JP5418671B2 - 燃料電池スタック、燃料電池スタックの製造方法、および、燃料電池スタックを構成するモジュールの交換方法 - Google Patents

燃料電池スタック、燃料電池スタックの製造方法、および、燃料電池スタックを構成するモジュールの交換方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池のスタック構造に関する。
燃料電池のスタック構造として、下記特許文献１には、対向する２枚のセパレータでＭＥＡ（膜電極接合体）を狭持してなる燃料電池セル間を、ガスケットでシールする構造が開示されている。この特許文献１では、ガスケットは、略三角状の断面を有しており、その底面が、各燃料電池セルの一方の面に接着されている。各燃料電池セルは、ガスケットの先端を一方向に向けてそれぞれ積層されている。
図１には、このような従来のスタック構造において、例えば、交換が必要な燃料電池セル１を燃料電池スタック２内から抜き取った例を示している。図１に示すように、従来のスタック構成において燃料電池セル１を抜き取ると、抜き取った燃料電池セル１に隣接していた燃料電池セル３に接着されているガスケット４が露出されることになる。しかし、ガスケット等のシール部材は、一旦、外部に露出されると、埃などの異物が付着してシール力が低下する虞があり、再使用することは困難である。そこで、この露出したガスケット４を交換しようとすると、ガスケット４のみを交換することができないため、ガスケット４が接着されている燃料電池セル３の交換も必要となる。そこで、燃料電池セル３を交換しようとすると、更に、燃料電池セル３の下方に位置する燃料電池セルの交換も必要になり、結局、図１の場合には、交換が必要な燃料電池セル１よりも下方に存在している全ての燃料電池セルを交換する必要がある。つまり、従来は、交換が必要な目的の燃料電池セルよりも多くの燃料電池セルを交換しなければならず、燃料電池スタックの修理には多大なコストを要していた。
特開２００６−２４４７６５号公報 特開２００２−１５１１１２号公報
このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックを構成するモジュールを経済的に交換可能な技術を提供することである。
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、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］複数のモジュールが積層されて構成される燃料電池スタックであって、電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールと、セパレータを含み、第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの一方の面に隣接して配置された第２のモジュールと、セパレータを含み、第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの他方の面に隣接して配置された第３のモジュールと、を備え、前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高い、燃料電池スタック。
このような構成の燃料電池スタックであれば、第１のシール部材と第２のシール部材とを上記のような剥離強度を持たせて第１〜第３のモジュール間に介在させることで、第１のモジュールを交換する際には、第１のモジュールを第１のシール部材および第２のシール部材ごと燃料電池スタック内から抜き出すことができる。そのため、抜き出した第１のモジュールに隣接していた第２あるいは第３のモジュールから、第１のシール部材や第２のシール部材が露出することを抑制することができる。よって、従来のように、交換対象の燃料電池セルよりも多くの燃料電池セルを抜き出す必要がなく、経済的に燃料電池スタックを構成するモジュールを交換することが可能になる。
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池スタックであって、前記第１のモジュールと前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは、それぞれ、前記電解質膜と、前記アノードと、前記カソードと、該電解質膜とアノードとカソードとを狭持する一対の前記セパレータと、を含む燃料電池セルを１つまたは複数備える、燃料電池スタック。
このような構成であれば、各モジュールを、１または複数の燃料電池セルによって構成することができるので、一度に交換する燃料電池セルの単位を様々な数に設定することが可能になる。
［適用例３］適用例１に記載の燃料電池スタックであって、前記第２のモジュールに含まれる前記セパレータは、前記第１のモジュールが有する前記アノードまたは前記カソードに隣接して配置され、前記第３のモジュールに含まれる前記セパレータは、前記第１のモジュールが有する前記アノードまたは前記カソードに隣接して配置される、燃料電池スタック。
このような構成であれば、例えば、第２のモジュールや第３のモジュールをセパレータのみによって構成することができる。そのため、電解質膜やアノード、カソードの交換が必要になった場合には、第１のモジュールのみを交換するだけでよい。
［適用例４］適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する接触面積は、前記第１のシール部材の前記第２のモジュールに対する接触面積よりも大きく、前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する接触面積は、前記第１のシール部材の前記第２のモジュールに対する接触面積よりも大きい、燃料電池スタック。
このような構成であれば、各シール部材が第１のモジュールに接触する面積を、他のモジュールに接触する面積よりも大きくすることができるので、第１のモジュールを各シール部材ごと容易に抜き出すことが容易になる。
［適用例５］適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、前記第１のシール部材は、前記第１のモジュールに対しては接着され、前記第２のモジュールに対しては粘着しており、前記第２のシール部材は、前記第１のモジュールに対しては接着され、前記第３のモジュールに対しては粘着している、燃料電池スタック。
このような構成であれば、第１のシール部材や第２のシール部材は第１のモジュールに接着され、他のモジュールに対しては粘着されているので、第１のモジュールを各シール部材ごと容易に抜き出すことが可能になる。
［適用例６］適用例１から適用例５までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは同一の構成であり、前記第１のシール部材と、前記第１のモジュールと、前記第２のシール部材と、前記第２のモジュールとが、この順に複数組積層されている、燃料電池スタック。
このような構成であれば、第２のモジュールを交換する場合には、第１のシール部材と、この第１のシール部材に隣接する第１のモジュールと、この第１のモジュールに隣接する第２のシール部材と、この第２のシール部材に隣接する第２のモジュールと、この第２のモジュールに隣接する第１のシール部材と、この第１のシール部材に隣接する第１のモジュールと、この第１のモジュールに隣接する第２のシール部材と、をまとめて抜き出すことで、燃料電池スタック内に第１のシール部材や第２のシール部材が露出することを抑制することができる。そのため、従来のように、交換対象の燃料電池セルから一方向に存在する全ての燃料電池セルを交換する必要がなく、経済的に燃料電池スタックを構成するモジュールを交換することが可能になる。
本発明は、上述した燃料電池スタックとしての構成のほか、以下のような燃料電池スタックの製造方法や燃料電池スタックを構成するモジュールの交換方法として構成することも可能である。
［適用例７］燃料電池スタックの製造方法であって、
（ａ）電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールの一方の面に第１のシール部材を配置し、他方の面に第２のシール部材を配置する工程と、
（ｂ）前記第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの前記一方の面に、セパレータを含む第２のモジュールを配置する工程と、
（ｃ）前記第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの前記他方の面にセパレータを含む第３のモジュールを配置する工程と、を備え、
前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、
前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高い、
燃料電池スタックの製造方法。
［適用例８］燃料電池スタックを構成するモジュールの交換方法であって、
前記燃料電池スタックは、
電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールと、
セパレータを含み、第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの一方の面に隣接して配置された第２のモジュールと、
セパレータを含み、第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの他方の面に隣接して配置された第３のモジュールと、を備え、
前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、
前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高いものであり、
前記第１のモジュールを交換する場合に、
（ａ）前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに接する前記第１のシール部材と、該第１のモジュールに接する前記第２のシール部材と、を第１の交換単位モジュールとして、前記燃料電池スタックから抜き出す工程と、
（ｂ）新たな前記第１の交換単位モジュールを、抜き出した前記第１の交換単位モジュールに替えて前記燃料電池スタック内に配置する工程と、
備える交換方法。
［適用例９］適用例８に記載の交換方法であって、
前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは同一の構成であり、
前記燃料電池スタックは、前記第１のシール部材と、前記第１のモジュールと、前記第２のシール部材と、前記第２のモジュールとが、この順に複数組積層されることで構成されており、
前記第２のモジュールを交換する場合に、
（ｃ）前記第１のシール部材と、該第１のシール部材に隣接する前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに隣接する前記第２のシール部材と、該第２のシール部材に隣接する前記第２のモジュールと、該第２のモジュールに隣接する前記第１のシール部材と、該第１のシール部材に隣接する前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに隣接する前記第２のシール部材と、を第２の交換単位モジュールとして、前記燃料電池スタックから抜き出す工程と、
（ｄ）新たな前記第２の交換単位モジュールを、抜き出した前記第２の交換単位モジュールに替えて前記燃料電池スタック内に配置する工程と、
を備える交換方法。
燃料電池の従来のスタック構造を示す図である。 第１実施例の燃料電池スタックの外観斜視図である。 燃料電池スタックの断面図である。 燃料電池セルの概略構成を示す説明図である。 セパレータにガスケットを接着する方法を示す説明図である。 セパレータにガスケットを接着する他の方法を示す説明図である。 セパレータにガスケットを接着する他の方法を示す説明図である。 第１の燃料電池セルを交換する方法を示す説明図である。 第２の燃料電池セルを交換する方法を示す説明図である。 第２実施例における複数セルモジュールの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタックの断面図である。 第３実施例におけるモジュールの概略構成を示す説明図である。 第３実施例の燃料電池スタックの断面図である。
Ａ．第１実施例：
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
図２は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の外観斜視図であり、図３は、燃料電池スタック１００の断面図である。燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池セル１０が複数積層されることで構成されている。なお、本実施例では、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池セル１０で構成されていることとしたが、固体酸化物形などの他の形式の燃料電池セルで構成されていることとしてもよい。
図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００の両端には、それぞれ、集電板としてのターミナルプレート３０ａ，３０ｂと、絶縁体としてのインシュレータ４０ａ，４０ｂとが備えられており、これらが、一対のエンドプレート５０ａ，５０ｂによって狭持されている。燃料電池スタック１００の四隅には、それぞれシャフト６０が配置されており、これらのシャフト６０が一対のエンドプレート５０ａ，５０ｂの両側からボルト６５によって固定されることで、各燃料電池セル１０が、積層方向（図３における上下方向）に所定の力で締結される。
図２に示すように、エンドプレート５０ａ、インシュレータ４０ａ、および、ターミナルプレート３０ａには、水素や空気、冷却水を燃料電池スタック１００内に流すためのマニホールド７０が複数箇所に形成されている。また、図３に示すように、各燃料電池セル１０にも、これらのマニホールド７０に対応する位置に、マニホールド７１が形成されている。これらのマニホールド７０，７１を介して、各燃料電池セル１０内には、水素や空気が導入され、燃料電池セル１０間の間隙には、冷却水が導入される。
図４は、燃料電池セル１０の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池セル１０は、ガスケット８０の有無に応じて、２つの種類が存在する。図４（ａ）には、ガスケット８０を有する第１の燃料電池セル１０Ａの断面を示しており、図４（ｂ）には、ガスケット８０を有しない第２の燃料電池セル１０Ｂの断面を示している。以下、第１の燃料電池セル１０Ａと第２の燃料電池セル１０Ｂとを区別しないときは、単に、「燃料電池セル１０」と記載する。
燃料電池セル１０は、電解質膜１１を挟むアノード触媒層１２とカソード触媒層１３とが、導電性およびガス透過性を有するガス拡散層１４を介して、一対のセパレータ１５によって挟持されることによって構成されている。各セパレータ１５の内面には、水素あるいは空気を流すための複数の溝が形成されており、背面には冷却水を流すための複数の溝が形成されている。マニホールド７１の周辺にはラミネート樹脂や接着剤等の接合材１６が配置されており、この接合材１６により、上面および下面のセパレータ１５同士が接合されている。なお、アノード触媒層１２とこれに隣接するガス拡散層１４が、本願の「アノード」に相当し、カソード触媒層１３とこれに隣接するガス拡散層１４が、本願の「カソード」に相当する。
図４（ａ）に示すように、第１の燃料電池セル１０Ａのマニホールド７１の周囲には、上側のセパレータ１５の上面および下側のセパレータ１５の下面に、それぞれ、ガスケット８０が接着されている。ガスケット８０の断面は、略三角形状（あるいは略等脚台形状）の本体部８１と板状の台座部８２とを有する多角形状を有している。ガスケット８０は、このような断面形状により、比較的面積の広い底面と、底面よりも面積の狭い先端面とを有している。各ガスケット８０の底面は、セパレータ１５の外面に接着され、先端面は、第１の燃料電池セル１０Ａの積層方向に沿って上側あるいは下側を向いている。このように両面にガスケット８０が接着された第１の燃料電池セル１０Ａは、本願の「第１のモジュール」に相当する。一方、図４（ｂ）に示すように、第２の燃料電池セル１０Ｂにはガスケット８０は設けられていない。このように、ガスケット８０の設けられていない第２の燃料電池セル１０Ｂは、本願の「第２のモジュール」および「第３のモジュール」に相当する。また、ガスケット８０は、本願の「第１のシール部材」および「第２のシール部材」に相当する。
図５は、セパレータ１５にガスケット８０を接着する方法を示す説明図である。本実施例では、セパレータ１５が予め内部に配置された金型２００内で、ミラブルゴムや未加硫の液状ゴムをセパレータ１５上に射出し、これを加熱硬化させることでセパレータ１５とガスケット８０とを接着する。つまり、本実施例では、射出成形によってセパレータ１５上にガスケット８０を接着している。このとき、ガスケット８０が成形される部分のセパレータ１５の表面に、プライマや加硫接着剤を塗布しておくことで、ガスケット８０をセパレータ１５に強固に接着することができる。また、同部分を粗く研磨し、アンカー効果を利用して接合しても強固に接着することができる。その他、セパレータ１５には何も加工せず、原料のゴムに接着成分を配合することで接着を行うこととしてもよい。セパレータ１５にガスケット８０を接着した後には、ガスケット８０の接着された２つのセパレータ１５の間に、電解質膜１１やアノード触媒層１２、カソード触媒層１３、ガス拡散層１４、を配置してマニホールド７１の周辺を接合材１６で接合することで、第１の燃料電池セル１０Ａが完成する。このように、前もってセパレータ１５にガスケット８０を接着しておけば、第１の燃料電池セル１０Ａの組み立て時にガスケット８０を加熱する必要がないため、電解質膜や触媒層が劣化してしまうことを抑制することができる。
なお、セパレータ１５にガスケット８０に接着する方法はこのような方法に限られず、種々の方法によって接着することが可能である。例えば、図６に示すように、ガスケット８０のみを金型２０１内で射出成形し、その後、このガスケット８０をセパレータ５に接着剤を用いて接着することとしてもよい。その他、図７に示すように、ガスケット８０のみを射出成形する金型２０２によってゴムが完全に硬化しない温度でガスケット８０を予備成形し、その後、予備成形したガスケット８０を、圧縮成型用の金型２０３内で、ゴムが硬化する温度でセパレータ１５に圧着することとしてもよい。この場合においても、上述したように、セパレータ１５の表面に、プライマや加硫接着剤を塗布しておいてもよいし、セパレータを粗く研磨しておいてもよい。また、原料のゴムに接着成分を配合することとしてもよい。
本実施例では、以上のようにしてガスケット８０が接着された第１の燃料電池セル１０Ａと、ガスケット８０が接着されていない第２の燃料電池セル１０Ｂとを、図３に示すように交互に積層することで燃料電池スタック１００が形成される。第１の燃料電池セル１０Ａと第２の燃料電池セル１０Ｂとが積層すると、第１の燃料電池セル１０Ａに接着されたガスケット８０の先端面は、粘弾性体としてのガスケット８０に固有の粘着力で、第２の燃料電池セル１０Ｂのセパレータ１５の外面に密着する。そうすると、ガスケット８０はシール部材として機能し、マニホールド７１内から外部に水素や酸素、冷却水が漏出することを防止することが可能になる。なお、前述した粘着力は、ガスケット８０がセパレータ１５に対して接着している力よりも弱い力である。つまり、ガスケット８０の第１の燃料電池セル１０Ａに対する剥離強度は、ガスケット８０の第２の燃料電池セル１０Ｂに対する剥離強度よりも高くなっている。
図８は、燃料電池スタック１００内の第１の燃料電池セル１０Ａを交換する方法を示す説明図である。燃料電池スタック１００内の第１の燃料電池セル１０Ａを交換するには、まず、ボルト６５とシャフト６０とを取り外して燃料電池スタック１００の締結を解除する。そして、交換対象の第１の燃料電池セル１０Ａの両面から積層を開き、目的の第１の燃料電池セル１０Ａを抜き取る。すると、ガスケット８０を第１の燃料電池セル１０Ａから剥離するために必要な力は、ガスケット８０を第２の燃料電池セル１０Ｂから剥離するために必要な力よりも大きいため、第１の燃料電池セル１０Ａは、その両面に接着されているガスケット８０ごと抜き取られる。よって、燃料電池スタック１００内には、この抜き取られた第１の燃料電池セル１０Ａの両面に隣接していた第２の燃料電池セル１０Ｂのセパレータ１５が露出されることになる。こうして、第１の燃料電池セル１０Ａを抜き取った後には、新たな第１の燃料電池セル１０Ａを、燃料電池スタック１００内に配置し、シャフト６０およびボルト６５によって、燃料電池スタック１００を両端から締結する。このような第１の燃料電池セル１０Ａの交換方法によれば、第１の燃料電池セル１０Ａを単体で抜き取っても、燃料電池スタック１００内にガスケット８０が露出することがないため、第１の燃料電池セル１０Ａを単体で交換単位のモジュール（第１の交換単位モジュール）として扱うことが可能になる。
図９は、燃料電池スタック１００内の第２の燃料電池セル１０Ｂを交換する方法を示す説明図である。燃料電池スタック１００内の第２の燃料電池セル１０Ｂを交換するには、まず、ボルト６５とシャフト６０とを取り外して燃料電池スタック１００の締結を解除する。そして、交換対象の第２の燃料電池セル１０Ｂの両面に隣接する第１の燃料電池セル１０Ａの両端から積層を開き、これら３つの燃料電池セル１０を抜き取る。こうして、３つの燃料電池セル１０が燃料電池スタック１００から抜き取られると、燃料電池スタック１００内には、目的の第２の燃料電池セル１０Ｂと同時に抜き取られた２つの第１の燃料電池セル１０Ａに隣接していた第２の燃料電池セル１０Ｂのセパレータ１５が露出されることになる。こうして、３つの燃料電池セル１０を抜き取った後には、新たな３つの燃料電池セル１０を燃料電池スタック１００内に配置し、シャフト６０およびボルト６５によって、燃料電池スタック１００を両端から締結する。このような第２の燃料電池セル１０Ｂの交換方法によれば、従来のように、目的の燃料電池セル１０から一方向に存在するすべての燃料電池セル１０を交換する必要はなく、最小限の燃料電池セル１０（１つの第２の燃料電池セル１０Ｂと２つの第１の燃料電池セル１０Ａ）を交換単位のモジュール（第２の交換単位モジュール）として扱うことが可能になる。
以上で説明した本実施例では、両面にガスケット８０を有する第１の燃料電池セル１０Ａと、ガスケット８０を有していない第２の燃料電池セル１０Ｂとを交互に積層して燃料電池スタック１００を構成している。そのため、第１の燃料電池セル１０Ａを交換する場合には、燃料電池セル１０を１個単体で交換することができ、第２の燃料電池セル１０Ｂを交換する場合には、燃料電池セル１０を３個単位（１つの第２の燃料電池セル１０Ｂおよび２つの第１の燃料電池セル１０Ａ）で、交換することができる。そのため、従来のように、交換対象の燃料電池セル１０から一方向に存在するすべての燃料電池セル１０を交換する必要がないので、燃料電池セル１０を経済的に交換することが可能になる。
また、本実施例では、燃料電池セル１０の交換をガスケット８０ごと行うことができるので、締結が解除された不安定な燃料電池スタック１００内でガスケット８０の張り替えを行う必要がない。そのため、ガスケット８０の張り替え作業に伴う異物の混入や、セパレータ１５の損傷、ガスケット８０の位置ズレ、加熱による電解質膜１１の劣化、などを抑制することが可能になる。
なお、本実施例では、第１の燃料電池セル１０Ａに接着されているガスケット８０の先端面は、ガスケット８０の粘着力によって、第２の燃料電池セル１０Ｂに密着していることとした。しかし、ガスケット８０を第１の燃料電池セル１０Ａから剥離するために必要な力が、ガスケット８０を第２の燃料電池セル１０Ｂから剥離するために必要な力よりも大きいという条件を満たすのであれば、ガスケット８０の先端面と第２の燃料電池セル１０Ｂとを、接着剤などによって接着することとしてもよい。また、前記条件を満たすのであれば、ガスケット８０の底面は、第１の燃料電池セル１０Ａに対して接着ではなく粘着していてもよい。その他、各燃料電池セル１０が有する一対のセパレータ１５は、接合材１６によって接着されていることとしたが、ガスケット８０の先端面の粘着力よりも強い力で粘着されていることとしてもよい。
Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、両面にガスケット８０を有する第１の燃料電池セル１０Ａと、ガスケット８０を有していない第２の燃料電池セル１０Ｂとを交互に積層して燃料電池スタック１００を形成している。これに対して、第２実施例では、複数の燃料電池セル１０からなる２種類の複数セルモジュールを用意し、一方の複数セルモジュールの両面にガスケット８０を接着し、他方の複数セルモジュールの両面にはガスケット８０を接着しない構成とする。
図１０は、本実施例の燃料電池スタックを構成する複数セルモジュールの概略構成を示す説明図である。図１０（ａ）には、第１の複数セルモジュール１０Ｃの断面を示し、図１０（ｂ）には、第２の複数セルモジュール１０Ｄの断面を示した。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、第１の複数セルモジュール１０Ｃおよび第２の複数セルモジュール１０Ｄは、３つの燃料電池セル１０を積層することで構成されている。各燃料電池セル１０の構成は第１実施例と同様であり、電解質膜とアノードとカソードとが、ガス拡散層を介して、一対のセパレータによって挟持されることによって構成されている。本実施例では、第１の複数セルモジュール１０Ｃと第２の複数セルモジュール１０Ｄとを構成する３つの燃料電池セル１０は、それぞれ、マニホールド７１の周囲をラミネート樹脂や接着剤等の接合剤、あるいは、ろう付け等によって接合することで一体化されている。
図１０（ａ）に示すように、第１の複数セルモジュール１０Ｃについては、その上面および下面のセパレータ１５に、それぞれ、ガスケット８０が接着されている。セパレータ１５に対するガスケット８０の接着方法は第１実施例と同様である。これに対して、第２の複数セルモジュール１０Ｄについては、図１０（ｂ）に示すように、ガスケット８０は接着されていない。本実施例において、第１の複数セルモジュール１０Ｃは本願の「第１のモジュール」に相当し、第２の複数セルモジュール１０Ｄは本願の「第２のモジュール」および「第３のモジュール」に相当する。
図１１は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００ｂの断面図である。図１１に示すように、本実施例の燃料電池スタック１００ｂは、上述した第１の複数セルモジュール１０Ｃと第２の複数セルモジュール１０Ｄとが交互に積層することで構成されている。このような構成の燃料電池スタック１００ｂにおいて、ある燃料電池セル１０の交換が必要になった場合には、その燃料電池セル１０が第１の複数セルモジュール１０Ｃに含まれる場合には、その第１の複数セルモジュール１０Ｃごと取り替えを行うことで、燃料電池セル１０の交換を行うことができる。一方、目的の燃料電池セル１０が、第２の複数セルモジュール１０Ｄに含まれる場合には、その第２の複数セルモジュール１０Ｄと、この第２の複数セルモジュール１０Ｄの両面に隣接する一対の第１の複数セルモジュール１０Ｃの計３つの複数セルモジュールごと交換を行う。つまり、本実施例では、目的の燃料電池セル１０が第１の複数セルモジュール１０Ｃに含まれていれば、３本の燃料電池セル１０の交換が必要となり、目的の燃料電池セル１０が第２の複数セルモジュール１０Ｄに含まれていれば、９本の燃料電池セル１０の交換が必要となる。しかし、いずれの場合であっても、従来のように、交換対象の燃料電池セル１０から一方向に存在する全ての燃料電池セル１０を交換する必要がないので、燃料電池セル１０を経済的に交換することが可能になる。また、本実施例においても、第１実施例と同様に、締結が解除された不安定な燃料電池スタック１００内でガスケット８０の張り替えを行う必要がない。そのため、ガスケット８０の張り替え作業に伴う異物の混入や、セパレータ１５の損傷、ガスケット８０の位置ズレ、加熱による電解質膜１１の劣化、などを抑制することが可能になる。
なお、本実施例では、第１の複数セルモジュール１０Ｃと第２の複数セルモジュール１０Ｄとは、どちらも３つの燃料電池セル１０を含むこととしたが、含まれる燃料電池セル１０の数はそれぞれ任意である。例えば、第１の複数セルモジュール１０Ｃおよび第２の複数セルモジュール１０Ｄは、どちらも２つ、あるいは、４つ以上の燃料電池セル１０を含むものとしてもよい。また、第１の複数セルモジュール１０Ｃには２つの燃料電池セル１０が含まれ、第２の複数セルモジュール１０Ｄには３つの燃料電池セル１０が含まれるなど、第１の複数セルモジュール１０Ｃと第２の複数セルモジュール１０Ｄとが、それぞれ異なる数の燃料電池セル１０を含むこととしてもよい。
Ｃ．第３実施例：
上述した第１実施例では、第１の燃料電池セル１０Ａおよび第２の燃料電池セル１０Ｂは、それぞれ１つの燃料電池セル１０を含んでおり、第２実施例では、第１の複数セルモジュール１０Ｃおよび第２の複数セルモジュール１０Ｄは、それぞれ複数の燃料電池セル１０を含んでいる。これらの実施例に対して第３実施例では、燃料電池セルの半完成体としてそれぞれ構成された第１のモジュールと第２のモジュールとが交互に積層されることで燃料電池スタックが構成される。
図１２は、本実施例の燃料電池スタックを構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。図１２（ａ）には、第１のモジュール１０Ｅの断面を示し、図１２（ｂ）には、第２のモジュール１０Ｆの断面を示した。図１２（ａ）に示すように、本実施例では、第１のモジュール１０Ｅは、内側のみにセパレータ１５を有し、外側にセパレータ１５を有しない２つの燃料電池セルを、マニホールド７１の周囲で接合剤やろう付け等によって接合することで構成されている。各燃料電池セルには、電解質膜等の周囲に、ガスケット８０ｃが射出成形によって一体的に形成されている。各ガスケット８０ｃは、第１のモジュール１０Ｅの上側あるいは下側に向けて、凸部８３を有している。これに対して、第２のモジュール１０Ｆは、図１２（ｂ）に示すように、２枚のセパレータ１５を背面同士で、接着剤やろう付け等によって貼り合わせることで形成されており、ガスケットは設けられていない。
図１３は、本実施例における燃料電池スタック１００ｃの構成を示す説明図である。図１３に示すように、本実施例の燃料電池スタック１００ｃは、上述した第１のモジュール１０Ｅと第２のモジュール１０Ｆとを交互に積層することで構成されている。このような構成の燃料電池スタック１００ｂにおいて、ある燃料電池セルの交換が必要になった場合には、第１のモジュール１０Ｅ単体を抜き出すだけで、燃料電池スタック１００ｃ内にガスケット８０ｃを露出させることなく、燃料電池セルを交換することができる。よって、本実施例によっても、燃料電池セルを経済的に交換することが可能になる。また、本実施例においても、第１実施例と同様に、締結が解除された不安定な燃料電池スタック１００内でガスケット８０の張り替えを行う必要がない。そのため、ガスケットの張り替え作業に伴う異物の混入や、セパレータの損傷、ガスケットの位置ズレ、加熱による電解質膜の劣化、などを抑制することが可能になる。
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、以下のような変形が可能である。
上記実施例では、燃料電池セル１０間のシールをガスケット８０によって行うこととしたが、マニホールド７１内の圧力によって水素や空気が漏れない部材であれば、ガスケットに限らず種々のシール部材を適用可能である。例えば、Ｏリングやゴムシートなどのシール部材を用いることとしてもよい。
また、上記実施例では、ガスケット８０は、燃料電池セル１０のセパレータ１５に接着して固定させることとしたが、例えば、ガスケット８０の底面に鉤状の突起を設け、これをセパレータ１５に設けた孔に嵌め込むことで固定することとしてもよい。
また、上記実施例では、燃料電池セル１０の両面に接着されるガスケット８０は、それぞれ、燃料電池セル１０の上面および下面のどちらの面にも同じ接着力で接着されている。これに対して、燃料電池セル１０の上面と下面とで異なる接着力で接着されていてもよい。ただし、この場合であっても、ガスケット８０の粘着力よりも強い力でそれぞれ接着されていることとする。
１０…燃料電池セル
１０Ａ…第１の燃料電池セル
１０Ｂ…第２の燃料電池セル
１０Ｃ…第１の複数セルモジュール
１０Ｄ…第２の複数セルモジュール
１０Ｅ…第１のモジュール
１０Ｆ…第２のモジュール
１１…電解質膜
１２…アノード触媒層
１３…カソード触媒層
１４…ガス拡散層
１５…セパレータ
１６…接合材
３０ａ，３０ｂ…ターミナルプレート
４０ａ，４０ｂ…インシュレータ
５０ａ，５０ｂ…エンドプレート
６０…シャフト
６５…ボルト
７０，７１…マニホールド
８０，８０ｃ…ガスケット
１００，１００ｂ，１００ｃ…燃料電池スタック
２００，２０１，２０２，２０３…金型

Claims (9)

  1. 複数のモジュールが積層されて構成される燃料電池スタックであって、
    電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールと、
    セパレータを含み、第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの一方の面に隣接して配置された第２のモジュールと、
    セパレータを含み、第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの他方の面に隣接して配置された第３のモジュールと、を備え、
    前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、
    前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高い、
    燃料電池スタック。
  2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１のモジュールと前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは、それぞれ、前記電解質膜と、前記アノードと、前記カソードと、該電解質膜とアノードとカソードとを狭持する一対の前記セパレータと、を含む燃料電池セルを１つまたは複数備える、燃料電池スタック。
  3. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第２のモジュールに含まれる前記セパレータは、前記第１のモジュールが有する前記アノードまたは前記カソードに隣接して配置され、
    前記第３のモジュールに含まれる前記セパレータは、前記第１のモジュールが有する前記アノードまたは前記カソードに隣接して配置される、燃料電池スタック。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する接触面積は、前記第１のシール部材の前記第２のモジュールに対する接触面積よりも大きく、
    前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する接触面積は、前記第１のシール部材の前記第２のモジュールに対する接触面積よりも大きい、燃料電池スタック。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１のシール部材は、前記第１のモジュールに対しては接着され、前記第２のモジュールに対しては粘着しており、
    前記第２のシール部材は、前記第１のモジュールに対しては接着され、前記第３のモジュールに対しては粘着している、燃料電池スタック。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは同一の構成であり、
    前記第１のシール部材と、前記第１のモジュールと、前記第２のシール部材と、前記第２のモジュールとが、この順に複数組積層されている、燃料電池スタック。
  7. 燃料電池スタックの製造方法であって、
    （ａ）電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールの一方の面に第１のシール部材を配置し、他方の面に第２のシール部材を配置する工程と、
    （ｂ）前記第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの前記一方の面に、セパレータを含む第２のモジュールを配置する工程と、
    （ｃ）前記第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの前記他方の面にセパレータを含む第３のモジュールを配置する工程と、を備え、
    前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、
    前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高い、
    燃料電池スタックの製造方法。
  8. 燃料電池スタックを構成するモジュールの交換方法であって、
    前記燃料電池スタックは、
    電解質膜とアノードとカソードとを含む第１のモジュールと、
    セパレータを含み、第１のシール部材を介して前記第１のモジュールの一方の面に隣接して配置された第２のモジュールと、
    セパレータを含み、第２のシール部材を介して前記第１のモジュールの他方の面に隣接して配置された第３のモジュールと、を備え、
    前記第１のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第２のモジュールに対する剥離強度よりも高く、
    前記第２のシール部材の前記第１のモジュールに対する剥離強度は、前記第３のモジュールに対する剥離強度よりも高いものであり、
    前記第１のモジュールを交換する場合には、
    （ａ）前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに接する前記第１のシール部材と、該第１のモジュールに接する前記第２のシール部材と、を第１の交換単位モジュールとして、前記燃料電池スタックから抜き出す工程と、
    （ｂ）新たな前記第１の交換単位モジュールを、抜き出した前記第１の交換単位モジュールに替えて前記燃料電池スタック内に配置する工程と、
    備える交換方法。
  9. 請求項８に記載の交換方法であって、
    前記第２のモジュールと前記第３のモジュールとは同一の構成であり、
    前記燃料電池スタックは、前記第１のシール部材と、前記第１のモジュールと、前記第２のシール部材と、前記第２のモジュールとが、この順に複数組積層されることで構成されており、
    前記第２のモジュールを交換する場合には、
    （ｃ）前記第１のシール部材と、該第１のシール部材に隣接する前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに隣接する前記第２のシール部材と、該第２のシール部材に隣接する前記第２のモジュールと、該第２のモジュールに隣接する前記第１のシール部材と、該第１のシール部材に隣接する前記第１のモジュールと、該第１のモジュールに隣接する前記第２のシール部材と、を第２の交換単位モジュールとして、前記燃料電池スタックから抜き出す工程と、
    （ｄ）新たな前記第２の交換単位モジュールを、抜き出した前記第２の交換単位モジュールに替えて前記燃料電池スタック内に配置する工程と、
    を備える交換方法。
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