JP2008186736A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】発電部とシール部とに適正な締付荷重を付与することができ、活性化分極及び抵抗分極が抑制されて性能が高く、シール部材の耐久性が高く、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの製造が容易で、発電部とシール部とを個別に交換することができ、信頼性が高く、コストを低くすることができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持したＭＥＡから成る発電部の外周にシール部を形成したＭＥＡプレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータプレートを挟んで積層されるセル積層体を有し、前記ＭＥＡプレートは、前記発電部と前記シール部とが別体で構成されており、かつ、前記セパレータプレートは、前記発電部と当接するセパレータ発電部と、前記シール部と当接するセパレータシール部とが別体で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜の外側に燃料としての水素ガスや酸化剤としての空気のような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配設した積層構造が採用されている。前記セパレータは、積層方向に隣り合う固体高分子電解質膜への反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、固体高分子電解質膜とセパレータとから成る単位セルを多数積層し、締付装置で締め付けることによって燃料電池スタックが構成される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２８８５３９号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、固体高分子電解質膜を含むＭＥＡプレート及びセパレータを含むセパレータプレートが、各々、発電機能を発揮する発電部と反応ガスをシールする機能を発揮するシール部とが同一の剛体上に形成された構造を備え、さらに、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの積層体を両側から、各１枚ずつのエンドプレートで挟み込んで締め付けるようになっているので、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの各部に適正な締付荷重を付与することができなかった。

一般に、発電部に付与される締付荷重が低すぎると、活性化分極及び抵抗分極が上昇し、燃料電池の性能が低下するので、発電部には比較的高い締付荷重を付与する必要がある。これに対し、シール部に付与される締付荷重が高すぎると、ガスケット等のシール部材にへたりが生じるので、シール部には比較的低い締付荷重を付与する必要がある。しかし、従来のＭＥＡプレート及びセパレータプレートでは、発電部とシール部とが一体化されているので、発電部とシール部とに適正な締付荷重を付与することができなかった。

本発明は、前記従来の燃料電池スタックの問題点を解決して、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの各々が、相互に分離された発電部とシール部とを備えるようにして、発電部とシール部とに適正な締付荷重を付与することができ、活性化分極及び抵抗分極が抑制されて性能が高く、シール部材の耐久性が高く、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの製造が容易で、発電部とシール部とを個別に交換することができ、信頼性が高く、コストの低い燃料電池スタックを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持したＭＥＡから成る発電部の外周にシール部を形成したＭＥＡプレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータプレートを挟んで積層されるセル積層体を有し、前記ＭＥＡプレートは、前記発電部と前記シール部とが別体で構成されており、かつ、前記セパレータプレートは、前記発電部と当接するセパレータ発電部と、前記シール部と当接するセパレータシール部とが別体で構成されている。

本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記発電部は発電に寄与する部分であり、前記シール部は、前記発電部の周囲を囲繞（にょう）して前記燃料ガス流路又は酸化剤流路の周囲をシールする部分であって、弾性を備える接続部によって前記発電部に接続される。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記ＭＥＡプレートのシール部とセパレータプレートのシール部とは、シール部材を挟んで積層されている。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記セル積層体に締付荷重を付与する締付装置を更に有し、該締付装置は、前記発電部とシール部とに個別に締付荷重を付与する。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記発電部に付与される締付荷重は、前記シール部に付与される締付荷重よりも大きい。

請求項１の構成によれば、発電部とシール部とを個別に製作することができるので、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの製造が容易となる。また、個別に交換することができるので、保守、修理、バージョンアップ等の際に、発電部とシール部とを個別に交換することができる。したがって、信頼性が高く、コストの低い燃料電池スタックを提供することができる。

請求項２の構成によれば、接続部が、発電部と該発電部を囲繞するシール部との間隙（げき）を塞（ふさ）ぐので、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの両面を流れる燃料ガスと酸化剤とが前記間隙を通過して混合することが防止される。

請求項３の構成によれば、シール部材が、ＭＥＡプレートとセパレータプレートとの間における燃料ガス及び酸化剤の流通する空間を画定するので、燃料ガス及び酸化剤が該空間の外へ漏出することが防止される。

請求項４の構成によれば、発電部とシール部とに適正な締付荷重を付与することができるので、活性化分極及び抵抗分極を抑制して、性能を向上させることができる。また、シール部材の耐久性を高くすることができる。

請求項５の構成によれば、ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの発電部の密着性が向上して活性化分極及び抵抗分極が抑制されるので、性能が向上する。また、シール部材のへたりがなくなるので、シール部材の耐久性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図、図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの断面図であり図１のＺ断面図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセパレータプレートを示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのカソード端部プレートを示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのアノード端部プレートを示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのＭＥＡプレートを示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの発電部とシール部とに付与される締付荷重を説明する図である。なお、図１において、（ａ）は全体図であり、（ｂ）はセル積層体を示す図である。また、図３〜６において、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ及びＤ−Ｄ矢視断面図、（ｃ）は下面図である。さらに、図７において、（ａ）は第１の実施の形態における燃料電池スタックを示す図であり、（ｂ）は従来の燃料電池スタックを示す図である。

図において、３０は燃料電池（ＦＣ）装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック３０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック３０は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、反応ガスとして水素ガスと酸素又は空気とを使用し、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

また、前記燃料電池スタック３０は、図に示されるように、エンドプレートとしての上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２によって上下両側から挟み込まれた複数のセルモジュールから成るセル積層体１０を有する。該セル積層体１０は、燃料電池としての単位セル（膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））から成るＭＥＡプレート１１と、該ＭＥＡプレート１１同士を電気的に接続するとともに、ＭＥＡプレート１１に導入される、アノードガスの流路としての水素ガス流路とカソードガスの流路としての空気流路とを分離するセパレータから成るセパレータプレート１２とを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。

なお、セルモジュールは、ＭＥＡプレート１１同士が所定の間隙を隔てて配置されるように、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート１２とが、多段に重ねられて積層されている。また、一般的には、ＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート１２のセットを１０セット程度積層したものを１つのセルモジュールとし、さらに、該セルモジュールを１０程度積層して燃料電池スタック３０を構成するが、図においては、便宜上、数セット程度のＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート１２のみが示されている。

そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。

また、セパレータは、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して電流を外部に導出する集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出する集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

本実施の形態において、セル積層体１０は、図１（ｂ）に示されるように、相互に分離された発電部１０ａとシール部１０ｂとを備える。発電部１０ａは、発電に寄与する部分であってセル積層体１０の中央に位置し、また、シール部１０ｂは、反応ガスの流路の周囲をシールする部分であって発電部１０ａの周囲を囲繞する。

そして、ＭＥＡプレート１１は、図２及び６に示されるように、相互に分離された発電部１１ａとシール部１１ｂとを備え、また、セパレータプレート１２も、図２及び３に示されるように、相互に分離された発電部１２ａとシール部１２ｂとを備える。なお、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａ及びセパレータプレート１２の発電部１２ａはセル積層体１０の発電部１０ａに対応し、ＭＥＡプレート１１のシール部１１ｂ及びセパレータプレート１２のシール部１２ｂはセル積層体１０のシール部１０ｂに対応する。換言すると、セル積層体１０の発電部１０ａは、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａ及びセパレータプレート１２の発電部１２ａの積層体から成り、セル積層体１０のシール部１０ｂは、ＭＥＡプレート１１のシール部１１ｂ及びセパレータプレート１２のシール部１２ｂの積層体から成る。そして、積層方向からみて、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａと、セパレータプレート１２の発電部１２ａとは、ほぼ同一の位置にあり、重なっている。

また、ＭＥＡプレート１１において、中央に位置する発電部１１ａと該発電部１１ａを囲繞するシール部１１ｂとは、弾性を備える接続部１１ｃによって接続されている。該接続部１１ｃは、弾性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、ゴムのような弾性を備える樹脂から成ることが望ましい。この場合、接続部１１ｃは、発電部１１ａと該発電部１１ａを囲繞するシール部１１ｂとの間隙を塞ぎ、ＭＥＡプレート１１の両面を流れる水素ガスと空気とが前記間隙を通過して混合することを防止する。

そして、前記発電部１１ａは、全体が固体高分子電解質膜であることが望ましく、さらに、該固体高分子電解質膜は樹脂系の高分子膜であることが望ましい。これにより、ゴム等の樹脂から成る接続部１１ｃとの接続性が良好になる。また、前記シール部１１ｂは、いかなる種類の材質から成るものであってもよいが、接続部１１ｃとの接続性の観点から、樹脂から成ることが望ましい。なお、前記シール部１１ｂには、厚さ方向に貫通する燃料ガス通路１１ｄ及び空気通路１１ｅが２つずつ形成されている。そして、前記発電部１１ａ、シール部１１ｂ及び接続部１１ｃは、相互に接続され、矩（く）形の板状のＭＥＡプレート１１を構成する。

また、セパレータプレート１２において、中央に位置するセパレータ発電部としての発電部１２ａと該発電部１２ａを囲繞するセパレータシール部としてのシール部１２ｂとは、弾性を備える接続部１２ｃによって接続されている。該接続部１２ｃは、弾性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、ゴムのような弾性を備える樹脂から成ることが望ましい。この場合、接続部１２ｃは、発電部１２ａと該発電部１２ａを囲繞するシール部１２ｂとの間隙を塞ぎ、セパレータプレート１２の両面を流れる水素ガスと空気とが前記間隙を通過して混合することを防止する。

そして、前記発電部１２ａは、全体が導電性材料から成り、隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａに当接し、固体高分子電解質膜の空気極側及び燃料極側の電極拡散層に接触して電流を外部に導出する集電体として機能する。前記発電部１２ａは、導電性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、導電性樹脂から成ることが望ましい。これにより、ゴム等の樹脂から成る接続部１２ｃとの接続性が良好になる。また、前記シール部１２ｂは、いかなる種類の材質から成るものであってもよいが、接続部１２ｃとの接続性の観点から、樹脂から成ることが望ましい。そして、前記発電部１２ａ、シール部１２ｂ及び接続部１２ｃは、相互に接続され、矩形の板状のセパレータプレート１２を構成する。

なお、前記シール部１２ｂには、厚さ方向に貫通する燃料ガス通路１２ｄ及び空気通路１２ｅが２つずつ形成されている。そして、前記シール部１２ｂの上面には、図３（ａ）に示されるように、一端が燃料ガス通路１２ｄに接続され、他端が発電部１２ａに接続された燃料ガス導入溝部１２ｍが形成されている。該燃料ガス導入溝部１２ｍは、シール部１２ｂの上面に凹入するように形成された複数の凹溝から成る。また、発電部１２ａの上面には、燃料ガス流通溝部１２ｈが形成されている。該燃料ガス流通溝部１２ｈは、発電部１２ａの上面に凹入するように形成された複数の凹溝から成り、両端がシール部１２ｂの燃料ガス導入溝部１２ｍに接続されている。これにより、一方の燃料ガス通路１２ｄから流入した燃料ガス、すなわち、水素ガスは、一方の燃料ガス導入溝部１２ｍを通って、発電部１２ａの上面と隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａの対向面との間に形成された燃料ガス流路に流入し、該燃料ガス流路内を燃料ガス流通溝部１２ｈに沿ってスムーズに流れた後に、他方の燃料ガス導入溝部１２ｍを通って他方の燃料ガス通路１２ｄに流入する。

また、前記シール部１２ｂの上面には、シール部材としての燃料ガスシール部１２ｆが配設されている。該燃料ガスシール部１２ｆは、ゴム等のシール部材から成り、発電部１２ａ、２つの燃料ガス通路１２ｄ及び２つの燃料ガス導入溝部１２ｍの周囲を囲繞し、セパレータプレート１２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記燃料ガスシール部１２ｆは、セパレータプレート１２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間における水素ガスの流通する空間を画定し、水素ガスが前記空間の外へ漏出することを防止する。

さらに、前記シール部１２ｂの上面には、シール部材としての空気通路シール部１２ｇが配設されている。該空気通路シール部１２ｇは、ゴム等のシール部材から成り、各空気通路１２ｅの周囲を各々囲繞し、セパレータプレート１２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記空気通路シール部１２ｇは、セパレータプレート１２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間において、セパレータプレート１２の空気通路１２ｅとＭＥＡプレート１１の空気通路１１ｅとを連通する空間を画定し、空気が前記空間の外へ漏出することを防止する。

一方、前記シール部１２ｂの下面には、図３（ｃ）に示されるように、一端が空気通路１２ｅに接続され、他端が発電部１２ａに接続された空気導入溝部１２ｎが形成されている。該空気導入溝部１２ｎは、シール部１２ｂの下面に凹入するように形成された複数の凹溝から成る。また、発電部１２ａの下面には、空気流通溝部１２ｋが形成されている。該空気流通溝部１２ｋは、発電部１２ａの下面に凹入するように形成された複数の凹溝から成り、両端がシール部１２ｂの空気導入溝部１２ｎに接続されている。これにより、一方の空気通路１２ｅから流入した酸化剤、すなわち、空気は、一方の空気導入溝部１２ｎを通って、発電部１２ａの下面と隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａの対向面との間に形成された酸化剤流路としての空気流路に流入し、該空気流路内を空気流通溝部１２ｋに沿ってスムーズに流れた後に、他方の空気導入溝部１２ｎを通って他方の空気通路１２ｅに流入する。

また、前記シール部１２ｂの下面には、シール部材としての空気シール部１２ｉが配設されている。該空気シール部１２ｉは、ゴム等のシール部材から成り、発電部１２ａ、２つの空気通路１２ｅ及び２つの空気導入溝部１２ｎの周囲を囲繞し、セパレータプレート１２の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記空気シール部１２ｉは、セパレータプレート１２の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間における空気の流通する空間を画定し、空気が前記空間の外へ漏出することを防止する。

さらに、前記シール部１２ｂの下面には、シール部材としての燃料ガス通路シール部１２ｊが配設されている。該燃料ガス通路シール部１２ｊは、ゴム等のシール部材から成り、各燃料ガス通路１２ｄの周囲を各々囲繞し、セパレータプレート１２の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記燃料ガス通路シール部１２ｊは、セパレータプレート１２の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間において、セパレータプレート１２の燃料ガス通路１２ｄとＭＥＡプレート１１の燃料ガス通路１１ｄとを連通する空間を画定し、水素ガスが前記空間の外へ漏出することを防止する。

また、前記セル積層体１０は、両端に配設されるセパレータプレートとして、上端に配設されたカソード端部プレート２１、及び、セル積層体１０の下端に配設されたアノード端部プレート２２を有する。前記カソード端部プレート２１は、セル積層体１０のカソード電極として機能し、前記アノード端部プレート２２は、セル積層体１０のアノード電極として機能する。

そして、カソード端部プレート２１は、図２及び４に示されるように、相互に分離された発電部２１ａとシール部２１ｂとを備える。なお、カソード端部プレート２１の発電部２１ａはセル積層体１０の発電部１０ａに対応し、カソード端部プレート２１のシール部２１ｂはセル積層体１０のシール部１０ｂに対応する。換言すると、カソード端部プレート２１の発電部２１ａ及びシール部２１ｂはセル積層体１０の発電部１０ａ及びシール部１０ｂに含まれ、積層方向からみて、カソード端部プレート２１の発電部２１ａは、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａ及びセパレータプレート１２の発電部１２ａと、ほぼ同一の位置にあり、重なっている。

また、カソード端部プレート２１において、中央に位置する発電部２１ａと該発電部２１ａを囲繞するシール部２１ｂとは、弾性を備える接続部２１ｃによって接続されている。該接続部２１ｃは、弾性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、ゴムのような弾性を備える樹脂から成ることが望ましい。この場合、接続部２１ｃは、発電部２１ａと該発電部２１ａを囲繞するシール部２１ｂとの間隙を塞ぎ、カソード端部プレート２１の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間を流れる空気が前記間隙を通過してカソード端部プレート２１の上面側に漏出することを防止する。

そして、前記発電部２１ａは、全体が導電性材料から成り、隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａに当接し、固体高分子電解質膜の空気極側の電極拡散層に接触して電流を外部に導出する集電体として機能する。前記発電部２１ａは、導電性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、導電性樹脂から成ることが望ましい。これにより、ゴム等の樹脂から成る接続部２１ｃとの接続性が良好になる。また、前記シール部２１ｂは、いかなる種類の材質から成るものであってもよいが、接続部２１ｃとの接続性の観点から、樹脂から成ることが望ましい。そして、前記発電部２１ａ、シール部２１ｂ及び接続部２１ｃは、相互に接続され、矩形の板状のカソード端部プレート２１を構成する。

なお、前記シール部２１ｂには、厚さ方向に貫通する燃料ガス通路２１ｄ及び空気通路２１ｅが２つずつ形成されている。そして、前記シール部２１ｂの下面には、図４（ｃ）に示されるように、一端が空気通路２１ｅに接続され、他端が発電部２１ａに接続された空気導入溝部２１ｎが形成されている。該空気導入溝部２１ｎは、シール部２１ｂの下面に凹入するように形成された複数の凹溝から成る。また、発電部２１ａの下面には、空気流通溝部２１ｋが形成されている。該空気流通溝部２１ｋは、発電部１２ａの下面に凹入するように形成された複数の凹溝から成り、両端がシール部２１ｂの空気導入溝部２１ｎに接続されている。これにより、一方の空気通路２１ｅから流入した酸化剤、すなわち、空気は、一方の空気導入溝部２１ｎを通って、発電部２１ａの下面と隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａの対向面との間に形成された空気流路に流入し、該空気流路内を空気流通溝部２１ｋに沿ってスムーズに流れた後に、他方の空気導入溝部２１ｎを通って他方の空気通路２１ｅに流入する。

また、前記シール部２１ｂの下面には、シール部材としての空気シール部２１ｉが配設されている。該空気シール部２１ｉは、ゴム等のシール部材から成り、発電部２１ｂ、２つの空気通路２１ｅ及び２つの空気導入溝部２１ｎの周囲を囲繞し、カソード端部プレート２１の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記空気シール部２１ｉは、カソード端部プレート２１の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間における空気の流通する空間を画定し、空気が前記空間の外へ漏出することを防止する。

さらに、前記シール部２１ｂの下面には、シール部材としての燃料ガス通路シール部２１ｊが配設されている。該燃料ガス通路シール部２１ｊは、ゴム等のシール部材から成り、各燃料ガス通路２１ｄの周囲を各々囲繞し、カソード端部プレート２１の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記燃料ガス通路シール部１２ｊは、カソード端部プレート２１の下面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間において、カソード端部プレート２１の燃料ガス通路２１ｄとＭＥＡプレート１１の燃料ガス通路１１ｄとを連通する空間を画定し、水素ガスが前記空間の外へ漏出することを防止する。

一方、アノード端部プレート２２は、図２及び５に示されるように、相互に分離された発電部とシール部とを備えておらず、そのため、発電部とシール部とを接続する接続部も備えておらず、全体が一体的に形成された矩形の板状部材である。そして、アノード端部プレート２２は、全体が導電性材料から成り、隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａに当接し、固体高分子電解質膜の燃料極側の電極拡散層に接触して電流を外部に導出する集電体として機能する。前記アノード端部プレート２２は、導電性を備える材質であればいかなる種類の材質から成るものであってもよいが、例えば、導電性樹脂から成ることが望ましい。

なお、アノード端部プレート２２には、厚さ方向に貫通する燃料ガス通路２２ｄ及び空気通路２２ｅが２つずつ形成されている。そして、アノード端部プレート２２の上面には、図５（ａ）に示されるように、一端が燃料ガス通路２２ｄに接続され、他端が燃料ガス流通溝部２２ｈに接続された燃料ガス導入溝部２２ｍが形成されている。該燃料ガス導入溝部２２ｍは、アノード端部プレート２２の上面に凹入するように形成された複数の凹溝から成る。

そして、アノード端部プレート２２の上面には、隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａに対応する位置に、前記発電部１１ａに対応する形状及び大きさの燃料ガス流通溝部２２ｈが形成されている。該燃料ガス流通溝部２２ｈは、アノード端部プレート２２の上面に凹入するように形成された複数の凹溝から成り、両端が前記燃料ガス導入溝部２２ｍに接続されている。これにより、一方の燃料ガス通路２２ｄから流入した燃料ガス、すなわち、水素ガスは、一方の燃料ガス導入溝部２２ｍを通って、アノード端部プレート２２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の発電部１１ａの対向面との間に形成された燃料ガス流路に流入し、該燃料ガス流路内を燃料ガス流通溝部２２ｈに沿ってスムーズに流れた後に、他方の燃料ガス導入溝部２２ｍを通って他方の燃料ガス通路２２ｄに流入する。

また、アノード端部プレート２２の上面には、シール部材としての燃料ガスシール部２２ｆが配設されている。該燃料ガスシール部２２ｆは、ゴム等のシール部材から成り、燃料ガス流通溝部２２ｈ、２つの燃料ガス通路２２ｄ及び２つの燃料ガス導入溝部２２ｍの周囲を囲繞し、アノード端部プレート２２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記燃料ガスシール部２２ｆは、アノード端部プレート２２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間における水素ガスの流通する空間を画定し、水素ガスが前記空間の外へ漏出することを防止する。

さらに、アノード端部プレート２２の上面には、シール部材としての空気通路シール部２２ｇが配設されている。該空気通路シール部２２ｇは、ゴム等のシール部材から成り、各空気通路２２ｅの周囲を各々囲繞し、アノード端部プレート２２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面とによって挟持される。これにより、前記空気通路シール部２２ｇは、アノード端部プレート２２の上面と隣接するＭＥＡプレート１１の対向面との間において、アノード端部プレート２２の空気通路２２ｅとＭＥＡプレート１１の空気通路１１ｅとを連通する空間を画定し、空気が前記空間の外へ漏出することを防止する。

そして、図２に示されるように、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート１２、カソード端部プレート２１及びアノード端部プレート２２を積層して形成されたセル積層体１０の上下両側に上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２を配設することによって、燃料電池スタック３０を得ることができる。なお、ＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート１２の数は適宜変更することができる。また、図に示される例においては、セル積層体１０の上端にカソード端部プレート２１が配設され、下端にアノード端部プレート２２が配設されているが、上端にアノード端部プレート２２が配設され、下端にカソード端部プレート２１が配設されるようにしてもよい。さらに、ＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート１２を横方向に積層してセル積層体１０を形成し、該セル積層体１０の左右両端にカソード端部プレート２１及びアノード端部プレート２２を配設することもできる。

そして、図示されない締付装置によって上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２を互いに接近させる方向の力、すなわち、締付力を発揮させ、セル積層体１０を両側から締め付ける。この場合、図７（ａ）において矢印Ｅ及びＦで示されるように、セル積層体１０の発電部１０ａには比較的大きな締付荷重を付与し、シール部１０ｂには比較的小さな締付荷重を付与する。そのため、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａと、セパレータプレート１２の発電部１２ａと、カソード端部プレート２１の発電部２１ａと、アノード端部プレート２２の発電部１０ａに対応する部分とは、比較的大きな締付荷重によって締め付けられ、固体高分子電解質膜と空気極及び燃料極とが密着する。したがって、セル積層体１０の発電部１０ａにおいては、活性化分極及び抵抗分極が抑制されて、燃料電池としての性能が高くなる。

また、ＭＥＡプレート１１のシール部１１ｂと、セパレータプレート１２のシール部１２ｂと、カソード端部プレート２１のシール部２１ｂと、アノード端部プレート２２のシール部１０ｂに対応する部分とは、比較的小さな締付荷重によって締め付けられる。そのため、セパレータプレート１２の燃料ガスシール部１２ｆ、空気通路シール部１２ｇ、空気シール部１２ｉ及び燃料ガス通路シール部１２ｊ、カソード端部プレート２１の空気シール部２１ｉ及び燃料ガス通路シール部２１ｊ、並びに、アノード端部プレート２２の燃料ガスシール部２２ｆ及び空気通路シール部２２ｇは、強い締付荷重を受けて過度に変形することがなく、へたることがない。すなわち、シール部材は、へたることがなく、耐久性が高くなる。また、不可避的な経時変化によって、シール部材がへたってきた場合には、シール部１０ｂに付与される締付荷重を増加することができる。これにより、シール部材のシール機能を維持することができ、長期間に亘（わた）りシール部材を使用することができ、維持コストを低減することができる。

これに対し、図７（ｂ）に示されるような従来の燃料電池スタックのセル積層体においては、発電部とシール部とが相互に分離されておらず、ＭＥＡプレート１１１、セパレータプレート１１２、カソード端部プレート１２１及びアノード端部プレート１２２は、すべて一体的に形成されている。そのため、セル積層体には、矢印Ｇで示されるように、全体に亘って一様な締付荷重を付与する必要がある。そして、シール部材のへたりを防止するために締付荷重を弱くすると、活性化分極及び抵抗分極が上昇し、燃料電池としての性能が低下する。また、活性化分極及び抵抗分極を抑制するために締付荷重を強くすると、シール部材がへたってしまう。

このように、本実施の形態においては、セル積層体１０の発電部１０ａとシール部１０ｂとが相互に分離されている。これにより、ＭＥＡプレート１１の発電部１１ａとシール部１１ｂとを個別に製作することができ、かつ、個別に交換することができる。また、セパレータプレート１２の発電部１２ａとシール部１２ｂとを個別に製作することができ、かつ、個別に交換することができる。さらに、カソード端部プレート２１の発電部２１ａとシール部２１ｂとを個別に製作することができ、かつ、個別に交換することができる。したがって、保守、修理、バージョンアップ等の際に、発電部１１ａ、発電部１２ａ及び発電部２１ａとシール部１１ｂ、シール部１２ｂ及びシール部２１ｂとを個別に交換することができる。

また、発電部１０ａとシール部１０ｂとに個別に適切な締付荷重を付与することができるので、活性化分極及び抵抗分極が抑制して、燃料電池としての性能を高くすることができ、かつ、シール部材のへたりを防止し、シール部材のシール機能を維持することができる。

なお、本実施の形態においては、カソード端部プレート２１が相互に分離された発電部２１ａとシール部２１ｂとを備えるのに対し、アノード端部プレート２２が相互に分離された発電部とシール部とを備えておらず、全体が一体的に形成された部材である場合について説明したが、アノード端部プレート２２も、カソード端部プレート２１と同様に、相互に分離された発電部とシール部とを備えていてもよい。また、アノード端部プレート２２が相互に分離された発電部とシール部とを備え、カソード端部プレート２１が相互に分離された発電部とシール部とを備えておらず、全体が一体的に形成された部材であってもよい。すなわち、カソード端部プレート２１及びアノード端部プレート２２の少なくともいずれかが、相互に分離された発電部とシール部とを備えていればよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図８は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す図である。

本実施の形態において、上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２は、複数本、例えば、４本の第１締付用シャフト３３によって相互に接続されている。ここで、前記上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２は、いかなる形状の部材であってもよいが、図に示される例においては、概略長方形状の板材である。そして、長方形の４隅に該当する箇所に図示されない貫通孔（こう）が各々形成され、各貫通孔に第１締付用シャフト３３の端部が挿入され、第１締付用ナット３４によって固定される。なお、第１締付用シャフト３３及び第１締付用ナット３４は、上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２を介してセル積層体１０に締付荷重を付与する締付部材として機能する。これにより、第１締付用シャフト３３は、上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２を締結し、かつ、上側エンドプレート３１及び下側エンドプレート３２から引っ張り応力を受ける。そして、前記上側エンドプレート３１、下側エンドプレート３２、第１締付用シャフト３３及び第１締付用ナット３４は、燃料電池スタック３０の締付装置を構成する。

また、上側エンドプレート３１は、セル積層体１０の発電部１０ａに締付荷重を付与する発電部用荷重付与部材として、下方に突出する締付用突起部３５を有する。該締付用突起部３５の下面は、発電部１０ａに対応する大きさ及び形状を備え、発電部１０ａにのみ当接し、シール部１０ｂには当接しない。

さらに、本実施の形態においては、セル積層体１０のシール部１０ｂの複数箇所に図示されない貫通孔が各々形成され、各貫通孔に第２締付用シャフト４２が挿入され、さらに、該第２締付用シャフト４２にはシール部用荷重付与部材として、長方形で板状の枠部材４１が取り付けられ、第２締付用ナット４４によって固定される。なお、前記第２締付用シャフト４２の下端は下側エンドプレート３２に固定されている。

ここで、前記枠部材４１の下面は、シール部１０ｂに対応する大きさ及び形状を備え、シール部１０ｂにのみ当接し、発電部１０ａには当接しない。また、前記枠部材４１の上面には、燃料ガス通路１２ｄ及び空気通路１２ｅと連通し、燃料ガス及び空気の管路となる反応ガス流通パイプ４３が取り付けられている。

そして、第１締付用ナット３４を締め込むことによって、上側エンドプレート３１と下側エンドプレート３２とで積層されたセル積層体１０を上下から締め付けると、締付用突起部３５は、その下面が発電部１０ａに当接して該発電部１０ａに締付荷重を付与する。また、第２締付用ナット４４を締め込むと、枠部材４１がシール部１０ｂに当接して該シール部１０ｂに締付荷重を付与する。この場合、第１締付用ナット３４及び第２締付用ナット４４を締め込む程度を各々独立に調整して、発電部１０ａに付与される締付荷重をシール部１０ｂに付与される締付荷重よりも大きくすることができる。

このように、締付用突起部３５の下面が枠部材４１の下面が下方に位置するようにして、上側エンドプレート３１と下側エンドプレート３２とで積層されたセル積層体１０を上下から締め付けることによって、簡単な構成でありながら、セル積層体１０の発電部１０ａには比較的大きな締付荷重を付与し、シール部１０ｂには比較的小さな締付荷重を付与することができる。これにより、セル積層体１０の発電部１０ａにおいては、活性化分極及び抵抗分極が抑制されて、燃料電池としての性能が高くなる。また、シール部材は、へたることがなく、耐久性が高くなる。さらに、不可避的な経時変化によって、シール部材がへたってきた場合には、第２締付用ナット４４を締め込む程度を調整して、シール部１０ｂに付与される締付荷重を増加することができる。これにより、シール部材のシール機能を維持することができ、長期間に亘りシール部材を使用することができ、維持コストを低減することができる。

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、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの断面図であり図１のＺ断面図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセパレータプレートを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのカソード端部プレートを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのアノード端部プレートを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのＭＥＡプレートを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの発電部とシール部とに付与される締付荷重を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ セル積層体
１０ａ、１１ａ、１２ａ、２１ａ 発電部
１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ シール部
１１ ＭＥＡプレート
１１ｃ、１２ｃ、２１ｃ 接続部
１２ セパレータプレート
１２ｆ、２２ｆ 燃料ガスシール部
１２ｇ、２２ｇ 空気通路シール部
１２ｉ、２１ｉ 空気シール部
１２ｊ、２１ｊ 燃料ガス通路シール部
３０ 燃料電池スタック

Claims (5)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持したＭＥＡから成る発電部の外周にシール部を形成したＭＥＡプレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータプレートを挟んで積層されるセル積層体を有する燃料電池スタックであって、
   前記ＭＥＡプレートは、前記発電部と前記シール部とが別体で構成されており、かつ、前記セパレータプレートは、前記発電部と当接するセパレータ発電部と、前記シール部と当接するセパレータシール部とが別体で構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記発電部は発電に寄与する部分であり、
   前記シール部は、前記発電部の周囲を囲繞して前記燃料ガス流路又は酸化剤流路の周囲をシールする部分であって、弾性を備える接続部によって前記発電部に接続される請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記ＭＥＡプレートのシール部とセパレータプレートのシール部とは、シール部材を挟んで積層されている請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記セル積層体に締付荷重を付与する締付装置を更に有し、
   該締付装置は、前記発電部とシール部とに個別に締付荷重を付与する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記発電部に付与される締付荷重は、前記シール部に付与される締付荷重よりも大きい請求項４に記載の燃料電池スタック。

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