(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに用いられ、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートとを備えるセパレータにおいて、セパレータの表面に対して垂直方向にかかる荷重に対する剛性を増大させる。【解決手段】中間プレート４５は、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとを備えている。また、中間プレート４５は、貫通孔４５２ｃ１と、貫通孔４５２ｄ１と、貫通孔４５２ｅ１と、貫通孔４５２ｆ１とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４５２ａと貫通孔４５２ｃ１、空気排出用貫通孔４５２ｂと貫通孔４５２ｄ１、水素供給用貫通孔４５４ａと貫通孔４５２ｅ１、水素排出用貫通孔４５４ｂと貫通孔４５２ｆ１は、それぞれ中間プレート４５の内部に形成された連通流路４５２ｃ２、連通流路４５２ｄ２、連通流路４５２ｅ２、連通流路４５２ｆ２によって連通している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、それぞれ電極を配置した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータであって、
前記膜電極接合体の各電極にそれぞれ対向する２枚の電極対向プレートと、
前記２枚の電極対向プレートによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記２枚の電極対向プレート、および、前記中間プレートは、
前記スタック構造の積層方向から見て、互いに重なる位置に、前記膜電極接合体に供給すべき反応ガス、または、前記膜電極接合体から排出された排出ガスを、前記積層方向に流すための第１の貫通孔をそれぞれ備え、
前記２枚の電極対向プレートのうちの一方の電極対向プレート、および、前記中間プレートは、
前記積層方向から見て、互いに重なる位置に、前記膜電極接合体に対して垂直方向に、前記反応ガスの供給、および、前記排出ガスの排出のうちの少なくとも一方を行うための第２の貫通孔をそれぞれ備え、
前記中間プレートは、
該中間プレートにおける前記第１の貫通孔と、前記第２の貫通孔との間を連通する連通流路を備え、
該連通流路の前記中間プレートの厚さ方向の寸法は、前記中間プレートの厚さよりも小さい、
セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載のセパレータであって、
前記２枚の電極対向プレートと、前記中間プレートとは、所定の接合剤を用いて接合されている、
セパレータ。
【請求項３】
請求項２記載のセパレータであって、
前記中間プレートは、樹脂からなり、
前記接合剤は、接着剤である、
セパレータ。
【請求項４】
所定の電解質膜の両面に、それぞれ電極を配置した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、請求項１ないし３のいずれかに記載のセパレータである、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータ、および、このセパレータを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
従来、燃料電池スタックに用いられるセパレータに関して、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、アノードに対向する燃料ガスプレート（以下、アノード対向プレートと呼ぶ）と、カソードに対向する酸化剤ガスプレート（以下、カソード対向プレートと呼ぶ）と、これらのプレートに挟持される中間プレートとを備えるセパレータに関する技術が記載されている。このセパレータは、各ガスプレートに、貫通孔と、ガス連通孔とを備え、中間プレートに、燃料ガスや酸化剤ガスを、各ガスプレートに備えられたガス連通孔から貫通孔に受け渡す受け渡し流路を備えている。
【０００４】
そして、燃料電池スタックには、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を防止したりするために、スタック構造の積層方向に荷重がかけられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載されたセパレータは、中間プレートに備えたれた受け渡し流路が、厚さ方向に貫通しているため、このガス受け渡し流路が形成された部分において、セパレータの表面に対して垂直方向、すなわち、上記スタック構造の積層方向にかかる荷重に対する剛性が比較的低かった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックに用いられ、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートとを備えるセパレータにおいて、セパレータの表面に対して垂直方向にかかる荷重に対する剛性を増大させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明のセパレータは、
所定の電解質膜の両面に、それぞれ電極を配置した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータであって、
前記膜電極接合体の各電極にそれぞれ対向する２枚の電極対向プレートと、
前記２枚の電極対向プレートによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記２枚の電極対向プレート、および、前記中間プレートは、
前記スタック構造の積層方向から見て、互いに重なる位置に、前記膜電極接合体に供給すべき反応ガス、または、前記膜電極接合体から排出された排出ガスを、前記積層方向に流すための第１の貫通孔をそれぞれ備え、
前記２枚の電極対向プレートのうちの一方の電極対向プレート、および、前記中間プレートは、
前記積層方向から見て、互いに重なる位置に、前記膜電極接合体に対して垂直方向に、前記反応ガスの供給、および、前記排出ガスの排出のうちの少なくとも一方を行うための第２の貫通孔をそれぞれ備え、
前記中間プレートは、
該中間プレートにおける前記第１の貫通孔と、前記第２の貫通孔との間を連通する連通流路を備え、
該連通流路の前記中間プレートの厚さ方向の寸法は、前記中間プレートの厚さよりも小さいことを要旨とする。
【０００９】
本発明では、中間プレートは、上記特許文献１に記載されたセパレータの中間プレートにおけるガス受け渡し流路の代わりに、第２の貫通孔と、連通流路とを備えている。そして、この連通流路の中間プレートの厚さ方向の寸法は、中間プレートの厚さよりも小さく、連通流路は、中間プレートの厚さ方向に貫通していない。したがって、中間プレートが厚さ方向に貫通するガス受け渡し流路を備える場合と比較して、セパレータの表面に対して垂直方向にかかる荷重に対する剛性を増大させることができる。
【００１０】
上記セパレータにおいて、
前記２枚の電極対向プレートと、前記中間プレートとは、所定の接合剤を用いて接合されているものとしてもよい。
【００１１】
先に説明した特許文献１に記載された中間プレートが厚さ方向に貫通するガス受け渡し流路を備えるセパレータにおいて、仮に、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートとを、ロウ材や、接着剤等の接合剤を用いて接合するものとすると、接合剤がガス受け渡し流路にはみ出して、その流路断面積が狭くなり、所望のガス流量が得られない場合があった。本発明では、中間プレートが厚さ方向に貫通するガス受け渡し流路を備えておらず、接合剤がガス受け渡し流路にはみ出すことがないので、連通流路の流路断面積が狭くなることはなく、所望のガス流量を得ることができる。
【００１２】
上記セパレータにおいて、
前記中間プレートは、樹脂からなり、
前記接合剤は、接着剤であるものとしてもよい。
【００１３】
本発明では、中間プレートとして樹脂製の部材を用いるので、中間プレートとして金属製の部材を用いる場合と比較して、セパレータの軽量化を図ることができる。また、樹脂製の部材は、金属製の部材と比較して、加工しやすいという利点がある。
【００１４】
本発明は、上述のセパレータとしての構成の他、このセパレータを用いた燃料電池スタックの発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
Ｂ１．セパレータ：
Ｂ２．ＭＥＧＡシールガスケット
Ｂ３．燃料電池モジュールの断面構造：
Ｃ．比較例：
Ｄ．効果：
Ｅ．変形例：
【００１６】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３層構造を有しており、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口や、流路が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述するセパレータ４１と、膜電極接合体、および、ガスケットを一体的に備えるＭＥＧＡシールガスケット４６とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。なお、本明細書中において、「ＭＥＧＡ」という用語は、「Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly」の略語であり、電解質膜の両面に触媒層、および、ガス拡散層をそれぞれ形成した膜電極接合体を意味している。
【００１８】
燃料電池スタック１００には、また、図示するように、テンションプレート８０が備えられている。燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を防止したりするために、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられ、テンションプレート８０をボルト８２によって燃料電池スタック１００の両端のエンドプレート１０，７０に固定することによって、各燃料電池モジュール４０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。
【００１９】
なお、エンドプレート１０、７０、および、テンションプレート８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板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。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２０】
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＧＡシールガスケット４６とによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、ＭＥＧＡシールガスケット４６について説明する。
【００２１】
Ｂ１．セパレータ：
図２は、セパレータ４１の構成部品の平面図である。図示するように、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５と、冷却水流路形成部材４３とから構成されている。
【００２２】
本実施例では、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の外形形状を有する平板を用いるものとした。そして、これらは、ステンレス鋼製の部材であるものとした。また、冷却水流路形成部材４３もステンレス鋼製の部材であるものとした。カソード対向プレート４２、アノード対向プレート４４、冷却水流路形成部材４３として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各部材は、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
【００２３】
中間プレート４５は、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と同一の外形形状を有している。そして、中間プレート４５は、樹脂製の部材からなる。この樹脂としては、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が挙げられる。セパレータ４１には、電気抵抗が低いことが要求されるため、中間プレート４５として、導電性を有する樹脂を用いるようにしてもよい。
【００２４】
図２（ａ）は、後述するＭＥＧＡシールガスケット４６のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００２５】
図２（ｂ）は、後述するＭＥＧＡシールガスケット４６のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００２６】
図２（ｃ）は、中間プレート４５の説明図である。中間プレート４５の平面図と、側面図と、図２（ｃ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。この中間プレート４５の構造が、本発明の特徴部分であり、詳しくは、後に比較例と対比して説明する。
【００２７】
図示するように、中間プレート４５は、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとを備えている。また、中間プレート４５は、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとの近傍に、それぞれ、複数の貫通孔４５２ｃ１と、複数の貫通孔４５２ｄ１と、複数の貫通孔４５２ｅ１と、複数の貫通孔４５２ｆ１とを備えている。これら複数の貫通孔は、それぞれ直径が同一の円形であるものとした。
【００２８】
そして、複数の貫通孔４５２ｃ１は、それぞれ中間プレート４５の内部に形成された複数の連通流路４５２ｃ２によって、空気供給用貫通孔４５２ａと連通している。また、複数の貫通孔４５２ｄ１は、それぞれ中間プレート４５の内部に形成された複数の連通流路４５２ｄ２によって、空気排出用貫通孔４５２ｂと連通している。また、複数の貫通孔４５２ｅ１は、それぞれ中間プレート４５の内部に形成された複数の連通流路４５２ｅ２によって水素供給用貫通孔４５４ａと連通している。また、複数の貫通孔４５２ｆ１は、それぞれ中間プレート４５の内部に形成された複数の連通流路４５２ｆ２によって、水素排出用貫通孔４５４ｂと連通している。
【００２９】
また、中間プレート４５は、セパレータ４１において冷却水が流れる冷却水流動部４５６を備えている。冷却水流動部４５６の、図における横方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａの外側から冷却水排出用貫通孔４４６ｂの外側までの長さＷ３と同じであり、縦方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａ、冷却水排出用貫通孔４４６ｂの縦方向の長さＷ２と同じである。
【００３０】
図２（ｄ）は、冷却水流路形成部材４３の平面図、および、側面図である。図２（ｄ）の左側に、冷却水流路形成部材４３の平面図を示し、右側に側面図を示した。
【００３１】
図示するように、冷却水流路形成部材４３は、矩形凹凸の断面形状を有している。そして、冷却水流路形成部材４３の図における横方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａの内側から冷却水排出用貫通孔４４６ｂの内側までの長さＷ１と同じであり、縦方向の長さは、冷却水供給用貫通孔４４６ａ、冷却水排出用貫通孔４４６ｂの縦方向の長さＷ２と同じである。また、冷却水流路形成部材４３の高さは、中間プレート４５の厚さｔとほぼ同じである。この冷却水流路形成部材４３は、セパレータ４１の製造工程において、カソード対向プレート４２における冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとの間の領域、および、アノード対向プレート４４における冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとの間の領域に配置される。
【００３２】
図３は、セパレータ４１の平面図である。セパレータ４１は、中間プレート４５の冷却水流動部４５６の中央に、冷却水流路形成部材４３を配置して、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５とを、接着剤によって接着することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た様子を示した。
【００３３】
図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。これら各貫通孔は、それぞれ本発明における第１の貫通孔に相当する。
【００３４】
また、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５とにおいて、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の貫通孔４５２ｅ１とは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、複数の水素排出口４４４ｏと、複数の貫通孔４５２ｆ１も、それぞれ同じ位置に形成されている。また、カソード対向プレート４２と、中間プレート４５とにおいて、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の貫通孔４５２ｃ１とは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、複数の空気排出口４２２ｏと、複数の貫通孔４５２ｄ１も、それぞれ同じ位置に形成されている。これらの各貫通孔は、それぞれ本発明における第２の貫通孔に相当する。
【００３５】
また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００３６】
Ｂ２．ＭＥＧＡシールガスケット：
図４は、ＭＥＧＡシールガスケット４６を示す説明図である。図４（ａ）に、ＭＥＧＡシールガスケット４６のカソード側から見た平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３７】
図示するように、ＭＥＧＡシールガスケット４６は、ＭＥＧＡ部４６１の周囲をフレーム４６０によって支持したものである。なお、本実施例では、フレーム４６０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００３８】
ＭＥＧＡ部４６１は、図４（ｂ）に示したように、電解質膜４７の一方（カソード側）の面に、カソード用触媒層４８ｃと、カソード用拡散層４９ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード用触媒層４８ａと、アノード用拡散層４９ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。本実施例では、アノード用拡散層４９ａ、および、カソード用拡散層４９ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。さらに、本実施例では、ＭＥＧＡ部４６１の両面に、セパレータ４１と積層させたときに、水素、および、空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９がそれぞれ配置されている。こうすることによって、アノード、および、カソードの全面に、効率よく拡散させてガスを供給することができる。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００３９】
フレーム４６０には、図４（ａ）に示したように、セパレータ４１と同様に、空気供給用貫通孔４６２ａと、空気排出用貫通孔４６２ｂと、水素供給用貫通孔４６４ａと、水素排出用貫通孔４６４ｂと、冷却水供給用貫通孔４６６ａと、冷却水排出用貫通孔４６６ｂとが形成されている。そして、これら各貫通孔、および、ＭＥＧＡ部４６１の周囲には、それぞれシール部４６８が一体的に設けられており、図４（ａ）中に細線で示したシールラインＳＬが形成されている。つまり、フレーム４６０は、水素や、酸素や、冷却水の漏洩を防止するためのガスケットとして機能する。このフレーム４６０は、例えば、射出成形によって形成される。
【００４０】
Ｂ３．燃料電池モジュールの断面構造：
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。図５（ａ）に、図３におけるＡ−Ａ断面図を示し、図５（ｂ）に、図３におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００４１】
ＭＥＧＡシールガスケット４６において、ＭＥＧＡ部４６１のアノード側の金属多孔体層４９は、ＭＥＧＡシールガスケット４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向プレート４４と当接するように配置されている。また、ＭＥＧＡ部４６１のカソード側の金属多孔体層４９は、ＭＥＧＡシールガスケット４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向プレート４２と当接するように配置されている。また、シール部４６８は、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と当接し、図４（ａ）に示したシールラインＳＬを形成している。
【００４２】
図５（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａから供給された空気は、中間プレート４５の空気供給用貫通孔４５２ａから分岐して、連通流路４５２ｃ２、および、貫通孔４５２ｃ１を通り、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、カソード側の金属多孔体層４９中、および、カソード用拡散層４９ｃ中を流れ、図５（ｂ）に示したように、カソード対向プレート４２の空気排出口４２２ｏから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４５の貫通孔４５２ｄ１、連通流路４５２ｄ２、空気排出用貫通孔４５２ｂを通って、アノード対向プレート４４の空気排出用貫通孔４４２ｂから排出される。
【００４３】
なお、ここでは、ＭＥＧＡ部４６１のカソードに供給される空気の流れについてのみ示したが、アノードに供給される水素の流れも同様である。
【００４４】
Ｃ．比較例：
次に、上述した実施例の効果を明らかにするため、比較例としてのセパレータ４１Ａ、および、燃料電池モジュール４０Ａについて説明する。なお、比較例における燃料電池スタックの構成は、セパレータ４１Ａを除き、実施例の燃料電池スタック１００と同じである。
【００４５】
図６は、比較例としてのセパレータ４１Ａの構成部品の平面図である。セパレータ４１Ａは、セパレータ４１と同様に、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５Ａと、冷却水流路形成部材４３とから構成されている。カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４と、冷却水流路形成部材４３とは、上記実施例におけるセパレータ４１と同じであり、中間プレート４５Ａが、上記実施例におけるセパレータ４１と一部異なっている。したがって、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４と、冷却水流路形成部材４３についての説明は省略し、以下では、中間プレート４５Ａについてのみ説明する。
【００４６】
中間プレート４５Ａは、図示するように、上記実施例における中間プレート４５と同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとを備えている。そして、空気供給用貫通孔４５２ａには、上記実施例における貫通孔４５２ｃ１、および、連通流路４５２ｃ２の代わりに、空気供給用貫通孔４５２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４５２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４５２ｂには、上記実施例における貫通孔４５２ｄ１、および、連通流路４５２ｄ２の代わりに、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４５２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４５２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４５４ａには、上記実施例における貫通孔４５２ｅ１、および、連通流路４５２ｅ２の代わりに、水素供給用貫通孔４５４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４５２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４５４ｂには、上記実施例における貫通孔４５２ｆ１、および、連通流路４５２ｆ２の代わりに、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４５４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４５２ｆが設けられている。これら空気供給用流路形成部４５２ｃと、空気排出用流路形成部４５２ｄと、水素供給用流路形成部４５２ｅと、水素排出用流路形成部４５２ｆは、それぞれ中間プレート４５Ａの厚さ方向に貫通している。
【００４７】
図７は、比較例としての燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。図７（ａ）に、図３におけるＡ−Ａ断面図に相当する断面図を示し、図７（ｂ）に、図３におけるＢ−Ｂ断面図に相当する断面図を示した。
【００４８】
ＭＥＧＡシールガスケット４６は、上記実施例におけるＭＥＧＡシールガスケット４６と同じである。
【００４９】
図７（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａから供給された空気は、中間プレート４５の空気供給用貫通孔４５２ａから分岐して、空気供給用流路形成部４５２ｃを通り、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、カソード側の金属多孔体層４９、および、カソード用拡散層４９ｃ中を流れ、図７（ｂ）に示したように、カソード対向プレート４２の空気排出口４２２ｏから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４５の空気排出用流路形成部４５２ｄ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂを通って、アノード対向プレート４４の空気排出用貫通孔４４２ｂから排出される。なお、ここでは、ＭＥＧＡ部４６１のカソードに供給される空気の流れについてのみ示したが、アノードに供給される水素の流れも同様である。
【００５０】
Ｄ．効果：
以上説明した実施例、および、比較例において、図５、および、図７における破線の楕円で囲った領域に着目する。セパレータ４１、または、セパレータ４１Ａと、ＭＥＧＡシールガスケット４６とを積層させて、積層方向に荷重をかけたときに、上述した実施例では、中間プレート４５に連通流路４５２ｃ２が形成されているので、図５に示したように、ＭＥＧＡシールガスケット４６のシール部４６８によってセパレータ４１に対して積層方向にかかる荷重を、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５とによって支持することができる。これに対して、比較例では、中間プレート４５Ａに厚さ方向に貫通する空気供給用流路形成部４５２ｃが形成されているので、図７に示したように、ＭＥＧＡシールガスケット４６のシール部４６８によってセパレータ４１Ａに対して積層方向にかかる荷重を、アノード対向プレート４４によって支持するのみであり、中間プレート４５Ａによっては支持することができない。したがって、上記実施例のセパレータ４１によれば、比較例のセパレータ４１Ａと比較して、セパレータの表面に対して垂直方向にかかる荷重に対する剛性を増大させることができる。
【００５１】
図８は、上述した実施例の他の効果について示す説明図である。図８の上段に、比較例におけるカソード対向プレート４２と、中間プレート４５Ａと、アノード対向プレート４４の一部の断面図を示し、図８の下段に、カソード対向プレート４２と、中間プレート４５Ａと、アノード対向プレート４４とを、接着剤４５０によって接着したセパレータ４１Ａの断面図を示した。
【００５２】
図８の上段に示したように、中間プレート４５Ａの両面に接着剤４５０を塗布し、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と接着すると、中間プレート４５Ａには、厚さ方向に貫通する水素供給用流路形成部４５２ｅが形成されているため、図８の下段に示したように、接着剤４５０が水素供給用流路形成部４５２ｅにはみ出して、その流路断面積が狭くなり、所望のガス流量が得られない場合があった。これに対し、上記実施例の中間プレート４５は、図２（ｃ）に示した中間プレート４５の断面図等から分かるように、連通流路４５２ｅ２を備えており、この連通流路４５２ｅ２は、中間プレート４５の厚さ方向に貫通していないので、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と、中間プレート４５とを接着剤４５０によって接着するときに、接着剤４５０が連通流路４５２ｅ２にはみ出すことがない。したがって、接着剤４５０によって連通流路４５２ｅ２の流路断面積が狭くなることはなく、所望のガス流量を得ることができる。
【００５３】
Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５４】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、中間プレート４５として、樹脂製の部材を用い、接着剤４５０によって、カソード対向プレート４２や、アノード対向プレート４４と接着するものとしたが、これに限られない。中間プレート４５として、金属製の部材を用いるようにし、例えば、ロウ材によって、カソード対向プレート４２や、アノード対向プレート４４と接合するようにしてもよい。ただし、中間プレート４５として、樹脂製の部材を用いることによって、セパレータ４１の軽量化、および、燃料電池スタック１００の軽量化を図ることができる。また、樹脂製の部材は、金属製の部材と比較して、加工しやすいという利点がある。
【００５５】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、中間プレート４５の空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとに、それぞれ貫通孔４５２ｃ１、および、連通流路４５２ｃ２と、貫通孔４５２ｄ１、および、連通流路４５２ｄ２と、貫通孔４５２ｅ１、および、連通流路４５２ｅ２と、貫通孔４５２ｆ１、および、連通流路４５２ｆ２とを設けるものとしたが、これに限られない。空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂとのうちの一部に、上記比較例で示した各種流路形成部を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】セパレータ４１の構成部品の平面図である。
【図３】セパレータ４１の平面図である。
【図４】ＭＥＧＡシールガスケット４６を示す説明図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】比較例としてのセパレータ４１Ａの構成部品の平面図である。
【図７】比較例としての燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。
【図８】実施例の他の効果について示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００...燃料電池スタック
１０，７０...エンドプレート
２０，６０...絶縁板
３０，５０...集電板
４０，４０Ａ...燃料電池モジュール
４１，４１Ａ...セパレータ
４２...カソード対向プレート
４２２ａ...空気供給用貫通孔
４２２ｂ...空気排出用貫通孔
４２２ｉ...空気供給口
４２２ｏ...空気排出口
４２４ａ...水素供給用貫通孔
４２４ｂ...水素排出用貫通孔
４２６ａ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４３...冷却水流路形成部材
４４...アノード対向プレート
４４２ａ...空気供給用貫通孔
４４２ｂ...空気排出用貫通孔
４４４ａ...水素供給用貫通孔
４４４ｂ...水素排出用貫通孔
４４４ｉ...水素供給口
４４４ｏ...水素排出口
４４６ａ...冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４５，４５Ａ...中間プレート
４５０...接着剤
４５２ｃ１，４５２ｄ１，４５２ｅ１，４５２ｆ１...貫通孔
４５２ｃ２，４５２ｄ２，４５２ｅ２，４５２ｆ２...連通流路
４５２ａ...空気供給用貫通孔
４５２ｂ...空気排出用貫通孔
４５４ａ...水素供給用貫通孔
４５４ｂ...水素排出用貫通孔
４５２ｃ...空気供給用流路形成部
４５２ｄ...空気排出用流路形成部
４５２ｅ...水素供給用流路形成部
４５２ｆ...水素排出用流路形成部
４５６...冷却水流動部
４６...ＭＥＧＡシールガスケット
４６０...フレーム
４６１...ＭＥＧＡ部
４６２ａ...空気供給用貫通孔
４６２ｂ...空気排出用貫通孔
４６４ａ...水素供給用貫通孔
４６４ｂ...水素排出用貫通孔
４６６ａ...冷却水供給用貫通孔
４６６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４６８...シール部
４７...電解質膜
４８ａ...アノード用触媒層
４８ｃ...カソード用触媒層
４９ａ...アノード用拡散層
４９ｃ...カソード用拡散層
４９...金属多孔体層
８０...テンションプレート
８２...ボルト
ＳＬ...シールライン
【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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