(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極を接合してなる接合体を第１のセパレータと第２のセパレータで挟持して構成された複数の電池機能部を有する燃料電池であり、前記第１のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の一方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、前記第２のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の他方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、かつ、これら両セパレータは互いの接合側に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の連通路における一方の連通路の途中をプレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記第１のセパレータと第２のセパレータは前記冷却水流路を形成する側にて互いに重合されて接合した合体セパレータであって、当該合体セパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製の２枚のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有しこれら各プレスプレートの表裏両面側に位置してこれら両プレスプレートを互いに挟持する合成樹脂製の３枚のフレームにて構成されていて、前記接合体と交互に配設されて、前記両プレスプレート間に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、一方の接合体の一方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、かつ、他方の接合体の他方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の両連通路における一方の連通路の途中を前記プレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、互いに並列する複数条の溝部からなる流路は、前記フレームの開口部内の前記両端縁側へ所定長さ延びて同両端縁側に形成されている連通路に連通していて、前記プレスプレートに形成されている複数条の凹部の１条を前記フレームの開口部の前記両端縁の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池において、互いに並列する複数条の溝部からなる流路は、前記フレームの開口部内の前記両端縁側へ所定長さ延びて同両端縁側に形成されている連通路に連通していて、前記プレスプレートに形成されている複数条の凹部の１または複数条を前記フレームの開口部の前記両端縁の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断し、かつ、他の凹部の１または複数条を前記フレームの開口部の前記両端縁の他端縁側に延長して他端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路を複数段の折り返し形状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積は、前記ガスの上流側より下流側ほど小さく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池において、前記流路の折り返し形状は同流路を構成する凹部を前記フレームの開口部の前記両端縁の一端縁側および他端縁側へ互いにずらすことにより形成されていることを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、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池の一形式として、電解質膜の両面に電極を接合してなる接合体を第１のセパレータと第２のセパレータで挟持して構成された複数の電池機能部を有する燃料電池がある。当該形式の燃料電池においては、例えば、第１のセパレータは接合体の一方の面側に燃料ガスが流通する燃料ガス流路を形成するとともに、第２のセパレータは接合体の他方の面側に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を形成し、かつ、これら両セパレータは互いの接合側に冷却水が供給される冷却水流路を形成していて、電池機能部では、燃料ガスと酸化剤ガスの酸化還元反応により電力を発生させ、発生した電力を、例えば最外側に位置する集電板を介して、外部に導出させるように構成されている。
【０００３】
ところで、当該形式の従来の燃料電池を構成する各セパレータはカーボンプレートを形成材料とするもので、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路を構成する多数の溝を形成すべく、カーボンプレートの両面に機械加工による溝加工が施されたものが採用されている。また、カーボンプレートは、焼結カーボンのプレートをフェノール樹脂を含浸させたものや、樹脂モールドされたカーボンプレートが採用されている。このようなセパレータは材料に起因して重く、かつ、材料費および加工費の点から極めて高価なもので、かかるセパレータの多数枚の使用が当該形式の燃料電池の重量の増加およびコスト高の増大をまねく要因となっている。
【０００４】
これに対処すべく、各セパレータを金属プレートにより構成してコストの低減を図り、当該形式の燃料電池のコストを大幅に低減すべく意図した燃料電池が特開平１０−２３３２２０号公報にて提案されている。当該燃料電池は、複数枚の金属プレートをレーザビーム溶接して構成した２種類の各構造体を無冷却セパレエータ、冷却セパレータとしてそれぞれ採用しているものである。
【０００５】
無冷却セパレータは、プレス加工により凹凸形状に形成されている金属製のプレスプレートと、プレスプレートの両面側にて接合され金属製の２枚のマスクプレートからなり、プレスプレートと各マスクプレートの接合面にてレーザビーム溶接により接合されて構成されている。
【０００６】
冷却セパレータは、金属製の平板と、プレス加工により凹凸形状に形成されて平板の両面側に接合した２枚の金属製のプレスプレートと、各プレスプレートの外面側にて接合された金属製の２枚のマスクプレートからなり、平板、各プレスプレート、各マスクプレートの接合面にてレーザビーム溶接により接合されて構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これらの各セパレータは、金属製のプレートを形成材料とするもので、材料的には軽量かつ安価であり、また、形成材料をプレス成形およびレーザビーム溶接等を行って構成するもので、加工的にも安価である。このため、これらのセパレータを構成部材とする燃料電池は、カーボンプレートをセパレータとする従来の燃料電池に比較して軽量かつ安価に提供できる利点がある。
【０００８】
しかしながら、当該燃料電池を構成する各セパレータは、各プレスプレートと各マスクプレート、および、平板と各プレスプレートと各マスクプレートとを多数の接合面でレーザビーム溶接にて接合して構成するもので、生産性が低いとともに、各接合部からの燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩は避けられない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがない燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池に関するもので、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合してなる接合体を第１のセパレータと第２のセパレータで挟持して構成された複数の電池機能部を有する燃料電池であり、前記各セパレータが下記のごとく構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
すなわち、前記第１のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の一方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、前記第２のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の他方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、かつ、これら両セパレータは互いの接合側に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の連通路における一方の連通路の途中をプレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池においては、前記第１のセパレータと第２のセパレータとを、前記冷却水流路を形成する側にて互いに重合して接合した合体セパレータに構成することができ、合体セパレータは下記のごとく構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
すなわち、当該合体セパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製の２枚のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有しこれら各プレスプレートの表裏両面側に位置してこれら両プレスプレートを互いに挟持する合成樹脂製の３枚のフレームにて構成されていて、前記接合体と交互に配設されて、前記両プレスプレート間に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、一方の接合体の一方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、かつ、他方の接合体の他方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の両連通路における一方の連通路の途中を前記プレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る燃料電池においては、前記プレスプレートの凹部からなる各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路を折り返し形状に形成するものである。当該燃料電池においては、互いに並列する複数条の溝部からなる流路は、前記フレームの開口部内の両端縁側へ所定長さ延びて同開口部の両端縁側に形成されている連通路に連通していて、前記プレスプレートに形成される複数条の凹部の１条を前記フレームの開口部の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路を折り返し形状に形成することができる。また、前記流路を構成する凹部を前記フレームの開口部の一端縁側および他端縁側へ互いにずらすことによっても、折り返し部位を形成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池においては、前記流路を構成する１または複数の凹部を前記フレームの開口部の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断し、かつ、他方の凹部の１または複数条を前記フレームの開口部の他端縁側に延長して他端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路を複数段の折り返し形状に形成することができる。この場合には、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、前記ガスの上流側より下流側ほど小さく設定するようにすることができる。
【００１６】
【発明の作用・効果】
本発明に係る燃料電池は、その主要構成部材である第１のセパレータおよび第２のセパレータとして、複数の凹凸状の溝部を有する金属製のプレスプレートと同プレスプレートを両側から挟持する合成樹脂製のフレームとからなるセパレータを採用しているもので、セパレータの形成材料は金属製のプレートと合成樹脂製のフレームであって、材料的には軽量かつ安価である。また、プレスプレートとフレームの接合は、接着剤を介在させて積層または重合させるのみでよく、セパレータには金属プレスプレート同士の接合部の溶接手段は不要であって、生産性が極めて高い。また、金属製のプレスプレートと合成樹脂製のフレーム間の気密的な接合が的確になされ、プレスプレートの凹凸状の各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路から外部へのガスの漏洩、冷却水の漏洩を確実に防止することができる。
【００１７】
従って、これらの各セパレータを構成部材とする本発明に係る燃料電池は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがないものとなる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池においては、第１のセパレータおよぶ第２のセパレータを互いに合体した合体セパレータとして採用することができる。当該合体セパレータは、金属製の２枚のプレスプレートと、これら各プレートの両面側に位置してこれら両プレスプレートを互いに挟持する合成樹脂製の３枚のフレームからなるもので、接合体とは交互に配設されて、両プレスプレート間に冷却水流路を形成し、かつ、一方の接合体の一方の面側に燃料ガス流路を形成するとともに、他方の接合体の他方の面側に酸化剤ガス流路を形成するものである。
【００１９】
かかる構成は、第１のセパレータの一方のフレームと第２のセパレータの他方のフレームを共通化するもので、両セパレータを合体することにより、両セパレータが一体の小型に形成できるとともに、軽量かつ安価になり、これに起因して、燃料電池を一層軽量、小型、安価に構成することができる。
【００２０】
本発明に係るこれらの燃料電池においては、プレスプレートが有する複数条の凹部からなる各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路を折り返し形状に形成されているため、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水等の接合体との接触効率を高めて電池性能を高めることができ、また、冷却水の被冷却部位との接触効率、冷却効率を高めて電池性能を高めることができる。この場合、各流路を構成する凹部からなる各溝部の１または複数条を互いに長さ方向へ延長する等により、流路を折り返し形状に容易に形成することができる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池においては、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、前記ガスの上流側より下流側ほど小さく設定するようにすれば、電池機能部で燃料ガスや酸化剤ガス等のガス流量適宜調整することができるとともに、流れの状態を均等な状態、所望の部位に偏倚させる状態を作り出して、電池性能を一層向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明すると、図１には、本発明に係る燃料電池の一例が示されている。当該燃料電池は、電池機能部Ａを複数個並列して配置してなるもので、複数並列的に配置した全ての電池機能部Ａを左右の両側に配置した導電性の集電板１１ａ，１１ｂおよび絶縁性の支持板１２ａ，１２ｂにて挟持した状態で、複数の取付ボルト１３により締付けて組立てられている。
【００２３】
図２は、当該燃料電池を構成する電池機能部の一実施態様を示す分解斜視図であり、当該電池機能部Ａはセパレータ２０Ａと接合体３０からなり、接合体３０を２個のセパレータ２０Ａで挟持した状態で１ユニットとなっている。従って、当該燃料電池においては、セパレータ２０Ａと接合体３０が交互に配設されて燃料電池を構成されている。セパレータ２０Ａは、本発明における第１のセパレータと第２のセパレータを一体とした合体セパレータである。
【００２４】
接合体３０は、固体電解質膜３１の両面に電極３２を接合してなるもので、固体電解質膜３１としてはフッ素樹脂からなるイオン透過膜が採用され、このイオン透過膜の両面に白金または白金の合金を担持させたカーボン粉を塗布して、カーボンクロス等からなるか電極３２を接合して形成されている。
【００２５】
セパレータ２０Ａは、図２および図３に示すように、形状の異なる２枚の第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａと、形状の異なる３枚の第１，第２，第３フレーム２３，２４，２５とにより構成されている。各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム等の金属製のものであり、また、各フレーム２３，２４，２５は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂等の合成樹脂製のものである。
【００２６】
各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは、長方形状のプレートで、図示右上側部および左下側部に燃料ガスの流入マニホールド１４ａおよび流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２１ａ，２１ｂ、２２ａ，２２ｂを、左上側部および右下側部に酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａおよび流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２１ｃ，２１ｄ、２２ｃ，２２ｄを、左右側部の中間部に冷却水の流入マニホールド１６ａおよび流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２１ｅ，２１ｆ、２２ｅ，２２ｆを備えるとともに、中央部の表裏両面に多数の溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈを備えている。各プレスプレート２１Ａ，２２Ａの各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈは、プレス加工により、プレート面の表裏に上下に交互に形成されている凹部からなるものである。第１プレスプレート２１Ａにおいては、多数の溝部２１ｇ，２１ｈのうち、２本の溝部２１ｇ1、２１ｈ1が他の溝部２１ｇ，２１ｈより図示左方へ所定長さ長く形成され、かつ、２本の溝部２１ｇ2、２１ｈ2が他の溝部２１ｇ，２１ｈより図示右方へ所定長さ長く形成されている。第２プレスプレート２２Ａにおいても同様である。
【００２７】
各フレーム２３，２４，２５は、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａと同一の大きさの長方形状のプレートで、右上側部および左下側部に燃料ガスの流入マニホールド１４ａおよび流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂを、左上側部および右下側部に酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａおよび流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２３ｃ，２３ｄ、２４ｃ，２４ｄ、２５ｃ，２５ｄを、左右側部の中間部に冷却水の流入マニホールド１６ａおよび流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２３ｅ，２３ｆ、２４ｅ，２４ｆ、２５ｅ，２５ｆを備えるとともに、中央部に長方形状の開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇを備えている。
【００２８】
各フレーム２３，２４，２５の開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇにおいては、図示上下の幅は各プレスプレート２１，２２の各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈの形成部位の幅と略同一の幅に形成され、かつ、図示左右の幅は、各溝部２１ｇ1、２１ｈ1の先端と各溝部２１ｇ2、２１ｈ2の先端との間隔の幅と略同一幅に形成されている。
【００２９】
各フレーム２３，２４，２５のうち、第１フレーム２３においては、燃料ガスの流入マニホールド１４ａを構成する流通孔２３ａから開口部２３ｇへ水平方向へ延びる所定幅の燃料ガスの流入路２３ｈと、燃料ガスの流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２３ｂから開口部２３ｇへ水平方向へ延びる所定幅の燃料ガスの流出路２３ｉが形成されている。第２フレーム２４においては、酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａを構成する流通孔２４ｃから開口部２４ｇへ水平方向へ延びる所定幅の酸化剤ガスの流入路２４ｈと、酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２４ｄから開口部２４ｇへ水平方向へ延びる所定幅の酸化剤ガスの流出路２４ｉが形成されている。第３フレーム２５においては、冷却水の流入マニホールド１６ａを構成する流通孔２５ｅから開口部２５ｇへ下方傾斜して延びる所定幅の冷却水の流入路２５ｈと、冷却水の流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２５ｆから開口部２５ｇへ上方傾斜して延びる所定幅の冷却水の流出路２５ｉが形成されている。
【００３０】
セパレータ２０Ａにおいては、図３に示すように、第１フレーム２３、第１プレフレスプレート２１Ａ、第３フレーム２５、第２プレスプレート２２Ａ、第２フレーム２４が互いに重合され、これらの部材間に接着剤を介在して接合して構成されている。電池機能部Ａは、図２に示すように、接合体３０の各面側に各セパレータ２０Ａを重合し、これらの部材間に接着剤を介在させて接合して構成されている。図４には、このように構成された電池機能部Ａの正面図が、図５〜図１０には、電池機能部Ａの各断面図がそれぞれ示されている。
【００３１】
また、図１１には、電池機能部Ａにおける第１フレーム２３と第１プレスプレート２１Ａとが形成する燃料ガス流路（同図ａ）が、第１プレスプレート２１Ａと第３フレーム２５とが形成する冷却水流路（同図ｂ）が、第２プレスプレート２２Ａと第２フレーム２４とが形成する酸化剤ガス流路（同図ｃ）がそれぞれ示されている。かかる構成の燃料電池においては、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａが有する各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈが、各フレーム２３，２４，２５における開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの左右の端縁側へ所定長さ延びていて、開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの左側端縁と各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈの左側端部との間、および、開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの右側端縁と各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈの右側端部との間に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流通する左側連通路ｒ1および右側連通路ｒ2が形成されている。
【００３２】
電池機能部Ａにおいては、各セパレータ２０Ａが接合体３０を挟んで位置し、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは接合体３０の表裏各面に接触しているとともに、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ同士が接触している。この状態においては、接合体３０と第１プレスプレート２１Ａ間に、各溝部２１ｇにより、燃料ガスが流通する多数の燃料ガス流路が形成され、接合体３０と第２プレスプレート２２Ａ間に、各溝部２２ｈにより、酸化剤ガスが流通する多数の酸化剤ガス流路が形成され、かつ、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間に、第１プレスプレート２１Ａの各溝部２１ｈと第２プレスプレート２２Ａの各溝部２２ｇとにより、冷却水が流通する多数の冷却水流路が形成されている。かかる構成のセパレータ２０Ａにおいては、第１フレーム２３、第１プレフレスプレート２１Ａおよび第３フレーム２５が本発明で規定する第１のセパレータを構成し、第３フレーム２５、第２プレスプレート２２Ａおよび第２フレーム２４が本発明で規定する第２のセパレータを構成してして、第３フレーム２５を共通の構成部材としている。従って、当該セパレータ２０Ａは、当該第１のセパレータと当該第２のセパレータとが冷却水流路を形成する側にて互いに重合されて接合した合体セパレータとなっている。
【００３３】
第１プレスプレート２１Ａと接合体３０間に形成されている燃料ガス流路は、図１１（ａ）に示すように、第１フレーム２３が形成する燃料ガスの流入路２３ｈと流出路２３ｉに連通路ｒ2，ｒ1を介して連通しているが、連通路ｒ1，ｒ2はその途中を長尺の溝部２１ｈ1，２１ｈ2（溝部の凹凸形状）にて遮断されていて、燃料ガスの流入路２３ｈと流出路２３ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３４】
第２プレスプレート２２Ａと接合体３０間に形成されている酸化剤ガス流路は、図１１（ｃ）に示すように、第２フレーム２４が形成する酸化剤ガスの流入路２４ｈと流出路２４ｉに連通路ｒ1，ｒ2を介して連通しているが、連通路ｒ1，ｒ2はその途中を長尺の溝部２２ｇ1，２２ｇ2にて遮断されていて、酸化剤ガスの流入路２４ｈと流出路２４ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３５】
第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間に形成されている冷却水流路は、図１１（ｂ）に示すように、第３フレーム２５が形成する冷却水の流入路２５ｈと流出路２５ｉに連通路ｒ2，ｒ1を介して連通しているが、連通路ｒ2，ｒ1はその途中を長尺の溝部２１ｇ1，２１ｇ2にて遮断されていて、冷却水の流入路２５ｈと流出路２５ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３６】
電池機能部Ａは、その複数個を左右に並列的に重合して、図１に示すように、左右の両側に配置した導電性の集電板１１ａ，１１ｂおよび絶縁性の支持板１２ａ，１２ｂにて挟持した状態で、複数の取付ボルト１３により締付けて組立てられて燃料電池を構成している。当該燃料電池の運転時には、燃料ガスの流入マニホールド１４ａへは水素が供給されるとともに、酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａへは空気が供給され、かつ、冷却水のマニホールド１６ａへは冷却水が供給される。
【００３７】
各電池機能部Ａにおいては、燃料ガスの流入マニホールド１４ａに供給された水素は、第１プレスプレート２１Ａの各溝部２１ｇにて接合体３０側に形成される燃料ガス流路を流動して燃料ガスの流出マニホールド１４ｂへ流入し、燃料ガスの流出マニホールド１４ｂを通って流出する。酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａに供給された空気は、第２プレスプレート２２Ａの各溝部２２ｈにて接合体３０側に形成される酸化剤ガス流路を流動して酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂへ流入し、酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂを通って流出する。冷却水の流入マニホールド１６ａへ供給された冷却水は、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間にそれらの各溝部２１ｈ，２２ｇにて形成される冷却水流路を流動して冷却水の流出マニホールド１６ｂへ流入し、冷却水の流出マニホールド１６ｂを通って流出する。この間、各電池機能部内においては、接合体３０を挟んだ水素と空気の酸化還元反応により電力が発生し、発生した電力を各プレスプレート２１Ａ，２２Ａおよび最外側に位置する集電板１１ａ，１１ｂを介して導出される。
【００３８】
このように、当該燃料電池は従来のこの種形式の燃料電池と同様に機能するが、各電池機能部Ａの主要構成部材であるセパレータ２０Ａを、プレス加工された金属製のプレスプレート２１Ａ，２２Ａと、合成樹脂製のフレーム２３〜２５にて構成している。このため、セパレータ２０の形成材料は金属製のプレートと合成樹脂製のフレームであって、材料的には軽量かつ安価である。また、プレスプレート２１Ａ，２２Ａと各フレーム２３〜２５との接合は、接着剤を介在させて積層または重合させるのみでよく、セパレータ２０Ａには金属プレスプレート２１Ａ，２２Ａ同士の接合部の溶接は不要であって、生産性が極めて高い。また、金属製のプレスプレート２１Ａ，２２Ａと合成樹脂製の各フレーム２３〜２５間の気密的接合は的確であって、プレスプレート２１Ａ，２２Ａの凹凸状の各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈが形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路から外部へのガス漏洩、冷却水の漏洩を確実に防止することができる。従って、これらの各セパレータ２０Ａを構成部材とする当該燃料電池は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがないものとなる。
【００３９】
ところで、当該燃料電池の各電池機能部Ａを構成するセパレータにおいては、接合体３０の一側に燃料ガス流路を形成する第１のセパレータと、接合体３０の他側に酸化剤ガス流路を形成する第２のセパレータとを一体とした合体のセパレータ２０Ａを採用して、第１プレスプレート２１Ａと第２プレスプレート２２Ａ間に冷却水流路を構成している。このため、各電池機能部Ａを従来に比較してよりコンパクトに構成することができる。
【００４０】
また、各電池機能部Ａにおいては、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路を複数回折り返し状に形成しているため、ガス拡散性能の向上、反応生成水の排出性能の向上、冷却性能の向上等、電池性能を向上させる多くの要因を創出することができる。また、各溝部を構成する溝本数を折り返し毎に減少させるように形成しているため、換言すれば、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、ガスの上流側より下流側ほど小さく設定しているため、各ガスの上流側での圧損の低減、下流側での高速流の確保等を図ることができる。
【００４１】
なお、各電池機能部Ａにおいては、第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａの凹部からなる溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈのうちの長尺に形成する溝部の本数、配置を適宜設定することにより、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路の回折り返し回数を所望の回数に設定して、電池性能をさらに向上させることができる。また、第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａを同一形状に形成してもよく、これにより、電池機能部の生産性の向上を図ることができる。また、第１プレスプレート２１Ａ，第２プレスプレート２２Ａの溝部２１ｇ，２１ｈと溝部２２ｇ，２２ｈの深さを適宜変更することにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量比にあわせた低圧損で、かつコンパクトな構成とすることができる。
【００４２】
図１２〜図１９には、電池機能部の他の実施態様を示している。当該電池機能部Ｂにおいては、第１，第２プレスプレート２１Ｂ，２２Ｂが有する複数条の凹部からなる溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈが、左右に交互に位置をずらして形成されているもので、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路の折り返し回数を最大限に設定しているものである。当該電池機能部Ｂにおいては、図１２〜図１９が電池機能部Ａにおける図４〜図１１に対応するもので、同一の構成部材および同一の構成部については、図４〜図１１に表示している符号と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。しかして、電池機能部Ｂを構成部材とする燃料電池においても、上記した燃料電池と同様の作用効果を奏するものである。
【００４３】
当該電池機能部Ｂでは、各プレスプレート２１Ｂ，２２Ｂが有する複数条の凹部からなる溝部を、電池機能部Ａの各プレスプレート２１Ａ，２２Ａが有する複数条の凹部からなる溝部の形状とは変化させることにより、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路の断面積、および、これら流路の折り返し回数を変更しているものであるが、図２０には、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路の断面積、および、これら流路の折り返し回数をさらに変更させた他の電池機能部Ｃの例を示している。
【００４４】
図２０は、電池機能部Ｃの図７および図１５に対応する縦断面図であり、電池機能部Ｂに対して、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の断面積は類似に、折り返し回数は同一にしているが、冷却水流路は折り返し回数を零にして流路の断面積を全く異にしている。なお、同図に示す符号中、２０Ｃはセパレータ、２１Ｃは第１プレスパネル、２２Ｃは第２プレスプレートである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】同燃料電池を構成する電池機能部の一実施態様の分解斜視図である。
【図３】同電池機能部を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図４】同電池機能部の第１フレーム側からみた正面図である。
【図５】同電池機能部の図４における５−５線で切断した拡大端面図である。
【図６】同電池機能部の図４における６−６線で切断した拡大端面図である。
【図７】同電池機能部の図４における７−７線で切断した拡大断面図である。
【図８】同電池機能部の図４における８−８線で切断した拡大端面図である。
【図９】同電池機能部の図４における９−９線で切断した拡大端面図である。
【図１０】同電池機能部の図４における１０−１０線で切断した拡大端面図で
【図１１】同電池機能部の第１プレスプレートの正面側の燃料ガス流路を示す第１フレーム側からみた正面図（ａ）、第１プレスプレートの背面側の冷却水流路を示す第１プレスプレート側からみた正面図（ｂ）、および、第２プレスプレートの背面側の酸化剤ガス流路を示す第２プレスプレート側からみた正面図（ｃ）である。
【図１２】同燃料電池を構成する他の実施態様の電池機能部の第１フレーム側からみた正面図である。
【図１３】同電池機能部の図１２における１３−１３線で切断した拡大端面図である。
【図１４】同電池機能部の図１２における１４−１４線で切断した拡大端面図である。
【図１５】同電池機能部の図１２における１５−１５線で切断した拡大端面図である。
【図１６】同電池機能部の図１２における１６−１６線で切断した拡大端面図である。
【図１７】同電池機能部の図１２における１７−１７線で切断した拡大端面図である。
【図１８】同電池機能部の図１２における１８−１８線で切断した拡大端面図である。
【図１９】同電池機能部の第１プレスプレートの正面側の燃料ガス流路を示す第１フレーム側からみた正面図（ａ）、第１プレスプレートの背面側の冷却水流路を示す第１プレスプレート側からみた正面図（ｂ）、および、第２プレスプレートの背面側の酸化剤ガス流路を示す第２プレスプレート側からみた正面図（ｃ）である。
【図２０】同燃料電池を構成するさらに他の実施態様の電池機能部を示す図７および図１５に対応する縦断面図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ…電池機能部、ｒ1，ｒ2…連通路、１１ａ，１１ｂ…集電板、１２ａ，１２ｂ…支持板、１３…取付ボルト、１４ａ…燃料ガスの流入マニホールド、１４ｂ…燃料ガスの流出マニホールド、１５ａ…酸化剤ガスの流入マニホールド、１５ｂ…酸化剤ガスの流出マニホールド、１６ａ…冷却水の流入マニホールド、１６ｂ…冷却水の流出マニホールド、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…セパレータ、２１Ａ，２２Ａ、２１Ｂ，２２Ｂ、２１Ｃ，２２Ｃ…プレスプレート、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…燃料ガスの流通孔、２１ｃ，２１ｄ、２２ｃ，２２ｄ…酸化剤ガスの流通孔、２１ｅ，２１ｆ、２２ｅ，２２ｆ…冷却水の流通孔、２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈ…溝部、２３，２４，２５…フレーム、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂ…燃料ガスの流通孔、２３ｃ，２３ｄ、２４ｃ，２４ｄ、２５ｃ，２５ｄ…酸化剤ガスの流通孔、２３ｅ，２３ｆ、２４ｅ，２４ｆ、２５ｅ，２５ｆ…冷却水の流通孔、２３ｇ，２４ｇ，２５ｇ…開口部、２３ｈ…燃料ガスの流入路、２３ｉ…燃料ガスの流出路、２４ｈ…酸化剤ガスの流入路、２４ｉ…燃料ガスの流出路、２５ｈ…冷却水の流入路、２５ｉ…冷却水の流出路、３０…接合体、３１…固体電解質膜、３２…電極。
【図１】
0004572441.tif 000002
【図２】
0004572441.tif 000003
【図３】
0004572441.tif 000004
【図４】
0004572441.tif 000005
【図５】
0004572441.tif 000006
【図６】
0004572441.tif 000007
【図７】
0004572441.tif 000008
【図８】
0004572441.tif 000009
【図９】
0004572441.tif 000010
【図１０】
0004572441.tif 000011
【図１１】
0004572441.tif 000012
【図１２】
0004572441.tif 000013
【図１３】
0004572441.tif 000014
【図１４】
0004572441.tif 000015
【図１５】
0004572441.tif 000016
【図１６】
0004572441.tif 000017
【図１７】
0004572441.tif 000018
【図１８】
0004572441.tif 000019
【図１９】
0004572441.tif 000020
【図２０】
0004572441.tif 000021