JP6926888B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

従来から燃料電池モジュールに関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された燃料電池モジュールは、単セルの積層方向における厚さの過度の増大を防止することを課題としている。単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly：ＭＥＧＡ）の外周を囲むように配置されたフレーム部材と、２つのセパレータと、を備える。

フレーム部材は、２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、ＭＥＧＡが配置される面内開口部と、マニホールド開口部と面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の第１貫通孔と、を有する。

２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、フレーム部材の第１貫通孔の短手方向に沿って第１貫通孔の中心を通るライン上の位置に、凹部が形成されている。この凹部は、第１貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が長手方向に沿って測った第１貫通孔の幅よりも小さい。この凹部には、シール部材が配置されている。

この従来の燃料電池モジュールによれば、単セルの間を密封するためのシール部材はセパレータの凹部に配置されている。したがって、単セルの積層方向における燃料電池モジュールの厚さが凹部の深さ分だけ減少し、積層方向における燃料電池モジュールの厚さの過度の増大を防止できる。

特開２０１７−１１７７８０号公報

前記従来の燃料電池モジュールにおいて、単セルは、たとえば一対のセパレータの間にＭＥＧＡとフレーム部材を挟持し、これらを熱プレスによって一体化させることによって製造される。この熱プレスによって、樹脂素材のフレーム部材が溶融し、その溶融した樹脂がマニホールド開口部と面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の第１貫通孔に流入するおそれがある。第１貫通孔に樹脂が流入して第１貫通孔の開口率が低下すると、反応ガスの圧力損失が増大して反応ガスの供給が不均一になるおそれがある。

本発明は、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができる燃料電池セルを提供する。

本発明の燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、該膜電極ガス拡散層接合体を囲むフレーム部材と、該フレーム部材および前記膜電極ガス拡散層接合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って、前記一対のセパレータは、反応ガスが供給または排出されるマニホールド孔を有し、前記フレーム部材は、前記マニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置された面内開口部と、該面内開口部およびマニホールド開口部に連通したガス流路と、該ガス流路の周囲で前記一対のセパレータに溶着されたシール部と、該シール部と前記ガス流路との間に設けられ前記溶着により流動した前記フレーム部材の材料を受容するための受容部と、を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池セルを構成するには、まず、フレーム部材の面内開口部に膜電極ガス拡散層接合体を配置し、このフレーム部材と膜電極ガス拡散層接合体を一対のセパレータの間に配置して積層体を構成する。次に、この積層体を金型の間に配置して、加圧および加熱する熱プレスを行い、フレーム部材の一部を溶融させ、フレーム部材と一対のセパレータを溶着する。これにより、フレーム部材に、ガス流路の周囲で一対のセパレータに溶着されたシール部が形成される。このとき、フレーム部材の材料の一部が、一対のセパレータの間で加熱されて溶融し、加圧によってシール部からガス流路へ向けて流動する場合がある。

ここで、本発明の燃料電池セルのフレーム部材は、前述のように、シール部とガス流路との間に設けられ、溶着により流動したフレーム部材の材料を受容するための受容部を有している。そのため、溶着によりフレーム部材の材料の一部が溶融してシール部からガス流路へ向けて流動しても、その材料の一部は受容部によって受容される。これにより、溶着により流動したフレーム部材の材料によってガス流路が閉塞されることが防止され、ガス流路の開口率が低下するのを防止できる。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができる。

前記ガス流路および前記受容部は、スリット状の貫通孔であってもよい。これにより、受容部は、幅が狭く閉塞されやすいガス流路の代わりに、溶着により流動したフレーム部材の材料を受け入れるダミーのガス流路としての役割を果たすことができ、ガス流路がフレーム部材の材料によって閉塞されるのを、より効果的に防止できる。また、フレーム部材にガス流路を形成する工程において、ガス流路と同様に受容部を形成することができる。

前記受容部の一端は、前記マニホールド開口部に連通していてもよい。たとえば、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生じた水分は、互いに当接するフレーム部材とセパレータとの間のわずかな隙間を介して受容部に浸入する場合がある。この場合でも、受容部の一端がマニホールド開口部に連通していれば、受容部に浸入した水分をマニホールド開口部へ向けて排出し、受容部に水が溜まることを防止できる。

前記ガス流路および前記受容部は、前記マニホールド開口部から前記面内開口部へ向けて延びるスリット形状を有し、前記受容部の延在方向の長さは、前記ガス流路の延在方向の長さよりも短くてもよい。これにより、フレーム部材とセパレータとの接触面積を増加させ、燃料電池セル間のシール性を向上させることができる。

前記ガス流路の延在方向に交差する方向において、互いに隣接する前記ガス流路の間隔は、前記ガス流路の幅に等しくてもよい。これにより、フレーム部材とセパレータとの接触を安定させ、フレーム部材とセパレータとの間のシール性や、積層された燃料電池セルのシール性を向上させることができる。

前記ガス流路の延在方向に交差する方向において、前記ガス流路の幅と前記受容部の幅とが等しくてもよい。これにより、フレーム部材とセパレータとの接触を安定させ、フレーム部材とセパレータとの間のシール性や、積層された燃料電池セルのシール性を向上させることができる。

本発明によれば、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができる燃料電池セルを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池セルを備えた燃料電池システムの概略図。 図１に示す燃料電池セルの拡大断面図。 図２に示す燃料電池セルのアノード側セパレータを外側から見た平面図。 図２に示す燃料電池セルのアノード側セパレータを内側から見た平面図。 図２に示す燃料電池セルのフレーム部材の平面図。 図１に示す燃料電池セルの平面図。 図５に示すフレーム部材の拡大図。 図２に示すフレーム部材とセパレータを溶着する工程を説明する拡大断面図。 図１に示す燃料電池セルの変形例を示すフレーム部材の拡大図。

以下、図面を参照して本発明の燃料電池セルの実施の形態の一例を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の概略図である。燃料電池システム１は、たとえば、水素タンク２と、エアポンプ３と、ラジエータ４と、燃料電池モジュール１００とを備えている。

水素タンク２は、たとえば、高圧水素が充填され、シャットバルブ２ａ、配管２ｂおよびレギュレータ２ｃを介して燃料電池モジュール１００に接続され、燃料電池モジュール１００に燃料ガスとしての水素を供給する。燃料電池モジュール１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、燃料電池モジュール１００に接続された排出配管２ｄを介して燃料電池モジュール１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１は、アノードオフガスを配管２ｂ側に再循環させる再循環機構を有してもよい。

エアポンプ３は、たとえば、配管３ａを介して燃料電池モジュール１００に接続され、燃料電池モジュール１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する。燃料電池モジュール１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管３ｂを介して燃料電池モジュール１００の外部に排出される。燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

ラジエータ４は、たとえば、配管４ａおよびポンプ４ｂを介して燃料電池モジュール１００に接続され、燃料電池モジュール１００を冷却するための冷却媒体を、燃料電池モジュール１００に供給する。燃料電池モジュール１００から排出された冷却媒体は、配管４ｃを介してラジエータ４に循環する。冷却媒体としては、たとえば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。

燃料電池モジュール１００は、エンドプレート１０と、絶縁板２０と、集電板３０と、複数の燃料電池セル（以下、ＦＣセル４０という。）と、集電板３０と、絶縁板２０と、エンドプレート１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。各図では、各部の構成を説明するために、ＦＣセル４０の積層方向である水平方向を方向Ｘ、鉛直方向を方向Ｙ、方向Ｙにおよび方向Ｘに垂直な水平方向を方向Ｚとする直交座標系を用いる場合がある。なお、方向Ｘおよび方向Ｚは必ずしも水平方向である必要はなく、方向Ｙは必ずしも鉛直方向である必要はない。

図２は、図１に示すＦＣセル４０の概略的な拡大断面図である。燃料電池モジュール１００を構成するＦＣセル４０は、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly：ＭＥＧＡ）４１と、このＭＥＧＡ４１を囲むフレーム部材４２と、このフレーム部材４２およびＭＥＧＡ４１を挟持する一対のセパレータ、すなわちアノード側のセパレータ４３とカソード側のセパレータ４４と、を備えている。ＭＥＧＡ４１は、膜電極接合体４１ａと、この膜電極接合体４１ａの両側に積層されたガス拡散層４１ｂとを備えている。膜電極接合体４１ａは、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置されて構成されている。

ＭＥＧＡ４１とフレーム部材４２は、積層方向Ｘに沿って、アノード側のセパレータ４３とカソード側のセパレータ４４とによって挟持されている。アノード側のセパレータ４３は、ＭＥＧＡ４１側の面に燃料ガスを分配する複数の筋状の流路溝４５を備え、ＭＥＧＡ４１と反対側の面に冷却媒体を分配する複数の筋状の流路溝４６を備える。カソード側のセパレータ４４は、ＭＥＧＡ４１側の面に酸化剤ガスを分配する複数の筋状の流路溝４７を備える。

図３は、図２に示すアノード側のセパレータ４３をＭＥＧＡ４１とは反対側である外側から見た概略的な平面図である。図４は、図２に示すアノード側のセパレータ４３をＭＥＧＡ４１側である内側から見た概略的な平面図である。アノード側のセパレータ４３およびカソード側のセパレータ４４は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。アノード側のセパレータ４３およびカソード側のセパレータ４４の素材としては、たとえば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタンなどの金属部材を用いることができる。本実施形態のセパレータ４３，４４は、たとえばメタルプレスセパレータである。

アノード側の矩形のセパレータ４３の二つの対角には、それぞれ、燃料ガスの入口となるマニホールド孔４３ａと、燃料ガスの出口となるマニホールド孔４３ｂとが開口されている。また、セパレータ４３の別の二つの対角には、それぞれ、酸化剤ガスの入口となるマニホールド孔４３ｃと、酸化剤ガスの出口となるマニホールド孔４３ｄとが開口されている。また、セパレータ４３の鉛直方向Ｙの中央部で水平方向Ｚの一端と他端には、それぞれ、却媒体の入口となるマニホールド孔４３ｅと、冷却媒体の出口となるマニホールド孔４３ｆとが開口されている。

図３に示すように、アノード側のセパレータ４３のＭＥＧＡ４１とは反対側である外側の面に、シール部材５０が配置されている。シール部材５０は、マニホールド孔４３ａ〜４３ｄおよび冷却媒体の流路を構成する流路面４３Ａをそれぞれ囲む枠状の形状に一体成形されている。シール部材５０は、複数のＦＣセル４０を積層した際に、隣接する他のＦＣセル４０のカソード側のセパレータ４４の外側の面に当接し、２つのＦＣセル４０の間を密封する。

具体的には、シール部材５０のマニホールド孔４３ａ，４３ｂを囲む部分は、燃料ガスの漏洩を抑制するための部分である。また、シール部材５０のマニホールド孔４３ｃ，４３ｄを囲む部分は、酸化剤ガスの漏洩を抑制するための部分である。また、シール部材５０の流路面４３Ａを囲む部分は、冷却媒体の漏洩を抑制するための部分である。

シール部材５０は、たとえば、射出成形やプレス成形等によって成形される。シール部材５０の材料としては、たとえば、ゴムや熱可塑性エラストマー等を用いることができる。また、シール部材５０は、接着剤によってセパレータに貼り合わされることによって固定される。なお、アノード側のセパレータ４３は、シール部材５０が配置される領域に、凹部４８を有してもよい。

図４に示すように、アノード側のセパレータ４３のＭＥＧＡ４１側である内側の面では、凹部４８の裏側が***した凸状の部分になる。このアノード側のセパレータ４３の内側の面がＭＥＧＡ４１に対向している状態で、燃料ガスの入口となるマニホールド孔４３ａと、燃料ガスの出口となるマニホールド孔４３ｂとが、燃料ガスの流路溝４５、流路面４３Ｂおよび後述するガス流路４２ｇ，４２ｈ（図５参照）を介して連通する。

また、図４に示すように、アノード側のセパレータ４３のＭＥＧＡ４１側である内側の面に、冷却媒体用のマニホールド孔４３ｅ，４３ｆに隣接して、シール部材６０，７０が配置されている。シール部材６０，７０は、燃料ガスが冷却媒体用のマニホールド孔４３ｅ，４３ｆに漏洩するのを防止するために設けられている。より具体的には、アノード側のセパレータ４３の内側の面において凸状に***した凹部４８の裏側は、マニホールド孔４３ａ〜４３ｄを囲んでいる。

一方のシール部材６０は、凸状に***した凹部４８の裏側のマニホールド孔４３ａを囲む部分と、マニホールド孔４３ｃを囲む部分との間に配置されている。もう一方のシール部材７０は、凸状に***した凹部４８の裏側のマニホールド孔４３ｂを囲む部分とマニホールド孔４３ｄを囲む部分との間に配置されている。このシール部材６０，７０および凸状に***した凹部４８の裏側の部分によって、マニホールド孔４３ａ〜４３ｄ、燃料ガスの流路面４３Ｂおよび流路溝４５と、冷却媒体用のマニホールド孔４３ｅ，４３ｆとの間が遮断されている。

図５は、アノード側のセパレータ４３に対向するフレーム部材４２の表面に垂直な方向から見た、図２に示すフレーム部材４２の概略的な平面図である。フレーム部材４２は、たとえば、熱溶着が可能な可撓性を有するフィルム状の部材に打ち抜き加工を施すことによってＭＥＧＡ４１を囲む枠状に形成されている。フレーム部材４２は、アノード側のセパレータ４３に設けられたマニホールド孔４３ａ〜４３ｆにそれぞれ連通するマニホールド開口部４２ａ〜４２ｆと、ＭＥＧＡ４１が配置される面内開口部４２Ａを有している。

フレーム部材４２は、面内開口部４２Ａとマニホールド開口部４２ａとの間に、ガス流路４２ｇを有している。同様に、フレーム部材４２は、面内開口部４２Ａとマニホールド開口部４２ｂとの間に、ガス流路４２ｈを有している。同様に、フレーム部材４２は、面内開口部４２Ａとマニホールド開口部４２ｃとの間に、ガス流路４２ｉを有している。同様に、フレーム部材４２は、面内開口部４２Ａとマニホールド開口部４２ｄとの間に、ガス流路４２ｊを有している。

図５に示す例において、ガス流路４２ｇ〜４２ｊは、複数のスリット状の貫通孔である。ガス流路４２ｇ〜４２ｊを構成する複数の貫通孔は、等間隔に櫛歯状に並んでいる。なお、ガス流路４２ｇ〜４２ｊは、複数のスリット状の貫通孔に限定されず、複数または単数の任意の形状の貫通孔であってもよい。

また、フレーム部材４２は、ガス流路４２ｇ〜４２ｊに隣接する受容部４２Ｂを有している。図５に示す例において、受容部４２Ｂは、ガス流路４２ｇ〜４２ｊと同様のスリット状の貫通孔である。なお、受容部４２Ｂの形状はスリット状の貫通孔に限定されず、任意の形状の貫通孔や凹部であってもよい。また、図５に示す例において、ガス流路４２ｇ〜４２ｊは、それぞれ複数が設けられているが、それぞれ一つずつが設けられていてもよい。なお、スリット状とは、一方向に延びる幅の狭い細長い孔形状を意味する。

図６は、アノード側のセパレータ４３のＭＥＧＡ４１と反対側の外側の面に垂直な方向から見た、図１に示すＦＣセル４０の平面図である。ＦＣセル４０を構成するには、まず、フレーム部材４２の面内開口部４２ＡにＭＥＧＡ４１を配置し、このフレーム部材４２とＭＥＧＡ４１を一対のセパレータ４３，４４の間に配置して積層体を構成する。次に、この積層体を金型の間に配置して、圧力を加えながら熱を加える熱プレスを行い、フレーム部材４２の一部を溶融させ、フレーム部材４２と一対のセパレータ４３，４４を溶着する。

ＦＣセル４０のアノード側のセパレータ４３は、前述のようにフレーム部材４２と反対側の外側の面に凹部４８を有し、フレーム部材４２に対向する内側の面において凹部４８の裏側がフレーム部材４２に向けて凸状に***している。この凹部４８の裏側の凸状の部分は、フレーム部材４２に当接し、スリット状の貫通孔であるガス流路４２ｇ，４２ｈの両端部を除いてガス流路４２ｇ，４２ｈの開口を塞ぐように、ガス流路４２ｇ，４２ｈを横断している。また、この凹部４８の裏側の凸状の部分は、ガス流路４２ｉ，４２ｊの開口の全体を塞ぐように、部分的に拡大されている。

このような構成により、燃料ガスの入口となるマニホールド孔４３ａから供給された燃料ガスは、アノード側のセパレータ４３とフレーム部材４２との間の隙間を介して、フレーム部材４２のマニホールド開口部４２ａからガス流路４２ｇへ向けて流れる。ガス流路４２ｇへ向けてセパレータ４３とフレーム部材４２との間の隙間を流れた燃料ガスは、スリット状の貫通孔であるガス流路４２ｇのマニホールド開口部４２ａに隣接する端部に流入する。ガス流路４２ｇに流入した燃料ガスは、マニホールド開口部４２ａに隣接する端部から面内開口部４２Ａに隣接する端部へ向けてガス流路４２ｇ内を流れる。

ガス流路４２ｇ内を流れた燃料ガスは、ガス流路４２ｇの面内開口部４２Ａに隣接する端部から、アノード側のセパレータ４３の凹部４８の裏側で***した凸状の部分に囲まれたセパレータ４３とフレーム部材４２との間の隙間に流入する。凹部４８の裏側の凸状の部分の内側に流入した燃料ガスは、セパレータ４３の流路溝４５に分配され、セパレータ４３の内側の流路面４３Ｂに沿って流れ、ＭＥＧＡ４１において酸化剤ガスとの反応に利用される。酸化剤ガスとの反応に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガスの出口となるマニホールド孔４３ｂに隣接するガス流路４２ｈに到達する。

ガス流路４２ｈに到達した燃料ガスは、ガス流路４２ｈの面内開口部４２Ａに隣接する端部からガス流路４２ｈに流入し、ガス流路４２ｈ内をマニホールド孔４３ｂに隣接する端部に向けて流れる。燃料ガスは、セパレータ４３の凹部４８の裏側の凸状の部分に囲まれた内側からその外側へ向けてガス流路４２ｈを流れ、ガス流路４２ｈのマニホールド開口部４２ｂに隣接する端部から流出する。ガス流路４２ｈから流出した燃料ガスは、セパレータ４３とフレーム部材４２との間の隙間を流れ、積層されたＦＣセル４０のマニホールド開口部４２ｂおよびマニホールド孔４３ｂを通って燃料電池モジュール１００の外部へ排出される。

また、図示は省略するが、ＦＣセル４０のカソード側のセパレータ４４は、アノード側のセパレータ４３と同様に、フレーム部材４２と反対側の外側の面に凹部を有し、フレーム部材４２に対向する内側の面において凹部の裏側がフレーム部材４２に向けて凸状に***している。この凹部の裏側の凸状の部分は、フレーム部材４２に当接し、スリット状の貫通孔であるガス流路４２ｉ，４２ｊの両端部を除いてガス流路４２ｇ，４２ｈの開口を塞ぐように、ガス流路４２ｉ，４２ｊを横断している。また、このカソード側のセパレータ４４の凸状の部分は、ガス流路４２ｇ，４２ｈの開口の全体を塞ぐように、部分的に拡大されている。

このような構成により、酸化剤ガスの入口となるマニホールド孔４３ｃから供給された酸化剤ガスは、カソード側のセパレータ４４とフレーム部材４２との間の隙間を介して、フレーム部材４２のマニホールド開口部４２ｃからガス流路４２ｉへ向けて流れる。ガス流路４２ｇへ向けてセパレータ４４とフレーム部材４２との間の隙間を流れた酸化剤ガスは、スリット状の貫通孔であるガス流路４２ｉのマニホールド開口部４２ｃに隣接する端部に流入する。ガス流路４２ｉに流入した酸化剤ガスは、マニホールド開口部４２ｃに隣接する端部から面内開口部４２Ａに隣接する端部へ向けてガス流路４２ｉ内を流れる。

ガス流路４２ｇ内を流れた酸化剤ガスは、ガス流路４２ｉの面内開口部４２Ａに隣接する端部から、カソード側のセパレータ４４の凹部の裏側で***した凸状の部分に囲まれたセパレータ４４とフレーム部材４２との間の隙間に流入する。凹部の裏側の凸状の部分の内側に流入した酸化剤ガスは、セパレータ４４の流路溝４７に分配され、セパレータ４４の内側の面内流路を流れ、ＭＥＧＡ４１において燃料ガスとの反応に利用される。燃料ガスとの反応に利用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガスの出口となるマニホールド孔４３ｄに隣接するガス流路４２ｊに到達する。

ガス流路４２ｊに到達した酸化剤ガスは、ガス流路４２ｊの面内開口部４２Ａに隣接する端部からガス流路４２ｊに流入し、ガス流路４２ｊ内をマニホールド孔４３ｄに隣接する端部に向けて流れる。酸化剤ガスは、セパレータ４４の凹部の裏側の凸状の部分に囲まれた内側からその外側へ向けてガス流路４２ｊを流れ、ガス流路４２ｊのマニホールド開口部４２ｄに隣接する端部から流出する。ガス流路４２ｊから流出した酸化剤ガスは、セパレータ４４とフレーム部材４２との間の隙間を流れ、積層されたＦＣセル４０のマニホールド開口部４２ｄおよびマニホールド孔４３ｄを通って燃料電池モジュール１００の外部へ排出される。

冷却媒体の入口であるマニホールド孔４３ｅから供給された冷却媒体は、アノード側のセパレータ４３のディンプル４９が設けられた一端を介して拡散され、冷却媒体の流路溝４６を流れる。冷却媒体の流路溝４６を流れた冷却媒体は、ディンプル４９が設けられた他端を介して、冷却媒体の出口であるマニホールド孔４３ｆを通って、燃料電池モジュール１００の外部に排出される。また、複数のＦＣセル４０が積層された状態では、冷却媒体の入口となるマニホールド孔４３ｅと、冷却媒体の流路溝４６と、冷却媒体の出口となるマニホールド孔４３ｆとが互いに連通して、冷却媒体の流路面４３Ａを構成する。なお、各マニホールド孔４３ａ〜４３ｆは開口が略矩形状である。

以上のように、本実施形態のＦＣセル４０は、膜電極ガス拡散層接合体であるＭＥＧＡ４１と、ＭＥＧＡ４１を囲むフレーム部材４２と、このフレーム部材４２およびＭＥＧＡ４１を挟持する一対のセパレータ４３，４４と、を備えている。この一対のセパレータ４３，４４は、反応ガスが供給または排出されるマニホールド孔４３ａ〜４３ｄを有している。

また、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２は、前述のように、マニホールド孔４３ａ〜４３ｄに連通するマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄと、ＭＥＧＡ４１が配置された面内開口部４２Ａと、を有している。また、フレーム部材４２は、前述のように、面内開口部４２Ａおよびマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄに連通したガス流路４２ｇ〜４２ｊを有している。

図７は、図５に示すフレーム部材４２のマニホールド開口部４２ｂおよびガス流路４２ｈの近傍の拡大図である。本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２の以下の構成に特徴を有している。フレーム部材４２は、ガス流路４２ｇ〜４２ｊの周囲で一対のセパレータ４３，４４に溶着されたシール部４２ｓと、このシール部４２ｓとガス流路４２ｇ〜４２ｊとの間に設けられ、溶着により流動したフレーム部材４２の材料を受容するための受容部４２Ｂと、を有する。

本実施形態のＦＣセル４０において、ガス流路４２ｇ〜４２ｊおよび受容部４２Ｂは、たとえば、スリット状の貫通孔である。なお、受容部４２Ｂは、溶着により流動したフレーム部材４２の材料を受容することができるものであれば、スリット状の貫通孔に限定されず、任意の形状の凹部、溝、または貫通孔であってもよい。また、本実施形態のＦＣセル４０において、受容部４２Ｂは、開口の全体がセパレータ４３の凹部４８の裏側でＭＥＧＡ４１に対向する内側の面から***した凸状の部分によって閉塞され、面内開口部４２Ａおよびマニホールド開口部４２ｂの双方に連通していない。

図５に示すように、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２は、ガス流路４２ｈ以外にも、ガス流路４２ｇ，４２ｉ，４２ｊのすべてに対して、ガス流路４２ｈと同様に、受容部４２Ｂを有している。なお、フレーム部材４２は、必ずしもガス流路４２ｇ〜４２ｊのすべてに対して受容部４２Ｂを有している必要はなく、ガス流路４２ｇ〜４２ｊのいずれか一以上に対して受容部４２Ｂを有していればよい。

図５および図７に示すように、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２のガス流路４２ｈおよび受容部４２Ｂは、それぞれ、マニホールド開口部４２ｂから面内開口部４２Ａへ向けて延びるスリット形状を有している。また、受容部４２Ｂの延在方向の長さｌは、ガス流路４２ｈの延在方向の長さＬよりも短くなっている。

また、本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２のガス流路４２ｈの延在方向に交差する鉛直方向Ｙにおいて、互いに隣接するガス流路４２ｈの間隔ｄが、ガス流路４２ｈの幅Ｗにおおむね等しい。さらに、本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２のガス流路４２ｈの延在方向に交差する鉛直方向Ｙにおいて、ガス流路４２ｈの幅Ｗと受容部４２Ｂの幅ｗとがおおむね等しい。

また、本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２のガス流路４２ｈの延在方向に交差する鉛直方向Ｙにおいて、複数のガス流路４２ｈの両端に受容部４２Ｂが形成されている。換言すると、本実施形態のＦＣセル４０は、ガス流路４２ｈにおけるガスの流れ方向に交差する方向、すなわち、複数のガス流路４２ｈが並んでいる方向において、最も外側の位置に受容部４２Ｂが形成されている。

以下、本実施形態のＦＣセル４０の作用について説明する。

図８は、図２に示すフレーム部材４２と一対のセパレータ４３，４４とを溶着する工程を説明する図７に示すVIII−VIII線に沿う拡大断面図である。前述のように、ＦＣセル４０を構成するには、まず、フレーム部材４２の面内開口部４２ＡにＭＥＧＡ４１を配置し、このフレーム部材４２とＭＥＧＡ４１を一対のセパレータ４３，４４の間に配置して積層体を構成する。次に、この積層体を金型Ｄの間に配置して、圧力を加えながら熱を加え、フレーム部材４２の一部を溶融させ、フレーム部材４２と一対のセパレータ４３，４４を溶着する。これにより、フレーム部材４２に、ガス流路４２ｈの周囲で一対のセパレータ４３，４４に溶着されたシール部４２ｓが形成される。

このとき、フレーム部材４２の材料Ｍの一部が、一対のセパレータ４３，４４の間で加熱されて溶融し、加圧によってシール部４２ｓからガス流路４２ｈへ向けて流動する場合がある。ここで、本実施形態のＦＣセル４０のフレーム部材４２は、前述のように、シール部４２ｓとガス流路４２ｇ〜４２ｊとの間に設けられ、溶着により流動したフレーム部材４２の材料Ｍを受容するための受容部４２Ｂを有している。

そのため、溶着によりフレーム部材４２の材料Ｍの一部が溶融してシール部４２ｓからガス流路４２ｇ〜４２ｊへ向けて流動しても、その材料Ｍの一部は受容部４２Ｂによって受容される。これにより、溶着により流動したフレーム部材４２の材料Ｍによってガス流路４２ｇ〜４２ｊが閉塞されることが防止され、ガス流路４２ｇ〜４２ｊの開口率が低下するのを防止できる。したがって、本実施形態のＦＣセル４０によれば、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができる。

また、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２のガス流路４２ｇ〜４２ｊおよび受容部４２Ｂは、スリット状の貫通孔である。これにより、受容部４２Ｂは、幅Ｗが狭く閉塞されやすいガス流路４２ｇ〜４２ｊの代わりに、溶着により流動したフレーム部材４２の材料を受け入れるダミーのガス流路４２ｈとしての役割を果たすことができる。そのため、ガス流路４２ｇ〜４２ｊがフレーム部材４２の材料Ｍによって閉塞されるのを、より効果的に防止できる。また、フレーム部材４２にガス流路４２ｇ〜４２ｊを形成する工程において、ガス流路４２ｇ〜４２ｊと同様に受容部４２Ｂを形成することができる。

また、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２の受容部４２Ｂは、前述のように、開口の全体がセパレータ４３，４４の凸状の部分によって閉塞され、反応ガスの流路としての機能を有しない。そのため、溶着により流動したフレーム部材４２の材料Ｍによって受容部４２Ｂが閉塞されても、反応ガスの供給および排出に影響を与えることはなく、反応ガスを均一に供給することができる。

また、本実施形態のＦＣセル４０において、フレーム部材４２のガス流路４２ｈおよび受容部４２Ｂは、マニホールド開口部４２ｂから面内開口部４２Ａへ向けて延びるスリット形状を有し、受容部４２Ｂの延在方向の長さｌは、ガス流路４２ｈの延在方向の長さＬよりも短い。これにより、フレーム部材４２とセパレータ４３，４４との接触面積を増加させ、ＦＣセル４０間のシール性を向上させることができる。

また、本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２のガス流路４２ｈの延在方向に交差する方向において、互いに隣接するガス流路４２ｈの間隔ｄが、ガス流路４２ｈの幅Ｗにおおむね等しい。また、本実施形態のＦＣセル４０は、フレーム部材４２のガス流路４２ｈの延在方向に交差する方向において、ガス流路４２ｈの幅Ｗと受容部４２Ｂの幅ｗとがおおむね等しい。これにより、フレーム部材４２とセパレータ４３，４４との接触を安定させ、シール性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができるＦＣセル４０を提供することができる。なお、本発明は、本実施形態のＦＣセル４０に限定されない。以下、本実施形態のＦＣセル４０の変形例を説明する。

図９は、本実施形態のＦＣセル４０の変形例を示す図７に相当するフレーム部材４２の拡大図である。本変形例のＦＣセルは、フレーム部材４２の受容部４２Ｂの一端がマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄに連通している点で、前述のＦＣセル４０と異なっている。本変形例のＦＣセルのその他の構成は、前述のＦＣセル４０と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

前述のＦＣセル４０と同様に、本変形例のＦＣセルは、一対のセパレータ４３，４４の間に、フレーム部材４２が挟持された構成を有している。フレーム部材４２は、シール部４２ｓにおいてセパレータ４３，４４に溶着されているが、ガス流路４２ｇ〜４２ｊと受容部４２Ｂとの間は溶着されていない。そのため、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生じた水分が、互いに当接するフレーム部材４２とセパレータ４３，４４との間のわずかな隙間を介して受容部４２Ｂに浸入するおそれがある。

ここで、本変形例のＦＣセルは、フレーム部材４２の受容部４２Ｂの一端が、マニホールド開口部４２ａ〜４２ｄに連通している。また、フレーム部材４２の受容部４２Ｂの他端は、面内開口部４２Ａに連通していない。より具体的には、受容部４２Ｂのマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄ側の端部の位置は、ガス流路４２ｇ〜４２ｊのマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄ側の端部の位置に揃えられている。また、受容部４２Ｂの面内開口部４２Ａ側の端部の位置は、ガス流路４２ｇ〜４２ｊの面内開口部４２Ａ側の端部の位置よりもマニホールド開口部４２ａ〜４２ｄ側に位置し、受容部４２Ｂの長手方向の寸法がガス流路４２ｇ〜４２ｊの長手方向の寸法よりも短くなっている。

これにより、受容部４２Ｂに浸入した水分を、マニホールド開口部４２ａ〜４２ｄへ向けて排出し、受容部４２Ｂに水が溜まることが防止される。また、本変形例のＦＣセルは、前述のＦＣセル４０と同様に、溶着により流動したフレーム部材４２の材料を受容部４２Ｂによって受容することで、ガス流路４２ｇ〜４２ｊが閉塞されることが防止され、ガス流路４２ｇ〜４２ｊの開口率が低下するのを防止できる。

したがって、本変形例のＦＣセルによれば、前述のＦＣセル４０と同様に、反応ガスの圧力損失が増大するのを防止して、反応ガスを均一に供給することができるだけでなく、受容部４２Ｂに浸入した水分を、マニホールド開口部４２ａ〜４２ｄへ向けて排出することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

４０ ＦＣセル（燃料電池セル）
４１ ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
４２ フレーム部材
４２ａ マニホールド開口部
４２ｂ マニホールド開口部
４２ｃ マニホールド開口部
４２ｄ マニホールド開口部
４２ｇ ガス流路
４２ｈ ガス流路
４２ｉ ガス流路
４２ｊ ガス流路
４２ｓ シール部
４２Ａ 面内開口部
４２Ｂ 受容部
４３ セパレータ
４３ａ マニホールド孔
４３ｂ マニホールド孔
４３ｃ マニホールド孔
４３ｄ マニホールド孔
４４ セパレータ
ｄ 間隔
Ｌ 長さ
ｌ 長さ
Ｍ 材料
Ｗ 幅
ｗ 幅

Claims (5)

1. 膜電極ガス拡散層接合体と、該膜電極ガス拡散層接合体を囲むフレーム部材と、該フレーム部材および前記膜電極ガス拡散層接合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って、
   前記一対のセパレータは、反応ガスが供給または排出されるマニホールド孔を有し、
   前記フレーム部材は、前記マニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置された面内開口部と、該面内開口部および前記マニホールド開口部に連通したガス流路と、該ガス流路および前記マニホールド開口部を囲うように前記一対のセパレータに溶着されたシール部と、該シール部と前記ガス流路との間に設けられ前記溶着により流動した前記フレーム部材の材料を受容するための受容部と、を有し、
   前記ガス流路および前記受容部は、スリット状の貫通孔であることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記受容部の一端は、前記マニホールド開口部に連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記ガス流路および前記受容部は、前記マニホールド開口部から前記面内開口部へ向けて延びるスリット形状を有し、
   前記受容部の延在方向の長さは、前記ガス流路の延在方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記ガス流路の延在方向に交差する方向において、互いに隣接する前記ガス流路の間隔は、前記ガス流路の幅に等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
5. 前記ガス流路の延在方向に交差する方向において、前記ガス流路の幅と前記受容部の幅とが等しいことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。

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