WO2017060955A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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和弘 影山
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a fuel cell stack having a structure in which a plurality of single cells are stacked.
  • Patent Document 1 As a conventional fuel cell stack, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the fuel cell stack described in Patent Document 1 includes a multi-cell module in which a membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators to form cells, and a plurality of these cells are stacked.
  • the cell has a non-power generation region around it, and has a manifold for individually circulating each fluid, which is a refrigerant, fuel gas, and oxidant gas, in the non-power generation region.
  • the fuel cell stack has a structure in which a plurality of multi-cell modules are arranged in series in the cell stacking direction and the multi-cell modules are sealed with a bead gasket.
  • a seal member is disposed between adjacent cells or around each manifold to prevent leakage of fluid to the outside or leakage of fluid to other flow paths. It is.
  • the reaction force of the seal member may cause the separator to bend inward, resulting in a narrowing of the gas flow path, or a decrease in the seal surface pressure of the seal member. The problem was to solve the problem.
  • the present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and has a structure that receives a reaction force of a sealing member interposed between single cells, and narrows the gas flow path or seals in the single cells. It aims at providing the fuel cell stack which can prevent the fall of a surface pressure.
  • a single cell is constituted by a frame that supports the periphery of the membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the frame, and a sealing member is disposed between the single cells. It has a structure in which cells are stacked.
  • a support portion that contacts the frame is provided on the pair of separators, a seal member is disposed on one of the support portions, and the support portion of one separator and the support portion of the other separator
  • the base surface where the support portion of one separator contacts the frame and the top surface where the support portion of the other separator contacts the frame form an overlapping portion that overlaps in the stacking direction. It is characterized in that the reaction force from the sealing member is transmitted and supported between the single cells by the portion.
  • the single cell has a structure that receives the reaction force of the sealing member interposed between the adjacent single cells, and the gas flow path in the single cell is narrowed. Further, it is possible to prevent a decrease in the seal surface pressure.
  • FIG. 3 is a plan view of the main part of the separator (A), a cross-sectional view based on the AA line and the BB line in FIG. A (B), and a cross-sectional view based on the CC line in FIG. C) It is sectional drawing.
  • Sectional view (A) of the main part showing a seventh embodiment of the fuel cell stack according to the present invention a plan view (B) showing the arrangement of the support part, the arrangement of the seal member based on the AA line in FIG. It is each sectional drawing (C) (D) which shows two examples from which these differ.
  • FIG. 6 is a plan view (A) to (D) showing four examples of the arrangement of support portions at the inlet / outlet portion of the manifold hole.
  • FIG. 1 ⁇ First Embodiment> 1 to 4 are views for explaining a first embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 1 has a structure in which a plurality of unit cells C are stacked to form a cell module M, and a plurality of the cell modules M are stacked, as shown in FIG. 1B.
  • a seal plate P is interposed between the cell modules M.
  • the single cell C and the seal plate P shown in the figure are rectangular shapes having substantially the same vertical and horizontal dimensions.
  • FIG. 1B two cell modules M and one seal plate P are shown, but in reality, a larger number of cell modules M and seal plates P are stacked.
  • the fuel cell stack FS has end plates 56A and 56B arranged at both ends in the stacking direction of the cell modules M, and fastened to both surfaces (upper and lower surfaces in FIG. 1) on the long side of the single cell C. Plates 57A and 57B are provided, and reinforcing plates 58A and 58B are provided on both surfaces on the short side. The fastening plates 57A and 57B and the reinforcing plates 58A and 58B are connected to both end plates 56A and 56B by bolts (not shown).
  • the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1A.
  • Each cell module M and the seal plate P are constrained and pressurized in the stacking direction, and each unit cell C is predetermined. In order to maintain good gas sealing performance and electrical conductivity.
  • the single cell C includes a frame 1 that supports the periphery of the membrane electrode assembly 2 and a pair of separators 3 and 4 that sandwich the frame 1 including the membrane electrode assembly 2.
  • a gas flow path of an anode gas is formed between the frame 1 and the membrane electrode assembly 2 and one separator 3, and the frame 1 and the membrane electrode assembly 2 and the other separator
  • a gas flow path for cathode gas is formed between the separator 4 and the separator 4.
  • the frame 1 is made of a thin film member, and is a resin film, for example, and is integrated with a membrane electrode assembly 2 disposed in the center thereof.
  • the membrane electrode assembly 2 is generally referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly), and although not shown in detail, a structure in which an electrolyte layer made of a solid polymer is sandwiched between an anode electrode layer and a cathode electrode layer have.
  • Each of the separators 3 and 4 is made of, for example, stainless steel, and is formed into an appropriate shape by, for example, pressing, and at least a portion corresponding to the membrane electrode assembly 1 is formed in a cross-sectional uneven shape that is continuous in the long side direction. is there.
  • Each of the separators 3 and 4 has a corrugated convex portion in contact with the membrane electrode assembly 1 in a portion having an uneven cross-sectional shape, and a gas flow communicating in the long side direction between the corrugated concave portion and the membrane electrode assembly 1. Form a road.
  • the seal plate P is formed by forming a conductive metal plate into a predetermined shape, and can stably energize with time and along its outer peripheral edge.
  • a continuous outer peripheral seal member 5 is provided, and a coolant (for example, water) flow path is formed between the cell module M and the outer peripheral seal member 5.
  • a coolant for example, water
  • a space between the cell modules M is used as a coolant flow path, and the seal plate P is disposed in the flow path.
  • the fuel cell stack FS also forms a coolant flow path between the single cells C.
  • the outer peripheral seal member 5 prevents intrusion of rainwater and the like from the outside and prevents leakage of the coolant.
  • the outer peripheral seal member 5 is a double member composed of an outer seal member 5A and an inner seal member 5B. By making the structure, the sealing performance is further enhanced.
  • each frame 1 is slightly larger than the separators 3, 4 and the seal plate P, and by adhering the outer peripheral edges extending outward from these (reference numeral Q), The structure prevents the fluid from leaking to the outside and further prevents a short circuit between the single cells C.
  • the frame 1 and the separators 3 and 4 of each single cell C and the seal plate P have manifold holes H1 to H6 that communicate with each other in a stacked state to form a fluid manifold.
  • manifold holes H1 to H3 and H4 to H6 are provided along the short sides on both sides of the single cell C, respectively.
  • the left manifold holes H1 to H3 in FIG. 2 are for cathode gas supply (H1), coolant supply (H2), and anode gas discharge (H3) in order from the top.
  • the right manifold holes H4 to H6 in FIG. 2 are for anode gas supply (H4), coolant discharge (H5), and cathode gas discharge (H6) in order from the top.
  • the positional relationship between supply and discharge of the manifold holes H1 to H6 may be partially or entirely reversed.
  • the frame 1 and the separators 3 and 4 constituting each single cell C have seal line portions SL as seal members around the outer periphery and the manifold holes H1 to H6. It is provided. These seal line portions SL have adhesiveness, and at the same time, the frame 1 and the separators 3 and 4 are bonded to each other, and at the same time, the gas or cooling fluid is prevented from leaking to the outside, and each flow path is provided. This prevents other fluids from flowing into the tank. Accordingly, a part of the seal line portion SL arranged around the manifold holes H1 to H6 is opened as an inlet / outlet so that the corresponding fluid can flow through each flow path.
  • the seal plate P includes a manifold seal member 6 that seals the periphery of the manifold holes H1 and H6 for cathode gas and the manifold holes H3 and H4 for anode gas.
  • the seal plate P in the illustrated example is disposed between the cell modules M, that is, in the flow path of the coolant, and is not disposed around the manifold holes H2 and H5 for the coolant.
  • the seal plate P abuts on a support portion (9, 10) of a separator (3, 4), which will be described later, and a support portion (9, 9) of the separator (3, 4). , 10) has support surfaces Zd, Zu for transmitting and supporting the force from the above.
  • the fuel cell stack FS has a structure in which a plurality of single cells C are stacked by disposing a seal member between single cells.
  • a seal as a seal member is provided between single cells.
  • the seal plate P provided with the line portion SL and the outer peripheral seal member 5 and the manifold seal member 6 as seal members is interposed.
  • the seal line portion SL adheres the frame 1 and the separators 3 and 4 to ensure a sealing property against gas.
  • the manifold seal member 6 specializes in the sealing function and secures a predetermined seal surface pressure, and thus is formed of a material having a repulsive force larger than that of the seal line portion SL. For this reason, in the fuel cell stack FS, the separator 3 and 4 are bent inward of the single cell C mainly due to the reaction force of the manifold seal member 6, and the gas flow path is narrowed or the seal surface pressure of the manifold seal member 6 is reduced. In order to prevent these problems, the following configuration is provided.
  • the fuel cell stack FS is provided with support portions 9 and 10 that contact the frame 1 on a pair of separators 3 and 4, respectively.
  • the seal member (the seal line portion SL and the manifold seal member 6) is disposed on one of the support portions 9 and 10, and the support portion 9 of the one separator 3 is disposed.
  • the support portion 10 of the other separator 4 are different in size, so that the support portion 9 of the one separator 3 is in contact with the frame 1 and the support portion 10 of the other separator 4 is in contact with the frame 1.
  • the overlapping top surface 8 which overlaps with the top surface 8 which touches in the lamination direction is formed.
  • the fuel cell stack FS transmits and supports the reaction force from the seal member (particularly, the manifold seal member 6) between the single cells by the overlapping portion W.
  • the support portion 9 of one separator 3 has a horizontal piece 9a, an uphill oblique side 9b, a horizontal piece 9c, and a downhill oblique side 9d from the left side in the drawing. And a horizontal piece 9e.
  • the bottom surfaces of the horizontal pieces 9 a and 9 e at both ends are the base surfaces 7 that come into contact with the frame 1.
  • the support portion 10 of the other separator 4 includes, from the left side in the figure, a horizontal piece 10a, an ascending oblique side 10b, a horizontal piece 10c, a descending oblique side 10d, and a horizontal piece 10e.
  • the top surface 8 in the figure of the central horizontal piece 10c is the top surface 8.
  • the sizes of the support portions 9 and 10 are different.
  • overlapping portions W between the base surface 7 and the top surface 8 are formed at two locations.
  • the names such as the horizontal piece, the oblique side, the base surface, and the top surface are for easy understanding and do not determine the directionality of each part in the fuel cell stack FS.
  • the separators 3 and 4 in this embodiment have a front and back inverted shape, and the back sides (inside) of the support portions 9 and 10 are recessed portions 11 and 12. These separators 3 and 4 are formed by pressing a single material.
  • the seal members 6 and SL are arranged between the adjacent single cells C and C and the support portion 10 in the lower pallet 4 in the figure, between the adjacent single cells C and C.
  • it is arranged between the top surface 8 of the support portion 9 in the separator 3 on the upper side of the single cell C.
  • the seal members 6 and SL are arranged in the recess 12 that is the back side (inside) of the support portion 10.
  • the support portion 9 (10) is formed along the periphery of the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 (4). At this time, as described above, the support portion 9 (10) is disposed around the manifold holes H1 to H6 so that a part of the seal line portion SL of the manifold holes H1 to H6 is opened as a fluid inlet / outlet port. It is formed continuously (rib-shaped) along the portion excluding the entrance / exit, and is formed intermittently (embossed) at the entrance / exit portion.
  • the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 (4) shown in FIG. 4 (A) are different in shape from those shown in FIG. 2, but the substantial functions are the same. Further, the manifold seal member 6 shown in FIGS. 4B and 4C is different in shape from that shown in FIG. 3, but has substantially the same function.
  • the separators 3 and 4 in this embodiment have an inverted shape, so that the support portions 9 and 10 are formed in a rib shape in the portion excluding the entrance / exit of the manifold holes H1 and H3.
  • the recesses 11 and 12 are formed in a groove shape on the back side.
  • the support portions 9 and 10 are formed in an embossed shape at the entrance / exit portions of the manifold holes H1 and H3, whereas the recesses 11 and 12 are formed in a dimple shape on the back side.
  • the fuel cell stack FS having the above configuration supplies power to each unit cell C by supplying an anode gas and a cathode gas, thereby generating power by an electrochemical reaction, and between each unit cell C and between cell modules M.
  • the cooling liquid is supplied between them to cool the whole.
  • the fuel cell stack FS has a base surface on which the support portion 9 of one separator 3 and the support portion 10 of the other separator 4 are different in size, so that the support portion 9 of one separator 3 contacts the frame 1. 7 and the top surface 8 with which the support portion 10 of the other separator 4 contacts the frame 1 form an overlapping portion W that overlaps in the stacking direction.
  • the fuel cell stack FS transmits and supports the reaction force from the seal member (particularly the manifold seal member 6) between the single cells C and C by the overlapping portion W. A decrease in the seal surface pressure can be prevented.
  • the overlapping member W does not depend on the difference in the repulsive force.
  • the reaction force from (6, SL) is transmitted and supported between the single cells C and C, and the narrowing of the gas flow path and the decrease in the seal surface pressure in the single cell C are prevented.
  • the frame 1 and the pair of separators 3 and 4 constituting the single cell C have manifold holes H1 to H6 that communicate with each other in a stacked state, and the seal member is interposed between the single cells.
  • a seal member (manifold seal member 6) for sealing the periphery of the manifold holes H1 to H6.
  • both separators 3 and 4 have a reverse side shape in which the back side (inside) of the support portions 9 and 10 is the recesses 11 and 12, the support portions are formed by, for example, pressing. 9 and 10 and the recesses 11 and 12 can be easily formed simultaneously, and mass production is easy.
  • the fuel cell stack FS can employ a frame 1 made of a thin film member, specifically a flat frame 1 made of a film, by providing the separators 3 and 4 with support portions 9 and 10.
  • This film frame 1 can realize the thinning of the single cell C. Therefore, the fuel cell stack FS adopts the film frame 1 so that the unit cell C and the fuel cell stack FS can be reduced in thickness and size and weight while having a structure that receives the reaction force of the seal member.
  • the fuel cell stack FS includes a plurality of cell modules M formed by stacking a plurality of single cells C, and a configuration in which a seal plate P including a manifold seal member 6 is interposed between the cell modules M.
  • a seal plate P including a manifold seal member 6 is interposed between the cell modules M.
  • FIGS. 5 to 8 are diagrams for explaining second to seventh embodiments of the fuel cell stack according to the present invention.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the basic structure of the fuel cell stack and the single cell is the same as that shown in FIGS. 1 and 2 (A), and FIGS. 5 to 7 are all shown in FIG. 4 (A). It is sectional drawing of the principal part based on A line, BB line, and CC line.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 5 does not have the seal plate (P) described in the first embodiment, and includes a manifold seal member 16 as a seal member between the single cells C.
  • the manifold seal member 16 can be disposed in place of the seal line portion SL (see FIG. 2).
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along lines AA and BB in FIG.
  • the fuel cell stack FS includes a manifold seal between the adjacent single cells C and C between the support portion 10 in the upper separator 4 in the drawing and the support portion 9 in the lower separator 3 in the drawing.
  • a member 16 is interposed.
  • the separators 3 and 4 have a reversed front and back shape, the back sides (inside) of the support portions 9 and 10 are concave portions 11 and 12.
  • the base surface 7 of the support portion 9 in one separator 3 constituting each single cell C and the top surface 8 of the support portion 10 in the other separator 4 overlap each other in the stacking direction. Two overlapping portions W are formed.
  • the reaction force of the manifold seal member 16 is reliably received. It becomes a structure and the function which prevents the narrowing of a gas flow path and the fall of a seal surface pressure becomes more substantial.
  • the fuel cell stack FS shown in FIGS. 6A and 6B has a configuration in which a manifold seal member 26 is interposed between the single cells C as in the second embodiment.
  • 6A is a cross-sectional view taken along lines AA and BB in FIG. 4A
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line C-- in FIG. 4A. It is sectional drawing in the position of C line. The arrows in the figure indicate the gas flow.
  • the manifold seal member 26 is arrange
  • the manifold seal member 26 has a main body portion 26A having a cross-sectional shape corresponding to the concave portion 12, and a lip portion 26B disposed at the center portion of the main body portion 26A, and one side constituting the adjacent single cell C ( The lip portion 26B is brought into pressure contact with the support portion 10 in the separator 4 on the upper side in the drawing.
  • the fuel cell stack FS is in a state in which the frame 1 is sandwiched between the support portions 9 and 10 and the overlapping portion W, and receives the reaction force of the manifold seal member 26 more reliably.
  • the fuel cell stack FS can be applied with a film (thin film member) frame 1 that has a more enhanced function of preventing narrowing of the gas flow path and lowering of the seal surface pressure and is advantageous for making the single cell C thinner. It will be a thing.
  • the manifold seal member 26 in the recessed state 12 in a fitted state, the arrangement and molding work of the manifold seal member 26 are facilitated.
  • the fuel cell stack FS shown in FIGS. 6C and 6D has a configuration in which a manifold seal member 36 is interposed between the single cells C, as in the third embodiment.
  • 6C is a cross-sectional view taken along lines AA and BB in FIG. 4A
  • FIG. 6D is a cross-sectional view taken along line C-- in FIG. It is sectional drawing in the position of C line.
  • the arrows in the figure indicate the gas flow.
  • the manifold seal member 36 is arrange
  • the manifold seal member 36 has a main body portion 36A having a cross-sectional shape corresponding to the concave portion 11 and an intermediate portion thereof, and a lip portion 36B disposed at the center of the main body portion 36A, and constitutes an adjacent single cell C.
  • the lip portion 36B is brought into pressure contact with the support portion 10 of the separator 4 on the other side (lower side in the drawing).
  • the fuel cell stack FS is in a state in which the frame 1 is sandwiched by the support portions 9 and 10 and the overlapping portion W, and receives the reaction force of the manifold seal member 36 more reliably.
  • the fuel cell stack FS can be applied with a film (thin film member) frame 1 that has a more enhanced function of preventing narrowing of the gas flow path and lowering of the seal surface pressure and is advantageous for making the single cell C thinner. It will be a thing.
  • the fuel cell stack FS shown in FIGS. 7A and 7B has a configuration in which a manifold seal member 46 is interposed between the single cells C, as in the third embodiment.
  • 7A is a cross-sectional view taken along lines AA and BB in FIG. 4A
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line C-- in FIG. It is sectional drawing in the position of C line.
  • the arrows in the figure indicate the gas flow.
  • the manifold seal member 46 is arrange
  • the manifold seal member 46 has a main body portion 46A corresponding to an intermediate portion of the support portion 9 and a lip portion 46B disposed at the center portion of the main body portion 46A, and the other side constituting the adjacent single cell C.
  • the lip portion 46B is brought into pressure contact with the support portion 10 of the separator 4 (lower side in the figure).
  • the fuel cell stack FS is in a state in which the frame 1 is sandwiched by the support portions 9 and 10 and the overlapping portion W, and receives the reaction force of the manifold seal member 46 more reliably. Become a structure. Thereby, the fuel cell stack FS has more enhanced functions for preventing the narrowing of the gas flow path and the decrease in the seal surface pressure.
  • the fuel cell stack FS shown in FIGS. 7C and 7D has a configuration in which the first and second manifold seal members 26 and 56 are interposed between the single cells C, as in the third embodiment. is there.
  • 7C is a cross-sectional view taken along lines AA and BB in FIG. 4A
  • FIG. 7D is a cross-sectional view taken along line C-- in FIG. 4A. It is sectional drawing in the position of C line.
  • the arrows in the figure indicate the gas flow.
  • the first manifold seal member 26 is disposed on the support 10 in the separator 4 on the other side (lower side in the figure) constituting the single cell C, and one side (in the figure).
  • a second manifold seal member 56 is disposed on the support portion 9 in the upper separator 3.
  • the first manifold seal member 26 has a main body portion 26A corresponding to the support portion 10 and a lip portion 26B disposed at the center of the main body portion 26A.
  • the lip portion 26B is used as the second manifold seal member 56. Pressure contact.
  • the frame 1 is sandwiched between the support portions 9 and 10 and the overlapping portion W, and the reaction force of the manifold seal members 26 and 56 is more sure. It becomes a structure to receive. Thereby, the fuel cell stack FS has more enhanced functions for preventing the narrowing of the gas flow path and the decrease in the seal surface pressure.
  • the manifold seal member 26 in the recess 12, it is easy to dispose and form the manifold seal member 26.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 8 has a configuration in which manifold seal members 26 and 36 are interposed between the single cells C.
  • 8A is a plan view of the manifold hole portion of the separator
  • FIG. 8B is a plan view of an embossed support portion provided at the inlet / outlet portion of the manifold hole
  • FIGS. 8C and 8D Is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The arrows in the figure indicate the gas flow.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 8C is similar to the third embodiment (see FIGS. 6A and 6B) in the support portion 10 in the separator 4 on the other side (lower side in the drawing) constituting the single cell C.
  • a manifold seal member 26 is disposed on the surface. Further, in the fuel cell stack FS, the lip portion 26B of the manifold seal member 26 is brought into pressure contact with the support portion 9 in the separator 3 on one side (the upper side in the drawing) constituting the adjacent single cell C.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 8D has a support portion in the separator 3 on one side (upper side in the figure) constituting the single cell C, as in the fourth embodiment (see FIGS. 6C and D).
  • 9 is a manifold seal member 36.
  • the lip portion 36B of the manifold seal member 36 is brought into pressure contact with the support portion 10 of the separator 4 on the other side (lower side in the drawing) constituting the adjacent single cell C.
  • the lip portions 26B and 36B of the manifold seal members 26 and 36 are different from the configurations of the third embodiment and the fourth embodiment. In this state, it is offset by a distance L on one side. That is, in FIG. 8A, the lip portions 26 and 36 are offset to the position S indicated by the two-dot chain line with respect to the center O of the support portion 9 (support portion 10) indicated by the one-dot chain line. This position S is also a position that avoids the center of gravity in the arrangement of the embossed support portions 9 (10) shown in FIG.
  • the fuel cell stack FS is in a state in which the frame 1 is sandwiched between the support portions 9 and 10 and the overlapping portion W, and receives the reaction force of the manifold seal member 26 more reliably. Become a structure. Thereby, the fuel cell stack FS has more enhanced functions for preventing the narrowing of the gas flow path and the decrease in the seal surface pressure.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement of the support portions at the entrance / exit portion of the manifold hole of the separator.
  • rib-shaped support portions 9 are continuously formed around the manifold hole H3, and a plurality of circular embossed support portions are formed at the entrance / exit portion of the manifold hole H3. 9 is arranged.
  • a rib-shaped support portion 9 is formed around the manifold hole H3, and a plurality of rectangular embossed supports are provided at the entrance / exit portion of the manifold hole H3.
  • the part 9 is arranged.
  • the support part 9 shown to FIG. 9 (B) is set as the direction where a short side follows the distribution direction of an entrance, and is arrange
  • the rectangular support part 9 shown to FIG. 9 (C) is the direction where a long side follows the distribution direction of an entrance / exit.
  • a rib-like support portion 9 is continuously formed around the manifold hole H3, and a plurality of embossed shapes having inclined top portions at the entrance / exit portions of the manifold hole H3.
  • the support part 9 is arranged.
  • the support portion 9 (10) can have various shapes and arrangements, and can adopt shapes and arrangements other than the above examples, and has the same effect as each of the embodiments described above. And effects can be obtained.
  • the configuration of the fuel cell stack according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the details of the configurations may be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention. It is possible to combine them appropriately.

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

燃料電池スタック
　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

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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