JP5081494B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１金属セパレータ及び第２金属セパレータで挟持する燃料電池に関する。

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）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使用されている。

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。

このため、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を個別にシールする必要があり、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この燃料電池では、図２３に示すように、電極構造体１を第１セパレータ２及び第２セパレータ３で挟持して構成されている。

第１セパレータ２と第２セパレータ３との間は、外側シール部材４で密封されるとともに、前記第２セパレータ３と電極構造体１の外周との間は、内側シール部材５で密封されている。

特開２００２−２７０２０２号公報（図１）

上記の燃料電池では、予め所望の形状を有する外側シール部材４及び内側シール部材５が形成された後、前記外側シール部材４及び前記内側シール部材５が、例えば、第２セパレータ３に支持されている。このため、燃料電池の製造工程が複雑化するとともに、組立作業が繁雑になるおそれがある。

本発明はこの種のシール構造に関連してなされたものであり、構成の簡素化を図るとともに、特にシール成形作業が経済的且つ効率的に遂行可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１金属セパレータ及び第２金属セパレータで挟持する燃料電池に関するものである。そして、第２金属セパレータは、第１金属セパレータより大きな外形寸法を有するとともに、前記第１金属セパレータは、全面にわたって金属面が露呈し、且つ、前記第２金属セパレータにのみシール部材が一体成形されている。

そして、シール部材は、第２金属セパレータの電極に向かう一方の面に設けられ、電解質・電極構造体の周縁部に当接する内側シール部と、隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する外側シール部とを有している。

また、シール部材は、第２金属セパレータの電極に向かう面とは反対の他方の面に設けられ、隣接する第１金属セパレータに当接し且つ内側シール部と積層方向に重なり合うシール部を有することが好ましい。

さらにまた、一対の電極は、第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とにより構成され、第１金属セパレータは、前記第１電極に向かって配置され、第２金属セパレータは、前記第１金属セパレータよりも大きな外形寸法を有し、前記第２電極に向かって配置されるとともに、シール部材は、前記第２金属セパレータの一方の面に設けられ、電解質・電極構造体の周縁部で電解質に当接する第１シール部と、前記第１金属セパレータの周縁部に当接する第２シール部と、隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する第３シール部とを有することが好ましい。

また、第１シール部は、燃料ガスシール用内側シール部を構成し、第２シール部は、酸化剤ガスシール用中間シール部を構成し、第３シール部は、冷却媒体シール用外側シール部を構成することが好ましい。

さらに、一対の電極は、第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とにより構成され、第１金属セパレータは、前記第２電極に向かって配置され、第２金属セパレータは、前記第１金属セパレータよりも大きな外形寸法を有し、前記第１電極に向かって配置されるとともに、シール部材は、前記第２金属セパレータの一方の面に設けられ、隣接する前記第１金属セパレータの周縁部に当接する第１シール部と、前記第１金属セパレータを挟んで積層される電解質・電極構造体の周縁部で電解質に当接する第２シール部と、隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する第３シール部とを有することが好ましい。

さらにまた、第１シール部は、冷却媒体シール用内側シール部を構成し、第２シール部は、燃料ガスシール用中間シール部を構成し、第３シール部は、酸化剤ガスシール用外側シール部を構成することが好ましい。

本発明では、シール部材が第２金属セパレータに一体成形されるため、シール構造が一挙に簡素化し、予め所望の形状を有するシール部材を形成する構成に比べて、燃料電池の組立作業性が良好に向上する。組立時に、シール部材と第２金属セパレータとを相対的に位置決めする作業が不要になるからである。

しかも、第１金属セパレータには、シール部材の成形作業が不要になり、第２金属セパレータにのみシール部材の成形作業を行えばよい。このため、シール成形作業が経済的且つ効率的に遂行されるとともに、燃料電池全体の製造コストの削減が容易に図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の断面説明図である。

燃料電池１０は、単位セル１２ａ、１２ｂを交互に矢印Ａ方向（水平方向）に積層する積層体１４を備えるとともに、前記積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。なお、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間は、図示しないタイロッドにより締め付けられているが、例えば、積層体１４全体をケーシング（図示せず）内に収容して構成してもよい。

単位セル１２ａは、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持するとともに、単位セル１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。単位セル１２ｂは、単位セル１２ａを面方向に１８０°回転させることにより構成されている。実際上、第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａと同一であり、第３金属セパレータ２６は、第１金属セパレータ２２と同一であり、第４金属セパレータ２８は、第２金属セパレータ２４と同一である。

図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａは、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）３０ａと、該固体高分子電解質膜３０ａを挟持するカソード側電極（第１電極）３２ａ及びアノード側電極（第２電極）３４ａとを備える。カソード側電極３２ａは、アノード側電極３４ａよりも大きな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３２ａは、固体高分子電解質膜３０ａの全面を覆って設けられる（所謂、段差ＭＥＡ）。

カソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａ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）とを有し、触媒塗布範囲３６ａが設けられる。第１電解質膜・電極構造体２０ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、所定の凹凸形状を有する外形形状部３８ａを有する。

第１金属セパレータ２２は、第２金属セパレータ２４よりも小さな外形寸法に設定される。図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ２２の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２２ａには、前記第１電解質膜・電極構造体２０ａの触媒塗布範囲３６ａに対応して第１酸化剤ガス流路４０が形成される。この第１酸化剤ガス流路４０は、面２２ａ側に突出する凸部４０ａと凹部４０ｂとを設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に延在して形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路４０の両側には、エンボス部４０ｃが形成される。

第１酸化剤ガス流路４０の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部４１ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部４１ｂが設けられる。図４に示すように、入口部４１ａ及び出口部４１ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状部３８ａの外方に突出している。

第１金属セパレータ２２は、所望の凹凸形状を有する外形形状部４２を有するとともに、この外形形状部４２は、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状部３８ａよりも大きな寸法に設定される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂ側には、第１酸化剤ガス流路４０を形成することにより、凹凸形状を反転させた第１冷却媒体流路４４が形成される。

図３に示すように、第２金属セパレータ２４は、横長な長方形状を有している。この第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、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４６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔５０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４８ｂ、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４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図５に示すように、第２金属セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２４ａには、触媒塗布範囲３６ａに対応して第１燃料ガス流路５２が形成される。第１燃料ガス流路５２は、面２４ａ側に突出する凸部５２ａ及び凹部５２ｂが交互に設けられることによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。この第１燃料ガス流路５２の両側には、エンボス部５２ｃが形成される。

図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、面２４ａ側に第１燃料ガス流路５２を形成することによって、第２冷却媒体流路５４が形成される。第２冷却媒体流路５４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部５６ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部５６ｂが設けられる。

入口部５６ａ及び出口部５６ｂは、第２金属セパレータ２４に第３金属セパレータ２６が重ね合わされた際に、この第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応している。冷却媒体入口連通孔４８ａは、入口部５６ａを介して第２冷却媒体流路５４に連通する一方、冷却媒体出口連通孔４８ｂは、出口部５６ｂを介して第２冷却媒体流路５４に連通する。

第２金属セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔５０ａに近接して２つの燃料ガス用入口孔部５８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔５０ｂに近接して２つの燃料ガス用出口孔部５８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４６ａ近傍には、３つの酸化剤ガス用入口孔部６０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂの近傍には、３つの酸化剤ガス用出口孔部６０ｂが形成される。

図２及び図５に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ａには、シール部材６２が一体成形される。このシール部材６２は、第１燃料ガス流路５２を周回し、順次、外方に向かって一体成形される第１シール部（内側シール部）６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部（外側シール部）６２ｃを有する。シール部材６２は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、シリコーンゴム、ニトリルゴム又はアクリルゴムで構成され、例えば、シリコーン樹脂を所定温度（例えば、１６０℃〜１７０℃）に加熱した溶融樹脂を用いて射出成形される。

第１シール部６２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの周縁部、すなわち、固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に接触し、第２シール部６２ｂは、第１金属セパレータ２２の周縁部に接触し、第３シール部６２ｃは、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第２金属セパレータに相当する第４金属セパレータ２８に接触する。

第１シール部６２ａは、燃料ガスの漏れを防止するための内側シール部材を構成し、第２シール部６２ｂは、酸化剤ガスの漏れを防止するための中間シール部材を構成し、第３シール部６２ｃは、冷却媒体の漏れを阻止するための外側シール部材を構成している。

第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体２０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。

第３金属セパレータ２６は、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ側の面２６ａに、第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部６３ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部６３ｂが設けられる。入口部６３ａ及び出口部６３ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの外形形状の外方に突出している。第３金属セパレータ２６の面２６ｂは、第２金属セパレータ２４の面２４ｂに重なり合うことにより、第２冷却媒体流路５４を一体的に形成する第３金属セパレータ２６が所定の凹凸形状を有する外形形状部６５を設ける。

図７に示すように、第４金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面２８ａには、第２燃料ガス流路６６が形成される。第２燃料ガス流路６６は、凸部６６ａと凹部６６ｂとによって矢印Ｂ方向に延在して形成されるとともに、両端側にはエンボス部６６ｃが形成される。

図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、面２８ａに第２燃料ガス流路６６を形成することによって、第１冷却媒体流路４４が形成される。この第１冷却媒体流路４４は、第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２とが重なり合うことによって一体的に形成される。第１冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ外方に延在して波形状の入口部６８ａと出口部６８ｂとが設けられる。

入口部６８ａと出口部６８ｂとは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部を介して第１冷却媒体流路４４を冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂに連通する。

第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４に設けられている入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂに対して積層方向の位置をずらして２つの入口孔部７０ａ及び２つの出口孔部７０ｂが形成される。第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４の３つの入口孔部６０ａ及び３つの出口孔部６０ｂに対して積層方向の位置をずらして３つの入口孔部７２ａ及び３つの出口孔部７２ｂが形成される。

図７に示すように、面２８ａには、シール部材７４が一体成形される。このシール部材７４は、第２燃料ガス流路６６を周回し、順次、外方に沿って設けられる第１シール部（内側シール部）７４ａ、第２シール部７４ｂ及び第３シール部（外側シール部）７４ｃを有する。燃料ガスシール用の内側シール部材である第１シール部７４ａは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを構成する固体高分子電解質膜３０ｂの周端部に接触し、酸化剤ガスシール用の中間シール部材である第２シール部７４ｂは、第３金属セパレータ２６の周端部に接触し、冷却媒体シール用の外側シール部材である第３シール部７４ｃは、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４の周縁部に接触する。

図９及び図１０に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部６２ｃ、７４ｃによって酸化剤ガス入口連通孔４６ａを第１酸化剤ガス流路４０及び第２酸化剤ガス流路６４に連通する通路部７６が形成される。この通路部７６は、酸化剤ガス用の入口孔部（貫通孔）６０ａ、７２ａを有する。同様に、図１１及び図１２に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部６２ｃ、７４ｃによって燃料ガス入口連通孔５０ａを第１燃料ガス流路５２及び第２燃料ガス流路６６に連通する通路部７８が形成される。この通路部７８は、燃料ガス用の入口孔部（貫通孔）５８ａ、７０ａを有する。

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。

図１に示すように、エンドプレート１６ａの酸化剤ガス入口連通孔４６ａ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５０ａ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４８ａ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。

ここで、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２４ｂ側から連通する３つの入口孔部６０ａが形成される。一方、単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２８ｂ側から連通する３つの入口孔部７２ａが形成されている。

このため、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部６０ａを通って面２４ａ側に導入され、第１金属セパレータ２２に設けられている入口部４１ａから第１酸化剤ガス流路４０に供給される。

一方、図１０に示すように、単位セル１２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部が、第４金属セパレータ２８に設けられている入口孔部７２ａから面２８ａ側に導入され、第３金属セパレータ２６の入口部６３ａから第２酸化剤ガス流路６４に供給される。

また、第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、面２４ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部５８ａが形成されている。第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、面２８ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部７０ａが形成されている。

従って、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部５８ａを通って面２４ａ側に導入され、この面２４ａに形成された第１燃料ガス流路５２に供給される。

さらに、図１２に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第４金属セパレータ２８の入口孔部７０ａから面２８ａ側に導入され、この面２８ａに形成された第２燃料ガス流路６６に供給される。

これにより、図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａでは、カソード側電極３２ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ａ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。同様に、第２電解質膜・電極構造体２０ｂでは、カソード側電極３２ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ｂに供給される燃料ガスとにより発電が行われる。

単位セル１２ａの第１酸化剤ガス流路４０を流れた酸化剤ガスは、出口部４１ｂから第２金属セパレータ２４に設けられた出口孔部６０ｂを通って面２４ｂ側に移動し、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。同様に、単位セル１２ｂの第２酸化剤ガス流路６４を流れた酸化剤ガスは、出口部６３ｂから第４金属セパレータ２８に設けられた出口孔部７２ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。

また、第２金属セパレータ２４の第１燃料ガス流路５２を流れた燃料ガスは、出口孔部５８ｂを通って面２４ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。同様に、第４金属セパレータ２８の第２燃料ガス流路６６を流れた燃料ガスは、出口孔部７０ｂから面２８ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。

さらにまた、図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、第１冷却媒体流路４４に連通する入口部６８ａ及び出口部６８ｂが設けられるとともに、前記入口部６８ａ及び前記出口部６８ｂは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部に対応している。

このため、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１３に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂ側から入口部６８ａを通って前記第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２との間に形成された第１冷却媒体流路４４に導入される。この第１冷却媒体流路４４を通って冷却処理を施した冷却媒体は、出口部６８ｂを通って面２８ｂ側から冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

一方、図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第２冷却媒体流路５４に連通するとともに、第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応して入口部５６ａ及び出口部５６ｂが形成されている。

従って、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１４に示すように、面２４ｂ側から入口部５６ａを通って第２金属セパレータ２４と第３金属セパレータ２６との間に形成された第２冷却媒体流路５４に供給される。この第２冷却媒体流路５４を流れた冷却媒体は、出口部５６ｂから面２４ｂ側に流動し、冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

この場合、第１の実施形態では、第２金属セパレータ２４にシール部材６２が一体成形されている。このため、例えば、所望の形状を有するシール部材６２を予め形成した後、このシール部材６２を第２金属セパレータ２４に接合させる構成のように、前記シール部材６２と前記第２金属セパレータ２４とを相対的に位置決めする作業が不要になる。これにより、シール構造が一挙に簡素化するとともに、燃料電池１０の組立作業性が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、図２及び図５に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ａには、第１電解質膜・電極構造体２０ａを構成する固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に当接する第１シール部６２ａと、第２金属セパレータ２４の周縁部に当接する第２シール部６２ｂと、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８（実質的に第２金属セパレータ２４と同等）に当接する第３シール部６２ｃとが一体に成形されている。

従って、第２金属セパレータ２４では、面２４ａ側にのみシール成形処理を施せばよく、面２４ｂ側にもシール成形処理を施す場合に比べて、シール成形工程が一挙に簡単且つ経済的に遂行可能になる。

さらに、第１金属セパレータ２２には、シール成形作業が不要になる。このため、第２金属セパレータ２４にのみシール部材７４の成形作業を行えばよく、シール成形作業が経済的且つ効率的に遂行されるとともに、燃料電池１０全体の製造コストの削減が容易に図られる。

さらにまた、第１燃料ガス流路５２と入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂとは、第１シール部６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部６２ｃの三重シール構造によりシールされている。これにより、燃料ガスのシール性が良好に向上し、この燃料ガスの漏れを可及的に阻止することができるという利点がある。なお、単位セル１２ｂでも上記の単位セル１２ａと同様の効果が得られる。

また、第２金属セパレータ２４に設けられている第１シール部６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部６２ｃは、Ｒ形状の先端が平面部である固体高分子電解質膜３０ａの周縁部、第１金属セパレータ２２の面２２ａ及び第４金属セパレータ２８の面２８ｂに接触している。このため、シール部位における線圧の低下やリーク発生及びセパレータ変形が惹起することを確実に阻止することができる。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の一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。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池８０は、単位セル８２ａ、８２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル８２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａを第１金属セパレータ８３及び第２金属セパレータ８４で挟持する一方、単位セル８２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ８６及び第４金属セパレータ８８で挟持する。

第１金属セパレータ８３は、第２金属セパレータ８４よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、前記第２金属セパレータ８４には、シール部材９０が一体成形される。このシール部材９０は、外方に向かって、順次、形成される冷却媒体シール用の内側シール部９０ａと、燃料ガスシール用の中間シール部９０ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部９０ｃとを有する。

第３金属セパレータ８６は、第４金属セパレータ８８よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、前記第４金属セパレータ８８には、シール部材９２が一体成形される。このシール部材９２は、外方に向かって、順次、形成される冷却媒体シール用の内側シール部９２ａと、燃料ガスシール用の中間シール部９２ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部９２ｃとを有する。

この第４金属セパレータ８８は、実質的に第２金属セパレータ８４を１８０°反転させて使用する一方、第３金属セパレータ８６は、実質的に第１金属セパレータ８３を１８０°反転させて使用している。

内側シール部９０ａ、９２ａは、それぞれ第３金属セパレータ８６及び第１金属セパレータ８３の周縁部に当接し、中間シール部９０ｂ、９２ｂは、それぞれ第２電解質膜・電極構造体２０ｂの固体高分子電解質膜３０ｂの周縁部、及び第１電解質膜・電極構造体２０ａの固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に当接し、外側シール部９０ｃ、９２ｃは、互いに隣接する第４金属セパレータ８８及び第２金属セパレータ８４の周縁部に当接する。

このように構成される第２の実施形態では、第１金属セパレータ８３及び第３金属セパレータ８６にシール部材の成形作業が不要になり、シール成形工程が一挙に簡単且つ経済的に遂行可能になるとともに、燃料電池８０全体の製造コストの削減が容易に図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の断面説明図である。

燃料電池１００は、複数の単位セル１０２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１０２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１０４を第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１０８で挟持する（図１６及び図１７参照）。電解質膜・電極構造体１０４は、固体高分子電解質膜３０とカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０、カソード側電極３２及びアノード側電極３４は、同一の外形寸法（表面積）に設定される。

第１金属セパレータ１０６は、第２金属セパレータ１０８よりも小さな外形寸法に設定されており、この第１金属セパレータ１０６は、実質的に第１の実施形態の第１金属セパレータ２２と同様に構成される。

第２金属セパレータ１０８は、シール部材１１０を一体成形する。このシール部材１１０は、図１６及び図１８に示すように、面２４ａに第１燃料ガス流路５２を周回して形成される内側シール部１１０ａ及び外側シール部１１０ｂを有する。

内側シール部１１０ａは、電解質膜・電極構造体１０４の周縁部に接触し、外側シール部１１０ｂは、隣り合う単位セル１０２を構成する第２金属セパレータ１０８に接触する（図１６参照）。

このように構成される第３の実施形態では、第１の実施形態の、所謂、段差ＭＥＡを構成する第１電解質膜・電極構造体２０ａ及び第２電解質膜・電極構造体２０ｂに代えて、所謂、全面電極型の電解質膜・電極構造体１０４を用いており、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０の断面説明図である。

燃料電池１２０は、複数の単位セル１２２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１２２は、電解質膜・電極構造体１０４と第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１２６とを備える。第１金属セパレータ１０６は、第２金属セパレータ１２６よりも小さな外形寸法に設定される。

図２０に示すように、第２金属セパレータ１２６には、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体入口連通孔４８ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体出口連通孔４８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ａ方向に貫通して設けられる。

図２１に示すように、第２金属セパレータ１２６の面２４ａには、燃料ガス流路５２を周回して第１シール部材１３８が一体成形される。第１シール部材１３８は、内側シール部１３８ａ及び外側シール部１３８ｂを有し、前記内側シール部１３８ａは、電解質膜・電極構造体１０４の周縁部に当接する。外側シール部１３８ｂは、隣り合う単位セル１２２を構成する第２金属セパレータ１２６に設けられた第２シール部材１４６（後述する）に接触する（図１９参照）。

図１９及び図２０に示すように、第２金属セパレータ１２６の面２４ｂには、冷却媒体流路５４を周回して第２シール部材１４６が一体成形される。第２シール部材１４６は、シール部１４６ａを有し、前記シール部１４６ａは、内側シール部１３８ａと共に電解質膜・電極構造体１０４及び第１金属セパレータ１０６の周縁部を挟持する。

このように構成される燃料電池１２０では、上記の第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図２２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１５０の断面説明図である。

燃料電池１５０は、第４の実施形態に係る燃料電池１２０に対して冷却媒体流路５４を複数、例えば、２つの電解質膜・電極構造体１０４毎に形成する、所謂、間引き冷却構造を採用する。

この燃料電池１５０は、第１金属セパレータ１０６、電解質膜・電極構造体１０４、第２金属セパレータ１５２、電解質膜・電極構造体１０４、第２金属セパレータ１２６、第１金属セパレータ１０６、電解質膜・電極構造体１０４、第２金属セパレータ１５２、電解質膜・電極構造体１０４及び第２金属セパレータ１２６を矢印Ａ方向に積層して構成される。

第２金属セパレータ１５２は、一方の面側に、すなわち、電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第１金属セパレータ１０６に対向する面側に、燃料ガス流路５２が形成される一方、他の電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第２金属セパレータ１２６に対向する面側に、酸化剤ガス流路４０が形成される。

これにより、第５の実施形態では、冷却媒体流路５４が有効に削減（半減）される。このため、燃料電池１５０全体として、積層方向の寸法が一挙に短尺化されるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 第４金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第４金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池内での酸化剤ガスの流れ説明図である。 前記燃料電池内での前記酸化剤ガスの別の流れ説明図である。 前記燃料電池内での燃料ガスの流れ説明図である。 前記燃料電池内での前記燃料ガスの別の流れ説明図である。 前記燃料電池内での冷却媒体の流れ説明図である。 前記燃料電池内での前記冷却媒体の別の流れ説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、８０、１００、１２０、１５０…燃料電池
１２ａ、１２ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０２、１２２…単位セル
１４…積層体
２０ａ、２０ｂ、１０４…電解質膜・電極構造体
２２、２４、２６、２８、８３、８４、８６、８８、１０６、１０８、１２６、１５２…金属セパレータ
３０、３０ａ、３０ｂ…固体高分子電解質膜
３２、３２ａ、３２ｂ…カソード側電極 ３４、３４ａ、３４ｂ…アノード側電極
４０、６４…酸化剤ガス流路 ４４、５４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４８ａ…冷却媒体入口連通孔 ４８ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔 ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２、６６…燃料ガス流路
５８ａ、６０ａ、７０ａ、７２ａ…入口孔部
５８ｂ、６０ｂ、７０ｂ、７２ｂ…出口孔部
６２、７４、９０、９２、１１０、１３８、１４６…シール部材
６２ａ〜６２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、９０ａ〜９０ｃ、９２ａ〜９２ｃ、１１０ａ、１１０ｂ、１３８ａ、１３８ｂ、１４６ａ…シール部

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１金属セパレータ及び第２金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
   前記第２金属セパレータは、前記第１金属セパレータより大きな外形寸法を有するとともに、
   前記第１金属セパレータは、全面にわたって金属面が露呈し、且つ、前記第２金属セパレータにのみシール部材が一体成形され、
   前記シール部材は、前記第２金属セパレータの前記電極に向かう一方の面に設けられ、前記電解質・電極構造体の周縁部に当接する内側シール部と、
   隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する外側シール部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記シール部材は、前記第２金属セパレータの前記電極に向かう面とは反対の他方の面に設けられ、隣接する前記第１金属セパレータに当接し且つ前記内側シール部と積層方向に重なり合うシール部を有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記一対の電極は、第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とにより構成され、
   前記第１金属セパレータは、前記第１電極に向かって配置され、
   前記第２金属セパレータは、前記第１金属セパレータよりも大きな外形寸法を有し、前記第２電極に向かって配置されるとともに、
   前記シール部材は、前記第２金属セパレータの一方の面に設けられ、前記電解質・電極構造体の周縁部で前記電解質に当接する第１シール部と、
   前記第１金属セパレータの周縁部に当接する第２シール部と、
   隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する第３シール部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記第１シール部は、燃料ガスシール用内側シール部を構成し、前記第２シール部は、酸化剤ガスシール用中間シール部を構成し、前記第３シール部は、冷却媒体シール用外側シール部を構成することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１記載の燃料電池において、前記一対の電極は、第１電極と該第１電極よりも小さな表面積を有する第２電極とにより構成され、
   前記第１金属セパレータは、前記第２電極に向かって配置され、
   前記第２金属セパレータは、前記第１金属セパレータよりも大きな外形寸法を有し、前記第１電極に向かって配置されるとともに、
   前記シール部材は、前記第２金属セパレータの一方の面に設けられ、隣接する前記第１金属セパレータの周縁部に当接する第１シール部と、
   前記第１金属セパレータを挟んで積層される前記電解質・電極構造体の周縁部で前記電解質に当接する第２シール部と、
   隣り合う第２金属セパレータの周縁部に当接する第３シール部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記第１シール部は、冷却媒体シール用内側シール部を構成し、前記第２シール部は、燃料ガスシール用中間シール部を構成し、前記第３シール部は、酸化剤ガスシール用外側シール部を構成することを特徴とする燃料電池。

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