JPWO2014174959A1 - 燃料電池スタックのセル構造 - Google Patents

Abstract

膜電極接合体１を一対のセパレータ２で挟持した構造を有する単セルＣを積層して成る燃料電池スタックＦＳのセル構造であって、膜電極接合体１は、その周囲に、セパレータ２の周縁部よりも外側に延出する大きさのフレーム３を有し、セル積層方向に隣接するフレーム３同士のシール部１１から、膜電極接合体１とセパレータ２とのシール部１２に至る間におけるフレーム３に、その表裏に連通する連通穴２１，２２を設け、内外のシール部１１，１２の間に形成された空間Ｑの空気を連通穴２１，２２から外部に流出させ、シール部１１，１２を形成する接着剤の破損を防止する。

Description

本発明は、複数の単セルを積層して成る燃料電池スタックのセル構造に関する。

従来において、燃料電池スタックのセル構造としては、燃料電池スタック構造の名称で特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタック構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟んでセル（単セル）を構成している。膜電極構造体は、その周囲に、電解質膜を挟んだ硬質の樹脂フレームを有し、樹脂フレームの部分を非発電領域としている。そして、燃料電池スタック構造は、上記のセルを積層して多セルモジュールを構成し、その多セルモジュールをセル積層方向に複数且つ直列に配列し、多セルモジュール間をビードガスケットにてシールした構成になっている。

日本国特開２００５−１９０７０６号公報

上記したような燃料電池スタックでは、単セルの薄型化を図るために、膜電極接合体の周囲を一対の薄いフィルムで挟んで、このフィルムの部分をフレームとしたものが提案されている。このようなフレームを用いた単セルでは、雨水や結露水等の外部の水による単セル間の短絡（液絡）を防ぐために、フレームをセパレータよりも一回り大きいものとし、積層して燃料電池スタックを構成する際に、隣接するフレーム同士を全周にわたって接着し、この接着箇所をシール部としている。

ところが、上記の燃料電池スタックでは、当然、膜電極接合体とセパレータとの間にも全周にわたるシール部があることから、上述したフレーム同士のシール部と合わせて外周部が二重のシール構造になり、内外のシール部の間に閉空間が形成される。このため、燃料電池スタックでは、接着剤の硬化前にセル積層方向の荷重が加わると、閉空間に閉じ込められた空気が、線状に塗布した接着剤を部分的に押し切って放出される虞があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、シール部を形成する接着剤の破損を防止することができる燃料電池スタックのセル構造を提供することを目的としている。

本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを積層して成る燃料電池スタックのセル構造であって、膜電極接合体は、その周囲に、セパレータの周縁部よりも外側に延出する大きさのフレームを有している。そして、燃料電池スタックのセル構造は、セル積層方向に隣接するフレーム同士のシール部（接着箇所）から、膜電極接合体とセパレータとのシール部に至る間におけるフレームに、その表裏に連通する連通穴を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、例えば、製造時にセル積層方向に荷重が加わっても、内外のシール部の間に形成された空間の空気を連通穴から外部に流出させるので、空気圧が局所的に高くなることがなく、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、シール部を形成する接着剤の破損を防止することができる。

燃料電池スタックの斜視図（Ａ）、及び斜視分解図（Ｂ）である。 本発明の第１実施形態におけるセパレータ及び膜電極接合体を説明する平面図（Ａ）、及び図Ａ中のＡ−Ｏ−Ａ線に基づくセルモジュールの断面図（Ｂ）である。 本発明の第２実施形態におけるセパレータ及び膜電極接合体を説明する平面図（Ａ）、エンドプレートの平面図（Ｂ）、及びエンドプレートの断面図（Ｃ）である。 本発明の第３実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図である。 本発明の第４実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図である。 本発明の第５実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図である。 本発明の第６実施形態におけるセルモジュールを説明する断面図（Ａ）、及び図Ａ中の円Ｂ部分の拡大断面図（Ｂ）である。 本発明の第７実施形態におけるセルモジュールの連通穴部分の断面及び平面を示す説明図（Ａ）、並びに連通穴の他の形状例を示す平面図（Ｂ）である。 本発明の第８実施形態におけるフレームを説明する要部の断面図（Ａ）、及び接着前の状態を示す断面図（Ｂ）である。 塗布した接着剤が空気により押し切られた状態を示す平面図（Ａ）、及び塗布した接着剤が空気により変形した状態を示す平面図（Ｂ）である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）に示すように、複数の単セルＣを互いに積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の単セルＣ及びシールプレートＰは、ほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状を成している。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

単セルＣは、図２に示すように、膜電極接合体１と、膜電極接合体１を挟持する一対のセパレータ２，２を備えると共に、膜電極接合体１と各セパレータ２，２との間にアノードガス及びカソードガスの夫々のガス流路ＧＡ，ＧＣを形成している。

膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示は省略するが、固体高分子から成る電解質層をアノード電極層とカソード電極層とで挟持した構造を有している。また、膜電極接合体１は、外周部分を一対の薄い樹脂フィルムで挟んで、その樹脂フィルムの部分をフレーム３としている。この樹脂フィルムの材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。

各セパレータ２は、図２に示すように、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。セパレータ２は、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が断面凹凸形状に形成してある。このセパレータ２は、断面凹凸形状を長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間にアノード及びカソードのガス流路ＧＡ，ＧＣを形成する。

上記の単セルＣは、図１及び図２に示すように、短辺両側に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が配列してある。これらのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、膜電極接合体１のフレーム３や各セパレータ２の同じ位置に夫々形成してあり、単セルＣを構成した際に互いに連通する。

図２（Ａ）の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上側から、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液排出用（Ｈ２）及びアノードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々のマニホールドを形成する。また、図２（Ａ）の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上側から、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液供給用（Ｈ５）及びカソードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々のマニホールドを形成する。各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。

なお、図示を省略したが、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール材が配置してある。これらのシール材は、接着剤としても機能するもので、膜電極接合体（フレーム３を含む）１とセパレータ２とを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール材は、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当する箇所に開口を有している。

上記の単セルＣは、所定枚数を積層してセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する単セルＣ同士の間には、冷却液（例えば水）の流路Ｆを形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却液の流路Ｆを形成する。したがって、前記シールプレートＰは、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却液の流路Ｆ内に配置されている。

前記シールプレートＰは、プレート基板５０の両端部に、単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成してある。プレート基板５０は、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルＣとほぼ同じ形状で同じ大きさに形成してある。このプレート基板５０を導電性の金属板で形成することにより、経時的に安定した通電を行うことができる。

シールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、プレート基板５０の周縁部分に、外周シール部材５２と、内周シール部材５３とが、全周にわたって設けてある。これらのシール部材５２，５３は、互いに所定間隔をおいて互いに平行に配置してある。このシールプレートＰは、外周シール部材５２により、外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール材５３により、セルモジュールＭ間の流路Ｆを流通する冷却液の漏出を防止する。

ここで、本発明の燃料電池スタックＦＳのセル構造は、上記したように、膜電極接合体１を一対のセパレータ２，２で挟持した構造を有する単セルＣを積層して成る燃料電池スタックＦＳのセル構造である。そして、膜電極接合体１は、その周囲に、セパレータ２の周縁部よりも外側に延出する大きさのフレーム３を有している。

すなわち、単セルＣは、薄型化を図るために、膜電極接合体１の周囲を一対の薄いフィルムで挟んで、このフィルムの部分をフレーム３としている。このようなフレーム３を備えた単セルＣでは、雨水や結露水等の外部の水による単セルＣ間の短絡（液絡）を防ぐ構造にするために、図２（Ａ）に示すように、フレーム３をセパレータ２よりも一回り大きいものとしている。そして、単セルＣは、積層して燃料電池スタックＦＳを構成する際に、図２（Ｂ）に示すように、セル積層方向に隣接するフレーム３同士を全周にわたって接着し、この接着箇所をシール部１１としている。このシール部１１には、塗布後に硬化して接着機能及びシール機能を発揮する接着剤が使用される。

また、単セルＣは、先に述べたように、膜電極接合体１とセパレータ２とを気密的に接合しており、図２に示すように、膜電極接合体１のフレーム３の周縁部と、セパレータ２とを全周にわたって接着している。この接着には、上記のフレーム３の接着と同様に、塗布後に硬化してシール部１２となる接着剤が使用される。なお、夫々のシール部１１，１２は、図２（Ａ）中では、他の構成部材の輪郭と区別するために点線で示しているが、実際には全周にわたって連続している。

これにより、単セルＣは、両シール部１１，１２により、外周部に二重のシール構造を有するものとなり、内外のシール部の間、すなわちセル積層方向に隣接するフレーム３同士のシール部１１（接着箇所）から、膜電極接合体１とセパレータ２とのシール部１２（接着箇所）に至る間に、環状の空間Ｑが形成されている。

このような二重のシール構造では、従来技術の項で説明したように、接着剤の硬化前にセル積層方向の荷重が加わると、空間Ｑに閉じ込められた空気が、線状に塗布した接着剤を部分的に押し切って放出される虞がある。また、空気の放出を生じることなく接着剤が硬化した場合でも、空間Ｑで圧縮された空気が、余分な積層荷重や各単セルの面圧のばらつきを引き起こす虞がある。

これに対して、本発明の燃料電池スタックＦＳのセル構造では、セル積層方向に隣接するフレーム３同士のシール部１１から、膜電極接合体１とセパレータ２とのシール部１２に至る間におけるフレーム３に、その表裏に連通する連通穴２１，２２を設けた構成としている。

各フレーム３の連通穴２１，２２は、セル積層方向に隣接するもの同士が、セル積層方向に一致する位置に形成してある。また、各フレーム３には、複数箇所に連通穴２１，２２が形成してある。この複数の箇所としては、なるべく互いに離れた位置であることが望ましい。

具体的には、この実施形態のフレーム３は、矩形状の四隅すなわち４箇所に、二つの連通穴２１，２２を夫々有している。両連通穴２１，２２のうちの一方は、セル積層方向に隣接するフレーム３同士の相対向面３ａに形成した外側連通穴２１であり、他方は、フレーム３におけるセパレータ２との相対向面３ｂに形成した内側連通穴２２である。そして、各フレーム３において、セル積層方向に隣接する外側連通穴２１同士が、セル積層方向に一致する位置にあり、且つ、内側連通穴２２同士が、セル積層方向に一致する位置にある。

さらに、この実施形態では、セル積層方向に隣接するフレーム３同士のシール部材１１から、膜電極接合体１とセパレータ２とのシール部１２に至る間におけるセパレータ２に、その表裏に連通する連通穴２３が形成してある。ここで、燃料電池スタックＦＳでは、単セルＣのアノード側のセパレータ２と、隣接する単セルＣのカソード側のセパレータ２とが接合してあるので、前記連通穴２３は、両セパレータ２，２の同じ位置に形成してある。

この実施形態における各セパレータ２の連通穴２３は、セル積層方向に一致する位置に設けてあって、図２（Ｂ）に示すように、フレーム３の内側連通穴２２に対しても、セル積層方向に一致する位置に設けてある。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳのセル構造では、単セルＣを積層してセルモジュールＭ並びに燃料電池スタックＦＳを製造する際に、単セルＣのフレーム３の外周部に接着剤を塗布し、その後、次の単セルＣを重ねてフレーム３同士を接着し、それ以降、同様の作業を繰り返し行う。

この際、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、内外のシール部１２，１１の間の空間Ｑにおいて、フレーム３に、外部に連通する外側及び内側の連通穴２１，２２が設けてあるので、全ての単セル１の空間Ｑが互いに連通している。

このため、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、製造時にセル積層方向に荷重が加わっても、図２（Ｂ）中に矢印で示すように、空間Ｑの空気を連通穴２１，２２から外部（隣接する単セルＣの空間Ｑ）に流出させることができる。このような空気の流出は、各単セルＣ毎に相互に行われる。これにより、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、空気圧が局所的に高くなることもなく、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックＦＳにおいて、とくにフレーム３同士の間のシール部１１を形成する接着剤の破損を防止することができる。

また、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、塗布した接着剤が硬化してシール部１１となった後においても、一つの空間Ｑ内に空気が閉じ込められることがないので、圧縮空気による余分な積層荷重や各単セルの面圧のばらつきが解消される。

さらに、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、セル積層方向に隣接する連通穴２１〜２３が、セル積層方向に一致する位置に形成してあるので、互いの空間Ｑ同士の空気の流通性が非常に良好になる。

さらに、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、フレーム３の複数箇所に連通穴２１，２２が形成してあり、この実施形態では、外側及び内側の連通穴２１，２２が矩形状の四隅（四カ所）に夫々形成してある。これにより、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、図２（Ａ）に符号Ｒで示すように、塗布した接着剤が内側にはみ出して空間Ｑの途中を塞いだとしても、空間Ｑが密閉されることがない。これにより、シール部１１を形成する接着剤の破損を防止し、余分な積層荷重や各単セルＣの面圧のばらつきを解消する。

さらに、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、セル積層方向に隣接するフレーム３同士の相対向面３ａに連通穴（外側連通穴）２１を形成することで、隣接する空間Ｑ同士の空気の流通性がより良好になる。また、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、フレーム３におけるセパレータ２との相対向面３ｂに連通穴（内側連通穴）２２を形成することで、隣接する連通穴２２同士の間にセパレータ２を介在させた状態にする。これにより、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止することができる。

なお、上記した凝縮水の流通は、単セルＣの向きにもよるので、燃料電池スタックＦＳの設置姿勢に応じて連通穴２１，２２の位置を選択すればよい。上記実施形態は、セパレータ２にも連通穴２３を形成しているので、凝縮水の流通の阻止よりも空気の流通の向上を優先させた構造である。

さらに、燃料電池スタックＦＳのセル構造では、上記の如くセパレータ２に連通穴２３を形成しているので、この連通穴２３を、表面処理時の保持穴や、単セルＣの積層時の位置決め穴として使用することができる。表面処理時の保持穴とは、例えば、セパレータ２を電解液槽に浸漬して表面処理行う際に、そのセパレータ２をバスバーに吊下するためのフックを掛止する穴である。

〈第２実施形態〉
図３（Ａ）に示す単セルＣは、第１実施形態（図２参照）と同様の基本構成を備えたものである。この実施形態の燃料電池スタックのセル構造は、フレーム３の複数箇所すなわち矩形状の四隅である四カ所に、連通穴２１，２２が夫々形成してある。また、燃料電池スタックは、図１（Ｂ）で説明したように、単セルＣの積層体を積層方向に挟持するエンドプレート５６Ａ，５６Ｂを備えている。

この実施形態のエンドプレート５６Ａ（５６Ｂ）は、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、連通穴２１，２２の位置に対応して配置した圧力吸収用の凹部６１と、各凹部６１を連通させる均圧用の通路部６２を備えている。すなわち、エンドプレート５６Ａ（５６Ｂ）は、単セルＣが矩形状の四隅に連通穴２１，２２を夫々有しているので、同じく四隅に圧力吸収用の凹部６１を有し、これらの凹部６１が順次に連通するように四本の通路部６２を有している。

また、エンドプレート５６Ａ（５６Ｂ）は、その周縁部と、セルモジュールＭの積層端部における単セルＣのフレームとの間に、フレーム３同士の間と同様に、接着剤から成るシール部１１が介装される。なお、このシールは、シールプレートＰの防水シールで代替できる。

上記の構成を備えた燃料電池スタックのセル構造は、各単セルＣの空間Ｑ同士が連通していると共に、エンドプレート５６Ａ（５６Ｂ）の凹部６１にも連通している。これにより、燃料電池スタックのセル構造では、製造時にセル積層方向に荷重が加わっても、各凹部６１が圧力吸収用のボリューム空間として機能する。また、燃料電池スタックのセル構造では、各凹部６１が通路部６２により互いに連通しているので、各凹部６１の空気圧が均一になる。

このようにして、燃料電池スタックのセル構造は、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、閉じ込められた空気による接着剤の破損を防止することができると共に、局所的な空気圧による余分な積層荷重や各単セルＣの面圧のばらつきを解消することができる。

〈第３実施形態〉
図４に示す燃料電池スタックのセル構造は、第２実施形態（図３参照）と同等の基本構成を備えたものであって、単セルＣを所定枚数積層してセルモジュールＭとすると共に、セルモジュールＭ間に介装するシールプレートＰを備えている。

このシールプレートＰは、その表裏に連通する連通穴２４と、連通穴２４よりも外周側でセルモジュールＭに接触する外周シール部材５２を備えている。なお、シールプレートＰの連通穴２４は、フレーム３の内側連通穴２２及びセパレータ２の連通穴２３に対応する位置に形成されている。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳのセル構造は、セルモジュールＭの各単セルＣにおいては、先の実施形態と同様に空間Ｑが互いに連通しており、これに加えて、シールプレートＰの連通穴２４によりセルモジュールＭ同士が連通する。つまり、燃料電池スタックＦＳの全体において、全ての単セルＣの空間Ｑ同士が連通した状態になる。

これにより、燃料電池スタックＦＳのセル構造は、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックＦＳにおいて、閉じ込められた空気による接着剤の破損を防止することができると共に、局所的な空気圧による余分な積層荷重や各単セルＣの面圧のばらつきを解消することができる。

〈第４実施形態〉
図５に示す燃料電池スタックＦＳのセル構造は、第３実施形態（図４参照）と同等の基本構成を備えると共に、セル積層方向に隣接する連通穴同士のうちの少なくとも一部の連通穴同士が、互いにずれた位置に形成してある。図示のフレーム３には、外側連通穴２１のみが形成してある。つまり、この実施形態では、フレーム３の内側連通穴（２２）が無く、外側連通穴２１とセパレータ２の連通穴２３とが互い違いの位置に形成してある。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳのセル構造は、先の実施形態と同様に、閉じ込められた空気による接着剤の破損防止、局所的な空気圧による余分な積層荷重や各単セルＣの面圧のばらつきを解消する。しかも、燃料電池スタックＦＳのセル構造は、外側連通穴２１とセパレータ２の連通穴２３とを互い違いの位置に設けることで、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止することができる。

ここで、先の第１実施形態では、セル積層方向に隣接する連通穴同士が、セル積層方向に一致する位置に形成してある構成を説明し、上記の第４実施形態では、セル積層方向に隣接する連通穴同士のうちの少なくとも一部の連通穴同士が、互いにずれた位置に形成してある構成を説明した。

これらの構成において、セル積層方向に隣接する連通穴同士は、同一部材の連通穴同士だけではなく、積層構造上で隣接する部材の連通穴同士である。すなわち、セル積層方向に隣接する連通穴同士としては、フレーム３の連通穴同士、フレーム３とセパレータ２の連通穴同士、セパレータ２の連通穴同士、フレーム３とシールプレートＰの連通穴同士、並びにセパレータ２とシールプレートＰの連通穴同士などが含まれる。

〈第５実施形態〉
図６に示す燃料電池スタックＦＳのセル構造は、第４実施形態（図５参照）と同等の基本構成を備えると共に、セル積層方向に隣接する連通穴同士のうちの少なくとも一部の連通穴同士が、互いにずれた位置に形成してある。すなわち、セルモジュールＭにおいて、隣接する単セルＣ同士が、外側連通穴２１及び内側連通穴２２を交互に有し、セパレータ２の連通穴（２３）は無い構成である。これにより、燃料電池スタックＦＳのセル構造は、セル積層方向に隣接する連通穴２１，２２同士が互い違いの位置に形成してある。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳのセル構造は、先の実施形態と同様に、閉じ込められた空気による接着剤の破損防止、局所的な空気圧による余分な積層荷重や各単セルＣの面圧のばらつきを解消する。しかも、燃料電池スタックＦＳのセル構造は、セル積層方向に隣接する外側連通穴２１と内側連通穴２２とを互い違いに配置することで、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止することができる。

〈第６実施形態〉
図７（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳのセル構造は、第３実施形態（図４参照）と同等の基本構成を備えると共に、図７（Ｂ）に示すように、連通穴２３の周縁部に沿って液絡防止用の突部３１を設けた構成である。図７（Ｂ）は、図（Ａ）中の円Ｂ部分の拡大断面図である。この実施形態では、単セルＣのアノード側（又はカソード側）のセパレータ２に環状の前記突部３１が設けてある。このような突部３１は、セパレータ２の製造において、穴開け後に行うバーリングや、打ち抜きに伴う縁出しにより形成し得る。

上記構成を備えた燃料電池スタックのセル構造は、連通穴２３の周縁部に突部３１を設けているので、先述した各実施形態と同様に、空間Ｑの空気を外部に流出させる一方で、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水が連通穴２３から流出するのを突部３１で阻止する。このようにして、燃料電池スタックのセル構造は、凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止する。

〈第７実施形態〉
図８（Ａ）に示す燃料電池スタックのセル構造は、単セルＣにおけるアノード側セパレータ２の連通穴２３Ａ、カソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃ、及びフレーム３の連通穴２２の位置を違いにずらせた構成である。図示例の連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃは、いずれも円形であって、フレーム３の連通穴２２に対して、カソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃが半径分すれた位置にある。また、カソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃに対して、アノード側セパレータ２の連通穴２３Ａが半径分すれた位置にある。

これにより、隣接する単セルＣ同士においても、アノード側セパレータ２の連通穴２３Ａとカソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃとが、互いに半径分ずれた位置にある。すなわち、セル積層方向に隣接する連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃ同士は、いずれも互いにずれた位置に形成されている。

上記構成を備えた燃料電池スタックのセル構造は、先の実施形態と同様に、単セルＣの空間Ｑの空気を外部に流出させる一方で、セル積層方向に隣接する連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃ同士を互いにずらせて配置したので、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止する。

さらに、本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造では、より好ましい実施形態として、セル積層方向に隣接する連通穴同士の形状及び大きさの少なくとも一方を異ならせた構成にすることができる。例えば、図８（Ｂ）に示すように、フレーム３の連通穴２２を円形にし、これに対して、アノード側及びカソード側のセパレータ２の連通穴２３Ａ，２３Ｃを半円形にして、これらを互いにずらせた配置にする。

このような連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃを有する燃料電池スタックのセル構造にあっても、単セルＣの空間Ｑの空気を外部に流出させる一方で、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止することができる。

〈第８実施形態〉
図９（Ａ）に示す燃料電池スタックのセル構造は、単セルを構成する膜電極構造体のフレーム３が、隣接するフレーム同士のシール部１１に対応する位置に、少なくとも片面側に突出状態を成す厚肉部３０を有している。この厚肉部３０の突出部分は、シール部１１の横断面上において同シール部１１を内外に膨出状態に形成する尖頭形状を成している

この実施形態におけるフレーム３の厚肉部３０は、フレーム３の周縁部で且つ両面側（図中で上下側）に突出状態を成すと共に、両面側の突出部分３０Ａ，３０Ｂが、いずれも台形状を成している。とくに、両突出部分３０Ａ，３０Ｂは、シール部１１の横断面上において少なくともフレーム３の外周側を斜辺とする台形状を成している。なお、図示例の突出部分３０Ａ，３０Ｂは、両側を斜辺とする台形状である。

より具体的には、厚肉部３０は、図中で下側となる一方の突出部分３０Ａが、図中で上側となる他方の突出部分３０Ｂの高さＨ１よりも大きい高さＨ２を有している（Ｈ１＜Ｈ２）。また、一方の突出部分３０Ａは、他方の突出部分３０Ｂの頂部幅Ｗ１よりも小さい頂部幅Ｗ２を有し、シール部１１の横断面上において同シール部１１を内外に膨出状態に形成する尖頭形状を成している。

このとき、一方の突出部分３０Ａの頂部幅Ｗ２は、シール部１１を内外に膨出状態に形成するための構成として、図９（Ｂ）に接着前の状態を示すように、後に硬化してシール部１１となる接着剤１１Ｐの幅Ｗ３よりも小さいものとなっている。この接着剤１１Ｐの幅Ｗ３は、一方の突出部分３０Ａの頂部幅Ｗ２よりも大きいが、他方の突出部分の頂部幅Ｗ１よりも小さいものである（Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ１）。

なお、図９においては、フレーム３の外周側のシール部１１のみを示したが、その内側（図中で左側）には、内周側のシール部（例えば図２（Ｂ）の符号１２参照）が配置されて内外で二重のシール構造を構成し、両シール部の間に環状の空間Ｑが形成される。これに対して、各フレーム３には、空間Ｑの範囲において、その表裏に連通する連通穴２１が形成してある。

ここで、先の各実施形態でも説明したが、上記のような二重のシール構造では、接着剤１１Ｐの硬化前にセル積層方向の荷重が加わると、図１０（Ａ）に示すように、空間Ｑに閉じ込められた空気（矢印）が、線状に塗布した接着剤１１Ｐを部分的に押し切って放出される虞がある。また、空気の放出を生じることなく接着剤１１Ｐが硬化した場合でも、図１０（Ｂ）に示すように、空間Ｑで圧縮された空気（矢印）が接着剤１１Ｐを部分的に変形させ、変形したまま硬化してシール部１１を形成することがある。このような場合には、シール部１１の変形部分のシール幅Ｗｘが、本来のシール幅Ｗｓに対して著しく小さいものになる可能性が高く、その結果、充分なシール性が損なわれる虞がある。

これに対して、上記の燃料電池スタックのセル構造では、製造時にセル積層方向に荷重が加わっても、図９（Ａ）中に矢印で示すように、空間Ｑの空気を連通穴２１から、外部や隣接する単セルＣの空間Ｑに流出させることができる。これにより、燃料電池スタックのセル構造では、空気圧が局所的に高くなることもなく、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、とくにフレーム３同士の間のシール部１１を形成する接着剤の破損を防止することができる。

また、燃料電池スタックのセル構造では、塗布した接着剤１１Ｐが硬化してシール部１１となった後においても、一つの空間Ｑ内に空気が閉じ込められることがないので、圧縮空気による余分な積層荷重や各単セルの面圧のばらつきが解消される。

そして、上記実施形態の燃料電池スタックのセル構造では、フレーム３が、少なくとも片面側に突出状態を成す厚肉部３０を有し、その突出部分３０Ａが、シール部１１の横断面上において同シール部を内外に膨出状態に形成する尖頭形状を成しているので、接着剤１１Ｐを押し潰すようにしてシール部１１を形成することとなり、シール部１１のシール幅Ｗｓの均一化や、フレーム３とシール部１１との界面の増大を実現し、安定したシール機能を達成する。

また、上記の燃料電池スタックのセル構造では、ディスペンサーによる接着剤１１Ｐの塗布や、スクリーン印刷による接着剤１１Ｐの塗布のいずれにも対応可能である。なお、上記実施形態では、厚肉部３０が、フレーム３の両面側に突出状態を成すものとしたが、図９中の下側に示す突出部分３０Ａだけであっても良い。このような構成では、フレームの上面側が平坦になるので、例えばスクリーン印刷で接着剤１１Ｐを塗布する場合、接着剤１１Ｐの厚さを均一にすることができ、シール部１１の品質がより安定する。

さらに、上記の燃料電池スタックのセル構造では、厚肉部３０をフレーム３の両面側に突出状態にし、両面側の突出部分が、シール部１１の横断面上において少なくともフレーム３の外周側を斜辺とする台形状を成すものとしたので、図１に示すケース一体型構造を構成した場合には、フレーム３の端部（図９中で右側端部）が補強板５８Ａ，５８Ｂに接触した際に、突出部分３０Ａ，３０Ｂのフレーム外周側を斜辺により、ケース側（補強板側）からの振動等の外力に対する応力集中を回避することができる。また、突出部分３０Ａ，３０Ｂを台形状にすることにより、フレーム３を樹脂成形する際の離型性が良好になるという利点もある。

本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、その構成が上記した各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の構成を組み合わせたり、構成部材の材料、形状、数、大きさ及び配置などを変更したりすることが可能である。

Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｍ セルモジュール
Ｐ シールプレート
１ 膜電極接合体
２ セパレータ
３ フレーム
１１ シール部（フレーム同士のシール部）
１２ シール部（膜電極接合体とセパレータとのシール部）
２１ 外側連通穴
２２ 内側連通穴
２３ セパレータの連通穴
２３Ａ アノード側セパレータの連通穴
２３Ｃ カソード側セパレータの連通穴
２４ シールプレートの連通穴
３０ 厚肉部
３０Ａ 一方の突出部分
３０Ｂ 他方の突出部分
３１ 突部
５２ 外周シール部材
５６Ａ エンドプレート
５６Ｂ エンドプレート
６１ 凹部
６２ 通路部

【０００２】
［０００５］
ところが、上記の燃料電池スタックでは、当然、膜電極接合体とセパレータとの間にも全周にわたるシール部があることから、上述したフレーム同士のシール部と合わせて外周部が二重のシール構造になり、内外のシール部の間に閉空間が形成される。このため、燃料電池スタックでは、接着剤の硬化前にセル積層方向の荷重が加わると、閉空間に閉じ込められた空気が、線状に塗布した接着剤を部分的に押し切って放出される虞があり、このような問題点を解決することが課題であった。
［０００６］
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、シール部を形成する接着剤の破損を防止することができる燃料電池スタックのセル構造を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［０００７］
本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを積層して成る燃料電池スタックのセル構造であって、膜電極接合体は、その周囲に、セパレータの周縁部よりも外側に延出する大きさのフレームを有している。そして、燃料電池スタックのセル構造は、フレームの周縁部の全周にわたって連続する外側のシール部と、セパレータの周縁部の全周にわたって連続する内側のシール部とを有し、セル積層方向に隣接するフレーム同士のシール部（接着箇所）から、膜電極接合体とセパレータとのシール部に至る間におけるフレームに、その表裏に連通する連通穴を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
発明の効果
［０００８］
本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、例えば、製造時にセル積層方向に荷重が加わっても、内外のシール部の間に形成された空間の空気を連通穴から外部に流出させるので、空気圧が局所的に高くなることがなく、外周部に二重のシール構造を有する燃料電池スタックにおいて、シール部を形成する接着剤の破損を防止することができる。
図面の簡単な説明
［０００９］
［図１］燃料電池スタックの斜視図（Ａ）、及び斜視分解図（Ｂ）である。

【００１４】
た位置にある。また、カソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃに対して、アノード側セパレータ２の連通穴２３Ａが半径分すれた位置にある。
［００５９］
これにより、隣接する単セルＣ同士においても、アノード側セパレータ２の連通穴２３Ａとカソード側セパレータ２の連通穴２３Ｃとが、互いに半径分ずれた位置にある。すなわち、セル積層方向に隣接する連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃ同士は、いずれも互いにずれた位置に形成されている。
［００６０］
上記構成を備えた燃料電池スタックのセル構造は、先の実施形態と同様に、単セルＣの空間Ｑの空気を外部に流出させる一方で、セル積層方向に隣接する連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃ同士を互いにずらせて配置したので、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止する。
［００６１］
さらに、本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造では、より好ましい実施形態として、セル積層方向に隣接する連通穴同士の形状及び大きさの少なくとも一方を異ならせた構成にすることができる。例えば、図８（Ｂ）に示すように、フレーム３の連通穴２２を円形にし、これに対して、アノード側及びカソード側のセパレータ２の連通穴２３Ａ，２３Ｃを半円形にして、これらを互いにずらせた配置にする。
［００６２］
このような連通穴２２，２３Ａ，２３Ｃを有する燃料電池スタックのセル構造にあっても、単セルＣの空間Ｑの空気を外部に流出させる一方で、膜電極接合体１で発生した水蒸気の凝縮水がセル積層方向に流通し難い状態にして、その水による単セルＣ同士の短絡（液絡）を防止することができる。
［００６３］
〈第８実施形態〉
図９（Ａ）に示す燃料電池スタックのセル構造は、単セルを構成する膜電極構造体のフレーム３が、隣接するフレーム同士のシール部１１に対応する位置に、少なくとも片面側に突出状態を成す厚肉部３０を有している。この厚肉部３０の突出部分は、シール部１１の連続方向に交差する横断面上において同シール部１１を単セルＣの内外（図９中で左右）に膨出状態に形成する尖頭形状を成している。
［００６４］
この実施形態におけるフレーム３の厚肉部３０は、フレーム３の周縁部で

このとき、一方の突出部分３０Ａの頂部幅Ｗ２は、シール部１１を内外に膨出状態に形成するための構成として、図９（Ｂ）に接着前の状態を示すように、後に硬化してシール部１１となる接着剤１１Ｐの幅Ｗ３よりも小さいものとなっている。この接着剤１１Ｐの幅Ｗ３は、一方の突出部分３０Ａの頂部幅Ｗ２よりも大きいが、他方の突出部分の頂部幅Ｗ１よりも小さいものである（Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２）。

本発明に係わる燃料電池スタックのセル構造は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを積層して成る燃料電池スタックのセル構造であって、膜電極接合体は、その周囲に、セパレータの周縁部よりも外側に延出する大きさのフレームを有している。そして、燃料電池スタックのセル構造は、フレームの周縁部の全周にわたって連続する外側のシール部と、セパレータの周縁部の全周にわたって連続する内側のシール部とを有し、前記外側のシール部が、セル積層方向に隣接するフレーム同士を接合し、前記内側のシール部が、セル積層方向に隣接する膜電極接合体とセパレータとを接合し、前記外側のシール部と内側のシール部とによって単セルの外周部に二重のシール構造を形成し、前記外側のシール部から、前記内側のシール部に至る間におけるフレームに、その表裏に連通する連通穴を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

すなわち、単セルＣは、薄型化を図るために、膜電極接合体１の周囲を一対の薄いフィルムで挟んで、このフィルムの部分をフレーム３としている。このようなフレーム３を備えた単セルＣでは、雨水や結露水等の外部の水による単セルＣ間の短絡（液絡）を防ぐ構造にするために、図２（Ａ）に示すように、フレーム３をセパレータ２よりも一回り大きいものとしている。そして、単セルＣは、積層して燃料電池スタックＦＳを構成する際に、図２（Ｂ）に示すように、セル積層方向に隣接するフレーム３同士を全周にわたって接着し、この接着箇所をシール部（外側のシール部）１１としている。このシール部１１には、塗布後に硬化して接着機能及びシール機能を発揮する接着剤が使用される。

また、単セルＣは、先に述べたように、膜電極接合体１とセパレータ２とを気密的に接合しており、図２に示すように、膜電極接合体１のフレーム３の周縁部と、セパレータ２とを全周にわたって接着している。この接着には、上記のフレーム３の接着と同様に、塗布後に硬化してシール部（内側のシール部）１２となる接着剤が使用される。なお、夫々のシール部１１，１２は、図２（Ａ）中では、他の構成部材の輪郭と区別するために点線で示しているが、実際には全周にわたって連続している。

Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｍ セルモジュール
Ｐ シールプレート
１ 膜電極接合体
２ セパレータ
３ フレーム
１１ シール部（フレーム同士のシール部・外側のシール部）
１２ シール部（膜電極接合体とセパレータとのシール部・内側のシール部）
２１ 外側連通穴
２２ 内側連通穴
２３ セパレータの連通穴
２３Ａ アノード側セパレータの連通穴
２３Ｃ カソード側セパレータの連通穴
２４ シールプレートの連通穴
３０ 厚肉部
３０Ａ 一方の突出部分
３０Ｂ 他方の突出部分
３１ 突部
５２ 外周シール部材
５６Ａ エンドプレート
５６Ｂ エンドプレート
６１ 凹部
６２ 通路部

Claims (13)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを積層して成る燃料電池スタックのセル構造であって、
   膜電極接合体は、その周囲に、セパレータの周縁部よりも外側に延出する大きさのフレームを有しており、
   セル積層方向に隣接するフレーム同士のシール部から、膜電極接合体とセパレータとのシール部に至る間におけるフレームに、その表裏に連通する連通穴を設けたことを特徴とする燃料電池スタックのセル構造。
2. 連通穴は、セル積層方向に隣接するフレーム同士の相対向面に形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセル構造。
3. 連通穴は、フレームにおけるセパレータとの相対向面に形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセル構造。
4. セル積層方向に隣接するフレーム同士のシール部から、膜電極接合体とセパレータとのシール部に至る間におけるセパレータに、その表裏に連通する連通穴が形成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
5. フレームの複数箇所に連通穴が形成してあると共に、単セルの積層体を積層方向に挟持するエンドプレートを備えており、
   エンドプレートは、連通穴の位置に対応して配置した圧力吸収用の凹部と、各凹部を連通させる均圧用の通路部を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
6. 単セルを所定枚数積層してセルモジュールとすると共に、セルモジュール間に介装するシールプレートを備えており、
   シールプレートは、その表裏に連通する連通穴と、連通穴よりも外周側でセルモジュールに接触する外周シール部材を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
7. セル積層方向に隣接する連通穴同士が、セル積層方向に一致する位置に形成してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
8. セル積層方向に隣接する連通穴同士のうちの少なくとも一部の連通穴同士が、互いにずれた位置に形成してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
9. 連通穴の周縁部に沿って液絡防止用の突部を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
10. セル積層方向に隣接する連通穴同士の形状及び大きさの少なくとも一方を異ならせたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
11. セパレータの連通穴は、表面処理時の保持穴、単セルの積層時の位置決め穴として使用されることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
12. 前記フレームが、隣接するフレーム同士のシール部に対応する位置に、少なくとも片面側に突出状態を成す厚肉部を有し、
    前記厚肉部の突出部分が、シール部の横断面上において同シール部を内外に膨出状態に形成する尖頭形状を成していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
13. 前記フレームの厚肉部が、フレームの周縁部で且つ両面側に突出状態を成すと共に、 両面側の突出部分が、シール部の横断面上において少なくともフレームの外周側を斜辺とする台形状を成しており、
    一方の突出部分が、他方の突出部分の高さよりも大きい高さを有し且つ他方の突出部分の頂部幅よりも小さい頂部幅を有して、シール部の横断面上において同シール部を内外に膨出状態に形成する尖頭形状を成していることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタックのセル構造。

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