(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータで挟持したセルユニットを備える燃料電池であって、
前記セルユニットは、第１の前記電解質・電極構造体、前記第１セパレータ、第２の前記電解質・電極構造体及び前記第２セパレータを備え、
前記第１及び第２の電解質・電極構造体の外周には、それぞれ、高分子材料で形成される枠部材が一体に設けられ、
前記枠部材には、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及び冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成される一方、
前記積層方向に隣接する前記枠部材間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材が介装され、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、それぞれ外形が同一形状を有する２枚の金属プレートを溶接又は接着で接合して構成され、且つ前記２枚の金属プレート間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成され、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの外周端は、前記流体連通孔よりも内側に配置されるとともに、
前記枠部材は、少なくとも最外周及び前記流体連通孔の周囲に、厚さ方向に突出するリブ部を該枠部材と一体に有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータで挟持したセルユニットを備える燃料電池に関する。
【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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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（電解質・電極構造体）（以下、ＭＥＡともいう）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単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から電極面方向に沿って形成された燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータは、図１６に示すように、セパレータ板１を備えている。セパレータ板１は、金属板により構成されており、その表裏面に多数の突起２ａ、２ｂがエンボス加工乃至ディンプル加工により形成されている。セパレータ板１には、突起２ａ、２ｂが形成された領域の外側に、それぞれガスマニホールドを装填するためのマニホールド装填口３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが貫通形成されている。
【０００５】
マニホールド装填口３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄは、例えば、燃料ガス導入マニホールド、酸化剤ガス導入マニホールド、燃料ガス排出マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドとして使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２２２２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のセパレータ板１では、マニホールド装填口３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが貫通形成されるため、前記セパレータ板１の面積が相当に大きくなってしまう。これにより、特に高価なステンレス等の素材の使用量が増大し、部品単価が高騰するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、比較的高価なセパレータを良好に小型化することができ、コストの削減を図るとともに、電解質・電極構造体の剛性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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータで挟持したセルユニットを備える燃料電池に関するものである。
【００１０】
この燃料電池では、電解質・電極構造体の外周には、高分子材料で形成される枠部材が一体に設けられ、前記枠部材には、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及び冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成される一方、前記積層方向に隣接する前記枠部材間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材が介装されている。
【００１１】
そして、第１セパレータ及び第２セパレータは、それぞれ外形が同一形状を有する２枚のプレートを備え、且つ前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの外周端は、流体連通孔よりも内側に配置されるとともに、枠部材は、少なくとも最外周又は前記流体連通孔の周囲に、厚さ方向に突出するリブ部の部位を有している。
【００１２】
また、この燃料電池では、セルユニットは、第１の電解質・電極構造体、第１セパレータ、第２の電解質・電極構造体及び第２セパレータを備え、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、それぞれ２枚のプレートを接合して構成されるとともに、２枚の前記プレート間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、電解質・電極構造体の外周に設けられる枠部材には、流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるため、第１セパレータ及び第２セパレータには、前記流体連通孔を設ける必要がない。
【００１４】
従って、第１セパレータ及び第２セパレータは、発電領域に対応する外形寸法に設定することができ、小型軽量化が容易に図られ、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの製造コストを削減することができる。これにより、第１セパレータ及び第２セパレータを効率的に製造することが可能になり、燃料電池全体を経済的に得ることができる。
【００１５】
しかも、枠部材は、少なくとも最外周又は流体連通孔の周囲に、厚さ方向に突出するリブ部を有している。このため、電解質・電極構造体及び枠部材の薄肉化を図るとともに、前記電解質・電極構造体全体の剛性を確保することが可能になる。従って、比較的高価なセパレータを良好に小型化することができ、コストの削減を図るとともに、電解質・電極構造体の剛性を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１電解質膜・電極構造体のカソード面の説明図である。
【図４】前記第１電解質膜・電極構造体のアノード面の説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２電解質膜・電極構造体のカソード面の説明図である。
【図６】前記第２電解質膜・電極構造体のアノード面の説明図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第１セパレータのカソード面の説明図である。
【図８】前記第１セパレータのアノード面の説明図である。
【図９】前記燃料電池を構成する第２セパレータのカソード面の説明図である。
【図１０】前記第２セパレータのアノード面の説明図である。
【図１１】前記燃料電池の、図１中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】前記燃料電池の、図１中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１６】特許文献１の燃料電池用セパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、複数のセルユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される。
【００１８】
セルユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１８及び第２セパレータ２０を備える。セルユニット１２が積層されることにより、第１電解質膜・電極構造体１４は、第２及び第１セパレータ２０、１６に挟持される一方、第２電解質膜・電極構造体１８は、前記第１及び第２セパレータ１６、２０に挟持される。
【００１９】
第１電解質膜・電極構造体１４と第２電解質膜・電極構造体１８とは、それぞれ、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（電解質）２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード側電極２４及びアノード側電極２６とを備える（図２参照）。
【００２０】
固体高分子電解質膜２２は、カソード側電極２４及びアノード側電極２６と同一の表面積に設定される。第１電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２２は、カソード側電極２４及びアノード側電極２６と同一の表面積に設定される。なお、固体高分子電解質膜２２の外周部が、カソード側電極２４及びアノード側電極２６よりも突出してもよく、また、前記カソード側電極２４と前記アノード側電極２６の表面積が異なっていてもよい。
【００２１】
第１電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される額縁部（枠部材）２８ａが、例えば、射出成形により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１８では、同様に固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、高分子材料で形成される額縁部（枠部材）２８ｂが、例えば、射出成形により一体成形される。高分子材料としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００２２】
カソード側電極２４及びアノード側電極２６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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。
【００２３】
図１に示すように、額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、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３４ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２４】
額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２５】
図３に示すように、額縁部２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１４ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方近傍に位置して複数の入口凸部３６ａ及び入口溝部３７ａが設けられる。額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の上部には、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接して複数の入口溝部３８ａが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔３４ａに近接して複数の入口孔部４０ａが貫通形成される。
【００２６】
額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の下部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方近傍に位置して複数の出口凸部３６ｂ及び出口溝部３７ｂが設けられる。額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の下部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接して複数の出口溝部３８ｂが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔３４ｂに近接して複数の出口孔部４０ｂが貫通形成される。
【００２７】
図４に示すように、額縁部２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のアノード面（アノード側電極２６が設けられる面）１４ｂ側の上部に、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔３４ａに近接して複数の入口溝部４２ａが設けられる。入口溝部４２ａの下方近傍には、複数の入口孔部４０ａが貫通形成される。額縁部２８ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａの下方に位置して複数の入口溝部４６ａが設けられる。
【００２８】
額縁部２８ａのアノード面１４ｂ側の下部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔３４ｂに近接して複数の出口溝部４２ｂが設けられる。出口溝部４２ｂの上方近傍には、複数の出口孔部４０ｂが貫通形成される。額縁部２８ａには、燃料ガス出口連通孔３４ｂの上方に位置して複数の出口溝部４６ｂが設けられる。
【００２９】
額縁部２８ａのアノード面１４ｂ側には、外側シール部材（外側シールライン）４８及び内側シール部材（内側シールライン）５０が一体又は別体に成形される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する各シール部材は、上記の外側シール部材４８及び内側シール部材５０と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
外側シール部材４８は、額縁部２８ａの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの外周並びに反応面（発電面）外周を周回する。この外側シール部材４８は、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する。外側シール部材４８により、入口溝部４２ａ及び入口孔部４０ａが、冷却媒体入口連通孔３２ａと一体に囲繞され、出口溝部４２ｂ及び出口孔部４０ｂが、冷却媒体出口連通孔３２ｂと一体に囲繞される。
【００３１】
内側シール部材５０は、外側シール部材４８の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口溝部４６ａ及び出口溝部４６ｂとを一体に囲繞する。
【００３２】
内側シール部材５０は、第１セパレータ１６の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第１セパレータ１６の外周端縁面全周（セパレータ面内）に接する。外側シール部材４８は、第１セパレータ１６の外周端外方（セパレータ面外）に配置される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０により、全流体連通孔が周回密封される。
【００３３】
図３に示すように、額縁部２８ａのカソード面１４ａ側には、入口孔部４０ａを囲繞するリング状入口シール部材５２ａと、出口孔部４０ｂを囲繞するリング状出口シール部材５２ｂとが設けられる。
【００３４】
図５に示すように、額縁部２８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１８ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方近傍に位置して複数の入口凸部５４ａ及び複数の入口溝部５６ａが設けられる。
【００３５】
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の上部には、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔３４ａに近接して複数の入口溝部５８ａが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接して複数の入口孔部６０ａが形成される。第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６０ａは、第１電解質膜・電極構造体１４の入口孔部４０ａと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
【００３６】
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の上部には、燃料ガス入口連通孔３４ａの下方近傍に位置して複数の入口溝部６２ａが設けられるとともに、前記入口溝部６２ａの下端部には、複数の入口孔部６４ａが貫通形成される。各入口孔部６４ａの下方には、所定の間隔だけ離間して複数の入口孔部６６ａが貫通形成される。
【００３７】
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の下部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔３４ｂに近接して複数の出口溝部５８ｂが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接して複数の出口孔部６０ｂが形成される。第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４の出口孔部４０ｂと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
【００３８】
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の下部には、燃料ガス出口連通孔３４ｂの上方近傍に位置して複数の出口溝部６２ｂが設けられるとともに、前記出口溝部６２ｂの上端部には、複数の出口孔部６４ｂが貫通形成される。各出口孔部６４ｂの上方には、所定の間隔だけ離間して複数の出口孔部６６ｂが貫通形成される。
【００３９】
図６に示すように、額縁部２８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１８のアノード面（アノード側電極２６が設けられる面）１８ｂ側の上部に、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接して複数の入口溝部６８ａが設けられる。入口溝部６８ａの下方近傍には、複数の入口孔部６０ａが貫通形成される。額縁部２８ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａの下方に位置して入口孔部６４ａ、６６ａを連通する複数の入口溝部７２ａが設けられる。
【００４０】
額縁部２８ｂのアノード面１８ｂ側の下部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接して複数の出口溝部６８ｂが設けられる。出口溝部６８ｂの上方近傍には、複数の出口孔部６０ｂが形成される。燃料ガス出口連通孔３４ｂの上方に位置して出口孔部６４ｂ、６６ｂを連通する複数の出口溝部７２ｂが設けられる。
【００４１】
額縁部２８ｂには、アノード面１８ｂ側に外側シール部材（外側シールライン）７４及び内側シール部材（内側シールライン）７６が一体又は別体に成形される。外側シール部材７４は、額縁部２８ｂの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの外周並びに反応面外周を周回する。
【００４２】
外側シール部材７４は、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する。外側シール部材７４により、入口溝部６８ａ及び入口孔部６０ａが、冷却媒体入口連通孔３２ａと一体に囲繞され、出口溝部６８ｂ及び出口孔部６０ｂが、冷却媒体出口連通孔３２ｂと一体に囲繞される。
【００４３】
内側シール部材７６は、外側シール部材７４の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口孔部６４ａ、６６ａ、入口溝部７２ａ、出口孔部６４ｂ、６６ｂ及び出口溝部７２ｂとを一体に囲繞する。
【００４４】
内側シール部材７６は、第２セパレータ２０の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第２セパレータ２０の外周端縁面全周に接する。外側シール部材７４は、第２セパレータ２０の外周端外方に配置される。外側シール部材７４及び内側シール部材７６により、全流体連通孔が周回密封される。
【００４５】
図５に示すように、額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側には、入口孔部６０ａ、６６ａを囲繞するリング状入口シール部材７８ａ、８０ａと、出口孔部６０ｂ、６６ｂを囲繞するリング状出口シール部材７８ｂ、８０ｂとが設けられる。
【００４６】
第１及び第２セパレータ１６、２０は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂ（全流体連通孔）の内方に配置される寸法に設定される。
【００４７】
図２に示すように、第１セパレータ１６は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）８２ａ、８２ｂを備え、前記金属プレート８２ａ、８２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート８２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート８２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート８２ａ、８２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。
【００４８】
図７に示すように、第１セパレータ１６は、金属プレート８２ａの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路８４を設ける。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部８６ａ及び出口バッファ部８６ｂが設けられる。入口バッファ部８６ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部８８ａが形成される。出口バッファ部８６ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部８８ｂが形成される。
【００４９】
金属プレート８２ａの上部には、第２電解質膜・電極構造体１８の複数の入口孔部６０ａに連通する複数の穴部９０ａと、前記第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６６ａに連通する複数の孔部９２ａとが形成される。孔部９２ａは、金属プレート８２ｂにも形成されて第１セパレータ１６を貫通する。
【００５０】
金属プレート８２ａの下部には、第２電解質膜・電極構造体１８の複数の出口孔部６０ｂに連通する複数の穴部９０ｂと、前記第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６６ｂに連通する複数の孔部９２ｂとが形成される。孔部９２ｂは、金属プレート８２ｂにも形成されて第１セパレータ１６を貫通する。
【００５１】
第１セパレータ１６は、第１電解質膜・電極構造体１４の入口孔部４０ａを避けるための上部逃げ部９４ａと、前記第１電解質膜・電極構造体１４の出口孔部４０ｂを避けるための下部逃げ部９４ｂとを設ける。
【００５２】
図８に示すように、第１セパレータ１６は、金属プレート８２ｂの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路８６を設ける。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部９６ａ及び出口バッファ部９６ｂが設けられる。入口バッファ部９６ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部９８ａと、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方に位置して複数の入口溝部１００ａとが形成される。入口溝部１００ａは、第１セパレータ１６の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
【００５３】
出口バッファ部９６ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部９８ｂと、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方に位置して複数の出口溝部１００ｂとが形成される。出口溝部１００ｂは、第１セパレータ１６の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
【００５４】
図２に示すように、第２セパレータ２０は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）１０２ａ、１０２ｂを備え、前記金属プレート１０２ａ、１０２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート１０２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート１０２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート１０２ａ、１０２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。
【００５５】
図９に示すように、第２セパレータ２０は、金属プレート１０２ａの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路８４を設ける。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部１０４ａ及び出口バッファ部１０４ｂが設けられる。金属プレート１０２ａの上方には、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の入口孔部４０ａに連通する複数の穴部１０６ａが形成される。金属プレート１０２ａの下部には、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の出口孔部４０ｂに連通する複数の穴部１０６ｂが形成される。
【００５６】
第２セパレータ２０は、第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６０ａを避けるための上部逃げ部１０８ａと、前記第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６０ｂを避けるための下部逃げ部１０８ｂとを設ける。
【００５７】
図１０に示すように、第２セパレータ２０は、金属プレート１０２ｂの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路８６を設ける。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部１１０ａ及び出口バッファ部１１０ｂが設けられる。
【００５８】
金属プレート１０２ｂの上部には、冷却媒体入口連通孔３２ａの下方に位置して複数の入口溝部１１２ａが形成される一方、前記金属プレート１０２ｂの下部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂの上方に位置して複数の出口溝部１１２ｂが形成される。入口溝部１１２ａ及び出口溝部１１２ｂは、それぞれ第２セパレータ２０の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
【００５９】
第１の実施形態では、図２〜図４に示すように、額縁部２８ａは、最外周の部位に、すなわち、外周端部を周回して肉厚部（厚さ方向に突出するリブ部）２８ａａを設ける。図２に示すように、額縁部２８ａの他の部位（ＭＥＡ当接部位２８ａ１、シール成形部位２８ａ２、外周端部隣接部位２８ａ３及び連通孔内周隣接部位等、多くの部位を含み、特定部位ではない）に対して、肉厚部２８ａａの厚さｈ１は、最も大きな厚さ寸法に設定される。
【００６０】
図３、図４及び図１１〜図１４に示すように、額縁部２８ａは、流体連通孔の周囲の部位に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回して肉厚部（厚さ方向に突出するリブ部）２８ａｂを設ける。図１１〜図１４に示すように、額縁部２８ａの外周端部を除く他の部位に対して、肉厚部２８ａｂの厚さｈ２は、最も大きな厚さ寸法に設定される。
【００６１】
第１の実施形態では、図２、図５及び図６に示すように、額縁部２８ｂは、最外周の部位に、すなわち、外周端部を周回して肉厚部（厚さ方向に突出するリブ部）２８ｂａを設ける。図２に示すように、額縁部２８ｂの外周端部を除く他の部位に対して、肉厚部２８ｂａの厚さｈ３は、最も大きな厚さ寸法に設定される。
【００６２】
図５、図６及び図１１〜図１４に示すように、額縁部２８ｂは、流体連通孔の周囲の部位に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回して肉厚部（厚さ方向に突出するリブ部）２８ｂｂを設ける。図１１〜図１４に示すように、額縁部２８ｂの外周端部を除く他の部位に対して、肉厚部２８ｂｂの厚さｈ４は、最も大きな厚さ寸法に設定される。
【００６３】
なお、第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８は、所望の剛性を確保できるものであれば、例えば、肉厚部２８ａａ、２８ａｂの少なくともいづれか一方のみ、肉厚部２８ｂａ、２８ｂｂの少なくともいづれか一方のみを設けることが可能である。
【００６４】
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。
【００６５】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、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には、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には、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００６６】
各セルユニット１２では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスが、図１及び図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口凸部３６ａ間と第２電解質膜・電極構造体１８の入口凸部５４ａ間から入口溝部５６ａとに導入される。
【００６７】
入口凸部３６ａに導入された酸化剤ガスは、入口溝部３７ａを通って前記第２セパレータ２０の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口凸部３６ｂ間から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
【００６８】
一方、入口溝部５６ａ間に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８と第１セパレータ１６との間の入口溝部８８ａを通って前記第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部８８ｂ、５６ｂから出口凸部５４ｂ間を通って酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
【００６９】
また、燃料ガス入口連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、図１及び図１２に示すように、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側の入口溝部６２ａに導入される。燃料ガスは、入口溝部６２ａから入口孔部６４ａを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部７２ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路８６に供給される。
【００７０】
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部６６ａ及び第１セパレータ１６の孔部９２ａを通って前記第１セパレータ１６と第１電解質膜・電極構造体１４との間に導入され、前記１セパレータ１６の燃料ガス流路８６に供給される。
【００７１】
第２セパレータ２０の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部７２ｂに排出され、さらに出口孔部６４ｂから出口溝部６２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。一方、第１セパレータ１６の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部９２ｂから出口孔部６６ｂを通って出口溝部７２ｂに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。
【００７２】
これにより、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８では、それぞれカソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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。
【００７３】
さらにまた、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の一部は、図１及び図１３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口溝部４２ａに導入され、入口溝部５８ａから入口孔部４０ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部４０ａから第２セパレータ２０の穴部１０６ａを通って前記第２セパレータ２０の内部に導入される。
【００７４】
冷却媒体は、第２セパレータ２０内を入口溝部１１２ａに沿って流通し、冷却媒体流路８８に供給された後、出口溝部１１２ｂから穴部１０６ｂを通って前記第２セパレータ２０から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部４０ｂから出口溝部５８ｂ、４２ｂを通って冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。
【００７５】
一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の他の一部は、図１及び図１４に示すように、第２電解質膜・電極構造体１８の入口溝部６８ａに導入され、入口溝部３８ａから入口孔部６０ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部６０ａから第１セパレータ１６の穴部９０ａを通って前記第１セパレータ１６内部に導入される。
【００７６】
冷却媒体は、第１セパレータ１６内を入口溝部１００ａに沿って流通し、冷却媒体流路８８に供給された後、出口溝部１００ｂから穴部９０ｂを通って前記第１セパレータ１６から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部６０ｂから出口溝部３８ｂ、６８ｂを通って冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。
【００７７】
このため、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８は、第１セパレータ１６内の冷却媒体流路８８及び第２セパレータ２０内の冷却媒体流路８８を流通する冷却媒体により冷却される。
【００７８】
この場合、第１の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４を構成する額縁部２８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８を構成する額縁部２８ｂには、全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが積層方向に貫通して形成されている。
【００７９】
このため、第１セパレータ１６及び第２セパレータ２０には、流体連通孔を設ける必要がなく、前記第１セパレータ１６及び前記第２セパレータ２０は、発電領域に対応する外形寸法に設定することができる。従って、第１セパレータ１６及び第２セパレータ２０は、小型軽量化が容易に図られ、前記第１セパレータ１６及び前記第２セパレータ２０の製造コストを削減することが可能になる。
【００８０】
これにより、第１セパレータ１６及び第２セパレータ２０を効率的に製造することができ、燃料電池１０全体を経済的に得ることが可能になるという利点が得られる。
【００８１】
さらに、図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４を構成する額縁部２８ａは、外周端部を周回して該外周端部を除く他の部位よりも厚さ方向に大きな厚さｈ１を有する肉厚部２８ａａを設けている。同様に、第２電解質膜・電極構造体１８を構成する額縁部２８ｂは、外周端部を周回して該外周端部を除く他の部位よりも厚さ方向に大きな厚さｈ３を有する肉厚部２８ｂａを設けている。
【００８２】
このため、第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８及び額縁部２８ａ、２８ｂの薄肉化が図られるとともに、前記第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８全体の剛性を確保することが可能になる。従って、比較的高価な第１セパレータ１６及び第２セパレータ２０を良好に小型化することができ、コストの削減を図るとともに、第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８の剛性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００８３】
一方、図１１〜図１４に示すように、額縁部２８ａ、２８ｂには、流体連通孔の周囲の部位に、該周囲を除く他の部位よりも厚さ方向に大きな厚さｈ２、ｈ４を有する肉厚部２８ａｂ、２８ｂｂを設けている。これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８の薄肉化を図るとともに、剛性を有効に向上させることが可能になる等の効果が得られる。
【００８４】
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の要部断面説明図である。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。
【００８５】
燃料電池１２０は、複数のセルユニット１２２を積層して構成されるとともに、前記セルユニット１２２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１２４、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１２６及び第２セパレータ２０を備える。
【００８６】
第１電解質膜・電極構造体１２４及び第２電解質膜・電極構造体１２６は、絶縁性を有する高分子材料で形成される額縁部（枠部材）１２８ａ及び額縁部（枠部材）１２８ｂを設ける。
【００８７】
額縁部１２８ａ、１２８ｂは、固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部に、これらの積層方向の全体厚さと同一の厚さｈ５、ｈ６を有する連結部位（他の部位）が連結されるとともに、前記連結部位の外方には、該連結部位の厚さｈ５、ｈ６よりも大きな寸法に設定された厚さｈ７、ｈ８（ｈ７＞ｈ５、ｈ８＞ｈ６）を有する肉厚部（厚さ方向に突出するリブ部）１２８ａａ、１２８ｂａが設けられる。
【００８８】
肉厚部１２８ａａ、１２８ｂａは、額縁部１２８ａ、１２８ｂの外周端部を周回するとともに、流体連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂ）を周回する。
【００８９】
額縁部１２８ａの両面には、外側シール部材（外側シールライン）４８ａ、４８ｂ及び内側シール部材（内側シールライン）５０ａ、５０ｂが一体又は別体に成形される。額縁部１２８ｂの両面には、外側シール部材（外側シールライン）７４ａ、７４ｂ及び内側シール部材（内側シールライン）７６ａ、７６ｂが一体又は別体に成形される。
【００９０】
このように構成される第２の実施形態では、コストの削減を図るとともに、第１及び第２電解質膜・電極構造体１２４、１２６の剛性を有効に向上させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１２０…燃料電池              １２、１２２…セルユニット
１４、１８、１２４、１２６…電解質膜・電極構造体
１６、２０…セパレータ              ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード側電極                ２６…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、１２８ａ、１２８ｂ…額縁部
２８ａａ、２８ａｂ、２８ｂａ、２８ｂｂ、１２８ａａ、１２８ｂａ…肉厚部
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
３６ａ、５４ａ…入口凸部            ３６ｂ、５４ｂ…出口凸部
４０ａ、６０ａ、６４ａ、６６ａ…入口孔部
４０ｂ、６０ｂ、６４ｂ、６６ｂ…出口孔部
４８、７４…外側シール部材          ５０、７６…内側シール部材
８２ａ、８２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…金属プレート
８４…酸化剤ガス流路                ８６…燃料ガス流路
８８…冷却媒体流路                  
９０ａ、９０ｂ、１０６ａ、１０６ｂ…穴部
９２ａ、９２ｂ…孔部
【図１】
0005236024.tif 000002
【図２】
0005236024.tif 000003
【図３】
0005236024.tif 000004
【図４】
0005236024.tif 000005
【図５】
0005236024.tif 000006
【図６】
0005236024.tif 000007
【図７】
0005236024.tif 000008
【図８】
0005236024.tif 000009
【図９】
0005236024.tif 000010
【図１０】
0005236024.tif 000011
【図１１】
0005236024.tif 000012
【図１２】
0005236024.tif 000013
【図１３】
0005236024.tif 000014
【図１４】
0005236024.tif 000015
【図１５】
0005236024.tif 000016
【図１６】
0005236024.tif 000017