燃料電池
【課題】燃料電池スタックにおいて、シールガスケット一体型ＭＥＡの電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａは、接合部材４５８を備える。複数個の接合部材４５８Ａは、それぞれ円柱状を成し、ＭＥＡ部４５１の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材４５８Ａとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。
【解決手段】シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａは、接合部材４５８を備える。複数個の接合部材４５８Ａは、それぞれ円柱状を成し、ＭＥＡ部４５１の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材４５８Ａとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）とシール部材とを一体的に形成し、セパレータを介在させて積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高分子電解質膜型燃料電池において、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたＭＥＡ方式が採用されている。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路をそれぞれ各面に設けたセパレータと、ＭＥＡとを交互に積層した積層構造を有する燃料電池がある。
このような燃料電池において、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するために、ＭＥＡとシール部材とを一体的に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献１。)
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０２０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の運転時、水素極で水素ガスが水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分かれ、水素イオンが高分子電解質膜内を水素極側から酸素極側へ移動する。ここで、水素イオンが高分子電解質膜内を移動するためには、水が必要である。そのため、高分子電解質膜が十分な水素イオンの導電性を確保するために、高分子電解質膜は、膜中に十分な量の水分が含有されるように管理されている。従って、燃料電池の運転時は、高分子電解質膜は、十分な水分を含有している。しかしながら、燃料電池の停止時にまで、高分子電解質膜が多量の水分を含有していると、例えば、低温始動する際に、電解質膜が凍結することにより燃料電池が運転できない場合がある。そのため、燃料電池の停止時には、電解質膜をパージすることにより乾燥させている。このように、燃料電池の運転および停止に伴い、高分子電解質膜の湿潤状態が変化するため、高分子電解質膜は収縮する。
また、燃料電池の運転時には、燃料電池の自己発熱により高分子電解質膜の温度が燃料電池の停止時に比べて上昇する。このように、燃料電池の運転および停止に伴う高分子電解質膜の温度変化によってもまた、高分子電解質膜は収縮する。
【０００５】
一方、シール部材は、主にゴム等の弾性を有する材料を用いて形成されるが、形成時の成型温度と常温との差によって収縮する。また、ゴム等は硬化過程において、高分子鎖間の化学結合形成（架橋）によって架橋構造が形成されるが、その架橋反応によってもシール部材は収縮する。
【０００６】
このように、高分子電解質膜とシール部材は、共に収縮し得る。ここで、電解質膜の収縮率は、シール部材の収縮率より大きいため、ＭＥＡとシール部材を一体的に形成した場合であっても、シール部材と高分子電解質膜の密着部位が剥がれることがある。そうすると、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークする恐れがある。
燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークすると、燃料ガスとして使用される水素が触媒で反応せず、直接酸素と反応してしまうため、水素の電気化学反応効率が悪くなり、発電効率が悪くなるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、少なくとも高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成された電極を有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記ＭＥＡと一体的に形成されるシール部材とを備えることを要旨とする。
【０００９】
本明細書中において、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とは、少なくとも高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面に形成された電極とを有する膜電極接合体をいう。さらに、ガス拡散性または集電性を確保するために、電極上に多孔質な導電性部材からなる拡散層を有するものであってもよい。
【００１０】
また、高分子電解質膜の周縁部とは、縁だけでなく、縁を含む幅をもった範囲をいう。すなわち、接合部材を高分子電解質膜の周縁に沿って電解質膜の端に配置してもよい。また、例えば、高分子電解質膜の周縁部に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備える場合に、それら貫通孔が高分子電解質膜の周縁に沿って端に配置され、さらに、その内側に接合部材を配置するようにしてもよい。
【００１１】
また、接合部材の電解質膜貫通部は、電解質膜のみを貫通するものであってもよいし、電解質膜および電極を貫通するものであってもよい。例えば、ＭＥＡにおいて電極を電解質膜より小さく形成し、電解質膜の周縁部が電極から突出するように電極を配置し、露出した電解質膜の周縁部を電解質膜貫通部が貫通するようにしてもよい。この場合に、シール部材が接合部材と電解質膜のみを覆うように、ＭＥＡと一体的に形成されると、シール部材を形成する際の温度変化等により、電極が変形したり破損したりするのを防止することができ、好適である。
【００１２】
また、シール部材は、少なくとも接合部材の一部を覆うように形成されるため、接合部材は、全体がシール部材に内包されてもよいし、例えば、電解質膜貫通部がシール部材をも貫通するように形成されてもよい。
【００１３】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材が電解質膜を貫通した状態で、シール部材が、電解質膜と一体的に形成されている。そのため、シール部材と電解質膜とは接着され、さらに、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合される。従って、シール部材と電解質膜とがそれぞれ収縮しようとしても、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合されているため、シール部材および電解質膜の収縮は制限され、接着されたシール部材と電解質膜との剥離を防止することができる。よって、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークするのを防止することができるため、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって異常燃焼を生じるのを防止することができる。また、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって、燃料ガスの触媒における反応効率が低下し、発電効率が低下するのを防止することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、前記電解質膜貫通部は、前記フレーム部から突設されているものとしてもよい。
【００１５】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、電解質膜の周縁部を枠状に一周するように形成されたフレーム部と、フレーム部から突設された電解質膜貫通部を有する接合部材によって、電解質膜とシール部材とが接合されている。そのため、電解質膜の全周にわたり、電解質膜とシール部材との剥離を防止することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成るものとしてもよい。
【００１７】
シール部材は、シール性能を得るために、ゴム等のヤング率の低い（すなわち、剛性が低く、柔らかい）材料を用いることが多い。そして、シール部材を形成する際に、例えば、射出成型によると、成型の際の温度変化や架橋反応により、シール部材が波打つように変形することがある。このような場合に、本発明の燃料電池によれば、シール部材は、接合部材を覆うように形成され、接合部材のフレーム部はシール部材より剛性が高いため、シール部材の収縮が制限され、上述のようなシール部材の変形を抑制することができる。
【００１８】
上記燃料電池において、前記シール部材は、前記ＭＥＡが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、前記フレーム部は、前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されるものとしてもよい。
【００１９】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、シール部材に設けられた、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔は、フレーム部の外周に位置する。フレーム部を、ＭＥＡの周縁部のうち、端に配設すると、ＭＥＡの外周にシール部材を形成することができるようになり、ＭＥＡの外形をシール部材より小さく形成することができる。従って、高価なＭＥＡを小さくすることができるようになり、燃料電池のコストを低減することができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、少なくとも前記フレーム部は、前記シール部材に内包されているものとしてもよい。
【００２１】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、少なくともフレーム部がシール部材に内包されている。そして、シール部材が、接合部材の配設されたＭＥＡと一体的に形成される際に、接合部材のフレーム部は、シール部材と接着される。そのため、フレーム部がシール部材に内包されず、シール部材から突出した状態に接合部材が設けられた場合と比較すると、例えば、フレーム部が、シール部材と接着されていないことにより、接合部材がシール部材および電解質膜から抜け落ちたりすることが防止され、電解質膜とシール部材の接合を、さらに強固にすることができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池によれば、前記電解質膜貫通部は、少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成るものとしてもよい。
【００２３】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材の電解質膜貫通部は、少なくとも電解質膜および電極を貫通し、さらに、拡散層をも貫通してもよい。ＭＥＡにおいて、電解質膜、電極および拡散層を同じ大きさに形成して積層する場合に好適である。この場合、電極および拡散層は、導電性部材であるため、接合部材の電解質膜貫通部を絶縁性にすることにより、電極で発生した電気の短絡を防止することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池によれば、前記接合部材は、前記ＭＥＡを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されているものとしてもよい。
【００２５】
上記したように本発明の燃料電池によれば、ＭＥＡを、セパレータを介在させて積層する際に、接合部材の嵌合部をセパレータの周縁部の一部に嵌合させることができる。接合部材の嵌合部を、セパレータの周縁部の一部に嵌合させることにより、ＭＥＡとセパレータの面方向の位置は固定されるため、簡単に精度良く、ＭＥＡおよびセパレータを積層することができ、容易にスタック構造の燃料電池を作ることができる。すなわち、接合部材は、上述したように、シール部材と電解質膜の剥離を防止すると共に、ＭＥＡとセパレータの面方向の位置決めを容易にする効果を奏する。
また、セパレータは、導電性の材料を用いるため、接合部材の嵌合部がセパレータの周縁部と嵌合する場合に、電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていないと、発生した電気が短絡することがある。このような場合に、接合部材の電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていることにより、発生した電気が短絡するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
Ａ２．燃料電池モジュール：
Ａ２．１．セパレータ：
Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．変形例：
【００２７】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口や、流路が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述する膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）およびシールガスケットを一体的に備えるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと、セパレータ４１と、によって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａについては、後述する。
【００２９】
燃料電池スタック１００には、また、図示するように、テンションプレート８０が備えられている。燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制し、また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのシール性能を十分に得るために、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられ、テンションプレート８０をボルト８２によって燃料電池スタック１００の両端のエンドプレート１０，７０に固定することによって、各燃料電池モジュール４０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。
【００３０】
なお、エンドプレート１０、７０、および、テンションプレート８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３１】
Ａ２．燃料電池モジュール：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａについて説明する。
【００３２】
Ａ２．１．セパレータ：
図２は、セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とから構成されている。そして、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。
【００３３】
図２（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００３４】
図２（ｂ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００３５】
図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図示するように、中間プレート４３は、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。
【００３６】
図２（ｄ）は、セパレータ４１の平面図である。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た平面図を示した。
【００３７】
図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００３８】
また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００３９】
また、中間プレート４３において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４４の冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向プレート４２の冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。
【００４０】
なお、中間プレート４３における空気供給用流路形成部４３２ｃ、空気排出用流路形成部４３２ｄ、水素供給用流路形成部４３２ｅ、水素排出用流路形成部４３２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向プレート４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
【００４１】
このセパレータ４１において、水素と、空気と、冷却水の流れは、以下の通りである。すなわち、カソード対向プレート４２の水素供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａ、アノード対向プレート４４の水素供給用貫通孔４４４ａを流れる水素は、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａから分岐して、複数の水素供給用流路形成部４３２ｅを通り、アノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉから、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＡのＭＥＡ部４５１のアノードに対して垂直な方向に供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノード対向プレート４４の複数の４４４ｏ、および、中間プレート４３の水素排出用流路形成部４３２ｆを通って、排出される。
【００４２】
また、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａ、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａ、カソード対向プレート４２の空気供給用貫通孔４２２ａを流れる空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３２ｃを通り、カソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉから、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＡのＭＥＡ部４５１のカソードに対して垂直な方向に供給される。そして、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏ、および、中間プレート４３の４３２ｄを通って、排出される。
【００４３】
また、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、中間プレート４３の複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６の一端、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａを流れる冷却水は、中間プレート４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６から分岐して、中間プレート４３内を通り、冷却水流路形成用貫通孔４３６の他端から排出される。
【００４４】
Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図３は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。図３（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。そして、図３（ｃ）に図３（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａの外形は、セパレータ４１の外形の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成している。
【００４５】
ＭＥＡ部４５１は、図３（ｃ）に示したように、平面略正方形状を成し、図３（ｂ）に示したように、電解質膜４６の一方の面に、カソード側触媒電極４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体（ＭＥＡ）である。本実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。
【００４６】
シールガスケット４５０には、図３（ａ）に示したように、セパレータ４１と同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、図３（ｂ）に示すように、これら各貫通孔、および、ＭＥＡ部４５１の周囲には、それぞれ凸状のシール部４５９が一体的に設けられており、図３（ａ）中に細線で示したシールラインＳＬが形成されている。本実施例では、シールガスケット４５０として、シリコーンゴムを用いるものとした。
【００４７】
接合部材４５８Ａは、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、円柱状を成す。そして、図３（ｃ）に示すように、複数個の接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、図３（ｂ）に示すように、接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材４５８Ａとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。ここで、図３（ｂ）に示すように、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０のシール部４５９の形成するシールラインＳＬに相当する位置に配設されている。なお、本実施例において、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０のヤング率より高いヤング率を有する高剛性材料であって、絶縁性を有する材料を用いるものとする。例えば、エポキシ樹脂、フェノール、ポリスチレン、尿素樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）等の熱可塑性樹脂を用いることができる。このような絶縁性の材料を用いることにより、接合部材４５８ａが触媒電極４７ａ、４７ｃ、および拡散層４８ａ、４８ｃを貫通しても、それらの間で電気的に短絡が生じるのを防止することができる。
【００４８】
本実施例では、シリコーンゴムを用い、射出成型によりシールガスケット４５０をＭＥＡ部４５１および接合部材４５８Ａと一体的に形成している。具体的には、複数の接合部材４５８Ａを貫通させたＭＥＡ部４５１を、金型にセットし、型締めする。続いて、金型のキャビティーにシリコーンゴムを注入する。ここで、キャビティーは、シリコーンゴムを注入すると、シリコーンゴムがＭＥＡ部４５１の周縁部を覆うような形状に形成されている。そして、シリコーンゴムを硬化させた後、型開きすることにより、図３（ａ）に示すシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを得る。シールガスケット４５０が、このような工程によってＭＥＡ部４５１および接合部材４５８Ａと一体的に形成されると、シリコーンゴムが硬化する際の加硫(架橋)反応により、接合部材４５８Ａと、ＭＥＡ部４５１は、それぞれシールガスケット４５０と接着される。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、接合部材４５８ＡがＭＥＡ部４５１を貫通し、接合部材４５８ＡのＭＥＡ部４５１から突出した部分がシールガスケット４５０に刺さった状態で接着されている。すなわち、ＭＥＡ部４５１とシールガスケット４５０とをピンで固定したような状態になっている。
そのため、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ａによって接合されているため、シールガスケット４５０と電解質膜４６の収縮は制限される。従って、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。
従来は、シールガスケット一体型ＭＥＡにおいて、シールガスケットと電解質膜との接着部位が剥離すると、水素と空気がクロスリークして、水素と空気中の酸素が直接化学反応を起こすことにより、水素の触媒電極における反応効率が悪くなり、発電効率が低下することがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができるため、そのような発電効率の低下を防止することができる。また、水素と空気がクロスリークすることにより、異常燃焼が生じるのを防止することもできる。
【００５０】
また、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０に突設されたシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに沿うように、シール部４５９の内部に配置されている。ここで、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０より剛性の高い高剛性材料を用いて形成されているため、シール部４５９がセパレータ４１を押圧する押圧力が大きくなり、シールガスケット４５０のシール性を向上することができる。
【００５１】
なお、本実施例において、接合部材４５８Ａは、シールラインＳＬに対応する位置に配置されているが、この位置に限定されるものではなく、ＭＥＡ部４５１とシールガスケット４５０とが重なる部位であればよい。また、接合部材４５８Ａの個数および形状は、本実施例に限定されない。
また、本実施例では、シールガスケット４５０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００５２】
Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。また、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂは、接合部材以外の部分は、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの構成について説明する。
【００５３】
図４は、第２の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。図４（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図４（ｃ）には、接合部材４５８Ｂの平面図を示した。
【００５４】
図４（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂのシールガスケット４５０は、第１の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＢにおけるＭＥＡ部４５１と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００５５】
図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｂは、ＭＥＡ部４５１とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部４５８Ｂ１と、フレーム部４５８Ｂ１からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部４５８Ｂ２と、によって構成されている。そして、接合部材４５８Ｂの各電解質膜貫通部４５８Ｂ２は、第１の実施例と同様に、それぞれＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材４５８Ｂとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。また、接合部材４５８Ｂは、シールガスケット４５０のシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに相当する位置に配置されている。
【００５６】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００５７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｂの電解質膜貫通部４５８Ｂ２がＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｂを配設したＭＥＡ部４５１と一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｂの電解質膜貫通部４５８Ｂ２の電解質膜４６から突出した部分と、フレーム部４５８Ｂ１は、それぞれシールガスケット４５０と接着している。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｂによって接合されている。
従って、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ａによって接合されているため、第１の実施例と同様にシールガスケット４５０および電解質膜４６の収縮は制限される。そして、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。よって、第１の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
また、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｂは、シールガスケット４５０に突設されたシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに相当する位置に配置されている。そのため、第１の実施例と同様に、シールガスケット４５０のシール性を向上することができる。
【００５８】
また、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂにおいて、シールガスケット４５０は、射出成型によってＭＥＡ部４５１と一体的に形成される。このようにシールガスケットがＭＥＡ部と一体的に形成される場合、シールガスケットとＭＥＡ部とは、収縮率が異なり、また、シールガスケットはヤング率の小さい柔らかいシリコーンゴムから成るため、成型時の成型収縮により、シールガスケットが波打つように変形することがある。しかしながら、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂでは、シールガスケット４５０より曲げ弾性率（ヤング率）の大きい高剛性材料からなる接合部材４５８Ｂが、枠状を成すフレーム部４５８Ｂ１を有するため、製造時のシールガスケット４５０の変形を抑制することができる。
【００５９】
Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ以外の部分は、第１の実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃについて説明する。
【００６０】
図５は、第３の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。図５（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの平面図を示した。また、図５（ｂ）に、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図５（ｃ）には、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを交互に積層させたときの、図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００６１】
図５（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃのシールガスケット４５０は、第１の実施例および第２の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃにおける空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００６２】
一方、図５（ｂ）に示すように、ＭＥＡ部４５１Ｃは、第１の実施例および第２の実施例と同様に、電解質膜４６の一方の面に、カソード側触媒電極４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。但し、第１の実施例および第２の実施例と異なり、ＭＥＡ部４５１Ｃは、シールガスケット４５０の端部にまで及んでいる。そして、ＭＥＡ部４５１Ｃの外形は、シールガスケット４５０と同様に、セパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成す。また、ＭＥＡ部４５１Ｃの周縁部には、シールガスケット４５０における空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとに相当する貫通孔が形成されている。
【００６３】
そして、図５(ａ)に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃにおいて、シールガスケット４５０の周縁部にあたる４辺に、接合部材４５８Ｃがそれぞれ配設されている。そして、図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｃは、複数の電解質膜貫通部４５８Ｃ２と、セパレータ４１の外周部と嵌合可能に形成された凹部４５８Ｃ５を有する嵌合部４５８Ｃ３と、電解質膜貫通部４５８Ｃ２と嵌合部４５８Ｃ３とを連結する連結部４５８Ｃ４とによって構成されている。ここで、各電解質膜貫通部４５８Ｃ２は、それぞれ円柱状を成し、第２の実施例と同様にＭＥＡ部４５１Ｃを貫通している。また、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように配置されている。そして、図５（ａ）に示すように、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１Ｃに形成された貫通孔の周囲を囲むようにＭＥＡ部４５１Ｃと一体的に形成されている。すなわち、接合部材４５８Ｃにおいて、複数の電解質膜貫通部４５８Ｃ２および連結部４５８Ｃ４は、シールガスケット４５０に内包されており、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の外側に配置されている。
【００６４】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００６５】
以上説明したように、第３の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｃの電解質膜貫通部４５８Ｃ２がＭＥＡ部４５１Ｃを貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｃを配設したＭＥＡ部４５１Ｃと一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｃの電解質膜貫通部４５８Ｃ２の電解質膜４６から突出した部分と、連結部４５８Ｃ４は、それぞれシールガスケット４５０と接着している。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃとは接合部材４５８Ｃによって接合されている。
そのため、第１の実施例および第２の実施例と同様に、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃの電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃとは接合部材４５８Ｃによって接合されているため、シールガスケット４５０と電解質膜４６の収縮は制限され、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。よって、第１の実施例および第２の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
【００６６】
さらに、本実施例の接合部材４５８Ｃは、セパレータ４１と嵌合可能に凹部４５８Ｃ５が形成された嵌合部４５８Ｃ３を有している。そして、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように、シールガスケット４５０の外側に配置されている。従って、図５（ｃ）に示すように、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを交互に積層するときに、セパレータ４１の４つの辺に、接合部材４５８Ｃの凹部４５８Ｃ５をそれぞれ嵌合させれば、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。
【００６７】
また、従来のスタック構造を有する燃料電池は、シールガスケット一体型ＭＥＡとセパレータを交互に積層した場合に、シールガスケットのシール部が、セパレータの両面からセパレータを押圧している。ここで、例えば、燃料電池スタックの運転時に反応ガス圧により、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡと間に横ズレが生じると、１枚のセパレータを両面から押圧するシール部のシールラインがずれてしまう。これにより、セパレータが傾いたり、セパレータに割れや変形が生じることがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタックによれば、図５（ｃ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとセパレータ４１を交互に積層する際に、接合部材４５８Ｃの凹部４５８Ｃ５をセパレータ４１の４つの辺にそれぞれ嵌合させることにより、セパレータ４１とシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの面方向の位置が固定され、横ズレが生じるのを抑制することができる。従って、１枚のセパレータ４１を両面から押圧するシール部４５９のシールラインＳＬのずれが抑制され、セパレータ４１が傾いたり、セパレータ４１に割れや変形が生じたりするのを防止することができる。
【００６８】
Ｄ．第４の実施例：
第４の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄ以外の部分は、第１の実施例の燃料電池スタックと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄの構成について説明する。
【００６９】
図６は、第４の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。図６（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄの平面図を示した。また、図６（ｂ）に、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図６（ｃ）には、接合部材４５８Ｄの平面図を示した。
【００７０】
図６（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄのシールガスケット４５０は、第１の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＤにおけるＭＥＡ部４５１と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００７１】
図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｄは、ＭＥＡ部４５１とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部４５８Ｄ１と、フレーム部４５８Ｄ１からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部４５８Ｄ２と、セパレータ４１に嵌合可能に形成された凹部４５８Ｄ５を有する嵌合部４５８Ｄ３と、フレーム部４５８Ｄ１と嵌合部４５８Ｄ３とを連結する連結部４５８Ｄ４とによって構成されている。そして、各電解質膜貫通部４５８Ｄ２は、第３の実施例と同様にそれぞれＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材４５８Ｄの一部を覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。また、嵌合部４５８Ｄ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように配置されている。
【００７２】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００７３】
以上説明したように、第４の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｄの電解質膜貫通部４５８Ｄ２がＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｄを配設したＭＥＡ部４５１と一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｄの電解質膜貫通部４５８Ｄ２の電解質膜４６から突出した部分と、フレーム部４５８Ｄ１と、連結部４５８Ｄ４は、それぞれシールガスケット４５０に接着されている。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｄによって接合されている。
そのため、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｄによって接合されているため、第１の実施例ないし第３の実施例と同様に、シールガスケット４５０と、電解質膜４６の収縮は制限され、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。
【００７４】
また、本実施例の接合部材４５８Ｄは、セパレータ４１と嵌合可能に凹部４５８Ｄ５が形成されている。従って、第３の実施例と同様に、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとを積層させるときに、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。また、第３の実施例と同様に、燃料電池スタックの運転時に、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄと間に横ズレが生じるのを抑制することができ、セパレータ４１が傾いたり、セパレータ４１に割れや変形が生じるのを防ぐことができる。
【００７５】
また、接合部材４５８Ｄを用いると、シールガスケット一体型ＭＥＡにおいて、ＭＥＡがシールガスケットの端部にまで及んでいない形状(本実施例と同様の形状)であっても、第３の実施例と同様に、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止すると共に、セパレータ４１の割れや変形を防止することができる。従って、高価な電解質膜を小さく形成することができるため、コストを低減することができる。
【００７６】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【００７７】
上記した実施例において、ＭＥＡは、外形が同一の大きさの電解質膜４６、アノード側触媒電極４７ａ、カソード側触媒電極４７ｃ、アノード用拡散層４８ａ、およびカソード用拡散層４８ｃを積層して構成されているが、これに限定されない。例えば、電解質膜４６のみを大きく形成し、電解質膜４６に対して他の膜を積層する際に、他の膜の外周より外側に、電解質膜４６の周縁部が露出するように構成してもよい。この場合、シールガスケット一体型ＭＥＡは、電解質膜４６の露出している周縁部のみを、シールガスケット４５０にて挟み込んだ状態となるように、形成することができる。このようにすると、例えば、射出成型によりシールガスケットをＭＥＡと一体的に形成する際に、触媒電極４７ａ，４７ｃには、シールガスケット４５０を形成するためのシリコーンゴムが架からないため、成型時の熱により触媒電極４７ａ，４７ｃが変形したり、電極が破損したりするのを防止することができる。
【００７８】
また、上記した第１および第２の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成とすることにより、導電性を有する材料を用いるようにしてもよい。すなわち、第１および第２の実施例のように、接合部材とセパレータとが接触しない（すなわち、嵌合部を有していない）構成においては、ＭＥＡとして、上述したように、電解質膜４６のみを大きく形成し、他の膜の外周よりも外側に電解質膜４６の周縁部が露出するようなＭＥＡを用い、電解質膜４６の周縁部のみを接合部材で貫通させるように構成する。このような構成では、接合部材とセパレータとが接触しないため、接合部材として導電性を有するの材料を用いたとしても、電解質膜４６とセパレータとが電気的に短絡することがなく、また、接合部材が触媒電極４７ａ，４７ｃを貫通していないため、電極間で電気的に短絡することもない
【００７９】
また、上記した第３および第４の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成としてもよい。例えば、接合部材のうち、電解質膜貫通部を絶縁性を有する材料で形成し、嵌合部、連結部、およびフレーム部等を導電性を有する材料で形成する。接合部材をこのような構成とすれば、たとえ、電解質膜貫通部が触媒電極４７ａ，４７ｃを貫通していても、電極間で電気的に短絡することはなく、また、セパレータから嵌合部に電流が流れたとしても、電極間で電気的に短絡することはない。
【００８０】
また、上記した実施例において、セパレータは、カソード対向プレートと、中間プレートと、アノード対向プレートとの３枚のプレートによって構成されているものとしたが、これに限られない。例えば、カーボン等、１つのブロック状の部材を加工して形成したセパレータを用いるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】セパレータ４１の構成部品およびセパレータ４１の平面図である。
【図３】シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。
【図４】第２の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。
【図５】第３の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。
【図６】第４の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...燃料電池モジュール
４１...セパレータ
４２...カソード対向プレート
４３...中間プレート
４４...アノード対向プレート
４６...電解質膜
４７ａ...アノード側触媒電極
４７ｃ...カソード側触媒電極
４８ａ...アノード用拡散層
４８ｃ...カソード用拡散層
５０...集電板
６０...絶縁板
７０...エンドプレート
８０...テンションプレート
８２...ボルト
１００...燃料電池スタック
４２２ａ，４３２ａ，４４２ａ，４５２ａ...空気供給用貫通孔
４２２ｂ，４３２ｂ，４４２ｂ，４５２ｂ...空気排出用貫通孔
４２２ｉ...空気供給口
４２２ｏ...空気排出口
４２４ａ，４３４ａ，４４４ａ，４５４ａ...水素供給用貫通孔
４２４ｂ，４３４ｂ，４４４ｂ，４５４ｂ...水素排出用貫通孔
４２６ａ，４４６ａ，４５６ａ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ，４４６ｂ，４５６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４３２ｃ...空気供給用流路形成部
４３２ｄ...空気排出用流路形成部
４３２ｅ...水素供給用流路形成部
４３２ｆ...水素排出用流路形成部
４３６...冷却水流路形成用貫通孔
４４４ｉ...水素供給口
４４４ｏ...水素排出口
４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ...シールガスケット一体型ＭＥＡ
４５０...シールガスケット
４５８Ａ，４５８Ｂ，４５８Ｃ，４５８Ｄ...接合部材
４５８Ｂ１，４５８Ｄ１...フレーム部
４５８Ｂ２，４５８Ｃ２，４５８Ｄ２...電解質膜貫通部
４５８Ｃ３，４５８Ｄ３...嵌合部
４５８Ｃ４，４５８Ｄ４...連結部
４５８Ｃ５，４５８Ｄ５...凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）とシール部材とを一体的に形成し、セパレータを介在させて積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高分子電解質膜型燃料電池において、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたＭＥＡ方式が採用されている。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路をそれぞれ各面に設けたセパレータと、ＭＥＡとを交互に積層した積層構造を有する燃料電池がある。
このような燃料電池において、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するために、ＭＥＡとシール部材とを一体的に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献１。)
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０２０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の運転時、水素極で水素ガスが水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分かれ、水素イオンが高分子電解質膜内を水素極側から酸素極側へ移動する。ここで、水素イオンが高分子電解質膜内を移動するためには、水が必要である。そのため、高分子電解質膜が十分な水素イオンの導電性を確保するために、高分子電解質膜は、膜中に十分な量の水分が含有されるように管理されている。従って、燃料電池の運転時は、高分子電解質膜は、十分な水分を含有している。しかしながら、燃料電池の停止時にまで、高分子電解質膜が多量の水分を含有していると、例えば、低温始動する際に、電解質膜が凍結することにより燃料電池が運転できない場合がある。そのため、燃料電池の停止時には、電解質膜をパージすることにより乾燥させている。このように、燃料電池の運転および停止に伴い、高分子電解質膜の湿潤状態が変化するため、高分子電解質膜は収縮する。
また、燃料電池の運転時には、燃料電池の自己発熱により高分子電解質膜の温度が燃料電池の停止時に比べて上昇する。このように、燃料電池の運転および停止に伴う高分子電解質膜の温度変化によってもまた、高分子電解質膜は収縮する。
【０００５】
一方、シール部材は、主にゴム等の弾性を有する材料を用いて形成されるが、形成時の成型温度と常温との差によって収縮する。また、ゴム等は硬化過程において、高分子鎖間の化学結合形成（架橋）によって架橋構造が形成されるが、その架橋反応によってもシール部材は収縮する。
【０００６】
このように、高分子電解質膜とシール部材は、共に収縮し得る。ここで、電解質膜の収縮率は、シール部材の収縮率より大きいため、ＭＥＡとシール部材を一体的に形成した場合であっても、シール部材と高分子電解質膜の密着部位が剥がれることがある。そうすると、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークする恐れがある。
燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークすると、燃料ガスとして使用される水素が触媒で反応せず、直接酸素と反応してしまうため、水素の電気化学反応効率が悪くなり、発電効率が悪くなるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、少なくとも高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成された電極を有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記ＭＥＡと一体的に形成されるシール部材とを備えることを要旨とする。
【０００９】
本明細書中において、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とは、少なくとも高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面に形成された電極とを有する膜電極接合体をいう。さらに、ガス拡散性または集電性を確保するために、電極上に多孔質な導電性部材からなる拡散層を有するものであってもよい。
【００１０】
また、高分子電解質膜の周縁部とは、縁だけでなく、縁を含む幅をもった範囲をいう。すなわち、接合部材を高分子電解質膜の周縁に沿って電解質膜の端に配置してもよい。また、例えば、高分子電解質膜の周縁部に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備える場合に、それら貫通孔が高分子電解質膜の周縁に沿って端に配置され、さらに、その内側に接合部材を配置するようにしてもよい。
【００１１】
また、接合部材の電解質膜貫通部は、電解質膜のみを貫通するものであってもよいし、電解質膜および電極を貫通するものであってもよい。例えば、ＭＥＡにおいて電極を電解質膜より小さく形成し、電解質膜の周縁部が電極から突出するように電極を配置し、露出した電解質膜の周縁部を電解質膜貫通部が貫通するようにしてもよい。この場合に、シール部材が接合部材と電解質膜のみを覆うように、ＭＥＡと一体的に形成されると、シール部材を形成する際の温度変化等により、電極が変形したり破損したりするのを防止することができ、好適である。
【００１２】
また、シール部材は、少なくとも接合部材の一部を覆うように形成されるため、接合部材は、全体がシール部材に内包されてもよいし、例えば、電解質膜貫通部がシール部材をも貫通するように形成されてもよい。
【００１３】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材が電解質膜を貫通した状態で、シール部材が、電解質膜と一体的に形成されている。そのため、シール部材と電解質膜とは接着され、さらに、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合される。従って、シール部材と電解質膜とがそれぞれ収縮しようとしても、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合されているため、シール部材および電解質膜の収縮は制限され、接着されたシール部材と電解質膜との剥離を防止することができる。よって、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークするのを防止することができるため、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって異常燃焼を生じるのを防止することができる。また、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって、燃料ガスの触媒における反応効率が低下し、発電効率が低下するのを防止することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、前記電解質膜貫通部は、前記フレーム部から突設されているものとしてもよい。
【００１５】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、電解質膜の周縁部を枠状に一周するように形成されたフレーム部と、フレーム部から突設された電解質膜貫通部を有する接合部材によって、電解質膜とシール部材とが接合されている。そのため、電解質膜の全周にわたり、電解質膜とシール部材との剥離を防止することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成るものとしてもよい。
【００１７】
シール部材は、シール性能を得るために、ゴム等のヤング率の低い（すなわち、剛性が低く、柔らかい）材料を用いることが多い。そして、シール部材を形成する際に、例えば、射出成型によると、成型の際の温度変化や架橋反応により、シール部材が波打つように変形することがある。このような場合に、本発明の燃料電池によれば、シール部材は、接合部材を覆うように形成され、接合部材のフレーム部はシール部材より剛性が高いため、シール部材の収縮が制限され、上述のようなシール部材の変形を抑制することができる。
【００１８】
上記燃料電池において、前記シール部材は、前記ＭＥＡが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、前記フレーム部は、前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されるものとしてもよい。
【００１９】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、シール部材に設けられた、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔は、フレーム部の外周に位置する。フレーム部を、ＭＥＡの周縁部のうち、端に配設すると、ＭＥＡの外周にシール部材を形成することができるようになり、ＭＥＡの外形をシール部材より小さく形成することができる。従って、高価なＭＥＡを小さくすることができるようになり、燃料電池のコストを低減することができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、少なくとも前記フレーム部は、前記シール部材に内包されているものとしてもよい。
【００２１】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、少なくともフレーム部がシール部材に内包されている。そして、シール部材が、接合部材の配設されたＭＥＡと一体的に形成される際に、接合部材のフレーム部は、シール部材と接着される。そのため、フレーム部がシール部材に内包されず、シール部材から突出した状態に接合部材が設けられた場合と比較すると、例えば、フレーム部が、シール部材と接着されていないことにより、接合部材がシール部材および電解質膜から抜け落ちたりすることが防止され、電解質膜とシール部材の接合を、さらに強固にすることができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池によれば、前記電解質膜貫通部は、少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成るものとしてもよい。
【００２３】
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材の電解質膜貫通部は、少なくとも電解質膜および電極を貫通し、さらに、拡散層をも貫通してもよい。ＭＥＡにおいて、電解質膜、電極および拡散層を同じ大きさに形成して積層する場合に好適である。この場合、電極および拡散層は、導電性部材であるため、接合部材の電解質膜貫通部を絶縁性にすることにより、電極で発生した電気の短絡を防止することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池によれば、前記接合部材は、前記ＭＥＡを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されているものとしてもよい。
【００２５】
上記したように本発明の燃料電池によれば、ＭＥＡを、セパレータを介在させて積層する際に、接合部材の嵌合部をセパレータの周縁部の一部に嵌合させることができる。接合部材の嵌合部を、セパレータの周縁部の一部に嵌合させることにより、ＭＥＡとセパレータの面方向の位置は固定されるため、簡単に精度良く、ＭＥＡおよびセパレータを積層することができ、容易にスタック構造の燃料電池を作ることができる。すなわち、接合部材は、上述したように、シール部材と電解質膜の剥離を防止すると共に、ＭＥＡとセパレータの面方向の位置決めを容易にする効果を奏する。
また、セパレータは、導電性の材料を用いるため、接合部材の嵌合部がセパレータの周縁部と嵌合する場合に、電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていないと、発生した電気が短絡することがある。このような場合に、接合部材の電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていることにより、発生した電気が短絡するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
Ａ２．燃料電池モジュール：
Ａ２．１．セパレータ：
Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．変形例：
【００２７】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口や、流路が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述する膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）およびシールガスケットを一体的に備えるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと、セパレータ４１と、によって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａについては、後述する。
【００２９】
燃料電池スタック１００には、また、図示するように、テンションプレート８０が備えられている。燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制し、また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのシール性能を十分に得るために、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられ、テンションプレート８０をボルト８２によって燃料電池スタック１００の両端のエンドプレート１０，７０に固定することによって、各燃料電池モジュール４０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。
【００３０】
なお、エンドプレート１０、７０、および、テンションプレート８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３１】
Ａ２．燃料電池モジュール：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａについて説明する。
【００３２】
Ａ２．１．セパレータ：
図２は、セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とから構成されている。そして、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。
【００３３】
図２（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００３４】
図２（ｂ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００３５】
図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図示するように、中間プレート４３は、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。
【００３６】
図２（ｄ）は、セパレータ４１の平面図である。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た平面図を示した。
【００３７】
図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００３８】
また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００３９】
また、中間プレート４３において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４４の冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向プレート４２の冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。
【００４０】
なお、中間プレート４３における空気供給用流路形成部４３２ｃ、空気排出用流路形成部４３２ｄ、水素供給用流路形成部４３２ｅ、水素排出用流路形成部４３２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向プレート４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
【００４１】
このセパレータ４１において、水素と、空気と、冷却水の流れは、以下の通りである。すなわち、カソード対向プレート４２の水素供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａ、アノード対向プレート４４の水素供給用貫通孔４４４ａを流れる水素は、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａから分岐して、複数の水素供給用流路形成部４３２ｅを通り、アノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉから、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＡのＭＥＡ部４５１のアノードに対して垂直な方向に供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノード対向プレート４４の複数の４４４ｏ、および、中間プレート４３の水素排出用流路形成部４３２ｆを通って、排出される。
【００４２】
また、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａ、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａ、カソード対向プレート４２の空気供給用貫通孔４２２ａを流れる空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３２ｃを通り、カソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉから、後述するシールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＡのＭＥＡ部４５１のカソードに対して垂直な方向に供給される。そして、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏ、および、中間プレート４３の４３２ｄを通って、排出される。
【００４３】
また、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、中間プレート４３の複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６の一端、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａを流れる冷却水は、中間プレート４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６から分岐して、中間プレート４３内を通り、冷却水流路形成用貫通孔４３６の他端から排出される。
【００４４】
Ａ２．２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図３は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。図３（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。そして、図３（ｃ）に図３（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａの外形は、セパレータ４１の外形の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成している。
【００４５】
ＭＥＡ部４５１は、図３（ｃ）に示したように、平面略正方形状を成し、図３（ｂ）に示したように、電解質膜４６の一方の面に、カソード側触媒電極４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体（ＭＥＡ）である。本実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。
【００４６】
シールガスケット４５０には、図３（ａ）に示したように、セパレータ４１と同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、図３（ｂ）に示すように、これら各貫通孔、および、ＭＥＡ部４５１の周囲には、それぞれ凸状のシール部４５９が一体的に設けられており、図３（ａ）中に細線で示したシールラインＳＬが形成されている。本実施例では、シールガスケット４５０として、シリコーンゴムを用いるものとした。
【００４７】
接合部材４５８Ａは、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、円柱状を成す。そして、図３（ｃ）に示すように、複数個の接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、図３（ｂ）に示すように、接合部材４５８Ａは、ＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材４５８Ａとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。ここで、図３（ｂ）に示すように、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０のシール部４５９の形成するシールラインＳＬに相当する位置に配設されている。なお、本実施例において、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０のヤング率より高いヤング率を有する高剛性材料であって、絶縁性を有する材料を用いるものとする。例えば、エポキシ樹脂、フェノール、ポリスチレン、尿素樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）等の熱可塑性樹脂を用いることができる。このような絶縁性の材料を用いることにより、接合部材４５８ａが触媒電極４７ａ、４７ｃ、および拡散層４８ａ、４８ｃを貫通しても、それらの間で電気的に短絡が生じるのを防止することができる。
【００４８】
本実施例では、シリコーンゴムを用い、射出成型によりシールガスケット４５０をＭＥＡ部４５１および接合部材４５８Ａと一体的に形成している。具体的には、複数の接合部材４５８Ａを貫通させたＭＥＡ部４５１を、金型にセットし、型締めする。続いて、金型のキャビティーにシリコーンゴムを注入する。ここで、キャビティーは、シリコーンゴムを注入すると、シリコーンゴムがＭＥＡ部４５１の周縁部を覆うような形状に形成されている。そして、シリコーンゴムを硬化させた後、型開きすることにより、図３（ａ）に示すシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを得る。シールガスケット４５０が、このような工程によってＭＥＡ部４５１および接合部材４５８Ａと一体的に形成されると、シリコーンゴムが硬化する際の加硫(架橋)反応により、接合部材４５８Ａと、ＭＥＡ部４５１は、それぞれシールガスケット４５０と接着される。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、接合部材４５８ＡがＭＥＡ部４５１を貫通し、接合部材４５８ＡのＭＥＡ部４５１から突出した部分がシールガスケット４５０に刺さった状態で接着されている。すなわち、ＭＥＡ部４５１とシールガスケット４５０とをピンで固定したような状態になっている。
そのため、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ａによって接合されているため、シールガスケット４５０と電解質膜４６の収縮は制限される。従って、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。
従来は、シールガスケット一体型ＭＥＡにおいて、シールガスケットと電解質膜との接着部位が剥離すると、水素と空気がクロスリークして、水素と空気中の酸素が直接化学反応を起こすことにより、水素の触媒電極における反応効率が悪くなり、発電効率が低下することがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができるため、そのような発電効率の低下を防止することができる。また、水素と空気がクロスリークすることにより、異常燃焼が生じるのを防止することもできる。
【００５０】
また、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０に突設されたシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに沿うように、シール部４５９の内部に配置されている。ここで、接合部材４５８Ａは、シールガスケット４５０より剛性の高い高剛性材料を用いて形成されているため、シール部４５９がセパレータ４１を押圧する押圧力が大きくなり、シールガスケット４５０のシール性を向上することができる。
【００５１】
なお、本実施例において、接合部材４５８Ａは、シールラインＳＬに対応する位置に配置されているが、この位置に限定されるものではなく、ＭＥＡ部４５１とシールガスケット４５０とが重なる部位であればよい。また、接合部材４５８Ａの個数および形状は、本実施例に限定されない。
また、本実施例では、シールガスケット４５０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００５２】
Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂ以外の構成は、第１の実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。また、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂは、接合部材以外の部分は、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの構成について説明する。
【００５３】
図４は、第２の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。図４（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂの平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図４（ｃ）には、接合部材４５８Ｂの平面図を示した。
【００５４】
図４（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂのシールガスケット４５０は、第１の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＢにおけるＭＥＡ部４５１と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００５５】
図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｂは、ＭＥＡ部４５１とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部４５８Ｂ１と、フレーム部４５８Ｂ１からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部４５８Ｂ２と、によって構成されている。そして、接合部材４５８Ｂの各電解質膜貫通部４５８Ｂ２は、第１の実施例と同様に、それぞれＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材４５８Ｂとを覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。また、接合部材４５８Ｂは、シールガスケット４５０のシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに相当する位置に配置されている。
【００５６】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００５７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｂの電解質膜貫通部４５８Ｂ２がＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｂを配設したＭＥＡ部４５１と一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｂの電解質膜貫通部４５８Ｂ２の電解質膜４６から突出した部分と、フレーム部４５８Ｂ１は、それぞれシールガスケット４５０と接着している。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｂによって接合されている。
従って、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ａによって接合されているため、第１の実施例と同様にシールガスケット４５０および電解質膜４６の収縮は制限される。そして、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。よって、第１の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
また、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｂは、シールガスケット４５０に突設されたシール部４５９によって形成されるシールラインＳＬに相当する位置に配置されている。そのため、第１の実施例と同様に、シールガスケット４５０のシール性を向上することができる。
【００５８】
また、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂにおいて、シールガスケット４５０は、射出成型によってＭＥＡ部４５１と一体的に形成される。このようにシールガスケットがＭＥＡ部と一体的に形成される場合、シールガスケットとＭＥＡ部とは、収縮率が異なり、また、シールガスケットはヤング率の小さい柔らかいシリコーンゴムから成るため、成型時の成型収縮により、シールガスケットが波打つように変形することがある。しかしながら、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂでは、シールガスケット４５０より曲げ弾性率（ヤング率）の大きい高剛性材料からなる接合部材４５８Ｂが、枠状を成すフレーム部４５８Ｂ１を有するため、製造時のシールガスケット４５０の変形を抑制することができる。
【００５９】
Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ以外の部分は、第１の実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃについて説明する。
【００６０】
図５は、第３の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。図５（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの平面図を示した。また、図５（ｂ）に、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図５（ｃ）には、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを交互に積層させたときの、図５（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００６１】
図５（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃのシールガスケット４５０は、第１の実施例および第２の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃにおける空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００６２】
一方、図５（ｂ）に示すように、ＭＥＡ部４５１Ｃは、第１の実施例および第２の実施例と同様に、電解質膜４６の一方の面に、カソード側触媒電極４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。但し、第１の実施例および第２の実施例と異なり、ＭＥＡ部４５１Ｃは、シールガスケット４５０の端部にまで及んでいる。そして、ＭＥＡ部４５１Ｃの外形は、シールガスケット４５０と同様に、セパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成す。また、ＭＥＡ部４５１Ｃの周縁部には、シールガスケット４５０における空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとに相当する貫通孔が形成されている。
【００６３】
そして、図５(ａ)に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃにおいて、シールガスケット４５０の周縁部にあたる４辺に、接合部材４５８Ｃがそれぞれ配設されている。そして、図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｃは、複数の電解質膜貫通部４５８Ｃ２と、セパレータ４１の外周部と嵌合可能に形成された凹部４５８Ｃ５を有する嵌合部４５８Ｃ３と、電解質膜貫通部４５８Ｃ２と嵌合部４５８Ｃ３とを連結する連結部４５８Ｃ４とによって構成されている。ここで、各電解質膜貫通部４５８Ｃ２は、それぞれ円柱状を成し、第２の実施例と同様にＭＥＡ部４５１Ｃを貫通している。また、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように配置されている。そして、図５（ａ）に示すように、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１Ｃに形成された貫通孔の周囲を囲むようにＭＥＡ部４５１Ｃと一体的に形成されている。すなわち、接合部材４５８Ｃにおいて、複数の電解質膜貫通部４５８Ｃ２および連結部４５８Ｃ４は、シールガスケット４５０に内包されており、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の外側に配置されている。
【００６４】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００６５】
以上説明したように、第３の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｃの電解質膜貫通部４５８Ｃ２がＭＥＡ部４５１Ｃを貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｃを配設したＭＥＡ部４５１Ｃと一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｃの電解質膜貫通部４５８Ｃ２の電解質膜４６から突出した部分と、連結部４５８Ｃ４は、それぞれシールガスケット４５０と接着している。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃとは接合部材４５８Ｃによって接合されている。
そのため、第１の実施例および第２の実施例と同様に、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃの電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１Ｃとは接合部材４５８Ｃによって接合されているため、シールガスケット４５０と電解質膜４６の収縮は制限され、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。よって、第１の実施例および第２の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
【００６６】
さらに、本実施例の接合部材４５８Ｃは、セパレータ４１と嵌合可能に凹部４５８Ｃ５が形成された嵌合部４５８Ｃ３を有している。そして、嵌合部４５８Ｃ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように、シールガスケット４５０の外側に配置されている。従って、図５（ｃ）に示すように、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとを交互に積層するときに、セパレータ４１の４つの辺に、接合部材４５８Ｃの凹部４５８Ｃ５をそれぞれ嵌合させれば、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。
【００６７】
また、従来のスタック構造を有する燃料電池は、シールガスケット一体型ＭＥＡとセパレータを交互に積層した場合に、シールガスケットのシール部が、セパレータの両面からセパレータを押圧している。ここで、例えば、燃料電池スタックの運転時に反応ガス圧により、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡと間に横ズレが生じると、１枚のセパレータを両面から押圧するシール部のシールラインがずれてしまう。これにより、セパレータが傾いたり、セパレータに割れや変形が生じることがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタックによれば、図５（ｃ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃとセパレータ４１を交互に積層する際に、接合部材４５８Ｃの凹部４５８Ｃ５をセパレータ４１の４つの辺にそれぞれ嵌合させることにより、セパレータ４１とシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃの面方向の位置が固定され、横ズレが生じるのを抑制することができる。従って、１枚のセパレータ４１を両面から押圧するシール部４５９のシールラインＳＬのずれが抑制され、セパレータ４１が傾いたり、セパレータ４１に割れや変形が生じたりするのを防止することができる。
【００６８】
Ｄ．第４の実施例：
第４の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄ以外の部分は、第１の実施例の燃料電池スタックと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄの構成について説明する。
【００６９】
図６は、第４の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。図６（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄの平面図を示した。また、図６（ｂ）に、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図６（ｃ）には、接合部材４５８Ｄの平面図を示した。
【００７０】
図６（ａ）に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄのシールガスケット４５０は、第１の実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同様に、外形はセパレータ４１の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５ＤにおけるＭＥＡ部４５１と、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同じである。
【００７１】
図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、接合部材４５８Ｄは、ＭＥＡ部４５１とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部４５８Ｄ１と、フレーム部４５８Ｄ１からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部４５８Ｄ２と、セパレータ４１に嵌合可能に形成された凹部４５８Ｄ５を有する嵌合部４５８Ｄ３と、フレーム部４５８Ｄ１と嵌合部４５８Ｄ３とを連結する連結部４５８Ｄ４とによって構成されている。そして、各電解質膜貫通部４５８Ｄ２は、第３の実施例と同様にそれぞれＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、シールガスケット４５０は、ＭＥＡ部４５１の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材４５８Ｄの一部を覆うような状態で、ＭＥＡ部４５１の外周に一体的に形成されている。また、嵌合部４５８Ｄ３は、シールガスケット４５０の端面に接するように配置されている。
【００７２】
なお、本実施例のシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄは、第１の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
【００７３】
以上説明したように、第４の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材４５８Ｄの電解質膜貫通部４５８Ｄ２がＭＥＡ部４５１を貫通している。そして、第１の実施例と同様に、接合部材４５８Ｄを配設したＭＥＡ部４５１と一体的にシールガスケット４５０を形成することにより、接合部材４５８Ｄの電解質膜貫通部４５８Ｄ２の電解質膜４６から突出した部分と、フレーム部４５８Ｄ１と、連結部４５８Ｄ４は、それぞれシールガスケット４５０に接着されている。これにより、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｄによって接合されている。
そのため、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１の電解質膜４６とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット４５０とＭＥＡ部４５１とは接合部材４５８Ｄによって接合されているため、第１の実施例ないし第３の実施例と同様に、シールガスケット４５０と、電解質膜４６の収縮は制限され、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止することができる。
【００７４】
また、本実施例の接合部材４５８Ｄは、セパレータ４１と嵌合可能に凹部４５８Ｄ５が形成されている。従って、第３の実施例と同様に、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａとを積層させるときに、セパレータ４１の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。また、第３の実施例と同様に、燃料電池スタックの運転時に、セパレータ４１と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄと間に横ズレが生じるのを抑制することができ、セパレータ４１が傾いたり、セパレータ４１に割れや変形が生じるのを防ぐことができる。
【００７５】
また、接合部材４５８Ｄを用いると、シールガスケット一体型ＭＥＡにおいて、ＭＥＡがシールガスケットの端部にまで及んでいない形状(本実施例と同様の形状)であっても、第３の実施例と同様に、シールガスケット４５０と電解質膜４６との剥離を防止すると共に、セパレータ４１の割れや変形を防止することができる。従って、高価な電解質膜を小さく形成することができるため、コストを低減することができる。
【００７６】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【００７７】
上記した実施例において、ＭＥＡは、外形が同一の大きさの電解質膜４６、アノード側触媒電極４７ａ、カソード側触媒電極４７ｃ、アノード用拡散層４８ａ、およびカソード用拡散層４８ｃを積層して構成されているが、これに限定されない。例えば、電解質膜４６のみを大きく形成し、電解質膜４６に対して他の膜を積層する際に、他の膜の外周より外側に、電解質膜４６の周縁部が露出するように構成してもよい。この場合、シールガスケット一体型ＭＥＡは、電解質膜４６の露出している周縁部のみを、シールガスケット４５０にて挟み込んだ状態となるように、形成することができる。このようにすると、例えば、射出成型によりシールガスケットをＭＥＡと一体的に形成する際に、触媒電極４７ａ，４７ｃには、シールガスケット４５０を形成するためのシリコーンゴムが架からないため、成型時の熱により触媒電極４７ａ，４７ｃが変形したり、電極が破損したりするのを防止することができる。
【００７８】
また、上記した第１および第２の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成とすることにより、導電性を有する材料を用いるようにしてもよい。すなわち、第１および第２の実施例のように、接合部材とセパレータとが接触しない（すなわち、嵌合部を有していない）構成においては、ＭＥＡとして、上述したように、電解質膜４６のみを大きく形成し、他の膜の外周よりも外側に電解質膜４６の周縁部が露出するようなＭＥＡを用い、電解質膜４６の周縁部のみを接合部材で貫通させるように構成する。このような構成では、接合部材とセパレータとが接触しないため、接合部材として導電性を有するの材料を用いたとしても、電解質膜４６とセパレータとが電気的に短絡することがなく、また、接合部材が触媒電極４７ａ，４７ｃを貫通していないため、電極間で電気的に短絡することもない
【００７９】
また、上記した第３および第４の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成としてもよい。例えば、接合部材のうち、電解質膜貫通部を絶縁性を有する材料で形成し、嵌合部、連結部、およびフレーム部等を導電性を有する材料で形成する。接合部材をこのような構成とすれば、たとえ、電解質膜貫通部が触媒電極４７ａ，４７ｃを貫通していても、電極間で電気的に短絡することはなく、また、セパレータから嵌合部に電流が流れたとしても、電極間で電気的に短絡することはない。
【００８０】
また、上記した実施例において、セパレータは、カソード対向プレートと、中間プレートと、アノード対向プレートとの３枚のプレートによって構成されているものとしたが、これに限られない。例えば、カーボン等、１つのブロック状の部材を加工して形成したセパレータを用いるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】セパレータ４１の構成部品およびセパレータ４１の平面図である。
【図３】シールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ａを示す説明図である。
【図４】第２の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｂを示す説明図である。
【図５】第３の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｃを示す説明図である。
【図６】第４の実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４５Ｄを示す説明図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...燃料電池モジュール
４１...セパレータ
４２...カソード対向プレート
４３...中間プレート
４４...アノード対向プレート
４６...電解質膜
４７ａ...アノード側触媒電極
４７ｃ...カソード側触媒電極
４８ａ...アノード用拡散層
４８ｃ...カソード用拡散層
５０...集電板
６０...絶縁板
７０...エンドプレート
８０...テンションプレート
８２...ボルト
１００...燃料電池スタック
４２２ａ，４３２ａ，４４２ａ，４５２ａ...空気供給用貫通孔
４２２ｂ，４３２ｂ，４４２ｂ，４５２ｂ...空気排出用貫通孔
４２２ｉ...空気供給口
４２２ｏ...空気排出口
４２４ａ，４３４ａ，４４４ａ，４５４ａ...水素供給用貫通孔
４２４ｂ，４３４ｂ，４４４ｂ，４５４ｂ...水素排出用貫通孔
４２６ａ，４４６ａ，４５６ａ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ，４４６ｂ，４５６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４３２ｃ...空気供給用流路形成部
４３２ｄ...空気排出用流路形成部
４３２ｅ...水素供給用流路形成部
４３２ｆ...水素排出用流路形成部
４３６...冷却水流路形成用貫通孔
４４４ｉ...水素供給口
４４４ｏ...水素排出口
４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ...シールガスケット一体型ＭＥＡ
４５０...シールガスケット
４５８Ａ，４５８Ｂ，４５８Ｃ，４５８Ｄ...接合部材
４５８Ｂ１，４５８Ｄ１...フレーム部
４５８Ｂ２，４５８Ｃ２，４５８Ｄ２...電解質膜貫通部
４５８Ｃ３，４５８Ｄ３...嵌合部
４５８Ｃ４，４５８Ｄ４...連結部
４５８Ｃ５，４５８Ｄ５...凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成された電極を有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、
少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記ＭＥＡと一体的に形成されるシール部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部は、
前記フレーム部から突設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池において、
前記シール部材は、
前記ＭＥＡが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、
前記フレーム部は、
前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４の任意の一つに記載の燃料電池において、
少なくとも前記フレーム部は、
前記シール部材に内包されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の任意の一つに記載の燃料電池において、
前記電解質膜貫通部は、
少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の任意の一つに記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
前記ＭＥＡを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
少なくとも高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成された電極を有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、
少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記ＭＥＡと一体的に形成されるシール部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部は、
前記フレーム部から突設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池において、
前記シール部材は、
前記ＭＥＡが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、
前記フレーム部は、
前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４の任意の一つに記載の燃料電池において、
少なくとも前記フレーム部は、
前記シール部材に内包されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の任意の一つに記載の燃料電池において、
前記電解質膜貫通部は、
少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の任意の一つに記載の燃料電池において、
前記接合部材は、
前記ＭＥＡを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されていることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３４１５６（Ｐ２００８−３４１５６Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０４１８６（Ｐ２００６−２０４１８６）
【出願日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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