JP2007193970A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のガスケットの変形、および、横ズレによるシール性能の低下を抑制する。
【解決手段】ＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０は、フレーム４５０と、セパレータ４１とを積層したときに、積層方向から見て、セパレータ４１の外周から突出するとともに、積層方向に突出する突出部４５８を備える。セパレータ４１の側面４１ｓを突出部４５８の内壁４５８ｂに当接させて嵌合しながら、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５とを積層させる。そして、これらの積層方向に、所定の押圧力を加えながら、テンションプレート８０を、ＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０の突出部４５８の外側面４５８ａに当接させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、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する燃料電池に関するものである。

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、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。

このような燃料電池スタックに関して、従来、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１，２には、燃料電池スタックにおいて、反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）の漏洩を防止するために、膜電極接合体とセパレータとの間にガスケット（シール部材）を介装する構成が記載されている。そして、このような構成の燃料電池スタックでは、一般に、ガスケットのシール性を得るために、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が加えられる。

特開２００１−１４８２５２号公報 特開２００４−６１０４号公報

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、ガスケットが変形して積層面に対して平行な方向に横ズレし、ガスケットのシール性能が低下する場合があった。このような不具合は、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。

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、反応ガス供給時のガスケットの変形、および、横ズレによるシール性能の低下を抑制することを目的とする。

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。
本発明の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、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する燃料電池であって、
前記積層体、および、前記セパレータの積層方向に沿った前記スタック構造の側面の少なくとも一部を、外側から拘束する外部拘束部材を備え、
前記積層体は、前記積層体の外周に、絶縁性を有するとともに、前記積層体の表面に供給される反応ガスの漏洩を防止するためのガスケットを一体的に備え、
該ガスケットは、前記セパレータと積層したときに、積層方向から見て、前記セパレータの外周から突出する突出部を備え、
該突出部と、前記外部拘束部材とが、互いに当接していることを要旨とする。

こうすることによって、ガスケットに備えられた突出部は、外部拘束部材によって、外側から拘束されるので、燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のガスケットの変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。また、突出部は、絶縁性を有しているので、外部拘束部材として、導電性を有する金属製の部材を用いる場合であっても、突出部によって、セパレータと外部拘束部材とが接触しないようにすることによって、両者間の絶縁を確保することができる。

上記燃料電池において、
前記突出部は、緩衝性を有する部材からなることが好ましい。

こうすることによって、外部からの衝撃を吸収するための緩衝材を別途設けることなく、突出部によって、外部からの衝撃を吸収することができる。この結果、外部からの衝撃によるスタック構造の横ズレを抑制することができる。

上記いずれかの燃料電池において、
前記突出部は、前記積層方向に突出し、前記セパレータの側面と当接する凸部を備えるようにすることが好ましい。

こうすることによって、積層体と、セパレータとを積層させるときに、セパレータの側面を凸部に当接させて、セパレータの位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。

上記燃料電池において、
前記凸部は、前記セパレータと、前記ガスケットとが嵌合可能に形成されていることが好ましい。

こうすることによって、積層体と、セパレータとの間の横ズレを抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記凸部の少なくとも一部は、前記セパレータと、前記外部拘束部材とによって挟持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、凸部の剛性が比較的低い場合であっても、凸部を外部拘束部材によって拘束し、凸部の変形を抑制することができる。

上記いずれかの燃料電池において、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定の反応ガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記反応ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、
を備えるようにしてもよい。

セパレータが、積層体の表面に対して垂直な方向に、所定の反応ガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、積層体の表面に対して垂直な方向に、前記反応ガスを排出するための排出口を有する排出用流路とを備える場合、燃料電池内の反応ガスの流路が複雑になるため、反応ガスの供給時の圧力が比較的高く設定され、ガスケットが比較的変形し易い。本発明は、このようなセパレータを用いて燃料電池を構成する場合に、ガスケットの変形、および、横ズレを抑制するために特に有効である。

上記いずれかの燃料電池において、セパレータは、その表面に反応ガスの流路を形成するための凹凸が形成されたセパレータであってもよいが、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向する平板状のアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向する平板状のカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、
を備えるようにしてもよい。

セパレータが、上記アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートとによって構成される場合、このセパレータは平板状であるため、ガスケットが比較的滑りやすい。本発明は、このような平板状のセパレータを用いて燃料電池を構成する場合に、ガスケットの横ズレを抑制するために特に有効である。

本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．燃料電池モジュール：
Ｂ１．セパレータ：
Ｂ２．ＭＥＡシールガスケット：
Ｃ．燃料電池スタックの製造：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１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、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、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。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。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、セルの積層数は、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。

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、複数の燃料電池モジュール４０、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。燃料電池モジュール４０は、後述するセパレータ４１と、膜電極接合体、および、ガスケットを一体的に備えるＭＥＡシールガスケット４５とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、ＭＥＡシールガスケット４５については、後述する。

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、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するために、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、各燃料電池モジュール４０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。テンションプレート８０は、また、後述するように、燃料電池モジュール４０を外側から拘束する機能も奏している。テンションプレート８０は、本発明における外部拘束部材に相当する。

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。

Ｂ．燃料電池モジュール：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５とによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、ＭＥＡシールガスケット４５について説明する。

Ｂ１．セパレータ：
図２は、セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とから構成されている。そして、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４として、ステンレス鋼の代わりに、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。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。

図２（ａ）は、ＭＥＡシールガスケット４５のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。

図２（ｂ）は、ＭＥＡシールガスケット４５のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。

図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図示するように、中間プレート４３は、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。

図２（ｄ）は、セパレータ４１の平面図である。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た平面図を示した。

図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。

また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。

また、中間プレート４３において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４４の冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向プレート４２の冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。

なお、中間プレート４３における空気供給用流路形成部４３２ｃ、空気排出用流路形成部４３２ｄ、水素供給用流路形成部４３２ｅ、水素排出用流路形成部４３２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向プレート４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。

このセパレータ４１において、水素と、空気と、冷却水の流れは、以下の通りである。すなわち、カソード対向プレート４２の水素供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａ、アノード対向プレート４４の水素供給用貫通孔４４４ａを流れる水素は、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａから分岐して、複数の水素供給用流路形成部４３２ｅを通り、アノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉから、後述するＭＥＡシールガスケット４５のＭＥＡ部４５１のアノードに対して垂直な方向に供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノード対向プレート４４の複数の４４４ｏ、および、中間プレート４３の水素排出用流路形成部４３２ｆを通って、排出される。

また、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａ、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａ、カソード対向プレート４２の空気供給用貫通孔４２２ａを流れる空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３２ｃを通り、カソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉから、後述するＭＥＡシールガスケット４５のＭＥＡ部４５１のカソードに対して垂直な方向に供給される。そして、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏ、および、中間プレート４３の４３２ｄを通って、排出される。

また、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、中間プレート４３の複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６の一端、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａを流れる冷却水は、中間プレート４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６から分岐して、中間プレート４３内を通り、冷却水流路形成用貫通孔４３６の他端から排出される。

Ｂ２．ＭＥＡシールガスケット：
図３は、ＭＥＡシールガスケット４５を示す説明図である。図３（ａ）に、ＭＥＡシールガスケット４５のカソード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。

図示するように、ＭＥＡシールガスケット４５は、ＭＥＡ部４５１の周囲をフレーム４５０によって支持したものである。なお、本実施例では、フレーム４５０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。

ＭＥＡ部４５１は、図３（ｂ）に示したように、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード用触媒層４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード用触媒層４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。本実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。さらに、本実施例では、ＭＥＡ部４５１の両面に、セパレータ４１と積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９がそれぞれ配置されている。カソード用拡散層４８ｃ、および、アノード用拡散層４８ａと、金属多孔体層４９とを用いることによって、アノード、および、カソードの全面に、効率よく拡散させてガスを供給することができる。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。

フレーム４５０には、図３（ａ）に示したように、セパレータ４１と同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、これら各貫通孔、および、ＭＥＡ部４５１の周囲には、それぞれシール部４５９が一体的に設けられており、図３（ａ）中に細線で示したシールラインＳＬが形成されている。つまり、フレーム４５０は、水素や、酸素や、冷却水の漏洩を防止するためのガスケットとして機能する。

このフレーム４５０は、その周囲に、フレーム４５０と、セパレータ４１とを積層したときに、積層方向から見て、セパレータ４１の外周から突出するとともに、燃料電池スタック１００のスタック構造の積層方向に突出する突出部４５８を一体的に備えている。この突出部４５８は、セパレータ４１の側面４１ｓを突出部４５８の内壁４５８ｂに当接させて、嵌合できるように形成されている。こうすることによって、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５とを積層させるときに、セパレータ４１の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができるとともに、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５と間の横ズレを抑制することができる。また、突出部４５８は、緩衝性を有するシリコーンゴムによって形成されているので、外部からの衝撃を吸収することができる。突出部４５８は、本発明における突出部、および、凸部に相当する。

Ｃ．燃料電池スタックの製造：
図４は、燃料電池スタック１００の概略的な製造の様子を模式的に示す説明図である。図４（ａ）に示したように、まず、セパレータ４１の側面４１ｓをＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０が備える突出部４５８の内壁４５８ｂに当接させて嵌合しながら、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５とを積層させる。そして、これらの積層方向に、所定の押圧力を加えながら、テンションプレート８０を、ＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０の突出部４５８の外側面４５８ａに当接させるとともに、図１に示したように、ボルト８２によって、エンドプレート１０に固定する。こうすると、燃料電池スタック１００は、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５と、テンションプレート８０とは、図４（ｂ）に示したように接合される。

以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、ＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０に突出部４５８が設けられており、この突出部４５８は、その外側面４５８ａと当接するテンションプレート８０によって、外側から拘束されるので、燃料電池スタック１００において、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

また、突出部４５８は、シリコーンゴムからなり、絶縁性を有しているので、この突出部４５８によって、セパレータ４１とテンションプレート８０とが接触しないようにすることによって、両者間の絶縁を確保することもできる。

また、突出部４５８は、緩衝性を有する部材からなるので、外部からの衝撃を吸収するための緩衝材を別途設けることなく、突出部４５８によって、外部からの衝撃を吸収することができる。この結果、外部からの衝撃による燃料電池スタック１００のスタック構造の横ズレを抑制することもできる。

Ｄ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、ＭＥＡシールガスケット以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００と同じである。以下、第２実施例のＭＥＡシールガスケットについて説明する。本実施例では、２種類のＭＥＡシールガスケット４５Ａ，４５Ｂを用いている。

図５は、第２実施例の２種類のＭＥＡシールガスケット４５Ａ，４５Ｂを示す説明図である。図５（ａ）に、ＭＥＡシールガスケット４５Ａの平面図を示した。また、図５（ｂ）に、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂの平面図を示した。なお、２種類のＭＥＡシールガスケット４５Ａ，４５ＢにおけるＭＥＡ部４５１と、フレーム４５０と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５と同じである。

ＭＥＡシールガスケット４５Ａは、図５（ａ）に示すように、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａとが形成されている側の一辺に、突出部４５８Ａ１を備えており、この辺と対向し、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂとが形成されている側の辺に、突出部４５８Ａ２を備えている。また、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂは、図５（ｂ）に示すように、冷却水供給用貫通孔４５６ａが形成されている側の一辺に、突出部４５８Ｂ１を備えており、この辺と対向し、冷却水排出用貫通孔４５６ｂが形成されている側の辺に突出部４５８Ｂ２を備えている。そして、ＭＥＡシールガスケット４５Ａの突出部４５８Ａ１，４５８Ａ２、および、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂの突出部４５８Ｂ１，４５８Ｂ２は、ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとが、互いに嵌合可能に形成されている。

図６は、ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとを積層させ、これらを、テンションプレート８０によって外側から拘束している様子を示す説明図である。図６（ａ）に、突出部４５８Ａ２側の側面から見た燃料電池スタックの概略断面図を示した。また、図６（ｂ）に、突出部４５８Ｂ１側の側面から見た燃料電池スタックの概略断面図を示した。

図から分かるように、セパレータ４１は、ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとに嵌合するとともに、ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂも互いに嵌合する。そして、ＭＥＡシールガスケット４５Ａの突出部４５８Ａ１，４５８Ａ２、および、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂの突出部４５８Ｂ１，４５８Ｂ２の外側面は、テンションプレート８０に当接している。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、ＭＥＡシールガスケット４５Ａ，４５Ｂのフレーム４５０に、それぞれ突出部４５８Ａ１，４５８Ａ２、および、突出部４５８Ｂ１，４５８Ｂ２が設けられており、これらの突出部４５８Ａ１，４５８Ａ２，４５８Ｂ１，４５８Ｂ２は、その外側面と当接するテンションプレート８０によって、外側から拘束されるので、燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。さらに、ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとは、互いに嵌合するので、ＭＥＡシールガスケット４５と、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとの間の横ズレを抑制することができる。

Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつか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、以下のような変形例が可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例では、ＭＥＡシールガスケット４５において、突出部４５８は、フレーム４５０の周囲全体に備えられているものとしたが、これに限られない。

図７は、第１の変形例としてのＭＥＡシールガスケット４５Ｃの平面図である。ＭＥＡシールガスケット４５ＣにおけるＭＥＡ部４５１と、フレーム４５０と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５と同じである。

このＭＥＡシールガスケット４５Ｃでは、フレーム４５０において、部材の幅が狭く、剛性が比較的低い部分に突出部が設けられている。すなわち、ＭＥＡシールガスケット４５Ｃでは、フレーム４５０の辺の、空気供給用貫通孔４５２ａ近傍に突出部４５８Ｃ１が設けられており、水素供給用貫通孔４５４ａ近傍に突出部４５８Ｃ２が設けられており、空気排出用貫通孔４５２ｂ近傍に突出部４５８Ｃ３が設けられており、水素排出用貫通孔４５４ｂ近傍に突出部４５８Ｃ４が設けられており、冷却水供給用貫通孔４５６ａ近傍に突出部４５８Ｃ５が設けられており、冷却水排出用貫通孔４５６ｂ近傍に突出部４５８Ｃ６が設けられている。これらの断面形状は、第１実施例のＭＥＡシールガスケット４５における突出部４５８の断面形状と同じである。

燃料電池スタックに、上述したＭＥＡシールガスケット４５Ｃを用いることによっても、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例では、ＭＥＡシールガスケット４５のフレーム４５０は、フレーム４５０と、セパレータ４１とを積層したときに、積層方向から見て、セパレータ４１の外周から突出するとともに、燃料電池スタック１００のスタック構造の積層方向に突出する突出部４５８を備えるものとしたが、これに限られない。また、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４との３枚のプレートによって構成されているものとしたが、これに限られない。例えば、１つのブロックを加工して形成したセパレータを用いるものとしてもよい。

図８は、変形例としてのセパレータ、および、ＭＥＡシールガスケットを側面から見た概略断面図である。

図８（ａ）に示した例では、ＭＥＡシールガスケット４５Ｄの突出部４５８Ｄの形状が、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５の突出部４５８と異なる。すなわち、ＭＥＡシールガスケット４５Ｄの突出部４５８Ｄは、燃料電池スタック１００のスタック構造の積層方向に突出する凸部を備えていない。このようなＭＥＡシールガスケット４５Ｄによっても、テンションプレート８０によって突出部４５８Ｄを外側から拘束することができるので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。ただし、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５は、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５とを積層させるときに、セパレータ４１の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができるとともに、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５と間の横ズレを抑制することができるという点で、ＭＥＡシールガスケット４５Ｄよりも優れている。

図８（ｂ）に示した例では、ＭＥＡシールガスケット４５Ｅの突出部４５８Ｅの形状が、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５の突出部４５８と異なる。すなわち、ＭＥＡシールガスケット４５Ｅの突出部４５８Ｅは、燃料電池スタック１００のスタック構造の積層方向に突出する凸部４５８Ｅｃを備えているが、図から分かるように、この凸部４５８Ｅｃは、セパレータ４１とテンションプレート８０とによって挟持されない。このようなＭＥＡシールガスケット４５Ｅによっても、テンションプレート８０によって突出部４５８Ｅを外側から拘束することができるので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。ただし、第１実施例におけるＭＥＡシールガスケット４５は、突出部４５８の剛性が高く変形しにくいという点で、ＭＥＡシールガスケット４５Ｅよりも優れている。

図８（ｃ）に示した例では、セパレータ４１Ｆの側面４１Ｆｓが、表面に対して斜めになっている。そして、ＭＥＡシールガスケット４５Ｆの突出部４５８Ｆは、セパレータ４１Ｆの側面４１Ｆｓと当接する形状を有している。このようなセパレータ４１Ｆ、および、ＭＥＡシールガスケット４５Ｆによっても、テンションプレート８０によって突出部４５８Ｆを外側から拘束することができるので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

図８（ｄ）に示した例では、セパレータ４１Ｇは、第１実施例におけるセパレータ４１と同様に、カソード対向プレートと、中間プレートと、アノード対向プレートとによって構成されているが、中間プレートの外形寸法が、カソード対向プレート、および、アノード対向プレートの外形寸法よりも大きく、図示するように、セパレータ４１Ｇの断面において、セパレータ４１Ｇの側面４１Ｇｓに凸部４１Ｇｓｃが形成されている。そして、ＭＥＡシールガスケット４５Ｇの突出部４５８Ｇには、セパレータ４１Ｇの側面４１ＧｓがＭＥＡシールガスケット４５Ｇの突出部４５８Ｇの内壁４５８Ｇｂに当接するとともに、凸部４１Ｇｓｃが嵌合するように、凹部４５８Ｇｂｃが設けられている。このようなセパレータ４１Ｇ、および、ＭＥＡシールガスケット４５Ｇによっても、テンションプレート８０によって突出部４５８Ｇを外側から拘束することができるので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形、および、横ズレを抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

本発明の第１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。 セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。 ＭＥＡシールガスケット４５を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の概略的な製造の様子を模式的に示す説明図である。 第２実施例の２種類のＭＥＡシールガスケット４５Ａ，４５Ｂを示す説明図である。 ＭＥＡシールガスケット４５Ａと、セパレータ４１と、ＭＥＡシールガスケット４５Ｂとを積層させ、これらを、テンションプレート８０によって外側から拘束している様子を示す説明図である。 第１の変形例としてのＭＥＡシールガスケット４５Ｃの平面図である。 変形例としてのセパレータ、および、ＭＥＡシールガスケットを側面から見た概略断面図である。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０…燃料電池モジュール
４１，４１Ｆ，４１Ｇ…セパレータ
４１ｓ，４１Ｆｓ，４１Ｇｓ…側面
４１Ｇｓｃ…凸部
４２…カソード対向プレート
４２２ａ…空気供給用貫通孔
４２２ｂ…空気排出用貫通孔
４２２ｉ…空気供給口
４２２ｏ…空気排出口
４２４ａ…水素供給用貫通孔
４２４ｂ…水素排出用貫通孔
４２６ａ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４３…中間プレート
４３２ａ…空気供給用貫通孔
４３２ｂ…空気排出用貫通孔
４３２ｃ…空気供給用流路形成部
４３２ｄ…空気排出用流路形成部
４３２ｅ…水素供給用流路形成部
４３２ｆ…水素排出用流路形成部
４３４ａ…水素供給用貫通孔
４３４ｂ…水素排出用貫通孔
４３６…冷却水流路形成用貫通孔
４４…アノード対向プレート
４４２ａ…空気供給用貫通孔
４４２ｂ…空気排出用貫通孔
４４４ａ…水素供給用貫通孔
４４４ｂ…水素排出用貫通孔
４４４ｉ…水素供給口
４４４ｏ…水素排出口
４４６ａ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅ，４５Ｆ，４５Ｇ…ＭＥＡシールガスケット
４５０…フレーム
４５１…ＭＥＡ部
４５２ａ…空気供給用貫通孔
４５２ｂ…空気排出用貫通孔
４５４ａ…水素供給用貫通孔
４５４ｂ…水素排出用貫通孔
４５６ａ…冷却水供給用貫通孔
４５６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４５８，４５８Ａ１，４５８Ａ２，４５８Ｂ１，４５８Ｂ２，４５８Ｃ１〜４５８Ｃ６，４５８Ｄ，４５８Ｅ，４５８Ｆ，４５８Ｇ…突出部
４５８ａ…外側面
４５８ｂ…内壁
４５８Ｅｃ…凸部
４５８Ｇｂ…内壁
４５８Ｇｂｃ…凹部
４５９…シール部
４６…電解質膜
４７ａ…アノード用触媒層
４７ｃ…カソード用触媒層
４８ａ…アノード用拡散層
４８ｃ…カソード用拡散層
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
ＳＬ…シールライン

Claims (7)

1. 所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、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する燃料電池であって、
   前記積層体、および、前記セパレータの積層方向に沿った前記スタック構造の側面の少なくとも一部を、外側から拘束する外部拘束部材を備え、
   前記積層体は、前記積層体の外周に、絶縁性を有するとともに、前記積層体の表面に供給される反応ガスの漏洩を防止するためのガスケットを一体的に備え、
   該ガスケットは、前記セパレータと積層したときに、積層方向から見て、前記セパレータの外周から突出する突出部を備え、
   該突出部と、前記外部拘束部材とは、互いに当接している、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記突出部は、緩衝性を有する部材からなる、
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記突出部は、前記積層方向に突出し、前記セパレータの側面と当接する凸部を備える、
   燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記凸部は、前記セパレータと、前記ガスケットとが嵌合可能に形成されている、
   燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記凸部の少なくとも一部は、前記セパレータと、前記外部拘束部材とによって挟持されている、
   燃料電池。
6. 請求項１ないし５記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定の反応ガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
   前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記反応ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、
   を備える燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   前記積層体のアノードに対向する平板状のアノード対向プレートと、
   前記積層体のカソードに対向する平板状のカソード対向プレートと、
   前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、
   を備える燃料電池。

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