JPWO2017077634A1 - 燃料電池の単セル構造、及び該燃料電池単セルを積層した燃料電池のスタック構造 - Google Patents

Abstract

本発明の燃料電池単セルは、膜電極接合体と、該膜電極接合体を支持する低剛性フレームと、該低剛性フレームと上記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、該一対のセパレータ間の上記膜電極接合体にガスを供給するガス流路と、上記低剛性フレーム及び上記一対のセパレータに形成され上記ガス流路にガスを供給するマニホールド部と、該マニホールド部近傍で上記低剛性フレームを拘束する拘束リブと、該拘束リブよりも上記マニホールド部側に突出する上記低剛性フレームの突出部と、該突出部に形成され上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給するガス流通部とを備える 。

Description

本発明は、燃料電池の単セル構造に係り、更に詳細には、ロバスト性を向上させた燃料電池単セル、及び該燃料電池単セルを積層した燃料電池のスタック構造に関する。

燃料電池単セルは、例えば、電解質膜の一方の面にアノード側電極、他方の面にカソード側電極を対設した膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をフレームによって支持し、上記膜電極接合体及び上記フレームを一対のセパレータで挟持することで形成される。そして、上記燃料電池単セルは、所定数を積層した燃料電池スタックとして使用される。

上記燃料電池単セルのアノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。
そして、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されて、上記水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成され、その間に生じた電子が外部回路に取り出されて、直流の電気エネルギとして利用される。

一般的に、上記燃料電池単セルの外縁部には、上記フレーム及び上記セパレータを積層方向に貫通するマニホールド部が形成される。そして、上記マニホールド部から供給された反応ガスは、一対のセパレータの間を通り、アノード側電極又はカソード側電極に供給される。

特許文献１の日本国特開２００５−１０８５０６号公報には、上記マニホールド部に対応するセパレータの開口端部をシール部材で覆い、反応ガスを流通させる反応ガス連結流路を上記シール部材に形成することが開示されている。
そして、上記反応ガス連結流路が形成されたシール部材によれば、反応ガスの流通が妨げられることがなく、ガス漏れがなく気密性が高い燃料電池を形成できる旨が記載されている。

日本国特開２００５−１０８５０６号公報

近年においては、上記膜電極接合体等を薄くすることによって燃料電池単セルの性能向上が図られている。しかし、上記膜電極接合体を支持するフレームを薄くすると、充分な剛性を得ることが困難であり、上記フレームが変形してマニホールド部から供給される反応ガスの流通を妨げることがある。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で反応ガスを膜電極接合体に良好に流通させることができる、ロバスト性を向上させた燃料電池単セル、及び該燃料電池単セルを用いた燃料電池スタックを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、フレームに反応ガスの流通させるガス流通部を設けることで、フレームが変形しても反応ガスの流通が妨げられず、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の燃料電池の単セル構造は、膜電極接合体と、該膜電極接合体を支持する低剛性フレームと、該低剛性フレーム及び上記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。
そして、上記一対のセパレータ間に、上記膜電極接合体にガスを供給するガス流路を有し、該ガス流路にガスを供給するマニホールド部が、上記低剛性フレーム及び上記一対のセパレータに形成される。
さらに、上記ガス流路の上記マニホールド部近傍に、上記低剛性フレームを拘束する拘束リブを有し、上記低剛性フレームが、上記拘束リブよりも上記マニホールド部側に突出する突出部を有し、該突出部に上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給するガス流通部を備える。

また、本発明の燃料電池のスタック構造は、上記単セル構造を有する燃料電池を複数積層して成るものである。

本発明によれば、上記低剛性フレームの突出部にガス流通部を備えることとしたため、上記低剛性フレームが変形した場合であっても、一対のセパレータ間のガス流路が閉塞することなく、簡単な構成で反応ガスを良好に流通させることができる。

図２に示す燃料電池単セルを積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図（Ａ）及び組立後の斜視図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池単セルの一実施形態を説明する分解状態の平面図である。 図２に示す燃料電池単セルの低剛性フレームの平面図である。 本発明の燃料電池単セルを積層した状態を示す概略図である。 図３中、点線で示すガス流路Ｉの模式的な拡大図である。 図６（ａ）は、本発明の燃料電池単セルの第１の実施形態の反応ガスの流れを説明する図であり、図６（ｂ）は、マニホールド部からガス流路方向を見た概略図である。 本発明の燃料電池単セルの第２の実施形態のガス流路Ｉの模式的な拡大図である。 本発明の燃料電池単セルの第３の実施形態のガス流路Ｉの模式的な拡大図である。 本発明の燃料電池単セルの第４の実施形態のガス流路Ｉの模式的な拡大図である。 本発明の燃料電池単セルの第４の実施形態の突出長Ｘを説明する図である。 本発明の第５の実施形態のフレームの要部を反応ガスが流通する面を積層方向から見た図である。 本発明の第５の実施形態のフレームの外形を示す図である。 異方性を有する形状のガス流通部を部分的に配置した状態の一例を示す概略図である。

＜燃料電池スタック＞
本発明の燃料電池スタックＦＳは、後述する燃料電池単セルＣを複数積層して成る。
燃料電池スタックＦＳは、図１に示すように、燃料電池単セルＣを複数積層したものである。そして、図１（ａ）に示すように、燃料電池単セルＣの積層体Ａに対し、単セル積層方向の一端部（図１中で右側端部）に、集電板４Ａ及びスペーサ５を介してエンドプレート６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板４Ｂを介してエンドプレート６Ｂが設けてある。

また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、燃料電池単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板７Ａ，７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に補強板８Ａ，８Ｂが設けてある。

そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板７Ａ，７Ｂ及び補強板８Ａ，８ＢをボルトＢにより両エンドプレート６Ａ，６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａを単セル積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

＜燃料電池単セル＞
本発明の燃料電池単セルについて詳細に説明する。
上記燃料電池単セルは低剛性フレームに支持された膜電極接合体と、上記低剛性フレーム及び上記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを備えるものである。

まず、燃料電池単セルを構成する各部材について説明する。
（低剛性フレーム）
上記低剛性フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極接合体２の厚さよりも薄いものである。上記低剛性フレーム１の厚さは０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

上記低剛性フレーム１としては樹脂フレームを用いる。該樹脂フレームは、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極接合体２と一体化されている。この実施形態では、膜電極接合体２を中央にして長方形状を成している。

上記樹脂フレームを構成する樹脂は、絶縁性を有するものであり、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、ＰＩ（ポリイミド）等が挙げられる。

（膜電極接合体）
上記膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれるものであり、例えば、固体高分子から成る電解質層を空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟持した構造を有している。
この膜電極接合体２は、空気極層に反応ガスである酸化剤ガス（空気）が供給され、燃料極層には反応ガスである燃料ガス（水素）が供給されることで、電気化学反応により発電する。
なお、上記膜電極接合体２は、空気極層と燃料極層の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものであってもよい。

（セパレータ）
上記セパレータ３ａ、３ｂは、導電性を有するものであり、例えば、ステンレス等の金属板をプレス成形した金属セパレータを用いる。

（第１の実施形態）
図２〜図５は、本発明の燃料電池単セルの実施形態を説明する図である。

燃料電池単セルＣは、図２に示すように、低剛性フレーム１に支持された膜電極接合体２と、上記低剛性フレーム１及び上記膜電極接合体２を挟持する一対のセパレータ３ａ、３ｂを備える。

上記低剛性フレーム１及び上記セパレータ３ａ，３ｂは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する略長方形状であり、上記低剛性フレーム１に支持された膜電極接合体２と、一対のセパレータ３ａ，３ｂとが重ね合わせられて燃料電池単セルＣを構成する。

上記燃料電池単セルＣは、一対のセパレータ間の膜電極接合体にガスを供給するガス流路Ｉと、上記低剛性フレーム１及び上記一対のセパレータ３ａ、３ｂの両端部に形成されたマニホールド部Ｈ１〜Ｈ６を有する。上記マニホールド部は上記ガス流路Ｉにガスを供給する。

上記各マニホールド部Ｈ１〜Ｈ３は、酸化剤ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び燃料ガス供給用（Ｈ３）であり、それぞれ、積層方向に連通してそれぞれ流路を形成する。
また、図２の右側に示す他方の各マニホールド部Ｈ４〜Ｈ６は、燃料ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸化剤ガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に連通してそれぞれ流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でもよい。

さらに、図３に示すように、上記ガス流路Ｉにはディフューザ部Ｄを設ける。ディフューザ部Ｄは、ガス流通部から導入された反応ガスを整流するものであり、所定間隔で、一体成形された円錐台形状の突部１３が配置される。上記突部１３の形状は、反応ガスの流通を妨げないものであればとくに限定されるものではない。また、上記突部１３はセパレータ３ａ，３ｂに形成されていてもよい。

上記発電部Ｇは、膜電極接合体２に対応するセパレータ３ａ，３ｂの中央部分が、短辺方向の断面が波形状に形成され、この波形状は図２に示すように長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３ａ、３ｂの波形状の凸部分が膜電極接合体２に接触し、波形状における各凹部分に反応ガスが流れる。

また、燃料電池セルＣは、図２に示すように、低剛性フレーム１と各セパレータ３ａ，３ｂの縁部同士の間や、マニホールド部Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けられる。

上記ガスシールＳＬは、個々の層間において、酸化剤ガス、反応ガス及び冷却流体それぞれの流通域を気密的に分離すると共に、マニホールド部Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口が設けられる。

そして、燃料電池単セルＣを複数積層した状態では、燃料電池単セル同士、すなわち隣接するセパレータ３ａ，３ｂ同士の間にもガスシールＳＬが設けられる。この実施形態では、隣接するセパレータ間に冷却流体を流通させる構造である。

図４は、燃料電池単セルＣを複数積層したものを、図２中Ａ−Ａ’で切った状態を示す断面図である。図４中、１は低剛性フレーム、３はセパレータ、３１は拘束リブ、１５は極間シール、Ｉはガス流路、Ｒは冷却媒体の流路である。

また、図３中、点線で示すガス流路Ｉの模式的な拡大図を図５に示す。図５（ａ）は、低剛性フレーム１の反応ガスが流通する面を積層方向から見た状態を示すものであり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’で切ったときの断面図である。

上記燃料電池セルＣは、図５に示すように、上記ガス流通部Ｉの上記マニホールド部近傍に、上記低剛性フレーム１を拘束する拘束リブ３１を有する。そして、上記拘束リブ３１は、図５（ｂ）に示すように、積層方向に離間する一対のセパレータ３ａ，３ｂの間に配置された低剛性フレーム１をセパレータ３ａに押し付けて挟持する。

上記低剛性フレーム１は、図５に示すように、上記拘束リブ３１よりも上記マニホールド部側に突出する突出部１４を有しており、該突出部１４には、上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給するガス流通部１１を備える。

上記マニホールド部から供給された反応ガスは、上記一対のセパレータ３ａ、３ｂの間を流通する。しかし、上記一対のセパレータ間の低剛性フレーム１の突出部１４が上記拘束リブ３１によって拘束されていないため、低剛性フレーム１が変形して反応ガスの流通を妨げることがある。

図６は、低剛性フレーム１が変形してセパレータ３ｂに接した状態を示す概略図である。図６（ａ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’で切ったときの断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）を９０°回転させ、マニホールド部からガス流路方向を見た状態を示す図である。

つまり、第１の実施形態によれば、図６（ａ）中、点線で示す位置にあった低剛性フレーム１が変形してセパレータ３ｂに接したとしても、図６（ｂ）に示すように、ガス流通部を介してマニホールド部からガス流路を見通せる。したがって、図６（ａ）中、矢印で示すように、反応ガスは低剛性フレームに設けられたガス流通部を通り、低剛性フレームによってガスの流通が妨げられることなく、上記マニホールド部からガス流路に供給される。

また、上記ガス流通部１１から拘束リブ３１のマニホールド部側の端部３１１までの距離は、拘束リブ３１の高さよりも短いことが好ましい。上記ガス流通部１１が拘束リブ３１の近傍に形成されることで、低剛性フレーム１の変形量が大きくなっても確実に反応ガスを流通させることができる。

第１の実施形態では、上記のように、上記拘束リブ３１よりもマニホールド部側に突出した突出部１４に貫通孔等のガス流通部１１を備える。そして、上記ガス流通部１１により、上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給することとしたため、低剛性フレーム１が変形してセパレータ３ｂに接したとしても上記ガス流通部１１によって反応ガスの流通が確保され、ガス流路が閉塞することが防止される。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池単セルＣのガス流路Ｉを説明するものであり、低剛性フレーム１の反応ガスが流通する面の模式図である。

第２の実施形態では、ガス流路Ｉの拘束リブ３１が反応ガスの流通方向と直交する方向に整列して複数設けられる。反応ガスは拘束リブ間に区画形成された図７中点線で示すチャンネル１２を流れる。
そして、上記ガス流通部１１が、上記チャンネル１２とガス流通方向に直線状に並んで配置されて形成される。

第２の実施形態によれば、上記チャンネル１２と直線状に並んだ上記ガス流通部１１を備えることとしたため、ガス流通部１１を通過した反応ガスは、拘束リブ３１に衝突せずにチャンネル１２を流れる。したがって、圧力損失が低減されると共に、発電部Ｇで生成した水の排出が容易になる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る燃料電池Ｃの反応ガス導入部Ｉを、図８により説明する。図８（ａ）は低剛性フレーム１の反応ガスが流通する面の模式図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。なお、図８（ａ）において、裏面側の極間シール１５を点線で示している。また、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第３の実施形態では、低剛性フレーム１の突出部１４に形成されたガス流通部１１が、上記低剛性フレームを貫通する貫通孔であり、該貫通孔の形状が異方性を有する。そして、上記貫通孔の長径方向がガス流通方向と同じ方向に設けられる。
上記貫通孔が、ディフューザ―部Ｄのマニホールド部側に設けられる極間シール１５までの間、つまり、貫通孔が突出部１４だけでなく、拘束リブ３１間のチャンネル１２にまで延伸して形成される。
なお、図７（ａ）では、楕円形の貫通孔を示したが、長方形等の多角形であってもよい。

第３の実施形態によれば、異方性を有する貫通孔が、突出部１４から拘束リブ３１間のチャンネル１２内まで連続して形成されている。したがって、図８（ｂ）に示すように、低剛性フレーム１の厚み分、チャンネルの高さが高くなり、圧力損失が低減されると共に、発電部Ｇで生成した水の排出が容易になる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る燃料電池Ｃのガス導入部Ｉを図９により説明する。図９は、燃料電池Ｃの積層方向のガス導入部Ｉを模式的に示す断面図である。
なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第４の実施形態では、低剛性フレーム１の突出部１４を、マニホールド部に対応するセパレータ３ａ，３ｂの開放端部３２よりも、さらにマニホールド側部に突出して形成する。
すなわち、上記低剛性フレーム１の上記マニホールド部に対応する開放端部１４１から拘束リブ３１の端部３１１までの長さが、上記セパレータの上記マニホールド部に対応する開放端部３２から拘束リブ３１の端部３１１までの長さよりも長い。

上記突出部１４が、セパレータの開放端部３２よりも、さらにマニホールド部側に突出する突出長さＸは、下記（１）式を満たす。

Ｘ ≧ δ（１／ｓｉｎθ−１／ｔａｎθ）＋部品公差＋部品積層公差 ・・・（１）

但し、（１）式中、δは低剛性フレームの変形量を表し、θは低剛性フレームの変形角を表す。

上記低剛性フレーム１の変形量δは、図１０に示すように、典型的にはガス流路の高さ、すなわち、拘束リブ３１の高さであり、低剛性フレーム１の変形角θは、拘束リブ３１の頂部と該頂部に向かう斜面とが交差する角度である。

そして、上記マニホールド部に対応するセパレータの開放端部３２よりも上記膜電極接合体２側に上記ガス流通部１１を形成する。

燃料電池単セルＣの一対のセパレータ３ａ，３ｂ間を狭くすると、上記セパレータが少し変形するだけでもセパレータ３ａとセパレータ３ｂとが接触しショートすることがある。

第４の実施形態によれば、低剛性フレーム１の突出部１４が、マニホールド部に対応するセパレータ３ａ，３ｂの開放端部３２よりも、さらにマニホールド側部に突出している。したがって、低剛性フレーム１が変形したとしても、図１０に示すように、絶縁性を有する低剛性フレーム１がセパレータ３ａの開放端部とセパレータ３ｂの開放端部との間に存在し、一対のセパレータ３ａ、３ｂが、確実に低剛性フレーム１で隔てられる。
加えて、上記ガス流通部１１がセパレータの開放端部３２よりも上記膜電極接合体２側に形成されているため、セパレータ３ａとセパレータ３ｂとが上記ガス流通部１１を介して接触することも防止される。

したがって、燃料電池単セルＣを積層方向に拘束・加圧しても、セパレータ３ａとセパレータ３ｂとが直接接触することが防止され、確実に絶縁することができ、セパレータ３ａ、３ｂがショートすることがない。また、車両に搭載した場合には、大きな衝撃を受けたとしてもセパレータ３ａ、３ｂがショートすることが防止される。

（第５の実施形態）
本実施形態においては、ガス流路Ｉのディフューザ―部Ｄが、マニホールド部Ｈ１とマニホールド部Ｈ３との間、及びマニホールド部Ｈ４とマニホールド部Ｈ６との間に設けられる。マニホールド部から供給される反応ガスを、ディフューザ―部Ｄで流通方向を略直角方向に大きく変えて発電領域Ｇに供給する低剛性フレーム及びセパレータを用いる他は上記実施形態１〜４と同様である。

反応ガスが低剛性フレーム１上を流通する面の要部を積層方向から見た状態を図１１（ａ）に示す。また、図１１（ａ）中まるで囲んだガス導入部Ｉの拡大図を図１１（ｂ）に示す。

図１１中、１は低剛性フレーム、２は膜電極接合体、Ｈ１〜Ｈ３はマニホールド部、ＳＬはガスシール、１３は突部、１５は極間シール、１１はガス流通部、１４は突出部 ３１は拘束リブである。

第５の実施形態によれば、マニホールド部Ｈ１とマニホールド部Ｈ３との間にディフューザ―部Ｄを設け、反応ガスの流通方向を略直角方向に大きく変えることとしたため、反応ガスの流れが分散し、発電領域Ｇに反応ガスを均一に供給することができる。

また、上記低剛性フレーム１及びセパレータ３ａ，３ｂは、長方形状だけでなく、図１２に示すＨ型であるものを用いることができる。Ｈ型の低剛性フレーム及びセパレータを用いることで軽量化することができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係る燃料電池Ｃのガス導入部Ｉを図１３により説明する。
本実施形態においては、図１３に示すように、マニホールド部がガス流路に向かって凸形状をしており、該凸形状に対応する低剛性フレーム１の凹部に設けられたガス流通部のみを異方性を有する形状にする他は、上記第５の実施形態と同様である。

第６の実施形態によれば、低剛性フレーム１の凹部に設けられたガス流通部を異方性を有する形状にしたため圧力損失が低減される。

１ 低剛性フレーム
１１ ガス流通部
１２ チャンネル
１３ 突部
１４ 突出部
１４１ 開放端部
１５ 極間シール
２ 膜電極接合体
３ａ、３ｂ セパレータ
３１ 拘束リブ
３１１ 端部
３２ 開放端部

Ｃ 燃料電池単セル
Ｈ１〜Ｈ６ マニホールド部
Ｉ ガス流路
Ｄ ディフューザ部
Ｇ 発電部
ＳＬ ガスシール

ＦＳ 燃料電池スタック
Ａ 積層体
４Ａ，４Ｂ 集電板
５ スペーサ
６Ａ，６Ｂ エンドプレート
７Ａ，７Ｂ 締結板
８Ａ，８Ｂ 補強板
Ｂ ボルト

上記燃料電池単セルのアノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。
そして、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されて、上記水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成され、その間に生じた電子が外部回路に取り出されて、直流の電気エネルギとして利用される。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、フレームに反応ガスを流通させるガス流通部を設けることで、フレームが変形しても反応ガスの流通が妨げられず、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

（セパレータ）
上記一対のセパレータ３ａ、３ｂは、導電性を有するものであり、例えば、ステンレス等の金属板をプレス成形した金属セパレータを用いる。

上記低剛性フレーム１及び上記一対のセパレータ３ａ，３ｂは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する略長方形状であり、上記低剛性フレーム１に支持された膜電極接合体２と、一対のセパレータ３ａ，３ｂとが重ね合わせられて燃料電池単セルＣを構成する。

また、燃料電池セルＣは、図２に示すように、低剛性フレーム１と一対のセパレータ３ａ，３ｂの縁部同士の間や、マニホールド部Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けられる。

図４は、燃料電池単セルＣを複数積層したものを、図２中Ａ−Ａ’で切った状態を示す断面図である。図４中、１は低剛性フレーム、３はセパレータ、３１は拘束リブ、１５は極間シール、Ｉはガス流路、Ｒは冷却流体の流路である。

第３の実施形態では、低剛性フレーム１の突出部１４に形成されたガス流通部１１が、上記低剛性フレームを貫通する貫通孔であり、該貫通孔の形状が異方性を有する。そして、上記貫通孔の長径方向がガス流通方向と同じ方向に設けられる。
上記貫通孔が、ディフューザ―部Ｄのマニホールド部側に設けられる極間シール１５までの間、つまり、貫通孔が突出部１４だけでなく、拘束リブ３１間のチャンネル１２にまで延伸して形成される。
なお、図８（ａ）では、楕円形の貫通孔を示したが、長方形等の多角形であってもよい。

第４の実施形態では、低剛性フレーム１の突出部１４を、マニホールド部に対応する一対のセパレータ３ａ，３ｂの開放端部３２よりも、さらにマニホールド側部に突出して形成する。
すなわち、上記低剛性フレーム１の上記マニホールド部に対応する開放端部１４１から拘束リブ３１の端部３１１までの長さが、上記セパレータの上記マニホールド部に対応する開放端部３２から拘束リブ３１の端部３１１までの長さよりも長い。

燃料電池単セルＣの一対のセパレータ３ａ，３ｂ間を狭くすると、上記一対のセパレータ３ａ，３ｂのいずれかが少し変形するだけでもセパレータ３ａとセパレータ３ｂとが接触しショートすることがある。

したがって、燃料電池単セルＣを積層方向に拘束・加圧しても、セパレータ３ａとセパレータ３ｂとが直接接触することが防止され、確実に絶縁することができ、セパレータ３ａ、セパレータ３ｂ間でショートすることがない。また、車両に搭載した場合には、大きな衝撃を受けたとしてもセパレータ３ａ、３ｂがショートすることが防止される。

（第５の実施形態）
本実施形態においては、ガス流路Ｉのディフューザ―部Ｄが、マニホールド部Ｈ１とマニホールド部Ｈ３との間、及びマニホールド部Ｈ４とマニホールド部Ｈ６との間に設けられる。マニホールド部から供給される反応ガスを、ディフューザ―部Ｄで流通方向を略直角方向に大きく変えて発電部Ｇに供給する低剛性フレーム及びセパレータを用いる他は上記実施形態１〜４と同様である。

第５の実施形態によれば、マニホールド部Ｈ１とマニホールド部Ｈ３との間にディフューザ―部Ｄを設け、反応ガスの流通方向を略直角方向に大きく変えることとしたため、反応ガスの流れが分散し、発電部Ｇに反応ガスを均一に供給することができる。

また、上記低剛性フレーム１及び一対のセパレータ３ａ，３ｂは、長方形状だけでなく、図１２に示すＨ型であるものを用いることができる。Ｈ型の低剛性フレーム及びセパレータを用いることで軽量化することができる。

Claims (10)

1. 膜電極接合体と、
   該膜電極接合体を支持する低剛性フレームと、
   該低剛性フレームと上記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
   該一対のセパレータ間の上記膜電極接合体にガスを供給するガス流路と、
   上記低剛性フレーム及び上記一対のセパレータに形成され上記ガス流路にガスを供給するマニホールド部と、
   該マニホールド部近傍で上記低剛性フレームを拘束する拘束リブと、
   該拘束リブよりも上記マニホールド部側に突出する上記低剛性フレームの突出部と、
   該突出部に形成され上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給するガス流通部と、を備えることを特徴とする燃料電池の単セル構造。
2. 上記ガス流通部が、上記低剛性フレームを貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の単セル構造。
3. 上記拘束リブ間に上記ガスが流通するチャンネルが区画形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の単セル構造。
4. 上記ガス流通部の形状が異方性を有しかつ長径方向がガス流通方向であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の単セル構造。
5. 上記ガス流通部の形状が楕円形であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の単セル構造。
6. 上記低剛性フレームの突出部が、セパレータの拘束部よりマニホールド部側に形成されたセパレータ開放端部より、更にマニホールド部側に突出したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池の単セル構造。
7. 上記セパレータの開放端部よりも、さらにマニホールド側に突出した突出長さＸが、下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の単セル構造。
   
   Ｘ ≧ δ（１／ｓｉｎθ−１／ｔａｎθ）＋部品公差＋部品積層公差 ・・・（１）
   
   但し、（１）式中、δは低剛性フレームの変形量を表し、θはフレームの変形角を表す。
8. 上記低剛性フレームの上記マニホールド部に対応する開放端部から拘束リブの端部までの長さが、上記セパレータの上記マニホールド部に対応する開放端部から拘束リブの端部までの長さよりも長いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池の単セル構造。
9. 上記マニホールド部に対応するセパレータの開放端部よりも上記膜電極接合体側の突出部に上記ガス流通部を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池の単セル構造。
10. 膜電極接合体と、
    該膜電極接合体を支持する低剛性フレームと、
    該低剛性フレームと上記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
    該一対のセパレータ間の上記膜電極接合体にガスを供給するガス流路と、
    上記低剛性フレーム及び上記一対のセパレータに形成され上記ガス流路にガスを供給するマニホールド部と、
    上記マニホールド部近傍で上記低剛性フレームを拘束する拘束リブと、
    該拘束リブよりも上記マニホールド部側に突出する上記低剛性フレームの突出部と、
    該突出部に形成され上記マニホールド部から上記ガス流路にガスを供給するガス流通部と、
    からなる単セルを複数積層したことを特徴とする燃料電池のスタック構造。

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