WO2012073364A1 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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WO2012073364A1
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separator
deep groove
groove portion
disposed
fuel cell
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周重 紺野
隆 梶原
雅之 伊藤
濱田　仁
晴之 青野
高村　智之
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module having a plurality of fuel cells.
  • a fuel cell In a fuel cell, electrical energy generated in a structure including an electrolyte and a pair of electrodes (anode and cathode) disposed so as to sandwich the electrolyte is collected in a current collector (outside of the structure) (for example, it is taken out through a separator.
  • a polymer electrolyte fuel cell hereinafter, sometimes referred to as “PEFC”
  • PEFC has attracted attention as a power source for electric vehicles, mobile phones, and the like because it exhibits high energy conversion efficiency, has a short start-up time, and is small and lightweight.
  • the PEFC single cell includes an electrolyte membrane, a cathode and an anode including at least a catalyst layer, and has a theoretical electromotive force of 1.23V.
  • a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas is supplied to the cathode.
  • the hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons on the catalyst contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter referred to as “anode catalyst layer”), and the protons generated from the hydrogen are separated from the anode catalyst layer and the electrolyte. It reaches the cathode catalyst layer (hereinafter referred to as “cathode catalyst layer”) through the membrane.
  • Patent Document 1 As a technique related to such a fuel cell, for example, in Patent Document 1, a plurality of fuel cells are stacked, and a plurality of stacked membrane electrode assemblies and gaskets integrally formed on the periphery of the porous body are formed.
  • a fuel cell module is disclosed in which a single laminated body composed of fuel cells is formed and a plurality of laminated bodies are laminated.
  • a plurality of manifolds are formed in a fuel cell, separators are disposed at both ends of the stacked body, and the manifolds are surrounded between the separators of adjacent stacked bodies.
  • a form in which an endless first sealing material is interposed is disclosed.
  • Patent Document 1 endless concave grooves are formed at the corresponding positions on the opposing surfaces of the separators of the adjacent laminated bodies around the manifolds, and the adjacent laminated bodies are separated from each other. Also disclosed is a form in which a part or all of the first sealing material is accommodated in an endless space defined by both concave grooves in a stacked posture.
  • Patent Document 2 includes at least first and second electrolyte / electrode structures in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and includes a first metal separator, a first electrolyte / electrode structure, and a second electrode.
  • a fuel cell including a plurality of power generation units laminated in the order of a metal separator, a second electrolyte / electrode structure, and a third metal separator, and a cooling medium flow path through which a cooling medium flows between the power generation units.
  • the first separator has a smaller outer dimension than the second separator, and the outer peripheral edge of the second separator is at a position protruding outward from the outer edge of the first separator.
  • a fuel cell is disclosed in which fluid communication holes including at least a fuel gas inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidant gas inlet communication hole, and an oxidant gas outlet communication hole penetrate in the stacking direction.
  • Patent Document 4 a gas introduction manifold is provided, and a gas flow path penetrating in a strip shape is provided on the battery side surface over the electrode area, and is opposite to the battery side surface.
  • a small fuel cell separator in which a gas groove for introducing gas is formed so as to connect the manifold and the gas channel, and an O-ring groove is formed so as to surround the gas channel and the gas groove.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of easily ensuring an appropriate sealing function even when the single cell is thinned.
  • the present invention takes the following means. That is, The present invention provides a laminate comprising an electrolyte layer and a structure including a pair of electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte layer, and a pair of separators disposed so as to sandwich the structure, A separator is disposed at at least one end in the stacking direction of the laminate, and the separator disposed at the end has a groove portion on which a seal member can be disposed on a surface not facing the structure, and at least One groove part is a deep groove part whose depth is more than the thickness of the separator which has this groove part, It is a fuel cell module characterized by the above-mentioned.
  • the “stacking direction of the laminate” refers to the direction in which the electrolyte layers, electrodes, separators, and the like constituting the laminate are laminated, and can also be expressed as the thickness direction of the separator.
  • the “separator disposed at the end” means at least one separator among the separators disposed at both ends when the separator is disposed at both ends in the stacking direction of the laminate.
  • the “separator disposed at the end” A separator disposed at one end in the stacking direction.
  • the “surface not facing the structure” means the lower surface (upper surface) of the separator when the upper surface (lower surface) of the separator is facing the laminate.
  • the “thickness of the separator having a groove” refers to the thickness at the portion of the separator that faces the structure in the stacking direction of the stack.
  • the fuel cell module of the present invention has one laminated body or two or more laminated bodies laminated.
  • the height of the convex portion formed on the surface having no deep groove portion of the separator having the deep groove portion may be higher than the thickness of the structure in contact with the separator.
  • the “surface of the separator having the deep groove portion on the side not having the deep groove portion” refers to the lower surface (upper surface) of the separator.
  • the convex portion formed on the surface of the separator having the deep groove portion on the side not having the deep groove portion means that the deep groove portion is provided on the upper surface (lower surface) of the separator, so that the lower surface (upper surface) of the separator. Refers to the protrusions formed on the surface.
  • At least one of the separators having no deep groove portion has a concave portion that can absorb at least a part of the height of the convex portion. You may have.
  • At least one of the separators not having a deep groove has a recess capable of absorbing at least part of the height of the protrusion” means that a separator having no recess and a separator having a protrusion are overlapped. It means that at least one of the separators not having the deep groove portion has a recess that makes the total thickness when the two separators overlap each other rather than the total thickness at the time.
  • At least one of the separators having no deep groove portion has a smaller surface area with the stacking direction as the normal direction than the separator having the deep groove portion, and the periphery of the separator having a smaller area.
  • the separator having the small area and the separator having the deep groove part are disposed so that the outer edge of the separator having the deep groove part is positioned, and the deep groove part is provided on the outer edge of the separator having the deep groove part positioned on the periphery of the separator having the small area. It may be provided.
  • the separator having the deep groove portion has a fluid introduction path that penetrates through the thickness thereof, and the depth of the groove portion provided in the portion having the fluid introduction path has the fluid introduction path. It is preferable that the depth is at least shallower than the depth of at least one groove provided in the portion not to be used.
  • the groove portion provided in the portion having the fluid introduction path means that the separator having the groove portion is viewed at the section where the fluid introduction path is present, with the thickness direction of the separator being the vertical direction.
  • it refers to a groove provided on the upper or lower side of the fluid introduction path, in other words, a groove provided so as to straddle the fluid introduction path.
  • the groove and the fluid introduction path are not in communication.
  • the separator disposed at the end of the laminate in the stacking direction has a flow path for circulating a refrigerant or an oxygen-containing gas on a surface on the side not facing the structure, and the flow path.
  • a seal member for preventing outflow of the refrigerant or oxygen-containing gas to be circulated can be disposed, and the gas manifold, the refrigerant manifold, and the flow path that are supplied to the structure are provided by the groove. It is preferable that the groove
  • the gas supplied to the laminate means a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas.
  • the fuel cell module of the present invention includes a separator having a deep groove portion.
  • a separator having a deep groove portion By forming a separator having a deep groove portion, even if the single cell is thinned, it is formed to a depth necessary for disposing sealing materials such as O-rings, gaskets, and adhesives. A deep groove portion can be secured. By securing the deep groove portion having a depth necessary for disposing the sealing material, an appropriate sealing function can be easily secured. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell module capable of easily ensuring an appropriate sealing function even when the single cell is thinned.
  • the present invention even if the height of the convex portion formed on the surface having no deep groove portion of the separator having the deep groove portion is higher than the thickness of the structure in contact with the separator.
  • the height of the convex portion is higher than the thickness of the structure contacting the separator, and at least one of the separators having no deep groove portion has a concave portion capable of absorbing at least a part of the height of the convex portion.
  • the single cell is thin while ensuring an appropriate sealing function by adopting a form in which the deep groove portion is provided on the outer edge of the separator having the deep groove portion positioned on the periphery of the separator having a small area. It becomes easy to realize.
  • the depth of the groove provided in the part having the fluid introduction path is shallower than the depth of at least one groove provided in the part not having the fluid introduction path. Since the thickness can be effectively used, it is easy to realize a thin single cell while ensuring an appropriate sealing function.
  • the structure includes a channel through which the refrigerant or the oxygen-containing gas flows, and a groove in which a seal member for preventing outflow of the refrigerant or the oxygen-containing gas through the channel can be disposed.
  • a groove is provided so as to surround the gas manifold, the refrigerant manifold, and the flow path that are present on the surface of the non-opposing separator and are supplied to the structure. It is possible to reduce the useless space of the fuel cell module.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell module 100.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell module 100.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure 5.
  • FIG. 3 is a top view of the separator 1.
  • FIG. It is a figure explaining the conventional seal
  • 3 is a cross-sectional view illustrating a laminated body 30.
  • 3 is a top view of a separator 40.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a separator 40.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a separator 40.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a separator 40.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell module 100.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure 5.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell module 100 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a partial cross section of the fuel cell module 100.
  • a hydrogen gas introduction path that connects the hydrogen manifold 7 and the hydrogen gas flow paths 1b and 3a
  • an air introduction path that connects the air manifold (not shown) and the air flow paths 2a and 4b
  • a refrigerant manifold (not shown)
  • the description of the refrigerant introduction path that connects the refrigerant flow paths 1a, 4a, and 11 is omitted.
  • the fuel cell module 100 functions as a structure 5 and 5, separators 1, 2, 3, and 4 disposed so as to sandwich the structures 5 and 5, and a hydrogen manifold.
  • a laminated body 10 including the holes 7 and an air manifold and a refrigerant manifold (not shown) is provided.
  • the laminated body 10 is provided with the separator 1 and the separator 4 at both ends in the laminating direction (vertical direction in FIG. 1).
  • Adhesives 6, 6 are disposed on the outer edges of the structures 5, 5, and the outer edges of the separators 1, 3, 4 and the end face of the separator 2 are fixed using the adhesives 6, 6.
  • the separator 1 has deep groove portions 1x and 1y in which O-rings 8 and 9 as seal members can be disposed on the surface not facing the structure 5. Further, the separator 4 has deep groove portions 4x and 4y in which O-rings 8 and 9 as seal members can be disposed on the surface not facing the structure 5.
  • the fuel cell module 100 is used in a state where a plurality of laminated bodies 10, 10,... Are accommodated in a case (not shown).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a state where a plurality of stacked bodies 10 and 10 are stacked.
  • a hydrogen gas introduction path that connects the hydrogen manifold 7 and the hydrogen gas flow paths 1b and 3a
  • an air introduction path that connects the air manifold (not shown) and the air flow paths 2a and 4b
  • a refrigerant manifold (not shown)
  • the description of the refrigerant introduction path that connects the refrigerant flow paths 1a, 4a, 11, and 12 is omitted. As shown in FIG.
  • an O-ring 8 is disposed in a space defined by the deep groove portion 1x and the deep groove portion 4x, and the deep groove portion 1y and the deep groove portion 4y
  • An O-ring 9 is disposed in the defined space.
  • the total depth of the deep groove portion 1x and the deep groove portion 4x is smaller than the diameter of the O-ring 8, and the hydrogen flowing through the hydrogen manifold 7 by the O-ring 8 thus arranged is provided. Leakage is prevented.
  • the total depth of the deep groove portion 1y and the deep groove portion 4y is smaller than the diameter of the O-ring 9, and the refrigerant flow path 12 is defined by the O-ring 9 thus arranged. Leakage of the circulating refrigerant is prevented.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the structure 5.
  • the structure 5 includes a solid polymer electrolyte membrane 5a (hereinafter simply referred to as “electrolyte membrane 5a”), an anode electrode 5b and a cathode arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 5a.
  • An MEA 5x including the electrode 5c, and a gas diffusion layer 5d and a gas diffusion layer 5e disposed so as to sandwich the MEA 5x are provided.
  • the gas diffusion layer 5d is disposed on the anode electrode 5b side
  • the gas diffusion layer 5e is disposed on the cathode electrode 5c side.
  • the fuel cell module 100 will be described with reference to FIGS.
  • the air supplied to the structure 5 via the air flow path 2a passes through the gas diffusion layer 5e and reaches the cathode electrode 5c. Then, protons and electrons that have moved from the anode electrode 5b react with oxygen contained in the air supplied to the cathode electrode 5c in the cathode electrode 5c, thereby generating water.
  • the reaction in which water is generated at the cathode electrode 5c can be expressed by the following formula 2. O 2 + 4H + + 4e ⁇ ⁇ 2H 2 O (Formula 2)
  • the fuel cell module 100 includes a separator 1 having deep groove portions 1x and 1y and a separator 4 having deep groove portions 4x and 4y.
  • the deep groove portions 1x and 1y and the deep groove portions 4x and 4y can be formed by a known method represented by, for example, press molding, drawing, resin molding, or the like. That is, even if the thickness of the separator is reduced as the single cell is made thinner, the deep groove portion in the fuel cell module of the present invention can be easily formed.
  • By securing the deep groove it is possible to ensure an appropriate sealing function (sealing) using not only gaskets and adhesives but also easy-to-replace and inexpensive O-rings, even if the single cell is made thin. It becomes possible. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide the fuel cell module 100 capable of easily ensuring an appropriate sealing function even when the single cell is thinned.
  • FIG. 4 is a top view of the separator 1.
  • the separator 1 has hydrogen manifold holes 7 and 13, air manifold holes 14 and 15, and refrigerant manifold holes 16 and 18.
  • the holes 16 and 18 are separators. 1 are connected via a linear refrigerant flow path 17 formed on the upper surface of 1.
  • the separator 1 has a plurality of convex objects 17 a, 17 a,... Between the hole 16 and the refrigerant flow path 17, and a plurality of convex objects 17 b, 17 b between the refrigerant flow path 17 and the hole 18. ,...have. As shown in FIG.
  • the O-ring 9 is disposed on the outer edge of the separator 1 so as to surround them.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a conventional seal configuration.
  • the same components as those in the separator 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 4, and description thereof will be omitted as appropriate.
  • the conventional separator 91 when sealing the refrigerant flowing through the hole 16, the refrigerant flow path 17, and the hole 18, the outer periphery of the hole 16, the refrigerant flow path 17, and the hole 18.
  • the sealing material 92 was disposed along the line. When the sealing material 92 is provided in this manner, the area of the region surrounded by the sealing material 92 can be reduced.
  • the sealing material 92 shown in FIG. 5 is more complicated in shape than the sealing material 9 shown in FIG.
  • the gasket can be replaced. Therefore, even if the gasket is damaged when the laminate 10 is removed, it can be replaced with a new gasket.
  • the gasket is more expensive than the O-ring, even if the gasket is used as the sealing material 92, the replacement cost is likely to increase as compared with the case where the O-ring is used.
  • the separator 1 surrounds the O-ring 19, the hole 16, the O-ring 20, the refrigerant flow path 17, the O-ring 8, the hole 18, and the O-ring 21.
  • an O-ring 9 is disposed on the outer edge of the separator 1.
  • the cost for assembling the fuel cell module 100 again by exchanging a part of the laminates 10 can be reduced.
  • the O-ring 9 is easier to remove than the gasket, it is possible to increase the efficiency of the replacement work.
  • the O-ring does not have a projection as provided in the gasket, the surface of the laminated body to be laminated can be flattened, and as a result, the efficiency of the exchange operation can be increased. Is possible.
  • the present invention is not limited to the form.
  • a sealing material for example, an adhesive or a gasket
  • an O-ring should be used as the sealing material from the standpoint of reducing the cost of replacing the laminate and making it easier to increase the work efficiency so that an appropriate sealing function can be easily secured. Is preferred.
  • the deep groove portions 1x and 1y having a depth equal to or greater than the thickness of the portion of the separator 1 facing the structure 5 in the stacking direction of the stacked body 10 are provided.
  • part of the separator 4 which opposes the structure 5 in the lamination direction of the laminated body 10 were illustrated, this book The invention is not limited to this form.
  • the fuel cell module of the present invention may be configured such that the separator having the deep groove portion is disposed only on one end side in the stacking direction of the laminate, and the separator having no deep groove portion is disposed on the other end side. is there.
  • separator 1 in which the height of the convex portion formed on the surface on the side not having the deep groove portions 1 x and 1 y is higher than the thickness of the structure 5.
  • this invention is not limited to the said form.
  • separators having deep groove portions whose height of the convex portion is higher than the thickness of the structural body may be respectively disposed on both end sides of the laminate, and the height of the convex portion is the structure.
  • a separator having a deep groove portion higher than the thickness of the body may be in a form not provided in the laminate.
  • the outer edge of the separator 1 is positioned on the peripheral edge of the separator 2 whose surface area is normal to the stacking direction.
  • the separator 1 and the separator 2 are arrange
  • the fuel cell module of the present invention includes a separator in which the height of the convex portion formed on the back side of the surface provided with the deep groove portion is higher than the thickness of the structure
  • the height of the convex portion May not be absorbed by reducing the area of the separator 2 as in the fuel cell module 100, but may be absorbed by devising a shape in the thickness direction of the separator having no deep groove portion.
  • FIG. 6 shows an example of a laminated body that absorbs the height of the convex portion by devising the shape in the thickness direction of the separator having no deep groove portion.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the form of the laminate 30.
  • FIG. 6 shows a partial cross section of the stacked body 30.
  • a hydrogen gas introduction path connecting the hydrogen manifold 7 and the hydrogen gas flow paths 31b and 33a an air introduction path connecting the air manifold (not shown) and the air flow paths 32a and 34b, and a refrigerant manifold (not shown)
  • the description of the refrigerant introduction path that connects the refrigerant flow paths 31a, 34a, and 11 is omitted.
  • the same components as those of the fuel cell module 100 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG.
  • the stacked body 30 includes structural bodies 5, 5, separators 31, 32, 33, 34 disposed so as to sandwich the structural bodies 5, 5, and holes that function as hydrogen manifolds. 7 and an air manifold and a refrigerant manifold (not shown).
  • the laminated body 30 is provided with a separator 31 and a separator 34 at both ends in the lamination direction (up and down direction in FIG. 6).
  • Adhesives 6, 6, 6 are disposed on the outer edges of the structures 5, 5 and the outer edges of the separators 31, 32, 33, 34 are fixed using the adhesives 6, 6, 6. .
  • the separator 31 has deep groove portions 31x and 31y in which O-rings 8 and 9 as seal members can be disposed on the surface not facing the structure 5.
  • the separator 34 has deep groove portions 34x and 34y in which O-rings 8 and 9 as seal members can be disposed on the surface that does not face the structure 5.
  • the deep groove portions 31x and 31y and the deep groove portions 34x and 34y can be formed by a known method represented by, for example, press molding, drawing processing, resin molding, or the like.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a state in which a plurality of stacked bodies 30 and 30 are stacked.
  • a hydrogen gas introduction path that connects the hydrogen manifold 7 and the hydrogen gas flow paths 31b and 33a
  • an air introduction path that connects the air manifold (not shown) and the air flow paths 32a and 34b
  • a refrigerant manifold (not shown)
  • the description of the refrigerant introduction path connecting the refrigerant flow paths 31a, 34a, 11, and 12 is omitted.
  • the same components as those of the fuel cell module 100 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 2, and the description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG.
  • the O-ring 8 is disposed in the space defined by the deep groove portion 31x and the deep groove portion 34x, and the deep groove portion 31y and the deep groove portion 34y
  • An O-ring 9 is disposed in the defined space.
  • the total depth of the deep groove portion 31x and the deep groove portion 34x is smaller than the diameter of the O-ring 8, and the hydrogen flowing through the hydrogen manifold 7 by the O-ring 8 arranged in this way. Leakage is prevented.
  • the total depth of the deep groove portion 31y and the deep groove portion 34y is smaller than the diameter of the O-ring 9, and the refrigerant flow path 12 is defined by the O-ring 9 thus arranged. Leakage of the circulating refrigerant is prevented.
  • the separator 32 having no deep groove portion is devised in the thickness direction (up and down direction in FIG. 6), and a recess 32x is formed on the upper surface side of the separator 32 (upper side in FIG. 6).
  • a part of the height of the convex portion formed on the back surface side (the lower side in the drawing of FIG. 6) of the deep groove portions 31x and 31y is absorbed.
  • the separator 33 having no deep groove portion is devised in the thickness direction (up and down direction in FIG. 6), and a recess 33x is formed on the lower surface side of the separator 33 (lower side in FIG. 6).
  • the battery module is not limited to this form.
  • the fuel cell module of the present invention can be configured to include a separator having a plurality of grooves having different depths. Then, the form which comprises the separator which has several groove parts from which depth differs is demonstrated below.
  • FIG. 8 is a top view of the laminate 40 provided in the fuel cell module of the present invention.
  • a separator 41 is disposed at one end in the stacking direction of the stacked body 40.
  • the separator 41 has hydrogen manifold holes 46, 47, air manifold holes 48, 49, and refrigerant manifold holes 50, 51.
  • the holes 50 and 51 are formed on the surface of the separator 41.
  • the separator 41 has a plurality of convex objects 41c, 41c,... Between the hole 50 and the refrigerant channel 41a, and a plurality of convex objects 41d, 41d between the refrigerant channel 41a and the hole 51. ,...have.
  • an O-ring 52 is provided around the hole 46
  • an O-ring 53 is provided around the hole 47
  • an O-ring 54 is provided around the hole 48
  • an O-ring 55 is provided around the hole 49.
  • An O-ring 56 having a larger diameter than the O-rings 52, 53, 54, and 55 is disposed on the outer edge of the separator 41 so as to surround them.
  • FIG. 9 is an enlarged view showing the IX-IX cross section of FIG.
  • the illustration of the O-ring 55 disposed in the groove portion 41x is omitted in FIG.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the XX section of FIG.
  • the illustration of the O-ring 53 disposed in the groove 41z is omitted in FIG.
  • the laminate 40 includes the structures 5, 5, separators 41, 42, 43, 44 disposed so as to sandwich the structures 5, 5, and a hydrogen manifold. It has a hole 47 that functions, and a hole 49 that functions as an air manifold.
  • the laminated body 40 is provided with a separator 41 and a separator 44 at both ends in the laminating direction (up and down direction in FIG. 9 and FIG. 10).
  • Adhesives 45, 45, 45 are arranged on the outer edges of the structures 5, 5, and the outer edges of the separators 41, 42, 43, 44 are fixed using the adhesives 45, 45, 45. .
  • a deep groove portion 41 y in which the O-ring 56 is disposed, a groove portion 41 x in which the O-ring 55 is disposed, and an O-ring 53 are disposed on the surface not facing the structure 5. Groove portion 41z.
  • the separator 44 has a coolant channel 44a, a deep groove portion 44y in which an O-ring 56 can be disposed, a groove portion 44x in which an O-ring 55 can be disposed, And a groove portion 44z in which the O-ring 53 can be disposed.
  • the groove portions 41x, 41z, 44x, 44z and the deep groove portions 41y, 44y are formed by a known method represented by, for example, press molding, drawing processing, resin molding, or the like.
  • the separator 41 is provided with a fluid introduction path 41p (hereinafter referred to as “hydrogen introduction path 41p”) that connects the hole 47 and the hydrogen gas flow path 41b.
  • the fluid introduction path 43x that connects the hole 47 and the hydrogen gas flow path 43a is provided.
  • the separator 42 is provided with a fluid introduction path 42x that connects the hole 49 and the air flow path 42a, and the separator 44 has a fluid that connects the hole 49 and the air flow path 44b.
  • An introduction path 44p (hereinafter referred to as “air introduction path 44p”) is provided. As shown in FIGS.
  • the depth of the groove 41z provided so as to straddle the hydrogen introduction path 41p is shallower than the groove 41x that does not straddle the fluid introduction path, and straddles the air introduction path 44p.
  • the depth of the provided groove 44x is shallower than the groove 44z that does not straddle the fluid introduction path.
  • the refrigerant channels 1a, 4a, and the separators 1 and 4 disposed at the ends of the stack 10 in the stacking direction are provided on the surfaces of the separators 1 and 4 that do not face the structures 5 and 5;
  • the embodiment in which the deep groove portions 1y and 4y in which the O-ring 9 for preventing the refrigerant flowing out through the refrigerant flow paths 1a and 4a is provided is illustrated, the present invention is limited to the embodiment. It is not something.
  • a fuel cell module includes a separator disposed at an end in a stacking direction of a stacked body, a flow path for circulating air on a surface of the separator that does not face the structure, and air flowing through the flow path It is also possible to adopt a form in which a groove part in which a seal member for preventing the outflow of the gas is provided is provided.
  • the fuel cell module of the present invention includes a flow path for allowing fluid to flow on a surface of the separator disposed at the end of the stack in the stacking direction and not facing the structure, and the flow path. It is also possible to adopt a form in which a groove portion for arranging a seal member corresponding to the circulating fluid is not provided.
  • the separator disposed at the end in the stacking direction of the stacked body may have a flow path through which the refrigerant or air flows and a groove in which a seal member that prevents the refrigerant or air flowing through the flow path is disposed.
  • the groove for the seal member provided on the surface not facing the structure is provided at the end of the stack in the stacking direction. It is preferably provided at the outer edge of the separator, and an O-ring is preferably provided in this groove.
  • the present invention when a flow path for the refrigerant or air is provided on the surface of the separator disposed at the end of the stack in the stacking direction that does not face the structure, although the embodiment in which the seal member for preventing the flowing refrigerant or air from flowing out is arranged on the surface not facing the structure is mentioned, the present invention is not limited to the embodiment.
  • the fuel cell module of the present invention is provided with a coolant or air flow path on the surface of the separator disposed at the end in the stacking direction of the stack, the side not facing the structure. It is also possible to adopt a configuration in which the seal member for preventing the refrigerant or air flowing out of the flow path from flowing out is not disposed on the surface that does not face the structure. In this case, it is considered that refrigerant or air flows out of the laminated body.
  • the fuel cell module of the present invention is used in a state where the laminated body is accommodated in the case. If it does not flow outside the case, it is considered that there is no impact on the external environment.
  • a separator disposed at the end of the laminate in the stacking direction is provided with a seal member that prevents the outflow of refrigerant or air flowing on the surface that does not face the structure on the side that does not face the structure.
  • the case that accommodates the laminated body may have a sealing function for preventing the refrigerant or air from flowing out.
  • a plurality of stacked laminates are accommodated in a first case in which one side of a rectangular parallelepiped shape is opened, and the openings of the first case are closed with a plate-like member, thereby a plurality of stacked laminates. Is considered to be housed in a case.
  • the opening of the first case containing the plurality of laminates is formed into a plate-like shape.
  • a sealing function that prevents the refrigerant or air from flowing out.
  • Deep groove part 32a, 34b ... Air flow path 32x, 33x ... Recessed part DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Laminated body 41, 42, 43, 44 ... Separator 41a ... Refrigerant flow path 41b, 43a ... Hydrogen gas flow path 41p ... Hydrogen introduction path (fluid introduction path) 41x, 41z ... groove 41y ... deep groove 42a, 44b ... air flow path 42x, 43x ... fluid introduction path 44a ... refrigerant flow path 44p ... air introduction path (fluid introduction path) 44x, 44z ... groove 44y ... deep groove 45 ... adhesive 46, 47 ... hole (hydrogen manifold) 48, 49 ... holes (air manifold) 50, 51 ... holes (refrigerant manifold) 52, 53, 54, 55, 56 ... O-ring (seal member) 100: Fuel cell module

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Abstract

本発明は、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することを主目的とする。 本発明は、電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、積層体の積層方向の少なくとも一端にセパレータが配設され、端に配設されたセパレータは、構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、少なくとも一つの溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部である、燃料電池モジュールとする。

Description

燃料電池モジュール
　本発明は、複数の燃料電池セルを有する燃料電池モジュールに関する。
　燃料電池は、電解質とこれを挟持するように配設された一対の電極（アノード及びカソード）とを備える構造体で発生させた電気エネルギーを、構造体の外側に配設された集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯電話等の動力源として注目されている。
　ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。ＰＥＦＣでは、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」という。）に含まれる触媒上でプロトンと電子へと分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」という。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。
　このような燃料電池に関する技術として、例えば特許文献１には、燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体及び多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つの積層体が形成され、複数の積層体が積層された燃料電池モジュールが開示されている。そして、特許文献１には、燃料電池セルに、複数のマニホールドが形成されており、積層体の両端部にセパレータが配されており、隣接する積層体のそれぞれのセパレータ間に、マニホールドを囲繞する無端状の第１のシール材が介層されている形態が開示されている。さらに、特許文献１には、隣接する積層体のそれぞれのセパレータの対向面であって、それらのマニホールドの周囲には、対応する位置に無端状の凹溝が形成され、隣接する積層体同士が積層された姿勢において、双方の凹溝にて画成された無端状の空間に、第１のシール材の一部若しくは全部が収容される形態についても開示されている。また、特許文献２には、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを複数備え、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている燃料電池が開示されている。また、特許文献３には、第１セパレータが第２セパレータよりも小さな外形寸法を有するとともに、第２セパレータの外周縁部には、第１セパレータの外形端部より外方に突出する位置に、少なくとも燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通している燃料電池が開示されている。また、特許文献４には、ガス導入用のマニホールドが設けられると共に、電池側の面には短冊状に貫通して設けられるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、電池側の面と反対面には、ガス導入用のガス溝がマニホールドとガス流路を接続するように形成され、ガス流路及びガス溝を囲むようにＯリング溝が形成されている小型燃料電池用セパレータが開示されている。
特開２０１０－８０２２２号公報 特開２００９－４３６６５号公報 特開２００７－３２４１０８号公報 特開２００２－５６８５９号公報
　特許文献１に開示されている技術において、第１のシール材として安価で交換が容易なＯ－リングを用いれば、メンテナンス時の作業効率等を向上させることが可能になると考えられる。一般に、燃料電池モジュールの大きさ及び出力が特定されれば、その燃料電池モジュールで用いられる流体をシールするために用いられるＯ－リングの径は特定される。これまでのように、必要とされる径のＯ－リングを配設するための凹部の深さよりも厚いセパレータが用いられていた場合には、セパレータに形成した溝に配設した、適切な径のＯ－リングを用いて流体を適切にシールすることが可能であった。しかしながら、単セルの薄型化が進んで薄いセパレータが用いられるようになると、適切な径のＯ－リングを配設可能な溝をセパレータに設けることが困難になり、適切なシール機能の確保が困難になる虞があった。このような問題は、特許文献１に開示されている技術と特許文献２乃至特許文献４に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
　そこで本発明は、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
  本発明は、電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、積層体の積層方向の少なくとも一端にセパレータが配設され、端に配設されたセパレータは、構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、少なくとも一つの溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部であることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
　ここに、本発明において、電極とセパレータとの間に流体を通過させる多孔体（例えば、ガス拡散層）が配設される場合、この多孔体も構造体の構成要素である。また、本発明において、「積層体の積層方向」とは、積層体を構成する電解質層や電極やセパレータ等が積層されている方向をいい、セパレータの厚さ方向と表現することも可能である。また、「端に配設されたセパレータ」とは、積層体の積層方向両端にセパレータが配設されている場合には、両端に配設されているセパレータのうち少なくとも一方のセパレータをいう。これに対し、積層体の積層方向一端にセパレータが配設され、積層方向他端にはセパレータ以外の構成要素が配設されている場合、「端に配設されたセパレータ」とは、積層体の積層方向一端に配設されているセパレータをいう。また、本発明において、「構造体に対向しない側の面」とは、セパレータの上面（下面）が積層体に対向している場合であれば、セパレータの下面（上面）をいう。また、本発明において、「溝部を有するセパレータの厚さ」とは、積層体の積層方向に構造体と対向するセパレータの部位における、厚さをいう。また、本発明の燃料電池モジュールは、１つの積層体、又は、積層された２以上の積層体を有している。
　また、上記本発明において、深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さは、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高くても良い。
　ここに、例えば、深溝部がセパレータの上面（下面）に設けられている場合、「深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面」とは、セパレータの下面（上面）をいう。また、「深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部」とは、深溝部をセパレータの上面（下面）に設けたことによって、セパレータの下面（上面）に形成された凸部をいう。
　また、セパレータと接触する構造体の厚さよりも凸部の高さが高い上記本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有していても良い。
　ここに、「深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有する」とは、凹部を有しないセパレータと凸部を有するセパレータとを重ねた時の合計厚さよりも、２つのセパレータを重ねた時の合計厚さが薄くなるような凹部を、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが有していることをいう。
　また、上記本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つは、深溝部を有するセパレータよりも、積層方向を法線方向とする面の面積が小さく、且つ、面積が小さいセパレータの周縁に、深溝部を有するセパレータの外縁が位置するように、面積が小さいセパレータ及び深溝部を有するセパレータが配設され、面積が小さいセパレータの周縁に位置する深溝部を有するセパレータの外縁に、深溝部が設けられていても良い。
　また、上記本発明において、深溝部を有するセパレータは、その厚さ内を貫通する流体導入路を有し、該流体導入路を有する部位に設けられた溝部の深さは、流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの溝部の深さよりも浅いことが好ましい。
　ここに、「流体導入路を有する部位に設けられた溝部」とは、溝部を有するセパレータの、流体導入路が存在する箇所における、セパレータの厚さ方向を上下方向とする切断面を見た時に、流体導入路の上側又は下側に設けられている溝部をいい、換言すれば、流体導入路を跨ぐように設けられている溝部をいう。本発明において、溝部及び流体導入路は連通していない。
　また、上記本発明において、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝を有し、該溝によって、構造体へと供給される気体のマニホールド、冷媒のマニホールド、及び、流路が囲まれるように、溝がセパレータの外縁に設けられていることが好ましい。
　ここに、「積層体へと供給される気体」とは、水素含有気体及び酸素含有気体をいう。
　本発明の燃料電池モジュールは、深溝部を有するセパレータを具備している。深溝部を有するセパレータを具備する形態とすることにより、単セルが薄型化されても、Ｏ－リング、ガスケット、及び、接着剤等のシール材を配設するために必要な深さに形成された深溝部を確保することができる。シール材を配設するために必要な深さを備えた深溝部を確保することにより、適切なシール機能を容易に確保することが可能になる。したがって、本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。
　また、本発明において、深溝部を有するセパレータの、深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さが、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高い場合であっても、深溝部を有するセパレータ以外のセパレータの形態等を工夫することにより、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。
　また、セパレータと接触する構造体の厚さよりも凸部の高さが高い本発明において、深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有することにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現することが容易になる。
　また、本発明において、面積が小さいセパレータの周縁に位置する深溝部を有するセパレータの外縁に、深溝部が設けられている形態とすることにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現することが容易になる。
　また、本発明において、流体導入路を有する部位に設けられた溝部の深さが、流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの溝部の深さよりも浅い形態とすることにより、セパレータの厚さを有効に活用することが可能になるので、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現しやすくなる。
　また、本発明において、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝が、構造体に対向しない側のセパレータの表面に存在し、且つ、構造体へと供給される気体のマニホールド、冷媒のマニホールド、及び、流路を囲むように溝が設けられていることにより、上記効果に加えて、燃料電池モジュールの無駄な空間を低減することが可能になる。
燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。 燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。 構造体５を説明する断面図である。 セパレータ１の上面図である。 従来のシール形態を説明する図である。 積層体３０を説明する断面図である。 積層された積層体３０、３０を説明する断面図である。 セパレータ４０の上面図である。 セパレータ４０の断面図である。 セパレータ４０の断面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。また、本発明の理解を容易にするため、図面では一部符号の記載を省略することがある。
　図１は、本発明の燃料電池モジュール１００を説明する断面図である。図１では、燃料電池モジュール１００の一部の断面を示している。図１では、水素マニホールド７と水素ガス流路１ｂ、３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路２ａ、４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路１ａ、４ａ、１１とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。
　図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ１、２、３、４と、水素マニホールドとして機能する孔７と、不図示の空気マニホールド及び冷媒マニホールドと、を具備する積層体１０を備えている。積層体１０は、その積層方向（図１の紙面上下方向）両端に、セパレータ１及びセパレータ４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤６、６が配置されており、該接着剤６、６を用いて、セパレータ１、３、４の外縁部及びセパレータ２の端面が固定されている。セパレータ１は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ－リング８、９を配設可能な深溝部１ｘ、１ｙを有している。また、セパレータ４は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ－リング８、９を配設可能な深溝部４ｘ、４ｙを有している。燃料電池モジュール１００は、積層された複数の積層体１０、１０、…が不図示のケースに収容された状態で使用される。
　図２は、複数の積層体１０、１０が積層された状態を説明する断面図である。図２では、水素マニホールド７と水素ガス流路１ｂ、３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路２ａ、４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路１ａ、４ａ、１１、１２とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図２に示すように、複数の積層体１０、１０が積層されると、深溝部１ｘ及び深溝部４ｘによって画定された空間にＯ－リング８が配設され、深溝部１ｙ及び深溝部４ｙによって画定された空間にＯ－リング９が配設される。所定のシール性を確保するため、深溝部１ｘ及び深溝部４ｘの合計深さは、Ｏ－リング８の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ－リング８によって、水素マニホールド７を流通する水素の漏洩が防止される。また、所定のシール性を確保するため、深溝部１ｙ及び深溝部４ｙの合計深さは、Ｏ－リング９の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ－リング９によって、冷媒流路１２を流通する冷媒の漏洩が防止される。
　図３は、構造体５の一部を拡大して示す断面図である。図３に示すように、構造体５は、固体高分子電解質膜５ａ（以下において、単に「電解質膜５ａ」という。）と、電解質膜５ａを挟持するように配設されたアノード電極５ｂ及びカソード電極５ｃを具備するＭＥＡ５ｘと、該ＭＥＡ５ｘを挟持するように配設されたガス拡散層５ｄ及びガス拡散層５ｅと、を有している。構造体５において、ガス拡散層５ｄはアノード電極５ｂ側に配設されており、ガス拡散層５ｅはカソード電極５ｃ側に配設されている。図１及び図３を参照しつつ、燃料電池モジュール１００について説明すると、例えば水素ガス流路１ｂを介して構造体５へと供給された水素ガスは、ガス拡散層５ｄを通過してアノード電極５ｂへと達する。そして、アノード電極５ｂにおいて、下記式１で表わされる反応が生じ、プロトン及び電子が生じる。
    Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－　　　　　　　　　　　…（式１）
アノード電極５ｂで生じたプロトンは、電解質膜５ａを通ってカソード電極５ｃへと達し、アノード電極５ｂで生じた電子は、電解質膜５ａが電子伝導性を有しないため、外部回路を経由してカソード電極５ｃへと達する。
　一方、例えば空気流路２ａを介して構造体５へと供給された空気は、ガス拡散層５ｅを通過してカソード電極５ｃへと達する。そして、アノード電極５ｂから移動してきたプロトン及び電子と、カソード電極５ｃへと供給された空気中に含まれている酸素とが、カソード電極５ｃ内で反応することにより、水が生成される。カソード電極５ｃで水が生成される反応は、下記式２で表わすことができる。
    Ｏ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ－ → ２Ｈ２Ｏ　　　　　…（式２）
　図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１００は、深溝部１ｘ、１ｙを有するセパレータ１、及び、深溝部４ｘ、４ｙを有するセパレータ４を備えている。ここで、深溝部１ｘ、１ｙ、及び、深溝部４ｘ及、４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成することができる。すなわち、単セルが薄型化されることに伴って、セパレータの厚さが薄くなったとしても、本発明の燃料電池モジュールにおける深溝部は、容易に形成することができる。深溝部を確保することにより、単セルが薄型化されても、ガスケットや接着剤のみならず、交換が容易で安価なＯ－リングを用いて適切なシール機能（密閉性）を確保することも可能になる。したがって、本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュール１００を提供することができる。
　図４は、セパレータ１の上面図である。図４に示すように、セパレータ１は、水素マニホールドの孔７、１３と、空気マニホールドの孔１４、１５と、冷媒マニホールドの孔１６、１８と、を有し、孔１６及び孔１８は、セパレータ１の上面に形成されている直線状の冷媒流路１７を介して接続されている。セパレータ１は、孔１６と冷媒流路１７との間に複数の凸状物１７ａ、１７ａ、…を有しており、冷媒流路１７と孔１８との間に複数の凸状物１７ｂ、１７ｂ、…を有している。図４に示すように、孔７の周囲にＯ－リング８が、孔１３の周囲にＯ－リング１９が、孔１４の周囲にＯ－リング２０が、孔１５の周囲にＯ－リング２１が、それぞれ配設されており、これらを囲うように、セパレータ１の外縁にＯ－リング９が配設されている。このような構成とすることにより、Ｏ－リング８、１９によって水素ガスの漏洩を防止することが可能になり、Ｏ－リング２０、２１によって空気の漏洩を防止することが可能になり、Ｏ－リング９によって冷媒の漏洩を防止することが可能になる。
　図５は、従来のシール形態を説明する図である。図５において、セパレータ１と同様の構成には図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図５に示すように、従来のセパレータ９１では、孔１６、冷媒流路１７、及び、孔１８を流通する冷媒をシールする際には、孔１６、冷媒流路１７、及び、孔１８の外周に沿って、シール材９２を配設していた。このようにシール材９２を配設すると、シール材９２によって囲まれた領域の面積を小さくすることが可能になる。しかしながら、図５に示したシール材９２は、図４に示したシール材９よりも形状が複雑である。形状が複雑な溝にＯ－リングを配設しようとすると、Ｏ－リングが捻れてしまい、適切なシール機能を確保することが困難になるため、シール材９２としてＯ－リングを利用することは困難であった。形状が複雑であっても、例えばガスケットや接着剤のようなシール材は用いることができたため、これまでは、シール材９２としてガスケットや接着剤が用いられていた。しかしながら、図２に示すように積層された複数の積層体１０、１０、…から、交換が必要になった一部の積層体１０を取り外す場合、シール材９２として接着剤を用いると、接着剤のみを交換することは困難である。そのため、接着剤を介して接着された複数の積層体１０、１０、…を交換する必要が生じ、交換費用が増大する虞がある。このほか、多数の積層体１０、１０、…を積層した後に接着剤を注入し硬化させるのは困難である。一方、シール材９２としてガスケットを用いれば、ガスケットは交換可能であるため、積層体１０を取り外した際にガスケットが破損しても新たなガスケットに交換することができる。しかしながら、ガスケットはＯ－リングよりも高価であるため、シール材９２としてガスケットを用いても、Ｏ－リングを用いる場合と比較して交換費用が増大しやすかった。
　これに対し、図４に示すように、セパレータ１では、Ｏ－リング１９、孔１６、Ｏ－リング２０、冷媒流路１７、Ｏ－リング８、孔１８、及び、Ｏ－リング２１を囲うように、セパレータ１の外縁にＯ－リング９が配設されている。このような位置にＯ－リング９を配設することにより、シール材９２よりも形状を簡略化することが可能になり、Ｏ－リング９の捻れを防止することが可能になる。それゆえ、Ｏ－リング９を用いても適切なシール機能を確保することが可能になる。また、Ｏ－リング９はガスケットよりも安価で且つ交換可能である。そのため、シール材として接着剤やガスケットを用いる場合と比較して、一部の積層体１０を交換して再び燃料電池モジュール１００を組み立てる際の費用を、低減することができる。また、Ｏ－リング９はガスケットよりも取り外しが容易であるため、交換作業の効率を高めることが可能になる。さらに、Ｏ－リングには、ガスケットに備えられているような突起部が存在しないため、積層される積層体の表面を平らにすることが可能になり、その結果、交換作業の効率を高めることが可能になる。
　上記説明では、シール材としてＯ－リング８、９、１９、２０、２１が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールでは、Ｏ－リング以外のシール材（例えば、接着剤やガスケット等）を用いることも可能である。ただし、積層体を交換する際の費用を低減し作業効率を高めやすくすることで、適切なシール機能を容易に確保可能な形態にする等の観点からは、シール材としてＯ－リングを用いることが好ましい。
　また、上記説明では、図１や図２に示したように、積層体１０の積層方向に構造体５と対向するセパレータ１の部位の厚さ以上の深さである深溝部１ｘ、１ｙを有するセパレータ１、及び、積層体１０の積層方向に構造体５と対向するセパレータ４の部位の厚さ以上の深さである深溝部４ｘ、４ｙを有するセパレータ４が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、深溝部を有するセパレータが積層体の積層方向一端側にのみ配設され、他端側には深溝部を有しないセパレータが配設される形態とすることも可能である。
　また、上記説明では、図１や図２に示したように、深溝部１ｘ、１ｙを有しない側の面に形成されている凸部の高さが構造体５の厚さよりも高いセパレータ１が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、凸部の高さが構造体の厚さよりも高い深溝部を有するセパレータが、積層体の両端側にそれぞれ配設されていても良く、凸部の高さが構造体の厚さよりも高い深溝部を有するセパレータが、積層体に備えられていない形態とすることも可能である。
　また、上記説明では、図１や図２に示したように、積層方向を法線方向とする面の面積がセパレータ１よりも小さいセパレータ２の周縁に、セパレータ１の外縁が位置するように、セパレータ１及びセパレータ２が配設され、セパレータ２の周縁に深溝部１ｘ、１ｙが位置している形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。深溝部が設けられている面の裏面側に形成された凸部の高さが構造体の厚さよりも高いセパレータが、本発明の燃料電池モジュールに備えられている場合、この凸部の高さは、燃料電池モジュール１００のようにセパレータ２の面積を小さくすることによって吸収するのではなく、深溝部を有しないセパレータの厚さ方向の形状を工夫することによって吸収しても良い。深溝部を有しないセパレータの厚さ方向の形状を工夫することによって、凸部の高さを吸収する積層体の形態例を、図６に示す。
　図６は、積層体３０の形態を説明する断面図である。図６では、積層体３０の一部の断面を示している。図６では、水素マニホールド７と水素ガス流路３１ｂ、３３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路３２ａ、３４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路３１ａ、３４ａ、１１とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図６において、燃料電池モジュール１００と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図６に示すように、積層体３０は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ３１、３２、３３、３４と、水素マニホールドとして機能する孔７と、不図示の空気マニホールド及び冷媒マニホールドと、を具備している。積層体３０は、その積層方向（図６の紙面上下方向）両端に、セパレータ３１及びセパレータ３４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤６、６、６が配置されており、該接着剤６、６、６を用いて、セパレータ３１、３２、３３、３４の外縁部が固定されている。セパレータ３１は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ－リング８、９を配設可能な深溝部３１ｘ、３１ｙを有している。また、セパレータ３４は、構造体５に対向しない側の面に、シール部材であるＯ－リング８、９を配設可能な深溝部３４ｘ、３４ｙを有している。深溝部３１ｘ、３１ｙ、及び、深溝部３４ｘ、３４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成することができる。
　図７は、複数の積層体３０、３０が積層された状態を説明する断面図である。図７では、水素マニホールド７と水素ガス流路３１ｂ、３３ａとを繋ぐ水素ガス導入路、不図示の空気マニホールドと空気流路３２ａ、３４ｂとを繋ぐ空気導入路、及び、不図示の冷媒マニホールドと冷媒流路３１ａ、３４ａ、１１、１２とを繋ぐ冷媒導入路の記載を省略している。図７において、燃料電池モジュール１００と同様の構成には、図２で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図７に示すように、複数の積層体３０、３０が積層されると、深溝部３１ｘ及び深溝部３４ｘによって画定された空間にＯ－リング８が配設され、深溝部３１ｙ及び深溝部３４ｙによって画定された空間にＯ－リング９が配設される。所定のシール性を確保するため、深溝部３１ｘ及び深溝部３４ｘの合計深さは、Ｏ－リング８の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ－リング８によって、水素マニホールド７を流通する水素の漏洩が防止される。また、所定のシール性を確保するため、深溝部３１ｙ及び深溝部３４ｙの合計深さは、Ｏ－リング９の直径よりも小さく、こうして配設されたＯ－リング９によって、冷媒流路１２を流通する冷媒の漏洩が防止される。
　図６に示すように、深溝部を有しないセパレータ３２は、その厚さ方向（図６の紙面上下方向）の形状を工夫し、セパレータ３２の上面側（図６の紙面上側）に凹部３２ｘを形成することによって、深溝部３１ｘ、３１ｙの裏面側（図６の紙面下側）に形成された凸部の高さの一部を吸収している。また、深溝部を有しないセパレータ３３は、その厚さ方向（図６の紙面上下方向）の形状を工夫し、セパレータ３３の下面側（図６の紙面下側）に凹部３３ｘを形成することによって、深溝部３４ｘ、３４ｙの裏面側（図６の紙面上側）に形成された凸部の高さの一部を吸収している。かかる形態の積層体３０であっても、深溝部３１ｘ、３１ｙ及び深溝部３４ｘ、３４ｙを確保できるので、積層体１０の場合と同様に、例えセパレータの厚さが薄くなったとしても、ガスケットや接着剤のみならず、交換が容易で安価なＯ－リング８、９を用いて適切なシール機能（密閉性）を確保することが可能になる。したがって、積層体３０が備えられる本発明によれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することができる。
　また、図１、図２、図６、及び、図７に示したように、本発明に関する上記説明では、セパレータの溝部の深さがすべて略同一である形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、深さが異なる複数の溝部を有するセパレータを備える形態とすることも可能である。そこで、深さが異なる複数の溝部を有するセパレータを具備する形態について、以下に説明する。
　図８は、本発明の燃料電池モジュールに備えられる積層体４０の上面図である。図８に示すように、積層体４０の積層方向一端にセパレータ４１が配設されている。セパレータ４１は、水素マニホールドの孔４６、４７と、空気マニホールドの孔４８、４９と、冷媒マニホールドの孔５０、５１と、を有し、孔５０及び孔５１は、セパレータ４１の表面に形成されている直線状の冷媒流路４１ａを介して接続されている。セパレータ４１は、孔５０と冷媒流路４１ａとの間に複数の凸状物４１ｃ、４１ｃ、…を有しており、冷媒流路４１ａと孔５１との間に複数の凸状物４１ｄ、４１ｄ、…を有している。図８に示すように、孔４６の周囲にＯ－リング５２が、孔４７の周囲にＯ－リング５３が、孔４８の周囲にＯ－リング５４が、孔４９の周囲にＯ－リング５５が、それぞれ配設されている。そして、これらを囲うように、セパレータ４１の外縁に、Ｏ－リング５２、５３、５４、５５よりも径が大きいＯ－リング５６が配設されている。このような構成とすることにより、Ｏ－リング５２、５３によって水素ガスの漏洩を防止することが可能になり、Ｏ－リング５４、５５によって空気の漏洩を防止することが可能になり、Ｏ－リング５６によって冷媒の漏洩を防止することが可能になる。
　図９は、図８のＩＸ－ＩＸ断面を拡大して示す図である。溝部４１ｘを見やすくするため、図９では、溝部４１ｘに配設されるＯ－リング５５の記載を省略している。また、図１０は、図８のＸ－Ｘ断面を拡大して示す図である。溝部４１ｚを見やすくするため、図１０では、溝部４１ｚに配設されるＯ－リング５３の記載を省略している。図９及び図１０に示すように、積層体４０は、構造体５、５と、該構造体５、５を挟持するように配設されたセパレータ４１、４２、４３、４４と、水素マニホールドとして機能する孔４７と、空気マニホールドとして機能する孔４９と、を有している。積層体４０は、その積層方向（図９及び図１０の紙面上下方向）両端に、セパレータ４１及びセパレータ４４が配設されている。構造体５、５の外縁には接着剤４５、４５、４５が配置されており、該接着剤４５、４５、４５を用いて、セパレータ４１、４２、４３、４４の外縁部が固定されている。セパレータ４１は、構造体５に対向しない側の面に、Ｏ－リング５６が配設される深溝部４１ｙと、Ｏ－リング５５が配設される溝部４１ｘと、Ｏ－リング５３が配設される溝部４１ｚと、を有している。また、セパレータ４４は、構造体５に対向しない側の面に、冷媒流路４４ａと、Ｏ－リング５６を配設可能な深溝部４４ｙと、Ｏ－リング５５を配設可能な溝部４４ｘと、Ｏ－リング５３を配設可能な溝部４４ｚと、を有している。溝部４１ｘ、４１ｚ、４４ｘ、４４ｚ、及び、深溝部４１ｙ、４４ｙは、例えば、プレス成型や絞り加工、樹脂成型等に代表される公知の方法によって形成されている。
　図１０に示すように、セパレータ４１には、孔４７と水素ガス流路４１ｂとを繋ぐ流体導入路４１ｐ（以下において、「水素導入路４１ｐ」という。）が設けられており、セパレータ４３には、孔４７と水素ガス流路４３ａとを繋ぐ流体導入路４３ｘが設けられている。また、図９に示すように、セパレータ４２には、孔４９と空気流路４２ａとを繋ぐ流体導入路４２ｘが設けられており、セパレータ４４には、孔４９と空気流路４４ｂとを繋ぐ流体導入路４４ｐ（以下において、「空気導入路４４ｐ」という。）が設けられている。図９及び図１０に示すように、水素導入路４１ｐを跨ぐように設けられている溝部４１ｚの深さは、流体導入路を跨がない溝部４１ｘよりも浅く、空気導入路４４ｐを跨ぐように設けられている溝部４４ｘの深さは、流体導入路を跨がない溝部４４ｚよりも浅い。溝部４１ｘ、４１ｚ、４４ｘ、４４ｚの深さをこのように構成することにより、適切なシール機能を確保しつつ、単セルの薄型化を実現しやすくなる。なお、積層体４０は深溝部４１ｙ、４４ｙを有しているので、積層体４０を備える本発明の燃料電池モジュールによれば、単セルが薄型化された場合であっても適切なシール機能を容易に確保することが可能になる。
　本発明に関する上記説明では、例えば、積層体１０の積層方向の端に配設されているセパレータ１、４の、構造体５、５に対向しない側の面に、冷媒流路１ａ、４ａ、及び、当該冷媒流路１ａ、４ａを流通する冷媒の流出を防止するＯ－リング９が配設される深溝部１ｙ、４ｙが設けられている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、空気を流通させるための流路及び該流路を流通する空気の流出を防止するシール部材が配設される溝部が設けられた形態とすることも可能である。このほか、本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、流体を流通させる流路、及び、この流路を流通する流体に対応するシール部材を配設するための溝部が設けられていない形態とすることも可能である。ただし、燃料電池モジュールの無駄な空間を低減することにより、薄型化や高性能化を達成しやすい形態にする等の観点からは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気を流通させる流路と、該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を配設する溝と、を有する形態とすることが好ましい。そして、シール部材の交換が容易で安価な燃料電池モジュールを提供可能にする等の観点から、構造体に対向しない側の面に設けたシール部材用の溝は、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの外縁に設けることが好ましく、この溝にはＯ－リングを配設することが好ましい。
　また、本発明に関する上記説明では、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気の流路を設けた場合、当該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するためのシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置する形態について言及したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールは、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に、冷媒又は空気の流路を設けた場合であっても、当該流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するためのシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置しない形態とすることも可能である。この場合、積層体の外側に、冷媒又は空気が流出すると考えられるが、上述のように、本発明の燃料電池モジュールは、積層体がケースに収容された状態で使用されるので、冷媒又は空気がケースの外側へと流出しなければ外部環境への影響はないと考えられる。そのため、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を、構造体に対向しない側の面に配置しない場合には、積層体を収容するケースに、冷媒又は空気の流出を防止するシール機能を担わせれば良い。例えば、複数の積層された積層体が、直方体形状の一面が開口している第１ケースへと収容され、第１ケースの開口部を板状部材で塞ぐことにより、複数の積層された積層体がケース内に収容される場合を考える。この場合、例えば、板状部材の、積層体に対向する側の面に液状パッキンやＯ－リング等を配設しておけば、複数の積層体を収容した第１ケースの開口部を板状部材で蓋をすることによって、積層体を収容するケースに、冷媒又は空気の流出を防止するシール機能を担わせることが可能になる。積層体を収容するケースにシール機能を担わせることにより、積層体の積層方向の端に配設されているセパレータの、構造体に対向しない側の面に設けられた流路を流通する冷媒又は空気の流出を防止するシール部材を、当該面に設ける必要がなくなるので、製造工程を簡略化することが可能な、燃料電池モジュールを提供することが可能になる。
　１、２、３、４…セパレータ
　１ａ、４ａ、１１、１２、１７…冷媒流路
　１ｂ、３ａ…水素ガス流路
　１ｘ、１ｙ、４ｘ、４ｙ…深溝部
　２ａ、４ｂ…空気流路
　５…構造体
　６…接着剤
　７、１３…孔（水素マニホールド）
　８、９、１９、２０、２１…Ｏ－リング（シール部材）
　１０…積層体
　１４、１５…孔（空気マニホールド）
　１６、１８…孔（冷媒マニホールド）
　３０…積層体
　３１、３２、３３、３４…セパレータ
　３１ａ、３４ａ…冷媒流路
　３１ｂ、３３ａ…水素ガス流路
　３１ｘ、３１ｙ、３４ｘ、３４ｙ…深溝部
　３２ａ、３４ｂ…空気流路
　３２ｘ、３３ｘ…凹部
　４０…積層体
　４１、４２、４３、４４…セパレータ
　４１ａ…冷媒流路
　４１ｂ、４３ａ…水素ガス流路
　４１ｐ…水素導入路（流体導入路）
　４１ｘ、４１ｚ…溝部
　４１ｙ…深溝部
　４２ａ、４４ｂ…空気流路
　４２ｘ、４３ｘ…流体導入路
　４４ａ…冷媒流路
　４４ｐ…空気導入路（流体導入路）
　４４ｘ、４４ｚ…溝部
　４４ｙ…深溝部
　４５…接着剤
　４６、４７…孔（水素マニホールド）
　４８、４９…孔（空気マニホールド）
　５０、５１…孔（冷媒マニホールド）
　５２、５３、５４、５５、５６…Ｏ－リング（シール部材）
　１００…燃料電池モジュール

Claims (6)

  1. 電解質層及び該電解質層を挟持するように配設された一対の電極を含む構造体と、該構造体を挟持するように配設された一対のセパレータとを具備する積層体、を備え、
    　前記積層体の積層方向の少なくとも一端に前記セパレータが配設され、
    　端に配設されたセパレータは、前記構造体に対向しない側の面に、シール部材を配設可能な溝部を有し、
    　少なくとも一つの前記溝部は、その深さが該溝部を有するセパレータの厚さ以上の深溝部であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
  2. 前記深溝部を有するセパレータの、前記深溝部を有しない側の面に形成されている凸部の高さは、該セパレータと接触する構造体の厚さよりも高いことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つが、前記凸部の高さの少なくとも一部を吸収可能な凹部を有することを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記深溝部を有しないセパレータの少なくとも一つは、前記深溝部を有するセパレータよりも、前記積層方向を法線方向とする面の面積が小さく、且つ、
    　面積が小さいセパレータの周縁に、前記深溝部を有するセパレータの外縁が位置するように、面積が小さい前記セパレータ及び前記深溝部を有するセパレータが配設され、
    　面積が小さい前記セパレータの周縁に位置する、前記深溝部を有するセパレータの前記外縁に、前記深溝部が設けられていることを特徴とする、請求の範囲第１項～請求の範囲第３項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記深溝部を有するセパレータは、その厚さ内を貫通する流体導入路を有し、
    　前記流体導入路を有する部位に設けられた前記溝部の深さは、前記流体導入路を有しない部位に設けられた少なくとも一つの前記溝部の深さよりも浅いことを特徴とする、請求の範囲第１項～請求の範囲第４項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
  6. 前記積層体の積層方向の端に配設されている前記セパレータの、前記構造体に対向しない側の面に、冷媒又は酸素含有気体を流通させる流路、及び、該流路を流通させる冷媒又は酸素含有気体の流出を防止するためのシール部材を配設可能な溝を有し、
    　前記溝によって、前記構造体へと供給される気体のマニホールド、前記冷媒のマニホールド、及び、前記流路が囲まれるように、前記溝が前記セパレータの外縁に設けられていることを特徴とする、請求の範囲第１項～請求の範囲第５項のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
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