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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025009310
(43)【公開日】2025-01-20
(54)【発明の名称】燃料電池セル
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0247 20160101AFI20250110BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20250110BHJP
H01M 8/0284 20160101ALI20250110BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20250110BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0247
H01M8/0273
H01M8/0284
H01M8/0258
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023112225
(22)【出願日】2023-07-07
(71)【出願人】
【識別番号】522195954
【氏名又は名称】株式会社水素パワー
(74)【代理人】
【識別番号】110001416
【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所
(72)【発明者】
【氏名】平野 出穂
【テーマコード（参考）】
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H126AA08
5H126AA12
5H126AA15
5H126DD02
5H126DD05
5H126EE11
5H126EE31
5H126JJ03
5H126JJ09
(57)【要約】
【課題】厚さを抑えつつ拡散部での流路の閉塞を抑制することができる燃料電池セルを提供する。
【解決手段】燃料電池セル１０は、コアシート２２とセパレータ２０を有する。コアシート２２は電解質膜２４ａと電極層２４ｂを有するＭＥＡ２４と、枠状シート２３と、を有する。セパレータ２０は、第一ガスが導入される第一入口部５０ａと、第一ガスが排出される第一出口部６０ａと、第二ガスが導入される第二入口部５０ｂと、第二ガスが排出される第二出口部６０ｂと、を有する。第一入口部５０ａ、第二入口部５０ｂ、第一出口部６０ａ、第二出口部６０ｂの少なくとも一つは、枠状シート２３に向かって突出して枠状シート２３を支持する複数の凸部１００を有する。凸部１００は、枠状シート２３に突き当てられて枠状シート２３の面方向の変位を抑制している。
【選択図】図２
【解決手段】燃料電池セル１０は、コアシート２２とセパレータ２０を有する。コアシート２２は電解質膜２４ａと電極層２４ｂを有するＭＥＡ２４と、枠状シート２３と、を有する。セパレータ２０は、第一ガスが導入される第一入口部５０ａと、第一ガスが排出される第一出口部６０ａと、第二ガスが導入される第二入口部５０ｂと、第二ガスが排出される第二出口部６０ｂと、を有する。第一入口部５０ａ、第二入口部５０ｂ、第一出口部６０ａ、第二出口部６０ｂの少なくとも一つは、枠状シート２３に向かって突出して枠状シート２３を支持する複数の凸部１００を有する。凸部１００は、枠状シート２３に突き当てられて枠状シート２３の面方向の変位を抑制している。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コアシートと、
前記コアシートの外側に設けられた、セパレータを有し、
前記コアシートは
電解質膜と、前記電解質膜の外側に設けられた電極層と、を有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡを支持する樹脂製の枠状シートと、を有し、
前記セパレータは、入口部と、出口部と、を有し、
前記入口部は、第一ガスが導入される第一入口部と、第二ガスが導入される第二入口部と、を有し、
前記出口部は、前記第一ガスが排出される第一出口部と、前記第二ガスが排出される第二出口部と、を有し、
前記第一入口部と前記第二入口部、前記第一出口部と前記第二出口部の少なくとも一つは、前記枠状シートに向かって突出し、前記枠状シートを支持する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記枠状シートに突き当てられて前記枠状シートの面方向の変位を抑制している、燃料電池セル。
前記コアシートの外側に設けられた、セパレータを有し、
前記コアシートは
電解質膜と、前記電解質膜の外側に設けられた電極層と、を有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡを支持する樹脂製の枠状シートと、を有し、
前記セパレータは、入口部と、出口部と、を有し、
前記入口部は、第一ガスが導入される第一入口部と、第二ガスが導入される第二入口部と、を有し、
前記出口部は、前記第一ガスが排出される第一出口部と、前記第二ガスが排出される第二出口部と、を有し、
前記第一入口部と前記第二入口部、前記第一出口部と前記第二出口部の少なくとも一つは、前記枠状シートに向かって突出し、前記枠状シートを支持する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記枠状シートに突き当てられて前記枠状シートの面方向の変位を抑制している、燃料電池セル。
【請求項2】
前記凸部は、前記枠状シートに向かって突き出すディンプルである、請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項3】
前記凸部は前記枠状シートに突き当てられる平坦部を有し、前記平坦部と前記枠状シートは面接触する、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項4】
前記第一ガスは水素ガスであり、前記第二ガスは空気である、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項5】
前記第一ガスと前記第二ガスは互いに逆向きに流れるように構成され、
前記凸部は、少なくとも前記出口部に設けられる、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
前記凸部は、少なくとも前記出口部に設けられる、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項6】
前記入口部は入口孔を有し、
前記出口部は出口孔を有し、
前記入口部または前記出口部における複数の前記凸部同士の離間距離は、前記入口孔及び前記出口孔からの距離に応じて変化している、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
前記出口部は出口孔を有し、
前記入口部または前記出口部における複数の前記凸部同士の離間距離は、前記入口孔及び前記出口孔からの距離に応じて変化している、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項7】
前記入口部における前記離間距離は、前記入口孔に近いほど小さくなり、前記出口部における前記離間距離は前記出口孔に近いほど小さくなる、請求項６に記載の燃料電池セル。
【請求項8】
前記入口部は入口孔を有し、
前記出口部は出口孔を有し、
前記枠状シートの曲げ剛性は、前記入口孔に近いほど大きくなり、前記出口部における前記枠状シートの曲げ剛性は、前記出口孔に近いほど大きくなる、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
前記出口部は出口孔を有し、
前記枠状シートの曲げ剛性は、前記入口孔に近いほど大きくなり、前記出口部における前記枠状シートの曲げ剛性は、前記出口孔に近いほど大きくなる、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項9】
隣り合う任意の一組の前記凸部の間でたわむ前記枠状シートの最大たわみ量δについて、
前記第一ガスと前記第二ガスの差圧をＰ、
前記枠状シートの厚さをｈ、前記枠状シートの弾性率をＥ、
前記凸部の高さをＤ、
隣り合う前記凸部のそれぞれの前記枠状シートとの接触部同士の距離をＬ、としたときに以下の式が成り立つ、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
前記第一ガスと前記第二ガスの差圧をＰ、
前記枠状シートの厚さをｈ、前記枠状シートの弾性率をＥ、
前記凸部の高さをＤ、
隣り合う前記凸部のそれぞれの前記枠状シートとの接触部同士の距離をＬ、としたときに以下の式が成り立つ、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【数1】
【請求項10】
請求項１または２に記載の燃料電池セルを用いる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に記載の燃料電池においては、中間層としてカーボン多孔体及び金属多孔体を設けることによって、電解質膜に加わる応力を緩和することができる燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１３－１９６８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上述した態様において、ガス拡散部において、アノードとカソードとの間の差圧発生等の要因により、枠状シートが変形して流路を塞いでしまうという問題がある。枠状シートを厚くしたり、あるいは、金属板で枠状シートを支持したりすることで変形を抑えることができるものの、そのような構造は燃料電池セルの厚肉化を招き、燃料電池の大型化を招いてしまう。
【0005】
本開示は、厚さを抑えつつ拡散部での流路の閉塞を抑制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する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様に係る燃料電池セルは、
コアシートと、
前記コアシートの外側に設けられた、セパレータを有し、
前記コアシートは
電解質膜と、前記電解質膜の外側に設けられた電極層と、を有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡを支持する樹脂製の枠状シートと、を有し、
前記セパレータは、入口部と、出口部と、を有し、
前記入口部は、第一ガスが導入される第一入口部と、第二ガスが導入される第二入口部と、を有し、
前記出口部は、前記第一ガスが排出される第一出口部と、前記第二ガスが排出される第二出口部と、を有し、
前記第一入口部と前記第二入口部、前記第一出口部と前記第二出口部の少なくとも一つは、前記枠状シートに向かって突出し、前記枠状シートを支持する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記枠状シートに突き当てられて前記枠状シートの面方向の変位を抑制している。
コアシートと、
前記コアシートの外側に設けられた、セパレータを有し、
前記コアシートは
電解質膜と、前記電解質膜の外側に設けられた電極層と、を有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡを支持する樹脂製の枠状シートと、を有し、
前記セパレータは、入口部と、出口部と、を有し、
前記入口部は、第一ガスが導入される第一入口部と、第二ガスが導入される第二入口部と、を有し、
前記出口部は、前記第一ガスが排出される第一出口部と、前記第二ガスが排出される第二出口部と、を有し、
前記第一入口部と前記第二入口部、前記第一出口部と前記第二出口部の少なくとも一つは、前記枠状シートに向かって突出し、前記枠状シートを支持する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記枠状シートに突き当てられて前記枠状シートの面方向の変位を抑制している。
【発明の効果】
【0007】
上記によれば、厚さを抑えつつ拡散部での流路の閉塞を抑制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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る燃料電池セル１０の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本開示の実施形態に係る燃料電池セル１０の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0010】
なお、図１等に示すＵ、Ｄ、Ｆ、Ｂ、Ｒ、Ｌは燃料電池セル１０における方向を示すものであり、Ｕは上方、Ｄは下方、Ｆは前方、Ｂは後方、Ｒは右方、Ｌは左方である。以降の説明では、右方、左方を区別なく呼ぶ場合は、単に「側方」と呼ぶことがある。
【0011】
図１は、本開示に係る燃料電池セル１０を用いた燃料電池１の斜視図である。
図１に示すように、燃料電池１は燃料電池セル１０を一枚以上積層して構成される。燃料電池１は、積層した燃料電池セル１０の両端に設けられたエンドプレート、燃料電池セルで生じた電気を取り出す電極、および図１破線で示したケースを有している。以降の説明においては、燃料電池セル１０のことを単に「セル」と呼称することがある。
エンドプレートの片方には、各流体のスタックへの出入口が設けられ、それぞれ、第一ガス入口２、第一ガス出口３、第二ガス入口４、第二ガス出口５、冷却水入口６、冷却水出口７となっている。
図１に示すように、燃料電池１は燃料電池セル１０を一枚以上積層して構成される。燃料電池１は、積層した燃料電池セル１０の両端に設けられたエンドプレート、燃料電池セルで生じた電気を取り出す電極、および図１破線で示したケースを有している。以降の説明においては、燃料電池セル１０のことを単に「セル」と呼称することがある。
エンドプレートの片方には、各流体のスタックへの出入口が設けられ、それぞれ、第一ガス入口２、第一ガス出口３、第二ガス入口４、第二ガス出口５、冷却水入口６、冷却水出口７となっている。
【0012】
図２～図４を用いて燃料電池セル１０の構成について説明する。図２は本実施形態に係る燃料電池セル１０の分解斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１０は、セパレータ２０と、コアシート２２を有する。二枚のセパレータ２０がコアシート２２を挟んで燃料電池セル１０を構成する。燃料電池セル１０は、セパレータ２０とコアシート２２との間にガスを流入させることができる。セパレータ２０とコアシート２２との間には流路を異として、第一ガスと第二ガスの二種類のガスが流れる。
【0013】
図２に示すようにコアシート２２は、側面視で略矩形状の部材である。コアシート２２は、枠状シート２３と、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２４を有する。ＭＥＡ２４は、一対の電極層２４ｂ（触媒層とガス拡散層を含む）と、一対の電極層２４ｂに挟まれた電解質膜２４ａを有する。ＭＥＡ２４は電解質膜２４ａと電極層２４ｂによって、セパレータ２０とコアシート２２との間に流れる第一ガスと第二ガスを反応させ、電気を取り出すことができる。
枠状シート２３は、ＭＥＡ２４を支持する樹脂製の薄い、枠状のシートである。二枚の枠状シート２３が、ＭＥＡ２４の外周端部を挟みこむようにしてＭＥＡ２４を支持している。枠状シート２３の中央の開口部からは、ＭＥＡ２４が露出されている。
枠状シート２３は、ＭＥＡ２４を支持する樹脂製の薄い、枠状のシートである。二枚の枠状シート２３が、ＭＥＡ２４の外周端部を挟みこむようにしてＭＥＡ２４を支持している。枠状シート２３の中央の開口部からは、ＭＥＡ２４が露出されている。
【0014】
セパレータ２０は、カーボン材料や、金属材料等で構成された薄板状の部材である。セパレータ２０はアノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂを有する。以降の説明においては、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂを総称して「セパレータ２０」と呼称することがある。アノード側セパレータ２０ａとコアシート２２との間にはガスとして第一ガスが導入される。カソード側セパレータ２０ｂとコアシートとの間にはガスとして第二ガスが導入される。冷却水は、隣接する燃料電池セル１０の間に形成された流路を通る。
【0015】
図２に示すように、セパレータ２０は、ガス流路溝２１と、入口部５０と、出口部６０を有する。セパレータ２０は、コアシート２２との間に、ガスが導通可能なガス流路を形成している。ガス流路溝２１は入口部５０から出口部６０まで形成されている。本実施形態におけるガス流路溝２１は、セパレータ２０の表面に構成された、入口部５０から出口部６０まで延びる波状の凹凸形状である。ガス流路溝２１によって、コアシート２２との間には微細な複数の流路が形成される。なお図２では、ガス流路溝２１をセパレータ２０の一部に描いているが、実際には、電極層２４ｂと向かい合うセパレータ２０の全面に設けられている。
入口部５０はセパレータ２０とコアシート２２との間にガスを導入することができる。セパレータ２０は、コアシート２２との間に、入口部５０としての空間を形成している。
出口部６０は、セパレータ２０とコアシート２２との間に導入されたガスを排出することができる。入口部５０および出口部６０は、セパレータ２０の、ガス流路溝２１が延びる方向の端部に設けられている。
入口部５０はセパレータ２０とコアシート２２との間にガスを導入することができる。セパレータ２０は、コアシート２２との間に、入口部５０としての空間を形成している。
出口部６０は、セパレータ２０とコアシート２２との間に導入されたガスを排出することができる。入口部５０および出口部６０は、セパレータ２０の、ガス流路溝２１が延びる方向の端部に設けられている。
【0016】
本実施形態において、アノード側セパレータ２０ａには、ガス流路溝２１として第一ガス流路溝２１ａが設けられている。また、アノード側セパレータ２０ａには、入口部５０と出口部６０として、第一入口部５０ａと、第一出口部６０ａが設けられている。
本実施形態において、カソード側セパレータ２０ｂには、ガス流路溝２１として第二ガス流路溝２１ｂが設けられている。また、カソード側セパレータ２０ｂには、入口部５０と出口部６０として、第二入口部５０ｂと、第二出口部６０ｂが設けられている。本実施形態においては、第一ガスと第二ガスをそれぞれ対向方向から燃料電池セル１０内に流すクロスフロー方式を採用しているため、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂでは、入口部５０と、出口部６０の位置が異なることに留意されたい。
本実施形態において、カソード側セパレータ２０ｂには、ガス流路溝２１として第二ガス流路溝２１ｂが設けられている。また、カソード側セパレータ２０ｂには、入口部５０と出口部６０として、第二入口部５０ｂと、第二出口部６０ｂが設けられている。本実施形態においては、第一ガスと第二ガスをそれぞれ対向方向から燃料電池セル１０内に流すクロスフロー方式を採用しているため、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂでは、入口部５０と、出口部６０の位置が異なることに留意されたい。
【0017】
図３は本実施形態に係るアノード側セパレータ２０ａ、カソード側セパレータ２０ｂそれぞれの正面図（Ｆ側から見た図）である。本図において、第一ガスはアノード側セパレータ２０ａの裏面（紙面反対側）と、非図示のコアシートの間を流れる。第二ガスはカソード側セパレータ２０ｂの表面と、非図示のコアシートの間を流れる。図３に示すように、入口部５０は、入口孔５１と、拡散部５２を有する。
【0018】
入口孔５１は、図１に示した第一ガス入口２、第二ガス入口４から取り込まれたガスを、セル内に取り込むための孔で、入口孔５１からガスがセル内に導入される。入口孔５１から導入されたガスは拡散部５２内で拡散され、拡散部５２内に作用するガス圧によりガスはガス流路溝２１に導かれる。出口部６０は、出口孔６１と、収集部６２を有する。出口孔６１はセパレータ２０とコアシート２２との間に導入されたガスを排出させるために設けられている。ガス流路溝２１から流れ出たガスは収集部６２で出口孔６１に向かって集められ、出口孔６１からセル外部に排出される。
本実施形態において、入口孔５１と出口孔６１は、セパレータ２０における対角の角に設けられている。
以降の説明においては、入口孔５１と、出口孔６１を総称して「孔部」と呼称することがある。また以降の説明においては、拡散部５２と、収集部６２を総称して「拡散収集部」と呼称することがある。
なお本実施例には図示していないが、セパレータ２０とコアシート２２の間において、各ガスが通過する入口孔５１、拡散部５２、ガス流路溝２１、収集部６２、出口孔６１には、それらを包絡するシール構造が設けられている。また、燃料電池セル１０同士の間に形成される冷却水流路も同様のシール構造を有するため、各流体はお互いが混ざり合うことなく流れることができる。
本実施形態において、入口孔５１と出口孔６１は、セパレータ２０における対角の角に設けられている。
以降の説明においては、入口孔５１と、出口孔６１を総称して「孔部」と呼称することがある。また以降の説明においては、拡散部５２と、収集部６２を総称して「拡散収集部」と呼称することがある。
なお本実施例には図示していないが、セパレータ２０とコアシート２２の間において、各ガスが通過する入口孔５１、拡散部５２、ガス流路溝２１、収集部６２、出口孔６１には、それらを包絡するシール構造が設けられている。また、燃料電池セル１０同士の間に形成される冷却水流路も同様のシール構造を有するため、各流体はお互いが混ざり合うことなく流れることができる。
【0019】
図４は、本開示に係る燃料電池セル１０の正面図である。図４の紙面手前側にアノード側セパレータ２０ａが位置し、図４の紙面奥側にカソード側セパレータ２０ｂが位置している。図４は、Ｆ側から、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂとを透視的に見た状態を描いている。
本実施形態において、アノード側セパレータ２０ａは、第一ガス入口孔５１ａと、第一ガス拡散部５２ａと、第一ガス流路溝２１ａと、第一ガス出口孔６１ａと、第一ガス収集部６２ａで構成される第一流路を有する。
また、カソード側セパレータ２０ｂは、第二ガス入口孔５１ｂと、第二ガス拡散部５２ｂと、第二ガス流路溝２１ｂと、第二ガス出口孔６１ｂと、第二ガス収集部６２ｂで構成される第二流路を有する。
図４に示すように、本実施形態に係る単一の燃料電池セル１０において、それぞれの入口出口部は、燃料電池セル１０の側面から透視的に見たときに重なっていない。また、本実施形態に係る単一の燃料電池セル１０を側方から透視的に見たときに、第一ガス拡散部５２ａは第二ガス収集部６２ｂと重なり、また、第一ガス収集部６２ａは第二ガス拡散部５２ｂと重なっている。
本実施形態において、アノード側セパレータ２０ａは、第一ガス入口孔５１ａと、第一ガス拡散部５２ａと、第一ガス流路溝２１ａと、第一ガス出口孔６１ａと、第一ガス収集部６２ａで構成される第一流路を有する。
また、カソード側セパレータ２０ｂは、第二ガス入口孔５１ｂと、第二ガス拡散部５２ｂと、第二ガス流路溝２１ｂと、第二ガス出口孔６１ｂと、第二ガス収集部６２ｂで構成される第二流路を有する。
図４に示すように、本実施形態に係る単一の燃料電池セル１０において、それぞれの入口出口部は、燃料電池セル１０の側面から透視的に見たときに重なっていない。また、本実施形態に係る単一の燃料電池セル１０を側方から透視的に見たときに、第一ガス拡散部５２ａは第二ガス収集部６２ｂと重なり、また、第一ガス収集部６２ａは第二ガス拡散部５２ｂと重なっている。
【0020】
次に、図５を用いてセパレータ２０の間にガスが流れる態様について説明する。図５は本実施形態に係る燃料電池セル１０におけるガスの流れ方を示した図である。図５（ａ）は燃料電池セル１０をＦ側から見た時の、アノード側セパレータ２０ａとコアシート２２の間に形成される第一流路を説明するための図である。図５（ｂ）は、燃料電池セル１０をＦ側から見た時の、カソード側セパレータ２０ｂとコアシート２２の間に形成される第二流路を説明するための図である。
【0021】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示したように、本実施形態において、第一ガスは、アノード側セパレータ２０ａとコアシート２２との間に、第一ガス入口孔５１ａから導入される。第一ガスは第一ガス入口孔５１ａから導入された後、第一ガス拡散部５２ａによって、第一ガス流路溝２１ａの上下方向に拡散した後、第一ガス出口孔６１ａが設けられているＲ方向に流れる。第二ガスは、カソード側セパレータ２０ｂとコアシート２２との間で、第一ガスとは異なる方向に、第一ガスと同様に流れる。つまり、燃料電池セル１０に第一ガスと第二ガスが導入されている場合、第一ガスと第二ガスはコアシート２２を挟んで交差する方向に流れる。本実施形態において、第一ガスは水素ガスであり、第二ガスは空気である。
このように本実施形態においては、第一ガスが流れる方向と第二ガスが流れる方向を異ならせるクロスフロー型（カウンターフロー型）の燃料電池セル１０を説明するが、本開示はこれに限られない。例えば第一ガスと第二ガスを同方向に流すパラレルフロー型の燃料電池セルであってもよい。
このように本実施形態においては、第一ガスが流れる方向と第二ガスが流れる方向を異ならせるクロスフロー型（カウンターフロー型）の燃料電池セル１０を説明するが、本開示はこれに限られない。例えば第一ガスと第二ガスを同方向に流すパラレルフロー型の燃料電池セルであってもよい。
【0022】
次に図６Ａ、図６Ｂを用いて拡散収集部について詳述する。図６Ａは図５（ｂ）における部分ＶＩを拡大した図である。図６Ｂは図６Ａにおける収集部のＢ－Ｂ断面を示す矢視図である。以降の説明においては、カソード側セパレータ２０ｂの第二ガス収集部６２ｂについて詳述するが、第二ガス収集部６２ｂ以外の拡散収集部においても同様の構成を有していてもよい。
【0023】
図６Ａに示すように拡散収集部は凸部１００とベース部１０１を有する。ベース部１０１は、例えばカソード側セパレータ２０ｂのベース面と面一に構成された部位である。凸部１００は、ベース部１０１から枠状シート２３に対して突き当てられるように加工された凸状部である。より詳しくは、凸部１００は、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｂで挟み込んだ枠状シート２３に向かって突き出している。
図６Ｂに示すように、凸部１００はその先端に平坦部１０２を有する。平坦部１０２は、枠状シート２３に面接触可能に構成されている。隣り合う一対の凸部１００と、枠状シート２３と、ベース部１０１と、によってガス導通路Ｒが形成されている。
図６Ｂに示すように、凸部１００はその先端に平坦部１０２を有する。平坦部１０２は、枠状シート２３に面接触可能に構成されている。隣り合う一対の凸部１００と、枠状シート２３と、ベース部１０１と、によってガス導通路Ｒが形成されている。
【0024】
図６Ａに示したように、第二ガス収集部６２ｂに設けられた凸部１００同士の離間距離は、第一ガス入口孔５１ａからの距離に応じて変化している。図６Ａに示すように、凸部１００ａと凸部１００ｂとの離間距離Ｓ１は、凸部１００ａと凸部１００ｂよりも第一ガス入口孔５１ａから遠い位置に設けられている凸部１００ｃと凸部１００ｄの離間距離Ｓ２よりも小さい。第一ガス入口孔５１ａ近傍は、枠状シート２３を挟んで対面側の第一ガス圧が最大であるのに対し、第二ガス収集部６２ｂはガス流路の中で下流に位置するため、圧力低下が大きい。これにより、第一ガス入口孔５１ａ近傍は、第一ガスと第二ガスの差圧が最も大きくなる場所となる。そのため、第一ガス入口孔５１ａ近傍においては、差圧による枠状シート２３の変形を防ぐために、凸部１００による枠状シート２３の支持間隔を他の場所と比較して小さくしている。
【0025】
次に図７を用いて本開示における凸部１００の作用を詳述する。図７は、アノード側セパレータ２０ａの第一ガス拡散部５２ａと、カソード側セパレータ２０ｂの第二ガス収集部６２ｂとが枠状シート２３を挟み込む部分を示す断面図である。図７において、紙面の上部にアノード側セパレータ２０ａが位置し、紙面の下部にカソード側セパレータ２０ｂが位置している。
【0026】
上述したように、第一ガス拡散部５２ａには、凸部１００ｅによって枠状シート２３とアノード側セパレータ２０ａの間にガス導通路Ｒ１が形成されている。第二ガス収集部６２ｂには、凸部１００ｆによって枠状シート２３とカソード側セパレータ２０ｂの間にガス導通路Ｒ２が形成されている。本実施形態において、ガス導通路Ｒ１には第一ガスとして水素ガスが流れる。ガス導通路Ｒ２には第二ガスとして空気が流れる。
【0027】
ガス導通路Ｒ１およびガス導通路Ｒ２にガスが導入されると、枠状シート２３は第一ガスおよび第二ガスの双方から圧力を受ける。当該状況において、枠状シート２３が圧力により変形すると、ガス導通路Ｒ１およびガス導通路Ｒ２を塞いでしまう可能性がある。
より詳細には、ガス導通路Ｒを流れるガスの圧力は、流路内部の圧力損失により、入口孔５１近傍で最も高くなり、出口孔６１近傍で最も低くなる。このため、第一ガス拡散部５２ａのガス導通路Ｒ１内の圧力は、第二ガス収集部６２ｂのガス導通路Ｒ２内の圧力よりも高くなりやすい。特に本実施形態のように第一ガスが水素ガス、第二ガスが空気の場合、空気の圧力損失は水素ガスよりも高いので、第一ガス拡散部５２ａのガス導通路Ｒ１内の圧力は、第二ガス収集部６２ｂのガス導通路Ｒ２内の圧力よりも高くなる。
ガス導通路Ｒ１とガス導通路Ｒ２は変形容易な樹脂製の枠状シート２３によって仕切られている。ガス導通路Ｒ１内の圧力とガス導通路Ｒ２内の圧力の差圧により、ガス導通路Ｒ１とガス導通路Ｒ２とを仕切る枠状シート２３は変形する恐れがある。具体的には、枠状シート２３はガス導通路Ｒ２を閉塞するようにカソード側セパレータ２０ｂのベース部１０１ｆに向かって凸状に膨らむ恐れがある。
差圧による枠状シート２３の変形量は、差圧の大きさ、枠状シート２３の曲げ剛性、枠状シート２３を支持する凸部１００同士の離間距離により定まる。本開示に係る燃料電池セル１０によれば、枠状シート２３の板厚が薄く、曲げ剛性が低い場合でも、枠状シート２３を支持する凸部１００同士の間隔を枠状シート２３の剛性に合わせて小さくすることにより、枠状シート２３の厚さを抑えつつ、差圧による枠状シート２３の変形を、流路を閉塞しない程度に抑制することができる。
より詳細には、ガス導通路Ｒを流れるガスの圧力は、流路内部の圧力損失により、入口孔５１近傍で最も高くなり、出口孔６１近傍で最も低くなる。このため、第一ガス拡散部５２ａのガス導通路Ｒ１内の圧力は、第二ガス収集部６２ｂのガス導通路Ｒ２内の圧力よりも高くなりやすい。特に本実施形態のように第一ガスが水素ガス、第二ガスが空気の場合、空気の圧力損失は水素ガスよりも高いので、第一ガス拡散部５２ａのガス導通路Ｒ１内の圧力は、第二ガス収集部６２ｂのガス導通路Ｒ２内の圧力よりも高くなる。
ガス導通路Ｒ１とガス導通路Ｒ２は変形容易な樹脂製の枠状シート２３によって仕切られている。ガス導通路Ｒ１内の圧力とガス導通路Ｒ２内の圧力の差圧により、ガス導通路Ｒ１とガス導通路Ｒ２とを仕切る枠状シート２３は変形する恐れがある。具体的には、枠状シート２３はガス導通路Ｒ２を閉塞するようにカソード側セパレータ２０ｂのベース部１０１ｆに向かって凸状に膨らむ恐れがある。
差圧による枠状シート２３の変形量は、差圧の大きさ、枠状シート２３の曲げ剛性、枠状シート２３を支持する凸部１００同士の離間距離により定まる。本開示に係る燃料電池セル１０によれば、枠状シート２３の板厚が薄く、曲げ剛性が低い場合でも、枠状シート２３を支持する凸部１００同士の間隔を枠状シート２３の剛性に合わせて小さくすることにより、枠状シート２３の厚さを抑えつつ、差圧による枠状シート２３の変形を、流路を閉塞しない程度に抑制することができる。
【0028】
具体的には、隣り合う任意の一組の凸部１００の間でたわむ枠状シート２３に差圧Ｐが負荷した時の最大たわみ量δは、両端を拘束支持された両持ち梁に分布荷重が負荷した時の最大変位として近似計算できる。すなわち、第一ガスと第二ガスの差圧をＰ、枠状シート２３の厚さをｈ、枠状シート２３の弾性率をＥ、凸部１００の高さをＤ、隣り合う凸部１００のそれぞれの枠状シート２３との接触部２００同士の距離をＬ、とすると、最大たわみ量δは次式で表される。
上式から、枠状シート２３の厚さｈが薄い場合でも凸部１００と枠状シート２３との接触部２００同士の距離Ｌを小さくすることにより、たわみ量δの値を小さく抑えられることがわかる。
最大たわみ量δが流路を閉塞しないための一つの目安としては、枠状シート２３のたわみ量δが凸部高さＤ、すなわち流路高さの１／３を超えないことが挙げられる。数式で表すと、次式の通りとなる。
上記式を満たすように燃料電池セル１０を構成することで、枠状シート２３の変形によるガス導通路Ｒの閉塞を抑制することができる。例えば、枠状シート２３の厚さｈと、弾性率Ｅと、に応じた、ガス導通路Ｒを塞がないための凸部１００の高さの指標とすることができる。また、凸部１００の高さＤに応じた、枠状シート２３の厚さｈと、弾性率Ｅの決定の指標とすることができる。
図７に示す実施例において、凸部１００ｆの高さＤは、ベース部１０１ｆから平坦部１０２ｆが枠状シート２３と接触している接触部２００までの距離である。また、隣り合う凸部１００同士の距離Ｌは、隣り合う凸部１００それぞれが枠状シート２３と接触する、接触部２００間の距離である。
【数1】
上式から、枠状シート２３の厚さｈが薄い場合でも凸部１００と枠状シート２３との接触部２００同士の距離Ｌを小さくすることにより、たわみ量δの値を小さく抑えられることがわかる。
最大たわみ量δが流路を閉塞しないための一つの目安としては、枠状シート２３のたわみ量δが凸部高さＤ、すなわち流路高さの１／３を超えないことが挙げられる。数式で表すと、次式の通りとなる。
【数2】
上記式を満たすように燃料電池セル１０を構成することで、枠状シート２３の変形によるガス導通路Ｒの閉塞を抑制することができる。例えば、枠状シート２３の厚さｈと、弾性率Ｅと、に応じた、ガス導通路Ｒを塞がないための凸部１００の高さの指標とすることができる。また、凸部１００の高さＤに応じた、枠状シート２３の厚さｈと、弾性率Ｅの決定の指標とすることができる。
図７に示す実施例において、凸部１００ｆの高さＤは、ベース部１０１ｆから平坦部１０２ｆが枠状シート２３と接触している接触部２００までの距離である。また、隣り合う凸部１００同士の距離Ｌは、隣り合う凸部１００それぞれが枠状シート２３と接触する、接触部２００間の距離である。
【0029】
図７に示す実施例においては、拡散部に設けられた凸部１００ｅ及び凸部１００ｆが枠状シート２３に突き当てられ、枠状シート２３の面方向の変位を抑制している。また、凸部１００ｅは平坦部１０２ｅを有し、凸部１００ｆは平坦部１０２ｆを有する。平坦部１０２ｅおよび平坦部１０２ｆは、枠状シート２３に対して面接触が可能であり、枠状シート２３にかかる面圧を分散させることができる。
【0030】
ガス導通路Ｒに流れるガスから、枠状シート２３に対してかかる圧力は入口孔５１近傍で最も高くなり、出口孔６１近傍で最も低くなる。このため、拡散部のうち、入口孔５１および出口孔６１が設けられる近傍部分は、アノード側のガス導通路Ｒが枠状シート２３に与える圧力と、カソード側のガス導通路Ｒが枠状シート２３に与える圧力の差（差圧）が大きい。よって、入口孔５１と出口孔６１の付近は、枠状シート２３が特に変形しやすい環境となっている。
【0031】
本開示に係る燃料電池セルによれば、凸部１００同士の、入口部５０における離間距離は入口孔５１に近いほど小さくなり、出口部６０における離間距離は出口孔６１に近いほど小さくなる。これにより、凸部１００は枠状シート２３における差圧が高い箇所を効果的に支持することができ、枠状シート２３の変形を抑制することができる燃料電池セル１０を提供することができる。
また、本実施例では入口孔出口孔からの距離に応じて凸部１００同士の離間距離を変更したが、凸部１００同士の離間距離を変更する代わりに、前記枠状シート２３の曲げ剛性を変更しても良い。すなわち、入口孔出口孔に近いほど前記枠状シート２３の曲げ剛性を増大させる（例えば板厚を増加させる）ことにより、差圧のより大きな部位での枠状シートの変形を抑制することができる。
また、本実施例では入口孔出口孔からの距離に応じて凸部１００同士の離間距離を変更したが、凸部１００同士の離間距離を変更する代わりに、前記枠状シート２３の曲げ剛性を変更しても良い。すなわち、入口孔出口孔に近いほど前記枠状シート２３の曲げ剛性を増大させる（例えば板厚を増加させる）ことにより、差圧のより大きな部位での枠状シートの変形を抑制することができる。
【0032】
また、本開示に係る燃料電池セル１０において、凸部１００は枠状シート２３に向かって突き出すディンプルであってもよい。当該構成によれば、ガス導通路Ｒの流路面積を大きくとりやすい。
【0033】
以上、本開示の実施形態について説明をしたが、本開示の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本開示の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。
【符号の説明】
【0034】
１ 燃料電池
２ 第一ガス入口
３ 第一ガス出口
４ 第二ガス入口
５ 第二ガス出口
６ 冷却水入口
７ 冷却水出口
１０ 燃料電池セル
２０ セパレータ
２０ａ アノード側セパレータ
２０ｂ カソード側セパレータ
２１ ガス流路溝
２１ａ 第一ガス流路溝
２１ｂ 第二ガス流路溝
２２ コアシート
２３ 枠状シート
２４ ＭＥＡ
２４ａ 電解質膜
２４ｂ 電極層
５０ 入口部
５０ａ 第一入口部
５０ｂ 第二入口部
５１ 入口孔
５１ａ 第一ガス入口孔
５１ｂ 第二ガス入口孔
５２ 拡散部
５２ａ 第一ガス拡散部
５２ｂ 第二ガス拡散部
６０ 出口部
６０ａ 第一出口部
６０ｂ 第二出口部
６１ 出口孔
６１ａ 第一ガス出口孔
６１ｂ 第二ガス出口孔
６２ 収集部
６２ａ 第一ガス収集部
６２ｂ 第二ガス収集部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ 凸部
１０１，１０１ｅ，１０１ｆ ベース部
１０２，１０２ｅ，１０２ｆ 平坦部
２００ 接触部
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ ガス導通路
２ 第一ガス入口
３ 第一ガス出口
４ 第二ガス入口
５ 第二ガス出口
６ 冷却水入口
７ 冷却水出口
１０ 燃料電池セル
２０ セパレータ
２０ａ アノード側セパレータ
２０ｂ カソード側セパレータ
２１ ガス流路溝
２１ａ 第一ガス流路溝
２１ｂ 第二ガス流路溝
２２ コアシート
２３ 枠状シート
２４ ＭＥＡ
２４ａ 電解質膜
２４ｂ 電極層
５０ 入口部
５０ａ 第一入口部
５０ｂ 第二入口部
５１ 入口孔
５１ａ 第一ガス入口孔
５１ｂ 第二ガス入口孔
５２ 拡散部
５２ａ 第一ガス拡散部
５２ｂ 第二ガス拡散部
６０ 出口部
６０ａ 第一出口部
６０ｂ 第二出口部
６１ 出口孔
６１ａ 第一ガス出口孔
６１ｂ 第二ガス出口孔
６２ 収集部
６２ａ 第一ガス収集部
６２ｂ 第二ガス収集部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ 凸部
１０１，１０１ｅ，１０１ｆ ベース部
１０２，１０２ｅ，１０２ｆ 平坦部
２００ 接触部
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ ガス導通路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】