(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール性能の低下を抑制する。【解決手段】膜電極接合体（４１１ｍ，４１１ａ，４１１ｃ）の周囲にシールガスケット４１０を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータ４２を介在させて複数積層することによって燃料電池モジュール４０を構成する。そして、セパレータ４２は、膜電極接合体における発電に供する反応ガス等を、セパレータ４２の厚さ方向に流すための複数の貫通孔（例えば、水素供給用貫通孔４２４ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ）を備え、セパレータ４２の表面における貫通孔の周囲に、膜電極接合体ユニットを挟んで隣接する他のセパレータ４２と当接することによって、反応ガス等をシールするシール部材４２８が接着される。【選択図】図４
2008218200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたシールガスケットと、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータを介在させて複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、または、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスを、前記セパレータの厚さ方向に流すための複数の貫通孔と、
前記セパレータの少なくとも一方の表面における前記貫通孔の周囲に接着され、隣接して配置される他のセパレータの表面における前記貫通孔の周辺部と当接することによって、前記反応ガス、または、前記オフガスをシールするシール部材と、
を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記シール部材は、前記セパレータの両面に接着されており、
前記セパレータに接着されたシール部材と、前記他のセパレータに接着されたシール部材とは、互いに係合する係合部を備える、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
前記シールガスケットは、該シールガスケットの表面から突出し、前記セパレータと当接するリップ部を備えており、
前記膜電極接合体の周縁部は、前記シールガスケットにおける前記リップ部が配置されている領域の内部に埋設されている、燃料電池スタック。
【請求項４】
電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたシールガスケットと、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータを介在させて複数積層した燃料電池スタックの製造方法であって、
前記膜電極接合体ユニットを製造する工程と、
前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、または、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスを、厚さ方向に流すための複数の貫通孔を有する前記セパレータを製造する工程と、
前記セパレータの少なくとも一方の表面における前記貫通孔の周囲に、隣接して配置される他のセパレータの表面における前記貫通孔の周辺部と当接することによって、前記反応ガス、または、前記オフガスをシールするシール部材を接着する工程と、
前記セパレータ、および、前記膜電極接合体ユニットを交互に積層する工程と、
を備える製造方法。
【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、および、燃料電池スタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜の両面にガス拡散電極（アノード、および、カソード）をそれぞれ接合した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させた燃料電池スタックがある。
【０００３】
そして、このような燃料電池スタックに関して、従来、燃料電池スタック内部からの反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）や、排出ガス等の漏洩を防止するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体とセパレータとの間にシール部材を介装する構成が記載されている。この技術において、シール部材には、複数の膜電極接合体にガスを分岐して流すためのマニホールドを構成し、燃料電池スタックの積層方向にガスを流すための貫通孔が形成されている。そして、このような構成の燃料電池スタックでは、一般に、シール部材のシール性を十分に得るために、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が加えられ、シール部材と、セパレータとの摩擦力によってシール性能が確保されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池スタック内部の反応ガスの流路には、ガス供給時に、例えば、２００〜３００（ｋＰａ）程度の高圧がかかる場合があるため、燃料電池スタックに上記締結荷重が加えられていても、この高圧によって、シール部材が変形して積層面に対して平行な方向に横ズレし、シール部材のシール性能が低下する場合があった。そして、このような不具合は、シール部材として、ゴム等の比較的剛性の低い材料を用いた場合に顕著だった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたシールガスケットと、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータを介在させて複数積層した燃料電池スタックであって、前記セパレータは、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、または、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスを、前記セパレータの厚さ方向に流すための複数の貫通孔と、前記セパレータの少なくとも一方の表面における前記貫通孔の周囲に接着され、隣接して配置される他のセパレータの表面における前記貫通孔の周辺部と当接することによって、前記反応ガス、または、前記オフガスをシールするシール部材と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池スタックでは、膜電極接合体ユニットが備えるシールガスケットによって、膜電極接合体のガス拡散電極中を流れる反応ガス、または、オフガスをシールする。また、セパレータに接着されたシール部材によって、セパレータに形成された上記貫通孔を流れる、すなわち、燃料電池スタックの積層方向に流れる反応ガス、または、オフガスをシールする。つまり、膜電極接合体のガス拡散電極中を流れるガスのシールと、燃料電池スタックの積層方向に流れるガスのシールとを、別部材によって行う。したがって、例えば、シール部材の剛性を、シールガスケットの剛性よりも高くする等、シールガスケットを形成するための材料と、シール部材を形成するための材料とを、両者にそれぞれ要求される性能に応じて、適宜、選択することができる。また、本発明では、シール部材は、セパレータの表面に接着されるので、燃料電池スタックの積層方向に流れるガスを、シール部材とセパレータとの摩擦力のみによってシールする場合と比較して、反応ガス供給時に、シール部材に高圧がかかったときの横ズレを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックへの反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
なお、上記燃料電池スタックにおいて、セパレータに接着されたシール部材と、このセパレータと隣接して配置される他のセパレータとの当接部には、別部材が介在していてもよい。この場合、上記別部材は、隣接して配置される他のセパレータに含まれる。
【００１０】
上記燃料電池スタックにおいて、前記シール部材は、前記セパレータの両面に接着されており、前記セパレータに接着されたシール部材と、前記他のセパレータに接着されたシール部材とは、互いに係合する係合部を備えるようにしてもよい。こうすることによって、複数のセパレータを積層するときの位置決め等を容易に行うことができる。
【００１１】
上記いずれかの燃料電池スタックにおいて、前記シールガスケットは、該シールガスケットの表面から突出し、前記セパレータと当接するリップ部を備えており、前記膜電極接合体の周縁部は、前記シールガスケットにおける前記リップ部が配置されている領域の内部に埋設されているようにすることが好ましい。
【００１２】
シールガスケットがリップ部を備える上記膜電極接合体ユニットは、一般に、膜電極接合体の周囲に射出成型によってシールガスケットが形成される。このような膜電極接合体ユニットでは、シールガスケットと膜電極接合体接合体との密着性が経時的に低下し、膜電極接合体接合体とシールガスケットとの界面を介して、アノードとカソードとの間の反応ガスのクロスリークが生じるようになる場合がある。
【００１３】
これに対して、本発明では、膜電極接合体の周縁部が、シールガスケットにおけるリップ部が配置されている領域の内部に埋設されているので、リップ部がセパレータと当接したときの押圧力、すなわち、燃料電池スタックに加えられる締結荷重が、膜電極接合体の周縁部とシールガスケットとの界面に加わり、シールガスケットと膜電極接合体との密着性が向上する。したがって、膜電極接合体接合体とシールガスケットとの界面を介して生じる、アノードとカソードとの間の反応ガスのクロスリークを抑制することができる。
【００１４】
なお、上記燃料電池スタックにおいて、上記リップ部は、シールガスケットに一体的に形成されているようにすることが好ましい。こうすることによって、リップ部を備えるシールガスケット、および、膜電極接合体ユニットを、射出成型によって、容易に製造することができる。
【００１５】
本発明は、上述の燃料電池スタックとしての構成の他、燃料電池スタックの製造方法の発明として構成することもできる。すなわち、本発明の燃料電池スタックの製造方法は、電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたシールガスケットと、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータを介在させて複数積層した燃料電池スタックの製造方法であって、前記膜電極接合体ユニットを製造する工程と、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、または、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスを、厚さ方向に流すための複数の貫通孔を有する前記セパレータを製造する工程と、前記膜電極接合体ユニットを挟んで隣接する他のセパレータと当接することによって、前記反応ガス、または、前記オフガスをシールするシール部材を、前記セパレータの表面における前記貫通孔の周囲に接着する工程と、前記セパレータ、および、前記膜電極接合体ユニットを交互に積層する工程と、を備えることを要旨とする。こうすることによって、先に説明した本発明の燃料電池スタックを製造することができる。なお、この燃料電池スタックの製造方法においても、先に示した付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ横長の略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００１８】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する空気供給口１２ｉが形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出口１２ｏが形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００１９】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２ｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気がそれぞれ供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２ｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００２０】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを一体的に備える膜電極接合体ユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００２１】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２２】
なお、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、燃料電池スタック１００の内部を流れるガスや、冷却水の漏洩を防止したりするために、スタック構造の積層方向に締結荷重が加えられ、図示しない締結部材によって締結されている。
【００２３】
Ｂ．燃料電池モジュール４０：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体ユニットと、セパレータとによって構成されている。以下、膜電極接合体ユニット、および、セパレータについて説明する。
【００２４】
Ｂ１．膜電極接合体ユニット：
図２は、膜電極接合体ユニット４１の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）に、膜電極接合体ユニット４１の平面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００２５】
図２（ａ）に示したように、膜電極接合体ユニット４１は、略矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０を、射出成型によって一体形成したものである。ＭＥＡ４１１は、図２（ｂ）に示したように、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれ、ガス拡散電極として、アノード４１１ａ、および、カソード４１１ｃを接合したものである。アノード４１１ａ、および、カソード４１１ｃは、それぞれ、図示しない触媒層とガス拡散層とを含んでいる。なお、本実施例では、シールガスケット４１０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００２６】
シールガスケット４１０の両面には、図示するように、シールガスケット４１０の表面から突出したライン状のリップ部４１０Ｒが形成されている。そして、膜電極接合体ユニット４１と後述するセパレータ４２とを積層したときに、このリップ部４１０Ｒによってシールラインが形成され、ＭＥＡ４１１の表面を流れるガス（水素、アノードオフガス、空気、カソードオフガス）の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００２７】
なお、本実施例の膜電極接合体ユニット４１において、ＭＥＡ４１１の周縁部は、図示するように、シールガスケット４１０におけるリップ部４１０Ｒが形成されている領域の内部にまで埋設されている。換言すれば、シールガスケット４１０におけるリップ部４１０Ｒは、ＭＥＡ４１１の周縁部を挟む領域に形成されている。この理由については、後から詳述する。
【００２８】
Ｂ２．セパレータ：
図３は、セパレータ４２の概略構成を示す説明図である。図３（ａ）に、セパレータ４２を、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する面側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、セパレータ４２の内部構造は、本願発明の本質的な部分ではないため、本明細書では、セパレータ４２の内部構造についての図示、および、詳細な説明は省略しているが、セパレータ４２は、例えば、複数の貫通孔を有する複数の金属性の平板を重ね合わせることによって形成され、セパレータ４２の内部には、水素や、空気や、冷却水の流路が形成されている。
【００２９】
図３（ａ）に示したように、セパレータ４２は、略矩形形状を有しており、先に説明したエンドプレート１０ａにおける空気供給口１２ｉと、カソードオフガス排出口１２ｏと、水素供給口１４ｉと、アノードオフガス排出口１４ｏと、冷却水供給口１６ｉと、冷却水排出口１６ｏとそれぞれ対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、エンドプレート１０ａにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００３０】
そして、セパレータ４２の表面における各貫通孔の周囲には、図示するように、シール部材４２８が接着されている。本実施例では、図３（ｂ）に示したように、セパレータ４２の一方の面にシール部材４２８を接着するものとした。また、シール部材４２８の剛性は、膜電極接合体ユニット４１のシールガスケット４１０の剛性よりも高いものとした。なお、図３（ａ）中に破線で示した領域は、図２に示した膜電極接合体ユニット４１が配置される領域を表しており、また、二点鎖線で示した領域は、膜電極接合体ユニット４１のＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。したがって、燃料電池スタック１００において、セパレータ４２に接着されたシール部材４２８は、後述するように、膜電極接合体ユニット４１を挟んで隣接する他のセパレータ４２と当接し、各貫通孔を流れるガスや、冷却水をシールする。
【００３１】
セパレータ４２におけるＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する領域（二点鎖線で示した領域）の下端部には、空気供給用貫通孔４２２ｉから、セパレータ４２の内部に形成された連通流路を介して、カソード４１１ｃに空気を供給するための複数の空気供給口４２２ｈｉが形成されている。また、セパレータ４２におけるＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する領域の上端部には、カソード４１１ｃから、セパレータ４２の内部に形成された連通流路を介して、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏにカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｈｏが形成されている。
【００３２】
Ｂ３．燃料電池モジュールの断面構造：
図４は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。図示するように、燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体ユニット４１（符号は図示せず）を、セパレータ４２によって挟持することによって構成される。そして、シールガスケット４１０の両面に形成されたリップ部４１０Ｒは、それぞれセパレータ４２に当接している。また、セパレータ４２に接着されたシール部材４２８は、膜電極接合体ユニット４１を挟んで隣接するセパレータ４２と当接している。
【００３３】
なお、図示するように、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａとセパレータ４２との間には、アノード４１１ａ、および、セパレータ４２とそれぞれ当接するように、金属多孔体４３が介装される。また、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃとセパレータ４２との間には、カソード４１１ｃ、および、セパレータ４２とそれぞれに当接するように、金属多孔体４３が介装される。これらの金属多孔体４３は、アノード４１１ａ、および、カソード４１１ｃに、反応ガスを拡散させつつ流すための流路を構成するとともに、アノード４１１ａとセパレータ４２との電気的な導通、および、カソード４１１ｃとセパレータ４２との電気的な導通を確保する機能を有している。金属多孔体４３の代わりに、ガス拡散性、および、導電性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００３４】
Ｃ．比較例、および、実施例の効果：
以下、上述した実施例の効果を明らかにするために、比較例としての燃料電池モジュールの構成について説明し、その後、実施例の効果について説明する。
【００３５】
Ｃ１．比較例の膜電極接合体ユニット：
図５は、比較例の燃料電池モジュール４０Ａを構成する膜電極接合体ユニット４１Ａの概略構成を示す説明図である。図５（ａ）に、膜電極接合体ユニット４１Ａの平面図を示した。また、図５（ｂ）に、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３６】
図５（ａ）に示したように、膜電極接合体ユニット４１Ａは、略矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０Ａを、射出成型によって一体形成したものである。ＭＥＡ４１１の構成は、先に説明した実施例と同じである。ただし、比較例の膜電極接合体ユニット４１Ａは、シールガスケット４１０Ａの構造が、上記実施例におけるシールガスケット４１０の構造と異なっている。すなわち、比較例のシールガスケット４１０Ａは、図１に示したエンドプレート１０ａの外形形状とほぼ同じ外形形状を有しており、エンドプレート１０ａにおける空気供給口１２ｉと、カソードオフガス排出口１２ｏと、水素供給口１４ｉと、アノードオフガス排出口１４ｏと、冷却水供給口１６ｉと、冷却水排出口１６ｏとそれぞれ対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏとが形成されている。
【００３７】
そして、シールガスケット４１０Ａの両面における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、図示するように、シールガスケット４１０Ａの表面から突出したライン状のリップ部４１０Ｒが形成されている。そして、比較例の膜電極接合体ユニット４１Ａと後述する比較例のセパレータ４２Ａとを積層したときに、このリップ部４１０Ｒによってシールラインが形成され、ＭＥＡ４１１の表面を流れるガス（水素、アノードオフガス、空気、カソードオフガス）や、上述した各貫通孔を流れるガスや、冷却水の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００３８】
なお、比較例の膜電極接合体ユニット４１Ａにおいて、ＭＥＡ４１１の周縁部は、図示したように、先に説明した実施例の膜電極接合体ユニット４１とは異なり、シールガスケット４１０Ａにおけるリップ部４１０Ｒが形成されている領域の内部には埋設されていない。
【００３９】
Ｃ２．比較例のセパレータ：
図６は、比較例の燃料電池モジュール４０Ａを構成するセパレータ４２Ａの構成を示す説明図である。図６（ａ）に、セパレータ４２Ａを、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する面側から見た平面図を示した。また、図６（ｂ）に、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００４０】
図６（ａ）に示したように、セパレータ４２は、略矩形形状を有しており、膜電極接合体ユニット４１Ａと同様に、先に説明したエンドプレート１０ａにおける空気供給口１２ｉと、カソードオフガス排出口１２ｏと、水素供給口１４ｉと、アノードオフガス排出口１４ｏと、冷却水供給口１６ｉと、冷却水排出口１６ｏとそれぞれ対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏとが形成されている。ただし、比較例のセパレータ４２Ａは、先に説明した実施例のセパレータ４２とは異なり、シール部材４２８を備えていない。
【００４１】
なお、図６（ａ）中に破線で示した領域は、膜電極接合体ユニット４１ＡのＭＥＡ４１１に対応する領域を示しており、セパレータ４２ＡにおけるＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する領域の下端部には、空気供給用貫通孔４２２ｉから、セパレータ４２の内部に形成された連通流路を介して、カソード４１１ｃに空気を供給するための複数の空気供給口４２２ｈｉが形成されている。また、セパレータ４２におけるＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する領域の上端部には、カソード４１１ｃから、セパレータ４２の内部に形成された連通流路を介して、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏにカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｈｏが形成されている。
【００４２】
Ｃ３．比較例の燃料電池モジュール４０の断面構造：
図７は、比較例の燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。図示するように、燃料電池モジュール４０Ａは、膜電極接合体ユニット４１Ａ（符号は図示せず）を、セパレータ４２Ａによって挟持することによって構成される。そして、シールガスケット４１０Ａの両面に形成されたリップ部４１０Ｒは、それぞれセパレータ４２Ａに当接している。なお、先に説明した実施例の燃料電池モジュール４０と同様に、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａとセパレータ４２Ａとの間、および、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃとセパレータ４２Ａとの間には、それぞれ金属多孔体４３が介装される。
【００４３】
Ｃ４．実施例の効果：
上述した比較例の燃料電池モジュール４０Ａでは、図５に示したように、膜電極接合体ユニット４１Ａのシールガスケット４１０Ａに、各種マニホールドを構成する複数の貫通孔が形成されており、反応ガスの供給時にかかる高圧によって、シールガスケット４１０Ａが変形し、図７中に白抜き矢印で示したように、積層面に対して平行な方向に横ズレし、シールガスケット４１０Ａのシール性能が低下する場合があった。そして、このような不具合は、シールガスケットとして、ゴム等の比較的剛性の低い材料を用いた場合に顕著だった。
【００４４】
これに対して、先に説明した実施例の燃料電池モジュール４０では、膜電極接合体ユニット４１のシールガスケット４１０には、各種マニホールドを構成する貫通孔が形成されていないため、上述したシールガスケット４１０の変形によるシール性能の低下は生じない。また、上記実施例の燃料電池モジュール４０では、セパレータ４２に形成された各種マニホールドを構成する貫通孔を流れるガスは、セパレータ４２に接着されたシール部材４２８によってシールされ、このシール部材４２８は、シールガスケット４１０とは異なる材料を適宜、選択して形成することができる。したがって、上記実施例のように、シール部材４２８を、シールガスケット４１０の剛性よりも高い剛性を有する材料を用いて形成することによって、シール部材４２８の変形、および、横ズレを抑制することができる。また、上記実施例では、シール部材４２８は、セパレータ４２の表面に接着されるので、燃料電池スタック１００の積層方向に流れるガスを、シール部材４２８とセパレータ４２との摩擦力のみによってシールする場合と比較して、反応ガス供給時に、シール部材４２８に高圧がかかったときの横ズレを、さらに抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１００への反応ガス供給時のシール部材４２８の変形によるシール性能の低下を抑制することができる。
【００４５】
図８は、実施例の他の効果を示す説明図である。図８（ａ）に、比較例の膜電極接合体ユニット４１Ａのシール構造の断面図を示した。また、図８（ｂ）に、実施例の膜電極接合体ユニット４１のシール構造の断面図を示した。
【００４６】
先に説明したように、膜電極接合体ユニット４１，４１Ａは、それぞれＭＥＡ４１１の周囲に、シールガスケット４１０，４１０Ａを射出成型によって形成されている。このような膜電極接合体ユニット４１，４１Ａでは、シールガスケット４１０，４１０ＡとＭＥＡ４１１との密着性が経時的に低下する場合がある。そして、比較例の膜電極接合体ユニット４１Ａでは、ＭＥＡ４１１の周縁部は、シールガスケット４１０Ａにおけるリップ部４１０Ｒが形成されている領域の内部には埋設されていないため、図８（ａ）中に破線矢印で示したように、燃料電池スタック１００に加えられる締結荷重は、ＭＥＡ４１１の周縁部とシールガスケット４１０Ａとの界面には作用せず、ＭＥＡ４１１とシールガスケット４１０Ａとの界面を介して、アノードとカソードとの間の反応ガスのクロスリークが生じるようになる場合がある。
【００４７】
これに対し、実施例の膜電極接合体ユニット４１では、ＭＥＡ４１１の周縁部が、シールガスケット４１０におけるリップ部４１０Ｒが形成されている領域の内部に埋設されているので、図８（ｂ）中に実線矢印で示したように、リップ部４１０Ｒがセパレータ４２と当接したときの押圧力、すなわち、燃料電池スタック１００に加えられる締結荷重が、ＭＥＡ４１１の周縁部とシールガスケット４１０との界面に加わり、シールガスケット４１０とＭＥＡ４１１との密着性を向上させることができる。したがって、ＭＥＡ４１１とシールガスケット４１０との界面を介して生じる、アノードとカソードとの間の反応ガスのクロスリークを抑制することができる。
【００４８】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４９】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、セパレータ４２の一方の面にシール部材４２８を接着するものとしたが、本発明は、これに限られない。セパレータ４２の両面にシール部材を接着するようにしてもよい。また、セパレータ４２に接着するシール部材の形状は、図３等に示した形状に限られず、任意に設定可能である。
【００５０】
図９は、変形例としての燃料電池モジュール４０Ｂの断面構造を示す説明図である。この燃料電池モジュール４０Ｂでは、図示するように、セパレータ４２Ｂの両面における各貫通孔の周囲に、それぞれシール部材４２８ｃ、および、シール部材４２８ａが接着されている。そして、シール部材４２８ｃ、および、シール部材４２８ａは、互いに係合可能な形状を有している。こうすることによって、複数のセパレータ４２Ｂを積層するときの位置決め等を容易に行うことができる。
【００５１】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極接合体ユニット４１において、ＭＥＡ４１１の周縁部は、シールガスケット４１０におけるリップ部４１０Ｒが形成されている領域の内部にまで埋設されているものとしたが、本発明は、これに限られない。ただし、上記実施例によれば、図８を用いて説明した、ＭＥＡ４１１とシールガスケット４１０との界面を介してのクロスリークを抑制することができる。
【００５２】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、あるセパレータ４２に接着されたシール部材と、このセパレータと隣接して配置される他のセパレータ４２とが直接的に当接するものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの間に別部材が介在するようにしてもよい。この場合、「別部材」は、「隣接して配置される他のセパレータ」に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】膜電極接合体ユニット４１の概略構成を示す説明図である。
【図３】セパレータ４２の概略構成を示す説明図である。
【図４】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図５】比較例の燃料電池モジュール４０Ａを構成する膜電極接合体ユニット４１Ａの概略構成を示す説明図である。
【図６】比較例の燃料電池モジュール４０Ａを構成するセパレータ４２Ａの構成を示す説明図である。
【図７】比較例の燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。
【図８】実施例の他の効果を示す説明図である。
【図９】変形例としての燃料電池モジュール４０Ｂの断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ…空気供給口
１２ｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０，４０Ａ，４２Ｂ…燃料電池モジュール
４１，４１Ａ…膜電極接合体ユニット
４１０，４１０Ａ…シールガスケット
４１０Ｒ…リップ部
４１１…ＭＥＡ
４１１ａ…アノード
４１１ｃ…カソード
４１１ｍ…電解質膜
４１２ｉ…空気供給用貫通孔
４１２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ…水素供給用貫通孔
４１４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２，４２Ａ…セパレータ
４２２ｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｈｉ…空気供給口
４２２ｈｏ…カソードオフガス排出口
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２８，４２８ａ，４２８ｃ…シール部材
４３…金属多孔体
【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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【図８】
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【図９】
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