(57)【要約】【課題】冷却効率の向上等を図る。【解決手段】電解質膜１３の両面にそれぞれ設けられた酸素極１４及び燃料極１５を挟んで一対のセパレーター９、９が積層されて構成された単セル３が複数積層されて成るスタック４を備えた燃料電池１において、セパレーターを環状に形成し、セパレーターの一方の面に燃料極に対向し燃料を流通させる燃料流通路２９、２９を形成すると共に他方の面に酸素極に対向し酸素を流通させる酸素流通路３４、３４、・・・を形成し、単セルにセパレーターの周方向に延びる略環状の水路４８、４９を形成した。【選択図】        図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれ設けられた酸素極及び燃料極を挟んで一対のセパレーターが積層されて構成された単セルが複数積層されて成るスタックを備えた燃料電池であって、
セパレーターは環状に形成され、
セパレーターには一方の面に燃料極に対向し燃料を流通させる燃料流通路が形成されると共に他方の面に酸素極に対向し酸素を流通させる酸素流通路が形成され、
単セルにセパレーターの周方向に延び燃料流通路及び酸素流通路の外側又は内側に位置された略環状の水路が形成された
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
単セルの外周部に上記水路を形成した
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池についての技術分野に関する。詳しくは、単セルが複数積層されて成る燃料電池において、冷却効率の向上等を図る技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、例えば、固体高分子型燃料電池のように、電解質膜の両面に燃料極及び酸素極が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を挟んで一対のセパレーターが積層されて単セルが構成され、該単セルが複数積層されて成るスタックを備えたものがある。
【０００３】
このような燃料電池にあっては、セパレーターの一方の面に形成された燃料流通路とセパレーターの他方の面に形成された酸素流通路とが電解質膜を挟んで対向した状態で一対のセパレーターが配置されている。
【０００４】
燃料流通路に燃料ガス（水素）が供給されると共に酸素流通路に空気や酸化剤ガス（酸素）が供給されると、水素分子が燃料極に添加された白金等の触媒によって水素イオンと電子とに乖離される。水素分子が水素イオンと電子とに乖離されると、水素イオンは電解質膜を通って酸素極に導かれ、電子は外部回路を通って酸素極に移動され、酸素極に供給された酸素と水素イオン及び電子とが結合され電気化学反応が生じて水が生成される。このとき両極に電位差が生じることにより電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００５】
電位差は単セル当たりで１Ｖに満たない場合が多いが、上記のように、単セルを複数積層してスタックとすることにより、高い電圧を得ることが可能である。
【０００６】
燃料電池においては、発電に伴う発熱による温度上昇を抑制して発電効率の向上を図る必要がある。例えば、固体高分子型燃料電池にあっては、運転温度を約６０°乃至８０°に保つ必要がある。
【０００７】
従来の燃料電池には、このような温度上昇を抑制するために、燃料電極と酸素電極とが位置する反応部の側方に水路を形成して冷却を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この従来の燃料電池にあっては、反応部を挟んだ互いに反対側に直線状の水路を形成し、水路内に形成された水入口から補給水（冷却水）を供給して水路内を流動させることにより電解質膜への加湿を行うと共に冷却を行うようにしている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−６８８９６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の燃料電池にあっては、燃料電極と酸素電極とが位置する反応部を挟んだ互いに反対側に直線状の水路を形成して冷却しているため、冷却が部分的にしか行われないと言う問題がある。即ち、直線状の水路に面した側、例えば、左右側からの冷却が行われるが、両方の水路間を結んだ側である前後側からの冷却は行われないため、冷却効率が悪いという問題がある。
【００１１】
このように冷却が部分的にしか行われないと、反応面に対して温度上昇抑制作用が不均一に作用し、水路が形成されていない部分、例えば、燃料や酸素の出口付近の温度上昇により、燃料電池の耐久性の劣化を来たすおそれがある。
【００１２】
そこで、本発明燃料電池は、上記した問題点を克服し、冷却効率の向上等を図ることを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明燃料電池は、上記した課題を解決するために、単セルが複数積層されて成るスタックを備えた燃料電池において、セパレーターを環状に形成し、セパレーターの一方の面に燃料極に対向し燃料を流通させる燃料流通路を形成すると共に他方の面に酸素極に対向し酸素を流通させる酸素流通路を形成し、単セルにセパレーターの周方向に延びる略環状の水路を形成したものである。
【００１４】
従って、本発明燃料電池にあっては、周方向に流動される冷却水によって冷却が行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明燃料電池の実施の形態を添付図面を参照して説明する。尚、以下に示した実施の形態は、本発明燃料電池を固体高分子膜型の燃料電池に適用したものである。
【００１６】
燃料電池１は発電部２と図示しない集電部とを備え、発電部２は複数の単セル３、３、・・・が積層されて成るスタック４が押さえプレート５、５と取付部材６、６とによって保持されることによって構成されている（図１参照）。スタック４は単セル３、３、・・・が、例えば、上下方向に積層されて構成されている。
【００１７】
スタック４は、その上下両面が押さえプレート５、５によって押さえられ、該押さえプレート５、５の上下両側にそれぞれ取付部材６、６が配置されている。
【００１８】
上記のように、押さえプレート５、５及び取付部材６、６が配置された状態において、順に、取付部材６、押さえプレート５、スタック４、押さえプレート５、取付部材６に通しボルト７、７が挿通されてスタック４が保持される。
【００１９】
単セル３は略円板状に形成され、図２乃至図４に示すように、膜電極接合体８と、該膜電極接合体８を挟んで積層された一対のセパレーター９、９と、膜電極接合体８と一方のセパレーター９との間に配置される外側シール板１０とを備えている。
【００２０】
膜電極接合体８は厚みの薄い略円板状に形成され、図５及び図６に示すように、外形が円形状を為す本体部１１と該本体部１１の互いに１８０°反対側の外周縁からそれぞれ外方へ突出された被取付部１２、１２とから成る。本体部１１には、その中心部に円形状の中心孔１１ａが形成され、外周部の被取付部１２、１２の内側の位置にそれぞれ緩やかな円弧状を為す第１の冷却用孔１１ｂと第２の冷却用孔１１ｃが形成され、第１の冷却用孔１１ｂと第２の冷却用孔１１ｃの内側の位置にそれぞれ半径方向（放射方向）に長い第１の燃料用孔１１ｄと第２の燃料用孔１１ｅが形成されている。
【００２１】
第１の冷却用孔１１ｂと第２の冷却用孔１１ｃは、一方が冷却水が供給される水供給口として機能し、他方が冷却水が排出される水排出口として機能する。第１の燃料用孔１１ｄと第２の燃料用孔１１ｅは、一方が燃料ガス（水素）が供給される燃料供給口として機能し、他方が燃料ガスが排出される燃料排出口として機能する。
【００２２】
本体部１１の外周部には、その中心を挟んだ互いに１８０°反対側の位置にそれぞれ空気抜き孔１１ｆ、１１ｆが形成され、該空気抜き孔１１ｆ、１１ｆは周方向において第１の冷却用孔１１ｂと第２の冷却用孔１１ｃから略９０°隔てた位置に形成されている。
【００２３】
被取付部１２、１２には、それぞれ上記通しボルト７、７が挿通されるボルト挿通孔１２ａ、１２ａが形成されている。
【００２４】
膜電極接合体８は電解質膜１３と該電解質膜１３の両面にそれぞれ設けられた酸素極１４及び燃料極１５とによって形成されている。電解質膜１３は、例えば、プロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸塩によって形成され、プロトンの交換の他、燃料ガスと酸素との混合を防止する隔膜としても機能する。酸素極１４と燃料極１５は、例えば、白金系の触媒をまぶしたカーボン粉末を透過膜素材に分散させた薄膜と該薄膜に貼り合わされた多孔質炭素膜とによって形成されている。多孔質炭素膜によって酸素極１４への水素イオンの拡散が最適化され、燃料（水素）の触媒層（薄膜）との接触が容易とされる。
【００２５】
膜電極接合体８の外周部には、その両面にそれぞれ略円環状を為す第１の外側補強シート１６と第２の外側補強シート１７とが貼着されている（図１３乃至図１５参照）。第１の外側補強シート１６と第２の外側補強シート１７は、例えば、ポリイミド等の絶縁材料によって形成されている。第１の外側補強シート１６は、例えば、酸素極１４側の面（上面）に貼着され（図５参照）、本体部１１の外周部と被取付部１２とに跨る位置に設けられている。第２の外側補強シート１７は、例えば、燃料極１５側の面（下面）に貼着され（図６参照）、本体部１１の外周部と被取付部１２とに跨る位置に設けられている。第２の外側補強シート１７は、内径が第１の外側補強シート１６より一回り大きくされ、内周縁が第１の外側補強シート１６の内周縁より外周側に位置されている。従って、第２の外側補強シート１７の半径方向における幅は第１の外側補強シート１６の半径方向における幅よりも小さくされており、第１の外側補強シート１６の内周部に対応する位置には第２の外側補強シート１７が存在しない（図１４及び図１５参照）。電解質膜１３の第１の外側補強シート１６の内周部に対応する部分は、第２の外側補強シート１７が存在せず第１の外側補強シート１６のみによって保護されており、この部分が片側シート保護部１３ａとして形成されている（図６、図１４及び図１５参照）。
【００２６】
膜電極接合体８の内周縁には、酸素極１４側の面にリング状を為す内側補強シート１８が貼着されている（図５及び図６参照）。内側補強シート１８は、例えば、ポリイミド等の絶縁材料によって形成されている。電解質膜１３の内側補強シート１８が貼着された部分は、一方の面のみが内側補強シート１８によって保護された片側シート保護部１３ｂとして形成されている（図６、図１４及び図１５参照）。
【００２７】
酸素極１４及び燃料極１５は、第１の外側補強シート１６の内側で、かつ、内側補強シート１８の外側にこれらと稍離隔した状態で設けられている。酸素極１４及び燃料極１５は第１の燃料用孔１１ｄ、第２の燃料用孔１１ｅが形成された部分及びそれらの周囲の部分には設けられていない。従って、第１の燃料用孔１１ｄ及び第２の燃料用孔１１ｅは電解質膜１３に形成されている。また、第１の冷却用孔１１ｂ及び第２の冷却用孔１１ｃは、電解質膜１３、第１の外側補強シート１６及び第２の外側補強シート１７が積層された位置に形成されている。
【００２８】
セパレーター９は膨張黒鉛、ステンレス、ステンレススチール、導電性プラスチック、熱可塑性樹脂等の適宜の導電性材料によって膜電極接合体８と同じ形状及び大きさにされた厚みの薄い略円板状に形成され、一方の面（上面）が燃料ガスが流動される側である燃料側面１９ａとして形成され、他方の面（下面）が酸素が流動される側である酸素側面１９ｂとして形成されている（図７乃至図１０参照）。セパレーター９は外形が円形状を為す主部２０と該主部２０の互いに１８０°反対側の外周縁からそれぞれ外方へ突出された被取付部２１、２１とから成る。
【００２９】
主部２０には、その中心部に円形状の中心孔２０ａが形成され、外周部の被取付部２１、２１の内側の位置にそれぞれ緩やかな円弧状を為す第１の冷却用孔２０ｂと第２の冷却用孔２０ｃが形成され、該第１の冷却用孔２０ｂと第２の冷却用孔２０ｃは、それぞれ膜電極接合体８の第１の冷却用孔１１ｂと第２の冷却用孔１１ｃと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。第１の冷却用孔２０ｂと第２の冷却用孔２０ｃは、一方が冷却水が供給される水供給口として機能し、他方が冷却水が排出される水排出口として機能する。
【００３０】
主部２０には、第１の冷却用孔２０ｂと第２の冷却用孔２０ｃの内側の位置にそれぞれ半径方向に長い第１の燃料用孔２０ｄと第２の燃料用孔２０ｅが形成され、該第１の燃料用孔２０ｄと第２の燃料用孔２０ｅは、それぞれ膜電極接合体８の第１の燃料用孔１１ｄと第２の燃料用孔１１ｅと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。第１の燃料用孔２０ｄと第２の燃料用孔２０ｅは、一方が燃料ガスが供給される燃料供給口として機能し、他方が燃料ガスが排出される燃料排出口として機能する。
【００３１】
主部２０の外周部には、その中心を挟んだ互いに１８０°反対側の位置にそれぞれ空気抜き孔２０ｆ、２０ｆが形成され、該空気抜き孔２０ｆ、２０ｆは膜電極接合体８の空気抜き孔１１ｆ、１１ｆと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。
【００３２】
セパレーター９の燃料側面１９ａの外周部は、他の部分より低く形成された低位部２２として形成され、当該他の部分が高位部２３として形成されている（図７、図８、図１３、図１４及び図１５参照）。
【００３３】
低位部２２上には、外周側から順に外シール部２４、中シール部２５及び内シール部２６が設けられている。外シール部２４、中シール部２５及び内シール部２６は何れもゴム等の弾性に富む材料によって上方へ突出するように形成され、外シール部２４は円環状に形成され、中シール部２５及び内シール部２６は略円環状に形成されている。
【００３４】
外シール部２４は第１の冷却用孔１１ｂ及び第２の冷却用孔１１ｃの外側を通る位置に設けられている。中シール部２５及び内シール部２６は、何れも第１の冷却用孔１１ｂ及び第２の冷却用孔１１ｃの近傍の部分が屈曲され、この屈曲された部分が第１の冷却用孔１１ｂ及び第２の冷却用孔１１ｃの内側を通る位置に設けらている。
【００３５】
外シール部２４及び中シール部２５は同じ高さに形成され、内シール部２６は外シール部２４及び中シール部２５より稍高く形成されている。
【００３６】
高位部２３の内周部には内周側シール部２７が設けられている。内周側シール部２７は外シール部２４等と同様にゴム等の弾性に富む材料によって上方へ突出するように形成されている。
【００３７】
高位部２３には、内シール部２６と内周側シール部２７との間に、浅い配置凹部２８、２８が形成されている。配置凹部２８、２８はそれぞれ第１の燃料用孔１１ｄ、第２の燃料用孔１１ｅの周囲の部分に形成されている。配置凹部２８、２８は、その底面部が低位部２２より稍高い位置に形成されている。
【００３８】
高位部２３には第１の燃料用孔２０ｄ及び第２の燃料用孔２０ｅを挟んだ互いに反対側の部分にそれぞれ上方に開口された溝状を為す燃料流動路２９、２９が形成されている。燃料流動路２９は、主部２０の半径方向に延びる放射状部２９ａ、２９ａ、・・・と、主部２０の外周に略沿う方向に延びる外側連続部２９ｂ、２９ｂ、・・・と、内周側に凸の略半円弧状に形成された内側連続部２９ｃ、２９ｃ、・・・と、燃料流動路２９の両端部となる端末部２９ｄ、２９ｄとから成る。
【００３９】
放射状部２９ａ、２９ａ、・・・は主部２０の周方向に等間隔に離隔して位置され、該放射状部２９ａ、２９ａ、・・・の外側の端部がそれぞれ外側連続部２９ｂ、２９ｂ、・・・に連続され、放射状部２９ａ、２９ａ、・・・の内側の端部がそれぞれ内側連続部２９ｃ、２９ｃ、・・・に連続され、周方向における両端側に位置する放射状部２９ａ、２９ａがそれぞれ端末部２９ｄ、２９ｄに連続され、該端末部２９ｄ、２９ｄがそれぞれ第１の燃料用孔２０ｄ、第２の燃料用孔２０ｅに連通されている。
【００４０】
セパレーター９の配置凹部２８、２８にはそれぞれスペーサー３０、３０が挿入されて配置される。スペーサー３０は、例えば、ベークライト等の絶縁材料によって薄い板状に形成され、配置凹部２８の深さより僅かに厚く形成されている。スペーサー３０、３０にはそれぞれ第１の燃料用孔２０ｄ、第２の燃料用孔２０ｅと同じ大きさ及び形状を為す孔３０ａ、３０ａが形成されている。
【００４１】
セパレーター９の酸素側面１９ｂの外周部及び第１の燃料用孔２０ｄ、第２の燃料用孔２０ｅの周囲の部分は、内周部以外の他の部分より低く形成された低位置部３１として形成され、内周部以外の当該他の部分が高位置部３２として形成されている（図９、図１０、図１３、図１４及び図１５参照）。主部２０の内周部は最も低い位置にある最下部３３として形成されている。
【００４２】
低位置部３１には、第１の冷却用孔２０ｂと第２の冷却用孔２０ｃとを取り囲む位置にそれぞれ受け凹部３１ａ、３１ａが形成され、第１の燃料用孔２０ｄと第２の燃料用孔２０ｅとを取り囲む位置にそれぞれ挿入凹部３１ｂ、３１ｂが形成されている。
【００４３】
低位置部３１と高位置部３２には、両者に跨るように下方に開口された溝状を為す酸素流動路３４、３４、・・・が形成され、該酸素流動路３４、３４、・・・は第１の燃料用孔２０ｄ及び第２の燃料用孔２０ｅを挟んだ互いに反対側の部分に位置されている。酸素流動路３４、３４、・・・は主部２０の半径方向へ延びる直線状に形成され、一端が主部２０の外周面に開口され、他端が主部２０の内周部において開口されている。酸素流動路３４、３４、・・・は外側から内側へ行くに従って、その溝幅が漸次小さくなるように形成されている。従って、酸素流動路３４、３４、・・・は外側の一端の溝幅が最も大きくされ、内側の一端の溝幅が最も小さくされている。
【００４４】
最下部３３には、酸素流動路３４、３４、・・・を内側へ延長した位置に、下方へ突出された受け突部３３ａ、３３ａ、・・・が設けられ、該受け突部３３ａ、３３ａ、・・・は周方向に等間隔に離隔して位置されている。
【００４５】
主部２０の内周部には、周方向における受け突部３３ａ、３３ａ、・・・間に、受け面部３５、３５が形成されている。受け面部３５、３５は受け突部３３ａ、３３ａ、・・・の先端面と同じ高さに形成され、高位置部３２より稍低くされている。
【００４６】
セパレーター９の受け突部３３ａ、３３ａ、・・・及び受け面部３５、３５には、内側シール板３６が配置される。内側シール板３６は、例えば、ベークライト等の絶縁材料によって薄い円板状に形成され、受け面部３５、３５の深さより僅かに厚く形成されている。
【００４７】
被取付部２１、２１には、それぞれ上記通しボルト７、７が挿通されるボルト挿通孔２１ａ、２１ａが形成されている。
【００４８】
外側シール板１０は、例えば、ベークライト等の絶縁材料によって厚みが薄く形成され、図１１及び図１２に示すように、円環状に形成されたリング部３７と、該リング部３７の互いに１８０°反対側の外周縁からそれぞれ外方へ突出された被取付部３８、３８と、リング部３７から被取付部３８、３８の反対方向へそれぞれ突出された突部３９、３９とから成る。
【００４９】
リング部３７には、被取付部３８、３８の内側の位置にそれぞれ緩やかな円弧状を為す第１の冷却用孔３７ａと第２の冷却用孔３７ｂが形成され、該第１の冷却用孔３７ａと第２の冷却用孔３７ｂはそれぞれセパレーター９の第１の冷却用孔２０ｂ、第２の冷却用孔２０ｃと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。第１の冷却用孔３７ａと第２の冷却用孔３７ｂは、一方が冷却水が供給される水供給口として機能し、他方が冷却水が排出される水排出口として機能する。
【００５０】
リング部３７には空気抜き孔３７ｃ、３７ｃが形成され、該空気抜き孔３７ｃ、３７ｃはセパレーター９の空気抜き孔２０ｆ、２０ｆと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。
【００５１】
リング部３７の一方の面（上面）には、第１の冷却用孔３７ａと第２の冷却用孔３７ｂとを取り囲む位置にそれぞれ第１のシール部４０、４０が設けられている（図１１参照）。第１のシール部４０、４０はゴム等の弾性に富む材料によって上方へ突出するように形成されている。
【００５２】
リング３７の他方の面（下面）には、外周側から順に外シール部４１、中シール部４２及び内シール部４３が設けられている（図１２参照）。外シール部４１、中シール部４２及び内シール部４３は何れもゴム等の弾性に富む材料によって下方へ突出するように形成され、外シール部４１は円環状に形成され、中シール部４２及び内シール部４３は略円環状に形成されている。
【００５３】
外シール部４１は第１の冷却用孔３７ａ及び第２の冷却用孔３７ｂの外側を通る位置に設けられている。中シール部４２及び内シール部４３は、何れも第１の冷却用孔３７ａ及び第２の冷却用孔３７ｂの近傍の部分が屈曲され、この屈曲された部分が第１の冷却用孔３７ａ及び第２の冷却用孔３７ｂの内側を通る位置に設けらている。外シール部４１、中シール部４２及び内シール部４３は同じ高さに形成されている。
【００５４】
被取付部３８、３８には、それぞれ上記通しボルト７、７が挿通されるボルト挿通孔３８ａ、３８ａが形成されている。
【００５５】
突部３９、３９にはそれぞれ第１の燃料用孔３９ａと第２の燃料用孔３９ｂが形成され、該第１の燃料用孔３９ａと第２の燃料用孔３９ｂはそれぞれセパレーター９の第１の燃料用孔２０ｄ、第２の燃料用孔２０ｅと同じ大きさ、形状、位置に形成されている。第１の燃料用孔３９ａと第２の燃料用孔３９ｂは、一方が燃料ガスが供給される燃料供給口として機能し、他方が燃料ガスが排出される燃料排出口として機能する。
【００５６】
突部３９の一方の面（上面）には、第１の燃料用孔３９ａと第２の燃料用孔３９ｂとを取り囲む位置にそれぞれ第２のシール部４４、４４が設けられている（図１１参照）。第２のシール部４４、４４はゴム等の弾性に富む材料によって上方へ突出するように形成されている。
【００５７】
突部３９の他方の面（下面）には、第１の燃料用孔３９ａと第２の燃料用孔３９ｂとを取り囲む位置にそれぞれ第３のシール部４５、４５が設けられている（図１２参照）。第３のシール部４５、４５はゴム等の弾性に富む材料によって下方へ突出するように形成され、リング部３７に設けられた外シール部４１、中シール部４２及び内シール部４３より突出量が大きくされている。
【００５８】
上記のように構成された膜電極接合体８、セパレーター９、９及び外側シール板１０は、以下のようにして組み立てられて単セル３が構成される（図３、図１６、図１７及び図１８参照）。
【００５９】
セパレーター９の配置凹部２８、２８にはそれぞれスペーサー３０、３０が配置される。スペーサー３０、３０は、上記したように、配置凹部２８、２８の深さより僅かに厚く形成されているため、一部が配置凹部２８、２８から上方へ突出される（図１６参照）。スペーサー３０、３０の孔３０ａ、３０ａは、それぞれセパレーター９の第１の燃料用孔２０ｄ、第２の燃料用孔２０ｅの真上に位置される。
【００６０】
スペーサー３０、３０が配置されたセパレーター９には、その上面に膜電極接合体８が組み付けられる。膜電極接合体８は第２の外側補強シート１７がセパレーター９の低位部２２に対応して位置され、被取付部１２、１２がそれぞれセパレーター９の被取付部２１、２１の真上に位置された状態でセパレーター９に組み付けられる（図１６参照）。
【００６１】
膜電極接合体８がセパレーター９に組み付けられた状態においては、図１６乃至図１８に示すように、セパレーター９の外シール部２４及び中シール部２５が膜電極接合体８の第２の外側補強シート１７に弾接され、セパレーター９の内シール部２６が膜電極接合体８の電解質膜１３の片側シート保護部１３ａに弾接される。従って、膜電極接合体８の電解質膜１３の片側シート保護部１３ａは、第１の外側補強シート１６と内シール部２６とによって挟持された状態とされる（図１６乃至図１８参照）。このとき膜電極接合体８は、電解質膜１３がスペーサー３０、３０に接し（図１６参照）、燃料極１５が燃料流動路２９、２９に対向して位置される（図１７及び図１８参照）。
【００６２】
セパレーター９の内周側シール部２７は電解質膜１３の片側シート保護部１３ｂに弾接される。従って、片側シート保護部１３ｂは内側補強シート１８と内周側シール部２７によって挟持された状態とされる（図１６乃至図１８参照）。
【００６３】
膜電極接合体８には、その上面に外側シール板１０が組み付けられる。外側シール板１０はリング部３７が膜電極接合体８の第１の外側補強シート１６に対応して位置され、被取付部３８、３８がそれぞれ膜電極接合体８の被取付部１２、１２の真上に位置された状態で膜電極接合体８に組み付けられる。
【００６４】
外側シール板１０が膜電極接合体８に組み付けられた状態においては、外側シール板１０の外シール部４１、中シール部４２及び内シール部４３が膜電極接合体８の第１の外側補強シート１６に弾接され、外側シール板１０の第３のシール部４５、４５がそれぞれ電解質膜１３に弾接される（図１６参照）。
【００６５】
セパレーター９の下面には内側シール板３６が配置される（図１６乃至図１８参照）。内側シール板３６は最下部３３に設けられた受け突部３３ａ、３３ａ、・・・と受け面部３５、３５とに跨った状態で配置される。
【００６６】
外側シール板１０には、その上面にセパレーター９が組み付けられる。セパレーター９は低位部２２が外側シール板１０のリング部３７に対応して位置され、被取付部２１、２１がそれぞれ外側シール板１０の被取付部３８、３８の真上に位置された状態で外側シール板１０に組み付けられる。
【００６７】
セパレーター９が外側シール板１０に組み付けられた状態においては、図１６に示すように、外側シール板１０の第１のシール部４０、４０がそれぞれ受け凹部３１ａ、３１ａに挿入されてセパレーター９に弾接され、外側シール板１０の第２のシール部４４、４４がそれぞれ挿入凹部３１ｂ、３１ｂに挿入されてセパレーター９に弾接される、このときセパレーター９は、燃料流動路３４、３４、・・・が酸素極１４に対向して位置され、内側シール板３６が膜電極接合体８の内側補強シート１８に押し付けられる。
【００６８】
以上のようにして膜電極接合体８と外側シール板１０を挟んで一対のセパレーター９、９が積層されることにより単セル３が構成される。
【００６９】
尚、膜電極接合体８、セパレーター９、９及び外側シール板１０を積層する際には、膜電極接合体８、セパレーター９、９及び外側シール板１０にそれぞれ空気抜き孔１１ｆ、１１ｆ、２０ｆ、２０ｆ、３７ｃ、３７ｃが形成されているため、組付時（積層時）の互いの反発を低減することができ、組付作業における作業性の向上を図ることができる。
【００７０】
単セル３が構成された状態においては、セパレーター９、９の被取付部２１、２１のボルト挿通孔２１ａ、２１と外側シール板１０の被取付部３８、３８のボルト挿通孔３８ａ、３８ａと膜電極接合体８の被取付部１２、１２のボルト挿通孔１２ａ、１２ａとが上下に並んで位置され、上記通しボルト７、７が挿通される。
【００７１】
単セル３が構成された状態においては、セパレーター９、９の第１の冷却用孔２０ｂ、２０ｂと外側シール板１０の第１の冷却用孔３７ａと膜電極接合体８の第１の冷却用孔１１ｂとが上下に並んで位置されて、これらによって上下に貫通された第１の水流通路４６が形成され（図４及び図１６参照）、セパレーター９、９の第２の冷却用孔２０ｃ、２０ｃと外側シール板１０の第２の冷却用孔３７ｂと膜電極接合体８の第２の冷却用孔１１ｃとが上下に並んで位置されて、これらによって上下に貫通された第２の水流通路４７が形成される（図４参照）。第１の水流通路４６は、例えば、冷却水が供給される水供給孔として用いられ、第２の水流通路４７は、例えば、冷却水が排出される水排出孔として用いられる。
【００７２】
外側シール板１０と膜電極接合体８との間には、図１６乃至図１８に示すように、外側シール板１０の外シール部４１と中シール部４２とによって仕切られた第１の水路４８が形成され、膜電極接合体８とこれに対向して位置されたセパレーター９との間には、セパレーター９の外シール部２４と中シール部２５とによって仕切られた第２の水路４９が形成される。第１の水路４８及び第２の水路４９は周方向に延び環状に形成され、第１の水流通路４６及び第２の水流通路４７に連通されている。
【００７３】
セパレーター９の酸素流動路３４、３４、・・・は外側シール板１０の内シール部４３によって第１の水路４８と仕切られ（図１８参照）、燃料流動路２９、２９はセパレーター９の内シール部２６によって第２の水路４９と仕切られる（図１７及び図１８参照）。
【００７４】
セパレーター９、９の第１の燃料用孔２０ｄ、２０ｄと外側シール板１０の第１の燃料用孔３９ａと膜電極接合体８の第１の燃料用孔１１ｄとが上下に並んで位置されて、これらによって上下に貫通された第１の燃料流通路５０が形成され（図４及び図１６参照）、セパレーター９、９の第２の燃料用孔２０ｅ、２０ｅと外側シール板１０の第２の燃料用孔３９ｂと膜電極接合体８の第２の燃料用孔１１ｅとが上下に並んで位置されて、これらによって上下に貫通された第２の燃料流通路５１が形成される（図４参照）。第１の燃料流通路５０は、例えば、燃料ガスが供給される燃料供給孔として用いられ、第２の燃料流通路５１は、例えば、燃料ガスが排出される燃料排出孔として用いられる。
【００７５】
セパレーター９の燃料流動路２９、２９は第１の燃料流通路５０及び第２の燃料流通路５１に連通され、セパレーター９の内シール部２６と内周側シール部２７によって仕切られる（図１７及び図１８参照）。
【００７６】
単セル３が構成された状態においては、燃料流動路２９、２９の放射状部２９ａ、２９ａ、・・・がそれぞれ酸素流動路３４、３４、・・・の真下に位置される（図１８参照）。
【００７７】
次に、燃料電池１の動作について説明する。
【００７８】
酸素流動路３４、３４、・・・には、例えば、外方側の開口から空気が取り込まれて内方へ向けて流動される。燃料電池１の中心部には図示しない軸流ファンの一部が配置されており、酸素流動路３４、３４、・・・を流動された空気は内方側の開口から軸流ファンによって外部へ排出される。
【００７９】
酸素流動路３４、３４、・・・を流動される空気は、上記のように、酸素流動路３４、３４、・・・が直線状に形成されているため、流路抵抗が少なく円滑に流動される。また、酸素流動路３４、３４、・・・は内方へ行くに従って溝幅が漸次小さくなるように形成されているため、内方へ向けて流動されるに従って流速が速くなる。
【００８０】
一方、燃料流動路２９、２９には燃料ガス（水素）が図示しない燃料供給部から第１の燃料流通路５０を介して供給される。燃料ガスは燃料流動路２９、２９の形状に沿って蛇行しながら流動され、第２の燃料流通路５１から外部へ排出される。
【００８１】
上記のように、酸素流動路３４、３４、・・・に空気（酸素）が取り込まれると共に燃料流動路２９、２９に燃料ガス（水素）が供給されると、水素分子が燃料極１５に設けられた触媒層によって水素イオンと電子とに乖離される。水素分子が水素イオンと電子とに乖離されると、水素イオンは電解質膜１３を通って酸素極１４に導かれ、電子は外部回路を通って酸素極１４に移動され、酸素極１４に供給された酸素と水素イオン及び電子とが結合される電気化学反応が生じて水が生成され、同時に、電気化学反応に伴う発熱が生じる。
【００８２】
電気化学反応によって生じた水（生成水）は、電解質膜１３の飽和含水状態を維持し水素イオンの移動を促進して発電効率の向上を図る機能を有するが、逆に、過剰な生成水は酸素と水素イオンの結合を妨げてしまう。
【００８３】
酸素極１４に供給された酸素と水素イオン及び電子とが結合されて電気化学反応が生じるときには、酸素極１４と燃料極１５との間に電位差が生じ、この電位差の発生により電気エネルギーを取り出すことができる。
【００８４】
電位差は単セル当たりで１Ｖに満たない場合が多いが、上記のように、単セル３、３、・・・を複数積層してスタック４とすることにより、高い電圧を得ることが可能である。
【００８５】
酸素流動路３４、３４、・・・は、上記したように、内方へ行くに従って溝幅が漸次小さくなるように形成されているため、酸素流動路３４、３４、・・・を酸素が流動されるときには、内方へ行くに従って流速が速くなり、電気化学反応に伴って生じた余剰の生成水が空気とともに外部へ放出される。
【００８６】
上記のように、空気が酸素流動路３４、３４、・・・に取り込まれると共に燃料ガスが燃料流動路２９、２９に供給されたときには、同時に、冷却水が図示しない水供給部から第１の水流通路４６を介して第１の水路４８及び第２の水路４９に供給される。従って、上記したように、電気化学反応に伴って発熱が生じるが、第１の水路４８及び第２の水路４９を流動される冷却水によって発熱による温度上昇が防止され、燃料電池１の内部が望ましい動作温度、例えば、６０°Ｃ乃至８０°Ｃ程度に保たれる。
【００８７】
燃料電池１にあっては、上記したように、セパレーター９と外側シール板１０との間に形成された第１の水路４８及び膜電極接合体８とセパレーター９との間に形成された第２の水路４９が環状の水路として形成されているため、燃料電池１の内部を効率的に冷却することができ、冷却効率の向上による燃料電池１の耐久性の向上を図ることができる。
【００８８】
また、第１の水路４８と第２の水路４９は酸素極１４及び燃料極１５を取り囲むようにして両者の外側に形成されているため、反応面の面積が最も大きな部分を効果的に冷却することができ、冷却効率の一層の向上を図ることができる。
【００８９】
尚、上記には、第１の水路４８と第２の水路４９を酸素極１４及び燃料極１５を取り囲むようにして両者の外側に形成した例を示したが、逆に、第１の水路と第２の水路が酸素極１４及び燃料極１５の内側に形成される構成とすることも可能である。
【００９０】
第１の水路４８及び第２の水路４９を流動されて温度が上昇された冷却水は、第２の水流通路４７から外部に排出され、例えば、図示しないラジエーターによって冷却された後に、再び図示しない循環ポンプによって冷却水として第１の水流通路４６を介して第１の水路４８及び第２の水路４９に供給される。
【００９１】
以上に記載した通り、燃料電池１にあっては、セパレーター９の酸素流動路３４、３４、・・・が放射方向に延びるように直線状に形成されると共にセパレーター９の内周面及び外周面に開口されているため、流動路の断面積を大きくすることができると共に流路抵抗が少なく、酸素が円滑に酸素流動路３４、３４、・・・を流動される。
【００９２】
従って、酸素の酸素流動路３４、３４、・・・への供給をポンプを用いて供給する必要がなく、その分、消費電力の低減及び騒音の発生を防止することができる。
【００９３】
また、酸素の酸素流動路３４、３４、・・・における円滑な流動を確保することができるため、酸素の酸素流動路３４、３４、・・・への供給流量を増加させることができると共に反応面（酸素極１４）に均一に酸素を供給することができる。
【００９４】
さらに、燃料電池１にあっては、セパレーター９の燃料流動路２９、２９に放射方向に延びる放射状部２９ａ、２９ａ、・・・を形成し、該放射状部２９ａ、２９ａ、・・・と酸素流動路３４、３４、・・・とをセパレーター９、９の積層方向において対向するようにセパレーター９、９を配置しているため、燃料ガスと酸素との反応効率の向上を図ることができる。
【００９５】
さらにまた、燃料電池１にあっては、燃料流動路２９、２９を放射状部２９ａ、２９ａ、・・・がセパレーター９の周方向において離隔して位置されるように蛇行させて形成しているため、燃料ガスを反応面（燃料極１５）に略均一にかつ確実に供給することができる。
【００９６】
さらに、燃料電池１にあっては、酸素流動路３４、３４、・・・の溝幅をセパレーター９、９、・・・の放射方向へ行くに従って溝幅が漸次小さくなるように形成しているため、溝幅が小さくなるに従って流速が速くなり、電気化学反応に伴って生じた余剰の生成水を空気とともに外部へ放出し燃料電池１内への生成水の過剰な貯留及び凝結を防止することができる。
【００９７】
また、燃料電池１にあっては、酸素流動路３４、３４、・・・の内方側の開口の幅が最も小さくなるようにしているため、生成水をセパレーター９の外方へ放出させる場合に比し、放出された生成水の集水性の容易化を図ることができる。
【００９８】
尚、上記には、酸素流動路３４、３４、・・・の溝幅をセパレーター９の内方へ行くに従って溝幅が漸次小さくなるように形成している例を示したが、逆に、酸素流動路の溝幅をセパレーター９の外方へ行くに従って溝幅が漸次小さくなるように形成することも可能である。この場合には、空気がセパレーター９の内方側から外方側へ流動させるようにすることが望ましい。
【００９９】
燃料電池１にあっては、酸素流動路３４、３４、・・・をセパレーター９の積層方向に開口した溝状に形成し、酸素流動路３４、３４、・・・の放射方向における外側の端部を閉塞する外側シール板１０を設けているため、セパレーター９に外側シール板１０を組み付けることにより、該外側シール板１０によって酸素流動路３４、３４、・・・の外側の開口が閉塞され、酸素流動路３４、３４、・・・をトンネル状に形成する必要がなく、セパレーター９の生産性の向上を図ることができる。
【０１００】
尚、酸素流動路３４、３４、・・・の放射方向における内側の端部にも内側シール板３６が組み付けられるため、該内側シール板３６によって酸素流動路３４、３４、・・・の内側の開口が閉塞され、これによっても酸素流動路３４、３４、・・・をトンネル状に形成する必要がなく、セパレーター９の生産性の一層の向上を図ることができる。
【０１０１】
燃料電池１にあっては、上記したように、電解質膜１３に片側シート保護部１３ａ、１３ｂを設け、該片側シート保護部１３ａ、１３ｂの一方の面に第１の外側補強シート１６又は内側補強シート１８を貼着すると共に他方の面に内シール部２６又は内周側シール部２７を弾接させている。従って、電解質膜１３が第１の外側補強シート１６又は内側補強シート１８によって保護されると共に電解質膜１３に過大な負荷が付与されず、単セル３の薄型化を確保することができると共に生成水の浸透による電解質膜１３の膨潤や変形を防止して燃料流動路２９、２９及び酸素流動路３４、３４、・・・の良好な密閉性を確保することができる。
【０１０２】
尚、燃料電池１にあっては、上記のように、膜電極接合体８の第１の外側補強シート１６を第２の外側補強シート１７より幅広に形成し片側シート保護部１３ａの他方の面に内シール部２６を弾接させ、又は、膜電極接合体８の片側シート保護部１３ｂの一方の面に内側補強シート１８を貼着し片側シート保護部１３ｂの他方の面に内周側シール部２７を弾接させているが、この場合には、片側シート保護部１３ａの酸素流動路３４、３４、・・・側の面が第１の外側補強シート１６又は内側補強シート１８によって保護されるため、酸素極１４側において生成水の発生が多い場合に、より効果的に、電解質膜１３の膨潤や変形を防止することができる。
【０１０３】
逆に、燃料電池１にあっては、膜電極接合体８の第１の外側補強シート１６を第２の外側補強シート１７より幅狭に形成し、片側シート保護部１３ａの一方の面に内シール部４３を弾接させ片側シート保護部１３ａの他方の面に第２の外側補強シート１７を貼着するようにし、又は、膜電極接合体８の片側シート保護部１３ｂの一方の面に内周側シール部２７を弾接させ片側シート保護部１３ｂの他方の面に内側補強シート１８を貼着してもよく、この場合には、片側シート保護部１３ａの燃料流動路２９、２９、・・・側の面が第２の外側補強シート１７又は内側補強シート１８によって保護されるため、燃料極１５側において生成水の逆拡散が多い場合に、より効果的に、電解質膜１３の膨潤や変形を防止することができる。
【０１０４】
尚、膜電極接合体８のように、一方の面に貼着される第１の外側補強シート１６と他方の面に貼着される第２の外側補強シート１７の幅が異なるように形成し、又は、一方の面のみに内側補強シート１８を貼着するようにしておけば、セパレーター９、９及び外側シール板１０に対する膜電極接合体８の組付面の間違いを防止することができ、組付作業の向上を図ることができる。
【０１０５】
以下に、膜電極接合体の変形例について説明する（図１９乃至図２１参照）。
【０１０６】
尚、以下に示す膜電極接合体は、上記した膜電極接合体８と比較して、第１の外側補強シート又は第２の外側補強シートに連通孔が形成されていることのみが相違するため、膜電極接合体８と比較して異なる部分についてのみ詳細に説明をし、その他の部分については膜電極接合体８における同様の部分に付した符号と同じ符号を付して説明は省略する。
【０１０７】
第１の変形例に係る膜電極接合体８Ａの第１の外側補強シート１６Ａには、周方向に離隔して連通孔１６ａ、１６ａ、・・・が形成されている（図１９参照）。
【０１０８】
膜電極接合体８Ａが組み付けられた単セル３Ａにあっては、図２０に示すように、第１の水路４８に供給された冷却水の一部が、連通孔１６ａ、１６ａ、・・・を介して電解質膜１３に浸透し、該電解質膜１３の飽和含水状態への移行が促進される。従って、電解質膜１３の飽和含水状態が維持されることにより、水素イオンの移動が促進されて発電効率の向上を図ることができる。
【０１０９】
尚、上記には、第１の外側補強シートに連通孔が形成された膜電極接合体８Ａを示したが、これに代え、図２１に示す第２の変形例に係る膜電極接合体８Ｂのように、第２の外側補強シート１７Ｂに連通孔１７ａ、１７ａ、・・・を形成し、膜電極接合体８Ｂが組み付けられた単セル３Ｂを形成することもできる。単セル３Ｂにあっては、第２の水路４９に供給された冷却水の一部が、連通孔１７ａ、１７ａ、・・・を介して電解質膜１３に浸透し、該電解質膜１３の飽和含水状態への移行が促進される。
【０１１０】
上記には、セパレーター９又は外側シール板１０に中シール部２５、４２が設けられた例を示したが、この中シール部２５、４２を省略することも可能である。
【０１１１】
図２２は、中シール部２５、４２を省略して形成したセパレーター９Ｃ、９Ｃ及びシート板１０Ｃを用いて構成した単セル３Ｃを示すものである。
【０１１２】
単セル３Ｃにあっては、中シール部２５が設けられていないため、第２の水路４９に供給された冷却水の一部が電解質膜１３に浸透し、電解質膜１３の飽和含水状態への移行が促進される。従って、電解質膜１３の飽和含水状態が維持されることにより、水素イオンの移動が促進されて発電効率の向上を図ることができる。
【０１１３】
また、単セル３Ｃにあっては、中シール部２５、４２が設けられないため、部品点数の削減による、セパレーター９Ｃ及び外側シール板１０Ｃの製造コストの低減を図ることができる。
【０１１４】
尚、上記には、外形が略円形状に形成された膜電極接合体８、８Ａ、８Ｂセパレーター９、９Ｃ及び外側シール板１０、１０Ｃを例として示したが、これらの形状は略円形に限られることはなく、例えば、楕円形状や競技場のトラックの形状の如き長円状等であってもよい。
【０１１５】
また、燃料ガスとして水素を用いた燃料電池を例として説明したが、例えば、本発明は、メタノールを燃料としたダイレクトメタノール型の燃料電池についても適用することが可能である。但し、ダイレクトメタノール型の場合には、特に冷却水の各流路を設ける必要はない。
【０１１６】
上記した実施の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本発明を実施する際の具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【０１１７】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれ設けられた酸素極及び燃料極を挟んで一対のセパレーターが積層されて構成された単セルが複数積層されて成るスタックを備えた燃料電池であって、セパレーターは環状に形成され、セパレーターには一方の面に燃料極に対向し燃料を流通させる燃料流通路が形成されると共に他方の面に酸素極に対向し酸素を流通させる酸素流通路が形成され、単セルにセパレーターの周方向に延び燃料流通路及び酸素流通路の外側又は内側に位置された略環状の水路が形成されたことを特徴とする。
【０１１８】
従って、燃料電池の内部を効率的に冷却することができ、冷却効率の向上による燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。
【０１１９】
請求項２に記載した発明にあっては、単セルの外周部に上記水路を形成したので、反応面の面積が最も大きな部分を効果的に冷却することができ、冷却効率の一層の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２乃至図２２と共に本発明燃料電池の実施の形態を示すものであり、本図は、燃料電池の概略側面図である。
【図２】単セルの分解斜視図である。
【図３】単セルの斜視図である。
【図４】図２とは異なる方向から見た状態を示す単セルの分解斜視図である。
【図５】膜電極接合体の一方の面側を示す斜視図である。
【図６】膜電極接合体の他方の面側を示す斜視図である。
【図７】セパレーターの燃料側面をスペーサーとともに示す斜視図である。
【図８】セパレーターの平面図である。
【図９】セパレーターの酸素側面を内側シール板とともに示す斜視図である。
【図１０】セパレーターの底面図である。
【図１１】外側シール板の一方の面側を示す斜視図である。
【図１２】外側シール板の他方の面側を示す斜視図である。
【図１３】各部を分離した状態で示す図３のＸＩＩＩ―ＸＩＩＩ線に沿う拡大断面図である。
【図１４】各部を分離した状態で示す図３のＸＩＶ―ＸＩＶ線に沿う拡大断面図である。
【図１５】各部を分離した状態で示す図３のＸＶ―ＸＶ線に沿う拡大断面図である。
【図１６】図３のＸＶＩ―ＸＶＩ線に沿う拡大断面図である。
【図１７】図３のＸＶＩＩ―ＸＶＩＩ線に沿う拡大断面図である。
【図１８】図３のＸＶＩＩＩ―ＸＶＩＩＩ線に沿う拡大断面図である。
【図１９】図２０及び図２１と共に膜電極接合体の変形例を示すものであり、本図は第１の変形例に係る膜電極接合体の斜視図である。
【図２０】第１の変形例に係る膜電極接合体が積層された単セルを示す拡大断面図である。
【図２１】膜電極接合体の第２の変形例を示すものであり、膜電極接合体が積層された単セルの拡大断面図である。
【図２２】中シール部を省略した単セルを示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、３…単セル、４…スタック、９…セパレーター、１３…電解質膜、１４…酸素極、１５…燃料極、２９…燃料流動路、３４…酸素流動路、４８…第１の水路、４９…第２の水路、３Ａ…単セル、３Ｂ…単セル、３Ｃ…単セル、９Ｃ…セパレーター
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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