WO2011152405A1 - 燃料電池セル - Google Patents

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protrusion
frame
separator
manifold hole
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屋　隆了
阿部　光高
上原　茂高
沼尾　康弘
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日産自動車株式会社
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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 integrally having a frame and a pair of separators sandwiching the membrane electrode structure. Then, a plurality of frame body-integrated membrane electrodes are provided by providing protrusions with key-like tips at a plurality of positions of the frame body, providing step portions at a plurality of positions of the separator, and locking each protrusion to the step portions.
  • the structure and the pair of separators are integrated.
  • 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, It aims at providing the fuel cell which can implement
  • 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 structure in which a reaction gas is circulated between the frame and the separator. have.
  • the frame and both separators have manifold holes that are open on the front and back.
  • the fuel cell has a configuration in which the peripheral portion of the manifold hole in the frame extends to the inside of the manifold hole of the separator and covers the inner peripheral surface of the manifold hole of at least one separator.
  • the peripheral portion of the manifold hole in the frame has a projection covering the inner peripheral surface of the manifold hole of at least one separator, and the above configuration is used as a means for solving the conventional problems.
  • the fuel cell of the present invention can easily and reliably position the two separators with respect to the frame and the membrane electrode structure by the peripheral edge of the manifold hole in the frame, and can also integrate them. It is. And according to the said fuel cell, since the space for arrange
  • FIG. 3 is a cross-sectional view based on the line AA in FIG. 2. It is sectional drawing explaining the protrusion of a fuel cell. It is each sectional drawing (A) (B) which shows other embodiment of a permite
  • the vertical direction of the drawing is the stacking direction of the fuel cells
  • the anode side of the membrane electrode structure is the upper side
  • the cathode side is the lower side.
  • the anode side and the cathode side may be upside down, and the stacking direction is not limited to the vertical direction.
  • the fuel cell FC shown in FIGS. 1 to 3 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 reaction gas is circulated between the frame 1 and the separators 3 and 3.
  • the membrane electrode structure 2 is generally called MEA (Membrane Electrode Assembly), and as shown in FIG. 3 in particular, an electrolyte layer 4 made of, for example, a solid polymer is composed of a fuel electrode layer (anode) 5A and an air electrode layer. (Cathode) 5B. Further, in the illustrated membrane electrode structure 2, gas diffusion layers 6A and 6B made of carbon paper, a porous body or the like are laminated on the surfaces of the fuel electrode layer 5A and the air electrode layer 5B, respectively.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • an electrolyte layer 4 made of, for example, a solid polymer is composed of a fuel electrode layer (anode) 5A and an air electrode layer. (Cathode) 5B.
  • gas diffusion layers 6A and 6B made of carbon paper, a porous body or the like are laminated on the surfaces of the fuel electrode layer 5A and the air electrode layer 5B, respectively.
  • the fuel gas (hydrogen) that is one reaction gas is supplied to the fuel electrode layer 5A, and the oxidant gas (air) that is the other reaction gas is supplied to the air electrode layer 5B. Is supplied to generate electricity through an electrochemical reaction.
  • the membrane electrode structure 2 includes a membrane electrode structure that includes the electrolyte layer 4, the fuel electrode layer 5A, and the air electrode layer 5B without the 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 at the center.
  • the frame 1 has three manifold holes H1 to H6 that are open on the front and back at both ends, and the region from each manifold hole group to the membrane electrode structure 2 circulates the reaction gas. It becomes an 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, and a central portion corresponding to the membrane electrode structure 2 is 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, in each separator 3, each convex portion in the waveform is in contact with the membrane electrode structure 2, and each concave portion in the waveform is a flow path for the reaction gas.
  • Each separator 3 has manifold holes H1 to H6 opened on the front and back surfaces at both ends, like the manifold holes H1 to H6 of the frame 1, and extends from each manifold hole group to a corrugated section.
  • the region is a reaction gas distribution region.
  • the fuel cell FC includes a power generation unit that is a region of the membrane electrode structure 2 in the center.
  • region of the gas for reaction from each manifold part to a power generation part are provided in the both sides of the electric power generation part.
  • One manifold hole group (H1 to H3) shown on the left side of FIG. 2 has a fuel gas supply (H1), a cooling fluid supply (H2), and an oxidant gas supply (H3). To each other to form a fluid flow path.
  • the other manifold hole group (H4 to H6) shown on the right side of FIG. 2 has a fuel gas discharge (H4), a cooling fluid discharge (H5), and an oxidant gas discharge (H6). To each other to form a fluid flow path.
  • the supply and discharge may be partially or entirely reversed in positional relationship.
  • the fuel battery cell FC has a gas seal between the frame 1 and both separators 3. That is, the fuel cell FC seals the edges of the frame 1 and both separators 3 with the adhesive B. Further, a plurality of fuel cells FC are stacked to form a fuel cell stack. When stacking, the adjacent separators 3 and 3 are also sealed with the adhesive B. In this embodiment, the cooling fluid is circulated between the adjacent separators 3 and 3.
  • the gas seal with the above-mentioned adhesive hermetically separates the flow areas of fuel gas, oxidant gas and cooling fluid between the individual layers. That is, in the example shown in FIG. 1, a seal line for allowing the oxidant gas to flow to the air electrode 5 ⁇ / b> B of the membrane electrode structure 2 is provided on the upper surface of the lower separator 3 (and the lower surface of the frame). Further, a seal line is provided on the upper surface of the frame 1 (and the lower surface of the upper separator) for allowing the fuel gas to flow to the fuel electrode 5A of the membrane electrode structure 2. Furthermore, a seal line for circulating the cooling fluid is provided on the upper surface of the upper separator 3.
  • the fuel cell FC has a configuration for integrating the frame 1 and the membrane electrode structure 2 with the separators 3 and 3, and the peripheral portions of the manifold holes H ⁇ b> 2 and H ⁇ b> 5 in the frame 1 are separated from the separator 3.
  • the peripheral edge portions of the manifold holes H ⁇ b> 2 and H ⁇ b> 5 in the frame 1 are at least partly engaged with the manifold holes H ⁇ b> 2 and H ⁇ b> 5 at the same position of the separator 3.
  • FIG. 1 illustrates the case where the protrusion 11 is provided on the entire peripheral edge of the manifold holes H2 and H5 for supplying and discharging the cooling fluid.
  • the protrusion 11 may be selectively provided for each manifold hole H1 to H6, or may be provided for all the manifold holes H1 to H6.
  • the protrusion 11 protrudes toward the separators 3 and 3 on both sides, and the tip part engages with the peripheral parts (inner peripheral parts) of the manifold holes H2 and H5 of each separator 3.
  • both separators 3 and 3 can be easily and reliably positioned with respect to the frame 1 and the membrane electrode structure 2.
  • the projections 11 are provided at the peripheral edge portions of the manifold holes H2 and H5 in the frame 1, a space such as a blank space for arranging the projections 11 is unnecessary, and the separator 3 side is dedicated for positioning. No configuration is required.
  • the fuel cell FC can be reduced in size and the number of man-hours can be reduced, and the fuel cell stack and the entire fuel cell can be reduced in size and weight, and the production efficiency can be improved.
  • the protrusion 11 can be integrated with the frame 1 during the resin molding.
  • the protrusions 11 function as an insulator and prevent an electrical short circuit between the separators 3, 3. . That is, even if the entire cell expands and contracts due to swelling of the membrane electrode structure 2, the end faces of the separators 3 and 3 can always be covered so as not to cause a short circuit.
  • the corrosion rate of the inner peripheral surfaces can be suppressed, and the durability and reliability of the fuel cell FC and the fuel cell stack are improved. Can contribute.
  • the fuel cell FC described above extends to the periphery of the manifold holes H1 to H6 in the frame 1, that is, to the inside of the manifold holes H2 and H5 of the separator 3, and the inner peripheral surfaces of the manifold holes H2 and H5.
  • Positioning function of the separators 3 and 3 with respect to the frame 1 and the membrane electrode structure 2 by the configuration of the peripheral edge portion and, more specifically, the peripheral edge portion having the projection 11 that covers the inner peripheral surfaces of the manifold holes H2 and H5 of the separator 3
  • the electrical insulation function of the separator 3 can be made compatible.
  • the fuel cell using the fuel cell FC is very suitable for mounting on a moving body such as an automobile where space is limited.
  • the protrusion 11 includes a protrusion that protrudes long toward the lower (or upper) separator 3 as indicated by a virtual line in FIG.
  • the protrusions 11 are connected to the peripheral portions of the manifold holes H2 and H5 of the self-separator 3 and the manifold holes H2 of the separator (shown by phantom lines) 3 adjacent to the lower side. Engage with the peripheral edge of H5.
  • the protrusion 11 may be provided on at least a part of the peripheral edge of the manifold hole. However, by providing the protrusion 11 on the entire peripheral edge of the manifold hole, when the fuel cell stack is configured, the protrusion 11 is continuously provided in the stacking direction. A flow path can be formed. In this case, a part of the upper side may be omitted as shown in FIG. 5A, or a part of the lower side may be omitted as shown in FIG.
  • the manifold holes H1 to H6 are used to supply / discharge reaction gas to / from the power generation unit G and supply / discharge cooling fluid, so that the reaction gas or cooling fluid flows between predetermined layers.
  • the protrusion 11 of the corresponding part is partially omitted or processed.
  • the fuel gas is circulated through the projections 11 in the fuel gas supply and discharge manifold holes H1 and H4. Provide notches and through holes.
  • the notch or the through hole serving as the inlet is provided.
  • a diffuser function can be provided. Thereby, the diffuser part between the manifold part and the power generation part can be reduced or eliminated, and further reduction in size and weight of the fuel cell FC can be realized. Therefore, the fuel cell stack, which is a stack of such fuel cells FC, is further miniaturized and is extremely suitable for a small fuel cell for a moving body.
  • the cooling fluid is filled between the flow paths continuous in the stacking direction and the separators 3 and 3 adjacent to each other in the stacking state.
  • the projection 11 which is a part of the frame 1 is interposed between the cooling fluid (refrigerant) and the separator end surface, the liquid resistance increases and a leakage current flowing between the separator end surface and another separator 3 is generated. As a result, the corrosion rate due to the leakage current at the end face of the separator can be suppressed.
  • the fuel cell FC of the present invention has a contour line that is concentric with the manifold holes H1 to H6 of the frame 1 and circumscribes the protrusions 21 as shown in FIG. A configuration may be employed in which the holes H1 to H6 are positioned outside the contour lines. That is, the passing dimension a of the contour line circumscribing the protrusion 21 is larger than the passing dimension b of the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 (a> b).
  • the protrusions 21 constituting the peripheral portions of the manifold holes H1 to H6 in the frame 1 are located outside the peripheral portions of the manifold holes H1 to H6 of the separator 3. Further, as shown in FIG. 7, when some of the manifold holes H1 and H6 have the divided projections 21, the passing dimension (a) of the contour line circumscribing all the projections 21 is set to the manifold hole H1. , H6 is larger than the passing dimension (b).
  • the protrusion 21 shown in FIG. 6 has a hook shape in which both the upper side and the lower side pass through the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 and are locked.
  • the protrusion 31 shown in FIG. 8 has an inverted triangular cross section, and in this case also, the protrusion 31 passes through the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 and is in a locked state.
  • the protrusion 11 shown in FIG. 9 has the same shape as that shown in FIGS.
  • the protrusions 11 to 31 of the frame 1 are engaged with the manifold holes H1 to H6 of the separator 3 with elastic deformation. Further, the protrusions 21 and 31 shown in FIGS. 6 and 8 are engaged with and fixed to the manifold holes H1 to H6 with elastic deformation. Thereby, both the separators 3 and 3 can be easily and reliably positioned with respect to the frame 1 and the membrane electrode structure 2, and both can be easily integrated without using other components. it can.
  • the protrusions that form the peripheral portions of the manifold holes H1 to H6 in the frame 1 are formed between the adjacent fuel cells when the fuel cells FC are stacked in a plurality. It can be set as the structure provided with the junction part of the anode side and cathode side which mutually contact
  • the protrusion 41 has an upper protrusion 41A protruding to the anode side and a lower protrusion 41B protruding to the cathode side.
  • the upper protrusion 41A and the lower protrusion 41B are displaced from each other in a step shape inward and outward of the manifold holes H1 to H6.
  • the upper protrusion 41 forms a gap between the peripheral edges of the manifold holes H1 to H6 of the separator 3, and the tip portion that forms the gap serves as the upper joint SA, while the upper protrusion 41 has the tip.
  • the portion is a lower joint SB.
  • the lower joint SB of the protrusion 41 in the upper fuel cell FC is connected to the upper joint of the protrusion 41 in the lower fuel cell FC.
  • the protrusion 21 has a bowl-shaped upper protrusion 21A protruding to the anode side and a bowl-shaped lower protrusion 21B protruding to the cathode side.
  • the upper protrusion 21A has an inclined surface that faces outward with respect to the manifold holes H1 to H6 in its cross section, and this inclined surface serves as the upper joint SA.
  • the lower protrusion 21B has an inclined surface that is inward with respect to the manifold holes H1 to H6 in its cross section, and this inclined surface serves as the lower joint portion SB.
  • the lower joint portion SB of the protrusion 21 in the upper fuel cell FC is connected to the upper joint of the protrusion 21 in the lower fuel cell FC. It is made to contact part SA. This makes it very easy to position and integrate the fuel cells FC when configuring the fuel cell stack, thereby reducing man-hours and further improving production efficiency.
  • the protrusions constituting the peripheral portions of the manifold holes H1 to H6 in the frame 1 are provided with joint portions on the anode side and the cathode side.
  • it can be set as the structure which has the uneven
  • the protrusion 51 has an upper protrusion 51A that protrudes toward the anode side and a lower protrusion 51B that protrudes toward the cathode, as in the case shown in FIG.
  • the upper protrusion 41 has a concavo-convex upper joint SA that faces outward with respect to the manifold holes H1 to H6 at the tip.
  • the upper protrusion 41 has a concave and convex lower joint portion SB that is inward with respect to the manifold holes H1 to H6 at the tip portion.
  • the uneven lower joint SB in the upper fuel cell FC is connected to the uneven upper joint in the lower fuel cell FC.
  • the protrusion 61 has a hook-like upper protrusion 61A protruding to the anode side and a hook-like lower protrusion 61B protruding to the cathode side, as shown in FIG. Have.
  • the upper protrusion 21A has an inclined surface that is outward with respect to the manifold holes H1 to H6 in its cross section, and a part of the inclined surface is formed in an uneven shape, and the inclined surface including the unevenness is formed on the upper joint SA. It is said.
  • the lower protrusion 21B has an inclined surface that is inward with respect to the manifold holes H1 to H6 in its cross section, and a part of the inclined surface is formed in an uneven shape. It is set as the side junction part SB.
  • the lower joint SB in the upper fuel cell FC is brought into contact with the upper joint SA in the lower fuel cell FC. Match.
  • the fuel cell stack is configured, the positioning and integration of the fuel cells FC are facilitated, and the engagement state between the protrusions 51 becomes stronger.
  • the protrusions constituting the peripheral edge portions of the manifold holes H1 to H6 in the frame 1 are provided with joint portions on the anode side and the cathode side.
  • one joint has an inclined surface facing inward with respect to the manifold hole
  • the other joint has an inclined surface facing outward with respect to the manifold hole and the manifold hole.
  • it can be configured to have flexibility in the inner and outer directions.
  • one joint is the upper joint SA
  • the other joint is the lower joint SB.
  • the lower joint SB of the upper fuel cell FC and the upper joint SA of the lower fuel cell FC are in contact with each other. At this time, as shown in FIGS. 14 and 15, the push-in amount in the stacking direction can be appropriately selected.
  • the lower joint portion SB is an inclined surface including unevenness, and the height of the protrusion gradually increases from the upper side to the lower side.
  • the upper joint portion SA is an inclined surface including irregularities, and the depth of the concave portion is gradually reduced from the upper side to the lower side.
  • the upper protrusion 61A and the lower protrusion 61B each have an inclined surface in which the upper joint portions SA and SB both include irregularities, and the angle of the inclined surface is the same.
  • the predetermined amount ( ⁇ ) is different.
  • the protrusion 61 When the pushing amount in the stacking direction is increased when the fuel cell stack is configured, the protrusion 61 has a flexible upper protrusion 61A as shown in FIGS. 14 (B) and 15 (B). The tip portion is displaced inward of the manifold holes H1 to H6.
  • the fuel cell FC having the above-described configuration can obtain the same operations and effects as those of the previous embodiment when configuring the fuel cell stack, and can adjust the push amount in the stacking direction to adjust the manifold.
  • the amount of displacement (Q in FIG. 14) of the upper protrusion 61A into the holes H1 to H6 can be increased or decreased to change the size (cross-sectional area) D of the flow path formed inside the protrusion 61.
  • the reaction gas is supplied to each fuel cell FC while flowing the reaction gas in the stacking direction in the manifold portion.
  • the displacement amount of the upper protrusion 61A is partially changed, and the flow path size D is partially changed, so that the flow rate and flow velocity of the reaction gas in the stacking direction can be made uniform.
  • the fuel cell performance can be improved.
  • the range (displacement amount Q) of the displacement of the upper protrusion 61A can be further increased by making the height and depth of the uneven protrusions different.
  • the fuel cell FC of the present invention has a sealing material SM in which the surface of each joint SA, SB and the contact portion with the separator 3 in the protrusion 21 are indicated by bold lines in the drawing, as shown in FIG. It can be set as the structure coat
  • the sealing material SM may be provided on the entire surface of the protrusion 21 in consideration of manufacturing efficiency and the like.
  • the fuel cell FC having the above configuration can obtain the same operations and effects as those of the previous embodiments when the frame 1 and the membrane electrode structure 2 and the separators 3 are overlapped.
  • the sealing function SM for covering the contact portion with the separator 3 can further enhance the sealing function for the reaction gas.
  • the sealing material SM that covers the surfaces of the joints SA and SB further increases the adhesion between the adjacent protrusions 21.
  • the sealing function against the reaction gas and the cooling fluid can be further enhanced.
  • the sealing material SM can be provided on the protrusions of the embodiments shown in FIGS. 4 to 6 and FIGS. 8 to 15.
  • the configuration of the fuel cell of the present invention is not limited to each of the above embodiments, and the shape, number, material, and the like of each component are appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Is possible.

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Abstract

　従来の燃料電池セルでは、枠体一体型の膜電極構造体と一対のセパレータとを一体化する構成として、複数の突起及び段差部分を設けていたことから、燃料電池の小型化を図る上で不利であった。　フレーム１を有する膜電極構造体２と、これらを挟持する二枚のセパレータ３を備えると共に、フレーム１とセパレータ３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ＦＣであって、フレーム１及び両セパレータ３が、夫々のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６を有し、フレーム１のマニホールド穴の周縁部が、セパレータ３のマニホールド穴の内側に延出すると共に、少なくとも一方のセパレータ３のマニホールド穴の内周面を覆う突起１１を有する構成としたことにより、フレーム１に対してセパレータ３を容易に且つ確実に位置決めして一体化することが可能となり、突起１１を配置するためのスペースが不要になるので、燃料電池の小型化などを実現する。

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、枠体を一体的に有する膜電極構造体と、この膜電極構造体を挟む一対のセパレータを備えている。そして、枠体の複数箇所に、先端が鍵状の突起を設けると共に、セパレータの複数箇所に、段差部分を設け、各突起を段差部分に夫々係止することにより、枠体一体型の膜電極構造体と一対のセパレータとを一体化したものとなっている。
ＷＯ２００７－１２３１９１
　しかしながら、上記したような従来の燃料電池セルでは、枠体一体型の膜電極構造体と一対のセパレータとを一体化する構成として、複数の突起及び段差部分を設けていたことから、これらを配置するためのスペースが必要であり、燃料電池の小型化を図る上で不利であった。
　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、燃料電池の小型化を実現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との間に反応用ガスを流通させる構造を有している。また、フレーム及び両セパレータは、表裏に開放されたマニホールド穴を有している。そして、燃料電池セルは、フレームにおけるマニホールド穴の周縁部が、セパレータのマニホールド穴の内側に延出すると共に、少なくとも一方のセパレータのマニホールド穴の内周面を覆っている構成とし、より好ましい実施形態として、フレームにおけるマニホールド穴の周縁部が、少なくとも一方のセパレータのマニホールド穴の内周面を覆う突起を有している構成としており、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。
　本発明の燃料電池セルは、フレームにおけるマニホールド穴の周縁部により、フレーム及び膜電極構造体に対して二枚のセパレータを容易に且つ確実に位置決めすることができ、これらを一体化することも可能である。そして、当該燃料電池セルによれば、位置決め用の突起を配置するためのスペースをとくに必要としないので、燃料電池の小型化を実現することができる。
本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する分解状態の平面図である。 燃料電池セルの斜視図である。 図２中のＡ－Ａ線に基づく断面図である。 燃料電池セルの突起を説明する断面図である。 突起の他の実施形態を示す各々断面図（Ａ）（Ｂ）である。 突起のさらに他の実施形態を示す分解状態の断面図（Ａ）及び組立状態の断面図（Ｂ）である。 図６に示す突起の配置を説明する斜視図である。 突起のさらに他の実施形態を示す分解状態の断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す分解状態の断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す断面図である。 突起の先端部を示す図であって、浅い係合状態（Ａ）及び深い係合状態（Ｂ）を示す各々断面図である。 突起の先端部の他の例を示す図であって、浅い係合状態（Ａ）及び深い係合状態（Ｂ）を示す各々断面図である。 突起のさらに他の実施形態を示す断面図である。
　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。なお、説明の都合上、図面の上下方向を燃料電池セルの積層方向とし、膜電極構造体のアノード側を上側とし、カソード側を下側とする。実際には、アノード側及びカソード側が上下逆でも良いし、積層方向も上下方向に限らない。
　図１～図３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。そして、フレーム１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。
　膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane　Electrode Assembly)と呼ばれるものであり、とくに図３に示すように、例えば固体高分子から成る電解質層４を燃料極層（アノード）５Ａと空気極層（カソード）５Ｂ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５Ａと空気極層５Ｂ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６Ａ，６Ｂが夫々積層してある。
　そして、膜電極構造体２は、燃料極層５Ａ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５Ｂ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４と燃料極層５Ａと空気極層５Ｂ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）によって膜電極構造体２と一体化してあって、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、表裏に開放された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流通領域となる。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、ステンレス等の金属板をプレス成形したものであって、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、波形状における各凸部分が膜電極構造体２に接触し、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。
　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と同様に、表裏に開放されたマニホールド穴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流通領域となる。
　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、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部を備えている。そして、発電部の両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部と、各マニホールド部から発電部に至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部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穴群（Ｈ１～Ｈ３）は、燃料ガス供給用（Ｈ１）と、冷却流体供給用（Ｈ２）と、酸化剤ガス供給用（Ｈ３）を有し、積層方向に互いに連通して流体用流路を形成する。図２の右側に示す他方のマニホールド穴群（Ｈ４～Ｈ６）は、燃料ガス排出用（Ｈ４）と、冷却流体排出用（Ｈ５）と、酸化剤ガス排出用（Ｈ６）を有し、積層方向に互いに連通して流体用流路を形成する。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、フレーム１と両セパレータ３と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、フレーム１及び両セパレータ３の縁部を接着剤Ｂで封止する。さらに、燃料電池セルＦＣは、複数積層して燃料電池スタックを構成することとなり、積層する際には、隣接するセパレータ３，３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になっている。
　上記の接着剤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５Ｂに流通させるためのシールラインが設けてある。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５Ａに流通させるためのシールラインが設けてある。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が設けてある。
　ここで、上記の燃料電池セルＦＣは、フレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３とを一体化するための構成として、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部が、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の内側に延出すると共に、少なくとも一方のセパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の内周面を覆う構成になっている。具体的には、図１に示すように、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部が、少なくともその一部に、セパレータ３の同位置のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５に係合する位置決め用の突起１１を有している。
　図１には、冷却流体の供給用及び排出用のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５において、その周縁部全体に前記突起１１を設けた場合を例示した。この突起１１は、各マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して選択的に設けても良いし、全てのマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に設けても良い。
　前記突起１１は、図４に示すように、両側のセパレータ３，３に向けて突出し、先端部が各セパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部（内周部）に係合する。これにより、フレーム１及び膜電極構造体２に対して、両セパレータ３，３を容易に且つ確実に位置決めすることができる。
　また、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部に前記突起１１を設けたことから、突起１１を配置するための余白のようなスペースが不要であり、しかも、セパレータ３側には位置決め専用の構成が一切不要である。これにより、燃料電池セルＦＣの小型化や工数の削減を実現し、燃料電池スタック並びに燃料電池全体の小型軽量化や生産効率の向上などを実現する。
　さらに、この実施形態の燃料電池セルＦＣは、フレーム１を樹脂成形しているので、その樹脂成形の際に、突起１１をフレーム１に一体化することができる。これにより、図４に示すように、両側のセパレータ３，３に係合する突起１１を形成した構成では、突起１１が絶縁体として機能し、両セパレータ３，３間の電気的短絡を防止する。つまり、膜電極構造体２の膨潤によりセル全体が伸び縮みしても、短絡が起こらないようにセパレータ３，３の端面を常にカバーすることができる。また、突起１１によりマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の内周面が保護されるので、同内周面の腐蝕速度の抑制が可能であり、燃料電池セルＦＣ及び燃料電池スタックの耐久性や信頼性の向上に貢献することができる。
　このように、上記の燃料電池セルＦＣは、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部、すなわちセパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の内側に延出して同マニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の内周面を覆う周縁部、さらに具体的には、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の内周面を覆う突起１１を有する周縁部の構成により、フレーム１及び膜電極構造体２に対するセパレータ３，３の位置決め機能と、セパレータ３の電気絶縁機能とを両立させることができる。そのため、燃料電池セルＦＣを数百段以上に積層する移動体用の小型燃料電池スタックにおいて、本構成は同スタックのさらなる小型化に大いに寄与するものである。故に、当該燃料電池セルＦＣを用いた燃料電池は、スペースが制限される自動車等の移動体への搭載に非常に好適なものとなる。
　前記突起１１は、図４中に仮想線で示すように、下側（又は上側）のセパレータ３に向けて長く突出したものも含まれる。この場合には、燃料電池スタックを構成した際に、突起１１が、自己セパレータ３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部と、下側に隣接するセパレータ（仮想線で示す）３のマニホールド穴Ｈ２，Ｈ５の周縁部に係合する。
　さらに、前記突起１１は、マニホールド穴の周縁部の少なくとも一部に設けてあれば良いが、マニホールド穴の周縁部全体に設けることにより、燃料電池スタックを構成した際に、積層方向に連続させて流路を形成することができる。この場合、５（Ａ）に示す如く上側の一部を省略したり、図５（Ｂ）に示す如く下側の一部を省略したりすることがある。
　すなわち、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６は、発電部Ｇに対する反応用ガスの供給・排出や冷却流体の供給・排出を行うものであるから、反応用ガス又は冷却流体が所定の層間に流通するように、該当部位の突起１１を部分的に省略又は成形加工する。一例を挙げると、膜電極構造体２とその燃料極側に対向するセパレータ３との層間では、燃料ガス供給用及び排出用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ４における突起１１に、燃料ガスを流通させるための切り欠きや通し孔などを設ける。
　上記のように、突起１１を積層方向に連続させて流路を形成すると共に、突起１１の所定部位に切り欠きや通し孔を設けた構成においては、とくに、入口となる切り欠きや通し孔にディフューザ機能をもたせることができる。これにより、マニホールド部と発電部との間のディフューザ部を縮小又は廃止することが可能になり、燃料電池セルＦＣのさらなる小型軽量化を実現することができる。したがって、このような燃料電池セルＦＣの積層体である燃料電池スタックは、より小型化され、移動体用の小型燃料電池に極めて好適なものとなる。
　さらに、上記の如く突起１１を積層方向に連続させて流路を形成することにより、層間による流路内の凹凸を解消して、残水量を大幅に減少させることができる。また、とくに冷却流体の経路においては、積層方向に連続する流路、及び積層状態で隣接するセパレータ３，３同士の間に冷却流体が満たされる。このとき、冷却流体（冷媒）とセパレータ端面との間にフレーム１の一部である突起１１が介在するので、液抵抗が増加してセパレータ端面と別のセパレータ３との間に流れる漏洩電流が小さくなり、その結果、セパレータ端面の漏洩電流による腐食速度を抑制することができる。
　本発明の燃料電池セルＦＣは、より好ましい実施形態として、図６に示すように、フレーム１のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６と同心状を成し且つ突起２１に外接する輪郭線が、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の輪郭線よりも外側に位置している構成とすることができる。つまり、突起２１に外接する輪郭線の差し渡し寸法ａが、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の差し渡し寸法ｂよりも大きい（ａ＞ｂ）ものとなっている。
　換言すれば、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部を構成する突起２１は、少なくとも一部が、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部よりも外側に位置している。また、図７に示すように、一部のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ６に、分断された突起２１を有する場合には、全ての突起２１に外接する輪郭線の差し渡し寸法（ａ）を、マニホールド穴Ｈ１，Ｈ６の差し渡し寸法（ｂ）よりも大きくしている。
　また、図６に示す突起２１は、上側及び下側の両方が、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６を貫通して係止する鉤状を成している。さらに、図８に示す突起３１は、断面逆三角形状を成しており、この場合もセパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６を貫通して係止状態となる。さらに、図９に示す突起１１は、図４及び図５に示すものと同等の形状である。
　上記構成を備えた燃料電池セルＦＣでは、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して、フレーム１の突起１１～３１が弾性変形を伴って係合する。また、図６及び図８に示す突起２１，３１は、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対し、弾性変形を伴って係合して止着される。これにより、フレーム１及び膜電極構造体２に対して、両セパレータ３，３を容易に且つ確実に位置決めすることができる上に、他の部品を用いることなく双方を容易に一体化することができる。
　本発明の燃料電池セルＦＣは、より好ましい実施形態として、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部を構成する突起が、当該燃料電池セルＦＣを複数積層した際に隣接する燃料電池セル同士の間で互いに当接するアノード側及びカソード側の接合部を備えている構成とすることができる。すなわち、燃料電池スタックを構成した際に、各燃料電池セルＦＣの突起が連続して流路を形成する。その具体例を図１０及び図１１に示す。
　図１０に示す燃料電池セルＦＣにおいて、突起４１は、アノード側に突出する上側突起４１Ａと、カソード側に突出する下側突起４１Ｂを有している。上側突起４１Ａ及び下側突起４１Ｂは、互いにマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の内外方向へ段差状にずれている。そして、上側突起４１は、セパレータ３のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部との間に隙間を形成して、その隙間を形成する先端部分を上側接合部ＳＡとし、他方、上側突起４１は、先端部分を下側接合部ＳＢとしている。
　上記の燃料電池セルＦＣは、積層して燃料電池スタックを構成した際に、上側の燃料電池セルＦＣにおける突起４１の下側接合部ＳＢを、下側の燃料電池セルＦＣにおける突起４１の上側接合部ＳＡに係合する。これにより、燃料電池スタックを構成する際、燃料電池セルＦＣ同士の位置決めや一体化が非常に容易なものとなり、工数の削減や生産効率のさらなる向上を実現することができる。
　図１１に示す燃料電池セルＦＣにおいて、突起２１は、アノード側に突出する鉤状の上側突起２１Ａと、カソード側に突出する同じく鉤状の下側突起２１Ｂを有している。上側突起２１Ａは、その断面において、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して外向きとなる傾斜面を有し、この傾斜面を上側接合部ＳＡとしている。他方、下側突起２１Ｂは、その断面において、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して内向きとなる傾斜面を有し、この傾斜面を下側接合部ＳＢとしている。
　上記の燃料電池セルＦＣは、積層して燃料電池スタックを構成した際に、上側の燃料電池セルＦＣにおける突起２１の下側接合部ＳＢを、下側の燃料電池セルＦＣにおける突起２１の上側接合部ＳＡに当接させる。これにより、燃料電池スタックを構成する際の、燃料電池セルＦＣ同士の位置決めや一体化が非常に容易なものとなり、工数の削減や生産効率のさらなる向上を実現することができる。
　本発明の燃料電池セルＦＣは、より好ましい実施形態として、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部を構成する突起が、アノード側及びカソード側の接合部を備えた上で、これらの接合部が、互いに係合する凹凸形状を有している構成とすることができる。その具体例を図１２及び図１３に示す。
　図１２に示す燃料電池セルＦＣにおいて、突起５１は、図１０に示すものと同様に、アノード側に突出する上側突起５１Ａと、カソード側に突出する下側突起５１Ｂを有している。上側突起４１は、その先端部分に、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して外向きとなる凹凸状の上側接合部ＳＡを有している。他方、上側突起４１は、その先端部分に、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して内向きとなる凹凸状の下側接合部ＳＢを有している。
　上記の燃料電池セルＦＣは、積層して燃料電池スタックを構成した際に、上側の燃料電池セルＦＣにおける凹凸状の下側接合部ＳＢを、下側の燃料電池セルＦＣにおける凹凸状の上側接合部ＳＡに係合する。これにより、燃料電池スタックを構成する際の、燃料電池セルＦＣ同士の位置決めや一体化が容易になる上に、突起５１同士の係合状態がより強いものとなる。
　図１３に示す燃料電池セルＦＣにおいて、突起６１は、図１１に示すものと同様に、アノード側に突出する鉤状の上側突起６１Ａと、カソード側に突出する同じく鉤状の下側突起６１Ｂを有している。上側突起２１Ａは、その断面において、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して外向きとなる傾斜面を有すると共に、傾斜面の一部を凹凸状に形成し、この凹凸を含む傾斜面を上側接合部ＳＡとしている。他方、下側突起２１Ｂは、その断面において、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６に対して内向きとなる傾斜面を有すると共に、傾斜面の一部を凹凸状に形成し、この凹凸を含む傾斜面を下側接合部ＳＢとしている。
　上記の燃料電池セルＦＣは、積層して燃料電池スタックを構成した際に、上側の燃料電池セルＦＣにおける下側接合部ＳＢを、下側の燃料電池セルＦＣにおける上側接合部ＳＡに当接係合する。これにより、燃料電池スタックを構成する際、燃料電池セルＦＣ同士の位置決めや一体化が容易になる上に、突起５１同士の係合状態がより強いものとなる。
　本発明の燃料電池セルＦＣは、より好ましい実施形態として、フレーム１におけるマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周縁部を構成する突起が、アノード側及びカソード側の接合部を備えている。そして、図１３に示すように、一方の接合部が、マニホールド穴に対して内向きの傾斜面を有すると共に、他方の接合部が、マニホールド穴に対して外向きの傾斜面と、マニホールド穴に対して内外方向の可撓性とを有する構成にすることができる。図示例の場合、一方の接合部が上側接合部ＳＡであって、他方の接合部が下側接合部ＳＢである。
　上記の燃料電池セルＦＣは、積層して燃料電池スタックを構成した際に、上側の燃料電池セルＦＣの下側接合部ＳＢと、下側の燃料電池セルＦＣの上側接合部ＳＡとが当接係合することとなるが、この際、図１４及び図１５に示すように、積層方向への押し込み量を適宜選択することができる。
　図１４（Ａ）に示す突起６１において、下側突起６１Ｂは、下側接合部ＳＢが凹凸を含む傾斜面になっていると共に、凸部の高さが上側から下側にかけて順次大きくなっている。これに対して、上側突起６１Ａは、上側接合部ＳＡが凹凸を含む傾斜面になっていると共に、凹部の深さが上側から下側にかけて順次小さくなっている。
　また、図１５（Ａ）に示す突起６１において、上側突起６１Ａ及び下側突起６１Ｂは、夫々の上側接合部ＳＡ，ＳＢがいずれも凹凸を含む傾斜面になっていると共に、傾斜面の角度が所定量（θ）異なるものとなっている。
　上記の突起６１は、燃料電池スタックを構成する際に、積層方向への押し込み量を大きくすると、図１４（Ｂ）及び図１５（Ｂ）に示すように、可撓性を有する上側突起６１Ａの先端部分がマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の内側へ変位する。
　上記構成を有する燃料電池セルＦＣは、燃料電池スタックを構成する際に、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる上に、積層方向への押し込み量を調整することにより、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６内への上側突起６１Ａの変位量（図１４中のＱ）が増減して、突起６１の内側に形成する流路の大きさ（断面積）Ｄを変えることができる。
　すなわち、燃料電池スタックでは、マニホールド部において、積層方向に反応用ガスを流しつつ、その反応用ガスを個々の燃料電池セルＦＣに供給するので、上段側と下段側とでは反応用ガスの流量や流速に差が生じる場合がある。そこで、上記の如く、上側突起６１Ａの変位量を部分的に変更して、流路の大きさＤを部分的に変えることで、積層方向における反応用ガスの流量や流速の均一化を図ることが可能となり、ひいては燃料電池の性能向上にも貢献し得るものとなる。また、凹凸の凸部の高さや深さを異ならせることで、上側突起６１Ａの変位の範囲（変位量Ｑ）をより大きくすることができる。
　本発明の燃料電池セルＦＣは、より好ましい実施形態として、図１６に示すように、突起２１における各接合部ＳＡ，ＳＢの表面及びセパレータ３との接触部分が、図中太線で示すシール材料ＳＭで被覆してある構成とすることができる。なお、シール材料ＳＭは、製造効率等を考慮して、突起２１の表面全体に設けても構わない。
　上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、フレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３とを重ね合わせた際に、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる上に、セパレータ３との接触部分を被覆するシール材料ＳＭにより、反応用ガスに対するシール機能をより一層高めることができる。
　また、上記の燃料電池セルＦＣは、複数積層して燃料電池スタックを構成した際に、各接合部ＳＡ，ＳＢの表面を被覆するシール材料ＳＭにより、隣接する突起２１同士の密着性をより高めることができ、反応用ガスや冷却流体に対するシール機能をより一層高めることができる。なお、上記のシール材料ＳＭは、当然のことながら、図４～図６、図８～図１５に示す各実施形態の突起にも設けることができる。
　なお、本発明の燃料電池セルは、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
　１１　２１　突起
　３１　４１　突起
　５１　６１　突起
　ＦＣ　　　　燃料電池セル
　Ｈ１～Ｈ６　マニホールド穴
　ＳＡ　　　　上側接合部
　ＳＢ　　　　下側接合部
　ＳＭ　　　　シール材料

Claims (11)

  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、
    　フレーム及び両セパレータが、表裏に開放された夫々のマニホールド穴を有し、
    　フレームのマニホールド穴の周縁部が、セパレータのマニホールド穴の内側に延出すると共に、少なくとも一方のセパレータのマニホールド穴の内周面を覆っていることを特徴とする燃料電池セル。
  2. 　フレームのマニホールド穴の周縁部が、少なくとも一方のセパレータのマニホールド穴の内周面を覆う突起を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 　フレームのマニホールド穴と同心状を成し且つ前記突起に外接する輪郭線が、セパレータのマニホールド穴の輪郭線よりも外側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
  4. 　前記突起が、セパレータのマニホールド穴を貫通して係止する鉤状を成していることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池セル。
  5. 　前記突起が、当該燃料電池セルを複数積層した際に隣接する燃料電池セル同士の間で互いに当接するアノード側及びカソード側の接合部を備えていることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
  6. 　前記突起のアノード及びカソード側の接合部が、互いに係合する凹凸形状を有していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
  7. 　アノード側及びカソード側の接合部のうちの一方の接合部が、マニホールド穴に対して内向きの傾斜面を有すると共に、他方の接合部が、マニホールド穴に対して外向きの傾斜面とマニホールド穴に対して内外方向の可撓性を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池セル。
  8. 　前記突起における各接合部の表面が、シール材料で被覆してあることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
  9. 　前記突起におけるセパレータとの接触部分が、シール材料で被覆してあることを特徴とする請求項２～８のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
  10. 　前記突起が、樹脂成形によりフレームと一体化してあることを特徴とする請求項２～９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
  11. 　請求項１～１０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成ることを特徴とする燃料電池スタック。
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