(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟持して構成される接合体が、セパレータを介して複数個積層された積層体を備え、該積層体の積層方向両端に配設される一対のエンドプレートを一体的に締め付けて構成される燃料電池スタックであって、
少なくとも１つのセパレータは、金属平板を介装して積層される一対のセパレータ板を備えており、
前記セパレータ板は、少なくとも一部にエンボス部が設けられるとともに、前記金属平板を挟んで一方のエンボス部の凸部と他方のエンボス部の凹部とが対応するように配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属平板と一方のセパレータ板との間、および前記金属平板と他方のセパレータ板との間には、それぞれ冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記一対のセパレータ板は、直線溝部を設けるとともに、
前記金属平板を挟んで一方の直線溝部の凸部と他方の直線溝部の凹部とが対向して配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記一対のセパレータ板と前記接合体との間には、前記直線溝部を介し反応ガスを蛇行状流路に沿って流すための反応ガス流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟持して構成される接合体が、セパレータを介して複数個積層された積層体を備え、該積層体の積層方向両端に配設される一対のエンドプレートを一体的に締め付ける燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質（膜）・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出されることにより、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池スタックは、車載用としての利用が注目されており、例えば、図１３に示すように、自動車等の車両を構成する車体１に燃料電池スタック１０が搭載される。この燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル１２が互いに電気的に直列接続されるとともに、前記単位セル１２が、図１３中、左右方向に積層されて構成される積層体１３を備える。
【０００５】
単位セル１２は、アノード側電極１４とカソード側電極１６との間に電解質層１８が介装されることにより構成された接合体２０と、前記接合体２０を挟持する一対のセパレータ２２ａ、２２ｂとを備える。セパレータ２２ａ、２２ｂには、それぞれアノード側電極１４に対向する面に前記アノード側電極１４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給・排出するための第１ガス流路２４が設けられる一方、それぞれカソード側電極１６に対向する面に前記カソード側電極１６に酸素含有ガス（例えば、空気）を供給・排出するための第２ガス流路２６が設けられている。
【０００６】
積層体１３の積層方向両端に位置する単位セル１２には、集電用電極３４ａ、３４ｂがそれぞれ電気的に接続される。集電用電極３４ａ、３４ｂの外側には、漏電防止用の絶縁プレート３６ａ、３６ｂを介してエンドプレート（加圧板）３８ａ、３８ｂがそれぞれ配置され、各エンドプレート３８ａ、３８ｂの外側にバックアッププレート（加圧補助板）４０ａ、４０ｂがそれぞれ配置されることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【０００７】
エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、単位セル１２同士の電気的な接触を維持するための複数個のばね部材、例えば、皿ばね（加圧力発生装置）４２が介装されている。
【０００８】
燃料電池スタック１０の周縁部には、一方のバックアッププレート４０ａから他方のバックアッププレート４０ｂに至るまで延在する複数個の貫通孔４４が形成されている。これらの貫通孔４４には各々タイロッド４６が通されており、前記タイロッド４６にナット４８が螺合される。これにより、両バックアッププレート４０ａ、４０ｂが緊締されることに伴って、積層体１３、集電用電極３４ａ、３４ｂおよびエンドプレート３８ａ、３８ｂが加圧保持される一方、皿ばね４２が圧縮される。
【０００９】
ここで、燃料電池スタック１０は、エンドプレート３８ａ、バックアッププレート４０ｂにそれぞれ連結されたマウント用ブラケット５０、５２を介して車体１に搭載されている。マウント用ブラケット５２は、ボルト５４で車体１に連結されることによって位置決め固定されており、一方、マウント用ブラケット５０は、車体１に対して摺動自在である。
【００１０】
すなわち、マウント用ブラケット５０の下端部に突出形成されたアーム部５６には、段部５８を有する長円状溝６０が設けられている。この長円状溝６０に挿入されたボルト６２は、その頭部を介して段部５８の底面を適切な力で押圧することにより、マウント用ブラケット５０が車体１に対して摺動自在に連結される。
【００１１】
以上の構成において、燃料電池スタック１０の運転中、積層体１３が積層方向に沿って熱膨張により寸法変化を起こすと、その熱膨張量に応じて皿ばね４２が縮小する。また、運転が停止されて燃料電池スタック１０の温度が下降すると、積層体１３が収縮するとともに皿ばね４２が伸張する。このように、積層体１３が熱膨張または収縮することに追従して皿ばね４２が縮小または伸張することにより、積層体１３に対する締め付け力が略均等に維持される。
【００１２】
さらに、電解質層１８は、電気化学変化で生成した水分の吸収・放出や供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスの湿度により、積層体１３の積層方向に沿って膨潤・収縮する。加えて、接合体２０は、燃料電池スタック１０の運転・停止に伴う度重なる温度変化によって寸法が若干縮小する、いわゆる、へたりを生じ易い。このへたりは、接合体２０を保持するシール部材や、セパレータ２２ａ、２２ｂ等においても同様に発生する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、電解質層１８、シール部材、セパレータ２２ａ、２２ｂ等に上記のような寸法変化が生じた際にも、積層方向に沿って寸法変化を起こす。その際、同様に皿ばね４２が縮小または伸張することによって、積層体１３に対する加圧保持力を略一定に保つことができる。
【００１４】
なお、燃料電池スタック１０が寸法変化を起こして皿ばね４２が縮小または伸張する際には、マウント用ブラケット５０が、長円状溝６０とボルト６２との案内作用下に車体１に対して積層方向に摺動する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成の燃料電池スタック１０では、一方のマウント用ブラケット５０が車体１に摺動自在に連結されているため、これを堅牢に位置決め固定することはできない。すなわち、マウント用ブラケット５０、５２の両方を堅牢に位置決め固定した場合には、例えば、積層体１３が熱膨張することが著しく抑制され、その結果、燃料電池スタック１０に大きな熱応力が作用してしまうことになるからである。
【００１６】
このように、摺動自在に連結されたマウント用ブラケット５０では、各単位セル１２に均一でかつ大きな加圧力を付与することができず、前記単位セル１２内および該単位セル１２間の電気抵抗を低減することが困難なものとなっている。このため、例えば、エンドプレート３８ａ、３８ｂの板厚を厚くする等の工夫が必要である。
【００１７】
また、燃料電池スタック１０を車体１に搭載した場合には、走行時の振動や衝撃を固定側のマウント用ブラケット５２のみによって受けなければならず、前記マウント用ブラケット５２が相当に大型化するという問題が指摘されている。しかも、通常の車体振動時においても、固定が不十分であるためにエンドプレート３８ａ、３８ｂのずれや面圧保持力の低下による反応ガスや冷却媒体の漏れ等が惹起されるという問題がある。
【００１８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、積層体の熱膨張等による積層方向の寸法変化を、前記積層体内で確実に吸収することができ、簡単な構成で容易に小型化を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟持して構成される接合体が、セパレータを介して複数個積層された積層体を備えるとともに、少なくとも１つのセパレータが、金属平板を介装して積層される一対のセパレータ板を備えている。この一対のセパレータ板は、少なくとも一部にエンボス部が設けられるとともに、金属平板を挟んで一方のエンボス部の凸部と他方のエンボス部の凹部とが対応するように配置される。
【００２０】
この場合、単位セルが熱膨張または収縮して寸法変化を起こした際、電解質層が電気化学変化で生成した水分を吸収・放出することに追従して膨潤・収縮した際、さらには、燃料電池スタックを構成する接合体、シール部材、セパレータ等にへたりによる寸法変化が生じた際、前記燃料電池スタックが前記単位セルの積層方向に沿って寸法変化を惹起すると、金属平板が一方のエンボス部の凸部により他方のエンボス部の凹部側に押圧されて弾性変形する。この金属平板の弾性変形に伴って単位セルが弾発付勢されることにより、積層体に対する加圧保持力、ひいては互いに隣接する単位セル同士の電気的な接触を良好に維持することができる。
【００２１】
しかも、金属平板によって積層体に対する加圧保持力が維持されるので、従来技術に係る燃料電池スタックのように、皿ばねを組み込む必要がなくなるとともに、バックアッププレートも不要となる。従って、燃料電池スタックにおける単位セルの積層方向に沿う寸法を小さくすることが可能になり、かつ軽量化を図ることができる。
【００２２】
さらに、金属平板が弾性変形することによって積層体に対する加圧保持力が維持されるため、前記積層体を該積層体の両端から保持する１組のエンドプレートにそれぞれ連結されたマウント用ブラケットの一方を、従来のように所定の部材に摺動自在に連結する必要がなく、堅牢に位置決め固定することが可能になる。その際、一方のマウント用ブラケットのみを位置決め固定する場合に比して、両マウント用ブラケットに加わる荷重が著しく低減され、小型かつ軽量なマウント用ブラケットを採用することができる。このため、燃料電池スタックの搭載スペースを有効に狭小化するとともに、車両としての総重量を小さくすることも可能になる。
【００２３】
なお、上記の所定の部材の好適な例としては、車両の車体を挙げることができる。すなわち、本発明に係る燃料電池スタックは、車載用として好適に使用することが可能になる。ここで、車両は、燃料電池スタックの起電力を駆動源として走行するものであればよく、一般自家用車に特に限定されるものではない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略全体斜視図を示す。以下の説明では、前述の図１３に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を用いている。なお、説明の便宜上必要な場合には、同一の参照数字に符号ａ、ｂ等を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２５】
燃料電池スタック１００は、図２に示すように、第１単位セル１０２と第２単位セル１０４とが積層されたセルアセンブリ１０６を備えており、前記セルアセンブリ１０６が矢印Ａ方向に積層されかつ互いに電気的に直列接続されて積層体１０８が構成される（図１参照）。
【００２６】
図２に示すように、セルアセンブリ１０６の一端縁部には、その積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給・排出するための酸素含有ガス供給連通孔１１０および酸素含有ガス排出連通孔１１２と、燃料ガス中間連通孔１１４と、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体入口孔１２２および冷却媒体出口孔１２４とが設けられている。
【００２７】
セルアセンブリ１０６の他端縁部には、酸素含有ガス供給連通孔１１０および酸素含有ガス排出連通孔１１２に連通する酸素含有ガス中間連通孔１１６と、燃料ガス中間連通孔１１４にそれぞれ連通し、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給・排出するための燃料ガス供給連通孔１１８および燃料ガス排出連通孔１２０とが設けられている。
【００２８】
酸素含有ガス供給連通孔１１０、酸素含有ガス排出連通孔１１２、燃料ガス供給連通孔１１８、燃料ガス排出連通孔１２０、冷却媒体入口孔１２２および冷却媒体出口孔１２４は、それぞれ、燃料電池スタック１００を構成するエンドプレート１２６（図１参照）に設けられた酸素含有ガス供給孔１２８、酸素含有ガス排出口１３０、燃料ガス供給口１３２、燃料ガス排出口１３４、冷却媒体供給口１３６および冷却媒体排出口１３８に連通している。
【００２９】
第１単位セル１０２は、図２および図３に示すように、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜１８ａと、該固体高分子電解質膜１８ａを挟持するアノード側電極１４ａおよびカソード側電極１６ａとを有する第１接合体２０ａを備える。
【００３０】
アノード側電極１４ａおよびカソード側電極１６ａは、カーボンクロスまたはカーボンペーパー等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有し、前記電極触媒層同士が固体高分子電解質膜１８ａを介装して対向するように前記固体高分子電解質膜１８ａの両面に接合されている。このように構成される第１接合体２０ａが、第１セパレータ１４０と第２セパレータ１４２とで挟持されることによって、第１単位セル１０２が構成される。
【００３１】
第２単位セル１０４は、第１接合体２０ａと同様に構成される第２接合体２０ｂを有しており、前記第２接合体２０ｂにおいて、前記第１接合体２０ａと同一の構成要素には同一の参照数字を用いるとともに、符号ａに代えてｂを付して表すものとする。
【００３２】
図３から諒解されるように、第２接合体２０ｂは、第２セパレータ１４２と第１セパレータ１４０とで挟持されている。第１セパレータ１４０は、１枚の金属薄板からなり、中央部側には、図２に示すように、矢印Ｃ方向（長辺方向）に沿って所定の長さだけ延在する直線溝部１４４が設けられるとともに、前記直線溝部１４４の矢印Ｃ方向両端には、エンボス部１４６が形成される。直線溝部１４４が第１セパレータ１４０の両面に設けられることにより、前記第１セパレータ１４０には、第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに当接する第１直線凸部１４８と、第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに当接する第２直線凸部１５０とが設けられる（図２および図３参照）。
【００３３】
第１セパレータ１４０では、図３に示すように、第１直線凸部１４８が第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに当接することにより、第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス流路を構成する第１直線凹部１５２が形成されるとともに、第２直線凸部１５０が前記カソード側電極１６ｂに当接することにより、前記アノード側電極１４ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を構成する第２直線凹部１５４が形成される。
【００３４】
エンボス部１４６は、図２および図４に示すように、第１接合体２０ａ側に膨出する略円錐形状の第１凸部１５６と、第２接合体２０ｂ側に膨出する略円錐形状の第２凸部１５８とを互いに千鳥状に設けている。第１凸部１５６が第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａに当接するとともに、第２凸部１５８が第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに当接することにより、前記第２凸部１５８側に酸素含有ガス流路を構成する第１凹部１６０が形成される一方、前記第１凸部１５６側に燃料ガス流路を構成する第２凹部１６２が形成される。
【００３５】
第１凹部１６０は、第１直線凹部１５２に連通するとともに、燃料ガス供給連通孔１１８および燃料ガス中間連通孔１１４に連通する（図２参照）。第２凹部１６２は、第２直線凹部１５４に連通するとともに、酸素含有ガス供給連通孔１１０および酸素含有ガス中間連通孔１１６に連通する。
【００３６】
第２セパレータ１４２は、金属平板、例えば、板ばね１６４を介装して積層される第１および第２セパレータ板１６６、１６８とを備える。この第１および第２セパレータ板１６６、１６８は、第１セパレータ１４０と略同様に構成されており、前記第１セパレータ板１６６は、第１直線凸部１４８および第１凸部１５６が板ばね１６４の一方の面に当接するとともに、第２直線凸部１５０および第２凸部１５８が第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａに当接する（図３および図４参照）。
【００３７】
第１セパレータ板１６６と板ばね１６４との間には、第２直線凸部１５０および第２凸部１５８を介して冷却媒体流路を構成する第２直線凹部１７０ａおよび第２凹部１７０ｂが形成される一方、前記第１セパレータ板１６６と第１接合体２０ａとの間には、第１直線突部１４８および第１凸部１５６を介して酸素含有ガス流路を構成する第１直線凹部１５２ａおよび第１凹部１６０ａが形成される。第２凹部１７０ｂは、冷却媒体入口孔１２２に連通する一方、第１凹部１６０ａは、酸素含有ガス供給連通孔１１０と酸素含有ガス中間連通孔１１６とに連通する。
【００３８】
第２セパレータ板１６８は、第１直線凸部１４８および第１凸部１５６が第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂに当接し、この第１直線凸部１４８および第１凸部１５６側に燃料ガス流路を構成する第２直線凹部１５４ａおよび第２凹部１６２ｂが形成されるとともに、前記第２セパレータ板１６８の第２直線凸部１５０および第２凸部１５８が板ばね１６４に当接して、この第２直線凸部１５０および第２凸部１５８側に冷却媒体流路を構成する第１直線凹部１７０ｃおよび第１凹部１７０ｄが形成される。第２凹部１６２ｂは、燃料ガス中間連通孔１１４と燃料ガス排出連通孔１２０とに連通する一方、第１凹部１７０ｄは、板ばね１６４の端部を折り返して第２凹部１７０ｂに連通するとともに、冷却媒体出口孔１２４に連通している。
【００３９】
図３に示すように、第１および第２セパレータ板１６６、１６８の各直線溝部１４４では、前記第１セパレータ板１６６の第１直線凸部１４８が前記第２セパレータ板１６８の第１直線凹部１７０ｃに対応するとともに、前記第２セパレータ板１６８の第２直線凸部１５０が前記第１セパレータ板１６６の第２直線凹部１７０ａに対応して配置されている。
【００４０】
第１および第２セパレータ板１６６、１６８の各エンボス部１４６では、図４に示すように、前記第１セパレータ板１６６の第１凸部１５６が、板ばね１６４を挟んで前記第２セパレータ板１６８の第１凹部１７０ｄに対応し、かつ前記第２セパレータ板１６８の第２凸部１５８が、前記第１セパレータ板１６６の第２凹部１７０ｂに対応して配置されている。
【００４１】
図２に示すように、板ばね１６４は、矢印Ｃ方向の寸法が、第１および第２セパレータ板１６６、１６８に設けられている直線溝部１４４およびエンボス部１４６に比べてやや小さく設定されている。図５に示すように、第１セパレータ板１６６と板ばね１６４との間に流通された冷却媒体は、該板ばね１６４の一端部を折り返して前記板ばね１６４と前記第２セパレータ板１６８との間に導入される。
【００４２】
板ばね１６４は平滑な金属板からなり、荷重が加えられた際に弾性変形し、かつ前記荷重が除去されて元の形状に復帰する際に弾発力を付与する。すなわち、板ばね１６４としては、セルアセンブリ１０６が熱膨張または収縮した場合であっても、熱膨張または収縮前と略同等の荷重で第２セパレータ板１６８および第１セパレータ板１６６を介して第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂを押圧できるものが選定される。換言すれば、板ばね１６４のばね定数は、セルアセンブリ１０６の膨張量または収縮量に応じて、肉厚や支点のスパン、材質により設定すればよく、一義的に決定されるものではない。
【００４３】
図１に示すように、積層体１０８の両端部には、タブ部１７２を有する集電用電極３４ａ、３４ｂと、漏電防止用の絶縁プレート（図示せず）とを介してエンドプレート１２６、１７４が配置される。上記したように、エンドプレート１２６には、酸素含有ガス供給孔１２８、酸素含有ガス排出口１３０、燃料ガス供給口１３２、燃料ガス排出口１３４、冷却媒体供給口１３６および冷却媒体排出口１３８が設けられている。
【００４４】
図１および図６に示すように、積層体１０８には、一方のエンドプレート１２６から他方のエンドプレート１７４に至る貫通孔（図示せず）が複数個形成されており、各貫通孔には緊締部材としてのタイロッド４６が通されている。各タイロッド４６にナット４８（図６参照）が螺合されることにより、両エンドプレート１２６、１７４が締め付けられることに伴って、積層体１０８、集電用電極３４ａ、３４ｂおよびエンドプレート１２６、１７４が一体的に加圧保持される。
【００４５】
エンドプレート１２６、１７４には、ボルト１７５を介してマウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂがそれぞれ連結されており、両マウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂは、ボルト１７８を介して車体１に強固に連結されている。すなわち、第１の実施形態においては、両マウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂは、いずれも車体１に対して摺動することのないように堅牢に位置決め固定されている。
【００４６】
エンドプレート１２６の燃料ガス供給口１３２および燃料ガス排出口１３４に燃料ガス供給源、回収機構が連結されるとともに、酸素含有ガス供給孔１２８および酸素含有ガス排出口１３０に酸素含有ガス供給源、回収機構が連結され、さらに、冷却媒体供給口１３６および冷却媒体排出口１３８に冷却水供給源、回収機構が連結される（いずれも図示せず）。
【００４７】
次に、このように構成される燃料電池スタック１００の動作について説明する。
【００４８】
燃料電池スタック１００を運転するに際しては、燃料ガス供給口１３２から水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸素含有ガス供給孔１２８から空気等の酸素含有ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口１３６から純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０６に対し、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体が直列的に供給される（図５参照）。
【００４９】
矢印Ａ方向に沿って延在する燃料ガス供給連通孔１１８に供給された燃料ガスは、図３および図４に示すように、第１セパレータ１４０のエンボス部１４６および直線溝部１４４と第１接合体２０ａのアノード側電極１４ａとの間（第２凹部１６２および第２直線凹部１５４）に流通された後、燃料ガス中間連通孔１１４に沿って矢印Ａ方向に移動する。さらに、燃料ガスは、下流側の第２セパレータ１４２を構成する第２セパレータ板１６８のエンボス部１４６および直線溝部１４４と第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ｂとの間（第２凹部１６２ｂおよび第２直線凹部１５４ａ）に流通される。
【００５０】
一方、酸素含有ガス供給連通孔１１０に供給された酸素含有ガスは、第２セパレータ１４２を構成する第１セパレータ板１６６のエンボス部１４６および直線溝部１４４と第１接合体２０ａのカソード側電極１６ａとの間（第１凹部１６０ａおよび第１直線凹部１５２ａ）に流通される。酸素含有ガスは、酸素含有ガス中間連通孔１１６に沿って矢印Ａ方向に移動し、下流側の第１セパレータ１４０のエンボス部１４６および直線溝部１４４と第２接合体２０ｂのカソード側電極１６ｂとの間（第１凹部１６０および第１直線凹部１５２）に流通される。
【００５１】
上記のように、燃料ガスおよび酸素含有ガスが流通されることにより、第１接合体２０ａおよび第２接合体２０ｂのアノード側電極１４ａ、１４ｂおよびカソード側電極１６ａ、１６ｂにおいて起電力が発生し、その結果、集電用電極３４ａ、３４ｂのタブ部１７２、１７２に電気的に接続されたモータ（図示せず）が付勢される。なお、使用済みの燃料ガスおよび酸素含有ガスは、燃料ガス排出連通孔１２０および酸素含有ガス排出連通孔１１２をそれぞれ経て、エンドプレート１２６の燃料ガス排出口１３４および酸素含有ガス排出口１３０を介して回収機構へと送気される。
【００５２】
また、冷却媒体入口孔１２２に供給された冷却媒体は、第２セパレータ１４２を構成する第１セパレータ板１６６と板ばね１６４の間（第２凹部１７０ｂおよび第２直線凹部１７０ａ）に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、板ばね１６４の一端部で折り返した後、該板ばね１６４と第２セパレータ板１６８との間（第１凹部１７０ｄおよび第１直線凹部１７０ｃ）に導入されて矢印Ｃ方向に沿って流通する。最終的に、冷却媒体は、第２セパレータ板１６８の冷却媒体出口孔１２４を経た後、エンドプレート１２６の冷却媒体排出口１３８を介して回収機構に回収される。
【００５３】
上記のように、運転（発電）が継続されることによって、所定の温度まで昇温された燃料電池スタック１００は、積層方向（図１における矢印Ａ方向）に沿って熱膨張を起こす。従って、板ばね１６４は、図７に示すように、第１および第２セパレータ板１６６、１６８の直線溝部１４４において、前記第１セパレータ板１６６の第１直線凸部１４８と前記第２セパレータ板１６８の第１直線凹部１５２とに対応し、かつ前記第２セパレータ板１６８の第２直線凸部１５０と前記第１セパレータ板１６６の第２直線凹部１５４とに対応し、弾性変形する。
【００５４】
このため、第１および第２単位セル１０２、１０４は、板ばね１６４の弾性力を介して押圧され、セルアセンブリ１０６、さらには積層体１０８に所望の加圧力を確実に付与することが可能になる。これにより、積層体１０８の電気的な接触を良好に維持させることができ、第１および第２単位セル１０２、１０４間の接触抵抗を低減させて燃料電池スタック１００全体の発電特性を向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００５５】
一方、第１および第２セパレータ板１６６、１６８のエンボス部１４６では、図４に示すように、板ばね１６４を挟んで前記第１セパレータ板１６６の第１凸部１５６が前記第２セパレータ板１６８の第１凹部１７０ｄに対応し、かつ前記第２セパレータ板１６８の第２凸部１５８が前記第１セパレータ板１６６の第２凹部１７０ｂに対応して配置されている。従って、燃料電池スタック１００に積層方向の熱膨張が惹起すると、第１および第２凸部１５６、１５８の押圧作用下に、板ばね１６４がエンボス加圧され、図８に示すように、弾性変形する。
【００５６】
このように、板ばね１６４が弾性変形を起こすので、積層体１０８を加圧保持するエンドプレート１２６、１７４に連結された両マウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂをともに車体１に堅牢に位置決め固定した場合であっても、燃料電池スタック１００が熱膨張することを妨げることはない。このため、燃料電池スタック１００に熱応力が作用することを回避することができる。
【００５７】
しかも、マウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂとしては、上記燃料電池スタック１０を車体１に連結するマウント用ブラケット５０、５２（図１３参照）に比して小型のものを使用することが可能になる。この場合、２個のマウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂがともに堅牢に位置決め固定されるので、振動や衝撃によって個々のマウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂに加わる荷重は、一方のマウント用ブラケット５２を位置決め固定しかつ他方のマウント用ブラケット５０を車体１に対して摺動自在に連結する場合に比して著しく小さくなるからである。これにより、燃料電池スタック１００を搭載するスペースの狭小化およびマウント用ブラケット１７６ａ、１７６ｂの軽量化が容易に図られるという利点がある。
【００５８】
また、燃料電池スタック１００の運転が停止されて温度が下降し、該燃料電池スタック１００が積層方向（図１における矢印Ａ方向）に沿って収縮した際には、板ばね１６４が元の形状に復帰する。この際、板ばね１６４が第１および第１セパレータ板１６６、１６８を弾発付勢し、積層体１０８に対する加圧保持力が有効に維持される。
【００５９】
さらに、燃料電池スタック１００を構成する第１接合体２０ａ、第２接合体２０ｂ、第１セパレータ１４０、第２セパレータ１４２（第１および第２セパレータ板１６６、１６８）等にへたりが生じた場合にも同様に、板ばね１６４が第１および第２セパレータ板１６６、１６８を弾発付勢することによって、積層体１０８に対する加圧保持力が維持される。
【００６０】
さらにまた、第１および第２セパレータ板１６６、１６８には、直線溝部１４４の両側に位置してエンボス部１４６が設けられている。エンボス部１４６では、略円錐形状の第１および第２凸部１５６、１５８が交互に設けられており、前記エンボス部１４６が燃料ガス流路や酸素含有ガス流路のバッファ機能を有することができ、燃料ガスや酸素含有ガスのガス分配性が有効に向上するという効果が得られる。その際、第１および第２凸部１５６、１５８は、縦方向および横方向のピッチを設定することにより、エンボス部１４６が直線溝部１４４と同等の変位量を得ることが可能になる。
【００６１】
なお、第１の実施形態では、第２セパレータ１４２のみを第１および第２セパレータ板１６６、１６８で構成し、かつ前記第１および第２セパレータ板１６６、１６８の間に板ばね１６４を介装しているが、図９に示すように、前記第２セパレータ１４２と同様に、第１セパレータ２００を第１および第２セパレータ板２０２、２０４で構成し、前記第１および第２セパレータ板２０２、２０４の間に板ばね１６４を介装するようにしてもよい。
【００６２】
また、第１の実施形態では、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体を第１単位セル１０２から第２単位セル１０４へと直列に流通させる場合を例示して説明したが、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体を各単位セル毎に個別に流通させる一般的な燃料電池スタック（図示せず）に対しても、良好に適用することができる。
【００６３】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの中、少なくとも１つのセパレータ３００を示す。
【００６４】
このセパレータ３００は、例えば、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する第１セパレータ１４０や、第２セパレータ１４２を構成する第１および第２セパレータ板１６６、１６８としても使用可能であるが、この第２の実施形態では、説明を簡略化するために、燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体を複数の単位セルに直列的に流す構成に代えて、前記燃料ガス、前記酸素含有ガスおよび前記冷却媒体を各単位セル毎に並列に流す一般的な燃料電池スタックに使用されるセパレータ構造を採用する。なお、以下に説明する第３および第４の実施形態においても同様である。
【００６５】
セパレータ３００は、一端縁部に燃料ガス供給連通孔１１８と、冷却媒体入口孔１２２と、酸素含有ガス排出連通孔１１２とが設けられる一方、他端縁部には、酸素含有ガス供給連通孔１１０と、冷却媒体出口孔１２４と、燃料ガス排出連通孔１２０とが設けられる。
【００６６】
このセパレータ３００の一方の面には、燃料ガス流路を構成する直線溝部３０２と、この直線溝部３０２の両側に配置されるエンボス部３０４とが形成される。直線溝部３０２およびエンボス部３０４は、第１の実施形態に示した直線溝部１４４およびエンボス部１４６と略同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
エンボス部３０４には、直線溝部３０２に直交する方向に延在してセパレータ３００の一方の面側に突出する第１凸部３０６と、前記セパレータ３００の他方の面側に突出する第２凸部３０８とが、所定の位置に所定の長さにわたって設けられている。
【００６８】
従って、第２の実施形態では、バッファ機能を有するエンボス部３０４に、例えば、燃料ガスを積極的に整流するための第１凸部３０６が設けられており、この第１凸部３０６の整流作用下に燃料ガスがセパレータ３００の面方向に均一かつ確実に流動する。これにより、燃料ガスを図示しないアノード側電極に良好に供給することができるという効果が得られる。
【００６９】
なお、セパレータ３００の他方の面側には、同様に、整流機能を営む第２凸部３０８が設けられており、この第２凸部３０８の整流作用下に、酸素含有ガスあるいは冷却媒体を良好に流動することが可能になる。
【００７０】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する少なくとも１つのセパレータ４００の概略斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係るセパレータ３００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。以下に示す第４の実施形態でも同様である。
【００７１】
このセパレータ４００では、燃料ガス流路を構成するために、エンボス部４０２のみが設けられている。このため、エンボス部４０２の第１および第２凸部１５６、１５８の配列状態を設定することにより、セパレータ４００の面内に沿って燃料ガス、酸素含有ガスまたは冷却媒体をさらに流すことができる。
【００７２】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータ５００の概略斜視説明図である。
【００７３】
このセパレータ５００は、直線溝部５０２と、エンボス部５０４とを備えている。直線溝部５０２は、例えば、燃料ガス流路を構成する面側に突出して第２凸部５０６が設けられるとともに、この面とは反対側の面側に突出して第１凸部５０８が設けられる。
【００７４】
第２凸部５０６は、セパレータ５００の長手方向（矢印Ｃ方向）に延在するとともに、燃料ガス供給連通孔１１８からエンボス部５０４に導入された燃料ガスを水平方向に折り返して蛇行しながら、燃料ガス排出連通孔１２０に導くために、長尺部分５０６ａ、５０６ｂが交互に少なくとも一対設けられている。
【００７５】
このように、第４の実施形態では、燃料ガス供給連通孔１１８からセパレータ５００の面側に供給される燃料ガスは、エンボス部５０４と直線溝部５０２との案内作用下に、水平方向に折り返しながら鉛直下方向に移動し、図示しないアノード側電極に必要量の前記燃料ガスを確実に供給した後、燃料ガス排出連通孔１２０に排出される。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、該燃料電池スタックが熱膨張または収縮を起こした際に、板ばねで接合体を弾発付勢することによって、互いに隣接する単位セルの電気的な接触を確保することが可能になる。このため、皿ばねやバックアッププレートを使用する必要がなく、燃料電池スタックにおける積層方向の寸法を有効に小さくすることができるとともに、軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを構成する第１単位セルおよび第２単位セルの分解斜視図である。
【図３】セルアセンブリを構成する直線溝部の概略断面図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成するエンボス部の概略断面図である。
【図５】セルアセンブリ内における燃料ガス、酸素含有ガスおよび冷却媒体の流通方向を示すフローの説明図である。
【図６】図１の燃料電池スタックの積層方向に沿う概略側面図である。
【図７】第１および第２セパレータ板の直線溝部で板ばねを弾性変形させる際の説明図である。
【図８】前記第１および第２セパレータ板のエンボス部で前記板ばねを弾性変形させる際の斜視説明図である。
【図９】別の構成を有するセルアセンブリの概略断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの概略斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの概略斜視説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの概略斜視説明図である。
【図１３】従来技術に係る燃料電池スタックの積層方向に沿う概略側面図である。
【符号の説明】
１４ａ、１４ｂ…アノード側電極      １６ａ、１６ｂ…カソード側電極
１８ａ、１８ｂ…固体高分子電解質膜  ２０ａ、２０ｂ…接合体
１００…燃料電池スタック            １０２、１０４…単位セル
１０６…セルアセンブリ              １０８…積層体
１１０…酸素含有ガス供給連通孔      １１２…酸素含有ガス排出連通孔
１１４…燃料ガス中間連通孔          １２２…冷却媒体入口孔
１２４…冷却媒体出口孔              １２６、１７４…エンドプレート
１４０、１４２、３００、４００、５００…セパレータ
１４４、３０２、５０２…直線溝部
１４６、３０４、４０２、５０４…エンボス部
１４８、１５０…直線凸部
１５２、１５２ａ、１５４、１７０ａ、１７０ｃ…直線凹部
１５６、１５８、３０６、３０８、５０６、５０８…凸部
１６０、１６０ａ、１６２、１７０ｂ、１７０ｄ…凹部
１６４…板ばね
１６６、１６８、２０２、２０４…セパレータ板
１７６ａ、１７６ｂ…マウント用ブラケット
【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】
0004813707.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004813707.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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