部材６の反力により、セパレータ３，４が単セルＣの内側に撓んでガス流路の狭窄が生じたり、マニホールドシール部材６のシール面圧が低下したりする虞があることから、これらを防止するために以下の構成を備えている。

すなわち、燃料電池スタックＦＳは、図３及び図４に示すように、一対のセパレータ３，４にフレーム１と当接する支持部９，１０を夫々設けている。また、燃料電池スタックＦＳは、双方の支持部９，１０のうちの一方の支持部１０にシール部材（シールライン部ＳＬ及びマニホールドシール部材６）を配置し、且つ一方のセパレータ３の支持部９と他方のセパレータ４の支持部１０との大きさを異ならせて、一方のセパレータ３の支持部９がフレーム１と当接する基面７と、他方のセパレータ４の支持部１０がフレーム１と当接する頂面８とが、積層方向で重なる重複部Ｗを形成している。そして、燃料電池スタックＦＳは、重複部Ｗによりシール部材（とくにマニホールドシール部材６）からの反力を単セル間で伝達支持するものとしている。

この実施形態において、一方のセパレータ３の支持部９は、図３（Ｂ）に示すように、図中で左側から、水平片９ａ、上り勾配の斜辺９ｂ、水平片９ｃ、下り勾配の斜辺９ｄ、及び水平片９ｅを含むものである。そして、両端の水平片９ａ，９ｅの図中下面をフレーム１に当接する基面７としている。また、他方のセパレータ４の支持部１０は、図中で左側から、水平片１０ａ、上り勾配の斜辺１０ｂ、水平片１０ｃ、下り勾配の斜辺１０ｄ、及び水平片１０ｅを含むものである。そして、中央の水平片１０ｃの図中上面を頂面８としている。

とくに、この実施形態では、両セパレータ３，４の支持部９，１０を構成する中央の水平面９ｃ，１０ｃの長さを相対的に変えることで、双方の支持部９，１０の大きさを異ならせており、これにより基面７と頂面８との重複部Ｗを２カ所に形成している。なお、上記した水平片、斜辺、基面及び頂面といった名称は、便宜上、理解し易くするためのものであり、燃料電池スタックＦＳにおける各部位の方向性を決定するものではない。

また、この実施形態におけるセパレータ３，４は、表裏反転形状を有しており、支持部９，１０の裏側（内側）が凹部１１，１２になっている。これらのセパレータ３，４は、１枚の素材をプレス加工することにより形成される。これにより、シール部材６，ＳＬは、図３（Ａ）に示すように、隣接する単セルＣ，Ｃ間において、図中で単セルＣの下側のパレータ４における支持部１０と、図中で単セルＣの上側のセパレータ３における支持部９の頂面８との間に配置されている。とくに、図中で単セルＣの下側のパレータ４では、支持部１０の裏側（内側）である凹部１２にシール部材６，ＳＬが配置されている。

また、上記の支持部９（１０）は、図４（Ａ）に示すように、セパレータ３（４）のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に沿って形成されている。このとき、支持部９（１０）は、先述の如く、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６のシールライン部ＳＬの一部が流体の出入口として開放されているように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲では、その出入口を除く部分に沿って連続的（リブ状）に形成され、出入口の部分では断続的（エンボス状）に形成されている。

これにより、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線で示す連続的な支持部９（１０）の位置、及びＢ−Ｂ線で示す断続的な支持部９（１０）の位置では、図４（Ｂ）中に矢印で示すように、ガスの流れが支持部９（１０）により遮られる。また、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ線で示す断続的な支持部９（１０）同士の間の位置では、図４（Ｃ）に矢印で示すように、ガスが良好に流通する。

なお、図４（Ａ）に示すセパレータ３（４）のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、図２に示すものと形状が異なるが、実質的な機能は同等である。また、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すマニホールドシール部材６は、図３に示すものと形状が異なるが、実質的な機能は同等である。

さらに、この実施形態におけるセパレータ３，４は、先述の如く、表裏反転形状を有するものであるから、マニホールド穴Ｈ１，Ｈ３の出入口を除く部分においては、支持部９，１０がリブ状に形成されているのに対して、その裏側では、凹部１１，１２が溝状に形成されている。また、マニホールド穴Ｈ１，Ｈ３の出入口の部分においては、支持部９，１０がエンボス状に形成されているのに対して、その裏側では、凹部１１，１２がディンプル状に形成されている。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、各単セルＣにアノードガス及びカソードガスを供給することで、電気化学反応による発電を行うと共に、各単セルＣ同士の間、及びセルモジュールＭ同士の間に冷却液を供給して、全体の冷却を行うこととなる。

上記の燃料電池スタックＦＳは、一方のセパレータ３の支持部９と他方のセパレータ４の支持部１０との大きさを異ならせて、一方のセパレータ３の支持部９がフレーム１と当接する基面７と、他方のセパレータ４の支持部１０がフレーム１と当接する頂面８とが、積層方向で重なる重複部Ｗを形成している。これにより、燃料電池スタックＦＳは、重複部Ｗによりシール部材（とくにマニホールドシール部材６）からの反力を単セルＣ，Ｃ間で伝達支持するものとなり、単セルＣにおけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止することができる。

また、先述したように、シールライン部ＳＬの反発力と、マニホールドシール部材６の反発力とが異なる構造であっても、反発力の差に左右されることなく、前記重複部Ｗによりシール部材（６，ＳＬ）からの反力を単セルＣ，Ｃ間で伝達支持し、単セルＣにおけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する。

さらに、上記の燃料電池スタックＦＳは、単セルＣを構成するフレーム１及び一対のセパレータ３，４が、積層状態で互いに連通するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、シール部材が、単セル間に加えてマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲を封止するシール部材（マニホールドシール部材６）である。これにより、燃料電池スタックＦＳは、とくに、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲におけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止し、ガスの流通性やシール性の向上を実現することができる。

さらに、上記の燃料電池スタックＦＳは、両セパレータ３，４が、支持部９，１０の裏側（内側）を凹部１１，１２とする表裏反転形状を成しているので、例えばプレス加工により支持部９，１０及び凹部１１，１２を簡単に同時成形し得ると共に、大量生産が容易である。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、セパレータ３，４に支持部９，１０を設けることにより、薄膜部材から成るフレーム１、具体的にはフィルム製の平坦なフレーム１を採用することができる。このフィルム製フレーム１は、単セルＣの薄型化を実現し得るものである。よって、燃料電池スタックＦＳは、フィルム製フレーム１を採用することで、シール部材の反力を受ける構造にしたうえで、単セルＣ及び燃料電池スタックＦＳの薄型化や小型軽量化を実現する。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、複数の単セルＣを積層して成るセルモジュールＭを複数備えると共に、セルモジュールＭ同士の間に、マニホールドシール部材６を備えたシールプレートＰを介装した構成において、マニホールドシール部材６の反力を受ける構造になり、単セルＣにおけるガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止することができる。これにより、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲におけるガスの流通性やシール性の向上を実現する。

図５〜図８は、本発明に係わる燃料電池スタックの第２〜第７実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、燃料電池スタックや単セルの基本構造は、図１や図２（Ａ）に示すものと同様であり、さらに、図５〜図７は、いずれも図４（Ａ）中に示すＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、及びＣ−Ｃ線に基づく要部の断面図である。

〈第２実施形態〉
図５に示す燃料電池スタックＦＳは、先の第１実施形態で説明したシールプレート（Ｐ）が無く、単セルＣ同士の間に、シール部材としてのマニホールドシール部材１６を備えた構成である。このマニホールドシール部材１６は、シールライン部ＳＬ（図２参照）に代えて配置することができる。なお、図５は、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の位置での断面図である。

すなわち、燃料電池スタックＦＳは、隣接する単セルＣ，Ｃ間において、図中で上側のセパレータ４における支持部１０と、図中で下側のセパレータ３における支持部９との間に、マニホールドシール部材１６が介装してある。また、セパレータ３，４は、表裏反転形状であるから、支持部９，１０の裏側（内側）は、凹部１１，１２である。そして、燃料電池スタックＦＳは、個々の単セルＣを構成する一方のセパレータ３における支持部９の基面７と、他方のセパレータ４における支持部１０の頂面８とが、積層方向において互いに重なる２カ所の重複部Ｗを形成している。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びにその重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になるので、マニホールドシール部材１６の反力を確実に受ける構造になり、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実したものとなる。

〈第３実施形態〉
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第２実施形態と同様に、単セルＣ同士の間にマニホールドシール部材２６を介装した構成である。なお、図６（Ａ）は、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の位置での断面図であり、図６（Ｂ）は、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ線の位置での断面図である。図中の矢印は、ガスの流れを示している。

そして、この第３実施形態では、単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における凹部１２にマニホールドシール部材２６を嵌合状態に配置している。このマニホールドシール部材２６は、凹部１２に対応した断面形状の本体部２６Ａと、本体部２６Ａの中央部に配置したリップ部２６Ｂとを有しており、隣接する単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ４における支持部１０にリップ部２６Ｂを圧接させている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びに重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になって、マニホールドシール部材２６の反力をより確実に受ける構造になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実し、単セルＣの薄型化に有利なフィルム（薄膜部材）のフレーム１を適用し得るものとなる。また、凹部１２にマニホールドシール部材２６を嵌合状態に配置することで、マニホールドシール部材２６の配置や成形の作業が容易になる。

〈第４実施形態〉
図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第３実施形態と同様に、単セルＣ同士の間にマニホールドシール部材３６を介装した構成である。なお、図６（Ｃ）は、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の位置での断面図であり、図６（Ｄ）は、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ線の位置での断面図である。図中の矢印は、ガスの流れを示している。

そして、この第４実施形態では、単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ３における凹部１１にマニホールドシール部材３６を配置している。このマニホールドシール部材３６は、凹部１１及びその中間部に対応した断面形状の本体部３６Ａと、本体部３６Ａの中央部に配置したリップ部３６Ｂとを有しており、隣接する単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における支持部１０にリップ部３６Ｂを圧接させている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びに重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になって、マニホールドシール部材３６の反力をより確実に受ける構造になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実し、単セルＣの薄型化に有利なフィルム（薄膜部材）のフレーム１を適用し得るものとなる。また、凹部１１にマニホールドシール部材３６を配置することで、マニホールドシール部材３６の配置や成形の作業が容易になる。

〈第５実施形態〉
図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第３実施形態と同様に、単セルＣ同士の間にマニホールドシール部材４６を介装した構成である。なお、図７（Ａ）は、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の位置での断面図であり、図７（Ｂ）は、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ線の位置での断面図である。図中の矢印は、ガスの流れを示している。

そして、この第５実施形態では、単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ３における支持部９にマニホールドシール部材４６を配置している。このマニホールドシール部材４６は、支持部９の中間部に対応する本体部４６Ａと、本体部４６Ａの中央部に配置したリップ部４６Ｂとを有しており、隣接する単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における支持部１０にリップ部４６Ｂを圧接させている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びに重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になって、マニホールドシール部材４６の反力をより確実に受ける構造になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実する。

〈第６実施形態〉
図７（Ｃ）及び（Ｄ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第３実施形態と同様に、単セルＣ同士の間に第１及び第２のマニホールドシール部材２６，５６を介装した構成である。なお、図７（Ｃ）は、図４（Ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の位置での断面図であり、図７（Ｄ）は、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ線の位置での断面図である。図中の矢印は、ガスの流れを示している。

そして、この第６実施形態では、単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における支持部１０に第１のマニホールドシール部材２６を配置すると共に、一方側（図中で上側）のセパレータ３における支持部９に、第２のマニホールドシール部材５６を配置している。第１のマニホールドシール部材２６は、支持部１０に対応する本体部２６Ａと、本体部２６Ａの中央部に配置したリップ部２６Ｂとを有しており、リップ部２６Ｂを第２のマニホールドシール部材５６に圧接させている。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びに重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になって、マニホールドシール部材２６，５６の反力をより確実に受ける構造になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実する。また、凹部１２にマニホールドシール部材２６を配置することで、マニホールドシール部材２６の配置や成形の作業が容易になる。

〈第７実施形態〉
図８に示す燃料電池スタックＦＳは、単セルＣ同士の間にマニホールドシール部材２６，３６を介装した構成である。なお、図８（Ａ）はセパレータのマニホールド穴部分の平面図、図８（Ｂ）は、マニホールド穴の出入口の部分に設けたエンボス状の支持部の平面図、図８（Ｃ）及び（Ｄ）は、図Ａ中のＡ−Ａ線の位置での断面図である。図中の矢印は、ガスの流れを示している。

図８（Ｃ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第３実施形態（図６Ａ，Ｂ参照）と同様に、単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における支持部１０にマニホールドシール部材２６を配置している。また、燃料電池スタックＦＳは、隣接する単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ３における支持部９に、マニホールドシール部材２６のリップ部２６Ｂを圧接させている。

また、図８（Ｄ）に示す燃料電池スタックＦＳは、第４実施形態（図６Ｃ，Ｄ参照）と同様に、単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ３における支持部９にマニホールドシール部材３６を配置している。また、燃料電池スタックＦＳは、隣接する単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における支持部１０に、マニホールドシール部材３６のリップ部３６Ｂを圧接させている。

ここで、図８（Ｃ）及び（Ｄ）に示す上記の燃料電池スタックＦＳは、第３実施形態及び第４実施形態の構成に対して、マニホールドシール部材２６，３６のリップ部２６Ｂ，３６Ｂが、片側に距離Ｌ分だけオフセットされた状態になっている。すなわち、図８（Ａ）において、１点鎖線で示す支持部９（支持部１０）の中心Ｏに対して、リップ部２６，３６が２点鎖線で示す位置Ｓにオフセットされている。この位置Ｓは、図８（Ｂ）に示すエンボス状の支持部９（１０）の配置において、重心点を避ける位置でもある。

上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態と同様に、支持部９，１０並びに重複部Ｗにより、フレーム１が挟持された状態になって、マニホールドシール部材２６の反力をより確実に受ける構造になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、ガス流路の狭窄やシール面圧の低下を防止する機能がより充実する。

また、凹部１１，１２内にマニホールドシール部材２６，３６を配置することで、マニホールドシール部材２６，３６の配置や成形の作業が容易になり、さらに、リップ部２６Ｂ，３６Ｂの位置を片側に距離Ｌ分だけオフセットすることで、マニホールドシール部材２６，３６の反力をより強固を受ける構造となる。

つまり、上記各実施形態のように、単セルＣを構成する一方側のセパレータ３における支持部９よりも、他方側のセパレータ４における支持部１０の方が大きい場合には、マニホールドシール部材２６，３６の反力により、大きい支持部１０の中心部分の撓み量が大きくなる。そこで、リップ部２６Ｂ，３６Ｂの位置を片側にオフセット、すなわち大きい支持部１０の中心部分を外すことで、支持部１０の撓み量を低減し、マニホールドシール部材２６，３６の反力をより強固を受けることができる。

図９は、セパレータのマニホールド穴の出入口部分における支持部の配置を説明する図である。図９（Ａ）に示すセパレータ３では、マニホールド穴Ｈ３の周囲に、リブ状の支持部９を連続的に形成すると共に、マニホールド穴Ｈ３の出入口の部分に、円形のエンボス状の複数の支持部９を配置している。

図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示すセパレータ３では、マニホールド穴Ｈ３の周囲に、リブ状の支持部９を形成すると共に、マニホールド穴Ｈ３の出入口の部分に、矩形のエンボス状の複数の支持部９を配置している。この際、図９（Ｂ）に示す支持部９は、出入口の流通方向に短辺が沿う向きとし、同流通方向に対して千鳥状に配置してある。また、図９（Ｃ）に示す矩形の支持部９は、出入口の流通方向に長辺が沿う向きである。

図９（Ｄ）に示すセパレータ３では、マニホールド穴Ｈ３の周囲に、リブ状の支持部９を連続的に形成すると共に、マニホールド穴Ｈ３の出入口の部分に、傾斜した頂部を有するエンボス状の複数の支持部９を配置している。

このように、支持部９（１０）は、様々な形状及び配置にすることが可能であり、上記の各例以外の形状や配置を採用することができ、先述した各実施形態と同様の作用及び効果を得ることが可能である。

本発明に係わる燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。

Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｈ１〜Ｈ６ マニホールド穴
Ｍ セルモジュール
Ｐ シールプレート
ＳＬ シールライン部（シール部材）
Ｗ 重複部
Ｚｄ，Ｚｕ 支持面
１ フレーム
２ 膜電極接合体
３ 一方のセパレータ
４ 他方のセパレータ
６，１６，２６，３６，４６，５６ マニホールドシール部材（シール部材）
７ 基面
８ 頂面
９，１０ 支持部

燃料電池スタックの斜視図（Ａ）、及び斜視分解図（Ｂ）である。 分解状態にした単セルの平面図（Ａ）及びシールプレートの平面図（Ｂ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第１実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、及び支持部を説明する分解状態の断面図（Ｂ）である。 図３に示すセパレータの要部の平面図（Ａ）、図Ａ中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に基づく断面図（Ｂ）、及び図Ａ中のＣ−Ｃ線に基づく断面図（Ｃ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第２実施形態を示す要部の断面図である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第３実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び（Ｂ）、並びに第４実施形態を示す要部の断面図（Ｃ）及び（Ｄ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第５実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び（Ｂ）、並びに第６実施形態を示す要部の断面図（Ｃ）及び（Ｄ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第７実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、支持部の配置を示す平面図（Ｂ）、図Ａ中のＡ−Ａ線に基づいてシール部材の配置が異なる二例を示す各々断面図（Ｃ）（Ｄ）である。 マニホールド穴の出入口部分における支持部の配置の四例を示す各々平面図（Ａ）〜（Ｄ）である。

単セルＣは、図２（Ａ）に示すように、膜電極接合体２の周囲を支持するフレーム１と、膜電極接合体２を含めてフレーム１を挟持する一対のセパレータ３，４とを備えている。この単セルＣは、フレーム１及び膜電極接合体２と一方のセパレータ３との間に、アノードガス（水素含有ガス）のガス流路が形成され、フレーム１及び膜電極接合体２と他方のセパレータ４との間に、カソードガス（酸素含有ガス：例えば空気）のガス流路が形成されている。

また、この実施形態におけるセパレータ３，４は、表裏反転形状を有しており、支持部９，１０の裏側（内側）が凹部１１，１２になっている。これらのセパレータ３，４は、１枚の素材をプレス加工することにより形成される。これにより、シール部材６，ＳＬは、図３（Ａ）に示すように、隣接する単セルＣ，Ｃ間において、図中で単セルＣの下側のセパレータ４における支持部１０と、図中で単セルＣの上側のセパレータ３における支持部９の頂面８との間に配置されている。とくに、図中で単セルＣの下側のセパレータ４では、支持部１０の裏側（内側）である凹部１２にシール部材６，ＳＬが配置されている。

そして、この第３実施形態では、単セルＣを構成する他方側（図中で下側）のセパレータ４における凹部１２にマニホールドシール部材２６を嵌合状態に配置している。このマニホールドシール部材２６は、凹部１２に対応した断面形状の本体部２６Ａと、本体部２６Ａの中央部に配置したリップ部２６Ｂとを有しており、隣接する単セルＣを構成する一方側（図中で上側）のセパレータ３における支持部９にリップ部２６Ｂを圧接させている。

つまり、上記各実施形態のように、単セルＣを構成する一方側のセパレータ３における支持部９よりも、他方側のセパレータ４における支持部１０の方が大きい場合には、マニホールドシール部材２６，３６の反力により、大きい支持部１０の中心部分の撓み量が大きくなる。そこで、リップ部２６Ｂ，３６Ｂの位置を片側にオフセット、すなわち大きい支持部１０の中心部分を外すことで、支持部１０の撓み量を低減し、マニホールドシール部材２６，３６の反力をより強固に受けることができる。

Claims (8)

1. 膜電極接合体の周囲を支持するフレームと、
   フレームを挟持する一対のセパレータとで単セルを構成し、
   該単セル間にシール部材を配置して複数の単セルを積層した構造を有する燃料電池スタックにおいて、
   前記一対のセパレータにフレームと当接する支持部を設けると共に、該支持部の一方にシール部材を配置し、
   且つ一方のセパレータの支持部と他方のセパレータの支持部との大きさを異ならせて、
   一方のセパレータの支持部がフレームと当接する基面と、他方のセパレータの支持部がフレームと当接する頂面とが、積層方向で重なる重複部を形成し、
   当該重複部によりシール部材からの反力を単セル間で伝達支持することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記単セルを構成するフレーム及び一対のセパレータが、積層状態で互いに連通するマニホールド穴を有すると共に、
   前記シール部材が、単セル間に加えてマニホールド穴の周囲を封止するシール部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記セパレータが、表裏反転形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記フレームが、薄膜部材から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記薄膜部材が、フィルムから成ることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 複数の単セルを積層して成るセルモジュールを複数備えると共に、
   セルモジュール同士の間に、シール部材を備えたシールプレートを介装したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記セルモジュール同士の間に介装したシールプレートに、前記セパレータと当接し、前記支持部からの力を伝達支持する支持面を備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記セルモジュール同士の間に介装したシールプレートのシール部材は、フレーム及び一対のセパレータと積層状態で夫々連通するマニホールド穴の周囲を封止することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池スタック。

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