WO2011114811A1 - 燃料電池セル - Google Patents

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fuel cell
separator
membrane electrode
electrode structure
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上原　茂高
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell used as a power generation element of a fuel cell, and more particularly to a fuel cell comprising a plurality of stacked fuel cell stacks.
  • Patent Document 1 As this type of fuel cell, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the fuel cell described in Patent Document 1 includes a membrane electrode structure (MEA) in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer, a resin frame that holds the periphery of the membrane electrode structure, The membrane electrode structure and two separators sandwiching the frame are provided.
  • MEA membrane electrode structure
  • the fuel cell has a structure in which a reaction gas manifold and a rectification unit are provided between the frame and the separator so that the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) flows through the membrane electrode structure. have.
  • the separator has a gas sealing function for the reaction gas, and is also used as a current collector and an external terminal.
  • the fuel battery cells are stacked to form a fuel cell stack.
  • the fuel cell as described above is configured as a fuel cell stack
  • the fuel cell is pressurized in the stacking direction in order to maintain good assembly accuracy, gas sealability, conductivity and the like.
  • the conventional fuel battery cell has a structure in which the separator is in contact with both the membrane electrode structure and the resin frame
  • a pressure is applied even at the contact portion between the resin frame and the separator.
  • the surface pressure between the membrane electrode structure and the separator decreases (so-called surface pressure loss occurs).
  • the membrane electrode structure and the separator are reduced in thickness to make a thin plate type fuel cell stack, the problem of surface pressure loss becomes remarkable. For this reason, in the conventional fuel cell, there is a problem that contact resistance between the membrane electrode structure and the separator increases due to surface pressure loss, and it has been a problem to solve such a problem.
  • the present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and in a fuel cell comprising a membrane electrode structure having a frame around it and two separators sandwiching the frame and the membrane electrode structure, To provide a fuel cell that can maintain a good surface pressure between a membrane electrode structure and a separator and prevent an increase in contact resistance when a fuel cell stack is configured by stacking. It is an object.
  • the fuel cell of the present invention includes a membrane electrode structure having a frame around it, and two separators sandwiching the frame and the membrane electrode structure, and a gas seal is provided between the edges of the frame and the separator.
  • the reaction gas is circulated between the frame and the membrane electrode structure and the separator.
  • the fuel cell has a configuration in which the frame and the separator are spaced apart from each other without being in contact with each other in the range from the membrane electrode structure to the gas seal, and the above configuration is a means for solving the conventional problems.
  • the fuel battery cell is characterized in that a convex portion is provided on at least one of the opposing surfaces of the frame and the separator, and a gap is provided between the convex portion and its counterpart. Yes.
  • the protrusions provided on the frame and the separator may have a gap without contacting the other side. is necessary.
  • the frame and the separator are separated from each other.
  • the effective pressure acts between the membrane electrode structure and the separator, the surface pressure between the membrane electrode structure and the separator can be maintained well, and the increase in contact resistance is prevented. Can do.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view based on the line AA in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view based on the line BB in FIG. 2.
  • It is a side view explaining a fuel cell stack.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view based on the line CC in FIG. 2. It is sectional drawing which shows the case where the height h1 of a convex part is more than the height h2 of a rib. It is sectional drawing explaining the state which the flame
  • the fuel cell FC shown in FIGS. 1 and 2 includes a membrane electrode structure 2 having a frame 1 around it, and two separators 3 and 3 sandwiching the frame 1 and the membrane electrode structure 2.
  • the frame 1 has a thin plate shape with a substantially constant thickness, and most of the frame 1 except the edge is thinner than the thickness of the membrane electrode structure 2.
  • a gas seal is provided between the edges of the frame 1 and the separator 3 so that the reaction gas is circulated between the frame 1 and the membrane electrode structure 2 and the separators 3 and 3. It is desirable that the frame 1 is a resin and the separator 3 is a metal because it is easy to manufacture.
  • the membrane electrode structure 2 is generally called MEA (Membrane Electrode Assembly). As shown in FIGS. 3 and 4, an electrolyte layer 21 made of, for example, a solid polymer is combined with a fuel electrode layer (anode) 22. It has a structure sandwiched between the air electrode layer (cathode) 23. Further, in the illustrated membrane electrode structure 2, gas diffusion layers 24 and 25 made of carbon paper or a porous material are laminated on the surfaces of the fuel electrode layer 22 and the air electrode layer 23, respectively.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the fuel gas (hydrogen) that is one reaction gas is supplied to the fuel electrode layer 22, and the oxidant gas (air) that is the other reaction gas is supplied to the air electrode layer 23. Is supplied to generate electricity through an electrochemical reaction.
  • the membrane electrode structure 2 includes a membrane electrode structure 2 that includes an electrolyte layer 21, a fuel electrode layer 22, and an air electrode layer 23 without a gas diffusion layer.
  • the frame 1 is integrated with the membrane electrode structure 2 by resin molding (for example, injection molding).
  • the frame 1 has a rectangular shape with the membrane electrode structure 2 in the center.
  • the frame 1 has three manifold holes H1 to H6 arranged at both ends, and a region from each manifold hole group to the membrane electrode structure 2 is a reaction gas rectification region (or diffusion region). Area).
  • Each of the frame 1 and the separators 3 and 3 has a rectangular shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions.
  • Each separator 3 is formed by press-molding a metal plate such as stainless steel. As shown in FIGS. 3 and 4, each separator 3 has a central portion corresponding to the membrane electrode structure 2 formed in a wave shape in a cross section in the short side direction. This wave shape is continuous in the long side direction. As a result, each separator 3 has a convex portion in contact with the membrane electrode structure 2 at the central portion corresponding to the membrane electrode structure 2 in the wave shape, and the concave portions in the wave shape are flow paths for the reaction gas. It becomes. In particular, each convex portion is a rib 4 whose top is in contact with the membrane electrode structure 2. In the separator 3, the unevenness is reversed between the front and back surfaces, but the convex portion is a rib 4 with the membrane electrode structure 2 side as the front.
  • Each separator 3 has manifold holes H1 to H6 that are equivalent to the manifold holes H1 to H6 of the frame 1 at both ends, and the region from each manifold hole group to the corrugated cross-sectional area rectifies the reaction gas. It becomes a region (or diffusion region).
  • the fuel cell FC includes a power generation unit G that is a region of the membrane electrode structure 2 at the center, and the thickness of the membrane electrode structure 2 is larger than the thickness of the frame 1. Is getting bigger. Note that the thickness of the frame 1 is not necessarily thinner than that of the membrane electrode structure 2. Further, on both sides of the power generation unit G, there are manifold portions M1 and M2 that supply and discharge the reaction gas, and a rectification region (or diffusion region) of the reaction gas that extends from each of the manifold portions M1 and M2 to the power generation unit G. Diffuser portions D1 and D2 are provided.
  • each of the manifold holes H1 to H3 is for fuel gas supply (H1), cooling fluid supply (H2), and oxidant gas supply (H3). Each flow path is formed.
  • the manifold holes H4 to H6 are for fuel gas discharge (H4), cooling fluid discharge (H5) and oxidant gas discharge (H6), and in the stacking direction. Each flow path is formed.
  • the supply and discharge may be partially or entirely reversed in positional relationship.
  • the fuel cell FC includes the power generation unit G, the manifold units M1 and M2, and the diffuser units D1 and D2, and as shown in FIG. 2, in the flow direction of the reaction gas,
  • the ratio (W / L) between the flow path width W and the length L of the diffuser portions D1 and D2 is set to 5 or less.
  • the flow width W and the length L are added to the discharge-side diffuser portion D2, but the same applies to the supply-side diffuser portion D1.
  • the fuel gas and the oxidant gas supplied from the supply manifolds H1 and H3 can be rectified (or diffused), and these gases can be supplied uniformly to the entire membrane electrode structure 2, and the membrane electrode can be supplied.
  • the remaining fuel gas and oxidant gas that have passed through the structure 2 can flow smoothly to the discharge manifolds H4 and H6.
  • the fuel cell FC is provided with a gas seal between the edges of the frame 1 and the separator 3. That is, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell FC is configured such that the edges of the frame 1 and the separator 3 are sealed with the adhesive B, and in a state where a plurality of sheets are laminated, The separators 3 are also sealed with the adhesive B. In this embodiment, a cooling fluid is circulated between the adjacent separators 3 and 3. In addition, when the separator 3 has a function of a current collector or an external terminal, an insulator may be interposed between the separators 3.
  • the gas seal with the above-described adhesive B hermetically separates the respective distribution areas of the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling fluid between the individual layers. That is, in the example shown in FIG. 1, a seal line SL for allowing the oxidant gas to flow to the air electrode 23 of the membrane electrode structure 2 is provided on the upper surface of the lower separator 3 (and the lower surface of the frame). In addition, a seal line SL is provided on the upper surface of the frame 1 (and the lower surface of the upper separator) for flowing fuel gas to the fuel electrode 22 of the membrane electrode structure 2. Furthermore, a seal line SL for circulating a cooling fluid is provided on the upper surface of the upper separator 3.
  • the gas seal may be an adhesive seal or a solid seal such as a gasket, or both of them may be used in combination.
  • the fuel cell FC having the above-described configuration is formed by stacking a plurality of fuel cells to form a fuel cell stack FS.
  • the fuel cell stack FS includes a stacked body St formed by stacking a plurality of fuel cells FC, and the stacked body St between the upper and lower end plates 12 and 13 spanning the plurality of holding rods 11. Is arranged.
  • middle plate 15 are interposed between the laminated body St and the upper end plate 12, and the laminated body St is made into the state pressurized in the lamination direction shown by the arrow in the figure.
  • a predetermined surface pressure is applied to the individual fuel cells FC, and the gas sealability, conductivity, and the like are favorably maintained.
  • the frame 1 and the separator 3 are spaced apart from each other in the range from the membrane electrode structure 2 to the gas seal (SL). That is, the frame 1 and the separator 3 are separated from each other in the entire region of the diffuser portions D1 and D2 that are the rectification regions of the reaction gas, and form a gap for the reaction gas flow.
  • the fuel cell FC has convex portions 5 and 6 on both surfaces of the opposing surfaces of the frame 1 and the separator 3, and the convex portions 5 and 6 and the convex portions 5 and 6. Gaps 5S and 6S are provided between the other side.
  • the shapes of the convex portions 5 and 6 are not limited, but in the illustrated example, each of them has a truncated cone shape and is arranged vertically and horizontally at a predetermined interval.
  • convex part 5 of the frame 1 and the convex part 6 of the separator 3 are arranged so as to be shifted from each other as shown in FIG. 3, or arranged so as to face each other as shown in FIG. Clearances 5S and 6S are formed between the other side.
  • the separator 3 is provided with the above-described convex part 6 facing the frame 1 and the above-described rib 4 whose top part is in contact with the membrane electrode structure 2, and as shown in FIG.
  • the height of the portion 6 is h1
  • the height from the bottom of the convex portion 6 to the top of the rib 6 is h2
  • the relationship is h1 ⁇ h2.
  • the thickness of the frame 1 is equal to or less than the thickness of the membrane electrode structure 2.
  • the size of the gaps 5S and 5S between the convex portions 5 and 6 and the counterpart is the amount of decrease in thickness due to aging of the membrane electrode structure 2. It has a larger configuration. This configuration is for maintaining the gaps 5S and 5S against the aging of the membrane electrode structure 2, and the thickness reduction amount can be obtained by experiments or the like. A more reliable configuration for maintaining the gaps 5S and 5S is to make the dimensions of the gaps 5S and 5S about the thickness of the membrane electrode structure 2.
  • the frame 1 and the separator 3 are separated from each other in the range (diffuser portions D1, D2) from the membrane electrode structure 2 to the gas seal (SL) without being in contact with each other.
  • the pressurizing force in the stacking direction does not act between the frame 1 and the separator 3 but works effectively between the membrane electrode structure 2 and the separator 3.
  • the increase in contact resistance can be prevented.
  • the pressing force in the stacking direction is always applied to the fuel cell stack FS, the contact state between the membrane electrode structure 2 and the separator 3 even if the thickness of the membrane electrode structure 2 is reduced due to aging. Is maintained and no surface pressure loss occurs.
  • the rib 4 precedes the membrane electrode structure when stacked. It comes in contact with the body 2, and a gap 6S between the convex portion 6 and the counterpart side can be secured.
  • the rib 4 precedes the membrane electrode structure 2 and the gap 6S is secured, so that the surface pressure between the membrane electrode structure 2 and the separator 3 is secured. Is kept good to prevent an increase in contact resistance. Thereby, the contact resistance between the membrane electrode structure 2 and the separator 3 can be kept low, and good battery performance can be maintained.
  • the height of the convex portion 6 in the separator 3 is less than the height h2 of the rib 4, the height of the diffuser portions D1 and D2 of the separator 3 is reduced. This means that when the separator 3 is made of metal and press-molded, the amount of processing becomes small. When this amount of processing decreases, it becomes easy to form a complicated shape such as, for example, reducing the distance between the convex portions.
  • the distance between the protrusions should be set within the allowable load range of the fuel cell auxiliary equipment such as a compressor so that the pressure loss when the gas flows does not increase.
  • the fuel cell FC has a configuration in which convex portions 5 and 6 are provided on both surfaces of the frame 1 and the separator 3 facing each other, and gaps 5S and 6S are provided between the convex portions 5 and 6 and the counterpart side. Therefore, as shown in FIG. 8, even when the frame 1 is bent due to a differential pressure between the fuel gas and the oxidant gas, the protrusions 5 and 6 are further bent by contacting the other side. At the same time, the gas flow path can be secured. Further, the contact of the convex portions 5 and 6 has an effect of reducing the amount of displacement of the frame 1 and reducing the load on the frame 1.
  • the dimensions of the gaps 5S and 6S between the convex portions 5 and 6 and the counterpart side thereof are made larger than the thickness reduction amount due to the aging of the membrane electrode structure 2, so that FIG. Even if the thickness of the membrane electrode structure 2 is reduced as shown in FIG. 9B from the initial state shown in A), the gaps 5S and 6S can be secured. Thereby, the surface pressure between the membrane electrode structure 2 and the separator 3 is maintained satisfactorily to prevent an increase in contact resistance, and functions such as a load reduction at the time of deformation of the frame 1 and securing of a gas flow path, etc. Can also be maintained.
  • the fuel cell FC is arranged such that the convex portion 5 of the frame 1 and the convex portion 6 of the separator 3 are shifted from each other.
  • a large gap 5S, 6S between the frame 1 and the separator 3 is secured against a situation such as a decrease in the thickness of the membrane electrode structure 2 due to deterioration over time or a bending of the frame 1 due to the differential pressure of the reaction gas.
  • a wide space for the reaction gas to flow can be secured.
  • the fuel cell FC has the convex portion 5 of the frame 1 and the convex portion 6 of the separator 3 arranged opposite to each other.
  • the convex portions 5 and 6 are temporarily brought into contact with each other to serve as a stopper, preventing the entire deformation and excessive load on the membrane electrode structure 2.
  • the function of further increasing the mechanical strength is provided.
  • the fuel cell FC has integrated the frame 1 and the membrane electrode structure 2 by resin molding, the production efficiency is improved and the convex portion 5 is formed in a more complicated shape than the metal press molding. It can be easily molded.
  • the fuel cell stack FS formed by stacking the fuel cells FC described above maintains a good surface pressure between the separator 2 and the membrane electrode structure 2 in each fuel cell FC, thereby increasing the contact resistance. Therefore, an efficient power generation function can be obtained over a long period of time.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining another embodiment of the fuel battery cell of the present invention.
  • the convex portion 6 is provided only on the separator 3, and the gap 6 ⁇ / b> S is provided between the convex portion 6 and its counterpart.
  • any structure may be used as long as a convex portion is provided on at least one of the opposing surfaces of the frame and the separator, and a gap is provided between the convex portion and the counterpart. Therefore, as shown in FIG. 10, a configuration in which the convex portion 6 is provided only on the separator 3 or a configuration (not shown) in which the convex portion is provided only on the frame can be adopted. Actions and effects equivalent to the form can be obtained.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another embodiment of the fuel cell stack FS.
  • the illustrated fuel cell stack FS includes a stack St formed by stacking a plurality of fuel cells FC.
  • the fuel cell FC includes a membrane electrode structure 2 having a frame 1 around it, and two separators 3 and 3 sandwiching the frame 1 and the membrane electrode structure 2, and the internal structure thereof is the same as that of each of the embodiments described above. It is the same thing.
  • the fuel cell stack FS includes the stacked body St and end plates 31 and 32 disposed on both ends in the stacking direction of the stacked body St, and connects the end plates 31 and 32 to form the stacked body St. Pressure is applied in the stacking direction.
  • an end plate 31 is provided at one end portion (right end portion in FIG. 11) in the stacking direction of the stacked body St via a current collecting plate 33 and a spacer 34.
  • An end plate 32 is provided at the other end via a current collecting plate 35.
  • the current collecting plates 33 and 35 have connectors 35 ⁇ / b> A (only one is shown) penetrating the end plates 31 and 32.
  • the fuel cell stack FS includes the fastening plates 36 and 37 on both surfaces (upper and lower surfaces in FIG. 11) on the long side of the fuel cell FC with respect to the stacked body St, and both surfaces on the short side. Further, reinforcing plates 38 and 39 are provided.
  • the fastening plates 36 and 37 have attachment pieces 36A and 37A for the outer side surfaces of the end plates 31 and 32 in a flat plate-like main body portion.
  • the reinforcing plates 38 and 39 have mounting pieces 38A and 39A for the outer surfaces of the end plates 31 and 32 and holding portions 38B and 39B for the fastening plates 36 and 37 in a flat plate-like main body portion. Both the reinforcing plates 38 and 39 are overlapped with the holding portions 38B and 39B on the edge portions of the fastening plates 36 and 37 and are fitted to the side portions of the stacked body St.
  • the fuel cell stack FS has a case-integrated structure by connecting the fastening plates 36 and 37 and the reinforcing plates 38 and 39 to the both end plates 31 and 32 by an appropriate number of bolts B.
  • the frame 1 and the separator 3 are separated from each other in each fuel cell FC, and the stack St composed of such fuel cells FC is sandwiched between the end plates 31 and 32. Therefore, as described above, the contact surface pressure between the membrane electrode structure 2 and the separator 3 can always be maintained satisfactorily, and at the same time, the stacked body St can be brought into a pressurized state.
  • the fuel cell stack FS since the frame 1 and the separator 3 are separated from each other in each fuel cell FC, the elastic force (repulsive force against pressurization) of the frame 1 is mutually adjacent to the adjacent fuel cell FC. Will act. Therefore, the fuel cell stack FS is equivalent to pressurizing the whole stack St in the stacking direction, and the stack St without using the spring member (14) of the fuel cell stack described in FIG. The pressurization state can be maintained. Thereby, it can contribute to reduction of a number of parts and manufacturing man-hours, reduction of manufacturing cost, size reduction, weight reduction, etc.
  • the fuel cell and the fuel cell stack of the present invention are not limited to the above embodiments, and the shape, number, and materials of each component are within the scope of the present invention. Etc. can be changed as appropriate.

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Abstract

　本発明は、膜電極構造体とセパレータとの間に面圧を良好に維持することができ、接触抵抗の増大を防止することができる燃料電池セルを提供することを目的とする。　本発明は、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレーム及び膜電極構造体とセパレータとの間に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池セルであって、フレームとセパレータが、膜電極構造体からガスシールに至る範囲で、互いに接することなく離間している燃料電池セルに関する。

Description

燃料電池セル
　本発明は、燃料電池の発電要素として用いられる燃料電池セルに関し、とくに、複数枚積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに関するものである。
　この種の燃料電池セルとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池セルは、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane　Electrode Assembly)と、膜電極構造体の周囲を保持する樹脂フレームと、膜電極構造体及びフレームを挟む二枚のセパレータを備えている。
　そして、燃料電池セルは、フレームとセパレータとの間に、反応用ガスのマニホールド部及び整流部を設けて、膜電極構造体に対して反応用ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を流通させる構造を有している。セパレータは、反応用ガスのガスシール機能を有するほか、集電体や外部端子としても用いられる。この燃料電池セルは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。
特開２００３－７７４９９号公報
　ところで、上記したような燃料電池セルは、燃料電池スタックを構成する際、組み付け精度、ガスシール性及び導電性などを良好に維持するために積層方向に加圧した状態にする。ところが、従来の燃料電池セルは、膜電極構造体及び樹脂フレームの両方に対してセパレータが接触している構造であったため、これを加圧すると、樹脂フレームとセパレータとの接触部分でも加圧力を受けるので、膜電極構造体とセパレータとの間の面圧が減少（いわゆる面圧抜けが発生）する。とくに、膜電極構造体とセパレータの厚さを薄くし、薄板型の燃料電池スタックにして小型化していくと、この面圧抜けの問題は顕著になる。このため、従来の燃料電池セルでは、面圧抜けにより膜電極構造体とセパレータとの間の接触抵抗が増大するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
　本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えた燃料電池セルにおいて、積層して燃料電池スタックを構成した際に、膜電極構造体とセパレータとの間の面圧を良好に維持することができ、接触抵抗の増大を防止することができる燃料電池セルを提供することを目的としている。
　本発明の燃料電池セルは、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレーム及び膜電極構造体とセパレータとの間に反応用ガスを流通させる構造を有している。そして、燃料電池セルは、フレームとセパレータが、膜電極構造体からガスシールに至る範囲で、互いに接することなく離間している構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
　また、燃料電池セルは、より望ましい実施形態として、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に凸部を設けると共に、凸部とその相手側との間に隙間を設けたことを特徴としている。膜電極構造体（フレームを除くＭＥＡ部）への反応用ガスの流れを妨げないようにするため、フレーム及びセパレータに設けた凸部は、相手側に接触することなく隙間があいていることが必要である。
　本発明の燃料電池セルによれば、膜電極構造体からガスシールに至る範囲において、フレームとセパレータとを互いに離間させたことから、複数枚積層して燃料電池スタックを構成した際に、積層方向の加圧力が膜電極構造体とセパレータとの間に有効に働くこととなり、膜電極構造体とセパレータとの間の面圧を良好に維持することができると共に、接触抵抗の増大を防止することができる。
本発明の燃料電池セルの一実施形態において、燃料電池セルを分解状態にして説明する平面図である。 燃料電池セルの平面図である。 図２中のＡ－Ａ線に基づく断面図である。 図２中のＢ－Ｂ線に基づく断面図である。 燃料電池スタックを説明する側面図である。 図２中のＣ－Ｃ線に基づく断面図である。 凸部の高さｈ１がリブの高さｈ２以上である場合を示す断面図である。 フレームが変形した状態を説明する断面図である。 膜電極構造体の劣化前の状態を説明する断面図（Ａ）及び劣化後の状態を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池セルの他の実施形態を説明する断面図である。 燃料電池スタックの他の実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）及び組み立て後の斜視図（Ｂ）である。
　以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する。
　図１及び図２に示す燃料電池セルＦＣは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。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構造体２の厚さよりも薄いものとなっている。そして、フレーム１とセパレータ３の縁部同士の間にガスシールを設けて、フレーム１及び膜電極構造体２とセパレータ３，３との間に反応用ガスを流通させる構造を有している。フレーム１は樹脂であり、セパレータ３は金属であることが、製造しやすいために望ましい。
　膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane　Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図３及び図４に示すように、例えば固体高分子から成る電解質層２１を燃料極層（アノード）２２と空気極層（カソード）２３とで挟持した構造を有している。さらに、図示の膜電極構造体２は、燃料極層２２と空気極層２３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２４，２５が夫々積層してある。
　そして、膜電極構造体２は、燃料極層２２に一方の反応用ガスである燃料ガス（水素）が供給されると共に、空気極層２３に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、ガス拡散層を省いて、電解質層２１と燃料極層２２と空気極層２３で構成されるものも含まれる。
　フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が、反応用ガスの整流領域（又は拡散領域）となる。このフレーム１及び両セパレータ３，３は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
　各セパレータ３は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。各セパレータ３は、図３及び図４に示すように、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３は、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。とくに、各凸部分が膜電極構造体２に頂部が接触するリブ４である。なお、セパレータ３では、表裏で凹凸が逆の関係になるが、膜電極構造体２側を表として凸部分をリブ４とする。
　また、各セパレータ３は、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの整流領域（又は拡散領域）となる。
　上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３は、重ね合わせて燃料電池セルＦＣを構成する。このとき、燃料電池セルＦＣは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備え、フレーム１の厚さよりも膜電極構造体２の厚さの方が大きくなっている。なお、フレーム１の厚さは、必ずしも膜電極構造体２よりも薄くなくても良い。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ１，Ｍ２と、各マニホールド部Ｍ１，Ｍ２から発電部Ｇに至る反応用ガスの整流領域（又は拡散領域）であるディフューザ部Ｄ１，Ｄ２を備えたものとなる。
　図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍ１において、各マニホールド穴Ｈ１～Ｈ３は、燃料ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び酸化剤ガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に夫々の流路を形成する。図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍ２において、各マニホールド穴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、積層方向に夫々の流路を形成する。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良い。
　また、燃料電池セルＦＣは、上記の如く、発電部Ｇと、マニホールド部Ｍ１，Ｍ２と、ディフューザ部Ｄ１，Ｄ２を備えたうえで、図２に示すように、反応用ガスの流れ方向において、ディフューザ部Ｄ１，Ｄ２の流路幅Ｗと長さＬとの比（Ｗ／Ｌ）を５以下にしている。図２では排出側のディフューザ部Ｄ２に流路幅Ｗと長さＬを付したが、供給側のディフューザ部Ｄ１においても同様である。これにより、供給用のマニホールドＨ１，Ｈ３から供給した燃料ガス及び酸化剤ガスを整流（又は拡散）して、これらのガスを膜電極構造体２全体に均一に供給することができると共に、膜電極構造体２を経た残りの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出用のマニホールドＨ４，Ｈ６に円滑に流すことができる。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、フレーム１とセパレータ３の縁部同士の間にガスシールが施してある。すなわち、燃料電池セルＦＣは、図３及び図４に示すように、フレーム１及びセパレータ３の縁部同士を接着剤Ｂで封止し、複数枚を積層した状態では、隣接するフレーム１同士及びセパレータ３同士も接着剤Ｂで封止する。この実施形態では、隣接するセパレータ３，３間に冷却流体を流通させる構造である。なお、セパレータ３が集電体や外部端子の機能を有する場合には、セパレータ３同士の間に絶縁体を介装することもある。
　上記の接着剤Ｂによるガスシールは、個々の層間において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離する。つまり、図１に示す例では、下側セパレータ３の上面（及びフレームの下面）には、酸化剤ガスを膜電極構造体２の空気極２３に流通させるためのシールラインＳＬが設けてある。また、フレーム１の上面（及び上側セパレータの下面）には、燃料ガスを膜電極構造体２の燃料極２２に流通させるためのシールラインＳＬが設けてある。さらに、上側セパレータ３の上面には、冷却流体を流通させるためのシールラインＳＬが設けてある。ガスシールは、接着シールであっても良いし、ガスケットなどの固体シールであっても良く、その両方を併用することも可能である。
　上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、図５に示すように、複数枚を積層して燃料電池スタックＦＳを構成する。この燃料電池スタックＦＳは、燃料電池セルＦＣを複数枚積層して成る積層体Ｓｔを備えると共に、複数の保持ロッド１１を掛け渡した上部及び下部のエンドプレート１２，１３の間に前記積層体Ｓｔを配置している。そして、積層体Ｓｔと上部エンドプレート１２との間に、ばね部材１４及び中間プレート１５を介装して、積層体Ｓｔを図中矢印で示す積層方向に加圧した状態にする。これにより、個々の燃料電池セルＦＣに所定の面圧を加えて、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
　そこで、当該燃料電池セルＦＣは、フレーム１とセパレータ３が、膜電極構造体２からガスシール（ＳＬ）に至る範囲で、互いに接することなく離間したものとなっている。すなわち、フレーム１とセパレータ３は、反応用ガスの整流領域であるディフューザ部Ｄ１，Ｄ２の全域において互いに離間していて、反応用ガス流通用の隙間を形成している。
　より具体的には、燃料電池セルＦＣは、図６にも示すように、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の両面に凸部５，６が設けてあると共に、凸部５，６とその相手側との間に隙間５Ｓ，６Ｓが設けてある。凸部５，６は、その形状等が限定されるものではないが、図示例ではいずれも円錐台形状を成すと共に、所定間隔で縦横に配列してある。
　そして、フレーム１の凸部５とセパレータ３の凸部６は、図３に示す如く互いにずらせて配置してあり、若しくは図６に示す如く互いに相対向して配置してあり、いずれの場合も相手側との間に隙間５Ｓ，６Ｓを形成する。
　なお、先述したように、セパレータ３では、表裏で凹凸が逆の関係になるが、膜電極構造体２への対向面を表として凸部６とする。また、図３と図６では、セパレータ３の形状が一部異なるが、フレーム１を含む凸部５，６等の基本構成は同等である。
　ここで、燃料電池セルＦＣは、セパレータ３が、フレーム１に対向する上記の凸部６と、膜電極構造体２に頂部が接触する先述のリブ４を備えていて、図６に示す如く凸部６の高さをｈ１とし、凸部６の底部からリブ６の頂部までの高さ（リブ４の高さ）をｈ２としたときに、ｈ１＜ｈ２の関係にしてある。このとき、先述したように、フレーム１の厚さは膜電極構造体２の厚さ以下である。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、フレーム１とセパレータ３の間において、凸部５，６とその相手側との隙間５Ｓ，５Ｓの寸法が、膜電極構造体２の経年劣化による厚さの減少量よりも大きい構成になっている。この構成は、膜電極構造体２の経年劣化に対して隙間５Ｓ，５Ｓを維持するためのものであって、厚さの減少量は実験等により求めることができる。隙間５Ｓ，５Ｓを維持するより確実な構成は、隙間５Ｓ，５Ｓの寸法を膜電極構造体２の厚さ程度にすることである。
　上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、フレーム１とセパレータ３が、膜電極構造体２からガスシール（ＳＬ）に至る範囲（ディフューザ部Ｄ１，Ｄ２）で、互いに接することなく離間しているので、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の加圧力が、フレーム１とセパレータ３の間には作用せずに膜電極構造体２とセパレータ３との間に有効に働くこととなる。これにより、膜電極構造体２とセパレータ３との間の面圧を良好に維持することができると共に、接触抵抗の増大を防止することができる。また、燃料電池スタックＦＳには積層方向の加圧力が常に作用しているので、経年劣化により膜電極構造体２の厚さが減少しても、膜電極構造体２とセパレータ３との接触状態が維持され、面圧抜けが生じることはない。
　しかも、燃料電池セルＦＣは、セパレータ３における凸部６の高さｈ１とリブ４の高さｈ２との関係をｈ１＜ｈ２にしたので、積層した際に、リブ４が先行して膜電極構造体２に接触することとなり、凸部６と相手側との隙間６Ｓを確保することができる。
　ところで、例えば図７に示すように、フレーム１及び膜電極構造体２の厚さが同等であって、凸部６の高さｈ１とリブ４の高さｈ２との関係をｈ１≧ｈ２にすると、積層した際に、凸部６がフレーム１に接触し、これにより、膜電極構造体２とセパレータ３との間の面圧が減少する面圧抜けが発生して、接触抵抗が増大する。
　これに対して、燃料電池セルＦＣは、上述の如くリブ４が先行して膜電極構造体２に接触し且つ隙間６Ｓを確保するので、膜電極構造体２とセパレータ３との間の面圧を良好に維持して、接触抵抗の増大を防止する。これにより、膜電極構造体２とセパレータ３との間の接触抵抗を低く抑えて、良好な電池性能を維持することができる。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、セパレータ３における凸部６の高さをｈ１をリブ４の高さｈ２未満とすることで、セパレータ３のディフューザ部Ｄ１，Ｄ２の高さが低くなる。これは、セパレータ３が金属製で且つプレス成形される場合、加工量が小さくなることを表す。この加工量が小さくなると、例えば凸部間の距離を狭くするなどの複雑な形状を成形しやすくなる。
　また、凸部間の距離は、ガスが流れる際の圧力損失が大きくならない程度に、コンプレッサ等の燃料電池用補機の負荷許容範囲内で設定するのが良い。
　 さらに、燃料電池セルＦＣは、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の両面に凸部５，６を設けると共に、凸部５，６とその相手側との間に隙間５Ｓ，６Ｓを設けた構成としたので、図８に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの差圧などによりフレーム１が撓んだ場合でも、凸部５，６がその相手側に当接することで、それ以上の撓みを阻止するのと同時に、ガス流路を確保することができる。また、凸部５，６の当接により、フレーム１の変位量を小さくして、フレーム１への負荷を軽減する効果もある。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、凸部５，６とその相手側との隙間５Ｓ，６Ｓの寸法を、膜電極構造体２の経年劣化による厚さの減少量よりも大きくしたので、図９（Ａ）に示す初期状態から、図９（Ｂ）に示すように膜電極構造体２の厚さが減少しても、隙間５Ｓ，６Ｓを確保することができる。これにより、膜電極構造体２とセパレータ３との間の面圧を良好に維持して、接触抵抗の増大を防止すると共に、フレーム１の変形時における負荷軽減やガス流路の確保等といった機能も維持することができる。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、図３に示すように、フレーム１の凸部５とセパレータ３の凸部６とを互いにずらせて配置する。これにより、例えば、経年劣化による膜電極構造体２の厚さ減少や、反応用ガスの差圧によるフレーム１の撓みといった事態に対して、フレーム１とセパレータ３との隙間５Ｓ，６Ｓを大きく確保し得ると共に、反応ガスの流通するスペースを広く確保することができる。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、図６に示すように、フレーム１の凸部５とセパレータ３の凸部６とを互いに相対向して配置する。これにより、例えば、外部から応力が加わった際に、凸部５，６が一時的に互いに当接してストッパの役目を果し、全体の変形を防止して膜電極構造体２に過剰な負荷が加わるのを未然に阻止することができるほか、リブ４等とともに機械的強度をより高める機能がもたらされる。
　さらに、燃料電池セルＦＣは、樹脂成形によりフレーム１と膜電極構造体２とを一体化したので、生産効率が向上すると共に、凸部５を形成するにあたり、金属プレス成形よりも複雑な形状を容易に成形することができる。
　そして、上記の燃料電池セルＦＣを積層して成る燃料電池スタックＦＳは、各燃料電池セルＦＣにおいて、セパレータ２と膜電極構造体２との面圧を良好に維持して、接触抵抗の増大を防止するので、長期にわたって効率の良い発電機能を得ることができる。
　図１０は、本発明の燃料電池セルの他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、フレーム１２とセパレータ３との間において、セパレータ３のみに凸部６を設け、凸部６とその相手側との間に隙間６Ｓを設けている。
　本発明では、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に凸部を設けると共に、凸部とその相手側との間に隙間を設けた構成であれば良い。したがって、図１０に示すように、セパレータ３のみに凸部６を設けた構成や、フレームのみに凸部を設けた構成（図示せず）を採用することができ、いずれの場合も先の実施形態と同等の作用及び効果を得ることができる。
　図１１は、燃料電池スタックＦＳの他の実施形態を説明する図である。
　図示の燃料電池スタックＦＳは、燃料電池セルＦＣを複数枚積層して成る積層体Ｓｔを備えている。燃料電池セルＦＣは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３から成り、その内部構造は先述の各実施形態と同様のものである。
　そして、燃料電池スタックＦＳは、前記積層体Ｓｔと、積層体Ｓｔの積層方向の両端側に配置したエンドプレート３１，３２を備えると共に、両エンドプレート３１，３２を連結することにより積層体Ｓｔを積層方向に加圧している。
　より具体的には、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ｓｔの積層方向の一端部（図１１中で右側端部）に、集電板３３及びスペーサ３４を介してエンドプレート３１が設けてあると共に、他端部に、集電板３５を介してエンドプレート３２が設けてある。集電板３３，３５は、夫々のエンドプレート３１，３２を貫通するコネクタ３５Ａ（片方のみ図示）を有している。
　また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ｓｔに対し、燃料電池セルＦＣの長辺側となる両面（図１１中で上下面）に、締結板３６，３７を備えると共に、短辺側となる両面に、補強板３８，３９を備えている。
　締結板３６，３７は、平板状の本体部分に、エンドプレート３１，３２の外側面に対する取付片３６Ａ，３７Ａを有している。補強板３８，３９は、平板状の本体部分に、エンドプレート３１，３２の外側面に対する取付片３８Ａ，３９Ａと、締結板３６，３７に対する保持部３８Ｂ，３９Ｂを有している。両補強板３８，３９は、締結板３６，３７の縁部に保持部３８Ｂ，３９Ｂを重合して積層体Ｓｔの側部に嵌合する。
　そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板３６，３７及び補強板３８，３９を適数のボルトＢにより両エンドプレート３１，３２に連結することで、ケース一体型構造となる。
　上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、各燃料電池セルＦＣにおいてフレーム１とセパレータ３が互いに離間しており、このような燃料電池セルＦＣから成る積層体Ｓｔをエンドプレート３１，３２で挟持しているので、先述したように膜電極構造体２とセパレータ３との接触面圧を常に良好に維持することができると同時に、積層体Ｓｔを加圧状態にすることができる。
　すなわち、上記の燃料電池スタックＦＳでは、各燃料電池セルＦＣにおいてフレーム１とセパレータ３が互いに離間しているので、フレーム１の弾性力（加圧に対する反発力）が隣接する燃料電池セルＦＣに互いに作用することとなる。そのため、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ｓｔの全体を積層方向に加圧したのと同等になり、図５で説明した燃料電池スタックのばね部材（１４）を使用しなくても、積層体Ｓｔの加圧状態を維持することができる。これにより、部品点数及び製造工数の削減や、製造コストの低減、並びに小型軽量化などに貢献することができる。
　なお、本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、その構成が上記の各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部位の形状や個数、材料などを適宜変更することが可能である。
　１　　　　　フレーム
　２　　　　　膜電極構造体
　３　　　　　セパレータ
　４　　　　　リブ
　５　６　　　凸部
　５Ｓ　６Ｓ　隙間　
　３１　３２　エンドプレート
　Ｄ１　Ｄ２　ディフューザ部
　ＦＣ　　　　燃料電池セル
　ＦＳ　　　　燃料電池スタック
　Ｇ　　　　　発電部
　Ｍ１　Ｍ２　マニホールド部
　Ｓｔ　　　　積層体

Claims (7)

  1. 　周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレーム及び膜電極構造体とセパレータとの間に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池セルであって、
    　フレームとセパレータが、膜電極構造体からガスシールに至る範囲で、互いに接することなく離間していることを特徴とする燃料電池セル。
  2. 　フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に凸部を設けると共に、凸部とその相手側との間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 　フレーム及びセパレータの相対向面の両面に凸部が設けてあり、フレームの凸部とセパレータの凸部とが、互いにずらせて配置してあることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
  4. 　フレーム及びセパレータの相対向面の両面に凸部が設けてあり、フレームの凸部とセパレータの凸部とが、互いに相対向して配置してあることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
  5. 　フレームが、樹脂成形により膜電極構造体と一体化してあることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数枚積層して積層体を形成すると共に、積層体を積層方向に加圧して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
  7. 　前記積層体と、積層体の積層方向の両端側に配置したエンドプレートを備えると共に、両エンドプレートを連結することにより積層体を積層方向に加圧したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
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