JP2007193971A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール性能の低下を抑制する。
【解決手段】膜電極接合体（ＭＥＡ４部５１）の周囲に、シール部４５９を備えるフレーム４５０を一体的に形成したシールガスケット一体型ＭＥＡ４５において、比較的剛性が低い、シリコーンゴム製のフレーム４５０の外周部に、フレーム４５０よりも剛性が高い、硬質樹脂製の高剛性部材４５８を配設する。
【選択図】図３

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、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の種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体と、弾性パッキング部材とを一体化する構成が記載されている。また、下記特許文献２には、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体とセパレータとの間に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、弾性パッキング部材や、シール部材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２０００−１３３２９０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、シール部材が変形して積層面に対して平行な方向に横ズレし、シール部材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、シール部材として、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、反応ガス供給時のシール部材の変形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、
前記積層体は、前記積層体の外周に、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シール部材を一体的に備え、
前記シール部材の外周部の少なくとも一部に、前記シール部材よりも剛性が高い高剛性部材が配設されていることを要旨とする。

本発明では、高剛性部材によって、シール部材の変形を抑制することができるので、燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給時のシール部材の変形によるシール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、
前記シール部材は、弾性材料からなるものとしてもよい。

弾性材料からなるシール部材は、比較的剛性が低く、変形しやすいので、本発明は、特に有効である。

上記いずれかの燃料電池において、
前記高剛性部材は、前記シール部材と一体的に形成されているものとしてもよい。

上記積層体の外周にシール部材を一体的に備える部材を製造するときに、積層体とシール部材との線膨張係数の差によって、シート部材の外周部が大きく変形する場合がある。本発明では、シール部材の外周部の少なくとも一部に高剛性部材が一体的に形成されるので、上記積層体の外周にシール部材を一体的に備える部材を製造するときの、積層体とシール部材との線膨張係数の差によるシール部材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、
前記高剛性部材は、前記シール部材の、前記スタック構造の積層方向への変形を制限するための制限部を備えるようにしてもよい。

こうすることによって、スタック構造の積層方向へのシール部材の過剰な変形によるシール性能の低下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、
前記高剛性部材は、前記セパレータの外周部の少なくとも一部と嵌合する嵌合部を備えるようにしてもよい。

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の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。

また、シート部材が、収縮性が高い部材である場合、積層体にシート部材の収縮力が作用し、アノードや、カソードが破損する場合があった。本発明では、セパレータの外周部と高剛性部材の嵌合部とを嵌合させることによって、シール部材には、外周方向に引っ張る力作用するため、積層体に作用するシート部材の収縮力を低減させることができる。したがって、積層体のアノードや、カソードの破損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、および、前記高剛性部材は、積層時の面方向の位置決めに用いられる位置決め用貫通孔をそれぞれ備えるようにしてもよい。

こうすることによって、複数のセパレータと複数の積層体とを交互に積層させるときの面方向の位置決めを、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、
前記セパレータ、および、前記高剛性部材における前記位置決め用貫通孔の数は、任意に設定可能であるが、それぞれ２つであることが好ましい。

こうすることによって、例えば、２つの位置決め用貫通孔のうちの一方を基準となる貫通孔とし、他方を位置決め時の寸法交差を吸収するための貫通孔とすることができる。

なお、上記いずれかの燃料電池において、
前記高剛性部材は、絶縁性を有する部材であることが好ましい。

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．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
Ａ２．燃料電池モジュール：
Ａ２．１．セパレータ：
Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．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シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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し、また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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。

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。

Ａ２．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、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５とによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５について説明する。

Ａ２．１．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、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５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、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５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。

Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図３は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５を示す説明図である。図３（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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。シールガスケット一体型ＭＥＡ４５の外形形状は、セパレータ４１の外形形状と同じである。

図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５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。そして、フレーム４５０の外周部には、フレーム４５０よりも剛性が高い高剛性部材４５８が配設されている。この高剛性部材４５８は、フレーム４５０の変形を抑制するための部材である。図３（ｂ）から分かるように、フレーム４５０と高剛性部材４５８との表面の高さは、ほぼ一致している。

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。また、本実施例では、高剛性部材４５８として、絶縁性を有する硬質樹脂を用いるものとした。

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。

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、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５が、フレーム４５０の外周部に高剛性部材４５８を備えているので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形を抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

なお、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５は、例えば、射出成形によって一体的に形成される。フレーム４５０の外周部に高剛性部材４５８が配設されていない場合、シリコーンゴムからなるフレーム４５０の線膨張係数は、ＭＥＡ部４５１の線膨張係数よりも大きいため、製造時に、フレーム４５０が大きく変形する。本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５では、フレーム４５０の外周部に高剛性部材４５８が一体的に形成されているので、製造時のフレーム４５０の変形を抑制することができる。以下に説明する各実施例においても同様である。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ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実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡについて説明する。

図４は、第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。図４（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａの平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図４（ｃ）には、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとを交互に積層させたときの、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。

本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのフレーム４５０Ａは、図４（ａ）に示したように、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５のフレーム４５０の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。なお、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＡにおけるＭＥＡ部４５１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実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５と同じである。

シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａにおいて、フレーム４５０Ａの外周部の四辺には、それぞれ高剛性部材４５８Ａが配設されている。そして、この高剛性部材４５８Ａには、図４（ｂ），（ｃ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと、セパレータ４１とを積層したときに、セパレータ４１の外周部と嵌合可能なように、高剛性部材４５８Ａの内側面に凹部４５８Ａｃが形成されている。こうすることによって、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとを積層させるときに、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。また、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと間の横ズレを抑制することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによれば、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａが、フレーム４５０Ａの外周部に高剛性部材４５８Ａを備えているので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形を抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ以外は、第１実施例、および、第２実施例の燃料電池スタック１００と同じである。また、後述するように、シールガスケット一体型ＭＥＡは、高剛性部材以外は、第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。以下、第３実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡについて説明する。

図５は、第３実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。図５（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの平面図を示した。また、図５（ｂ）に、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図５（ｃ）には、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂとを交互に積層させたときの、図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。

図５（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂのフレーム４５０Ａは、第２実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５のフレーム４５０の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＢにおけるＭＥＡ部４５１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１，２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５，４５Ａと同じである。

シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂにおいて、フレーム４５０Ａの外周部の四辺には、それぞれ高剛性部材４５８Ｂが配設されている。そして、この高剛性部材４５８Ｂには、図５（ｂ），（ｃ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂと、セパレータ４１とを積層したときに、セパレータ４１の外周部と嵌合可能なように、高剛性部材４５８Ｂの内側面に凹部４５８Ｂｃが形成されている。こうすることによって、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとを積層させるときに、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。また、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと間の横ズレを抑制することができる。

また、高剛性部材４５８Ｂには、複数のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂと、複数のセパレータ４１とを交互に積層し、積層方向に締結荷重をかけたときに、セパレータ４１を挟んで隣接するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの高剛性部材４５８Ｂの上面４５８Ｂｔと、下面４５８Ｂｄとが互いに当接することによって、シール部４５９が積層方向に過剰に変形することを防止する凸部を備えている。この凸部によって、シール部４５９の積層方向への過剰な変形によるシール性能の低下を抑制することができる。この凸部は、本発明における制限部に相当する。

以上説明した第３実施例の燃料電池スタックによれば、先に説明した第１、および、第２実施例の燃料電池スタックと同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂが、フレーム４５０Ａの外周部に高剛性部材４５８Ｂを備えているので、反応ガス供給時のフレーム４５０の変形を抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

Ｄ．第４実施例：
図６は、第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃの概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００Ｃは、図１に示した燃料電池スタック１００と同様に、一端から、エンドプレート１０Ｃ、絶縁板２０Ｃ、集電板３０Ｃ、複数の燃料電池モジュール４０Ｃ、集電板５０Ｃ、絶縁板６０Ｃ、エンドプレート７０Ｃの順に積層することによって構成されている。そして、これらには、２つの貫通孔がそれぞれ設けられており、各貫通孔に２本の位置決め用シャフト９０ａ，９０ｂをそれぞれ貫通させて、積層時の面方向の位置決めがなされている。また、図１に示した燃料電池スタック１００と同様に、エンドプレート１０Ｃ、および、エンドプレート７０Ｃには、テンションプレート８０がボルト８２によって固定されている。燃料電池モジュール４０Ｃは、後述するセパレータ４１Ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとによって構成されている。

図７は、セパレータ４１Ｃの構成部品、および、セパレータ４１Ｃの平面図である。本実施例におけるセパレータ４１Ｃは、図２に示したセパレータ４１と同様に、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４２Ｃと、中間プレート４３Ｃと、アノード対向プレート４４Ｃとから構成されている。

カソード対向プレート４２Ｃには、図７（ａ）に示したように、位置決め用シャフト９０ａを貫通させるための位置決め用貫通孔４２８ａと、位置決め用シャフト９０ｂを貫通させるための位置決め用貫通孔４２８ｂとが設けられている。位置決め用貫通孔４２８ａの形状は、円であり、位置決め用貫通孔４２８ｂの形状は、楕円である。これ以外は、図２に示したカソード対向プレート４２と同じである。

また、アノード対向プレート４４Ｃには、図７（ｂ）に示したよう、位置決め用シャフト９０ａを貫通させるための位置決め用貫通孔４４８ａと、位置決め用シャフト９０ｂを貫通させるための位置決め用貫通孔４４８ｂとが設けられている。位置決め用貫通孔４４８ａの形状は、円であり、位置決め用貫通孔４４８ｂの形状は、楕円である。これ以外は、図２に示したアノード対向プレート４４と同じである。

また、中間プレート４３Ｃには、図７（ｃ）に示したよう、位置決め用シャフト９０ａを貫通させるための位置決め用貫通孔４３８ａと、位置決め用シャフト９０ｂを貫通させるための位置決め用貫通孔４３８ｂとが設けられている。位置決め用貫通孔４３８ａの形状は、円であり、位置決め用貫通孔４３８ｂの形状は、楕円である。これ以外は、図２に示した中間プレート４３と同じである。

図８は、第４実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。図８（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの平面図を示した。また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図８（ｃ）には、セパレータ４１Ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを交互に積層させたときの、図８（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図を示した。

図８（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃのフレーム４５０Ａは、第２実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５のフレーム４５０の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＣにおけるＭＥＡ部４５１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１〜３実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５，４５Ａ，４５Ｂと同じである。

シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃにおいて、フレーム４５０Ａの外周部には、フレーム４５０Ａよりも剛性が高い高剛性部材４５８Ｃが配設されている。この高剛性部材４５８Ｃには、位置決め用シャフト９０ａを貫通させるための位置決め用貫通孔４５８ａと、位置決め用シャフト９０ｂを貫通させるための位置決め用貫通孔４５８ｂとが設けられている。位置決め用貫通孔４５８ａの形状は、円であり、位置決め用貫通孔４５８ｂの形状は、楕円である。また、図８（ｂ）に示したように、フレーム４５０Ａと高剛性部材４５８Ｃとの表面の高さは、ほぼ一致している。

以上説明した第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃによれば、先に説明した第１ないし第３実施例の燃料電池スタックと同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃが、フレーム４５０Ａの外周部に高剛性部材４５８Ｃを備えているので、反応ガス供給時のフレーム４５０Ａの変形を抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

また、本実施例では、カソード対向プレート４２Ｃは、位置決め用貫通孔４２８ａ，４２８ｂを備えており、中間プレート４３Ｃは、位置決め用貫通孔４３８ａ，４３８ｂを備えており、アノード対向プレート４４Ｃは、位置決め用貫通孔４４８ａ，４４８ｂを備えており、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃは、位置決め用貫通孔４５８ａ，４５８ｂを備えているので、セパレータ４１Ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを積層させるときの面方向の位置決めを、容易に、かつ、精度良く行うことができる。

さらに、本実施例では、カソード対向プレート４２Ｃの位置決め用貫通孔４２８ａと、中間プレート４３Ｃの位置決め用貫通孔４３８ａと、アノード対向プレート４４Ｃの位置決め用貫通孔４４８ａと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの位置決め用貫通孔４５８ａは、それぞれ円形であり、カソード対向プレート４２Ｃの位置決め用貫通孔４２８ｂと、中間プレート４３Ｃの位置決め用貫通孔４３８ｂと、アノード対向プレート４４Ｃの位置決め用貫通孔４４８ｂと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの位置決め用貫通孔４５８ｂは、それぞれ楕円形であるので、積層時の面方向の位置決め時の寸法公差を吸収して積層することができる。以下に説明する第５実施例においても同様である。

Ｅ．第５実施例：
第５実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ以外は、第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃと同じである。また、後述するように、シールガスケット一体型ＭＥＡは、高剛性部材以外は、第４実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃと同じである。以下、第５実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡについて説明する。

図９は、第５実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。図９（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄの平面図を示した。また、図９（ｂ）に、図９（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図９（ｃ）には、セパレータ４１Ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄとを交互に積層させたときの、図９（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図を示した。

図９（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄのフレーム４５０Ａは、第２実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５のフレーム４５０の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＢにおけるＭＥＡ部４５１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１〜４実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃと同じである。

シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄにおいて、フレーム４５０Ａの外周部には、高剛性部材４５８Ｄが配設されている。そして、この高剛性部材４５８Ｄには、図９（ｂ），（ｃ）に示したように、複数のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄと、複数のセパレータ４１Ｃとを交互に積層し、積層方向に締結荷重をかけたときに、高剛性部材４５８Ｄの上面４５８Ｄｔ、および、下面４５８Ｄｄが、セパレータ４１Ｃに当接することによって、シール部４５９が積層方向に過剰に変形することを防止する凸部を備えている。この凸部によって、シール部４５９の積層方向への過剰な変形によるシール性能の低下を抑制することができる。

以上説明した第５実施例の燃料電池スタックによれば、先に説明した第１ないし第４実施例の燃料電池スタックと同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄが、フレーム４５０Ａの外周部に高剛性部材４５８Ｄを備えているので、反応ガス供給時のフレーム４５０Ａの変形を抑制し、シール性能の低下を抑制することができる。

Ｆ．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。

Ｆ１．変形例１：
上記実施例では、シールガスケット一体型ＭＥＡの製造時に、フレームと高剛性部材とが一体的に形成されるものとしたが、これに限られない。フレームと高剛性部材とを別個に形成し、接合するようにしてもよい。

Ｆ２．変形例２：
上記第４実施例、および、第５実施例では、位置決め用シャフトは２本であり、セパレータや、シールガスケット一体型ＭＥＡには、それぞれ２つの位置決め用貫通孔を設けるものとしたが、これに限られない。位置決め用シャフトの数、および、位置決め用貫通孔の数は、任意に設定可能である。

Ｆ３．変形例３：
上記実施例では、シールガスケット一体型ＭＥＡの外周部に設けられた高剛性部材として、絶縁性を有する部材を用いるものとしたが、これに限られない。燃料電池スタックにおいて、例えば、第１実施例の燃料電池スタック１００のように、高剛性部材とセパレータとが接触しない場合には、高剛性部材として、導電性を有する部材を用いるようにしてもよい。

Ｆ４．変形例４：
上記実施例では、セパレータは、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、カーボン等、１つのブロック状の部材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。

Ｆ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池スタック１００は、テンションプレート８０を備えるものとしたが、テンションプレート８０を備えないようにしてもよい。この場合、燃料電池スタック１００の積層方向に押圧力を加える機構を備えるようにすればよい。ただし、上記実施例のように、燃料電池スタック１００がテンションプレート８０を備えるようにすることによって、テンションプレート８０が、燃料電池モジュール４０を外側から拘束することができるので、燃料電池スタックの積層方向に加える押圧力が比較的低い場合であっても、セパレータ４１や、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５の横ずれ（面方向のずれ）を抑制することができるという利点がある。

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。 シールガスケット一体型ＭＥＡ４５を示す説明図である。 第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。 第３実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。 第４実施例の燃料電池スタック１００Ｃの概略構成を示す斜視図である。 セパレータ４１Ｃの構成部品、および、セパレータ４１Ｃの平面図である。 第４実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。 第５実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。

符号の説明

１００，１００Ｃ…燃料電池スタック
１０，１０Ｃ，７０，７０Ｃ…エンドプレート
２０，２０Ｃ，６０，６０Ｃ…絶縁板
３０，３０Ｃ，５０，５０Ｃ…集電板
４０，４０Ｃ…燃料電池モジュール
４１，４１Ｃ…セパレータ
４２，４２Ｃ…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
４２８ａ…位置決め用貫通孔
４２８ｂ…位置決め用貫通孔
４３，４３Ｃ…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
４３８ａ…位置決め用貫通孔
４３８ｂ…位置決め用貫通孔
４４，４４Ｃ…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
４４８ａ…位置決め用貫通孔
４４８ｂ…位置決め用貫通孔
４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４５０，４５０Ａ…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
４５８，４５８Ａ，４５８Ｂ，４５８Ｃ，４５８Ｄ…高剛性部材
４５８ａ，４５８ｂ…位置決め用貫通孔
４５８Ａｃ…凹部
４５８Ｂｃ…凹部
４５８Ｂｔ…上面
４５８Ｂｄ…下面
４５８Ｄｔ…上面
４５８Ｄｄ…下面
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
８０…テンションプレート
８２…ボルト
９０ａ，９０ｂ…位置決め用シャフト
ＳＬ…シールライン

Claims (8)

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、
   前記積層体は、前記積層体の外周に、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シール部材を一体的に備え、
   前記シール部材の外周部の少なくとも一部に、前記シール部材よりも剛性が高い高剛性部材が配設されている、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、弾性材料からなる、
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記高剛性部材は、前記シール部材と一体的に形成されている、
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記高剛性部材は、前記シール部材の、前記スタック構造の積層方向への変形を制限するための制限部を備える、
   燃料電池。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記高剛性部材は、前記セパレータの外周部の少なくとも一部と嵌合する嵌合部を備える、
   燃料電池。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータ、および、前記高剛性部材は、積層時の面方向の位置決めに用いられる位置決め用貫通孔をそれぞれ備える、
   燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記セパレータ、および、前記高剛性部材における前記位置決め用貫通孔は、それぞれ２つである、
   燃料電池。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記高剛性部材は、絶縁性を有する部材である、
   燃料電池。

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