(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に流路形成用の凹凸を備えた一対のセパレータでＭＥＡを挟持して単セルを形成し、該単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックであって、
前記セパレータが、前記流路形成用の凹凸と、隣接する単セルの面方向の位置を規制する、前記セパレータに形成された、位置規制手段を備えており、
前記セパレータが、メタルセパレータと該メタルセパレータのＭＥＡ側に設けられた樹脂フレームとの組み合わせ、または、カーボンセパレータからなり、
前記流路形成用の凹凸は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成されており、前記位置規制手段は、前記流路形成用の凹凸が形成された前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成されており、
前記位置規制手段が、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成された、単セル同士間のメタルセパレータまたはカーボンセパレータの接触通電部のセル面内方向のずれを抑制するずれ防止用凹凸部を備えており、
一つの単セルの前記ずれ防止用凹凸部は、該一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凸部と、該一つの単セルに隣接する単セルのずれ防止用凹凸部の凸部を受け入れる、前記一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凹部とを含み、
前記一つの単セルの前記ずれ防止用凹凸部の凸部と凹部は、前記一つの単セルの前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの冷却水流路が形成される側と同じ側の面に形成されており、
前記ずれ防止用凹凸部の前記凸部は頂面および側面を有する形状を有し、前記ずれ防止用凹凸部の前記凹部は側面を有する形状を有し、
前記一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凸部の側面は、隣接する単セルのずれ防止用凹凸部の凸部または凹部の側面にセル面内方向に係合している、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記位置規制手段は、前記単セルに複数形成されており、互いに隣接する単セル同士間の複数方向のずれを抑制する請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記ずれ防止用凹凸部の凸部は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セル側に突出しており、前記ずれ防止用凹凸部の凹部は、前記セパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セルから離れる方向に後退している請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記位置規制手段は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータ外周部に形成される請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セパレータはカーボンセパレータであり、各単セルにおいてＭＥＡの両側のカーボンセパレータは外周部でシール剤を挟んでおり、前記ＭＥＡの両側のカーボンセパレータは前記シール剤に加熱圧着されており、前記シール剤により前記ＭＥＡの両側のカーボンセパレータ間がシールされている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セパレータはメタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせからなり、メタルセパレータのＭＥＡ側に樹脂フレームが設けられている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セパレータはカーボンセパレータである請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの隣接する単セルと対向する側のずれ防止用凹凸部を、単セルと熱交換する冷媒の流通路として機能させた請求項１記載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、隣接する単セルのセパレータ同士のセル面内方向の位置ずれを抑制できる燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
単セル（単位燃料電池）は膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから構成される。単セルを積層して燃料電池スタックとする場合、単セルを基準に当てて、隣接する単セル同士のセル面内方向の位置ぎめを行っている。
特開２００２−３６７６２４号公報は、基準としてノックピンを用い、セパレータに設けた穴にノックピンを挿通することにより、隣接する単セル同士の位置ぎめを行うことを開示している。
あるいは、セパレータの外周面をセル面内方向に、セル外に設けた基準に当てて、隣接する単セル同士の位置ぎめを行う場合もある。
【０００３】
ノックピンの場合も、セル外の基準の場合も、基準という間接部材を設けて隣接セル同士の位置決めを行うので、基準がもつ誤差（製造誤差、配置誤差）によって、隣接セル同士の位置決め精度が悪化する。
隣接セル同士の位置決め精度が悪化すると、隣接セル間のセパレータ同士の通電接触面積が低減したり、ＭＥＡ押圧力が低減し、その結果、セル発電電圧、発電電力が低下する。
【特許文献１】特開２００２−３６７６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、基準を用いて隣接する単位セル同士の位置決めを行うと、隣接する単セル同士がセル面内方向に位置ずれを起こし、燃料電池の性能を低下させるという問題である。
本発明の目的は、隣接する単セル同士がセル面内方向に位置ずれを起こすことを抑制することができる燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  両面に流路形成用の凹凸を備えた一対のセパレータでＭＥＡを挟持して単セルを形成し、該単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックであって、
前記セパレータが、前記流路形成用の凹凸と、隣接する単セルの面方向の位置を規制する、前記セパレータに形成された、位置規制手段を備えており、
前記セパレータが、メタルセパレータと該メタルセパレータのＭＥＡ側に設けられた樹脂フレームとの組み合わせ、または、カーボンセパレータからなり、
前記流路形成用の凹凸は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成されており、前記位置規制手段は、前記流路形成用の凹凸が形成された前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成されており、
前記位置規制手段が、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成された、単セル同士間のメタルセパレータまたはカーボンセパレータの接触通電部のセル面内方向のずれを抑制するずれ防止用凹凸部を備えており、
一つの単セルの前記ずれ防止用凹凸部は、該一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凸部と、該一つの単セルに隣接する単セルのずれ防止用凹凸部の凸部を受け入れる、前記一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凹部とを含み、
前記一つの単セルの前記ずれ防止用凹凸部の凸部と凹部は、前記一つの単セルの前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの冷却水流路が形成される側と同じ側の面に形成されており、
前記ずれ防止用凹凸部の前記凸部は頂面および側面を有する形状を有し、前記ずれ防止用凹凸部の前記凹部は側面を有する形状を有し、
前記一つの単セルのずれ防止用凹凸部の凸部の側面は、隣接する単セルのずれ防止用凹凸部の凸部または凹部の側面にセル面内方向に係合している、
燃料電池スタック。
（２）  前記位置規制手段は、前記単セルに複数形成されており、互いに隣接する単セル同士間の複数方向のずれを抑制する（１）記載の燃料電池スタック。
（３）  前記ずれ防止用凹凸部の凸部は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セル側に突出しており、前記ずれ防止用凹凸部の凹部は、前記セパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セルから離れる方向に後退している（１）記載の燃料電池スタック。
（４）  前記位置規制手段は、前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータ外周部に形成される（１）記載の燃料電池スタック。
（５）  前記セパレータはカーボンセパレータであり、各単セルにおいてＭＥＡの両側のカーボンセパレータは外周部でシール剤を挟んでおり、前記ＭＥＡの両側のカーボンセパレータは前記シール剤に加熱圧着されており、前記シール剤により前記ＭＥＡの両側のカーボンセパレータ間がシールされている（１）記載の燃料電池スタック。
（６）  前記セパレータはメタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせからなり、メタルセパレータのＭＥＡ側に樹脂フレームが設けられている（１）記載の燃料電池スタック。
（７）  前記セパレータはカーボンセパレータである（１）記載の燃料電池スタック。
（８）  前記メタルセパレータまたはカーボンセパレータの隣接する単セルと対向する側のずれ防止用凹凸部を、単セルと熱交換する冷媒の流通路として機能させた（１）記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池スタックによれば、セパレータが、メタルセパレータと該メタルセパレータのＭＥＡ側に設けられた樹脂フレームとの組み合わせ、または、カーボンセパレータからなり、流路形成用の凹凸が、メタルセパレータまたはカーボンセパレータに形成されており、流路形成用の凹凸が形成されたメタルセパレータまたはカーボンセパレータに、隣接する単セルの面方向の位置を規制する位置規制手段が形成されているので、基準等の間接部材を介してずれ防止をはかる場合に比べて、直接的なずれ防止となり、ずれ防止の精度を上げることができる。その結果、隣接するセパレータ間の通電面積が確保され、接触抵抗が低減される。
上記（１）の燃料電池スタックによれば、メタルセパレータまたはカーボンセパレータにずれ防止用凹凸部が形成されているので、基準等の間接部材を介してずれ防止をはかる場合に比べて、直接的なずれ防止となり、ずれ防止の精度を上げることができる。その結果、隣接するセパレータ間の通電面積が確保され、接触抵抗が低減される。
上記（１）の燃料電池スタックによれば、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段が、凸部と、隣接する単セルのずれ防止用凹凸部の凸部を受け入れる凹部とを有するので、隣接するセル間で、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段の干渉が生じることを防止できる。
上記（２）の燃料電池スタックによれば、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段は、単セルに複数形成されており、それぞれのずれ防止の方向を異ならせることにより、隣接する単セル同士間の複数方向のずれを抑制することができる。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、凸部は、セパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セル側に突出しており、凹部は、セパレータの冷却水流路が形成される側の面の流路形成用の凹凸の凸部の頂面よりも隣接する単セルから離れる方向に後退しているので、凸部と凹部とをセル面内方向に係合させることができる。
上記（４）の燃料電池スタックによれば、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段は、セパレータ外周部に形成されるので、補強ビードとなってシールラインの剛性を上げることができ、シール効果を上げることができる。
上記（５）の燃料電池スタックによれば、セパレータはカーボンセパレータであり、各単セルにおいてＭＥＡの両側のカーボンセパレータは外周部でシール剤を挟んでおり、ＭＥＡの両側のカーボンセパレータはシール剤に加熱圧着されており、シール剤によりＭＥＡの両側のカーボンセパレータ間がシールされている構造のため、加熱圧着時のセパレータの熱膨張により、隣接するセルのカーボンセパレータ同士にはずれが生じやすいが、ずれ防止用凹凸部によって容易にずれ防止をはかることができる。
上記（６）の燃料電池スタックによれば、セパレータがメタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせからなり、メタルセパレータのＭＥＡ側に樹脂フレームが設けられているので、加熱圧着時のメタルと樹脂との熱膨張差により、隣接するセルのセパレータ同士にはずれが生じやすいが、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段によって容易にずれ防止をはかることができる。
上記（７）の燃料電池スタックによれば、セパレータがカーボンセパレータであり、加熱圧着時のカーボンセパレータの熱膨張差により、隣接するセルのセパレータ同士にはずれが生じやすいが、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段によって容易にずれ防止をはかることができる。
上記（８）の燃料電池スタックによれば、凹凸部のずれを抑制することで、冷却水流路を所望の形状とすることができ、冷却水流路の圧損を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の、燃料電池スタックを、図１〜図９を参照して説明する。ただし、図７〜図９はずれ防止用凹凸部を持たないセパレータ（比較例）である。
また、図１〜図４は本発明の実施例１（メタルセパレータ）を示し、図５は本発明の実施例２（カーボンセパレータ）を示す。図６は本発明の実施例１にも実施例２にも適用される。
本発明の実施例１と実施例２にわたって共通する、または類似する部分には、本発明の実施例１と実施例２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例１と実施例２にわたって共通する、または類似する部分を、たとえば図１〜図４、図６、図７〜図９を参照して、説明する。
【０００８】
図１〜図４、図６に示すように、本発明の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータ２（セパレータ２には、アノード側セパレータ２Ａ、カソード側セパレータ２Ｂを含む、また、セパレータ２がメタルセパレータと樹脂フレームとからなる場合はセパレータ２には樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄも含む）は、積層型の固体高分子電解質型燃料電池１に組み込まれるセパレータである。該燃料電池１は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）３とセパレータ２との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
ＭＥＡ３は、イオン交換膜からなる電解質膜４とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）５および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）６とからなる。ＭＥＡ３とセパレータ２との間には、アノード側、カソード側にそれぞれガス透過性の拡散層７が設けられる。
【０００９】
セパレータ２Ａ、２Ｂには、アノード５、カソード６に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路８、９（燃料ガス流路８、酸化ガス流路９）と、その裏面に冷却水を流すための冷却水流路１０が形成されている。また、セパレータ２には、燃料ガス流路８に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド１１、酸化ガス流路９に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド１２、冷却水流路１０に冷却水を供給、排出するための冷却水マニホールド１３が形成されている。
【００１０】
ＭＥＡ３とセパレータ２を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１４を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）をシール接着してモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにより固定して、燃料電池スタック１５を構成する。
【００１１】
各セル１３の、アノード側５では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜４中をカソード側に移動し、カソード６側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１２】
セパレータ２は、メタルセパレータと樹脂フレームの組合せであってもよいし、カーボンセパレータであってもよいし、メタルセパレータであってもよいし、導電性樹脂セパレータであってもよいし、あるいは、これらのセパレータの組合せであってもよい。
流体流路８、９、１０、１１、１２、１３をシールするために、単セル１４は外周部でセパレータ２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ）間およびセパレータ２とＭＥＡ３間がセル化時に接着剤にてシール接着され、セル間（複数セルで１モジュールが構成される場合はモジュール間）はスタック化時にゴムガスケットにてシールされる。ガスケットは接着剤シールとされてもよい。
接着剤によるシールの場合は、接着剤は液状でシール面に塗布され、加熱圧着されて乾燥・固化される（ただし、接着剤の種類によっては加熱は必要でない場合もある）。
【００１３】
セパレータ２がメタルセパレータと樹脂フレームからなる場合、従来は、比較例である図７、図８に示すように、セル化時（ＭＥＡとセパレータとを重ねてシール接着し単セルとする時）には、ＭＥＡ３とセパレータ２の位置決め精度が悪く（図７）、スタック化時（単セルまたはモジュールを積層してスタックとする時）に、セパレータ２の端面を基準１００に当てて位置決めしながら単セル１４を積層していくので、隣接する単セル１４同士のセパレータ２の通電接触部１７が位置ずれ（隣接するセルのセパレータ同士の冷却水流路の凹凸の凸の頂面がセル面内方向に互いにずれる位置ずれ）を起こす（図８）。その結果、隣接セパレータ間の通電面積が低減し、電気抵抗が増大し、燃料電池出力が低下するという問題が生じる。通電接触部１７を通って電子が隣接セル間に流れるが、通電接触部１７の面積が小となって、抵抗が増大し、電圧低下、出力低下が生じる。
【００１４】
セパレータ２がカーボンセパレータの場合も、同様で、比較例である図９に示すように、セル化時にＭＥＡ３とセパレータ２の位置決め精度が悪く、スタック化時に、セパレータ２の端面を基準１００に当てて位置決めしながら単セル１４を積層していくので、隣接する単セル１４同士のセパレータ２の接触通電部１７が位置ずれを起こし、その結果、隣接セパレータ間の通電面積が低減し、通電抵抗が増大し、燃料電池出力が低下するという問題が生じる。
【００１５】
これを解消するために、本発明では、図１〜図４に示すように、ＭＥＡ３を挟持することで単セルを形成する、両面に凹凸を備えたセパレータ２には、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８が一体に設けられている。
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８は、たとえば、ずれ防止用凹凸部１８からなる。その場合は、セパレータ２は、セパレータ２自体の、冷却水流路１０が形成される側の面に形成された、隣接する単セル１４同士間のセパレータ２の接触通電部（セパレータの冷却水流路の凹凸の凸の頂面の接触通電部）１７のセル面内方向のずれを抑制するずれ防止用凹凸部１８を備えている。ずれ防止用凹凸部１８はセルの厚さ方向（セル面内方向に直交する方向）に凹凸する。
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）は、凸部１８ａと、隣接する単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａを受け入れる凹部１８ｂとを有している。一つの単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａは、該凸部１８ａの側面で、隣接する単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａまたは凹部１８ｂの側面にセル面内方向に当接する。凸部１８ａの側面と凹部１８ｂの側面は、型抜き上、またはプレス成形上、セル面と直交する方向から傾斜していてもよい。
【００１６】
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）は、単セル１４のセパレータ２に、複数、互いに異なる方向に対して、形成されており、隣接する単セル同士間の複数方向のずれを抑制する。この複数方向は、Ｘ方向（冷却水流路１０に平行な方向）の＋方向、−方向と、Ｙ方向（Ｘ方向と直交する方向）の＋方向、−方向との、４方向を含む（＋方向、−方向を２方向としてカウント）。ずれ防止用凹凸部１８は、Ｘ方向（冷却水流路１０に平行な方向）とＹ方向（Ｘ方向と直交する方向）に伸長しており、Ｘ方向に伸長しているずれ防止用凹凸部１８の長さ（Ｘ方向に伸長しているずれ防止用凹凸部１８が複数ある場合はその合計長さ）の方が、Ｙ方向に伸長しているずれ防止用凹凸部１８の長さ（Ｙ方向に伸長しているずれ防止用凹凸部１８が複数ある場合はその合計長さ）より長い。
【００１７】
ずれ防止用凹凸部１８のうち、凸部１８ａは、セパレータ２の冷却水流路１０が形成される側の面（冷却水流路１０の凹凸の凸の頂面を含む平面）よりも隣接する単セル側に突出しており、凹部１８ｂ（凹部の底面）は、セパレータの冷却水流路１０が形成される側の面（冷却水流路１０の凹凸の凸の頂面を含む平面）よりも隣接する単セルから離れる方向に後退している。したがって、ずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａは隣接する単セルのずれ防止用凹凸部１８の凹部１８ｂに入り込み、隣接する単セルのずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａまたは凹部１８ｂの側面とセル面内方向に係合し、隣接セルのセパレータ同士をセル面内方向に位置決めする。
一つの単セル１４のセパレータ２のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａの側面と、隣接せる単セル１４のセパレータ２のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａの側面との、セル面内方向のギャップ１６は、隣接セルの冷却水流路１０の凹凸の凸部頂面（接触通電部）のずれの許容値と同じかそれより小とする。
【００１８】
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）は、セパレータ自体の外周部（セル発電領域を周りから囲む部分）に、かつ、ゴムガスケットによるシール部位よりセル発電領域側に、形成される。
各単セル１４においてＭＥＡ３の両側のセパレータ２Ａ、２Ｂは外周部でシール接着剤を挟んで加熱圧着されシールされている。接着剤は図１、図２の空間１９に充填されている。
また、一対のセパレータ２でＭＥＡ３を挟持して単セル１４を形成し、複数の単セル１４を積層して構成した燃料電池スタック１５では、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８がセパレータ２に一体に形成される。
【００１９】
上記セパレータ２を有する燃料電池のセル化、スタック化は、つぎの工程順で行われる。
１）隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）を備えたセパレータ２を作る。
２）セパレータ外周部に接着剤を塗布し、セパレータ２Ａ、２ＢでＭＥＡ３を挟み、セパレータ２Ａ、２Ｂを接着剤に加熱接着して、単セル１４を作る（セル化）。
３）単セル１４を積層する。この時、隣接単セル１４同士を隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）で位置ずれを防止しながら積層すると共に、隣接セル間をガスケットにてシールする。セル積層体をセル積層方向に締結して、スタック１５とする（スタック化）。
【００２０】
本発明の実施例１、２に共通な部分の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池スタックでは、セパレータ２自体に隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８が形成されているので、基準等の間接部材を介してずれ防止をはかる場合に比べて、直接的なずれ防止となり、ずれ防止の精度を上げることができる。その結果、隣接するセパレータ２間の通電面積が確保され、接触抵抗が低減される。
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８がずれ防止用凹凸部１８からなる場合、セパレータ２自体にずれ防止用凹凸部１８が形成されることになるので、比較例のように、基準１００等を介して間接的に、ずれ防止をはかる場合に比べて、直接的なずれ防止となり、隣接セルのセパレータ同士のずれ防止の精度を上げることができる。その結果、隣接するセパレータ２間の通電面積が確保され、接触抵抗が低減される。比較例では、基準１００の製造誤差、配置誤差があり、その分、隣接セル間にずれが出てしまうが、本発明では基準１００を介さずに位置決めを行うため、隣接セル間のずれが無くなり、精度が向上する。別パーツでの凹凸形状ではなく、セパレータそのものに凹凸形状を設けたため、隣接セル同士の位置決めが高精度に行われる。
【００２１】
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）が、凸部１８ａと、隣接する単セル１４の凸部１８ａを受け入れる凹部１８ｂとを有するので、隣接する単セル１４間で隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）の干渉が生じることを防止できる。隣接する単セル１４間では、セル積層方向に、凸部１８ａと凹部１８ｂとが対応し、セル積層方向に凸部１８ａ同士が対応することはないので、干渉しない。干渉防止のために、凸部１８ａはそれを受け入れる凹部１８ｂの底には当たらない高さとされる。
【００２２】
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）は、単セル１４に複数形成されており、それぞれのずれ防止の方向を異ならせてあるので、隣接する単セル同士を、複数方向に、ずれ防止をはかることができる。Ｘ方向に伸長するずれ防止用凹凸部１８によって、隣接セルのセパレータ間のＹ方向のずれを防止でき、Ｙ方向に伸長するずれ防止用凹凸部１８によって、隣接セルのセパレータ間のＸ方向のずれを防止できる。隣接単セル１４の一方のセルのセパレータの凸部１８ａを他方のセルのセパレータの凸部１８ａで挟み込むことにより、Ｘ方向、Ｙ方向の各方向においても、＋方向、−方向に位置決めすることができる。
【００２３】
ずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａは、セパレータ２の冷却水流路１０が形成される側の面（冷却水流路１０の凹凸の凸の頂面を含む平面）よりも隣接する単セル１４側に突出しており、凹部１８ｂは、セパレータの冷却水流路が形成される側の面よりも隣接する単セルから離れる方向に後退しているので、凸部１８ａと隣接するセルのセパレータのずれ防止用凹凸部１８の凹部１８ｂとを、セル面内方向に当接させることができる。
【００２４】
隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）が、セパレータ外周部に形成される場合、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８）は、セパレータ１８を補強する補強ビードとなって、シールラインの剛性を上げることができ、シール効果を上げることができる。
また、隣接するセパレータの凹凸を冷却水流路として利用した場合には、冷却水流路断面がずれることを抑制することができ、冷却水流路１０が所定の断面形状を維持でき、冷却水流路１０の圧損を低減することができる。
単セルに含まれる、ＭＥＡを挟む２つのセパレータ２が、シール接着剤を介して加熱圧着される場合、加熱圧着時のセパレータ２の熱膨張により、隣接する単セル１４のセパレータ２同士にはセル面内方向の位置ずれが生じやすいが、ずれ防止用凹凸部１８によってセパレータ２同士を当接させるので、容易に隣接セルのセパレータ同士のずれ防止をはかることができる。
また、上記セパレータ２を含む単セル１４を積層して構成されたスタック１５は、当然に上記セパレータ２の作用・効果と同じ作用・効果を有する。
【００２５】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを、図１〜図４に示す。また、その比較例を図７、図８に示す。
本発明の実施例１では、各単セル１４において、ＭＥＡ３の両側のセパレータ２Ａ、２Ｂはメタルセパレータからなり、メタルセパレータ２Ａ、２ＢとＭＥＡ３との間にはセル発電領域が中抜きされた樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄが設けられている。メタルセパレータ２Ａ、２Ｂと樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄとの間、および樹脂フレーム２Ｃ、２ＤとＭＥＡ３との間は、接着剤によりシール接着される。
ずれ防止用凹凸部１８は、メタルセパレータ２Ａ、２Ｂ自体の外周部（発電領域の周りの部分で、かつ、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄと重なり合う部分）に形成されている。
【００２６】
比較例では、図７に示すように、セル化時には、熱圧着により一体化するため、熱膨張差を考慮すると、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄとメタルセパレータ２Ａ、２Ｂの位置決め精度が悪く、単セル１４において、ＭＥＡ３を挟むメタルセパレータ２Ａ、２Ｂの位置が、セルスタッキング前からずれている。始めから位置ずれのあるメタルセパレータ２Ａ、２Ｂをもつ単セル１４を、図８に示すように、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄの端面を基準１００に当てて積層しスタック化する場合、隣接単セル１４間で、メタルセパレータ１８の接触通電部同士がセル面内方向に位置ずれし、通電面積の減少が生じる。
【００２７】
これに対し、本発明では、メタルセパレータ２Ａ、２Ｂ自体に、予め、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８、以下、手段１８がずれ防止用凹凸部１８からなる場合で説明する。）を作っておく。
ついで、図１に示すように、予めずれ防止用凹凸部１８を形成したセパレータ２Ａ、２Ｂと、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄと、ＭＥＡ３を重ね、セル化して単セル１４を作る。セル化した段階で、単セル１４のＭＥＡの両側のメタルセパレータ２Ａ、２Ｂは、セル面内方向に位置ずれしていてもよい。単セルの端面は樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄにて構成され、通常、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄの端面は揃えて接着される（ただし、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄが位置ずれしていてもよい）。
ついで、図２に示すように、単セル１４を積層してスタック化する。この時、樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄの端面を、補助的に、基準１００に沿わせて単セルを積層してはいくが、単セル間の位置決めは、ずれ防止用凹凸部１８により行う。すなわち、隣接単セル１４のうち、一つの単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａの側面を、隣りの単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａまたは凹部１８ｂの側面にセル面内方向に当てて、隣接セル同士をセル面内方向に位置決めしながら、積層していく。この場合、隣接単セル１４のうち、一つの単セル１４の樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄの端面が基準１００に当たっても、隣りの単セル１４の樹脂フレーム２Ｃ、２Ｄの端面は基準１００に当たらないかもしれないが、当たらなくてもよい。
【００２８】
このスタック化により、隣接する単セル１４のセパレータ２の冷却水流路１０の凹凸の凸部の頂面からなる接触通電部１７はセル面内方向にずれることがなく、通電面積の減少はない。
【００２９】
〔実施例２〕
本発明の実施例２の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを、図５に示す。また、その比較例を図９に示す。
本発明の実施例２では、各単セル１４において、ＭＥＡ３の両側のセパレータ２Ａ、２Ｂはカーボンセパレータからなる。カーボンセパレータ２Ａ、２ＢとＭＥＡ３との間は、接着剤によりシール接着される。
ずれ防止用凹凸部１８は、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂ自体の外周部（発電領域の周りの部分）に、冷却水側の面に、形成されている。
【００３０】
比較例では、図９に示すように、セル化時には、熱圧着作業があるため、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂ同士の熱膨張差などにより、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂ同士の位置決め精度が悪く、セル化後の状態で、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂ同士がセル面内方向に互いに位置ずれしているかもしれない。始めから位置ずれのあるカーボンセパレータ２Ａ、２Ｂをもつ単セル１４を、図９に示すように、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂの端面を基準１００に当てて積層しスタック化する場合、隣接単セル１４間で、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂの接触通電部同士がセル面内方向に位置ずれし、通電面積の減少が生じる。
【００３１】
これに対し、本発明では、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂ自体に、予め、隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段１８（該手段がずれ防止用凹凸部１８からなる場合は、ずれ防止用凹凸部１８、以下、手段１８がずれ防止用凹凸部１８からなる場合で説明する。）を作っておく。
ついで、図５に示すように、予めをずれ防止用凹凸部１８を形成したセパレータ２Ａ、２Ｂと、ＭＥＡ３を重ね、セル化して単セル１４を作る。セル化した段階で、単セル１４のＭＥＡの両側のカーボンセパレータ２Ａ、２Ｂは、セル面内方向に位置ずれしていてもよい。
ついで、図５に示すように、単セル１４を積層してスタック化する。この時、カーボンセパレータ２Ａ、２Ｂの端面を、補助的に、基準１００に沿わせて単セルを積層してはいくが、単セル間の位置決めは、ずれ防止用凹凸部１８により行う。すなわち、隣接単セル１４のうち、一つの単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａの側面を、隣りの単セル１４のずれ防止用凹凸部１８の凸部１８ａまたは凹部１８ｂの側面にセル面内方向に当てて、隣接セル同士をセル面内方向に位置決めしながら、積層していく。この場合、隣接単セル１４のうち、一つの単セル１４のカーボンセパレータ２Ａ、２Ｂの端面が基準１００に当たっても、隣りの単セル１４のカーボンセパレータ２Ａ、２Ｂの端面は基準１００に当たらないかもしれないが、当たらなくてもよい。
【００３２】
このスタック化により、隣接する単セル１４のセパレータ２の冷却水流路１０の凹凸の凸部の頂面からなる接触通電部１７はセル面内方向にずれることがなく、通電面積の減少はない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータ（メタルセパレータ）を有する単セルとそれに隣接する単セルの一部の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを有する単セルとそれに隣接する単セルの一部を積層する場合の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを有する単セルの、ＭＥＡを挟む２つのセパレータのうち一方のセパレータの正面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを有する単セルの、ＭＥＡを挟む２つのセパレータのうち他方のセパレータの正面図である。
【図５】本発明の実施例２の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータ（カーボンセパレータ）を有する単セルとそれに隣接する単セルの断面図である。
【図６】本発明の実施例１、２の燃料電池スタックの単セルをスタック化した場合の斜視図である。
【図７】比較例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータ（メタルセパレータ）を有する単セルとそれに隣接する単セルの一部の断面図である。
【図８】比較例１の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータを有する単セルとそれに隣接する単セルの一部を積層する場合の断面図である。
【図９】比較例２の燃料電池スタックの燃料電池用セパレータ（カーボンセパレータ）を有する単セルとそれに隣接する単セルの一部を積層する場合の断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  （固体高分子電解質型）燃料電池
２  セパレータ
２Ａ  アノード側セパレータ
２Ｂ  カソード側セパレータ
２Ｃ  アノード側樹脂フレーム
２Ｄ  カソード側樹脂フレーム
３  ＭＥＡ
４  電解質膜
５  アノード
６  カソード
７  拡散層
８  燃料ガス流路
９  酸化ガス流路
１０  冷却水流路
１１  燃料ガスマニホールド
１２  酸化ガスマニホールド
１３  冷却水マニホールド
１４  単セル
１５  スタック
１６  ギャップ
１７  接触通電部
１８  隣接する単セルの面方向の位置を規制する手段（たとえば、ずれ防止用凹凸部）
１８ａ  凸部
１８ｂ  凹部
１９  空間
【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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