JP2024065633A

JP2024065633A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2024065633A
Application number: JP2022174605A
Authority: JP
Inventors: 順朗野々山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-05-15

Abstract

【課題】フレーム部材のガス流路内へのたわみ込みを抑制し、低圧損となる燃料電池を提供する。【解決手段】発電要素と、発電要素の周囲に配置されたフレーム部材と、発電要素とフレーム部材とを挟持するようにフレーム部材に積層された一対のセパレータと、を有する発電単位セルが積層されてなる燃料電池であって、一対のセパレータの少なくとも一方には、発電要素にガスを供給する流路を有し、流路を積層方向に直行する方向に挟むように、一対のセパレータに段差部が形成されていることを特徴とする燃料電池。【選択図】図３[Problem] To provide a fuel cell that suppresses bending of a frame member into a gas flow path and has low pressure loss. [Solution] The fuel cell is formed by stacking power generation unit cells, each having a power generation element, a frame member arranged around the power generation element, and a pair of separators stacked on the frame member so as to sandwich the power generation element and the frame member, and is characterized in that at least one of the pair of separators has a flow path that supplies gas to the power generation element, and a step portion is formed in the pair of separators so as to sandwich the flow path in a direction perpendicular to the stacking direction. [Selected Figure] Figure 3

Description

本開示は、燃料電池に関する。 This disclosure relates to fuel cells.

燃料電池（ＦＣ）について様々な研究がなされている。
例えば特許文献１には、ガス導入出部に凸部を配置し、セル厚みを小さく、流路の断面積を大きくすることで低圧損となる燃料電池が開示されている。 Various researches are being conducted on fuel cells (FC).
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a protrusion is disposed at a gas inlet/outlet portion, the cell thickness is reduced, and the cross-sectional area of the flow passage is increased, thereby achieving low pressure loss.

特開２０２２－８２００１号公報JP 2022-82001 A

しかしながら、従来技術では燃料電池の発電単位セルにおいて、フレーム部材がたわみ、ガス流路内に入り込むことで、ガス流路が狭くなり圧損が増加するという問題があった。 However, in conventional technology, there was a problem in that the frame members of the power generation unit cells of the fuel cell would bend and enter the gas flow path, narrowing the gas flow path and increasing pressure loss.

本開示は上記実情に鑑みてなされたものであり、フレーム部材のガス流路内へのたわみ込みを抑制し、低圧損となる燃料電池を提供する。 This disclosure was made in consideration of the above situation, and provides a fuel cell that suppresses bending of the frame member into the gas flow path and achieves low pressure loss.

本願は、発電要素と、発電要素の周囲に配置されたフレーム部材と、発電要素とフレーム部材とを挟持するようにフレーム部材に積層された一対のセパレータと、を有する発電単位セルが積層されてなる燃料電池であって、一対のセパレータの少なくとも一方には、発電要素にガスを供給する流路を有し、流路を積層方向に直行する方向に挟むように、一対のセパレータに段差部が形成されていることを特徴とする燃料電池を開示する。 This application discloses a fuel cell in which power generation unit cells are stacked, each having a power generation element, a frame member arranged around the power generation element, and a pair of separators stacked on the frame member so as to sandwich the power generation element and the frame member, and at least one of the pair of separators has a flow path for supplying gas to the power generation element, and a step portion is formed in the pair of separators so as to sandwich the flow path in a direction perpendicular to the stacking direction.

本開示は、ガス流路へのフレーム部材のたわみ込みを抑制し、低圧損とすることができる燃料電池を提供する。 This disclosure provides a fuel cell that can suppress deflection of the frame member into the gas flow path and achieve low pressure loss.

図１は発電単位セル１００の分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of a power generating unit cell 100. FIG. 図２（ａ）はフレーム部材２０を平面視した図であり、図２（ｂ）はアノードセパレータ３０ａを平面視した図であり、図２（ｃ）は発電要素１００を平面視した図である。2(a) is a plan view of the frame member 20, FIG. 2(b) is a plan view of the anode separator 30a, and FIG. 2(c) is a plan view of the power generating element 100. As shown in FIG. 図３（ａ）は積層前の従来の発電単位セルの断面であり、図３（ｂ）は積層後の従来の発電単位セルの断面図であり、図３（ｃ）は発電単位セル１００のＥ－Ｅで切断したときの断面図であり、図３（ｄ）は段差部４０を拡大した断面図である。FIG. 3( a ) is a cross-sectional view of a conventional power generating unit cell before stacking, FIG. 3( b ) is a cross-sectional view of the conventional power generating unit cell after stacking, FIG. 3( c ) is a cross-sectional view of the power generating unit cell 100 taken along line E-E, and FIG. 3( d ) is an enlarged cross-sectional view of a stepped portion 40.

［発電単位セル１００］
図１に示すように、発電単位セル１００は、発電要素１０と、発電要素１０の周囲に配置されたフレーム部材２０と、発電要素１０及びフレーム部材２０とを挟持するようにフレーム部材２０に積層された一対のセパレータ（アノードセパレータ３０ａ、カソードセパレータ３０ｂ）と、を備える。発電単位セル１００は、水素と酸素（空気）を供給することにより発電するための単位要素であり、このような発電単位セル１００が複数積層されて燃料電池を構成している。
図１から図３において、発電単位セル１００の平面横軸をＸ方向、平面縦軸をＹ方向、積層方向をＺ方向とする。 [Power generation unit cell 100]
1, a power generating unit cell 100 includes a power generating element 10, a frame member 20 arranged around the power generating element 10, and a pair of separators (anode separator 30a, cathode separator 30b) stacked on the frame member 20 so as to sandwich the power generating element 10 and the frame member 20. The power generating unit cell 100 is a unit element for generating electricity by supplying hydrogen and oxygen (air), and a plurality of such power generating unit cells 100 are stacked to form a fuel cell.
1 to 3, the horizontal axis of the power generating unit cell 100 is taken as the X direction, the vertical axis of the power generating unit cell 100 is taken as the Y direction, and the stacking direction is taken as the Z direction.

（発電要素１０）
発電要素１０は、アノードに水素が供給され、カソードに酸素（空気）が供給されることにより生じる電気化学反応により、電気エネルギーを取り出す発電装置である。 (Power generating element 10)
The power generating element 10 is a power generating device that extracts electrical energy by an electrochemical reaction that occurs when hydrogen is supplied to the anode and oxygen (air) is supplied to the cathode.

発電要素１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）、或いは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＧａｓｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＡｓｓｅｍｂｌｙ）である。 The power generating element 10 is a membrane electrode assembly (MEA) or a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).

ＭＥＡは電解質膜の両面にそれぞれ触媒層（カソード触媒層、アノード触媒層）が配置されたものである。電解質膜としては、例えばフッ素系樹脂等の固体高分子型電解質膜が挙げられる。触媒層は、電気化学反応を促進する触媒金属を含む。触媒層は、さらにプロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。 The MEA has catalyst layers (cathode catalyst layer, anode catalyst layer) arranged on both sides of an electrolyte membrane. The electrolyte membrane may be, for example, a solid polymer electrolyte membrane made of fluororesin. The catalyst layer contains a catalyst metal that promotes electrochemical reactions. The catalyst layer may further include an electrolyte having proton conductivity and carbon particles having electron conductivity. Examples of the catalyst metal that can be used include platinum (Pt) and alloys made of Pt and other metals (for example, Pt alloys mixed with cobalt and nickel, etc.).

ＭＥＧＡは、ＭＥＡの両面にさらにガス拡散層（カソードガス拡散層、アノードガス拡散層）がそれぞれ形成されたものである。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。 The MEGA is an MEA with gas diffusion layers (cathode gas diffusion layer, anode gas diffusion layer) formed on both sides. The gas diffusion layers may be gas-permeable conductive materials. Examples of conductive materials include carbon porous materials such as carbon cloth and carbon paper, and metal porous materials such as metal mesh and foamed metal.

（フレーム部材２０）
フレーム部材２０は、発電要素１０の周囲に配置される枠状の部材であり、発電要素１０に供給される反応ガスのクロスリークや発電要素１０の触媒層同士の電気的な短絡を防止するための部材である。図２（ａ）にフレーム部材２０を積層方向から平面視した図を示した。 (Frame member 20)
The frame member 20 is a frame-shaped member disposed around the power generating element 10, and serves to prevent cross leakage of reactant gases supplied to the power generating element 10 and electrical short circuits between catalyst layers of the power generating element 10. Fig. 2(a) shows a plan view of the frame member 20 from the stacking direction.

図２（ａ）からわかるようにフレーム部材２０は、発電要素１０を収納する開口部２１と、反応ガスが流通する複数の反応ガスマニホールドと、を有する。また、フレーム部材２０は、冷媒が流通する複数の冷媒マニホールドを有してもよい。ここで、反応ガスとは、水素と酸素（空気）とを合わせた概念である。冷媒とは冷却水又は冷却空気等である。 As can be seen from FIG. 2(a), the frame member 20 has an opening 21 that houses the power generating element 10, and multiple reaction gas manifolds through which the reaction gas flows. The frame member 20 may also have multiple coolant manifolds through which the coolant flows. Here, the reaction gas is a concept that combines hydrogen and oxygen (air). The coolant is cooling water, cooling air, or the like.

開口部２１は発電要素１０を収納するための貫通孔であり、発電要素１０の周囲を囲うように形成されている。開口部２１の大きさは発電要素１０の大きさに合わせて適宜設定される。 The opening 21 is a through hole for housing the power generating element 10, and is formed to surround the periphery of the power generating element 10. The size of the opening 21 is appropriately set according to the size of the power generating element 10.

反応ガスマニホールドは、反応ガスが積層方向に流通する貫通孔である。図２（ａ）に示すように、反応ガスマニホールドには、水素入口マニホールドＨ_ｉｎ、水素出口マニホールドＨ_ｏｕｔ、空気入口マニホールドＡ_ｉｎ、空気出口マニホールドＡ_ｏｕｔがある。 The reaction gas manifolds are through holes through which the reaction gas flows in the stacking direction. As shown in Fig. 2(a), the reaction gas manifolds include a hydrogen inlet manifold _Hin , a hydrogen outlet manifold _Hout , an air inlet manifold _Ain , and an air outlet manifold _Aout .

水素入口マニホールドＨ_ｉｎ及び水素出口マニホールドＨ_ｏｕｔは水素が流通する。水素が外部から供給される方向に流通する方を水素入口マニホールドＨ_ｉｎとし、水素が外部に排出される方向に流通する方を水素出口マニホールドＨ_ｏｕｔとする。 Hydrogen flows through the hydrogen inlet manifold _Hin and the hydrogen _outlet manifold Hout. The manifold through which hydrogen flows in the direction in which hydrogen is supplied from the outside is called the hydrogen inlet manifold _Hin , and the manifold through which hydrogen flows in the direction in which hydrogen is discharged to the outside is called the hydrogen outlet manifold _Hout .

空気入口マニホールドＡ_ｉｎ及び空気出口マニホールドＡ_ｏｕｔは空気（酸素）が流通する。空気が外部から供給される方向に流通する方を空気入口マニホールドＡ_ｉｎとし、空気が外部に排出される方向に流通する方を空気出口マニホールドＡ_ｏｕｔとする。 Air (oxygen) flows through the air inlet manifold _Ain and the air outlet manifold _Aout . The manifold through which air flows in the direction in which air is supplied from the outside is called the air inlet manifold _Ain , and the manifold through which air flows in the direction in which air is discharged to the outside is called the air outlet manifold _Aout .

冷媒マニホールドは、冷媒が積層方向に流通する貫通孔である。図２（ａ）に示すように、冷媒マニホールドは、冷媒入口マニホールドＷ_ｉｎ及び冷媒出口マニホールドＷ_ｏｕｔである。冷媒が外部から供給される方向に流通する方を冷媒入口マニホールドＷ_ｉｎとし、冷媒が外部に排出される方向に流通する方を冷媒出口マニホールドＷ_ｏｕｔとする。 The refrigerant manifolds are through holes through which the refrigerant flows in the stacking direction. As shown in Fig. 2A, the refrigerant manifolds are a refrigerant inlet manifold W _in and a refrigerant outlet manifold W _out . The refrigerant inlet manifold W _in is the one through which the refrigerant flows in the direction in which the refrigerant is supplied from the outside, and the refrigerant outlet manifold W _out is the one through which the refrigerant flows in the direction in which the refrigerant is discharged to the outside.

フレーム部材２０は、延伸成膜されたフィルム、ガスシール性及び絶縁性を有する部材であればよく、燃料電池の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない（熱膨張が小さい）樹脂により形成されていてもよい。例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂、又は、それらのアロイ樹脂であってもよく、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。 The frame member 20 may be a stretched film, a member having gas sealing properties and insulating properties, and may be formed from a resin whose structure does not change (has small thermal expansion) even under the temperature conditions during thermocompression bonding in the fuel cell manufacturing process. For example, the frame member 20 may be a resin such as PE (polyethylene), PP (polypropylene), PC (polycarbonate), PPS (polyphenylene sulfide), PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PA (polyamide), PI (polyimide), PS (polystyrene), PPE (polyphenylene ether), PEEK (polyether ether ketone), cycloolefin, PES (polyethersulfone), PPSU (polyphenylsulfone), LCP (liquid crystal polymer), epoxy resin, or an alloy resin thereof, or a rubber material such as EPDM (ethylene propylene diene rubber), fluorine-based rubber, or silicon-based rubber.

フレーム部材２０の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、３００μｍ以下であってもよい。 The thickness of the frame member 20 may be 5 μm or more to ensure insulation, and may be 300 μm or less to reduce the cell thickness.

フレーム部材２０は、セパレータと接着するための接着層を備えていてもよい。接着層は、フレーム部材２０の一方の面のみに配置されていてもよく、両方の面に配置されていてもよい。接着層はセパレータと接触する部分にのみ設けられていてもよい。通常、接着層はフレーム部材２０の外枠に沿って設けられている。すなわち、フレーム部材２０は、融点の高いコア層とその両側表面に接着層を備えた３層構造になっていてもよい。接着層により、フレーム部材２０が、後述するセパレータに固定されて、たわみにくくなる。 The frame member 20 may have an adhesive layer for bonding to the separator. The adhesive layer may be disposed on only one side of the frame member 20, or on both sides. The adhesive layer may be disposed only on the portion that contacts the separator. Usually, the adhesive layer is disposed along the outer frame of the frame member 20. In other words, the frame member 20 may have a three-layer structure that includes a core layer with a high melting point and adhesive layers on both sides of the core layer. The adhesive layer fixes the frame member 20 to the separator described below, making it less likely to bend.

接着層は、フレーム部材２０とセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、フレーム部材２０よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。例えば、接着層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。具体的には、無水マレイン酸変性ポリエチレン、無水マレイン酸変性ポリプロピレン、エポキシ変性ポリエチレン、エポキシ変性ポリプロピレン、酸変性ポリエチレン、及び、酸変性ポリプロピレン等が挙げられる。 The adhesive layer may have properties such as high adhesion to other substances, softening under the temperature conditions during thermocompression bonding, and a lower viscosity and melting point than the frame member 20 in order to bond the frame member 20 and the separator and ensure sealing properties. For example, the adhesive layer may be a thermoplastic resin such as a polyester-based or modified olefin-based resin, or a thermosetting resin that is a modified epoxy resin. Specific examples include maleic anhydride-modified polyethylene, maleic anhydride-modified polypropylene, epoxy-modified polyethylene, epoxy-modified polypropylene, acid-modified polyethylene, and acid-modified polypropylene.

接着層の厚さは、接着性を担保する観点から、２０μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、７０μｍ以下であってもよい。 The thickness of the adhesive layer may be 20 μm or more, or 30 μm or more, from the viewpoint of ensuring adhesion, and may be 100 μm or less, or 70 μm or less, from the viewpoint of reducing the cell thickness.

＜セパレータ＞
セパレータは、発電要素１０及びフレーム部材２０を挟持するようにフレーム部材２０に積層された一対の部材である。図１に示すように、セパレータはアノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂを有する。１対のセパレータの少なくとも一方には、発電要素１０と接する面に反応ガスの流路である溝（反応ガス流路）が形成されており、反応ガスを発電要素１０に供給可能な構造を有している。また、１対のセパレータのいずれにも、発電要素１０と接する面に反応ガスの流路である溝が形成されていることが好ましい。また、１対セパレータは導電性を有し、発電要素により発電された電気を集電する集電体としての機能を有する。 <Separator>
The separator is a pair of members laminated on the frame member 20 so as to sandwich the power generating element 10 and the frame member 20. As shown in FIG. 1, the separator has an anode separator 30a and a cathode separator 30b. At least one of the pair of separators has a groove (reactant gas flow path) that is a flow path of a reactant gas formed on a surface that contacts the power generating element 10, and has a structure that can supply the reactant gas to the power generating element 10. In addition, it is preferable that each of the pair of separators has a groove that is a flow path of a reactant gas formed on a surface that contacts the power generating element 10. In addition, the pair of separators is conductive and functions as a current collector that collects electricity generated by the power generating element.

セパレータは、反応ガスをセパレータの面方向に流す反応ガス流路と、反応ガスが流通する複数の反応ガスマニホールドと、を有する。反応ガス流路と反応ガスマニホールドとは連通しており、反応ガスが流通可能なように構成されている。すなわち、セパレータは反応ガス流路と反応ガスマニホールドとを連通する連通部を有している。また、セパレータは、冷媒をセパレータの面方向に流す冷媒流路と、冷媒が流通する複数のセパレータ側冷媒マニホールドと、を有してもよい。 The separator has a reaction gas flow path that flows the reaction gas in the surface direction of the separator, and multiple reaction gas manifolds through which the reaction gas flows. The reaction gas flow path and the reaction gas manifold are connected to each other, and are configured to allow the reaction gas to flow. That is, the separator has a communication part that connects the reaction gas flow path and the reaction gas manifold. The separator may also have a refrigerant flow path that flows the refrigerant in the surface direction of the separator, and multiple separator-side refrigerant manifolds through which the refrigerant flows.

図２（ｂ）にアノードセパレータ３０ａを平面視した図を示した。 Figure 2(b) shows a plan view of the anode separator 30a.

反応ガス流路はセパレータのうち発電要素１０と接する面に設けられている。反応ガスは反応ガス流路を通り、発電要素１０又はフレーム部材２０とセパレータとの間を流通する。これにより、発電要素１０において電気化学反応が生じる。アノードセパレータ３０ａには水素流路３１ａが設けられている。 The reactant gas flow path is provided on the surface of the separator that contacts the power generation element 10. The reactant gas passes through the reactant gas flow path and flows between the power generation element 10 or the frame member 20 and the separator. This causes an electrochemical reaction in the power generation element 10. The anode separator 30a is provided with a hydrogen flow path 31a.

反応ガスマニホールドは反応ガスが積層方向に流通する貫通孔であり、反応ガスが外部から供給される方向に流通する方を反応ガス入口マニホールドとし、反応ガスが外部に排出される方向に流通する方を反応ガス出口マニホールドとする。反応ガス入口マニホールドは、水素が流通する水素入口マニホールドＨ_ｉｎと、空気が流通する空気入口マニホールドＡ_ｉｎとを有する。反応ガス排出マニホールドは、水素が流通する水素出口マニホールドＨ_ｏｕｔと、空気が流通する空気出口マニホールドＡ_ｏｕｔとを有する。これらのマニホールドは、アノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂのいずれにも形成されている。 The reactive gas manifold is a through hole through which the reactive gas flows in the stacking direction, and the one through which the reactive gas flows in the direction in which the reactive gas is supplied from the outside is called the reactive gas inlet manifold, and the one through which the reactive gas flows in the direction in which the reactive gas is discharged to the outside is called the reactive gas outlet manifold. The reactive gas inlet manifold has a hydrogen inlet manifold H _{in through} which hydrogen flows, and an air inlet manifold A _in through which air flows. The reactive gas exhaust manifold has a hydrogen outlet manifold H _out through which hydrogen flows, and an air outlet manifold A _out through which air flows. These manifolds are formed in both the anode separator 30a and the cathode separator 30b.

複数のフレーム部材側の反応ガスマニホールドと複数のセパレータ側の反応ガスマニホールドとは、それぞれ位置合わせされて配置されている。これにより、フレーム部材側の反応ガスマニホールドとセパレータ側の反応ガスマニホールドが積層方向に連通するように配置され、発電単位セル１００に複数の反応ガスマニホールドが形成される。 The reaction gas manifolds on the multiple frame members and the reaction gas manifolds on the multiple separators are aligned and positioned. As a result, the reaction gas manifolds on the frame members and the reaction gas manifolds on the separators are positioned so that they communicate in the stacking direction, and multiple reaction gas manifolds are formed in the power generation unit cell 100.

反応ガス流路と反応ガスマニホールドとは連通しており、反応ガスが流通可能なように構成されている。すなわち、セパレータは反応ガス流路と反応ガスマニホールドとを連通する連通部を有している。例えば、アノードセパレータ３０ａにおいては、水素入口マニホールドＨ_ｉｎと水素流路３１ａとの間に連通部３２ａ、及び、水素流路３１ａと水素出口マニホールドＨ_ｏｕｔとの間に連通部３２ｂが形成されている。 The reactant gas flow passage and the reactant gas manifold are connected to each other, and the reactant gas can flow through the reactant gas flow passage. That is, the separator has a communication part that connects the reactant gas flow passage and the reactant gas manifold. For example, in the anode separator 30a, a communication part 32a is formed between the hydrogen inlet manifold H _in and the hydrogen flow passage 31a, and a communication part 32b is formed between the hydrogen flow passage 31a and the hydrogen outlet manifold H _out .

＜段差部４０＞
一対のセパレータであるアノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂには、連通部３２ａを積層方向（Ｚ方向）に直交する方向に挟むように、段差部４０が形成されている。詳しくは次の通りである。 <Step portion 40>
A step portion 40 is formed in the pair of separators, the anode separator 30a and the cathode separator 30b, so as to sandwich the communication portion 32a in a direction perpendicular to the stacking direction (Z direction).

図２（ｃ）は、発電単位セル１００を積層方向（Ｚ方向）に平面視した図である。
図３（ｃ）は、発電単位セル１００のＥ－Ｅで切断した断面を模式的示した図であって、フレーム部材２０が一対のセパレータに挟まれた状態の断面図である。図３（ｄ）は、段差部４０を拡大した断面図である。図３（ａ）は積層前の従来の発電単位セルの断面図、図３（ｂ）は積層後の従来の発電単位セルの断面図である。 FIG. 2C is a plan view of the power generating unit cell 100 in the stacking direction (Z direction).
Fig. 3(c) is a schematic diagram showing a cross section of the power generating unit cell 100 taken along line E-E, and is a cross section showing a state in which the frame member 20 is sandwiched between a pair of separators. Fig. 3(d) is an enlarged cross section of the step portion 40. Fig. 3(a) is a cross section of the conventional power generating unit cell before stacking, and Fig. 3(b) is a cross section of the conventional power generating unit cell after stacking.

図３（ａ）（ｂ）に示すように、従来の燃料電池の発電単位セルにおいて、積層圧縮すると、加熱接合工程等で、熱と荷重をかけた場合は、シートの熱膨張や変形により、燃料電池の発電要素にガスを供給する流路内にフレーム部材がたわみ、入り込むことがある。フレーム部材がたわみ込むことで、ガスを供給する流路の断面積が狭められ、圧損が増加し、圧損ばらつきが大きくなるため、発電性能が悪化するという問題があった。 As shown in Figures 3(a) and (b), when the power generation unit cells of a conventional fuel cell are laminated and compressed, if heat and load are applied during a heating and bonding process or the like, the thermal expansion and deformation of the sheets can cause the frame members to bend and enter the flow path that supplies gas to the power generation element of the fuel cell. When the frame members bend, the cross-sectional area of the flow path that supplies gas is narrowed, increasing the pressure loss and increasing the variation in pressure loss, resulting in a problem of deteriorating power generation performance.

図３（ｃ）（ｄ）に示すように、本発明の発電単位セル１００では、このようなフレーム部材２０が発電要素１０にガスを供給する流路である連通部３２ａを積層方向（Ｚ方向）に直交する方向に挟むように、一対のセパレータに段差部４０が形成されている。
段差部４０とは、一対のセパレータがアノードセパレータ３０ａ側またはカソードセパレータ３０ｂ側のいずれかの側に向かってＺ方向に高低差Ｈを設けることで、それらに挟まれたフレーム部材２０が、セパレータ３０ａまたはセパレータ３０ｂの高低差Ｈに沿って傾斜させられる部分である。
このため、段差部４０によって、フレーム部材２０が引き延ばされ、フレーム部材２０の熱膨張分が段差部４０で吸収されるので、連通部３２ａ内にフレーム部材２０がたわみ込むことが抑制され、低圧損となり、圧力のばらつきも小さく、発電性能を安定させることができる。 As shown in Figures 3(c) and (d) , in the power generating unit cell 100 of the present invention, a step portion 40 is formed in a pair of separators so that such a frame member 20 sandwiches the communicating portion 32a, which is a flow path for supplying gas to the power generating element 10, in a direction perpendicular to the stacking direction (Z direction).
The step portion 40 is a portion in which a pair of separators have a height difference H in the Z direction toward either the anode separator 30a side or the cathode separator 30b side, so that the frame member 20 sandwiched between them is inclined along the height difference H of the separator 30a or the separator 30b.
As a result, the frame member 20 is stretched by the step portion 40, and the thermal expansion of the frame member 20 is absorbed by the step portion 40, thereby preventing the frame member 20 from bending within the communicating portion 32a, resulting in low pressure loss and small pressure variation, and enabling stable power generation performance.

図２（ｃ）、図３（ｃ）に示すように、段差部４０は、一対のセパレータであるアノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂの複数本のガス供給流路（連通部３２ａ）の束の両脇付近に配置される。すなわち、アノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂのガス供給流路（連通部３２ａ）の束の両端の溝から、１～２５ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。
また、Ｘ方向では、フレーム部材２０において反応ガスマニホールドと発電要素１０との間の部分、すなわち、図２（ｃ）のＴ部分に形成されていることが好ましい。
なお、図２（ｃ）では、わかりやすさのため連通部３２ａの束の両脇付近に配置された段差部４０のみを図示し、連通部３２ｂの束の両脇付近に配置された段差部４０の図示は省略している。 2(c) and 3(c), the step portions 40 are disposed near both sides of the bundle of the multiple gas supply flow paths (communicating portions 32a) of the pair of separators, the anode separator 30a and the cathode separator 30b. That is, the step portions 40 are preferably formed within a range of 1 to 25 mm from the grooves on both ends of the bundle of the gas supply flow paths (communicating portions 32a) of the anode separator 30a and the cathode separator 30b.
In the X direction, it is preferable that the insulating film 24 is formed in a portion of the frame member 20 between the reaction gas manifold and the power generating element 10, that is, in the T portion in FIG. 2(c).
In addition, in Figure 2 (c), for ease of understanding, only the step portions 40 located near both sides of the bundle of communicating portion 32a are shown, and the step portions 40 located near both sides of the bundle of communicating portion 32b are omitted.

段差部４０の高低差Ｈは、積層方向（Ｚ方向）に０．０５～０．５ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。フレーム部材２０の樹脂の硬さや熱膨張率にもよるが、段差部４０の高低差Ｈが０．０５ｍｍより小さいと、連通部３２ａ内にフレーム部材２０がたわみ込むことが抑制されるという効果が得られにくい。また、０．５ｍｍより大きいと、フレーム部材２０やアノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂへの歪みが大きく変形や破壊のおそれがある。 The height difference H of the step portion 40 is preferably formed in the range of 0.05 to 0.5 mm in the stacking direction (Z direction). Although it depends on the hardness and thermal expansion coefficient of the resin of the frame member 20, if the height difference H of the step portion 40 is smaller than 0.05 mm, it is difficult to obtain the effect of suppressing the frame member 20 from bending into the communication portion 32a. Furthermore, if it is larger than 0.5 mm, the frame member 20, anode separator 30a, and cathode separator 30b will be distorted significantly, and there is a risk of deformation or destruction.

また、本実施形態では、段差部４０が一対のセパレータであるアノードセパレータ３０ａ及びカソードセパレータ３０ｂの複数本のガス供給流路（連通部３２ａ）の束の両脇付近に配置される例を示したが、片脇付近にのみに形成されていてもよい。フレーム部材２０をより強く引き延ばすことを考慮すれば、段差部４０が一対のセパレータの複数本のガス供給流路（連通部３２ａ）の束の両脇付近に配置されていることが好ましい。
更に、本実施形態では段差部４０がカソードセパレータ３０ｂ側に向かって傾いて形成されている例を示したが、アノードセパレータ３０ａ側に傾いて形成されていてもよい。また、連通部３２ａ、３２ｂを挟んで一方側がカソードセパレータ３０ｂ側に向かって傾いて形成され、他方側がアノードセパレータ３０ａ側に傾いて形成されていてもよく、その逆であってもよい。
また更に、本実施形態では、図３（ｄ）上図に示すように段差部４０のＺ方向の高低差Ｈの変位は１回のみである例を示したが、図３（ｄ）下図に示すように段差部４０のＺ方向の高低差Ｈの変位が２回以上連続して形成されていてもよい。 In the present embodiment, the step portions 40 are disposed near both sides of the bundle of the multiple gas supply flow paths (communication portions 32a) of the pair of separators, the anode separator 30a and the cathode separator 30b, but may be formed only near one side. In order to stretch the frame member 20 more strongly, it is preferable that the step portions 40 are disposed near both sides of the bundle of the multiple gas supply flow paths (communication portions 32a) of the pair of separators.
Furthermore, in the present embodiment, the step portion 40 is formed so as to be inclined toward the cathode separator 30b, but it may be formed so as to be inclined toward the anode separator 30a. Also, one side of the communicating portions 32a, 32b may be formed so as to be inclined toward the cathode separator 30b, and the other side may be formed so as to be inclined toward the anode separator 30a, or vice versa.
Furthermore, in this embodiment, an example has been shown in which the height difference H of the step portion 40 in the Z direction is displaced only once, as shown in the upper figure of Figure 3(d), but the height difference H of the step portion 40 in the Z direction may be displaced two or more times in succession, as shown in the lower figure of Figure 3(d).

１０…発電要素、２０…フレーム部材、２１…開口部、３０ａ…アノードセパレータ、３０ｂ…カソードセパレータ、３１ａ…水素流路、３２ａ、３２ｂ…連通部、４０…段差部 10...power generating element, 20...frame member, 21...opening, 30a...anode separator, 30b...cathode separator, 31a...hydrogen flow path, 32a, 32b...connecting portion, 40...step portion

Claims

発電要素と、前記発電要素の周囲に配置されたフレーム部材と、前記発電要素と前記フレーム部材とを挟持するように前記フレーム部材に積層された一対のセパレータと、を有する発電単位セルが積層されてなる燃料電池であって、
前記一対のセパレータの少なくとも一方には、前記発電要素にガスを供給する流路を有し、前記流路を前記積層方向に直行する方向に挟むように、前記一対のセパレータに段差部が形成されていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell including stacked power generation unit cells, each unit cell having a power generation element, a frame member disposed around the power generation element, and a pair of separators stacked on the frame member so as to sandwich the power generation element and the frame member,
A fuel cell characterized in that at least one of the pair of separators has a flow path for supplying gas to the power generating element, and a step portion is formed in the pair of separators so as to sandwich the flow path in a direction perpendicular to the stacking direction.