(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置され、前記アノード電極と前記カソード電極とが相対した反応領域の周辺部にシール範囲を設けた電極複合体と、前記電極複合体に接して配置され、流体を流すための流路溝を有するセパレータと、を備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体を積層方向両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、
前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートの側面にシール材を介して固定され、前記セパレータの流路溝に連通する単数若しくは複数のマニホールド室を有するマニホールドと、
を具備した燃料電池であって、
前記セパレータは、同一のマニホールド室に連通される全ての流路溝の幅と、該流路溝の間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた流体の流通範囲の全幅を、前記反応領域に相対する位置よりも前記マニホールド室に近接した位置の方で小さくしてなり、
前記単位電池の１つ毎に、前記電解質膜のアノード電極側に接して配置され、アノード電極側に燃料ガス流路溝が形成された第１のセパレータと、前記電解質膜のカソード電極側に接して配置され、カソード電極側に酸化剤ガス流路溝が形成され、且つカソード電極と反対側に冷却水流路溝が形成された第２のセパレータとを有し、
前記燃料ガス流路溝、前記酸化剤ガス流路溝、及び前記冷却水流路溝の少なくとも一つに対し、前記反応領域に相対する位置での前記流通範囲の全幅よりも前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記リブ部の少なくとも一つの幅を、前記反応領域に相対する位置よりも前記マニホールド室に近接した位置の方で小さくすることで、前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路溝の少なくとも一つの幅を、前記反応領域に相対する位置よりも前記マニホールド室に近接した位置の方で小さくすることで、前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流路溝の少なくとも一つに対し、前記反応領域に相対する位置よりも前記マニホールド室に近接した位置の方で幅を小さくすると共に深さを深くすることで、前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記反応領域に相対する位置での前記流路溝の少なくとも一つを、前記マニホールド室に近接した位置で隣接した流路溝と合流又は分岐させることで、前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記反応領域に相対する位置での前記流路溝の少なくとも一つを、前記マニホールド室に近接した位置で閉塞させることで、前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
アノード電極とカソード電極との相対した反応領域の周辺部にシール範囲を設けた電極複合体に接して配置され、表面又は裏面に流体を流すための流路溝を有する燃料電池用セパレータであって、
前記反応領域における全て又は複数の流路溝の幅と、該流路溝の間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた流体の流通範囲の全幅を、前記反応領域に相対する位置よりも周辺部の方で小さくしてなり、
前記燃料電池用セパレータを備えた単位電池の１つ毎に、アノード電極側に接して配置され、アノード電極側に燃料ガス流路溝が形成された第１のセパレータと、カソード電極側に接して配置され、カソード電極側に酸化剤ガス流路溝が形成され、且つカソード電極と反対側に冷却水流路溝が形成された第２のセパレータとを有し、
前記燃料ガス流路溝、前記酸化剤ガス流路溝、及び前記冷却水流路溝の少なくとも一つに対し、前記反応領域に相対する位置での前記流通範囲の全幅よりも前記周辺部での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電システムとして評価されている。この燃料電池は、電極複合体とセパレータからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体に、水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して、電気化学的に反応させることにより発電するようになっている。セパレータには、燃料ガス流路溝や酸化剤ガス流路溝などが設けられている。
【０００３】
外部マニホールド方式の燃料電池は、燃料電池積層体を積層方向両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、燃料電池積層体のそれぞれの燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝に連通するマニホールド室を有する単数若しくは複数のガスマニホールドとから構成されている。そして、マニホールド室から燃料電池積層体のそれぞれの燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するようになっている。
【０００４】
ここで、燃料電池積層体に対してガスマニホールドを取り付ける方法としては、ガスマニホールド内のガスが外部へ漏洩するのを防止するために、燃料電池積層体のセパレータ外周部でガス流路の設置されていない範囲とガスマニホールドの間に硬化性の液状シール材を塗布したり、弾性のあるシール材を挟み込んだりする方法等が提案されている。しかし、この種の方法では、シール材の設置寸法誤差や液状シール材の流動により流路溝が閉塞され易いという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−５４３７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６０５号公報
【特許文献３】特公平５−４４７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明が解決しようとする課題は、ガスマニホールドと燃料電池積層体の間のシール材による流路溝の閉塞が発生し難く、組立てが容易な燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極が配置され、前記アノード電極と前記カソード電極が相対した反応領域の周辺部にシール範囲を設けた電極複合体と、前記電極複合体に接して配置され、流体を流すための流路溝を有するセパレータと、を備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を積層方向両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートにシール材を介して固定され、前記セパレータの流路溝に連通する単数若しくは複数のマニホールド室を有するマニホールドと、を具備した燃料電池であって、前記流路溝のうち、同一のマニホールド室に連通される全ての流路溝の幅と、該流路溝の間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた流体の流通範囲の全幅を、前記電極複合体の前記反応領域に相対する位置よりも前記マニホールド室に近接した位置の方で小さくし、前記単位電池の１つ毎に、前記電解質膜のアノード電極側に接して配置され、アノード電極側に燃料ガス流路溝が形成された第１のセパレータと、前記電解質膜のカソード電極側に接して配置され、カソード電極側に酸化剤ガス流路溝が形成され、且つカソード電極と反対側に冷却水流路溝が形成された第２のセパレータとを有し、前記燃料ガス流路溝、前記酸化剤ガス流路溝、及び前記冷却水流路溝の少なくとも一つに対し、前記反応領域に相対する位置での前記流通範囲の全幅よりも前記マニホールド室に近接した位置での前記流通範囲の全幅を小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスマニホールドと燃料電池積層体との間のシール材により流路溝が閉塞され難く、組立てを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係わる燃料電池に用いた単位電池の構成を示す分解斜視図。
【図２】図１の単位電池の電極複合体の構成を示す斜視図。
【図３】図１の単位電池の燃料セパレータの構成を示す斜視図。
【図４】図１の単位電池の空気セパレータの構成を示す斜視図。
【図５】第１の実施形態における燃料電池積層体及び端板の構成を示す斜視図。
【図６】第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示す斜視図。
【図７】第１の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図８】第１の実施形態の要部構成を説明するためのもので、空気セパレータと電極複合体の接合面から空気流路溝側を見た切断図。
【図９】第１の実施形態の要部構成を説明するためのもので、空気セパレータと燃料セパレータの接合面から冷却水流路溝側を見た切断図。
【図１０】第２の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１１】第３の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１２】第４の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１３】第５の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１４】第６の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１５】第６の実施形態の要部構成を説明するためのもので、空気セパレータと電極複合体の接合面から空気流路溝側を見た切断図。
【図１６】第６の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から電極複合体側を見た切断図。
【図１７】第７の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１８】第８の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【図１９】第９の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータと電極複合体の接合面から燃料流路溝側を見た切断図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図９を参照して、第１の実施形態に係わる燃料電池について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池に用いた単位電池の構成を示す分解斜視図である。電極複合体１を挟んで燃料セパレータ２と空気セパレータ３を配置することにより、単位電池４が構成されている。
【００１３】
電極複合体１は、図２に示すように、固体高分子膜（電解質膜）をアノード電極１ａとカソード電極１ｂで挟んだものである。即ち、図２（ａ）に示すように、電解質膜の一方の主面にアノード電極１ａが形成され、図２（ｂ）に示すように、他方の主面にカソード電極１ｂが形成されている。そして、アノード電極１ａとカソード電極１ｂとが対向する反応領域の周辺部は、電極のシール範囲１ｃとなっている。
【００１４】
燃料セパレータ２は、図３（ａ）に示すように、一方の主面に燃料流路溝（燃料ガス流路溝）２ａを形成したものである。燃料セパレータ２の他方の主面は、図３（ｂ）に示すように、平坦となっている。この燃料セパレータ２は、燃料流路溝２ａをアノード電極１ａに対向させて電極複合体１の一方の主面上に配置されている。
【００１５】
空気セパレータ３は、図４に示すように、空気流路溝（酸化剤ガス流路溝）３ａと冷却水流路溝３ｂを設けたものである。即ち、図４（ａ）に示すように、一方の主面に空気流路溝３ａが形成され、図４（ｂ）に示すように、他方の主面に冷却水流路溝３ｂが形成されている。この空気セパレータ２は、空気流路溝３ａをカソード電極１ｂに対向させて電極複合体１の他方の主面上に配置されている。
【００１６】
アノード電極１ａとカソード電極１ｂは、多孔質カーボンペーパーなどで形成されたガス拡散層と、固体高分子膜と接する表面に形成された白金或いは白金化合物からなる触媒層を有する。そして、アノード電極１ａとカソード電極１ｂにそれぞれ燃料ガスと酸素が供給されることにより、電気化学反応による電気エネルギーを発生させるようになっている。
【００１７】
燃料セパレータ２と空気セパレータ３は、黒鉛板から切削加工したり、黒鉛粉と樹脂の混合物をモールド加工したり、表面に耐食性を付加した金属材料を加工したりして形成されたガス不透過性で導電性の部材である。各セパレータ２，３の外縁部から燃料流路溝２ａと空気流路溝３ａに導入された燃料ガスと空気が各流路溝２ａ，３ａを流通して電極複合体１に供給されると共に、電極複合体１で消費されなかった排ガス及び電気化学反応により発生した水蒸気又は水が燃料流路溝２ａと空気流路溝３ａを流通して各セパレータ２，３の外縁部から各流路溝２ａ，３ａの外部に排出される。
【００１８】
また、本実施形態の空気セパレータ３では空気流路溝３ａが形成された面の裏面に冷却水流路溝３ｂが形成されており、冷却水流路溝３ｂに流通する冷却水により電極複合体１での電気化学反応により発生した熱を燃料電池外部に持ち出すことができるようになっている。
【００１９】
図５は、本実施形態の燃料電池積層体及び端板の構成を示す斜視図である。燃料電池積層体５は、単位電池４を複数積層したものであり、単位電池４の各構成部材は互いに隣接する部材と所定の範囲で接着されるか、それぞれの部材間に図示されない積層シール材を挟持して積層されている。
【００２０】
燃料電池積層体５の積層方向の両端には一対の集電板６が設置され、集電板６の外側には燃料電池積層体５を互いに近接する方向に締め付けて保持する一対のエンドプレート７と、一対のエンドプレート７を互いに固定するタイロッド８が設置されている。
【００２１】
燃料電池積層体５のそれぞれの電極複合体１で発生した電流は、集電板６に接続された図示されない電流取出しケーブルにより燃料電池外部に接続されて消費されるようになっている。
【００２２】
図６は、本実施形態の燃料電池の全体構成を示す斜視図であり、図７は本実施形態の燃料電池の燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図、図８は本実施形態の燃料電池の空気セパレータ３と電極複合体１の接合面から空気流路溝３ａ側を見た切断図、図９は本実施形態の燃料電池の空気セパレータ３と燃料セパレータ２の接合面から冷却水流路溝３ｂ側を見た切断図である。
【００２３】
燃料電池積層体５の燃料流路溝２ａ，空気流路溝３ａ，及び冷却水流路溝３ｂの積層面（積層によって形成された面）側の開口部のそれぞれを覆い隠す位置にシール材１３を挟持して、燃料入出ガスマニホールド９，燃料ターンマニホールド１０，空気入出マニホールド１１，及び空気ターンマニホールド１２がそれぞれ設置されている。
【００２４】
シール材１３は、燃料電池積層体５の積層面と各ガスマニホールドの接合面で各ガスマニホールド内部のガス又は冷却水が燃料電池外部と流通するのを防止するために設置されている。さらに、このシール材１３は、燃料電池積層体５の積層面に発生する微細な段差を吸収するために、硬化性の液状シール材を塗布して形成したり、弾性のあるシール材を挟み込んだり、硬化性の液状シール材を塗布した上に弾性のあるシール材を挟み込んだりして形成される。
【００２５】
各マニホールドは、燃料電池積層体５の向きに開口部を有する箱型の筐体である。
【００２６】
燃料入出ガスマニホールド９は、内部に燃料電池積層体５の積層方向に平行な仕切り板９ａを有している。燃料入出ガスマニホールド９には、燃料入出ガスマニホールド９，仕切り板９ａ，燃料電池積層体５，及びシール材１３に囲まれた、燃料入口マニホールド室９ｂと燃料出口マニホールド室９ｃが形成されている。そして、燃料入口マニホールド室９ｂには燃料入口配管９ｄを流通して燃料電池外部から燃料ガスが流入し、燃料出口マニホールド室９ｃから燃料出口配管９ｅを流通して燃料排ガスが燃料電池外部に流出するようになっている。
【００２７】
燃料ターンガスマニホールド１０の内部には、燃料ターンガスマニホールド１０，燃料電池積層体５，及びシール材１３に囲まれた燃料ターンマニホールド室１０ａが形成されている。
【００２８】
空気入出ガスマニホールド１１は、内部に燃料電池積層体５の積層方向に平行な仕切り板１１ａと１１ｂを有している。空気入出ガスマニホールド１１には、空気入出ガスマニホールド１１，仕切り板１１ａ，１１ｂ，燃料電池積層体５，及びシール材１３に囲まれた、空気入口マニホールド室１１ｃ，空気出口マニホールド室１１ｄ，及び冷却水入口マニホールド室１１ｅが形成されている。そして、空気入口マニホールド室１１ｃには空気入口配管１１ｆを流通して燃料電池外部から空気が流入し、空気出口マニホールド室１１ｄから空気出口配管１１ｇを流通して空気排ガスが燃料電池外部に流出し、冷却水入口マニホールド室１１ｅには冷却水入口配管１１ｈを流通して燃料電池外部から冷却水が流入するようになっている。
【００２９】
空気ターンガスマニホールド１２は、内部に燃料電池積層体５の積層方向に平行な仕切り板１２ａを有し、空気ターンガスマニホールド１２，燃料電池積層体５，及びシール材１３に囲まれた、空気ターンマニホールド室１２ｂと冷却水出口マニホールド室１２ｃが形成されている。そして、冷却水出口マニホールド室１２ｃからは冷却水出口配管１２ｄを流通して燃料電池外部から冷却水が流出するようになっている。
【００３０】
燃料入口マニホールド室９ｂに流入した燃料は、燃料流路溝２ａの燃料入口マニホールド室９ｂに対して開口部を持つ流路溝を流通して燃料ターンマニホールド室１０ａに流通し、燃料ターンマニホールド室１０ａから燃料出口マニホールド室９ｃに対して開口部を持つ流路溝を流通して燃料出口マニホールド室９ｃに流出する。
【００３１】
空気入口マニホールド室１１ｃに流入した空気は、空気流路溝３ａの空気入口マニホールド室１１ｃに対して開口部を持つ流路溝を流通して空気ターンマニホールド室１２ｂに流通し、空気ターンマニホールド室１２ｂから空気出口マニホールド室１１ｄに対して開口部を持つ流路溝を流通して空気出口マニホールド室１１ｄに流出する。
【００３２】
冷却水入口マニホールド室１１ｅに流入した冷却水は、冷却水流路溝３ｂを流通して冷却水出口マニホールド室１２ｃに流出する。
【００３３】
また、図７に示す通り、本実施形態の燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａは、燃料入口マニホールド室９ｂに接する部分で、燃料入口マニホールド室９ｂに対して開口部を持つそれぞれの燃料流路溝２ａの間のリブ部の幅が狭くなっている。このため、燃料入口マニホールド室９ｂに近接した位置での燃料入口マニホールド室９ｂに対して開口部を持つ全ての燃料流路溝２ａの幅と、隣接した燃料流路溝２ａの間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた燃料ガスの流通範囲の全幅が、セパレータ中央部での燃料入口マニホールド室９ｂに対して開口部を持つ全ての燃料流路溝２ａの幅と、隣接した燃料流路溝２ａの間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた燃料ガスの流通範囲の燃料ガスの流通方向に対して垂直方向の全幅よりも小さくなっている。従って、燃料流路溝２ａがセパレータの中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、燃料入口マニホールド室９ｂに対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が広くなっている。
【００３４】
同様に、燃料ターンマニホールド室１０ａに対して開口部を持つ燃料流路溝２ａと燃料出口マニホールド室９ｃに対して開口部を持つ燃料流路溝２ａでも、それぞれのマニホールド室に対して開口部を持つそれぞれの燃料流路溝２ａの間のリブ部の幅がマニホールド室に近接した位置で狭くなっている。このため、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、燃料流路溝２ａがセパレータの中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００３５】
即ち、燃料セパレータ２は、同一のマニホールド室（９ｂ，９ｃ，１０ａの何れか）に連通される全ての流路溝２ａの幅と、該流路溝２ａの間に形成される全てのリブ部の幅とを合わせた流体の流通範囲の全幅が、反応領域に相対する位置よりもマニホールド室に近接した位置の方で小さくなっている。
【００３６】
また、上記と同様に、図８及び図９に示す通り、空気セパレータ３の空気流路溝３ａ及び冷却水流路溝３ｂも、それぞれのマニホールド室に対して開口部を持つ流路溝の間のリブ部の幅が各マニホールド室に近接した位置で狭くなっている。このため、各マニホールド室に対して開口部を持つ流路溝とシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝がセパレータの中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００３７】
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態の燃料電池では、シール材１３として硬化性の液状シール材を塗布する場合に、シール材１３の設置位置と流路溝との間に十分な間隔を確保できているため、液状シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や液状シール材の塗布後に液状シール材が流動した場合にも、流路溝との間隔内に収まるようにすることで液状シール材による流路溝の閉塞が発生しない。また、シール材１３として弾性のあるシール材を挟み込んだ場合にも、シール材１３の設置位置と流路溝との間に十分な間隔を確保できているため、弾性シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や弾性シール材の弾性変形により弾性シール材が流路溝方向に張り出した場合にも、流路溝との間隔内に収まるようにすることで弾性シール材による流路溝の閉塞が発生しない。
【００３８】
このように本実施形態によれば、シール材１３による流路溝の閉塞が発生しないため、高精度な組立て作業を要さず、組立てが容易で安価な燃料電池を提供することができる。また、シール材１３による流路溝の閉塞が発生しないため、シール材１３による流路溝の閉塞に起因する燃料電池の性能低下が発生しない信頼性の高い燃料電池を実現することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。
【００４０】
第１の実施形態の燃料電池では、燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａのそれぞれのマニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａの間のリブ部の幅が各マニホールド室に近接した位置で狭くしていた。これに対して本実施形態の燃料電池では、リブ部の幅を一定にしながら、燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａのそれぞれのマニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａの流路幅を、各マニホールド室に近接した位置で狭くしている。これにより、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝２ａがセパレータの中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００４１】
また、本実施形態では、燃料流路溝２ａの流路幅が各マニホールド室に近接した位置で狭くなるのに応じ、燃料流路溝２ａの溝の深さを深くしている。これにより、燃料流路溝２ａの幅の狭い範囲に燃料ガスが流通する時に発生する圧力損失を低減している。
【００４２】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同等の効果が得られると共に、燃料セパレータ２の製造時及び組立て作業時において燃料流路溝２ａの間のリブ部の欠けが発生し難く、セパレータの製造及び組立てが容易な燃料電池を実現することができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。
【００４４】
第１の実施形態の燃料電池では、燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａのそれぞれのマニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａの間のリブ部の幅が各マニホールド室に近接した位置で狭くしていた。これに対して本実施形態の燃料電池では、燃料流路溝２ａの一部を合流或いは分岐させることで、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝２ａがセパレータ２の中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００４５】
また、本実施形態では、分岐後の流路での燃料ガスの流量不足を緩和するために、燃料流路溝２ａのガスの流れ方向に対して上流側で分岐している部分では、分岐している燃料流路溝２ａと隣接する燃料流路溝２ａの間に連絡溝を設けている。これにより、分岐した燃料流路溝２ａに隣接した燃料流路溝２ａからも燃料ガスが流入することで、燃料ガスの流量の不均一が一部解消されている。
【００４６】
ここで、全ての燃料流路溝２ａに均一な流量の燃料ガスの配流を期待するのであれば、燃料流路溝２ａのガスの流れ方向に対して上流側で燃料流路溝２ａが分岐していることは好ましくない。しかし、アノード電極１ａの外周付近に相対する位置に設置された燃料流路溝２ａで、その他の燃料流路溝２ａよりも一溝当たりの燃料消費量が少ない場合や、アノード電極１ａで燃料不足が発生しない程度に隣接する燃料流路溝２ａから連絡溝又はアノード電極１ａのガス拡散層を流通して燃料ガスが供給される構成であれば、ガスの流れ方向に対して上流側で燃料流路溝２ａを分岐する構成とすることが可能である。
【００４７】
また、ガスの流れ方向に対して下流側で燃料流路溝２ａが合流した部分では、合流後の流路溝での圧損の増加により合流部を有する燃料流路溝２ａでのガスの流量はその他の燃料流路溝２ａを流通するガスの流量より少なくなる傾向にある。しかし、アノード電極１ａの外周付近に相対する位置に設置された燃料流路溝２ａで、その他の燃料流路溝２ａよりも一溝当たりの燃料消費量が少ない場合や、アノード電極１ａで燃料不足が発生しない程度に隣接する燃料流路溝２ａから連絡溝又はアノード電極１ａのガス拡散層を流通して燃料ガスが供給又は排気される構成であれば、ガスの流れ方向に対して下流側で燃料流路溝２ａを合流する構成とすることが可能である。
【００４８】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同等の効果が得られると共に、燃料セパレータ２の各燃料流路溝２ａの幅と各燃料流路溝２ａの間のリブ幅がそれぞれセパレータ全面でほぼ均一であるので、セパレータの製造が容易であり、製造性に優れ安価な燃料電池を実現することができる。
【００４９】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。
【００５０】
第３の実施形態の燃料電池では、燃料流路溝２ａと流路溝間のリブ部の一部を屈曲させて合流或いは分岐させることで、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝がセパレータの中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くしていた。これに対して本実施形態の燃料電池では、燃料流路溝２ａの一部を合流或いは分岐させる部分で流路溝間のリブ部を屈曲させずに合流部又は分岐部を形成し、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝２ａがセパレータ２の中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００５１】
また、本実施形態では、流路溝２ａが合流又は分岐した位置より各マニホールド室に近い部分で流路溝２ａの幅を広げ、合流又は分岐の前後で流路溝２ａを通過する燃料ガスに発生する圧力損失の増大が防止されている。
【００５２】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同等の効果が得られると共に、燃料セパレータ２の各燃料流路溝２ａの間のリブ部に屈曲部が無いため、セパレータの製造が容易である。さらに、燃料セパレータ２の全ての燃料流路溝２ａで燃料ガスが１本の燃料流路溝２ａの全長を通過するときの圧力損失がほぼ同じであるため、合流又は分岐した燃料流路溝２ａでも燃料ガスの供給不足に起因する燃料電池の性能低下が発生し難い。従って、製造性に優れ信頼性の高い燃料電池を実現することができる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図１３は、第５の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。
【００５４】
本実施形態の燃料電池が先に説明した第３の実施形態と異なる点は、第３の実施形態の燃料電池で燃料流路溝２ａの合流部であった箇所を、燃料流路溝の閉塞部２ｂで置き換えたことにある。これにより、各マニホールド室に対して開口部を持つ燃料流路溝２ａとシール材１３の設置位置との間の間隔が、流路溝２ａがセパレータ２の中央部から直線状に各マニホールド室まで延長された場合と比較して、広くなっている。
【００５５】
ここで、ガスの流れ方向に対して下流側に燃料流路溝の閉塞部２ｂを設置した場合は、閉塞部を有する燃料流路溝２ａでのガスの流量はその他の燃料流路溝２ａを流通するガスの流量より少なくなる傾向にある。しかし、アノード電極１ａの外周付近に相対する位置に設置された燃料流路溝２ａで、その他の燃料流路溝２ａよりも一溝当たりの燃料消費量が少ない場合や、アノード電極１ａで燃料不足が発生しない程度に隣接する燃料流路溝２ａから連絡溝又はアノード電極１ａのガス拡散層を流通して燃料ガスが供給又は排気される構成であれば、ガスの流れ方向に対して下流側に燃料流路溝の閉塞部２ｂを設置した構成とすることが可能である。
【００５６】
また、全ての燃料流路溝２ａに均一な流量の燃料ガスの配流を期待するのであれば、燃料流路溝２ａのガスの流れ方向に対して上流側に燃料流路溝の閉塞部２ｂを設置することは好ましくない。しかし、アノード電極１ａの外周付近に相対する位置に設置された燃料流路溝２ａで、その他の燃料流路溝２ａよりも一溝当たりの燃料消費量が少ない場合や、アノード電極１ａで燃料不足が発生しない程度に隣接する燃料流路溝２ａから連絡溝又はアノード電極１ａのガス拡散層を流通して燃料ガスが供給される構成であれば、ガスの流れ方向に対して上流側に燃料流路溝の閉塞部２ｂを設置する構成とすることも可能である。
【００５７】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同等の効果が得られると共に、燃料セパレータ２の各燃料流路溝２ａの幅と各燃料流路溝２ａの間のリブ幅がそれぞれセパレータ全面でほぼ均一であるので、セパレータの製造が容易であり、製造性に優れ安価な燃料電池を実現することができる。
【００５８】
（第６の実施形態）
図１４から図１６を用いて第６の実施形態の構成を説明する。図１４は本実施形態の燃料電池の燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図、図１５は本実施形態の燃料電池の空気セパレータ３と電極複合体１の接合面から空気流路溝３ａ側を見た切断図、図１６は本実施形態の燃料電池の燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から電極複合体１を見た切断図である。
【００５９】
本実施形態の燃料電池では、第１の実施形態の電極複合体１，燃料セパレータ２，及び空気セパレータ３の外周部に、燃料ガスマニホールド側突起部と空気ガスマニホールド側突起部を追加した。燃料セパレータ２に設置された燃料ガスマニホールド側突起部２ｃは、燃料入出ガスマニホールド９及び燃料ターンガスマニホールド１０と燃料セパレータ２の間にシール材１３が設置される位置と、シール材１３の設置位置に近接する燃料流路溝２ａの各マニホールド室側の端部との間に設置された、燃料セパレータ２の外側方向に凸の突起部である。
【００６０】
空気セパレータ３に設置された空気ガスマニホールド側突起部３ｄは、本実施形態の燃料電池の空気セパレータ３において、空気入出ガスマニホールド１１及び空気ターンガスマニホールド１２と空気セパレータ３の間にシール材１３が設置される位置と、シール材１３の設置位置に近接する空気流路溝３ａ又は冷却水流路溝３ｂの各マニホールド室側の端部との間に設置された、空気セパレータ３の外側方向に凸の突起部である。
【００６１】
また、燃料セパレータ２に設置された空気ガスマニホールド側突起部２ｄは、隣接する空気セパレータ３に設置された空気ガスマニホールド側突起部３ｄと相対する位置に設置された燃料セパレータ２の外側方向に凸の突起部である。空気セパレータ３に設置された燃料ガスマニホールド側突起部３ｃは、隣接する燃料セパレータ２に設置された燃料ガスマニホールド側突起部２ｄと相対する位置に設置された空気セパレータ３の外側方向に凸の突起部である。電極複合体１に設置された燃料ガスマニホールド側突起部１ｄと空気ガスマニホールド側突起部１ｅは、それぞれ隣接する空気セパレータ３に設置された空気ガスマニホールド側突起部３ｄと燃料セパレータ２に設置された燃料ガスマニホールド側突起部２ｃとに相対する位置に設置された電極複合体１の外側方向に凸の突起部である。
【００６２】
それぞれの突起部２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄ，１ｄ，１ｅは各部材に予め形成された突起部であるか、長方形の形状に成型した各部材に樹脂材料などからなる部材を接合して形成したものである。
【００６３】
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態の燃料電池では、シール材１３として硬化性の液状シール材を塗布する場合に、シール材１３の設置位置と流路溝との間に突起部が形成されているため、液状シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や液状シール材の塗布後に液状シール材が流動した場合にも、液状シール材はセパレータ外周部に設置された突起部で堰き止められ液状シール材による流路溝の閉塞が発生しない。また、シール材１３として弾性のあるシール材を挟み込んだ場合にも、シール材１３の設置位置と流路溝との間に突起部が形成されているため、弾性シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や弾性シール材の弾性変形により弾性シール材が流路溝方向に張り出した場合にも、弾性シール材が突起部を超えて流路溝側に移動することが防止され、弾性シール材による流路溝の閉塞が発生しない。
【００６４】
ここで、燃料セパレータ２の外周に、燃料ガスマニホールド側突起部２ｃが設置されていれば、空気セパレータ３の燃料ガスマニホールド側突起部３ｃと電極複合体１の燃料ガスマニホールド側突起部１ｄが設置されていなくても、燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａのシール材１３による閉塞の防止には一定の効果がある。しかし、その場合は、液状シール材が空気セパレータ３の外周部を迂回して燃料セパレータ２の燃料流路溝２ａに到達し溝を閉塞する恐れがあると共に、燃料電池積層体５の積層状態で燃料セパレータ２の燃料ガスマニホールド側突起部２ｃは積層方向に隣接した部材と接触していないため、突起部が破損しやすい。従って、燃料セパレータ２の燃料ガスマニホールド側突起部２ｃを設置する場合は、合わせて積層状態で隣接した各部材の相対する位置に突起部を設置することが望ましい。同様に、空気セパレータ３の空気ガスマニホールド側突起部３ｄを設置する場合も、合わせて積層状態で隣接した各部材の相対する位置に突起部を設置することが望ましい。
【００６５】
以上の通り本実施形態では、突起部２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄ，１ｄ，１ｅを設けることにより、シール材１３による流路溝の閉塞が発生しないため、高精度な組立て作業を要さず、組立てが容易で安価な燃料電池を提供することができる。また、シール材１３による流路溝の閉塞が発生しないため、シール材１３による流路溝の閉塞に起因する燃料電池の性能低下が発生しない信頼性の高い燃料電池を実現することができる。
【００６６】
（第７の実施形態）
図１７は、第７の実施形態の要部構成を滅瞑するためのもので、燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。なお、本実施形態の空気セパレータ３と電極複合体１については、外周の形状は本実施形態の燃料セパレータ２と同じであるので、図示は省略する。
【００６７】
本実施形態の燃料電池が先に説明した第６の実施形態と異なる点は、第６の実施形態の電極複合体１，燃料セパレータ２，及び空気セパレータ３の外周部に設置したそれぞれの突起部２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄ，１ｄ，１ｅを、部材の内側方向に窪んだ窪み部、即ち外側方向に凹の窪み部で置き換えたことである。なお、図１７中の２２ｃ，２２ｄは燃料セパレータ２に設けた窪み部を示している。
【００６８】
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態の燃料電池では、シール材１３として硬化性の液状シール材を塗布する場合に、シール材１３の設置位置と流路溝との間に窪み部が形成されている。このため、液状シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や液状シール材の塗布後に液状シール材が流動した場合にも、液状シール材はセパレータ外周部に設置された窪み部に充填され、流路溝まで到達しない。従って、液状シール材による流路溝の閉塞が発生しない。また、シール材１３として弾性のあるシール材を挟み込んだ場合にも、シール材１３の設置位置と流路溝との間に窪み部が形成されているため、弾性シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や弾性シール材の弾性変形により弾性シール材が流路溝方向に張り出した場合にも、弾性シール材の一部が窪み部に納まり窪み部を超えて流路溝側に移動することが防止され、弾性シール材による流路溝の閉塞が発生しない。
【００６９】
また、各部材のそれぞれの窪み部は、長方形の形状に成型した各部材の一部を切断又は切削して容易に形成が可能である上に、突起部を設置した場合に発生する突起部の欠けの発生が防止できる。
【００７０】
以上の通り本実施形態では、第６の実施形態と同等の効果が得られると共に、電極複合体１及びセパレータ２，３の製造が容易であり、製造性に優れ安価な燃料電池を実現することができる。
【００７１】
（第８の実施形態）
図１８は、第８の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料電池の燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。なお、本実施形態の空気セパレータ３と電極複合体１については、外周の形状は本実施形態の燃料セパレータ２と同じであるので、図示は省略する。
【００７２】
本実施形態の燃料電池では、第６の実施形態の電極複合体１，燃料セパレータ２，及び空気セパレータ３の外周部に設置したそれぞれの突起部２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄ，１ｄ，１ｅを、部材の外周に設置した段差部で換え、更にシール材１３の設置部から段差部までの範囲を部材の外側方向に凸の突起部とした。なお、図１８中の３２ｃ，３２ｄは燃料セパレータ２に設けた突起部を示している。
【００７３】
また、各部材のそれぞれの突起部は各部材に予め形成された突起部であるか、長方形の形状に成型した各部材に樹脂材料などからなる部材を接合して形成したものである。
【００７４】
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態の燃料電池では、シール材１３として硬化性の液状シール材を塗布する場合に、シール材１３の設置位置と流路溝との間に段差部が形成されている。このため、液状シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や液状シール材の塗布後に液状シール材が流動した場合にも、液状シール材はセパレータ外周部に設置された段差部で堰き止められ、液状シール材による流路溝の閉塞が発生しない。また、シール材１３として弾性のあるシール材を挟み込んだ場合にも、シール材１３の設置位置と流路溝との間に段差部が形成されているため、弾性シール材の設置位置に寸法誤差が発生した場合や弾性シール材の弾性変形により弾性シール材が流路溝方向に張り出した場合にも、弾性シール材が段差部を超えて流路溝側に移動することが防止され、弾性シール材による流路溝の閉塞が発生しない。
【００７５】
また、本実施形態のシール材１３の設置位置と近接する流路溝のマニホールド室側の端部との間に段差部を設置する方法では、シール材１３の設置位置と近接する流路溝のマニホールド室側の端部との間の間隔を比較的小さくすることが可能である。しかも、シール材１３の設置位置と近接する流路溝のマニホールド室側の端部との間の間隔を広く確保するために、マニホールド室近傍で各流路溝又は流路溝間のリブ部の形状を大幅に変更する必要が無く、セパレータの流路溝の形成が容易となる。
【００７６】
以上の通り本実施形態では、第６の実施形態と同等の効果が得られると共に、セパレータ２，３の製造が容易であり、製造性に優れ安価な燃料電池を実現することができる。
【００７７】
（第９の実施形態）
図１９は、第９の実施形態の要部構成を説明するためのもので、燃料電池の燃料セパレータ２と電極複合体１の接合面から燃料流路溝２ａ側を見た切断図である。なお、本実施形態の空気セパレータ３と電極複合体１については、外周の形状は本実施形態の燃料セパレータ２と同じであるので、図示は省略する。
【００７８】
本実施形態の燃料電池では、第８の実施形態の電極複合体１，燃料セパレータ２，及び空気セパレータ３の外周部に設置したそれぞれの突起部を、部材の外周に設置した窪み部で置き換えた。なお、図１９中の４２ｃ，４２ｄは燃料セパレータ２に設けた窪み部を示している。
【００７９】
また、各部材のそれぞれの窪み部は、長方形の形状に成型した各部材の一部を切断又は切削して容易に形成が可能である上に、突起部を設置した場合に発生する突起部の欠けの発生が防止できる。
【００８０】
以上の通り本実施形態では、第８の実施形態と同等の効果が得られると共に、電極複合体１及びセパレータ２，３の製造が容易であり、製造性に優れ安価な燃料電池を実現することができる。
【００８１】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、全ての流路溝に対して、反応領域に相対する位置よりもマニホールド室に近接した位置の方で流通範囲の全幅を小さくしたが、燃料流路溝、空気流路溝、及び冷却水流路溝の少なくとも一つに対して、反応領域に相対する位置よりもマニホールド室に近接した位置の方で流通範囲の全幅を小さくしても良い。
【００８２】
また、実施形態では、空気流路溝と燃料流路溝は、ガス入り口側とガス出口側が同じ辺となるようにセパレータの表面でターンする構造としたが、一方向に流体を流すような流路であっても良い。この場合は、入出ガスマニホールドとターンマニホールドの代わりに、入口マニホールドと出口マニホールドを設ければよい。さらに、各流路溝のパターンは、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００８３】
また、燃料電池積層体を構成する単位電池の個数、各流路溝の寸法更には本数等は、仕様に応じて適宜定めればよい。
【００８４】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８５】
１…電極複合体
１ａ…アノード電極
１ｂ…カソード電極
１ｃ…電極のシール範囲
１ｄ，２ｃ，３ｃ，３２ｃ…燃料ガスマニホールド側突起部
１ｅ，２ｄ，３ｄ，３２ｄ…空気ガスマニホールド側突起部
２…燃料セパレータ
２ａ…燃料流路溝
２ｂ…燃料流路溝の閉塞部
３…空気セパレータ
３ａ…空気流路溝
３ｂ…冷却水流路溝
４…単位電池
５…燃料電池積層体
６…集電板
７…エンドプレート
８…タイロッド
９…燃料入出ガスマニホールド
９ａ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ…仕切り板
９ｂ…燃料入口マニホールド室
９ｃ…燃料出口マニホールド室
９ｄ…燃料入口配管
９ｅ…燃料出口配管
１０…燃料ターンマニホールド
１０ａ…燃料ターンマニホールド室
１１…空気入出マニホールド
１１ｃ…空気入口マニホールド室
１１ｄ…空気出口マニホールド室
１１ｅ…冷却水入口マニホールド室
１１ｆ…空気入口配管
１１ｇ…空気出口配管
１１ｈ…冷却水入口配管
１２…空気ターンガスマニホールド
１２ｂ…空気ターンマニホールド室
１２ｃ…冷却水出口マニホールド室
１３…シール材
２２ｃ，４２ｃ…燃料ガスマニホールド側窪み部
２２ｄ，４２ｄ…空気ガスマニホールド側窪み部
【図１】
0005624516.tif 000002
【図２】
0005624516.tif 000003
【図３】
0005624516.tif 000004
【図４】
0005624516.tif 000005
【図５】
0005624516.tif 000006
【図６】
0005624516.tif 000007
【図７】
0005624516.tif 000008
【図８】
0005624516.tif 000009
【図９】
0005624516.tif 000010
【図１０】
0005624516.tif 000011
【図１１】
0005624516.tif 000012
【図１２】
0005624516.tif 000013
【図１３】
0005624516.tif 000014
【図１４】
0005624516.tif 000015
【図１５】
0005624516.tif 000016
【図１６】
0005624516.tif 000017
【図１７】
0005624516.tif 000018
【図１８】
0005624516.tif 000019
【図１９】
0005624516.tif 000020