(57)【要約】  高分子電解質膜の劣化を抑制した燃料電池モジュールを提供する。燃料電池モジュールは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の第１の主面に設けられたアノード触媒層と、高分子電解質膜の第２の主面に設けられたカソード触媒層と、一方がアノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層とを有する膜‐電極接合体と、膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材とを備え、一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。
2020121830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第１の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記高分子電解質膜の第２の主面に設けられたカソード触媒層と、
一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
を有する膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている、
燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部が設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記一対のガス拡散層は、前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層であって、
前記一対のセパレータは、前記膜‐電極接合体のアノードガス拡散層側に配置されたアノードセパレータ、および前記膜‐電極接合体のカソードガス拡散層側に配置され、前記アノードセパレータと対になって前記膜‐電極接合体を挟み込むカソードセパレータであって、
前記封止部材は、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記アノードセパレータとを接着して封止するアノード封止部材と、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記カソードセパレータとを接着して封止するカソード封止部材と、を有し、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノードガス拡散層は、前記アノード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記アノード封止部材と重なるアノード側内側領域を有し、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記カソードガス拡散層は、前記カソード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記カソード封止部材と重なるカソード側内側領域を有し、
前記アノードガス拡散層は、前記アノード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記アノードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記カソードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノード側内側領域と前記カソード側内側領域とが重ならない
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、
前記アノード側内側領域は、前記カソード側内側領域よりも外側に位置する外側部と、前記カソード側内側領域よりも内側に位置する内側部とを有する
請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、複数の貫通孔を含む
請求項４または５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、前記第１の主面に対して垂直な方向から見たときに、鋸歯状の切欠き部によって形成されている
請求項４または５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールが複数直列に接続されて積層された
燃料電池スタック。
【請求項９】
一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
を含む、燃料電池モジュールの製造方法。
【請求項１０】
第１の主面にアノード触媒層が設けられ、第２の主面にカソード触媒層が設けられた高分子電解質膜と、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、アノードセパレータおよびカソードセパレータと、アノード封止部材およびカソード封止部材と、を準備する準備工程をさらに含み、
前記ガス拡散層加工工程において、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層の外周部の少なくとも一部に空隙を形成し、
前記配置工程において、前記高分子電解質膜の前記アノード触媒層側に前記アノードガス拡散層を積層し、前記カソード触媒層側に前記カソードガス拡散層を積層して膜‐電極接合体を形成し、前記アノードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記アノード封止部材を配置し、前記カソードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記カソード封止部材を配置し、
前記接着工程において、前記膜‐電極接合体の前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとを前記アノード封止部材により接着し、前記膜‐電極接合体の前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとを前記カソード封止部材により接着して、前記膜‐電極接合体を前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータにより挟み込む
請求項９に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、膜‐電極接合体が一対のセパレータにより挟まれており、膜‐電極接合体と一対のセパレータのそれぞれとが、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂部により接着されて一体に接合されている。【０００３】
特許文献２に記載の膜‐電極接合体は、電極層の周端部に保護層が形成され、電極層と保護層とが厚み方向に重なる重複部を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１４９２６０号公報
【特許文献２】特開２００９−２１７９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、電解質膜の破損または劣化を抑制する燃料電池モジュールが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の燃料電池モジュールは、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第１の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記高分子電解質膜の第２の主面に設けられたカソード触媒層と、
一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
を有する膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。【０００７】
本開示の燃料電池スタックは、上述の燃料電池モジュールを複数有する。【０００８】
本開示の燃料電池モジュールの製造方法は、
一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によると、電解質膜の破損または劣化を抑制した燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池スタックの分解斜視図
【図２】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールの膜‐電極接合体および封止部材の平面図
【図３】図２の膜‐電極接合体のＡ−Ａ線断面図
【図４】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールのカソードガス拡散層の平面図
【図５】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールのアノードガス拡散層の平面図
【図６】図４および図５のガス拡散層の鋸歯状に加工された外周部の一部を拡大した図
【図７】図４および図５のガス拡散層の貫通孔が形成された外周部の一部を拡大した図
【図８】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールの構成部材の位置関係を示す断面図
【図９】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールの部分断面図
【図１０】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールの部分断面図
【図１１】本開示の実施の形態１にかかる燃料電池モジュールの製造方法の例示的なフローチャート
【図１２】本開示の実施の形態２にかかるカソード封止部材の平面図
【図１３】本開示の実施の形態２にかかるアノード封止部材の平面図
【図１４】本開示の実施の形態２にかかるカソードガス拡散層の平面図
【図１５】本開示の実施の形態２にかかるアノードガス拡散層の平面図
【図１６】本開示の実施の形態２にかかる燃料電池モジュールの部分断面図
【図１７】本発明の実施の形態３に係る燃料電池モジュールにおける電解質膜‐電極接合体と封止部材の平面図
【図１８】図１７の電解質膜‐電極接合体のＡ−Ａ線断面図
【図１９】本発明の実施の形態３に係る燃料電池モジュールの部分断面図
【図２０】本発明の実施の形態３に係る燃料電池モジュール部材の位置関係を示す部分断面図
【図２１】本発明の実施の形態３に係るガス拡散層の平面図
【図２２】外周部を鋸歯状に加工したガス拡散層の平面図
【図２３】外周部に貫通孔を加工したガス拡散層の平面図
【図２４】本発明の実施の形態３に係る燃料電池モジュールの部分断面図
【図２５】本発明の実施の形態３に係る燃料電池モジュールの製造方法の例示的なフローチャート
【図２６】従来の固体高分子形燃料電池の構成要素の断面図
【図２７】従来の燃料電池モジュールの部分断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示に至った経緯）
固体高分子形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気等の酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。以後、固体高分子形燃料電池をＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）と称する。ＰＥＦＣの基本的構成を図２６の断面図に示す。ＰＥＦＣは、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜１５００と、電解質膜１５００の両面に形成されたアノード電極１９００およびカソード電極２０００とを備える。
【００１２】
アノード電極１９００は、電解質膜１５００の第１主面１５１０に形成されるアノード触媒層１６００と、アノード触媒層１６００の外側に積層されるアノードガス拡散層１８１０とを有する。カソード電極２０００は、電解質膜１５００の第２主面１５２０に形成されるカソード触媒層１７００と、カソード触媒層１７００の外側に積層されるカソードガス拡散層１８２０とを有する。アノードガス拡散層１８１０およびカソードガス拡散層１８２０は、通気性および電子導電性の機能を有する。
【００１３】
このように、電解質膜１５００と電極１９００、２０００とが一体的に接合されて組み立てられたものが膜‐電極接合体１０００である。以後、膜‐電極接合体をＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称することもある。
【００１４】
ＭＥＡ１０００の断面図を図２７に示す。ＭＥＡ１０００のアノード電極１９００側にアノードセパレータ１１１０が設けられ、ＭＥＡ１０００のカソード電極２０００側にカソードセパレータ１１２０が設けられている。アノードセパレータ１１１０およびカソードセパレータ１１２０は、ＭＥＡ１０００を機械的に挟み込んで固定する。このように、ＭＥＡ１０００が一対のセパレータ１１１０、１１２０により挟まれた構造体が燃料電池モジュール（単電池モジュール）２１００である。また、セパレータ１１１０、１１２０は、隣接する燃料電池モジュール２１００を互いに電気的に直列に接続するための部材である。アノードセパレータ１１１０のＭＥＡ１０００と接触する部分には、アノード電極１９００に反応ガスを供給し生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路溝１３１０が形成されている。カソードセパレータ１１２０のＭＥＡ１０００と接触する部分にも同様にガス流路溝１３２０が形成されている。
【００１５】
ところで、燃料電池では反応ガスの利用効率の向上が重要な課題の一つである。利用効率を下げる要因としては、ガスの外部リーク、ガスのクロスリーク、ガスのショートカットがある。
【００１６】
反応ガスをガス流路溝１３１０、１３２０に供給するために、セパレータ１１１０、１１２０の縁部にマニホールド孔を設けて反応ガスを分配する。さらに、ガス流路溝１３１０、１３２０に供給する反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、ＭＥＡ１０００における電極形成部、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータ１１１０、１１２０の間には、封止部材９００が配置される。
【００１７】
図２６に示すＭＥＡ１０００の外縁には枠が嵌められている。ＭＥＡ１０００の外縁（周縁部）には、封止部材９００（ガスケット）が嵌められている。ＭＥＡ１０００の厚み方向両側には、導電性のセパレータ１１１０、１１２０が配置される。セパレータ１１１０、１１２０の間の封止部材９００には、ＭＥＡ１０００を保持するための樹脂枠体と弾性体シールが使用されている。この場合、樹脂枠体と電解質膜１５００との間隙を弾性体シールで埋める必要があり、高い部品寸法精度と組立精度が要求される。そのため、公差範囲内で間隙が生じないような複雑なシール形状となるとともに、公差が過小にならないようにするために、弾性体シールを薄くすることが困難である。複数の燃料電池モジュール２１００を積層して直列に接続し、高電圧を得られるようにした燃料電池スタックには、小型化または薄型化が要求されているが、封止部材９００に樹脂枠体と弾性体シールを用いる場合、小型化または薄型化が難しい。そこで、特許文献１のように、封止部材９００として絶縁性の熱硬化性樹脂を使用することで薄型モジュールを実現する方法が知られている。
【００１８】
また、ＭＥＡ１０００の面方向の端部において、電解質膜１５００、またはアノード触媒層１６００およびカソード触媒層１７００が直接反応ガスに曝されると、電解質膜１５００の劣化が加速され、耐久性に影響がある。このため、特許文献２のように、電解質膜１５００、アノード触媒層１６００、およびカソード触媒層１７００が露出しないように封止部材として保護層を形成する方法もある。
【００１９】
しかしながら、特許文献２の場合、保護層（封止部材）は電極層（ガス拡散層）と重なる重複部を有するため、セパレータでＭＥＡを挟んで荷重をかける際に、保護層と電極層が重なる重複部において、セパレータおよび電解質膜に応力が集中し、セパレータの破損または電解質膜が破膜してしまう可能性がある。また、保護層に段差をつけて応力集中を回避した設計、または保護層との重複部がないような電極層の寸法設計の場合、位置合わせや組み立ての公差により、電解質膜および電極層の露出が残ることがある。
【００２０】
そこで、本発明者らは、電極層と保護層とが重複部を有する場合でも、セパレータおよび電解質膜への応力集中を防止して、電解質膜の劣化を抑制するために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
【００２１】
特許文献２のようなＭＥＡを有する燃料電池モジュールにおいて、封止部材とガス拡散層とが重なる部分を有する状態で荷重を加えると、セパレータおよび電解質膜等の燃料電池モジュールの構成部材への応力集中が発生し得る。これに対して、たとえば、ガス拡散層において、封止部材と重なる重複部分を、封止部材と重ならない非重複部分よりも軟らかい材質にすることが考えられる。しかしながら、ガス拡散層において、重複部分を非重複部分と異なる材質で製造することは困難であるため、ガス拡散層の製造コストが上昇する等の問題が生じる。
【００２２】
これに対して、本発明者らは、ガス拡散層の外周部において、空隙（空間）を形成する構成を見出した。具体的には、開口部を有する封止部材の開口部側の端縁を含む領域で、ガス拡散層と封止部材とを重ね、ガス拡散層のうち封止部材と重なる部分の少なくとも一部が厚み方向に貫通した空隙が形成される構成を見出した。これにより、ガス拡散層が面方向に変形するための空隙を形成することができる。このため、ガス拡散層に対して厚み方向に荷重がかかるとき、ガス拡散層は、当該空隙に向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層とガス拡散層に積層される部分とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができることを見出した。この結果、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる部分を有する場合でも、構成部材への応力集中を防止して電解質膜の劣化を抑制できることを見出した。
【００２３】
これらの新規の知見に基づき、本発明者らは、以下の発明に至った。
【００２４】
本開示の一態様によれば、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第１の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記高分子電解質膜の第２の主面に設けられたカソード触媒層と、
一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
を有する膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている、
燃料電池モジュールを提供する。
【００２５】
このような構成により、一方のガス拡散層のうち当該領域に対応する部分（内側領域）の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていることで、第１の拡散層が面方向に変形するための空間を形成することができる。これにより、第１の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層は、空間に向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層と封止部材とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
【００２６】
本開示の第２態様によれば、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている、燃料電池モジュールを提供してもよい。
【００２７】
このような構成により、第１の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層は、貫通孔に向けて変形することができる。
【００２８】
本開示の第３態様によれば、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部が設けられている、燃料電池モジュールを提供してもよい。
【００２９】
このような構成により、第１の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層は、鋸歯部間の空間に向けて変形することができる。
【００３０】
本開示の第４態様によれば、
前記一対のガス拡散層は、前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層であって、
前記一対のセパレータは、前記膜‐電極接合体のアノードガス拡散層側に配置されたアノードセパレータ、および前記膜‐電極接合体のカソードガス拡散層側に配置され、前記アノードセパレータと対になって前記膜‐電極接合体を挟み込むカソードセパレータであって、
前記封止部材は、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記アノードセパレータとを接着して封止するアノード封止部材と、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記カソードセパレータとを接着して封止するカソード封止部材と、を有し、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノードガス拡散層は、前記アノード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記アノード封止部材と重なるアノード側内側領域を有し、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記カソードガス拡散層は、前記カソード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記カソード封止部材と重なるカソード側内側領域を有し、
前記アノードガス拡散層は、前記アノード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記アノードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記カソードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノード側内側領域と前記カソード側内側領域とが重ならない
燃料電池モジュールを提供する。
【００３１】
このような構成により、アノード側内側領域およびカソード側内側領域の少なくとも一部に空隙が形成されることにより、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、構成部材への応力の集中を防止することができる。その結果、高分子電解質膜の破損または劣化を抑制することができる。
【００３２】
本開示の第５態様によれば、
前記第１の主面に垂直な方向から見たときに、
前記アノード側内側領域は、前記カソード側内側領域よりも外側に位置する外側部と、前記カソード側内側領域よりも内側に位置する内側部とを有する
燃料電池モジュールを提供してもよい。
【００３３】
このような構成により、アノード側内側領域とカソード側内側領域とが重ならないため、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、応力の集中を防止することができる。
【００３４】
本開示の第６態様によれば、
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、複数の貫通孔を含む
燃料電池モジュールを提供してもよい。
【００３５】
このような構成により、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、ガス拡散層が貫通孔に向かって変形することができるため、応力の集中を防止することができる。
【００３６】
本開示の第７態様によれば、
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、前記第１の主面に対して垂直な方向から見たときに、鋸歯状の切欠き部によって形成されている
燃料電池モジュールを提供してもよい。
【００３７】
このような構成により、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、ガス拡散層が鋸歯部の間の切欠き部に向かって変形することができるため、応力の集中を防止することができる。
【００３８】
本開示の第８態様によれば、
第１ないし第７態様のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールが複数直列に接続されて積層された
燃料電池スタックを提供してもよい。
【００３９】
このような構成により、燃料電池スタックの構成部材への応力の集中を防止して、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００４０】
本開示の第９態様によれば、
一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
を含む、燃料電池モジュールの製造方法を提供してもよい。
【００４１】
このような方法により、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
【００４２】
本開示の第１０態様によれば、
第１の主面にアノード触媒層が設けられ、第２の主面にカソード触媒層が設けられた高分子電解質膜と、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、アノードセパレータおよびカソードセパレータと、アノード封止部材およびカソード封止部材と、を準備する準備工程をさらに含み、
前記ガス拡散層加工工程において、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層の外周部の少なくとも一部に空隙を形成し、
前記配置工程において、前記高分子電解質膜の前記アノード触媒層側に前記アノードガス拡散層を積層し、前記カソード触媒層側に前記カソードガス拡散層を積層して膜‐電極接合体を形成し、前記アノードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記アノード封止部材を配置し、前記カソードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記カソード封止部材を配置し、
前記接着工程において、前記膜‐電極接合体の前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとを前記アノード封止部材により接着し、前記膜‐電極接合体の前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとを前記カソード封止部材により接着して、前記膜‐電極接合体を前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータにより挟み込む
燃料電池モジュールの製造方法を提供してもよい。
【００４３】
このような方法により、ガス拡散層と封止部材とが重なる領域を有する場合でも、燃料電池モジュールの構成部材への応力集中を防止して、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００４４】
以下、各実施の形態にかかる燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法について、図面を参照して説明する。
【００４５】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１にかかる燃料電池スタックの分解斜視図である。図１において、燃料電池スタックの一部を分解して模式的に示す。図２は、本実施の形態にかかる燃料電池モジュールにおける膜‐電極接合体および封止部材の平面図である。図３は、図２の膜‐電極接合体のＡ−Ａ線断面図である。
【００４６】
［全体構成］
本実施の形態にかかる燃料電池スタック１は、たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池スタック１は、たとえば、単電池モジュールである燃料電池モジュール（セル）２と、集電板３と端板４と、バネ５とを備える。燃料電池スタック１では、複数の燃料電池モジュール２が直列接続するように積層されている。なお、図１は、１つの燃料電池モジュール２が分解され、残りの燃料電池モジュール２が積層された状態を示す。燃料電池スタック１の両端の最外層には集電板３、端板４、バネ５が取り付けられる。燃料電池スタック１の両端には、端板４と端板４の内側に配置された集電板３が取り付けられ、端板４の内側の面、すなわち燃料電池モジュール２側の面には、複数のバネ５が配置されている。燃料電池スタック１は、両端からボルト孔６に挿通される締結ボルト７およびナット８で締結される。
【００４７】
燃料電池モジュール２は、図１〜図３に示すように、膜‐電極接合体１０と、アノードセパレータ１１Ａと、カソードセパレータ１１Ｃと、アノード封止部材９Ａと、カソード封止部材９Ｃとを備える。膜‐電極接合体１０は、高分子電解質膜１５の第１の主面１５ａに設けられたアノード触媒層１６と、高分子電解質膜１５の第２の主面１５ｂに設けられたカソード触媒層１７と、アノード触媒層１６に積層されたアノードガス拡散層１８Ａと、カソード触媒層１７に積層されたカソードガス拡散層１８Ｃとを有する。アノードセパレータ１１Ａは、膜‐電極接合体１０のアノードガス拡散層１８Ａ側に配置される。カソードセパレータ１１Ｃは、膜‐電極接合体１０のカソードガス拡散層１８Ｃ側に配置され、アノードセパレータ１１Ａと対になって、膜‐電極接合体１０を挟み込む。アノード封止部材９Ａは、開口部を有し、膜‐電極接合体１０とアノードセパレータ１１Ａとを接着する。カソード封止部材９Ｃは、開口部を有し、膜‐電極接合体１０とカソードセパレータ１１Ｃとを接着する。アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃの外側には、冷却水セパレータ１１Ｗが配置されていてもよい。
【００４８】
なお、本実施の形態において、膜‐電極接合体をＭＥＡと称することもある。また、アノード封止部材９Ａおよびカソード封止部材９Ｃを合わせて封止部材９と称することもある。また、アノードセパレータ１１Ａ、カソードセパレータ１１Ｃ、および冷却水セパレータ１１Ｗをあわせてセパレータ１１と称することもある。また、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃをあわせてガス拡散層１８と称することもある。
【００４９】
＜集電板＞
集電板３は、燃料電池モジュール２の積層体の外側に配置される。燃料電池モジュール２において発電された電気を効率よく集電できるように、集電板３には、たとえば、銅板に金メッキが施されたものを使用することができる。集電板３には、電気伝導性の良好な金属材料、たとえば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、またはアルミニウム等を使用してもよい。また、スズメッキ、ニッケルメッキ等の表面処理を施してもよい。
【００５０】
＜端板＞
端板４は、集電板３の外側に配置される。端板４は、たとえば、電気絶縁性のある材料で形成され、絶縁板としても機能する。端板４は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて、射出成形により形成することができる。端板４と一体となっている配管は、たとえば、燃料電池モジュール２の積層体のマニホールド孔１２に、図示省略のガスケットを介して押し当てられる。端板４の内側の面、すなわち燃料電池モジュール２側の面には、燃料電池モジュール２に荷重を加えるバネ５が配置されている。バネ５は、積層されたときに、燃料電池モジュール２のＭＥＡ１０と重なる部分に集中的に配置されている。バネ５の付勢力が所定の値になるように、締結ボルト７およびナット８によって燃料電池スタック１が締結される。
【００５１】
＜高分子電解質膜＞
高分子電解質膜１５には、プロトン伝導性を示す固体高分子材料、たとえば、パーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。パーフルオロスルホン酸膜として、たとえば、デュポン社製のナフィオン膜を採用することができる。
【００５２】
＜膜‐電極接合体＞
ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１５のアノード側の面、すなわち第１の主面１５ａに、たとえば、白金ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層１６が形成されている。また、高分子電解質膜１５のカソード側の面、すなわち第２の主面１５ｂに、たとえば、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層１７が形成されている。アノード触媒層１６にはアノードガス拡散層１８Ａが積層され、カソード触媒層１７にはカソードガス拡散層１８Ｃが積層される。
【００５３】
＜ガス拡散層＞
アノードガス拡散層１８Ａは、アノード触媒層１６に積層され、燃料ガスの通気性および電気伝導性の機能を有する。また、カソードガス拡散層１８Ｃは、カソード触媒層１７に積層され、酸化剤ガスの通気性および電気伝導性の機能を有する。ガス拡散層１８には、たとえば、カーボンペーパーやカーボンクロスが用いられる。
【００５４】
＜セパレータ＞
アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃは、平板状に形成される。アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃの、ＭＥＡ１０と接触する面、すなわち、後述する図８および図９に示される内面１１Ａｉおよび内面１１Ｃｉは、ＭＥＡ１０の形状に応じて、燃料ガス流路溝１３Ａおよび酸化剤ガス流路溝１３Ｃが形成される。アノードセパレータ１１Ａの内面１１Ａｉは、ＭＥＡ１０のガス拡散層１８Ａ（図３）と接触するように形成される。カソードセパレータ１１Ｃの内面１１Ｃｉは、ＭＥＡ１０のガス拡散層１８Ｃ（図３）と接触するように形成される。後述する図８および図９に示されるアノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃの外面１１Ａｏおよび１１Ｃｏ、ならびに冷却水セパレータ１１Ｗの両面には、冷却水流路溝１３Ｗが形成されている。
【００５５】
セパレータ１１は、ガス不透過性の導電性材料で形成される。セパレータ１１には、たとえば、樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの、または金属を成形したもの等を用いることができる。
【００５６】
＜封止部材＞
図２は、ＭＥＡ１０および封止部材９を第１の主面１５ａと垂直な方向から見た図である。以後、第１の主面１５ａと垂直な方向を厚み方向と称することもある。また、第１の主面１５ａと垂直な方向から見た状態を平面視と称することもある。図２に示すように、封止部材９には開口部２６が設けられている。開口部２６は、封止部材９の中央部分において、厚み方向、すなわち図２のＺ軸方向に貫通した貫通孔である。封止部材９には、たとえば、絶縁性の樹脂に内包された繊維シートが用いられる。樹脂に内包された繊維シートは、絶縁性、耐熱性、およびガス透過性等を考慮して、たとえば、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグであるとよい。また、繊維は、強度、厚み、線膨張係数、および含有物質等に応じて、たとえば、セラミックス繊維等の無機繊維を使用することもできる。また、樹脂は、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、またはポリウレタン樹脂等の他の熱硬化性樹脂であってもよく、また、繊維を含有する樹脂と他の樹脂とを多層に積層した構成、または部分的に組成の異なる構成であってもよい。本実施の形態においては、絶縁性の樹脂に内包された繊維シートを用いたが、ポリエチレンナフタレートフィルム等の基材の両面に接着層が形成された接着シートを用いてもよい。
【００５７】
図１および図２に示すように、セパレータ１１の周縁部および封止部材９には、マニホールド孔１２およびボルト孔６がそれぞれ厚み方向に貫通して設けられている。マニホールド孔１２は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれが流通する貫通孔である。複数の燃料電池モジュール２が積層された状態では、それぞれの燃料電池モジュール２のマニホールド孔１２が積層されて結合し、燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、および冷却水マニホールドを形成する。
【００５８】
アノード封止部材９Ａは、アノードガス拡散層１８Ａと厚み方向に重なるように配置される。本実施の形態においては、アノード封止部材９Ａは、開口部２６側の端縁２６ａを含む領域で、アノードガス拡散層１８Ａと厚み方向に重なるように配置されている。このとき、アノード封止部材９Ａのアノードガス拡散層１８Ａと重なっている部分を領域Ｆ１と称する。カソード封止部材９Ｃも同様に、開口部２６側の端縁２６ａを含む領域でカソードガス拡散層１８Ｃと重なるように配置されている。本実施の形態においては、領域Ｆ１は、平面視において、封止部材９の開口部２６の端縁２６ａから、面方向外側に所定の長さ離れた位置までの領域であり、封止部材９がガス拡散層１８と重なっている領域を示す。また、封止部材９は、ガス拡散層１８の外周部を覆うように配置されている。
【００５９】
図３に示すガス拡散層１８について、図４〜図７を参照してより詳細に説明する。図４は、カソードガス拡散層１８Ｃの平面図である。図５は、アノードガス拡散層１８Ａの平面図である。図６は、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃの外周部の加工例であり、図４のＸ１および図５のＸ２を拡大した図である。図７は、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃの外周部の他の加工例であり、図４のＸ１および図５のＸ２を拡大した図である。なお、図４〜図７において、説明のため、一部強調した部分が含まれる。
【００６０】
第１の主面１５ａに垂直な方向から見たときに、カソードガス拡散層１８Ｃはカソード封止部材９Ｃの開口部２６Ｃ側の端縁２６Ｃａを含む領域で、カソード封止部材９Ｃと重なるカソード側内側領域Ｆ２を有する。ここで、カソード側内側領域Ｆ２とは、図２における領域Ｆ１に対応する部分、すなわち、カソード封止部材９Ｃとカソードガス拡散層１８Ｃとが重なる部分である。また、図４に示すように、カソードガス拡散層１８Ｃは、カソード側内側領域Ｆ２を含むカソードガス拡散層１８Ｃの外周部分である第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅと、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの内側の部分である第２のカソードガス拡散層１８Ｃｄとを有する。すなわち、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅは、カソードガス拡散層１８Ｃにおいて面方向の最外層に位置する部分である。また、カソードガス拡散層１８Ｃは、外周部の少なくとも一部において、カソード封止部材９Ｃと厚み方向に重なる部分であるカソード側内側領域Ｆ２を有する。本実施の形態において、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅはカソード側内側領域Ｆ２を含む部分である。すなわち、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの一部において、カソード封止部材９Ｃが厚み方向に重なっている。
【００６１】
第１の主面１５ａに垂直な方向から見たときに、アノードガス拡散層１８Ａはアノード封止部材９Ａの開口部２６Ａ側の端縁２６Ａａを含む領域で、アノード封止部材９Ａと重なるアノード側内側領域Ｆ３を有する。ここで、アノード側内側領域Ｆ３とは、図２における領域Ｆ１に対応する部分、すなわち、アノード封止部材９Ａとアノードガス拡散層１８Ａとが重なる部分である。また、図５に示すように、アノードガス拡散層１８Ａは、アノード側内側領域Ｆ３を含むアノードガス拡散層１８Ａの外周部分である第１のアノードガス拡散層１８Ａｅと、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅの内側の部分である第２のアノードガス拡散層１８Ａｄとを有する。すなわち、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅは、アノードガス拡散層１８Ａの外周部に位置する部分である。また、アノードガス拡散層１８Ａは、外周部の少なくとも一部において、アノード封止部材９Ａと厚み方向に重なる部分であるアノード側内側領域Ｆ３を有する。本実施の形態において、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅはアノード側内側領域Ｆ３を含む部分である。すなわち、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅの一部において、アノード封止部材９Ａが厚み方向に重なっている。
【００６２】
また、カソードガス拡散層１８Ｃは、少なくともカソード側内側領域Ｆ２を含む一部に、カソードガス拡散層１８Ｃの厚み方向に貫通した空隙が形成されている。同様に、アノードガス拡散層１８Ａは、少なくともアノード側内側領域Ｆ３を含む一部に、アノードガス拡散層１８Ａの厚み方向に貫通した空隙が形成されている。アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃに形成された空隙は、たとえば、図６に示すように、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃにより形成される空隙２２ａである。鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃは、ガス拡散層１８の端部に沿って複数の切欠きが形成され、複数の尖った点が形成された部分である。なお、鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃは、アノードガス拡散層１８Ａの第１のアノードガス拡散層１８Ａｅ、またはカソードガス拡散層１８Ｃの第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに設けられている。本実施の形態において、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅにおいて、鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃの間には空隙２２ａが形成される。鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃは、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの外周全体において設けられていてもよい。
【００６３】
また、ガス拡散層１８に形成された空隙は、図７に示すように、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに設けられた複数の貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂであってもよい。貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂは、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅを厚み方向に貫通した孔である。貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂは、たとえば、平面視において円形状に形成されていてもよい。
【００６４】
貫通孔２２Ａｂは、たとえば、図７に示すように、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅに均等に分布するよう、整列されて配置されていてもよい。また、貫通孔２２Ａｂの大きさが、たとえば、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅの厚みよりも大きく形成されていてもよい。貫通孔２２Ｃｂも同様に、図７に示すように、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに均等に分布するよう、整列されて形成されていてもよい。また、貫通孔２２Ｃｂの大きさが、たとえば、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの厚みよりも大きく形成されていてもよい。
【００６５】
第２のアノードガス拡散層１８Ａｄおよび第２のカソードガス拡散層１８Ｃｄは、面方向において、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの内側に隣接する部分である。
【００６６】
本実施の形態では、ガス拡散層１８はロールｔｏロール方式を用いて製造され、同様の組成で連続的にシート状に形成されたガス拡散層１８に、所定のサイズに打ち抜く工程を設けることにより、空隙が形成されている。このため、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅと第２のアノードガス拡散層１８Ａｄおよび第２のカソードガス拡散層１８Ｃｄとは同様の組成で形成されている。なお、空隙部分の加工方法としては、たとえば、ガス拡散層１８を製造する際に、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅと、第２のアノードガス拡散層１８Ａｄおよび第２のカソードガス拡散層１８Ｃｄとで組成を変更する方法を採用することもできる。
【００６７】
ＭＥＡ１０のアノード／カソード両面で高分子電解質膜１５、アノード触媒層１６、およびカソード触媒層１７の露出を防止するためには、図８に示すように封止部材９およびガス拡散層１８を配置する。具体的には、カソード封止部材９Ｃとカソードガス拡散層１８Ｃのカソード側内側領域Ｆ２とが厚み方向に重なり、アノード封止部材９Ａとアノードガス拡散層１８Ａのアノード側内側領域Ｆ３とが厚み方向に重なるように、封止部材９を配置する。さらに、カソード側内側領域Ｆ２とアノード側内側領域Ｆ３とが厚み方向に重ならないように、封止部材９を配置する。
【００６８】
図８に示すように、ＭＥＡ１０に封止部材９を配置した後、カソードセパレータ１１Ｃおよびアノードセパレータ１１Ａで、ＭＥＡ１０および封止部材９を挟持する。このとき、図９に示すように、セパレータ１１で挟持することにより、厚み方向に荷重をかけると、ガス拡散層１８と封止部材９との重なり部分であるカソード側内側領域Ｆ２およびアノード側内側領域Ｆ３には、応力が集中する。本実施の形態では、空隙が形成されているため、空隙２２ａまたは貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂに向かって面方向に第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが変形しながら厚み方向に圧縮される。すなわち、図６または図７の矢印で示す方向に第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが変形する。具体的には、厚み方向の荷重を受けることにより、図６の鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃを含む第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが実線の形状から一点鎖線の形状に、空隙２２ａが小さくなるように変形する。同様に、図７の第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅにおいて、貫通孔２２Ｃｂが実線の形状から一点鎖線の形状に、貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂの大きさが小さくなるように変形する。第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが面方向に変形することにより、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに対して、厚み方向に力がかかりにくくなる。このため、封止部材９とガス拡散層１８とが重なった部分である、アノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２への応力集中を緩和することができる。したがって、セパレータ１１の破損を防止することができる。
【００６９】
さらに、図８に示すように、平面視において、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないようにすることにより、応力集中を緩和することができる。たとえば、アノードガス拡散層１８Ａの外形寸法をカソードガス拡散層１８Ｃの外形寸法より大きくすることにより、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないようにすることができる。
【００７０】
ガス拡散層１８の第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの幅は、ガス拡散層１８と封止部材９を重ねて配置する際の位置ずれ精度を考慮して決定されるとよい。具体的には、位置ずれ精度が悪化して、ずれ量が大きくなった場合でも、セパレータの破損を防止するために、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅ以外の部分でガス拡散層と封止部材９とが重ならないように決定されるとよい。また、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの幅は、高分子電解質膜１５の劣化または破膜等を防止するために、ガス拡散層と封止部材９との間に隙間ができないように決定されるとよい。
【００７１】
たとえば、ガス拡散層１８に対する封止部材の配置精度が±０．５ｍｍであるとすると、重なりが最大になる場合に対して、重なり寸法が１ｍｍ小さくなっても、重なる領域がなくならないように設計される。また、たとえば、最も重なりが小さくなる場合を０．２ｍｍであるとすると、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの幅を１．２ｍｍ以上とすることで、セパレータの破損を防止することができる。
【００７２】
また、図１０に示すように、アノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２の面積が、図９に示す場合よりも小さくてもよい。封止部材９とガス拡散層１８との重なり部分である、アノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２の面積が、図９の場合と比較して小さいため、図１０では、ガス拡散層１８の変形部分が小さくなっている。すなわち、図１０において、図９の場合と比較して第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの変形部分が小さくなっている。図１０のように、アノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２の大きさが小さい場合でも、図９の場合と同様に、ガス拡散層１８と封止部材９との間の隙間をなくすことができる。
【００７３】
[製造方法]
次に、図１１を参照して、燃料電池モジュール２の製造方法について説明する。図１１は、燃料電池モジュール２の製造方法の例示的なフローチャートである。図１１に示すように、燃料電池モジュール２の製造方法は、準備工程ＳＴ１０と、ガス拡散層加工工程ＳＴ２０と、配置工程ＳＴ３０と、接着工程ＳＴ４０とを含む。
【００７４】
準備工程ＳＴ１０では、第１の主面１５ａにアノード触媒層１６が設けられ、第２の主面１５ｂにカソード触媒層１７が設けられた高分子電解質膜１５と、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃとを準備する。また、アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃと、アノード封止部材９Ａおよびカソード封止部材９Ｃとを準備する。
【００７５】
ガス拡散層加工工程ＳＴ２０では、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃの外周部の少なくとも一部に空隙を形成する。たとえば、打ち抜き加工によって、アノードガス拡散層１８Ａおよびカソードガス拡散層１８Ｃのそれぞれの外周部の少なくとも一部に、前述した空隙が形成される。空隙は、図６に示す鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃであってもよい。または、図７に示す貫通孔であってもよい。
【００７６】
配置工程ＳＴ３０では、高分子電解質膜１５の、アノード触媒層１６側にアノードガス拡散層１８Ａを積層し、カソード触媒層１７側にカソードガス拡散層１８Ｃを積層して、膜‐電極接合体１０を形成する。また、アノードガス拡散層１８Ａの外周部の少なくとも一部と重なるようにアノード封止部材を配置し、カソードガス拡散層１８Ｃの外周部の少なくとも一部と重なるようにカソード封止部材９Ｃを配置する。
【００７７】
接着工程ＳＴ４０では、膜‐電極接合体１０のアノードガス拡散層１８Ａとアノードセパレータ１１Ａとをアノード封止部材９Ａにより接着し、膜‐電極接合体１０のカソードガス拡散層１８Ｃとカソードセパレータ１１Ｃとを接着する。このように、ガス拡散層１８とセパレータ１１とを封止部材９で接着することにより、膜‐電極接合体１０をアノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃにより挟み込む。ＭＥＡ１０をアノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃにより挟み込んで加熱することにより、ＭＥＡ１０とセパレータ１１とを接着することができる。
【００７８】
以上のように、準備工程ＳＴ１０、ガス拡散層加工工程ＳＴ２０、配置工程ＳＴ３０、および接着工程ＳＴ４０を経て、本実施の形態にかかる燃料電池モジュール２が製造される。このように製造された燃料電池モジュール２を積層し、締結することにより燃料電池スタック１が完成する。
【００７９】
［効果］
本実施の形態１にかかる燃料電池モジュール２は、膜‐電極接合体１０と、セパレータ１１と、封止部材９とを備える。膜‐電極接合体１０は、高分子電解質膜１５と、アノード触媒層１６と、カソード触媒層１７と、アノード触媒層１６に積層されるアノードガス拡散層１８Ａと、カソード触媒層１７に積層されるカソードガス拡散層１８Ｃとを有する。アノード触媒層１６は、高分子電解質膜１５の第１の主面１５ａに設けられる。カソード触媒層１７は、高分子電解質膜１５の第２の主面１５ｂに設けられる。アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃは、一対のセパレータ１１として、膜‐電極接合体１０を挟み込む。封止部材９は、膜‐電極接合体１０と、アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃとをそれぞれ接着する平面視において、封止部材９には開口部２６が設けられる。アノードガス拡散層１８Ａとアノード封止部材９Ａとは、アノード封止部材９Ａの開口部２６の端縁２６ａを含むアノード側内側領域Ｆ３で重なる。また、カソードガス拡散層１８Ｃとカソード封止部材９Ｃとは、カソード封止部材９Ｃの開口部２６の端縁２６ａを含むカソード側内側領域Ｆ２で重なる。アノードガス拡散層１８Ａは、少なくともアノード側内側領域Ｆ３を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成され、カソードガス拡散層１８Ｃは、少なくともカソード側内側領域Ｆ２を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成される。
【００８０】
この構成によれば、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅが少なくともアノード側内側領域Ｆ３を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成されていることにより、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅが面方向に変形するための空隙２２ａまたは貫通孔２２Ａｂを形成することができる。同様に、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが少なくともカソード側内側領域Ｆ２を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成されていることにより、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅが面方向に変形するための空隙２２ａまたは貫通孔２２Ｃｂを形成することができる。これにより、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに対して、厚み方向に荷重がかかったとき、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅは、空隙２２ａまたは貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂに向かって変形することができる。したがって、ガス拡散層１８と封止部材９とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、重なった領域であるアノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層１８の外周部と封止部材９とが重なるアノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２を有する場合でも、アノード側内側領域Ｆ３およびカソード側内側領域Ｆ２への応力集中を防止して、高分子電解質膜１５の劣化を抑制することができる。また、ガス拡散層１８と封止部材９とが重なる領域を有するため、アノード触媒層１６およびカソード触媒層１７の露出を防止することができる。
【００８１】
また、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅには、厚み方向に貫通する複数の貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂが設けられている。
【００８２】
この構成によれば、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅは、貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂの孔径を小さくする方向に変形し、応力を分散することができる。
【００８３】
また、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅには、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部２４Ａおよび２４Ｃが設けられている。
【００８４】
この構成によれば、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅは、鋸歯部２４Ａ間および鋸歯部２４Ｃ間の空隙２２ａに向かって変形し、応力を分散することができる。
【００８５】
また、本実施の形態１にかかる燃料電池スタック１は、複数の燃料電池モジュール２が直列接続されて積層されている。
【００８６】
この構成によれば、燃料電池スタック１の構成部材への応力集中を防止することができる。
【００８７】
また、本実施の形態１にかかる燃料電池モジュール２の製造方法は、準備工程ＳＴ１０と、ガス拡散層加工工程ＳＴ２０と、配置工程ＳＴ３０と、接着工程ＳＴ４０とを含む。準備工程ＳＴ１０では、アノード触媒層１６およびカソード触媒層１７が設けられた高分子電解質膜１５と、ガス拡散層１８と、封止部材９と、セパレータ１１とを準備する。ガス拡散層加工工程ＳＴ２０では、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの少なくとも一部に空隙を形成する。配置工程ＳＴ３０では、ガス拡散層１８の外周部が、封止部材９と少なくとも一部で重なるように、ＭＥＡ１０に封止部材９を配置する。接着工程ＳＴ４０では、ＭＥＡ１０と封止部材９とをセパレータ１１で挟み込んで、封止部材９によりＭＥＡ１０とセパレータ１１とを接着する。
【００８８】
この製造方法によれば、ガス拡散層１８の外周部と封止部材９とが重なる場合でも、燃料電池モジュール２の構成部材への応力集中を防止して、高分子電解質膜１５の劣化を抑制することができる。
【００８９】
なお、本開示は上述した実施の形態１に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施することができる。上述した実施の形態では、カソードガス拡散層１８Ｃよりもアノードガス拡散層１８Ａの外形寸法を大きくすることにより、カソード側内側領域Ｆ２とアノード側内側領域Ｆ３とが厚み方向に重ならないような構成を例示して説明したが、燃料電池モジュール２の構成はこれに限定されるものではない。たとえば、燃料電池モジュール２は、カソードガス拡散層１８Ｃがアノードガス拡散層１８Ａの外形寸法よりも大きい構成であってもよい。この構成によっても、ガス拡散層１８の外周部と封止部材９とが重なる部分を有する場合に、燃料電池モジュール２の構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜１５の劣化を抑制することができる。
【００９０】
また、打ち抜き加工によって、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅに空隙が形成されているが、ガス拡散層１８の外周部の少なくとも一部に空隙が形成されていれば、加工方法はこれに限らない。
【００９１】
また、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅおよび第１のアノードガス拡散層１８Ａｅには、平面視で鋸歯状の空隙である鋸歯部２４Ｃおよび２４Ａが形成されているが、空隙の形状はこれに限らない。たとえば、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅおよび第１のアノードガス拡散層１８Ａｅの外周に沿って、面方向に湾曲して空隙が形成されていてもよい。この場合でも、ガス拡散層１８と封止部材９とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、燃料電池モジュール２の構成部材への応力集中を防止することができる。
【００９２】
また、貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂは、平面視において円形状に形成されているが、貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂの形状はこれに限定されない。たとえば、貫通孔２２Ａｂおよび２２Ｃｂは、平面視において、楕円または多角形等の他の形状であってもよい。
【００９３】
また、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅとアノード封止部材９Ａ、および第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅとカソード封止部材９Ｃは、一部において重なっているが、これに限らない。たとえば、アノード封止部材９Ａおよびカソード封止部材９Ｃは、平面視において、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅおよび第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの全体と、厚み方向に重なっていてもよい。すなわち、平面視において、アノード側内側領域Ｆ３と第１のアノードガス拡散層１８Ａｅ、および、カソード側内側領域Ｆ２と第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅとが一致していてもよい。
【００９４】
（実施の形態２）
本開示の実施の形態２にかかる燃料電池モジュールについて説明する。なお、実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同一または同等の構成については、同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
【００９５】
実施の形態１では、カソードガス拡散層１８Ｃとアノードガス拡散層１８Ａの外形寸法を変えることにより、カソード側内側領域Ｆ２とアノード側内側領域Ｆ３とが重ならないように配置する構成を説明した。実施の形態２においては、アノードガス拡散層１８Ａとカソードガス拡散層１８Ｃの形状を変えることにより、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないような構成となる。
【００９６】
図１２は、実施の形態２にかかる燃料電池モジュール２におけるカソード封止部材９Ｃの平面図である。図１３は、実施の形態２にかかる燃料電池モジュール２におけるアノード封止部材９Ａの平面図である。図１４は、実施の形態２にかかるカソードガス拡散層１８Ｃの平面図である。図１５は、実施の形態２にかかる燃料電池モジュール２におけるアノードガス拡散層１８Ａの平面図である。
【００９７】
図１２および図１３に示すように、カソード封止部材９Ｃには開口部２６Ｃが設けられ、アノード封止部材９Ａには開口部２６Ａが設けられている。カソード封止部材９Ｃに設けられた開口部２６Ｃは、対向する２つの頂点２８ａおよび２８ｃが、基準となる正方形２７Ｃよりも外側に配置されている多角形状である。また、アノード封止部材９Ａに設けられた開口部２６Ａは、対向する２つの頂点２９ｂおよび２９ｄが、基準となる正方形２７Ａよりも外側に配置されている多角形状である。カソード封止部材９Ｃとアノード封止部材９Ａとを重ねたとき、正方形２７Ｃおよび２７Ａは重なるが、開口部２６Ｃおよび２６Ａの頂点のうち、頂点２８ａ〜２８ｄと頂点２９ａ〜２９ｄとはそれぞれが重ならないよう、開口部２６Ｃおよび２６Ａが形成される。
【００９８】
カソード封止部材９Ｃの領域Ｆ１Ｃのうち開口部２６Ｃの端縁２６Ｃａを含む部分において、カソードガス拡散層１８Ｃと厚み方向に重なるように、カソード封止部材９Ｃによりカソードガス拡散層１８Ｃの外周部を覆う。同様に、アノード封止部材９Ａの領域Ｆ１Ａのうち、開口部２６Ａの端縁２６Ａａを含む部分において、アノードガス拡散層１８Ａの外周部を覆う。このとき、平面視においてアノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないような配置とするとよい。たとえば、図１３に示すように、アノード封止部材９Ａの領域Ｆ１Ａを、連続した領域ではなく、個別に設けられた複数の領域とすると、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないような配置とすることができる。
【００９９】
図１４および図１５に示すように、カソードガス拡散層１８Ｃは、カソード封止部材９Ｃの開口部２６Ｃと同様の形状であるが、開口部２６Ｃよりも大きく形成されている。また、カソードガス拡散層１８Ｃは、その外周部分である第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅと、第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅの内側部分の第２のカソードガス拡散層１８Ｃｄとを有する。アノードガス拡散層１８Ａは、アノード封止部材９Ａの開口部２６Ａと同様の形状であるが、開口部２６Ａよりも大きく形成されている。また、アノードガス拡散層１８Ａは、その外周部分である第１のアノードガス拡散層１８Ａｅと、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅの内側部分である第２のアノードガス拡散層１８Ａｄとを有する。第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅは、カソード封止部材９Ｃと重なる部分であるカソード側内側領域Ｆ２を有する。また、第１のアノードガス拡散層１８Ａｅのアノード側内側領域Ｆ３は、アノード封止部材９Ａの領域Ｆ１Ａと同様に、連続していない４つの個別の領域である。図１５に示すように、第１の主面１５ａに垂直な方向から見たときに、アノード側内側領域Ｆ３は、カソード側内側領域Ｆ２よりも外側に位置する外側部Ｆ３１と、カソード側内側領域Ｆ２よりも内側に位置する内側部Ｆ３２とを有する。
【０１００】
第１のカソードガス拡散層１８Ｃｅおよび第１のアノードガス拡散層１８Ａｅには、たとえば、図６のような鋸歯状、または図７のような貫通孔により形成される空隙が形成されている。カソードガス拡散層１８Ｃとカソード封止部材９Ｃとは、組立公差を考慮すると、領域Ｆ１Ｃの範囲内で重なる。同様に、アノードガス拡散層１８Ａとアノード封止部材９Ａとは、領域Ｆ１Ａの範囲内で重なる。ガス拡散層１８および封止部材９を図１２〜図１５のような形状にすることで、平面視において、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とが重ならないように構成されている。
【０１０１】
図１６は、実施の形態２における燃料電池モジュール２の断面図である。アノード封止部材９Ａおよびカソード封止部材９Ｃは、アノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃを接着する際に、燃料ガス流路溝１３Ａおよび酸化剤ガス流路溝１３Ｃに接する部分がある。封止部材９には、絶縁性の樹脂により内包された繊維シートが使用されるが、アノード封止部材９Ａの樹脂が溶融して燃料ガス流路溝１３Ａを閉塞する恐れがある。そのため、アノード封止部材９Ａの燃料ガス流路溝１３Ａに接する部分である、事前硬化部分９Ａｅの樹脂を事前に硬化させておくとよい。このとき、カソード封止部材９Ｃとカソードガス拡散層１８Ｃとが重なる領域であるカソード側内側領域Ｆ２は、事前硬化部分９Ａｅよりも面方向で内側に位置すると、応力の集中を抑制することができる。
【０１０２】
一方、カソード封止部材９Ｃが酸化剤ガス流路溝１３Ｃと接する部分においても、事前硬化部分（図示省略）を設ける。この場合、アノード側内側領域Ｆ３がカソード封止部材９Ｃの事前硬化部分よりも内側に位置するとよい。
【０１０３】
本実施の形態２にかかる燃料電池モジュール２は、第１の主面１５ａに垂直な方向から見たときに、アノードガス拡散層１８Ａのアノード側内側領域Ｆ３が、カソードガス拡散層１８Ｃのカソード側内側領域Ｆ２よりも外側に位置する外側部Ｆ３１と、カソードガス拡散層１８Ｃのカソード側内側領域Ｆ２よりも内側に位置する内側部Ｆ３２とを有する。すなわち、第１の主面１５ａに垂直な方向から見たときに、アノード側内側領域Ｆ３とカソード側内側領域Ｆ２とは重なる領域を有しない。
【０１０４】
この構成によれば、組立による各構成部材の位置ずれが生じた場合でも、カソードガス拡散層１８Ｃとカソード封止部材９Ｃ、およびアノードガス拡散層１８Ａとアノード封止部材９Ａは、それぞれが平面視において重なることがない。このため、応力集中による燃料電池モジュール２の構成部材の破損を防止することができる。
【０１０５】
なお、本実施の形態においては、アノード封止部材９Ａの領域Ｆ１Ａおよびアノード側内側領域Ｆ３を、連続していない個別の領域としているが、カソード封止部材９Ｃの領域Ｆ１Ｃおよびカソード側内側領域Ｆ２を同様の構成としてもよい。すなわち、カソード側内側領域Ｆ２が、アノード側内側領域Ｆ３よりも外側に位置する外側部と、アノード側内側領域Ｆ３よりも内側に位置する内側部とを有していてもよい。
【０１０６】
また、本実施の形態においては、アノード封止部材９Ａの開口部２６Ａおよびカソード封止部材９Ｃの開口部２６Ｃの形状が多角形上であるとしているが、開口部２６Ａおよび２６Ｃの形状はこれに限らない。たとえば、楕円状等であってもよい。
【０１０７】
（実施の形態３）
本開示の実施の形態３にかかる燃料電池モジュールについて説明する。図１７は、燃料電池モジュール２０におけるＭＥＡ１００と封止部材９０を厚み方向外側から見たときの平面図である。図１８は、図１７のＭＥＡ１００のＡ−Ａ線断面図である。図１７の平面図、図１８の部分断面図で、セパレータ１１０およびＭＥＡ１００の周縁部に封止部材９０が設けられたＭＥＡ１００の構成を示す。図１７において、ボルト孔６０およびマニホールド孔１２０が設けられた封止部材９０にてＭＥＡ１００の外縁部が露出しないように配置されている。
【０１０８】
封止部材９０は、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち少なくとも一方のガス拡散層１８０と厚み方向に重なるように設けられる。具体的には、封止部材９０は、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち少なくとも一方のガス拡散層１８０と、封止部材９０の中央側の端縁を含む領域で、厚み方向に重なるように設けられる。ここで、封止部材９０の中央側の端縁とは、封止部材９０の面方向において、ガス拡散層１８０が配置される側（ガス拡散層１８０の中央側）の端縁を意味する。本実施の形態では、封止部材９０は、開口２６０の端縁２６０ａを含む領域Ｆ４でガス拡散層１８０と厚み方向に重なるように、ガス拡散層１８０の外周部を覆う。本実施の形態では、領域Ｆ４は、平面視において、開口２６０の端縁２６０ａから、面方向外側に所定の長さ離れた位置までの領域を示す。
【０１０９】
図１９の断面図で、本実施の形態における燃料電池モジュール２０の概略の構成を示す。図２０は積層された燃料電池モジュール２０の中の１セルについての外周部の概略の断面で、ガス拡散層１８０と封止部材９０との境界付近の詳細を示す。
【０１１０】
少なくとも一方の面で高分子電解質膜１５０および触媒層１６０，１７０の露出を防止するため、例えば、図２０に示すように、カソード封止部材９０Ｃとカソードガス拡散層１８０Ｃとを燃料電池モジュール２０の厚み方向に重ねる。以下、カソードガス拡散層１８０Ｃがカソード封止部材９０Ｃと重なる場合の構成について説明する。アノードガス拡散層１８０Ａが封止部材９０Ａと重なる場合については、カソードガス拡散層１８０Ｃと同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。
【０１１１】
図２０の状態で、図１９の断面図で示すようにカソードセパレータ１１０Ｃおよびアノードセパレータ１１０Ａで挟持する。カソードセパレータ１１０Ｃおよびアノードセパレータ１１０ＡでＭＥＡ１００を挟持する前に、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部を、外周に沿って空間を形成するように加工する。これにより、積層方向に荷重をかけたとき、カソード封止部材９０Ｃとカソードガス拡散層１８０Ｃが重なった部分で応力が集中してカソードセパレータ１１０Ｃが破損することを防止することができる。
【０１１２】
カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部の加工方法としては、例えば、カソードガス拡散層１８０Ｃを製造する際に外周部とそれ以外で組成を変更する方法もある。本実施の形態では、カソードガス拡散層１８０Ｃの製造において、連続的にシート状で製造するロールｔｏロールのような工程で適用するため、一様の組成で連続的にシート状に形成したものを、所定のサイズに打ち抜く工程で外周部を加工する方法を用いる。
【０１１３】
次に、図２１から図２３を用いて、カソードガス拡散層１８０Ｃ（ガス拡散層１８０）について詳細を説明する。図２１は、カソードガス拡散層１８０Ｃの平面図である。図２２は、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部を鋸歯状に加工した場合における、図２１のＸ３部の拡大図である。図２３は、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部に貫通孔２２０ｂを加工した場合における、図２１のＸ３部の拡大図である。なお、図２１から図２３において、説明のため、一部強調した部分が含まれる。
【０１１４】
カソードガス拡散層１８０Ｃのうち領域Ｆ４（図１７）に対応する部分の一部は、厚み方向に貫通して切り欠かれている。ここで、カソードガス拡散層１８０Ｃのうち領域Ｆ４（図１７）に対応する部分とは、カソードガス拡散層１８０Ｃのうち領域Ｆ４の厚み方向内側（高分子電解質膜１５０側）に位置する内側領域Ｆ５を示す。内側領域Ｆ５は、後述の空間２２０ａ，２２０ｂを含む領域である。
【０１１５】
図２１に示すように、カソードガス拡散層１８０Ｃ（ガス拡散層１８０）は、第１の拡散層１８０Ｃｅと、第２の拡散層１８０Ｃｄとを有する。
【０１１６】
第１の拡散層１８０Ｃｅは、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部に形成される。具体的には、第１の拡散層１８０Ｃｅは、カソードガス拡散層１８０Ｃにおいて面方向の最外層に位置する部分である。より具体的には、第１の拡散層１８０Ｃｅは、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部において、外周に沿って形成された後述の空間２２０ａ，２２０ｂを有する部分である。カソードガス拡散層１８０Ｃは、外周部の少なくとも一部において、封止部材９０Ｃと厚み方向に重なるように設けられる。本実施の形態では、第１の拡散層１８０Ｃｅは、外周領域の一部に内側領域Ｆ５を含む。すなわち、第１の拡散層１８０Ｃｅの一部において封止部材９０Ａが厚み方向に重なっている。第１の拡散層１８０Ｃｅは、一対のセパレータ１１０Ａ，１１０ＣでＭＥＡ１００および封止部材９０Ａ，９０Ｃを挟み込むとき、封止部材９０Ｃと重なって配置される（図２０参照）。
【０１１７】
第２の拡散層１８０Ｃｄは、面方向において第１の拡散層１８０Ｃｅの内側に隣接する部分である。本実施の形態では、第１の拡散層１８０Ｃｅおよび第２の拡散層１８０Ｃｄは、一様の組成で形成される。
【０１１８】
第１の拡散層１８０Ｃｅは、内側領域Ｆ５（図１９）において間隔を空けて設けられる。第１の拡散層１８０Ｃｅは、例えば、図２２に示すように、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部２４０を内側領域Ｆ５に有する。第１の拡散層１８０Ｃｅにおいて、鋸歯部２４０の間には空間２２０ａが形成される。本実施の形態では、第１の拡散層１８０Ｃｅには、外周全体において鋸歯部２４０が設けられる。ここで、平面視とは、厚み方向から見たときの状態を示す。
【０１１９】
第１の拡散層１８０Ｃｅは、例えば、図２３に示すように、複数の貫通孔（空間）２２０ｂを内側領域Ｆ５（図１９）に有していてもよい。貫通孔２２０ｂは、第１の拡散層１８０Ｃｅにおいて厚み方向に貫通した孔である。貫通孔２２０ｂは、例えば平面視円形状に形成される。貫通孔２２０ｂは、例えば、第１の拡散層１８０Ｃｅにおいて外周に沿って一様に設けられる。
【０１２０】
カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部（第１の拡散層１８０Ｃｅ）とカソード封止部材９０Ｃを重ねて配置し押圧して締結すると、第１の拡散層１８０Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかる。このとき、図２２又は図２３に示すように、空間２２０ａ，２２０ｂに向けて（例えば矢印の方向に）面方向に第１の拡散層１８０Ｃｅが容易に変形して圧縮される。図２２および図２３において、実線は変形前の第１の拡散層１８０Ｃｅの外縁を示し、一点鎖線は変形後の第１の拡散層１８０Ｃｅの外縁を示す。図２２では、第１の拡散層１８０Ｃｅは、鋸歯部２４０間の空間２２０ａを狭めるように変形する。図２３では、第１の拡散層１８０Ｃｅは、貫通孔２２０ｂの大きさを小さくするように貫通孔２２０ｂの内側に向けて変形する。第１の拡散層１８０Ｃｅが面方向に変形することによって、第１の拡散層１８０Ｃｅに対して厚み方向に力がかかりにくくなる。このため、カソード封止部材９０Ｃとカソードガス拡散層１８０Ｃとが重なった部分で応力集中を緩和することができる。これにより、カソードセパレータ１１０Ｃの破損を防止することができる。
【０１２１】
このように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２０においては、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部（第１の拡散層１８０Ｃｅ）とカソード封止部材９０Ｃを重ねて配置し押圧して締結しても、応力集中による部材の破損を防止することができる。そのため、触媒層の露出を防止することができる。
【０１２２】
また、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部の加工の幅については、カソードガス拡散層１８０Ｃとカソード封止部材９０Ｃを重ねて配置する際の、位置ずれ精度を考慮して決定される。具体的には、当該加工の幅は、位置ずれ精度が悪化しずれ量が大きくなった場合でも、部材の破損を防止するために、加工を施していない部分でカソードガス拡散層１８０Ｃとカソード封止部材９０Ｃとが重ならないように決定される。また、当該加工の幅は、高分子電解質膜１５０の劣化や破膜等を防止するために、カソードガス拡散層１８０Ｃとカソード封止部材９０Ｃとの間に隙間ができないように決定される。
【０１２３】
例えばここで、カソードガス拡散層１８０Ｃに対するカソード封止部材９０Ｃの配置精度が±０．５ｍｍとすると、重なりが最大になる場合に対し、１ｍｍ重なり寸法が少なくなっても、重なる領域がなくならないように設計される。また、例えば、最も重なりが少なくなる場合を０．２ｍｍとすると、１．２ｍｍ以上の外周部において加工を施すことで、部材の破損を防止することができる。
【０１２４】
重なりが最大になる場合を前述の図１９とすると、重なりが最小になる場合の概略の断面図を図２４に示す。重なりが最大の場合に比べて、カソードガス拡散層１８０Ｃの変形が小さくなるが、どちらの場合でも、カソードガス拡散層１８０Ｃと封止部材９０との面方向の隙間をなくすことが可能である。
【０１２５】
次に、図２５を用いて、燃料電池モジュール２０の製造方法について説明する。図２５は、燃料電池モジュール２０の製造方法の例示的なフローチャートを示す。図２５に示すように、燃料電池モジュール２０の製造方法は、準備工程ＳＴ１００と、ガス拡散層加工工程ＳＴ２００と、配置工程ＳＴ３００と、接着工程ＳＴ４００とを含む。
【０１２６】
準備工程ＳＴ１００で、アノード触媒層１６０およびカソード触媒層１７０が設けられた高分子電解質膜１５０と、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃと、一対の封止部材９０Ａ，９０Ｃと、一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃとを準備する。
【０１２７】
ガス拡散層加工工程ＳＴ２００で、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち少なくとも一方のガス拡散層１８０（例えばカソードガス拡散層１８０Ｃ）において、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。少なくとも一方のガス拡散層１８０は、例えば打ち抜き加工によって、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。例えば、矩形状に打ち抜く際に、図２２に示すように、外周を鋸歯状に切り落とすことで体積を減らす。または、図２３に示すように、打ち抜きの際に、例えば外周部全周に複数の貫通孔２２０ｂを設けることで体積を減らしてもよい。
【０１２８】
配置工程ＳＴ３００で、少なくとも一方のガス拡散層１８０の外周部が、少なくとも一部で封止部材９０と厚み方向に重なるように、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃを含むＭＥＡ１００と封止部材９０とを配置する。
【０１２９】
接着工程ＳＴ４００で、封止部材９０Ａ，９０ＣとＭＥＡ１００とを一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃで挟み込んで、ＭＥＡ１００と一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃとを接着する。
【０１３０】
以上のように、カソードガス拡散層１８０Ｃの外周部の一部の体積を減らす加工を施す。そして、カソードガス拡散層１８０Ｃの第１の拡散層１８０Ｃｅが封止部材９０と厚み方向で重なるように、カソードガス拡散層１８０Ｃを含むＭＥＡ１００とカソード封止部材９０Ｃとを配置する。そして、封止部材９０とＭＥＡ１００とをセパレータ１１０（アノードセパレータ１１０Ａおよびカソードセパレータ１１０Ｃ）で挟み込んで加熱することにより、ＭＥＡとセパレータ１１０とを接着する。これらにより、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２０は製造される。
【０１３１】
このように形成された燃料電池モジュール２０を積層し、締結することで燃料電池スタックが完成する。
【０１３２】
本実施の形態に係る燃料電池モジュールは、膜‐電極接合体１００と、一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃと、封止部材９０とを備える。膜‐電極接合体１００は、高分子電解質膜１５０と、アノード触媒層１６０と、カソード触媒層１７０と、一方がアノード触媒層１６０に積層され、他方がカソード触媒層１７０に積層された一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃとを有する。アノード触媒層１６０は、高分子電解質膜１５０の第１の主面に設けられる。カソード触媒層１７０は、高分子電解質膜１５０の第２の主面に設けられる。一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃは、膜‐電極接合体１００を挟み込む。封止部材９０は、膜‐電極接合体１００と、一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃのそれぞれとを接着する。平面視において、封止部材９０には開口２６０が設けられ、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち一方のガス拡散層１８０と、封止部材９０とが、開口２６０の端縁２６０ａを含む領域Ｆ４で厚み方向に重なる。一方のガス拡散層１８０のうち領域Ｆ４に対応する部分（内側領域Ｆ５）の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。
【０１３３】
この構成によれば、内側領域Ｆ５の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていることで、第１の拡散層１８０Ｃｅが面方向に変形するための空間２２０ａ，２２０ｂを形成することができる。これにより、第１の拡散層１８０Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層１８０Ｃｅは、空間２２０ａ，２２０ｂに向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層１８０と封止部材９０とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層１８０の外周部と封止部材９０とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜１５０の劣化を抑制できる。
【０１３４】
また、一方のガス拡散層１８０のうち領域Ｆ４に対応する部分（内側領域Ｆ５）に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔２２０ｂが設けられている。
【０１３５】
この構成によれば、第１の拡散層１８０Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層１８０Ｃｅは、貫通孔２２０ｂに向けて変形することができる。
【０１３６】
また、一方のガス拡散層１８０のうち領域Ｆ４に対応する部分（内側領域Ｆ５）に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部２４０が設けられている。
【０１３７】
この構成によれば、第１の拡散層１８０Ｃｅに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第１の拡散層１８０Ｃｅは、鋸歯部２４０間の空間２２０ａに向けて変形することができる。
【０１３８】
また、本実施の形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池モジュール２０を複数個含む。
【０１３９】
この構成によれば、燃料電池スタックの部材への応力集中を防止することができる。
【０１４０】
また、本実施の形態に係る燃料電池モジュールの製造方法は、加工工程ＳＴ２００と、配置工程ＳＴ３００と、接着工程ＳＴ４００とを含む。加工工程ＳＴ２００で、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち少なくとも一方のガス拡散層１８０において、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。配置工程ＳＴ３００で、少なくとも一方のガス拡散層１８０の外周部が、少なくとも一部で封止部材９０と厚み方向に重なるように、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃを含む膜‐電極接合体１００と封止部材９０とを配置する。接着工程ＳＴ４００で、封止部材９０と膜‐電極接合体１００とを一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃで挟み込んで、膜‐電極接合体１００と一対のセパレータ１１０Ａ，１１０Ｃとを接着する。
【０１４１】
この製造方法によれば、ガス拡散層１８０の外周部と封止部材９０とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜１５０の劣化を抑制できる。
【０１４２】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。前記実施の形態では、カソード側においてカソードガス拡散層１８０Ｃとカソード封止部材９０Ｃを重ねて配置する構成を例にとって説明したが、燃料電池モジュール２０は、これに限定されるものではない。燃料電池モジュール２０は、アノード側においてアノードガス拡散層１８０Ａとアノード封止部材９０Ａを重ねて配置する構成としてもよい。具体的には、アノードガス拡散層１８０Ａにおいて、領域Ｆ４に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層１８０の外周部と封止部材９０とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜１５０の劣化を抑制できる。
【０１４３】
また、アノードガス拡散層１８０Ａおよびカソードガス拡散層１８０Ｃの双方において、領域Ｆ４に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層１８０の外周部と封止部材９０とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜１５０の劣化を抑制できる。
【０１４４】
また、少なくとも一方のガス拡散層１８０は、打ち抜き加工によって、外周部の少なくとも一部の体積を減らすとしたが、外周部の少なくとも一部の体積を減らすことができれば、打ち抜き加工に限定されない。
【０１４５】
また、第１の拡散層１８０Ｃｅは、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部２４０を有するとしたが、一対のガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃのうち少なくとも一方のガス拡散層１８０において、領域Ｆ４に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていれば、これに限定されない。第１の拡散層１８０Ｃｅは、例えば、外周に沿って面方向に湾曲して形成されていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層１８０Ａ，１８０Ｃと封止部材９０Ａ，９０Ｃとが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。
【０１４６】
また、貫通孔２２０ｂは、平面視円形状に形成されるとしたが、これに限定されない。貫通孔２２０ｂの形状は、平面視において、例えば楕円や多角形等の他の形状であってもよい。
【０１４７】
また、第１の拡散層１８０Ｃｅの一部において封止部材９０Ａが厚み方向に重なっているとしたが、封止部材９０Ａは、平面視において、第１の拡散層１８０Ｃｅの全体と厚み方向に重なっていてもよい。すなわち、平面視において、内側領域Ｆ５の内縁（図２１の二点鎖線）と、第１の拡散層１８０Ｃｅの内縁（図２１の点線）とが一致していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本開示にかかる燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、またはクロスリークを抑制しながら、高耐久な薄型の燃料電池モジュールを実現できる。したがって、たとえば、ポータブル電源、電気自動車用電源、または家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１４９】
１  燃料電池スタック
２，２０  燃料電池モジュール（セル）
３  集電板
４  端板
５  バネ
６，６０  ボルト孔
７  締結ボルト
８  ナット
９，９０  封止部材
９Ａ，９０Ａ  アノード封止部材
９Ｃ，９０Ｃ  カソード封止部材
９Ａｅ  事前硬化部分
１０，１００  ＭＥＡ（膜‐電極接合体）
１１，１１０  セパレータ
１１Ａ，１１０Ａ  アノードセパレータ
１１Ｃ，１１０Ｃ  カソードセパレータ
１２，１２０  マニホールド孔
１３  ガス流路溝
１３Ａ  燃料ガス流路溝
１３Ｃ  酸化剤ガス流路溝
１３Ｗ  冷却水流路溝
１５，１５０  高分子電解質膜
１６，１６０  アノード触媒層
１７，１７０  カソード触媒層
１８，１８０  ガス拡散層
１８Ａ，１８０Ａ  アノードガス拡散層
１８Ｃ，１８０Ｃ  カソードガス拡散層
１８Ａｄ  第２のアノードガス拡散層
１８Ａｅ  第１のアノードガス拡散層
１８Ｃｄ  第２のカソードガス拡散層
１８Ｃｅ  第１のカソードガス拡散層
１８０Ｃｅ  第１の拡散層
１８０Ｃｄ  第２の拡散層
２２ａ，２２０ａ  空隙
２２０ｂ  貫通孔
２２Ａｂ  貫通孔
２２Ｃｂ  貫通孔
２４Ａ  鋸歯部
２４Ｃ  鋸歯部
２４０  鋸歯部
２６Ａ  開口部
２６Ｃ  開口部
２６０  開口
２６Ａａ  端縁
２６Ｃａ  端縁
２６０ａ  端縁
Ｆ１，Ｆ４  領域
Ｆ２  カソード側内側領域
Ｆ３  アノード側内側領域
Ｆ５  内側領域
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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