(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池における膜電極接合体の面積利用率を向上させる。【解決手段】燃料電池５００は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで互いに対向する一対のセパレータ１０ａ、１０ｃと、絶縁性を有する連結部材２００であって、一対のセパレータを互いに連結し、各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置されている、連結部材と、を備える。【選択図】図１
2012015042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する一対のセパレータと、
絶縁性を有する連結部材であって、
前記一対のセパレータを互いに移動可能に連結し、
各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの前記対向面の周縁よりも内側に配置されている、連結部材と、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記連結部材は、各セパレータが前記対向面と平行な方向に移動可能に、前記一対のセパレータを互いに連結させる、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
各セパレータは、それぞれ、互いに対応する位置に前記連結部材を収容するための収容孔を有し、
前記連結部材は、前記一対のセパレータの前記収容孔同士が連なって形成される孔に収容され、各セパレータが前記連結部材を軸として前記対向面と平行な方向に回転移動可能に、前記一対のセパレータを互いに連結する、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記収容孔は、各セパレータにおいて、周縁近傍に配置されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池において、
前記連結部材は、柱状部と、前記前記一対のセパレータにそれぞれに配置され、前記柱状部と各セパレータとを接合する一対の接合部とを有し、前記柱状部及び前記一対の接合部が一体形成された構成を有する、燃料電池。
【請求項６】
燃料電池用のセパレータセットであって、
第１のセパレータと、
前記第１のセパレータと対向する第２のセパレータと、
絶縁性を有する連結部材であって、
前記第１及び第２セパレータを互いに移動可能に連結し、
前記第１及び第２セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの前記対向面の周縁よりも内側に配置されている、連結部材と、
を備える、セパレータセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池として、膜電極接合体と膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池が用いられている。燃料電池の組み立て及びメンテナンスの容易化のために、ヒンジ及びヒンジに取り付けられた舌状のフックを有する結合部材を周縁に配置したセパレータが提案されている（特許文献１）。このようなセパレータを用いた場合、２枚のセパレータにより膜電極接合体を挟んだ後、これら２枚のセパレータを互いにフックを用いて連結することにより燃料電池が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６９２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、セパレータの周縁部に結合部材を設ける技術によると、燃料電池の平面視外形において結合部材が突出するため、この結合部を含んだ燃料電池の外形の断面積に占める膜電極接合体の断面積の割合（膜電極接合体の面積利用率）が低下する。それゆえ、周縁部に結合部材を設けない構成に比べて、同じ発電量を得るために燃料電池全体を大型化しなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は、燃料電池における膜電極接合体の面積利用率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する一対のセパレータと、
絶縁性を有する連結部材であって、
前記一対のセパレータを互いに移動可能に連結し、
各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの前記対向面の周縁よりも内側に配置されている、連結部材と、
を備える、燃料電池。
【０００８】
適用例１の燃料電池では、連結部材は、各セパレータの裏面側から見て各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置されているので、燃料電池における膜電極接合体の面積利用率を向上させることができる。したがって、連結部材が各セパレータの対向面の周縁よりも外側に突出して配置されている構成に比べて、同じ発電量を得るために、燃料電池をより小型化することができる。加えて、一対のセパレータを互いに移動可能に連結するので、一対のセパレータを連結させたまま、膜電極接合体や、各セパレータにおいて他方のセパレータと対向する面を露出することができる。したがって、燃料電池の製造や保守の際に、燃料電池の分解及び組み立て直しを簡便に行うことができる。また、燃料電池を分解する際に、一対のセパレータを連結させたままとしておくことができるので、一方のセパレータの紛失を抑制できると共に、組み立て直す際に分解前とは異なるセパレータを組み付けることを抑制できる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池において、
前記連結部材は、各セパレータが前記対向面と平行な方向に移動可能に、前記一対のセパレータを互いに連結させる、燃料電池。
【００１０】
このような構成により、各セパレータを、対向面と平行に移動させることができるので、セパレータの移動の際に、燃料電池に対して対向面と垂直な方向に加えられる力を抑制できる。したがって、移動時におけるセパレータや膜電極接合体の変形を抑制できる。
【００１１】
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池において、
各セパレータは、それぞれ、互いに対応する位置に前記連結部材を収容するための収容孔を有し、
前記連結部材は、前記一対のセパレータの前記収容孔同士が連なって形成される孔に収容され、各セパレータが前記連結部材を軸として前記対向面と平行な方向に回転移動可能に、前記一対のセパレータを互いに連結する、燃料電池。
【００１２】
このような構成により、各セパレータを回転移動させた場合に、膜電極接合体及び各セパレータにおいて他方のセパレータと対向する面において、多くの領域を露出させることができる。したがって、燃料電池のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００１３】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池において、
前記収容孔は、各セパレータにおいて、周縁近傍に配置されている、燃料電池。
【００１４】
このような構成により、収容孔を周縁近傍以外の部分に配置した構成に比べて、各セパレータを回転移動させた場合により多くの領域を露出させることができる。
【００１５】
［適用例５］適用例３または適用例４に記載の燃料電池において、
前記連結部材は、柱状部と、前記前記一対のセパレータにそれぞれに配置され、前記柱状部と各セパレータとを接合する一対の接合部とを有し、前記柱状部及び前記一対の接合部が一体形成された構成を有する、燃料電池。
【００１６】
このような構成により、燃料電池の部品点数を減らすことができるので、燃料電池の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００１７】
［適用例６］燃料電池用のセパレータセットであって、
第１のセパレータと、
前記第１のセパレータと対向する第２のセパレータと、
絶縁性を有する連結部材であって、
前記第１及び第２セパレータを互いに移動可能に連結し、
前記第１及び第２セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの前記対向面の周縁よりも内側に配置されている、連結部材と、
を備える、セパレータセット。
【００１８】
適用例６のセパレータセットでは、連結部材は、各セパレータの裏面側から見て各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置されているので、第１のセパレータと第２のセパレータとで膜電極接合体を挟持して燃料電池を構成した場合に、燃料電池における膜電極接合体の面積利用率を向上させることができる。したがって、連結部材が各セパレータの対向面の周縁よりも外側に突出して配置されている構成に比べて、同じ発電量を得るために、燃料電池をより小型化することができる。加えて、一対のセパレータを互いに移動可能に連結するので、適用例６のセパレータセットを用いて燃料電池を構成した場合に、一対のセパレータを連結させたまま、膜電極接合体や、各セパレータにおいて他方のセパレータと対向する面を露出することができる。したがって、燃料電池の製造や保守の際に、燃料電池の分解及び組み立て直しを簡便に行うことができる。また、燃料電池を分解する際に、一対のセパレータを連結させたままとしておくことができるので、一方のセパレータの紛失を抑制できると共に、組み立て直す際に分解前とは異なるセパレータを組み付けることを抑制できる。
【００１９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、セパレータセットの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の外観構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図１，２に示すカソード側セパレータの詳細構成を示す上面図である。
【図４】図１，２に示すアノード側セパレータの詳細構成を示す上面図である。
【図５】図１に示す燃料電池のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図６】図１に示す燃料電池の上面図である。
【図７】本実施例及び比較例におけるＭＥＡの面積利用率の算出方法を模式的に示す説明図である。
【図８】第２実施例における燃料電池を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池の分解斜視図である。本実施例の燃料電池５００は、例えば、電気自動車等に搭載される燃料電池スタックに用いられる。
【００２２】
図１，２に示すように、燃料電池５００は、薄い六面体の外観視形状を有し、アノード側セパレータ１０ａと、カソード側セパレータ１０ｃと、ＭＥＡ３００と、連結部材２００と、燃料ガス供給マニホールド２１と、燃料ガス排出マニホールド３１と、酸化剤ガス供給マニホールド２３と、酸化剤ガス排出マニホールド３３と、冷却媒体供給マニホールド２２と、冷却媒体排出マニホールド３２とを備えている。
【００２３】
図１，２に示すように、アノード側セパレータ１０ａ及びカソード側セパレータ１０ｃは、互いに同じ大きさの薄板状部材であり、互いに最も広い面同士を接して周縁が一致するように配置されている。アノード側セパレータ１０ａは、アノード側絶縁層Ｌ１ａ及びアノード側導電層Ｌ２ａにより構成される。アノード側絶縁層Ｌ１ａは、絶縁性を有する層であり、例えば、シリコンゴムやブチルゴム等の樹脂材料からなる薄板を加工して構成することができる。アノード側導電層Ｌ２ａは、導電性を有する層であり、例えば、略四角形の金属製の薄板（例えば、チタンや、チタン−パラジウム合金等の薄板）や、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンの薄板を加工して構成することができる。アノード側セパレータ１０ａは、これらアノード側絶縁層Ｌ１ａ及びアノード側導電層Ｌ２ａを互いに接着剤を用いて貼り合わせることにより構成されている。カソード側セパレータ１０ｃは、アノード側セパレータ１０ａと同様に、カソード側絶縁層Ｌ１ｃ及びカソード側導電層Ｌ２ｃにより構成される。なお、カソード側絶縁層Ｌ１ｃの構成はアノード側絶縁層Ｌ１ａと同じであり、カソード側導電層Ｌ２ｃの構成はアノード側導電層Ｌ２ａの構成と同じである。
【００２４】
図２に示すように、アノード側セパレータ１０ａは、厚み方向に沿って見た場合の外形である四角形における１つの隅の近傍に、厚み方向に貫通する連結部材収容孔５０ａを備えている。同様に、カソード側セパレータ１０ｃは、アノード側セパレータ１０ａにおける連結部材収容孔５０ａと同じ位置に、厚み方向に貫通する連結部材収容孔５０ｃを備えている。
【００２５】
ＭＥＡ３００は、図２に示すようにアノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとに挟持されており、図１のように一対のセパレータ１０ａ，１０ｂが重ねられた状態では、露出しない。ＭＥＡ３００は、電解質膜を２つの触媒層で挟持した構成を有する。電解質膜は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。触媒層は、例えば、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。
【００２６】
連結部材２００は、各セパレータ１０ａ，１０ｂを、それぞれ、互いに対向する面と平行な方向に回転移動可能に連結する。連結部材２００は、２つの連結部材収容孔５０ａ，５０ｂが連なって形成される円筒形の空洞に収容される。このような配置により、連結部材２００は、一対のセパレータ１０ａ，１０ｂの内部に配置される。換言すると、連結部材２００は、各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置されている。
【００２７】
図２に示すように、連結部材２００は、軸部材２１０と、一対の結合部材２２１，２２２とを備えている。軸部材２１０は、円筒形の外観形状を有し、軸Ｃｘが燃料電池５００の厚み方向（一対のセパレータ１０ａ，１０ｂが重ねられている方向）と一致するように、配置されている。結合部材２２１は、連結部材収容孔５０ａ内に配置され、軸部材２１０とアノード側セパレータ１０ａとを連結する。同様に、結合部材２２２は、連結部材収容孔５０ｃ内に配置され、軸部材２１０とカソード側セパレータ１０ｃとを連結する。軸部材２１０及び一対の結合部材２２１，２２２は、いずれも絶縁性を有する。
【００２８】
図１に示す燃料ガス供給マニホールド２１は、外部から供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）をＭＥＡ３００に供給するためのガス流路である。燃料ガス排出マニホールド３１は、ＭＥＡ３００から排出されるアノード側オフガス（反応に用いられなかった余剰水素ガス）を外部に排出するためのガス流路である。酸化剤ガス供給マニホールド２３は、外部から供給される酸化剤ガス（例えば、空気）をＭＥＡ３００に供給するためのガス流路である。酸化剤ガス排出マニホールド３３は、ＭＥＡ３００から排出されるカソード側オフガス（反応に用いられなかった余剰空気や生成水）を外部に排出するためのガス流路である。冷却媒体供給マニホールド２２は、冷却用媒体（純水やクーラント）を燃料電池５００内部に供給するための流路である。冷却媒体排出マニホールド３２は、冷却媒体を燃料電池５００から外部に排出するための流路である。
【００２９】
燃料電池５００の製造手順としては、例えば、アノード側セパレータ１０ａ及びカソード側セパレータ１０ｃによってＭＥＡ３００を挟持した後、軸部材２１０を、２つの連結部材収容孔５０ａ，５０ｃが連なって形成される孔に挿入して、軸部材２１０の両端を２つの結合部材２２１，２２２を用いて、各セパレータ１０ａ，１０ｃに接合させる手順を採用できる。また、例えば、予め、アノード側セパレータ１０ａ及びカソード側セパレータ１０ｃを、連結部材２００を用いて連結させた後、アノード側セパレータ１０ａ又はカソード側セパレータ１０ｃを回転移動させて、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを互いにずらして配置する。その後、ＭＥＡ３００を配置して、アノード側セパレータ１０ａ又はカソード側セパレータ１０ｃを回転移動させて、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを互いに周縁が一致するように配置する手順を採用することもできる。
【００３０】
図３は、図１，２に示すカソード側セパレータの詳細構成を示す上面図である。図３において、上段はアノード側セパレータ１０ａ及びＭＥＡ３００と対向する面（内側面）Ｓの構成を示し、下段は内側面Ｓ１ｃの裏面（外側面Ｓ２ｃ）の構成を示す。
【００３１】
カソード側セパレータ１０ｃは、連結部材収容孔５０ｃと、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ｃと、燃料ガス排出マニホールド形成部３１ｃと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｃと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｃと、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｃと、酸化剤ガス流通部４０ｃと、酸化剤ガス供給流路７３ｃと、酸化剤ガス排出流路７４ｃと、冷却媒体流通部６０ｃと、冷却媒体供給路８１ｃと、冷却媒体排出流路８２ｃとを備えている。
【００３２】
連結部材収容孔５０ｃは、カソード側セパレータ１０ｃを厚み方向に貫く孔であり、連結部材２００を収容するための孔である。連結部材収容孔５０ｃは、カソード側セパレータ１０ｃの内側面Ｓ１ｃの四隅のうち、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃ近傍の隅に形成されている。マニホールド形成部２１ｃは、燃料ガス供給マニホールド２１の一部を形成する。同様に、燃料ガス排出マニホールド形成部３１ｃは燃料ガス排出マニホールド３１の一部を、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃは酸化剤ガス供給マニホールド２３の一部を、酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｃは酸化剤ガス排出マニホールド３３の一部を、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｃは冷却媒体供給マニホールド２２の一部を、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｃは冷却媒体排出マニホールド３２の一部を、それぞれ形成する。これら各マニホールド形成部は、いずれもカソード側セパレータ１０ｃを厚み方向に貫く孔である。
【００３３】
酸化剤ガス流通部４０ｃは、ＭＥＡ３００とほぼ同じ大きさの溝（凹部）であって、内側面Ｓ１ｃの中央に配置されている。酸化剤ガス流通部４０ｃは、ＭＥＡ３００を収容すると共に、ＭＥＡ３００に酸化剤ガスを供給し、また、ＭＥＡ３００から排出されるカソード側オフガスを外部へと排出する。酸化剤ガス流通部４０ｃは、互いに平行となる多数の溝を底に有する。この多数の溝は、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ｃ及び酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｃが配置されている側から、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃ及び燃料ガス排出マニホールド形成部３１ｃが配置されている側に向かう方向に沿って延びている。
【００３４】
酸化剤ガス供給流路７３ｃは、カソード側セパレータ１０ｃの内部に配置されたガス流路であり、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃと酸化剤ガス流通部４０ｃとを連通する。酸化剤ガス排出流路７４ｃは、カソード側セパレータ１０ｃの内部に配置されたガス流路であり、酸化剤ガス流通部４０ｃと酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｃとを連通する。このような構成により、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｃ（酸化剤ガス供給マニホールド２３）に供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路７３ｃを通って酸化剤ガス流通部４０ｃに供給される。酸化剤ガス流通部４０ｃに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流通部４０ｃが有する多数の溝を通ってＭＥＡ３００に供給される。また、ＭＥＡ３００から排出されるカソード側オフガスは、酸化剤ガス流通部４０ｃが有する多数の溝及び酸化剤ガス排出流路７４ｃを通って酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｃに供給され、酸化剤ガス排出マニホールド３３を通って外部へと排出される。
【００３５】
冷却媒体流通部６０ｃは、内側面Ｓ２ｃの中央部に形成された溝であり、燃料電池５００内において冷却媒体を流通させる。冷却媒体流通部６０ｃは、互いに平行となる多数の溝を底に有する。この多数の溝は、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｃが配置されている側から冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｃが配置されている側に向かう方向に沿って延びている。
【００３６】
冷却媒体供給路８１ｃは、カソード側セパレータ１０ｃの内部に配置された冷却媒体流路であり、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｃと冷却媒体流通部６０ｃとを連通する。冷却媒体排出流路８２ｃは、カソード側セパレータ１０ｃの内部に配置された冷却媒体流路であり、冷却媒体流通部６０ｃと冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｃとを連通する。このような構成により、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｃ（冷却媒体供給マニホールド２２）に供給される冷却媒体は、冷却媒体供給路８１ｃを通って冷却媒体流通部６０ｃに供給される。冷却媒体流通部６０ｃに供給された冷却媒体は、冷却媒体流通部６０ｃが有する多数の溝を通って冷却媒体排出流路８２ｃに供給され、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｃ（冷却媒体排出マニホールド３２）から外部へと排出される。
【００３７】
図４は、図１，２に示すアノード側セパレータの詳細構成を示す上面図である。図４において、上段はカソード側セパレータ１０ｃ及びＭＥＡ３００と対向する面（内側面）Ｓ１ａの構成を示し、下段は内側面Ｓ１ａの裏面（外側面）Ｓ２ａの構成を示す。
【００３８】
アノード側セパレータ１０ａは、連結部材収容孔５０ａと、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部３１ａと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ａと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ａと、燃料ガス流通部４０ａと、燃料ガス供給流路７１ａと、燃料ガス排出流路７２ａと、冷却媒体流通部６０ａと、冷却媒体供給路８１ａと、冷却媒体排出流路８２ａとを備えている。
【００３９】
アノード側セパレータ１０ａは、流通する反応ガスの種類が異なる点と、連結部材収容孔の位置が左右逆転している点と、酸化剤ガス供給流路７３ｃ及び酸化剤ガス排出流路７４ｃに代えて燃料ガス供給流路７１ａ及び燃料ガス排出流路７２ａを備えている点とにおいて、図３に示すカソード側セパレータ１０ｃと異なり、他の構成はカソード側セパレータ１０ｃと同じである。
【００４０】
燃料ガス供給流路７１ａは、アノード側セパレータ１０ａの内部に配置されたガス流路であり、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ａと燃料ガス流通部４０ａとを連通する。燃料ガス排出流路７２ａは、アノード側セパレータ１０ａの内部に配置されたガス流路であり、燃料ガス流通部４０ａと燃料ガス排出マニホールド形成部３１ａとを連通する。このような構成により、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ａ（燃料ガス供給マニホールド２１）に供給される燃料ガスは、燃料ガス供給流路７１ａを通って燃料ガス流通部４０ａに供給される。燃料ガス流通部４０ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流通部４０ａが有する多数の溝を通ってＭＥＡ３００に供給される。また、ＭＥＡ３００から排出されるアノード側オフガスは、燃料ガス流通部４０ａが有する多数の溝及び燃料ガス排出流路７２ａを通って燃料ガス排出マニホールド形成部３１ａに供給され、燃料ガス排出マニホールド３１を通って外部へと排出される。
【００４１】
図５は、図１に示す燃料電池のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図５に示すように、アノード側導電層Ｌ２ａと、カソード側導電層Ｌ２ｃとの間には、アノード側絶縁層Ｌ１ａ及びカソード側絶縁層Ｌ１ｃが配置されている。また、アノード側導電層Ｌ２ａ及びカソード側導電層Ｌ２ｃは、互いに、一対の結合部材２２１，２２２及び軸部材２１０を介して連結されているが、これら一対の結合部材２２１，２２２及び軸部材２１０はいずれも絶縁性を有している。このような構成により、燃料電池５００では、アノード側セパレータ１０ａ（アノード側導電層Ｌ２ａ）とカソード側セパレータ１０ｃ（カソード側導電層Ｌ２ｃ）との間の短絡が抑制されている。
【００４２】
また、図５に示すように、ＭＥＡ３００は、酸化剤ガス流通部４０ｃに収容され、アノード側セパレータ１０ａと接する面は、アノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとの境界面と一致している。ＭＥＡ３００は、酸化剤ガス流通部４０ｃにおいて多数の溝を形成するリブ部４１ｃと、燃料ガス流通部４０ａにおいて多数の溝を形成するリブ部４１ａとによって挟持されており、位置ずれの発生が抑制されている。
【００４３】
図６は、図１に示す燃料電池の上面図である。なお、図６では、図１の状態からアノード側セパレータ１０ａが回転移動した後の燃料電池５００を示す。
【００４４】
図６に示すように、燃料電池５００において、アノード側セパレータ１０ａは、連結部材２００を軸として、内側面Ｓ１ａ及び外側面Ｓ２ａと平行に回転移動することができる。図６では、アノード側セパレータ１０ａの回転移動により、ＭＥＡ３００が完全に露出している。上述したように、ＭＥＡ３００においてアノード側セパレータ１０ａと接する面は、アノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとの境界面と一致しているので、アノード側セパレータ１０ａの回転移動の際に、ＭＥＡ３００は障害とならない。なお、図６とは逆に、アノード側セパレータ１０ａを移動させず、カソード側セパレータ１０ｃを、連結部材２００を軸として回転移動させることもできる。
【００４５】
このように、燃料電池５００において、アノード側セパレータ１０ａの回転移動を許容しているのは、以下の理由による。図６に示すように、アノード側セパレータ１０ａを回転移動させることにより、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを連結させたまま、ＭＥＡ３００や、各セパレータ１０ａ，１０ｃにおける内側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｃを露出させることができる。したがって、燃料電池を保守する際に（例えば、燃料電池５００内部に付着した不純物の除去（洗浄）やＭＥＡの交換などの際に）、燃料電池５００の分解及び組み立てを簡便に行うことができるからである。また、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを連結させたままとしておくことができるので、一方のセパレータの紛失を抑制できると共に、分解した燃料電池５００を組み立て直す際に、分解前とは異なるセパレータを組み付けることを抑制できるからである。
【００４６】
加えて、回転移動とすることにより、アノード側セパレータ１０ａを厚み方向に移動させて分解させる構成に比べて、燃料電池５００に対して厚み方向に加えられる力を抑制できるので、分解の際のアノード側セパレータ１０ａの変形を抑制できるからである。
【００４７】
図６に示すように、連結部材２００を、各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の裏側から見て、各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置しているのは、ＭＥＡ３００の面積利用率を向上させ、燃料電池５００の小型化を実現するためである。
【００４８】
図７は、本実施例及び比較例におけるＭＥＡの面積利用率の算出方法を模式的に示す説明図である。図７において、上段は本実施例におけるＭＥＡ３００の面積利用率を、下段は比較例におけるＭＥＡの面積利用率を、それぞれ算出方法を模式的に示している。
【００４９】
図７上段に示すように、本実施例の燃料電池５００におけるＭＥＡ３００の面積利用率Ｒｅは、各セパレータ１０ａ，１０ｂの内側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｃ及び外側面Ｓ２ａ，Ｓ２ｃと平行な断面の断面積Ｓｅ０と、ＭＥＡ３００における反応面（図２に示す反応面Ｓｍａ，Ｓｍｃ）の面積Ｓｅ１とに基づき、面積Ｓｅ１／面積Ｓｅ０により求められる。
【００５０】
図７下段に示すように、比較例の燃料電池６００は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおいて、それぞれ周縁部に２つの結合部材６２０を備えている。各結合部材６２０は、ヒンジ部６２１と、舌状のフック６２２とを備えており、２枚のセパレータは、互いに４つのフック６２２を用いて結合されている。したがって、図７下段に示すように、比較例では、結合部材６２０は、各セパレータにおける他方のセパレータとの対向面の周縁よりも外側に突出した部分を有する。
【００５１】
比較例の燃料電池６００は、２枚のセパレータに挟持されたＭＥＡ６１０を備えている。このＭＥＡ６１０の断面積（２枚のセパレータの対向面と平行な断面の断面積）Ｓｃ１は、本実施例のＭＥＡ３００の断面積Ｓｅ１と等しい。また、各結合部材６２０を除いた燃料電池６００における各セパレータ同士が対向する面と平行な断面の断面積は、本実施例の燃料電池５００の断面積Ｓｅ０と等しい。
【００５２】
比較例において、面積利用率を算出する際に基準となる面積は、セパレータの断面積ではなく、４つの結合部材６２０を含む燃料電池６００全体の外形の面積となる。具体的には、図７下段において破線で囲んだ領域の面積Ｓｃ０となる。これは、各結合部材６２０近傍の領域は、メンテナンス時に作業の障害になる等の理由から配管等を配置することができず、実質的に燃料電池６００によって占められる領域となるからである。したがって、比較例におけるＭＥＡ６１０の面積利用率Ｒｃは、面積Ｓｃ１／面積Ｓｃ０により求められる。
【００５３】
比較例では、各結合部材６２０がセパレータの周縁よりも外側に位置しているために、各結合部材６２０を含む燃料電池６００全体の外形の面積は、本実施例の燃料電池５００の断面積よりも大きい。また、前述のように、本実施例のＭＥＡ３００の反応面の面積Ｓｅ１と、比較例のＭＥＡ６１０の反応面の面積Ｓｃ１とは等しい。したがって、本実施例の燃料電池５００におけるＭＥＡ３００の面積利用率Ｒｅは、比較例の燃料電池６００におけるＭＥＡ６１０の面積利用率Ｒｃよりも高い。
【００５４】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池５００において、連結部材２００は、各セパレータ１０ａ，１０ｃにおける他方のセパレータとの対向面の裏面側から見て、各セパレータの対向面の周縁よりも内側に配置されている。したがって、燃料電池５００におけるＭＥＡ３００の面積利用率を向上させることができる。
【００５５】
加えて、連結部材２００により、各セパレータ１０ａ，１０ｃを回転移動可能に連結するので、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを連結させたまま、ＭＥＡ３００や、各１０，１０ｃにおける内側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｃを露出させることができる。したがって、燃料電池を保守する際に、燃料電池５００の分解及び組み立てを簡便に行うことができる。また、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃを連結させたままとしておくことができるので、一方のセパレータの紛失を抑制できると共に、分解した燃料電池５００を組み立て直す際に、分解前とは異なるセパレータを組み付けることを抑制できる。
【００５６】
また、各セパレータ１０ａ，１０ｃの移動を、内側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｃと平行な回転移動とすることにより、アノード側セパレータ１０ａを厚み方向に移動させて分解させる構成（例えば、図７下段に示す比較例）に比べて、燃料電池５００に対して厚み方向に加えられる力を抑制できる。したがって、分解の際の各セパレータ１０ａ，１０ｃ及びＭＥＡ３００の変形を抑制できる。
【００５７】
また、連結部材２００を、各セパレータ１０ａ，１０ｃの内側面及び外側面において、１つの隅の近傍に配置するので、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃのいずれかを回転移動させた際に、ＭＥＡ３００を完全に露出させることができると共に、内側面Ｓ１ａ，Ｓ２ａにおいて多くの領域を露出させることができる。したがって、燃料電池のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００５８】
また、連結部材２００と各セパレータ１０ａ，１０ｃとを異なる部材として構成するので、各セパレータ１０ａ，１０ｃを互いにほぼ同様な工程で製造することができる。例えば、連結部材２００を、アノード側セパレータから突出した突出部として形成する構成を採用した場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとは構成が大きく異なるため、これら２つのセパレータの製造工程は大きく異なる。したがって、本実施例によると、各セパレータ１０ａ，１０ｃの製造コストの上昇を抑制できる。
【００５９】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例における燃料電池を示す分解斜視図である。第２実施例の燃料電池５００ａは、ＭＥＡ３００に代えて、シール一体型ＭＥＡ１０ｍを備えている点と、アノード側セパレータにおいてアノード側絶縁層が省略されている点と、カソード側セパレータにおいてカソード側絶縁層が省略されている点とにおいて図２に示す燃料電池５００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００６０】
図８に示すように、第２実施例の燃料電池５００ａは、アノード側セパレータ１１ａと、カソード側セパレータ１１ｃと、シール一体型ＭＥＡ１０ｍと、連結部材２００とを備え、シール一体型ＭＥＡ１０ｍを、アノード側セパレータ１１ａとカソード側セパレータ１１ｃとで挟持して、各セパレータ１１ａ，１１ｃ及びシール一体型ＭＥＡ１０ｍが、それぞれ連結部材２００により回転移動可能に連結されている。
【００６１】
アノード側セパレータ１１ａは、アノード側絶縁層Ｌ１ａを備えていない点を除き、第１実施例のアノード側セパレータ１０ａと同じである。同様に、カソード側セパレータ１１ｃは、カソード側絶縁層Ｌ１ｃを備えていない点を除き、第１実施例のカソード側セパレータ１０ｃと同じである。
【００６２】
シール一体型ＭＥＡ９０ｍは、薄い六面体の外観形状を有し、ＭＥＡ３００と、シール部９０ｍとを備えている。ＭＥＡ３００は、第１実施例のＭＥＡ３００と同じである。シール部９０ｍは、ＭＥＡ３００の周縁を囲んで配置されており、シール部９０ｍ（シール一体型ＭＥＡ１０ｍ）の周縁は、燃料電池５００ａが組み立てられた状態において、ＭＥＡ３００の反応面と垂直な方向から見て、一対のセパレータ１０ａ，１０ｃの周縁と一致する。
【００６３】
シール部９０ｍは、連結部材収容孔５０ｍと、燃料ガス供給マニホールド形成部２１ｍと、燃料ガス排出マニホールド形成部３１ｍと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｍと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｍと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｍと、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｍとを備えている。
【００６４】
連結部材収容孔５０ｍは、シール一体型ＭＥＡ１０ｍを厚み方向に貫く孔であり、連結部材２００を収容するための孔である。マニホールド形成部２１ｍは、燃料ガス供給マニホールド２１の一部を形成する。同様に、燃料ガス排出マニホールド形成部３１ｍは燃料ガス排出マニホールド３１の一部を、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３ｍは酸化剤ガス供給マニホールド２３の一部を、酸化剤ガス排出マニホールド形成部３３ｍは酸化剤ガス排出マニホールド３３の一部を、冷却媒体供給マニホールド形成部２２ｍは冷却媒体供給マニホールド２２の一部を、冷却媒体排出マニホールド形成部３２ｍは冷却媒体排出マニホールド３２の一部を、それぞれ形成する。これら各マニホールド形成部は、いずれもシール一体型ＭＥＡ１０ｍを厚み方向に貫く孔である。
【００６５】
シール部９０ｍは、絶縁性を有する層であり、例えば、シリコンゴムやブチルゴム等の樹脂材料を加工して構成することができる。
【００６６】
このような構成を有する燃料電池５００ａでは、第１実施例の燃料電池５００と同様に、各セパレータ１１ａ，１１ｃや、シール一体型ＭＥＡ１０ｍを回転移動させることにより、各セパレータ１１ａ，１１ｃの内側面や、ＭＥＡ３００を露出させることができる。
【００６７】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池５００は、第１実施例の燃料電池５００と同様な効果を有する。加えて、各セパレータ１０ａ，１０ｃにおいて、絶縁層Ｌ１ａ，Ｌ１ｃを設けないので、燃料電池５００ａの製造工程をシンプルにすることができる。
【００６８】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６９】
Ｃ１．変形例１：
各実施例では、連結部材２００は、一対のセパレータを、連結部材２００を軸として、各セパレータの内側面（例えば、アノード側セパレータ１０ａの内側面Ｓ１ａ）と平行に回転移動可能に連結していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、以下の構成も採用することができる。アノード側セパレータ１０ａの内側面Ｓ１ａに直線のレール状の連結部材（以下、「アノード側レール部材」と呼ぶ）を配置し、カソード側セパレータ１０ｃの内側面Ｓ１ｃにおいてアノード側レール部材と対応する位置に、アノード側レール部材と嵌合可能な直線のレール部材（以下、「カソード側レール部材」と呼ぶ）を配置する。そして、アノード側レール部材とカソード側レール部材とを嵌め合わせ、一方のセパレータ（例えば、アノード側セパレータ１０ａ）を、他方のレール部材（例えば、カソード側レール部材）に沿って、内側面（例えば、内側面Ｓ１ａ）と平行に直線的に移動（スライド）させることもできる。このような構成により、各実施例と同様に、移動の際に各セパレータ１０ａ，１０ｃに加える力を小さく抑えることができるので、分解の際の各セパレータ１０ａ，１０ｃの変形を抑制できる。以上の実施例及び変形例からも理解できるように、一対のセパレータのうちいずれかのセパレータが、他方のセパレータと対向する面と平行な方向に移動可能に、一対のセパレータを互いに連結させる連結部材を、本発明の燃料電池に採用することができる。
【００７０】
Ｃ２．変形例２：
各実施例では、連結部材２００は、一対のセパレータを、各セパレータの内側面（例えば、アノード側セパレータ１０ａの内側面Ｓ１ａ）と平行に移動可能に連結していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、連結部材として、連結部材収容孔５０ａ及び連結部材収容孔５０ｃにそれぞれ永久磁石を収容し、これら２つの永久磁石の磁力を利用して、一対のセパレータ同士を連結させる構成を採用することもできる。この構成では、一対のセパレータを、各セパレータの内側面と平行に移動可能に連結すると共に、厚み方向に移動可能に連結させることもできる。また、この構成では、アノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとを簡単に取り外すことができ、また、組み立て直す際の位置決めを簡単に行うことができる。
【００７１】
Ｃ３．変形例３：
各実施例では、軸部材２１０と、一対の結合部材２２１，２２２とは別部材として構成されていたが、これに代えて、これらを一体化することもできる。例えば、連結部材として、リベットを採用することもできる。具体的には、第１の実施例において、セパレータ１０ａの厚みとカソード側セパレータ１０ｃの厚みとを足し合わせた長さよりも長い柱状部材（リベット）を、２つの連結部材収容孔５０ａ，５０ｃが連なって形成された孔に配置する。そして、柱状部材のうち、各セパレータ１０ａ，１０ｃの外側面Ｓ２ａ，Ｓ２ｃから突出した部分を叩いて潰し、アノード側セパレータ１０ａ及びカソード側セパレータ１０ｃと接合する。このような構成により、部品点数を減らすことができるので、燃料電池の製造コストの上昇を抑制できる。
【００７２】
Ｃ４．変形例４：
第１実施例では、図５に示すように、ＭＥＡ３００においてアノード側セパレータ１０ａと接する面は、アノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとの境界面と一致していたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、第１実施例に比べて、ＭＥＡの厚みを大きくし、かつ、リブ部４１ａの高さを低くし、ＭＥＡにおいてアノード側セパレータ１０ａと接する面がアノード側セパレータ１０ａとカソード側セパレータ１０ｃとの境界面よりも突出する構成も採用し得る。この構成では、連結部材２００において、アノード側セパレータ１０ａ又はカソード側セパレータ１０ｃが、軸部材２１０に沿って厚み方向に若干移動可能な程度の余裕（あそび）を設けることにより、アノード側セパレータ１０ａ又はカソード側セパレータ１０ｃを厚み方向に若干移動させて、回転移動させることができる。したがって、アノード側セパレータ１０ａ又はカソード側セパレータ１０ｃの移動の際に、ＭＥＡがいずれかのセパレータ１０ａ，１０ｃに衝突することを抑制できる。
【００７３】
Ｃ５．変形例５：
第１実施例において、各連結部材収容孔５０ａ，５０ｃは、各セパレータ１０ａ，１０ｃにおいて、厚み方向に沿って見た場合の外形である四角形の１つの隅の近傍に配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、四角形の周縁（４つの辺）の近傍の任意の位置に、各連結部材収容孔５０ａ，５０ｃを配置することもできる。このような構成により、連結部材２００を軸として各セパレータ１０ａ，１０ｃを回転移動させた場合に、ＭＥＡ３００や各セパレータ１０ａ，１０ｃの内側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｃにおいて、多くの領域を露出させることができる。また、例えば、各連結部材収容孔５０ａ，５０ｃの配置位置として、四角形の周縁（４つの辺）の近傍に限らず、四角形の任意の位置に配置することもできる。
【００７４】
Ｃ６．変形例６：
各実施例では、燃料電池５００または燃料電池５００ａとして、本発明を適用した例を示したが、燃料電池に代えて、セパレータセットとして本発明を適用することもできる。具体的には、第１実施例において、ＭＥＡ３００を除いた構成、すなわち、アノード側セパレータ１０ａと、カソード側セパレータ１０ｃと、連結部材２００とからなる構成を有するセパレータセットとして、本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００７５】
５００，５００ａ…燃料電池
３００…ＭＥＡ
１０ａ，１１ａ…アノード側セパレータ
１０ｃ，１１ｃ…カソード側セパレータ
１０ｍ…シール一体型ＭＥＡ
２１…燃料ガス供給マニホールド
２１ａ，２１ｃ，２１ｍ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２…冷却媒体供給マニホールド
２２ａ，２２ｃ，２２ｍ…冷却媒体供給マニホールド形成部
２３…酸化剤ガス供給マニホールド
２３ａ，２３ｃ，２３ｍ…酸化剤ガス供給マニホールド形成部
３１…燃料ガス排出マニホールド
３１ａ，３１ｃ，３１ｍ…燃料ガス排出マニホールド形成部
３２…冷却媒体排出マニホールド
３２ａ，３２ｃ，３２ｍ…冷却媒体排出マニホールド形成部
３３…酸化剤ガス排出マニホールド
３３ａ，３３ｃ，３３ｍ…酸化剤ガス排出マニホールド形成部
４０ａ…燃料ガス流通部
４０ｃ…酸化剤ガス流通部
４１ａ，４１ｃ…リブ部
５０ａ，５０ｃ，５０ｍ…連結部材収容孔
６０ａ，６０ｃ…冷却媒体流通部
７１ａ…燃料ガス供給流路
７２ａ…燃料ガス排出流路
７３ｃ…酸化剤ガス供給流路
７４ｃ…酸化剤ガス排出流路
８１ａ，８１ｃ…冷却媒体供給路
８２ａ，８２ｃ…冷却媒体供給路
２００…連結部材
２１０…軸部材
２２１，２２２…結合部材
Ｌ１ａ…アノード側絶縁層
Ｌ２ａ…アノード側導電層
Ｌ１ｃ…カソード側絶縁層
Ｌ２ｃ…カソード側導電層
Ｓ１ａ，Ｓ１ｃ…内側面
Ｓ２ａ，Ｓ２ｃ…外側面
Ｓｍａ，Ｓｍｃ…反応面
６００…燃料電池
６２０…結合部材
６２１…ヒンジ部
６２２…フック
【図１】
2012015042.tif 000003
【図２】
2012015042.tif 000004
【図３】
2012015042.tif 000005
【図４】
2012015042.tif 000006
【図５】
2012015042.tif 000007
【図６】
2012015042.tif 000008
【図７】
2012015042.tif 000009
【図８】
2012015042.tif 000010