(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックを提供する。【解決手段】電解質膜１、電解質膜の一方の表面中央部に備えられる第１触媒層２ａ及び他方の表面中央部に備えられる第２触媒層３ａ、並びに、電解質膜の一方の側の外縁部に配設される第１定形部材１０及び他方の側の外縁部に配設される第２定形部材１１、を有する構造体１６と、該構造体の一方の側に積層される第１セパレータ５及び他方の側に積層される第２セパレータ６と、を有する積層体を具備し、第１定形部材と電解質膜との間、及び、第２定形部材と電解質膜との間に、弾性部材９が備えられ、積層体の積層方向へ圧縮圧力が加えられた際に、弾性部材が弾性体として機能し得る空間を確保可能な空間確保部１０ｘ、１１ｘが、第１定形部材、第２定形部材、及び／又は、第１定形部材と第２定形部材との間、に備えられている、燃料電池スタックとする。【選択図】図１
2008004448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、該電解質膜の一方の表面中央部に備えられる第１触媒層及び前記電解質膜の他方の表面中央部に備えられる第２触媒層、並びに、前記電解質膜の前記一方の側の外縁部に配設される第１定形部材及び前記電解質膜の前記他方の側の外縁部に配設される第２定形部材、を有する構造体と、該構造体の前記一方の側に積層される第１セパレータ及び前記構造体の前記他方の側に積層される第２セパレータと、を有する積層体を具備し、
前記第１定形部材と前記電解質膜との間、及び、前記第２定形部材と前記電解質膜との間に、弾性部材が備えられ、
前記積層体の積層方向へ圧縮圧力が加えられた際に、前記弾性部材が弾性体として機能し得る空間を確保可能な空間確保部が、前記第１定形部材、前記第２定形部材、及び／又は、前記第１定形部材と前記第２定形部材との間、に備えられていることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記電解質膜の寸法が変化した時に、該電解質膜の寸法変化に追従して変形し得る材料によって、前記弾性部材が構成されてい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】
前記弾性部材が、フッ素ゴム、又は、シリコーンゴムにより構成されることを特徴とする、請求項１又は２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し、特に、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述することがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述することがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力（以下、「圧縮圧力」ということがある。）が加えられる。
【０００４】
ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００５】
このように、ＰＥＦＣの単セルには、水素含有ガス、酸素含有ガス、及び、水等、様々な物質が存在し得る。ここで、アノード触媒層及びカソード触媒層に備えられる触媒へ多くの水素及び酸素を供給して、ＰＥＦＣの発電性能を向上させる等の理由から、単セルは気密性を高くする必要がある。そのため、ＰＥＦＣの単セルには、例えば、電解質膜の外縁部（電解質膜の中央部に形成される触媒層の周囲の少なくとも一部）に、ガスシール機能等を備えるシール部材が配設され、上記締結圧力が加えられる一対のシール部材を介して電解質膜が狭持されることにより、上記様々な物質の単セル外への漏洩が防止されている。
【０００６】
ＰＥＦＣに備えられるシール部材に関する技術として、特許文献１には、二面から面圧を受けて少なくとも二つの空間における流体の漏洩を防止するシール部材であって、該シール部材の他の部位と弾性率が異なる面方向の層状の部位が形成されてなるシール部材が開示されている。さらに、特許文献１には、当該シール部材を備える燃料電池に関する技術も開示されている。そして、かかる技術によれば、弾性率が異なる面方向の層状の部位を形成することにより、面圧を作用する一方または双方の面の熱などによる寸法変化に追従することができ、高い界面のシール性と、面圧方向すなわち積層方向の定形性が確保されることにより、燃料電池の性能と信頼性を向上させることができる、としている。
【特許文献１】特開２０００−１８２６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、ＰＥＦＣの運転時に水が生成されるため、電解質膜は膨張し得る。これに対し、ＰＥＦＣの停止時には、水素含有ガス及び酸素含有ガスが供給されず、水が生成されない。それゆえ、ＰＥＦＣの停止時には電解質膜が乾燥して収縮し得る。したがって、ＰＥＦＣの運転／停止が繰り返されると、電解質膜の膨張／収縮が繰り返され得る。一方で、上述のように、ＰＥＦＣの単セルの気密性は、一対のシール部材を介して電解質膜が狭持されることによって保たれる。ここで、膨張／収縮が繰り返される電解質膜の外縁部は、一対のシール部材を介して締結圧力が加えられているため、電解質膜が膨張／収縮を繰り返すと、電解質膜の外縁部に応力が集中し、電解質膜が損傷しやすいという問題がある。
【０００８】
特許文献１に開示されているシール部材には、弾性率が異なる面方向の層状の部位が形成されている。そのため、締結圧力が加えられている環境下においても、当該層状の部位が弾性体として機能し得る状態が確保されていれば、電解質膜の寸法変化に追従することができ、電解質膜の損傷を抑制することが可能になると考えられる。ところが、スタック形態で使用されるＰＥＦＣの締結圧力は、例えば、１ＭＰａ程度等の圧力であるため、特許文献１に開示されている形態のシール部材を適用しても、電解質膜の外縁部への応力集中を緩和することは困難であり、電解質膜の損傷を抑制し難いという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の本発明は、電解質膜、該電解質膜の一方の表面中央部に備えられる第１触媒層及び電解質膜の他方の表面中央部に備えられる第２触媒層、並びに、電解質膜の一方の側の外縁部に配設される第１定形部材及び電解質膜の他方の側の外縁部に配設される第２定形部材、を有する構造体と、該構造体の一方の側に積層される第１セパレータ及び構造体の他方の側に積層される第２セパレータと、を有する積層体を具備し、第１定形部材と電解質膜との間、及び、第２定形部材と電解質膜との間に、弾性部材が備えられ、積層体の積層方向へ圧縮圧力が加えられた際に、弾性部材が弾性体として機能し得る空間を確保可能な空間確保部が、第１定形部材、第２定形部材、及び／又は、第１定形部材と第２定形部材との間、に備えられていることを特徴とする、燃料電池スタックである。
【００１１】
ここで、「電解質膜の外縁部」とは、構造体の第１触媒層側及び第２触媒層側に拡散層が備えられない場合には、電解質膜の全表面（Ｘ）から、電解質膜と第１触媒層との接触面（Ｙ１）及び電解質膜と第２触媒層との接触面（Ｙ２）を除いた部分（Ｘ−Ｙ１−Ｙ２）を意味する。また、構造体の第１触媒層側及び／又は第２触媒層側に、第１拡散層及び／又は第２拡散層が備えられる場合には、上記外縁部（Ｘ−Ｙ１−Ｙ２）から、さらに、電解質膜と第１拡散層との接触面（Ｚ１）及び／又は電解質膜と第２拡散層との接触面（Ｚ２）を除いた部分（第１拡散層が備えられる場合；Ｘ−Ｙ１−Ｙ２−Ｚ１、第２拡散層が備えられる場合；Ｘ−Ｙ１−Ｙ２−Ｚ２、第１拡散層及び第２拡散層が備えられる場合；Ｘ−Ｙ１−Ｙ２−Ｚ１−Ｚ２）が電解質膜の外縁部に相当する。加えて、「第１定形部材と電解質膜との間、及び、第２定形部材と電解質膜との間に、弾性部材が備えられ」とは、電解質膜の上記外縁部に備えられる第１定形部材及び第２定形部材と電解質膜の外縁部表面との間に、弾性部材が備えられることを意味する。すなわち、本発明において、弾性部材は、電解質膜の外縁部にのみ備えられる。さらに、「積層体の積層方向」とは、上記構造体と第１セパレータ及び第２セパレータとが積層される方向を意味する。さらにまた、「空間確保部が、第１定形部材、第２定形部材、及び／又は、第１定形部材と第２定形部材との間、に備えられている」とは、「第１定形部材にのみ備えられる形態」、「第２定形部材にのみ備えられる形態」、「第１定形部材及び第２定形部材にのみ備えられる形態」、「第１定形部材と第２定形部材との間にのみ備えられる形態」、「第１定形部材に加え、第１定形部材と第２定形部材との間に備えられる形態」、「第２定形部材に加え、第１定形部材と第２定形部材との間に備えられる形態」、又は「第１定形部材及び第２定形部材に加え、第１定形部材と第２定形部材との間に備えられる形態」のいずれかの形態で、空間確保部が備えられていることを意味する。
【００１２】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、電解質膜の寸法が変化した時に、該電解質膜の寸法変化に追従して変形し得る材料によって、弾性部材が構成されていることを特徴とする。
【００１３】
ここに、「電解質膜の寸法変化に追従して変形し得る」とは、圧縮圧力が加えられている構造体において、電解質膜が収縮した場合には、収縮した電解質膜からの引張応力を受けて弾性部材の形状が変化し得ること、及び、電解質膜が膨張した場合には、膨張した電解質膜からの圧縮応力を受けて弾性部材の形状が変化し得ること、を意味する。
【００１４】
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックにおいて、弾性部材が、フッ素ゴム、又は、シリコーンゴムにより構成されることを特徴とする。
【００１５】
ここに、弾性部材を構成し得るフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム（ＦＫＭ）、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテル系ゴム（ＦＦＫＭ）等を例示することができる。また、弾性部材を構成し得るシリコーンゴムとしては、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素化シリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等を例示することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、空間確保部が備えられるので、電解質膜の外縁部に配設される弾性部材が、弾性体として機能し得る形態で備えられる。そのため、電解質膜の寸法が変化しても、弾性部材の形状が、当該寸法変化に追従して変化することができ、電解質膜の外縁部に集中し得る応力が低減される結果、電解質膜の損傷を低減できる。したがって、本発明によれば、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ＰＥＦＣの運転／停止が繰り返されることにより膨潤／収縮し得る電解質膜は、その外縁部が、シール機能等を有する定形部材を介して狭持されている。ＰＥＦＣでは、通常、接触抵抗を低減すること等を目的として、スタックの両端側から締結圧力が加えられているため、電解質膜の膨潤／収縮が繰り返されると、定形部材を介して狭持された外縁部に応力が集中し、損傷しやすい。かかる損傷を抑制するには、電解質膜の外縁部へと加えられる応力を低減することが有効であり、これを実現するための手段として、上記外縁部と接触する部材の少なくとも一部を弾性材料で構成することが考えられる。ところが、スタック形態のＰＥＦＣでは、その両端側から、１ＭＰａもの締結圧力が加えられるため、単に、定形部材の一部を弾性材料で構成しても、当該弾性材料に求められる弾性体としての機能が発揮され難い。定形部材に要求されるシール機能を確保しつつ、電解質膜の損傷を抑制するためには、弾性材料が弾性体として機能し得る構成とすることが重要になる。
【００１８】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、定形部材と電解質膜との間に弾性部材を配置するとともに、締結圧力が加えられた環境であっても当該弾性部材が弾性体として機能することを可能にする空間確保部が、一対の定形部材のいずれか若しくは双方、又はこれらの間に備えられる形態とすることにより、電解質膜の損傷を低減し得る燃料電池スタックを提供することにある。
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。
【００２０】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる積層体（以下、「単セル」ということがある。）の一部のみを拡大して示している。図２は、図１に示す形態の単セルを備える本発明の燃料電池スタックの形態例を示す概略図である。以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
【００２１】
図１に示すように、第１実施形態にかかる単セル２０は、電解質膜１と、該電解質膜１の一方の表面中央部に備えられる第１触媒層２ａ及び他方の中央部に備えられる第２触媒層３ａと、電解質膜１の上記一方の側に備えられる第１拡散層２ｂ及び上記他方の側に備えられる第２拡散層３ｂと、を有し、電解質膜１の外縁部は上記一方の側に配設される枠型形状の第１定形部材１０及び上記他方の側に配設される枠型形状の第２定形部材１１を介して狭持され、第１定形部材１０及び第２定形部材１１と電解質膜１との間に、弾性部材９が備えられている。単セル２０のアノード２は、第１触媒層（以下、「アノード触媒層」という。）２ａ及び第１拡散層（以下、「アノード拡散層」という。）２ｂを備え、カソード３は、第２触媒層（以下、「カソード触媒層」という。）３ａ及び第２拡散層（以下、「カソード拡散層」という。）３ｂを備え、ＭＥＡ４は、電解質膜１と、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａとを備えている。単セル２０に備えられる構造体１６は、ＭＥＡ４と、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、弾性部材９と、第１定形部材１０及び第２定形部材１１と、を備え、該構造体１６の上記一方の側に第１セパレータ５が、上記他方の側に第２セパレータ６が、それぞれ積層されている。第１セパレータ５には第１反応ガス流路７、７、…が、第２セパレータ６には第２反応ガス流路８、８、…が、それぞれ備えられ、本発明の燃料電池スタックの作動時には、第１反応ガス流路７、７、…からアノード２へ水素が供給されるとともに、第２反応ガス流路８、８、…からカソード３へ酸素が供給される。そして、単セル２０の第１定形部材１０及び第２定形部材１１には、それぞれ、空間確保部１０ｘ及び１１ｘが備えられ、空間確保部１０ｘ及び１１ｘによって、積層方向における、弾性部材９及び電解質膜１の空間が確保されている。
【００２２】
ここで、第１実施形態にかかる単セル２０において、電解質膜１は、炭化水素系のアイオノマーを有する固体高分子膜（例えば、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標））である。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａには、電気化学反応の触媒として機能する白金が備えられ、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂは、カーボンペーパー等により構成されている。さらに、第１定形部材１０及び第２定形部材１１は、例えば、ガラスエポキシ等の樹脂により構成され、弾性部材９は、フッ素ゴム等により構成されている。また、単セル２０において、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間には、接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤等。以下において同じ。）が配設されるとともに、弾性部材９と第１定形部材１０及び第２定形部材１１との間にも、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル２０の気密性が確保されている。
【００２３】
一方で、図２に示すように、第１実施形態にかかる燃料電池スタック１００は、複数の単セル２０、２０、…と、積層された複数の単セル２０、２０、…の両端側に備えられる板状部材２１、２２と、板状部材２１、２２を介して単セル２０、２０、…の積層方向に締結圧力（圧縮圧力）を加える締結手段２３と、が備えられ、単セル２０、２０、…、板状部材２１、２２、及び、締結手段２３は、外枠体２４に収容されている。
【００２４】
このように、燃料電池スタック１００では、積層方向に圧縮圧力が加えられる。そのため、第１定形部材１０及び第２定形部材１１を介して狭持される電解質膜１の外縁部等に、圧縮圧力が加えられ、電解質膜１の膨潤／収縮が繰り返されると、当該外縁部に応力が集中しやすい。そこで、単セル２０では、第１定形部材１０に空間確保部１０ｘが備えられるとともに、第２定形部材１１に空間確保部１１ｘが備えられる形態とし、第１定形部材１０及び第２定形部材１１と電解質膜１との間に弾性部材９を配設している。かかる構成とすれば、単セル２０の気密性を確保しつつ、空間確保部１０ｘ及び１１ｘによって、弾性部材９及び電解質膜１の外縁部が積層方向へ過度に圧縮されることを防止でき、燃料電池スタック１００の作動時であっても、弾性部材９を弾性体として機能させることが可能になる。すなわち、第１実施形態によれば、燃料電池スタック１００（単セル２０）の作動時及び停止時において、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１の外縁部へと加えられる圧縮応力を低減できる。加えて、単セル２０によれば、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１が膨潤／収縮することにより、弾性部材９と接着剤によって接着された電解質膜１の寸法が変化しても、弾性部材９が、電解質膜１の寸法変化に追従して変形できる。そのため、特に、乾燥等により電解質膜１が収縮しても、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間に形成され得る隙間を最小限に抑えることができるので、電解質膜１の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜１の損傷を低減することが可能になる。
【００２５】
２．第２実施形態
図３は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部のみを拡大して示している。第２実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックは、例えば、図２の単セル２０、２０、…を、第２実施形態にかかる単セルへ置換した形態で使用される。図３において、図１に示される部材と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図３を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
【００２６】
図３に示すように、第２実施形態にかかる単セル３０は、電解質膜１と、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａとを備えるＭＥＡ４と、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、枠型形状の第１定形部材１２及び第２定形部材１３と、該第１定形部材１２及び第２定形部材１３と電解質膜１の外縁部との間に配設される弾性部材９と、を具備する構造体１７を備えている。構造体１７の一方の側には、第１セパレータ５が、他方の側には第２セパレータ６がそれぞれ積層されている。そして、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間、並びに、弾性部材９と第１定形部材１２及び第２定形部材１３との間には、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル３０の気密性が確保されている。
【００２７】
図３に示すように、単セル３０では、第１定形部材１２にのみ、空間確保部１２ｘが備えられ、第２定形部材１３には空間確保部が備えられていない。かかる形態であっても、単セル３０には、第１定形部材１２に空間確保部１２ｘが備えられているので、第１定形部材１２及び第２定形部材１３を介して圧縮圧力が加えられる環境であっても、空間確保部１２ｘによって、弾性部材９及び電解質膜１の外縁部が過度に潰されるのを防止でき、弾性部材９を弾性体として機能させることができる。すなわち、第２実施形態であっても、単セル３０の作動時及び停止時において、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１の外縁部へと加えられる圧縮圧力を低減できる。加えて、単セル３０の形態であっても、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１が膨潤／収縮することにより、弾性部材９と接着剤によって接着された電解質膜１の寸法が変化しても、弾性部材９が、電解質膜１の寸法変化に追従して変形できる。そのため、例えば、電解質膜１が収縮しても、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間に形成され得る隙間の形成を防止すること、又は、当該隙間の大きさを最小限に抑えることができる。それゆえ、電解質膜１の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜１の損傷を抑制することが可能になる。したがって、単セル３０が備えられる形態の燃料電池スタックであっても、電解質膜の損傷を低減することができる。
【００２８】
第２実施形態にかかる上記説明では、第１定形部材１２にのみ空間確保部１２ｘが備えられ、第２定形部材１３に空間確保部が備えられない形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されず、第２定形部材にのみ空間確保部が備えられ、第１定形部材に空間確保部が備えられない形態とすることも可能である。
【００２９】
３．第３実施形態
図４は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部のみを拡大して示している。第３実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックは、例えば、図２の単セル２０、２０、…を、第３実施形態にかかる単セルへ置換した形態で使用される。図４において、図１及び／又は図２に示される部材と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図４を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
【００３０】
図４に示すように、第３実施形態にかかる単セル４０は、電解質膜１と、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａとを備えるＭＥＡ４と、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、枠型形状の第１定形部材１４、第２定形部材１３、及び、空間確保部１５と、該第１定形部材１４、第２定形部材１３、及び、空間確保部１５と電解質膜１の外縁部との間に配設される弾性部材９と、を具備する構造体１８を備えている。構造体１８の一方の側には、第１セパレータ５が、他方の側には第２セパレータ６がそれぞれ積層されている。そして、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間、並びに、弾性部材９と第１定形部材１４、第２定形部材１３、及び、空間確保部１５との間には、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル４０の気密性が確保されている。
【００３１】
図４に示すように、単セル４０では、第１定形部材１４と第２定形部材１３との間に空間確保部１５が備えられ、第１定形部材１４及び第２定形部材１３には空間確保部が備えられていない。かかる形態であっても、単セル４０には、第１定形部材１４と第２定形部材１３との間に空間確保部１５が備えられているので、第１定形部材１４及び第２定形部材１３を介して圧縮圧力が加えられる環境であっても、空間確保部１５によって、弾性部材９及び電解質膜１の外縁部が過度に潰されるのを防止でき、弾性部材９を弾性体として機能させることができる。すなわち、第３実施形態であっても、単セル４０の作動時及び停止時において、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１の外縁部へと加えられる圧縮圧力を低減できる。加えて、単セル４０の形態であっても、弾性部材９の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜１が膨潤／収縮することにより、弾性部材９と接着剤によって接着された電解質膜１の寸法が変化しても、弾性部材９が、電解質膜１の寸法変化に追従して変形できる。そのため、例えば、電解質膜１が収縮しても、電解質膜１の外縁部と弾性部材９との間に形成され得る隙間の形成を防止すること、又は、当該隙間の大きさを最小限に抑えることができる。それゆえ、電解質膜１の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜１の損傷を抑制することが可能になる。したがって、単セル４０が備えられる形態の燃料電池スタックであっても、電解質膜の損傷を低減することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池スタックに備えられる空間確保部の、積層方向の長さは、弾性部材を弾性体として機能させ得る長さであれば特に限定されるものではない。ただし、乾燥している時の電解質膜の膜厚をＴとするとき、膨潤時には、電解質膜の膜厚が２Ｔ程度になることがある。そのため、空間確保部の積層方向の長さ（図１に示される第１実施形態では空間確保部１０ｘ及び１１ｘの積層方向の長さの合計、図３に示される第２実施形態では空間確保部１２ｘの積層方向の長さ、図４に示される第３実施形態では空間確保部１５の積層方向の長さ）は２．５Ｔ以上とすることが好ましい。一方で、上記積層方向の長さを長くし過ぎると、単セルの容積が増え、燃料電池スタックの発電密度が低下する虞があるため、２００Ｔ以下とすることが好ましい。積層方向のより好ましい長さは、２．５Ｔ以上１００Ｔ以下である。
【００３３】
また、上記積層方向を法線方向とする面と平行な方向（例えば、図１〜４における左右方向。以下、「面方向」という。）における、電解質膜の外縁部と空間確保部との間隔、すなわち、当該間隔を満たす弾性部材の、面方向の厚さは、弾性部材によって電解質膜外縁部へと加えられる応力を緩和し得る厚さが確保されていれば、特に限定されない。ただし、平面方向の膜の変形を吸収するという観点から、当該厚さは５ｍｍ以上とすることが好ましく、スタックの体積をなるべく小さくするという観点から、当該厚さは２０ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましい面方向の厚さは、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００３４】
加えて、本発明の実施形態の説明では、弾性部材の材料として、フッ素ゴムを例示したが、弾性部材の材料はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタックの作動環境において弾性体として機能し得る材料であれば、他の材料を用いることも可能である。当該他の材料としては、シリコーンゴム等を例示することができる。
【００３５】
さらに、上記説明では、電解質膜として、炭化水素系のアイオノマーを有する固体高分子膜を例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられる電解質膜は、これに限定されない。電解質膜の他の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系のアイオノマーを有する固体高分子膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標））を挙げることができる。
【００３６】
さらに、上記説明では、第１定形部材及び第２定形部材と弾性部材とが一体に形成されていない形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。上記第１実施形態における第１定形部材と弾性部材、若しくは、上記第１実施形態における第２定形部材と弾性部材、又は、上記第２実施形態における第１定形部材と弾性部材、若しくは、上記第２実施形態における第２定形部材と弾性部材、又は、上記第３実施形態における第１定形部材と弾性部材、上記第３実施形態における空間確保部と弾性部材、若しくは、上記第３実施形態における第２定形部材と弾性部材が、一体に形成されていてもよい。かかる形態であっても、単セルに空間確保部及び弾性部材が備えられていれば、圧縮圧力が加えられた環境であっても弾性部材を弾性体として機能させることができるので、電解質膜の損傷を低減することが可能になる。
【００３７】
なお、これまで、単セルにアノード拡散層及びカソード拡散層が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルは、当該形態に限定されない。図示の形態のほか、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられない形態とすることも可能である。アノード拡散層が備えられない場合には、アノード触媒層へ水素が供給される形態とし、カソード拡散層が備えられない場合には、カソード触媒層へ酸素が供給される形態とすればよい。また、これまで、反応ガス流路が備えられる形態の第１セパレータ及び第２セパレータ（以下、まとめて単に「セパレータ」という。）が備えられる単セルを例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられるセパレータは、当該形態に限定されない。第１セパレータに反応ガス流路が備えられない場合には、例えば、焼結金属等により構成されるアノード拡散層（アノード拡散層が備えられない場合はアノード触媒層）へ水素が供給される形態とし、第２セパレータに反応ガス流路が備えられない場合には、例えば、焼結金属等により構成されるカソード拡散層（カソード拡散層が備えられない場合はカソード触媒層）へ酸素が供給される形態とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部を示す断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる単セルを備える燃料電池スタックの形態例を示す概略図である。
【図３】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部を示す断面図である。
【図４】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  電解質膜
２  アノード
２ａ  アノード触媒層（第１触媒層）
２ｂ  アノード拡散層
３  カソード
３ａ  カソード触媒層（第２触媒層）
３ｂ  カソード拡散層
４  ＭＥＡ
５  第１セパレータ
６  第２セパレータ
７、８  反応ガス流路
９  弾性部材
１０、１２、１４  第１定形部材
１１、１３  第２定形部材
１０ｘ、１１ｘ、１２ｘ、１５  空間確保部
１６、１７、１８  構造体
２０、３０、４０  単セル（積層体）
１００  燃料電池スタック
【図１】
2008004448.tif 000003
【図２】
2008004448.tif 000004
【図３】
2008004448.tif 000005
【図４】
2008004448.tif 000006