JP2018142404A - 燃料電池セル積層体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度が向上した燃料電池セル積層体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の燃料電池セル積層体は、電解質膜（１５ａ）と電解質膜（１５ａ）を挟む一対の電極層（１９，２０）を有する電解質膜−電極接合体（１０ａ，１０ｂ）と、電解質膜（１５ａ）の周縁部を挟む一対の封止部材（９）と、電解質膜−電極接合体（１０ａ，１０ｂ）を挟む一対のセパレータ（１１Ａ１，１１Ｃ１，１１Ａ２，１１Ｃ２）と、を有する複数のセル（２ａ，２ｂ）を積層して構成され、封止部材（９）の外縁端部を積層の方向（Ｆ）に延長した側面部（９ａ１２）を有し、側面部（９ａ１２）がセル（２ａ，２ｂ）の側面を覆っていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池スタックに関するものである。

固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：polymer electrolyte fuel cell ）は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させる装置である。

このＰＥＦＣの基本要素を図１３に示す。

水素イオンを選択的に輸送する高分子の電解質膜１５を間に挟んで、アノード電極１９とカソード電極２０が配置されている。アノード電極１９は、電解質膜の表面に形成されるアノード触媒層１６と通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層１８ａで形成されている。カソード電極２０は、カソード触媒層１７と通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層１８ｂで形成されている。

このように電解質膜１５と電極１９，２０とが一体的に接合して組み立てたものを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１０と呼ぶ。ＭＥＡ１０の外縁は、図１４に示すように封止部材（ガスケット）９によって支持されている。ＭＥＡ１０の両側には、ＭＥＡ１０を機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する導電性のセパレータ１１Ａ，１１Ｃが配置されている。セパレータ１１Ａ，１１ＣのＭＥＡ１０と接触する部分には、電極１９，２０に反応ガスを供給し、また生成水や余剰ガスを運び去るための流路溝１３Ａ，１３Ｃなどが形成されている。このように、ＭＥＡ１０が一対のセパレータ１１Ａ，１１Ｃにより挟み込まれた構造体が単電池モジュールで、以下、セルと称す。

セパレータ１１Ａ，１１Ｃの縁部には、燃料ガスを流路溝１３Ａに供給するために図１５に示すように、マニホールド孔１２を設けて反応ガスを分配する。ＭＥＡ１０の外縁でセパレータ１１ａ，１１ｂの間に配置された封止部材９は、流路溝１３Ａに供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、ＭＥＡ１０における電極形成部、すなわち発電領域の外周を囲むように配置される。このようにセパレータ１１Ａ，１１Ｃ上に積層方向にガスを分配するためにマニホールド孔１２を設けた構造を内部マニホールド構造と呼ぶ。図１５に示したセパレータ１１Ａ，１１Ｃの外縁部にはボルト孔６が設けられている。燃料電池スタックは、このようなセル積層体を複数枚だけ直列接続して構成されている。

内部マニホールド構造と違って、マニホールド孔１２をセパレータ１１Ａ，１１Ｃに設けない外部マニホールド構造の場合には、ガスを供給する配管をセパレータ１１Ａ，１１Ｃの枚数分に分岐してその先端をセパレータ１１Ａ，１１Ｃの流路溝１３Ａ，１３Ｃに接続する構造のものがある。これを外部マニホールド構造と呼ぶ。外部マニホールド構造では、接続部分が複雑になる一方、セパレータ１１Ａ，１１Ｃの形状を単純かつ小型にすることが可能になる。この外部マニホールド構造を採用するため、セルを積層したセル積層体の側面に、図１６に示したようにガス気密性の電気絶縁層を設けることで、外部マニホールド部とセパレータ１１の流路溝１３の接続部のガス気密性を付与したものがある（例えば、特許文献１）。

図１６において、セル積層体１０１の側面に樹脂材料を塗工し、乾燥することで平滑な面の電気絶縁層を形成する。この電気絶縁層を介して、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水それぞれの外部マニホールド１０２をセル積層体１０１の側面に設置し、外部マニホールド１０２の端板部をビス１０３でセル積層体１０１に締結することで固定している。

特許第３５７０６６９号公報

しかしながら従来の構成では、セル積層体の側面に樹脂材料もしくは繊維状材料を含む複合材料を塗工、乾燥して電気絶縁層を形成するため、燃料電池の発電、停止に伴う面方向および厚み方向への複合ストレスに対する機械的強度が十分でない。また、スタックの小型化に伴う部材の薄型化、多層化に対しても、より一層の機械的強度の向上が課題となっている。

また、内部マニホールド構造の場合には、セルのセル積層体の積層方向の間には封止部材が介装されているが、積層体の側面がそのまま露出しているため、機械的強度が弱い。さらに、積層体の側面がそのまま露出していると、封止部材とセパレータとの気密性が低い。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、外部マニホールド構造を容易にし、かつ機械的強度が向上した燃料電池セル積層体を提供することを目的とする。

また、内部マニホールド構造の場合でも、機械的強度が高く、封止部材とセパレータとの気密性が高い料電池セル積層体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池セル積層体は、電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の電極層を有する電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を挟む一対の封止部材と、前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する複数のセルを積層して構成され、前記封止部材の外縁端部を前記積層の方向に延長した側面部を有し、前記側面部が前記セルの側面を覆っている、ことを特徴とする。

この構成によれば、セル積層体は、封止部材の外縁端部を延長した側面部がセルの側面を覆っているので、機械的強度が向上した燃料電池スタックを実現できる。

従来の燃料電池スタックの分解斜視図 （ａ）従来の燃料電池における電解質膜−電極接合体と封止部材の平面図と、（ｂ）電解質膜−電極接合体の部分断面図 本発明の実施の形態１にかかるセル積層体の部分断面図 同実施の形態の封止部材の斜視図 同実施の形態のセル積層体の分解図 同実施の形態のセル積層体を更に積層した燃料電池スタックの部分断面図 本発明の実施の形態２にかかるセル積層体を積層した燃料電池スタックの断面図 同実施の形態にかかる別の具体例の断面図 図８における封止部材の斜視図 本発明の実施の形態３にかかるセル積層体に使用するセパレータの平面図 同実施の形態にかかるセル積層体を積層した燃料電池スタックの断面図 同実施の形態の側面図 従来の燃料電池の電解質膜−電極接合体の部分断面図 従来の燃料電池の単セルの断面図 従来の内部マニホールド構造のセパレータの平面図 特許文献１における従来の燃料電池スタックの全体斜視図

以下、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

なお、実施の形態の燃料電池は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。

実施の形態の説明に先立って、ＰＥＦＣの一例である燃料電池スタック１の一般的な構造を、図１，図２に基づいて説明する。

図１は内部マニホールド構造の燃料電池スタックを分解して模式的に示す。

燃料電池スタック１は、単電池モジュールであるセルのセル積層体２を積層して構成されている。セル積層体２の両端の最外層には集電板３，３、端板４，４、バネ５，５が取り付けられ、セル積層体２は両端から、ボルト孔６を挿通される締結ボルト７とナット８とで締結されて構成されている。

集電板３は、セル積層体２の外側に配置し、発電された電気を効率よく集電できるように、銅板に金メッキが施されたものを使用する。集電板３には電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミ等を使用しても良い。集電板３の表面処理はスズメッキ、ニッケルメッキ等を施してもよい。

集電板３の外側には、電気絶縁性のある材料を用いた端板４で絶縁板の役割も兼用させている。ここで端板４は、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて、射出成形で製作したものを使用する。端板４と一体となっている配管４ａは、セル積層体２のマニホールドにガスケットを介して押し当てられている。

端板４の内側には、セル積層体２に荷重を加えるバネ５をＭＥＡ１０の投影部分、つまり、セル積層体２の内側に集中的に配置され、締結ボルト７とナット８で組立時に調整されて締結されている。

セル積層体２は、周縁部に封止部材９を有するＭＥＡ１０を、一対の導電性のセパレータ１１、具体的にはアノードセパレータ１１Ａおよびカソードセパレータ１１Ｃで挟み、さらに外側の冷却水セパレータ１１Ｗで構成されている。アノードセパレータ１１Ａ及びカソードセパレータ１１Ｃは、平板状であって、ＭＥＡ１０と接触する側の面、すなわち内面は、ＭＥＡ１０の形状に応じるようにしている。

セパレータ１１には、各種のマニホールド孔１２，ボルト孔６が各セパレータ１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗを厚み方向に貫通している。セパレータ１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗの内面には、燃料ガス流路溝１３Ａ、酸化剤ガス流路溝１３Ｃが形成され、セパレータ１１Ｗの背面には冷却水流路溝１３Ｗが形成されている。セパレータ１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗは、ガス不透過性の導電性材料であればよく、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの、金属を成形したものが一般的に用いられる。

セパレータ１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ及びＭＥＡ１０の周縁部の封止部材９には、燃料ガス及び酸化剤ガス、冷却水が流通するそれぞれ一対のマニホールド孔１２が設けられている。セル積層体２が積層された状態では、これら貫通孔が積層されて結合し、燃料ガス・酸化剤ガス・冷却水マニホールドを形成する。

周縁部に封止部材９を有するＭＥＡ１０の平面図を図２（ａ）に示す。ＭＥＡ１０の部分断面図を図２（ｂ）に示す。

図２（ａ）において、ボルト孔６およびマニホールド孔１２が設けられた封止部材９にてＭＥＡ１０の外縁部が露出しないように支持されている。図２（ｂ）の部分断面図にＭＥＡ１０の断面図を示す。ＭＥＡ１０は水素イオンを選択的に輸送する電解質膜１５のアノード面側に、白金ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層１６を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層１７を形成している。これら触媒層１６，１７の外側に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１８を配置して構成されている。電解質膜１５はプロトン伝導性を示す固体高分子材料、例えばパーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。

この図１と図２から分かるように従来の燃料電池スタックにおけるセル積層体２は、側面が直接に外部に露出している。

（実施の形態１）
本発明の燃料電池セル積層体２を、図３，図４，図５，図６に示す。この実施の形態１では内部マニホールド構造のセル積層体を説明する。

図３は下側のセル２ａと上側のセル２ｂの積層状態を具体例としている。矢印Ｆは積層方向を示している。

上側のセル２ｂでは、電解質膜１５ｂの両面にアノード電極１９，カソード電極２０が一体的に接合して組み立てたＭＥＡ１０ｂの電解質膜１５ｂの周縁部が、平面形状が矩形の四角形で板状の２枚の封止部材９ｂ１，９ｂ２で挟んで支持されている。ＭＥＡ１０ｂはアノードセパレータ１１Ａ２とカソードセパレータ１１Ｃ２とで挟まれている。

これに対して下側のセル２ａでは、電解質膜１５ａの両面にアノード電極１９，カソード電極２０が一体的に接合して組み立てたＭＥＡ１０ａの電解質膜１５ａの周縁部を挟む２枚の封止部材９ａ１，９ａ２のうちの上側の封止部材９ａ２は、封止部材９ｂ１，９ｂ２と同じく矩形の四角形で板状であるが、下側の封止部材９ａ１は、封止部材９ａ２とはその形状が異なっている。

封止部材９ａ１の外観を図４に示す。

封止部材９ａ１は、封止部材９ａ２とでＭＥＡ１０ａの電解質膜１５ａの周縁部を挟む底部９ａ１１と、底部９ａ１１の端部から積層方向Ｆの上側に向かって延長した側面部９ａ１２，９ａ１２とで形成されている。側面部９ａ１２，９ａ１２の長さは、端部Ｈが図３に示すように上側のセル２ｂのカソードセパレータ１１Ｃ２の上面外周と同じ高さに設定されている。底部９ａ１１には、ＭＥＡ１０ａの電解質膜１５ａに接合したアノード電極１９を露出させる開口２１と、マニホールド孔１２，ボルト孔６が形成されている。

封止部材９ａ１と封止部材９ａ２で挟んで支持されているＭＥＡ１０ａは、アノードセパレータ１１Ａ１とカソードセパレータ１１Ｃ１とで挟まれている。

アノードセパレータ１１Ａ１，１１Ａ２のアノード電極１９との対向面には燃料ガス流路溝１３Ａが形成されている。カソードセパレータ１１Ｃ１，１１Ｃ２のカソード電極２０との対向面には酸化剤ガス流路溝１３Ｃが形成されている。カソードセパレータ１１Ｃ１，１１Ｃ２の反対側の面には冷却水流路溝１３Ｗが形成されている。アノードセパレータ１１Ａ２の周縁の下面とカソードセパレータ１１Ｃ１の周縁の上面との間に、冷却水封止部材９Ｗを挟んで冷却水の気密性を確保している。

なお、封止部材９ａ１の側面部９ａ１２，９ａ１２の幅は、図４のように底部９ａ１１の幅Ｗよりも狭く、底部９ａ１１の端部には側面部９ａ１２，９ａ１２が形成されていない。なお、底部９ａ１１の全幅に側面部９ａ１２，９ａ１２を形成することもできる。

つまり、この燃料電池セル積層体では、封止部材９ａ１の外縁端部が前記積層の方向に延長した側面部９ａ１２，９ａ１２を有し、前記側面部９ａ１１，９ａ１２が前記セル２ａ，２ｂの側面の少なくとも一部を覆っている。

図５はセル積層体の分解図を示している。封止部材９ａ１の側面部９ａ１２，９ａ１２の内側に、各部材を順番に、あるいは予めユニット毎に組み立てたものを順番に挿入して積層して組み上げることができる。

封止部材９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２のうちの少なくとも封止部材９ａ１の材質としては、絶縁性の樹脂により内包された繊維シートを用いる。樹脂により内包された繊維シートは、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが絶縁性、耐熱性、ガス透過性などの点で好ましい。しかし、繊維および樹脂はこれに限るものではなく、繊維は強度、厚み、線膨張係数、含有物質に応じてセラミックス繊維などの他の無機繊維を用いてもよく、樹脂はフェノール樹脂や、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などの他の熱硬化性樹脂であってもよい。また、繊維を含有する樹脂と他の樹脂を多層に積層した構成や、部分的に組成の異なる構成であってもよい。例えば、ここでは繊維の体積と樹脂の体積の割合が繊維４０％樹脂６０％のもので、封止部材の厚みは１５０μｍのものを使用した。繊維は直径１０μｍ以下のものを１００μｍ程度に束ねて織り込んだものを使用したが、繊維と樹脂の比率、封止部材の厚み、繊維の直径はこれに限るものではない。封止部材９ａ２，９ｂ１，９ｂ２の材質が封止部材９ａ１の材質が同じでも良い。

このようにセル２ａの封止部材９ａ２，カソードセパレータ１１Ｃ１の側面と、冷却水封止部材９Ｗの側面と、セル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２，封止部材９ｂ１，９ｂ２，カソードセパレータ１１Ｃ２の側面とが、セル２ａの封止部材９ａ１の側面部９ａ１２，９ａ１２で覆われているため、セル２ａ，２ｂの積層体の側面が露出していた従来のセル積層体に比べて機械的強度を向上させることができる。

封止部材をセル積層体の側面に別に設ける場合、セパレータ間の封止部材との間に空隙が発生しやすく、セル積層体に応力が加わった場合にこの空隙が破壊の起点となる。これに対してこの実施の形態のように、セパレータ間の封止部材を延長することで、封止部材間の空隙を減らすことができる。

このように空隙を減らすことで、セル積層体に応力が加わった場合に破壊に至る可能性を減らすことができる。このとき、側面の各封止部材間は隙間なく配置されることが望ましく、封止部材同士が重なる部分があっても構わない。最終的には、側面全体が封止部材で覆われていることが好ましい。

この図３のように積層された所定数のセル積層体を、図６のように積層し、図１の場合と同様に、集電板３，端板４，バネ５，締結ボルト７とナット８で締結して燃料電池スタックとしている。

このように封止部材９ａ１の側面部９ａ１２，９ａ１２の内側に部品を配置してセル積層体の側面を覆うためには、セル２の積層体を配置するに際して、予め図４のように側面部９ａ１２，９ａ１２を屈曲させておくことが望ましい。機械的に側面部９ａ１２，９ａ１２の全体を屈曲させておくだけでも良いが、形状を保持するために側面部９ａ１２，９ａ１２の一部だけを局所的に加熱硬化させて屈曲させておいても構わない。所定のセル数を積層したセル積層体２は、積層方向に所定の荷重で締結した状態で加熱することで、樹脂成分が液化した後、硬化してセル２ａの封止部材９ａ１の側面部９ａ１２，９ａ１２と、セル２ａの封止部材９ａ２，カソードセパレータ１１Ｃ１，冷却水封止部材９Ｗ，セル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２，封止部材９ｂ１，９ｂ２，カソードセパレータ１１Ｃ２とが接着される。このとき封止部材９ａ１についても側面方向から荷重をかけておくことで、側面と密着させることができ、かつ図６に示すように平板状の面２４を側面部９ａ１２，９ａ１２の外側から矢印方向２５に押圧すれば平滑な表面の側面層を得ることができる。

ここでの平板状の面は、封止部材９中の樹脂と接着しないように、フッ素樹脂加工などの表面処理をしたものが望ましい。このようにして、電解質膜１５の外縁部からセル積層体２の側面に渡って樹脂によって内包された繊維シートで接着されることで、比較的強度の高いセル積層体が得られる。

なお、ここではセル２ａの封止部材９ａ１に側面部９ａ１２，９ａ１２を設けて、セル２ａの封止部材９ａ２，カソードセパレータ１１Ｃ１，冷却水封止部材９Ｗ，セル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２，封止部材９ｂ１，９ｂ２，カソードセパレータ１１Ｃ２の側面を保護したが、封止部材９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２のうちの少なくとも１つの外縁端部を前記積層方向に延長し側面の層を形成して構成することもできる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、１枚の封止部材で２つのセル２ａ，２ｂのセル積層体の側面を覆うように構成したが、実施の形態２では、各セル毎の封止部材をそれぞれ延長して側面を覆うように配置した場合を説明する。各部品の材質などは実施の形態１と同じである。

図７は実施の形態２のセル積層体を示す。

この具体例の最下段のセル２ａとその上に積層されているセル２ｂでは、最下段のセル２ａの封止部材９ａ１の側面部９ａ１２の上端Ｈを、次の段のセル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２の上面と同じ高さに設定した。その他のセルについても、この構成を所定の積層数まで繰り返すことで、セル２ａの封止部材９ａ１とセル２ｂの封止部材９ａ１が接着され、各セルが隣り合うセルと接着されて、強度を向上したセル積層体を得ることができる。側面の各封止部材間は隙間なく配置されることが望ましく、封止部材同士が重なる部分があっても構わない。

このような形状にすることで、封止部材９ａの側面部９ａ１２，９ａ１２を各部材を積層する際の位置合せなどに利用できる。

なお、封止部材９ａ１を上段のセル２ｂのアノードセパレータ１１Ａの上面まで延長したが、セルや燃料電池スタックの設計に対応して、セル２ａの封止部材９ａ２をセル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２の上面と同じ高さにまで積層方向に延長して構成することもできる。

または図８に示すように、対向する側面で封止部材の向きを変えて配置しても構わない。具体的には、図９に示すように封止部材９ａ１，９ａ２を構成する。

封止部材９ａ１では、底部９ａ１１の右側の端部にだけ上に向かって側面部９ａ１２を形成して、左側の端部には側面部９ａ１２を形成しない。封止部材９ａ２では、底部９ａ２１の左側の端部にだけ下に向かって側面部９ａ２２を形成して、右側の端部には側面部９ａ２２を形成しない。

セル２ａの封止部材９ａ１の側面部９ａ１２の上端Ｈを、次の上段のセル２ｂのアノードセパレータ１１Ａ２の上面まで延長する。積層体の左側の側面では、セル２ｂの封止部材９ｂ２の側面部９ｂ２２の下端Ｌを次の下段のセル２ａのカソードセパレータ１１Ｃ１の下面まで延長する。

この場合、図８の右側の側面では、積層された全てのセルの封止部材９ａ１，９ｂ２の側面部９ａ１２，９ｂ１２が積層方向の上に向かって延長されている。左側の側面では、積層された全てのセルの封止部材９ａ２，９ｂ２の側面部９ａ２２，９ｂ２２が、右側の側面とは逆方向の積層方向の下に向かって延長されている。

なお、封止部材の側面部９ａ１２，９ａ２２の幅は、図９のように底部９ａ１１，９ａ２１の幅よりも狭く、底部９ａ１１，９ａ２１の端部には側面部９ａ１２，９ａ２２が形成されていないが、底部の全幅に側面部を形成することもできる。

（実施の形態３）
この実施の形態３は、外部マニホールド構造の燃料電池スタックのセル積層体である。

上記の各実施の形態は、アノードセパレータの前記ＭＥＡとの当設面、カソードセパレータの前記ＭＥＡとの当設面の縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を燃料ガス流路溝１３Ａ、酸化剤ガス流路溝１３Ｃ、冷却水流路溝１３Ｗに供給するためにマニホールド孔１２が配置された内部マニホールド構造のセル積層体であった。

この実施の形態３の外部マニホールド構造のセル積層体の場合には、図１０に示すようにアノードセパレータ，カソードセパレータの前記ＭＥＡとの当設面には、マニホールド孔１２が設けられていない。この実施の形態ではアノード，カソードの各セパレータ１１の流路溝１３の入口，出口の接続流路溝１３ａ，１３ｂが、各セパレータ１１の端部まで配置されている。セパレータ１１の外縁部にボルト孔６が配置されているのは実施の形態１と同じである。各部品の材質も実施の形態１と同じである。

図１１，図１２は外部マニホールド構造のセル積層体を示す。

図１２は外部マニホールド構造のセル積層体の側面を示し、図１１は図１２のＡ−Ａ断面図を示している。

図１１において、下側のセル２ａは、ＭＥＡ１０ａと、ＭＥＡ１０ａの電解質膜の周縁部を挟む２枚の封止部材９ａ１，９ａ２と、アノードセパレータ１１Ａ１と、カソードセパレータ１１Ｃ１を有している。

セル２ａに積層された上側のセル２ｂは、ＭＥＡ１０ｂと、ＭＥＡ１０ｂの電解質膜の周縁部を挟む２枚の封止部材９ｂ１，９ｂ２と、アノードセパレータ１１Ａ２と、カソードセパレータ１１Ｃ２を有している。

アノードセパレータ１１Ａ１，１１Ａ２とカソードセパレータ１１Ｃ１，１１Ｃ２は、何れも平面形状が矩形の四角形で板状である。また、これらには、図１１に示したセル積層体の右側面と左側面に伸びる接続流路溝１４が図１０と同様に形成されている。

セル２ａの封止部材９ａ１は、図１１の右側面側と左側面側に底板９ａ１１の端部から積層の方向Ｆの下側に延長された側面部９ａ１２，９ａ１２が形成されている。側面部９ａ１２，９ａ１２には、アノードセパレータ１１Ａ１の接続流路溝１４に連通する窓２２が形成されている。

セル２ａの封止部材９ａ２は、底板９ｂ１１の端部から積層の方向Ｆの上側に延長された側面部９ａ２２が図１１の右側面側に形成されている。封止部材９ａ２の左側面側には側面部９ａ２２は形成されていない。側面部９ａ２２には、図１２に示すようにカソードセパレータ１１Ｃ１の接続流路溝１４に連通する窓２２が形成されている。

セル２ｂの封止部材９ｂ１には、底板９ｂ１１の端部から積層の方向Ｆの下側に延長された側面部９ｂ１２が図１１の左側面側に形成されている。封止部材９ｂ１の右側面側には側面部９ｂ１２は形成されていない。側面部９ｂ１２には、図１２に示すようにカソードセパレータ１１Ｃ１の接続流路溝１４に連通する窓２２が形成されている。

セル２ｂの封止部材９ｂ２は、底板９ｂ２１の端部から積層の方向Ｆの上側に延長された側面部９ｂ２２が図１１の右側面側に形成されている。封止部材９ｂ２の左側面側には側面部９ｂ２２は形成されていない。側面部９ｂ２２には、セル２ｂの上に更に積層されるセル２ｃのアノードセパレータ１１Ａ３の接続流路溝１４に連通する窓２２が形成されている。

− 当接個所Ｐ１ −
セル２ａの封止部材９ａ２の側面部９ａ２２の上端は、セル２ｂの封止部材９ｂ１の右側面側の外縁端部と、セル２ｂの封止部材９ｂ２の側面部９ｂ２２の下端とに当接している。

− 当接個所Ｐ２ −
セル２ｂの封止部材９ｂ１の側面部９ａ１２の下端は、セル２ａの封止部材９ａ２の左側面側の外縁端部と、セル２ａの封止部材９ｂ１の側面部９ａ１２の上端とに当接している。

セル２ｂの上に積層されるセル２ｃのＭＥＡ１０ｃの電解質膜の周縁部を挟む２枚の封止部材の形状は、セル２ｂの封止部材９ｂ１，９ｂ２と同じ形状である。ＭＥＡ１０ｃはアノードセパレータ１１Ａ３とカソードセパレータ１１Ｃ３で挟まれている。

− 当接個所Ｐ３ −
セル２ｂの封止部材９ｂ２の側面部９ｂ２２の上端は、セル２ｃの封止部材９ｂ１の右側面側の外縁端部と、セル２ｃの封止部材９ｂ２の側面部９ａ２２の下端とに当接している。

− 当接個所Ｐ４ −
セル２ｃの封止部材９ｂ１の側面部９ｂ１２の下端は、セル２ｂの封止部材９ｂ２の左側面側の外縁端部と、セル２ｂの封止部材９ｂ１の側面部９ｂ１２の上端とに当接している。

最上段のセル２ｄは、ＭＥＡ１０ｄと、ＭＥＡ１０ｄの電解質膜の周縁部を挟む２枚の封止部材と、アノードセパレータ１１Ａ４と、カソードセパレータ１１Ｃ４を有している。アノードセパレータ１１Ａ４の側の封止部材は、セル２ｂの封止部材９ｂ１と同じ形状である。カソードセパレータ１１Ｃ３の側の封止部材は、最下端のセル２ａと略同様の形状で、セル２ｄの場合には、図１１の右側面側と左側面側に底板９ａ１１の端部から積層の方向Ｆの上側に延長された側面部９ａ１２，９ａ１２が形成されている。側面部９ａ１２，９ａ１２には、カソードセパレータ１１Ｃ３の接続流路溝１４に連通する窓２２が形成されている。

− 当接個所Ｐ５ −
セル２ｃの封止部材９ｂ２の側面部９ｂ２２の上端は、セル２ｄのアノードセパレータ１１Ａ４の側の封止部材９ｂ１の右側面側の外縁端部と、セル２ｄのカソードセパレータ１１Ｃ４の側の封止部材９ａ１の側面部９ａ１２の下端とに当接している。

− 当接個所Ｐ６ −
セル２ｄのアノードセパレータ１１Ａ４の側の封止部材９ｂ１の側面部９ｂ１２の下端は、セル２ｃの封止部材９ｂ２の左側面側の外縁端部と、セル２ｃの側面部９ａ１２の上端とに当接している。

このように積層された外部マニホールド構造のセル積層体の右側面において、セル２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの側面部は面一の平面に構成されている。セル積層体の左側面も右側面と同様に、セル２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの側面部も面一の平面に構成されている。

なお、各実施の形態と同様に、集電板３，端板４，バネ５，締結ボルト７とナット８で締結して燃料電池スタックとしている。さらに、このセル積層体の右側面と左側面に、燃料ガス流路溝１３Ａ，酸化剤ガス流路溝１３Ｃ，冷却水流路溝１３Ｗに連通する窓２２の所定のもの同士を縦方向に接続する外部マニホールド２３Ａ１，２３Ｃ１，２３Ｗ１をそれぞれ圧接させて取り付ける。

その形状を更に詳しく説明する。

セル積層体は、その側面が封止部材に設けた側面部９ａ１２，９ａ２２，９ｂ１２，９ｃ１２，・・・で覆って保護されており、各アノードセパレータに形成された燃料ガス流路溝１３Ａと、各カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路溝１３Ｃ，冷却水流路溝１３Ｗは、図１２のように各封止部材の前記側面部に形成された窓２２を介してセル積層体の側面で開口している。

このように構成したため、前記セル積層体に集電板、端板、ばねの各部材を締結し、第１配管部材としての外部マニホールド２３Ａ１，２３Ｃ１，２３Ｗ１を封止部材の右側面の側面部に圧接させてビスによって端板に締結し、第２配管部材としての外部マニホールド２３Ａ１，２３Ｃ１，２３Ｗ１を封止部材の左側面の側面部に圧接させてビスによって端板に締結することで、外部マニホールド構造のセル積層体が得られる。

このように、外部マニホールド構造を容易にできることでスタックの小型化、低コスト化につながるとともに、機械的強度が向上し耐久性の高い燃料電池スタックとして、例えば、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池スタックとして有用である。

また、側面から燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の各外部マニホールド部材を配置して外部マニホールド部材の接続は、ビスによる締結でなく前記封止部材をもう１枚配置し、接着しても構わない。また、このときの封止部材は側面まで折り曲げた前記封止部材と厚みが違っても構わない。また、側面に平滑な面を形成せずに外部マニホールド部材を直接に接着しても構わない。

本発明は、燃料電池スタックの高性能化に寄与するものである。

１ 燃料電池スタック
２ セル積層体
２ａ，２ｂ セル
３ 集電板
４ 端板
５ バネ
６ ボルト孔
７ 締結ボルト
８ ナット
９，９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２ 封止部材
９Ｗ 冷却水封止部材
９ａ１２，９ａ２２ 側面部
９ａ１１ 封止部材の底部
１０，１０ａ，１０ｂ ＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）
１１Ａ，１１Ａ１，１１Ａ２ アノードセパレータ
１１Ｃ，１１Ｃ１，１１Ｃ２ カソードセパレータ
１１Ｗ 冷却水セパレータ
１２ マニホールド孔
１３Ａ 燃料ガス流路溝
１３Ｃ 酸化剤ガス流路溝
１３Ｗ 冷却水流路溝
１５，１５ａ，１５ｂ 電解質膜
１６ アノード触媒層
１７ カソード触媒層
１８ ガス拡散層
２１ 底部の開口
２２ 側面部の窓
２３Ａ１，２３Ｃ１，２３Ｗ１ 外部マニホールド（第１，第２配管部材）
Ｆ 積層方向
Ｈ 側面部の端部
Ｌ 側面部の下端
Ｗ 底部の幅

Claims (10)

1. 電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の電極層を有する電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を挟む一対の封止部材と、前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する複数のセルを積層して構成され、
   前記封止部材の外縁端部を前記積層の方向に延長した側面部を有し、前記側面部が前記セルの側面を覆っている、燃料電池セル積層体。
2. 前記封止部材の前記側面部は、電気絶縁性の樹脂により内包された繊維シートからなる、請求項１に記載の燃料電池セル積層体。
3. 前記側面部は、平面形状が矩形の前記封止部材の対向する外縁端部からそれぞれ前記積層の方向に延長して形成されている、請求項１記載の燃料電池セル積層体。
4. 積層された前記複数のセルの一方の側面において、前記封止部材は前記側面部が同じ方向に延長して形成されている、請求項３記載の燃料電池セル積層体。
5. 積層された前記複数のセルの両方の側面において、前記封止部材は前記側面部が同じ方向に延長して形成されている、請求項３記載の燃料電池セル積層体。
6. 積層された前記複数のセルの両方の側面において、前記封止部材は前記側面部が逆方向に延長して形成されている、請求項３記載の燃料電池セル積層体。
7. 積層された前記複数のセルの前記側面部に接して、配管部材が設けられている、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セル積層体。
8. 電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の電極層を有する電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を挟む一対の封止部材と、前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する第１セルの前記一対の封止部材の一方の封止部材の外縁端部に前記一対のセパレータの積層方向に延長して形成された側面部の内側に、前記第１セルとは別の第２セルを挿入して前記第１セルと前記第２セルを積層し、前記第１セルの封止部材の側面部で前記第２セルの側面の少なくとも一部を覆う、燃料電池セル積層体の製造方法。
9. 第１セルの上に第２セルを積層した燃料電池セル積層体を製造するに際し、
   第１セルには、電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の電極層を有する電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を挟む一対の封止部材と、前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータとを有し、前記一対の封止部材の外縁端部に、前記一対のセパレータの積層方向において互いに逆方向に延長した側面部を形成し、
   第２セルには、電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の電極層を有する電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を挟む一対の封止部材と、前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータとを有し、前記一対の封止部材の外縁端部に、前記一対のセパレータの積層方向において互いに逆方向に延長して側面部を形成し、
   前記第１セルと第２セルを積層して、前記第１セルの封止部材に形成された前記側面部で、前記第２セルの側面の少なくとも一部を覆い、前記第２セルの封止部材に形成された前記側面部で、前記第１セルの側面の少なくとも一部を覆う、
   燃料電池セル積層体の製造方法。
10. 請求項８または請求項９で積層された燃料電池セル積層体の、前記第１セルの前記側面部に接して第１配管部材を取り付け、前記第２セルの封止部材の前記側面部に接して第２配管部材を取り付ける、燃料電池セル積層体の製造方法。

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