WO2012137820A1 - 燃料電池セル - Google Patents

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WO2012137820A1
WO2012137820A1 PCT/JP2012/059199 JP2012059199W WO2012137820A1 WO 2012137820 A1 WO2012137820 A1 WO 2012137820A1 JP 2012059199 W JP2012059199 W JP 2012059199W WO 2012137820 A1 WO2012137820 A1 WO 2012137820A1
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electrode assembly
sandwiching
membrane electrode
frame
fuel cell
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屋　隆了
杉野　学
上原　茂高
阿部　光高
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日産自動車株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell that performs power generation by separating a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas into and out of an anode and a cathode.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2008-171783 discloses a membrane electrode assembly 4 in which an anode 2 is bonded to one surface of a solid polymer electrolyte membrane 1 and a cathode 3 is bonded to the other surface.
  • a fuel cell sandwiched between a side separator 5 and a cathode side separator 6 is disclosed.
  • the anode-side separator 5 is formed with a flow path for supplying a hydrogen-containing gas to the anode 2
  • the cathode-side separator 6 is formed with a flow path for supplying an oxygen-containing gas to the cathode 3.
  • the solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between the first support member 7 and the second support member 8.
  • the first support member 7 is integrated with the anode-side separator 5, and is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1 on the outer side in the surface direction from the electrode edge of the anode 2.
  • the second support member 8 is integrated with the cathode separator 6 and is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1 on the outer side in the surface direction from the electrode edge of the cathode 3.
  • a recess 5a is formed in the peripheral edge of the anode separator 5, and an O-ring 9 is fitted to the recess 5a to perform gas sealing.
  • a pressure difference (hereinafter referred to as “differential pressure”) may occur between the anode 2 and the cathode 3.
  • the solid polymer electrolyte membrane 1 and the first and second support members 7 and 8 interposed between the anode 2 and the cathode 3 receive a load due to the differential pressure.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell that can prevent damage due to stress caused by a differential pressure between a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas.
  • One aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly in which an anode is bonded to one surface of an electrolyte membrane and a cathode is bonded to the other surface, a frame body integrally formed with the membrane electrode assembly, and a membrane electrode And a pair of separators that sandwich the joined body and the frame.
  • the pair of separators are formed with at least a pair of sandwiching pieces for sandwiching the membrane electrode assembly. The positions of the sandwiching end portions of the pair of sandwiching pieces are shifted from each other in the stacking direction of the fuel cells.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a fuel cell stack to which a fuel cell according to a first embodiment of the present invention is applied.
  • 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack of FIG.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel battery cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the fuel battery cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial sectional view taken along line VV in FIG. 6 is a partial cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a portion VII in FIG.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view corresponding to FIG. 5 of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional fuel cell.
  • the direction in which a plurality of fuel cells are stacked is the stacking direction ⁇
  • the direction parallel to the longitudinal direction of each fuel cell and perpendicular to the stacking direction ⁇ is the cell longitudinal direction ⁇
  • the direction ⁇ A direction perpendicular to ⁇ and ⁇ is called a cell width direction ⁇ .
  • the fuel cell stack 10 includes a plurality of fuel cells A1 stacked in the stacking direction ⁇ and a pair of current collector plates 13 disposed outside the stacking direction ⁇ of the plurality of fuel cells A1. , 14 and a pair of end plates 11, 12 disposed on the outer side in the stacking direction ⁇ .
  • the pair of end plates 11, 12 are fastened to each other by fastening plates 15, 16 and reinforcing plates 17, 17, and pinch a plurality of fuel cells A ⁇ b> 1 disposed between the pair of end plates 11, 12.
  • a spacer 19 is provided between one end plate 12 and the current collector plate 14.
  • the end plates 11 and 12 are fastened to the fastening plates 15 and 16 and the reinforcing plates 17 and 17 with bolts 18 or the like, but the fastening method is not limited to this.
  • the fuel cell A ⁇ b> 1 includes a membrane electrode assembly 30 and a resin frame (hereinafter referred to as “frame”) 20 integrally formed around the membrane electrode assembly 30. It is formed by being sandwiched between 41.
  • a power generation unit G is formed in a region corresponding to the membrane electrode assembly 30 of the fuel cell A1.
  • the fuel battery cell A1 includes manifold portions M and M for supplying and discharging a hydrogen-containing gas or an oxygen-containing gas on both outer sides in the cell longitudinal direction ⁇ of the power generation unit G. Further, in the fuel cell A1, the diffuser portions D and D, which are the flow regions of the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas from each manifold portion M to the power generation portion G, are disposed in the region between each manifold portion M and the power generation portion G. It has.
  • the diffuser portion D is formed between the frame 20 and the separators 40 and 41 on both sides in the stacking direction ⁇ , that is, on the anode 32 side and the cathode 33 side, respectively.
  • the manifold portion M on one side of the cell longitudinal direction ⁇ includes manifold holes H1 to H3.
  • the manifold holes H1 to H3 include an oxygen-containing gas supply manifold hole H1, a cooling fluid supply manifold hole H2, and a hydrogen-containing gas supply manifold hole H3.
  • the manifold holes H1 to H3 form flow paths that extend in the stacking direction ⁇ in the fuel cell stack 10, respectively.
  • the manifold portion M on the other side in the cell longitudinal direction ⁇ is provided with manifold holes H4 to H6.
  • the manifold holes H4 to H6 are composed of a hydrogen-containing gas discharge manifold hole H4, a cooling fluid discharge manifold hole H5, and an oxygen-containing gas discharge manifold hole H6.
  • the manifold holes H4 to H6 form a flow path extending in the stacking direction ⁇ in the fuel cell stack 10, respectively.
  • the supply manifold hole and the discharge manifold hole may partially or entirely have a reverse positional relationship.
  • the membrane electrode assembly 30 is also referred to as MEA (Membrane Electrode ⁇ Assembly). As shown in FIG. 7, for example, an anode 32 is joined to one surface of an electrolyte membrane 31 made of a solid polymer, and the other The cathode 33 is joined to the surface. In this embodiment, a gas diffusion layer 34 made of carbon paper, a porous body, or the like is laminated on the surface of the anode 32. In the present embodiment, the gas diffusion layer 34 is also laminated on the surface of the cathode 33.
  • the membrane / electrode assembly 30 may be composed of the electrolyte membrane 31, the anode 32, and the cathode 33 without providing the gas diffusion layer 34.
  • the membrane electrode assembly 30 generates power through an electrochemical reaction by supplying a hydrogen-containing gas to the anode 32 and supplying an oxygen-containing gas to the cathode 33. That is, the fuel battery cell A1 generates power by separating the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas from the anode 32 and the cathode 33 so as to flow in and out of each other.
  • the frame 20 is integrally formed with the membrane electrode assembly 30 by, for example, injection molding.
  • the frame 20 has a horizontally long rectangular shape that is long in the cell longitudinal direction ⁇ in a plan view as viewed from the stacking direction ⁇ .
  • a membrane electrode assembly 30 is disposed in the center portion of the frame 20.
  • the frame 20 supports the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30 by the support portion 20 a.
  • the frame 20 is formed with a substantially constant plate thickness.
  • a plurality of columnar trapezoidal protrusions 21 for projecting the frame 20 and the separators 40 and 41 facing the frame 20 are provided at a predetermined interval at a portion corresponding to the diffuser portion D in the frame 20.
  • the formation position of the protrusion 21 is not limited to the frame 20. That is, the protrusions 21 may be formed on the separators 40 and 41, or may be formed by appropriately allocating heights to both the frame 20 and the separators 40 and 41.
  • the support part 20a which supports the cell longitudinal direction (beta) both ends of the membrane electrode assembly 30 defines the flow path of the hydrogen-containing gas or oxygen-containing gas in the diffuser part D.
  • the separators 40 and 41 are each formed by press-molding a metal plate such as stainless steel. As shown in FIGS. 3 to 6, the central portions 40a and 41a of the separators 40 and 41 facing the membrane electrode assembly 30 are provided with uneven shapes, respectively. In the concavo-convex shape portion, a plurality of ridges 40b and 41b and ridges 40c and 41c extending continuously in parallel with the cell longitudinal direction ⁇ are formed. These ridges 40b and 41b and recesses 40c and 41c are alternately arranged in the cell width direction ⁇ as shown in FIG.
  • the ridges 40b and 41b are in contact with the membrane electrode assembly 30 at the top surfaces 42t and 43t.
  • the ridges 40b that are formed to protrude from the central portion 40a of the separator 40 and the ridges 41b that are formed to protrude from the central portion 41a of the separator 41 are disposed to face each other with the membrane electrode assembly 30 interposed therebetween.
  • the pair of protruding strips 40 b and 41 b arranged to face each other includes sandwiching pieces 42 and 43 that sandwich the membrane electrode assembly 30 by bringing the top surfaces 42 t and 43 t into contact with the membrane electrode assembly 30.
  • each recess 40c, 41c defines a flow path for hydrogen-containing gas or oxygen-containing gas.
  • Manifold holes H1 to H6 are formed at both end portions ⁇ of the separators 40 and 41 in the cell longitudinal direction.
  • the manifold holes H1 to H6 of the separators 40 and 41 have the same shape and size as the manifold holes H1 to H6 of the frame 20, respectively, and are formed at positions facing the manifold holes H1 to H6 of the frame 20, respectively. .
  • the positions of the sandwiching end portions 42a and 43a of the sandwiching pieces 42 and 43 that are the protrusions 40b and 41b of the separators 40 and 41 are shifted so as not to face each other in the stacking direction ⁇ of the fuel cell A1.
  • “To shift so as not to face directly in the stacking direction ⁇ of the fuel cells A1” means that the sandwiching end portions 42a of the sandwiching pieces 42, 43 located on both sides of the frame 20 and / or the membrane electrode assembly 30 are sandwiched.
  • 43a refers to a state in which the positions of 43a are displaced in the plane direction of the membrane electrode assembly 30 (a direction orthogonal to the stacking direction ⁇ , for example, the cell longitudinal direction ⁇ ) so as not to overlap each other in a plan view as viewed from the stacking direction ⁇ . . That is, the pair of sandwiching pieces 42, 43 arranged opposite to each other with the membrane electrode assembly 30 interposed therebetween is arranged such that the position of the end portion (the sandwiching end portion) 42 a of the top surface 42 t of the sandwiching piece 42 and the top surface of the sandwiching piece 43. The positions of 43t end portions (clamping end portions) 43a are formed so as to be shifted from each other in the surface direction of the membrane electrode assembly 30.
  • the lengths L1 and L2 of the sandwiching pieces 42 and 43 extending from the central axis O of the fuel cell stack 10 toward the outside in the cell longitudinal direction ⁇ are set to be short and long, respectively.
  • the end portions 42a and 43a are positioned so as not to face each other in the stacking direction ⁇ .
  • the holding lengths of the holding pieces 42 and 43 of the separators 40 and 41 are different from each other. That is, the length L1 of the top surface 42t of the sandwiching piece 42 of the separator 40 is set longer than the length L2 of the top surface 43t of the sandwiching piece 43 of the separator 41. That is, the length L1 along the surface direction of the membrane electrode assembly 30 between both end portions 42a of the top surface 42t of the sandwiching piece 42 is equal to the length L1 of the membrane electrode assembly 30 between both end portions 42a of the top surface 43t of the sandwiching piece 43. It is larger than the length L2 along the surface direction. Therefore, a required interval L3 is provided between the end portion 42a of the sandwiching piece 42 and the end portion 43a of the sandwiching piece 43 in the surface direction of the membrane electrode assembly 30 (in the cell longitudinal direction ⁇ in this embodiment).
  • the positions of the sandwiching end portions 42a and 43a of the sandwiching pieces 42 and 43 of the separators 40 and 41 are shifted from each other in the stacking direction ⁇ of the fuel cell A1. Yes. For this reason, it is possible to disperse the bending stress / shearing force acting on the frame 20 or the membrane electrode assembly 30 when the differential pressure is generated, thereby causing damage due to the stress caused by the differential pressure between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas. Can be prevented.
  • the life against bending fatigue can be extended.
  • the membrane electrode assembly load in the direction of arrow P 1 in FIG. 5 due to the differential pressure 30 and the frame 20 are loaded. And, thereby, the center plane of the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are displaced as shown by the curve DF 1 in FIG. More specifically, the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are bent starting from the sandwiching end portion 43a of the sandwiching piece 43 of the separator 41, and displaced toward the separator 41 side outside the sandwiching end portion 43a in the cell longitudinal direction ⁇ .
  • the bending moment or bending stress generated in the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 is increased in the vicinity of the sandwiching end portion 43a.
  • the pressure of the gas in the diffuser section D is higher in the separator 41 side of the separator 40 side, the load due to differential pressure load to the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 in the direction of the arrow P 2 in FIG. 5 Is done. And, thereby, the center plane of the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are displaced as shown by the curve DF 2 in FIG.
  • the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are bent starting from the sandwiching end portion 42a of the sandwiching piece 42 of the separator 40, and are displaced toward the separator 40 side outside the sandwiching end portion 42a in the cell longitudinal direction ⁇ .
  • the bending moment or bending stress generated in the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 increases in the vicinity of the sandwiching end portion 42a that is separated from the sandwiching end portion 43a by a distance L3 in the plane direction.
  • the stress generation location when the differential pressure is generated does not concentrate on one point.
  • Second Embodiment A fuel cell A2 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fuel cell A2 is different from the membrane electrode assembly 30 and the separators 40 and 41 of the fuel cell A1 according to the first embodiment in the configuration of the membrane electrode assembly 50 and the separators 60 and 61.
  • the difference will be described, and the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the membrane electrode assembly 50 has an anode 32 joined to one surface of an electrolyte membrane 31 made of, for example, a solid polymer, a cathode 33 joined to the other surface, and the anode 32 and the cathode 33.
  • Gas diffusion layers 34 and 35 made of carbon paper or a porous material are laminated on the respective surfaces.
  • the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 50 is supported by the support portion 20 a of the frame 20.
  • the gas diffusion layer 35 on the cathode 33 side is formed longer than the gas diffusion layer 34 on the anode 32 side.
  • the gas diffusion layer 35 on the cathode 33 side protrudes outward by the same length from both ends of the cell longitudinal direction ⁇ of the gas diffusion layer 34 on the anode 32 side.
  • the separators 60 and 61 are each formed by press-molding a metal plate such as stainless steel. As shown in FIG. 8, each of the central portions of the separators 60 and 61 facing the membrane electrode assembly 50 is provided with an uneven shape. In the concavo-convex shape portion, a plurality of ridges and ridges extending continuously in parallel with the cell longitudinal direction ⁇ are formed. These ridges and ridges are alternately arranged in the cell width direction ⁇ .
  • Each ridge is in contact with the membrane electrode assembly 50 on the top surfaces 62t and 63t.
  • the ridges protruding from the central part of the separator 60 and the ridges protruding from the central part of the separator 61 are arranged to face each other across the membrane electrode assembly 50.
  • the pair of ridges arranged to face each other function as sandwiching pieces 62 and 63 that sandwich the membrane electrode assembly 50 by bringing the top surfaces 62t and 63t into contact with the membrane electrode assembly 50.
  • each recess defines a flow path for a hydrogen-containing gas or an oxygen-containing gas.
  • Manifold holes H1 to H6 are formed at both ends of the separators 60 and 61 in the cell longitudinal direction ⁇ .
  • the manifold holes H1 to H6 of the separators 60 and 61 have the same shape and size as the manifold holes H1 to H6 of the frame 20, respectively, and are formed at positions facing the manifold holes H1 to H6 of the frame 20, respectively. .
  • the positions of the sandwiching end portions 62a and 63a of the sandwiching pieces 62 and 63 of the separators 60 and 61 are shifted so as not to face each other in the stacking direction ⁇ of the fuel cell A2.
  • the length L4 of the top surface 62t of the sandwiching piece 62 of the separator 60 is set longer than the length L5 of the top surface 63t of the sandwiching piece 63 of the separator 61. That is, the length L4 along the surface direction of the membrane electrode assembly 30 between both end portions 62a of the top surface 62t of the sandwiching piece 62 is equal to the length L4 of the membrane electrode assembly 30 between both end portions 63a of the top surface 63t of the sandwiching piece 63.
  • a required interval L6 is provided between the end 62a of the sandwiching piece 62 and the end 63a of the sandwiching piece 63 in the surface direction of the membrane electrode assembly 30 (in the cell longitudinal direction ⁇ in this embodiment).
  • the sandwiching piece 62 of the separator 60 having a relatively long sandwiching length is brought into contact with the gas diffusion layer 35 and the frame 20. That is, the top surface 62t of the sandwiching piece 62 of the separator 60 is in contact with both the gas diffusion layer 35 and the support portion 20a of the frame 20, and the end portion (the sandwiching end portion) 62a of the top surface 62t of the sandwiching piece 62. Is located on the support portion 20 a of the frame 20.
  • the top surface 63 t of the sandwiching piece 63 of the separator 61 is in contact with the gas diffusion layer 35, and the end (sandwich end) 63 a of the top surface 63 t of the sandwiching piece 63 is gas diffusion of the membrane electrode assembly 50. Located on layer 35.
  • the low strength portion does not become the starting point of bending when the differential pressure is generated, and the stress generating portion is not concentrated on one point, thereby extending the life against bending fatigue. it can.
  • the membrane electrode assembly in the direction of the arrow P 3 of the load due to differential pressure 8 30 and the frame 20 are loaded. And, thereby, the center plane of the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are displaced as shown by the curve DF 3 in FIG. More specifically, the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are bent starting from the sandwiching end 63a of the sandwiching piece 63 of the separator 61, and displaced toward the separator 61 on the outer side in the cell longitudinal direction ⁇ than the sandwiching end 63a.
  • the bending moment or bending stress generated in the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 is increased in the vicinity of the sandwiching end portion 63a.
  • the pressure of the gas in the diffuser section D is higher in the separator 61 side of the separator 60 side, the load due to differential pressure load to the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 in the direction of the arrow P 4 in FIG. 8 Is done. And, thereby, the center plane of the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are displaced as shown by the curve DF 4 in FIG.
  • the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 are bent starting from the sandwiching end portion 62a of the sandwiching piece 62 of the separator 60, and displaced toward the separator 60 side outside the sandwiching end portion 62a in the cell longitudinal direction ⁇ .
  • the bending moment or bending stress generated in the membrane electrode assembly 30 and the frame 20 is increased in the vicinity of the sandwiching end portion 62a that is separated from the sandwiching end portion 63a by a distance L6 in the plane direction.
  • the stress generation location when the differential pressure is generated does not concentrate on one point.
  • the clamping end 62a of the clamping piece 62 is located on the support 20a of the frame 20, a portion where the bending moment or bending stress increases when the differential pressure is generated is a low strength portion. Can be avoided.
  • the stress acting on the frame or the membrane electrode assembly due to the differential pressure between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas can be dispersed to prevent breakage.

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Abstract

　電解質膜（３１）の一方の面にアノード（３２）を接合し、他方の面にカソード（３３）を接合した膜電極接合体（３０）と、膜電極接合体（３０）に一体的に形成された枠体（２０）と、膜電極接合体（３０）及び枠体（２０）を挟持する一対のセパレータ（４０，４１）と、を備えた燃料電池セルである。一対のセパレータ（４０，４１）には、膜電極接合体（３０）を挟持する少なくとも一対の挟持片（４２，４３）が形成されている。一対の挟持片（４２，４３）の挟持端部（４２ａ，４３ａ）の位置は、燃料電池セルの積層方向において互いに偏移させている。

Description

燃料電池セル
　本発明は、アノードとカソードに対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させることによる発電を行う燃料電池セルに関する。
　特開２００８－１７１７８３号公報は、図９に示すように、固体高分子電解質膜１の一方の面にアノード２を接合し、他方の面にカソード３を接合した膜電極接合体４を、アノード側セパレータ５とカソード側セパレータ６とにより挟持した燃料電池セルを開示している。アノード側セパレータ５には、アノード２に水素含有ガスを供給する流路が形成されており、カソード側セパレータ６には、カソード３に酸素含有ガスを供給する流路が形成されている。
　また、固体高分子電解質膜１は、第１支持部材７と第２支持部材８とによって挟持されている。第１支持部材７は、アノード側セパレータ５に一体化されており、アノード２の電極縁端より面方向の外側において、固体高分子電解質膜１に当接している。第２支持部材８は、カソード側セパレータ６に一体化されており、カソード３の電極縁端より面方向の外側にて固体高分子電解質膜１に当接している。この燃料電池セルでは、アノード側セパレータ５の周縁に凹部５ａを形成し、これにＯリング９を嵌着させてガスシールを行っている。
　ところで、上記燃料電池セルでは、燃料ガスを高圧でアノード２に供給しているため、アノード２とカソード３との間に圧力差（以下、「差圧」という。）が生じることがある。このとき、アノード２とカソード３との間に介在する固体高分子電解質膜１及び第１，２支持部材７，８は、上記差圧に起因する荷重を受けることになる。
　しかしながら、上記燃料電池セルでは、第１，２支持部材７，８の周囲に空間Ｓ１，Ｓ２が区画形成されており、また、第１，２支持部材７，８は、Ｏリング９から大きく離れて位置している。このため、上記差圧が発生する度に、固体高分子電解質膜１は、第１，２支持部材７，８とともに大きく変形することになる。
　すなわち、差圧が発生する度に生じる変形により、第１，２支持部材７，８の基端部や固体高分子電解質膜１には、曲げ応力やせん断力が繰り返し作用する。このため、上記燃料電池セルでは、この繰り返し荷重によって第１，２支持部材７，８や固体高分子電解質膜１が破損する虞がある。
　本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとの差圧に起因する応力による破損を防止できる燃料電池セルを提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、電解質膜の一方の面にアノードを接合し、他方の面にカソードを接合した膜電極接合体と、膜電極接合体に一体的に形成された枠体と、膜電極接合体及び枠体を挟持する一対のセパレータと、を備えた燃料電池セルである。一対のセパレータには、膜電極接合体を挟持する少なくとも一対の挟持片が形成されている。一対の挟持片の挟持端部の位置は、燃料電池セルの積層方向において互いに偏移させている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルを適用した燃料電池スタックの外観斜視図である。 図２は、図１の燃料電池スタックの分解斜視図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの平面図である。 図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う部分断面図である。 図６は、図４のＶＩ－ＶＩ線に沿う部分断面図である。 図７は、図５のＶＩＩ部の拡大図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池セルの図５に相当する部分断面図である。 図９は、従来の燃料電池セルの要部を示す断面図である。
　以下に、本発明を実施形態について、図面を参照して説明する。各実施形態は、いずれも本発明を車両に搭載される固体高分子電解質型燃料電池に適用した例である。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。さらに、図面の説明においては、便宜上、複数の燃料電池セルが積層される方向を積層方向α、各燃料電池セルの長手方向に平行で積層方向αに垂直な方向をセル長手方向β、方向αとβとに垂直な方向をセル幅方向γと呼ぶ。
＜第１実施形態＞
　本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルＡ１、及びこれを適用した燃料電池スタック１０について、図１～図７を参照して説明する。
　燃料電池スタック１０は、図１，２に示すように、積層方向αに積層した複数の燃料電池セルＡ１と、複数の燃料電池セルＡ１の積層方向α外側に配置された一対の集電板１３，１４と、さらにその積層方向α外側に配置された一対のエンドプレート１１，１２とを備える。一対のエンドプレート１１，１２は、締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって互いに締結され、一対のエンドプレート１１，１２の間に配置された複数の燃料電池セルＡ１等を挟圧する。なお、本実施形態においては、一方のエンドプレート１２と集電板１４との間には、スペーサ１９が設けられている。また、本実施形態では、エンドプレート１１，１２を、締結板１５，１６及び補強板１７，１７にボルト１８等により締結しているが、締結方法はこれに限るものではない。
　燃料電池セルＡ１は、図３に示すように、膜電極接合体３０とその周囲に一体的に形成した樹脂製の枠体（以下、「フレーム」という。）２０とを、一対のセパレータ４０，４１間に挟持することにより形成されている。燃料電池セルＡ１の膜電極接合体３０に対応する領域には、発電部Ｇが形成されている。
　燃料電池セルＡ１は、発電部Ｇのセル長手方向βの両外側に、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍを備えている。また、燃料電池セルＡ１は、各マニホールド部Ｍと発電部Ｇとの間の領域に、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えている。
　ディフューザ部Ｄは、フレーム２０と積層方向α両側のセパレータ４０，４１との間、つまりアノード３２側とカソード３３側とにそれぞれ形成されている。
　また、セル長手方向β一方側のマニホールド部Ｍは、マニホールド孔Ｈ１～Ｈ３を備えている。マニホールド孔Ｈ１～Ｈ３は、酸素含有ガス供給用マニホールド孔Ｈ１、冷却流体供給用マニホールド孔Ｈ２及び水素含有ガス供給用マニホールド孔Ｈ３から構成される。マニホールド孔Ｈ１～Ｈ３は、燃料電池スタック１０において、それぞれ積層方向αに延在する流路を形成する。セル長手方向β他方側のマニホールド部Ｍは、マニホールド孔Ｈ４～Ｈ６を備えている。マニホールド孔Ｈ４～Ｈ６は、水素含有ガス排出用マニホールド孔Ｈ４、冷却流体排出用マニホールド孔Ｈ５及び酸素含有ガス排出用マニホールド孔Ｈ６から構成される。マニホールド孔Ｈ４～Ｈ６は、燃料電池スタック１０において、それぞれ積層方向αに延在する流路を形成する。なお、供給用マニホールド孔と排出用マニホールド孔は一部又は全部が逆の位置関係を有していてもよい。
　膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、図７に示すように、例えば、固体高分子から成る電解質膜３１の一方の面にアノード３２を接合し、他方の面にカソード３３を接合した構造を有している。本実施形態では、アノード３２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３４が積層されている。また、本実施形態では、カソード３３の表面にもガス拡散層３４が積層されている。なお、膜電極接合体３０は、ガス拡散層３４を設けずに、電解質膜３１とアノード３２とカソード３３とから構成してもよい。膜電極接合体３０は、アノード３２に水素含有ガスを供給し、カソード３３に酸素含有ガスを供給することで、電気化学反応による発電を行う。すなわち、燃料電池セルＡ１は、アノード３２とカソード３３に対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させることで発電を行う。
　フレーム２０は、図３に示すように、例えば射出成形によって膜電極接合体３０と一体的に形成されている。本実施形態では、フレーム２０は、積層方向αから見た平面視においてセル長手方向βに長い横長長方形の形状を有している。フレーム２０の中央部分には、膜電極接合体３０が配置されている。フレーム２０は、図５に示すように、支持部２０ａによって膜電極接合体３０の外周縁を支持している。また、フレーム２０は、ほぼ一定の板厚に形成されている。
　フレーム２０におけるディフューザ部Ｄに対応する部位には、フレーム２０とこれに対向するセパレータ４０，４１とを離間させておくための円柱台形の突起２１が所要の間隔で複数突設されている。なお、突起２１の形成位置は、フレーム２０に限らない。すなわち突起２１は、セパレータ４０，４１に形成してもよく、また、フレーム２０とセパレータ４０，４１との双方に適宜高さを振り分けて形成してもよい。なお、膜電極接合体３０のセル長手方向β両端部を支持する支持部２０ａは、ディフューザ部Ｄにおける水素含有ガス又は酸素含有ガスの流路を画成している。
　セパレータ４０，４１は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形することにより形成される。図３～図６に示すように、セパレータ４０，４１における膜電極接合体３０に対向する中央部分４０ａ，４１ａには、それぞれ凹凸形状が付与されている。この凹凸形状部分では、セル長手方向βに略平行に連続して延在する複数の凸条４０ｂ，４１ｂ及び凹条４０ｃ，４１ｃが形成されている。これら凸条４０ｂ，４１ｂ及び凹条４０ｃ，４１ｃは、図６に示すように、セル幅方向γに交互に並んでいる。
　各凸条４０ｂ，４１ｂは、その頂面４２ｔ，４３ｔにおいて膜電極接合体３０に接触している。セパレータ４０の中央部分４０ａに突出形成された凸条４０ｂと、セパレータ４１の中央部分４１ａに突出形成された凸条４１ｂとは、膜電極接合体３０を挟んで互いに対向配置されている。互いに対向配置された一対の凸条４０ｂ，４１ｂは、図５に示すように、頂面４２ｔ，４３ｔを膜電極接合体３０に当接させて膜電極接合体３０を挟持する挟持片４２，４３として機能する。一方、各凹条４０ｃ，４１ｃは、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流路を画成している。
　セパレータ４０，４１のセル長手方向β両端部には、マニホールド孔Ｈ１～Ｈ６が形成されている。セパレータ４０，４１のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６は、それぞれフレーム２０のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６と同形同大であり、かつ、それぞれフレーム２０のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６と互いに対向する位置に形成されている。
　本実施形態では、セパレータ４０，４１の凸条４０ｂ，４１ｂである各挟持片４２，４３の挟持端部４２ａ，４３ａの位置を燃料電池セルＡ１の積層方向αにおいて互いに正対しないように偏移させている。「燃料電池セルＡ１の積層方向αにおいて正対しないように偏移させる」とは、フレーム２０および／または膜電極接合体３０を挟んで両側に位置する挟持片４２，４３の挟持端部４２ａ，４３ａを、積層方向αから見た平面視において互いに重なり合わないように膜電極接合体３０の面方向（積層方向αと直交する方向、例えばセル長手方向β）に位置ずれさせている状態をいう。すなわち、膜電極接合体３０を挟んで互いに対向配置された一対の挟持片４２，４３は、挟持片４２の頂面４２ｔの端部（挟持端部）４２ａの位置と、挟持片４３の頂面４３ｔの端部（挟持端部）４３ａの位置とが、互いに膜電極接合体３０の面方向にずれるように形成されている。
　換言すれば、図５において、燃料電池スタック１０の中心軸線Ｏからセル長手方向β外側に向けて延びる挟持片４２，４３の長さＬ１，Ｌ２を各々長短設定することにより、挟持片４２，４３の端部４２ａ，４３ａが積層方向αにおいて互いに対向しない位置となるようにしている。
　本実施形態では、両セパレータ４０，４１の各挟持片４２，４３の互いの挟持長を異ならせている。すなわち、セパレータ４０の挟持片４２の頂面４２ｔの長さＬ１を、セパレータ４１の挟持片４３の頂面４３ｔの長さＬ２よりも長く設定している。つまり、挟持片４２の頂面４２ｔの両端部４２ａ間の膜電極接合体３０の面方向に沿った長さＬ１は、挟持片４３の頂面４３ｔの両端部４２ａ間の膜電極接合体３０の面方向に沿った長さＬ２よりも大きい。従って、挟持片４２の端部４２ａと挟持片４３の端部４３ａとの間には、膜電極接合体３０の面方向（本実施形態ではセル長手方向β）に所要の間隔Ｌ３が設けられる。
　上記した第１実施形態に係る燃料電池セルＡ１では、両セパレータ４０，４１の各挟持片４２，４３の挟持端部４２ａ，４３ａの位置を燃料電池セルＡ１の積層方向αにおいて互いに偏移させている。このため、差圧発生時にフレーム２０あるいは膜電極接合体３０に作用する曲げ応力・せん断力を分散させることができ、これにより水素含有ガスと酸素含有ガスとの差圧に起因する応力による破損を防止できる。
　また、燃料電池セルＡ１によれば、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中することを回避できるため、曲げ疲労に対する寿命を延長することができる。
　すなわち、燃料電池セルＡ１では、例えば、ディフューザ部Ｄにおけるガスの圧力がセパレータ４１側よりもセパレータ４０側で高くなると、差圧に起因する荷重が図５の矢印Ｐ１の方向で膜電極接合体３０及びフレーム２０に負荷される。そして、これにより、膜電極接合体３０及びフレーム２０の中心面は、図５の曲線ＤＦ１で示すように変位する。より詳細には、膜電極接合体３０及びフレーム２０は、セパレータ４１の挟持片４３の挟持端部４３ａを起点として撓み、挟持端部４３ａよりもセル長手方向β外側においてセパレータ４１側に変位する。このとき、膜電極接合体３０及びフレーム２０に生じる曲げモーメント又は曲げ応力は、挟持端部４３ａ近傍において大きくなる。
　一方、例えば、ディフューザ部Ｄにおけるガスの圧力がセパレータ４０側よりもセパレータ４１側で高くなると、差圧に起因する荷重が図５の矢印Ｐ２の方向で膜電極接合体３０及びフレーム２０に負荷される。そして、これにより、膜電極接合体３０及びフレーム２０の中心面は、図５の曲線ＤＦ２で示すように変位する。より詳細には、膜電極接合体３０及びフレーム２０は、セパレータ４０の挟持片４２の挟持端部４２ａを起点として撓み、挟持端部４２ａよりもセル長手方向β外側においてセパレータ４０側に変位する。このとき、膜電極接合体３０及びフレーム２０に生じる曲げモーメント又は曲げ応力は、挟持端部４３ａから面方向に間隔Ｌ３だけ離れた挟持端部４２ａ近傍において大きくなる。
　このように、本実施形態によれば、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中しない。
＜第２実施形態＞
　本発明の第２実施形態に係る燃料電池セルＡ２について、図８を参照して説明する。なお、燃料電池セルＡ２は、膜電極接合体５０及びセパレータ６０，６１の構成が第１実施形態に係る燃料電池セルＡ１の膜電極接合体３０及びセパレータ４０，４１と相違している。以下、その相違点について説明し、第１実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　膜電極接合体５０は、図８に示すように、例えば固体高分子から成る電解質膜３１の一方の面にアノード３２を接合し、他方の面にカソード３３を接合し、さらにアノード３２とカソード３３の各表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層３４，３５がそれぞれ積層している。膜電極接合体５０の外周縁は、フレーム２０の支持部２０ａによって支持されている。
　本実施形態では、カソード３３側のガス拡散層３５がアノード３２側のガス拡散層３４よりも長尺に形成されている。カソード３３側のガス拡散層３５は、アノード３２側のガス拡散層３４のセル長手方向β両端部から外側に同じ長さだけ突出している。
　セパレータ６０，６１は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形により形成される。図８に示すように、セパレータ６０，６１の膜電極接合体５０に対向する中央部分には、それぞれ凹凸形状が付与されている。この凹凸形状部分では、セル長手方向βに略平行に連続して延在する複数の凸条及び凹条が形成されている。これら凸条及び凹条は、セル幅方向γに交互に並んでいる。
　各凸条は、その頂面６２ｔ，６３ｔにおいて膜電極接合体５０に接触している。セパレータ６０の中央部分に突出形成された凸条と、セパレータ６１の中央部分に突出形成された凸条とは、膜電極接合体５０を挟んで互いに対向配置されている。互いに対向配置された一対の凸条は、図８に示すように、頂面６２ｔ，６３ｔを膜電極接合体５０に当接させて膜電極接合体５０を挟持する挟持片６２，６３として機能する。一方、各凹条は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流路を画成する。
　セパレータ６０，６１のセル長手方向β両端部には、マニホールド孔Ｈ１～Ｈ６（図示しない）が形成されている。セパレータ６０，６１のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６は、それぞれフレーム２０のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６と同形同大であり、かつ、それぞれフレーム２０のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６と互いに対向する位置に形成されている。
　本実施形態では、セパレータ６０，６１の各挟持片６２，６３の挟持端部６２ａ，６３ａの位置を燃料電池セルＡ２の積層方向αにおいて互いに正対しないように偏移させている。また、本実施形態では、セパレータ６０の挟持片６２の頂面６２ｔの長さＬ４を、セパレータ６１の挟持片６３の頂面６３ｔの長さＬ５よりも長く設定している。つまり、挟持片６２の頂面６２ｔの両端部６２ａ間の膜電極接合体３０の面方向に沿った長さＬ４は、挟持片６３の頂面６３ｔの両端部６３ａ間の膜電極接合体３０の面方向に沿った長さＬ５よりも大きい。挟持片６２の端部６２ａと挟持片６３の端部６３ａとの間には、膜電極接合体３０の面方向（本実施形態ではセル長手方向β）に所要の間隔Ｌ６が設けられる。
　さらに、本実施形態では、挟持長が相対的に長いセパレータ６０の挟持片６２を、ガス拡散層３５とフレーム２０とに当接させている。すなわち、セパレータ６０の挟持片６２の頂面６２ｔは、ガス拡散層３５とフレーム２０の支持部２０ａとの双方に当接しており、挟持片６２の頂面６２ｔの端部（挟持端部）６２ａは、フレーム２０の支持部２０ａ上に位置している。一方、セパレータ６１の挟持片６３の頂面６３ｔは、ガス拡散層３５に当接しており、挟持片６３の頂面６３ｔの端部（挟持端部）６３ａは、膜電極接合体５０のガス拡散層３５上に位置している。
　上記した第２実施形態に係る燃料電池セルＡ２によれば、差圧発生時に強度の低い部位が曲げの起点にならず、また、応力発生箇所が一点に集中しないため、曲げ疲労に対する寿命を延命できる。
　すなわち、燃料電池セルＡ２では、例えば、ディフューザ部Ｄにおけるガスの圧力がセパレータ６１側よりもセパレータ６０側で高くなると、差圧に起因する荷重が図８の矢印Ｐ３の方向で膜電極接合体３０及びフレーム２０に負荷される。そして、これにより、膜電極接合体３０及びフレーム２０の中心面は、図８の曲線ＤＦ３で示すように変位する。より詳細には、膜電極接合体３０及びフレーム２０は、セパレータ６１の挟持片６３の挟持端部６３ａを起点として撓み、挟持端部６３ａよりもセル長手方向β外側においてセパレータ６１側に変位する。このとき、膜電極接合体３０及びフレーム２０に生じる曲げモーメント又は曲げ応力は、挟持端部６３ａ近傍において大きくなる。
　一方、例えば、ディフューザ部Ｄにおけるガスの圧力がセパレータ６０側よりもセパレータ６１側で高くなると、差圧に起因する荷重が図８の矢印Ｐ４の方向で膜電極接合体３０及びフレーム２０に負荷される。そして、これにより、膜電極接合体３０及びフレーム２０の中心面は、図８の曲線ＤＦ４で示すように変位する。より詳細には、膜電極接合体３０及びフレーム２０は、セパレータ６０の挟持片６２の挟持端部６２ａを起点として撓み、挟持端部６２ａよりもセル長手方向β外側においてセパレータ６０側に変位する。このとき、膜電極接合体３０及びフレーム２０に生じる曲げモーメント又は曲げ応力は、挟持端部６３ａから面方向に間隔Ｌ６だけ離れた挟持端部６２ａ近傍において大きくなる。
　このように、本実施形態によれば、差圧が発生したときの応力発生箇所が一点に集中しない。また、本実施形態によれば、挟持片６２の挟持端部６２ａがフレーム２０の支持部２０ａ上に位置しているため、差圧発生時に曲げモーメント又は曲げ応力が大きくなる箇所が強度の低い部位に生じることを回避することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態等で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
　本出願は、２０１１年４月７日に出願された日本国特許願第２０１１－０８５５２４号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容がここに援用される。
　本発明によれば、水素含有ガスと酸素含有ガスとの差圧に起因して枠体あるいは膜電極接合体に作用する応力を分散させて、破損を防止することができる。
　２０　　　　　　　　　　枠体（フレーム）
　３０，５０　　　　　　　膜電極接合体
　３１　　　　　　　　　　電解質膜
　３２　　　　　　　　　　アノード
　３３　　　　　　　　　　カソード
　３４，３５　　　　　　　ガス拡散層
　４０，４１、６０，６１　セパレータ
　４２，４３、６２，６３　挟持片
　４２ａ，４３ａ　　　　　挟持端部
　６２ａ，６３ａ　　　　　挟持端部
　Ａ１，Ａ２　　　　　　　燃料電池セル

Claims (3)

  1. 　電解質膜の一方の面にアノードを接合し、他方の面にカソードを接合した膜電極接合体と、
    　前記膜電極接合体に一体的に形成された枠体と、
    　前記膜電極接合体及び前記枠体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
    　前記一対のセパレータには、前記膜電極接合体を挟持する少なくとも一対の挟持片が形成されており、
    　前記一対の挟持片の挟持端部の位置を燃料電池セルの積層方向において互いに偏移させていることを特徴とする燃料電池セル。
  2. 　前記一対の挟持片は互いに異なる挟持長を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 　前記膜電極接合体は、ガス拡散層を有しており、
    　前記一対の挟持片のうちより大きな挟持長を有する挟持片は、前記ガス拡散層と前記枠体とに当接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。
    　
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