(57)【要約】本発明は、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することを主目的とする。本発明は、電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、積層体の積層方向の少なくとも一端にセパレータが配設され、端に配設されたセパレータは、構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、少なくとも一つの溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部である、燃料電池モジュールとする。
2012073364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、
前記積層体の積層方向の少なくとも一端に前記セパレータが配設され、
端に配設されたセパレータは、前記構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、
少なくとも一つの前記溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記深溝部を有するセパレータの、前記深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さは、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高いことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、前記凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有することを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つは、前記深溝部を有するセパレータよりも、前記積層方向を法線方向とする面の面積が小さく、且つ、
面積が小さいセパレータの周縁に、前記深溝部を有するセパレータの外縁が位置するように、面積が小さい前記セパレータ及び前記深溝部を有するセパレータが配設され、
面積が小さい前記セパレータの周縁に位置する、前記深溝部を有するセパレータの前記外縁に、前記深溝部が設けられていることを特徴とする、請求の範囲第１項〜請求の範囲第３項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記深溝部を有するセパレータは、その厚さ内を貫通する流体導入路を有し、
前記流体導入路を有する部位に設けられた前記溝部の深さは、前記流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの前記溝部の深さよりも浅いことを特徴とする、請求の範囲第１項〜請求の範囲第４項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記積層体の積層方向の端に配設されている前記セパレータの、前記構造体に対向しない側の面に、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝を有し、
前記溝によって、前記構造体へと供給される気体のマニホールド、前記冷媒のマニホールド、及び、前記流路が囲まれるように、前記溝が前記セパレータの外縁に設けられていることを特徴とする、請求の範囲第１項〜請求の範囲第５項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを有する燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質とこれを挟持するように配設された一対の電極（アノード及びカソード）とを備える構造体で発生させた電気エネルギーを、構造体の外側に配設された集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯電話等の動力源として注目されている。【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。ＰＥＦＣでは、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」という。）に含まれる触媒上でプロトンと電子へと分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」という。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。【０００４】
このような燃料電池に関する技術として、例えば特許文献１には、燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体及び多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つの積層体が形成され、複数の積層体が積層された燃料電池モジュールが開示されている。そして、特許文献１には、燃料電池セルに、複数のマニホールドが形成されており、積層体の両端部にセパレータが配されており、隣接する積層体のそれぞれのセパレータ間に、マニホールドを囲繞する無端状の第１のシール材が介層されている形態が開示されている。さらに、特許文献１には、隣接する積層体のそれぞれのセパレータの対向面であって、それらのマニホールドの周囲には、対応する位置に無端状の凹溝が形成され、隣接する積層体同士が積層された姿勢において、双方の凹溝にて画成された無端状の空間に、第１のシール材の一部若しくは全部が収容される形態についても開示されている。また、特許文献２には、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを複数備え、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている燃料電池が開示されている。また、特許文献３には、第１セパレータが第２セパレータよりも小さな外形寸法を有するとともに、第２セパレータの外周縁部には、第１セパレータの外形端部より外方に突出する位置に、少なくとも燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通している燃料電池が開示されている。また、特許文献４には、ガス導入用のマニホールドが設けられると共に、電池側の面には短冊状に貫通して設けられるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、電池側の面と反対面には、ガス導入用のガス溝がマニホールドとガス流路を接続するように形成され、ガス流路及びガス溝を囲むようにＯリング溝が形成されている小型燃料電池用セパレータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８０２２２号公報
【特許文献２】特開２００９−４３６６５号公報
【特許文献３】特開２００７−３２４１０８号公報
【特許文献４】特開２００２−５６８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術において、第１のシール材として安価で交換が容易なＯ−リングを用いれば、メンテナンス時の作業効率等を向上させることが可能になると考えられる。一般に、燃料電池モジュールの大きさ及び出力が特定されれば、その燃料電池モジュールで用いられる流体をシールするために用いられるＯ−リングの径は特定される。これまでのように、必要とされる径のＯ−リングを配設するための凹部の深さよりも厚いセパレータが用いられていた場合には、セパレータに形成した溝に配設した、適切な径のＯ−リングを用いて流体を適切にシールすることが可能であった。しかしながら、単セルの薄型化が進んで薄いセパレータが用いられるようになると、適切な径のＯ−リングを配設可能な溝をセパレータに設けることが困難になり、適切なシール機能の確保が困難になる虞があった。このような問題は、特許文献１に開示されている技術と特許文献２乃至特許文献４に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。【０００７】
そこで本発明は、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、積層体の積層方向の少なくとも一端にセパレータが配設され、端に配設されたセパレータは、構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、少なくとも一つの溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部であることを特徴とする、燃料電池モジュールである。【０００９】
ここに、本発明において、電極とセパレータとの間に流体を通過させる多孔体（例えば、ガス拡散層）が配設される場合、この多孔体も構造体の構成要素である。また、本発明において、「積層体の積層方向」とは、積層体を構成する電解質層や電極やセパレータ等が積層されている方向をいい、セパレータの厚さ方向と表現することも可能である。また、「端に配設されたセパレータ」とは、積層体の積層方向両端にセパレータが配設されている場合には、両端に配設されているセパレータのうち少なくとも一方のセパレータをいう。これに対し、積層体の積層方向一端にセパレータが配設され、積層方向他端にはセパレータ以外の構成要素が配設されている場合、「端に配設されたセパレータ」とは、積層体の積層方向一端に配設されているセパレータをいう。また、本発明において、「構造体に対向しない側の面」とは、セパレータの上面（下面）が積層体に対向している場合であれば、セパレータの下面（上面）をいう。また、本発明において、「溝部を有するセパレータの厚さ」とは、積層体の積層方向に構造体と対向するセパレータの部位における、厚さをいう。また、本発明の燃料電池モジュールは、１つの積層体、又は、積層された２以上の積層体を有している。【００１０】
また、上記本発明において、深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さは、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高くても良い。【００１１】
ここに、例えば、深溝部がセパレータの上面（下面）に設けられている場合、「深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面」とは、セパレータの下面（上面）をいう。また、「深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部」とは、深溝部をセパレータの上面（下面）に設けたことによって、セパレータの下面（上面）に形成された凸部をいう。【００１２】
また、セパレータと接触する構造体の厚さよりも凸部の高さが高い上記本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有していても良い。【００１３】
ここに、「深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有する」とは、凹部を有しないセパレータと凸部を有するセパレータとを重ねた時の合計厚さよりも、２つのセパレータを重ねた時の合計厚さが薄くなるような凹部を、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが有していることをいう。【００１４】
また、上記本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つは、深溝部を有するセパレータよりも、積層方向を法線方向とする面の面積が小さく、且つ、面積が小さいセパレータの周縁に、深溝部を有するセパレータの外縁が位置するように、面積が小さいセパレータ及び深溝部を有するセパレータが配設され、面積が小さいセパレータの周縁に位置する深溝部を有するセパレータの外縁に、深溝部が設けられていても良い。【００１５】
また、上記本発明において、深溝部を有するセパレータは、その厚さ内を貫通する流体導入路を有し、該流体導入路を有する部位に設けられた溝部の深さは、流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの溝部の深さよりも浅いことが好ましい。【００１６】
ここに、「流体導入路を有する部位に設けられた溝部」とは、溝部を有するセパレータの、流体導入路が存在する箇所における、セパレータの厚さ方向を上下方向とする切断面を見た時に、流体導入路の上側又は下側に設けられている溝部をいい、換言すれば、流体導入路を跨ぐように設けられている溝部をいう。本発明において、溝部及び流体導入路は連通していない。【００１７】
また、上記本発明において、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝を有し、該溝によって、構造体へと供給される気体のマニホールド、冷媒のマニホールド、及び、流路が囲まれるように、溝がセパレータの外縁に設けられていることが好ましい。【００１８】
ここに、「積層体へと供給される気体」とは、水素含有気体及び酸素含有気体をいう。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池モジュールは、深溝部を有するセパレータを具備している。深溝部を有するセパレータを具備する形態とすることにより、単セルが薄型化されても、Ｏ−リング、ガスケット、及び、接着剤等のシール材を配設するために必要な深さに形成された深溝部を確保することができる。シール材を配設するために必要な深さを備えた深溝部を確保することにより、適切なシール機能を容易に確保することが可能になる。したがって、本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。【００２０】
また、本発明において、深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さが、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高い場合であっても、深溝部を有するセパレータ以外のセパレータの形態等を工夫することにより、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。【００２１】
また、セパレータと接触する構造体の厚さよりも凸部の高さが高い本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有することにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現することが容易になる。【００２２】
また、本発明において、面積が小さいセパレータの周縁に位置する深溝部を有するセパレータの外縁に、深溝部が設けられている形態とすることにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現することが容易になる。【００２３】
また、本発明において、流体導入路を有する部位に設けられた溝部の深さが、流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの溝部の深さよりも浅い形態とすることにより、セパレータの厚さを有効に活用することが可能になるので、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現しやすくなる。【００２４】
また、本発明において、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝が、構造体に対向しない側のセパレータの表面に存在し、且つ、構造体へと供給される気体のマニホールド、冷媒のマニホールド、及び、流路を囲むように溝が設けられていることにより、上記効果に加えて、燃料電池モジュールの無駄な空間を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。
【図２】燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。
【図３】構造体５を説明する断面図である。
【図４】セパレータ１の上面図である。
【図５】従来のシール形態を説明する図である。
【図６】積層体３０を説明する断面図である。
【図７】積層された積層体３０、３０を説明する断面図である。
【図８】セパレータ４０の上面図である。
【図９】セパレータ４０の断面図である。
【図１０】セパレータ４０の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。また、本発明の理解を容易にするため、図面では一部符号の記載を省略することがある。
【００２７】
図１は、本発明の燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。図１では、燃料電池モジュール１００の一部の断面を示している。図１では、水素マニホールド７と水素ガス流路１ｂ、３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路２ａ、４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路１ａ、４ａ、１１とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ１、２、３、４と、水素マニホールドとして機能する孔７と、不図示の空気マニホールド及び冷媒マニホールドと、を具備する積層体１０を備えている。積層体１０は、その積層方向（図１の紙面上下方向）両端に、セパレータ１及びセパレータ４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤６、６が配置されており、該接着剤６、６を用いて、セパレータ１、３、４の外縁部及びセパレータ２の端面が固定されている。セパレータ１は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ−リング８、９を配設可能な深溝部１ｘ、１ｙを有している。また、セパレータ４は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ−リング８、９を配設可能な深溝部４ｘ、４ｙを有している。燃料電池モジュール１００は、積層された複数の積層体１０、１０、…が不図示のケースに収容された状態で使用される。
【００２９】
図２は、複数の積層体１０、１０が積層された状態を説明する断面図である。図２では、水素マニホールド７と水素ガス流路１ｂ、３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路２ａ、４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路１ａ、４ａ、１１、１２とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図２に示すように、複数の積層体１０、１０が積層されると、深溝部１ｘ及び深溝部４ｘによって画定された空間にＯ−リング８が配設され、深溝部１ｙ及び深溝部４ｙによって画定された空間にＯ−リング９が配設される。所定のシール性を確保するため、深溝部１ｘ及び深溝部４ｘの合計深さは、Ｏ−リング８の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ−リング８によって、水素マニホールド７を流通する水素の漏洩が防止される。また、所定のシール性を確保するため、深溝部１ｙ及び深溝部４ｙの合計深さは、Ｏ−リング９の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ−リング９によって、冷媒流路１２を流通する冷媒の漏洩が防止される。
【００３０】
図３は、構造体５の一部を拡大して示す断面図である。図３に示すように、構造体５は、固体高分子電解質膜５ａ（以下において、単に「電解質膜５ａ」という。）と、電解質膜５ａを挟持するように配設されたアノード電極５ｂ及びカソード電極５ｃを具備するＭＥＡ５ｘと、該ＭＥＡ５ｘを挟持するように配設されたガス拡散層５ｄ及びガス拡散層５ｅと、を有している。構造体５において、ガス拡散層５ｄはアノード電極５ｂ側に配設されており、ガス拡散層５ｅはカソード電極５ｃ側に配設されている。図１及び図３を参照しつつ、燃料電池モジュール１００について説明すると、例えば水素ガス流路１ｂを介して構造体５へと供給された水素ガスは、ガス拡散層５ｄを通過してアノード電極５ｂへと達する。そして、アノード電極５ｂにおいて、下記式１で表わされる反応が生じ、プロトン及び電子が生じる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                      …（式１）
アノード電極５ｂで生じたプロトンは、電解質膜５ａを通ってカソード電極５ｃへと達し、アノード電極５ｂで生じた電子は、電解質膜５ａが電子伝導性を有しないため、外部回路を経由してカソード電極５ｃへと達する。
【００３１】
一方、例えば空気流路２ａを介して構造体５へと供給された空気は、ガス拡散層５ｅを通過してカソード電極５ｃへと達する。そして、アノード電極５ｂから移動してきたプロトン及び電子と、カソード電極５ｃへと供給された空気中に含まれている酸素とが、カソード電極５ｃ内で反応することにより、水が生成される。カソード電極５ｃで水が生成される反応は、下記式２で表わすことができる。
Ｏ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ          …（式２）
【００３２】
図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１００は、深溝部１ｘ、１ｙを有するセパレータ１、及び、深溝部４ｘ、４ｙを有するセパレータ４を備えている。ここで、深溝部１ｘ、１ｙ、及び、深溝部４ｘ及、４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成することができる。すなわち、単セルが薄型化されることに伴って、セパレータの厚さが薄くなったとしても、本発明の燃料電池モジュールにおける深溝部は、容易に形成することができる。深溝部を確保することにより、単セルが薄型化されても、ガスケットや接着剤のみならず、交換が容易で安価なＯ−リングを用いて適切なシール機能（密閉性）を確保することも可能になる。したがって、本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュール１００を提供することができる。
【００３３】
図４は、セパレータ１の上面図である。図４に示すように、セパレータ１は、水素マニホールドの孔７、１３と、空気マニホールドの孔１４、１５と、冷媒マニホールドの孔１６、１８と、を有し、孔１６及び孔１８は、セパレータ１の上面に形成されている直線状の冷媒流路１７を介して接続されている。セパレータ１は、孔１６と冷媒流路１７との間に複数の凸状物１７ａ、１７ａ、…を有しており、冷媒流路１７と孔１８との間に複数の凸状物１７ｂ、１７ｂ、…を有している。図４に示すように、孔７の周囲にＯ−リング８が、孔１３の周囲にＯ−リング１９が、孔１４の周囲にＯ−リング２０が、孔１５の周囲にＯ−リング２１が、それぞれ配設されており、これらを囲うように、セパレータ１の外縁にＯ−リング９が配設されている。このような構成とすることにより、Ｏ−リング８、１９によって水素ガスの漏洩を防止することが可能になり、Ｏ−リング２０、２１によって空気の漏洩を防止することが可能になり、Ｏ−リング９によって冷媒の漏洩を防止することが可能になる。
【００３４】
図５は、従来のシール形態を説明する図である。図５において、セパレータ１と同様の構成には図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図５に示すように、従来のセパレータ９１では、孔１６、冷媒流路１７、及び、孔１８を流通する冷媒をシールする際には、孔１６、冷媒流路１７、及び、孔１８の外周に沿って、シール材９２を配設していた。このようにシール材９２を配設すると、シール材９２によって囲まれた領域の面積を小さくすることが可能になる。しかしながら、図５に示したシール材９２は、図４に示したシール材９よりも形状が複雑である。形状が複雑な溝にＯ−リングを配設しようとすると、Ｏ−リングが捻れてしまい、適切なシール機能を確保することが困難になるため、シール材９２としてＯ−リングを利用することは困難であった。形状が複雑であっても、例えばガスケットや接着剤のようなシール材は用いることができたため、これまでは、シール材９２としてガスケットや接着剤が用いられていた。しかしながら、図２に示すように積層された複数の積層体１０、１０、…から、交換が必要になった一部の積層体１０を取り外す場合、シール材９２として接着剤を用いると、接着剤のみを交換することは困難である。そのため、接着剤を介して接着された複数の積層体１０、１０、…を交換する必要が生じ、交換費用が増大する虞がある。このほか、多数の積層体１０、１０、…を積層した後に接着剤を注入し硬化させるのは困難である。一方、シール材９２としてガスケットを用いれば、ガスケットは交換可能であるため、積層体１０を取り外した際にガスケットが破損しても新たなガスケットに交換することができる。しかしながら、ガスケットはＯ−リングよりも高価であるため、シール材９２としてガスケットを用いても、Ｏ−リングを用いる場合と比較して交換費用が増大しやすかった。
【００３５】
これに対し、図４に示すように、セパレータ１では、Ｏ−リング１９、孔１６、Ｏ−リング２０、冷媒流路１７、Ｏ−リング８、孔１８、及び、Ｏ−リング２１を囲うように、セパレータ１の外縁にＯ−リング９が配設されている。このような位置にＯ−リング９を配設することにより、シール材９２よりも形状を簡略化することが可能になり、Ｏ−リング９の捻れを防止することが可能になる。それゆえ、Ｏ−リング９を用いても適切なシール機能を確保することが可能になる。また、Ｏ−リング９はガスケットよりも安価で且つ交換可能である。そのため、シール材として接着剤やガスケットを用いる場合と比較して、一部の積層体１０を交換して再び燃料電池モジュール１００を組み立てる際の費用を、低減することができる。また、Ｏ−リング９はガスケットよりも取り外しが容易であるため、交換作業の効率を高めることが可能になる。さらに、Ｏ−リングには、ガスケットに備えられているような突起部が存在しないため、積層される積層体の表面を平らにすることが可能になり、その結果、交換作業の効率を高めることが可能になる。
【００３６】
上記説明では、シール材としてＯ−リング８、９、１９、２０、２１が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールでは、Ｏ−リング以外のシール材（例えば、接着剤やガスケット等）を用いることも可能である。ただし、積層体を交換する際の費用を低減し作業効率を高めやすくすることで、適切なシール機能を容易に確保可能な形態にする等の観点からは、シール材としてＯ−リングを用いることが好ましい。
【００３７】
また、上記説明では、図１や図２に示したように、積層体１０の積層方向に構造体５と対向するセパレータ１の部位の厚さ以上の深さである深溝部１ｘ、１ｙを有するセパレータ１、及び、積層体１０の積層方向に構造体５と対向するセパレータ４の部位の厚さ以上の深さである深溝部４ｘ、４ｙを有するセパレータ４が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、深溝部を有するセパレータが積層体の積層方向一端側にのみ配設され、他端側には深溝部を有しないセパレータが配設される形態とすることも可能である。
【００３８】
また、上記説明では、図１や図２に示したように、深溝部１ｘ、１ｙを有しない側の面に形成されている凸部の高さが構造体５の厚さよりも高いセパレータ１が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、凸部の高さが構造体の厚さよりも高い深溝部を有するセパレータが、積層体の両端側にそれぞれ配設されていても良く、凸部の高さが構造体の厚さよりも高い深溝部を有するセパレータが、積層体に備えられていない形態とすることも可能である。
【００３９】
また、上記説明では、図１や図２に示したように、積層方向を法線方向とする面の面積がセパレータ１よりも小さいセパレータ２の周縁に、セパレータ１の外縁が位置するように、セパレータ１及びセパレータ２が配設され、セパレータ２の周縁に深溝部１ｘ、１ｙが位置している形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。深溝部が設けられている面の裏面側に形成された凸部の高さが構造体の厚さよりも高いセパレータが、本発明の燃料電池モジュールに備えられている場合、この凸部の高さは、燃料電池モジュール１００のようにセパレータ２の面積を小さくすることによって吸収するのではなく、深溝部を有しないセパレータの厚さ方向の形状を工夫することによって吸収しても良い。深溝部を有しないセパレータの厚さ方向の形状を工夫することによって、凸部の高さを吸収する積層体の形態例を、図６に示す。
【００４０】
図６は、積層体３０の形態を説明する断面図である。図６では、積層体３０の一部の断面を示している。図６では、水素マニホールド７と水素ガス流路３１ｂ、３３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路３２ａ、３４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路３１ａ、３４ａ、１１とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図６において、燃料電池モジュール１００と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図６に示すように、積層体３０は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ３１、３２、３３、３４と、水素マニホールドとして機能する孔７と、不図示の空気マニホールド及び冷媒マニホールドと、を具備している。積層体３０は、その積層方向（図６の紙面上下方向）両端に、セパレータ３１及びセパレータ３４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤６、６、６が配置されており、該接着剤６、６、６を用いて、セパレータ３１、３２、３３、３４の外縁部が固定されている。セパレータ３１は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ−リング８、９を配設可能な深溝部３１ｘ、３１ｙを有している。また、セパレータ３４は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ−リング８、９を配設可能な深溝部３４ｘ、３４ｙを有している。深溝部３１ｘ、３１ｙ、及び、深溝部３４ｘ、３４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成することができる。
【００４１】
図７は、複数の積層体３０、３０が積層された状態を説明する断面図である。図７では、水素マニホールド７と水素ガス流路３１ｂ、３３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路３２ａ、３４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路３１ａ、３４ａ、１１、１２とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図７において、燃料電池モジュール１００と同様の構成には、図２で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図７に示すように、複数の積層体３０、３０が積層されると、深溝部３１ｘ及び深溝部３４ｘによって画定された空間にＯ−リング８が配設され、深溝部３１ｙ及び深溝部３４ｙによって画定された空間にＯ−リング９が配設される。所定のシール性を確保するため、深溝部３１ｘ及び深溝部３４ｘの合計深さは、Ｏ−リング８の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ−リング８によって、水素マニホールド７を流通する水素の漏洩が防止される。また、所定のシール性を確保するため、深溝部３１ｙ及び深溝部３４ｙの合計深さは、Ｏ−リング９の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ−リング９によって、冷媒流路１２を流通する冷媒の漏洩が防止される。
【００４２】
図６に示すように、深溝部を有しないセパレータ３２は、その厚さ方向（図６の紙面上下方向）の形状を工夫し、セパレータ３２の上面側（図６の紙面上側）に凹部３２ｘを形成することによって、深溝部３１ｘ、３１ｙの裏面側（図６の紙面下側）に形成された凸部の高さの一部を吸収している。また、深溝部を有しないセパレータ３３は、その厚さ方向（図６の紙面上下方向）の形状を工夫し、セパレータ３３の下面側（図６の紙面下側）に凹部３３ｘを形成することによって、深溝部３４ｘ、３４ｙの裏面側（図６の紙面上側）に形成された凸部の高さの一部を吸収している。かかる形態の積層体３０であっても、深溝部３１ｘ、３１ｙ及び深溝部３４ｘ、３４ｙを確保できるので、積層体１０の場合と同様に、例えセパレータの厚さが薄くなったとしても、ガスケットや接着剤のみならず、交換が容易で安価なＯ−リング８、９を用いて適切なシール機能（密閉性）を確保することが可能になる。したがって、積層体３０が備えられる本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。
【００４３】
また、図１、図２、図６、及び、図７に示したように、本発明に関する上記説明では、セパレータの溝部の深さがすべて略同一である形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、深さが異なる複数の溝部を有するセパレータを備える形態とすることも可能である。そこで、深さが異なる複数の溝部を有するセパレータを具備する形態について、以下に説明する。
【００４４】
図８は、本発明の燃料電池モジュールに備えられる積層体４０の上面図である。図８に示すように、積層体４０の積層方向一端にセパレータ４１が配設されている。セパレータ４１は、水素マニホールドの孔４６、４７と、空気マニホールドの孔４８、４９と、冷媒マニホールドの孔５０、５１と、を有し、孔５０及び孔５１は、セパレータ４１の表面に形成されている直線状の冷媒流路４１ａを介して接続されている。セパレータ４１は、孔５０と冷媒流路４１ａとの間に複数の凸状物４１ｃ、４１ｃ、…を有しており、冷媒流路４１ａと孔５１との間に複数の凸状物４１ｄ、４１ｄ、…を有している。図８に示すように、孔４６の周囲にＯ−リング５２が、孔４７の周囲にＯ−リング５３が、孔４８の周囲にＯ−リング５４が、孔４９の周囲にＯ−リング５５が、それぞれ配設されている。そして、これらを囲うように、セパレータ４１の外縁に、Ｏ−リング５２、５３、５４、５５よりも径が大きいＯ−リング５６が配設されている。このような構成とすることにより、Ｏ−リング５２、５３によって水素ガスの漏洩を防止することが可能になり、Ｏ−リング５４、５５によって空気の漏洩を防止することが可能になり、Ｏ−リング５６によって冷媒の漏洩を防止することが可能になる。
【００４５】
図９は、図８のＩＸ−ＩＸ断面を拡大して示す図である。溝部４１ｘを見やすくするため、図９では、溝部４１ｘに配設されるＯ−リング５５の記載を省略している。また、図１０は、図８のＸ−Ｘ断面を拡大して示す図である。溝部４１ｚを見やすくするため、図１０では、溝部４１ｚに配設されるＯ−リング５３の記載を省略している。図９及び図１０に示すように、積層体４０は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ４１、４２、４３、４４と、水素マニホールドとして機能する孔４７と、空気マニホールドとして機能する孔４９と、を有している。積層体４０は、その積層方向（図９及び図１０の紙面上下方向）両端に、セパレータ４１及びセパレータ４４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤４５、４５、４５が配置されており、該接着剤４５、４５、４５を用いて、セパレータ４１、４２、４３、４４の外縁部が固定されている。セパレータ４１は、構造体５に対向しない側の面に、Ｏ−リング５６が配設される深溝部４１ｙと、Ｏ−リング５５が配設される溝部４１ｘと、Ｏ−リング５３が配設される溝部４１ｚと、を有している。また、セパレータ４４は、構造体５に対向しない側の面に、冷媒流路４４ａと、Ｏ−リング５６を配設可能な深溝部４４ｙと、Ｏ−リング５５を配設可能な溝部４４ｘと、Ｏ−リング５３を配設可能な溝部４４ｚと、を有している。溝部４１ｘ、４１ｚ、４４ｘ、４４ｚ、及び、深溝部４１ｙ、４４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成されている。
【００４６】
図１０に示すように、セパレータ４１には、孔４７と水素ガス流路４１ｂとを繋ぐ流体導入路４１ｐ（以下において、「水素導入路４１ｐ」という。）が設けられており、セパレータ４３には、孔４７と水素ガス流路４３ａとを繋ぐ流体導入路４３ｘが設けられている。また、図９に示すように、セパレータ４２には、孔４９と空気流路４２ａとを繋ぐ流体導入路４２ｘが設けられており、セパレータ４４には、孔４９と空気流路４４ｂとを繋ぐ流体導入路４４ｐ（以下において、「空気導入路４４ｐ」という。）が設けられている。図９及び図１０に示すように、水素導入路４１ｐを跨ぐように設けられている溝部４１ｚの深さは、流体導入路を跨がない溝部４１ｘよりも浅く、空気導入路４４ｐを跨ぐように設けられている溝部４４ｘの深さは、流体導入路を跨がない溝部４４ｚよりも浅い。溝部４１ｘ、４１ｚ、４４ｘ、４４ｚの深さをこのように構成することにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現しやすくなる。なお、積層体４０は深溝部４１ｙ、４４ｙを有しているので、積層体４０を備える本発明の燃料電池モジュールによれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能になる。
【００４７】
本発明に関する上記説明では、例えば、積層体１０の積層方向の端に配設されているセパレータ１、４の、構造体５、５に対向しない側の面に、冷媒流路１ａ、４ａ、及び、当該冷媒流路１ａ、４ａを流通する冷媒の流出を防止するＯ−リング９が配設される深溝部１ｙ、４ｙが設けられている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、空気を流通させるための流路及び該流路を流通する空気の流出を防止するシール部材が配設される溝部が設けられた形態とすることも可能である。このほか、本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、流体を流通させる流路、及び、この流路を流通する流体に対応するシール部材を配設するための溝部が設けられていない形態とすることも可能である。ただし、燃料電池モジュールの無駄な空間を低減することにより、薄型化や高性能化を達成しやすい形態にする等の観点からは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気を流通させる流路と、該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を配設する溝と、を有する形態とすることが好ましい。そして、シール部材の交換が容易で安価な燃料電池モジュールを提供可能にする等の観点から、構造体に対向しない側の面に設けたシール部材用の溝は、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの外縁に設けることが好ましく、この溝にはＯ−リングを配設することが好ましい。
【００４８】
また、本発明に関する上記説明では、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気の流路を設けた場合、当該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するためのシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置する形態について言及したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気の流路を設けた場合であっても、当該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するためのシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置しない形態とすることも可能である。この場合、積層体の外側に、冷媒又は空気が流出すると考えられるが、上述のように、本発明の燃料電池モジュールは、積層体がケースに収容された状態で使用されるので、冷媒又は空気がケースの外側へと流出しなければ外部環境への影響はないと考えられる。そのため、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置しない場合には、積層体を収容するケースに、冷媒又は空気の流出を防止するシール機能を担わせれば良い。例えば、複数の積層された積層体が、直方体形状の一面が開口している第１ケースへと収容され、第１ケースの開口部を板状部材で塞ぐことにより、複数の積層された積層体がケース内に収容される場合を考える。この場合、例えば、板状部材の、積層体に対向する側の面に液状パッキンやＯ−リング等を配設しておけば、複数の積層体を収容した第１ケースの開口部を板状部材で蓋をすることによって、積層体を収容するケースに、冷媒又は空気の流出を防止するシール機能を担わせることが可能になる。積層体を収容するケースにシール機能を担わせることにより、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に設けられた流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を、当該面に設ける必要がなくなるので、製造工程を簡略化することが可能な、燃料電池モジュールを提供することが可能になる。
【符号の説明】
【００４９】
１、２、３、４…セパレータ
１ａ、４ａ、１１、１２、１７…冷媒流路
１ｂ、３ａ…水素ガス流路
１ｘ、１ｙ、４ｘ、４ｙ…深溝部
２ａ、４ｂ…空気流路
５…構造体
６…接着剤
７、１３…孔（水素マニホールド）
８、９、１９、２０、２１…Ｏ−リング（シール部材）
１０…積層体
１４、１５…孔（空気マニホールド）
１６、１８…孔（冷媒マニホールド）
３０…積層体
３１、３２、３３、３４…セパレータ
３１ａ、３４ａ…冷媒流路
３１ｂ、３３ａ…水素ガス流路
３１ｘ、３１ｙ、３４ｘ、３４ｙ…深溝部
３２ａ、３４ｂ…空気流路
３２ｘ、３３ｘ…凹部
４０…積層体
４１、４２、４３、４４…セパレータ
４１ａ…冷媒流路
４１ｂ、４３ａ…水素ガス流路
４１ｐ…水素導入路（流体導入路）
４１ｘ、４１ｚ…溝部
４１ｙ…深溝部
４２ａ、４４ｂ…空気流路
４２ｘ、４３ｘ…流体導入路
４４ａ…冷媒流路
４４ｐ…空気導入路（流体導入路）
４４ｘ、４４ｚ…溝部
４４ｙ…深溝部
４５…接着剤
４６、４７…孔（水素マニホールド）
４８、４９…孔（空気マニホールド）
５０、５１…孔（冷媒マニホールド）
５２、５３、５４、５５、５６…Ｏ−リング（シール部材）
１００…燃料電池モジュール
【図１】
2012073364.tif 000003
【図２】
2012073364.tif 000004
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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2012073364.tif 000014
2012073364.tif 000015
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