JP5516917B2 - 燃料電池セル - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の発電要素として用いられる燃料電池セル（単セル）に関し、とくに、複数枚積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに関するものである。
この種の燃料電池セルとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池セルは、電解質膜を燃料極と空気極とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と、膜電極構造体の周囲を保持する樹脂フレームと、膜電極構造体及び樹脂フレームを挟む二枚のセパレータを備えている。燃料極及び空気極は、夫々の外側にガス拡散層を有している。
そして、燃料電池セルは、樹脂フレームと両セパレータとの間に、反応用ガスのマニホールド部及び整流部が夫々設けてあると共に、樹脂フレームの両面に、各セパレータに接触してガス流路高さを維持する突起が設けてある。これにより、燃料電池セルは、膜電極構造体に対して反応用ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を流通させる。セパレータは、反応用ガスのガスシール機能を有するほか、集電体や外部端子としても用いられる。
上記の燃料電池セルは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックを構成する際には、組み付け精度、ガスシール性及び導電性などを良好に維持するために積層方向に加圧した状態にする。
しかしながら、上記したような従来の燃料電池セルは、膜電極構造体及び樹脂フレームの両方に対して各セパレータが夫々接触している構造であったため、これを積層して加圧すると、樹脂フレームの突起と各セパレータとの接触部分でも加圧力を受けるので、いわゆる面圧抜けが生じて膜電極構造体と各セパレータとの接触面圧を充分に確保することができず、接触抵抗が増大して電池性能が低下してしまうという問題点があった。
何故ならば、燃料電池セルにおいては、電極を構成するガス拡散層の厚さや接触面圧に対する潰れの特性に製造上のばらつきがある。そのため、このような燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックにおいては、樹脂フレームの突起と両側のセパレータとを接触させたうえで膜電極構造体と各セパレータとの接触面圧を全ての燃料電池セルで適正化することが困難になっている。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えた燃料電池セルにおいて、複数枚積層して燃料電池スタックを構成した際に、膜電極構造体とセパレータとの接触面圧を良好に維持することが可能であって、接触抵抗の増大を防止することができる燃料電池セルを提供することを目的としている。
本発明の燃料電池セルは、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルである。そして、燃料電池セルは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突起を設ける。さらに、燃料電池セルは、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置した構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
また、燃料電池セルは、より望ましい実施形態として、カソード側のディフューザ部において、前記突起がフレーム又はセパレータに設けてあることを特徴としている。
本発明の燃料電池セルによれば、フレームが、完全に拘束されることなく片方のディフューザ部側へ変位可能となるので、複数枚積層して燃料電池スタックを構成した際に、積層方向の加圧力が膜電極構造体とセパレータとの間に有効に働くこととなり、膜電極構造体とセパレータとの接触面圧を良好に維持することが可能であると共に、接触抵抗の増大を防止して良好な電池性能を得ることができる。
図１〜図４は、本発明の燃料電池セルの一実施形態を説明する図である。
図１〜図３３に示す燃料電池セルＦＣは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３，３との間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３は金属であることが、製造しやすいために望ましい。
図１〜図３３に示す燃料電池セルＦＣは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３，３との間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３は金属であることが、製造しやすいために望ましい。
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図４中の拡大図に示すように、例えば固体高分子から成る電解質層２１を燃料極層（アノード）２２と空気極層（カソード）２３とで挟持した構造を有している。さらに、図示の膜電極構造体２は、燃料極層２２と空気極層２３の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層２４，２５が夫々積層してある。
そして、膜電極構造体２は、燃料極層２２に一方の反応用ガスである燃料ガス（水素）が供給されると共に、空気極層２３に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、ガス拡散層を省いて、電解質層２１と燃料極層２２と空気極層２３で構成されるものも含まれる。
フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。このフレーム１及び両セパレータ３，３は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
各セパレータ３は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。各セパレータ３は、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図１に示す如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３は、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。
なお、図４は、セパレータ３の波形状における凹部分（ガス流路）での断面であるため、膜電極構造体２と両セパレータ３，３とが離間したように示しているが、上記のとおり膜電極構造体２及び各セパレータ３は互いに接触している。
また、各セパレータ３は、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３は、重ね合わせて燃料電池セルＦＣを構成する。このとき、燃料電池セルＦＣは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
ここで、反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄは、図２中のセル両端側だけでなく、フレーム１と両側のセパレータ３，３との間、つまりアノード側（Ｄａ）及びカソード側（Ｄｃ）に夫々形成されている。
図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、酸化剤ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び燃料ガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、燃料ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸化剤ガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
さらに、燃料電池セルＦＣは、図４に示すように、フレーム１とセパレータ３との間において、セパレータ３の周縁部やマニホールド穴Ｈ１の周縁部にガスシールＧｓが設けてある。また、燃料電池セルＦＣを複数枚を積層した状態では、隣接するセパレータ３同士の間にもガスシールＧｓを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ３，３間に冷却流体を流通させる構造である。なお、セパレータ３が集電体や外部端子の機能を有する場合には、セパレータ３同士の間に絶縁体を介装する。
上記のガスシールＧｓは、個々の層間において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。つまり、図４では、酸化剤ガス供給用のマニホールド穴Ｈ１を示しているので、カソード側（上側）にガスシールＧｓの開口が設けてあり、アノード側（下側）はガスシールＧｓで閉じてある。
上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、複数枚を積層して、図３に示すような燃料電池スタックＦＳを構成する。
燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、燃料電池セルＦＣの積層方向の一端部（図３中で右側端部）に、集電板６０Ａ及びスペーサ６１を介してエンドプレート６２Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板６０Ｂを介してエンドプレート６２Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池セルＣの長辺側となる両面（図３中で上下面）に、締結板６３Ａ，６３Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板６４Ａ，６４Ｂが設けてある。
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板６３Ａ，６３Ｂ及び補強板６４Ａ，６４Ｂをボルト６５により両エンドプレート６２Ａ，６２Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、各燃料電池セルＦＣを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池セルＦＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
そこで、燃料電池セルＦＣは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突起５を設けている。そして、他方側のディフューザ部において、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したものとなっている。
この実施形態の燃料電池セルＦＣでは、図４に示すように、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１に、その相手側であるセパレータ３に接する突起５が設けてある。そして、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とこれに対向するセパレータ３とを離間して配置している。
上記の突起５は、円錐台形状であって、樹脂製のフレーム１に一体成形してあり、図１及び図２に示すように所定間隔で配置してある。この突起５は、形状等がとくに限定されるものではなく、反応用ガスの流通を妨げないものであれば良い。
また、この実施形態では、フレーム１のアノード側の面（図４で下側の面）に、突起５と類似形状の凸部６が設けてある。この凸部６は、前記突起５よりも低くて、セパレータ３との間に隙間を形成しており、フレーム１とセパレータ３が接近する方向に変位した際に、セパレータ３に当接して過大な変位を阻止する。
上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、複数枚積層して燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の加圧力が、膜電極構造体２と各セパレータ３，３との間に有効に働くこととなる。
つまり、燃料電池セルＦＣは、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいては、フレーム１とセパレータ３とが離間している。これにより、積層方向の加圧力が膜電極構造体２とセパレータ３との間のみに作用することとなり、膜電極構造体とセパレータ３との接触面圧を充分に確保することができる。
また、燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいては、フレーム１の突起５とセパレータ３とが接触しているものの、フレーム１がアノード側で拘束されていない。これにより、積層方向に加圧されても、フレーム１がアノード側へ変位可能であるため、膜電極構造体とセパレータ３との接触面圧が大幅に減少することがなく、同接触面圧を適正範囲に保つことができる。
このように、燃料電池セルＦＣは、フレーム１が、両面側から完全に拘束されることがなく、片方のディフューザ部（Ｄａ）側へ変位可能であるから、複数枚積層して燃料電池スタックＦＳを構成した際に、膜電極構造体２と各セパレータ３，３との接触面圧を良好に維持することが可能である。これにより、接触抵抗の増大を防止して良好な電池性能を得ることができる。したがって、燃料電池セルＦＣの積層体である燃料電池スタックＦＳでは、長期にわたって効率の良い発電機能を得ることができる。
さらに、上記実施形態の燃料電池セルＦＣのように、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１に突起５を設けた構成にすれば、反応用ガスの流量のばらつきに対処するうえで非常に有効である。
何故ならば、燃料電池セルＦＣでは、カソード側における酸化剤ガスの方が、酸素以外の不純物を多く含むため、発電に必要な体積流量が大きく、膜電極構造体２における電気化学反応（電極反応）を安定させる際に、カソード側における酸化剤ガスの流量にばらつきが生じやすいからである。
そこで、燃料電池セルＦＣは、図４に示すように、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１にセパレータ３に接する突起５を設け、逆に、比較的燃料ガスの流量のばらつきが起きにくいアノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間した配置にしている。
これにより、燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおける酸化剤ガスの流量にばらつきが生じても、突起５によりカソード側のディフューザ部Ｄｃの高さを常に一定に維持し、圧力損失を抑制することができる。
このように、上記実施形態の燃料電池セルＦＣでは、膜電極構造体２と両セパレータ３，３との接触面圧を良好に維持して接触抵抗の増大を防止する機能と、反応用ガスの流量のばらつきに対処する機能とを両立させることができる。なお、反応用ガスの流量のばらつきに対処する機能は、後記する燃料電池システムの運転方法で説明するように、フレーム１とセパレータ３とを離間させて配置したディフューザ部のガス圧力を高くすることで、より一層効果的なものとなる。
図５〜図７は、本発明の燃料電池セルの他の三つの実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図５に示す燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、セパレータ３にフレーム１に接する突起１５が設けてあり、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３を離間して配置している。なお、図示のアノード側のセパレータ３は、突起よりも低い凸部１６を有している。この凸部１６は、先の実施形態で説明したものと同様に、セパレータ３との間に隙間を形成し、フレーム１とセパレータ３が接近する方向に変位した際に、セパレータ３に当接して過大な変位を阻止する。
図６に示す燃料電池セルＦＣは、図４に示す実施形態のものと同等の基本的構成を備えており、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１が、凸部（６）の無い平坦面を有している。また、図７に示す燃料電池セルＦＣは、図５に示す実施形態のものと同等の基本的構成を備えており、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、セパレータ３が、凸部（１６）の無い平坦面を有している。
上記の各燃料電池セルＦＣにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができると共に、複数枚積層して燃料電池スタックＦＳを構成する。また、図６及び図７に示す燃料電池セルＦＣのように、フレーム１やセパレータ３を平坦面とすれば、アノード側のディフューザ部Ｄａにおける圧力損失を軽減し得ると共に、フレーム１やセパレータ３の加工コストの低減にも貢献することが可能である。
図８は、燃料電池スタックＦＳを備えた燃料電池システムを説明する図である。燃料電池スタックＦＳは、図４〜図７に示すような燃料電池セルＦＣを多段に積層して加圧し、その状態を維持するように組立てたものである。
図示の燃料電池システムは、燃料電池スタックＦＳに対して、酸化剤ガスの供給路３１及び排出路３２と、燃料ガスの供給路３３及び排出路３４と、冷却流体の循環路３５を備えている。
酸化剤ガスの供給路３１には、コンプレッサ等の空気供給手段３６と、空気供給手段３６からの給気を加湿する加湿器３７が設けてある。また、酸化剤ガスの排出路３２は、排出空気中に含まれる水蒸気を加湿器３７に供給し、その下流において、背圧調整弁３８により大気に開放される。
燃料ガスの供給路３３は、水素タンク３９から燃料電池スタックＦＳに至るもので、途中に水素調整弁４０が設けてある。また、燃料ガスの排出路３４は、水セパレータタンク４１に至るものである。水セパレータタンク４１は、水量検出用のレベルセンサ４２を備えると共に、水を外部に排出するための水捨て弁４３と、窒素ガスを大気に開放する窒素パージ弁４４を備えている。
さらに、図示の燃料電池システムは、燃料ガスの供給路３３と水セパレータタンク４１とを繋ぐ燃料ガス循環配管５０を備えている。燃料ガス循環配管５０は、その途中に循環ポンプ５１を備えると共に、燃料ガスの供給路３３の途中にエゼクタ５２を介して接続してある。
すなわち、この燃料電池システムは、燃料電池スタックＦＳからの排出燃料ガス（オフガス）に含まれる水素を再利用する燃料循環方式のシステムであり、燃料電池スタックＦＳでの発電に使用されずに排出された余剰の水素を、燃料ガス循環配管５０、循環ポンプ５１及びエゼクタ５２により、強制的に燃料ガスの供給路３３へ戻すようになっている。
このような燃料循環方式の燃料電池システムでは、図示例の如く循環ポンプ５１とエゼクタ５２とを併用することで、例えばエゼクタ５２が機能しない圧力領域を循環ポンプ５１の作動で賄うことができる。また、循環ポンプ５２を設けずにエゼクタ５２のみを設けた構成にし、このエゼクタ５２の作用で燃料電池スタックＦＳから排出された余剰の水素を強制的に燃料ガス供給路３３へと戻すこともできる。
冷却流体の循環路３５は、ラジエーター４５で冷却した冷却流体（冷却水）を循環させるものであって、冷却水循環ポンプ４６と、ラジエーター４５をバイパスするバイパス路４７と、循環路３５とバイパス路４７を接続する三方弁４８を備えている。
上記の燃料電池システムを運転するに際し、本発明の運転方法では、フレームとセパレータとを離間して配置したディフューザ部のガス圧力が、フレームとセパレータとが突起により接するディフューザ部のガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転する。
図４〜図７に示す燃料電池セルＦＣにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したのは、アノード側のディフューザ部Ｄａである。また、フレーム１とセパレータ３とが突起５（１５）により接するのは、カソード側のディフューザ部Ｄｃである。
よって、本発明の燃料電池システムの運転方法では、図９に示すように、アノード側のディフューザ部Ｄａのガス圧力が、カソード側のディフューザ部Ｄｃのガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転する。
上記の運転方法によれば、燃料電池スタックＦＳの各燃料電池セルＦＣにおいて、フレーム１がカソード側の突起５，１５とアノード側のガス圧力とにより保持されることとなり、フレーム１の撓み（テンティング）を防止する。したがって、先述の如く反応用ガス（とくに酸化剤ガス）の流量にばらつきが生じたとしても、フレーム１に撓みが生じたり低圧側のガス流路の圧力損失が増大したりする事態を未然に阻止し得ることとなる。
そして、上記の燃料電池システムの運転方法によれば、個々の燃料電池セルＦＣにおいて膜電極構造体２と両セパレータ３，３との接触面圧を良好に維持しているので、接触面圧の維持により接触抵抗の増大を防止する機能と、反応用ガスの流量のばらつきに対処する機能とを両立させることができる。また、上記実施形態のように、アノード側のディフューザ部Ｄａのガス圧力を高くする方法にすれば、元々燃料ガス（水素）が水素タンク３９に加圧貯蔵されているので、圧力制御が容易であるという利点もある。
ここで、燃料電池システムの他の例としては、図１０に示すものが挙げられる。図示の燃料電池システムは、先述の図８に示すシステム中の燃料ガス循環配管（５０）、循環ポンプ（５１）及びエゼクタ（５２）が無い構成である。この燃料電池システムは、水素を含む排出燃料ガスを循環させて使用するのではなく、燃料ガスの流通が供給側から排出側へ一方向になっている。このようなシステムは、アノードデッドエンドシステムと呼ばれている。この燃料電池システムにあっても、先述の燃料循環方式の燃料電池システムと同等の作用及び効果を得ることができる。
上記のアノードデッドエンドシステムでは、発電開始後、水素調圧弁４０により燃料ガス（水素）の供給を一旦停止し、発電を継続することにより燃料ガスの供給路３３の圧力を低下させる。そして、供給路３３が所定の圧力になったところで水素調圧弁４０により燃料ガスの供給を再開し、燃料ガスの供給を開始したときのガス流により燃料電池セルＦＣ内の生成水を水セパレータタンク４１に排出するようにしている。つまり、アノード側のガス圧力は、図１１（Ａ）に示すように、運転中に脈動することになる。
そこで、本発明の燃料電池システムの運転方法では、アノード側のガス圧力が脈動する場合、図１１（Ｂ）に示すように、アノード側のディフューザ部Ｄａの上限圧力及び下限圧力の両方が、カソード側のディフューザ部Ｄｃのガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転する。これにより、先の実施形態と同等の作用及び効果を得ることができる。
図１２及び図１３は、本発明の燃料電池セルのさらに他の二つの実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図１３は、燃料ガス供給用のマニホールド穴Ｈ３の位置での断面図である。
図１２に示す燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、相対向するフレーム１とセパレータ３の両方に、突起５，１５を設けると共に、互いの突起５，１５当接させている。アノード側のディフューザ部Ｄａにおいては、相対向するフレーム１とセパレータ３とを離間した配置にしている。
このように、突起（５，１５）は、フレーム１及びセパレータ３の両方に設けることができる。この場合、図示例の如く突起５，１５同士を当接させる構成のほか、フレーム１の突起５とセパレータ３の突起１５を交互に配置して、フレーム１の突起５をセパレータ３に、セパレータ３の突起１５をフレーム１に当接させる構成でも良い。この実施形態の燃料電池セルＦＣにおいても、先の実施形態と同等の作用及び効果が得られる。
図１３に示す燃料電池セルＦＣは、先の各実施形態ではカソード側のディフューザ部Ｄｃに突起５，１５を設けていたのに対して、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１にセパレータ３に接する突起５を設けている。そして、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。この場合、突起は、先の各実施形態と同様に、フレーム１及びセパレータ３のうちの少なくとも一方に設けることができる。
上記の燃料電池セルＦＣにおいても、先の各実施形態と同等の作用及び効果を得ることが可能である。また、このような燃料電池セルＦＣの積層体である燃料電池スタックＦＳを備えた燃料電池システムにおいては、カソード側のディフューザ部Ｄｃのガス圧力が、アノード側のディフューザ部Ｄａのガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転することができる。
ここで、上記の燃料電池セルＦＣでは、先述したように、各構成部品に寸法公差や製造上のばらつきがあると共に、膜電極構造体２の厚さの経年変位などにも僅かな差がある。また、先に図１０及び図１１に示したアノードデッドエンドシステムのように、アノード側のガス圧力が脈動する場合、カソード側とアノード側とでガスの差圧が発生し、その差圧によりフレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中しやすい。
そこで、燃料電池セルＦＣは、図１４に示すように、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突起５を設けると共に、相手側と突起５の先端とを接着（符号Ｑ）している。そして、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置したものとなっている。
図示例の燃料電池セルＦＣでは、カソード側（図中上側）のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突起５を設けると共に、セパレータ３と突起５の先端とを接着（符号Ｑ）し、アノード側（図中下側）のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。なお、カソード及びアノードの位置は上下逆でも構わない。
セパレータ３と突起５との接着には、双方の材料（金属と樹脂）を考慮したうえで、これらの接着に有効な周知の接着剤を用いることができ、このほか、超音波溶着などの適宜の接着手段を採用することもできる。
この実施形態の突起５は、円錐台形状であって、樹脂製のフレーム１に一体成形してあり、図１に示すように所定間隔で配置してある。この突起５は、形状等がとくに限定されるものではなく、反応用ガスの流通を妨げないものであれば良い。
また、この実施形態では、フレーム１のアノード側の面（図１４で下側の面）に、突起５と類似形状の凸部６が設けてある。この凸部６は、カソード側の突起５よりも低くて、セパレータ３との間に隙間を形成しており、フレーム１とセパレータ３が接近する方向に変位した際に、セパレータ３に当接して過大な変位を阻止する。
上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいてフレーム１とセパレータ３とが離間しているので、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の加圧力が主に膜電極構造体２とセパレータ３との間に作用し、膜電極構造体２とセパレータ３との接触面圧を充分に確保することができる。
また、燃料電池セルＦＣは、アノード側のディフューザ部Ｄａにおけるフレーム１とセパレータ３との隙間により、厚さ方向の変位吸収が可能である。すなわち、燃料電池セルＦＣは、各構成部品の寸法公差や製造上のばらつき、膜電極構造体２の厚さ方向の経年変位があっても、上記隙間によりそれらを吸収することができる。これにより、燃料電池セルＦＣは、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、個々のセルにおける接触面圧やガス流量等の性能のばらつきを抑制し得るものとなる。
さらに、燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１の突起５の先端とセパレータ３とを接着したことにより、フレーム１を有する膜電極構造体２の耐久性が向上する。すなわち、燃料電池セルＦＣは、例えば、アノードデッドエンドシステムにおいてアノード側のガス圧力が脈動し、カソード側とアノード側とでガスの差圧が生じても、セパレータ３に接着した上記突起５によりフレーム１が同セパレータ３に保持されているので、カソード側及びアノード側のいずれの圧力が高くなった場合でも、フレーム１の変位を抑制することができる。これにより、燃料電池セルＦＣは、フレーム１と膜電極構造体２との接合部に曲げ応力が集中するのを阻止し得るものとなる。
このようにして、燃料電池セルＦＣは、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に接着した突起５によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
図１５は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。
図示の燃料電池セルＦＣは、カソード側（上側）のディフューザ部Ｄｃにおいて、セパレータ３に、相手側であるフレーム１に接する突起１５を設けると共に、フレーム１と突起１５の先端とを接着（Ｑ）している。突起１５は、先の実施形態の突起と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。そして、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
図示の燃料電池セルＦＣは、カソード側（上側）のディフューザ部Ｄｃにおいて、セパレータ３に、相手側であるフレーム１に接する突起１５を設けると共に、フレーム１と突起１５の先端とを接着（Ｑ）している。突起１５は、先の実施形態の突起と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。そして、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
上記の燃料電池セルＦＣにあっても、先の実施形態と同様に、フレーム１とセパレータ３との間に設けた隙間により厚さ方向の変位吸収が可能であると同時に、セパレータ３に設けた突起１５によりフレーム１を保持することから、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
図１６は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図１６（Ａ）に示す燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突起５Ａを設けたものであるが、その突起５Ａが、フレーム１とセパレータ３との間に介装した接着材で形成してある。この突起５Ａにあっても、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。また、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいては、フレーム１とセパレータ３とを離間して配置している。
突起５Ａを形成する接着材は、接着力に特化した材料から選択することができ、例えばエポキシ系の材料を使用することができる。突起（接着材）５Ａは、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、図１６（Ｂ）に示すように、接着材供給装置のノズルＮから吐出させてフレーム１に塗布する。そして、突起（接着材）５Ａは、フレーム１とセパレータ３を接合することで双方に接着されるので、相手側であるセパレータ３と先端とを接着するのと同等である。なお、図示例とは逆に、セパレータ３に突起５Ａを設ける（塗布する）ことも当然可能である。
上記の燃料電池セルＦＣにあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、突起５Ａを接着材で形成したことから、フレーム１やセパレータ３の突起を廃止して形状を簡素化することができ、また、ガスシールＧｓ（図１参照）を設ける工程とともに突起５Ａを形成することが可能なので、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。なお、ガスシールＧｓと突起５Ａとを同工程で形成する場合には、両方の用途に適した材料、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、及びポリオレフィンゴムなどの接着剤を用いることが望ましい。
図１７は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図１７（Ａ）に示す燃料電池セルＦＣは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１及びセパレータ３の相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突起５を設けると共に、他方側のディフューザ部Ｄにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体７を介装している。この弾性体７は、先の実施形態の突起と同様に、反応用ガスの流通を妨げないように所定間隔で配置してある。
具体的には、燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突起５を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体７を介装している。弾性体７は、図１７（Ｂ）に示す如くセパレータ３に設けたり、図１７（Ｃ）に示す如くフレーム１に設けることができる。
また、弾性体７は、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、より望ましくは、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成する。弾性体７を形成する接着材は、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、あるいはポリオレフィンゴムなどの材料を使用することができる。この弾性体（接着材）７にあっても、先の接着材で形成した突起（図１６の符号５Ａ）と同様に、フレーム１又はセパレータ３に塗布され、硬化後、フレーム１とセパレータ３を接合することで相手側に接することとなる。
上記の燃料電池セルＣは、図１４〜図１６に示す実施形態では、アノード側のセパレータ３とフレーム１との隙間により厚さ方向の変位吸収を行うのに対して、アノード側の弾性体７により厚さ方向の変位吸収を行う。そして、燃料電池セルＣは、フレーム１の突起５及び弾性体７によりフレーム１を保持する。これにより、先の実施形態と同様に、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることができる。
また、上記の燃料電池セルＦＣは、硬化後に弾力性を有する接着材で弾性体７を形成したことから、ガスシールＧｓ（図１参照）を設ける工程とともに弾性体７を形成することが可能であり、生産効率の向上や製造コストの低減などにも貢献することができる。さらに、上記の燃料電池セルＦＣは、突起５や弾性体７を相手側に接触させるだけで、変位吸収機能やフレーム１の保持機能を得ることができるので、接着材は接着強度の低いものでもよい。そのため、接着面の表面処理を簡素にし又は廃止し得ると共に、安価な接着材を採用することができ、製造コストのさらなる低減を図ることができる。
図１８は、本発明の燃料電池セルのさらに他の実施形態を説明する図である。図１８（Ａ）に示す燃料電池セルＦＣは、カソード側のディフューザ部Ｄｃにおいて、フレーム１に、セパレータ３に接する突起５を設けると共に、アノード側のディフューザ部Ｄａにおいて、フレーム１とセパレータ３の間に、双方に接する弾性体７を介装している。
そして、この実施形態では、図１８（Ｂ）にも示すように、アノード側のセパレータ３が、図１４〜図１６に示す実施形態と同様に、突起５よりも低い凸部６を複数有しており、図示例の場合は、２個の凸部６を被う弾性体７が設けてある。
上記の弾性体７は、先述したように、予め所定形状に成形しておくことも可能であるが、溶融状態で塗布されて硬化後に弾力性を有する接着材で形成することができる。この弾性体７は、とくに接着材で形成する場合には、複数の凸部６を被うように接着剤を塗布し、これを硬化形成させる。これにより、接着面積が広く確保されると共に、凸部６に対する弾性体７の食い付きが良好になり、充分な接着強度を得ることができる。
なお、上記の弾性体７は、１個の凸部６若しくは２個以上の凸部６に対して形成することが可能であるが、反応用ガスの流通を妨げないように、その大きさや形状を選択することが望ましい。
上記の図１４〜図１８に示す燃料電池セルＦＣは、先の各実施形態と同様に、膜電極構造体２と両セパレータ３，３との接触面圧を良好に維持して接触抵抗の増大を防止する機能と、反応用ガスの流量のばらつきに対処する機能とを両立させる。そして、燃料電池スタックＦＳを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレーム１と膜電極構造体２との接合部の耐久性の向上を両立させることもできる。
したがって、上記の燃料電池セルＣを複数枚積層して成る燃料電池スタックＦＳにあっては、個々の燃料電池セルＣの発電性能や耐久性能が均一化され、長期にわたって安定した発電を行うことができる。
本発明の燃料電池セルは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部位の形状や個数、材料などの構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、図１４〜図１８に示す各実施形態では、カソード側及びアノード側において、突起と弾性体との位置が互いに一致している例を図示したが、これらは平面方向にずれていても良い。また、上記各実施形態の構成同士を組み合わせることも可能である。
１ フレーム
２ 膜電極構造体
３ セパレータ
５ １５ 突起
５Ａ 突起（接着材から成る突起）
７ 弾性体
Ｄａ アノード側のディフューザ部
Ｄｃ カソード側のディフューザ部
ＦＣ 燃料電池セル
ＦＳ 燃料電池スタック
２ 膜電極構造体
３ セパレータ
５ １５ 突起
５Ａ 突起（接着材から成る突起）
７ 弾性体
Ｄａ アノード側のディフューザ部
Ｄｃ カソード側のディフューザ部
ＦＣ 燃料電池セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Claims (13)
- 周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突起を設けると共に、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置したことを特徴とする燃料電池セル。 - カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側と接する突起を設けると共に、相手側と突起の先端とを接着したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
- 突起が、フレームとセパレータとの間に介装した接着材で形成してあることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
- 周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルであって、
カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突起を設けると共に、
他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装したことを特徴とする燃料電池セル。 - 弾性体が、硬化後に弾力性を有する接着材で形成してあることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
- カソード側のディフューザ部において、前記突起がフレームに設けてあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
- カソード側のディフューザ部において、前記突起がセパレータに設けてあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項６又は７に記載の燃料電池セルを複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項８に記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項９に記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１０に記載の燃料電池システムを運転するに際し、フレームとセパレータとを離間して配置したディフューザ部のガス圧力が、フレームとセパレータとが突起により接するディフューザ部のガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
- 請求項１１に記載の燃料電池システムを運転するに際し、アノード側のディフューザ部のガス圧力が、カソード側のディフューザ部のガス圧力よりも高くなるように反応用ガスの供給圧力を調整して運転することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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