JP7129373B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備えた燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとの間から外部への流体（反応ガス及び冷却媒体）の漏れを防止するためのシールラインを備えた燃料電池スタックが開示されている。シールラインは、金属セパレータのうち電解質膜・電極構造体が位置する側の面から突出したシール用ビード部と、シール用ビード部の頂部に設けられた樹脂材とを有する。積層体には、樹脂材のシール面に所定の面圧が作用するように締付荷重が付与されている。

特開２０１７－１３９２１８号公報

ところで、積層体に締付荷重を付与した際、シール用ビード部の頂部が電解質膜・電極構造体とは反対側に押されて変形する。この場合、樹脂材のシール面に十分な面圧を作用させることができず、シールラインのシール性を確保することができないおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、シールラインのシール性を確保することができる燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記積層体の積層方向に締付荷重が付与され、前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間から外部への流体の漏れを防止するためのシールラインが設けられた燃料電池スタックであって、前記シールラインは、前記金属セパレータのうち前記電解質膜・電極構造体が位置する側の面から突出したシール用ビード部と、前記シール用ビード部の頂部と前記電解質膜の外周部又は前記電解質膜の外周に沿って設けられた枠部との間に介装されたゴムシール部材と、を有し、前記積層体に前記締付荷重が付与される前における前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った厚さは、前記積層体に前記締付荷重が付与された際に、前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った変形量が前記シール用ビード部の前記積層方向に沿った変形量よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタックである。

本発明の別の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間から外部への流体の漏れを防止するためのシールラインが設けられた燃料電池スタックの製造方法であって、前記シールラインは、前記金属セパレータのうち前記電解質膜・電極構造体が位置する側の面から突出したシール用ビード部と、前記シール用ビード部の頂部と前記電解質膜の外周部又は前記電解質膜の外周に沿って設けられた枠部との間に介装されたゴムシール部材と、を有し、前記発電セルを複数準備する準備工程と、前記発電セルを複数積層した状態で積層方向に締付荷重を付与することにより、前記シール用ビード部及び前記ゴムシール部材を前記積層方向に変形させる締付工程と、を備え、前記準備工程で準備される前記発電セルを形成する前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った厚さは、前記締付工程の際に、前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った変形量が前記シール用ビード部の前記積層方向に沿った変形量よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタックの製造方法である。

本発明によれば、積層体に締付荷重を付与した際に、ゴムシール部材の積層方向に沿った変形量がシール用ビード部の積層方向に沿った変形量よりも大きくなる。これにより、積層体に締付荷重を付与した際に、シール用ビード部の頂部がゴムシール部材とは反対側に押されて変形した場合でも、シール用ビード部の変形分をゴムシール部材の変形で補うことによりゴムシール部材のシール面に隙間が形成されることを防止することができる。したがって、ゴムシール部材のシール面に十分な面圧を作用させることができ、シールラインのシール性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの一部省略縦断面図である。 前記発電セルの分解斜視図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 図５Ａは、前記燃料電池スタックの積層体に積層方向の締付荷重を付与する前の第１シールラインを示す説明図であり、図５Ｂは、前記燃料電池スタックの積層体に積層方向の締付荷重を付与した状態の第１シールラインの変形を示す説明図である。 図６Ａは、前記積層体に積層方向の締付荷重を付与する前の第２シールラインを示す説明図であり、図６Ｂは、前記燃料電池スタックの積層体に積層方向の締付荷重を付与した状態の第２シールラインの変形を示す説明図である。 第１ゴムシール部材（第２ゴムシール部材）の厚みと変形量との関係を示すグラフである。 変形例に係る第１シールライン及び第２シールラインの断面説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本発明に燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。ただし、積層体１４は、複数の発電セル１２が重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されて構成されてもよい。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

図１において、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂには、積層方向外方に延出する端子部２２ａ、２２ｂが設けられる。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

図２及び図３に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２８」ということがある。）が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持されて形成される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

図３において、発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体入口連通孔３６ａは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等を供給する。各発電セル１２に設けられた燃料ガス出口連通孔３８ｂは、積層方向に互いに連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２に設けられた燃料ガス入口連通孔３８ａは、積層方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体出口連通孔３６ｂは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、積層方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置、形状及び大きさは、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図２及び図３に示すように、ＭＥＡ２８は、電解質膜４０と、電解質膜４０を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４４と、電解質膜４０の外周に沿って設けられた樹脂フィルム４６（樹脂枠部材、枠部）とを有する。電解質膜４０は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。電解質膜４０は、電極外周と重なり部を有する。

カソード電極４２は、電解質膜４０の一方の面４０ａに接合される第１電極触媒層４２ａと、第１電極触媒層４２ａに積層される第１ガス拡散層４２ｂとを含む。第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、電解質膜４０と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

アノード電極４４は、電解質膜４０の面４０ｂに接合される第２電極触媒層４４ａと、前記第２電極触媒層４４ａに積層される第２ガス拡散層４４ｂとを含む。第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、電解質膜４０と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

第１電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

第１ガス拡散層４２ｂの外周縁部と第２ガス拡散層４４ｂの外周縁部との間には、枠形状を有する樹脂フィルム４６が挟持される。樹脂フィルム４６の内周端面は、電解質膜４０の外周端面に近接又は当接する。図３に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂フィルム４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図４に示すように、第１金属セパレータ３０のＭＥＡ２８に向かう面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝４８ｂ（又は波状流路溝）を有する。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の面３０ａには、ＭＥＡ２８と第１金属セパレータ３０との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏れを防止するための第１シールライン５２が設けられている。

第１シールライン５２は、第１金属セパレータ３０の面３０ａの外周縁部を周回する外側シール部５２ａを有する。第１シールライン５２は、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる内側シール部５２ｂを有する。第１シールライン５２は、さらに燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔シール部５２ｃを有する。なお、外側シール部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第１シールライン５２は、第１金属セパレータ３０の面３０ａから積層方向（ＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６）に向かって突出した第１シール用ビード部５４と、第１シール用ビード部５４に設けられた第１ゴムシール部材５６とを有する。

第１シール用ビード部５４は、プレス成形によって第１金属セパレータ３０の面３０ａに膨出成形されている。第１シール用ビード部５４は、先細り形状に形成されている。換言すれば、第１シール用ビード部５４は、台形状に形成されている。

第１シール用ビード部５４は、互いに対向するように配置された第１側壁部５８及び第２側壁部６０と、第１側壁部５８及び第２側壁部６０の先端同士を連結する頂部６２とを有する。第１側壁部５８及び第２側壁部６０の間隔は、頂部６２に向かって徐々に狭くなっている。頂部６２は、積層方向に締付荷重が付与された状態で平坦状に形成されている。つまり、第１シール用ビード部５４の突出端面５５は、積層方向と直交する方向に延在した平坦面である。

第１ゴムシール部材５６の構成材料としては、ＥＰＤＭ（エチレン－プロピレンゴム）、ＮＢＲ、フッ素系ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等及び上記ゴムの多孔質体が用いられる。第１ゴムシール部材５６は、第１シール用ビード部５４の頂部６２（突出端面５５）に固着される。すなわち、第１ゴムシール部材５６は、第１シール用ビード部５４の頂部６２と樹脂フィルム４６との間に介装されている。第１ゴムシール部材５６は、樹脂フィルム４６に固着されていてもよい。

図３に示すように、第２金属セパレータ３２のＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路６４が形成される。燃料ガス流路６４は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路６４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部６４ａ間に直線状流路溝６４ｂ（又は波状流路溝）を有する。

燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路６４との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６６ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路６４との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６６ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の面３２ａには、ＭＥＡ２８と第２金属セパレータ３２との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏れを防止するための第２シールライン６８が設けられている。

第２シールライン６８は、第２金属セパレータ３２の面３２ａの外周縁部を周回する外側シール部６８ａを有する。第２シールライン６８は、燃料ガス流路６４、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回し且つこれらを連通させる内側シール部６８ｂを有する。第２シールライン６８は、さらに酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔シール部６８ｃを有する。なお、外側シール部６８ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第２シールライン６８は、第２金属セパレータ３２の面３２ａから積層方向（ＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６）に向かって突出した第２シール用ビード部７０と、第２シール用ビード部７０に設けられた第２ゴムシール部材７２とを有する。

第２シール用ビード部７０は、プレス成形によって第２金属セパレータ３２の面３２ａに膨出成形されている。第２シール用ビード部７０は、先細り形状に形成されている。換言すれば、第２シール用ビード部７０は、台形状に形成されている。

第２シール用ビード部７０は、互いに対向するように配置された第１側壁部７４及び第２側壁部７６と、第１側壁部７４及び第２側壁部７６の先端同士を連結する頂部７８とを有する。第１側壁部７４及び第２側壁部７６の間隔は、頂部７８に向かって徐々に狭くなっている。頂部７８は、積層方向に締付荷重が付与された状態で平坦状に形成されている。つまり、第２シール用ビード部７０の突出端面７５は、積層方向と直交する方向に延在した平坦面である。

第２ゴムシール部材７２の構成材料としては、第１ゴムシール部材５６と同様のものが用いられる。第２ゴムシール部材７２は、第２シール用ビード部７０の頂部７８（突出端面７５）に固着される。すなわち、第２ゴムシール部材７２は、第２シール用ビード部７０の頂部７８と樹脂フィルム４６との間に介装されている。第２ゴムシール部材７２は、樹脂フィルム４６に固着されていてもよい。

図３において、互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路８０が形成される。冷却媒体流路８０は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路６４が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

次に、このような燃料電池スタック１０において、第１シールライン５２及び第２シールライン６８について、燃料電池スタック１０の製造方法との関係でさらに説明する。

燃料電池スタック１０を製造する場合、発電セル１２を複数準備する準備工程と、発電セル１２を複数積層した状態で積層方向に締付荷重を付与することにより、第１シール用ビード部５４、第１ゴムシール部材５６、第２シール用ビード部７０及び第２ゴムシール部材７２を積層方向に変形させる締付工程とが行われる。

図５Ａに示すように、積層体１４に締付荷重を付与する前の状態で（締付荷重付与前である準備工程において）、第１シール用ビード部５４の頂部６２は、樹脂フィルム４６に向かって円弧状に突出している。すなわち、締付荷重付与前において、第１シール用ビード部５４の突出端面５５は、凸状の湾曲面である。また、図６Ａに示すように、締付荷重付与前（準備工程）において、第２シール用ビード部７０の頂部７８は、樹脂フィルム４６に向かって円弧状に突出している。すなわち、締付荷重付与前において、第２シール用ビード部７０の突出端面７５は、凸状の湾曲面である。なお、図５Ａ及び図６Ａは、第１シール用ビード部５４に第１ゴムシール部材５６を設けるとともに第２シール用ビード部７０に第２ゴムシール部材７２を設けた構成を示している。一方、第１ゴムシール部材５６及び第２ゴムシール部材７２を樹脂フィルム４６に設けた場合には、図５Ａ及び図６Ａに示す第１ゴムシール部材５６及び第２ゴムシール部材７２の形状とは異なる形状になる。

そして、締付工程において、積層体１４に積層方向の締付荷重を付与すると、第１シール用ビード部５４の頂部６２は樹脂フィルム４６とは反対側に押圧されて平坦状に変形し（図５Ｂ参照）、第２シール用ビード部７０の頂部７８は樹脂フィルム４６とは反対側に押圧されて平坦状に変形する（図６Ｂ参照）。また、この際、第１ゴムシール部材５６及び第２ゴムシール部材７２のそれぞれは、積層方向に弾性変形（圧縮変形）する（図５Ａ～図６Ｂ参照）。

すなわち、図５Ｂ及び図６Ｂにおいて、積層体１４に締付荷重を付与した状態で（締付荷重付与状態において）、第１シール用ビード部５４の頂部６２と第２シール用ビード部７０の頂部７８とのそれぞれは、平坦状に形成されている。換言すれば、第１シール用ビード部５４の突出端面５５と第２シール用ビード部７０の突出端面７５とのそれぞれは、積層方向と直交する方向に延在した平坦面になる。

図５Ａ及び図５Ｂにおいて、締付荷重付与前の第１ゴムシール部材５６（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第１ゴムシール部材５６）の積層方向に沿った第１厚さｄ１は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第１ゴムシール部材５６の積層方向に沿った第１変形量Δｘ１が第１シール用ビード部５４の積層方向に沿った第２変形量Δｙ１よりも大きくなるような厚さに設定されている。

第１ゴムシール部材５６の第１変形量Δｘ１は、第１ゴムシール部材５６の第１厚さｄ１から締付荷重付与状態の第１ゴムシール部材５６の積層方向に沿った第２厚さｄ２を減算した量（Δｘ１＝ｄ１－ｄ２）である。第１シール用ビード部５４の第２変形量Δｙ１は、締付荷重付与前の第１シール用ビード部５４の第１高さｈ１から締付荷重付与状態の第１シール用ビード部５４の第２高さｈ２を減算した量（Δｙ１＝ｈ１－ｈ２）である。

第１高さｈ１は、締付荷重付与前の第１金属セパレータ３０の面３０ａから第１シール用ビード部５４の突出端（突出端面５５のうち樹脂フィルム４６側に最も突出している部位）までの距離である。第２高さｈ２は、締付荷重付与状態の第１金属セパレータ３０の面３０ａから第１シール用ビード部５４の突出端面５５までの距離である。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、締付荷重付与前の第２ゴムシール部材７２（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第２ゴムシール部材７２）の積層方向に沿った第３厚さｄ３は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第２ゴムシール部材７２の積層方向に沿った第３変形量Δｘ２が第２シール用ビード部７０の積層方向に沿った第４変形量Δｙ２よりも大きくなるような厚さに設定されている。

第２ゴムシール部材７２の第３変形量Δｘ２は、第２ゴムシール部材７２の第３厚さｄ３から締付荷重付与状態の第２ゴムシール部材７２の積層方向に沿った第４厚さｄ４を減算した量（Δｘ２＝ｄ３－ｄ４）である。第２シール用ビード部７０の第４変形量Δｙ２は、締付荷重付与前の第２シール用ビード部７０の第３高さｈ３から締付荷重付与状態の第２シール用ビード部７０の第４高さｈ４を減算した量（Δｙ２＝ｈ３－ｈ４）である。

第３高さｈ３は、締付荷重付与前の第２金属セパレータ３２の面３２ａから第２シール用ビード部７０の突出端（突出端面７５のうち樹脂フィルム４６側に最も突出している部位）までの距離である。第４高さｈ４は、締付荷重付与状態の第２金属セパレータ３２の面３２ａから第２シール用ビード部７０の突出端面７５までの距離である。

図７は、締付荷重付与前（締付荷重が付与されていない状態）の第１ゴムシール部材５６（第２ゴムシール部材７２）の厚さと一定の締付荷重付与時の第１ゴムシール部材５６（第２ゴムシール部材７２）の変形量との関係を示すグラフである。図７は、第１ゴムシール部材５６（第２ゴムシール部材７２）が厚いほど、一定の締付荷重に対して変形量が大きくなることを示している。図７に示すように、第１ゴムシール部材５６は、締付荷重付与前の積層方向に沿った厚さがｄａの場合、締付荷重付与時の変形量が第１シール用ビード部５４の第２変形量Δｙ１と同じになる。したがって、締付荷重付与前の第１ゴムシール部材５６の積層方向に沿った第１厚さｄ１は、ｄａよりも厚く設定される。このような第１厚さｄ１は、４０μｍ以上１５０μｍ以下に設定されるのが好ましい。

第２ゴムシール部材７２は、締付荷重付与前の積層方向に沿った厚さがｄｂの場合、締付荷重付与時の変形量が第２シール用ビード部７０の第４変形量Δｙ２と同じになる。したがって、締付荷重付与前の第２ゴムシール部材７２の積層方向に沿った第３厚さｄ３は、ｄｂよりも厚く設定される。このような第３厚さｄ３は、４０μｍ以上１５０μｍ以下に設定されるのが好ましい。また、第３厚さｄ３は、第１厚さｄ１と同じであることが好ましい。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８のカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路６４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路６４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８のアノード電極４４に供給される。

したがって、各ＭＥＡ２８では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路８０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１０及び燃料電池スタック１０の製造方法は、以下の効果を奏する。

積層体１４に締付荷重が付与される前における第１ゴムシール部材５６（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第１ゴムシール部材５６）の積層方向に沿った第１厚さｄ１は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第１ゴムシール部材５６の積層方向に沿った第１変形量Δｘ１が第１シール用ビード部５４の積層方向に沿った第２変形量Δｙ１よりも大きくなるような厚さに設定されている。

このため、積層体１４に締付荷重を付与した際に、第１シール用ビード部５４の頂部６２が第１ゴムシール部材５６とは反対側に押されて変形した場合でも、第１シール用ビード部５４の変形分を第１ゴムシール部材５６の変形で補うことにより第１ゴムシール部材５６のシール面に隙間が形成されることを防止することができる。したがって、第１ゴムシール部材５６のシール面に十分な面圧を作用させることができ、第１シールライン５２のシール性を確保することができる。

また、積層体１４に締付荷重が付与される前における第２ゴムシール部材７２（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第２ゴムシール部材７２）の積層方向に沿った第３厚さｄ３は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第２ゴムシール部材７２の積層方向に沿った第３変形量Δｘ２が第２シール用ビード部７０の積層方向に沿った第４変形量Δｙ２よりも大きくなるような厚さに設定されている。

これにより、積層体１４に締付荷重を付与した際に、第２シール用ビード部７０の頂部７８が第２ゴムシール部材７２とは反対側に押されて変形した場合でも、第２シール用ビード部７０の変形分を第２ゴムシール部材７２の変形で補うことにより第２ゴムシール部材７２のシール面に隙間が形成されることを防止することができる。したがって、第２ゴムシール部材７２のシール面に十分な面圧を作用させることができ、第２シールライン６８のシール性を確保することができる。

第１シール用ビード部５４の頂部６２と第２シール用ビード部７０の頂部７８とは、積層体１４に締付荷重を付与した状態で、平坦状に形成されている。

これにより、第１ゴムシール部材５６及び第２ゴムシール部材７２のシール面に十分な面圧を効果的に作用させることができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。図８に示すように、第１金属セパレータ３０の面３０ａには第１シールライン９０が設けられてもよい。第１シールライン９０は、第１シール用ビード部５４ａと第１ゴムシール部材５６とを有する。第１シール用ビード部５４ａの頂部６２ａは、第１ゴムシール部材５６とは反対側に凹状に曲がっている（座屈している）。すなわち、第１シール用ビード部５４ａの突出端面５５ａは、凹状の湾曲面になっている。

締付荷重付与前の第１ゴムシール部材５６（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第１ゴムシール部材５６）の積層方向に沿った第１厚さｄ１は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第１ゴムシール部材５６の積層方向に沿った第１変形量Δｘ１が第１シール用ビード部５４ａの積層方向に沿った第２変形量Δｙ１よりも大きくなるような厚さに設定されている。

この場合、締付荷重付与状態の第１シール用ビード部５４ａの第２高さｈ２は、第１金属セパレータ３０の面３０ａから第１シール用ビード部５４ａの突出端面５５ａの底部（突出端面５５ａのうち樹脂フィルム４６とは反対側に最も窪んだ部位）までの距離である。

このように、締付工程の際に第１シール用ビード部５４ａの頂部６２ａが凹状に曲がった場合であっても、第１シール用ビード部５４ａの変形分を第１ゴムシール部材５６の変形で補うことにより第１ゴムシール部材５６のシール面に隙間が形成されることを防止することができる。したがって、第１ゴムシール部材５６のシール面に十分な面圧を作用させることができ、第１シールライン９０のシール性を確保することができる。

また、第２金属セパレータ３２の面３２ａには、第２シールライン９２が設けられてもよい。第２シールライン９２は、第２シール用ビード部７０ａと第２ゴムシール部材７２とを有する。第２シール用ビード部７０ａの頂部７８ａは、第２ゴムシール部材７２とは反対側に凹状に曲がっている（座屈している）。つまり、第２シール用ビード部７０ａの突出端面７５ａは、凹状の湾曲面になっている。

締付荷重付与前の第２ゴムシール部材７２（準備工程で準備される発電セル１２を形成する第２ゴムシール部材７２）の積層方向に沿った第３厚さｄ３は、積層体１４に締付荷重が付与された際（締付工程の際）に、第２ゴムシール部材７２の積層方向に沿った第３変形量Δｘ２が第２シール用ビード部７０ａの積層方向に沿った第４変形量Δｙ２よりも大きくなるような厚さに設定されている。

この場合、締付荷重付与状態の第２シール用ビード部７０ａの第４高さｈ４は、第２金属セパレータ３２の面３２ａから第２シール用ビード部７０ａの突出端面７５ａの底部（突出端面７５ａのうち樹脂フィルム４６とは反対側に最も窪んだ部位）までの距離である。

このように、締付工程の際に、第２シール用ビード部７０ａの頂部７８ａが凹状に曲がった場合であっても、第２シール用ビード部７０ａの変形分を第２ゴムシール部材７２の変形で補うことにより第２ゴムシール部材７２のシール面に隙間が形成されることを防止することができる。したがって、第２ゴムシール部材７２のシール面に十分な面圧を作用させることができ、第２シールライン９２のシール性を確保することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、電解質膜（４０）の両側に電極（４２、４４）が配設されてなる電解質膜・電極構造体（２８）と前記電解質膜・電極構造体（２８）の両側に配設された金属セパレータ（３０、３２）とを有する発電セル（１２）が複数積層された積層体（１４）を備え、前記積層体（１４）には、前記積層体（１４）の積層方向に締付荷重が付与され、前記金属セパレータ（３０、３２）には、前記電解質膜・電極構造体（２８）と前記金属セパレータ（３０、３２）との間から外部への流体の漏れを防止するためのシールライン（５２、６８、９０、９２）が設けられた燃料電池スタック（１０）であって、前記シールライン（５２、６８、９０、９２）は、前記金属セパレータ（３０、３２）のうち前記電解質膜・電極構造体（２８）が位置する側の面（３０ａ、３２ａ）から突出したシール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）と、前記シール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）の頂部（６２、６２ａ、７８、７８ａ）と前記電解質膜（４０）の外周部又は前記電解質膜（４０）の外周に沿って設けられた枠部（４６）との間に介装されたゴムシール部材（５６、７２）と、を有し、前記積層体（１４）に前記締付荷重が付与される前における前記ゴムシール部材（５６、７２）の前記積層方向に沿った厚さ（ｄ１、ｄ３）は、前記積層体（１４）に前記締付荷重が付与された際に、前記ゴムシール部材（５６、７２）の前記積層方向に沿った変形量（Δｘ１、Δｘ２）が前記シール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）の前記積層方向に沿った変形量（Δｙ１、Δｙ２）よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタック（１０）を開示している。

上記の燃料電池スタック（１０）において、前記シール用ビード部（５４、７０）の前記頂部（６２、７８）は、前記積層体（１４）に前記締付荷重を付与した状態で、平坦状に形成されてもよい。

上記の燃料電池スタック（１０）において、前記シール用ビード部（５４ａ、７０ａ）の前記頂部（６２ａ、７８ａ）は、前記積層体（１４）に前記締付荷重を付与した状態で、前記ゴムシール部材（５６、７２）とは反対側に凹状に曲がってもよい。

上記実施形態は、電解質膜（４０）の両側に電極（４２、４４）が配設されてなる電解質膜・電極構造体（２８）と前記電解質膜・電極構造体（２８）の両側に配設された金属セパレータ（３０、３２）とを有する発電セル（１２）が複数積層された積層体（１４）を備え、前記金属セパレータ（３０、３２）には、前記電解質膜・電極構造体（２８）と前記金属セパレータ（３０、３２）との間から外部への流体の漏れを防止するためのシールライン（５２、６８、９０、９２）が設けられた燃料電池スタック（１０）の製造方法であって、前記シールライン（５２、６８、９０、９２）は、前記金属セパレータ（３０、３２）のうち前記電解質膜・電極構造体（２８）が位置する側の面（３０ａ、３２ａ）から突出したシール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）と、前記シール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）の頂部（６２、６２ａ、７８、７８ａ）と前記電解質膜（４０）の外周部又は前記電解質膜（４０）の外周に沿って設けられた枠部（４６）との間に介装されたゴムシール部材（５６、７２）と、を有し、前記発電セル（１２）を複数準備する準備工程と、前記発電セル（１２）を複数積層した状態で積層方向に締付荷重を付与することにより、前記シール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）及び前記ゴムシール部材（５６、７２）を前記積層方向に変形させる締付工程と、を備え、前記準備工程で準備される前記発電セル（１２）を形成する前記ゴムシール部材（５６、７２）の前記積層方向に沿った厚さ（ｄ１、ｄ３）は、前記締付工程の際に、前記ゴムシール部材（５６、７２）の前記積層方向に沿った変形量（Δｘ１、Δｘ２）が前記シール用ビード部（５４、５４ａ、７０、７０ａ）の前記積層方向に沿った変形量（Δｙ１、Δｙ２）よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタック（１０）の製造方法を開示している。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２８…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
４２…カソード電極 ４４…アノード電極
４６…樹脂フィルム（枠部） ５２、９０…第１シールライン
５４、５４ａ…第１シール用ビード部 ５６、５６ａ…第１ゴムシール部材
６２、６２ａ、７８、７８ａ…頂部 ６８、９２…第２シールライン
７０、７０ａ…第２シール用ビード部 ７２…第２ゴムシール部材

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、
   前記積層体には、前記積層体の積層方向に締付荷重が付与され、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間から外部への流体の漏れを防止するためのシールラインが設けられた燃料電池スタックであって、
   前記シールラインは、
   前記金属セパレータのうち前記電解質膜・電極構造体が位置する側の面から突出したシール用ビード部と、
   前記シール用ビード部の頂部と前記電解質膜の外周部又は前記電解質膜の外周に沿って設けられた枠部との間に介装されたゴムシール部材と、を有し、
   前記シール用ビード部の前記頂部は、前記積層体に前記締付荷重が付与される前の状態で、前記電解質膜・電極構造体に向かって凸状となる湾曲面であり、前記積層体に前記締付荷重が付与された際に、前記電解質膜・電極構造体とは反対側に押圧されて変形し、
   前記シール用ビード部の前記頂部は、前記積層体に前記締付荷重を付与した状態で、前記ゴムシール部材とは反対側に凹状に曲がっていて、
   前記ゴムシール部材は、前記積層体に前記締付荷重が付与された際に、前記積層方向に圧縮変形し、
   前記積層体に前記締付荷重が付与される前における前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った厚さは、前記積層体に前記締付荷重が付与された際に、前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った変形量が前記シール用ビード部の前記積層方向に沿った変形量よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記シール用ビード部の前記頂部は、前記積層体に前記締付荷重を付与した状態で、平坦状に形成されている、燃料電池スタック。
3. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間から外部への流体の漏れを防止するためのシールラインが設けられた燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記シールラインは、
   前記金属セパレータのうち前記電解質膜・電極構造体が位置する側の面から突出したシール用ビード部と、
   前記シール用ビード部の頂部と前記電解質膜の外周部又は前記電解質膜の外周に沿って設けられた枠部との間に介装されたゴムシール部材と、を有し、
   前記発電セルを複数準備する準備工程と、
   前記発電セルを複数積層した状態で積層方向に締付荷重を付与することにより、前記シール用ビード部及び前記ゴムシール部材を前記積層方向に変形させる締付工程と、を備え、
   前記シール用ビード部の前記頂部は、前記積層体に前記締付荷重が付与される前の状態で、前記電解質膜・電極構造体に向かって凸状となる湾曲面であり、
   前記締付工程では、前記シール用ビード部の前記頂部が前記電解質膜・電極構造体とは反対側に押圧されて変形するとともに前記ゴムシール部材が前記積層方向に圧縮変形し、
   前記締付工程では、前記シール用ビード部の前記頂部が前記ゴムシール部材とは反対側に凹状に曲がり、
   前記準備工程で準備される前記発電セルを形成する前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った厚さは、前記締付工程の際に、前記ゴムシール部材の前記積層方向に沿った変形量が前記シール用ビード部の前記積層方向に沿った変形量よりも大きくなるような厚さに設定されている、燃料電池スタックの製造方法。

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