JP5233310B2 - セルモジュールおよびセルモジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池スタックを構成するセルモジュールに関する。
従来の燃料電池には、電解質膜の両面に電極触媒層を接合して成る膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（membrane-electrode assembly）ともいう。）と、反応ガスを拡散すると共に電極触媒層に供給するためのガス拡散層と、アノードガスとカソードガスを分離すると共に、各電極で発電された電気を集電するセパレータと、ＭＥＡとセパレータとの間から、反応ガスが漏洩するのを防止するためのシール部材を備え、それらを複数積層したスタック構造を有する燃料電池がある（以下、「燃料電池スタック」ともいう。）。燃料電池スタックを構成する場合に、従来は、これらの構成部品を、順次、積層していたため、燃料電池スタックを製造する場合には、多くの手間と時間がかかっていた。そこで、セパレータと、ガス拡散層と、シール部材と、を一体成形して成る燃料電池用構成部品が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
このように、セパレータと、ガス拡散層と、シール部材と、を一体成形して成る燃料電池用構成部品を製造する場合に、セパレータと、ガス拡散層を積層する工程において、互いの面方向の位置がずれる場合がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、複数の部材を積層して成る、燃料電池構成部品を製造する際に、各部材の面方向に位置ずれが生じるのを抑制する技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現可能である。燃料電池スタックを構成するセルモジュールは、電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、前記発電体の一方の面側に配置されるセパレータと、前記発電体の外周に設けられるシール部材と、前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記発電体と、前記多孔体流路形成部材との、面方向の相対位置を決める位置決め部と、を備え、前記位置決め部は、前記セパレータに形成される突起であり、前記発電体と前記一対の多孔体流路形成部材とには、前記位置決め部と係合する係合部が形成され、前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とが、一体的に固定されていることを特徴とする。本発明は、そのほか、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］ 燃料電池スタックを構成するセルモジュールであって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、
前記発電体の一方の面側に配置されるセパレータと、
前記発電体の外周に設けられるシール部材と、
前記セパレータと、前記発電体との、面方向の相対的位置を決める位置決め部と、
を備え、
前記発電体と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、
前記発電体の一方の面側に配置されるセパレータと、
前記発電体の外周に設けられるシール部材と、
前記セパレータと、前記発電体との、面方向の相対的位置を決める位置決め部と、
を備え、
前記発電体と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
適用例１のセルモジュールによれば、位置決め部を備えるため、セパレータと、発電体との、面方向の相対的位置を、容易に合わせることができる。そのため、セパレータと、発電体の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。
また、セルモジュール自体が、位置決め部を備えるため、セルモジュールを製造する際に、位置決め用の治具を用いる必要がなくなるため、治具を用意する工程、費用等を低減させることができる。
さらに、発電体と、セパレータと、シール部材とは、一体的に固定して成るため、セルモジュールを複数積層して成る燃料電池スタックを製造する場合に、発電体と、セパレータと、シール部材とが別体になっている場合と比べて、製造工程を簡素化することができる。また、製造工程が簡素化されることにより、製造公差を低減させることができる。
［適用例２］ 適用例１に記載のセルモジュールであって、
前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材を、さらに備え、
前記位置決め部は、前記セパレータと、前記発電体と、前記多孔体流路形成部材との、面方向の相対的位置を決め、
前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材を、さらに備え、
前記位置決め部は、前記セパレータと、前記発電体と、前記多孔体流路形成部材との、面方向の相対的位置を決め、
前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
このようにすると、セルモジュールが、反応ガスを拡散させて供給するために多孔体流路形成部材を備える場合に、位置決め部によって、容易に、多孔体流路形成部材の位置も決めることができる。そのため、セパレータと、発電体と、多孔体流路形成部材との面方向にずれが生じるのを抑制することができる。
［適用例３］ 適用例１または２に記載のセルモジュールにおいて、
前記位置決め部は、
前記セパレータに形成される突起であることを特徴とするセルモジュール。
前記位置決め部は、
前記セパレータに形成される突起であることを特徴とするセルモジュール。
このようにすると、セルモジュールを製造する際に、セルモジュールの突起に沿わせて、発電体や多孔体流路形成部材を配置することによりそれらの位置が決まるため、容易に位置を決めることができる。また、位置決め部が突起であるので、たとえば、金属製のセパレータに対して、プレス加工によって突起を作ったり、棒状の突起を、セパレータに接合したりして、位置決め部を容易に作ることができる。
［適用例４］ 適用例３に記載のセルモジュールにおいて、
前記発電体には、
前記位置決め部と係合する係合部が形成されていることを特徴とするセルモジュール。
前記発電体には、
前記位置決め部と係合する係合部が形成されていることを特徴とするセルモジュール。
このようにすると、発電体には、位置決め部に係合する係合部が形成されているため、突起状の位置決め部に、係合部を係合させることにより、容易に、互いの面方向の相対的位置を決めることができる。なお、係合部は、例えば、発電体が四角形状を成す場合に、その角を三角形、四角形に切り落としたり、その角付近に円形の貫通孔を設けることにより形成することができる。また、凸状の位置決め部に対して嵌合する凹状に形成してもよい。
［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれか１つに記載のセルモジュールであって、
前記発電体は、
平面略長方形状を成し、その４つの角のうち、３つの角付近に、それぞれ係合部が形成されていることを特徴とするセルモジュール。
前記発電体は、
平面略長方形状を成し、その４つの角のうち、３つの角付近に、それぞれ係合部が形成されていることを特徴とするセルモジュール。
このようにすると、発電体の表裏、上下左右等の配置が定まるため、セルモジュールを製造する際に、発電体の表裏、上下左右等を間違えて、発電体を配置することを低減することができる。
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、セルモジュール、そのセルモジュールを複数積層して成る燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体、およびセルモジュールの製造方法等の形態で実現することができる。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．実施例の構成：
Ａ１−１．セルモジュールの構成：
図１は、セルモジュール１００の平面構成を示す平面図であり、図２は、セルモジュール１００の図１におけるＡ−Ａ切断面の概略構成を示す断面図である。図１は、セルモジュール１００を、カソード側多孔体３４０側から見て示している。セルモジュール１００は、図１、２に示すように、平面形状が略長方形状を成すセパレータ２００のアノード対向プレート２２０（後に詳述する）側にアノード側多孔体３２０、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）４００、カソード側多孔体３４０の順に積層され、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の外周に、枠状に、シールガスケット５００が形成されている。後述するように、セルモジュール１００は、シールガスケット５００が、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０それぞれと接着されることにより、一体的に固定されている。以下、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０を、合わせて、単に、「多孔体３２０、３４０」とも呼ぶ。本実施例におけるセパレータ２００が請求項におけるセパレータに、アノード側多孔体３２０およびカソード側多孔体が請求項における多孔体流路形成部材に、ＭＥＡ４００が請求項における発電体に、それぞれ相当する。
Ａ１．実施例の構成：
Ａ１−１．セルモジュールの構成：
図１は、セルモジュール１００の平面構成を示す平面図であり、図２は、セルモジュール１００の図１におけるＡ−Ａ切断面の概略構成を示す断面図である。図１は、セルモジュール１００を、カソード側多孔体３４０側から見て示している。セルモジュール１００は、図１、２に示すように、平面形状が略長方形状を成すセパレータ２００のアノード対向プレート２２０（後に詳述する）側にアノード側多孔体３２０、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）４００、カソード側多孔体３４０の順に積層され、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の外周に、枠状に、シールガスケット５００が形成されている。後述するように、セルモジュール１００は、シールガスケット５００が、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０それぞれと接着されることにより、一体的に固定されている。以下、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０を、合わせて、単に、「多孔体３２０、３４０」とも呼ぶ。本実施例におけるセパレータ２００が請求項におけるセパレータに、アノード側多孔体３２０およびカソード側多孔体が請求項における多孔体流路形成部材に、ＭＥＡ４００が請求項における発電体に、それぞれ相当する。
セルモジュール１００の周縁部、すなわち、シールガスケット５００が設けられている部分には、複数の貫通孔が設けられている。図１に示すように、略長方形を成すセルモジュール１００の上辺に沿って、カソードガスとしての空気を流通させるための、カソードガス供給用貫通孔１０６が、３つ形成されており、セルモジュール１００の下辺に沿って、カソード排ガスを流通させるための、カソード排ガス排出用貫通孔１０８が、３つ形成されている。セルモジュール１００の左上の角には、アノードガスとしての水素を供給するためのアノードガス供給用貫通孔１０２、右下の角には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出用貫通孔１０４が、それぞれ一つずつ形成されている。そして、セルモジュール１００の左右の辺に沿って、燃料電池スタック１０Ａ内に、冷却水を流通させるための冷却水用貫通孔１１０、１１２が、それぞれ一つずつ設けられている。これらの貫通孔は、シールガスケット５００と、セパレータ２００とにそれぞれ形成されている各貫通孔（後述する）によって、構成されている。
Ａ１−２．セパレータの構成：
セパレータ２００は、図２に示すように、アノード側多孔体３２０と当接するアノード対向プレート２２０と、カソード側多孔体３４０と当接するカソード対向プレート２４０と、アノード対向プレート２２０およびカソード対向プレート２４０に狭持された中間プレート２６０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ２００を構成する３枚のプレート（アノード対向プレート２２０、カソード対向プレート２４０、中間プレート２６０）は、略長方形を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
セパレータ２００は、図２に示すように、アノード側多孔体３２０と当接するアノード対向プレート２２０と、カソード側多孔体３４０と当接するカソード対向プレート２４０と、アノード対向プレート２２０およびカソード対向プレート２４０に狭持された中間プレート２６０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ２００を構成する３枚のプレート（アノード対向プレート２２０、カソード対向プレート２４０、中間プレート２６０）は、略長方形を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
図３は、アノード対向プレート２２０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート２２０の周縁部には、上記したアノードガス供給用貫通孔１０２、アノード排ガス排出用貫通孔１０４、カソードガス供給用貫通孔１０６、カソード排ガス排出用貫通孔１０８、冷却水用貫通孔１１０、１１２を構成する、アノードガス供給用貫通孔１０２ａ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ａ、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａ、冷却水用貫通孔１１０ａ、１１２ａが形成されている。
また、複数のアノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈが、アノード対向プレート２２０の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、アノードガス供給口２２２ｈから、アノード側多孔体３２０にアノードガスとしての水素が供給され、アノード排ガス排出口２２４ｈから、アノード排ガスが排出される。
さらに、図示するように、アノード対向プレート２２０には、位置決め部２２８が、３箇所設けられている。位置決め部２２８は、ステンレス鋼製のプレートにプレス加工を施すことによって、図２に示すように突起状に形成されている。図１に示すように、位置決め部２２８は、セルモジュール１００を構成した場合に、カソード側多孔体３４０の右上、右下、左下の角に相当する箇所に配置されている。また、図３に示すように、位置決め部２２８は、アノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈよりも、外周寄りに配置されている。位置決め部２２８がこのように配置されているため、位置決め部２２８によって、アノードガスの流通が妨げられるおそれを低減することができる。
図４は、中間プレート２６０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、中間プレート２６０には、上記したアノード対向プレート２２０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍが形成されている。
さらに、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍから複数のアノードガス供給口２２２ｈに水素が流れるように、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍと複数のアノードガス供給口２２２ｈとを接続するアノードガス供給用接続部１０２ｊ、が形成されている。同様に、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍと複数のアノード排ガス排出口２２４ｈとを接続するアノード排ガス排出用接続部１０４ｊが、形成されている。
また、３つのカソードガス供給用貫通孔１０６ｍから、後述する複数のカソードガス供給口２４６ｈに空気が流れるように、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍと複数のカソードガス供給口２４６ｈとを接続するカソードガス供給用接続部１０６ｊ、が形成されている。同様に、後述する複数のカソード排ガス排出口２４８ｈから、３つのカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍにカソード排ガスが流れるように、複数のカソード排ガス排出口２４８ｈとカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍとを接続するカソード排ガス排出用接続部１０８ｊ、が形成されている。
また、発電によって燃料電池スタック１０Ａの温度が上昇するのを抑制するために、ＭＥＡ４００全体を冷却するように、セパレータ２００内に冷却水を流す、冷却水流路１１０ｐが、形成されている。
図５は、カソード対向プレート２４０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート２４０には、上記したアノード対向プレート２２０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｃ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｃ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｃ、冷却水用貫通孔１１０ｃ、１１２ｃが形成されている。
さらに、複数のカソードガス供給口２４６ｈ、カソード排ガス排出口２４８ｈが、カソード対向プレート２４０の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｃよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、カソードガス供給口２４６ｈから、カソード側多孔体３４０にカソードガスとしての空気が供給され、カソード排ガスが、カソード排ガス排出口２４８ｈを介して排出される。
図６は、セパレータ２００の平面構成を概略的に示す平面図である。セパレータ２００は、先に説明したように、アノード対向プレート２２０と、中間プレート２６０と、カソード対向プレート２４０とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート２２０側から見た様子を示している。図から分かるように、アノード対向プレート２２０と、中間プレート２６０と、カソード対向プレート２４０を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ２００を貫通する各貫通孔が形成される。
また、アノード対向プレート２２０、中間プレート２６０、カソード対向プレート２４０を重ねることによって、図示するように、アノードガス供給用貫通孔１０２と、アノードガス供給用接続部１０２ｊと、アノードガス供給口２２２ｈとが繋がって、アノードガス（水素）の供給路が形成される。同様に、アノード排ガスの排出路、カソードガス（空気）の供給路、カソード排ガスの排出路が形成される。
Ａ１−３．ＭＥＡの構成：
ＭＥＡ４００は、図２に示すように、電解質膜４２０の両面に、それぞれ、アノード４４０、カソード４６０が接合されて成る。平面形状は、長方形状の４つの角のうち、３つの角を、四角形状に切り落として、切欠部４０８が形成された形状を成す。その大きさは、図２に示すように、アノード側多孔体３２０よりも大きく、カソード側多孔体３４０よりも小さい。すなわち、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の順に上に積層した場合に、それぞれの周端が階段状になるように形成されている。そして、アノード４４０とカソード４６０は、同一の大きさ・形状であるが、電解質膜４２０は、アノード４４０とカソード４６０より大きく形成されており、周縁がアノード４４０とカソード４６０よりはみ出した状態で積層されて形成されている。
ＭＥＡ４００は、図２に示すように、電解質膜４２０の両面に、それぞれ、アノード４４０、カソード４６０が接合されて成る。平面形状は、長方形状の４つの角のうち、３つの角を、四角形状に切り落として、切欠部４０８が形成された形状を成す。その大きさは、図２に示すように、アノード側多孔体３２０よりも大きく、カソード側多孔体３４０よりも小さい。すなわち、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の順に上に積層した場合に、それぞれの周端が階段状になるように形成されている。そして、アノード４４０とカソード４６０は、同一の大きさ・形状であるが、電解質膜４２０は、アノード４４０とカソード４６０より大きく形成されており、周縁がアノード４４０とカソード４６０よりはみ出した状態で積層されて形成されている。
図７は、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、およびカソード側多孔体３４０の切欠部付近を拡大して示す部分拡大図である。図７では、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、およびカソード側多孔体３４０にそれぞれ形成される切欠部を明瞭に図示するために、セパレータ２００上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０が、その順に積層された状態を示している。上記したように、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の順に、大きさが小さくなる。また、ＭＥＡ４００において、電解質膜４２０がアノード４４０、カソード４６０よりはみ出しているため、アノード４４０側から見ると、カソード４６０は、電解質膜４２０に隠れて見えない。図７において、アノード４４０は、電解質膜４２０に隠れているため、破線の引き出し線で、符号を示している。
図７に示すように、ＭＥＡ４００には、右上、右下の角に、四角形状の切欠部４０８が、それぞれ形成されている。詳しくは、電解質膜４２０に切欠部４２８が、アノード４４０に切欠部４４８が、カソード４６０に切欠部４６８が、それぞれ形成されている。なお、図示していないが、左下の角にも、同様の四角形状の切欠部４０８が形成されている。切欠部４０８は、図７に示すように、セパレータ２００に形成された位置決め部２２８に係合される。本実施例における切欠部４０８が、請求項における係合部に相当する。
なお、本実施例において、電解質膜４２０としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、用いている。アノード４４０およびカソード４６０としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された触媒層に、カーボンフェルトより成る拡散層（図示しない）が積層されて成るものを、用いている。なお、ＭＥＡ４００を構成すると、拡散層が多孔体３２０、３４０と対向するように、アノード４４０、カソード４６０は、電解質膜４２０に接合されている。実施例において、ＭＥＡ４００は拡散層を備えるが、ＭＥＡは、拡散層を備えていなくてもよい。
Ａ１−４．多孔体流路形成部材の構成：
カソード側多孔体３４０は、図１に示すように、平面形状が、上記したＭＥＡ４００と同様の形状であり、長方形の３つの角（右上、右下、および左下の角）に、四角形状の切欠部３４８が形成された形状を成している。アノード側多孔体３２０は、図２、７に示すように、カソード側多孔体３４０より外形が大きい。そして、長方形の右上および右下の角（図７に示す）と、左下の角(図示しない)に、四角形状の切欠部３２８が形成された形状を成している。カソード側多孔体３４０の切欠部３４８と、アノード側多孔体３２０の切欠部３２８とは、図７に示すように、アノード側多孔体３２０とＭＥＡ４００とカソード側多孔体３４０とを積層すると、上記したＭＥＡ４００の切欠部４０８と重なって、セパレータ２００に形成される位置決め部２２８に係合するように形成されている。
カソード側多孔体３４０は、図１に示すように、平面形状が、上記したＭＥＡ４００と同様の形状であり、長方形の３つの角（右上、右下、および左下の角）に、四角形状の切欠部３４８が形成された形状を成している。アノード側多孔体３２０は、図２、７に示すように、カソード側多孔体３４０より外形が大きい。そして、長方形の右上および右下の角（図７に示す）と、左下の角(図示しない)に、四角形状の切欠部３２８が形成された形状を成している。カソード側多孔体３４０の切欠部３４８と、アノード側多孔体３２０の切欠部３２８とは、図７に示すように、アノード側多孔体３２０とＭＥＡ４００とカソード側多孔体３４０とを積層すると、上記したＭＥＡ４００の切欠部４０８と重なって、セパレータ２００に形成される位置決め部２２８に係合するように形成されている。
本実施例において、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０としてエキスパンドメタルを用いている。アノード側多孔体３２０とカソード側多孔体３４０とは、同様のエキスパンドメタルを用いているため、カソード側多孔体３４０としてのエキスパンドメタルを例に挙げて、その構成を説明する。
図８は、カソード側多孔体３４０として用いられるエキスパンドメタルの一部を拡大して示す斜視図である。カソード側多孔体３４０は、図８に示すように、網目形状が六角形を成すエキスパンドメタルである。エキスパンドメタルは、金属板をエキスパンド製造機によって千鳥状に切れ目を入れながら押し広げて、六角形状の網目を形成することによって製造される、メッシュ状の金属板である。図示するように、六角形状の網目を構成する壁面のうち、ｙｚ平面に平行に形成される壁面Ｓの、ｚ軸方向プラス側の角は、角を潰す加工が施されて、面Ｆが形成されている。一方、ｚ軸方向マイナス側の角は、そのような加工が施されておらず、角Ｃが形成されている。
なお、本実施例では、網目形状が六角形のエキスパンドメタルを用いているが、その他、ひし形等、種々の形状の網目形状のエキスパンドメタルを用いることができる。また、本実施例では、ステンレス鋼板を用いているが、その他、鉄製鋼板、アルミニウム、銅、チタン等の金属板、またそれらの合金板を用いてもよい。
図９は、図８におけるＤ−Ｄ切断面を示す断面図である。図９では、カソード側多孔体３４０がセルモジュール１００に配置される場合の、ＭＥＡ４００の接触面とセパレータ２００の接触面とを、破線で示している。図示するように、カソード側多孔体３４０は、その六角形状の網目を構成する壁面Ｓが、ＭＥＡ４００およびセパレータ２００と、斜めに接するように配置される。上記したように、壁面Ｓには、面Ｆが形成されており、セパレータ２００は、全ての面Ｆを含むように形成される仮想面ＵＳと接触するように、カソード側多孔体３４０に当接している。このように、セパレータ２００が面Ｆと接触するように配置すると、壁面Ｓの角を潰す加工しない場合と比べて、カソード側多孔体３４０と、セパレータ２００との接触面積を大きくすることができるため、ＭＥＡ４００とカソード対向プレート２４０間の電子移動の際の抵抗を小さくすることができる。一方、全ての壁面Ｓの角Ｃを含むように形成される仮想面ＤＳと接触するように、ＭＥＡ４００は配置されている。
図１０は、図１におけるＡ−Ａ切断面の一部を拡大して示す断面図である。上記したように、ＭＥＡ４００は、全ての角Ｃを含む仮想面ＤＳと接触するように配置されている。図示するように、カソード４６０は、カソード側触媒層４６２とカソード側拡散層４６４とから成る。上記したように、カソード側拡散層４６４はカーボンフェルトより成るため、クッション性があり、柔らかい。そのため、図１０に示すように、カソード側多孔体３４０をカソード側拡散層４６４上に積層すると、カソード側拡散層４６４の角Ｃが、カソード側拡散層４６４にめり込むような状態になる。そのため、カソード側拡散層４６４の角Ｃが、カソード側拡散層４６４にめり込んだ分、カソード側拡散層４６４とカソード側多孔体３４０との接触面積が大きくなる。従って、カソード側多孔体３４０と、セパレータ２００との接触面積を大きくすることができるため、ＭＥＡ４００とカソード対向プレート２４０間の電子移動の際の抵抗を小さくすることができる。
カソードガスとしての空気は、図１０に太矢印で示すように、エキスパンドメタルの網目を超えて、図の左から右に向かって流れつつ、拡散されてカソード４６０に供給される。
Ａ１−５．シールガスケットの構成：
シールガスケット５００は、図１、２に示すように、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の外周に、枠状に形成されている。図１に示すように、シールガスケット５００にも、上記したセパレータに形成される反応ガスの給排用の貫通孔と同様の貫通孔が形成されると共に、各貫通孔およびカソード側多孔体３４０の周囲には、凸部が形成され、セルモジュール１００を複数積層した場合に、その凸部が、セパレータ２００に押圧されることにより、シール性が確保される。凸部により形成されるシールラインＳＬを、図１、２において、破線で示している。
シールガスケット５００は、図１、２に示すように、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の外周に、枠状に形成されている。図１に示すように、シールガスケット５００にも、上記したセパレータに形成される反応ガスの給排用の貫通孔と同様の貫通孔が形成されると共に、各貫通孔およびカソード側多孔体３４０の周囲には、凸部が形成され、セルモジュール１００を複数積層した場合に、その凸部が、セパレータ２００に押圧されることにより、シール性が確保される。凸部により形成されるシールラインＳＬを、図１、２において、破線で示している。
シールガスケット５００は、シリコンゴムを用いて射出成型により形成されている。具体的には、セルモジュール１００を製造する場合には、まず、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の順に積層して、金型にセットする。そして、型締めし、シールガスケットの形状のキャビティに、シリコンゴムを射出した後、硬化させることにより完成する。なお、本実施例におけるアノード側多孔体３２０が、請求項における第１の多孔体流路形成部材に、カソード側多孔体３４０が、請求項における第２の多孔体流路形成部材に、それぞれ相当する。
シールガスケット５００を射出成形する際には、シリコンゴムが、アノード４４０、カソード４６０およびアノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０内部の空隙に含浸されるため、いわゆるアンカー効果によりシールガスケット５００と、ＭＥＡ４００および多孔体３２０、３４０とが結合(接着)される。また、シールガスケット５００とセパレータ２００とは、プライマ層（図示しない）を介して架橋接着により接着される。シールガスケット５００とセパレータ２００との間にプライマ層を設けることにより、シールガスケット５００とセパレータ２００を所定の接着強度で、接着させることができる。
このように、シールガスケット５００を射出成形することによって、シールガスケット５００が、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０のそれぞれと、接着されて、セルモジュール１００は、一体化されて固定されている。なお、シリコンゴムに代えて、ＥＰＤＭ（Ethylene-Propylene diene terpolymer：エチレン・プロピレン・ジエン共重合体）、フッ素ゴム、ＰＩＢ（Polyisobutyrene：ポリイソブチレン）等の、低温特性およびガスシール性のよい樹脂を用いてもよい。
Ａ２．実施例の効果：
本実施例のセルモジュール１００において、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０には、突起状の位置決め部２２８が形成されている。そして、ＭＥＡ４００、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０には、それぞれ、切欠部４０８、３２８、３４８が形成されている。そのため、セルモジュール１００の製造時、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０を積層する際に、位置決め部２２８に、各切欠部４０８、３２８、３４８が係合するようにして積層すると、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０のセパレータ２００に対する上下左右方向の移動（すなわち、面方向の移動）が制限される。したがって、各構成部品の面方向の位置が容易に決められる。そのため、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０を積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
本実施例のセルモジュール１００において、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０には、突起状の位置決め部２２８が形成されている。そして、ＭＥＡ４００、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０には、それぞれ、切欠部４０８、３２８、３４８が形成されている。そのため、セルモジュール１００の製造時、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０を積層する際に、位置決め部２２８に、各切欠部４０８、３２８、３４８が係合するようにして積層すると、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０のセパレータ２００に対する上下左右方向の移動（すなわち、面方向の移動）が制限される。したがって、各構成部品の面方向の位置が容易に決められる。そのため、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０を積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
また、位置決め部２２８が、セパレータ２００に設けられているため、ＭＥＡ４００、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０の積層位置をそろえるために、位置決め用の治具を用いる必要がなくなるため、治具を用意する工程、費用等を低減させることができる。
また、上記したように、カソード側多孔体３４０は、壁面Ｓの仮想面ＵＳ側は、面Ｆが形成され、壁面Ｓの仮想面ＤＳ側は、角Ｃが形成されている。すなわち、カソード側多孔体３４０は、仮想面ＵＳ側と、仮想面ＤＳ側とで、形状が異なっている。換言すると、カソード側多孔体３４０には、表裏がある。本実施例において、カソード側多孔体３４０には、切欠部３４８が、位置決め部２８８に係合されるように、３箇所形成されているため、カソード側多孔体３４０を、１８０度回転したり、裏返すと、セパレータ２００上に積層した場合に、位置決め部２８８に係合されない切欠部３２８がある。そのため、カソード側多孔体３４０の表裏、上下左右を間違えることなく、積層することができる。
なお、本実施例において、ＭＥＡ４００のアノード４４０とカソード４６０とは、同一の構成から成るが、アノード４４０とカソード４６０とを、異なる構成にする場合がある。そのような場合にも、本実施例のように、３箇所に切欠部４０８を設けていれば、アノード４４０とカソード４６０とを、間違えて配置することがなくなる。したがって、セルモジュール１００を製造する際に、表裏を確認してから配置したり、表裏を識別する印をつけたりする煩わしさを軽減することができる。
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．実施例の構成：
図１１は、本実施例のセルモジュール１００Ａの平面構成を示す平面図であり、図１２は、セルモジュール１００Ａの図１１におけるＢ−Ｂ切断面の概略構成を示す断面図である。図１１は、セルモジュール１００Ａを、カソード側多孔体３４０Ａ側から見て示している。セルモジュール１００Ａは、図１１、１２に示すように、第１の実施例と同様に、平面形状が略長方形状を成すセパレータ２００Ａのアノード対向プレート２２０Ａ（後に詳述する）側にアノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの順に積層され、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの外周に、枠状に、シールガスケット５００Ａが形成されている。本実施例のセルモジュール１００Ａと、第１の実施例のセルモジュール１００とが異なる点は、本実施例のセルモジュール１００Ａを構成するＭＥＡ４００Ａ、アノード側多孔体３２０Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの平面形状と、セパレータ２００Ａの構成である。
Ｂ１．実施例の構成：
図１１は、本実施例のセルモジュール１００Ａの平面構成を示す平面図であり、図１２は、セルモジュール１００Ａの図１１におけるＢ−Ｂ切断面の概略構成を示す断面図である。図１１は、セルモジュール１００Ａを、カソード側多孔体３４０Ａ側から見て示している。セルモジュール１００Ａは、図１１、１２に示すように、第１の実施例と同様に、平面形状が略長方形状を成すセパレータ２００Ａのアノード対向プレート２２０Ａ（後に詳述する）側にアノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの順に積層され、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの外周に、枠状に、シールガスケット５００Ａが形成されている。本実施例のセルモジュール１００Ａと、第１の実施例のセルモジュール１００とが異なる点は、本実施例のセルモジュール１００Ａを構成するＭＥＡ４００Ａ、アノード側多孔体３２０Ａ、カソード側多孔体３４０Ａの平面形状と、セパレータ２００Ａの構成である。
Ｂ１−２．セパレータの構成：
図１２に示すように、セパレータ２００Ａは、アノード側多孔体３２０Ａと当接するアノード対向プレート２２０Ａと、カソード側多孔体３４０Ａと当接するカソード対向プレート２４０Ａと、アノード対向プレート２２０Ａおよびカソード対向プレート２４０Ａに狭持された中間プレート２６０Ａと、が積層された３層構造を有している。本実施例におけるカソード対向プレート２４０Ａおよび中間プレート２６０Ａは、第１の実施例におけるカソード対向プレート２４０および中間プレート２６０と同一であるため、その構成の説明は省略する。
図１２に示すように、セパレータ２００Ａは、アノード側多孔体３２０Ａと当接するアノード対向プレート２２０Ａと、カソード側多孔体３４０Ａと当接するカソード対向プレート２４０Ａと、アノード対向プレート２２０Ａおよびカソード対向プレート２４０Ａに狭持された中間プレート２６０Ａと、が積層された３層構造を有している。本実施例におけるカソード対向プレート２４０Ａおよび中間プレート２６０Ａは、第１の実施例におけるカソード対向プレート２４０および中間プレート２６０と同一であるため、その構成の説明は省略する。
アノード対向プレート２２０Ａが第１の実施例と異なる点は、位置決め部２２８Ａが、アノード対向プレート２２０Ａをプレス加工して設けられたのではなく、別部材として設けられている点である。位置決め部２２８Ａは、略円柱状を成し、一端に、アノード対向プレート２２０Ａに接合するための突起が設けられている。そして、アノード対向プレート２２０Ａに設けられる接合穴２２９Ａ(図１１)に、その突起を嵌め込むことにより、位置決め部２２８Ａはアノード対向プレート２２０Ａに接合される。図１１に示すように、位置決め部２２８Ａは、カソード側多孔体３４０の外周に、３箇所設けられている。なお、本実施例において、位置決め部２２８Ａは、アノード対向プレート２２０Ａと同一のステンレス鋼を用いているが、その他の金属を用いてもよいし、樹脂等を用いてもよい。
Ｂ１−３．ＭＥＡの構成：
図１２に示すように、ＭＥＡ４００Ａは、第１の実施例におけるＭＥＡ４００と同様に、電解質膜４２０Ａの両面に、それぞれ、アノード４４０Ａ、カソード４６０Ａが接合されて成る。本実施例におけるＭＥＡ４００Ａが、第１の実施例におけるＭＥＡ４００と異なる点は、図１２に示すように、アノード４４０Ａが、カソード４６０Ａと同じ大きさであり、電解質膜４２０Ａよりも小さい点と、図１１に示すように、平面略長方形状を成すＭＥＡ４００Ａの、４つの角のいずれにも、切欠部４０８が形成されていない点である。すなわち、本実施例におけるＭＥＡ４００Ａは、長方形の４辺のうちの３辺を、それぞれ、位置決め部２２８Ａに沿わせることにより、ＭＥＡ４００Ａの、セパレータ２００Ａに対する面方向の位置が決まるように、位置決め部２２８Ａが配置されている。
図１２に示すように、ＭＥＡ４００Ａは、第１の実施例におけるＭＥＡ４００と同様に、電解質膜４２０Ａの両面に、それぞれ、アノード４４０Ａ、カソード４６０Ａが接合されて成る。本実施例におけるＭＥＡ４００Ａが、第１の実施例におけるＭＥＡ４００と異なる点は、図１２に示すように、アノード４４０Ａが、カソード４６０Ａと同じ大きさであり、電解質膜４２０Ａよりも小さい点と、図１１に示すように、平面略長方形状を成すＭＥＡ４００Ａの、４つの角のいずれにも、切欠部４０８が形成されていない点である。すなわち、本実施例におけるＭＥＡ４００Ａは、長方形の４辺のうちの３辺を、それぞれ、位置決め部２２８Ａに沿わせることにより、ＭＥＡ４００Ａの、セパレータ２００Ａに対する面方向の位置が決まるように、位置決め部２２８Ａが配置されている。
Ｂ１−４．多孔体流路形成部材の構成：
カソード側多孔体３４０Ａは、図１１に示すように、平面形状が、上記したＭＥＡ４００Ａと同様の、略長方形状を成す。アノード側多孔体３２０は、図１２に示すように、カソード側多孔体３４０Ａと同一の大きさ・形状を成している。図１１、１２に示すように、カソード側多孔体３４０Ａ、アノード側多孔体３２０Ａも、ＭＥＡ４００Ａと同様に、長方形の４辺の内、３辺を、それぞれ位置決め部２２８Ａに沿わせることにより、カソード側多孔体３４０Ａ、アノード側多孔体３２０Ａの、セパレータ２００Ａに対する面方向の位置が決まる。
カソード側多孔体３４０Ａは、図１１に示すように、平面形状が、上記したＭＥＡ４００Ａと同様の、略長方形状を成す。アノード側多孔体３２０は、図１２に示すように、カソード側多孔体３４０Ａと同一の大きさ・形状を成している。図１１、１２に示すように、カソード側多孔体３４０Ａ、アノード側多孔体３２０Ａも、ＭＥＡ４００Ａと同様に、長方形の４辺の内、３辺を、それぞれ位置決め部２２８Ａに沿わせることにより、カソード側多孔体３４０Ａ、アノード側多孔体３２０Ａの、セパレータ２００Ａに対する面方向の位置が決まる。
Ｂ２．実施例の効果：
本実施例のセルモジュール１００Ａにおいて、セパレータ２００Ａのアノード対向プレート２２０Ａには、突起状の位置決め部２２８Ａが形成されている。そのため、セルモジュール１００Ａの製造時、セパレータ２００Ａの上に、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａを積層する際に、位置決め部２２８Ａに、それぞれの各辺を沿わせるようにして積層すると、位置決め部２２８Ａによって、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａのセパレータ２００Ａに対する面方向（上下左右方向）の移動が制限される。したがって、各構成部品の面方向の位置が容易に決められるため、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００Ａの上に、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａを積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
本実施例のセルモジュール１００Ａにおいて、セパレータ２００Ａのアノード対向プレート２２０Ａには、突起状の位置決め部２２８Ａが形成されている。そのため、セルモジュール１００Ａの製造時、セパレータ２００Ａの上に、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａを積層する際に、位置決め部２２８Ａに、それぞれの各辺を沿わせるようにして積層すると、位置決め部２２８Ａによって、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａのセパレータ２００Ａに対する面方向（上下左右方向）の移動が制限される。したがって、各構成部品の面方向の位置が容易に決められるため、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００Ａの上に、アノード側多孔体３２０Ａ、ＭＥＡ４００Ａ、カソード側多孔体３４０Ａを積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
また、位置決め部２２８Ａは、一端に突起部が設けられており、その突起部を、アノード対向プレート２２０Ａに設けられた接合穴２２９Ａに嵌め込むことにより、容易に、位置決め部２２８Ａを、アノード対向プレート２２０Ａに接合することができる。
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ１．実施例の構成：
図１３は、本実施例のセルモジュール１００Ｂの平面構成を示す平面図であり、図１４は、セルモジュール１００Ｂの図１３におけるＣ−Ｃ切断面の概略構成を示す断面図である。図１３は、セルモジュール１００Ｂを、カソード側多孔体３４０Ｂ側から見て示している。セルモジュール１００Ｂは、図１３、１４に示すように、第１の実施例におけるアノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０に代えて、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを用いる以外は、第１の実施例と同様の構成を成すため、同一の符号を付して、セパレータ２００とシールガスケット５００の説明は、省略する。
Ｃ１．実施例の構成：
図１３は、本実施例のセルモジュール１００Ｂの平面構成を示す平面図であり、図１４は、セルモジュール１００Ｂの図１３におけるＣ−Ｃ切断面の概略構成を示す断面図である。図１３は、セルモジュール１００Ｂを、カソード側多孔体３４０Ｂ側から見て示している。セルモジュール１００Ｂは、図１３、１４に示すように、第１の実施例におけるアノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０に代えて、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを用いる以外は、第１の実施例と同様の構成を成すため、同一の符号を付して、セパレータ２００とシールガスケット５００の説明は、省略する。
Ｃ１−１．ＭＥＡの構成：
ＭＥＡ４００Ｂは、図１４に示すように、電解質膜４２０Ｂの一方の面に、アノード側触媒層４４２、アノード側拡散層４４４が順に積層され、電解質膜４２０Ｂの他方の面に、カソード側触媒層４６２、カソード側拡散層４６４が順に積層され、接合されて成る。本実施例におけるＭＥＡ４００Ｂが、第１の実施例と異なる点の１つ目は、電解質膜４２０Ｂの外周に、電解質膜４２０Ｂの周縁を補強するための補強フィルム４８０Ｂが設けられている点である。補強フィルム４８０Ｂは、電解質膜４２０Ｂよりも剛性が高いフィルムから成る。電解質膜４２０は、あまり剛性がないため、電解質膜４２０の周縁部分が、アノード側拡散層４４４、カソード側拡散層４６４に挟まれると、電解質膜４２０の周縁付近が破損したりして、電気的短絡が生じるおそれがある。本実施例では、電解質膜４２０の周縁を枠状に囲む補強フィルム４８０Ｂが形成されており、補強フィルム４８０Ｂ上に、アノード側拡散層４４４Ｂ、カソード側拡散層４６４Ｂの端部が配置されるため、電気的短絡が生じる可能性を低減させることができる。
ＭＥＡ４００Ｂは、図１４に示すように、電解質膜４２０Ｂの一方の面に、アノード側触媒層４４２、アノード側拡散層４４４が順に積層され、電解質膜４２０Ｂの他方の面に、カソード側触媒層４６２、カソード側拡散層４６４が順に積層され、接合されて成る。本実施例におけるＭＥＡ４００Ｂが、第１の実施例と異なる点の１つ目は、電解質膜４２０Ｂの外周に、電解質膜４２０Ｂの周縁を補強するための補強フィルム４８０Ｂが設けられている点である。補強フィルム４８０Ｂは、電解質膜４２０Ｂよりも剛性が高いフィルムから成る。電解質膜４２０は、あまり剛性がないため、電解質膜４２０の周縁部分が、アノード側拡散層４４４、カソード側拡散層４６４に挟まれると、電解質膜４２０の周縁付近が破損したりして、電気的短絡が生じるおそれがある。本実施例では、電解質膜４２０の周縁を枠状に囲む補強フィルム４８０Ｂが形成されており、補強フィルム４８０Ｂ上に、アノード側拡散層４４４Ｂ、カソード側拡散層４６４Ｂの端部が配置されるため、電気的短絡が生じる可能性を低減させることができる。
また、本実施例におけるＭＥＡ４００Ｂが、第１の実施例と異なる点の２つ目は、セパレータ２００の位置決め部２２８が貫通される、円形状の切欠部４８８Ｂが補強フィルム４８０Ｂに設けられている点である。第１の実施例においては、位置決め部２２８に係合される切欠部は、四角形状であり、電解質膜４２０、アノード４４０、およびカソード４６０それぞれに形成されている。補強フィルム４８０Ｂに設けられる切欠部４８８Ｂにセパレータ２００に設けられる位置決め部２２８を通すと、ＭＥＡ４００Ｂのセパレータ２００に対する面方向（上下左右方向）の移動が制限され、ＭＥＡ４００Ｂのセパレータ２００に対する面方向の相対位置を決めることができる。
Ｃ１−２．多孔体流路形成部材の構成：
本実施例のカソード側多孔体３４０Ｂが、第１の実施例のカソード側多孔体３４０と異なる点は、切欠部３４８Ｂの形状が四角形状ではなく、図１３に示すように、円形状である点である。カソード側多孔体３４０Ｂの切欠部３４８Ｂは、上記したＭＥＡ４００Ｂの補強フィルム４８０Ｂに設けられる切欠部４８８Ｂと同一形状であり、ＭＥＡ４００Ｂの上に積層した場合に、切欠部３４８Ｂと切欠部４８８Ｂとが重なるように配置されている。アノード側多孔体３２０Ｂは、カソード側多孔体３４０Ｂと同一の大きさ・形状を成すと共に、カソード側多孔体３４０Ｂの切欠部３４８Ｂと同様の円形状の切欠部３２８Ｂが設けられている。すなわち、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂに設けられる切欠部３４８Ｂ、３２８Ｂにセパレータ２００に設けられる位置決め部２２８を通すと、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂのセパレータ２００に対する面方向（上下左右方向）の移動が制限され、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂのセパレータ２００に対する面方向の相対位置を決めることができる。
本実施例のカソード側多孔体３４０Ｂが、第１の実施例のカソード側多孔体３４０と異なる点は、切欠部３４８Ｂの形状が四角形状ではなく、図１３に示すように、円形状である点である。カソード側多孔体３４０Ｂの切欠部３４８Ｂは、上記したＭＥＡ４００Ｂの補強フィルム４８０Ｂに設けられる切欠部４８８Ｂと同一形状であり、ＭＥＡ４００Ｂの上に積層した場合に、切欠部３４８Ｂと切欠部４８８Ｂとが重なるように配置されている。アノード側多孔体３２０Ｂは、カソード側多孔体３４０Ｂと同一の大きさ・形状を成すと共に、カソード側多孔体３４０Ｂの切欠部３４８Ｂと同様の円形状の切欠部３２８Ｂが設けられている。すなわち、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂに設けられる切欠部３４８Ｂ、３２８Ｂにセパレータ２００に設けられる位置決め部２２８を通すと、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂのセパレータ２００に対する面方向（上下左右方向）の移動が制限され、カソード側多孔体３４０Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂのセパレータ２００に対する面方向の相対位置を決めることができる。
Ｃ２．実施例の効果：
本実施例のセルモジュール１００Ｂにおいて、第１の実施例と同様に、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０には、突起状の位置決め部２２８が形成されている。そして、ＭＥＡ４００Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂには、それぞれ、略円形状を成す、切欠部４８８Ｂ、３２８Ｂ、３４８Ｂが形成されている。そのため、セルモジュール１００Ｂの製造時、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを積層する際に、略円形状を成す、各切欠部４８８Ｂ、３２８Ｂ、３４８Ｂに、位置決め部２２８を通すようにして積層すると、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂのセパレータ２００に対する面方向（上下左右方向）の移動が制限される。そのため、各構成部品の面方向の位置が容易に決められるため、第１の実施例と同様に、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
本実施例のセルモジュール１００Ｂにおいて、第１の実施例と同様に、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０には、突起状の位置決め部２２８が形成されている。そして、ＭＥＡ４００Ｂ、アノード側多孔体３２０Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂには、それぞれ、略円形状を成す、切欠部４８８Ｂ、３２８Ｂ、３４８Ｂが形成されている。そのため、セルモジュール１００Ｂの製造時、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを積層する際に、略円形状を成す、各切欠部４８８Ｂ、３２８Ｂ、３４８Ｂに、位置決め部２２８を通すようにして積層すると、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂのセパレータ２００に対する面方向（上下左右方向）の移動が制限される。そのため、各構成部品の面方向の位置が容易に決められるため、第１の実施例と同様に、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。したがって、セパレータ２００の上に、アノード側多孔体３２０Ｂ、ＭＥＡ４００Ｂ、カソード側多孔体３４０Ｂを積層する際に、それらの位置を目分量で合わせる等の製造者の煩わしさが低減できる。
また、本実施例におけるＭＥＡ４００Ｂは、電解質膜４２０Ｂの外周が、電解質膜４２０Ｂよりも剛性が高い補強フィルム４８０Ｂによって補強されている。そして、補強フィルム４８０Ｂ上に、アノード側拡散層４４４Ｂ、カソード側拡散層４６４Ｂの端部が配置されている。従って、剛性の低い電解質膜４２０Ｂの端部が、アノード側拡散層４４４Ｂ、カソード側拡散層４６４Ｂによって破損するおそれが低減されるため、電気的短絡が生じるのを低減させることができる。
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（１）上記した実施例において、位置決め部２２８は、カソード側多孔体３４０の３つの角付近に設けられるが、位置決め部２２８の配置および個数は、上記した実施例に限定されず、位置決め部２８８によって、セパレータ２００に対する、ＭＥＡ４００、多孔体３２０、３４０の面方向の移動が制限されればよい。例えば、図１５は、変形例１のセパレータ２００Ｃを示す平面図である。図１５では、セパレータ２００Ｃ上に、アノード側多孔体３２０Ｃ、ＭＥＡ４００Ｃ、カソード側多孔体３４０Ｃを、その順に積層した状態を示している。図示するように、変形例１の位置決め部２２８Ｃは、カソード側多孔体３４０Ｃの２つの対角付近に設けられている。このようにしても、位置決め部２２８Ｃに、略長方形状を成すカソード側多孔体３４０Ｃ、ＭＥＡ４００Ｃ、アノード側多孔体３２０Ｃの角を沿わせるようにして配置すれば、略長方形を成すアノード側多孔体３２０Ｃ、ＭＥＡ４００Ｃ、カソード側多孔体３４０Ｃは、それぞれの各辺が、位置決め部２２８Ｃのいずれかに接触して、面方向の移動が制限されるため、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。
（２）上記した実施例において、位置決め部２２８は、略長方形を成すカソード側多孔体３４０の４つの角のうち、３つの角付近に設けられるが、少なくとも、１つの角付近に設けられればよい。１つの角付近に、位置決め部２２８を１つ設けると、ＭＥＡ４００の辺や、角や、切欠部４０８を、位置決め部２８８に、沿わせることによって、ＭＥＡ４００の面方向（上下左右方向）のいずれかの方向の移動が制限されるため、セパレータ２００に対する、ＭＥＡ４００の大まかな位置が決まる。さらに、対角の２つの角付近に、位置決め部２２８を設ける場合には、ＭＥＡ４００の辺や、角や、切欠部４０８を、位置決め部２８８に沿わせると、ＭＥＡ４００の面方向（上下左右方向）の移動が制限されるため、セパレータ２００に対するＭＥＡ４００の位置が決まる。さらに、３つの角付近に、位置決め部２２８を設けると、位置決めの精度が増し、また、上記したように、ＭＥＡ４００の向きや表裏も決まるため、好適である。
（３）また、上記した実施例において、位置決め部２２８は、略長方形を成すカソード側多孔体３４０の角付近に形成されるものを示したが、角付近に限定されず、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０の縁辺付近の少なくとも１部に設けてもよい。そうすれば、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０に切欠部が形成されていない場合には、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０の所定の辺を、位置決め部２８８に沿わせるようにして、セパレータ２００に積層すれば、面方向（上下左右の方向）のいずれかの方向の移動が制限されるため、各構成部材の相互の面方向の位置ずれを抑制することができる。また、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０の縁辺付近に切欠部を設けて、切欠部を位置決め部２２８に係合させることによって、各構成部材の相互の面方向の位置ずれを抑制するようにしてもよい。
（４）さらに、位置決め部２８８を、ＭＥＡ４００等の縁辺付近ではなく、セパレータ２００の、多孔体３２０、３４０と当接する領域内に設けてもよい。このようにする場合には、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０の、所定の位置に位置決め部２８８と係合する切欠部を形成し、切欠部を位置決め部２２８に係合させてセパレータ２００に積層すれば、ＭＥＡ４００や、多孔体３２０、３４０の、セパレータ２００に対する面方向の移動が制限されるため、各構成部材の相互の面方向の位置ずれを抑制することができる。
（５）また、上記した実施例において、位置決め部２２８は、面方向の断面が略円形状を成す突起状に形成されているが、その形状は、上記した実施例に限定されず、ＭＥＡ４００の各辺や、角、切欠部と接することにより、ＭＥＡ４００の面方向の移動を制限するような、種々の形状を採用することができる。例えば、図１５に示すように、角を挟むように、２つの突起を設けるようにしてもよい。また、角に係合するような、鉤状に形成してもよい。また、第１の実施例における切欠部３４８が係合するような、四角形状にしてもよい。
（６）また、上記した実施例において、カソード側多孔体３４０等に形成される切欠部３４８等の形状として、四角形状のものと、円形状のものを示したが、その形状は、上記した実施例に限定されず、位置決め部２２８に接することにより、ＭＥＡ４００、多孔体３２０、３４０の面方向の移動が制限される形状であればよい。例えば、図１６は、変形例２のカソード側多孔体３４０Ｄを示す平面図である。図１６において、セパレータ２００上に、アノード側多孔体３２０Ｄ、ＭＥＡ４００Ｄ、カソード側多孔体３４０Ｄが、その順に積層された状態を示している。図示するように、カソード側多孔体３４０Ｄには、３つの角付近に、三角形状を成す切欠部３４８Ｄが形成されている。このようにしても、各切欠部３４８Ｄを、位置決め部２２８に沿わせるようにして配置すれば、第１の実施例と同様に、各構成部品の面方向にずれが生じるのを抑制することができる。
（７）上記した実施例において、多孔体流路形成部材として、エキスパンドメタルを用いるものを示したが、その他、発泡焼結金属、パンチングメタル等、種々の多孔体を用いることができる。
（８）上記した実施例では、射出成形によりシールガスケット５００を形成することにより、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０が、それぞれ、シールガスケット５００と接着されて、一体的に固定されて成るセルモジュール１００が製造されているが、セルモジュール１００の製造方法は、上記した実施例の方法に限定されない。例えば、シールガスケットを単体で製造しておいて、セパレータ２００、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０を、それぞれ、シールガスケット５００と接着剤等を用いて接着することによって、一体的に固定するようにしてもよい。また、セルモジュール１００を構成する構成部材を、公知の固定手段によって、一体的に固定してもよい。
（９）上記した実施例において、反応ガスをＭＥＡに供給するための流路として、多孔体を用いているが、反応ガスを供給するための流路の形状は、上記した実施例に限定されず、例えば、溝形状、ディンプル形状等、種々の形状を採用することができる。
（１０）上記した実施例において、位置決め部２８８として、セパレータ２００に突起状に形成されるものを例示しているが、例えば、ＭＥＡや多孔体に位置決め部を設けるようにしてもよい。ＭＥＡに位置決め部を設ける場合には、第３の実施例に示す補強フィルム４８０Ｂを貫通する棒状の位置決め部を形成し、一方、セパレータ２００、多孔体に位置決め部を挿通可能な挿通孔を設けて、各挿通孔に位置決め部を挿通するようにしてもよい。また、多孔体に位置決め部を設ける場合には、例えば、カソード側多孔体に突起状の位置決め部を形成し、一方、ＭＥＡ、アノード側多孔体、セパレータに、それぞれ、位置決め部を挿通可能な挿通孔を設ける。そして、セパレータ、アノード側多孔体、ＭＥＡを、挿通孔が重なるように、積層して、重なった各挿通孔に、位置決め部を挿通するようにしてもよい。このようにしても、セパレータ、アノード側多孔体、ＭＥＡ、カソード側多孔体が、面方向に相互に位置ずれが生じるのを低減することができる。
また、例えば、セパレータに凹部、発電体に凸部を設け（例えば、第３の実施例における補強フィルムと同様の補強フィルムに、凸部を形成する）、発電体の凸部を、セパレータの凹部に嵌合させることにより、位置決めをするようにしてもよい。この場合には、凹部および凸部が、位置決め部に相当する。このようにしても、発電体のセパレータに対する面方向の移動が抑制されるため、相互の面方向の位置ずれを抑制することができる。
１０Ａ…燃料電池スタック
１００、１００Ａ、１００Ｂ…セルモジュール
１０２、１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｍ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｊ…アノードガス供給用接続部
１０４、１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｍ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ｊ…アノード排ガス排出用接続部
１０６、１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｍ…カソードガス供給用貫通孔
１０６ｊ…カソードガス供給用接続部
１０８、１０８ａ、１０８ｃ、１０８ｍ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ｊ…カソード排ガス排出用接続部
１１０、１１０ａ、１１０ｃ…冷却水用貫通孔
１１０ｐ…冷却水流路
２００、２００Ａ、２００Ｃ…セパレータ
２２０、２２０Ａ…アノード対向プレート
２２２ｈ…アノードガス供給口
２２４ｈ…アノード排ガス排出口
２２９Ａ…接合穴
２４０、２４０Ａ…カソード対向プレート
２４６ｈ…カソードガス供給口
２４８ｈ…カソード排ガス排出口
２６０、２６０Ａ…中間プレート
２８８、２２８Ａ、２２８Ｃ…位置決め部
３２０、３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄ…アノード側多孔体
３２８、３２８Ｂ、３４８、３４８Ｂ、３４８Ｄ、４０８、４２８、４４８、４６８、４８８Ｂ…切欠部
３４０、３４０Ａ、３４０Ｂ、３４０Ｃ、３４０Ｄ…カソード側多孔体
４００、４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ…ＭＥＡ
４２０、４２０Ａ、４２０Ｂ…電解質膜
４４０、４４０Ａ…アノード
４４２…アノード側触媒層
４４４、４４４Ｂ…アノード側拡散層
４６０…カソード、４６０Ａ…カソード
４６２…カソード側触媒層
４６４、４６４Ｂ…カソード側拡散層
４８０Ｂ…補強フィルム
５００、５００Ａ…シールガスケット
Ｓ…壁面
ＳＬ…シールライン
ＵＳ…仮想面
ＤＳ…仮想面
１００、１００Ａ、１００Ｂ…セルモジュール
１０２、１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｍ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｊ…アノードガス供給用接続部
１０４、１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｍ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ｊ…アノード排ガス排出用接続部
１０６、１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｍ…カソードガス供給用貫通孔
１０６ｊ…カソードガス供給用接続部
１０８、１０８ａ、１０８ｃ、１０８ｍ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ｊ…カソード排ガス排出用接続部
１１０、１１０ａ、１１０ｃ…冷却水用貫通孔
１１０ｐ…冷却水流路
２００、２００Ａ、２００Ｃ…セパレータ
２２０、２２０Ａ…アノード対向プレート
２２２ｈ…アノードガス供給口
２２４ｈ…アノード排ガス排出口
２２９Ａ…接合穴
２４０、２４０Ａ…カソード対向プレート
２４６ｈ…カソードガス供給口
２４８ｈ…カソード排ガス排出口
２６０、２６０Ａ…中間プレート
２８８、２２８Ａ、２２８Ｃ…位置決め部
３２０、３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄ…アノード側多孔体
３２８、３２８Ｂ、３４８、３４８Ｂ、３４８Ｄ、４０８、４２８、４４８、４６８、４８８Ｂ…切欠部
３４０、３４０Ａ、３４０Ｂ、３４０Ｃ、３４０Ｄ…カソード側多孔体
４００、４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ…ＭＥＡ
４２０、４２０Ａ、４２０Ｂ…電解質膜
４４０、４４０Ａ…アノード
４４２…アノード側触媒層
４４４、４４４Ｂ…アノード側拡散層
４６０…カソード、４６０Ａ…カソード
４６２…カソード側触媒層
４６４、４６４Ｂ…カソード側拡散層
４８０Ｂ…補強フィルム
５００、５００Ａ…シールガスケット
Ｓ…壁面
ＳＬ…シールライン
ＵＳ…仮想面
ＤＳ…仮想面
Claims (2)
- 燃料電池スタックを構成するセルモジュールであって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、
前記発電体の一方の面側に配置されるセパレータと、
前記発電体の外周に設けられるシール部材と、
前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、
前記セパレータと、前記発電体と、前記多孔体流路形成部材との、面方向の相対位置を決める位置決め部と、
を備え、
前記位置決め部は、前記セパレータに形成される突起であり、
前記発電体と前記一対の多孔体流路形成部材とには、前記位置決め部と係合する係合部が形成され、
前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とが、一体的に固定されていることを特徴とするセルモジュール。 - 請求項１に記載のセルモジュールであって、
前記発電体は、
平面略長方形状を成し、その４つの角のうち、３つの角付近に、それぞれ係合部が形成されていることを特徴とするセルモジュール。
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|---|---|---|---|
| JP2008040847A JP5233310B2 (ja) | 2008-02-22 | 2008-02-22 | セルモジュールおよびセルモジュールの製造方法 |
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|---|---|---|---|
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