JP7828315B2 - 燃料電池スタックおよび燃料電池 - Google Patents

Description

本実施の形態は、燃料電池スタックおよび燃料電池に関する。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを化学的に反応させて、燃料ガスの持つ化学エネルギを電気エネルギに変換して電力を取り出すことができる発電装置である。燃料電池は、電解質の種類等により様々なタイプに分類される。例えば、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温動作性に優れ、高出力密度を有している。このため、一般家庭向けの小型コジェネレーションシステムまたは燃料電池自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを備えている。単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、２つのセパレータとで構成されている。膜電極接合体は、電解質膜を挟むように燃料極および酸化剤極を配置した構成を有している。燃料極に供給された水素ガスを含む燃料ガスと、酸化剤極に供給された酸素ガスを含む酸化剤ガスとが反応し、発電を行うように構成されている。

一方のセパレータは、アノードセパレータとも称され、燃料ガス流路が形成されている。アノードセパレータの一方の面に、燃料ガス流路を構成する溝が形成されており、この溝が、膜電極接合体の燃料極に対向するように、アノードセパレータは燃料極に接着されている。他方のセパレータは、カソードセパレータとも称され、酸化剤ガス流路が形成されている。カソードセパレータの一方の面に、酸化剤ガス流路を構成する溝が形成されている。カソードセパレータの他方の面には、冷却水流路を構成する溝が形成されており、カソードセパレータは、両面に流路を構成する溝が形成されている。冷却水流路の溝がアノードセパレータに対向するように、カソードセパレータはアノードセパレータに接着されている。酸化剤ガス流路の溝は、隣接する他の単セルの酸化剤極に対向する。

積層方向で見たときに、カソードセパレータの酸化剤ガス流路の外側には、シール部材が配置されている。シール部材は、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスと、マニホールド内を流れる燃料ガスの混合を防止している。また、シール部材は、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスと、マニホールド内を流れる冷却水の混合を防止している。

シール部材は、後述する図８に示すように、カソードセパレータに当接している。このことにより、カソードセパレータの厚さが厚くなり得る。この場合、単セルの厚さが厚くなり、燃料電池スタックのコンパクト化が困難になり得る。

特許第５２４２１８９号公報

本実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、コンパクト化を図ることができる燃料電池スタックおよび燃料電池を提供することを目的とする。

実施の形態による燃料電池スタックは、積層された複数の単セルを備えている。単セルは、膜電極接合体と、第１セパレータと、第１ガス流路と、第２セパレータと、第２ガス流路と、冷却水流路と、一対のシール部と、を備えている。第１セパレータは、膜電極接合体に対向する第１電極対向面と、第１電極対向面とは反対側に位置する第１セパレータ対向面と、を含んでいる。第１ガス流路は、第１電極対向面に設けられている。第２セパレータは、第１セパレータ対向面に対向する第２セパレータ対向面と、第２セパレータ対向面とは反対側に位置する第２電極対向面と、を含んでいる。第２ガス流路は、第２電極対向面に設けられている。シール部は、隣接する他の単セルの膜電極接合体に当接する。冷却水流路は、第１セパレータ対向面に設けられた流路入口部および流路出口部と、第２セパレータ対向面に設けられた流路本体部であって、流路入口部および流路出口部に連通した流路本体部と、を含んでいる。積層方向で見たときに、第１セパレータは、矩形状に形成されており、一対の第１辺と一対の第２辺と、を含んでいる。一方の第１辺に第１ガス流路の入口が位置し、他方の第１辺に第１ガス流路の出口が位置している。積層方向で見たときに、第２セパレータは、矩形状に形成されており、第１辺に対応する一対の第３辺と、第２辺に対応する一対の第４辺と、を含んでいる。一方の第４辺に第２ガス流路の入口が位置し、他方の第４辺に第２ガス流路の出口が位置している。各々の第３辺は、対応する第１辺よりも内側に位置している。シール部は、第１セパレータ対向面のうちの対応する第３辺よりも外側に位置する第１外縁部に当接するとともに、流路入口部を覆っている。他方のシール部は、第１セパレータ対向面のうちの対応する第３辺よりも外側に位置する第１外縁部に当接するとともに、流路出口部を覆っている。

実施の形態による燃料電池は、上述した燃料電池スタックを備えている。

実施の形態によれば、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

図１は、第１の実施の形態による燃料電池スタックを示す断面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線で示す位置においてアノードセパレータおよび燃料ガス流路を示す平面図である。 図３は、図１のＢ－Ｂ線で示す位置においてカソードセパレータおよび酸化剤ガス流路を示す平面図である。 図４は、図１のＣ－Ｃ線で示す位置においてカソードセパレータおよび冷却水流路を示す平面図である。 図５は、図２および図４に示す冷却水流路の流路入口部および流路出口部を示す拡大断面図である。 図６は、図５に示す冷却水流路の流路入口部および流路出口部を示す拡大平面図である。 図７は、図１に示す単セルを示す分解斜視図である。 図８は、一般的な燃料電池スタックの単セルを示す断面図である。 図９は、第２の実施の形態による単セルにおいて、燃料ガス流路を示す平面図であって、図１のＡ－Ａ線で示す位置における平面図である。 図１０は、第２の実施の形態による単セルにおいて、酸化剤ガス流路を示す平面図であって、図１のＢ－Ｂ線で示す位置における平面図である。 図１１は、第２の実施の形態による単セルにおいて、冷却水流路を示す平面図であって、図１のＣ－Ｃ線で示す位置における平面図である。

以下、図面を参照して、実施の形態による燃料電池スタックおよび燃料電池について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１～図８を参照して、第１の実施の形態による燃料電池スタックおよび燃料電池について説明する。

図１～図４に示すように、燃料電池１は、積層された複数の単セル１０を含む燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の側面に設けられた複数のマニホールド３～６と、を備えている。より具体的には、積層された複数の単セル１０でセル積層体が構成されている。セル積層体は、積層方向で見たときに、矩形状に形成されている。積層方向は、単セル１０を積層する方向であって、図１における上下方向に相当する。セル積層体は、一対の締付板（図示せず）によって締め付けられている。締付板とセル積層体との間に絶縁板および集電体が介在されており、各単セル１０の発電電力を取り出し可能に構成されている。マニホールドについては、後述する。

次に、本実施の形態による燃料電池スタック２について説明する。図１に示すように、燃料電池スタック２は、上述したように積層された複数の単セル１０を備えている。単セル１０は、膜電極接合体１１と、アノードセパレータ２０と、燃料ガス流路２５と、カソードセパレータ３０と、酸化剤ガス流路３５と、一対のシール部５０と、一対の仕切板６０と、を備えている。

図１に示すように、膜電極接合体１１は、燃料極１２と、酸化剤極１３と、燃料極１２と酸化剤極１３との間に介在された電解質膜１４と、を含んでいる。燃料極１２は、アノード電極とも称し、燃料極１２には、水素ガスを含む燃料ガスが供給される。酸化剤極１３は、カソード電極とも称し、酸化剤極１３には酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。水素ガスと酸素ガスが反応し、発電が行われる。電解質膜１４は、例えば固体高分子膜であってもよい。

アノードセパレータ２０は、第１セパレータの一例である。図１に示すように、アノードセパレータ２０は、膜電極接合体１１の燃料極１２に対向する燃料極対向面２１と、燃料極対向面２１とは反対側に位置する第１セパレータ対向面２２と、を含んでいる。燃料極対向面２１は、第１電極対向面の一例である。図２に示すように、アノードセパレータ２０は、積層方向で見たときに、矩形状に形成されており、一対の第１辺２０ａと、一対の第２辺２０ｂと、を含んでいる。アノードセパレータ２０は、シール機能を有するように燃料極１２に接着されている。例えば、図示しない接着シートを介在させて、アノードセパレータ２０と燃料極１２とが接着されていてもよい。

燃料ガス流路２５は、第１ガス流路の一例である。図１に示すように、燃料ガス流路２５は、アノードセパレータ２０の燃料極対向面２１に設けられている。燃料ガス流路２５は、燃料極対向面２１に形成された複数の溝２６で構成されている。図２に示すように、燃料ガス流路２５の入口２５ａは、アノードセパレータ２０の一方の第１辺２０ａに位置し、燃料ガス流路２５の出口２５ｂは、他方の第１辺２０ａに位置している。図２に示す燃料ガス流路２５の溝２６は、クランク状に形成されている。

カソードセパレータ３０は、第２セパレータの一例である。図１に示すように、カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２に対向する第２セパレータ対向面３１と、第２セパレータ対向面３１とは反対側に位置する酸化剤極対向面３２と、を含んでいる。酸化剤極対向面３２は、第２電極対向面の一例である。図３に示すように、カソードセパレータ３０は、積層方向で見たときに、矩形状に形成されており、一対の第１辺２０ａに対応する一対の第３辺３０ａと、一対の第２辺２０ｂに対応する一対の第４辺３０ｂと、を含んでいる。

本実施の形態においては、積層方向で見たときに、各第３辺３０ａは、対応する第１辺２０ａよりも内側に位置している。このことにより、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２のうちの対応する第３辺３０ａよりも外側の部分は、カソードセパレータ３０で覆われていない。すなわち、第１セパレータ対向面２２は、対応する第３辺３０ａよりも外側に位置する一対の第１外縁部２３であって、カソードセパレータ３０に覆われない一対の第１外縁部２３を含んでいる。カソードセパレータ３０は、シール機能を有するようにアノードセパレータ２０に接着されている。例えば、図示しない接着シートを介在させて、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とが接着されていてもよい。

酸化剤ガス流路３５は、第２ガス流路の一例である。図１に示すように、酸化剤ガス流路３５は、カソードセパレータ３０の酸化剤極対向面３２に設けられている。酸化剤ガス流路３５は、酸化剤極対向面３２に形成された複数の溝３６で構成されている。図３に示すように、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａは、カソードセパレータ３０の一方の第４辺３０ｂに位置し、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂは、他方の第４辺３０ｂに位置している。図３に示す酸化剤ガス流路３５の溝３６は、直線状に形成されている。

図２、図４および図５に示すように、冷却水流路４０は、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２およびカソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１に設けられている。より具体的には、冷却水流路４０は、第１セパレータ対向面２２に設けられた流路入口部４１および流路出口部４２と、第２セパレータ対向面３１に設けられた流路本体部４３と、を含んでいる。流路本体部４３は、流路入口部４１および流路出口部４２に連通しており、冷却水の流れ方向において、流路入口部４１と流路出口部４２との間に位置している。図４に示す流路本体部４３は、第２セパレータ対向面３１に形成された複数の溝４４で構成されている。流路本体部４３の溝４４は、サーペンタイン状に形成されている。

図５および図６に示すように、積層方向で見たときに、流路入口部４１は、アノードセパレータ２０の一方の第１辺２０ａから、カソードセパレータ３０の対応する第３辺３０ａを横切るように延びている。流路入口部４１は、第１辺２０ａから、流路本体部４３の入口側端部４３ａに重なる位置まで延びている。流路入口部４１は、燃料ガス流路２５の入口２５ａと同じ第１辺２０ａから延びていてもよい。図２に示すように、流路入口部４１は、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａよりも酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂ側に位置している。しかしながら、流路入口部４１は、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂよりも酸化剤ガス流路３５の入口３５ａ側に位置していてもよい。

図５および図６に示すように、積層方向で見たときに、流路出口部４２は、アノードセパレータ２０の他方の第１辺２０ａから、カソードセパレータ３０の対応する第３辺３０ａを横切るように延びている。流路出口部４２は、第１辺２０ａから、流路本体部４３の出口側端部４３ｂに重なる位置まで延びている。流路出口部４２は、燃料ガス流路２５の出口２５ｂと同じ第１辺２０ａから延びていてもよい。図２に示すように、流路出口部４２は、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂよりも酸化剤ガス流路３５の入口３５ａ側に位置している。しかしながら、流路出口部４２は、流路入口部４１が酸化剤ガス流路３５の入口３５ａ側に位置している場合、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａよりも酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂ側に位置していてもよい。

流路入口部４１および流路出口部４２は、図６に示すように、第１セパレータ対向面２２から燃料極対向面２１に延びていてもよい。すなわち、流路入口部４１および流路出口部４２は、アノードセパレータ２０を貫通しており、このアノードセパレータ２０に隣接する燃料極１２および後述する仕切板６０によって画定されている。なお、流路入口部４１および流路出口部４２は、第１セパレータ対向面２２に形成されていれば、アノードセパレータ２０を貫通していなくてもよい。

図５および図６に示すように、流路入口部４１および流路出口部４２のそれぞれに、整流板４５が設けられていてもよい。整流板４５は、第１セパレータ対向面２２から燃料極対向面２１に延びていてもよく、仕切板６０に当接するとともに燃料極１２に当接していてもよい。流路入口部４１に複数の整流板４５が設けられていてもよい。この場合、整流板４５によって区画される流路の本数が、カソードセパレータ３０に形成された流路本体部４３の溝４４の本数と等しくてもよい。同様に、流路出口部４２に複数の整流板４５が設けられていてもよい。この場合、整流板４５によって区画される流路の本数が、流路本体部４３の溝４４の本数と等しくてもよい。

ここで、マニホールドについて説明する。本実施の形態による燃料電池１は、図２～図４に示すように、燃料極入口マニホールド３と、燃料極出口マニホールド４と、酸化剤極入口マニホールド５と、酸化剤極出口マニホールド６と、を備えている。

燃料極入口マニホールド３は、燃料電池スタック２の１つの側面に取り付けられている。この側面には、図２に示すように、燃料ガス流路２５の入口２５ａが位置するアノードセパレータ２０の第１辺２０ａと、カソードセパレータ３０の対応する第３辺３０ａが位置している。燃料極入口マニホールド３は、各燃料ガス流路２５の入口２５ａに連通した燃料ガス供給流路７ａを含んでいる。燃料ガスは、燃料ガス供給流路７ａから燃料ガス流路２５に供給される。

本実施の形態による燃料極入口マニホールド３は、各冷却水流路４０の流路入口部４１に連通した冷却水供給流路９ａを含んでいる。図４に示すように、冷却水は、冷却水供給流路９ａから冷却水流路４０に供給される。冷却水供給流路９ａは、燃料ガス供給流路７ａと区画されている。

燃料極出口マニホールド４は、燃料電池スタック２の他の１つの側面に取り付けられている。この側面には、図２に示すように、燃料ガス流路２５の出口２５ｂが位置するアノードセパレータ２０の第１辺２０ａと、カソードセパレータ３０の対応する第３辺３０ａが位置している。燃料極出口マニホールド４は、各燃料ガス流路２５の出口２５ｂに連通した燃料ガス排出流路７ｂを含んでいる。燃料ガスは、燃料ガス流路２５から燃料ガス排出流路７ｂに排出される。

本実施の形態による燃料極出口マニホールド４は、冷却水流路４０の流路出口部４２に連通した冷却水排出流路９ｂを含んでいる。図４に示すように、冷却水は、冷却水流路４０から冷却水排出流路９ｂに排出される。冷却水排出流路９ｂは、燃料ガス排出流路７ｂと区画されている。

酸化剤極入口マニホールド５は、燃料電池スタック２の他の１つの側面に取り付けられている。この側面には図３に示すように、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａが位置するカソードセパレータ３０の第４辺３０ｂと、アノードセパレータ２０の対応する第２辺２０ｂが位置している。酸化剤極入口マニホールド５は、各酸化剤ガス流路３５の入口３５ａに連通した酸化剤ガス供給流路８ａを含んでいる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路８ａから酸化剤ガス流路３５に供給される。

酸化剤極出口マニホールド６は、燃料電池スタック２の他の１つの側面に取り付けられている。この側面には、図３に示すように、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂが位置するカソードセパレータ３０の第４辺３０ｂと、アノードセパレータ２０の対応する第２辺２０ｂが位置している。酸化剤極出口マニホールド６は、各酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂに連通した酸化剤ガス排出流路８ｂを含んでいる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３５から酸化剤ガス排出流路８ｂに排出される。

次に、シール部５０について説明する。

図１に示すように、シール部５０は、隣接する他の単セル１０の膜電極接合体１１に当接する。シール部５０は、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、燃料極入口マニホールド３の燃料ガス供給流路７ａおよび冷却水供給流路９ａから区画するとともに、燃料極出口マニホールド４の燃料ガス排出流路７ｂおよび冷却水排出流路９ｂから区画するための部材である。

図３～図５に示すように、シール部５０は、カソードセパレータ３０の対応する第３辺３０ａよりも外側に位置した第１シール部材５１を含んでいる。第１シール部材５１は、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２に形成された上述の第１外縁部２３に当接している。

図５に示すように、第１シール部材５１は、本体シール部５２と、本体シール部５２から上方に延びるリップ部５３と、を含んでいる。本体シール部５２が、第１セパレータ対向面２２の第１外縁部２３に、後述する仕切板６０を介して当接している。図４および図５に示すように、一方の第１シール部材５１の本体シール部５２は、第１セパレータ対向面２２に形成された冷却水流路４０の流路入口部４１を覆っている。他方の第１シール部材５１の本体シール部５２は、第１セパレータ対向面２２に形成された冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っている。各第１シール部材５１のリップ部５３は、隣接する他の単セル１０の酸化剤極１３に当接する。第１シール部材５１は、燃料電池スタック２を組み立てる際に、一対の締付板によって締め付けられることにより押圧され、シール機能を発揮することができる。

図３、図４および図７に示すように、積層方向で見たときに、第１シール部材５１は、アノードセパレータ２０の第１辺２０ａおよびカソードセパレータ３０の第３辺３０ａに沿って直線状に延びている。第１シール部材５１は、一方の第２辺２０ｂから他方の第２辺２０ｂまで延びていてもよい。

シール部５０は、耐久性およびシール性を確保可能であれば、任意の弾性材料で形成されていてもよい。例えば、シール部５０は、シリコーンゴムまたはＥＰＤＭで形成されていてもよい。

仕切板６０は、図６および図７に示すように、対応する第１シール部材５１と、冷却水流路４０の流路入口部４１または流路出口部４２との間に介在されていてもよい。仕切板６０は、第１セパレータ対向面２２の第１外縁部２３に当接している。燃料ガス流路２５の入口２５ａ側に位置する仕切板６０は、図４および図６に示すように、冷却水流路４０の流路入口部４１を覆っており、流路入口部４１に第１シール部材５１が入り込むことを防止している。同様に、燃料ガス流路２５の出口２５ｂ側に位置する仕切板６０は、冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っており、流路出口部４２に第１シール部材５１が入り込むことを防止している。

仕切板６０は、流路入口部４１または流路出口部４２にシール部５０が入り込むことを防止できれば、任意の材料で形成されていてもよい。例えば、仕切板６０は、ステンレス若しくはチタンなどの金属材料で形成されていてもよく、または樹脂材料で形成されていてもよい。

仕切板６０は、シール機能を有するように、第１セパレータ対向面２２の第１外縁部２３に接着されている。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された冷却水流路４０を、燃料ガス流路２５と区画することができる。例えば、図示しない接着シートを介在させて、仕切板６０と第１セパレータ対向面２２とが接着されていてもよい。

図７に示すように、仕切板６０に、上述した整流板４５が接着されていてもよい。より具体的には、冷却水流路４０の流路入口部４１に対応する仕切板６０に、流路入口部４１内に位置する整流板４５が接着されていてもよい。冷却水流路４０の流路出口部４２に対応する仕切板６０に、流路出口部４２内に位置する整流板４５が接着されていてもよい。整流板４５は、仕切板６０が第１セパレータ対向面２２に接着される前に予め仕切板６０に接着されていてもよい。

図１に示すように、カソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１に、対応する仕切板６０を収容する一対の収容部３３が形成されていてもよい。本実施の形態による収容部３３は、対応する第３辺３０ａから内側に延びている。収容部３３に収容された仕切板６０のアノードセパレータ２０の側の面と、第２セパレータ対向面３１とは、同一面に位置していてもよい。収容部３３に、冷却水流路４０の流路本体部４３が接続されていてもよい。

ここで、図８を用いて、一般的な燃料電池スタック２の単セル１０について説明する。

図８に示す単セル１０は、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５とマニホールド内の燃料ガス流路２５とを区画するためのシール部材７０を備えている。このシール部材７０は、カソードセパレータ３０の酸化剤極対向面３２に形成された収容部７１に収容されている。カソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１に、冷却水流路４０の溝４４が形成されている。積層方向で見たときに、シール部材７０と冷却水流路４０が重なっている。収容部７１の深さｄ１は、酸化剤ガス流路３５の溝３６の深さｄ２よりも深い。このため、冷却水流路４０の深さｄ３と、収容部７１の深さｄ１と、冷却水流路４０と収容部７１との間の厚さｔ１とを加味してカソードセパレータ３０の厚さｔ２が決まる。このため、カソードセパレータ３０の厚さｔ２が厚くなるという問題がある。

これに対して本実施の形態においては、積層方向で見たときに、カソードセパレータ３０の第３辺３０ａが、アノードセパレータ２０の対応する第１辺２０ａよりも内側に位置している。アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２のうちの上述した第１外縁部２３に、シール部５０の第１シール部材５１が当接し、この第１シール部材５１は、冷却水流路４０の流路入口部４１を覆っている。第１シール部材５１は、隣接する他の単セル１０の酸化剤極１３にも当接している。このことにより、燃料ガス流路２５の入口２５ａ側に位置する第１シール部材５１によって、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５と、燃料極入口マニホールド３に形成された燃料ガス供給流路７ａおよび冷却水供給流路９ａとを区画することができる。燃料ガス流路２５の出口２５ｂ側に位置する第１シール部材５１によって、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５と、燃料極出口マニホールド４に形成された燃料ガス排出流路７ｂおよび冷却水排出流路９ｂとを区画することができる。

そして、第１シール部材５１が、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２のうちの第１外縁部２３に当接しているため、カソードセパレータ３０に、第１シール部材５１を収容するための収容部７１を設けることを不要にできる。このことにより、カソードセパレータ３０の厚さ決める際に、酸化剤ガス流路３５の溝３６の深さｄ２よりも深い収容部７１の深さｄ１（図８参照）を考慮することを不要にできる。この場合、酸化剤ガス流路３５の深さｄ２と、冷却水流路４０の深さｄ３と、酸化剤ガス流路３５と冷却水流路４０との間の厚さｔ３とを加味してカソードセパレータ３０の厚さｔ２が決まる。このため、カソードセパレータ３０の厚さｔ２を薄くすることができる。

このように本実施の形態によれば、カソードセパレータ３０の第３辺３０ａが、アノードセパレータ２０の対応する第１辺２０ａよりも内側に位置している。シール部５０は、第１セパレータ対向面２２のうちの対応する第３辺３０ａよりも外側の第１外縁部２３に当接している。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、燃料極入口マニホールド３の燃料ガス供給流路７ａおよび燃料極出口マニホールド４の燃料ガス排出流路７ｂから区画することができる。また、一方のシール部５０は、冷却水流路４０の流路入口部４１を覆い、他方のシール部５０は、冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っている。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、燃料極入口マニホールド３の冷却水供給流路９ａおよび燃料極出口マニホールド４の冷却水排出流路９ｂから区画することができる。そして、上述したようにカソードセパレータ３０の厚さを薄くすることができる。このため、単セル１０の薄型化を図ることができ、燃料電池スタック２のコンパクト化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、対応する第１シール部材５１と、冷却水流路４０の流路入口部４１との間に仕切板６０が介在され、対応する第１シール部材５１と、冷却水流路４０の流路出口部４２との間に仕切板６０が介在されている。この場合、流路入口部４１上に平坦面を形成することができるとともに、流路出口部４２上に平坦面を形成することができる。このため、第１シール部材５１が、流路入口部４１または流路出口部４２に入り込むことを防止することができ、第１シール部材５１によるシール機能を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、仕切板６０は、シール機能を有するように第１セパレータ対向面２２に接着されている。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された冷却水流路４０を、燃料ガス流路２５と区画することができる。このため、冷却水と燃料ガスとの混合を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、冷却水流路４０の流路入口部４１および流路出口部４２は、第１セパレータ対向面２２から燃料極対向面２１に延びている。このことにより、流路入口部４１および流路出口部４２がアノードセパレータ２０を貫通することができ、流路入口部４１の流路断面積および流路出口部４２の流路断面積をそれぞれ大きくすることができる。このため、冷却水流路４０の流路抵抗を低減でき、冷却水の流れに損失が生じることを抑制することができる。また、このように流路入口部４１および流路出口部４２がアノードセパレータ２０を貫通することにより、アノードセパレータ２０の厚さを厚くせずに冷却水流路４０の流路断面積を大きくすることができる。このため、冷却水流路４０の流路断面積を確保することができるとともにアノードセパレータ２０の厚さを薄くすることができる。

また、本実施の形態によれば、冷却水流路４０の流路入口部４１および流路出口部４２のそれぞれに、整流板４５が設けられている。このことにより、冷却水の流れを整流することができ、冷却水の流れに損失が生じることを抑制することができる。また、整流板４５によって、仕切板６０を支持することができる。このことにより、第1シール部材５１が、流路入口部４１または流路出口部４２に入り込むことをより一層防止することができ、第1シール部材５１によるシール機能を高めることができるとともに、冷却水流路４０の流路断面積を確保することができる。また、整流板４５によって、膜電極接合体１１を支持することができる。このことにより、膜電極接合体１１が流路入口部４１または流路出口部４２に入り込むことを防止することができ、冷却水流路４０の流路断面積を確保することができる。

また、本実施の形態によれば、積層方向で見たときに、流路入口部４１は、アノードセパレータ２０の一方の第１辺２０ａから対応する第３辺３０ａを横切るように延び、流路出口部４２は、アノードセパレータ２０の他方の第１辺２０ａから対応する第３辺３０ａを横切るように延びている。積層方向で見たときに、第１シール部材５１は、第１辺２０ａおよびカソードセパレータ３０の第３辺３０ａに沿って延びている。このことにより、流路入口部４１または流路出口部４２を覆う第１シール部材５１の形状を簡素化することができるとともに、流路入口部４１および流路出口部４２のシール構造を簡素化することができる。このため、第１シール部材５１のシール機能を高めることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、第１セパレータの一例がアノードセパレータ２０であり、第２セパレータの一例がカソードセパレータ３０である例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。第１セパレータの一例がカソードセパレータ３０であり、第２セパレータの一例がアノードセパレータ２０であってもよい。すなわち、膜電極接合体１１の酸化剤極１３にカソードセパレータ３０が接着され、このカソードセパレータ３０に、アノードセパレータ２０が接着されていてもよい。この場合、冷却水流路４０の流路入口部４１および流路出口部４２は、カソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１に形成され、流路本体部４３は、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２に形成されてもよい。シール部５０は、カソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１のうちの外縁部に当接するとともに、隣接する他の単セル１０の燃料極１２に当接してもよい。

（第２の実施の形態）
次に、図９～図１１を用いて、第２の実施の形態による燃料電池スタックおよび燃料電池について説明する。

図９～図１１に示す第２の実施の形態は、冷却水流路の流路入口部が、アノードセパレータの一方の前記第２辺に位置し、流路出口部が、アノードセパレータの他方の前記第２辺に位置している点が主に異なり、他の構成は、図１～図８に示す第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においては、図９に示すように、燃料ガス流路２５の入口２５ａは、アノードセパレータ２０の一方の第１辺２０ａに位置し、燃料ガス流路２５の出口２５ｂは、他方の第１辺２０ａに位置している。図９に示す燃料ガス流路２５は、直線状に形成されている。

本実施の形態においては、積層方向で見たときに、各第４辺３０ｂは、対応する第２辺２０ｂに重なる外側部３０ｃと、対応する第２辺２０ｂよりも内側に位置する内側部３０ｄと、を含んでいる。このことにより、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２のうちの対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄよりも外側の部分は、カソードセパレータ３０で覆われていない。すなわち、第１セパレータ対向面２２は、対応する第３辺３０ａよりも外側に位置する上述の一対の第１外縁部２３と、対応する第４辺３０ｂよりも外側位置する一対の第２外縁部２４と、を含んでいる。積層方向で見たときに、第１外縁部２３および第２外縁部２４は、全体としてＬ字状に形成されている。

各内側部３０ｄは、対応する第３辺３０ａに接続されている。すなわち、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａに対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄは、燃料ガス流路２５の出口２５ｂに対応する第３辺３０ａに接続されている。酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂに対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄは、燃料ガス流路２５の入口２５ａに対応する第３辺３０ａに接続されている

図１０に示すように、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａは、カソードセパレータ３０の一方の第４辺３０ｂの外側部３０ｃに位置し、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂは、他方の第４辺３０ｂの外側部３０ｃに位置している。図３に示す酸化剤ガス流路３５の溝３６は、クランク状に形成されている。

図１１に示すように、冷却水流路４０の流路入口部４１は、アノードセパレータ２０の一方の第２辺２０ｂから、対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄを横切るように延びている。流路入口部４１は、内側部３０ｄから、流路本体部４３の入口側端部４３ａに重なる位置まで延びている。流路入口部４１は、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂに対応する第２辺２０ｂから延びていてもよい。図１１に示す流路入口部４１は、燃料ガス流路２５の出口２５ｂよりも燃料ガス流路２５の入口２５ａ側に位置している。しかしながら、流路入口部４１は、燃料ガス流路２５の入口２５ａよりも燃料ガス流路２５の出口２５ｂ側に位置していてもよい。

冷却水流路４０の流路出口部４２は、アノードセパレータ２０の他方の第２辺２０ｂから、対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄを横切るように延びている。流路出口部４２は、内側部３０ｄから、流路本体部４３の出口側端部４３ｂに重なる位置まで延びている。流路出口部４２は、酸化剤ガス流路３５の入口３５ａに対応する第２辺２０ｂから延びていてもよい。図１１に示す流路出口部４２は、燃料ガス流路２５の入口２５ａよりも燃料ガス流路２５の出口２５ｂ側に位置している。しかしながら、流路出口部４２は、流路入口部４１が燃料ガス流路２５の出口２５ｂ側に位置している場合、燃料ガス流路２５の出口２５ｂよりも燃料ガス流路２５の入口２５ａ側に位置していてもよい。図１１に示す冷却水流路４０の流路本体部４３の溝４４は、サーペンタイン状に形成されている。

本実施の形態による燃料極入口マニホールド３は、冷却水供給流路９ａを含んでいない。酸化剤極出口マニホールド６が、冷却水供給流路９ａを含んでいる。冷却水供給流路９ａは、酸化剤ガス排出流路８ｂと区画されている。同様に、燃料極出口マニホールド４は、冷却水排出流路９ｂを含んでいない。酸化剤極入口マニホールド５が、冷却水排出流路９ｂを含んでいる。冷却水排出流路９ｂは、酸化剤ガス供給流路８ａと区画されている。

本実施の形態によるシール部５０は、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、燃料極入口マニホールド３の燃料ガス供給流路７ａおよび酸化剤極入口マニホールド５の酸化剤ガス供給流路８ａから区画するとともに、燃料極出口マニホールド４の燃料ガス排出流路７ｂおよび酸化剤極出口マニホールド６の酸化剤ガス排出流路８ｂから区画する。

本実施の形態によるシール部５０は、上述した第１シール部材５１と、第２シール部材５４と、を含んでいる。本実施の形態においては、第１シール部材５１と第１セパレータ対向面２２との間に仕切板６０は介在されていないため、第１シール部材５１は、第１セパレータ対向面２２に直接当接している。

第２シール部材５４は、図示しないが、第１シール部材５１と同様に、本体シール部５２と、リップ部５３と、を含んでいる。図１０および図１１に示すように、第２シール部材５４は、第１セパレータ対向面２２のうちの対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄよりも外側に位置している。第２シール部材５４は、アノードセパレータ２０の第１セパレータ対向面２２に形成された上述の第２外縁部２４に、仕切板６０を介して当接している。一方の第２シール部材５４の本体シール部５２は、第１セパレータ対向面２２に形成された冷却水流路４０の流路入口部４１を覆っている。他方の第２シール部材５４の本体シール部５２は、第１セパレータ対向面２２に形成された冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っている。

図１０および図１１に示すように、積層方向で見たときに、第２シール部材５４は、アノードセパレータ２０の第２辺２０ｂおよびカソードセパレータ３０の第４辺４０ｂの内側部３０ｄに沿って直線状に延びている。第１シール部材５１および第２シール部材５４で構成されるシール部５０は、全体としてＬ字状に配置されている。第１シール部材５１および第２シール部材５４は、別体に形成されていてもよいが、一体に形成されＬ字状のシール部材として形成されていてもよい。

本実施の形態による仕切板６０は、図１１に示すように、対応する第２シール部材５４と、冷却水流路４０の流路入口部４１または流路出口部４２との間に介在されていてもよい。仕切板６０は、第１セパレータ対向面２２の第２外縁部２４に当接している。酸化剤ガス流路３５の入口３５ａ側に位置する仕切板６０は、図１１に示すように、冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っており、流路出口部４２に第２シール部材５４が入り込むことを防止している。同様に、酸化剤ガス流路３５の出口３５ｂ側に位置する仕切板６０は、冷却水流路４０の流路入口部４１を覆っており、流路入口部４１に第２シール部材５４が入り込むことを防止している。

仕切板６０は、シール機能を有するように、第１セパレータ対向面２２の第２外縁部２４に接着されている。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された冷却水流路４０を、燃料ガス流路２５と区画することができる。

カソードセパレータ３０の第２セパレータ対向面３１に形成された収容部３３は、対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄから内側に延びていてもよい。本実施の形態においては、収容部３３は、カソードセパレータ３０の第３辺３０ａには形成されていなくてもよい。

このように本実施の形態によれば、カソードセパレータ３０の第３辺３０ａが、アノードセパレータ２０の対応する第１辺２０ａよりも内側に位置している。シール部５０の第１シール部材５１は、第１セパレータ対向面２２のうちの対応する第３辺３０ａよりも外側の部分に当接している。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、燃料極入口マニホールド３の燃料ガス供給流路７ａおよび燃料極出口マニホールド４の燃料ガス排出流路７ｂから区画することができる。また、一方のシール部５０の第２シール部材５４は、冷却水流路４０の流路入口部４１を覆い、他方のシール部５０の第２シール部材５４は、冷却水流路４０の流路出口部４２を覆っている。このことにより、カソードセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流路３５を、酸化剤極入口マニホールド５の冷却水排出流路９ｂおよび酸化剤極出口マニホールド６の冷却水供給流路９ａから区画することができる。そして、カソードセパレータ３０の厚さを薄くすることができる。このため、単セル１０の薄型化を図ることができ、燃料電池スタック２のコンパクト化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、積層方向で見たときに、流路入口部４１は、アノードセパレータ２０の一方の第２辺２０ｂから対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄを横切るように延び、流路出口部４２は、アノードセパレータ２０の他方の第２辺２０ｂから対応する第４辺３０ｂの内側部３０ｄを横切るように延びている。積層方向で見たときに、第２シール部材５４は、第２辺２０ｂおよびカソードセパレータ３０の第４辺３０ｂの内側部３０ｄに沿って延びている。このことにより、流路入口部４１または流路出口部４２を覆う第２シール部材５４の形状を簡素化することができるとともに、流路入口部４１および流路出口部４２のシール構造を簡素化することができる。このため、第２シール部材５４のシール機能を高めることができる。

以上述べた実施の形態によれば、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：燃料電池、２：燃料電池スタック、１０：単セル、１１：膜電極接合体、２０：アノードセパレータ、２０ａ：第１辺、２０ｂ：第２辺、２１：燃料極対向面、２２：第１セパレータ対向面、２３：第１外縁部、２４：第２外縁部、２５：燃料ガス流路、２５ａ：入口、２５ｂ：出口、３０：カソードセパレータ、３０ａ：第３辺、３０ｂ：第４辺、３０ｃ：外側部、３０ｄ：内側部、３１：第２セパレータ対向面、３２：酸化剤極対向面、３５：酸化剤ガス流路、３５ａ：入口、３５ｂ：出口、４０：冷却水流路、４１：流路入口部、４２：流路出口部、４３：流路本体部、４５：整流板、５０：シール部、５１：第１シール部材、５４：第２シール部材、６０：仕切板、Ｄ：積層方向

Claims (8)

1. 積層された複数の単セルを備え、
   前記単セルは、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に対向する第１電極対向面と、前記第１電極対向面とは反対側に位置する第１セパレータ対向面と、を含む第１セパレータと、
   前記第１電極対向面に設けられた第１ガス流路と、
   前記第１セパレータ対向面に対向する第２セパレータ対向面と、前記第２セパレータ対向面とは反対側に位置する第２電極対向面と、を含む第２セパレータと、
   前記第２電極対向面に設けられた第２ガス流路と、
   冷却水流路と、
   隣接する他の前記単セルの前記膜電極接合体に当接する一対のシール部と、を備え、
   前記冷却水流路は、前記第１セパレータ対向面に設けられた流路入口部および流路出口部と、前記第２セパレータ対向面に設けられた流路本体部であって、前記流路入口部および前記流路出口部に連通した流路本体部と、を含み、
   積層方向で見たときに、前記第１セパレータは、矩形状に形成されており、一対の第１辺と一対の第２辺と、を含み、
   一方の前記第１辺に前記第１ガス流路の入口が位置し、他方の前記第１辺に前記第１ガス流路の出口が位置し、
   前記積層方向で見たときに、前記第２セパレータは、矩形状に形成されており、前記第１辺に対応する一対の第３辺と、前記第２辺に対応する一対の第４辺と、を含み、
   一方の前記第４辺に前記第２ガス流路の入口が位置し、他方の前記第４辺に前記第２ガス流路の出口が位置し、
   各々の前記第３辺は、対応する前記第１辺よりも内側に位置し、
   前記シール部は、前記第１セパレータ対向面のうちの対応する前記第３辺よりも外側に位置する第１外縁部に当接するとともに、前記流路入口部を覆い、
   他方の前記シール部は、前記第１セパレータ対向面のうちの対応する前記第３辺よりも外側に位置する第１外縁部に当接するとともに、前記流路出口部を覆っている、
   燃料電池スタック。
2. 一対の仕切板を更に備え、
   一方の前記仕切板は、対応する前記シール部と前記冷却水流路の前記流路入口部との間に介在され、
   他方の前記仕切板は、対応する前記シール部と前記冷却水流路の前記流路出口部との間に介在されている、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記仕切板は、シール機能を有するように前記第１セパレータ対向面に接着されている、
   請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記流路入口部および前記流路出口部は、前記第１セパレータ対向面から前記第１電極対向面に延びている、
   請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記流路入口部および前記流路出口部のそれぞれに、整流板が設けられている、
   請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記冷却水流路の前記流路入口部は、一方の前記第１辺から対応する前記第３辺を横切るように延び、
   前記冷却水流路の前記流路出口部は、他方の前記第１辺から対応する前記第３辺を横切るように延び、
   前記シール部は、前記第１辺および前記第３辺に沿って延びる第１シール部材を含む、
   請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
7. 前記第４辺は、前記積層方向で見たときに対応する前記第２辺に重なる外側部と、対応する前記第２辺よりも内側に位置する内側部と、を含み、
   前記冷却水流路の前記流路入口部は、一方の前記第２辺から対応する前記内側部を横切るように延び、
   前記冷却水流路の前記流路出口部は、他方の前記第２辺から対応する前記内側部を横切るように延び、
   前記シール部は、前記第１辺および前記第３辺に沿って延びる第１シール部材と、前記第１セパレータ対向面のうちの対応する前記内側部よりも外側に位置する第２外縁部に当接するとともに、前記第２辺および前記第４辺に沿って延びる第２シール部材と、を含む、
   請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
8. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックを備えた燃料電池。