JP3219697U - 燃料電池単セル - Google Patents

Abstract

【課題】膜/電極接合体の電極サイズの変更による性能評価の際、それぞれ別の単セルを用意することなく、性能比較するときに評価結果の信頼性を向上すること。【解決手段】ＭＥＡ１の両面のそれぞれにガスケット２とセパレータ３と集電板４と絶縁シート５と締付板６を順次配置し、ボルト及びナットにて全体を締付け固定する組み立てユニット構造による燃料電池単セルＡは、締付板６にガス配管の接続プラグを設置し、集電板４に電流線の接続穴４ｅを設置し、締付板６と集電板４を、ＭＥＡ１の電極サイズの変更にかかわらず共通して用いる共通部品とする。セパレータ３として、外形寸法と材質が同じであって、ＭＥＡ１の電極サイズの変更に対応するガス流路を形成した複数種類のセパレータを用意する。複数種類のセパレータを、ＭＥＡ１の電極サイズの変更に応じて交換することが可能な交換部品とする。【選択図】図２

Description

本考案は、固体高分子形燃料電池の触媒などの材料性能を発電試験によって評価する燃料電池単セルに関する。

従来、必要な部品数を少なくして組み立て及び分解を容易にするとともに、良好な出力電圧を有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池は、固体高分子電解質膜部材と、第１シート状電極部材と、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成された凸部とを有する酸化剤ガス極用セパレータ部材と、酸化剤ガス極用プレート部材と、第２シート状電極部材と、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成された凸部とを有する燃料ガス極用セパレータ部材と、第２シート状電極部材に導入される燃料ガスをシールする燃料ガス極用ガスケット部材と、燃料ガス極用プレート部材と、固体高分子電解質膜部材などによってセルを構成するように、酸化剤ガス極用プレート部材と燃料ガス極用プレート部材との間にそれらを挟持させるネジ締め組立部材とを有する。

特開２０１３−１６２６３号公報

従来の燃料電池は、酸化剤ガス極用セパレータ部材と燃料ガス極用セパレータ部材が、集電板とガス流路を有するセパレータとを一体に有し、部品点数を削減する構造になっている。このため、燃料電池における膜/電極接合体の電極サイズを変更して性能評価を行おうとすると、電極サイズに合わせたそれぞれ別のセパレータ部材による単セルを用意する必要がある。そして、別の単セルを用意した場合には、単セル毎の熱容量が異なることになるため、性能比較するときに評価結果の信頼性が低下する、という課題があった。

本考案は、上記課題に着目してなされたもので、膜/電極接合体の電極サイズの変更による性能評価の際、それぞれ別の単セルを用意することなく、性能比較するときに評価結果の信頼性が向上する燃料電池単セルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本考案は、膜/電極接合体の両面のそれぞれにガスケットとセパレータと集電板と絶縁シートと締付板を順次配置し、締結部材にて全体を締付け固定する組み立てユニット構造による燃料電池単セルであって、
締付板にガス配管の接続部を設置し、
集電板に電流線の接続部を設置し、
締付板と集電板を、膜/電極接合体の電極サイズの変更にかかわらず共通して用いる共通部品とし、
セパレータとして、外形寸法と材質が同じであって、膜/電極接合体の電極サイズの変更に対応するガス流路を形成した複数種類のセパレータを用意し、
複数種類のセパレータを、膜/電極接合体の電極サイズの変更に応じて交換することが可能な交換部品とする。

このように、燃料電池における膜/電極接合体の電極サイズを変更したとき、セパレータのみを交換するだけで良いし、締付板や集電板は共通部品であるために熱容量を同じにすることができる。この結果、膜/電極接合体の電極サイズの変更による性能評価の際、それぞれ別の単セルを用意することなく、性能比較するときに評価結果の信頼性を向上することができる。

実施例１の燃料電池単セルを示す全体斜視図である。 実施例１の燃料電池単セルを示す分解斜視図である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて共通部品である締付板を示す正面図である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて共通部品である集電板を示す正面図である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第１セパレータを示す側面図(a)及び正面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第１セパレータを示す側面図(a)及び背面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第２セパレータを示す側面図(a)及び正面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第２セパレータを示す側面図(a)及び背面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第３セパレータを示す側面図(a)及び正面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第３セパレータを示す側面図(a)及び背面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第４セパレータを示す側面図(a)及び正面図(b)である。 実施例１の燃料電池単セルにおいて交換部品の一例である第４セパレータを示す側面図(a)及び背面図(b)である。 第１セパレータを用いた燃料電池単セルによるＭＥＡ材料性能を評価する発電試験でのガス流れ作用を示す縦断側面図である。 第１セパレータを用いた燃料電池単セルによるＭＥＡ材料性能を評価する発電試験でのガス流れ作用を示すセパレータ正面図である。 第２セパレータを用いた燃料電池単セルによるＭＥＡ材料性能を評価する発電試験でのガス流れ作用を示すセパレータ正面図である。 第４セパレータを用いた燃料電池単セルによるＭＥＡ材料性能を評価する発電試験での加熱・冷却作用を示す縦断側面図である。

以下、本考案による燃料電池単セルを実施するための形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

実施例１は、固体高分子形燃料電池の触媒などの材料性能を発電試験によって評価する燃料電池単セルである。以下、実施例１の燃料電池単セルＡの構成を、「全体構成」、「共通部品構成」、「交換部品構成」に分けて説明する。なお、燃料電池における膜/電極接合体を、以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assemblyの略）」という。

［全体構成］
図１は、実施例１の燃料電池単セルＡを示す全体斜視図であり、図２は、実施例１の燃料電池単セルＡを示す分解斜視図である。

燃料電池単セルＡは、図１及び図２に示すように、ＭＥＡ１と、ガスケット２と、セパレータ３と、集電板４と、絶縁シート５と、締付板６と、ボルト７と、ナット８と、を備えている。これらの構成要素は、図２に示すように、ＭＥＡ１の両面のそれぞれにガスケット２とセパレータ３と集電板４と絶縁シート５と締付板６を順次配置している。つまり、ガスケット２とセパレータ３と集電板４と絶縁シート５と締付板６としては、同じ構成のものがそれぞれ一対用意される。そして、燃料電池単セルＡは、１２本のボルト７及びそれぞれのボルト７の両端部に螺合されるナット８を締結部材とし、全体を締付け固定する組み立てユニット構造としている。

ＭＥＡ１は、四角形の固体高分子電解質膜１ａの両端面に、電極である水素極１ｂと酸素極１ｃが接合された燃料電池における膜/電極接合体である。電極である水素極１ｂと酸素極１ｃの縦と横の長さによる電極サイズは様々であり、例えば、少量サンプルの性能評価を行う小サイズのものや量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズものがある。なお、固体高分子電解質膜１ａには、図２に示すように、位置決めピン用穴１ｄが開けられている。

ガスケット２は、中央部に開口部２ａを有し、ＭＥＡ１を両側からセパレータ３により挟持した状態で締め付け固定したときのガスシール機能を発揮するシール部材である。なお、ガスケット２には、図２に示すように、位置決めピン用穴２ｄが開けられている。

セパレータ３は、図外の水素ガス流路と酸素ガス流路を形成し、ＭＥＡ１の水素極１ｂと酸素極１ｃに対して発電に必要な水素ガスと酸素ガスとをそれぞれ送る機能を持つ部材である。このセパレータ３としては、外形寸法（縦、横、高さ寸法）と材質（例えば、カーボン素材）が同じであって、ＭＥＡ１の電極サイズの変更に対応するガス流路を形成した後述する複数種類のセパレータを用意している。そして、複数種類のセパレータを、ＭＥＡ１の電極サイズの変更に応じて交換することが可能な交換部品としている。なお、セパレータ３には、図２に示すように、位置決めピン用穴３ｄが開けられている。

集電板４は、端子取付け片４ａを有し、端子取付け片４ａに、図外の電流線の接続穴４ｅ（接続部）を設置した導電板部材である。この集電板４は、例えば、銅素材の板に金メッキすることで構成される。なお、集電板４には、図２に示すように、位置決めピン用穴４ｄが開けられている。

絶縁シート５は、例えば、ゴムシートなどの電気絶縁素材からなり、集電板４と締付板６との間での電気絶縁機能を発揮する。なお、絶縁シート５には、図２に示すように、位置決めピン用穴５ｄが開けられている。

締付板６は、例えば、ステンレス材などの金属素材からなり、燃料電池単セルＡの全体を両側から締付け固定する機能を発揮する。この締付板６の外側面には、例えば、シリコンゴムシート内に電気抵抗エレメント（発熱線）が埋め込まれ、リード線９ａを有する方形状のラバーヒータ９が貼付されている。なお、締付板６には、図２に示すように、位置決めピン用穴６ｄが開けられている。

ここで、集電板４と絶縁シート５と締付板６は、ＭＥＡ１の電極サイズの変更にかかわらず共通して用いる共通部品としている。ここで、集電板４には、図外の電流線の接続穴４ｅを設置している。締付板６には、図外のガス配管の接続プラグ６ａ（接続部）と図外の熱媒配管の接続プラグ６ｇ（接続部）とを設置している。

また、位置決めピン用穴１ｄ，２ｄ，３ｄ，４ｄ，５ｄ，６ｄは、全く同じ位置に開けられ、燃料電池単セルＡの組み付け時に２本の位置決めピンを挿通する。これにより、ＭＥＡ１とガスケット２とセパレータ３と集電板４と絶縁シート５と締付板６との互いの位置ずれを抑えて適正な位置関係とする位置決めを行う。

ボルト７は、締付板６のそれぞれの一辺に３個ずつ設けられ、各ボルト７の両端位置にはそれぞれワッシャを有するナット８が設けられる。つまり、合計９個のボルト７及び各ボルト７に螺合する一対のナット８により、必要な締付け固定トルクを発揮させる構成としている。

［共通部品構成］
図３は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて共通部品である締付板６を示し、図４は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて共通部品である集電板４を示す正面図である。

締付板６は、図３に示すように、四隅を丸く削った正方形状の板部材のうち外周側に沿った位置に、ボルト７を挿通するボルト穴６ｂが各辺に３個（合計１２個）設けられている。そして、ボルト穴６ｂの内側対角位置には、水素ガス（酸素ガス）を給排する一対のガス穴６ｃが設けられている。そして、ボルト穴６ｂの内側水平対向位置には、一対の位置決めピン用穴６ｄが開けられている。

締付板６は、セル温度管理として、加熱と冷却によるセル温度管理の両方に対応できる構成を備えている。即ち、締付板６の外側面の中央部に、ラバーヒータ９を貼付する平面領域６ｅを確保し、加熱によりセル温度管理に対応できるようにしている。そして、ボルト穴６ｂの内側位置の対角位置であって、ガス穴６ｃとは反対の対角位置に、熱媒（例えば、温水や冷却水）を給排する一対の熱媒穴６ｆを設けている。この熱媒穴６ｆにより、流れる熱媒を用いた加熱・冷却によるセル温度管理に対応できるようにしている。なお、一対のガス穴６ｃの位置にガス配管の接続プラグ６ａが設置され、一対の熱媒穴６ｆの位置に熱媒配管の接続プラグ６ｇが設置される（図１参照）。

集電板４は、図４に示すように、正方形板の上面片側から上向きに突出した端子取付け片４ａを有し、端子取付け片４ａに、図外の電流線の接続穴４ｅを設けている。そして、集電板４の正方形板の部分には、締付板６の一対のガス穴６ｃに対応する位置に一対の小径ガス穴４ｃを設け、締付板６の一対の熱媒穴６ｆに対応する位置に一対の熱媒穴４ｆを設けている。そして、締付板６の１個のボルト穴６ｂに対応する位置にボルト穴４ｂを設けている。さらに、締付板６の位置決めピン用穴６ｄに対応する位置に位置決めピン用穴４ｄが開けられている。

［交換部品構成］
実施例１では、セパレータ３として、ＭＥＡ１の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズに適合する小サイズ用セパレータ（３種類）と、ＭＥＡ１の電極サイズが量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズに適合する大サイズ用セパレータ（１種類）との４種類のセパレータを用意している。

以下、交換部品としての第１セパレータ３１（小サイズ用セパレータ）、第２セパレータ３２（小サイズ用セパレータ）、第３セパレータ３３（小サイズ用セパレータ）、第４セパレータ３４（大サイズ用セパレータ）の各構成を説明する。

（第１セパレータ）
図５及び図６は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて交換部品の一例である第１セパレータ３１を示す。以下、図５及び図６に基づいて、第１セパレータ３１の構成を説明する。

第１セパレータ３１は、ＭＥＡ１の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズ用セパレータの一例である。第１セパレータ３１の電極側接合面の中央部分には、図５に示すように、下側のガス流入貫通穴３ｅと、上側のガス流出貫通穴３ｆと、ガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本の縦溝により連通するパラレルガス流路３ｇと、を形成している。パラレルガス流路３ｇは、１cm×１cmの正方形内に20本の平行溝（溝幅0.4mm、山幅0.2mm、深さ0.2mm）による流路を溝加工により形成している。

第１セパレータ３１の集電側接合面には、図６に示すように、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が下側のガス流入貫通穴３ｅに連通するガス流入溝３ｈと、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が上側のガス流出貫通穴３ｆに連通するガス流出溝３ｉと、を有する。ガス流入溝３ｈはシール溝３ｊにより囲まれ、ガス流出溝３ｉはシール溝３ｋにより囲まれ、集電板４との組み付け接合時にシール溝３ｊ，３ｋに介装されるシール部材によりガス漏れを防止する。

第１セパレータ３１の両側面のそれぞれには、図５及び図６に示すように、パラレルガス流路３ｇに向かって斜めに開けられた熱電対用穴３ｍと、内側に向かって水平に開けられた電圧センサ穴３ｎと、を有する。なお、熱電対用穴３ｍには、発電試験の際にセル温度を測定する熱電対が設けられる。電圧センサ穴３ｎには、発電試験の際にセル電圧を測定する電圧センサが設けられる。

（第２セパレータ）
図７及び図８は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて交換部品の一例である第２セパレータ３２を示す。以下、図７及び図８に基づいて、第２セパレータ３２の構成を説明する。

第２セパレータ３２は、ＭＥＡ１の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズ用セパレータの一例である。第２セパレータ３２の電極側接合面の中央部分には、図７に示すように、下側のガス流入貫通穴３ｅと、上側のガス流出貫通穴３ｆと、ガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本の屈曲帯溝により連通するサーペンタインガス流路３ｐと、を形成している。サーペンタインガス流路３ｐは、１cm×１cmの正方形内に5本の屈曲帯溝（溝幅0.4mm、山幅0.2mm、帯間0.4mm、深さ0.3mm）による流路を溝加工により形成している。

第２セパレータ３２の集電側接合面には、図８に示すように、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が下側のガス流入貫通穴３ｅに連通するガス流入溝３ｈと、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が上側のガス流出貫通穴３ｆに連通するガス流出溝３ｉと、を有する。ガス流入溝３ｈはシール溝３ｊにより囲まれ、ガス流出溝３ｉはシール溝３ｋにより囲まれ、集電板４との組み付け接合時にシール溝３ｊ，３ｋに介装されるシール部材によりガス漏れを防止する。

第２セパレータ３２の両側面のそれぞれには、図７及び図８に示すように、サーペンタインガス流路３ｐに向かって斜めに開けられた熱電対用穴３ｍと、内側に向かって水平に開けられた電圧センサ穴３ｎと、を有する。

（第３セパレータ）
図９及び図１０は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて交換部品の一例である第３セパレータ３３を示す。以下、図９及び図１０に基づいて、第３セパレータ３３の構成を説明する。

第３セパレータ３３は、ＭＥＡ１の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズ用セパレータの一例である。第３セパレータ３３の電極側接合面の中央部分には、図９に示すように、下側のガス流入貫通穴３ｅと、上側のガス流出貫通穴３ｆと、ガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本の縦溝により連通するパラレルガス流路３ｑと、を形成している。パラレルガス流路３ｑは、１cm×３cmの長方形内に54本の平行溝（溝幅0.4mm、山幅0.2mm、深さ0.2mm）による流路を溝加工により形成している。つまり、第３セパレータ３３のパラレルガス流路３ｑは、第１セパレータ３１のパラレルガス流路３ｇを、横方向に寸法拡大し、流路溝の本数を増やした構成としている。

第３セパレータ３３の集電側接合面には、図１０に示すように、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が下側のガス流入貫通穴３ｅに連通するガス流入溝３ｈと、一端が集電板４の小径ガス穴４ｃに連通し、他端が上側のガス流出貫通穴３ｆに連通するガス流出溝３ｉと、を有する。ガス流入溝３ｈはシール溝３ｊにより囲まれ、ガス流出溝３ｉはシール溝３ｋにより囲まれ、集電板４との組み付け接合時にシール溝３ｊ，３ｋに介装されるシール部材によりガス漏れを防止する。

第３セパレータ３３の両側面のそれぞれには、図９及び図１０に示すように、パラレルガス流路３ｑに向かって斜めに開けられた熱電対用穴３ｍと、内側に向かって水平に開けられた電圧センサ穴３ｎと、を有する。

（第４セパレータ）
図１１及び図１２は、実施例１の燃料電池単セルＡにおいて交換部品の一例である第４セパレータ３４を示す。以下、図１１及び図１２に基づいて、第４セパレータ３４の構成を説明する。

第４セパレータ３４は、ＭＥＡ１の電極サイズが量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズ用セパレータの一例である。第４セパレータ３４の電極側接合面の中央部分には、図１１に示すように、下側のガス流入貫通穴３ｅと、上側のガス流出貫通穴３ｆと、ガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本の屈曲帯溝により連通するサーペンタインガス流路３ｒと、を形成している。サーペンタインガス流路３ｒは、５cm×５cmの正方形内に2本の屈曲帯溝（溝幅1.0mm、山幅0.5mm、深さ1.0mm）による流路を溝加工により形成している。

第４セパレータ３４の集電側接合面には、図１２に示すように、集電板４の小径ガス穴４ｃに連通する小径のガス流入貫通穴３ｅの環状シール溝３ｓと、集電板４の小径ガス穴４ｃに連通する小径のガス流出貫通穴３ｆの環状シール溝３ｔと、を有する。さらに、下側の熱媒流入有底穴３ｕと、上側の熱媒流出有底穴３ｖと、熱媒流入有底穴３ｕと熱媒流出有底穴３ｖを１本の屈曲帯溝により連通する熱媒流路３ｗを有する。そして、熱媒流入有底穴３ｕと熱媒流出有底穴３ｖと熱媒流路３ｗと環状シール溝３ｓ，３ｔとの外周は、全周シール溝３ｘにより囲まれる。

ガス流入貫通穴３ｅは環状シール溝３ｓにより囲まれ、ガス流出貫通穴３ｆは環状シール溝３ｔにより囲まれ、集電板４との組み付け接合時に環状シール溝３ｓ，３ｔに介装されるシール部材（例えば、Ｏリング）によりガス漏れを防止する。さらに、全周シール溝３ｘと環状シール溝３ｓ，３ｔとの二重シール構造により、熱媒の外部漏れを防止すると共に、熱媒のガス流入貫通穴３ｅやガス流出貫通穴３ｆへの漏れを防止している。

第４セパレータ３４の両側面のそれぞれには、図１１及び図１２に示すように、サーペンタインガス流路３ｒに向かって斜め、又は、水平に開けられた熱電対用穴３ｍと、内側に向かって水平に開けられた電圧センサ穴３ｎと、を有する。

次に、「燃料電池単セルの背景技術と課題」、「課題を解決する対策」を説明する。そして、実施例１の作用を「ＭＥＡ材料性能を評価する発電試験作用」と「セル温度制御作用」とに分けて説明する。

［燃料電池単セルの背景技術と課題］
固体高分子形燃料電池の触媒などの材料性能は単セルを用いた発電試験によって評価することが一般的である。

材料開発者が単セルまで設計製作して評価を行うことは困難であるため、試験研究用の単セルがいくつか販売使用されている。

しかし、試作レベルの新規触媒などでは、作製できるサンプル量が非常に少量であるため、例えば１cm角程度の小面積のＭＥＡしか作製できない場合がある。一方、ある程度開発が進展し、量産を見据えた実機相当の性能評価が必要な場合には５cm角程度の電極面積のＭＥＡが使用されることが多い。

このような材料開発の進展に対応した単セルでの性能評価を行うために、従来はそれぞれ別の単セルを用意してＭＥＡを作製し、発電評価する必要があった。

この場合、単セルと発電装置とのガス、電気ラインの接続の取り合いが煩雑になり、セルを交換するごとに配管や端子の取替えが必要になるので効率が非常に悪かった。

また、セルごとに熱容量が異なるので、セルを交換する度にセル温度制御の制御条件を変更する必要もあった。

［課題を解決する対策］
本考案者などは上記課題を解決するために、発電装置とのガス配管の接続部は単セルの締付板６に設置し、電流線の接続部は集電板４に設置し、各種電極サイズに対応した複数のセパレータ３のいずれもが挿入可能な燃料電池単セルＡの構造を採用した。

上記構造を採用した燃料電池単セルＡによって以下の作用が得られる。
・セパレータ３を交換してもガス配管接続と電流線接続のための取り合いを変更する必要性が生じない。このため、異なる電極面積のＭＥＡ１を評価するためのセパレータ３の変更に伴う発電装置との取り合いの修正にかかる時間が大幅に短縮される。
・単セルのセパレータ３を交換しても熱容量が同じであるので、装置側で保有しているセル温度機器の制御条件を変更することなく発電試験が可能になる。作業効率の向上と設定変更のし忘れを防止でき、信頼性が向上する。
・締付板６や集電板４やセパレータ３の材質が同じ単セルでの評価結果が得られるので、得られる性能の比較も容易になる。

［ＭＥＡ材料性能を評価する発電試験作用］
ＭＥＡ１の固体高分子電解質膜１ａの機械的耐久性などを評価するために発電試験（湿度サイクル試験）が実施される。この発電試験において、試作レベルの新規触媒などでサンプル量が非常に少量である場合には、用意されるＭＥＡ１の電極サイズが小さいものになる。

この場合、第１セパレータ３１と第２セパレータ３２と第３セパレータ３３による小サイズ用セパレータの中から、用意されるＭＥＡ１の電極サイズなどに応じた最適なセパレータ３が選択される。そして、共通部品である集電板４と絶縁シート５と締付板６に対し、用意されたＭＥＡ１と選択したセパレータを組み合わせることで、燃料電池単セルＡが構成される。

そして、図１３に示すように、ＭＥＡ１の水素極１ｂと酸素極１ｃに対して発電に必要な水素ガスと酸素ガスとをそれぞれ送ることで発電試験が行われる。供給された水素ガスと酸素ガスは、図１３の矢印に示すように、締付板６のガス穴６ｃ→集電板４の小径ガス穴４ｃ→セパレータ３のガス流入溝３ｈ→セパレータ３のガス流入貫通穴３ｅを経由し、水素ガスはＭＥＡ１の水素極１ｂへと流れ込み、酸素ガスはＭＥＡ１の酸素極１ｃへと流れ込む。そして、ＭＥＡ１の水素極１ｂと酸素極１ｃからは、それぞれセパレータ３のガス流出貫通穴３ｆ→セパレータ３のガス流出溝３ｉ→集電板４の小径ガス穴４ｃ→締付板６のガス穴６ｃを経由し、水素ガスと酸素ガスが排出される。

小サイズ用セパレータとして第１セパレータ３１が選択された場合、供給された水素ガスと酸素ガスは、図１４の矢印に示すように、集電板４の小径ガス穴４ｃから第１セパレータ３１のガス流入溝３ｈ→第１セパレータ３１のガス流入貫通穴３ｅを経由し、第１セパレータ３１のパラレルガス流路３ｇへと流入する。そして、第１セパレータ３１のパラレルガス流路３ｇを通過した水素ガスと酸素ガスは、第１セパレータ３１のガス流出貫通穴３ｆ→第１セパレータ３１のガス流出溝３ｉを経過し、集電板４の小径ガス穴４ｃから排出される。

このように、第１セパレータ３１が選択された場合には、パラレルガス流路３ｇがガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本（例えば、20本）の縦溝により連通する構成としている。よって、ガス流路を、例えば、１本の長いサーペンタインガス流路にする場合と比較したとき、流路圧力損失が大幅に低減されているので、電極面積内で圧力などの分布がほとんど発生しない均一場が実現される。

小サイズ用セパレータとして第２セパレータ３２が選択された場合、供給された水素ガスと酸素ガスは、図１５の矢印に示すように、集電板４の小径ガス穴４ｃから第２セパレータ３２のガス流入溝３ｈ→第２セパレータ３２のガス流入貫通穴３ｅを経由し、第２セパレータ３２のサーペンタインガス流路３ｐへと流入する。そして、第２セパレータ３２のサーペンタインガス流路３ｐを通過した水素ガスと酸素ガスは、第２セパレータ３２のガス流出貫通穴３ｆ→第２セパレータ３２のガス流出溝３ｉを経過し、集電板４の小径ガス穴４ｃから排出される。

このように、第２セパレータ３２が選択された場合には、サーペンタインガス流路３ｐがガス流入貫通穴３ｅとガス流出貫通穴３ｆを複数本（例えば、5本）の屈曲帯溝により連通する構成としている。よって、サーペンタインガス流路３ｐはパラレル流路に比べてガス流速が大きいため高い発電性能が得られる。これによって、従来材料との性能比較などを少量のサンプルで実施可能になり、少量開発サンプルの一次スクリーニングの使用に有効である。

上記のように、少量サンプルの一次スクリーニングを終了し、次の段階として、量産を見据えた実機相当の性能評価を行う場合には、電極サイズが大きなＭＥＡ１が用意され、電極サイズが大きさに応じた最適なセパレータとして第４セパレータ３４が選択される。
なお、図１３〜図１５においては、水素ガスと酸素ガスを下側から上側に流す例を示したが、２つのガスを共に上側から下側へ流しても良いし、一方を下側へ流し他方を上側へ流しても良く、ガスの流れの方向は限定されない。例えば、第１セパレータ３１〜第３セパレータ３３については、２つのガスを共に上側から下側へ流し、第４セパレータ３４については、水素ガスを下側から上側へ流し、酸素ガス（空気）を上側から下側へと流す。

少量サンプル用の燃料電池単セルＡのうち、共通部品である集電板４と絶縁シート５と締付板６は、電気接続やガス接続をそのままとし、電極サイズが小さなＭＥＡ１と小サイズ用セパレータとが外される。そして、用意された電極サイズが大きなＭＥＡ１と選択した第４セパレータ３４を交換部品として新たな燃料電池単セルＡが構成される。その後、新たな燃料電池単セルＡに対しても上記少量サンプル用の燃料電池単セルＡと同様に発電試験が行われる。

このように、セパレータ３として、小サイズに適合する小サイズ用セパレータ（第１セパレータ３１、第２セパレータ３２、第３セパレータ３３）と、大サイズに適合する大サイズ用セパレータ（第４セパレータ３４）とを用意しておく。この場合、複数の単セルを用意することなく、セパレータ交換によって試作レベル段階でサンプル量が非常に少量である場合と、量産を見据えた実機相当の性能評価が必要な場合との両方の性能評価への対応が可能になる。

［セル温度制御作用］
例えば、湿度サイクル試験を行うときには、セル温度の温度条件（例えば、80℃）が設定され、試験中は温度条件を満足するセル温度管理を行う必要がある。

そこで、例えば、試作レベル段階でサンプル量が非常に少量である場合に１cm角程度の電極面積のＭＥＡ１を使用すると、外気温度よりも設定されたセル温度の方が高く、セル温度を高くする必要がある。この場合、図１３に示すように、ラバーヒータ９の電気抵抗エレメントに通電し、締付板６を温めることでセル温度が高められる。なお、セル温度制御は、熱電対によるセル温度検出値が目標温度に収束するように、電気抵抗エレメントへの通電/遮断を制御することで行われる。

一方、例えば、量産を見据えた実機相当の性能評価が必要な場合に５cm角程度の電極面積のＭＥＡ１を使用すると、ＭＥＡ１での電極面積と発電電流密度の増大に伴って発生する発熱により温度が上昇し、セル温度を下げる必要がある。この場合、熱媒（冷水や温水など）は、図１６の矢印に示すように、締付板６の熱媒穴６ｆ→集電板４の熱媒穴４ｆ→第４セパレータ３４の熱媒流入有底穴３ｕ→第４セパレータ３４の熱媒流路３ｗへと流れ込む。そして、熱媒流路３ｗからは、第４セパレータ３４の熱媒流出有底穴３ｖ→集電板４の熱媒穴４ｆ→締付板６の熱媒穴６ｆを経由して排出される。

よって、第４セパレータ３４が熱媒流路３ｗを流れる熱媒により加熱・冷却され、セル温度を上昇させたり低下させたりすることができる。なお、セル温度管理においては、電極サイズが小さいときにラバーヒータ９を用い、電極サイズが大きいときに熱媒流路３ｗを用いる以外、ラバーヒータ９と熱媒流路３ｗの両方を用い、セル温度制御精度を上げるようにしても良い。

以上説明したように、実施例１の燃料電池単セルＡにあっては、下記に列挙する効果を奏する。

(1) 膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の両面のそれぞれにガスケット２とセパレータ３と集電板４と絶縁シート５と締付板６を順次配置し、締結部材（ボルト７、ナット８）にて全体を締付け固定する組み立てユニット構造による燃料電池単セルＡであって、
締付板６にガス配管の接続プラグ６ａ（接続部）を設置し、
集電板４に電流線の接続穴４ｅ（接続部）を設置し、
締付板６と集電板４を、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズの変更にかかわらず共通して用いる共通部品とし、
セパレータ３として、外形寸法と材質が同じであって、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズの変更に対応するガス流路を形成した複数種類のセパレータ（第１セパレータ３１、第２セパレータ３２、第３セパレータ３３、第４セパレータ３４）を用意し、
複数種類のセパレータを、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズの変更に応じて交換することが可能な交換部品とする（図２）。
このため、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズの変更による性能評価の際、それぞれ別の単セルを用意することなく、性能比較するときに評価結果の信頼性を向上することができる。

(2) セパレータ３として、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズに適合する小サイズ用セパレータ（第１セパレータ３１、第２セパレータ３２、第３セパレータ３３）と、膜/電極接合体（ＭＥＡ１）の電極サイズが量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズに適合する大サイズ用セパレータ（第４セパレータ３４）とを用意する（図５〜図１２）。
このため、複数の単セルを用意することなく、セパレータの交換によって試作レベル段階でサンプル量が非常に少量である場合と、量産を見据えた実機相当の性能評価が必要な場合との両方の性能評価に対応することができる。

(3) 小サイズ用セパレータとして、１cm×１cmの正方形内に複数本の溝によるパラレルガス流路３ｇを形成した第１セパレータ３１を有する（図５、図６）。
このため、流路圧力損失が大幅に低減されているので、電極面積内で圧力などの分布がほとんど発生しない均一場を実現することができる。これによってモデル計算などの解析にも使用できる評価データが得られる。

(4) 小サイズ用セパレータとして、１cm×１cmの正方形内に複数本の溝によるサーペンタインガス流路３ｐを形成した第２セパレータ３２を有する（図７、図８）。
このため、サーペンタインガス流路３ｐはパラレル流路に比べてガス流速が大きいため高い発電性能を得ることができる。これによって、従来材料との性能比較などを少量のサンプルで実施可能になり、少量開発サンプルの一次スクリーニングに使用できる。

(5) 小サイズ用セパレータとして、１cm×３cmの長方形内に複数本の溝によるパラレルガス流路３ｑを形成した第３セパレータ３３を有する（図９、図１０）。
このため、１cm×１cmの正方形内のパラレル流路と同様に流路圧力損失が大幅に低減されているので、電極面積内で圧力などの分布がほとんど発生しない均一場を実現することができる。１cm×１cmの正方形のパラレル流路を有するセルの３倍の流量を供給する。これによって、モデル計算などの解析にも使用できる評価データが得られる。そして、ＭＥＡ１の電極サイズが1cm角では触媒担時量などのパラメータの設定精度が確保できない場合に用いることができる。

(6) 大サイズ用セパレータとして、５cm×５cmの正方形内に複数本の溝によるサーペンタインガス流路３ｒを形成した第４セパレータ３４を有する（図１１）。
このため、実機を想定したレベルの高い発電性能が得られるので、実規模レベルの性能予測に使用することができる。

(7) 締付板６に熱媒配管の接続プラグ６ｇ（接続部）を設置し、
第４セパレータ３４は、サーペンタインガス流路３ｒを形成した面の反対面に熱媒流路３ｗを形成する（図１２）。
このため、電極面積と発電電流密度の増大に伴って発生するセル温度の上昇や低下を防止し、セル温度を適正な温度に管理することができる。

以上、本考案の燃料電池単セルを実施例１に基づき説明してきた。しかし、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、実用新案登録請求の範囲の各請求項に係る考案の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加などは許容される。

実施例１では、セパレータ３として、小サイズ用セパレータ（３種類）と大サイズ用セパレータ（１種類）との４種類のセパレータを用意している例を示した。しかし、セパレータとしては、２種類以上のセパレータを用意するものであれば良く、例えば、小サイズ用セパレータ（１種類）と大サイズ用セパレータ（１種類）との２種類のセパレータを用意しても良いし、小サイズ用セパレータのみ２種類以上用意しても良いし、或いは、大サイズ用セパレータのみを２種類以上用意しても良い。

実施例１では、燃料電池単セルとして、固体高分子形燃料電池の触媒などの材料性能を発電試験によって評価する燃料電池単セルＡの例を示した。しかし、本考案において開示した燃料電池単セルの構成を、実機における燃料電池単セルの構成や技術思想として流用する例であっても良い。

Ａ 燃料電池単セル
１ ＭＥＡ（膜/電極接合体）
２ ガスケット
３ セパレータ
３１ 第１セパレータ（小サイズ用セパレータ）
３ｇ パラレルガス流路
３２ 第２セパレータ（小サイズ用セパレータ）
３ｐ サーペンタインガス流路
３３ 第３セパレータ（小サイズ用セパレータ）
３ｑ パラレルガス流路
３４ 第４セパレータ（大サイズ用セパレータ）
３ｒ サーペンタインガス流路
３ｗ 熱媒流路
４ 集電板
４ｅ 接続穴（接続部）
５ 絶縁シート
６ 締付板
６ａ 接続プラグ（接続部）
６ｇ 接続プラグ（接続部）
７ ボルト（締結部材）
８ ナット（締結部材）
９ ラバーヒータ

Claims (7)

1. 膜/電極接合体の両面のそれぞれにガスケットとセパレータと集電板と絶縁シートと締付板を順次配置し、締結部材にて全体を締付け固定する組み立てユニット構造による燃料電池単セルであって、
   前記締付板にガス配管の接続部を設置し、
   前記集電板に電流線の接続部を設置し、
   前記締付板と前記集電板を、前記膜/電極接合体の電極サイズの変更にかかわらず共通して用いる共通部品とし、
   前記セパレータとして、外形寸法と材質が同じであって、前記膜/電極接合体の電極サイズの変更に対応するガス流路を形成した複数種類のセパレータを用意し、
   前記複数種類のセパレータを、前記膜/電極接合体の電極サイズの変更に応じて交換することが可能な交換部品とする
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
2. 請求項１に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記セパレータとして、前記膜/電極接合体の電極サイズが少量サンプルの性能評価を行う小サイズに適合する小サイズ用セパレータと、前記膜/電極接合体の電極サイズが量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズに適合する大サイズ用セパレータとを用意する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
3. 請求項２に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記小サイズ用セパレータとして、１cm×１cmの正方形内に複数本の溝によるパラレルガス流路を形成した第１セパレータを有する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
4. 請求項２に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記小サイズ用セパレータとして、１cm×１cmの正方形内に複数本の溝によるサーペンタインガス流路を形成した第２セパレータを有する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
5. 請求項２に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記小サイズ用セパレータとして、１cm×３cmの長方形内に複数本の溝によるパラレルガス流路を形成した第３セパレータを有する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
6. 請求項２に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記大サイズ用セパレータとして、５cm×５cmの正方形内に複数本の溝によるサーペンタインガス流路を形成した第４セパレータを有する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
7. 請求項６に記載された燃料電池単セルにおいて、
   前記締付板に熱媒配管の接続部を設置し、
   前記第４セパレータは、前記サーペンタインガス流路を形成した面の反対面に熱媒流路を形成する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。