JP2007179789A

JP2007179789A - 燃料電池

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Publication number: JP2007179789A
Application number: JP2005374767A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Konuma; 利之戸沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP5011724B2

Abstract

【課題】燃料電池において、セパレータとシール部材との間がずれて、シール部材が燃料電池外部に飛び出すことを抑制する技術を提供すること。
【解決手段】セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させてスタックを構成する燃料電池であって、膜電極接合体の外周部に配され、さらに、隣接するセパレータに挟持されるシール部を備え、シール部を挟持する各セパレータが、シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続する。
【選択図】図７

Description

この発明は、セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させて構成する燃料電池において、セパレータの外周部の構造に関する。

近年、水素と酸素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。このような燃料電池としては、セパレータ、および、膜電極接合体（以下では、ＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を積層させて締結する、いわゆるスタック構造が知られている（下記特許文献１参照）。ＭＥＡは、電解質層と、電解質層を間に挟んでその表面に形成された触媒電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）等を備えている。このような燃料電池は、例えば、ＭＥＡ（または電解質層）の外周部にシール部材を配設し、それを、セパレータの積層方向における締結力で、セパレータに挟持させることで、反応ガス等の漏れを防止するようにしている。このシール部材としては、例えば、ガスケットなどが考えられる。

特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、上述の燃料電池が、例えば、振動や衝撃などの所定の外力を受けた場合などに、セパレータとシール部材との間に剪断応力が生じ、セパレータとシール部材との間がずれ、シール部材が燃料電池外部に飛び出したりする場合があった。このように、セパレータとシール部材との間がずれると、反応ガス等が漏れる場合があり、その結果、燃料電池の性能が低下するという問題があった。

なお、上述の燃料電池において、セパレータとシール部材との間にずれが生じる要因には、燃料電池が振動や衝撃などの所定の外力を受けた場合の他、反応ガスの圧力が所定値より高くなった場合など、種々の原因が考えられる。また、シール部材は、反応ガスだけでなく、燃料電池を冷却するための冷却媒体や、カソードで生成される生成水などの漏れも防止する。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、セパレータとシール部材との間がずれて、シール部材が燃料電池外部に飛び出すことを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させてスタックを構成する燃料電池であって、
前記膜電極接合体の外周部に配され、さらに、隣接するセパレータに挟持されるシール部を備え、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続することを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、シール部が燃料電池の外部に飛び出すのを抑制することができる。また、この場合、シール部を挟持する各セパレータは、絶縁物を介して互いに接続するので、各セパレータ間で短絡が起きるのを防止することができる。

上記燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの外周部における先端部分が積層方向に曲折して成る曲折部を備え、
前記シール部の外周面が、前記曲折部と当接するようにしてもよい。

このようにすれば、所定の要因により、シール部とセパレータとがずれるのを抑制することができる。その結果、反応ガス等が漏れるのを抑制することができ、燃料電池の電池性能の低下を抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続する接続部分は、かしめ構造としてもよい。

このようにすれば、上記接続部分において、各セパレータをしっかりと連結することが可能である。

上記燃料電池において、
前記絶縁物は、弾性体としてもよい。

このようにすれば、所定の要因により、上記接続部分において各セパレータに対して、積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力を絶縁物で吸収することができる。従って、シール部とセパレータとの接触圧の急激な変動を抑制することができる。その結果、シール部の耐久性の低下を抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記スタックの積層方向の長さは、定寸としてもよい。

このように、スタックの積層方向の長さを定寸としても、上記接続部分における絶縁物が弾性体であるので、その部分で、膜電極接合体やセパレータに対して、積層方向の力が掛かるのを抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。

以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．セパレータ３０の詳細：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、スタック１１０と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。スタック１１０は、モジュール２００が、複数個積層されて構成される。また、スタック１１０は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。そして、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、スタック１１０（各モジュール２００）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。この時、スタック１１０（各モジュール２００）を締結し、エンドプレート３００間に掛かる力を以下では、締結力Ｆｔとも呼ぶ。また、このように、スタック１１０を挟んだターミナル３４０間の距離が定寸であるような構造を、以下では、定寸締結構造と呼ぶ。

燃料電池１００のカソード（図１には示さず）には、酸化ガス（カソードガス）が供給され、電気化学反応後、酸化排ガスとして燃料電池１００外に排出される。燃料電池１００のアノード（図１には示さず）には、燃料ガス（アノードガス）が供給され、電気化学反応後、燃料排ガスとして燃料電池１００外に排出される。また、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。

図２は、燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。モジュール２００は、図２に示すように、本発明の特徴部分であるセパレータ３０と単セル１０とを交互に積層して構成される。セパレータ３０の詳細は、後述する。本実施例の燃料電池１００に用いられるセパレータ３０は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。

単セル１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５と、シール部１６とを備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第１ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。

第２ガス拡散層１４，１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成される。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。

シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡの外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。

図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図３の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図２に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図２において一点鎖線で示す）を、図３の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬから流体（反応ガスや生成水等）が漏れるのを防止している。

また、図３では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分を、ハッチを付して示している。以下の説明では、上記ＭＥＡにおける外部に露出している部分に対応する領域を、集電領域と呼ぶ。さらに図３では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡの外周線を、点線で示している。第２ガス拡散層１４，１５は、上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部１６に嵌め込まれ、触媒電極および第１ガス拡散層２６，２８の面上に重なり接触するように配置されている。また、この場合、第２ガス拡散層１４，１５において、後述するように、第１ガス拡散層２６，２８との接触面に対する反対面は、セパレータ３０と接触する。

Ａ２．セパレータ３０の詳細：
セパレータ３０は、図２に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）あるいはチタン（Ｔｉ）やチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。

図４は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。これらの図を用いて、各プレートについて説明する。これらの図には、上記集電領域、および、上記シール部１６に対応する位置が点線で示されている。

カソード側プレート３１（図４）およびアノード側プレート３２（図５）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック１１０を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図６）は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

また、カソード側プレート３１は、図４に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。アノード側プレート３２は、図５に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。中間プレート３３においては、図６に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、電領域側の辺が、集電領域方向へと突出する複数の突出部（以下では、連通部５４と呼ぶ。）を備える形状となっている。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。

図２に示すように、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路（酸化ガス流路）へと流入し、第２ガス拡散層１４に平行な方向（以下では、面方向とも呼ぶ。）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

また、中間プレート３３は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

ところで、本実施例の燃料電池１００のセパレータ３０は、その外周部分に本発明の特徴部分を有している。以下に、図７を用いて、本発明の特徴部分について説明する。

図７は、図２のモジュール２００におけるＲ領域を拡大した拡大図である。セパレータ３０を構成するアノード側プレート３２は、図７に示すように、その外周部が、積層方向（ｘ方向）に向かって曲折して形成され、さらに、その先端部が面方向（ｙ方向）に向けて形成される。以下では、曲折して形成される部分を曲折部とも呼び、先端部分を突起部とも呼ぶ。一方、セパレータ３０を構成するカソード側プレート３１は、図７に示すように、その外周部がフック状に形成される。以下では、この部分をフック部とも呼ぶ。そして、セパレータ３０および単セル１０を積層してモジュール２００を構成する場合には、図７に示すように、カソード側プレート３１のフック部の中空部分に、絶縁体でありかつ弾性体であるスペーサ４００を詰めた状態で、その部分にアノード側プレート３２の突起部が入り込むように構成する。この場合、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２は、この状態で、積層方向の締結力Ｆｔに基づく力（以下では、ユニット締結力とも呼ぶ。）により保持される。このように、単セル１０を挟んだ各セパレータ３０は、その外周部において、かしめられる。以下では、この部分をカシメ部とも呼ぶ。ここで、カシメ部を形成するカソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と、それらの間に挟まれる単セル１０とをカシメユニット２５とも呼ぶ。また、この場合、スペーサ４００は、絶縁体であるので、かしめユニットのカシメ部を構成するカソード側プレート３１とアノード側プレート３２とは、絶縁されている。さらに、この場合、シール部１６の外周部分は、アノード側プレート３２の曲折部に当接されている。

スペーサ４００は、絶縁体・弾性体であればよく、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの合成ゴム材料、および、ペット（ＰＥＴ）、ＰＰ、ＡＢＳ、ポリエチレンＰＴＦＥなどの樹脂材料等が用いられる。

ところで、上述のカシメユニット２５において、カシメ部では、カソード側プレート３１のフック部とアノード側プレート３２の突起部との間に、弾性体であるスペーサ４００を挟み込んでかしめており、また、そのカシメ部は、カシメユニット２５の外周部に形成される。従って、カシメユニット２５におけるカソード側プレート３１とアノード側プレート３２の間には、所定の弾力性が生じ、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２の間の幅は、各プレートにかかる力に応じて所定の幅を推移する。ここで、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２との幅（プレート間幅、図７参照）が、最大になる場合の幅をプレート間最大幅と呼び、最小になる場合の幅をプレート間最小幅と呼ぶ。また、これらプレート間の弾力性を示すバネ定数をプレート間バネ定数とする。これらプレート間最大幅、プレート間最小幅、および、プレート間バネ定数は、スペーサ４００のバネ定数（以下では、スペーサバネ定数と呼ぶ。）、フック部および突起部の具体的な設計、および、ユニット締結力（締結力Ｆｔ）等によって決定される。本実施例では、これらプレート間最大幅、プレート間最小幅、および、プレート間バネ定数が、以下のごとく設定されるように、スペーサバネ定数Ｋｓ、フック部および突起部の具体的な設計、および、ユニット締結力等を決定する。

＜プレート間バネ定数について＞
カソード２２で生成される水により、単セル１０でフラッディングが起きた場合など、各カシメユニット２５の単セル１０に分配される反応ガス量が異なる場合があり、それにより、所定のカシメユニット２５の単セル１０に供給される反応ガス圧が高くなり、その結果、そのカシメユニット２５では、各プレート（カソード側プレート３１とアノード側プレート３２）に対して単セル１０側から積層方向に押す圧力が高くなる場合がある。また、所定のカシメユニット２５の単セル１０において、種々の要因により温度上昇が発生し、その単セル１０が高温になると、電解質膜２０が膨張し、その結果、第２ガス拡散層１４，１５を介して、単セル１０側から、カシメユニット２５の各プレートを、積層方向に押す圧力が高くなる。さらには、燃料電池１００（モジュール２００）には、外部から所定の振動や衝撃を受ける場合があり、その場合、カシメユニット２５において、単セル１０側から積層方向に働く力や、逆にカシメユニット２５の外側（すなわち、中間プレート３３側）から積層方向に働く力が加わる場合ある。このように、カシメユニット２５において、各プレートに対して、単セル１０側または中間プレート３３側から積層方向に所定の力が加わる場合がある。そこで、本実施例では、プレート間バネ定数は、これらの力を効率よく吸収できるように設定される。

＜プレート間最大幅について＞
上述のように、反応ガス圧が高くなったり、電解質膜２０が膨張したり、また、燃料電池１００外部から所定の振動・衝撃を受けることなどの要因により、所定のカシメユニット２５において、各プレートを、単セル１０側から積層方向に押す圧力が高くなると、単セル１０のシール部１６とセパレータ３０（各プレート）とが接触しているシールラインＳＬにおいて、接触圧力が次第に弱まり、そして、セパレータ３０（各プレート）を押す圧力が所定値Ｐmaxより高くなると、そのシールラインＳＬから流体（反応ガス等）が漏れてしまう。これを、以下では、面圧抜けとも呼ぶ。そこで、本実施例では、プレート間最大幅は、面圧抜けを起こさない最大の幅となるように設定される。

＜プレート間最小幅について＞
カシメユニット２５において、上述のように燃料電池１００が所定の振動や衝撃を受けること等により、カシメユニット２５の外側（すなわち、中間プレート３３側）から積層方向に働く力が加わる場合ある。この場合、カシメユニット２５の外側から積層方向に働く力は、第２ガス拡散層１４，１５を介して、ＭＥＡの発電面に伝達され、第２ガス拡散層１４，１５と各プレートとの間の接触圧力、または、ＭＥＡの触媒電極（カソード２２またはアノード２４）と第２ガス拡散層１４，１５との間の接触圧力が高まり、その結果、第２ガス拡散層１４，１５の気孔率が変化したり、ＭＥＡの触媒電極の耐久度が低下したりする場合がある。また、この場合であって、シール部１６にクリープが生じている場合には、より一層、第２ガス拡散層１４，１５と各プレートとの間の接触圧力、または、ＭＥＡの触媒電極と第２ガス拡散層１４，１５との間の接触圧力が高まり、その結果、第２ガス拡散層１４，１５の気孔率が大きく変化したり、ＭＥＡの触媒電極の耐久度が大きく低下したりする場合がある。以上のような場合を回避するためには、カシメユニット２５においてプレート間幅が一定幅より縮小するのを制限する必要がある。そこで、本実施例では、カシメユニット２５において、カシメユニット２５の外側から積層方向に働く力が加わった場合であっても、第２ガス拡散層１４，１５の気孔率が変化したり、ＭＥＡの触媒電極の耐久度が低下しないように、プレート間最小幅を設定する。

以上のように、本実施例の燃料電池１００（モジュール２００）は、単セル１０の外周部において、単セル１０を挟持するセパレータ３０で単セル１０の外周部を覆うようにカシメ部を形成している。従って、単セル１０を構成するシール部１６が燃料電池１００の外部に飛び出すのを抑制することができる。また、この場合、カシメ部では、セパレータ３０を構成する各プレート（カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２）間に、絶縁体であるスペーサ４００を挟んでいるので、各プレート間で短絡が起きるのを防止することができる。

また、上記カシメ部は、アノード側プレート３２と突起部がカソード側プレート３１のフック部の中空部分に入り込むように、かしめられているので、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２とをしっかりと連結することが可能である。

さらに、本実施例の燃料電池１００（モジュール２００）は、単セル１０の外周部において、単セル１０を挟持するセパレータ３０（カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２）でカシメ部を形成する際に、単セル１０のシール部１６の外周部分が、アノード側プレート３２の曲折部に当接されるように形成されている。このようにすれば、上述したように、燃料電池１００が所定の振動や衝撃を受けても、シール部１６とセパレータ３０とがずれるのを抑制することができる。その結果、シールラインＳＬから流体（反応ガス等）が漏れるのを抑制することができ、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。

本実施例の燃料電池１００（モジュール２００）は、ターミナル３４０間が定寸である定寸締結構造であり、また、カシメユニット２５において、カシメ部では、カソード側プレート３１のフック部とアノード側プレート３２の突起部との間に、弾性体であるスペーサ４００を挟み込んでかしめており、そのカシメ部を、外周部に形成するようにしている。

このようにすれば、上述したような燃料電池１００外部からの振動や衝撃等の要因により、カシメユニット２５において、各プレートに対して、中間プレート３３側から積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力をスペーサ４００で吸収することができる。従って、第２ガス拡散層１４，１５とセパレータ３０との面圧、シールラインＳＬにおけるシール部１６とセパレータ３０（カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２）との接触圧の急激な変動を抑制することができる。その結果、第２ガス拡散層１４，１５やシール部１６の耐久性の低下を抑制することができる。

また、以上のようにすれば、上述したような反応ガス圧の上昇、または、電解質膜２０の膨張等の要因により、カシメユニット２５において、各プレートに対して、単セル１０側から積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力をスペーサ４００で吸収することができる。従って、単セル１０（シール部１６）とセパレータ３０（各プレート）とが接触しているシールラインＳＬにおいて、その接触圧力の急激な低下を抑制することができ、その結果、面圧抜けを抑制することができる。

さらに、以上のようにすれば、上述したような反応ガス圧の上昇、または、電解質膜２０の膨張等の要因により、或るカシメユニット２５において、その内部圧力が高まった場合には、隣接するカシメユニット２５のプレート間幅が縮小されることで、内部圧力が高まったカシメユニット２５は、積層方向に膨張することができる。その結果、膨張したカシメユニット２５において、第２ガス拡散層１４，１５とセパレータ３０（各プレート）との間、または、シール部１６とセパレータ３０（各プレート）との間の急激な接触圧の上昇を防止することができる。そのため、第２ガス拡散層１４，１５やシール部１６の耐久性の低下を抑制することができる。

ところで、特開平２００４―２８８６１８号公報には、セパレータおよび単セルが積層されたスタック構造を有する燃料電池において、一端のエンドプレートとインシュレータとの間に、複数のスプリングＳが積層方向に取り付けられる技術が公開されている。このようにすることで、単セルとそれを挟持するセパレータで構成される積層ユニットにおいて、所定の要因により、ユニット締結力が、それぞれ変動しても、スプリングＳがそれを吸収することができる。一方、以上のようにすれば、この従来技術のスプリングＳの役割を、カシメユニット２５におけるカシメ部が成すことができるので、スプリングを設けることなく、定寸締結構造のままで、ユニット締結力の変動を吸収し、各カシメユニット２５におけるユニット締結力を略一定に保つことが可能である。

本実施例の燃料電池１００（モジュール２００）のカシメユニット２５では、上述のようにプレート間最大幅を設定するようにしているので、面圧抜けを抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池１００（モジュール２００）のカシメユニット２５では、上述のようにプレート間最小幅を設定するようにしている。このようにすれば、シール部１６にクリープが生じた場合等であっても、第２ガス拡散層１４，１５の気孔率が変化したり、ＭＥＡの触媒電極（カソード２２またはアノード２４）の耐久度が低下することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
図８は、変形例１に係る燃料電池１００'の外観構成を示す説明図である。本変形例１の燃料電池１００'は、上記実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、モジュール２００の構成等は上記実施例の燃料電池１００と同様であり、テンションプレート３１０とエンドプレート３００との近傍のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。

本変形例１の燃料電池１００'は、図８に示すように、一端のエンドプレート３００とインシュレータ３３０との間に、複数のスプリング３７０が積層方向に取り付けられている構造となっている。

以上のようにすれば、所定のカシメユニット２５において、ユニット締結力が、変動した場合には、カシメ部で吸収すると共に、スプリング３７０でも吸収することができるので、効率的にユニット締結力の変動を吸収し、ユニット締結力を略一定に保つことが可能となる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００（モジュール２００）のカシメユニット２５に適用したカシメ部を、例えば、ＭＥＡおよびＭＥＡの外周部分に配されるシール部（以下では、単セルＷとする。）を所定のセパレータで挟持して積層ユニットＺを構成し、その積層ユニットＺを積層して構成される燃料電池Ｇ（特開２００４−１４６１４５号公報参照）に用いてもよい。具体的には、燃料電池Ｇにおいて、単セルＷを挟持するセパレータの外周部に、上記実施例と同様にカシメ部を形成する。この場合、単セルＷを挟持するセパレータのうち、一方が、カソード側プレート３１と同様に、その外周部にフック部を形成し、他方が、アノード側プレート３２と同様に、その外周部に突起部を形成する。このようにすれば、上記燃料電池Ｇにおいても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池１００（モジュール２００）は、カシメユニット２５において、絶縁体であるスペーサ４００を用いて、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２との間を絶縁するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、カシメユニット２５において、スペーサ４００を用いず、カソード側プレート３１のフック部とアノード側プレート３２の突起部に、絶縁材料からなるコーティングを施し、その状態で、これらのプレートをかしめて、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２との間を絶縁するようにしてもよい。このようにしても、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２との間で短絡が起きるのを防止することができる。

実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。中間プレート３３の形状を示す説明図である。図２のモジュール２００におけるＲ領域を拡大した拡大図である。変形例１に係る燃料電池１００'の外観構成を示す説明図である。

符号の説明

１...変形例
１...本変形例
１０...単セル
１４，１５...第２ガス拡散層
１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２５...カシメユニット
２６，２８...第１ガス拡散層
３０...セパレータ
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３３...中間プレート
４０〜４５...穴部
５０〜５３...連通孔
５４〜５７...連通部
５８...冷媒孔
１００...燃料電池
１１０...スタック
２００...モジュール
３００...エンドプレート
３１０...テンションプレート
３２０...ボルト
３３０...インシュレータ
３４０...ターミナル
３７０...スプリング
４００...スペーサ

Claims

セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させてスタックを構成する燃料電池であって、
前記膜電極接合体の外周部に配され、さらに、隣接するセパレータに挟持されるシール部を備え、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続することを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの外周部における先端部分が積層方向に曲折して成る曲折部を備え、
前記シール部の外周面が、前記曲折部と当接することを特徴とする燃料電池。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続する接続部分は、かしめ構造であることを特徴とする燃料電池。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記絶縁物は、弾性体であることを特徴とする燃料電池。
請求項４に記載の燃料電池において、
前記スタックの積層方向の長さは、定寸であることを特徴とする燃料電池。