JPWO2016031226A1 - 燃料電池モジュール及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

燃料電池モジュールは、電極−膜接合体と、一対のセパレータとを有する。電極−膜接合体は、電極部と、一対のガス拡散層とを含む。電極部は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の第１面に設けられたアノード電極と、第２面に設けられたカソード電極とを含む。一対のガス拡散層は、電極部の、アノード電極が設けられたアノード面と、カソード電極が設けられたカソード面にそれぞれ当接している。セパレータは、電極−膜接合体をアノード面およびカソード面からそれぞれ挟み込んでいる。電極−膜接合体とセパレータのそれぞれとは、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂で構成された複数の樹脂部によって互いに接着されている。ガス拡散層のそれぞれの少なくとも一部に複数の樹脂部のそれぞれが含浸している。

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に関し、特に電極膜接合体とセパレータとで構成された燃料電池モジュールの構造に関する。

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させる。ＰＥＦＣは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の両面に形成されたアノード電極、カソード電極とを有する。これらの電極は、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層と、触媒層の外側に配置され、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（ＧＤＬ）とを有する。このように高分子電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられた構造体を電解質膜―電極接合体（ＭＥＡ：ＭＥＭＢＲＡＮＥ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＡＳＳＥＭＢＬＹ）と称す。

ＭＥＡの両面には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定すると共に、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する導電性の一対のセパレータが配置される。セパレータにおけるＭＥＡとの接触部分には、それぞれの電極に反応ガスを供給し、また生成する水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。そして、ガス流路に供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、ＭＥＡにおける電極形成部分の外周を囲むように、一対のセパレータの間には封止部材（シール）が配置される。このような構造体を電池モジュール（セル）という。

ところで、燃料電池ではガスの利用効率の向上が重要な課題の一つである。利用効率を下げる要因としては、ガスのクロスリーク、ガスの外部リーク、ガスのショートカットがある。

加工上の制約などの理由から、ガスケットの内縁と電極形成部分の外縁との間には間隙が生じる場合がある。このような間隙がアノード面側、またはカソード面側、またはアノード面側とカソード面側の双方に存在するような場合には、ＰＥＦＣの運転時において間隙に燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏出する虞がある。漏出した燃料ガスおよび酸化剤ガスは、ＭＥＡにほとんど暴露されないまま外部に排出される。その結果、燃料ガスおよび酸化剤ガスの利用効率が低下し、ＰＥＦＣの効率（発電効率）の低下を招く。ガスのショートカットはこのような要因によって発生する。

このような問題を解決するために、ＭＥＡと、ＭＥＡを保持する枠体と弾力性のあるガスケット材料とを一体に構成したものとを組み合わせて、ＭＥＡ一体化製品を構成する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、燃料電池スタックには、小型化、薄型化が要求されている。しかしながら、カーボンと樹脂結合材とをベースとした、いわゆるカーボンセパレータの線膨張係数は大きく、運転時の寸法変化が大きい。そのため、その寸法変化を吸収するためのバネ等が必要で、燃料電池スタックを小型化できない。また、強度を確保するためにはセパレータを厚くする必要がある。これに対し、導電性のプリプレグにプレス加工で流路を形成したセパレータを用い、線膨張係数の低減と、薄型化を両立する構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、圧縮成形により作製された一対のセパレータにより発電要素を挟持した単セルを、複数積層して燃料電池を作製する際、隣接する単セルのセパレータ同士を接着剤により貼り合せる。この接着剤が、セパレータを流れる冷却水をシールするシール部材として機能する構造も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００９−２１２１７号公報 特開２００６−２８６５９２号公報 特開２００５−１６６４２５号公報

本発明は、ガスのクロスリークや外部リーク、ショートカットを、簡単な構造および製造方法で防ぐことができ、同時に耐久性を改善させて小型化、薄型化を実現することができる、燃料電池モジュール及び燃料電池スタック、並びに燃料電池モジュールの製造方法を提供する。

本発明の燃料電池モジュールは、電極−膜接合体と、一対のセパレータとを有する。電極−膜接合体は、電極部と、一対のガス拡散層とを含む。電極部は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の第１面に設けられたアノード電極と、第２面に設けられたカソード電極とを含む。一対のガス拡散層は、電極部の、アノード電極が設けられたアノード面と、カソード電極が設けられたカソード面にそれぞれ当接している。セパレータは、電極−膜接合体をアノード面およびカソード面からそれぞれ挟み込んでいる。電極−膜接合体とセパレータのそれぞれとは、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂で構成された複数の樹脂部によって互いに接着されている。ガス拡散層のそれぞれの少なくとも一部に複数の樹脂部のそれぞれが含浸している。

この構造により、ガスのクロスリークや外部リーク、ショートカットを、簡単な構造で防ぐことを可能とする。同時に、小型化、薄型化をも実現できる。

このとき、燃料電池モジュールを積層して燃料電池スタックとし、それぞれの燃料電池モジュールは、ガスケットを介して締結されるか、樹脂部によって接着され、一体に接合されている。

さらに、本発明の燃料電池モジュールの製造方法では、上述の電極−膜接合体の両面から少なくとも一部に繊維を含有する固体状態の複数の樹脂シートを環状に加工して重ね合わせる。そして、複数の樹脂シートが重ね合わせられた電極−膜接合体を、一対のセパレータで挟み込んで加熱する。この操作により、電極−膜接合体とセパレータとを接着し一体に接合させる。

これにより、上記燃料電池モジュールを作製することができる。

以上のように、本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスそれぞれについて、クロスリーク、外部リーク、ショートカットを防止することができ、発電効率の低下を無くすことができる。また、モジュールの線膨張係数を小さくすることによって、小型化、薄型化を実現することができる。

本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの模式図 図１に示す燃料電池モジュールの展開図 図１に示す燃料電池モジュールの断面図 図１に示す燃料電池モジュールの他の断面図 図３Ａに示す燃料電池モジュールの展開図 図３Ａに示す燃料電池モジュールを用いた燃料電池モジュール積層体の断面図 本発明の実施の形態における他の燃料電池モジュールを用いた燃料電池モジュール積層体の断面図 図３Ａに示す燃料電池モジュールを用いた燃料電池モジュール積層体のさらに他の例を示す断面図 本発明の実施の形態における他の燃料電池モジュールの断面図 図８に示す燃料電池モジュールの他の断面の例を示す図 図８に示す燃料電池モジュールの他の断面の他の例を示す図 図８に示す燃料電池モジュールの他の断面のさらに他の例を示す図 本発明の実施の形態におけるさらに他の燃料電池モジュールの断面図 図１２に示す燃料電池モジュールの他の断面の例を示す図 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの断面模式図 図１４に示す燃料電池スタックの展開図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの製造フローチャート 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの樹脂部となる樹脂シートの一例を示す平面図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの樹脂部となる樹脂シートの他の例を示す平面図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの樹脂部となる樹脂シートのさらに他の例を示す平面図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの樹脂部のさらに他の例を示す分解斜視図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの樹脂部となる樹脂シートのさらに他の例を示す平面図 図２１に示す樹脂シートを用いた組立例を示す平面図 本発明の実施の形態による燃料電池モジュールの断面の電子顕微鏡写真を示す図 図２３Ａに示す電子顕微鏡写真の模式図

本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の燃料電池モジュールにおける問題点を簡単に説明する。

特許文献１記載の構成では、枠体と高分子電解質膜の間隙を、弾性体であるシールで埋めることが必要となり、高い部品寸法精度および組立精度が必要となる。そのため、公差範囲で隙間が生じないような複雑な形状のシールとなると共に、公差を成立させるために、シールの厚みを薄くできない。

特許文献２に記載の構成では、セパレータに対して線膨張係数および厚みを低減させているが、シールについては何ら言及されていない。同文献において、弾性体のシールを用いた場合であっても、上述の特許文献１と同様の課題が生じる。また、接着剤等を用いた場合には、シールの線膨張係数がセパレータに対して大きくなり、運転時のシールの信頼性が低下し、さらに粘度の高い液体を用いるため、製造工程が煩雑になる。

特許文献３に記載の構成では、セパレータ同士を接着剤によって固定している。しかしながら、接着剤の線膨張係数はセパレータに比べて一般に大きい。そのため、積層方向および面内方向において、起動・停止等で生じる温度変化により応力が発生し、耐久性が低くなる。さらに、接着剤の層を電極面の絶縁層として用いる場合、硬化時に樹脂が流動し、厚みが一定に保つことが困難となる。その結果、電気絶縁性を確保できない。さらに、樹脂の流動性を部分的に変化させることが困難である。そのため、流動性を低減させたような接着剤の組成・構成であっても、電極と接着剤の間に空隙が生じ、ガスのショートカットを生じてしまう虞がある。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池モジュールの構造を、模式的に示した斜視図である。図２は図１に示す燃料電池モジュールの展開図である。図３Ａ及び図４は、図１のＡ−Ａ線における断面図およびその展開図である。図３Ｂは、図１のＣ−Ｃ線における断面図である。図５〜図７は、燃料電池モジュール積層体の例を示す断面図である。

図１、図２に示すように、燃料電池モジュール１００は、電極−膜接合体（以下、ＭＥＡ）２と、アノードセパレータ３と、セパレータ４（以下、セパレータ３、４）とを有する。ＭＥＡ２は、セパレータ３、４により挟まれている。セパレータ３、４は一対の導電性セパレータであり、セパレータ３は燃料ガス経路を形成し、セパレータ４は酸化剤ガス経路を形成している。

より具体的には、図３Ａ、図４に示すように、ＭＥＡ２は、高分子電解質膜１２と、高分子電解質膜１２の第１面に設けられたアノード電極２Ａと、高分子電解質膜１２の第２面に設けられたカソード電極２Ｂと、一対のガス拡散層１３Ａ、１３Ｂとを含む。高分子電解質膜１２と、アノード電極２Ａと、カソード電極２Ｂとは、電極部を構成している。ガス拡散層１３Ａは、電極部の、アノード電極２Ａが設けられたアノード面にそれぞれ当接し、ガス拡散層１３Ｂは、電極部の、カソード電極２Ｂが設けられたカソード面に当接している。セパレータ３、４は、ＭＥＡ２をアノード面およびカソード面からそれぞれ挟み込んでいる。

ガス拡散層１３Ａ、１３Ｂは、セパレータ３、４の表面とそれぞれ当接している。セパレータ３に設けられた燃料ガス流路溝８と、ガス拡散層１３Ａとによって燃料ガス流路が画定されている。一方、セパレータ４に設けられた酸化剤ガス流路溝９と、ガス拡散層１３Ｂとによって、酸化剤ガス流路が画定されている。これにより、燃料ガスは、セパレータ３に対向するガス拡散層１３Ａに、酸化剤ガスはセパレータ４に対向するガス拡散層１３Ｂにそれぞれ接触して電気化学的に反応する。

セパレータ３、４およびＭＥＡ２の周縁部は、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂部１によりそれぞれ接着されて一体に接合されている。樹脂部１は、セパレータ３に当接した樹脂部１Ａと、セパレータ４に当接した樹脂部１Ｂとを含む。ガス拡散層１３Ａの少なくとも一部に樹脂部１Ａが含浸し、ガス拡散層１３Ｂの少なくとも一部に樹脂部１Ｂが含浸している。

なお図１に示すように、モジュール１００の周縁部には、それぞれ一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド６、酸化剤ガスマニホールド７が設けられている。すなわち、燃料ガスマニホールド６は、燃料ガスマニホールド６Ａ、６Ｂで構成され、酸化剤ガスマニホールド７は、酸化剤ガスマニホールド７Ａ、７Ｂで構成されている。燃料ガスマニホールド６、酸化剤ガスマニホールドには、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する。図３Ａ〜図４に示すように、セパレータ３、４およびＭＥＡ２の周縁部にはそれぞれ、燃料ガスマニホールド６、酸化剤ガスマニホールド７が設けられている。

また、燃料ガスマニホールド６および酸化剤ガスマニホールド７からそれぞれのガスをＭＥＡ２の電極面内に導入および排出するため、セパレータ３、４にはそれぞれ、接続溝１０、１１が設けられている。接続溝１０とＭＥＡ２、樹脂部１とにより燃料ガス接続経路が画定され、接続溝１１とＭＥＡ２、樹脂部１とにより酸化剤ガス接続経路が画定されている。

接続溝１０は接続溝１０Ａ、１０Ｂを含み、接続溝１１は接続溝１１Ａ、１１Ｂを含んでいる。接続溝１０Ａは燃料ガス流路溝８の供給端に、接続溝１０Ｂは燃料ガス流路溝８の排出端に、それぞれ繋がっている。接続溝１１Ａは酸化剤ガス流路溝９の供給端に、接続溝１１Ｂは酸化剤ガス流路溝９の排出端に、それぞれ繋がっている。

燃料ガスマニホールド６Ａは接続溝１０Ａを介して燃料ガス流路溝８に繋がり、燃料ガスマニホールド６Ｂは接続溝１０Ｂを介して燃料ガス流路溝８に繋がっている。酸化剤ガスマニホールド７Ａは接続溝１１Ａを介して酸化剤ガス流路溝９に繋がり、酸化剤ガスマニホールド７Ｂは接続溝１１Ｂを介して酸化剤ガス流路溝９に繋がっている。

また、図１に示すように、モジュール１００には、さらに、一対の冷却水マニホールド１４が設けられ、セパレータ４には、冷却水マニホールド１４に繋がった冷却水流路溝１５が設けられている。冷却水流路溝１５は、セパレータ４において、酸化剤ガス流路溝９が設けられた面の反対側の面に設けられている。なお、燃料ガスマニホールド６、酸化剤ガスマニホールド７、冷却水マニホールド１４は、電極面の外周の４辺に配置されているが、これらのマニホールド、接続流路および電極面内の流路の形状、位置はこれに限るものではなく、設計に応じて自由に配置してもよい。

樹脂部１は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが耐熱温度、線膨張係数などの点で好ましく、ＦＲ−４をはじめ様々な物性を選定できる。しかしながら、繊維および樹脂はこれに限るものではなく、繊維は強度、厚み、線膨張係数、含有物質に応じてアラミド繊維やカーボン繊維などの他の繊維を用いてもよい。樹脂はフェノール樹脂や、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などの他の熱硬化性樹脂、或いは、熱可塑姓の樹脂であってもよい。また繊維を含有する樹脂と他の樹脂を多層に積層した構成や、部分的に組成の異なる構成であってもよい。また、アノード面側、カソード面側それぞれで異なる構成の少なくとも一部に繊維を含有する樹脂部１を用いてもよい。

以上のように構成されたモジュール１００を複数用意して積層することにより、図５に示すように、燃料電池モジュール積層体（以下、積層体）２００が構成される。積層体２００においては、隣接したＭＥＡ２が互いに電気的に直列又は並列に接続される。

また、モジュールとして一体に接合されるＭＥＡ２は、１枚に限るものではない。図６に示すように、複数のＭＥＡ２を、セパレータ３、セパレータ４、表裏に燃料ガス経路、酸化剤ガス経路を形成したセパレータ５を用いて一体に接合してモジュール１０１を構成してもよい。

その場合、ＭＥＡ２に対する冷却水流路溝１５の構成は特に限定するものではない。例えば、１枚のＭＥＡ２につき１つ、セパレータ３とセパレータ４との当接面で冷却水流路溝１５を形成してもよい。あるいは図６に示すように、セパレータ５を用いて複数のＭＥＡ２を積層し、複数のＭＥＡ２ごとに冷却水流路溝１５が形成されていてもよい。

また、燃料電池モジュールの構成は特に限定するものではない。例えば、セパレータ３、ＭＥＡ２、セパレータ４の間に樹脂部１を設けた５層構成の燃料電池モジュール１００もあり得る。その他、セパレータ３、ＭＥＡ２、セパレータ５、ＭＥＡ２、セパレータ４の間に樹脂部１を設けた９層構造からなる燃料電池モジュールも考え得る。さらにこれらの燃料電池モジュール積層体などが考えられる。

燃料電池モジュールを積層して積層体を構成する場合は、モジュールとモジュールの間にさらに樹脂部１を設けて一体に接合してもよい。

また、冷却水流路溝１５を形成する面のシール構成は特に限定するものではなく、図５、図６に示すように、別途、ガスケット等のシール材２０およびセパレータ４やセパレータ５のシール溝２１を用いた構成でもよい。図６に示す積層体２００においては、モジュール１０１のうちの２つの間にシール材２０が配置されている。シール材２０の材料は、特に限定するものではなく、線シール形状や接着剤、セパレータに一体に形成されたものなどであってもよい。

また、図７に示すように、一部もしくは全ての冷却水流路溝１５が形成された面に、樹脂部１を配置してもよい。すなわち、モジュール１０２では、冷却水流路溝１５が形成された面に樹脂部１が配置されている。そして、図７に示す積層体２００においては、モジュール１０１とモジュール１０２は樹脂部１によって接着されて、一体に接合されている。

樹脂部１の厚みは特に規定されるのものではないが、ＭＥＡ２のガス拡散層１３Ａ，１３Ｂの厚みと同程度が好ましい。このようにすれば、セパレータ３、４、５のガス拡散層１３が当接する箇所の面と、樹脂部１が接する箇所との厚みの差を小さく、若しくは、無くすことができる。そのため、ガスのリークやショートカットをより簡便に抑制することができる。

ＭＥＡ２のガス拡散層１３の端面は、その外周の少なくとも一部に樹脂部１が接している。すなわち、ガス拡散層１３Ａ，１３Ｂの外周の一部において、樹脂が存在しない領域が存在していてもよく、また一方でガス拡散層１３の端面の一部に含浸している箇所が存在していてもよい。

セパレータ３、４の材質は特に限定するものではなく、カーボン粒子と樹脂結合材とで構成された、いわゆるカーボンセパレータであってもよく、他の材質、例えばカーボン繊維を含有したプリプレグや金属板を加工したものなどであってもよい。

以上の構成により、燃料ガスおよび酸化剤ガスの経路は、樹脂部１によって外部に対して気密に保たれており、外部リーク、クロスリークを抑制することができる。

また、ＭＥＡ２のガス拡散層１３の端面の少なくとも一部に樹脂が存在することによって、燃料ガスおよび酸化剤ガスのショートカットも抑制することができる。また、樹脂部１によって、モジュール１００〜１０２の線膨張係数が低くなり温度変化による寸法の変化を抑えることができる。よって、薄型、簡便な構造でより安定的に燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、クロスリーク、ショートカットを抑制できる。

さらに、樹脂部１には繊維が含有されているため、モジュール１００〜１０２の線膨張係数を低減させることにより、起動・停止等で生じるスタック内部の温度変化による積層方向および面方向の寸法変化を抑制することができる。そのため、セパレータ３〜５と樹脂部１との界面に発生する応力が低減され、モジュール１００〜１０２の耐久性を高めることができる。特に、繊維は織布であれば、線膨張係数をより低減させることができるため好ましい。すなわち、繊維は絶縁性の熱硬化性樹脂で形成された織布を構成していることが好ましい。

図８及び図９は、本実施の形態にかかる他の燃料電池モジュール１０３の断面図であり、図８は図１のＡ−Ａ線における断面、図９は図１のＢ−Ｂ線における断面に対応する。

モジュール１０３では、接続溝１０、１１の断面積が異なる。接続溝１０の断面積は、燃料ガス流路溝８の断面積より大きく、接続溝１１の断面積は、酸化剤ガス流路溝９の断面積より大きい。図８では接続溝１０Ｂ、１１Ａのみを示しているが、接続溝１０Ａ、１１Ｂについても同様である。これ以外の構成は図３Ａに示すモジュール１００と同様である。

したがって、燃料ガス接続経路の導入部、酸化剤ガス接続経路の導入部、燃料ガス接続経路の排出部、酸化剤ガス接続経路の排出部それぞれにおいて、接続されたガス流路の断面積より大きくなっている。

具体的には、接続溝１０Ａの断面積は、燃料ガス流路溝８の供給端における断面積より大きく、接続溝１０Ｂの断面積は燃料ガス流路溝８の排出端における断面積より大きい。接続溝１１Ａの断面積は、酸化剤ガス流路溝９の供給端における断面積より大きく、接続溝１１Ｂの断面積は酸化剤ガス流路溝９の排出端における断面積より大きい。なお、特に図示していないが、電極面内で流路の形状、本数が変化してもよく、その際も同様に供給端、排出端それぞれにおいて接続溝の断面積が、接続される流路溝の断面積より大きくなっていればよい。

また、図９では、例えば、接続溝１０Ａの幅、深さが、燃料ガス流路溝８の供給端より大きいが、接続溝１０Ａの断面積を大きくする構成はこれに限るものではない。例えば、図１０に示すように、接続溝１０Ａの流路本数を変更してもよい。すなわち、図９では燃料ガス流路溝８と接続溝１０Ａとが１対１で対応しているが、図１０では複数の燃料ガス流路溝８に対して１つの接続溝１０Ａが設けられている。

あるいは、図１１に示すように、接続溝１０Ａに対応する箇所の樹脂部１の厚みを減少させる、もしくは設けないことによって、接続溝１０Ａの断面積を大きくしてもよい。

なお、このような接続溝１０、１１の構成を図６、図７を参照して説明した積層体２００に適用してもよい。

このように、接続溝１０、１１の断面積を大きくすることで、図３Ａに示すモジュール１００における効果に加え、さらに以下の効果を奏する。すなわち、モジュール１０３を作製する際には、後述する樹脂シートを加熱加圧し、セパレータ３、４とＭＥＡ２とを一体に接合させる。その際の樹脂流動により接続溝の一部もしくは全部が閉塞されることを防止できる。その結果、モジュール１０３の性能を安定させることができる。

図１２及び図１３は、本実施の形態に係るさらに他の燃料電池モジュール１０４の構造を模式的に示した図であり、図１２は図１のＡ−Ａ線における断面に対応し、図１３は図１のＢ−Ｂ線における断面に対応する。

モジュール１０４は、樹脂部１に加えて樹脂シート２２を有する。樹脂シート２２は、モジュール１０３において、樹脂部１（１Ａ）における接続溝１０に対向する面、および、樹脂部１（１Ｂ）における接続溝１１に対向する面に配置されている。すなわち、接続溝１０、１１に対向する部分が２層以上の構造となっている。すなわち、樹脂部１と樹脂シート２２とを合わせて、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂部と見なすこともできる。言い換えると、樹脂部のそれぞれにおける、接続溝１０、１１に露出している部分では種類の異なる複数の樹脂が積層されている。これ以外の構成は図８に示すモジュール１０３と同様である。

樹脂シート２２の種類は特に限定するものではないが、耐熱性に優れたものが好ましく、ＰＰＳ、もしくはポリイミドのフィルムが考えられる。樹脂シート２２の厚みについても特に限定するものではないが、樹脂部１の厚みの３分の１以下が好ましい。この場合、樹脂シート２２を樹脂部１に、容易に埋設することができ、厚み方向の段差が生じないために、当接するセパレータ、４の形状を簡便にすることができる。

なお、このような樹脂シート２２を有する構成を図６、図７を参照して説明した積層体２００に適用してもよい。

このような構成により、図８に示すモジュール１０３における効果に加え、さらに以下の効果を奏する。すなわち、モジュール１０４を作製する際には、後述する樹脂シートを加熱加圧し、セパレータ３、４とＭＥＡ２とを一体に接合させる。その際、樹脂シート２２が、樹脂流動により接続溝の一部もしくは全部が閉塞されることを防止できる。その結果、モジュール１０４の性能を安定させることができる。

図１４は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタック３００の構造を模式的に表した断面図であり、図１５はその展開図である。

図１５に示すように、積層体２００の両側には、電流を取り出す集電部２０１、２０２が積層体２００に当接して設けられている。燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を外部から供給排出するためのマニホールド２０３が積層体２００のマニホールド部に気密に当接して設けられている。その外側に絶縁部２０４、２０５、荷重を保持するための締結部２０７、２０８、および弾性体２０６が設けられている。弾性体２０６を介してこれらの構成部品が加圧された状態で締結部２０７と締結部２０８とが固定され、燃料電池スタック３００が構成されている。

締結部２０７、２０８を固定する構成は図示していないが、ボルト締結、カシメ、ピン固定、溶接などが考えられ、特にその手段を限定するものではない。積層体２００では、少なくとも１枚以上のＭＥＡ２とセパレータとが、樹脂部１によって一体に接合されて形成された燃料電池モジュールが少なくとも１つ以上積層されている。各モジュール同士の気密はモジュール間に設けられたシール材によって保たれている。

本実施の形態では各モジュールの端部には冷却水経路が構成されているが、必ずしも冷却水経路の面でなくてもよく、燃料ガス経路または酸化剤ガス経路を構成する面、或いは、経路を構成していない平面に設けてあってもよい。

また、集電部２０１、２０２、マニホールド２０３、絶縁部２０４、２０５、締結部２０７、２０８、弾性体２０６の構成については、特に図１４、図１５の形状に限定されるものではない。積層された複数の燃料電池モジュールを当接させ、電流を取り出す構造であればよい。

このような構成により、燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、クロスリーク、ショートカットを抑制するとともに、モジュールを簡便に積層し直列に接続することができ、燃料電池スタック３００の性能を安定させることができる。

図１６は、本実施の形態にかかる燃料電池モジュール積層体の製造方法を示すフローチャートである。図１７〜図１９、図２１は樹脂部１を形成するための樹脂シートの平面図である。以下、図１６を参照しながら、モジュール１００で構成された積層体２００を組み立てる手順を中心に説明する。

まず、セパレータ３を金型にセットする（Ｓ１）。次に、セパレータ３の上に、例えば、図１７に示す樹脂シート１Ｓを重ねる（Ｓ２）。次に、樹脂シート１Ｓの中央の空間部に電極部が配置されるように、樹脂シート１Ｓの上にＭＥＡ２を重ねる（Ｓ３）。次に、ＭＥＡ２の電極部が、樹脂シート１Ｓの中央の空間部に配置されるように、樹脂シート１ＳをＭＥＡ２の上に重ねる（Ｓ４）。次に、セパレータ４を、樹脂シート１Ｓの上に重ねる（Ｓ５）。以上のＳ１〜Ｓ５の操作を、所定の回数だけ繰り返す（Ｓ６）。このようにして構成された積層体を、予め加熱されたホットプレス機にセットする（Ｓ７）。そして、積層体を所定時間に亘って加熱加圧する（Ｓ８）。所定時間経過後、積層体２００を取り出し（Ｓ９）、冷却すればモジュール１００で構成された積層体２００が完成する。

なお、セパレータ３、４と樹脂シート１Ｓには、燃料ガスマニホールド６、酸化剤ガスマニホールド７、冷却水マニホールド１４に相当する貫通孔が設けられている。そしてセパレータ３、４と樹脂シート１Ｓとを重ねる際には、これらの貫通孔同士の位置を一致させる。

なお、Ｓ３において、ガス拡散層１３は電極部が形成された高分子電解質膜１２と予め接着、接合されている。これ以外に、Ｓ３において、電極部が形成された高分子電解質膜１２とガス拡散層１３とを積層し、加熱加圧してもよい。この場合、加熱加圧によって同時に、高分子電解質膜１２とガス拡散層１３とが接着され、製造の工程を簡便にすることができる。このような方法により、燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、クロスリーク、ショートカットを抑制しながら、薄型の燃料電池モジュールを製造することができる。

上述のように、図１７に示す樹脂シート１Ｓでは、環状に形成され、マニホールドに相当する貫通孔と、ＭＥＡ２の電極部を収容する中央の空間が打ち抜きにより形成されている。これ以外に、例えば図１８に示すようにＬ字形状の樹脂シート１Ｔを２枚組み合わせたり、図１９に示すように長方形形状の樹脂シート１Ｕを４枚組み合わせたりしてもよい。この場合、樹脂シート１Ｔや樹脂シート１Ｕは部分的に重ね合わせられる。あるいは、図示しない角ばったＣの字形状に打ち抜いた樹脂シートと樹脂シート１Ｕとを組合せてもよい。このような構成により、打ち抜きによる材料ロスを減らすことができる。

加熱加圧の条件については特に限定するものではないが、ＭＥＡ２に対しての過剰な機械的・熱的なストレスが生じないよう、２ＭＰａ以下、１７０℃以下の条件であることが好ましい。ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグＦＲ−４を樹脂シート１Ｓとして用いる場合、０．３〜０．６ＭＰａ、１２０〜１６０℃、１２０〜３６００秒の条件で接着する。また、加圧する際には、圧力制御もしくは寸法制御のいずれの方法を選択してもよく、含有される繊維により樹脂の流動および寸法変化を抑制することができる。さらに、繊維が存在するため、セパレータ３、４間を確実に絶縁することができるが、好ましくはスペーサ等を用いて寸法制御にて加圧することが望ましい。

樹脂部１を形成する樹脂シート１Ｓは、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが耐熱温度、線膨張係数などの点で好ましく、ＦＲ−４をはじめ様々な物性を選定できる。しかしながら、繊維および樹脂はこれに限るものではない。例えば、強度、厚み、線膨張係数、含有物質に応じて、アラミド繊維やカーボン繊維などの他の繊維を用いてもよい。樹脂はフェノール樹脂や、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などの他の熱硬化性樹脂、或いは、熱可塑姓の樹脂であってもよい。

また、アノード面側、カソード面側それぞれで異なる構成の少なくとも一部に繊維を含有する樹脂シートを用いてもよい。

また、繊維を含有する樹脂シートと他の樹脂とを多層に積層してもよい。すなわち、図１２、図１３に示すように、樹脂部１と樹脂シート２２とを併用してもよい。この場合、図２０に示すように、セパレータ３、４の接続溝１０、１１と当接する面に樹脂シート２２を配置する。そして、セパレータ３と樹脂シート１ＳとＭＥＡ２と樹脂シート１Ｓとセパレータ４とをこの順に積層し、加熱加圧する。このようにすることが好ましい。

このような製造方法によって、樹脂シート２２により、加熱加圧の際に流動する樹脂が接続溝１０、１１に流れ込んで接続溝１０、１１が閉塞されることを防ぐことができる。

また、樹脂部１は、部分的に組成の異なる構成であってもよく、特にセパレータ３、４の接続溝１０、１１に対応する箇所の樹脂流動性を低減させた構成が好ましい。図示していないが、樹脂部１の、接続溝１０、１１と当接する部分を、ＭＥＡ２、セパレータ３、セパレータ４と積層する前に予め加熱等の手段により硬化させることが好ましい。以上のような製造方法によって、加熱硬化の際に接続溝１０、１１に当接する樹脂の流動性を下げ、接続溝１０、１１の閉塞を防ぐことができる。

また、本実施の形態による製造方法では、接続溝１０、１１と、それ以外の箇所とで流路形状や樹脂の流動性を変えることができる。このような場合でも、ＭＥＡ２と樹脂部１とを挟み込むセパレータ３、４が互いに平板となっている電極部の外周部分では、確実に樹脂を流動させて含浸させ、確実なシールをすることができる。また、セパレータ３、４に形成された接続溝１０、１１では、樹脂の流動を抑制させて、樹脂が流路に埋まらないようにすることができる。

特許文献３に示されたように、セパレータに接着剤を塗布するような方法では樹脂流動性を部分的に変更すること困難である。一方、本実施の形態による製造方法では、特に樹脂流動性を部分的に変更することができる。また、予め繊維が含有されている樹脂シートを用いることによって局所的に硬化を進めても樹脂シートの形状を維持することができる。

なお、図１７に示す樹脂シート１Ｓでは、ＭＥＡ２の電極部を収容する部分を矩形に打ち抜いているが、打ち抜き形状はこれに限るものではなく、図２１に示す樹脂シート１Ｘのように、電極部に向かって突出する凸部１Ｐを有する形状が好ましい。

図２２に示すように、凸部１Ｐは、ＭＥＡ２と樹脂シート１Ｘとを積層する際に位置決めとなり、製造が容易になるとともに、加熱加圧後に確実にＭＥＡ２のガス拡散層１３と樹脂部１とを接するようにすることができる。加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガスのショートカットを確実に防ぐことができる。さらに、２つの凸部１Ｐの間の凹部１Ｒは、樹脂シート１ＸとＭＥＡ２のガス拡散層１３との間に空間を生じるため、加熱加圧時に流動する樹脂が電極部に対向する流路に流れ込むことを防ぐことができる。

図２３Ａは、実際に作製された燃料電池モジュール１００の電子顕微鏡断面写真を示し、図２３Ｂはその模式図である。樹脂部１によって、セパレータ３、４およびＭＥＡ２が圧接した状態で気密に、一体に接合されていることがわかる。

本発明の燃料電池モジュールは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、クロスリーク、ショートカットを抑制しながら、薄型の燃料電池モジュールを実現できることから、固体高分子型など種々の燃料電池の用途にも適用できる。

１，１Ａ，１Ｂ 樹脂部
１Ｐ 凸部
１Ｒ 凹部
１Ｓ，１Ｔ，１Ｕ，１Ｘ 樹脂シート
２ 電極−膜接合体（ＭＥＡ）
３ アノードセパレータ（セパレータ）
４ カソードセパレータ（セパレータ）
５ セパレータ
６，６Ａ，６Ｂ 燃料ガスマニホールド
７，７Ａ，７Ｂ 酸化剤ガスマニホールド
８ 燃料ガス流路溝
９ 酸化剤ガス流路溝
１０，１０Ａ，１０Ｂ 接続溝
１１，１１Ａ，１１Ｂ 接続溝
１２ 高分子電解質膜
１３，１３Ａ，１３Ｂ ガス拡散層
１４ 冷却水マニホールド
１５ 冷却水流路溝
２０ シール材
２１ シール溝
２２ 樹脂シート
１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 燃料電池モジュール（モジュール）
２００ 燃料電池モジュール積層体（積層体）
２０１，２０２ 集電部

Claims (10)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の第１面に設けられたアノード電極と、
   前記高分子電解質膜の第２面に設けられたカソード電極とを含む電極部と、
   前記電極部の、前記アノード電極が設けられたアノード面と前記カソード電極が設けられたカソード面それぞれに当接した一対のガス拡散層とを有する電極−膜接合体と、
   前記電極−膜接合体を前記アノード面および前記カソード面からそれぞれ挟み込む一対のセパレータと、を備え、
   前記電極−膜接合体と前記一対のセパレータのそれぞれとは、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂で構成された複数の樹脂部によって互いに接着されており、
   前記一対のガス拡散層のそれぞれの少なくとも一部に前記複数の樹脂部のそれぞれが含浸している、
   燃料電池モジュール。
2. 前記繊維は絶縁性の熱硬化性樹脂で形成された織布を構成している、
   請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記一対のセパレータのそれぞれには、燃料ガス、酸化剤ガスの一方を前記電極部に供給および排出する流路溝と、前記流路溝の供給端、排出端にそれぞれ繋がる一対の接続溝と、前記一対の接続溝のそれぞれを介して前記流路溝に繋がる一対のマニホールドとが形成されており、
   前記一対の接続溝のそれぞれの断面積は、前記流路溝の断面積より大きい、
   請求項１、２のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記一対のセパレータのそれぞれには、燃料ガス、酸化剤ガスの一方を前記電極部に供給および排出する流路溝と、前記流路溝の供給端、排出端にそれぞれ繋がる一対の接続溝と、前記一対の接続溝のそれぞれを介して前記流路溝に繋がる一対のマニホールドとが形成されており、
   前記複数の樹脂部のそれぞれにおける、前記一対の接続溝に露出している部分では種類の異なる複数の樹脂が積層されている、
   請求項１、２のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の、積層された複数の燃料電池モジュールと、
   前記複数の燃料電池モジュールのうちの２つの間に配置された複数のガスケットと、を備えた、
   燃料電池スタック。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールを複数積層して構成される燃料電池スタックであって、
   前記複数の燃料電池モジュールは、前記複数の樹脂部によって接着されて、一体に接合されている、
   燃料電池スタック。
7. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第１面に設けられたアノード電極と、前記高分子電解質膜の第２面に設けられたカソード電極とを含む電極部と、前記電極部の、前記アノード電極が設けられたアノード面と前記カソード電極が設けられたカソード面それぞれに当接した一対のガス拡散層とを有する電極−膜接合体の両面から少なくとも一部に繊維を含有する固体状態の複数の樹脂シートを環状に加工して重ね合わせるステップと、
   前記複数の樹脂シートが重ね合わせられた電極−膜接合体を、一対のセパレータで挟み込んで加熱することで、前記電極−膜接合体と前記一対のセパレータとを接着し一体に接合させるステップと、を備えた、
   燃料電池モジュールの製造方法。
8. 前記一対のセパレータのそれぞれには、燃料ガス、酸化剤ガスの一方を前記電極部に供給および排出する流路溝と、前記流路溝の供給端、排出端にそれぞれ繋がる一対の接続溝と、前記一対の接続溝のそれぞれを介して前記流路溝に繋がる一対のマニホールドとが形成されており、
   前記電極−膜接合体と前記一対のセパレータとを接着する際に、前記一対の接続溝に露出する部分において、前記複数の樹脂シートを予め部分的な加熱を行った後に、前記電極−膜接合体と重ね合わせ、その後、前記電極−膜接合体と、前記電極−膜接合体に重ね合わせられた前記複数の樹脂シートとを前記一対のセパレータで挟み込んで加熱する、
   請求項７記載の燃料電池モジュールの製造方法。
9. 前記一対のガス拡散層を、前記セパレータで挟み込んで加熱させる際に、前記電極部と一体に接着し接合させる、
   請求項７、８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
10. 前記繊維は絶縁性の熱硬化性樹脂で形成された織布を構成している、
    請求項７〜９のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールの製造方法。