燃料電池スタック
【課題】組付け精度の良い金属セパレータを備える燃料電池スタックを提供する
【解決手段】発電に寄与する領域に凹凸形状からなるガス流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、電極部材３の両面にそれぞれ配置してなる単セル２を、複数積層して構成した燃料電池スタック１であって、積層方向で相隣接するアノード側のセパレータのガス流路５１とカソード側のセパレータのガス流路６２を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板であるセパレータ部材４の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、セパレータ部材４を二つ折りにして相隣接するカソード側のセパレータ部５とアノード側のセパレータ部６とを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタックとした。
【解決手段】発電に寄与する領域に凹凸形状からなるガス流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、電極部材３の両面にそれぞれ配置してなる単セル２を、複数積層して構成した燃料電池スタック１であって、積層方向で相隣接するアノード側のセパレータのガス流路５１とカソード側のセパレータのガス流路６２を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板であるセパレータ部材４の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、セパレータ部材４を二つ折りにして相隣接するカソード側のセパレータ部５とアノード側のセパレータ部６とを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタックとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の金属製のセパレータを採用した固体高分子型の燃料電池スタックの断面を模式的に示した図である。
【０００３】
固体高分子型の燃料電池スタック１００は、２枚の金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）の間に膜電極接合体（ＭＥＡ）１０２を挟んで構成した単セル１０１を、多数積層させて構成される（図９の（ａ）参照）。
【０００４】
このような従来の燃料電池スタック１００では、金属セパレータの一方の面の発電に寄与する領域に、凹凸形状からなるガス流路１０６、１０７が形成されており、各単セル１０１において、膜電極接合体１０２を挟んで一方側の金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３）のガス流路１０６に水素を、他方側のセパレータ（カソード側セパレータ１０４）のガス流路１０７に酸素を、それぞれ供給することで、起電力が発生するようになっている。
【０００５】
ガス流路１０６、１０７を備える金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）は、一般に金属板のプレス加工により製造される。
しかし、プレス加工を行う際に、金属セパレータに反りやシワが生じることや、ガス流路１０６、１０７を区画する溝の深さｈ（図９の（ａ）参照）に寸法上のバラツキなどが発生することがある。
【０００６】
例えば、図９の（ｂ）に示すように、ガス流路１０７を区画する溝に深さｈの部分と、深さｈ’の部分が発生すると、隣接する単セル１０１において、アノード側セパレータ１０３の突部１０３ａとカソード側セパレータ１０４の突部１０４ａとが接触しない部分が生じ、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４の間に隙間Ｓが生じることがある。
【０００７】
かかる場合、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４との接触面積が小さくなって、単セル１０１間の接触抵抗が増大することがある。
また、隙間Ｓに起因して、単セル１０１同士の組付け性が悪くなり、膜電極接合体１０２と、アノード側セパレータ１０３やカソード側セパレータ１０４との接合部や、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４との接合部などから、水素ガスまたは酸素ガスの漏れが発生する場合がある。
【０００８】
特許文献１に開示された固体高分子型の燃料電池スタック１００’では、隣接する金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）において、ガス流路を形成する凹凸形状の溝の突部１０３ａ、１０４ａ同士を、低融点合金シート（例えば、半田シート）や、溶接（例えばシーム溶接）で接合することにより、上記の問題に対する対策を施している（図９の（ｃ）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１１４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示された対策では、突部１０３ａ、１０４ａ同士を接合する際に、溶接などに起因する熱が金属セパレータに作用するので、金属セパレータに新たな熱歪みが発生して、上記した隙間などの問題が新たに起こる場合がある。
さらに、突部１０３ａ、１０４ａ同士を溶接で接合した場合には、接合後に金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）の位置関係を修正できないので、金属セパレータを順次積層して燃料電池スタックを組み立てる際に、燃料電池スタックにおける金属セパレータの組付け精度が悪くなることがある。
【００１１】
そのため、上記の問題点に鑑み、組付け精度の良い金属セパレータを備える燃料電池スタックを提供できるようにすることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる単セルを、複数積層して構成した燃料電池スタックあって、
前記積層方向で相隣接するアノード側のセパレータの流路とカソード側のセパレータの流路を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、前記金属板を二つ折りにして前記相隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとを一体に形成した構成とした。
【発明の効果】
【００１３】
このように構成すると、燃料電池スタックにおいて隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとが一体に形成されているので、単セルを積層して燃料電池スタックを構成する際に、積層方向で隣接する単セル２を位置精度良く重ねることができる。
これにより、組付け精度の良い金属セパレータを備える燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態にかかる燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】実施の形態にかかる燃料電池スタックの一部を分解した分解斜視図である。
【図３】実施の形態にかかる燃料電池スタックの断面の一部を模式的に示した図である。
【図４】一枚板からなる金属セパレータを説明する図である。
【図５】セパレータ部材を説明する図である。
【図６】セパレータ部材の組付けを説明する図である。
【図７】セパレータ部材の断面を模式的に示した図である。
【図８】セパレータ部材の断面を模式的に示した図である。
【図９】従来例にかかる燃料電池スタックを説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかる燃料電池スタック１を模式的に示した斜視図である。図２は、燃料電池スタック１の分解斜視図である。図３は、図１における面Ａで燃料電池スタック１を切断した断面の一部を拡大して模式的に示した図である。
なお、図２では、一枚の金属板を折り曲げて形成したセパレータ部材４のうちのひとつを上下に分断して、セパレータ部材４のアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に配置された絶縁部材７０とシール部材７１、７１とを示している。また、図３では、断面形状を判りやすく表現するために、各部材の厚みを誇張して表記してある。
【００１６】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１は、上端の一枚板からなるアノード側セパレータ８と、下端の一枚板からなるカソード側セパレータ９との間に、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４と、シール部材３１、３１の間に膜電極接合体３０を挟み込んで構成した電極部材３と、を交互に重ねて配置した積層構造を有している。
【００１７】
図２および図３に示すように、この燃料電池スタック１における単セル２は、セパレータ部材４のアノード側セパレータ部５と、隣接するセパレータ部材４のカソード側セパレータ部６との間に、電極部材３を挟み込んだ基本構成を有している。
【００１８】
電極部材３は、シール部材３１、３１の間に膜電極接合体３０を挟み込んで構成されており、膜電極接合体３０では、フイルム状の固体高分子電解質膜３００の一方の面にアノード電極３０１が、他方の面にカソード電極３０２が、それぞれ設けられている。
【００１９】
平面視において矩形形状を有する固体高分子電解質膜３００は、シール部材３１よりも僅かに小さい外形で形成されており、実施の形態では、例えば水素イオンを透過可能な高分子電解質膜で構成される。
【００２０】
アノード電極３０１とカソード電極３０２は、それぞれ平面視において矩形形状を有しており、同一面積で形成される。
アノード電極３０１は、炭素粉などで担持されたアノード触媒とガス拡散層を備えて構成され、カソード電極３０２は、炭素粉などで担持されたカソード触媒とガス拡散層を備えて構成される。
【００２１】
シール部材３１は、平面視において矩形形状を有しており、その中央部には、電極（アノード電極３０１、カソード電極３０２）と整合する形状の開口部３１１が形成されている。
【００２２】
電極部材３において、膜電極接合体３０の電極（アノード電極３０１、カソード電極３０２）は、シール部材３１、３１開口部３１１から露出しており、単セル２が組付けられた状態において、開口部３１１から露出するアノード電極３０１およびカソード電極３０２は、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６にそれぞれ接触させた状態で保持される（図３参照）。
【００２３】
この状態において、シール部材３１の開口部３１１を囲む周縁部３１２（図２参照）は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間で圧接保持されるようになっている。
そのため、燃料電池スタック１が組み立てられた状態において、各単セル２におけるアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間がシール部材３１、３１により封止されて、燃料ガスや酸化剤ガスが、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間から単セル２の外部に漏出しないようにされている。
【００２４】
図４は、アノード側セパレータ８を説明する図であり、（ａ）は、アノード側セパレータ８を、電極部材３側から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面を模式的に示した図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面を模式的に示した図である。
【００２５】
燃料電池スタック１において上端と下端に位置するアノード側セパレータ８とカソード側セパレータ９（図２参照）は、それぞれ一枚の金属板のプレス成形で形成された同一形状の部材である。そこで、以下においては、アノード側セパレータ８について説明をし、カソード側セパレータ９の説明は省略する。
【００２６】
アノード側セパレータ８は、平面視において矩形形状を有しており、電極部材３との対向面である表面８ａには、金メッキ処理が施されていると共に、電極部材３から離れる方向に窪んだガス流路８１がプレス成形により形成されている。
なお、プレス成形によりガス流路８１を形成すると、アノード側セパレータ８の裏面８ｂでは、ガス流路８１の部分が突出することになる。よって、図面においてアノード側セパレータ８の表面８ａの窪んだガス流路は、符号８１を用いて表記し、裏面８ｂの突出したガス流路の部分は、符号８１’で表記する。
【００２７】
ガス流路８１は、アノード電極３０１が接触する矩形形状の発電寄与領域８２と、発電寄与領域８２における対角となる位置から、互いに離れる方向に延びるガス給排路８３、８４と、を備える。
【００２８】
発電寄与領域８２には、アノード側セパレータ８の幅方向（ガス給排路８３、８４に直交する方向）に沿って延びる凸部８５が、所定間隔で複数設けられており、この発電寄与領域８２には、凸部８５と、凸部８５、８５の間の凹溝部８６とにより、いわゆるコルゲート形状の凹凸が形成されている。
【００２９】
この発電寄与領域８２の凸部８５には、燃料電池スタック１が組付けられた状態で、膜電極接合体３０のアノード電極３０１が全面に渡って接触し、アノード電極３０１と、凹溝部８６との間に、燃料ガス（水素Ｈ２）を通流させるガス流路Ｒ１が形成されるようになっている。
【００３０】
ガス給排路８３、８４は、発電寄与領域８２から離れる方向に延出して、互いに平行に延びており、これらガス給排路８３、８４の先端側には、アノード側セパレータ８を厚み方向に貫通して給排口８３ａ、８４ａが形成されている。
燃料電池スタック１では、アノード側セパレータ８の一方の給排口８３ａ、８４ａから、ガス流路８１内に燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、発電寄与領域８２を通って、他方の給排口８４ａ、８３ａから排出されるようになっている。
【００３１】
実施の形態では、発電寄与領域８２における凸部８５の長さＬが、ガス給排路８３、８４の延長上に及ばない長さに設定されている。ガス給排路８３、８４から発電寄与領域８２に向かう燃料ガスの流れが、凸部８５により阻害されないようにすることで、発電寄与領域８２に供給された燃料ガスが、各凹溝部８６にほぼ均等に分散されるようにしている。
【００３２】
ガス給排路８３、８４における発電寄与領域８２に接する位置には、それぞれガス給排路８３、８４に突出する突起８３ｂ、８４ｂが設けられている。
実施の形態では、図中鎖線で示す範囲に膜電極接合体３０のアノード電極３０１が接触しており、この突起８３ｂ、８４ｂは、アノード側セパレータ８をセパレータ部材４に積層して燃料電池スタック１を組み立てた際に、膜電極接合体３０が変形してガス給排路８３、８４が変形することを防止するために設けられている。
【００３３】
さらに、アノード側セパレータ８では、発電寄与領域８２を挟んで対角となる位置に貫通孔８７、８７が設けられている。平面視において貫通孔８７、８７と前記した給排口８３ａ、８４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。
【００３４】
図４の（ｃ）、（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１が組付けられると、貫通孔８７、８７や給排口８３ａ、８４ａと整合する位置に、膜電極接合体３０の貫通孔３０３と、シール部材３１の貫通孔３１２ａとが配置されて、燃料ガスや酸化剤ガスの導入口（導出口）が確保されるようになっている。
なお、符号８８は、燃料電池スタック１と外部端子とを接続するための端子片を示している。
【００３５】
図５は、セパレータ部材４を説明する図であり、（ａ）は、金属製の一枚板の一方側と他方側に、それぞれアノード側セパレータ部５のガス流路５１と、カソード側セパレータ部６のガス流路６１とが、プレス成形により形成された状態を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す金属製の一枚板を断面コ字形状に折り曲げて、燃料電池スタック１の組付けに用いられるセパレータ部材４としたものを、アノード側セパレータ部５側から見た平面図である。（ｃ）は、（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図であって、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の断面と共に、これらの間に設けられたクッション部材７の断面を示した図である。なお、（ｃ）においては、セパレータ部材４に隣接する金属セパレータ部材のアノード側セパレータ部５と、カソード側セパレータ部６が仮想線で示されている。
【００３６】
図６は、セパレータ部材４の組付けを説明する図であり、シール部材７１、７１の間に弾性材料からなる絶縁部材７０を挟み込んで構成したクッション部材７を、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂの間に配置して、セパレータ部材４を形成する様子が示されている。
図７は、図６における面Ａでセパレータ部材４を切断した断面図である。
【００３７】
図５および図６に示すように、セパレータ部材４は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６が、一方側と他方側に振り分けて画成された金属製の一枚板を、断面略コ字形状に折り曲げて、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に、後記するクッション部材７を介在させて形成される。
【００３８】
図５の（ａ）に示すように、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の電極部材３との対向面である表面５ａ、６ａには、金メッキが施されていると共に、電極部材３から離れる方向に窪んだガス流路５１、６１がプレス成形により形成されている。
なお、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の金メッキが施されていない裏面５ｂ、６ｂには、ガス流路８１の部分が突出しているので、図面においてアノード側セパレータ部５の表面５ａとカソード側セパレータ部６の表面６ａの窪んだガス流路は、符号５１、６１を用いて表記し、裏面５ｂ、６ｂの突出したガス流路は、符号５１’、６１’で表記する。
【００３９】
ガス流路５１、６１は、矩形形状の発電寄与領域５２、６２と、発電寄与領域５２、６２における対角となる位置から、互いに離れる方向に延びるガス給排路５３、５４、６３、６４と、を備える。
ここで、発電寄与領域５２、６２には、それぞれアノード電極３０１とカソード電極３０２が接触するようになっており、発電寄与領域５２、６２は、平面視においてアノード電極３０１、カソード電極３０２と略整合する矩形形状を成している。
【００４０】
発電寄与領域５２、６２には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の幅方向（ガス給排路５３、５４、６３、６４に直交する方向）に沿って延びる凸部５５、６５が、所定間隔で複数設けられており、この発電寄与領域５２、６２には、凸部５５、６５と、凸部５５、６５の間の凹溝部５６、６６により、いわゆるコルゲート形状の凹凸が形成されている。
【００４１】
この発電寄与領域５２、６２の凸部５５、６５には、燃料電池スタック１が組付けられた状態において、膜電極接合体３０のアノード電極３０１とカソード電極３０２とが、それぞれ全面に渡って接触する（図５の（ｃ）参照）。
これにより、アノード側セパレータ部５の凹溝部５６と、アノード電極３０１との間に、燃料ガス（水素Ｈ２）を通流させるガス流路Ｒ１が形成され、カソード側セパレータ部６の凹溝部６６と、カソード電極３０２との間に、酸化剤ガス（酸素Ｏ２）を通流させるガス流路Ｒ２が形成される。
【００４２】
ガス給排路５３、５４、６３、６４は、発電寄与領域５２、６２から離れる方向に延出して、互いに平行に延びており、ガス給排路５３、５４、６３、６４の先端側には、セパレータ部材４を厚み方向に貫通して給排口５３ａ、５４ａ、６３ａ、６４ａが形成されている。
燃料電池スタック１では、一方の給排口５３ａ、６３ａから、ガス給排路５３、６３内に燃料ガス（または酸化剤ガス）が供給されると、燃料ガス（または酸化剤ガス）は、発電寄与領域５２、６２を通って、他方のガス給排路５４、６４の給排口５４ａ、６４ａから排出されるようになっている。
【００４３】
実施の形態では、発電寄与領域５２、６２における凸部５５、６５の長さＬが、ガス給排路５３、５４、６３、６４の延長上に及ばない長さに設定されている。ガス給排路５３、５４、６３、６４から発電寄与領域５２、６２に向かう燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが、凸部５５、６５により阻害されないようにすることで、発電寄与領域５２、６２に供給された燃料ガス（または酸化剤ガス）が、各凹溝部５６、６６にほぼ均等に分散されるようにしている。
【００４４】
ガス給排路５３、５４における発電寄与領域５２に接する位置と、ガス給排路６３、６４における発電寄与領域６２に接する位置には、それぞれガス給排路５３、５４、６３、６４に突出する突起５３ｂ、５４ｂ、６３ｂ、６４ｂが設けられている。
実施の形態では、図中鎖線で示す範囲に膜電極接合体３０のアノード電極３０１とカソード電極３０２が接触しており、これら突起５３ｂ、５４ｂと突起６３ｂ、６４ｂは、燃料電池スタック１の組み立てにあたり、セパレータ部材４同士を積層した際に、膜電極接合体３０が変形してガス給排路５３、５４が変形することを防止するために設けられている。
【００４５】
さらに、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６では、発電寄与領域５２、６２を挟んで対角となる位置に貫通孔５７、６７が設けられている。アノード側セパレータ部５において、貫通孔５７、５７と前記した給排口５３ａ、５４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。カソード側セパレータ部６において貫通孔６７、６７と前記した給排口６３ａ、６４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。
【００４６】
実施の形態では、貫通孔５７は、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成した際に、コ字形状の接続部４ａを挟んで隣接するカソード側セパレータ部６の給排口６３ａ、６４ａに整合する位置に形成されている。
貫通孔６７は、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成した際に、コ字形状の接続部４ａを挟んで隣接するアノード側セパレータ部５の給排口５３ａ、５４ａに整合する位置に形成されている。
【００４７】
よって、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成すると、例えば図７に示すように、貫通孔５７と、この貫通孔５７に整合する位置に配置された給排口６４ａとにより、燃料ガスや酸化剤ガスの導入口（導出口）が、上下で隣接する単セル２の間で確保されるようになっている。
【００４８】
図６に示すように、セパレータ部材４において、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の間に位置するクッション部材７は、シール部材７１、７１の間に、絶縁部材７０を挟み込んで形成される。
【００４９】
シール部材７１の中央部には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂ側で突出するガス流路５１’、６１’との干渉を避けるための開口部７１０が形成されている。
さらに、シール部材７１では、セパレータ部材４の貫通孔５７、６７と整合する位置に、貫通孔７１１が形成されている。
【００５０】
絶縁部材７０は、平面視において矩形形状を有しており、シール部材７１の貫通孔７１１に整合する位置に、貫通孔７０１が形成されている。
絶縁部材７０は、シール部材７１、７１の間に挟み込まれた状態で、その中央部が、シール部材７１の開口部７１０内に露出しており、この露出する中央部には、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６のガス流路の裏側５１’、６１’が当接するようになっている。
実施の形態では、ガス流路５１、６１の凹凸がプレス成形により形成されており、かかる凹凸にバラツキが生ずる場合がある。そこで、絶縁部材７０は、クッション性のある絶縁材料から構成されており、ガス流路の裏側５１’、６１’の一部に、他の部分よりも絶縁部材側に突出する部分が生じても、かかる突出が絶縁部材７０にクッション性をもたらす厚み内で吸収されるようになっている。
【００５１】
図８の（ａ）に示すように、シール部材７１の開口部７１０内に位置する絶縁部材７０の中央部は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に配置された状態において、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａにより圧縮された状態で保持されるようになっており、アノード側セパレータ部５の裏面５ｂとカソード側セパレータ部６の裏面６ｂとが、直接接触しないようにするために設けられている。
【００５２】
実施の形態にかかる燃料電池スタック１では、隣接する単セル２における一方の単セル２のアノード側セパレータ（アノード側セパレータ部５）と他方の単セルのカソード側セパレータ（カソード側セパレータ部６）とが一体に形成されたセパレータ部材４を採用している。
そのため、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とはコ字形状の接続部４ａを介して電気的に接続されており、従来の燃料電池スタックのように、アノード側セパレータの凹溝部の底部（図８の（ａ）における符号５６ａに相当）とカソード側セパレータの凹溝部の底部（図８の（ａ）における符号６６ａに相当）とを直接接触させて、単セル２間の接触抵抗を小さくする必要がない。
【００５３】
そのため、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂには、接触抵抗を小さくするための金メッキが施されていない。
【００５４】
さらに、セパレータ部材４において、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６における凹溝部５６、６６の深さｈ２が、コ字形状の接続部４ａの高さｈ１との関係で、ｈ１＞ｈ２＋ｈ２の関係を満たすように設定されている。
【００５５】
そのため、例えばプレス成形により形成された凹溝部６６の深さに、一部深さｈ２’（ここで、ｈ２’＞ｈ２）となる部分が生じても、かかる深さにおける誤差が、絶縁部材７０の厚みにより吸収できる場合には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６とが接触して、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の間に隙間が生じることを防止できるようになっている。
【００５６】
さらに、アノード側セパレータ部５の凹溝部５６の底部５６ａと、カソード側セパレータ部６の凹溝部６６の底部６６ａとを直接接触させる必要がないので、底部５６ａ、６６ａ同士が所定面積で接触するようにするために、底部５６ａ、６６ａが互いに平行な面となるように、プレス成形でガス流路５１、５２を形成するする必要がない。
よって、アノード電極３０１とカソード電極３０２との間にガス流路Ｒ１、Ｒ２が確保できる程度の凹凸が形成できれば、単セル２としての機能が発揮されるので、例えば、図８の（ｃ）に示すように、断面弧状の凹凸で、絶縁部材７０を把持するようにすることもでき、プレス精度の要求が簡単になる。
【００５７】
以上の通り、実施の形態では、発電に寄与する領域（発電寄与領域）に凹凸形状からなるガス流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、電極部材３の両面にそれぞれ配置してなる単セル２を、複数積層して構成した燃料電池スタック１であって、
積層方向で相隣接するアノード側のセパレータのガス流路５１とカソード側のセパレータのガス流路６２を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板であるセパレータ部材４の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、セパレータ部材４を二つ折りにして相隣接するカソード側のセパレータ部５とアノード側のセパレータ部６とを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタックとした。
【００５８】
このように構成すると、アノード側セパレータ部５と、隣接する単セル２のカソード側セパレータ部６とがセパレータ部材４として一体に形成されているので、単セルを積層して燃料電池スタックを構成する際に、積層方向で隣接する単セル２を位置精度良く重ねることができる。これにより、燃料電池スタック１の組み立て際し、単セル２の積層高さが高くなるにつれて、単セルが徐々に傾いて積層された状態になることを好適に防止できるので、燃料電池スタック１の組み立て精度が向上する。
【００５９】
さらに、燃料電池スタック１において隣接するアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とがセパレータ部材４として一体に形成されており、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが、従来の燃料電池スタックのように接触によらず、セパレータ部材４の接続部４ａを介して直接接続されている。すなわち、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体化することにより、従来の燃料電池スタックよりも、単セル間の接触抵抗を低減させて、発電性能を向上させることができる。
また、セパレータ部材４同士が、直接接触した状態で積層されるのではなく、セパレータ部材４の間の電極部材３のシール部材３１、３１を介した状態で積層されるので、燃料電池スタック１を組み付けた際に、シール部材３１、３１に作用する面圧が高くなるので、セパレータ部材４の間から燃料ガス等が漏出することを好適に防止できる。
【００６０】
特に、プレス成形により、アノード側セパレータ部５のガス流路５１とカソード側セパレータ部６のガス流路６１が画成された金属製の一枚板を、断面略コ字形状に折り曲げて、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４としたので、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが別々に形成される従来の燃料電池スタックに比べて、プレス工数が少なくなって、燃料電池スタックの作製コストの低減が可能になる。
【００６１】
アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４では、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に、弾性部材からなる絶縁部材７０を備えるクッション部材７が設けられている構成とした。
【００６２】
このように構成すると、隣り合う単セル２におけるアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との接触が絶縁部材７０により阻止されているので、従来、単セル２間の接触抵抗を低減させるために設けていた金メッキを、アノード側セパレータ部５の裏面５ｂとカソード側セパレータ部６の裏面６ｂに設ける必要がないので、より安価に、燃料電池スタック１を提供できる。
【００６３】
さらに、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間の離間距離ｈ１は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士が互いに接触しない距離に設定されており、セパレータ部材４では、弾性材料からなる絶縁部材７０がアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に挟み込まれた状態で配置されている構成とした。
【００６４】
このように構成すると、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の深さｈ２にバラツキが生じても、弾性材料からなる絶縁部材７０によりバラツキの影響が吸収されるので、凹溝部５６、６６の底部同士が接触して、燃料電池スタック１の組付け精度が悪化することがない。
【００６５】
また、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが、凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士を互いに接触させず、断面コ字形状の接続部４ａを介して電気的に接続されている構成とした。
【００６６】
このように構成すると、凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士を接触させて、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを電気的に接続していた従来の燃料電池スタックのように、底部５６ａ、６６ａ同士の接触面を精度良く確保する必要がない。
よって、図８の（ｃ）に示すように、アノード電極３０１とカソード電極３０２との間にガス流路Ｒ１、Ｒ２が確保できる程度の凹凸が形成できれば、単セル２としての機能が発揮されるので、プレス成形により凹凸形状のガス流路５１、５２を形成する際のプレス精度が緩和され、より安価に、燃料電池スタック１を提供できる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 燃料電池スタック
２ 単セル
３ 電極部材
４ セパレータ部材
４ａ 接続部
５ アノード側セパレータ部
５ａ 表面
５ｂ 裏面
６ カソード側セパレータ部
６ａ 表面
６ｂ 裏面
７ クッション部材
８ アノード側セパレータ
８ａ 表面
８ｂ 裏面
９ カソード側セパレータ
３０ 膜電極接合体
３１ シール部材
５１ ガス流路
５１’ ガス流路（裏側）
５２ 発電寄与領域
５３ ガス給排路
５４ ガス給排路
５５ 凸部
５６ 凹溝部
５７ 貫通孔
５６ａ 底部
６１ ガス流路
６１’ ガス流路（裏側）
６２ 発電寄与領域
６３ ガス給排路
６４ ガス給排路
６５ 凸部
６６ 凹溝部
６６ａ 底部
６７ 貫通孔
７０ 絶縁部材
７１ シール部材
８１ ガス流路
８１’ ガス流路（裏側）
８２ 発電寄与領域
８３ ガス給排路
８４ ガス給排路
９１ ガス流路
１００ 燃料電池スタック
１００’燃料電池スタック
１０１ 単セル
１０２ 膜電極接合体
１０３ アノード側セパレータ
１０４ カソード側セパレータ
１０６ ガス流路
１０７ ガス流路
３００ 固体高分子電解質膜
３０１ アノード電極
３０２ カソード電極
Ｒ１ ガス流路
Ｒ２ ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の金属製のセパレータを採用した固体高分子型の燃料電池スタックの断面を模式的に示した図である。
【０００３】
固体高分子型の燃料電池スタック１００は、２枚の金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）の間に膜電極接合体（ＭＥＡ）１０２を挟んで構成した単セル１０１を、多数積層させて構成される（図９の（ａ）参照）。
【０００４】
このような従来の燃料電池スタック１００では、金属セパレータの一方の面の発電に寄与する領域に、凹凸形状からなるガス流路１０６、１０７が形成されており、各単セル１０１において、膜電極接合体１０２を挟んで一方側の金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３）のガス流路１０６に水素を、他方側のセパレータ（カソード側セパレータ１０４）のガス流路１０７に酸素を、それぞれ供給することで、起電力が発生するようになっている。
【０００５】
ガス流路１０６、１０７を備える金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）は、一般に金属板のプレス加工により製造される。
しかし、プレス加工を行う際に、金属セパレータに反りやシワが生じることや、ガス流路１０６、１０７を区画する溝の深さｈ（図９の（ａ）参照）に寸法上のバラツキなどが発生することがある。
【０００６】
例えば、図９の（ｂ）に示すように、ガス流路１０７を区画する溝に深さｈの部分と、深さｈ’の部分が発生すると、隣接する単セル１０１において、アノード側セパレータ１０３の突部１０３ａとカソード側セパレータ１０４の突部１０４ａとが接触しない部分が生じ、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４の間に隙間Ｓが生じることがある。
【０００７】
かかる場合、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４との接触面積が小さくなって、単セル１０１間の接触抵抗が増大することがある。
また、隙間Ｓに起因して、単セル１０１同士の組付け性が悪くなり、膜電極接合体１０２と、アノード側セパレータ１０３やカソード側セパレータ１０４との接合部や、アノード側セパレータ１０３とカソード側セパレータ１０４との接合部などから、水素ガスまたは酸素ガスの漏れが発生する場合がある。
【０００８】
特許文献１に開示された固体高分子型の燃料電池スタック１００’では、隣接する金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）において、ガス流路を形成する凹凸形状の溝の突部１０３ａ、１０４ａ同士を、低融点合金シート（例えば、半田シート）や、溶接（例えばシーム溶接）で接合することにより、上記の問題に対する対策を施している（図９の（ｃ）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１１４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示された対策では、突部１０３ａ、１０４ａ同士を接合する際に、溶接などに起因する熱が金属セパレータに作用するので、金属セパレータに新たな熱歪みが発生して、上記した隙間などの問題が新たに起こる場合がある。
さらに、突部１０３ａ、１０４ａ同士を溶接で接合した場合には、接合後に金属セパレータ（アノード側セパレータ１０３、カソード側セパレータ１０４）の位置関係を修正できないので、金属セパレータを順次積層して燃料電池スタックを組み立てる際に、燃料電池スタックにおける金属セパレータの組付け精度が悪くなることがある。
【００１１】
そのため、上記の問題点に鑑み、組付け精度の良い金属セパレータを備える燃料電池スタックを提供できるようにすることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる単セルを、複数積層して構成した燃料電池スタックあって、
前記積層方向で相隣接するアノード側のセパレータの流路とカソード側のセパレータの流路を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、前記金属板を二つ折りにして前記相隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとを一体に形成した構成とした。
【発明の効果】
【００１３】
このように構成すると、燃料電池スタックにおいて隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとが一体に形成されているので、単セルを積層して燃料電池スタックを構成する際に、積層方向で隣接する単セル２を位置精度良く重ねることができる。
これにより、組付け精度の良い金属セパレータを備える燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態にかかる燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】実施の形態にかかる燃料電池スタックの一部を分解した分解斜視図である。
【図３】実施の形態にかかる燃料電池スタックの断面の一部を模式的に示した図である。
【図４】一枚板からなる金属セパレータを説明する図である。
【図５】セパレータ部材を説明する図である。
【図６】セパレータ部材の組付けを説明する図である。
【図７】セパレータ部材の断面を模式的に示した図である。
【図８】セパレータ部材の断面を模式的に示した図である。
【図９】従来例にかかる燃料電池スタックを説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかる燃料電池スタック１を模式的に示した斜視図である。図２は、燃料電池スタック１の分解斜視図である。図３は、図１における面Ａで燃料電池スタック１を切断した断面の一部を拡大して模式的に示した図である。
なお、図２では、一枚の金属板を折り曲げて形成したセパレータ部材４のうちのひとつを上下に分断して、セパレータ部材４のアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に配置された絶縁部材７０とシール部材７１、７１とを示している。また、図３では、断面形状を判りやすく表現するために、各部材の厚みを誇張して表記してある。
【００１６】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１は、上端の一枚板からなるアノード側セパレータ８と、下端の一枚板からなるカソード側セパレータ９との間に、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４と、シール部材３１、３１の間に膜電極接合体３０を挟み込んで構成した電極部材３と、を交互に重ねて配置した積層構造を有している。
【００１７】
図２および図３に示すように、この燃料電池スタック１における単セル２は、セパレータ部材４のアノード側セパレータ部５と、隣接するセパレータ部材４のカソード側セパレータ部６との間に、電極部材３を挟み込んだ基本構成を有している。
【００１８】
電極部材３は、シール部材３１、３１の間に膜電極接合体３０を挟み込んで構成されており、膜電極接合体３０では、フイルム状の固体高分子電解質膜３００の一方の面にアノード電極３０１が、他方の面にカソード電極３０２が、それぞれ設けられている。
【００１９】
平面視において矩形形状を有する固体高分子電解質膜３００は、シール部材３１よりも僅かに小さい外形で形成されており、実施の形態では、例えば水素イオンを透過可能な高分子電解質膜で構成される。
【００２０】
アノード電極３０１とカソード電極３０２は、それぞれ平面視において矩形形状を有しており、同一面積で形成される。
アノード電極３０１は、炭素粉などで担持されたアノード触媒とガス拡散層を備えて構成され、カソード電極３０２は、炭素粉などで担持されたカソード触媒とガス拡散層を備えて構成される。
【００２１】
シール部材３１は、平面視において矩形形状を有しており、その中央部には、電極（アノード電極３０１、カソード電極３０２）と整合する形状の開口部３１１が形成されている。
【００２２】
電極部材３において、膜電極接合体３０の電極（アノード電極３０１、カソード電極３０２）は、シール部材３１、３１開口部３１１から露出しており、単セル２が組付けられた状態において、開口部３１１から露出するアノード電極３０１およびカソード電極３０２は、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６にそれぞれ接触させた状態で保持される（図３参照）。
【００２３】
この状態において、シール部材３１の開口部３１１を囲む周縁部３１２（図２参照）は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間で圧接保持されるようになっている。
そのため、燃料電池スタック１が組み立てられた状態において、各単セル２におけるアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間がシール部材３１、３１により封止されて、燃料ガスや酸化剤ガスが、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間から単セル２の外部に漏出しないようにされている。
【００２４】
図４は、アノード側セパレータ８を説明する図であり、（ａ）は、アノード側セパレータ８を、電極部材３側から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面を模式的に示した図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面を模式的に示した図である。
【００２５】
燃料電池スタック１において上端と下端に位置するアノード側セパレータ８とカソード側セパレータ９（図２参照）は、それぞれ一枚の金属板のプレス成形で形成された同一形状の部材である。そこで、以下においては、アノード側セパレータ８について説明をし、カソード側セパレータ９の説明は省略する。
【００２６】
アノード側セパレータ８は、平面視において矩形形状を有しており、電極部材３との対向面である表面８ａには、金メッキ処理が施されていると共に、電極部材３から離れる方向に窪んだガス流路８１がプレス成形により形成されている。
なお、プレス成形によりガス流路８１を形成すると、アノード側セパレータ８の裏面８ｂでは、ガス流路８１の部分が突出することになる。よって、図面においてアノード側セパレータ８の表面８ａの窪んだガス流路は、符号８１を用いて表記し、裏面８ｂの突出したガス流路の部分は、符号８１’で表記する。
【００２７】
ガス流路８１は、アノード電極３０１が接触する矩形形状の発電寄与領域８２と、発電寄与領域８２における対角となる位置から、互いに離れる方向に延びるガス給排路８３、８４と、を備える。
【００２８】
発電寄与領域８２には、アノード側セパレータ８の幅方向（ガス給排路８３、８４に直交する方向）に沿って延びる凸部８５が、所定間隔で複数設けられており、この発電寄与領域８２には、凸部８５と、凸部８５、８５の間の凹溝部８６とにより、いわゆるコルゲート形状の凹凸が形成されている。
【００２９】
この発電寄与領域８２の凸部８５には、燃料電池スタック１が組付けられた状態で、膜電極接合体３０のアノード電極３０１が全面に渡って接触し、アノード電極３０１と、凹溝部８６との間に、燃料ガス（水素Ｈ２）を通流させるガス流路Ｒ１が形成されるようになっている。
【００３０】
ガス給排路８３、８４は、発電寄与領域８２から離れる方向に延出して、互いに平行に延びており、これらガス給排路８３、８４の先端側には、アノード側セパレータ８を厚み方向に貫通して給排口８３ａ、８４ａが形成されている。
燃料電池スタック１では、アノード側セパレータ８の一方の給排口８３ａ、８４ａから、ガス流路８１内に燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、発電寄与領域８２を通って、他方の給排口８４ａ、８３ａから排出されるようになっている。
【００３１】
実施の形態では、発電寄与領域８２における凸部８５の長さＬが、ガス給排路８３、８４の延長上に及ばない長さに設定されている。ガス給排路８３、８４から発電寄与領域８２に向かう燃料ガスの流れが、凸部８５により阻害されないようにすることで、発電寄与領域８２に供給された燃料ガスが、各凹溝部８６にほぼ均等に分散されるようにしている。
【００３２】
ガス給排路８３、８４における発電寄与領域８２に接する位置には、それぞれガス給排路８３、８４に突出する突起８３ｂ、８４ｂが設けられている。
実施の形態では、図中鎖線で示す範囲に膜電極接合体３０のアノード電極３０１が接触しており、この突起８３ｂ、８４ｂは、アノード側セパレータ８をセパレータ部材４に積層して燃料電池スタック１を組み立てた際に、膜電極接合体３０が変形してガス給排路８３、８４が変形することを防止するために設けられている。
【００３３】
さらに、アノード側セパレータ８では、発電寄与領域８２を挟んで対角となる位置に貫通孔８７、８７が設けられている。平面視において貫通孔８７、８７と前記した給排口８３ａ、８４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。
【００３４】
図４の（ｃ）、（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１が組付けられると、貫通孔８７、８７や給排口８３ａ、８４ａと整合する位置に、膜電極接合体３０の貫通孔３０３と、シール部材３１の貫通孔３１２ａとが配置されて、燃料ガスや酸化剤ガスの導入口（導出口）が確保されるようになっている。
なお、符号８８は、燃料電池スタック１と外部端子とを接続するための端子片を示している。
【００３５】
図５は、セパレータ部材４を説明する図であり、（ａ）は、金属製の一枚板の一方側と他方側に、それぞれアノード側セパレータ部５のガス流路５１と、カソード側セパレータ部６のガス流路６１とが、プレス成形により形成された状態を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す金属製の一枚板を断面コ字形状に折り曲げて、燃料電池スタック１の組付けに用いられるセパレータ部材４としたものを、アノード側セパレータ部５側から見た平面図である。（ｃ）は、（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図であって、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の断面と共に、これらの間に設けられたクッション部材７の断面を示した図である。なお、（ｃ）においては、セパレータ部材４に隣接する金属セパレータ部材のアノード側セパレータ部５と、カソード側セパレータ部６が仮想線で示されている。
【００３６】
図６は、セパレータ部材４の組付けを説明する図であり、シール部材７１、７１の間に弾性材料からなる絶縁部材７０を挟み込んで構成したクッション部材７を、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂの間に配置して、セパレータ部材４を形成する様子が示されている。
図７は、図６における面Ａでセパレータ部材４を切断した断面図である。
【００３７】
図５および図６に示すように、セパレータ部材４は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６が、一方側と他方側に振り分けて画成された金属製の一枚板を、断面略コ字形状に折り曲げて、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に、後記するクッション部材７を介在させて形成される。
【００３８】
図５の（ａ）に示すように、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の電極部材３との対向面である表面５ａ、６ａには、金メッキが施されていると共に、電極部材３から離れる方向に窪んだガス流路５１、６１がプレス成形により形成されている。
なお、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の金メッキが施されていない裏面５ｂ、６ｂには、ガス流路８１の部分が突出しているので、図面においてアノード側セパレータ部５の表面５ａとカソード側セパレータ部６の表面６ａの窪んだガス流路は、符号５１、６１を用いて表記し、裏面５ｂ、６ｂの突出したガス流路は、符号５１’、６１’で表記する。
【００３９】
ガス流路５１、６１は、矩形形状の発電寄与領域５２、６２と、発電寄与領域５２、６２における対角となる位置から、互いに離れる方向に延びるガス給排路５３、５４、６３、６４と、を備える。
ここで、発電寄与領域５２、６２には、それぞれアノード電極３０１とカソード電極３０２が接触するようになっており、発電寄与領域５２、６２は、平面視においてアノード電極３０１、カソード電極３０２と略整合する矩形形状を成している。
【００４０】
発電寄与領域５２、６２には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の幅方向（ガス給排路５３、５４、６３、６４に直交する方向）に沿って延びる凸部５５、６５が、所定間隔で複数設けられており、この発電寄与領域５２、６２には、凸部５５、６５と、凸部５５、６５の間の凹溝部５６、６６により、いわゆるコルゲート形状の凹凸が形成されている。
【００４１】
この発電寄与領域５２、６２の凸部５５、６５には、燃料電池スタック１が組付けられた状態において、膜電極接合体３０のアノード電極３０１とカソード電極３０２とが、それぞれ全面に渡って接触する（図５の（ｃ）参照）。
これにより、アノード側セパレータ部５の凹溝部５６と、アノード電極３０１との間に、燃料ガス（水素Ｈ２）を通流させるガス流路Ｒ１が形成され、カソード側セパレータ部６の凹溝部６６と、カソード電極３０２との間に、酸化剤ガス（酸素Ｏ２）を通流させるガス流路Ｒ２が形成される。
【００４２】
ガス給排路５３、５４、６３、６４は、発電寄与領域５２、６２から離れる方向に延出して、互いに平行に延びており、ガス給排路５３、５４、６３、６４の先端側には、セパレータ部材４を厚み方向に貫通して給排口５３ａ、５４ａ、６３ａ、６４ａが形成されている。
燃料電池スタック１では、一方の給排口５３ａ、６３ａから、ガス給排路５３、６３内に燃料ガス（または酸化剤ガス）が供給されると、燃料ガス（または酸化剤ガス）は、発電寄与領域５２、６２を通って、他方のガス給排路５４、６４の給排口５４ａ、６４ａから排出されるようになっている。
【００４３】
実施の形態では、発電寄与領域５２、６２における凸部５５、６５の長さＬが、ガス給排路５３、５４、６３、６４の延長上に及ばない長さに設定されている。ガス給排路５３、５４、６３、６４から発電寄与領域５２、６２に向かう燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが、凸部５５、６５により阻害されないようにすることで、発電寄与領域５２、６２に供給された燃料ガス（または酸化剤ガス）が、各凹溝部５６、６６にほぼ均等に分散されるようにしている。
【００４４】
ガス給排路５３、５４における発電寄与領域５２に接する位置と、ガス給排路６３、６４における発電寄与領域６２に接する位置には、それぞれガス給排路５３、５４、６３、６４に突出する突起５３ｂ、５４ｂ、６３ｂ、６４ｂが設けられている。
実施の形態では、図中鎖線で示す範囲に膜電極接合体３０のアノード電極３０１とカソード電極３０２が接触しており、これら突起５３ｂ、５４ｂと突起６３ｂ、６４ｂは、燃料電池スタック１の組み立てにあたり、セパレータ部材４同士を積層した際に、膜電極接合体３０が変形してガス給排路５３、５４が変形することを防止するために設けられている。
【００４５】
さらに、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６では、発電寄与領域５２、６２を挟んで対角となる位置に貫通孔５７、６７が設けられている。アノード側セパレータ部５において、貫通孔５７、５７と前記した給排口５３ａ、５４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。カソード側セパレータ部６において貫通孔６７、６７と前記した給排口６３ａ、６４ａは、四角形の４つの頂点となる位置に位置している。
【００４６】
実施の形態では、貫通孔５７は、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成した際に、コ字形状の接続部４ａを挟んで隣接するカソード側セパレータ部６の給排口６３ａ、６４ａに整合する位置に形成されている。
貫通孔６７は、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成した際に、コ字形状の接続部４ａを挟んで隣接するアノード側セパレータ部５の給排口５３ａ、５４ａに整合する位置に形成されている。
【００４７】
よって、金属板を折り曲げてセパレータ部材４を形成すると、例えば図７に示すように、貫通孔５７と、この貫通孔５７に整合する位置に配置された給排口６４ａとにより、燃料ガスや酸化剤ガスの導入口（導出口）が、上下で隣接する単セル２の間で確保されるようになっている。
【００４８】
図６に示すように、セパレータ部材４において、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の間に位置するクッション部材７は、シール部材７１、７１の間に、絶縁部材７０を挟み込んで形成される。
【００４９】
シール部材７１の中央部には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂ側で突出するガス流路５１’、６１’との干渉を避けるための開口部７１０が形成されている。
さらに、シール部材７１では、セパレータ部材４の貫通孔５７、６７と整合する位置に、貫通孔７１１が形成されている。
【００５０】
絶縁部材７０は、平面視において矩形形状を有しており、シール部材７１の貫通孔７１１に整合する位置に、貫通孔７０１が形成されている。
絶縁部材７０は、シール部材７１、７１の間に挟み込まれた状態で、その中央部が、シール部材７１の開口部７１０内に露出しており、この露出する中央部には、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６のガス流路の裏側５１’、６１’が当接するようになっている。
実施の形態では、ガス流路５１、６１の凹凸がプレス成形により形成されており、かかる凹凸にバラツキが生ずる場合がある。そこで、絶縁部材７０は、クッション性のある絶縁材料から構成されており、ガス流路の裏側５１’、６１’の一部に、他の部分よりも絶縁部材側に突出する部分が生じても、かかる突出が絶縁部材７０にクッション性をもたらす厚み内で吸収されるようになっている。
【００５１】
図８の（ａ）に示すように、シール部材７１の開口部７１０内に位置する絶縁部材７０の中央部は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に配置された状態において、アノード側セパレータ部５およびカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａにより圧縮された状態で保持されるようになっており、アノード側セパレータ部５の裏面５ｂとカソード側セパレータ部６の裏面６ｂとが、直接接触しないようにするために設けられている。
【００５２】
実施の形態にかかる燃料電池スタック１では、隣接する単セル２における一方の単セル２のアノード側セパレータ（アノード側セパレータ部５）と他方の単セルのカソード側セパレータ（カソード側セパレータ部６）とが一体に形成されたセパレータ部材４を採用している。
そのため、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とはコ字形状の接続部４ａを介して電気的に接続されており、従来の燃料電池スタックのように、アノード側セパレータの凹溝部の底部（図８の（ａ）における符号５６ａに相当）とカソード側セパレータの凹溝部の底部（図８の（ａ）における符号６６ａに相当）とを直接接触させて、単セル２間の接触抵抗を小さくする必要がない。
【００５３】
そのため、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の裏面５ｂ、６ｂには、接触抵抗を小さくするための金メッキが施されていない。
【００５４】
さらに、セパレータ部材４において、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６における凹溝部５６、６６の深さｈ２が、コ字形状の接続部４ａの高さｈ１との関係で、ｈ１＞ｈ２＋ｈ２の関係を満たすように設定されている。
【００５５】
そのため、例えばプレス成形により形成された凹溝部６６の深さに、一部深さｈ２’（ここで、ｈ２’＞ｈ２）となる部分が生じても、かかる深さにおける誤差が、絶縁部材７０の厚みにより吸収できる場合には、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６とが接触して、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の間に隙間が生じることを防止できるようになっている。
【００５６】
さらに、アノード側セパレータ部５の凹溝部５６の底部５６ａと、カソード側セパレータ部６の凹溝部６６の底部６６ａとを直接接触させる必要がないので、底部５６ａ、６６ａ同士が所定面積で接触するようにするために、底部５６ａ、６６ａが互いに平行な面となるように、プレス成形でガス流路５１、５２を形成するする必要がない。
よって、アノード電極３０１とカソード電極３０２との間にガス流路Ｒ１、Ｒ２が確保できる程度の凹凸が形成できれば、単セル２としての機能が発揮されるので、例えば、図８の（ｃ）に示すように、断面弧状の凹凸で、絶縁部材７０を把持するようにすることもでき、プレス精度の要求が簡単になる。
【００５７】
以上の通り、実施の形態では、発電に寄与する領域（発電寄与領域）に凹凸形状からなるガス流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、電極部材３の両面にそれぞれ配置してなる単セル２を、複数積層して構成した燃料電池スタック１であって、
積層方向で相隣接するアノード側のセパレータのガス流路５１とカソード側のセパレータのガス流路６２を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板であるセパレータ部材４の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、セパレータ部材４を二つ折りにして相隣接するカソード側のセパレータ部５とアノード側のセパレータ部６とを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタックとした。
【００５８】
このように構成すると、アノード側セパレータ部５と、隣接する単セル２のカソード側セパレータ部６とがセパレータ部材４として一体に形成されているので、単セルを積層して燃料電池スタックを構成する際に、積層方向で隣接する単セル２を位置精度良く重ねることができる。これにより、燃料電池スタック１の組み立て際し、単セル２の積層高さが高くなるにつれて、単セルが徐々に傾いて積層された状態になることを好適に防止できるので、燃料電池スタック１の組み立て精度が向上する。
【００５９】
さらに、燃料電池スタック１において隣接するアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とがセパレータ部材４として一体に形成されており、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが、従来の燃料電池スタックのように接触によらず、セパレータ部材４の接続部４ａを介して直接接続されている。すなわち、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体化することにより、従来の燃料電池スタックよりも、単セル間の接触抵抗を低減させて、発電性能を向上させることができる。
また、セパレータ部材４同士が、直接接触した状態で積層されるのではなく、セパレータ部材４の間の電極部材３のシール部材３１、３１を介した状態で積層されるので、燃料電池スタック１を組み付けた際に、シール部材３１、３１に作用する面圧が高くなるので、セパレータ部材４の間から燃料ガス等が漏出することを好適に防止できる。
【００６０】
特に、プレス成形により、アノード側セパレータ部５のガス流路５１とカソード側セパレータ部６のガス流路６１が画成された金属製の一枚板を、断面略コ字形状に折り曲げて、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４としたので、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが別々に形成される従来の燃料電池スタックに比べて、プレス工数が少なくなって、燃料電池スタックの作製コストの低減が可能になる。
【００６１】
アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが一体に形成されたセパレータ部材４では、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に、弾性部材からなる絶縁部材７０を備えるクッション部材７が設けられている構成とした。
【００６２】
このように構成すると、隣り合う単セル２におけるアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との接触が絶縁部材７０により阻止されているので、従来、単セル２間の接触抵抗を低減させるために設けていた金メッキを、アノード側セパレータ部５の裏面５ｂとカソード側セパレータ部６の裏面６ｂに設ける必要がないので、より安価に、燃料電池スタック１を提供できる。
【００６３】
さらに、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間の離間距離ｈ１は、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士が互いに接触しない距離に設定されており、セパレータ部材４では、弾性材料からなる絶縁部材７０がアノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６との間に挟み込まれた状態で配置されている構成とした。
【００６４】
このように構成すると、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６の凹溝部５６、６６の深さｈ２にバラツキが生じても、弾性材料からなる絶縁部材７０によりバラツキの影響が吸収されるので、凹溝部５６、６６の底部同士が接触して、燃料電池スタック１の組付け精度が悪化することがない。
【００６５】
また、アノード側セパレータ部５とカソード側セパレータ部６とが、凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士を互いに接触させず、断面コ字形状の接続部４ａを介して電気的に接続されている構成とした。
【００６６】
このように構成すると、凹溝部５６、６６の底部５６ａ、６６ａ同士を接触させて、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを電気的に接続していた従来の燃料電池スタックのように、底部５６ａ、６６ａ同士の接触面を精度良く確保する必要がない。
よって、図８の（ｃ）に示すように、アノード電極３０１とカソード電極３０２との間にガス流路Ｒ１、Ｒ２が確保できる程度の凹凸が形成できれば、単セル２としての機能が発揮されるので、プレス成形により凹凸形状のガス流路５１、５２を形成する際のプレス精度が緩和され、より安価に、燃料電池スタック１を提供できる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 燃料電池スタック
２ 単セル
３ 電極部材
４ セパレータ部材
４ａ 接続部
５ アノード側セパレータ部
５ａ 表面
５ｂ 裏面
６ カソード側セパレータ部
６ａ 表面
６ｂ 裏面
７ クッション部材
８ アノード側セパレータ
８ａ 表面
８ｂ 裏面
９ カソード側セパレータ
３０ 膜電極接合体
３１ シール部材
５１ ガス流路
５１’ ガス流路（裏側）
５２ 発電寄与領域
５３ ガス給排路
５４ ガス給排路
５５ 凸部
５６ 凹溝部
５７ 貫通孔
５６ａ 底部
６１ ガス流路
６１’ ガス流路（裏側）
６２ 発電寄与領域
６３ ガス給排路
６４ ガス給排路
６５ 凸部
６６ 凹溝部
６６ａ 底部
６７ 貫通孔
７０ 絶縁部材
７１ シール部材
８１ ガス流路
８１’ ガス流路（裏側）
８２ 発電寄与領域
８３ ガス給排路
８４ ガス給排路
９１ ガス流路
１００ 燃料電池スタック
１００’燃料電池スタック
１０１ 単セル
１０２ 膜電極接合体
１０３ アノード側セパレータ
１０４ カソード側セパレータ
１０６ ガス流路
１０７ ガス流路
３００ 固体高分子電解質膜
３０１ アノード電極
３０２ カソード電極
Ｒ１ ガス流路
Ｒ２ ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる単セルを、複数積層して構成した燃料電池スタックであって、
前記積層方向で相隣接するアノード側のセパレータの流路とカソード側のセパレータの流路を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、前記金属板を二つ折りにして前記相隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記一体に形成されたカソード側のセパレータとアノード側セパレータとの間には、電気絶縁部材が設けられてい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。
【請求項３】
カソード側のセパレータとアノード側セパレータと離間距離は、前記カソード側のセパレータと前記アノード側セパレータとが、前記凹凸形状からなる流路同士を互いに接触させない距離に設定されており、
前記電気絶縁部材は、クッション性のある電気絶縁材料より構成されて、前記カソード側のセパレータと前記アノード側セパレータとの間で挟み込まれた状態で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項１】
発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる単セルを、複数積層して構成した燃料電池スタックであって、
前記積層方向で相隣接するアノード側のセパレータの流路とカソード側のセパレータの流路を、二つ折りに折り曲げられる一枚の金属板の一方側と、他方側とに振り分けて形成し、前記金属板を二つ折りにして前記相隣接するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとを一体に形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記一体に形成されたカソード側のセパレータとアノード側セパレータとの間には、電気絶縁部材が設けられてい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。
【請求項３】
カソード側のセパレータとアノード側セパレータと離間距離は、前記カソード側のセパレータと前記アノード側セパレータとが、前記凹凸形状からなる流路同士を互いに接触させない距離に設定されており、
前記電気絶縁部材は、クッション性のある電気絶縁材料より構成されて、前記カソード側のセパレータと前記アノード側セパレータとの間で挟み込まれた状態で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１４９６０（Ｐ２０１３−１１４９６０Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１４３４（Ｐ２０１１−２６１４３４）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００２１９２３３）東プレ株式会社 (91)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００２１９２３３）東プレ株式会社 (91)
【Ｆターム（参考）】
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