JP2014154306A - セルモジュールと燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤によるセパレーターの接着界面の剥離を回避もしくは抑制する。
【解決手段】セルモジュール７を構成する単セル１０は、膜電極接合体２１５と、両面に配置された一対のガス拡散層２２８、２２９とを有する電極体２１７を、樹脂フレーム３００にて取り囲む。その上で、単セル１０は、電極体２１７と樹脂フレーム３００を第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とで両側から挟む。第１セパレーター６０は、発電領域２００ｇを取り囲んで、短辺接着領域部８０ａにて樹脂フレーム３００と接着され、第２セパレーター７０とは、短辺接着領域部８０ａより外側の環状接着領域部１００ａにて接着される。また、第１セパレーター６０は、短辺接着領域部８０ａのコーナーの外側に形状変形を来す変形凹所６２を備え、この変形凹所６２は、発電領域対応部位６６、７６を電解質膜２１０の側から押し上げるセパレーター押上力を緩和するよう形状変形する。
【選択図】図６

Description

本発明は、セルモジュールと燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、電解質膜の両膜面にアノード、カソードの電極触媒層を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備え、アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する。ＭＥＡは、通常、上記したガスの拡散透過を図るガス拡散層で挟持されたＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）の状態で発電体を構成し、樹脂等のフレームに保持される。その上で、ＭＥＧＡは、フレームと共にセパレーターにて保持され単セルを構成する。こうした単セルを積層することで一つのセルモジュールが形成され、セルモジュールは、その複数が積層されて、積層方向に沿って所定の荷重が掛かるように締結され、燃料電池スタックを形成する。こうしたセルモジュールにおいて、ＭＥＡの発電領域における圧力分布がばらつくと性能低下を来すことから、セルモジュールの厚さ方向ピッチを揃えて性能低下を抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２７２４７４号公報

単セルは、セパレーターをフレームに接着剤にて接着して備え、セル製造の際には、複数枚の単セルが積層したセルモジュールを構成し、接着剤の溶融固着を図るための熱圧着をセルモジュール単位で受ける。セル製造後、セルモジュールは、燃料電池スタックを形成すべく積層されて締結され、セルモジュールに含まれる各単セルは、その締結力に基づく押圧を受ける。上記の特許文献１は、この締結力に基づく押圧を受けた際の厚さ方向ピッチを揃えるとはいえ、押圧が解かれた場合への配慮に欠け、次のような問題点が指摘されるに到った。

複数の単セルが積層済みのセルモジュールは、燃料電池のスタック化を図る工程に搬送等される。この搬送の間においては、セル製造に伴う熱圧着の際の押圧が解かれていることから、単セルにおけるＭＥＧＡは、ガス拡散層が膨らむような反力を生じる。この反力は、セパレーターをＭＥＧＡから離間させるように、セルモジュールに含まれるそれぞれの単セルにおいて作用するので、接着剤によるセパレーターの接着界面に剥離力を及ぼしかねない。セパレーターの接着界面の剥離は、シール不良を引き起こすので、接着界面の剥離を回避もしくは抑制することが要請される。この場合、接着剤の接着強度を高めることは剥離回避の有益であるが、単セルはその発電運転の過程で高低温の環境に晒されるので、種々の温度下においても接着強度を高めることは困難であり、接着強度の向上は、現実的な解決をもたらし難いのが実情である。なお、上記した接着界面の剥離は、燃料電池スタックに組み付け済みの単セルを分解して保守点検する場合や、再利用する場合にも起き得る。また、セルモジュールにおいて、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上、或いは、コストアップを招かないことも要請されている。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、セルモジュールが提供される。このセルモジュールは、複数の単セルを積層したセルモジュールであって、前記単セルは、電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを有する電極体と、該電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、前記電極体と前記フレームを両側から挟むように配置されたセパレーターであって、前記膜電極接合体の発電領域を押圧する発電領域対応部位に該発電領域対応部位を取り囲む周囲部位を繋げて有する第１セパレーターと第２セパレーターと、前記発電領域を取り囲んで、前記フレームの周縁部を前記第１セパレーターの前記周囲部位に接着する第１接着部と、前記第１セパレーターと第２セパレーターとを、前記第１接着部より外側において接着する第２接着部とを備える。そして、前記セパレーターのうち、少なくとも前記第１セパレーターは、前記第１接着部のコーナーの外側に形状変形を来す変形部を備え、該変形部は、前記発電領域対応部位を前記膜電極接合体の側から押し上げるセパレーター押上力が前記発電領域対応部位に作用すると、該セパレーター押上力を緩和するよう形状変形する。本発明の上記形態のセルモジュールによれば、発電領域対応部位にこれを膜電極接合体の側から押し上げるようセパレーター押上力が作用しても、その力を変形部の形状変形を通して緩和するので、第１接着部における第１セパレーターの周囲部位との接着界面の剥離を回避もしくは抑制できる。また、上記のセパレーター押上力の緩和は、温度の影響を受けずに起きるので、温度に対する耐性に優れた特異な接着剤を用いる必要がない。よって、上記形態のセルモジュールによれば、接着界面の剥離を簡便且つ低コストで回避もしくは抑制できる。

（２）上記形態のセルモジュールにおいて、前記変形部は、前記第２セパレーターの側にＶ字状に窪んだ窪みを備え、該窪みの開口部が開くことで前記セパレーター押上力を緩和するよう形状変形するようにできる。こうすれば、変形部の形状の複雑化を招かないので、より簡便且つ低コストとなる。

（３）上記したいずれかの形態のセルモジュールにおいて、少なくとも前記第１セパレーターは、前記第２接着部がなすコーナーの外側においても前記変形部を有するようにできる。こうすれば、発電領域を取り囲む第１接着部より外側の第２接着部においても、接着界面の剥離を回避もしくは抑制できる。

（４）上記したいずれかの形態のセルモジュールにおいて、隣り合う前記単セルの前記第１セパレーターと前記第２セパレーターとを接着する第３接着部を備え、該第３接着部は、前記単セルの積層方向に沿って前記第１、第２接着部と重ならない位置に形成されているようにできる。こうすれば、第１、第２セパレーターに上記した力が作用した際に、第１接着部と第２接着部との間において、セパレーターの一部分を積層方向に撓ませることができる。これにより、膜電極接合体の発電領域のセル積層方向の変形に、フレームの周縁領域および／または第１、第２セパレーターの変形を追従させることができ、この追従は、既述した変形部の形状変形により、より起きやすくなる。この結果、上記形態のセルモジュールによれば、第３接着部を第１、第２接着部に対して重ならない位置に形成するという簡易な構成を用いることで、セルモジュールの過度の変形を抑制できる。

（５）本発明の他の形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、上記のセルモジュールを複数備え、前記複数のセルモジュールは、前記積層方向に積層されて締結されている。この形態の燃料電池スタックによれば、接着界面の剥離を回避もしくは抑制できるセルモジュールを備えた燃料電池スタックを提供できる。

本発明は、単セルやその製造方法、或いは、燃料電池スタックの製造方法、燃料電池を搭載した車両、燃料電池にて電力を得る燃料電池システムや発電システムとしても適用できる。

実施例の燃料電池システム５の概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタック２００を構成するセルモジュール７を概略的に示す説明図である。 セルモジュール７を構成する単セル１０の要部を平面視した上で接着領域と変形凹所との関係を示す説明図である。 図３における４−４線断面と電極体２１７を概略的に示す説明図である。 図３における５−５線断面図である。 マニホールドＭ１の回りの変形凹所６２の陥没の様子と接着領域との関係を概略的に示す説明図である。 図６における７−７線断面図である。 ホットプレス処理の際のセルモジュール７の様子とプレス処理後のセルモジュール７の様子とを対比して模式的に示す説明図である。 変形凹所６２の形状変形の様子を示す説明図である。 他の実施形態の単セル１０Ａの要部を平面視した上で接着領域と変形凹所との関係を示す説明図である。 図１０における１１−１１線断面である。 図１０における１２−１２線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例の燃料電池システム５の概略構成を示す説明図、図２は燃料電池スタック２００を構成するセルモジュール７を概略的に示す説明図である。図示するように、燃料電池システム５は、燃料電池スタック２００と、燃料電池スタック２００に供給する水素を貯蔵する水素タンク５０と、燃料電池スタック２００に圧縮空気を供給するためのエアーコンプレッサー４０と、燃料電池システム５全体の制御を担う制御部２６とを備える。

燃料電池スタック２００は、複数のセルモジュール７と、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３とを備える。そして、積層方向（Ｚ軸方向）の両側には、それぞれ集電板２３、絶縁板２２およびエンドプレート２１が、セルモジュール７側から外側に向かってこの順に配置されている。２枚のエンドプレート２１の間は、テンションロッド２４及びナット２５により、所定の締結力で締結されている。これにより、各セルモジュール７には、所定の荷重が積層方向の両側から加えられる。ナット２５の少なくとも一方には、ナット２５を回転させて締結力を調製するための駆動部２７が設けられている。

セルモジュール７は、１０〜５０個の単セル１０を積層して備え、隣り合う単セル１０が接着されることで構成される。隣り合う単セル１０は、既存の接着剤を用いて接着される。セルモジュール７は、反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）や冷却媒体を積層方向（Ｚ軸方向）に流通させるためのマニホールドＭ１〜Ｍ６を有する。具体的には、マニホールドＭ１には、アノード供給ガス（水素）が流通する。マニホールドＭ２には、アノード排ガスが流通する。マニホールドＭ３には、カソード供給ガス（空気）が流通する。マニホールドＭ４には、カソード排ガスが流通する。マニホールドＭ５には、外部から供給された冷却媒体が流通する。マニホールドＭ６には、単セル１０を通過した冷却媒体が流通する。図２に示すように、セルモジュール７は、各マニホールドＭ１〜Ｍ６の内側の領域に発電領域２００ｇを形成し、隣接するセルモジュール７の間には、マニホールドを含むセル全域にガスケット１６が配置される。ガスケット１６が隣接する２つセルモジュール７に密着することで、外部に反応ガスや冷却媒体が漏れ出すことを防止する。

単セル１０は、それぞれが燃料電池として機能することで発電を行う。単セル１０としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能である。本実施形態では、単セル１０として固体高分子型燃料電池を用いている。単セル１０は燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施形態において、各単セル１０の構成や仕様は互いに同一である。単セル１０の具体的な構成については、後述する。

水素タンク５０に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁５１によって減圧された後に水素ガス供給路５３を流通する。流通する水素は、水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池スタック２００に供給される。燃料電池スタック２００に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）は、燃料電池スタック２００の内部に形成されるアノードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった水素を含有するガス（アノード排ガス）は、燃料電池スタック２００の内部に形成されるアノードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約される。そして、アノード排ガスは、アノード排ガス路５４を介して燃料電池スタック２００の外部に排出される。なお、燃料電池システム５は、アノード排ガスを供給側に再循環させる構成であっても良い。

エアーコンプレッサー４０は、外部から取り込んだ酸化剤ガスとしての空気を加圧する。加圧された空気は、酸化ガス供給路４１を介して燃料電池スタック２００に供給される。燃料電池スタック２００に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）は、カソードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった空気（カソード排ガス）は、カソードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、カソード排ガス路４８を介して燃料電池スタック２００の外部に排出される。

冷媒循環ポンプ４６は、冷媒循環流路４７を介して、燃料電池スタック２００に冷媒を供給する。燃料電池スタック２００で暖められた冷却媒体は、ラジエータ４５で冷却され、再び燃料電池スタック２００に供給される。冷却媒体は、冷媒供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０を冷却する。各単セル１０を通過した後の冷却媒体は、冷媒排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、冷媒循環流路４３を介してラジエータ４５に流通する。冷却媒体としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施形態では、冷却媒体として液体を用いているが、冷却媒体として空気を用いる構成であってもよい。

制御部２６は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部２６は、燃料電池システム５の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受信し、受信した信号に基づき燃料電池システム５全体の制御を行う。

次に、単セル１０の構成について説明する。図３はセルモジュール７を構成する単セル１０の要部を平面視した上で接着領域と変形凹所との関係を示す説明図、図４は図３における４−４線断面と電極体２１７を概略的に示す説明図、図５は図３における５−５線断面図、図６はマニホールドＭ１の回りの変形凹所６２の陥没の様子と接着領域との関係を概略的に示す説明図、図７は図６における７−７線断面図である。図４と図５では、セルモジュール７を便宜的に二つの単セル１０が積層された構成として示している。

図示するように、単セル１０は、電極体２１７と、樹脂フレーム３００と、第１セパレーター６０と、第２セパレーター７０とを備える。電極体２１７は、発電領域２００ｇを形成する。電極体２１７は、膜電極接合体２１５と、膜電極接合体２１５の両面を挟むように配置された一対のガス拡散層２２８、２２９とを備え、後述の樹脂フレーム３００との接着領域の内部を発電領域２００ｇとする。

膜電極接合体２１５は、電解質膜２１０と、電解質膜２１０の両面を挟むように配置された一対の触媒電極層２２１、２２２とを備える。電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜２１０としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いても良い。

触媒電極層２２１、２２２は、カソード２２１とアノード２２２とも呼ぶ。両触媒電極層は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持した触媒担持担体（例えば、カーボン粒子）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いても良い。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用しても良い。

一対のガス拡散層２２８、２２９は、カソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９とも呼ぶ。両ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜２１０の面方向に沿って拡散透過させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。本実施形態では、カソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９とを、膜電極接合体２１５の周縁領域より内側に形成し、膜電極接合体２１５の周縁領域を、樹脂フレーム３００にて電極体２１７を接着保持する周縁部２００ｅとする。

樹脂フレーム３００は、枠状をなし、電極体２１７を取り囲むようにこの電極体２１７の周縁部に配置される。詳しくは、樹脂フレーム３００は、その枠領域に膜電極接合体２１５の発電領域２００ｇを収め、枠部分を膜電極接合体２１５の周縁部２００ｅに接着剤を用いて接着させる。これにより、発電領域２００ｇの回りには、図４に示すように、発電領域２００ｇを取り囲むよう、短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂとが形成される。樹脂フレーム３００は、一対の第１セパレーター６０と第２セパレーター７０との間に位置することで、セパレーターの短絡を防止すると共に、セルモジュール７内部を通過する反応ガスなどの流体が外部に漏れ出すことを防止する。樹脂フレーム３００は、ポリプロピレンにより形成されている。樹脂フレーム３００は、シート状である。なお、樹脂フレーム３００は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの他の樹脂を用いて形成してもよい。

第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とは、図４〜図５に示すように、電極体２１７と樹脂フレーム３００とを両側から挟むように配置されている。第１セパレーター６０は膜電極接合体２１５の一方の側であるカソード２２１側に配置され、第２セパレーター７０は他方の側であるアノード２２２側に配置されている。この両セパレーターは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

第１セパレーター６０と第２セパレーター７０は、図３に示すように、膜電極接合体２１５の発電領域２００ｇを押圧する発電領域対応部位６６、７６に当該部位を取り囲む周囲部位６７、７７を繋げて有する。そして、両セパレーターは、周囲部位６７、７７に、マニホールドＭ１〜Ｍ６の一部を構成する貫通孔６８、７８を備える。なお、図３では、マニホールドＭ１について示しているが、他のマニホールドについても同様である。

第１セパレーター６０は、樹脂フレーム３００に接着剤を用いて接着される。これにより、発電領域２００ｇを取り囲んで、樹脂フレーム３００の周縁部を第１セパレーター６０の周囲部位６７に接着する接着部が、既述した短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂとして形成される。一つの単セル１０を構成する第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とは、第１セパレーター６０と樹脂フレーム３００とを接着する短辺接着領域部８０ａより外側において接着される。つまり、マニホールドＭ１の形成箇所には、両セパレーターの間に環状の接着体１００が配設され、その上下面に既述した接着剤を用いて、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とは接着体１００で接着され、マニホールド回りに環状接着領域部１００ａを形成する。なお、図３では、接着体１００と樹脂フレーム３００とを個別に示しているが、樹脂フレーム３００をマニホールドに達するまで延ばし、フレーム端部に接着体１００を有するようにできる。

また、第１セパレーター６０は、図３と図６に示すように、第１セパレーター６０と樹脂フレーム３００の接着領域である短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂとのコーナーの外側、および環状接着領域部１００ａの各コーナーの外側に、変形凹所６２を備える。この変形凹所６２は、第１セパレーター６０をその上面側から押圧して形成され、上記の各コーナーから外側に延びるよう、略菱形形状の開口をセパレーター上面に残してテーパ状に陥没形成される。そして、変形凹所６２は、図７に示すように、第２セパレーター７０の側にＶ字状に窪んだ窪みであることから、この窪みの開口が開くよう変形可能である。このように変形凹所６２が変形可能であることから、第１セパレーター６０は、変形凹所６２が向かい合う領域、具体的には、短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂを取り囲む電極周囲領域部３０２と、各マニホールドを取り囲むマニホールド周囲領域部６３とを、変形凹所６２の形状変形に追従して、持ち上げ可能とする。

隣り合う単セル１０は、一方の単セルの第１セパレーター６０と他方の単セル１０の第２セパレーター７０との間で接着されている。つまり、隣り合う単セル１０の間には、第１セパレーター間接着部９０と第２セパレーター間接着部１１０と、これらを繋ぐ第３セパレーター間接着部１１２が配設され、それぞれの上下面に既述した接着剤を用いて、隣り合う１０の第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とは接着され、第１セパレーター間接着領域部９０ａと、第２セパレーター間接着領域部１１０ａと、第３セパレーター間接着領域１１２ａとが形成される。この場合、第１セパレーター間接着領域部９０ａは、第１セパレーター６０と樹脂フレーム３００との接着領域である短辺接着領域部８０ａの外側であって、短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａとの間に位置する。つまり、隣り合う単セル１０の第１セパレーター６０と第２セパレーター７０との接着領域である第１セパレーター間接着領域部９０ａは、単セル１０の積層方向に沿って短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａとに重ならない位置に形成されている。

上記の構成を有する単セル１０は、マニホールドＭ１から入り込んだ空気を、マニホールドＭ１における接着体１００から受け入れて、カソード側拡散層２２８に導入する。単セル１０は、マニホールドＭ３から入り込んだ水素を、マニホールドＭ３における接着体１００から受け入れて、アノード側拡散層２２９に導入する。単セル１０は、マニホールドＭ５から入り込んだ冷却水を、隣り合う単セル１０の第１セパレーター６０と第２セパレーター７０との間に導入する。こうした構成は、本発明の要旨と直接関係しないので、その構成については、これを省略する。

ここで、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０は、三層構造のセパレーターであっても良い。三層構造のセパレーターは、例えば、３つの金属製のプレートによって形成される。中間プレートは冷却媒体を流通させるための流路が形成される。また、中間プレートを挟む２つのセパレーターは反応ガスを電極体２１７に流通させるための開口と、電極体２１７を通過した反応ガスをマニホールドに流通させるための開口とが形成されている。また、三層構造のセパレーターには、マニホールドＭ１〜Ｍ６の一部を構成する貫通孔が形成されている。

上記した構成の単セル１０の複数を積層してセルモジュール７は、その製造時に、短辺接着領域部８０ａ等の各接着領域部での接着剤による接着を図るに当たり、通常、ホットプレス処理を受ける。図８はホットプレス処理の際のセルモジュール７の様子とプレス処理後のセルモジュール７の様子とを対比して模式的に示す説明図、図９は変形凹所６２の形状変形の様子を示す説明図である。なお、図８では、構成部材の挙動を説明するために、誇張して各部材が示されている。

セルモジュール７の製造に当たっては、アッパー金型Ｐｕとアンダー金型Ｐｄとにより、セルモジュール７は、セル製造に伴う熱圧着を受ける。これにより、セルモジュール７を構成するそれぞれの単セル１０は、電極体２１７を挟んで上下に位置する第１セパレーター６０と第２セパレーター７０の発電領域対応部位６６、６７にて、電極体２１７のカソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９とを押圧する。この押圧状況は、ホットプレス処理が終了するまで、継続される。

ホットプレス処理が終了すると、上記の両金型は退避され、セルモジュール７は、型から取り除かれる。そうすると、セルモジュール７は、それまで受けていた押圧が解かれて無荷重状態となるので、図８の右図に示すように、電極体２１７のカソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９は、その厚みが増すように、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０、詳しくは、発電領域対応部位６６、６７を膜電極接合体２１５の側から押し上げる。この押上力が発電領域対応部位６６、６７に作用すると、この発電領域対応部位６６、６７に続く周囲部位６７、７７の電極周囲領域部３０２（図３参照）は、膜電極接合体２１５の側から離れるように動くことになるが、この動きは、変形凹所６２の形状変形に追従して起きる。つまり、Ｖ字状に窪んだ変形凹所６２は、窪みの開口が開くよう変形することで、上記のセパレーター押上力を緩和して、電極周囲領域部３０２の動きの自由度を増すことから、樹脂フレーム３００と第１セパレーター６０との接着領域である短辺接着領域部８０ａおよび長辺接着領域部８０ｂにおける接着界面の剥離を回避もしくは抑制する。しかも、セパレーター押上力の緩和は、変形凹所６２の形状変形によるものであって、温度の影響を受けないので、温度に対する耐性に優れた特異な接着剤を用いる必要がなく、既存の接着剤で十分である。よって、本実施形態のセルモジュール７によれば、接着界面の剥離を簡便且つ低コストで回避もしくは抑制できる。

また、本実施形態のセルモジュール７は、変形凹所６２を、第２セパレーター７０の側にＶ字状に窪むよう第１セパレーター６０に押圧形成すれば良いので、簡便且つ低コストとなる。この際、変形凹所６２の形状は単純であるので、より簡便且つ低コストとなる。

また、本実施形態のセルモジュール７では、同じセルに含まれる第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とを、短辺接着領域部８０ａより外側の環状接着領域部１００ａにおいて接着する。そして、この環状接着領域部１００ａがなすコーナーの外側においても変形凹所６２を有する（図３参照）。よって、本実施形態のセルモジュール７によれば、周縁部２００ｅを取り囲む短辺接着領域部８０ａより外側の環状接着領域部１００ａにおいても、変形凹所６２の形状変形を通して接着界面の剥離を回避もしくは抑制できる。

また、本実施形態のセルモジュール７では、隣り合う単セル１０の第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とを、第１セパレーター間接着部９０を介して第１セパレーター間接着領域部９０ａで接着する。そして、この第１セパレーター間接着領域部９０ａは、第１セパレーター６０と樹脂フレーム３００との接着領域である短辺接着領域部８０ａの外側であって、短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａとの間に位置させ、単セル１０の積層方向に沿って短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａとに重ならない位置に形成されている。この結果、本実施形態のセルモジュール７によれば、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０に上記したセパレーター押上力が作用した際に、短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａとの間において、上記の両セパレーターをその周囲部位６７、７７において積層方向に撓ませることができる。これにより、発電領域２００ｇにおけるカソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９のセル積層方向の変形に、樹脂フレーム３００の周縁領域の変形、および／または、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０の変形を追従させることができ、この追従は、変形凹所６２の形状変形により、より起きやすくなる。この結果、本実施形態のセルモジュール７によれば、第１セパレーター間接着領域部９０ａを短辺接着領域部８０ａと環状接着領域部１００ａに対して重ならない位置に形成するという簡易な手法で、セルモジュールの過度の変形を抑制できる。

次に、他の実施形態について説明する。図１０は他の実施形態の単セル１０Ａの要部を平面視した上で接着領域と変形凹所との関係を示す説明図、図１１は図１０における１１−１１線断面、図１２は図１０における１２−１２線断面図である。この実施形態は、短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂを取り囲む電極周囲領域部３０２において、外側短辺接着領域部８１ａと外側長辺接着領域部８１ｂとを備える。この両接着領域部は、同一の単セル１０Ａに含まれる第１セパレーター６０と第２セパレーター７０とを既述した接着剤を用いて接着している。そして、この実施形態の単セル１０Ａは、第１セパレーター６０と樹脂フレーム３００の接着領域である短辺接着領域部８０ａと長辺接着領域部８０ｂとのコーナーの外側に加え、第１セパレーター６０と第２セパレーター７０の接着領域である外側短辺接着領域部８１ａと外側長辺接着領域部８１ｂとのコーナーの外側にも変形凹所６２を備える。この実施形態によっても、既述した効果を奏することができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

また、上記の実施形態では、変形凹所６２を第１セパレーター６０に設けたが、第２セパレーター７０においても、変形凹所６２を有するようにしてもよい。

５…燃料電池システム
７…セルモジュール
１０…単セル
１６…ガスケット
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…テンションロッド
２５…ナット
２６…制御部
２７…駆動部
４０…エアーコンプレッサー
４１…酸化ガス供給路
４３…冷媒循環流路
４５…ラジエータ
４６…冷媒循環ポンプ
４７…冷媒循環流路
４８…カソード排ガス路
５０…水素タンク
５１…減圧弁
５２…圧力調整弁
５３…水素ガス供給路
５４…アノード排ガス路
６０…第１セパレーター
６２…変形凹所
６３…マニホールド周囲領域部
６６…発電領域対応部位
６７…周囲部位
６８…貫通孔
７０…第２セパレーター
８０ａ…短辺接着領域部
８０ｂ…長辺接着領域部
８１ａ…外側短辺接着領域部
８１ｂ…外側長辺接着領域部
９０…第１セパレーター間接着部
９０ａ…第１セパレーター間接着領域部
１００…接着体
１００ａ…環状接着領域部
１１０…第２セパレーター間接着部
１１０ａ…第２セパレーター間接着領域部
１１２…第３セパレーター間接着部
１１２ａ…第３セパレーター間接着領域
２００…燃料電池スタック
２００ｅ…周縁部
２００ｇ…発電領域
２１０…電解質膜
２１５…膜電極接合体
２１７…電極体
２２１…カソード
２２２…アノード
２２８…カソード側拡散層
２２９…アノード側拡散層
３００…樹脂フレーム
３０２…電極周囲領域部
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド
Ｐｄ…アンダー金型
Ｐｕ…アッパー金型

Claims (5)

1. 複数の単セルを積層したセルモジュールであって、
   前記単セルは、
   電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを有する電極体と、
   該電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
   前記電極体と前記フレームを両側から挟むように配置されたセパレーターであって、前記膜電極接合体の発電領域を押圧する発電領域対応部位に該発電領域対応部位を取り囲む周囲部位を繋げて有する第１セパレーターと第２セパレーターと、
   前記発電領域を取り囲んで、前記フレームの周縁部を前記第１セパレーターの前記周囲部位に接着する第１接着部と、
   前記第１セパレーターと第２セパレーターとを、前記第１接着部より外側において接着する第２接着部とを備え、
   前記セパレーターのうち、少なくとも前記第１セパレーターは、
   前記第１接着部のコーナーの外側に形状変形を来す変形部を備え、該変形部は、前記発電領域対応部位を前記膜電極接合体の側から押し上げるセパレーター押上力が前記発電領域対応部位に作用すると、該セパレーター押上力を緩和するよう形状変形する
   セルモジュール。
2. 前記変形部は、前記第２セパレーターの側にＶ字状に窪んだ窪みを備え、該窪みの開口部が開くことで前記セパレーター押上力を緩和するよう形状変形する請求項１に記載のセルモジュール。
3. 少なくとも前記第１セパレーターは、前記第２接着部がなすコーナーの外側においても前記変形部を有する請求項１または請求項２に記載のセルモジュール。
4. 隣り合う前記単セルの前記第１セパレーターと前記第２セパレーターとを接着する第３接着部を備え、該第３接着部は、前記単セルの積層方向に沿って前記第１、第２接着部と重ならない位置に形成されている請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のセルモジュール。
5. 燃料電池スタックであって、
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の前記セルモジュールを複数備え、
   前記複数のセルモジュールは、前記積層方向に積層されて締結されている、燃料電池スタック。

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