(57)【要約】【課題】簡単な構成で、反応ガスが外部に透過することを可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】第２金属セパレータ１８には、積層方向に沿って第１樹脂枠部材５８の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材４８ｂが配置される。一方、第１金属セパレータ１４には、第１樹脂枠部材５８の外方に且つ積層方向に沿って第２金属セパレータ１８に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材４６ｂが配置される。外側シール部材４６ｂのシール幅ｈ４は、内側シール部材４８ｂのシール幅ｈ３よりも大きな寸法に設定される。【選択図】図３
2015207438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡの外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層される第１のセパレータ及び第２のセパレータとを備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第１のセパレータには、積層方向に沿って前記樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置され、
前記第２のセパレータには、前記樹脂枠部材の外方に且つ前記積層方向に沿って前記第１のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置され、
前記外側シール部材は、前記内側シール部材の外周及び前記流体連通孔を囲繞するとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定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、前記第１のセパレータの外周には、前記外側シール部材の外方に位置して第１外周シールが設けられるとともに、
前記第２のセパレータの外周には、前記外側シール部材の外方に位置して第２外周シールが設けられ、
前記第１外周シールと前記第２外周シールとは、互いに前記積層方向に沿って重なり合うことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡの外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層される第１のセパレータ及び第２のセパレータとを備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第１のセパレータ又は前記第２のセパレータには、積層方向に沿って前記樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に配置される断面矩形状の内側シール部材と、
前記流体連通孔を囲繞して配置される断面矩形状の外側シール部材と、
を設けられるとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該電解質膜・電極構造体の両側に積層される第１のセパレータ及び第２のセパレータとを備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第１のセパレータには、積層方向に沿って前記電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置され、
前記第２のセパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外方に且つ前記積層方向に沿って前記第１のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置され、
前記外側シール部材は、前記内側シール部材の外周及び前記流体連通孔を囲繞するとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定さ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、電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層される第１のセパレータ及び第２のセパレータとを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。
【０００３】
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セルは、図６に示すように、膜・電極構造体１と、前記膜・電極構造体１を挟持する第１セパレータ２ａ及び第２セパレータ２ｂとを備え、これらが複数積層されている。第１セパレータ２ａには、燃料ガス流路溝３ａが形成される一方、第２セパレータ２ｂには、酸化剤ガス流路溝３ｂが形成されている。
【０００５】
膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜４と、前記固体高分子電解質膜４を挟んで配設されるアノード電極５ａ及びカソード電極５ｂとを有している。固体高分子電解質膜４の外周部分は、アノード電極５ａ及びカソード電極５ｂから若干はみ出している。このはみ出した部分の外周側には、固体高分子電解質膜４より平面寸法の大きい額状の第１シール部材６が一体的に設けられている。
【０００６】
第１シール部材６の表面と、第２シール部材７とが密着されることにより、膜・電極構造体１を外部に対してシールしている。第１シール部材６及び第２シール部材７の外側であって、第１セパレータ２ａ及び第２セパレータ２ｂ間に第３シール部材８が設けられ、燃料電池セルを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の燃料電池セルでは、膜・電極構造体１の外周を周回して第３シール部材８が設けられるとともに、前記第３シール部材８は、断面円形状を有している。このため、第３シール部材８では、第１セパレータ２ａ及び第２セパレータ２ｂに接触するシール幅が狭小になり易い。従って、第３シール部材８と第１セパレータ２ａ及び第２セパレータ２ｂとの間から、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過するおそれがある。
【０００９】
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、反応ガスが外部に透過することを可及的に抑制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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡを備えている。樹脂枠付きＭＥＡの両側には、前記樹脂枠付きＭＥＡの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する第１のセパレータ及び第２のセパレータが積層されている。第１のセパレータ及び第２のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成されている。
【００１１】
第１のセパレータには、積層方向に沿って樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置されている。第２のセパレータには、樹脂枠部材の外方に且つ積層方向に沿って第１のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置されている。
【００１２】
そして、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。
【００１３】
また、第１のセパレータの外周には、外側シール部材の外方に位置して第１外周シールが設けられるとともに、第２のセパレータの外周には、前記外側シール部材の外方に位置して第２外周シールが設けられることが好ましい。その際、第１外周シールと第２外周シールとは、互いに積層方向に沿って重なり合うことが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明では、第１のセパレータ又は第２のセパレータには、積層方向に沿って樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に配置される断面矩形状の内側シール部材が設けられている。第１のセパレータ又は第２のセパレータには、流体連通孔を囲繞して配置される断面矩形状の外側シール部材が設けられている。そして、外側シール部材のシール幅は、内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を備えている。電解質膜・電極構造体の両側には、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該電解質膜・電極構造体の両側に積層される第１のセパレータ及び第２のセパレータが積層されている。第１のセパレータ及び第２のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成されている。
【００１６】
第１のセパレータには、積層方向に沿って電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置されている。第２のセパレータには、電解質膜・電極構造体の外方に且つ積層方向に沿って第１のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置されている。
【００１７】
そして、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。このため、簡単な構成で、反応ガスが外部に透過することを可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電ユニットの要部拡大断面図である。
【図４】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池セルの要部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図３に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数の発電ユニット１２が積層されることにより、スタックを構成する。このスタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００２１】
発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を積層する。
【００２２】
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。
【００２３】
図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００２４】
発電ユニット１２の長辺方向（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、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２２ｂが設けられる。
【００２５】
発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。
【００２６】
図４に示すように、第１金属セパレータ１４の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。
【００２７】
第１酸化剤ガス流路２６の入口側と酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３０ａが形成される。第１酸化剤ガス流路２６の出口側と酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。
【００２８】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとに連通する冷却媒体流路３２の一部が形成される。
【００２９】
第２金属セパレータ１８の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。
【００３０】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、蓋体３７ｂにより覆われる。
【００３１】
図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。
【００３２】
第２酸化剤ガス流路３８の入口側と酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される。第２酸化剤ガス流路３８の出口側と酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。
【００３３】
図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。
【００３４】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、蓋体４５ｂにより覆われる。
【００３５】
第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。
【００３６】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。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の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。
【００３７】
第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００３８】
図１〜図３に示すように、第１シール部材４６は、均一の厚さを有して第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂの面方向に沿って延在する平面シール部４６ａを有する。第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、平面シール部４６ａからは、外側シール部材（凸状シール部材）４６ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。外側シール部材４６ｂは、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａの外方に且つ積層方向に沿って第２金属セパレータ１８に重なり合う位置に設けられるとともに、積層した後に略断面矩形状を有する。外側シール部材４６ｂは、積層前に先端に大きなＲがあってもよく、また、シール成形時の小さな抜き勾配を有する場合がある。
【００３９】
平面シール部４６ａと外側シール部材４６ｂとの境界部位には、成形時の抜き勾配であるＲ形状部が設けられる。なお、以下に説明する平面シール部とシール部材（凸状シール部材）との各境界部位には、同様にＲ形状部が設けられる（図３参照）。
【００４０】
第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、平面シール部４６ａからは、積層方向に沿って後述する第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０の外周縁部に重なり合う位置に、内側シール部材４６ｃが厚さ方向に一体に膨出形成される。
【００４１】
図１に示すように、内側シール部材４６ｃは、積層した後に略断面矩形状を有し、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２とを周回する。内側シール部材４６ｃは、積層前に先端に大きなＲがあってもよく、また、シール成形時の小さな抜き勾配を有する場合がある。面１４ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞する外側シール部材４６ｄが設けられる。
【００４２】
図４に示すように、外側シール部材４６ｂは、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂ（以下、流体連通孔ともいう）を囲繞する。外側シール部材４６ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ（以下、流体連通孔ともいう）と第１酸化剤ガス流路２６とを周回し、これらを互いに連通させる。
【００４３】
図１に示すように、外側シール部材４６ｄは、冷却面において、平面シール部４６ａから厚さ方向に一体に膨出形成され、流体連通孔、特に燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞する。外側シール部材４６ｄのシール幅ｈ１は、内側シール部材４６ｃのシール幅ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ１＞ｈ２）。なお、シール幅とは、平面部から立ち上がるＲ形状部を除いた位置で、両辺が互いに平行に延在する部分の幅寸法をいう。
【００４４】
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ側において、第１シール部材４６には、外側シール部材４６ｂの外方に位置して外周シール４６ｅが厚さ方向に一体成形される。
【００４５】
図１〜図３に示すように、第２シール部材４８は、均一の厚さを有して第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂの面方向に沿って延在する平面シール部４８ａを有する。第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、平面シール部４８ａからは、積層方向に沿って第１樹脂枠部材５８の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状を有する内側シール部材４８ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。図３に示すように、内側シール部材４８ｂのシール幅ｈ３は、第１金属セパレータ１４の外周に設けられた外側シール部材４６ｂのシール幅ｈ４よりも小さな寸法に設定される（ｈ３＜ｈ４）。
【００４６】
第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２樹脂枠部材６０の外方に且つ積層方向に沿って第３金属セパレータ２０に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材４８ｃが配置される。図５に示すように、外側シール部材４８ｃは、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂを囲繞する。外側シール部材４８ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８とを周回し、これらを互いに連通させる。
【００４７】
図２及び図３に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａ側において、第２シール部材４８には、外側シール部材４８ｃの外方に位置して外周シール４８ｄが厚さ方向に一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ｂ側において、第２シール部材４８には、外側シール部材４８ｃの外方に位置して外周シール４８ｅが厚さ方向に一体成形される。
【００４８】
図１〜図３に示すように、第３シール部材５０は、均一の厚さを有して第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂの面方向に沿って延在する平面シール部５０ａを有する。第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、平面シール部５０ａからは、積層方向に沿って第２樹脂枠部材６０の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状を有する内側シール部材５０ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。図３に示すように、内側シール部材５０ｂのシール幅ｈ５は、第２金属セパレータ１８の外周に設けられた外側シール部材４８ｃのシール幅ｈ６よりも小さな寸法に設定される（ｈ５＜ｈ６）。
【００４９】
第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０の外方に且つ積層方向に沿って第１金属セパレータ１４に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材５０ｃが配置される。外側シール部材５０ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞する。外側シール部材５０ｃは、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２とを周回し、これらを互いに連通させる。
【００５０】
図２及び図３に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ａ側において、第３シール部材５０には、外側シール部材５０ｃの外方に位置して外周シール５０ｄが厚さ方向に一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂ側において、第３シール部材５０には、外側シール部材５０ｃの外方に位置して外周シール５０ｅが厚さ方向に一体成形される。
【００５１】
第３シール部材５０の外周シール５０ｅは、隣接する第１金属セパレータ１４の第１シール部材４６に当接（密着）している。第１シール部材４６の外周シール（第２外周シール）４６ｅは、第２シール部材４８の外周シール（第１外周シール）４８ｄに当接（密着）している。第２シール部材４８の外周シール（第２外周シール）４８ｅは、第３シール部材５０の外周シール（第１外周シール）５０ｄに当接（密着）している。
【００５２】
図１及び図２に示すように、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、それぞれ電解質膜・電極構造体５１を備える。電解質膜・電極構造体５１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（陽イオン交換膜）５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード電極５４及びカソード電極５６とを備える。
【００５３】
固体高分子電解質膜５２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。カソード電極５６は、固体高分子電解質膜５２及びアノード電極５４よりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成する。
【００５４】
なお、アノード電極５４、カソード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極５４は、カソード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。
【００５５】
アノード電極５４及びカソード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。
【００５６】
第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第１樹脂枠部材５８を備える。第１樹脂枠部材５８は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。
【００５７】
第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第２樹脂枠部材６０を備える。第２樹脂枠部材６０は、第１樹脂枠部材５８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
図１に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部６２ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有するが、前記エンボス部のみを有してもよい。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。
【００５９】
第１樹脂枠部材５８のアノード電極５４側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６４ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のアノード電極５４側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６４ｂが設けられる。
【００６０】
第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、カソード電極５６側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部６６ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部６６ｂが形成される。
【００６１】
第２樹脂枠部材６０のアノード電極５４側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０のアノード電極５４側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。
【００６２】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。
【００６３】
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。
【００６４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、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。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａ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。
【００６５】
このため、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６６ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。
【００６６】
酸化剤ガスは、図１、図４及び図５に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのカソード電極５６に供給される。また、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのカソード電極５６に供給される。
【００６７】
一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６４ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。
【００６８】
燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのアノード電極５４に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極５４に供給される。
【００６９】
従って、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂでは、各カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５４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て発電が行われる。
【００７０】
次いで、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの各カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、６６ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６４ｂ、６８ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００７１】
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。
【００７２】
この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、第２金属セパレータ（第１のセパレータ）１８には、積層方向に沿って第１樹脂枠部材５８の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材４８ｂが配置されている。一方、第１金属セパレータ（第２のセパレータ）１４には、第１樹脂枠部材５８の外方に且つ積層方向に沿って第２金属セパレータ１８に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材４６ｂが配置されている。
【００７３】
そして、外側シール部材４６ｂは、内側シール部材４８ｂの外周及び各流体連通孔を囲繞している。その際、外側シール部材４６ｂのシール幅ｈ４は、内側シール部材４８ｂのシール幅ｈ３よりも大きな寸法（ｈ３＜ｈ４）に設定されている（図３参照）。このため、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。燃料ガスの透過とは、シール部材内部の透過と接触面からの透過とを含む。
【００７４】
また、第３金属セパレータ（第１のセパレータ）２０には、積層方向に沿って第２樹脂枠部材６０の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材５０ｂが配置されている。一方、第２金属セパレータ（第２のセパレータ）１８には、第２樹脂枠部材６０の外方に且つ積層方向に沿って第３金属セパレータ２０に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材４８ｃが配置されている。
【００７５】
そこで、外側シール部材４８ｃのシール幅ｈ６は、内側シール部材５０ｂのシール幅ｈ５よりも大きな寸法（ｈ５＜ｈ６）に設定されている（図３参照）。従って、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の冷却面（面１４ｂ）において、内側シール部材４６ｃ、外側シール部材４６ｄが設けられている。そして、外側シール部材４６ｄのシール幅ｈ１は、内側シール部材４６ｃのシール幅ｈ２よりも大きな寸法（ｈ１＞ｈ２）に設定されている。これにより、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００７７】
なお、本実施形態では、発電ユニット１２は、３枚のセパレータと２枚の樹脂枠付きＭＥＡとを有し、各発電ユニット１２間に冷却媒体流路３２が形成されている（所謂、間引き冷却）。本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、２枚のセパレータ間に１枚の樹脂枠付きＭＥＡが挟持される発電ユニット（所謂、各セル冷却）にも、適用することができる。
【００７８】
また、本実施形態では、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを用いているが、これに限定されるものではない。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を不要にした電解質膜・電極構造体５１からなる、所謂、段差ＭＥＡを採用してもよい。
【００７９】
その際、第２金属セパレータ（第１のセパレータ）１８には、積層方向に沿って段差ＭＥＡの外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材４８ｂが配置される。一方、第１金属セパレータ（第２のセパレータ）１４には、段差ＭＥＡの外方に且つ積層方向に沿って第２金属セパレータ１８に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材４６ｂが配置される。このため、上記の本願発明と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８０】
１０…燃料電池                    １２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ  １６ａ、１６ｂ…樹脂枠付きＭＥＡ
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔        ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔        ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路        ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路          ４６、４８、５０…シール部材
４６ａ、４８ａ、５０ａ…平面シール部
４６ｂ、４６ｄ、４８ｃ、５０ｃ…外側シール部材
４６ｃ、４８ｂ、５０ｂ…内側シール部材
４６ｅ、４８ｄ、４８ｅ、５０ｄ、５０ｅ…外周シール
５１…電解質膜・電極構造体        ５２…固体高分子電解質膜
５４…アノード電極                ５６…カソード電極
５８、６０…樹脂枠部材
【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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