図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、複数のセルユニット12を矢印A方向(水平方向)に積層して構成される。この燃料電池10は、燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
セルユニット12は、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)14、第1金属セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)18及び第2金属セパレータ20を備える。セルユニット12が積層されることにより、第1電解質膜・電極構造体14は、第2及び第1金属セパレータ20、16に挟持される一方、第2電解質膜・電極構造体18は、前記第1及び第2金属セパレータ16、20に挟持される。
第1電解質膜・電極構造体14と第2電解質膜・電極構造体18とは、それぞれ、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)22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するカソード側電極24及びアノード側電極26とを備える(図2参照)。
固体高分子電解質膜22は、カソード側電極24及びアノード側電極26と同一の表面積に設定される。なお、固体高分子電解質膜22の外周部が、カソード側電極24及びアノード側電極26よりも突出してもよく、また、前記カソード側電極24と前記アノード側電極26との表面積が、互いに異なっていてもよい。
第1電解質膜・電極構造体14では、固体高分子電解質膜22、カソード側電極24及びアノード側電極26の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される額縁部(樹脂枠部材)28aが、例えば、射出成形により一体成形される。第2電解質膜・電極構造体18では、同様に固体高分子電解質膜22、カソード側電極24及びアノード側電極26の外周端縁部には、高分子材料で形成される額縁部(樹脂枠部材)28bが、例えば、射出成形により一体成形される。高分子材料としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
額縁部28a、28bは、図1に示すように、矢印C方向に長尺な略長方形状を有するとともに、各長辺の中央部には、内方に切り欠くことにより、それぞれ一対の凹部29a、29bが形成される。
カソード側電極24及びアノード側電極26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)とを有する。
図1に示すように、額縁部28a、28bの矢印C方向(鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)には、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30a及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔32aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
額縁部28a、28bの矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔32b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30bが、矢印B方向に配列して設けられる。
額縁部28a、28bの矢印B方向の両端縁部上方には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔34aが設けられるとともに、前記額縁部28a、28bの矢印B方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。
各冷却媒体入口連通孔34a、34aは、酸化剤ガス入口連通孔30a及び燃料ガス入口連通孔32aに近接し、且つ、それぞれ矢印B方向両端の各辺(他方の2辺)に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔34b、34bは、酸化剤ガス出口連通孔30b及び燃料ガス出口連通孔32bにそれぞれ近接し、且つ、それぞれ矢印B方向両側の各辺に振り分けられる。なお、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとは、上下逆にして、すなわち、前記冷却媒体入口連通孔34aを酸化剤ガス出口連通孔30b及び燃料ガス出口連通孔32bに近接して設けてもよい。
第1及び第2電解質膜・電極構造体14、18では、互いに対向する一方の2辺にある上下両短辺に、酸化剤ガス入口連通孔30a及び燃料ガス入口連通孔32aと、酸化剤ガス出口連通孔30b、燃料ガス出口連通孔32bとが設けられる一方、互いに対向する他方の2辺である左右両長辺には、一対の冷却媒体入口連通孔34a及び一対の冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。
図3に示すように、額縁部28aには、第1電解質膜・電極構造体14のカソード面(カソード側電極24が設けられる面)14a側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔30aの下側近傍に位置して複数の入口溝部36aが設けられる。額縁部28aのカソード面14a側の幅方向(矢印B方向)両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔34aの下側近傍に複数の入口溝部38aが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔34aの上側近傍に複数の入口孔部40aが貫通形成される。
額縁部28aのカソード面14a側の下部には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上側近傍に位置して複数の出口溝部36bが設けられる。額縁部28aのカソード面14a側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの上側近傍に複数の出口溝部38bが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔34bの下側近傍に複数の出口孔部40bが貫通形成される。
図4に示すように、額縁部28aには、第1電解質膜・電極構造体14のアノード面(アノード側電極26が設けられる面)14b側の幅方向両端部上方に、各冷却媒体入口連通孔34aの上側近傍に複数の入口溝部42aが設けられる。額縁部28aのアノード面14b側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの下側近傍に複数の出口溝部42bが設けられる。
額縁部28aには、燃料ガス入口連通孔32aの下方に位置して複数の入口溝部46aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔32bの上方に位置して複数の出口溝部46bが設けられる。
額縁部28aのアノード面14b側には、外側シール部材(外側シールライン)48及び内側シール部材(内側シールライン)50が一体又は別体に成形される。外側シール部材48及び内側シール部材50には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する各シール部材は、上記の外側シール部材48及び内側シール部材50と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
外側シール部材48は、額縁部28aの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス出口連通孔32bの外周並びに反応面(発電面)外周を周回する。この外側シール部材48は、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス入口連通孔32a、冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス出口連通孔32bを囲繞する。外側シール部材48により、入口溝部42a及び入口孔部40aが、冷却媒体入口連通孔34aと一体に囲繞され、出口溝部42b及び出口孔部40bが、冷却媒体出口連通孔34bと一体に囲繞される。
内側シール部材50は、外側シール部材48の内方に位置するとともに、アノード側電極26と入口溝部46a及び出口溝部46bとを一体に囲繞する。内側シール部材50は、第1金属セパレータ16の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第1金属セパレータ16の外周端縁面全周(セパレータ面内)に接する。外側シール部材48は、第1金属セパレータ16の外周端外方(セパレータ面外)に配置される。外側シール部材48及び内側シール部材50により、全流体連通孔が周回密封される。
図3に示すように、額縁部28aのカソード面14a側には、入口孔部40aを囲繞するリング状入口シール部材52aと、出口孔部40bを囲繞するリング状出口シール部材52bとが設けられる。
図5に示すように、額縁部28bには、第2電解質膜・電極構造体18のカソード面(カソード側電極24が設けられる面)18a側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔30aの下側近傍に位置して複数の入口溝部56aが設けられる。
額縁部28bのカソード面18a側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔34aの上側近傍に複数の入口溝部58aが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔34aの下側近傍に複数の入口孔部60aが形成される。第2電解質膜・電極構造体18の入口孔部60aは、第1電解質膜・電極構造体14の入口孔部40aと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部28bのカソード面18a側の上部には、燃料ガス入口連通孔32aの下側近傍に位置して複数の入口溝部62aが設けられるとともに、前記入口溝部62aの下端部には、複数の入口孔部64aが貫通形成される。各入口孔部64aの下方には、所定の間隔だけ離間して複数の入口孔部66aが貫通形成される。
額縁部28bのカソード面18a側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの下側近傍に複数の出口溝部58bが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔34bの上側近傍に複数の出口孔部60bが形成される。第2電解質膜・電極構造体18の出口孔部60bは、第1電解質膜・電極構造体14の出口孔部40bと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部28bのカソード面18a側の下部には、燃料ガス出口連通孔32bの上側近傍に位置して複数の出口溝部62bが設けられるとともに、前記出口溝部62bの上端部には、複数の出口孔部64bが貫通形成される。各出口孔部64bの上方には、所定の間隔だけ離間して複数の出口孔部66bが貫通形成される。
図6に示すように、額縁部28bには、第2電解質膜・電極構造体18のアノード面(アノード側電極26が設けられる面)18b側の幅方向両端部上方に、各冷却媒体入口連通孔34aの下側近傍に複数の入口溝部68aが設けられる。額縁部28bには、燃料ガス入口連通孔32aの下方に位置して入口孔部64a、66aを連通する複数の入口溝部72aが設けられる。
額縁部28bのアノード面18b側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの上側近傍に複数の出口溝部68bが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔32bの上方に位置して出口孔部64b、66bを連通する複数の出口溝部72bが設けられる。
額縁部28bには、アノード面18b側に外側シール部材(外側シールライン)74及び内側シール部材(内側シールライン)76が一体又は別体に成形される。外側シール部材74は、額縁部28bの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス出口連通孔32bの外周を周回する。
外側シール部材74は、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス入口連通孔32a、冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス出口連通孔32bを囲繞する。外側シール部材74により、入口溝部68a及び入口孔部60aが、冷却媒体入口連通孔34aと一体に囲繞され、出口溝部68b及び出口孔部60bが、冷却媒体出口連通孔34bと一体に囲繞される。
内側シール部材76は、外側シール部材74の内方に位置するとともに、アノード側電極26と入口孔部64a、66a、入口溝部72a、出口孔部64b、66b及び出口溝部72bとを一体に囲繞する。内側シール部材76は、第2金属セパレータ20の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第2金属セパレータ20の外周端縁面全周に接する。外側シール部材74は、第2金属セパレータ20の外周端外方に配置される。外側シール部材74及び内側シール部材76により、全流体連通孔が周回密封される。
図5に示すように、額縁部28bのカソード面18a側には、入口孔部60a、66aを囲繞するリング状入口シール部材78a、80aと、出口孔部60b、66bを囲繞するリング状出口シール部材78b、80bとが設けられる。
第1及び第2金属セパレータ16、20は、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス出口連通孔32b(全流体連通孔)の内方に配置される寸法に設定される。
図2に示すように、第1金属セパレータ16は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)82a、82bを備え、前記金属プレート82a、82bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート82aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート82bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート82a、82b間には、冷却媒体流路88が形成される。
図7に示すように、第1金属セパレータ16は、金属プレート82aの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の波状流路溝を有した酸化剤ガス流路84を設ける。酸化剤ガス流路84の上流及び下流には、入口バッファ部85a及び出口バッファ部85bが設けられる。入口バッファ部85aの上方には、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方に位置して複数の入口溝部87aが形成される。出口バッファ部85bの下方には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上方に位置して複数の出口溝部87bが形成される。
第1金属セパレータ16は、矢印C方向に長尺な長方形状を有するとともに、短辺方向(矢印B方向)両端側には、冷却媒体入口連通孔34aの下方側に突出する一対の突起部89aと、冷却媒体出口連通孔34bの上方側に突出する一対の突起部89bとが設けられる。金属プレート82aには、突起部89aに第2電解質膜・電極構造体18の複数の入口孔部60aに連通する複数の穴部90aが形成される。金属プレート82aには、突起部89bに第2電解質膜・電極構造体18の複数の出口孔部60bに連通する複数の穴部90bが形成される。
金属プレート82aの上部には、第2電解質膜・電極構造体18の入口孔部66aに連通する複数の孔部92aが形成されるとともに、前記金属プレート82aの下部には、前記第2電解質膜・電極構造体18の出口孔部66bに連通する複数の孔部92bが形成される。孔部92a、92bは、金属プレート82bにも形成され、第1金属セパレータ16を貫通する。
図8に示すように、第1金属セパレータ16は、金属プレート82bの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の波状流路溝を有した燃料ガス流路86を設ける。燃料ガス流路86の上流及び下流には、入口バッファ部96a及び出口バッファ部96bが設けられる。入口バッファ部96aの上方には、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方に位置して複数の入口溝部98aが形成されるとともに、出口バッファ部96bの下方には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上方に位置して複数の出口溝部98bが形成される。
金属プレート82bには、突起部89aに冷却媒体入口連通孔34aの下方に位置して、複数の入口溝部100aが形成される。金属プレート82bには、各突起部89bに冷却媒体出口連通孔34bの上方に位置して複数の出口溝部100bが形成される。
図2に示すように、第2金属セパレータ20は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)102a、102bを備え、前記金属プレート102a、102bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート102aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート102bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート102a、102b間には、冷却媒体流路88が形成される。
図9に示すように、第2金属セパレータ20は、矢印C方向両端にそれぞれ矢印B方向外方に突出して一対の突起部103a、103bが形成される。金属プレート102aの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路84を設ける。酸化剤ガス流路84の上流及び下流には、入口バッファ部104a及び出口バッファ部104bが設けられる。
金属プレート102aには、各突起部103aに冷却媒体入口連通孔34aの上方に位置し、第1電解質膜・電極構造体14の複数の入口孔部40aに連通する複数の穴部106aが形成される。金属プレート102aには、各突起部103bに冷却媒体出口連通孔34bの下方に位置し、第1電解質膜・電極構造体14の複数の出口孔部40bに連通する複数の穴部106bが形成される。
図10に示すように、第2金属セパレータ20は、金属プレート102bの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路86を設ける。燃料ガス流路86の上流及び下流には、入口バッファ部110a及び出口バッファ部110bが設けられる。
金属プレート102bの各突起部103aには、冷却媒体入口連通孔34aの上側近傍に位置して複数の入口溝部112aが形成される一方、前記金属プレート102bの各突起部103bには、冷却媒体出口連通孔34bの下側近傍に位置して複数の出口溝部112bが形成される。入口溝部112a及び出口溝部112bは、それぞれ第2金属セパレータ20の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造を有する。
図11に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体18の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体14の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路が形成される。
図12に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路114が形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、燃料ガス出口連通孔32bと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路が形成される。
図13及び図14に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、冷却媒体入口連通孔34aと第2金属セパレータ20の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116aと、前記冷却媒体入口連通孔34aと第1金属セパレータ16の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、冷却媒体出口連通孔34bと冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。
冷却媒体連結流路116a、116bは、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成される。
図13に示すように、冷却媒体連結流路116aは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部42a、58aと、額縁部28aに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)40aと、第2金属セパレータ20を構成する金属プレート102aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)106aとを有する。入口溝部42aと入口溝部58aとは、端部同士が連通する。
図14に示すように、冷却媒体連結流路116bは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部68a、38aと、額縁部28bに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)60aと、第1金属セパレータ16を構成する金属プレート82aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)90aとを有する。入口溝部68aと入口溝部38aとは、端部同士が連通する。
額縁部28aの入口孔部40a及び穴部106aと、額縁部28bの入口孔部60a及び穴部90aとは、積層方向に対して互いに重なり合わない位置に設定される。
図1、図2、図5及び図6に示すように、第2電解質膜・電極構造体18を構成する額縁部28bには、一方の凹部29b(又は他方の凹部29b)に対応してセル電圧監視用端子120が埋設される。セル電圧監視用端子120は、いずれかの凹部29bにおいて、後述する締結保持部材132の上方又は下方のいずれかに配置される。また、同一の額縁部28bに複数のセル電圧監視用端子120を設けてもよい。なお、第1電解質膜・電極構造体14を構成する額縁部28aにセル電圧監視用端子120を埋設してもよい。
図6に示すように、セル電圧監視用端子120は、冷却媒体出口連通孔34bに隣接し且つ前記冷却媒体出口連通孔34bよりも長辺方向中央側に位置して凹部29bに設けられる。セル電圧監視用端子120は、額縁部28aの外周線OLよりも距離Sだけ内側に配置される。
図2に示すように、第1金属セパレータ16の外周端部は、第1電解質膜・電極構造体14の内側シール部材50と外側シール部材48との間に配置される。第2金属セパレータ20の外周端部は、第2電解質膜・電極構造体18の内側シール部材76と外側シール部材74との間に配置される。
セル電圧監視用端子120は、内側シール部材76と外側シール部材74との間に露出部位120aを有し、前記露出部位120aは、隣接する第2金属セパレータ20に接触している。セル電圧監視用端子120は、露出部位120a以外を額縁部28bの内部に埋設することが好ましい。外側シールを跨がないので、シール性が向上する。以下の第2の実施形態でも同様である。
なお、セル電圧監視用端子120は、図2中、上下を反転させるだけで、露出部位120aが内側シール部材50と外側シール部材48との間に露出して隣接する第1金属セパレータ16に接触することができる。
セル電圧監視用端子120は、額縁部28bの外周から外方に突出する樹脂部材122を一体に設けるとともに、前記樹脂部材122は、前記額縁部28bの成形時に一体化される。セル電圧監視用端子120の先端には、外部に露呈する先端露出部位120bが設けられる。
セル電圧監視用端子120の先端側には、シール部材124が外装されるとともに、コネクタ126が接続自在である。コネクタ126は、ケーシング127内に収容されるU字形状の接続端子部128を有する。接続端子部128は、先端露出部位120bに電気的に接触するとともに、図示しないセル電圧測定装置に接続される。
図15に示すように、燃料電池10では、セルユニット12の積層方向両端部には、エンドプレート130a、130bが配設される。エンドプレート130a、130b間には、それぞれの長辺同士を連結する締結保持部材(燃料電池締結部材)132が配設され、前記締結保持部材132の両端は、前記エンドプレート130a、130bにねじ止め等により固定される。
図1及び図6に示すように、締結保持部材132は、額縁部28a、28bの一方の長辺側中央に位置して凹部29a、29bに配設される。セル電圧監視用端子120は、冷却媒体出口連通孔34bと締結保持部材132との間に配置される。なお、エンドプレート130a、130b間には、必要に応じて締め付け部材が配設される。
次いで、額縁部28bにセル電圧監視用端子120を一体化する作業について、以下に説明する。
先ず、セル電圧監視用端子120が用意される。このセル電圧監視用端子120は、平板金属を所定の形状に屈曲成形されている。セル電圧監視用端子120には、樹脂部材122がインサート成形により一体成形される(1次成形)。
さらに、セル電圧監視用端子120は、樹脂部材122と一体に額縁部28bにインサート成形される(2次成形)。具体的には、図16に示すように、射出成形装置134が使用される。この射出成形装置134は、額縁部28bを成形するために、この額縁部28bの形状に対応するキャビティ136を有する。
そこで、キャビティ136には、樹脂部材122が一体化されたセル電圧監視用端子120が配置される。射出成形装置134が形締めされた状態で、ゲート138からキャビティ136に溶融樹脂が供給されることにより、セル電圧監視用端子120を埋設する一方、樹脂部材122が一体化された額縁部28bが成形される。
額縁部28bには、アノード面18b側に外側シール部材74及び内側シール部材76が一体成形される(3次成形)。額縁部28bは、固体高分子電解質膜22、カソード側電極24及びアノード側電極26の外周端縁部に配設されることにより、第2電解質膜・電極構造体18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。
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30a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32aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔34a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。
各セルユニット12では、酸化剤ガス入口連通孔30aに供給された酸化剤ガスが、図1及び図11に示すように、第1電解質膜・電極構造体14の入口溝部36aと第2電解質膜・電極構造体18の間から入口溝部56aに導入される。
入口溝部36aに導入された酸化剤ガスは、第2金属セパレータ20の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第1電解質膜・電極構造体14のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部36b間から酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
一方、入口溝部56a間に導入された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体18と第1金属セパレータ16との間の入口溝部87aを通って前記第1金属セパレータ16の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体18のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部87b、56bを通って酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔32aに供給された燃料ガスは、図1及び図12に示すように、第2電解質膜・電極構造体18のカソード側の入口溝部62aに導入される。燃料ガスは、入口溝部62aから入口孔部64aを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部72aから第2金属セパレータ20の燃料ガス流路86に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1金属セパレータ16の孔部92aを通って前記第1金属セパレータ16と第1電解質膜・電極構造体14との間に導入され、前記第1金属セパレータ16の燃料ガス流路86に供給される。
第2金属セパレータ20の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部72bに排出され、さらに出口孔部64bから出口溝部62bを通って燃料ガス出口連通孔32bに排出される。一方、第1金属セパレータ16の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部92bから出口孔部66bを通って出口溝部72bに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
これにより、第1電解質膜・電極構造体14及び第2電解質膜・電極構造体18では、それぞれカソード側電極24に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26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。
さらにまた、一対の冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体の一部は、図1及び図13に示すように、第1電解質膜・電極構造体14の入口溝部42aに導入され、入口溝部58aから入口孔部40aに供給される。冷却媒体は、入口孔部40aから第2金属セパレータ20の穴部106aを通って前記第2金属セパレータ20の内部に導入される。
冷却媒体は、第2金属セパレータ20内を入口溝部112aに沿って矢印B方向に且つ互いに近接する流通し、冷却媒体流路88に供給される。互いに近接して流通する冷却媒体は、冷却媒体流路88の矢印B方向中央部側で衝突し、重力方向(矢印C方向下方)に移動した後、前記冷却媒体流路88の下部側で矢印B方向両側に振り分けられる。そして、各出口溝部112bから穴部106bを通って第2金属セパレータ20から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部40bから出口溝部58b、42bを通って冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
一方、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体の他の一部は、図1及び図14に示すように、第2電解質膜・電極構造体18の入口溝部68aに導入され、入口溝部38aから入口孔部60aに供給される。冷却媒体は、入口孔部60aから第1金属セパレータ16の穴部90aを通って前記第1金属セパレータ16内部に導入される。
冷却媒体は、第1金属セパレータ16内を入口溝部100aに沿って矢印B方向に且つ互いに近接する流通し、冷却媒体流路88に供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路88に沿って重力方向(矢印C方向下方)に移動した後、矢印B方向両側に振り分けられる。冷却媒体は、各出口溝部100bから穴部90bを通って第1金属セパレータ16から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部60bから出口溝部38b、68bを通って冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
このため、第1電解質膜・電極構造体14及び第2電解質膜・電極構造体18は、第1金属セパレータ16内の冷却媒体流路88及び第2金属セパレータ20内の冷却媒体流路88を流通する冷却媒体により冷却される。
この場合、第1の実施形態では、図1、図5及び図6に示すように、額縁部28bに設けられるセル電圧監視用端子120は、冷却媒体出口連通孔34bに隣接し且つ前記冷却媒体出口連通孔34bよりも長辺方向中央側に位置して設けられるとともに、前記額縁部28bの外周線OLよりも内側に配置されている。
このため、燃料電池10に外部から荷重が付与された際、セル電圧監視用端子120を確実に保護することができるとともに、前記燃料電池10の小型化が容易に図られる。これにより、簡単な構成で、セル電圧監視用端子120を良好且つ確実に保護し、セル電圧を正確に測定することが可能になるという効果が得られる。
さらに、締結保持部材132は、額縁部28a、28bの一方の長辺側中央に位置して凹部29a、29bに配設されるとともに、セル電圧監視用端子120は、冷却媒体出口連通孔34bと前記締結保持部材132との間に配置されている。
従って、締結保持部材132により燃料電池10全体を良好に保持することができ、しかもセル電圧監視用端子120を一層確実に保護することが可能になる。
また、セル電圧監視用端子120が額縁部28a、28bの一方の長辺側中央に配置される構成では、締結保持部材132を分割して前記セル電圧監視用端子120の両側に配置する必要があるが、第1の実施形態では、前記締結保持部材132を分割することがない。これにより、締結保持部材132を小型化且つ軽量化することができ、燃料電池10全体の小型軽量化が容易に図られる。
図17は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池140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。
図17及び図18に示すように、燃料電池140は、複数のセルユニット142を積層して構成されるとともに、前記セルユニット142は、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)144、第1金属セパレータ146、第2電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)148及び第2金属セパレータ150を備える。
第1電解質膜・電極構造体144及び第2電解質膜・電極構造体148は、額縁部(樹脂枠部材)152a及び額縁部(樹脂枠部材)152bを設ける。図19に示すように、額縁部152aのカソード面144a側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔34aの下側近傍に入口溝部38aを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔34aの幅方向(矢印C方向)にわたって複数の入口孔部154aが形成される。入口孔部154aは、リング状入口シール部材156aにより囲繞される。
額縁部152aのカソード面144a側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの上側近傍に出口溝部38bを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔34bの幅方向(矢印C方向)にわたって複数の出口孔部154bが形成される。出口孔部154bは、リング状出口シール部材156bにより囲繞される。
図20に示すように、額縁部152aのアノード面144b側の幅方向両端部上方には、複数の入口孔部154aに対応する複数の入口溝部158aが設けられる一方、前記アノード面144b側の幅方向両端部下方には、複数の出口孔部154bに対応する複数の出口溝部158bが設けられる。
図21に示すように、額縁部152bのカソード面148a側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔34aの下側近傍に入口孔部60aを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔34aの幅方向にわたって複数の入口溝部160aが形成される。
額縁部152bのカソード面148a側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔34bの上側近傍に出口孔部60bを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔34bの幅方向にわたって複数の出口溝部160bが形成される。
図22に示すように、額縁部152bのアノード面148b側には、入口溝部68a及び出口溝部68bが設けられていない。
第1金属セパレータ146は、単一の金属プレート部材で構成される。図23に示すように、第1金属セパレータ146の一方の面に設けられる酸化剤ガス流路84の上方には、複数の孔部92aと複数の入口溝部87aとが形成される一方、酸化剤ガス流路84の下方には、複数の孔部92bと複数の出口溝部87bとが形成される。
第1金属セパレータ146の幅方向両端部には、それぞれ一対の突起部89a、89bが設けられることがなく、それぞれ複数の穴部90a、90bが設けられない。
図18に示すように、第2金属セパレータ150は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)162a、162bを備え、前記金属プレート162a、162bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート162aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート162bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート162a、162b間には、冷却媒体流路88が形成される。
図24に示すように、金属プレート162aの幅方向両端部上方には、矢印C方向に比較的長尺な一対の突起部163aが設けられる。突起部163aには、各冷却媒体入口連通孔34aの幅方向にわたって複数の穴部164aが形成される。金属プレート162aの幅方向両端部下方には、矢印C方向に比較的長尺な一対の突起部163bが設けられる。突起部163bには、各冷却媒体出口連通孔34bの幅方向にわたって複数の穴部164bが形成される。
図25に示すように、金属プレート162bの一対の突起部163aには、各冷却媒体入口連通孔34aの幅方向にわたって複数の入口溝部166aが形成される。金属プレート162bの一対の突起部163bには、各冷却媒体出口連通孔34bの幅方向にわたって複数の出口溝部166bが形成される。
図26に示すように、積層方向に隣接する額縁部152a、152b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体144の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路170aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体148の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路170bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部152a、152b間には、酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路が形成される。
図27に示すように、積層方向に隣接する額縁部152a、152b間には、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路172が形成される。なお、図示しないが、額縁部152a、152b間には、燃料ガス出口連通孔32bと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路が形成される。
図28に示すように、積層方向に隣接する額縁部152a、152b間には、冷却媒体入口連通孔34aと第2金属セパレータ150の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路174が形成される。なお、図示しないが、額縁部152a、152b間には、冷却媒体出口連通孔34bと冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。
冷却媒体連結流路174は、額縁部152aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部152bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成される。
冷却媒体連結流路174は、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部158a、160aと、額縁部152aに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)154aと、金属プレート162aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)164aとを有する。入口溝部158aと入口溝部160aとは、端部同士が連通する。
図17、図18、図21及び図22に示すように、第2電解質膜・電極構造体148を構成する額縁部152bには、セル電圧監視用端子120が埋設される。なお、第1電解質膜・電極構造体144を構成する額縁部152aにセル電圧監視用端子120を埋設してもよい。
図18に示すように、第1金属セパレータ146の外周端部は、第1電解質膜・電極構造体144の内側シール部材50と外側シール部材48との間に配置される。第2金属セパレータ150の外周端部は、第2電解質膜・電極構造体148の内側シール部材76と外側シール部材74との間に配置される。
セル電圧監視用端子120は、内側シール部材76と外側シール部材74との間に露出部位120aを有し、前記露出部位120aは、隣接する第2金属セパレータ150に接触している。なお、セル電圧監視用端子120は、図18中、上下を反転させるだけで、露出部位120aが内側シール部材50と外側シール部材48との間に露出して隣接する第1金属セパレータ146に接触することができる。
このように構成される燃料電池140の動作について、以下に概略的に説明する。
各セルユニット142では、酸化剤ガス入口連通孔30aに供給された酸化剤ガスが、図17及び図26に示すように、第1電解質膜・電極構造体144の入口溝部36a間と第2電解質膜・電極構造体148の入口溝部56a間に導入される。
入口溝部36aに導入された酸化剤ガスは、第2金属セパレータ150の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第1電解質膜・電極構造体144のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部36b間から酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
一方、入口溝部56a間に導入された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体148と第1金属セパレータ146との間の入口溝部87aを通って前記第1金属セパレータ146の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体148のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部87b、56b間を通って酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔32aに供給された燃料ガスは、図17及び図27に示すように、第2電解質膜・電極構造体148のカソード側の入口溝部62aに導入される。燃料ガスは、入口溝部62aから入口孔部64aを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部72aから第2金属セパレータ150の燃料ガス流路86に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1金属セパレータ146の孔部92aを通って前記第1金属セパレータ146と第1電解質膜・電極構造体144との間に導入され、前記第1金属セパレータ146の燃料ガス流路86に供給される。
第2金属セパレータ150の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部72bに排出され、さらに出口孔部64bから出口溝部62bを通って燃料ガス出口連通孔32bに排出される。一方、第1金属セパレータ146の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部92bから出口孔部66bを通って出口溝部72bに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
これにより、第1電解質膜・電極構造体144及び第2電解質膜・電極構造体148では、それぞれカソード側電極24に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26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。
さらにまた、一対の冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、図17及び図28に示すように、第1電解質膜・電極構造体144の入口溝部158aに導入され、入口溝部160aから入口孔部154aに供給される。冷却媒体は、入口孔部154aから第2金属セパレータ150の穴部164aを通って前記第2金属セパレータ150の内部に導入される。
冷却媒体は、第2金属セパレータ150内を入口溝部166aに沿って矢印B方向に且つ互いに近接する流通し、冷却媒体流路88に供給される。互いに近接して流通する冷却媒体は、冷却媒体流路88の矢印B方向中央部側で衝突し、重力方向に移動した後、前記冷却媒体流路88の下部側で矢印B方向両側に振り分けられる。そして、各出口溝部166bから穴部164bを通って前記第2金属セパレータ150から排出される。さらに、冷却媒体は、出口孔部154bから出口溝部160b、158bを通って冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
このため、第1電解質膜・電極構造体144及び第2電解質膜・電極構造体148は、第2金属セパレータ150内の冷却媒体流路88を流通する冷却媒体により間引き冷却される。
この場合、第2の実施形態では、図21及び図22に示すように、額縁部152bに設けられるセル電圧監視用端子120は、冷却媒体出口連通孔34bに隣接し且つ前記冷却媒体出口連通孔34bよりも長辺方向中央側に位置して設けられるとともに、前記額縁部152bの外周線OLよりも内側に配置されている。これにより、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。