(57)【要約】      （修正有）【課題】ビード部とフレームとの間のシール性が向上した燃料電池スタックを提供する。【解決手段】第１セパレータ２０は、第１基部２１、及び第１ビード部２４、を含み、前記第１ビード部は、前記第１基部よりも第１フレーム５０に近い位置にある第１頂部２５、第１方向での前記第１頂部の一端と前記第１基部との間で連続した第１側部２６、及び前記第１方向での前記第１頂部の他端と前記第１基部との間で連続した第２側部２７、を含み、前記第１頂部と前記第１フレームとの間には、第１弾性部６０が設けられており、前記第１弾性部は、前記第１頂部の一端と前記第１頂部の他端とにそれぞれ当接する第１及び第２端領域６１、６２、及び前記第１及び第２端領域の間に位置する第１中央領域６３、を含み、前記第１中央領域の弾性率は、前記第１及び第２端領域の各弾性率よりも大きい、燃料電池スタック１。【選択図】図６
2020198201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１膜電極ガス拡散層接合体、前記第１膜電極ガス拡散層接合体を支持する第１フレーム、及び前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームに対向した第１セパレータ、を含み、
前記第１セパレータは、第１基部、及び前記第１基部から前記第１フレームに向けて突出して第１方向に沿った幅を有した第１ビード部、を含み、
前記第１ビード部は、前記第１基部よりも前記第１フレームに近い位置にある第１頂部、前記第１方向での前記第１頂部の一端と前記第１基部との間で連続した第１側部、及び前記第１方向での前記第１頂部の他端と前記第１基部との間で連続した第２側部、を含み、
前記第１頂部と前記第１フレームとの間には、第１弾性部が設けられており、
前記第１弾性部は、前記第１頂部の一端と前記第１頂部の他端とにそれぞれ当接する第１及び第２端領域、及び前記第１及び第２端領域の間に位置する第１中央領域、を含み、
前記第１中央領域の弾性率は、前記第１及び第２端領域の各弾性率よりも大きい、燃料電池スタック。
【請求項２】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１膜電極ガス拡散層接合体、前記第１膜電極ガス拡散層接合体を支持する第１フレーム、及び前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームに対向した第１セパレータ、を含み、
前記第１セパレータは、第１基部、及び前記第１基部から前記第１フレームに向けて突出して第１方向に沿った幅を有した第１ビード部、を含み、
前記第１ビード部は、前記第１基部よりも前記第１フレームに近い位置にある第１頂部、前記第１方向での前記第１頂部の一端と前記第１基部との間で連続した第１側部、及び前記第１方向での前記第１頂部の他端と前記第１基部との間で連続した第２側部、を含み、
前記第１頂部と前記第１フレームとの間には、第１弾性部が設けられており、
前記第１弾性部は、前記第１頂部の一端と前記第１頂部の他端とにそれぞれ当接する第１及び第２端領域、及び前記第１及び第２端領域の間に位置する第１中央領域、を含み、
前記第１中央領域の弾性率は、前記第１及び第２端領域の各弾性率よりも小さい、燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１中央領域の幅は、前記第１及び第２端領域の合計の幅よりも狭い、請求項１の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１中央領域の幅は、前記第１及び第２端領域の合計の幅よりも広い、請求項２の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１弾性部は、前記第１フレームに予め一体に形成されている、請求項１乃至４の何れかの燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１弾性部は、前記第１端領域に連続的に形成され前記第１頂部から離間した第１離間領域を含む、請求項５の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１離間領域の幅は、前記第１及び第２端領域と前記第１中央領域との合計の幅よりも広い、請求項６の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１離間領域は、前記第１端領域と同一の材料により形成されている、請求項６又は７の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第１離間領域は、前記第１中央領域と同一の材料により形成されている、請求項６又は７の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第１弾性部は、前記第２端領域に連続的に形成され前記第１頂部から離間した第２離間領域を含む、請求項５乃至９の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第２離間領域の幅は、前記第１及び第２端領域と前記第１中央領域との合計の幅よりも広い、請求項１０の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第２離間領域は、前記第２端領域と同一の材料により形成されている、請求項１０又は１１の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記第２離間領域は、前記第１中央領域と同一の材料により形成されている、請求項１０又は１１の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記複数の単セルの前記少なくとも一つは、前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームとは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータを含み、
前記複数の単セルの前記少なくとも一つに隣接した他の単セルは、第２膜電極ガス拡散層接合体、及び前記第２膜電極ガス拡散層接合体を支持する第２フレーム、を含み、
前記第２膜電極ガス拡散層接合体及び第２フレームは、前記第２セパレータに対向し、
前記第２セパレータは、前記第１基部に当接する第２基部、及び前記第２基部から前記第２フレームに向けて突出して前記第１方向に沿った幅を有した第２ビード部、を含み、
前記第２ビード部は、前記第２基部よりも前記第２フレームに近い位置にある第２頂部、前記第１方向での前記第２頂部の一端と前記第２基部との間で連続した第３側部、及び前記第１方向での前記第２頂部の他端と前記第２基部との間で連続した第４側部、を含み、
前記第２頂部と前記第２フレームとの間には、第２弾性部が設けられており、
前記第２弾性部は、前記第２頂部の一端と前記第２頂部の他端とにそれぞれ当接する第３及び第４端領域、及び前記第３及び第４端領域の間に位置する第２中央領域、を含み、
前記第２中央領域の弾性率は、前記第３及び第４端領域の各弾性率よりも大きい、請求項１乃至１３の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記複数の単セルの前記少なくとも一つは、前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームとは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータを含み、
前記複数の単セルの前記少なくとも一つに隣接した他の単セルは、第２膜電極ガス拡散層接合体、及び前記第２膜電極ガス拡散層接合体を支持する第２フレーム、を含み、
前記第２膜電極ガス拡散層接合体及び第２フレームは、前記第２セパレータに対向し、
前記第２セパレータは、前記第１基部に当接する第２基部、及び前記第２基部から前記第２フレームに向けて突出して前記第１方向に沿った幅を有した第２ビード部、を含み、
前記第２ビード部は、前記第２基部よりも前記第２フレームに近い位置にある第２頂部、前記第１方向での前記第２頂部の一端と前記第２基部との間で連続した第３側部、及び前記第１方向での前記第２頂部の他端と前記第２基部との間で連続した第４側部、を含み、
前記第２頂部と前記第２フレームとの間には、第２弾性部が設けられており、
前記第２弾性部は、前記第２頂部の一端と前記第２頂部の他端とにそれぞれ当接する第３及び第４端領域、及び前記第３及び第４端領域の間に位置する第２中央領域、を含み、
前記第２中央領域の弾性率は、前記第３及び第４端領域の各弾性率よりも小さい、請求項１乃至１３の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記第２中央領域の幅は、前記第３及び第４端領域の合計の幅よりも狭い、請求項１４の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記第２中央領域の幅は、前記第３及び第４端領域の合計の幅よりも広い、請求項１５の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記第２弾性部は、前記第２フレームに予め一体に形成されている、請求項１４乃至１７の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記第２弾性部は、前記第３端領域に連続的に形成され前記第２頂部から離間した第３離間領域を含む、請求項１８の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記第２弾性部は、前記第４端領域に連続的に形成され前記第２頂部から離間した第４離間領域を含む、請求項１８又は１９の燃料電池スタック。
【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】
燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されて構成される。各単セルでは、セパレータに形成されたビード部と、膜電極ガス拡散層接合体を支持するフレームと間に弾性体が配置され、ビード部とフレームとの間のシール性が確保されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１２９１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複数の単セルが締結された状態では、積層方向で圧縮荷重が作用して、弾性体に当接するビード部の頂部の中央部がフレームから離れるように湾曲する場合がある。このように変形すると、ビード部の頂部の面圧が幅方向で低い部位が発生し、ビード部とフレームとの間のシール性が低下する場合がある。
【０００５】
そこで本発明は、ビード部とフレームとの間のシール性が向上した燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１膜電極ガス拡散層接合体、前記第１膜電極ガス拡散層接合体を支持する第１フレーム、及び前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームに対向した第１セパレータ、を含み、前記第１セパレータは、第１基部、及び前記第１基部から前記第１フレームに向けて突出して第１方向に沿った幅を有した第１ビード部、を含み、前記第１ビード部は、前記第１基部よりも前記第１フレームに近い位置にある第１頂部、前記第１方向での前記第１頂部の一端と前記第１基部との間で連続した第１側部、及び前記第１方向での前記第１頂部の他端と前記第１基部との間で連続した第２側部、を含み、前記第１頂部と前記第１フレームとの間には、第１弾性部が設けられており、前記第１弾性部は、前記第１頂部の一端と前記第１頂部の他端とにそれぞれ当接する第１及び第２端領域、及び前記第１及び第２端領域の間に位置する第１中央領域、を含み、前記第１中央領域の弾性率は、前記第１及び第２端領域の各弾性率よりも大きい、燃料電池スタックによって達成できる。
【０００７】
また、上記目的は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１膜電極ガス拡散層接合体、前記第１膜電極ガス拡散層接合体を支持する第１フレーム、及び前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームに対向した第１セパレータ、を含み、前記第１セパレータは、第１基部、及び前記第１基部から前記第１フレームに向けて突出して第１方向に沿った幅を有した第１ビード部、を含み、前記第１ビード部は、前記第１基部よりも前記第１フレームに近い位置にある第１頂部、前記第１方向での前記第１頂部の一端と前記第１基部との間で連続した第１側部、及び前記第１方向での前記第１頂部の他端と前記第１基部との間で連続した第２側部、を含み、前記第１頂部と前記第１フレームとの間には、第１弾性部が設けられており、前記第１弾性部は、前記第１頂部の一端と前記第１頂部の他端とにそれぞれ当接する第１及び第２端領域、及び前記第１及び第２端領域の間に位置する第１中央領域、を含み、前記第１中央領域の弾性率は、前記第１及び第２端領域の各弾性率よりも小さい、燃料電池スタックによって達成できる。
【０００８】
前記第１中央領域の幅は、前記第１及び第２端領域の合計の幅よりも狭くてもよい。
【０００９】
前記第１中央領域の幅は、前記第１及び第２端領域の合計の幅よりも広くてもよい。
【００１０】
前記第１弾性部は、前記第１フレームに予め一体に形成されていてもよい。
【００１１】
前記第１弾性部は、前記第１端領域に連続的に形成され前記第１頂部から離間した第１離間領域を含んでもよい。
【００１２】
前記第１離間領域の幅は、前記第１及び第２端領域と前記第１中央領域との合計の幅よりも広くてもよい。
【００１３】
前記第１離間領域は、前記第１端領域と同一の材料により形成されていてもよい。
【００１４】
前記第１離間領域は、前記第１中央領域と同一の材料により形成されていてもよい。
【００１５】
前記第１弾性部は、前記第２端領域に連続的に形成され前記第１頂部から離間した第２離間領域を含んでもよい。
【００１６】
前記第２離間領域の幅は、前記第１及び第２端領域と前記第１中央領域との合計の幅よりも広くてもよい。
【００１７】
前記第２離間領域は、前記第２端領域と同一の材料により形成されていてもよい。
【００１８】
前記第２離間領域は、前記第１中央領域と同一の材料により形成されていてもよい。
【００１９】
前記複数の単セルの前記少なくとも一つは、前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームとは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータを含み、前記複数の単セルの前記少なくとも一つに隣接した他の単セルは、第２膜電極ガス拡散層接合体、及び前記第２膜電極ガス拡散層接合体を支持する第２フレーム、を含み、前記第２膜電極ガス拡散層接合体及び第２フレームは、前記第２セパレータに対向し、前記第２セパレータは、前記第１基部に当接する第２基部、及び前記第２基部から前記第２フレームに向けて突出して前記第１方向に沿った幅を有した第２ビード部、を含み、前記第２ビード部は、前記第２基部よりも前記第２フレームに近い位置にある第２頂部、前記第１方向での前記第２頂部の一端と前記第２基部との間で連続した第３側部、及び前記第１方向での前記第２頂部の他端と前記第２基部との間で連続した第４側部、を含み、前記第２頂部と前記第２フレームとの間には、第２弾性部が設けられており、前記第２弾性部は、前記第２頂部の一端と前記第２頂部の他端とにそれぞれ当接する第３及び第４端領域、及び前記第３及び第４端領域の間に位置する第２中央領域、を含み、前記第２中央領域の弾性率は、前記第３及び第４端領域の各弾性率よりも大きくてもよい。
【００２０】
前記複数の単セルの前記少なくとも一つは、前記第１膜電極ガス拡散層接合体及び第１フレームとは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータを含み、前記複数の単セルの前記少なくとも一つに隣接した他の単セルは、第２膜電極ガス拡散層接合体、及び前記第２膜電極ガス拡散層接合体を支持する第２フレーム、を含み、前記第２膜電極ガス拡散層接合体及び第２フレームは、前記第２セパレータに対向し、前記第２セパレータは、前記第１基部に当接する第２基部、及び前記第２基部から前記第２フレームに向けて突出して前記第１方向に沿った幅を有した第２ビード部、を含み、前記第２ビード部は、前記第２基部よりも前記第２フレームに近い位置にある第２頂部、前記第１方向での前記第２頂部の一端と前記第２基部との間で連続した第３側部、及び前記第１方向での前記第２頂部の他端と前記第２基部との間で連続した第４側部、を含み、前記第２頂部と前記第２フレームとの間には、第２弾性部が設けられており、前記第２弾性部は、前記第２頂部の一端と前記第２頂部の他端とにそれぞれ当接する第３及び第４端領域、及び前記第３及び第４端領域の間に位置する第２中央領域、を含み、前記第２中央領域の弾性率は、前記第３及び第４端領域の各弾性率よりも小さくてもよい。
【００２１】
前記第２中央領域の幅は、前記第３及び第４端領域の合計の幅よりも狭くてもよい。
【００２２】
前記第２中央領域の幅は、前記第３及び第４端領域の合計の幅よりも広くてもよい。
【００２３】
前記第２弾性部は、前記第２フレームに予め一体に形成されていてもよい。
【００２４】
前記第２弾性部は、前記第３端領域に連続的に形成され前記第２頂部から離間した第３離間領域を含んでもよい。
【００２５】
前記第２弾性部は、前記第４端領域に連続的に形成され前記第２頂部から離間した第４離間領域を含んでもよい。
【発明の効果】
【００２６】
ビード部とフレームとの間のシール性が向上した燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。
【図２】図２は、セパレータの正面図である。
【図３】図３は、図２に示したＡ−Ａ線に対応する単セルの断面図である。
【図４】図４Ａは、比較例の説明図であり、図４Ｂは、比較例のセパレータの各頂部に作用する＋Ｘ方向での面圧分布を示したグラフである。
【図５】図５Ａは、本実施例の説明図であり、図５Ｂは、本実施例のセパレータのそれぞれの頂部に作用する＋Ｘ方向での面圧分布を示したグラフである。
【図６】図６Ａは、締結前の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図６Ｂは、締結後の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図６Ｃは、締結後のビード部の頂部の面圧分布を示したグラフである。
【図７】図７Ａは、第１変形例での、締結前の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図７Ｂは、第１変形例での、締結後の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図７Ｃは、第１変形例での、締結後の単セルの頂部の面圧分布を示したグラフである。
【図８】図８Ａは、第２変形例での、締結前の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図８Ｂは、第２変形例での、締結後の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図８Ｃは、第２変形例での、締結後の単セルの頂部の面圧分布を示したグラフである。
【図９】図９Ａは、第３変形例での、締結前の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図９Ｂは、第３変形例での、締結後の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図９Ｃは、第３変形例での、締結後の単セルの頂部の面圧分布を示したグラフである。
【図１０】図１０Ａは、第４変形例での、締結前の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図１０Ｂは、第４変形例での、締結後の単セルのビード部周辺を示した部分断面図であり、図１０Ｃは、第４変形例での、締結後の単セルの頂部の面圧分布を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｘ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。
【００２９】
燃料電池スタック１は、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）、枠状のフレーム５０、及びアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）を含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０よりも＋Ｚ方向側に配置されてこれらと対向している。セパレータ４０は、セパレータ２０よりも＋Ｚ方向側に配置されてこれと対向している。フレーム５０は、絶縁性を有しており、内周部がＭＥＧＡ１０の外周部に接合された枠状の部材である。ＭＥＧＡ１０は、第１膜電極ガス拡散層接合体の一例である。フレーム５０は、第１フレームの一例である。セパレータ２０は、第１セパレータの一例である。セパレータ４０は、第２セパレータの一例である。
【００３０】
ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。また、ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃに挟持された膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）を含む。ＭＥＡは、電解質膜、及びアノード触媒層及びカソード触媒層を含む。アノード触媒層は、電解質膜のセパレータ２０側の面に形成されており、拡散層１６ａが接合されている。カソード触媒層は、電解質膜のセパレータ２０とは反対側の面に形成されており、拡散層１６ｃが接合されている。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。
【００３１】
セパレータ２０及び４０、及びフレーム５０には、孔ａ１〜ａ６が貫通するように形成されている。セパレータ２０及び４０、及びフレーム５０の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ａ１は、カソード入口マニホールドを画定する。孔ａ２は、冷却水入口マニホールドを画定する。孔ａ３は、アノード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、アノード入口マニホールドを画定する。孔ａ５は、冷却水出口マニホールドを画定する。孔ａ６は、カソード出口マニホールドを画定する。
【００３２】
ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通してアノードガスが流れるアノード流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部２０Ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ２０に対向するセパレータ４０の面には、流路部２０Ｂと共に、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部４０Ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ２０に対向するセパレータ４０の面とは反対側の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂは、セパレータ２０の長手方向であるＹ方向に延びＸ方向に並設された複数の溝部により構成されている。流路部４０Ａ及び４０Ｂも同様である。
【００３３】
流路部２０Ｂ及び４０Ｂは、それぞれ、流路部２０Ａ及び４０Ａと表裏一体に形成されている。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状の部材である。
【００３４】
セパレータ２０には、詳しくは後述するが、外周縁に沿って周回したビード部２４が形成されている。セパレータ４０にも同様に、ビード部４４が形成されている。ビード部２４は、流路部２０Ａ及び２０Ｂや孔ａ１〜ａ６を包囲し、ビード部４４は、流路部４０Ａ及び４０Ｂや孔ａ１〜ａ６を包囲している。ビード部２４及び４４は、セパレータ２０及び４０を積層した状態で、Ｚ方向で互いに対向する。また、セパレータ２０には、孔ａ１〜ａ６のそれぞれを包囲するビード部２９１〜２９６が形成されており、同様に、セパレータ４０には、孔ａ１〜ａ６のそれぞれを包囲するビード部４９１〜４９６が形成されている。ビード部２９１〜２９６もそれぞれビード部４９１〜４９６にＺ方向で互いに対向する。これらビード部２４、４４、２９１〜２９６、及び４９１〜４９６により、アノードガスやカソードガス、及び冷却水の漏れを防止する。
【００３５】
図２は、セパレータ４０の正面図である。図２は、セパレータ４０を＋Ｚ方向側から見た場合を示している。図２には、セパレータ４０とセパレータ２０との溶接ラインＬ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６、及びＬ１０を点線で示している。溶接ラインＬ１、Ｌ３、Ｌ４、及びＬ６は、それぞれビード部４９１、４９３、４９４、及び４９６を包囲している。溶接ラインＬ１０は、ビード部４４を包囲している。セパレータ２０及び４０は、複数の単セル２が積層される前に、これらの溶接ラインに沿って溶接されている。尚、セパレータ２０及び４０の接合方法は溶接に限定されず、接着剤を用いてもよい。
【００３６】
［締結前の状態］
図３は、図２に示したＡ−Ａ線に対応する単セル２の断面図である。図３には、単セル２に＋Ｚ方向側で隣接した他の単セル２−１と、単セル２−１に＋Ｚ方向で隣接した他の単セルのフレーム５０−２とを示している。尚、単セル２−１は、単セル２と同一の部材であるが、説明の便宜上、異なる符号を付している。従って、セパレータ２０及び２０−１は同一の部材であり、セパレータ４０及び４０−１も同一の部材であり、フレーム５０、５０−１、及び５０−２も同一の部材である。また、詳しくは後述する弾性部６０、６０−１、７０−１、及び７０−２は同一の部材である。尚、セパレータ２０−１及び４０−１、フレーム５０−１、弾性部６０−１及び７０−１は、単セル２−１に含まれる。弾性部７０−２、フレーム５０−２は、単セル２−１に＋Ｚ方向側で隣接した他の単セルに含まれる。
【００３７】
上述したようにセパレータ２０及び４０は溶接されており、セパレータ２０−１及び４０−１も同様に溶接されている。図３は、積層された複数の単セル２、２−１等が締結される前であって、セパレータ２０及び４０とセパレータ２０−１及び４０−１とがＸ方向で位置がずれている状態を示している。締結前の状態では、積層された複数の単セル２、２−１等には、積層方向であるＺ方向に圧縮荷重は作用していない。尚、締結作業は、複数の単セル２、２−１等から構成される積層体の一端側及び他端側のそれぞれに、積層体側から順にターミナルプレート、インシュレータ、エンドプレートを積層し、両端に配置されたエンドプレート同士を複数のテンションプレートで連結することにより行われる。
【００３８】
［ビード部２４及び４４の構造］
ビード部２４の構造について説明する。セパレータ２０のビード部２４は、基部２１から−Ｚ方向に、即ちフレーム５０に向けて突出している。ビード部２４は、図３ではＸ方向の幅を有してＹ方向に延びている。基部２１は、ＸＹ平面と略平行に延びた平板状である。ビード部２４は、頂部２５、及び側部２６及び２７を含む。頂部２５は、基部２１よりもフレーム５０に近い位置にあり、ＸＹ平面に対して略平行である。側部２６は、基部２１と＋Ｘ方向での頂部２５の一端との間で連続しており、基部２１に対して傾斜している。詳細には、側部２６は、フレーム５０側での基部２１と間の角度が９０度よりも大きい角度で傾斜している。側部２７は、基部２１と＋Ｘ方向での頂部２５の他端との間で連続しており、基部２１に対して傾斜している。側部２７についても、フレーム５０側での基部２１との間の角度は９０度よりも大きい角度で傾斜している。側部２６及び２７は、Ｘ方向で互いに対向している。
【００３９】
ビード部２４は第１ビード部の一例である。基部２１は、第１基部の一例である。頂部２５は、第１頂部の一例である。側部２６及び２７は、それぞれ第１及び第２側部の一例である。尚、流路部２０Ａ及び２０Ｂを表裏一体に構成する複数の溝部や他のビード部も、ビード部２４と同様に基部２１から−Ｚ方向に突出するように設けられている。
【００４０】
次にビード部４４について説明する。セパレータ４０のビード部４４は、基部４１から＋Ｚ方向に、即ちフレーム５０−１に向けて突出している。ビード部４４も、セパレータ２０のビード部２４と同様に図３ではＸ方向の幅を有してＹ方向に延びている。基部４１は、基部２１に略平行に延びた平板状であり、上述した溶接ラインに従って基部２１と溶接されている。ビード部４４は、頂部４５、及び側部４６及び４７を含む。頂部４５は、基部４１よりもフレーム５０−１に近い位置にある。側部４６は、基部４１と＋Ｘ方向での頂部４５の一端との間で連続しており、基部４１に対して傾斜している。側部４７は、基部４１と＋Ｘ方向での頂部４５の他端との間で連続しており、基部４１に対して傾斜している。側部４６及び４７は、それぞれセパレータ２０のビード部２４の側部２６及び２７とＹ方向で対向している。
【００４１】
図３は締結前の状態を示しているため、頂部２５及び４５は略ＸＹ平面に平行な状態となっている。ビード部４４は、第２ビード部の一例である。基部４１は、第２基部の一例である。頂部４５は、第２頂部の一例である。側部４６及び４７は、それぞれ第３及び第４側部の一例である。尚、流路部４０Ａ及び４０Ｂを表裏一体に構成する複数の溝部や他のビード部も、ビード部４４と同様に基部４１から＋Ｚ方向に突出して設けられている。
【００４２】
［弾性部６０及び７０−１の概略構成］
単セル２のビード部２４の頂部２５とフレーム５０との間には、弾性部６０が配置されている。弾性部６０は、頂部２５と略同じ幅を有して頂部２５と同様にＹ方向に延びている。弾性部６０は、セパレータ２０の頂部２５に予め接着されているがこれに限定されない。同様に、単セル２のセパレータ４０のビード部４４の頂部４５と単セル２−１のフレーム５０−１との間には、弾性部７０−１が配置されている。弾性部７０−１は、頂部４５と略同じ幅を有して頂部４５と同様にＹ方向に延びている。弾性部７０−１についても弾性部６０と同様に、セパレータ４０の頂部４５に予め接着されているがこれに限定されない。弾性部６０−１及び７０−２についても同様である。これらの弾性部は、発泡ゴムや、未発泡ゴム、熱可塑エラストマー、又はゴムと熱可塑性エラストマーとを混合したものの何れでもよい。また、弾性部６０は、詳しくは後述するが、弾性率が異なる端領域６１及び６２と中央領域６３とを含む。他の弾性部６０−１、７０−１、及び７０−２も同様である。
【００４３】
尚、フレーム５０は、これら弾性部よりも弾性率が大きい材料により形成され、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート等の合成樹脂製である。弾性部６０は、第１弾性部の一例である。弾性部７０−１は、第２弾性部の一例である。単セル２−１は、単セル２に隣接した他の単セルの一例である。フレーム５０−１は、第２フレームの一例であり、不図示のＭＥＧＡを支持している。フレーム５０―１に支持されるＭＥＧＡは、第２膜電極ガス拡散層接合体の一例である。
【００４４】
図３に示したような位置ずれが生じていない状態で複数の単セルが締結されることが望ましいが、締結作業時の各単セルの位置決めの精度や、寸法誤差等によっては、位置ずれが生じることが考えられる。このように位置ずれが生じた状態で複数の単セル等が締結されると、以下に説明する比較例のような問題が生じる場合がある。
【００４５】
［比較例の締結後の状態］
図４Ａは、比較例の説明図である。図４Ａは、セパレータ２０及び４０とセパレータ２０−１及び４０−１との位置がＸ方向でずれた状態で、単セル２ｘ、２ｘ−１等の締結後の状態を示している。比較例の燃料電池スタック１ｘの単セル２ｘ及び２ｘ−１では、弾性部６０ｘ、６０ｘ−１、７０ｘ−１、及び７０ｘ−２が用いられる。これら弾性部は、上述した本実施例と異なり、弾性率が同じである単一の材料により形成されている。
【００４６】
単セル２ｘ、２ｘ−１が締結されてＺ方向に圧縮荷重が作用すると、セパレータ２０のビード部２４が潰れるように変形する。具体的には、側部２６及び２７が倒れるように変形して、頂部２５の中央部がフレーム５０から離間するように湾曲する。これにより、弾性部６０ｘも頂部２５に追従して変形し、弾性部６０ｘの中央部とフレーム５０との間に隙間が生じる。セパレータ４０のビード部４４も同様に変形し、弾性部７０ｘ−１の中央部とフレーム５０−１との間に隙間が生じる。弾性部６０ｘ−１及び７０ｘ−２も同様である。
【００４７】
図４Ｂは、比較例のセパレータ２０及び２０−１の各頂部２５に作用する＋Ｘ方向での面圧分布を示したグラフである。セパレータ２０の頂部２５の面圧は、頂部２５の両端部で相対的に高くなり中央部で相対的に小さくなる。頂部２５と同様に弾性部６０ｘが変形して、弾性部６０ｘの中央部がフレーム５０から離間しているからである。セパレータ２０−１の頂部２５の面圧も同様である。尚、セパレータ４０の頂部４５の面圧分布は、セパレータ２０の頂部２５の面圧分布と略同じであり、セパレータ４０−１の頂部４５の面圧分布は、セパレータ２０−１の頂部２５の面圧分布と略同じである。
【００４８】
上述したようにセパレータ２０及び４０とセパレータ２０−１及び４０−１との位置がＸ方向でずれているため、図４Ｂに示すように、セパレータ２０の頂部２５の面圧の高い両端部の位置と、セパレータ２０−１の頂部２５の面圧が高い両端部の位置とがＺ方向で重ならない場合がある。このため、セパレータ２０の頂部２５とフレーム５０との間や、セパレータ４０の頂部４５とフレーム５０−１との間、セパレータ２０−１の頂部２５とフレーム５０−１との間、セパレータ４０−１の頂部４５とフレーム５０−２との間のシール性が低下する可能性がある。
【００４９】
［本実施例の締結後の状態］
図５Ａは、本実施例の説明図である。図５Ａは、セパレータ２０及び４０とセパレータ２０−１及び４０−１との位置がＸ方向でずれた状態で、単セル２、２−１等の締結後の状態を示している。本実施例でも比較例と同様に頂部２５及び４５は弾性変形するが、弾性部６０及び７０−１等の変形の仕方が上述した比較例とは異なっている。例えば弾性部６０は、中央部の厚みが増すように変形して、フレーム５０から離間することなく密着している。弾性部６０−１、７０−１、及び７０−２も同様である。
【００５０】
図５Ｂは、本実施例のセパレータ２０及び２０−１のそれぞれの頂部２５に作用する＋Ｘ方向での面圧分布を示したグラフである。弾性部６０は、頂部２５とフレーム５０との双方に密着するように変形している、頂部２５の面圧は、略均等になる。セパレータ２０−１の頂部２５に作用する面圧も同様である。このため、セパレータの位置ずれが生じていても、セパレータ２０の頂部２５の面圧が高い部位の位置と、セパレータ２０−１の頂部２５の面圧が高い部位の位置との、Ｚ方向での重なり量を確保することができる。このため、互いに対向するビード部とフレームと間のシール性が向上している。
【００５１】
尚、ビード部の頂部の面圧は、上述した位置ずれが生じていない場合であっても均一であることが望ましい。例えば図４Ａに示したようにセパレータ２０の頂部２５の面圧が不均一であると、弾性部６０ｘとフレーム５０との間に密着が不十分な部位が生じ、シール性が低下する可能性があるからである。
【００５２】
［弾性部６０及び７０−１の詳細］
弾性部６０及び７０−１について詳細に説明する。図６Ａは、締結前の単セル２のビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図６Ｂは、締結後の単セル２のビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図６Ｃは、締結後のビード部２４の頂部２５の面圧分布を示したグラフである。
【００５３】
弾性部６０は、端領域６１及び６２、及び中央領域６３を含む。端領域６１及び６２は、ビード部２４の幅方向である＋Ｘ方向の一端と他端とに位置している。中央領域６３は、端領域６１及び６２の間に位置している。中央領域６３の弾性率は、端領域６１及び６２の各弾性率よりも大きい。弾性率は、変形のし難さを表す物性値である。従って、中央領域６３は、端領域６１及び６２よりも弾性変形し難い。端領域６１及び６２は、同一の材料により形成され、中央領域６３は、端領域６１及び６２とは異なる材料により形成されている。例えば、端領域６１及び６２の材料は、スチレン系又はオレフィン系の熱可塑性エラストマーであり、中央領域６３の材料は、ウレタン系、エステル系、又はアミド系の熱可塑性エラストマーである。
【００５４】
端領域６１及び６２と中央領域６３とのＺ方向の厚みは、締結前の状態では略同じである。端領域６１、端領域６２、及び中央領域６３のそれぞれの幅Ｗ１、Ｗ２、及びＷ３についても、締結前の状態では略同じ大きさである。また、締結前の状態では、中央領域６３の幅Ｗ３は、端領域６１の幅Ｗ１及び端領域６２の幅Ｗ２の合計よりも狭い。同様に、弾性部７０−１は、端領域７１及び７２、及び中央領域７３を含み、それぞれ端領域６１及び６２、中央領域６３と、材料、大きさ、及び形状が同じである。端領域６１及び６２は、それぞれ第１及び第２端領域の一例である。中央領域６３は、第１中央領域の一例である。端領域７１及び７２は、それぞれ第３及び第４端領域の一例である。中央領域７３は、第２中央領域の一例である。
【００５５】
図６Ｂに示すように締結後の状態では、端領域６１及び６２には、ビード部２４の頂部２５の＋Ｘ方向での一端及び他端のそれぞれから大きな圧縮荷重が作用し、頂部２５は中央領域６３から離れるように湾曲する。端領域６１及び６２に大きな圧縮荷重が作用することにより、端領域６１及び６２は、Ｘ方向に伸びるように弾性変形しようとする。ここで、端領域６１の中央領域６３近傍の部位は、端領域６１よりも弾性変形し難い中央領域６３により＋Ｘ方向に伸びることが規制され、端領域６２の中央領域６３近傍の部位は、端領域６２よりも弾性変形し難い中央領域６３により−Ｘ方向に伸びることが規制される。この結果、端領域６１の中央領域６３近傍の部位、及び端領域６２の中央領域６３近傍の部位は、中央領域６３を乗り越えて中央領域６３と湾曲した頂部２５の中央部との間に入り込む。
【００５６】
以上のように弾性部６０は、ビード部２４の頂部２５が湾曲しても、頂部２５の形状に追従して、頂部２５とフレーム５０との間で隙間が生じないように変形する。従って、弾性部６０が頂部２５とフレーム５０との間で両者に密着し、図６Ｃに示すように頂部２５の面圧は均一となる。同様に、弾性部７０−１も、端領域７１及び７２も中央領域７３と湾曲した頂部４５の中央部との間に入り込むように変形し、頂部４５の面圧は均一となる。このようにして、ビード部２４とフレーム５０との間のシール性、及びビード部４４とフレーム５０−１との間のシール性が向上している。
【００５７】
上述したように、中央領域６３の幅Ｗ３は、端領域６１の幅Ｗ１及び端領域６２の幅Ｗ２の合計よりも狭いことが望ましい。端領域６１及び６２に圧縮荷重が作用した場合に、中央領域６３と頂部２５との間の隙間を埋めるように伸びるために必要となる端領域６１及び６２の体積を確保することができるからである。尚、図６Ｂに示すように、締結後の状態であっても、中央領域６３の幅は、端領域６１の幅及び端領域６２の幅の合計よりも狭い。
【００５８】
弾性部６０はビード部２４の頂部２５に接着されているため、中央領域６３と頂部２５との接着力は、強すぎないことが望ましい。具体的には、図６Ｂに示したように、締結による圧縮荷重が弾性部６０に作用することにより、中央領域６３と頂部２５との間に端領域６１及び６２の一部が入り込み、中央領域６３が頂部２５から剥離される程度の接着力で接着されていることが好ましい。弾性部７０−１についても同様である。
【００５９】
弾性部６０は、頂部２５に接着されておらずに、フレーム５０に予め一体に形成されていてもよい。この場合、フレーム５０の弾性部６０が形成された側の面と反対側の面にも同様の弾性部が予め一体に形成されていてもよい。この場合も、ビード部の面圧を均一にできシール性を向上させることができる。また、このような弾性部６０がフレーム５０に予め一体に形成されていることにより、弾性部６０をセパレータ２０に接着する作業が不要となり、組み立て工程を簡略化できる。同様に、弾性部７０−１も、セパレータ４０の頂部４５には接着されておらずに、フレーム５０−１に予め一体に形成されていてもよい。
【００６０】
尚、例えば図３に示したフレーム５０−１に弾性部６０―１及び７０−１が予め一体に形成されている場合には、図３に示したようにセパレータの位置ずれに伴って弾性部６０−１及び７０−１の位置がずれることはないと考えられる。しかしながら、上述したようにセパレータの位置ずれが生じていなくてもビード部の面圧を均一にすることによりシール性を向上させることができるため、フレームと一体に形成される弾性部についても本実施例のような弾性部を採用することが好ましい。
【００６１】
端領域６１及び６２の弾性率は同じであるがこれに限定されず、中央領域６３の弾性率よりも小さければ、端領域６１及び６２の弾性率は異なっていてもよい。従って、端領域６１及び６２の材料は異なっていてもよい。
【００６２】
端領域６１及び６２と中央領域６３との厚みは、略同じであるがこれに限定されない。ビード部２４の頂部２５の変形に追従するように、端領域６１及び６２が中央領域６３と頂部２５との間に入り込むように伸びればよいため、端領域６１及び６２、中央領域６３の厚みは異なっていてもよい。
【００６３】
図６Ａ等に示したように、ビード部２４及び４４の形状は、基部２１及び４１の当接面を通過するＸＹ平面に対して略対称であるが、これに限定されない。例えば、ビード部２４の基部２１からの−Ｚ方向での突出高さと、ビード部４４の基部４１からの＋Ｚ方向での突出高さとは異なっていてもよい。
【００６４】
上記の説明では、セパレータ２０の外周縁に沿って周回するビード部２４とフレーム５０との間に配置される弾性部６０について説明したが、孔ａ１〜ａ６をそれぞれ包囲するビード部２９１〜２９６の何れかとフレーム５０との間に弾性部６０を設けてもよい。同様に、ビード部４９１〜４９６の何れかとフレーム５０−１との間に弾性部７０を設けてもよい。
【００６５】
［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。変形例については、上述した本実施例と同一の構成については同一の符号を用いて説明する。図７Ａは、第１変形例での、締結前の単セル２ａのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図７Ｂは、第１変形例での、締結後の単セル２ａのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図７Ｃは、第１変形例での、締結後の単セル２の頂部２５の面圧分布を示したグラフである。
【００６６】
第１変形例での燃料電池スタック１ａでは、弾性部６０ａ及び７０ａ―１が採用されている。弾性部６０ａは、端領域６１ａ及び６２ａ、及び中央領域６３ａを含む。上述した本実施例とは異なり、中央領域６３ａの弾性率は、端領域６１ａ及び６２ａの各弾性率よりも小さい。例えば、中央領域６３ａの材料は、スチレン系又はオレフィン系の熱可塑性エラストマーであり、端領域６１ａ及び６２ａの材料は、ウレタン系、エステル系、又はアミド系の熱可塑性エラストマーである。
【００６７】
締結前の状態において、中央領域６３ａの幅Ｗ３ａは、端領域６１ａの幅Ｗ１ａ及び端領域６２ａの幅Ｗ２ａの合計よりも大きい。第１変形例では、幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の約８分の１であり、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の約４分の３である。同様に、弾性部７０ａ−１は、端領域７１ａ及び７２ａ、及び中央領域７３ａを含み、それぞれ端領域６１ａ及び６２ａ、及び中央領域６３ａと材料、大きさ、及び形状が同じである。尚、図７Ｂに示すように、締結後の状態であっても、中央領域６３ａの幅は、端領域６１ａの幅及び端領域６２ａの幅の合計よりも大きい。
【００６８】
弾性部６０ａに圧縮荷重が作用すると、弾性率の大きい端領域６１ａ及び６２ａは変形し難いが、弾性率が小さい中央領域６３ａはＸ方向に伸びるように変形しようとする。しかしながら、このような中央領域６３ａの変形は端領域６１ａ及び６２ａにより規制され、中央領域６３ａはビード部２４の頂部２５の中央部に向けて隆起するように変形する。このようにして頂部２５とフレーム５０との間に隙間が生じないように弾性部６０ａが変形するため、頂部２５の面圧を均一にすることができる。同様に、中央領域７３ａも湾曲した頂部４５の中央部に向けて隆起するように伸び、頂部４５の面圧が均一となる。このようにして、シール性が向上している。
【００６９】
幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の４分の１未満であり、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の２分の１以上であってもよい。好ましくは、幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の５分の１未満であり、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の５分の３以上であってもよい。更に好ましくは、幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の６分の１未満であり、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の３分の２以上であってもよい。更に好ましくは、幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の７分の１未満であり、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の７分の５以上であってもよい。幅Ｗ３ａが狭すぎると、ビード部２４の頂部２５の中央部とフレーム５０との間の隙間を埋めるための中央領域６３ａの体積を確保することができないからである。
【００７０】
また、幅Ｗ１ａ及びＷ２ａのそれぞれは、弾性部６０ａの全体の幅の１６分の１より大きく、幅Ｗ３ａは、弾性部６０ａの全体の幅の８分の７未満であってもよい。幅Ｗ１ａ及びＷ２ａが狭すぎると、端領域６１ａ及び６２ａの剛性を確保することができずに、中央領域６３ａのＸ方向に伸びようとする変形を端領域６１ａ及び６２ａにより規制することが困難となるからである。
【００７１】
端領域６１ａ及び６２ａの弾性率は同じであるが、中央領域６３ａの弾性率よりも大きければ、端領域６１ａ及び６２ａの弾性率は異なっていてもよい。弾性部６０ａは、フレーム５０とは別体に設けられてビード部２４の頂部２５に接着されていてもよいし、フレーム５０に予め一体に形成されていてもよい。弾性部７０ａ−１も同様である。第１変形例で示した弾性部６０ａと上述した本実施例で示した弾性部７０−１とを用いてもよいし、第１変形例で示した弾性部７０ａ―１と上述した本実施例で示した弾性部６０とを用いてもよい。
【００７２】
［第２変形例］
図８Ａは、第２変形例での、締結前の単セル２ｂのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図８Ｂは、第２変形例での、締結後の単セル２ｂのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図８Ｃは、第２変形例での、締結後の単セル２ｂの頂部２５の面圧分布を示したグラフである。
【００７３】
第２変形例の燃料電池スタック１ｂの単セル２ｂのフレーム５０の一方の面には、全面に亘って弾性部６０ｂが予め一体に形成されている。弾性部６０ｂは、端領域６１ｂ及び６２ｂ、及び中央領域６３を含む。端領域６１ｂ及び６２ｂは、本実施例の端領域６１及び６２と同じ材料により形成されており、弾性率も同じである。端領域６１ｂ及び６２ｂは、頂部２５から離間して接触しない領域にまで延びている。端領域６１ｂ及び６２ｂのそれぞれの、頂部２５から離間して接触しない領域は、頂部２５に接触する領域の幅よりも大きい。同様に、弾性部７０ｂ−１は、端領域７１ｂ及び７２ｂ、及び中央領域７３を含み、それぞれ端領域６１ｂ及び６２ｂ、及び中央領域６３と、材料、形状、及び大きさが同じである。尚、フレーム５０の弾性部６０ｂが設けられた面とは反対側の面にも、弾性部６０ｂと同様の弾性部が予め一体に形成されている。
【００７４】
端領域６１ｂの、頂部２５の一端に対向する領域は第１端領域の一例であり、端領域６１ｂの頂部２５とは接触しない領域は、第１端領域に連続的に形成された第１離間領域の一例である。端領域６２ｂの、頂部２５の他端に対向する領域は第２端領域の一例であり、端領域６２ｂの頂部２５とは接触しない領域は、第２端領域に連続的に形成された第２離間領域の一例である。端領域７１ｂの、頂部４５の一端に対向する領域は第３端領域の一例であり、端領域７１ｂの頂部４５とは接触しない領域は、第３端領域に連続的に形成された第３離間領域の一例である。端領域７２ｂの、頂部４５の他端に対向する領域は第４端領域の一例であり、端領域７２ｂの頂部４５とは接触しない領域は、第４端領域に連続的に形成された第４離間領域の一例である。
【００７５】
弾性部６０ｂに圧縮荷重が作用すると、端領域６１ｂ及び６２ｂが圧縮されて、図６Ｂに示した本実施例と同様に、端領域６１ｂ及び６２ｂの中央領域６３近傍の部位が中央領域６３と頂部２５との間に入り込むように変形し、頂部２５の面圧を均一にすることができる。弾性部７０ｂ−１も同様である。これによりシール性が向上する。
【００７６】
上述したように、端領域６１ｂ及び６２ｂのそれぞれの、頂部２５から離間して接触しない領域は、頂部２５に接触する領域の幅よりも大きいため、フレーム５０及び弾性部６０ｂの全体の剛性が確保されている。従って、締結後の状態でフレーム５０及び弾性部６０ｂの全体が撓むことが抑制され、シール性を確保することができる。尚、フレーム５０の一方の面の全面に亘って弾性部６０ｂが予め一体に形成されていてもよい。これにより、更にフレーム５０及び弾性部６０ｂの全体の剛性を確保することができる。
【００７７】
また、第２変形例では、図示は省略してあるがフレーム５０の他方の面にも弾性部６０ｂと同様の弾性部が一体に形成されている。ここで、フレーム５０の一方の面にのみ弾性部６０ｂが一体に形成されフレーム５０の他方の面にはフレーム５０とは別体の弾性部が設けられている場合には、フレーム５０と弾性部６０ｂとの熱膨張率の相違に起因して温度変化に応じて反りが発生する可能性がある。第２変形例では、このような問題の発生を抑制できる。
【００７８】
端領域６１ｂ及び６２ｂは、頂部２５から離間して接触しない領域にまで延びているため、例えば頂部２５の中心から中央領域６３の中心が僅かにずれた状態で締結されても、頂部２５の一端及び他端の間に中央領域６３が位置していれば、頂部２５の一端及び他端はそれぞれ端領域６１ｂ及び６２ｂに接触する。従って、このような状態でも端領域６１ｂ及び６２ｂの中央領域６３近傍の部位が中央領域６３と頂部２５との間に入り込むように伸び、シール性が向上している。
【００７９】
また、端領域６１ｂは、頂部２５に接触する領域も接触しない領域も同じ材料により形成されているため、材料費の増大を抑制でき、製造コストの増大が抑制されている。端領域６２ｂ、７１ｂ、及び７２ｂも同様である。
【００８０】
尚、弾性部６０ｂは、フレーム５０の一方の面に全面に亘って形成されていてもよいし、ビード部２４から離れた部位でフレーム５０の一方の面を露出するように弾性部６０ｂが設けられていない部位があってもよい。
【００８１】
［第３変形例］
図９Ａは、第３変形例での、締結前の単セル２ｃのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図９Ｂは、第３変形例での、締結後の単セル２ｃのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図９Ｃは、第３変形例での、締結後の単セル２ｃの頂部２５の面圧分布を示したグラフである。
【００８２】
第３変形例の燃料電池スタック１ｃの単セル２ｃのフレーム５０の一方の面に、全面に亘って弾性部６０ｃが予めフレーム５０と一体に形成されている。弾性部６０ｃは、端領域６１ａ及び６２ａ、中央領域６３ａ、及び離間領域６４ｃ及び６５ｃを含む。離間領域６４ｃ及び６５ｃは、中央領域６３ａと同じ材料により形成されており、離間領域６４ｃ及び６５ｃの各弾性率は、中央領域６３ａの弾性率と同じである。離間領域６４ｃ及び６５ｃのそれぞれは、頂部２５に対向せずに、中央領域６３ａ及び端領域６１ａ及び６２ａの合計の幅よりも広く形成されている。同様に、弾性部７０ｃ−１は、端領域７１ａ及び７２ａ、中央領域７３ａ、及び離間領域７４ｃ及び７５ｃを含み、それぞれ端領域６１ａ及び６２ａ、中央領域６３ａ、及び離間領域６４ｃ及び６５ｃと、材料、大きさ、及び形状が同じである。離間領域６４ｃ及び６５ｃは、それぞれ第１及び第２離間領域の一例である。離間領域７４ｃ及び７５ｃは、それぞれ第３及び第４離間領域の一例である。
【００８３】
第３変形例においても、第１変形例と同様に、端領域６１ａ及び６２ａにより中央領域６３ａのＸ方向に伸びようとする変形を規制して、中央領域６３ａがビード部２４の頂部２５の中央部に向けて隆起するように変形するため、シール性が向上している。弾性部７０ｃ−１についても同様である。
【００８４】
第３変形例でも、頂部２５に接触しない離間領域６４ｃ及び６５ｃが幅広に形成されているため、フレーム５０及び弾性部６０ｃ全体の剛性を確保できる。また、図示は省略してあるがフレーム５０の他方の面にも弾性部６０ｃと同様の弾性部が形成されているため、第２変形例と同様に反りの発生を抑制できる。
【００８５】
また、離間領域６４ｃ及び６５ｃは、中央領域６３ａと同じ材料により形成されているため、材料費の増大を抑制でき、製造コストの増大が抑制されている。離間領域７４ｃ及び７５ｃも同様である。
【００８６】
尚、弾性部６０ｃは、フレーム５０の一方の面に全面に亘って形成されていてもよいし、ビード部２４から離れた部位でフレーム５０の一方の面を露出するように弾性部６０ｃが設けられていない部位があってもよい。
【００８７】
第３変形例で示した弾性部６０ｃと第２変形例で示した弾性部７０ｂ―１とを用いてもよいし、第３変形例で示した弾性部７０ｃ−１と第２変形例で示した弾性部６０ｂとを用いてもよい。
【００８８】
［第４変形例］
図１０Ａは、第４変形例での、締結前の単セル２ｄのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図１０Ｂは、第４変形例での、締結後の単セル２ｄのビード部２４及び４４周辺を示した部分断面図である。図１０Ｃは、第４変形例での、締結後の単セル２ｄの頂部２５の面圧分布を示したグラフである。
【００８９】
第４変形例の燃料電池スタック１ｄの単セル２ｄのフレーム５０の一方の面に、全面に亘って弾性部６０ｄが予めフレーム５０と一体に形成されている。弾性部６０ｄは、端領域６１ｄ及び６２ｄ、及び中央領域６３ａを含む。端領域６１ｄの一端、ビード部２４の頂部２５の一端に当接し、端領域６２ｄの一端はビード部２４の頂部２５の他端に当接するが、端領域６１ｄ及び６２ｄはそれぞれビード部２４の頂部２５から離間して接触しない領域にまで延びている。端領域６１ｄ及び６２ｄのそれぞれの、頂部２５に接触しない領域は、頂部２５に接触する領域よりも幅が広く形成されている。同様に、弾性部７０ｄ−１は、端領域７１ｄ及び７２ｄ、及び中央領域７３ａを含み、それぞれ端領域６１ｄ及び６２ｄ、及び中央領域６３ａと、材料、大きさ、及び形状が同じである。
【００９０】
端領域６１ｄの、頂部２５の一端に対向する領域は第１端領域の一例であり、端領域６１ｄの頂部２５とは接触しない領域は、第１離間領域の一例である。端領域６２ｄの、頂部２５の他端に対向する領域は第２端領域の一例であり、端領域６２ｄの頂部２５とは接触しない領域は、第２離間領域の一例である。端領域７１ｄの、頂部４５の一端に対向する領域は第３端領域の一例であり、端領域７１ｄの頂部４５とは接触しない領域は、第３離間領域の一例である。端領域７２ｄの、頂部４５の他端に対向する領域は第４端領域の一例であり、端領域７２ｄの頂部４５とは接触しない領域は、第４離間領域の一例である。
【００９１】
第４変形例においても、第１変形例と同様に、端領域６１ｄ及び６２ｄにより中央領域６３ａのＸ方向に伸びようとする変形を規制して、中央領域６３ａがビード部２４の頂部２５の中央部に向けて突出するように変形するため、シール性が向上している。弾性部７０ｄ−１についても同様である。
【００９２】
中央領域６３ａよりも弾性率が大きい端領域６１ｄ及び６２ｄが、幅広に形成されているため、フレーム５０及び弾性部６０ｄ全体の剛性を確保することができる。また、図示は省略してあるがフレーム５０の他方の面にも弾性部６０ｄと同様の弾性部が形成されている。このため、第２変形例と同様に反りの発生を抑制できる。
【００９３】
また、端領域６１ｄは、頂部２５に接触する領域も接触しない領域も同じ材料により形成されているため、材料費の増大を抑制でき、製造コストの増大が抑制されている。端領域６２ｄ、７１ｄ、及び７２ｄも同様である。
【００９４】
尚、弾性部６０ｄは、フレーム５０の一方の面に全面に亘って形成されていてもよいし、ビード部２４から離れた部位でフレーム５０の一方の面を露出するように弾性部６０ｄが設けられていない部位があってもよい。
【００９５】
第４変形例で示した弾性部６０ｄと、第２変形例で示した弾性部７０ｂ―１又は第３変形例で示した弾性部７０ｃ―１とを用いてもよい。第４変形例で示した弾性部７０ｄ−１と、第２変形例で示した弾性部６０ｂ又は第３変形例で示した弾性部６０ｃとを用いてもよい。
【００９６】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  燃料電池スタック
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  単セル
２−１  単セル（他の単セル）
１０  膜電極ガス拡散層接合体（第１膜電極ガス拡散層接合体）
２０  アノードセパレータ（第１セパレータ）
４０  カソードセパレータ（第２セパレータ）
２１  基部（第１基部）
４１  基部（第２基部）
２４  ビード部（第１ビード部）
４４  ビード部（第２ビード部）
２５  頂部（第１頂部）
４５  頂部（第２頂部）
２６  側部（第１側部）
２７  側部（第２側部）
４６  側部（第３側部）
４７  側部（第４側部）
５０  フレーム（第１フレーム）
５０−１  フレーム（第２フレーム）
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ  弾性部（第１弾性部）
７０−１、７０ａ―１、７０ｂ−１、７０ｃ−１、７０ｄ−１  弾性部（第２弾性部）
６１、６１ａ  端領域（第１端領域）
６２、６２ａ  端領域（第２端領域）
７１、７１ａ  端領域（第３端領域）
７２、７２ａ  端領域（第４端領域）
６１ｂ、６１ｄ  端領域（第１端領域、第１離間領域）
６２ｂ、６２ｄ  端領域（第２端領域、第２離間領域）
７１ｂ、７１ｄ  端領域（第３端領域、第３離間領域）
７２ｂ、７２ｄ  端領域（第４端領域、第４離間領域）
６４ｃ  離間領域（第１離間領域）
６５ｃ  離間領域（第２離間領域）
７４ｃ  離間領域（第３離間領域）
７５ｃ  離間領域（第４離間領域）
６３、６３ａ  中央領域（第１中央領域）
７３、７３ａ  中央領域（第２中央領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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