JP5884713B2 - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、一般に、膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）と、ＭＥＡを挟むように積層された一対の拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）」とも呼ぶ）と、ＭＥＧＡを挟むように積層された一対のセパレータと、を備える。ＭＥＡは、電解質膜の一方の表面にアノードが形成され、他方の表面にカソードが形成された構成を有している。ＭＥＧＡの外周部には、燃料電池の内部から外部への反応ガスの漏洩やアノード側とカソード側との間での反応ガスの混合（「クロスリーク」と呼ばれる）を防止するために、シール部材が配置される。

従来の燃料電池では、例えば、特許文献１に記載されているように、ＭＥＡの外周にシール部材を一体成形して、シール部材の両面とセパレータとの間および隣接するセパレータ間に接着材層を形成することで、ＭＥＧＡにおける積層方向のばらつきが抑制されている。また、特許文献２には、セパレータとシール部材とが対向する部分の一部が接着されないことにより、複数の燃料電池の単位セルを積層して締結した場合に生じる変形への追従性が高められた燃料電池が開示されている。また、特許文献３には、常温では固体である未架橋のソリッドゴムを加熱することによって架橋させ、シール部材としての外側分割体と内側分割体とを一体化することで製造時のシール部材のずれを抑制する技術が開示されている。

特開２０１０−２７２４７４号公報 特開２０１０−２８２９４０号公報 特開２０１０−２４４６９０号公報

しかし、特許文献１に開示された燃料電池では、外周に配置されたシール部材と内周に配置されたＭＥＧＡとでは積層方向に圧縮された場合の寸法変化量が異なるため、燃料電池が圧縮されて締結された後に締結および圧縮が解除されると、シール部材に歪応力が生じてシール性能が低下する場合があった。また、特許文献２に開示された技術では、単位セルを締結した場合における変形への追従性は高まるが、シール部材とセパレータとの接着面の面積が減少しているため、全面を接着している場合と比較してシール性能が低下してしまうという課題があった。また、特許文献３に開示された技術では、複数の分割体によってシール部材が構成されており、シール部材のコストが高くなり、また、燃料電池の製造が複雑になってしまうという課題があった。また、簡便な構造によって燃料電池の圧縮時と非圧縮時とにおけるシール部材に発生する歪応力を抑制してシール性能を向上させたいという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の一形態は、燃料電池であって；電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように積層された第１および第２の拡散層と、を有する発電モジュールと；前記発電モジュールを挟むように積層された第１および第２のセパレータと；前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置され、前記第１のセパレータに対向し、前記第１のセパレータに接着される第１の部分と、前記第２のセパレータに対向し、前記第２のセパレータに接着される第２の部分と、を有し、前記面方向において、前記第１の部分および前記第２の部分よりも内周部において前記電解質膜に接着されるシール部と、を備え；前記シール部は、前記面方向における前記第１の部分と前記第２の部分とを合わせた範囲の少なくとも一部において、前記膜電極接合体と前記第１および第２の拡散層とが積層される積層方向に平行でない内部表面を有し；前記内部表面は、前記燃料電池が前記積層方向に締結されていない場合に、内部空間を形成し；前記内部空間における前記積層方向の長さは、前記燃料電池が前記積層方向に締結されている状態よりも前記燃料電池が前記積層方向に締結されていない状態の方が大きい。このような形態であれば、燃料電池が圧縮された後に圧縮が解除された場合に、燃料電池が積層方向に沿って膨張する。この場合に、シール部の外周面を除いた部分に形成された内部表面によって、シール部の内部に生じる歪応力は、内部表面付近が変形することで抑制される。よって、燃料電池の圧縮が解除された場合に、発電モジュールとシール部とにおける積層方向に沿った寸法変化量が異なってシール部に歪応力が生じても、接着された第１の部分と第２の部分とがはがれないので、燃料電池のシール性能が低下することを抑制することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように積層された第１および第２の拡散層と、を有する発電モジュールと；前記発電モジュールを挟むように積層された第１および第２のセパレータと；前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置され、前記第１および第２のセパレータに対向する外周面における第１の部分において前記第１のセパレータに接着されると共に前記外周面における第２の部分において前記第２のセパレータに接着され、前記電解質膜に接着されるシール部と、を備え；前記シール部は、前記膜電極接合体と前記第１および第２の拡散層とが積層される積層方向に平行で前記発電モジュールを含む断面の少なくとも１つにおける前記第１の部分と前記第２の部分とのうち前記面方向に沿って最も内側の部分から最も外側の部分までの範囲において、前記外周面を除き前記積層方向に平行でない内部表面を有する。この形態の燃料電池によれば、燃料電池が圧縮された後に圧縮が解除された場合に、燃料電池が積層方向に沿って膨張する。この場合に、シール部の外周面を除いた部分に形成された内部表面によって、シール部の内部に生じる歪応力は、内部表面付近が変形することで抑制される。よって、燃料電池の圧縮が解除された場合に、発電モジュールとシール部とにおける積層方向に沿った寸法変化量が異なってシール部に歪応力が生じても、接着された第１の部分と第２の部分とがはがれないので、燃料電池のシール性能が低下することを抑制することができる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記シール部は、前記第１の部分を含む第１のシール部材と、前記第２の部分を含む第２のシール部材と、から構成され；前記内部表面は、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とが互いに対向する面であってもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部を分割することで、簡便に内部表面を形成することができる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記シール部における前記内部表面が位置する部分の前記積層方向に沿った厚さは、前記シール部における前記積層方向に沿った最大の厚さであってもよい。この形態の燃料電池によれば、燃料電池が積層方向に沿って圧縮されると、シール部において、内部表面が位置する部分の近くが他の部分よりも先に変形する。シール部が変形した後、シール部内における対向する内部表面が接触する場合に、面方向に沿って内部表面を有する部分が最も積層方向に沿って厚さが厚くなるため、他の部分が過剰に圧縮されることを抑制できる。よって、シール部内における歪応力の発生を抑制することができ、シール部の耐久性を向上させることができる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記シール部における前記第１の部分と前記第２の部分とのうち少なくとも一方は、前記面方向に沿って全面で前記第１または第２のセパレータに接着されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部に内部表面を形成しつつ、第１の部分と第２の部分との少なくとも一方の面積が大きいため、シール性能が低下することをより抑制することができる。

本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池に用いるシール部材、燃料電池用発電モジュール、燃料電池システム、燃料電池システムを備える移動体、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。 セルモジュール２０２の詳細構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の製造工程の流れを示す説明図である。 作製された単位セル２００の詳細構成を示す説明図である。 第１変形例におけるセルモジュール２０２ａの詳細構成を示す説明図である。 第２変形例におけるセルモジュール２０２ｂの詳細構成を示す説明図である。 第３変形例におけるセルモジュール２０２ｃの詳細構成を示す説明図である。

次に、本発明における実施形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．燃料電池スタックの製造工程：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の実施形態としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。本実施形態の燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、エンドプレート２１０と、セルスタック２０１と、エンドプレート２１１とがこの順に積層されて形成されている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート２１０とエンドプレート２１１との４隅を締結具２１５によって締結されている。セルスタック２０１は、複数のセルモジュール２０２が積層されて形成されている。また、セルモジュール２０２は、複数の単位セル２００が積層されて形成されている。

燃料電池スタック１００には、単位セル２００に燃料ガスである水素ガス、酸化剤ガスである圧縮された空気（以下、合わせて「反応ガス」とも呼ぶ）および冷却水を供給するために、単位セル２００が積層される積層方向に沿ってセルスタック２０１を貫通するようなマニホールド孔２２１，２２３，２２５が形成されている。また、マニホールド孔２２１，２２３，２２５のそれぞれから供給された反応ガスのうち未反応のガスと単位セル２００内を循環した後の冷却水とは、セルスタック２０１を貫通するように形成されたマニホールド孔２２２，２２４，２２６のそれぞれを通って燃料電池スタック１００の外へと排出される。燃料電池スタック１００における単位セル２００のそれぞれには、マニホールド孔２２１，２２３，２２５から供給された反応ガスと冷却水とを積層方向に垂直な面方向に沿って拡散させるために、マニホールド孔２２１，２２３，２２５とマニホールド孔２２２，２２４，２２６と接続された流路が形成されている。

図２は、セルモジュール２０２の詳細構成を示す説明図である。図２には、図１に示すＡ１断面におけるセルモジュール２０２の一部のうち、ＭＥＧＡ３１１の面方向に沿った端部が積層方向に圧縮されて締結されることでシール部材３３０によってシールされている部分が示されている。図２に示すように、セルモジュール２０２は、複数の同一の単位セル２００が積層され、接着層３４０によって互いに接着されて形成されている。図２には、３個の単位セル２００が積層された状態が示されている。

単位セル２００は、アノード側セパレータ３２６と、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）」とも呼ぶ）３１１と、カソード側セパレータ３２４とが積層されて形成されている。また、単位セル２００では、アノード側セパレータ３２６とカソード側セパレータ３２４との間にシール部材３３０が配置されている。シール部材３３０は、面方向に沿って、ＭＥＧＡ３１１よりも外周側に配置されている。なお、ＭＥＧＡ３１１は、本発明の発電モジュールに相当する。

ＭＥＧＡ３１１は、アノード側ガス拡散層３１６と、膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）３１１と、カソード側ガス拡散層３１４とが積層されて形成されている。ＭＥＡ３１０では、電解質膜の両面に触媒層が塗布されて、アノード側ガス拡散層３１６と対向する側にアノードが形成され、カソード側ガス拡散層３１４と対向する側にカソードが形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒金属担持担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。

アノード側ガス拡散層３１６は、面方向に沿ってアノード側セパレータ３２６に一部で接着されている。アノード側ガス拡散層３１６は、ＭＥＡ３１０およびカソード側ガス拡散層３１４と比較して、面方向に沿って面積が小さくなるように形成されている。アノード側セパレータ３２６とカソード側セパレータ３２４とは、積層方向に沿った凹凸が形成された平板形状である。アノード側ガス拡散層３１６とアノード側セパレータ３２６との間には、マニホールド孔２２１とマニホールド孔２２２とに接続された複数の水素ガス流路ｆｐ１の空間が形成されている。なお、複数の水素ガス流路ｆｐ１と後述する複数の酸化剤ガス流路ｆｐ２とは、単位セル２００内において面方向に沿って形成されている。水素ガス流路ｆｐ１は、マニホールド孔２２１を介して供給された水素ガスを面方向に沿って拡散し、マニホールド孔２２２を介して未反応の水素ガスを排出する。

カソード側ガス拡散層３１４は、面方向に沿ってカソード側セパレータ３２４に一部で接着されている。カソード側ガス拡散層３１４とカソード側セパレータ３２４との間には、マニホールド孔２２３とマニホールド孔２２４と接続された複数の酸化剤ガス流路ｆｐ２が形成されている。酸化剤ガス流路ｆｐ２は、マニホールド孔２２３を介して供給されえた酸化剤ガスを面方向に沿って拡散し、マニホールド孔２２４を介して未反応の酸化剤ガスを排出する。アノード側ガス拡散層３１６とカソード側ガス拡散層３１４とは、カーボンクロスやカーボンペーパーのような複数の炭素繊維を樹脂で固めた拡散層基材により形成されている。また、アノード側セパレータ３２６とカソード側セパレータ３２４とは、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。

ＭＥＧＡ３１１の面方向に沿った外周部は、シール部材３３０によって反応ガスが単位セル２００の外部へと漏れないように封止されている。シール部材３３０は、第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とに分割されて構成されている。第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とは、積層方向に沿って互いに対向する面の一部である接着面３３１において接着されている。第１のシール部３３６は、第２のシール部３３４と比較して、面方向に沿って単位セル２００の内周部に突き出るように形成されている。第１のシール部３３６は、積層方向に沿ってＭＥＡ３１０と対向する面３３２でＭＥＡ３１０に接着されている。第１のシール部３３６とＭＥＡ３１０とが接着されることで、単位セル２００において水素ガスと酸化剤ガスとの混合（「クロスリーク」と呼ばれる）が防止される。また、第１のシール部３３６は、接着面３３７において、アノード側セパレータ３２６に接着されている。第１のシール部３３６とアノード側セパレータ３２６とは、接着面３３７において、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１まで接着されている。また、図示を省略したが、接着面３３７は、面方向に沿って第１のシール部３３６とアノード側セパレータ３２６との外周の端部まで及んでいる。締結されている状態での第１のシール部３３６の積層方向に沿った厚さは、厚さＴ１であり、面方向に沿って同一の厚さである。

第２のシール部３３４は、ＭＥＧＡ３１１に接触しないと共に、接着面３３５において、カソード側セパレータ３２４に接着されている。接着面３３７と接着面３３５とは、積層方向に沿って互いに第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とを介して対向する位置に形成されている。また、第２のシール部３３４とカソード側セパレータ３２４とは、接着面３３５において、接着面３３７と同様に、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１まで接着されている。また、接着面３３５は、面方向に沿って第２のシール部３３４とカソード側セパレータ３２４との端部まで及んでいる。第２のシール部３３４の積層方向に沿った厚さは、厚さＴ２であり、面方向に沿って同一の厚さである。なお、接着面３３７と接着面３３５とのそれぞれは、本発明における第１の部分と第２の部分とに相当する。接着面３３１、接着面３３７および接着面３３５は、図２において、太線で強調して表示されているが、後述する図４以下では、省略して強調した表示が省略される。

第１のシール部３３６は、第２のシール部３３４に対向する内部表面３３８を有している。また、同様に、第２のシール部３３４は、第１のシール部３３６の内部表面３３８に対向する内部表面３３３を有している。図２に示すように、単位セル２００が積層方向に沿って圧縮されて締結された状態では、内部表面３３８と内部表面３３３とは、密着している。内部表面３３８と内部表面３３３とは、アノード側セパレータ３２６またはカソード側セパレータ３２４に対向するシール部材３３０の外周部を除いた部分に積層方向とは平行ではない表面である。また、内部表面３３８と内部表面３３３とは、単位セル２００において積層方向と平行な内周面Ｌ１よりも面方向に沿った外周側に形成されている。

Ａ−２．燃料電池スタックの製造工程：
図３は、燃料電池スタック１００の製造工程の流れを示す説明図である。図３に示すように、燃料電池スタック１００の製造では、初めに、単位セル２００が作製される（ステップＳ４１０）。単位セル２００は、ＭＥＡ３１０にアノード側ガス拡散層３１６とカソード側ガス拡散層３１４とが積層されて接着されることでＭＥＧＡ３１１が作製される。単位セル２００は、ＭＥＧＡ３１１とシール部材３３０とを挟むようにアノード側セパレータ３２６とカソード側セパレータ３２４とが積層されて形成される。次に、作製された複数の単位セル２００が積層される（ステップＳ４２０）。各単位セル２００は、接着層３４０によって積層方向に接着されて積層される。

図４は、作製された単位セル２００の詳細構成を示す説明図である。図４には、接着層３４０によって積層方向に接着されて積層された複数の単位セル２００のうち、３個の単位セル２００が示されている。図４では、積層された単位セル２００は、積層方向に圧縮されていない。図４に示すように、第１のシール部３３６における積層方向に沿った厚さは、厚さＴ１’あり、面方向に沿って同一の厚さである。また、第２のシール部３３４における積層方向に沿った厚さは、厚さＴ２’であり、面方向に沿って同一の厚さである。シール部材３３０において内部表面３３８と内部表面３３３とが位置する部分の積層方向に沿った厚さ（Ｔ１’＋Ｔ２’）は、シール部材３３０における積層方向に沿った最大の厚さである。第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とは、積層方向に沿って段差が設けられた形状である。それにより、内部表面３３８と内部表面３３３との間には、空間ＳＰが形成されている。接着面３３７と接着面３３５とが位置する部分における空間ＳＰの積層方向に沿った厚さは、厚さＴｓｐ’である。

複数の単位セル２００が積層された後、エンドプレート２１０，２１１に挟まれて積層方向に圧縮されて締結されると、セルスタック２０１が作製される（図３のステップＳ４３０）。単位セル２００が積層方向に圧縮されると、図２に示すように、シール部材３３０とＭＥＧＡ３１１とにおける積層方向に沿った厚さが小さくなる。また、シール部材３３０は、空間ＳＰの積層方向に沿った厚さＴｓｐが小さくなるように弾性変形し、内部表面３３８と内部表面３３３とが密着する。その後、さらに単位セル２００が積層方向に圧縮されて、第１のシール部３３６と第２のシール部３３４との面方向に沿った厚さのそれぞれは、厚さＴ１’および厚さＴ２’から厚さＴ１と厚さＴ２まで小さくなる。

以上説明したように、本実施形態における単位セル２００では、単位セル２００がアノード側セパレータ３２６と、ＭＥＧＡ３１１と、カソード側セパレータ３２４とが積層されて形成されている。ＭＥＧＡ３１１は、アノード側ガス拡散層３１６と、ＭＥＡ３１０と、カソード側ガス拡散層３１４とが積層されて形成されている。ＭＥＡ３１０は、電解質膜の両面に触媒層が塗布されて形成されている。また、シール部材３３０は、接着面３３７においてアノード側セパレータ３２６と接着され、接着面３３５においてカソード側セパレータ３２４と接着されている。シール部材３３０には、接着面３３７と接着面３３５とのうち面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１までの範囲に、積層方向に平行でない内部表面３３８と内部表面３３３とが形成されている。そのため、本実施形態の単位セル２００では、燃料電池スタック１００を圧縮して締結した後に圧縮および締結を解除した場合にＭＥＧＡ３１１の圧縮状態が解除されて、単位セル２００が積層方向に沿って膨張する。この場合に、シール部材３３０の内部に内部表面３３８と内部表面３３３とが形成されることで、シール部材３３０の内部に生じる歪応力は、内部表面３３８と内部表面３３３との付近の部分が弾性変形することで抑制される。よって、ＭＥＧＡ３１１の圧縮状態が解除された場合に、ＭＥＧＡ３１１とシール部材３３０とにおける積層方向に沿った寸法変化量が異なってシール部材３３０に歪応力が生じても、接着面３３７と接着面３３５とがはがれないので、単位セル２００のシール性能が低下することを抑制することができる。

本実施形態における単位セル２００では、シール部材３３０は、第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とから構成される。第１のシール部３３６と第２のシール部３３４とが互いに対向する面に、内部表面３３８と内部表面３３３とが形成されている。そのため、単位セル２００では、シール部材３３０を分割することで、簡便に内部表面３３８と内部表面３３３とを形成することができる。

本実施形態における単位セル２００では、シール部材３３０において内部表面３３８と第１のシール部３３６とが位置する部分の積層方向に沿った厚さ（Ｔ１’＋Ｔ２’）は、シール部材３３０における積層方向に沿った最大の厚さである。そのため、単位セル２００が積層方向に沿って圧縮されると、シール部材３３０において、内部表面３３８と内部表面３３３とが位置する部分の近くが他の部分よりも先に弾性変形する。シール部材３３０が弾性変形した後、内部表面３３８と内部表面３３３とが接触する場合に、面方向に沿って内部表面３３８と内部表面３３３とを有する部分が最も積層方向に沿って厚さが厚くなるため、他の部分が過剰に圧縮されることを抑制できる。よって、シール部材３３０内における歪応力の発生を抑制することができ、シール部材３３０の耐久性を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
図５は、第１変形例におけるセルモジュール２０２ａの詳細構成を示す説明図である。第１変形例では、実施形態のシール部材３３０における第１のシール部３３６ａが実施形態の第１のシール部３３６と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図５には、単位セル２００ａが積層方向に圧縮されていない状態が示されている。図５に示すように、シール部材３３０ａは、接着面３３７ａにおいて、アノード側セパレータ３２６に接着されている。第１のシール部３３６ａは、アノード側セパレータ３２６に対向する全面である接着面３３７ａで接着されている。第１のシール部３３６ａとアノード側セパレータ３２６とは、接着面３３７ａにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１ａまで接着されている。また、第２のシール部３３４とカソード側セパレータ３２４とは、接着面３３５において、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ２ａまで接着されている。なお、内周面Ｌ２ａは、実施形態における内周面Ｌ１と同一の内周面である。

この第１変形例における単位セル２００ａでは、第１のシール部３３６ａと第２のシール部３３４とのうち一方の第１のシール部３３６ａは、面方向に沿って全面である接着面３３７ａでアノード側セパレータ３２６と接着されている。そのため、この単位セル２００ａでは、シール部材３３０ａに内部表面３３８ａと内部表面３３３とを形成しつつ、接着面３３７ａの面積が大きいため、シール性能が低下することをより抑制することができる。

Ｂ２．変形例２：
図６は、第２変形例におけるセルモジュール２０２ｂの詳細構成を示す説明図である。第２変形例では、シール部材３３０ｂが実施形態のシール部材３３０と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図６に示すように、シール部材３３０ｂでは、第１のシール部３３６ｂの形状と第２のシール部３３４ｂの形状とが第１実施形態と異なる。具体的には、アノード側セパレータ３２６と接着されている接着面３３７ｂの位置と、カソード側セパレータ３２４と接着されている接着面３３５ｂの位置とが異なる。また、第１のシール部３３６ｂに形成された内部表面３３８ｂの位置と、第２のシール部３３４ｂに形成された内部表面３３３ｂの位置とが異なる。また、第１のシール部３３６ｂは、積層方向に沿った暑さが第１のシール部３３６ｂにおける位置によって異なる。

第１のシール部３３６ｂとアノード側セパレータ３２６とは、接着面３３７ｂにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１ｂまで接着されている。また、第２のシール部３３４ｂとカソード側セパレータ３２４とは、接着面３３５ｂにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ２ｂまで接着されている。内部表面３３８ｂと内部表面３３３ｂとは、面方向に沿って内周面Ｌ１ｂよりも外周側に形成されている。第１のシール部３３６ｂは、内部表面３３８ｂを通る積層方向に沿った厚さが最も大きく、厚さＴ１ｂ’である。また、第２のシール部３３４ｂは、内部表面３３３ｂを通る積層方向に沿った厚さが最も大きく、厚さＴ２ｂ’である。そのため、シール部材３３０ｂにおける積層方向に沿った厚さの最大値は、厚さ（Ｔ１ｂ’＋Ｔ２ｂ’）であり、シール部材３３０ｂにおける内部表面３３８ｂと内部表面３３３ｂとが位置する部分の積層方向に沿った厚さである。そのため、この第２変形例における単位セル２００ｂでは、シール部材３３０ｂ内における歪応力の発生を抑制することができ、また、シール性能の低下を抑制することができる。

Ｂ３．変形例３：
図７は、第３変形例におけるセルモジュール２０２ｃの詳細構成を示す説明図である。第３変形例では、シール部材３３０ｃが実施形態のシール部材３３０と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図５（ａ）には、締結される前の状態のセルモジュール２０２ｃが示され、図５（ｂ）には、締結された後のセルモジュール２０２ｃが示されている。

図７（ａ）に示すように、シール部材３３０ｃは、第１実施形態とは異なり、２つのシール部に分割されずに一体で形成されている。シール部材３３０ｃには、内部に内部表面３３８ｃと内部表面３３３ｃと、内部表面３３８ｃと内部表面３３３ｃによって形成された空間ＳＰｃとが形成されている。シール部材３３０ｃは、アノード側セパレータ３２６に接着面３３７ｃにおいて接着されており、カソード側セパレータ３２４に接着面３３５ｃにおいて接着されている。接着面３３７ｃと接着面３３５ｃとは、シール部材３３０ｃを介して対向する位置に形成されている。シール部材３３０ｃは、接着面３３７ｃと接着面３３５ｃにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面Ｌ１ｃまで接着されている。内部表面３３８ｃと内部表面３３３ｃとは、面方向に沿って内周面Ｌ１ｃよりも外周側に形成されている。

第３変形例では、シール部材３３０ｃにおける内部表面３３３ｃと内部表面３３３ｃとが位置する部分の積層方向に沿った厚さは、厚さ（Ｔ１ｃ’＋Ｔ２ｃ’）であり、シール部材３３０ｃにおける他の部分よりも薄くなっている。そのため、図７（ｂ）に示すように、シール部材３３０ｃが積層方向に圧縮された後の厚さ（Ｔ１ｃ＋Ｔ２ｃ）は他の部分よりも薄く、内部表面３３８ｃと内部表面３３３ｃとは密着せずに空間ＳＰｃが空間として残ったままで燃料電池スタック１００ｃが締結される。以上説明したように、シール部材３３０ｃにおける内部表面３３８ｃと内部表面３３３ｃとが位置する部分の積層方向に沿った厚さ（Ｔ１ｃ’＋Ｔ２ｃ’）が最大の厚さでなく、単位セル２００ｃが圧縮された状態で空間ＳＰｃが残っていても、シール部材３３０ｃ内における歪応力の発生を抑制することができる。また、単位セル２００ｃでは、シール部材３３０ｃが１つの部品として形成されているため、単位セル２００ｃの製造を簡便にすることができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、アノード側ガス拡散層３１６は、面方向に沿ってカソード側ガス拡散層３１４よりも小さい面積であるガス拡散層としたが、アノード側ガス拡散層３１６とカソード側ガス拡散層３１４との大小関係はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、カソード側ガス拡散層３１４が積層方向に沿ってアノード側ガス拡散層３１６よりも小さい面積であってもよいし、カソード側ガス拡散層３１４とアノード側ガス拡散層３１６とが同じ面積であってもよい。

上記実施形態では、シール部材３３０とＭＥＡ３１０とが面３３２で接着される態様であるとしたが、反応ガスのクロスリークを防止するための態様はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、積層方向に沿ってＭＥＡ３１０とシール部材３３０とが対向しておらず、アノード側ガス拡散層３１６またはカソード側ガス拡散層３１４にシール部材３３０を含浸させることにより、反応ガスのクロスリークを防止してもよい。また、アノード側ガス拡散層３１６とＭＥＡ３１０とを面方向に沿ってではなく、積層方向に沿ってシール部材３３０とＭＥＧＡ３１１とを接着させて、反応ガスのクロスリークを防止してもよい。

上記実施形態では、シール部材３３０とアノード側ガス拡散層３１６およびカソード側ガス拡散層３１４との接着面３３７および接着面３３５がシール部材３３０を介して対向する位置に形成されたが、接着面３３７および接着面３３５が形成される位置はこれに限られず種々変形可能である。例えば、接着面３３７が面方向に沿って離れた２箇所に形成され、接着面３３５が面方向に沿った当該２箇所の接着面３３７の間に形成され、シール部材３３０における接着面３３５が位置する積層方向に沿った断面において、内部表面３３８と接着面３３５とが形成されてもよい。言い換えれば、２箇所の接着面３３７と接着面３３５とを結んだ図形は、積層方向に沿った断面において、三角形の位置関係を形成しており、当該三角形の内部に内部表面３３８と接着面３３５とが形成される。

上記実施形態では、セルモジュール２０２を構成する単位セル２００のそれぞれが内部表面３３８および内部表面３３３を形成する態様としたが、必ずしもセルモジュール２０２を構成する全ての単位セル２００が内部表面３３８および内部表面３３３を有する必要はない。セルモジュール２０２を構成する単位セル２００の種類については種々変形可能である。例えば、セルモジュール２０２は、内部表面３３８および内部表面３３３を有するシール部材３３０を備えた単位セル２００と、内部表面３３８および内部表面３３３を有さないシール部材を備えた単位セル２００とが交互に積層されてもよい。また、単位セル２００においてＭＥＧＡ３１１が含まれる全ての積層方向に沿った全ての断面において、内部表面３３８および内部表面３３３が形成されていなくてもよい。

上記実施形態では、シール部材３３０に形成される内部表面３３８と内部表面３３３とは、シール部材３３０を積層方向に沿って分割する表面であったが、シール部材３３０における積層方向に平行でない内部表面は、この態様に限られず、種々変形可能である。例えば、シール部材３３０に形成される内部表面は、シール部材３３０の内部に形成される切り込みや切り欠きであってもよい。また、内部表面の形状は、平面に限られず、円注の空間といった形状でもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…燃料電池スタック
２００…単位セル
２０１…セルスタック
２０２…セルモジュール
２１０，２１１…エンドプレート
２１５…締結具
２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６…マニホールド孔
３１０…ＭＥＡ
３１１…ＭＥＧＡ
３１４…カソード側ガス拡散層
３１６…アノード側ガス拡散層
３２４…カソード側セパレータ
３２６…アノード側セパレータ
３３０…シール部材
３３１…接着面
３３２…面
３３３…内部表面
３３４…第２のシール部
３３５…接着面
３３６…第１のシール部
３３７…接着面
３３８…内部表面
３４０…接着層
Ｌ１…接着面３３７の内周面
Ｌ２…接着面３３５の内周面
Ｔ１，Ｔ１’…第１のシール部３３６の厚さ
Ｔｓｐ…空間ＳＰの厚さ
Ｔ２，Ｔ２’…厚さ
ＳＰ…空間
ｆｐ１…水素ガス流路
ｆｐ２…酸化剤ガス流路

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように積層された第１および第２の拡散層と、を有する発電モジュールと、
   前記発電モジュールを挟むように積層された第１および第２のセパレータと、
   前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置され、前記第１のセパレータに対向し、前記第１のセパレータに接着される第１の部分と、前記第２のセパレータに対向し、前記第２のセパレータに接着される第２の部分と、を有し、前記面方向において、前記第１の部分および前記第２の部分よりも内周部において前記電解質膜に接着されるシール部と、を備え、
   前記シール部は、前記面方向における前記第１の部分と前記第２の部分とを合わせた範囲の少なくとも一部において、前記膜電極接合体と前記第１および第２の拡散層とが積層される積層方向に平行でない内部表面を有し、
   前記内部表面は、前記燃料電池が前記積層方向に締結されていない場合に、内部空間を形成し、
   前記内部空間における前記積層方向の長さは、前記燃料電池が前記積層方向に締結されている状態よりも前記燃料電池が前記積層方向に締結されていない状態の方が大きい、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、前記第１の部分を含む第１のシール部材と、前記第２の部分を含む第２のシール部材と、から構成され、
   前記内部表面は、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とが互いに対向する面である、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記シール部における前記内部表面が位置する部分の前記積層方向に沿った厚さは、前記燃料電池が前記積層方向に締結されていない場合に、前記シール部における前記積層方向に沿った最大の厚さである、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記内部空間は、前記積層方向において前記第１の部分と前記第２の部分とが重複する領域に形成される、燃料電池。
5. 複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックであって、
   前記複数の燃料電池のそれぞれは、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された燃料電池である、燃料電池スタック。

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