JP2007250228A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の位置合わせ精度を向上させると共に、燃料電池を大型化することなく、シール部材のずれに起因するガスリークを防止する。
【解決手段】燃料電池は、電解質層と電解質層上に形成された電極とを備える電解質・電極複合体と、電解質・電極複合体を挟持するように配置されると共に、燃料電池内部を積層方向に貫通するガスマニホールドを形成するための穴部が形成されたガスセパレータと、電解質・電極複合体の外周部において電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、弾性を有し、上記穴部の周囲でガスセパレータに接触するシール部と、を備えている。ここで、シール部は、このシール部と一体形成された電解質・電極複合体に隣接するガスセパレータの内の少なくとも一方のガスセパレータに形成された穴部に係合する係合部を有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、電解質層や電極あるいはガスセパレータを含む板状部材を、所定の順序で順次積層することによって形成される。このような構成の一例として、電解質膜の表面に電極を形成した膜電極構造体を、間にガスシール性を確保するためのシール部材を介在させて、セパレータで挟持する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）

特開２００４−６１０４号公報 特開２０００−１３３２９０号公報 特開２００３−６８３１９号公報

しかしながら、このようにシール部材を介在させながらセパレータなどの部材を積層する場合には、シール部材は一般に剛性が低い弾性部材であるため変形が起こりやすく、位置合わせの精度の確保が困難であるという問題があった。また、シール部材およびセパレータを含む部材を積層して成る燃料電池では、ガス圧によって、剛性が低い弾性部材であるシール部材の部分的なはみ出しが起こって、はみ出し部からガスリークが生じる可能性があった。このようなシール部材のずれを抑えてシール性を確保するために、シール部材が隣接部材と接する部分の幅（シール幅）をより広くしてシール部分を安定化する方策も考えられるが、シール幅を広げるには、シール部材を含む各部材の面積をより広く確保することが必要となり、燃料電池の大型化を伴うため、採用し難い。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、シール部材の位置合わせ精度を向上させると共に、燃料電池を大型化することなく、シール部材のずれに起因するガスリークを防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と該電解質層上に形成された電極とを備える電解質・電極複合体と、
前記電解質・電極複合体を挟持するように配置されると共に、前記燃料電池内部を積層方向に貫通するガスマニホールドを形成するための穴部が形成されたガスセパレータと、
前記電解質・電極複合体の外周部において前記電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、弾性を有し、前記穴部の周囲で前記ガスセパレータに接触するシール部と
を備え、
前記シール部は、該シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体に隣接する前記ガスセパレータの内の少なくとも一方の前記ガスセパレータに形成された前記穴部に係合する係合部を有することを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、穴部の周囲でガスセパレータに接触することによってガスマニホールドにおけるガスシール性を確保するシール部が、隣接するガスセパレータの内の少なくとも一方のガスセパレータに形成されたガスマニホールド形成用の穴部に係合するため、ガスマニホールド内を通過するガスの圧力が掛かることによるシール部のずれを抑制することができる。したがって、ガスマニホールドにおいて、シール部のずれに起因するガスリークを防ぐことができる。その際に、シール部は、ガスセパレータに形成された穴部に係合するため、シール部をガスセパレータに係合させてシール部のずれを抑えることによって、燃料電池が大型化することがない。また、シール部は、ガスマニホールド形成用の穴部の周囲でガスセパレータに接触しているため、シール部におけるガスシールのために働く部位と、ガスセパレータに係合する部位とが近接している。したがって、弾性を有するシール部の伸びなどに起因するシール部位の位置ずれを抑制することができる。なお、電解質・電極複合体とガスセパレータとの間には、さらに他の部材、例えば、電気化学反応に供するガスの流路を形成するガス流路形成部材を配置することとしても良い。

本発明の燃料電池において、
前記電解質・電極複合体を含む単セルと、前記ガスセパレータとを交互に複数積層して成り、
前記シール部は、
前記電解質・電極複合体を保持する基板部と、
前記基板部から、前記電解質・電極複合体に隣接する一方の前記ガスセパレータ側へと突出して設けられ、頭頂部を有する第１の凸部であって、該頭頂部が前記一方のガスセパレータの前記穴部の周囲に接する第１の凸部と、
前記係合部であって、前記基板部から前記一方のガスセパレータ側へと延出して設けられ、前記一方のガスセパレータに形成された前記穴部の内壁に接しつつ前記穴部を貫通する係合部と、
前記係合部に連続して設けられ、前記一方のガスセパレータにおける前記第１の凸部と接する面の裏面に接する係止部と
前記係止部から、前記一方のガスセパレータを介して前記シール部に隣接する他のシール部側へと突出して設けられ、頭頂部を有する第２の凸部であって、該頭頂部において、前記穴部の周囲に対応する位置で前記他のシール部の前記基板部に接する第２の凸部と
を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、ガスマニホールドにおけるガスシール性が、一方の側にのみ突出して設けられた第１および第２の凸部によって確保される。このように、一方の側にのみ突出する凸部によってガスシール性を確保する場合には、両側に突出する凸部によってガスシール性を確保する場合に比べて、凸部が安定して倒れにくいため、シール性の確保がより容易になり、シール性の信頼度が増す。

このような燃料電池において、さらに、
前記燃料電池全体に対する前記ガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、ガスセパレータは、ガスセパレータ位置決め部によって燃料電池全体に対する位置が規定される。ここで、電解質・電極複合体と一体化されたシール部は、ガスセパレータに係合しているため、シール部および電解質・電極複合体を、ガスセパレータを介して、燃料電池全体に対して位置決めすることができる。

また、本発明の燃料電池において、
前記第１の凸部が頭頂部において前記一方のガスセパレータに接する位置である第１のシールラインと、前記第２の凸部が頭頂部において前記他のシール部に接する位置である第２のシールラインとが、前記燃料電池の積層方向に重なって位置することとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池全体に対して積層方向に力が加わる際に、第１の凸部と第２の凸部とが互いに支え合って力が加わり、第１の凸部および第２の凸部が接触するシール部位において、ガスシールのための圧力が確保され、シール性の信頼度を確保することができる。

また、本発明の燃料電池において、さらに、
前記電解質・電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配設される多孔質体によって構成され、内部の細孔によって、電気化学反応に供される反応ガスの流路を形成するガス流路形成部を備え、
前記ガスセパレータは、前記ガスマニホールドを形成するための前記穴部と前記ガス流路形成部とを連通させる連通路が内部に形成されていることとしても良い。

このような構成とすれば、ガスセパレータの表面において、ガスマニホールド形成用穴部の近傍に、ガス流路形成部とガスマニホールドとを連通させる流路を形成するための凹凸形状を設ける必要がない。したがって、ガスマニホールドのガスシール性を確保するための第１の凸部および第２の凸部の配置位置が、上記凹凸形状によって制限されることが無く、ガスマニホールドと反応ガス流路とを連通させる構造に起因して第１および第２の凸部の形状が複雑化することがない。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、燃料電池の組み立て時における構成部材の位置決め方法などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．燃料電池内部におけるガスおよび冷媒の流れ：
Ｃ．燃料電池の組み立て：
Ｄ．変形例：

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池は、図１に示すように、複数の単セル２０を備えると共に、各々の単セル２０間にガスセパレータ３０を介在させつつ単セル２０を積層させた構造を有している。

単セル２０は、電解質膜を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２２と、ＭＥＡ２２の外側に配設されたガス流路形成部２４，２５を備える。ここで、ＭＥＡ２２は、電解質膜と、電解質膜を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソードおよびアノードと、上記触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層と、を備えている（図示せず）。

電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いて触媒ペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。ガス拡散層は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。触媒電極を表面に形成した電解質膜とガス拡散層とは、例えばプレス接合により一体化されてＭＥＡ２２となる。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしても良い。

ガス流路形成部２４，２５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部２４，２５は、ＭＥＡ２２とガスセパレータ３０との間に形成される空間を占めるように配置されており、ガス流路形成部内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過する単セル内ガス流路として機能する。既述したガス拡散層においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、ガス流路形成部２４，２５は、単セル２０に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。カソードとガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部２４では、その内部の細孔によって形成される空間が、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路として機能する。また、アノードとガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部２５では、その内部の細孔によって形成される空間が、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路として機能する。なお、ガス流路形成部２４，２５は、金属のような剛性の高い材料によって形成することが望ましいが、カーボン等により形成しても良い。

ここで、隣り合うガスセパレータ３０間であって、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部２４，２５の外周部には、可撓性および弾性を有するシール部２７が設けられている。シール部２７は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡ２２と一体で形成されている。このようなシール部２７は、例えば、シール部２７に対応する形状の金型のキャビティ内にＭＥＡ２２の外周部が収まるようにＭＥＡ２２を配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、ＭＥＡ２２とシール部２７とが隙間なく接合される。あるいは、シール部２７は、ＭＥＡ２２と一体形成するだけでなく、ＭＥＡ２２に加えてさらにガス流路形成部２４，２５と一体形成しても良い。

図２は、ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７の概略構成を表わす平面図である。図２に示すように、シール部２７は、外周形状が略四角形の部材であり、外周部に設けられた１０個の穴部である穴部４０〜４５および穴部５８，５９と、中央部に設けられてＭＥＡ２２が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。より具体的には、略四角形状の外周の一辺（図２において辺３５と示す）の近傍には、この辺３５に沿って２つの穴部４０が形成されている。また、辺３５と対向する辺（図２において辺３６と示す）の近傍には、この辺３６に沿って２つの穴部４１が形成されている。また、他の２辺のうちの一方の辺（図２において辺３７と示す）の近傍には、この辺３７に沿って穴部４２，４４が形成されており、他方の辺（図２において辺３８と示す）の近傍には、この辺３８に沿って穴部４３，４５が形成されている。さらに、辺３５と辺３８とが成す角の近傍には穴部５８が形成されており、辺３６と辺３７とが成す角の近傍には穴部５９が形成されている。なお、図２では、シール部２７と一体化されたＭＥＡ２２における露出している部分を、ハッチを付して示している。

上記１０個の穴部と同様の穴部は、シール部２７と共に積層されるガスセパレータ３０においても、それぞれ対応する位置に設けられている。そして、シール部２７およびガスセパレータ３０を含む部材を積層して燃料電池を組み立てたときには、各穴部は、燃料電池を積層方向に貫通するガス流路等を形成する。すなわち、穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図２中、Ｏ₂ inと表わす）、穴部４１は、各単セルから排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図２中、Ｏ₂ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図２中、Ｈ₂ inと表わす）、穴部４３は、各単セルから排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図２中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図２中、水 inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図２中、水 outと表わす）。穴部５８，５９は、ガス流路を形成せず、後述するガイドピン６０に係合して、燃料電池の組み立て時におけるガスセパレータ３０の位置決めに関わる。なお、図２において、図１に示す断面に相当する位置を、Ａ−Ａ断面として示している。

図３は、図１に示したシール部２７の断面の一部であって、穴部４０近傍の様子を拡大して示す説明図である。シール部２７は、図１に示すように所定の凹凸形状を有している。具体的には、シール部２７は、ＭＥＡ２２が組み込まれる略四角形の穴部と、上記１０個の穴部と、が形成される外周略四角形の板状部である基板部７０（図２，図３参照）を備えると共に、１０個の穴部のうちの８つの穴部（穴部４０〜４５）の外周が形成される位置に、基板部７０から略垂直方向に所定の長さだけ延出して設けられた延出係合部７２を備えている。すなわち、基板部７０に形成される穴部と共に、基板部７０に対して垂直方向に設けられた中空の延出係合部７２によって、各穴部４０〜４５は形成されている。図１では穴部４０および穴部４１に対応する延出係合部７２が表わされ、図３では穴部４０に対応する延出係合部７２が表わされているが、穴部４０〜４５のすべてに対応して、同様の延出係合部７２が形成されている。また、各々の延出係合部７２に連続して、上記８つの穴部のそれぞれの外周を取り囲んで、延出係合部７２の長さだけ基板部７０から離間しつつ基板部７０に略平行に形成された係止部７４が設けられている。各延出係合部７２は、ガスセパレータ３０に形成された対応する穴部４０〜４５の内径と略同一あるいは若干大きい外径を有しており、ガスセパレータ３０に形成された対応する穴部４０〜４５に、ぴったりと嵌り込むことができる。

シール部２７においては、各々の穴部４０〜４５を取り囲んで、基板部７０の一方の面から突出する第１の凸部であるリップ２８ａが形成されている。このリップ２８ａは、ガスセパレータ３０に形成される穴部４０〜４５に延出係合部７２が嵌め込まれたときに、ガスセパレータ３０の表面と接触して、穴部４０〜４５が形成するガスマニホールドにおけるガスシール性を確保するために働く（図１参照）。また、シール部２７においては、ＭＥＡ２２が組み込まれる略四角形の穴部を取り囲んで、基板部７０の両方の面から突出する凸部であるリップ２９が形成されている。このリップ２９は、単セル２０とガスセパレータ３０とを積層して燃料電池を組み立てた時に、単セル２０の両側に配置されるガスセパレータ３０の各々と接触して、単セル内ガス流路におけるガスシール性を確保するために働く。すなわち、基板部７０の両側に突出して設けられる双方のリップ２９の頭頂部間の幅Ｄ１は、ガスセパレータ３０間に配置される単セル２０の厚みに相当する長さとなっており、燃料電池内部で積層方向に力が加えられることにより、リップ２９は両側のガスセパレータ３０との間で押圧力を作用させつつ接触する。リップ２９がガスセパレータ３０と接触してガスシール性を実現する位置は、燃料電池を構成する積層体全体で積層方向に重なっている。このような、リップ２９がガスセパレータ３０と接触してガスシール性を実現する位置を、シール線ＳＬ１として図１ないし図３に示す。なお、基板部７０におけるリップ２８ａの裏面であって、リップ２９よりも外周側の領域は、凹凸の無い平坦部７１となっている（図３参照）。

係止部７４においては、基板部７０に形成されたリップ２８ａと対向する面は、凹凸の無い平坦部７３となっている。ガスセパレータ３０に形成された各穴部４０〜４５に対して延出係合部７２が嵌め込まれたときには、上記平坦部７３は、延出係合部７２が嵌め込まれたガスセパレータ３０の表面と接触する。すなわち、平坦部７３とリップ２８ａとの間の距離Ｄ２は、ガスセパレータ３０の厚みに対応する長さとなっており、燃料電池内部で積層方向に力が加えられることにより、平坦部７３とリップ２８ａとは、延出係合部７２が嵌め込まれたガスセパレータ３０に対して、押圧力を作用させつつ接触する。また、係止部７４においては、平坦部７３の裏面側に、穴部４０〜４５を取り囲んで突出する第２の凸部であるリップ２８ｂが形成されている。このリップ２８ｂは、単セル２０とガスセパレータ３０とを積層して燃料電池を組み立てたときには、隣接する単セル２０が備えるシール部２７の基板部７０に形成された平坦部７１に当接して、穴部４０〜４５が形成するガスマニホールドにおけるガスシール性を確保するために働く（図１参照）。

ここで、基板部７０に形成されたリップ２８ａがガスセパレータ３０と接触する位置、および、係止部７４に形成されたリップ２８ｂが平坦部７１に接触する位置は、燃料電池を構成する積層体全体で積層方向に重なっている。このような、リップ２８ａおよびリップ２８ｂが隣接部材と接触する位置を、シール線ＳＬ２として図１ないし図３に示す。シール部２７は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、既述したシール線ＳＬ１およびＳＬ２の位置において、シール部２７によってガスシール性を実現可能となる。なお、図２では、リップ２８ａは、リップ２８ｂが形成された係止部７４に覆われて見えない状態となっている。

また、シール部２７が備える延出係合部７２には、貫通孔７６が形成されている。この貫通孔７６は、穴部４０〜４５が形成するガスマニホールドと、ガスセパレータ３０内に形成されるガス流路とを連通させるための構造である。ガスマニホールドと、ガスセパレータ３０内に形成されるガス流路との間のガスの流れについては、後に詳述する。

ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部２４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部２５と接するアノード側プレート３３と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３に挟持される中間プレート３２と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼、あるいは、より耐食性に優れた金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３２、アノード側プレート３３の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。

図４は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図５は、アノード側プレート３３の形状を示す説明図であり、図６は、中間プレート３２の形状を示す説明図である。カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３には、いずれも、その外周部において、シール部２７と同様の位置に１０個の穴部（穴部４０〜４５および穴部５８，５９）が形成されている。これらガスセパレータ３０を構成するプレートに形成される穴部４０〜４５は、シール部２７に形成される穴部４０〜４５よりも若干大きく、具体的には、内側に延出係合部７２が丁度嵌り込む大きさに形成されている。なお、中間プレート３２は、上記１０個の穴部のうち、穴部４４，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔４８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

カソード側プレート３１は、穴部４０の近傍に、穴部４０よりも小さく、穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を備えており、穴部４１の近傍には、同様に、穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を備えている（図４参照）。アノード側プレート３３は、穴部４２の近傍に、穴部４２よりも小さく、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を備えており、穴部４３の近傍には、同様に、穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を備えている（図５参照）。中間プレート３２においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３２の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部側へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３２とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とを連通させるように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３２では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている（図６参照）。

Ｂ．燃料電池内部におけるガスおよび冷媒の流れ：
燃料電池の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３２の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、ガス流路形成部２４内に形成される単セル内酸化ガス流路へと流入する。ここで、酸化ガス供給マニホールドの内壁の一部は、シール部２７が備える延出係合部７２の内壁によって形成されている。そして、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスが、中間プレート３２の連通部５４が形成する空間へと流入する際には、酸化ガスは、シール部２７が備える延出係合部７２に設けられた貫通孔７６を通過する。単セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部２４に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部２４からガス拡散層を介してカソードに至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部２４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３２の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。なお、酸化ガスが中間プレート３２の連通部５５が形成する空間を介して酸化ガス排出マニホールドへと排出される際には、酸化ガスは、シール部２７が備える延出係合部７２に設けられた貫通孔７６を通過する。

同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、シール部２７が備える延出係合部７２に設けられた貫通孔７６と、中間プレート３２の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３３の連通孔５２とを介して、ガス流路形成部２５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入する。単セル内燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部２５からガス拡散層を介してアノードに至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部２５から、アノード側プレート３３の連通孔５３および中間プレート３２の連通部５７が形成する空間と、シール部２７が備える延出係合部７２に設けられた貫通孔７６とを介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

図４ないし図６においても、図２と同様に、図１に示した断面の位置に相当するＡ−Ａ断面の位置を示している。また、図１では、酸化ガス供給マニホールドから、貫通孔７６、連通部５４および連通孔５０を介してガス流路形成部２４内へと酸化ガスが供給される様子と、ガス流路形成部２４から、連通孔５１、連通部５５および貫通孔７６を介して酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子とが、それぞれ矢印で表わされている。

なお、中間プレート３２は、さらに、ガス流路形成部と重なる領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔４８を備えている（図６参照）。これらの冷媒孔４８の端部は、中間プレート３２を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒孔４８は、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔４８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路を流れた冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドへと排出される。

Ｃ．燃料電池の組み立て：
図７は、本実施例の燃料電池の組み立ての様子を表わす斜視図である。燃料電池を組み立てる際には、まず、シール部２７と一体化させたＭＥＡ２２上にガス流路形成部２４，２５を積層・固着させて単セル２０を形成すると共に、３枚のプレートを積層してガスセパレータ３０を形成する。そして、ガスセパレータ３０に形成された穴部４０〜４５のそれぞれに、シール部２７が備える対応する延出係合部７２をはめ込み、一つの単セル２０と一つのガスセパレータ３０とから成る構成単位を形成する。本実施例では、このように予め作製した上記構成単位を順次積層することによって、燃料電池を組み立てる。

ここで、本実施例では、燃料電池を組み立てる際に、図７に示すように、エンドプレート６２上に、積層単位を順次積み上げている。エンドプレート６２は、ガスセパレータ３０および単セル２０と略同一形状に形成されて、例えばステンレス鋼により形成される板状部材である。このエンドプレート６２には、対向する一組の角の近傍において、エンドプレート６２面に対して略垂直に配置されるガイドピン６０が取り付けられている。すなわち、ＭＥＡ２２、ガスセパレータ３０、ガス流路形成部２４，２５を含む部材から成る積層体の積層方向に平行に延出するガイドピン６０が、エンドプレート６２には取り付けられている。ガイドピン６０は、具体的には、図２に示した辺３５と辺３８とが成す角に対応する角の近傍と、図２に示した辺３６と辺３７とが成す角に対応する角の近傍とに、それぞれ設けられている。ガイドピン６０は、絶縁性材料、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂によって形成することができる。あるいは、例えば表面に絶縁性材料から成る層を設けることにより、燃料電池内での短絡が防止されていれば、ガイドピン６０自体は金属材料によって形成しても良い。

燃料電池を組み立てる際には、ガスセパレータ３０および単セル２０に形成された穴部５８，５９をガイドピン６０によって貫通させながら、エンドプレート６２上に、上記構成単位を順次積層する。図７では、エンドプレート６２上に、ガスセパレータ３０、単セル２０、ガスセパレータ３０、と積み上げた様子を表わしている。なお、実際に燃料電池を組み立てる際には、エンドプレート６２上には、まず、絶縁板や、出力端子を備える集電板が積層されるが、これらについては図示を省略している。

上記のようにガスセパレータ３０および単セル２０を積層する際には、剛性を有する金属製の板状部材であるガスセパレータ３０は、穴部５８，５９をガイドピンによって貫通させることにより、その積層位置が定められる。すなわち、エンドプレート６２上に設けられたガイドピン６０は、燃料電池全体に対するガスセパレータ３０の位置を規定するガスセパレータ位置決め部として機能する。なお、本実施例において板状部材が剛性を有するとは、積層の動作時に、その部材自身の平坦な形状を維持することができると共に、他の部材と係合すると、積層に係る力が加わるときにも係合状態を維持しつつ、上記他の部材との間の位置関係を保持することができる性質をいう。

なお、本実施例では、ガイドピン６０を２本設けているが、異なる構成としても良い。例えば、穴部５８，５９を形成する工程の精度、および、ガイドピン６０を設ける工程の精度が充分に高い場合には、より多くのガイドピンを設け、例えば、エンドプレート６２の四隅のそれぞれに合計４本のガイドピン６０を設けても良い。

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、ガスセパレータ３０の穴部４０〜４５に延出係合部７２が嵌め込まれることによって、シール部２７がガスセパレータ３０に係合しているため、ガスマニホールド内を通過するガスの圧力が剛性の低いシール部２７にかかっても、ガス圧に起因するシール部２７のずれを抑制することができる。したがって、シール部２７に形成されたリップ２８ａ、２８ｂのずれを抑え、ガスマニホールドにおけるガスリークを抑制することができる。その際に、延出係合部７２は、ガスマニホールドを形成する穴部４０〜４５の内壁に係合するため、延出係合部７２をガスマニホールド用穴に係合させてシール部２７のずれを抑えることによって、燃料電池が大型化することもない。

また、シール部２７が、延出係合部７２を介してガスセパレータ３０に対して固定されるため、シール部２７およびシール部２７に一体形成されているＭＥＡ２２を、ガスセパレータ３０に対して位置決めすることができる。ここで、ガスセパレータ３０は、穴部５８，５９およびガイドピン６０によって、燃料電池全体に対して位置決めされるため、シール部２７およびこれと一体形成されるＭＥＡ２２は、ガスセパレータ３０を介して燃料電池全体に対して位置決めされることができる。

さらに、本実施例では、シール部２７とＭＥＡ２２とを一体形成し、さらにＭＥＡ２２上にガス流路形成部２４，２５を固着させて単セル２０を形成し、シール部２７の延出係合部７２をガスセパレータ３０の穴部４０〜４５に嵌め込むことによって、単セル２０とガスセパレータ３０とが一体化された組み立て単位を形成している。そして、この組み立て単位を順次積層することによって燃料電池を組み立てている。したがって、組み立て単位の積層という極めて簡便な動作によって、燃料電池の組み立て作業を行なうことができる。

また、本実施例の燃料電池が備えるシール部２７は、一方の側にのみ突出して設けられた凸部であるリップ２８ａ，２８ｂによって、ガスマニホールドにおけるガスシール性が確保されている。すなわち、ＭＥＡ２２を保持する基板部７０は、一方の面に平坦部７１を有すると共に他方の面にリップ２８ａが形成され、同様に係止部７４は、一方の面に平坦部７３を有すると共に他方の面にリップ２８ｂが形成されている。そして、リップ２８ａと平坦部７３の間でガスセパレータ３０を挟み込むと共に、リップ２８ｂが、隣接するシール部２７の平坦部７１に当接することによって、シール性が確保されている。このように、リップを一方の面だけに設け、他方の面は平坦面とすることによって、両側にリップを設けてシール性を確保する構成に比べてリップが安定して倒れにくくなり、シール性の確保がより容易になる。

さらに、本実施例の燃料電池では、リップ２８ａおよび２８ｂがシール性を実現する位置であるシール線ＳＬ２が、燃料電池全体で積層方向に重なっている。そのため、燃料電池全体に積層方向に力が加わる際に、リップ２８ａとリップ２８ｂとが互いに支え合って力が加わり、荷重抜けが起こらないため、リップ２８ａとリップ２８ｂのいずれにおいても、充分に高い圧力で隣接部材に接してシール性の信頼度を確保することができる。

ここで、リップ２８ａおよびリップ２８ｂは、シール部２７に形成されたマニホールド用穴４０〜４５の近傍に配置されるため、シール部２７が可撓性および弾性を有する部材であっても、シール部２７の伸びに起因してリップ２８ａ，２８ｂが位置ずれする影響を抑え、マニホールド用穴４０〜４５からリップ２８ａ，２８ｂまでの距離を、シール部２７毎に精度良く一致させることが可能となる。そのため、ガスセパレータ３０において、マニホールド用穴４０〜４５および穴部５８，５９を設ける際の精度を確保することで、燃料電池全体で、シール線ＳＬ２を、積層方向に精度良く一致させることができる。

さらに、シール部２７は、ガスセパレータ３０と一体化されて積層単位を形成するため、燃料電池の組み立て時には、剛性を有するガスセパレータ３０によって支持される状態となる。したがって、燃料電池組み立て時の積層に伴う動作、例えば、穴部５８，５９をガイドピン６０に嵌め込む動作において、シール部２７における伸びなどの変形が抑えられ、シール線の位置合わせの精度を確保する効果を高めることができる。

また、本実施例の燃料電池は、多孔質体であるガス流路形成部２４，２５によって単セル内ガス流路を形成すると共に、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる連通路（連通孔５０〜５３および連通部５４〜５７によって形成される連通路）を内部に形成したガスセパレータ３０を備えている。そのため、ガスセパレータ３０の表面において、ガスマニホールド用穴である穴部４０〜４５の近傍に、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる流路を形成するための凹凸形状を形成する必要がない。したがって、リップ２８ａ，２８ｂは、各穴部４０〜４５を取り囲む形状に設ければ良く、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる構造に起因してリップの形状が複雑化することがない。

Ｄ．変形例：
なお、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。

Ｄ１．変形例１：
実施例のシール部２７は、隣接するガスセパレータの裏面にまで延出する延出係合部７２を備え、裏面側においても係止部７４上のリップ２８ａによってシール線を形成しているが、マニホールド用穴に係合していれば、必ずしも係止部７４を備える必要はない。図８は、延出係合部７２と同様の係合部１７２を有するが、係止部７４を有しないシール部１２７を備えた燃料電池の様子を、図１と同様に表わす断面模式図である。また、図９は、シール部１２７の構成を模式的に表わす平面図である。シール部１２７は、実施例と同様の燃料電池において、シール部２７に代えて用いられるものであり、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

シール部１２７は、シール部２７のリップ２８ａ、２９に代えて、リップ１２８を備えている。このリップ１２８は、リップ２９と同様に、両側に突出して設けられ、隣接する双方のガスセパレータに接している。このようにガスセパレータと接触してシール線ＳＬを形成することで、リップ１２８は、ガスマニホールドおよび単セル内ガス流路におけるガスシール性を確保している。リップ１２８が形成するシール線ＳＬの位置を、図９にＳＬとして示している。また、シール部１２７に設けられ、貫通孔７６を有する係合部１７２は、ガスセパレータ３０の各穴部４０〜４５の内壁に接触している。このようなシール部１２７を用いることで、実施例と同様に、ガスマニホールド内のガス圧に起因するシール部のずれを抑え、ガスリークを抑制する同様の効果を得ることができる。

シール部２７の形状については、さらに種々の変形が可能である。例えば、実施例では、シール部２７の延出係合部７２は、マニホールド用穴４０〜４５の内壁全体に接することとしたが、内壁の全周に接するのではなく、内壁の一部に接することとしても良い。シール部２７が、マニホールド用穴の内壁の少なくとも一部と係合するならば、シール部２７のリップの位置ずれが抑制され、実施例と同様の効果を得ることができる。例えば、マニホールド用穴の近傍において、シール部２７に掛かるガス圧や、シール部２７をずれさせる力にばらつきがある場合に、少なくとも、より大きな圧や力が掛かる部分において、シール部２７がマニホールド用穴に係合するならば、効果的にずれを防止可能となる。

また、実施例のシール部２７は、隣接する２つのガスセパレータの内、一方の側に配置されたセパレータのマニホールド用穴部にのみ係合しているが、シール部を、両側のセパレータのマニホールド用穴部に係合させることとしても良い。隣接する２つのガスセパレータの内、少なくとも一方のガスセパレータのマニホールド用穴部にシール部を係合させることで、ガスリークを抑制する同様の効果が得られる。

Ｄ２．変形例２：
実施例の燃料電池は、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる連通路を内部に形成し、表面は平坦面となっているガスセパレータ３０を用いているが、異なる形状のガスセパレータを用いても良い。例えば、ＭＥＡとの間に単セル内ガス流路を形成するための溝などの凹凸形状が表面に形成されたガスセパレータを用いることができる。このような場合にも、ＭＥＡと一体形成されたシール部を、マニホールド用穴の内壁に係合させることで、同様の効果が得られる。

Ｄ３．変形例３：
また、実施例の燃料電池では、燃料電池全体に対するガスセパレータの位置決めは、ガスセパレータに形成した穴部５８，５９とガイドピン６０によって行なっているが、異なる構成のガスセパレータ位置決め部を設けることとしても良い。図１０は、異なる構成のガスセパレータ位置決め部を備える燃料電池の一例を表わす斜視図である。図１０の燃料電池は、実施例の燃料電池と類似する構成を備えており、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図１０の燃料電池では、ガスセパレータ３０およびシール部２７は、穴部５８，５９を有しておらず、エンドプレート６２には、ガイドピン６０が設けられていない。その代わりに、エンドプレート６２には、外形基準ガイド１６０が設けられている。外形基準ガイド１６０は、ガスセパレータ３０および単セル２０と略同一形状のエンドプレート６２の４つの辺のそれぞれにおいて、エンドプレート６２の外側から各辺に沿って、エンドプレート６２面に対して垂直になるように、エンドプレート６２に取り付けられた薄板状部材である。燃料電池を組み立てる際には、これら４つの外形基準ガイド１６０と、ガスセパレータ３０および単セル２０から成る組み立て単位の外周とを接触させつつ、４つの外形基準ガイド１６０で囲まれた内部に組み立て単位を嵌め込めばよい。これにより、燃料電池全体に対して、剛性を有するガスセパレータ３０を位置決めしつつ、ガスセパレータ３０を介して、ガスセパレータ３０に固着されたシール部２７およびＭＥＡ２２を位置決めすることができる。このように、ガスセパレータ位置決め部は、剛性を有するガスセパレータを、ある程度の精度で積層時に位置決め可能であればよい。

Ｄ４．変形例４：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。電解質・電極複合体と一体形成されるシール部とガスセパレータとを積層して成る燃料電池であれば、本発明を適用することができる。

実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７の概略構成を表わす平面図である。 シール部２７の断面であって、穴部４０近傍の様子を示す説明図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３３の形状を示す説明図である。 中間プレート３２の形状を示す説明図である。 本実施例の燃料電池の組み立ての様子を表わす斜視図である。 変形例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 シール部１２７の概略構成を表わす平面図である。 変形例の燃料電池を表わす斜視図である。

符号の説明

２０…単セル
２２…ＭＥＡ
２４，２５…ガス流路形成部
２７，１２７…シール部
２８ａ，２８ｂ，２８，２９…リップ
３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…中間プレート
３３…アノード側プレート
４０〜４５…穴部
４８…冷媒孔
５０〜５３…連通孔
５４〜５７…連通部
５８，５９…穴部
６０…ガイドピン
６２…エンドプレート
７０…基板部
７１…平坦部
７２…延出係合部
７３…平坦部
７４…係止部
７６…貫通孔
１６０…外形基準ガイド
１７２…係合部

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と該電解質層上に形成された電極とを備える電解質・電極複合体と、
   前記電解質・電極複合体を挟持するように配置されると共に、前記燃料電池内部を積層方向に貫通するガスマニホールドを形成するための穴部が形成されたガスセパレータと、
   前記電解質・電極複合体の外周部において前記電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、弾性を有し、前記穴部の周囲で前記ガスセパレータに接触するシール部と
   を備え、
   前記シール部は、該シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体に隣接する前記ガスセパレータの内の少なくとも一方の前記ガスセパレータに形成された前記穴部に係合する係合部を有する
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記電解質・電極複合体を含む単セルと、前記ガスセパレータとを交互に複数積層して成り、
   前記シール部は、
   前記電解質・電極複合体を保持する基板部と、
   前記基板部から、前記電解質・電極複合体に隣接する一方の前記ガスセパレータ側へと突出して設けられ、頭頂部を有する第１の凸部であって、該頭頂部が前記一方のガスセパレータの前記穴部の周囲に接する第１の凸部と、
   前記係合部であって、前記基板部から前記一方のガスセパレータ側へと延出して設けられ、前記一方のガスセパレータに形成された前記穴部の内壁に接しつつ前記穴部を貫通する係合部と、
   前記係合部に連続して設けられ、前記一方のガスセパレータにおける前記第１の凸部と接する面の裏面に接する係止部と
   前記係止部から、前記一方のガスセパレータを介して前記シール部に隣接する他のシール部側へと突出して設けられ、頭頂部を有する第２の凸部であって、該頭頂部において、前記穴部の周囲に対応する位置で前記他のシール部の前記基板部に接する第２の凸部と
   を備える燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
   前記燃料電池全体に対する前記ガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部を備える
   燃料電池。
4. 請求項２または３記載の燃料電池であって、
   前記第１の凸部が頭頂部において前記一方のガスセパレータに接する位置である第１のシールラインと、前記第２の凸部が頭頂部において前記他のシール部に接する位置である第２のシールラインとが、前記燃料電池の積層方向に重なって位置する
   燃料電池。
5. 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池であって、さらに、
   前記電解質・電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配設される多孔質体によって構成され、内部の細孔によって、電気化学反応に供される反応ガスの流路を形成するガス流路形成部を備え、
   前記ガスセパレータは、前記ガスマニホールドを形成するための前記穴部と前記ガス流路形成部とを連通させる連通路が内部に形成されている
   燃料電池。

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