(57)【要約】      （修正有）【課題】セルの面方向の熱伝導率を向上させたり、冷却水の昇温による熱を利用する等して、マニホルド部の温度を速やかに上昇させ、セル面内の温度差を緩和することが可能な燃料電池用単セル及びこれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質の一方の面にアノード電極１４が配けられ、他方の面にカソード電極１７が配けられたＭＥＡ１０の両側に配設された枠状部材２１及び２２と、枠状部材２１及び２２のＭＥＡ１０と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータ２３及び２４を備え、枠状部材２１及び２２は、基材により形成されている基材部１０１と、基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部１０２とを備えてなる。【選択図】図４
2008153130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、
前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、前記基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部とを備えてなる燃料電池用単セル。
【請求項２】
電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、
前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、当該基材部によって画定されてなる密閉空間とを備えてなり、当該密閉空間内に低沸点材料が封入されてなる燃料電池用単セル。
【請求項３】
前記枠状部材は、前記基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部をさらに備えてなる請求項２記載の燃料電池用単セル。
【請求項４】
前記基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料は、前記基材よりも剛性が高い材料である請求項１または請求項３記載の燃料電池用単セル。
【請求項５】
前記高熱伝導部は、炭素粒子を含んでなる請求項１、請求項３、請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項６】
前記高熱伝導部は、前記基材部に点在してなる請求項１、請求項２ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項７】
前記枠状部材は、マニホルドが形成されてなり、前記高熱伝導部は、少なくとも当該マニホルドの外周部に形成されてなる請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項８】
前記枠状部材は、マニホルドが形成されてなり、前記密閉空間は、少なくとも当該マニホルドの外周部に形成されてなる請求項２または請求項３記載の燃料電池用単セル。
【請求項９】
前記枠状部材は、前記基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部をさらに備えた請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１０】
前記枠状部材は、マニホルドが形成されてなり、前記高剛性部は、少なくとも当該マニホルドの外周部に形成されてなる請求項９記載の燃料電池用単セル。
【請求項１１】
前記高剛性部は、金属板からなり、当該金属板は、前記枠状部材の内側に挿入されてなる請求項９または請求項１０記載の燃料電池用単セル。
【請求項１２】
前記密閉空間内に、多孔性部材を封入してなる請求項２または請求項３記載の燃料電池用単セル。
【請求項１３】
前記前記低沸点材料は、沸点が−２０℃以上、０℃以下である請求項２または請求項３記載の燃料電池用単セル。
【請求項１４】
前記多孔性部材は、前記基材よりも熱伝導率が高い材料から構成されてなる請求項１１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１５】
前記多孔性部材は、前記基材よりも剛性が高い材料から構成されてなる請求項１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池用単セルを備えてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用単セル及びこれを備えた燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な燃料電池として、例えば、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と、他方の面に配置されたカソード電極と、を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）の両側に、枠状部材を介してセパレータを配設した構造を備えた単セルを構成し、この単セルを積層してなるセル積層体の当該単セルの積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等を配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて固定したものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池では、セルの面方向の熱伝導率が悪く、例えば、氷点下からの急速暖機運転等により、冷却水が昇温した際に、マニホルド部の温度が上昇し難く、セル面内の温度差が大きくなる。このため、マニホルド内に氷が形成されていた場合、マニホルド内に形成されている氷が溶けにくい。ここで、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇すると、セパレータの冷却水が流通する領域（ＭＥＡの発電部に対応する領域）が、この熱により膨張することがあるが、マニホルド内に氷が形成されていた場合、氷によってこの部分が拘束され、マニホルド部が膨張することが抑制される。このため、セルに反りが生じたり、氷が形成されている部分と、氷が形成されてない部分との界面に亀裂が生じやすくなり、仮に亀裂が生じると、ここからガスが漏れる虞もある。この現象は、特にメタルセパレータを使用した場合に顕著に表れる。
【０００４】
さらにまた、燃料電池で使用されるセパレータは、通常、ＭＥＡの発電部に対応する領域にガス流路が形成されており、その両側にマニホルド部が形成されている。このため、ＭＥＡの発電部に対応する領域は、前記ガス流路の存在により断面二次モーメントが大きくなるため、曲げ剛性が高くなるが、マニホルド部が形成されている領域は、ＭＥＡの発電部に対応する領域に比べ、凹凸（エンボス）形状が少なく且つマニホルドが開口されているため、曲げ剛性が低くなり、反りやすくなる。
【０００５】
そしてまた、セルの各部材間をシールするガスケットは、通常、ゴム材から構成されており、近年では、耐酸性を向上させる目的で、例えば、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ等が使用されているが、これらの材料は、氷点下での応力緩和が大きく、弾性も低下する。したがって、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇し、その熱による膨張が生じ、前記部材間のクリアランスが拡大した場合に、このクリアランスの変化に対する追従性等が悪くなり、シール性が低下する虞もある。
【０００６】
一方、強度並びに寸法安定性を向上させることが可能な燃料電池用セパレータとして、セパレータのうち、ＭＥＡの発電部に対応する領域を導電性領域とし、当該導電性領域以外を絶縁性樹脂領域とすることで、セパレータと電極との接触点の面内均一性を向上し、高電流密度で出力した際にも高電圧が得られるようしにしたものが紹介されている。この燃料電池用セパレータでは、前記絶縁性樹脂領域を、絶縁性樹脂にフィラーを添加した樹脂組成物から形成することで、セパレータの強度並びに寸法安定性を向上させている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、流路及びマニホルドを形成したセパレータ基板と、２枚のフレームとにより、セパレータを構成した固体高分子形燃料電池も紹介されている。この固体高分子形燃料電池では、樹脂層をゴム層で挟んだ三層構造を有するフレームを用いることで、ガスシール性を向上させている。（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
そしてまた、金属板を樹脂でコーティングした構成を備えたセパレータや、金属繊維や炭素繊維を含有した樹脂から構成されたセパレータ、金属板を樹脂薄膜層と黒鉛材層とで挟持した積層材料からなるセパレータ、マニホルド周辺に剛性を有するリング状スペーサを挿入したセパレータ、マニホルドの内側に剛性材料を被覆してなるセパレータ等が紹介されている。（例えば、特許文献４〜８参照）。
【特許文献１】特開２００６−１９２０４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５８９８２号公報
【特許文献３】特開２００４−１６５０４３号公報
【特許文献４】特開２００５−１４９７４９号公報
【特許文献５】特開２００６−４９８７８号公報
【特許文献６】特開２００３−２１７６１１号公報
【特許文献７】特開平７−２０１３５３号公報
【特許文献８】特開２００５−２４３３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載された燃料電池用セパレータは、ＭＥＡの発電部に対応する領域を導電性領域とし、当該導電性領域以外を絶縁性樹脂領域としたものであり、ＭＥＡの両側に、枠状部材を介してセパレータを配設した構造は備えていない。また、セルの面方向の熱伝導率を向上させたり、冷却水の昇温による熱を利用する等して、マニホルド部の温度を速やかに上昇させ、セル面内の温度差を緩和することについては、何ら言及されておらず、その発想すら開示されていない。
【００１０】
また、特許文献３に記載された固体高分子形燃料電池は、樹脂層をゴム層で挟んだ三層構造を有するフレームを用いているが、当該ゴム層はガスケットを構成するものであり、セルの面方向の熱伝導率を向上させたり、冷却水の昇温による熱を利用する等して、マニホルド部の温度を速やかに上昇させ、セル面内の温度差を緩和することについては、何ら言及されておらず、その発想すら開示されていない。
【００１１】
さらにまた、特許文献４〜８も同様に、セルの面方向の熱伝導率を向上させたり、冷却水の昇温による熱を利用する等して、マニホルド部の温度を速やかに上昇させ、セル面内の温度差を緩和することについては、何ら言及されておらず、その発想すら開示されていない。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、マニホルド部の温度を速やかに上昇させ、セル面内の温度差を緩和することが可能な燃料電池用単セル及びこれを備え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】
【００１３】
この目的を達成するため本発明は、電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、前記基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部とを備えてなる燃料電池用単セルを提供するものである。
【００１４】
この構成を備えた燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部と、当該基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部とを備えているため、基材のみで形成されている従来の枠状部材に比べ、熱伝導性を向上させることができる。したがって、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した際にセル発電部で発生する熱を、セルの低温部分に効率よく伝えることができ、セル面内の温度差を速やかに緩和する（温度差を少なくする）ことができる。
【００１５】
また、前記目的を達成するため本発明は、電解質の一方の面にアノード電極が配けられ、他方の面にカソード電極が配けられた電解質−電極接合体と、当該電解質−電極接合体の両側に配設された枠状部材と、当該各々の枠状部材の当該電解質−電極接合体と対向する面とは反対側の面に配設されたセパレータと、を備えてなる燃料電池用単セルであって、前記枠状部材は、基材により形成されている基材部と、当該基材部によって画定されてなる密閉空間とを備えてなり、当該密閉空間内に低沸点材料が封入されてなる燃料電池用単セルを提供するものである。
【００１６】
この構成を備えた燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部によって画定されてなる密閉空間内に、低沸点材料が封入された構成を備えているため、セルの温度が低温であっても、前記低沸点材料を気化させ、この気化潜熱によって、セルの低温部分の温度を上昇させることができ、セル面内の温度差を速やかに緩和する（温度差を少なくする）ことができる。すなわち、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した際にセル発電部で発生する熱により、前記低沸点材料を気化させ、この気化潜熱によって、セルの低温部分の温度を効率よく上昇させ、セル面内の温度差を速やかに緩和することができる。
【００１７】
また、本発明にかかる燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部によって画定されてなる密閉空間内に、低沸点材料が封入された構成に加え、当該基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部をさらに備えることもできる。この構成の場合、高熱伝導部は、前記基材部の中に配設されていてもよく、密閉空間内に配設されていてもよい。このようにすることで、前述した気化潜熱によりセルの低温部分の温度を上昇させる機能と、セル発電部で発生する熱を、セルの低温部分に効率よく伝える機能の両方を備えることができるため、セル面内の温度差を、さらに速やかに緩和することができる。
【００１８】
前記高熱伝導部は、枠状部材を主に構成する基材よりも熱伝導率が高い材料であり、且つ、燃料電池の機能に支承を来すことがない材料で形成されていれば、特にその材料は限定されるものではないが、例えば、炭素粒子を含む材料、あるいは炭素粒子から形成することができる。また、前記高熱伝導部は、前記基材部に点在してもよく、基材部内に分散されていてもよい。そしてまた、前記基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料は、前記基材よりも剛性が高い材料から選択することもできる。このようにすることで、前記利点に加え、枠状部材の剛性も向上させることができる。
【００１９】
そしてまた、前記枠状部材にマニホルドが形成されている場合は、少なくとも当該マニホルドの外周部に前記高熱伝導部を配設することもできる。このようにすることで、セルにおいて、特に温度が低い領域であるマニホルド部の熱伝導性を向上させることができるため、セル面内の温度差を、さらに速やかに効率よく緩和することができる。
【００２０】
また、前記枠状部材にマニホルドが形成されている場合は、少なくとも当該マニホルドの外周部に前記密閉空間を形成することもできる。このようにすることで、前述した気化潜熱により、特に温度が低い領域であるマニホルド部の温度を上昇させることができるため、セル面内の温度差を、さらに速やかに効率よく緩和することができる。
【００２１】
さらにまた、前記枠状部材は、前記基材よりも剛性が高い材料で形成されている高剛性部をさらに備えることもできる。このようにすることで、前記利点に加え、枠状部材の剛性を向上させることができる。また、この構成の場合、前記高剛性部は、少なくともマニホルドの外周部に形成することができる。このようにすることで、セルのうち、曲げ剛性が低く反りやすい領域であるマニホルド部の剛性を向上させることができる。また、この高剛性部は、例えば、枠状部材の内側に挿入（インサート）された金属板から構成することもできる。
【００２２】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用単セルは、前記密閉空間内に多孔性部材を封入することもできる。このようにすることで、前記密閉空間内に封入されている低沸点材料の形状を、多孔性部材によって維持させることができる。また、多孔性部材によって、前記気化潜熱を効率よく分散させることができ、セル面内の温度差を、さらに速やかに効率よく緩和することができる。さらにまた、前記多孔性部材は、前記密閉空間内に複数封入することが好ましい。
【００２３】
なお、前記低沸点材料としては、セル発電部で発生する熱により気化潜熱を発生可能な材料を用いることができ、例えば、沸点が−２０℃以上、０℃以下のものを使用することができる。低沸点材料として、このような材料を選択することで、例えば、マニホルド内に氷が形成されることを抑制でき、仮に氷が形成されていたとしても、セル発電部で発生する熱により効率よく気化潜熱を発生させ、当該氷を速やかに効率よく除去することができる。
【００２４】
また、前記多孔性部材は、前記基材よりも熱伝導率が高い材料から構成することもできる。このようにすることで、前記利点に加え、枠状部材の熱伝導性も向上することができ、セル面内の温度差をより一層速やかに緩和することができる。さらにまた、前記多孔性部材は、前記基材よりも剛性が高い材料から構成することもできる。このように構成することで、前記利点に加え、枠状部材の剛性も向上させることができる。
【００２５】
そしてまた、本発明は、前述した本発明にかかる燃料電池用単セルを備えてなる燃料電池を提供するものである。この構成を備えた燃料電池は、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した際であっても、セル面内の温度差を速やかに緩和することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明にかかる燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部と、当該基材よりも熱伝導率が高い熱伝導性材料により形成されている高熱伝導部とを備え構成されているため、熱伝導性を向上させることができ、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した際にセル発電部で発生する熱を、セルの低温部分に効率よく伝えることができる。このため、セル面内の温度差を速やかに緩和することができ、セル面内の温度差によりセルが反ることを抑制することができる。また、マニホルドの周辺に配設されたガスケットの特性を改善することができ、シール性を向上することもできる。この結果、高性能で信頼性の高い燃料電池用単セルを提供することができる。
【００２７】
また、本発明にかかる燃料電池用単セルは、枠状部材が、基材により形成されている基材部によって画定されてなる密閉空間内に、低沸点材料が封入された構成を備えているため、セル内の温度が低温であったとしても、前記低沸点材料を気化させ、この気化潜熱によって、セルの低温部分の温度を上昇させることができる。このため、セル面内の温度差を速やかに緩和することができ、セル面内の温度差によりセルが反ることを抑制することができる。また、マニホルドの周辺に配設されたガスケットの特性を改善することができ、シール性を向上することもできる。この結果、高性能で信頼性の高い燃料電池用単セルを提供することができる。
【００２８】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、例えば、急速暖機運転等でスタックの温度が急上昇した際に、セル面内の温度差を速やかに緩和することができる。この結果、高性能で信頼性の高い燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用単セル及びこの単セルを備えた燃料電池について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００３０】
なお、以下に示す実施の形態１及び２で説明する燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車等に搭載することができるが、自動車以外に用いられてもよい。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用単セルの分解斜視図、図２は、図１に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の平面図、図３は、図２に示すIII−III線に沿った拡大断面図、図４は、実施の形態１にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図、図５は、実施の形態１にかかる燃料電池用単セルを備えた燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。なお、前記各図では、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、説明を判りやすくするため、実際のものとは一致させずに記載した。
【００３２】
図１〜図５に示すように、実施の形態１にかかる単セル２５は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の一方の面に配置された枠状部材２１と、ＭＥＡ１０の他方の面に配設された枠状部材２２と、枠状部材２１のＭＥＡ１０が配設されている側とは反対側の面に配設されたセパレータ２３と、枠状部材２２のＭＥＡ１０が配設されている側とは反対側の面に配設されたセパレータ２４と、を重ねて形成した構成を備えている。
【００３３】
ＭＥＡ１０は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置されると共に、触媒層１２及び拡散層１３からなるアノード電極（燃料極）１４と、電解質膜１１の他方の面に配置されると共に、触媒層１５及び拡散層１６からなるカソード電極（酸化剤極）１７とを備えて構成されている。
【００３４】
枠状部材２１は、ＭＥＡ１０のアノード電極１４側に配設されており、枠状部材２２は、ＭＥＡ１０のカソード電極１７側に配設されている。この枠状部材２１及び２２は、ＭＥＡ１０の発電部がセパレータ２３及び２４に対し露出するように中抜きされており、その両側に、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂが形成されている。マニホルド部４０Ａには、入り側の冷却水マニホルド４１IN、出側の燃料ガスマニホルド４２OUT、入り側の空気マニホルド４３INが設けられている。一方、マニホルド部４０Ｂには、出側の冷却水マニホルド４１OUT、入り側の燃料ガスマニホルド４２IN、出側の空気マニホルド４３OUTが設けられている。また、枠状部材２１及び２２には、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂと、セパレータ２３及び２４に各々形成されたガス流路部５３及び５４とを連通するガス流路連通部４７が形成されている。
【００３５】
また、この枠状部材２１及び２２は、特に図３及び図４に示すように、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂが、基材である樹脂から形成された基材部１０１と、基材部の中に点在し且つ基材よりも熱伝導率が高い材料からなる高熱伝導部１０２から形成されている。
【００３６】
なお、実施の形態１では、基材として樹脂を使用し、基材よりも熱伝導率が高い材料として、炭素粒子を使用した。この枠状部材２１及び２２は、例えば、樹脂（基材）に炭素粒子を混入させて成型する等の方法により得ることができる。このように、基材部１０１と、高熱伝導部１０２とを備えて構成された枠状部材２１及び２２は、基材のみで形成されている従来の枠状部材に比べ、熱伝導性を向上させることができる。
【００３７】
ここで、燃料電池１は、例えば、急速暖機運転等でセル発電部の温度が急上昇するが、その反面、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂは、低温であり、マニホルド内において水滴等が凍結し、氷が形成されていることも多く、且つ温度が上昇し難いという特徴がある。したがって、実施の形態１では、低温領域であるマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに高熱伝導部１０２を配設することで、セル発電部で発生した熱をマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに効率よく伝え、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂの温度を速やかに上げ、セル面内の温度差を効率よく速やかに緩和する（温度差を少なくする）ようにしている。
【００３８】
セパレータ２３及び２４は、不透過性を有し、例えば、ステンレス板に導電性金属をメッキ（例えば、ニッケルメッキ）したものから構成することができる。これらのセパレータ２３及び２４は、隣接するセル間の導電通路を構成している。セパレータ２３のＭＥＡ１０と対向する面（ＭＥＡ１０側を向く面）には、燃料ガス流路５３Ａが形成されたガス流路部５３が形成されている。セパレータ２３のガス流路部５３が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路５５が形成されている。また、セパレータ２４のＭＥＡ１０と対向する面には、酸化ガス流路５４Ａが形成されたガス流路部５４が形成され、セパレータ２４のガス流路部５４が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路５６が形成されている。また、セパレータ２３及び２４にも前述した入り側の冷却水マニホルド４１IN、出側の燃料ガスマニホルド４２OUT、入り側の空気マニホルド４３IN、出側の冷却水マニホルド４１OUT、入り側の燃料ガスマニホルド４２IN、出側の空気マニホルド４３OUTが形成されている。
【００３９】
なお、燃料ガス流路５３Ａと酸化ガス流路５４Ａとは、ＭＥＡ１０を挟んで互いに対応している。また、セパレータ２３に形成された冷却水流路５５と、セパレータ２４に形成された冷却水流路５６は、セル積層方向に隔てられることなく連通している。
【００４０】
枠状部材２１とセパレータ２３、及び、枠状部材２２とセパレータ２４は、シール用の接着剤により接着して固定してもよく、枠状部材２１（２２）とセパレータ２３（２４）を射出成形等により、別途接着剤を設けることなく固定（溶着）してもよい。また、ＭＥＡ１０を挟んで配置された枠状部材２１と枠状部材２２は、接着剤１１０によりシールされ固定されている。
【００４１】
この単セル２５の構造を複数備えた燃料電池１は、ＭＥＡ１０の両側に枠状部材２１及び２２が配設され、これらの枠状部材２１及び２２のＭＥＡ１０が配設されている面とは反対側の面に、セパレータ２３及び２４が各々配設された構造を複数備え、セル積層方向両端に、ターミナル３０、インシュレータ３１、エンドプレート３２を配置してスタック３３を構成し、スタック３３をセル積層方向に締め付け、スタック３３の外側でセル積層方向に延びる締結部材３４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト３５またはナットで固定したものからなる。
【００４２】
この構成を備えた燃料電池１では、急速暖機運転等でセル発電部の温度が急上昇した際に、セル発電部で発生した熱が、枠状部材２１及び２２のマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに配設された高熱伝導部１０２によって、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに効率よく伝達される。したがって、マニホルド部４０Ａ及び４０Ｂの温度が速やかに上昇し、セル面内の温度差が効率よく速やかに緩和されると共に、マニホルド内に氷が形成されていた場合には、この氷も効率よく溶かすことができる。このため、従来、セル面内の温度差により生じていたセルの反りや、亀裂等が生じることを抑制することができる。したがって、高性能で信頼性の高い燃料電池１となる。
【００４３】
なお、実施の形態１では、枠状部材２１及び２２のマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂの構成を、基材部１０１内に高熱伝導部１０２を点在させた構成とした場合について説明したが、これに限らず、枠状部材２１及び２２の全体を、基材部１０１内に高熱伝導部１０２を点在させた構成としてもよい。
【００４４】
また、枠状部材２１及び２２は、例えば、図６に示すように、基材部１０１を構成する基材よりも剛性が高い材料からなる高剛性部材１０５を、その内部にさらに挿入（インサート）した構成としてもよい。このように高剛性部材１０５を配設することで、枠状部材２１及び２２の剛性を向上させることができる。この高剛性部材１０５は、枠状部材２１及び２２のマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに配設してもよく、また、枠状部材２１及び２２の全体に配設してもよいが、セル面内において剛性が低いマニホルド部４０Ａ及び４０Ｂに配設することで、セル面内における剛性の均一化が図れ、より好ましい。なお、高剛性部材１０５この場合、高剛性部材１０５としては、例えば、金属板等が挙げられる。そしてまた、高剛性部材１０５は、図６に示すような板状に限らず、燃料電池１の発電に悪影響を及ぼさない限り、例えば、ハニカム形状等、その形状は、所望により任意に選択することができ、金属片等を複数点在させてもよい。また、例えば、フィラー等を分散、あるいは点在させてもよい。さらにまた、高剛性部材１０５を配設する代わりに、高熱伝導部１０２を、基材よりも熱伝導性が高く、且つ剛性が高い材料で形成してもよい。
【００４５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用単セルについて図面を参照して説明する。図７は、実施の形態２にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図、図８は、図７に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の拡大断面図である。なお、実施の形態２では、実施の形態１で説明した燃料電池用単セルと同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図７及び図８に示すように、実施の形態２にかかる単セル１２５の、実施の形態１にかかる単セル２５との異なる主な点は、枠状部材１２１及び１２２のマニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂが、基材である樹脂から形成された外枠１１１と、外枠１１１によって画定された密閉空間（内部空間）に収容された複数の多孔性部材１１２と、外枠１１１によって画定された密閉空間に収容された冷媒１１３と、を備えて構成されている点である。
【００４７】
多孔性部材１１２は、セラミックスや金属等、所望により種々の材料から構成することができる。この多孔性部材１１２は、後に詳述する冷媒１１３の形状を維持させることができ、また、冷媒１１３から放出される気化潜熱を、図８に示す矢印のように、効率よく分散させることができる。したがって、特に温度が低い領域であるマニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂの温度を上昇させることができるため、セル面内の温度差を、速やかに効率よく緩和することができる。また、多孔性部材１１２を、特に熱伝導率が高い材料から構成すれば、より効率よく熱伝達を行うことができ、セル面内の温度差をより一層速やかに緩和することができる。さらにまた、多孔性部材１１２を、基材よりも剛性が高い材料から構成することで、枠状部材１２１及び１２２の剛性も向上させることができる。
【００４８】
冷媒１１３としては、例えば、沸点が−２０℃〜０℃程度の低沸点材料から構成されたものを使用することが望ましい。このような冷媒１１３を外枠１１１によって画定された密閉空間に収容することで、例えば、氷点下の条件で燃料電池１を始動した際に、冷媒の気化潜熱を利用して速やかにマニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂの温度を上げることができる。
【００４９】
ここで、前述したように、マニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂは、特に温度が低い領域であるため、このマニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂに配設されたガスケット１２０は、例えば、弾性復元力が低下しやすくなるが、実施の形態２にかかる単セル１２５では、マニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂの温度を冷媒１１３の気化潜熱によって速やかに上昇させることができるため、ガスケット１２０の弾性復元力が低下することを抑制することができる。したがって、例えば、優れた耐酸性を有するが、氷点下での弾性復元力が比較的低下しやすいフッ素ゴムやＥＰＤＭを使用してガスケット１２０を構成したとしても、燃料電池１の始動時のスタックの積層方向に対する膨張に十分に追従させることができる。このため、マニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂに設けられるガスケット１２０の特性を改善することができ、シール性を向上することができる。
【００５０】
なお、マニホルド部１４０Ａ及び１４０Ｂの絶縁性を確保するため、枠状部材１２１及び１２２は、例えば、ポリイミドやポリアミドイミド等の樹脂で表面をコーティングしてもよい。
【００５１】
また、実施の形態２では、外枠１１１によって画定された密閉空間に、冷媒１１３を互いに離間して２箇所収容した場合について説明したが、これに限らず、冷媒１１３は、前記密閉空間に、少なくとも１箇所収容されていればよい。また、冷媒１１３の収容量は、所望により決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用単セルの分解斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の平面図である。
【図３】図２に示すIII−III線に沿った拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用単セルを備えた燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用単セルの一部を示す断面図である。
【図８】図７に示す燃料電池用単セルの構成要素である枠状部材の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料電池、１０…ＭＥＡ、１１…電解質膜、１４…アノード電極、１７…カソード電極、２１、２２、１２１、１２２…枠状部材、２３、２４…セパレータ、２５、１２５…単セル、４０Ａ、４０Ｂ、１４０Ａ、１４０Ｂ…マニホルド部、１０１…基材部、１０２…高熱伝導部、１０５…高剛性部材、１１１…外枠、１１２…多孔性部材、１１３… 冷媒、１２０…ガスケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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