(57)【要約】      （修正有）【課題】  電池冷却のための冷却媒体とガスとの遮断を確保した上で、冷却効率向上と電池薄肉化の両立を図る事のできる燃料電池を提供する。【解決手段】  第１プレート２５は、平板状の基板部３０からブリッジ状の凸部３２を多列に突出させ、この凸部３２を電解質層表面のガス拡散層に当接させ、単セル内酸化ガス流路を形成する。この第１プレート２５に接合する第２プレート２７は、横方向に打ち抜きプレス加工された長穴状の開口５５ａ〜５５ｆを多列に並べて備える。この両プレートを接合すると、第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆは、両端において、第１プレート２５の通過開口４４と重なり、第１プレート２５の基板部３０裏面にて、第１プレート２５の側で塞がれることになる。こうして塞がれた開口５５ａ〜５５ｆは、冷却媒体である水の流路となる。【選択図】  図２
2006309964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池であって、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第１プレートと、
該第１プレートに接合する金属製の第２プレートとを備え、
該第２プレートは、前記第１プレートにおける前記突起形成面とは反対側の面で前記第１プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第１プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１プレートは、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備え、
前記第２プレートは、前記冷却用流路を、前記第１プレートの前記ブリッジ状突起の列と列との間と重なる位置に備える
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、診療
前記第１プレートは、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備え、
前記第２プレートは、前記冷却用流路を、前記第１プレートの前記閉塞状突起の列と重なる位置に備える
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか記載の燃料電池であって、
前記第２プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔で形成する
燃料電池。
【請求項５】
表面に触媒層を備えた電解質層を含む単セルを積層した燃料電池であって、
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第１プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第１プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第１プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第１プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第２プレートを備え、
該第２プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備える
燃料電池。
【請求項６】
表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池の製造方法であって、
（ａ）複数の突起を備える金属製の第１プレートを準備する工程と、
（ｂ）金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第２プレートを準備する工程と、
（ｃ）前記第１プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第１プレートを配設する工程と、
（ｄ）前記第２プレートの前記打ち抜き孔を前記第１プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第２プレートを前記第１プレートに接合する工程とを備える
燃料電池の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第１プレートを準備する工程（ａ）は、
前記複数の突起を形成するに際して、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスする
燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるＭＥＡ（Membrance Electrode Assembly）を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。近年では、こうしたガス流路形成部材に金属プレートを用いることで、その薄層化が図られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８４２２号公報
【０００４】
この特許文献で提案された燃料電池では、平板状のカーボンプレートに凹凸を有する金属プレートを接合させているが、電池冷却についての対処が不足している。一般に、電池冷却は、水等の冷却媒体を流すことでなされるので、こうした冷却媒体の流路を形成する必要がある。上記文献の燃料電池において冷却媒体流路を設けるに際しては、カーボンプレートに流路用の溝を形成するか、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意することが簡便である。
【０００５】
しかしながら、冷却媒体流路は、その冷却媒体がＭＥＡに供給される燃料ガス或いは酸化ガスに接触しないよう形成する必要があるので、カーボンプレートに流路用の溝を形成する場合には、プレート背面側に溝加工が必要となる。こうなると、冷却媒体流路を流れる冷却媒体は、溝底面のカーボンプレートを介して金属プレートに対して冷却機能を発揮するので、溝底面を介する分だけ冷却効率が下がる。その一方、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意する場合は、当該部材を設ける分、厚くなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、金属プレートをガス供給に採用するに際しての上記問題点を解決するためになされ、電池冷却のための冷却媒体とガスとの遮断を確保した上で、冷却効率向上と電池薄肉化の両立を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池では、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行うに当たり、電解質層側に位置する金属製の第１プレートと、該第１プレートに接合する金属製の第２プレートとを用いる。この第１プレートは、複数の突起を備え、該突起を前記電解質層側に位置させることで、前記電解質層の主面側に前記ガス流路を形成する。第２プレートは、第１プレートにおける突起形成面とは反対側の面で第１プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第１プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する。
【０００８】
従って、冷却用流路を流れる冷却媒体は、冷却用流路がガス流路側の第１プレートで塞がれていることから、ガス流路を流れるガスと接触することはなく、冷却媒体とガスの遮断は確実に確保される。その上で、冷却媒体は、第１プレートに直接接して電池冷却機能を発揮するので、冷却効率を高めることができる。しかも、第２プレートの接合対象である第１プレートで第２プレートの冷却用流路を塞ぐだけでよいことから、冷却用の別部材を必要とせず、電池薄肉化を図ることができる。
【０００９】
以上説明した本発明の燃料電池において、第１プレートを、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備えるものとし、第２プレートの有する冷却用流路を、前記ブリッジ状突起の列と列との間に重なるようにすることもできる。この態様では、ブリッジ状突起の側壁をガスが通過できることから、電解質層の主面側に形成したガス流路では、突起にガスが衝突してその流れに乱れが起きるようなことを抑制できるので、発電性能を高めることができる。
【００１０】
また、第１プレートを、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備えるものとし、第２プレートの有する冷却用流路を、閉塞状突起の列と重なるようにすることもできる。こうすれば、冷却用流路を備える冷却媒体は、電解質層の側に位置する閉塞状突起を介して電解質層を冷却するので、冷却媒体による冷却効率が高まり好ましい。この際、閉塞状突起が突起内部に空隙を有するものであれば、冷却媒体はこの閉塞状突起の内部にまで入り込むので、冷却媒体による冷却効率がより高まり好ましい。
【００１１】
こうした第２プレートにおける冷却用流路を、第２プレートの打ち抜き孔とすれば、その形成が簡便となるばかりか、より一層の薄肉化も図ることができ、好ましい。
【００１２】
この他、本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層を含む単セルを積層した燃料電池であって、
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第１プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第１プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第１プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第１プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第２プレートを備え、
該第２プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備えるようにすることもできる。
【００１３】
こうすれば、単セルと単セルとの間の第２プレートが、単セルを区画するだけに組み込まれていた既存のセパレータの代用となるので、セパレータが不要となり、その分、構成の簡略化、薄肉化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明は燃料電池の製造方法として、以下の手順を備える。即ち、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池の製造方法であって、
（ａ）複数の突起を備える金属製の第１プレートを準備する工程と、
（ｂ）金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第２プレートを準備する工程と、
（ｃ）前記第１プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第１プレートを配設する工程と、
（ｄ）前記第２プレートの前記打ち抜き孔を前記第１プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第２プレートを前記第１プレートに接合する工程とを備える。
【００１５】
この本発明の製造方法によれば、冷却媒体とガスの確実な遮断と冷却効率向上並びに電池薄肉化が可能な燃料電池を容易に製造できる。
【００１６】
そして、第１プレートを準備するに当たって、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスして複数の突起を形成するようにもでき、こうすれば、プレス加工という簡単な手法で第１プレートを作製でき、簡便である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。本発明の実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図１は実施例の燃料電池を構成する単セル２０の構成の概略を現わす断面模式図である。単セル２０は、表面に触媒層（図示せず）を備える電解質層２１と、電解質層２１を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層２２，２３と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するガス流路形成用の第１プレート２５，２６と、その外側に配設された第２プレート２７，２８とを備えている。
【００１８】
電解質層２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質層２１上に形成される触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。触媒層形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層２１上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、触媒層を形成することができる。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質層２１上にプレスすることによって触媒層を形成したり、上記ペーストをガス拡散層２２，２３側に塗布することとしても良い。
【００１９】
ガス拡散層２２，２３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層２２，２３は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒層との間で集電を行なう。
【００２０】
第１プレート２５，２６は、電解質層２１のそれぞれの側において、電解質層主面側にガス流路となる空間を形成する。この場合、ガス拡散層２２の側に配設される第１プレート２５は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路２５ａを形成する。また、ガス拡散層２３の側に配設される第１プレート２６は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２６ａを形成する。ここで、本実施例では、第１プレート２５，２６をチタンによって形成している。チタンは耐食性に優れた金属であり、強い還元雰囲気となる単セル内燃料ガス流路や強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましい。なお、耐久性が許容できる場合には、ステンレス鋼など他種の金属のプレートを第１プレート２５，２６とすることもできる。あるいは、金属製板材を所定の形状に成型した後に、表面に貴金属層などの耐食層を設けることによって第１プレート２５，２６を形成しても良い。第１プレート２５，２６の構造および流路形成の様子は、本発明の要部に対応するものであり、後に詳しく説明する。
【００２１】
第２プレート２７，２８は、既存の単セルにおけるセパレータとしても機能する部材でもあることから、電子伝導性を有する材料で形成されてガス不透過性を有する。例えば、第２プレートを、ステンレス鋼等の金属部材やカーボン部材によって形成することができる。本実施例の第２プレート２７，２８は、薄板状に形成されており、ガス流路形成用のそれぞれの第１プレート２５，２６と接する面は、凹凸のない平坦面となっている。なお、図示の都合上、第２プレート２７，２８は厚肉状に描画されているが、第１プレート２５，２６と同様、数ｍｍ程度の肉厚に過ぎない。
【００２２】
なお、単セル２０の外周部には、部材接合箇所におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が各部材間に適宜配設されている。また、単セル２０の外周部には、単セル２０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ第１プレート２６が形成する各単セル内燃料ガス流路２６ａおよびガス拡散層２３を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ第１プレート２５が形成する単セル内酸化ガス流路２５ａおよびガス拡散層２２を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００２３】
図１に示す単セル２０は、燃料ガス（Ｈ2）・酸化ガス（Ｏ2）の流れ方向が単セル内燃料ガス流路２６ａと単セル内酸化ガス流路２５ａで同方向である。これは、電解質層２１の左右の第１プレート２５，２６を同じものとしたことによる。しかしながら、上記の両ガスの流れ方向は、上記した同方向の他、逆方向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。なお、両ガスの流れを逆方向とした場合は、単セル２０の断面構造は図１と同じであるが、両ガスを直交させて流す場合の単セルでは、電解質左右の第１プレート２５，２６における後述の凸部３２の形成の様子が異なるので、この場合の単セル断面は後述することとする。
【００２４】
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００２５】
次に、第１プレート２５，２６と第２プレート２７，２８について説明する。図２は第１プレート２５と第２プレート２７とを一部拡大しつつ分解して模式的に表した斜視図である。なお、第１プレート２６は第１プレート２５と、第２プレート２７は第２プレート２８と同様の構造であるため、以下、第１プレート２５と第２プレート２７について以下説明する。
【００２６】
図２に示すように、第１プレート２５は、平板状の基板部３０と、基板部３０から突出して設けられた複数の凸部３２と、を備えている。凸部３２は、台形状に基板部３０から隆起形成されて多列に並び、各列ではいわゆる千鳥状に配置されている。また、この凸部３２は、図２における上下の方向においてはその側壁を貫通させたブリッジ状とされているので、基板部３０に開口３１を残す。第１プレート２５は、この多列に並んだブリッジ状の凸部３２の頂上面を電解質層２１の側に位置させ、詳しくはガス拡散層２２に当接させ（図１参照）、この凸部３２の隆起高さに相当する分の空間を単セル内酸化ガス流路２５ａとして形成する。この場合、凸部３２は既述したようにブリッジ状であることから、凸部３２の裏側においても、図中矢印で示すようにガスが流れる。
【００２７】
第１プレート２５は、この他、プレート上下周縁に、酸化ガスの流入開口４０と、酸化ガスの排出開口４１と、燃料ガスの通過開口４２，４３とを備え、プレート左右周縁に、冷却媒体としての水の通過開口４４を備える。酸化ガスの流入開口４０と排出開口４１とは上下に対角に配置され、単セル内酸化ガス流路２５ａにおけるガスの流れに、著しい偏りが起きないようにされている。つまり、流入開口４０から流入したガス（酸化ガス）は、図中に矢印で示すように多くの分流した流れとなって単セル内酸化ガス流路２５ａを満遍なく通過し、排出開口４１から排出される。このようにして単セル内酸化ガス流路２５ａを分流して流れる間に、その酸化ガスは、ガス拡散層２２内を拡散して電解質層２１、詳しくはその表面の触媒層に供給される。なお、この排出開口４１から排出されたガスは図示しないマニホールドにて集められ、セル外に運び出される。
【００２８】
燃料電池が発電を行なう際には、単セル内酸化ガス流路２５ａと触媒層との間で、ガス拡散層２２を介して、酸化ガスが給排される。また、燃料電池が発電する際には、電気化学反応の進行に伴いカソード側の触媒層上で生成水が生じるが、本実施例では、ガス拡散層２２を介して、触媒層から単セル内酸化ガス流路２５ａへと生成水が排出される。なお、単セル内燃料ガス流路２６ａにおいても同様に、触媒層との間で燃料ガスの給排が行なわれる。
【００２９】
通過開口４２，４３は、隣接する単セル２０における単セル内燃料ガス流路２６ａに燃料ガスを流し込むためのものであり、酸化ガスの流入開口４０と排出開口４１と同様、対角に形成されている。通過開口４４は、凸部３２を横方向の列と見た場合、その凸部３２の列と干渉しないよう、列間および最上段列の上部、最下段列の下部に位置するよう、形成されている。
【００３０】
本実施例の第１プレート２５は、１枚の金属製板状部材を一連のプレス加工によって作製される。図３は第１プレート２５の作製プロセスを示す手順フロー、図４は第１プレート２５の製造の様子を説明するための説明図である。第１プレート２５の作製に際しては、図３に示すように、鋼板を用意する（ステップＳ１００）。この鋼板は、第１プレート２５と同寸法の厚みを備える。次に、この鋼板に、レーザー加工・剪断加工等により、既述した凸部３２の形成位置にスリット３５を対向して形成する（ステップＳ１１０）。図４には、第１プレート２５（基板部３０）における形成済みスリット３５を示すが、第１プレート２５（基板部３０）の方形形状のシャーリング（切断）は、生産効率向上のため後述の最終工程で行うため、ステップＳ１１０においては鋼板の状態でスリット３５が形成される。
【００３１】
スリット形成後には、図４に示すような台形断面を有するプレス突起４５を先端に有するプレス駒４６と開口打ち抜きプレス駒（図示略）とを鋼板に押圧する（ステップＳ１２０）。この際、プレス駒４６は、そのプレス突起４５を、スリット３５の形成位置（スリットの間）に適合させて押し当てる。そうすると、スリット３５の間の箇所がその周囲から隆起して、プレス突起４５の凸形状に倣った凸部３２が多列に形成される。排出開口４１等の開口は、打ち抜きプレス駒により、凸部３２の形成と並行して、或いは、凸部３２の形成と前後して形成される。
【００３２】
次いで、凸部３２や排出開口４１等を含むよう、鋼板を第１プレート２５（基板部３０）の方形形状、即ち図４に示す形状にシャーリング（切断）する（ステップＳ１３０）。こうすれば、規格サイズの鋼板から、複数枚の第１プレート２５を効率よく作製できる。なお、先に方形形状の基板部３０（第１プレート２５）を準備し、１枚ずつの基板部３０にスリット形成・プレスを行って、第１プレート２５を作製するようにすることもできる。
【００３３】
第２プレート２７は、接合対象である第１プレート２５が有する流入開口４０、排出開口４１および通過開口４２，４３に合致する開口５０〜５３（開口５３は図５参照）を備え、これら開口は、合致する開口を通過するガスの通過開口となる。例えば、開口５０は、流入開口４０の手前において酸化ガスの通過開口となる。また、第２プレート２７は、横方向に打ち抜きプレス加工された長穴状の開口５５ａ〜５５ｆを多列に並べて備える。この開口５５ａ〜５５ｆは、開口端部が、第１プレート２５が左右に多列に有する通過開口４４と合致するよう形成されている。
【００３４】
この第２プレート２７は、既述した第１プレート２５とほぼ同一のプロセスを取り、鋼板の用意（ステップＳ１００）、押圧プレス（ステップＳ１２０）、方形形状シャーリング（ステップＳ１３０）の順に作製される。この押圧プレスの際には、開口５０〜５３や開口５５ａ〜５５ｆの打ち抜きようのプレス駒が用いられる。
【００３５】
次に、上記した構成の第１プレート２５と第２プレート２７の使用状態について説明する。図５は第１プレート２５と第２プレート２７とを接合させた状態を表す斜視図、図６は図５の６−６線に沿った概略断面図、図７は図５の７−７線に沿った概略断面図、図８は図５における凸部３２の形成箇所に沿って折れ曲がった８−８線に沿った概略断面図である。これ図面に示すように、両プレートを接合すると、両プレートにおける流入開口４０と開口５０、通過開口４２と開口５２、通過開口４３と開口５３、排出開口４１と開口５１とがそれぞれ重なる。また、第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆは、それぞれその両端において、第１プレート２５の通過開口４４と重なる。なお、これら開口の重なり箇所には、図示しないガスケットが配置され、ガスシール性・水密性が確保されている。
【００３６】
この場合、第１プレート２５において、通過開口４４は、既述したように横方向の凸部３２の列と干渉しないよう、列間および列の上部・下部に位置することから、これに合致する第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆの各開口にあっても、凸部３２の各列・列の上下に位置する。そして、これら開口５５ａ〜５５ｆは、第１プレート２５の基板部３０裏面にて、第１プレート２５の側で塞がれることになる。
【００３７】
その一方、第１プレート２５の凸部３２が属する横方向の各列は、第２プレート２７における開口５５ａ〜５５ｆの間に位置することから、凸部３２を形成することで基板部３０に残る開口３１は、それぞれ第２プレート２７にて塞がれる。
【００３８】
以上説明したように、上記構成を有する本実施例の燃料電池（単セル２０）では、第１プレート２５の左右の通過開口４４の一方から水を流し込み、上記のように塞がれた第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆをこの水の流路とできる。そして、この開口５５ａ〜５５ｆを通過する冷却媒体である水は、これら開口が第１プレート２５（詳しくは基板部３０）で塞がれていることから、第１プレート２５が凸部３２を介して形成した単セル内酸化ガス流路２５ａを流れる酸化ガスと接触することはない。また、それぞれの凸部３２に該当する開口３１にあっても、既述したように第２プレート２７にて塞がれることから、開口３１、延いては単セル内酸化ガス流路２５ａと開口５５ａ〜５５ｆが連通することもない。これらの結果、第１プレート２５と第２プレート２７を接合させ、その第２プレート２７に冷却用の流路たる開口５５ａ〜５５ｆを形成したとしても、冷却媒体である水と酸化ガスの遮断は確実に確保できる。
【００３９】
しかも、本実施例では、第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆを流れる水（冷却媒体）を、これら開口を塞ぐ第１プレート２５（基板部３０）に直接接して当該プレートを介してガス拡散層２２や電解質層２１を冷却するので、高い冷却効率で電池冷却を図ることができる。その上、こうした冷却構造を、第２プレート２７が有する開口５５ａ〜５５ｆを第２プレート２７の接合対象である第１プレート２５で塞げば足りるので、特別の冷却用部材を必要とせず、単セル２０の薄肉化、延いては単セル積層構造の燃料電池の薄肉化・軽量化を図ることができる。
【００４０】
また、本実施例では、凸部３２をブリッジ状として、凸部裏面側においても隆起側面からガスが通過できるようにした。よって、図２に示すように、単セル内ガス流路（単セル内酸化ガス流路２５ａ・単セル内燃料ガス流路２６ａ）においては、複数筋に分流した流れとして、ガスを単セル内ガス流路に流すことができ、ガスが凸部３２の周壁に衝突してその流れに顕著な乱れが起きないようにできる。つまり、分流に、流れが交差するような乱れを起き難くできるので、ガス拡散層への拡散（ガス給排）がより均一となり、発電性能を高めることができる。
【００４１】
上記した実施例では、第１プレート２５が有する凸部３２の並びを横方向の列として、その列の間・列の上下に第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｆが位置するようにしたが、これに限るわけではない。図９は凸部３２が左右に湾曲した並びで存在するとした場合の第１プレート２５と第２プレート２７を表す変形例の概略斜視図である。
【００４２】
図示するように、この変形例では、第１プレート２５において、凸部３２は、図中点線で示す湾曲軌跡３２Ｌに沿って点在する。この場合は、第２プレート２７は、図示する湾曲軌跡３２Ｌと湾曲軌跡３２Ｌの間と、湾曲軌跡３２Ｌの外側に位置するよう、開口５６ａ〜５６ｅを備える。これら開口５６ａ〜５６ｅは、その湾曲軌跡が凸部３２の点在軌跡（湾曲軌跡３２Ｌ）と同じとなるようにされ、プレート上下で隣の開口と連結されている。
【００４３】
開口５６ｅは、その一端側（上端側）で第１プレート２５の通過開口４４と重なるようにされ、開口５６ａは、プレートの対角位置にて第１プレート２５の通過開口４４と重なるようにされている。こうしても、湾曲軌跡の開口５６ａ〜５６ｅと隣り合う開口の連結開口部は、第２プレート２７の接合対象である第１プレート２５により塞がれ、既述した開口５５ａ〜５５ｆと同様にして、冷却媒体である水の流路となる。よって、この図９に示す変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。
【００４４】
この他、凸部３２の並びを千鳥状としたが、凸部３２が各列において同じ並びとなるようにすることもできる。図１０は凸部３２を縦横に並べた一変形例を示す第１プレート２５と第２プレート２７の略斜視図、図１１は凸部３２を縦横に並べた他の変形例を示す第１プレート２５と第２プレート２７の略斜視図である。
【００４５】
図１０に示す変形例では、第１プレート２５において、凸部３２が縦横に並ぶよう配設されている以外、第１プレート２５や第２プレート２７の構成は図２に示す通りである。つまり、第２プレート２７は、第１プレート２５が有する凸部３２を横方向に並ぶとして、その列間・列の上下に開口５５ａ〜５５ｆを備え、これら開口を第１プレート２５で塞いで冷却媒体である水の流路とする。
【００４６】
図１１の変形例では、第１プレート２５における凸部３２の配列は図９と同様であり、第２プレート２７は、第１プレート２５が有する凸部３２は縦方向に並ぶとして、その列間・列の左右に開口５７ａ〜５７ｆを備え、これら開口をプレート上下で隣り合う開口同士で連結する。そして、第２プレート２７は、第１プレート２５と接合することで、この第１プレート２５により、開口５７ａ〜５７ｆおよび隣り合う開口の連結開口部を塞いで冷却媒体である水の流路とする。この場合、第１プレート２５が対角に有する通過開口４４は、第２プレート２７における両端の開口５７ａ，５７ｆと開口端部で重なるようにされている。
【００４７】
上記の両変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。
【００４８】
次に、また別の変形例について説明する。図１２は凸部３２を隆起側壁が塞がれた閉塞状の突起とした変形例における第１プレート２５と第２プレート２７の概略斜視図、図１３は図１２における１３−１３線に沿った概略断面図である。
【００４９】
この変形例では、凸部３２が閉塞状に第１プレート２５（基板部３０）から隆起した閉塞突起である点と、第２プレート２７における開口５５ａ〜５５ｅが凸部３２の並び（横方向並び）と重なっている点に特徴がある。この場合、図では凸部３２が縦横に並んだ状態としたが、横方向の列において閉塞状の凸部３２が千鳥状に配置するものであってもよい。また、凸部３２については、先端が球状の隆起としたが、閉塞状であればその形状は種々のもの、例えば、側面が閉塞した円錐台形状・角錐台形状等とすることもできる。
【００５０】
この変形例では、第２プレート２７が有する開口５５ａ〜５５ｅは、先の実施例と同様、第１プレート２５（基板部３０）にて塞がれるが、これら開口と凸部３２の列が重なっているので、開口５５ａ〜５５ｅは、第１プレート２５の側において、平板状の基板部３０に加え、閉塞状の凸部３２でも塞がれることになる。このため、第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｅを通過する冷却媒体である水は、凸部３２の裏面凹所３２ａ（図１３参照）の中にまで入り込む。この凸部３２は、その頂上にてガス拡散層２２、延いては電解質層２１に接していることから、第２プレート２７の開口５５ａ〜５５ｅを通過する冷却媒体である水は、凸部３２を介してその裏面側から電解質層２１等を冷却するので、冷却効率がより高まり電池性能維持の上からも好ましい。なお、プレート端部の側では、ガスケット６０にて、第１プレート２５の通過開口４４および第２プレート２７の開口５５ａは、単セル内酸化ガス流路２５ａとシールされ、このガスケット６０が形成する図示しない流路を介して、通過開口４４、開口５５ａを水が通過する。
【００５１】
この図１２に示す変形例は、その開口５５ａ〜５５ｅの形成の様子を、図１１で示したような縦方向の開口（開口５７ａ等）の並びとすることもできる。また、縦横に限らず、次のように変形することもできる。図１４は閉塞状の凸部３２を用いた場合における第２プレート２７の開口の形成の様子の変形例を示す説明図である。
【００５２】
この図１４において、図中には、点線にて、第２プレート２７に接合する第１プレート２５が有する閉塞状の凸部３２の点在箇所と通過開口４４の形成箇所を示している。第２プレート２７は、凸部３２の並びが斜め方向であるとして、その斜めの並びに一致するよう、開口５８ａ〜５８ｊを備え、開口５８ａ〜５８ｅをプレート上端側の開口５９ａで連結させ、開口５８ｆ〜５８ｊをプレート下端側の開口５９ｂで連結させている。この場合、開口５８ａとプレート端部で重なる第１プレート２５の通過開口４４は、冷却媒体である水の入り口となり、開口５８ｂ〜５８ｅとプレート端部で重なる通過開口４４は、水の出口となる。開口５８ｆ〜５８ｊについても同様である。このように斜めに開口５８ａ〜５８ｊを有する第２プレート２７を用いた変形例であっても、図１２で示した変形例と同様の効果を奏することができる。
【００５３】
ここで、図１で示した単セル２０を例に取り、当該単セルを有する燃料電池の端部構成およびスタック構成について説明する。図１５は単独の単セル２０で燃料電池を構成する場合の様子を示す説明図、図１６は単セル２０を積層させて燃料電池を構成した場合の様子を示す説明図である。
【００５４】
図１５に示すように、単セル２０単独の燃料電池では、第２プレート２７，２８の外側に、平板状のターミナル２９を接合させた構成を有する。この燃料電池では、第２プレート２７，２８の開口５５ａ〜５５ｆを、その両側の電池外殻側のターミナル２９と第１プレート２５，２６で塞ぐ。図１６に示すように、単セル２０を複数積層させたスタック構造では、隣り合う単セル２０の間には、第２プレート２７が一枚介在し、この一枚の第２プレート２７にて、既述したように冷却流路（開口５５ａ等）が表裏の第１プレート２５にて塞がれて形成される。よって、単セル２０を区切るだけの平板状のセパレータが不要となり、その分、薄肉化・軽量化を図ることができる。また、隣り合う単セル間では、冷却流路を形成する共通の第２プレート２７が単独で存在するに過ぎないので、その分、部材の接触箇所が低減する。よって、接触抵抗が低減でき、電池性能上も有益である。
【００５５】
次に、燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた場合について説明する。図１７は燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた燃料電池の単セルの概略断面図、図１８は電解質層２１の図示を略して第１プレート２５，２６と第２プレート２７，２８の関係を説明する斜視図である。
【００５６】
図示するように、第１プレート２５と第２プレート２７については、既述した構成を有するが、第１プレート２６は、凸部３２を図における上下に亘ってブリッジ状となるように備え、第２プレート２８は、第１プレート２６の凸部３２が図における縦方向に並んだとして、その列の間に位置するよう、開口７０ａ〜７０ｇを縦方向に亘って有する。この第１プレート２６に第２プレート２８を接合させれば、第２プレート２８において、第１プレート２６にて塞がれた開口７０ａ〜７０ｇが冷却媒体である水の流路となる。
【００５７】
そして、上記各プレートを用いた単セル２０では、図示するように第１プレート２５，２６で凸部３２の向きが異なることになる。よって、第１プレート２５の側では、単セル内酸化ガス流路２５ａが図中上下の流れ方向で形成され、第１プレート２６の側では、単セル内燃料ガス流路２６ａが紙面を手前から奥、或いはその逆の流れ方向で形成される。この場合、開口７０ａ〜７０ｇは、図における上下に延び、その範囲に亘って、第１プレート２６で塞がれる。
【００５８】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、上記した実施例とその変形例では、単セル内ガス流路（酸化ガス流路・燃料ガス流路）形成のための凸部３２を有する第１プレート２５，２６と触媒層との間にガス拡散層を設けたが、ガス拡散層を設けない構成とすることも可能である。ここで、ガス拡散層は、通常は第１プレート２５よりも柔らかい（構成材料の硬度が低い、あるいは部材としての圧縮弾性率が高い）部材によって形成され、燃料電池における集電性を向上させるための部材である。すなわち、ガス拡散層は、触媒層との間で、第１プレート２５よりも接触面積をより大きく確保可能な部材であるため、触媒層と第１プレート２５（詳しくは凸部３２の頂上面）との間に配設されることで、集電性を向上させることができる。しかしながら、集電性が許容範囲であれば、ガス拡散層を設けることなく触媒層に第１プレート２５（詳しくは凸部３２の頂上面）とを直接接触させることとしても良い。
【００５９】
また、凸部３２を有する第１プレート２５と、この第１プレート２５で流路を塞がれる第２プレート２７とを固体高分子型燃料電池に設けているが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。他種の燃料電池であっても、高い電池冷却機能と電池薄肉化を両立することができる。
【００６０】
また、図１５や図１６において、単セル２０をブリッジ状の凸部３２を有するものとしたが、閉塞状の凸部３２（図１２，図１３参照）を有する第１プレート２５，２６を用いるようにすることもできる。さらには、図１５や図１６において、単セル２０を、電解質層２１の左右の第２プレート２７，２８がガスの流れが直交するような凸部３２を有するもの（図１７、図１８参照）とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例の燃料電池を構成する単セル２０の構成の概略を現わす断面模式図である。
【図２】第１プレート２５と第２プレート２７とを一部拡大しつつ分解して模式的に表した斜視図である。
【図３】第１プレート２５の作製プロセスを示す手順フローである。
【図４】第１プレート２５の製造の様子を説明するための説明図である。
【図５】第１プレート２５と第２プレート２７とを接合させた状態を表す斜視図である。
【図６】図５の６−６線に沿った概略断面図である。
【図７】図５の７−７線に沿った概略断面図である。
【図８】図５における凸部３２の形成箇所に沿って折れ曲がった８−８線に沿った概略断面図である。
【図９】凸部３２が左右に湾曲した並びで存在するとした場合の第１プレート２５と第２プレート２７を表す変形例の概略斜視図である。
【図１０】凸部３２を縦横に並べた一変形例を示す第１プレート２５と第２プレート２７の略斜視図である。
【図１１】凸部３２を縦横に並べた他の変形例を示す第１プレート２５と第２プレート２７の略斜視図である。
【図１２】凸部３２を隆起側壁が塞がれた閉塞状の突起とした変形例における第１プレート２５と第２プレート２７の概略斜視図である。
【図１３】図１２における１３−１３線に沿った概略断面図である。
【図１４】閉塞状の凸部３２を用いた場合における第２プレート２７の開口の形成の様子の変形例を示す説明図である。
【図１５】単独の単セル２０で燃料電池を構成する場合の様子を示す説明図である。
【図１６】単セル２０を積層させて燃料電池を構成した場合の様子を示す説明図である。
【図１７】燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた燃料電池の単セルの概略断面図である。
【図１８】電解質層２１の図示を略して第１プレート２５，２６と第２プレート２７，２８の関係を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
２０...単セル
２１...電解質層
２２，２３...ガス拡散層
２５，２６...第１プレート
２５ａ...単セル内酸化ガス流路
２６ａ...単セル内燃料ガス流路
２７，２８...第２プレート
２９...ターミナル
３０...基板部
３１...開口
３２...凸部
３２ａ...裏面凹所
３２Ｌ...湾曲軌跡
３５...スリット
４０...流入開口
４１...排出開口
４２〜４４...通過開口
４５...プレス突起
４６...プレス駒
５０〜５３...開口
５５ａ〜５５ｆ...開口
５６ａ〜５６ｅ...開口
５７ａ〜５７ｆ...開口
５８ａ〜５８ｊ...開口
５９ａ，５９ｂ...開口
６０...ガスケット
７０ａ〜７０ｇ...開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006309964.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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