WO2013151016A1 - 燃料電池 - Google Patents

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桂太 入月
陽介 福山
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, for example.
  • a fuel cell of this type is disclosed in Patent Document 1.
  • an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are alternately stacked, and at least a reaction gas communication hole is formed through the stacking direction.
  • a plurality of first protrusions projecting toward the electrode are provided on one surface of the metal separator, and the first protrusion at the central in-plane portion of the metal separator is the other. The dimension is set to be larger than the first protrusion of the portion.
  • the in-plane distribution variation increases, so the pressure loss can be reduced by increasing the protrusion dimensions of the high-velocity part near the center of the power generation part compared to the others. It is intended to make the in-plane flow uniform.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve the distribution uniformity in the active region without reducing the flow path space through which the gas fluid flows.
  • the present invention for solving the above-described problems is achieved by sandwiching a frame body in which a membrane electrode assembly is formed between a pair of separators, so that two types of gas for power generation differ from each other on both sides of the membrane electrode assembly.
  • a plurality of conductive distribution members are arranged in the gas distribution space, and the conductive distribution members are adjacent to each other in the direction intersecting the distribution direction of the power generation gas. It arrange
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack to which a fuel cell according to a first embodiment of the present invention is applied. It is a disassembled perspective view of a fuel cell stack same as the above.
  • (A) is a front view which shows the structure of one separator of the fuel cell which concerns on 1st embodiment of this invention
  • (B) is an enlarged view of the part shown by the surrounding line I in (A).
  • FIG. 3A is a fuel cell in which one separator shown in FIG. 3A, the other separator, a support, and a membrane electrode assembly are disposed, and a cross section taken along line II-II shown in FIG. FIG. FIG.
  • FIG. 4 shows the structure of one separator of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion corresponding to FIG. 3 (B).
  • FIG. 4 is a view showing the structure of one separator of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion corresponding to the active region of FIG. (A) shows the structure of a pair of separators of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion corresponding to FIG. 3 (B),
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG. 4A, in which a pair of separators shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG. 4A, in which a pair of separators shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack to which the fuel cell according to the first embodiment of the present invention is applied
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack.
  • 3A is a front view showing the structure of one separator of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is an enlarged view of a portion indicated by an envelope I in FIG. 4 is a fuel cell in which one separator shown in FIG. 3 (A), the other separator, a support and a membrane electrode assembly are arranged, and II--shown in FIG. 3 (A). It is an enlarged view of the cross section which follows II line.
  • the fuel cell stack B is formed by stacking current collector plates 8 and 11 and a plurality of fuel cells A ⁇ b> 1 according to the first embodiment of the present invention between a pair of end plates 20 and 21.
  • the end plates 20 and 21 are fastened by the fastening plates 30 and 32 and the reinforcing plates 40 and 40 so as to sandwich the fuel cell A1.
  • the end plate 20 shown in the present embodiment is made of synthetic resin, and has a required thickness and is formed in a horizontal rectangle that is long in the horizontal direction (flow direction of power generation gas) ⁇ . In the center of the end plate 20, an electrode hole 20A for projecting the electrode 8a of the current collector plate 8 to the outside is formed.
  • the cathodes are opposed to manifold holes 60a to 60c and manifold holes 60d to 60f for supplying and discharging a hydrogen-containing gas, an oxygen-containing gas, or a cooling fluid described later.
  • An inflow side opening 20a, a cooling water inflow side opening 20b and an anode outflow side opening 20c, an anode inflow side opening 20d, a cooling water outflow side opening 20e, and a cathode outflow side opening 20f are arranged.
  • a mounting recess 22 and a mounting recess 23 for mounting fastening pieces 31, 31 of fastening plates 30, 30 to be described in detail later.
  • mounting recesses 24 and 24 for mounting locking pieces 41 and 41 of reinforcing plates 40 and 40, which will be described in detail later.
  • the end plate 21 has the same shape and size as the above-described end plate 20, and has an electrode hole 21 ⁇ / b> A formed at the center thereof, and a recess 22 formed in the above-described end plate 20 at each edge.
  • symbol same as them is attached
  • subjected and description is abbreviate
  • the fastening plate 30 is formed in a horizontal rectangle in a plan view, and fastening pieces 31 and 31 having a predetermined length and a certain width are bent downward in the figure on the edges 30a and 30b. Yes.
  • the fastening plate 32 is formed in the same horizontal rectangle as the fastening plate 30, and fastening pieces 31 and 31 having a predetermined length and a constant width are bent upward at the edges of the fastening plate 32. ing.
  • the reinforcing plate 40 is for preventing the plurality of fuel cells A1 stacked on each other from being bent, and is formed in a horizontal rectangle in a side view.
  • the upper and lower edges in the figure are constant over the entire length of these edges.
  • the fastening pieces 41, 41 for locking are formed with a width of.
  • 9 is a bolt and 10 is a spacer.
  • gas flow spaces ⁇ and ⁇ for flowing two kinds of power generation gases are formed on both sides of the membrane electrode assembly 50 disposed on the frame 60, respectively.
  • a pair of separators 70 and 70 are arranged.
  • “Two types of power generation gas” are a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas.
  • the frame 60 is made of resin, and in the present embodiment, the frame 60 is formed in a lateral rectangle in a front view as viewed from the stacking direction ⁇ (see FIG. 2) of the fuel cell A1 and with a substantially constant plate thickness.
  • the membrane electrode assembly 50 is arranged at the center portion of this.
  • the membrane electrode assembly 50 is also referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly), and is formed by laminating an electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer and a catalyst layer such as a platinum-supported catalyst.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the support bodies 80 and 80 are inserted between the separators 70 and 70 and the membrane electrode assembly 50, respectively.
  • the supports 80, 80 are made of a metal made of a conductive porous base material having a bending rigidity larger than that of the membrane electrode assembly 50 and having the same thickness as each other. Adopted. By adopting a metal material, even if the arrangement pitch of the conductive flow distribution members 71 is increased, it is possible to withstand the lamination load.
  • the electrical conductivity in the in-plane direction can be improved. Further, tenting due to the gas differential pressure can be prevented, and it can be applied regardless of which side the differential pressure acts on.
  • the membrane electrode assembly 50 is located near the entire bending neutral plane of the support 80 and the membrane electrode assembly 50 (the position where the bending stress is “0”). The bending stress of the membrane electrode assembly 50 can be relaxed.
  • the support 80 is not limited to the above-described wire mesh, and other non-conductive porous substrates may be used as long as the surface is covered with metal. Specific examples include a metal wire net, a perforated plate, a punching metal, an expanded metal, and the like, and a resin net subjected to metal plating.
  • manifold holes 60a to 60c for supplying and discharging a hydrogen-containing gas, an oxygen-containing gas, or a cooling fluid are formed on both sides of the membrane electrode assembly 50 in the frame 60. Are not shown), and manifold holes 60d to 60f are formed.
  • the manifold holes 60a to 60c are for supplying a hydrogen-containing gas, discharging a cooling fluid, and discharging an oxygen-containing gas, respectively.
  • the manifold holes 60d to 60f are for oxygen-containing gas supply, cooling fluid supply, and hydrogen-containing gas discharge.
  • Each of the separators 70 and 70 is formed by press-molding a metal plate such as stainless steel, and is a horizontal rectangle having the same shape and the same size as the frame 60.
  • equivalent manifold holes 70a to 70c and 70d to 70f are formed at positions facing the manifold holes 60a to 60c and 60d to 60f.
  • a diffuser portion 75 which is a flow region for oxygen-containing gas or hydrogen-containing gas, is formed from the manifold holes 70 c, 70 d to the active region 76 (region facing the membrane electrode assembly 50). ing.
  • a plurality of conductive flow distribution members 71 in which a portion facing the membrane electrode assembly 50 (active region 76) is processed into an uneven shape are integrally formed on the substrate 72 in the separator 70.
  • Each conductive flow distribution member 71 distributes the power generation gas flowing in the gas flow space ⁇ , and projects from the inner surface side of each separator 70, in other words, the inner surface facing the membrane electrode assembly 50. In this embodiment, it is formed in a hollow cylindrical shape.
  • the conductive flow distribution member 71 shown in the present embodiment has an arrangement pitch in the flow direction ⁇ that is greater than the arrangement pitch in the direction ⁇ that intersects the flow direction ⁇ of the power generation gas (the distance between the centers of the adjacent conductive flow distribution members). Arranged to be larger. That is, in the direction ⁇ that intersects the flow direction ⁇ of the power generation gas, the adjacent conductive flow distribution members 71, 71 in the flow direction ⁇ of the power generation gas, rather than the interval W1 between the adjacent conductive flow distribution members 71, 71. The interval L1 between them is increased. Further, as shown in FIG.
  • the conductive flow distribution member 71 and the support 80 are arranged so as to receive a bending moment between the conductive flow distribution members 71 and 71 arranged in both gas flow spaces ⁇ and ⁇ . .
  • the center lines O1 and O2 are arranged at a constant pitch.
  • the “active region” is a region facing the membrane electrode assembly 50.
  • the conductive flow distribution members 71 arranged on the respective center lines O1 and O2 have a “flow path ratio in the flow direction ⁇ ” larger than the “flow path ratio in the cross direction ⁇ ”.
  • the “flow rate ratio in the intersecting direction ⁇ ” is obtained by (total value of the interval W1 between the adjacent conductive flow distribution members 71 on the center line O2) / (full width W).
  • the “flow passage ratio in the flow direction ⁇ ” can be obtained by (total value of the distance L1 between the adjacent conductive flow distribution members 71 and 71 on the center line O1) / (length L).
  • the conductive rectifying member 71 shown in the present embodiment has been described as an example of a hollow cylindrical shape, but is not limited to that shape, and may be an elliptical shape or an uneven polygonal shape in plan view. Good.
  • a convex conductive member (metal material, resin material, porous body, etc.) is joined to the separators 70, 70. It may be a thing.
  • the flow direction of the gas for power generation can be freely set such that the gas flow spaces ⁇ and ⁇ are parallel to each other, perpendicular, oblique, or the like.
  • the pressure loss in the active region may be larger than the pressure loss in the diffuser portions 75 and 75.
  • the interval W1 between the adjacent conductive flow distribution members 71, 71 is defined as the interval W1 between the adjacent conductive flow distribution members 71, 71 in the flow direction ⁇ of the power generation gas. If it is smaller than L1, the pressure loss increases with respect to the flow direction ⁇ , and the power generation gas diffuses in the direction ⁇ intersecting the flow direction ⁇ . For this reason, the distribution uniformity of the power generation gas can be improved in the active region 76. On the other hand, since the interval L1 is larger than the interval W1, the flow path space through which the gas fluid flows does not decrease.
  • the conductive flow distribution members 71 are arranged at a constant pitch on each of the center lines O1 and O2, but may not be constant.
  • the distance W1 and the distance L1 between the adjacent conductive flow distribution members 71 and 71 are not constant.
  • the pressure loss is determined at the largest distance, the largest distance W1 and the distance L1 satisfy the distance W1 ⁇ the distance L1. It is enough to satisfy the relationship. Further, by making the pressure loss in the active region larger than the pressure loss in the diffuser portion, it is possible to efficiently diffuse the power generation gas in the diffuser portion and improve the distribution uniformity in the active region.
  • FIG. 5 shows the structure of one separator of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion corresponding to FIG. 3 (B).
  • symbol same as them is attached
  • the fuel cell A2 according to the second embodiment of the present invention has a configuration in which the conductive flow distribution members 71 are arranged in a staggered manner. That is, the conductive flow distribution members 71 arranged on the adjacent center lines O2 and O2 are located on the center line O3 that is shifted from the center line O1 by the width W2.
  • FIG. 6 shows the structure of one separator of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion corresponding to the active region 76 in FIG.
  • the conductive flow distribution members 71a to 71c are formed as shown by O2a, O2b, and O2c rows in FIG. That is, the conductive flow distribution member 71b with the interval W1 gradually increased from the conductive flow distribution member 71a with the interval W1 set smaller from the O2a column on the end side where the power generation gas flows into the O2b column at the center. I have to.
  • the electroconductive flow distribution member shown by 71d in a figure is a thing of the width dimension between the electroconductive flow distribution member 71a and the electroconductive flow distribution member 71b.
  • the conductive flow distribution member 71c having a gradually smaller interval W1 is obtained from the conductive flow distribution member 71b having a larger interval W1 from the central O2b row to the O2c row on the end side where the power generation gas flows out.
  • the interval W1 is set to increase or decrease by adjusting the width W3 in the direction along the center line O2 of the conductive flow distribution member.
  • the distribution uniformity in the active region is improved by reducing the interval and increasing the pressure loss as the diffuser portion having a large distribution variation is approached.
  • the interval may be adjusted by adjusting the pitch interval of the conductive flow distribution member in addition to the ovalization as described above.
  • the dotted line portion shown in FIG. 6 indicates that the conductive flow distribution member is continuously formed here, and also in this embodiment, the interval W1 is set smaller than the interval L1. ing.
  • FIG. 7 (A) and 8 (A) show the structure of a pair of separators of fuel cells according to the fourth and fifth embodiments of the present invention (one separator is indicated by a dotted line).
  • (A) is an enlarged view of a portion corresponding to FIG. 3 (B) in the pair of separators of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention, and (B) is a pair of separators shown in (A).
  • FIG. 3 is a fuel cell in which a support and a membrane electrode assembly are disposed, and is a cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG.
  • FIG. 8A is an enlarged view of a portion corresponding to FIG.
  • FIG. 3B in the pair of separators of the fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line III-III shown in (A), which is a fuel cell in which a pair of separators, a support, and a membrane electrode assembly are disposed.
  • A a fuel cell in which a pair of separators, a support, and a membrane electrode assembly are disposed.
  • the conductive flow distribution members 71 arranged in the intersecting direction ⁇ are used for the power generation.
  • the conductive flow distribution members 71 and 71 located on the same center line O2 intersecting the gas flow direction ⁇ and arranged in both gas flow spaces ⁇ and ⁇ are arranged in the flow direction ⁇ of the power generation gas.
  • the configuration is relatively offset.
  • the conductive flow distribution member 71 arranged in the gas flow space ⁇ on the upper cathode side in the drawing and the conductive flow distribution member 71 arranged in the gas flow space ⁇ on the lower anode side in the drawing are centered by the required distance L2. They are separated on the line O1.
  • the conductive flow distribution member 71 arranged in the upper gas flow space ⁇ on the cathode side and the conductive flow distribution member 71 arranged in the lower gas flow space ⁇ on the anode side do not overlap. It is arranged as follows.
  • the support 80 in this embodiment uses a woven or knitted net having a bending (tensile) strength of 10 MPa or more, a net in which wires are fixed, a perforated plate, an expanded metal, or the like.
  • the following effects can be obtained. Since the portion where the compressive force of the conductive flow distribution member 71 acts on the membrane electrode assembly 50 is dispersed when a stacking load is applied, the contact surface pressure between the support and the membrane electrode assembly 50 over the entire active region, the membrane electrode assembly 50 The variation in the compression surface pressure can be reduced. Thereby, the contact resistance between each member can be reduced and the bulk resistance of the membrane electrode assembly 50 can be reduced, and the electric resistance of the fuel cell can be reduced. In addition, as described above, by arranging a support having high strength, it is possible to withstand the lamination load even if the arrangement pitch of the conductive flow distribution members 71 is widened.
  • the conductive flow distribution members 71 may be arranged so that the relative displacement in the flow direction ⁇ of the power generation gas between the conductive flow distribution members 71 arranged in both gas flow spaces ⁇ and ⁇ is maximized. .
  • the maximum bending moment acts at a point where the load point is shifted by a half pitch, the effect of uniforming the surface pressure is the highest over the entire active region.
  • the fuel cell A5 has an arrangement pitch P1 / contact width D1 of the conductive flow distribution member 71 in the flow direction ⁇ of the power generation gas of 2 or more. It is. According to this configuration, by setting the strength of the support 80 as large as allowed, the flow passage occupation ratio in the fuel cell also increases, and the power generation performance can be improved.
  • the arrangement pitch / short contact width is set to 2 or more.
  • each configuration described in each of the above embodiments is not limited to being applied only to each of the above embodiments, and the configuration described in one embodiment is not limited to other embodiments. It can be applied mutatis mutandis or applied to the form, and can be arbitrarily combined.
  • Membrane electrode assembly 60 Frame body 61, 62 Diffuser portion 70 Separator 71 Conductive flow distribution member 80 Supports A1 to A5 Fuel cell ⁇ Flow direction of gas for power generation ⁇ Cross direction ⁇ Gas flow space

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Abstract

　本発明は、膜電極接合体５０を形成した枠体６０を一対のセパレータ７０，７０間に挟持することにより、その膜電極接合体５０の両面側に互いに異なる二種類の発電用ガスのガス流通空間ε，εをそれぞれ区画形成した燃料電池において、ガス流通空間ε，ε内に複数の導電性配流部材７１を配列し、導電性配流部材７１は、発電用ガスの流通方向に交差する方向γにおいて、隣り合う導電性配流部材同士の間隔Ｗ１よりも、発電用ガスの流通方向αにおいて、隣り合う導電性配流部材同士の間隔Ｌ１が大きくなるように配列している。

Description

燃料電池
　本発明は、例えば固体高分子型の燃料電池に関する。
　この種の燃料電池として、特許文献１に開示されたものがある。
　特許文献１に開示された燃料電池は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、金属セパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されたものであり、その金属セパレータの一方の面には、該電極に向かって突出する複数の第１突起部が設けられ、上記金属セパレータの面内中央部分の前記第１突起部は、他の部分の前記第１突起部よりも大きな寸法に設定されたものである。
　すなわち、突起部が均等に配置された流路の場合、面内配流バラツキが大きくなるため、発電部中央付近の流速の速い部分の突起部寸法を、他に比べて大きくすることで圧力損失を上げ、面内の配流を均一化しようとしたものである。
日本国特開２００５－１９０７１０号公報
　しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池は、突起部寸法を大きくすると、配流は良くなる代わりに、ガス流体が流れる流路空間が減少するため、発電に寄与する電極面積が低下して、セル電圧が低下するという課題がある。
　そこで本発明は、ガス流体が流れる流路空間を減少させることなく、アクティブ領域における配流均一性を高められる燃料電池の提供を目的としている。
　上記課題を解決するための本発明は、膜電極接合体を形成した枠体を一対のセパレータ間に挟持することにより、その膜電極接合体の両面側に互いに異なる二種類の発電用ガスのガス流通空間をそれぞれ区画形成した燃料電池において、ガス流通空間内に複数の導電性配流部材を配列し、導電性配流部材は、発電用ガスの流通方向に交差する方向において、隣り合う導電性配流部材同士の間隔よりも、発電用ガスの流通方向において、隣り合う導電性配流部材同士の間隔が大きくなるように配列している。
　本発明によれば、ガス流体が流れる流路空間を減少させることなく、アクティブ領域における配流均一性を高めることができる。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を適用した燃料電池スタックの斜視図である。 同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。 （Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。 図３（Ａ）に示す一方のセパレータと、もう一方のセパレータと支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、図３（Ａ）に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う断面の拡大図である。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図である。 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ａ）のアクティブ領域に相当する部分の拡大図である。 （Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池の一対のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す一対のセパレータと、支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、（Ａ）に示すＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う断面図である。 （Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の一対のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す一対のセパレータと、支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、（Ａ）に示すＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う断面図である。
　以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を適用した燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図である。また、図３（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示す正面図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図、図４は、図３（Ａ）に示す一方のセパレータと、もう一方のセパレータと支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、図３（Ａ）に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う断面の拡大図である。
　燃料電池スタックＢは、図１，２に示すように、一対のエンドプレート２０，２１間に、集電板８，１１及び本発明の第一の実施形態に係る複数の燃料電池Ａ１を積層させ、かつ、それらのエンドプレート２０，２１により、上記燃料電池Ａ１どうしを挟圧するようにして締結板３０，３２及び補強板４０，４０によって締結したものである。
　本実施形態において示すエンドプレート２０は合成樹脂製のものであり、それは、所要の厚みを有し、かつ、水平方向（発電用ガスの流通方向）αに長い横長方形にして形成されている。
　このエンドプレート２０の中心には、集電板８の電極８ａを外部に突出させるための電極孔２０Ａが形成されている。
　また、上記水平方向αにおける両側部には、後述する水素含有ガス、酸素含有ガス、又は冷却流体の供給・排出を行うためのマニホールド孔６０ａ～６０ｃ、マニホールド孔６０ｄ～６０ｆに対向して、カソード流入側開口２０ａ，冷却水流入側開口２０ｂ及びアノード流出側開口２０ｃ、及びアノード流入側開口２０ｄ，冷却水流出側開口２０ｅ及びカソード流出側開口２０ｆが配列形成されている。
　エンドプレート２０の上辺縁２０ｇと下辺縁２０ｈには、詳細を後述する締結板３０，３０の締結用係止片３１，３１を取り付けるための取付け凹部２２と取付け凹部２３とが形成されている。
　エンドプレート２０の上記した水平方向αにおける辺縁２０ｉ，２０ｊには、詳細を後述する補強板４０，４０の係止片４１，４１を取り付けるための取付け凹部２４，２４が形成されている。
　エンドプレート２１は、上記したエンドプレート２０と同形同大にし、かつ、その中心に電極孔２１Ａを形成しているとともに、各辺縁には、上記したエンドプレート２０に形成している凹部２２～２４と同じ凹部（図示しない）を形成している。なお、上述したエンドプレート２０につ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。
　締結板３０は、平面視において横長方形に形成されており、辺縁３０ａ，３０ｂには、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３１，３１が図示下向きに折曲形成されている。
　締結板３２は、上記締結板３０と同じ横長方形に形成されているとともに、辺縁には、所要の長さと一定の幅にした締結用係止片３１，３１が図示上向きに折曲形成されている。
　補強板４０は、互いに積層した複数の燃料電池Ａ１の撓みを防止するためのものであり、側面視において横長方形に形成されており、図示上下辺縁には、これらの辺縁の全長にわたり一定の幅にして係止用締結片４１，４１が形成されている。
　なお、図１，２において示す９はボルト、１０はスペーサである。
　本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１は、フレーム６０に配した膜電極接合体５０の両側に、二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通空間ε，εをそれぞれ形成するようにして一対のセパレータ７０，７０（図２～３参照）を配設した構成のものである。
　「二種類の発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。
　フレーム６０は樹脂製のものであり、本実施形態においては、燃料電池Ａ１の積層方向β（図２参照）から見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成されたものであり、これの中央部分に膜電極接合体５０を配置している。
　膜電極接合体５０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜を、例えば白金担持触媒等の触媒層を積層したものである。
　また、本実施形態においては、セパレータ７０，７０と膜電極接合体５０との間に、それぞれ支持体８０，８０（図４参照）を介挿している。
　支持体８０，８０は、膜電極接合体５０よりも大きな曲げ剛性を有し、かつ、互いに同じ厚みにした導電性多孔質基材からなる金属製のものであり、本実施形態においては金網を採用している。金属製のものを採用することにより、導電性配流部材７１の配列ピッチを広げても積層荷重に耐えることができる。
　支持体８０の曲げ剛性が高いほど、膜電極接合体５０への面圧を均一化することができるとともに、膜電極接合体５０の両側に支持体８０が配設されているため、燃料電池内部での面内方向の電気伝導性を向上させられる。また、ガス差圧によるテンティングを防止することができ、どちら側に差圧が作用しても適応することができる。
　また、支持体８０，８０を互いに同じ厚みに形成することにより、膜電極接合体５０が支持体８０と膜電極接合体５０との全体の曲げ中立面近傍（曲げ応力が「０」の位置）に配置されることにより、膜電極接合体５０の曲げ応力を緩和することができる。
　なお、支持体８０としては、上記金網に限らず表面が金属で被覆されていれば、他の非導電性多孔質基材を用いてもよい。
　具体例としては、金属製の金網、多孔プレート、パンチングメタル、エキスパンドメタル等とともに、樹脂網に金属メッキを施したものを例として挙げることができる。
　フレーム６０であって上記膜電極接合体５０の両側部には、図２に示すように、水素含有ガス、酸素含有ガス、又は冷却流体の供給・排出を行うためのマニホールド孔６０ａ～６０ｃ（６０ｃは図示しない）、マニホールド孔６０ｄ～６０ｆが形成されている。
　マニホールド孔６０ａ～６０ｃは、それぞれ水素含有ガス供給用、冷却流体排出用及び酸素含有ガス排出用のものである。
　マニホールド孔６０ｄ～６０ｆは、酸素含有ガス供給用、冷却流体供給用及び水素含有ガス排出用のものである。
　セパレータ７０，７０は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記フレーム６０と同形同大の横長方形のものである。
　各セパレータ７０の両端部には、上記したマニホールド孔６０ａ～６０ｃ，６０ｄ～６０ｆに対向する位置に、同等のマニホールド孔７０ａ～７０ｃ，７０ｄ～７０ｆが形成されている。
　セパレータ７０，７０の表面側には、マニホールド孔７０ｃ，７０ｄからアクティブ領域７６（膜電極接合体５０に対向する領域）にかけて、酸素含有ガス又は水素含有ガスの流通領域であるディフューザ部７５が形成されている。
　また、図４に示すように、セパレータ７０には、膜電極接合体５０に対向する部分（アクティブ領域７６）を凹凸形状に加工した複数の導電性配流部材７１が基板７２に一体に形成されている。
　各導電性配流部材７１は、ガス流通空間ε内を流通する発電用ガスを配流するためのものであり、各セパレータ７０の内面側、換言すると、膜電極接合体５０に対向する内面に突設されており、本実施形態においては、中空円柱形に形成されている。
　本実施形態に示す導電性配流部材７１は、発電用ガスの流通方向αに交差する方向γの配列ピッチ（隣り合う導電性配流部材の中心間距離）よりも、当該流通方向αの配列ピッチが大きくなるように配列している。すなわち、発電用ガスの流通方向αに交差する方向γにおいて、隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｗ１よりも、発電用ガスの流通方向αにおいて、隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｌ１を大きくしている。
　また、図４に示すように、導電性配流部材７１と支持体８０とを、両ガス流通空間ε，εに配列した導電性配流部材７１，７１間で曲げモーメントを受けるように配列している。
　具体的には、図３に示すように、発電用ガスの流通方向αと平行な中心線Ｏ１、これに交差する交差方向γと平行な中心線Ｏ２上に、それら各中心線Ｏ１，Ｏ２上においてそれぞれ一定のピッチにして配列されている。
　両ガス流通空間ε，εの導電性配流部材７１を、中心線Ｏ１上において一定のピッチにして配列することにより、アクティブ領域において、曲げモーメントの分布（面圧分布）を均等化することができる。
　「アクティブ領域」は、膜電極接合体５０に対向する領域のことである。
　上記各中心線Ｏ１，Ｏ２上にそれぞれ配列した導電性配流部材７１は、「上記交差方向γの流路比率」よりも「流通方向αの流路比率」を大きくしている。
　「交差方向γの流路比率」は、（中心線Ｏ２上の隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｗ１の合計値）／（全幅Ｗ）で求められる。
　「流通方向αの流路比率」は、（中心線Ｏ１上の隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｌ１の合計値）／（長さＬ）で求めることができる。
　本実施形態において示す上記導電性整流部材７１は、中空円柱形のものを例として説明したが、その形状に限るものではなく、平面視において楕円形のものや凹凸多角形のものであってもよい。
　導電性配流部材７１としては、上記したセパレータ７０，７０にエンボス加工したものの他、それらのセパレータ７０，７０に凸形状の導電性部材（金属材、樹脂材、多孔体等）を接合した形態のものであってもよい。
・発電用ガスの流通方向は、両ガス流通空間ε，εにおいて互いに並行、直行、斜め等、自由に設定することができる。
・アクティブ領域における圧力損失をディフューザ部７５，７５における圧力損失よりも大きくするとよい。
　上記の構成からなる燃料電池によれば、次の効果を得ることができる。
　発電用ガスの流通方向αに交差する方向γにおいて、隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｗ１を、発電用ガスの流通方向αにおいて、隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｌ１より小さくすると、発電用ガスは流通方向αに対して圧力損失が上がり、流通方向αに交差する方向γへ拡散する。このため、アクティブ領域７６において発電用ガスの配流均一性を高められる。一方で、間隔Ｌ１は間隔Ｗ１より大きいので、ガス流体が流れる流路空間が減少することはない。
　なお、本実施形態では、導電性配流部材７１は、各中心線Ｏ１，Ｏ２上においてそれぞれ一定のピッチで配列されているが、一定でなくても構わない。この場合、隣り合う導電性配流部材７１，７１同士の間隔Ｗ１、間隔Ｌ１も一定でなくなるが、間隔が最も大きいところで圧力損失が決まるため、最も大きい間隔Ｗ１、間隔Ｌ１が間隔Ｗ１＜間隔Ｌ１の関係を満たすようにすればよい。
　また、ディフューザ部における圧力損失よりも、アクティブ領域における圧力損失を大きくすることにより、ディフューザ部において発電用ガスを効率よく拡散させ、アクティブ領域での配流均一性を高めることができる。
　図５は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図である。なお、上述した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。
　本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２は、導電性配流部材７１を千鳥状に配列した構成のものである。
　すなわち、隣り合う中心線Ｏ２，Ｏ２上に配列されている導電性配流部材７１どうしが、中心線Ｏ１から幅Ｗ２だけずれた中心線Ｏ３上に位置している。
　図６は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の一方のセパレータの構造を示すものであり、図３（Ａ）のアクティブ領域７６に相当する部分の拡大図である。本発明の第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３は、導電性配流部材７１ａ～７１ｃが、図６にＯ２ａ，Ｏ２ｂ，Ｏ２ｃ列で示すように形成されているものである。
　すなわち、発電用ガスが流入する端部側のＯ２ａ列から中央部位のＯ２ｂ列にかけて、間隔Ｗ１を小さく設定した導電性配流部材７１ａから、間隔Ｗ１を次第に大きく設定した導電性配流部材７１ｂとなるようにしている。
　なお、図中７１ｄで示す導電性配流部材は、導電性配流部材７１ａと導電性配流部材７１ｂの間の幅寸法のものである。
　また、中央部位のＯ２ｂ列から発電用ガスが流出する端部側のＯ２ｃ列にかけて、間隔Ｗ１を大きく設定した導電性配流部材７１ｂから、間隔Ｗ１を次第に小さく設定した導電性配流部材７１ｃとなるようにしている。
　本実施形態においては、導電性配流部材の中心線Ｏ２に沿う方向の幅Ｗ３を広狭調整することにより、間隔Ｗ１の増減設定をしている。
　換言すると、配流バラツキの大きいディフューザ部に近づくほど間隔を小さくして圧力損失を高めることにより、アクティブ領域内の配流均一性を高めている。間隔の調整は上記したように楕円化することの他、導電性配流部材のピッチ間隔の調整をするようにしてもよい。
　なお、図６に示した点線部は、ここにも導電性配流部材が連続的に形成されていることを表しており、また、本実施形態においても、間隔Ｗ１は間隔Ｌ１よりも小さく設定されている。
　図７（Ａ），８（Ａ）は、本発明の第四，第五の実施形態に係る燃料電池の一対のセパレータの構造を示すものであり（一方のセパレータは点線で示す）、図７（Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池の一対のセパレータにおいて、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す一対のセパレータと、支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、（Ａ）に示すＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う断面図である。また、図８（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の一対のセパレータにおいて、図３（Ｂ）に相当する部分の拡大図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す一対のセパレータと、支持体と膜電極接合体とを配設させた燃料電池であって、（Ａ）に示すＩＩＩ‐ＩＩＩに沿う断面図である。
　なお、上述した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。
　図７に示すように、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池Ａ４は、両ガス流通空間ε，εにおいて、上記した交差方向βに配列された導電性配流部材７１が、当該発電用ガスの流通方向αに交差した同一中心線Ｏ２上に位置しているとともに、両ガス流通空間ε，εに配列されている導電性配流部材７１，７１どうしを、発電用ガスの流通方向αにおいて相対的にオフセットした構成のものである。
　すなわち、図示上側のカソード側のガス流通空間εに配列した導電性配流部材７１と、図示下側のアノード側のガス流通空間εに配列した導電性配流部材７１とを、所要の距離Ｌ２だけ中心線Ｏ１上において離間させている。
　換言すると、平面視において、図示上側のカソード側のガス流通空間εに配列した導電性配流部材７１と、図示下側のアノード側のガス流通空間εに配列した導電性配流部材７１とが重ならないように配列している。
　本実施形態における支持体８０は、曲げ（引張り）強度１０ＭＰａ以上の織ったり編んだりした網、線材どうしを固定させた網、多孔プレート、エキスパンドメタル等を用いている。
　この構成によれば、次の効果を得ることができる。
　積層荷重付与時に導電性配流部材７１の圧縮力が膜電極接合体５０に作用する箇所が分散するため、アクティブ領域全面において支持体と膜電極接合体５０との接触面圧、膜電極接合体５０の圧縮面圧のバラツキを小さくすることができる。
　これにより、各部材間の接触抵抗の低下や、膜電極接合体５０のバルク抵抗の低下が可能となり、燃料電池の電気抵抗の低減を図ることができる。
　また、上記したように、強度の高い支持体を配置することにより、導電性配流部材７１の配列ピッチを広げても積層荷重に耐えることができる。
　また、両ガス流通空間ε，εに配列した導電性配流部材７１どうしの発電用ガスの流通方向αにおける相対的なズレ量が最大になるように、それらの導電性配流部材７１を配列するとよい。
　この場合、荷重点が半ピッチずれた点に最大曲げモーメントが働くため、アクティブ領域全面において、面圧均一化の効果が最も高くなる。
　図８に示すように、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池Ａ５は、発電用ガスの流通方向αにおける導電性配流部材７１の配設ピッチＰ１／接触幅Ｄ１を２以上にしたものである。
　この構成によれば、支持体８０の強度が許す限り大きく設定することで、燃料電池内で流路占有率も大きくなり、発電性能を向上させることができる。
　なお、導電性配流部材７１を楕円形に形成している場合には、配列ピッチ/短手接触幅が２以上にする。
・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
５０　　　　　膜電極接合体
６０　　　　　枠体
６１，６２　　ディフューザ部
７０　　　　　セパレータ
７１　　　　　導電性配流部材
８０　　　　　支持体
Ａ１～Ａ５　　燃料電池
α　　　　　　発電用ガスの流通方向
β　　　　　　交差方向
ε　　　　　　ガス流通空間

Claims (10)

  1. 　膜電極接合体を形成した枠体を一対のセパレータ間に挟持することにより、その膜電極接合体の両面側に互いに異なる二種類の発電用ガスのガス流通空間をそれぞれ区画形成した燃料電池において、
    　ガス流通空間内に複数の導電性配流部材を配列し、導電性配流部材は、発電用ガスの流通方向に交差する方向において、隣り合う導電性配流部材同士の間隔よりも、発電用ガスの流通方向において、隣り合う導電性配流部材同士の間隔が大きくなるように配列していることを特徴とする燃料電池。
  2. 　上記導電性配流部材は、発電用ガスの流通方向に交差する方向の配列ピッチよりも、当該流通方向の配列ピッチが大きくなるように配列している請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　両ガス流通空間の少なくとも一方には、膜電極接合体と導電性配流部材との間に導電性多孔質基材からなる支持体が配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 　両ガス流通空間において、発電用ガスの流通方向と交差する方向に配列された導電性配流部材は、当該発電用ガスの流通方向に交差した同一中心線上に位置し、両ガス流通空間に配列されている導電性配流部材どうしは、発電用ガスの流通方向において相対的にオフセットしている請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池。
  5. 　膜電極接合体よりも大きな曲げ剛性を有する支持体を、両ガス流通空間にそれぞれ配置している請求項３又は４に記載の燃料電池。
  6. 　両ガス流通空間に配列した導電性配流部材を、発電用ガスの流通方向における配列ピッチを同一に設定している請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 　支持体が金属製である請求項３～６のいずれか１項に記載の燃料電池。
  8. 　発電用ガスの流通方向における導電性配流部材の配設ピッチ／接触幅が２以上である請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池。
  9. 　両ガス流通空間に配置した支持体の厚みを同一に設定している請求項３～８のいずれか１項に記載の燃料電池。
  10. 　両ガス流通空間に配列した導電性配流部材どうしの発電用ガスの流通方向における相対的なズレ量が最大になるように、それらの導電性配流部材を配列している請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池セル構造。
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