(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の両面にガス拡散電極を接合してなる薄板状の発電部と、該発電部の周縁を囲繞する絶縁性のスペーサとからなる発電構造体と、
発電部と当接する当接部とガス流路溝とを有するガス供給部が中央に形成され、該ガス供給部を発電部に対向するようにして、発電構造体上に被着するセパレータと
を複数積層してなる燃料電池であって、
発電部は、方形状をなすものであり、
スペーサは、その中央に、該発電部が整一に収納される方形状の収納開口が形成され、
かつ収納開口の外周部には、セパレータが被着する被着座が表裏に形成され、
また、収納開口の各辺縁と対向する四位置に夫々幅広な通気開口が形成され、
さらに、各通気開口と、収納開口の各辺縁との間には、ガスが通過する通気段溝と、セパレータにより閉塞される嵌合段溝とが、表裏で相互に対を成し、かつ、同一面では収納開口の周方向に沿って交互に並ぶように形成されており、
セパレータは、中央の表裏に夫々方形状のガス供給部が形成され、かつその表裏周縁をスペーサの被着座に当接して装着される金属板よりなり、
かつその周部には、ガス供給部の各辺縁と対向し、かつスペーサの各通気開口と積層方向で一致する、四つの幅広な通気孔が夫々形成され、
さらにガス供給部の各辺縁と各通気孔との間には、いずれか一面側へ湾隆し、スペーサの嵌合段溝と嵌合する突隆部が夫々形成され、各突隆部内には、通気孔とガス供給部とに面方向に沿って連通し、スペーサの通気段溝と接合する連通溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
セパレータの両面のガス供給部は、一面側と他面側とに向けて突成され、その頂点付近に発電部との当接部を形成する複数の突起部と、各突起部の頂点の間に形成される網状のガス流路溝とからなるものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
相互に接合する通気段溝と連通溝の内部に幅方向に亘り設けられ、通気段溝側の内側端を、発電部の端部に対して厚み方向から当接する支持部材を備えることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や携帯端末等の電源に用いられる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的に、電解質層の両面に電極を接合してなる発電部の中で水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に生じる化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、クリーンで発電効率の高いシステムとして注目されている。この燃料電池は、電解質層を構成するイオン伝導体（通常はプロトン伝導体）の材質ごとに作動温度等の特徴が大きく異なり、用いるイオン伝導体の種類により分類される。こうした燃料電池の中で固体高分子型燃料電池と呼ばれるものは、室温付近で作動し、比較的小型であることから自動車や携帯電話等への利用が期待されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池にあっては、電解質層にプロトン伝導体であるイオン交換性高分子膜を用い、通常は、白金等の触媒を担持した導電性粒子を保持する触媒層と、供給されるガスを拡散するガス拡散導電層とからなる一対の電極（ガス拡散電極）を、熱圧着法により該イオン交換性高分子膜の両面に接合して、ガス拡散電極と電解質層が一体化した発電部を形成する（例えば特許文献１参照）。そして、この発電部をガス流路溝が形成された一対のセパレータで挟持してなる単位電池を複数積層したスタックがこの燃料電池の主要部を構成する。
【０００４】
上記イオン交換性高分子膜の中では、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜を用いたものが最も開発が進んでおり実用段階に迫っている。しかし、このナフィオン等の既存のパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜は、製造工程が複雑でコストが高く、固体高分子型燃料電池の商用化の障害となっている。また、そのプロトン伝導度は、周囲の湿度に大きく異存するため、燃料電池に大掛かりな湿度管理手段を要するといった問題もあり、こうしたイオン交換膜に替わる、新たなプロトン伝導体の研究開発が盛んとなっている。
【０００５】
こうした状況の中で、本発明者の共同研究者らは、イオン交換性高分子膜に替わり得る新たなプロトン伝導体として、溶融ガラスを原料とするプロトン伝導ゲルを開発した（特許文献２参照）。このプロトン伝導ゲルは、リン酸塩分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とを有するものであり、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスの粉末を常温で水と反応させることにより得られるゲル状物質であり、通常は適度な粘り気をもち成形し用意なものであるが、熱処理等により部分的に結晶化させることで流動性を失わせ硬化させることもできる。そして、このプロトン伝導ゲルや該ゲルは、固体高分子型燃料電池の一般的な作動温度（８０℃）付近で、前記ナフィオンより高いプロトン伝導度を示し、また、そのプロトン伝導度は、周囲の湿度変化に対して安定であり、さらに、前記ナフィオンと比べてはるかに低コストで製造可能であるなど、種々の利点を有することが見出された。
【０００６】
発明者は、このプロトン伝導ゲルに注目し、該プロトン伝導ゲルを電解質層に用いた単位電池構造の開発を試み、鋭意研究を行った結果、プロトン伝導ゲルを電解質層に好適に用い得る単位電池の構成を発明した（特願２００３−１９３８４５）。かかる構成では、図１２に示すように、プロトン伝導ゲルをガス拡散電極１３０，１３０に挟んで、薄膜状の電解質層１３１に成形し、この状態でプロトン伝導ゲルを硬化させることにより、電解質層１３１とガス拡散電極１３０，１３０とを接合させて発電部１０３を形成する。さらに、この発電部１０３は、支持突部１５１に係合することによりスペーサ１０５に組み付けられて、発電部１０３とスペーサ１０５とが一体化した発電構造体１１０を構成する。そして、該発電構造体１１０を、ガス流路溝１４１が形成されたセパレータ４，４の間で挟持することにより単位電池１０２を構成するものである。また、各単位電池１０２には、マニホールド１０６から、発電部３の両面へガスを供給するガス連通路１１１が形成される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３１３３５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料電池を燃料電池自動車や携帯端末等の電源としての実用性を向上するために、小型化かつ高出力化が望まれており、その手段の一つとして、上記単位電池を薄型化し、スタックを高密度化することが求められている。しかし、単位電池構成の薄型化には、幾つかの問題が伴う。その一つとして、単位電池の構造を薄くすればする程、燃料ガスや空気の流路を確保し難くなるという問題がある。すなわち、図１２に示した単位電池１０２では、上下方向にマニホールド１０６が形成されており、このマニホールド１０６から供給される燃料ガスや空気はこのガス連通路１１１に枝分かれして、ガス拡散電極の面方向に沿って形成されるガス流路溝１４１を介して、燃料極、空気極へと供給され、また、未反応の燃料ガスや、空気極側の水分等は、異なるガス連通路からガス排出用のマニホールド１０６へと排出される。ところが、従来構成の単位電池１０２の構造を単純に薄型化させると、それに伴いガス連通路１１１も狭くなり、発電部１０３に燃料ガスや空気を十分に供給するのが難しくなり、単位電池１０２の起電力が低下してしまうのである。
【０００９】
本発明は、かかる問題の解決を試みたものであり、単位電池の厚みに対して、広いガス連通路を有し、薄型化しても、発電部に十分なガスの供給を行い得る燃料電池の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質層の両面にガス拡散電極を接合してなる薄板状の発電部と、該発電部の周縁を囲繞する絶縁性のスペーサとからなる発電構造体と、発電部と当接する当接部とガス流路溝とを有するガス供給部が中央に形成され、該ガス供給部を発電部に対向するようにして、発電構造体上に被着するセパレータとを複数積層してなる燃料電池であって、発電部は、方形状をなすものであり、スペーサは、その中央に、該発電部が整一に収納される方形状の収納開口が形成され、かつ収納開口の外周部には、セパレータが被着する被着座が表裏に形成され、また、収納開口の各辺縁と対向する四位置に夫々幅広な通気開口が形成され、さらに、各通気開口と、収納開口の各辺縁との間には、ガスが通過する通気段溝と、セパレータにより閉塞される嵌合段溝とが、表裏で相互に対を成し、かつ、同一面では収納開口の周方向に沿って交互に並ぶように形成されており、セパレータは、中央の表裏に夫々方形状のガス供給部が形成され、かつその表裏周縁をスペーサの被着座に当接して装着される金属板よりなり、かつその周部には、ガス供給部の各辺縁と対向し、かつスペーサの各通気開口と積層方向で一致する、四つの幅広な通気孔が夫々形成され、さらにガス供給部の各辺縁と各通気孔との間には、いずれか一面側へ湾隆し、スペーサの嵌合段溝と嵌合する突隆部が夫々形成され、各突隆部内には、通気孔とガス供給部とに面方向に沿って連通し、スペーサの通気段溝と接合する連通溝が形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【００１１】
かかる構成にあっては、発電構造体の両面に、セパレータを被着させることにより、発電構造体の中央に組み込まれた発電部と、セパレータの中央に設けられたガス供給部とが対向するように当接し単位電池が形成される。ここで、本発明にあっては、セパレータには、ガス流路溝を有するガス供給部を中央の両面に設けており、該セパレータと発電構造体とを交互に重ねることにより複数の単位電池が積層したスタックを形成する。そして、この積層により、スペーサの通気開口とセパレータの通気孔とは、積層方向で一致させ、積層方向に重なる方形状の発電部及びガス供給部の各辺縁と対向する位置に、燃料ガスや空気を供給、排出するためのマニホールドを形成する。また、本発明にあっては、セパレータを発電構造体の両面に被着することにより、セパレータの突隆部をスペーサの嵌合段溝に内嵌させると共に、突隆部内の連通溝を通気段溝と接合することにより、各マニホールドとガス供給部とを連通するガス供給路を形成する。すなわち、本発明にあっては、従来のようにセパレータに形成した溝のみによりガス連通路を形成するのではなく、セパレータに形成した連通溝と、スペーサの通気段溝を接合することによりガス連通路を形成するため、ガス連通路の厚みを、単位電池の厚みに対して、従来よりも拡大することが可能となっている。また、かかる構成では、マニホールドは、ガス供給部の各辺縁と対向する位置に設けられていると共に、ガス連通路は、ガス供給部を挟んで相互に対向するマニホールド同士を、同一面側のガス供給部に連通させている。このため、マニホールドを流れる燃料ガスや空気は、ガス供給部の一辺縁側から供給され、反対側の辺縁から流出することとなり、ガス連通路の幅を、ガス供給部の辺縁の長さにまで広げることが可能となっている。さらに、本発明の構成は、セパレータの薄型化や低価格化に適する金属板からなる構成を用いたものであるから、ガス流路だけでなく、他の薄型化に必要な構成とも調和し得る。
【００１２】
ここで、セパレータの両面のガス供給部は、一面側と他面側とに向けて突成され、その頂点付近に発電部との当接部を形成する複数の突起部と、各突起部の頂点の間に形成される網状のガス流路溝とからなる構成とすることが提案される。かかる構成にあっては、突起部は金属板をプレス加工するだけで容易に形成され、各突起部を適当な位置に形成することにより網状のガス流路も形成することが可能であるため、非常に簡単にガス供給部をセパレータの両面に形成することができる。
【００１３】
本発明にあっては、上述のように、ガス連通路を、厚み方向だけでなく、幅方向にも広げることができる。しかし、その一方で、ガス連通路の幅を広くすると、発電部の端部の厚み方向からの押さえがなくなるため、発電部が厚み方向に変形し易くなるという問題点がある。このため、相互に接合する通気段溝と連通溝の内部に幅方向に亘り設けられ、通気段溝側の内側端を、発電部の端部に対して厚み方向から当接する支持部材を備えることが望ましい。かかる構成にあっては、発電部を機械的に柔軟なものとした場合にも、支持部材により発電部が変形しないように確実に保持することが可能となるため、ガス連通路を幅方向に拡大し、かつ単位電池に薄い発電部を用いることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
上述したように、本発明の燃料電池では、マニホールドとガス供給部を連通するガス連通路は、スペーサに形成した通気段溝と、セパレータに形成した連通溝とを接合することによりなるものであるから、従来構成よりも単位電池の厚みに対して、厚みのあるガス連通路を形成することが可能である。このため、ガスの供給量、排出量を不足させることなく、単位電池をより薄型化し、スタックを高密度化することが可能となり、コンパクトで高出力の燃料電池を実現できる。また、本発明にあっては、マニホールドはガス供給部の各辺縁に対向するように形成され、ガス供給部を挟んで対向するマニホールド同士を同じ側ガス供給部と連通させるため、ガス連通路を、ガス供給部の辺縁と同幅にまで拡げることができる。さらには、本発明の構成は、薄型化・低価格化に適した金属板からなるセパレータを用いたものであるから、薄型化に適する他の構成と好適に調和できるという利点も有する。
【００１５】
また、セパレータの両面のガス供給部は、一面側と他面側とに向けて突成され、その頂点付近に発電部との当接部を形成する複数の突起部と、各突起部の頂点の間に形成される網状のガス流路溝とからなる構成とした場合には、金属板の両面にガス供給路を簡単かつ低廉に形成することが可能となる。
【００１６】
さらに、相互に接合する通気段溝と連通溝の内部に幅方向に亘り設けられ、通気段溝側の内側端を、発電部の端部に対して厚み方向から当接する支持部材を備えた場合には、ガス連通路を幅方向に拡大しても、発電部の端部を安定して保持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
図１，２は、本実施例の燃料電池１のスタック８を示したものである。本実施例のスタック８は、薄板状の矩形の単位電池２を複数積層してなる。このスタック８には各単位電池２の周部を貫通する、四つの幅広なマニホールド６ａ〜６ｄを上下方向に形成している。このマニホールド６ａ〜６ｄは、各単位電池２の燃料極側に燃料ガス（水素）を供給するためのマニホールド６ａや、空気極側に空気（酸素）を供給するマニホールド６ｂ、各単位電池２で反応しなかった燃料ガスを燃料極側から排出するためのマニホールド６ｃ、電池反応により生じた水分や反応後の空気を空気極側から排出するマニホールド６ｄよりなる。また、スタック８には、その周部を上下に貫通する位置決め孔７，７を形成し、この位置決め孔７に位置決め杆（図示省略）を挿通することにより、各単位電池２が整一に重なるように積層する。なお、本実施例の燃料電池１は、このスタック８以外に、前記マニホールド６ａ，６ｃに燃料ガスや空気を圧入するガス供給装置や集電装置等が装着されるが、これらは、公知の固体高分子型燃料電池と同様の構造を適宜使用可能であるため、説明を省略する。
【００１８】
本実施例の単位電池２は、図２，３に示すように、薄板状の発電部３の周縁を扁平なスペーサ５で囲繞して一体化した発電構造体１０の両面に、中央にガス供給部４０が形成されたセパレータ４，４を被着することによりなる。ここで、本実施例のセパレータ４は、その両面にガス供給部４０が形成されており、上下ガス供給部４０は夫々発電部３と当接することにより、隣接する単位電池２で共用されるものである。すなわち、本実施例のスタック８は、発電構造体１０とセパレータ４とを交互に積層することにより、単位電池２が積層したスタック８が形成される。また、後述するように、本実施例にあっては、発電構造体１０とセパレータ４との間には、発電部３の端部を厚み方向から支持する支持部材９を配設する。
【００１９】
また、発電部３は、電解質層３１の両面にガス拡散電極３０ａ，３０ｂを接合してなるものであり、この発電部３の両ガス拡散電極３０ａ，３０ｂと対向するようにして、ガス供給部４０が当接し、この当接部４７を介して、ガス拡散電極３０ａ，３０ｂとセパレータ４とが電気的に接続する。また、ガス供給部４０は、当接部４７以外の部分を、ガス拡散電極３０ａ，３０ｂに沿ってガスが通過するガス流路溝４１とする。このガス流路溝４１を介して、燃料ガスや空気がガス拡散電極３０ａ，３０ｂへと夫々供給され、発電部３で生じた水分等がガス流路溝４１側へ流出する。
【００２０】
ここで、本実施例にあっては、各単位電池２は、図３上側を燃料極、下側を空気極とするものであり、図３，４に示すように、発電部３の上面と当接するガス供給部４０と、燃料ガスを流すマニホールド６ａ，６ｃとの間には、該ガス供給部４０へ燃料ガスを循環させるためのガス連通路１１ａ，１１ｃを形成する。すなわち、本実施例の単位電池２にあっては、図３左側のマニホールド６ａを流れる燃料ガスが、ガス連通路１１ａを通り、発電部３の上側（燃料極側）のガス流路溝４１から燃料極側のガス拡散電極３０ａへと供給される。そして、未反応の燃料ガス等は、ガス連通路１１ｃを通り、図３右側のマニホールド６ｃへと流出することとなる。
【００２１】
一方、発電部３の空気極側と当接するガス供給部４０と、空気の流れるマニホールド６ｂ，６ｄとの間には、図４に示すように、該ガス供給部４０へ空気を循環させるためのガス連通路１１ｂ，１１ｄが形成される。そして、燃料極側と同様に、一側のマニホールド６ｂを流れる空気（酸素）がガス連通路１１ｂを通って空気極側のガス流路溝４１へと流入し、空気極側のガス拡散電極３０ｂへと供給される。そして、電池反応によってガス拡散電極３０ｂ内に生じた水分や、未反応の空気等が、ガス連通路１１ｄを通り、他側のマニホールド６ｄへと流出することとなる。
【００２２】
また、本実施例の単位電池２にあっては、図２に示すように、燃料ガスを流すマニホールド６ａ，６ｃと、空気を流すマニホールド６ｂ，６ｄの夫々が、各ガス供給部４０を挟んで対向するように形成されており、発電部３の燃料極側と空気極側とに当接するガス供給部４０，４０では、夫々燃料ガスと空気とが相互に直交するように流れるようになっている。なお、本実施例の単位電池２にあっては、燃料極側と空気極側とは表裏で対称形状をなすものであり、両極の違いは、ガス供給部４０に供給するガスの違い等、作動レベルのものであるため、その構造については、両極を区別することなく説明する。もちろん、これは一実施形態であり、本発明の実施形態としては、燃料極側と空気極側との構造を同一にする必要はなく、両極で非対称構造としても全く問題はない。
【００２３】
以下に、上記単位電池２を構成する、発電構造体１０やセパレータ４の構成について説明する。
【００２４】
発電構造体１０は、薄板状の発電部３の周縁を扁平な絶縁性スペーサ５で囲繞してなる正方形状のものである。発電部３とスペーサ５とは、図５，６に示すように、発電部３の周縁部を、スペーサ５中央の収納開口５０の内周域に形成された支持突部５１と、全周に亘って係合することにより、分離不可能に組み付けられる。
【００２５】
発電部３は、図５，６に示すように、等厚な膜状をなす電解質層３１の両面に、一対のガス拡散電極３０ａ，３０ｂを対向状に接合してなるものである。
【００２６】
ガス拡散電極３０ａ，３０ｂは、正方形に切り抜いた、厚さ１ｍｍ以下の多孔性カーボンペーパーよりなる。このカーボンペーパーの片面には白金を担持したカーボン粒子を全面に付着させて触媒層を形成している。このガス拡散電極３０ａ，３０ｂには、既存の固体高分子型燃料電池に用いられる触媒層とガス拡散導電層とからなるガス拡散電極を好適に使用可能であり、その構造、製造方法についての詳細は省略する。また、このガス拡散電極３０ａ，３０ｂについては、燃料極側と空気極側とで、略同形状のものを用いることが望ましいが、材質や触媒等については、両極の電池反応に適したもの用いることができる。
【００２７】
電解質層３１の構成材料としては、リン酸カルシウムガラスから得たプロトン伝導ゲルを用いる。本実施例のプロトン伝導ゲルは、以下の工程により作製した。まず、リン酸がＰ2Ｏ5換算で５０ｍｏｌ％の組成となるように炭酸カルシウムとリン酸の乾燥混合粉末を調製する。そして、この乾燥混合粉末を電気炉中で、１３００℃・０．５時間の熱処理を行い、溶融させる。その後、溶融物をカーボン板上に流し出し、室温まで急冷しリン酸カルシウムガラスを得る。このリン酸カルシウムガラスを乳鉢で粒子の直径が１０μｍ以下になるまで粉砕する。そして、得られたガラス粉末をプラスチックシャーレに入れ、等重量の蒸留水を加えて攪拌した後、施蓋して乾燥を防いだ状態で約３日間室温放置する。これにより、リン酸塩ガラス粉末が水と反応し、リン酸カルシウム分子鎖を水中に分散させてなる、柔軟なプロトン伝導ゲルを得る。そして、このプロトン伝導ゲルを、触媒層を内向きにした一対のガス拡散電極３０ａ，３０ｂの間に配し、プロトン伝導ゲルを薄膜状に成形・保持した状態で、熱処理（例えば温度９０℃，湿度９０％で６時間）を行い、プロトン伝導ゲルを硬化させて、プロトン伝導ゲルにより変形し難い電解質層３１を構成すると共に、該電解質層３１とガス拡散電極３０ａ，３０ｂとを分離不可能に接合させ、両者が一体化した発電部３を得る。
【００２８】
スペーサ５は矩形のテフロン（登録商標）板を切削加工することによりなり、図５に示すように、その中央には発電部３を収納する収納開口５０を成形する。収納開口５０は、発電部３を整一に収納可能となるように、上記ガス拡散電極３０ａ，３０ｂと一致する正方形状に形成する。そして、図５，６に示すように、収納開口５０の周縁には、内方へ突出し、ガス拡散電極３０ａ，３０ｂの周縁部と当接する支持突部５１を周設する。この支持突部５１は、図６に示すように、収納開口５０の厚み方向に対して中央部分に設け、スペーサ５内周の縦断面を内向きの凸字形とする。
【００２９】
そして、スペーサ５の周部には、セパレータ４が被着する被着座５５を表裏に形成する。この被着座５５は、セパレータ４を発電構造体１０に被着させた状態で、ガス供給部４０とガス拡散電極３０ａ，３０ｂとが適当な力で当接し、発電部３に過剰な圧力がかからないように厚み規定を行う。また、収納開口５０の各辺縁と対向する四位置には、通気開口５２を形成する。この通気開口５２は、収納開口５０の辺縁と略同幅をなし、積層した際にマニホールド６ａ〜６ｄを構成する。また、周部の角位置には、位置決め孔７を構成するための貫通孔５４，５４も形成する。
【００３０】
さらに、各通気開口５２と収納開口５０の各辺縁との間には、表裏に通気段溝５３ａと嵌合段溝５３ｂとを形成する。通気段溝５３ａと嵌合段溝５３ｂとは図５，６に示すように表裏で相互に対をなすように形成され、また、同一面では収納開口の周方向に沿って交互に並ぶように形成する。すなわち、スペーサ５の同一面上では、収納開口５０を挟んで通気段溝５３ａ同士、嵌合段溝５３ｂ同士が対向する。なお、本実施例においては、通気段溝５３ａと嵌合段溝５３ｂとの形状に違いを持たせておらず、相互に共用することが可能となっている。
【００３１】
また、発電部３とセパレータ４との組み付けは、発電部３の作製と同時に行う。すなわち、上記の発電部３の製造工程にあっては、柔軟なプロトン伝導ゲルを、一対のガス拡散電極３０ａ，３０ｂの間に配した後、プロトン伝導ゲルを硬化させることにより、発電部３を作製するものであるが、本実施例にあっては、プロトン伝導ゲルをガス拡散電極３０ａ，３０ｂの間に配すると同時に、両ガス拡散電極３０ａ，３０ｂの周縁部の間に、スペーサ５の支持突部５１を介装させる。そして、この状態を治具等により保持したまま、プロトン伝導ゲルを硬化させ、電解質層３１とガス拡散電極３０ａ，３０ｂとが密着した発電部３を作製すると共に、当該発電部３を、スペーサ５の支持突部５１と係合させることにより、収納開口５０に組み付けることができる。
【００３２】
セパレータ４は、図７〜９に示すように、正方形の一枚の金属板から製造し、その中央両面に、正方形のガス供給部４０を形成すると共に、その周部の両面をスペーサ５の被着座５５と密接する接合座面４８とする。このセパレータ４を構成する材料としては、固体高分子型燃料電池のセパレータに用いられる、導電性や腐食性に優れたステンレス鋼やチタン等を好適に用いることができる。
【００３３】
ガス供給部４０は、金属板の表裏に突成される複数の円形突起部４２により形成する。この円形突起部４２は、金属板をプレス成形することにより形成し、交互に異なる面に突出するものを、縦横に沿って配列する。そして、表裏両面のガス供給部４０において、各円形突起部４２の頂点付近を発電部３との当接部４７とすると共に、該当接部４７以外の部分を網状のガス流路溝４１とする。このように、本実施例にあっては、両面のガス供給部４０は、複数の円形突起部４２の頂点付近で発電部３と当接させることにより、その当接部４７を面方向で不連続なものとして、当接部４７の間を縫うように網状のガス流路溝４１を形成する。このため、ガス供給部４０のガス流路溝４１は面方向に沿って縦横にガスが通過可能であり、表裏のガス供給部４０で、燃料ガスと空気とが相互に直交するように流すことができる。また、上述のように、かかる形状のガス供給部４０は、金属板をプレス加工するだけ形成されるため、容易かつ低廉に作製できるという利点を有する。に形成することができる。なお、ガス供給部４０と発電部３とは、夫々正方形をなし、積層した際に相互に積層方向で重なり、当接するようになっているが、ガス供給部４０は発電部３の表面よりも僅かに小さくなっており、積層した際に、発電部３の端部が僅かに突出するようにしている。
【００３４】
ガス供給部４０周囲の接合座面４８には、ガス供給部４０の各辺縁と対向する位置に、幅広な通気孔４３を夫々形成する。この通気孔４３は、ガス供給部４０の対向する辺縁と略同幅で、かつスペーサ５の通気開口５２と積層方向で一致する位置に形成し、この通気孔４３と通気開口５２を積層方向に交互に重ねることによりスタック８内にマニホールド６ａ〜６ｄを形成する。また、周部の角位置には、位置決め孔７を構成するための貫通孔４６，４６も形成する。
【００３５】
さらに各通気孔４３とガス供給部４０の各辺縁との間には、いずれか一面側に湾隆する方形の突隆部４４を夫々形成し、各突隆部４４の内部に、通気孔４３とガス供給部４０とを面方向に沿って連通する連通溝４５を形成する。また、この突隆部４４は、積層した際に、スペーサ５の通気段溝５３ａや嵌合段溝５３ｂと積層方向で一致する形状に形成し、また、ガス供給部４０を挟んで相互に対向するものを同一面側に、相互に隣接するもの同士は夫々異なる面側に湾隆させる。そして、セパレータ４とスペーサ５とを重ね合わせた際に、該突隆部４４を隣接する嵌合段溝５３ｂに嵌合させると共に、隣接する連通溝４５と通気段溝５３ａとを接合させて、単位電池２の各ガス連通路１１ａ〜１１ｄを形成させる（図３，４参照）。
【００３６】
また、上述したように、本実施例の単位電池２にあっては、発電構造体１０とセパレータ４との間に、発電部３の端部を厚み方向から支持する支持部材９を配設する。図１０，１１に示すように、この支持部材９は、成形した二片のステンレス鋼板を幅方向に接合してなるものであり、方形状の支持板９０と、支持板９０の中央及び側端に設けられた脚部９１とで構成される。この支持部材９は、図７に示すように、連通溝４５と略同じ大きさをなし、予めセパレータ４の各連通溝４５の底面に脚部９１を当接させた状態で固着される。そして、この支持部材９は、図３，４に示すように、セパレータ４と発電構造体１０とを積層した状態で、その支持板９０を通気段溝５３ａの底面に被着させると共に、支持板９０の内側端で発電部３の端部を厚み方向から支持する（図３中のｘ）。
【００３７】
以上に詳述したセパレータ４や発電構造体１０の構造を踏まえて、本実施例のスタック８の構造を詳述すると、本実施例の燃料電池１のスタック８は、セパレータ４と発電構造体１０とを交互に重ね合わせて積層することにより構成する。そして、図３，４に示すように、スペーサ５の被着座５５とセパレータ４の接合座面４８とが接合することにより、発電部３両面のガス拡散電極３０ａ，３０ｂとセパレータ４のガス供給部４０とが当接すると共に、セパレータ４の突隆部４４が、スペーサ５の嵌合段溝５３ｂに内嵌して閉塞すると共に、該突隆部４４内部の連通溝４５は、スペーサ５の通気段溝５３ａと接合して、マニホールド６ａ〜６ｄとガス供給部４０とを連通するガス連通路１１ａ〜１１ｄを形成することとなる。従って、本実施例の単位電池２にあっては、セパレータ４のみならず、セパレータ４とスペーサ５の両方に形成した溝を積層方向に接合することによってガス連通路１１を形成するものであり、従来構成よりも単位電池２の厚みに対して、より厚いガス流路を実現可能となっており、また、本実施例においては、ガス連通路１１ａ〜１１ｄの幅を正方形に形成したガス供給部４０の各辺縁と略同幅にまで拡げることが可能となっている。このため、本実施例の燃料電池１にあっては、単位電池２の大きさに対して、従来よりも極めて広いガス連通路１１ａ〜１１ｄが形成されている。従って、同じ広さのガス連通路を有する単位電池であっても、本実施例の単位電池２にあっては、従来よりも薄型化することが可能となり、出力を低下させることなくスタック８をより高密度化することが可能となっている。
【００３８】
また、上述したように、本実施例の単位電池２にあっては、ガス連通路１１ａ〜１１ｄ内に、幅方向に亘り設けられた支持部材９により、発電部３の端部を厚み方向から支持するため（図３中のｘ部分）、ガス連通路１１ａ〜１１ｄを、ガス供給部４０の各辺縁と略同じ幅としても、発電部３を変形させることなく安定して支持することが可能となっている。従って、本実施例では、機械的強度が弱くなるまで薄型化した発電部３であっても、好適に用いることが可能となっており、単位電池２をより薄型化させることができる。
【００３９】
さらには、本実施例のセパレータ４は、一枚の金属板からなるため薄型化に適し、また、その突隆部４４やガス供給部４０はプレス加工により形成できるため、金属板を切削加工することなく簡単な工程により製造することができる。
【００４０】
以上のように、本実施例の燃料電池にあっては、単位電池の構成に対して厚み・幅方向共に広いガス連通路が形成されているため、単位電池２を薄型化しても、十分なガスの循環を行うことが可能となり、出力を低下させることなく、燃料電池のスタックを高密度化することが可能となる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施例の構成や方法に限定したものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更可能である。例えば、セパレータ４の連通溝４５や、スペーサ５の通気段溝５３ａ、嵌合段溝５３ｂの形状は、本実施例の形状に限らず適宜変更可能である。例えば、上記実施例では、連通溝４５と通気段溝５３ａとは略一致するようにしているが、これらの接合により厚みのあるガス連通路を形成できる限りにおいては、不完全一致であっても構わない。
【００４２】
また、本発明は、プロトン伝導ゲルを電解質として用いた燃料電池の単位電池を薄型化と目的として為されたもので、上述の実施例においても、電解質層の構成材料としてプロトン伝導ゲルを用いているが、上記実施例同様の発電構造体１０を形成可能なものであれば、電解質層に種々の材料を用いることが可能である。また、その際には、発電部３とスペーサ５とは必ずしも分離不可能な形で一体化させる必要もない。
【００４３】
さらに、従来の固体高分子型燃料電池には、スタック内に冷却水を循環させる構造を有するものが知られているが、本発明の燃料電池にあっても、各単位電池を貫通するように、冷却水を循環させるマニホールドをスタックに形成したり、冷却水の流路を備える単位電池を何枚かに一枚介挿したりするなど、既存の冷却機構を適宜組み合わせることが可能である。また、上記実施例には記述していないが、本発明のセパレータと発電構造体の間には、ガス漏れ防止のため、ガスケットやグリス等を適宜に充填することが望ましく、本発明の実施形態には、かかるガス漏れ防止構造も適宜加え得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】単位電池２を積層してなるスタック８の拡大側面図である。
【図２】スタック８の分解斜視図である。
【図３】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】発電構造体１０の平面図である。
【図６】図５中のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】セパレータ４及び支持部材９の分解斜視図である。
【図８】セパレータ４の平面図である。
【図９】図８中のＤ−Ｄ断面図である。
【図１０】支持部材９の平面図である。
【図１１】図１０の下方から見た支持部材９の一側面図である。
【図１２】従来の単位電池１０２を示す縦断側面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池
２，１０２  単位電池
３，１０３  発電部
４，１０４  セパレータ
５，１０５  スペーサ
６ａ〜６ｄ，１０６  マニホールド
７  位置決め孔
８  スタック
９  支持部材
１０，１１０  発電構造体
１１ａ〜１１ｄ，１１１  ガス供給路
３０ａ，３０ｂ，１３０  ガス拡散電極
３１，１３１  電解質層
４０  ガス供給部
４１  ガス流路溝
４２  円形突起部
４３  通気孔
４４  突隆部
４５  連通溝
４６  貫通孔
４７  当接部
４８  接合座面
５０  収納開口
５１，１５１  支持突部
５２  通気開口
５３ａ  通気段溝
５３ｂ  嵌合段溝
５４  貫通孔
５５  被着座
９０  支持板
９１  脚部
【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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【図１２】
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