燃料電池スタック
【課題】膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックにおいて、積層体を積層方向に締結するとともに、発電効率を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の空気供給マニホールドと、複数の空気排出マニホールドとを備え、複数の空気供給マニホールド間の一部に、第１の締結部材を嵌合するための第１の切り欠き部を備え、複数の空気排出マニホールド間の一部に、第２の締結部材を嵌合するための第２の切り欠き部を備える。第１および第２の切り欠き部は、互いに対向しない位置に配置され、第１の切り欠き部を挟んで配置された２つの空気供給マニホールドの双方は、いずれか１つの空気排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置され、第２の切り欠き部を挟んで配置された２つの空気排出マニホールドの双方は、いずれか１つの空気供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置される。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の空気供給マニホールドと、複数の空気排出マニホールドとを備え、複数の空気供給マニホールド間の一部に、第１の締結部材を嵌合するための第１の切り欠き部を備え、複数の空気排出マニホールド間の一部に、第２の締結部材を嵌合するための第２の切り欠き部を備える。第１および第２の切り欠き部は、互いに対向しない位置に配置され、第１の切り欠き部を挟んで配置された２つの空気供給マニホールドの双方は、いずれか１つの空気排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置され、第２の切り欠き部を挟んで配置された２つの空気排出マニホールドの双方は、いずれか１つの空気供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備えるものがある（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）。
【０００３】
このような燃料電池スタックでは、各膜電極接合体の外周部に、燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、各膜電極接合体に分岐して供給するための反応ガス供給マニホールドや、各膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのオフガス排出マニホールドを備えている。そして、これらは、燃料電池スタックの形状によっては、それぞれ複数備えられる場合もある。また、燃料電池スタックでは、一般に、膜電極接合体内、および、膜電極接合体とセパレータとの接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内に流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止したりするために、積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。
【０００４】
そして、このような燃料電池スタックに関し、従来、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池スタックは、燃料電池スタックの内部に、２つの反応ガス供給マニホールド、および、これらと膜電極接合体を挟んで対向する位置に形成された２つのオフガス排出マニホールドを備えている。そして、２つの反応ガス供給マニホールドの間、および、２つのオフガス排出マニホールドの間に、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔にそれぞれタイロッドを挿入して、燃料電池スタックを積層方向に締め付ける構造が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５２４２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、２つの反応ガス供給マニホールド間、および、２つのオフガス排出マニホールド間に、それぞれ貫通孔が形成されているため、２つの反応ガス供給マニホールド間の距離、および、２つのオフガス排出マニホールド間の距離が、自ずと長くなり、膜電極接合体において、反応ガスが流れにくい領域が生じる場合があった。そして、この反応ガスが流れにくい領域では、発電が行われにくくなり、燃料電池スタックの発電効率の低下を招いていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックにおいて、積層体を積層方向に締結するとともに、発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の燃料電池スタックは、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックであって、前記膜電極接合体の外周部の一部の領域に互いに隣接して配置され、前記燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、複数の前記膜電極接合体に分岐して供給するための複数の反応ガス供給マニホールドと、前記膜電極接合体の外周部の一部の領域であって、前記膜電極接合体を挟んで前記複数の反応ガス供給マニホールドが配置された領域と対向する領域に互いに隣接して配置され、前記複数の膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するための複数のオフガス排出マニホールドと、前記複数の反応ガス供給マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第１の締結部材を設置するための第１の締結部材設置部と、前記複数のオフガス排出マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第２の締結部材を設置するための第２の締結部材設置部と、を備え、前記第１の締結部材設置部は、前記複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、前記第２の締結部材設置部は、前記複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明の燃料電池スタックでは、複数の反応ガス供給マニホールドのうちの少なくとも一部は、第１の締結部材設置部を挟んで配置される。また、複数のオフガス排出マニホールドのうちの少なくとも一部は、第２の締結部材設置部を挟んで配置される。したがって、第１の締結部材設置部を挟んで配置される２つの反応ガス供給マニホールド間の距離は、第１の締結部材設置部を挟まずに配置する場合よりも長くなる場合がある。また、第２の締結部材設置部を挟んで配置される２つのオフガス排出マニホールド間の距離は、第２の締結部材設置部を挟まずに配置する場合よりも長くなる場合がある。このため、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで互いに対向する位置に配置すると、膜電極接合体において、第１の締結部材設置部と、第２の締結部材設置部とが対向する領域には、反応ガスが流れにくくなる領域が生じる場合がある。この場合、この膜電極接合体における反応ガスが流れにくくなる領域では、発電が行われにくくなり、燃料電池スタックにおける発電効率の低下を招く。
【００１０】
そこで、本発明では、第１の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置するとともに、第２の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置する。こうすることによって、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、互いに対向する位置に配置する場合と比較して、反応ガスが膜電極接合体の全体に流れやすくすることができる。したがって、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。つまり、本発明によって、燃料電池スタックにおいて、上記積層体を積層方向に締結するとともに、発電効率を向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池スタックにおいて、前記第１の締結部材設置部と、前記第２の締結部材設置部とは、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向しない位置に配置されており、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちの、前記第１の締結部材設置部を挟んで配置された２つの反応ガス供給マニホールドは、それぞれ、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちのいずれかのオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちの、前記第２の締結部材設置部を挟んで配置された２つのオフガス排出マニホールドは、それぞれ、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちのいずれかの反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されているようにすることが好ましい。
【００１２】
こうすることによって、さらに、反応ガスが膜電極接合体の全体に流れやすくすることができ、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００１３】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス供給マニホールドは、前記複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるカソードに、前記酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を分岐して供給するための空気供給マニホールドであり、前記オフガス排出マニホールドは、前記カソードで未消費のオフガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドであるものとすることが好ましい。なお、反応ガス供給マニホールドは、複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるアノードに、燃料ガスとしての水素を分岐して供給するための水素供給マニホールドであり、オフガス排出マニホールドは、アノードで未消費のオフガスであるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドであるものとしてもよい。
【００１４】
一般に、燃料電池スタックでは、アノードには、燃料ガスとして、水素が供給され、カソードには、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気が供給される。そして、空気に含まれる各分子は、水素の分子よりも大きいため、カソードにおける酸素は、アノードにおける水素と比較して、拡散しにくい。本発明によって、酸化剤ガスとしての空気をカソード全体に供給しやすくすることができるので、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させる効果が大きい。
【００１５】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記第１の締結部材設置部、および、前記第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記セパレータに設けられた切り欠き部であるものとしてもよい。こうすることによって、第１の締結部材、および、第２の締結部材のうちの少なくとも一方を切り欠き部に嵌合させて、上記積層体を締結することができる。なお、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方を、少なくともセパレータに設けられた貫通孔としてもよい。
【００１６】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、前記反応ガス供給マニホールドから前記オフガス排出マニホールドまで、前記反応ガス、および、前記オフガスが流れる多孔質部材が介装されているようにしてもよい。こうすることによって、多孔質部材全体にガスが流れやすくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ横長の略矩形形状を有している。積層された複数の燃料電池モジュール４０は、本発明における積層体に相当する。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００１９】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉが、互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏが、互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００２０】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気がそれぞれ供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００２１】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体、および、シールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００２２】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２３】
Ｂ．締結構造：
燃料電池スタック１００において、複数の燃料電池モジュール４０等は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を防止したりするために、スタック構造の積層方向に所定の締結荷重が加えられた状態で締結されている。以下、燃料電池スタック１００の締結構造について説明する。
【００２４】
本実施例では、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の四隅に、それぞれ矩形形状を有する切り欠き部が設けられている。そして、これらは、各切り欠き部に四角柱状のロッド部材５０を当接させ、スタック構造の積層方向に締結荷重を加えつつ、各ロッド部材５０の両端部を、ボルト５２によってエンドプレート１０ａ，１０ｂの四隅にそれぞれ固定することによって締結されている。上記積層方向から見た各切り欠き部の形状は、ロッド部材５０の断面形状とほぼ同一形状である。したがって、各ロッド部材５０は、エンドプレート１０ａ，１０ｂの四隅から突出しない。
【００２５】
なお、燃料電池スタック１００における上述した締結荷重は、例えば、エンドプレート１０ａと、絶縁板２０ａとの間や、エンドプレート１０ｂと、絶縁板２０ｂとの間にスペーサを挿入し、このスペーサの厚さを調節したり、絶縁板２０ａ，２０ｂの厚さを調節したりすることによって調整可能である。また、ロッド部材５０の長さは、予め規定されているので、燃料電池スタック１００の積層方向の長さは、上述した締結荷重の大きさに関わらず、一定となる。また、本実施例の燃料電池スタック１００では、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の四隅に設けられた各切り欠き部に、それぞれロッド部材５０を当接させることによって、それぞれの位置決めを行うことができる。
【００２６】
さらに、本実施例の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０ａ，エンドプレート１０ｂ、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の上側の側面の中央部に切り欠き部（例えば、図示したエンドプレート１０ａにおける切り欠き部１７ａ）が形成されている。また、エンドプレート１０ａ，エンドプレート１０ｂ、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の下側の側面には、上側の側面に形成された切り欠き部と互いに対向しない位置に、２つの切り欠き部（例えば、図示したエンドプレート１０ａにおける切り欠き部１８ａ，１９ａ）が形成されている。なお、図示したように、エンドプレート１０ａにおける切り欠き部１８ａ，１９ａは、それぞれカソードオフガス排出口１２Ｂｏ，１２Ｃｏと対向する位置に配置されており、また、エンドプレート１０ａにおける切り欠き部１７ａは、空気供給口１２Ｂｉと対向する位置に配置されている。
【００２７】
そして、燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部に、締結部材６０を嵌合し、締結部材６０の両端部を、それぞれエンドプレート１０ａ，１０ｂに、ボルト６２によって固定するとともに、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部に、締結部材７０，８０をそれぞれ嵌合し、締結部材７０，８０の両端部を、それぞれエンドプレート１０ａ，１０ｂに、図示しないボルトによって固定する。こうすることによって、上述した締結荷重の反力によるエンドプレート１０ａ，１０ｂの湾曲変形を防止することができる。
【００２８】
燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部の上記積層方向から見た形状は、締結部材６０の断面形状とほぼ同一形状であり、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部の上記積層方向から見た形状は、それぞれ締結部材７０，８０の断面形状とほぼ同一形状である。したがって、締結部材６０，７０，８０は、それぞれ燃料電池スタック１００の側面から突出しない。燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部、および、これらの切り欠き部に嵌合されて固定される締結部材７０，８０は、それぞれ本発明における第１の締結部材設置部、および、第１の締結部材に相当する。また、燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部、および、この切り欠き部に嵌合されて固定される締結部材６０は、それぞれ本発明における第２の締結部材設置部、および、第２の締結部材に相当する。
【００２９】
なお、ロッド部材５０、および、締結部材６０，７０，８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。そして、これらの表面には、各燃料電池モジュール４０間、および、燃料電池モジュール４０とエンドプレート１０ａ，１０ｂとの間の絶縁を確保するために、絶縁性を有する皮膜がコーティングされている。
【００３０】
Ｃ．燃料電池モジュールの構成：
燃料電池スタック１００を構成する各燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）の両面を、後述するセパレータ４１によって挟持することによって構成されている。なお、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合されたものである。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６、および、セパレータ４１について説明する。
【００３１】
Ｃ１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３２】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６は、略矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４６１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４６０を一体形成したものである。ＭＥＡ４６１は、図２（ｂ）に示したように、電解質膜４６１ｍの両面に、それぞれカソード４６１ｃ、および、アノード４６１ａを接合したものである。そして、図２（ａ）に示したように、シールガスケット４６０の四隅には、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４６０ｃが形成されている。また、シールガスケット４６０の上側長辺の中央部であって、エンドプレート１０ａに形成された切り欠き部１７ａに対応する位置には、切り欠き部４６７が形成されている。また、シールガスケット４６０の下側長辺には、切り欠き部４６７と互いに対向しない位置であって、エンドプレート１０ａに形成された切り欠き部１８ａ、および、切り欠き部１９ａにそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４６８，４６９が形成されている。なお、本実施例では、シールガスケット４６０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００３３】
そして、シールガスケット４６０の下側長辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉが、シールガスケット４６０の下側長辺に沿って、互いに隣接して形成されている。シールガスケット４６０における空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉの形成位置と対応している。なお、図示するように、切り欠き部４６８は、空気供給用貫通孔４６２Ａｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉとの間に形成されており、また、切り欠き部４６９は、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｃｉとの間に形成されている。
【００３４】
また、シールガスケット４６０の上側長辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏが、シールガスケット４６０の上側長辺に沿って、互いに隣接して形成されている。シールガスケット４６０におけるカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏの形成位置は、それぞれカソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏの形成位置と対応している。なお、図示するように、切り欠き部４６７は、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏと、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｃｏとの間に形成されている。
【００３５】
そして、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、切り欠き部４６８を挟んで配置された空気供給用貫通孔４６２Ａｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ、および、切り欠き部４６９を挟んで配置された空気供給用貫通孔４６２Ｂｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｃｉは、図示するように、それぞれ、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏの少なくとも一部と対向する位置に配置されている。また、切り欠き部４６７を挟んで配置されたカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏと、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｃｏは、図示するように、それぞれ、空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉの少なくとも一部と対向する位置に配置されている。
【００３６】
また、シールガスケット４６０の左側短辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４６４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４６６ｉとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４６０における水素供給用貫通孔４６４ｉ、および、冷却水供給用貫通孔４６６ｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給口１６ｉの形成位置と対応している。
【００３７】
また、シールガスケット４６０の右側短辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４６６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４６４ｏとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４６０における冷却水排出用貫通孔４６６ｏ、および、アノードオフガス排出用貫通孔４６４ｏの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出口１４ｏの形成位置と対応している。
【００３８】
また、シールガスケット４６０における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４６１の周囲には、図２（ｂ）に示したように、シールガスケット４６０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と後述するセパレータ４１とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４６１の表面を流れる水素や、空気の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００３９】
Ｃ２．セパレータ：
図３は、セパレータ４１の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４と、セパレータ４１内に冷却水流路を形成するための冷却水流路形成部材４５とから構成されている。そして、セパレータ４１は、中間プレート４３、および、冷却水流路形成部材４５を、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４とによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。また、冷却水流路形成部材４５もステンレス鋼からなるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４と、冷却水流路形成部材４５として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。
【００４０】
図３（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００４１】
図示するように、カソード対向プレート４２の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４２ｃが形成されている。そして、カソード対向プレート４２には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ，４２２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４２】
また、カソード対向プレート４２の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４２７が形成されている。また、カソード対向プレート４２の下側長辺には、切り欠き部４２７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４２８，４２９が形成されている。
【００４３】
また、カソード対向プレート４２には、図示するように、空気供給用貫通孔４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉ近傍のＭＥＡ４６１の下端部と対向する位置に配置された複数の空気供給口４２２ｈｉと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ，４２２Ｄｏ近傍のＭＥＡ４６１の上端部と対向する位置に配置された複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏとが形成されている。本実施例では、複数の空気供給口４２２ｈｉと、複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏとは、すべて直径が同一の円形であるものとした。
【００４４】
図３（ｂ）は、中間プレート４３の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００４５】
図示するように、中間プレート４３の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４３ｃが形成されている。そして、中間プレート４３には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４３４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４３６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４３６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４６】
また、中間プレート４３の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４３７が形成されている。また、中間プレート４３の下側長辺には、切り欠き部４３７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４３８，４３９が形成されている。
【００４７】
また、中間プレート４３において、空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉには、これら空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉから、カソード対向プレート４２に形成された複数の空気供給口４２２ｈｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２Ａｉｐ，４３２Ｂｉｐ，４３２Ｃｉｐが、それぞれ設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏには、カソード対向プレート４２に形成された複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏから、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏに、それぞれカソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部４３２Ａｏｐ，４３２Ｂｏｐ，４３２Ｃｏｐ，４３２Ｄｏｐが、それぞれ設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ｉには、この水素供給用貫通孔４３４ｉから、後述するアノード対向プレート４４に形成された複数の水素供給口４４４ｈｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３４ｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏには、後述するアノード対向プレート４４に形成された複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏから、アノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏに、アノードオフガスを流すための複数のアノードオフガス排出用流路形成部４３４ｏｐが設けられている。
【００４８】
また、中間プレート４３の、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１のほぼ全体に対応する領域には、冷却水供給用貫通孔４３６ｉと冷却水排出用貫通孔４３６ｏとを連結し、セパレータ４１において、冷却水流路となる貫通孔である冷却水流動部４３５が形成されている。そして、この冷却水流動部４３５の内部には、詳細な図示は省略しているが、冷却水供給用貫通孔４３６ｉから冷却水排出用貫通孔４３６ｏへ、冷却水が流れるように形成された、連続矩形凹凸の断面形状を有する波板状の冷却水流路形成部材４５が配置される。なお、冷却水流路形成部材４５の厚さ方向の寸法は、中間プレート４３の厚さと同じであり、セパレータ４１の製造時には、中間プレート４３とともに、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４とホットプレス接合される。
【００４９】
図３（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００５０】
図示するように、アノード対向プレート４４の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４４ｃが形成されている。そして、アノード対向プレート４４には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４４２Ａｉ，４４２Ｂｉ，４４２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４４２Ａｏ，４４２Ｂｏ，４４２Ｃｏ，４４２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４４４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４４６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４４６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４４４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００５１】
また、アノード対向プレート４４の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４４７が形成されている。また、アノード対向プレート４４の下側長辺には、切り欠き部４４７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４４８，４４９が形成されている。
【００５２】
また、アノード対向プレート４４には、図示するように、水素供給用貫通孔４４４ｉ近傍のＭＥＡ４６１の左端部と対向する位置に配置された複数の水素供給口４４４ｈｉと、アノードオフガス排出用貫通孔４４４ｏ近傍のＭＥＡ４６１の右端部と対向する位置に配置された複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏとが形成されている。本実施例では、複数の水素供給口４４４ｈｉと、複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏとは、すべて直径が同一の円形であるものとした。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池モジュール４０において、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６とセパレータ４１との積層時には、ＭＥＡ４６１とセパレータ４１との間に、水素供給マニホールドから供給された水素や、空気供給マニホールドから供給された空気を、ＭＥＡ４６１のアノード４６１ａ、および、カソード４６１ｃに供給するためのガス流路を構成するガス流路層として、金属多孔体からなる金属多孔体層がそれぞれ介装される。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００５４】
図４は、セパレータ４１の平面図である。このセパレータ４１は、先に説明したように、中間プレート４３の冷却水流動部４３５内に、冷却水流路形成部材４５を配置して、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３とを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た様子を示した。
【００５５】
Ｃ３．燃料電池モジュールの断面構造：
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６とを積層させたときの、図４におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５６】
シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、ＭＥＡ４６１のアノード側の金属多孔体層４７は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向プレート４４と当接するように配置されている。また、ＭＥＡ４６１のカソード側の金属多孔体層４７は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向プレート４２と当接するように配置されている。また、シールガスケット４６０に形成されたシールラインＳＬは、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と当接する。
【００５７】
図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２Ｂｉから供給された空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２Ｂｉから分岐して、空気供給用流路形成部４３２Ｂｉｐを通り、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｈｉから、ＭＥＡ４６１の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、カソード側の金属多孔体層４７中、および、カソード４６１ｃの拡散層中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート４２のカソードオフガス排出口４２２ｈｏから、ＭＥＡ４６１の表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４３のカソードオフガス排出用流路形成部４３２Ｃｏｐ、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ｃｏを通って、アノード対向プレート４４のカソードオフガス排出用貫通孔４４２Ｃｏから排出される。
【００５８】
なお、ここでは、燃料電池モジュール４０において、ＭＥＡ４６１のカソードに供給される空気の流れについてのみ示したが、ＭＥＡ４６１のアノード４６１ａに供給される水素の流れも同様である。
【００５９】
Ｃ４．比較例、および、本実施例による効果：
図６は、比較例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００Ａの構成は、空気供給マニホールド、および、燃料電池スタック１００Ａの下側の側面に形成された切り欠き部の形成位置以外は、上記実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、燃料電池スタック１００Ａについて、燃料電池スタック１００と異なる部分についてのみ説明し、同じ部分については、説明を省略する。
【００６０】
図示するように、燃料電池スタック１００Ａでは、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉが、互いに隣接して形成されている。そして、これら４つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉは、それぞれエンドプレート１０ａの上側長辺の内側に形成された空気排出口と互いに対向する位置に配置されている。また、空気供給口１２Ｂｉと、空気供給口１２Ｃｉとの間、すなわち、切り欠き部１７ａと対向する位置に、切り欠き部１８ａが形成されている。なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００Ａにおいて、燃料電池モジュール４０を構成する各部材においても、空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉ、および、切り欠き部１８ａに対応する貫通孔、および、切り欠き部が形成されている。
【００６１】
上述した比較例の燃料電池スタック１００Ａと、上記実施例の燃料電池スタック１００とを比較した場合、上記実施例の燃料電池スタック１００の発電効率の方が、比較例の燃料電池スタック１００Ａの発電効率よりも高くなるという効果がある。以下、この理由について説明する。
【００６２】
図７は、燃料電池スタック１００Ａと、燃料電池スタック１００との発電効率の違いを説明するための説明図である。図７（ａ）に、比較例の燃料電池スタック１００Ａにおけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４６Ａの平面図を示した。また、図７（ｂ）に、上記実施例の燃料電池スタック１００におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４６の平面図を示した。
【００６３】
比較例の燃料電池スタック１００Ａでは、図７（ａ）に示したように、切り欠き部４６７と、切り欠き部４６８とが、互いに対向して配置されており、これらを挟んで隣接して配置された２つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ）と、２つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）とが、互いに対向して配置されている。このため、上述した２つのカソードオフガス排出マニホールド間の距離、および、２つの空気供給マニホールド間の距離は、比較的長くなり、ＭＥＡ４６１において、空気は、図中に破線矢印で示したように流れ、切り欠き部４６７と切り欠き部４６８との間の領域Ｒには、空気が流れにくくなり、この領域Ｒは、発電に有効に利用されない。
【００６４】
これに対し、上記実施例の燃料電池スタック１００では、図７（ｂ）に示したように、切り欠き部４６７と、切り欠き部４６８，４６９とが、互いに対向しない位置に配置されており、切り欠き部４６８を挟んで配置された２つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ）、および、切り欠き部４６９を挟んで配置された空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）は、それぞれ、４つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏ）の少なくとも一部と対向する位置に配置されている。また、切り欠き部４６７を挟んで配置された２つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ）は、それぞれ、４つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）の少なくとも一部と対向する位置に配置されている。したがって、ＭＥＡ４６１において、空気は、図中に破線矢印で示したように流れ、空気が流れにくくなる領域は生じにくくなる。この結果、ＭＥＡ４６１のほぼ全体で発電を行うことが可能となり、ＭＥＡ４６１における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００６５】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された切り欠き部（第１の締結部材設置部）、および、締結部材（第１の締結部材）の数をそれぞれ２つとし、上側の側面に形成された切り欠き部（第２の締結部材設置部）、および、締結部材（第２の締結部材）の数をそれぞれ１つとしたが、本発明は、これに限られない。第１の締結部材設置部、第１の締結部材、および、第２の締結部材設置部、第２の締結部材の数は、それぞれ任意に設定可能である。
【００６７】
また、上記実施例では、空気供給マニホールドの数を３つとし、カソードオフガス排出マニホールドの数を４つとしたが、本発明は、これに限られない。空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールの数は、それぞれ第１の締結部材設置部、第１の締結部材の数、および、第２の締結部材設置部、第２の締結部材の数を考慮して、任意に設定可能である。
【００６８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部として、第１の切り欠き部、および、第２の切り欠き部を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、それぞれ貫通孔としてもよい。この場合、締結部材としては、例えば、ボルト、および、ナットを用いるようにすればよい。
【００６９】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、本発明における第１の締結部材設置部、および、第１の締結部材と、第２の締結部材設置部、および、第２の締結部材の配置と、複数の反応ガス供給マニホールド、および、複数のオフガス排出マニホールドの配置を、空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールドに適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。本発明を、水素供給マニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドに適用するようにしてもよい。また、本発明を、空気供給マニホールドと、カソードオフガス排出マニホールド、および、水素供給マニホールドと、アノードオフガス排出マニホールドの双方に適用するようにしてもよい。
【００７０】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、エンドプレート１０ａ，１０ｂにも、第１の切り欠き部、および、第２の切り欠き部が形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。エンドプレート１０ａ，１０ｂには、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を形成しないものとしてもよい。この場合、締結部材６０，７０，８０は、ロッド部材５０と同様に、スタック構造の積層方向に、ボルトによってエンドプレート１０ａ，１０ｂにそれぞれ固定するようにすればよい。
【００７１】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、エンドプレート１０ａに空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉと、カソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏとを形成するものとしたが、いずれか一方をエンドプレート１０ｂに形成するものとしてもよい。水素供給口１４ｉと、アノードオフガス排出口１４ｏ、および、冷却水供給口１６ｉと、冷却水排出口１６ｏについても同様である。
【００７２】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例では、燃料電池スタック１００を構成する部材は、それぞれ略矩形形状であるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明を、互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する多角形形状の積層部材を積層した燃料電池スタックに適用してもよい。
【００７３】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４との３枚の平板を接合することによって構成したセパレータ４１を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、導電性を有するブロック状の部材に、水素や、空気や、冷却水を流すための流路を形成したセパレータを用いるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】シールガスケット一体型ＭＥＡ４６の概略構造を示す説明図である。
【図３】セパレータ４１の構成部品の平面図である。
【図４】セパレータ４１の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】変形例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。
【図７】燃料電池スタック１００Ａと燃料電池スタック１００との発電効率の違いを説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｄｉ…空気供給口
１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
１７ａ，１８ａ，１９ａ…切り欠き部
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０…燃料電池モジュール
４１…セパレータ
４２…カソード対向プレート
４２ｃ…切り欠き部
４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｈｉ…空気供給口
４２２ｈｏ…カソードオフガス排出口
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２７，４２８，４２９…切り欠き部
４３…中間プレート
４３ｃ…切り欠き部
４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４３２Ａｉｐ，４３２Ｂｉｐ，４３２Ｃｉｐ…空気供給用流路形成部
４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４３２Ａｏｐ，４３２Ｂｏｐ，４３２Ｃｏｐ，４３２Ｄｏｐ…カソードオフガス排出用流路形成部
４３４ｉ…水素供給用貫通孔
４３４ｉｐ…水素供給用流路形成部
４３４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４３４ｏｐ…アノードオフガス排出用流路形成部
４３５…冷却水流動部
４３６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４３６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４３７，４３８，４３９…切り欠き部
４４…アノード対向プレート
４４ｃ…切り欠き部
４４２Ａｉ，４４２Ｂｉ，４４２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４４２Ａｏ，４４２Ｂｏ，４４２Ｃｏ，４４２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４４４ｉ…水素供給用貫通孔
４４４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４４４ｈｉ…水素供給口
４４４ｈｏ…アノードオフガス排出口
４４６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４４７，４４８，４４９…切り欠き部
４５…冷却水流路形成部材
４６，４６Ａ…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４６０…シールガスケット
４６０ｃ…切り欠き部
４６１…ＭＥＡ
４６１ｍ…電解質膜
４６１ａ…アノード
４６１ｃ…カソード
４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４６４ｉ…水素供給用貫通孔
４６４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４６６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４６６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４６７，４６８，４６９…切り欠き部
４７…金属多孔体層
５０…ロッド部材
５２…ボルト
６０…締結部材
６２…ボルト
７０，８０…締結部材
ＳＬ…シールライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備えるものがある（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）。
【０００３】
このような燃料電池スタックでは、各膜電極接合体の外周部に、燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、各膜電極接合体に分岐して供給するための反応ガス供給マニホールドや、各膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのオフガス排出マニホールドを備えている。そして、これらは、燃料電池スタックの形状によっては、それぞれ複数備えられる場合もある。また、燃料電池スタックでは、一般に、膜電極接合体内、および、膜電極接合体とセパレータとの接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内に流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止したりするために、積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。
【０００４】
そして、このような燃料電池スタックに関し、従来、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池スタックは、燃料電池スタックの内部に、２つの反応ガス供給マニホールド、および、これらと膜電極接合体を挟んで対向する位置に形成された２つのオフガス排出マニホールドを備えている。そして、２つの反応ガス供給マニホールドの間、および、２つのオフガス排出マニホールドの間に、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔にそれぞれタイロッドを挿入して、燃料電池スタックを積層方向に締め付ける構造が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５２４２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、２つの反応ガス供給マニホールド間、および、２つのオフガス排出マニホールド間に、それぞれ貫通孔が形成されているため、２つの反応ガス供給マニホールド間の距離、および、２つのオフガス排出マニホールド間の距離が、自ずと長くなり、膜電極接合体において、反応ガスが流れにくい領域が生じる場合があった。そして、この反応ガスが流れにくい領域では、発電が行われにくくなり、燃料電池スタックの発電効率の低下を招いていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックにおいて、積層体を積層方向に締結するとともに、発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の燃料電池スタックは、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックであって、前記膜電極接合体の外周部の一部の領域に互いに隣接して配置され、前記燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、複数の前記膜電極接合体に分岐して供給するための複数の反応ガス供給マニホールドと、前記膜電極接合体の外周部の一部の領域であって、前記膜電極接合体を挟んで前記複数の反応ガス供給マニホールドが配置された領域と対向する領域に互いに隣接して配置され、前記複数の膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するための複数のオフガス排出マニホールドと、前記複数の反応ガス供給マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第１の締結部材を設置するための第１の締結部材設置部と、前記複数のオフガス排出マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第２の締結部材を設置するための第２の締結部材設置部と、を備え、前記第１の締結部材設置部は、前記複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、前記第２の締結部材設置部は、前記複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明の燃料電池スタックでは、複数の反応ガス供給マニホールドのうちの少なくとも一部は、第１の締結部材設置部を挟んで配置される。また、複数のオフガス排出マニホールドのうちの少なくとも一部は、第２の締結部材設置部を挟んで配置される。したがって、第１の締結部材設置部を挟んで配置される２つの反応ガス供給マニホールド間の距離は、第１の締結部材設置部を挟まずに配置する場合よりも長くなる場合がある。また、第２の締結部材設置部を挟んで配置される２つのオフガス排出マニホールド間の距離は、第２の締結部材設置部を挟まずに配置する場合よりも長くなる場合がある。このため、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで互いに対向する位置に配置すると、膜電極接合体において、第１の締結部材設置部と、第２の締結部材設置部とが対向する領域には、反応ガスが流れにくくなる領域が生じる場合がある。この場合、この膜電極接合体における反応ガスが流れにくくなる領域では、発電が行われにくくなり、燃料電池スタックにおける発電効率の低下を招く。
【００１０】
そこで、本発明では、第１の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置するとともに、第２の締結部材設置部を、膜電極接合を挟んで複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置する。こうすることによって、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、互いに対向する位置に配置する場合と比較して、反応ガスが膜電極接合体の全体に流れやすくすることができる。したがって、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。つまり、本発明によって、燃料電池スタックにおいて、上記積層体を積層方向に締結するとともに、発電効率を向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池スタックにおいて、前記第１の締結部材設置部と、前記第２の締結部材設置部とは、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向しない位置に配置されており、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちの、前記第１の締結部材設置部を挟んで配置された２つの反応ガス供給マニホールドは、それぞれ、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちのいずれかのオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちの、前記第２の締結部材設置部を挟んで配置された２つのオフガス排出マニホールドは、それぞれ、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちのいずれかの反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されているようにすることが好ましい。
【００１２】
こうすることによって、さらに、反応ガスが膜電極接合体の全体に流れやすくすることができ、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００１３】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス供給マニホールドは、前記複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるカソードに、前記酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を分岐して供給するための空気供給マニホールドであり、前記オフガス排出マニホールドは、前記カソードで未消費のオフガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドであるものとすることが好ましい。なお、反応ガス供給マニホールドは、複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるアノードに、燃料ガスとしての水素を分岐して供給するための水素供給マニホールドであり、オフガス排出マニホールドは、アノードで未消費のオフガスであるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドであるものとしてもよい。
【００１４】
一般に、燃料電池スタックでは、アノードには、燃料ガスとして、水素が供給され、カソードには、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気が供給される。そして、空気に含まれる各分子は、水素の分子よりも大きいため、カソードにおける酸素は、アノードにおける水素と比較して、拡散しにくい。本発明によって、酸化剤ガスとしての空気をカソード全体に供給しやすくすることができるので、膜電極接合体における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させる効果が大きい。
【００１５】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記第１の締結部材設置部、および、前記第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記セパレータに設けられた切り欠き部であるものとしてもよい。こうすることによって、第１の締結部材、および、第２の締結部材のうちの少なくとも一方を切り欠き部に嵌合させて、上記積層体を締結することができる。なお、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方を、少なくともセパレータに設けられた貫通孔としてもよい。
【００１６】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、前記反応ガス供給マニホールドから前記オフガス排出マニホールドまで、前記反応ガス、および、前記オフガスが流れる多孔質部材が介装されているようにしてもよい。こうすることによって、多孔質部材全体にガスが流れやすくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ横長の略矩形形状を有している。積層された複数の燃料電池モジュール４０は、本発明における積層体に相当する。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００１９】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉが、互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏが、互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００２０】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気がそれぞれ供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００２１】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体、および、シールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００２２】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２３】
Ｂ．締結構造：
燃料電池スタック１００において、複数の燃料電池モジュール４０等は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を防止したりするために、スタック構造の積層方向に所定の締結荷重が加えられた状態で締結されている。以下、燃料電池スタック１００の締結構造について説明する。
【００２４】
本実施例では、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の四隅に、それぞれ矩形形状を有する切り欠き部が設けられている。そして、これらは、各切り欠き部に四角柱状のロッド部材５０を当接させ、スタック構造の積層方向に締結荷重を加えつつ、各ロッド部材５０の両端部を、ボルト５２によってエンドプレート１０ａ，１０ｂの四隅にそれぞれ固定することによって締結されている。上記積層方向から見た各切り欠き部の形状は、ロッド部材５０の断面形状とほぼ同一形状である。したがって、各ロッド部材５０は、エンドプレート１０ａ，１０ｂの四隅から突出しない。
【００２５】
なお、燃料電池スタック１００における上述した締結荷重は、例えば、エンドプレート１０ａと、絶縁板２０ａとの間や、エンドプレート１０ｂと、絶縁板２０ｂとの間にスペーサを挿入し、このスペーサの厚さを調節したり、絶縁板２０ａ，２０ｂの厚さを調節したりすることによって調整可能である。また、ロッド部材５０の長さは、予め規定されているので、燃料電池スタック１００の積層方向の長さは、上述した締結荷重の大きさに関わらず、一定となる。また、本実施例の燃料電池スタック１００では、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の四隅に設けられた各切り欠き部に、それぞれロッド部材５０を当接させることによって、それぞれの位置決めを行うことができる。
【００２６】
さらに、本実施例の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０ａ，エンドプレート１０ｂ、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の上側の側面の中央部に切り欠き部（例えば、図示したエンドプレート１０ａにおける切り欠き部１７ａ）が形成されている。また、エンドプレート１０ａ，エンドプレート１０ｂ、絶縁板２０ａ，２０ｂ、集電板３０ａ，３０ｂ、複数の燃料電池モジュール４０の下側の側面には、上側の側面に形成された切り欠き部と互いに対向しない位置に、２つの切り欠き部（例えば、図示したエンドプレート１０ａにおける切り欠き部１８ａ，１９ａ）が形成されている。なお、図示したように、エンドプレート１０ａにおける切り欠き部１８ａ，１９ａは、それぞれカソードオフガス排出口１２Ｂｏ，１２Ｃｏと対向する位置に配置されており、また、エンドプレート１０ａにおける切り欠き部１７ａは、空気供給口１２Ｂｉと対向する位置に配置されている。
【００２７】
そして、燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部に、締結部材６０を嵌合し、締結部材６０の両端部を、それぞれエンドプレート１０ａ，１０ｂに、ボルト６２によって固定するとともに、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部に、締結部材７０，８０をそれぞれ嵌合し、締結部材７０，８０の両端部を、それぞれエンドプレート１０ａ，１０ｂに、図示しないボルトによって固定する。こうすることによって、上述した締結荷重の反力によるエンドプレート１０ａ，１０ｂの湾曲変形を防止することができる。
【００２８】
燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部の上記積層方向から見た形状は、締結部材６０の断面形状とほぼ同一形状であり、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部の上記積層方向から見た形状は、それぞれ締結部材７０，８０の断面形状とほぼ同一形状である。したがって、締結部材６０，７０，８０は、それぞれ燃料電池スタック１００の側面から突出しない。燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された２つの切り欠き部、および、これらの切り欠き部に嵌合されて固定される締結部材７０，８０は、それぞれ本発明における第１の締結部材設置部、および、第１の締結部材に相当する。また、燃料電池スタック１００の上側の側面に形成された切り欠き部、および、この切り欠き部に嵌合されて固定される締結部材６０は、それぞれ本発明における第２の締結部材設置部、および、第２の締結部材に相当する。
【００２９】
なお、ロッド部材５０、および、締結部材６０，７０，８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。そして、これらの表面には、各燃料電池モジュール４０間、および、燃料電池モジュール４０とエンドプレート１０ａ，１０ｂとの間の絶縁を確保するために、絶縁性を有する皮膜がコーティングされている。
【００３０】
Ｃ．燃料電池モジュールの構成：
燃料電池スタック１００を構成する各燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）の両面を、後述するセパレータ４１によって挟持することによって構成されている。なお、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合されたものである。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６、および、セパレータ４１について説明する。
【００３１】
Ｃ１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３２】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６は、略矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４６１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４６０を一体形成したものである。ＭＥＡ４６１は、図２（ｂ）に示したように、電解質膜４６１ｍの両面に、それぞれカソード４６１ｃ、および、アノード４６１ａを接合したものである。そして、図２（ａ）に示したように、シールガスケット４６０の四隅には、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４６０ｃが形成されている。また、シールガスケット４６０の上側長辺の中央部であって、エンドプレート１０ａに形成された切り欠き部１７ａに対応する位置には、切り欠き部４６７が形成されている。また、シールガスケット４６０の下側長辺には、切り欠き部４６７と互いに対向しない位置であって、エンドプレート１０ａに形成された切り欠き部１８ａ、および、切り欠き部１９ａにそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４６８，４６９が形成されている。なお、本実施例では、シールガスケット４６０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００３３】
そして、シールガスケット４６０の下側長辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉが、シールガスケット４６０の下側長辺に沿って、互いに隣接して形成されている。シールガスケット４６０における空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉの形成位置と対応している。なお、図示するように、切り欠き部４６８は、空気供給用貫通孔４６２Ａｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉとの間に形成されており、また、切り欠き部４６９は、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｃｉとの間に形成されている。
【００３４】
また、シールガスケット４６０の上側長辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏが、シールガスケット４６０の上側長辺に沿って、互いに隣接して形成されている。シールガスケット４６０におけるカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏの形成位置は、それぞれカソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏの形成位置と対応している。なお、図示するように、切り欠き部４６７は、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏと、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｃｏとの間に形成されている。
【００３５】
そして、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、切り欠き部４６８を挟んで配置された空気供給用貫通孔４６２Ａｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ、および、切り欠き部４６９を挟んで配置された空気供給用貫通孔４６２Ｂｉと、空気供給用貫通孔４６２Ｃｉは、図示するように、それぞれ、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏの少なくとも一部と対向する位置に配置されている。また、切り欠き部４６７を挟んで配置されたカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏと、カソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｃｏは、図示するように、それぞれ、空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉの少なくとも一部と対向する位置に配置されている。
【００３６】
また、シールガスケット４６０の左側短辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４６４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４６６ｉとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４６０における水素供給用貫通孔４６４ｉ、および、冷却水供給用貫通孔４６６ｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給口１６ｉの形成位置と対応している。
【００３７】
また、シールガスケット４６０の右側短辺部のＭＥＡ４６１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４６６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４６４ｏとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４６０における冷却水排出用貫通孔４６６ｏ、および、アノードオフガス排出用貫通孔４６４ｏの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出口１４ｏの形成位置と対応している。
【００３８】
また、シールガスケット４６０における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４６１の周囲には、図２（ｂ）に示したように、シールガスケット４６０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と後述するセパレータ４１とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４６１の表面を流れる水素や、空気の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００３９】
Ｃ２．セパレータ：
図３は、セパレータ４１の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４と、セパレータ４１内に冷却水流路を形成するための冷却水流路形成部材４５とから構成されている。そして、セパレータ４１は、中間プレート４３、および、冷却水流路形成部材４５を、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４とによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。また、冷却水流路形成部材４５もステンレス鋼からなるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４と、冷却水流路形成部材４５として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。
【００４０】
図３（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００４１】
図示するように、カソード対向プレート４２の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４２ｃが形成されている。そして、カソード対向プレート４２には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ，４２２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４２】
また、カソード対向プレート４２の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４２７が形成されている。また、カソード対向プレート４２の下側長辺には、切り欠き部４２７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４２８，４２９が形成されている。
【００４３】
また、カソード対向プレート４２には、図示するように、空気供給用貫通孔４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉ近傍のＭＥＡ４６１の下端部と対向する位置に配置された複数の空気供給口４２２ｈｉと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ，４２２Ｄｏ近傍のＭＥＡ４６１の上端部と対向する位置に配置された複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏとが形成されている。本実施例では、複数の空気供給口４２２ｈｉと、複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏとは、すべて直径が同一の円形であるものとした。
【００４４】
図３（ｂ）は、中間プレート４３の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００４５】
図示するように、中間プレート４３の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４３ｃが形成されている。そして、中間プレート４３には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４３４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４３６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４３６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４６】
また、中間プレート４３の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４３７が形成されている。また、中間プレート４３の下側長辺には、切り欠き部４３７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４３８，４３９が形成されている。
【００４７】
また、中間プレート４３において、空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉには、これら空気供給用貫通孔４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉから、カソード対向プレート４２に形成された複数の空気供給口４２２ｈｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２Ａｉｐ，４３２Ｂｉｐ，４３２Ｃｉｐが、それぞれ設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏには、カソード対向プレート４２に形成された複数のカソードオフガス排出口４２２ｈｏから、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏに、それぞれカソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部４３２Ａｏｐ，４３２Ｂｏｐ，４３２Ｃｏｐ，４３２Ｄｏｐが、それぞれ設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ｉには、この水素供給用貫通孔４３４ｉから、後述するアノード対向プレート４４に形成された複数の水素供給口４４４ｈｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３４ｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏには、後述するアノード対向プレート４４に形成された複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏから、アノードオフガス排出用貫通孔４３４ｏに、アノードオフガスを流すための複数のアノードオフガス排出用流路形成部４３４ｏｐが設けられている。
【００４８】
また、中間プレート４３の、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１のほぼ全体に対応する領域には、冷却水供給用貫通孔４３６ｉと冷却水排出用貫通孔４３６ｏとを連結し、セパレータ４１において、冷却水流路となる貫通孔である冷却水流動部４３５が形成されている。そして、この冷却水流動部４３５の内部には、詳細な図示は省略しているが、冷却水供給用貫通孔４３６ｉから冷却水排出用貫通孔４３６ｏへ、冷却水が流れるように形成された、連続矩形凹凸の断面形状を有する波板状の冷却水流路形成部材４５が配置される。なお、冷却水流路形成部材４５の厚さ方向の寸法は、中間プレート４３の厚さと同じであり、セパレータ４１の製造時には、中間プレート４３とともに、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４とホットプレス接合される。
【００４９】
図３（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４６におけるＭＥＡ４６１に対応する領域を表している。
【００５０】
図示するように、アノード対向プレート４４の四隅には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と同様に、それぞれ、先に説明したロッド部材５０が当接する切り欠き部４４ｃが形成されている。そして、アノード対向プレート４４には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４４２Ａｉ，４４２Ｂｉ，４４２Ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４４２Ａｏ，４４２Ｂｏ，４４２Ｃｏ，４４２Ｄｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４４４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４４６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４４６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４４４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００５１】
また、アノード対向プレート４４の上側長辺の中央部であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６７に対応する位置には、切り欠き部４４７が形成されている。また、アノード対向プレート４４の下側長辺には、切り欠き部４４７と互いに対向しない位置であって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６に形成された切り欠き部４６８、および、切り欠き部４６９にそれぞれ対応する位置に、２つの切り欠き部４４８，４４９が形成されている。
【００５２】
また、アノード対向プレート４４には、図示するように、水素供給用貫通孔４４４ｉ近傍のＭＥＡ４６１の左端部と対向する位置に配置された複数の水素供給口４４４ｈｉと、アノードオフガス排出用貫通孔４４４ｏ近傍のＭＥＡ４６１の右端部と対向する位置に配置された複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏとが形成されている。本実施例では、複数の水素供給口４４４ｈｉと、複数のアノードオフガス排出口４４４ｈｏとは、すべて直径が同一の円形であるものとした。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池モジュール４０において、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６とセパレータ４１との積層時には、ＭＥＡ４６１とセパレータ４１との間に、水素供給マニホールドから供給された水素や、空気供給マニホールドから供給された空気を、ＭＥＡ４６１のアノード４６１ａ、および、カソード４６１ｃに供給するためのガス流路を構成するガス流路層として、金属多孔体からなる金属多孔体層がそれぞれ介装される。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００５４】
図４は、セパレータ４１の平面図である。このセパレータ４１は、先に説明したように、中間プレート４３の冷却水流動部４３５内に、冷却水流路形成部材４５を配置して、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３とを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た様子を示した。
【００５５】
Ｃ３．燃料電池モジュールの断面構造：
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６とを積層させたときの、図４におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５６】
シールガスケット一体型ＭＥＡ４６において、ＭＥＡ４６１のアノード側の金属多孔体層４７は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向プレート４４と当接するように配置されている。また、ＭＥＡ４６１のカソード側の金属多孔体層４７は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向プレート４２と当接するように配置されている。また、シールガスケット４６０に形成されたシールラインＳＬは、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と当接する。
【００５７】
図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２Ｂｉから供給された空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２Ｂｉから分岐して、空気供給用流路形成部４３２Ｂｉｐを通り、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｈｉから、ＭＥＡ４６１の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、カソード側の金属多孔体層４７中、および、カソード４６１ｃの拡散層中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート４２のカソードオフガス排出口４２２ｈｏから、ＭＥＡ４６１の表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４３のカソードオフガス排出用流路形成部４３２Ｃｏｐ、カソードオフガス排出用貫通孔４３２Ｃｏを通って、アノード対向プレート４４のカソードオフガス排出用貫通孔４４２Ｃｏから排出される。
【００５８】
なお、ここでは、燃料電池モジュール４０において、ＭＥＡ４６１のカソードに供給される空気の流れについてのみ示したが、ＭＥＡ４６１のアノード４６１ａに供給される水素の流れも同様である。
【００５９】
Ｃ４．比較例、および、本実施例による効果：
図６は、比較例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００Ａの構成は、空気供給マニホールド、および、燃料電池スタック１００Ａの下側の側面に形成された切り欠き部の形成位置以外は、上記実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、燃料電池スタック１００Ａについて、燃料電池スタック１００と異なる部分についてのみ説明し、同じ部分については、説明を省略する。
【００６０】
図示するように、燃料電池スタック１００Ａでは、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉが、互いに隣接して形成されている。そして、これら４つの空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉは、それぞれエンドプレート１０ａの上側長辺の内側に形成された空気排出口と互いに対向する位置に配置されている。また、空気供給口１２Ｂｉと、空気供給口１２Ｃｉとの間、すなわち、切り欠き部１７ａと対向する位置に、切り欠き部１８ａが形成されている。なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００Ａにおいて、燃料電池モジュール４０を構成する各部材においても、空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｃｉ、および、切り欠き部１８ａに対応する貫通孔、および、切り欠き部が形成されている。
【００６１】
上述した比較例の燃料電池スタック１００Ａと、上記実施例の燃料電池スタック１００とを比較した場合、上記実施例の燃料電池スタック１００の発電効率の方が、比較例の燃料電池スタック１００Ａの発電効率よりも高くなるという効果がある。以下、この理由について説明する。
【００６２】
図７は、燃料電池スタック１００Ａと、燃料電池スタック１００との発電効率の違いを説明するための説明図である。図７（ａ）に、比較例の燃料電池スタック１００Ａにおけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４６Ａの平面図を示した。また、図７（ｂ）に、上記実施例の燃料電池スタック１００におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４６の平面図を示した。
【００６３】
比較例の燃料電池スタック１００Ａでは、図７（ａ）に示したように、切り欠き部４６７と、切り欠き部４６８とが、互いに対向して配置されており、これらを挟んで隣接して配置された２つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ）と、２つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）とが、互いに対向して配置されている。このため、上述した２つのカソードオフガス排出マニホールド間の距離、および、２つの空気供給マニホールド間の距離は、比較的長くなり、ＭＥＡ４６１において、空気は、図中に破線矢印で示したように流れ、切り欠き部４６７と切り欠き部４６８との間の領域Ｒには、空気が流れにくくなり、この領域Ｒは、発電に有効に利用されない。
【００６４】
これに対し、上記実施例の燃料電池スタック１００では、図７（ｂ）に示したように、切り欠き部４６７と、切り欠き部４６８，４６９とが、互いに対向しない位置に配置されており、切り欠き部４６８を挟んで配置された２つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ）、および、切り欠き部４６９を挟んで配置された空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）は、それぞれ、４つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏ）の少なくとも一部と対向する位置に配置されている。また、切り欠き部４６７を挟んで配置された２つのカソードオフガス排出マニホールド（例えば、図示したカソードオフガス排出用貫通孔４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ）は、それぞれ、４つの空気供給マニホールド（例えば、図示した空気供給用貫通孔４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ）の少なくとも一部と対向する位置に配置されている。したがって、ＭＥＡ４６１において、空気は、図中に破線矢印で示したように流れ、空気が流れにくくなる領域は生じにくくなる。この結果、ＭＥＡ４６１のほぼ全体で発電を行うことが可能となり、ＭＥＡ４６１における有効発電面積を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００６５】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池スタック１００の下側の側面に形成された切り欠き部（第１の締結部材設置部）、および、締結部材（第１の締結部材）の数をそれぞれ２つとし、上側の側面に形成された切り欠き部（第２の締結部材設置部）、および、締結部材（第２の締結部材）の数をそれぞれ１つとしたが、本発明は、これに限られない。第１の締結部材設置部、第１の締結部材、および、第２の締結部材設置部、第２の締結部材の数は、それぞれ任意に設定可能である。
【００６７】
また、上記実施例では、空気供給マニホールドの数を３つとし、カソードオフガス排出マニホールドの数を４つとしたが、本発明は、これに限られない。空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールの数は、それぞれ第１の締結部材設置部、第１の締結部材の数、および、第２の締結部材設置部、第２の締結部材の数を考慮して、任意に設定可能である。
【００６８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部として、第１の切り欠き部、および、第２の切り欠き部を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を、それぞれ貫通孔としてもよい。この場合、締結部材としては、例えば、ボルト、および、ナットを用いるようにすればよい。
【００６９】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、本発明における第１の締結部材設置部、および、第１の締結部材と、第２の締結部材設置部、および、第２の締結部材の配置と、複数の反応ガス供給マニホールド、および、複数のオフガス排出マニホールドの配置を、空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールドに適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。本発明を、水素供給マニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドに適用するようにしてもよい。また、本発明を、空気供給マニホールドと、カソードオフガス排出マニホールド、および、水素供給マニホールドと、アノードオフガス排出マニホールドの双方に適用するようにしてもよい。
【００７０】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、エンドプレート１０ａ，１０ｂにも、第１の切り欠き部、および、第２の切り欠き部が形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。エンドプレート１０ａ，１０ｂには、第１の締結部材設置部、および、第２の締結部材設置部を形成しないものとしてもよい。この場合、締結部材６０，７０，８０は、ロッド部材５０と同様に、スタック構造の積層方向に、ボルトによってエンドプレート１０ａ，１０ｂにそれぞれ固定するようにすればよい。
【００７１】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、エンドプレート１０ａに空気供給口１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉと、カソードオフガス排出口１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏとを形成するものとしたが、いずれか一方をエンドプレート１０ｂに形成するものとしてもよい。水素供給口１４ｉと、アノードオフガス排出口１４ｏ、および、冷却水供給口１６ｉと、冷却水排出口１６ｏについても同様である。
【００７２】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例では、燃料電池スタック１００を構成する部材は、それぞれ略矩形形状であるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明を、互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する多角形形状の積層部材を積層した燃料電池スタックに適用してもよい。
【００７３】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４との３枚の平板を接合することによって構成したセパレータ４１を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、導電性を有するブロック状の部材に、水素や、空気や、冷却水を流すための流路を形成したセパレータを用いるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】シールガスケット一体型ＭＥＡ４６の概略構造を示す説明図である。
【図３】セパレータ４１の構成部品の平面図である。
【図４】セパレータ４１の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】変形例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。
【図７】燃料電池スタック１００Ａと燃料電池スタック１００との発電効率の違いを説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２Ａｉ，１２Ｂｉ，１２Ｃｉ，１２Ｄｉ…空気供給口
１２Ａｏ，１２Ｂｏ，１２Ｃｏ，１２Ｄｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
１７ａ，１８ａ，１９ａ…切り欠き部
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０…燃料電池モジュール
４１…セパレータ
４２…カソード対向プレート
４２ｃ…切り欠き部
４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４２２Ａｏ，４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｈｉ…空気供給口
４２２ｈｏ…カソードオフガス排出口
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２７，４２８，４２９…切り欠き部
４３…中間プレート
４３ｃ…切り欠き部
４３２Ａｉ，４３２Ｂｉ，４３２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４３２Ａｉｐ，４３２Ｂｉｐ，４３２Ｃｉｐ…空気供給用流路形成部
４３２Ａｏ，４３２Ｂｏ，４３２Ｃｏ，４３２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４３２Ａｏｐ，４３２Ｂｏｐ，４３２Ｃｏｐ，４３２Ｄｏｐ…カソードオフガス排出用流路形成部
４３４ｉ…水素供給用貫通孔
４３４ｉｐ…水素供給用流路形成部
４３４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４３４ｏｐ…アノードオフガス排出用流路形成部
４３５…冷却水流動部
４３６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４３６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４３７，４３８，４３９…切り欠き部
４４…アノード対向プレート
４４ｃ…切り欠き部
４４２Ａｉ，４４２Ｂｉ，４４２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４４２Ａｏ，４４２Ｂｏ，４４２Ｃｏ，４４２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４４４ｉ…水素供給用貫通孔
４４４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４４４ｈｉ…水素供給口
４４４ｈｏ…アノードオフガス排出口
４４６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４４７，４４８，４４９…切り欠き部
４５…冷却水流路形成部材
４６，４６Ａ…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４６０…シールガスケット
４６０ｃ…切り欠き部
４６１…ＭＥＡ
４６１ｍ…電解質膜
４６１ａ…アノード
４６１ｃ…カソード
４６２Ａｉ，４６２Ｂｉ，４６２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４６２Ａｏ，４６２Ｂｏ，４６２Ｃｏ，４６２Ｄｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４６４ｉ…水素供給用貫通孔
４６４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４６６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４６６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４６７，４６８，４６９…切り欠き部
４７…金属多孔体層
５０…ロッド部材
５２…ボルト
６０…締結部材
６２…ボルト
７０，８０…締結部材
ＳＬ…シールライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記膜電極接合体の外周部の一部の領域に互いに隣接して配置され、前記燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、複数の前記膜電極接合体に分岐して供給するための複数の反応ガス供給マニホールドと、
前記膜電極接合体の外周部の一部の領域であって、前記膜電極接合体を挟んで前記複数の反応ガス供給マニホールドが配置された領域と対向する領域に互いに隣接して配置され、前記複数の膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するための複数のオフガス排出マニホールドと、
前記複数の反応ガス供給マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第１の締結部材を設置するための第１の締結部材設置部と、
前記複数のオフガス排出マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第２の締結部材を設置するための第２の締結部材設置部と、を備え、
前記第１の締結部材設置部は、前記複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、
前記第２の締結部材設置部は、前記複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されている、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の締結部材設置部と、前記第２の締結部材設置部とは、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向しない位置に配置されており、
前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちの、前記第１の締結部材設置部を挟んで配置された２つの反応ガス供給マニホールドの双方は、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちのいずれか１つのオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、
前記複数のオフガス排出マニホールドのうちの、前記第２の締結部材設置部を挟んで配置された２つのオフガス排出マニホールドの双方は、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちのいずれか１つの反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されている、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
前記反応ガス供給マニホールドは、前記複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるカソードに、前記酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を分岐して供給するための空気供給マニホールドであり、
前記オフガス排出マニホールドは、前記カソードで未消費のオフガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドである、燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の締結部材設置部、および、前記第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記セパレータに設けられた切り欠き部である、燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、前記反応ガス供給マニホールドから前記オフガス排出マニホールドまで、前記反応ガス、および、前記オフガスが流れる多孔質部材が介装されている、燃料電池スタック。
【請求項１】
膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記膜電極接合体の外周部の一部の領域に互いに隣接して配置され、前記燃料電池スタックの外部から供給された反応ガスを、複数の前記膜電極接合体に分岐して供給するための複数の反応ガス供給マニホールドと、
前記膜電極接合体の外周部の一部の領域であって、前記膜電極接合体を挟んで前記複数の反応ガス供給マニホールドが配置された領域と対向する領域に互いに隣接して配置され、前記複数の膜電極接合体で未消費の反応ガスであるオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するための複数のオフガス排出マニホールドと、
前記複数の反応ガス供給マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第１の締結部材を設置するための第１の締結部材設置部と、
前記複数のオフガス排出マニホールドの間のうちの少なくとも一部に配置され、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数のセパレータを、積層方向に締結する第２の締結部材を設置するための第２の締結部材設置部と、を備え、
前記第１の締結部材設置部は、前記複数のオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、
前記第２の締結部材設置部は、前記複数の反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されている、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の締結部材設置部と、前記第２の締結部材設置部とは、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向しない位置に配置されており、
前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちの、前記第１の締結部材設置部を挟んで配置された２つの反応ガス供給マニホールドの双方は、前記複数のオフガス排出マニホールドのうちのいずれか１つのオフガス排出マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されており、
前記複数のオフガス排出マニホールドのうちの、前記第２の締結部材設置部を挟んで配置された２つのオフガス排出マニホールドの双方は、前記複数の反応ガス供給マニホールドのうちのいずれか１つの反応ガス供給マニホールドの少なくとも一部と対向する位置に配置されている、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
前記反応ガス供給マニホールドは、前記複数の膜電極接合体がそれぞれ備えるカソードに、前記酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を分岐して供給するための空気供給マニホールドであり、
前記オフガス排出マニホールドは、前記カソードで未消費のオフガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドである、燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の締結部材設置部、および、前記第２の締結部材設置部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記セパレータに設けられた切り欠き部である、燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、前記反応ガス供給マニホールドから前記オフガス排出マニホールドまで、前記反応ガス、および、前記オフガスが流れる多孔質部材が介装されている、燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１５９２９１（Ｐ２００８−１５９２９１Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４３９０８（Ｐ２００６−３４３９０８）
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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