JP5112004B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが前記積層方向に形成され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電解質膜の両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池には、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（流体）を流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（流体）を流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。

さらに、セパレータの周縁部には、該セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する流体連通孔である燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。また、セパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路（流体流路）が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）が形成されている。

この場合、流体流路と流体連通孔とは、流体を円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。ところが、セパレータと電解質膜・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも反応ガスが良好に流れないという問題がある。

そこで、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図１７に示すように、セパレータ１の面内に蛇行する反応ガス流路、例えば、酸化剤ガス流路２が形成されている。この酸化剤ガス流路２は、セパレータ１の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔３と酸化剤ガス排出用貫通孔４とに連通している。セパレータ１にはパッキン５が配置されており、このセパレータ１の面内で貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。

貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通する連結流路６ａ、６ｂには、この連結流路６ａ、６ｂを覆ってシール部材であるＳＵＳ板７が配置されている。ＳＵＳ板７は長方形状に構成されており、それぞれ２箇所に耳部７ａ、７ｂが設けられるとともに、各耳部７ａ、７ｂは、セパレータ１に形成された段差部８に嵌合している。

このように、特許文献１では、ＳＵＳ板７が連結流路６ａ、６ｂを覆っているために、高分子膜（図示せず）及びパッキン５が酸化剤ガス流路２に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。

特開２００１−２６６９１１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ１の連結流路６ａ、６ｂにそれぞれＳＵＳ板７が装着されており、前記ＳＵＳ板７の装着作業が煩雑である。特に、数十〜数百の燃料電池が積層される場合には、ＳＵＳ板７の装着工程が相当に煩雑で且つ時間のかかるものとなってしまうとともに、コストが大幅に高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の組立工程が有効に簡素化されるとともに、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール機能を確保す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、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池に関するものである。

そして、金属セパレータには、流体流路と流体連通孔との間を仕切る複数のゴム製壁部材が設けられ、前記ゴム製壁部材間には、前記流体流路と前記流体連通孔とを連通する通路用溝部が形成されるとともに、前記ゴム製壁部材の頂部上面部は、前記通路用溝部に隣接する少なくとも一方の端縁部分の剛性が他の部分の剛性よりも高く設定されている。

また、少なくとも一方の端縁部分は、他の部分よりも高さ方向の寸法が大きく設定されることが好ましい。

さらに、ゴム製壁部材は、通路用溝部間で分割用溝部を介して３以上のブロック部に分割されるとともに、前記通路用溝部側の前記ブロック部は、他の前記ブロック部よりも高さ方向の寸法が大きく設定されることが好ましい。

さらにまた、分割用溝部には、ブロック部間から流体の流れを阻止可能な隔壁部が設けられることが好ましい。

また、金属セパレータを構成する金属プレートには、ゴム製壁部材の端縁部分に対応して１以上の補強用屈曲部が設けられることが好ましい。

さらに、金属セパレータには、ゴム製壁部材の裏面側に通路用溝部の範囲を覆って補強用樹脂部材が設けられることが好ましい。

本発明によれば、流体流路と流体連通孔との間を仕切る複数のゴム製壁部材を備え、前記ゴム製壁部材の頂部上面部は、通路用溝部に隣接する少なくとも一方の端縁部分の剛性が他の部分の剛性よりも高く設定されている。このため、通路用溝部は、必要量の流体を流すために、比較的大きな幅寸法に設定されても、前記通路用溝部に対応してセパレータの撓み量が大きくなることを阻止することができる。従って、シール線圧が低下することがなく、経済的且つ簡単な構成で、良好なシール性を確実に保持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の要部分解斜視説明図である。図２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層する燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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、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２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、流体連通孔を構成する。

図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路（流体流路）２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えており、前記酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結流路２８ａ、２８ｂを介して連通する。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材（ゴム製シール部材）３２が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材３２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材３２は、第１金属セパレータ１６の面１６ａに一体化される第１平面部３４と、前記第１金属セパレータ１６の面１６ｂに一体化される第２平面部３６とを備える。図４に示すように、第１平面部３４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通するようにこれらの周囲を囲繞して形成される一方、第２平面部３６は、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路（後述する）に連通して形成される。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路（流体流路）４０が形成される。燃料ガス流路４０は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路４０と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、後述するように、連通する。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路（流体流路）４６が形成される。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材（ゴム製シール部材）４８が一体化される。この第２シール部材４８は、上記の第１シール部材３２と同一の材料で構成される。

図５に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａに設けられる外側凸状シール５０ａを備え、この外側凸状シール５０ａから内方に所定の距離だけ離間して内側凸状シール５０ｂが設けられる。この内側凸状シール５０ｂは、燃料ガス流路４０を閉塞している。

面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍に位置して、それぞれブロック状のゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）５２ａ、５２ｂが複数形成される。図５及び図６に示すように、各ゴムブリッジ部５２ａ間には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６とを連通する複数の通路用溝部５６ａが形成される。

ゴムブリッジ部５２ａの頂部上面部５４ａは、通路用溝部５６ａに隣接する少なくとも一方の端縁部分、第１の実施形態では、両側（両方）の端縁部分５８ａの剛性が、他の部分６０ａの剛性よりも高く設定される。具体的には、端縁部分５８ａの高さｈ１は、他の部分６０ａの高さｈ２よりも大きく設定される。

図５に示すように、ゴムブリッジ部５２ｂ間には、同様に酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６とを連通する複数の通路用溝部５６ｂが形成される。ゴムブリッジ部５２ｂの頂部上面部５４ｂは、通路用溝部５６ｂに隣接する両側の端縁部分５８ｂの剛性が、他の部分６０ｂの剛性よりも高く設定される。具体的には、端縁部分５８ｂは、他の部分６０ｂよりも高さ方向の寸法が大きく設定される。

図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２シール部材４８を構成する外側凸状シール６２ａと、この外側凸状シール６２ａの内方に離間し冷却媒体流路４６を囲繞して設けられる内側凸状シール６２ｂとが形成される。

冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍に位置して、それぞれゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）６４ａ、６４ｂが複数形成される。各ゴムブリッジ部６４ａ間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の通路用溝部６６ａが形成される。ゴムブリッジ部６４ａの頂部上面部６５ａは、通路用溝部６６ａに隣接する両側（両方）の端縁部分６８ａの剛性が、他の部分７０ａの剛性よりも高く設定される。具体的には、端縁部分６８ａは、他の部分７０ａよりも高さ方向の寸法が大きく設定される。

ゴムブリッジ部６４ｂ間には、同様に冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路４６とを連通する複数の通路用溝部６６ｂが形成される。ゴムブリッジ部６４ｂの頂部上面部６５ｂは、通路用溝部６６ｂに隣接する両側の端縁部分６８ｂの剛性が、他の部分７０ｂの剛性よりも高く設定される。具体的には、端縁部分６８ｂは、他の部分７０ｂよりも高さ方向の寸法が大きく設定される。

図２及び図３に示すように、第２金属セパレータ１８の両面では、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂが、外側凸状シール６２ａの一部（シール用凸部）に積層方向に重なり合う一方、ゴムブリッジ部６４ａ、６４ｂが、外側凸状シール５０ａの一部（シール用凸部）に積層方向に重なり合っている。

図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、それぞれ燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する複数の通路７２ａ、７２ｂが形成される。各通路７２ａ、７２ｂは、複数の孔部７４ａ、７４ｂに連通するとともに、前記孔部７４ａ、７４ｂは、面１８ａに設けられた燃料ガス流路４０に連通する（図５参照）。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４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８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するアノード側電極８２及びカソード側電極８４とを備える。アノード側電極８２の表面積は、カソード側電極８４及び固体高分子電解質膜８０の表面積よりも小さく設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。

アノード側電極８２及びカソード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜８０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜８０の両面に接合されている。

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。

先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、燃料ガスは、図５に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス入口連通孔２４ａから通路７２ａを通った後、複数の孔部７４ａから面１８ａ側に移動して燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８２に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図２及び図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第２金属セパレータ１８に設けられたゴムブリッジ部５２ａの各通路用溝部５６ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極８４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極８２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。

次いで、アノード側電極８２に供給されて消費された燃料ガスは、複数の孔部７４ｂから通路７２ｂに移動した後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極８４に供給されて消費された酸化剤ガスは、ゴムブリッジ部５２ｂの通路用溝部５６ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図７に示すように、ゴムブリッジ部６４ａの各通路用溝部６６ａを通って第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、ゴムブリッジ部６４ｂの各通路用溝部６６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６との間を仕切る複数のゴムブリッジ部５２ａを備え、前記ゴムブリッジ部５２ａ間には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと前記酸化剤ガス流路２６とを連通する１以上の通路用溝部５６ａが形成されている。さらに、ゴムブリッジ部５２ａの頂部上面部５４ａは、通路用溝部５６ａに隣接する両側の端縁部分５８ａの剛性が、他の部分６０ａの剛性よりも高く設定されている。具体的には、端縁部分５８ａの高さｈ１は、他の部分６０ａの高さｈ２よりも大きく設定される。

このため、通路用溝部５６ａは、必要量の酸化剤ガスを流すために、比較的大きな幅寸法に設定されても、前記通路用溝部５６ａに対応して第２金属セパレータ１８の撓み量が大きくなることを阻止することができる。従って、ゴムブリッジ部５２ａは、シール線圧が低下することがなく、良好なシール性を確実に保持することが可能になるという効果が得られる。

なお、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６との間を仕切るゴムブリッジ部５２ｂは、上記のゴムブリッジ部５２ａと同様の効果が得られる。

一方、図７に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路４６との間を仕切る複数のゴムブリッジ部６４ａを備え、前記ゴムブリッジ部６４ａ間には、前記冷却媒体入口連通孔２２ａと前記冷却媒体流路４６とを連通する１以上の通路用溝部６６ａが形成されている。さらに、ゴムブリッジ部６４ａの頂部上面部６５ａは、通路用溝部６６ａに隣接する両側の端縁部分６８ａの剛性が、他の部分７０ａの剛性よりも高く設定されている。

これにより、通路用溝部６６ａは、必要量の冷却媒体を流すために、比較的大きな幅寸法に設定されても、前記通路用溝部６６ａに対応して第２金属セパレータ１８の撓み量が大きくなることを阻止することができる等、上記のゴムブリッジ部５２ａと同様の効果が得られる。

なお、冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路４６とを仕切るゴムブリッジ部６４ｂは、上記のゴムブリッジ部６４ａと同様の効果が得られる。

さらにまた、第１の実施形態では、第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂに第２シール部材４８が一体成形される際、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂ、６４ａ及び６４ｂも一体成形されている。これにより、シール成形工程が一挙に簡素化され、第２金属セパレータ１８の生産性を有効に向上させることができるという利点が得られる。

なお、第１の実施形態では、第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂにそれぞれ外側凸状シール５０ａ、内側凸状シール５０ｂ、外側凸状シール６２ａ及び内側凸状シール６２ｂを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに、内側凸状シール６２ｂとゴムブリッジ部６４ａ、６４ｂとを一体成形する一方、前記第２金属セパレータ１８の面１８ａには、外側凸状シール５０ａのみを設けてもよい。また、以下に説明する第２〜第７の実施形態においても、同様である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ９０の一方の面１８ａの説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第２金属セパレータ１８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７の実施形態においても同様に、その説明は省略する。

酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍に位置してそれぞれゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）９２ａ、９２ｂが複数形成される。図８及び図９に示すように、ゴムブリッジ部９２ａは、分割用溝部９４ａを介して２分割される。分割用溝部９４ａには、酸化剤ガスの流れを阻止する遮蔽用ゴム部材９６ａが設けられる。

各ゴムブリッジ部９２ａは、通路用溝部５６ａ側の端縁部分５８ａの剛性が、分割用溝部９４ａ側の他の部分６０ａの剛性よりも高く設定される。

図８に示すように、ゴムブリッジ部９２ｂは、分割用溝部９４ｂを介して２分割される。分割用溝部９４ｂには、酸化剤ガスの流れを阻止する遮蔽用ゴム部材９６ｂが設けられる。各ゴムブリッジ部９２ｂでは、上記のゴムブリッジ部９２ａと同様に、通路用溝部５６ｂ側の端縁部分５８ｂの剛性が、分割用溝部９４ｂ側の他の部分６０ｂの剛性よりも高く設定される。

そこで、図１０に示すように、ゴムブリッジ部９２ａ、９２ｂを用いた場合と、高さ寸法が一定のゴムブリッジ部９（比較例）を用いた場合とにおいて、線圧変動を比べたところ、高さが一定のゴムブリッジ部９では、特に、通路用溝部５６ａ、５６ｂ間で線圧が著しく低下している。

これに対して、ゴムブリッジ部９２ａ、９２ｂでは、端縁部分５８ａ、５８ｂが他の部分６０ａ、６０ｂよりも高く構成されており、剛性が向上して通路用溝部５６ａ、５６ｂ間での線圧変動が有効に抑制されている。これにより、第２の実施形態では、線圧のばらつきが減少し、第２金属セパレータ９０の変形が有効に抑制されるという効果が得られる。なお、この効果は、第１の実施形態でも同様である一方、第３の実施形態以降においても同様である。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１００の一方の面１８ａの説明図である。

酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍に位置して、それぞれゴムブリッジ部（ゴム製壁部材）１０２ａ、１０２ｂが複数形成される。図１１及び図１２に示すように、ゴムブリッジ部１０２ａは、複数、例えば、２つの分割用溝部１０４ａを介して３分割される。各分割用溝部１０４ａには、酸化剤ガスの流れを阻止する遮蔽用ゴム部材１０６ａが設けられる。

各ゴムブリッジ部１０２ａは、実質的に３つのブロック部１０８ａ、１１０ａ及び１０８ａに分割されるとともに、通路用溝部５６ａ側の前記ブロック部１０８ａ、１０８ａは、他の前記ブロック部１１０ａよりも高さ方向の寸法が大きく設定される。

ゴムブリッジ部１０２ｂは、同様に、２つの分割用溝部１０４ｂを介して３つのブロック部１０８ｂ、１１０ｂ及び１０８ｂに分割される。各分割用溝部１０４ｂには、遮蔽用ゴム部材１０６ｂが設けられるとともに、通路用溝部５６ｂ側のブロック部１０８ｂ、１０８ｂは、他のブロック部１１０ｂよりも高さ方向の寸法が大きく設定される。

このように構成される第３の実施形態では、通路用溝部５６ａ、５６ｂ側のブロック部１０８ａ、１０８ｂが、他のブロック部１１０ａ、１１０ｂよりも高さ方向の寸法が大きく設定されている。このため、通路用溝部５６ａ、５６ｂ側の変形を有効に阻止することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１２０の要部断面説明図である。

第２金属セパレータ１２０を構成する金属プレート１２２は、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂの通路用溝部５６ａ、５６ｂに近接する部分に対応し、すなわち、端縁部分５８ａ、５８ｂに対応して、補強用屈曲部１２４を設ける。従って、第２金属セパレータ１２０は、通路用溝部５６ａ、５６ｂの幅寸法が比較的大きく設定されていても、締め付け荷重によってこの第２金属セパレータ１２０に部分的な大きな変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を保持することが可能になる。

図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１３０の要部断面説明図である。

この第２金属セパレータ１３０には、ゴムブリッジ部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。第２金属セパレータ１３０を構成する金属プレート１３２は、各ブロック部１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ及び１１０ｂに対応して、補強用屈曲部１３４を設ける。これにより、ゴムブリッジ部１０２ａ、１０２ｂに荷重が付与された際、金属プレート１３２が変形することを可及的に阻止し、第２金属セパレータ１３０全体の変形を防止することができるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１４０の要部断面説明図である。

第２金属セパレータ１４０は、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂを有するとともに、前記ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂの裏面側には、通路用溝部５６ａ、５６ｂの範囲を覆って端縁部分５８ａ、５８ｂに対応する範囲まで延在する補強用樹脂部材１４２が設けられる。この補強用樹脂部材１４２としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等が採用される。従って、第２金属セパレータ１４０では、通路用溝部５６ａ、５６ｂに対応して良好に補強することができ、この第２金属セパレータ１４０全体の変形を有効に阻止することが可能になる。

図１６は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１５０の要部断面説明図である。

第２金属セパレータ１５０は、ゴムブリッジ部１０２ａ、１０２ｂを設けるとともに、前記ゴムブリッジ部１０２ａ、１０２ｂの裏面側には、上記の第６の実施形態と同様に、通路用溝部５６ａ、５６ｂの範囲を覆って補強用樹脂部材１４２が設けられる。従って、この第７の実施形態では、上記の第６の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、例えば、第１の実施形態では、ゴムブリッジ部５２ａ、５２ｂを構成して通路用溝部５６ａ、５６ｂに近接する端縁部分５８ａ、５８ｂの剛性を、他の部分６０ａ、６０ｂの剛性よりも高く設定するために、前記端縁部分５８ａ、５８ｂの高さｈ１を前記他の部分６０ａの高さｈ２よりも大きく設定しているが、これに限定されるものではない。

例えば、端縁部分５８ａ、５８ｂを他の部分６０ａよりも硬い材料で構成することができる。これにより、同一の高さ寸法であっても、端縁部分５８ａ、５８ｂの剛性を、他の部分６０ａ、６０ｂの剛性よりも高く設定することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 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。 前記燃料電池を構成するゴムブリッジ部の概略斜視説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る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。 前記燃料電池を構成するゴムブリッジ部の概略斜視説明図である。 前記ゴムブリッジ部と比較例のゴムブリッジ部との線圧変動の比較説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る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。 前記燃料電池を構成するゴムブリッジ部の概略斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの要部断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの要部断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの要部断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの要部断面説明図である。 特許文献１に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面視説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、９０、１００、１２０、１３０、１４０、１５０…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路 ３２、４８…シール部材
４０…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５２ａ、５２ｂ、６４ａ、６４ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…ゴムブリッジ部
５４ａ、５４ｂ、６５ａ、６５ｂ…頂部上面部
５６ａ、５６ｂ、６６ａ、６６ｂ…通路用溝部
５８ａ、５８ｂ、６８ａ、６８ｂ…端縁部分
６０ａ、６０ｂ、７０ａ、７０ｂ…部分
８０…固体高分子電解質膜 ８２…アノード側電極
８４…カソード側電極
９４ａ、９４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…分割用溝部
９６ａ、９６ｂ、１０６ａ、１０６ｂ…遮蔽用ゴム部材
１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…ブロック部
１２４、１３４…補強用屈曲部 １４２…補強用樹脂部材

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池であって、
   前記金属セパレータには、前記流体流路と前記流体連通孔との間を仕切る複数のゴム製壁部材が設けられ、
   前記ゴム製壁部材間には、前記流体流路と前記流体連通孔とを連通する通路用溝部が形成されるとともに、
   前記ゴム製壁部材の頂部上面部は、前記通路用溝部に隣接する少なくとも一方の端縁部分の剛性が他の部分の剛性よりも高く設定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、少なくとも一方の前記端縁部分は、前記他の部分よりも高さ方向の寸法が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記ゴム製壁部材は、前記通路用溝部間で分割用溝部を介して３以上のブロック部に分割されるとともに、
   前記通路用溝部側の前記ブロック部は、他の前記ブロック部よりも高さ方向の寸法が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記分割用溝部には、前記ブロック部間から前記流体の流れを阻止可能な隔壁部が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータを構成する金属プレートには、前記ゴム製壁部材の前記端縁部分に対応して１以上の補強用屈曲部が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータには、前記ゴム製壁部材の裏面側に前記通路用溝部の範囲を覆って補強用樹脂部材が設けられることを特徴とする燃料電池。

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