(57)【要約】【課題】簡単かつコンパクトな構成で、発電効率を有効に向上させることを可能にする。【解決手段】金属セパレータ１３には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを連通して冷却媒体流路４２が形成される。冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂは、冷却媒体流路４２に連通する略四角形状の第１連通部２５ａ、２５ｂ、前記第１連通部２５ａ、２５ｂに一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部２７ａ、２７ｂとを備える。第１連通部２５ａ、２５ｂと第２連通部２７ａ、２７ｂとは、互いに高さ方向にオフセットして構成されている。【選択図】図１
2004172004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータには、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通し、該セパレータの面方向に延在する冷却媒体流路が形成され、
前記冷却媒体入口連通孔および前記冷却媒体出口連通孔は、前記冷却媒体流路に連通する略四角形状の第１連通部と、
前記第１連通部に一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部と、
を備えるとともに、
前記第１連通部の略中央位置と前記第２連通部の略中央位置とは、互いに高さ方向にオフセットして構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、前記セパレータには、互いに位置決めして積層するための第１および第２位置決め用孔部が設けられ、
前記セパレータの面方向一端部には、前記冷却媒体入口連通孔と前記第１位置決め用孔部とが隣接して設けられるとともに、
前記セパレータの面方向他端部には、前記冷却媒体出口連通孔と前記第２位置決め用孔部とが隣接して設けられ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１位置決め用孔部と前記第２位置決め用孔部とは、セパレータ面内の対角位置に設けられるとともに、
前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とは、略対称形状に構成され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、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなる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膜・電極構造体（電解質・電極構造体）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（反応ガス）、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、電解質膜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（反応ガス）、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、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の組み立て方法では、図１０に示すように、単位セル１を構成するカーボンプレート（セパレータ）２ａ、２ｂ間に電解質膜３が介装されるとともに、前記電解質膜３の両面には、シールプレート４ａ、４ｂを介装して触媒電極５ａ、５ｂが積層されている。
【０００６】
単位セル１には、積層方向（矢印Ｘ方向）に貫通して、例えば、酸化剤ガス用のガス入口マニホールド６ａとガス出口マニホールド６ｂとが形成されるとともに、前記ガス入口マニホールド６ａと前記ガス出口マニホールド６ｂとは、カーボンプレート２ａの触媒電極５ａに対向する面に形成されたガス通路溝８ａを介して貫通している。
【０００７】
単位セル１には、例えば、燃料ガス用のガス入口マニホールド７ａとガス出口マニホールド７ｂとが形成されるとともに、カーボンプレート２ｂの触媒電極５ｂに対向する面には、前記ガス入口マニホールド７ａと前記ガス出口マニホールド７ｂとを連通するガス通路溝８ｂが形成されている。単位セル１の各角部には、図示しないノックピンを挿入するための位置決め穴９が形成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−７６２７号公報（段落［０００８］〜［００１０］、図４）
【０００９】
【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、触媒電極５ａ、５ｂの周囲にガス入口マニホールド６ａ、７ａおよびガス出口マニホールド６ｂ、７ｂが形成されるとともに、各角部近傍にノックピン挿入用の位置決め穴部９が形成されている。このため、触媒電極５ａ、５ｂの発電面積に対して、カーボンプレート２ａ、２ｂの面積が相当に増大してしまい、単位セル１全体が大型化するという問題がある。これにより、複数の単位セル１を積層して燃料電池スタックを構成する際に、この燃料電池スタックの発電効率が著しく低下するという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、発電効率を有効に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、セパレータには、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とに連通し、前記セパレータの面方向に延在する冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体流路に連通する略四角形状の第１連通部と、前記第１連通部に一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部とを備えている。
【００１２】
その際、第１連通部の略中央位置と第２連通部の略中央位置とは、互いに高さ方向にオフセットしている。このため、例えば、第２連通部は、ノック孔やバッファ部等に干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部は、冷却媒体流路の幅方向中央部に形成することが可能である。
【００１３】
従って、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路に沿って均一かつ円滑に供給することができる。これにより、燃料電池全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔の開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上する。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータには、互いに位置決めして積層するための第１および第２位置決め用孔部が設けられている。セパレータの面方向一端部には、冷却媒体入口連通孔と第１位置決め用孔部とが隣接して設けられるとともに、前記セパレータの面方向他端部には、冷却媒体出口連通孔と第２位置決め用孔部とが隣接して設けられている。
【００１５】
このため、セパレータ面内には、反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔、冷却媒体出口連通孔、第１位置決め用孔部および第２位置決め用孔部を効率的に形成することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１位置決め用孔部と第２位置決め用孔部とは、セパレータ面内の対角位置に設けられている。これにより、第１および第２位置決め用孔部を使用して、隣り合うセパレータ同士を確実かつ高精度に位置決めすることができる。一方、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とは、略対称形状に構成されている。このため、冷却媒体流路に対する冷却媒体の出入りが同一条件で行われ、冷却媒体流路全体にわたって前記冷却媒体を円滑に流動させることが可能になる。
【００１７】
【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の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００１８】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、金属セパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、この金属セパレータ１３は、互いに積層される横長な第１および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００１９】
図１に示すように、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（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
冷却媒体入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、燃料電池１０を積層方向に位置決めするための第１位置決め用孔部１８ａが矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。冷却媒体入口連通孔２２ａは、後述する冷却媒体流路４２に連通する略四角形状の第１連通部２５ａと、この第１連通部２５ａに一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部２７ａとを備える。第１連通部２５ａおよび第２連通部２７ａは、それぞれの角部にＲ（曲率）が設けられており、冷却媒体の流れを円滑にする機能を有する。
【００２１】
図３に示すように、第１連通部２５ａの略中央位置Ｐ１と第２連通部２７ａの略中央位置Ｐ２とは、互いに高さ方向（矢印Ｃ方向）にオフセットして設定されている。第２連通部２７ａは、第１連通部２５ａよりも上方（矢印Ｃ１方向）に距離Ｈだけ離間して配置される。
【００２２】
燃料電池１０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（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間には、燃料電池１０を組み立てる際に位置決めを行うための第２位置決め用孔部１８ｂが、矢印Ａ方向に連通して設けられる。冷却媒体出口連通孔２２ｂは、冷却媒体入口連通孔２２ａと同様に、後述する冷却媒体流路４２に連通する略四角形状（Ｒを有する）の第１連通部２５ｂと、前記第１連通部２５ｂに連通する略四角形状（Ｒを有する）の第２連通部２７ｂとを備える。
【００２４】
第１連通部２５ｂの略中央位置Ｐ１と第２連通部２７ｂの略中央位置Ｐ２とは、互いに矢印Ｃ方向にオフセットしている。第１連通部２５ｂは、第２連通部２７ｂよりも上方向（矢印Ｃ１方向）に距離Ｈだけ離間して設けられる。
【００２５】
冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂには、第１連通部２５ａ、２５ｂが冷却媒体流路４２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成されるとともに、第２連通部２７ａ、２７ｂが第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に設けられる。
【００２６】
第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂは、燃料電池１０の矢印Ｂ方向両端部に対角位置に設けられる一方、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、略対称形状に構成される。
【００２７】
図１および図２に示すように、電解質膜・電極構造体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２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２８】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２９】
図１および図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４および出口バッファ部３６は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス３４ａ、３６ａを設ける。
【００３０】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。具体的には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、例えば、２回の折り返し部位Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。
【００３１】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００３２】
第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向両側近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状の出口バッファ部４８、５０とを備える。
【００３３】
入口バッファ部４４と出口バッファ部５０とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部４８とは、互いに略対称形状に構成される。入口バッファ部４４、入口バッファ部４６、出口バッファ部４８および出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００３４】
冷却媒体入口連通孔２２ａの第１連通部２５ａと入口バッファ部４４、４６とは、第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂの第１連通部２５ｂと出口バッファ部４８、５０とは、第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。第１の入口連絡流路５２は、例えば、２本の流路溝を備えるとともに、第２の入口連絡流路５４は、例えば、６本の流路溝を備えている。同様に、第１の出口連絡流路５６は、６本の流路溝を設ける一方、第２の出口連絡流路５８は、２本の流路溝を設けている。
【００３５】
第１の入口連絡流路５２の流路本数と第２の入口連絡流路５４の流路本数とは、２本と６本とに限定されるものではなく、また、それぞれの流路本数が同一に設定されていてもよい。第１および第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。
【００３６】
入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。
【００３７】
直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９０を介して連通する。
【００３８】
冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１および第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。
【００３９】
なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状部分の図示は省略する。また、図６に示す面１６ａも同様に、面１６ｂに形成された後述する燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分の図示は省略する。
【００４０】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の第１の入口連絡流路５２を介して連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の第２の出口連絡流路５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。
【００４１】
入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００４２】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。
【００４３】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８とが設けられる。
【００４４】
入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００４５】
冷却媒体流路４２では、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部がそれぞれの溝部６０ａ〜７８ａおよび６０ｂ〜７８ｂに互いに対向することにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図４参照）。直線状流路溝８０〜９４は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞する線状シール４０ａが介装されている。
【００４６】
図１に示すように、金属セパレータ１３は、第１および第２金属プレート１４、１６が積層された状態で、入口バッファ部３４、４６が互いに重なり合う一方、出口バッファ部３６、４８が互いに重なり合っている。
【００４７】
図７に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部１００とを備える。
【００４８】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス９８ａ、１００ａを設けており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、例えば、２回の折り返し部位Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞する線状シール４０ｂが設けられる。
【００４９】
図５および図７に示すように、第１金属プレート１４の面１４ｂに形成される入口バッファ部４４と、第２金属プレート１６の面１６ｂに形成される出口バッファ部１００とが重なり合う一方、前記面１４ｂの出口バッファ部５０と前記面１６ｂの入口バッファ部９８とが重なり合うように構成される。
【００５０】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａには、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２０ａには、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２２ａには、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。
【００５２】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。
【００５３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図７に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。
【００５４】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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、発電が行われる。
【００５５】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５６】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。
【００５７】
入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０および７６、７８に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって供給された後、出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０の長手方向（矢印Ｂ方向）両端に第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂが設けられている。このため、図示しないノックピンを第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに挿入することにより、電解質膜・電極構造体１２と金属セパレータ１３とが互いに位置決めされて矢印Ａ方向に積層され、燃料電池１０が得られる。さらに、各燃料電池１０の第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂにノックピン（図示せず）が挿入されることによって、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層した燃料電池スタックが組み付けられる。ノックピンは、樹脂材料等の絶縁材で形成されている。
【００５９】
その際、燃料電池１０では、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂが、冷却媒体流路４２に連通する略四角形状の第１連通部２５ａ、２５ｂと、前記第１連通部２５ａ、２５ｂに一部分が重なり合うように互いに矢印Ｃ方向にオフセットして連通する略四角形状の第２連通部２７ａ、２７ｂとを備えている。
【００６０】
このため、第２連通部２７ａ、２７ｂは、第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部２５ａ、２５ｂを冷却媒体流路４２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成することが可能となる。従って、金属セパレータ１３の面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路４２に沿って均一かつ円滑に供給することができるという効果が得られる。その際、第１連通部２５ａ、２５ｂおよび第２連通部２７ａ、２７ｂは、それぞれの角部にＲ（曲率）が設けられており、冷却媒体の流れを一層に円滑にすることが可能になる。
【００６１】
これにより、燃料電池１０全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂの開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上し、冷却効率を有効に維持することが可能になる。
【００６２】
さらに、第１位置決め用孔部１８ａと第２位置決め用孔部１８ｂとは、燃料電池１０の対角位置に設けられている。このため、燃料電池１０全体を確実かつ容易に位置決めすることができる。一方、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、略対称形状に構成されている。これにより、冷却媒体流路４２に対する冷却媒体の出入りが同一条件で行われ、冷却媒体流路４２全体にわたって前記冷却媒体を円滑に流動させることが可能になるという利点がある。
【００６３】
なお、第１の実施形態では、燃料電池１０に図示しないノックピンを挿入するための第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂを設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、第１金属プレート１４に前記第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂを設ける一方、第２金属プレート１６に突部を設け、該第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに前記突部を挿入して金属セパレータ１３の位置決めを行うようにしてもよい。
【００６４】
また、各燃料電池１０毎に第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに挿入される位置決めピンを設け、各位置決め用ピン同士を連結して燃料電池スタック全体の位置決めを行うように構成してもよい。
【００６５】
さらにまた、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂは、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するために、他の連通孔の形状やバッファ部の形状等に対応して第１連通部２５ａ、２５ｂと第２連通部２７ａ、２７ｂとを互いにオフセットして設けてもよい。
【００６６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１１０の正面図である。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００６７】
第１金属プレート１１０は、冷却媒体入口連通孔１１２ａと冷却媒体出口連通孔１１２ｂとを備えており、前記冷却媒体入口連通孔１１２ａは、略四角形状の第１連通部１１４ａと、この第１連通部１１４ａに一部分を重ね合わせるように連通する略菱形形状の第２連通部１１６ａとを備える。第２連通部１１６ａは、第１連通部１１４ａ側に向かって傾斜する傾斜面１１８ａを有し、冷却媒体を前記第１連通部１１４ａに円滑に供給することができる。
【００６８】
冷却媒体出口連通孔１１２ｂは、同様に、略四角形状の第１連通部１１４ｂと、この第１連通部１１４ｂに一部分を重ね合わせるように連通する略菱形形状の第２連通部１１６ｂとを備える。第２連通部１１６ｂは、第１連通部１１４ｂ側に向かって傾斜する傾斜面１１８ｂを有する。
【００６９】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視図である。燃料電池１２０は、電解質膜（電解質）・電極構造体１２２と、前記電解質膜・電極構造体１２２を挟持する第１および第２セパレータ１２４、１２６とを備える。電解質膜・電極構造体１２２と第１および第２セパレータ１２４、１２６との間には、ガスケット等のシール部材１２８が介装されている。第１および第２セパレータ１２４、１２６は、金属プレートの他、例えば、カーボンプレートで構成してもよい。
【００７０】
第１セパレータ１２４の電解質膜・電極構造体１２２側の面１２４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路１３０が形成される。この燃料ガス流路１３０は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。第１セパレータ１２４の面１２４ａとは反対の面１２４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路１３２が形成される。この冷却媒体流路１３２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００７１】
第２セパレータ１２６の電解質膜・電極構造体１２２側の面１２６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路１３４が設けられる。酸化剤ガス流路１３４は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂが、第１連通部２５ａ、２５ｂと第２連通部２７ａ、２７ｂとを備えている。この第１連通部２５ａ、２５ｂは、冷却媒体流路１３２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成される一方、この第２連通部２７ａ、２７ｂは、第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に効率的に設けられる。これにより、所望の冷却効率を維持して燃料電池１２０全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体流路に連通する略四角形状の第１連通部と、前記第１連通部に高さ方向にオフセットして連通する略四角形状の第２連通部とを備えている。このため、第２連通部は、第１および第２位置決め用孔部に干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部は、冷却媒体流路の幅方向中央部に形成することが可能である。
【００７４】
従って、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路に沿って均一かつ円滑に供給することができる。これにより、燃料電池全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔の開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上する。
【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図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図７】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１０】従来技術に係る燃料電池の組み立て方法を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１０、１２０…燃料電池          １２、１２２…電解質膜・電極構造体
１３…金属セパレータ            １４、１６、１１０…金属プレート
１８ａ、１８ｂ…位置決め用孔部  ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔    ２２ａ、１１２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ、１１２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔      ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…連通部
２６…固体高分子電解質膜        ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極            ３２、１３４…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００…出口バッファ部
３８ａ〜３８ｃ…酸化剤ガス流路溝
４２、１３２…冷却媒体流路      ９６、１３０…燃料ガス流路
１０２ａ〜１０２ｃ…燃料ガス流路溝
１１８ａ、１１８ｂ…傾斜面      １２４、１２６…セパレータ
【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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