JP2009099311A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＡプレートとセパレータプレートとが面方向に正確に位置決めされ、ＭＥＡ、セパレータプレート及びシール部材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積層作業が容易で、信頼性が高く、コストが低くなるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持したＭＥＡプレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路に配設されるコレクタと、前記酸素極に沿って酸化剤流路に配設されるコレクタとを備えるセパレータプレートを挟んで、積層される燃料電池スタックであって、前記ＭＥＡプレートは、ＭＥＡ及び該ＭＥＡの外周に接続されたシール部材を備え、該シール部材は、前記コレクタの外周の少なくとも一部と嵌合する嵌合部を備える。
【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。また、反応ガスのシール性を確保するために、固体高分子電解質膜とセパレータとの間にシール部材を介在させている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００２−２３１２７４号公報 特開２００５−２５９３９８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、締付装置で締め付けることによって、ガイド部材に接触した固体高分子電解質膜やセパレータの一部に応力が集中して変形や破損が生じてしまうことがあった。

単位セルを多数積層した燃料電池スタックでは、燃料電池出力性能及びガスシール性を確保するために、固体高分子電解質膜を含むＭＥＡ、セパレータ及びシール部材に適正な締付荷重を付与するとともに、ＭＥＡ、セパレータ及びシール部材の積層位置を正確に位置決めする必要がある。そのため、ＭＥＡ、セパレータ、シール部材等の部材を積層する際に各部材の位置決めを行うために、ガイド部材が燃料電池スタックの内部や外周部に配設される。しかし、積層した各部材を締め付ける際に、ガイド部材に接触したＭＥＡやセパレータの一部に応力が集中してしまい、その結果、ＭＥＡやセパレータが変形したり、破損したりしてしまう可能性があった。

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の外周に接続されたシール部材に、コレクタの外周との嵌（かん）合部を一体的に形成することによって、ＭＥＡプレートとセパレータプレートとが面方向に正確に位置決めされ、ＭＥＡ、セパレータプレート及びシール部材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積層作業が容易で、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プレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路に配設されるコレクタと、前記酸素極に沿って酸化剤流路に配設されるコレクタとを備えるセパレータプレートを挟んで、積層される燃料電池スタックであって、前記ＭＥＡプレートは、ＭＥＡ及び該ＭＥＡの外周に接続されたシール部材を備え、該シール部材は、前記コレクタの外周の少なくとも一部と嵌合する嵌合部を備える。

本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記嵌合部の形状は、前記コレクタの外周の少なくとも一部の形状に対応する。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記シール部材は、ＭＥＡと反対方向に突出する突出部を備え、該突出部の内側の側面が前記コレクタの最外側の側面の少なくとも一部と係合する。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記シール部材は、前記突出部の内側の側面から内方へ向けて突出する突起部を備える。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記シール部材は、前記燃料極の形状に対応する形状の燃料極側の開口、及び、酸素極の形状に対応する形状の酸素極側の開口を備え、前記燃料極の形状と酸素極の形状とは相違する。

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記シール部材は、前記燃料極又は酸素極の形状に対応する形状の開口を備え、該開口は、天地いずれかの方向にのみ嵌合する。

請求項１の構成によれば、ＭＥＡプレートとセパレータプレートとが面方向に正確に位置決めされるので、ＭＥＡ、セパレータプレート及びシール部材に適正な締付荷重を付与することができる。そのため、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なる。

請求項２及び３の構成によれば、隣接するＭＥＡプレートとセパレータプレートとの面方向の位置決めが容易に行われるので、多数のＭＥＡプレート及びセパレータプレートを積層して燃料電池スタックを構成する作業を容易に行うことができる。そのため、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４の構成によれば、ＭＥＡプレートとセパレータプレートとを積層する際のシール部材とセパレータプレートとの干渉を最小限にして、ＭＥＡプレートやセパレータプレートに生じる応力を抑制することができる。

請求項５の構成によれば、ＭＥＡプレートとセパレータプレートとを積層する際における天地の間違いを防止することができる。

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ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの組合せを示す図、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構成を示す図、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構成を示す断面図である。なお、図１において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ断面図、（ｄ）は（ｂ）のＣ部拡大図であり、図２において、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図であり、図３において、（ａ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図、（ｂ）は図２（ｂ）のＥ−Ｅ矢視断面図である。

図において、１０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１０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１０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１０は、燃料電池としての単位セルであるＭＥＡ（膜電極接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２を含む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、燃料ガス流路としての水素ガス流路と酸化剤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２１とを１セットとして、板厚方向（図２における横方向）に複数のセットを重ねて構成されている。そして、このようなセットの積層体は、図示されないエンドプレートによって、左右両側から挟み込まれて、締付荷重を付与される。

そして、ＭＥＡ１２は、電解質層としての固体高分子電解質膜と、その一側に設けられた燃料極１２ａ及び他側に設けられた酸素極としての空気極１２ｂとで構成されている。前記燃料極１２ａ及び空気極１２ｂ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、セパレータプレート２１は、隣接するＭＥＡ１２間のガス遮断部材でありセパレータ本体としてのセパレータ基板２２と、該セパレータ基板２２の一側に設けられ、ＭＥＡ１２の燃料極側の電極拡散層に接触して集電するコレクタ、すなわち、集電体としての燃料極側コレクタ２３ａと、セパレータ基板２２の他側に設けられ、ＭＥＡ１２の空気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コレクタ、すなわち、集電体としての空気極側コレクタ２３ｂとを有する。図に示される例において、前記燃料極側コレクタ２３ａ及び空気極側コレクタ２３ｂは、一方向に延在する複数の山と谷とを備える波板状の板部材、又は、一方向に延在するように互いに平行に配列された複数の棒状部材から成り、底面がセパレータ基板２２に当接して固着され、かつ、天面が対向するＭＥＡ１２の燃料極１２ａ又は空気極１２ｂの電極拡散層に当接することによって集電するとともに、側面が水素ガス又は空気の流通方向に延在することによって、水素ガス又は空気の流れをガイドする。

本実施の形態において、ＭＥＡプレート１１は、略長方形のＭＥＡ１２の周囲を囲繞（にょう）するように、ＭＥＡ１２の周縁に一体的に接続されたシール部材１３を有する。該シール部材１３は、例えば、ゴムのような弾性を備える樹脂から成ることが好ましく、これにより、ＭＥＡ１２の固体高分子電解質膜が樹脂系の高分子膜である場合には、該高分子膜との接続性が良好になる。

また、前記シール部材１３は、ＭＥＡ１２の燃料極１２ａ側に接続される燃料極シール部材１３ａとＭＥＡ１２の空気極１２ｂ側に接続される空気極シール部材１３ｂとから成る。この場合、ＭＥＡ１２の固体高分子電解質膜の周縁は、燃料極シール部材１３ａと空気極シール部材１３ｂとによって両側から挟み込まれるようにして積層される。そして、積層された状態で、熱圧着等の手段によって燃料極シール部材１３ａと空気極シール部材１３ｂとが圧着されて一体化されることにより、ＭＥＡ１２の外周に、シール部材１３が一体的に接続される。これにより、ＭＥＡ１２とその周囲を囲繞するシール部材１３との間には隙（すき）間が発生することがなく、ＭＥＡプレート１１の両面を流れる水素ガスと空気とが前記隙間を通過して混合することが防止される。

そして、燃料極シール部材１３ａの表面は、対向するセパレータプレート２１のセパレータ基板２２の周縁部の表面に当接し、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１との周縁部をシールする。これにより、ＭＥＡプレート１１の燃料極１２ａ側の面とセパレータプレート２１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。

また、空気極シール部材１３ｂの表面は、対向するセパレータプレート２１のセパレータ基板２２の周縁部の表面に当接し、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１との周縁部をシールする。これにより、ＭＥＡプレート１１の空気極１２ｂ側の面とセパレータプレート２１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。

なお、図１（ａ）に示されるように、長方形のＭＥＡプレート１１の長手方向両端近傍に対応する部分のシール部材１３には、該シール部材１３を厚さ方向に貫通し、長円形又は長方形のような形状を備える燃料ガス通路孔（あな）１５が、それぞれ、形成されている。同様に、長方形のセパレータプレート２１の長手方向両端近傍に対応する部分のセパレータ基板２２には、該セパレータ基板２２を厚さ方向に貫通し、長円形又は長方形のような形状を備える燃料ガス通路孔２５が、それぞれ、形成されている。そして、図３（ｂ）に示されるように、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層した状態においては、ＭＥＡプレート１１の燃料ガス通路孔１５とセパレータプレート２１の燃料ガス通路孔２５とは、互いに一致し、燃料電池スタック１０において、その積層方向に延在する燃料ガス通路を形成する。

したがって、ＭＥＡプレート１１と対向するセパレータプレート２１との間に形成される燃料ガス流路は、ＭＥＡプレート１１の長手方向両端近傍に形成された燃料ガス通路孔１５同士を結ぶように、ＭＥＡプレート１１の長手方向に延在する。一方、ＭＥＡプレート１１と対向するセパレータプレート２１との間に形成される酸化剤流路としての空気流路は、ＭＥＡプレート１１の短手方向、すなわち、幅方向に延在する。なお、空気流路の両端は、図２（ａ）に示されるように、燃料電池スタック１０の上面及び下面において開口する。

また、本実施の形態においては、シール部材１３が嵌合部を備え、図１に示されるように、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、前記嵌合部が対向するセパレータプレート２１のコレクタ、すなわち、燃料極側コレクタ２３ａ及び空気極側コレクタ２３ｂの外周の少なくとも一部と嵌合する。これにより、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１との面方向（図１（ｂ）における左右方向及び図１（ｃ）における上下方向）の位置決めが正確に行われる。したがって、ガイド部材を配設しなくても、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート２１、及び、ＭＥＡ１２に接続されたシール部材１３の相互の位置決めを正確に行うことができる。

そして、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層して構成された燃料電池スタック１０の両側から、エンドプレートを介して、積層方向に締付荷重を付与しても、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート２１及びシール部材１３がガイド部材のような他の部材に接触することがないので、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート２１及びシール部材１３の一部に応力集中が生じることがない。そのため、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート２１及びシール部材１３の各部に適正な締付荷重が付与される。その結果、ＭＥＡ１２における固体高分子電解質膜と燃料極１２ａ及び空気極１２ｂとが密着するので、活性化分極及び抵抗分極が抑制され、燃料電池としての性能が高くなる。また、シール部材１３は、過度な締付荷重を受けて過度に変形することがないので、へたることがなく、耐久性が向上する。さらに、不可避的な経時変化によって、シール部材１３がへたってきた場合には、シール部材１３に付与する締付荷重を増加することにより、シール部材１３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１３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。

次に、前記シール部材１３の構成について詳細に説明する。

図４は本発明の第１の実施の形態におけるＭＥＡプレート、セパレータプレート及びシール部材の組合せを示す図である。なお、図において、（ａ）は分解図、（ｂ）は燃料極シール部材の反対側を示す斜視図である。

図に示されるように、燃料極シール部材１３ａは、全体が長方形の板状の部材であり、厚さ方向に貫通する長方形の大きな開口１６ａが中心に形成されている。換言すると、長方形の開口１６ａの周囲を囲繞する長方形の枠又は額縁のような形状に形成されている。なお、前記開口１６ａの寸法は、ＭＥＡ１２の燃料極１２ａの外縁の寸法よりもわずかに大きい程度に設定されている。また、ＭＥＡ１２の長手方向両端近傍に対応する部分には、燃料極シール部材１３ａを厚さ方向に貫通し、長円形又は長方形のような形状を備える燃料ガス通路孔１５ａが、それぞれ、形成されている。さらに、ＭＥＡ１２に対向する面は、図４（ａ）に示されるように、ほぼ平坦（たん）に形成されている。

同様に、空気極シール部材１３ｂも、全体が長方形の板状の部材であり、厚さ方向に貫通する長方形の大きな開口１６ｂが中心に形成されている。換言すると、長方形の開口１６ｂの周囲を囲繞する長方形の枠又は額縁のような形状に形成されている。なお、前記開口１６ｂの寸法は、ＭＥＡ１２の空気極１２ｂの外縁の寸法よりもわずかに大きい程度に設定されている。また、ＭＥＡ１２の長手方向両端近傍に対応する部分には、燃料極シール部材１３ｂを厚さ方向に貫通し、長円形又は長方形のような形状を備える燃料ガス通路孔１５ｂが、それぞれ、形成されている。さらに、ＭＥＡ１２に対向する面は、図示されていないが、ほぼ平坦に形成されている。

そして、図４（ａ）に示されるように、ＭＥＡ１２の固体高分子電解質膜の周縁を燃料極シール部材１３ａと空気極シール部材１３ｂとによって両側から挟み込むようにして、ＭＥＡ１２、燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂを積層する。この場合、燃料極シール部材１３ａの開口１６ａ及び空気極シール部材１３ｂの開口１６ｂにＭＥＡ１２の燃料極１２ａ及び空気極１２ｂが収容されるように、ＭＥＡ１２、燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂを位置合わせして積層する。このように積層された状態で、熱圧着等の手段によって燃料極シール部材１３ａと空気極シール部材１３ｂとを圧着して一体化することにより、ＭＥＡ１２の周縁は、燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂと一体的に接続される。つまり、ＭＥＡ１２の外周がシール部材１３と一体的に接続される。これにより、ＭＥＡプレート１１が形成される。なお、ＭＥＡ１２、燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂの接続は、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層して燃料電池スタック１０を構成する前に、あらかじめ行われる。

図４（ｂ）に示されるように、燃料極シール部材１３ａは、ＭＥＡ１２と反対側の面に形成された嵌合部としての燃料極側嵌合部１４ａを備える。燃料極シール部材１３ａにおけるＭＥＡ１２と反対側の面には、ＭＥＡ１２と反対方向に突出する突出部１７ａが形成され、該突出部１７ａの内側の側面が燃料極側嵌合部１４ａとして機能する。該燃料極側嵌合部１４ａの形状は、燃料極側コレクタ２３ａの外周の少なくとも一部の形状に対応する。

図に示される例において、突出部１７ａは、燃料極シール部材１３ａの四辺に沿って形成され、ＭＥＡプレート１１の長手方向に延在する部分の内側の側面が、燃料極側嵌合部１４ａとして、対向するセパレータプレート２１の燃料極側コレクタ２３ａにおけるセパレータプレート２１の短手方向の両端最外側の側面と係合する。該側面は、燃料極側コレクタ２３ａの外周の一部である。つまり、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、ＭＥＡプレート１１の短手方向両側の燃料極側嵌合部１４ａの間に、セパレータプレート２１の短手方向の両外側における燃料極側コレクタ２３ａが嵌入する。これにより、ＭＥＡプレート１１の燃料極１２ａと対向するセパレータプレート２１とは、面方向におけるＭＥＡプレート１１の短手方向に関して、相互に位置決めされる。

また、図４（ａ）に示されるように、空気極シール部材１３ｂは、ＭＥＡ１２と反対側の面に形成された嵌合部としての空気極側嵌合部１４ｂを備える。空気極シール部材１３ｂにおけるＭＥＡ１２と反対側の面には、ＭＥＡ１２と反対方向に突出する突出部１７ｂが形成され、該突出部１７ｂの内側の側面が空気極側嵌合部１４ｂとして機能する。該空気極側嵌合部１４ｂの形状は、空気極側コレクタ２３ｂの外周の少なくとも一部の形状に対応する。

図に示される例において、突出部１７ｂは、ＭＥＡプレート１１の長手方向両側の燃料ガス通路孔１５ｂの周囲の部分に形成され、ＭＥＡプレート１１の短手方向に延在する部分の内側の側面が、空気極側嵌合部１４ｂとして、対向するセパレータプレート２１の空気極側コレクタ２３ｂにおけるセパレータプレート２１の長手方向の両端最外側の側面と係合する。該側面は、空気極側コレクタ２３ｂの外周の一部である。つまり、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、ＭＥＡプレート１１の長手方向両側の空気極側嵌合部１４ｂの間に、セパレータプレート２１の長手方向の両外側における空気極側コレクタ２３ａが嵌入する。これにより、ＭＥＡプレート１１の空気極１２ｂと対向するセパレータプレート２１とは、面方向におけるＭＥＡプレート１１の長手方向に関して、相互に位置決めされる。

このように、本実施の形態においては、ＭＥＡ１２の外周にシール部材１３が一体的に接続され、該シール部材１３には燃料極側嵌合部１４ａ及び空気極側嵌合部１４ｂが形成されている。そして、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、前記燃料極側嵌合部１４ａ及び空気極側嵌合部１４ｂが対向するセパレータプレート２１の燃料極側コレクタ２３ａ及び空気極側コレクタ２３ｂの外周の一部と嵌合する。

これにより、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１との面方向の位置決めが正確に行われる。したがって、ガイド部材を別途配設しなくても、ＭＥＡプレート１１、セパレータプレート２１、及び、ＭＥＡ１２に接続されたシール部材１３の相互の位置決めを正確に行うことができる。

そのため、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層して構成された燃料電池スタック１０の両側から積層方向に締付荷重を付与しても、ＭＥＡ１２、セパレータプレート２１及びシール部材１３がガイド部材等に接触することがないので、ＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート２１の一部に応力集中が生じることがない。したがって、ＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート２１の各部に適正な締付荷重が付与される。その結果、ＭＥＡ１２における固体高分子電解質膜と燃料極１２ａ及び空気極１２ｂとが密着するので、活性化分極及び抵抗分極が抑制され、燃料電池としての性能が高くなる。また、シール部材１３は、過度な締付荷重を受けて過度に変形することがないので、へたることがなく、耐久性が向上する。

さらに、隣接するＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１との面方向の位置決めが容易に行われるので、多数のＭＥＡプレート１１及びセパレータプレート２１を積層して燃料電池スタック１０を構成する作業を容易に行うことができる。

なお、本実施の形態においては、ＭＥＡ１２の燃料極１２ａ及び空気極１２ｂの形状が長方形であるとともに、燃料極シール部材１３ａの開口１６ａ及び空気極シール部材１３ｂの開口１６ｂの形状も、燃料極１２ａ及び空気極１２ｂに対応して、長方形である場合について説明したが、燃料極１２ａ及び空気極１２ｂの形状及びそれに対応する開口１６ａ及び開口１６ｂの形状は、適宜、変更することができる。例えば、燃料極１２ａ及びそれに対応する燃料極シール部材１３ａの開口１６ａの形状と、空気極１２ｂ及びそれに対応する空気極シール部材１３ｂの開口１６ｂの形状とを相違させてもよい。つまり、例えば、燃料極１２ａ及びそれに対応する燃料極シール部材１３ａの開口１６ａの形状を長方形とし、一方、空気極１２ｂ及びそれに対応する空気極シール部材１３ｂの開口１６ｂの形状を、長方形の四辺のうちの一辺を傾斜させた形状としてもよいし、長方形でなく台形としてもよいし、長方形の四角のうちの一角に切り欠きを形成してもよい。

これにより、ＭＥＡ１２とシール部材１３とを接続する際に、誤ってＭＥＡ１２の燃料極１２ａ側に空気極シール部材１３ｂを配設し、ＭＥＡ１２の空気極１２ｂ側に燃料極シール部材１３ａを配設してしまうようなことがない。つまり、ＭＥＡ１２の周縁に燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂと一体的に接続するために、ＭＥＡ１２、燃料極シール部材１３ａ及び空気極シール部材１３ｂを積層する際に、ＭＥＡ１２の表裏、すなわち、天地を間違えることがない。また、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際にも、ＭＥＡプレート１１の表裏、すなわち、天地を間違えることがなく、さらに、セパレータプレート２１の表裏、すなわち、天地を間違えることがない。

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５は本発明の第２の実施の形態におけるＭＥＡプレートの構成を示す図である。なお、図において、（ａ）は燃料極側の面を示す平面図、（ｂ）は空気極側の面を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＦ−Ｆ矢視断面図であってセパレータプレートを積層した状態を示す図である。

本実施の形態においては、シール部材１３の嵌合部である燃料極側嵌合部１４ａ及び空気極側嵌合部１４ｂに突起部１８ａ及び突起部１８ｂが、それぞれ、形成されている。

図５（ａ）に示されるように、燃料極シール部材１３ａの燃料極側嵌合部１４ａとしての突出部１７ａの内側の側面には、内方へ向けて突出する突起部１８ａが一体的に形成されている。図に示される例においては、各側面に２つずつの突起部１８ａが形成されているが、該突起部１８ａの数は任意に設定することができる。もっとも、各側面に２つ以上ずつ形成されることが望ましい。

また、図５（ｂ）に示されるように、空気極シール部材１３ｂの空気極側嵌合部１４ｂとしての突出部１７ｂの内側の側面には、内方へ向けて突出する突起部１８ｂが一体的に形成されている。図に示される例においては、各側面に２つずつの突起部１８ｂが形成されているが、突起部１８ｂの数は任意に設定することができる。もっとも、各側面に２つ以上ずつ形成されることが望ましい。

そして、図５（ｃ）に示されるように、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層すると、突起部１８ｂの先端が、対向するセパレータプレート２１の空気極側コレクタ２３ｂにおけるセパレータプレート２１の長手方向の両端最外側の側面と係合する。つまり、空気極シール部材１３ｂと空気極側コレクタ２３ｂとの干渉を最小限にすることができる。そのため、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、仮に、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１の空気極側コレクタ２３ｂとの間に空気極シール部材１３ｂが挟み込まれてしまうことがあっても、該空気極シール部材１３ｂの微少な部分である突起部１８ｂのみが挟み込まれるだけなので、ＭＥＡプレート１１やセパレータプレート２１に大きな応力が生じることがない。したがって、ＭＥＡプレート１１やセパレータプレート２１が損傷を受けることがない。さらに、空気極シール部材１３ｂの大部分も損傷を受けることがない。

また、図示されていないが、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層すると、突起部１８ａの先端も、対向するセパレータプレート２１の燃料極側コレクタ２３ａにおけるセパレータプレート２１の短手方向の両端最外側の側面と係合する。つまり、燃料極シール部材１３ａと燃料極側コレクタ２３ａとの干渉を最小限にすることができる。そのため、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、仮に、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１の燃料極側コレクタ２３ａとの間に燃料極シール部材１３ａが挟み込まれてしまうことがあっても、該燃料極シール部材１３ａの微少な部分である突起部１８ａのみが挟み込まれるだけなので、ＭＥＡプレート１１やセパレータプレート２１に大きな応力が生じることがない。したがって、ＭＥＡプレート１１やセパレータプレート２１が損傷を受けることがない。さらに、燃料極シール部材１３ａの大部分も損傷を受けることがない。

このように、本実施の形態においては、シール部材１３の燃料極側嵌合部１４ａ及び空気極側嵌合部１４ｂに突起部１８ａ及び突起部１８ｂが形成されている。そして、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際に、前記突起部１８ａ及び突起部１８ｂが対向するセパレータプレート２１の燃料極側コレクタ２３ａ及び空気極側コレクタ２３ｂの外周の一部と嵌合する。

これにより、ＭＥＡプレート１１とセパレータプレート２１とを積層する際のシール部材１３とセパレータプレート２１との干渉を最小限にして、ＭＥＡプレート１１やセパレータプレート２１に生じる応力を抑制することができる。

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ＭＥＡプレート及びセパレータプレートの組合せを示す図である。 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構成を示す図である。 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構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるＭＥＡプレート、セパレータプレート及びシール部材の組合せを示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるＭＥＡプレートの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ ＭＥＡプレート
１２ ＭＥＡ
１２ａ 燃料極
１２ｂ 空気極
１３ シール部材
１３ａ 燃料極シール部材
１３ｂ 空気極シール部材
１４ａ 燃料極側嵌合部
１４ｂ 空気極側嵌合部
１６ａ、１６ｂ 開口
１７ａ、１７ｂ 突出部
１８ａ、１８ｂ 突起部
２１ セパレータプレート
２３ａ 燃料極側コレクタ
２３ｂ 空気極側コレクタ

Claims (6)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持したＭＥＡプレートが、前記燃料極に沿って燃料ガス流路に配設されるコレクタと、前記酸素極に沿って酸化剤流路に配設されるコレクタとを備えるセパレータプレートを挟んで、積層される燃料電池スタックであって、
   前記ＭＥＡプレートは、ＭＥＡ及び該ＭＥＡの外周に接続されたシール部材を備え、
   該シール部材は、前記コレクタの外周の少なくとも一部と嵌合する嵌合部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記嵌合部の形状は、前記コレクタの外周の少なくとも一部の形状に対応する請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記シール部材は、ＭＥＡと反対方向に突出する突出部を備え、該突出部の内側の側面が前記コレクタの最外側の側面の少なくとも一部と係合する請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記シール部材は、前記突出部の内側の側面から内方へ向けて突出する突起部を備える請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記シール部材は、前記燃料極の形状に対応する形状の燃料極側の開口、及び、酸素極の形状に対応する形状の酸素極側の開口を備え、
   前記燃料極の形状と酸素極の形状とは相違する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記シール部材は、前記燃料極又は酸素極の形状に対応する形状の開口を備え、該開口は、天地いずれかの方向にのみ嵌合する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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