(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン透過膜及びそれを挟む一対の電極材からなる電池セルと、その電池セルの一方の側に配設されて前記電極材との間にガス室を提供するセパレータを交互に積層して構成されると共に、積層されたセパレータ群を積層方向に貫通するガスマニホールドが設けられた燃料電池において、
前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの板状セパレータ片が相互接触する双方の合わせ面には、互いに符合する位置において通路構成溝がそれぞれ形成されており、これらの通路構成溝が組合わされることで前記ガスマニホールドと前記ガス室とをつなぐガス通路が構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記通路構成溝が形成された板状セパレータ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連通させるべく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記二つの板状セパレータ片の接合領域には、セパレータの積層方向と直交する面内において、前記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔が存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記二つの板状セパレータ片の合わせ面の少なくとも一方には前記ガスシール手段を収容するためのシール溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成される燃料電池セパレータであって、
前記二つの板状セパレータ片が相互接触する双方の合わせ面には、互いに符合する位置において、燃料電池におけるガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝がそれぞれ形成されており、これらの通路構成溝が組合わされることで前記ガスマニホールドと前記ガス室とをつなぐ前記ガス通路が構成されることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池セルとセパレータとを交互に積層して構成される燃料電池に関し、特に燃料電池内でセパレータにより構成されるガス通路の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池は、プロトン透過膜及びそれを挟む一対の電極材からなる電池セルと、その電池セルの一方の側に配設されて前記電極材との間にガス室を提供するセパレータを交互に積層して構成される。一つの電池セルとその上層及び下層に平行に配設されたセパレータとによって一つの単位電池が構成され、複数の単位電池の積層物が燃料電池と理解してもよい。各単位電池において、上下セパレータ間に介在される電池セルは一種のガス隔壁に相当し、一方の電極材とそれに対向するセパレータとの間には燃料ガス室（還元剤ガス室とも言う）が、他方の電極材とそれに対向するセパレータとの間には酸化剤ガス室がそれぞれ区画される。尚、かかるセパレータは、前述のようなガス室を区画する役目を担うことから、マニホールド板とも呼ばれる。更に燃料電池には、燃料ガス用及び酸化剤ガス用の各ガス流通経路（ガスマニホールド）が単位電池の積層方向に貫設されている。そして、各単位電池の燃料ガス室は燃料ガス用のガスマニホールドに連通されて燃料ガスの供給を受ける。同様に、各単位電池の酸化剤ガス室は酸化剤ガス用のガスマニホールドに連通されて酸化剤ガスの供給を受ける。
【０００３】
実開平５−６６８７５号公報は、燃料ガス用のガスマニホールドと各単位電池の燃料ガス室との間におけるガス連通構造の一例を開示する。この公開公報によれば、マニホールド板の周縁部には燃料ガス用のガスマニホールド（導入孔及び排出孔）が貫設されると共に、マニホールド板の一方の面の中央域には燃料ガス室を提供する深い凹部が設けられている。更に、その中央域の深い凹部とガスマニホールドのある周縁部との間には浅い凹部（又は段差部）が設けられ、その浅い凹部の底壁には前記深い凹部とガスマニホールドとをつなぐための複数条の平行溝が形成されている。そして、燃料電池の組立時には、その浅い凹部に対して保護用プレートを嵌め込んで前記平行溝の各々をトンネル状通路とし、これらのトンネル状通路を経由してガスマニホールドと燃料ガス室との間における燃料ガス流通を確保している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公開公報には、保護用プレートが前記浅い凹部に嵌め込まれたとき当該プレートの表面とマニホールド板の表面とは同一平面をなす、と記載されている。しかしながら、実際にこのような構造を採用した場合に、保護用プレートの表面とマニホールド板の表面とを面一化することは難しい。なぜなら、単位電池の高密度積層が求められる今日の時代状況では、マニホールド板又はセパレータの薄肉化は避けられず、その厚みは約１．０ｍｍ以下にまでなっている。かかる状況下で保護用プレート及びそれを収容する浅い凹部を設計するとなれば、保護用プレートの厚さ及び浅い凹部の深さはかなりの高精度で管理される必要があるが、そのような厚さ及び深さの厳格な管理は極めて困難である。このため、保護用プレート及び浅い凹部の加工精度を高めたつもりでも、実際に浅い凹部にプレートを嵌めたとき、プレートの一部がマニホールド板表面よりも盛り上がったり、プレートの端面と浅い凹部の内壁面との間に隙間ができたりするのを回避することは困難である。
【０００５】
仮にマニホールド板表面からの保護用プレートの一部の盛り上がりが数十ミクロンのレベルであったとしても、単位電池を多数積層した場合には、僅かの寸法の狂いが累積して無視できない大きさとなる。さすれば、複数の単位電池相互間の平行状態が維持できなくなって、燃料電池の組立てに支障を来すのみならず、ガスシール性を低下させる一因となる。又、保護用プレートの端面と浅い凹部の内壁面との間に隙間ができる場合も同様にガスシール性を低下させる。特に、燃料電池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との隔絶が不十分となり、両方のガスが互いに混じり合うと、電池性能が著しく低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、単位電池を多数積層した場合でも積層方向に寸法誤差が累積し難く単位電池相互間の平行状態を極力維持することができると共に、燃料電池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間のガス隔絶性に優れた燃料電池及びそのセパレータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、プロトン透過膜及びそれを挟む一対の電極材からなる電池セルと、その電池セルの一方の側に配設されて前記電極材との間にガス室を提供するセパレータを交互に積層して構成されると共に、積層されたセパレータ群を積層方向に貫通するガスマニホールドが設けられた燃料電池において、
前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの板状セパレータ片が相互接触する双方の合わせ面には、互いに符合する位置において通路構成溝がそれぞれ形成されており、これらの通路構成溝が組合わされることで前記ガスマニホールドと前記ガス室とをつなぐガス通路が構成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、二つの板状セパレータ片の双方の合わせ面には、互いに符合する位置において通路構成溝がそれぞれ形成され、これらの通路構成溝が組合わされることでガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通路が構成されている。その結果、前記通路構成溝は、ガスマニホールドとガス室とをつなぐトンネル状のガス通路となり、このトンネル状ガス通路を介してガスマニホールドとガス室との間のガス流通が確保される。この構成によれば、二つの板状セパレータ片は一方が他方に嵌合される関係にはなく、両者は等価な合わせ面を持ち、それらを互いに接合させるだけの関係にある。各々の合わせ面を予め平滑化することは加工技術上さほど困難ではなく、それ故、表面平滑度の高い合わせ面を持つ板状セパレータ片からセパレータを構成しそれを複数積層したとしても各単位電池間の平行状態は損なわれず、従来例のように積層方向に寸法誤差が累積することはまずない。また、二つの板状セパレータ片は相互に嵌合する関係にないため、双方に微細な段差部を形成する必要がなく不要な隙間の発生原因が存在しない。従って、ガスマニホールドとガス室との間の連通構造に関する限り、それ自体である程度の気密性を確保することができる。更にこの構成によれば、二つの合わせ面の双方に形成された通路構成溝が組合わさって一つのトンネル状ガス通路が構成されるため、一つの通路構成溝の深さを比較的浅く設定してもトンネル状ガス通路には十分なガス流通断面積を付与できる。故に、各板状セパレータ片の機械的強度を低下させることなく、その厚さを薄くすることが可能となり、燃料電池の積層密度を向上させることが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記通路構成溝が形成された板状セパレータ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連通させるべく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連通孔が形成されていることを特徴とする。本件燃料電池の基本構造に従えば、板状セパレータ片の合わせ面と反対側の面が電池セルの電極材に対向する面となり、この反対側の面にガス室が配置される。この点、請求項２の構成によれば、セパレータ片を積層方向に貫通して設けられた連通孔が、合わせ面側に形成された通路構成溝と前記ガス室とを連通させるため、ガス室はこの連通孔及び通路構成溝を介してガスマニホールドと連通することが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、前記二つの板状セパレータ片の接合領域には、セパレータの積層方向と直交する面内において、前記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔が存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、セパレータの積層方向と直交する面内で観察した場合に、互いに連通するガスマニホールド、通路構成溝（トンネル状通路）及び連通孔が存在する同種ガス（例えば燃料ガス）の領域は、ガスシール手段で包囲されることにより、異種ガス（例えば酸化剤ガス）の領域から隔絶される。このため、燃料電池内部において、二種類のガスが混合する事態が確実に回避され、ガス混合による電池性能の低下を防止できる。尚、前記ガスシール手段が、ゴム、Ｏリング、接着剤又は金属材料の振動溶着によって提供されることは好ましい。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記二つの板状セパレータ片の合わせ面の少なくとも一方には、前記ガスシール手段を収容するためのシール溝が形成されていることを特徴とする。板状セパレータ片の合わせ面にシール溝を付与することで、二つの板状セパレータ片の接合領域に設けられるガスシール手段の位置決めが容易になる。加えて、ガスシール手段の合わせ面内での横ずれが効果的に防止される。尚、二つの板状セパレータ片の合わせ面の双方に対し、互いに符合する位置で前記シール溝を形成することは好ましい。
【００１３】
請求項５の発明は、平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成される燃料電池セパレータであって、前記二つの板状セパレータ片が相互接触する双方の合わせ面には、互いに符合する位置において、燃料電池におけるガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝がそれぞれ形成されており、これらの通路構成溝が組合わされることで前記ガスマニホールドと前記ガス室とをつなぐ前記ガス通路が構成されることを特徴とする燃料電池セパレータである。この請求項５の技術的意義は、前記請求項１の発明とほぼ同じである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の燃料電池は、図１及び図２に示すように、冷却媒体流通路を提供する基礎セパレータ片３０の上に２階層の単位電池を積み上げたものを一組の最小積層群とし、この最小積層群を垂直方向に複数組積み上げて構成されている。そして、前記２階層の単位電池の各々は、第１セパレータ片１０、第２セパレータ片２０及びこれらセパレータ片１０，２０間に介在される電池セル４０から構成される。なお、図１は図３，５及び７におけるＡ−Ａ線での断面を示し、図２は図３，５及び７におけるＢ−Ｂ線での断面を示す。これらの図面からわかるように、各セパレータ片１０，２０，３０の周縁部には、セパレータ片を積層方向に貫通する複数のガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ及び冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂが設けられている。一対のガスマニホールド５１Ａ及び５１Ｂは還元剤ガスとしての燃料ガス用のマニホールドであり、一対のガスマニホールド５２Ａ及び５２Ｂは酸化剤ガスとしての空気用のマニホールドである。燃料ガスとしては一般に、水素ガスや、メタノール又は天然ガスから製造される改質ガスが使用される。なお、一対をなす冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂには冷却媒体としての冷却水が流される。
【００１５】
各単位電池を構成する電池セル４０は、プロトン透過性を持つ高分子材料を基材とする高分子固体電解質膜（プロトン透過膜）４１と、その下側に設けられた負極側の電極材４２と、上側に設けられた正極側の電極材４３とから構成されている。つまり高分子固体電解質膜４１は、二つの電極材４２及び４３によって挟着されている。これらの電極材４２，４３は、優れたガス透過性と導電性とを兼ね備えた材料（例えば多孔質のカーボン材料）で構成される。電極材４２，４３は、ガスの拡散層及び流通層としての役割を果たすと共に、電気化学反応における電子の授受及び移動に関与する電極として機能する。なお、各電極材と高分子固体電解質膜４１との境界領域には、電気化学反応を促進するための触媒層（図示略）が設けられている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０との間には、シール材４５の配設スペースを確保しつつ電池セル４０の周囲を取り囲むようにスペーサ４４が設けられている（図にはスペーサ４４の一部断面のみを示す）。スペーサ４４はリジッドな絶縁材料（例えば絶縁性合成樹脂）で構成されており、電池セル４０を機械的圧迫から保護する。つまり、基礎セパレータ片３０及び単位電池を積層締結する際の圧力によって、固体電解質膜４１並びに電極材４２及び４３が押しつぶされるのを防止する保形材として機能する。尚、スペーサ４４の端部領域には燃料ガス用のガスマニホールド５１Ａ（図１参照）及び空気用のガスマニホールド５２Ａ（図２参照）が垂直方向（積層方向）に形成されている。スペーサ４４の近傍に設けられたシール材４５は、各ガスマニホールドと電池セル４０との間の連通を遮断する。
【００１７】
各階層の単位電池において、電池セル４０の上側に位置する第１セパレータ片１０は、図３及び図４に示すような平面四角形状をなす。図３は第１セパレータ片１０の上面側の全体を示し、図４はその下面側の一部を示す。この第１セパレータ片１０は、当該電池セル４０と上階の電池セル４０を分離する部材であると共に、当該電池セル４０の電極材４３との間に空気用のガス室を構成するためのガス室構成部材でもある。
【００１８】
第１セパレータ片１０の一隅部には、前記ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部には、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体通路５３Ｂが貫通形成されている。図４に示すように、電極材４３と対向する面である第１セパレータ片１０の下面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連の凹部１１（溝パターンとも言う）が形成されている。図３に破線で示唆するように、一連の凹部１１はＳ字状に蛇行し、その両端域はセパレータ片の両対角位置にあるガスマニホールド群の近傍に達している。図１及び図２に示すように、第１セパレータ片１０の下面が電池セル４０の上面に重合されたとき、前記凹部１１は、電極材４３に隣接すると共にＳ字状に蛇行した流路を持つガス室を提供する。そして、このガス室の流路の両端域は空気用ガスマニホールド５２Ａ及び５２Ｂと連通する。
【００１９】
図３及び図４に示すように、第１セパレータ片１０において空気用ガスマニホールド５２Ａ及び５２Ｂの各々の近傍には、複数個の連通孔１２（本例では一つのガスマニホールドあたり４個）が該セパレータ片を厚み方向（即ち積層方向）に貫通して形成されている。加えて第１セパレータ片１０の上面には、各連通孔１２毎に、その連通孔１２とそれに対応するガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂとをつなぐ通路構成溝１３が形成されている。また、第１セパレータ片１０の上面は、上階層の単位電池の第２セパレータ片２０の下面（又は基礎セパレータ片３０の下面）と接触する合わせ面となる。図２に示すように、第１セパレータ片１０に形成された前記連通孔１２及び通路構成溝１３に対応して、第２セパレータ片２０の下面には通路構成溝２３が形成されている。その通路構成溝２３の一端は、空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂに達している（図２及び図６参照）。そして、これら上下一対の通路構成溝１３及び２３が組合わされて水平なトンネル状ガス通路が構成され、この水平ガス通路は連通孔１２と空気用ガスマニホールドとを連通させる。つまり、一対の空気用ガスマニホールド５２Ａ，５２Ｂの各々は、それぞれに対応する通路構成溝１３及び２３及び連通孔１２を介して前記ガス室１１の端部領域とつながっている。
【００２０】
更に図１〜図４に示すように、第１セパレータ片１０の上面は、セパレータ片の積層方向と直交する面であると共に第２セパレータ片２０の下面と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面には、その中央領域と周縁領域との境界位置において一連のシール溝１４が形成され、該シール溝１４は、セパレータ片上面を都合６つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部１１の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂと３条の通路構成溝１５とが包含され、シール溝１４はこれらを包囲するように設けられている。又、酸化剤ガス領域の各々には、空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂと４個の連通孔１２と４条の通路構成溝１３とが包含され、シール溝１４はこれらを包囲するように設けられている。図１及び図２に示すように、前記一連のシール溝１４内には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手段としてのシール材５４が配設される。シール材５４は、第１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０との接合領域において前記６つの領域を互いに隔絶し、領域相互間における流体連通を遮断する。なお、図４（第１セパレータ片１０の下面）に黒塗りで示す領域には、前記スペーサ４４の近傍に設けられるシール材４５が配置される。シール材４５の位置は、上面側のシール溝１４の位置と一部を除いてほぼ符合する。
【００２１】
各階層の単位電池において、電池セル４０の下側に位置する第２セパレータ片２０は、図５及び図６に示すように前記第１セパレータ片１０と同じ平面四角形状をなす。図５は第１セパレータ片１０の上面側の全体を示し、図６はその下面側の一部を示す。この第２セパレータ片２０は、当該電池セル４０と下階の電池セル４０を分離する部材であると共に、当該電池セル４０の電極材４２との間に燃料ガス用のガス室を構成するためのガス室構成部材でもある。
【００２２】
第２セパレータ片２０の一隅部には、前記ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部には、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体通路５３Ｂが貫通形成されている。図５に示すように、電極材４２と対向する面である第２セパレータ片２０の上面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連の凹部２１（溝パターンとも言う）が形成されている。一連の凹部２１はＳ字状に蛇行し、その両端域はセパレータ片の両対角位置にあるガスマニホールド群の近傍に達している。図１及び図２に示すように、第２セパレータ片２０の上面が電池セル４０の下面に重合されたとき、前記凹部２１は、電極材４２に隣接すると共にＳ字状に蛇行した流路を持つガス室を提供する。そして、このガス室の流路の両端域は燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ及び５１Ｂと連通する。
【００２３】
図５及び図６に示すように、第２セパレータ片２０において燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ及び５１Ｂの各々の近傍には、複数個の連通孔２２（本例では一つのガスマニホールドあたり３個）が該セパレータ片を厚み方向（即ち積層方向）に貫通して形成されている。加えて第２セパレータ片２０の下面には、各連通孔２２毎に、その連通孔２２とそれに対応するガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂとをつなぐ通路構成溝２５が形成されている。また、第２セパレータ片２０の下面は、下階層の単位電池の第１セパレータ片１０の上面（又は基礎セパレータ片３０の上面）と接触する合わせ面となる。図１に示すように、第２セパレータ片２０に形成された前記連通孔２２及び通路構成溝２５に対応して、第１セパレータ片１０の上面には通路構成溝１５が形成されている。その通路構成溝１５の一端は、燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂに達している（図１及び図３参照）。そして、これら上下一対の通路構成溝２５及び１５が組合わされて水平なトンネル状ガス通路が構成され、この水平ガス通路は連通孔２２と燃料ガス用ガスマニホールドとを連通させる。つまり、一対の燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂの各々は、それぞれに対応する通路構成溝２５及び１５及び連通孔２２を介して前記ガス室２１の端部領域とつながっている。
【００２４】
更に図１，２，５及び６に示すように、第２セパレータ片２０の下面は、セパレータ片の積層方向と直交する面であると共に第１セパレータ片１０の上面と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面には、その中央領域と周縁領域との境界位置において一連のシール溝２４が形成されている。このシール溝２４は、第１セパレータ片上面のシール溝１４と符合する位置に設けられ、シール溝１４と同様、第２セパレータ片下面を都合６つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部２１の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂと３個の連通孔２２と３条の通路構成溝２５とが包含され、シール溝２４はこれらを包囲するように設けられている。又、酸化剤ガス領域の各々には、空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２１Ｂと４条の通路構成溝２３とが包含され、シール溝２４はこれらを包囲するように設けられている。図１及び図２に示すように、前記一連のシール溝２４内には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手段としてのシール材５４が配設される。尚、図５（第２セパレータ片２０の上面）に黒塗りで示す領域には、前記スペーサ４４の近傍に設けられるシール材４５が配置される。シール材４５の位置は、下面側のシール溝２４の位置と一部を除いてほぼ符合する。
【００２５】
燃料電池の組立時に単位電池間に介装されることになる基礎セパレータ片３０は、図７及び図８に示すように前記第１及び第２セパレータ片１０，２０と同じ平面四角形状をなす。図７は基礎セパレータ片３０の上面側の全体を示し、図８はその下面側の一部を示す。この基礎セパレータ片３０は、二つの電池セル４０を分離する部材であると共に、二つの単位電池間に冷却媒体としての冷却水の流通室を構成するための部材でもある。
【００２６】
基礎セパレータ片３０の一隅部には、前記ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部には、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体通路５３Ｂが貫通形成されている。図８に示すように、第１セパレータ片１０の上面との合わせ面となる基礎セパレータ片３０の下面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連の凹部３１（溝パターンとも言う）が形成されている。図７に破線で示唆するように一連の凹部３１はＳ字状に蛇行し、その両端域はセパレータ片の両対角位置にある冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂの近傍に達している。そして、一連の凹部３１の両端域と冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂとは、基礎セパレータ片３０の下面に形成された一対の連絡溝３２を介して連通している。基礎セパレータ片３０の下面が第１セパレータ片１０の上面に重ね合わされたとき、前記凹部３１及び連絡溝３２は、二つの冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂをつなぐと共にＳ字状に蛇行した流路を持つ冷却水流通室を構成する。
【００２７】
更に図１，２，７及び８に示すように、基礎セパレータ片３０の上面は、セパレータ片の積層方向と直交する面であると共に第２セパレータ片２０の下面と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面には、第２セパレータ片下面のシール溝２４と符合するシール溝３３が形成されている。図１及び図２に示すように、二つのシール溝２４，３３で構成されるトンネル内にはガスシール手段としてのシール材５４が配設される。他方、基礎セパレータ片３０の下面は、セパレータ片の積層方向と直交する面であると共に第１セパレータ片１０の上面と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面には、第１セパレータ片１０上面のシール溝１４と一部を除いてほぼ符合するシール溝３４が形成されている。図１及び図２に示唆されるように、二つのシール溝１４，３４で構成されるトンネル内にはガスシール手段としてのシール材５４が配設される。基礎セパレータ片３０の上下に配設されたシール材５４は、第１及び第２セパレータ片１０，２０の境界領域に配設されたシール材５４と同じ役目を果たす。
【００２８】
基礎セパレータ片３０の上面は、第２セパレータ片２０が提供するガス室２１と燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂとをつなぐガス通路の形成に関与する。即ち図１に示すように、第２セパレータ片２０の下面に形成された通路構成溝２５の下側開口を基礎セパレータ片３０の上面が封鎖することによって、連通孔２２とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネル状ガス通路が構成される。同様に、基礎セパレータ片３０の下面は、第１セパレータ片１０が提供するガス室１１と空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂとをつなぐガス通路の形成に関与する。即ち図２には直接示されていないがそこから理解できるように、第１セパレータ片１０の上面に形成された通路構成溝１３の上側開口を基礎セパレータ片３０の下面が封鎖することによって、連通孔１２とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネル状ガス通路が構成される。
【００２９】
上記の説明並びに図１及び図２からわかるように、２枚の第１セパレータ片１０、２枚の第２セパレータ片２０、１枚の基礎セパレータ片３０及び二つの電池セル４０を所定の順序に従い積層することにより、２階層の単位電池及び１階層の冷却媒体層からなる一つの最小積層群が構成される。かかる最小積層群が複数積み重ねられた燃料電池では、２階層の単位電池と１階層の冷却媒体層とが交互に配置される。その結果、二つの電池セル４０間に介在する区画壁としてのセパレータには二種類の構造が存在する。一つは図１及び図２に示すように、第１セパレータ片１０の上に第２セパレータ片２０を重ねることで構成される厚さｔの２層構造セパレータである。もう一つは図１及び図２から類推可能なように、第１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０との間に基礎セパレータ片３０を挟み込むことで構成される３層構造セパレータである。前記２層構造セパレータの厚さｔは、好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定（本例ではｔ＝１．０ｍｍに設定）されるが溝深さに応じてこれ以外でもよい。三つのセパレータ片１０，２０，３０の各々の厚さは、前記ｔの約半分程度に設定される。それ故、各ガス室を構成する凹部１１，１２や前記通路構成溝１３，１５，２３，２５の深さは非常に浅い。このように極めて浅い凹部１１，１２や通路構成溝１３，１５，２３，２５は様々な方法で加工可能であるが、局部的な歪みを回避しつつ凹部や溝の加工精度を確保するためには、電解エッチング加工法を採用することが好ましい。尚、セパレータ片１０，２０，３０の構成材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム系金属、チタン系金属又はカーボン系材料を使用できる。又、凹部や溝を加工した後のセパレータ片の表面には、必要に応じてメッキが施される。
【００３０】
かかる燃料電池においては、一方の燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａを経由して提供された燃料ガスは、通路構成溝２５（及び１５）並びに連通孔２２を介して負極側のガス室２１に流入し、そこから連通孔２２並びに通路構成溝２５（及び１５）を介して他方の燃料ガス用ガスマニホールド５１Ｂに流出する（図１参照）。同様に、一方の空気用ガスマニホールド５２Ａを経由して提供された空気は、通路構成溝１３（及び２３）並びに連通孔１２を介して正極側のガス室１１に流入し、そこから連通孔１２並びに通路構成溝１３（及び２３）を介して他方の空気用ガスマニホールド５２Ｂに流出する（図２参照）。各電池セル４０では、上下両側のガス室から供給される燃料ガス及び空気を利用した公知の電気化学反応に基づいて発電が行われる。
【００３１】
（効果）本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
・この燃料電池によれば、２層構造又は３層構造セパレータの構成要素である各板状セパレータ片１０，２０，３０は、それぞれに平滑で互いに等価な合わせ面を持ち、それらを相互に面接合させることによってセパレータが構成される。それ故、各層間の平行状態は損なわれ難く、部分的に段差構造を採用する従来例とは異なり、積層方向に寸法誤差が累積することがない。このことは、ガスシール手段の良否という観点を離れて、それ自体で燃料電池のガスシール性を向上させるのに貢献する。
【００３２】
・第１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０との境界領域に設定されるトンネル状ガス通路に関して言えば、それぞれの合わせ面の双方に形成された通路構成溝（１５，２５）及び（１３，２３）が組合わさって一つのトンネル状ガス通路が構成される。このため、各通路構成溝の深さが比較的浅くても、前記トンネル状ガス通路には十分なガス流通断面積が付与される。このことは、各セパレータ片の機械的強度を低下させることなくその厚さを極力薄くすることを可能とし、燃料電池の積層密度を高めて電池性能向上に貢献する。
【００３３】
・ガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂ、通路構成溝１５，２５及び連通孔２２によって構成される燃料ガス領域は、シール溝１４，２４内に収容されるシール材５４で包囲されることにより他領域から確実に隔絶される。同様に、ガスマニホールド５２Ａ，５２Ｂ、通路構成溝１３，２３及び連通孔１２によって構成される酸化剤ガス領域も、シール溝１４，２４内に収容されるシール材５４で包囲されることにより他領域から確実に隔絶される。このため、燃料電池内部において二種類のガスが相互に混じり合う事態が確実に回避され、電池性能の低下が防止される。
【００３４】
・この燃料電池によれば、電池内部における燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間のガス隔絶性が高まるのみならず、外部へのガス漏洩も効果的に防止することができる。図９のグラフは、１００セルの電池セルを積層した燃料電池内に所要のガスを封入し各ガスマニホールドの出入口を封鎖した場合における内圧の経時変化を測定した結果を示す。内圧は圧力ゲージを用いて測定されており、ゲージ圧力（内圧）は大気圧基準の相対圧力を示す。本実施形態の燃料電池では、２４時間後のゲージ圧力は初期ゲージ圧力（０．２ＭＰａ＝約２気圧）にほぼ等しく、ガス漏洩はほとんどみられなかった。これに対し、従来例と同じ構造を採用した燃料電池では、２４時間後のゲージ圧力は初期ゲージ圧力（０．２ＭＰａ＝約２気圧）に対してその１０％以上の低下があり、若干のガス漏洩がみられた。この比較実験からも、本発明の燃料電池が従来例よりも優れた気密性又はガスシール性を持つことが立証される。
【００３５】
（変更例）上記実施形態を以下のように変更実施してもよい。
前記シール材４５及び５４としては、ゴム、金属製Ｏリング又は接着剤のいずれも使用可能である。特に樹脂系の材料を用いる場合には、耐腐食性に優れるフッ素系又はシリコーン系樹脂が好ましい。他方、このような一般的なシール材に代えて、金属材料を振動溶着させた結果形成されるガスシール手段を採用してもよい。
【００３６】
図１に示す第２セパレータ片２０の下面と接合される基礎セパレータ片３０の上面に、第２セパレータ片２０側の通路構成溝２５と符合する通路構成溝を形成し、両セパレータ片２０，３０の境界領域に十分なガス流通断面積を確保したトンネル状通路を構成してもよい。又、図２から示唆されるように第１セパレータ片１０の上面と接合される基礎セパレータ片３０の下面に、第１セパレータ片１０側の通路構成溝１３と符合する通路構成溝を形成し、両セパレータ片１０，３０の境界領域に十分なガス流通断面積を確保したトンネル状通路を構成してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、単位電池を多数積層した場合でも積層方向に寸法誤差が累積し難く単位電池相互間の平行状態を極力維持することができる。又、燃料電池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間のガス隔絶性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。
【図２】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。
【図３】第１セパレータ片の上面側の全体を示す平面図。
【図４】第１セパレータ片の下面側の一部を示す底面図。
【図５】第２セパレータ片の上面側の全体を示す平面図。
【図６】第２セパレータ片の下面側の一部を示す底面図。
【図７】基礎セパレータ片の上面側の全体を示す平面図。
【図８】基礎セパレータ片の下面側の一部を示す底面図。
【図９】比較実験でのガス圧経時変化の測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１０，２０，３０…板状セパレータ片、１１，２１…凹部（ガス室）、１２，２２…連通孔、１３，１５，２３，２５…通路構成溝、１４，２４，３３，３４…シール溝、４０…電池セル、４１…高分子固体電解質膜（プロトン透過膜）、４２，４３…電極材、５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ…ガスマニホールド、５４…シール材（ガスシール手段）。
【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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