JP2014216212A

JP2014216212A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2014216212A
Application number: JP2013093203A
Authority: JP
Inventors: 後藤　修平; Shuhei Goto; 修平後藤; 堅太郎石田; Kentaro Ishida; 尚紀山野; Hisanori Yamano; 広行田中; Hiroyuki Tanaka
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: DE102014207706A1; CN104124458A; CN104124458B; US20140322627A1; JP6194186B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとの相対的な位置決めを正確且つ確実に行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。第１金属セパレータ１４には、第１電解質膜・電極構造体１６ａを位置決めするための第１凸状部８６ａが設けられる。第２金属セパレータ１８には、第１電解質膜・電極構造体１６ａの移動を規制するための第２凸状部８８ａが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極が配設される電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータ間に積層した燃料電池に関する。

一般的に、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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、内部に燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路が形成されており、これらを気密（液密）にシールしなければならない。このため、電解質膜・電極構造体とセパレータとを正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。

この燃料電池は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備えている。一方のセパレータに一体成形されたシール部材は、一方の電極に対向して平面部を有するとともに、前記平面部には、電解質膜・電極構造体の外周部を位置決めするための複数の突起部が設けられている。

特開２００４−２６５８２４号公報

ところで、電解質膜・電極構造体では、端部に変形が発生する場合がある。特に、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠部材が一体に設けられた樹脂枠付きＭＥＡでは、前記樹脂枠部材に反りが惹起され易い。従って、一方のセパレータに設けられている突起部により電解質膜・電極構造体を位置決めする際に、端部の反りに起因して前記電解質膜・電極構造体が前記突起部を乗り越える懸念がある。これにより、電解質膜・電極構造体とセパレータとの相対的な位置決めが正確に遂行されないおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとの相対的な位置決めを正確且つ確実に行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極が配設される電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータ間に積層した燃料電池に関するものである。この燃料電池では、第１セパレータには、電解質・電極構造体を位置決めするための第１凸状部が前記第２セパレータに向かって設けられている。一方、第２セパレータには、電解質・電極構造体の移動を規制するための第２凸状部が第１セパレータに向かって設けられている。

また、この燃料電池では、第２凸状部は、第１凸状部よりも内側に配置されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１凸状部と第２凸状部とは、電解質・電極構造体の外周形状に沿って互いに隣接して配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、第１凸状部は、第２セパレータに向かって先端側が肉薄に且つ内側面が鉛直となる断面直角三角形状を有することが好ましい。

本発明によれば、第１セパレータには、第２セパレータに向かって第１凸状部が設けられる一方、前記第２セパレータには、前記第１セパレータに向かって第２凸状部が設けられている。このため、電解質・電極構造体は、第１凸状部により位置決めされる際、端部の反り等により前記第１凸状部を乗り越えようとしても、第２凸状部に当接して阻止される。

従って、簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとの相対的な位置決めを正確且つ確実に行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記発電ユニットの要部分解説明図である。前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って積層される。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、セパレータとしては、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０に代えて、カーボンセパレータを使用することができる。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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出口連通孔２４ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（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２４ａ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に近接し、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２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図４に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、発電領域の外方に位置して、それぞれ入口バッファ部２８ａ及び出口バッファ部２８ｂが設けられる。入口バッファ部２８ａと出口バッファ部２８ｂとは、複数のエンボス部２９ａと複数のエンボス部２９ｂとを有する。エンボス部２９ａ、２９ｂは、平面形状で円形、長円形又は直線状等の種々の形状に設定することができる。また、樹脂枠部材側も同様である。

入口バッファ部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口バッファ部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。

冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、発電領域の外方に位置して、それぞれ入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂが設けられる。入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂは、酸化剤ガス側の入口バッファ部２８ａと出口バッファ部２８ｂの裏面形状である。入口バッファ部３３ａと出口バッファ部３３ｂとには、複数のエンボス部２９ｃと複数のエンボス部２９ｄとが設けられる。エンボス部２９ｃとエンボス部２９ｄとは、互いに反対方向に突出する。

図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部３６ｂが形成される。第１燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３７ａ及び３７ｂが設けられる。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３９ａ及び３９ｂが設けられる。平坦部３９ａ及び３９ｂは、平坦部３７ｂ及び３７ａの裏面形状である。平坦部３９ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝（図示せず）が形成される。平坦部３９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝（図示せず）が形成される。

図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４４ｂが形成される。供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。第２燃料ガス流路４２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４５ａ及び４５ｂが設けられる。

図６に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。

冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４７ａ及び４７ｂが設けられる。平坦部４７ｂ及び４７ａは、平坦部４５ａ及び４５ｂの裏面形状である。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、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等の弾性を有するシール材が用いられる。

図４に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６とを周回して連通させる第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２を周回して連通させる第２凸状シール部４６ｂを有する。

図５に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。

図１に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８とを周回して連通させる第２凸状シール部４８ｂを有する。

第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部５０ａを有する。

図６に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２とを周回して連通させる第２凸状シール部５０ｂを有する。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂ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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。

カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６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、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

図１〜図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する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。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０は、例えば、フィルム等により構成してもよい。

第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図７に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部６２ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部６２ｂが設けられる。ここで、発電領域とは、固体高分子電解質膜５２を挟んで両極に電極触媒層が設けられた領域をいう。

入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ａを有し、前記凸部６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ｂを有し、前記凸部６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂには、それぞれ複数のエンボス部６３ａ、６３ｂが形成される。なお、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。

図８に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部６８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

入口バッファ部６８ａは、複数本のライン状凸部７０ａを有するとともに、前記凸部７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。出口バッファ部６８ｂは、複数本のライン状凸部７０ｂを有するとともに、前記凸部７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂには、それぞれ複数のエンボス部６９ａ、６９ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部７４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部７４ｂが形成される。

入口バッファ部７４ａは、複数本のライン状凸部７６ａを有し、前記凸部７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。出口バッファ部７４ｂは、複数本のライン状凸部７６ｂを有し、前記凸部７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂには、それぞれ複数のエンボス部７５ａ、７５ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図１０に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部８０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部８０ｂが設けられる。

入口バッファ部８０ａは、複数本のライン状凸部８２ａを有し、前記凸部８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。出口バッファ部８０ｂは、複数本のライン状凸部８２ｂを有し、前記凸部８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが設けられる。入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂには、それぞれ複数のエンボス部８１ａ、８１ｂが形成される。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。

本実施形態では、第１金属セパレータ１４の面１４ａと第２金属セパレータ１８の面１８ｂとに、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとを位置決めするための第１凸状部８６ａ、８６ｂが設けられる。第２金属セパレータ１８の面１８ａと第３金属セパレータ２０の面２０ａとには、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの移動を規制するための第２凸状部８８ａ、８８ｂが設けられる。

図４に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１電解質膜・電極構造体１６ａを前記第１金属セパレータ１４に対し相対的に位置決めするために、複数の第１凸状部８６ａが設けられる。第１凸状部８６ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周形状に対応して任意の位置に且つ任意の個数に設定される。第１凸状部８６ａは、例えば、第１シール部材４６に一体成形される。第１シール部材４６は、第１凸状部８６ａの外方に位置し第２金属セパレータ１８に設けられた第２シール部材４８の平坦面に周回して当接する外シール４６_outを有する。

第１凸状部８６ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周形状に沿って長尺に延在する。図３に示すように、第１凸状部８６ａは、第２金属セパレータ１８の面１８ａに向かって先端８６ａｔ側が肉薄に且つ内側面８６ａｓが鉛直となる断面直角三角形状を有する。

図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、第１電解質膜・電極構造体１６ａが第１凸状部８６ａを乗り越えることを阻止するために、第２凸状部８８ａが設けられる。第２凸状部８８ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周形状に対応し且つ第１凸状部８６ａと第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周形状に沿って互いに隣接して設定される。第２凸状部８８ａは、例えば、第２シール部材４８に一体成形される。第２シール部材４８は、第２凸状部８８ａの内方に位置し第１電解質膜・電極構造体１６ａに設けられた第１樹脂枠部材５８の平坦面に周回して当接する内シール４８_inを有する。

第２凸状部８８ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周形状に沿って延在する。図３に示すように、第２凸状部８８ａは、第１金属セパレータ１４の面１４ａに向かって先端８８ａｔ側が肉薄に且つ内側面８８ａｓが鉛直となる断面直角三角形状を有する。第２凸状部８８ａの内側面８８ａｓは、第１凸状部８６ａの内側面８６ａｓよりも内側（発電面側）に長さＬだけ入り込んで配置される。

第１凸状部８６ａの高さｔ１は、第２凸状部８８ａの高さｔ２よりも大きな寸法に設定される（ｔ１＞ｔ２）。例えば、第２凸状部８８ａと第１金属セパレータ１４との間に第１電解質膜・電極構造体１６ａが挟み込まれた際にも、過度の面圧が発生することを阻止するためである。

図２、図３及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを前記第２金属セパレータ１８と相対的に位置決めするために、複数の第１凸状部８６ｂが設けられる。第１凸状部８６ｂは、上記の第１凸状部８６ａと同様に構成されており、同一の参照符号ｔ、ｓを付して、その詳細な説明は省略する。また、第２シール部材４８は、第１凸状部８６ｂの外方に位置し第３金属セパレータ２０に設けられた第３シール部材５０の平坦面に周回して当接する外シール４８_outを有する。第３シール部材５０は、第２凸状部８８ｂの内方に位置し第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられた第２樹脂枠部材６０の平坦面に周回して当接する内シール５０_inを有する。

図１〜図３及び図６に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ａには、第２電解質膜・電極構造体１６ｂが第１凸状部８６ｂを乗り越えることを阻止するために、第２凸状部８８ｂが設けられる。第２凸状部８８ｂは、上記の第２凸状部８８ａと同様に構成されており、同一の参照符号ｔ、ｓを付して、その詳細な説明は省略する。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２５ａ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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスの一部は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極５４に供給される。残余の酸化剤ガスは、第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａを通って入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。

燃料ガスの一部は、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５６に供給される。残余の燃料ガスは、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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て発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂ、４４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

次いで、発電ユニット１２を組み付ける作業について、以下に説明する。

先ず、図３に示すように、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０の順に配置される。そして、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第１金属セパレータ１４の面１４ａに設けられている複数個の第１凸状部８６ａにより位置決めされる。

その際、第１電解質膜・電極構造体１６ａを構成する第１樹脂枠部材５８に反りが発生していると、前記第１樹脂枠部材５８の端部が第１凸状部８６ａを乗り越えようとする。

ここで、本実施形態では、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、第１金属セパレータ１４の面１４ａ側に突出するとともに、第１凸状部８６ａに隣接して（重なり合わない位置）、第２凸状部８８ａが設けられている。このため、第１電解質膜・電極構造体１６ａが第１凸状部８６ａを乗り越えようとしても、第２凸状部８８ａに阻止されて、前記第１凸状部８６ａにより位置決めされる。

しかも、第２凸状部８８ａの内側面８８ａｓは、第１凸状部８６ａの内側面８６ａｓよりも内側（発電面側）に長さＬだけ入り込んで配置されている。従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２凸状部８８ａに当接することにより、第１凸状部８６ａの外方に突出することを確実に阻止される。

さらに、第１凸状部８６ａは、先端８６ａｔ側が肉薄に且つ内側面８６ａｓが鉛直となる断面直角三角形状を有している。これにより、発電ユニット１２の積層方向の荷重（締め付け荷重）が付与される際、第１凸状部８６ａに過度の面圧が発生することがない。同様に、第２凸状部８８ａは、先端８８ａｔ側が肉薄に且つ内側面８８ａｓが鉛直となる断面直角三角形状を有している。このため、発電ユニット１２の積層方向の荷重（締め付け荷重）が付与される際、第２凸状部８８ａに過度の面圧が発生することがない。

従って、簡単な構成で、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１８との相対的な位置決めを正確且つ確実に行うことが可能になるという効果が得られる。

なお、第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体１６ａと同様に、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に正確且つ確実に位置決めされるという利点がある。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂが位置決めされた発電ユニット１２では、例えば、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０にかしめ処理が施される。かしめ処理は、例えば、樹脂材を溶着させて発電ユニット１２全体を仮止めする処理である。

かしめ処理が行われた後、発電ユニット１２は、ノックピン（図示せず）等により複数組だけ積層されて燃料電池スタックが構成される。ここで、仮止めされた発電ユニット１２を取り扱う際、前記発電ユニット１２の内部に隙間が発生し易い。各構成部品同士を強固に固定していないからである。このため、図３に示すように、第１金属セパレータ１４〜第３金属セパレータ２０が互いに離間する場合がある。

その際、本実施形態では、第２金属セパレータ１８の面１８ａに、第１金属セパレータ１４の面１４ａ側に突出して第２凸状部８８ａが設けられている。従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａの第１樹脂枠部材５８に反り等が発生していても、前記第１樹脂枠部材５８は、第２凸状部８８ａに阻止されて第１凸状部８６ａを乗り越えることを抑制される。

これにより、発電ユニット１２では、かしめ部位を分離して第１凸状部８６ａに乗り上げた第１電解質膜・電極構造体１６ａを除去する等の作業が不要になる。このため、発電ユニット１２の組み立て作業性が一挙に向上するという効果が得られる。一方、第２電解質膜・電極構造体１６ｂでも、上記の第１電解質膜・電極構造体１６ａと同様である。

なお、本実施形態では、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備えた、所謂、間引き冷却構造（第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間に冷却媒体流路が無い構造）を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚のＭＥＡを一対のセパレータで挟持する発電ユニット（各セル冷却構造）にも適用することができる。また、本実施形態では、樹脂枠付きＭＥＡを用いているが、これに限定されるものではなく、樹脂枠部材を用いないＭＥＡにも適用することが可能である。

１０…燃料電池１２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜５４…カソード電極
５６…アノード電極５８、６０…樹脂枠部材
８６ａ、８６ｂ…第１凸状部８８ａ、８８ｂ…第２凸状部

Claims

電解質の両側にそれぞれ電極が配設される電解質・電極構造体を、第１セパレータ及び第２セパレータ間に積層した燃料電池であって、
前記第１セパレータには、前記電解質・電極構造体を位置決めするための第１凸状部が前記第２セパレータに向かって設けられる一方、
前記第２セパレータには、前記電解質・電極構造体の移動を規制するための第２凸状部が前記第１セパレータに向かって設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第２凸状部は、前記第１凸状部よりも内側に配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第１凸状部と前記第２凸状部とは、前記電解質・電極構造体の外周形状に沿って互いに隣接して配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１凸状部は、前記第２セパレータに向かって先端側が肉薄に且つ内側面が鉛直となる断面直角三角形状を有することを特徴とする燃料電池。