JP2018060741A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータプレートの塑性変形を低減するとともに十分なシール圧とストロークを確保する。【解決手段】単セルの第１セパレータプレートは、第２セパレータプレートに押圧されてシール部を形成するための第１凸部を有し、第１セパレータプレートと第２セパレータプレートとのうちのいずれか一方は、フレームと離間するバネ部であってバネ部の２つの支点の間を積層方向に押圧されることにより変形してバネとして機能するバネ部を有する。単セルが積層された燃料電池モジュールは、積層方向に圧縮されている第１状態と、圧縮されていない第２状態となることが可能であり、第１状態から第２状態に変化する途中の時点においてバネ部の支点の間の長さが短くなることによってバネ部のバネ定数が増加するように、第１セパレータプレートと第２セパレータプレートとフレームが形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池スタックの締結時に、全ての単セルを一度に締結すると、その中の１つの単セルに故障があった場合でも、全ての単セルの締結を解除しなければならない。そのため、燃料電池スタックを製造する場合、複数の単セルを締結して燃料電池モジュールを形成し、その後、燃料電池モジュールを締結して燃料電池スタックを製造することが好ましい。特許文献１には、燃料電池スタックを締結する時に第１セパレータプレートに設けられたシールライン形成用突出部を第２セパレータプレートに押圧することで、シールライン形成用突出部を弾性変形させて単セル間をシールすることが記載されている。

特開２０１６−４７３９号公報

シールを形成するとき、第１セパレータプレートに設けられたシールライン形成用突出部がバネとして機能し、そのバネの変形量（ストローク）と、シール圧はほぼ比例する。しかし、チタンのような硬い材料を用いる場合には、バネの変形量が限界を超えると塑性変形し、塑性変形前の状態に戻らない場合がある。また、その後、塑性変形時の位置まで圧縮しても、ストロークが小さいので、バネが弱く十分なシール圧を確保できない可能性がある。また、セパレータプレートが塑性変形しないように、セパレータの変形部（バネ）の大きさを大きくすると、燃料電池モジュールを形成するときに十分なシール圧を確保できない可能性がある。したがって、セパレータプレートの塑性変形を低減するともに十分なシール圧とストロークを確保できる構成が望まれている。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複数の単セルが積層された燃料電池モジュールが提供される。この燃料電池モジュールでは、前記複数の単セルのそれぞれは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置されるガス拡散層と、前記膜電極接合体の外縁を支持するフレームと、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層と前記フレームとを挟持する第１セパレータプレートと第２セパレータプレートと、を備える。前記第１セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記第２セパレータプレートに押圧されてシール部を形成するための第１凸部を有し、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートとのうちのいずれか一方は、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記フレームと離間するバネ部であって前記バネ部の２つの支点の間が積層方向に押圧されることにより変形してバネとして機能するバネ部を有し、前記燃料電池モジュールは、積層方向に圧縮されていない第１状態と、圧縮されている第２状態との２つの状態をとることが可能であり、前記第１状態から前記第２状態に変化する途中の時点において前記バネ部の支点の間の長さが短くなることによって前記バネ部のバネ定数が増加するように、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートと前記フレームが形成されている。
この形態によれば、第１状態では、第２状態よりもバネ部の支点間の長さが長いためバネが弱く塑性変形し難い。一方、第２状態では支点間の長さが短いバネが強くシール圧を大きい。その結果、積層方向に圧縮されていない第１状態でストロークの長さを確保し、積層方向に圧縮された第２状態でシール圧を大きくできるので、セパレータプレートの塑性変形を低減するともに十分なストロークとシール圧が得られる。

上記構成を実現する具体的な構成として、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートと前記フレームは、以下の構成を採用してもよい。

（２）上記形態において、前記第２セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記フレームと離間して隣接する単セルの第１セパレータプレートに向けて突き出る第２凸部を有し、前記第２凸部は、前記第１状態では前記フレームと接触せず、前記第２状態では、前記フレームと接触する２個の中間凹部を有し、前記第１凸部が、前記２つの中間凹部の間に接触する構成を採用してもよい。
この構成によれば、第１状態では、第２凸部の全体が弱いバネとなり、第２状態では、２個の中間凹部の間が強いバネとなるので、第１状態でストロークの長さを確保し、第２状態でシール圧を大きくできるので、十分なストロークとシール圧が得られる。

（３）上記形態において、前記第２セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記フレームと離間して隣接する単セルの第１セパレータプレートに向けて突き出る第２凸部を有し、前記第２凸部に設けられた１つの中間凹部であって、前記第１状態では前記フレームと接触せず、前記第２状態では、前記フレームと接触する１個の中間凹部を有し、前記第１凸部は、前記中間凹部よりも膜電極接合体側において、前記第２凸部に接触する構成を採用してもよい。
この構成によれば、中間凹部を１つにできる。

（４）上記形態において、前記第２セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、隣接する単セルの第１セパレータプレートに向けて突き出て、第１長さに渡って前記フレームから離間している第２凸部を有し、前記フレームは、前記第２凸部と重なる領域において、前記第１長さより短い第２長さの間隔で設けられた２つのフレーム凸部であって、前記第１状態では前記第２セパレータプレートと接触せず、前記第２状態では前記第２セパレータプレートと接触する２つのフレーム凸部を有し、前記第１凸部は、前記２つのフレーム凸部の間の前記第２凸部に接触する構成を採用してもよい。
この構成によれば、第２セパレータプレートに凹部や第２凸部を設けなくてもよい。

（５）上記形態において、前記フレームは、第２凹部であって、前記第１状態では前記第２セパレータプレートから離間し、前記第２状態では前記第２セパレータプレートが接触する第２凹部と、前記第２凹部に設けられ、前記第２凹部よりもさらに前記第２セパレータプレートから離間し、前記第２凹部よりも幅の短い第３凹部と、を有する構成を採用してもよい。
この形態によれば、第２セパレータプレートのバネ部を平坦にできる。

（６）上記形態において、前記第１セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記フレームと離間して隣接する単セルの第２セパレータプレートに向けて突き出る第２凸部を有し、前記第２凸部は、前記第１状態では前記フレームと接触せず、前記第２状態では前記フレームと接触する２個の中間凹部を有し、前記第１凸部が、前記２つの中間凹部の間において前記隣接する単セルの第２セパレータプレートに向けて突き出ている構成を採用してもよい。
この構成によれば、第１凸部とバネ部とを、同一のセパレータプレートに設けることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池モジュールの他、燃料電池モジュールの製造方法、単セル間のシール部のバネ構造等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図。 燃料電池を模式的に示す説明図。 第１セパレータプレートを示す説明図。 単セルの断面の一部を示す説明図。 燃料電池モジュールの断面の一部を示す説明図。 シール部の第１状態と第２状態とを示す説明図。 比較例１の第１状態と第２状態とを示す説明図。 比較例２の第１状態と第２状態と第３状態を示す説明図。 ストロークと荷重との関係を示す説明図で。 比較例１の単セルを用いて燃料電池モジュールを形成するときに、単セルの配置位置が積層方向と交わる方向にずれた場合を示す説明図。 第１実施形態の単セルを用いて燃料電池モジュールを形成するときに、単セルの配置位置が積層方向と交わる方向にずれた場合を示す説明図。 変形例１を示す説明図。 変形例２を示す説明図。 変形例３を示す説明図。 変形例４を示す説明図。

・第１実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池モジュール２００と、ターミナルプレート２１０、２２０と、絶縁プレート２３０と、エンドプレート２４０、２５０を備える。燃料電池モジュール２００は、複数の燃料電池１００（「単セル１００」とも呼ぶ。）を有する。ターミナルプレート２１０、２２０は、積層された燃料電池モジュール２００の両側にそれぞれ配置されており、積層された燃料電池モジュール２００から電圧、電流を取り出すために用いられる。絶縁プレート２３０は、ターミナルプレート２１０の外側に配置されている。なお、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０が搭載される車両のボディとの固定場所によっては、ターミナルプレート２２０の外側に絶縁プレートを配置する構成であってもよい。また、ターミナルプレート２１０の外側及びターミナルプレート２２０の外側の両方に絶縁プレート２３０を備える構成であってもよい。エンドプレート２４０、２５０は、燃料電池モジュール２００と、ターミナルプレート２１０、２２０と、絶縁プレート２３０と、を締結するために燃料電池スタック１０の両側に配置される。

図２は、燃料電池１００を模式的に示す説明図である。燃料電池１００は、フレーム１４０と、第１セパレータプレート１５０と、第２セパレータプレート１６０と、を備える。フレーム１４０は、第１セパレータプレート１５０と、第２セパレータプレート１６０と、に挟まれている。フレーム１４０は、樹脂で形成された略長方形の額縁形状を有している。フレーム１４０の中央部には、膜電極接合体ガス拡散層接合体（「ＭＥＧＡ」とも呼ぶ。図示せず）が支持されている。第２セパレータプレート１６０の対向する辺には、開口部１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、１６０５、１６０６が設けられており、これらの開口部は、マニホールド３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６（図１）を形成するために用いられる。フレーム１４０と、第１セパレータプレート１５０についても同様の開口部を有する。なお、図２では、フレーム１４０と、第１セパレータプレート１５０の開口部は、第２セパレータプレート１６０によって見えない状態であり、第２セパレータプレート１６０の開口部１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、１６０５、１６０６のみが見えるように図示されている。

図３は、第１セパレータプレート１５０を示す説明図である。第１セパレータプレート１５０は、金属で形成された略長方形の板状部材である。第１セパレータプレート１５０の対向する辺には、開口部１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６が開けられており、これらの開口部１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６は、マニホールド３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６（図１）を形成するために用いられる。第１セパレータプレート１５０は、中央部に、流路形成領域１８０が設けられている。流路形成領域１８０には、後述する流路形成部が形成される。第１セパレータプレート１５０は、開口部１５０１〜１５０６の周り及び流路形成部１８０の周りに、隣接する単セル１００の第２セパレータプレート１６０に向かって突き出ている第１凸部１５１を備える。この第１凸部１５１が、隣接する単セル１００の第２セパレータプレート１６０に押圧されることにより、反応ガスや冷媒のリークを抑制するためのシールラインが形成される。

図４は、単セル１００の断面の一部を示す説明図である。単セル１００は、ＭＥＧＡと、ＭＥＧＡを外縁から支持するフレーム１４０と、第１セパレータプレート１５０と、第２セパレータプレート１６０と、を備える。ＭＥＧＡは、両面に触媒層が塗工された電解質膜１１０と、電解質膜１１０の両面に配置されたガス拡散層１２０、１２５と、を備える。電解質膜１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜で形成されている。電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。触媒層は、触媒（例えば白金、あるいは白金を含む合金）を担持したカーボンを有している。両面に触媒層が塗工された電解質膜１１０を「膜電極接合体」とも呼ぶ。ガス拡散層１２０、１２５は、カーボンペーパーやカーボン不織布などの多孔性の部材で構成されている。フレーム１４０は、ＭＥＧＡを外縁から支持する額縁形状を有する樹脂製の部材である。

第１セパレータプレート１５０は、略長方形の金属製の部材である。第１セパレータプレート１５０は、フレーム１４０と重なる位置において、接着剤１７０により、フレーム１４０に接着されている。但し、接着剤１７０を省略し、加熱しながら第１セパレータプレート１５０をフレーム１４０に押し付けることで、フレーム１４０を形成する樹脂で接着してもよい。第１セパレータプレート１５０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、フレーム１４０と反対側、すなわち、隣接する単セル１００の第２セパレータプレート１６０（図示せず）の側に突き出る第１凸部１５１を備える。また、第１セパレータプレート１５０は、ＭＥＧＡと重なる位置において、隣接する単セルの第２セパレータプレート１６０（図示せず）の側に突き出る流路形成部１５８を備える。流路形成部１５８とガス拡散層１２０との間に反応ガス（例えばアノードガス）が流れる。

第２セパレータプレート１６０は、略長方形の金属製の部材である。第２セパレータプレート１６０は、フレーム１４０と重なる位置において、接着剤１７０により、フレーム１４０に接着されている。但し、接着剤１７０を省略し、加熱しながら第２セパレータプレート１６０をフレーム１４０に押し付けることで、フレーム１４０を形成する樹脂で接着してもよい。第２セパレータプレート１６０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、フレーム１４０と反対側、すなわち、隣接する単セル１００の第１セパレータプレート１５０（図示せず）の側に突き出る第２凸部１６１を備える。第２凸部１６１は、２つの肩部１６２、１６３と、フレーム１４０側に突き出る２つの中間凹部１６４、１６５と中央凸部１６６とを備える。単セル１００に押圧力がかかっていないときには、中間凹部１６４、１６５は、フレーム１４０に接触していない。中央凸部１６６は、２つの中間凹部１６４、１６５の間に設けられている。中央凸部１６６のフレーム１４０からの高さは、肩部１６２、１６３のフレーム１４０からの高さよりも高い。第１凸部１５１は、第２凸部１６１のうち、２つの中間凹部１６４、１６５の間、すなわち、中央凸部１６６に接触する。第２凸部１６１の２つの肩部１６２、１６３と、２つの中間凹部１６４、１６５と、中央凸部１６６とは、後述する第１状態におけるバネ部（第１バネ部）を構成し、中央凸部１６６と、中間凹部１６４、１６５の中央凸部１６６側は、後述する第２状態におけるバネ部（第２バネ部）を構成する。第２セパレータプレート１６０は、ＭＥＧＡと重なる位置において、隣接する単セルの第１セパレータプレート１５０（図示せず）の側に突き出る流路形成部１６８を備える。流路形成部１６８とガス拡散層１２０との間に反応ガス（例えばカソードガス）が流れる。なお、ＭＥＧＡと重なる位置において、第１セパレータプレート１５０と第２セパレータプレート１６０との間には、冷媒が供給される。

第１セパレータプレート１５０の第１凸部１５１の高さをＨ１、流路形成部１５８の高さをＨ３、第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１（中央凸部１６６）の高さをＨ２、流路形成部１６８の高さをＨ４とすると、Ｈ１＋Ｈ２＞Ｈ３＋Ｈ４である。また、フレーム１４０の厚さをＨ５、ＭＥＧＡの厚さをＨ６とした場合、Ｈ５＞Ｈ６としてもよい。また、第２セパレータプレート１６０の肩部１６２（肩部１６３）の高さをＨ７とすると、Ｈ２＜Ｈ７≦Ｈ３＋Ｈ４を満たす。

図５は、燃料電池モジュール２００の断面の一部を示す説明図である。第１セパレータプレート１５０の流路形成部１５８と第２セパレータプレート１６０の流路形成部１６８とが接触し、第２セパレータプレート１６０の中央凸部１６６は、樹脂シート１７２を間に挟んだ状態で、第１セパレータプレート１５０の第１凸部１５１によって押圧されている。その結果、第２凸部１６１は、その中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０と接触するように変形し、中央凸部１６６が凹むように反っている。樹脂シート１７２としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミドなどの樹脂で形成された樹脂シートが採用可能である。第１凸部１５１の頂部または中央凸部１６６の第１凸部１５１が当たる部分には接着剤１７０が塗布、またはゴム、または粘着剤により冷却水をシールしている。なお、樹脂シート１７２を省略して、第１凸部１５１と中央凸部１６６とが接着剤１７０により直接接着、またはゴム、または粘着剤、により冷却水をシールしてもよい。

図６は、シール部の第１状態と第２状態とを示す説明図である。なお、以下の図では、接着剤１７０や樹脂シート１７２（図５）を図示すると複雑で見難くなるため、これらの図示を省略している。また、流路形成部１５８、１６８近傍についても図示を省略している。

（１）第１状態
第１状態は、単セル１００の上に別の単セル１００がＷ１のピッチで配置されているが、燃料電池モジュール２００が単セル１００の積層方向に圧縮されていない状態である。この状態では、第１凸部１５１と中央凸部１６６とがちょうど樹脂シート１７２（図５）に接触した状態である。このとき、バネ部を構成する第２凸部１６１の２つの支点Ｐ１、Ｐ２は、第２凸部１６１の両端の位置にある。

（２）中間状態
中間状態は、燃料電池モジュール２００が第１状態から単セル１００の積層方向にｓｔ１だけ圧縮され、２つの単セル１００がＷ２（Ｗ２＝Ｗ１−ｓｔ１）のピッチで配置されている状態である。この状態は、第１凸部１５１に押圧された結果、第２凸部１６１（肩部１６２、１６３、中間凹部１６４、１６５、中央凸部１６６）が変形し、中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０に接触した状態である。このとき中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０と接触する位置がバネ部の支点Ｐ３、Ｐ４となる。これらの支点Ｐ３、Ｐ４の間の長さＬ２は、第１状態における支点Ｐ１、Ｐ２の間の長さＬ１よりも短い。

（３）第２状態
第２状態は、燃料電池モジュール２００が中間状態から単セル１００の積層方向にさらに圧縮され、２つの単セル１００がＷ３のピッチで配置されている状態である。第２状態では、第１状態から比較すれば、ｓｔ２圧縮されてピッチがＷ３となっている（Ｗ３＝Ｗ１−ｓｔ２）。ｓｔ２は、（Ｈ１＋Ｈ２）−（Ｈ３＋Ｈ４）あるいは、（Ｈ６−Ｈ５）に等しい。すなわち、第２状態は、流路形成部１５８、１６８により、これ以上圧縮できない状態である。この状態では、第２セパレータプレート１６０の支点Ｐ３よりも支点Ｐ１側と、支点４よりも支点Ｐ２側の形状は、中間状態と変わらないが、２つの支点Ｐ３、Ｐ４の間の中央凸部１６６が、第１凸部１５１に押されて凹み反っている。

第１状態から中間状態直前までは、中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０と接触していないため、第２セパレータプレート１６０がフレーム１４０から離間する支点Ｐ１、Ｐ２の間の第２セパレータプレート１６０、すなわち第２凸部１６１の全体が第１バネ部として機能する。この第１バネ部の長さはＬ１である。また、中間状態以降から第２状態までは、中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０と接触しているため、第２セパレータプレート１６０の支点Ｐ３、Ｐ４の間が第２バネ部として機能する。この第２バネ部の長さはＬ２である。

一般に、板バネでは、バネの強さ（バネ定数）は、長さの３乗に反比例する。第１実施形態では、Ｌ１＞Ｌ２であるので、第２バネ部の方が第１バネ部よりもバネ定数が大きく、強いバネである。従って、第１状態から中間状態までは、バネが弱く、中間状態から第２状態までは、バネが強い。第１実施形態では、燃料電池モジュール２００の圧縮量に応じて、すなわち、中間状態以降は、バネの強さが強くなる構成を有している。第１実施形態では、燃料電池モジュール２００を圧縮すると、中間状態を経て第２状態となり、圧縮を解除すると、中間状態を経て第１状態となる。

図７は、比較例１の第１状態と第２状態とを示す説明図である。比較例１は、第１実施形態と比較すると、肩部１６２、１６３と、中間凹部１６４、１６５を備えていない点が異なる。そのため、比較例１では、バネの強さ（バネ定数）は第１バネ部と同じ大きさで変化しない。単セル１００が積層方向にｓｔ２だけ圧縮された第２状態では、第２凸部１６１の全体が、第１凸部１５１に押されて反っている。

図８は、比較例２の第１状態と第２状態と第３状態を示す説明図である。比較例２は、第１実施形態と比較すると、肩部１６２、１６３と、中間凹部１６４、１６５を備えておらず、第２セパレータプレート１６０がフレーム１４０から離間する支点Ｐ１、Ｐ２の間隔が短くなっており、第１実施形態の支点Ｐ３、Ｐ４の間隔と同じ大きさである。そのため、比較例２では、塑性変形しない限りバネの強さ（バネ定数）は第２バネ部と同じ大きさで変化しない。第２状態では、第２凸部１６１の全体が、第１凸部１５１に押されて反っている。比較例２では、支点Ｐ１、Ｐ２の間隔が短いので、単セル１００を積層方向にｓｔ２だけ圧縮した場合に、第２セパレータプレート１６０が塑性変形し、圧縮を解除しても第２セパレータプレート１６０の形状が、元の形状に戻らない場合がある。

第３状態は、第２セパレータプレート１６０が塑性変形したあと、圧縮を解除した状態である。接着剤１７０（図８では図示せず）により第１凸部１５１と第２凸部１６１とが接着されているため、第３状態における２つの単セル１００のピッチＷ４は、Ｗ１−ｓｔ３である。第３状態では、第２状態と比較すると、第２凸部１６１の反りが小さくなっているが、第１状態までは戻っていない。すなわち、第２凸部１６１が塑性変形している。第２セパレータプレート１６０が塑性変形すると、第１状態に戻ることは無く、塑性変形した状態が、次に燃料電池モジュール２００を圧縮するとき基準（圧縮量０）となる。バネの強さは、圧縮量０からの変形量が基準となるため、比較例２では、第２状態まで圧縮しても、ストロークが小さく、大きなバネの力を得ることができない。

図９は、ストロークと荷重との関係を示す説明図である。横軸がストロークであり、縦軸が荷重である。ストロークは、第１凸部１５１が第２セパレータプレート１６０とちょうど接触したとき（第１状態）を０として、燃料電池モジュール２００が第１状態からどれだけ圧縮されたかを示す。荷重は、第１凸部１５１と第２セパレータプレート１６０との間にかかる荷重であり、シールラインにおけるシール圧である。バネ定数が変わらなければ、シール圧は、ストロークにほぼ比例する。

第１実施形態では、ストロークが０からｓｔ１までは、図６の支点Ｐ１、Ｐ２の間がバネ部（第１バネ部）となるので、バネが弱い。一方、ストロークがｓｔ１からｓｔ２までは、図６の支点Ｐ３、Ｐ４の間がバネ部（第２バネ部）となるので、バネが強い。ストロークがｓｔ１からｓｔ２までの間で第１凸部１５１と第２セパレータプレート１６０との間にかかる荷重が要求シール圧を超える。

比較例１では、ストロークにかかわらず図７の支点Ｐ１、Ｐ２の間がバネ部となるので、バネが弱く、ストロークがｓｔ２になるまで燃料電池モジュール２００を圧縮しても第１凸部１５１と第２セパレータプレート１６０との間にかかる荷重が要求シール圧を超えない。

比較例２では、ストロークにかかわらず図８の支点Ｐ１、Ｐ２の間がバネ部となるので、バネが強い。しかし、ストロークがｓｔ２になるまで燃料電池モジュール２００を圧縮する前に、第１凸部１６１が塑性変形する。そのため、第１状態（ストローク＝０）に戻らず、第３状態になる。そのため、燃料電池モジュール２００を積層し、第３状態から第２状態へ圧縮して燃料電池スタック１０を形成するときに、十分なストロークが得られず、シール圧も弱い。

また、第１実施形態では、中間凹部１６４、１６５を備えているので、以下のような効果も有する。

図１０は、比較例１の単セル１００を用いて燃料電池モジュール２００を形成するときに、単セル１００の配置位置が積層方向と交わる方向にずれた場合を示す説明図である。例えば、図１０に示す様に、下側の単セル１００の第１セパレータプレート１５０の第１凸部１５１は、上側の単セル１００の第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１の中央から外側にずれた位置に接触するとする。この場合、上側の単セル１００の第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１の特に肩部１６３に上向きの力かかるので、時計回り方向のモーメントが働き、図面上側の単セル１００の外縁側が上方に折れ曲がるおそれがある。図には示さないが、逆に、凸部１５１が中央から外側にずれた位置に接触すると、反時計回り方向のモーメントが働き、図面上側の単セル１００の外縁側が下方に折れ曲がるおそれがある。

図１１は、第１実施形態の単セル１００を用いて燃料電池モジュール２００を形成するときに、単セル１００の配置位置が積層方向と交わる方向にずれた場合を示す説明図である。図１０に示すのと同様に下側の単セル１００の第１セパレータプレート１５０の第１凸部１５１は、上側の単セル１００の第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１の中央から外側にずれた位置に接触するとする。この場合、第２状態では、時計回り方向のモーメントが働き、図面上側の単セル１００が上方に折れ曲がろうとした場合、肩部１６２が下側の単セル１００の第１セパレータプレート１５０に接触するので、肩部１６２で支えることができる。その結果、図面上側の単セル１００の外縁側が上方に折れ曲がり難い。すなわち、肩部１６２を備えることで、単セル１００の傾き量を小さく抑えることができる。凸部１５１が第２凸部１６１の中央から外側にずれた位置に接触し、単セル１００の外縁側が下方に折れ曲がる場合も同様に肩部１６３で支えることができる。

以上、第１実施形態によれば、燃料電池モジュール２００は、積層方向に圧縮されていない第１状態と、圧縮されている第２状態との２つの状態となることが可能であり、第１状態から第２状態に変化する途中においてバネ部の支点間の長さがＬ１からＬ２に短くなることによってバネ部のバネ定数が増加するように、第１セパレータプレート１５０と第２セパレータプレート１６０とフレーム１４０が形成されている。その結果、第１状態では、バネ部の支点Ｐ１、Ｐ２間の長さＬ１が長いためバネが弱く塑性変形し難い。一方、第２状態では支点Ｐ３、Ｐ４間の長さＬ２が短いためバネが強くシール圧を大きい。その結果、積層方向に圧縮されていない第１状態でストロークの長さを確保し、積層方向に圧縮された第２状態でシール圧を大きくできるので、十分なストロークとシール圧が得られる。

また、第１実施形態では、第１セパレータプレート１５０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、隣接する単セル１００の第２セパレータプレート１６０と接触してシール部を形成するための第１凸部１５１を有し、第２セパレータプレート１６０は、隣接する単セルの第１セパレータプレート１５０に向けて突き出る第２凸部１６１を有し、第２凸部１６１において、第２長さＬ２の間隔で設けられ、第１状態ではフレーム１４０と接触せず、第２状態では、フレーム１４０と接触する２個の中間凹部１６４、１６５を有し、第１凸部１５１は、２つの中間凹部１６４、１６５の間の第２凸部１６１（中央凸部１６６）に接触する構成を採用している。この構成によれば、第１状態では、第２凸部１６１が弱いバネとなり、第２状態では、２個の中間凹部１６４、１６５の間が強いバネとなるので、第１状態でストロークの長さを確保し、第２状態でシール圧を大きくできるので、十分なストロークとシール圧が得られる。

・変形例１：
図１２は、変形例１を示す説明図である。変形例１は、第２セパレータプレート１６０が中間凹部１６５を備えるが、中間凹部１６４を備えない点で第１実施形態と異なる。すなわち、変形例１では、第２セパレータプレート１６０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、隣接する単セルの第１セパレータプレート１５０に向けて突き出る第２凸部１６１を有し、第２凸部１６１は、第１状態ではフレーム１４０と接触せず、第２状態では、フレーム１４０と接触する１個の中間凹部１６５を有している。変形例１のバネ部の支点Ｐ１、Ｐ２は、第１実施形態の支点Ｐ１、Ｐ２と同じ位置であり、第２凸部１６１の両端の位置にある。バネ部の支点Ｐ４は、中間凹部１６５がフレーム１４０と接触する位置である。なお、変形例１では、第１凹部１６４を備えないため、支点Ｐ３を備えない。

変形例１では、第１状態から中間状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ１、Ｐ２の間の長さＬ１の部分が第１バネ部として機能する。また、中間状態から第２状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ１、Ｐ４の間の長さＬ３の部分が第２バネ部として機能する。したがって、変形例１では、第２セパレータプレート１６０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、フレーム１４０と離間するバネ部であってバネ部の２つの支点の間が積層方向に押圧されることにより変形してバネとして機能するバネ部を有し、燃料電池モジュール２００は、積層方向に圧縮されていない第１状態と、圧縮されている第２状態との２つの状態をとることが可能であり、第１状態から第２状態に変化する途中の時点においてバネ部の２つの支点の間の長さが短くなることによってバネ部のバネ定数が増加するように、第１セパレータプレート１５０と第２セパレータプレート１６０とフレーム１４０が形成されている。その結果、積層方向に圧縮されていない第１状態でストロークの長さを確保し、積層方向に圧縮された第２状態でシール圧を大きくできるので、十分なストロークとシール圧が得られる。

また、変形例１では、中間凹部１６５を備えているので、単セル１００の配置位置が積層方向と交わる方向にずれた場合でも、中間凹部１６５で第２凸部１６１が潰れるのを防ぐことができる。なお、第１凸部１５１が接触する位置がＭＥＧＡ側にずれた場合には、流路形成部１６８により、第２凸部１６１が潰れるのを抑制できる。したがって、第１実施形態の中間凹部１６４、１６５のうちの一方を省略する場合、ＭＥＧＡ（あるいは膜電極接合体）により近い中間凹部１６４を省略し、他方の中間凹部１６５を残すことが好ましい。このような構成では、第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１の中間凹部１６５よりも膜電極接合体側に、第１セパレータプレート１５０の第１凸部１５１が接触する。

・変形例２：
図１３は、変形例２を示す説明図である。変形例２は、比較例１と比較すると、フレーム１４０は、第２凸部１６１と重なる部分において、第２セパレータプレート１６０に突き出る２つのフレーム凸部１４１、１４２を備える点が異なる。すなわち、変形例２では、第２セパレータプレート１６０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、隣接する単セル１００の第１セパレータプレート１５０に向けて突き出て、第１長さＬ１に渡ってフレーム１４０から離間している第２凸部１６１を有する。フレーム１４０は、第２凸部１６１と重なる領域において、第１長さＬ１より短い第２長さＬ２の間隔で設けられ、頂部が第２セパレータプレート１６０と接触しない高さを有する２つのフレーム凸部１４１、１４２を有する。第１凸部１５１は、２つのフレーム凸部１４１、１４２の間の第２凸部１６１に接触する。変形例２では、燃料電池モジュール２００が圧縮され、中間状態に至ると第２凸部１６１がフレーム凸部１４１、１４２に接触する。変形例２において、バネ部の支点Ｐ１、Ｐ２は、第１状態において、第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１がフレームから離間する位置であり、第１実施形態と同様に第２凸部１６１の両端の位置にある。バネ部の支点Ｐ３、Ｐ４は、中間状態において、２つのフレーム凸部１４１、１４２と第２凸部１６１とが接触する位置である。

変形例２では、第１状態から中間状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ１、Ｐ２の間の長さＬ１の部分が第１バネ部として機能する。また、中間状態から第２状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ３、支点Ｐ４の間の長さＬ２の部分が第２バネ部として機能する。

・変形例３：
図１４は、変形例３を示す説明図である。変形例３では、フレーム１４０は、第１実施形態、変形例１、２と比較すると、積層方向に厚く形成されており、第２セパレータプレート１６０から離間する第１長さＬ１の幅を有する第２凹部１４３と、第２凹部１４３のほぼ中央において、第２凹部１４３よりもさらに第２セパレータプレート１６０から離間し、第２長さＬ２の幅を有する第３凹部１４４と、を有する。すなわち、フレーム１４０は、階段状の凹部１４２、１４４を有する。変形例３では、燃料電池モジュール２００が圧縮され、中間状態に至ると、第２セパレータプレート１６０は、第２凹部１４３に接触する。第２凹部１４３の両端であってフレーム１４０が、第２セパレータプレート１６０から離間する点が、バネ部の支点Ｐ１、Ｐ２となり、第３凹部１４４の両端であって第２セパレータプレート１６０が、第２凹部１４３に接触する点がバネ部の支点Ｐ３、Ｐ４となる。

変形例３では、第１状態から中間状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ１、Ｐ２の間の長さＬ１の部分が第１バネ部として機能する。また、中間状態から第２状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ３、Ｐ４の間の長さＬ２の部分が第２バネ部として機能する。

・変形例４：
図１５は、変形例４を示す説明図である。第１実施形態では、第１セパレータプレート１５０に第１凸部１５１が形成されていたが、変形例４では、第２セパレータプレート１６０の中央凸部１６６に、隣接する単セル１００の第１セパレータプレート１５０に向かって突き出る凸部１６７が設けられている。すなわち、バネとして機能する第２セパレータプレート１６０に凸部１６７が設けられている。中間状態では、第１実施形態と同様に、中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０に接触する。第１実施形態と同様に、第２凸部１６１の両端の位置がバネ部の支点Ｐ１、Ｐ２となり、中間凹部１６４、１６５がフレーム１４０と接触する位置がバネ部の支点Ｐ３、Ｐ４となる。

変形例４では、第１状態から中間状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ１、Ｐ２の間の長さＬ１の部分が第１バネ部として機能する。また、中間状態から第２状態までは、第２セパレータプレート１６０のうちの支点Ｐ３、Ｐ４の間の長さＬ２の部分が第２バネ部として機能する。

以上、変形例２、３、４においても、第２セパレータプレート１６０は、積層方向から見た時にフレーム１４０と重なる位置において、フレーム１４０と離間するバネ部であってバネ部の２つの支点の間が積層方向に押圧されることにより変形してバネとして機能するバネ部を有し、燃料電池モジュール２００は、積層方向に圧縮されていない第１状態と、圧縮されている第２状態との２つの状態をとることが可能であり、第１状態から第２状態に変化する途中の時点においてバネ部の２つの支点の間の長さが短くなることによってバネ部のバネ定数が増加するように、第１セパレータプレート１５０と第２セパレータプレート１６０とフレーム１４０が形成されている。その結果、積層方向に圧縮されていない第１状態でストロークの長さを確保し、積層方向に圧縮された第２状態でシール圧を大きくできるので、十分なストロークとシール圧が得られる。

また、変形例２においては、第２セパレータプレート１６０の第２凸部１６１に中間凹部や中央凸部を設けなくてもよく、変形例３においては、第２セパレータプレート１６０のバネ部を平坦にできる。

第１実施形態では、第１セパレータプレートが第１凸部１５１を有し、第２セパレータプレート１６０が、バネ部を有しているが、変形例４では、第２セパレータプレート１６０が、凸部１６７とバネ部の両方を有している。このように、凸部（第１凸部１５１または凸部１６７）を有するセパレータプレートと、バネ部を有するセパレータプレートは同一であってもよく、異なっていてもよい。変形例１〜３においても、第１セパレータプレート１５０に第１凸部を設けず、第２セパレータプレート１６０に凸部１６７を設ける様にしてもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック
１００…燃料電池（単セル）
１１０…電解質膜
１２０、１２５…ガス拡散層
１４０…フレーム
１４１、１４２…フレーム凸部
１４３…第２凹部
１４４…第３凹部
１５０…第１セパレータプレート
１５１…第１凸部
１５８…流路形成部
１６０…第２セパレータプレート
１６１…第２凸部
１６２、１６３…肩部
１６４、１６５…中間凹部
１６６…中央凸部
１６７…凸部
１６８…流路形成部
１７０…接着剤
１７２…樹脂シート
１８０…流路形成領域
２００…燃料電池モジュール
２１０、２２０…ターミナルプレート
２３０…絶縁プレート
２４０、２５０…エンドプレート
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６…マニホールド
１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６…開口部
１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、１６０５、１６０６…開口部

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層された燃料電池モジュールであって、
   前記複数の単セルのそれぞれは、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両面に配置されるガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の外縁を支持するフレームと、
   前記膜電極接合体と前記ガス拡散層と前記フレームとを挟持する第１セパレータプレートと第２セパレータプレートと、
   を備え、
   前記第１セパレータプレートは、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記第２セパレータプレートに押圧されてシール部を形成するための第１凸部を有し、
   前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートとのうちのいずれか一方は、積層方向から見た時に前記フレームと重なる位置において、前記フレームと離間するバネ部であって前記バネ部の２つの支点の間を積層方向に押圧されることにより変形してバネとして機能するバネ部を有し、
   前記燃料電池モジュールは、積層方向に圧縮されていない第１状態と、圧縮されている第２状態との２つの状態をとることが可能であり、
   前記第１状態から前記第２状態に変化する途中の時点において前記バネ部の支点の間の長さが短くなることによって前記バネ部のバネ定数が増加するように、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートと前記フレームが形成されている、
   燃料電池モジュール。

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