(57)【要約】【課題】  間隙をコントロールするためのリブを設けずに間隙のコントロールが可能な燃料電池スタック、燃料電池スタックのシール部材、及び燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】  膜電極接合体７の両面がセパレータ８により挟持される燃料電池単セル２が複数積層されてなり、互いに隣接するセパレータ８同士の間、および膜電極接合体７とセパレータ８の間の少なくとも一方に、シール部材２８が設けられる燃料電池スタック１であって、前記シール部材２８の少なくとも一部が、弾性体であるシール剤３２の内部に、当該シール剤３２よりも剛性の高い複数の保持部材３３を有して形成される。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなり、互いに隣接するセパレータ同士の間、および膜電極接合体とセパレータの間の少なくとも一方に、シール部材が設けられる燃料電池スタックであって、
前記シール部材の少なくとも一部が、弾性体であるシール剤の内部に、当該シール剤よりも剛性の高い複数の保持部材を有して形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記保持部材は、前記シール部材の厚さ方向に一層で設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記保持部材は、前記シール部材の伸延方向に一列で設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セパレータは、金属製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記保持部材は、球状体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記保持部材は、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなる燃料電池スタックの、互いに隣接するセパレータの間、または膜電極接合体とセパレータの間に設けられる燃料電池のシール部材であって、
弾性体であるシール剤と、
前記シール剤の内部に、少なくとも部分的に混入され、当該シール剤よりも剛性の高い複数の保持部材と、を有することを特徴とする燃料電池のシール部材。
【請求項８】
前記保持部材は、前記シール部材の厚さ方向に一層で設けられることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池のシール部材。
【請求項９】
前記保持部材は、前記シール部材の伸延方向に一列で設けられることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池のシール部材。
【請求項１０】
前記保持部材は、球状体であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池のシール部材。
【請求項１１】
前記保持部材は、樹脂製であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池のシール部材。
【請求項１２】
膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなり、互いに隣接するセパレータ同士の間、および膜電極接合体とセパレータの間の少なくとも一方に、シール部材が設けられる燃料電池スタックを製造するための燃料電池スタックの製造方法であって、
前記シール部材により封止される膜電極接合体またはセパレータへ、液状のシール剤に、当該シール剤が硬化した際よりも剛性の高い複数の保持部材を混入したシール部材を塗布する塗布工程と、
前記液状のシール剤が塗布された膜電極接合体またはセパレータへ、他の膜電極接合体またはセパレータを重ねる重ね合わせ工程と、
前記シール剤を硬化させる硬化工程と、を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１３】
前記塗布工程は、前記シール部材に混入される保持部材が、当該シール部材の厚さ方向に一層となるようにシール部材を塗布することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１４】
前記塗布工程は、前記シール部材に混入される保持部材が、当該シール部材の伸延方向に一列となるようにシール部材を塗布することを特徴とする請求項１２または１３に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１５】
前記重ね合わせ工程および硬化工程は、前記シール剤が塗布される膜電極接合体またはセパレータと、当該膜電極接合体またはセパレータに重ねられる他の膜電極接合体またはセパレータの少なくとも一方に引張力を与えて行うことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１６】
前記硬化工程の後に、前記引張力を維持しつつ、更に他の膜電極接合体またはセパレータを複数積層させることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１７】
前記シール剤は熱硬化性樹脂であり、前記硬化工程は、シール剤を加熱することにより硬化させることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１８】
前記塗布工程は、前記シール部材に含まれる保持部材が一層となるように、シール部材を塗布することを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータがシール部材で封止されてなる燃料電池スタック、燃料電池スタックのシール部材及び燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単位電池である燃料電池単セルは、膜電極接合体の両面が一対のセパレータで挟持されており、この燃料電池単セルが複数積層されて、燃料電池スタックが形成される。現在、この燃料電池スタックの単位体積あたりの起電力を高めるために、プレス加工により薄型で成形可能な金属製セパレータの開発がなされている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
金属セパレータ同士の間または金属セパレータと膜電極接合体の間は、通常、所定の間隙を有してシール部材により封止されるが、この間隙を張り合わせの際にコントロールするために、金属セパレータにはリブ等が形成されている。
【特許文献１】特開２００４−１５２４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のような金属セパレータは、プレス加工により成形されるため、例えば間隙をコントロールするためのリブの裏側には凹部が形成される。この凹部には、ディフューザや他のリブ等をプレス加工により形成することはできない。したがって、金属セパレータのリブやディフューザ、または他のシール部材等の配置が制限され、場合によっては、別部品を用いてディフューザ等を設ける必要があり、部品点数や工程の増加が問題となる。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、間隙をコントロールするためのリブを設けずに間隙のコントロールが可能な燃料電池スタック、燃料電池スタックのシール部材、及び燃料電池スタックの製造方法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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなり、互いに隣接するセパレータ同士の間、および膜電極接合体とセパレータの間の少なくとも一方に、シール部材が設けられる燃料電池スタックであって、前記シール部材の少なくとも一部が、弾性体であるシール剤の内部に、当該シール剤よりも剛性の高い複数の保持部材を有して形成されることを特徴とする。
【０００７】
膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなる燃料電池スタックの、互いに隣接するセパレータの間、または膜電極接合体とセパレータの間に設けられる燃料電池のシール部材であって、弾性体であるシール剤と、前記シール剤の内部に、少なくとも部分的に混入され、当該シール剤よりも剛性の高い複数の保持部材と、を有することを特徴とする。
【０００８】
膜電極接合体の両面がセパレータにより挟持される燃料電池単セルが複数積層されてなり、互いに隣接するセパレータ同士の間、および膜電極接合体とセパレータの間の少なくとも一方に、シール部材が設けられる燃料電池スタックを製造するための燃料電池スタックの製造方法であって、前記シール部材により封止される膜電極接合体またはセパレータへ、液状のシール剤に、当該シール剤が硬化した際よりも剛性の高い複数の保持部材を混入したシール部材を塗布する塗布工程と、前記液状のシール剤が塗布された膜電極接合体またはセパレータへ、他の膜電極接合体またはセパレータを重ねる重ね合わせ工程と、前記シール剤を硬化させる硬化工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックは、シール部材の内部にシール剤よりも剛性の高い複数の保持部材が混入されているため、重ねられるセパレータ同士の間、または膜電極接合体とセパレータの間の間隙を、リブ等を用いることなく良好に保持できる。
【００１０】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックのシール部材は、内部にシール剤よりも剛性の高い複数の保持部材が混入されているため、重ねられるセパレータ同士の間、または膜電極接合体とセパレータの間の間隙を、リブ等を用いることなく良好に保持できる。
【００１１】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、複数の保持部材が混入した液状のシール剤を塗布した後にシール剤を硬化させるため、保持部材を有するシール部材を容易に、膜電極接合体またはセパレータに設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は本実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図、図２は本実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図、図３は本実施形態の燃料電池単セルを示す断面図である。
【００１４】
一般に燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数積層し、その両端に集電板３、絶縁板４、及びエンドプレート５を配置して、両端のエンドプレート５をタイロッド６により固定した形態であり、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１５】
燃料電池単セル２は、水の電気分解の逆の原理を利用し、燃料ガスである例えば水素と、酸化剤ガスである例えば酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができるデバイスであり、図２、３に示すように、膜電極接合体７、及びセパレータ８Ａ，８Ｂを有している。膜電極接合体７は、高分子電解質膜の一方面に、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極（不図示）と、他方面に、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（不図示）とを配置して形成される。膜電極接合体７の両面は、アノード電極側のアノードセパレータ８Ａと、カソード電極側のカソードセパレータ８Ｂにより挟み込まれている。
【００１６】
セパレータ８Ａ、８Ｂは、例えば厚さが０．２ｍｍ以下の金属製の薄板をプレス加工することにより成形される。アノードセパレータ８Ａおよびカソードセパレータ８Ｂのアクティブ領域Ａ（膜電極接合体７と接する中央部）には、凹条部１３と凸条部１４が交互に形成される凹凸形状か設けられる。また、セパレータ８Ａ，８Ｂおよび膜電極接合体７の外周部には、マニフォルド孔１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆが形成される。
【００１７】
アノードセパレータ８Ａのアクティブ領域Ａには、膜電極接合体７と接する面に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路９が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路１０が形成される。カソードセパレータ８Ｂのアクティブ領域Ａには、膜電極接合体７と接する面に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路１１が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路１０が形成される。
【００１８】
マニフォルド孔には、燃料ガス供給用マニフォルド孔１５Ａ、冷却水導入用マニフォルド孔１５Ｂ、酸化剤ガス供給用マニフォルド孔１５Ｃ、燃料ガス排出用マニフォルド孔１５Ｄ、冷却水排出用マニフォルド孔１５Ｅ、酸化剤ガス排出用マニフォルド孔１５Ｆがあり、それぞれが、図１に示す燃料電池スタック１の燃料ガス導入口１６、冷却水導入口１７、酸化剤ガス導入口１８、燃料ガス排出口１９、冷却水排出口２０、および酸化剤ガス排出口２１と連通している。
【００１９】
燃料ガスは、燃料ガス導入口１６から導入され、燃料ガス供給用マニフォルド孔１５Ａを通って燃料ガス流路９に流入し、ここで電気を得るための反応が起こった後、燃料ガス排出用マニフォルド孔１５Ｄを通って燃料ガス排出口１９から排出される。
【００２０】
冷却水は、冷却水導入口１７から導入され、冷却水導入用マニフォルド孔１５Ｂを通って冷却水流路１０に流入し、この後、冷却水排出用マニフォルド孔１５Ｅを通って冷却水排出口２０から排出される。
【００２１】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１８から導入され、酸化剤ガス供給用マニフォルド孔１５Ｃを通って酸化剤ガス流路１１に流入し、ここで電気を得るための反応が起こった後、酸化剤ガス排出用マニフォルド孔１５Ｆを通って酸化剤ガス排出口２１から排出される。
【００２２】
図４は燃料電池スタックをアノードセパレータの位置から示す要部拡大平面図、図５は燃料電池スタックをカソードセパレータの位置から示す要部拡大平面図、図６は図４，５のＶＩ−ＶＩ線に沿う燃料電池スタックの部分断面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分断面図である。
【００２３】
アノードセパレータ８Ａの膜電極接合体７と接する面（図４のアノードセパレータ８Ａの裏面）には、図４に示すように、凹条部１３および凸条部１４を含んで外縁部を囲み、更にマニフォルド孔１５の周りを囲む燃料ガス用シール部材２８Ａが設けられている。また、燃料ガス供給用マニフォルド孔１５Ａからアクティブ領域Ａへ至るまでのディフューザ領域Ｄには、柱上の凸部３０が複数形成されている。
【００２４】
アノードセパレータ８Ａとカソードセパレータ８Ｂの接する面（図４のアノードセパレータ８Ａの表面）には、図４に示すように、凹条部１３および凸条部１４を含んで外縁部を囲み、更にマニフォルド孔１５の周りを囲む冷却水用シール部材２８Ｃが設けられている。また、冷却水導入用マニフォルド孔１５Ｂからアクティブ領域Ａへ至るまでのディフューザ領域Ｄには、柱上の凸部３０が複数形成されている。
【００２５】
また、カソードセパレータ８Ｂの膜電極接合体７と接する面（図５のカソードセパレータ８Ｂの表面）には、図５に示すように、凹条部１３および凸条部１４を含んで外縁部を囲み、更にマニフォルド孔１５の周りを囲む酸化剤ガス用シール部材２８Ｂが設けられている。また、酸化剤ガス供給用マニフォルド孔１５Ｃからアクティブ領域Ａへ至るまでのディフューザ領域Ｄには、柱上の凸部３０が複数形成されている。
【００２６】
それぞれのセパレータ８Ａ，８Ｂのディフューザ領域Ｄに設けられる凸部３０は、セパレータ８Ａ，８Ｂと膜電極接合体７の間、またはセパレータ８Ａ，８Ｂ同士の間の隙間を確保し、またはディフューザとしての役割を果たしている。
【００２７】
シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、例えば図７に示すように、シール剤３２に球状体である保持部材３３が複数含まれて形成される。シール剤３２は樹脂等により形成されるが、本実施形態では、例えば熱硬化性樹脂により形成される。保持部材３３は、シール剤３２よりも剛性の高い材料により形成される。本実施形態では、保持部材３３は樹脂製であり、例えばエポキシ樹脂等が用いられるが、金属、セラミック、ガラス等の他の材料を用いることもできる。
【００２８】
保持部材３３は、シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃの内部で一層で設けられ、また本実施形態では一列で配列されているが、２列以上でもよい。
【００２９】
シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを設けるには、まず、シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃにより貼り合わせられるセパレータ８や膜電極接合体７等の張り合わせ部品の一方に、保持部材３３が混入された液状のシール剤３２を塗布し、他方を重ね合わせる。この際に、互いに張り合わせられる張り合わせ部品の一方または両方の、それぞれの端部をクランプ保持して引張力を与え、張り合わせ部品の剛性を擬似的に高め、撓み量を減少させて重ね合わせることができる。この後、シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを加熱して、熱硬化性樹脂であるシール剤３２を硬化させる。これにより、セパレータ８や膜電極接合体７等の張り合わせ部品の張り合わせ時の弛みを、セパレータのリブの形状にかかわらず防止できる。なお、この引張力の大きさや方向は、張り合わせ部品の構造等に対応させて任意に設定できる。
【００３０】
また、この引張力を、張り合わせ部品を張り合わせた後も維持し、更に、引張力を作用させた他の張り合わせ部品を順次積層させて燃料電池スタック１を形成させることもできる。この場合には、燃料電池単セル２の平面度を保持しつつ、燃料電池スタック１を容易に作製することができる。
【００３１】
図８は従来の燃料電池スタックを示す部分断面図、図９は本実施形態の燃料電池スタック示す部分断面図である。図１０は図７のシール部材が押圧された際を示す部分断面図である。
【００３２】
従来の燃料電池スタックにおいて、シール部材が設けられる部位の間隙を保持する必要がある場合には、シール部材では剛性が低いため、図８に示すように、シール部材１２８と共にリブ１４０等を設けている。しかし、このリブ１４０はプレス加工により形成されるため、リブ１４０の裏面には凹部１４１が形成され、裏面のこの部位には別のリブを形成することはできず、また他のシール部材を設置することもできない。したがって、場合によっては、図８のように別部品１４２を裏面に接着したり、リブ１４０の配置を変更したりする必要が生じる。
【００３３】
しかし、本実施形態では、シール部材２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃの内部の保持部材３３が間隙を保持する役目を果たすため、シール部材２８が設けられる部位には間隙を保持するためのリブが必要ない。したがって、この部位の裏面には、図９に示すように、別の部品を用いることなく、凸部３０や、他のリブ、ディフューザ、またはシール部材等を設けることができる。
【００３４】
また、本実施形態では、保持部材３３が樹脂等の弾性体であるため、燃料電池の作動時に内部の圧力が上昇した場合や、セパレータ８が熱膨張する場合に、図１０に示すように、保持部材３３が変形してシール部材２８が設けられている部位の間隙の変化を吸収することができる。本実施形態の保持部材３３は、直径が例えば３０〜５０μｍであり、１０μｍ程度の間隙の変化を吸収できる。また、作製する燃料電池に応じて、望ましい大きさや剛性を有する保持部材３３を任意に採用することができる。これにより、燃料電池スタック１に生じる過大な応力の発生を防止し、燃料電池スタック１の破損を防ぐことができる。
【００３５】
また、保持部材３３は一層で設けられるため、張り合わせ部品の間隙を保持部材３３の直径により容易に制御しつつ、燃料電池スタック１を作製することができる。また、保持部材３３は一列で設けられるため、シール部材２８が幅方向に嵩張らず、流路の妨げとなることを防止できる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、本実施形態では液状のシール剤３２に保持部材３３を混入させて張り合わせ部品に塗布しているが、保持部材３３を含む固体状のシール部材をあらかじめ作製した後、このシール部材を張り合わせ部品に設置することもできる。また、液状のシール剤３２として溶融した熱可塑性樹脂を用いることもできる。また、保持部材３３を含むシール部材２８を、燃料電池スタック１に使用されるシール部材２８の全てに使用するのではなく、部分的に用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本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】本実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態の燃料電池単セルを示す断面図である。
【図４】燃料電池スタックをアノードセパレータの位置から示す要部拡大平面図である。
【図５】燃料電池スタックをカソードセパレータの位置から示す要部拡大平面図である。
【図６】図４，５のＶＩ−ＶＩ線に沿う燃料電池スタックの部分断面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分断面図である。
【図８】従来の燃料電池スタックを示す部分断面図である。
【図９】本実施形態の燃料電池スタック示す部分断面図である。
【図１０】図７のシール部材が押圧された際を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    燃料電池スタック、
２    燃料電池単セル、
７    膜電極接合体、
８Ａ    アノードセパレータ、
８Ｂ    カソードセパレータ、
９    燃料ガス流路、
１０    冷却水流路、
１１    酸化剤ガス流路、
１３    凹条部、
１４    凸条部、
１５    マニフォルド孔、
２８Ａ    燃料ガス用シール部材、
２８Ｂ    酸化剤ガス用シール部材、
２８Ｃ    冷却水用シール部材、
３０    凸部、
３２    シール剤、
３３    保持部材、
Ａ    アクティブ領域、
Ｄ    ディフューザ領域。
【図１】
2006351342.tif 000003
【図２】
2006351342.tif 000004
【図３】
2006351342.tif 000005
【図４】
2006351342.tif 000006
【図５】
2006351342.tif 000007
【図６】
2006351342.tif 000008
【図７】
2006351342.tif 000009
【図８】
2006351342.tif 000010
【図９】
2006351342.tif 000011
【図１０】
2006351342.tif 000012