JP4812990B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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一面に燃料ガス（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一面に酸化剤ガス（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。
【０００４】
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。
【０００５】
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の外周等がある。シール部材としては、有機ゴム等の柔らかくて、適度に反発力のある材質のものが採用されている。
【０００６】
一方、近年、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化、低コスト化が大きな課題となっている。
燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。
【０００７】
ところが、セパレータを薄肉化することには、セパレータの強度や燃料電池の剛性上限界がある。また、セパレータ間の間隔寸法を小さくするには、シール部材の高さ寸法を低減することが効果的であるが、必要十分な密封性を確保するためには、十分な潰れ代を確保し得る高さ寸法が必要となるため、その低減にも自ずと限界がある。
【０００８】
さらに、燃料電池セルにおいて、シール部材が占有する体積は、反応ガスおよび冷却媒体を密封するために必要不可欠ではあるものの、実質的に発電に寄与しない空間であるため、極力小さくする必要がある。
【０００９】
図２３は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号１０７は、燃料電池１０６をセパレータ１０９、１１０の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、排出口、酸化剤ガス供給口、排出口、冷却媒体供給口、排出口などの連通孔である。また、符号１１２は、セパレータ１０９，１１０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。
【００１０】
図２４は、図２３の線Ｘ−Ｘで切断した従来の燃料電池１０６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１００および酸化剤ガス流路１０１をそれぞれ密封するガスシール部材１０２，１０３と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材１０４とを、燃料電池セル１０５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１０６の積層方向の外形寸法を最小限に抑制している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように構成される燃料電池１０６の場合に、各流路１００，１０１を密封するガスシール部材１０２，１０３および冷却面シール部材１０４の全てを燃料電池セル１０５の積層方向に一列に並べて配置すると、
燃料電池１０６の厚さ寸法を、各燃料電池セル１０５の最小厚み寸法に冷却面シール部材１０４の高さ寸法を加えて積層数倍した値より小さくすることができないという不都合がある。
【００１２】
このことをさらに詳しく説明するために、再度図２４を参照する。図２４は、燃料電池１０６を燃料ガス供給口１０７近傍で燃料電池セル１０５の積層方向に切断した縦断面図である。この図２４によれば、ガスシール部材１０２、１０３によって密封状態に隔離された燃料ガス供給口１０７と燃料ガス流路１００とが連絡路１０８によって連絡されている。該連絡路１０８は、燃料ガス流路１００の周囲を全周にわたって密封しているガスシール部材１０２をセパレータ１０９の厚さ方向に迂回するようにセパレータ１０９に設けられている。また、セパレータ１１０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。
【００１３】
したがって、各セパレータ１０９，１１０は、連絡路１０８を形成するために比較的厚く形成されているが、各シール部材１０２〜１０４が配置されているシールラインの位置においては、図２４の断面に見られるように、強度を確保するための最小限度の肉厚寸法となっており、それ以上の薄肉化を図ることができない。
【００１４】
また、各シール部材１０２〜１０４は、密封性を確保するために必要最小限の高さ寸法とされているので、これらシール部材１０２〜１０４の高さ寸法もそれ以上低減することはできない。
【００１５】
その結果、燃料電池１０６の厚さ寸法は、２枚のセパレータ１０９，１１０の最小肉厚寸法、連絡路１０８を構成するための厚さ寸法、２つのガスシール部材１０２，１０３の高さ寸法、固体高分子電解質膜１１１の厚さ寸法および冷却面シール部材１０４の高さ寸法を加えたものを積層数倍した寸法となるが、これらは全て必要不可欠な寸法であるため、それ以上の寸法低減を図ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池を構成するセパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、積層方向の寸法を低減して小型軽量化した燃料電池を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る燃料電池は、電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体（例えば、実施形態における電極構造体１０）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、実施形態におけるセパレータ４，５）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、実施形態における燃料ガス流路８，酸化剤ガス流路９）をそれぞれ密封するガスシール部材（例えば、実施形態におけるガスシール部材６，７）とから構成された複数の燃料電池セル（例えば、実施形態における燃料電池セル２）を、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材（例えば、実施形態における冷却面シール部材２７）を挟んで積層してなる燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）であって、前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部（主環状部６ａ，７ａ）外側に設けられる反応ガス連通孔（例えば、実施形態における燃料ガス供給口１７，酸化剤ガス供給口１８，燃料ガス排出口２０，酸化剤ガス排出口２１）および冷却媒体連通孔（例えば、実施形態における冷却媒体供給口１９，冷却媒体排出口２２）と前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部外側に設けられる反応ガス連通孔および冷却媒体連通孔と、前記ガスシール部材の電極構造体シール部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、実施形態における燃料ガス連絡路２３，酸化剤ガス連絡路２５）とが設けられ、少なくとも一方のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ５）に前記反応ガス連絡路（例えば、実施形態における酸化剤ガス連絡路２５）の裏側を少なくとも反応ガス連絡路に対応する領域にわたって突出させた凸部（例えば、実施形態における凸部３０）が設けられるとともに、他方のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ４）に前記凸部を受け入れる凹部（例えば、実施形態における凹部３２）が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この発明に係る燃料電池によれば、前記一方のセパレータに凸部を設けたので、このセパレータの厚みを最小限度まで薄くして、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保することができる。また、前記他方のセパレータに前記凸部を受け入れる凹部を設けたので、前記凸部による厚みの増加を前記凹部で打ち消すことができる。したがって、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がない。このため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、一対のセパレータのうち、一方のセパレータに前記反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保させておけば、前記凸部を設けなくても反応ガス連絡路を形成することができる。したがって、他方のセパレータに前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、他方のセパレータの厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータを合わせた厚みを最小限度に保持するとともに、凸部と凹部を双方のセパレータに形成する場合に比べて形成する箇所が半減するため、製造工程が容易となる。
燃料電池では、数百に及ぶ燃料電池セルを積層するので、燃料電池全体としては、各燃料電池セル毎に低減された厚さの積層数倍の大幅な小型化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明に係る燃料電池は、前記冷却媒体流路を前記反応ガス連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路に対して前記反応ガス連通孔側にずれた位置に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係る燃料電池によれば、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材が連絡路から連通孔側にずれた位置に配置されているので、冷却面シール部材の積層方向の位置をガスシール部材の近傍に設けられている連絡路とは無関係に決定することが可能となる。その結果、燃料電池セルの積層方向に沿う連絡路の位置と冷却面シール部材の位置とを重なり合わせることが可能となる。これにより、その重なり合った寸法分だけ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。
【００２１】
請求項３の発明に係る燃料電池は、前記冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されていることを特徴とする。
【００２２】
この発明に係る燃料電池によれば、ガスシール部材を厚さ方向に迂回して形成される連絡路近傍は、該連絡路の高さ分だけセパレータを厚くせざるを得ないため、冷却面シール部材を連通孔側にずらして、ガスシール部材と冷却面シール部材とが、同一のシールラインに配されることを回避し、連絡路近傍以外の部分では、ガスシール部材と冷却面シール部材とを燃料電池セルの積層方向に一列に並んだ位置に配することにより、燃料電池セルの面積を低減することが可能となる。また、連通孔近傍でシールラインをずらすことにより、請求項１記載の燃料電池と同様に、冷却面シール部材と連絡路とを積層方向に重なり合う位置に配置することが可能となり、冷却面シール部材とガスシール部材とを積層方向に近接させて燃料電池の厚さを低減することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１について、図面を用いて詳細に説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１２に示されるように、燃料電池セル２を複数積層して構成されている。燃料電池セル２は、図１に示されるように、電極構造体３を一対のセパレータ４，５で挟持することにより構成されている。電極構造体３と各セパレータ４，５との間には、ガスシール部材６，７がそれぞれ配置されている。これらガスシール部材６，７は、図１２に示されるように、電極構造体３の両側に燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とを密封状態に画定している。
【００２４】
前記電極構造体３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１０（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜１０の両面を挟むアノード電極１１およびカソード電極１２とを有している。
電解質膜１０は、例えば、図２に示されるように、複数の貫通孔１０ａを有している。電解質膜１０は、後述するセパレータ４，５と同等の大きさを有し、各貫通孔１０ａは、セパレータ４，５の各供給口１７〜１９および各排出口２０〜２２に対応する位置に配置されている。
【００２５】
前記アノード電極１１およびカソード電極１２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１０と接する一表面に、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。
【００２６】
燃料電池セル２を構成するセパレータ４，５には、２種類のセパレータ４，５がある。各セパレータ４，５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１３〜１６（図１３（ｂ）参照）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４ａ，５ａと、該波板部４ａ，５ａ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４，５を貫通する燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）１７、酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）１８、冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）１９、燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）２０、酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）２１および冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）２２と、これら供給口１７〜１９、排出口２０〜２２および前記波板部４ａ，５ａをそれぞれ取り囲むように配置される平面部４ｂ，５ｂとを具備している。
【００２７】
前記冷却媒体供給口１９および冷却媒体排出口２２は、図３および図４に示されるように、セパレータ４，５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１７と酸化剤ガス供給口１８は、前記冷却媒体供給口１９を挟んでセパレータ４，５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２０と酸化剤ガス排出口２１は、前記冷却媒体排出口２２を挟んでセパレータ４，５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２０および酸化剤ガス排出口２１は、それぞれ燃料ガス供給口１７および酸化剤ガス供給口１８に対して対角位置となるように配置されている。
【００２８】
各セパレータ４，５の長さ方向（矢印Ｑ）に沿う、燃料ガス供給口１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１の長さ寸法（矢印Ｒ）は、隣接する冷却媒体供給口１９および排出口２２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１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法（矢印Ｔ）は、冷却媒体供給口１９および排出口２２と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法（矢印Ｕ）よりも大きく形成されている。
【００２９】
セパレータ４の一面側には、図３に示されるように、燃料ガス供給口１７と波板部４ａとの間および該波板部４ａと燃料ガス排出口２０との間に、燃料ガス供給口１７から供給されてきた燃料ガスを波板部４ａに流通させ、波板部４ａを通過した燃料ガスを燃料ガス排出口２０から排出させるための燃料ガス連絡路２３がそれぞれ形成されている。該燃料ガス連絡路２３は、セパレータの一面側に形成された複数の溝２３ａと、該溝２３ａ上に掛け渡される平板上のブリッジ板２３ｂとを備えている。ブリッジ板２３ｂが配置されるセパレータ４の表面には、該ブリッジ板２３ｂをはめ込む凹部２４が形成されており、それによってブリッジ板２３ｂの表面は、セパレータ４の表面４ｂと同一平面内に配されている。
【００３０】
また、セパレータ５の一面側にも、図４に示されるように、酸化剤ガス供給口１８と波板部５ａとの間、および、該波板部５ａと酸化剤ガス排出口２１との間に、セパレータ４と同様に、複数の溝２５ａとブリッジ板２５ｂとからなる酸化剤ガス連絡路２５が設けられている。
なお、両セパレータ４，５の他面側には、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、冷却媒体供給口１９と波板部４ａ，５ａとを結ぶ冷却媒体連絡路２６および該波板部４ａ，５ａと冷却媒体排出口２２とを結ぶ冷却媒体連絡路２６が設けられている。そして、図５（ａ）に示されるように一方のセパレータ５には凸部３０が設けられるとともに、図５（ｂ）に示されるように他方のセパレータ４には前記凸部３０を受け入れる凹部３２が設けられている。これらについては詳細を後述する。
【００３１】
前記ガスシール部材６，７は、図６に示されるように、波板部４ａ，５ａの外周を取り囲む主環状部６ａ，７ａの両側に、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２をそれぞれ取り囲む複数の副環状部６ｂ，７ｂを有する形状に一体的に構成されている。
このようなガスシール部材６，７を、前記セパレータ４の一面側に配置した状態、電極構造体３の一面側に配置した状態、および、前記セパレータ５の一面側に配置した状態をそれぞれ、図７〜図９に示す。
【００３２】
これらの図７〜図９によれば、ガスシール部材６，７の主環状部６ａ，７ａは、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２と波板部４ａ，５ａとの間の平面部４ｂ，５ｂを通過するように配置される。これにより、主環状部６ａ，７ａは、連絡路２３，２５に設けられたブリッジ板２３ｂ，２５ｂの上を通過して、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２と波板部４ａ，５ａとの間を連絡路２３，２５を構成する溝２３ａ，２５ａ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になっている。
【００３３】
このように構成された燃料電池セル２は、図１２に示されるように、冷却面シール部材２７を挟んで複数積層される。冷却面シール部材２７は、図１０に示されるように、主環状部２７ａと副環状部２７ｂとを一体的に連結した構造を有している。
【００３４】
このような冷却面シール部材２７を、各セパレータ４，５の他面側に配置した状態を図１１に示す。
これによれば、冷却面シール部材２７の主環状部２７ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過して、冷却媒体供給口１９から冷却媒体連絡路２６を介して波板部４ａ，５ａに接続し、波板部４ａ，５ａから冷却媒体連絡路２６を介して冷却媒体排出口２２に接続する冷却媒体流路２８の周囲を密封している。また、冷却面シール部材２７の副環状部２７ｂは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各供給口１７，１８および各排出口２０，２１をそれぞれ独立して密封している。なお、図１１においては、図示都合上、詳細を後述する凸部３０や凹部３２を省略している（図５参照）。
【００３５】
冷却面シール部材２７の主環状部２７ａのうち、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過する部分は、破線で示された上記ガスシール部材の主環状部６ａ，７ａの通過位置と比較すると、供給口１７，１８または排出口２０，２１に、より近い位置を通過するようにずれた位置に配置されている。
【００３６】
このように構成された燃料電池１の各部の断面を図１２に示す。図１２（ａ）は、図９に示される線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。また、図１４は、図９に示された線Ｅ−Ｅに沿う縦断面図を示している。この図１２（ａ）によれば、各セパレータ４，５を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス供給口１８から酸化剤ガス連絡路２５を通してカソード電極１２とセパレータ５との間に形成されている酸化剤ガス流路９へ酸化剤ガスを流通させる経路が示されている。
【００３７】
この図１２（ａ）を見ると、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、燃料電池セル２の積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されている。酸化剤ガス流路９のガスシール部材７の主環状部７ａは、セパレータ５に形成されている酸化剤ガス連絡路２５に掛け渡されたブリッジ板２５ｂ上に配置されている。すなわち、酸化剤ガス連絡路２５は、ガスシール部材７の主環状部７ａをセパレータ５の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材７の主環状部７ａの内外を連通させ、ガスシール部材７の主環状部７ａの外側の酸化剤ガス供給口１８から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材７の主環状部７ａの内側の酸化剤ガス流路９に流通させることを可能としている。
【００３８】
この場合において、各燃料電池セル２間を密封し冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材７が配置されている酸化剤ガス連絡路２５よりも酸化剤ガス供給口１８側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ５の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した酸化剤ガス連絡路２５の溝２５ａと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
【００３９】
また、一方のセパレータ５には、図１２（ａ）や図１４に示したように、前記酸化剤ガス連絡路２５に対応する領域にわたって凸部３０が設けられている。これにより、当該凸部３０の溝２５ａの厚みが、酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。そして、他方のセパレータ４には、前記凸部３０を受け入れる凹部３２が設けられ、当該凹部３２内に前記凸部３０を収納している。このように、一方のセパレータ５の凸部３０を、他方のセパレータ４の凹部３２で収納しているため、酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータ５と他方のセパレータ４との双方で確保していればよい。従って、従来のように、各セパレータ４，５ごとに酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ４，５に必要な厚みを低減することができる。よって、各燃料電池セル２毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、前記凹部３２は、前記凸部３０よりも平面寸法を大きくしてあり、これにより、凹部３２内に凸部３０部を収納する際の位置合わせを容易にしている。
上記においては、酸化剤ガス供給口１８について説明したが、酸化剤ガス排出口２１側においても同様のことが言える。
【００４０】
さらに、図１２（ｂ）は、図９に示される線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。この図１２（ｂ）によれば、各セパレータ６，７を厚さ方向に貫通する燃料ガス供給口１７から燃料ガス連絡路２３を通してアノード電極１１とセパレータ４との間に形成されている燃料ガス流路８への燃料ガスを流通させる経路が示されている。
【００４１】
この図１２（ｂ）においても、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、燃料電池セル２の積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されており、燃料ガス流路８のガスシール部材６の主環状部６ａは、セパレータ４に形成されている燃料ガス連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に配置されている。すなわち、燃料ガス連絡路２３は、ガスシール部材６の主環状部６ａをセパレータ４の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材６の主環状部６ａの内外を連通させ、ガスシール部材６の主環状部６ａの外側の燃料ガス供給口１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材６の主環状部６ａ内側の燃料ガス流路８に流通させることを可能としている。
【００４２】
なお、セパレータ４は、酸化剤ガス連絡路２５を形成するセパレータ５と異なり、燃料ガス連絡路２３を形成するのに十分な厚みを有しているため、凸部を設けなくても前記燃料ガス連絡路２３を形成することができる。したがって、セパレータ５にも前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、図１２に示したように、セパレータ５の厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータ４，５に凸部３０とこれを受け入れる凹部３２とそれぞれ設ける場合に比べて、双方のセパレータ４，５を合わせた厚みを変えることなく、かつ、製造工程が容易となる。なお、本実施形態においては、酸化剤ガス連絡路２５を形成するセパレータ５のみに凸部３０を設け、セパレータ４のみに前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設ける場合について説明したが、これに限らず、セパレータ４のみに凸部３０を設けるとともにセパレータ５のみに前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設けてもよく、また双方のセパレータ４，５に凸部３０と、これを受け入れる凹部３２をそれぞれ設けてもよい。
【００４３】
この場合において、各燃料電池セル２間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材６，７が配置されている燃料ガス連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ４の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した燃料ガス連絡路２３を構成する溝２３ａとはセパレータ４の厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
燃料ガス排出口２０においても同様のことが言える。
【００４４】
したがって、連絡路２３，２５の形成されている位置におけるセパレータ４，５の肉厚寸法を確保しつつ、冷却面シール部材２７が十分な密封性を確保するために必要な、冷却面シール部材２７の占有高さを節約することができる。また、連絡路２３，２５を形成するのに必要な厚みを、双方のセパレータ４，５で確保していればよく、各セパレータ４，５ごとに連絡路２３，２５を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ４，５に必要な厚みを低減することができる。ゆえに、燃料電池１の高さを大幅に低減することができる。
【００４５】
なお、図１３（ａ）、１３（ｂ）は、それぞれ、図９に示された線Ｃ−Ｃ、線Ｄ−Ｄに沿う縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口１９から隣接する燃料電池セル２間に画定された冷却媒体流路２８に接続する冷却媒体の経路、並びに、波板部４ａ，５ａによって画定された燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９および冷却媒体流路２８がそれぞれ示されている。
【００４６】
次に、図１５（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。なお、以下の実施形態において第１実施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。この実施形態は、２つの燃料電池セル２ごとに冷却媒体流路２８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点が異なるものである。本実施形態の燃料電池１は、冷却媒体流路２８を形成しないセパレータ３３を備えており、このセパレータ３３は、連絡路２３，２５を形成できるだけの十分な厚みを備えている。この実施形態においても、第１実施形態と同様に、セパレータ４，５の厚みを低減できる効果がある。また、冷却媒体流路２８の形成箇所が少なくなる分、冷却面シール部材２７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いう効果がある。なお、本実施形態においては、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２ごとに冷却を行うように燃料電池１を構成してもよい。
【００４７】
次に、図１６（ａ）、（ｂ）は本発明の第３実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、電極構造体３のシールを、一方のシール部材６のみで行っている。このシール部材６は、固体高分子電解質膜１０の周縁部に接する主環状部６ａと、当該主環状部６ａの外周に配される主環状部６ｃとを備え、これらの主環状部６ａ、６ｃにより電極構造体３を２重にシールしている。このため、第１実施形態で述べた効果に加えて、電極構造体３から外部へのガス漏れをより確実に防止できる効果がある。本実施形態においては、燃料ガス連絡路２３を形成するセパレータ４のみに凸部３０を設けるとともに、セパレータ５に当該凸部３０を受け入れる凹部３２を設けているが、これに限らず、セパレータ５のみに凸部３０を設けるとともに、セパレータ４のみに当該凸部３０を受け入れる凹部３２を設けてもよく、また双方のセパレータ４，５にそれぞれ凸部３０と、この凸部３０を受け入れる凹部３２とを設けてもよい。また、電極構造体３のシールを、２重の他側のシール部材７のみで行ってもよい。また、２重シール構造に限らず、３重以上の多重シール構造としてもよい。さらに、本実施形態の多重シール構造と、前実施形態の多セルごとに冷却する構造とを組み合わせてもよい。
【００４８】
次に、図１７（ａ）、（ｂ）は本発明の第４実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、カソード電極１２をアノード電極１１よりも大きな固体高分子電解質膜１０と同等の大きさに形成した点が異なっている。この実施形態においては、第１実施形態の効果に加えて、固体高分子電解質膜１０をカソード電極１２で補強して電極構造体３の厚さ方向の強度を高めることができるという効果がある。なお、アノード電極１１をカソード電極１２よりも大きく形成してもよく、さらに前実施形態と同様に構成を変えることができる。
【００４９】
次に、図１８（ａ）、（ｂ）および図１９（ａ）、（ｂ）は本発明の第５実施形態を示すものであり、それぞれ第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）および図１３（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、セパレータ４およびセパレータ５は、いずれも板厚０．２〜０．５ｍｍ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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。本実施形態における燃料電池１は、第１実施形態の場合と同様に、各燃料電池セル２間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材７の主環状部７ａが配置されている連絡路２３，２５よりもそれぞれ供給口１７，１８側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ４，５表面同士を合わせて形成した連絡路２３，２５の溝２３ａ、２５ａと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。これにより、その重なりあった寸法分だけ、各燃料電池セル２毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。また、セパレータ４に、ガス連絡路２３に対応する領域にわたって凸部３０を設けるとともに、セパレータ５に前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設けて、燃料ガス連絡路２３を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。したがって、金属材料をプレス成形したセパレータ４，５であっても、第１実施形態の場合と同様に、燃料電池セル２ごとの厚みを低減することができ、燃料電池１の高さを大幅に低減することができる。
【００５０】
次に、図２０（ａ）、（ｂ）は本発明の第６実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第２実施形態と同様に、２つの燃料電池セル２ごとに冷却媒体流路２８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おり、第２実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５１】
次に、図２１（ａ）、（ｂ）は本発明の第７実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第３実施形態と同様に、電極構造体３のシールを一方のシール部材６のみで行うとともに、２重にシールしており、第３実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５２】
次に、図２２（ａ）、（ｂ）は本発明の第８実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第４実施形態と同様に、カソード電極１２をアノード電極１１よりも大きな固体高分子電解質膜１０と同等の大きさに形成しており、第４実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１） 請求項１記載の発明に係る燃料電池によれば、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。
【００５４】
（２） 請求項２記載の発明に係る燃料電池によれば、燃料電池セルの厚さ方向に沿う冷却面シール部材の位置と連絡路の位置とを重ならせることができるので、その重なった分の厚さ寸法を燃料電池セルごとに節約することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。
【００５５】
（３） 請求項３記載の発明に係る燃料電池によれば、連絡路の近傍においては、上述した冷却面シール部材を連絡路からずらし、それ以外の部分においては、ガスシール部材と厚さ方向に一列に並べるように配置することにより、燃料電池の面積の増加を抑えつつ、厚さ寸法を大幅に低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態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２】 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３】 図１の燃料電池セルを構成する一方のセパレータを示す平面図である。
【図４】 図１の燃料電池セルを構成する他方のセパレータを示す平面図である。
【図５】 図３および図４のセパレータの裏面を示す平面図である。
【図６】 図１の燃料電池セルを構成するガスシール部材を示す平面図である。
【図７】 図６の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。
【図８】 図６の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。
【図９】 図６のガスシール部材を図４の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。
【図１０】 図１の燃料電池を構成する冷却面シール部材を示す平面図である。
【図１１】 図１０の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を示す平面図である。
【図１２】 図９の線Ａ−Ａ断面、線Ｂ−Ｂ断面でそれぞれ切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１３】 図９の線Ｃ−Ｃ断面、線Ｄ−Ｄ断面でそれぞれ切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１４】 図９の線Ｅ−Ｅ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１５】 本発明の第２実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１６】 本発明の第３実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１７】 本発明の第４実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１８】 本発明の第５実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１９】 本発明の第５実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１３に相当する縦断面図である。
【図２０】 本発明の第６実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２１】 本発明の第７実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２２】 本発明の第８実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２３】 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２４】 図２３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。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料電池セル
３ 電極構造体
４，５ セパレータ
６，７ ガスシール部材
８，９ ガス流路
１０ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１１ アノード電極（電極）
１２ カソード電極（電極）
１７ 燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）
１８ 酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）
１９ 冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）
２０ 燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）
２１ 酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）
２２ 冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）
２３ 燃料ガス連絡路（反応ガス連絡路）
２５ 酸化剤ガス連絡路（反応ガス連絡路）
２７ 冷却面シール部材
２８ 冷却媒体流路
３０ 凸部
３２ 凹部
【発明の属する技術分野】
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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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一面に燃料ガス（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一面に酸化剤ガス（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。
【０００４】
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。
【０００５】
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の外周等がある。シール部材としては、有機ゴム等の柔らかくて、適度に反発力のある材質のものが採用されている。
【０００６】
一方、近年、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化、低コスト化が大きな課題となっている。
燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。
【０００７】
ところが、セパレータを薄肉化することには、セパレータの強度や燃料電池の剛性上限界がある。また、セパレータ間の間隔寸法を小さくするには、シール部材の高さ寸法を低減することが効果的であるが、必要十分な密封性を確保するためには、十分な潰れ代を確保し得る高さ寸法が必要となるため、その低減にも自ずと限界がある。
【０００８】
さらに、燃料電池セルにおいて、シール部材が占有する体積は、反応ガスおよび冷却媒体を密封するために必要不可欠ではあるものの、実質的に発電に寄与しない空間であるため、極力小さくする必要がある。
【０００９】
図２３は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号１０７は、燃料電池１０６をセパレータ１０９、１１０の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、排出口、酸化剤ガス供給口、排出口、冷却媒体供給口、排出口などの連通孔である。また、符号１１２は、セパレータ１０９，１１０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。
【００１０】
図２４は、図２３の線Ｘ−Ｘで切断した従来の燃料電池１０６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１００および酸化剤ガス流路１０１をそれぞれ密封するガスシール部材１０２，１０３と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材１０４とを、燃料電池セル１０５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１０６の積層方向の外形寸法を最小限に抑制している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように構成される燃料電池１０６の場合に、各流路１００，１０１を密封するガスシール部材１０２，１０３および冷却面シール部材１０４の全てを燃料電池セル１０５の積層方向に一列に並べて配置すると、
燃料電池１０６の厚さ寸法を、各燃料電池セル１０５の最小厚み寸法に冷却面シール部材１０４の高さ寸法を加えて積層数倍した値より小さくすることができないという不都合がある。
【００１２】
このことをさらに詳しく説明するために、再度図２４を参照する。図２４は、燃料電池１０６を燃料ガス供給口１０７近傍で燃料電池セル１０５の積層方向に切断した縦断面図である。この図２４によれば、ガスシール部材１０２、１０３によって密封状態に隔離された燃料ガス供給口１０７と燃料ガス流路１００とが連絡路１０８によって連絡されている。該連絡路１０８は、燃料ガス流路１００の周囲を全周にわたって密封しているガスシール部材１０２をセパレータ１０９の厚さ方向に迂回するようにセパレータ１０９に設けられている。また、セパレータ１１０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。
【００１３】
したがって、各セパレータ１０９，１１０は、連絡路１０８を形成するために比較的厚く形成されているが、各シール部材１０２〜１０４が配置されているシールラインの位置においては、図２４の断面に見られるように、強度を確保するための最小限度の肉厚寸法となっており、それ以上の薄肉化を図ることができない。
【００１４】
また、各シール部材１０２〜１０４は、密封性を確保するために必要最小限の高さ寸法とされているので、これらシール部材１０２〜１０４の高さ寸法もそれ以上低減することはできない。
【００１５】
その結果、燃料電池１０６の厚さ寸法は、２枚のセパレータ１０９，１１０の最小肉厚寸法、連絡路１０８を構成するための厚さ寸法、２つのガスシール部材１０２，１０３の高さ寸法、固体高分子電解質膜１１１の厚さ寸法および冷却面シール部材１０４の高さ寸法を加えたものを積層数倍した寸法となるが、これらは全て必要不可欠な寸法であるため、それ以上の寸法低減を図ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池を構成するセパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、積層方向の寸法を低減して小型軽量化した燃料電池を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る燃料電池は、電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体（例えば、実施形態における電極構造体１０）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、実施形態におけるセパレータ４，５）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、実施形態における燃料ガス流路８，酸化剤ガス流路９）をそれぞれ密封するガスシール部材（例えば、実施形態におけるガスシール部材６，７）とから構成された複数の燃料電池セル（例えば、実施形態における燃料電池セル２）を、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材（例えば、実施形態における冷却面シール部材２７）を挟んで積層してなる燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）であって、前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部（主環状部６ａ，７ａ）外側に設けられる反応ガス連通孔（例えば、実施形態における燃料ガス供給口１７，酸化剤ガス供給口１８，燃料ガス排出口２０，酸化剤ガス排出口２１）および冷却媒体連通孔（例えば、実施形態における冷却媒体供給口１９，冷却媒体排出口２２）と前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部外側に設けられる反応ガス連通孔および冷却媒体連通孔と、前記ガスシール部材の電極構造体シール部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、実施形態における燃料ガス連絡路２３，酸化剤ガス連絡路２５）とが設けられ、少なくとも一方のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ５）に前記反応ガス連絡路（例えば、実施形態における酸化剤ガス連絡路２５）の裏側を少なくとも反応ガス連絡路に対応する領域にわたって突出させた凸部（例えば、実施形態における凸部３０）が設けられるとともに、他方のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ４）に前記凸部を受け入れる凹部（例えば、実施形態における凹部３２）が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この発明に係る燃料電池によれば、前記一方のセパレータに凸部を設けたので、このセパレータの厚みを最小限度まで薄くして、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保することができる。また、前記他方のセパレータに前記凸部を受け入れる凹部を設けたので、前記凸部による厚みの増加を前記凹部で打ち消すことができる。したがって、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がない。このため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、一対のセパレータのうち、一方のセパレータに前記反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保させておけば、前記凸部を設けなくても反応ガス連絡路を形成することができる。したがって、他方のセパレータに前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、他方のセパレータの厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータを合わせた厚みを最小限度に保持するとともに、凸部と凹部を双方のセパレータに形成する場合に比べて形成する箇所が半減するため、製造工程が容易となる。
燃料電池では、数百に及ぶ燃料電池セルを積層するので、燃料電池全体としては、各燃料電池セル毎に低減された厚さの積層数倍の大幅な小型化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明に係る燃料電池は、前記冷却媒体流路を前記反応ガス連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路に対して前記反応ガス連通孔側にずれた位置に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係る燃料電池によれば、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材が連絡路から連通孔側にずれた位置に配置されているので、冷却面シール部材の積層方向の位置をガスシール部材の近傍に設けられている連絡路とは無関係に決定することが可能となる。その結果、燃料電池セルの積層方向に沿う連絡路の位置と冷却面シール部材の位置とを重なり合わせることが可能となる。これにより、その重なり合った寸法分だけ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。
【００２１】
請求項３の発明に係る燃料電池は、前記冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されていることを特徴とする。
【００２２】
この発明に係る燃料電池によれば、ガスシール部材を厚さ方向に迂回して形成される連絡路近傍は、該連絡路の高さ分だけセパレータを厚くせざるを得ないため、冷却面シール部材を連通孔側にずらして、ガスシール部材と冷却面シール部材とが、同一のシールラインに配されることを回避し、連絡路近傍以外の部分では、ガスシール部材と冷却面シール部材とを燃料電池セルの積層方向に一列に並んだ位置に配することにより、燃料電池セルの面積を低減することが可能となる。また、連通孔近傍でシールラインをずらすことにより、請求項１記載の燃料電池と同様に、冷却面シール部材と連絡路とを積層方向に重なり合う位置に配置することが可能となり、冷却面シール部材とガスシール部材とを積層方向に近接させて燃料電池の厚さを低減することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１について、図面を用いて詳細に説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１２に示されるように、燃料電池セル２を複数積層して構成されている。燃料電池セル２は、図１に示されるように、電極構造体３を一対のセパレータ４，５で挟持することにより構成されている。電極構造体３と各セパレータ４，５との間には、ガスシール部材６，７がそれぞれ配置されている。これらガスシール部材６，７は、図１２に示されるように、電極構造体３の両側に燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とを密封状態に画定している。
【００２４】
前記電極構造体３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１０（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜１０の両面を挟むアノード電極１１およびカソード電極１２とを有している。
電解質膜１０は、例えば、図２に示されるように、複数の貫通孔１０ａを有している。電解質膜１０は、後述するセパレータ４，５と同等の大きさを有し、各貫通孔１０ａは、セパレータ４，５の各供給口１７〜１９および各排出口２０〜２２に対応する位置に配置されている。
【００２５】
前記アノード電極１１およびカソード電極１２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１０と接する一表面に、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。
【００２６】
燃料電池セル２を構成するセパレータ４，５には、２種類のセパレータ４，５がある。各セパレータ４，５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１３〜１６（図１３（ｂ）参照）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４ａ，５ａと、該波板部４ａ，５ａ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４，５を貫通する燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）１７、酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）１８、冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）１９、燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）２０、酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）２１および冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）２２と、これら供給口１７〜１９、排出口２０〜２２および前記波板部４ａ，５ａをそれぞれ取り囲むように配置される平面部４ｂ，５ｂとを具備している。
【００２７】
前記冷却媒体供給口１９および冷却媒体排出口２２は、図３および図４に示されるように、セパレータ４，５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１７と酸化剤ガス供給口１８は、前記冷却媒体供給口１９を挟んでセパレータ４，５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２０と酸化剤ガス排出口２１は、前記冷却媒体排出口２２を挟んでセパレータ４，５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２０および酸化剤ガス排出口２１は、それぞれ燃料ガス供給口１７および酸化剤ガス供給口１８に対して対角位置となるように配置されている。
【００２８】
各セパレータ４，５の長さ方向（矢印Ｑ）に沿う、燃料ガス供給口１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１の長さ寸法（矢印Ｒ）は、隣接する冷却媒体供給口１９および排出口２２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１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法（矢印Ｔ）は、冷却媒体供給口１９および排出口２２と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法（矢印Ｕ）よりも大きく形成されている。
【００２９】
セパレータ４の一面側には、図３に示されるように、燃料ガス供給口１７と波板部４ａとの間および該波板部４ａと燃料ガス排出口２０との間に、燃料ガス供給口１７から供給されてきた燃料ガスを波板部４ａに流通させ、波板部４ａを通過した燃料ガスを燃料ガス排出口２０から排出させるための燃料ガス連絡路２３がそれぞれ形成されている。該燃料ガス連絡路２３は、セパレータの一面側に形成された複数の溝２３ａと、該溝２３ａ上に掛け渡される平板上のブリッジ板２３ｂとを備えている。ブリッジ板２３ｂが配置されるセパレータ４の表面には、該ブリッジ板２３ｂをはめ込む凹部２４が形成されており、それによってブリッジ板２３ｂの表面は、セパレータ４の表面４ｂと同一平面内に配されている。
【００３０】
また、セパレータ５の一面側にも、図４に示されるように、酸化剤ガス供給口１８と波板部５ａとの間、および、該波板部５ａと酸化剤ガス排出口２１との間に、セパレータ４と同様に、複数の溝２５ａとブリッジ板２５ｂとからなる酸化剤ガス連絡路２５が設けられている。
なお、両セパレータ４，５の他面側には、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、冷却媒体供給口１９と波板部４ａ，５ａとを結ぶ冷却媒体連絡路２６および該波板部４ａ，５ａと冷却媒体排出口２２とを結ぶ冷却媒体連絡路２６が設けられている。そして、図５（ａ）に示されるように一方のセパレータ５には凸部３０が設けられるとともに、図５（ｂ）に示されるように他方のセパレータ４には前記凸部３０を受け入れる凹部３２が設けられている。これらについては詳細を後述する。
【００３１】
前記ガスシール部材６，７は、図６に示されるように、波板部４ａ，５ａの外周を取り囲む主環状部６ａ，７ａの両側に、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２をそれぞれ取り囲む複数の副環状部６ｂ，７ｂを有する形状に一体的に構成されている。
このようなガスシール部材６，７を、前記セパレータ４の一面側に配置した状態、電極構造体３の一面側に配置した状態、および、前記セパレータ５の一面側に配置した状態をそれぞれ、図７〜図９に示す。
【００３２】
これらの図７〜図９によれば、ガスシール部材６，７の主環状部６ａ，７ａは、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２と波板部４ａ，５ａとの間の平面部４ｂ，５ｂを通過するように配置される。これにより、主環状部６ａ，７ａは、連絡路２３，２５に設けられたブリッジ板２３ｂ，２５ｂの上を通過して、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２と波板部４ａ，５ａとの間を連絡路２３，２５を構成する溝２３ａ，２５ａ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になっている。
【００３３】
このように構成された燃料電池セル２は、図１２に示されるように、冷却面シール部材２７を挟んで複数積層される。冷却面シール部材２７は、図１０に示されるように、主環状部２７ａと副環状部２７ｂとを一体的に連結した構造を有している。
【００３４】
このような冷却面シール部材２７を、各セパレータ４，５の他面側に配置した状態を図１１に示す。
これによれば、冷却面シール部材２７の主環状部２７ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過して、冷却媒体供給口１９から冷却媒体連絡路２６を介して波板部４ａ，５ａに接続し、波板部４ａ，５ａから冷却媒体連絡路２６を介して冷却媒体排出口２２に接続する冷却媒体流路２８の周囲を密封している。また、冷却面シール部材２７の副環状部２７ｂは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各供給口１７，１８および各排出口２０，２１をそれぞれ独立して密封している。なお、図１１においては、図示都合上、詳細を後述する凸部３０や凹部３２を省略している（図５参照）。
【００３５】
冷却面シール部材２７の主環状部２７ａのうち、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過する部分は、破線で示された上記ガスシール部材の主環状部６ａ，７ａの通過位置と比較すると、供給口１７，１８または排出口２０，２１に、より近い位置を通過するようにずれた位置に配置されている。
【００３６】
このように構成された燃料電池１の各部の断面を図１２に示す。図１２（ａ）は、図９に示される線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。また、図１４は、図９に示された線Ｅ−Ｅに沿う縦断面図を示している。この図１２（ａ）によれば、各セパレータ４，５を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス供給口１８から酸化剤ガス連絡路２５を通してカソード電極１２とセパレータ５との間に形成されている酸化剤ガス流路９へ酸化剤ガスを流通させる経路が示されている。
【００３７】
この図１２（ａ）を見ると、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、燃料電池セル２の積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されている。酸化剤ガス流路９のガスシール部材７の主環状部７ａは、セパレータ５に形成されている酸化剤ガス連絡路２５に掛け渡されたブリッジ板２５ｂ上に配置されている。すなわち、酸化剤ガス連絡路２５は、ガスシール部材７の主環状部７ａをセパレータ５の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材７の主環状部７ａの内外を連通させ、ガスシール部材７の主環状部７ａの外側の酸化剤ガス供給口１８から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材７の主環状部７ａの内側の酸化剤ガス流路９に流通させることを可能としている。
【００３８】
この場合において、各燃料電池セル２間を密封し冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材７が配置されている酸化剤ガス連絡路２５よりも酸化剤ガス供給口１８側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ５の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した酸化剤ガス連絡路２５の溝２５ａと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
【００３９】
また、一方のセパレータ５には、図１２（ａ）や図１４に示したように、前記酸化剤ガス連絡路２５に対応する領域にわたって凸部３０が設けられている。これにより、当該凸部３０の溝２５ａの厚みが、酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。そして、他方のセパレータ４には、前記凸部３０を受け入れる凹部３２が設けられ、当該凹部３２内に前記凸部３０を収納している。このように、一方のセパレータ５の凸部３０を、他方のセパレータ４の凹部３２で収納しているため、酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータ５と他方のセパレータ４との双方で確保していればよい。従って、従来のように、各セパレータ４，５ごとに酸化剤ガス連絡路２５を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ４，５に必要な厚みを低減することができる。よって、各燃料電池セル２毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、前記凹部３２は、前記凸部３０よりも平面寸法を大きくしてあり、これにより、凹部３２内に凸部３０部を収納する際の位置合わせを容易にしている。
上記においては、酸化剤ガス供給口１８について説明したが、酸化剤ガス排出口２１側においても同様のことが言える。
【００４０】
さらに、図１２（ｂ）は、図９に示される線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。この図１２（ｂ）によれば、各セパレータ６，７を厚さ方向に貫通する燃料ガス供給口１７から燃料ガス連絡路２３を通してアノード電極１１とセパレータ４との間に形成されている燃料ガス流路８への燃料ガスを流通させる経路が示されている。
【００４１】
この図１２（ｂ）においても、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、燃料電池セル２の積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されており、燃料ガス流路８のガスシール部材６の主環状部６ａは、セパレータ４に形成されている燃料ガス連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に配置されている。すなわち、燃料ガス連絡路２３は、ガスシール部材６の主環状部６ａをセパレータ４の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材６の主環状部６ａの内外を連通させ、ガスシール部材６の主環状部６ａの外側の燃料ガス供給口１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材６の主環状部６ａ内側の燃料ガス流路８に流通させることを可能としている。
【００４２】
なお、セパレータ４は、酸化剤ガス連絡路２５を形成するセパレータ５と異なり、燃料ガス連絡路２３を形成するのに十分な厚みを有しているため、凸部を設けなくても前記燃料ガス連絡路２３を形成することができる。したがって、セパレータ５にも前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、図１２に示したように、セパレータ５の厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータ４，５に凸部３０とこれを受け入れる凹部３２とそれぞれ設ける場合に比べて、双方のセパレータ４，５を合わせた厚みを変えることなく、かつ、製造工程が容易となる。なお、本実施形態においては、酸化剤ガス連絡路２５を形成するセパレータ５のみに凸部３０を設け、セパレータ４のみに前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設ける場合について説明したが、これに限らず、セパレータ４のみに凸部３０を設けるとともにセパレータ５のみに前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設けてもよく、また双方のセパレータ４，５に凸部３０と、これを受け入れる凹部３２をそれぞれ設けてもよい。
【００４３】
この場合において、各燃料電池セル２間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材６，７が配置されている燃料ガス連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ４の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した燃料ガス連絡路２３を構成する溝２３ａとはセパレータ４の厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
燃料ガス排出口２０においても同様のことが言える。
【００４４】
したがって、連絡路２３，２５の形成されている位置におけるセパレータ４，５の肉厚寸法を確保しつつ、冷却面シール部材２７が十分な密封性を確保するために必要な、冷却面シール部材２７の占有高さを節約することができる。また、連絡路２３，２５を形成するのに必要な厚みを、双方のセパレータ４，５で確保していればよく、各セパレータ４，５ごとに連絡路２３，２５を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ４，５に必要な厚みを低減することができる。ゆえに、燃料電池１の高さを大幅に低減することができる。
【００４５】
なお、図１３（ａ）、１３（ｂ）は、それぞれ、図９に示された線Ｃ−Ｃ、線Ｄ−Ｄに沿う縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口１９から隣接する燃料電池セル２間に画定された冷却媒体流路２８に接続する冷却媒体の経路、並びに、波板部４ａ，５ａによって画定された燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９および冷却媒体流路２８がそれぞれ示されている。
【００４６】
次に、図１５（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。なお、以下の実施形態において第１実施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。この実施形態は、２つの燃料電池セル２ごとに冷却媒体流路２８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点が異なるものである。本実施形態の燃料電池１は、冷却媒体流路２８を形成しないセパレータ３３を備えており、このセパレータ３３は、連絡路２３，２５を形成できるだけの十分な厚みを備えている。この実施形態においても、第１実施形態と同様に、セパレータ４，５の厚みを低減できる効果がある。また、冷却媒体流路２８の形成箇所が少なくなる分、冷却面シール部材２７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いう効果がある。なお、本実施形態においては、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２ごとに冷却を行うように燃料電池１を構成してもよい。
【００４７】
次に、図１６（ａ）、（ｂ）は本発明の第３実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、電極構造体３のシールを、一方のシール部材６のみで行っている。このシール部材６は、固体高分子電解質膜１０の周縁部に接する主環状部６ａと、当該主環状部６ａの外周に配される主環状部６ｃとを備え、これらの主環状部６ａ、６ｃにより電極構造体３を２重にシールしている。このため、第１実施形態で述べた効果に加えて、電極構造体３から外部へのガス漏れをより確実に防止できる効果がある。本実施形態においては、燃料ガス連絡路２３を形成するセパレータ４のみに凸部３０を設けるとともに、セパレータ５に当該凸部３０を受け入れる凹部３２を設けているが、これに限らず、セパレータ５のみに凸部３０を設けるとともに、セパレータ４のみに当該凸部３０を受け入れる凹部３２を設けてもよく、また双方のセパレータ４，５にそれぞれ凸部３０と、この凸部３０を受け入れる凹部３２とを設けてもよい。また、電極構造体３のシールを、２重の他側のシール部材７のみで行ってもよい。また、２重シール構造に限らず、３重以上の多重シール構造としてもよい。さらに、本実施形態の多重シール構造と、前実施形態の多セルごとに冷却する構造とを組み合わせてもよい。
【００４８】
次に、図１７（ａ）、（ｂ）は本発明の第４実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、カソード電極１２をアノード電極１１よりも大きな固体高分子電解質膜１０と同等の大きさに形成した点が異なっている。この実施形態においては、第１実施形態の効果に加えて、固体高分子電解質膜１０をカソード電極１２で補強して電極構造体３の厚さ方向の強度を高めることができるという効果がある。なお、アノード電極１１をカソード電極１２よりも大きく形成してもよく、さらに前実施形態と同様に構成を変えることができる。
【００４９】
次に、図１８（ａ）、（ｂ）および図１９（ａ）、（ｂ）は本発明の第５実施形態を示すものであり、それぞれ第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）および図１３（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、セパレータ４およびセパレータ５は、いずれも板厚０．２〜０．５ｍｍ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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。本実施形態における燃料電池１は、第１実施形態の場合と同様に、各燃料電池セル２間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材７の主環状部７ａが配置されている連絡路２３，２５よりもそれぞれ供給口１７，１８側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ４，５表面同士を合わせて形成した連絡路２３，２５の溝２３ａ、２５ａと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。これにより、その重なりあった寸法分だけ、各燃料電池セル２毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。また、セパレータ４に、ガス連絡路２３に対応する領域にわたって凸部３０を設けるとともに、セパレータ５に前記凸部３０を受け入れる凹部３２を設けて、燃料ガス連絡路２３を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。したがって、金属材料をプレス成形したセパレータ４，５であっても、第１実施形態の場合と同様に、燃料電池セル２ごとの厚みを低減することができ、燃料電池１の高さを大幅に低減することができる。
【００５０】
次に、図２０（ａ）、（ｂ）は本発明の第６実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第２実施形態と同様に、２つの燃料電池セル２ごとに冷却媒体流路２８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おり、第２実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５１】
次に、図２１（ａ）、（ｂ）は本発明の第７実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第３実施形態と同様に、電極構造体３のシールを一方のシール部材６のみで行うとともに、２重にシールしており、第３実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５２】
次に、図２２（ａ）、（ｂ）は本発明の第８実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２（ａ）、（ｂ）に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第５実施形態と同様に、セパレータ４およびセパレータ５は、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４ａ、５ａと、供給口１７〜１９と、排出口２０〜２２と、平面部４ｂ、５ｂとを具備している。また、この実施形態においては、第４実施形態と同様に、カソード電極１２をアノード電極１１よりも大きな固体高分子電解質膜１０と同等の大きさに形成しており、第４実施形態の場合と同様の効果がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１） 請求項１記載の発明に係る燃料電池によれば、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。
【００５４】
（２） 請求項２記載の発明に係る燃料電池によれば、燃料電池セルの厚さ方向に沿う冷却面シール部材の位置と連絡路の位置とを重ならせることができるので、その重なった分の厚さ寸法を燃料電池セルごとに節約することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。
【００５５】
（３） 請求項３記載の発明に係る燃料電池によれば、連絡路の近傍においては、上述した冷却面シール部材を連絡路からずらし、それ以外の部分においては、ガスシール部材と厚さ方向に一列に並べるように配置することにより、燃料電池の面積の増加を抑えつつ、厚さ寸法を大幅に低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施形態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２】 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３】 図１の燃料電池セルを構成する一方のセパレータを示す平面図である。
【図４】 図１の燃料電池セルを構成する他方のセパレータを示す平面図である。
【図５】 図３および図４のセパレータの裏面を示す平面図である。
【図６】 図１の燃料電池セルを構成するガスシール部材を示す平面図である。
【図７】 図６の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。
【図８】 図６の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。
【図９】 図６のガスシール部材を図４の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。
【図１０】 図１の燃料電池を構成する冷却面シール部材を示す平面図である。
【図１１】 図１０の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を示す平面図である。
【図１２】 図９の線Ａ−Ａ断面、線Ｂ−Ｂ断面でそれぞれ切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１３】 図９の線Ｃ−Ｃ断面、線Ｄ−Ｄ断面でそれぞれ切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１４】 図９の線Ｅ−Ｅ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１５】 本発明の第２実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１６】 本発明の第３実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１７】 本発明の第４実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１８】 本発明の第５実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図１９】 本発明の第５実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１３に相当する縦断面図である。
【図２０】 本発明の第６実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２１】 本発明の第７実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２２】 本発明の第８実施形態を示すものであり、第１実施形態の図１２に相当する縦断面図である。
【図２３】 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２４】 図２３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。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料電池セル
３ 電極構造体
４，５ セパレータ
６，７ ガスシール部材
８，９ ガス流路
１０ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１１ アノード電極（電極）
１２ カソード電極（電極）
１７ 燃料ガス供給口（反応ガス連通孔）
１８ 酸化剤ガス供給口（反応ガス連通孔）
１９ 冷却媒体供給口（冷却媒体連通孔）
２０ 燃料ガス排出口（反応ガス連通孔）
２１ 酸化剤ガス排出口（反応ガス連通孔）
２２ 冷却媒体排出口（冷却媒体連通孔）
２３ 燃料ガス連絡路（反応ガス連絡路）
２５ 酸化剤ガス連絡路（反応ガス連絡路）
２７ 冷却面シール部材
２８ 冷却媒体流路
３０ 凸部
３２ 凹部
Claims (3)
- 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複数の燃料電池セルを、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材を挟んで積層してなる燃料電池であって、
前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部外側に設けられる反応ガス連通孔および冷却媒体連通孔と、前記ガスシール部材の電極構造体シール部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とが設けられ、
少なくとも一方のセパレータに前記反応ガス連絡路の裏側を少なくとも反応ガス連絡路に対応する領域にわたって突出させた凸部が設けられるとともに、他方のセパレータに前記凸部を受け入れる凹部が設けられている燃料電池。 - 前記冷却媒体流路を前記反応ガス連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路に対して前記反応ガス連通孔側にずれた位置に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
- 前記冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
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