JP2007200700A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータに設けられるシール部材の構造を有効に簡素化し、簡単且つ経済的な構成で、所望のシール性を確保するとともに、作業性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータユニット１４とが交互に積層される。セパレータユニット１４は、第１及び第２セパレータ１６、１８を備えるとともに、前記第１及び第２セパレータ１６、１８は、シール部材６２により一体に接合される。第１及び第２セパレータ１６、１８は、互いに重なり合う面に冷却媒体流路５４が形成されるとともに、前記冷却媒体流路５４をシールするためのシール部材が不要になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側にカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質・電極接合体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第１セパレータと、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第２セパレータとが積層される燃料電池及びその製造方法に関する。

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電解質膜の両側に、それぞれカソード側電極及びアノード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路とが設けられるとともに、前記セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。

さらに、燃料電池には、セパレータの積層方向に貫通して、酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔と、燃料ガス流路に連通する燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔と、冷却媒体流路に連通する冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とが形成されている。

この場合、燃料電池内には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を独立して流す必要があり、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１８に示すように、単位電池１がセパレータ２に挟持されている。単位電池１は、固体高分子電解質膜１ａを正極及び負極を構成する一対の電極１ｂにより挟持して構成されている。セパレータ２は、金属製プレートをプレス成形して構成されるとともに、多数の凹凸からなる膨出成形部２ａによって、単位電池１の正極に対向する正極室３ａと、前記単位電池１の負極に対向する負極室３ｂとが形成されている。

セパレータ２の外周縁部には、ゴム材料を基材とする外枠部４が成形されている。外枠部４には、燃料ガス入口孔５が厚さ方向に貫通して形成されるとともに、図示しない燃料ガス出口孔５が、同様に厚さ方向に貫通して形成されている。燃料ガス入口孔５は、複数の連通路６を介して負極室３ｂに連通している。外枠部４には、燃料ガス入口孔５の周りにシール突起７が一体成形されており、シール性を高める工夫がされている。

特開平１０−７４５３０号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ２の両面に正極用シール構造と負極用シール構造とを有する外枠部４を形成しなければならない。このため、外枠部４の成形には、複数の成形工程が必要となり、前記外枠部４の成形作業が煩雑化している。特に、車載用燃料電池では、多数の単位電池１とセパレータ２とが積層されており、燃料電池全体の製造コストが相当に高騰するとともに、効率的な製造作業が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータに設けられるシール部材の構造を有効に簡素化し、簡単且つ経済的な構成で、所望のシール性を確保するとともに、作業性の向上を図ることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側にカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質・電極接合体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第１セパレータと、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第２セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

そして、互いに積層される第１及び第２セパレータは、シール部材により一体に接合されてセパレータユニットを構成するとともに、前記第１及び第２セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されている。

また、セパレータユニットには、積層方向に貫通して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス連通孔と、燃料ガスを流すための燃料ガス連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体連通孔とが形成されることが好ましい。

さらに、第１及び第２セパレータは、波板形状を有し、酸化剤ガス流路を構成する第１凹凸部と燃料ガス流路を構成する第２凹凸部とは、同一のピッチで且つ積層方向の高さが異なって設定されるとともに、前記セパレータユニット内では、前記第１及び第２凹凸部の同一方向に突出する凸部同士が積層方向に重なり合って冷却媒体流路が構成されることが好ましい。

さらにまた、酸化剤ガス流路を構成する第１凹凸部は、燃料ガス流路を構成する第２凹凸部よりも積層方向の高さが大きく設定されることが好ましい。

また、セパレータユニットは、酸化剤ガス連通孔、燃料ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が面内中心部に対して点対称形状に設けられるとともに、電解質・電極接合体を挟んで隣接する前記セパレータユニット同士は、前記面内中心部回りに相対的に１８０゜反転して配置されることにより、一方のセパレータユニットの酸化剤ガス流路を構成する凸部と、他方のセパレータユニットの燃料ガス流路を構成する凸部とで、前記電解質・電極接合体を挟持することが好ましい。

さらに、セパレータユニットに設けられるシール部材は、電解質・電極接合体の側面に接するシールラインを有するとともに、第１及び第２セパレータは、前記シールラインよりも大きな外形寸法に設定されることが好ましい。

さらにまた、アノード側電極とカソード側電極とは、異なる表面積を有するとともに、シール部材は、電解質・電極接合体の周囲を覆って隣接する他のシール部材に接触する外側シールラインと、電解質の外周縁部に接触する内側シールラインとを有し、前記第１及び第２セパレータは、前記内側シールラインよりも大きな寸法に設定されることが好ましい。

また、セパレータユニットは、第１セパレータと第２セパレータとが異なる外形寸法に設定されることが好ましい。さらに、第１セパレータは、第２セパレータよりも大きな外形寸法に設定されることが好ましい。

さらにまた、本発明は、電解質の両側にカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質・電極接合体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第１セパレータと、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第２セパレータとが積層される燃料電池の製造方法に関するものである。

そして、第１セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路を形成し、第２セパレータの一方の面に燃料ガス流路を形成するとともに、少なくとも前記第１セパレータの他方の面又は前記第２セパレータの他方の面に冷却媒体流路を形成し、さらに、前記第１及び第２セパレータの前記他方の面同士を互いに積層させた状態で、前記第１及び第２セパレータをシール部材により一体に接合してセパレータユニットを構成している。

本発明によれば、互いに積層される第１及び第２セパレータが、シール部材により一体に接合されてセパレータユニットを構成するため、前記第１及び第２セパレータ間には、冷却媒体用のシール構造が不要になる。従って、第１及び第２セパレータに施されるシール成形工程が一挙に簡素化され、シール構造全体を経済的且つ効率的に得ることができる。

しかも、第１及び第２セパレータがシール部材により一体に接合されてセパレータユニットが構成されるため、前記セパレータユニット単位で取り扱うことが可能になる。これにより、第１及び第２セパレータを個別に扱う場合に比べ、取り扱い作業性が良好に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部拡大断面図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１２とセパレータユニット１４とが交互に積層（スタック）されて構成される。セパレータユニット１４は、第１セパレータ（カソードセパレータ）１６と第２セパレータ（アノードセパレータ）１８とを、後述するシール部材６２により一体に接合して構成される。第１及び第２セパレータ１６、１８は、カーボン部材で構成される。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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供給連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、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排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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供給連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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）２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。固体高分子電解質膜２６は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０よりも大きな表面積に設定される。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。

図１に示すように、第１セパレータ１６のカソード側電極２８に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられる。この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに連通する入口側バッファ部３４ａと、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに連通する出口側バッファ部３４ｂとを有する。入口側バッファ部３４ａと出口側バッファ部３４ｂとの間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３６が設けられる。

面１６ａには、第１シールライン４０が設けられる。この第１シールライン４０は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路３２に連通する一方、冷却媒体供給連通孔２２ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを前記酸化剤ガス流路３２から遮蔽する。

酸化剤ガス供給連通孔２０ａの近傍及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂの近傍には、それぞれ第１シールライン４０を構成する複数のガイド部４２ａ、４２ｂが設けられる。各ガイド部４２ａ、４２ｂは、互いに矢印Ｃ方向に離間しており、これらの間に連結路が形成される。図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂは、平坦面を構成するとともに、この面１６ｂには、シール構造が不要である。

図４に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極３０に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。燃料ガス流路４４は、燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する入口側バッファ部４６ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する出口側バッファ部４６ｂとを有する。入口側バッファ部４６ａと出口側バッファ部４６ｂとの間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝４８が設けられる。

面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを燃料ガス流路４４に連通する第２シールライン５０が設けられる。この第２シールライン５０は、連結路を構成するガイド部５２ａ、５２ｂを含む。

第２セパレータ１８の面１８ｂは、第１セパレータ１６の面１６ｂに接している（図２参照）。この面１８ｂには、図５に示すように、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとを連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、冷却媒体供給連通孔２２ａに連結路５６ａを介して連通する入口側バッファ部５８ａと、冷却媒体排出連通孔２２ｂに連結路５６ｂを介して連通する出口側バッファ部５８ｂとを有する。入口側バッファ部５８ａと出口側バッファ部５８ｂとの間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝６０が設けられる。

図２に示すように、第１及び第２セパレータ１６、１８は、それぞれの面１６ｂ、１８ｂを重ね合わせた状態で、シール部材６２により一体に接合される。シール部材６２は、第１セパレータ１６の面１６ａの外周縁部を覆い且つ第１シールライン４０を有するとともに、第２セパレータ１８の面１８ａの外周縁部を覆い且つ第２シールライン５０を有する。

第１及び第２シールライン４０、５０は、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合う位置に設定されるとともに、前記第１及び第２セパレータ１６、１８は、前記第１及び第２シールライン４０、５０よりも大きな外形寸法に設定される。

次いで、上記の燃料電池１０を製造する際には、先ず、第１及び第２セパレータ１６、１８に流路形成加工が施される。図６に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する入口側バッファ部３４ａ、出口側バッファ部３４ｂ及び複数の流路溝３６が形成される。この第１セパレータ１６の面１６ｂは、平坦状に構成される（図３参照）。

一方、図７に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス流路４４を構成する入口側バッファ部４６ａ、出口側バッファ部４６ｂ及び複数の流路溝４８が形成される。この第２セパレータ基板７２の面１８ｂには、図５に示すように、冷却媒体流路５４を構成する連結路５６ａ、５６ｂ、入口側バッファ部５８ａ、出口側バッファ部５８ｂ及び複数の流路溝６０が形成される。

そこで、第１及び第２セパレータ１６、１８は、それぞれの面１６ｂ、１８ｂを重ね合わせた状態で、図示しないシール成形装置に装填される。この図示しなシール成形装置内では、第１及び第２セパレータ１６、１８の面１６ａ、１８ａの外周端縁部を覆ってシール部材６２が一体成形される。このシール部材６２は、面１６ａに第１シールライン４０を有するとともに、面１８ａに第２シールライン５０を有する。

これにより、第１及び第２セパレータ１６、１８がシール部材６２により一体に接合されたセパレータユニット１４が製造される。このセパレータユニット１４は、電解質膜・電極構造体１２と交互に積層されるとともに、図示しない締め付け構造により積層方向に締め付け荷重が付与されることによって、スタック化された燃料電池１０が製造される。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａからガイド部４２ａ間を通って第１セパレータ１６の入口側バッファ部３４ａに導入される。酸化剤ガスは、入口側バッファ部３４ａから酸化剤ガス流路３２を構成する流路溝３６に分流して矢印Ｂ方向に沿って移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給される。酸化剤ガスは、流路溝３６から出口側バッファ部３４ｂに導入された後、ガイド部４２ｂ間を通って酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。

一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔２４ａからガイド部５２ａを通って入口側バッファ部４６ａに供給される。これにより、燃料ガスは、入口側バッファ部４６ａから燃料ガス流路４４を構成する流路溝４８に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３０に供給される。燃料ガスは、出口側バッファ部４６ｂからガイド部５２ｂを通って燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスとアノード側電極３０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。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１６、１８間に形成される冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体は、図５に示すように、連結路５６ａから入口側バッファ部５８ａに導入された後、流路溝６０に沿って矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。冷却媒体は、さらに、出口側バッファ部５８ｂから連結路５６ｂを通って冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８とは、互いの面１６ｂ、１８ｂを重ね合わせた状態で、シール部材６２により一体に接合されてセパレータユニット１４を構成している。このため、第１及び第２セパレータ１６、１８間には、冷却媒体用のシール構造が不要になり、前記第１及び第２セパレータ１６、１８に施されるシール成形工程は、１度（あるいは２度）に削減される。

これにより、シール成形工程が一挙に簡素化され、シール構造全体を経済的且つ容易に構成することができるとともに、積層方向の厚さを薄肉化することが可能になる。

特に、多数の電解質膜・電極構造体１２とセパレータユニット１４とを積層する多層スタックでは、シール構造全体のコストが大幅に削減される。しかも、燃料電池１０全体の積層方向の寸法が大幅に削減されるため、スタック全体の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。

さらに、第１及び第２セパレータ１６、１８は、セパレータユニット１４として一体に取り扱うことができる。従って、燃料電池１０の組み立て時に、セパレータ点数を半減させることができ、前記燃料電池１０の組立工数が良好に削減されて、効率的な組み立て作業が遂行可能となる利点がある。

さらにまた、シール部材６２に設けられる第１及び第２シールライン４０、５０は、積層方向に対して第１及び第２セパレータ１６、１８の外周端縁部に設定されている。このため、燃料電池１０に積層方向に締め付け荷重が付与される際に、シール部材６２と第１及び第２セパレータ１６、１８との接着界面にシール荷重を付与することができ、前記接着界面の接着不良による燃料ガスと酸化剤ガスとの相互漏れ等を良好に阻止することが可能になる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の分解斜視説明図である。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及び第４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、電解質膜・電極構造体１２とセパレータユニット８２とを交互に積層している。セパレータユニット８２は、図９に示すように、第１セパレータ８４と第２セパレータ８６とをシール部材８８により一体に接合して構成される。第１及び第２セパレータ８４、８６は、波形状に成形された金属薄板である。

第１セパレータ８４のカソード側電極２８に向かう面８４ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する第１凹凸部９０が設けられる。この第１凹凸部９０は、面８４ａ側に突出する第１凸部９２ａと、この面８４ａとは反対の面８４ｂ側に突出する第１凹部９２ｂとを交互に有する。

図８に示すように、入口側バッファ部３４ａ及び出口側バッファ部３４ｂは、同様に面８４ａ側に突出する第１突起９４ａと、面８４ｂ側に突出する第１窪み９４ｂとを有する。

図９及び図１０に示すように、第２セパレータ８６のアノード側電極３０に向かう面８６ａには、燃料ガス流路４４を構成する第２凹凸部９６が設けられる。第２凹凸部９６は、面８６ａ側に突出する第２凸部９８ａと、面８６ｂ側に突出する第２凹部９８ｂとを交互に設けている。

入口側バッファ部４６ａ及び出口側バッファ部４６ｂは、面８６ａ側に突出する第２突起１００ａと、面８６ｂ側に突出する第２窪み１００ｂとを有する（図１０参照）。

セパレータユニット８２は、第１セパレータ８４の第１凹部９２ｂと第２セパレータ８６の第２凹部９８ｂとが重ね合わされた状態で、前記第１及び第２セパレータ８４、８６がシール部材８８により一体に接合されて構成される。第１及び第２セパレータ８４、８６間には、第１及び第２凹部９２ｂ、９８ｂを介して複数の流路溝に分割された冷却媒体流路５４が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様に、予め、第１凹凸部９０が形成された第１セパレータ８４と、第２凹凸部９６が形成された第２セパレータ８６とが用意される。次いで、第１及び第２セパレータ８４、８６は、互いの面８４ｂ、８６ｂを重ね合わせて配置された状態で、シール部材８８が、例えば、単一のシール成形工程により面８４ａ、８４ｂの外周縁部を覆って成形される。これにより、第１及び第２セパレータ８４、８６が一体に接合されたセパレータユニット８２が製造される。

このように、第２の実施形態では、第１及び第２セパレータ８４、８６の冷却面側にシール構造が不要になる。従って、シール成形工程が一挙に簡素化されて、シール構造全体を経済的且つ容易に構成することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０の分解斜視説明図であり、図１２は、前記燃料電池１１０の一部拡大断面図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池８０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。

燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体１１２とセパレータユニット１１４とを交互に積層している。電解質膜・電極構造体１１２は、固体高分子電解質膜２６ａをカソード側電極２８ａ及びアノード側電極３０ａにより挟持する。固体高分子電解質膜２６ａとカソード側電極２８ａとは、同一の外形寸法に設定されるとともに、アノード側電極３０ａよりも大きな外形寸法に設定される。

セパレータユニット１１４は、第１セパレータ１１６と第２セパレータ１１８とをシール部材１２０により一体に接合して構成される。

図１２及び図１３に示すように、第１及び第２セパレータ１１６、１１８は、金属薄板を波形状に成形して構成されており、前記第２セパレータ１１８は、前記第１セパレータ１１６よりも大きな外形寸法に設定される。

シール部材１２０は、第１セパレータ１１６側に平坦シール１２２を有する（図１１参照）。シール部材１２０は、図１２及び図１４に示すように、第２セパレータ１１８側に外側シールライン１２４ａと内側シールライン１２４ｂとを有する。

外側シールライン１２４ａは、電解質膜・電極構造体１１２の周囲を覆って隣接する他のシール部材１２０の平坦シール１２２に接触する一方、内側シールライン１２４ｂは、前記電解質膜・電極構造体１１２の固体高分子電解質膜２６ａの外周縁部に接触する。第１及び第２セパレータ１１６、１１８は、内側シールライン１２４ｂよりも大きな外形寸法に設定される（図１２参照）。

このように構成される第３の実施形態では、第１及び第２セパレータ１１６、１１８の外形寸法が、少なくとも内側シールライン１２４ｂよりも大きく設定されている。このため、シール部材１２０と第１及び第２セパレータ１１６、１１８との接着界面にシール荷重を付与することができる等、上記の第１及び第２実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、セパレータユニット１１４では、第１セパレータ１１６が、第２セパレータ１１８よりも小さな寸法に設定されている。これにより、セパレータユニット１１４の組み立て作業時に、このセパレータユニット１１４が必要な剛性を確保するとともに、前記セパレータユニット１１４全体の軽量化が容易に図られる。

しかも、アノードセパレータである第２セパレータ１１８は、カソードセパレータである第１セパレータ１１６よりも大きな外形寸法に設定されている。従って、図１２に示すように、第２セパレータ１１８とシール部材１２０との接着界面に対し、内側シールライン１２４ｂと外側シールライン１２４ａとから２つのシール荷重を付与することができる。このため、燃料ガスと冷却媒体との相互漏れを一層確実に阻止することができるという効果が得られる。その上、第１及び第２セパレータ１１６、１１８とシール部材１２０との接着界面が有効に長尺化し、燃料ガスと酸化剤ガスとの相互漏れを良好に阻止することが可能になる。

図１５は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１３０の分解斜視説明図であり、図１６は、前記燃料電池１３０の一部拡大断面説明図である。なお、第２及び第３の実施形態に係る燃料電池８０、１１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１３０は、第１及び第２セパレータユニット１３２ａ、１３２ｂ間に電解質膜・電極構造体１１２を挟持している。第１及び第２セパレータユニット１３２ａ、１３２ｂは、同一に構成されており、具体的には、前記第１セパレータユニット１３２ａを面内中心部周りに１８０°反転して配置することにより前記第２セパレータユニット１３２ｂが構成される。

第１セパレータユニット１３２ａは、第１セパレータ１３４と第２セパレータ１３６とをシール部材１３８により一体に接合するとともに、前記第１及び第２セパレータ１３４、１３６は、金属薄板を波形状に成形して構成される。

第１セパレータ１３４には、酸化剤ガス流路３２を構成する第１凹凸部９０ａが設けられる。第１凹凸部９０ａは、カソード側電極２８ａ側に突出する第１凸部１４０ａと、このカソード側電極２８ａから離間する方向に突出する第１凹部１４０ｂとを交互に設けている。

図１６及び図１７に示すように、第２セパレータ１３６のアノード側電極３０ａに向かう面には、燃料ガス流路４４を構成する第２凹凸部９６ａが設けられる。第２凹凸部９６ａは、アノード側電極３０ａに向かって突出する第２凸部１４２ａと、前記アノード側電極３０ａから離間する方向に突出する第２凹部１４２ｂとを交互に設けている。

図１６に示すように、第１凹凸部９０ａは、第２凹凸部９６ａよりも高さ（矢印Ａ方向の寸法）が大きく設定されるとともに、それぞれ同一のピッチで形成される。第１及び第２凹凸部９０ａ、９６ａでは、同一方向に突出する凸部同士、すなわち、第１凸部１４０ａと第２凹部１４２ｂ同士、及び第１凹部１４０ｂと第２凸部１４２ａ同士が積層方向に重なり合って冷却媒体流路５４が構成される。

第１セパレータユニット１３２ａの酸化剤ガス流路３２を構成する第１凸部１４０ａと、第２セパレータユニット１３２ｂの燃料ガス流路４４を構成する第２凸部１４２ａとは、積層方向に互いに同一位置に配置されている。第１及び第２凸部１４０ａ、１４２ａは、電解質膜・電極構造体１１２を挟持する。

このように構成される第４の実施形態では、第１及び第２セパレータユニット１３２ａ、１３２ｂに設けられる第１及び第２凹凸部９０ａ、９６ａは、同一方向に突出する凸部同士が積層方向に重なり合って冷却媒体流路５４を構成している。このため、第１及び第２凹凸部９０ａ、９６ａは、例えば、第１及び第２凸部１４０ａ、１４２ａが積層方向に重なり合うものに比べて、積層方向の寸法を大幅に短尺化することができる。

その際、高さの大きな第１凹凸部９０ａに酸化剤ガス流路３２が形成されることにより、特に流量の多い前記酸化剤ガス流路３２の高さを確保しながら、燃料電池１３０全体の積層方向の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。

しかも、第１及び第２セパレータユニット１３２ａ、１３２ｂは、同一の構成を有し、実質的に、前記第１セパレータユニット１３２ａを面内中心部周りに相対的に１８０°反転して配置するだけで、前記第２セパレータユニット１３２ｂが得られる。これにより、単一のセパレータユニットを用いるだけよく、燃料電池１３０全体の製造作業を効率的且つ経済的に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２セパレータの他方の面の説明図である。 前記第１セパレータのシール成形前の説明図である。 前記第２セパレータのシール成形前の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面図である。 前記燃料電池を構成するセパレータユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２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分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部拡大断面図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 特許文献１に開示される燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、８０、１１０、１３０…燃料電池 １２、１１２…電解質膜・電極構造体
１４、８２、１１４、１３２ａ、１３２ｂ…セパレータユニット
１６、１８、８４、８６、１１６、１１８、１３４、１３６…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔 ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔 ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６、２６ａ…固体高分子電解質膜 ２８、２８ａ…カソード側電極
３０、３０ａ…アノード側電極 ３２…酸化剤ガス流路
４０、５０…シールライン ４４…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路
６２、８８、１２０、１３８…シール部材
９０、９０ａ、９６、９６ａ…凹凸部
９２ａ、９８ａ、１４０ａ、１４２ａ…凸部
９２ｂ、９８ｂ、１４０ｂ、１４２ｂ…凹部
１２２…平坦シール １２４ａ…外側シールライン
１２４ｂ…内側シールライン

Claims (10)

1. 電解質の両側にカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質・電極接合体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第１セパレータと、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第２セパレータとが積層される燃料電池であって、
   互いに積層される前記第１及び第２セパレータは、シール部材により一体に接合されてセパレータユニットを構成するとともに、
   前記第１及び第２セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され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、前記セパレータユニットには、積層方向に貫通して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス連通孔と、
   前記燃料ガスを流すための燃料ガス連通孔と、
   前記冷却媒体を流すための冷却媒体連通孔と、
   が形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第１及び第２セパレータは、波板形状を有し、前記酸化剤ガス流路を構成する第１凹凸部と前記燃料ガス流路を構成する第２凹凸部とは、同一のピッチで且つ積層方向の高さが異なって設定されるとともに、
   前記セパレータユニット内では、前記第１及び第２凹凸部の同一方向に突出する凸部同士が前記積層方向に重なり合って前記冷却媒体流路が構成され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、前記酸化剤ガス流路を構成する前記第１凹凸部は、前記燃料ガス流路を構成する前記第２凹凸部よりも前記積層方向の高さが大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項３記載の燃料電池において、前記セパレータユニットは、前記酸化剤ガス連通孔、前記燃料ガス連通孔及び前記冷却媒体連通孔が面内中心部に対して点対称形状に設けられるとともに、
   前記電解質・電極接合体を挟んで隣接する前記セパレータユニット同士は、前記面内中心部回りに相対的に１８０゜反転して配置されることにより、一方のセパレータユニットの前記酸化剤ガス流路を構成する凸部と、他方のセパレータユニットの前記燃料ガス流路を構成する凸部とで、前記電解質・電極接合体を挟持することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータユニットに設けられる前記シール部材は、前記電解質・電極接合体の側面に接するシールラインを有するとともに、
   前記第１及び第２セパレータは、前記シールラインよりも大きな外形寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記カソード側電極と前記アノード側電極とは、異なる表面積を有するとともに、
   前記シール部材は、前記電解質・電極接合体の周囲を覆って隣接する他のシール部材に接触する外側シールラインと、
   前記電解質の外周縁部に接触する内側シールラインと、
   を有し、
   前記第１及び第２セパレータは、前記内側シールラインよりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７記載の燃料電池において、前記セパレータユニットは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとが異なる外形寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記第２セパレータは、前記第１セパレータよりも大きな外形寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
10. 電解質の両側にカソード側電極及びアノード側電極を設ける電解質・電極接合体と、前記カソード側電極との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第１セパレータと、前記アノード側電極との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第２セパレータとが積層される燃料電池の製造方法であって、
    前記第１セパレータの一方の面に前記酸化剤ガス流路を形成し、前記第２セパレータの一方の面に前記燃料ガス流路を形成するとともに、少なくとも前記第１セパレータの他方の面又は前記第２セパレータの他方の面に冷却媒体流路を形成する工程と、
    前記第１及び第２セパレータの前記他方の面同士を互いに積層させた状態で、前記第１及び第２セパレータをシール部材により一体に接合してセパレータユニットを構成する工程と、
    前記セパレータユニットと前記電解質・電極接合体とを積層して前記燃料電池を構成する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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