(57)【要約】【課題】簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとを確実かつ容易に位置決めし、組み立て作業を効率的に行うとともに、所望のシール機能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１６と、この電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２金属セパレータ１８、２０とを備える。第２金属セパレータ２０には、その外周端部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。この第２シール部材５８は、アノード側電極３８に対向して第１平面部６４を有するとともに、前記第１平面部６４には、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための突起部６８が複数個所に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装される燃料電池であって、
前記セパレータまたは前記シール部材には、前記電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部または凹状部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属製セパレータであり、
前記金属製セパレータに前記シール部材が一体成形されるとともに、該シール部材の端部または突起部により前記凸状部が構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属製セパレータであり、
前記金属製セパレータに前記凸状部または前記凹状部が成形されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属製セパレータであり、
前記金属製セパレータに前記凸状部である位置決め部材が取り付けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、カーボン製セパレータであり、
前記カーボン製セパレータに前記凸状部または前記凹状部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、シール部材が介装される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ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。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。ところが、電解質・電極構造体とセパレータとを積層する際に、これらの相対位置を正確に位置決めすることは極めて困難である。このため、シール部材が所望の部位に確実に密着されない場合があり、シール性が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１の燃料電池は、図１１に示すように、燃料電池セル１およびセパレータ２ａ、２ｂを備えている。燃料電池セル１は、電解質層１ａの両側に電極膜１ｂ、１ｃを設けるとともに、前記電解質層１ａの外周が前記電極膜１ｂ、１ｃの外周から外方に突出している。電解質層１ａの外周端部には、複数の貫通孔３が形成されている。
【０００６】
セパレータ２ａ、２ｂには、それぞれ電極膜１ｂ、１ｃに対向して反応ガス用溝４ａ、４ｂが形成されるとともに、前記電極膜１ｂ、１ｃの外周を周回して溝５ａ、５ｂが形成されている。この溝５ａ、５ｂには、ガスシール体６が配設されている。
【０００７】
セパレータ２ａの外周端縁部には、複数の段付孔部７ａが形成される一方、セパレータ２ｂには、前記段付孔部７ａと同軸的にねじ孔７ｂが形成される。段付孔部７ａから締め付けボルト８が挿入され、この締め付けボルト８は、電解質層１ａの貫通孔３を通ってねじ孔７ｂにねじ込まれる。これにより、燃料電池セル１およびセパレータ２ａ、２ｂが一体的に保持されるとともに、前記燃料電池セル１と前記セパレータ２ａ、２ｂとは、締め付けボルト８を介して互いに位置決め支持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−３７０１２号公報（段落［００２７］〜［００２９］、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池セル１とセパレータ２ａ、２ｂとが、複数本の締め付けボルト８を介して一体的に締め付け保持されるため、特に、多数の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成する際には、前記締め付けボルト８の締め付け作業が相当に繁雑である。これにより、燃料電池の組み立て作業全体に相当に長い時間を要してしまい、効率的な組み付け作業が遂行されないという問題が指摘されている。しかも、多数の締め付けボルト８を用意しなければならず、取り扱い性が低下するとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとを確実かつ容易に位置決めし、組み立て作業を効率的に行うとともに、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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体とセパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装されている。そして、セパレータまたはシール部材には、電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部または凹状部が設けられている。
【００１２】
このため、電解質・電極構造体の外周部を凸状部または凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体をセパレータに対して正確かつ容易に位置決めすることができる。従って、電解質・電極構造体とセパレータとを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品（例えば、ボルト）が不要になり、部品点数が削減されて経済的である。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータは、金属製セパレータであり、前記金属製セパレータにシール部材が一体成形されるとともに、前記シール部材の端部または突起部により凸状部が構成されている。これにより、電解質・電極構造体は、シール部材を介して容易かつ確実に位置決めされるとともに、燃料電池全体の構成が簡素化される。その上、シール部材を成形する際に、同時に凸状部を設けることができ、生産性の向上が図られる。
【００１４】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、セパレータは、金属製セパレータであり、前記金属製セパレータに凸状部または凹状部が成形される。このため、金属製セパレータをプレス加工する際に、凸状部または凹状部を設けることができ、燃料電池全体を経済的に製造することが可能になる。
【００１５】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、セパレータは、金属製セパレータであり、前記金属製セパレータに凸状部である位置決め部材が取り付けられる。従って、セパレータ自体の形状が簡素化するとともに、電解質・電極構造体と前記セパレータとの位置決めが容易になされる。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、セパレータは、カーボン製セパレータであり、前記カーボン製セパレータに凸状部または凹状部が設けられる。このため、金属製セパレータの他、カーボン製セパレータを使用することができ、種々のセパレータに適応可能となって汎用性に優れる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池では、電解質・電極構造体の外周部を、セパレータまたはシール部材に設けられた凸状部または凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体を前記セパレータに対して正確かつ容易に位置決めすることができる。従って、電解質・電極構造体とセパレータとを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品（例えば、ボルト）が不要になり、部品点数が削減されて経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。
【図４】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。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。図である。
【図８】本発明の第４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。
【図９】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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り、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００２０】
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）１６が、第１および第２金属セパレータ１８、２０に挟持されて構成される。第１および第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。
【００２１】
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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、および燃料ガス、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１６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てなる固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも大きな表面積を有している。
【００２４】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０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てなる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３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２５】
第１金属セパレータ１８のカソード側電極４０に対向する面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通し、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路４２が設けられる。第２金属セパレータ２０のアノード側電極３８に対向する面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路４４が形成される。
【００２６】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００２７】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して第１シール部材５０が一体成形される。第１シール部材５０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、また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。
【００２８】
図１〜図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ａには、この第１金属セパレータ１８の外周端部に近接して第１シール部材５０を構成する第１突部５６ａが一体化される。面１８ａには、この第１突部５６ａから内方に所定の距離だけ離間した位置に第１シール部材５０を構成する第２突部５６ｂが一体化される。
【００２９】
第１および第２突部５６ａ、５６ｂは、先端先細り形状（リップ形状）、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。この第２突部５６ｂは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６に直接接触する（図２および図３参照）。
【００３０】
図１および図４に示すように、第１および第２突部５６ａ、５６ｂは、酸化剤ガス流路４２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞してシール部材５７が設けられる。
【００３１】
図２および図４に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部に近接して第３突部５６ｃが設けられ、この第３突部５６ｃから内方に所定の距離だけ離間して第４突部５６ｄが設けられる。第３および第４突部５６ｃ、５６ｄは、上記の第１および第２突部５６ａ、５６ｂと同様の形状を有している。
【００３２】
図１、図２および図５に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材５０と同一の材料で構成される。第２金属セパレータ２０の面２０ａには、第２金属セパレータ２０の外周端部に近接して第２シール部材５８を構成する第１平面部６４が一体化される。第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、第１平面部６４よりも長尺な第２平面部６６が一体化される。
【００３３】
第１平面部６４は、第１シール部材５０の第１突部５６ａと密着するとともに、この第１平面部６４の内方側端部には、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための突起部（凸状部）６８が複数個所に設けられる（図１参照）。第２平面部６６は、第１シール部材５０の第３および第４突部５６ｃ、５６ｄと密着可能である。
【００３４】
第１平面部６４は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部に摺接する位置を周回する一方、第２平面部６６は、アノード側電極３８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図１に示すように、第１平面部６４は、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを燃料ガス流路４４に連通する。第２平面部６６は、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する。
【００３５】
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。
【００３６】
まず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａ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３０ａ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３２ａ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。
【００３７】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３８に供給される。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。
【００３９】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂ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４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１８、２０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１６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、図１および図２に示すように、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５８が設けられるとともに、この第２シール部材５８を構成する第１平面部６４には、突起部６８が複数個所に設けられている。このため、燃料電池１０を組み立てる際に、電解質膜・電極構造体１６の外周部、すなわち、固体高分子電解質膜３６およびアノード側電極３８の外周端面を突起部６８の端面に当接させるだけで、電解質膜・電極構造体１６を第２金属セパレータ２０に対して正確かつ容易に位置決めすることができる。
【００４２】
従って、電解質膜・電極構造体１６と第２金属セパレータ２０とを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池１０の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品が不要になり、部品点数が削減されて、燃料電池１０全体を経済的に得ることができる。
【００４３】
さらに、電解質膜・電極構造体１６は、外周部を複数の突起部６８により位置決め支持されるため、燃料電池１０を積層してスタックを構成する際、前記燃料電池１０の取り扱い作業時に前記電解質膜・電極構造体１６に位置ずれが発生することがない。このため、電解質膜・電極構造体１６と第１および第２金属セパレータ１８、２０との相対位置決め精度が有効に向上し、組み立て作業性に優れるとともに、所望のシール機能を確保して高品質な燃料電池スタックを得ることが可能になるという効果がある。
【００４４】
なお、第１の実施形態では、第１平面部６４に突起部６８を設け、この突起部６８を電解質膜・電極構造体１６の位置決め用凸状部として構成しているが、例えば、前記第１平面部６４を比較的肉厚に構成し、この第１平面部６４の端面自体を位置決め用凸状部として構成してもよい。
【００４５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要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５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。
【００４６】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２金属セパレータ１８、８２を備える。第２金属セパレータ８２の外周端部を周回して第２シール部材８４が一体成形されるとともに、前記第２金属セパレータ８２には、凹状部８６が、例えば、プレス成形される。凹状部８６は、第２金属セパレータ８２に電解質膜・電極構造体１６を周回して設けられており、前記凹状部８６を構成する端面８８は、前記電解質膜・電極構造体１６の外周部に係合して該電解質膜・電極構造体１６を位置決め支持する。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、第２金属セパレータ８２に電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための端面８８が凹状部８６を介して形成されている。このため、簡単な作業および構成で、電解質膜・電極構造体１６を所望の位置に確実に位置決め支持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、第２金属セパレータ８２には、凹状部８６に代替して凸状部を形成し、この凸状部を介して電解質膜・電極構造体１６の位置決め支持を行うように構成してもよい。
【００４９】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部断面説明図である。
【００５０】
燃料電池１００を構成する第２金属セパレータ２０には、その外周端部を周回して第２シール部材１０２が一体成形される。この第２金属セパレータ２０の面２０ａには、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決め支持するために位置決め部材（凸状部）１０４が、接着あるいは溶接等によって取り付けられる。
【００５１】
この位置決め部材１０４は、例えば、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する突起部６８と同様に、複数個所に設けられていればよく、また、その材質は金属あるいは樹脂等、種々のものが使用可能である。
【００５２】
これにより、第３の実施形態では、第２金属セパレータ２０に位置決め部材１０４を取り付けるだけでよく、前記第２金属セパレータ２０の形状が簡素化するとともに、電解質膜・電極構造体１６と前記第２金属セパレータ２０との位置決めが容易かつ確実に遂行される等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視説明図であり、図９は、前記燃料電池１２０の要部断面説明図である。
【００５４】
燃料電池１２０は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２セパレータ１２２、１２４を備え、この第１および第２セパレータ１２２、１２４は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。
【００５５】
燃料電池１２０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられるとともに、矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００５６】
燃料電池１２０の矢印Ｃ方向一端縁部（下端縁部）には、冷却媒体入口連通孔３２ａが設けられる一方、矢印Ｃ方向他端縁部（上端縁部）には、冷却媒体出口連通孔３２ｂが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂは、それぞれ２分割に構成してもよい。
【００５７】
第１セパレータ１２２のカソード側電極４０に対向する面１２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に、例えば、１往復半折り返すサーペンタイン状の酸化剤ガス流路１２６が設けられる。第１セパレータ１２２の面１２２ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通するサーペンタイン状または直線状の冷却媒体流路１２８が形成される。
【００５８】
第１セパレータ１２２の面１２２ａには、酸化剤ガス流路１２６を囲繞する内側シール部材１３０と、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを囲繞する外側シール部材１３２とが設けられる。第１セパレータ１２２の面１２２ｂには、外側シール部材１３２に対応して外側シール部材１３４が設けられる。
【００５９】
第２セパレータ１２４のアノード側電極３８に対向する面１２４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に、例えば、１往復半折り返すサーペンタイン状の燃料ガス流路１３６が設けられる。この面１２４ａには、燃料ガス流路１３６を囲繞し、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための凹状部１３８が形成される。
【００６０】
このように構成される第４の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６が第２セパレータ１２４の凹状部１３８に収容される。その際、凹状部１３８を構成する端面１４０が、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６およびアノード側電極３８の外周面に係合し、前記電解質膜・電極構造体１６が位置決めされる。さらに、第１セパレータ１２２の内側シール部材１３０が固体高分子電解質膜３６に密着するとともに、外側シール部材１３２が第２セパレータ１２４の面１２４ａに密着して燃料電池１２０が組み立てられる。
【００６１】
従って、第４の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６を第２セパレータ１２４の凹状部１３８に配置するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６を容易かつ確実に位置決め保持することができ、取り扱い作業性に優れる等の効果が得られる。
【００６２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１６０の要部断面説明図である。
【００６３】
燃料電池１６０は、電解質膜・電極構造体１６２と、この電解質膜・電極構造体１６２を挟持する、例えば、カーボンセパレータである第１および第２セパレータ１６４、１６６とを備える。電解質膜・電極構造体１６２は、固体高分子電解質膜３６と、この固体高分子電解質膜３６の両面全面に設けられるアノード側電極３８およびカソード側電極４０ａとを備える。
【００６４】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０ａの外周縁部には、シール部材１６８ａ、１６８ｂが取り付けられる。第１セパレータ１６４には、カソード側電極４０ａに対向する面１６４ａに酸化剤ガス流路１２６が形成される。第２セパレータ１６６は、アノード側電極３８に対向する面１６６ａに燃料ガス流路１３６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１６２を収容して前記電解質膜・電極構造体１６２を位置決め支持するための凹状部１３８が形成される。この凹状部１３８を構成する端面１４０には、電解質膜・電極構造体１６２を構成する固体高分子電解質膜３６、アノード側電極３８およびカソード側電極４０ａの外周端面が係合する。第２セパレータ１６６の面１６６ｂには、冷却媒体流路１２８が形成される。
【００６５】
このように構成される第５の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６２を第２セパレータ１６６の凹状部１３８に収容するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６２の位置決め支持が容易に行われる等、第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、８０、１００、１２０、１６０…燃料電池
１６、１６２…電解質膜・電極構造体    １８、２０、８２…金属セパレータ
３６…固体高分子電解質膜              ３８…アノード側電極
４０、４０ａ…カソード側電極          ４２、１２６…酸化剤ガス流路
４４、１３６…燃料ガス流路            ４６、１２８…冷却媒体流路
５０、５８、８４、１０２、１６８ａ、１６８ｂ・・・シール部材
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ…突部  ６４、６６…平面部
６８…突起部                          ８６、１３８…凹状部
８８、１４０…端面                    １０４…位置決め部材
１２２、１２４、１６４、１６６…セパレータ
１３０…内側シール部材                １３２、１３４…外側シール部材
【図１】
2010182690.tif 000003
【図２】
2010182690.tif 000004
【図３】
2010182690.tif 000005
【図４】
2010182690.tif 000006
【図５】
2010182690.tif 000007
【図６】
2010182690.tif 000008
【図７】
2010182690.tif 000009
【図８】
2010182690.tif 000010
【図９】
2010182690.tif 000011
【図１０】
2010182690.tif 000012
【図１１】
2010182690.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月10日(2010.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装される燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体は、一方の前記電極を構成するガス拡散層が、前記電解質全面を覆って設けられ、他方の前記電極を構成するガス拡散層が、前記電解質よりも小さな表面積を有し、
前記セパレータ自体には、一方の前記電極を構成する前記電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部または凹状部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属製セパレータであり、
前記金属製セパレータに前記凸状部または前記凹状部が成形されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、カーボン製セパレータであり、
前記カーボン製セパレータに前記凸状部または前記凹状部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体とセパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装されている。そして、電解質・電極構造体は、一方の電極を構成するガス拡散層が、電解質全面を覆って設けられ、他方の前記電極を構成するガス拡散層が、前記電解質よりも小さな表面積を有し、セパレータ自体には、一方の電極を構成する電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部または凹状部が形成されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
さらに、セパレータは、金属製セパレータであり、前記金属製セパレータに凸状部または凹状部が成形される。このため、金属製セパレータをプレス加工する際に、凸状部または凹状部を設けることができ、燃料電池全体を経済的に製造することが可能になる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、セパレータは、カーボン製セパレータであり、前記カーボン製セパレータに凸状部または凹状部が設けられる。このため、金属製セパレータの他、カーボン製セパレータを使用することができ、種々のセパレータに適応可能となって汎用性に優れる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明に係る燃料電池では、電解質・電極構造体の外周部を、セパレータ自体に設けられた凸状部または凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体を前記セパレータに対して正確かつ容易に位置決めすることができる。従って、電解質・電極構造体とセパレータとを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品（例えば、ボルト）が不要になり、部品点数が削減されて経済的である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
【図１】本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。
【図４】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。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】本発明に関連する燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】本発明の第２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。
【図９】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池の断面説明図である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
図１は、本発明に関連する燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
この場合、図１および図２に示すように、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５８が設けられるとともに、この第２シール部材５８を構成する第１平面部６４には、突起部６８が複数個所に設けられている。このため、燃料電池１０を組み立てる際に、電解質膜・電極構造体１６の外周部、すなわち、固体高分子電解質膜３６およびアノード側電極３８の外周端面を突起部６８の端面に当接させるだけで、電解質膜・電極構造体１６を第２金属セパレータ２０に対して正確かつ容易に位置決めすることができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
なお、第１平面部６４に突起部６８を設け、この突起部６８を電解質膜・電極構造体１６の位置決め用凸状部として構成しているが、例えば、前記第１平面部６４を比較的肉厚に構成し、この第１平面部６４の端面自体を位置決め用凸状部として構成してもよい。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。なお、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２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。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
このように構成される第１の実施形態では、第２金属セパレータ８２に電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための端面８８が凹状部８６を介して形成されている。このため、簡単な作業および構成で、電解質膜・電極構造体１６を所望の位置に確実に位置決め支持することができる等、上記と同様の効果が得られる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図７は、本発明に関連する燃料電池１００の要部断面説明図である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
この位置決め部材１０４は、例えば、燃料電池１０を構成する突起部６８と同様に、複数個所に設けられていればよく、また、その材質は金属あるいは樹脂等、種々のものが使用可能である。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
これにより、燃料電池１００では、第２金属セパレータ２０に位置決め部材１０４を取り付けるだけでよく、前記第２金属セパレータ２０の形状が簡素化するとともに、電解質膜・電極構造体１６と前記第２金属セパレータ２０との位置決めが容易かつ確実に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視説明図であり、図９は、前記燃料電池１２０の要部断面説明図である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６が第２セパレータ１２４の凹状部１３８に収容される。その際、凹状部１３８を構成する端面１４０が、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６およびアノード側電極３８の外周面に係合し、前記電解質膜・電極構造体１６が位置決めされる。さらに、第１セパレータ１２２の内側シール部材１３０が固体高分子電解質膜３６に密着するとともに、外側シール部材１３２が第２セパレータ１２４の面１２４ａに密着して燃料電池１２０が組み立てられる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
従って、第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６を第２セパレータ１２４の凹状部１３８に配置するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６を容易かつ確実に位置決め保持することができ、取り扱い作業性に優れる等の効果が得られる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１６０の要部断面説明図である。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
このように構成される第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６２を第２セパレータ１６６の凹状部１３８に収容するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６２の位置決め支持が容易に行われる等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。