JPWO2017006403A1

JPWO2017006403A1 - 燃料電池

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Publication number: JPWO2017006403A1
Application number: JP2017526808A
Authority: JP
Inventors: 茂昌桑田; 屋　隆了; 隆了屋; 阿部　光高; 光高阿部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2035-07-03
Also published as: EP3319157A4; KR101913085B1; CA2991279A1; EP3319157B1; EP3319157A1; KR20180008899A; CA2991279C; US20180226660A1; US10707497B2; WO2017006403A1; CN107710484A; JP6624200B2

Abstract

燃料電池は、電解質膜及び電極層からなる膜電極接合体と、膜電極接合体の外周に沿って配置されるフレーム部と、膜電極接合体に燃料ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータと、を備える。燃料電池は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟むことにより構成される。燃料電池のセパレータは、接着剤を介してフレーム部に接合される接着領域を有し、かつ当該接着領域内においてセパレータとフレーム部との間の距離を他の接着領域と比べて短くする絞り部を備える。

Description

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池に関する。

特開２００７−１２０３８０号公報には、樹脂フレームを有する膜電極接合体と、膜電極接合体に隣接するように配置されるセパレータと、を備える燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、セパレータは接着剤を介して膜電極接合体の樹脂フレームに接合されている。

上記した燃料電池では、接着剤は、部材同士を接着する機能だけでなく、燃料電池内のガスや水蒸気が外部に漏れ出ることを防止するシール機能も有している。このように燃料電池においては、燃料電池内からのガス等の漏れを防止する観点から、接着剤によるシール性能を高めることが重要である。ガス等の漏れを抑制するためには部材間の接着剤の厚さを薄くすることが考えられるが、シール機能を高めるために接着剤厚さを薄くすると、接着強度が低下してしまうという懸念がある。

本発明の目的は、部材間の接着強度を確保しつつ、ガス及び水蒸気の漏れを抑制できる燃料電池を提供することである。

本発明のある態様によれば、電解質膜及び電極層からなる膜電極接合体と、膜電極接合体の外周に沿って配置されるフレーム部と、膜電極接合体に燃料ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータと、を備え、膜電極接合体を一対のセパレータで挟むことにより構成される燃料電池が提供される。この燃料電池のセパレータは、接着剤を介してフレーム部に接合される接着領域を有し、かつ当該接着領域内においてセパレータとフレーム部との間の距離を他の接着領域と比べて短くする絞り部を備える。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの概略構成図である。図２は、燃料電池を構成する膜電極接合体の正面図である。図３は、燃料電池を構成するアノードセパレータの正面図である。図４は、燃料電池を構成するカソードセパレータの正面図である。図５は、燃料電池スタックの一部縦断面図である。図６は、第１実施形態の変形例による燃料電池スタックの一部縦断面図である。図７は、本発明の第２実施形態による燃料電池スタックの一部縦断面図である。図８は、本発明の第３実施形態による燃料電池スタックの一部縦断面図である。図９は、第３実施形態の変形例による燃料電池スタックの一部縦断面図である。

以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（燃料ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（燃料ガス）を用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ₂→ ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→ ２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
これら（１）、（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

図１は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の概略構成を示す分解図である。

図１に示す燃料電池スタック１００は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に用いられる燃料電池スタックである。但し、燃料電池スタック１００は、自動車等での使用に限られず、各種電気機器の電源として使用されてもよい。

燃料電池スタック１００は、単セルとしての燃料電池１０を複数積層して構成される積層電池である。

燃料電池スタック１００を構成する燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、ＭＥＡ２０の一方の面に配置されるアノードセパレータ３０と、ＭＥＡ２０の他方の面に配置されるカソードセパレータ４０と、を備えている。このように、燃料電池１０は、ＭＥＡ２０を一対のセパレータ３０，４０で挟むことにより構成される。

図２及び図５に示すように、ＭＥＡ２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に配置されるアノード電極２２と、電解質膜２１の他方の面に配置されるカソード電極２３と、から構成される。なお、図２は燃料電池１０を構成する膜電極接合体２０の正面図であり、図５は図２のＶ−Ｖ位置における燃料電池１０の一部縦断面図である。

電解質膜２１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード電極２２は、電解質膜２１の側から順に、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂とカーボン等からなるマイクロポーラス層と、カーボンペーパー等からなるガス拡散層とが配置されて構成される。カソード電極２３も、アノード電極２２と同様に、電解質膜２１の側から順に、電極触媒層と、マイクロポーラス層と、ガス拡散層とが配置されて構成される。

ＭＥＡ２０には、接合体外周に沿って樹脂製のフレーム部５０が設けられている。フレーム部５０は、合成樹脂等からなる枠体であって、ＭＥＡ２０に一体形成される。フレーム部５０は、剛性を有する板状部材として構成されてもよいし、柔軟性を有するシート状部材として構成されてもよい。

フレーム部５０の一端側（図２中左側）には、上から順に、アノードガス供給マニホールド５１Ａ、冷却水供給マニホールド５２Ａ、カソードガス供給マニホールド５３Ａが形成される。また、フレーム部５０の他端側（図２中右側）には、上から順に、アノードガス排出マニホールド５１Ｂ、冷却水排出マニホールド５２Ｂ、カソードガス排出マニホールド５３Ｂが形成される。

図３及び図５に示すように、アノードセパレータ３０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。アノードセパレータ３０は、ＭＥＡ側の面にアノードガスを流すアノードガス流路３７を有しており、ＭＥＡ側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路３８を有している。

アノードセパレータ３０の一端側（図３中左側）には、上から順にアノードガス供給マニホールド３１Ａ、冷却水供給マニホールド３２Ａ、カソードガス供給マニホールド３３Ａが形成される。また、アノードセパレータ３０の他端側（図３中右側）には、上から順にアノードガス排出マニホールド３１Ｂ、冷却水排出マニホールド３２Ｂ、カソードガス排出マニホールド３３Ｂが形成される。

アノードガス供給マニホールド３１Ａから供給されたアノードガスは、アノードガス流路３７を通って、アノードガス排出マニホールド３１Ｂに流出する。冷却水供給マニホールド３２Ａから供給された冷却水は、冷却水流路３８を通って、冷却水排出マニホールド３２Ｂに流出する。

図４及び図５に示すように、カソードセパレータ４０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。カソードセパレータ４０は、ＭＥＡ側の面にカソードガスを流すカソードガス流路４７を有し、ＭＥＡ側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路４８を有している。

カソードセパレータ４０の一端側（図４中左側）には、上から順にアノードガス供給マニホールド４１Ａ、冷却水供給マニホールド４２Ａ、カソードガス供給マニホールド４３Ａが形成される。また、カソードセパレータ４０の他端側（図４中右側）には、上から順にアノードガス排出マニホールド４１Ｂ、冷却水排出マニホールド４２Ｂ、カソードガス排出マニホールド４３Ｂが形成される。

カソードガス供給マニホールド４３Ａから供給されたカソードガスは、カソードガス流路４７を通って、カソードガス排出マニホールド４３Ｂに流出する。冷却水供給マニホールド４２Ａから供給された冷却水は、冷却水流路４８を通って、冷却水排出マニホールド４２Ｂに流出する。

ＭＥＡ２０、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を有する燃料電池１０が積層されて燃料電池スタック１００が構成された場合、アノードガス供給マニホールド３１Ａ，４１Ａ，５１Ａは、積層方向に並んで、一のアノードガス供給用通路として機能する。この時、冷却水供給マニホールド３２Ａ，４２Ａ，５２Ａは一の冷却水供給用通路として機能し、カソードガス供給マニホールド３３Ａ，４３Ａ，５３Ａは一のカソードガス供給用通路として機能する。同様に、アノードガス排出マニホールド３１Ｂ，４１Ｂ，５１Ｂ、冷却水排出マニホールド３２Ｂ，４２Ｂ，５２Ｂ、及びカソードガス排出マニホールド３３Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂは、アノードガス排出用通路、冷却水排出用通路、及びカソードガス排出用通路としてそれぞれ機能する。

なお、図５に示すように、隣接する２つの燃料電池１０においては、一方の燃料電池のアノードセパレータ３０と他方の燃料電池１０のカソードセパレータ４０とに設けられたそれぞれの冷却水流路３８，４８は互いに向き合うように配置される。このように配置される冷却水流路３８，４８によって、一の冷却通路が構成される。

図５に示すように、燃料電池１０は、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を接着剤６０によりフレーム部５０に接着することにより形成される。アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０がフレーム部５０に接着された状態では、アノードセパレータ３０はアノードガス流路３７側の面がＭＥＡ２０の一方側の面に隣接するように配置され、カソードセパレータ４０はカソードガス流路４７側の面がＭＥＡ２０の他方側の面に隣接するように配置される。

これらセパレータ３０，４０においては、接着剤６０は、セパレータ外縁及び各種マニホールドの周囲を取り囲むように配置される。接着剤６０は、各部材同士を接着する機能だけでなく、各部材間をシールするシール材としての機能も有する。したがって、接着剤６０には、接着機能及びシール機能を有するオレフィン系接着剤やシリコン系接着剤等が採用される。これら接着剤は、硬化前はゲル状態であるが、硬化後には弾性を有する固体状態となる。

次に、図５を参照して、本実施形態の燃料電池１０のアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０の特徴的な構成について説明する。アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、接着剤６０が配置される部分に特徴を有している。

アノードセパレータ３０は、接着剤６０を介してフレーム部５０に接合される部分に、接着領域３５を備えている。接着領域３５は、接着剤６０が設けられる位置に対応して、セパレータ外縁に沿って形成される。

アノードセパレータ３０の接着領域３５は、フレーム部５０との間における接着剤６０の厚さが一定となる平坦部３５Ａと、平坦部３５Ａよりもフレーム側に突出することで当該平坦部３５Ａよりも接着剤６０の厚さが薄くなる突出部３５Ｂと、を備えている。換言すれば、アノードセパレータ３０は、接着領域３５内においてセパレータ３０とフレーム部５０との間の距離を他の接着領域（平坦部３５Ａ）と比べて短くする絞り部（突出部３５Ｂ）を有している。

突出部３５Ｂは接着領域３５の中央部分に位置し、平坦部３５Ａは中央部分よりも内外方向において内側及び外側となる位置に位置している。内外方向とは、ＭＥＡ２０に近い内側位置から、ＭＥＡ２０から遠い外側位置に向かう方向を意味している。接着領域３５において、突出部３５Ｂと、突出部３５Ｂよりも内側及び外側に位置する平坦部３５Ａとは、分断されることなく連続的に形成されている。このように、接着領域３５では、突出部３５Ｂ以外の領域が平坦部３５Ａの領域となる。

なお、アノードセパレータ３０は、フレーム部５０に当接する当接部３６（第１の当接部）を有しており、当接部３６に対して平坦部３５Ａ及び突出部３５Ｂの高さ位置が規定される。アノードセパレータ３０の当接部３６がフレーム部５０に当接することで、平坦部３５Ａ及び突出部３５Ｂとフレーム部５０との間に隙間が形成され、この隙間に接着剤６０が設けられる。

接着領域３５における平坦部３５Ａは、接着剤６０の接着剤厚さを確保するための領域として機能する。平坦部３５Ａにおける接着剤厚さは、接着機能が高まる最適な厚さに設定されている。接着領域３５における突出部３５Ｂは、平坦部３５Ａよりも接着剤厚さを薄くすることで、燃料電池１０内のアノードガス及び水蒸気が通過可能な領域を狭め、流体の通過を抑制する絞り部として機能する。

アノードセパレータ３０は、接着領域３５よりも内外方向における内側及び外側に、当該セパレータとは異なるカソードセパレータ４０に当接する当接部３９（第２の当接部）を備えている。燃料電池１０が積層された状態では、アノードセパレータ３０の当接部３９と、カソードセパレータ４０の当接部４９とが当接する。アノードセパレータ３０の当接部３９とフレーム部５０との間隔は、接着領域３５におけるアノードセパレータ３０とフレーム部５０との間隔よりも大きく設定されている。

図５に示すように、接着剤６０は接着領域３５側から当接部３９側にはみ出しており、当接部３９とフレーム部５０との間の空間は余剰な接着剤６０を溜めておく接着剤溜り部として機能する。このようにアノードセパレータ３０において、当接部３９は接着領域３５とは異なる領域となっている。つまり、接着領域３５は、平坦部３５Ａと突出部３５Ｂとを含み、当接部３９を含まない。

カソードセパレータ４０も、アノードセパレータ３０と同様に、平坦部４５Ａ及び突出部４５Ｂからなる接着領域４５と、フレーム部５０に当接する当接部４６（第１の当接部）と、アノードセパレータ３０に当接する当接部４９（第２の当接部）とを備えている。カソードセパレータ４０の平坦部４５Ａ，突出部４５Ｂ，当接部４６，４９は、アノードセパレータ３０の平坦部３５Ａ，突出部３５Ｂ，当接部３６，３９と同じ機能を果たす。

なお、アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂと、カソードセパレータ４０の突出部４５Ｂとは、フレーム部５０を挟んで向かい合う位置に設けられている。

上記した第１実施形態の燃料電池１０によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態による燃料電池１０は、ＭＥＡ２０と、ＭＥＡ２０の外周に沿って配置されるフレーム部５０と、接着剤６０を介してフレーム部５０に接合されるアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０と、を備える。これらセパレータ３０，４０の接着領域３５，４５には、接着剤６０内におけるガス（流体）等の通過量を抑制する絞り部（突出部３５Ｂ，４５Ｂ）が形成される。このように、セパレータ３０，４０は、接着剤６０を介してフレーム部５０に接合される接着領域３５，４５を有し、かつ接着領域３５，４５内においてセパレータ３０，４０とフレーム部５０との間の距離を他の接着領域と比べて短くする絞り部（突出部３５Ｂ，４５Ｂ）を備える。より具体的には、各セパレータ３０，４０の接着領域３５，４５は、フレーム部５０との間における接着剤厚さが一定となる平坦部３５Ａ，４５Ａと、平坦部３５Ａ，４５Ａよりも接着剤厚さが薄くなる突出部３５Ｂ，４５Ｂと、を有している。

このように構成された燃料電池１０では、各セパレータ３０，４０の平坦部３５Ａ，４５Ａとフレーム部５０との間の接着剤厚さを所望の厚さとすることができ、当該接着剤厚さが薄くなりすぎたり厚くなりすぎたりすることがないため、接着剤６０による部材間の接着強度を確保することができる。さらに、各セパレータ３０，４０の突出部３５Ｂ，４５Ｂとフレーム部５０との間の接着剤厚さは平坦部３５Ａ，４５Ａにおける接着剤厚さよりも薄くなるため、突出部３５Ｂ，４５Ｂが存在する領域では接着剤６０の断面積が減少し、ガス等の通過が抑制される。これにより、図５に示すように、燃料電池１０内に存在するアノードガス（Ｈ₂）、カソードガス（Ｏ₂）、及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が接着剤６０内を通って外部に漏れ出ることをより確実に抑制することが可能となる。上記の通り、燃料電池１０では、絞り部である突出部３５Ｂ，４５Ｂにより接着剤６０のシール機能が高められ、それ以外の接着領域３５，４５では接着剤６０の接着強度が確保される。

なお、燃料電池１０では、外部からアノードセパレータ側の接着剤６０を通じてアノード電極に空気が進入することも抑制できる。したがって、システム起動時等における燃料電池１０の水素フロント劣化の発生が抑制される。さらに、接着剤６０に対して突出部３５Ｂ，４５Ｂが食い込んだ状態となるため、燃料電池１０内のガス圧力等により接着剤６０が内外方向の外側に向かって移動することも抑制される。

燃料電池システムでは、接着剤６０として、ガスバリア性の高い比較的高価なオレフィン系接着剤を採用することが考えられる。接着領域３５，４５に工夫を凝らしたセパレータ３０，４０を用いた燃料電池１０では、セパレータ構造に基づいてガス等の通過を抑制できるため、オレフィン系接着剤の接着幅を狭める等、接着剤６０の使用量を低減できる。その結果、燃料電池１０の小型化及び製造コストの低減を図ることが可能となる。また、燃料電池１０によれば、接着剤６０として、ガスバリア性がオレフィン系接着剤よりも劣るものの、比較的低価格なシリコン系接着剤を採用しても、部材間の接着強度及びガス等の漏れの抑制の両立を図ることが可能となる。

さらに、燃料電池１０では、アノードセパレータ３０の接着領域３５の突出部３５Ｂと、カソードセパレータ４０の接着領域４５の突出部４５Ｂとは、フレーム部５０を挟んで向かい合う位置に設けられる。

燃料電池スタック１００は複数の燃料電池１０に対して押圧力を付加した状態でスタッキングして構成されるが、この押圧力については燃料電池１０の面内方向にできる限り均一に作用させることが好ましい。燃料電池１０では、セパレータ３０，４０とフレーム部５０とが接触している部分だけでなく、突出部３５Ｂ，４５Ｂ同士が対向している部分においても、スタッキング時の押圧力がセパレータ３０，４０とフレーム部５０との間で作用し合う。これにより、スタッキング時の押圧力を燃料電池１０の面内方向に分散させることができ、押圧力の局所的集中を抑制できる。その結果、スタッキング時における各セパレータ３０，４０の変形等を防止できる。

次に、図６を参照して、第１実施形態による燃料電池１０の変形例について説明する。図６は、変形例による燃料電池１０の一部断面図である。

図６に示す燃料電池１０では、アノードセパレータ３０における接着領域３５の突出部３５Ｂは、突出部３５Ｂの底面がフレーム部５０に当接するように構成される。同様に、カソードセパレータ４０における接着領域４５の突出部４５Ｂは、突出部４５Ｂの底面がフレーム部５０に当接するように構成される。

このように構成される燃料電池１０では、突出部３５Ｂ，４５Ｂとフレーム部５０との間に非常に薄い接着剤層が形成されるだけとなり、この部分においては燃料電池１０内のガス及び水蒸気がほとんど通過することができなくなる。これにより、接着領域３５，４５における接着剤６０のシール性能をより高めることが可能となる。

さらに、燃料電池１０では対向する突出部３５Ｂ，４５Ｂがフレーム部５０に当接するので、スタッキング時の押圧力が突出部３５Ｂ，４５Ｂを介してフレーム部５０に確実に伝達される。これにより、スタッキング時の押圧力を燃料電池１０の面内方向に分散させることができ、各セパレータ３０，４０の変形等をより確実に防止できる。

なお、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０が図６に示すような突出部３５Ｂ，４５Ｂを有する場合、セパレータ３０，４０には接着領域３５，４５の高さを規定するための当接部３６，４６を必ずしも形成する必要はない。つまり、突出部３５Ｂ，４５Ｂ自体が、接着領域３５，４５における平坦部３５Ａ，４５Ａの高さを規定するための部材として機能する。

（第２実施形態）
図７を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池１０について説明する。以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

第２実施形態による燃料電池１０では、アノードセパレータ３０の接着領域３５には、ＭＥＡ２０寄りの内側位置から外側に向かう内外方向に離間して、二つの突出部３５Ｂが設けられている。第１突出部３５Ｂ−１は接着領域３５の中心よりも内側位置に配置され、第２突出部３５Ｂ−２は接着領域３５の中心よりも外側位置に配置される。

カソードセパレータ４０もアノードセパレータ３０と同様に構成されており、カソードセパレータ４０の接着領域４５には内外方向に離間して、二つの突出部４５Ｂが設けられている。第１突出部４５Ｂ−１は接着領域４５の中心よりも内側位置に配置され、第２突出部４５Ｂ−２は接着領域４５の中心よりも外側位置に配置される。

上記の通り、燃料電池１０では、各セパレータ３０，４０の接着領域３５，４５において内外方向に離間して複数の突出部３５Ｂ，４５Ｂが形成される。そして、少なくとも一つの突出部３５Ｂ，４５Ｂが、接着領域３５，４５の中心よりも内側の位置と、接着領域３５，４５の中心よりも外側の位置とにそれぞれ設けられる。

なお、第１突出部３５Ｂ−１と第１突出部４５Ｂ−１とはフレーム部５０を挟んで向かい合う位置に設けられ、第２突出部３５Ｂ−２と第２突出部４５Ｂ−２とはフレーム部５０を挟んで向かい合う位置に設けられる。

上記した第２実施形態の燃料電池１０によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態による燃料電池１０では、各セパレータ３０，４０の接着領域３５，４５に、内外方向に離間して複数（例えば二つ）の突出部３５Ｂ，４５Ｂが設けられる。より具体的には、第１突出部３５Ｂ−１，４５Ｂ−１は接着領域３５，４５の中心よりも内側位置に配置され、第２突出部３５Ｂ−２，４５Ｂ−２は接着領域３５，４５の中心よりも外側位置に配置される。

このように接着領域３５，４５に複数の突出部３５Ｂ，４５Ｂを設けることで、燃料電池１０内のガス及び水蒸気が接着剤６０内を通過しにくくなる。これにより、接着領域３５，４５における接着剤６０のシール性能をより高めることが可能となる。また、接着剤６０に突出部３５Ｂ，４５Ｂが食い込んだ状態となるため、燃料電池１０内のガス圧力等により接着剤６０が移動することもない。

さらに、燃料電池１０では、第１突出部３５Ｂ−１と第１突出部４５Ｂ−１とが対向し、第２突出部３５Ｂ−２と第２突出部４５Ｂ−２とが対向するため、スタッキング時の押圧力を燃料電池１０の面内方向に分散させることができる。その結果、スタッキング時における各セパレータ３０，４０の変形等を防止できる。

燃料電池１０の製造時には、押圧力を作用させながら各部材を積層するため、各セパレータ３０，４０の接着領域３５，４５では硬化前の接着剤６０を押しつぶしつつ各セパレータ３０，４０とフレーム部５０が接着される。本実施形態では、各セパレータ３０，４０において接着領域３５，４５の内側位置に第１突出部３５Ｂ−１，４５Ｂ−１を形成し、外側位置に第２突出部３５Ｂ−１，４５Ｂ−１を形成するため、これら突出部間の空間Ｓ１，Ｓ２に十分な量の接着剤６０を留めておくことが可能となる。つまり、硬化前の接着剤６０は流動しやすいが、突出部３５Ｂ，４５Ｂとフレーム部５０との隙間が狭くなっているため、接着剤６０が必要以上に空間Ｓ１，Ｓ２内から外側へ流出してしまうことが抑制される。

これにより、空間Ｓ１、Ｓ２では接着領域３５，４５の平坦部３５Ａ，４５Ａとフレーム部５０との間に隙間なく接着剤６０を充填させることができ、平坦部３５Ａ，４５Ａにおける接着剤厚さを所望の厚さとすることが可能となる。その結果、平坦部３５Ａ，４５Ａにおける接着剤６０の接着強度をより確実に確保することができる。

（第３実施形態）
図８を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池１０について説明する。以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

第１実施形態による燃料電池では、アノードセパレータの突出部とカソードセパレータの突出部は、フレーム部を挟んで対向するように配置されている。これに対して、第３実施形態による燃料電池１０では、アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂとカソードセパレータ４０の突出部４５Ｂは、フレーム部５０を挟んで対向しないように配置されている。

図８に示すように、燃料電池１０では、アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂとカソードセパレータ４０の突出部４５Ｂは、内外方向にずらした位置に設けられる。より具体的には、アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂは接着領域３５において外側位置に配置され、カソードセパレータ４０の突出部４５Ｂは接着領域４５において内側位置に配置される。

燃料電池スタック１００では、アノードガス圧力とカソードガス圧力との圧力差が増減するため、この圧力差の増減に応じてＭＥＡ２０が図中上下に変動する。ＭＥＡ２０が変動すると、フレーム部５０には内外方向に向かう力が作用して、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０に接着されたフレーム部５０が引き抜けてしまうことが懸念される。このフレーム部５０の引き抜けは、フレーム部５０が樹脂製のシート状部材として構成されている場合に生じやすい。

本実施形態による燃料電池１０では、アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂとカソードセパレータ４０の突出部４５Ｂとが内外方向にずらした位置に設けられるため、積層後の残留押圧力が矢印Ａ，Ｂに示すように上下異なる位置からフレーム部５０に作用することとなる。このような応力の作用により、各セパレータ３０，４０に接着されたフレーム部５０が内外方向に抜けにくくなり、引き抜けの発生が抑制される。

次に、図９を参照して、第３実施形態による燃料電池１０の変形例について説明する。

図９に示すように、変形例による燃料電池１０では、アノードセパレータ３０は一つの突出部３５Ｂを備え、カソードセパレータ４０は二つの突出部４５Ｂを備える。アノードセパレータ３０の突出部３５Ｂは、接着領域３５において中央位置に配置される。カソードセパレータ４０の二つの突出部４５Ｂは、接着領域４５において中央位置を避けて配置される。一方の突出部４５Ｂは接着領域４５において中央位置よりも内側に配置され、他方の突出部４５Ｂは接着領域４５において中央位置よりも外側に配置される。

このように構成された燃料電池１０においても、図８に示した燃料電池と同様の効果を得ることができ、フレーム部５０の引き抜けの発生を抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

第１〜第３実施形態による燃料電池１０では、突出部３５Ｂ，４５Ｂは矩形断面を有する突起として形成されている。しかしながら、突出部３５Ｂ，４５Ｂの形状は、これに限られず、Ｕ字断面又はＶ字断面を有する突起として形成されもよい。つまり、突出部３５Ｂ，４５Ｂは、当該突出部３５Ｂ，４５Ｂが存在する位置における接着剤厚さが他の接着領域３５，４５における接着剤厚さよりも薄くできるような形状を有していればよい。したがって、セパレータ３０，４０に突出部３５Ｂ，４５Ｂを設けるのではなく、接着領域３５，４５内におけるフレーム部５０にセパレータ側に突出する突出部を設けてもよい。セパレータ３０，４０及びフレーム部５０の両方に突出部を設けてもよい。

また、セパレータ３０，４０の当接部３９，４９は、接着領域３５，４５よりも内外方向の内側及び外側に形成されているが、接着領域３５，４５よりも内側又は外側にのみ形成されてもよい。

特開２００９−２３１１７０号公報には、樹脂フレームを有する膜電極接合体と、膜電極接合体に隣接するように配置されるセパレータと、を備える燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、セパレータは接着剤を介して膜電極接合体の樹脂フレームに接合されている。

Claims

電解質膜及び電極層からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周に沿って配置されるフレーム部と、前記膜電極接合体に燃料ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータと、を備え、前記膜電極接合体を一対の前記セパレータで挟むことにより構成される燃料電池であって、
前記セパレータは、接着剤を介して前記フレーム部に接合される接着領域を有し、かつ当該接着領域内において前記セパレータと前記フレーム部との間の距離を他の接着領域と比べて短くする絞り部を備える、
燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記セパレータの接着領域は、前記フレーム部との間における接着剤厚さが略一定となる平坦部と、前記フレーム部との間における接着剤厚さが前記平坦部よりも薄くなり、前記絞り部として機能する突出部と、を有する、
燃料電池。
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記セパレータの接着領域には、前記膜電極接合体寄りの内側位置から外側に向かう内外方向に、複数の前記突出部が設けられる、
燃料電池。
請求項２又は３に記載の燃料電池であって、
少なくとも一つの前記突出部が、前記接着領域の中心よりも内側の位置と、前記接着領域の中心よりも外側の位置とのそれぞれに設けられる、
燃料電池。
請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、前記膜電極接合体の一方の面側に配置されるアノードセパレータと、前記膜電極接合体の他方の面側に配置されるカソードセパレートと、を含み、
前記アノードセパレータの前記突出部と、前記カソードセパレータの前記突出部とは、前記フレーム部を挟んで向かい合う位置に設けられる、
燃料電池。
請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、前記膜電極接合体の一方の面側に配置されるアノードセパレータと、前記膜電極接合体の他方の面側に配置されるカソードセパレートと、を含み、
前記アノードセパレータの前記突出部と、前記カソードセパレータの前記突出部とは、内外方向にずらした位置に設けられる、
燃料電池。
請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、前記接着領域よりも内外方向における内側又は外側に、当該セパレータとは異なるセパレータに当接する当接部を備え、
前記当接部と前記フレーム部との間隔は、前記接着領域における前記セパレータと前記フレーム部との間隔よりも大きく設定される、
燃料電池。