(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体が第１のセパレータと第２のセパレータとに挟持される単位セルを備え、前記第１及び第２のセパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、前記第１のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記第１のセパレータには、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する通路部が形成され、
前記通路部は、前記第１のセパレータを貫通し、前記反応ガス連通孔に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第１開口部と、
前記第１のセパレータを貫通し、前記反応ガス流路に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第２開口部と、
一方の単位セルを構成する前記第１のセパレータと前記一方の単位セルに隣接する他方の単位セルを構成する前記第２のセパレータとの間に形成され、前記第１開口部と前記第２開口部とに連通する連結通路と、
を有す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、前記反応ガス連通孔と前記第１開口部とを前記電解質・電極接合体の一方の電極面側から連通する通路と、
前記一方の電極面側とは反対の面側で前記第１開口部と前記第２開口部とを連通する連結通路と、
が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記単位セル毎に、又は２以上の前記単位セル毎に、セパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池において、前記連結通路は、シール部材で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池において、前記一方の電極面側には、前記第１開口部と前記第２開口部との間を遮蔽するシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池において、前記通路は、シール部材で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、電解質膜の両側に第１の電極と該第１の電極よりも大きな表面積を有する第２の電極とを配設した段差型、電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜及び前記一対の電極が同一の表面積を有する全面型、又は電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜が前記一対の電極よりも大きな表面積を有する膜突出型のいずれかであることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体が第１のセパレータと第２のセパレータとに挟持される単位セルを複数積層し、前記第１及び第２のセパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、前記第１のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
２以上の前記単位セル毎に、セパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられ、
前記単位セルを構成し互いに隣接する前記第１及び第２のセパレータ間には、前記反応ガス連通孔に連通する共通通路が形成されるとともに、
前記第１のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する第１の反応ガス流路と、
前記第１のセパレータを貫通し、前記共通通路に連通して前記反応ガスを通過させる第１開口部と、
前記第１のセパレータを貫通し、前記第１の反応ガス流路に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第２開口部と、
一方の単位セルを構成する前記第１のセパレータと前記一方の単位セルに隣接する他方の単位セルを構成する前記第２のセパレータとの間に形成され、前記第１開口部と前記第２開口部とに連通する連結通路と、
が設けられ、
前記第２のセパレータには、前記一方の反応ガスを他の電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する第２の反応ガス流路と、
前記第２のセパレータを貫通し、前記共通通路と前記第２の反応ガス流路とを連通する開口部と、
が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔と前記第１開口部とを前記電解質・電極接合体の一方の電極面側から連通する通路と、
前記一方の電極面側とは反対の面側で前記第１開口部と前記第２開口部とを連通する連結通路と、
が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池において、前記連結通路は、シール部材で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池において、前記一方の電極面側には、前記第１開口部と前記第２開口部との間を遮蔽するシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項８記載の燃料電池において、前記共通通路は、シール部材で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項８記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、電解質膜の両側に第１の電極と該第１の電極よりも大きな表面積を有する第２の電極とを配設した段差型、電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜及び前記一対の電極が同一の表面積を有する全面型、又は電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜が前記一対の電極よりも大きな表面積を有する膜突出型のいずれかであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体に隣接して配設され、少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が貫通形成されるとともに、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池用セパレータであって、
セパレータには、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する通路部が形成され、
前記通路部は、前記セパレータを貫通し、前記反応ガス連通孔に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第１開口部と、
前記セパレータを貫通し、前記反応ガス流路に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第２開口部と、
一方の燃料電池を構成する前記第１のセパレータと前記一方の単位セルに隣接する他方の燃料電池を構成する前記第２のセパレータとの間に形成され、前記第１開口部と前記第２開口部とに連通する連結通路と、
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１５】
請求項１４記載のセパレータにおいて、前記セパレータの一方の面には、前記一方の反応ガスである燃料ガスを流す前記反応ガス流路である燃料ガス流路が形成されるとともに、
前記セパレータの他方の面には、前記電解質・電極接合体の他方の電極面方向に沿ってに他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設される単位セルを備えるとともに、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成される燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【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からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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】
上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、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燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）と、酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）とが形成されている。
【０００４】
この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路（ブリッジ部に形成された反応ガス流路）を介して連通している。ところが、セパレータと電解質膜・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するおそれがある。これにより、所望のシール性を維持することができず、しかも連結流路が閉塞されて反応ガスが良好に流れないという問題がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に開示されている電気化学燃料電池スタックでは、図２１に示すように、アノードセパレータプレート１ａ、１ｂと、カソードセパレータプレート２ａ、２ｂとを備えている。ＭＥＡ３は、アノード３ａがアノードセパレータプレート１ａに接触する一方、カソード３ｂがカソードセパレータプレート２ａに接触して配置されている。
【０００６】
ＭＥＡ３は、シール４を備えており、スタックの積層方向に貫通して燃料ガスマニホールド５ａと酸化剤ガスマニホールド５ｂとが形成されている。燃料ガスマニホールド５ａは、カソードセパレータプレート２ｂとアノードセパレータプレート１ａとの間に形成される燃料ガス通路６ａから開口７ａを介して燃料ガス流路８ａに連通している。酸化剤ガスマニホールド５ｂは、同様にアノードセパレータプレート１ｂとカソードセパレータプレート２ａとの間に形成される酸化剤ガス通路６ｂから開口７ｂを介して酸化剤ガス流路８ｂに連通している。
【０００７】
これにより、シール４が燃料ガスマニホールド５ａや酸化剤ガスマニホールド５ｂに連通する開放溝部に面することがなく、ブリッジ部材が不要になる、としている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６０６６４０９号明細書（図３Ａ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、通常、燃料電池スタック内では、加湿水が供給されるとともに、反応により生成水が発生しており、これらの水分が、例えば、燃料ガス通路６ａや酸化剤ガス通路６ｂで結露するおそれがある。このため、燃料ガス通路６ａや酸化剤ガス通路６ｂが閉塞され易く、燃料ガスや酸化剤ガスがＭＥＡ３の発電部に供給されずに良好な発電が行われないという問題がある。
【００１０】
そこで、燃料ガス通路６ａや酸化剤ガス通路６ｂの排水性を向上するために、これらの流路抵抗（圧損）を向上させることが考えられている。その際、燃料ガス通路６ａや酸化剤ガス通路６ｂの流路長を長くすると、燃料電池スタック全体が大型化するという問題がある。
【００１１】
一方、燃料ガス通路６ａや酸化剤ガス通路６ｂの流路幅や流路高さを小さくして断面積を減少させると、水の表面張力によって排水性が悪化するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、排水性を良好に向上させることができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池及び燃料電池用セパレータ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】
【００１３】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設される単位セルを備え、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池及び燃料電池用セパレータである。
【００１４】
一方のセパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する通路部が形成され、前記通路部は、前記一方のセパレータを貫通し、前記反応ガス連通孔に近接して一方の反応ガスを通過させる第１開口部と、前記一方のセパレータを貫通し、前記反応ガス流路に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第２開口部とを有している。
【００１５】
また、反応ガス連通孔と第１開口部とを電解質・電極接合体の一方の電極面側から連通する通路と、前記一方の電極面側とは反対の面側で前記第１開口部と第２開口部とを連通する連結通路とが設けられることが好ましい。
【００１６】
さらに、単位セル毎に、又は２以上の前記単位セル毎に、セパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられることが好ましい。
【００１７】
さらにまた、連結通路は、シール部材で形成されることが好ましく、また、一方の電極面側には、第１開口部と第２開口部との間を遮蔽するシール部材が設けられることが好ましい。さらに、通路は、シール部材で形成されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、電解質・電極接合体は、電解質膜の両側に第１の電極と該第１の電極よりも大きな表面積を有する第２の電極とを配設した段差型、電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜及び前記一対の電極が同一の表面積を有する全面型、又は電解質膜の両側に一対の電極が設けられ且つ前記電解質膜が前記一対の電極よりも大きな表面積を有する膜突出型のいずれかであることが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設される単位セルを複数積層し、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池である。
【００２０】
燃料電池は、２以上の単位セル毎に、セパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられ、互いに隣接する第１及び第２のセパレータ間には、反応ガス連通孔に連通する共通通路が形成されている。
【００２１】
そして、第１のセパレータには、一方の反応ガスを電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する第１の反応ガス流路と、前記第１のセパレータを貫通し、共通通路と第１の反応ガス流路とを連通する開口部とが設けられている。
【００２２】
第２のセパレータには、一方の反応ガスを他の電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する第２の反応ガス流路と、前記第２のセパレータを貫通し、共通通路に連通して前記反応ガスを通過させる第１開口部と、前記第２のセパレータを貫通し、前記第２の反応ガス流路に近接して前記一方の反応ガスを通過させる第２開口部とが設けられている。さらに、共通通路は、シール部材で形成されることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、本発明のセパレータは、前記セパレータの一方の面には、一方の反応ガスである燃料ガスを流す反応ガス流路である燃料ガス流路が形成されるとともに、前記セパレータの他方の面には、電解質・電極接合体の他方の電極面方向に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、セパレータに第１及び第２開口部が形成されており、反応ガスは、例えば、反応ガス連通孔から前記第１開口部に導入された後、前記第２開口部から反応ガス流路に供給されている。このため、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する通路部には、第１及び第２開口部が設けられることによって流路抵抗（圧損）が有効に増加し、この通路部からの排水性が良好に向上する。
【００２５】
これにより、反応ガスを発電部に確実に供給することができ、所望の発電性能を確保するとともに、通路部を短尺化して簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
【００２６】
また、本発明では、２以上の単位セル毎に冷却媒体流路が設けられる、所謂、間引き冷却構造を採用するとともに、第１及び第２のセパレータ間には、反応ガス連通孔に連通する共通通路が形成されている。従って、共通通路から第１のセパレータの開口部と第２のセパレータの第１開口部とに反応ガスを振り分けて供給することが可能になる。これにより、流路数の削減を図るとともに、流路構成を有効に簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する単位セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【００２８】
燃料電池１０は、図２に示すように、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化される。単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１６が、アノード側金属セパレータ（一方のセパレータ、第１のセパレータ）１８とカソード側金属セパレータ（他方のセパレータ、第２のセパレータ）２０とに挟持される。アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ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、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いる。
【００２９】
単位セル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（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３４ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００３０】
単位セル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、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３４ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３０ａが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００３１】
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（一方の電極）３８及びカソード側電極（他方の電極）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する段差型ＭＥＡを構成している。
【００３２】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（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、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。
【００３３】
図１、図３及び図４に示すように、カソード側金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下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。この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、酸化剤ガス流路４２の入口側及び出口側を覆ってブリッジ部４３ａ、４３ｂが配設される（図３参照）。
【００３４】
図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａ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下方向（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。
【００３５】
図１及び図６に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂとカソード側金属セパレータ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、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在する。なお、冷却媒体流路４６は、各単位セル１２毎に、又は２以上の単位セル毎に設けることができる。
【００３６】
図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側金属セパレータ２０の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。
【００３７】
第１シール部材５０は、図２及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａに一体化される第１平面部５２と、前記カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂ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。
【００３８】
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の外周部分に所定の範囲にわたって積層方向に重合する位置を周回する。図３に示すように、第１平面部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及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。
【００３９】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、図１、図２及び図５に示すように、このアノード側金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５６が一体化される。この第２シール部材５６は、アノード側金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａ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。
【００４０】
外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂは、先端先細り形状、台形状又は蒲鉾形状等、種々の断面形状が選択可能である。図２に示すように、外側シール５８ａは、カソード側金属セパレータ２０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。
【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、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及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。
【００４２】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂ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１参照）。外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂと同様の形状を有している。
【００４３】
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とを連通する複数の受部６０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通する複数の受部６２とを設ける。受部６０により連通路６０ａが形成されるとともに、受部６２により連通路６２ａが形成される。
【００４４】
図１及び図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６４と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６６とが設けられる。受部６４、６６によりそれぞれ連通路６４ａ、６６ａが形成される。面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の受部６８、７０が設けられる。受部６８により入口側連結通路７２が形成される一方、受部７０により出口側連結通路７４が形成される。
【００４５】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａでは、燃料ガス入口連通孔３４ａが外側シール５８ａに周回されるとともに、前記アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂでは、受部６８の周囲が外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとにより囲繞されている。受部６８と燃料ガス入口連通孔３４ａとの間には、上記の外側シール５８ａにより囲繞される領域内と、上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して、複数の第１供給孔部（第１開口部）７６ａが貫通形成される。
【００４６】
受部６８と燃料ガス流路４４との間には、内側シール５８ｂに囲繞される領域及び上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域とに対応して、複数の第２供給孔部（第２開口部）７６ｂが貫通形成される。
【００４７】
すなわち、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、第１供給孔部７６ａと第２供給孔部７６ｂとを有する。なお、通路部には、３以上の供給孔部（図示せず）を設けることもできる。
【００４８】
受部７０の近傍には、燃料ガス流路４４の終端近傍に位置して複数の第１排出孔部（第２開口部）７８ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に対応して複数の第２排出孔部（第１開口部）７８ｂが貫通形成される。
【００４９】
第１排出孔部７８ａは、面１８ａ側の内側シール５８ｂに囲繞される領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。第２排出孔部７８ｂは、面１８ａ側の燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する外側シール５８ａの領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。
【００５０】
図５に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１供給孔部７６ａに至る通路８０は、第１及び第２シール部材５０、５６で形成される。入口側連結通路７２は、同様に第１及び第２シール部材５０、５６で形成されるとともに、前記入口側連結通路７２とは反対の第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂ間は、前記第１及び第２シール部材５０、５６で遮蔽される。
【００５１】
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。
【００５２】
先ず、図１に示すように、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とともに、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。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。
【００５３】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから連通路６０ａを通ってカソード側金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４２に導入される（図４参照）。この酸化剤ガスは酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極４０に供給される（図１及び図３参照）。
【００５４】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから面１８ａ側（アノード側電極３８側）に供給された後、第１供給孔部７６ａを通って一旦面１８ｂ側に導入される。面１８ｂ側には、複数の受部６８により入口側連結通路７２が形成されており、燃料ガスは、この入口側連結通路７２を通って第２供給孔部７６ｂから面１８ａ側に移動し、燃料ガス流路４４に導入される。さらに、燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極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、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。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、第１排出孔部７８ａから出口側連結通路７４を通った後、第２排出孔部７８ｂに導入され、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。
【００５７】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、図６に示すように、連通路６４ａを通ってアノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路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、連通路６６ａから冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される（図１参照）。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、アノード側金属セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４の入口側との間に、少なくとも第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂが形成されている。そして、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側金属セパレータ１８の面１８ａ側に形成された通路８０を通って第１供給孔部７６ａに導入された後、面１８ｂ側の入口側連結通路７２を通って第２供給孔部７６ｂから燃料ガス流路４４に供給されている。
【００５９】
このため、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部（通路８０及び複数の受部６８によって形成される入口側連結通路７２を含む）は、第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂが設けられることによって流路抵抗（圧損）が増加し、この通路部からの排水性が確実に向上する。これにより、燃料ガスをアノード側電極３８（発電部）に良好に供給することができ、所望の発電性能を確保するとともに、通路部を短尺化して簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
一方、燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路４４の出口近傍との間には、少なくとも第１及び第２排出孔部７８ａ、７８ｂが形成されている。従って、燃料ガス流路４４と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する通路部は、流路抵抗が有効に増加し、この通路部から前記燃料ガス出口連通孔３４ｂへの排水性が有効に向上するという利点がある。
【００６１】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０を構成する単位セル９２の要部分解斜視図であり、図８は、前記燃料電池９０の断面説明図である。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。また、以下に説明する第３〜第６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。
【００６２】
単位セル９２は、電解質膜・電極構造体９４を備える。電解質膜・電極構造体９４は、固体高分子電解質膜３６の両側にアノード側電極３８ａ及びカソード側電極４０が設けられる。固体高分子電解質膜３６とアノード側電極３８ａ及びカソード側電極４０とは、同一の表面積を有する全面型ＭＥＡを構成している。
【００６３】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００を構成する単位セル１０２の要部分解説明図であり、図１０は、前記燃料電池１００の断面説明図である。
【００６４】
単位セル１０２は、電解質膜・電極構造体１０４がアノード側金属セパレータ１０６とカソード側金属セパレータ１０８とに挟持される。電解質膜・電極構造体１０４は、固体高分子電解質膜３６ａをアノード側電極３８及びカソード側電極４０ａで挟持する。アノード側電極３８とカソード側電極４０ａとは、同一の表面積を有するとともに、固体高分子電解質膜３６ａは、前記アノード側電極３８及び前記カソード側電極４０ａよりも大きな表面積を有し、膜突出型ＭＥＡを構成する。
【００６５】
図１０及び図１１に示すように、アノード側金属セパレータ１０６のアノード側電極３８に向かう面１８ａには、第２シール部材５６を構成するシール１１０が膨出形成される。このシール１１０は、電解質膜・電極構造体１０４の固体高分子電解質膜３６ａの外周縁部に対応して設けられる。
【００６６】
カソード側金属セパレータ１０８は、カソード側電極４０ａに向かう面２０ａに第１シール部材５０を構成するシール１１２が膨出形成される。シール１１２には、シール１１０と対向して配置され、前記シール１１２、１１０を介して固体高分子電解質膜３６ａの外周縁部が挟持される。
【００６７】
このように構成される第２及び第３の実施形態に係る燃料電池９０、１００では、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部に、第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂが設けられるとともに、前記燃料ガス流路４４と前記燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する通路部に、第１及び第２排出孔部７８ａ、７８ｂが設けられている。従って、上記の第１の実施形態に係る燃料電池１０と同様の効果が得られる。
【００６８】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する単位セル１２２の要部分解斜視説明図であり、図１３は、前記燃料電池１２０の酸化剤ガス導入側の断面説明図である。
【００６９】
単位セル１２２は、電解質膜・電極構造体１６がアノード側金属セパレータ１２４とカソード側金属セパレータ１２６とに挟持される。カソード側金属セパレータ１２６には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの近傍に複数の第１供給孔部（第１開口部）１２８ａが設けられるとともに、この第１供給孔部１２８ａから酸化剤ガス流路４２側に離間して複数の第２供給孔部（第２開口部）１２８ｂが形成される。
【００７０】
酸化剤ガス流路４２の終端縁部には、複数の第１排出孔部（第２開口部）１３０ａが形成されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、複数の第２排出孔部１３０ｂ（第１開口部）が形成される。
【００７１】
アノード側金属セパレータ１２４では、図１４に示すように、第２シール部材５６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとの近傍に受部６０、６２を用いておらず、第１供給孔部１２８ａ及び第２排出孔部１３０ｂを囲繞している。
【００７２】
図１２に示すように、外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに面１８ｂに沿って酸化剤ガスの流れを許容するためのシール形状を採用している。
【００７３】
このように構成される第４の実施形態では、図１３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを流動する酸化剤ガスは、連通路６０ａからカソード側金属セパレータ１２６の第１供給孔部１２８ａを通って冷却媒体流路４６側に一旦導入される。さらに、酸化剤ガスは、第２供給孔部１２８ｂから酸化剤ガス流路４２側に戻された後、前記酸化剤ガス流路４２に供給される。
【００７４】
一方、酸化剤ガス流路４２を通って反応に使用された酸化剤ガスは、第１排出孔部１３０ａから冷却媒体流路４６側に一旦導出された後、第２排出孔部１３０ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
【００７５】
これにより、第４の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路４２とを連通する通路部には、第１及び第２供給孔部１２８ａ、１２８ｂが設けられることによって圧損が増加し、この通路部からの排水性が向上するという効果が得られる。しかも、カソード側金属セパレータ１２６には、ブリッジ板が不要になるという利点が得られる。
【００７６】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１４０の要部分解斜視説明図であり、図１６は、前記燃料電池１４０の断面説明図である。
【００７７】
燃料電池１４０は、実質的に２つの単位セルを含む燃料電池ユニット１４２を矢印Ａ方向に積層して構成される。燃料電池ユニット１４２は、アノード側金属セパレータ１４６、第１電解質膜・電極構造体１４４、中間金属セパレータ１４８、第２電解質膜・電極構造体１６及びカソード側金属セパレータ２０とを設ける。
【００７８】
第１電解質膜・電極構造体１４４は、固体高分子電解質膜３６ｂがアノード側電極３８ｂとカソード側電極４０ｂとに挟持されるとともに、段差型ＭＥＡを構成している。固体高分子電解質膜３６ｂ、アノード側電極３８ｂ及びカソード側電極４０ｂは、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。
【００７９】
アノード側金属セパレータ１４６には、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４との間にそれぞれ複数の第１供給孔部１５０ａと第２供給孔部１５０ｂとが形成される。燃料ガス流路４４と燃料ガス出口連通孔３４ｂとの間には、同様に複数の第１排出孔部１５２ａと第２排出孔部１５２ｂとが形成される。
【００８０】
第１及び第２供給孔部１５０ａ、１５０ｂは、第１の実施形態に用いられるアノード側金属セパレータ１８の第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂよりも燃料ガス流路４４側に離間する一方、第１及び第２排出孔部１５２ａ、１５２ｂは、同様に第１及び第２排出孔部７８ａ、７８ｂよりも前記燃料ガス流路４４側に離間して設けられる。
【００８１】
図１７に示すように、アノード側金属セパレータ１４６のアノード側電極３８ｂに向かう面１８ａには、第２シール部材１５４を構成する外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂが第１電解質膜・電極構造体１４４の形状に対応して形成される。
【００８２】
図１５に示すように、アノード側金属セパレータ１４６の面１８ｂに設けられる外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、第１及び第２供給孔部１５０ａ、１５０ｂと第１及び第２排出孔部１５２ａ、１５２ｂとの位置等に応じて、所定の形状に設定される。
【００８３】
中間金属セパレータ１４８は、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍に第１供給孔部１５０ａと矢印Ａ方向に重なり合って供給孔部１５０ｃが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍には、第２排出孔部１５２ｂと矢印Ａ方向に重なり合って排出孔部１５２ｃが形成される。中間金属セパレータ１４８は、第１電解質膜・電極構造体１４４に向かう面１４８ａに酸化剤ガス流路４２が設けられる一方、第２電解質膜・電極構造体１６に向かう面１４８ｂに燃料ガス流路４４が形成される（図１５、図１８及び図１９参照）。
【００８４】
図１８に示すように、中間金属セパレータ１４８には、シール部材１５６が設けられており、面１４８ｂ側には、外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂが形成される。図１６に示すように、アノード側金属セパレータ１４６と中間金属セパレータ１４８との間には、燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する共通通路１５８が形成され、この共通通路１５８は、第１供給孔部１５０ａを介して入口側連結通路７２に連通するととともに、供給孔部１５０ｃを介して前記中間金属セパレータ１４８の燃料ガス流路４４に連通する。
【００８５】
このように構成される第５の実施形態では、図１６に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａを流れる燃料ガスは、アノード側金属セパレータ１４６と中間金属セパレータ１４８との間に形成される共通通路１５８に導入され、第１供給孔部１５０ａと供給孔部１５０ｃとに分流される。
【００８６】
第１供給孔部１５０ａを通った燃料ガスは、入口側連結通路７２から第２供給孔部１５０ｂを通って第１電解質膜・電極構造体１４４のアノード側電極３８ｂに供給される。一方、供給孔部１５０ｃを通った燃料ガスは、中間金属セパレータ１４８の燃料ガス流路４４に送られて第２電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に供給される。
【００８７】
これにより、第５の実施形態では、燃料ガス入口連通孔３４ａから燃料ガス流路４４に至る通路部に、第１及び第２供給孔部１５０ａ、１５０ｂが設けられることによって圧損が増加し、排水性の向上が図られる等、前記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８８】
さらに、燃料電池ユニット１４２は、実質的に第１電解質膜・電極構造体１４４を含む第１の単位セルと、第２電解質膜・電極構造体１６を含む第２単位セルとで構成されている。この燃料電池ユニット１４２は、矢印Ａ方向に積層されることによって、２又は３以上の単位セル毎に冷却媒体流路４６が設けられる、所謂、間引き冷却構造を採用している。
【００８９】
そして、第１及び第２のセパレータであるアノード側金属セパレータ１４６と中間金属セパレータ１４８との間には、燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する共通通路１５８が形成されている。このため、燃料ガスは、共通通路１５８から第１供給孔部１５０ａ及び供給孔部１５０ｃに振り分けられて第１及び第２電解質膜・電極構造体１４４、１６にそれぞれ供給される。従って、流路数の削減を図るとともに、流路構造を有効に簡素化することができるという利点がある。
【００９０】
なお、第５の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路４２との間に、燃料ガス側と同様にそれぞれ２つの開口部（第４の実施形態に係る燃料電池１２０参照）を設けてもよく、また、第１及び第２電解質膜・電極構造体１４４、１６は、段差型ＭＥＡに代えて全面型ＭＥＡ又は膜突出型ＭＥＡを採用してもよい。
【００９１】
さらにまた、第1〜第５の実施形態では、セパレータとして金属セパレータを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。その一例として、図２０には、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１７０の断面説明図が示される。
【００９２】
この燃料電池１７０は、第１の実施形態に係る燃料電池１０に相当するものであるが、これに限定されるものではなく、第２〜第５の実施形態においても同様に採用することができる。燃料電池１７０は、単位セル１７２を矢印Ａ方向に積層して構成されるとともに、前記単位セル１７２は、第２電解質膜・電極構造体１６を挟持するアノード側カーボンセパレータ１７４及びカソード側カーボンセパレータ１７６を備える。なお、燃料電池１７０では、シール部材として、例えば、ガスケットが使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池の図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図６】前記燃料電池の図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池の断面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池の図９中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。
【図１１】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。
【図１３】前記燃料電池の図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【図１４】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図１５】本発明の第５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１６】前記燃料電池の断面説明図である。
【図１７】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する中間金属セパレータの正面説明図である。
【図１９】前記燃料電池の酸化剤ガス入口連通孔側の断面説明図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【図２１】従来技術の電気化学燃料電池スタックの断面説明図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０、９０、１００、１２０、１４０、１７０…燃料電池
１２、９２、１０２、１２２、１７２…単位セル
１６、９４、１０４、１４４…電解質膜・電極構造体
１８、１０６、１２４、１４６…アノード側金属セパレータ
２０、１０８、１２６…カソード側金属セパレータ
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、３６ａ、３６ｂ…固体高分子電解質膜
３８、３８ａ、３８ｂ…アノード側電極
４０、４０ａ、４０ｂ…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、１５４、１５６…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、６２、６４、６６、６８…受部
７２…入口側連結通路            ７６…出口側連結通路
７６ａ、７６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ…供給孔部
７８ａ、７８ｂ、１３０ａ、１３０ｂ、１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ…排出孔部
８０…通路                      １４２…燃料電池ユニット
１４８…中間金属セパレータ      １７４…アノード側カーボンセパレータ
１７６…カソード側カーボンセパレータ
【図１】
0004673141.tif 000002
【図２】
0004673141.tif 000003
【図３】
0004673141.tif 000004
【図４】
0004673141.tif 000005
【図５】
0004673141.tif 000006
【図６】
0004673141.tif 000007
【図７】
0004673141.tif 000008
【図８】
0004673141.tif 000009
【図９】
0004673141.tif 000010
【図１０】
0004673141.tif 000011
【図１１】
0004673141.tif 000012
【図１２】
0004673141.tif 000013
【図１３】
0004673141.tif 000014
【図１４】
0004673141.tif 000015
【図１５】
0004673141.tif 000016
【図１６】
0004673141.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0004673141.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0004673141.tif 000021
【図２１】
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