(57)【要約】【課題】燃料電池スタックが傾斜した状況下における燃料電池セルの発電性能の維持を図る。【解決手段】膜電極接合体を樹脂シートごとカソード側とアノード側の両セパレータで挟持した燃料電池セルにおいて、樹脂シートの外縁領域のガス排出用のシート側マニホールド孔の開口形状より、両セパレータの外縁領域のシート側マニホールド孔を大きくする。そして、樹脂シートのシート側マニホールド孔と両セパレータのセパレータ側マニホールド孔とで、セル積層によりガス排出用マニホールドを形成する。燃料電池スタックの設置姿勢におけるガス排出用マニホールドの底辺の一部領域においてシート側マニホールド孔の底辺側周壁を切り欠いて切欠部を形成し、この切欠部により、両セパレータのセパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁を切欠部の底部からガス排出用マニホールドの内側に向けて突出させた上で、切欠部をセル積層方向に連続して並ばせる。【選択図】図３
2019160655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の樹脂シートで取り囲んだ膜電極接合体を前記樹脂シートごと前記膜電極接合体の外縁領域でカソード側とアノード側の両セパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、
前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたガス排出用のシート側マニホールド孔と、前記両セパレータの前記外縁領域に前記シート側マニホールド孔の開口形状より大きい開口形状で設けられたガス排出用のセパレータ側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス排出用マニホールドを形成し、
前記燃料電池セルは、
前記燃料電池スタックが設置された姿勢における前記ガス排出用マニホールドの底辺の一部領域において前記シート側マニホールド孔の底辺側周壁を切り欠いて形成された切欠部を有し、
該切欠部は、
前記両セパレータの前記セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁を前記一部領域において前記切欠部の底部から前記ガス排出用マニホールドの内側に向けて突出させて、前記燃料電池セルのセル積層方向に連続して並んでいる、
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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層して構成され、それぞれの燃料電池セルは、膜電極接合体をカソードセパレータとアノードセパレータで挟持する。セパレータによる膜電極接合体の挟持に当たっては、膜電極接合体を枠状の樹脂シートで取り囲んだ上で、膜電極接合体を樹脂シートごとカソード・アノードの両セパレータで挟持する手法が提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−８８２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池スタックは、燃料電池セルのセル積層方向が水平な水平姿勢となるよう設置されるが、常時、水平姿勢にあるとは限らない。例えば、車両等の移動体に搭載された燃料電池では、登坂路での車両の走行過程や、傾斜した駐車路面での駐車過程において、セル積層方向の一端側、例えば燃料電池スタック前端が下で、セル積層方向の他端側の燃料電池スタック後端が上となるように傾斜する場合がある。こうした傾斜姿勢では、膜電極接合体の外縁領域で燃料電池スタックをセル積層方向に貫く燃料ガス・酸化ガスの給排用のマニホールドも傾斜するため、マニホールドに達した水、具体的には生成水や電解質膜を透過した水（詳しくは、水蒸気）がマニホールドを伝わって傾斜下方側に貯まってしまうことが有り得る。こうしてマニホールドにおいて水が貯まると、水が貯まった傾斜下方側の燃料電池セルにおいては、セル内への水の浸透が過多に起きて、燃料電池セルの発電性能が維持できなくなる事態が起き得る。燃料電池スタック後端が下で燃料電池前端が上となるように傾斜する場合も同様である。こうしたことから、燃料電池スタックが傾斜した状況下における燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが要請されるに到った。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を踏まえてなされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）燃料電池スタックの一形態は、枠状の樹脂シートで取り囲んだ膜電極接合体を前記樹脂シートごと前記膜電極接合体の外縁領域でカソード側とアノード側の両セパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたガス排出用のシート側マニホールド孔と、前記両セパレータの前記外縁領域に前記シート側マニホールド孔の開口形状より大きい開口形状で設けられたガス排出用のセパレータ側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス排出用マニホールドを形成し、前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックが設置された姿勢における前記ガス排出用マニホールドの底辺の一部領域において前記シート側マニホールド孔の底辺側周壁を切り欠いて形成された切欠部を有し、該切欠部は、前記両セパレータの前記セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁を前記一部領域において前記切欠部の底部から前記ガス排出用マニホールドの内側に向けて突出させて、前記燃料電池セルのセル積層方向に連続して並んでいる。
【０００７】
この形態の燃料電池スタックでは、次のようにして、ガス排出用マニホールドに入り込んだ水の排出を図る。ガス排出用マニホールドに入り込んだ水は、ガス排出用マニホールドの底辺の側において水塊として留まる。切欠部に重なるようにして留まった水塊は、切欠部の並びに沿うよう帯状となる。切欠部では、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁が切欠部の底部から突出しているが、セパレータ側マニホールド孔はシート側マニホールド孔より開口形状が大きいことから、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁は、切欠部においては、切欠部開口のシート側マニホールド孔の底辺側周壁より低くなる。よって、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁は、この周壁から切欠部開口までの間における帯状の水塊が切欠部の並びに沿うよう流れる際の流れの抵抗とはならない。従って、セル積層方向に対して垂直なセル高さ方向に対して燃料電池スタック前端が下で燃料電池スタック後端が上となるように傾斜すると、セル積層方向に連続して並ぶ切欠部も傾斜し、この切欠部においてセパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁から切欠部開口までの間で帯状となった水塊は、傾斜した切欠部の並びに沿って流れ出し、ガス排出用マニホールドから排出され得る。こうしたガス排出用マニホールドからの水の排出により、燃料電池スタック前端の側に水が過多に貯まってしまうような事態が起きることを抑制できる。燃料電池スタック後端が下で燃料電池スタック前端が上となるように傾斜する場合も同様である。よって、この形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックが傾斜した状況下においても燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが可能となる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの停止制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る燃料電池スタックを有する燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態における燃料電池セルを分解して示す説明図である。
【図３】燃料電池スタックにおけるエアーのガス排出用マニホールドをセル積層状態で拡大して概略視する説明図である。
【図４】燃料電池セルを複数積層した状況においてガス排出用マニホールドを図３の４−４線に沿って断面視して示す説明図である。
【図５】燃料電池セルを複数積層した状況においてガス排出用マニホールドを図３の５−５線に沿って断面視して示す説明図である。
【図６】燃料電池セルを複数積層した状況においてガス排出用マニホールドを図３の６−６線に沿って断面視して示す説明図である。
【図７】燃料電池セルを複数積層した状況においてガス排出用マニホールドを図３の７−７線に沿って断面視して示す説明図である。
【図８】エアー排出用のガス排出用マニホールドに到達した水の挙動を模式的に示す説明図である。
【図９】燃料電池の燃料電池前端が鉛直下方となるように燃料電池が傾斜した状況を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施形態に係る燃料電池スタック１１０を有する燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１００は、燃料電池セル１１０Ｓを複数積層した燃料電池スタック１１０を、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持して構成される。燃料電池１００は、その一端側のエンドプレート１７０Ｆと燃料電池セル１１０Ｓとの間に、絶縁板１６５Ｆを介在させてターミナルプレート１６０Ｆを有する。以下、エンドプレート１７０Ｆが配設された燃料電池１００の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面右側の他端側を後端側と称する。
【００１１】
燃料電池１００は、後端側のエンドプレート１７０Ｅと燃料電池セル１１０Ｓとの間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。燃料電池セル１１０Ｓと、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がｘ軸方向（水平方向）で短辺がｙ軸方向（垂直方向、鉛直方向）に沿うように配置されている。燃料電池セル１１０Ｓは、前端側と後端側のエンドプレート間にｚ軸方向に沿って積層され、燃料電池１００は、図示するように、燃料電池セル１１０Ｓの積層方向（ｚ軸方向）が水平方向に重なる水平姿勢となるよう、車両等に設置される。
【００１２】
燃料電池１００は、前端側のエンドプレート１７０Ｆに、酸素含有の酸化ガスであるエアーの供給用マニホールド１１６と排出用マニホールド１１７、および、燃料ガスである水素ガスの供給用マニホールド１１８と排出用マニホールド１１９とを備える。図において、エアーの供給用マニホールド１１６は、水素ガスの供給用マニホールド１１８より紙面手前に配設され、エアーの排出用マニホールド１１７は、水素ガスの供給用マニホールド１１８より紙面奥側に配設されている。
【００１３】
燃料電池スタック１１０におけるそれぞれの燃料電池セル１１０Ｓは、供給用マニホールド１１６から送り込まれたエアーをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰のエアーを排出用マニホールド１１７に排出する。水素ガスについても同様であり、燃料電池セル１１０Ｓは、供給用マニホールド１１８から送り込まれた水素ガスをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰の水素ガスを排出用マニホールド１１９に排出する。つまり、エアーと水素ガスは、エンドプレート１７０Ｆの側から個別の供給用マニホールドを経て送り込まれ、エンドプレート１７０Ｅの側の燃料電池セル１１０Ｓからリターンされて、余剰分がエンドプレート１７０Ｆの個別の排出用マニホールドから排出される。エンドプレート１７０Ｆの側にエアー用の供給用マニホールド１１６と排出用マニホールド１１７とを設け、エンドプレート１７０Ｅの側に水素ガス用の供給用マニホールド１１８と排出用マニホールド１１９を設けてもよい。こうしても、エアーおよび水素ガスは、それぞれリターンして排出される。なお、エアーは、生成水と共に排出される。
【００１４】
上記した供給用マニホールド１１６等は、セル外のマニホールドであり、後述のセル内のガス用マニホールドと連通する。なお、燃料電池１００は、冷却水の給排マニホールドも有するが、この冷却水給排マニホールドは本発明の要旨と直接関係しないので、図１においては、その図示は省略されている。
【００１５】
前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各燃料電池セル１１０Ｓの発電電力の集電板であり、図示しない集電端子から集電した電力を外部へ出力する。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１１０Ｓを分解して示す説明図である。燃料電池セル１１０Ｓは、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池セルである。燃料電池セル１１０Ｓは、発電体１０と、樹脂シート２０と、カソード側のセパレータ４０ａと、アノード側のセパレータ４０ｂとを備える。
【００１７】
発電体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。そして、電解質膜の両膜面に触媒層を形成することで、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が得られる。
【００１８】
ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発泡金属など、導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ともいう。
【００１９】
樹脂シート２０は、膜電極接合体を含む発電体１０の周囲全域を取り囲む枠状の樹脂部材である。樹脂部材として、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。ただし、樹脂部材として、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材やゴム材料も利用可能である。樹脂シート２０は、中央域に発電体１０を取り囲んで収納する開口部２１を備え、この開口部２１の両側、詳しくはｘ軸方向に沿った開口部２１の両側に、ガス供給用のシート側マニホールド孔３０ａｉとガス排出用のシート側マニホールド孔３０ａｏと冷却マニホールド孔３１とを有する。
【００２０】
ガス供給用のシート側マニホールド孔３０ａｉとガス排出用のシート側マニホールド孔３０ａｏは、ｙ軸方向に上下に並んで形成され、それぞれのシート側マニホールド孔は、反応ガス（水素ガス、エアー）についての既述した供給用マニホールド１１６、排出用マニホールド１１７、供給用マニホールド１１８、排出用マニホールド１１９の１つと重なり、樹脂シート２０を貫く方向（ｚ軸方向）に反応ガスを流す。冷却マニホールド孔３１は、図１において図示を省略した冷却水の給排マニホールドと重なり、樹脂シート２０を貫く方向（ｚ軸方向）に冷却水を流す。
【００２１】
樹脂シート２０は、シート側マニホールド孔３０ａｉと開口部２１との間、およびシート側マニホールド孔３０ａｏと開口部２１との間に、複数のガス給排路５０を備えている。ガス給排路５０は、ｘ軸方向に沿った直線経路の長径のシート貫通孔として形成されている。そして、このガス給排路５０は、シート側マニホールド孔３０ａｉの側では、発電体１０へのガス供給用のガス通過路となり、シート側マニホールド孔３０ａｏの側では、発電体１０からのガス排出用のガス通過路となる。このガス給排路５０を、凹溝状の長径のガス給排路としてもよい。この場合、ガス給排路５０をシート貫通孔として形成することで、凹溝状のガス給排路とするよりも、樹脂シート２０の厚み、延いては、燃料電池セル１１０Ｓの厚みを薄くすることができる。
【００２２】
樹脂シート２０は、シート側マニホールド孔３０ａｉとシート側マニホールド孔３０ａｏが形成された領域、即ち発電体１０の外縁領域のシート表面において、既述した樹脂部材固有の性状から撥水性を有する。この場合、樹脂シート２０における外縁領域のシート表面やシート全表面に、プラズマ照射や化学蒸着、紫外線照射、或いはエッチングといった撥水性付与処理を、樹脂シート２０の製造過程において施してもよい。
【００２３】
この他、樹脂シート２０は、ガス排出用のシート側マニホールド孔３０ａｏの底辺の一部領域に切欠部３２を有する。この切欠部３２は、ガス給排路５０から離れた側に、シート側マニホールド孔３０ａｏの底辺側周壁を切り欠いて形成される。切欠部３２が形成された底辺は、図１に示すように燃料電池１００が水平に設置された姿勢における鉛直下方側の底辺である。なお、切欠部３２については、セパレータ４０ａ、４０ｂのガス排出用のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏとの関係を合わせて後述する。
【００２４】
一対のセパレータ４０ａ、４０ｂは、膜電極接合体を含む発電体１０を樹脂シート２０ごと発電体１０の外縁領域で挟持するように樹脂シート２０に積層されている。セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータは、例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。よって、セパレータ４０ａ、４０ｂは、既述した金属材料固有の性状から、その表面に親水性を備える。この場合、セパレータ４０ａ、４０ｂにおける外縁領域のセパレータ表面やセパレータ全表面に、プラズマ照射や化学蒸着、紫外線照射、或いはエッチングといった親水性付与処理を、セパレータ４０ａ、４０ｂの製造過程において施してもよい。
【００２５】
本実施形態において、セパレータ４０ａは、カソード側のセパレータであり、セパレータ４０ｂは、アノード側のセパレータである。そして、セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータは、発電体１０の外縁領域に、ガス供給用のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉとガス排出用のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏと冷却マニホールド孔３１とを有する。冷却マニホールド孔３１は、樹脂シート２０の冷却マニホールド孔３１と重なり、セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータを貫く方向（ｚ軸方向）に冷却水を流す。なお、セパレータ４０ａ、４０ｂは、重なり合った燃料電池セル１１０Ｓの間においてセル間冷却流路を形成するが、セル間冷却流路は本発明の要旨と直接関係しないので、図２においては、その図示は省略されている。
【００２６】
セパレータ４０ａ、４０ｂのセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉおよびセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏは、発電体１０の膜電極接合体への反応ガス（水素ガス、エアー）の給排に用いられ、樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｉ、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏにそれぞれ重なる。本実施形態では、図においては、樹脂シート２０とセパレータ４０ａ、４０ｂの上記の各マニホールド孔を矩形形状としたが、三角形や多角形、異形形状の開口形状のマニホールド孔としてもよい。いずれの形状のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉおよびセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏであっても、その開口形状は、既述した樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｉとシート側マニホールド孔３０ａｏより大きい開口形状とされている。本実施形態では、以下、シート側マニホールド孔３０ａｏとセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏとが重なった形成されたマニホールドをガス排出用マニホールド３０と称する。このガス排出用マニホールド３０は、樹脂シート２０のガス排出用のシート側マニホールド孔３０ａｏと、セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータのガス排出用のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏとが燃料電池セル１１０Ｓの積層により重なることで形成される。
【００２７】
セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータは、反応ガス（水素ガス、エアー）の供給側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉから排出側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏに掛けて流路４１を備える。この流路４１は、セパレータ４０ａ、４０ｂの凹凸により形成され、供給側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉの近傍において分配流路４２から分岐した複数筋の流路構成を有する。そして、流路４１は、排出側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの近傍において合流して合流流路４３をなす。分配流路４２は、供給側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉの近傍において樹脂シート２０のガス給排路５０と重なって連通し、合流流路４３は、排出側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの近傍において樹脂シート２０のガス給排路５０と重なって連通する。これにより、供給側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｉとこれに重なる樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｉに流れ込んだ反応ガス（水素ガス、エアー）は、樹脂シート２０のガス給排路５０から分配流路４２を通過して複数筋の流路４１を流れ、発電体１０に供給される。流路４１を通過した反応ガス（水素ガス、エアー）は、合流流路４３からガス給排路５０を通過して、排出側のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏとこれに重なる樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｏから排出される。
【００２８】
図３は、燃料電池スタック１１０におけるエアーのガス排出用マニホールド３０をセル積層状態で拡大して概略視する説明図である。このガス排出用マニホールド３０は、図２の燃料電池セル１１０Ｓにおける左下方側のエアー排出用のマニホールド孔である。図４は、燃料電池セル１１０Ｓを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド３０を図３の４−４線に沿って断面視して示す説明図である。図５は、燃料電池セル１１０Ｓを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド３０を図３の５−５線に沿って断面視して示す説明図である。図６は、燃料電池セル１１０Ｓを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド３０を図３の６−６線に沿って断面視して示す説明図である。図７は、燃料電池セル１１０Ｓを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド３０を図３の７−７線に沿って断面視して示す説明図である。
【００２９】
図３に示すように、樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｏとセパレータ４０ａ、４０ｂのセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏとは重なってガス排出用マニホールド３０を形成し、マニホールド周囲においては、紙面上面側から、カソード側のセパレータ４０ａと樹脂シート２０とアノード側のセパレータ４０ｂとが積層状態にある。そして、樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｏは、既述したように、その開口形状がセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの開口形状よりも小さいことから、ガス排出用マニホールド３０の底辺において、樹脂シート２０の先端がアノード側・カソード側の両セパレータの先端よりガス排出用マニホールド３０の内側に位置する。つまり、樹脂シート２０は、シート側マニホールド孔３０ａｏにおける底辺側周壁の底辺壁面３０ａｔを、図４に示すように、セル積層方向に対して垂直なセル高さ方向（ｙ軸方向）にセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏにおける底辺側周壁の底辺壁面３０ｂｔより突出させている。また、樹脂シート２０は、シート側マニホールド孔３０ａｏの側方壁面３０ａｓを、図６と図７に示すように、水平方向（ｘ軸方向）に沿ってセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの側方壁面３０ｂｓより突出させている。セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏにおける天井側周壁でも同様である。こうした樹脂シート２０のマニホールド孔周壁の突出により、樹脂シート２０を挟んで向かい合うセパレータ４０ａとセパレータ４０ｂのマニホールド孔周壁同士の撓みによる接触が回避され、セパレータ間の絶縁が確保されている。
【００３０】
セパレータ４０ａ、４０ｂは、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの孔周壁回りにおいて樹脂シート２０から遠ざかるよう屈曲して、図４に示すように、シート側マニホールド孔３０ａｏの底辺壁面３０ａｔの側および側方壁面３０ａｓの側で樹脂シート２０の表裏シート面に間隙凹所２３を形成する。この間隙凹所２３は、凹所底部側が傾斜した凹所であって、単体の燃料電池セル１１０Ｓでは、セパレータ４０ａ、４０ｂの底辺壁面３０ｂｔ或いは側方壁面３０ｂｓまでの凹所となる。その一方、燃料電池セル１１０Ｓが積層された状態においては、樹脂シート２０の底辺壁面３０ａｔ或いは側方壁面３０ａｓまでの凹所として形成される。本実施形態の燃料電池セル１１０Ｓは、間隙凹所２３での液水の保水量を少なくすべく、セル単独での間隙凹所２３の深さを約１．０〜１．４ｍｍとし、樹脂シート２０の突出長Ｄを約０．６〜１．０ｍｍの深さとすることで、燃料電池セル１１０Ｓが積層された状態において、約１．６〜２．４ｍｍの保水空間を間隙凹所２３として設けた。この間隙凹所２３を形成するセパレータ４０ａ、４０ｂが表面に親水性を有すること、およびシート面に間隙凹所２３を有する樹脂シート２０が撥水性を備えることから、燃料電池セル１１０Ｓは、間隙凹所２３の取り囲み領域において、凹所底部側では撥水性を発揮し、凹所開口側では親水性を発揮することになる。なお、上記した間隙凹所２３の深さ寸法は、セル間ピッチやガス排出用マニホールド３０の大きさ、或いは反応ガスの最大ガス給排量に応じて適宜設定すればよく、上記の寸法数値に限るわけではない。
【００３１】
樹脂シート２０が有するガス給排路５０は、シート側マニホールド孔３０ａｏの近傍のガス導入部５１を残してセパレータ４０ａ、４０ｂと重なる。このセパレータ４０ａ、４０ｂのうち、カソード側のセパレータ４０ａは、図２に示すように、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの近傍に合流流路４３を有し、この合流流路４３は、図７に示すように、ガス給排路５０と重なる。よって、ガス給排路５０は、カソード側のセパレータ４０ａと樹脂シート２０との間において、図３に示すエアーのガス排出用マニホールド３０では、燃料電池セル１１０Ｓにおけるエアー排出に関与する。これに対して、アノード側のセパレータ４０ｂは、エアー排出用のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの近傍に合流流路４３を有しないので、ガス給排路５０は、エアー排出に関与しない。こうしたガス給排路５０のガス給排への関与は、エアーについての供給用のガス用マニホールド、および水素ガスについての供給・排出用のガス用マニホールドでも同様である。そして、ガス給排路５０のガス給排の関与によって、供給用のガス用マニホールドに流れ込んだ水素ガスは、アノード側のセパレータ４０ｂが有する流路４１を通過して発電体１０の膜電極接合体に供給され、ガス排出用マニホールド３０から排出される。また、供給用のガス用マニホールドに流れ込んだエアーは、カソード側のセパレータ４０ａが有する流路４１を通過して発電体１０の膜電極接合体に供給され、ガス排出用マニホールド３０から排出される。本実施形態の樹脂シート２０は、既述したようにガス給排に関与するガス給排路５０を、図３に示すように、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺壁面３０ｂｔよりもセル高さ方向（ｙ軸方向）において低い位置まで備えている。
【００３２】
隣り合う燃料電池セル１１０Ｓの間において、一方の燃料電池セル１１０Ｓのセパレータ４０ａと、他方の燃料電池セル１１０Ｓのセパレータ４０ｂとの間には、ガス排出用マニホールド３０を取り囲むガスケット６０が設けられている。このガスケット６０は、セパレータ４０ａに接着され、燃料電池１００の積層により、セル間においてガス排出用マニホールド３０をシールする。ガスケット６０は、例えばシリコーンゴムにより形成される。隣り合う燃料電池セル１１０Ｓの間には冷却マニホールド孔３１から冷却水が流通する冷却流路が形成されており、この冷却流路にあっても、ガスケット６０によってシールされている。
【００３３】
樹脂シート２０がエアー排出用のシート側マニホールド孔３０ａｏに有する切欠部３２は、図３に示すように、ガス排出用マニホールド３０へのエアー出口となるガス導入部５１から底辺壁面３０ａｔの中央より遠ざかるように離間して切り欠き形成され、燃料電池セル１１０Ｓの積層状態において、セル積層方向に連続して一筋の筋として並ぶ。図３では、切欠部３２の明示のために、切欠部３２を拡大視している。本実施形態の燃料電池スタック１１０では、切欠部３２の切り欠き幅を２〜５ｍｍとし、既述した間隙凹所２３の深さを考慮して切り欠き深さを０．３〜０．６ｍｍとした。このように寸法調整することで、切欠部３２は、図３および図５に示すように、セパレータ４０ａ、４０ｂの両セパレータのセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁の底辺壁面３０ｂｔを切欠部底部３２ｔから突出させる。よって、切欠部底部３２ｔから突出した部位のセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁の底辺壁面３０ｂｔは、図３に示すように、セル積層方向に連続して並ぶことになる。
【００３４】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１１０は、エアー排出用のガス排出用マニホールド３０を構成するよう重なり合うシート側マニホールド孔３０ａｏとセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏに仮に水Ｗが到達しても、この水Ｗを、ガス排出用マニホールド３０の底辺において、樹脂シート２０の表裏シート面の間隙凹所２３に保水する。ガス排出用マニホールド３０に到達する水Ｗは、ガス給排路５０からの排出エアーに混入した生成水である。燃料電池スタック１１０は、この保水状態を、ガス排出用マニホールド３０の底辺において内側に先端が位置する樹脂シート２０で保つ。ガス排出用マニホールド３０に到達した水Ｗが少量であれば、燃料電池スタック１１０は、間隙凹所２３に保水された水Ｗを、図３に示す鉛直方向下方側（−ｙ軸方向）のガス給排路５０を経て、図７に示す合流流路４３および流路４１から発電体１０の膜電極接合体に導く。燃料電池スタック１１０は、エアー排出用のガス排出用マニホールド３０に到達する水Ｗが増えても、燃料電池１００の傾斜時において、次のようにして水Ｗを排出する。
【００３５】
図８はエアー排出用のガス排出用マニホールド３０に到達した水Ｗの挙動を模式的に示す説明図である。それぞれの燃料電池セル１１０Ｓにおけるガス排出用マニホールド３０に各セルの間隙凹所２３での保水量を超える多量の水Ｗが到達すると、その水Ｗは、図８の上段に示すように、ガス排出用マニホールド３０の底辺の側において水塊として留まる。こうして留まった水Ｗは、図中の白抜き矢印に示すように、燃料電池セル１１０Ｓにおける間隙凹所２３から切欠部３２に向けて流れたり、切欠部３２の開口に重なる部位から切欠部３２に流れて、図８の下段に示すように、切欠部３２の並びに沿うよう帯状の水塊となる。
【００３６】
切欠部３２では、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁の底辺壁面３０ｂｔが切欠部底部３２ｔから突出しているが、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏはシート側マニホールド孔３０ａｏより開口形状が大きいことから、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁は、切欠部３２においては、切欠部開口、即ち底辺壁面３０ａｔより低くなる。よって、セパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁は、図３や図８に示すように、この周壁の底辺壁面３０ｂｔから切欠部開口までの間における帯状水塊の水Ｗが切欠部３２の並びに沿うよう流れる際の流れの抵抗とはならない。
【００３７】
図９は、燃料電池１００の燃料電池前端が鉛直下方となるように燃料電池１００が傾斜した状況を模式的に示す説明図である。図示する燃料電池１００の傾斜姿勢は、燃料電池１００の搭載車両が登坂道路を走行していたり、傾斜路面で駐車している過程に起きえ、燃料電池１００がこうした傾斜姿勢となると、ガス排出用マニホールド３０も傾斜する。こうした傾斜姿勢では、セル積層方向に連続して並ぶ切欠部３２も傾斜し、この切欠部３２においてセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺側周壁の底辺壁面３０ｂｔから切欠部３２の開口までの間における帯状水塊の水Ｗは、図中の白抜き矢印に示すように、傾斜した切欠部３２の並びに沿って流れ出し、ガス排出用マニホールド３０から排出される。こうしたガス排出用マニホールド３０からの水Ｗの排出により、燃料電池前端の側に水Ｗが過多に貯まってしまうような事態が起き難くなる。燃料電池１００の燃料電池後端が鉛直下方で燃料電池前端が上となるように傾斜する場合も同様である。よって、本実施形態の燃料電池スタック１１０によれば、燃料電池スタック１１０が傾斜した状況下においても燃料電池セル１１０Ｓの発電性能の維持を図ることが可能となる。
【００３８】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、燃料電池１００が水平姿勢にある状況下でも、ガス排出用マニホールド３０を流れる排出エアーにより、切欠部３２において帯状水塊となった水Ｗを、下流側に押し出す。これにより、ガス排出用マニホールド３０には、水Ｗが残存し難くなる。よって、寒冷環境下における燃料電池１００の停止中に残存水の凍結を防止できるので、寒冷環境下における始動性が高まる。
【００３９】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、ガス排出用マニホールド３０を構成する樹脂シート２０におけるシート側マニホールド孔３０ａｏの形成領域のシート表面に撥水性を備え、セパレータ４０ａ、４０ｂにおけるセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの形成領域のセパレータ表面に親水性を備える。よって、ガス排出用マニホールド３０における樹脂シート２０の両面の間隙凹所２３に保水されている水Ｗは、帯状水塊となって切欠部３２の並びに沿って流れ落ちる水Ｗに引き連れられて、間隙凹所２３から排水される。この点からも、燃料電池スタック１１０が傾斜した状況下における発電性能の維持に有益である。
【００４０】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、切欠部３２の形成領域において、樹脂シート２０の両側のセパレータ４０ａ、４０ｂにおけるセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの周囲壁を直に向かい合わせる。しかしながら、切欠部３２は、その切り欠き幅が充分に小さいので、セパレータ４０ａ、４０ｂにおけるマニホールド孔周壁同士の撓みによる接触を回避でき、セパレータ間の絶縁を切欠部３２の形成領域においても確保できる。
【００４１】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、切欠部３２を、図３に示すように、ガス給排路５０から底辺壁面３０ａｔの中央より遠ざかるように形成したので、ガス給排路５０からガス排出用マニホールド３０に吹き出されるエアーにより、間隙凹所２３保水済みの水Ｗを切欠部３２の側に移動させることができる。よって、切欠部３２の形成箇所への水Ｗの集まりが促進され、既述した水Ｗの排出効率が高まる。
【００４２】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、ガス給排路５０を、図３に示すように、セル高さ方向（ｙ軸方向）においてセパレータ側マニホールド孔３０ｂｏの底辺壁面３０ｂｔよりも低い位置に備えるので、間隙凹所２３に保水された水Ｗを、確実にガス給排路５０を経て発電体１０に導くことができる。
【００４３】
本実施形態の燃料電池スタック１１０は、間隙凹所２３に保水した水Ｗをガス給排路５０を経て発電体１０の膜電極接合体に導くものの、その量は、間隙凹所２３に保水された少量の水量に限られる。よって、本実施形態の燃料電池スタック１１０によれば、間隙凹所２３に保水した水Ｗによる発電体１０の加湿を過多とすることはなく、燃料電池セル１１０Ｓの発電性能の不用意な低下を来さない。
【００４４】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００４５】
既述した実施形態では、ガス排出用マニホールド３０の側方壁や天井壁にも間隙凹所２３を形成したが、側方壁と天井壁の間隙凹所２３を省略してもよい。
【００４６】
既述した実施形態では、エンドプレート１７０Ｆとエンドプレート１７０Ｅとの間に積層された総ての燃料電池セル１１０Ｓを、切欠部３２を有するセルとしたがこれに限らない。例えば、エンドプレート側の所定範囲（例えば、セル積層枚数の２〜５％）を除く燃料電池セル１１０Ｓを、切欠部３２を有する燃料電池セルとし、エンドプレート側の所定範囲の燃料電池セル１１０Ｓについては、切欠部３２を有しない燃料電池セルとしてもよい。
【００４７】
既述した実施形態では、エアー排出用のガス排出用マニホールド３０において、樹脂シート２０におけるシート側マニホールド孔３０ａｏの底辺に切欠部３２を形成したが、水素ガス排出用のマニホールドにおいても、樹脂シート２０のシート側マニホールド孔３０ａｏに切欠部３２を形成してもよい。
【００４８】
既述した実施形態では、エアー排出用のガス排出用マニホールド３０において、樹脂シート２０におけるシート側マニホールド孔３０ａｏの底辺に切欠部３２を一筋形成したが、この底辺に切欠部３２を二筋、或いは複数筋、形成してもよい。
【００４９】
既述した実施形態では、燃料電池１００が燃料電池セル１１０Ｓの積層方向が水平方向に重なる水平姿勢となるよう車両等に設置されて、ガス排出用マニホールド３０は水平に伸びるが、これに限らない。例えば、燃料電池１００が水平姿勢である状況下で、ガス排出用マニホールド３０がスタック前端から後端に掛けて傾斜している燃料電池スタック１１０に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１０…発電体
２０…樹脂シート
２１…開口部
２３…間隙凹所
３０…ガス排出用マニホールド
３０ａｉ…シート側マニホールド孔
３０ａｏ…シート側マニホールド孔
３０ａｓ…側方壁面
３０ａｔ…底辺壁面
３０ｂｉ…セパレータ側マニホールド孔
３０ｂｏ…セパレータ側マニホールド孔
３０ｂｓ…側方壁面
３０ｂｔ…底辺壁面
３１…冷却マニホールド孔
３２…切欠部
３２ｔ…切欠部底部
４０ａ…セパレータ
４０ｂ…セパレータ
４１…流路
４２…分配流路
４３…合流流路
５０…ガス給排路
５１…ガス導入部
６０…ガスケット
１００…燃料電池
１１０…燃料電池スタック
１１０Ｓ…燃料電池セル
１１６…供給用マニホールド
１１７…排出用マニホールド
１１８…供給用マニホールド
１１９…排出用マニホールド
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
Ｄ…突出長
Ｗ…水
【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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