WO2015129206A1 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cell modules are stacked.
  • a polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is arranged between an anode and a cathode, and supplies an oxidant gas containing hydrogen to the anode and oxygen to the cathode. It is a device that generates electricity by electrochemical reaction.
  • Anode H 2 ⁇ 2H + + 2e ⁇ (1)
  • Cathode 1 / 2O 2 + 2H + + 2e ⁇ ⁇ H 2 O (2)
  • the supplied hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1).
  • solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high output density compared to other types of fuel cells. Use is expected.
  • a planar cell fuel cell layer in which a plurality of membrane electrode assemblies are arranged in a planar shape and a fuel cell stack in which the planar cell fuel cell layer is laminated are described in the following patent documents: 1 is proposed.
  • the fuel cell stack proposed in Patent Document 1 has a structure in which the fuel cell stack is stacked via separators installed on the anode and the cathode, respectively. Therefore, there is a problem that the weight and the volume are increased by the amount of the separator installed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the weight and size of the fuel cell module and the fuel cell stack with a simpler configuration.
  • the first fuel cell layer comprises a first fuel cell layer and a second fuel cell layer each having an interconnector for electrically connecting one anode and the other cathode of the membrane electrode assembly.
  • the first fuel cell layer and the second fuel cell layer are arranged so that the same polarity of the membrane electrode assembly of the second fuel cell layer and the membrane electrode assembly of the second fuel cell layer face each other.
  • the first electrode of the membrane electrode assembly of the first fuel cell layer and the membrane electrode assembly of the second fuel cell layer face each other. Since the fuel cell layer and the second fuel cell layer are arranged, the space through which hydrogen gas circulates or the space through which oxygen-containing oxidant gas circulates can be shared. And compactness are possible.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell module according to Example 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell module according to Example 2.
  • FIG. It is the schematic which shows the electric circuit at the time of taking the structure of Example 1 and Example 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell module according to Example 3.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell module according to Example 4.
  • the fixing member 128 is a schematic cross-sectional view showing an insulating sheet shape over the entire surface. It is the schematic which shows the electric circuit at the time of taking the structure of Example 3 and Example 4.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack according to Example 5.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack according to Example 6.
  • FIG. It is a disassembled perspective view which shows the structure of the fuel cell stack containing the fuel cell module which concerns on this embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the fuel cell module according to the first embodiment.
  • the fuel cell module 100 includes a first fuel cell layer 101, a second fuel cell layer 102, and a fixing member 128.
  • the first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 are arranged via a fixing member 128 so that the anode catalyst layers 124 face each other. By arranging in this way, a fuel gas space 140 through which hydrogen gas flows is formed, and conventionally used separators can be reduced.
  • the first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 include a plurality of membrane electrode assemblies 120 and an interconnector 130 arranged in a plane.
  • Each membrane electrode assembly 120 is at least partially opposed to the electrolyte membrane 122, the anode catalyst layer 124 provided on one surface of the electrolyte membrane 122, and the other surface of the electrolyte membrane 122.
  • a cathode catalyst layer 126 provided as described above.
  • the anode catalyst layer 124 of each membrane electrode assembly 120 is provided on one surface of the electrolyte membrane 122 so as to be spaced from each other. Further, the cathode catalyst layer 126 of each membrane electrode assembly 120 is provided on the other surface of the electrolyte membrane 122 so as to be spaced from each other. An electrolyte membrane 122 is sandwiched between a pair of anode catalyst layer 124 and cathode catalyst layer 126 to constitute a membrane electrode assembly 120 (sometimes referred to as a single cell).
  • the anode catalyst layer 124 is supplied with hydrogen as a fuel gas. Air is supplied to the cathode catalyst layer 126 as an oxidant. Each membrane electrode assembly 120 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air.
  • the anode catalyst layer 124 and the cathode catalyst layer 126 have ion exchangers and catalyst particles, and in some cases, carbon particles supporting the catalyst particles.
  • the ion exchangers included in the anode catalyst layer 124 and the cathode catalyst layer 126 are used for improving the adhesion between the catalyst particles and the electrolyte membrane 122.
  • catalyst metals include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid series elements and actinoid series elements, A simple substance is mentioned. When the catalyst is supported, furnace black, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes or the like may be used as the carbon particles.
  • the thicknesses of the anode catalyst layer 124 and the cathode catalyst layer 126 are each about 10 to 40 ⁇ m, for example.
  • the electrolyte membrane 122 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode catalyst layer 124 and the cathode catalyst layer 126.
  • the electrolyte membrane 122 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. Etc. can be used.
  • sulfonic acid type perfluorocarbon polymer examples include Nafion (registered trademark) membrane (manufactured by DuPont).
  • non-fluorine polymers examples include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.
  • the thickness of the electrolyte membrane 122 is, for example, about 10 to 200 ⁇ m.
  • the interconnector 130 forms an electrical path from one anode catalyst layer 124 of the adjacent membrane electrode assembly 120 to the other cathode catalyst layer 126 of the adjacent membrane electrode assembly 120 to electrically connect the adjacent single cells. It is a member for connecting to.
  • the fixing member 128 includes an anode catalyst layer 124 formed on the interconnector 130 of the first fuel cell layer 101 and an anode catalyst layer 124 formed on the interconnector 130 of the second fuel cell layer 102. Can be placed between.
  • the first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 are arranged via the fixing member 128 so that the anode catalyst layers 124 face each other. By arranging in this way, a common fuel gas space 140 through which hydrogen gas flows is formed, and it is possible to reduce the number of separators conventionally used for flowing hydrogen gas.
  • the fixing member 128 is preferably arranged for each interconnector 130. By arranging in this way, the expansion of the fuel gas space 140 due to the pressure of the hydrogen gas can be suppressed, and damage to the first fuel cell layer 101 or the second fuel cell layer 102 can be prevented. it can.
  • the fixing member 128 may include a conductive material such as carbon, nickel, copper, or iron.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the fuel cell module 100 according to the second embodiment.
  • the main difference from the first embodiment is that the interconnector 130 protrudes from the anode catalyst layer 124. Thereby, the interconnector 130 can also serve as the fixing member 128 in the first embodiment.
  • the interconnector 130 and the cathode catalyst layer 126 are substantially on the same plane, and the anode catalyst layer 124 and the adjacent cathode catalyst layer 126 are electrically connected via the side surface of the interconnector 130. Are connected in series.
  • the interconnector 130 since the interconnector 130 also serves as the fixing member 128 in the first embodiment, it is not necessary to prepare the fixing member 128 separately, and thus further downsizing is possible. Become.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an electric circuit in the first embodiment and the second embodiment. Since the fixing member 128 includes a conductive material as in the first embodiment, or the interconnector 130 also serves as the fixing member as in the second embodiment, the interconnector 130 of the first fuel cell layer 101 and the Since the interconnector 130 of the second fuel cell layer 101 can be electrically connected, the opposing single cells are connected in parallel as shown in FIG. 3, and the output can be stabilized even if the single cells vary. it can.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the fuel cell module 100 according to the third embodiment.
  • the fixing member 128 is made of an insulating material.
  • the convex portions 128 a and 128 b of the fixing member 128 can be arranged at intervals provided between the anode catalyst layers 124 of the membrane electrode assemblies 120.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the fuel cell module 100 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 5, in this example, an insulating fixing member 128 is interposed between the interconnector 130 of the first fuel cell layer 101 and the interconnector 130 of the second fuel cell layer 102. The configuration is substantially the same as in the second embodiment.
  • the fixing member 128 is made of an insulating material as in the third embodiment and the fourth embodiment, when the first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 are arranged to face each other, a little Even if misalignment occurs, it is possible to prevent occurrence of a short circuit due to contact between the anode catalyst layer 124 of the first fuel cell layer 101 and the anode catalyst layer 124 of the adjacent second fuel cell layer 102. .
  • the interconnector 130 may be more convex than the surface of the cathode catalyst layer 126.
  • the fixing member 128 may be an insulating sheet covering the entire surface. In this case, it is preferable that the insulating sheet is permeable to gas such as hydrogen gas.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an electric circuit in the third and fourth embodiments. Since the fixing member 128 is an insulating material or the insulating fixing member 128 is interposed between each interconnector 130, the single cells are not connected in parallel as shown in FIG.
  • first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 are electrically connected at the end, and the first fuel cell layer 101 and the second fuel cell layer 102 are connected to each other. It may be a parallel connection.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell stack 200 according to the fifth embodiment.
  • the fuel cell stack 200 includes a first fuel cell module 100a and a second fuel cell module 100b, and is stacked via a cooling unit 201 for cooling the fuel cell module.
  • the first fuel cell module 100a and the second fuel cell module 100b each include a first fuel cell layer 101 and a second fuel cell layer 102.
  • the cathode catalyst layer 126 of the second fuel cell layer 102 that is a component of the first fuel cell module 100a and the cathode catalyst layer 126 of the first fuel cell layer 101 that is a component of the second fuel cell module 100b are included. It arrange
  • the cooling section 201 may be provided with a refrigerant flow path 202.
  • the cooling unit 201 including the refrigerant flow path 202 on the cathode side.
  • the refrigerant water, alcohol, oil, or the like can be used.
  • the oxidant gas space 142 containing oxygen gas can be formed, so that a separator for circulating the oxidant gas is not required, and the fuel cell can be made compact.
  • the cathode side is likely to be hotter than the anode side, it is particularly preferable to install the cooling unit 201 on the cathode side.
  • the cooling unit 201 is disposed between the cathode catalyst layer 126 of the first fuel cell layer 101 or the cathode catalyst layer 126 of the second fuel cell layer 102.
  • the first fuel cell layer 101 or the second fuel cell layer 102 may be installed on the interconnector 130. Since the cooling unit 201 is on the interconnector 130, the diffusion of the oxidant gas to the cathode is not hindered.
  • the cooling unit 201 is made of an insulating material.
  • insulating materials such as lighter resin and anodized aluminum, can be used, and also a fuel cell can be reduced in weight.
  • a heat radiating fin may be provided as the cooling unit 201.
  • a heat radiating fin By installing the radiating fins, it is possible to cool with an oxidant gas to be supplied to the cathode, and a refrigerant such as water, alcohol, oil or the like becomes unnecessary.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell stack 200 according to the sixth embodiment.
  • the fuel cell stack 200 includes a first fuel cell module 100a and a second fuel cell module 100b, and is stacked via a cooling unit 201.
  • the first fuel cell module 100 a includes a first fuel cell layer 101 and a second fuel cell layer 102, and an anode catalyst layer 124 of the first fuel cell layer 101 and an anode of the second fuel cell layer 102.
  • the catalyst layers 124 are arranged so as to face each other. By disposing in this way, a fuel gas space 140 through which hydrogen gas flows is formed, and it is possible to reduce the number of separators conventionally used for flowing hydrogen gas.
  • the first insulating layer 131 and the second insulating layer 132 are provided at both ends of the interconnector 130 of the first fuel cell layer 101 or the second fuel cell layer 102.
  • the anode catalyst layer 124 existing on the first insulating layer 131 and the cathode catalyst layer existing on the second insulating layer 132 are removed by a laser or the like to form a gap 133. is doing.
  • the cooling unit 201 may be integrated. In this case, a hole for allowing gas to pass through may be formed in the cooling unit 201.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell stack including the fuel cell module according to the present embodiment described above. As shown in FIG. 10, a plurality of fuel cell stacks are fixed by the current collector 211, and each of the plurality of fuel cell modules can be electrically connected in series or in parallel.
  • the end plate 210 includes a hydrogen gas supply manifold 220, a hydrogen gas discharge manifold 221, an oxidant gas supply manifold 230, an oxidant gas discharge manifold 231, a cooling water supply manifold 240, A cooling water discharge manifold 241 may be provided.
  • an insulating material is particularly suitable. By doing in this way, insulating materials, such as lighter resin and anodized aluminum, can be used, and also a fuel cell can be reduced in weight.
  • the anode catalyst layer 124 of the membrane electrode assembly 120 of the first fuel cell layer 101 and the anode catalyst layer 124 of the membrane electrode assembly 120 of the second fuel cell layer 102 are opposed to each other.
  • the cathode catalyst layer 126 of the membrane electrode assembly 120 of the first fuel cell layer 101 and the second fuel are shown. You may arrange
  • the present invention can be used for fuel cells.
  • Fuel cell module 101 first fuel cell layer 102 second fuel cell layer 120 membrane electrode assembly 122 electrolyte membrane 124 anode catalyst layer 126 cathode catalyst layer 128 fixing member 130 interconnector 131 first insulating layer 132 second insulating layer 140 Fuel gas space 142 Oxidant gas space 200 Fuel cell stack 201 Cooling unit 202 Refrigerant flow path 210 End plate 220 Hydrogen gas supply manifold 221 Hydrogen gas discharge manifold 230 Oxidant gas supply manifold 231 Oxidant gas discharge manifold 240 Cooling water supply manifold 241 Cooling water discharge manifold

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Abstract

燃料電池モジュールは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする。

Description

燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック
　本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池モジュールおよび該燃料電池モジュールを複数積層した燃料電池スタックに関する。
　近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
　固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノードとカソードとの間に配した基本構造を有し、アノードに水素、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード：Ｈ２　→　２Ｈ＋　＋　２ｅ－　・・・（１）
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－　→　Ｈ２Ｏ　・・・（２）
　アノードにおいては、供給された水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部をカソードに向かって移動し、電子は外部回路を通ってアノードに移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素がアノードから移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では、アノードからカソードに向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
　中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があり、特に近年、携帯機器などの電源や車載用途などの電源への利用が期待されている。この種の固体高分子形燃料電池としては、複数の膜電極接合体を平面状に配列した平面配列型の燃料電池レイヤーと前記平面配列型の燃料電池レイヤーを積層した燃料電池スタックが下記特許文献１において提案されている。
特開２００４－２７３２６４号
　しかしながら、前記特許文献１に提案されている燃料電池スタックは、アノードおよびカソード上に各々設置されたセパレータを介して積層する構造である。そのため、セパレータを設置した分だけ、重量及び体積が大きくなるという課題があった。
　本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、より簡素な構成で燃料電池モジュールおよび燃料電池スタックの軽量化およびコンパクト化を図ることを本発明の課題とする。
　電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする。
　本発明の一つの側面に係る燃料電池モジュールによれば、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されているため、水素ガスが流通する空間または酸素を含む酸化剤ガスが流通する空間を共通化できるため、セパレータを削減することが可能となり、軽量化およびコンパクト化が可能となる。
実施例１に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例２に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例１及び実施例２の構成をとった場合の電気回路を示す概略図である。 実施例３に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例４に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 固定部材１２８は全面にわたる絶縁性のシート状を示す模式的断面図である。 実施例３及び実施例４の構成をとった場合の電気回路を示す概略図である。 実施例５に係る燃料電池スタックの模式的断面図である。 実施例６に係る燃料電池スタックの模式的断面図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。
　本発明の実施形態を図面に基づき説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　（実施例１）
　図１は、実施例１に係る燃料電池モジュールの構成を示す模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２と固定部材１２８とを備える。
　第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は、各々のアノード触媒層１２４同士が対向するように、固定部材１２８を介して配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する燃料ガス空間１４０が形成され、従来、使用されていたセパレータを削減することができる。
　前記第１の燃料電池レイヤー１０１及び前記第２の燃料電池レイヤー１０２は、平面配列された複数の膜電極接合体１２０と、インターコネクタ１３０とを備える。各膜電極接合体１２０は、電解質膜１２２と、電解質膜１２２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１２４と、電解質膜１２２の他方の表面に、アノード触媒層１２４と少なくとも一部が対向するように設けられたカソード触媒層１２６とを含む。
　各膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４は、電解質膜１２２の一方の表面に互いに間隔をあけて設けられている。また、各膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６は、電解質膜１２２の他方の表面に互いに間隔を空けて設けられている。一対のアノード触媒層１２４とカソード触媒層１２６との間に電解質膜１２２が挟持されて膜電極接合体１２０（単セルということがある）が構成されている。
　アノード触媒層１２４には、燃料ガスとして水素が供給される。カソード触媒層１２６には、酸化剤として空気が供給される。各膜電極接合体１２０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
　アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によっては触媒粒子を担持した炭素粒子を有する。
　アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜１２２との間の密着性を向上させるために用いられる。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。なお、アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６の厚さは、それぞれ、たとえば約１０～４０μｍである。
　電解質膜１２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１２４とカソード触媒層１２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜１２２の厚さは、たとえば約１０～２００μｍである。
　インターコネクタ１３０は、隣接する膜電極接合体１２０の一方のアノード触媒層１２４から隣接する膜電極接合体１２０の他方のカソード触媒層１２６への電気経路を構成して、隣接する単セルを電気的に接続するための部材である。
　前記固定部材１２８は、前記第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０上に形成されたアノード触媒層１２４と前記第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０上に形成されたアノード触媒層１２４との間に配置することができる。
　前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２は、各々のアノード触媒層１２４同士が対向するように、前記固定部材１２８を介して配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する共通の燃料ガス空間１４０が形成され、従来、水素ガスを流通するために使用されていたセパレータを削減することができる。
　また、前記固定部材１２８は、各インターコネクタ１３０毎に配置することが好ましい。このように配置することで、水素ガスの圧力によって燃料ガス空間１４０が膨張することを抑制することができ、第１の燃料電池レイヤー１０１または第２の燃料電池レイヤー１０２の破損を防止することができる。
　尚、前記固定部材１２８は、炭素、ニッケル、銅、鉄等の導電材料を含んでもよい。
　（実施例２）
　図２は、実施例２に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図２に示すように、前記実施例１との主たる相違点は、インターコネクタ１３０がアノード触媒層１２４よりも突出しているところである。これにより、インターコネクタ１３０が前記実施例１における固定部材１２８を兼ねることができる。また、その他の相違点として、インターコネクタ１３０とカソード触媒層１２６とが略同一平面上にあると共に、アノード触媒層１２４と隣接するカソード触媒層１２６とが、インターコネクタ１３０の側面を介して電気的に直列接続されている。
　実施例２に係る燃料電池モジュール１００によれば、インターコネクタ１３０が前記実施例１における固定部材１２８を兼ねているため、固定部材１２８を別途用意する必要がないため、更なるコンパクト化が可能となる。
　前記実施例１及び実施例２における電気回路を示す概略図を図３に示す。前記実施例１のように固定部材１２８が導電材料を含む、もしくは前記実施例２のようにインターコネクタ１３０が固定部材を兼ねているため、前記第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０と前記第２の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０とを電気的に接続できるため、図３に示すように対向する単セル同士が並列接続となり、単セルにばらつきがあっても出力を安定させることができる。
　（実施例３）
　図４は、実施例３に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図４に示すように、前記実施例１との主たる相違点は、固定部材１２８が絶縁材料である点である。また、固定部材１２８の固定する力を高めるために、各膜電極接合体１２０の各アノード触媒層１２４間に設けられた間隔に固定部材１２８の凸部１２８ａ及び１２８ｂを配置することができる。
　（実施例４）
　図５は、実施例４に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図５に示すように、本例では、第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０と第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０との間に絶縁性の固定部材１２８を介した以外は、前記実施例２と略同等の構成となっている。
　前記実施例３と前記実施例４のように固定部材１２８が絶縁材料から構成されているので、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２を対向して配置させる時に、少々の位置ズレが生じても、第１の燃料電池レイヤー１０１のアノード触媒層１２４と、隣接する第２の燃料電池レイヤー１０２のアノード触媒層１２４との接触によるショートの発生を防止することが可能となる。
　尚、図示しないが、前記インターコネクタ１３０がカソード触媒層１２６の表面よりも凸となってもよい。また、図６に示すように、固定部材１２８は全面にわたる絶縁性のシート状であってもよい。この場合、前記絶縁性のシートは、水素ガス等の気体を透過するものが好ましい。
　前記実施例３及び実施例４における電気回路を示す概略図を図７に示す。固定部材１２８が絶縁材料、もしくは各インターコネクタ１３０の間に絶縁性の固定部材１２８を介しているため、図７に示すように単セル同士が並列接続とはなっていない。
　尚、図示しないが、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は端部で電気的に接続し、前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２同士が並列接続となっていてもよい。
　（実施例５）
　図８は、実施例５に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、第１の燃料電池モジュール１００ａと第２の燃料電池モジュール１００ｂとからなり、燃料電池モジュールを冷却するための冷却部２０１を介して積層している。
　第１の燃料電池モジュール１００a及び第２の燃料電池モジュール１００ｂは各々第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２とを備える。
　第１の燃料電池モジュール１００aの構成要素である第２の燃料電池レイヤー１０２のカソード触媒層１２６と第２の燃料電池モジュール１００bの構成要素である第１の燃料電池レイヤー１０１のカソード触媒層１２６が対向するように配置されている。
　冷却部２０１には、冷媒流路２０２を設けてもよい。特に、カソード側の方がアノード側の方よりも高熱になりやすいため、カソード側に冷媒流路２０２を備えた冷却部２０１を設置することが特に好適である。冷媒として、水、アルコール、油などを用いることができる。
　このように配置することで、酸素ガスを含む酸化剤ガス空間１４２を形成できるため、酸化剤ガスを流通させるためのセパレータを必要とせず、前記燃料電池のコンパクト化が可能となる。また、カソード側の方がアノード側の方よりも高熱になりやすいため、カソード側に冷却部２０１を設置することが特に好適である。
　尚、図８において、前記冷却部２０１は、第１の燃料電池レイヤー１０１のカソード触媒層１２６または第２の燃料電池レイヤー１０２のカソード触媒層１２６間に設置されているが、前記冷却部２０１は、前記第１の燃料電池レイヤー１０１または前記第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０上に設置してもよい。前記冷却部２０１がインターコネクタ１３０上にあることで、カソードへの酸化剤ガスの拡散を妨げることはない。
　また、前記冷却部２０１が絶縁材料であることが特に好適である。このようにすることで、より軽量な樹脂、アルマイト処理したアルミニウム等の絶縁性材料を使用することができ、更に、燃料電池を軽量化することができる。
　また、冷却部２０１として放熱フィンを設けてもよい。放熱フィンを設置することで、カソードに供給するための酸化剤ガスで冷却することができ、別途、水、アルコール、油等の冷媒が不要となる。
　(実施例６)
　図９は、実施例６に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、第１の燃料電池モジュール１００ａと第２の燃料電池モジュール１００ｂとからなり、冷却部２０１を介して積層されている。
　第１の燃料電池モジュール１００ａは、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２とからなり、第１の燃料電池レイヤー１０１のアノード触媒層１２４と第２の燃料電池レイヤー１０２のアノード触媒層１２４が対向するように配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する燃料ガス空間１４０が形成され、従来、水素ガスを流通するために使用されていたセパレータを削減することができる。
　第１の燃料電池レイヤー１０１または第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０の両端に第１絶縁層１３１と第２絶縁層１３２を有している。隣接する単セルを直列に接続するために、第１絶縁層１３１上に存在するアノード触媒層１２４、第２絶縁層１３２上に存在するカソード触媒層をレーザー等により除去して、空隙１３３を形成している。
　図９に示すように、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は、インターコネクター１３０上の各々の触媒層同士が接触しているため、前記実施例２と同様に、別途、固定部材１２８を設ける必要がなく、更なるコンパクト化が可能である。また、図９に示すように、冷却部２０１が一体化されていてもよい。この場合、ガスを透過させるための孔を冷却部２０１に形成してもよい。
　図１０は、前記で説明した本実施例に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。図１０に示すように、集電部２１１によって、複数の燃料電池スタックが固定されるとともに、各複数の燃料電池モジュールを直列または並列に電気接続することができる。
　図１０に示すように、エンドプレート２１０には、水素ガス供給用マニホールド２２０、水素ガス排出用マニホールド２２１、酸化剤ガス供給用マニホールド２３０、酸化剤ガス排出用マニホールド２３１、冷却水供給用マニホールド２４０、冷却水排出用マニホールド２４１を備えていてもよい。
　エンドプレート２１０は集電に寄与していないため、絶縁材料であることが特に好適である。このようにすることで、より軽量な樹脂、アルマイト処理したアルミニウム等の絶縁性材料を使用することができ、更に、燃料電池を軽量化することができる。
　尚、本実施例では、第１の燃料電池レイヤー１０１の膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４と第２の燃料電池レイヤー１０２の膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４が対向するように前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２とを配置させた例を示したが、第１の燃料電池レイヤー１０１の膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６と第２の燃料電池レイヤー１０２の膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６が対向するように配置させてもよい。
　本発明は、燃料電池に利用できる。
１００　　燃料電池モジュール
１０１　　第１の燃料電池レイヤー
１０２　　第２の燃料電池レイヤー
１２０　　膜電極接合体
１２２　　電解質膜
１２４　　アノード触媒層
１２６　　カソード触媒層
１２８　　固定部材
１３０　　インターコネクタ
１３１　　第１絶縁層
１３２　　第２絶縁層
１４０　　燃料ガス空間
１４２　　酸化剤ガス空間
２００　　燃料電池スタック
２０１　　冷却部
２０２　　冷媒流路
２１０　　エンドプレート
２２０　　水素ガス供給用マニホールド
２２１　　水素ガス排出用マニホールド
２３０　　酸化剤ガス供給用マニホールド
２３１　　酸化剤ガス排出用マニホールド
２４０　　冷却水供給用マニホールド
２４１　　冷却水排出用マニホールド

Claims (7)

  1. 　電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、前記第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と前記第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、前記第１の燃料電池レイヤーと前記第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 前記第１の燃料電池レイヤーのインターコネクタと前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタとの間に固定部材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記固定部材が、前記第１の燃料電池レイヤーのインターコネクタと前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタとを電気的に接続する導電材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記固定部材が、絶縁材料であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記同極はアノードである請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
  6. 請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池モジュールの前記第１の燃料電池レイヤーまたは前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタ上に冷却部を設け、前記冷却部を介して燃料電池モジュールが積層された燃料電池スタック。
  7. 　前記冷却部が絶縁材料から成ることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
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