(57)【要約】【課題】スタック構造を有する燃料電池において、積層方向の締結荷重による、セパレータの端部における変形や破損を防止する技術を提供することを目的とする。【解決手段】アノード側セパレータ４１ｂでは、接着剤Ｂｂは、アノード側セパレータ４１ｂの４辺のうち、上下辺に沿って直線状に、また、嵌合部４１８の周囲、および貫通孔４１２ｉ等の周囲を囲むように塗布されている。また、カソード側セパレータ４７ｂでも、同様の箇所に接着剤Ｂｂが塗布されている。セパレータ４１ｂ、４７ｂの上下辺に沿って直線状に塗布された接着剤Ｂｂは、セパレータの端部において上記した締結加重を支えるための、支持部材として機能する。【選択図】図４
2008034278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の両面に配置された１対の電極と、１対の前記電極の外側に配置された１対のセパレータとを備える単電池を、複数積層した積層体を有し、前記積層体の積層状態を維持するために積層方向に締結荷重がかけられている燃料電池であって、
前記セパレータの外周部に形成され、少なくとも反応ガスを流すための貫通孔と、
前記１対のセパレータの間に配置され、前記セパレータの外周部の前記貫通孔が形成されていない部位において、前記締結荷重を支えるための支持部材と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
少なくとも前記貫通孔の周囲の一部に沿って形成されたシール部材をさらに有し、
前記支持部材は、前記シール部材と一体化して形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
１対の前記セパレータと、前記シール部材と、前記支持部材と、によって、閉塞空間を形成しないことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のうちの任意のひとつに記載の燃料電池であって、
前記支持部材は、接着剤から成ることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、単電池を複数積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜と、電解質膜の両面に配置された１対の電極と、その外側に配置された１対のセパレータとを備える単電池を、複数積層した積層体を有する燃料電池スタックにおいて、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを通って、各単電池のアノードにそれぞれ供給される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールドを通って、各単電池のカソードにそれぞれ供給される。これらのマニホールドは、それぞれ、燃料電池スタックを、積層方向に貫通している。各セパレータには、外周部に貫通孔が設けられており、単電池を積層した際に、それら貫通孔が、マニホールドを構成することになる。従来から、上記単電池において、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏洩を防止するために、１対のセパレータ間にシール部材を配設することがある。例えば、上記したセパレータに設けられた貫通孔の周囲、および発電部の周囲に、シール部材を設けるものが提案されている (特許文献１)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２３９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池スタックにおいて、上記したシール部材によるシール性を高めるためや、燃料電池スタック内における接触不良による電池性能の低下を抑制するために、燃料電池スタックの積層方向に、締結加重が加えられている場合がある。例えば、上記した積層体の両端にエンドプレートを備え、エンドプレートの四隅にそれぞれテンションロッドを貫通させ、そのテンションロッドの両端にそれぞれナットを螺合させて締め付けることにより、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重を加える方法がある。
【０００５】
従来の燃料電池スタックにおけるセパレータの平面図を図７(ａ)に、燃料電池スタックを、図７(ａ)におけるＡ−Ａで切断した場合の断面図を図７（ｂ）に示す。
【０００６】
図７(ａ)に示すように、セパレータ４１の外周部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流すための貫通孔４１６ｉ等が設けられており、貫通孔の周囲に沿ってシール部材Ｓが設けられている。また、発電部の周囲に沿ってシール部材Ｓが設けられている。なお、図７(ａ)において、シール部材Ｓを斜線ハッチングで示している。
例えば、燃料電池スタックにおいて、ＭＥＡ４８をセパレータ４１で挟持した単電池を積層する際の位置ずれによって、セパレータを両側から押圧するシール部材Ｓのシールラインが互いにずれているものとする。このとき、燃料電池スタックを、図７(ａ)におけるＡ−Ａで切断した場合の断面図をみると、図７（ｂ）に示すように、ＭＥＡ４８の上部にシール部材Ｓが設けられている。上記したように、セパレータを両側から押圧するシール部材Ｓのシールラインが互いにずれているため、図７（ｂ）において、矢印で示すような押圧力がかかり、曲げ応力が働く。従って、金属のセパレータの場合、図７(ｂ)において破線で示すようにセパレータが曲がり、セパレータの端部が接触して電気的に短絡する恐れがあった。また、カーボンのセパレータの場合は、上記のように、シール部材Ｓのシールラインがずれた場合に、シール部材で押圧されている位置から割れが生じる恐れがあった。
【０００７】
従って、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、スタック構造を有する燃料電池において、積層方向の締結荷重による、セパレータの端部における変形や破損を防止する技術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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の両面に配置された１対の電極と、１対の前記電極の外側に配置された１対のセパレータとを備える単電池を、複数積層した積層体を有し、前記積層体の積層状態を維持するために積層方向に締結荷重がかけられている燃料電池であって、前記セパレータの外周部に形成され、少なくとも反応ガスを流すための貫通孔と、前記１対のセパレータの間に配置され、前記セパレータの外周部の前記貫通孔が形成されていない部位において、前記締結荷重を支えるための支持部材とを備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明の燃料電池では、セパレータの外周部において、貫通孔が形成されていない部位に、支持部材が配置されている。従って、反応ガスが流れる貫通孔の周囲および発電部の周囲にシール部材が配置されている場合に、セパレータの両側からセパレータを押圧するシール部材の位置が、互いにずれることによって、曲げ応力が加わっても、セパレータの端部が支持部材によって支持されているため、セパレータは曲がりにくい。従って、金属製のセパレータの場合、セパレータが曲がってセパレータの端部同士が接触することがなく、電気的な短絡を防止することができる。また、カーボン製のセパレータの場合も同様に、シール部材の位置がずれている箇所における割れを防止することができる。
【００１０】
上記した燃料電池において、少なくとも前記貫通孔の周囲の一部に沿って形成されたシール部材をさらに有し、前記支持部材は、前記シール部材と一体化して形成されていることが好適である。
【００１１】
本明細書中において、シール部材としては、例えば、シールガスケット、シールガスケット一体型ＭＥＡ、接着シール等を含む種々の形態を利用することができる。そして、シール部材は、貫通孔の周囲を囲むように形成されるものであってもよいし、例えば、反応ガス流路と連通する箇所はシール部材を設けないような形状としてもよい。このようにシール部材を設けると、反応ガスの流通を妨げることがなく、好適である。
【００１２】
本発明の燃料電池は、上記した燃料電池において、支持部材がシール部材と一体化して形成されているため、部品点数を減らすことができ、燃料電池スタックの組み付けが容易になる。
【００１３】
上記した燃料電池において、１対の前記セパレータと、前記シール部材と、前記支持部材と、によって、閉塞空間を形成しないことが好ましい。
【００１４】
本明細書中において、閉塞空間とは、閉じた空間であり、他の空間と繋がる開口部がない空間をいう。例えば、貫通孔の周囲に沿って形成されたシール部材と、そのシール部材と一体的に形成された支持部材とによって、閉塞した枠（例えば、四角形状の枠）が形成された場合に、１対のセパレータの間に、その支持部材を配置すると、セパレータと、支持部材と、シール部材とによって、閉塞空間が形成される場合が想定できる。
【００１５】
本発明の燃料電池では、１対のセパレータと、シール部材と、支持部材と、によって閉塞された閉塞空間を形成しない。そのため、以下のような効果を奏する。
例えば、セパレータと、支持部材と、シール部材と、によって閉塞空間が形成される場合、燃料電池の運転時に自己発熱により、閉塞空間の空気は膨張し、シール部材や支持部材を越えて、貫通孔側に流入することがある。そうすると、貫通孔の周囲に形成されたシール部材のシール性能が低下し、貫通孔を流れる反応ガスが外部へ流出することがある。しかしながら、本発明の燃料電池によれば、閉塞空間が形成されないため、貫通孔の周囲に形成されたシール部材を越えて気体が移動しようとする力が働かない。従って、シール性能の低下を防止することができる。
【００１６】
上記した燃料電池において、前記支持部材は、接着剤から成るものであってもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池は、支持部材が接着剤から成るため、単電池が一体化される。そのため、単電池を複数積層する場合に、セパレータ、電極、電解質膜等をそれぞれ積層する場合に比較して、燃料電池スタックの組み付けが容易になり、また、組み付け精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ：変形例
【００１９】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の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、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池スタック１００は、図示する通り、単電池４０ａを所定数積層して形成される。単電池４０ａ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。本実施例では、各単電池４０ａは、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されているものとする。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の単電池４０ａ、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口や、流路が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。なお、冷却水を流すための冷却水流路が形成された冷却水セパレータが、単電池４０ａを５つ積層した毎に１つ配設されている(図示しない)。
【００２１】
燃料電池スタック１００には、また、図示するように、テンションプレート８０が備えられている。燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００内における接触不良による電池性能の低下を抑制し、また、シール部材のシール性能を十分に得るために、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられ、テンションプレート８０をボルト８２によって燃料電池スタック１００の両端のエンドプレート１０、７０に固定することによって、各単電池４０ａは、積層方向に所定の締結力で締結されている。
【００２２】
なお、エンドプレート１０、７０、および、テンションプレート８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０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３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、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。
【００２３】
次に、単電池４０ａについて、図２に基づいて説明する。図２（ａ）は、アノード側セパレータ４１ａの、アノード側拡散層４２と当接する面を示す平面図である。図示するように、アノード側セパレータ４１ａは、平面略正方形状を成す平板であり、その外周部に、平面略長方形状を成す貫通孔である水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏ、空気供給用貫通孔４１４ｉ、空気排出用貫通孔４１４ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および冷却水排出用貫通孔４１６ｏが形成されている。そして、図２（ｃ）に示す膜電極接合体（以下、単に「ＭＥＡ」ともいう。）４８が勘合するように、平面略正方形の凹状を成す嵌合部４１８が形成されている。さらに、水素供給用貫通孔４１２ｉおよび水素排出用貫通孔４１２ｏと連通し、溝状を成す水素流路４１２ｐが形成されている。
【００２４】
図２（ｂ）は、カソード側セパレータ４７ａの、カソード側拡散層４６と当接する面を示す平面図である。図示するように、カソード側セパレータ４７ａも、上記したアノード側セパレータと同様の平面略正方形状を成す平板であり、その外周部には、平面略長方形状を成す貫通孔である水素供給用貫通孔４７２ｉ、水素排出用貫通孔４７２ｏ、空気供給用貫通孔４７４ｉ、空気排出用貫通孔４７４ｏ、冷却水供給用貫通孔４７６ｉ、および冷却水排出用貫通孔４７６ｏが形成されている。そして、上記したアノード側セパレータ４１ａと同様に、平面略正方形状を成す嵌合部４７８が形成され、さらに、空気供給用貫通孔４７４ｉ、空気排出用貫通孔４７４ｏと連通し、溝状を成す空気流路４７４ｐが形成されている。
なお、本実施例において、セパレータ４１ａ、４７ａはステンレス鋼製の平板を用いるものとするが、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよいし、カーボン製の平板を用いるものとしてもよい。
【００２５】
図２（ｃ）は、単電池４０ａを図２（ａ）におけるＡ−Ａで切断した場合の断面図である。単電池４０ａは、アノード側拡散層４２、アノード４３、電解質膜４４、カソード４５、カソード側拡散層４６の順に積層されたＭＥＡ４８を、アノード側拡散層４２の側に配置されたアノード側セパレータ４１ａと、カソード側拡散層４６の側に配置されたカソード側セパレータ４７ａとによって、挟持することにより構成される。本実施例において、電解質膜４４としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、アノード４３およびカソード４５としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボンクロスより形成された触媒電極を、それぞれ用いるものとした。拡散層４２、４６としてはカーボン多孔体を用いるものとした。このような拡散層４２、４６を用いることにより、アノード４３およびカソード４５の全面に効率よく拡散させてガスを供給することができる。なお、電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、電極は、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトにより形成してもよい。
【００２６】
単電池４０ａは、アノード側セパレータ４１ａおよびカソード側セパレータ４７ａに塗布された接着剤Ｂａによって、一体化されている。図２に基づいて、接着剤Ｂａの塗布ライン(斜線ハッチング部分)について、以下に説明する。ここで、接着剤Ｂａとしては、シリコーン、エポキシ樹脂、エポキシ変性シリコーン、オレフィン、オレフィン変性シリコーンなどの材料を利用することができる。
アノード側セパレータ４１ａでは、図２（ａ）に示すように、接着剤Ｂａは、アノード側セパレータ４１ａの外周を、各辺に沿って一周するように、塗布されている。また、接着剤Ｂａは、ＭＥＡ４８が勘合する嵌合部４１８の周囲、および貫通孔４１２ｉ、４１２ｏ、４１４ｉ、４１４ｏ、４１６ｉ、４１６ｏの周囲を囲むように、塗布されている。但し、水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏの周囲のうち、水素流路が形成されている箇所には、水素の流入、流出を阻害しないように、接着剤Ｂａは塗布されていない。
【００２７】
また、同様に、カソード側セパレータ４７ａでは、図２(ｂ)に示すように、接着剤Ｂａは、カソード側セパレータ４７ａの外周を、各辺に沿って一周するように、塗布されている。また、接着剤Ｂａは、ＭＥＡ４８が勘合する嵌合部４７８の周囲、および貫通孔４７２ｉ、４７２ｏ、４７４ｉ、４７４ｏ、４７６ｉ、４７６ｏの周囲を囲むように塗布されている。但し、空気供給用貫通孔４７４ｉ、空気排出用貫通孔４７４ｏの周囲のうち、空気流路が形成されている箇所には、空気の流入、流出を阻害しないように、接着剤Ｂａは塗布されていない。
【００２８】
そして、図２（ａ）、（ｂ）において、アノード側セパレータ４１ａの下辺と、カソード側セパレータ４７ａの上辺とが接着され、アノード側セパレータ４１ａの上辺と、カソード側セパレータ４７ａの下辺とが接着されるように、間にＭＥＡ４８を挟みこんで押圧荷重を加え、接着剤Ｂａを硬化させることによって、一体化された単電池４０ａが形成される。そうすると、嵌合部４１８、４７８および各貫通孔の周囲に塗布された接着剤Ｂａは、水素、空気、冷却水の漏洩を防止するためのシール部材として機能する。一方、セパレータ４１ａ、４７ａの各辺に沿って一周するように塗布された接着剤Ｂａは、セパレータの端部において上記した締結加重を支えるための支持部材として機能する。なお、接着剤Ｂａを硬化させる際に、押圧荷重が加えられているため、接着剤Ｂａは広がり、図２（ｃ）に示すように、セパレータ４１ａ、４７ａの端部まで接着剤Ｂａが及ぶ。
上記したように、本実施例における接着剤Ｂａが、本請求項におけるシール部材および支持部材に相当する。この効果については、後ほど詳しく説明する。
【００２９】
以上のように構成された単電池４０ａを、複数積層して燃料電池スタック１００を構成すると、水素供給用貫通孔４１２ｉ、４７２ｉによって、燃料電池スタック１００の積層方向に貫通する水素供給用マニホールドが形成される(図示しない)。同様に、水素排出用貫通孔４１２ｏ、４７２ｏによって水素排出用マニホールドが、空気供給用貫通孔４１４ｉ、４７４ｉによって空気供給用マニホールドが、空気排出用貫通孔４１４ｏ、４７４ｏによって空気排出用マニホールドが、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、４７６ｉによって冷却水供給用マニホールドが、冷却水排出用貫通孔４１６ｏ、４７６ｏによって冷却水排出用マニホールドが形成される(図示しない)。そして、水素タンク(図示せず)から燃料電池スタック１００に供給された水素は、水素供給用マニホールドを通って、各単電池４０ａの水素流路４１２ｐに分配されてアノード４３に供給され、電極反応に用いられなかった水素は、水素排出用マニホールドを通って燃料電池スタック１００から排出される。同様に、大気からポンプ（図示せず)で加圧されて燃料電池スタック１００に供給された空気は、空気供給用マニホールドを通って、各単電池４０ａの空気流路４７４ｐに分配されてカソード４５に供給され、電極反応に用いられなかった空気は、空気排出用マニホールドを通って燃料電池スタック１００から排出される。燃料電池スタック１００に供給された冷却水は、冷却水供給用マニホールドを通って、複数の冷却水セパレータに分配され、冷却水流路を通って単電池を冷却した後、冷却水排出用マニホールドを通って燃料電池スタック１００から排出される。
【００３０】
Ａ２．効果：
本実施例における燃料電池スタック１００の効果について、図３に基づいて、以下に説明する。図３は、燃料電池スタック１００を、図２（ａ）におけるＡ−Ａで切断した場合の断面図である。なお、図３において、複数のセパレータ４１ａおよび４７ａのうち、一部のセパレータについてのみ、セパレータを押圧する押圧力を矢印で記載し、その他は省略した。
従来の燃料電池スタックでは、「発明が解決しようとする課題」で述べたように、セパレータの外周部において、貫通孔が形成されていない箇所においては、セパレータを両側から押圧する押圧力の荷重点が互いにずれると、曲げ応力が働いて、セパレータが曲がる恐れがあった(図７（ｂ）)。
しかしながら、本実施例における燃料電池スタック１００では、カソード側セパレータ４１ａおよびアノード側セパレータ４７ａそれぞれの外周を、各辺に沿って一周するように、接着剤Ｂａが塗布されている。すなわち、図３に示すように、貫通孔が形成されていない箇所（図３における上部）においても、セパレータ４１ａ、４７ａの端部は、接着剤Ｂａによって支持されている。そのため、単電池４０ａを複数積層した際の位置ずれ等によって、セパレータ４１ａ、４７ａを両側から押圧している接着剤Ｂａの位置が互いにずれた場合であっても、セパレータ４１ａ、４７ａの端部が支持されているため、セパレータは曲がらない。従って、セパレータの外周部における変形を防止することができる。
【００３１】
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成：
第２の実施例の燃料電池スタックの構成は、単電池４０ｂにおける接着剤Ｂｂの塗布ライン以外は、第１の実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じであるため、説明を省略する。以下、本実施例の単電池４０ｂにおける接着剤Ｂｂの塗布ライン(図４における斜線ハッチング部)について図４に基づいて説明する。
【００３２】
図４（ａ）は、アノード側セパレータ４１ｂの、アノード側拡散層４２と当接する面を示す平面図である。アノード側セパレータ４１ｂでは、図４(ａ)に示すように、接着剤Ｂｂは、アノード側セパレータ４１ｂの４辺のうち、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および冷却水排出用貫通孔４１６ｏが形成されている側の２辺(上下辺)に沿って直線状に、また、ＭＥＡ４８が勘合する嵌合部４１８の周囲、および貫通孔４１２ｉ、４１２ｏ、４１４ｉ、４１４ｏ、４１６ｉ、４１６ｏの周囲を囲むように塗布されている。但し、水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏの周囲のうち、水素流路４１２ｐが形成されている箇所には、水素の流入、流出を阻害しないように、接着剤Ｂｂは塗布されていない。
【００３３】
図４（ｂ）は、カソード側セパレータ４７ｂのカソード側拡散層４６と当接する面を示す平面図である。カソード側セパレータ４７ｂでは、図４(ｂ)に示すように、接着剤Ｂｂは、カソード側セパレータ４７ｂの４辺のうち、冷却水排出用貫通孔４７６ｏおよび冷却水供給用貫通孔４７６ｉが形成されている側の２辺(上下辺)に沿って直線状に、また、ＭＥＡ４８が勘合する嵌合部４１８の周囲、および貫通孔４７２ｉ、４７２ｏ、４７４ｉ、４７４ｏ、４７６ｉ、４７６ｏの周囲を囲むように塗布されている。但し、空気供給用貫通孔４７４ｉ、空気排出用貫通孔４７４ｏの周囲のうち、空気流路４７４ｐが形成されている箇所には、空気の流入、流出を阻害しないように、接着剤Ｂｂは塗布されていない。
【００３４】
そして、第１の実施例と同様に、図４（ａ）、（ｂ）において、アノード側セパレータ４１ｂの下辺と、カソード側セパレータ４７ｂの上辺とが接着され、アノード側セパレータ４１ｂの上辺と、カソード側セパレータ４７ｂの下辺とが接着されるように、間にＭＥＡ４８を挟みこんで押圧荷重を加え、接着剤Ｂｂを硬化させることによって、一体化された単電池４０ｂが形成される(図４(ｃ))。そうすると、嵌合部４１８、４７８および各貫通孔の周囲に塗布された接着剤Ｂａは、水素、空気、冷却水の漏洩を防止するためのシール部材として機能する。一方、セパレータ４１ｂ、４７ｂの上下辺に沿って直線状に塗布された接着剤Ｂｂは、セパレータの端部において上記した締結加重を支えるための、支持部材として機能する。なお、接着剤Ｂａを硬化させる際に、押圧荷重が加えられているため、接着剤Ｂａは広がり、図４（ｃ）に示すように、セパレータ４１ａ、４７ａの端部まで接着剤Ｂａが及ぶ。
上記したように、本実施例における接着剤Ｂｂが、本請求項におけるシール部材および支持部材に相当する。
【００３５】
Ｂ２．効果：
本実施例の燃料電池スタックでは、セパレータ４１ｂ、４７ｂの外周部の貫通孔が形成されていない箇所において、セパレータ４１ｂ、４７ｂの上下辺に沿って接着剤Ｂｂが塗布されている。そのため、貫通孔が形成されていない箇所において、両側からセパレータ４１ｂ、４７ｂを押圧する接着剤Ｂｂの塗布ラインが互いにずれたとしても、第１の実施例と同様に、セパレータ４１ｂ、４７ｂの端部が接着剤Ｂｂによって支持されているため、セパレータは曲がらない。従って、セパレータの外周部における変形を防止することができる。
【００３６】
また、例えば、第１の実施例のように接着剤Ｂｂを塗布した場合、セパレータ４１ｂ、４７ｂの角部において、接着剤Ｂｂの塗布ラインによって閉塞した枠が形成され、アノード側セパレータ４１ｂとカソード側セパレータ４７ｂとを接着して、一体化した単電池４０ｂを構成した場合に、閉塞空間(図２（ｃ）におけるＯ)ができる。単電池４０ｂを構成する際は、加圧しながら接着するため、閉塞空間の空気がその圧力により、接着剤Ｂｂの塗布ラインを割って、貫通孔の方へ流出する恐れがある。また、燃料電池スタックの運転および停止時の温度変化により、閉塞空間の空気が膨張および収縮し、閉塞空間の空気が貫通孔の方へ流出したり、逆に、貫通孔から閉塞空間へ水素や空気が流入したりする恐れがある。すなわち、上記のように閉塞空間の空気が膨張および収縮することにより、接着剤Ｂｂによる接着部分のいずれかが、剥れてシール部材としての機能が損なわれる恐れがある。
【００３７】
しかしながら、本実施例の燃料電池は、アノード側セパレータ４１ｂの上下辺に沿って塗布された接着剤Ｂｂと、貫通孔４１２ｉ、４１２ｏ、４１４ｉ、４１４ｏの周囲に塗布された接着剤Ｂｂとは、結合していない。同様に、カソード側セパレータ４７ｂの上下辺に沿って塗布された接着剤Ｂｂと、貫通孔４７２ｉ、４７２ｏ、４７４ｉ、４７４ｏの周囲に塗布された接着剤Ｂｂとは、結合していない。すなわち、接着剤Ｂｂは、支持部材として機能する部分と、シール部材として機能する部分とにおいて、閉塞した枠を形成していない。従って、アノード側セパレータ４１ｂとカソード側セパレータ４７ｂとを接着して単電池４０ｂを一体的に形成した場合であっても、単電池４０ｂの内部に閉塞空間が形成されず、空気が溜まらないため、貫通孔の周囲に塗布された接着剤Ｂｂが剥れて、シール部材としての機能が損なわれるのを防止することができる。
【００３８】
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ１．燃料電池スタックの構成：
第３の実施例の燃料電池スタックの構成は、単電池４０ｃにおける接着剤Ｂｃの塗布ライン以外は、第１の燃料電池スタック１００の構成と同じであるため、説明を省略する。以下、本実施例における単電池４０ｃにおける接着剤Ｂｃの塗布ライン(図５における斜線ハッチング部)について図５に基づいて説明する。
【００３９】
図５（ａ）は、アノード側セパレータ４１ｃの、アノード側拡散層４２と当接する面を示す平面図である。アノード側セパレータ４１ｃにおいて、図５(ａ)に示すように、接着剤Ｂｃは、嵌合部４１８の周囲、および貫通孔４１２ｉ、４１２ｏ、４１４ｉ、４１４ｏ、４１６ｉ、４１６ｏの周囲を囲むように塗布されている。さらに、接着剤Ｂｃは、アノード側セパレータ４１ｃの上下辺に沿って、点状に塗布されている。
【００４０】
また、図５（ｂ）は、カソード側セパレータ４７ｃのカソード側拡散層４６と当接する面を示す平面図である。カソード側セパレータ４７ｃにおいて、図５（ｂ）に示すように、接着剤Ｂｃは、嵌合部４７８の周囲、および貫通孔４７２ｉ、４７２ｏ、４７４ｉ、４７４ｏ、４７６ｉ、４７６ｏの周囲を囲むように塗布されている。さらに、接着剤Ｂｃは、カソード側セパレータ４７ｃの上下辺に沿って、点状に塗布されている。なお、第１の実施例と同様に、水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏの周囲において、水素流路４１２ｐが形成されている箇所、および空気供給用貫通孔４７４ｉ、空気排出用貫通孔４７４ｏの周囲において、空気流路４７４ｐが形成されている箇所には、水素および酸素の流入、流出を阻害しないように、接着剤Ｂｃが塗布されていない。
【００４１】
そして、第１の実施例と同様に、図５（ａ）、（ｂ）において、アノード側セパレータ４１ｃの下辺と、カソード側セパレータ４７ｃの上辺とが接着され、アノード側セパレータ４１ｃの上辺と、カソード側セパレータ４７ｃの下辺とが接着されるように、間にＭＥＡ４８を挟みこんで押圧荷重を加え、接着剤Ｂｃを硬化させることによって、一体化された単電池４０ｃが形成される(図５(ｃ))。そうすると、嵌合部４１８、４７８、および各貫通孔の周囲に塗布された接着剤Ｂｃは、水素、空気、冷却水の漏洩を防止するためのシール部材として機能する。一方、セパレータ４１ｃ、４７ｃの上下辺に沿って点状に塗布された接着剤Ｂｃは、セパレータの端部において上記した締結加重を支えるための、支持部材として機能する。
上記したように、本実施例における接着剤Ｂｃが、本請求項におけるシール部材および支持部材に相当する。
【００４２】
Ｃ２．効果：
本実施例の燃料電池スタックでは、セパレータ４１ｃ、４７ｃの外周部の貫通孔が形成されていない箇所において、セパレータ４１ｃ、４７ｃの上下辺に沿って点状に接着剤Ｂｂが塗布されている。そのため、貫通孔が形成されていない箇所において、両側からセパレータ４１ｃ、４７ｃを押圧する接着剤Ｂｃの塗布ラインが互いにずれたとしても、第１の実施例と同様に、セパレータ４１ｃ、４７ｃの端部が接着剤Ｂｃによって支持されているため、セパレータは曲がらない。従って、セパレータの外周部における変形を防止することができる。
【００４３】
また、本実施例の燃料電池スタックは、接着剤Ｂｃの、シール部材として機能する部分と、セパレータにかかる締結荷重を支える支持部材として機能する部分とによって、閉塞された枠を形成していない。従って、アノード側セパレータ４１ｃとカソード側セパレータ４７ｃとを接着して単電池４０ｃを一体に形成した場合であっても、第２の実施例と同様に、単電池４０ｃの内部に閉塞空間が形成されず、空気が溜まらないため、貫通孔の周囲に塗布された接着剤Ｂｃが剥れて、シール部材としての機能が損なわれるのを防止することができる。
【００４４】
さらに、本実施例の燃料電池スタックにおいて、接着剤Ｂｃは、嵌合部４１８の周囲および貫通孔の周囲以外は、点状に塗布されているため、接着剤Ｂｃの量を少なくすることができる。従って、燃料電池スタックのコストおよび重量を低減することができる。
【００４５】
Ｄ．第４の実施例：
Ｄ１．燃料電池スタックの構成：
第４の実施例の燃料電池スタックの構成は、単電池４０ｄの構成以外は、第１の燃料電池スタック１００の構成と同じであるため、説明を省略する。以下、本実施例における単電池４０ｄの構成について図６に基づいて説明する。なお、図６において、シールガスケット４９に設けられているリブＲを、斜線ハッチングで示している。
【００４６】
図６(ａ)は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４８９の、アノード側セパレータ４１ｄと当接する面を示す平面図、図６（ｂ）は単電池４０ｄを図６(ａ)におけるＡ−Ａで切断した場合の断面図である。
シールガスケット４９は、図６(ａ)に示すように、平面略正方形状を成すＭＥＡ４８の外周に、電解質膜４４を包み込むように形成されている。そして、シールガスケット４９には、平面略長方形状を成す貫通孔である水素供給用貫通孔４９２ｉ、水素排出用貫通孔４９２ｏ、空気供給用貫通孔４９４ｉ、空気排出用貫通孔４９４ｏ、冷却水供給用貫通孔４９６ｉ、冷却水排出用貫通孔４９６ｏが形成されている。そして、これら各貫通孔およびＭＥＡ４８の周囲には、凸状を成すリブＲがシールガスケット４９と一体的に設けられている。さらに、シールガスケット４９の上下辺に沿って直線状に、リブＲがシールガスケット４９と一体的に設けられている。各貫通孔およびＭＥＡ４８の周囲に設けられたリブＲは、水素、空気、冷却水の漏洩を防止するためのシール部材として機能し、シールガスケット４９の上下辺に沿って設けられたリブＲは、上記した締結加重を支えるための支持部材として機能する。なお、この効果については、後ほど詳しく説明する。本実施例では、シールガスケット４９として、シリコーンゴムを用いるものとするが、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。
上記したように、本実施例におけるリブＲが、本請求項におけるシール部材および支持部材に相当する。
【００４７】
アノード側セパレータ４１ｄは、第１の実施例におけるアノード側セパレータ４１ａと同様に、平面略正方形状を成す平板であり、その外周部に、シールガスケット４９に形成された複数の貫通孔と同一の貫通孔が形成されている。さらに、水素供給用貫通孔および水素排出用貫通孔と連通し、溝状を成す水素流路４１２ｐが形成されている(図６（ｂ）)。
同様に、カソード側セパレータ４７ｄは、第１の実施例におけるカソード側セパレータ４７ａと同様に、平面略正方形状を成す平板であり、その外周部に、シールガスケット４９に形成された複数の貫通孔と同一の貫通孔が形成されている。さらに、空気供給用貫通孔および空気排出用貫通孔と連通し、溝状を成す空気流路７４７ｐが形成されている(図６（ｂ）)。
なお、本実施例において、アノード側セパレータ４１ｄおよびカソード側セパレータ４７ｄは、カーボン製の平板を用いるものとするが、これに限られず、ステンレス、チタン、アルミ等の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【００４８】
そして、図６（ｂ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４８９を、アノード側セパレータ４１ｄおよびカソード側セパレータ４７ｄによって両側から挟持することによって、単電池４０ｄが形成される。単電池４０ｄを複数積層すると、セパレータ４１ｄ、４７ｄ、およびシールガスケット一体型ＭＥＡ４８９それぞれに形成された貫通孔によって、積層方向に貫通したマニホールドが形成される。そして、第１の実施例と同様に、燃料電池スタックに、燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての空気、および冷却媒体としての冷却水が供給される。
【００４９】
Ｄ２．効果：
従来の燃料電池スタックのシールガスケット一体型ＭＥＡでは、ＭＥＡの周囲および貫通孔の周囲を囲むようにリブが設けられている。そして、燃料電池スタックを構成した場合に、セパレータは、リブによって両側から押圧されている。ここで、積層時にセパレータの両側に配置されるリブの位置が互いにずれたり、燃料電池スタックの運転時に、ガス圧によりリブの形状が変形したりすることがあったため、セパレータを両側から押圧する荷重点がずれることがあった。セパレータを両側から押圧する荷重点がずれると、「発明が解決しようとする課題」に述べたように、曲げ応力が働くため、カーボン製のセパレータの場合、割れが生じる恐れがあった。
【００５０】
しかしながら、本実施例の燃料電池スタックでは、シールガスケット４９の上下辺に沿って直線状にリブＲが形成されている。そのため、例えば、セパレータ４１ｄ、４７ｄを両側から押圧しているリブＲの位置がずれている場合でも、セパレータの端部が、支持部材として機能するリブＲによって支持されているため、セパレータは曲がらない。従って、セパレータの外周部における割れを防止することができる。
【００５１】
Ｅ．変形例：
上記した第１および第２の実施例において、支持部材として接着剤を用いるものを示したが、シールガスケットを用いるものとしてもよい。また、第３の実施例において、支持部材として接着剤を点状に塗布するものを示したが、球状または柱状の部材を用いるものとしてもよい。
【００５２】
また、上記した実施例において、支持部材は、セパレータの辺に沿って一周するように形成するもの（第１の実施例）、セパレータの向かい合う２辺に沿って直線状に形成するもの(第２の実施例)、セパレータの向かい合う２辺に沿って点状に形成するもの(第３の実施例)を示したが、本発明の支持部材は、この形状に限定されない。例えば、セパレータの角部に鉤状に形成したり、セパレータの辺に沿って鎖線状に形成する等、種々の形状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の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】第１の実施例におけるセパレータ４１ａ、４７ａの平面図、および単電池４０ａの断面図である。
【図３】第１の実施例における燃料電池１００の断面図である。
【図４】第２の実施例におけるセパレータ４１ｂ、４７ｂの平面図、および単電池４０ｂの断面図である。
【図５】第３の実施例におけるセパレータ４１ｃ、４７ｃの平面図、および単電池４０ｃの断面図である。
【図６】第４の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４８９の平面図、および単電池４０ｄの断面図である。
【図７】従来の燃料電池におけるセパレータ４１の平面図、および燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ…単電池
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ…アノード側セパレータ
４２…アノード側拡散層
４３…アノード
４４…電解質膜
４５…カソード
４６…カソード側拡散層
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ…カソード側セパレータ
４９…シールガスケット
５０…集電板
６０…絶縁板
７０…エンドプレート
８０…テンションプレート
８２…ボルト
１００…燃料電池スタック
４１２ｉ…水素供給用貫通孔
４１２ｏ…水素排出用貫通孔
４１２ｐ…水素流路
４１４ｉ…空気供給用貫通孔
４１４ｏ…空気排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４１８…嵌合部
４７２ｉ…水素供給用貫通孔
４７２ｏ…水素排出用貫通孔
４７４ｉ…空気供給用貫通孔
４７４ｏ…空気排出用貫通孔
４７４ｐ…空気流路
４７６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４７６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４７８…嵌合部
４９２ｉ…水素供給用貫通孔
４９２ｏ…水素排出用貫通孔
４９４ｉ…空気供給用貫通孔
４９４ｏ…空気排出用貫通孔
４９６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４９６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４８９…シールガスケット一体型ＭＥＡ
Ｏ…閉塞空間
Ｒ…リブ
Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ…接着剤
Ｓ…シール部材
【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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