JP2021114355A - 燃料電池セルおよび燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化、低抵抗化、高耐久化を両立できる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】燃料電池セル１００は、膜電極接合体１３０を第１セパレータ１１０と第２セパレータ１２０とで挟み込んで形成されている。膜電極接合体１３０は、第１セパレータ１１０と相対する第１面に、第１流路１３２が設けられたガス拡散層１３１を有するとともに、第２セパレータ１２０と相対する第２面に、概平面のガス拡散層１３３を有する。第１セパレータ１１０は、膜電極接合体１３０の第１面と相対する面に、概平面部１１２を有する。第２セパレータ１２０は、膜電極接合体１３０の第２面と相対する面に、第２流路１２１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セルおよび燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、燃料電池セル（以下、セルという）を積層した構造を有する。セルは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜電極接合体と、その膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を備える。

高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。

電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば、白金、または、白金とルテニウムとの合金などが含まれる。空気極の触媒層には、例えば、白金、または、白金とコバルトとの合金などが含まれる。

セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。

セルには、さらに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの気密を保つためのシール部材や、膜電極接合体の外周部を補強する外周部材が必要に応じて設けられる。

燃料電池スタックは、上述したようなセルを積層することで、電気的に直列に接続される。燃料電池スタックは、さらに、セル積層体を挟むエンドプレートを有する。また、セル積層体に均一な荷重を加えるために、セル積層体とエンドプレートとの間に、スプリングモジュールまたは弾性部材を配置する場合もある。

このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれのセルに、燃料ガス（水素を含む）および酸化剤ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。そのために、セパレータには、一般的に、圧縮成形、プレス加工、溶接などによって、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷媒流路が形成されている。また、膜電極接合体の外周部材に、流路を形成する場合もある。

さらに、セパレータには、薄型化、低抵抗化、高耐久化などが求められている。このような要求を解決しようとする従来の燃料電池セルとして、例えば特許文献１には、金属板の上に炭素材料の凸条を形成したものが開示されている。また、特許文献２には、溶射によりプレス容易な板を製造し、表裏で異なる流路形状を形成したものが開示されている。また、特許文献３には、膜電極接合体上のガス拡散層に流路を形成したものが開示されている。

特許第３５３４６８５号公報 特許第５９８０１６７号公報 国際公開第２０１６／０５９７４７号

特許文献１には、金属板を用いることで薄型化および高強度化を図りながら、カーボンの凸条を形成することにより、流路設計の自由度を向上させる旨が開示されている。しかしながら、１枚のセパレータを複数の層で構成するため、複数の層の界面における接触抵抗により、抵抗値が増大するという課題を有している。

また、特許文献２には、溶射によりプレス容易な板を形成することにより、表裏で異なる形状の流路を形成する旨が開示されている。この構成では、特許文献１のようなセパレータ内の界面がないため、抵抗値を低減することが可能である。しかし、表裏に流路を形成する際に薄肉部と厚肉部の厚みの差が大きくなり、薄肉部に対して厚肉部の厚みが３倍以上となるような深溝加工を安価かつ高精度に行うことが困難である。そのため、薄肉部を薄くできないという課題を有している。

また、特許文献３には、膜電極接合体のガス拡散層に流路を形成する旨が開示されている。この構成では、電極部においてセパレータに深い溝の流路を形成する必要がないため、薄型、低抵抗のセパレータを実現できる。しかし、ガス拡散層は電極を介して高分子電解質膜と接している。そのため、例えば、カソード極側のガス拡散層に形成された流路のリブが、アノード極側のガス拡散層に形成された流路の溝と対向した場合に、高分子電解質膜が座屈し、セルの耐久性が低下するという課題がある。

一方の極側のリブが他方の極の溝と対向しないような設計であっても、組立上の位置ずれによりリブと溝が対向してしまうと、座屈が起こりうるため、流路の溝幅を組立精度以上に小さくできない。また、特許文献３の構成では、電極の外周部にはガス拡散層がなく、セパレータ両面に流路を加工する必要があるため、上述した特許文献２と同様の課題を有している。

本発明の目的は、薄型化、低抵抗化、および高耐久化を両立できる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供することである。

本発明の一態様に係る燃料電池セルは、膜電極接合体を第１セパレータと第２セパレータとで挟み込んで形成された燃料電池セルであって、前記膜電極接合体は、前記第１セパレータと相対する第１面に、第１流路が設けられた第１ガス拡散層を有するとともに、前記第２セパレータと相対する第２面に、概平面の第２ガス拡散層を有し、前記第１セパレータにおいて、前記第１面と相対する面は、概平面であり、前記第２セパレータは、前記第２面と相対する面に、第２流路を有する。

本発明の一態様に係る燃料電池スタックは、本発明の一態様に係る燃料電池セルを複数積層して形成されている。

本発明によれば、薄型化、低抵抗化、および高耐久化を両立することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池セルの平面図 図１のＡ−Ａ断面図 図２の分解断面図 本発明の実施の形態１に係る膜電極接合体の平面図 本発明の実施の形態１に係る第２セパレータの平面図 図１のＢ−Ｂ断面図 図６に示した部分Ｃの拡大図 図１のＢ−Ｂ断面の別の例を示す図 図１のＢ−Ｂ断面の別の例を示す図 本発明の実施の形態１に係る燃料電池セルの別の例を示す平面図 図１０のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池セルの構成例を示す、図１のＢ−Ｂに対応する断面図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池セルの別の構成例を示す、図１のＢ−Ｂに対応する断面図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池セルの流路の別の構成例を示す平面図 図１４のＡ−Ａ断面図 一方の極のガス拡散層に対する主流通方向の定義を模式的に示す図 ２つの主流通方向を同じ向きとした場合の第１セパレータの平面図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池セル１００について、図１〜図９を用いて説明する。

図１は、本実施の形態の燃料電池セル１００の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２の分解断面図である。図４は、図３に示した膜電極接合体１３０の平面図である。図５は、他方の極のセパレータ１２０の平面図である。図６は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図７は、図６の部分拡大図である。図８、図９は、図１のＢ−Ｂ断面の別の例を示す図である。

図２、図６に示すように、燃料電池セル１００は、一方の極のセパレータ（以下、第１セパレータという）１１０、他方の極のセパレータ（以下、第２セパレータという）１２０、および膜電極接合体１３０を有する。第１セパレータ１１０および第２セパレータ１２０は、膜電極接合体１３０を挟むように配置されている。

図２に示すように、膜電極接合体１３０、第１セパレータ１１０、および第２セパレータ１２０には、それぞれ、積層方向（図２では上下方向）に貫通する穴である冷媒給排出口１４０が設けられている。

また、図１に示すように、第１セパレータ１１０には、燃料ガス給排出口１４１および酸化剤ガス給排出口１４２が設けられている。燃料ガス給排出口１４１および酸化剤ガス給排出口１４２も、冷媒給排出口１４０と同様に、積層方向に貫通する穴である。膜電極接合体１３０および第２セパレータ１２０のそれぞれにも、図１に示した第１セパレータ１１０と同様に、燃料ガス給排出口１４１および酸化剤ガス給排出口１４２が設けられている（図３、図５参照）。

燃料ガス給排出口１４１は、図１に示すように、２つ設けられている。一方の燃料ガス給排出口１４１から供給された燃料ガスは、第１セパレータ１１０と膜電極接合体１３０との間に形成された第１流路１３２（図２参照）を通じて、膜電極接合体１３０の一方の面に供給される。その後、燃料ガスは、他方の燃料ガス給排出口１４１から排出される。なお、燃料ガス給排出口１４１の数は、２つに限定されない。

酸化剤ガス給排出口１４２は、図１に示すように、２つ設けられている。一方の酸化剤ガス給排出口１４２から供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１２０と膜電極接合体１３０との間に形成された第２流路１２１（図２参照）を通じて、膜電極接合体１３０の他方の面に供給される。その後、酸化剤ガスは、他方の酸化剤ガス給排出口１４２から排出される。なお、酸化剤ガス給排出口１４２の数は、２つに限定されない。

燃料電池セル１００は、膜電極接合体１３０を介して燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することにより発電し、導電性材料で構成された第１セパレータ１１０、第２セパレータ１２０を介して電流を取り出すことが可能な構造となっている。さらに、複数の燃料電池セル１００が積層された場合、それらは、電気的に直列に接続される。

＜膜電極接合体１３０＞
図３に示すように、膜電極接合体１３０は、一方の極のガス拡散層１３１、他方の極のガス拡散層１３３、高分子電解質膜１３５、および外周部材１３６を有する。

ガス拡散層１３１（第１ガス拡散層の一例）は、高分子電解質膜１３５の一面（図中の上側の面）に設けられている。ガス拡散層１３３（第２ガス拡散層の一例）は、高分子電解質膜１３５の他面（図中の下側の面）に設けられている。高分子電解質膜１３５の両面には、図示しない触媒電極が設けられている。

ガス拡散層１３１において、第１セパレータ１１０（図３に示す部分１１２を含む面）と接する面には、燃料ガスが流れる第１流路１３２が形成されている（図３、図４、図６、図７参照）。

また、ガス拡散層１３３において、第２セパレータ１２０と接する面１３４は、概平面となっている。ここで、概平面とは、ガス拡散層１３３の厚みに対して３０％以上の深さの凹凸を持たない面と定義する。また、概平面の表面は、カーボン粒子、カーボン繊維、樹脂などで構成された多孔質状となっている。

なお、ガス拡散層１３１、１３３の組成について特に限定はないが、主にカーボン粒子とバインダ樹脂によって構成されたものが望ましい。その組成であれば、プレス加工や印刷などにより、容易に第１流路１３２を形成することができる。

また、第１流路１３２の溝幅、リブ幅、溝深さについても、特に限定はなく、任意のサイズとしてよい。ただし、溝幅は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が望ましい。溝幅が０．５ｍｍより大きい場合、積層締結（詳細は後述）の際にガス拡散層１３１の変形が大きくなる。これにより、第１流路１３２の一部が閉塞され、発電時のガス圧損が上昇してしまう。その一方で、溝幅が０．２ｍｍ未満である場合、凝縮した水の排出が困難となる。

上記「積層締結」とは、第１セパレータ１１０と、第２セパレータ１２０と、膜電極接合体１３０とを積層して締結することを言い、「燃料電池セルの組み立て」と言ってもよい。あるいは、複数の燃料電池セル１００を積層して締結することを言い、「燃料電池スタックの組み立て」と言ってもよい。

また、第１流路１３２の形状は、ストレート（直線状）またはサーペンタイン（蛇行状）などを自由に選択してよい。

また、第１流路１３２において分岐部または合流部などが形成されてもよい。

本実施の形態では、図３に示すように、ガス拡散層１３１のみに第１流路１３２を形成しているため、第１流路１３２が高分子電解質膜１３５を挟んで向きあうことがない。そのため、積層締結の際に第１流路１３２の位置がその溝幅以上にずれた場合でも、高分子電解質膜１３５の座屈変形を防止できる。

図３、図６、図７に示すように、高分子電解質膜１３５の面方向の外周部分には、絶縁材料で構成された額縁状の外周部材１３６が、高分子電解質膜１３５の両面を挟み込むように設けられている。

例えば、外周部材１３６と高分子電解質膜１３５とは、図示しない接着剤を介しての接着、圧着、または成形などによって接合される。なお、必ずしも接合の必要はなく、外周部材１３６が高分子電解質膜１３５を単に挟持する構造であってもよい。その場合、外周部材１３６と高分子電解質膜１３５との間には、図示しないシール材が設けられてもよい。

図４に示すように、外周部材１３６には、冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス排出口１４２が形成されている。また、外周部材１３６には、接続流路１３７（第１接続流路の一例）が形成されている。接続流路１３７は、第１流路１３２と燃料ガス給排出口１４１とを接続する流路である（図４、図６参照）。

接続流路１３７の内部には、積層締結時の荷重を支え、変形を抑えるために、複数の凸部１３８（第１凸部の一例）が形成されている。図４に示す凸部１３８は、図６、図７に示すように、例えば円柱状のリブであるが、形状は、円柱状に限定されず、矩形柱または三角柱などの他の形状であってもよい。また、凸部１３８の数は、図４に示す数に限定されない。なお、凸部１３８は、無くてもよい。

＜セパレータ１１０＞
第１セパレータ１１０において、膜電極接合体１３０と接する面のうち、ガス拡散層１３１と接する部分１１２（概平面部の一例）は、概平面となっている。ここで、概平面とは、第１セパレータ１１０の薄肉部の厚みに対して３０％以上の深さの凹凸を持たない面と定義する。

第１セパレータ１１０の表面処理については、特に限定しない。ただし、ガス拡散層１３１と接する部分１１２の表面算術平均粗さは、２μｍ以上、３０μｍ以下であることが望ましい。

上記表面粗さにすることで、積層締結の際、ガス拡散層１３１を圧縮してガス拡散層１３１との接触を保ちながら、第１セパレータ１１０を膜電極接合体１３０に食い込ませることができる。これにより、第１セパレータ１１０と膜電極接合体１３０との接触表面積を増大させることができる。よって、接触抵抗を低減することができる。

また、第１セパレータ１１０には、膜電極接合体１３０と接する面（部分１１２を含む面）の裏面に、冷媒が流れる第３流路１１１が形成されている（図１、図３、図６、図７参照）。

また、図１に示すように、第１セパレータ１１０には、冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス排出口１４２が形成されている。第３流路１１１と冷媒給排出口１４０とは連通している。

また、第３流路１１１の溝幅、リブ幅、溝深さについて、特に限定はない。また、第３流路１１１の形状は、ストレート（直線状）またはサーペンタイン（蛇行状）などを自由に選択してよい。また、第３流路１１１において分岐部または合流部などが形成されてもよい。また、第３流路１１１と冷媒給排出口１４０とは、例えば図４に示した接続流路１３７と同様の接続流路（第３接続流路の一例）を介して接続されてもよい。また、その接続流路には、例えば図４に示した凸部１３８と同様の複数の凸部（第２凸部の一例）が設けられてもよい。

第１セパレータ１１０の組成および第１セパレータ１１０の加工方法について、特に限定はない。第３流路１１１の形成面の裏面は概平面であるため、材質を問わず、成形、溶射などの加工方法により、第１セパレータ１１０を容易に製造することができる。よって、第１セパレータ１１０の材料として、金属材料を用いることができる。

＜セパレータ１２０＞
第２セパレータ１２０において、膜電極接合体１３０と接する面のうち、ガス拡散層１３３と接する部分に、酸化剤ガスが流れる第２流路１２１が形成されている（図２、図３、図５〜図７参照）。

第２流路１２１の溝幅、リブ幅、溝深さについて、特に限定はなく、任意のサイズとしてよい。ただし、溝幅は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が望ましい。溝幅が０．５ｍｍより大きい場合、積層締結時にガス拡散層１３３の変形が大きくなる。これにより、第２流路１２１の一部が閉塞され、発電時のガス圧損が上昇してしまう。その一方で、溝幅が０．２ｍｍ未満である場合、凝縮した水の排出が困難となる。

また、第２流路１２１の形状は、ストレート（直線状）またはサーペンタイン（蛇行状）などを自由に選択してよい。また、第２流路１２１において分岐部または合流部などが形成されてもよい。

また、第２セパレータ１２０において、膜電極接合体１３０と接する面の裏面の部分１２２（概平面部の一例）は、概平面となっている。この部分１２２は、膜電極接合体１３０と接する面におけるガス拡散層１３３と接する部分に対応している。ここで、概平面とは、第２セパレータ１２０の薄肉部の厚みに対して３０％以上の深さの凹凸を持たない面と定義する。

第２セパレータ１２０の表面処理については、特に限定しない。ただし、上記部分１２２の表面算術平均粗さは、２μｍ以上、３０μｍ以下であることが望ましい。

上記表面粗さにすることで、積層締結の際、ガス拡散層１３３を圧縮してガス拡散層１３３との接触を保ちながら、第２セパレータ１２０を膜電極接合体１３０に食い込ませることができる。これにより、第２セパレータ１２０と膜電極接合体１３０との接触表面積を増大させることができる。よって、接触抵抗を低減することができる。

図５に示すように、セパレータ１２０には、冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス排出口１４２が形成されている。また、セパレータ１２０には、接続流路１２３が形成されている。接続流路１２３（第２接続流路の一例）は、第２流路１２１と酸化剤ガス給排出口１４２とを接続する流路である（図５〜図７参照）。

接続流路１２３の内部には、積層締結時の荷重を支え、変形を抑えるために、複数の凸部１２４（第１凸部の一例）が形成されている。図５に示す凸部１２４は、図６、図７に示すように、例えば円柱状のリブであるが、形状は、円柱状に限定されず、矩形柱または三角柱などの他の形状であってもよい。また、凸部１２４の数は、図５に示す数に限定されない。なお、凸部１２４は、無くてもよい。

なお、図３において、ガス拡散層１３３と接する面の裏面全体を概平面としてもよいし、その裏面のうち部分１２２のみを概平面としてもよい。後者の場合、部分１２２の外周部分において接続流路１２３（図５参照）の対向面部と重ならない箇所には、流路などが形成されていてもよい。

第２セパレータ１２０の組成および第２セパレータ１２０の加工方法についても、第１セパレータ１１０と同様に、特に限定はない。第２流路１２１の形成面の裏面は概平面であるため、材質を問わず、成形、溶射などの加工方法により、第２セパレータ１２０を容易に製造することができる。よって、第２セパレータ１２０の材料として、金属材料を用いることができる。

＜燃料電池セル１００＞
燃料電池セル１００は、第１セパレータ１１０、膜電極接合体１３０、第２セパレータ１２０を積層して形成されている（図２参照）。

図２、図３に示した外周部材１３６は、弾性体（例えば、ゴム）やフィルム状接着シートで構成されている。外周部材１３６は、別のシール材または接着剤を用いずに、冷媒、燃料ガス、酸化剤ガスのリークを防止する構造である。なお、外周部材１３６において、第１セパレータ１１０、第２セパレータ１２０のそれぞれと接する面の一部に、シール材または接着剤を設けてもよい。また、シール材または接着剤を配置するための溝が、セパレータ１１０、セパレータ１２０、または外周部材１３６に形成されてもよい。

また、図４および図５では、第１流路１３２が燃料ガス給排出口１４１に接続され、第２流路１２１が酸化剤ガス給排出口１４２に接続された例を示したが、これに限定されない。第１流路１３２が酸化剤ガス給排出口１４２に接続され、第２流路１２１が燃料ガス給排出口１４１に接続されてもよい。

また、図６では、第３流路１１１と第１流路１３２との主流通方向が概ね直交し、第１流路１３２と第２流路１２１とが平行である例を示しているが、これに限定されない。各流路の主流通方向は、同方向であってもよいし、異なっていてもよい。

例えば、第３流路１１１、第１流路１３２、第２流路１２１それぞれの主流通方向を平行に構成した場合を図８に示す。この場合、冷媒給排出口１４０、燃料ガス排出口１４１、酸化剤ガス排出口１４２は、それぞれの流路の主流通方向の延長上に配置される。

また、図９に示すように、外周部材１３６において、接続流路１２３の一部または全部を構成する凹部１２３ｂを形成してもよい。さらに、必要に応じて、凹部１２３ｂの内部に凸部１２４を形成してもよい。

また、燃料電池セル１００が、その内部に、冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス給排出口１４２が設けられた構造（いわゆる内部マニホールド構造）である場合を例に挙げたが、外部マニホールド構造であってもよい。これらの給排出口の一部または全部が別の部品として構成された構造である（図１０、図１１参照）。

＜効果＞
上述した本実施の形態の燃料電池セル１００の構成をまとめると、以下のようになる。

燃料電池セル１００は、膜電極接合体１３０を第１セパレータ１１０および第２セパレータ１２０で挟み込んで形成されている。

膜電極接合体１３０は、第１セパレータ１１０と相対する第１面に、凹凸部（第１流路１３２、接続流路１３７、凸部１３８）が設けられたガス拡散層１３１を有する。

また、膜電極接合体１３０は、前記第１面の裏面であり、第２セパレータ１２０と相対する第２面に、概平面のガス拡散層１３３を有する。

第１セパレータ１１０は、膜電極接合体１３０の第１面と相対する面に、概平面部１１２を有する。
第２セパレータ１２０は、膜電極接合体１３０の第２面と相対する面に、凹凸部（第２流路１２１、接続流路１２３、凸部１２４）を有する。

上述した構成では、第１セパレータ１１０において、第３流路１１１が形成された面の裏面（膜電極接合体１３０と接する面）が、概平面であり、流路が形成されていない。換言すれば、上記構成は、第１セパレータ１１０の両面に流路が形成されて、それらの流路の位置が重なる構成ではない。そのため、第１セパレータ１１０において、薄肉部と厚肉部の厚みの差を小さくすることができる。

したがって、材質を問わず、成形、溶射などの方法により、第１セパレータ１１０を容易に製造することができるため、第１セパレータ１１０を金属材料で構成することができる。その結果、燃料電池セル１００の低抵抗化および薄型化を実現できる。また、流路の設計の自由度の向上、および、燃料電池セル１００の製造コストの削減も実現できる。

また、上述した構成では、第２セパレータ１２０において、第２流路１２１が形成された面（膜電極接合体１３０と接する面）の裏面が、概平面であり、流路が形成されていない。換言すれば、上記構成は、第２セパレータ１２０の両面に流路が形成されて、それらの流路の位置が重なる構成ではない。そのため、第２セパレータ１２０において、薄肉部と厚肉部の厚みの差を小さくすることができる。

したがって、材質を問わず、成形、溶射などの方法により、第２セパレータ１２０を容易に製造することができるため、第２セパレータ１２０を金属材料で構成することができる。その結果、燃料電池セル１００の低抵抗化および薄型化を実現できる。また、流路の設計の自由度の向上、および、燃料電池セル１００の製造コストの削減も実現できる。

また、上述した構成では、膜電極接合体１３０において、その一方の面（第１セパレータ１１０と接する面）のガス拡散層１３１のみに第１流路１３２が設けてられており、他方の面には流路が設けられていない。よって、積層締結の際、流路の位置ずれなどによる高分子電解質膜１３５の座屈変形を防止できる。その結果、燃料電池セル１００の高耐久化を実現できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池セル２００について、図１２〜図１７を用いて説明する。

図１２は、本実施の形態の燃料電池セル２００の構成例を示した、図１のＢ−Ｂに対応する断面図である。図１３は、本実施の形態の燃料電池セル２００の別の構成例を示した、図１のＢ−Ｂに対応する断面図である。図１４は、本実施の形態の燃料電池セル２００の流路構成の別の例を示す平面図である。図１５は、図１４のＡ−Ａ断面図である。図１６は、一方の極のガス拡散層に対する主流通方向の定義を模式的に示す図である。図１７は、２つの主流通方向を同じ向きとした場合の第１セパレータ１１０の平面図である。

なお、図１２〜図１７において、図１〜図９と共通する構成要素には同一符号を付し、以下では、それらの説明は適宜省略する。

図１２に示すように、燃料電池セル２００では、第１セパレータ１１０に設けられた第３流路１１１の主流通方向Ｄ１およびＤ１’と、ガス拡散層１３１に設けられた第１流路１３２の主流通方向Ｄ２およびＤ２’とが異なっている。

ここで、主流通方向は、流路と交差している電極領域の辺縁１０１（図１参照）の辺の法線方向であり、かつ、燃料電池セル１００の外周向き、と定義する。各流路に対しては、流入側と排出側の２つ以上の主流通方向が定義される。電極領域の辺縁１０１は、図１に示すように、一方の極のガス拡散層１３１の辺縁の積層方向の投影面と定義する。

例として、一方の極のガス拡散層１３１に対する主流通方向Ｄ２、Ｄ２’の定義について、図１６を用いて説明する。図１６に示すように、電極領域の辺縁１０１の内側の第１流路１３２が屈曲状や蛇行形状に形成されていても、主流通方向Ｄ２、Ｄ２’とは区別される。すなわち、主流通方向Ｄ２、Ｄ２’は、電極領域の辺縁１０１の外周（外周部材１３６）に形成される接続流路１３７の、電極領域の辺縁１０１に対する位置を示している。主流通方向Ｄ１、Ｄ１’の定義についても、上記同様である。

Ｄ１とＤ１’の向きおよびＤ２とＤ２’の向きは、図１２に示すように互いに反対の向きであってもよいが、同じ向きまたは直交した向きであってもよい。Ｄ１およびＤ１’の双方に対して、Ｄ２およびＤ２’の向きが異なっていればよい。

図１２に示すように、第１セパレータ１１０には、接続流路１３７（膜電極接合体１３０の外周部材１３６に形成された流路）に相対して、凹部１３７ｂ（第４流路の一例）が形成されている。凹部１３７ｂは、接続流路１３７の一部または全部を構成する。

Ｄ１、Ｄ１’とＤ２、Ｄ２’の向きが異なることによって、凹部１３７ｂを電極領域の辺縁１０１に沿って延在させて形成した場合にも、第３流路１１１が形成されている部分の裏面側に重なって凹部１３７ｂが形成されることを避けることができる。このように形成された凹部１３７ｂにより、接続流路１３７を流通するガスの圧力損失を下げ、発電時の性能を向上させることができる。

ここで、例えば、Ｄ１とＤ２を同じ向きとした場合について、図１７を用いて説明する。図１７に示すように、第３流路１１１の主流通方向Ｄ１と、第１流路１３２（図中の破線）の主流通方向Ｄ２とが同じ向きとなっている。この構成では、上述したとおり、凹部１３７ｂを電極領域の辺縁１０１に沿って延在させて形成すると、第３流路１１１の一部と対向する位置にも凹部１３７ｂが形成されてしまうことになる。その部分では、第１セパレータ１１０の薄肉部と厚肉部の厚みの差が大きくなってしまう。なお、図１７において、凹部１３７ｂは、図１７に示す面の裏面側に形成されている。

なお、図１３に示すように、実施の形態１と同様に、接続流路１２３の一部または全部を構成する凹部１２３ｂを、外周部材１３６に形成してもよい。さらに、図１３に示すように、必要に応じて、凸部１２４を凹部１２３ｂの内部に形成してもよい。

また、実施の形態１と同様に、図１２、図１３に示した第２セパレータ１２０において、ガス拡散層１３３と接する面の裏面全体を概平面としてもよいし、その裏面のうち部分１２２のみを概平面としてもよい。後者の場合、部分１２２の外周部分において接続流路１２３の対向面部と重ならない箇所には、流路などが形成されていてもよい。

また、実施の形態１と同様に、本実施の形態の各流路の形状について限定はない。すなわち、本実施の形態の各流路は、ストレート（直線状）またはサーペンタイン（蛇行状）などを自由に選択してよい。また、各流路において分岐部または合流部などが形成されてもよい。

また、本実施の形態では、各流路の構成を図１４、図１５に示す構成としてもよい。図１４は、流路の別の構成例を示す第１セパレータ１１０の平面図であり、図１５は、図１４のＡ−Ａ断面図である。

図１５に示すように、膜電極接合体１３０のガス拡散層１３１に形成された第１流路１３２は、酸化剤ガス給排出口１４２に連通している。また、図１４に示すように、第３流路１１１の主流通方向Ｄ１、Ｄ１’と、第１流路１３２の主流通方向Ｄ２、Ｄ２’とは、異なった向きとなっている。

また、図１４では、セル１００は内部に冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス給排出口１４２を内部に設けた、いわゆる内部マニホールド構造となっているが、これらの給排出口の一部または全てを別の部品として構成した、いわゆる外部マニホールド構造の構成となっていてもよい。

また、本実施の形態では、燃料電池セル２００が、その内部に、冷媒給排出口１４０、燃料ガス給排出口１４１、酸化剤ガス給排出口１４２が設けられた内部マニホールド構造である場合を例に挙げたが、外部マニホールド構造であってもよい。

上述した燃料電池セル２００を複数積層することにより、燃料電池スタックを形成することができる。

＜効果＞
本実施の形態では、第１セパレータ１１０において、凹部１３７ｂが加工されている部分の対向面に第３流路１１１が形成されておらず、薄肉部と厚肉部の厚みの差が小さい形状となっている。そのため、凹部１３７ｂが設けられていても、第１セパレータを容易に製造することができる。また、凹部１３７ｂによって接続流路１３７の断面積を拡大することができるため、ガスの圧損を低減できる。その結果、発電時の性能を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

本発明は、定置用の燃料電池または移動体用の燃料電池などに適用することができる。

１００、２００ 燃料電池セル
１０１ 電極領域の辺縁
１１０ 一方の極のセパレータ
１１１ 第３流路
１２１ 第２流路
１１２ ガス拡散層と接する部分
１２０ 他方の極のセパレータ
１２２ ガス拡散層と接する部分の対向面部
１２３、１３７ 接続流路
１２３ｂ、１３７ｂ 凹部
１２４、１３８ 凸部
１３０ 膜電極接合体
１３１ 一方の極のガス拡散層
１３２ 第１流路
１３３ 他方の極のガス拡散層
１３４ 他方の極のセパレータと接する面
１３５ 高分子電解質膜
１３６ 外周部材
１４０ 冷媒給排出口
１４１ 燃料ガス給排出口
１４２ 酸化剤ガス給排出口
Ｄ１、Ｄ１’ 第３流路１１１の主流通方向
Ｄ２、Ｄ２’ 第１流路１３２の主流通方向

Claims (11)

1. 膜電極接合体を第１セパレータと第２セパレータとで挟み込んで形成された燃料電池セルであって、
   前記膜電極接合体は、
   前記第１セパレータと相対する第１面に、第１流路が設けられた第１ガス拡散層を有するとともに、前記第２セパレータと相対する第２面に、概平面の第２ガス拡散層を有し、
   前記第１セパレータにおいて、
   前記第１面と相対する面は、概平面であり、
   前記第２セパレータは、
   前記第２面と相対する面に、第２流路を有する、
   燃料電池セル。
2. 前記第１流路と所定の給排口とを接続する第１接続流路、および、前記第２流路と所定の給排出口とを接続する第２接続流路の少なくとも一方には、複数の第１凸部が設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記第２セパレータにおいて、
   前記第２面と相対する面の裏面は、概平面である、
   請求項１または２に記載の燃料電池セル。
4. 前記第１セパレータの前記概平面部の表面粗さは、２μｍ以上、３０μｍ以下である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
5. 前記第２セパレータの前記概平面部の表面粗さは、２μｍ以上、３０μｍ以下である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記第１セパレータは、
   前記第１面と相対する面の裏面に、第３流路を有し、
   前記第３流路の主流通方向は、前記第１流路の主流通方向と異なる方向である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
7. 前記第３流路と所定の給排口とを接続する第３接続流路には、複数の第２凸部が設けられている、
   請求項６に記載の燃料電池セル。
8. 前記第１セパレータは、
   前記第１面と相対する面の外周部分に、前記第１流路と接続される第４流路を有する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
9. 前記第１流路の溝幅は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
10. 前記第２流路の溝幅は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数積層して形成された、
    燃料電池スタック。

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