JP4981400B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持する燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図２６に示すように、電極構造体１が、一対のセパレータ２、３により挟持されるとともに、前記電極構造体１の外周を取り囲む位置で、前記セパレータ２、３間にシール部材４が配置されている。セパレータ２、３の長手方向一端縁部には、燃料ガス供給口５ａ、酸化剤ガス供給口６ａ及び冷却媒体供給口７ａが形成されるとともに、前記セパレータ２、３の長手方向他端縁部には、燃料ガス排出口５ｂ、酸化剤ガス排出口６ｂ及び冷却媒体排出口７ｂが形成されている。

特開２００２−２７０２０２号公報（図１）

上記の燃料電池では、セパレータ２、３が、電極構造体１の外形寸法に比べて比較的大きな寸法に設定されている。このため、特に車載用燃料電池スタックとして使用される際のように、燃料電池の積層枚数が数百枚になる構造では、燃料電池スタック全体が大型で且つ重量物となるおそれがある。

本発明はこの種の燃料電池に関連してなされたものであり、特に積層数が増加しても、燃料電池全体の軽量化及びコンパクト化を良好に図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持する燃料電池に関するものである。

第１セパレータは、第２セパレータよりも大きな外形寸法を有するとともに、前記第１セパレータの外周縁部には、前記第２セパレータの外形端部より外方に突出する位置に、少なくとも燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されている。

また、第１セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを一方の電極面に沿って流動させる第１反応ガス流路が形成されるとともに、第２セパレータには、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスである他方の反応ガスを他方の電極面に沿って流動させる第２反応ガス流路が形成され、前記第２セパレータには、所定の流体連通孔から前記第１反応ガス流路に前記一方の反応ガスを供給するための通路部が形成されることが好ましい。

さらに、通路部は、第１セパレータの外周端部に形成された溝部を介して所定の流体連通孔と第１反応ガス流路と連通させることが好ましい。

さらにまた、通路部は、所定の流体連通孔に連通して第２セパレータを積層方向に貫通する貫通孔を有することが好ましい。

本発明では、第１セパレータが第２セパレータより小さな外形寸法に設定されており、前記第２セパレータにのみ流体連通孔が積層方向に貫通して形成されている。このため、第１セパレータは、可及的に小型化が可能であるとともに、軽量化が容易に図られる。従って、特に多数の燃料電池が積層されて燃料電池スタックを構成する際に、前記燃料電池スタック全体を一挙に小型化且つ軽量化することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の断面説明図である。

燃料電池１０は、単位セル１２ａ、１２ｂを交互に矢印Ａ方向（水平方向）に積層する積層体１４を備えるとともに、前記積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。なお、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間は、図示しないタイロッドにより締め付けられているが、例えば、積層体１４全体をケーシング（図示せず）内に収容して構成してもよい。

単位セル１２ａは、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持するとともに、単位セル１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。単位セル１２ｂは、単位セル１２ａを面方向に１８０°回転させることにより構成されている。実際上、第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａと同一であり、第３金属セパレータ２６は、第１金属セパレータ２２と同一であり、第４金属セパレータ２８は、第２金属セパレータ２４と同一である。

図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）３０ａと、該固体高分子電解質膜３０ａを挟持するカソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａとを備える。カソード側電極３２ａは、アノード側電極３４ａよりも大きな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３２ａは、固体高分子電解質膜３０ａの全面を覆って設けられる（所謂、段差ＭＥＡ）。

カソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有し、触媒塗布範囲３６ａが設けられる。第１電解質膜・電極構造体２０ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、所定の凹凸形状を有する外形形状部３８ａを有する。

第１金属セパレータ２２は、第２金属セパレータ２４よりも小さな外形寸法に設定される。図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ２２の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２２ａには、前記第１電解質膜・電極構造体２０ａの触媒塗布範囲３６ａに対応して第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）４０が形成される。この第１酸化剤ガス流路４０は、面２２ａ側に突出する凸部４０ａと凹部４０ｂとを設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に延在して形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路４０の両側には、エンボス部４０ｃが形成される。

第１酸化剤ガス流路４０の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部４１ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部４１ｂが設けられる。図４に示すように、入口部４１ａ及び出口部４１ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状の外方に突出している。

第１金属セパレータ２２は、所望の凹凸形状を有する外形形状部４２を有するとともに、この外形形状部４２は、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状部３８ａよりも大きな寸法に設定される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂ側には、第１酸化剤ガス流路４０を形成することにより、凹凸形状を反転させた第１冷却媒体流路４４が形成される。

図３に示すように、第２金属セパレータ２４は、横長な長方形状を有している。この第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（一方の反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４８ａ、及び燃料ガス（他方の反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔５０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図５に示すように、第２金属セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２４ａには、触媒塗布範囲３６ａに対応して第１燃料ガス流路（第２反応ガス流路）５２が形成される。第１燃料ガス流路５２は、面２４ａ側に突出する凸部５２ａ及び凹部５２ｂが交互に設けられることによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。この第１燃料ガス流路５２の両側には、エンボス部５２ｃが形成される。

図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、面２４ａ側に第１燃料ガス流路５２を形成することによって、第２冷却媒体流路５４が形成される。第２冷却媒体流路５４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部５６ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部５６ｂが設けられる。

入口部５６ａ及び出口部５６ｂは、第２金属セパレータ２４に第３金属セパレータ２６が重ね合わされた際に、この第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応している。冷却媒体入口連通孔４８ａは、入口部５６ａを介して第２冷却媒体流路５４に連通する一方、冷却媒体出口連通孔４８ｂは、出口部５６ｂを介して第２冷却媒体流路５４に連通する。

第２金属セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔５０ａに近接して２つの燃料ガス用入口孔部５８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔５０ｂに近接して２つの燃料ガス用出口孔部５８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４６ａ近傍には、３つの酸化剤ガス用入口孔部６０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂの近傍には、３つの酸化剤ガス用出口孔部６０ｂが形成される。

図５に示すように、面２４ａには、第１燃料ガス流路５２を周回して第１シール部材６２ａ、第２シール部材６２ｂ及び第３シール部材６２ｃが、順次、外方に向かって一体成形される。第１シール部材６２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの周縁部、すなわち、固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に接触し、第２シール部材６２ｂは、第１金属セパレータ２２の周縁部に接触し、第３シール部材６２ｃは、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第２金属セパレータに相当する第４金属セパレータ２８に接触する。

第１シール部材６２ａは、燃料ガスの漏れを防止するための内側シール部材を構成し、第２シール部材６２ｂは、酸化剤ガスの漏れを防止するための中間シール部材を構成し、第３シール部材６２ｃは、冷却媒体の漏れを阻止するための外側シール部材を構成している。

第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体２０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。

第３金属セパレータ２６は、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ側の面２６ｂに、第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部６３ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部６３ｂが設けられる。入口部６３ａ及び出口部６３ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの外形形状の外方に突出している。第３金属セパレータ２６の面２６ｂは、第２金属セパレータ２４の面２４ｂに重なり合うことにより、第２冷却媒体流路５４を一体的に形成する第３金属セパレータ２６が所定の凹凸形状を有する外形形状部６５を設ける。

図７に示すように、第４金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面２８ａには、第２燃料ガス流路６６が形成される。第２燃料ガス流路６６は、凸部６６ａと凹部６６ｂとによって矢印Ｂ方向に延在して形成されるとともに、両端側にはエンボス部６６ｃが形成される。

図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、面２８ａに第２燃料ガス流路６６を形成することによって、第１冷却媒体流路４４が形成される。この第１冷却媒体流路４４は、第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２とが重なり合うことによって一体的に形成される。第１冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ外方に延在して波形状の入口部６８ａと出口部６８ｂとが設けられる。

入口部６８ａと出口部６８ｂとは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部を介して第１冷却媒体流路４４を冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂに連通する。

第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４に設けられている入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂに対して積層方向の位置をずらして２つの入口孔部７０ａ及び２つの出口孔部７０ｂが形成される。第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４の３つの入口孔部６０ａ及び３つの出口孔部６０ｂに対して積層方向の位置をずらして３つの入口孔部７２ａ及び３つの出口孔部７２ｂが形成される。

図７に示すように、面２８ａには、第２燃料ガス流路６６を周回して第１シール部材７４ａ、第２シール部材７４ｂ及び第３シール部材７４ｃが、順次、外方に沿って設けられている。燃料ガスシール用の内側シール部材である第１シール部材７４ａは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを構成する固体高分子電解質膜３０ｂの周端部に接触し、酸化剤ガスシール用の中間シール部材である第２シール部材７４ｂは、第３金属セパレータ２６の周端部に接触し、冷却媒体シール用の外側シール部材である第３シール部材７４ｃは、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４の周縁部に接触する。

図９及び図１０に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部材６２ｃ、７４ｃによって酸化剤ガス入口連通孔４６ａを第１酸化剤ガス流路４０及び第２酸化剤ガス流路６４に連通する通路部７６が形成される。この通路部７６は、酸化剤ガス用の入口孔部（貫通孔）６０ａ、７２ａを有する。同様に、図１１及び図１２に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部材６２ｃ、７４ｃによって燃料ガス入口連通孔５０ａを第１燃料ガス流路５２及び第２燃料ガス流路６６に連通する通路部７８が形成される。この通路部７８は、燃料ガス用の入口孔部（貫通孔）５８ａ、７０ａを有する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、エンドプレート１６ａの酸化剤ガス入口連通孔４６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔５０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４８ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

ここで、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２４ｂ側から連通する３つの入口孔部６０ａが形成される。一方、単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２８ｂ側から連通する３つの入口孔部７２ａが形成されている。

このため、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部６０ａを通って面２４ａ側に導入され、第１金属セパレータ２２に設けられている入口部４１ａから第１酸化剤ガス流路４０に供給される。

一方、図１０に示すように、単位セル１２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部が、第４金属セパレータ２８に設けられている入口孔部７２ａから面２８ａ側に導入され、第３金属セパレータ２６の入口部６３ａから第２酸化剤ガス流路６４に供給される。

また、第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、面２４ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部５８ａが形成されている。第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、面２８ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部７０ａが形成されている。

従って、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部５８ａを通って面２４ａ側に導入され、この面２４ａに形成された第１燃料ガス流路５２に供給される。

さらに、図１２に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第４金属セパレータ２８の入口孔部７０ａから面２８ａ側に導入され、この面２８ａに形成された第２燃料ガス流路６６に供給される。

これにより、図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａでは、カソード側電極３２ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ａに供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。同様に、第２電解質膜・電極構造体２０ｂでは、カソード側電極３２ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ｂに供給される燃料ガスとにより発電が行われる。

単位セル１２ａの第１酸化剤ガス流路４０を流れた酸化剤ガスは、出口部４１ｂから第２金属セパレータ２４に設けられた出口孔部６０ｂを通って面２４ｂ側に移動し、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。同様に、単位セル１２ｂの第２酸化剤ガス流路６４を流れた酸化剤ガスは、出口部６３ｂから第４金属セパレータ２８に設けられた出口孔部７２ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。

また、第２金属セパレータ２４の第１燃料ガス流路５２を流れた燃料ガスは、出口孔部５８ｂを通って面２４ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。同様に、第４金属セパレータ２８の第２燃料ガス流路６６を流れた燃料ガスは、出口孔部７０ｂから面２８ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。

さらにまた、図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、第１冷却媒体流路４４に連通する入口部６８ａ及び出口部６８ｂが設けられるとともに、前記入口部６８ａ及び前記出口部６８ｂは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部に対応している。

このため、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１３に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂ側から入口部６８ａを通って前記第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２との間に形成された第１冷却媒体流路４４に導入される。この第１冷却媒体流路４４を通って冷却処理を施した冷却媒体は、出口部６８ｂを通って面２８ｂ側から冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

一方、図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第２冷却媒体流路５４に連通するとともに、第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応して入口部５６ａ及び出口部５６ｂが形成されている。

従って、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１４に示すように、面２４ｂ側から入口部５６ａを通って第２金属セパレータ２４と第３金属セパレータ２６との間に形成された第２冷却媒体流路５４に供給される。この第２冷却媒体流路５４を流れた冷却媒体は、出口部５６ｂから面２４ｂ側に流動し、冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

この場合、第１の実施形態では、単位セル１２ａを構成する第１金属セパレータ２２は、第２金属セパレータ２４よりも外形寸法が小さく設定されるとともに、前記第１金属セパレータ２２は、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体入口連通孔４８ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体出口連通孔４８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂを設けることがない。

このため、単位セル１２ａの積層剛性及び組み立て時のハンドリング性に必要な電極面の剛性を確保するとともに、前記単位セル１２ａの軽量化が図られる。一方、単位セル１２ｂにおいても、上記の単位セル１２ａと同様の効果が得られる。

これにより、燃料電池１０全体の軽量化及びコンパクト化が容易に遂行可能になるとともに、特に、多数の単位セル１２ａ、１２ｂが積層されて車載用の燃料電池１０が構成される際、前記燃料電池１０全体が大幅に軽量化され、燃費の向上が確実に図られる。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池８０は、単位セル８２ａ、８２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル８２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａを第１金属セパレータ８３及び第２金属セパレータ８４で挟持する一方、単位セル８２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ８６及び第４金属セパレータ８８で挟持する。

第１金属セパレータ８３は、第２金属セパレータ８４よりも大きな外形寸法に設定されるとともに、前記第１金属セパレータ８３には、冷却媒体シール用の内側シール部材９０ａと、燃料ガスシール用の中間シール部材９０ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部材９０ｃとが、外方に向かって、順次、形成される。

第３金属セパレータ８６は、第４金属セパレータ８８よりも大きな外形寸法に設定されるとともに、前記第３金属セパレータ８６には、冷却媒体シール用の内側シール部材９２ａと、燃料ガスシール用の中間シール部材９２ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部材９２ｃとが、外方に向かって、順次、形成される。

この第３金属セパレータ８６は、実質的に第１金属セパレータ８３を１８０°反転させて使用する一方、第４金属セパレータ８８は、実質的に第２金属セパレータ８４を１８０°反転させて使用している。

内側シール部材９０ａ、９２ａは、それぞれ第４金属セパレータ８８及び第２金属セパレータ８４の周縁部に当接し、中間シール部材９０ｂ、９２ｂは、それぞれ第２電解質膜・電極構造体２０ｂの固体高分子電解質膜３０ｂの周縁部、及び第１電解質膜・電極構造体２０ａの固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に当接し、外側シール部材９０ｃ、９２ｃは、互いに隣接する第３金属セパレータ８６及び第１金属セパレータ８３の周縁部に当接する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池８０全体の軽量化及びコンパクト化が容易に遂行可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の断面説明図である。

燃料電池１００は、複数の単位セル１０２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１０２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１０４を第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１０８で挟持する（図１６及び図１７参照）。電解質膜・電極構造体１０４は、固体高分子電解質膜３０とカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０、カソード側電極３２及びアノード側電極３４は、同一の外形寸法（表面積）に設定される。

第１金属セパレータ１０６は、第２金属セパレータ１０８よりも小さな外形寸法に設定されており、この第１金属セパレータ１０６は、実質的に第１の実施形態の第１金属セパレータ２２と同様に構成される。

第２金属セパレータ１０８は、図１６及び図１８に示すように、面２４ａに第１燃料ガス流路５２を周回して第１シール部材１１０ａ及び第２シール部材１１０ｂが一体成形される。

第１シール部材１１０ａは、固体高分子電解質膜３０の周縁部に接触し、第２シール部材１１０ｂは、隣り合う単位セル１０２を構成する第２金属セパレータ１０８に接触する（図１６参照）。

このように構成される第３の実施形態では、第１の実施形態の、いわゆる、段差ＭＥＡを構成する第１電解質膜・電極構造体２０ａ及び第２電解質膜・電極構造体２０ｂに代えて、いわゆる、全面電極型の電解質膜・電極構造体１０４を用いており、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０の断面説明図である。

燃料電池１２０は、複数の単位セル１２２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１２２は、電解質膜・電極構造体１０４と第１金属セパレータ１２４及び第２金属セパレータ１２６とを備える。第１金属セパレータ１２４は、第２金属セパレータ１２６よりも小さな外形寸法に設定される。

図２０及び図２１に示すように、第１金属セパレータ１２４の長手方向（矢印Ｂ方向）両端部略中央には、それぞれ第２金属セパレータ１２６の冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂ側に突出して突片部１２８ａ、１２８ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１２４の面２２ａ側には、それぞれ酸化剤ガス流路４０の入口側及び出口側を外部に開放する複数の溝部１３２ａ、１３２ｂが設けられる。第１金属セパレータ１２４の面２２ａには、図２１に示すように、酸化剤ガス流路４０の外方を覆って屈曲するシール部材１３４が設けられるとともに、このシール部材１３４の一部が、それぞれ溝部１３２ａ、１３２ｂを構成する。

図２２に示すように、第１金属セパレータ１２４の面２２ｂには、冷却媒体流路４４が形成されるとともに、突片部１２８ａ、１２８ｂには、前記冷却媒体流路４４を第２金属セパレータ１２６の冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂに連通する溝部１３６ａ、１３６ｂが形成される。

図２３に示すように、第２金属セパレータ１２６の面２４ａには、燃料ガス流路５２を周回して第１シール部材１３８と第２シール部材１４０とが一体成形される。

第１シール部材１３８は、第１金属セパレータ１２４のシール部材１３４と対向して電解質膜・電極構造体１０４を挟持する一方、第２シール部材１４０は、隣り合う単位セル１２２を構成する第２金属セパレータ１２６に接触する（図１９参照）。

第１シール部材１３８は、図２３に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂを燃料ガス流路５２に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂ、冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂを閉塞する。

燃料ガス入口連通孔５０ａと燃料ガス流路５２との間には、第１シール部材１３８によって溝部１４２ａが形成される一方、燃料ガス出口連通孔５０ｂと前記燃料ガス流路５２との間には、前記第１シール部材１３８によって溝部１４２ｂが形成される。

図２３に示すように、第２金属セパレータ１２６には、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂと燃料ガス流路５２とを連通する通路部１４３ａ、１４３ｂが設けられる。通路部１４３ａ、１４３ｂは、溝部１４２ａ、１４２ｂを有する。

第１シール部材１３８と第２シール部材１４０との間には、酸化剤ガス入口連通孔４６ａから第１金属セパレータ１２４の溝部１３２ａに連通する溝部１４４ａが形成されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂと溝部１３２ｂとを連通する溝部１４４ｂが形成される。

図２１及び図２３に示すように、第２金属セパレータ１２６には、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂと第１金属セパレータ１２４の酸化剤ガス流路４０とを連通する通路部１４６ａ、１４６ｂが設けられる。通路部１４６ａ、１４６ｂは、溝部１４４ａ、１１４ｂを有し、前記溝部１４４ａ、１１４ｂを介して溝部１３２ａ、１３２ｂから酸化剤ガス流路４０に連通する。

このように構成される燃料電池１２０では、互いに隣接する第２金属セパレータ１２６間には、一方の第２金属セパレータ１２６に設けられる第１シール部材１３８及び第２シール部材１４０が、他方の第２金属セパレータ１２６に密着している。

このため、各単位セル１２２の酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスは、通路部１４６ａに導入され（図２３参照）、第２金属セパレータ１２６の溝部１４４ａから第１金属セパレータ１２４の溝部１３２ａを通って酸化剤ガス流路４０に供給される（図２１参照）。この酸化剤ガス流路４０で反応に使用された酸化剤ガスは、溝部１３２ｂから通路部１４６ｂに排出されて溝部１４４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに送られる。

一方、各単位セル１２２の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスは、図２３に示すように、通路部１４３ａに導入され、溝部１４２ａを通って燃料ガス流路５２に供給される。この燃料ガス流路５２で使用された燃料ガスは、通路部１４３ｂの溝部１４２ｂから燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。

さらに、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１２４の突片部１２８ａに形成されている溝部１３６ａを通って冷却媒体流路４４に供給される（図２２参照）。そして、各単位セル１２２の冷却を行った冷却媒体は、他方の突片部１２８ｂに形成された溝部１３６ｂを通って冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される。

このように構成される第４の実施形態では、第１金属セパレータ１２４の外形寸法が一挙に短尺化され、各単位セル１２２の軽量化及び小型化が容易に図られる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図２４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１５０の断面説明図である。

燃料電池１５０は、第４の実施形態に係る燃料電池１２０に対して冷却媒体流路５４を複数、例えば、２つの電解質膜・電極構造体１０４毎に形成する、いわゆる、間引き冷却構造を採用する。

この燃料電池１５０は、第１金属セパレータ１２４、電解質膜・電極構造体１０４、第２金属セパレータ１５２、電解質膜・電極構造体１０４、第３金属セパレータ１２６、第１金属セパレータ１２４、電解質膜・電極構造体１０４、第２金属セパレータ１５２、電解質膜・電極構造体１０４及び第３金属セパレータ１２６を矢印Ａ方向に積層して構成される。

第２金属セパレータ１５２は、一方の面側に、すなわち、電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第１金属セパレータ１２４に対向する面側に、燃料ガス流路５２が形成される一方、他の電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第３金属セパレータ１２６に対向する面側に、酸化剤ガス流路４０が形成される。

これにより、第５の実施形態では、冷却媒体流路５４が有効に削減（半減）される。このため、燃料電池１５０全体として、積層方向の寸法が一挙に短尺化されるという効果が得られる。

図２５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１６０の断面図である。

燃料電池１６０は、単位セル１６２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１６２は、電解質膜・電極構造体１０４を第１カーボンセパレータ１６４及び第２カーボンセパレータ１６６で挟持して構成される。

燃料電池１６０は、実質的に第４の実施形態に係る燃料電池１２０と同様に構成されており、第１カーボンセパレータ１６４は、第２カーボンセパレータ１６６よりも小さな外形寸法に設定される。この第１カーボンセパレータ１６４には、シール部材１３４に相当するシール部材１６８が設けられる一方、第２カーボンセパレータ１６６には、第１シール部材１３８及び第２シール部材１４０に相当する第１シール部１７０及び第２シール部１７２が設けられる。第１シール部１７０及び第２シール部１７２は、成形後に第２カーボンセパレータ１６６に取り付けられている。

このように構成される第６の実施形態では、第１カーボンセパレータ１６４の寸法を可及的に小さく設定することができ、燃料電池１６０全体の軽量化及びコンパクト化が図られる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第６の実施形態では、第４の実施形態に係る燃料電池１２０と同様に構成されるとともに、第１カーボンセパレータ１６４及び第２カーボンセパレータ１６６を用いているが、例えば、第１〜第３の実施形態及び第５の実施形態にも同様に、カーボンセパレータを用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 第４金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第４金属セパレータの他方の面の説明図である。 燃料電池スタック内での酸化剤ガスの流れ説明図である。 前記燃料電池スタック内での前記酸化剤ガスの別の流れ説明図である。 前記燃料電池スタック内での燃料ガスの流れ説明図である。 前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの別の流れ説明図である。 前記燃料電池スタック内での冷却媒体の流れ説明図である。 前記燃料電池スタック内での前記冷却媒体の別の流れ説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの説明図である。

符号の説明

１０、８０、１００、１２０、１５０、１６０…燃料電池
１２ａ、１２ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０２、１２２、１６２…単位セル
１４…積層体
２０ａ、２０ｂ、１０４…電解質膜・電極構造体
２２、２４、２６、２８、８３、８４、８６、８８、１０６、１０８、１２４、１２６、１５２…金属セパレータ
３０、３０ａ、３０ｂ…固体高分子電解質膜
３２、３２ａ、３２ｂ…カソード側電極
３４、３４ａ、３４ｂ…アノード側電極
４０、６４…酸化剤ガス流路 ４４、５４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４８ａ…冷却媒体入口連通孔 ４８ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔 ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２、６６…燃料ガス流路
５８ａ、６０ａ、７０ａ、７２ａ…入口孔部
５８ｂ、６０ｂ、７０ｂ、７２ｂ…出口孔部
６２ａ〜６２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、１１０ａ、１１０ｂ、１３４、１３８、１４０…シール部材
７６、７８、１４３ａ、１４３ｂ、１４６ａ、１４６ｂ…通路部
９０ａ、９２ａ…内側シール部材 ９０ｂ、９２ｂ…中間シール部材
９０ｃ、９２ｃ…外側シール部材
１３２ａ、１３２ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂ…溝部
１６４、１６６…カーボンセパレータ

Claims (4)

1. 電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持する燃料電池であって、
   前記第１セパレータは、前記第２セパレータよりも小さな外形寸法を有するとともに、
   前記第２セパレータの外周縁部には、前記第１セパレータの外形端部より外方に突出する位置に、少なくとも燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを一方の電極面に沿って流動させる第１反応ガス流路が形成されるとともに、
   前記第２セパレータには、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスである他方の反応ガスを他方の電極面に沿って流動させる第２反応ガス流路が形成され、
   前記第１セパレータには、所定の流体連通孔から前記第１反応ガス流路に前記一方の反応ガスを供給するための通路部が形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記通路部は、前記第１セパレータの外周端部に形成された溝部を介して前記所定の流体連通孔と前記第１反応ガス流路と連通させることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記通路部は、前記所定の流体連通孔に連通して前記第２セパレータを前記積層方向に貫通する貫通孔を有することを特徴とする燃料電池。

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