(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを形成するそれぞれの燃料電池セル内の電解質膜に異種材料が付着等することを効果的に防止でき、燃料電池スタックの中から性能が低下した燃料電池セルを抜き出して交換するといったメンテナンスに際してその効率性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体６，５と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータ７と、からなる燃料電池セル１０が複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体１および多孔体５，６の周縁に一体成形されたガスケット８が形成されて複数の燃料電池セル１０，…からなる一つのモジュール１００が形成され、複数のモジュール１００，…が積層されて燃料電池スタックが形成されている。【選択図】図１
2010080222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる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およ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モジュールが形成され、
複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池セルには、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のうちの少なくともいずれか一種が流通するための複数のマニホールドが形成されており、
前記モジュールの両端部にはセパレータが配されており、
隣接するモジュールのそれぞれのセパレータ間には、前記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、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
隣接するモジュール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ており、隣接するモジュール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、前記第１のシール材の一部もしくは全部が収容されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
セパレータの周縁も前記ガスケットの内部に埋設されており、一つのモジュールにおいてガスケットが連続している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
隣接する前記モジュールのそれぞれの対向する端面の間で、かつ該端面の周縁に、弾性を有する無端状の第２のシール材が介層されている、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【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にガスケットが一体成形されて一つのモジュールを成し、このモジュールが複数積層されて燃料電池スタックを形成している燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが膜電極接合体の両側に配されて構成されている。なお、膜電極接合体と多孔体の間に、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）が介在するセル形態もある。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが膜電極接合体および多孔体の周縁に形成されている。従来の燃料電池においては、ガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、膜電極接合体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケット成形は一般に射出成形にておこなわれており、より具体的には、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の多孔体を収容し、次いで膜電極接合体（ＭＥＡ）もしくはガス拡散層を有する場合は電極体（ＭＥＧＡ）を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の多孔体を収容した姿勢で、膜電極接合体および多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。
【０００４】
このセパレータの形態には、ガス流路溝や冷却水流路溝がセパレータの両側に形成されたもののほかに、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された３層構造のセパレータが存在する。この３層構造のセパレータに関して言えば、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成する形態も存在する。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。なお、この３層構造のセパレータを適用する場合には、エキスパンドメタルや発泡焼結体などの多孔体からなるガス流路層が、該セパレータとガス拡散層の間に配されることになる。
【０００５】
従来の燃料電池スタックは、上記のごとく、ガスケットが成形された燃料電池セルを積層してスタッキングされるものである。たとえば２００〜４００基程度の燃料電池セルが積層されて燃料電池スタックが形成されるものにおいて、各燃料電池セルには固有の電圧センサが設けてあり、セル電圧が所定値以下に落ち込んだ燃料電池セルが特定されると、その燃料電池セルがスタック内から抜き取られて別途の燃料電池セルと交換されるようになっている。
【０００６】
しかし、多数の燃料電池セルがスタッキングされてなる燃料電池スタックからそのスタッキングを解除し、要交換の燃料電池セルのみを抜き取って別途のセルと交換する作業が極めて煩雑であることは理解に易く、当該分野ではその改善が叫ばれている。
【０００７】
ところで、膜電極接合体を構成する電解質膜は、気孔を有するガス拡散層および多孔体を介して外部に流体連通した状態となっている。この電解質膜は、異種材料のコンタミネーションによってその特性を大きく劣化させるものである。したがって、すべての燃料電池セルがそれぞれ単独で射出成形され、次いでそれらが組み付けられている現状においては、すべての燃料電池セルが、射出成形の際（たとえば揮発ガスによるコンタミネート）、もしくは組み付けの際にその電解質膜が異種材料によってコンタミネートされる危険性を有している。このような観点からも、燃料電池セルごとに射出成形等にてガスケットを形成し、これを積層させて燃料電池スタックを形成するという製造方法の見直しや改善、この製造方法によってできる燃料電池スタックの構造の改良は必至であり、そのための開発が急務の課題である。特に、家屋等の定置型として、あるいはハイブリッド車や電気自動車等の移動型として、燃料電池の普及が拡大の一途を辿っている昨今、その性能向上と生産性向上の双方を満足させる必要があることに鑑みれば、上記する急務の課題を効果的に解決できる燃料電池の開発は極めて重要である。
【０００８】
なお、従来の公開技術に目を転じれば、燃料電池の組み付け性や分解性を向上させることを目的とした燃料電池の製造方法に関する技術が特許文献１に開示されている。しかし、この技術も、ガスケットを燃料電池セルごとに形成してセルを積層し、スタッキングするものであることから、上記する課題を効果的に解消するまでには至らない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを形成するそれぞれの燃料電池セル内の電解質膜に異種材料がコンタミネート（付着等）することを効果的に防止でき、燃料電池スタックの中から性能が低下した燃料電池セルを抜き出して交換するといったメンテナンスに際してその効率性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる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およ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モジュールが形成され、複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されているものである。
【００１２】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルを一つのモジュールとして形成し、このモジュールを複数積層して燃料電池スタックとしたものであり、一つのモジュールにおいては、たとえば成形型内に複数の燃料電池セル（の構成部材）を収容し、射出成形することにより、各セルのガスケットが一度に形成され、一体成形された該ガスケットにて複数のセルが繋がれたモジュールを成すものである。
【００１３】
したがって、たとえば一つのモジュールが３０基の燃料電池セルから構成される場合においては、射出成形に際して、その両端以外の内部の２８基の燃料電池セルの膜電極接合体は外部から完全に遮断されることとなり、異種材料が膜電極接合体を構成する電解質膜にコンタミネートすることを抑止できる。
【００１４】
また、燃料電池の供用後のメンテナンスに際しては、セル単位ではなく、モジュール単位でその交換をおこなうことができる。すなわち、一つのモジュールは一体成形されたガスケットにてセル分離できない姿勢となっており、隣接するモジュール同士は分離自在に接触しているだけであるから（接触部でシール構造を形成している）、性能低下したセルを有するモジュールの抜き取りも容易となり、燃料電池スタックの再生も容易となる。
【００１５】
この燃料電池（燃料電池スタック）を構成するモジュールの規模は多様に存在し、たとえば３００基の燃料電池セルが積層されて一つの燃料電池が構成されるものにおいて、２基〜５０基程度の範囲のセル基数で一つのモジュールを構成することができる。なお、複数の燃料電池セルで一つのモジュールを形成し、このモジュールを複数積層して一つの燃料電池スタックが形成されるものにおいて、このモジュールを多セル１モジュールの燃料電池などと称することもできる。
【００１６】
このモジュールを構成する燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ガス流路層を形成するアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータと、から構成されている。なお、膜電極接合体と多孔体の間に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材、もしくは集電層のみからなるガス拡散層が介在する形態であってもよい。
【００１７】
ここで、多孔体は、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体からなり、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよい。なお、たとえばステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。
【００１８】
また、セパレータは、既述するようにたとえば３層構造のセパレータであり、導電性金属（ステンレスやチタンなど）からなる２枚の金属プレートと、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層が介層された形態や、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態などを挙げることができる。なお、多数のディンプルを中間層に有する形態では、冷却水がこのディンプルにて乱流を形成しながら供給マニホールドから排水マニホールドまで流れて膜電極接合体をクーリングする。
【００１９】
ここで、膜電極接合体および多孔体の周縁に射出成形等にて形成されるガスケットの素材としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。
【００２０】
上記する本発明の燃料電池によれば、いわゆる多セル１モジュールを積層して燃料電池スタックが形成されることにより、燃料電池スタックを構成するほとんどの燃料電池セルの電解質膜が、製造過程において異種材料とコンタミネートされることを効果的に抑止できる。さらには、性能不良となった燃料電池セルを、該セルを含むモジュール単位で抜き取ることにより、メンテナンス効率が格段に向上するものである。なお、本発明者等の経験則によれば、燃料電池セルの性能低下は、一つのセルのみが性能低下するよりも、近傍のセルを含めて複数のセルが性能低下すること、さらには、セル中の性能低下部位は各セルでほぼ同様の傾向となること、などの事実が特定されており、このことからしても、モジュール単位で抜き取ることで、より一層効率的なメンテナンスを実現することができる。
【００２１】
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態において、前記燃料電池セルには、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のうちの少なくともいずれか一種が流通するための複数のマニホールドが形成されており、前記モジュールの両端部にはセパレータが配されており、隣接するモジュールのそれぞれのセパレータ間には、前記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ものである。
【００２２】
本実施の形態は、モジュールの両端（両側）にたとえば３層構造のセパレータが配されたものであり、隣接するモジュール間であって、双方に形成された流体流通用のマニホールドの周囲に無端状のシール材（第１のシール材）が配されたものである。
【００２３】
ここで、第１のシール材は、たとえば金属素材のＯリング（その線形は円形、矩形、正方形などがある）や定型の樹脂素材のリングなどからなり、複数のモジュールが積層され、スタッキングされた際に該シール材が適度に潰されてマニホールド周囲に流体シール構造を形成できるものである。
【００２４】
各モジュールがその両端にセパレータを備えた構造を呈し、隣接するセパレータ間にシール材が介層された構造を呈していることにより、メンテナンスの際には、スタッキングを解除して抜き取られるべきモジュール周囲のシール材と該モジュールを取り出し、新たなモジュールおよびシール材を組み込んでスタッキングすることにより、メンテナンス効率を一層高めることができる。しかも、メンテナンスに際してモジュール間に新規なシール材にて新規なシール構造を形成できるため、メンテナンスによる燃料電池のシール性の低下が招来されることはない。
【００２５】
また、この燃料電池の実施の形態において、隣接するモジュールのそれぞれのセパレータの対向面であって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ており、隣接するモジュール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おいて、前記第１のシール材の一部もしくは全部が収容されているものであってもよい。
【００２６】
本実施の形態は、隣接するモジュールそれぞれのセパレータの対向面のマニホールド周囲において、かつそれぞれの対応する位置に無端状の凹溝を形成しておき、モジュール同士が積層された姿勢において双方の凹溝にて無端状の空間を形成し、この空間に上記するシール材を収容することにより、シール材の位置決めが容易となり、スタッキング時にその位置ずれを防止することができる。
【００２７】
さらには、収容されたシール材がスタッキング時の圧縮力にて完全に潰され、隣接するセパレータ同士が面接触する場合には、各モジュールの積層方向に発電された電流の直列流れ（集電時の流れ）を形成することができる。
【００２８】
また、本発明による燃料電池の好ましい実施の形態は、セパレータの周縁も前記ガスケットの内部に埋設されており、一つのモジュールにおいてガスケットが連続しているものである。
【００２９】
本実施の形態は、従来は外部に露出していたセパレータの周縁もガスケットにて完全に包囲したものであり、セパレータと外部との間で電気絶縁性を確保できるようにしたものである。なお、従来構造の燃料電池では、そのスタックが樹脂等の絶縁素材のケース内に収容されていることでセパレータと外部との絶縁性が担保されている。
【００３０】
本実施の形態によれば、モジュールを構成する各燃料電池セルのセパレータがガスケット内に完全に埋設されていることにより、燃料電池スタックを構成するすべてのセパレータはガスケットにて外部から完全に絶縁された構造を形成できる。そのため、従来の絶縁素材のケースを不要とでき、燃料電池スタックの一層の小型化、軽量化に寄与できるものである。
【００３１】
さらに、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、隣接する前記モジュールのそれぞれの対向する端面の間で、かつ該端面の周縁に、弾性を有する無端状の第２のシール材が介層されているものである。
【００３２】
燃料電池セルを構成するガス拡散層（ＧＤＬ）は弾性を有し、スタッキング前の状態においてセル積層方向に若干厚めに形成されており、スタッキングされた際にこのガス拡散層が弾性変形して圧縮されることにより、スタッキング時の圧縮力を膜電極接合体に作用させるような設計が施されている。
【００３３】
ところで、複数の燃料電池セルをガスケットにて一体に繋いで一つのモジュールを形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールの端部はガスケットで固定されていることから、モジュールの中央領域が外側に膨らんだ、いわゆる太鼓状を呈してしまう。
【００３４】
中央が外側に膨らんでその周縁が落ち込んだ太鼓状のモジュール同士を積層した際に、中央側で双方のモジュールが当接し、それらの周縁のマニホールドが形成された領域において隙間が形成され、該マニホールド周囲の流体シール性が担保し得なくなることは理解に易い。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、モジュール間のマニホールド周囲に弾性を有するシール材（第２のシール材）を設けることにより、多セル１モジュールの場合に生じ得る上記シール性の低下を効果的に抑止するものである。なお、この第２のシール材は、第１のシール材と併用することで燃料電池スタックのモジュール接続部におけるシール性を一層高めることができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、複数の燃料電池セルを一体成形されたガスケットにて一体のモジュールとし、複数のモジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されていることにより、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電解質膜のほとんどを、燃料電池の製造過程で異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護することができる。さらには、性能不良となった燃料電池セルを単独で取り除くのではなく、スタッキングを解除した後に、単数のもしくは複数の性能不良な燃料電池セルを包含するモジュール単位で取り除き、新規なモジュールと交換することにより、メンテナンス効率性を格段に向上させることができる。また、モジュール間のマニホールド周囲のシール性にも優れており、セパレータがガスケットに埋設された形態においては、さらに外部との電気絶縁性にも優れた燃料電池となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、複数の燃料電池セルが一体成形されたガスケットにて一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。このモジュール１００は、たとえば１０〜５０基の燃料電池セル１０，…が積層され、ガスケット８が一体に成形されてなるものである。
【００３８】
各燃料電池セル１０は、３層構造を呈する１つのセパレータ７（図ではアノード側のセパレータとする）と、アノード側の多孔体６、膜電極接合体１とカソード側およびアノード側のガス拡散層２，３とからなる電極体４、カソード側の多孔体５と、から構成されている。なお、図示例以外にも、ガス拡散層２，３を具備しない燃料電池セルであってもよい。
【００３９】
ここで、膜電極接合体１を構成する電解質膜は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００４０】
また、触媒層は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜やガス拡散層等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
【００４１】
また、ガス拡散層２，３は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
【００４２】
また、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。
【００４３】
また、多孔体５，６は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からなる多孔体がガス流路層を形成するものである。
【００４４】
図示するモジュール１００は、たとえば不図示の成形型内に構成基数分の燃料電池セル１０，…を収容し、その姿勢でキャビティ内に樹脂を注入してガスケット８を形成し、該ガスケット８にてモジュール１００を一体に形成するものである。
【００４５】
このガスケット８は、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などの樹脂素材にて成形される。
【００４６】
なお、図示例では、ガスケット８の上端にマニホールドＭを囲繞するシール用の無端リブ８ａが設けてあり、モジュール１００を積層させ、スタッキングした際に該リブ８ａが潰されてシール構造を形成できるようになっている。
【００４７】
また、図１は、たとえば燃料ガスの供給マニホールドＭ、および排気マニホールドＭを通る断面で切断したものであり、モジュール１００を構成する各燃料電池セル１０，…が積層姿勢において、その積層方向に流体連通したマニホールドＭを形成している。図１では、マニホールドＭから供給された燃料ガスが３層構造のセパレータ７中のガス流路７ａを介してアノード側の多孔体６に提供される構造を示している。したがって、別の断面においては、カソード側の多孔体５に酸化剤ガスを提供するためのマニホールドが形成されている。
【００４８】
３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。
【００４９】
たとえば、図１で示すモジュール１００が２０基の燃料電池セル１０，…から構成されている場合であって、燃料電池スタックを３００基の燃料電池セル１０，…から構成させようとする場合には、図示するモジュール１００を１５基積層し、スタッキングすることによって燃料電池スタックが形成される。
【００５０】
図からも明らかなように、たとえば射出成形に際し、モジュール１００を構成する燃料電池セル１０，…の電解質膜のほとんどは、複数のセルが積層していることで外部の異種材料と接触できないようになっており、したがって、特に射出成形の際に揮発ガスなどがコンタミネートすること、さらには、セル同士を積層する工程の際に浮遊する異種材料等がコンタミネートすることを防止できる。
【００５１】
図２は、図１の変形例であり、そのガスケット８Ａが３層構造のセパレータ７を完全に埋設した構造を呈したモジュール２００である。
【００５２】
このモジュール２００によれば、セパレータ７の端部を外部から完全に絶縁することができ、たとえば従来の燃料電池スタックを収容する絶縁樹脂製のケース等がなくても、燃料電池スタックの電気絶縁性を担保することが可能となる。
【００５３】
図３は、モジュールのさらに他の実施の形態を示したものである。
このモジュール３００は、図示のごとく２つの燃料電池セル２０，２０がガスケット８にて一体とされ、さらに３層構造のセパレータ７Ａを具備しない他方側に別途のセパレータ７Ａが配されたものである（モジュール３００の両端部にセパレータ７Ａ，７Ａが配されている）。そして、セパレータ７ＡのマニホールドＭの周囲には無端状の第１のシール材９（Ｏリング）の一部が収容される無端状の凹溝７Ａａが形成されており、モジュール３００，３００が積層した姿勢において、双方の凹溝７Ａａ，７Ａａがシール材９の一部を収容する空間を形成でき、その空間にシール材９が位置決め固定されるものである。
【００５４】
なお、図示例では、積層するモジュール３００，３００間に隙間が形成されているが、スタッキングされた際にこのシール材９が潰され、モジュール３００，３００のそれぞれのセパレータ７Ａ，７Ａが面接触できるようになっている。
【００５５】
所望基数のモジュール３００，…が積層され、スタッキングされることにより、燃料電池スタック１０００が形成される。
【００５６】
図示する燃料電池スタック１０００によれば、発電不良となった燃料電池セルを具備するモジュール３００を取り除くに際し、スタッキングを解除し、その後にシール材９および当該モジュール３００を容易に取り除くことができ、新規なモジュール３００の両端に新規なシール材９を配した後に再度スタッキングすることにより、極めて簡易にメンテナンスを実行することができる。しかも、メンテナンス後においても交換箇所のモジュールにおけるシール性能を低下させることなく、新たな燃料電池スタック１０００を再生することができる。
【００５７】
図４は、第１のシール材９のさらに外周に、マニホールドＭを囲繞する弾性素材の第２のシール材９Ａが配された燃料電池スタックの一部を示したものである。
【００５８】
燃料電池セルを構成するガス拡散層（ＧＤＬ）は弾性を有し、スタッキング前の状態においてセル積層方向に若干厚めに形成されており、スタッキングされた際にこのガス拡散層が弾性変形して圧縮されることにより、スタッキング時の圧縮力を膜電極接合体に作用させるような設計が施されている。したがって、図５で示すように、複数の燃料電池セルをガスケットにて一体に繋いで一つのモジュール３００を形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールの端部はガスケットで固定されていることから、モジュール３００の中央領域が外側に膨らんだ（Ｘ方向）、いわゆる太鼓状を呈してしまう。中央が外側に膨らんでその周縁が落ち込んだ太鼓状のモジュール３００，３００同士を積層した際に、中央側で双方のモジュール３００，３００が当接し、それらの周縁のマニホールドＭ，Ｍが形成された領域において隙間が形成され、該マニホールドＭ周囲の流体シール性が担保できなくなる。
【００５９】
そこで、図５に二点鎖線で示すごとく、マニホールドＭの周囲にたとえばゴム製で比較的厚みのある無端状の第２のシール材９Ａを配し、スタッキングすることにより、図４で示すように、シール材９Ａがモジュール３００，３００間を完全に閉塞してマニホールドＭ周囲のシール性を確保することができる。
【００６０】
なお、図示例では、Ｏリングからなる第１のシール材９とその外周にゴム製の第２のシール材９Ａが配された構造を示しているが、第１のシール材９がゴム製のシール材の場合には、この第１のシール材９のみであってもよい。
【００６１】
図６は、図３の変形例であり、そのガスケット８Ｂが３層構造のセパレータ７，７Ａを完全に埋設した構造を呈したモジュール４００である。所望基数のモジュール４００，…が積層され、スタッキングされることにより、燃料電池スタック２０００が形成される。
【００６２】
上記する燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】複数の燃料電池セルが一体成形されたガスケットにて一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。
【図２】モジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図３】モジュールのさらに他の実施の形態を示すとともに、このモジュールが積層されてできる燃料電池スタックを示した縦断面図である。
【図４】モジュールのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図５】モジュール同士を積層した際の課題を説明した図である。
【図６】モジュールのさらに他の実施の形態を示すとともに、このモジュールが積層されてできる燃料電池スタックを示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…（カソード側）ガス拡散層、３…（アノード側）ガス拡散層、４…電極体（ＭＥＧＡ）、５…（カソード側）多孔体、６…（アノード側）多孔体、７…セパレータ、７１，７２…金属プレート、７３…流路形成用中間層、７ａ…ガス流路、８，８Ａ，８Ｂ…ガスケット、８ａ…シール用の無端リブ、９…第１のシール材（Ｏリング）、９Ａ…第２のシール材、１０，２０…燃料電池セル、１００，２００，３００，４００…モジュール、１０００，２０００…燃料電池スタック、Ｍ…マニホールド
【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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