JP2005216869A - 燃料電池またはセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 積層方向の寸法を抑制しつつシール性を確保することができる燃料電池またはセパレータを提供する。
【解決手段】 燃料電池セル２１の各セパレータ２３，２４の前記ガスシール部材２５、２６の外側に、セパレータ２３，２４を厚さ方向に貫通する供給口３３等の連通孔が設けられる。セパレータ２３に、該セパレータ２３を厚さ方向に貫通し、燃料電池セル２１間を介して燃料ガス連通孔と燃料ガス流路２７とを結ぶ貫通路４３が形成され、他方のセパレータ２４に、該セパレータ２４の厚さ方向にガスシール部材２６を迂回して酸化剤ガス連通孔と酸化剤ガス流路を連絡する酸化剤ガス連絡路が形成されている。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、電極構造体をセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層して構成された燃料電池またはセパレータに関するものである。

燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。

各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの面に燃料ガス（例えば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体（例えば、純水）の流路が設けられている。

そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。

これら燃料ガス、酸化剤ガス（総称して反応ガス）および冷却媒体は、各々独立した流路に流通させる必要があるため、各流路間を液密または気密状態に仕切るシール技術が重要となる。
密封すべき部位としては、例えば、反応ガスおよび冷却媒体を燃料電池の各燃料電池セルに分配供給するためにセパレータを厚さ方向に貫通形成された供給口の周囲、各燃料電池セルから排出された反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ収集して排出するためにセパレータを厚さ方向に貫通形成された排出口の周囲、電極構造体の外周、隣接する燃料電池セルのセパレータ間等がある。シール部材の材質としては、柔らかくて、適度に反発力のある有機ゴム等が採用されている。

図３５は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号４は、燃料電池１をセパレータ２、３の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス供給口、酸化剤ガス排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口などの連通孔である。また、符号５は、セパレータ２，３に沿って複数の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却媒体流路が形成されている領域である。

図３６は、図３５の線Ｘ−Ｘで切断した従来の燃料電池１を示す縦断面図である。平面視において、発電に寄与しないシール部材の占有体積を極力小さくするために、従来は、燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７をそれぞれ密封するガスシール部材８，９と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材１０とを、燃料電池セル１１の積層方向に一列に並べて配置することにより、燃料電池１の積層方向の外形寸法を最小限に抑制している。

この図３６によれば、ガスシール部材８、９によって密封状態に隔離された燃料ガス供給口４と燃料ガス流路６とが連絡路１２によって連絡されている。この連絡路１２は、燃料ガス流路６の周囲を全周にわたって密封しているガスシール部材８をセパレータ２の厚さ方向に迂回して設けられている。具体的には、セパレータ２の燃料ガス供給口４と燃料ガス流路６との間に溝を設け、この溝の上にブリッジ板１３を設けて、連絡路１２を形成している。
また、セパレータ３も酸化剤ガス供給口（図示略）において同様の連絡路（図示略）を有している。この種の技術が、特許文献１に開示されている。
特開平１０−７４５３０号公報

しかしながら、前記ブリッジ板１３は、セパレータ２と略同一高さとなるようにセパレータ２に組み付けられる別部材であるため、図３７に示したように、セパレータ２とブリッジ板１３との連結箇所に不可避的に隙間１４が生じてしまう（セパレータ３においても同様）。ここで、図３７は、図３６の線Ｙ−Ｙで切断した従来の燃料電池１を示す縦断面図である。このように、ガスシール部材８，９をセパレータ２，３やブリッジ板１３上に固着する際に、ガスシール部材８，９が上述した隙間１４に入り込んで変形すると、シール性を損なうおそれがあった。加えて、セパレータ２，３やブリッジ板１３上でのガスシール部材８，９の成形は、上述した隙間１４からガスシール部材８，９の材料が漏れるおそれがあるため、非常に困難であるという問題があった。

ところで、特開平２００１−１４８２５２号公報、米国特許６，０６６，４０９号公報に示されているように、セパレータに、該セパレータを厚さ方向に貫通する貫通路を設けて、該貫通路を介して反応ガスを連通孔からガス流路に流入する技術が提案されている。しかし、セパレータの裏面側（冷却面側）から表面側のガス流路に反応ガスを流入または流出させるため、セパレータの表面側のみならず裏面側においても、隣接するセパレータとの間に反応ガス流路を設ける必要があり、その分だけ厚さ方向の寸法が増加する問題がある。

また、セパレータの裏面側には、前記冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材が設けられているため、このセパレータの裏面側から反応ガスを流入させるにあたっては、貫通路の形成スペースを確保するために、冷却面シール部材をガスシール部材よりも内側（反応面側）にずらして設ける必要がある。このように冷却面シール部材をずらした結果、前記冷却面シール部材が前記ガスシール部材の内側の反応ガス流路と積層方向から見て重なる位置に設けられることになる。これにより、前記反応ガス流路および冷却面シール部材の寸法を合わせた厚さを燃料電池セルの厚さとして確保する必要が生じる。さらに、一方の電極側のセパレータのみならず、他方の電極側のセパレータにも上述した貫通路を形成すると、前記必要厚さが倍加し、このような燃料電池セルを複数個積層して燃料電池を構成すると、前記必要厚さがさらに積層倍されてしまい、燃料電池の小型化の障害となるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、積層方向の寸法を抑制できるとともにシール性を確保することができ、かつ、ガスシール部材をセパレータに一体的に成形することで、シール性を向上することができる燃料電池またはセパレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜２９）の両面にそれぞれ電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極３０、カソード電極３１）を配した電極構造体（例えば、実施の形態における電極構造体２２）と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ２３，２４）と、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス流路（例えば、実施の形態における燃料ガス流路２７、酸化剤ガス流路２８）をそれぞれ密封するガスシール部材（例えば、実施の形態におけるガスシール部材２５，２６）とから構成された燃料電池セルを有する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池２０）であって、互いに厚さ方向に隣接する少なくとも２つ以上の前記燃料電池セル（例えば、実施の形態における図２１、２２に示す燃料電池セル２１）は、少なくとも２つ以上の電極構造体と、該電極構造体を厚さ方向に挟む少なくとも３枚以上のセパレータとを備え、前記各セパレータにおける前記ガスシール部材の外側に、セパレータを厚さ方向に貫通する反応ガス連通孔（例えば、実施の形態における燃料ガス供給口３３，酸化剤ガス供給口３４または燃料ガス排出口３６，酸化剤ガス排出口３７）が設けられ、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の一方の端部に位置する一方のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ２３）には、該セパレータを厚さ方向に貫通し、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを結ぶ貫通路（例えば、実施の形態における貫通路４３）が形成され、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の他方の端部に位置する他方のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ２４）には、ガスシール部材（例えば、実施の形態におけるガスシール部材２６）をセパレータの厚さ方向に迂回して反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路（例えば、実施の形態における酸化剤ガス連絡路４６）が形成され、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の一方の端部と他方の端部との間に位置するセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ６２）には、前記貫通路と前記連絡路とが形成されていることを特徴とする燃料電池である。

このように構成することで、前記一方の極側のセパレータでは、前記貫通路により反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡するため、反応ガス連絡路を形成する必要が無い。よって、このセパレータの表面側（反応ガス流路側）において、上述した連絡路形成に伴う隙間が生じないので、前記反応ガス連通孔と反応ガス流路間のガスシール部材成形領域を平坦に形成することができる。これにより、ガスシール部材成形時における材料の流出を防止することができるため、この成形時におけるガスシール部材の変形を防止して、該ガスシール部材をセパレータ上の所定箇所に確実に固着することができ、ガスシール部材のシール性能を向上させることができる。前記一方の極側のセパレータ上に成型したガスシール部材や、電極構造体の電解質上に固着したガスシール部材を、他方の極側のセパレータに圧接させることにより、前記反応ガス流路を密封することができる。

また、前記他方の極側のセパレータには、前記連絡路により反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡するため、このセパレータの裏面（冷却面）側においては、反応ガスを流通させる必要がなく、冷却面シール部材を、積層方向から見て反応ガス流路に重なる位置に設ける必要が無い。したがって、前記冷却面シール部材を積層方向から見て反応ガス流路とずらして設けることにより、燃料電池セル、ひいては燃料電池の積層方向の寸法をその分低減することができる。

なお、前記他方の極側のセパレータと連絡路との連結箇所には上述した隙間が生じるが、前記一方の極側のセパレータや前記電解質に固着したガスシール部材を前記隙間に圧接させることにより、この隙間をシールすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記電極構造体に配される電極において、他方の極側の電極が、一方の極側の電極より、大きく形成されていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成することで、前記一方の極側のセパレータに当接する電極（小さい方の電極）からはみ出した電解質の部分を、前記他方の極側のセパレータに当接する電極（大きい方の電極）で厚さ方向に補強することができる。そして、ガスシール部材を、前記電解質の補強された箇所に接触するように、前記一方の極側のセパレータに固着することができる。このため、電解質の厚さ方向の強度を保持しつつ、ガスシール部材を圧接することができる。

なお、上述した補強される箇所をシール部材で形成すると、さらにシール機能を高めることができる。また、前記電解質は、前記大きい方の電極より平面寸法が大きくてもよく、また同一であってもよい。電解質が前記大きい方の電極よりも平面寸法が大きい場合には、電解質周縁部にガスシール部材を固着してもよい。

請求項３に記載の発明は、前記他方の極側の電極が、前記一方の極側の電極より、少なくともガスシール部材の幅寸法分平面寸法を大きく形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項４に記載の発明は、前記電極構造体に配される電極において、他方の極側の電極が、一方の極側の電極より大きく形成され、前記他方の極側に当接する電極と、これに固着されるガスシール部材とが、前記電解質の平面寸法と同等に形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項５に記載の発明は、前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、前記電極構造体に圧接するように形成されていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成すると、前記ガスシール部材が電極構造体に圧接することで、電極構造体からの反応ガスの流出を抑制するとともに、前記ガスシール部材が他方の極側のセパレータに圧接することで反応ガスの外部への流出をより確実に防止できる。
請求項６に記載の発明は、前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、他方の極側のセパレータに圧接するように形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項７に記載の発明は、前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、前記電極構造体および他方の極側のセパレータに圧接するように形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項８に記載の発明は、前記ガスシール部材が、前記電極構造体に固着されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項９に記載の発明は、前記燃料電池を構成する燃料電池セルにおいて、互いに隣接する少なくとも２つ以上の前記燃料電池セルごとに、冷却媒体流路が形成され、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成される一方のセパレータには、前記貫通路が形成され、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成される他方のセパレータには、前記反応ガス連絡路が形成され、前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成されないセパレータには、前記貫通路と前記連絡路とが形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項１０に記載の発明は、前記セパレータは、カーボンまたはステンレスにより構成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項１１に記載の発明は、前記電極構造体を挟む一対のセパレータの双方に貫通路が形成されている場合には、双方の貫通孔が前記一対のセパレータの厚さ方向から視てずれた位置に形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項１２に記載の発明は、前記少なくとも２つ以上の電極構造体は、平面寸法が異なっていることを特徴とする燃料電池である。

請求項１３に記載の発明は、燃料電池の電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体を厚さ方向に挟むセパレータであって、厚さ方向に貫通する反応ガス連通孔と、厚さ方向に貫通し、前記電極構造体との間に挟まれて形成される反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを結ぶ貫通路と、前記電極構造体の外周部に配置されて前記反応ガス流路を密封するガスシール部材を厚さ方向に迂回して、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路とが形成されていることを特徴とするセパレータである。
請求項１４に記載の発明は、前記ガスシール部材と一体化されていることを特徴とするセパレータである。
請求項１５に記載の発明は、カーボンまたはステンレスにより構成されていることを特徴とするセパレータである。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池によれば、ガスシール部材の成形時における変形を防止して、該ガスシール部材をセパレータ上の所定箇所に確実に固着できるため、ガスシール部材のシール性能を向上させることができる。また、前記他方の極側のセパレータには、セパレータの裏面（冷却面）側においては、反応ガスを流通させる必要がなく、冷却面シール部材を、積層方向から見て反応ガス流路に重なる位置に設ける必要が無い。したがって、積層方向の寸法をその分低減することができる。

また、電解質の厚さ方向の強度を保持しつつ、ガスシール部材を圧接すると、電解質の耐久性を高めることができ、燃料電池の性能に対する信頼性を増すことができる点で好ましい。

また、前記一方の極側のセパレータに固着されるシール機能の確保されたガスシール部材を、電解質や電極構造体に圧接すると、反応ガスの外部への流出をこのガスシール部材でより確実に防止することができ、燃料電池の信頼性を高めることができる点で好ましい。

以下、本発明の実施の形態における燃料電池またはセパレータを図面と共に説明する。なお、本特許出願は、特願２００１−３９３６２０号を親出願とする分割出願であり、また、本出願の発明の実施例は親出願の発明の実施例と重なる点が多い。したがって、親出願の発明の実施例の説明を前提として、本出願の発明の実施の形態を説明する方が、記載内容の継続性、明確性の観点から好ましいので、まず、図１乃至図２０を参照して親出願の発明の実施例を参考として説明し、その後引き続いて図２１乃至図３４を参照して、本出願の発明の実施の形態を説明する。
〔参考としての親出願の発明の実施例〕親出願の発明に係る第１参考実施例の燃料電池２０は、図１２に示されるように、燃料電池セル２１を複数積層して構成されている。燃料電池セル２１は、図１に示されるように、電極構造体２２を一対のセパレータ２３，２４で挟持することにより構成されている。電極構造体２２と各セパレータ２３，２４との間には、ガスシール部材２５，２６がそれぞれ配置されている。これらガスシール部材２５，２６は、図１２、図１３に示されるように、電極構造体２２の両側に燃料ガス流路２７と酸化剤ガス流路２８とを密封状態に画定している。

前記電極構造体２２は、例えば、図２および図１２に示されるように、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜２９（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜２９の両面を挟むアノード電極３０およびカソード電極３１とを有している。

電解質膜２９は、例えば、図２に示されるように、複数の貫通孔３２を有している。電解質膜２９は、後述するセパレータ２３，２４と同等の大きさを有し、各貫通孔３２は、セパレータ２３，２４の各反応ガス及び冷却媒体の供給口３３〜３５および各反応ガス及び冷却媒体の排出口３６〜３８に対応する位置に配置されている。

前記アノード電極３０およびカソード電極３１は、例えば、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層の電解質膜２９と接する表面に、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層を積層させることにより構成されている。

燃料電池セル２１は２種類のセパレータ２３，２４を有している。各セパレータ２３，２４は、図３および図４に示されるように、いずれもカーボン製平板の表面に、複数の溝（図示せず）を削り込むことにより、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部３９，４０と、該波板部３９，４０に流通させる燃料ガス（例えば、水素ガス）、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）および冷却媒体（例えば、純水）をそれぞれ供給、排出させるように各セパレータ２３，２４を貫通する燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）３３、酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）３４、冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）３５、燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）３６、酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）３７および冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）３８と、これら供給口３３〜３５、排出口３６〜３８および前記波板部３９，４０をそれぞれ取り囲むように配置される平面部４１，４２とを具備している。

前記冷却媒体供給口３５および冷却媒体排出口３８は、図３および図４に示されるように、セパレータ２３，２４の幅方向（矢印Ｐ）のほぼ中央に配置されている。また、前記燃料ガス供給口３３と酸化剤ガス供給口３４は、前記冷却媒体供給口３５を挟んでセパレータ２３、２４の幅方向（矢印Ｐ）の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガス排出口３６と酸化剤ガス排出口３７は、前記冷却媒体排出口３８を挟んでセパレータ２３，２４の幅方向（矢印Ｐ）の両側に配置されている。これら燃料ガス排出口３６および酸化剤ガス排出口３７は、それぞれ燃料ガス供給口３３および酸化剤ガス供給口３４に対して対角位置となるように配置されている。

各セパレータ２３，２４の長さ方向（矢印Ｑ）に沿う、燃料ガス供給口３３および排出口３６、酸化剤ガス供給口３４および排出口３７の長さ寸法（矢印Ｒ）は、隣接する冷却媒体供給口３５および排出口３８の長さ寸法（矢印Ｓ）よりも短く形成されている。これにより、燃料ガス供給口３３および排出口３６、酸化剤ガス供給口３４および排出口３７と波板部３９，４０との間の間隔寸法（矢印Ｔ）は、冷却媒体供給口３５および排出口３８と波板部３９，４０との間の間隔寸法（矢印Ｕ）よりも大きく形成されている。

前記一対のセパレータ２３，２４のうち、一方の極側のセパレータ２３の一方の面（燃料ガス側の面）には、図３に示されるように、貫通路４３の一方の端部４４が開口されている。これらの貫通路４３はセパレータ２３を厚さ方向に貫通して、燃料ガス供給口３３と波板部３９、波板部３９と燃料ガス排出口３６とを結ぶように形成されている。

また、他方の極側のセパレータ２４の一方の面（酸化剤ガス側の面）には、図４に示されるように、酸化剤ガス供給口３４と波板部４０との間および該波板部４０と酸化剤ガス排出口３７との間に、酸化剤ガス供給口３４から供給されてきた酸化剤ガスを波板部４０に流通させ、波板部４０を通過した酸化剤ガスを酸化剤ガス排出口３７から排出させるための酸化剤ガス連絡路４６がそれぞれ形成されている。この酸化剤ガス連絡路４６は、セパレータ２４の一方の面に形成された複数の溝４７と、該溝４７上に掛け渡される平板上のブリッジ板４８とを備えている。ブリッジ板４８が配置されるセパレータ２４の表面には、該ブリッジ板４８をはめ込む凹部４９が形成されており、それによってブリッジ板４８の表面は、セパレータ２４の表面４２と同一平面内に配されている。

両セパレータ２３、２４の他方の面（冷却媒体側の面）には、図５または図６に示されるように、冷却媒体供給口３５と波板部３９，４０とを結ぶ冷却媒体連絡路５０および該波板部３９，４０と冷却媒体排出口３８とを結ぶ冷却媒体連絡路５０が設けられている。そして、図５に示されるように一方の極側のセパレータ２３の他方の面には貫通路４３の他方の端部４５が開口されている。また、図３および図５に示されるように、貫通路４３は、前記一方の端部４４が波板部３９寄りに、他方の端部４５が燃料ガス供給口３３または燃料ガス排出口３６寄りになるように、形成されている。なお、図６に示された他方の極側のセパレータ２４の面は、貫通路４３が形成されていない点を除いて、図５に示されるセパレータ２３の他方の面と同様である。

反応ガス流路を密封するガスシール部材２５，２６は、図７、図９に示されるように、波板部３９，４０の外周を取り囲む主環状部５１，５２の両側に、各供給口３３〜３５および排出口３６〜３８をそれぞれ取り囲む複数の副環状部５３（５３ａ〜５３ｃ），５４（５４ａ〜５４ｃ）を有する形状に一体的に構成されている。
図７、図９は、このようなガスシール部材２５，２６を、前記セパレータ２３のアノード電極側の面に配置した状態、前記セパレータ２４のカソード電極側の面に配置した状態をそれぞれ示している。

これらの図７、図９によれば、ガスシール部材２５，２６の主環状部５１，５２は、各供給口３３〜３５および各排出口３６〜３８と波板部３９、４０との間の平面部４１，４２を通過するように配置される。
前記ガスシール部材２５の主環状部５１において、燃料ガス供給口３３または燃料ガス排出口３６を密封する部位は、前記貫通路４３の一方の端部４４よりも燃料ガス供給口３３または燃料ガス排出口３６側にずれた位置に配置され、貫通路４３の一方の端部４４がガスシール部材２５で覆われないようにしている。このガスシール部材２５は、セパレータ２３に固着されて一体化されている。

また、ガスシール部材２６の主環状部５２は、連絡路４６に設けられたブリッジ板４８の上を通過して、各供給口３３〜３５および排出口３６〜３８と波板部４０との間を連絡路４６を構成する溝４７のみによって連絡し、他の部分は密封状態に保持するよう配置している。

また、図８は、ガスシール部材２５，２６を電極構造体２２に配置した状態を示している。同図に示したように、前記ガスシール部材２５，２６は、固体高分子電解質膜２９上に形成されている。そして、ガスシール部材２６は、固体高分子電解質膜２９と一体化されている。

このように構成された燃料電池セル２１は、図１２に示されるように、冷却面シール部材５５を挟んで複数積層される。冷却面シール部材５５は、図１０、図１１に示されるように、主環状部５７と副環状部５８とを一体的に連結した構造を有している。冷却面シール部材５５の主環状部５７は、燃料ガス供給口３３および酸化剤ガス供給口３４と波板部３９，４０との間、燃料ガス排出口３６および酸化剤ガス排出口３７と波板部３９，４０との間を通過して、冷却媒体供給口３５から冷却媒体連絡路５０を介して波板部３９，４０に接続し、波板部３９，４０ら冷却媒体連絡路５０を介して冷却媒体排出口３８に接続する冷却媒体流路６１の周囲を密封している。また、冷却面シール部材５５の副環状部５８は、燃料ガス供給口３３および酸化剤ガス供給口３４の周囲と、燃料ガス排出口３６および酸化剤ガス排出口３７の周囲とをそれぞれ独立して密封している。

そして、図１０に示されるように、冷却面シール部材５５の主環状部５７のうち、燃料ガス供給口３３の周囲または燃料ガス排出口３６の周囲を密封する部位は、前記貫通路４３の他方の端部４５よりも、波板部３９側にずれた位置に配置されて、前記他方の端部４５が冷却面シール部材５５で覆われないようにしている。このようにしたため、燃料ガス供給口３３または燃料ガス排出口３６から供給または排出される燃料ガスが、冷却面側の波板部３９に流入または流出することなく、貫通路４３の他方の端部４５に流入または流出する。上述したように、貫通路４３の一方の端部４４もガスシール部材２５で覆われていないため、前記一方の端部４４を介して前記燃料ガスを燃料ガス流路２７に供給または排出することができる。

このように構成された燃料電池２０の各部の断面を図１２に示す。図１２は、図７に示される線Ａ−Ａに沿って切断した図１の燃料電池２０を示す縦断面図である。この図１２によれば、アノード電極３０とセパレータ２３との間に形成されている燃料ガス流路２７への燃料ガスを流通させる経路が示されている。そして、電極構造体２２とその両側に配される一対のセパレータ２３，２４との間を密封するガスシール部材２５，２６が、燃料電池セル２１の積層方向に対向する位置で電解質膜２９を厚さ方向に挟んで配置されている。そして、図１２に示したように、セパレータ２３を厚さ方向に貫通する貫通路４３を介して、ガスシール部材２５の主環状部５１の外側の燃料ガス供給口３３から供給される燃料ガスを、ガスシール部材２５の主環状部５１内側の燃料ガス流路２７に流通させることを可能としている。前記セパレータ２３には、ガスシール部材２５をセパレータ２３の厚さ方向に迂回して反応ガス連絡路を形成する必要が無く、ブリッジ板を設ける必要が無いため、ガスシール部材２５を配置する領域の平坦度を確保できる。したがって、ガスシール部材２５をセパレータ２３に一体に成形した際に変形を防止して、該ガスシール部材２５をセパレータ２３上の所定箇所に確実に固着して一体化することができるため、ガスシール部材２５のシール性能を向上させることができる。

上記においては、燃料ガス供給口３３について説明したが、燃料ガス排出口３６側においても同様のことが言える。

図１３は、図７に示される線Ｂ−Ｂに沿って切断した図１の燃料電池２０を示す縦断面図である。この図１３においても、電極構造体２２とその両側に配される一対のセパレータ２３，２４との間を密封するガスシール部材２５，２６が、燃料電池セル２１の積層方向に対向する位置で電解質膜２９を厚さ方向に挟んで配置されている。そして、酸化剤ガス連絡路４６は、ガスシール部材２６の主環状部５２をセパレータ２４の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材２６の主環状部５２の内外を連通させ、ガスシール部材２６の主環状部５２の外側の酸化剤ガス供給口３４から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材２６の主環状部５２内側の酸化剤ガス流路２８に流通させることを可能としている。このため、セパレータ２４の裏面（冷却面）側においては、酸化剤ガスを流通させる必要がなく、冷却面シール部材５５を、積層方向から見て酸化剤ガス流路２８に重なる位置に設ける必要が無い。

上記においては、酸化剤ガス供給口３４について説明したが、酸化剤ガス排出口３７側においても同様のことが言える。
なお、図１４は、図７に示された線Ｃ−Ｃに沿う図１の燃料電池２０を示す縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口３５から隣接する燃料電池セル２１間に画定された冷却媒体流路６１に接続する冷却媒体の経路が示されている。

以上説明したように、本参考実施例においては、連絡路を形成しないセパレータ２３の所定箇所に、ガスシール部材２５を成形する際の変形を防止しつつ、確実に固着して一体化することができるため、ガスシール部材２５のシール性能を向上することができる。また、前記他方の極側のセパレータ２４には、セパレータ２４の裏面（冷却面）側においては、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を流通させる必要がなく、冷却面シール部材５５を、積層方向から見て酸化剤ガス流路２８に重なる位置に設ける必要が無い。したがって、燃料電池セル２１の積層方向の寸法をその分低減できるとともに、該燃料電池セル２１を複数個積層して構成する燃料電池２０の積層方向の寸法を大幅に低減することができる。

次に、図１５、図１６は第２参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３にそれぞれ相当する縦断面図である。なお、以下の実施の形態において前の実施の形態の部材に対応する部材については、同一の符号を付して適宜その説明を省略する。

本参考実施例においては、電解質膜２９に固着して一体化したガスシール部材２６の端面に密着するように、カソード電極３１がアノード電極３０よりも平面寸法を大きく形成されている。このようにしたため、電解質膜２９のガスシール部材２６を固着する側の面をカソード電極３１により厚さ方向に補強することができ、電解質膜２９の耐久性を高めることが出来るため、燃料電池２０の性能に対する信頼性が増す。また、電解質膜２９は、酸化剤ガス側の面の全面をカソード電極３１により覆われているため、該酸化剤ガス側の面において電解質膜２９単独で露出する部分がなく、電解質膜２９を全面に亘り補強することで耐久性を一層高めている。また、本参考実施例においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。また、本参考実施例においては、アノード電極３０よりもカソード電極３１の平面寸法を大きく形成したが、カソード電極３１よりもアノード電極３０の平面寸法を大きく形成してもよい。

次に、図１７、図１８は第３参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３にそれぞれ相当する縦断面図である。この参考実施例においては、ガスシール部材２５を２重のシール構造としている。すなわち、ガスシール部材２５が、一方の極側のセパレータ２３に固着して一体化されるとともに、前記電極構造体２２の電解質膜２９および他方の極側のセパレータ２４に圧接するように形成されている。このように、前記ガスシール部材２５が電解質膜２９に圧接することで、電極構造体２２からの燃料ガスの流出を抑制できるとともに、このガスシール部材２５が他方の極側のセパレータ２４に圧接することで燃料ガスの外部への流出をより確実に防止できる。本参考実施例においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができる。また、ガスシール部材２５は、前記一方の極側のセパレータ２３に固着して一体化するものだけであるため、ガスシール部材２５の成形を一度に行うことができ、製造が容易化できる。また、図１８に示したように、酸化剤ガス供給口３４付近においては、冷却面シール部材５５の主環状部５７をガスシール部材２５の主環状部５１から積層方向にずらして設けている（排出口３７付近においても同様）ため、その分燃料電池セル２１ごとの積層方向の厚さを低減でき、燃料電池２０の厚さを大幅に低減できる。なお、シール構造は２重に限らず、３重以上の多重シール構造としてもよい。冷却面シール部材５５の主環状部５７を外側にずらして配置しているため、積層方向の寸法をさらに低減できる。

次に、図１９、図２０は本発明の第４参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３にそれぞれ相当する縦断面図である。この参考実施例においては、カソード電極３１をアノード電極３０よりも大きな電解質膜２９と同等の大きさに形成するとともに、ガスシール部材を、一方の極側のセパレータ２３に固着して一体化されるガスシール部材２５のみとし、このガスシール部材２５が電解質膜２９および他方の極側のセパレータ２４に圧接している。この参考実施例においては、電解質膜２９をカソード電極３１で補強して電極構造体２２の厚さ方向の強度を高めることができため、ガスシール部材２５を電解質膜２９により強い圧力で圧接することができ、シール効果を高めることができる。また、本参考実施例においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。また、第２参考実施例と同様に、電解質膜２９の耐久性を高めることができるため、燃料電池２０の信頼性を高めることができる。

次に、図２１、図２２は本発明の第１の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３に相当する縦断面図である。この実施の形態においては、２つの燃料電池セル２１ごとに冷却媒体流路６１を形成して、２セル（２つの燃料電池セル）ごとに冷却を行っている。本実施形態の燃料電池２０は、冷却媒体流路６１を形成しないセパレータ６２を備えている。図２１に示したように、セパレータ６２に形成される貫通路４３は、冷却媒体流路６１を形成するセパレータ２３，２４に形成する貫通路４３に対して積層方向から見てずれて設けられている。このようにしたため、冷却媒体流路６１の形成箇所が少なくなる分、冷却面シール部材５５などの冷却用部材を低減でき、製造を容易化することができるととともに、セパレータ６２には冷却媒体流路６１を形成するのに必要な厚さが必要ないため、その分燃料電池セル２１，ひいては燃料電池２０の寸法を低減することができるという効果がある。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。なお、本実施の形態においては、２セルごとに冷却を行う場合について説明したが、これに限らず、３つ以上の燃料電池セル２１ごとに冷却を行うように燃料電池２０を構成してもよい。

次に、図２３、図２４は本発明の第２の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３に相当する縦断面図である。この実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に２セルごとに冷却を行っていることに加え、第４参考実施例と同様にカソード電極３１を電解質膜２９と同等の大きさに形成するとともに、ガスシール部材２５が電解質膜２９および他方の極側のセパレータ２４に圧接している。したがって、第１の実施の形態と同様に、製造を容易化することができるととともに、燃料電池セル２１，ひいては燃料電池２０の寸法を低減することができる。また、第４参考実施例と同様に、ガスシール部材２５を電解質膜２９により強い圧力で圧接することができ、シール効果を高めることができる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

次に、図２５、図２６は本発明の第３の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３にそれぞれ相当する縦断面図である。本実施の形態における、セパレータ２３およびセパレータ２４は、いずれも板厚０．１〜０．５ｍｍ程度のステンレス製板材をプレス成形することにより、図１に示すような、波板部３９、４０と、供給口３３〜３５と、排出口３６〜３８と、平面部４１、４２とを具備している。このようにセパレータ２３，２４をプレス成形することにより、該セパレータ２３，２４の厚さを薄くできるとともに、生産性を高めることができる。また、第１の実施の形態と同様に、カソード電極３１をアノード電極３０よりも平面寸法を大きくしているため、ガスシール部材２６を固着して一体化する電解質膜２９の面を厚さ方向に補強することができ、燃料電池２０の運転時の信頼性を高めることができる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

次に、図２７、図２８は本発明の第４の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施の形態においては、第３の実施の形態と同様に、セパレータ２３およびセパレータ２４は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、形成されている。また、この実施の形態においては、参考実施例と同様に、ガスシール部材２５が電解質膜２９および他方の極側のセパレータ２４に圧接しているため、より確実に反応ガスの外部への流出を防止できる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

次に、図２９、図３０は本発明の第５の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３に相当する縦断面図である。この実施の形態においては、第３の実施の形態と同様に、セパレータ２３およびセパレータ２４は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、形成されている。また、この実施の形態においては、第４参考実施例と同様に、カソード電極３１を電解質膜２９と同等の大きさに形成するとともに、ガスシール部材２５が電解質膜２９および他方の極側のセパレータ２４に圧接しているため、シール効果を高めることができる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

次に、図３１、図３２は本発明の第５の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の形態の図１２、図１３に相当する縦断面図である。この実施の形態においては、第３の実施の形態と同様に、セパレータ２３およびセパレータ２４は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、形成されている。また、この実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、２セルごとに冷却を行っているため、製造を容易化することができるとともに積層方向の寸法を低減できる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

次に、図３３、図３４は本発明の第６の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２、図１３に相当する縦断面図である。この実施の形態においては、第３の実施の形態と同様に、セパレータ２３およびセパレータ２４は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、形成されている。また、この実施の形態においては、第２の実施の形態と同様に、カソード電極３１を電解質膜２９と同等の大きさに形成しており、製造を容易化することができるととともに、燃料電池２０の寸法を低減することができ、ガスシール部材２５を電解質膜２９により強い圧力で圧接することができ、シール効果を高めることができる。また、本実施の形態においても、第１参考実施例と同様に、ガスシール部材２５のシール機能を確保してシール性能を向上することができるとともに、燃料電池２０の積層方向の寸法を低減することができる。

図１は第１参考実施例に係る燃料電池を構成する燃料電池セルを模式的に示す分解斜視図である。 図１の燃料電池セルを構成する電極構造体を示す平面図である。 図１の燃料電池セルを構成する一方の極側のセパレータを示す平面図である。 図１の燃料電池セルを構成する他方の極側のセパレータを示す平面図である。 図３のセパレータの裏面を示す平面図である。 図４のセパレータの裏面を示す平面図である。 ガスシール部材を図３のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。 ガスシール部材を図２の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。 ガスシール部材を図４のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。 冷却面シール部材を図５のセパレータ上に配置した状態示す平面図である。 冷却面シール部材を図６のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。 図７の線Ａ−Ａ断面で切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。 図７の線Ｂ−Ｂ断面で切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。 図７の線Ｃ−Ｃ断面で切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。 第２参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 第２参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 第３参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 第３参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 第４参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 第４参考実施例を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第６の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第６の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 本発明の第７の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１２に相当する縦断面図である。 本発明の第７の実施の形態を示すものであり、第１参考実施例の図１３に相当する縦断面図である。 従来の燃料電池の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。 図３５の燃料電池を線Ｘ−Ｘで切断した燃料ガス供給口近傍を示す縦断面図である。 図３６の燃料電池を線Ｙ−Ｙで切断した燃料ガス供給口近傍を示す要部縦断面図である。

符号の説明

２０ 燃料電池
２１ 燃料電池セル
２２ 電極構造体
２３，２４ セパレータ
２５，２６ ガスシール部材
２７，２８ ガス流路
２９ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
３０ アノード電極（電極）
３１ カソード電極（電極）
３３ 燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）
３４ 酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）
３５ 冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）
３６ 燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）
３７ 酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）
３８ 冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）
４３ 貫通路
４６ 酸化剤ガス連絡路（反応ガス連絡路）
５５ 冷却面シール部材
６１ 冷却媒体流路

Claims (15)

1. 電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータと、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス流路をそれぞれ密封するガスシール部材とから構成された燃料電池セルを有する燃料電池であって、
   互いに厚さ方向に隣接する少なくとも２つ以上の前記燃料電池セルは、少なくとも２つ以上の電極構造体と、該電極構造体を厚さ方向に挟む少なくとも３枚以上のセパレータとを備え、
   前記各セパレータにおける前記ガスシール部材の外側に、セパレータを厚さ方向に貫通する反応ガス連通孔が設けられ、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の一方の端部に位置する一方のセパレータには、該セパレータを厚さ方向に貫通し、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを結ぶ貫通路が形成され、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の他方の端部に位置する他方のセパレータには、ガスシール部材をセパレータの厚さ方向に迂回して反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路が形成され、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、厚さ方向の一方の端部と他方の端部との間に位置するセパレータには、前記貫通路と前記連絡路とが形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電極構造体に配される電極において、他方の極側の電極が、一方の極側の電極より、大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記他方の極側の電極が、前記一方の極側の電極より、少なくともガスシール部材の幅寸法分平面寸法を大きく形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記電極構造体に配される電極において、他方の極側の電極が、一方の極側の電極より大きく形成され、前記他方の極側に当接する電極と、これに固着されるガスシール部材とが、前記電解質の平面寸法と同等に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、前記電極構造体に圧接するように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、他方の極側のセパレータに圧接するように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記ガスシール部材が、一方の極側のセパレータに固着されるとともに、前記電極構造体および他方の極側のセパレータに圧接するように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記ガスシール部材が、前記電極構造体に固着されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記燃料電池を構成する燃料電池セルにおいて、互いに隣接する少なくとも２つ以上の前記燃料電池セルごとに、冷却媒体流路が形成され、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成される一方のセパレータには、前記貫通路が形成され、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成される他方のセパレータには、前記反応ガス連絡路が形成され、
   前記２つ以上の燃料電池セルのうち、冷却媒体流路が形成されないセパレータには、前記貫通路と前記連絡路とが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池。
10. 前記セパレータは、カーボンまたはステンレスにより構成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料電池。
11. 前記電極構造体を挟む一対のセパレータの双方に貫通路が形成されている場合には、双方の貫通孔が前記一対のセパレータの厚さ方向から視てずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
12. 前記少なくとも２つ以上の電極構造体は、平面寸法が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
13. 燃料電池の電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体を厚さ方向に挟むセパレータであって、
    厚さ方向に貫通する反応ガス連通孔と、
    厚さ方向に貫通し、前記電極構造体との間に挟まれて形成される反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを結ぶ貫通路と、
    前記電極構造体の外周部に配置されて前記反応ガス流路を密封するガスシール部材を厚さ方向に迂回して、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路とが形成されていることを特徴とするセパレータ。
14. 前記ガスシール部材と一体化されていることを特徴とする請求項１３に記載のセパレータ。
15. カーボンまたはステンレスにより構成されていることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のセパレータ。
    

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