(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜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固体高分子型単位燃料電池セルと、前記固体高分子型単位燃料電池セルを挟持するセパレータとを備える燃料電池であって、
前記セパレータの外周縁部に貫通して設けられ、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための連通孔と、
前記セパレータの電極発電面内に設けられ、前記アノード側電極または前記カソード側電極に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを供給するための複数本のガス流路溝を備えるガス流路と、
前記セパレータを貫通して設けられるとともに、一端が前記電極発電面とは反対の面側で前記連通孔に連通しかつ他端が該電極発電面側で前記ガス流路に連通する連結流路と、
を備え、
前記連結流路は、前記セパレータの前記ガス流路が設けられる面とは反対の面に設けられ、一端部が前記連通孔に直接連通し、前記ガス流路溝に対応する本数に設定された流路溝と、
前記セパレータを貫通し、前記反対の面で前記流路溝の他端部に直接連通しかつ前記流路溝と前記ガス流路とを連通する貫通孔と、
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、前記ガス流路は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる複数本の前記ガス流路溝を備え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、複数の前記貫通孔は、各流路溝と各ガス流路溝とをそれぞれ連通す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、前記貫通孔は、複数の前記流路溝に一体に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池において、前記貫通孔は、前記セパレータの厚さ方向から内方に向かって傾斜する傾斜貫通孔を構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記貫通孔を構成する壁部には、前記ガス流路に連通する部分に対応して面取り部又はＲ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
固体高分子電解質膜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固体高分子型単位燃料電池セルと、前記固体高分子型単位燃料電池セルを挟持するセパレータとを備える燃料電池であって、
前記セパレータの外周縁部に貫通して設けられ、冷却媒体を流すための連通孔と、
前記セパレータの電極発電面とは反対の面内に設けられ、前記電極発電面を冷却する前記冷却媒体を供給するための複数本の冷却媒体流路溝を備える冷却媒体流路と、
前記セパレータを貫通して設けられるとともに、一端が前記電極発電面側で前記連通孔に連通しかつ他端が該電極発電面とは反対の面側で前記冷却媒体流路に連通する連結流路と、
を備え、
前記連結流路は、前記セパレータの前記電極発電面側の面に設けられ、一端部が前記連通孔に直接連通し、前記冷却媒体流路溝に対応する本数に設定された流路溝と、
前記セパレータを貫通し、前記電極発電面側の面で前記流路溝の他端部に直接連通しかつ前記流路溝と前記冷却媒体流路とを連通する貫通孔と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池において、前記冷却媒体流路は、水平方向に向かって設けられる複数本の前記冷却媒体流路溝を備え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、複数の前記貫通孔は、各流路溝と各冷却媒体流路溝とをそれぞれ連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池において、前記貫通孔は、複数の前記流路溝に一体に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
固体高分子電解質膜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固体高分子型単位燃料電池セルと、前記固体高分子型単位燃料電池セルを挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池であって、
一方の前記セパレータの外周縁部に貫通して設けられ、燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を流すためのガス連通孔と、
一方の前記セパレータの外周縁部に貫通して設けられ、冷却媒体を流すための冷却媒体連通孔と、
一方の前記セパレータの電極発電面内に設けられ、前記アノード側電極または前記カソード側電極に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方を供給するための複数本のガス流路溝を備えるガス流路と、
一方の前記セパレータの電極発電面とは反対の面内に設けられ、前記電極発電面を冷却する前記冷却媒体を供給するための複数本の冷却媒体流路溝を備える冷却媒体流路と、
一方の前記セパレータを貫通して設けられるとともに、一端が前記冷却媒体流路の面側で前記連通孔に連通しかつ他端が前記ガス流路の面側で該ガス流路に連通するガス連結流路と、
一方の前記セパレータを貫通して設けられるとともに、一端が前記ガス流路の面側で前記冷却媒体連通孔に連通しかつ他端が前記冷却媒体流路の面側で該冷却媒体流路に連通する冷却媒体連結流路と、
を備え、
前記ガス連結流路は、前記セパレータの前記冷却媒体流路側の面に設けられ、一端部が前記ガス連通孔に直接連通し、前記ガス流路溝に対応する本数に設定されたガス用流路溝と、
前記セパレータを貫通し、前記冷却媒体流路側の面で前記ガス用流路溝の他端部に直接連通しかつ前記ガス用流路溝と前記ガス流路とを連通するガス用貫通孔と、
を設ける一方、
前記冷却媒体連結流路は、前記ガス流路側の面に設けられ、一端部が前記冷却媒体連通孔に直接連通し、前記冷却媒体流路溝に対応する本数に設定された冷却媒体用流路溝と、
前記セパレータを貫通し、前記ガス流路側の面で前記冷却媒体用流路溝の他端部に直接連通しかつ前記冷却媒体用流路溝と前記冷却媒体流路とを連通する冷却媒体用貫通孔と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池において、他方の前記セパレータの外周縁部に貫通して設けられ、燃料ガスまたは酸化剤ガスの他方を流すためのガス連通孔と、
他方の前記セパレータの電極発電面内に設けられ、前記アノード側電極または前記カソード側電極に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの他方を供給するためのガス流路と、
他方の前記セパレータを貫通して設けられるとともに、一端が前記電極発電面とは反対の面側で前記ガス連通孔に連通しかつ他端が該電極発電面側で前記ガス流路に連通するガス連結流路と、
を備え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単位燃料電池セルと、前記単位燃料電池セルを挟持するセパレータとを備えた燃料電池に関する。
【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）からなる電解質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て構成される単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この単位燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用している。
【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、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、積層されている各単位燃料電池セルのアノード側電極およびカソード側電極に、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガス（反応ガス）を供給するために、内部マニホールドを構成することが行われている。この内部マニホールドは、具体的には、積層されている各単位燃料電池セルおよびセパレータに一体的に連通して設けられた複数の連通孔を備えており、供給用の連通孔に反応ガスが供給されると、前記反応ガスが各単位燃料電池セル毎に分散供給される一方、使用済みの反応ガスが排出用の連通孔に一体的に排出されるように構成されている。また、燃料電池では、電極発電面を冷却するために冷却媒体を供給することが行われており、前記内部マニホールドには、反応ガスと同様に、冷却媒体用の連通孔が設けられることがある。
【０００５】
この種の技術として、例えば、特開平３−２５７７６０号公報には、図１０に示すように、成膜基板１の表面に電池３層膜２が成膜された単位燃料電池セル３をセパレータ４により挟持するとともに、前記セパレータ４には、燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すための内部マニホールド５が形成された燃料電池が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術では、内部マニホールド５のガスシールを確実に行うために、セパレータ４間にスペーサ６ａ、６ｂを介してシールプレート７が介装されるとともに、前記セパレータ４と前記スペーサ６ａ間、前記スペーサ６ａと前記シールプレート７間、前記シールプレート７と前記スペーサ６ｂ間、および前記スペーサ６ｂと前記セパレータ４間に、それぞれガスケット８が介装されている。これにより、単位燃料電池セル３の積層方向（矢印Ｘ方向）の寸法が相当に長尺化してしまうとともに、部品点数が増加して製造コストが高くなるという問題が指摘されている。
【０００７】
そこで、図１１に示すように、セパレータ４ａの内部マニホールドを構成する連通孔５ａと、このセパレータ４ａの面内に反応ガスを流すための流体流路５ｂとを連通する導入部５ｃを、前記流体流路５ｂと同一面上に形成するとともに、導入部５ｃのシール性を確保するために、この導入部５ｃに薄板状のカバー９を嵌め込んで、このカバー９にガスケット８ａを押し当てる構造が採用されている（図１２参照）。
【０００８】
ところが、上記のように、導入部５ｃに相当に薄肉なカバー９を嵌め込んで、このカバー９の面とセパレータ４ａの面とを面一に組み立てる工程が必要となり、このカバー９を接着する（嵌め込む）作業が煩雑なものとなってしまう。しかも、セル組立時やセル積層時にカバー９が欠落して反応ガスが漏れるおそれがあるとともに、前記カバー９の面とセパレータ４ａの面とに段差が発生し、セル締め付け時に前記セパレータ４ａに均一な締め付け力を付与することができないという問題が指摘されている。
【０００９】
なお、セパレータの内部マニホールドに冷却媒体用連通孔が設けられている際にも、薄板状カバーを用いる必要があり、上記の反応ガスと同様の問題が発生してしまう。
【００１０】
上記の不具合を解決するために、例えば、米国特許第６，０６６，４０９号公報に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、図１３に示すように、セパレータ４ｂが２枚のセパレータ４ｂ１、４ｂ２を組み合わせて構成されており、その中央部分には、内部マニホールドが構成されている。具体的には、連通孔として、一方の反応ガスの供給口５ｄ１および排出口５ｄ２と、他方の反応ガスの供給口５ｅ１および排出口５ｅ２とが、セパレータ４ｂの厚さ方向に貫通形成されている。
【００１１】
図１４に示すように、セパレータ４ｂの非発電面（非反応面）４ｃ１には、一方の反応ガスの供給口５ｄ１と排出口５ｄ２に連通し、この非発電面４ｃ１に沿って外周側に延在する流路溝５ｆ１、５ｆ２が形成されるとともに、他方の反応ガスの供給口５ｅ１と排出口５ｅ２に連通し、前記非発電面４ｃ１に沿って外周側に延在する流路溝５ｇ１、５ｇ２が設けられている。また、非発電面４ｃ１には、複数の冷却風流路溝５ｊが互いに平行に形成され、前記冷却風流路溝５ｊの両端は、前記非発電面４ｃ１の外周端部から外方に開放されている。
【００１２】
流路溝５ｆ１、５ｆ２の外方側端部に貫通孔５ｈ１、５ｈ２が連通し、この貫通孔５ｈ１、５ｈ２は、セパレータ４ｂ１の発電面４ｃ２側で反応ガス流路５ｉに連通している（図１３中、セパレータ４ｂ２参照）。この反応ガス流路５ｉは、発電面４ｃ２の面に沿って設けられている。セパレータ４ｂ１、４ｂ２間には、内部マニホールドにおける異なる反応ガスの混合を防止するためにガスケット８ｂが介装されている。
【００１３】
このような構成において、内部マニホールドを構成する供給口５ｄ１に一方の反応ガスが供給されると、この反応ガスは前記供給口５ｄ１に連通する流路溝５ｆ１に沿ってセパレータ４ｂの外周側に移動し、前記流路溝５ｆ１の外方側端部に連通する貫通孔５ｈ１を通って発電面４ｃ２側に供給される。この発電面４ｃ２側には反応ガス流路５ｉが設けられており、反応ガスは、この反応ガス流路５ｉに沿って移動しながら図示しない単位燃料電池セルに供給される。そして、未使用の反応ガスは貫通孔５ｈ２から流路溝５ｆ２に供給され、内部マニホールドを構成する排出口５ｄ２から外部に排出されることになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、内部マニホールドがセパレータ４ｂの中央部に設けられており、例えば、供給口５ｄ１に供給された反応ガスが流路溝５ｆ１に導入された後に貫通孔５ｈ１から発電面４ｃ２側に送られる際、前記流路溝５ｆ１が相当に長尺化してしまうため、圧損が増加するという問題がある。しかも、一方の反応ガスは、供給口５ｄ１から１本の流路溝５ｆ１に導入され、さらに単一の貫通孔５ｈ１を介して反応ガス流路５ｉに供給されるため、大量の反応ガスを円滑に流すことができない。これにより、燃料電池スタックを高電流密度で運転することが困難になるという問題が指摘されている。
【００１５】
また、セパレータ４ｂは、一組のセパレータ４ｂ１、４ｂ２を重ね合わせて構成されているため、前記セパレータ４ｂ１、４ｂ２の非発電面４ｃ１に形成されている冷却風流路溝５ｊ同士を重ね合わせる必要がある。しかしながら、冷却風流路溝５ｊは微小な隙間であり、前記冷却風流路溝５ｊ同士を正確に合わせる作業は相当に煩雑なものとなっている。しかも、冷却風流路溝５ｊにエアを供給して発電面４ｃ２を空冷するように構成されており、これによって水冷に比べて冷却能力が低下し、特に、高電流密度の運転が困難になるという不具合がある。
【００１６】
さらにまた、冷却風流路溝５ｊは、内部マニホールドを構成するセパレータ４ｂの中央部を除く両側部分にのみ設けられている。従って、発電面４ｃ２の全面を効果的に冷却することができず、冷却効率が低下するという問題がある。
【００１７】
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、シール性を確保するとともに、部品点数を削減して薄肉化を図り、かつ所望の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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、セパレータの外周縁部に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための連通孔が貫通形成されるとともに、このセパレータの電極発電面内に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを流すガス流路が設けられる。そして、セパレータを貫通して連結流路が設けられ、この連結流路の一端が電極発電面とは反対の面側で連通孔に連通する一方、他端が前記電極発電面側でガス流路に連通している。
【００１９】
このため、例えば、連通孔とガス流路とを電極発電面側に形成した溝部等の導入部により連通する際のように、この導入部のシール性を確保すべく前記導入部に薄板を嵌め込む必要がない。これにより、薄板の取り付け工程が不要になるとともに、前記薄板の欠落による漏れの発生や、該薄板の段差によるセパレータの締め付け不良の発生を阻止することができる。しかも、連通孔がセパレータの外周縁部に設けられるため、この連通孔からガス流路に至る連結流路長を大幅に短尺化することが可能になり、圧損の低減が有効に図られる。
【００２０】
さらに、セパレータ間にスペーサ、シールプレートおよびガスケット等を介装する構造に比べて部品点数が一挙に削減されるとともに、積層方向の寸法が大幅に短尺化される。このため、簡単な工程および構成で、良好なシール性を確保するとともに、薄肉状の燃料電池を経済的に製造することが可能になる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池では、セパレータの外周縁部に冷却媒体を流す連通孔が貫通形成されるとともに、このセパレータの電極発電面とは反対の面内には、前記電極発電面を冷却するために前記冷却媒体を流す冷却媒体流路が設けられる。そして、セパレータを貫通して連結流路が設けられ、この連結流路の一端が電極発電面側で連通孔に連通する一方、他端が前記電極発電面とは反対の面側で冷却媒体流路に連通している。
【００２２】
これにより、薄板の取り付け工程等が不要になって、前記薄板の欠落による漏れの発生や、該薄板の段差によるセパレータの締め付け不良の発生を阻止することができるとともに、構成が有効に簡素化される。しかも、連通孔がセパレータの外周縁部に設けられており、このセパレータの面内には、電極発電面を冷却すべく該面全面にわたって冷却媒体を流すための冷却媒体流路を設けることができる。従って、電極発電面の冷却効率が有効に向上し、特に、高電流密度の運転が可能になる。
【００２３】
【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の概略縦断面説明図である。
【００２４】
燃料電池１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるカソード側電極２０およびアノード側電極２２とを有するとともに、前記カソード側電極２０および前記アノード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００２５】
単位燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、カソード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、アノード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。単位燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持されるとともに、この第２セパレータ１６には第３ガスケット３５が配設される。
【００２６】
第１セパレータ１４は、その横方向両端上部側に連通孔として水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３６ａと、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａとを設ける。
【００２７】
第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、連通孔として純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口４０ｂとが設けられる。第１セパレータ１４の横方向両端下部側には、燃料ガスを通過させるための燃料ガス出口３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス出口３８ｂとが、燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００２８】
第１セパレータ１４のカソード側電極２０に対向する面１４ａには、酸化剤ガス入口３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝（ガス流路）４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝（ガス流路）４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が酸化剤ガス出口３８ｂに近接して終端する。
【００２９】
第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで酸化剤ガス入口３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で酸化剤ガス出口３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが設けられる。
【００３０】
図２および図３に示すように、第１酸化剤ガス連結流路４６は、面１４ｂ側に設けられ、第１酸化剤ガス流路溝４２に対応して所定間隔ずつ離間する６本の流路溝５０を備え、この流路溝５０の一端側が酸化剤ガス入口３８ａに連通する。流路溝５０は、面１４ｂ側に所定の深さまで形成されており、その他端部側がそれぞれ貫通孔５２に連通するとともに、前記貫通孔５２が第１セパレータ１４を貫通して面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する。貫通孔５２を構成する壁部には、酸化剤ガス流路溝４２に連通する部分に対応してＲ部５３が設けられている。なお、Ｒ部５３に代替して面取り部を設けるようにしてもよい。
【００３１】
第２酸化剤ガス連結流路４８は、同様に、面１４ｂ側に設けられ、一端側が酸化剤ガス出口３８ｂに連通して第２酸化剤ガス流路溝４４に対応する３本の流路溝５４と、前記流路溝５４の他端側に連通するとともに、第１セパレータ１４を貫通して面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する３つの貫通孔５６とを備える。
【００３２】
図１、図４および図５に示すように、第２セパレータ１６の横方向両端上部側には、連通孔として燃料ガス入口６０ａと酸化剤ガス入口６２ａとが設けられ、その横方向両端中央側には、連通孔として冷却媒体入口６４ａと冷却媒体出口６４ｂとが設けられる。第２セパレータ１６の横方向両端下部側には、連通孔として燃料ガス出口６０ｂおよび酸化剤ガス出口６２ｂが、燃料ガス入口６０ａおよび酸化剤ガス入口６２ａと対角位置になるように形成されている。
【００３３】
図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、燃料ガス入口６０ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝（ガス流路）６６が形成される。この第１燃料ガス流路溝６６は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝（ガス流路）６８に合流してこの第２燃料ガス流路溝６８が燃料ガス出口６０ｂの近傍で終端する。
【００３４】
第２セパレータ１６には、燃料ガス入口６０ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６６に連通する第１燃料ガス連結流路７０と、燃料ガス出口６０ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６８に連通する第２燃料ガス連結流路７２とが設けられる。図２、図４および図５に示すように、第１燃料ガス連結流路７０は面１６ｂ側に設けられ、一端を燃料ガス入口６０ａに連通するとともに、第１燃料ガス流路溝６６に対応して６本に設定される流路溝７４と、前記流路溝７４の他端に連通し、第２セパレータ１６を貫通して第１燃料ガス流路溝６６に連通する貫通孔７６とを備える。
【００３５】
第２燃料ガス連結流路７２は、第１燃料ガス連結流路７０と同様に、面１６ｂ側に設けられて燃料ガス出口６０ｂに連通する３本の流路溝７８と、第２セパレータ１６を貫通して前記流路溝７８をそれぞれ第２燃料ガス流路溝６８に連通する貫通孔８０とを備える。
【００３６】
図２および図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第３ガスケット３５の開口部８２に対応する段差部８４が形成され、段差部８４内には、冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝８６ａ、８６ｂが形成される。主流路溝８６ａ、８６ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝８８が水平方向に延在して設けられている。
【００３７】
第２セパレータ１６には、冷却媒体入口６４ａと主流路溝８６ａとを連通する第１冷却媒体連結流路９０と、冷却媒体出口６４ｂと主流路溝８６ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路９２とが設けられる。第１および第２冷却媒体連結流路９０、９２は、図４および図５に示すように、面１６ａ側に設けられて冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂに連通する複数本の流路溝９４ａ、９４ｂと、第２セパレータ１６を貫通して前記流路溝９４ａ、９４ｂを主流路溝８６ａ、８６ｂに連通する貫通孔９６ａ、９６ｂとを備える。
【００３８】
図６に示すように、第１ガスケット２８の横方向両端部には、燃料ガス入口１００ａ、酸化剤ガス入口１０２ａ、冷却媒体入口１０４ａ、冷却媒体出口１０４ｂ、燃料ガス出口１００ｂおよび酸化剤ガス出口１０２ｂが設けられる。第１ガスケット２８には、第１セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口３８ａと貫通孔５２との間および酸化剤ガス出口３８ｂと貫通孔５６との間に対応して配置される幅狭部１０６ａ、１０６ｂが設けられている。
【００３９】
図１および図７に示すように、第２ガスケット３０は、横方向両端部に燃料ガス入口１１０ａ、酸化剤ガス入口１１２ａ、冷却媒体入口１１４ａ、冷却媒体出口１１４ｂ、燃料ガス出口１１０ｂおよび酸化剤ガス出口１１２ｂを設けている。冷却媒体入口１１４ａおよび冷却媒体出口１１４ｂは、第１および第２冷却媒体連結流路９０、９２を収容し得る大きさに設定されるとともに、第２ガスケット３０には、第１および第２燃料ガス連結流路７０、７２を構成する貫通孔７６、８０と燃料ガス入口６０ａ、燃料ガス出口６０ｂとの間に対応して幅狭部１１６ａ、１１６ｂが形成される。
【００４０】
図１に示すように、第３ガスケット３５の横方向両端部には、燃料ガス入口１２０ａ、酸化剤ガス入口１２２ａ、冷却媒体入口１２４ａ、冷却媒体出口１２４ｂ、燃料ガス出口１２０ｂおよび酸化剤ガス出口１２２ｂが設けられる。この第３ガスケット３５には、第２セパレータ１６の面１６ａに設けられている段差部８４と冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂとの間に対応して幅狭部１２６ａ、１２６ｂが形成される。燃料ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２０ｂは、第２セパレータ１６に設けられている第１および第２燃料ガス連結流路７０、７２を収容するために、幅寸法が大きく設定されている。
【００４１】
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。
【００４２】
燃料電池１０内には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらに単位燃料電池セル１２の発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池１０内に供給された燃料ガスは、図２および図５に示すように、第１燃料ガス連結流路７０を構成する流路溝７４に導入され、この流路溝７４に連通する貫通孔７６を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６６に供給される。
【００４３】
図４に示すように、第１燃料ガス流路溝６６に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される（図２参照）。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６６に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝６８を介して第２燃料ガス連結流路７２を構成する貫通孔８０に導入され、面１６ｂ側に移動した後に流路溝７８から燃料ガス出口６０ｂに排出される。
【００４４】
また、燃料電池１０内に供給された空気は、図２に示すように、第１セパレータ１４の酸化剤ガス入口３８ａに導入され、この酸化剤ガス入口３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。具体的には、図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂ側に形成されている流路溝５０に空気が導入されると、この空気は、前記流路溝５０に連通する貫通孔５２を介して前記第１セパレータ１４を貫通し、面１４ａ側に形成されている第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。
【００４５】
図６に示すように、第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素ガスが第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される（図２参照）。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から酸化剤ガス出口３８ｂに排出される。これにより、単位燃料電池セル１２で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００４６】
さらにまた、燃料電池１０内に供給された冷却媒体は、第２セパレータ１６の冷却媒体入口６４ａに導入された後、図４および図５に示すように、第１冷却媒体連結流路９０を構成する流路溝９４ａから貫通孔９６ａを介して面１６ｂ側の主流路溝８６ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝８６ａから分岐する複数本の分岐流路溝８８を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝８６ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路９２を構成する貫通孔９６ｂを通って面１６ａ側の流路溝９４ｂに導入され、冷却媒体出口６４ｂから排出される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、燃料ガス入口６０ａと燃料ガス出口６０ｂに近接する位置で終端する第１および第２燃料ガス流路溝６６、６８が形成され、前記第１および第２燃料ガス流路溝６６、６８が貫通孔７６、８０を介して面１６ｂ側に設けられた流路溝７４、７８に連通し、この流路溝７４、７８から燃料ガス入口６０ａおよび燃料ガス出口６０ｂに連通している。
【００４８】
このため、第２セパレータ１６の面１６ａ側に燃料ガス入口６０ａと第１燃料ガス流路溝６６とを連通する溝部を設ける際のように、この溝部の上部側に前記面１６ａと面一となる薄板状のカバーを設ける必要がなく、前記面１６ａに第２ガスケット３０を直接重ね合わせることができる（図７参照）。
【００４９】
これにより、カバーを用いる際のような接着工程が不要になるとともに、このカバーの欠落による燃料ガスの漏れ、あるいは前記カバーと第２セパレータ１６の厚さの相違による締め付け不良等が発生することがない。従って、簡単な構成で、良好なシール性を確保するとともに、組み付け工程の簡素化を図り、かつ燃料電池１０全体の簡素化および薄肉化が容易に遂行されるという効果が得られる。
【００５０】
さらに、第１の実施形態では、連通孔である燃料ガス入口６０ａと燃料ガス出口６０ｂとが、第２セパレータ１６の面１６ａの外周縁部に設けられるとともに、前記燃料ガス入口６０ａおよび前記燃料ガス出口６０ｂを第１および第２燃料ガス流路溝６６、６８に連通する第１および第２燃料ガス連結流路７０、７２が、前記燃料ガス入口６０ａおよび前記燃料ガス出口６０ｂに近接して設けられている。このため、第１および第２燃料ガス連結流路７０、７２を構成する貫通孔７６、８０と、燃料ガス入口６０ａおよび燃料ガス出口６０ｂとを連通する流路溝７４、７８の長さが可及的に短尺化され、圧損を大幅に低減し得るという利点がある。
【００５１】
さらにまた、貫通孔７６、８０および流路溝７４、７８が複数本に設定されるとともに、面１６ａには複数本の第１および第２燃料ガス流路溝６６、６８が設けられている。これにより、面１６ａに沿って大量の燃料ガスを円滑に流すことができ、高電流密度の運転が容易に遂行可能になる。
【００５２】
一方、第２セパレータ１６の冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂに第１および第２冷却媒体連結流路９０、９２が設けられ、第１セパレータ１４には、酸化剤ガス入口３８ａおよび酸化剤ガス出口３８ｂに第１および第２酸化剤ガス連結流路４６、４８が設けられている。このため、薄板状のカバーが不要になるとともに、部品点数が一挙に削減され、燃料電池１０全体の薄肉化を図ることができる。
【００５３】
しかも、冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂが、第２セパレータ１６の外周縁部に設けられており、図５に示すように、前記第２セパレータ１６の面１６ｂには、この面１６ｂ全面に沿って主流路溝６８ａ、６８ｂおよび分岐流路溝８８が形成されている。従って、面１６ｂの面内全体を確実に冷却することが可能になり、冷却効率が有効に向上するという利点が得られる。さらに、冷却媒体として、純水やエチレングリコールやオイル等を用いることにより、冷却能力が空冷に比べて相当に高くなり、特に、高電流密度の運転が容易に遂行可能になる。
【００５４】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０の一部縦断面説明図である。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。
【００５５】
燃料電池１４０では、第２セパレータ１６に燃料ガス入口６０ａと第１燃料ガス流路溝６６とを連通する第１燃料ガス連結流路１４２が設けられる。この第１燃料ガス連結流路１４２は、第２セパレータ１６の面１６ｂ側に形成される流路溝１４４と、前記流路溝１４４を面１６ａ側の第１燃料ガス流路溝６６に連通する傾斜貫通孔１４６とを備える。傾斜貫通孔１４６は、第２セパレータ１６の厚さ方向から内方に向かって傾斜して設けられている。
【００５６】
このように構成される第２の実施形態では、燃料ガス入口６０ａに供給された燃料ガスが第１燃料ガス連結流路１４２を構成する流路溝１４４から傾斜貫通孔１４６を介して第１燃料ガス流路溝６６に供給される。その際、燃料ガスは、傾斜貫通孔１４６の傾斜に沿って流路溝１４４から第１燃料ガス流路溝６６に向かって一層円滑かつ確実に導入され、圧損を有効に低減し得るという利点がある。
【００５７】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータ１６０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第２セパレータ１６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。
【００５８】
第２セパレータ１６０には、面１６０ａ側に形成される第１および第２燃料ガス流路溝６６、６８と燃料ガス入口６０ａおよび燃料ガス出口６０ｂとを、面１６０ｂ側から連通する第１および第２燃料ガス連結流路１６２、１６４と、前記面１６０ｂ側に設けられる図示しない冷却媒体流路溝と冷却媒体入口６４ａおよび冷却媒体出口６４ｂとを連通する第１および第２冷却媒体連結流路１６６、１６８とが設けられる。
【００５９】
第１および第２燃料ガス連結流路１６２、１６４は、面１６０ｂ側に設けられる流路溝７４、７８に一体的に連通して第２セパレータ１６０を貫通する長孔１７０、１７２を備える。第１および第２冷却媒体連結流路１６６、１６８は、同様に、流路溝９４ａ、９４ｂに一体的に連通するとともに、前記第２セパレータ１６０を貫通して設けられる長孔１７４、１７６を備える。
【００６０】
このように構成される第３の実施形態では、例えば、燃料ガス入口６０ａに供給される燃料ガスが流路溝７４に導入されると、長孔１７０に一体的に導入されて面１６０ｂ側から面１６０ａ側に移動し、第１燃料ガス流路溝６６に導入される。これにより、第２セパレータ１６０の面１６０ａ、１６０ｂには、溝部を閉塞するための薄板状のカバー等を用いる必要がなく、部品点数が一挙に削減されるとともに、簡単な構成で薄肉化が図られる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
さらに、第３の実施形態では、第１および第２燃料ガス連結流路１６２、１６４が、流路溝７４、７８に一体的に連通して第２セパレータ１６０を貫通する長孔１７０、１７２を備えており、燃料ガスがこの長孔１７０、１７２を通過する際の圧損を有効に低減することができるという利点がある。同様に、第２セパレータ１６０には、冷却媒体を通過させるための長孔１７４、１７６が設けられており、圧損の低減が容易に図られる。
【００６２】
しかも、第２セパレータ１６０を貫通して長孔１７０、１７２、１７４および１７６を形成すればよい。このため、第２セパレータ１６０の製造作業が一層簡素化し、該第２セパレータ１６０を経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータの外周縁部に貫通して設けられる連通孔と、このセパレータの電極発電面内に設けられるガス流路とを、前記電極発電面とは反対側の面側で前記連通孔と連通する連結流路を介して連通させることにより、前記電極発電面側に薄板状カバー等を嵌め込む必要がなく、構成および組み付け工程が一挙に簡素化し、高品質なかつ薄肉状の燃料電池を経済的に製造することが可能になる。
【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】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】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説明図である。
【図５】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図６】前記第１セパレータと第１ガスケットの斜視説明図である。
【図７】前記第２セパレータに第２ガスケットが配置された状態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の一部縦断面説明図である。
【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第２セパレータの面の正面説明図である。
【図１０】従来技術に係る燃料電池の一部縦断面説明図である。
【図１１】別の従来技術に係る燃料電池の一部正面説明図である。
【図１２】図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】さらに別の従来技術に係る燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図１４】図１３に示す前記セパレータの一方の面の正面図である。
【符号の説明】
１０、１４０…燃料電池              １２…単位燃料電池セル
１４、１６、１６０…セパレータ      １８…電解質膜
２０…カソード側電極                ２２…アノード側電極
２４、２６…ガス拡散層              ２８、３０、３５…ガスケット
３６ａ、６０ａ…燃料ガス入口        ３６ｂ、６０ｂ…燃料ガス出口
３８ａ、６２ａ…酸化剤ガス入口      ３８ｂ、６２ｂ…酸化剤ガス出口
４０ａ、６４ａ…冷却媒体入口        ４０ｂ、６４ｂ…冷却媒体出口
４２、４４…酸化剤ガス流路溝        ４６、４８…酸化剤ガス連結流路
５０、９４ａ、９４ｂ…流路溝
５２、５６、７６、８０、９６ａ、９６ｂ…貫通孔
５４、７４、７８、１４４…流路溝    ６６、６８…燃料ガス流路溝
７０、７２、１４２、１６２、１６４…燃料ガス連結流路
８６ａ、８６ｂ…主流路溝            ８８…分岐流路溝
９０、９２、１６６、１６８…冷却媒体連結流路
１４６…傾斜貫通孔
１７０、１７２、１７４、１７６…長孔
【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】
0004809519.tif 000009
【図９】
0004809519.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004809519.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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