JP5708614B2 - セルモジュール、および、燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、セルモジュールに関する。

複数のセルを積層することで一つのセルモジュールを形成する技術が知られている（例えば、特許文献１〜４）。セルモジュールを複数積層し、所定の荷重で積層方向の両側から挟持することで燃料電池スタックが形成される。

特開２０１０−２８２９４０号公報 特開２０１０−０８０２２２号公報 特開２０１０−０６７４５３号公報 特開２０１０−２７２４７４号公報

セルモジュールを構成する各セルは、膜電極ガス拡散層接合体（「電極体」ともいう。）と、一対のセパレータと、ガスケット等のフレーム部材とを備える。電極体は、膜電極接合体と一対のガス拡散層とからなる。一対のセパレータは、電極体を挟むように配置されている。フレーム部材は、セパレータ間の絶縁を図ると共に、電極体の周縁部に配置され、反応ガスなどの流体が外部に漏れ出すことを防止している。

複数のセルモジュールを積層した後に両側からエンドプレートによって挟持して燃料電池スタックを作製する場合、以下に記載する問題が生じる場合がある。セルモジュールの各セルが備えるガス拡散層は厚めに設計されている。このガス拡散層の周縁部にはフレーム部材が固定されている。このため、燃料電池スタックとして挟持される前の各セルモジュールは、ガス拡散層が配置された中央領域において外側に膨らんだ、いわゆる太鼓状に変形しやすい。セルモジュールが過度に太鼓状に変形することで、種々の不具合が生じる場合がある。例えば、セルモジュールにおけるシール性が低下する場合がある。また例えば、応力集中などが原因となって、セルモジュールの各構成要素に亀裂が生じる場合がある。

特許文献１〜３では、セルジュールが変形することで生じる不具合の発生を低減するための技術が開示されている。例えば、特許文献１では、ガスケットとセパレータとが接触する面に、ガスケットとセパレータとが接着していない非接着領域を設けている。これにより、ガスケットの変形追随性を向上させている。しかしながら、特許文献１の技術では、シール部材としてゴムなどの弾性部材を用いる必要がある。ゴムを成型するためには、高温環境下において長時間を要することから、セルモジュールの製造コストが高くなる場合がある。また、シール部材として厚いゴムを用いた場合、セルモジュールが柔らかい構造となり、複数のセルモジュールを積層する際に、設計した位置からズレたり、ねじれが生じたりする場合がある。特許文献２の技術でも、ガスケットに弾性部材が用いられており、上記特許文献１と同様の問題が生じる場合がある。

また、特許文献３、４では、隣接するセパレータ間の間隔を変化させるためにゴムが設けられている。しかしながら、新たにゴムを構成要素に用いる必要があり、セルモジュールや燃料電池スタックの製造コストが高くなる場合がある。また、特許文献３では、電極体の周縁部に配置されたガスケットがセパレータに接着されていることから、隣接するセパレータの間隔は、ガスケットの伸びに限定されてしまう恐れがある。

上記のように、複数の単セルを積層して一体としたセルモジュールにおいて、簡易な構成でセルモジュールの過度の太鼓状の変形を抑制することが望まれている。また、セルモジュールにおいて、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
セルモジュールであって、
積層された複数の単セルを備え、
前記単セルは、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の１つの接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
前記少なくとも１つの単セルは、第１の接着パターンを有し、
前記第１の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。
この形態のセルモジュールによれば、セルモジュールが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。また、第１の接着パターンが形成された領域では、フレームの一部分を積層方向に撓ませることができる。
［形態２］
セルモジュールであって、
積層された複数の単セルを備え、
前記単セルは、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の１つの接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
前記第１と第２のセパレータは、カーボン粒子と樹脂とを含む部材である、セルモジュール。
この形態のセルモジュールによれば、セルモジュールが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。また、カーボン粒子と樹脂とを含む部材によって第１と第２のセパレータを形成できる。

（１）本発明の一形態によれば、セルモジュールが提供される。このセルモジュールは、積層された複数の単セルを備える。前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の接着領域に対して重ならない位置に形成されている、この形態のセルモジュールによれば、セルモジュールに対して、ガス拡散層が膨らむ方向に力が作用した場合でも、セパレータ又はフレームの一部分を積層方向に撓ませることができる。これにより、ガス拡散層が位置する中央領域の変形に、フレームが位置する周縁領域の変形を追従させることができる。すなわち、第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域を他の接着領域に対して重ならない位置に形成するという簡易な構成を用いることで、セルモジュールが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。

（２）上記形態のセルモジュールであって、前記少なくとも１つの単セルは、第１の接着パターンを有し、前記第１の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されていても良い。この形態のセルモジュールによれば、第１の接着パターンが形成された領域では、フレームの一部分を積層方向に撓ませることができる。

（３）上記形態のセルモジュールであって、前記少なくとも１つの単セルは、第２の接着パターンを有し、前記第２の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、前記第１と第２のセパレータの少なくともいずれか一方において、一方の面に形成された前記第３の接着領域と、他方の面に形成された前記第１と第２の接着領域のいずれかの接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されていても良い。この形態のセルモジュールによれば、第２の接着パターンが形成された領域では、セパレータの一部分を積層方向に撓ませることができる。

ここで、セルモジュールは、第１と第２の接着パターンのいずれか１つのパターンのみを有していても良いし、第１と第２の接着パターンの両方を有していても良い。

（４）上記形態のセルモジュールであって、第１と第２のセパレータは、金属板であっても良い。この形態のセルモジュールによれば、第１と第２のセパレータを容易に撓ませることができる。

（５）上記形態のセルモジュールであって、前記第１と第２のセパレータは、カーボン粒子と樹脂とを含む部材であっても良い。この形態のセルモジュールによれば、カーボン粒子を含む部材で第１と第２のセパレータを形成できる。

（６）本発明の他の形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、上記のセルモジュールを複数備え、前記複数のセルモジュールが前記積層方向に積層されている。この形態の燃料電池スタックによれば、過度に太鼓状に変形することを抑制したセルモジュールを備えた燃料電池スタックを提供できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、セルモジュールの製造方法、燃料電池スタックの製造方法、セルモジュールを備える燃料電池スタックを搭載する車両等の形態で実現することができる。

第１の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 セルモジュールの斜視図である。 セルモジュールの正面図である。 単セルの分解斜視図である。 第１の接着パターンおよび効果について説明するための図である。 第２の接着パターンおよび効果について説明するための図である。 比較例を説明するための図である。 第２実施形態を説明するための図である。 第３実施形態を説明するための図である。 第４実施形態を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ〜Ｄ．各種実施形態：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システム５の構成：
図１は、第１の実施形態における燃料電池システム５の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム５は、燃料電池スタック２００と、燃料電池スタック２００に供給する水素を貯蔵する水素タンク５０と、燃料電池スタック２００に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ４０と、燃料電池システム５全体の制御をおこなう制御部２６とを備える。

燃料電池スタック２００は、複数のセルモジュール７と、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、を備える。各セルモジュール７は、複数の単セル１０が積層され、隣り合う単セル１０同士が接着された構成である。セルモジュール７は、１０〜５０個の単セル１０が積層されている。積層方向（Ｚ軸方向）の両側には、それぞれ集電板２３、絶縁板２２およびエンドプレート２１が、セルモジュール７側から外側に向かってこの順に配置されている。２枚のエンドプレート２１の間は、テンションロッド２４及びナット２５により、所定の締結力で締結されている。これにより、各セルモジュール７には、所定の荷重が積層方向の両側から加えられる。ナット２５の少なくとも一方には、ナット２５を回転させて締結力を調製するための駆動部２７が設けられている。

単セル１０は、それぞれが燃料電池として機能することで発電を行う。単セル１０としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能である。本実施形態では、単セル１０として固体高分子型燃料電池を用いている。単セル１０は燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施形態において、各単セル１０の構成や仕様は互いに同一である。単セル１０およびセルモジュール７の具体的な構成については、後述する。

水素タンク５０に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁５１によって減圧された後に水素ガス供給路５３を流通する。流通する水素は、水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池スタック２００に供給される。燃料電池スタック２００に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）は、燃料電池スタック２００の内部に形成されるアノードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった水素を含有するガス（アノード排ガス）は、燃料電池スタック２００の内部に形成されるアノードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約される。そして、アノード排ガスは、アノード排ガス路５４を介して燃料電池スタック２００の外部に排出される。なお、燃料電池システム５は、アノード排ガスを供給側に再循環させる構成であっても良い。

エアコンプレッサ４０は、外部から取り込んだ酸化剤ガスとしての空気を加圧する。加圧された空気は、酸化ガス供給路４１を介して燃料電池スタック２００に供給される。燃料電池スタック２００に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）は、カソードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった空気（カソード排ガス）は、カソードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、カソード排ガス路４８を介して燃料電池スタック２００の外部に排出される。

冷媒循環ポンプ４６は、冷媒循環流路４７を介して、燃料電池スタック２００に冷媒を供給する。燃料電池スタック２００で暖められた冷却媒体は、ラジエータ４５で冷却され、再び燃料電池スタック２００に供給される。冷却媒体は、冷媒供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０を冷却する。各単セル１０を通過した後の冷却媒体は、冷媒排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、冷媒循環流路４３を介してラジエータ４５に流通する。冷却媒体としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施形態では、冷却媒体として液体を用いているが、冷却媒体として空気を用いる構成であってもよい。

制御部２６は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部２６は、燃料電池システム５の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受信し、受信した信号に基づき燃料電池システム５全体の制御を行う。

Ａ−２．セルモジュール７の構成：
図２は、セルモジュール７の斜視図である。図３は、セルモジュール７の正面図である。セルモジュール７は、複数の単セル１０が積層されると共に隣り合う単セル１０が接着されることで構成される。隣り合う単セル１０は、例えば接着剤を用いて接着される。セルモジュール７は、反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）や冷却媒体を積層方向（Ｚ軸方向）に流通させるためのマニホールドＭ１〜Ｍ６を有する。具体的には、マニホールドＭ１には、アノード供給ガス（水素）が流通する。マニホールドＭ２には、アノード排ガスが流通する。マニホールドＭ３には、カソード供給ガス（空気）が流通する。マニホールドＭ４には、カソード排ガスが流通する。マニホールドＭ５には、外部から供給された冷却媒体が流通する。マニホールドＭ６には、単セル１０を通過した冷却媒体が流通する。図３に示すように、各マニホールドＭ１〜Ｍ６の内側の領域には発電領域２００ｇが形成されている。

詳細は後述するが、単セル１０は、第１のセパレータと樹脂フレームとを接着した接着領域と、第２のセパレータと樹脂フレームとを接着した接着領域と、隣り合う単セル１０同士を接着した接着領域と有する。また、これらの３つの接着領域はそれぞれ、発電領域２００ｇを取り囲むと共に、各マニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する貫通孔を取り囲むように形成されている。

複数のセルモジュール７を積層して燃料電池スタック２００を形成する場合には、隣接するセルモジュール７の間には、ガスケット１６が配置される。ガスケット１６が隣接する２つセルモジュール７に密着することで、外部に反応ガスや冷却媒体が漏れ出すことを防止する。

Ａ−３．単セル１０の構成：
図４は、単セル１０の分解斜視図である。単セル１０は、電極体２１７と、樹脂フレーム３００と、第１のセパレータ６０と、第２のセパレータ７０と、を備える。電極体２１７は、発電領域２００ｇを形成する。電極体２１７は、膜電極接合体２１５と、膜電極接合体２１５の両面を挟むように配置された一対のガス拡散層２２８，２２９と、を備える。

膜電極接合体２１５は、電解質膜２１０と、電解質膜２１０の両面を挟むように配置された一対の触媒電極層２２１，２２２とを備える。電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜２１０としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いても良い。

触媒電極層２２１，２２２は、カソード２２１とアノード２２２とも呼ぶ。触媒電極層２２１，２２２は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持した触媒担持担体（例えば、カーボン粒子）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、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等を用いても良い。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用しても良い。

一対のガス拡散層２２８，２２９は、カソード側拡散層２２８とアノード側拡散層２２９とも呼ぶ。ガス拡散層２２８，２２９は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜２１０の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。

樹脂フレーム３００は、電極体２１７の周縁部２００ｅに貼り付けられる。樹脂フレーム３００は、一対のセパレータ６０，７０の間に位置することで、セパレータ６０，７０が短絡することを防止すると共に、セルモジュール７内部を通過する反応ガスなどの流体が外部に漏れ出すことを防止する。樹脂フレーム３００は、ポリプロピレンにより形成されている。樹脂フレーム３００は、シート状である。なお、樹脂フレーム３００は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの他の樹脂を用いて形成しても良い。

樹脂フレーム３００は、外形が矩形状であり、中央領域には電極体２１７を収容するための開口部３１０が形成されている。樹脂フレーム３００のうち開口部３１０の周囲にはマニホールドＭ１〜Ｍ６の一部を構成する貫通孔３２１，３２２，３３１，３３２，３４１，３４２が形成されている。具体的には、貫通孔３２２はマニホールドＭ１の一部を構成し、貫通孔３４２はマニホールドＭ２の一部を構成する。また、貫通孔３３２はマニホールドＭ３の一部を構成し、貫通孔３３１はマニホールドＭ４の一部を構成する。また、貫通孔３４１はマニホールドＭ５の一部を構成し、貫通孔３２１はマニホールドＭ６の一部を構成する。

樹脂フレーム３００のうち、第１のセパレータ６０と対向する面には、溝流路３３２ａ，３３２ｂが形成されている。溝流路３３２ａは、貫通孔３３２から開口部３１０に至る。溝流路３３２ａは、マニホールドＭ３を流れる酸化剤ガスを電極体２１７に流通させるための流路である。溝流路３３２ｂは、貫通孔３３１から開口部３１０に至る。溝流路３３２ｂは、電極体２１７を通過したカソード排ガスをマニホールドＭ４に流通させるための流路である。また、樹脂フレーム３００のうち、第２のセパレータ７０と対向する面には、貫通孔３２２から開口部３１０に至る第１溝流路（図示せず）と、貫通孔３４２から開口部３１０に至る第２溝流路（図示せず）と、が形成されている。第１溝流路は、マニホールドＭ１を流れる燃料ガスを電極体２１７に流通させるための流路である。第２溝流路は電極体２１７を通過した燃料ガスをマニホールドＭ２に流通させるための流路である。なお、溝流路３３２ａ，３３２ｂ、第１溝流路、第２溝流路は省略可能である。

第１のセパレータ６０と第２のセパレータ７０とは、電極体２１７と樹脂フレーム３００とを両側から挟むように配置されている。第１のセパレータ６０と第２のセパレータ７０とは樹脂フレーム３００に接着剤などを用いて接着されている。第１のセパレータ６０は膜電極接合体２１５の一方の側であるカソード２２１側に配置され、第２のセパレータ７０は他方の側であるアノード２２２側に配置されている。

第１と第２のセパレータ６０，７０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。第１と第２のセパレータ６０，７０は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

第１と第２のセパレータ６０，７０は、それぞれ、マニホールドＭ１〜Ｍ６の一部を構成する貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２が形成されている。具体的には、貫通孔４２２はマニホールドＭ１の一部を構成し、貫通孔４４２はマニホールドＭ２の一部を構成する。貫通孔４３２はマニホールドＭ３の一部を構成し、貫通孔４３１はマニホールドＭ４の一部を構成する。貫通孔４４１はマニホールドＭ５の一部を構成し、貫通孔４２１はマニホールドＭ６の一部を構成する。

第１のセパレータ６０の面のうち電極体２１７と対向する面には、溝流路４６１Ｃａが形成されている。溝流路４６１ＣａはマニホールドＭ３，Ｍ４と連通し、マニホールドＭ３を流れる酸化剤ガスを電極体２１７のカソード２２１に供給すると共に電極体２１７を流通したカソードオフガスをマニホールドＭ４に流通させる。溝流路４６１ＣａとマニホールドＭ３とは、溝流路３３２ａやセパレータ６０に形成された溝流路（図示せず）によって連通している。溝流路４６１ＣａとマニホールドＭ４とは、溝流路３３２ｂやセパレータ６０に形成された溝流路（図示せず）によって連通している。第１のセパレータ６０の面のうち電極体２１７が位置する側とは反対側に位置する面には、溝流路４６２が形成されている。溝流路４６２は、マニホールドＭ５，Ｍ６と連通し、冷却媒体が流通する。

第２のセパレータ７０の面のうち電極体２１７と対向する面には、溝流路４６１ａｎが形成されている。溝流路４６１ａｎはマニホールドＭ１，Ｍ２と連通し、マニホールドＭ１を流れる燃料ガスを電極体２１７のアノード２２２に供給すると共に電極体２１７を流通したアノードオフガスをマニホールドＭ２に流通させる。溝流路４６１ａｎとマニホールドＭ１とは、セパレータ７０に形成された溝流路４２２ｔや、樹脂フレーム３００に形成された溝流路（図示せず）によって連通している。溝流路４６１ａｎとマニホールドＭ２とは、セパレータ７０に形成された溝流路４４２ｔや、樹脂フレーム３００に形成された溝流路（図示せず）によって連通している。第２のセパレータ７０の面のうち電極体２１７が位置する側とは反対側に位置する面には、溝流路４６２が形成されている。溝流路４６２は、マニホールドＭ５，Ｍ６と連通し、冷却媒体が流通する。

ここで、第１と第２のセパレータ６０，７０は、三層構造のセパレータであっても良い。三層構造のセパレータは、例えば、３つの金属製のプレートによって形成される。中間プレートは冷却媒体を流通させるための流路が形成される。また、中間プレートを挟む２つのセパレータは反応ガスを電極体２１７に流通させるための開口と、電極体２１７を通過した反応ガスをマニホールドに流通させるための開口とが形成されている。また、三層構造のセパレータには、マニホールドＭ１〜Ｍ６の一部を構成する貫通孔が形成されている。

Ａ−４．接着パターンおよび効果の説明：
Ａ−４−１．所定の接着パターン：
上記のセルモジュール７のうち、各要素を接着する接着領域８０の位置関係について説明する。図５は、接着パターンおよび効果について説明するための図である。図５に示す２つの図は、セルモジュール７を積層方向（Ｚ軸方向）に平行な面で切断したときの一部分であり、図３のＦ３−Ｆ３断面図である。図５の左に示す図（左図）は、セルモジュール７が燃料電池スタック２００に組み込まれ、積層方向の両側から所定の荷重が加わっている場合の状態を示す。図５の右に示す図（右図）は、セルモジュール７に所定の荷重が加わっていない状態を示す。なお、図５の断面図は、接着パターンについての詳細を説明するための図であり、上記実施形態のセパレータ６０，７０に限らず各種のセパレータを備えるセルモジュールに適用できる。よって、以下では接着パターンに焦点をあてるために、セパレータ６０，７０および電極体２１７の構成は簡略化している。

接着領域８０のうち、第１のセパレータ６０と樹脂フレーム３００とが接着された領域を第１の接着領域８０ａとも呼ぶ。また、接着領域８０のうち、第２のセパレータ７０と樹脂フレーム３００とが接着された領域を第２の接着領域８０ｂとも呼ぶ。また、接着領域８０のうち、隣り合う単セルのセパレータ６０，７０同士が接着された領域を第３の接着領域８０ｃとも呼ぶ。セルモジュール７を構成する複数の単セル１０はそれぞれ、１つの第１の接着領域８０ａと、１つの第２の接着領域８０ｂと、２つの第３の接着領域８０ｃとを有する。第１〜第３の接着領域８０ａ，８０ｂ，８０ｃはそれぞれ、セルモジュール７の内部から外側に反応ガスなどの流体が漏れ出すことを防止するために、発電領域２００ｇ（図３）を取り囲むと共に、各マニホールドＭ１〜Ｍ６（図３）を構成する貫通孔を取り囲むように形成されている。

複数の単セル１０のうちの少なくとも１つの単セル１０が備える第１〜第３の接着領域８０ａ〜８０ｃは、以下のパターン（「所定の接着パターン」とも呼ぶ。）を有する。すなわち、複数の単セル１０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿って対象となる単セル１０を見たときに、第１〜第３の接着領域８０ａ〜８０ｃの少なくとも１つの接着領域が、他の接着領域に対して重ならない位置に形成されている。

Ａ−４−２．第１の接着パターンおよび効果：
図５に示す例では、セルモジュール７の各単セル１０はそれぞれ、所定の接着パターンのうちの第１の接着パターンを有する。第１の接着パターンは、対象となる単セル１０を積層方向（Ｚ軸方向）に沿って見た時に、第１の接着領域８０ａと第２の接着領域８０ｂとが互いに重ならない位置に形成されているパターンである。図５では、第３の接着領域８０ｃは、第１と第２の接着領域８０ａ，８０ｂと重なる位置に形成されている。一方で、第１の接着領域８０ａと第２の接着領域８０ｂとは互いに重ならないずれた位置に形成されている。単セル１０が第１の接着パターンを有することで、樹脂フレーム３００には変形領域３０２が形成される。変形領域３０２とは、樹脂フレーム３００の２つの主面いずれにもセパレータ６０，７０が接着されていない領域であって、かつ、変形可能な領域である。

図５の右図に示すように、セルモジュール７が無荷重状態となった場合、電極体２１７のガス拡散層２２８，２２９の厚みが増加することで、セルモジュール７の中央領域７２が積層方向に沿って外側に膨らむ。すなわち、セルモジュール７の中央領域７２の厚み（積層方向に沿った長さ）が増加する。周縁領域７４においては、樹脂フレーム３００の変形領域３０２に位置する部分が、撓んだ形状となる。このように、積層方向に圧縮荷重を加えた状態と圧縮荷重を解除した状態とで、樹脂フレーム３００の形状が変化することで、中央領域７２の厚みの増加に追従して周縁領域７４の厚みを増加させることができる。これにより、セルモジュール７が過度に太鼓状に変形することを抑制できる。よって、セルモジュール７が応力集中などによって亀裂などの破損が生じる可能性を低減できる。

Ａ−４−３．第２の接着パターンおよび効果：
図６は、第２の接着パターンおよび効果について説明するための図である。図６に示す２つの図は、セルモジュール７を積層方向（Ｚ軸方向）に平行な面で切断したときの一部分であり、図３のＦ３−Ｆ３断面図である。図６の左図は、図５の左図に対応し、図６の右図は、図５の左図に対応している。なお、図６の断面図は、接着パターンについての詳細を説明するための図であり、上記実施形態のセパレータ６０，７０に限らず各種のセパレータを備えるセルモジュールに適用できる。よって、以下では接着パターンに焦点をあてるために、セパレータ６０，７０及び電極体２１７の構成は簡略化している。

セルモジュール７の各単セル１０はそれぞれ、所定の接着パターンのうちの第２の接着パターンを有しても良い。第２の接着パターンは、単セル１０を積層方向（Ｚ軸方向）に沿って見た時に、第１と第２のセパレータ６０，７０の少なくとも一方において、一方の面に形成された第３の接着領域８０ｃと、他方の面に形成された第１と第２の接着領域８０ａ，８０ｂのいずれかの接着領域とが、互いに重ならないずれた位置に形成されている。

図６に示す例において、単セル１０が備える第１と第２のセパレータ６０，７０のうち、第１のセパレータ６０に着目した場合を考える。第１のセパレータ６０に形成されている接着領域は、第１の接着領域８０ａと第３の接着領域８０ｃである。第２の接着パターンでは、第１のセパレータ６０に形成された第１と第３の接着領域８０ａ，８０ｃとは、互いに重ならないずれた位置に形成されている。また、第２のセパレータ７０に着目した場合、第２のセパレータ７０に形成されている接着領域は、第２の接着領域８０ｂと第３の接着領域８０ｃである。第２の接着パターンでは、第２のセパレータ７０に形成された第２の接着領域８０ｂと第３の接着領域８０ｃとは、互いに重ならないずれた位置に形成されている。なお、図６に示す例では、単セル１０を積層方向（Ｚ軸方向）に沿って見た時に、第１と第２の接着領域は８０ａ、８０ｂは互いに重なる位置に形成され、第３の接着領域８０ｃは第１と第２の接着領域８０ａ、８０ｂとは重ならないずれた位置に形成されている。

上記のように、単セル１０が第２の接着パターンを有することで、第１と第２のセパレータ６０，７０には変形領域６５，７５が形成される。変形領域６５，７５とは、セパレータ６０，７０のそれぞれにおいて、２つの主面のいずれにおいても接着領域が形成されていない領域であって、かつ、変形可能な領域である。

図６の右図に示すように、セルモジュール７が無荷重状態となった場合、セルモジュール７の中央領域７２が積層方向に沿って外側に膨らむ。すなわち、セルモジュール７の中央領域７２の厚みが増加する。周縁領域７４においては、第１のセパレータ６０の変形領域６５が位置する部分と、第２のセパレータ７０の変形領域７５が位置する部分とが積層方向に撓んだ形状となる。このように、積層方向に圧縮荷重を加えた状態と、圧縮荷重を解除した状態とで、第１と第２のセパレータ６０，７０の形状が変化することで、中央領域７２の厚みの増加に追従して周縁領域７４の厚みを増加させることができる。これにより、セルモジュール７が過度に太鼓状に変形することを抑制できる。よって、セルモジュール７が応力集中などによって亀裂などの破損が生じる可能性を低減できる。

Ａ−５．比較例：
図７は、比較例を説明するための図である。図７は、セルモジュール７を単セル１０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿って見た時に、セルモジュール７の第１〜第３の接着領域８０ａ〜８０ｃがすべて重なっている接着パターンを示している。図７の右図のように、セルモジュール７が無荷重状態になった場合、中央領域７２の厚みは増加する。一方で、樹脂フレーム３００が位置する周縁領域７４は、樹脂フレーム３００、第１のセパレータ６０、および、第２のセパレータ７０が厚み方向に変形できないために中央領域７２の変形に追従できない。これにより、セルモジュール７が過度に太鼓状になる恐れが生じる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態を説明するための図である。図８は、図５に対応した図である。図８に示すセルモジュール７ａは、単セル１０ａが備える第１と第２のセパレータ６０ａ、６０ｂの表面形状が凹凸を有する。表面の凹凸によって、反応ガスや冷却媒体の流路が形成されている。このような第１と第２のセパレータ６０ａ，６０ｂは、例えばカーボン粒子と樹脂の複合材料や、複合材料にさらに金属粒子を混合した材料によって形成されている。なお、その他の構成については上記第１実施形態の構成と同様である。よって、同一の構成について同一符号を付すと共に説明を省略する。

図８に示すセルモジュール７ａでは、各単セル１０ａがそれぞれ第１の接着パターンを有する。詳細には、単セル１０ａの積層方向（Ｚ軸方向）に沿って単セル１０ａを見たときに、第１の接着領域８０ａと第２の接着領域８０ｂとが互いに重ならないずれた位置に形成されている。これにより、変形領域３０２が形成される。また、隣り合うセパレータ６０ａ，７０ｂの接触面の全面を接着することで第３の接着領域８０ｃが形成されている。すなわち、第３の接着領域８０ｃは、第１の接着領域８０ａと第２の接着領域８０ｂの双方と重なる。

図８の右図に示すように、セルモジュール７ａが無荷重状態となった場合、セルモジュール７ａの中央領域７２の厚み（積層方向に沿った長さ）が増加する。周縁領域７４においては、樹脂フレーム３００の変形領域３０２に位置する部分が積層方向に撓んだ形状となる。このように、積層方向に圧縮荷重を加えた状態と、圧縮荷重を解除した状態とで、樹脂フレーム３００の形状が変化することで、中央領域７２の厚みの増加に追従して周縁領域７４の厚みを増加させることができる。これにより、セルモジュール７ａが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。よって、セルモジュール７ａが応力集中などによって亀裂などの破損が生じる可能性を低減できる。

Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態を説明するための図である。図９は、図５に対応した図である。第３実施形態のセルモジュール７ｂと、第２実施形態のセルモジュール７ａとの異なる点は、接着パターンのみである。その他の構成については第２実施形態と同様であるため、同様の構成については同一の符号を付すと共に説明を省略する。

セルモジュール７ｂでは、各単セル１０ａがそれぞれ第２の接着パターンを有する。第３実施形態では、以下のように接着領域８０を形成することで第２の接着パターンを形成している。すなわち、各単セル１０ａにおいて、単セル１０ａの積層方向に単セル１０ａを見た時に、隣接する単セル１０ａ同士を接着することで形成される第３の接着領域８０ｃは、第１と第２の接着領域８０ａ，８０ｂとが互いに重なる領域と重なることなくずれた位置に形成される。こうすることで、変形領域６５が形成される。

図９の右図に示すように、セルモジュール７ａが無荷重状態となった場合、セルモジュール７ｂの中央領域７２の厚み（積層方向に沿った長さ）が増加する。周縁領域７４においては、第１のセパレータ６０ａの変形領域６５に位置する部分が積層方向に撓んだ形状となる。このように、積層方向の圧縮荷重を加えた状態と、圧縮荷重を解除した状態とで、第１のセパレータ６０ａの形状が変化することで、中央領域７２の厚みの増加に追従して周縁領域７４の厚みを増加させることができる。これにより、セルモジュール７ａが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。よって、セルモジュール７ａが応力集中などによって亀裂などの破損が生じる可能性を低減できる。

Ｄ．第４実施形態：
図１０は、第４実施形態を説明するための図である。図１０は、図５に対応した図である。なお、図１０は、セルモジュール７ｃが無荷重の状態を示している。第４実施形態のセルモジュール７ｃと、第３実施形態のセルモジュール７ｂとの異なる点は、第１と第２のセパレータ６０ｃ，７０ｃの構成である。その他の構成については第３実施例と同様の構成であるため、同様の構成については第３実施例と同一の符号を付すと共に説明を省略する。

セルモジュール７ｃでは、単セル１０ｃが備える第１と第２のセパレータ６０ｃ，７０ｃは、平板状の金属をプレス加工した部材を用いている。詳細には、第１と第２のセパレータ６０ｃ、７０ｃは、積層方向（Ｚ軸方向）のうちの第１の方向（Ｚ軸正方向）に凸の部分と、第２の方向（Ｚ軸負方向）に凸の部分とを備える。この凹凸によって、反応ガスや冷却媒体の流路が形成される。第１と第２のセパレータ６０ｃ，７０ｃの形成に用いる金属材料としては、例えばステンレスがある。第１と第２のセパレータ６０ｃ，７０ｃは撓む性質を有する。

セルモジュール７ｃの各単セル１０ｃはそれぞれ、第２の接着パターンを有する。詳細には、単セル１０ｃの積層方向（Ｚ軸方向）に沿って単セル１０ｃを見た時に、第１と第２のセパレータ６０ｃ，７０ｃの少なくとも一方において、一方の面に形成された第３の接着領域８０ｃと、他方の面に形成された第１と前記第２の接着領域８０ａ，８０ｂのいずれかの接着領域とが、互いに重ならないずれた位置に形成されている。本実施形態では、各単セル１０ｃにおいて、第１と第２の接着領域８０ａ，８０ｂは互いに重なった位置に形成され、第３の接着領域８０ｃは、第１と第２の接着領域８０ａ，８０ｂとは重なることなくずれた位置に形成されている。これにより、変形領域６５，７５が形成される。変形領域６５，７５は積層方向に撓むことで、中央領域７２の厚みの変化に追従して、周縁領域７４の厚みを変化させることができる。これにより、セルモジュール７ｃが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。よって、セルモジュール７ｃが応力集中などによって亀裂などの破損が生じる可能性を低減できる。

Ｅ．変形例：
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

Ｅ−１．第１変形例：
上記実施形態では、セルモジュール７〜７ｃが備える全ての単セル１０〜１０ｃが、第１と第２の接着パターンのいずれかを有していたが、少なくとも１つの単セル１０〜１０ｃが第１と第２の接着パターンのいずれかを有していれば良い。このようにしても、セルモジュール７〜７ｃのうちで第１と第２の接着パターンのいずれかを有する単セル１０〜１０ｃが変形領域を有する。これにより、中央領域７２の変形に周縁領域７４の変形を追従させることができ、セルモジュール７〜７ｃが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。
また、セルモジュール７〜７ｃが第１と第２の接着パターンの双方を備えていても良いし。このようにしても、セルモジュール７〜７ｃが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。
また、セルモジュール７〜７ｃが備える複数の単セル１０〜１０ｃの１つの単セル１０〜１０ｃ内で、第１と第２の接着パターンの双方を備えていても良い。このようにしても、セルモジュール７〜７ｃが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。

Ｅ−２．第２変形例：
所定の接着パターンは、第１と第２の接着パターンに限定されるものではない。例えば、所定の接着パターンの一例として、単セル１０〜１０ｃを積層方向（Ｚ軸方向）に沿って見た時に、第１〜第３の接着領域８０ａ〜８０ｃがいずれも互いに重なっておらず、ずれた位置に形成されていても良い。このようにしても、セルモジュール７〜７ｃが過度に太鼓状に変形することを抑制できる。

Ｅ−３．第３変形例：
また、上記実施形態は以下の形態を採用できる。
・態様１：セルモジュールであって、
積層された複数の単セルを備え、
前記単セルは、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
前記少なくとも１つの単セルは、第１の接着パターンを有し、
前記第１の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とが、互いに重ならない位置に形成され、
前記第１の接着領域と前記第３の接着領域、および、前記第２の接着領域と前記第３の接着領域とは少なくとも一部が重なっている、セルモジュール。
・態様２：セルモジュールであって、
積層された複数の単セルを備え、
前記単セルは、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
前記少なくとも１つの単セルは、第２の接着パターンを有し、
前記第２の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とは、少なくとも一部において重なった領域を有し、
前記重なった領域と前記第３の接着領域とは、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。

５…燃料電池システム
７〜７ｃ…セルモジュール
１０〜１０ｃ…単セル
１６…ガスケット
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…テンションロッド
２５…ナット
２６…制御部
２７…駆動部
４０…エアコンプレッサ
４１…酸化ガス供給路
４３…冷媒循環流路
４５…ラジエータ
４６…冷媒循環ポンプ
４７…冷媒循環流路
４８…カソード排ガス路
５０…水素タンク
５１…減圧弁
５２…圧力調整弁
５３…水素ガス供給路
５４…アノード排ガス路
６０〜６０ｃ…第１のセパレータ
６５…変形領域
７０〜７０ｃ…第２のセパレータ
７２…中央領域
７４…周縁領域
７５…変形領域
８０…接着領域
８０ａ…第１の接着領域
８０ｂ…第２の接着領域
８０ｃ…第３の接着領域
２００…燃料電池スタック
２００ｅ…周縁部
２００ｇ…発電領域
２１０…電解質膜
２１５…膜電極接合体
２１７…電極体
２２１…カソード
２２２…アノード
２２８…カソード側拡散層
２２９…アノード側拡散層
３００…樹脂フレーム
３０２…変形領域
３１０…開口部
３２１，３２２，３３１，３３２…貫通孔
３３２ａ…溝流路
３３２ｂ…溝流路
３４１，３４２，４２１，４２２…貫通孔
４２２ｔ…溝流路
４３１，４３２，４４１，４４２…貫通孔
４４２ｔ…溝流路
４６１Ｃａ…溝流路
４６１ａｎ…溝流路
４６２…溝流路
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド

Claims (8)

1. セルモジュールであって、
   積層された複数の単セルを備え、
   前記単セルは、
   膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
   前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
   前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
   前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
   前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
   隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
   前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
   前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の１つの接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
   前記少なくとも１つの単セルは、第１の接着パターンを有し、
   前記第１の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
   前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。
2. 請求項１に記載のセルモジュールであって、
   前記少なくとも１つの単セルは、第２の接着パターンを有し、
   前記第２の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
   前記第１と第２のセパレータの少なくともいずれか一方において、一方の面に形成された前記第３の接着領域と、他方の面に形成された前記第１と第２の接着領域のいずれかの接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載のセルモジュールであって、
   前記第１と第２のセパレータは、金属板である、セルモジュール。
4. 請求項１又は請求項２に記載のセルモジュールであって、
   前記第１と第２のセパレータは、カーボン粒子と樹脂とを含む部材、又は、カーボン製部材である、セルモジュール。
5. セルモジュールであって、
   積層された複数の単セルを備え、
   前記単セルは、
   膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する電極体と、
   前記電極体を取り囲むように前記電極体の周縁部に配置されたフレームと、
   前記電極体と前記フレームを両側から挟むように前記フレームに接着された第１と第２のセパレータであって、前記膜電極接合体の一方の側に配置された第１のセパレータと、前記膜電極接合体の他方の側に配置された第２のセパレータと、
   前記第１のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第１の接着領域と、
   前記第２のセパレータと前記フレームとが接着された領域である第２の接着領域と、
   隣り合う前記単セルの前記セパレータ同士が接着された領域である第３の接着領域と、を有し、
   前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルは、前記複数の単セルの積層方向に沿って見たときに、
   前記第１〜第３の接着領域の少なくとも１つの接着領域が、他の１つの接着領域に対して重ならない位置に形成されており、
   前記第１と第２のセパレータは、カーボン粒子と樹脂とを含む部材である、セルモジュール。
6. 請求項５に記載のセルモジュールであって、
   前記少なくとも１つの単セルは、第１の接着パターンを有し、
   前記第１の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
   前記第１の接着領域と前記第２の接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。
7. 請求項５又は請求項６に記載のセルモジュールであって、
   前記少なくとも１つの単セルは、第２の接着パターンを有し、
   前記第２の接着パターンにおいて、前記積層方向に沿って見たときに、
   前記第１と第２のセパレータの少なくともいずれか一方において、一方の面に形成された前記第３の接着領域と、他方の面に形成された前記第１と第２の接着領域のいずれかの接着領域とが、互いに重ならない位置に形成されている、セルモジュール。
8. 燃料電池スタックであって、
   請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の前記セルモジュールを複数備え、
   前記複数のセルモジュールが前記積層方向に積層されている、燃料電池スタック。

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