JPWO2020121830A1 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法 - Google Patents

燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

高分子電解質膜の劣化を抑制した燃料電池モジュールを提供する。燃料電池モジュールは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の第1の主面に設けられたアノード触媒層と、高分子電解質膜の第2の主面に設けられたカソード触媒層と、一方がアノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層とを有する膜‐電極接合体と、膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材とを備え、一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。

Description

本開示は、燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法に関する。
特許文献1に記載の燃料電池モジュールは、膜‐電極接合体が一対のセパレータにより挟まれており、膜‐電極接合体と一対のセパレータのそれぞれとが、少なくとも一部に繊維を含有する樹脂部により接着されて一体に接合されている。
特許文献2に記載の膜‐電極接合体は、電極層の周端部に保護層が形成され、電極層と保護層とが厚み方向に重なる重複部を有している。
特許第6149260号公報 特開2009−217999号公報
近年、電解質膜の破損または劣化を抑制する燃料電池モジュールが求められている。
本開示の燃料電池モジュールは、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第1の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記高分子電解質膜の第2の主面に設けられたカソード触媒層と、
一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
を有する膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。
本開示の燃料電池スタックは、上述の燃料電池モジュールを複数有する。
本開示の燃料電池モジュールの製造方法は、
一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
を含む。
本開示によると、電解質膜の破損または劣化を抑制した燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法を提供することができる。
本開示の実施の形態1にかかる燃料電池スタックの分解斜視図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールの膜‐電極接合体および封止部材の平面図 図2の膜‐電極接合体のA−A線断面図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールのカソードガス拡散層の平面図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールのアノードガス拡散層の平面図 図4および図5のガス拡散層の鋸歯状に加工された外周部の一部を拡大した図 図4および図5のガス拡散層の貫通孔が形成された外周部の一部を拡大した図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールの構成部材の位置関係を示す断面図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールの部分断面図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールの部分断面図 本開示の実施の形態1にかかる燃料電池モジュールの製造方法の例示的なフローチャート 本開示の実施の形態2にかかるカソード封止部材の平面図 本開示の実施の形態2にかかるアノード封止部材の平面図 本開示の実施の形態2にかかるカソードガス拡散層の平面図 本開示の実施の形態2にかかるアノードガス拡散層の平面図 本開示の実施の形態2にかかる燃料電池モジュールの部分断面図 本発明の実施の形態3に係る燃料電池モジュールにおける電解質膜‐電極接合体と封止部材の平面図 図17の電解質膜‐電極接合体のA−A線断面図 本発明の実施の形態3に係る燃料電池モジュールの部分断面図 本発明の実施の形態3に係る燃料電池モジュール部材の位置関係を示す部分断面図 本発明の実施の形態3に係るガス拡散層の平面図 外周部を鋸歯状に加工したガス拡散層の平面図 外周部に貫通孔を加工したガス拡散層の平面図 本発明の実施の形態3に係る燃料電池モジュールの部分断面図 本発明の実施の形態3に係る燃料電池モジュールの製造方法の例示的なフローチャート 従来の固体高分子形燃料電池の構成要素の断面図 従来の燃料電池モジュールの部分断面図
(本開示に至った経緯)
固体高分子形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気等の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、電力と熱とを同時に発生させる装置である。以後、固体高分子形燃料電池をPEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)と称する。PEFCの基本的構成を図26の断面図に示す。PEFCは、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜1500と、電解質膜1500の両面に形成されたアノード電極1900およびカソード電極2000とを備える。
アノード電極1900は、電解質膜1500の第1主面1510に形成されるアノード触媒層1600と、アノード触媒層1600の外側に積層されるアノードガス拡散層1810とを有する。カソード電極2000は、電解質膜1500の第2主面1520に形成されるカソード触媒層1700と、カソード触媒層1700の外側に積層されるカソードガス拡散層1820とを有する。アノードガス拡散層1810およびカソードガス拡散層1820は、通気性および電子導電性の機能を有する。
このように、電解質膜1500と電極1900、2000とが一体的に接合されて組み立てられたものが膜‐電極接合体1000である。以後、膜‐電極接合体をMEA(Membrane Electrode Assembly)と称することもある。
MEA1000の断面図を図27に示す。MEA1000のアノード電極1900側にアノードセパレータ1110が設けられ、MEA1000のカソード電極2000側にカソードセパレータ1120が設けられている。アノードセパレータ1110およびカソードセパレータ1120は、MEA1000を機械的に挟み込んで固定する。このように、MEA1000が一対のセパレータ1110、1120により挟まれた構造体が燃料電池モジュール(単電池モジュール)2100である。また、セパレータ1110、1120は、隣接する燃料電池モジュール2100を互いに電気的に直列に接続するための部材である。アノードセパレータ1110のMEA1000と接触する部分には、アノード電極1900に反応ガスを供給し生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路溝1310が形成されている。カソードセパレータ1120のMEA1000と接触する部分にも同様にガス流路溝1320が形成されている。
ところで、燃料電池では反応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、ガスの外部リーク、ガスのクロスリーク、ガスのショートカットがある。
反応ガスをガス流路溝1310、1320に供給するために、セパレータ1110、1120の縁部にマニホールド孔を設けて反応ガスを分配する。さらに、ガス流路溝1310、1320に供給す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、MEA1000における電極形成部、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータ1110、1120の間には、封止部材900が配置される。
図26に示すMEA1000の外縁には枠が嵌められている。MEA1000の外縁(周縁部)には、封止部材900(ガスケット)が嵌められている。MEA1000の厚み方向両側には、導電性のセパレータ1110、1120が配置される。セパレータ1110、1120の間の封止部材900には、MEA1000を保持するための樹脂枠体と弾性体シールが使用されている。この場合、樹脂枠体と電解質膜1500との間隙を弾性体シールで埋める必要があり、高い部品寸法精度と組立精度が要求される。そのため、公差範囲内で間隙が生じないような複雑なシール形状となるとともに、公差が過小にならないようにするために、弾性体シールを薄くすることが困難である。複数の燃料電池モジュール2100を積層して直列に接続し、高電圧を得られるようにした燃料電池スタックには、小型化または薄型化が要求されているが、封止部材900に樹脂枠体と弾性体シールを用いる場合、小型化または薄型化が難しい。そこで、特許文献1のように、封止部材900として絶縁性の熱硬化性樹脂を使用することで薄型モジュールを実現する方法が知られている。
また、MEA1000の面方向の端部において、電解質膜1500、またはアノード触媒層1600およびカソード触媒層1700が直接反応ガスに曝されると、電解質膜1500の劣化が加速され、耐久性に影響がある。このため、特許文献2のように、電解質膜1500、アノード触媒層1600、およびカソード触媒層1700が露出しないように封止部材として保護層を形成する方法もある。
しかしながら、特許文献2の場合、保護層(封止部材)は電極層(ガス拡散層)と重なる重複部を有するため、セパレータでMEAを挟んで荷重をかける際に、保護層と電極層が重なる重複部において、セパレータおよび電解質膜に応力が集中し、セパレータの破損または電解質膜が破膜してしまう可能性がある。また、保護層に段差をつけて応力集中を回避した設計、または保護層との重複部がないような電極層の寸法設計の場合、位置合わせや組み立ての公差により、電解質膜および電極層の露出が残ることがある。
そこで、本発明者らは、電極層と保護層とが重複部を有する場合でも、セパレータおよび電解質膜への応力集中を防止して、電解質膜の劣化を抑制するために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
特許文献2のようなMEAを有する燃料電池モジュールにおいて、封止部材とガス拡散層とが重なる部分を有する状態で荷重を加えると、セパレータおよび電解質膜等の燃料電池モジュールの構成部材への応力集中が発生し得る。これに対して、たとえば、ガス拡散層において、封止部材と重なる重複部分を、封止部材と重ならない非重複部分よりも軟らかい材質にすることが考えられる。しかしながら、ガス拡散層において、重複部分を非重複部分と異なる材質で製造することは困難であるため、ガス拡散層の製造コストが上昇する等の問題が生じる。
これに対して、本発明者らは、ガス拡散層の外周部において、空隙(空間)を形成する構成を見出した。具体的には、開口部を有する封止部材の開口部側の端縁を含む領域で、ガス拡散層と封止部材とを重ね、ガス拡散層のうち封止部材と重なる部分の少なくとも一部が厚み方向に貫通した空隙が形成される構成を見出した。これにより、ガス拡散層が面方向に変形するための空隙を形成することができる。このため、ガス拡散層に対して厚み方向に荷重がかかるとき、ガス拡散層は、当該空隙に向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層とガス拡散層に積層される部分とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができることを見出した。この結果、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる部分を有する場合でも、構成部材への応力集中を防止して電解質膜の劣化を抑制できることを見出した。
これらの新規の知見に基づき、本発明者らは、以下の発明に至った。
本開示の一態様によれば、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第1の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記高分子電解質膜の第2の主面に設けられたカソード触媒層と、
一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
を有する膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている、
燃料電池モジュールを提供する。
このような構成により、一方のガス拡散層のうち当該領域に対応する部分(内側領域)の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていることで、第1の拡散層が面方向に変形するための空間を形成することができる。これにより、第1の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層は、空間に向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層と封止部材とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
本開示の第2態様によれば、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている、燃料電池モジュールを提供してもよい。
このような構成により、第1の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層は、貫通孔に向けて変形することができる。
本開示の第3態様によれば、
前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部が設けられている、燃料電池モジュールを提供してもよい。
このような構成により、第1の拡散層に対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層は、鋸歯部間の空間に向けて変形することができる。
本開示の第4態様によれば、
前記一対のガス拡散層は、前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層であって、
前記一対のセパレータは、前記膜‐電極接合体のアノードガス拡散層側に配置されたアノードセパレータ、および前記膜‐電極接合体のカソードガス拡散層側に配置され、前記アノードセパレータと対になって前記膜‐電極接合体を挟み込むカソードセパレータであって、
前記封止部材は、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記アノードセパレータとを接着して封止するアノード封止部材と、
開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記カソードセパレータとを接着して封止するカソード封止部材と、を有し、
前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノードガス拡散層は、前記アノード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記アノード封止部材と重なるアノード側内側領域を有し、
前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記カソードガス拡散層は、前記カソード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記カソード封止部材と重なるカソード側内側領域を有し、
前記アノードガス拡散層は、前記アノード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記アノードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記カソードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノード側内側領域と前記カソード側内側領域とが重ならない
燃料電池モジュールを提供する。
このような構成により、アノード側内側領域およびカソード側内側領域の少なくとも一部に空隙が形成されることにより、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、構成部材への応力の集中を防止することができる。その結果、高分子電解質膜の破損または劣化を抑制することができる。
本開示の第5態様によれば、
前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、
前記アノード側内側領域は、前記カソード側内側領域よりも外側に位置する外側部と、前記カソード側内側領域よりも内側に位置する内側部とを有する
燃料電池モジュールを提供してもよい。
このような構成により、アノード側内側領域とカソード側内側領域とが重ならないため、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、応力の集中を防止することができる。
本開示の第6態様によれば、
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、複数の貫通孔を含む
燃料電池モジュールを提供してもよい。
このような構成により、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、ガス拡散層が貫通孔に向かって変形することができるため、応力の集中を防止することができる。
本開示の第7態様によれば、
前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、前記第1の主面に対して垂直な方向から見たときに、鋸歯状の切欠き部によって形成されている
燃料電池モジュールを提供してもよい。
このような構成により、燃料電池モジュールの厚み方向に荷重がかかったときに、ガス拡散層が鋸歯部の間の切欠き部に向かって変形することができるため、応力の集中を防止することができる。
本開示の第8態様によれば、
第1ないし第7態様のいずれか1つに記載の燃料電池モジュールが複数直列に接続されて積層された
燃料電池スタックを提供してもよい。
このような構成により、燃料電池スタックの構成部材への応力の集中を防止して、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
本開示の第9態様によれば、
一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
を含む、燃料電池モジュールの製造方法を提供してもよい。
このような方法により、ガス拡散層の外周部と封止部材とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
本開示の第10態様によれば、
第1の主面にアノード触媒層が設けられ、第2の主面にカソード触媒層が設けられた高分子電解質膜と、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、アノードセパレータおよびカソードセパレータと、アノード封止部材およびカソード封止部材と、を準備する準備工程をさらに含み、
前記ガス拡散層加工工程において、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層の外周部の少なくとも一部に空隙を形成し、
前記配置工程において、前記高分子電解質膜の前記アノード触媒層側に前記アノードガス拡散層を積層し、前記カソード触媒層側に前記カソードガス拡散層を積層して膜‐電極接合体を形成し、前記アノードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記アノード封止部材を配置し、前記カソードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記カソード封止部材を配置し、
前記接着工程において、前記膜‐電極接合体の前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとを前記アノード封止部材により接着し、前記膜‐電極接合体の前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとを前記カソード封止部材により接着して、前記膜‐電極接合体を前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータにより挟み込む
燃料電池モジュールの製造方法を提供してもよい。
このような方法により、ガス拡散層と封止部材とが重なる領域を有する場合でも、燃料電池モジュールの構成部材への応力集中を防止して、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
以下、各実施の形態にかかる燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法について、図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1にかかる燃料電池スタックの分解斜視図である。図1において、燃料電池スタックの一部を分解して模式的に示す。図2は、本実施の形態にかかる燃料電池モジュールにおける膜‐電極接合体および封止部材の平面図である。図3は、図2の膜‐電極接合体のA−A線断面図である。
[全体構成]
本実施の形態にかかる燃料電池スタック1は、たとえば、固体高分子形燃料電池(PEFC)であり、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で、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。図1に示すように、燃料電池スタック1は、たとえば、単電池モジュールである燃料電池モジュール(セル)2と、集電板3と端板4と、バネ5とを備える。燃料電池スタック1では、複数の燃料電池モジュール2が直列接続するように積層されている。なお、図1は、1つの燃料電池モジュール2が分解され、残りの燃料電池モジュール2が積層された状態を示す。燃料電池スタック1の両端の最外層には集電板3、端板4、バネ5が取り付けられる。燃料電池スタック1の両端には、端板4と端板4の内側に配置された集電板3が取り付けられ、端板4の内側の面、すなわち燃料電池モジュール2側の面には、複数のバネ5が配置されている。燃料電池スタック1は、両端からボルト孔6に挿通される締結ボルト7およびナット8で締結される。
燃料電池モジュール2は、図1〜図3に示すように、膜‐電極接合体10と、アノードセパレータ11Aと、カソードセパレータ11Cと、アノード封止部材9Aと、カソード封止部材9Cとを備える。膜‐電極接合体10は、高分子電解質膜15の第1の主面15aに設けられたアノード触媒層16と、高分子電解質膜15の第2の主面15bに設けられたカソード触媒層17と、アノード触媒層16に積層されたアノードガス拡散層18Aと、カソード触媒層17に積層されたカソードガス拡散層18Cとを有する。アノードセパレータ11Aは、膜‐電極接合体10のアノードガス拡散層18A側に配置される。カソードセパレータ11Cは、膜‐電極接合体10のカソードガス拡散層18C側に配置され、アノードセパレータ11Aと対になって、膜‐電極接合体10を挟み込む。アノード封止部材9Aは、開口部を有し、膜‐電極接合体10とアノードセパレータ11Aとを接着する。カソード封止部材9Cは、開口部を有し、膜‐電極接合体10とカソードセパレータ11Cとを接着する。アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cの外側には、冷却水セパレータ11Wが配置されていてもよい。
なお、本実施の形態において、膜‐電極接合体をMEAと称することもある。また、アノード封止部材9Aおよびカソード封止部材9Cを合わせて封止部材9と称することもある。また、アノードセパレータ11A、カソードセパレータ11C、および冷却水セパレータ11Wをあわせてセパレータ11と称することもある。また、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cをあわせてガス拡散層18と称することもある。
<集電板>
集電板3は、燃料電池モジュール2の積層体の外側に配置される。燃料電池モジュール2において発電された電気を効率よく集電できるように、集電板3には、たとえば、銅板に金メッキが施されたものを使用することができる。集電板3には、電気伝導性の良好な金属材料、たとえば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、またはアルミニウム等を使用してもよい。また、スズメッキ、ニッケルメッキ等の表面処理を施してもよい。
<端板>
端板4は、集電板3の外側に配置される。端板4は、たとえば、電気絶縁性のある材料で形成され、絶縁板としても機能する。端板4は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて、射出成形により形成することができる。端板4と一体となっている配管は、たとえば、燃料電池モジュール2の積層体のマニホールド孔12に、図示省略のガスケットを介して押し当てられる。端板4の内側の面、すなわち燃料電池モジュール2側の面には、燃料電池モジュール2に荷重を加えるバネ5が配置されている。バネ5は、積層されたときに、燃料電池モジュール2のMEA10と重なる部分に集中的に配置されている。バネ5の付勢力が所定の値になるように、締結ボルト7およびナット8によって燃料電池スタック1が締結される。
<高分子電解質膜>
高分子電解質膜15には、プロトン伝導性を示す固体高分子材料、たとえば、パーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。パーフルオロスルホン酸膜として、たとえば、デュポン社製のナフィオン膜を採用することができる。
<膜‐電極接合体>
MEA10は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜15のアノード側の面、すなわち第1の主面15aに、たとえば、白金ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層16が形成されている。また、高分子電解質膜15のカソード側の面、すなわち第2の主面15bに、たとえば、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層17が形成されている。アノード触媒層16にはアノードガス拡散層18Aが積層され、カソード触媒層17にはカソードガス拡散層18Cが積層される。
<ガス拡散層>
アノードガス拡散層18Aは、アノード触媒層16に積層され、燃料ガスの通気性および電気伝導性の機能を有する。また、カソードガス拡散層18Cは、カソード触媒層17に積層され、酸化剤ガスの通気性および電気伝導性の機能を有する。ガス拡散層18には、たとえば、カーボンペーパーやカーボンクロスが用いられる。
<セパレータ>
アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cは、平板状に形成される。アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cの、MEA10と接触する面、すなわち、後述する図8および図9に示される内面11Aiおよび内面11Ciは、MEA10の形状に応じて、燃料ガス流路溝13Aおよび酸化剤ガス流路溝13Cが形成される。アノードセパレータ11Aの内面11Aiは、MEA10のガス拡散層18A(図3)と接触するように形成される。カソードセパレータ11Cの内面11Ciは、MEA10のガス拡散層18C(図3)と接触するように形成される。後述する図8および図9に示されるアノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cの外面11Aoおよび11Co、ならびに冷却水セパレータ11Wの両面には、冷却水流路溝13Wが形成されている。
セパレータ11は、ガス不透過性の導電性材料で形成される。セパレータ11には、たとえば、樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの、または金属を成形したもの等を用いることができる。
<封止部材>
図2は、MEA10および封止部材9を第1の主面15aと垂直な方向から見た図である。以後、第1の主面15aと垂直な方向を厚み方向と称することもある。また、第1の主面15aと垂直な方向から見た状態を平面視と称することもある。図2に示すように、封止部材9には開口部26が設けられている。開口部26は、封止部材9の中央部分において、厚み方向、すなわち図2のZ軸方向に貫通した貫通孔である。封止部材9には、たとえば、絶縁性の樹脂に内包された繊維シートが用いられる。樹脂に内包された繊維シートは、絶縁性、耐熱性、およびガス透過性等を考慮して、たとえば、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグであるとよい。また、繊維は、強度、厚み、線膨張係数、および含有物質等に応じて、たとえば、セラミックス繊維等の無機繊維を使用することもできる。また、樹脂は、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、またはポリウレタン樹脂等の他の熱硬化性樹脂であってもよく、また、繊維を含有する樹脂と他の樹脂とを多層に積層した構成、または部分的に組成の異なる構成であってもよい。本実施の形態においては、絶縁性の樹脂に内包された繊維シートを用いたが、ポリエチレンナフタレートフィルム等の基材の両面に接着層が形成された接着シートを用いてもよい。
図1および図2に示すように、セパレータ11の周縁部および封止部材9には、マニホールド孔12およびボルト孔6がそれぞれ厚み方向に貫通して設けられている。マニホールド孔12は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれが流通する貫通孔である。複数の燃料電池モジュール2が積層された状態では、それぞれの燃料電池モジュール2のマニホールド孔12が積層されて結合し、燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、および冷却水マニホールドを形成する。
アノード封止部材9Aは、アノードガス拡散層18Aと厚み方向に重なるように配置される。本実施の形態においては、アノード封止部材9Aは、開口部26側の端縁26aを含む領域で、アノードガス拡散層18Aと厚み方向に重なるように配置されている。このとき、アノード封止部材9Aのアノードガス拡散層18Aと重なっている部分を領域F1と称する。カソード封止部材9Cも同様に、開口部26側の端縁26aを含む領域でカソードガス拡散層18Cと重なるように配置されている。本実施の形態においては、領域F1は、平面視において、封止部材9の開口部26の端縁26aから、面方向外側に所定の長さ離れた位置までの領域であり、封止部材9がガス拡散層18と重なっている領域を示す。また、封止部材9は、ガス拡散層18の外周部を覆うように配置されている。
図3に示すガス拡散層18について、図4〜図7を参照してより詳細に説明する。図4は、カソードガス拡散層18Cの平面図である。図5は、アノードガス拡散層18Aの平面図である。図6は、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cの外周部の加工例であり、図4のX1および図5のX2を拡大した図である。図7は、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cの外周部の他の加工例であり、図4のX1および図5のX2を拡大した図である。なお、図4〜図7において、説明のため、一部強調した部分が含まれる。
第1の主面15aに垂直な方向から見たときに、カソードガス拡散層18Cはカソード封止部材9Cの開口部26C側の端縁26Caを含む領域で、カソード封止部材9Cと重なるカソード側内側領域F2を有する。ここで、カソード側内側領域F2とは、図2における領域F1に対応する部分、すなわち、カソード封止部材9Cとカソードガス拡散層18Cとが重なる部分である。また、図4に示すように、カソードガス拡散層18Cは、カソード側内側領域F2を含むカソードガス拡散層18Cの外周部分である第1のカソードガス拡散層18Ceと、第1のカソードガス拡散層18Ceの内側の部分である第2のカソードガス拡散層18Cdとを有する。すなわち、第1のカソードガス拡散層18Ceは、カソードガス拡散層18Cにおいて面方向の最外層に位置する部分である。また、カソードガス拡散層18Cは、外周部の少なくとも一部において、カソード封止部材9Cと厚み方向に重なる部分であるカソード側内側領域F2を有する。本実施の形態において、第1のカソードガス拡散層18Ceはカソード側内側領域F2を含む部分である。すなわち、第1のカソードガス拡散層18Ceの一部において、カソード封止部材9Cが厚み方向に重なっている。
第1の主面15aに垂直な方向から見たときに、アノードガス拡散層18Aはアノード封止部材9Aの開口部26A側の端縁26Aaを含む領域で、アノード封止部材9Aと重なるアノード側内側領域F3を有する。ここで、アノード側内側領域F3とは、図2における領域F1に対応する部分、すなわち、アノード封止部材9Aとアノードガス拡散層18Aとが重なる部分である。また、図5に示すように、アノードガス拡散層18Aは、アノード側内側領域F3を含むアノードガス拡散層18Aの外周部分である第1のアノードガス拡散層18Aeと、第1のアノードガス拡散層18Aeの内側の部分である第2のアノードガス拡散層18Adとを有する。すなわち、第1のアノードガス拡散層18Aeは、アノードガス拡散層18Aの外周部に位置する部分である。また、アノードガス拡散層18Aは、外周部の少なくとも一部において、アノード封止部材9Aと厚み方向に重なる部分であるアノード側内側領域F3を有する。本実施の形態において、第1のアノードガス拡散層18Aeはアノード側内側領域F3を含む部分である。すなわち、第1のアノードガス拡散層18Aeの一部において、アノード封止部材9Aが厚み方向に重なっている。
また、カソードガス拡散層18Cは、少なくともカソード側内側領域F2を含む一部に、カソードガス拡散層18Cの厚み方向に貫通した空隙が形成されている。同様に、アノードガス拡散層18Aは、少なくともアノード側内側領域F3を含む一部に、アノードガス拡散層18Aの厚み方向に貫通した空隙が形成されている。アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cに形成された空隙は、たとえば、図6に示すように、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部24Aおよび24Cにより形成される空隙22aである。鋸歯部24Aおよび24Cは、ガス拡散層18の端部に沿って複数の切欠きが形成され、複数の尖った点が形成された部分である。なお、鋸歯部24Aおよび24Cは、アノードガス拡散層18Aの第1のアノードガス拡散層18Ae、またはカソードガス拡散層18Cの第1のカソードガス拡散層18Ceに設けられている。本実施の形態において、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceにおいて、鋸歯部24Aおよび24Cの間には空隙22aが形成される。鋸歯部24Aおよび24Cは、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの外周全体において設けられていてもよい。
また、ガス拡散層18に形成された空隙は、図7に示すように、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに設けられた複数の貫通孔22Abおよび22Cbであってもよい。貫通孔22Abおよび22Cbは、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceを厚み方向に貫通した孔である。貫通孔22Abおよび22Cbは、たとえば、平面視において円形状に形成されていてもよい。
貫通孔22Abは、たとえば、図7に示すように、第1のアノードガス拡散層18Aeに均等に分布するよう、整列されて配置されていてもよい。また、貫通孔22Abの大きさが、たとえば、第1のアノードガス拡散層18Aeの厚みよりも大きく形成されていてもよい。貫通孔22Cbも同様に、図7に示すように、第1のカソードガス拡散層18Ceに均等に分布するよう、整列されて形成されていてもよい。また、貫通孔22Cbの大きさが、たとえば、第1のカソードガス拡散層18Ceの厚みよりも大きく形成されていてもよい。
第2のアノードガス拡散層18Adおよび第2のカソードガス拡散層18Cdは、面方向において、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの内側に隣接する部分である。
本実施の形態では、ガス拡散層18はロールtoロール方式を用いて製造され、同様の組成で連続的にシート状に形成されたガス拡散層18に、所定のサイズに打ち抜く工程を設けることにより、空隙が形成されている。このため、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceと第2のアノードガス拡散層18Adおよび第2のカソードガス拡散層18Cdとは同様の組成で形成されている。なお、空隙部分の加工方法としては、たとえば、ガス拡散層18を製造する際に、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceと、第2のアノードガス拡散層18Adおよび第2のカソードガス拡散層18Cdとで組成を変更する方法を採用することもできる。
MEA10のアノード/カソード両面で高分子電解質膜15、アノード触媒層16、およびカソード触媒層17の露出を防止するためには、図8に示すように封止部材9およびガス拡散層18を配置する。具体的には、カソード封止部材9Cとカソードガス拡散層18Cのカソード側内側領域F2とが厚み方向に重なり、アノード封止部材9Aとアノードガス拡散層18Aのアノード側内側領域F3とが厚み方向に重なるように、封止部材9を配置する。さらに、カソード側内側領域F2とアノード側内側領域F3とが厚み方向に重ならないように、封止部材9を配置する。
図8に示すように、MEA10に封止部材9を配置した後、カソードセパレータ11Cおよびアノードセパレータ11Aで、MEA10および封止部材9を挟持する。このとき、図9に示すように、セパレータ11で挟持することにより、厚み方向に荷重をかけると、ガス拡散層18と封止部材9との重なり部分であるカソード側内側領域F2およびアノード側内側領域F3には、応力が集中する。本実施の形態では、空隙が形成されているため、空隙22aまたは貫通孔22Abおよび22Cbに向かって面方向に第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceが変形しながら厚み方向に圧縮される。すなわち、図6または図7の矢印で示す方向に第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceが変形する。具体的には、厚み方向の荷重を受けることにより、図6の鋸歯部24Aおよび24Cを含む第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceが実線の形状から一点鎖線の形状に、空隙22aが小さくなるように変形する。同様に、図7の第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceにおいて、貫通孔22Cbが実線の形状から一点鎖線の形状に、貫通孔22Abおよび22Cbの大きさが小さくなるように変形する。第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceが面方向に変形することにより、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに対して、厚み方向に力がかかりにくくなる。このため、封止部材9とガス拡散層18とが重なった部分である、アノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2への応力集中を緩和することができる。したがって、セパレータ11の破損を防止することができる。
さらに、図8に示すように、平面視において、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないようにすることにより、応力集中を緩和することができる。たとえば、アノードガス拡散層18Aの外形寸法をカソードガス拡散層18Cの外形寸法より大きくすることにより、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないようにすることができる。
ガス拡散層18の第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの幅は、ガス拡散層18と封止部材9を重ねて配置する際の位置ずれ精度を考慮して決定されるとよい。具体的には、位置ずれ精度が悪化して、ずれ量が大きくなった場合でも、セパレータの破損を防止するために、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ce以外の部分でガス拡散層と封止部材9とが重ならないように決定されるとよい。また、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの幅は、高分子電解質膜15の劣化または破膜等を防止するために、ガス拡散層と封止部材9との間に隙間ができないように決定されるとよい。
たとえば、ガス拡散層18に対する封止部材の配置精度が±0.5mmであるとすると、重なりが最大になる場合に対して、重なり寸法が1mm小さくなっても、重なる領域がなくならないように設計される。また、たとえば、最も重なりが小さくなる場合を0.2mmであるとすると、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの幅を1.2mm以上とすることで、セパレータの破損を防止することができる。
また、図10に示すように、アノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2の面積が、図9に示す場合よりも小さくてもよい。封止部材9とガス拡散層18との重なり部分である、アノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2の面積が、図9の場合と比較して小さいため、図10では、ガス拡散層18の変形部分が小さくなっている。すなわち、図10において、図9の場合と比較して第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの変形部分が小さくなっている。図10のように、アノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2の大きさが小さい場合でも、図9の場合と同様に、ガス拡散層18と封止部材9との間の隙間をなくすことができる。
[製造方法]
次に、図11を参照して、燃料電池モジュール2の製造方法について説明する。図11は、燃料電池モジュール2の製造方法の例示的なフローチャートである。図11に示すように、燃料電池モジュール2の製造方法は、準備工程ST10と、ガス拡散層加工工程ST20と、配置工程ST30と、接着工程ST40とを含む。
準備工程ST10では、第1の主面15aにアノード触媒層16が設けられ、第2の主面15bにカソード触媒層17が設けられた高分子電解質膜15と、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cとを準備する。また、アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cと、アノード封止部材9Aおよびカソード封止部材9Cとを準備する。
ガス拡散層加工工程ST20では、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cの外周部の少なくとも一部に空隙を形成する。たとえば、打ち抜き加工によって、アノードガス拡散層18Aおよびカソードガス拡散層18Cのそれぞれの外周部の少なくとも一部に、前述した空隙が形成される。空隙は、図6に示す鋸歯部24Aおよび24Cであってもよい。または、図7に示す貫通孔であってもよい。
配置工程ST30では、高分子電解質膜15の、アノード触媒層16側にアノードガス拡散層18Aを積層し、カソード触媒層17側にカソードガス拡散層18Cを積層して、膜‐電極接合体10を形成する。また、アノードガス拡散層18Aの外周部の少なくとも一部と重なるようにアノード封止部材を配置し、カソードガス拡散層18Cの外周部の少なくとも一部と重なるようにカソード封止部材9Cを配置する。
接着工程ST40では、膜‐電極接合体10のアノードガス拡散層18Aとアノードセパレータ11Aとをアノード封止部材9Aにより接着し、膜‐電極接合体10のカソードガス拡散層18Cとカソードセパレータ11Cとを接着する。このように、ガス拡散層18とセパレータ11とを封止部材9で接着することにより、膜‐電極接合体10をアノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cにより挟み込む。MEA10をアノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cにより挟み込んで加熱することにより、MEA10とセパレータ11とを接着することができる。
以上のように、準備工程ST10、ガス拡散層加工工程ST20、配置工程ST30、および接着工程ST40を経て、本実施の形態にかかる燃料電池モジュール2が製造される。このように製造された燃料電池モジュール2を積層し、締結することにより燃料電池スタック1が完成する。
[効果]
本実施の形態1にかかる燃料電池モジュール2は、膜‐電極接合体10と、セパレータ11と、封止部材9とを備える。膜‐電極接合体10は、高分子電解質膜15と、アノード触媒層16と、カソード触媒層17と、アノード触媒層16に積層されるアノードガス拡散層18Aと、カソード触媒層17に積層されるカソードガス拡散層18Cとを有する。アノード触媒層16は、高分子電解質膜15の第1の主面15aに設けられる。カソード触媒層17は、高分子電解質膜15の第2の主面15bに設けられる。アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cは、一対のセパレータ11として、膜‐電極接合体10を挟み込む。封止部材9は、膜‐電極接合体10と、アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cとをそれぞれ接着する平面視において、封止部材9には開口部26が設けられる。アノードガス拡散層18Aとアノード封止部材9Aとは、アノード封止部材9Aの開口部26の端縁26aを含むアノード側内側領域F3で重なる。また、カソードガス拡散層18Cとカソード封止部材9Cとは、カソード封止部材9Cの開口部26の端縁26aを含むカソード側内側領域F2で重なる。アノードガス拡散層18Aは、少なくともアノード側内側領域F3を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成され、カソードガス拡散層18Cは、少なくともカソード側内側領域F2を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成される。
この構成によれば、第1のアノードガス拡散層18Aeが少なくともアノード側内側領域F3を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成されていることにより、第1のアノードガス拡散層18Aeが面方向に変形するための空隙22aまたは貫通孔22Abを形成することができる。同様に、第1のカソードガス拡散層18Ceが少なくともカソード側内側領域F2を含む一部に厚み方向に貫通した空隙が形成されていることにより、第1のカソードガス拡散層18Ceが面方向に変形するための空隙22aまたは貫通孔22Cbを形成することができる。これにより、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに対して、厚み方向に荷重がかかったとき、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceは、空隙22aまたは貫通孔22Abおよび22Cbに向かって変形することができる。したがって、ガス拡散層18と封止部材9とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、重なった領域であるアノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層18の外周部と封止部材9とが重なるアノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2を有する場合でも、アノード側内側領域F3およびカソード側内側領域F2への応力集中を防止して、高分子電解質膜15の劣化を抑制することができる。また、ガス拡散層18と封止部材9とが重なる領域を有するため、アノード触媒層16およびカソード触媒層17の露出を防止することができる。
また、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceには、厚み方向に貫通する複数の貫通孔22Abおよび22Cbが設けられている。
この構成によれば、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceは、貫通孔22Abおよび22Cbの孔径を小さくする方向に変形し、応力を分散することができる。
また、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceには、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部24Aおよび24Cが設けられている。
この構成によれば、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceは、鋸歯部24A間および鋸歯部24C間の空隙22aに向かって変形し、応力を分散することができる。
また、本実施の形態1にかかる燃料電池スタック1は、複数の燃料電池モジュール2が直列接続されて積層されている。
この構成によれば、燃料電池スタック1の構成部材への応力集中を防止することができる。
また、本実施の形態1にかかる燃料電池モジュール2の製造方法は、準備工程ST10と、ガス拡散層加工工程ST20と、配置工程ST30と、接着工程ST40とを含む。準備工程ST10では、アノード触媒層16およびカソード触媒層17が設けられた高分子電解質膜15と、ガス拡散層18と、封止部材9と、セパレータ11とを準備する。ガス拡散層加工工程ST20では、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの少なくとも一部に空隙を形成する。配置工程ST30では、ガス拡散層18の外周部が、封止部材9と少なくとも一部で重なるように、MEA10に封止部材9を配置する。接着工程ST40では、MEA10と封止部材9とをセパレータ11で挟み込んで、封止部材9によりMEA10とセパレータ11とを接着する。
この製造方法によれば、ガス拡散層18の外周部と封止部材9とが重なる場合でも、燃料電池モジュール2の構成部材への応力集中を防止して、高分子電解質膜15の劣化を抑制することができる。
なお、本開示は上述した実施の形態1に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施することができる。上述した実施の形態では、カソードガス拡散層18Cよりもアノードガス拡散層18Aの外形寸法を大きくすることにより、カソード側内側領域F2とアノード側内側領域F3とが厚み方向に重ならないような構成を例示して説明したが、燃料電池モジュール2の構成はこれに限定されるものではない。たとえば、燃料電池モジュール2は、カソードガス拡散層18Cがアノードガス拡散層18Aの外形寸法よりも大きい構成であってもよい。この構成によっても、ガス拡散層18の外周部と封止部材9とが重なる部分を有する場合に、燃料電池モジュール2の構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜15の劣化を抑制することができる。
また、打ち抜き加工によって、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceに空隙が形成されているが、ガス拡散層18の外周部の少なくとも一部に空隙が形成されていれば、加工方法はこれに限らない。
また、第1のカソードガス拡散層18Ceおよび第1のアノードガス拡散層18Aeには、平面視で鋸歯状の空隙である鋸歯部24Cおよび24Aが形成されているが、空隙の形状はこれに限らない。たとえば、第1のカソードガス拡散層18Ceおよび第1のアノードガス拡散層18Aeの外周に沿って、面方向に湾曲して空隙が形成されていてもよい。この場合でも、ガス拡散層18と封止部材9とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、燃料電池モジュール2の構成部材への応力集中を防止することができる。
また、貫通孔22Abおよび22Cbは、平面視において円形状に形成されているが、貫通孔22Abおよび22Cbの形状はこれに限定されない。たとえば、貫通孔22Abおよび22Cbは、平面視において、楕円または多角形等の他の形状であってもよい。
また、第1のアノードガス拡散層18Aeとアノード封止部材9A、および第1のカソードガス拡散層18Ceとカソード封止部材9Cは、一部において重なっているが、これに限らない。たとえば、アノード封止部材9Aおよびカソード封止部材9Cは、平面視において、第1のアノードガス拡散層18Aeおよび第1のカソードガス拡散層18Ceの全体と、厚み方向に重なっていてもよい。すなわち、平面視において、アノード側内側領域F3と第1のアノードガス拡散層18Ae、および、カソード側内側領域F2と第1のカソードガス拡散層18Ceとが一致していてもよい。
(実施の形態2)
本開示の実施の形態2にかかる燃料電池モジュールについて説明する。なお、実施の形態2では、主に実施の形態1と異なる点について説明する。実施の形態2においては、実施の形態1と同一または同等の構成については、同じ符号を付して説明する。また、実施の形態2では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
実施の形態1では、カソードガス拡散層18Cとアノードガス拡散層18Aの外形寸法を変えることにより、カソード側内側領域F2とアノード側内側領域F3とが重ならないように配置する構成を説明した。実施の形態2においては、アノードガス拡散層18Aとカソードガス拡散層18Cの形状を変えることにより、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないような構成となる。
図12は、実施の形態2にかかる燃料電池モジュール2におけるカソード封止部材9Cの平面図である。図13は、実施の形態2にかかる燃料電池モジュール2におけるアノード封止部材9Aの平面図である。図14は、実施の形態2にかかるカソードガス拡散層18Cの平面図である。図15は、実施の形態2にかかる燃料電池モジュール2におけるアノードガス拡散層18Aの平面図である。
図12および図13に示すように、カソード封止部材9Cには開口部26Cが設けられ、アノード封止部材9Aには開口部26Aが設けられている。カソード封止部材9Cに設けられた開口部26Cは、対向する2つの頂点28aおよび28cが、基準となる正方形27Cよりも外側に配置されている多角形状である。また、アノード封止部材9Aに設けられた開口部26Aは、対向する2つの頂点29bおよび29dが、基準となる正方形27Aよりも外側に配置されている多角形状である。カソード封止部材9Cとアノード封止部材9Aとを重ねたとき、正方形27Cおよび27Aは重なるが、開口部26Cおよび26Aの頂点のうち、頂点28a〜28dと頂点29a〜29dとはそれぞれが重ならないよう、開口部26Cおよび26Aが形成される。
カソード封止部材9Cの領域F1Cのうち開口部26Cの端縁26Caを含む部分において、カソードガス拡散層18Cと厚み方向に重なるように、カソード封止部材9Cによりカソードガス拡散層18Cの外周部を覆う。同様に、アノード封止部材9Aの領域F1Aのうち、開口部26Aの端縁26Aaを含む部分において、アノードガス拡散層18Aの外周部を覆う。このとき、平面視においてアノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないような配置とするとよい。たとえば、図13に示すように、アノード封止部材9Aの領域F1Aを、連続した領域ではなく、個別に設けられた複数の領域とすると、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないような配置とすることができる。
図14および図15に示すように、カソードガス拡散層18Cは、カソード封止部材9Cの開口部26Cと同様の形状であるが、開口部26Cよりも大きく形成されている。また、カソードガス拡散層18Cは、その外周部分である第1のカソードガス拡散層18Ceと、第1のカソードガス拡散層18Ceの内側部分の第2のカソードガス拡散層18Cdとを有する。アノードガス拡散層18Aは、アノード封止部材9Aの開口部26Aと同様の形状であるが、開口部26Aよりも大きく形成されている。また、アノードガス拡散層18Aは、その外周部分である第1のアノードガス拡散層18Aeと、第1のアノードガス拡散層18Aeの内側部分である第2のアノードガス拡散層18Adとを有する。第1のカソードガス拡散層18Ceは、カソード封止部材9Cと重なる部分であるカソード側内側領域F2を有する。また、第1のアノードガス拡散層18Aeのアノード側内側領域F3は、アノード封止部材9Aの領域F1Aと同様に、連続していない4つの個別の領域である。図15に示すように、第1の主面15aに垂直な方向から見たときに、アノード側内側領域F3は、カソード側内側領域F2よりも外側に位置する外側部F31と、カソード側内側領域F2よりも内側に位置する内側部F32とを有する。
第1のカソードガス拡散層18Ceおよび第1のアノードガス拡散層18Aeには、たとえば、図6のような鋸歯状、または図7のような貫通孔により形成される空隙が形成されている。カソードガス拡散層18Cとカソード封止部材9Cとは、組立公差を考慮すると、領域F1Cの範囲内で重なる。同様に、アノードガス拡散層18Aとアノード封止部材9Aとは、領域F1Aの範囲内で重なる。ガス拡散層18および封止部材9を図12〜図15のような形状にすることで、平面視において、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とが重ならないように構成されている。
図16は、実施の形態2における燃料電池モジュール2の断面図である。アノード封止部材9Aおよびカソード封止部材9Cは、アノードセパレータ11Aおよびカソードセパレータ11Cを接着する際に、燃料ガス流路溝13Aおよび酸化剤ガス流路溝13Cに接する部分がある。封止部材9には、絶縁性の樹脂により内包された繊維シートが使用されるが、アノード封止部材9Aの樹脂が溶融して燃料ガス流路溝13Aを閉塞する恐れがある。そのため、アノード封止部材9Aの燃料ガス流路溝13Aに接する部分である、事前硬化部分9Aeの樹脂を事前に硬化させておくとよい。このとき、カソード封止部材9Cとカソードガス拡散層18Cとが重なる領域であるカソード側内側領域F2は、事前硬化部分9Aeよりも面方向で内側に位置すると、応力の集中を抑制することができる。
一方、カソード封止部材9Cが酸化剤ガス流路溝13Cと接する部分においても、事前硬化部分(図示省略)を設ける。この場合、アノード側内側領域F3がカソード封止部材9Cの事前硬化部分よりも内側に位置するとよい。
本実施の形態2にかかる燃料電池モジュール2は、第1の主面15aに垂直な方向から見たときに、アノードガス拡散層18Aのアノード側内側領域F3が、カソードガス拡散層18Cのカソード側内側領域F2よりも外側に位置する外側部F31と、カソードガス拡散層18Cのカソード側内側領域F2よりも内側に位置する内側部F32とを有する。すなわち、第1の主面15aに垂直な方向から見たときに、アノード側内側領域F3とカソード側内側領域F2とは重なる領域を有しない。
この構成によれば、組立による各構成部材の位置ずれが生じた場合でも、カソードガス拡散層18Cとカソード封止部材9C、およびアノードガス拡散層18Aとアノード封止部材9Aは、それぞれが平面視において重なることがない。このため、応力集中による燃料電池モジュール2の構成部材の破損を防止することができる。
なお、本実施の形態においては、アノード封止部材9Aの領域F1Aおよびアノード側内側領域F3を、連続していない個別の領域としているが、カソード封止部材9Cの領域F1Cおよびカソード側内側領域F2を同様の構成としてもよい。すなわち、カソード側内側領域F2が、アノード側内側領域F3よりも外側に位置する外側部と、アノード側内側領域F3よりも内側に位置する内側部とを有していてもよい。
また、本実施の形態においては、アノード封止部材9Aの開口部26Aおよびカソード封止部材9Cの開口部26Cの形状が多角形上であるとしているが、開口部26Aおよび26Cの形状はこれに限らない。たとえば、楕円状等であってもよい。
(実施の形態3)
本開示の実施の形態3にかかる燃料電池モジュールについて説明する。図17は、燃料電池モジュール20におけるMEA100と封止部材90を厚み方向外側から見たときの平面図である。図18は、図17のMEA100のA−A線断面図である。図17の平面図、図18の部分断面図で、セパレータ110およびMEA100の周縁部に封止部材90が設けられたMEA100の構成を示す。図17において、ボルト孔60およびマニホールド孔120が設けられた封止部材90にてMEA100の外縁部が露出しないように配置されている。
封止部材90は、一対のガス拡散層180A,180Cのうち少なくとも一方のガス拡散層180と厚み方向に重なるように設けられる。具体的には、封止部材90は、一対のガス拡散層180A,180Cのうち少なくとも一方のガス拡散層180と、封止部材90の中央側の端縁を含む領域で、厚み方向に重なるように設けられる。ここで、封止部材90の中央側の端縁とは、封止部材90の面方向において、ガス拡散層180が配置される側(ガス拡散層180の中央側)の端縁を意味する。本実施の形態では、封止部材90は、開口260の端縁260aを含む領域F4でガス拡散層180と厚み方向に重なるように、ガス拡散層180の外周部を覆う。本実施の形態では、領域F4は、平面視において、開口260の端縁260aから、面方向外側に所定の長さ離れた位置までの領域を示す。
図19の断面図で、本実施の形態における燃料電池モジュール20の概略の構成を示す。図20は積層された燃料電池モジュール20の中の1セルについての外周部の概略の断面で、ガス拡散層180と封止部材90との境界付近の詳細を示す。
少なくとも一方の面で高分子電解質膜150および触媒層160,170の露出を防止するため、例えば、図20に示すように、カソード封止部材90Cとカソードガス拡散層180Cとを燃料電池モジュール20の厚み方向に重ねる。以下、カソードガス拡散層180Cがカソード封止部材90Cと重なる場合の構成について説明する。アノードガス拡散層180Aが封止部材90Aと重なる場合については、カソードガス拡散層180Cと同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。
図20の状態で、図19の断面図で示すようにカソードセパレータ110Cおよびアノードセパレータ110Aで挟持する。カソードセパレータ110Cおよびアノードセパレータ110AでMEA100を挟持する前に、カソードガス拡散層180Cの外周部を、外周に沿って空間を形成するように加工する。これにより、積層方向に荷重をかけたとき、カソード封止部材90Cとカソードガス拡散層180Cが重なった部分で応力が集中してカソードセパレータ110Cが破損することを防止することができる。
カソードガス拡散層180Cの外周部の加工方法としては、例えば、カソードガス拡散層180Cを製造する際に外周部とそれ以外で組成を変更する方法もある。本実施の形態では、カソードガス拡散層180Cの製造において、連続的にシート状で製造するロールtoロールのような工程で適用するため、一様の組成で連続的にシート状に形成したものを、所定のサイズに打ち抜く工程で外周部を加工する方法を用いる。
次に、図21から図23を用いて、カソードガス拡散層180C(ガス拡散層180)について詳細を説明する。図21は、カソードガス拡散層180Cの平面図である。図22は、カソードガス拡散層180Cの外周部を鋸歯状に加工した場合における、図21のX3部の拡大図である。図23は、カソードガス拡散層180Cの外周部に貫通孔220bを加工した場合における、図21のX3部の拡大図である。なお、図21から図23において、説明のため、一部強調した部分が含まれる。
カソードガス拡散層180Cのうち領域F4(図17)に対応する部分の一部は、厚み方向に貫通して切り欠かれている。ここで、カソードガス拡散層180Cのうち領域F4(図17)に対応する部分とは、カソードガス拡散層180Cのうち領域F4の厚み方向内側(高分子電解質膜150側)に位置する内側領域F5を示す。内側領域F5は、後述の空間220a,220bを含む領域である。
図21に示すように、カソードガス拡散層180C(ガス拡散層180)は、第1の拡散層180Ceと、第2の拡散層180Cdとを有する。
第1の拡散層180Ceは、カソードガス拡散層180Cの外周部に形成される。具体的には、第1の拡散層180Ceは、カソードガス拡散層180Cにおいて面方向の最外層に位置する部分である。より具体的には、第1の拡散層180Ceは、カソードガス拡散層180Cの外周部において、外周に沿って形成された後述の空間220a,220bを有する部分である。カソードガス拡散層180Cは、外周部の少なくとも一部において、封止部材90Cと厚み方向に重なるように設けられる。本実施の形態では、第1の拡散層180Ceは、外周領域の一部に内側領域F5を含む。すなわち、第1の拡散層180Ceの一部において封止部材90Aが厚み方向に重なっている。第1の拡散層180Ceは、一対のセパレータ110A,110CでMEA100および封止部材90A,90Cを挟み込むとき、封止部材90Cと重なって配置される(図20参照)。
第2の拡散層180Cdは、面方向において第1の拡散層180Ceの内側に隣接する部分である。本実施の形態では、第1の拡散層180Ceおよび第2の拡散層180Cdは、一様の組成で形成される。
第1の拡散層180Ceは、内側領域F5(図19)において間隔を空けて設けられる。第1の拡散層180Ceは、例えば、図22に示すように、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部240を内側領域F5に有する。第1の拡散層180Ceにおいて、鋸歯部240の間には空間220aが形成される。本実施の形態では、第1の拡散層180Ceには、外周全体において鋸歯部240が設けられる。ここで、平面視とは、厚み方向から見たときの状態を示す。
第1の拡散層180Ceは、例えば、図23に示すように、複数の貫通孔(空間)220bを内側領域F5(図19)に有していてもよい。貫通孔220bは、第1の拡散層180Ceにおいて厚み方向に貫通した孔である。貫通孔220bは、例えば平面視円形状に形成される。貫通孔220bは、例えば、第1の拡散層180Ceにおいて外周に沿って一様に設けられる。
カソードガス拡散層180Cの外周部(第1の拡散層180Ce)とカソード封止部材90Cを重ねて配置し押圧して締結すると、第1の拡散層180Ceに対して厚み方向に荷重がかかる。このとき、図22又は図23に示すように、空間220a,220bに向けて(例えば矢印の方向に)面方向に第1の拡散層180Ceが容易に変形して圧縮される。図22および図23において、実線は変形前の第1の拡散層180Ceの外縁を示し、一点鎖線は変形後の第1の拡散層180Ceの外縁を示す。図22では、第1の拡散層180Ceは、鋸歯部240間の空間220aを狭めるように変形する。図23では、第1の拡散層180Ceは、貫通孔220bの大きさを小さくするように貫通孔220bの内側に向けて変形する。第1の拡散層180Ceが面方向に変形することによって、第1の拡散層180Ceに対して厚み方向に力がかかりにくくなる。このため、カソード封止部材90Cとカソードガス拡散層180Cとが重なった部分で応力集中を緩和することができる。これにより、カソードセパレータ110Cの破損を防止することができる。
このように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール20においては、カソードガス拡散層180Cの外周部(第1の拡散層180Ce)とカソード封止部材90Cを重ねて配置し押圧して締結しても、応力集中による部材の破損を防止することができる。そのため、触媒層の露出を防止することができる。
また、カソードガス拡散層180Cの外周部の加工の幅については、カソードガス拡散層180Cとカソード封止部材90Cを重ねて配置する際の、位置ずれ精度を考慮して決定される。具体的には、当該加工の幅は、位置ずれ精度が悪化しずれ量が大きくなった場合でも、部材の破損を防止するために、加工を施していない部分でカソードガス拡散層180Cとカソード封止部材90Cとが重ならないように決定される。また、当該加工の幅は、高分子電解質膜150の劣化や破膜等を防止するために、カソードガス拡散層180Cとカソード封止部材90Cとの間に隙間ができないように決定される。
例えばここで、カソードガス拡散層180Cに対するカソード封止部材90Cの配置精度が±0.5mmとすると、重なりが最大になる場合に対し、1mm重なり寸法が少なくなっても、重なる領域がなくならないように設計される。また、例えば、最も重なりが少なくなる場合を0.2mmとすると、1.2mm以上の外周部において加工を施すことで、部材の破損を防止することができる。
重なりが最大になる場合を前述の図19とすると、重なりが最小になる場合の概略の断面図を図24に示す。重なりが最大の場合に比べて、カソードガス拡散層180Cの変形が小さくなるが、どちらの場合でも、カソードガス拡散層180Cと封止部材90との面方向の隙間をなくすことが可能である。
次に、図25を用いて、燃料電池モジュール20の製造方法について説明する。図25は、燃料電池モジュール20の製造方法の例示的なフローチャートを示す。図25に示すように、燃料電池モジュール20の製造方法は、準備工程ST100と、ガス拡散層加工工程ST200と、配置工程ST300と、接着工程ST400とを含む。
準備工程ST100で、アノード触媒層160およびカソード触媒層170が設けられた高分子電解質膜150と、一対のガス拡散層180A,180Cと、一対の封止部材90A,90Cと、一対のセパレータ110A,110Cとを準備する。
ガス拡散層加工工程ST200で、一対のガス拡散層180A,180Cのうち少なくとも一方のガス拡散層180(例えばカソードガス拡散層180C)において、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。少なくとも一方のガス拡散層180は、例えば打ち抜き加工によって、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。例えば、矩形状に打ち抜く際に、図22に示すように、外周を鋸歯状に切り落とすことで体積を減らす。または、図23に示すように、打ち抜きの際に、例えば外周部全周に複数の貫通孔220bを設けることで体積を減らしてもよい。
配置工程ST300で、少なくとも一方のガス拡散層180の外周部が、少なくとも一部で封止部材90と厚み方向に重なるように、一対のガス拡散層180A,180Cを含むMEA100と封止部材90とを配置する。
接着工程ST400で、封止部材90A,90CとMEA100とを一対のセパレータ110A,110Cで挟み込んで、MEA100と一対のセパレータ110A,110Cとを接着する。
以上のように、カソードガス拡散層180Cの外周部の一部の体積を減らす加工を施す。そして、カソードガス拡散層180Cの第1の拡散層180Ceが封止部材90と厚み方向で重なるように、カソードガス拡散層180Cを含むMEA100とカソード封止部材90Cとを配置する。そして、封止部材90とMEA100とをセパレータ110(アノードセパレータ110Aおよびカソードセパレータ110C)で挟み込んで加熱することにより、MEAとセパレータ110とを接着する。これらにより、本実施の形態に係る燃料電池モジュール20は製造される。
このように形成された燃料電池モジュール20を積層し、締結することで燃料電池スタックが完成する。
本実施の形態に係る燃料電池モジュールは、膜‐電極接合体100と、一対のセパレータ110A,110Cと、封止部材90とを備える。膜‐電極接合体100は、高分子電解質膜150と、アノード触媒層160と、カソード触媒層170と、一方がアノード触媒層160に積層され、他方がカソード触媒層170に積層された一対のガス拡散層180A,180Cとを有する。アノード触媒層160は、高分子電解質膜150の第1の主面に設けられる。カソード触媒層170は、高分子電解質膜150の第2の主面に設けられる。一対のセパレータ110A,110Cは、膜‐電極接合体100を挟み込む。封止部材90は、膜‐電極接合体100と、一対のセパレータ110A,110Cのそれぞれとを接着する。平面視において、封止部材90には開口260が設けられ、一対のガス拡散層180A,180Cのうち一方のガス拡散層180と、封止部材90とが、開口260の端縁260aを含む領域F4で厚み方向に重なる。一方のガス拡散層180のうち領域F4に対応する部分(内側領域F5)の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている。
この構成によれば、内側領域F5の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていることで、第1の拡散層180Ceが面方向に変形するための空間220a,220bを形成することができる。これにより、第1の拡散層180Ceに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層180Ceは、空間220a,220bに向けて変形することができる。これにより、ガス拡散層180と封止部材90とが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。この結果、ガス拡散層180の外周部と封止部材90とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜150の劣化を抑制できる。
また、一方のガス拡散層180のうち領域F4に対応する部分(内側領域F5)に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔220bが設けられている。
この構成によれば、第1の拡散層180Ceに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層180Ceは、貫通孔220bに向けて変形することができる。
また、一方のガス拡散層180のうち領域F4に対応する部分(内側領域F5)に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部240が設けられている。
この構成によれば、第1の拡散層180Ceに対して厚み方向に荷重がかかったとき、第1の拡散層180Ceは、鋸歯部240間の空間220aに向けて変形することができる。
また、本実施の形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池モジュール20を複数個含む。
この構成によれば、燃料電池スタックの部材への応力集中を防止することができる。
また、本実施の形態に係る燃料電池モジュールの製造方法は、加工工程ST200と、配置工程ST300と、接着工程ST400とを含む。加工工程ST200で、一対のガス拡散層180A,180Cのうち少なくとも一方のガス拡散層180において、外周部の少なくとも一部の体積を減らす。配置工程ST300で、少なくとも一方のガス拡散層180の外周部が、少なくとも一部で封止部材90と厚み方向に重なるように、一対のガス拡散層180A,180Cを含む膜‐電極接合体100と封止部材90とを配置する。接着工程ST400で、封止部材90と膜‐電極接合体100とを一対のセパレータ110A,110Cで挟み込んで、膜‐電極接合体100と一対のセパレータ110A,110Cとを接着する。
この製造方法によれば、ガス拡散層180の外周部と封止部材90とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜150の劣化を抑制できる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。前記実施の形態では、カソード側においてカソードガス拡散層180Cとカソード封止部材90Cを重ねて配置する構成を例にとって説明したが、燃料電池モジュール20は、これに限定されるものではない。燃料電池モジュール20は、アノード側においてアノードガス拡散層180Aとアノード封止部材90Aを重ねて配置する構成としてもよい。具体的には、アノードガス拡散層180Aにおいて、領域F4に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層180の外周部と封止部材90とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜150の劣化を抑制できる。
また、アノードガス拡散層180Aおよびカソードガス拡散層180Cの双方において、領域F4に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層180の外周部と封止部材90とが重なる場合でも、構成部材への応力集中を防止して高分子電解質膜150の劣化を抑制できる。
また、少なくとも一方のガス拡散層180は、打ち抜き加工によって、外周部の少なくとも一部の体積を減らすとしたが、外周部の少なくとも一部の体積を減らすことができれば、打ち抜き加工に限定されない。
また、第1の拡散層180Ceは、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部240を有するとしたが、一対のガス拡散層180A,180Cのうち少なくとも一方のガス拡散層180において、領域F4に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれていれば、これに限定されない。第1の拡散層180Ceは、例えば、外周に沿って面方向に湾曲して形成されていてもよい。この構成によっても、ガス拡散層180A,180Cと封止部材90A,90Cとが厚み方向に重なった状態で荷重をかけても、構成部材への応力集中を防止することができる。
また、貫通孔220bは、平面視円形状に形成されるとしたが、これに限定されない。貫通孔220bの形状は、平面視において、例えば楕円や多角形等の他の形状であってもよい。
また、第1の拡散層180Ceの一部において封止部材90Aが厚み方向に重なっているとしたが、封止部材90Aは、平面視において、第1の拡散層180Ceの全体と厚み方向に重なっていてもよい。すなわち、平面視において、内側領域F5の内縁(図21の二点鎖線)と、第1の拡散層180Ceの内縁(図21の点線)とが一致していてもよい。
本開示にかかる燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック、ならびに燃料電池モジュールの製造方法によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リーク、またはクロスリークを抑制しながら、高耐久な薄型の燃料電池モジュールを実現できる。したがって、たとえば、ポータブル電源、電気自動車用電源、または家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
1 燃料電池スタック
2,20 燃料電池モジュール(セル)
3 集電板
4 端板
5 バネ
6,60 ボルト孔
7 締結ボルト
8 ナット
9,90 封止部材
9A,90A アノード封止部材
9C,90C カソード封止部材
9Ae 事前硬化部分
10,100 MEA(膜‐電極接合体)
11,110 セパレータ
11A,110A アノードセパレータ
11C,110C カソードセパレータ
12,120 マニホールド孔
13 ガス流路溝
13A 燃料ガス流路溝
13C 酸化剤ガス流路溝
13W 冷却水流路溝
15,150 高分子電解質膜
16,160 アノード触媒層
17,170 カソード触媒層
18,180 ガス拡散層
18A,180A アノードガス拡散層
18C,180C カソードガス拡散層
18Ad 第2のアノードガス拡散層
18Ae 第1のアノードガス拡散層
18Cd 第2のカソードガス拡散層
18Ce 第1のカソードガス拡散層
180Ce 第1の拡散層
180Cd 第2の拡散層
22a,220a 空隙
220b 貫通孔
22Ab 貫通孔
22Cb 貫通孔
24A 鋸歯部
24C 鋸歯部
240 鋸歯部
26A 開口部
26C 開口部
260 開口
26Aa 端縁
26Ca 端縁
260a 端縁
F1,F4 領域
F2 カソード側内側領域
F3 アノード側内側領域
F5 内側領域

Claims (10)

  1. 高分子電解質膜と、
    前記高分子電解質膜の第1の主面に設けられたアノード触媒層と、
    前記高分子電解質膜の第2の主面に設けられたカソード触媒層と、
    一方が前記アノード触媒層に積層され、他方が前記カソード触媒層に積層された一対のガス拡散層と、
    を有する膜‐電極接合体と、
    前記膜‐電極接合体を挟み込む一対のセパレータと、
    前記膜‐電極接合体と、前記一対のセパレータのそれぞれと、を接着して封止する封止部材と、を備え、
    前記一対のガス拡散層のうち一方のガス拡散層と、前記封止部材とが、前記封止部材の中央側の端縁を含む領域で厚み方向に重なり、
    前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分の一部が厚み方向に貫通して切り欠かれている、
    燃料電池モジュール。
  2. 前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている、請求項1に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記一方のガス拡散層のうち前記領域に対応する部分に、平面視で鋸歯状に形成された鋸歯部が設けられている、請求項1又は2に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記一対のガス拡散層は、前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層であって、
    前記一対のセパレータは、前記膜‐電極接合体のアノードガス拡散層側に配置されたアノードセパレータ、および前記膜‐電極接合体のカソードガス拡散層側に配置され、前記アノードセパレータと対になって前記膜‐電極接合体を挟み込むカソードセパレータであって、
    前記封止部材は、
    開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記アノードセパレータとを接着して封止するアノード封止部材と、
    開口部を有し、前記膜‐電極接合体と前記カソードセパレータとを接着して封止するカソード封止部材と、を有し、
    前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノードガス拡散層は、前記アノード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記アノード封止部材と重なるアノード側内側領域を有し、
    前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記カソードガス拡散層は、前記カソード封止部材の前記開口部側の端縁を含む領域で前記カソード封止部材と重なるカソード側内側領域を有し、
    前記アノードガス拡散層は、前記アノード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記アノードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
    前記カソードガス拡散層は、前記カソード側内側領域を含む少なくとも一部に、前記カソードガス拡散層の厚み方向に貫通した空隙が形成され、
    前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、前記アノード側内側領域と前記カソード側内側領域とが重ならない
    請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記第1の主面に垂直な方向から見たときに、
    前記アノード側内側領域は、前記カソード側内側領域よりも外側に位置する外側部と、前記カソード側内側領域よりも内側に位置する内側部とを有する
    請求項4に記載の燃料電池モジュール。
  6. 前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、複数の貫通孔を含む
    請求項4または5に記載の燃料電池モジュール。
  7. 前記アノードガス拡散層に形成された空隙および前記カソードガス拡散層に形成された空隙の少なくとも一方が、前記第1の主面に対して垂直な方向から見たときに、鋸歯状の切欠き部によって形成されている
    請求項4または5に記載の燃料電池モジュール。
  8. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールが複数直列に接続されて積層された
    燃料電池スタック。
  9. 一対のガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層において、外周部の少なくとも一部の体積を減らすガス拡散層加工工程と、
    前記外周部が、少なくとも一部で封止部材と厚み方向に重なるように、前記一対のガス拡散層を含む膜‐電極接合体と前記封止部材とを配置する配置工程と、
    前記封止部材と前記膜‐電極接合体とを一対のセパレータで挟み込んで、前記膜‐電極接合体と前記一対のセパレータとを接着する接着工程と、
    を含む、燃料電池モジュールの製造方法。
  10. 第1の主面にアノード触媒層が設けられ、第2の主面にカソード触媒層が設けられた高分子電解質膜と、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、アノードセパレータおよびカソードセパレータと、アノード封止部材およびカソード封止部材と、を準備する準備工程をさらに含み、
    前記ガス拡散層加工工程において、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層の外周部の少なくとも一部に空隙を形成し、
    前記配置工程において、前記高分子電解質膜の前記アノード触媒層側に前記アノードガス拡散層を積層し、前記カソード触媒層側に前記カソードガス拡散層を積層して膜‐電極接合体を形成し、前記アノードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記アノード封止部材を配置し、前記カソードガス拡散層の前記外周部の少なくとも一部と重なるように前記カソード封止部材を配置し、
    前記接着工程において、前記膜‐電極接合体の前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとを前記アノード封止部材により接着し、前記膜‐電極接合体の前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとを前記カソード封止部材により接着して、前記膜‐電極接合体を前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータにより挟み込む
    請求項9に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
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