JP5181950B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、積層された複数の燃料電池セルが電極体を外部から遮蔽する弾性機構で一体とされて一つのモジュールを成し、このモジュールが複数積層され、スタッキングされてなる燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じたセル数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。

上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体および多孔体の周縁に形成されている。従来の燃料電池においては、ガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定のセル数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケット成形は一般に射出成形にておこなわれており、より具体的には、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の多孔体を収容し、次いで電極体（ＭＥＧＡ）を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の多孔体を収容した姿勢で、電極体および多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。

このセパレータの形態には、ガス流路溝や冷却水流路溝がセパレータの両側に形成されたもののほかに、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレート（中間層）が介層された３層構造のセパレータが存在する。この３層構造のセパレータに関しては、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成する形態も存在する。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。なお、この３層構造のセパレータを適用する場合には、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの多孔体からなるガス流路層が、該セパレータとガス拡散層の間に配されることになる。

従来の燃料電池スタックは、上記のごとく、ガスケットが成形された燃料電池セルを積層してスタッキングされるものである。たとえば２００〜４００セル程度の燃料電池セルが積層されて燃料電池スタックが形成されるものにおいて、各燃料電池セルには固有の電圧センサが設けてあり、セル電圧が所定値以下に落ち込んだ燃料電池セルが特定されると、その燃料電池セルがスタック内から抜き取られて別途の燃料電池セルと交換されるようになっている。

しかし、多数の燃料電池セルがスタッキングされてなる燃料電池スタックからそのスタッキングを解除し、要交換の燃料電池セルのみを抜き取って別途のセルと交換する作業が極めて煩雑であることは理解に易く、当該分野ではその改善が叫ばれている。

ところで、電極体を構成する電解質膜は、気孔を有するガス拡散層および多孔体を介して外部に流体連通した状態となっている。この電解質膜は、異種材料のコンタミネーションによってその特性を大きく劣化させるものである。したがって、すべての燃料電池セルがそれぞれ単独で射出成形され、次いでそれらが組み付けられている現状においては、すべての燃料電池セルが、射出成形の際（たとえば揮発ガスによるコンタミネート）、もしくは組み付けの際にその電解質膜が異種材料によってコンタミネートされる危険性を有している。このような観点からも、燃料電池セルごとに射出成形等にてガスケットを形成し、これを積層させて燃料電池スタックを形成するという製造方法の見直しや改善、この製造方法によってできる燃料電池スタックの構造の改良は必至であり、そのための開発が急務の課題である。特に、家屋等の定置型として、あるいはハイブリッド車や電気自動車等の移動型として、燃料電池の普及が拡大の一途を辿っている昨今、その性能向上と生産性向上の双方を満足させる必要があることに鑑みれば、上記する急務の課題を効果的に解決できる燃料電池の開発は極めて重要である。

そこで、本出願人は鋭意研究を重ねた結果、次のような構造の燃料電池の発案に至り、別途の特許出願をおこなっている。この燃料電池は、電極体（ＭＥＧＡ）と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの電極体および多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されてなるものである。

この燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層され、それぞれの燃料電池セルが一体成形されたガスケットで繋がれることで１つのモジュールを形成し、複数のモジュールを積層してスタッキングすることで形成されることから、多セル１モジュール型の燃料電池と称することもできる。この燃料電池によれば、たとえばガスケットの射出成形に先行して複数の燃料電池セルが積層されていることから、燃料電池スタックを構成するほとんどの燃料電池セルの電解質膜は、このような製造過程において異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護される。さらには、性能不良となった燃料電池セルを、該セルを含むモジュール単位で抜き取ることにより、メンテナンス効率を格段に向上させることができるものである。

しかし、このように複数の燃料電池セルをガスケットにて一体化してモジュールを形成したことから、以下のような新たな課題が想定される。図６を参照してその課題を説明する。図示例の燃料電池は、２つの燃料電池セルＣＥ，ＣＥとその上端のセパレータｅとがガスケットｆにて一体とされてモジュールＭＤを形成し、このモジュールＭＤが複数積層されて燃料電池スタックを構成するものである。なお、図示例は、そのうちの２つのモジュールＭＤを取り出し、スタッキング前の状態を示しており、さらには、燃料ガスが流通するマニホールドＭを通る断面で切断したものである。

燃料電池セルＣＥは、膜電極接合体ａ（ＭＥＡ）と、これを挟持するカソード側およびアノード側のガス拡散層ｂ１、ｂ２と、から電極体ｃ（ＭＥＧＡ）が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路となる多孔体ｄ１、ｄ２が挟持し、アノード側の多孔体には３層構造のセパレータｅが配されて一つの燃料電池セルＣＥが構成されている。ここで、この３層構造のセパレータｅは、プレートｅ１，ｅ２とその間に介在する中間層ｅ３とから形成され、該中間層ｅ３にてガスや冷却流体（冷却水や冷却エア、冷却エチレングリコールなど）用の流路が形成されている。

複数の燃料電池セルＣＥ，…をガスケットｆにて一体に繋いで一つのモジュールＭＤを形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールＭＤを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールＭＤの端部はガスケットで固定されていることから、モジュールＭＤの中央領域が外側に膨らんだ（Ｘ方向）、いわゆる太鼓状を呈し易い。これは、ガスケットを射出成形する際の圧力がスタッキング時の圧縮力に比して高い場合に特に顕著である。このように太鼓状を呈してしまうと、図中の領域Ａにおけるシール性、すなわち、モジュールＭＤ，ＭＤの界面のマニホールドＭ周りのシール性が担保され難くなってしまう。なお、図示を省略するが、ガスケットを射出成形する際の圧力がスタッキング時の圧縮力に比して過度に低い場合は、図示例とは逆にスタッキング時の圧縮力によってモジュールの中央が端部のガスケット領域に比して押し込まれてしまい、この場合には電極体の中央がへこんだ状態となってスタッキング時の圧縮力が電極体の全面に十分に作用されないといった問題も生じ得る。

なお、本出願人による公開技術として、上記する多セル１モジュールの燃料電池に関し、ガスケットをセパレータに接着するなどして形成した燃料電池が特許文献１に開示されている。この燃料電池もメンテナンス性に優れたものであるが、上記する図６で示す課題を効果的に解消するまでには至らない。

特開２００６−２４４７６５号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを形成するそれぞれの燃料電池セル内の電解質膜に異種材料がコンタミネート（付着等）することを効果的に防止でき、燃料電池スタックの中から性能が低下した燃料電池セルを抜き出して交換するといったメンテナンスに際してその効率性に優れ、さらには、流体シール性と変形性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電極体（ＭＥＧＡ）と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの電極体および多孔体の周縁であって隣接する燃料電池セル双方のセパレータの間には、電極体をセルの外部から遮蔽するとともに、該セパレータの間の離間を可変とする第１の弾性機構が設けられており、該弾性機構が隣接する燃料電池セルのセパレータ同士を繋ぐことによって複数の燃料電池セルが積層されてなるモジュールが形成され、複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されているものである。

本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルを一つのモジュールとして形成し、このモジュールを複数積層して燃料電池スタックとしたものであり、一つのモジュールにおいては、従来構造において射出成形されたガスケットが存在する電極体周縁部位に（第１の）弾性機構が設けられ、積層セルのセパレータ同士をこの弾性機構が繋ぐことで複数のセルが一体とされたものである。

したがって、たとえば一つのモジュールが３０セルの燃料電池セルから構成される場合においては、その両端以外の内部の２８セルの燃料電池セルの電極体は外部から完全に遮断されることとなり、組み付け等の際に異種材料が電極体を構成する電解質膜にコンタミネートすることが抑止される。

また、燃料電池の供用後のメンテナンスに際しては、セル単位ではなく、モジュール単位でその交換をおこなうことができる。すなわち、一つのモジュールはセパレータに接着された弾性機構にてセル分離できない姿勢となっており、隣接するモジュール同士は分離自在に接触しているだけであるから（接触部でシール構造を形成している）、性能低下したセルを有するモジュールの抜き取りも容易となり、燃料電池スタックの再生も容易となる。

この燃料電池（燃料電池スタック）を構成するモジュールの規模は多様に存在し、たとえば３００セルの燃料電池セルが積層されて一つの燃料電池が構成されるものにおいて、２〜５０セル程度の範囲のセル数で一つのモジュールを構成することができる。

このモジュールを構成する燃料電池セルは、電極体（ＭＥＧＡ）とガス流路層を形成するアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータと、から構成されている。

ここで、多孔体は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体からなり、この発泡焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよい。なお、たとえばステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。

また、セパレータは、既述するようにたとえば３層構造のセパレータであり、導電性金属（ステンレスやチタンなど）からなる２枚の金属プレートと、その間に、金属素材で冷却流体路（冷却水や冷却エア、冷却エチレングリコールなどの流路）が形成された中間層が介層された形態や、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態などを挙げることができる。なお、多数のディンプルを中間層に有する形態では、冷却流体がこのディンプルにて乱流を形成しながら供給マニホールドから排水マニホールドまで流れて電極体をクーリングする。

ここで、積層セル間であってセルを構成する電極体および多孔体の周縁に形成されてそれらをセル外部から遮蔽する（シールする）第１の弾性機構は、スタッキング時もしくは燃料電池発電過程で電極体が膨張／収縮する際などにおいて、モジュールを構成する各セル内における電極体とその周縁部分（弾性機構が形成される部分）で、双方の変形誤差をセルのシール性を阻害しない程度に制御できるものであれば特に限定されるものではない。

また、電極体および多孔体の周縁に従来構造のごときマニホールドが形成されていないガスケットを該電極体等に接するようにして形成し、このガスケットと第１の弾性機構の間に酸化剤ガス、燃料ガス、冷却流体のいずれか一種が流通する複数のマニホールドを形成するようにしてもよい。この形態で形成されるガスケットは、電極体および多孔体の外周を覆う比較的薄い層を成すものであり、たとえば層状のガスケットを電極体等の外周に接着する等の方法で形成できる。この形態によれば、電極体や多孔体とセル外部とのシール構造は勿論のこと、各種流体のシール構造を簡易な態様で形成することができ、シール性に優れたモジュール積層構造の燃料電池が形成される。

また、上記する第１の弾性機構の形態として、電極体の周縁に配された無端状で変形性能を有する樹脂材が、それぞれのセパレータの対向面にそれらの接着位置を相互にずらされた姿勢で接着され、双方の樹脂材同士を無端状の繋ぎ材が繋ぐことによって形成される形態を挙げることができる。

ここで、この樹脂材は、たとえばスタッキング時の圧縮力との関係で変形性能を有する部材であり、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などからなる無端状の定型部材や、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどのフィルム材を無端状に形成してそれを積層したものなどを挙げることができる。

上記する無端状の樹脂材が、電極体および多孔体の周縁であって、対向する２つのセパレータの対向面に相互に（平面的に）ずらされて双方の対向面に接着される。そして、これらの樹脂材を比較的剛性の高い無端状の繋ぎ材が繋ぐことにより、双方の樹脂材の弾性変形に応じてこの繋ぎ材がその姿勢を変位や傾斜させることができ、この弾性機構にてセル全体（もしくはスタック）の多様な変形に追従でき、もしくは多様な変形を吸収することができる。ここで、この繋ぎ材としては、耐食性を有する金属である、チタンやステンレス、銅、アルミニウム、金、カーボンやそれらの各種合金などから形成できる。

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態において、前記モジュールはその両端に前記セパレータを有しており、モジュールが積層された姿勢において、隣接するモジュール双方のセパレータの間であって前記マニホールドがセパレータの表面に臨む開口周りには無端状の第２の弾性機構が形成されているものである。

本実施の形態は、モジュールの両端（両側）にたとえば３層構造のセパレータが配されたものであり、隣接するモジュール間であって、双方に形成された流体流通用のマニホールドの周囲に無端状の（第２の）弾性機構が設けられることにより、隣接するモジュール間にも変形性能が付与され、多様なセル変形、スタック変形に対して、シール性を担保しながらスタック全体の変形性能をより一層高めることができる。

ここで、上記する第２の弾性機構として、マニホールドの開口周りに配された中空の樹脂材と、その外周に設けられたエキスパンドメタルもしくは金属発泡焼結体からなる形態を挙げることができる。この樹脂材は、上記する第１の弾性機構を形成する樹脂材と同素材のものを使用するのがよく、この外周に、多孔体として使用されるエキスパンドメタルもしくは金属発泡焼結体からなる弾性部材を設けることにより、モジュール間の導電性と変形性の双方を確保することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、複数の燃料電池セルが電極体の周縁の対向するセパレータ間に設けられた弾性機構で一体とされたモジュールを形成し、複数のモジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されたものであることから、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電解質膜のほとんどを、燃料電池の製造過程で異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護することができる。さらには、性能不良となった燃料電池セルを単独で取り除くのではなく、スタッキングを解除した後に、単数のもしくは複数の性能不良な燃料電池セルを包含するモジュール単位で取り除き、新規なモジュールと交換することにより、メンテナンス効率性を格段に向上させることができる。さらには、マニホールド周縁等のシール性を担保しながら、各燃料電池セルや各モジュールの多様な変形や変位に対して効果的に追従し、もしくはこの変形等を吸収することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、複数の燃料電池セルが積層され、弾性機構を介して一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図であり、図２は、そのモジュールを積層してスタッキングした際の一部を図示した縦断面図、図３は図２のIII−III矢視図である。このモジュール１０００は、たとえば１０〜５０セルの燃料電池セル１００，…が積層され、第１の弾性機構９が積層セルのセパレータ７，７同士を繋ぐことにより、一体に形成されたものである。

各燃料電池セル１００は、３層構造を呈する１つのセパレータ７（図ではアノード側のセパレータとする）と、アノード側の多孔体６’、電解質膜１とカソード側およびアノード側の触媒層２，２’とからなる膜電極接合体３と、カソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’とからなる電極体５、カソード側の多孔体６と、から構成されている。

ここで、電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。

また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層２，２’が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、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などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。

また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２，２’から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。

また、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層４，４’から突出する毛羽が電解質膜１に突き刺さるのを防止し、さらには、電極体５および多孔体６，６’に接着等される薄層のガスケット８内に埋設する電解質膜の端部を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。

また、多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からなる多孔体がガス流路層を形成するものである。

図示するモジュール１０００において、電極体５および多孔体６，６’の周縁のガスケット８のさらに外周には、対向するセパレータ７，７同士を第１の弾性機構９が繋ぐことにより、モジュール１０００がセル不分離の態様で形成されている。このモジュール１０００が所定の基数だけ積層され、スタッキングされることにより、その一部を示す図２のごとき多セル１モジュールからなる燃料電池スタックが形成される。

ここで、図示する弾性機構９は、変形性能を有する無端状の樹脂材９１が一方のセパレータ７の表面に、同様に変形性能を有する無端状の樹脂材９２が他方のセパレータ７の表面にそれぞれ接着剤を介して、さらには平面的に接着位置がずらされた態様で接着されており、これらの端面に無端状の繋ぎ材９３が接着剤を介して接着されることで構成されている。なお、ここでいう無端状とは、たとえば図３の平面図を参照することでより明瞭となるが、たとえばガスケット８を取上げて説明すれば、平面視が矩形の電極体５（図３ではその上方の多孔体６）の外周をその外郭に沿って閉合する態様を意味するものである。また、樹脂材９２の場合は、このガスケット８に間隔を置いてその外周に閉合するものであり、樹脂材９１の場合は、この樹脂材９２に間隔を置いてその外周に閉合するものである。この無端状の樹脂材９１，９２を同様に無端状の繋ぎ材９３が繋ぐことにより、電極体５はセル外部から完全に遮蔽されるとともに、酸化剤ガスや燃料ガス、冷却流体の流入用、および流出用のマニホールドＭ，…をガスケット８と第１の弾性機構９の間で形成するべく、各マニホールドＭ，Ｍの間にガスケット８ａが介在される。

また、図示例では、ガスケット８の上端と樹脂材９２の上端において、マニホールドＭを囲繞するシール用の無端リブ９２ａが設けてあり、モジュール１０００を積層させ、スタッキングした際に該リブ９２ａが潰されてシール構造を形成できるようになっている。

また、図１は、たとえば燃料ガスの供給マニホールドＭ、および排気マニホールドＭを通る断面で切断したものであるが、モジュール１０００を構成する各燃料電池セル１００，…の積層姿勢において、その積層方向に流体連通するこれらのマニホールドＭが形成される。

ここで、樹脂材９１，９２は、たとえばスタッキング時の圧縮力との関係で変形性能を有する部材であり、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などからなる無端状の定型部材や、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどのフィルム材を無端状に形成してそれを積層したものなどからなる。また、繋ぎ材９３は、チタンやステンレス、銅、アルミニウム、金、カーボンやそれらの各種合金などから形成された比較的剛性の高い部材であり、自身の形状をある程度保持しながら樹脂材９１，９２の変形や変位に応じて一方の樹脂材の変位等を他方の樹脂材に伝達できるものである。

また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却流体流路が形成された中間層７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。

図２で示すように、たとえば燃料ガスは流体連通するマニホールドＭ内を流れ、セパレータ７内の燃料ガス流路７３ａを介してアノード側の多孔体６’に提供されるようになっており（Ｚ１方向）、別途の断面にて形成される酸化剤ガス流通用のマニホールドを介し、セパレータ７内の酸化剤ガス流路７３ｂを介してカソード側の多孔体６に提供されるようになっている（Ｚ２方向）。

図４は、モジュールのさらに他の実施の形態を示したものであり、図５は、図４で示すモジュールが積層され、スタッキングされた際の一部を示した縦断面図である。

このモジュール１０００Ａは、図示のごとく２つの燃料電池セル１００，１００Ａが第１の弾性機構９にて一体とされ、さらに３層構造のセパレータ７Ｂを具備しない他方側に別途のセパレータ７Ａが配されたものである（すなわち、モジュール１０００Ａの両端部にセパレータ７Ａ，７Ｂが配されている）。そして、セパレータ７ＡのマニホールドＭの周囲には中空の樹脂材１１が設けられ、この樹脂材１１の外周にエキスパンドメタルや発泡焼結体などからなる弾性材１２が設けられている。なお、この樹脂材１１と弾性材１２とから、第２の弾性機構１０が形成される。

このモジュール１０００Ａ，１０００Ａが積層され、スタッキングされると、図５で示すように、モジュール１０００Ａ，１０００Ａ間に第２の弾性機構１０が介在することで、マニホールドＭの周囲にシール構造が形成されるとともに、その外周の弾性材１２によって変形性も付与される。

この第２の弾性機構１０により、スタック全体のシール性を担保しながら、スタック全体の多様な変形に対する、該スタック（もしくは各モジュール）の変形性能もより一層向上する。

上記する燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

複数の燃料電池セルが弾性機構を介して一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。 図１で示すモジュールが積層され、スタッキングされた状態を示した縦断面図である。 図２のII−II矢視図である。 複数の燃料電池セルが弾性機構を介して一体とされたモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。 図４で示すモジュールが積層され、スタッキングされた状態を示した縦断面図である。 複数の燃料電池セルの電極体の周縁にガスケットが一体成形されてなるモジュールに関し、該モジュールがその中央で上下に突出した太鼓状を呈している状態を説明した縦断面図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…（カソード側）触媒層、２’…（アノード側）触媒層、３…膜電極接合体（ＭＥＡ）、４…（カソード側）ガス拡散層、４’…（アノード側）ガス拡散層、５…電極体（ＭＥＧＡ）、６…（カソード側）多孔体、６’…（アノード側）多孔体、７，７Ａ，７Ｂ…セパレータ、７１，７１Ａ，７２，７２Ｂ…金属プレート、７３…中間層、８，８ａ…ガスケット、９…第１の弾性機構、９１，９２…樹脂材、９３…繋ぎ材、１０…第２の弾性機構、１１…中空の樹脂材、１２…弾性材、１００，１００Ａ…燃料電池セル、１０００Ａ…モジュール、Ｍ…マニホールド

Claims (3)

1. 電極体（ＭＥＧＡ）と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが３層以上積層され、積層されたそれぞれの電極体および多孔体の周縁であって隣接する燃料電池セル双方のセパレータの間には、電極体をセルの外部から遮蔽するとともに、該セパレータの間の離間を可変とする第１の弾性機構が設けられており、該弾性機構が隣接する燃料電池セルのセパレータ同士を繋ぐことによって３層以上の燃料電池セルが積層されてなるモジュールが形成され、
   複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されており、
   前記電極体および多孔体の周縁にはガスケットが形成されており、該ガスケットと前記第１の弾性機構の間に酸化剤ガス、燃料ガス、冷却流体のいずれか一種が流通する複数のマニホールドが形成されており、
   電極体の周縁に配された無端状で変形性能を有する樹脂材が、それぞれのセパレータの対向面にそれらの接着位置を相互にずらされた姿勢で接着され、双方の樹脂材同士を無端状の繋ぎ材が繋ぐことによって前記第１の弾性機構が形成されている燃料電池。
2. 前記モジュールはその両端に前記セパレータを有しており、
   モジュールが積層された姿勢において、隣接するモジュール双方のセパレータの間であって、前記マニホールドがセパレータの表面に臨む開口周りには無端状の第２の弾性機構が形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第２の弾性機構が、マニホールドの前記開口周りに配された中空の樹脂材と、その外周に設けられたエキスパンドメタルもしくは金属発泡焼結体と、からなる、請求項２に記載の燃料電池。

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