特許 7196773 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-19

(45)【発行日】2022-12-27

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0273 20160101AFI20221220BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20221220BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20221220BHJP

   H01M 8/0284 20160101ALI20221220BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221220BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0273

H01M8/0247

H01M8/0276

H01M8/0284

H01M8/10 101

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019103135

(22)【出願日】2019-05-31

(65)【公開番号】P2020198200

(43)【公開日】2020-12-10

【審査請求日】2021-06-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】梶原 隆

(72)【発明者】

【氏名】柴田 和則

(72)【発明者】

【氏名】岡田 祥夫

【審査官】小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１８６８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５３１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８２６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３１０２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１００９０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０７２０９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２７３

Ｈ０１Ｍ ８／０２４７

Ｈ０１Ｍ ８／０２７６

Ｈ０１Ｍ ８／０２８４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜電極接合体を一対のガス拡散層により挟持した膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に当接した枠状の絶縁部材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材を挟持する第１及び第２セパレータと、を備え、
前記絶縁部材は、枠状の基材、及び前記第１セパレータに対向する前記基材の第１面に予め設けられており前記基材よりも弾性率が小さい第１弾性部、を含み、
前記第１セパレータは、第１方向に並設され第１反応ガスが流れる複数の第１溝部、前記複数の第１溝部よりも前記第１方向側に位置して前記第１反応ガスが流れる第１外側溝部、前記第１外側溝部に対して前記第１方向で隣接した第１ビード部、を含み、
前記第２セパレータは、前記第１ビード部との間で前記絶縁部材を挟持する第２ビード部を含み、
前記第１弾性部は、前記第１及び第２ビード部の間で前記第１ビード部により圧縮された第１圧縮領域、及び前記第１外側溝部内に位置した第１非圧縮領域を含み、
前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持された状態で、前記第１非圧縮領域は、前記第１圧縮領域よりも厚い、燃料電池。

【請求項2】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第１非圧縮領域及び第１圧縮領域は、厚さが同じである、請求項１の燃料電池。

【請求項3】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第１非圧縮領域は、前記第１圧縮領域よりも厚い、請求項１の燃料電池。

【請求項4】

前記第１弾性部は、前記基材の前記第１面の全面に形成されている、請求項１乃至３の何れかの燃料電池。

【請求項5】

前記第１非圧縮領域は、前記基材よりも厚い、請求項１乃至４の何れかの燃料電池。

【請求項6】

前記第１弾性部の材料は、ゴム及び熱可塑性エラストマーの少なくとも一方を含む、請求項１乃至５の何れかの燃料電池。

【請求項7】

前記絶縁部材は、前記基材の前記第１面とは反対側の第２面に予め設けられており前記基材よりも弾性率が小さい第２弾性部、を含み、
前記第２セパレータは、前記第１方向に並設され第２反応ガスが流れる複数の第２溝部、及び前記複数の第２溝部よりも前記第１方向側に位置して且つ前記第２ビード部に対して前記第１方向と反対方向で隣接して前記第２反応ガスが流れる第２外側溝部、を含み、
前記第２弾性部は、前記第１及び第２ビード部との間で前記第２ビード部により圧縮された第２圧縮領域、及び前記第２溝部内に位置した第２非圧縮領域を含み、
前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持された状態で、前記第２非圧縮領域は、前記第２圧縮領域よりも厚い、請求項１乃至６の何れかの燃料電池。

【請求項8】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第２非圧縮領域及び第２圧縮領域は、厚さが同じである、請求項７の燃料電池。

【請求項9】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第２非圧縮領域は、前記第２圧縮領域よりも厚い、請求項７の燃料電池。

【請求項10】

前記第２非圧縮領域は、前記基材よりも厚い、請求項７乃至９の何れかの燃料電池。

【請求項11】

前記第２弾性部は、前記基材の前記第２面の全面に形成されている、請求項７乃至１０の何れかの燃料電池。

【請求項12】

前記第２弾性部の材料は、ゴム及び熱可塑性エラストマーの少なくとも一方を含む、請求項７乃至１１の何れかの燃料電池。

【請求項13】

前記膜電極接合体は、電解質膜、前記電解質膜の前記第１セパレータ側の第１面に形成された第１触媒層、及び前記電解質膜の前記第１面とは反対側の第２面の当該膜電極接合体の縁領域を露出するように前記電解質膜の前記第２面に形成された第２触媒層、を含み、
前記一対のガス拡散層は、前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記縁領域を露出するように前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を含み、
前記第１セパレータは、前記第１外側溝部に前記第１方向とは反対方向に隣接して前記第１ガス拡散層に当接した第１リブ部を含み、
前記第２セパレータは、前記第１リブ部との間で、前記絶縁部材、前記電解質膜の前記縁領域、前記第１触媒層、及び前記第１ガス拡散層を挟持する第２リブ部を含む、請求項１乃至１２の何れかの燃料電池。

【請求項14】

前記第１弾性部は、前記電解質膜の前記縁領域に当接するが、接着はされていない、請求項１３の燃料電池。

【請求項15】

前記第２リブ部の少なくとも一部は、前記第２ガス拡散層に当接し、前記第１リブ部との間で、前記膜電極接合体と前記一対のガス拡散層とを挟持する、請求項１３又は１４の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、膜電極接合体を一対のガス拡散層により挟持した膜電極ガス拡散層接合体を有しており、反応ガスが膜電極接合体に到達することにより発電反応が生じる（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１２９１７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、膜電極ガス拡散層接合体の周辺を通過し膜電極接合体にまでは到達しない反応ガスの流量が多いと、発電効率が低下する恐れがある。

【0005】

そこで本発明は、発電効率が向上した燃料電池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】

上記目的は、膜電極接合体を一対のガス拡散層により挟持した膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に当接した枠状の絶縁部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材を挟持する第１及び第２セパレータと、を備え、前記絶縁部材は、枠状の基材、及び前記第１セパレータに対向する前記基材の第１面に予め設けられており前記基材よりも弾性率が小さい第１弾性部、を含み、前記第１セパレータは、第１方向に並設され第１反応ガスが流れる複数の第１溝部、前記複数の第１溝部よりも前記第１方向側に位置して前記第１反応ガスが流れる第１外側溝部、前記第１外側溝部に対して前記第１方向で隣接した第１ビード部、を含み、前記第２セパレータは、前記第１ビード部との間で前記絶縁部材を挟持する第２ビード部を含み、前記第１弾性部は、前記第１及び第２ビード部の間で前記第１ビード部により圧縮された第１圧縮領域、及び前記第１外側溝部内に位置した第１非圧縮領域を含み、前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持された状態で、前記第１非圧縮領域は、前記第１圧縮領域よりも厚い、燃料電池によって達成できる。

【0007】

第１弾性部の第１非圧縮領域が第１外側溝部内に位置することにより、第１外側溝部により画定される流路の断面積を減少させることができる。これにより、第１流路部に供給される第１反応ガス全体の流量のうち、第１外側溝部内を流れる第１反応ガスの流量の割合は減少する。このため、第１外側溝部以外の溝部内を流れる第１反応ガスの流量の割合が確保され、膜電極接合体に到達して発電反応に供される第１反応ガスの流量が確保される。これにより、発電効率が向上している。

【0009】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第１非圧縮領域及び第１圧縮領域は、厚さが同じであってもよい。

【0010】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第１非圧縮領域は、前記第１圧縮領域よりも厚くてもよい。

【0011】

前記第１弾性部は、前記基材の前記第１面の全面に形成されていてもよい。

【0012】

前記第１非圧縮領域は、前記基材よりも厚くてもよい。

【0013】

前記第１弾性部の材料は、ゴム及び熱可塑性エラストマーの少なくとも一方を含んでもよい。

【0014】

前記絶縁部材は、前記基材の前記第１面とは反対側の第２面に予め設けられており前記基材よりも弾性率が小さい第２弾性部、を含み、前記第２セパレータは、前記第１方向に並設され第２反応ガスが流れる複数の第２溝部、及び前記複数の第２溝部よりも前記第１方向側に位置して且つ前記第２ビード部に対して前記第１方向と反対方向で隣接して前記第２反応ガスが流れる第２外側溝部、を含み、前記第２弾性部は、前記第１及び第２ビード部との間で前記第２ビード部により圧縮された第２圧縮領域、及び前記第２溝部内に位置した第２非圧縮領域を含み、前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持された状態で、前記第２非圧縮領域は、前記第２圧縮領域よりも厚くてもよい。

【0016】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第２非圧縮領域及び第２圧縮領域は、厚さが同じであってもよい。

【0017】

前記膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材が前記第１及び第２セパレータに挟持される前の状態では、前記第２非圧縮領域は、前記第２圧縮領域よりも厚くてもよい。

【0018】

前記第２非圧縮領域は、前記基材よりも厚くてもよい。

【0019】

前記第２弾性部は、前記基材の前記第２面の全面に形成されていてもよい。

【0020】

前記第２弾性部の材料は、ゴム及び熱可塑性エラストマーの少なくとも一方を含んでもよい。

【0021】

前記膜電極接合体は、電解質膜、前記電解質膜の前記第１セパレータ側の第１面に形成された第１触媒層、及び前記電解質膜の前記第１面とは反対側の第２面の当該膜電極接合体の縁領域を露出するように前記電解質膜の前記第２面に形成された第２触媒層、を含み、前記一対のガス拡散層は、前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記縁領域を露出するように前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を含み、前記第１セパレータは、前記第１外側溝部に前記第１方向とは反対方向に隣接して前記第１ガス拡散層に当接した第１リブ部を含み、前記第２セパレータは、前記第１リブ部との間で、前記絶縁部材、前記電解質膜の前記縁領域、前記第１触媒層、及び前記第１ガス拡散層を挟持する第２リブ部を含んでもよい。

【0022】

前記第１弾性部は、前記電解質膜の前記縁領域に当接するが、接着はされていなくてもよい。

【0023】

前記第２リブ部の少なくとも一部は、前記第２ガス拡散層に当接し、前記第１リブ部との間で、前記膜電極接合体と前記一対のガス拡散層とを挟持してもよい。

【発明の効果】

【0024】

発電効率が向上した燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。

【図2】図２は、＋Ｚ方向側から見た場合のフレーム、ＭＥＧＡ、及びセパレータを示した透視図である。

【図3】図３は、図２に示したＡ－Ａ線に対応する単セルの断面図である。

【図4】図４Ａは、図３の部分拡大図であり、図４Ｂは、比較例の単セルの部分拡大断面図である。

【図5】図５Ａは、セパレータにより挟持される前のフレームの部分拡大断面図であり、図５Ｂは、セパレータにより挟持される前の、第１変形例の単セルのフレームの部分拡大断面図である。

【図6】図６Ａは、第２変形例の単セルのフレームの部分拡大断面図であり、図６Ｂは、第３変形例の単セルのフレームの部分拡大断面図である。

【図7】図７Ａは、第４変形例の単セルの部分断面図であり、図７Ｂは、第５変形例の単セルの部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｘ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。

【0027】

燃料電池スタック１は、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、枠状のフレーム５０と、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０よりも－Ｚ方向側に配置されてこれらと対向している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０よりも＋Ｚ方向側に配置されてこれらと対向している。ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。フレーム５０は、絶縁性を有しており、内周部がＭＥＧＡ１０の外周部に接合された枠状の絶縁部材の一例である。セパレータ２０及び４０は、第１及び第２セパレータの一例である。

【0028】

セパレータ２０及び４０、及びフレーム５０には、孔ａ１～ａ６が貫通するように形成されている。セパレータ２０及び４０、及びフレーム５０の２つの短辺の一方側には孔ａ１～ａ３が形成され、他方側には孔ａ４～ａ６が形成されている。孔ａ１は、カソード入口マニホールドを画定する。孔ａ２は、冷却水入口マニホールドを画定する。孔ａ３は、アノード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、アノード入口マニホールドを画定する。孔ａ５は、冷却水出口マニホールドを画定する。孔ａ６は、カソード出口マニホールドを画定する。

【0029】

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通してアノードガスが流れるアノード流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部２０Ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部４０Ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂは、セパレータ２０の長手方向であるＹ方向に延びＸ方向に並設された複数の溝部により構成されている。流路部４０Ａ及び４０Ｂも同様である。

【0030】

流路部２０Ａの複数の溝部は、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んでいる。流路部４０Ａの複数の溝部も同様に、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んでいる。流路部２０Ｂ及び４０Ｂは、それぞれ、流路部２０Ａ及び４０Ａと表裏一体に形成されている。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。

【0031】

セパレータ２０及び４０の外周には、それぞれ、ビード部２４及び４４が周回するように形成されている。ビード部２４は、流路部２０Ａ及び２０Ｂや孔ａ１～ａ６を包囲するように形成されている。同様に、ビード部４４は、流路部４０Ａ及び４０Ｂや孔ａ１～ａ６を包囲するように形成されている。ビード部２４及び４４は、詳しくは後述するがフレーム５０を挟持することにより、アノードガスやカソードガスの漏れを防止する。ビード部２４及び４４は、第１及び第２ビード部の一例である。

【0032】

図２は、＋Ｚ方向側から見た場合のフレーム５０、ＭＥＧＡ１０、及びセパレータ２０を示した透視図である。アノードガスは、孔ａ４から流路部２０Ａを－Ｙ方向に流れて孔ａ３に排出される。上方から見ると、拡散層１６ａ及び１６ｃは何れも矩形状であるが、拡散層１６ａは拡散層１６ｃよりもＸＹ平面方向に大きく形成されている。図２には、拡散層１６ｃの縁１８ｃ及び１９ｃと、拡散層１６ａの縁１８ａ及び１９ａとを示している。縁１８ｃ及び１９ｃは、Ｙ方向に平行であってＸ方向に対向している。縁１８ａ及び１９ａは、Ｙ方向に平行であってＸ方向に対向している。拡散層１６ａの方が拡散層１６ｃよりもＸＹ平面方向に大きいため、縁１８ａは縁１８ｃよりも外側に位置し、同様に縁１９ａは縁１９ｃよりも外側に位置する。縁１８ａ及び１９ａは、流路部２０Ａの複数の溝部が延びた方向に略平行である。縁１８ｃ及び１９ｃは、流路部４０Ａの複数の溝部が延びた方向に略平行である。

【0033】

図２には、セパレータ２０と、このセパレータ２０に隣接したセパレータとを溶接する溶接ラインＬを示している。溶接ラインＬは、ビード部２４とセパレータ２０の外周縁との間で延びている。尚、図２には示していないが、孔ａ１、ａ３、ａ４、及びａ６を包囲するように溶接ラインが設定される。

【0034】

図３は、図２に示したＡ－Ａ線に対応する単セル２の断面図である。図３には、単セル２よりも＋Ｚ方向側で単セル２に積層された他の単セルのアノード側のセパレータ２０―ａと、単セル２よりも－Ｚ方向側で単セル２に積層された他の単セルのカソード側のセパレータ４０－ｂとを示している。上述した溶接ラインＬに沿って、セパレータ２０とセパレータ４０－ｂとは溶接されており、セパレータ４０とセパレータ２０－ａとは溶接されている。尚、セパレータ２０－ａは、セパレータ２０と同一の部材であり、セパレータ４０―ｂは、セパレータ４０と同一の部材であるが、説明の便宜上、異なる符号を付している。尚、図３は、拡散層１６ａ及び１６ｃのそれぞれの縁１８ａ及び１８ｃ側の構成を示しているが、縁１９ａ及び１９ｃ側の構成も、ＹＺ平面で縁１８ａ及び１８ｃ側の構成と対称となるように設けられている。

【0035】

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃ、及び膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１を含む。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２、及びアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）を含む。触媒層１４ａは、電解質膜１２のセパレータ２０側の面１２ａに形成されている。触媒層１４ｃは、面１２ａの反対側の面である電解質膜１２の面１２ｃに形成されている。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。

【0036】

触媒層１４ａは、電解質膜１２の面１２ａの略全面にわたって形成されている。触媒層１４ｃは、電解質膜１２の面１２ｃの中央部に形成され、電解質膜１２の周縁領域には形成されていない。拡散層１６ａは、その端部が触媒層１４ａの端部に略揃う位置に設けられる。拡散層１６ｃは、その端部が触媒層１４ｃの端部に略揃う位置またはやや内側の位置に設けられている。これにより、電解質膜１２の周縁領域が露出している。露出した電解質膜１２の周縁領域に、フレーム５０の内周部が接着されている。

【0037】

［セパレータ２０の構成］
単セル２のセパレータ２０について説明する。図１及び図２に示したセパレータ２０の流路部２０Ａは、図３に示すように、互いにＹ方向に延びた複数の溝部２１及び外側溝部２３を含む。複数の溝部２１は、－Ｘ方向に並設されている。溝部２１は、拡散層１６ａに対向し拡散層１６ａから退避するように－Ｚ方向に凹んでいる。並んだ２つの溝部２１の間には、Ｙ方向に延びたリブ部２２が設けられている。リブ部２２は、拡散層１６ａに当接するように＋Ｚ方向に突出している。互いに隣接する溝部２１及びリブ部２２は、側壁部が共用されている。

【0038】

外側溝部２３は、複数の溝部２１に対して－Ｘ方向側に位置している。外側溝部２３は、拡散層１６ａとフレーム５０とに跨っており、拡散層１６ａとフレーム５０とから退避するように－Ｚ方向に凹んでいる。外側溝部２３は、アノードガスが流れる流路部２０Ａを構成する溝部の中で、－Ｘ方向で最も外側に位置している。互いに隣接する外側溝部２３及びリブ部２２は、側壁部が共用されている。

【0039】

ビード部２４は、外側溝部２３に対して－Ｘ方向に隣接しており、外側溝部２３に沿うように延びている。ビード部２４は、セパレータ４０のビード部４４との間でフレーム５０を挟持するように＋Ｚ方向に突出しており、リブ部２２よりも＋Ｚ方向の突出量が大きい。互いに隣接するビード部２４及び外側溝部２３は、側壁部が共用されている。縁部２５は、ビード部２４よりも－Ｘ方向に隣接しており、フレーム５０から退避するように－Ｚ方向に凹んでいる。

【0040】

アノードガスは、溝部２１及び外側溝部２３内を－Ｙ方向、即ち図３の紙面手前側から奥側に流れる。溝部２１内を流れるアノードガスの一部は、－Ｙ方向に流れながら拡散層１６ａ内に侵入して、拡散層１６ａ内で＋Ｘ方向及び－Ｘ方向に拡散して触媒層１４ａに到達する。触媒層１４ａにアノードガスが到達すると、アノードガス中の水素の酸化反応が促進される。ここで、拡散層１６ａの縁１８ａは、外側溝部２３内に位置している。このため、外側溝部２３内を流れるアノードガスの一部は、例えば拡散層１６ａの縁１８ａと、縁１８ａに対向する外側溝部２３及びビード部２４の共通の側壁部との間を流れ、触媒層１４ａに到達することなくＭＥＧＡ１０を通過する。図３に示すように、外側溝部２３、フレーム５０、拡散層１６ａ、触媒層１４ａの外縁、及び電解質膜１２の外縁により包囲された空間を流路空間Ｆａと称する。

【0041】

［セパレータ４０の構成］
単セル２のセパレータ４０について説明する。図１に示したセパレータ４０の流路部４０Ａは、図３に示すように、互いにＹ方向に延びた複数の溝部４１及び外側溝部４３を含む。複数の溝部４１は、－Ｘ方向に並設されている。溝部４１は、拡散層１６ｃから退避するように＋Ｚ方向に凹んでいる。並んだ２つの溝部４１の間には、Ｙ方向に延びたリブ部４２が設けられている。リブ部４２は、拡散層１６ｃに当接するように－Ｚ方向に突出している。互いに隣接する溝部４１及びリブ部４２は、側壁部が共用されている。

【0042】

外側溝部４３は、複数の溝部４１に対して－Ｘ方向側に位置している。外側溝部４３は、拡散層１６ｃとフレーム５０とに跨った位置に設けられており、拡散層１６ｃとフレーム５０とから退避するように＋Ｚ方向に凹んでいる。外側溝部４３は、カソードガスが流れる流路部４０Ａを構成する溝部の中で、－Ｘ方向で最も外側に位置している。互いに隣接する外側溝部４３及びリブ部４２は、側壁部が共用されている。

【0043】

ビード部４４は、外側溝部４３に対して－Ｘ方向に隣接しており、外側溝部４３に沿うように延びている。ビード部４４は、セパレータ２０のビード部２４との間でフレーム５０を挟持するように－Ｚ方向に突出しており、リブ部４２よりも－Ｚ方向の突出量が大きい。互いに隣接するビード部４４及び外側溝部４３は、側壁部が共用されている。縁部４５は、ビード部４４よりも－Ｘ方向に隣接しており、フレーム５０から退避するように＋Ｚ方向に凹んでいる。

【0044】

カソードガスは、溝部４１及び外側溝部４３内を＋Ｙ方向、即ち図３の紙面奥側から手前側に流れる。溝部４１内を流れるカソードガスの一部も、アノードガスと同様に、＋Ｙ方向に流れながら拡散層１６ｃ内に侵入して、拡散層１６ｃ内で＋Ｘ方向及び－Ｘ方向に拡散して触媒層１４ｃに到達する。触媒層１４ｃにカソードガスが到達すると、カソードガス中の酸素の還元反応が促進される。ここで、拡散層１６ｃの縁１８ｃは、外側溝部４３内に位置している。このため、外側溝部４３内を流れるカソードガスの一部は、例えば拡散層１６ｃの縁１８ｃと、縁１８ｃに対向する外側溝部４３及びビード部４４の共通の側壁部との間を流れ、触媒層１４ｃに到達することなくＭＥＧＡ１０を通過する。外側溝部４３、フレーム５０、拡散層１６ｃ、触媒層１４ｃ、及び電解質膜１２の外縁により包囲された空間を流路空間Ｆｃと称する。

【0045】

セパレータ２０の溝部２１、外側溝部２３、及び縁部２５は、それぞれ、セパレータ４０－ｂの溝部４１、外側溝部４３、及び縁部４５に当接する。セパレータ２０のリブ部２２及びビード部２４は、それぞれ、セパレータ４０－ｂのリブ部４２及びビード部４４にＺ方向で対向する。セパレータ２０のリブ部２２とセパレータ４０－ｂのリブ部４２とにより包囲された空間内に冷却水が流れる。セパレータ２０のビード部２４とセパレータ４０－ｂのビード部４４とにより包囲された空間内には、冷却水や反応ガスは流れない。セパレータ２０の縁部２５とセパレータ４０－ｂの縁部４５とは、上述した溶接ラインＬに従って溶接されている。セパレータ４０の溝部４１、外側溝部４３、及び縁部４５は、それぞれ、セパレータ２０－ａの溝部２１、外側溝部２３、及び縁部２５に当接する。セパレータ４０のリブ部４２及びビード部４４は、それぞれ、セパレータ２０－ａのリブ部２２及びビード部２４にＺ方向で対向する。セパレータ４０のリブ部４２とセパレータ２０－ａのリブ部２２とにより包囲された空間内に冷却水が流れる。セパレータ４０のビード部４４とセパレータ２０－ａのビード部２４とにより包囲された空間内には、冷却水や反応ガスは流れない。セパレータ２０－ａの縁部２５とセパレータ４０の縁部４５とは、上述した溶接ラインＬに従って溶接されている。セパレータ２０及び４０―ｂの溶接、及びセパレータ４０及び２０－ａとの溶接は、燃料電池スタック１として複数の単セル２を積層する前に予め実施されている。尚、セパレータ２０及び４０―ｂの接合やセパレータ４０及び２０－ａの接合は、溶接に限定されず、接着剤により接合されていてもよい。

【0046】

［フレーム５０の構成］
フレーム５０は、基材５１、弾性部５２及び５３を含む。基材５１は、厚みが略均一な薄いシート状であり、合成樹脂製であり、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＮ（ポリブチレンナフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＳ（ポリエチレンサクシネート）、ＰＰＳＵ（ポリフェニレンスルホン）、ＰＳＵ（ポリスルホン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＵＨＰＥ（超高分子量ポリエチレン）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）の少なくとも何れかである。弾性部５２及び５３は、薄いシート状であり、弾性を有している。具体的には、弾性部５２及び５３の各材料は、ゴム及び熱可塑性エラストマー樹脂の少なくとも一方を含み、例えば発泡ゴムや未発泡ゴムであってもよいし、ゴムと熱可塑性エラストマー樹脂との混合したものであってもよい。弾性部５２及び５３は、形状、大きさ、及び材料が同一であるが、説明の便宜上、異なる符号を付している。弾性部５２は、基材５１のセパレータ２０側の面５１ａに予め設けられている。弾性部５３は、基材５１の面５１ａとは反対側の面５１ｃに予め設けられている。弾性部５２及び５３のそれぞれは、弾性率が基材５１よりも小さく、基材５１よりも弾性変形が容易である。尚、弾性部５２及び５３は、接着成分を含有していないが、粘着成分は含有していてもよい。フレーム５０の弾性部５２は、電解質膜１２の周縁領域に接着されている。弾性部５２及び５３は、第１及び第２弾性部の一例である。

【0047】

図４Ａは、図３の部分拡大図である。弾性部５２は、非圧縮領域５２３及び圧縮領域５２４を含む。圧縮領域５２４は、ビード部２４により＋Ｚ方向に圧縮されて弾性変形している。圧縮領域５２４とビード部２４と間に作用する圧縮領域５２４の弾性復元力により、フレーム５０とビード部２４との間のシール性が確保され、アノードガスが外側溝部２３から外部に漏れることが防止される。非圧縮領域５２３は、圧縮領域５２４よりも＋Ｘ方向側に位置して外側溝部２３内に位置しており、圧縮されていない。圧縮領域５２４は圧縮されているため、非圧縮領域５２３のＺ方向での厚みＴ１は、圧縮領域５２４のＺ方向での厚みＴ２よりも厚い。

【0048】

同様に、弾性部５３は、圧縮領域５３４及び非圧縮領域５３３を含む。圧縮領域５３４は、ビード部４４により－Ｚ方向に圧縮されて弾性変形している。圧縮領域５３４とビード部４４と間に作用する圧縮領域５３４の弾性復元力により、フレーム５０とビード部４４との間のシール性が確保され、カソードガスが外側溝部４３から外部に漏れることが防止される。非圧縮領域５３３は、圧縮領域５３４よりも＋Ｘ方向側に位置して外側溝部４３内に位置しており、圧縮されていない。圧縮領域５３４は圧縮されているため、非圧縮領域５３３のＺ方向での厚みＴ３は、圧縮領域５３４のＺ方向での厚みＴ４よりも厚い。

【0049】

［比較例の構成］
図４Ｂは、比較例の単セル２ｘでの部分拡大断面図である。比較例においては、同一の構成については同一の符号を付して重複説明を省略する。図４Ｂは、図４Ａに対応している。比較例の単セル２ｘのフレーム５０ｘでは、弾性部５２及び５３は設けられておらず、代わりに基材５１とビード部２４との間にガスケット２４ｘが設けられており、基材５１とビード部４４との間にガスケット４４ｘが設けられている。ガスケット２４ｘ及び４４ｘは、それぞれビード部２４及び４４により圧縮されて弾性変形している。ガスケット２４ｘ及び４４ｘは、共に薄板状であってゴム製であり、それぞれ、ビード部２４及び４４の外側面の平坦な頂部に予め接合されている。図４Ｂの比較例では、ガスケット２４ｘ及び４４ｘのそれぞれのＺ方向の厚みＴ２及びＴ４を、上述した本実施例の圧縮領域５２４及び圧縮領域５３４の厚みＴ２及びＴ４と同じものとして示している。尚、比較例での流路空間Ｆａｘは、外側溝部２３、フレーム５０ｘ、拡散層１６ａ、触媒層１４ａ、及び電解質膜１２により包囲された空間とし、流路空間Ｆｃｘは、外側溝部４３、フレーム５０ｘ、拡散層１６ｃ、触媒層１４ｃ、及び電解質膜１２により包囲された空間とする。

【0050】

［本実施例の詳細な構成］
本実施例では、弾性部５２の非圧縮領域５２３は外側溝部２３内に位置するが、比較例では、ガスケット２４ｘは外側溝部２３内にまで延びていない。従って、比較例の流路空間Ｆａｘの、外側溝部２３が延びたＹ方向に垂直な断面積（以下、単に流路空間の断面積と称する場合には流路空間における外側溝部が延びた方向に垂直な断面の面積を意味する）は、本実施例の流路空間Ｆａの断面積よりも大きい。

【0051】

ここで、例えば流路空間Ｆａｘのように断面積の大きいと、単セル２ｘに供給されるアノードガス全体の流量のうち流路空間Ｆａｘを流れるアノードガスの流量の割合が増大する。このため、流路空間Ｆａｘ内で拡散層１６ａの縁１８ａに沿って流れて、触媒層１４ａには供給されずに発電反応に寄与しないアノードガスの流量が増大する。これにより、本来溝部２１内から拡散層１６ａを介して触媒層１４ａにまで到達して発電反応に供されるアノードガスの流量が減少し、発電効率が低下する。このような発電効率の低下を抑制するためには、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量を増量する必要があり、燃費が悪化する可能性がある。また、アノードオフガスを燃料電池スタック１に再循環させるために循環ポンプを使用するシステムにおいては、循環量を増大させるために、循環ポンプの消費電力が増大する可能性がある。

【0052】

本実施例では流路空間Ｆａの断面積は小さいため、単セル２に供給されるアノードガス全体の流量のうち流路空間Ｆａを流れるアノードガスの流量の割合が減少している。このため、発電反応に供されるべきアノードガスの流量が確保されている。これにより、単セル２に供給されるアノードガスを効率的に利用することができ、発電効率が向上して燃費も向上している。また、アノードオフガスを燃料電池スタック１に再循環させるために循環ポンプを用いる場合には、消費電力を低減できる。

【0053】

同様に、例えば流路空間Ｆｃｘのように断面積が大きいと、単セル２ｘに供給されるカソードガス全体の流量のうち流路空間Ｆｃｘを流れるカソードガスの流量の割合が増大する。このため、流路空間Ｆｃｘ内で外側溝部４３の内面とフレーム５０ｘとの間を流れて、触媒層１４ｃに到達せずに発電反応に寄与しないカソードガスの流量が増大する。これにより、発電効率が低下する。このような発電効率の低下を抑制するためには、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を増量する必要があり、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサの消費電力が増大する可能性がある。本実施例の流路空間Ｆｃの断面積は小さいため、発電効率が向上し、エアコンプレッサの消費電力も低減できる。

【0054】

図５Ａは、セパレータ２０及び４０により挟持される前のフレーム５０の部分拡大断面図である。尚、挟持前の状態では弾性部５２及び５３は圧縮されている箇所は存在しないが、説明の便宜上、図５Ａには圧縮領域５２４及び圧縮領域５３４を示している。挟持前の状態では、圧縮領域５２４及び非圧縮領域５２３は同じ厚みＴ１であり、同様に圧縮領域５３４及び非圧縮領域５３３も同じ厚みＴ２である。このように弾性部５２及び５３のそれぞれは厚みが均一であるため、フレーム５０の製造が容易であり、製造コストが削減されている。尚、厚みＴ１及びＴ２は、圧縮代を考慮して設定することが好ましい。

【0055】

上述した弾性部５２の厚みＴ１と弾性部５３の厚みＴ２とは、略同じであるがこれに限定されず、一方が他方よりも厚くてもよい。例えば、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するエアコンプレッサの電力消費量を十分に低下させたい場合には、カソード側の弾性部５３をアノード側の弾性部５２よりも厚くして、流路空間Ｆｃの断面積をできる限り小さくしてもよい。また、燃料電池スタック１にアノードガスを循環させる循環ポンプの電力消費量を十分に低下させたい場合には、弾性部５２を弾性部５３よりも厚くして、流路空間Ｆａの断面積をできる限り小さくしてもよい。

【0056】

また、弾性部５２及び５３は、基材５１の面５１ａ及び５１ｃのそれぞれに全面に亘って形成されている。これにより、フレーム５０全体での耐久性や剛性を確保することができる。

【0057】

ここで、燃料電池スタック１の稼働中は、発電反応によりフレーム５０は高温となって熱膨張する。一方、燃料電池スタック１が停止状態で低温環境下に置かれた場合には、フレーム５０は冷却されて熱収縮する。このようなフレーム５０の熱変形の際に、フレーム５０のアノード側の面の熱変形量とカソード側の面の熱変形量との差が大きいと、フレーム５０に反るような力が作用する場合がある。この場合に、フレーム５０と電解質膜１２とが接着されていたとしても、接着力によっては、フレーム５０から電解質膜１２が受ける面圧が低下し、フレーム５０と電解質膜１２との間のシール性が低下する可能性がある。本実施例では、基材５１の面５１ａ及び５１ｃのそれぞれに弾性部５２及び５３が形成されている。このため、面５１ａ及び５１ｃの一方の面にのみ弾性部が設けられている場合と比較して、フレーム５０のアノード側の面の熱変形量とカソード側の面の熱変形量との差の増大が抑制されている。従って、上記のような問題が生じることが抑制されている。

【0058】

本実施例では、図４Ａに示したように、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０がセパレータ２０及び４０に挟持された状態で、弾性部５２の非圧縮領域５２３の厚みＴ１は圧縮領域５２４の厚みＴ２よりも厚いがこれに限定されず、例えば、挟持された状態で、厚みＴ１は厚みＴ２以下であってもよい。非圧縮領域５２３が外側溝部２３内に位置していれば、このような非圧縮領域５２３が存在しない比較例の流路空間Ｆａｘよりも本実施例の流路空間Ｆａの断面積を削減でき、発電効率を向上させることができるからである。同様に、弾性部５３の非圧縮領域５３３の厚みＴ３は圧縮領域５３４の厚みＴ４以下であってもよい。

【0059】

本実施例では、挟持前の状態で圧縮領域５２４及び非圧縮領域５２３は同じ厚みであるが、これに限定されない。例えば、挟持前の状態で圧縮領域５２４の厚さは非圧縮領域５２３の厚さよりも厚くてもよい。圧縮領域５３４及び非圧縮領域５３３の厚みについても同様である。

【0060】

［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。変形例については、上述した本実施例と同一の構成については同一の符号を用いて説明する。図５Ｂは、セパレータ２０及び４０により挟持される前の、第１変形例の単セル２ａのフレーム５０ａの部分拡大断面図である。図５Ｂは、図５Ａに対応している。フレーム５０ａの弾性部５２ａの非圧縮領域５２３ａの厚みＴ１ａは、圧縮領域５２４ａの厚みＴ１よりも厚い。同様に、フレーム５０ａの弾性部５３ａの非圧縮領域５３３ａの厚みＴ２ａは、圧縮領域５３４ａの厚みＴ２よりも厚い。このため、上述した縁流路の断面積をより減少させることができ、発電効率が更に向上している。

【0061】

ここで、ガスケット等の弾性部材は、厚みが薄い方がシール性は向上することが知られている。第１変形例では、圧縮前の圧縮領域５２４ａの厚みＴ１及び圧縮領域５３４ａの厚みＴ２のそれぞれは、非圧縮領域５２３ａの厚みＴ１ａ及び非圧縮領域５３３ａの厚みＴ２ａの何れよりも薄いため、シール性が確保されている。

【0062】

厚みＴ１ａ及びＴ２ａのそれぞれは、基材５１の厚みＴ０よりも厚いがこれに限定されない。また、外側溝部２３内に位置する非圧縮領域５２３ａを本変形例のように厚くし、圧縮領域５２４ａよりも－Ｘ方向側の領域を圧縮領域５２４ａと同じ厚みにしてもよい。同様に、外側溝部４３内に位置する非圧縮領域５３３ａのみを上記のように厚くし、圧縮領域５３４ａよりも－Ｘ方向側の領域を圧縮領域５３４ａと同じ厚みにしてもよい。

【0063】

［第２変形例］
図６Ａは、第２変形例の単セル２ｂのフレーム５０ｂの部分拡大断面図である。図６Ａは、図４Ａに対応している。フレーム５０ｂは、基材５１及び弾性部５２から構成され、上述した弾性部５３は設けられていない。基材５１とビード部４４との間には、上述したガスケット４４ｘが設けられている。ガスケット４４ｘは、ビード部４４の外側面の平坦な頂部に予め設けられている。このようなフレーム５０ｂによって、流路空間Ｆａの断面積は削減されており、アノードガスを効率的に発電反応に利用でき燃費が向上している。また、フレーム５０ｂには弾性部５３が設けられていないため、材料費を削減でき、フレーム５０ｂの製造コストが低減されている。第２変形例では、弾性部５２は第１弾性部の一例であり、セパレータ２０は第１セパレータの一例である。尚、第２変形例において、弾性部５２の代わりに第１変形例の弾性部５２ａを用いてもよいし、挟持された状態で、非圧縮領域の厚みは圧縮領域の厚み以下であってもよい。

【0064】

［第３変形例］
図６Ｂは、第３変形例の単セル２ｃのフレーム５０ｃの部分拡大断面図である。図６Ｂは、図４Ａに対応している。フレーム５０ｃは、基材５１及び弾性部５３から構成され、上述した弾性部５２は設けられていない。基材５１とビード部２４との間には、上述したガスケット２４ｘが設けられている。このようなフレーム５０ｃによって、流路空間Ｆｃの断面積は削減されており、カソードガスを効率的に発電反応に利用することができ、エアコンプレッサの消費電力の増大を抑制できる。また、フレーム５０ｃには弾性部５２が設けられていないため、材料費を削減でき、フレーム５０ｃの製造コストが低減されている。尚、第３変形例では、基材５１の面５１ａの内周部は、電解質膜１２の外周部に接着剤により直接接合されている。第３変形例では、弾性部５３は第１弾性部の一例であり、セパレータ４０の第１セパレータの一例である。尚、第３変形例において、弾性部５３の代わりに第１変形例の弾性部５３ａを用いてもよいし、挟持された状態で、非圧縮領域の厚みは圧縮領域の厚み以下であってもよい。

【0065】

［第４変形例］
図７Ａは、第４変形例の単セル２ｄの部分断面図である。図７Ａは、図３に対応している。第４変形例では、上述したセパレータ２０、２０－ａ、４０、及び４０―ｂの代わりにセパレータ２０ａ、２０ａ－ａ、４０ａ、４０ａ―ｂが用いられている。セパレータ２０ａ及び２０ａ－ａは同一の部材であり、セパレータ４０ａ及び４０ａ―ｂは同一の部材である。セパレータ２０ａのリブ部２２ａは、リブ部２２ａに隣接する溝部２１から拡散層１６ａの縁１８ａの近傍にまでＹ方向のリブ幅が拡大しており、具体的には、フレーム５０、電解質膜１２、触媒層１４ａ、及び拡散層１６ａが重なる領域まで延在している。

【0066】

セパレータ４０ａのリブ部４２ａは、当接部４２ａ１及び押圧部４２ａ２を含む。当接部４２ａ１は、拡散層１６ｃに当接している。押圧部４２ａ２は、当接部４２ａ１よりも－Ｙ方向側に位置して、当接部４２ａ１よりも－Ｚ方向に突出している。押圧部４２ａ２は、触媒層１４ａ及び電解質膜１２と重なったフレーム５０の領域で弾性部５３を圧縮している。従って、押圧部４２ａ２とリブ部２２ａとにより、拡散層１６ａ、触媒層１４ａ、電解質膜１２、及びフレーム５０が、Ｚ方向で挟持されている。このため、フレーム５０と電解質膜１２との間のシール性が確保されている。更に、フレーム５０と電解質膜１２とを接着させることなく、フレーム５０と電解質膜１２との間のシール性を確保することができる。このため、製造時にフレーム５０と電解質膜１２とを接着させる工程が不要となり、製造工程を簡略化することができる。第４変形例では、弾性部５２は第１弾性部の一例であり、弾性部５３は第２弾性部の一例であり、リブ部２２ａは第１リブ部の一例であり、リブ部４２ａは第２リブ部の一例である。

【0067】

また、押圧部４２ａ２は、弾性部５３を圧縮している。このため、例えば、拡散層１６ｃ内を流れるカソードガスの一部が、押圧部４２ａ２と弾性部５３との間から外側溝部４３ａ内に侵入することが抑制されている。これにより、拡散層１６ｃ内を流れるカソードガスを有効利用でき、発電効率が向上している。

【0068】

更に、上述した本実施例と同様に、フレーム５０の基材５１の面５１ａ及び５１ｃのそれぞれに弾性部５２及び５３が設けられており、フレーム５０に熱変形に伴って反りが発生することが抑制されている。これによっても、フレーム５０と電解質膜１２との間のシール性が確保されている。

【0069】

また、上述した場合と同様に、外側溝部２３ａ内で弾性部５２は圧縮されておらず、外側溝部４３ａ内でも弾性部５３は圧縮されていない。このため、流路空間Ｆａａ及びＦｃａの各断面積が削減されており、発電効率が向上している。

【0070】

また、リブ部２２ａの幅は上述した本実施例のリブ部２２よりも拡大していることにより、外側溝部２３ａの幅は本実施例の外側溝部２３よりも縮小している。このため、流路空間Ｆａａの断面積は、本実施例の流路空間Ｆａの断面積よりも削減されており、発電効率が向上している。同様に、外側溝部４３ａの幅も本実施例の外側溝部４３よりも縮小しており、流路空間Ｆｃａの断面積は、本実施例の流路空間Ｆｃの断面積よりも削減されており、発電効率が向上している。

【0071】

また、幅が拡大したリブ部２２ａ及び４２ａにより、拡散層１６ａ、ＭＥＡ１１、及び拡散層１６ｃを挟持することができる。このため、ＭＥＧＡ１０を安定して支持することができる。

【0072】

第４変形例では、押圧部４２ａ２は、フレーム５０の厚みに応じて当接部４２ａ１よりも－Ｚ方向に突出しているが、これに限定されない。例えば、押圧部４２ａ２及び当接部４２ａ１は－Ｚ方向の突出量が同じであってもよい。この場合も押圧部４２ａ２により弾性部５３が圧縮されるように、この圧縮代を除いたフレーム５０の厚みが、触媒層１４ｃ及び拡散層１６ｃの合計の厚みと略同じであることが好ましい。また、押圧部４２ａ２の－Ｚ方向の突出量が当接部４２ａ１よりも少なくてもよい。この場合も、押圧部４２ａ２により弾性部５３が圧縮されるように、この圧縮代を除いたフレーム５０の厚みが、触媒層１４ｃ及び拡散層１６ｃの合計の厚みよりも厚いことが好ましい。

【0073】

［第５変形例］
図７Ｂは、第５変形例の単セル２ｅの部分断面図である。図７Ｂは、図３に対応している。第５変形例では、上述したセパレータ２０、２０－ａ、４０、及び４０―ｂの代わりにセパレータ２０ｂ、２０ｂ－ａ、４０ｂ、４０ｂ―ｂが用いられている。セパレータ２０ｂ及び２０ｂ－ａは同一の部材であり、セパレータ４０ｂ及び４０ｂ―ｂは同一の部材である。

【0074】

セパレータ２０ｂのリブ部２２とビード部２４との間には、リブ部２２ｂが形成されている。具体的には、リブ部２２ｂは、溝部２１ｂを介してリブ部２２に隣接し、外側溝部２３ｂを介してビード部２４に隣接している。溝部２１ｂは、溝部２１よりも幅が狭く形成されている。同様に、セパレータ４０ｂのリブ部４２とビード部４４との間には、リブ部４２ｂが形成されている。具体的には、リブ部４２ｂは、溝部４１ｂを介してリブ部４２に隣接し、外側溝部４３ｂを介してビード部４４に隣接している。溝部４１ｂは、溝部４１よりも幅が狭く形成されている。

【0075】

リブ部２２ｂは、フレーム５０、触媒層１４ａ、及び拡散層１６ａがＺ方向で重なる領域内で、拡散層１６ａに当接している。同様に、リブ部４２ｂは、フレーム５０、触媒層１４ａ、及び拡散層１６ａがＺ方向で重なる領域内で、フレーム５０を圧縮している。従って、リブ部２２ｂ及び４２ｂにより、拡散層１６ａ、触媒層１４ａ、電解質膜１２、及びフレーム５０が挟持されている。

【0076】

リブ部２２ｂ及び４２ｂのそれぞれは、上述した第４変形例のリブ部２２ａ及び４２ａのそれぞれよりも幅が狭く形成されている。このため、リブ部２２ｂの拡散層１６ａに当接する部位が、拡散層１６ａからの反力によって－Ｚ方向に突出するように湾曲することが抑制される。同様に、リブ部４２ｂのフレーム５０に当接する部位が、フレーム５０からの反力によって＋Ｚ方向に突出するように湾曲することが抑制される。このように、リブ部２２ｂ及び４２ｂは、それぞれ拡散層１６ａ及びフレーム５０からの反力に対して変形しにくい。従って、リブ部２２ｂ及び４２ｂは、拡散層１６ａ、触媒層１４ａ、電解質膜１２、及びフレーム５０を挟む挟持力が向上している。従って、フレーム５０と電解質膜１２との間のシール性が確保されており、製造時にフレーム５０と電解質膜１２とを接着させる工程を省くことができる。第５変形例では、弾性部５２は第１弾性部の一例であり、弾性部５３は第２弾性部の一例であり、リブ部２２ｂは第１リブ部の一例であり、リブ部４２ｂは第２リブ部の一例である。

【0077】

また、溝部４１ｂは、拡散層１６ｃと支持フレーム５０に跨って形成されている。このため、溝部４１ｂ内を流れるカソードガスの一部を、拡散層１６ｃを介して触媒層１４ｃの端部にまで到達させることができ、ＭＥＡ１１の発電部分の不均一を抑制できる。

【0078】

また、第４変形例と同様に、外側溝部２３ｂ内で弾性部５２は圧縮されておらず、外側溝部４３ｂ内でも弾性部５３は圧縮されていないため、流路空間Ｆａｂ及びＦｃｂの各断面積が削減されており、発電効率が向上している。また、リブ部２２ｂがリブ部２２とビード部２４との間に設けられているため、流路空間Ｆａｂの断面積は、本実施例の流路空間Ｆａの断面積よりも削減されており、発電効率が向上している。同様に、流路空間Ｆｃｂの断面積は、本実施例の流路空間Ｆｃの断面積よりも削減されており、発電効率が向上している。

【0079】

尚、図７Ａに示したセパレータ４０ａと、図６Ａに示したフレーム５０ｂを用いる場合には、セパレータ４０ａの押圧部４２ａ２とフレーム５０ｂの基材５１との間にガスケットを配置してもよい。図７Ｂに示したセパレータ４０ｂと、図６Ａに示したフレーム５０ｂを用いる場合には、セパレータ４０ｂのリブ部４２ｂとフレーム５０ｂの基材５１との間にガスケットを配置してもよい。

【0080】

［その他］
上記実施例及び変形例では、基材５１の少なくとも一方の面に全面に亘って弾性部が設けられている場合を示したがこれに限定されず、部分的に弾性部が設けられていてもよい。即ち、弾性部は、ビード部に圧縮された圧縮領域と、外側溝部内に位置して圧縮領域の厚さよりも厚い非圧縮領域とを有していればよい。例えば、図４Ａに示した本実施例では、圧縮領域５２４よりも－Ｘ方向側には弾性部５２が設けられておらずに基材５１の面５１ａが露出していてもよいし、圧縮領域５３４よりも－Ｘ方向側には、弾性部５３が設けられておらずに基材５１の面５１ｃが露出していてもよい。図５Ａに示した第１変形例やその他の第２及び第３変形例も同様である。また、上記実施例及び変形例では、基材５１の一方の面に形成された弾性部の圧縮領域と非圧縮領域とは、連続的に設けられているが、これに限定されず、分断されて設けられてもよい。図７Ａに示した第４変形例において、押圧部４２ａ２が基材５１の面５１ｃを直接押圧するように、弾性部５３が押圧部４２ａ２から退避して設けられていてもよい。図７Ｂに示した第５変形例においても同様である。

【0081】

第４及び第５変形例ではフレーム５０と電解質膜１２とは接着しない方が製造工程を簡略化できるため好ましいが、接着剤を補助的に用いて両者を接着してもよい。

【0082】

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0083】

１ 燃料電池スタック
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ 単セル
１０ 膜電極ガス拡散層接合体
１１ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
２０ アノードセパレータ
４０ カソードセパレータ
２１、４１ 溝部
２２、２２ａ、２２ｂ、４２、４２ａ、４２ｂ リブ部
２３、２３ａ、２３ｂ、４３、４３ａ、４３ｂ 外側溝部
２４、４４ ビード部
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ フレーム
５１ 基材
５２、５２ａ、５３、５３ａ 弾性部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】