JP6751944B2 - 燃料電池単セル - Google Patents

Description

この発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が配設された膜電極接合体を有し、その両側に金属薄板からなるセパレータが積層された燃料電池単セルに関する。

燃料電池単セルとして、固体高分子電解質膜の両側に電極が配設された膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に積層された一対の金属セパレータと、を備え、積層方向に貫通する供給側連通孔および排出側連通孔が、それぞれ発電領域外の位置に形成されたものが公知である。

このような燃料電池単セルでは、各セパレータに、供給側連通孔から導入した反応ガス（具体的には燃料ガスもしくは酸化剤ガス）を、発電領域において電極面に沿って流通させ、排出側連通孔へ排出するガス流路が形成されており、アノード電極に沿って流通させた燃料ガスと、カソード電極に沿って流通させた酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行なわれる（例えば下記特許文献１，２参照）。

このように構成された燃料電池単セルでは、供給側連通孔の近傍領域に、供給側連通孔からの反応ガスを発電領域に案内するための複数の案内流路が設けられる一方、供給側連通孔周りに、積層方向に隣接して配置された他の燃料電池単セルとの間で反応ガスが漏れ出すのを防止するためシール材が設けられる。
ここでセパレータを金属薄板で構成した場合、セパレータの一方の面に案内流路としての凹溝をプレス成形すると、その凹凸形状がセパレータの他方の面（裏面）に現れてしまい、セパレータの裏面側における供給側連通孔周りで部分的にシール材との密着が失われ、十分なシール性を確保することができない虞がある。

このため、従来の燃料電池単セルでは、例えば下記特許文献１に記載のもののように、セパレータに形成された案内流路の凹凸部を覆う別体の蓋体を設けて、供給側連通孔周りにシール材を配置するための平坦部を確保したり、また下記特許文献２に記載のもののように、セパレータには案内流路を形成せず、別体の流路部材をセパレータと支持フレームとの間に配置して案内流路とする構成が採用されていた。しかしながら、何れの構成においても別体の部品が必要となり供給側連通孔周りの構造が複雑なものとなってしまう。

特開２０１７−１４７１４１号公報 特許第６２４５１９４号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、簡素な構成で、供給側連通孔周りのシール性を確保しつつ反応ガスを発電領域へ案内する流路を形成することができる燃料電池単セルを提供することを目的としてなされたものである。

而して本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が配設された膜電極接合体と、
中央に開口を有する枠状をなし、該開口を取り囲む周縁部を前記膜電極接合体の外周縁部と接合させた樹脂製の枠部材と、
前記膜電極接合体および枠部材の両側に積層された金属薄板からなる一対のセパレータと、を備え、
積層方向に貫通する供給側連通孔および排出側連通孔が、それぞれ発電領域外の位置に形成され、前記供給側連通孔からの反応ガスを、各セパレータに形成されたガス流路を通じて発電領域において電極面に沿って流通させ、前記排出側連通孔へ排出するように構成された燃料電池単セルであって、
前記セパレータの前記供給側連通孔近傍領域には、前記反応ガスを発電領域に案内する供給側案内溝とともに、前記枠部材から離間する方向に膨出し前記供給側連通孔からの反応ガスを内部に貯留する供給側ガス貯留部が、前記供給側連通孔の周囲を囲むように形成されており、
該供給側ガス貯留部の頂部が、シール材当接部もしくはシール材接着部として構成されるとともに、該供給側ガス貯留部を介して前記供給側案内溝が前記供給側連通孔と連通するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、セパレータの供給側連通孔近傍領域に、反応ガスを発電領域に案内する供給側案内溝とともに、供給側連通孔からの反応ガスを内部に貯留する供給側ガス貯留部が形成され、供給側ガス貯留部を介して供給側案内溝を供給側連通孔と連通させる構成であり、供給側連通孔からの反応ガスは供給側ガス貯留部および供給側案内溝を経て発電領域へ案内される。
一方、供給側ガス貯留部は供給側連通孔の周囲を囲むように形成されているため、供給側ガス貯留部の頂部をシール材当接部もしくはシール材接着部とすることで供給側連通孔周りのシール性を確保することができる。

本発明では、供給側ガス貯留部と供給側案内溝とがともにセパレータに形成されるが、シール材当接部もしくはシール材接着部として構成される供給側ガス貯留部の頂部と、供給側案内溝とは位置が異なるため、供給側案内溝の凹凸形状によりシール材とセパレータとの間のシール性が損なわれることはない。
このように本発明では、従来のような別体の部材を用いることなく、簡素な構成で、供給側連通孔周りのシール性を確保しつつ反応ガスを発電領域へ案内する流路を形成することができる。

ここで、前記供給側ガス貯留部は、断面視において頂部を平坦に形成することが望ましい。このようにすれば、供給側連通孔周りに所定の幅を備えた環状の平坦面が確保できる。

また本発明では、前記供給側連通孔を、前記枠部材および各セパレータのそれぞれに形成された貫通口の重ね合わせにより形成し、前記枠部材に形成された貫通口に、前記供給側ガス貯留部の内部にまで延びる切欠を形成しておく。
このようにすれば、切欠を介して供給側連通孔と供給側ガス貯留部とを連通させることができる。

ここで本発明では、前記切欠を周方向異なる位置に複数形成することができる。

また本発明では、前記セパレータの、前記排出側連通孔近傍領域に、前記反応ガスを前記排出側連通孔に向けて案内する排出側案内溝とともに、前記枠部材から離間する方向に膨出し前記反応ガスを内部に貯留する排出側ガス貯留部を前記排出側連通孔の周囲を囲むように形成し、該排出側ガス貯留部の頂部を、シール材当接部もしくはシール材接着部として構成するとともに、該排出側ガス貯留部を介して前記排出側案内溝が前記排出側連通孔と連通するように構成することができる。

本発明の一実施形態の燃料電池単セルの平面図である。 同燃料電池単セルを枠付き膜電極接合体および各セパレータに分離して示した図である。 図２の枠付き膜電極接合体を膜電極接合体および枠部材に分離して示した図である。 第１セパレータの貫通口２０ｂおよびその周辺部を拡大して示した図である。 第１セパレータの貫通口３０ｂおよびその周辺部を拡大して示した図である。 同燃料電池単セルの製造方法を説明するための図である。 燃料ガス供給連通孔およびその周辺部の構造を説明するための図である。 燃料ガス排出連通孔およびその周辺部の断面図である。 酸化剤ガス供給連通孔およびその周辺部の断面図である。 酸化剤ガス排出連通孔およびその周辺部の断面図である。 冷却媒体供給連通孔およびその周辺部の断面図である。 冷却媒体排出連通孔およびその周辺部の断面図である。 本発明の他の実施形態の要部を示した図である。 燃料電池単セルの他の形態例を示した図である。 燃料電池単セルの更に他の形態例を示した図である。 燃料電池単セルの更に他の形態例を示した図である。 燃料電池単セルの更に他の形態例を示した図である。 燃料電池単セルの更に他の形態例を示した図である。 燃料電池単セルの更に他の形態例を示した図である。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図２において、１０は燃料電池単セル、１２は枠付き膜電極接合体、１４，１６は枠付き膜電極接合体１２の両側にそれぞれ積層された第１セパレータおよび第２セパレータである。燃料電池単セル１０は外形が長方形で、本例では燃料電池単セル１０を構成する枠付き膜電極接合体１２および２つのセパレータ１４，１６が、同じ外形寸法の長方形とされている。なお、枠付き膜電極接合体１２については、後述する機能を満足する範囲であればセパレータ１４，１６よりも小さい外形寸法で構成することも可能である。

図１に示すように本例の燃料電池単セル１０は、その中央部が発電領域Ｅとされており、発電領域外の長手方向の一方の縁部には、積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔２０、冷却媒体供給連通孔２２、酸化剤ガス供給連通孔２４が短手方向一列に形成され、また長手方向の他方の縁部には、積層方向に貫通する酸化剤ガス排出連通孔２６、冷却媒体排出連通孔２８、燃料ガス排出連通孔３０が短手方向一列に形成されている。なお、発電領域外に形成されるこれら各連通孔の配置は、これに限定されるものではなく適宜変更可能である。

燃料電池単セル１０は、通常、所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用される。上記の各連通孔は、燃料ガス、酸化剤ガスもしくは冷却媒体を、積層方向（厚み方向）に流通させる供給用もしくは排出用マニホールドの一部を構成する。

そして発電に使用される燃料ガス（ここでは水素含有ガス）は、燃料ガス供給連通孔２０より燃料電池単セル１０の内部に導入され、燃料電池単セル１０の中央部に設けられた発電領域Ｅにおいてアノード電極３４の電極面に沿って流通し、その後、燃料ガス排出連通孔３０より排出される。同様に、酸化剤ガス（ここでは空気）は、酸化剤ガス供給連通孔２４より燃料電池単セル１０の内部に導入され、発電領域Ｅにおいてカソード電極３６の電極面に沿って流通し、その後、酸化剤ガス排出連通孔２６より排出される。
なお、本例における発電領域Ｅとは、燃料電池単セル１０を積層方向に沿って投影して観察したときに２つの電極３４，３６が重なり合う領域である。

枠付き膜電極接合体１２は、膜電極接合体３２とその周囲に接合された樹脂製の枠部材３８とを備えている。図３に示すように、膜電極接合体３２は、固体高分子電解質膜３３を備え、固体高分子電解質膜３３の両側にアノード電極３４とカソード電極３６が配設されている。
固体高分子電解質膜３３は、フッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜等で構成されている。一方、電極３４，３６は、触媒層とガス拡散層を備えている。ガス拡散層はカーボンクロスやカーボンペーパ等のカーボン多孔体で構成され、このガス拡散層の、固体高分子電解質膜３３側の表面に、例えば白金のような触媒を担持した触媒担持カーボンを用いた触媒層が形成されている。

本例の膜電極接合体３２は、アノード電極３４およびカソード電極３６が固体高分子電解質膜３３よりも小さな平面寸法に設定されており、アノード電極３４およびカソード電極３６の周縁部から外側に向けて固体高分子電解質膜３３が水平方向に延び出している。

枠部材３８は、樹脂製のフィルム状素材からなり、２つの平坦な面を備え全体として矩形枠状をなしている。枠部材３８は、膜電極接合体３２よりも大きな外形寸法を有し、その中央には、膜電極接合体３２の一方の電極（本例ではアノード電極３４）が嵌め込まれる開口３９が形成されている。

枠部材３８の長手方向の一方の縁部には、貫通口２０ａ、２２ａ、２４ａが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２０ａ、２２ａ、２４ａは、それぞれ燃料ガス供給連通孔２０、冷却媒体供給連通孔２２、酸化剤ガス供給連通孔２４の一部を構成する。このうち貫通口２０ａ、２４ａには、開口幅を所定の方向に向けて拡げる切欠４３が形成されている。これら切欠４３は、反応ガスが積層方向に流通する燃料ガス供給連通孔２０（若しくは酸化剤ガス供給連通孔２４）と、後述する供給側ガス貯留部５０とを連通する連通路として機能し、積層方向に流通する反応ガスの一部を供給側ガス貯留部５０に導入する。

枠部材３８の長手方向の他方の縁部には、貫通口２６ａ、２８ａ、３０ａが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２６ａ、２８ａ、３０ａは、それぞれ酸化剤ガス排出連通孔２６、冷却媒体排出連通孔２８、燃料ガス排出連通孔３０の一部を構成する。このうち貫通口２６ａ、３０ａには、上記貫通口２０ａ、２４ａと同様に切欠４３が形成されている。これら切欠４３は、酸化剤ガス排出連通孔２６（若しくは燃料ガス排出連通孔３０）と、後述する排出側ガス貯留部５８とを連通する連通路として機能する。

枠部材３８を構成するフィルム状素材は、本体樹脂層４０とその両面にそれぞれ形成された接着層４１、４２の３層で構成されている。本体樹脂層４０には、例えばポリエチレンナフタレート系樹脂（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド系樹脂（ＰＰＳ）等のエンジニアリングプラスチックが用いられている。ただし耐加水分解性、耐酸性、電気絶縁性、ガラス転位温度などの点において、燃料電池内の環境に適応できるものであれば、ＰＥＮやＰＰＳ以外のものを用いることも可能である。本体樹脂層４０の表面に形成される接着層４１，４２は、膜電極接合体３２やセパレータ１４，１６と接着可能な熱可塑性を有するもので、具体的にはポリビニルアルコール系、アクリル系、スチレン系、ポリエステル系などの接着剤から成る。

本例では、枠部材３８の開口３９を取り囲む周縁部３９ａと、膜電極接合体３２の外周縁部３２ａとが、接着層４２により一体に接合され、枠付き膜電極接合体１２が形成される。また、枠部材３８と、第１セパレータ１４および第２セパレータ１６とが、接着層４１，４２により接合され、枠付き膜電極接合体１２とセパレータ１４，１６との一体化が図られる。

第１セパレータ１４および第２セパレータ１６は、ステンレス系材料やＴｉ系材料からなる板厚０．１ｍｍ程の金属薄板で、プレス加工により断面凹凸形状に成形され、反応ガスを流通させるための流路溝等が形成されている。第１セパレータ１４および第２セパレータ１６は、積層状態で膜電極接合体３２の電極に当接するため、接触抵抗を下げる目的でプレス成形後にＰＶＤ法によるカーボン膜の被覆等の表面処理が施される場合がある。

第１セパレータ１４は、膜電極接合体３２のアノード電極３４に対向して配置される。図２には、第１セパレータ１４の、アノード電極３４に向かう第１面１４ａの平面視の形状が示されている。発電領域外の長手方向の一方の縁部には、貫通口２０ｂ、２２ｂ、２４ｂが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２０ｂ、２２ｂ、２４ｂは、それぞれ燃料ガス供給連通孔２０、冷却媒体供給連通孔２２、酸化剤ガス供給連通孔２４の一部を構成する。また、第１セパレータ１４の、発電領域外の長手方向の他方の縁部には、貫通口２６ｂ、２８ｂ、３０ｂが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２６ｂ、２８ｂ、３０ｂは、それぞれ酸化剤ガス排出連通孔２６、冷却媒体排出連通孔２８、燃料ガス排出連通孔３０の一部を構成する。

そして、第１セパレータ１４の第１面１４ａには、燃料ガス供給連通孔２０からの燃料ガス（水素含有ガス）を、発電領域Ｅにおいてアノード電極３４の電極面に沿って流通させ、燃料ガス排出連通孔３０へ排出する燃料ガス流路４８が形成されている。

燃料ガス流路４８は、発電領域Ｅにおいて、長手方向に延びる多数の凹溝４５と、短手方向に延び凹溝４５の一端側と連通する配流部４６と、短手方向に延び凹溝４５の他端側と連通する合流部４７と、が形成されている。そして、燃料ガス供給連通孔２０の近傍領域では、配流部４６から複数の供給側案内溝５４が延び出しており、供給側案内溝５４と貫通口２０ｂとの間には供給側ガス貯留部５０が形成されている。

図４は、貫通口２０ｂおよびその周辺部を拡大して示した図である。同図で示すように、貫通口２０ｂの開口縁周りには、枠部材３８と接合する平坦部５１を僅かに残し、その外側の部位を第２面１４ｂ側に向けて、断面コ字状にその頂部４９ａが平坦となるよう膨出させた膨出部４９が形成されている。膨出部４９は、図４（Ａ）に示すように、貫通口２０ｂを囲繞するように形成され、膨出部４９の長さ寸法Ｌ２は、隣接する貫通口２０ｂの開口寸法Ｌ１より大とされている。

膨出部４９の第１面１４ａ側には、四角環状の凹部が貫通口２０ｂの開口縁周りにガス貯留空間５２として形成され、供給側案内溝５４の端部は、このガス貯留空間５２に開放されている。この貫通口２０ｂ周りに形成された膨出部４９が、本発明における供給側ガス貯留部５０に相当する。そして、膨出部４９の頂部４９ａにおいて、燃料ガス供給連通孔２０を囲む、所定の幅を備えた環状の平坦面が確保される。この膨出部４９の頂部４９ａはシール材当接部として構成され、環状の平坦面には、燃料電池スタックとして組み付けられた状態で、積層方向に隣接して配置された他の燃料電池単セルのシール材が当接する。

図５は、上記貫通口２０ｂとは長手方向反対側に位置する貫通口３０ｂおよびその周辺部を拡大して示した図である。燃料ガス排出連通孔３０の近傍領域では、発電領域Ｅの合流部４７から複数の排出側案内溝５６が延び出しており、排出側案内溝５６と貫通口３０ｂとの間には排出側ガス貯留部５８が形成されている。

同図で示すように、貫通口３０ｂの開口縁周りには、枠部材３８と接合する平坦部５１を僅かに残し、その外側の部位を第２面１４ｂ側に向けて、断面コ字状にその頂部４９ａが平坦となるよう膨出させた膨出部４９が形成されている。膨出部４９は、図５（Ａ）に示すように、貫通口３０ｂを囲繞するように形成され、膨出部４９の長さ寸法Ｌ２は隣接する貫通口３０ｂの開口寸法Ｌ１より大とされている。膨出部４９の第１面１４ａ側には四角環状の凹部が貫通口３０ｂの開口縁周りにガス貯留空間５９として形成され、排出側案内溝５６の端部はガス貯留空間５９に開放されている。この貫通口３０ｂ周りに形成された膨出部４９が、本発明における排出側ガス貯留部５８に相当する。そして、この膨出部４９の頂部４９ａはシール材当接部として構成される。

なお、第１セパレータ１４における他の貫通口２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ，２８ｂの周りにも同様に、第２面１４ｂ側に向けて、断面コ字状に膨出させた同形状の膨出部４９が形成されている。また、これら貫通口よりも更に外側の周縁部には、これら貫通口を取り囲むように膨出部４９と同じ高さで第２面１４ｂ側に向けて突出させた環状突条部６０が形成されている。

第１セパレータ１４の、膜電極接合体３２とは反対側の面（第２面）１４ｂには、積層方向に隣接して配置された他の燃料電池単セルとの間で冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。

次に、第２セパレータ１６は、膜電極接合体３２のカソード電極３６に対向して配置される。図２には、第２セパレータ１６の、カソード電極３６に向かう第１面１６ａとは反対側の第２面１６ｂの平面視の形状が示されている。発電領域外の長手方向の一方の縁部には、貫通口２０ｃ、２２ｃ、２４ｃが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２０ｃ、２２ｃ、２４ｃは、それぞれ燃料ガス供給連通孔２０、冷却媒体供給連通孔２２、酸化剤ガス供給連通孔２４の一部を構成する。
また、発電領域外の長手方向の他方の縁部には、貫通口２６ｃ、２８ｃ、３０ｃが短手方向一列に形成されている。これら貫通口２６ｃ、２８ｃ、３０ｃは、それぞれ酸化剤ガス排出連通孔２６、冷却媒体排出連通孔２８、燃料ガス排出連通孔３０の一部を構成する。

第２セパレータ１６の、カソード電極３６に向かう第１面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２４からの酸化剤ガスを、発電領域Ｅにおいてカソード電極３６の電極面に沿って流通させ、酸化剤ガス排出連通孔２６へ排出する酸化剤ガス流路６２が形成されている。

酸化剤ガス流路６２は、発電領域Ｅにおいて、長手方向に延びる多数の凹溝６３と、短手方向に延び凹溝６３の一端側と連通する配流部６４と、短手方向に延び凹溝６３の他端側と連通する合流部６５と、が形成されている。

そして、酸化剤ガス供給連通孔２４の近傍領域では、配流部６４から複数の供給側案内溝６６が延び出しており、供給側案内溝６６と貫通口２４ｃとの間には、第２面１６ｂ側に向けて、断面コ字状に膨出させた膨出部４９が、供給側ガス貯留部５０として形成されている。
また、酸化剤ガス排出連通孔２６の近傍領域では、発電領域Ｅの合流部６５から複数の排出側案内溝６８が延び出しており、排出側案内溝６８と貫通口２６ｃとの間には、第２面１６ｂ側に向けて、断面コ字状に膨出させた膨出部４９が、排出側ガス貯留部５８として形成されている。

なお、第２セパレータ１６における他の貫通口２０ｃ、２２ｃ、２８ｃ，３０ｃの周りにも同様に、第２面１６ｂ側に向けて、断面コ字状に膨出させた膨出部４９が形成されている。これら第２セパレータ１６に形成された膨出部４９の形状は、上述した第１セパレータ１４に形成された膨出部４９と、膨出方向が逆方向である点を除いて基本的に同じである。また、これら貫通口よりも更に外側の周縁部には、膨出部４９と同じ高さで第２面１６ｂ側に向けて突出させた環状突条部６０が形成されている。

第２セパレータ１６に形成された環状突条部６０の頂部６０ａおよび膨出部４９の頂部４９ａはシール材接着部を構成し、図１で示すように、それぞれシール材７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７が接着されている。シール材としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム等からなるシール材を用いることができる。その結果、シール材７２，７４，７５，７７については、燃料電池スタックとして積層組付された状態で、積層方向に隣接して配置された他の燃料電池セルの第１セパレータ１４のシール当接部に当接して、各連通孔内を流通する反応ガスの漏れ出しが防止される。また、第２セパレータ１６の第２面１６ｂ側の、周縁部に設けられたシール材７１で囲まれた領域内であって、且つシール材７２，７４，７５，７７よりも外側の領域には、冷却媒体が導入される。
なお、本例は第２セパレータ１６側にシール材７１等を接着させた構成であるが、場合によっては、第１セパレータ１４側にシール材７１等を接着させ、第２セパレータ１６側をシール材当接部として構成することも可能である。

次に、燃料電池単セル１０の製造方法について説明する。
まず所定の形状に加工されたセパレータ１４，１６、枠部材３８および膜電極接合体３２を準備する。
そして、図６に示すように、第１セパレータ１４の第１面１４ａ上に枠部材３８を配置する。更に枠部材３８の開口３９にアノード電極３４が図中下向きに嵌りこむように膜電極接合体３２を配置する。更にその上に、第２セパレータ１６を、その第１面１６ａをカソード電極３６側に向けて配置する。そしてこれら部材を積み重ねた状態で積層方向に加熱加圧する。このとき枠部材３８の両面に設けられた接着層４１，４２が溶融して、枠部材３８と膜電極接合体３２とが一体に接合され、また枠部材３８とセパレータ１４，１６とが一体に接合される。その後、第２セパレータ１６の第２面１６ｂ側のシール材接着部にシール材７１等を接着し、燃料電池単セル１０が作製される。
なお、燃料電池単セル１０の製造方法はこれに限定されるものではなく、例えばシール材７１等を、事前に第２セパレータ１６の第２面１６ｂ側にインジェクション成形しておき、その後、上記のように全体を加熱加圧することも可能である。

このようにして作製された燃料電池単セル１０では、枠部材３８および各セパレータ１４，１６の各貫通口（例えば図６における貫通口２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）は積層方向に整列された状態で、加熱加圧され、積層方向に貫通する各連通孔（例えば図６における燃料ガス供給連通孔２０）が形成される。

次に、このようにして各部材が一体に接合された燃料電池単セル１０での燃料ガスの流れについて説明する。図７は、燃料ガス供給連通孔２０およびその周辺部の構造を説明するための図である。燃料ガス供給連通孔２０は、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口２０ａ，２０ｂ，２０ｃの重ね合わせにより形成されている。

同図で示すように、燃料ガス供給連通孔２０の一部を構成する枠部材３８の貫通口２０ａには、燃料ガス供給連通孔２０と供給側ガス貯留部５０とを連通する切欠４３が形成されており、燃料ガス供給連通孔２０内を積層方向に流通する燃料ガスの一部が、切欠４３を介して供給側ガス貯留部５０内に導入される。そして、供給側ガス貯留部５０内に一旦貯留された燃料ガスは、供給側案内溝５４を介して発電領域Ｅに供給され、発電領域Ｅに供給された燃料ガスは、長手方向に延びる凹溝４５内をアノード電極３４の電極面に沿って流通し電気化学反応により消費され、残りは排出側案内溝５６へと送られる。

図８に示すように、排出側案内溝５６と燃料ガス排出連通孔３０との間には、排出側ガス貯留部５８が設けられている。
燃料ガス排出連通孔３０は、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口３０ａ，３０ｂ，３０ｃの重ね合わせにより形成され、燃料ガス排出連通孔３０の一部を構成する枠部材３８の貫通口３０ａには、燃料ガス排出連通孔３０と排出側ガス貯留部５８とを連通する切欠４３が形成されている。このため排出側案内溝５６を介して一旦ガス貯留部５８内に送られた燃料ガスは、切欠４３を介して燃料ガス排出連通孔３０に排出される。

次に、燃料電池単セル１０における酸化剤ガスの流れについて説明する。図９は、酸化剤ガス供給連通孔２４およびその周辺部の断面図である。酸化剤ガス供給連通孔２４は、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口２４ａ，２４ｂ，２４ｃの重ね合わせにより形成されている。

同図で示すように、酸化剤ガス供給連通孔２４の一部を構成する枠部材３８の貫通口２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２４とガス貯留部５０とを連通する切欠４３が形成されており、酸化剤ガス供給連通孔２４内を積層方向に流通する酸化剤ガスの一部が、切欠４３を介して供給側ガス貯留部５０内に導入される。そして、供給側ガス貯留部５０内に一旦貯留された酸化剤ガスは、供給側案内溝６６を介して発電領域Ｅに供給される。発電領域Ｅに供給された酸化剤ガスは、長手方向に延びる凹溝６３内をカソード電極３６の電極面に沿って流通し電気化学反応により消費され、残りの酸化剤ガス（生成された水を含む）は排出側案内溝６８へと送られる。

図１０に示すように、排出側案内溝６８と酸化剤ガス排出連通孔２６との間には排出側ガス貯留部５８が設けられている。酸化剤ガス排出連通孔２６は、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口２６ａ，２６ｂ，２６ｃの重ね合わせにより形成され、酸化剤ガス排出連通孔２６の一部を構成する枠部材３８の貫通口２６ａには、酸化剤ガス排出連通孔２６と排出側ガス貯留部５８とを連通する切欠４３が形成されている。このため排出側案内溝６８を介して一旦、排出側ガス貯留部５８内に送られた酸化剤ガスは、切欠４３を介して酸化剤ガス排出連通孔２６に排出される。

次に、燃料電池単セル１０における冷却媒体の流れについて説明する。図１１は、冷却媒体供給連通孔２２およびその周辺部の断面図である。冷却媒体供給連通孔２２は、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口２２ａ，２２ｂ，２２ｃの重ね合わせにより形成されている。同図で示すように、冷却媒体供給連通孔２２の一部を構成する枠部材３８の貫通口２２ａには、上述のような切欠は形成されておらず、膨出部４９内に冷却媒体が導入されることはない。本例では、冷却媒体供給連通孔２２周りに設けられたシール材７６の一部に切欠７６ａが設けられているため、冷却媒体供給連通孔２２内を積層方向に流通する冷却媒体の一部がシール材７６の切欠７６ａを介して、第２セパレータ１６の第２面１６ｂと第１セパレータ１４の第２面１４ｂとの間に形成された冷却媒体流路に導入される。

そして冷却媒体流路を図中右向きに流通した冷却媒体は、図１２に示すように、冷却媒体排出連通孔２８周りに設けられたシール材７３の一部に設けられた切欠７３ａを介して冷却媒体排出連通孔２８に排出される。なお、本例では、冷却媒体供給連通孔２２，冷却媒体排出連通孔２８の周りにそれぞれシール材７６，７３を設けているが、これに代えてセパレータをシール材に相当する形状にプレス成形することも可能である。

以上のように本実施形態では、燃料ガスを発電領域Ｅに案内する供給側案内溝５４が、燃料ガス供給連通孔２０の周囲を囲むように形成された供給側ガス貯留部５０を介して燃料ガス供給連通孔２０と連通する構成であり、燃料ガス供給連通孔２０からの燃料ガスは供給側ガス貯留部５０および供給側案内溝５４を経て発電領域Ｅへ案内される。
また、燃料ガス供給連通孔２０の周囲を囲むように形成されている供給側ガス貯留部５０の頂部４９ａをシール材当接部とすることで、燃料ガス供給連通孔２０周りのシール性を確保することができる。

本実施形態では、供給側ガス貯留部５０と供給側案内溝５４がともに第１セパレータ１４に形成されるが、シール材７５が当接する供給側ガス貯留部５０の頂部４９ａと供給側案内溝５４は位置が異なるため、供給側案内溝５４の凹凸形状により第１セパレータ１４とシール材７５との間のシール性が損なわれることはない。
このように本実施形態では、従来のような別体の部材を用いることなく、簡素な構成で、燃料ガス供給連通孔２０周りのシール性を確保しつつ燃料ガスを発電領域Ｅへ案内する流路を形成することができる。

本実施形態では、供給側ガス貯留部５０の頂部４９ａが断面視において平坦に形成され、燃料ガス供給連通孔２０周りに所定の幅を備えた環状の平坦面が確保できるため、シール材７５と第１セパレータ１４との間のシール性を高めることができる。

また本実施形態では、燃料ガスを発電領域Ｅに案内する供給側案内溝５４と、燃料ガス供給連通孔２０との間に、枠部材３８から離間する方向に膨出させ且つ膨出部４９の長さ寸法Ｌ２を、隣接する燃料ガス供給連通孔２０の開口寸法Ｌ１より大となした供給側ガス貯留部５０が形成されている。本実施形態によれば、供給側ガス貯留部５０が緩衝機構として働くため、ガス供給量が変動した場合でもその影響を抑制し、発電領域Ｅに対し安定的に燃料ガスの供給を行うことができる。
また本実施形態では、供給側ガス貯留部５０における膨出部４９の長さ寸法Ｌ２を隣接する燃料ガス供給連通孔２０の開口寸法Ｌ１より大となしているため、燃料ガス供給連通孔２０に直接、供給側案内溝５４を接続する場合に比べ、供給側案内溝５４の流路面積を大きくすることができ、ガス流通時の流路抵抗を抑えて発電領域Ｅに対し安定的に燃料ガスの供給を行うことができる。

また本実施形態では、燃料ガス供給連通孔２０を、枠部材３８および各セパレータ１４，１６のそれぞれに形成された貫通口２０ａ，２０ｂ，２０ｃの重ね合わせにより形成し、枠部材３８の貫通口２０ａに、供給側ガス貯留部５０の内部にまで延びる切欠４３を形成しており、切欠４３を介して燃料ガス供給連通孔２０と供給側ガス貯留部５０とを連通させることができる。
以上、燃料ガス供給連通孔２０周りの構成を例に本実施形態の作用効果を述べたが、他の連通孔２４，２６，３０についても同様である。

図１３は、本発明の他の実施形態の要部を示した図である。上記第１の実施形態では、枠部材３８の貫通口２０ａに切欠４３を１つ設けたのに対し、本例では、切欠を周方向異なる位置に複数設けている。具体的には図１３に示すように、３つの切欠４３-１，４３-２，４３-３が供給側ガス貯留部５０の内部にまで延び出している。本例では、３つの切欠４３-１，４３-２，４３-３が、それぞれ燃料ガス供給連通孔２０と供給側ガス貯留部５０とを連通する連通路として機能するため第１の実施形態の場合に比べて、より多くのガスを導入することができる。

なお、本例では切欠４３-１，４３-２，４３-３が何れも供給側案内溝５４の正面に位置しないように配置されている。例えば、図７の例のように、切欠４３が供給側案内溝５４の正面に配置された場合、供給側案内溝５４と切欠４３との距離が短いと、３本ある供給側案内溝５４のそれぞれに向けて均一にガスを送ることが困難となる。これに対し本例では、各切欠が特定の供給側案内溝５４に向けてガスを吐出するような配置となっていないため、３つの供給側案内溝５４のそれぞれに対しガスを均等に送り込むことが可能となる。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれらはあくまでも一例示である。例えば、流通させる反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）を入れ替え、上記実施形態における第１セパレータ１４を酸化剤ガスが流通するカソード側セパレータとし、第２セパレータ１６を燃料ガスが流通するアノード側セパレータとすることも可能である等、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、同等の効果を奏するものに適宜変更可能であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において様々変更を加えた形態で実施可能である。
以下に他の形態例について述べる。

上記実施形態では、１つの連通孔について、膨出部４９を第１セパレータ１４および第２セパレータ１６の両方に設けた例であったが、図１４で示すように、膨出部４９を一方のセパレータ（本例では第１セパレータ１４）のみに設ける構成とすることも可能である。

また、図１５で示すように、枠部材３８を２枚の樹脂フィルム３８-１，３８-２で構成し、これら樹脂フィルム３８-１，３８-２で膜電極接合体３２の外周縁部３２ａ、すなわち固体高分子電解質膜３３の外周縁部３３ａを挟持するように構成することも可能である。固体高分子電解質膜３３は金属セパレータ１４，１６と熱膨張係数が異なる。このため、固体高分子電解質膜３３と金属セパレータ１４，１６が直接接触していると、燃料電池内の温度変化で固体高分子電解質膜３３には応力が生じやすくなるが、本例によれば、固体高分子電解質膜３３が直接金属セパレータ１４，１６と接触することがなくなり、固体高分子電解質膜３３の耐久性を向上させることができる。

更に、枠部材３８を２枚の樹脂フィルム３８-１，３８-２で構成する場合には、図１６に示すように、樹脂フィルム３８-１，３８-２を電極３４，３６の側端面３４ａ，３６ａまで延出させ、固体高分子電解質膜３３の、電極３４，３６よりも外側の部位を上下から樹脂フィルム３８-１，３８-２で覆うように構成することができる。このように、固体高分子電解質膜３３のガス雰囲気中に露出する部分をなくすことで、固体高分子電解質膜３３の劣化を抑えることができる。

このような観点から、枠部材３８を１枚の樹脂フィルムで構成する場合であっても、図１７に示すように樹脂フィルム３８を電極３４の側端面３４ａにまで延出させて、出来る限り固体高分子電解質膜３３が隠れるよう樹脂フィルム３８を配置することが望ましい。

また本発明では、図１８に示すように、一方の電極（本例におけるアノード電極３４）を、他方の電極（本例におけるカソード電極３６）よりも大きく且つ固体高分子電解質膜３３と略同じ外形寸法とし、固体高分子電解質膜３３の一方の面（本例における下側の面）をアノード電極３４で覆うようにすることも可能である。このようにすれば、膜電極接合体３２単体でのハンドリング性（取扱い性）を高めることもできる。
ただし、本例の場合、アノード電極３４の側端面３４ａからのガスの漏れ出しが懸念されるため、アノード電極３４の側端面３４ａにシール材８８を設ける必要がある。シール材８８としては、例えば熱硬化型のオレフィン系シール材等を適宜用いることが可能である。

また本発明では、固体高分子電解質膜３３を電極３４，３６と同じ外形寸法で構成することも可能である。この場合には図１９に示すように、枠部材３８を構成する２枚の樹脂フィルム３８-１，３８-２のそれぞれの周縁部３９ａにて膜電極接合体３２の外周縁部３２ａ全体を抱きかかえるように保持することも可能である。このようにすれば、固体高分子電解質膜３３の露出が実質的にゼロとなり、固体高分子電解質膜３３の劣化を抑制することができる。

１０ 燃料電池単セル
１４ 第１セパレータ
１６ 第２セパレータ
２０ 燃料ガス供給連通孔（供給側連通孔）
２４ 酸化剤ガス供給連通孔（供給側連通孔）
２６ 酸化剤ガス排出連通孔（排出側連通孔）
３０ 燃料ガス排出連通孔（排出側連通孔）
３２ 膜電極接合体
３２ａ 外周縁部
３４ アノード電極
３６ カソード電極
３８ 枠部材
３９ 開口
３９ａ 周縁部
４３ 切欠
４８ 燃料ガス流路（ガス流路）
４９ 膨出部
４９ａ 頂部
５０ 供給側ガス貯留部
５４，６６ 供給側案内溝
５６，６８ 排出側案内溝
５８ 排出側ガス貯留部
６２ 酸化剤ガス流路（ガス流路）
Ｅ 発電領域

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の両側に電極が配設された膜電極接合体と、
   中央に開口を有する枠状をなし、該開口を取り囲む周縁部を前記膜電極接合体の外周縁部と接合させた樹脂製の枠部材と、
   前記膜電極接合体および枠部材の両側に積層された金属薄板からなる一対のセパレータと、を備え、
   積層方向に貫通する供給側連通孔および排出側連通孔が、それぞれ発電領域外の位置に形成され、前記供給側連通孔からの反応ガスを、各セパレータに形成されたガス流路を通じて発電領域において電極面に沿って流通させ、前記排出側連通孔へ排出するように構成された燃料電池単セルであって、
   前記セパレータの前記供給側連通孔近傍領域には、前記反応ガスを発電領域に案内する供給側案内溝とともに、前記枠部材から離間する方向に膨出し前記供給側連通孔からの反応ガスを内部に貯留する供給側ガス貯留部が、前記供給側連通孔の周囲を囲むように形成され、
   前記供給側連通孔は、前記枠部材および各セパレータのそれぞれに形成された貫通口の重ね合わせにより形成され、前記枠部材に形成された貫通口には、前記供給側ガス貯留部の内部にまで延びる切欠が形成されており、
   前記供給側ガス貯留部の頂部が、シール材当接部もしくはシール材接着部として構成されるとともに、該供給側ガス貯留部を介して前記供給側案内溝が前記供給側連通孔と連通するように構成されていることを特徴とする燃料電池単セル。
2. 前記供給側ガス貯留部は、断面視において頂部が平坦に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル。
3. 前記切欠が周方向異なる位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の燃料電池単セル。
4. 前記セパレータの前記排出側連通孔近傍領域には、前記反応ガスを前記排出側連通孔に向けて案内する排出側案内溝とともに、前記枠部材から離間する方向に膨出し前記反応ガスを内部に貯留する排出側ガス貯留部が、前記排出側連通孔の周囲を囲むように形成され、
   前記排出側連通孔は、前記枠部材および各セパレータのそれぞれに形成された貫通口の重ね合わせにより形成され、前記枠部材に形成された貫通口には、前記排出側ガス貯留部の内部にまで延びる切欠が形成されており、
   前記排出側ガス貯留部の頂部が、シール材当接部もしくはシール材接着部として構成されるとともに、該排出側ガス貯留部を介して前記排出側案内溝が前記排出側連通孔と連通するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池単セル。

Images