(57)【要約】【課題】複数の燃料電池セルを積層して予め構成したセルモジュールを複数個積層して組み立てられる燃料電池スタックにおいて、セルモジュール間シール部材の反力を受けても、セルモジュール内の燃料電池セルが変形することを防止する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２（外周部）同士を接合する接着部材７０と、セルモジュール同士の間をシールするセルモジュール間シール部材８０と、セルモジュール内において隣接する枠体同士の間に配置される支持部材９０と、を有している。セルモジュールを積層する積層方向Ｓから見た平面視において、支持部材は、セルモジュール間シール部材のうちセルモジュールに当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。【選択図】図５
2014007182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性を有する枠体に一体的に形成した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを少なくとも２つ積層してなる複数個のセルモジュールと、
前記セルモジュール内において隣接する前記枠体の外周部同士を接合する接着部材と、
前記セルモジュール同士の間に配置され、前記セルモジュール同士の間をシールするセルモジュール間シール部材と、
前記セルモジュール内において隣接する前記枠体同士の間に配置される支持部材と、を有し、
前記セルモジュールを積層する積層方向から見た平面視において、前記支持部材が、前記セルモジュール間シール部材のうち前記セルモジュールに当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記接着部材と前記支持部材とは、一体的に形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記接着部材と前記支持部材とは、同種の接着剤を硬化させることによって形成されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セルモジュール間シール部材は、プレート部材の外周部に取り付けられている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セルモジュール間シール部材とは別体に設けられ、前記枠体と前記セパレータとの間をシールする接着剤からなる第１のシール部材をさらに有する請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セルモジュール内において隣接するセパレータ同士の間をシールする接着剤からなる第２のシール部材をさらに有する請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セルモジュール間シール部材とは別体に前記プレート部材に設けられ、前記セルモジュール同士のうち一方の前記セルモジュールにおける前記セパレータと前記プレート部材との間に形成される第１の流路、および他方の前記セルモジュールにおける前記セパレータと前記プレート部材との間に形成される第２の流路をシールする弾性材料からなる第３のシール部材をさらに有する請求項４に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、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等のアノードガスと空気等のカソードガスとを反応ガスとして、電気化学反応によって化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。【０００３】
特許文献１には、電気絶縁性を有する枠体と、枠体に一体的に形成した膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置され膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えた燃料電池セルが開示されている。複数の燃料電池セルを積層することによって、燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックにあっては、隣接する枠体の外周部同士を接着部材によって接合し、燃料電池スタックの内部と外部との絶縁を確保している。【０００４】
燃料電池スタックを組み立てる方式は、２つの方式に大別される。第１の方式は、複数の燃料電池セルを順次積層していき、燃料電池スタックを一度に組み立てる方式である。第２の方式は、複数の燃料電池セルを積層してセルモジュールを予め構成しておき、複数個のセルモジュールを積層して燃料電池スタックを組み立てる方式である。第２の方式によって燃料電池スタックを構成すると、組み立て工数を低減できる利点がある（特許文献１の段落「００５７」参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１２３３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
セルモジュールを積層して燃料電池スタックを組み立てる場合、セルモジュール同士の間に、セルモジュール間シール部材が配置される。燃料電池スタックは、燃料電池セルを積層した方向に加圧される。このため、セルモジュール間シール部材の反力を受けても、セルモジュール内の燃料電池セルの変形を抑え得る構成が要請されている。【０００７】
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して予め構成したセルモジュールを複数個積層して組み立てられる燃料電池スタックであって、セルモジュール間シール部材の反力を受けても、セルモジュール内の燃料電池セルが変形することを防止し得る燃料電池スタック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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明は、複数の燃料電池セルを積層してセルモジュールを予め構成しておき、複数個のセルモジュールを積層して組み立てられる燃料電池スタックである。セルモジュールは、電気絶縁性を有する枠体に一体的に形成した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを少なくとも２つ積層してなる。燃料電池スタックは、前記セルモジュール内において隣接する前記枠体の外周部同士を接合する接着部材と、前記セルモジュール同士の間に配置され、前記セルモジュール同士の間をシールするセルモジュール間シール部材と、前記セルモジュール内において隣接する前記枠体同士の間に配置される支持部材と、を有している。そして、前記セルモジュールを積層する積層方向から見た平面視において、前記支持部材は、前記セルモジュール間シール部材のうち前記セルモジュールに当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図１に示される燃料電池スタックを分解して示す斜視図である。
【図３】燃料電池セルを分解して示す斜視図である。
【図４】セルモジュールの一部を示す正面図である。
【図５】燃料電池スタックの要部を示す断面図であって、図４の５−５線に沿う断面に相当する断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、燃料電池スタック１０を示す斜視図、図２は、図１に示される燃料電池スタック１０を分解して示す斜視図、図３は、燃料電池セル２０を分解して示す斜視図、図４は、セルモジュール６０の一部を示す正面図、図５は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の要部を示す断面図であって、図４の５−５線に沿う断面に相当する断面図である。
【００１２】
図１〜図５を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１０を概説すると、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２０を積層してセルモジュール６０を予め構成しておき、複数個のセルモジュール６０を積層して組み立てられる。それぞれのセルモジュール６０は、燃料電池セル２０が少なくとも２つ積層されている。図５においては、１つのセルモジュール６０は、８個の燃料電池セル２０を積層している。燃料電池セル２０は、電気絶縁性を有する枠体３０に一体的に形成した膜電極接合体４０を、一対のセパレータ５１、５２によって挟持している。燃料電池スタック１０は、さらに、セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の外周部同士を接合する接着部材７０と、セルモジュール６０同士の間に配置されセルモジュール６０同士の間をシールするセルモジュール間シール部材８０と、セルモジュール６０内において隣接する枠体３０同士の間に配置される支持部材９０と、を有している。そして、燃料電池スタック１０は、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、支持部材９０が、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。以下、詳述する。なお、以下の説明において、燃料電池セル２０あるいはセルモジュール６０を積層する積層方向Ｓを、単に、「積層方向」ともいう。図２、５に積層方向Ｓを示してある。
【００１３】
図１および図２を参照して、燃料電池スタック１０は、複数個のセルモジュール６０を積層した積層体６１を有し、積層体６１の積層方向Ｓに沿う両側のそれぞれに、絶縁板１０１と、エンドプレート１０２とを順に配置している。絶縁板１０１のそれぞれには、電力を取り出すための集電板１０３を接合している。集電板１０３に、出力端子１０４が電気的に接続されている。一対のエンドプレート１０２同士を、一対のテンションプレート１０５によって締め付けている。これによって、セルモジュール６０内に含まれるそれぞれの燃料電池セル２０を積層方向Ｓに加圧する。一方のテンションプレート１０５には、燃料電池セル２０に設けられた電圧測定用の端子５６を挿通する矩形状の開口部１０６が形成されている。一対のテンションプレート１０５の間の側方部位には、積層ズレを抑えるガイドプレート１０７が配置されている。
【００１４】
なお、テンションプレート１０５に代えて、テンションロッドおよびナットを用いて、セルモジュール６０内に含まれるそれぞれの燃料電池セル２０を積層方向Ｓに加圧するようにしてもよい。
【００１５】
図３〜図５を参照して、燃料電池セル２０は、電気絶縁性を有する枠体３０と、枠体３０に一体的に形成した膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０を挟持する一対のセパレータ５１、５２（アノードセパレータ５１およびカソードセパレータ５２）と、を有している。
【００１６】
膜電極接合体４０は、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称され、アノード４１およびカソード４２を電解質膜４３に対向するように接合して形成している。
【００１７】
電解質膜４３は、例えばフッ素樹脂などから形成され、水素イオンを伝導するイオン交換膜である。電解質膜４３は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示すので、燃料電池スタック１０ではアノードガスやカソードガスを加湿する。
【００１８】
アノード４１は、電解質膜４３の側から、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成している。電極触媒層は、導電性の担体に白金などの触媒成分を担持した電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。撥水層は、フッ素樹脂などから形成している。ガス拡散層は、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトなどから形成している。
【００１９】
カソード４２も、アノード４１と同様に、電解質膜４３の側から、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成している。アノード４１およびカソード４２の大きさは、電解質膜４３の大きさよりも若干小さい。
【００２０】
枠体３０は、膜電極接合体４０の外周を保持する枠部３１と、枠部３１の外周部分において積層方向Ｓの両側（図５において上下方向）に突出する突出部３２とを有している。枠体３０は、電気絶縁性を有する樹脂から成形され、膜電極接合体４０と一体的に成形している。枠体３０は、膜電極接合体４０を中央部分に配置した長方形形状を有している。枠体３０の長手方向の一端側には、カソードガス供給口３３ａ、冷却流体供給口３３ｂ、およびアノードガス供給口３３ｃを、貫通孔によって形成している。他端側には、カソードガス排出口３４ａ、冷却流体排出口３４ｂ、およびアノードガス排出口３４ｃを、貫通孔によって形成している。枠体３０における供給口３３ａ、３３ｂ、３３ｃおよび排出口３４ａ、３４ｂ、３４ｃのそれぞれに連通するように、絶縁板１０１およびエンドプレート１０２にも、カソードガス供給１１３ａ、冷却流体供給口１１３ｂ、アノードガス供給口１１３ｃ、カソードガス排出口１１４ａ、冷却流体排出口１１４ｂ、およびアノードガス排出口１１４ｃを、貫通孔によって形成している（図１および図２を参照）。
【００２１】
アノードセパレータ５１は、枠体３０の両面のうちアノード４１に面する側に接合している。アノードセパレータ５１は、導電性材料を有する金属からなり、アノード４１よりも大きい薄板状に形成している。アノードセパレータ５１は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。アノードセパレータ５１は、アノード４１と接触する側の面に、アノード４１にアノードガスを供給するアノードガス流路５３を形成する。アノードセパレータ５１は、アノード４１と接触する側とは反対側の面に、セルモジュール６０を冷却する冷却水を流す冷却水流路５４を形成する。
【００２２】
カソードセパレータ５２は、枠体３０の両面のうちカソード４２に面する側に接合している。カソードセパレータ５２は、導電性材料を有する金属からなり、カソード４２よりも大きい薄板状に形成している。カソードセパレータ５２は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。カソードセパレータ５２は、カソード４２と接触する側の面に、カソード４２にカソードガスを供給するカソードガス流路５５を形成する。カソードセパレータ５２は、カソード４２と接触する側とは反対側の面に、セルモジュール６０を冷却する冷却水を流す冷却水流路５４を形成する。
【００２３】
カソードセパレータ５２は、電圧測定用の端子５６を備えている。端子５６は、カソードセパレータ５２の外周部分から外方に突出している。なお、電圧測定用の端子５６は、アノードセパレータ５１の側に設けてもよい。
【００２４】
図５を参照して、燃料電池セル２０において、枠体３０の枠部３１とアノードセパレータ５１との間、および枠部３１とカソードセパレータ５２との間は、シール部材５７を介して接合している。説明の便宜上、枠部３１とセパレータ５１、５２との間のシール部材５７を、以下、「第１のシール部材５７」という。第１のシール部材５７の材料は、特に限定されないが、熱硬化性の接着剤を用いることができる。
【００２５】
セルモジュール６０内において隣接するアノードセパレータ５１とカソードセパレータ５２との間は、シール部材５８を介して接合している。説明の便宜上、アノードセパレータ５１とカソードセパレータ５２との間のシール部材５８を、以下、「第２のシール部材５８」という。第２のシール部材５８の材料は、特に限定されないが、第１のシール部材５７と同様に、熱硬化性の接着剤を用いることができる。
【００２６】
セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の外周部同士の間、つまり突出部３２同士は、接着部材７０を介して接合している。接着部材７０の材料は、特に限定されないが、第１と第２のシール部材５７、５８と同様に、熱硬化性の接着剤を用いることができる。
【００２７】
枠体３０の突出部３２の積層方向Ｓに沿う厚さｔ１は、燃料電池セル２０の積層方向Ｓに沿う厚さｔ２よりも薄くなるように設定される。燃料電池セル２０の厚さｔ２は、積層方向Ｓに沿う膜電極接合体４０の厚さ、アノードセパレータ５１の厚さ、およびカソードセパレータ５２の厚さの総和として表わされる。突出部３２の厚さｔ１を燃料電池セル２０の厚さｔ２よりも薄く設定することによって、隣接する枠体３０の突出部３２同士は直接接触しない。
【００２８】
枠体３０の枠部３１が膜電極接合体４０の外周を保持し、さらに枠部３１と各セパレータ５１、５２との間を第１のシール部材５７によって接合している。このため、膜電極接合体４０内で生じた水蒸気が枠体３０と各セパレータ５１、５２との間を通過することが抑制される。さらに、セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２同士の間に接着部材７０を充填し、セルモジュール６０内と外部とを隔てている。このため、水蒸気が枠体３０と各セパレータ５１、５２との間を僅かに通過した場合であっても、この水蒸気が外部に漏れ出ることがない。
【００２９】
燃料電池の発電時においては膜電極接合体４０の電解質膜４３が膨潤し、セルモジュール６０が積層方向Ｓに膨張する。セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２同士の間に接着部材７０を充填しているので、セルモジュール６０に積層方向Ｓの変位が生じても、この積層方向Ｓの変位に枠体３０が追従するように接着部材７０が変形する。このため、枠体３０に過剰な応力が作用することがなく、枠体３０に亀裂が生じることを抑制できる。この結果、水蒸気がセルモジュール６０の外部に漏れ出ることがない。積層方向Ｓの変位に枠体３０が追従するように接着部材７０を変形させるために、接着部材７０には、硬化したときのヤング率が枠体３０のヤング率よりも小さくなる接着剤を用いるのが好ましい。接着部材７０のヤング率は、枠体３０のヤング率との関連において適宜設定できるが、例えば、２０ＭＰａ以下であることが望ましい。
【００３０】
セルモジュール６０同士の間には、セルモジュール６０同士の間をシールするセルモジュール間シール部材８０を配置している。セルモジュール間シール部材８０の材料は、特に限定されないが、接着部材７０と同様に、熱硬化性の接着剤を用いることができる。
【００３１】
本実施形態においては、セルモジュール間シール部材８０は、プレート部材８１の外周部に取り付けてある。この場合、セルモジュール間シール部材８０のハンドリングが容易になる。
【００３２】
セルモジュール６０を積層することによって、セルモジュール６０同士の間に流体流路８２を形成している。したがって、セルモジュール間シール部材８０は、流体流路８２をシールするためのシール部材としても機能する。流体流路８２は、冷却水を流す冷却水流路である。図５において上位側に示されるセルモジュール６０の最下層に位置するアノードセパレータ５１と、下位側に示されるセルモジュール６０の最上層に位置するカソードセパレータ５２との間には、プレート部材８１が位置する。したがって、流体流路８２は、具体的には、アノードセパレータ５１とプレート部材８１との間に形成される第１の流路８３と、カソードセパレータ５２とプレート部材８１との間に形成される第２の流路８４とを含んでいる。プレート部材８１には、第１の流路８３および第２の流路８４をシールするシール部材８５を配置している。説明の便宜上、プレート部材８１に配置したシール部材８５を、以下、「第３のシール部材８５」という。第３のシール部材８５の材料は、特に限定されないが、ゴムなどの弾性材料を用いることができる。セルモジュール６０を積層方向Ｓに加圧すると、第３のシール部材８５が変形する。これによって、第１の流路８３および第２の流路８４をシールする。
【００３３】
セルモジュール６０内において隣接する枠体３０同士の間には、積層方向Ｓに作用する力を受ける支持部材９０を配置している。支持部材９０は、枠体３０の枠部３１に当接する位置に配置している。支持部材９０の材料は、特に限定されないが、接着部材７０と同様に、熱硬化性の接着剤を用いることができる。
【００３４】
セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、支持部材９０は、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。支持部材９０は、セルモジュール間シール部材８０の幅方向（図５の矢印ｗ）の少なくとも一部と重なり合っている。燃料電池スタック１０は、セルモジュール６０を積層した方向に加圧される。このとき、セルモジュール間シール部材８０の反力は、セルモジュール６０内に配置した支持部材９０が受ける。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２０を積層してセルモジュール６０を予め構成しておき、複数個のセルモジュール６０を積層して組み立てられる。１つの燃料電池セル２０に何らかの不良があった場合、セルモジュール６０に含まれる燃料電池セル２０を使用することはできないものの、燃料電池スタック１０に含まれる全ての燃料電池セル２０を使用できなくなるという事態が発生しない。このため、本実施形態のようにセルモジュール６０を積層して燃料電池スタック１０を組み立てる方式は、複数の燃料電池セルを順次積層して燃料電池スタックを一度に組み立てる方式に比べると、材料の歩留りがよい。
【００３７】
セルモジュール６０は、８個の燃料電池セル２０を積層して構成する。積層するときには、接着部材７０を構成する接着剤、支持部材９０を構成する接着剤、および第２のシール部材５８を構成する接着剤を、それぞれ塗布する。具体的には、接着部材７０を構成する接着剤を、隣接する枠体３０の突出部３２同士の間に塗布する。支持部材９０を構成する接着剤を、隣接する枠体３０同士の間で、枠体３０の枠部３１に当接する位置に塗布する。支持部材９０を構成する接着剤は、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接することになる部位の少なくとも一部と重なり合う位置に塗布する。第２のシール部材５８を構成する接着剤を、隣接するアノードセパレータ５１とカソードセパレータ５２との間に塗布する。接着部材７０を構成する接着剤、支持部材９０を構成する接着剤、および第２のシール部材５８を構成する接着剤には、同種の接着剤を適用している。
【００３８】
燃料電池セル２０を積層した方向にセルモジュール６０を加圧しながら、それぞれの接着剤を硬化させる。これにより、セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２同士を、接着部材７０を介して接合する。隣接する枠体３０同士の間で、枠体３０の枠部３１に当接する位置に、支持部材９０を配置する。セルモジュール６０内において隣接するアノードセパレータ５１とカソードセパレータ５２との間を、第２のシール部材５８を介して接合する。接着部材７０、支持部材９０、および第２のシール部材５８は、同種の接着剤を硬化させることによって形成している。このため、接着剤の種類が減り、塗布装置も共通化できることから、接着部材７０、支持部材９０、および第２のシール部材５８の形成が容易なものとなる。このようにして、セルモジュール６０を予め構成する。
【００３９】
複数個のセルモジュール６０を積層するときには、セルモジュール６０同士の間に、セルモジュール間シール部材８０を配置する。セルモジュール間シール部材８０はプレート部材８１の外周部に取り付けてあるので、セルモジュール間シール部材８０のハンドリングが容易となり、燃料電池スタック１０の組み立てが容易になる。支持部材９０は、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接する部位の少なくとも一部と重なり合う。
【００４０】
セルモジュール間シール部材８０を介して積層したセルモジュール６０同士の間には、アノードセパレータ５１とプレート部材８１との間の第１の流路８３と、カソードセパレータ５２とプレート部材８１との間の第２の流路８４とが形成される。第１と第２の流路８３、８４は、冷却水を流す冷却水流路として用いる。
【００４１】
必要個数のセルモジュール６０を積層し、積層体６１の形成が終了すると、積層体６１の積層方向Ｓに沿う両側のそれぞれに、絶縁板１０１と、エンドプレート１０２とを順に配置する。一対のエンドプレート１０２同士を、一対のテンションプレート１０５によって締め付ける。これによって、セルモジュール６０内に含まれるそれぞれの燃料電池セル２０を積層方向Ｓに加圧する。セルモジュール６０を積層方向Ｓに加圧すると、プレート部材８１に設けた第３のシール部材８５が変形し、第１の流路８３および第２の流路８４をシールする。そして、一対のテンションプレート１０５の間の側方部位に、ガイドプレート１０７を配置する。このようにして、燃料電池スタック１０を組み立てる。
【００４２】
燃料電池スタック１０において、支持部材９０は、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接する部位の少なくとも一部と重なり合う。燃料電池スタック１０はセルモジュール６０を積層した方向に加圧される。このとき、セルモジュール間シール部材８０の反力は、セルモジュール６０内に配置した支持部材９０が受ける。これによって、セルモジュール６０を複数個積層して組み立てられる燃料電池スタック１０は、セルモジュール間シール部材８０の反力を受けても、セルモジュール６０内の燃料電池セル２０が変形することを防止することができる。
【００４３】
枠体３０の突出部３２の積層方向Ｓに沿う厚さｔ１は、燃料電池セル２０の積層方向Ｓに沿う厚さｔ２よりも薄くなるように設定される。隣接する枠体３０の突出部３２同士が直接接触せず、隣接する燃料電池セル２０の枠体３０同士が干渉しない。したがって、燃料電池セル２０同士の接触圧力が低下せず、発電性能が悪化することがない。
【００４４】
枠体３０の枠部３１が膜電極接合体４０の外周を保持し、さらに枠部３１と各セパレータ５１、５２との間を第１のシール部材５７によって接合している。このため、膜電極接合体４０内で生じた水蒸気が枠体３０と各セパレータ５１、５２との間を通過することが抑制される。さらに、接着部材７０によってセルモジュール６０内と外部とを隔てているため、水蒸気が枠体３０と各セパレータ５１、５２との間を僅かに通過した場合であっても、この水蒸気が外部に漏れ出ることがない。
【００４５】
燃料電池の発電時においては膜電極接合体４０の電解質膜４３が膨潤し、セルモジュール６０が積層方向Ｓに膨張する。セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２同士の間に接着部材７０を充填しているので、セルモジュール６０に積層方向Ｓの変位が生じても、この積層方向Ｓの変位に枠体３０が追従するように接着部材７０が変形する。このため、枠体３０に過剰な応力が作用することがなく、枠体３０に亀裂が生じることを抑制できる。この結果、水蒸気がセルモジュール６０の外部に漏れ出ることがない。
【００４６】
以上説明したように、第１の実施形態の燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２０を積層して予め構成したセルモジュール６０を複数個積層して組み立てられる燃料電池スタック１０であって、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、支持部材９０が、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。セルモジュール６０を積層した方向に沿って燃料電池スタック１０を加圧するとき、セルモジュール間シール部材８０の反力はセルモジュール６０内に配置した支持部材９０が受けることから、セルモジュール間シール部材８０の反力を受けても、セルモジュール６０内の燃料電池セル２０が変形することを防止することができる。
【００４７】
接着部材７０と支持部材９０とは、同種の接着剤を硬化させることによって形成されているため、接着剤の種類が減り、塗布装置も共通化できることから、接着部材７０、および支持部材９０の形成が容易なものとなる。
【００４８】
セルモジュール間シール部材８０はプレート部材８１の外周部に取り付けられているため、セルモジュール間シール部材８０のハンドリングが容易となり、燃料電池スタック１０の組み立てが容易になる。
【００４９】
燃料電池スタック１０はさらに、セルモジュール間シール部材８０とは別体に設けられ、枠体３０とセパレータ５１、５２との間をシールする接着剤からなる第１のシール部材５７を有している。第１のシール部材５７は、シール機能を発揮するほか、接着剤が固化することによって、燃料電池スタック１０の変形を抑えることができる。
【００５０】
燃料電池スタック１０はさらに、セルモジュール６０内において隣接するアノードセパレータ５１とカソードセパレータ５２との間をシールする接着剤からなる第２のシール部材５８を有している。第２のシール部材５８は、シール機能を発揮するほか、接着剤が固化することによって、燃料電池スタック１０の変形を抑えることができる。
【００５１】
燃料電池スタック１０はさらに、セルモジュール間シール部材８０とは別体にプレート部材８１に設けられ、セルモジュール６０、６０同士のうち一方のセルモジュール６０におけるセパレータとプレート部材８１との間に形成される第１の流路８３、および他方のセルモジュールにおけるセパレータとプレート部材８１との間に形成される第２の流路８４をシールする弾性材料からなる第３のシール部材８５を有している。一方のセルモジュール６０におけるセパレータは、例えば、図５において上位側に示されるセルモジュール６０の最下層に位置するアノードセパレータ５１であり、他方のセルモジュールにおけるセパレータは、下位側に示されるセルモジュール６０の最上層に位置するカソードセパレータ５２である。第３のシール部材８５は、シール機能を発揮するほか、弾性材料が変形することによって、燃料電池スタック１０の変形を吸収することができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１０の要部を示す断面図である。なお、第１の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。
【００５３】
第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、接着部材７０と支持部材９０とは同種の接着剤を硬化させることによって形成されている。但し、第２の実施形態は、接着部材７０と支持部材９０とを一体的に形成した点において、接着部材７０と支持部材９０とを別体に形成した第１の実施形態と相違している。
【００５４】
第２の実施形態にあっては、燃料電池セル２０を積層してセルモジュール６０を構成するときには、接着部材７０および支持部材９０を構成する接着剤を、枠体３０の突出部３２の端部から枠体３０の枠部３１に至る位置まで塗布する。接着剤は、セルモジュール６０を積層する積層方向Ｓから見た平面視において、セルモジュール間シール部材８０のうちセルモジュール６０に当接することになる部位の少なくとも一部と重なり合う位置まで塗布する。
【００５５】
燃料電池セル２０を積層した方向にセルモジュール６０を加圧しながら、接着部材７０および支持部材９０を構成する接着剤を硬化させる。セルモジュール６０内において隣接する枠体３０の突出部３２同士は接着部材７０を介して接合され、枠体３０の枠部３１に当接する位置に支持部材９０が配置される。このように、接着部材７０と支持部材９０とは、一体的に形成され、かつ、同種の接着剤を硬化させることによって形成されている。
【００５６】
接着部材７０と支持部材９０とは一体的に形成されているため、接着部材７０と支持部材９０とを同時に形成することができる。接着剤の塗布作業や、接着剤を硬化させる作業を簡素化できることから、接着部材７０、および支持部材９０の形成が一層容易なものとなる。
【００５７】
以上説明したように、第２の実施形態の燃料電池スタック１０は、第１の実施形態の作用、効果に加えてさらに、次の作用、効果を奏する。接着部材７０と支持部材９０とは、一体的に形成されているため、接着部材７０と支持部材９０とを同時に形成することができ、接着剤の塗布作業や、接着剤を硬化させる作業を簡素化できることから、接着部材７０、および支持部材９０の形成が一層容易なものとなる。
【００５８】
（その他の変形例）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変が可能である。例えば、８個の燃料電池セル２０を積層したセルモジュール６０について説明したが、この場合に限定されない。燃料電池セル２０を少なくとも２つ積層してなるセルモジュール６０に本発明を適用することができる。
【００５９】
セルモジュール間シール部材８０をプレート部材８１の外周部に取り付けた形態について説明したが、プレート部材８１はなくてもよい。この場合には、セルモジュール間シール部材８０を介在させて２つのセルモジュール６０を積層するとき、一方のセルモジュール６０の最外層に位置するアノードセパレータ５１と、他方のセルモジュール６０の最外層に位置するカソードセパレータ５２とを直接接合する。
【００６０】
セルモジュール６０同士の間に流体流路８２を形成し、セルモジュール間シール部材８０を、流体流路８２をシールするためのシール部材としても機能させた形態について説明したが、セルモジュール６０同士の間を流体流路８２として用いなくてもよい。
【００６１】
セルモジュール６０内において隣接する８枚の枠体３０同士の間のすべて（７か所）に支持部材９０を配置した形態について説明したが、この場合に限定されない。セルモジュール間シール部材８０の反力を受けてセルモジュール６０内の燃料電池セル２０が変形することを抑制できる限りにおいて、枠体３０同士の間のうち、一部の間に支持部材９０を配置してもよい。
【００６２】
支持部材９０の大きさは、同じでもよいし、異ならせてもよい。
【００６３】
支持部材９０は、セルモジュール間シール部材８０が伸びる方向に沿って連続して設ける場合に限定されない。セルモジュール間シール部材８０の反力を受けてセルモジュール６０内の燃料電池セル２０が変形することを抑制できる限りにおいて、隙間を隔てて、セルモジュール間シール部材８０が伸びる方向に沿って間欠的に設けてもよい。
【００６４】
接着部材７０を構成する接着剤、支持部材９０を構成する接着剤、および第２のシール部材５８を構成する接着剤に同種の接着剤を適用した例を示したが、種類の異なる接着剤を適用することを除外するものではない。
【００６５】
燃料電池セル２０を積層するときに、接着部材７０を構成する接着剤や、支持部材９０を構成する接着剤を塗布する形態について説明したが、この場合に限定されるものではない。例えば、支持部材９０を構成する接着剤については、燃料電池セル２０を積層するときに塗布し、接着部材７０を構成する接着剤については、燃料電池セル２０を積層した後に枠体３０の外周部同士の間の隙間から注入する形態を採用してもよい。そのほかにも、燃料電池セル２０を積層した後、まず、支持部材９０を構成する接着剤を枠体３０の前記隙間から注入し、その後に、接着部材７０を構成する接着剤を枠体３０の前記隙間から注入する形態でもよい。第２の実施形態のように、接着部材７０と支持部材９０とを同種の接着剤を硬化させることによって一体的に形成する場合には、燃料電池セル２０を積層した後、接着部材７０および支持部材９０を構成する１種類の接着剤を枠体３０の前記隙間から注入してもよい。枠体３０の前記隙間から接着剤を注入する場合には、注入位置や注入量を管理することによって、接着部材７０および支持部材９０を所望の位置において適切な大きさに形成することができる。
【００６６】
本出願は、２０１２年７月２日に出願された日本特許出願番号２０１２−１４８８５５号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
【符号の説明】
【００６７】
１０    燃料電池スタック、
２０    燃料電池セル、
３０    枠体、
３１    枠部、
３２    突出部（枠体の外周部）、
４０    膜電極接合体、ＭＥＡ、
４１    アノード、
４２    カソード、
４３    電解質膜、
５１    アノードセパレータ（セパレータ）、
５２    カソードセパレータ（セパレータ）、
５７    枠部とセパレータとの間の第１のシール部材、
５８    アノードセパレータとカソードセパレータとの間の第２のシール部材、
６０    セルモジュール、
６１    積層体、
７０    接着部材、
８０    セルモジュール間シール部材、
８１    プレート部材、
８５    プレート部材に配置した第３のシール部材、
９０    支持部材、
１０５  テンションプレート、
１０７  ガイドプレート、
Ｓ      燃料電池セルあるいはセルモジュールを積層する積層方向。
【図１】
2014007182.tif 000003
【図２】
2014007182.tif 000004
【図３】
2014007182.tif 000005
【図４】
2014007182.tif 000006
【図５】
2014007182.tif 000007
【図６】
2014007182.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月6日(2014.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性を有する枠体に一体的に形成した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを少なくとも２つ積層してなる複数個のセルモジュールと、
前記セルモジュール内において隣接する前記枠体の外周部同士を接合する接着部材と、
前記セルモジュール同士の間に配置され、前記セルモジュール同士の間をシールするセルモジュール間シール部材と、
前記セルモジュール内において隣接する前記枠体同士の間に配置される支持部材と、を有し、
前記枠体の前記外周部には積層方向の両側に突出する突出部が形成され、前記接着部材は前記突出部同士の間に配置されているとともに、前記支持部材は前記突出部よりも内側に位置する枠部同士の間に配置されており、
前記セルモジュールを積層する積層方向から見た平面視において、前記支持部材が、前記セルモジュール間シール部材のうち前記セルモジュールに当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記接着部材と前記支持部材とは、一体的に形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記接着部材と前記支持部材とは、同一の接着剤を硬化させることによって形成されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セルモジュール間シール部材は、プレート部材の外周部に取り付けられている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セルモジュール間シール部材とは別体に設けられ、前記枠体と前記セパレータとの間をシールする接着剤からなる第１のシール部材をさらに有する請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セルモジュール内において隣接するセパレータ同士の間をシールする接着剤からなる第２のシール部材をさらに有する請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セルモジュール間シール部材とは別体に前記プレート部材に設けられ、前記セルモジュール同士のうち一方の前記セルモジュールにおける前記セパレータと前記プレート部材との間に形成される第１の流路、および他方の前記セルモジュールにおける前記セパレータと前記プレート部材との間に形成される第２の流路をシールする弾性材料からなる第３のシール部材をさらに有する請求項４に記載の燃料電池スタック。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
ュール同士の間に、セルモジュール間シール部材が配置される。燃料電池スタックは、燃料電池セルを積層した方向に加圧される。このため、セルモジュール間シール部材の反力を受けても、セルモジュール内の燃料電池セルの変形を抑え得る構成が要請されている。
［０００７］
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して予め構成したセルモジュールを複数個積層して組み立てられる燃料電池スタックであって、セルモジュール間シール部材の反力を受けても、セルモジュール内の燃料電池セルが変形することを防止し得る燃料電池スタック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
［０００８］
上記目的を達成する本発明は、複数の燃料電池セルを積層してセルモジュールを予め構成しておき、複数個のセルモジュールを積層して組み立てられる燃料電池スタックである。セルモジュールは、電気絶縁性を有する枠体に一体的に形成した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを少なくとも２つ積層してなる。燃料電池スタックは、前記セルモジュール内において隣接する前記枠体の外周部同士を接合する接着部材と、前記セルモジュール同士の間に配置され、前記セルモジュール同士の間をシールするセルモジュール間シール部材と、前記セルモジュール内において隣接する前記枠体同士の間に配置される支持部材と、を有している。前記枠体の前記外周部には積層方向の両側に突出する突出部が形成され、前記接着部材は前記突出部同士の間に配置されているとともに、前記支持部材は前記突出部よりも内側に位置する枠部同士の間に配置されている。そして、前記セルモジュールを積層する積層方向から見た平面視において、前記支持部材は、前記セルモジュール間シール部材のうち前記セルモジュールに当接する部位の少なくとも一部と重なり合っている。
図面の簡単な説明
［０００９］
［図１］第１の実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。
［図２］図１に示される燃料電池スタックを分解して示す斜視図である。
［図３］燃料電池セルを分解して示す斜視図である。
［図４］セルモジュールの一部を示す正面図である。
［図５］燃料電池スタックの要部を示す断面図であって、図４の５−５線に沿う断面に相当する断面図である。
【国際調査報告】
2014007182.tif 000009
2014007182.tif 000010
2014007182.tif 000011
2014007182.tif 000012