(57)【要約】【課題】複数のセパレータプレートを含むセパレータの生産性を向上させる。【解決手段】燃料電池は、複数の膜電極接合体と、複数のセパレータと、複数の膜電極接合体と複数のセパレータとの積層方向に沿って設けられた積層用部材と、を備える。複数のセパレータのそれぞれは、複数の膜電極接合体のうちの隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置される。複数のセパレータのそれぞれは、積層方向に積層された複数のセパレータプレートを含む。複数のセパレータプレートのうちの一部のセパレータプレートは、積層用部材との位置決めを行う位置決め部を備える。【選択図】図６
2008117589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
複数の膜電極接合体と、
複数のセパレータと、
前記複数の膜電極接合体と前記複数のセパレータとの積層方向に沿って設けられた積層用部材と、
を備え、
前記複数のセパレータのそれぞれは、前記複数の膜電極接合体のうちの隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置され、
前記複数のセパレータのそれぞれは、
前記積層方向に積層された複数のセパレータプレートを含み、
前記複数のセパレータプレートのうちの一部のセパレータプレートは、
前記積層用部材との位置決めを行う位置決め部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートが他のセパレータプレートよりも前記積層用部材に向かって突出して接触する部分である、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記積層用部材は、前記セパレータの外部に設けられており、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートに設けられた切欠部である、燃料電池。
【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であって、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートの隅部に設けられている、燃料電池。
【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であって、
前記一部のセパレータプレートの強度は、前記他のセパレータプレートの強度よりも高い、燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記一部のセパレータプレートの厚みは、前記他のセパレータプレートの厚みよりも大きい、燃料電池。
【請求項７】
請求項５または６記載の燃料電池であって、
前記一部のセパレータプレートを構成する材料の硬度は、前記他のセパレータプレートを構成する材料の硬度よりも高い、燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記各セパレータは、３つのセパレータプレートで構成されており、
前記一部のセパレータプレートは、前記３つのセパレータプレートの中間に配置されたセパレータプレートである、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、セパレータの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、膜電極接合体を含む発電ユニットとセパレータとが交互に積層された積層構造を有している。燃料電池内部には、積層方向に沿った通路（ユニット間反応ガス通路）が設けられている。また、燃料電池内部には、各発電ユニット毎に、通路（ユニット内反応ガス通路）が設けられていると共に、ユニット間反応ガス通路とユニット内反応ガス通路とを接続する連通路が設けられている。そして、反応ガスは、ユニット間反応ガス通路と連通路とユニット内反応ガス通路とを通って、発電ユニットに供給され、電気化学反応に利用される。
【０００３】
特許文献１では、積層する際の位置合わせのために、略四角形のセパレータの３隅にＬ字状の切欠部が設けられ、１隅に直線状の切欠部が設けられた構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７２５０号公報
【特許文献２】特開２００１−５７２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来では、セパレータが複数のセパレータプレートを含む場合に、すべてのセパレータプレートに位置合わせのための切欠部を寸法精度よく設けなければならず、セパレータの生産性が悪かった。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、複数のセパレータプレートを含むセパレータの生産性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】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、
複数の膜電極接合体と、
複数のセパレータと、
前記複数の膜電極接合体と前記複数のセパレータとの積層方向に沿って設けられた積層用部材と、
を備え、
前記複数のセパレータのそれぞれは、前記複数の膜電極接合体のうちの隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置され、
前記複数のセパレータのそれぞれは、
前記積層方向に積層された複数のセパレータプレートを含み、
前記複数のセパレータプレートのうちの一部のセパレータプレートは、
前記積層用部材との位置決めを行う位置決め部を備えることを特徴とする。
【０００８】
この装置では、複数のセパレータプレートのうちの一部のセパレータプレートが位置決め部を備えているため、該一部のセパレータプレートの位置決め部を精度良く作製するだけで済み、この結果、セパレータの生産性を向上させることができる。
【０００９】
具体的には、仮に、複数のセパレータプレートが位置決め部を含む場合には、複数のセパレータプレートの位置決め部間のずれを防止するために、すべてのセパレータプレートの位置決め部を精度良く作製する必要がある。しかしながら、上記の装置では、一部のセパレータプレートが位置決め部を備えているため、他のセパレータプレートに位置決め部を設けずに済む。この結果、一部のセパレータプレートの位置決め部を精度良く作製するだけで、セパレータを効率よく作製することができる。
【００１０】
なお、隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置される各セパレータは、通常、一方の膜電極接合体に供給される第１種の反応ガスが通る第１種の反応ガス通路の壁面と、他方の膜電極接合体の他方に供給される第２種の反応ガスが通る第２種の反応ガス通路の壁面と、を形成する。
【００１１】
上記の装置において、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートが他のセパレータプレートよりも前記積層用部材に向かって突出して接触する部分であることが好ましい。
【００１２】
上記の装置において、
前記積層用部材は、前記セパレータの外部に設けられており、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートに設けられた切欠部であるようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、積層用部材がセパレータの内部を通るように設けられる場合と比較して、セパレータを容易に積層することができる。
【００１４】
上記の装置において、
前記位置決め部は、前記一部のセパレータプレートの隅部に設けられているようにしてもよい。
【００１５】
上記の装置において、
前記一部のセパレータプレートの強度は、前記他のセパレータプレートの強度よりも高いことが好ましい。
【００１６】
一部のセパレータプレートの強度が比較的小さい場合には、該一部のセパレータプレートの突出した位置決め部が変形する虞がある。しかしながら、上記の構成を採用すれば、一部のセパレータプレートの位置決め部が変形するのを抑制することができる。
【００１７】
上記の装置において、
前記一部のセパレータプレートの厚みは、前記他のセパレータプレートの厚みよりも大きいことが好ましい。
【００１８】
上記の装置において、
前記一部のセパレータプレートを構成する材料の硬度は、前記他のセパレータプレートを構成する材料の硬度よりも高いことが好ましい。
【００１９】
上記の装置において、
前記各セパレータは、３つのセパレータプレートで構成されており、
前記一部のセパレータプレートは、前記３つのセパレータプレートの中間に配置されたセパレータプレートであってもよい。
【００２０】
なお、これに代えて、一部のセパレータプレートは、３つのセパレータプレートの外側に配置された２つのセパレータプレートのいずれかであってもよい。
【００２１】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその製造方法、該燃料電池を含む燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．セパレータの切欠部：
Ｂ．第２実施例：
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
燃料電池システムは、通常、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却液循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、燃料ガス（水素ガス）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部は、酸化ガス（空気）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、ブロワを含んでいる。冷却液循環部は、スタック内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００２４】
図１は、第１実施例における燃料電池スタック１００の外観を示す説明図である。図１（Ａ）はスタック１００の側面を示しており、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＺ−Ｚ断面を示している。
【００２５】
図１（Ａ）に示すように、スタック１００は、発電ユニットとセパレータとが交互に積層された積層体１０１と、積層体１０１の一方の側に設けられた第１の集電プレート１７２および第１の絶縁プレート１８２と、積層体１０１の他方の側に設けられた第２の集電プレート１７４および第２の絶縁プレート１８４と、を備えている。なお、２つの集電プレート１７２，１７４には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、出力端子を介して、スタック１００の発電によって生成された電力が負荷に供給される。集電プレート１７２，１７４は、緻密質カーボンや銅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。絶縁プレート１８２，１８４は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成されている。
【００２６】
また、スタック１００は、締結機構３００を備えている。締結機構３００は、積層体１０１を締結するためのネジ式の締結手段であり、積層体が圧縮されるように積層体を押圧し、積層体に荷重を印加する機能を有している。締結機構３００は、４本のロッド３１０と、２つのエンドプレート３２２，３２４と、を備えている。なお、第１のエンドプレート３２２には、スタック１００内部で燃料ガスと酸化ガスと冷却液とを流通させるための図示しない３つの供給口および３つの排出口が設けられている。
【００２７】
４本のロッド３１０は、図１（Ｂ）に示すように、積層体１０１の４隅に配置されており、各ロッド３１０は、略正方形の断面を有している。このため、積層体１０１を構成する発電ユニットとセパレータには、それぞれ、４本のロッド３１０を受け入れる４つのＬ字状の切欠部が設けられている。なお、集電プレート１７２，１７４および絶縁プレート１８２，１８４にも、同様に、４つのＬ字状の切欠部が設けられている。各ロッド３１０の２つの先端部には、雌ネジが形成されている。
【００２８】
２つのエンドプレート３２２，３２４は、スタック１００の２つの端部に配置されており、４本のロッド３１０を介して互いに接続されている。各エンドプレート３２２，３２４には、４つの貫通孔が設けられている。第１のエンドプレート３２２の４つの貫通孔には、４本のボルト３１２が挿入されており、第２のエンドプレート３２４の４つの貫通孔には、４本のボルト３１４が挿入されている。そして、各ロッド３１０は、その２つの先端部において、ボルト３１２，３１４でネジ止めされている。
【００２９】
本実施例では、締結機構３００を構成する締結部材、すなわち、ロッド３１０とエンドプレート３２２，３２４とボルト３１２，３１４とは、例えば、ステンレス鋼などの金属によって形成されている。ただし、ロッド３１０を介したセパレータ間の導通を防止するため、各ロッド３１０の周囲には、絶縁層が設けられている。なお、絶縁層は、シールや、テープ、塗料などを用いて形成可能である。
【００３０】
上記のように、締結機構３００は、積層体１０１を押圧し、積層体１０１に荷重を印加する。具体的には、各ボルト３１２，３１４をねじ込むことにより、２つのエンドプレート３２２，３２４には、２つのエンドプレート間の幅を小さくする向きの力（押圧力）が印加され、この結果、２つのエンドプレートに挟まれた積層体１０１に所定の荷重が印加される。このように、積層体１０１に荷重を印加することによって、積層体１０１の内部抵抗を低減させることができ、この結果、スタック１００の出力電圧を増大させることができる。また、積層体１０１内部のガス通路および冷却液通路のシール性（気密性）を確保することができる。
【００３１】
特に、本実施例では、４本のロッド３１０は、各発電ユニットに設けられた４つの切欠部および各セパレータに設けられた４つの切欠部と接触し、各発電ユニットおよび各セパレータを位置決めする機能も有している。
【００３２】
なお、本実施例における４本のロッド３１０が、本発明における複数の積層用部材に相当する。
【００３３】
図２は、燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の発電ユニット２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの発電ユニット２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００３４】
発電ユニット２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００３５】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。
【００３６】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００３７】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るユニット内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るユニット内酸化ガス通路に設けられている。各ユニット内通路は、図２に示すように、各発電ユニット２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００３８】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００３９】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「ユニットアセンブリ」と呼ぶ。
【００４０】
図３は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図である。図示するように、ユニットアセンブリは、略略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図３のユニットアセンブリのＡ−Ａ断面が図２に示されている。
【００４１】
ガスケット２６には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、ユニット間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。各ユニット間通路は、図２に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の発電ユニット２０の積層方向に沿った通路である。
【００４２】
ガスケット２６は、図２に示すように、セパレータ５０と接触する凸部を有している。凸部は、図２，図３に示す一点鎖線ＳＬに沿って設けられている。具体的には、凸部は、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部は、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられている。スタック１００は、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６の凸部によって、各ユニット間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各ユニット内通路のシール性が確保される。
【００４３】
なお、ユニットアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００４４】
なお、本実施例における発電ユニット２０に含まれる電解質膜３０と２つの触媒電極層３１ａ，３１ｃとが、本発明における膜電極接合体に相当する。
【００４５】
セパレータ５０（図２）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００４６】
図４は、セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図２に示されている。
【００４７】
カソード側プレート５２（図４（Ａ））には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、ユニット間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、ユニット内酸化ガス通路の入口を構成する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、ユニット内酸化ガス通路の出口を構成する複数の小孔７２ｃが形成されている（図２参照）。
【００４８】
アノード側プレート５６（図４（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、ユニット内燃料ガス通路の入口を構成する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、ユニット内燃料ガス通路の出口を構成する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００４９】
中間プレート５４（（図４（Ｂ））には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、酸化ガスをユニット内酸化ガス通路に導く複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、燃料ガスをユニット内燃料ガス通路に導く複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、ユニット間冷却通路および隣接する２つの発電ユニット２０間のユニット用冷却液通路を構成する複数の長孔７８が形成されている（図２参照）。
【００５０】
なお、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００５１】
図２に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００５２】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００５３】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の長孔７８を通って、スタック１００から排出される。
【００５４】
Ａ−２．セパレータの切欠部：
図１で説明したように、本実施例では、発電ユニット２０とセパレータ５０とには、略正方形の断面を有する４本のロッド３１０を受け入れるために、４つのＬ字状の切欠部が設けられている。具体的には、図３に示すように、発電ユニット２０を構成するガスケット２６の４隅には、４つのＬ字状の切欠部２６ｎが設けられている。また、図４に示すように、セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の４隅には、それぞれ４つのＬ字状の切欠部５２ｎ，５４ｎ，５６ｎが設けられている。
【００５５】
スタック１００が作製される場合には、例えば、第１のエンドプレート４２４に４本のロッド３１０が取り付けられた状態で、発電ユニット２０とセパレータ５０とが、切欠部を利用して、４本のロッド３１０に沿って交互に積層される。
【００５６】
図５は、セパレータ５０を示す説明図である。図５（Ａ）は、セパレータ５０の平面図であり、図５（Ｂ）は、セパレータ５０の側面図である。
【００５７】
図示するように、中間プレート５４の各切欠部５４ｎは、他の２つのプレート５２，５６よりも外側に突出している。具体的には、中間プレート５４の各切欠部５４ｎの直交する２辺の長さはＤａに設定されており、他の２つのプレート５２，５６の各切欠部５２ｎ，５６ｎの直交する２辺の長さはＤｂに設定されている。Ｄａは、Ｄｂよりも小さく設定されている。このため、中間プレート５４の各切欠部５４ｎは、他の２つのプレート５２，５６よりも長さ（Ｄｂ−Ｄａ）だけ突出している。なお、突出量（Ｄｂ−Ｄａ）は、各プレート５２，５４，５６の製造誤差よりも充分に大きく設定されている。
【００５８】
また、図示するように、中間プレート５４の厚みは、他のプレート５２，５６の厚みよりも大きい。具体的には、中間プレート５４の厚みはＴａに設定されているが、他のプレート５２，５６の厚みはＴｂに設定されている。Ｔａは、Ｔｂよりも小さく設定されている。
【００５９】
本実施例では、３つのプレート５２，５４，５６を接合する際には、３つのプレートは、略矩形の外形形状の互いに直交する２辺を基準にして、位置合わせされる。例えば、３つのプレート５２，５４，５６は、図５に示す各プレートの下側の辺Ｌ１と左側の辺Ｌ２とを基準にして位置合わせされる。
【００６０】
なお、これに代えて、各プレートの複数の箇所に複数の小孔を設け、治具に設けられた複数のピンを各プレートの複数の小孔に侵入させることにより、３つのプレートが位置合わせされるようにしてもよい。こうすれば、２辺を基準とせずに済むため、各プレートを異なるサイズに設定することができる。ただし、本実施例のように、２辺Ｌ１，Ｌ２を基準にして３つのプレート５２，５４，５６が位置合わせされる場合には、複数の小孔を用いて３つのプレートが位置合わせされる場合と比較して、各プレートに複数の小孔を設けずに済むと共に、複数のピンが設けられた専用の治具を準備せずに済む。また、各プレートに設けられた小孔の製造誤差に起因するプレート間の位置ズレの発生を抑制することができる。
【００６１】
なお、発電ユニット２０を構成するガスケット２６の各切欠部２６ｎの直交する２辺の長さは、中間プレート５４と同様に、Ｄａに設定されている。
【００６２】
図６は、セパレータ５０とロッド３１０とを拡大して示す説明図である。図６（Ａ）は、セパレータ５０の切欠部付近およびロッド３１０の透視図を示しており、図６（Ｂ）は、セパレータ５０の切欠部とロッド３１０との関係を示している。なお、前述したように、ロッド３１０の周囲には、ロッド３１０を介したセパレータ５０間の導通を防止するために絶縁層ＬＩが設けられている。
【００６３】
図示するように、中間プレート５４の切欠部５４ｎは、他の２つのプレート５２，５６の切欠部５２ｎ，５６ｎよりもロッド３１０に向かって突出しており、ロッド３１０に接触している。なお、他のプレート５２，５６の切欠部５２ｎ，５６ｎはロッド３１０に接触していない。すなわち、中間プレート５４の各切欠部５４ｎは、積層の際にセパレータ５０の位置決めを行う機能を有する。
【００６４】
なお、発電ユニット２０を構成するガスケット２６の切欠部２６ｎは、中間プレート５４の切欠部５４ｎと同様に、ロッド３１０に接触しており、積層の際に発電ユニット２０の位置決めを行う機能を有する。
【００６５】
以上説明したように、本実施例では、各セパレータ５０は、３つのプレート５２，５４，５６を備えており、中間プレート５４は、カソード側プレート５２およびアノード側プレート５６よりも突出する４つの切欠部５４ｎを備えている。このため、中間プレート５４の４つの切欠部５４ｎを精度良く作製するだけで済み、この結果、セパレータ５０の生産性を向上させることが可能となる。
【００６６】
具体的には、仮に、３つのプレートがロッドに接触する切欠部を含む場合には、３つのプレートの切欠部間のずれを防止するために、３つのプレートの切欠部を精度良く作製する必要がある。しかしながら、本実施例では、中間プレート５４の切欠部５４ｎは、他のプレート５２，５６よりも突出している。このため、他のプレート５２，５６の切欠部５２ｎ，５６ｎを精度良く作製せずに済む。換言すれば、他のプレートの切欠部に位置決め機能を持たせずに済む。この結果、中間プレート５４の４つの切欠部５４ｎを精度良く作製するだけで、セパレータ５０を効率よく作製することが可能となる。
【００６７】
特に、本実施例では、中間プレート５４の厚みは、他のプレート５２，５６の厚みよりも大きく設定されている。このため、中間プレート５４の強度は、他のプレート５２，５６の強度よりも高い。すなわち、本実施例では、厚みの比較的大きな中間プレート５４の切欠部５４ｎがロッド３１０に接触しているため、厚みの比較的小さな他のプレートの切欠部がロッドに接触する場合と比較して、切欠部が変形するのを抑制することができる。
【００６８】
また、本実施例では、積層体１０１は４隅で位置決めされているため、スタック１００を車両などに搭載した場合でも、外部からの振動に起因するセパレータ５０および発電ユニット２０の位置ズレを抑制することができる。
【００６９】
上記の説明から分かるように、本実施例における中間プレート５４が本発明における一部のセパレータプレートに相当し、カソード側プレート５２とアノード側プレート５６とが本発明における他のセパレータプレートに相当する。また、本実施例における中間プレート５４の４つの切欠部５４ｎが本発明における複数の位置決め部に相当する。
【００７０】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図であり、図２に対応する。本実施例では、スタック１００Ｂは、発電ユニット２０Ｂと、セパレータ５０Ｂと、を含んでいる。
【００７１】
発電ユニット２０Ｂは、ＭＥＧＡ２２と、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたアノード側フレーム１２２およびカソード側フレーム１２６と、を含んでいる。２つのフレーム１２２，１２６は枠状の形状を有しており、２つのフレームの間には、ＭＥＧＡ２２の端部（より具体的には電解質膜３０の端部）が挟まれている。
【００７２】
なお、各フレーム１２２，１２６は、例えば、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリアミド，ポリウレタン，ポリエチレンテレフタレートなどの絶縁性を有する樹脂材料で形成されている。
【００７３】
セパレータ５０Ｂは、カソード側プレート１５２と、アノード側プレート１５６と、を備えている。２つのプレート１５２，１５６の中央部分には、それぞれ、波状の凹凸が形成されている。カソード側プレート１５２の凸部Ｃｖは、カソード側のガス拡散層３２ｃに接しており、アノード側プレート１５６の凸部Ａｖは、アノード側のガス拡散層３２ａに接している。カソード側プレート１５２の凹部Ｃｃは、アノード側プレート１５６の凹部Ａｃと接している。
【００７４】
カソード側プレート１５２の凹部Ｃｃとガス拡散層３２ｃとの間には、図面の法線方向に沿って、ユニット内酸化ガス通路が形成されている。同様に、アノード側プレート１５６の凹部Ａｃとガス拡散層３２ａとの間には、図面の法線方向に沿って、ユニット内燃料ガス通路が形成されている。また、カソード側プレート１５２の凸部Ｃｖとアノード側プレート１５６の凸部Ａｖとの間には、図面の法線方向に沿って、ユニット用冷却液通路が形成されている。
【００７５】
本実施例のセパレータ５０Ｂも、第１実施例と同様に作製される。具体的には、金属製の板材に対して打ち抜きプレス処理を施すことによって、２つのプレート１５２，１５６が作製される。ただし、本実施例では、２つのプレート１５２，１５６の波状の凹凸に対応する形状を有する金型が利用される。そして、２つのプレート１５２，１５６を接合して、セパレータ５０Ｂが作製される。
【００７６】
本実施例においても、第１実施例と同様に、発電ユニット２０を構成するフレーム１２２，１２６の４隅には４つの切欠部が設けられており、セパレータ５０を構成するプレート１５２，１５６の４隅には４つの切欠部が設けられている。
【００７７】
図８は、セパレータ５０Ｂとロッド３１０とを拡大して示す説明図であり、図６に対応する。
【００７８】
図示するように、アノード側プレート１５６の切欠部１５６ｎは、カソード側プレート１５２の切欠部１５２ｎよりもロッド３１０に向かって突出しており、ロッド３１０に接触している。なお、カソード側プレート１５２の切欠部１５２ｎはロッド３１０に接触していない。すなわち、アノード側プレート１５６の各切欠部１５６ｎは、積層の際にセパレータ５０Ｂの位置決めを行う機能を有する。
【００７９】
なお、発電ユニット２０を構成するフレーム１２２，１２６の切欠部（図示せず）は、アノード側プレート１５６の切欠部と同様に、ロッド３１０に接触しており、積層の際に発電ユニット２０Ｂの位置決めを行う機能を有する。
【００８０】
以上説明したように、本実施例では、各セパレータ５０Ｂは、２つのプレート１５２，１５６を備えており、アノード側プレート１５６は、カソード側プレート１５２よりも突出する４つの切欠部１５６ｎを備えている。このため、アノード側プレート１５６の４つの切欠部１５６ｎを精度良く作製するだけで済み、この結果、第１実施例と同様にセパレータ５０Ｂの生産性を向上させることが可能となる。
【００８１】
また、本実施例では、アノード側プレート１５６の厚みは、カソード側プレート１５２の厚みと等しく設定されている。すなわち、アノード側プレート１５６の強度は、カソード側プレート１５２の強度と同等である。このため、アノード側プレート１５６の切欠部１５６ｎに代えて、カソード側プレート１５２の切欠部１５２ｎが突出するようにしてもよい。
【００８２】
上記の説明から分かるように、本実施例におけるアノード側プレート１５６が本発明における一部のセパレータプレートに相当し、カソード側プレート１５２が本発明における他のセパレータプレートに相当する。また、本実施例におけるアノード側プレート１５６の４つの切欠部１５６ｎが本発明における複数の位置決め部に相当する。
【００８３】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８４】
（１）上記実施例では、セパレータ間の導通を防止するために、ロッド３１０の周囲には絶縁層が設けられているが、これに代えて、あるいは、これと共に、第１実施例の中間プレート５４の切欠部５４ｎ、または、第２実施例のアノード側プレート１５６の切欠部１５６ｎに絶縁層が設けられていてもよい。また、上記実施例では、ロッド３１０は、金属によって形成されているが、これに代えて、絶縁体で形成されてもよい。こうすれば、絶縁層を省略可能である。
【００８５】
（２）上記実施例では、セパレータの４隅に４つの切欠部が設けられているが、これに代えて、４隅のうちの少なくとも１隅に１つの切欠部が設けられていてもよい。この場合にも、１つの切欠部の直交する２つの辺を、ロッド３１０の直交する２つの面に接触させることにより、ロッドに対するセパレータの位置決めを行うことができる。
【００８６】
また、上記実施例では、略矩形の外形形状を有するセパレータの４隅に４つの切欠部が設けられているが、これに代えて、略矩形の外形形状を有するセパレータの４辺の中央付近に４つの切欠部が設けられるようにしてもよい。
【００８７】
一般には、一部のセパレータプレートは、少なくとも１つの位置決め部を備えていればよい。
【００８８】
（３）上記実施例では、４本のロッド３１０は、積層体１０１に荷重を印加する機能を有していると共に、積層体を構成する発電ユニットおよびセパレータに設けられた切欠部と接触し、発電ユニットおよびセパレータを位置決めする機能を有しているが、荷重を印加する機能は省略可能である。この場合には、例えば、スタック１００の外部に設けられる荷重印加装置（油圧シリンダやエアリシンダ）を用いて、積層体１０１に荷重が印加されればよい。
【００８９】
また、上記実施例では、ロッド３１０は略正方形の断面を有しているが、これに代えて、略円形の断面を有していてもよい。
【００９０】
さらに、上記実施例では、ロッド３１０は、積層体１０１（発電ユニットおよびセパレータ）の外部に設けられているが、これに代えて、積層体１０１の内部を貫通するように、設けられていてもよい。
【００９１】
一般には、複数の膜電極接合体と複数のセパレータとの積層方向に沿って設けられた積層用部材が設けられていればよい。
【００９２】
なお、ロッドが積層体１０１（発電ユニットおよびセパレータ）の内部を通るように設けられる場合には、積層体１０１には、切欠部に代えて孔が設けられればよい。具体的には、各発電ユニットおよび各セパレータには孔が設けられ、セパレータの一部のプレートには、他のプレートに設けられた孔よりも小さな孔が位置決め部として設けられればよい。ただし、上記実施例のように、ロッド３１０が積層体１０１（発電ユニットおよびセパレータ）の外部に設けられ、一部のプレートに設けられた切欠部が位置決め部として利用される場合には、ロッドが積層体の内部を通るように設けられる場合と比較して、セパレータを容易に積層することができるという利点がある。
【００９３】
一般には、一部のセパレータプレートの位置決め部は、該一部のセパレータプレートが他のセパレータプレートよりも積層用部材に向かって突出して、積層用部材に接触する部分であればよい。
【００９４】
（４）第１実施例では、中間プレート５４の厚みが最も大きいため、中間プレート５４の切欠部５４ｎが位置決め部として利用されているが、３つのプレートの厚みが同じである場合には、いずれかのプレートの切欠部が位置決め部として利用されればよい。
【００９５】
第２実施例では、アノード側プレート１５６の厚みは、カソード側プレート１５２の厚みと等しく設定されているが、これに代えて、アノード側プレート１５６の厚みがカソード側プレートの厚みよりも大きく設定されていてもよい。こうすれば、アノード側プレート１５６の切欠部１５６ｎが変形するのをより抑制することができる。
【００９６】
また、第１および第２実施例では、セパレータに含まれる各プレートは、同じ材料（ステンレス鋼や、チタン、チタン合金など）で構成されているが、これに代えて、異なる材料で構成されていてもよい。
【００９７】
例えば、第１実施例および第２実施例において、位置決め部を有するプレートがステンレス鋼で構成され、他のプレートがチタンまたはチタン合金で構成されていてもよい。なお、ステンレス鋼の硬度（例えば、ビッカース硬さ）は、周知のように、チタン、チタン合金の硬度よりも高い。
【００９８】
一般には、位置決め部を有する一部のセパレータプレートの強度は、他のセパレータプレートの強度よりも高いことが好ましい。こうすれば、一部のセパレータプレートの位置決め部が変形するのを抑制することができる。
【００９９】
（５）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。また、上記実施例では、第１および第２実施例に示す構造を有する燃料電池スタック１００が利用されているが、他の種々の構造を有する燃料電池スタックが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】第１実施例における燃料電池スタック１００の外観を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図３】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図である。
【図４】セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図５】セパレータ５０を示す説明図である。
【図６】セパレータ５０とロッド３１０とを拡大して示す説明図である。
【図７】第２実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図である。
【図８】セパレータ５０Ｂとロッド３１０とを拡大して示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
２０，２０Ｂ…発電ユニット
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
２６ｎ…切欠部
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０，５０Ｂ…セパレータ
５２…カソード側プレート
５２ｎ…切欠部
５４…中間プレート
５４ｎ…切欠部
５６…アノード側プレート
５６ｎ…切欠部
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８…長孔
１００，１００Ｂ…燃料電池スタック
１０１…積層体
１２２…アノード側フレーム
１２６…カソード側フレーム
１５２…カソード側プレート
１５２ｎ…切欠部
１５６…アノード側プレート
１５６ｎ…切欠部
１７２，１７４…集電プレート
１８２，１８４…絶縁プレート
３００…締結機構
３１０…ロッド
３１２，３１４…ボルト
３２２，３２４…エンドプレート
【図１】
2008117589.tif 000003
【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】
2008117589.tif 000008
【図７】
2008117589.tif 000009
【図８】
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