JPWO2005104287A1 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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Abstract

底面に対して両側面に同じ角度θの斜面を形成させ、凹状溝をテーパ状に成形している。このように角度θを凹状溝の側面に設けたので、第１セパレータを第２セパレータ上に被せて、両セパレータを接合してモジュール化した際にも接着剤と凹状溝内表面との間にガス溜まりが生じても、ガス溜まりは凹状溝の側面が角度θを持っているので、この角度θを持った側面により、凹状溝側面を直角形状とするよりも外部へのガス排出が補助されることになる。よって、ガス溜まりの発生を防止することができる。

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールに関する。
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質層とこれを挟持するカーボンクロスやカーボンペーパ等の拡散層からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）、膜−電極接合体を挟持するセパレータとからなる燃料電池セルを単一セルとしている。この単一燃料電池セルではアノードガスとしての水素ガスは負極側セパレータの水素ガス流路溝へ供給され、カソードガスとしての空気（酸素ガス）が正極側セパレータの酸素ガス流路溝へ供給される。供給された水素ガスおよび酸素ガスはそれぞれ、負極側拡散層および正極側拡散層のそれぞれの拡散層へと拡散する。負極側拡散層へと至った水素ガスは、さらに固体高分子電解質膜に塗布された触媒層と接触して、プロトンと電子の電荷に解離する。解離したプロトンは固体高分子膜を通過し、正極側へと移動し、正極側の酸素と反応して水を生成して発電させる。このような発電メカニズムの上記単一セルを複数用い、セパレータを介して、積層化することで直列接続のセルモジュール、セルスタックとして燃料電池の全体を構成するのが通常である。
図１３には、背景技術に係る燃料電池５００の断面図が示される。図１２には、図１３に示される燃料電池５００に積層される一枚のセパレータ２０の平面図が示される。燃料電池５００は、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間にＭＥＡ３０が挟持された燃料電池セル４０を有している。ここで、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とは接着剤２２で接合され、この間にＭＥＡ３０が挟まれた構造となっている。接着剤２２は、ＦＣセルに供給される流体（ガス、冷却剤）をシールするシール材としての機能も有する。このようにして形成された燃料電池セル４０同士をさらに接着剤２２で接合し、燃料電池セル４０同士を物理的に強固に接着してセルモジュール化する。このセルモジュールはガスまたは冷媒を通すためのマニホールド８０を間に有している。
セパレータ２０は、セパレータの最外周面にセパレータ外周堰７５が設けられ、それよりも内側において、マニホールド８０の外周面にマニホールド８０を取り囲んでマニホールド外周堰７６が設けられている。さらに内側にはセパレータ内周堰７７を有している。
セパレータ２０は、接着剤を保持する接着剤保持部２４としての凹状溝を有している。凹状溝は、図１３において、セパレータ外周堰７５とセパレータ外周側のマニホールド外周堰７６を側面壁として、それらの間に形成される外周凹状溝７２と、セパレータ内周側のマニホールド内周堰７６とセパレータ内周堰７７を側面壁として、それらの間に形成される内周凹状溝７４とで形成される。
この燃料電池セル４０同士を接合する方法について図１４に基づいて説明する。第１セパレータ１０および第２セパレータ２０において、積層化により接合される方向の燃料電池セル対向面に、底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状溝２４が設けられている。次に第２セパレータ２０の直角形状の凹状溝２４内部に接着剤２２を塗布する。接着剤２２を塗布後、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の凹状溝２４同士を対向させるように第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを配置させることで底面２３に対する側面２９が直角形状の接着剤保持部２４を形成する。この形成された接着剤保持部２４に接着剤２２を保持させ、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０を接合することで燃料電池セル４０同士をモジュール化できる。
セパレータ同士を接合した文献としては以下の文献が知られている。下記特許文献１（特開２００２−２６０６９１号公報）には、第１セパレータと第２セパレータの間のマニホールドおよび冷却水流路溝の周囲に側面２９が底面２３に対して直角形状の凹状の窪みを設け、その窪みの中にガス不透過性接着剤を注入して両プレートを接合し、ガス透過を抑制した燃料電池用セパレータが開示されている。特許文献２（特開２００２−３６７６３１号公報）には、両プレートを接合した間に材料溜りの窪みを形成したシール構造が開示されている。なお、下記特許文献３（特開２０００−４８８３２号公報）には、接着剤がはみ出すことを抑制する堰部を設けた燃料電池セパレータが開示されている。下記特許文献４（特開２００１−３１９６６６号公報）、特許文献５（特開２００１−３１９６７６号公報）には、連通孔の周囲を取り囲むように設けられた溝部内に塗布された液状シールでシールしたセパレータが開示されている。
しかしながら、従来の底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状の窪みでは、セパレータ同士の組み立て・接合の際に接着剤（シール材）と窪み表面の境界面にエアなどのガスを巻き込み、接着剤が凹状の窪みの隙間に完全に充填されず残ってしまう場合がある。このような隙間が生じるとセパレータ間が接着不良となる可能性がある。
セパレータ同士の接合工程でガスを巻き込む理由について説明する。第２セパレータ２０における底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状の窪みに接着剤２２を塗布する。接着剤２２を塗布すると接着剤２２と凹状の窪みの表面との間にガスを巻き込む場合がある。ガスの巻き込みが生じるとガス溜まり２８が生じる。
この状態で第１セパレータ１０を第２セパレータ２０上に被せて、両セパレータを接合してモジュール化すると（図１４）、ガス溜まり２８を含んだまま第１セパレータ１０および第２セパレータ２０は接合されることになる（図１５）。このようにガス溜まり２８を含んだまま接合するとガス溜まり２８により以下のような不具合を生じてしまう場合がある。
（１）接着剤２２が熱硬化性の接着剤であれば、接着剤の熱硬化工程が必要になる。熱硬化工程においては、熱が接着剤だけでなく、ガス溜まり２８にも伝えられることになる。ガス溜まり２８はこの熱によって、膨張する（図１６）。膨張したガス溜まり２８は、接着剤２２の接着性を弱め、ひいては接着剤を部分的に分断し、ガスが漏れてしまう場合がある。このような場合には、セパレータ間の密着性が減少し、機能が低下した接着剤（シール材）を通じてガスがリークすることになる。
（２）燃料電池では、比較的低温駆動可能な固体高分子型燃料電池であっても７０℃〜８０℃の温度で運転されることが通常である。このような常温よりも高い温度では、ガス溜まりも熱膨張することになる（図１６）。このようにガス溜まり２８が膨張して（１）と同様に不具合が生じてしまう場合がある。
また、１つの燃料電池セルを構成している第１セパレータ１０と第２セパレータ２０も接着剤２２によって接着され、この間にＭＥＡ３０が挟まれた構造となっている。この接着部分においても、第１および第２セパレータには、各種の段差を有している。すなわち、ＭＥＡ３０は、触媒層の両側に拡散層が形成された三層構造であるが、触媒層のみが外側に延長され、この部分が第１セパレータ１０と第２セパレータ２０に挟み込まれ固定されている。そして、第１セパレータ１０または第２セパレータ２０の少なくとも一方は、触媒層を挟み込む部分に対応して凹部を形成している（特許文献２参照）。そこで、この凹部の端部に当たる段差の側面と底面の角部にもガス溜まりが形成される。さらに、ＭＥＡ３０と第１セパレータ１０または第２セパレータ２０との間の空間には、水素ガス（燃料ガス）または酸化性ガス（空気）が供給される。そこで、これらガス通路と空間とを連通させる必要があり、シーリングプレートを用いて連通路に接着剤が進入するのを防いでいる。このシーリングプレートの端部に対応して第１セパレータ１０または第２セパレータ２０の一方に段差が形成されこの段差の側面と底面の角部にもガス溜まりが形成される。
そして、これらガス溜まりのガスが接合工程において加熱膨張した場合には、セル内部空間と冷媒の通路となるマニホールドとのリーク通路が形成されてしまう場合もある。
本発明は、よりガス溜まりによる不具合を解消させる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材および前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する凹状の窪みと、を含み、前記凹状の窪みは、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記接着剤保持部の表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、周縁の少なくとも一部に有することを特徴とする。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みの側面を斜面形状とすると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みがテーパ状に形成されると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、接着剤を保持する側であって、底面に対する斜面の角度が１２０°〜１５０°であると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みの側面に外部へガスを排出するガス排出溝を有すると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記接着剤の外部への漏洩を抑制する接着剤漏洩抑制部材を前記接着剤中に含有すると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記接着剤漏洩抑制部材は球状のビーズであり、このビーズの粒径が前記ガス排出溝の通路径よりも大きいと好適である。
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材と前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する段差部と、を含み、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記段差部の表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、前記段差部に有することを特徴とする。
また、前記ガス排出補助構造は、前記段差部が、底面と側面との接続部分において、底面と側面を接続する斜面を有することが好適である。この構成によって、底面と側面が直接接続されるときに生じる隅部を除去することができる。
また、前記段差部は、凹状の窪みであり、この凹状の窪みの側面と底面との接続部分に斜面を有することが好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記セパレータ部材および前記セル積層方向に隣接する隣接部材はメタルセパレータであると好適である。
本発明によれば、よりガス溜まりによる不具合を抑制することができる。
図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。
図２は、本実施形態に係る燃料電池セパレータの平面図である。
図３は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図４は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図５は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図６は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図７は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図８は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図９は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図１０は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図１１は、本実施形態に係るガス排出補助構造である。
図１２は、背景技術に係る燃料電池セパレータの平面図である。
図１３は、背景技術に係る燃料電池モジュールの断面図である。
図１４は、ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。
図１５は、ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。
図１６は、ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。
図１７は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図１８は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図１９は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図２０は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図２１は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図２２は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図２３は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
図２４は、他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
「燃料電池」
図１には、本実施形態に係る燃料電池１００の断面図が開示されている。図２に示される燃料電池１００に積層される一枚のセパレータ２０の平面図である。燃料電池１００は、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間にＭＥＡ３０が挟持された燃料電池セル４０構造を有している。この燃料電池セル４０が多層に積層された構造となっている。この燃料電池セル４０は、第１セパレータ１０と隣接部材となる第２セパレータ２０がセパレータ間同士が接着剤で接合されて構成されている。燃料電池セル４０同士をさらに接着剤２２で接合して積層化（セルモジュール化）する。この接着剤により、燃料電池セル４０同士が物理的に強固に接着されてセルモジュール化される。このセルモジュール（スタック）は間にガスまたは冷媒を通すためのマニホールド８０を有している。
セパレータ２０は、セパレータの最外周面にセパレータ外周堰６５が設けられ、それよりも内側において、マニホールド８０の外周面にマニホールド８０を取り囲んでマニホールド外周堰６６が設けられている。さらに内側にはセパレータ内周堰６７を有している。
セパレータ２０は、接着剤を保持する接着剤保持部２４としての凹状溝を有している。凹状溝は、図１において、セパレータ外周堰６５とセパレータ外周側のマニホールド外周堰６６を側面壁として、それらの間に形成される外周凹状溝６２と、セパレータ内周側のマニホールド内周堰６６とセパレータ内周堰６７を側面壁として、それらの間に形成される内周凹状溝６４とで形成される。
第１セパレータ１０および第２セパレータ２０に、セルモジュール化する方向の燃料電池セル対向面に凹状の凹状溝を設ける。この凹状溝は底面（面内方向）に対する側面（積層方向）が斜面形状であることを特徴としている。凹状溝を設けた第２セパレータ２０の凹状溝内表面に接着剤２２を塗布する。この接着剤２２を塗布した後、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０の両方の凹状溝同士を対向させるように第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを配置させて接着剤保持空間５０を形成する。この形成された接着剤保持部５０に接着剤２２を保持させ、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを、接着剤２２により接合することで燃料電池セル４０同士を組み立て、モジュール化する。
また、隣接部材として本実施形態では第２セパレータを用いているが、隣接部材としては、セパレータ、電解質膜、膜−電極接合体、樹脂フレームのうち少なくとも１つを用いることができる。
凹状溝は底面２３に対して側面２９に角度θの斜面を形成する。図３では、底面２３に対して両側面に同じ角度θの斜面を形成させ、凹状溝をテーパ状に成形している。ここで角度θは９０°よりも小さく、凹状溝の側面を直角形状としない角度である。このように角度θを凹状溝の側面２９に設けたので、第１セパレータ１０を第２セパレータ２０上に被せて、両セパレータを接合してモジュール化した際にも接着剤２２と凹状溝内表面との間にガス溜まりが生じてしまうことを抑制できる。すなわち、モジュール化の際、ガス溜まりは凹状溝の側面２９が角度θを持っているので、この角度θを持った側面２９により凹状溝側面を直角形状とするよりも外部へのガス排出が補助されることになる。よってガス溜まりの発生を抑制できる。また、モジュール化後にガス溜まりの熱膨張により接着剤の接着力が低下したり、接着剤が分断されてしまうことを抑制できる。
第１セパレータ１０、第２セパレータ２０は、カーボン、金属、樹脂、導電性樹脂などを採用できる。例えば、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０ともメタルセパレータとしたり、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０ともカーボンセパレータ（カーボンとこのカーボンをバインダする樹脂との成形品）とすることなども採用できる。図１では、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０共、カーボンセパレータを用いている。
第１セパレータ１０には、ＭＥＡ３０へ燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４が形成され、第２セパレータ２０には、ＭＥＡ３０へ酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３２が形成されている。また、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０にはガス流路３２、３４が形成されている面と反対側の接合面に冷媒（通常は冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。流路２６、３２、３４は、入口から出口まで１以上折り返して延びるサーペンタイン流路であってもよいし、あるいは、入口から出口までストレートに延びるストレート流路であってもよい。
第１セパレータ１０および第２セパレータ２０にはセル積層方向に延びる冷媒マニホールド、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドの各マニホールド８０が形成されている。冷媒マニホールドは、冷媒流路２６に連通しており、燃料ガスマニホールドは燃料ガス流路３２に連通している。酸化ガスマニホールドは、酸化ガス流路３４に連通している。これらマニホールドは第１セパレータ１０および第２セパレータ２０の対向端部に形成されており、セル面内の流路２６、３２、３４はマニホールド形成領域を除くセパレータの中央領域に形成されている。ガス流路領域であって、かつ、ＭＥＡ３０の存在する領域はセルの発電領域である。
ＭＥＡ３０と第１セパレータ１０および第２セパレータ２０を重ねて燃料電池セル４０を形成し、少なくとも１つの燃料電池セル４０からセルモジュールを構成する。このモジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート、ボルト・ナットにて固定して燃料電池スタックを構成することができる。
「ガス排出補助構造」
本実施形態において凹状溝の接着剤保持部のガス排出補助構造は、底面２３に対して両側面２９に同じ角度θの斜面を形成させ、凹状溝をテーパ状に成形しているが、その他にも様々な態様を採用できる。底面２３に対する両側面が直角形状の凹状溝よりも接合の際に少しでもガス溜まりの発生を抑制できる構造であればよい。ガス排出補助構造は、第１セパレータおよび／または第２セパレータの内表面に設けることができる。また、以下のうち単一の構造を有することも可能であるし、複数の種類の複数の構造を組み合わせる態様を採用することも可能である。ガス排出補助の観点では、複数の種類の複数のガス排出補助構造をできるだけ多く適用することが好適であるが、製造容易性等を勘案してそれぞれのケースにおいて好適な態様を採用すればよい。ガス排出補助構造は、例えば以下の（１）斜面形状、（２）ガス排出溝を採用することができる。
（１）斜面形状
図３では、両側面の角度θを同じ角度としているが、両側面の角度θを同じでなく、異なった角度θとしてもよい。また、一方の側面を直角形状とし、一方の側面２９を角度θの斜面形状としてもよい（例：図４）。また、形成される斜面は直線状であってもよいし、曲面に形成されていてもよい（例：図５）。さらには、多角形状、ステップ状（例えば等間隔のステップ幅を持った階段状）に斜面が形成されていてもよい（例：図７）。また、底面を有さず、Ｖ字型の斜面としてもよい（例：図６）。また、斜面形状を第１セパレータ１０または第２セパレータ２０のどちらかのみ有する構成も可能である（例：図８）。
斜面形状は直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等、ガス排出補助性に支障がなければどのような形状であってもよい。また、斜面形状は、直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等これらのうち均一な形状である必要はなく、複数の形状を採用できる。例えば、底面からある高さの部位までは直線状であり、そのある高さの部位からこれよりも高い別の高さの部位までは曲面状であり、その別の高さの部位からセパレータ接合面まではステップ状とすることも可能である。すなわち斜面形状は、凹状溝の周縁の一部に形成されていればよい。
なお、本明細書中において「斜面形状」は、直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等を含む広い概念であり、直線状の斜面等に限られる概念ではない。
角度θは３０°〜６０°であることが好適である。特に好適なのは４５°である。角度が３０°よりも小さいと接着剤を保持する凹状溝の容積が確保できなくなる場合がある。一方、角度が６０°よりも大きいとより直角形状に近づくので効率的にエアを排気できない場合がある。
（２）ガス排出溝
図９では、第２セパレータの凹状溝の側面２９であって、セパレータ接合部分にマニホールドまで貫通しているガス排出溝６０が設けられている。このガス排出溝６０を設けることにより、接合の際に生じたガス溜まりが外部へ排出されることになる。これにより温度上昇時のガス溜まりによるエアの膨張、ひいては接着剤２２の分断を抑制することができる。
ガス排出溝６０は、ガス溜まりを外部へ排出し、内部の接着剤２２が外部に漏洩しない溝であることが好適である。接着剤２２が外部へと漏洩すると、この接着剤２２により燃料電池のガス流路が阻害される場合がある。よって、ガス排出溝６０はできるだけ小さい通路径であることが好適である。ガス排出溝６０は、ガスを排出できる構造であればよく、半円筒形状、Ｖ字状、凹状など様々な種類の溝を採用できる。
ガス溜まりを外部へ排出し、内部の接着剤２２が外部に漏洩しない溝構造とするには、接着剤２２中に接着剤漏洩抑制部材を含ませることがより好適である。例えば、球状のビーズを含ませると好適であり、より好適には接着剤漏洩をより好適にはかるため複数個のビーズ７０を含ませることである（図１０）。なお、ビーズなどの球状でなくとも直方体、立方体などの多角形状の固形物など様々な接着剤と不活性な材質からなる接着剤漏洩抑制部材を代わりに採用することが可能である。この接着剤漏洩抑制部材は、接着剤２２中でなくとも凹状溝中に予め配置しておき、この配置された接着剤漏洩抑制部材に接着剤２２を注入するという方法でも可能である。
ガス排出溝６０の凹状溝内表面からマニホールド口までの全体構造のうち最も浅い深さの値をｄとし、球状のビーズ７０の直径をｅとする。この場合、このビーズ７０の径の大きさｅはガス排出溝６０のｄの部分以上の大きさであれば（深さｄ≦直径ｅとする）、ビーズ７０がガス排出溝６０を塞ぎ、接着剤がマニホールドへ漏洩することを抑制している。ビーズの材質としては接着剤に対して不活性なシリカ、ガラス、樹脂等が好適である。
「ビーズによる接着剤漏洩抑制態様」
図１０、図１１にはビーズ７０を複数個含有させた接着剤を用いた接着剤漏洩抑制態様の説明図が示される。第２セパレータ２０の側面２９に凹状であって、全経路において同一深さｄの凹状ガス排出溝６０が設けられている。第２セパレータ２０表面の凹状溝にビーズを複数個含んだ接着剤２２を塗布する。このように接着剤２２を凹状溝に塗布した後、第１セパレータ１０を第２セパレータ２０と接合し、接着剤を押しつぶす。このとき、接着剤２２中のビーズ７０は、凹状ガス排出溝６０の入り口へと至る。ここでビーズの直径ｅは、凹状ガス排出溝６０の深さｄよりも大きいので。凹状ガス排出溝６０を塞ぐ。ここで、ビーズの直径ｅは必ずしも凹状ガス排出溝６０の深さｄよりも大きい場合だけでなく、同等の大きさや、やや小さい場合であっても可能である。ビーズの機能として接着剤の流出を抑制するように接着剤に対する通路抵抗とすることができればよい。
以上のようにビーズ７０によって凹状ガス排出溝６０が塞がれ、接着剤２２の外部への漏洩を抑制することができる。一方で、ビーズ７０とガス排出溝６０の間には、隙間が生じる。この隙間があるので、ガス溜まりのガスをこの隙間を通じて排出することができる。このようにしてガスを排出させ、なおかつ、接着剤２２の外部への漏洩を抑制させる漏洩抑制態様を提供できる。
「他の構成例」
図１７には、他の構成例を示してある。この図１７に示したのは、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の接合部分であり、接着剤２２が両セパレータ１０，２０の間に位置している。そして、この例では、第２セパレータ２０の接合面に凹状溝９０が存在し、この凹状溝９０の側面９２と、底面９４はほぼ直角に位置しているが、その接続部分に斜面９６が設けられている。従って、側面９２と底面９４が直接接する場合には、その接続角は９０°になるが、斜面９６が存在するため、側面９２と斜面９６の接続部および斜面９６と底面９４の接続部は、共に１３５°となっている。このように、凹状溝９０の面と面との接続角は鈍角化され、これによって接着剤２２を塗布した際に、ガス溜まりとなる角部をなくすことができる。
図１８には、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０によりＭＥＡ３０の触媒層３０ａを挟み込み固定する接合部分を示してあり、ここでは接着剤２２が両セパレータ１０，２０の間に位置し、触媒層３０ａの端部を包み込んでいる。そして、この部分の第２セパレータ２０は、触媒層３０ａを適正に収容するために触媒層３０ａが存在する部分において第１セパレータ１０との間隔が触媒層３０ａの厚みに応じて大きくなるように側面９２と底面９４からなる段差９８を有している。そして、この側面９２と、底面９４の接続部分に上述の場合と同様に斜面９６が設けられている。従って、側面９２と斜面９６の接続部は、１３５°となっている。
図１９には、他の構成例が示されており、この例は図１７における斜面９６が曲面で構成されている。すなわち、斜面９６は、側面９２と底面９４をスムーズにつなげる、断面が所定半径の円弧となる斜面になっている。これによれば、角部がなく、ガス溜まりの発生を防止することができる。
図２０には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１８における斜面９６が曲面で構成されている。
図２１には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１７における側面９２をなくし、側面９２に代えて斜面９６を採用している。言い換えれば、側面が斜面９６となっている。これによっても、角部がなく、ガス溜まりの発生を防止することができる。
図２２には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１８における斜面９２をなくし側面を斜面９６で構成している。
図２３には、さらに他の構成例が示されており、この例は図２１における斜面９６が曲面で構成されている。なお、この図２３においては、底面９４もなくなっているが、底面９４はあってもかまわない。
図２４には、さらに他の構成例が示されており、この例は図２２における斜面９６が曲面で構成されている。
このように、ＭＥＡ３０を挟み込む側における第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の接続部においても、凹状溝９０や段差９８の側面と底面の接続部分に斜面を配置し、接着剤２２が進入しないガス溜まりが生成されるのを防止することができる。
特に、ガス溜まりができると、接着のための加熱工程などによりガス溜まりのガスが膨張してガスリーク路が形成されてしまう場合があり、本実施形態により、リーク通路の発生を効果的に防止できる。すなわち、セル内部空間と冷媒の通路となるマニホールド、その他のガス通路とのリーク通路が形成されてしまうことを防止することができる。
なお、本実施形態においては、凹状溝を例示して説明しているが、溝でなく凹状穴を複数設ける構成としてもよい。本明細書において、「凹状の窪み」とは「凹状溝」と「凹状穴」の両者を含む概念である。
固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の燃料電池モジュール一般に適用できる。
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールに関する。
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質層とこれを挟持するカーボンクロスやカーボンペーパ等の拡散層からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）、膜−電極接合体を挟持するセパレータとからなる燃料電池セルを単一セルとしている。この単一燃料電池セルではアノードガスとしての水素ガスは負極側セパレータの水素ガス流路溝へ供給され、カソードガスとしての空気（酸素ガス）が正極側セパレータの酸素ガス流路溝へ供給される。供給された水素ガスおよび酸素ガスはそれぞれ、負極側拡散層および正極側拡散層のそれぞれの拡散層へと拡散する。負極側拡散層へと至った水素ガスは、さらに固体高分子電解質膜に塗布された触媒層と接触して、プロトンと電子の電荷に解離する。解離したプロトンは固体高分子膜を通過し、正極側へと移動し、正極側の酸素と反応して水を生成して発電させる。このような発電メカニズムの上記単一セルを複数用い、セパレータを介して、積層化することで直列接続のセルモジュール、セルスタックとして燃料電池の全体を構成するのが通常である。
図１３には、背景技術に係る燃料電池５００の断面図が示される。図１２には、図１３に示される燃料電池５００に積層される一枚のセパレータ２０の平面図が示される。燃料電池５００は、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間にＭＥＡ３０が挟持された燃料電池セル４０を有している。ここで、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とは接着剤２２で接合され、この間にＭＥＡ３０が挟まれた構造となっている。接着剤２２は、ＦＣセルに供給される流体（ガス、冷却剤）をシールするシール材としての機能も有する。このようにして形成された燃料電池セル４０同士をさらに接着剤２２で接合し、燃料電池セル４０同士を物理的に強固に接着してセルモジュール化する。このセルモジュールはガスまたは冷媒を通すためのマニホールド８０を間に有している。
セパレータ２０は、セパレータの最外周面にセパレータ外周堰７５が設けられ、それよりも内側において、マニホールド８０の外周面にマニホールド８０を取り囲んでマニホールド外周堰７６が設けられている。さらに内側にはセパレータ内周堰７７を有している。
セパレータ２０は、接着剤を保持する接着剤保持部２４としての凹状溝を有している。凹状溝は、図１３において、セパレータ外周堰７５とセパレータ外周側のマニホールド外周堰７６を側面壁として、それらの間に形成される外周凹状溝７２と、セパレータ内周側のマニホールド内周堰７６とセパレータ内周堰７７を側面壁として、それらの間に形成される内周凹状溝７４とで形成される。
この燃料電池セル４０同士を接合する方法について図１４に基づいて説明する。第１セパレータ１０および第２セパレータ２０において、積層化により接合される方向の燃料電池セル対向面に、底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状溝２４が設けられている。次に第２セパレータ２０の直角形状の凹状溝２４内部に接着剤２２を塗布する。接着剤２２を塗布後、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の凹状溝２４同士を対向させるように第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを配置させることで底面２３に対する側面２９が直角形状の接着剤保持部２４を形成する。この形成された接着剤保持部２４に接着剤２２を保持させ、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０を接合することで燃料電池セル４０同士をモジュール化できる。
セパレータ同士を接合した文献としては以下の文献が知られている。下記特許文献１（特開２００２−２６０６９１号公報）には、第１セパレータと第２セパレータの間のマニホールドおよび冷却水流路溝の周囲に側面２９が底面２３に対して直角形状の凹状の窪みを設け、その窪みの中にガス不透過性接着剤を注入して両プレートを接合し、ガス透過を抑制した燃料電池用セパレータが開示されている。特許文献２（特開２００２−３６７６３１号公報）には、両プレートを接合した間に材料溜りの窪みを形成したシール構造が開示されている。なお、下記特許文献３（特開２０００−４８８３２号公報）には、接着剤がはみ出すことを抑制する堰部を設けた燃料電池セパレータが開示されている。下記特許文献４（特開２００１−３１９６６６号公報）、特許文献５（特開２００１−３１９６７６号公報）には、連通孔の周囲を取り囲むように設けられた溝部内に塗布された液状シールでシールしたセパレータが開示されている。
しかしながら、従来の底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状の窪みでは、セパレータ同士の組み立て・接合の際に接着剤（シール材）と窪み表面の境界面にエアなどのガスを巻き込み、接着剤が凹状の窪みの隙間に完全に充填されず残ってしまう場合がある。このような隙間が生じるとセパレータ間が接着不良となる可能性がある。
セパレータ同士の接合工程でガスを巻き込む理由について説明する。第２セパレータ２０における底面２３に対する側面２９が直角形状の凹状の窪みに接着剤２２を塗布する。接着剤２２を塗布すると接着剤２２と凹状の窪みの表面との間にガスを巻き込む場合がある。ガスの巻き込みが生じるとガス溜まり２８が生じる。
この状態で第１セパレータ１０を第２セパレータ２０上に被せて、両セパレータを接合してモジュール化すると（図１４）、ガス溜まり２８を含んだまま第１セパレータ１０および第２セパレータ２０は接合されることになる（図１５）。このようにガス溜まり２８を含んだまま接合するとガス溜まり２８により以下のような不具合を生じてしまう場合がある。
（１）接着剤２２が熱硬化性の接着剤であれば、接着剤の熱硬化工程が必要になる。熱硬化工程においては、熱が接着剤だけでなく、ガス溜まり２８にも伝えられることになる。ガス溜まり２８はこの熱によって、膨張する（図１６）。膨張したガス溜まり２８は、接着剤２２の接着性を弱め、ひいては接着剤を部分的に分断し、ガスが漏れてしまう場合がある。このような場合には、セパレータ間の密着性が減少し、機能が低下した接着剤（シール材）を通じてガスがリークすることになる。
（２）燃料電池では、比較的低温駆動可能な固体高分子型燃料電池であっても７０℃〜８０℃の温度で運転されることが通常である。このような常温よりも高い温度では、ガス溜まりも熱膨張することになる（図１６）。このようにガス溜まり２８が膨張して（１）と同様に不具合が生じてしまう場合がある。
また、１つの燃料電池セルを構成している第１セパレータ１０と第２セパレータ２０も接着剤２２によって接着され、この間にＭＥＡ３０が挟まれた構造となっている。この接着部分においても、第１および第２セパレータには、各種の段差を有している。すなわち、ＭＥＡ３０は、電解質膜の両側に拡散層が形成された三層構造であるが、電解質膜のみが外側に延長され、この部分が第１セパレータ１０と第２セパレータ２０に挟み込まれ固定されている。そして、第１セパレータ１０または第２セパレータ２０の少なくとも一方は、電解質膜を挟み込む部分に対応して凹部を形成している（特許文献２参照）。そこで、この凹部の端部に当たる段差の側面と底面の角部にもガス溜まりが形成される。さらに、ＭＥＡ３０と第１セパレータ１０または第２セパレータ２０との間の空間には、水素ガス（燃料ガス）または酸化性ガス（空気）が供給される。そこで、これらガス通路と空間とを連通させる必要があり、シーリングプレートを用いて連通路に接着剤が進入するのを防いでいる。このシーリングプレートの端部に対応して第１セパレータ１０または第２セパレータ２０の一方に段差が形成されこの段差の側面と底面の角部にもガス溜まりが形成される。
そして、これらガス溜まりのガスが接合工程において加熱膨張した場合には、セル内部空間と冷媒の通路となるマニホールドとのリーク通路が形成されてしまう場合もある。
本発明は、よりガス溜まりによる不具合を解消させる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材および前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する凹状の窪みと、を含み、前記凹状の窪みは、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記接着剤保持部の表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、周縁の少なくとも一部に有することを特徴とする。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みの側面を斜面形状とすると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みがテーパ状に形成されると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、接着剤を保持する側であって、底面に対する斜面の角度が１２０°〜１５０°であると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記凹状の窪みの側面に外部へガスを排出するガス排出溝を有すると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記接着剤の外部への漏洩を抑制する接着剤漏洩抑制部材を前記接着剤中に含有すると好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記接着剤漏洩抑制部材は球状のビーズであり、このビーズの粒径が前記ガス排出溝の通路径よりも大きいと好適である。
本発明は、複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材と前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する段差部と、を含み、前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記段差部の表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、前記段差部に有することを特徴とする。
また、前記ガス排出補助構造は、前記段差部が、底面と側面との接続部分において、底面と側面を接続する斜面を有することが好適である。この構成によって、底面と側面が直接接続されるときに生じる隅部を除去することができる。
また、前記段差部は、凹状の窪みであり、この凹状の窪みの側面と底面との接続部分に斜面を有することが好適である。
上記燃料電池モジュールであって、前記セパレータ部材および前記セル積層方向に隣接する隣接部材はメタルセパレータであると好適である。
本発明によれば、よりガス溜まりによる不具合を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
「燃料電池」
図１には、本実施形態に係る燃料電池１００の断面図が開示されている。図２に示される燃料電池１００に積層される一枚のセパレータ２０の平面図である。燃料電池１００は、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間にＭＥＡ３０が挟持された燃料電池セル４０構造を有している。この燃料電池セル４０が多層に積層された構造となっている。この燃料電池セル４０は、第１セパレータ１０と隣接部材となる第２セパレータ２０がセパレータ間同士が接着剤で接合されて構成されている。燃料電池セル４０同士をさらに接着剤２２で接合して積層化（セルモジュール化）する。この接着剤により、燃料電池セル４０同士が物理的に強固に接着されてセルモジュール化される。このセルモジュール（スタック）は間にガスまたは冷媒を通すためのマニホールド８０を有している。
セパレータ２０は、セパレータの最外周面にセパレータ外周堰６５が設けられ、それよりも内側において、マニホールド８０の外周面にマニホールド８０を取り囲んでマニホールド外周堰６６が設けられている。さらに内側にはセパレータ内周堰６７を有している。
セパレータ２０は、接着剤を保持する接着剤保持部２４としての凹状溝を有している。凹状溝は、図１において、セパレータ外周堰６５とセパレータ外周側のマニホールド外周堰６６を側面壁として、それらの間に形成される外周凹状溝６２と、セパレータ内周側のマニホールド内周堰６６とセパレータ内周堰６７を側面壁として、それらの間に形成される内周凹状溝６４とで形成される。
第１セパレータ１０および第２セパレータ２０に、セルモジュール化する方向の燃料電池セル対向面に凹状の凹状溝を設ける。この凹状溝は底面（面内方向）に対する側面（積層方向）が斜面形状であることを特徴としている。凹状溝を設けた第２セパレータ２０の凹状溝内表面に接着剤２２を塗布する。この接着剤２２を塗布した後、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０の両方の凹状溝同士を対向させるように第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを配置させて接着剤保持空間５０を形成する。この形成された接着剤保持部５０に接着剤２２を保持させ、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを、接着剤２２により接合することで燃料電池セル４０同士を組み立て、モジュール化する。
また、隣接部材として本実施形態では第２セパレータを用いているが、隣接部材としては、セパレータ、電解質膜、膜−電極接合体、樹脂フレームのうち少なくとも１つを用いることができる。
凹状溝は底面２３に対して側面２９に角度θの斜面を形成する。図３では、底面２３に対して両側面に同じ角度θの斜面を形成させ、凹状溝をテーパ状に成形している。ここで角度θは９０°よりも小さく、凹状溝の側面を直角形状としない角度である。このように角度θを凹状溝の側面２９に設けたので、第１セパレータ１０を第２セパレータ２０上に被せて、両セパレータを接合してモジュール化した際にも接着剤２２と凹状溝内表面との間にガス溜まりが生じてしまうことを抑制できる。すなわち、モジュール化の際、ガス溜まりは凹状溝の側面２９が角度θを持っているので、この角度θを持った側面２９により凹状溝側面を直角形状とするよりも外部へのガス排出が補助されることになる。よってガス溜まりの発生を抑制できる。また、モジュール化後にガス溜まりの熱膨張により接着剤の接着力が低下したり、接着剤が分断されてしまうことを抑制できる。
第１セパレータ１０、第２セパレータ２０は、カーボン、金属、樹脂、導電性樹脂などを採用できる。例えば、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０ともメタルセパレータとしたり、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０ともカーボンセパレータ（カーボンとこのカーボンをバインダする樹脂との成形品）とすることなども採用できる。図１では、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０共、カーボンセパレータを用いている。
第１セパレータ１０には、ＭＥＡ３０へ燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４が形成され、第２セパレータ２０には、ＭＥＡ３０へ酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３２が形成されている。また、第１セパレータ１０および第２セパレータ２０にはガス流路３２、３４が形成されている面と反対側の接合面に冷媒（通常は冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。流路２６、３２、３４は、入口から出口まで１以上折り返して延びるサーペンタイン流路であってもよいし、あるいは、入口から出口までストレートに延びるストレート流路であってもよい。
第１セパレータ１０および第２セパレータ２０にはセル積層方向に延びる冷媒マニホールド、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドの各マニホールド８０が形成されている。冷媒マニホールドは、冷媒流路２６に連通しており、燃料ガスマニホールドは燃料ガス流路３２に連通している。酸化ガスマニホールドは、酸化ガス流路３４に連通している。これらマニホールドは第１セパレータ１０および第２セパレータ２０の対向端部に形成されており、セル面内の流路２６、３２、３４はマニホールド形成領域を除くセパレータの中央領域に形成されている。ガス流路領域であって、かつ、ＭＥＡ３０の存在する領域はセルの発電領域である。
ＭＥＡ３０と第１セパレータ１０および第２セパレータ２０を重ねて燃料電池セル４０を形成し、少なくとも１つの燃料電池セル４０からセルモジュールを構成する。このモジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート、ボルト・ナットにて固定して燃料電池スタックを構成することができる。
「ガス排出補助構造」
本実施形態において凹状溝の接着剤保持部のガス排出補助構造は、底面２３に対して両側面２９に同じ角度θの斜面を形成させ、凹状溝をテーパ状に成形しているが、その他にも様々な態様を採用できる。底面２３に対する両側面が直角形状の凹状溝よりも接合の際に少しでもガス溜まりの発生を抑制できる構造であればよい。ガス排出補助構造は、第１セパレータおよび／または第２セパレータの内表面に設けることができる。また、以下のうち単一の構造を有することも可能であるし、複数の種類の複数の構造を組み合わせる態様を採用することも可能である。ガス排出補助の観点では、複数の種類の複数のガス排出補助構造をできるだけ多く適用することが好適であるが、製造容易性等を勘案してそれぞれのケースにおいて好適な態様を採用すればよい。ガス排出補助構造は、例えば以下の（１）斜面形状、（２）ガス排出溝を採用することができる。
（１）斜面形状
図３では、両側面の角度θを同じ角度としているが、両側面の角度θを同じでなく、異なった角度θとしてもよい。また、一方の側面を直角形状とし、一方の側面２９を角度θの斜面形状としてもよい（例：図４）。また、形成される斜面は直線状であってもよいし、曲面に形成されていてもよい（例：図５）。さらには、多角形状、ステップ状（例えば等間隔のステップ幅を持った階段状）に斜面が形成されていてもよい（例：図７）。また、底面を有さず、Ｖ字型の斜面としてもよい（例：図６）。また、斜面形状を第１セパレータ１０または第２セパレータ２０のどちらかのみ有する構成も可能である（例：図８）。
斜面形状は直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等、ガス排出補助性に支障がなければどのような形状であってもよい。また、斜面形状は、直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等これらのうち均一な形状である必要はなく、複数の形状を採用できる。例えば、底面からある高さの部位までは直線状であり、そのある高さの部位からこれよりも高い別の高さの部位までは曲面状であり、その別の高さの部位からセパレータ接合面まではステップ状とすることも可能である。すなわち斜面形状は、凹状溝の周縁の一部に形成されていればよい。
なお、本明細書中において「斜面形状」は、直線状、曲面状、ステップ状、多角形状等を含む広い概念であり、直線状の斜面等に限られる概念ではない。
角度θは３０°〜６０°であることが好適である。特に好適なのは４５°である。角度が３０°よりも小さいと接着剤を保持する凹状溝の容積が確保できなくなる場合がある。一方、角度が６０°よりも大きいとより直角形状に近づくので効率的にエアを排気できない場合がある。
（２）ガス排出溝
図９では、第２セパレータの凹状溝の側面２９であって、セパレータ接合部分にマニホールドまで貫通しているガス排出溝６０が設けられている。このガス排出溝６０を設けることにより、接合の際に生じたガス溜まりが外部へ排出されることになる。これにより温度上昇時のガス溜まりによるエアの膨張、ひいては接着剤２２の分断を抑制することができる。
ガス排出溝６０は、ガス溜まりを外部へ排出し、内部の接着剤２２が外部に漏洩しない溝であることが好適である。接着剤２２が外部へと漏洩すると、この接着剤２２により燃料電池のガス流路が阻害される場合がある。よって、ガス排出溝６０はできるだけ小さい通路径であることが好適である。ガス排出溝６０は、ガスを排出できる構造であればよく、半円筒形状、Ｖ字状、凹状など様々な種類の溝を採用できる。
ガス溜まりを外部へ排出し、内部の接着剤２２が外部に漏洩しない溝構造とするには、接着剤２２中に接着剤漏洩抑制部材を含ませることがより好適である。例えば、球状のビーズを含ませると好適であり、より好適には接着剤漏洩をより好適にはかるため複数個のビーズ７０を含ませることである（図１０）。なお、ビーズなどの球状でなくとも直方体、立方体などの多角形状の固形物など様々な接着剤と不活性な材質からなる接着剤漏洩抑制部材を代わりに採用することが可能である。この接着剤漏洩抑制部材は、接着剤２２中でなくとも凹状溝中に予め配置しておき、この配置された接着剤漏洩抑制部材に接着剤２２を注入するという方法でも可能である。
ガス排出溝６０の凹状溝内表面からマニホールド口までの全体構造のうち最も浅い深さの値をｄとし、球状のビーズ７０の直径をｅとする。この場合、このビーズ７０の径の大きさｅはガス排出溝６０のｄの部分以上の大きさであれば（深さｄ≦直径ｅとする）、ビーズ７０がガス排出溝６０を塞ぎ、接着剤がマニホールドへ漏洩することを抑制している。ビーズの材質としては接着剤に対して不活性なシリカ、ガラス、樹脂等が好適である。
「ビーズによる接着剤漏洩抑制態様」
図１０、図１１にはビーズ７０を複数個含有させた接着剤を用いた接着剤漏洩抑制態様の説明図が示される。第２セパレータ２０の側面２９に凹状であって、全経路において同一深さｄの凹状ガス排出溝６０が設けられている。第２セパレータ２０表面の凹状溝にビーズを複数個含んだ接着剤２２を塗布する。このように接着剤２２を凹状溝に塗布した後、第１セパレータ１０を第２セパレータ２０と接合し、接着剤を押しつぶす。このとき、接着剤２２中のビーズ７０は、凹状ガス排出溝６０の入り口へと至る。ここでビーズの直径ｅは、凹状ガス排出溝６０の深さｄよりも大きいので。凹状ガス排出溝６０を塞ぐ。ここで、ビーズの直径ｅは必ずしも凹状ガス排出溝６０の深さｄよりも大きい場合だけでなく、同等の大きさや、やや小さい場合であっても可能である。ビーズの機能として接着剤の流出を抑制するように接着剤に対する通路抵抗とすることができればよい。
以上のようにビーズ７０によって凹状ガス排出溝６０が塞がれ、接着剤２２の外部への漏洩を抑制することができる。一方で、ビーズ７０とガス排出溝６０の間には、隙間が生じる。この隙間があるので、ガス溜まりのガスをこの隙間を通じて排出することができる。このようにしてガスを排出させ、なおかつ、接着剤２２の外部への漏洩を抑制させる漏洩抑制態様を提供できる。
「他の構成例」
図１７には、他の構成例を示してある。この図１７に示したのは、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の接合部分であり、接着剤２２が両セパレータ１０，２０の間に位置している。そして、この例では、第２セパレータ２０の接合面に凹状溝９０が存在し、この凹状溝９０の側面９２と、底面９４はほぼ直角に位置しているが、その接続部分に斜面９６が設けられている。従って、側面９２と底面９４が直接接する場合には、その接続角は９０°になるが、斜面９６が存在するため、側面９２と斜面９６の接続部および斜面９６と底面９４の接続部は、共に１３５°となっている。このように、凹状溝９０の面と面との接続角は鈍角化され、これによって接着剤２２を塗布した際に、ガス溜まりとなる角部をなくすことができる。
図１８には、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０によりＭＥＡ３０の電解質膜３０ａを挟み込み固定する接合部分を示してあり、ここでは接着剤２２が両セパレータ１０，２０の間に位置し、電解質膜３０ａの端部を包み込んでいる。そして、この部分の第２セパレータ２０は、電解質膜３０ａを適正に収容するために電解質膜３０ａが存在する部分において第１セパレータ１０との間隔が電解質膜３０ａの厚みに応じて大きくなるように側面９２と底面９４からなる段差９８を有している。そして、この側面９２と、底面９４の接続部分に上述の場合と同様に斜面９６が設けられている。従って、側面９２と斜面９６の接続部は、１３５°となっている。
図１９には、他の構成例が示されており、この例は図１７における斜面９６が曲面で構成されている。すなわち、斜面９６は、側面９２と底面９４をスムーズにつなげる、断面が所定半径の円弧となる斜面になっている。これによれば、角部がなく、ガス溜まりの発生を防止することができる。
図２０には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１８における斜面９６が曲面で構成されている。
図２１には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１７における側面９２をなくし、側面９２に代えて斜面９６を採用している。言い換えれば、側面が斜面９６となっている。これによっても、角部がなく、ガス溜まりの発生を防止することができる。
図２２には、さらに他の構成例が示されており、この例は図１８における斜面９２をなくし側面を斜面９６で構成している。
図２３には、さらに他の構成例が示されており、この例は図２１における斜面９６が曲面で構成されている。なお、この図２３においては、底面９４もなくなっているが、底面９４はあってもかまわない。
図２４には、さらに他の構成例が示されており、この例は図２２における斜面９６が曲面で構成されている。
このように、ＭＥＡ３０を挟み込む側における第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の接続部においても、凹状溝９０や段差９８の側面と底面の接続部分に斜面を配置し、接着剤２２が進入しないガス溜まりが生成されるのを防止することができる。
特に、ガス溜まりができると、接着のための加熱工程などによりガス溜まりのガスが膨張してガスリーク路が形成されてしまう場合があり、本実施形態により、リーク通路の発生を効果的に防止できる。すなわち、セル内部空間と冷媒の通路となるマニホールド、その他のガス通路とのリーク通路が形成されてしまうことを防止することができる。
なお、本実施形態においては、凹状溝を例示して説明しているが、溝でなく凹状穴を複数設ける構成としてもよい。本明細書において、「凹状の窪み」とは「凹状溝」と「凹状穴」の両者を含む概念である。
固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の燃料電池モジュール一般に適用できる。
本実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。 本実施形態に係る燃料電池セパレータの平面図である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 本実施形態に係るガス排出補助構造である。 背景技術に係る燃料電池セパレータの平面図である。 背景技術に係る燃料電池モジュールの断面図である。 ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。 ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。 ガス溜まりによる不具合発生の説明図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。 他の実施形態によるガス溜まり発生防止の構成を示す図である。

Claims (11)

  1. 複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、
    複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、
    前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、
    前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材および前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する凹状の窪みと、
    を含み、
    前記凹状の窪みは、
    前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記凹状の窪みの表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、周縁の少なくとも一部に有する燃料電池モジュール。
  2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記凹状の窪みの側面を斜面形状とした燃料電池モジュール。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記燃料電池モジュールは、前記凹状の窪みがテーパ状に形成される燃料電池モジュール。
  4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールであって、
    接着剤を保持する側であって、底面に対する斜面の角度が１２０°〜１５０°である燃料電池モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールであって、
    前記凹状の窪みの側面に外部へガスを排出するガス排出溝を有する燃料電池モジュール。
  6. 請求項５に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記接着剤の外部への漏洩を抑制する接着剤漏洩抑制部材を前記接着剤中に含有する燃料電池モジュール。
  7. 請求項６に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記接着剤漏洩抑制部材は球状のビーズであり、
    このビーズの粒径が前記ガス排出溝の通路径よりも大きい燃料電池モジュール。
  8. 複数の燃料電池セルを積層して形成される燃料電池モジュールであって、
    複数の燃料電池セルを区切るセパレータ部材と、
    前記セパレータ部材と前記燃料電池セルの積層方向において隣接するとともに、前記セパレータに対し接着剤で接着される隣接部材と、
    前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合部分における前記セパレータ部材と前記隣接部材のうち少なくとも一方に設けられ前記接着剤を保持する段差部と、
    を含み、
    前記セパレータ部材と前記隣接部材の接合の際に、前記接着剤と前記段差部の表面の間に存在するガスを外部へ排出することを補助するガス排出補助構造を、前記段差部に有する燃料電池モジュール。
  9. 請求項８に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記ガス排出補助構造は、前記段差部の底面と側面との接続部分において、底面と側面を接続する斜面を有する燃料電池モジュール。
  10. 請求項９に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記段差部は、凹状の窪みであり、この凹状の窪みの側面と底面との接続部分に斜面を有する燃料電池モジュール。
  11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールであって、
    前記セパレータ部材および前記セル積層方向に隣接する隣接部材は、メタルセパレータである燃料電池モジュール。
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