(57)【要約】【課題】複数の発電部を電気的に直列に接続することができ、簡単かつコンパクトな構成で、所望の電圧を確保することを可能にする。【解決手段】第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と、第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、金属拡散層５０を介して電気的に接続される一方、前記第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２と、前記第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４とは、樹脂製絶縁部６２を介して電気的に遮断される。同様に、第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、他の第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とは、金属拡散層５８を介して電気的に接続される。これにより、交互に配置されている第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６が電気的に直列に接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池であって、
少なくとも一方向に隣接する前記発電部は、一方の発電部のアノード側電極と他方の発電部のカソード側電極とが同一面側に配置され、
複数の前記発電部の両面を挟持する一対の金属拡散層が設けられるとともに、
前記金属拡散層は、隣接する発電部同士を電気的に直列に接続するために、所定の発電部間に配置される樹脂製絶縁部を備え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、複数の前記発電部が前記金属拡散層を介装して一対の電気絶縁性セパレータで挟持されるとともに、
少なくとも一方の電気絶縁性セパレータは、前記発電部に対向する面に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを交互に設け、反対の面に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路を設けることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、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）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種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】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面型燃料電池が採用されている。例えば、図１１に示す平面型燃料電池（特許文献１参照）では、電解質層１ａ〜１ｄを挟んで空気極（カソード極）２ａ〜２ｄと燃料極（アノード極）３ａ〜３ｄとを対設した複数個の単位セル４ａ〜４ｄを、同じ極が同じ面に並ぶように平面に配列している。単位セル４ａ〜４ｄは、導電性のＺ字状接続板５ａ〜５ｃにより接続されて、各単位セル４ａ〜４ｄが電気的に直列に接続されている。
【０００５】
具体的には、Ｚ字状接続板５ａが単位セル４ａの空気極２ａと単位セル４ｂの燃料極３ｂとを接続し、Ｚ字状接続板５ｂが単位セル４ｂの空気極２ｂと単位セル４ｃの燃料極３ｃとを接続し、Ｚ字状接続板５ｃが単位セル４ｃの空気極２ｃと単位セル４ｄの燃料極３ｄとを接続している。単位セル４ａの燃料極３ａは、陰極側電流端子６ａに接続される一方、単位セル４ｄの空気極２ｄは、陽極側電流端子６ｂに接続されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル４ａ〜４ｄを電気的に直列に接続するために、専用のＺ字状接続板５ａ〜５ｃが用いられており、単位セル数の増加に伴って多数のＺ字状接続板が必要となっている。このため、部品点数が相当に増加するとともに、シール構造等の信頼性を確保することが困難になるという問題が指摘されている。しかも、燃料電池の厚さ方向（矢印Ｔ方向）の寸法が拡大してしまい、燃料電池全体の小型化を図ることができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の発電部を電気的に直列に接続することができ、簡単かつコンパクトな構成で、所望の電圧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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、少なくとも一方向に隣接する発電部は、一方の発電部のアノード側電極と他方の発電部のカソード側電極とが同一面側に配置されている。そして、複数の発電部の両面を挟持する一対の金属拡散層が設けられるとともに、前記金属拡散層は、隣接する発電部同士を電気的に直列に接続するために、所定の発電部間に配置される樹脂製絶縁部を備えている。
【００１０】
このため、隣接する発電部同士は、一方の金属拡散層と他方の金属拡散層とにより交互に接続され、全体として複数の発電部が電気的に直列に接続されている。具体的には、隣接する第１の発電部のアノード側電極と第２の発電部のカソード側電極とが、第１の金属拡散層により接続され、隣接する第２の発電部のアノード側電極と第３の発電部のカソード側電極とが、第２の金属拡散層により接続されている。さらに、隣接する第３の発電部のアノード側電極と第４の発電部のカソード側電極とが、第１の金属拡散層により接続されている。
【００１１】
従って、金属拡散層自体が、発電部の電気的接続部材としての機能を有することができ、従来の専用Ｚ字状接続板が不要になる。これにより、部品点数を大幅に削減することが可能になって、特に多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、複数の発電部が金属拡散層を介装して一対の電気絶縁性セパレータで挟持されるとともに、少なくとも一方の電気絶縁性セパレータは、前記発電部に対向する面に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを交互に設け、反対の面に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路を設けている。
【００１３】
このため、冷却媒体流路を良好に電気的絶縁構造にすることができ、液絡や地絡等を確実に防止することが可能になる。従って、燃料電池専用冷却媒体やイオン交換器等の液絡防止装置が不要になり、冷却システムの簡素化およびコスト削減が図られるとともに、定期的なメンテナンスが不要になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
【００１５】
燃料電池１０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２拡散層１４、１６と、前記第１および第２拡散層１４、１６に積層される第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。
【００１６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、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２２ａと、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２４ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。
【００１７】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられるとともに、矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。
【００１８】
ＭＥＡユニット１２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２８を備える。この固体高分子電解質膜２８を共通の電解質として、第１電解質膜・電極構造体（発電部）３０、第２電解質膜・電極構造体（発電部）３２、第３電解質膜・電極構造体（発電部）３４および第４電解質膜・電極構造体（発電部）３６が構成される。
【００１９】
第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の一端縁部に位置し、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、４つ設けられる。図３に示すように、各第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の一方の面２８ａに設けられる長方形状のカソード側電極３８と、前記固体高分子電解質膜２８の他方の面２８ｂに設けられる長方形状のアノード側電極４０とを備える。カソード側電極３８およびアノード側電極４０は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が固体高分子電解質膜２８の面２８ａ、２８ｂに塗布されて構成される。
【００２０】
固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の他端縁部に位置して、例えば、４つの第２電解質膜・電極構造体３２が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。各第２電解質膜・電極構造体３２は、面２８ａに設けられるアノード側電極４０と、面２８ｂに設けられるカソード側電極３８とを備えるとともに、第１電解質膜・電極構造体３０と点対称の位置に設けられる。
【００２１】
第１電解質膜・電極構造体３０の近傍には、例えば、７つの第３電解質膜・電極構造体３４が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４は、正方形状のアノード側電極４２とカソード側電極４４とを備え、前記アノード側電極４２および前記カソード側電極４４は、アノード側電極４０およびカソード側電極３８の長辺の略半分の長さに設定される。アノード側電極４２は、面２８ａに設けられる一方、カソード側電極４４は、面２８ｂに設けられる。
【００２２】
第３電解質膜・電極構造体３４は、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して３列に設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４間および該第３電解質膜・電極構造体３４と第２電解質膜・電極構造体３２間に第４電解質膜・電極構造体３６が形成される。
【００２３】
第４電解質膜・電極構造体３６は、上記の第３電解質膜・電極構造体３４と同様に構成されており、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して３列に設けられる。第４電解質膜・電極構造体３６は、面２８ａに設けられるカソード側電極４４と、面２８ｂに設けられるアノード側電極４２とを備えている。
【００２４】
図１に示すように、固体高分子電解質膜２８の両方の面２８ａ、２８ｂには、シリコンフィルム４６ａ、４６ｂが積層されており、前記シリコンフィルム４６ａ、４６ｂに第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応する切り抜き部４８ａ、４８ｂが形成されている。
【００２５】
図４に示すように、第１拡散層１４は、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタンまたはニッケル等の金属材料性の発泡体で形成される金属拡散層５０と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂で形成される樹脂層５２とを備える。
【００２６】
金属拡散層５０は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応して形成されている。この金属拡散層５０内には、第１および第３電解質膜・電極構造体３０、３４の間、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の間、並びに第４および第２電解質膜・電極構造体３６、３２間に配置され、矢印Ｂ方向に断続的に延在する樹脂製絶縁部５４が設けられる。
【００２７】
樹脂製絶縁部５４は、矢印Ｃ方向に配列された各発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を、それぞれ１つおきに電気的に絶縁するように設けられる。具体的には、矢印Ｃ方向に隣り合う第１電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極３８と第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００２８】
矢印Ｃ方向に互いに隣り合う第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とは、矢印Ｂ方向に対して電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。同様に、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と第２電解質膜・電極構造体３２のアノード側電極４０とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００２９】
第１電解質膜・電極構造体３０から第２電解質膜・電極構造体３２に向かって矢印Ｃ方向に延在する樹脂製絶縁部５６が設けられる。この樹脂製絶縁部５６は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６を矢印Ｂ方向に１つずつ電気的に絶縁するように設けられる。
【００３０】
図５に示すように、第２拡散層１６は、第１拡散層１４と同様に、金属拡散層５８と樹脂層６０とを備える。金属拡散層５８内には、矢印Ｂ方向に断続的に設けられ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して配列される複数本の樹脂製絶縁部６２と、矢印Ｃ方向に延在し、かつ矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して配列される樹脂製絶縁部６４とが設けられる。
【００３１】
第１および第２拡散層１４、１６が積層された状態では、樹脂製絶縁部６２と樹脂製絶縁部５４とが交互に配置される。金属拡散層５８には、対角位置に対応して接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂが、樹脂層６０を含浸して設けられる。接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂは、金属部分が表面に露出するように形成される。
【００３２】
図２に示すように、ＭＥＡユニット１２が第１および第２拡散層１４、１６で挟持されると、矢印Ｃ方向に沿って第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とが、金属拡散層５０を介して１つおきに電気的に接続される。一方、第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とが、金属拡散層５８を介して１つおきに電気的に接続される。
【００３３】
金属拡散層５０、５８では、樹脂製絶縁部５４、６２が交互に設けられることにより、矢印Ｃ方向に配列される第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６は、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２間で電気的に直列に接続される。図３に示すように、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２は、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の矢印Ｂ方向の長さの２倍の長さに設定されている。ＭＥＡユニット１２では、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、図３中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続される。
【００３４】
図２および図６に示すように、第１セパレータ１８のＭＥＡユニット１２に対向する面１８ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路７０と燃料ガス流路７２とが矢印Ｃ方向に交互に形成される。酸化剤ガス流路７０は、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に矢印Ｃ方向に延在する連結流路７４ａ、７４ｂが連通する。連結流路７４ａは酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路７４ｂは酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００３５】
燃料ガス流路７２は、同様に第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に形成されたそれぞれ複数個の貫通孔７６ａ、７６ｂに連通する。図１に示すように、第１セパレータ１８の他方の面１８ｂには、複数の貫通孔７６ａに一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路７８ａが設けられ、この連結流路７８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面１８ｂには、複数の貫通孔７６ｂに一体的に連通して矢印Ｃ方向に長尺な連結流路７８ｂが形成され、この連結流路７８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００３６】
図１、図２および図７に示すように、第２セパレータ２０のＭＥＡユニット１２に対向する面２０ａには、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応して矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路８０と、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応して矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８２とが形成される。
【００３７】
酸化剤ガス流路８０は、複数本の流路溝を有しており、矢印Ｂ方向両端には、矢印Ｃ方向に延在する連結流路８４ａ、８４ｂが連通する。連結流路８４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路８４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００３８】
燃料ガス流路８２は、複数本の流路溝を備えており、矢印Ｂ方向両端にはそれぞれ複数の貫通孔８６ａ、８６ｂが連通する。図８に示すように、第２セパレータ２０の他方の面２０ｂには、複数の貫通孔８６ａを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ａが形成され、この連結流路８８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面２０ｂには、複数の貫通孔８６ｂを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ｂが形成され、この連結流路８８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００３９】
面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔２６ａと、冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路９０が形成される。この冷却媒体流路９０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝を備えており、前記冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向一端は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ａを介して冷却媒体入口連通孔２６ａに連通する。一方、冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向他端部は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通する。
【００４０】
図７に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａには、第２拡散層１６の接続端子部６６ａ、６６ｂに接続される端子部９４ａ、９４ｂと、接続端子部６８ａ、６８ｂに接続される端子部９６ａ、９６ｂとが組み込まれる。
【００４１】
このように構成される燃料電池１０を組み付ける作業について、以下に説明する。
【００４２】
まず、１枚の固体高分子電解質膜２８の両方の面２８ａ、２８ｂにシリコンフィルム４６ａ、４６ｂが貼り付けられる。このシリコンフィルム４６ａ、４６ｂには、発電部である第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６に対応した切り抜き部４８ａ、４８ｂが形成されている。なお、シリコンフィルム４６ａ、４６ｂに代替して、ポリイミド等の薄膜を用いてもよい。
【００４３】
次に、シリコンフィルム４６ａにカソード側電極触媒とアノード側電極触媒とが交互に矢印Ｂ方向に向かって塗布される一方、シリコンフィルム４６ｂには、カソード側電極触媒とアノード側電極触媒とがシリコンフィルム４６ａとは逆の位置に交互に塗布される。これにより、固体高分子電解質膜２８を挟んでカソード側電極３８、４４とアノード側電極４０、４２とが対向して設けられ、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６がそれぞれ所定の個数ずつ形成されたＭＥＡユニット１２が製造される。
【００４４】
そこで、ＭＥＡユニット１２の両方の面に第１拡散層１４と第２拡散層１６とが配置されるとともに、前記第１および第２拡散層１４、１６に第１および第２セパレータ１８、２０が重ね合わされる。さらに、図示しない締め付け手段を介して、第１および第２セパレータ１８、２０間が所定の締め付け圧力で保持されることにより、燃料電池１０が構成される。
【００４５】
この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜２８の面２８ａ、２８ｂにカソード側電極３８、４４およびアノード側電極４０、４２が塗布され、それぞれ複数の第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が平面状に配設されたＭＥＡユニット１２が製造されている。そして、ＭＥＡユニット１２が第１および第２拡散層１４、１６で挟持されることにより、金属拡散層５０、５８と樹脂製絶縁部５４、５６、６２および６４とを介して第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が電気的に直列に接続される（図３参照）。
【００４６】
具体的には、図２に示すように、矢印Ｃ１方向先端側の第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と、これに矢印Ｃ２方向に隣接する第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、金属拡散層５０を介して電気的に接続される。一方、前記第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２と前記第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４とは、樹脂製絶縁部６２を介して電気的に絶縁される。
【００４７】
さらに、この第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、これに矢印Ｃ２方向に隣接する第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とは、金属拡散層５８を介して電気的に接続される。一方、前記第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と、前記第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とは、樹脂製絶縁部５４を介して電気的に遮断される。
【００４８】
同様に、この第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と、これに矢印Ｃ２方向に隣接する第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、金属拡散層５０を介して電気的に接続される。一方、前記第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２と、前記第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４とは、樹脂製絶縁部６２を介して電気的に遮断される。
【００４９】
これにより、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６は、ＭＥＡユニット１２内で、図３中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続され、最先端の第１電解質膜・電極構造体３０ａと最後端の第２電解質膜・電極構造体３２ａとの間に、所定の電圧を確保することが可能になる。
【００５０】
その際、金属拡散層５０、５８自体が電極用接続部材としての機能を有しており、従来のＺ字状接続板が不要になる。このため、部品点数を大幅に削減することが可能になり、特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０全体の構成が簡素化され、前記燃料電池１０の小型化が容易に図られる。
【００５１】
さらにまた、例えば、電気絶縁材で構成される第２セパレータ２０の面２０ｂに冷却媒体流路９０が形成されるとともに、冷却媒体入口連通孔２６ａおよび冷却媒体出口連通孔２６ｂが絶縁材に形成されている。これにより、冷却媒体流路９０を含む冷却媒体回路を良好に電気的絶縁構造にすることができ、冷却媒体を介して液絡や地絡等が発生することを確実に防止することが可能になる。
【００５２】
従って、燃料電池専用冷却媒体やイオン交換器等の液絡防止装置が不要になり、冷却システムの簡素化およびコストの削減が図られるとともに、定期的なメンテナンスが不要になるという利点が得られる。
【００５３】
次に、上記の燃料電池１０の動作について説明する。
【００５４】
まず、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、冷却媒体入口連通孔２６ａ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。
【００５５】
このため、酸化剤ガスは、図６に示すように、第１セパレータ１８の面１８ａに形成される連結流路７４ａから酸化剤ガス流路７０に供給され、矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５６】
また、酸化剤ガスは、図７に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａに形成される連結流路８４ａから酸化剤ガス流路８０に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路８４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５７】
一方、燃料ガスは、図１に示すように、第１セパレータ１８の面１８ｂに形成される連結流路７８ａに導入され、この連結流路７８ａに連通する複数の貫通孔７６ａを通って面１８ａに形成される燃料ガス流路７２に導入される（図６参照）。この燃料ガス流路７２では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔７６ｂを通って面１８ｂ側の連結流路７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００５８】
また、燃料ガスは、図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ｂに設けられる連結流路８８ａに導入され、この連結流路８８ａに連通する複数の貫通孔８６ａを通って面２０ａ側に導入される。図７に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路８２を矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔８６ｂから面２０ｂに設けられる連結流路８８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００５９】
従って、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６では、カソード側電極３８、４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０、４２に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子部９４ａ、９６ａ間には、全ての発電部である第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。なお、出力電圧を下げる際には、端子部９４ｂ、９６ａ間、端子部９４ｂ、９６ｂ間、または端子部９４ａ、９６ｂ間から電圧を得ればよい。
【００６０】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の一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。
【００６１】
燃料電池１００は、第１および第２セパレータ１８、２０間に第１および第２拡散層１４、１６を介装して挟持されるＭＥＡユニット１０２を備える。図１０に示すように、ＭＥＡユニット１０２は、所定数の第１電解質膜・電極構造体１０４と、所定数の第２電解質膜・電極構造体１０６と、前記第１および第２電解質膜・電極構造体１０４、１０６間に矢印Ｃ方向に交互に配置されるそれぞれ所定数の第３電解質膜・電極構造体１０８と第４電解質膜・電極構造体１１０とを備える。
【００６２】
第１〜第４電解質膜・電極構造体１０４〜１１０は、それぞれ個別に構成されており、シリコンフィルム１１２を介してスプレーやコーター等で多層塗工により構成される。具体的には、シリコンフィルム１１２では、電極部形状に対応する切り抜き部１１４が形成されており、まず、このシリコンフィルム１１２に第１および第２電解質膜・電極構造体１０４、１０６のアノード側電極４０およびカソード側電極３８と、第３および第４電解質膜・電極構造体１０８、１１０のカソード側電極４４およびアノード側電極４２が塗工される。
【００６３】
次に、シリコンフィルム１１２に切り抜き部１１４を介して固体高分子電解質膜２８が塗工された後、第１および第２電解質膜・電極構造体１０４、１０６のカソード側電極３８およびアノード側電極４０と、第３および第４電解質膜・電極構造体１０８、１１０のアノード側電極４２およびカソード側電極４４が塗工される。これにより、シリコンフィルム１１２には、それぞれ個別に構成される第１〜第４電解質膜・電極構造体１０４〜１１０が形成される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態では、シリコンフィルム１１２に形成された切り抜き部１１４に、電極触媒およびイオン交換膜をスプレーやコーター等で多層塗工することにより、ＭＥＡユニット１０２が構成される。従って、このＭＥＡユニット１０２の製造作業が一層容易に遂行されるという効果が得られる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、隣接する発電部同士が、一方の金属拡散層と他方の金属拡散層とにより交互に接続され、全体として複数の発電部が電気的に直列に接続されている。従って、金属拡散層自体が、発電部の電気的接続部材としての機能を有することができ、従来のＺ字状接続板が不要になる。
【００６６】
これにより、部品点数を大幅に削減することが可能になって、特に多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【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】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１拡散層の正面図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２拡散層の正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】前記第２セパレータの他方の面の正面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図１０】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの分解斜視図である。
【図１１】従来技術に係る平面型燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池                １２、１０２…ＭＥＡユニット
１４、１６…拡散層                    １８、２０…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜
３０、３０ａ、３２、３２ａ、３４、３６、１０４、１０６、１０８、１１０…電解質膜・電極構造体
３８、４４…カソード側電極            ４０、４２…アノード側電極
５０、５８…金属拡散層                ５２、６０…樹脂層
５４、５６、６２、６４…樹脂製絶縁部  ７０、８０…酸化剤ガス流路
７２、８２…燃料ガス流路
７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ、９２ａ、９２ｂ…連結流路
７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ…貫通孔
９０…冷却媒体流路                    １１２…シリコンフイルム
【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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