JP2014186823A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制を両立させる。
【解決手段】燃料電池は、周囲にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体との間にガス流路を形成するアノード側及びカソード側のセパレータとを備え、フレームと各セパレータとの間であって、かつ各ガス供給部と各電極との間にガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ各電極と各ガス排出部との間にガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接し、かつ基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部を有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池スタックに関するものである。

従来、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が提案されている（特許文献１参照。）。

この燃料電池セルは、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する燃料電池セルである。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ている。また、他の燃料電池セルは、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、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ている。また、更に他の燃料電池セルは、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ている。

特開２０１２−２１２５６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池セルにあっては、フレームやセパレータに所定サイズの凸部を設けることやフレームとセパレータとの間に所定サイズの複数の弾性体を介装させることが難しく、精度バラツキが生じていたため、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制の両立が十分ではなく、改善の余地があった。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制を両立し得る燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、下記（１）〜（３）のいずれかの構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

（１）所定の燃料電池において、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接し、かつ基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部を有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

（２）所定の燃料電池において、厚み方向における少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

（３）所定の燃料電池において、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、該基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、更に、厚み方向における少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

すなわち、本発明の燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、膜電極接合体を支持するフレームと、フレーム及びアノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、フレーム及びカソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備えたものである。また、この燃料電池は、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードガス供給部とアノードとの間及びカソードガス供給部とカソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードとアノードガス排出部との間及びカソードとカソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有する。更に、この燃料電池は、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接し、かつ、基部と、基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

また、本発明の他の燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも２枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、膜電極接合体を支持するフレームと、フレーム及びアノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、フレーム及びカソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備えたものである。また、この燃料電池は、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードガス供給部とアノードとの間及びカソードガス供給部とカソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードとアノードガス排出部との間及びカソードとカソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有する。更に、この燃料電池は、各セパレータが、ガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、フレームに接する複数の凸部を有する。更にまた、この燃料電池は、厚み方向における少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

更に、本発明の更に他の燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも２枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、膜電極接合体を支持するフレームと、フレーム及びアノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、フレーム及びカソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備えたものである。また、この燃料電池は、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードガス供給部とアノードとの間及びカソードガス供給部とカソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードとアノードガス排出部との間及びカソードとカソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有する。更に、この燃料電池は、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、厚み方向における少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

更にまた、本発明の燃料電池スタックは、複数の燃料電池が積層された構造を有し、燃料電池の少なくとも１つが上記本発明の燃料電池である積層体と、積層体を挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを締結する一対の締結部材と、を具備したものである。

本発明によれば、上記（１）〜（３）のいずれかの構成としたため、精度バラツキの原因となっていた所定サイズの凸部を設けたフレームやセパレータを用いる必要がなく、フレームとセパレータとの間に所定サイズの複数の弾性体を介装させる必要もない。そのため、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制を両立し得る燃料電池及び燃料電池スタックを提供することができる。

図１は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。 図２は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する組立て後を示す斜視図である。 図３は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する分解状態の平面図である。 図４は、図３に示す燃料電池を構成するセパレータを説明する分解状態の平面図である。 図５は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する組立て後を示す平面図である。 図６（ａ）は、図５中のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の要部を示す断面図、図６（ｂ）は、図５中のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。 図７は、従来の形態に係る燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す断面図（ａ）及び（ｂ）である。 図８は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池におけるアノード又はカソード長さ（Ｗ）／ガス分配部長さ（Ｌ）とチャネル間分配ばらつきとの関係を示すグラフである。 図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１及び第２の形態に係る燃料電池スタックを説明する組み立て後を示す模式的な断面図である。 図１０（ａ）は、本発明の第３の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図１０（ｂ）は、本発明の第３の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。 図１１は、本発明の第４の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。 図１２（ａ）は、本発明の第５の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図、図１２（ｂ）及び（ｃ）は、図１２（ａ）中の一点鎖線で囲んだ部分の拡大図である。 図１３（ａ）は、本発明の第６の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図１３（ｂ）は、本発明の第６の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。

以下、本発明の一形態に係る燃料電池及び燃料電池スタックについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。また、図２は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する組立て後を示す斜視図である。更に、図３は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する分解状態の平面図である。また、図４は、図３に示す燃料電池を構成するセパレータを説明する分解状態の平面図である。更に、図５は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する組立て後を示す平面図である。更にまた、図６（ａ）は、図５中のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の要部を示す断面図、図６（ｂ）は、図５中のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。

図１に示すように、第１の形態に係る燃料電池スタック１は、矩形板状を成す燃料電池１０が積層された構造を有する積層体５０に対し、積層方向の一端部（図１中で右側端部）に、集電プレート５１Ａ及びスペーサ５２を介してエンドプレート５３Ａが設けてあると共に、他端部に、集電プレート５１Ｂを介してエンドプレート５３Ｂが設けてある。また、燃料電池スタック１は、積層体５０に対し、燃料電池１０の長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結部材の一例である締結板５４Ａ，５４Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５５Ａ，５５Ｂが設けてある。

そして、燃料電池スタック１は、各締結板５４Ａ，５４Ｂ及び補強板５５Ａ，５５ＢをボルトＢにより両エンドプレート５３Ａ，５３Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタック１は、図２に示すようなケース一体型構造となり、積層体５０をその積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池１０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。

また、燃料電池１０は、燃料電池スタック１において単セルとも呼ばれるもので、図１、図３〜図６に示すように、膜電極接合体１１と、アノードガスやカソードガス、冷却流体の供給部Ｓ１〜Ｓ３や排出部Ｄ１〜Ｄ３を有し、かつ、膜電極接合体１１の周囲に配設されて膜電極接合体１１を支持するフレーム１２と、アノードガスやカソードガス、冷却流体の供給部Ｓ１〜Ｓ３や排出部Ｄ１〜Ｄ３を有し、かつ、膜電極接合体１１及びフレーム１２を挟持する一対のセパレータ１３，１３を備えている。なお、各供給部Ｓ１〜Ｓ３及び各排出部Ｄ１〜Ｄ３は、厚み方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、図示しないが、供給部と排出部は、一部又は全部が逆の位置関係でも良い。

更に、膜電極接合体１１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれるものであって、固体高分子からなる電解質膜１１ａをアノード１１ｂとカソード１１ｃとで挟持した構造を有している（図６参照。）。この膜電極接合体１１は、アノード１１ｂにアノードガス（水素含有ガス）が供給されると共に、カソード１１ｃにカソードガス（酸素含有ガス・空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極接合体１１としては、アノード１１ｂとカソード１１ｃ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１１ｄ及び１１ｅを備えたものも含まれる。

また、フレーム１２は、例えば射出成形や、ＰＥＮフレームなどの他のフィルムとの熱圧着や接着剤による接着により膜電極接合体１１と一体化してあり、この形態では、フィルム部材１２ａと膜電極接合体の電解質膜１１ａとが積層され、膜電極接合体１１を中央にして長方形状を成している（図３参照。）。更に、フレーム１２は、両端部に、各々三個ずつの供給部Ｓ１〜Ｓ３及び排出部Ｄ１〜Ｄ３が配列してあり、アノードガス供給部Ｓ１又はカソードガス供給部Ｓ３から膜電極接合体１１のアノード１１ｂ又はカソード１１ｃに至る領域がガス分配部Ｄとなり、膜電極接合体１１のアノード１１ｂ又はカソード１１ｃからアノードガス排出部Ｄ３又はカソードガス排出部Ｄ１に至る領域がガス回収部Ｃとなる。このフレーム１２及び両セパレータ１３，１３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。

更に、各セパレータ１３は、表裏反転形状を有する金属製の板部材１３ａであって、例えばステンレス製であり、プレス加工や凸形状１３ｂを利用した他の金属製の板部材１３ｃの穴１３ｆと嵌め合わせによって適宜形状に成形し得る。図示例のセパレータ１３は、少なくとも膜電極接合体１１に対応する中央部分が断面凹凸形状に形成してある。このセパレータ１３は、リブ（断面凹凸形状）１３ｄを長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体１１との間に、波形の凹部によりアノードガス及びカソードガスのガス流路を形成する。

また、各セパレータ１３は、ガス分配部Ｄ及びガス回収部Ｃに、矩形状の複数の凸部１３ｅが縦横に配列された他の板部材１３ｃが配設されている。これらの凸部１３ｅは、膜電極接合体１１の経時変化などによって燃料電池１０に厚さ方向の変位が生じた際に、フレーム１２に接触して反応用ガスの流通空間を維持するものである。

なお、図示しないが、燃料電池では、カソード側及びアノード側のセパレータの凹凸が半ピッチずれている構成でも、凹凸が一致している構造でも良い。

更に、燃料電池１０は、図３〜図５に示すように、フレーム１２と各セパレータ１３の縁部同士の間や、供給部Ｓ１〜Ｓ３や排出部Ｄ１〜Ｄ３の周囲に、シールＳが設けてある。また、燃料電池１０を複数枚積層した状態では、燃料電池１０同士すなわち隣接するセパレータ１３同士の間にもシールＳを設ける。

また、シールＳは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液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だけが流れるように、供給部Ｓ１〜Ｓ３及び排出部Ｄ１〜Ｄ３の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。

そして、上記構成を備えた燃料電池１０は、先述したように、複数枚積層して燃料電池スタック１を構成する。この燃料電池スタック１は、図６に示すように、隣接する燃料電池１０同士の間に、冷却液の流通空間Ｆを形成する。

更に、燃料電池スタック１は、ガス分配部Ｄ及びガス回収部Ｃに、フレーム１２とセパレータ１３の一方とに接し、かつ、詳しくは後述する基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する厚さ方向の変位を吸収する変位吸収部材１４を備えている。

このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。

一方、図７は、従来の形態に係る燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す断面図（ａ）及び（ｂ）である。なお、先の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。

従来の形態に係る燃料電池スタック１は、ガス分配部Ｄ（及び図示しないガス回収部）に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えた構成となっていない。このような構成であるため、膜電極接合体のアノード又はカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じた場合であって、リブ高さが低い場合には、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができないので、電気的な接触抵抗の増加によって性能低下が生じてしまうことがある（図７（ａ）参照。）。一方、このような構成であるため、膜電極接合体のアノード又はカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じた場合であって、リブ高さが高い場合には、ガス分配部及びガス回収部でフレームを支持することができないので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じたときに、下向き矢印及び破線で示すようにフレームがばたつくことによって破損してしまうことがある（図７（ｂ）参照。）。

図８は、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池におけるアノード又はカソード長さ（Ｗ）／ガス分配部長さ（Ｌ）とチャネル間分配ばらつきとの関係を示すグラフである。

第１の形態に係る燃料電池スタックにおいては、図３に示すように、燃料電池におけるガス分配部の長さ（Ｌ）に対するアノード又はカソードの長さ（Ｗ）（アノード又はカソードの長さ（Ｗ）／ガス分配部長さ（Ｌ））が５以下であることが好ましい。ガス分配部におけるチャネル間分配ばらつき性能は、アノード又はカソードの長さ（Ｗ）／ガス分配部長さ（Ｌ）に左右され、この値が小さいほどガス流路におけるガス分配ばらつきが小さくなり、性能が向上する。

（第１及び第２の形態）
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１及び第２の形態に係る燃料電池スタックを説明する組み立て後を示す模式的な断面図である。なお、先の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。

図９（ａ）に示すように、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタック１は、エンドプレート５３Ａ，５３Ｂと締結部材の一例である締結板５４Ａ，５４Ｂとが直接締結されている。これは、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタック１は、積層体５０内に変位吸収部材１４を有するためである（図６参照。）。つまり、本発明の第１の形態に係る燃料電池スタック１は、図９（ｂ）に示すような本発明の第２の形態に係る燃料電池スタック１における積層体５０外にばね６１とばね支持プレート６２からなる外部ばね機構６０を有する必要がないという利点がある。

（第３の形態）
図１０（ａ）は、本発明の第３の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図１０（ｂ）は、本発明の第３の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の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。

図１０に示すように、第３の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材１４として、フレーム１２とセパレータ１３に接し、かつ、基部１４ａとしての金属基板と、基部１４ａに形成され、ばね機能部１４ｂを構成する複数の凸部としての片持ち式の金属ばね片とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。このような変位吸収部材は、金属部材を塑性加工することによってばね弾性を有するようにして形成することができる。

このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。

（第４の形態）
図１１は、本発明の第４の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の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。

図１１に示すように、第４の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材１４として、フレーム１２とセパレータ１３に接し、かつ、基部１４ａと、基部１４ａに形成され、ばね機能部１４ｂを構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。この形態においては、基部１４ａ及びばね機能部１４ｂが樹脂材料からなる。このような変位吸収部材は、樹脂材料を射出成形することによって形成することができる。また、適当な樹脂フィルムを貼り付けることなどによって形成することができる。

このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。

（第５の形態）
図１２（ａ）は、本発明の第５の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図、図１２（ｂ）及び（ｃ）は、図１２（ａ）中の一点鎖線で囲んだ部分の拡大図である。なお、先の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。

図１２に示すように、第５の形態に係る燃料電池スタックは、セパレータ１３が、ガス分配部に対応する範囲（及び図示しないがガス回収部）に対応する範囲に、フレームに接する複数の凸部１３ｅを有する。そして、この燃料電池スタックは、厚み方向における２枚のフィルム部材１２ａの間であって、かつ、ガス分配部に対応する範囲（及び図示しないガス回収部）に対応する範囲に、１２ｂで示す厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。この変位吸収部材１２ｂは、例えば、フィルム部材１２ａ同士を貼り合わせる接着剤であって硬化後においてもばね弾性を有する弾性部材を適用することが好ましい。

このような構成とすることによっても、積層時に変位吸収部材である弾性部材が押しつぶされる構造となっている。つまり、セパレータのガス分配部（又は図示しないガス回収部）の凸部が低い場合であっても、積層後にフレームのガス分配部（及び図示しないガス回収部）に対応する範囲における変位吸収部材の撓みの全部又は一部が解消されて、両側のセパレータから保持され（図１２（ｂ）参照。）、セパレータのガス分配部（又は図示しないガス回収部）の凸部が高い場合であっても、積層後にフレームのガス分配部（及び図示しないガス回収部）に対応する範囲における変位吸収部材が撓むことにより確実にアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる（図１２（ｃ）参照。）。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。

（第６の形態）
図１３（ａ）は、本発明の第６の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図１３（ｂ）は、本発明の第６の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図５中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の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。

図１３に示すように、第６の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材１４として、フレーム１２とセパレータ１３に接し、かつ、基部１４ａとしての金属基板と、基部１４ａに形成され、ばね機能部１４ｂを構成する複数の凸部としての片持ち式の金属ばね片とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。更に、この燃料電池スタックは、厚み方向における２枚のフィルム部材１２ａの間であって、かつ、ガス分配部に対応する範囲（及び図示しないガス回収部）に対応する範囲に、１２ｂで示す厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。

このような構成とすることによっても、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部や２枚のフィルム部材の間であって、かつガス分配部に対応する範囲（及び図示しないガス回収部）に対応する範囲に配設された変位吸収部材が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ（凹凸構造）高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。

以上、本発明を若干の形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した各形態の燃料電池及び燃料電池スタックに記載した構成は、各形態毎に限定されるものではなく、例えば、各形態の構成を上述した各形態以外の組み合わせにしたり、構成の細部を変更したりすることができる。

Ｓ１ アノードガス供給部
Ｓ３ カソードガス供給部
Ｄ１ カソードガス供給部
Ｄ３ アノードガス排出部
Ｄ ガス分配部
Ｃ ガス回収部
１ 燃料電池スタック
１０ 燃料電池
１１ 膜電極接合体
１１ａ 電解質膜
１１ｂ アノード
１１ｃ カソード
１１ｄ，１１ｅ ガス拡散層
１２ フレーム
１２ａ フィルム部材
１２ｂ 変位吸収部材
１３ セパレータ
１３ｅ 凸部
１４ 変位吸収部材
１４ａ 基部
１４ｂ ばね機能部
５０ 積層体
５３Ａ，５３Ｂ エンドプレート
５４Ａ，５４Ｂ 締結部材

Claims (9)

1. 電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、
   上記膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、該膜電極接合体を支持するフレームと、
   上記フレーム及び上記アノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、
   上記フレーム及び上記カソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備え、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードガス供給部と上記アノードとの間及び上記カソードガス供給部と上記カソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードと上記アノードガス排出部との間及び上記カソードと上記カソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、
   厚み方向における上記アノード側及び上記カソード側の双方の上記ガス分配部及び上記ガス回収部に、上記フレームと上記各セパレータの一方とに接し、かつ、基部と、該基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 厚み方向に垂直な平面内において、上記アノードガス供給部又は上記カソードガス供給部から上記膜電極接合体のアノード又はカソードまでの垂線の長さ（Ｌ）に対する該垂線に対して垂直な方向のアノード又はカソードの長さ（Ｗ）の比（Ｗ／Ｌ）が５以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 上記基部が金属基板からなり、かつ、上記凸部が片持ち式の金属ばね片からなるか、又は上記基部及び上記凸部が樹脂材料からなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、
   上記膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも２枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、該膜電極接合体を支持するフレームと、
   上記フレーム及び上記アノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、
   上記フレーム及び上記カソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備え、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードガス供給部と上記アノードとの間及び上記カソードガス供給部と上記カソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードと上記アノードガス排出部との間及び上記カソードと上記カソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、
   上記各セパレータが、上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、上記フレームに接する複数の凸部を有し、
   厚み方向における上記少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくとも上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、
   上記膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも２枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、該膜電極接合体を支持するフレームと、
   上記フレーム及び上記アノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、
   上記フレーム及び上記カソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備え、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードガス供給部と上記アノードとの間及び上記カソードガス供給部と上記カソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、
   上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードと上記アノードガス排出部との間及び上記カソードと上記カソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、
   厚み方向における上記アノード側及び上記カソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、上記フレームと上記各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、該基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、
   厚み方向における上記少なくとも２枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくとも上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 厚み方向に垂直な平面内において、上記アノードガス供給部又は上記カソードガス供給部から上記膜電極接合体のアノード又はカソードまでの垂線の長さ（Ｌ）に対する該垂線に対して垂直な方向のアノード又はカソードの長さ（Ｗ）の比（Ｗ／Ｌ）が５以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
7. 上記基部が金属基板からなり、かつ、上記凸部が片持ち式の金属ばね片からなるか、又は上記基部及び上記凸部が樹脂材料からなる
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池。
8. 複数の燃料電池が積層された構造を有し、該燃料電池の少なくとも１つが請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池である積層体と、
   上記積層体を挟持する一対のエンドプレートと、
   上記一対のエンドプレートを締結する一対の締結部材と、を具備した
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
9. 上記エンドプレートと上記締結部材とが直接締結されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。

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