JP2017117780A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの積層方向における厚さの過度の増大を防止する。【解決手段】単セルは、膜電極ガス拡散層接合体の外周を囲むように配置されたフレーム部材と、２つのセパレータと、を備える。フレーム部材は、２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、マニホールド開口部と面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の第１貫通孔と、を有する。２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、フレーム部材の第１貫通孔の短手方向に沿って第１貫通孔の中心を通るライン上の位置に、第１貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が長手方向に沿って測った第１貫通孔の幅よりも小さな凹部が形成され、凹部には、シール部材が配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

一般に、燃料電池は、複数の単セルが積層された燃料電池モジュールを有している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。セパレータの一方の面には、単セル内に反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、他方の面には単セル内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。また、セパレータの周縁部には、反応ガスの入口および出口として機能する反応ガスマニホールド孔と、冷却媒体流路の入口および出口として機能する冷却媒体マニホールド孔とが形成されている。また、複数の単セルが積層された際、各単セルのセパレータに、隣接する二つの単セルの間を密封するシール部材が配置されている。特許文献１では、単セルの間を密封するために、セパレータと一体化され、セパレータの外周端部を周回して配置されたシール部材が設けられた燃料電池モジュールが開示されている。

特開２０１４−６３７２７号公報

しかしながら、従来技術では、複数の単セルを積層して燃料電池モジュールを組み立てる際、各単セルのセパレータの外周端部に配置されたシール部材が積層方向において積み重なる。これにより、積層方向における燃料電池モジュールの厚さが過度に増大するという問題があった。

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。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池モジュールが提供される。この燃料電池モジュールは、複数枚の単セルが積層されることによって構成され、前記単セルの間に前記単セルの間を密封するシール部材が配置されている。前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周を囲むように配置されたフレーム部材と、積層方向に沿って前記膜電極ガス拡散層接合体と前記フレーム部材とを挟持する２つのセパレータとを備える。前記フレーム部材は、前記２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の第１貫通孔とを有する。前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、前記フレーム部材の前記第１貫通孔の短手方向に沿って前記第１貫通孔の中心を通るライン上の位置に、前記第１貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が前記長手方向に沿って測った前記第１貫通孔の幅よりも小さな凹部が形成され、前記凹部には、前記シール部材が配置されている。

この形態の燃料電池モジュールによれば、単セルの間を密封するためのシール部材はセパレータの凹部に配置されている。従って、積層方向における燃料電池モジュールの厚さが凹部の深さ分だけ減少し、積層方向における燃料電池モジュールの厚さの過度の増大を防止できる。また、凹部は、フレーム部材の第１貫通孔の中心を通るライン上に配置されているとともに、凹部の底面の幅は第１貫通孔の幅よりも小さく構成されている。従って、反応ガスは、凹部に隔てられることなく、第１貫通孔を介してセパレータの反応ガス流路と反応ガスマニホールド孔との間を流れることができる。

（２）上記形態の燃料電池モジュールにおいて、前記第１貫通孔は、平面視において、前記凹部の前記底面と重なる位置に設けられた中央孔部と、前記中央孔部よりも前記面内開口部に近い側の端部に設けられた内端孔部と、を有し、前記第１貫通孔の前記短手方向に沿って測った前記内端孔部の寸法が前記短手方向に沿って測った前記中央孔部の寸法よりも大きいものとしてもよい。上記形態の燃料電池モジュールによれば、第１貫通孔の短手方向に沿って測った内端孔部の寸法が短手方向に沿って測った中央孔部の寸法よりも大きいので、内端孔部における反応ガスの拡散効率を高めることができる。

（３）上記形態の燃料電池モジュールにおいて、前記２つのセパレータはそれぞれ、前記フレーム部材に接着剤によって接着されており、前記フレーム部材は、前記面内開口部と前記第１貫通孔との間の前記第１貫通孔の近傍に、第２貫通孔を有する。上記形態の燃料電池モジュールによれば、第２貫通孔がはみ出した接着剤を収容できるので、第１貫通孔においてはみ出した接着剤による反応ガス拡散阻害を改善することができる。

本発明は、上記形態の燃料電池モジュール以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記形態の燃料電池モジュールを備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 単セルのアノード側セパレータの概略平面図である。 単セルのフレーム部材の説明図である。 単セルの説明図である。 第２実施形態におけるフレーム部材の説明図である。 第２実施形態における単セルの説明図である。 第３実施形態におけるフレーム部材の説明図である。 第４実施形態におけるフレーム部材の説明図である。 第５実施形態におけるフレーム部材の説明図である。 第５実施形態における単セルの説明図である。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１００を備えている。燃料電池モジュール１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、単セル１４０の積層方向は、鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の表裏方向は水平方向Ｚである。

燃料電池モジュール１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池モジュール１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池モジュール１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池モジュール１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池モジュール１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池モジュール１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

さらに、燃料電池モジュール１００には、燃料電池モジュール１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池モジュール１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。

燃料電池モジュール１００に備えられる単セル１４０は、膜電極接合体３０と、２枚のガス拡散層２０と、フレーム部材３２と、一対のセパレータ、すなわちアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０と、を備える。膜電極接合体３０は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置されて構成されている。膜電極接合体３０の両側にそれぞれ、ガス拡散層２０が積層されている。膜電極接合体３０とガス拡散層２０とが、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）２１を構成する。ＭＥＧＡ２１の外周を囲むように、フレーム部材３２が配置されている。ＭＥＧＡ２１とフレーム部材３２は、積層方向Ｘに沿って、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０とによって挟持されている。アノード側セパレータ５０は、ＭＥＧＡ２１側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＧＡ２１と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。カソード側セパレータ４０は、ＭＥＧＡ２１側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。

図２（ａ）は、単セル１４０のアノード側セパレータ５０をＭＥＧＡ２１とは反対側から見た概略平面図であり、図２（ｂ）はＭＥＧＡ２１側から見た概略平面図である。図２において、表裏方向が積層方向Ｘであり、上下方向が鉛直方向Ｙである。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の左右方向は水平方向Ｚである。アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。第１実施形態では、セパレータ４０，５０はメタルプレスセパレータである。

アノード側セパレータ５０の水平方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。

燃料ガス入口マニホールド孔６２から供給された燃料ガスは、単セル１４０の燃料ガス流路溝５２（図２（ｂ））に分配された後、利用されなかった燃料ガスが燃料ガス出口マニホールド孔６４に集められ、燃料電池モジュール１００の外部に排出される。また、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２から供給された酸化剤ガスは、単セル１４０の酸化剤ガス流路溝４２（図１）に分配された後、利用されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス出口マニホールド孔７４に集められ、燃料電池モジュール１００の外部に排出される。さらに、冷却媒体入口マニホールド孔８２から供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ５０のディンプル５６が設けられた一端を介して拡散され、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体流路溝５４からディンプル５６が設けられた他端を介して、冷却媒体出口マニホールド孔８４によって集められ、燃料電池モジュール１００の外部に排出される。また、複数の単セル１４０が積層された状態では、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド孔８４とが互いに連通して、冷却媒体流路面２００を構成する。なお、各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４は開口が略矩形状である。

図２（ａ）において、各反応ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４および冷却媒体流路面２００をそれぞれ囲むシール部材８０が一体成形されて、アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ２１とは反対側の面に配置されている。図示の便宜上、シール部材８０はハッチングされている。シール部材８０は、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０の表面に当接し、２つの単セル１４０の間を密封する機能を有する。具体的には、シール部材８０において、マニホールド孔６２，６４をそれぞれ囲む部分が燃料ガスの漏洩を抑制するためのものであり、マニホールド孔７２，７４をそれぞれ囲む部分が酸化剤ガスの漏洩を抑制するためのものであり、冷却媒体流路面２００を囲む部分が冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。シール部材８０は、射出成形やプレス成形等により形成されるもので、シール部材８０の材料としては、ゴムや熱可塑性エラストマー等を用いることができる。また、シール部材８０は、接着剤によってセパレータに貼り合わされることによって固定される。なお、アノード側セパレータ５０において、シール部材８０が配置される領域に凹部８５が形成されている。

図２（ｂ）において、凹部８５の底面がアノード側セパレータ５０の平面より突起しており、その突起の高さは凹部８５の深さに相当する。この面にＭＥＧＡ２１が積層された状態では、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、燃料ガス流路溝５２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４とが互いに連通して、燃料ガス流路面２１０を構成する。シール部材８６，８７は、燃料ガスが冷却媒体用マニホールド孔８４，８２に漏洩するのを防ぐために設けられたものである。図示の便宜上、シール部材８６，８７はハッチングされている。

図３（ａ）は、フレーム部材３２を作成する際に使用されるフィルム状部材の斜視図である。図３（ｂ）は、アノード側セパレータ５０側から見たフレーム部材３２の概略平面図である。フレーム部材３２は、図３（ａ）に示したように、熱可塑接着可能なフィルム状の部材に打ち抜き加工を施すことによって形成される。フレーム部材３２は、アノード側セパレータ５０の各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４にそれぞれ連通するマニホールド開口部６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａと、ＭＥＧＡ２１が配置される面内開口部３１を有する。また、マニホールド開口部６２ａと面内開口部３１との間には、スリット状の第１貫通孔８８ａが形成されており、同様に、マニホールド開口部６４ａと面内開口部３１との間には、スリット状の第１貫通孔８８ｂが、マニホールド開口部７２ａと面内開口部３１との間には、スリット状の第１貫通孔８８ｃが、マニホールド開口部７４ａと面内開口部３１との間には、スリット状の第１貫通孔８８ｄがそれぞれ形成されている。第１貫通孔８８ａ，８８ｂは、燃料ガス用のマニホールド孔６２，６４（図２（ｂ））と燃料ガス流路面２１０との間の燃料ガス流路の一部を構成する。なお、各第１貫通孔８８ａ〜８８ｄは、図３（ｂ）に示したようにそれぞれ複数の孔を設けてもよいし、１つの孔のみを設けてもよい。本明細書において、「スリット状」とは、長手方向と短手方向とを有する細長い形状を意味する。図３（ｂ）の例では、各第１貫通孔８８ａ〜８８ｄの長手方向は、セパレータ４０，５０（図２）及びフレーム部材３２の長手方向（水平方向Ｚ）と平行である。

図４（ａ）は、アノード側セパレータ５０とフレーム部材３２付きのＭＥＧＡ２１とカソード側セパレータ４０とが積層された状態で、ＭＥＧＡ２１とは反対側から見たアノード側セパレータ５０の概略平面図である。図示の便宜上、フレーム部材３２の面内開口部３１と各第１貫通孔８８ａ〜８８ｄを破線で示した。また、破線の矢印は、アノード側セパレータ５０の裏側の燃料ガス流路面２１０を流れる燃料ガス流路を示している。アノード側セパレータ５０をフレーム部材３２に積層する際、アノード側セパレータ５０の凹部８５が、フレーム部材３２の第１貫通孔８８ａ，８８ｂそれぞれの中心を通るライン上に位置するように、例えば熱押圧によってフレーム部材３２にアノード側セパレータ５０を接着する。ここで、「第１貫通孔８８ａ，８８ｂの中心を通るライン」とは、スリット状の第１貫通孔８８ａ，８８ｂの短手方向に沿って第１貫通孔８８ａ，８８ｂの中心を通るラインを意味する。なお、カソード側セパレータ４０も同様に、熱押圧によってフレーム部材３２に接着される。なお、接着剤によってフレーム部材３２にセパレータ４０，５０を接着してもよい。

図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるフレーム部材３２の第１貫通孔８８ｂのＡ−Ａ断面を示す説明図である。アノード側セパレータ５０の凹部８５の底面の幅Ｗｂは、フレーム部材３２の第１貫通孔８８ｂの幅Ｗｈよりも小さく構成されている。ここで、凹部８５の底面の幅Ｗｂや第１貫通孔８８ｂの幅Ｗｈは、第１貫通孔８８ｂの長手方向に沿って測った寸法を意味する。また、アノード側セパレータ５０のうち、凹部８５の両側に隣接する凸部５０ａ，５０ｂはそれぞれ、フレーム部材３２との間に隙間Ｇａ，Ｇｂが形成されるように構成されており、これらの隙間を燃料ガスが流れる。燃料ガス流路面２１０（図４（ａ））から隙間Ｇａに流れてきた燃料ガス（図４（ｂ）矢印）は、第１貫通孔８８ｂの一端縁部と凹部８５の底面の一端縁部との間に形成された隙間Ｇ１を通って、第１貫通孔８８ｂに流れた後、第１貫通孔８８ｂの他端縁部と凹部８５の底面の他端縁部との間に形成された隙間Ｇ２を介して隙間Ｇｂに流れて、最終的に燃料ガス出口マニホールド孔６４に流れる。なお、凹部８５の底面の幅は、酸化剤ガス用の第１貫通孔８８ｃ，８８ｄの位置では、第１貫通孔８８ｃ，８８ｄの幅よりも大きく形成されている。こうすることにより、凹部８５の底面で第１貫通孔８８ｃ，８８ｄを塞ぐことができるので、酸化剤ガスが燃料ガス流路面２１０に流れ込むことを防止できる。また、第１貫通孔８８ａ〜８８ｄのうち、酸化剤ガス用の第１貫通孔８８ｃと８８ｄは、省略してもよい。

なお、本明細書において、セパレータの「凸部」とは、積層方向Ｘにおいて、フレーム部材付きのＭＥＧＡの表面から離れるように突出している部分を意味し、セパレータの「凹部」とは、凸部よりもフレーム部材付きのＭＥＧＡに近付いている部分を意味する。従って、通常は、凹部の周囲は凸部となっている。

以上のように、第１実施形態では、複数の単セル１４０を積層して燃料電池モジュール１００を組み立てる際、アノード側セパレータ５０の凹部８５に単セル１４０の間を密封するためのシール部材８０を配置する。従って、積層方向Ｘにおける燃料電池モジュール１００の厚さが凹部８５の深さ分だけ減少し、積層方向Ｘにおける燃料電池モジュール１００の厚さの過度の増大を防止できる。また、凹部８５は、フレーム部材３２の第１貫通孔８８ｂの短手方向に沿って第１貫通孔８８ｂの中心を通るライン上に配置されているとともに、第１貫通孔８８ｂの長手方向に沿って測った凹部８５の底面の幅が第１貫通孔８８ｂの幅よりも小さく構成されている。従って、燃料ガスは、凹部８５に隔てられることなく、第１貫通孔８８ｂを介して、アノード側セパレータ５０の燃料ガス流路面２１０と燃料ガス出口マニホールド孔６４との間を流れることができる。燃料ガス入口マニホールド孔６２に隣接して設けられた第１貫通孔８８ａについても同様である。

・第２実施形態：
図５（ａ）は、第２実施形態における単セル１４０のフレーム部材３２ａをアノード側セパレータ５０側から見た概略平面図であり、図３（ｂ）に対応した図である。図３（ｂ）に示す第１実施形態との主な違いは、スリット状の第１貫通孔８９ａ，８９ｂ，８９ｃ，８９ｄの端部の形状であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。なお、図示の便宜上、第１貫通孔８９ａ〜８９ｄは孔が２つずつ描かれているが、孔の数は任意である。但し、燃料ガスの拡散効率を考慮すると、スリット状の第１貫通孔８９ａ〜８９ｄの孔の数を２つ以上とすることが好ましい。

図５（ｂ）は、第１貫通孔８９ａを拡大した図である。第１貫通孔８９ａは、中央孔部３０２と、中央孔部３０２よりも面内開口部３１に近い側の端部に設けられた内端孔部３０１と、中央孔部３０２よりもマニホールド開口部６２ａに近い側の端部に設けられた外端孔部３０３とを有する。内端孔部３０１は、略円形の形状を有する。中央孔部３０２と外端孔部３０３は互いに連なり、矩形の形状を有する。第１貫通孔８９ａの短手方向に沿って測った内端孔部３０１の寸法Ｄ１は、中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きい。なお、内端孔部３０１の形状は略円形の代わりに、矩形等の他の形状とすることも可能である。他の第１貫通孔８９ｂ〜８９ｄも、第１貫通孔８９ａと同様な形状を有する。

図６（ａ）は、第２実施形態において、単セル１４０ａのＭＥＧＡ２１とは反対側から見たアノード側セパレータ５０ｘの概略平面図であり、図４（ａ）に対応した図である。図４（ａ）に示す第１実施形態との主な違いは、第１貫通孔８９ａ，８９ｂ，８９ｃ，８９ｄの形状であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。なお、図６（ａ）において、図４（ａ）に示したディンプル５６が省略されている。また、アノード側セパレータ５０ｘには、燃料ガス用のマニホールド孔６２，６４の付近に凹部８３が設けられている。なお、第２実施形態では、セパレータ４０ｘ，５０ｘは、接着剤によってフレーム部材３２ａに接着されている。

図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるフレーム部材３２ａの第１貫通孔８９ａが設けられていない位置のＢ−Ｂ断面図である。アノード側セパレータ５０ｘにおいて、凹部８５と凹部８３の間には凸部８８が形成されている。カソード側セパレータ４０ｘにおいて、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８３と対応する位置に凹部９３が設けられており、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８５と対応する位置に凹部９５が設けられている。凹部９５の両側には凸部９６，９８が設けられている。また、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８３，８５及びカソード側セパレータ４０ｘの凹部９３，９５のそれぞれ底面は、接着剤３１０によってフレーム部材３２ａに接着されている。従って、第１貫通孔８９ａの近傍において、フレーム部材３２ａとセパレータ４０ｘ，５０ｘとを確実に接着することができる。但し、凹部８３は省略してもよい。

図６（ｃ）は、図６（ａ）におけるフレーム部材３２ａの第１貫通孔８９ａのＣ−Ｃ断面図である。図４（ｂ）に示す第１実施形態と同様に、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８５の第１貫通孔８９ａの長手方向に沿って測った底面の幅Ｗｂは、第１貫通孔８９ａの幅Ｗｈよりも小さく構成されている。アノード側セパレータ５０ｘにおいて、凹部８５の底面は、第１貫通孔８９ａの中央孔部３０２と重なっている。凹部８５の両側には、凸部５０ｃ，５０ｄが形成されている。凸部５０ｃ，５０ｄはそれぞれ、フレーム部材３２ａとの間に隙間Ｇｃ，Ｇｄが形成されるように構成されており、これらの隙間を燃料ガスが流れる。カソード側セパレータ４０ｘにおいて、凹部９３の底面は接着剤３１０によってフレーム部材３２ａと接着されている。なお、カソード側セパレータ４０ｘの凸部９６，９８は省略してもよい。

燃料ガス入口マニホールド孔６２（図６（ａ））から隙間Ｇｃに流れてきた燃料ガス（図６（ｂ）矢印）は、第１貫通孔８９ａの外端孔部３０３を通って、中央孔部３０２に流れた後、内端孔部３０１を介して隙間Ｇｄに流れて、最終的に燃料ガス流路面２１０（図６（ａ））に拡散する。図５（ｂ）で説明したように、第１貫通孔８９ａの短手方向に沿って測った内端孔部３０１の寸法Ｄ１が中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きいので、内端孔部３０１における燃料ガスの拡散効率を高めることができる。また、内端孔部３０１の寸法Ｄ１が中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きいので、フレーム部材３２ａとカソード側セパレータ４０ｘとの間から接着剤３１０が第１貫通孔８９ａ側にはみ出した場合に、はみ出した接着剤３１０によるガス拡散阻害を改善することができる。なお、第２実施形態においても、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８５にシール部材８０が配置されているので、積層方向Ｘにおける燃料電池モジュール１００の厚さが凹部８５の深さ分だけ減少し、積層方向Ｘにおける燃料電池モジュール１００の厚さの過度の増大を防止できる。

・第３実施形態：
図７は、第３実施形態におけるフレーム部材３２ｂの説明図であり、図５に対応した図である。図５に示す第２実施形態との違いは、第１貫通孔９０ａ〜９０ｄの内端孔部３０１ａの形状であり、他の構成は第２実施形態と同様である。図７（ｂ）に示すように、隣り合う第１貫通孔９０ａ同士の内端孔部３０１ａが連通されている。こうすれば、内端孔部３０１ａにおける燃料ガスの拡散効率をさらに高めることができる。なお、第３実施形態においても、第１貫通孔９０ａの短手方向に沿って測った内端孔部３０１ａの寸法Ｄ１が中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きい。このとき、内端孔部３０１ａの寸法Ｄ１は、内端孔部３０１ａが連通された隣り合う２つの第１貫通孔９０ａの中央で分割する線ＣＬで２つの第１貫通孔９０ａを区切った場合の寸法である。３つ以上の第１貫通孔が連通している場合も同様である。但し、３つ以上の第１貫通孔９０ａを並設してそれらの内端孔部３０１ａを連通させると、フレーム部材３２ｂが変形し易くなるので、連通させる第１貫通孔９０ａの数は２つとすることが好ましい。なお、他の第１貫通孔９０ｂ〜９０ｄも、第１貫通孔９０ａと同様な形状を有する。

・第４実施形態：
図８は、第４実施形態におけるフレーム部材３２ｃの説明図であり、図５に対応した図である。図５に示す第２実施形態との違いは、第１貫通孔９１ａ〜９１ｄの外端孔部３０３ａの形状であり、他の構成は第２実施形態と同様である。外端孔部３０３ａは、略楕円形の形状を有し、第１貫通孔９１ａの短手方向に沿って測った外端孔部３０３ａの寸法Ｄ３は、中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きい。なお、外端孔部３０３ａの形状は略楕円形の代わりに、矩形等の他の形状とすることも可能である。他の第１貫通孔９１ｂ〜９１ｄも、第１貫通孔９１ａと同様な形状を有する。こうすれば、外端孔部３０３ａにおける生成水によるガス拡散阻害を改善することができる。なお、第４実施形態においても、第１貫通孔９１ａの短手方向に沿って測った内端孔部３０１の寸法Ｄ１が中央孔部３０２の寸法Ｄ２よりも大きいので、内端孔部３０１における燃料ガスの拡散効率を高めることができる。

・第５実施形態：
図９（ａ）は、第５実施形態におけるフレーム部材３２ｄの説明図であり、図５（ａ）に対応した図である。図９（ｂ）は、第１貫通孔９２ａ付近を拡大した図である。図５（ａ）に示す第２実施形態との違いは、第１貫通孔９２ａ〜９２ｄが内端孔部３０１（図５（ｂ））を有しない点、及び、第１貫通孔９２ａ〜９２ｄと面内開口部３１との間の第１貫通孔９２ａ〜９２ｄの近傍に、スリット状の第２貫通孔３８が設けられている点であり、他の構成は第２実施形態と同様である。各スリット状の第２貫通孔３８は、その長手方向が各第１貫通孔９２ａ〜９２ｄの長手方向と垂直である。第２貫通孔３８は、後述するように、接着剤溜まりとして機能させるために設けられている。この観点から、第２貫通孔３８の長さＬ３８は、第１貫通孔９２ａを構成する複数のスリットの配列方向（図９（ｂ）ではＹ方向）に亘る範囲の長さＬ９２以上に設定されていることが好ましい。他の第１貫通孔９２ｂ〜９２ｄの近傍に設けられた第２貫通孔３８についても同様である。

図１０（ａ）は、第５実施形態において、単セル１４０ｄのＭＥＧＡ２１とは反対側から見たアノード側セパレータ５０ｘの概略平面図であり、図６（ａ）に対応した図である。図示の便宜上、図１０（ａ）において、燃料ガスの流れ（図６（ａ）の破線の矢印）を省略した。なお、図１０に示すセパレータ４０ｘ，５０ｘは、図６に示す第２実施形態のセパレータ４０ｘ，５０ｘと同一である。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の第１貫通孔９２ａのＤ−Ｄ断面図であり、図６（ｃ）に対応した図である。図６（ｃ）に示す第２実施形態と同様に、アノード側セパレータ５０ｘの凹部８５の第１貫通孔９２ａの長手方向に沿って測った底面の幅Ｗｂは、第１貫通孔９２ａの幅Ｗｈよりも小さく構成されている。カソード側セパレータ４０ｘの凹部９３の底面は接着剤３１０によってフレーム部材３２ｄと接着されている。第２貫通孔３８は、アノード側セパレータ５０ｘの凸部５０ｄとカソード側セパレータ４０ｘの凹部９３とが挟まれる位置に設けられている。第２貫通孔３８は、カソード側セパレータ４０ｘの凹部９３の底面とフレーム部材３２ｄとの間からはみ出した接着剤３１０ｐを収容する。この結果、接着剤３１０ｐが第１貫通孔９２ａや、その周囲の空間を閉塞してしまう可能性を低減できる。この意味では、第２貫通孔３８は、接着剤３１０ｐが第１貫通孔９２ａを閉塞しない程度の近傍に設けておけばよい。例えば、第１貫通孔９２ａと第２貫通孔３８の間の距離ＤＡを、５ｍｍ以下に設定することが好ましい。

燃料ガス入口マニホールド孔６２（図１０（ａ））から隙間Ｇｃに流れてきた燃料ガスは、第１貫通孔９２ａを流れて、隙間Ｇｄを通過して最終的に燃料ガス流路面２１０（図１０（ａ））に拡散する。第２貫通孔３８がカソード側セパレータ４０ｘの凹部９３の底面とフレーム部材３２ｄとの間からはみ出した接着剤３１０ｐを収容できるので、接着剤３１０ｐが第１貫通孔９２ａやその周囲のガス流路を閉塞しない。この結果、接着剤３１０ｐによるガス拡散阻害を改善することができる。

なお、第２貫通孔３８は、スリット状に形成される代わりに、各第１貫通孔９２ａ〜９２ｄが面内開口部３１に向かう延長線上に、円形や他の形状に形成されてもよい。また、第５実施形態の第１貫通孔９２ａ〜９２ｄの形状は、第２〜第４実施形態における第１貫通孔の形状を採用してもよい。

・変形例：
なお、この発明は上記の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。

・変形例１：
上記第１実施形態では、凹部８５はアノード側セパレータ５０において、第１貫通孔８８ａ，８８ｂの短手方向に沿って第１貫通孔８８ａ，８８ｂの中心を通るライン上に設けられていたが、カソード側セパレータ４０においても、第１貫通孔８８ｃ，８８ｄの短手方向に沿って第１貫通孔８８ｃ，８８ｄの中心を通るライン上に凹部が設けられるようにしてもよい。

本発明は、上述の実施形態、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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態、変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…燃料電池システム
２０…ガス拡散層
２１…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３０…膜電極接合体
３１…面内開口部
３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…フレーム部材
３８…第２貫通孔
４０，４０ｘ…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０，５０ｘ…アノード側セパレータ
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ…凸部
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
５６…ディンプル
６２…燃料ガス入口マニホールド孔
６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａ…マニホールド開口部
６４…燃料ガス出口マニホールド孔
７２…酸化剤ガス入口マニホールド孔
７４…酸化剤ガス出口マニホールド孔
８０…シール部材
８２…冷却媒体入口マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
８３，８５…凹部
８８…凸部
８６，８７…シール部材
８８ａ〜８８ｄ…第１貫通孔
８９ａ〜８９ｄ…第１貫通孔
９０ａ〜９０ｄ…第１貫通孔
９１ａ〜９１ｄ…第１貫通孔
９２ａ〜９２ｄ…第１貫通孔
９３，９５…凹部
９６，９８…凸部
１００…燃料電池モジュール
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０，１４０ａ，１４０ｄ…単セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２００…冷却媒体流路面
２１０…燃料ガス流路面
３０１，３０１ａ…内端孔部
３０２…中央孔部
３０３，３０３ａ…外端孔部
３１０，３１０ｐ…接着剤

Claims (3)

1. 複数枚の単セルが積層されることによって構成され、前記単セルの間に前記単セルの間を密封するシール部材が配置された燃料電池モジュールであって、
   前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周を囲むように配置されたフレーム部材と、積層方向に沿って前記膜電極ガス拡散層接合体と前記フレーム部材とを挟持する２つのセパレータと、を備え、
   前記フレーム部材は、前記２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の第１貫通孔と、を有し、
   前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、前記フレーム部材の前記第１貫通孔の短手方向に沿って前記第１貫通孔の中心を通るライン上の位置に、前記第１貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が前記長手方向に沿って測った前記第１貫通孔の幅よりも小さな凹部が形成され、前記凹部には、前記シール部材が配置されている、
   燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記第１貫通孔は、平面視において、前記凹部の前記底面と重なる位置に設けられた中央孔部と、前記中央孔部よりも前記面内開口部に近い側の端部に設けられた内端孔部と、を有し、
   前記第１貫通孔の前記短手方向に沿って測った前記内端孔部の寸法が前記短手方向に沿って測った前記中央孔部の寸法よりも大きい、
   燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記２つのセパレータはそれぞれ、前記フレーム部材に接着剤によって接着されており、
   前記フレーム部材は、前記面内開口部と前記第１貫通孔との間の前記第１貫通孔の近傍に、第２貫通孔を有する、
   燃料電池モジュール。

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