(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のセパレータ間に、二種類の発電用ガスを流接させることにより発電する膜電極接合体を配設したセルフレームを介設したセルユニットを積層している燃料電池スタックにおいて、
上記セルユニットの積層方向における膨張に伴って弾性変形する膨張用接着剤シール層を、各セルユニットのセルフレームと両セパレータ間に、膜電極接合体から離隔させて形成しており、膜電極接合体から離間した部位におけるシール層を薄く形成していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
複数のセルユニットを一体化してなる燃料電池モジュールどうしを積層しているとともに、その燃料電池モジュールの最も外側に配設したセルユニット間に配置
されている各セルユニットに上記膨張用接着剤シール層を形成している請求項１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、例えば固体高分子型の燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池スタックとして特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、膜電極接合体を有する単セル（セルユニット）を複数積層したものであり、その膜電極接合体の外周に沿って形成され、電気絶縁性を有する絶縁部材と、隣接する単セルにおいて前記絶縁部材同士を接合する接着部材とを備えている。
上記膜電極接合体は、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とを積層した構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池スタックは、膜電極接合体のガス拡散層をなす基材の反力や接着剤の硬化、従ってまた、それらの線膨張係数差に起因する残留応力によって、積層方向での膨張変形が接着部材に生ずる応力を高めてしまう結果、その接着部材が破損してシール性が損なわれる虞があるという課題が未解決のままである。
【０００５】
そこで本発明は、燃料電池スタックをなすセルユニット（単セル）が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことがない燃料電池スタックの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池スタックは、一対のセパレータ間に、二種類の発電用ガスを流接させることにより発電する膜電極接合体を配設したセルフレームを介設したセルユニットを積層したものであり、そのセルユニットの積層方向における膨張に伴って弾性変形する接着剤によるシール層を、各セルユニットのセルフレームと両セパレータ間に、膜電極接合体から離隔させて形成している。
この構成によれば、燃料電池スタックをなすセルユニット（単セル）が積層方向において膨張変形したときにも、その変形に従ってシール層が弾性変形し、シール性を損なうことがない。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池スタックをなすセルユニット（単セル）が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図である。
【図２】同上の燃料電池スタックの一部をなすセルフレームの平面図である。
【図３】図２に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。
【図４】図２に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図である。
【図５】図２に示す包囲線ＩＩＩ‐ＩＩＩで示す部分の拡大図である。
【図６】同上の燃料電池スタック燃料電池スタックをなすモジュールの部分断面図である。
【図７】隣り合うセルユニット間に形成したシール層の変形例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックの一部をなすセルフレームの平面図、図３は、図２に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分拡大断面図、図４は、図２に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図、図５は、図２に示す包囲線ＩＩＩ‐ＩＩＩで示す部分の拡大図である。
【００１０】
燃料電池スタックＡ１は、図１に示すように、複数のセルユニット（単セル）Ｕを一対のエンドプレート１０，１１間に積層させ、かつ、それらのエンドプレート１０，１１により、それらセルユニットＵどうしを挟圧した構成のものである。
【００１１】
セルユニットＵは、一対のセパレータ１５，１５間に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するようにしてセルフレーム２０を介設したものである。
「発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。
【００１２】
セルフレーム２０は樹脂製のものであり、本実施形態においては、セルユニットＵの積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成された基板２１の全周囲にわたり鍔部２２を形成したものである。
鍔部２２は、所要の幅と高さにした断面縦長方形のものである。
基板２１の中央部分には、膜電極接合体３０が配置されている。
【００１３】
膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜３１を、一対の電極３２，３３により挟持した構造を有している。
電極３２，３３は、電解質膜３１側から、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とを積層したものである。
【００１４】
上記膜電極接合体３０の両側部には、図２に示すように、水素含有ガス又は酸素含有ガスの排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから膜電極接合体３０に至る水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄとが形成されている。
【００１５】
一側部のマニホールド部Ｍはマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。
それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、積層方向αにそれぞれの流路をなしている。
【００１６】
他方のマニホールド部Ｍはマニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。
各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）のものであり、積層方向αにそれぞれの流路をなしている。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。
【００１７】
ディフューザ部Ｄは、セルフレーム２０とセパレータ１５，１５との各間、すなわち、セルフレーム２０の両面側にそれぞれ形成されており、互いに同形同大の円錐台形にした突起９が所要の間隔にしてそれぞれ複数配設されている。
【００１８】
セパレータ１５，１５は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記セルフレーム２０の鍔部２２の内側領域に配設できる大きさの横長方形にして形成されている。
このセパレータ１５は、上記した膜電極接合体３０に対向する中央部分が、長手方向に連続した凹凸部１６，１７が形成されているとともに、両端部に、セルフレーム２０の各マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ６と同形同大のマニホールド孔（（図示しない））が互いに対向して形成されている。
また、上記セパレータ１５の両側部（長辺縁部）には、凸部１７をセルフレーム２０の基板２１に当接したときに、その当接面２１ａ，２１ｂとの間に所要の間隔ｔ１が形成されるように一定の幅にした接着用片１８，１８（一方は図示していない）が両端部間にわたり曲成されている。
【００１９】
これにより、セパレータ１５，１５は、膜電極接合体３０に対向する凹凸部１６，１７では、各凸部１７が膜電極接合体３０に接触するとともに、各凹部１６が水素含有ガス（酸素含有ガス）の流路を区画形成している。
また、隣接するセルユニットＵ，Ｕの対向当接する凸部１７，１７で囲繞形成される空間が冷却媒体（水）の流路となっている。
【００２０】
本実施形態においては、図２に示すように、上記セパレータ１５，１５とセルフレーム２０との間であって点線で示す輪郭線部分には、接着剤による通常のシール層Ｓ１が形成されている。
【００２１】
また、上記セパレータ１５，１５の両接着用片１８とセルフレーム２０との間であって、一点鎖線で示す輪郭線部分には、セルユニットＵの積層方向αにおける膨張変形に伴う応力を吸収する厚みにした接着剤からなる膨張用接着剤シール層Ｓ２が上記した膜電極接合体３０から離隔させて形成している。膨張用接着剤シール層Ｓ２はセパレータ１５の両接着用片１８の端よりさらに外側にはみ出して形成されている。
【００２２】
「一点鎖線で示す輪郭線部分」は、換言すると、膜電極接合体３０の長辺に沿う長さ部分であり、図２において範囲Ｌで示している。
また、本実施形態において示すシール層Ｓ１は、膜電極接合体３０の側縁部とディフューザ部Ｄの側縁部との境界において、鍔部２２の内方寄りに偏移させている。
【００２３】
隣接するセルユニットＵ，Ｕのセルフレーム２０，２０の鍔部２２，２２間には、これらの対向端面２２ａ，２２ｂ間に接着剤によるシール層Ｓ３、当接するセパレータ１５，１５の凹部１６間にシール層Ｓ４、また、対向当接する接着用片１８，１８間にシール層Ｓ５がそれぞれ形成されている。
【００２４】
本実施形態に係る燃料電池スタックによれば、次の効果を得ることができる。
・燃料電池スタックをなすセルユニット（単セル）が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことがない。
・一点鎖線で示す輪郭線部分のみに上記した膨張用接着剤シール層Ｓ２を形成することにより、ガス拡散層の反力による膨張をより効果的に抑制することができるとともに接着剤の使用量を減少させることができる。
・膨張用接着剤シール層Ｓ２がセパレータ１５の両接着用片１８の端よりさらに外側にはみ出して形成されているので、膨張用接着剤シール層Ｓ２による応力吸収効果をさらに高めることができる。
【００２５】
図６は、第二の実施形態に係る燃料電池スタックをなすモジュールの部分断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第二の実施形態に係る燃料電池スタックＡ２は、上記した複数のセルユニットＵどうしを一体化してモジュール化するとともに、積層するモジュール４０どうしをシール材５０を介して積層させている。
【００２６】
このようにモジュール４０においては、最も外側に配設したセルユニットＵ１，Ｕ１１間に配置されている全部のセルユニットＵ２〜Ｕ１０に上記膨張用接着剤シール層Ｓ２を形成している。
この場合、最も外側に配設したセルユニットＵ１，Ｕ１１には、セルフレーム２０とセパレータ１５の凸部１７との間に通常のシール層Ｓ５を形成する。
【００２７】
なお、図６に示すモジュール４０は、十一枚のセルユニットＵ１〜Ｕ１１からなるものを例示しているが、これに限るものではなく、モジュールをなすセルユニットＵの枚数を適宜増減できることは勿論である。
【００２８】
これにより、例えばいずれかのモジュール４０に含まれるセルユニットＵに故障が生じたときにも、そのモジュール４０だけを交換することで対処できるようになる。
【００２９】
上記した実施形態においては、膨張用接着剤シール層Ｓ２を所要の厚みｔ１とすることにより、セルユニットＵ（モジュール４０）の膨張変形に伴って生じる応力の変動に弾性的に追従させることができる。
【００３０】
図７は、第三の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図である。なお、本実施形態においても、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
第三の実施形態に係る燃料電池スタックＡ３は、複数のセルユニット（単セル）ＵＡを図示しない一対のエンドプレート間に積層させ、かつ、それらのエンドプレートにより、それらセルユニットＵＡどうしを挟圧している点で上記した燃料電池スタックＡ１と同等のものである。
【００３２】
本実施形態において示すセルユニット（単セル）ＵＡは、上記したセルフレーム２０とは異なるセルフレーム２０Ａを採用している。
セルフレーム２０Ａは上記したものと同じく樹脂製のものであり、本実施形態においては、セルユニットＵＡの積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成されている。すなわち、上記した鍔部２２を外周縁部に形成していないものである。
【００３３】
上記した構成からなるセルフレーム２０Ａを用いた場合、接着用片１８と膨張用接着剤シール層Ｓ２を含むようにして、セルフレーム２０Ａ，２０Ａの外周縁部間にシール層Ｓ７を形成する。
これにより、シール層Ｓ６がセルユニットＵ，Ｕ間の防水壁として機能する。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した各実施形態においては、範囲Ｌで示す一点鎖線で示す輪郭線部分のみに膨張用接着剤シール層を径背した例について説明したが、両輪郭線部分双方に膨張用接着剤シール層を形成してもよいことは勿論である。
【００３５】
以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１５        セパレータ
３０        膜電極接合体
２０        セルフレーム
４０        燃料電池モジュール
Ａ１〜Ａ３  燃料電池スタック
Ｓ２        膨張用接着剤シール層
Ｕ，ＵＡ    セルユニット
α          積層方向
【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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【図７】
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