(57)【要約】【課題】燃料電池の組立工程が有効に簡素化されるとともに、経済的かつコンパクトな構成で、所望のシール機能および発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】第１金属セパレータ１８の外周縁部に第１シール部材５０が一体化されるとともに、第２金属セパレータ２０の外周縁部に第２シール部材５６が一体化される。入口流路機能部６０は、第２シール部材５６に設けられた複数の凸状受部６４を備え、この受部６４が第１シール部材５０の第１平面部５２に接触して、各受部６４間に酸化剤ガス用の連通路が構成される。【選択図】図３
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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・電極構造体と一対の金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
一方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第１シールが一体化され、かつ、他方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第２シールが一体化されるとともに、
前記第１および第２シール間には、該第１および第２シールが互いに接触した状態で、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通させる流路機能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、前記流路機能部は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との連通部位に対応して、少なくとも前記第１または第２シールに一体的に設けられる複数の凸状受部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と一対の金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
一方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第１シールが一体化され、かつ、他方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第２シールが一体化されるとともに、
前記第１および第２シール間には、該第１および第２シールが互いに接触した状態で、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連通させる流路機能部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記流路機能部は、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔との連通部位に対応して、少なくとも前記第１または第２シールに一体的に設けられる複数の凸状受部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、
前記第１シールは、前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置される内側シールと、
隣接するセパレータ間に配置される外側シールと、
を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記第２シールは、前記第１シールの前記内側シールに対応する内側シールと、
前記第１シールの前記外側シールに対応する内側シールと、
を設け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・電極構造体と金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記発電セルには、積層方向に貫通して反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池に関する。
【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（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・電極構造体を、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。
【０００３】
この発電セルにおいて、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は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】
発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガスおよび燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路とからなる。
【０００５】
一方、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反応ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔および燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する反応ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体流路に連通する冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔とが形成されている。
【０００６】
例えば、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑か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・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。
【０００７】
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７に示すように、セパレータ１の面内に蛇行する反応ガス、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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）およびパッキン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。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−２６６９１１号公報（段落［００２６］〜［００２８］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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〜数百の発電セルが積層される場合には、ＳＵＳ板７の装着作業がさらに煩雑でか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。
【００１２】
しかも、連結流路６ａ、６ｂを覆ってＳＵＳ板７が装着されるために、この連結流路６ａ、６ｂの寸法を、前記ＳＵＳ板７の幅寸法より小さく設定することができない。従って、電極部面積率が低下して燃料電池全体の小型化および軽量化を図ることが困難である。
【００１３】
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、経済的かつコンパクトな構成で、所望のシール性および発電性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】
【００１４】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる。
【００１５】
一方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第１シールが一体化されるとともに、他方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第２シールが一体化される。そして、第１および第２シール間には、前記第１および第２シールが互いに接触した状態で、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通させる流路機能部が形成される。
【００１６】
この流路機能部は、第１および第２シールが接触することにより形成される流路であり、例えば、平面シールと凸状シールとの間、凸状シールと凸状シールとの間、平面シールと円形状または矩形状のボス部との間、または、ボス部とボス部との間等に形成される。
【００１７】
従って、第１および第２シール自体が反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通させる流路機能部を構成するため、専用の金属板（例えば、ＳＵＳ板）等が不要になる。これにより、金属板等の装着工程が削減されて燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。さらに、流路機能部の寸法を可及的に小さくすることができ、発電セル面内の電極部面積率を増加させることが可能になり、燃料電池の発電性能が容易に効率化される。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、流路機能部は、反応ガス流路と反応ガス連通孔との連通部位に対応して、少なくとも第１または第２シールに一体的に設けられる複数の凸状受部を備えている。このため、経済的かつ簡単な構成で、所望のシール性および発電性能を確保することができる。しかも、凸状受部は、他方のシールのシール機能に必要な面圧保持のための裏受け機能を有することが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１および第２シール間には、前記第１および第２シールが互いに接触した状態で、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路機能部が形成される。従って、第１および第２シール自体が冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路機能部を構成するため、専用の金属板（例えば、ＳＵＳ板）等が不要になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、流路機能部は、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との連通部位に対応して、少なくとも第１または第２シールに一体的に設けられる複数の凸状受部を備えている。これにより、経済的かつ簡単な構成で、所望のシール性および発電性能を確保することができるとともに、凸状受部は裏受け機能を有することが可能になる。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、所謂、段差ＭＥＡを構成している。
【００２２】
そして、第１シールは、電解質膜とセパレータとの間に配置される内側シールと、隣接するセパレータ間に配置される外側シールとを設ける。一方、第２シールは、第１シールの内側シールに対応する内側シールと、前記第１シールの外側シールに対応する内側シールとを設ける（本発明の請求項６に係る燃料電池）。これにより、発電セルの強度の向上を図るとともに、前記発電セル自体の薄型化が可能になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２シール自体が反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通させる流路機能部、または冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路機能部を構成するため、専用の金属板（例えば、ＳＵＳ板）等が不要になる。
【００２４】
これにより、金属板等の装着工程が削減されて燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。さらに、流路機能部の寸法を可及的に小さくすることができ、発電セル面内の電極部面積率を増加させることが可能になり、燃料電池の発電性能が容易に効率化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の前記発電セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００２６】
図２および図３に示すように、燃料電池１０は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている発電セル１２には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００２７】
図１に示すように、発電セル１２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に挟持されている。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おり、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２８】
発電セル１２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。
【００２９】
発電セル１２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。
【００３０】
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た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よりも小さな表面積を有している。
【００３１】
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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００３２】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる（図１および図４参照）。図５に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、後述するように、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方向に蛇行しながら鉛直上方向（矢印Ｃ方向）に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００３３】
図１および図６に示すように、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。
【００３４】
図１および図４に示すように、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の外周縁部を周回して、第１シール部材（第１シール）５０が一体化される。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、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。
【００３５】
第１シール部材５０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化される第１平面部５２と、前記第１金属セパレータ１８の面１８ｂに一体化される第２平面部５４とを備える。第２平面部５４は、第１平面部５２よりも長尺に構成される。
【００３６】
図２に示すように、第１平面部５２は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部５４は、カソード側電極４０に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図４に示すように、第１平面部５２は、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を酸化剤ガス流路４２に連通して形成される一方、第２平面部５４は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通して形成される。
【００３７】
第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、図５に示すように、この第２金属セパレータ２０の外周縁部を周回して、第２シール部材（第２シール）５６が一体化される。この第２シール部材５６は、第２金属セパレータ２０の外周端部に近接して面２０ａに設けられる外側シール５８ａを備え、この外側シール５８ａから内方に所定の距離だけ離間して内側シール５８ｂが設けられる。
【００３８】
外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂ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。外側シール５８ａは、第１金属セパレータ１８に設けられている第１平面部５２に接触する一方、内側シール５８ｂ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２参照）。
【００３９】
図５に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを囲繞する。内側シール５８ｂは、燃料ガス流路４４を囲繞するとともに、前記内側シール５８ｂと外側シール５８ａとの間には、電解質膜・電極構造体１６の外周端部が配置される。
【００４０】
第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、外側シール５８ａに対応する外側シール５８ｃと、内側シール５８ｂに対応する内側シール５８ｄとが設けられる（図６参照）。外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂと同様の形状を有している。
【００４１】
図５に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路４２とを連通させる入口流路機能部６０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通させる出口流路機能部６２とを備える。
【００４２】
入口流路機能部６０は、外側シール５８ａを矢印Ｃ方向に沿って断続的に切り欠くとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の凸状受部６４を備え、この受部６４が第１平面部５２に接触して、各受部６４間に酸化剤ガス用の連通路が構成される（図３参照）。出口流路機能部６２は、同様に外側シール５８ａを部分的に切り欠くとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の凸状受部６６を備える。受部６６は、第１平面部５２に接触して、各受部６６間に酸化剤ガス用の連通路が形成される。
【００４３】
入口流路機能部６０の受部６４と外側シール５８ｃのシール重合部６８とは、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで互いに重なり合っている。シール重合部６８とは、第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａの受部６４に重なり合う外側シール５８ｃの一部分をいう。受部６４は、シール重合部６８と交差する方向に延在しかつ前記シール重合部６８の幅寸法よりも長尺に構成されており、前記受部６４と前記シール重合部６８とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【００４４】
出口流路機能部６２は、上記の入口流路機能部６０と同様に構成されており、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで互いに重なり合う各受部６６と外側シール５８ｃのシール重合部７０とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される（図５参照）。
【００４５】
図６に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する入口流路機能部７２と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する出口流路機能部７４とが設けられる。入口流路機能部７２は、外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄを構成して矢印Ｃ方向に断続的に設けられるとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部７６を備える。
【００４６】
出口流路機能部７４は、同様に、外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄを構成して矢印Ｃ方向に断続的に設けられるとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部７８を備える。受部７６、７８は、第２平面部５４に接触して、各受部７６、７８間に冷却媒体用の連通路が形成される。
【００４７】
入口流路機能部７２は、面２０ａの外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂを構成するシール重合部８０ａ、８０ｂと、第２金属セパレータ２０を介装して重なり合っている。入口流路機能部７２を構成する各受部７６とシール重合部８０ａ、８０ｂとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【００４８】
同様に、出口流路機能部７４を構成する各受部７８は、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部８２ａ、８２ｂと重なり合っている。受部７８とシール重合部８２ａ、８２ｂとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【００４９】
図６に示すように、面２０ｂでは、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、入口流路機能部８４および出口流路機能部８６が設けられる。入口流路機能部８４は、矢印Ｃ方向に配列される複数の凸状受部８８を設ける一方、出口流路機能部８６は、同様に矢印Ｃ方向に配列される複数の凸状受部９０を備える。受部８８、９０は、第２平面部５４に接触して、各受部８８、９０間に燃料ガス用の連通路が形成される。
【００５０】
各受部８８は、第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部９２ａ、９２ｂと重なり合っている。各受部９０は、同様に第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部９４ａ、９４ｂと重なり合っている。
【００５１】
入口流路機能部８４とシール重合部９２ａ、９２ｂ、および出口流路機能部８６とシール重合部９４ａ、９４ｂは、それぞれ積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定され、具体的には、入口流路機能部７２と同様の構成を有している。入口流路機能部８４および出口流路機能部８６の近傍には、内側シール５８ｄの外方に位置して、それぞれ複数の供給孔部９６および排出孔部９８が形成される。供給孔部９６と排出孔部９８は、第２金属セパレータ２０の面２０ａで内側シール５８ｂの内方にかつ燃料ガス流路４４の入口側と出口側とに貫通形成される（図５参照）。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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（図３参照）、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・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から供給孔部９６を通って第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され（図２参照）、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・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。
【００５５】
従って、各電解質膜・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て発電が行われる。
【００５６】
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、排出孔部９８を通り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。
【００５７】
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。
【００５８】
この場合、本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから酸化剤ガス流路４２に酸化剤ガスを供給するために、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、入口流路機能部６０を構成する複数の受部６４が設けられている。この受部６４は、外側シール５８ａの一部を構成しており、図３に示すように、前記受部６４が第１金属セパレータ１８の面１８ａに設けられた第１平面部５２に接触して、各受部６６間に酸化剤ガス用の連通路が形成されている。
【００５９】
このため、入口流路機能部６０は、第２シール部材５６の一部（受部６４）と第１シール部材５０の一部（第１平面部５２）とから構成されており、この入口流路機能部６０を覆うために、従来のＳＵＳ板等の専用金属板を用いる必要がなく、前記金属板の装着工程が削減される。従って、燃料電池１０の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、経済的かつ簡単な構成で、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
さらに、入口流路機能部６０の寸法を可及的に小さくすることができ、発電セル１２の面内の電極部面積率を増加させることが可能になって、燃料電池１０の発電性能が容易に効率化される。
【００６１】
さらにまた、入口流路機能部６０は、第２シール部材５６に一体的に設けられる複数の受部６４を備えている。これにより、発電セル１２は、経済的かつ簡単な構成で、所望のシール性および発電性能を確保することができる。しかも、受部６４は、外側シール５８ａを構成するシール重合部６８のシール機能に必要な面圧を保持するための裏受け機能を有している。
【００６２】
なお、出口流路機能部６２においても、上記の入口流路機能部６０と同様の効果が得られる。また、入口流路機能部７２、８４および出口流路機能部７４、８６においても、同様の効果が得られる。
【００６３】
これにより、本実施形態では、燃料電池１０の発電性能の安定化を図るとともに、簡単な構成で、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル１２毎の発電性能の均一化および安定化が確実に図られるという効果が得られる。
【００６４】
また、入口流路機能部６０は、第１および第２シール部材５０、５６が接触することにより形成される流路であり、例えば、平面シールと凸状シールとの間、凸状シールと凸状シールとの間、平面シールと円形状または矩形状のボス部との間、または、ボス部とボス部との間等に形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の他の部位の要部断面説明図である。
【図４】前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されたシール構造の説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池                    １２…発電セル
１６…電解質膜・電極構造体        １８、２０…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔        ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔        ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜          ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極              ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路                ４６…冷却媒体流路
５０、５６…シール部材            ５２、５４…平面部
５８ａ、５８ｃ…外側シール        ５８ｂ、５８ｄ…内側シール
６０、７２、８４…入口流路機能部  ６２、７４、８６…出口流路機能部
６４、６６、７６、７８、８８、９０…受部
６８、７０、８０ａ、８０ｂ、８２ａ、８２ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ…シール重合部
９６…供給孔部                    ９８…排出孔部
【図１】
2008181888.tif 000003
【図２】
2008181888.tif 000004
【図３】
2008181888.tif 000005
【図４】
2008181888.tif 000006
【図５】
2008181888.tif 000007
【図６】
2008181888.tif 000008
【図７】
2008181888.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月4日(2008.4.4)
【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・電極構造体と一対の金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
一方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第１シールが一体化され、かつ、他方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第２シールが一体化されるとともに、
前記第１シールは、平面シールを構成する一方、前記第２シールは、凸状シールを構成し、
少なくとも前記第１または第２シールには、該第１および第２シールが互いに接触した状態で、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連通させる流路を構成するための複数の凸状受部が一体的に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、前記電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、
前記第１シールは、前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置される内側シールと、
隣接するセパレータ間に配置される外側シールと、
を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記第２シールは、前記第１シールの前記内側シールに対応する内側シールと、
前記第１シールの前記外側シールに対応する外側シールと、
を設け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】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
一方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第１シールが一体化されるとともに、他方の金属セパレータの両面には、外周縁部を覆って第２シールが一体化される。そして、第１シールは、平面シールを構成する一方、第２シールは、凸状シールを構成し、少なくとも前記第１または第２シールには、前記第１および第２シールが互いに接触した状態で、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路（以下、流路機能部ともいう）を構成するための複数の凸状受部が一体的に設けられる。
【手続補正３】
【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】
この流路は、第１および第２シールが接触することにより形成される流路であり、例えば、平面シールと凸状シールとの間、凸状シールと凸状シールとの間、平面シールと円形状または矩形状のボス部との間、または、ボス部とボス部との間等に形成される。
【手続補正４】
【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】
従って、第１および第２シール自体が冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路を構成するため、専用の金属板（例えば、ＳＵＳ板）等が不要になる。これにより、金属板等の装着工程が削減されて燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、所望のシール機能を確保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】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、流路は、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との連通部位に対応して、少なくとも第１または第２シールに一体的に設けられる複数の凸状受部を備えている。このため、経済的かつ簡単な構成で、所望のシール性および発電性能を確保することができる。しかも、凸状受部は、他方のシールのシール機能に必要な面圧保持のための裏受け機能を有することが可能になる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、所謂、段差ＭＥＡを構成している。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
そして、第１シールは、電解質膜とセパレータとの間に配置される内側シールと、隣接するセパレータ間に配置される外側シールとを設ける。一方、第２シールは、第１シールの内側シールに対応する内側シールと、前記第１シールの外側シールに対応する外側シールとを設ける。これにより、発電セルの強度の向上を図るとともに、前記発電セル自体の薄型化が可能になる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２シール自体が冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通させる流路を構成するため、専用の金属板（例えば、ＳＵＳ板）等が不要になる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
これにより、金属板等の装着工程が削減されて燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。