特開 2022-99252 空冷式燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022099252

(43)【公開日】2022-07-04

(54)【発明の名称】空冷式燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/028 20160101AFI20220627BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20220627BHJP

【ＦＩ】

H01M8/028

H01M8/0276

【審査請求】有

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021178895

(22)【出願日】2021-11-01

(31)【優先権主張番号】109145454

(32)【優先日】2020-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】390023582

【氏名又は名称】財團法人工業技術研究院

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１９５，Ｓｅｃ．４，ＣｈｕｎｇＨｓｉｎｇＲｄ．，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ ３１０４０

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100134577

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】張 嵩駿

(72)【発明者】

【氏名】▲ライ▼ 建銘

(72)【発明者】

【氏名】▲フアン▼ 秋萍

(72)【発明者】

【氏名】陳 耿陽

(72)【発明者】

【氏名】蔡 麗端

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA13

5H126BB06

5H126EE21

5H126EE22

5H126EE23

5H126JJ00

5H126JJ03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】発電の一貫性を達成するとともに、バッテリーセルの気密性を改善するようにした空冷式燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】アノード側の構造体１１２の周囲に配置されているとともに、アノードバイポーラプレート１０４及びイオン導電性の膜１１６により挟まれているアノードシール部材１１０と、カソード側の構造体１１４の周囲に配置されているとともに、カソードバイポーラプレート１０６及びイオン導電性の膜により挟まれているカソードシール部材１１０’とを具えているようにした空冷式燃料電池スタック１００において、アノードシール部材は第１のシール材１１８と、第２のシール材１２０とを有しており、第１のシール材のショア硬さが第２のシール材のショア硬さと異なっており、第１のシール材及び第２のシール材の配置方向を圧縮方向に対し垂直とした構造を持つ。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池を有する空冷式燃料電池スタックであって、前記燃料電池の各々が、
アノードバイポーラプレートと、
カソードバイポーラプレートと、
前記アノードバイポーラプレート及び前記カソードバイポーラプレート間に位置する膜電極接合体であって、該膜電極接合体は、アノード側の構造体と、カソード側の構造体と、イオン導電性の膜とを含み、該イオン導電性の膜は前記アノード側の構造体及び前記カソード側の構造体間に挟まれているようにした膜電極接合体と、
前記アノード側の構造体の周囲に配置されているとともに、前記アノードバイポーラプレート及び前記イオン導電性の膜により挟まれているアノードシール部材と、
前記カソード側の構造体の周囲に配置されているとともに、前記カソードバイポーラプレート及び前記イオン導電性の膜により挟まれているカソードシール部材と
を具えているようにした空冷式燃料電池スタックにおいて、
前記アノードシール部材が、第１のシール材と、第２のシール材とを含み、前記第１のシール材のショア硬さが前記第２のシール材のショア硬さと異なっており、前記第１のシール材及び前記第２のシール材の配置方向を、前記複数の燃料電池の圧縮方向に対し垂直とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項2】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第１のシール材が前記第２のシール材及び前記アノード側の構造体間に介在されているようにした空冷式燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第２のシール材が前記第１のシール材及び前記アノード側の構造体間に介在されているようにした空冷式燃料電池スタック。

【請求項4】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第１のシール材の前記ショア硬さをＡ７０以下とし、前記第２のシール材の前記ショア硬さをＡ９０以上とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項5】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第１のシール材のヤング率を０．２ＧPa以下とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項6】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第２のシール材と前記アノードバイポーラプレートとを同じ材料から形成した空冷式燃料電池スタック。

【請求項7】

請求項６に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第２のシール材と前記アノードバイポーラプレートとを一体構造とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項8】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第１のシール材の幅対前記第２のシール材の高さの比を２０％以上とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項9】

請求項１に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、
前記カソードシール部材が、第３のシール材と、第４のシール材とを含み、前記第３のシール材のショア硬さが前記第４のシール材のショア硬さと異なっており、前記第３のシール材及び前記第４のシール材の配置方向を、前記複数の燃料電池の圧縮方向に対し垂直とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項10】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第３のシール材が前記第４のシール材及び前記カソード側の構造体間に介在されているようにした空冷式燃料電池スタック。

【請求項11】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第４のシール材が前記第３のシール材及び前記カソード側の構造体間に介在されているようにした空冷式燃料電池スタック。

【請求項12】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第３のシール材の前記ショア硬さをＡ７０以下とし、前記第４のシール材の前記ショア硬さをＡ９０以上とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項13】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第３のシール材のヤング率を０．２ＧPa以下とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項14】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第４のシール材と前記カソードバイポーラプレートとを同じ材料から形成した空冷式燃料電池スタック。

【請求項15】

請求項１４に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第４のシール材と前記カソードバイポーラプレートとを一体構造とした空冷式燃料電池スタック。

【請求項16】

請求項９に記載の空冷式燃料電池スタックにおいて、前記第３のシール材の幅対前記第４のシール材の高さの比を２０％以上とした空冷式燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空冷式燃料電池スタックに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の空冷式燃料電池スタックは複数の燃料電池により構成されており、これらの燃料電池の各々のバイポーラプレートには、反応チャネルと放熱チャネルとの双方が設けられている。アノード燃料とカソード燃料との相互連結や、燃料の漏洩のような問題を回避するために、通常、弾性シール材を用いて燃料電池の反応領域の外縁部を封止している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、圧縮接合処理（アセンブリ）に際しては、圧力／捻転の非一貫性又は（電極プレートの縁部における隅部を消失するような）構造上の欠陥により、電極の厚さ／圧縮量に変化を生ぜしめるおそれがある。燃料電池の各々の電極の厚さ／圧縮量が異なると、燃料電池の各々の圧縮量における非一貫性の問題が生じ、従って、発電（電力発生）性能に影響を及ぼすことになる。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の空冷式燃料電池スタックには複数の燃料電池を設ける。これらの燃料電池の各々には、アノードバイポーラプレートと、カソードバイポーラプレートと、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノードシール部材と、カソードシール部材とを設ける。膜電極接合体は、アノードバイポーラプレートとカソードバイポーラプレートとの間に位置させており、この場合この膜電極接合体はアノード側の構造体と、カソード側の構造体と、イオン導電性の膜とを有するようにし、このイオン導電性の膜はアノード側の構造体とカソード側の構造体との間に挟まれているようにする。アノードシール部材はアノード側の構造体の周囲に配置するとともに、アノードバイポーラプレートとイオン導電性の膜とにより挟まれているようにする。このアノードシール部材は、第１のシール材と第２のシール材とを有し、第１のシール材のショア硬さは第２のシール材のショア硬さと相違させ、第１のシール材と第２のシール材との配置方向は、複数の燃料電池の圧縮方向に対して垂直となるようにする。

【発明の効果】

【0005】

上記に基づくに、本発明の空冷式燃料電池スタックは、バッテリーセルの各々を厚さ方向に圧縮する量を固定する気密部材を以って設計して、発電の一貫性を達成するようにするとともに、バッテリーセルの気密性を改善するようにもし、従って、利用率及び安全性の問題を低減させる燃料の漏洩を回避させるものである。

【0006】

添付図面を有する幾つかの代表的な実施形態を以下で詳細に説明して本発明を更に詳細に説明する。

【0007】

これら添付図面は本発明を更に理解するために含めるものであり、本明細書の一部に組み込んで本明細書の一部を構成するようにする。これらの図面は代表的な実施形態を示すものであり、本発明の説明と相俟って本発明の原理を説明する作用をするものである。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図2】図２は、本発明の第２実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図3A】図３Ａは、本発明の第３実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図3B】図３Ｂは、接合処理後の図３Ａの空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図4】図４は、本発明の第４実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図5】図５は、本発明の第５実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図6】図６は、本発明の第６実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【図7】図７は、本発明の第７実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下では、図面を参照して本発明の代表的な実施形態を包括的に説明するが、本発明は種々の異なる形態で実施することもできるものであり、明細書の実施形態に限定されるものとして解釈すべきものではない。図面において、明瞭の為には、各々の領域、部分及び層の大きさ及び厚さを実際のスケール（比率）に示す必要があるものではない。

【0010】

本発明は、発電の一貫性を達成しうるとともに、燃料の漏洩により生ぜしめられる利用率及び安全性の低減のような問題を回避しうる空冷式燃料電池スタックを提供するものである。

【0011】

図１は、本発明の第１実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。

【0012】

図１を参照するに、第１実施形態の空冷式燃料電池スタック１００は複数の燃料電池（“セル”とも称する）１０２を有しており、これら複数の燃料電池１０２が直列又は並列で電気的且つ構造的に結合されている。これら燃料電池１０２の各々は、アノードバイポーラプレート１０４と、カソードバイポーラプレート１０６と、膜電極接合体１０８と、アノードシール部材１１０と、カソードシール部材１１０’とを有している。膜電極接合体１０８はアノードバイポーラプレート１０４とカソードバイポーラプレート１０６との間に位置しており、この場合膜電極接合体１０８はアノード側の構造体１１２と、カソード側の構造体１１４と、イオン導電性の膜１１６とを有している。イオン導電性の膜１１６はアノード側の構造体１１２とカソード側の構造体１１４との間に挟まれている。この実施形態では、アノードバイポーラプレート１０４の平面積とカソードバイポーラプレート１０６の平面積との双方を、イオン導電性の膜１１６の平面積とほぼ同じとし、アノード側の構造体１１２の平面積とカソード側の構造体１１４の平面積との双方を、イオン導電性の膜１１６の平面積よりも小さくする。従って、アノードシール部材１１０をアノード側の構造体１１２の周囲に配置するとともに、アノードバイポーラプレート１０４とイオン導電性の膜１１６とにより挟まれるようにする。具体的には、アノードシール部材１１０をアノード側の構造体１１２の周囲に配置し、アノード側の構造体１１２とアノードシール部材１１０との合計の平面積が、アノードバイポーラプレート１０４の平面積と、カソードバイポーラプレート１０６の平面積と、イオン導電性の膜１１６の平面積とそれぞれ同じとなるようにする。特に、アノードシール部材１１０は第１のシール材１１８と第２のシール材１２０とを有している。これら第１のシール材１１８と第２のシール材１２０とは実質的に弾性率が異なる材料とする。例えば、第１のシール材１１８のショア硬さは第２のシール材１２０のショア硬さと相違させ、第１のシール材１１８と第２のシール材１２０との配置方向は、燃料電池１０２の圧縮方向に対して垂直とする。図１は断面図である為、アノードシール部材１１０はアノード側の構造体１１２の両側に示されている。しかし、空冷式燃料電池スタック１００は一般的に方形のシート状接合構造体であり、従って、アノードシール部材１１０が実際にアノード側の構造体１１２の全周囲に沿ってこのアノード側の構造体１１２を封止していることを理解すべきである。

【0013】

引き続き図１を参照する。この実施形態における第２のシール材１２０を第１のシール材１１８とアノード側の構造体１１２との間に介在させる、すなわち、第１のシール材１１８により第２のシール材１２０の周囲を覆い、この第２のシール材１２０が内側に位置するようにする。第１のシール材１１８のショア硬さは、例えばＡ７０以下とする。一実施形態では、第１のシール材１１８が０．２ＧPa以下のヤング率を有するようにしうる。従って、空冷式燃料電池スタック１００の接合処理に際しては、燃料電池１０２（バッテリーセル）の各々の気密性を保ち、利用率及び安全性の問題を低減させる燃料の漏洩を回避させるようにすることができる。第２のシール材１２０のショア硬さは、例えばＡ９０以下とし、従って、その厚さが接合処理の前後で変化しないようにするとともに、燃料電池１０２（バッテリーセル）の各々の厚さ方向の圧縮量を固定して、燃料電池１０２の各々の発電の一貫性を達成するようにすることができる。第１のシール材１１８の材料の例はゴム又はシリコーンとすることができるが、これらに限定されるものではなく、第２のシール材１２０の材料の例は金属、又はプラスチック、又はセラミックとすることができるが、これらに限定されるものではない。更に、気密性の視点からするに、第１のシール材１１８の幅ｗ対第２のシール材１２０の高さｈ（すなわち、第１のシール材１１８を圧縮した後に期待される高さ）の比は約２０％以上とし、第１実施形態では、第１のシール材１１８の幅ｗ対第２のシール材１２０の高さｈの比は３０％以上とする。

【0014】

空冷式燃料電池スタック１００には、直接空冷又は間接空冷を採用しうる。一実施形態では、空冷式燃料電池スタック１００が発電反応に対して直接空冷を採用する場合、アノード側の密閉性がこの時点での燃料電池１０２の性能に直接影響を及ぼす為、本発明のアノードシール部材１１０を用いて燃料の漏洩を阻止するようにしうる。カソード側を開放設計（オープンデザイン）とすることにより密閉性に対する特別な条件は存在せず、従って、カソード側に弾性シール部材を設ける必要があるか否かに関して制限がない。しかし、他の実施形態では、空冷式燃料電池スタック１００が発電反応に対して間接空冷を採用する場合、カソード側の密閉性に対して条件があり、同様なシール部材を用いて気密効果を達成するようにもすることができる。詳細については以下の説明を参照されたい。

【0015】

図１を参照するに、燃料電池１０２の各々には更にカソードシール部材１１０’を設けることができる。このカソードシール部材１１０’はカソード側の構造体１１４の周囲に配置するとともに、カソードバイポーラプレート１０６とイオン導電性の膜１１６とにより挟まれるようにする。具体的には、カソードシール部材１１０’をカソード側の構造体１１４の周囲に配置し、カソード側の構造体１１４とカソードシール部材１１０’との合計の平面積が、アノードバイポーラプレート１０４の平面積と、カソードバイポーラプレート１０６の平面積と、イオン導電性の膜１１６の平面積とそれぞれ同じとなるようにする。特に、カソードシール部材１１０’は第３のシール材１１８’と第４のシール材１２０’とを有している。これら第３のシール材１１８’と第４のシール材１２０’とは実質的に弾性率が異なる材料とする。例えば、第３のシール材１１８’のショア硬さは第４のシール材１２０’のショア硬さと相違させ、第３のシール材１１８’と第４のシール材１２０’との配置方向は、燃料電池１０２の圧縮方向に対して垂直とする。図１は断面図である為、カソードシール部材１１０’はカソード側の構造体１１４の両側に示されている。しかし、空冷式燃料電池スタック１００は一般的に方形のシート状接合構造体であり、従って、カソードシール部材１１０’が実際にカソード側の構造体１１４の全周囲に沿ってこのカソード側の構造体１１４を封止していることを理解すべきである。

【0016】

この実施形態における第４のシール材１２０’は第３のシール材１１８’とカソード側の構造体１１４との間に介在されており、すなわち、第３のシール材１１８’が第４のシール材１２０’の周囲を覆っており、この第４のシール材１２０’が内側に位置するものである。特に、第３のシール材１１８’としてはアノードシール部材１１０の第１のシール材１１８と同じ特性を有する材料を採用することができ、第４のシール材１２０’としてはアノードシール部材１１０の第２のシール材１２０と同じ特性を有する材料を採用することができ、これらの特性及び材料の種類は上述した通りであり、ここで反復しない。

【0017】

この第１実施形態の膜電極接合体１０８においては、アノード側の構造体１１２にアノード電極層１２２及びアノードガス拡散層１２４を設けることができ、このアノードガス拡散層１２４はアノードバイポーラプレート１０４と接触させる。カソード側構造体１１４にはカソード電極層１２６及びカソードガス拡散層１２８を設けることができ、このカソードガス拡散層１２８はカソードバイポーラプレート１０６と接触させる。一実施形態では、アノード電極層１２２及びカソード電極層１２６はそれぞれ、ナノ粒子触媒と、イオン導電性重合体と、高表面積の活性炭担体とにより形成する。ナノ粒子触媒は活性炭担体の表面上に分布させるとともにある種の構造でイオン導電性重合体に接続させて反応構造を形成するようにする。アノードガス拡散層１２４及びカソードガス拡散層１２８はそれぞれ、多孔質材料により、通常は高導電性の炭素繊維と樹脂バインダとより成る機械的強度のある多孔質三次元構造体により形成し、ガス／液体燃料及び生成物が発電中に膜電極接合体１０８に対し出入りするようにするとともに、ある程度の導電性を保つように、すなわち三相反応物／生成物の円滑な物質移動を達成するようにする。炭素紙／炭素布／炭素フェルトのような炭素系材料以外に、発泡金属又は金属網のような他の導電性多孔質材料によりアノードガス拡散層１２４及びカソードガス拡散層１２８を形成することもできる。更に、空冷式燃料電池スタック１００はガスにより冷却される為、カソードバイポーラプレート１０６は一般に、互いに相補的な形とした反応チャネル１０６ａ及び放熱チャネル１０６ｂを有するようにする。反応チャネル１０６ａは反応ガスを通すことができ、放熱チャネル１０６ｂは燃料電池１０２（バッテリーセル）の各々により発生された熱を除去するための流動ガスを有する。アノードバイポーラプレート１０４とカソードバイポーラプレート１０６とは、単一材料又は複合材料としうる導電材料により形成する。反応チャネル１０６ａ及び放熱チャネル１０６ｂの設計は、スネーク形状、直線形状、分割（パーティション）形状、格子形状のような種々の形状とする。更に、接合処理した空冷式燃料電池スタック１００は、結合体の全体をより一層安定にするエンドプレート（端板）を採用することができる。

【0018】

図２は、本発明の第２実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。第１実施形態におけるのと同じ参照符号は第１実施形態におけるのと同じ又は類似の部材を表すのに用いており、これらの同じ又は類似の部材の内容は第１実施形態の関連する説明において与えたものと同様であり、ここで反復しない。

【0019】

図２を参照するに、この第２実施形態の空冷式燃料電池スタックの構造は図１のものに類似する為に、ただ１つの燃料電池２００（すなわち、バッテリーセル）のみを示している。この実施形態の燃料電池２００においては、アノードシール部材１１０の第１のシール材１１８を第２のシール材１２０とアノード側の構造体１１２との間に介在させる。すなわち、第２のシール材１２０は第１のシール材１１８の周囲を覆っており、この第１のシール材１１８が内側に位置するものである。カソードシール部材１１０’の第３のシール材１１８’は第４のシール材１２０’とカソード側の構造体１１４との間に介在させる。すなわち、第４のシール材１２０’が第３のシール材１１８’の周囲を覆っており、第３のシール材１１８’が内側に位置するものである。アノードシール部材１１０とカソードシール部材１１０’との配置によりバッテリーセルの各々の気密性をも保つことができるとともに、バッテリーセルの各々の厚さ方向の圧縮量を固定して、燃料電池１０２の各々の発電の一貫性を達成するようにすることができる。

【0020】

図２の実施形態では、互いに同様な特性を有する第１のシール材１１８及び第３のシール材１１８’は双方とも内側に位置するものであり、互いに同様な特性を有する第２のシール材１２０及び第４のシール材１２０’は双方とも周囲を覆うものである。しかし、他の実施形態では、異なる配置順序を採用することもできる。例えば、第１のシール材１１８及び第４のシール材１２０’の双方を内側に位置させ、それぞれアノード側の構造体１１２及びカソード側の構造体１１４と接触させる。又、第２のシール材１２０及び第３のシール材１１８’を周囲に位置させ、それぞれが第１のシール材１１８及び第４のシール材１２０’を覆うようにし、しかもバッテリーセルの各々の気密性をも維持しうるようにするが、本発明は上述した例に限定されるものではない。

【0021】

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第３実施形態による接合処理前及び後の空冷式燃料電池スタックをそれぞれ示す断面図である。第１実施形態におけるのと同じ参照符号を用いて第１実施形態におけるのと同じ又は類似の部材を表しており、これらの同じ又は類似の部材の内容は第１実施形態の関連する説明において与えたものと同様であり、ここで反復しない。

【0022】

最初に図３Ａを参照するに、第３実施形態の空冷式燃料電池スタックは図１のものに類似する為、ただ１つの燃料電池３００（すなわち、バッテリーセル）のみを示している。燃料電池３００のアノードバイポーラプレート３０２がそのエッジに欠陥３０２ａを有するバイポーラプレートであり、第１のシール材３０４及び第２のシール材３０６より成るアノードシール部材３０８が用いられているものと仮定する。第１のシール材３０４及び第２のシール材３０６の配置方向は燃料電池３００の圧縮方向に対して垂直であり、第１のシール材３０４の配置位置は欠陥３０２ａに対応して接触している。第１のシール材３０４のショア硬さは、例えば、Ａ７０以下にするか、又は他の実施形態では第１のシール材３０４が０．２ＧPa以下のヤング率を有するようにする。第２のシール材３０６のショア硬さは、例えば、Ａ９０以上とする。接合処理前の第１のシール材３０４の高さは第２のシール材３０６の高さｈよりも高くすることができ、この第２のシール材３０６の高さｈは、燃料電池３００を圧縮処理した後のアノード側の構造体１１２の厚さのような予め決定した高さとしている。一実施形態では、第３のシール材３０４’と第４のシール材３０６’とより成るカソードシール部材３０８’を用いる。第３のシール材３０４’及び第４のシール材３０６’の配置方向は燃料電池３００の圧縮方向に対して垂直である。第３のシール材３０４’としては第１のシール材３０４と同じ特性を有する材料を採用しており、第４のシール材３０６’としては第２のシール材３０６と同じ特性を有する材料を採用している。接合処理後の第３のシール材３０４’の高さは第４のシール材３０６’の高さｈ’よりも高くすることができ、この第４のシール材３０６’の高さｈ’は、燃料電池３００を圧縮処理した後のカソード側の構造体１１４の厚さのような予め決定した高さとしている。

【0023】

次に図３Ｂを参照するに、接合処理した第１のシール材３０４がアノードバイポーラプレート３０２の欠陥３０２ａの位置に対しギャップを満たして、燃料電池３００のアノード側の気密性を確保するとともに、利用率及び安全性の問題を低減させる燃料の漏洩を回避させるものである。第２のシール材３０６は、燃料電池３００を圧縮処理した後のアノード側の構造体１１２の厚さを固定することができる。同時に、この実施形態では、第３のシール材３０４’を第４のシール部材３０６’と同じ高さを有するように圧縮させて、燃料電池３００のカソード側の気密性を確保するようにすることができる。特に、反応チャネル１０６ａ及び放熱チャネル１０６ｂを有するカソードバイポーラプレート１０６を圧縮且つ接合処理した後に、容易に圧縮する一般的なシール材を用いる場合には、異なる部分（例えば、部分３１０ａ及び３１０ｂ）に異なる力が加わる為、異なる位置における膜電極接合体１０８の圧縮量が固定されず、その結果発電性能が低くなるおそれがある。この時点で、硬度がより大きく且つ変形性がより小さい第４のシール材３０６’をカソードバイポーラプレート１０６と直接接触させる。従って、圧縮及び接合処理後の燃料電池３００の膜電極接合体１０８の厚さは、第２のシール材３０６の厚さｈと第４のシール材３０６’の厚さｈ’との合計（すなわち、ｈ＋ｈ’）にカソードバイポーラプレート１０６の厚さを加えた値に等しくなる。その結果、単一の燃料電池３００は圧縮処理後に同じ厚さを有し、燃料電池３００の各々の発電が一貫性となるようにしうる。

【0024】

図４は、本発明の第４実施形態による空冷式燃料電池スタックを示す断面図である。第２実施形態におけるのと同じ参照符号は第２実施形態におけるのと同じ又は類似の部材を表すのに用いており、これらの同じ又は類似の部材の内容は第２実施形態の関連する説明において与えたものと同様であり、ここで反復しない。

【0025】

図４を参照するに、この図４は１つの個々の燃料電池４００（すなわち、バッテリーセル）を示している為、この第４実施形態の空冷式燃料電池は図１に類似しており、複数の燃料電池４００より成っている。燃料電池４００においては、アノードバイポーラプレート４０２の材料と第２のシール材４０２ａの材料とは同じ（例えば、金属）にすることに注意すべきである。この実施形態では、第２のシール材４０２ａとアノードバイポーラプレート４０２とは一体構造にすることができる。すなわち、第２のシール材４０２ａをアノードバイポーラプレート４０２の延長構造に相当するようにする。アノードシール部材４０６における第１のシール材４０４は、第２のシール材４０２ａとアノード側の構造体１１２との間に介在されていることに注意すべきである。

【0026】

しかし、本発明は上述したことに限定されるものではない。第２のシール材４０２ａとアノードバイポーラプレート４０２とが一体構造であり且つ同じ材料で形成されている場合には、第１のシール材４０４と第２のシール材４０２ａとで位置を交換することができる。更に図５を参照する。この第５実施形態の燃料電池５００は図４の燃料電池４００に類似する。燃料電池５００では、アノードシール部材５０６における第１のシール材４０４が外側に配置されており、アノードバイポーラプレート４０２と一体に且つ同じ材料で構成されている第２のシール材４０２ａは、第１のシール材４０４とアノード側の電極１１２との間に介在されていることに注意すべきである。

【0027】

図６を参照するに、カソードシール部材６０２ａの材料はカソードバイポーラプレート６０２の材料と同じにすることもできる。一実施形態では、第４のシール材６０２ａとカソードバイポーラプレート６０２とを一体構造とすることができる。カソードシール部材６０６における第３のシール材６０４は、第４のシール材６０２ａとカソード側の電極１１４との間に介在されている。

【0028】

更に、第４のシール材６０２ａとカソードバイポーラプレート６０２とが一体構造であり且つ同じ材料で形成されている場合には、第３のシール材６０４と第４のシール材６０２ａとで位置を交換することができる。更に図７を参照する。この第７実施形態の燃料電池７００は図６の燃料電池６００に類似している。燃料電池７００においては、カソードシール部材７０６における第３のシール材６０４が外側に配置されており、カソードバイポーラプレート６０２と一体に且つ同じ材料で構成されている第４のシール材６０２ａは第３のシール材６０４とカソード側の電極１１４との間に介在されていることに注意すべきである。

【0029】

本発明の有効性を確認するために以下に幾つかの実験例を記載する。しかし、本発明は以下の内容に限定されるものではない。
〈実験例〉

【0030】

図１に示す１０個の燃料電池１０２（バッテリーセル）より成る空冷式燃料電池１００は接合処理されており、この場合、アノードシール部材１１０における第１のシール材１１８のショア硬さはＡ３０とし、そのヤング率は０．１ＧPaとし、第２のシール材１２０の平均ショア硬さはＡ９０とした。この実験例は直接空冷式燃料電池とした為、陰極側を開放チャネルとし、気密問題を存在させなかった。従って、カソード側に対して、ショア硬さをＡ９０として圧縮するのを困難とした材料を用いて、カソード側の構造体１１４の厚さを保つようにすることができる。１０個の燃料電池より成るスタックでは、これらの燃料電池の各々の活性化領域を約４５cm²とし、圧縮後のアノードシール部材の厚さを約５００マイクロメートルとした。完全に活性化した後、水素ガスをアノード内に導入し且つ空気をカソード内に導入して、アノードにおける空気の漏出量を測定し、且つ６．５Ｖの一定電圧で１２０分の間放電を実行して、その放電中の電流値を測定した。その結果を以下の表１に示してある。
〈比較例１〉

【0031】

実験例と同じ空冷式燃料電池スタックを接合処理したが、比較例１においては実験例におけるアノードシール部材を第２のシール材に変更した。次に、このスタックを実験例におけるのと同様に検査し、その結果を以下の表１に示した。
〈比較例２〉

【0032】

実験例と同じ空冷式燃料電池スタックを接合処理したが、比較例２においては実験例におけるアノードシール部材を第１のシール材に変更した。次に、このスタックを実験例におけるのと同様に検査し、その結果を以下の表１に示した。
〈比較例３〉

【0033】

実験例と同じ空冷式燃料電池スタックを接合処理しており、且つ第１のシール材と第２のシール材との配置方向を実験例とは異ならせたことを除いて、アノードシール部材に対して全て実験例と同じ材料を採用した。この比較例３においては、第１のシール材と第２のシール材との配置方向を燃料電池の圧縮方向に対し平行とした。このことは、第１のシール材と第２のシール材とが互いに積み重ねられており、且つ同時にアノード側の構造体の周囲を被覆していることを意味している。特に、第１のシール材の厚さを５０マイクロメートルとした。次に、このスタックを実験例におけるのと同様に検査し、その結果を以下の表１に示した。

【表1】

【0034】

上記の表１から分かるように、実験例の気密性は最高であり、その出力電流値も高かった。比較例１では、スタックが良好な出力電流を有しているとともに、燃料電池の各々の一貫性のある発電効果達成しうるが、燃料漏洩問題が依然として存在した。比較例２では、気密効果を達成しうるが、燃料電池の各々の非一貫性の圧縮量が燃料電池の各々の非一貫性の発電をもたらし、従ってその結果としてスタックの出力電流を不安定とした。比較例３では、同じアノードシール部材を用いたが、第１のシール部材と第２のシール部材との配置方向を燃料電池の圧縮方向に対し平行とした為、気密性効果を達成しうるが、燃料電池の圧縮量が非一貫性となる問題を完全に解決することができず、燃料電池の各々の発電が非一貫性となる状態が依然として存在した。

【0035】

本発明では、上述したことに基づいて、特定の構造で設計したシール部材を、圧縮するのが容易な弾性シール材と圧縮するのが困難なシール材とにより形成する。これら２つのシール材は、膜電極接合体の周囲に圧縮方向に対し垂直に配置するとともに、アノードバイポーラプレートとカソードバイポーラプレートとの間に挟まれるようにする。圧縮するのが困難なシール材は、バッテリーセルの各々を厚さ方向に圧縮する量を固定して、発電の一貫性を達成するようにするのに重要である。圧縮するのが容易な弾性シール材は、バッテリーセルの各々の気密性を保って、利用率及び安全性の問題を低減させる燃料の漏洩を回避させるものである。

【0036】

上述したことに基づいて、本発明の空冷式燃料電池スタックを、気密部材を以って設計してバッテリーセルの各々の厚さ方向の圧縮量を固定し、発電の一貫性を達成するとともにバッテリーセルの気密性を改善し、従って、利用率及び安全性の問題を低減させる燃料の漏洩を回避させるようにする。

【0037】

当業者にとって明らかなように、本発明の範囲又は精神を逸脱することなく本発明の実施形態の構造に種々の変形及び変更を行うことができるものである。前述した点からして、本発明は、この本発明の変形及び変更が以下の特許請求の範囲及びこれらの同意義の範囲内に入ることを条件としてこれらの変形及び変更を含むことが意図されるものである。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明の空冷式燃料電池スタックは燃料電池電力システムに適用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１００：空冷式燃料電池スタック
１０２，２００，３００，４００，５００，６００，７００：燃料電池
１０４，３０２，４０２：アノードバイポーラプレート
１０６：カソードバイポーラプレート
１０６ａ：反応チャネル
１０６ｂ：放熱チャネル
１０８：膜電極接合体
１１０，３０８，４０６，５０６：アノードシール部材
１１０’，３０８’，６０６，７０６：カソードシール部材
１１２：アノード側の構造体
１１４：カソード側の構造体
１１６：イオン導電性の膜
１１８，３０４，４０４：第１のシール材
１１８’，３０４’，６０４：第３のシール材
１２０，３０６，４０２ａ：第２のシール材
１２０’，３０６’，６０２ａ：第４のシール材
１２２：アノード電極層
１２４：アノードガス拡散層
１２６：カソード電極層
１２８：カソードガス拡散層
３０２ａ：欠陥
３１０ａ，３１０ｂ：部分
ｗ：幅
ｈ，ｈ’：高さ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【外国語明細書】