JP2017091690A - セルモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来のセルモジュールでは、周縁部に配置した接着剤の収縮により周縁部全体が積層方向に収縮変形するという問題点があった。【解決手段】フレーム１を有する膜電極接合体２と、これらを挟持する一対のセパレータ３，４とを備えると共に、フレーム１及びセパレータ３，４の周縁部同士の間を接着剤５で封止した構造を有する単セルＣを複数積層して成るセルモジュールＭであって、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、一対のセパレータ３，４に相対的に配置され且つ膜電極接合体２に当接する支持部６と、支持部６から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造とを備えたことにより、接着剤５の収縮による周縁部全体の変形を抑制する。【選択図】図６

Description

本発明は、複数枚の単セルを積層して成るセルモジュールの改良に関するものである。

従来のセルモジュールとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のセルモジュールは、積層された複数の単セルを備えている。単セルは、周縁部にフレームを有する電極体と、これらを両側から挟む第１及び第２のセパレータとを備えている。このセルモジュールは、周縁領域に、第１のセパレータとフレームとを接着する第１の接着領域と、第２のセパレータとフレームとを接着する第２の接着領域と、隣り合う単セルのセパレータ同士を接着する第３の接着領域とを備えている。そして、セルモジュールは、第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の接着領域に対して重ならない位置に形成されている。

上記のセルモジュールは、無負荷状態やスタック締結荷重付与時点よりも低荷重状態となった場合、セル面内の中央領域において電極体のガス拡散層が厚さ方向に膨むことによって、セルモジュールが太鼓上に変形する課題に対して、周縁領域においてフレームの一部を厚さ方向に変形させ、周縁領域の厚さを増加させる。これにより、セルモジュールは、全体が過度に太鼓状に変形することを抑制し、応力集中による破損の可能性を低減する。

特開２０１４−９３１６８号公報

しかしながら、上記したような従来のセルモジュールにあっては、ガス拡散層の圧縮量の変化（膨張収縮）による変形には対応し得るものの、周縁領域に配置した接着剤（接着領域）の収縮による変形には何ら対策も施されていない。すなわち、周縁部に接着剤を配置した構造を有するセルモジュールでは、各層の接着剤の硬化時点からの寸法収縮により周縁部全体が積層方向に収縮変形し、これにより、単セル内部の構成部材の変形や、セルモジュール連結部でのシール性の低下を招くおそれがある。このため、従来のセルモジュールでは、接着剤の収縮により発生する不具合を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目してなされたもので、周縁部に接着剤を配置した構造を有するセルモジュールにおいて、接着剤の収縮による全体の変形を抑制することができるセルモジュールを提供することを目的としている。

本発明に係わるセルモジュールは、周囲にフレームを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えると共に、フレーム及びセパレータの周縁部同士の間を接着剤で封止した構造を有する単セルを含み、その単セルを複数積層して成るものである。このセルモジュールは、少なくとも１つの単セルにおける接着剤の配置部分に直交する断面について、一対のセパレータに相対的に配置され且つ膜電極接合体に当接する支持部と、セパレータの支持部から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造とを備えたことを特徴としている。

上記のセルモジュールは、単セルの周縁部において、セパレータの支持部から外周縁部に至る範囲が、支持部を支点とし且つ接着剤の配置部分を作用点とする片持ち梁構造になる。そこで、セルモジュールは、セパレータの支持部から外周縁部に至る範囲に設けた荷重支持構造により、接着剤の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を確保し、これにより周縁部全体の収縮変形を抑制する。

本発明に係わるセルモジュールは、上記構成を採用したことにより、単セルの周縁部に接着剤を配置した構造において、接着剤の収縮による周縁部全体の変形を抑制することができる。これにより、セルモジュールは、単セル内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。

図１は、本発明に係わるセルモジュールを含む燃料電池を説明する斜視図（Ａ）、及び分解状態を示す斜視図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルモジュールの第１実施形態を説明する斜視図（Ａ）、及び単セルの分解状態の斜視図（Ｂ）である。 図２Ａ中のＡ−Ａ線に基づくセルモジュールの周縁部の断面図（Ｂ）である。 荷重支持構造の原理を説明するセルモジュールの断面図（Ａ）、及び接着剤の収縮荷重と解放量との関係を示すグラフ（Ｂ）である。 荷重低減構造の原理を説明するセルモジュールの断面図（Ａ）、及び接着剤の収縮荷重と解放量との関係を示すグラフ（Ｂ）である。 第１実施形態における荷重支持構造を説明する斜視図である。 第２実施形態における荷重支持構造を説明する斜視図である。 第３実施形態における荷重支持構造を説明する斜視図（Ａ）、及び第４実施形態における荷重支持構造を説明する斜視図（Ｂ）である。 第５実施形態における荷重支持構造を説明する斜視図（Ａ）、図Ａ中のＡ−Ａ線に基づく単セルの断面図（Ｂ）、及び第６実施形態における荷重支持構造を説明する単セルの断面図（Ｃ）である。 第７実施形態における荷重支持構造を説明する単セルの断面図（Ａ）、及び第８実施形態における荷重支持構造を説明する単セルの断面図（Ｂ）である。 第９実施形態におけるフレームのばね部が平坦である状態を示す断面図（Ａ）、及びばね部が凹凸である状態を示す断面図（Ｂ）である。 第１０実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図である。 第１１実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図（Ａ）、及び第１２実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図（Ｂ）である。 第１３実施形態における荷重低減構造の３例を説明するセパレータの変形前の各々断面図（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１）、及び変形後の各々断面図（Ａ２，Ｂ２，Ｃ２）である。 第１４実施形態における荷重低減構造の２例を説明するフレームの変形前の各々断面図（Ａ１，Ｂ１）、及び変形後の各々断面図（Ａ２，Ｂ２）である。 第１５実施形態における荷重低減構造の２例を示す加工時の説明図（Ａ１，Ｂ１）、及び組立後の説明図（Ａ２，Ｂ２）である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、図１（Ｂ）に示すように、複数の単セルＣを積層して一体化した複数のセルモジュールＭを備えている。この実施形態の単セルＣは、図示の姿勢において横長の長方形状である。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭを示しているが、その数は少なくとも２以上である。また、セルモジュールＭ同士の間には、シールプレートＰが介装してある。

燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

セルモジュールＭは、図２（Ａ）に示すように、複数の単セルＣを積層して成るものである。単セルＣは、図２（Ｂ）に示すように、周囲にフレーム１を有する膜電極接合体２と、フレーム１及び膜電極接合体２を挟持する一対のセパレータ３，４とを備えている。この単セルＣは、フレーム１及びセパレータ３，４の周縁部同士の間を接着剤５で封止した構造を有している。

単セルＣは、フレーム１及び膜電極接合体２と一方のセパレータ３との間に、アノードガス（水素含有ガス）のガス流路を形成している。また、フレーム１及び膜電極接合体２と他方のセパレータ４との間には、カソードガス（酸素含有ガス：例えば空気水素含有ガス）のガス流路を形成している。

フレーム１は、例えば樹脂製であり、より望ましくは、単セルＣの薄型化に有効である樹脂製フィルムであって、その中央に配置した膜電極接合体２と一体化してある。膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示は省略するが、固体高分子から成る電解質層をアノード電極層とカソード電極層とで挟持した構造を有している。各電極層は、触媒層やガス拡散層などを積層して形成してある。

各セパレータ３，４は、例えばステンレス製であって、例えばプレス加工により適宜の形状に成形され、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が、長辺方向に連続する断面凹凸形状に形成してある。各セパレータ３，４は、その断面凹凸形状の部分において、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間に、長辺方向に連通するガス流路を形成する。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、単セルＣとほぼ同じ形状で同じ大きさに形成してあり、セルモジュールＭ同士の間で経時的に安定した通電を行うことができる。

各単セルＣのフレーム１及びセパレータ３，４、並びにシールプレートＰは、積層状態で互いに連通して流体用のマニホールドを形成するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。図示例では、単セルＣの両側の短辺に沿って、夫々３個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。

一例として、図２中の左側のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）、アノードガス排出用（Ｈ３）である。また、図２中の右側のマニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）、カソードガス排出用（Ｈ６）である。冷却液は、セルモジュールＭにおいて、単セルＣ同士の間に流通する。なお、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。

各単セルＣにおいて、フレーム１とセパレータ３，４とは、周縁部同士の間に設けた接着剤５で接着してある。接着剤５は、フレーム１及びセパレータ３，４の周縁部全周にわたって連続的に設けてある。また、接着剤４は、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲にも設けてあり、この際、各流路に夫々該当する流体が流通し得るように、その一部が出入口として開放してある。この接着剤５は、フレームと及びセパレータ３，４とを接着すると共に、接着後には、収縮して各流体に対するシール材として機能する。

ここで、上記のセルモジュールＭでは、各単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造になっており、接着後における各接着剤５の収縮により周縁部全体が積層方向に収縮変形する。換言すれば、中央部が膨らんだ状態（いわゆる太鼓状）に変形する。

そこで、セルモジュールＭは、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、一対のセパレータ３，４に相対的に配置され且つフレーム１を含む膜電極接合体２に当接する支持部６と、セパレータ３，４の支持部６から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造（図６の高剛性部:リブ７を参照）とを備えている。

また、セルモジュールＭは、さらに望ましい実施形態として、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、フレーム１及びセパレータ３，４の少なくとも一方に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造（図１４の弾性変形部１５Ａ〜１５Ｃを参照）を備えている。

図４は、荷重支持構造の原理を説明する図である。
すなわち、セルモジュールＭは、図４（Ａ）に示すように、各単セルＣの周縁部に配置した接着剤５の収縮により、周縁部全体が積層方向に収縮変形する。図４（Ａ）中には、接着剤４の収縮前の端部位置を仮想線で示している。

上記のセルモジュールＭにおいて、周縁部の積層断面では、セパレータ３，４の中央に形成した凹凸形状のうちの最も外側の波形凸部が支持部６に相当する。支持部６は、両セパレータ３，４に相対的に配置され且つ膜電極接合体２に当接する。そして、この積層断面では、支持部６を支点Ｐとし且つ接着剤５の配置部分を作用点Ｑとする梁長Ｌの片持ち梁構造になる。なお、作用点Ｑは、便宜上、接着剤５の配置部分の中心である。

接着剤５は、図４（Ｂ）に示すように、所定の最大収縮力（Ｙ軸との交点、）をとる。Y軸との交点は、これは熱応力発生時に外部部材が変形しえない完全拘束状態で、接着の変形量はゼロとなり、線膨張係数、硬化状態からの温度変化ΔTおよび接着形状（幅など）に依存する最大熱応力（荷重）状態を示す。一方、拘束力が低下すると、徐々に接着層は変形・解放され、拘束がゼロのケース（自由膨張、収縮）では、外部（結合部材）に対して作用する荷重はゼロ（X軸との切片）になり、この際の変形量は、接着層の初期厚み線膨張係数、温度変化ΔT、により与えられる。すなわち、接着剤５の最大解放量（解放に必要な変形量）は、各接着剤５の総厚さに依存するので、単セルＣの積層枚数の増加に伴って増加する。ただし、解放量がゼロの単位長さ当たりの荷重は、厚さに依存しないで決まるので、接着剤４の収縮荷重と解放量との関係は図４中の点線のような前記２点を結ぶ線形もしくは非線形なライン上を変動する。

例えば、図４（Ｂ）では、単セルＣが一枚の場合、二枚の場合、及び四枚の場合の三例を点線で示している。これらとＸ軸との交点は、接着剤５の基準温度から任意温度に至る間の収縮量であり、接着剤５が完全に自由収縮して内部応力がゼロとなる点である。

一方、接着剤５が収縮する際には、支点Ｐから作用点Ｑを経て外周縁部に至る範囲の積層体を変形させながら収縮する。この際、積層体を変形させる（曲げる）のに必要なばね定数をＫｃとすると、図４（Ａ）に示す積層断面における片持ち梁構造では、Ｋｃ＝３ＥＩ／Ｌ^３のようになる。

また、断面２次モーメント（Ｉ）は、支点Ｐから作用点Ｑに至る範囲の積層体の断面２次モーメントになる。この積層体の断面２次モーメントは、加算されるので、積層体自体の断面２次モーメントを増加させれば、接着剤５の収縮による全体の収縮荷重に抗することができる。さらに、接着剤５の変形は、それ自体の収縮力と、ばね定数Ｋｃとが釣り合う点まで許容され、図４（Ｂ）中に実線で示すように、ばね定数Ｋｃの大きさにより解放量（変形量）が変化する。図４（Ｂ）では、ばね定数Ｋｃが大きい場合、及び中程度の場合の二例を示している。

つまり、セルモジュールＭでは、図４（Ｂ）中に点線と実線との交点を示すように、接着剤５の最大収縮量及び接着剤５の解放量に対して、積層体のばね定数Ｋｃを選択することにより、周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。このばね定数Ｋｃは、具体的には、先述の荷重支持構造により設定されることになる。このようにして、セルモジュールＭは、接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を確保し、これにより周縁部全体の収縮変形を抑制することとなる。

次に、図５は、荷重低減構造の原理を説明する図である。すなわち、セルモジュールＭは、上記した荷重支持構造の説明と同様に、図５（Ａ）に示すように、各単セルＣの周縁部に配置した接着剤５の収縮により、周縁部全体が積層方向に収縮変形する。

上記のセルモジュールＭは、支持部６（支点Ｐ）から接着剤５の配置部分（作用点Ｑ）を経て外周縁部に至る範囲において、積層体の接着剤５以外の部分が変形すれば、図５（Ｂ）に示すように、内部での解放が行われて収縮荷重が低下する。これにより、積層体のばね定数Ｋｃも実質的に低下するので、ばね定数Ｋｃとのバランス荷重が減少して、変形を抑制することができる。図５（Ｂ）には、単セルＣが４枚の場合を点線で示しており、ばね定数Ｋｃが大きい場合を実線で示している。

つまり、セルモジュールＭでは、図５（Ｂ）中に点線と実線との交点を示すように、積層体の接着剤５を除く部分を変形させることにより収縮荷重が低下するので、周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。具体的には、フレーム１及びセパレータ３，４の少なくとも一方に荷重低減構造を設けることで、接着剤５の収縮荷重を吸収若しくは収縮に追従する機能を確保して収縮荷重を低減し、これにより周縁部全体の収縮変形を抑制することとなる。ただし、積層体の接着剤５を除く部分の収縮荷重の低減を可能とする機構が設けられていても、図４を用いて説明した支持力が充分に設計されていることが重要である。この点は、例えば、抗力がゼロであるとばね定数（Kcell）がＸ軸上に並ぶため、結果的に、Ｘ軸との交点まで積層体の収縮が進むことから容易に想像できる。

図６は、第１実施形態における荷重支持構造の具体例を示す図である。なお、荷重低減構造の具体例については、後述する実施形態で説明する。図６は、セルモジュールＭの一部を示す図であって、積層方向に隣接する単セル同士の間で当接する２枚のセパレータ３，４を示している。つまり、図中で上側のセパレータ４は、全体を省略した上側の単セルを構成し、下側のセパレータ３は、同じく全体を省略した下側の単セルを構成している。

図示のセルモジュールＭの荷重支持構造は、支持部６と接着剤５の配置部分との間に配置され且つセパレータ３，４の他の部分よりも相対的に高い曲げ剛性を有する高剛性部を備えている。この実施形態の高剛性部は、支持部６から接着剤５の配置部分にかけて直線的に形成したリブ７であって、セパレータ３，４に一体成形してあると共に、凹凸形状の連続方向すなわちガス流れ方向に沿って所定間隔で形成してある。

上記のセルモジュールＭは、図４（Ａ）に示す積層断面において、リブ７により、支持部６（支点Ｐ）から接着剤５の配置部分（作用点Ｑ）に至る範囲の曲げ剛性が高められ、各接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を発揮する。

これにより、セルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができ、単セル内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。なお、高剛性部としてのリブ７は、互いの間隔（ピッチ）や突出高さを増減させることで、曲げ剛性を自由に設定することが可能であり、また、セパレータ３，４のプレス加工において同時に形成することが容易である。

図７〜図１６は、第２〜１５の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、第１実施形態と同一の部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図７に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、支持部６と接着剤５の配置部分との間に配置され且つセパレータ３，４の他の部分よりも相対的に高い曲げ剛性を有する高剛性部を備えている。この実施形態の高剛性部は、支持部６と接着剤５の配置部分との間に形成した溶接部８であって、隣接する単セルＣのセパレータ同士３，４を接合している。図示の溶接部８は、凹凸形状の連続方向に沿う長線部８Ａと、これに直交し且つ所定間隔で配置した多数の短線部８Ｂとを有している。

上記のセルモジュールＭは、支持部６から接着剤５の配置部分に至る範囲において、溶接部（高剛性部）８により両セパレータ３，４が一体化されるうえに、溶接による残留応力が付与される。つまり、上記範囲における曲げ剛性が高められ、各接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を発揮する。

これにより、セルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができ、単セル内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。

なお、高剛性部としての溶接部８は、例えば長線部８Ａや短線部８Ｂの数や間隔（ピッチ）を変更することで、曲げ剛性を自由に設定することが可能であり、また、セパレータ３，４同士を接合するので、組立作業性の向上などを図ることもできる。

〈第３実施形態〉
図８（Ａ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、支持部６と接着剤５の配置部分との間に配置され且つセパレータ３，４の他の部分よりも相対的に高い曲げ剛性を有する高剛性部を備えている。この実施形態の高剛性部は、セパレータ３，４の間において、支持部６から接着剤５の配置部分を経て端部に至る間に介装した板部材９である。板部材９は、とくに材料が限定されるものではないが、金属製や樹脂製などの部材を採用することが可能である。

上記のセルモジュールＭは、支持部６から接着剤５の配置部分に至る範囲が、板部材（高剛性部）９による機械的強度が付加されることで、同範囲の曲げ剛性が高められ、各接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を発揮する。

これにより、セルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができ、単セル内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。なお、高剛性部としての板部材８は、例えば厚さや材質等を変更することで、曲げ剛性を自由に設定することが可能である。

〈第４実施形態〉
図８（Ｂ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、支持部６と接着剤５の配置部分との間に配置され且つセパレータ３，４の他の部分よりも相対的に高い曲げ剛性を有する高剛性部を備えている。この実施形態の高剛性部は、セパレータ３，４の間において、支持部６から接着剤５の配置部分に至る間に介装した接着層１０である。

上記のセルモジュールＭは、支持部６から接着剤５の配置部分に至る範囲において、接着層１０により両セパレータ３，４が一体化されることで、同範囲の曲げ剛性が高められることとなり、各接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する機能を発揮する。

これにより、セルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができ、単セル内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。

なお、高剛性部としての接着層１０は、例えば塗布量や種類等を選択することで、曲げ剛性を設定することが可能であり、また、セパレータ３，４同士を接合するので、組立作業性の向上などを図ることもできる。

〈第５実施形態〉
図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、第１実施形態（図６参照）で説明した高剛性部としてのリブ７を備えると共に、支持部６が膜電極接合体２の電極層に当接している構造である。

ここで、接着剤５の配置部分に直交する積層断面において、セパレータ３，４の支持部６から接着剤５の配置部分を経て外周縁部に至る範囲は、図４（Ａ）で説明したように、支持部６を支点Ｐとし且つ接着剤５の配置部分を作用点Ｑとする梁長Ｌの片持ち梁構造となる。この場合、梁長Ｌを小さくすれば、その分上記範囲の曲げ剛性を大きくして周縁部全体の収縮変形を抑制することが可能である。

そこで、上記のセルモジュールＭでは、セパレータ３，４の凹凸形状の波形凸部が膜電極接合体２に当接しているので、最も外側の波形凸部を支持部６とすることで、新たな支持部を設けることなく梁長Ｌを最小限にすることができる。これにより、セルモジュールＭは、高剛性部としてのリブ７の効果と梁長Ｌの小型化の効果とが相俟って、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。

〈第６実施形態〉
図９（Ｃ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、第５実施形態と同様に、高剛性部としてのリブ７を備えると共に、支持部６が、膜電極接合体２のフレーム１に当接している構造である。この支持部６は、セパレータ３，４をプレス加工する際に同時に成形することができる。

上記のセルモジュールＭは、フレーム１に当接する支持部６を設けることにより、支持部６と接着剤５の配置部分との間、すなわち支点Ｐから作用点Ｑまでの梁長Ｌを小さくしつつ、その長さを選択することが可能になる。これにより、セルモジュールＭは、高剛性部としてのリブ７の効果と梁長Ｌの小型化の効果とが相俟って、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。

〈第７実施形態〉
図１０（Ａ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、第６実施形態と同様に、高剛性部としてのリブ７を備えると共に、支持部６が、膜電極接合体２のフレーム１に当接している構造である。そして、荷重支持構造は、両セパレータ３，４の支持部６同士の間、厳密には各支持部６，６とフレーム１との間に介装した弾性体１１，１１を備えている。この弾性体１１には、セパレータ３，４同士を接合する接着剤や、セパレータ３，４間を封止するシール材を用いることができる。

上記のセルモジュールＭは、支持部６と接着剤５の配置部分との間の範囲が、リブ７及び梁長Ｌの小型化により曲げ剛性が高められ、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができるうえに、弾性体１１によって支持部６における応力集中を緩和することができる。

なお、セルモジュールＭは、単セルＣを構成する一対のセパレータ３，４の外周縁部同士の間に上記弾性体１１を設けることも可能である。この場合、セルモジュールＭは、セパレータ３，４の支持部６から接着剤５の配置部分を経て外周縁部に至る範囲が、支持部６及び弾性体１１を両側の支点とし、且つ両支点間を作用点とする両端支持梁の構造になる。したがって、弾性体１１は、接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造として機能する。

〈第８実施形態〉
図１０（Ｂ）に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、第７実施形態と同様に、高剛性部としてのリブ７を備えると共に、支持部６が、膜電極接合体２のフレーム１に当接している構造である。そして、荷重支持構造は、両セパレータ３，４の支持部６同士の間、厳密には各支持部６，６とフレーム１との間に介装した絶縁体１２，１２を備えている。この絶縁体１２には、樹脂等から成る弾性部材を用いることができる。

上記のセルモジュールＭは、支持部６と接着剤５の配置部分との間の範囲が、リブ７及び梁長Ｌの小型化により曲げ剛性が高められ、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができるうえに、絶縁体１２によりセパレータ３，４間の短絡の可能性を解消することができる。また、絶縁体１２に弾性部材を用いれば、支持部６における応力集中を緩和することができる。

なお、上記のセルモジュールＭは、単セルＣを構成する一対のセパレータ３，４の外周縁部同士の間に上記絶縁体１２を設けることも可能である。この場合、セルモジュールＭは、絶縁体１２が、セパレータ３，４間の短絡を阻止すると共に、セパレータ３，４の支持部６から外周縁部に至る範囲が、支持部６及び弾性体１１を両側の支点とし、且つ両支点間を作用点とする両端支持梁の構造になる。したがって、絶縁体１２は、接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造として機能する。

〈第９実施形態〉
図１１に示すセルモジュールＭの荷重支持構造は、支持部６が、膜電極接合体２のフレーム１に当接している構造であって、前記フレーム１が、両セパレータ３，４の支持部同士の間で圧縮変形可能なばね部１Ａを備えている。ばね部１Ａは、フレーム１の一部を予め凹凸状に形成したものであり、積層方向の荷重により、図１１（Ａ）に示すように平坦になると共に、その荷重の減少に伴って、図１１（Ｂ）に示すように凹凸状になる。

このようなばね部１Ａは、フレーム１が樹脂製である場合には、当該フレーム１の成形時に一体的に形成しても良いし、当該フレーム１の成形後において部分的に加熱及び加熱することで形成しても良い。

上記のセルモジュールＭは、支持部６と接着剤５の配置部分との間の範囲が、梁長Ｌの小型化により曲げ剛性が高められ、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができるうえに、ばね部１Ａによって構成部材の厚さの公差を吸収することができる。

つまり、上記のセルモジュールＭでは、支持部６とフレーム１とが平面で接合している必要があるが、接着剤５が収縮した際、セパレータ３，４の厚さの公差の影響により、支持部６に収縮の反力が加わる可能性がある。そこで、セルモジュールＭは、上記ばね部１Ａにより、必要以上の反力が生じないように前記厚さの公差を吸収する。

〈第１０実施形態〉
第１実施形態で説明したように、セルモジュールＭは、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、支持部６及び荷重支持構造（７〜１０）を備えたものである。これに対して、図１２に示すセルモジュールＭは、支持部６及び荷重支持構造（７〜１０）を有する単セルＣが、積層方向の両端側に配置してある。

つまり、セルモジュールＭは、図中で上端側及び下端側の単セルＣ，Ｃが、支持部６及び荷重支持構造（高剛性部７〜１０）を有している。この場合、中間の単セルＣは、支持部６や荷重支持構造が無くても良いし、これらを有していても構わない。

上記のセルモジュールＭは、積層方向の両端側に配置した単セルＣ，Ｃにおいて、支持部６及び荷重支持構造により、支持部６から接着剤５の配置部分に至る範囲の曲げ剛性が高められる。これにより、セルモジュールＭは、各接着剤５が収縮すると、図中の小矢印で示す収縮荷重が生じるが、これに対して、両側の単セルＣ，Ｃにより、図中の大矢印で示すように抗力が生じ、周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。また、セルモジュールＭは、両端側の単セルＣ．Ｃだけに支持部６や荷重支持構造を設ければ良いので、変形抑制機能を確保しつつ、部品点数の削減や低コスト化を図ることができる。

〈第１１実施形態〉
図１３（Ａ）に示すセルモジュールＭは、積層方向の少なくとも一端側に配置される他の構造体を備え、積層端部の単セルＣと他の構造体との互いの合わせ面に、互いに吸着する磁性材１３，１３を設けた構成である。

図示例における他の構造体は、セルモジュールＭと同等の基本構成を備えた別のセルモジュールＭ１である。そして、両セルモジュールＭ，Ｍ１は、接着剤５の配置部分の両側に、積層端部の単セルＣ，Ｃのセパレータ３，４同士を接合する合わせ面を有し、その合わせ面に磁性材１３を設けている。

この実施形態の場合には、前記磁性材１３が、セパレータ３，４の支持部６から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造に相当する。したがって、セルモジュールＭは、各接着剤５が収縮する際に、その収縮力に対して磁性体１３の吸着力が抗することとなり、周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。また、他の構造体として別のセルモジュールＭ１を採用した場合には、個々のセルモジュールＭ，Ｍ１に生じる収縮荷重を互いに相殺し得る利点もある。

〈第１２実施形態〉
図１３（Ｂ）に示すセルモジュールＭは、積層方向の少なくとも一端側に配置される他の構造体を備え、積層端部の単セルＣと他の構造体との互いの合わせ面に、熱収縮型接着剤１４を設けた構成である。

図示例における他の構造体は、セルモジュールＭと同等の基本構成を備えた別のセルモジュールＭ１である。そして、両セルモジュールＭ，Ｍ１は、接着剤５の配置部分の両側に、積層端部の単セルＣ，Ｃのセパレータ３，４同士を接合する合わせ面を有し、その合わせ面に熱収縮型接着剤１４を設けている。この熱収縮型接着剤１４は、セルモジュールＭを発電運転した際に生じる熱により収縮する。

この実施形態の場合には、前記熱収縮型接着剤１４が、セパレータ３，４の支持部６から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造に相当する。したがって、セルモジュールＭは、各接着剤５が収縮する際に、その収縮力に対して熱収縮型接着剤１４の収縮力が抗することとなり、周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。また、他の構造体として別のセルモジュールＭ１を採用した場合には、個々のセルモジュールＭ，Ｍ１に生じる収縮荷重を互いに相殺し得る利点もある。

なお、上記の第１１及び第１２の実施形態では、他の構造体として別のセルモジュールＭ１を例示した。他の構造体としては、例えば複数のセルモジュールＭを積層して成る燃料電池スタックにおいて、セルモジュール同士の間に介装するプレート類、スタックの端部に配置するエンドブラケットや集電板などの各種構造体を挙げることができる。

また、セルモジュールＭは、積層方向の両端側に他の構造体を配置して、夫々の構造体との間に磁性材１３や熱収縮型接着剤１４を配置すれば、周縁部全体の収縮変形をより確実に抑制することができる。

上記の第１〜１２の実施形態では、接着剤５の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造を備えた例を説明した。以下の第１３〜第１５の実施形態では、接着剤５の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えた例を説明する。

〈第１３実施形態〉
図１４は、単セルＣを積層したセルモジュールＭ（図２参照）において、隣接する単セルＣのセパレータ３，４同士の要部を示す図である。この場合、セパレータ３，４は、少なくとも接着剤５の配置部分の両端部Ｂ１，Ｂ２おいて、接着剤や溶接等により互いに拘束してあることがより望ましい。これにより、セルモジュールＭは、荷重低減構造の作用が接着剤５の配置部分に集中し、荷重低減の効果をより確実に得ることができる。

図１４に示す３例のセルモジュールＭは、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、フレーム１及びセパレータ３，４の少なくとも一方に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えている。そして、この実施形態の荷重低減構造は、セパレータ３，４の接着剤５の配置部分に配置され且つ接着剤５の収縮に伴ってセパレータ３，４の厚さ方向に変形する弾性変形部１５Ａ〜１５Ｃを備えている。

図１４（Ａ１）に示す弾性変形部１５Ａは、接着剤５の配置部分において、両セパレータ３，４の間に空間Ｈが形成されるように、各セパレータ３，４を断面台形状に屈曲成形した部分である。この台形状の上底が接着剤５の配置部分である。

また、図１４（Ｂ１）に示す弾性変形部１５Ｂは、接着剤５の配置部分に対応する平坦なセパレータ３，４の一部分である。

さらに、図１４（Ｃ１）に示す弾性変形部１５Ｃは、接着剤５の配置部分において、両セパレータ３，４の間に空間Ｈが形成されるように、前記両セパレータ３，４を断面台形状に屈曲成形した部分であり、且つ台形状の上底が湾曲している。

上記の各弾性変形部１５Ａ〜１５Ｃは、溶接及び接着のほか、プレス、ショットピーニング及びショットブラスト等の加工により、予め圧縮残留応力（残留歪み）を付与したものであり、セパレータ３，４の他の部位に対して相対的に弾性変形量が大きい。

上記のセルモジュールＭは、接着性５の収縮に伴って弾性変形部１５Ａ〜１５Ｃが厚さ方向に変形し、これにより、各接着剤５の収縮で発生する収縮荷重を低減して周縁部全体の収縮変形を抑制する。別の表現をすれば、セルモジュールＭは、周縁部全体の収縮荷重を逃がして積層方向の寸法を維持する。

図１４（Ａ１）に示す弾性変形部１５Ａは、図１４（Ａ２）に示すように、接着剤５の収縮に伴って、平坦な状態から接着剤５側に湾曲するように変形し、これにより収縮荷重を低減する。

また、図１４（Ｂ１）に示す弾性変形部１５Ｂは、図１４（Ｂ２）に示すように、接着剤５の収縮に伴って、平坦な状態から接着剤５側に湾曲するように変形し、これにより収縮荷重を低減する。

さらに、図１４（Ｃ１）に示す弾性変形部１５Ｃは、図１４（Ｃ２）に示すように、接着剤５の収縮に伴って、湾曲した状態から接着剤５側に平坦になるように変形し、これにより収縮荷重を低減する。

このようにして、上記の各弾性変形部（荷重低減構造）１５Ａ〜１５Ｃを備えたセルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。これにより、セルモジュールＭは、単セルＣ内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。また、上記の弾性変形部１５Ａ〜１５Ｃは、変形（解放側）のばね定数が低いほど低減効果が大きくなる。

〈第１４実施形態〉
図１５は、セルモジュールＭ（図１参照）にける単セルＣの要部を示す図である。
図１５に示す２例のセルモジュールＭは、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、フレーム１及びセパレータ３，４の少なくとも一方に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えている。そして、この実施形態の荷重低減構造は、フレーム１の接着剤５の配置部分に配置され且つ接着剤５の収縮に伴ってフレーム１の厚さ方向に変形する弾性変形部１６Ａ，１６Ｂを備えている。

図１５（Ａ１）に示す弾性変形部１６Ａは、貼り合わせた２枚のフィルム１Ｆ，１Ｆから成るフレーム１に設けてある。弾性変形部１６Ａは、接着剤５の配置部分において、両フィルム１Ｆ，１Ｆの間に非接着領域を設けた部分である。この弾性変形部１６Ａは、フィルム１Ｆが適当な弾性を有している場合には、単に非接着領域を設けるだけでも良く、特別な前加工が不要である。

また、図１５（Ｂ１）に示す弾性変形部１６Ｂは、接着剤５の配置部分において、フレーム１の一部を凹凸状に成形した部分である。この弾性変形部１６Ｂは、フレーム１が樹脂製である場合には、当該フレーム１の成形時に一体的に形成しても良いし、当該フレーム１の成形後において部分的に加熱及び加熱することで形成しても良い。

上記のセルモジュールＭは、接着性５の収縮に伴って弾性変形部１６Ａ，１６Ｂが厚さ方向に変形し、これにより、各接着剤５の収縮で発生する収縮荷重を低減して周縁部全体の収縮変形を抑制する。

図１５（Ａ１）に示す弾性変形部１６Ａは、図１５（Ａ２）に示すように、接着剤５の収縮に伴って、各フィルム１Ｆが平坦な状態から接着剤５側に湾曲するように変形し、これにより収縮荷重を低減する。

また、図１５（Ｂ１）に示す弾性変形部１５Ｂは、図１５（Ｂ２）に示すように、接着剤５の収縮に伴って、凹凸の凹部（谷部）が引っ張られ、全体として平坦になるように変形し、これにより収縮荷重を低減する。

このようにして、上記の各弾性変形部（荷重低減構造）１６Ａ，１６Ｂを備えたセルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。これにより、セルモジュールＭは、単セルＣ内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。また、上記の弾性変形部１６Ａ，１６Ｂは、セパレータ３，４に形成した第１３実施形態と同様に、変形（解放側）のばね定数が低いほど低減効果が大きくなる。

〈第１５実施形態〉
図１６は、セルモジュールＭ（図２参照）における単セルＣの要部を示す図である。
図１６に示す２例のセルモジュールＭは、少なくとも１つの単セルＣにおける接着剤５の配置部分に直交する断面について、フレーム１及びセパレータ３，４の少なくとも一方に配置され且つ接着剤５の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えている。そして、この実施形態の荷重低減構造は、フレーム１の接着剤５の配置部分に配置され且つ接着剤５の収縮に伴ってフレーム１の厚さ方向に変形する弾性変形部１７Ａ，１７Ｂを備えている。

図１６（Ａ１）に示す弾性変形部１７Ａは、貼り合わせた２枚のフィルム１Ｆ，１Ｆから成るフレーム１に形成されている。この弾性変形部１７Ａは、少なくとも接着剤５の配置部分において、両フィルム１Ｆ，１Ｆの接着温度が、図１６（Ａ２）に示す接着剤５との接着温度よりも大きい部分である。これにより、弾性変形部１７Ａには、圧縮残留応力（残留歪み）が付与されている。

また、図１６（Ｂ１）に示す弾性変形部１７Ｂは、図１６（Ｂ２）に示す接着剤５の配置部分において、ホットプレスＨＰによる熱処理で後収縮加工が施された部分である。

上記のセルモジュールＭは、接着性５の収縮に伴って弾性変形部１７Ａ，１７Ｂが厚さ方向に変形し、各接着剤５の収縮で発生する収縮荷重を低減する。

このようにして、上記の各弾性変形部（荷重低減構造）１６Ａ，１６Ｂを備えたセルモジュールＭは、単セルＣの周縁部に接着剤５を配置した構造において、接着剤５の収縮による周縁部全体の収縮変形を抑制することができる。これにより、セルモジュールＭは、単セルＣ内部の構成部材の変形をも抑制して、これらの破損を防止することができる。

また、上記の各弾性変形部１７Ａ，１７Ｂを備えたセルモジュールＭは、は、２枚のフィルム１Ｆで形成されるフレーム１の製造時や、接着剤５によるフレーム１とセパレータ３，４との接着時に容易に形成することができるので、生産性の向上や低コスト化を図ることができる。

本発明に係わるセルモジュールは、詳細な構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、上記各実施形態では、荷重支持構造を備えた構成と、荷重低減構造を備えた構成とを個別に説明したが、荷重支持構造及び荷重低減構造の両方を備えた構成にすることも当然可能であり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせることもできる。

Ｃ 単セル
Ｍ セルモジュール
Ｍ１ セルモジュール（他の構造体）
１ フレーム
１Ａ ばね部
２ 膜電極接合体
３，４ セパレータ
５ 接着剤
６ 支持部
７ リブ（高剛性部：荷重支持構造）
８ 溶接部（高剛性部：荷重支持構造）
９ 板部材（高剛性部：荷重支持構造）
１０ 接着層（高剛性部：荷重支持構造）
１１ 弾性体（荷重支持構造）
１２ 絶縁体（荷重支持構造）
１３ 磁性材
１４ 熱収縮型接着剤
１５Ａ〜１５Ｃ セパレータの弾性変形部（荷重低減構造）
１６Ａ，１６Ｂ フレームの弾性変形部（荷重低減構造）
１７Ａ，１７Ｂ フレームの弾性変形部（荷重低減構造）

Claims (13)

1. 周囲にフレームを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えると共に、フレーム及びセパレータの周縁部同士の間を接着剤で封止した構造を有する単セルを含み、その単セルを複数積層して成るセルモジュールであって、
   少なくとも１つの単セルにおける接着剤の配置部分に直交する断面について、
   一対のセパレータに相対的に配置され且つ膜電極接合体に当接する支持部と、
   セパレータの支持部から外周縁部に至る範囲に配置され且つ接着剤の収縮により発生する収縮荷重に抗する荷重支持構造とを備えたことを特徴とするセルモジュール。
2. 少なくとも１つの単セルにおける接着剤の配置部分に直交する断面について、
   フレーム及びセパレータの少なくとも一方に配置され且つ接着剤の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えたことを特徴とする請求項１に記載のセルモジュール。
3. 前記荷重支持構造が、支持部と接着剤の配置部分との間に配置され且つセパレータの他の部分よりも相対的に高い曲げ剛性を有する高剛性部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルモジュール。
4. 前記支持部が、膜電極接合体のフレームに当接していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルモジュール。
5. 前記荷重支持構造が、両セパレータの支持部同士の間に介装した弾性体を備えていることを特徴とする請求項４に記載のセルモジュール。
6. 前記荷重支持構造が、両セパレータの支持部同士の間に介装した絶縁体を備えていることを特徴とする請求項４に記載のセルモジュール。
7. 前記フレームが、両セパレータの支持部同士の間で圧縮変形可能なばね部を備えていることを特徴とする請求項４に記載のセルモジュール。
8. 前記支持部及び荷重支持構造を有する単セルが、積層方向の両端側に配置してあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルモジュール。
9. 積層方向の少なくとも一端側に配置される他の構造体を備え、
   積層端部の単セルと他の構造体との互いの合わせ面に磁性材を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のセルモジュール。
10. 積層方向の少なくとも一端側に配置される他の構造体を備え、
    積層端部の単セルと他の構造体との互いの合わせ面に熱収縮型接着剤を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のセルモジュール。
11. 周囲にフレームを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えると共に、フレーム及びセパレータの周縁部同士の間を接着剤で封止した構造を有する単セルを含み、その単セルを複数積層して成るセルモジュールであって、
    少なくとも１つの単セルにおける接着剤の配置部分に直交する断面について、
    フレーム及びセパレータの少なくとも一方に配置され且つ接着剤の収縮により発生する収縮荷重を低減させる荷重低減構造を備えたことを特徴とするセルモジュール。
12. 前記荷重低減構造が、セパレータの接着剤の配置部分に配置され且つ接着剤の収縮に伴ってセパレータの厚さ方向に変形する弾性変形部を備えていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載のセルモジュール。
13. 前記荷重低減構造が、フレームの接着剤の配置部分に配置され且つ接着剤の収縮に伴ってフレームの厚さ方向に変形する弾性変形部を備えていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載のセルモジュール。

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