燃料電池セル
【課題】積層して燃料電池スタックを構成した際に、全てのセルの性能を適正化することが可能であり、かつ、カソード側とアノード側との差圧による樹脂フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の低下を防止する燃料電池セルを提供する。
【解決手段】フレーム１を有する膜電極構造体２と、これらを挟持するセパレータ３を備え、フレーム１と各セパレータ３との間にディフューザ部Ｄを有する燃料電池セルＣであって、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の一方の面に、相手側に接する突部１０を設けると共に、相手側と突部１０の先端とを接着し、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したことにより、燃料電池スタックを構成した際の各セルＣの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させた。
【解決手段】フレーム１を有する膜電極構造体２と、これらを挟持するセパレータ３を備え、フレーム１と各セパレータ３との間にディフューザ部Ｄを有する燃料電池セルＣであって、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の一方の面に、相手側に接する突部１０を設けると共に、相手側と突部１０の先端とを接着し、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したことにより、燃料電池スタックを構成した際の各セルＣの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電要素として用いられる燃料電池セル（単セル）に関し、とくに、複数枚積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池セルとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池セルは、電解質膜を燃料極と空気極とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と、膜電極構造体の周囲を保持する樹脂フレームと、膜電極構造体及び樹脂フレームを挟む二枚のセパレータを備えている。
【０００３】
上記燃料電池セルは、樹脂フレームと両セパレータとの間に、反応用ガスのマニホールド部及び整流部を夫々有すると共に、樹脂フレームの両面に、各セパレータに接触する突起が一体成形してあり、その突起により整流部の流路高さを維持している。そして、上記燃料電池セルは、複数枚を積層すると共に、その積層方向に一定の荷重を付与した状態にして燃料電池スタックを構成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０７７４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の燃料電池セルは、各構成部品に寸法公差や製造上のばらつきがあり、膜電極構造体の厚さの経年変位などにも僅かな差がある。このため、従来の燃料電池セル、すなわち樹脂フレームの突起とセパレータとを接触させて樹脂フレームを拘束した構造を有する燃料電池セルでは、これを複数枚積層して燃料電池スタックを構成した際に、膜電極構造体に対する接触面圧やガス流量などの性能にもばらつきが生じ、全てのセルの性能を適正化することが困難になっている。
【０００６】
さらに、上記したような燃料電池セルでは、燃料電池の運転状況に応じてカソード側とアノード側とでガスの差圧が発生し、その差圧により樹脂フレームと膜電極構造体との接合部に曲げ応力が集中して、接合部の耐久性が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えた燃料電池セルにおいて、燃料電池スタックを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の向上を両立させることができる燃料電池セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池セルは、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有している。
【０００９】
そして、燃料電池セルは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、相手側と突部の先端とを接着し、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
また、本発明の燃料電池セルは、一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とし、若しくは、両方のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池セルによれば、フレームとセパレータとの間に設けた隙間あるいは弾性体により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、フレーム及びセパレータのいずれかに設けた突部あるいは弾性体によりフレームを保持することから、燃料電池スタックを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する分解状態の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池セルの組立後の平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セルを積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図（Ａ）及び組立後の斜視図（Ｂ）である。
【図４】図２中のＡ−Ａ線に基づく要部の断面図である。
【図５】燃料電池セルの他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図６】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び突部の形成を説明する要部の断面図（Ｂ）である。
【図７】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、セパレータに弾性体を設けた例を示す要部の断面図（Ｂ）、及びフレームに弾性体を設けた例を示す要部の断面図（Ｃ）である。
【図８】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図９】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１０】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１１】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１２】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１及び図２は、本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する図である。
図１に示す燃料電池セル（単セル）Ｃは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３，３との間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３は金属であることが、製造しやすいために望ましい。
【００１４】
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟持した構造を有している。この膜電極構造体２は、空気極層に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）が供給されると共に、燃料極層に一方の反応用ガスである燃料ガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、空気極層と燃料極層の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。
【００１５】
フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。このフレーム１及び両セパレータ３，３は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
【００１６】
各セパレータ３は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。各セパレータ３は、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３は、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。
【００１７】
また、各セパレータ３は、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
【００１８】
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３は、重ね合わせて燃料電池セルＣを構成する。このとき、燃料電池セルＣは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
【００１９】
ここで、反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄは、図２中のセル両端側だけでなく、フレーム１と両側のセパレータ３，３との間、つまりアノード側及びカソード側に夫々形成されている。
【００２０】
図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、酸化剤ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び燃料ガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、燃料ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸化剤ガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
【００２１】
さらに、燃料電池セルＣは、図１に示すように、フレーム１と各セパレータ３の縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けてある。また、燃料電池セルＣを複数枚を積層した状態では、セル同士すなわち隣接するセパレータ３同士の間にもガスシールＳＬを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ３，３間に冷却流体を流通させる構造である。
【００２２】
上記のガスシールＳＬは、個々の層間において、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
【００２３】
上記構成を備えた燃料電池セルＣは、複数枚を積層して、図３に示すような燃料電池スタックＦＳを構成する。
【００２４】
燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、燃料電池セルＣの積層体Ａに対し、セル積層方向の一端部（図３中で右側端部）に、集電板４Ａ及びスペーサ５を介してエンドプレート６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板４Ｂを介してエンドプレート６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、燃料電池セルＣの長辺側となる両面（図３中で上下面）に、締結板７Ａ，７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板８Ａ，８Ｂが設けてある。
【００２５】
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板７Ａ，７Ｂ及び補強板８Ａ，８ＢをボルトＢにより両エンドプレート６Ａ，６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをセル積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００２６】
ここで、上記したような燃料電池セルＣでは、各構成部品に寸法公差や製造上のばらつきがあると共に、膜電極構造体２の厚さの経年変位などにも僅かな差がある。また、燃料電池の運転状況に応じてカソード側とアノード側とでガスの差圧が発生し、その差圧によりフレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中しやすい。
【００２７】
そこで、燃料電池セルＣは、図４に示すように、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突部１０を設けると共に、相手側と突部１０の先端とを接着している。そして、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したものとなっている。
【００２８】
図示例の燃料電池セルＣでは、カソード側（図中上側）のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突部１０を設けると共に、セパレータ３と突部１０の先端とを接着（符号Ｑ）し、アノード側（図中下側）のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。なお、カソード及びアノードの位置は上下逆でも構わない。
【００２９】
セパレータ３と突部１０との接着には、双方の材料（金属と樹脂）を考慮したうえで、これらの接着に有効な周知の接着剤を用いることができ、このほか、超音波溶着などの適宜の接着手段を採用することもできる。
【００３０】
この実施形態の突部１０は、円錐台形状であって、樹脂製のフレーム１に一体成形してあり、図１に示すように所定間隔で配置してある。この突部１０は、形状等がとくに限定されるものではなく、反応用ガスの流通を妨げないものであれば良い。
【００３１】
また、この実施形態では、フレーム１のアノード側の面（図４で下側の面）に、突部１０と類似形状の突部１１が設けてある。この突部１１は、カソード側の突部１０よりも低くて、セパレータ３との間に隙間を形成しており、フレーム１とセパレータ３が接近する方向に変位した際に、セパレータ３に当接して過大な変位を阻止する。
【００３２】
上記構成を備えた燃料電池セルＣは、アノード側のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１とセパレータ３とが離間しているので、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の加圧力が主に膜電極構造体２とセパレータ３との間に作用し、膜電極構造体２とセパレータ３との接触面圧を充分に確保することができる。
【００３３】
また、燃料電池セルＣは、アノード側のディフューザ部Ｄにおけるフレーム１とセパレータ３との隙間により、厚さ方向の変位吸収が可能である。すなわち、燃料電池セルＣは、各構成部品の寸法公差や製造上のばらつき、膜電極構造体２の厚さ方向の経年変位があっても、上記隙間によりそれらを吸収することができる。これにより、燃料電池セルＣは、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、個々のセルにおける接触面圧やガス流量等の性能のばらつきを抑制し得るものとなる。
【００３４】
さらに、燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１の突部１０の先端とセパレータ３とを接着したことにより、フレーム１を有する膜電極構造体２の耐久性が向上する。すなわち、燃料電池セルＣは、カソード側とアノード側とでガスの差圧が生じても、セパレータ３に接着した上記突部１０によりフレーム１が同セパレータ３に保持されているので、カソード側及びアノード側のいずれの圧力が高くなった場合でも、フレーム１の変位を抑制することができる。これにより、燃料電池セルＣは、フレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中するのを阻止し得るものとなる。
【００３５】
このようにして、燃料電池セルＣは、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に接着した突部１０によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００３６】
図５は、本発明の燃料電池セルの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、図１〜図４に示す先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下の実施形態では、図中上側をカソード側として説明するが、カソード及びアノードの位置は上下逆でもよい。
【００３７】
図示の燃料電池セルＣは、カソード側（上側）のディフューザ部Ｄにおいて、セパレータ３に、相手側であるフレーム１に接する突部１２を設けると共に、フレーム１と突部１２の先端とを接着（Ｑ）している。突部１２は、先の実施形態の突部と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。そして、アノード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
【００３８】
上記の燃料電池セルＣにあっても、先の実施形態と同様に、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に設けた突部１２によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００３９】
図６は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図６（Ａ）に示す燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部１３を設けたものであるが、その突部１３が、フレーム１とセパレータ３との間に介装した接着材で形成してある。この突部１３にあっても、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。また、アノード側のディフューザ部Ｄにおいては、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
【００４０】
突部１３を形成する接着材は、接着力に特化した材料から選択することができ、例えばエポキシ系の材料を使用することができる。突部（接着材）１３は、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、図６（Ｂ）に示すように、図示しない接着材供給装置のノズルＮから吐出させてフレーム１に塗布する。そして、突部（接着材）１３は、フレーム１とセパレータ３を接合することで双方に接着されるので、相手側であるセパレータ３と先端とを接着するのと同等である。なお、図示例とは逆に、セパレータ３に突部１３を設ける（塗布する）ことも当然可能である。
【００４１】
上記の燃料電池セルＣにあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、突部１３を接着材で形成したことから、フレーム１やセパレータ３の突部を廃止して形状を簡素化することができ、また、ガスシールＳＬ（図１参照）を設ける工程とともに突部１３を形成することが可能なので、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。なお、ガスシールＳＬと突部１３とを同工程で形成する場合には、両方の用途に適した材料、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、及びポリオレフィンゴムなどの接着剤を用いることが望ましい。
【００４２】
図７は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図７（Ａ）に示す燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部１０を設けると共に、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。この弾性体１４は、先の実施形態の突部と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。
【００４３】
具体的には、燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突部１０を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。弾性体１４は、図７（Ｂ）に示す如くセパレータ３に設けたり、図７（Ｃ）に示す如くフレーム１に設けることができる。
【００４４】
また、弾性体１４は、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成する。弾性体１４を形成する接着材は、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、あるいはポリオレフィンゴムなどの材料を使用することができる。この弾性体（接着材）１４にあっても、先の接着材で形成した突部（図６の符号１３）と同様に、フレーム１又はセパレータ３に塗布され、硬化後、フレーム１とセパレータ３を接合することで相手側に接することとなる。
【００４５】
上記の燃料電池セルＣは、図４〜図６に示す実施形態では、アノード側のセパレータ３とフレーム１との隙間により厚さ方向の変位吸収を行うのに対して、アノード側の弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行う。そして、燃料電池セルＣは、フレーム１の突部１０及び弾性体１４によりフレーム１を保持する。これにより、先の実施形態と同様に、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００４６】
また、上記の燃料電池セルＣは、硬化後に弾力性を有する接着材で弾性体１４を形成したことから、ガスシールＳＬ（図１参照）を設ける工程とともに弾性体１４を形成することが可能であり、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。さらに、上記の燃料電池セルＣは、突部１０や弾性体１４を相手側に接触させるだけで、変位吸収機能やフレーム１の保持機能を得ることができるので、接着材は接着強度の低いものでもよい。そのため、接着面の表面処理を簡素にし又は廃止し得ると共に、安価な接着材を採用することができ、製造コストのさらなる低減を図ることができる。
【００４７】
図８は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側の両方のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。弾性体１４は、先の実施形態と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。この弾性体１４にあっても、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成する。
【００４８】
上記の燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側の両弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行うと共に、両弾性体１４によりフレーム１を保持する。これにより、先の実施形態と同様に、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００４９】
図９及び１０は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、先の実施形態と同様に、両ディフューザ部Ｄに弾性体１４が設けてあり、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に凹部１５（又は１６）を設けると共に、その凹部１５（又は１６）に弾性体１４を配置している。このとき、弾性体１４は、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置するので、凹部１５（又は１６）にあっても、同様に所定間隔で形成してある。
【００５０】
図９に示す燃料電池セルＣは、セパレータ３に凹部１５が形成してあり、その凹部１５に弾性体１４を配置している。この場合、凹部１５は、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を応用することができる。他方、図１０に示す燃料電池セルＣは、フレーム１に凹部１６が形成してあり、その凹部１６に弾性体１４を配置している。この場合、凹部１６は、サンドブラスト等の表面研削加工により形成することができる。なお、セパレータ３に同様の表面研削加工を行って、図９に示すような凹部１５を形成することも勿論可能である。
【００５１】
上記の各燃料電池セルＣは、先の実施形態と同様に、両弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行うと共に、両弾性体１４によりフレーム１を保持し、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００５２】
また、凹部１５，１６により、弾性体１４の位置決めが容易になり、製造効率の向上に貢献し得ると共に、弾性体１４とフレーム１又はセパレータ３との接触面積が大きくなるので、弾性体１４の接着強度や安定性が増すこととなる。さらに、弾性体１４の安定化に伴って耐久性も向上するほか、凹部１５，１６の深さ分だけ弾性体１４の伸縮長さが増すので、燃料電池セルＣの厚さ方向の変位吸収範囲を大きくすることができる。
【００５３】
さらに、図９に示す燃料電池セルＣのように、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を凹部１５とした構成では、凸部１７は冷却流体の流路形成部位となる。すなわち、燃料電池セルＣは、先述したように、積層状態において隣接するもの同士の間に冷却流体を流通させる構造であるから、隣接するセパレータ３同士の間に、流路を形成するための部位や部材が必要である。そこで、この実施形態のように、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を凹部１５とすれば、流路を形成するための凸部１７と弾性体１４を配置するための凹部１５を一工程で形成することができ、製造効率や製造コストの面で非常に有効である。
【００５４】
さらに、図１０に示す燃料電池セルＣのように、フレーム１の凹部１６を表面研削加工により形成し、とくに、サンドブラストにより表面性状を微細な凹凸に形成すれば、弾性体１４の接着面積を増大させて接着強度を一層高めることができ、これにより、弾性体１４の剥離を防止して耐久性をより高めることができる。
【００５５】
図７〜図１０に示す弾性体１４は、図１１に示すように、ガスシールＳＬ（図１参照）と同一工程で形成することができる。すなわち、弾性体１４は、射出成形や焼付けなどによっても形成することができるが、硬化後に弾力性を発揮する接着材を素材とすれば、図６に示す突部１３と同様にガスシールＳＬと同一構成で形成することができ、製造効率や製造コストの面で非常に有効である。
【００５６】
図１２は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、カソード側（図中上側）のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１に凹部１６を設けると共に、アノード側（図中下側）のディフューザ部Ｄにおいてセパレータ３に凹部１５を設けている。あるいは、図示例とは逆に、カソード側のディフューザ部Ｄにおいてセパレータ３に凹部１５を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１に凹部１６を設けても良い。すなわち、前記凹部１５，１６は、同じ向きになる面に設ければ良く、望ましくは、組立て製造の際に上側となる面に設ける。
【００５７】
上記の燃料電池セルＣでは、硬化後に弾力性を有する接着材を使用し、図示しない接着材供給装置のノズルＮから溶融状態の接着材を吐出させて凹部１５，１６に塗布し、これを硬化させて弾性体１４を形成する。したがって、図示例のように、両ディフューザ部Ｄにおけるフレーム１及びセパレータ３に対して、上側となる面に凹部１５，１６を設ければ、同一方向から溶融状態の接着材の塗布を行うことができると共に、接着材の流れ出しを防止することもでき、製造効率の面で有効であるうえに、弾性系１４を良好に形成することができる。
【００５８】
上記の各実施形態で説明したように、本発明の燃料電池セルＣは、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。したがって、上記の燃料電池セルＣを複数枚積層して成る燃料電池スタックＦＳにあっては、個々の燃料電池セルＣの発電性能や耐久性能が均一化され、長期にわたって安定した発電を行うことができる。
【００５９】
本発明の燃料電池セルは、その構成が上記各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で構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、上記各実施形態では、カソード側及びアノード側において、突部と弾性体との位置や、弾性体と弾性体との位置が互いに一致している例を図示したが、これらは平面方向にずれていても良い。また、上記各実施形態の構成同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
Ｃ 燃料電池セル
Ｄ ディフューザ部
ＦＳ 燃料電池スタック
ＳＬ ガスシール
１ フレーム
２ 膜電極構造体
３ セパレータ
１０ １２ 突部
１３ 接着材から成る突部
１４ 弾性体
１５ １６ 凹部
１７ 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電要素として用いられる燃料電池セル（単セル）に関し、とくに、複数枚積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池セルとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池セルは、電解質膜を燃料極と空気極とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と、膜電極構造体の周囲を保持する樹脂フレームと、膜電極構造体及び樹脂フレームを挟む二枚のセパレータを備えている。
【０００３】
上記燃料電池セルは、樹脂フレームと両セパレータとの間に、反応用ガスのマニホールド部及び整流部を夫々有すると共に、樹脂フレームの両面に、各セパレータに接触する突起が一体成形してあり、その突起により整流部の流路高さを維持している。そして、上記燃料電池セルは、複数枚を積層すると共に、その積層方向に一定の荷重を付与した状態にして燃料電池スタックを構成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０７７４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の燃料電池セルは、各構成部品に寸法公差や製造上のばらつきがあり、膜電極構造体の厚さの経年変位などにも僅かな差がある。このため、従来の燃料電池セル、すなわち樹脂フレームの突起とセパレータとを接触させて樹脂フレームを拘束した構造を有する燃料電池セルでは、これを複数枚積層して燃料電池スタックを構成した際に、膜電極構造体に対する接触面圧やガス流量などの性能にもばらつきが生じ、全てのセルの性能を適正化することが困難になっている。
【０００６】
さらに、上記したような燃料電池セルでは、燃料電池の運転状況に応じてカソード側とアノード側とでガスの差圧が発生し、その差圧により樹脂フレームと膜電極構造体との接合部に曲げ応力が集中して、接合部の耐久性が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えた燃料電池セルにおいて、燃料電池スタックを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の向上を両立させることができる燃料電池セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池セルは、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有している。
【０００９】
そして、燃料電池セルは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、相手側と突部の先端とを接着し、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
また、本発明の燃料電池セルは、一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とし、若しくは、両方のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池セルによれば、フレームとセパレータとの間に設けた隙間あるいは弾性体により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、フレーム及びセパレータのいずれかに設けた突部あるいは弾性体によりフレームを保持することから、燃料電池スタックを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する分解状態の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池セルの組立後の平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セルを積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図（Ａ）及び組立後の斜視図（Ｂ）である。
【図４】図２中のＡ−Ａ線に基づく要部の断面図である。
【図５】燃料電池セルの他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図６】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図（Ａ）及び突部の形成を説明する要部の断面図（Ｂ）である。
【図７】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図（Ａ）、セパレータに弾性体を設けた例を示す要部の断面図（Ｂ）、及びフレームに弾性体を設けた例を示す要部の断面図（Ｃ）である。
【図８】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図９】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１０】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１１】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【図１２】燃料電池セルのさらに他の実施形態を示す要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１及び図２は、本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する図である。
図１に示す燃料電池セル（単セル）Ｃは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３，３との間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３は金属であることが、製造しやすいために望ましい。
【００１４】
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟持した構造を有している。この膜電極構造体２は、空気極層に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）が供給されると共に、燃料極層に一方の反応用ガスである燃料ガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、空気極層と燃料極層の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。
【００１５】
フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。このフレーム１及び両セパレータ３，３は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
【００１６】
各セパレータ３は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。各セパレータ３は、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３は、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。
【００１７】
また、各セパレータ３は、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
【００１８】
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３は、重ね合わせて燃料電池セルＣを構成する。このとき、燃料電池セルＣは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
【００１９】
ここで、反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄは、図２中のセル両端側だけでなく、フレーム１と両側のセパレータ３，３との間、つまりアノード側及びカソード側に夫々形成されている。
【００２０】
図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、酸化剤ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び燃料ガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、燃料ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸化剤ガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
【００２１】
さらに、燃料電池セルＣは、図１に示すように、フレーム１と各セパレータ３の縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けてある。また、燃料電池セルＣを複数枚を積層した状態では、セル同士すなわち隣接するセパレータ３同士の間にもガスシールＳＬを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ３，３間に冷却流体を流通させる構造である。
【００２２】
上記のガスシールＳＬは、個々の層間において、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
【００２３】
上記構成を備えた燃料電池セルＣは、複数枚を積層して、図３に示すような燃料電池スタックＦＳを構成する。
【００２４】
燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、燃料電池セルＣの積層体Ａに対し、セル積層方向の一端部（図３中で右側端部）に、集電板４Ａ及びスペーサ５を介してエンドプレート６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板４Ｂを介してエンドプレート６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、燃料電池セルＣの長辺側となる両面（図３中で上下面）に、締結板７Ａ，７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板８Ａ，８Ｂが設けてある。
【００２５】
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板７Ａ，７Ｂ及び補強板８Ａ，８ＢをボルトＢにより両エンドプレート６Ａ，６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをセル積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００２６】
ここで、上記したような燃料電池セルＣでは、各構成部品に寸法公差や製造上のばらつきがあると共に、膜電極構造体２の厚さの経年変位などにも僅かな差がある。また、燃料電池の運転状況に応じてカソード側とアノード側とでガスの差圧が発生し、その差圧によりフレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中しやすい。
【００２７】
そこで、燃料電池セルＣは、図４に示すように、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突部１０を設けると共に、相手側と突部１０の先端とを接着している。そして、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したものとなっている。
【００２８】
図示例の燃料電池セルＣでは、カソード側（図中上側）のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突部１０を設けると共に、セパレータ３と突部１０の先端とを接着（符号Ｑ）し、アノード側（図中下側）のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。なお、カソード及びアノードの位置は上下逆でも構わない。
【００２９】
セパレータ３と突部１０との接着には、双方の材料（金属と樹脂）を考慮したうえで、これらの接着に有効な周知の接着剤を用いることができ、このほか、超音波溶着などの適宜の接着手段を採用することもできる。
【００３０】
この実施形態の突部１０は、円錐台形状であって、樹脂製のフレーム１に一体成形してあり、図１に示すように所定間隔で配置してある。この突部１０は、形状等がとくに限定されるものではなく、反応用ガスの流通を妨げないものであれば良い。
【００３１】
また、この実施形態では、フレーム１のアノード側の面（図４で下側の面）に、突部１０と類似形状の突部１１が設けてある。この突部１１は、カソード側の突部１０よりも低くて、セパレータ３との間に隙間を形成しており、フレーム１とセパレータ３が接近する方向に変位した際に、セパレータ３に当接して過大な変位を阻止する。
【００３２】
上記構成を備えた燃料電池セルＣは、アノード側のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１とセパレータ３とが離間しているので、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の加圧力が主に膜電極構造体２とセパレータ３との間に作用し、膜電極構造体２とセパレータ３との接触面圧を充分に確保することができる。
【００３３】
また、燃料電池セルＣは、アノード側のディフューザ部Ｄにおけるフレーム１とセパレータ３との隙間により、厚さ方向の変位吸収が可能である。すなわち、燃料電池セルＣは、各構成部品の寸法公差や製造上のばらつき、膜電極構造体２の厚さ方向の経年変位があっても、上記隙間によりそれらを吸収することができる。これにより、燃料電池セルＣは、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、個々のセルにおける接触面圧やガス流量等の性能のばらつきを抑制し得るものとなる。
【００３４】
さらに、燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１の突部１０の先端とセパレータ３とを接着したことにより、フレーム１を有する膜電極構造体２の耐久性が向上する。すなわち、燃料電池セルＣは、カソード側とアノード側とでガスの差圧が生じても、セパレータ３に接着した上記突部１０によりフレーム１が同セパレータ３に保持されているので、カソード側及びアノード側のいずれの圧力が高くなった場合でも、フレーム１の変位を抑制することができる。これにより、燃料電池セルＣは、フレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中するのを阻止し得るものとなる。
【００３５】
このようにして、燃料電池セルＣは、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に接着した突部１０によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００３６】
図５は、本発明の燃料電池セルの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、図１〜図４に示す先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下の実施形態では、図中上側をカソード側として説明するが、カソード及びアノードの位置は上下逆でもよい。
【００３７】
図示の燃料電池セルＣは、カソード側（上側）のディフューザ部Ｄにおいて、セパレータ３に、相手側であるフレーム１に接する突部１２を設けると共に、フレーム１と突部１２の先端とを接着（Ｑ）している。突部１２は、先の実施形態の突部と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。そして、アノード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
【００３８】
上記の燃料電池セルＣにあっても、先の実施形態と同様に、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に設けた突部１２によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００３９】
図６は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図６（Ａ）に示す燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部１３を設けたものであるが、その突部１３が、フレーム１とセパレータ３との間に介装した接着材で形成してある。この突部１３にあっても、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。また、アノード側のディフューザ部Ｄにおいては、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
【００４０】
突部１３を形成する接着材は、接着力に特化した材料から選択することができ、例えばエポキシ系の材料を使用することができる。突部（接着材）１３は、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、図６（Ｂ）に示すように、図示しない接着材供給装置のノズルＮから吐出させてフレーム１に塗布する。そして、突部（接着材）１３は、フレーム１とセパレータ３を接合することで双方に接着されるので、相手側であるセパレータ３と先端とを接着するのと同等である。なお、図示例とは逆に、セパレータ３に突部１３を設ける（塗布する）ことも当然可能である。
【００４１】
上記の燃料電池セルＣにあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、突部１３を接着材で形成したことから、フレーム１やセパレータ３の突部を廃止して形状を簡素化することができ、また、ガスシールＳＬ（図１参照）を設ける工程とともに突部１３を形成することが可能なので、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。なお、ガスシールＳＬと突部１３とを同工程で形成する場合には、両方の用途に適した材料、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、及びポリオレフィンゴムなどの接着剤を用いることが望ましい。
【００４２】
図７は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図７（Ａ）に示す燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部１０を設けると共に、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。この弾性体１４は、先の実施形態の突部と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。
【００４３】
具体的には、燃料電池セルＣは、カソード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突部１０を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。弾性体１４は、図７（Ｂ）に示す如くセパレータ３に設けたり、図７（Ｃ）に示す如くフレーム１に設けることができる。
【００４４】
また、弾性体１４は、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成する。弾性体１４を形成する接着材は、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、あるいはポリオレフィンゴムなどの材料を使用することができる。この弾性体（接着材）１４にあっても、先の接着材で形成した突部（図６の符号１３）と同様に、フレーム１又はセパレータ３に塗布され、硬化後、フレーム１とセパレータ３を接合することで相手側に接することとなる。
【００４５】
上記の燃料電池セルＣは、図４〜図６に示す実施形態では、アノード側のセパレータ３とフレーム１との隙間により厚さ方向の変位吸収を行うのに対して、アノード側の弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行う。そして、燃料電池セルＣは、フレーム１の突部１０及び弾性体１４によりフレーム１を保持する。これにより、先の実施形態と同様に、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００４６】
また、上記の燃料電池セルＣは、硬化後に弾力性を有する接着材で弾性体１４を形成したことから、ガスシールＳＬ（図１参照）を設ける工程とともに弾性体１４を形成することが可能であり、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。さらに、上記の燃料電池セルＣは、突部１０や弾性体１４を相手側に接触させるだけで、変位吸収機能やフレーム１の保持機能を得ることができるので、接着材は接着強度の低いものでもよい。そのため、接着面の表面処理を簡素にし又は廃止し得ると共に、安価な接着材を採用することができ、製造コストのさらなる低減を図ることができる。
【００４７】
図８は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側の両方のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体１４を介装している。弾性体１４は、先の実施形態と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。この弾性体１４にあっても、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成する。
【００４８】
上記の燃料電池セルＣは、カソード側及びアノード側の両弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行うと共に、両弾性体１４によりフレーム１を保持する。これにより、先の実施形態と同様に、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００４９】
図９及び１０は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、先の実施形態と同様に、両ディフューザ部Ｄに弾性体１４が設けてあり、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に凹部１５（又は１６）を設けると共に、その凹部１５（又は１６）に弾性体１４を配置している。このとき、弾性体１４は、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置するので、凹部１５（又は１６）にあっても、同様に所定間隔で形成してある。
【００５０】
図９に示す燃料電池セルＣは、セパレータ３に凹部１５が形成してあり、その凹部１５に弾性体１４を配置している。この場合、凹部１５は、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を応用することができる。他方、図１０に示す燃料電池セルＣは、フレーム１に凹部１６が形成してあり、その凹部１６に弾性体１４を配置している。この場合、凹部１６は、サンドブラスト等の表面研削加工により形成することができる。なお、セパレータ３に同様の表面研削加工を行って、図９に示すような凹部１５を形成することも勿論可能である。
【００５１】
上記の各燃料電池セルＣは、先の実施形態と同様に、両弾性体１４により厚さ方向の変位吸収を行うと共に、両弾性体１４によりフレーム１を保持し、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
【００５２】
また、凹部１５，１６により、弾性体１４の位置決めが容易になり、製造効率の向上に貢献し得ると共に、弾性体１４とフレーム１又はセパレータ３との接触面積が大きくなるので、弾性体１４の接着強度や安定性が増すこととなる。さらに、弾性体１４の安定化に伴って耐久性も向上するほか、凹部１５，１６の深さ分だけ弾性体１４の伸縮長さが増すので、燃料電池セルＣの厚さ方向の変位吸収範囲を大きくすることができる。
【００５３】
さらに、図９に示す燃料電池セルＣのように、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を凹部１５とした構成では、凸部１７は冷却流体の流路形成部位となる。すなわち、燃料電池セルＣは、先述したように、積層状態において隣接するもの同士の間に冷却流体を流通させる構造であるから、隣接するセパレータ３同士の間に、流路を形成するための部位や部材が必要である。そこで、この実施形態のように、セパレータ３にプレス成形した凸部１７の裏側部分を凹部１５とすれば、流路を形成するための凸部１７と弾性体１４を配置するための凹部１５を一工程で形成することができ、製造効率や製造コストの面で非常に有効である。
【００５４】
さらに、図１０に示す燃料電池セルＣのように、フレーム１の凹部１６を表面研削加工により形成し、とくに、サンドブラストにより表面性状を微細な凹凸に形成すれば、弾性体１４の接着面積を増大させて接着強度を一層高めることができ、これにより、弾性体１４の剥離を防止して耐久性をより高めることができる。
【００５５】
図７〜図１０に示す弾性体１４は、図１１に示すように、ガスシールＳＬ（図１参照）と同一工程で形成することができる。すなわち、弾性体１４は、射出成形や焼付けなどによっても形成することができるが、硬化後に弾力性を発揮する接着材を素材とすれば、図６に示す突部１３と同様にガスシールＳＬと同一構成で形成することができ、製造効率や製造コストの面で非常に有効である。
【００５６】
図１２は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池セルＣは、カソード側（図中上側）のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１に凹部１６を設けると共に、アノード側（図中下側）のディフューザ部Ｄにおいてセパレータ３に凹部１５を設けている。あるいは、図示例とは逆に、カソード側のディフューザ部Ｄにおいてセパレータ３に凹部１５を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄにおいてフレーム１に凹部１６を設けても良い。すなわち、前記凹部１５，１６は、同じ向きになる面に設ければ良く、望ましくは、組立て製造の際に上側となる面に設ける。
【００５７】
上記の燃料電池セルＣでは、硬化後に弾力性を有する接着材を使用し、図示しない接着材供給装置のノズルＮから溶融状態の接着材を吐出させて凹部１５，１６に塗布し、これを硬化させて弾性体１４を形成する。したがって、図示例のように、両ディフューザ部Ｄにおけるフレーム１及びセパレータ３に対して、上側となる面に凹部１５，１６を設ければ、同一方向から溶融状態の接着材の塗布を行うことができると共に、接着材の流れ出しを防止することもでき、製造効率の面で有効であるうえに、弾性系１４を良好に形成することができる。
【００５８】
上記の各実施形態で説明したように、本発明の燃料電池セルＣは、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。したがって、上記の燃料電池セルＣを複数枚積層して成る燃料電池スタックＦＳにあっては、個々の燃料電池セルＣの発電性能や耐久性能が均一化され、長期にわたって安定した発電を行うことができる。
【００５９】
本発明の燃料電池セルは、その構成が上記各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で構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、上記各実施形態では、カソード側及びアノード側において、突部と弾性体との位置や、弾性体と弾性体との位置が互いに一致している例を図示したが、これらは平面方向にずれていても良い。また、上記各実施形態の構成同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
Ｃ 燃料電池セル
Ｄ ディフューザ部
ＦＳ 燃料電池スタック
ＳＬ ガスシール
１ フレーム
２ 膜電極構造体
３ セパレータ
１０ １２ 突部
１３ 接着材から成る突部
１４ 弾性体
１５ １６ 凹部
１７ 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、相手側と突部の先端とを接着し、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
突部が、フレームとセパレータとの間に介装した接着材で形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
弾性体が、硬化後に弾力性を有する接着材で形成してあることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側の両方のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項６】
弾性体が、硬化後に弾力性を有する接着材で形成してあることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
両ディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に凹部を設けると共に、その凹部に弾性体を配置したことを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
セパレータに設けた凹部が、同セパレータにプレス成形した凸部の裏側部分であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記凹部が、表面研削加工により形成してあることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
カソード側のディフューザ部においてフレームに凹部を設けると共に、アノード側のディフューザ部においてセパレータに凹部を設け、あるいは、カソード側のディフューザ部においてセパレータに凹部を設けると共に、アノード側のディフューザ部においてフレームに凹部を設けることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、相手側と突部の先端とを接着し、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
突部が、フレームとセパレータとの間に介装した接着材で形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
弾性体が、硬化後に弾力性を有する接着材で形成してあることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側の両方のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項６】
弾性体が、硬化後に弾力性を有する接着材で形成してあることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
両ディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に凹部を設けると共に、その凹部に弾性体を配置したことを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
セパレータに設けた凹部が、同セパレータにプレス成形した凸部の裏側部分であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記凹部が、表面研削加工により形成してあることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
カソード側のディフューザ部においてフレームに凹部を設けると共に、アノード側のディフューザ部においてセパレータに凹部を設け、あるいは、カソード側のディフューザ部においてセパレータに凹部を設けると共に、アノード側のディフューザ部においてフレームに凹部を設けることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２１２５６０（Ｐ２０１２−２１２５６０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７６６０（Ｐ２０１１−７７６６０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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