JP7002049B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用ガスケット、燃料電池、及び燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））を一対のセパレータとで構成される単セルを複数個積層し、積層方向に締結荷重をかけた積層構造をもつ。

各単セルにおいて、セル面内中央部は、ＭＥＡ、燃料ガス、空気ガスが供給され発電する発電領域であり、発電領域周りは、燃料ガス、空気ガス、冷却水をシールする非発電領域である。

各セルの非発電領域では、一対のセパレータは、例えば、絶縁性材料で形成された枠体で電解質膜の外縁部を支持し、そのフレームと２つのセパレータを弾性接着剤にて接着し該当単セルの内部抵抗が所定の値となるよう、一体化し、構成している。

弾性接着剤の塗布部分でかかる締結荷重を受け持ち、かつ、各積層方向の構成部材の寸法公差を吸収し、組み付け上の寸法ばらつきがあってもかかる発電領域及び非発電領域の面圧ばらつきを抑える効果をもつ（特許文献１）。

特開平７－２４９４１７号公報

しかし、単セル構成部材（枠体、シール、セパレータ、ＭＥＡ、ガス拡散層）には製造上、それぞれの部材が寸法ばらつきをもつ。そのため、積層時に締結荷重をかけた場合、部材寸法の組み付けばらつきにより、面内荷重の分布が生じる。

接触抵抗を小さく抑え、燃料電池の性能を低下させないために、締結荷重が面内でばらついた場合でも、必要な接触面圧が発電領域全体にかかるように締結荷重を大きくとる必要があるが、締結荷重を大きくしたために、セパレータ及び枠体に変形が生じるおそれがある。

セパレータ及び枠体の変形によって、締結時に各セル内空間が変動することで各ガスの供給部及び発電領域流路の圧力損失が各セルごとに変動する。こうなると、スタック積層時に各セルへのガス供給量がばらつくため、各セルでの出力差が生じ、燃料電池としての性能が低下する。

また、単セル積層厚みの薄型化を検討する場合、セル積層厚みを成立させるためには、枠体厚みの薄肉化が求められ、求める荷重に耐えうる強度の枠体厚みが成り立たず、セル構造の信頼性を損なう場合もある。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池のセパレータの変形を抑制し、単セル積層厚みの薄型化構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、高分子電解質膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータと、が順に配置され、一対の上記セパレータの間に配置され、上記ガス拡散層と、上記触媒層の外周を囲む枠体と、を有し、上記枠体はヤング率１ＧＰａ以上の剛性を持つ、燃料電池を用いる。

本発明によれば、燃料電池の単セル、スタック構造にて枠体の変形を抑制することができる。

枠体厚みを薄肉化しても締結荷重に耐えうる構成をとれることで、単セル厚み、及びスタック積層厚みの薄型構造を容易にする。

燃料電池単セルを含む燃料電池スタック構図を模式的に示した分解斜視図 実施の形態１の燃料電池単セルの図１のＤ－Ｄ線に沿った積層方向の断面図 実施の形態３の燃料電池単セルの図１のＤ－Ｄ線に沿った積層方向の断面図 実施の形態１のセパレータ（空気極側）の平面図 実施の形態１のセパレータ（空気極側）の平面図 実施の形態１のセパレータ（燃料極側）の平面図 実施の形態１のセパレータ（燃料極側）の平面図 実施の形態１の枠体の平面図 実施の形態１の枠体の平面図 実施の形態２に係る、図３ＢのＢ－Ｂ線に沿った断面図 実施の形態２に係る、図３ＢのＣ－Ｃ線に沿った断面図 実施の形態２の枠体とアイランドとの斜視図 実施の形態２の枠体とアイランドとの斜視図 実施の形態４に係る、図２ＢのＡ－Ａ線に沿った断面図 実施の形態４に係る、図２ＢのＡ－Ａ線に沿った断面図 実施の形態５に係る、図２ＢのＡ－Ａ線に沿った断面図 実施の形態６に係る、図３ＢのＢ－Ｂ線に沿った断面図 実施例に係る、セパレータ（空気極側）の導入部を示した平面図 Ｋ７１６１プラスチック引張特性試験で用いる、測定試験片の平面図 実施例に係る、枠体試験片の応力－ひずみ結果の図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
（実施の形態１）
＜燃料電池スタック１００＞
図１で示すように、燃料電池スタック１００は、本実施の形態に係るセル１が複数個積層された構造を有する。隣り合うセル１の間にはガスケット（図示せず）が設けられる。セル１の積層方向の両側には、集電板１１０、絶縁板１２０、締結板１３０がこの順に配置される。

そして、積層方向の両側から、締結板１３０に所定の荷重がかけられることで、複数積層されたセル１が締結され、燃料電池スタック１００が形成される。

それぞれの集電板１１０には電流取り出し用の端子１１０ａが設けられる。セル１の発電時に、端子１１０ａから電流を取り出す。

それぞれの絶縁板１２０は集電板１１０と締結板１３０との間を絶縁する。絶縁板１２０には、ガスや冷却水の導入口及び、排出口（図示せず）を設けられてもよい。

それぞれの締結板１３０には、外部から所定の荷重がかけられ、一対の締結板１３０は。複数個積層されたセル１と一対の集電板１１０と一対の絶縁板１２０とを締結する。
セル１は、積層体２が一対の第１セパレータ４、２０で挟まれた構造を有する。

＜セル１の構造＞
以下、セル１の構造について説明する。

図２Ａは、セル１の図１でのＤ－Ｄでの部分拡大断面図である。

図２Ａで示すようにセル１は、積層体２と、一対の第１セパレータ４、２０と、枠体６を備える。

積層体２は、膜電極接合体１０、カソードガス拡散層８、アノードガス拡散層９で構成される。膜電極接合体１０は、略平板状である。

カソードガス拡散層８とアノードガス拡散層９とは、膜電極接合体１０を挟んで、互いの主表面が対向するように設けられる。

また、カソードガス拡散層８の膜電極接合体１０と反対側の主表面に、第１セパレータ４が積層され、アノードガス拡散層９の膜電極接合体１０と反対側の主表面に、第２セパレータ２０が積層される。

膜電極接合体１０は、電解質膜１２、電解質膜１２の一方の主表面側に配置されるカソード触媒層１１、及び電解質膜１２の他方の主表面側に配置されるアノード触媒層１３で構成される。

電解質膜１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、カソード触媒層１１とアノード触媒層１３との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。例えば、フッ素系樹脂により形成される。

カソード触媒層１１、アノード触媒層１３は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によっては触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。

このイオン交換樹脂は電解質膜１２同等に高分子材料から形成することが出来る。触媒粒子としては、Ｐｔまたは、Ｐｔと他の合金等があげられる。炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等を用いることが出来る。

電解質膜１２は、カソード触媒層１１、アノード触媒層１３と同一の表面積。またはこれらよりも大きい表面積に設定される。

カソードガス拡散層８は、カソード触媒層１１側の主表面に積層され、アノードガス拡散層９は、アノード触媒層１３の主表面に積層される。

カソードガス拡散層８、アノードガス拡散層９は、例えば、カーボンペーパー等から形成される。

膜電極接合体１０の外周端縁部には、樹脂製の枠体６が形成される。枠体６は、ヤング率１ＧＰａ以上の剛性を持つ、樹脂材料で構成される。枠体６は、セル１の積層方向の、熱膨張を吸収することが可能である。セル１は、ガラス繊維混入のエポキシ材料を熱硬化し用いることが可能である。

結果、燃料電池の単セル、スタック構造にて枠体の変形を抑制することができる。単セル厚み、及びスタック積層厚みを薄くした構造をとることができる。

＜第１セパレータ４，２０＞
第１セパレータ４、２０は、例えば、カーボン板、チタン、ステンレス、アルミニウムなど金属板により構成される。第１セパレータ４、２０は例えば、金型プレス加工やエッチング加工で断面凹凸形状を有する。第１セパレータ４にはカソードガスを供給するカソードガス流路５、第２セパレータ２０にはアノードガス流路２１が形成される。第１セパレータ４、２０のカソードガス流路５、アノードガス流路２１の各裏面に冷却媒体流路７が形成される。

＜第１セパレータ４＞
図３Ａに、カソード側の第１第１セパレータ４の平面図を示す。第１セパレータ４には、冷却媒体マニホールド孔１４、第１マニホールド孔１５、第２マニホールド孔１６が形成される。

冷却媒体マニホールド孔１４は、冷却媒体流路７（図２Ａ）と連通しており、供給配管から冷却媒体を供給し、排出する。

第１マニホールド孔１５は、カソードガス流路５と連通しており、供給配管から空気を含む酸化剤ガスを供給し、排出する。

第２マニホールド孔１６は、アノードガス流路２１と連通しており、供給配管から水素を含む燃料ガスを供給し、排出する。

図３Ａで示すように、カソード側の第１セパレータ４には、第１マニホールド孔１５とカソードガス流路５に連通する第１ガス導入部１７が設けられる。

図３Ｂで示すように、第１ガス導入部１７には第１マニホールド孔１５の一端に連通する複数本のライン状の凸部１８と、柱状の凸部であるアイランド１９を設ける。てもよい。ライン状の凸部１８は、柱状の凸部であるアイランド１９より、第１マニホールド孔１５に近い。

＜第２セパレータ２０＞
図４Ａはセル１のアノード側の第２セパレータ２０の平面図である。

図４Ａで示すように、第２セパレータ２０には、第２マニホールド孔１６とアノードガス流路２１に連通する第２ガス導入部２２が設けられる。

図４Ｂで示すように、第２ガス導入部２２には第２マニホールド孔１６の一端に連通する複数本の凸部２３と、アイランド１９を設けてもよい。

第１セパレータ４、２０のそれぞれ冷却媒体流路７の面側には、必要に応じてシール部材（図示せず）を設けることが出来る。

＜枠体６＞
図５Ａは枠体６の平面図である。

図５Ａで示すように、枠体６は、冷却媒体マニホールド孔１４、第１マニホールド孔１５、第２マニホールド孔１６を有する。

枠体６は第１セパレータ４、第２セパレータ２０、膜電極接合体１０と当接し通電するため、中央部に膜電極接合体１０の電極面積相当の貫通孔３０を設ける。

枠体６に設けた冷却媒体マニホールド孔１４、第１マニホールド孔１５、第２マニホールド孔１６は、締結時に近接するカソード側の第１セパレータ４とアノード側の第２セパレータ２０にそれぞれ設けられているマニホールド孔と連通している。

図５Ｂで示すように、枠体６には、柱状のアイランド２７（突起）を設けてもよい。

＜その他＞
図２Ａを用いて、セル１の積層手順の一例を示す。

図２Ａで示すように、第１セパレータ４と枠体６の向かいあう面に接着層３ａを設ける。第２セパレータ２０と枠体６の向かい合う面に接着層３ｂを設ける。接着層３ａ、３ｂは各ガスの混合や漏れを防ぐシール材として機能する。接着層３ａの厚さはカソードガス拡散層８厚み以下とする。接着層３ｂの厚さはアノードガス拡散層９厚み以下とする。

また、図２Ｂで示すように、柱状のアイランド２７ａを設けた枠体２４ａを、第１セパレータ４と接触する面に設置してもよい。また、柱状のアイランド２７ｂを設けた枠体２４ｃを第２セパレータ２０と接触する面に設置してもよい。枠体２４ａと枠体２４ｂは接着層３ｃで一体化させ、セル１を積層してもよい。その場合、接着層３ｃの厚さは、膜電極接合体１０同等となる。

接着層３ａ、３ｂ、３ｃの樹脂材としては、例えば、熱可塑性材料（変性ポリプロピレンなど）や熱硬化性材料（エポキシ樹脂など）等が採用される。

＜動作＞
このように構成されるセル１の動作について、以下に説明する。図３Ａに示されるように、第１マニホールド孔１５に、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、第２マニホールド孔１６に、水素含有等の燃料ガスが供給される。

さらに、冷却媒体マニホールド孔１４に、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図３Ａに示すように、第１マニホールド孔１５から第１ガス導入部１７に導入され、カソードガス流路５に供給される。この酸化剤ガスは、カソードガス流路５に沿ってカソードガス拡散層８（図２Ａ）方向へ移動する。

燃料ガスは、図４Ａに示すように、第２マニホールド孔１６から第２ガス導入部２２に導入され、アノードガス流路２１に供給される。この燃料ガスは、アノードガス流路２１に沿ってアノードガス拡散層９（図２Ｂ）方向へ移動する。

設置方向に対して上下どちらのマニホールドが導入及び排出方向になってもよい。

上述した固体高分子形のセル１では、以下の反応が起こる。

アノードガス拡散層９を介してアノード触媒層１３に燃料ガスとしての水素が供給されると、アノード触媒層１３において下記式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。

プロトンは、電解質膜１２中をカソード触媒層１１側へ移動する。電子は、アノードガス拡散層９及び第２セパレータ２０を経由して外部回路（図示せず）に移動し、外部回路から第１セパレータ４及びカソードガス拡散層８を経由してカソード触媒層１１に流れ込む。

カソードガス拡散層８を介してカソード触媒層１１に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層１１において下記式（２）で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。

この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。

アノード触媒層１３：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－ （１）
カソード触媒層１１：２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ （２）
膜電極接合体１０に供給され消費された酸化剤ガスは、第１ガス導入部１７から第１マニホールド孔１５に排出される（図３Ａ）。

また、膜電極接合体１０に供給され消費された燃料ガスは、第２ガス導入部２２から第２マニホールド孔１６に排出される（図４Ａ）。

冷却媒体マニホールド孔１４のどちらか１方である入口側に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路７に供給され、冷却媒体は、膜電極接合体１０を冷却した後、冷却媒体マニホールド孔１４の他方の出口側から排出される。

（実施の形態２）
図６は、セル１の図３ＢのＢ－Ｂ断面図（部分拡大図）である。

第１マニホールド孔１５に連結して設けられる凸部１８は、枠体６と当接し、枠体６はアノード側の接着層３ｂにより、アノード側の第２セパレータ２０と一体となりガスシール性を保持する。

図６で示すように、枠体６は、所定の荷重にて締結時、第１マニホールド孔１５に連結して設けられる凸部１８にて押圧されるため、所定の締結荷重においても変形に耐えうる厚みを確保する必要がある。

図７は、セル１の図３ＢのＣ－Ｃ断面図（部分拡大図）である。枠体６は、第１ガス導入部１７、第２ガス導入部２２のそれぞれのアイランド１９から挟まれるため、所定の締結荷重においても変形に耐えうる厚みを確保する必要がある。

また、第１ガス導入部１７と、第２ガス導入部２２の、それぞれの圧力差が例えば、５０ＫＰａ以上異なる場合、片方の、第２ガス導入部２２からの圧力により他方、第１ガス導入部１７へと枠体６が変形し、アイランド１９間の隙間へ垂れ込み、酸化剤ガス、あるいは燃料ガスの流路への供給を阻害する恐れがある。

例えば、セル１の薄型化のため、第１ガス導入部１７、第２ガス導入部２２の高さを、１ｍｍ以下にする場合、枠体６の荷重に対する変形による許容歪み量は、枠体６と第１ガス導入部１７あるいは第２ガス導入部２２とが当接しないように、１ｍｍ以下に抑えなければならない。

たわみ量は、アイランド１９の間隔（アイランド間距離）に比例し、ヤング率及び枠体６の厚みに反比例する。

図８Ａは、セル１の図３ＢのＣ－Ｃ斜視図（部分拡大図）であり、特に枠体６と当接するアイランド１９の部分を簡略化した図である。図８Ｂは、締結状態で、枠体６が荷重に耐えきれず変形した状態（断面図）を示している。

枠体６の変形を抑えるには、アイランド１９間の距離Ｌを短くする対策案もあるが、アイランド１９を多数配置してしまうと、本来の目的であるガス導入部としての機能（ガスを各流路へと均一に送り込む整流効果）に影響を及ぼす。

また、第１ガス導入部１７及び第２ガス導入部２２に変形防止にアイランド１９を多数配置すると、導入部の空間容積に対しアイランド１９の部分の容積が占めてしまうため導入部の圧力損失が増大してしまい、燃料電池システム自体の効率にも影響を与える。

一方で、アイランド１９間の距離を短くし第１ガス導入部１７内に多数配置するのではなく枠体６の厚みを増やしてしまうと、枠体６厚みと膜電極接合体１０の厚みはほぼ同一高さである必要があるため、膜電極接合体１０厚みの増加をもたらし、セル１自体の性能を低下させる。

そのため、枠体６をヤング率の大きい材料を用いて剛性を高めることにより、締結荷重に対する変形を抑え、セル薄型化の機能を両立することが可能である。

枠体６のヤング率の大きさを考えると、第１ガス導入部１７及び第２ガス導入部２２のガス進行方向に対して垂直方向幅Ｗ２（図１２）を、例えば、２１２ｍｍとする。この時、アイランド１９の間隔の距離Ｌ（図８Ａ）の合計が、第１ガス導入部１７としての整流性機能を担保するために、垂直方向幅Ｗ２の２／３以上と規定する。
アイランド１９の間の距離Ｌを８．５ｍｍ以下となるよう、アイランド１９を配置し、検討をおこなった。

その際、枠体６の厚みｈ（図８Ａ）を０．２ｍｍとした場合での、必要な枠体６のヤング率を算出した結果が表１である。

表１の枠体６のたわみδ量（図８Ｂ）は、両端固定端での単純はりの公式から算出した。

第１ガス導入部１７高さを、１ｍｍとおくと、枠体６の、膜電極接合体１０を介してかかる第２ガス導入部２２空間内圧力によるたわみδ量は１ｍｍ以下が許容値となる。
そうでないと、変形した枠体６がカソード導入部の底部と接触し、ガス流れを阻害してしまう。

表１の結果から、枠体６のヤング率が１ＧＰａ以上の場合、枠体６のたわみδはカソード導入部高さ１ｍｍ以下となり、基準値を満たす。少なくとも１ＧＰａ以上必要である。
さらに、ヤング率が１ＧＰａ相当としても、例えば、汎用プラスチック材である、ポリプロピレン（ＰＰ）を用いて枠体６を射出成形等で膜電極接合体１０外縁に成形した場合、膜電極接合体１０厚み相当の成形は流動性の観点から困難である。

それに対し、繊維状補強材に、エポキシなどの熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、半硬化状態にした強化プラスチック成形材料を用いた場合、ガラス繊維厚みで枠体厚みを規定できるうえ、膜電極接合体１０厚み相当で置いた場合でも、許容応力に耐えうることができ好ましい。

よって、枠体６は、繊維状補強材を含浸させた樹脂形状であれば、想定される締結荷重による変形を抑制しかつセルの薄型化を両立することができる。

なお、実施形態１に係るセル１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
（実施の形態３）
次に実施形態３について示す。
なお、実施形態１，２に係るセル１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。記載しない事項は実施の形態１，２と同様である。
図２Ｂで示すように、枠体２４ａと枠体２４ｂに凸部のアイランド２７ａ、２７ｂを設けると、第１セパレータ４内の第１ガス導入部１７と第２ガス導入部２２は精密な加工が不要になる。セル１を対向流にて電池評価する場合、ガス供給圧により、例えば、第１ガス供給マニホールド側の場合、第１ガス導入部１７のほうが第２ガス導入部２２よりも圧力が高くなる。逆に、第１ガス排出マニホールド側の場合では、第２ガス導入部２２が第１ガス導入部１７よりも圧力が高くなる。金属及びカーボンセパレータと比較し、加工の自由度の高い枠体側に凸部アイランドを設けることにより、締結圧の制御もより容易となる。
枠体６にまた、第１セパレータ４及び第２セパレータ２０の構成がシンプルとなりセパレータ加工工程の削減となる。
また、両面のアイランド２７ａ、２７ｂのピッチを一致させることで更に荷重変形の抑止効果を得られる。両面のアイランド２７ａ、２７ｂの位置は、上下方向、つまり、枠体２４ａと枠体２４ｂとの積層方向で一致するのが好ましい。
（実施の形態４）
次に、実施形態４について示す。
なお、実施形態１から３に係るセル１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。記載しない事項は実施の形態１～３と同様である。
図９Ａは、実施形態４に係る、セル１の断面図であり、図２ＢのＡ－Ａ線断面に相当する場所の断面図（部分拡大図）である。
図９Ａで示すように、第１ガス導入部１７の空間内で、枠体２４ｃに設けたアイランド２８ａと、第１セパレータ４が当接する。第２ガス導入部２２の空間内で、枠体２４ｄに設けられたアイランド２８ｂは、第２セパレータ２０と当接する。
枠体２４ｃと枠体２４ｄは、接着層３ｄで一体化する。
枠体２４ｃと枠体２４ｄの接着層３ｄとの接触面は湾曲形状にすることで、セル１締結積層時に局所荷重を分散することができる。
また、アイランド２８ａ間の枠体２４ｃ、アイランド２８ｂ間の枠体２４ｄを湾曲形状にすることで、セル１積層時の局所荷重を分散し、かつ、第１ガス導入部１７及び第２ガス導入部２２の空間体積を広く確保することができる。

これにより、第１ガス導入部１７及び第２ガス導入部２２に流入するガスを偏りなく流し、圧力損失を低減できる。そのため、高圧化による変形とセルの薄型化が両立できる。
また、図９Ｂで示すように、特にガス流量の大きく、粘性の高い空気を供給する、第１セパレータ４側に当接する枠体２４ｃのみ、接着層３ｃと接触する面と、アイランド２８ａ間の枠体２４ｃとのみを湾曲形状としてもよい。その場合、第２セパレータ２０と、第２ガス導入部２２の空間内で当接する、枠体２４ｅに設けられた、アイランド２８ｂ間の枠体２４ｅは矩形形状であってもよい。
（実施の形態５）
次に実施形態５について示す。
なお、実施形態１～４に係るセル１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。記載しない事項は実施の形態１、２と同様である。
図１０は、実施形態５に係る、セル１の断面図であり、図２ＢのＡ－Ａ線断面に相当する場所の断面図（部分拡大図）である。
図１０で示すように、第１ガス導入部１７の空間内で、枠体２６ａに設けた柱状の凸部であるアイランド２８ｄと、第１セパレータ４が当接する。
第２ガス導入部２２の空間内で、枠体２６ｂに設けられた柱状の凸部であるアイランド２８ｅと、第２セパレータ２０が当接する。
枠体２６ａと枠体１６ｃは、接着層３ｅで一体化する。
アイランド２８ｄとアイランド２８ｅは、凸部高さ及び凸幅寸法が異なる、
特にガス流量の大きく、粘性の高い空気を供給する、第１セパレータ４に当接するアイランド２８ｄは、第１ガス導入部１７の圧損低減のため、アイランド２８ｅより高さが必要である、一方で、第２セパレータ２０に当接するアイランド２８ｅは、第１ガス導入部１７から受ける圧力による変形に耐えうる必要がある。そのため、アイランド２８ｅは凸部高さを低くし、かつ荷重による変形・座屈に耐えやすい台形形状にすると、加圧時による変形に耐えうる薄型セル構成を可能とする。ただし、ガス供給側と排出側で圧力損失の大小が変わるため、第１ガス供給側マニホールドに近い、第１ガス導入部１７ではアイランド２８ｄ形状はカソード側、アイランド２８ｅの形状は、アノード側、アイランド２８ｅ第１ガス排出側マニホールドに近い。アイランド２８ｄの形状は、アイランド２８ｅの形状はカソード側に配置することで更に枠体の変形抑止に繋がる。

（実施の形態６）
次に、実施形態６について示す。図１１は実施形態６に係るセル１の断面図であり、図３ＢのＣ－Ｃ断面に相当する場所の断面図である。

なお、実施形態１に係るセル１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。記載しない事項は実施の形態１～５と同様である。

図１１に示すように、枠体２５は、一方のアイランド１９と一体加工された構造である。別途、枠体２５とアイランド１９とを作製し、接続したものでなく、１つのものとして、アイランド１９を有する枠体２５を作製した。

枠体２５にアイランド１９を設けることにより、カソード側の第１セパレータ４内の第１ガス導入部１７は精密な加工が不要になる。このため、構成がシンプルとなり第１セパレータ４の加工工程を削減できる。

実施の形態６の構造は、枠体２５の形状が枠体６とアイランド１９を兼ねる一体構造であるので、実施の形態２と同様に締結荷重においても変形を抑制し、セル１の薄型化ができる。

同様に、第１マニホールド孔１５に連結して設けられる凸部１８あるいは、第２マニホールド孔１６に連結して設けられる凸部２３も枠体２５に一体に形成してもよい。枠体２５は別構造として成形し、組立時に積層し、接着層３ａで硬化して設けてもよい。

（実施例）
次に、実施例を示す。図１２はカソード側の第１セパレータ４内に設けている第１ガス導入部１７のみを表示した平面図である。第１マニホールド孔から流入するガス進行方向と直交する導入部幅である垂直方向幅Ｗ２を２１２ｍｍ、進行方向幅Ｗ１を１１ｍｍとして第１ガス導入部１７の平面方向の形状を決定し、第１セパレータ４を作成した。

枠体６と、凸部１８とアイランド１９は、セル１締結時に当接しており、その空間（第１ガス導入部１７）をカソードガス（空気）が流れる。

枠体６と凸部１８とアイランド１９が当接し、設けられた第１ガス導入部１７を通過する、粘性空気の圧力損失については、汎用解析ソフト（ＦＬＵＥＮＴ）にて３次元計算を行い、算出をした。

図８Ｂが示すように、枠体６が変形し、第１ガス導入部１７を閉塞させた場合の圧力損失の変化を表２に示す。

空気流量は１３．９Ｌ／ｍｉｎ、空気粘性及び空気密度の物性値は伝熱工学便覧（丸善）より、セル運転領域８０℃の値を用いて試算した。

表２において、枠体６にかかる荷重による変形が全くない状態を「変形なし」とした。

枠体６が荷重によって変形し、枠体６とカソード側の第１セパレータ４で構成される第１ガス導入部１７の空間を断面厚み方向に０．０５ｍｍ閉塞した場合、０．１ｍｍ閉塞した場合、の３条件について、計算をした。

表２は、枠体の変形によると導入部閉塞と圧力損失の結果を示す。

表２の結果より、第１ガス導入部１７内の圧力損失の変化量を１．０ＫＰａ以内（この場合、５．０ＫＰａまで）とすると、枠体６の変形による第１ガス導入部１７の空間部の閉塞量は０．０５ｍｍ以内にする必要がある。

第１ガス導入部１７内での、圧力損失変化量を１ＫＰａ以内としたのは、電池評価試験より、電圧ばらつき幅を考慮して規定した。

表２の計算結果をもとに、枠体６の変形による閉塞が０．０５ｍｍ以下で、枠体６に当接し支持するアイランド１９間の距離が第１ガス導入部１７としてガスの流れを遮断せず成立する間隔で成立するかどうかの強度計算を行った。

強度計算は、枠体６のたわみδ量は、両端固定の単純はりの式で模擬できると考え、計算を行った。

枠体６の荷重によるたわみδ量を断面方向の一定の閉塞量として試算するために、たわみδ量をアイランド間の距離Ｌの半円面積で割り換算をし直した。

枠体６のヤング率の算出にあたっては、ＪＩＳＫ７１６１のプラスチックの引張特性試験を行い、枠体６のヤング率を１．７ＧＰａとした。

図１３は、ＪＩＳのＫ７１６１のプラスチック引張特性用の測定試験片の形状図である。

図１４は、図１３に示した形状試験片形状での、枠体６の引張試験結果（応力－ひずみ曲線）である。図１４は、図１３のダンベル形状を、引張試験機（測定機器：ＥＺＧｒａｐｈ、島津製作所製）にて試験荷重－ストローク長を応力とひずみ曲線にしたものである。測定はＮ＝５で行い、ヤング率の算出には平均値を用いた。

表３は、図８Ａ、図８Ｂにて示した、アイランド１９で支持している枠体６の枠体幅ｂ、及び、厚みｈを現実的な数値で設定し、アイランド１９間距離Ｌと第１ガス導入部１７の閉塞量の試算結果である。

表３で示すように、アイランド１９間距離Ｋを４．５ｍｍ以下にすると、枠体６とアノード側の第２セパレータ２０で仕切られた第２ガス導入部２２に高圧空気が流れても枠体６の変形を抑止することができる。

また、枠体６の変形を抑止することで、ガス通過時の流れ込みばらつきを減らすことができ、第１ガス導入部１７の等配機能を果たすことができる。

表２と表３の結果から、枠体６のヤング率を１ＧＰａ以上であれば、枠体６の変形を一定値以下に変形を抑え、第１ガス導入部１７の空間に影響を与えることなくセル形状が成立することができる。

（全体として）
第１ガス導入部１７で説明した事項は、第２ガス導入部２２にも適用できる。逆も同様である。なお、第１ガス導入部１７と第２ガス導入部２２との少なくとも１方に、用いればよい。

本願発明の燃料電池は、家庭用、自動車用など色々な用途の燃料電池として利用できる。

１ セル
２ 積層体
３ａ 接着層
３ｂ 接着層
３ｃ 接着層
３ｄ 接着層
３ｅ 接着層
４ 第１セパレータ
５ カソードガス流路
６ 枠体
７ 冷却媒体流路
８ カソードガス拡散層
９ アノードガス拡散層
Ｋ 距離
Ｌ 距離
ｂ 枠体幅
１０ 膜電極接合体
１１ カソード触媒層
１２ 電解質膜
１３ アノード触媒層
１４ 冷却媒体マニホールド孔
１５ 第１マニホールド孔
１６ 第２マニホールド孔
１６ｃ 枠体
１７ 第１ガス導入部
１８ 凸部
１９ アイランド
２０ 第２セパレータ
２１ アノードガス流路
２２ 第２ガス導入部
２３ 凸部
２４ａ 枠体
２４ｂ 枠体
２４ｃ 枠体
２４ｄ 枠体
２４ｅ 枠体
２５ 枠体
２６ａ 枠体
２６ｂ 枠体
２７ａ アイランド
２７ｂ アイランド
２８ａ アイランド
２８ｂ アイランド
２８ｄ アイランド
２８ｅ アイランド
３０ 貫通孔
Ｗ１ 進行方向幅
Ｗ２ 垂直方向幅
１００ 燃料電池スタック
１１０ 集電板
１１０ａ 端子
１２０ 絶縁板
１３０ 締結板

Claims (7)

1. 高分子電解質膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層と、第１セパレータと第２セパレータとを含む一対のセパレータと、が順に配置され、
   一対の前記セパレータの間に配置され、前記ガス拡散層と、前記触媒層の外周を囲む枠体と、
   前記第１セパレータに形成されたガスを供給するカソードガス流路と、
   前記第２セパレータに形成されたガスを供給するアノードガス流路と、
   前記第１セパレータに位置するガス供給および排出を行う第１マニホールド孔と、
   前記第２セパレータに位置するガス供給および排出を行う第２マニホールド孔と、
   前記カソードガス流路と前記第１マニホールド孔とを繋ぐ第１ガス導入部と、
   前記アノードガス流路と前記第２マニホールド孔とを繋ぐ第２ガス導入部と、
   前記第１ガス導入部および前記第２ガス導入部の両方において、前記枠体に設けられた、複数のライン状の凸部と、複数の柱状のアイランドと、を有し、
   前記枠体はヤング率１ＧＰａ以上の剛性を持ち、
   前記第１ガス導入部に設けた前記アイランドと、前記第２ガス導入部に設けた前記アイランドと、は形状が異なる、
   燃料電池。
2. 前記枠体は、繊維状補強材を含浸させた熱硬化性樹脂で形成される、
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 複数のアイランド間の前記枠体は、湾曲形状である
   請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第１ガス導入部および前記第２ガス導入部の両方に設けられた前記アイランドの位置は、前記第１ガス導入部と前記第２ガス導入部との積層方向で重なる
   請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記枠体と前記アイランドとが別途接続されたものでなく、一体物成形品である
   請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記枠体は、第１枠体と第２枠体あり、
   前記第１ガス導入部は、前記第１枠体に位置し、
   前記第２ガス導入部は、前記第２枠体に位置し、
   前記第１枠体と前記第２枠体とは、接着材で保持されている
   請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記ライン状の凸部は、前記アイランドより、前記第１マニホールド孔に近く位置する
   請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池。

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