JP2009123447A - 燃料電池およびそのセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスや酸化ガスの出口側マニホールドに溜まった水が凍結した場合にガスリークが発生するのを抑える。
【解決手段】セパレータ２０の面を鉛直方向に一致させた場合における燃料ガスの出口側マニホールド１６ｂと酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータ２０の外側よりも燃料ガス流路または酸化ガス流路３５側の方が高くなるように傾斜している。燃料ガスの入口側マニホールド１６ａと酸化ガスの入口側マニホールド１５ａを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータ２０の外側よりも燃料ガス流路または酸化ガス流路３５側の方が低くなるように傾斜していることも好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池およびそのセパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成するセルおよびそのセパレータの構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）は電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる接合体（例えばＭＥＡ、ＭＥＧＡ）と、該接合体を挟持するセパレータとで構成されている。また、このようなセルが複数積層されていわゆる燃料電池スタックが形成されている。

このような燃料電池を構成するセパレータは、例えば、発電領域に形成された燃料ガス（例えば水素ガス）流路または酸化ガス（例えば空気）流路と、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガスの入口側マニホールドと、燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料ガスの出口側マニホールドと、酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガスの入口側マニホールドと、酸化ガス流路から酸化ガスを排出する酸化ガスの出口側マニホールドと、を備えている。また、このようなセパレータとして、マニホールドを形成する輪郭のうちの下縁がガス流路との連通路よりも低くなるように延長部を形成したもの、ガス流路とマニホールドの境界線を傾斜させたもの、等が開示されている（例えば特許文献１，２参照）。
特開２００６−０６６２２５号公報 特開２００６−１４７４６７号公報

しかしながら、マニホールドが上述のように各種形状となっていようとも、燃料ガスや酸化ガスの出口側マニホールドに溜まった水がソーク（燃料電池の停止状態下での放置）時に氷点下となって凍結してしまうと、セル間が拘束されてしまうおそれがある。さらに、このまま当該燃料電池スタックが例えば起動時におけるように熱膨張した際、氷が割れたり、氷がない箇所があったりといったことがあると、膨張に伴う変位が一箇所に集中し、この結果ガスリークが発生してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、燃料ガスや酸化ガスの出口側マニホールドに溜まった水が凍結した場合にガスリークが発生するのを抑えることができる燃料電池およびそのセパレータを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。一般的に、燃料電池において上述のようにマニホールド内の水が凍結するとその後の熱膨張時にガスリークが生じるおそれがある。また、上述したように、従来技術の中には特有のマニホールドを備えたセパレータを提案しているものがあるが、これらセパレータはいずれも水が凍結した場合に生じうるガスリークに対応したものではない。これらの点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、発電領域に形成された燃料ガス流路または酸化ガス流路と、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガスの入口側マニホールドと、燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料ガスの出口側マニホールドと、酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガスの入口側マニホールドと、酸化ガス流路から酸化ガスを排出する酸化ガスの出口側マニホールドと、を備えた燃料電池のセパレータにおいて、当該セパレータの面を鉛直方向に一致させた場合における燃料ガスの出口側マニホールドと酸化ガスの出口側マニホールドを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータの外側よりも燃料ガス流路または酸化ガス流路側の方が高くなるように傾斜しているというものである。

このような輪郭に形成された出口側マニホールドは、熱膨張が大きい電極（発電領域）に近い部位ほど高くなるように傾斜しているため、当該出口側マニホールド内の水が凍結してできる氷は、電極に近い部位ほど薄い形状となる。このため、出口側マニホールド内にて氷が生じたとしても、熱膨張が大きい電極に近い部位を起点として燃料電池セル間にて氷が割れやすい。したがって、熱膨張時における変位が分散されることとなり、変位の集中に起因したガスリークが発生するのを抑えることができる。

このような燃料電池のセパレータにおいては、当該セパレータの面を鉛直方向に一致させた場合における燃料ガスの入口側マニホールドと酸化ガスの入口側マニホールドを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータの外側よりも燃料ガス流路または酸化ガス流路側の方が低くなるように傾斜していることが好ましい。燃料ガスや酸化ガスの入口側マニホールドの場合には、ソーク（燃料電池の停止状態下での放置）の前、できるだけ水を燃料電池セル内に導入し、マニホールド内には水が残っていない状態とすることが望ましい。この点、本発明ではマニホールド輪郭の下縁が燃料ガス流路または酸化ガス流路に向けて低くなるように傾斜させているから、入口側マニホールド内の水を燃料電池セル内に導き入れやすい。

また、このようなセパレータを含む燃料電池においては、隣り合うセパレータとセパレータの間には、発電領域に設けられる膜−電極接合体の少なくとも一部を挟持する枠状部材が挿入されており、該枠状部材の縁のうち少なくとも一部の断面形状が傾斜していることが好ましい。こうした場合、少なくとも一部の断面形状が傾斜している分だけ厚みが均一でなくなる。したがって、ガスリークが特に懸念されるセルとセルとの間の部位において、氷ができた場合の当該氷の厚さを不均一として剛性を低下させることが可能である。

この場合、隣接する枠状部材の縁のうち少なくとも一部の断面形状が互いに異なる方向に傾斜していることが好ましい。また、一対のセパレータ間に挟まれた一対の枠状部材の縁がＶ字状となっていることがさらに好ましい。加えて、セパレータの縁が枠状部材の縁から突出していない構造であることが好ましい。

本発明にかかる燃料電池では、マニホールドを形成する輪郭のうち下縁が傾斜した部分の近傍にて枠状部材の縁の断面形状が傾斜している構造となっている。

本発明によれば、燃料ガスや酸化ガスの出口側マニホールドに溜まった水が凍結した場合にガスリークが発生するのを抑えることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明の実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電セル）２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、セパレータ２０および樹脂フレーム（枠状部材）４０の具体的な構成について説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成、図２に燃料電池１の構造例を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。

なお、このような燃料電池スタック等で構成される例えば固体高分子型の燃料電池１は、燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

セル２に含まれる電解質としては、膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）あるいは膜−電極−拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）３０を用いている（図１等参照）。

セル２は、ＭＥＡ３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１等においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟む一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２，３３とで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２，３３よりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３４を残した状態で各電極３２，３３が例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２，３３は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３３には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２，３３側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、発電領域を形成する酸化ガスのガス流路３５や同じく発電領域を形成する水素ガスのガス流路３６、あるいは冷却水流路３７を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２側となる内側の面には水素ガスのガス流路３６が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３７が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３３側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３７が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３７が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３６を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３７を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３６を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３７を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３７を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３７を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた例えば略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３６に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３５に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３７に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３６に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図１参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは必要に応じて設けられる（図１参照）。セパレータ２０ａ，２０ｂ間に設けられる場合、これら第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、例えば、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成される（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ａのうちガス流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３７の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３７の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材（以下、樹脂フレームともいう）４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３４に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を備え、当該セル積層体３の両端に位置するセル（端セル）２，２の外側に順次、断熱セル４、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

続いて、燃料電池１を構成するセパレータ２０および樹脂フレーム（枠状部材）４０の具体的な構成について説明する（図３等参照）。

本実施形態のセパレータ２０においては、当該セパレータ２０の面を鉛直方向に一致させた場合に、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂと酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂを形成する輪郭のうちの下縁（あるいは当該下縁のうちの少なくとも一部）を、発電領域側（すなわち、当該セパレータ２０の外側よりも水素ガスのガス流路（燃料ガス流路）３６または酸化ガスのガス流路（酸化ガス流路）３５に近い側）の方が高くなるように傾斜させている（図３参照）。ここで、セパレータ２０の面を鉛直方向に一致させるとは、当該セパレータ２０の面方向が鉛直方向となるように立てることをいい、特に、当該燃料電池１が想定される通常の使用状態に置かれた場合のことをいう。

このような輪郭に形成された各出口側マニホールド１５ｂ，１６ｂは、熱膨張が大きい発電領域（ＭＥＡ３０と酸化ガスのガス流路３５または水素ガスのガス流路３６とが重畳している領域）に近い部位ほど高くなるように傾斜していることから、当該出口側マニホールド１５ｂ，１６ｂ内の水が凍結してできる氷Ｂは、当該発電領域に近い部位ほど高さ方向の厚みが薄い形状となる（図３参照）。このため、出口側マニホールド１５ｂ，１６ｂ内にて氷Ｂが生じたとしても（図３中の斜線部分参照）、熱膨張が大きい発電領域に近い部位（例えば図３中において符号Ａで示す部位）を起点としてセル２とセル２との間にて氷Ｂが割れやすい。したがって、従来構造の場合（図５参照）よりも熱膨張時における変位が分散されることとなり、変位の集中に起因したガスリークが発生するのを抑えることができる。

また、本実施形態では、当該セパレータ２０の面を鉛直方向に一致させた場合におけるマニホールド（水素ガスの入口側マニホールド１６ａと酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ）を形成する輪郭のうちの下縁（あるいは当該下縁のうちの少なくとも一部）を、当該セパレータ２０の外周寄りよりも発電領域側（すなわち、水素ガスのガス流路３６または酸化ガスのガス流路３５に近い側）寄りの方が低くなるように傾斜させている（図３参照）。一般に、水素ガスや酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ，１６ａにおいては、ソーク（燃料電池１の停止状態下での放置）の前、できるだけ水をセル２内に導入し、これら入口側マニホールド１５ａ，１６ａ内には水が残っていない状態とすることが望ましい。この点、本実施形態ではこれら入口側マニホールド１５ａ，１６ａの輪郭の下縁が発電領域側に向けて低くなるように傾斜させているから、従来構造の場合（図５参照）よりも、入口側マニホールド１５ａ，１６ａ内の水を当該セル２内に導き入れやすいという利点がある。これによれば、入口側マニホールド１５ａ，１６ａ内にて氷Ｂが凍結し、これに伴って熱膨張時に変位が集中してしまうという事態を抑えやすくなる。

さらに、本実施形態では、樹脂フレーム４０の縁４０ａのうち少なくとも一部につき、その断面形状が傾斜するように形成している（図４参照）。こうした場合、断面形状が傾斜している分だけ、ガスリークが特に懸念されるセル２とセル２との間の部位において、氷Ｂができた場合の当該氷Ｂの厚さを不均一として剛性を低下させることが可能である。この場合において、さらに本実施形態では隣接する樹脂フレーム４０の縁４０ａの断面形状が互いに異なる方向に傾斜するようにし、一対のセパレータ２０，２０間に挟まれた一対の樹脂フレーム４０の縁４０ａを略Ｖ字状としている（図４参照）。これにより、本実施形態では当該樹脂フレーム４０の周囲に氷Ｂができた場合にもこれら氷Ｂが割れやすくなるようにしている。

より詳細に説明すると、例えば従来構造だと樹脂フレーム４０の縁４０ａの配置や配列に関して特に規定がないことがあり、例えば図６に示すように縁４０ａの位置が不揃いの場合もある。ところがこのような場合、当該縁４０ａの外側にできる氷Ｂの厚さもまちまちとなり（図７参照）、結果的に割れにくい氷Ｂとなることがある。この点、本実施形態の燃料電池１においては、セル２とセル２の間において氷Ｂの厚さが薄くなり（図４参照）、尚かつ、セパレータ２０とフレーム樹脂４０によって氷Ｂを隔てる壁が形成されることになるから、特に当該薄い部分にて従来よりも割れやすい氷Ｂとすることが可能である（図４参照）。

加えて、従来構造だとセパレータ２０の端部が樹脂フレーム４０の縁４０ａよりもさらに外側に突出していることがあり（図８参照）、このような場合、例えば図８中の矢印方向に熱膨張した場合、セパレータ２０自体の剛性が十分でなく、氷Ｂが割れるに至らないことがある（図９参照）。この点、本実施形態の燃料電池１は、セパレータ２０の縁４０ａが樹脂フレーム４０の縁４０ａから突出していない構造であることから（図４等参照）、特に上述した略Ｖ字状の構造と相まって割れやすい氷Ｂとすることが可能である。

なお、上述のごとく樹脂フレーム４０の縁４０ａを傾斜させる場合、マニホールド（例えば水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）を形成する輪郭のうち下縁が傾斜した部分の近傍にて当該樹脂フレーム４０の縁４０ａを傾斜させることが好ましい（図３、図４参照）。こうすることにより、セパレータ２０の面方向、およびこれに垂直な方向（セル積層方向）の両方向において三次元的に割れやすい氷Ｂができるようになる。また、仮に出口側マニホールド（酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）内に水が残ったとしてもこれに起因するガスリークを抑制するためには、入口側マニホールド（酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ、水素ガスの入口側マニホールド１６ａ）においても、輪郭のうち下縁が傾斜した部分の近傍にて当該樹脂フレーム４０の縁４０ａを傾斜させることが好ましい。なお、図では水素ガスの入口側マニホールド１６ａについてのみ示しているが（図４参照）、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ、出口側マニホールド（酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）についても同様である。

上述のように、本実施形態の燃料電池１においては、各マニホールド１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂおよび樹脂フレーム４０を特有の構造としたことにより、入口側マニホールド１５ａ，１６ａにおいて水が溜まりにくくし、尚かつ氷点下となって水が凍結した場合にも当該氷Ｂの剛性を低下させて割れやすくなるようにしている。これによれば、燃料電池１が例えば起動時において熱膨張した際に膨張に伴う変位が集中するのを回避し、これによってガスリークが生じるのを抑えることが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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変形実施可能である。例えば本実施形態では、樹脂フレーム４０の縁４０ａのうち少なくとも一部につきその断面形状が傾斜するように形成することしたが、この場合における一部は、セパレータ２０の面方向に沿った一部である場合と、セパレータ面に垂直な方向（セル積層方向）に沿った一部である場合の両方を含む。要は、氷Ｂの剛性を低下させうる形態であれば、樹脂フレーム４０の縁４０ａのうちどの部分が傾斜した形状となっていても構わない。

本実施形態における燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池の構造例を示す側面図である。 燃料電池を構成するセパレータの構造例を示す図である。 図３中のIV-IV線における断面を示す図である。 従来のセパレータの構造を比較例として示す図である。 図５中のVI-VI線における断面を示す図である。 図６中の氷の部分のみを参考として示す図である。 図５中のVI-VI線における他の構造例を示す断面図である。 図８に示す構造例において熱膨張した場合を比較例として示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、１５ａ…酸化ガスの入口側マニホールド、１５ｂ…酸化ガスの出口側マニホールド、１６ａ…水素ガスの入口側マニホールド、１６ｂ…水素ガスの出口側マニホールド、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、３０…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、３５…酸化ガスのガス流路（酸化ガス流路）、３６…水素ガスのガス流路（燃料ガス流路）、４０…樹脂フレーム（枠状部材）、４０ａ…樹脂フレーム（枠状部材）の縁

Claims (8)

1. 発電領域に形成された燃料ガス流路または酸化ガス流路と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガスの入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料ガスの出口側マニホールドと、前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガスの入口側マニホールドと、前記酸化ガス流路から酸化ガスを排出する酸化ガスの出口側マニホールドと、を備えた燃料電池のセパレータにおいて、
   当該セパレータの面を鉛直方向に一致させた場合における前記燃料ガスの出口側マニホールドと前記酸化ガスの出口側マニホールドを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータの外側よりも前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路側の方が高くなるように傾斜している
   ことを特徴とするセパレータ。
2. 当該セパレータの面を鉛直方向に一致させた場合における前記燃料ガスの入口側マニホールドと前記酸化ガスの入口側マニホールドを形成する輪郭のうちの下縁が、当該セパレータの外側よりも前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路側の方が低くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
3. 請求項１または２に記載のセパレータを含む燃料電池。
4. 隣り合う前記セパレータとセパレータの間には、前記発電領域に設けられる膜−電極接合体の少なくとも一部を挟持する枠状部材が挿入されており、該枠状部材の縁のうち少なくとも一部の断面形状が傾斜している請求項３に記載の燃料電池。
5. 隣接する前記枠状部材の縁のうち少なくとも一部の断面形状が互いに異なる方向に傾斜している請求項４に記載の燃料電池。
6. 一対の前記セパレータ間に挟まれた一対の前記枠状部材の縁がＶ字状となっている請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記セパレータの縁が前記枠状部材の縁から突出していない構造である請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記マニホールドを形成する輪郭のうち下縁が傾斜した部分の近傍にて前記枠状部材の縁の断面形状が傾斜している構造の請求項４から７のいずれか一項に記載の燃料電池。

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