JP2016164854A - 燃料電池単セル及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池単セルのセパレータでのシールをより確実に行う。【解決手段】燃料電池単セル１の第１、第２のセパレータがそれぞれ第１、第２の通路形成領域と、各領域を取り囲みつつ燃料電池単セルの厚さ方向Ｓ外向きに突出するように周縁部分に形成された第１、第２の突出部１０ａ、１０ｃとを有し、第１の突出部は厚さ方向に弾性変形可能で、第２の突出部は周縁部分から起立する一対の起立部１７と起立部同士間に拡がる当接部１６とを含む。隣接する２つの燃料電池単セルの一方の第１のセパレータと他方の第２のセパレータとが対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層して燃料電池スタックが形成され、第１、第２の通路形成領域により第１、第２のセパレータ間に流体通路が形成され、第１の突出部と当接部とが当接して、流体通路を取り囲むシール部９が形成される。当接部の外面又は内面には補強部材８が取り付けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックを構成するのに適した燃料電池単セルであって、電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、ガス拡散層を配置された膜電極接合体を外周において支持する支持フレームと、周縁部分において支持フレームに固定され、中央部分においてガス拡散層に当接するように、支持フレーム及びガス拡散層の一側面上に配置された第１のセパレータ及び他側面上に配置された第２のセパレータと、を備え、第１のセパレータが第１の通路形成領域を有すると共に、第１の通路形成領域を取り囲みつつ燃料電池単セルの厚さ方向外向きに突出するように周縁部分に一体形成された、厚さ方向に弾性変形可能な第１の突出部を有し、第２のセパレータが第２の通路形成領域を有すると共に、第２の通路形成領域を取り囲みつつ厚さ方向外向きに突出するように周縁部分に一体形成された第２の突出部を有し、第２の突出部は、第２のセパレータの周縁部分から起立する一対の起立部と、起立部同士間に拡がる当接部と、を含み、燃料電池単セルは、互いに隣接する２つの燃料電池単セルのうち一方の燃料電池単セルの第１のセパレータと他方の燃料電池単セルの第２のセパレータとが互いに対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより燃料電池スタックを形成するのに適しており、燃料電池スタックを形成するために燃料電池単セルが互いに積層されたときに、互いに隣接する前記第１のセパレータの第１の通路形成領域と第２のセパレータの第２の通路形成領域とにより、互いに隣接する第１のセパレータと第２のセパレータの間の流体通路が形成されると共に、互いに隣接する前記第１のセパレータの第１の突出部と第２のセパレータの第２の突出部の当接部とが互いに当接し、それにより流体通路を取り囲むシール部が形成されるようになっている、燃料電池単セルが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３４２４９３号公報

特許文献１の当接部は平板形状である。そのため、複数の燃料電池単セルが厚さ方向に圧縮状態で積層されて燃料電池スタックが形成されたとき、第１の突出部が当接部に押し付けられることにより、当接部は厚さ方向内向きに撓みつつ第１の突出部に当接することになる。ここで、当接部の剛性が低いと、当接部が撓んだ形状に塑性変形される可能性がある。一方、燃料電池単セルの検査、修理又は交換のために、燃料電池スタックを個々の燃料電池単セルに分離し、その後燃料電池単セルを再び積層して燃料電池スタックを再形成する場合がある。このとき、分離された燃料電池単セルの当接部に塑性変形による撓みが残っていると、再び積層したときに、第１の突出部と当接部との間の当接状態が、各燃料電池単セル内の全ての当接箇所において適切な状態に戻るとは限らず、第１の突出部が当接部に十分に当接できず、当接部と第１の突出部との間に隙間が生じる可能性がある。すなわち、セパレータの周縁部分において、良好なシール性能が得られないおそれがある。燃料電池スタックを個々の燃料電池単セルに分離し、その後燃料電池単セルを再び積層したときにも、燃料電池単セルのセパレータでのシールをより確実に行うことが可能な技術が望まれる。

本発明の一の観点によれば、燃料電池スタックを構成するのに適した燃料電池単セルであって、電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、前記ガス拡散層を配置された前記膜電極接合体を外周において支持する支持フレームと、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の一側面上に配置された第１のセパレータ及び他側面上に配置された第２のセパレータと、を備え、前記第１のセパレータが第１の通路形成領域を有すると共に、前記第１の通路形成領域を取り囲みつつ前記燃料電池単セルの厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された、前記厚さ方向に弾性変形可能な第１の突出部を有し、前記第２のセパレータが第２の通路形成領域を有すると共に、前記第２の通路形成領域を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された第２の突出部を有し、前記第２の突出部は、前記第２のセパレータの前記周縁部分から起立する一対の起立部と、前記起立部同士間に拡がる当接部と、を含み、前記燃料電池単セルは、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルのうち一方の前記燃料電池単セルの前記第１のセパレータと他方の前記燃料電池単セルの前記第２のセパレータとが互いに対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより前記燃料電池スタックを形成するのに適しており、前記燃料電池スタックを形成するために前記燃料電池単セルが互いに積層されたときに、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の通路形成領域と前記第２のセパレータの前記第２の通路形成領域とにより、互いに隣接する前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間の流体通路が形成されると共に、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の突出部と前記第２のセパレータの前記第２の突出部の前記当接部とが互いに当接し、それにより前記流体通路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、前記第２の突出部の前記当接部の外面及び内面の少なくとも一方に補強部材が取り付けられている、燃料電池単セルが提供される。

本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックを構成するのに適した燃料電池単セルであって、電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、前記ガス拡散層を配置された前記膜電極接合体を外周において支持する支持フレームと、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の一側面上に配置された第１のセパレータ及び他側面上に配置された第２のセパレータと、を備え、前記第１のセパレータが第１の通路形成領域を有すると共に、前記第１の通路形成領域を取り囲みつつ前記燃料電池単セルの厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された、前記厚さ方向に弾性変形可能な第１の突出部を有し、前記第２のセパレータが第２の通路形成領域を有すると共に、前記第２の通路形成領域を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された第２の突出部を有し、前記第２の突出部は、前記第２のセパレータの前記周縁部分から起立する一対の起立部と、前記起立部同士間に拡がる当接部と、を含み、前記燃料電池単セルは、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルのうち一方の前記燃料電池単セルの前記第１のセパレータと他方の前記燃料電池単セルの前記第２のセパレータとが互いに対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより前記燃料電池スタックを形成するのに適しており、前記燃料電池スタックを形成するために前記燃料電池単セルが互いに積層されたときに、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の通路形成領域と前記第２のセパレータの前記第２の通路形成領域とにより、互いに隣接する前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間の流体通路が形成されると共に、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の突出部と前記第２のセパレータの前記第２の突出部の前記当接部とが互いに当接し、それにより前記流体通路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、前記第２の突出部の前記当接部の厚みは、前記第２のセパレータの前記当接部以外の前記周縁部分の厚みよりも厚い、燃料電池単セルが提供される。

本発明の更に別の観点によれば、上記のいずれかに記載の複数の燃料電池単セルを備え、前記複数の燃料電池単セルは、前記燃料電池単セルの厚さ方向に積層されている、燃料電池スタックが提供される。

燃料電池単セルのセパレータでのシールをより確実に行うことが可能となる。

燃料電池単セルの構成例を模式的に示す分解斜視図である。 燃料電池単セルを含む燃料電池スタックの構成例を示す部分断面図である。 図２のカソード突出部及びアノード突出部の構成例を示す部分断面図である。 比較例の燃料電池スタックでの燃料電池単セルの状態を模式的に示す断面図である。 本発明による実施例の燃料電池単セルの効果を模式的に示す断面図である。 別の実施例のカソード突出部及びアノード突出部の構成例を示す断面図である。 更に別の実施例のカソード突出部及びアノード突出部の構成例を示す断面図である。 更に別の実施例のカソード突出部及びアノード突出部の構成例を示す断面図である。 更に別の実施例のカソード突出部及びアノード突出部の構成例を示す断面図である。

燃料電池単セル及び燃料電池単セルを含む燃料電池スタックの構成について説明する。図１は、燃料電池単セル１の構成例を模式的に示す分解斜視図である。また、図２は、燃料電池単セル１を含む燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図であり、図１のＥ２−Ｅ２断面に相当する部分を示している。

図１に示すように、燃料電池単セル１は、膜電極接合体５を備えている。膜電極接合体５の両側面上にはそれぞれアノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｃが配置される。膜電極接合体５の外周には膜電極接合体５を支持する支持フレーム２が接着剤層２０を介して配置される。膜電極接合体５及び支持フレーム２の両側面上にはそれぞれアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃが配置される。したがって、アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃがガス拡散層３ａ、３ｃを有する膜電極接合体５及び支持フレーム２の両側面上にそれぞれ組み付けられることにより燃料電池単セル１が形成される。

図２に示すように、燃料電池スタックＡは、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１のうち一方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａと他方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃとが互いに対面するように複数の燃料電池単セル１を厚さ方向Ｓに沿って積層することにより形成される。燃料電池単セル１は、燃料ガス（例示：水素ガス）と酸化剤ガス（例示：空気）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セル１で発生された電力は、積層体の両端に配置されたターミナルプレート（図示せず）から燃料電池スタックの外部に到る複数の配線（図示せず）を介して燃料電池スタックの外部に取り出される。燃料電池スタックから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。

膜電極接合体５は、電解質膜５ｅを備える。電解質膜５ｅの両側上それぞれにはカソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａが形成される。カソードガス拡散層３ｃはカソード電極触媒層５ｃの外側に配置され、アノードガス拡散層３ａはアノード電極触媒層５ａの外側に配置される。図２に示す実施例では、膜電極接合体５のカソード電極触媒層５ｃ上の外周縁部に支持フレーム２の内周縁部が接着剤層２０を介して接着される。

図１に示すように、支持フレーム２では、長手方向の両端部付近には、支持フレーム２を貫通するように、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ５、６ａ６、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ５、６ｃ６、及び、冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ５、６ｗ６が形成される。支持フレーム２には、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ５、６ａ６から膜電極接合体５のアノード電極触媒層５ａ側へ燃料ガスを導く燃料ガス流路溝２ａｓ１、２ａｓ２が形成される。また、支持フレーム２には、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ５、６ｃ６から膜電極接合体５のカソード電極触媒層５ｃ側へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス流路溝２ｃｓ１、２ｃｓ２が形成される。

図２に示すように、アノードセパレータ４ａの一側の周縁部分４ａｅは支持フレーム２の一側面上に別の接着剤層（図示せず）で接着されて固定され、アノードセパレータ４ａの中央部分４ａｍはアノードガス拡散層３ａに当接され、それによりアノードセパレータ４ａはアノードガス拡散層３ａに電気的に接続される。また、図１に示すように、アノードセパレータ４ａの中央部分４ａｍには、膜電極接合体５側（図に示す側）に燃料ガス供給路用の複数の溝が形成され、その裏側に冷却媒体供給路用の複数の溝が形成される。図１に示す実施例では中央部分４ａｍの複数の溝は一方向に延びる流路である。図示しない別の実施例では複数の溝はサーペンタイン型の流路である。中央部分４ａｍに形成された燃料ガス供給路用の複数の溝とアノードガス拡散層３ａとにより、図２に示すように複数の燃料ガス供給路２１が形成される。アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅのうち、アノードセパレータ４ａの長手方向の両端付近には、アノードセパレータ４ａを貫通するように、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ３、６ａ４、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ３、６ｃ４及び冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ３、６ｗ４が形成される。

アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅには、燃料電池単セル１の厚さ方向Ｓ外向きに突出したアノード突出部１０ａ（第１の突出部）が形成される。アノード突出部１０ａは、厚さ方向Ｓに弾性変形可能である。図１に示す実施例では、アノード突出部１０ａは、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ３、６ａ４の各々の周囲を取り囲み、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ３、６ｃ４の各々の周囲を取り囲み、冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ３、６ｗ４及び冷却媒体供給路用の複数の溝を一まとめにした領域の周囲を取り囲むようにそれぞれ形成される。周縁部分４ａｅのアノード突出部１０ａ及び中央部分４ａｍの複数の溝は、アノードセパレータ４ａの一体成形で形成される。すなわち、一枚の板をプレス成形によりアノード突出部１０ａ及び複数の溝を有するアノードセパレータ４ａに成形する。

一方、図２に示すように、カソードセパレータ４ｃの一側の周縁部分４ｃｅは支持フレーム２の他側上に別の接着剤層（図示されず）で接着されて固定され、カソードセパレータ４ｃの中央部分４ｃｍはカソードガス拡散層３ｃに当接され、それによりカソードセパレータ４ｃはカソードガス拡散層３ｃに電気的に接続される。また、図１に示すように、カソードセパレータ４ｃの中央部分４ｃｍには、膜電極接合体５側（図に示さない側）に酸化剤ガス供給路用の複数の溝が形成され、その裏側に冷却媒体供給路用の複数の溝が形成される。図１に示す実施例では中央部分４ｃｍの複数の溝は一方向に延びる流路である。図示しない別の実施例では複数の溝はサーペンタイン型の流路である。中央部分４ｃｍに形成され酸化剤ガス供給路用の複数の溝とカソードガス拡散層３ｃとにより、図２に示すように複数の酸化剤ガス供給路２３が形成される。カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅのうち、カソードセパレータ４ｃの長手方向の両端付近には、カソードセパレータ４ｃを貫通するように、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ１、６ａ２、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ１、６ｃ２及び冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ１、６ｗ２が形成される。

カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅには、厚さ方向Ｓ外向きに突出したカソード突出部１０ｃ（第２の突出部）が形成される。図１に示す実施例では、カソード突出部１０ｃは、厚さ方向Ｓに弾性変形可能であり、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ１、６ａ２の各々の周囲を取り囲み、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ１、６ｃ２の各々の周囲を取り囲み、冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ１、６ｗ２及び冷却媒体供給路用の複数の溝を一まとめにした領域の周囲を取り囲むようにそれぞれ形成される。周縁部分４ｃｅのカソード突出部１０ｃ及び中央部分４ｃｍの複数の溝は、カソードセパレータ４ｃの一体成形で形成される。すなわち、一枚の板をプレス成形によりカソード突出部１０ｃ及び複数の溝を有するカソードセパレータ４ｃに成形する。

また、図２に示すように、隣り合う二つの燃料電池単セル１では、一方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃと他方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａとが当接することにより、二つの酸化剤ガス供給路２３と二つの燃料ガス供給路２１とに囲まれた冷却媒体供給路２２が形成される。

したがって、アノードセパレータ４ａは、冷却媒体供給路２２、すなわち流体通路を形成するための複数の溝を含む領域である第１の通路形成領域３１ａを有していると見ることができる。同様に、カソードセパレータ４ｃは、冷却媒体供給路２２、すなわち流体通路を形成するための複数の溝を含む領域である第２の通路形成領域３１ｃを有していると見ることができる。

アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を透過させず、導電性を有する材料で形成される。アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃの材料としては、例えばステンレスやチタンのような金属が挙げられる。図１に示す実施例では、チタンを用いる。また、図２に示す実施例では、アノードセパレータ４ａの厚みとカソードセパレータ４ｃの厚みとは等しい。図示しない実施例では、アノードセパレータ４ａの厚み及びカソードセパレータ４ｃの厚みのうち、いずれか一方が他方よりも厚い。

燃料電池単セル１が形成されるとき、支持フレーム２に支持された膜電極接合体５の両側にアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃが組み付けられると、アノードセパレータ４ａ、支持フレーム２及びカソードセパレータ４ｃの燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ１、６ａ５、６ａ３及び６ａ２、６ａ６、６ａ４、冷却媒体マニホールド用貫通口６ｗ１、６ｗ５、６ｗ３及び６ｗ２、６ｗ６、６ｗ４、並びに、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ１、６ｃ５、６ｃ３及び６ｃ２、６ｃ６、６ｃ４が厚さ方向Ｓに互いに整列される。それにより厚さ方向Ｓに延びる流体通路としての燃料ガスマニホールド、冷却媒体マニホールド及び酸化剤ガスマニホールドがそれぞれ画定される。

したがって、アノードセパレータ４ａは、各マニホールド、すなわち各流体通路を形成するための各貫通口を含む領域を有しているから、第１の通路形成領域３２ａを有していると見ることができる。同様に、カソードセパレータ４ｃは、各マニホールド、すなわち各流体通路を形成するための各貫通口を含む領域を有しているから、第２の通路形成領域３２ｃを有していると見ることができる。

よって、アノード突出部１０ａは、アノードセパレータ４ａにおいて第１の通路形成領域３１ａ及び３２ａを取り囲みつつ厚さ方向Ｓ外向きに突出している。同様に、カソード突出部１０ｃは、カソードセパレータ４ｃにおいて第２の通路形成領域３１ｃ及び３２ｃを取り囲みつつ厚さ方向Ｓ外向きに突出している。そして、燃料電池スタックＡを形成するために燃料電池単セル１が互いに積層されたときに、互いに隣接するアノードセパレータ４ａの第１の通路形成領域３１ａ及び３２ａとカソードセパレータ４ｃの第２の通路形成領域３１ｃ及び３２ｃとにより、互いに隣接するアノードセパレータ４ａとカソードセパレータ４ｃとの間の流体通路（冷却媒体供給路２２や各マニホールド）が形成される。それと共に、互いに隣接するアノードセパレータ４ａのアノード突出部１０ａとカソードセパレータ４ｃのカソード突出部１０ｃの当接部１６とが互いに当接し、それにより流体通路（各マニホールド、冷却媒体供給路２２）を取り囲むシール部９が形成される。シール部９は、アノード突出部１０ａ及びカソード突出部１０ｃが隔てる一方の側から他方の側へ流体が往き来できないようする。図２に示す実施例では、カソード突出部１０ｃとアノード突出部１０ａとの接触部分にエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のようなゴム７を更に配置する。

図３は、図２におけるアノード突出部１０ａ及びカソード突出部１０ｃの構成例を示す部分断面図である。この図においてゴム７の記載は省略される。アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅに形成されたアノード突出部１０ａは、アノードセパレータ４ａと支持フレーム２とが接するアノードセパレータ４ａの面としての基準面ＳＳａから、厚さ方向Ｓ外向き（支持フレーム２から離れる向き）に突出した形状を有する。アノード突出部１０ａは、弾性変形可能なバネ構造を有している。図３に示す実施例では、アノード突出部１０ａは、シール機能部１２と一対の支持部１３と一対の起立部１４とを備えている。一対の起立部１４は、アノード突出部１０ａの幅方向の両側に設けられ、一端をアノードセパレータ４ａの基準面ＳＳａの周縁部分４ａｅに連結され、基準面ＳＳａの周縁部分４ａｅから厚さ方向Ｓ外向きに起立する部分である。一対の支持部１３は、起立部１４よりもアノード突出部１０ａの幅方向の内側に設けられ、それぞれ一端を起立部１４の他端に連結され、基準面ＳＳａに略平行に、幅方向の中心に向かって広がる部分である。シール機能部１２は、アノード突出部１０ａの幅方向の略中央に設けられ、両端を両側の支持部１３の他端にそれぞれ連結されて支持され、支持部１３の形成する面よりも厚さ方向Ｓ外向きに突出している。図３の実施例では、シール機能部１２は支持部１３上に凸曲面状に形成される。一対の起立部１４と一対の支持部１３とシール機能部１２とは、板バネ的な機能を有し、カソード突出部１０ｃによりシール機能部１２に加わる荷重を、一対の起立部１４と一対の支持部１３とシール機能部１２の弾性変形で受け止める。

また、カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅに形成されたカソード突出部１０ｃは、カソードセパレータ４ｃと支持フレーム２とが接するカソードセパレータ４ｃの面としての基準面ＳＳｃから、厚さ方向Ｓ外向き（支持フレーム２から離れる向き、ただしアノード突出部１０ａの場合とは逆向き）に突出した形状を有する。図３に示す実施例では、カソード突出部１０ｃは、弾性変形可能なバネ構造を有し、当接部１６と一対の起立部１７とを備えている。一対の起立部１７は、カソード突出部１０ｃの幅方向の両側に設けられ、一端をカソードセパレータ４ｃの基準面ＳＳｃの周縁部分４ｃｅに連結され、基準面ＳＳｃの周縁部分４ｃｅから厚さ方向Ｓ外向きに起立する部分である。当接部１６は、起立部１７同士間に拡がるように設けられ、両端を両側の起立部１７の他端にそれぞれ連結され、基準面ＳＳｃに略平行な部分である。当接部１６の幅は、シール機能部１２の幅よりも広い。また、図３の実施例では、当接部１６と一対の起立部１７とは、板バネ的な機能を有し、アノード突出部１０ａにより当接部１６に加わる荷重を一対の起立部１７と当接部１６の弾性変形で受け止める。図３に示す実施例では当接部１６は平坦だが、図示しない別の実施例では当接部１６はシール機能部１２の凸曲面を受ける凹曲面のような曲面で形成される。図示しない別の実施例では、アノード突出部１０ａがシール機能部１２を有さず、カソード突出部１０ｃがシール機能部１２を有する。また、図３に示す実施例では一対の支持部１３とシール機能部１２とを合わせた幅と、当接部１６の幅とは概ね等しいが、図示しない更に別の実施例では、両者の幅は相違する。

図３に示す実施例では、カソード突出部１０ｃは、補強部材８を更に備えている。補強部材８は、当接部１６の支持フレーム２側の面、すなわち内面に取り付けられた薄板状の部材である。補強部材８は、当接部１６と概ね同じ平面形状を有する。補強部材８の厚みは、当接部１６の撓みを抑制する効果があれば特に制限はないが、例えば当接部１６と同じ厚みが挙げられる。

補強部材８の材料としては、ステンレス及びチタンのような金属材料や樹脂材料が挙げられる。図３に示す実施例では、当接部１６、すなわちカソードセパレータ４ｃの材料と同じチタンを用いる。図示しない別の実施例では、補強部材８はカソードセパレータ４ｃと異なる材料で形成される。好ましくは、当接部１６の剛性を高めるために、当接部１６を形成する材料のヤング率よりも高いヤング率を有する材料で補強部材８は形成される。補強部材８と当接部１６との接合方法としては、溶接や接着剤による接着が挙げられる。図３に示す実施例では、補強部材８の外周縁部をスポット溶接する方法を用い、補強部材８の外周縁部に溶接個所８ａが形成される。

ここで、カソード突出部１０ｃが補強部材８を備えていない場合、当接部の塑性変形が起き易くなる。図４は、補強部材８を備えていない比較例の燃料電池単セル１０１について、特にカソード突出部１１０ｃ及びアノード突出部１１０ａ近傍を模式的に示す断面図である。図４（Ａ）は、複数の燃料電池単セルを燃料電池スタックに組み付ける前、すなわち厚さ方向Ｓに圧縮しないで積層した状態を示す。図４（Ｂ）は、複数の燃料電池単セルを燃料電池スタックに組み付けたとき、すなわち厚さ方向Ｓに圧縮しつつ積層した状態を示す。図４（Ｃ）は、燃料電池単セルを燃料電池スタックから解放した後、すなわち厚さ方向Ｓの圧縮を開放した後、燃料電池単セルをばらした状態を示す。

図４に示すように、比較例の複数の燃料電池単セル１０１を厚さ方向Ｓに積層し（図４（Ａ））、厚さ方向Ｓに圧縮して燃料電池スタックに組み付けると（図４（Ｂ））、アノード突出部１１０ａのシール機能部１１２と当接部１１６とは当接して、シール機能部１１２が厚さ方向Ｓ内側にやや沈み込むと共に、当接部１１６が厚さ方向Ｓ内側に撓んだ状態となる。ここで、当接部１１６の剛性が低いと、当接部１１６が撓んだ形状に塑性変形される可能性がある。そうなると、その後、燃料電池単セル１０１の検査、修理又は交換のために、燃料電池スタックを個々の燃料電池単セル１０１に分離すると（図４（Ｃ））、塑性変形の撓みが当接部１１６に残ってしまう場合がある。そうなると、複数の燃料電池単セル１０１を厚さ方向Ｓに再び積層して燃料電池スタックを再形成するとき、シール機能部１１２と当接部１１６との間の当接状態が、各燃料電池単セル１０１内の全ての当接箇所において適切な状態に戻るとは限らず、シール機能部１１２が当接部１１６に当接できず、当接部１１６とシール機能部１１２との間に隙間が生じる可能性がある。すなわち、セパレータの周縁部分において、良好なシール性能が得られないおそれがある。

そこで、図３に示す実施例のカソード突出部１０ｃでは、当接部１６に補強部材８が取り付けられる。それにより、当接部１６の剛性を高めて、当接部１６の塑性変形を起き難くしている。図５は補強部材８を備える燃料電池単セル１について、特にカソード突出部１０ｃ及びアノード突出部１０ａ近傍を模式的に示す断面図である。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、燃料電池単セル１を用いている他は図４（Ａ）〜図４（Ｃ）と同様である。

図５に示すように、補強部材８を備える複数の燃料電池単セル１を厚さ方向Ｓに積層し（図５（Ａ））、厚さ方向Ｓに圧縮して燃料電池スタックに組み付けると（図５（Ｂ））、シール機能部１２と当接部１６とは当接して、シール機能部１２が厚さ方向Ｓ内側にやや沈み込むと共に、当接部１６が厚さ方向Ｓ内側に撓んだ状態となる。ここで、当接部１６には補強部材８が取り付けられているため、補強部材８が取り付けられていない比較例の当接部１１６の剛性よりも当接部１６の剛性は高くなる。それにより、当接部１６が撓んだ形状に塑性変形することを抑制できる。したがって、その後、燃料電池単セル１の検査、修理又は交換のために、燃料電池スタックを個々の燃料電池単セル１に分離すると（図５（Ｃ））、当接部１６において塑性変形による撓みが抑制され、撓みの程度が小さくなるか、又は、撓みが無くなる。その結果、複数の燃料電池単セル１を厚さ方向に再び積層して燃料電池スタックを再形成するとき、シール機能部１２と当接部１６との間の当接状態が、各燃料電池単セル１内の全ての当接箇所において適切な状態に戻り、前回の組み付け時と同様にシール機能部１２が当接部１６に当接でき、当接部１６とシール機能部１２との間に隙間が生じなくなる。すなわち、セパレータの周縁部分において、良好なシール性能が得られる。

以上のように、図１〜図３に示すような燃料電池単セル１を用いた燃料電池スタックＡにより、アノード突出部１０ａとカソード突出部１０ｃの当接部１６との間に隙間を生じさせず、燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃでのシールをより確実に行うことが可能となる。

次に、図６を参照して別の実施例について説明する。図３に示す実施例では、補強部材８は、当接部１６の支持フレーム２側の面、すなわち内面に取り付けられる。一方、図６に示す別の実施例では、補強部材８は、当接部１６の支持フレーム２と逆側の面、すなわち外面に取り付けられる。この場合にも、図３の実施例と同様の効果を奏することができると共に、補強部材８が燃料電池単セル１内のガス雰囲気に曝されるおそれが無いため、例えば材料選択の自由度が高まり、生産性の向上や生産コストの抑制ができる。図６に示す実施例では、補強部材８の外周縁部をカソード突出部１０ｃの全周にわたって切れ目なく溶接する。このとき、カソード突出部１０ｃの全周にわたって、当接部１６の２か所が溶接されており、溶接個所８ａの内側では、補強部材８と当接部１６との間に隙間があってもよい。

次に、図７を参照して更に別の実施例について説明する。図３に示す実施例では、補強部材８の厚みは、当接部１６と概ね同じである。一方、図７に示す更に別の実施例では、補強部材８の厚みは、当接部１６の厚みよりも厚い。この場合にも、図３の実施例と同様の効果を奏することができると共に、補強部材８の厚みを厚くすることで、当接部１６の剛性を更に高くして、塑性変形をより起こり難くできる。図示しない更に別の実施例では、補強部材８の厚みは、当接部１６の厚みよりも薄い。この場合にも、図３の実施例と同様の効果を奏することができると共に、補強部材８の厚みを薄くすることで、補強部材８の溶接を容易に行うことができる。

次に、図８を参照して更に別の実施例について説明する。図１に示すように、カソード突出部１０ｃには直線状に延びる直線部及び曲線状に曲がった曲線部がある。図３、図７に示す実施例では、補強部材８は、曲線部を含む全周にわたり設けられる。一方、図８に示す更に別の実施例では、補強部材８は、シール部９（又はカソード突出部１０ｃ）のうち直線状の直線部ＳＴにおいて当接部１６に取り付けられ、曲線状の曲線部Ｒにおいて当接部１６に取り付けられない。この場合にも、図３の実施例と同様の効果を奏することができると共に、カソード突出部１０ｃの直線部ＳＴの剛性は曲線部Ｒの剛性より低いため、剛性の低い直線部ＳＴのみを補強部材８で補強することで、補強部材８の取り付け箇所を削減でき、生産性の向上や生産コストの抑制ができる。

次に、図９を参照して更に別の実施例について説明する。図３に示す実施例では、当接部１６の内面に補強部材８が取り付けられて、当接部１６の剛性が高められる。一方、図９に示す更に別の実施例では、補強部材８が当接部１６に取り付けられずに、当接部１６自体の厚みがカソードセパレータ４ｃの当接部１６以外の周縁部分４ｃｅの厚みよりも厚くされる。この場合にも、図３の実施例と同様の効果を奏することができると共に、補強部材８を取り付ける作業が不要となるため、生産性の向上や生産コストの抑制ができる。あるいは、図８の実施例と同様に、シール部９（又はカソード突出部１０ｃ）のうち直線状の直線部ＳＴにおいて当接部１６自体の厚みをカソードセパレータ４ｃの当接部１６以外の周縁部分４ｃｅの厚みよりも厚くされ、曲線状の曲線部Ｒにおいて厚くされなくてもよい。この場合にも、図８の実施例と同様の効果を奏することができると共に、補強部材８を取り付ける作業が不要となるため、生産性の向上や生産コストの抑制ができる。

また、これまで述べてきた各実施例では、カソード突出部１０ｃが当接部１６を備え、アノード突出部１０ａがシール機能部１２を備えている。一方、図示しない別の実施例では、アノード突出部１０ａが当接部１６を備え、カソード突出部１０ｃがシール機能部１２を備えている。この場合にも、図３に示す実施例と同様の効果を奏することができる。

１ 燃料電池単セル
４ａ アノードセパレータ
４ｃ カソードセパレータ
５ 膜電極接合体
９ シール部
１０ａ アノード突出部
１０ｃ カソード突出部
１６ 当接部
１７ 起立部
Ａ 燃料電池スタック

Claims (8)

1. 燃料電池スタックを構成するのに適した燃料電池単セルであって、
   電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
   前記ガス拡散層を配置された前記膜電極接合体を外周において支持する支持フレームと、
   周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の一側面上に配置された第１のセパレータ及び他側面上に配置された第２のセパレータと、
   を備え、
   前記第１のセパレータが第１の通路形成領域を有すると共に、前記第１の通路形成領域を取り囲みつつ前記燃料電池単セルの厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された、前記厚さ方向に弾性変形可能な第１の突出部を有し、
   前記第２のセパレータが第２の通路形成領域を有すると共に、前記第２の通路形成領域を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された第２の突出部を有し、前記第２の突出部は、前記第２のセパレータの前記周縁部分から起立する一対の起立部と、前記起立部同士間に拡がる当接部と、を含み、
   前記燃料電池単セルは、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルのうち一方の前記燃料電池単セルの前記第１のセパレータと他方の前記燃料電池単セルの前記第２のセパレータとが互いに対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより前記燃料電池スタックを形成するのに適しており、
   前記燃料電池スタックを形成するために前記燃料電池単セルが互いに積層されたときに、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の通路形成領域と前記第２のセパレータの前記第２の通路形成領域とにより、互いに隣接する前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間の流体通路が形成されると共に、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の突出部と前記第２のセパレータの前記第２の突出部の前記当接部とが互いに当接し、それにより前記流体通路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、
   前記第２の突出部の前記当接部の外面及び内面の少なくとも一方に補強部材が取り付けられている、
   燃料電池単セル。
2. 前記補強部材は、前記当接部と同じ材料で形成される、
   請求項１に記載の燃料電池単セル。
3. 前記補強部材の厚みは、前記当接部の厚みよりも厚い、
   請求項２に記載の燃料電池単セル。
4. 前記補強部材を形成する材料のヤング率は、前記当接部を形成する材料のヤング率よりも高い、
   請求項１に記載の燃料電池単セル。
5. 前記補強部材は、金属材料で形成されている、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池単セル。
6. 前記補強部材は、前記シール部のうち直線状の箇所において前記当接部に取り付けられる、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池単セル。
7. 燃料電池スタックを構成するのに適した燃料電池単セルであって、
   電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
   前記ガス拡散層を配置された前記膜電極接合体を外周において支持する支持フレームと、
   周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の一側面上に配置された第１のセパレータ及び他側面上に配置された第２のセパレータと、
   を備え、
   前記第１のセパレータが第１の通路形成領域を有すると共に、前記第１の通路形成領域を取り囲みつつ前記燃料電池単セルの厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された、前記厚さ方向に弾性変形可能な第１の突出部を有し、
   前記第２のセパレータが第２の通路形成領域を有すると共に、前記第２の通路形成領域を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するように前記周縁部分に一体形成された第２の突出部を有し、前記第２の突出部は、前記第２のセパレータの前記周縁部分から起立する一対の起立部と、前記起立部同士間に拡がる当接部と、を含み、
   前記燃料電池単セルは、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルのうち一方の前記燃料電池単セルの前記第１のセパレータと他方の前記燃料電池単セルの前記第２のセパレータとが互いに対面するように複数の前記燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより前記燃料電池スタックを形成するのに適しており、
   前記燃料電池スタックを形成するために前記燃料電池単セルが互いに積層されたときに、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の通路形成領域と前記第２のセパレータの前記第２の通路形成領域とにより、互いに隣接する前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間の流体通路が形成されると共に、互いに隣接する前記第１のセパレータの前記第１の突出部と前記第２のセパレータの前記第２の突出部の前記当接部とが互いに当接し、それにより前記流体通路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、
   前記第２の突出部の前記当接部の厚みは、前記第２のセパレータの前記当接部以外の前記周縁部分の厚みよりも厚い、
   燃料電池単セル。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の複数の燃料電池単セルを備え、
   前記複数の燃料電池単セルは、前記燃料電池単セルの厚さ方向に積層されている
   燃料電池スタック。

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