(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータに反りが発生していてもシール部材を正確に潰してシール効果を得ることができ、ガス漏れの発生を防止することのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】凹条部と凸条部を交互に形成することにより燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をプレス成形した金属板からなるセパレータ１５に、燃料電池単セルのセパレータ１５、１５間に設けたシール部材２５の頂部形状を保持する保持手段としての凹部２６を形成したので、セパレータ１５に反りがあっても、正確にシール部材２５を潰すことができる。かかるシール部材２５を正確に潰すことができることで、セパレータ１５、１５間を隙間無く密着して接合することができ、これらの間のガス漏れを確実に防止することができる。【選択図】図６
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【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燃料電池単セルの複数個を積層した燃料電池スタックであって、
前記燃料電池単セルの複数個を積層した積層体のうち少なくとも隣り合う燃料電池単セルのセパレータ間にシール部材を設け、そのシール部材の頂部形状を保持する保持手段を、該セパレータに設けた
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記保持手段は、前記セパレータの一部をへこませて前記シール部材の頂部を嵌合させる凹部である
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記凹部を、前記セパレータの外周近傍部に沿って形成した
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【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し、詳細には、シールによるガス漏れ防止技術に関する。  
【背景技術】
【０００２】
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。
【０００３】
しかしながら、プレス加工により金属板の中央部分に凹凸形状のガス流路を形成すると、セパレータの表裏で局部的な伸び量（残留応力）の相違により、セパレータ全体に反りが発生する。
【０００４】
セパレータに反りが発生すると、高分子電解質膜との接触不良による接触抵抗の増大を招き、発電性能の低下が起こる。また、各セパレータのマニホールド付近でのガスシール性の低下が生じる。
【０００５】
そこで、金属板に凹凸形状をなすガス流路をプレス成形した後に、その凹凸部の平坦部分に菱形の微小な圧痕を形成する、或いは、金型の上面及び下面にそれぞれ圧痕形成用の突起を形成しており、ガス流路を成形するときに同時に圧痕を形成することで反りの発生を防止するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、金属板のセンター部に縦長凹凸形状のガス流路をプレス成形した後、そのガス流路の長手方向と直交する周辺部にのみプレスによる圧延方向と同一方向の引張力を加えることで、ガス流路の形成によって圧延されたセンター部の延びを、当該ガス流路の長手方向と直交する圧延されない周辺部で規制することによって生じていた歪みを是正する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−１３８０６５号公報（第５頁から第８頁、第２図および第３図）
【特許文献２】特開２００３−２４９２４１号公報（第２頁および第３頁、第４図〜第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記セパレータで高分子電解質膜をその両側から挟み込んでなる燃料電池単セルは、シール部材を介して複数積層されることで燃料電池スタックを構成する。
【０００８】
しかしながら、シール部材として射出成形により形成した樹脂シールを使用した場合、シール部材の形状は精密な形状であり、且つ正確に潰さないとシール効果が得られない。特に、セパレータが変形していると、シール部材を正確に潰せない可能性がある。
【０００９】
セパレータの反りを無くすために、特許文献１に記載の技術では、金型に微小な圧痕を形成してセパレータの反りを防止し、特許文献２に記載の技術では、ガス流路形成後に引張力を付与する工程を付加してセパレータの反りを防止しているが、これらの技術を用いると、金型のコストアップや工程数増加が避けられない。
【００１０】
そこで、本発明は、セパレータに反りが発生していてもシール部材を正確に潰してシール効果を得ることができ、ガス漏れの発生を防止することのできる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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池スタックは、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燃料電池単セルの複数個を積層した燃料電池スタックである。
【００１２】
そして、本発明では、前記燃料電池単セルの複数個を積層した積層体のうち少なくとも隣り合う燃料電池単セルのセパレータ間にシール部材を設け、そのシール部材の頂部形状を保持する保持手段を、該セパレータに設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シール部材の頂部形状を保持する保持手段をセパレータに設けているので、セパレータ自体に反りがあっても、シール部材の頂部形状を保持手段で保持し得るからシール部材が潰れる際の変形を抑制することができ、当該シール部材を規定値通りに潰すことができる。したがって、本発明によれば、セパレータ間を隙間無くシール部材でシールしてガス漏れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図、図３はセパレータの斜視図、図４は図３に示したセパレータのＢ−Ｂ線断面図である。なお、図２は図３のＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図としている。
【００１６】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１７】
この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１８】
燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口１３より排出される。
【００１９】
燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。
【００２０】
膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００２１】
セパレータ１５は、板厚の薄い金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。かかるセパレータ１５は、図３及び図４に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の領域）に、凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。
【００２２】
膜電極接合体１４のアノード側に接して配置される凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路を形成する。一方、膜電極接合体１４のカソード側に接して配置される凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路を形成する。そして、セパレータ１５，１５同士が接合された凸条部１７，１７で囲まれた空間部は、冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路を形成する。
【００２３】
また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド１８、１９、２０、２１、２２、２３が形成されている。例えば、図３で示すセパレータ１５の奥側左から右へ順次、燃料ガス導入用マニホールド１８、冷却水導入用マニホールド１９、酸化剤導入用マニホールド２０とされている。また、セパレータ１５の手前左から右へ順次、酸化剤排出用マニホールド２１、冷却水排出用マニホールド２２、燃料ガス排出用マニホールド２３とされている。さらに、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔２４が形成されている。
【００２４】
また、セパレータ１５には、燃料電池単セル２の複数個を積層した積層体のうち少なくとも隣り合う燃料電池単セル２のセパレータ１５、１５間に配置されたシール部材２５の頂部形状を保持する保持手段としての凹部２６が形成されている。かかる凹部２６は、セパレータ１５の中央部に形成された凹条部１６及び凸条部１７からなる流通路と各マニホールド１８〜２３を取り囲むようにして配置され、当該セパレータ１５の外周近傍部に矩形状をなす溝として形成されている。
【００２５】
この凹部２６の形状は、図５に示すように、樹脂を射出成形して形成したシール部材２５の頂部を嵌合させるへこみとして形成されている。かかる凹部２６は、例えば幅Ｗを０．４ｍｍ、深さＨを０．２ｍｍ程度とした山形をしたへこみとして形成されている。シール部材２５は、一方のセパレータ１５に設けられる側を平坦とした平坦部２５Ａと、その平坦部２５Ａの中心から突出する山形部２５Ｂとを有した、断面形状として形成されている。かかるシール部材２５は、シール剤からなる樹脂を射出成形することによって精密な寸法及び形状に形成されている。そして、このシール部材２５の頂部２５Ｃは、前記凹部２６に嵌合する形状とされている。
【００２６】
このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とからなる燃料電池単セル２は、一対のセパレータ１５、１５で膜電極接合体１４をその両側から挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体１４の外周縁近傍部に設けられたシール部材２５を介して上下のセパレータ１５、１５同士を接合一体化することで形成されている。また、膜電極接合体１４とセパレータ１５との間には、ガス拡散層の圧縮を適度に行うための外枠部材（フレーム）２７がそれらの外周縁部に沿って設けられている。
【００２７】
かかる構成の燃料電池単セル２は、図２に示すように、お互いのセパレータ１５、１５同士を密着させて積層させ、その積層させたセパレータ１５、１５間にシール部材２５を介在させると共に、該セパレータ１５に形成した凹部２６に該シール部材２５の頂部２５Ｃを嵌合させて密着させている。そして、この燃料電池単セル２の複数個の積層により、積層体としての燃料電池スタック１が構成される。なお、各燃料電池単セル２間にも前記した外枠部材２７を介在させている。
【００２８】
本実施の形態によれば、図６に示すように、プレス加工によって反りが発生したセパレータ１５をシール部材２５に押し付けた場合でも、当該セパレータ１５に形成した凹部２６がシール部材２５の頂部２５Ｃに嵌合するため、前記シール部材２５を正確（規定値）に押し潰すことができる。したがって、セパレータ１５、１５間を隙間無く密着して接合させることができ、ガス漏れを防止することができる。
【００２９】
これに対して、図７に示すように、セパレータ１５に凹部２６を形成しなかった場合は、反りを有したセパレータ１５をシール部材２５に押し付けると、セパレータ１５の反り部分によってシール部材２５が外側に逃げてしまい、当該シール部材２５の潰れが正確（規定値）でなくなる。そのため、指定の潰し量をシール部材２５に与えてもシール部材２５が変形することからセパレータ１５、１５間を隙間無く密着させることが不可能となり、これらの間のガス漏れを防止することができない。
【００３０】
また、本実施の形態によれば、セパレータ１５の外周近傍部に沿って凹部２６を形成したので、この凹部２６によりセパレータ１５自身の剛性が向上すると共に、セパレータ１５の変形を抑制することができる。セパレータ１５の外周近傍部に沿って凹部２６を形成しなかった場合は、図８に示すように、凹条部１６と凸条部１７をプレス加工したときに、局所的な伸び量（残留応力）の相違によってセパレータ１５の側面にしわが発生し変形する。しかしながら、本実施の形態のように、環状溝としての凹部２６をセパレータ１５の外周縁部に形成すれば、当該セパレータ１５の変形を抑制できる。そして、この変形の無いセパレータ１５を使用して製造した燃料電池単セル２を複数個積層してスタッキングすれば、全ての構成部品を正確にスタッキングすることができる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、セパレータ１５の一部をへこませてシール部材２５の頂部２５Ｃを嵌合させる凹部２６を保持手段としたので、前記凹条部１６及び凸条部１７をプレス加工するときにこの凹部２６も一緒に加工することができ、凹部２６を形成するための専用の金型を使用する必要も無く、しかも製造工程も増加させることもない。
【００３２】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３３】
上述の実施の形態では、積層される燃料電池単セル２同士のセパレータ１５、１５間をシールする部分に本発明を適用したが、燃料電池単セル２を構成する膜電極接合体１４とセパレータ１５間に本発明を適用してもよい。そうすれば、膜電極接合体１４とセパレータ１５との間のシール性をより一層高めることができる。
【００３４】
また、上述した実施の形態の説明で使用したセパレータ１５の形状は、一例であって本実施の形態に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。
【図３】セパレータの斜視図である。
【図４】図３に示したセパレータのＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】シール部材の頂部を嵌合させる凹部を形成したセパレータをシール部材に密着させる前の状態を示す要部拡大断面図である。
【図６】シール部材の頂部を嵌合させる凹部を形成したセパレータをシール部材に載せた後、シール部材をセパレータで押し潰した状態を示す要部拡大断面図である。
【図７】凹部の無い反ったセパレータをシール部材に載せた後、シール部材をセパレータで押し潰す工程を順次示す要部拡大断面図である。
【図８】外周縁部に凹部を形成しなかったことによりしわが発生したセパレータの斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…凹条部
１７…凸条部
２５…シール部材
２５Ｃ…頂部
２６…凹部（保持手段）
【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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