JP2015185505A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のシール性を確保するとともに、内側シールを不要にすることができ、シール割れ等の不良の発生を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０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電解質膜・電極構造体１６ａを構成する第１樹脂枠部材５８の面５８ａと第１金属セパレータ１４とは、互いに位置決めされる第１位置決め部７０ａを構成する。第１樹脂枠部材５８の面５８ｂと第２金属セパレータ１８とは、第１係合部７２ａ及び第１接合部７４ａを構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられ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の一面側にアノード電極を、前記固体高分子電解質膜の他面側にカソード電極を、それぞれ配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより発電セルを構成している。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極とカソード電極とに、それぞれ反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。従って、反応ガスのシール性等を確保するために、セパレータ間で電解質膜・電極構造体を確実にシールする必要がある。

そこで、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、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持している。アノード側拡散電極とカソード側拡散電極とは、いずれか一方の面が他方の面内に収まるように配置されることにより、電極膜構造体を形成している。

そして、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極の外周部分と一方のセパレータとの間に、小さい表面積の拡散電極を囲むように第１のシール（内側シール）が設けられている。さらに、一方のセパレータと他方のセパレータとの間であって、大きい表面積の拡散電極を囲むように第２のシール（外側シール）が設けられている。

特開２００２−２５５８７号公報

ところで、上記の燃料電池では、内側シールを配置するための高さ寸法が相当に小さくなっている。このため、内側シールは、シール線圧が高くなり易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、所望のシール性を確保するとともに、内側シールを不要にすることができ、経済的な構成で、シール線圧の過大な上昇を可及的に抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されている。電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられ、互いに隣接するセパレータ間には、前記樹脂枠部材の外方を周回してシール部材が設けられている。

樹脂枠部材の一方の面と一方のセパレータとは、互いに係合する凸部及び凹部を有する係合部と、互いに接合される接合部と、を構成している。そして、樹脂枠部材の他方の面と他方のセパレータとは、互いに位置決めされる位置決め部を構成している。

また、この燃料電池では、凸部は、一方のセパレータに形成されるとともに、凹部は、樹脂枠部材の前記一方の面に形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、接合部は、凸部と凹部とにより構成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、位置決め部は、他方のセパレータの外周に設けられるシールの内周面と、前記シールの前記内周面に係合する樹脂枠部材の外周部と、を有することが好ましい。

また、この燃料電池では、位置決め部は、他方のセパレータの外周に形成される凸部と、樹脂枠部材の他方の面に形成される凹部と、を有することが好ましい。

本発明によれば、樹脂枠部材の一方の面と一方のセパレータとは、凸部及び凹部が互いに係合することにより、前記樹脂枠部材と前記一方のセパレータとの位置決めが行われている。しかも、樹脂枠部材と一方のセパレータとは、接合部により互いに接合されている。従って、所望のシール性を確保することができる。一方、樹脂枠部材の他方の面と他方のセパレータとは、位置決め部により互いに位置決めされている。

これにより、所望のシール性を確保するとともに、位置決め機構及び内側シールを不要にすることができる。このため、経済的な構成で、シール線圧の過大な上昇を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１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。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの分解断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池に設けられる位置決め部の他の構成の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。

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、発電ユニット１２を備える。複数の発電ユニット１２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されることにより、スタックを構成する。このスタックは、車載用燃料電池スタックとして、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。

図１〜図３に示すように、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（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・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の実施形態では、第１金属セパレータ１４は、他方のセパレータ、第２金属セパレータ１８は、一方のセパレータ及び他方のセパレータ、第３金属セパレータ２０は、一方のセパレータである。

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、平面が矩形状の横長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、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、カーボンセパレータにより構成してもよい。

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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂ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の長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

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燃料ガス入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。具体的には、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ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の長辺方向の他端縁部に設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａは、燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂは、酸化剤ガスを排出する。

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。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝３０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、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とに連通する冷却媒体流路３２の一部が形成される。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。

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とに連通する第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、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、蓋体３７ｂにより覆われる。

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とに連通する第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。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝４０ｂ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とに連通する第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、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、蓋体４５ｂにより覆われる。

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。

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１〜図４に示すように、第１シール部材４６は、均一の厚さを有して第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂの面方向に沿って設けられる平面シール部４６ａを有する。平面シール部４６ａからは、凸状シール部４６ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。図４に示すように、平面シール部４６ａの内周面４６ａｅは、後述する第１樹脂枠部材５８の外周縁部の形状に対応して形成される。

第２シール部材４８は、均一の厚さを有して第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂの面方向に沿って設けられる平面シール部４８ａを有する。図５に示すように、平面シール部４８ａからは、凸状シール部４８ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。平面シール部４８ａの内周面４８ａｅは、後述する第２樹脂枠部材６０の外周縁部の形状に対応して形成される。

図１〜図３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２０ａ、２０ｂの面方向に沿って設けられる平面シール部５０ａを有する。図２に示すように、平面シール部５０ａからは、凸状シール部５０ｂが厚さ方向に一体に膨出形成される。凸状シール部５０ｂは、後述する第２係合部７２ｂの裏側に設けられる裏側シートを構成する。

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（陽イオン交換膜）５２を備える。固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６により挟持される。

固体高分子電解質膜５２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。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（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）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い。また、アノード電極５６は、カソード電極５４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していてもよい。

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。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、カソード電極５４及びアノード電極５６に接合される第１樹脂枠部材５８を備える。第１樹脂枠部材５８は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等、熱可塑性高分子材料で構成される。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、カソード電極５４及びアノード電極５６に接合される第２樹脂枠部材６０を備える。第２樹脂枠部材６０は、第１樹脂枠部材５８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図１に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、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入口バッファ部６２ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、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、出口バッファ部６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有する。以下に説明する入口バッファ部及び出口バッファ部は、同様に構成される。

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との間に位置して入口バッファ部６４ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６４ｂが設けられる。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、カソード電極５４側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部６６ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、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、出口バッファ部６６ｂ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、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、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、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

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。

第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、第１樹脂枠部材５８の面（他方の面）５８ａと第１金属セパレータ（他方のセパレータ）１４とは、互いに位置決めされる第１位置決め部７０ａを構成する。第１樹脂枠部材５８の面（一方の面）５８ｂと第２金属セパレータ（一方のセパレータ）１８とは、第１係合部７２ａを構成する。第２樹脂枠部材６０の面（他方の面）６０ａと第２金属セパレータ（他方のセパレータ）１８とは、互いに位置決めされる第２位置決め部７０ｂを構成する。第２樹脂枠部材６０の面（一方の面）６０ｂと第３金属セパレータ（一方のセパレータ）２０とは、第２係合部７２ｂを構成する。

第１位置決め部７０ａは、第１金属セパレータ１４の平面シール部４６ａを構成する内周面４６ａｅと、第１樹脂枠部材５８の面５８ａ側の外周縁部に周回形成される溝部５８ａｒ内に設けられる溝内壁面（外周部）５８ａｗとを有する。溝部５８ａｒ内には、平面シール部４６ａの一部が配置されて、溝内壁面５８ａｗに内周面４６ａｅが当接する。なお、図６に示すように、第１樹脂枠部材５８の先端面（外周部）５８ｅに、第１金属セパレータ１４の内周面４６ａｅを当接させて第１位置決め部７０ａを構成してもよい。また、以下に説明する第２位置決め部７０ｂでも、同様である。

図２及び図３に示すように、第１係合部７２ａは、第１樹脂枠部材５８の面５８ｂ側の外周縁部に周回形成される溝部（凹部）５８ｂｒを備える。第２金属セパレータ１８には、溝部５８ｂｒの形状（すなわち、第１樹脂枠部材５８の外周縁部形状）に対応して凸部１８ａｐがプレス成形され、前記凸部１８ａｐは、前記溝部５８ｂｒに係合する。第２金属セパレータ１８の面１８ａ（凸部１８ａｐを含む）と第１樹脂枠部材５８の面５８ｂとは、例えば、前記第２金属セパレータ１８から熱を加えて溶着により接合される第１接合部７４ａを構成する。なお、第１接合部７４ａは、例えば、接着剤により接合してもよい。

第２位置決め部７０ｂは、第２金属セパレータ１８の平面シール部４８ａを構成する内周面４８ａｅと、第２樹脂枠部材６０の面６０ａ側の外周縁部に周回形成される溝部６０ａｒ内に設けられる溝内壁面（外周部）６０ａｗとを有する。溝部６０ａｒ内には、平面シール部４８ａの一部が配置されて、溝内壁面６０ａｗに内周面４８ａｅが当接する。

第２係合部７２ｂは、第２樹脂枠部材６０の面６０ｂ側の外周縁部に周回形成される溝部（凹部）６０ｂｒを備える。第３金属セパレータ２０の面２０ａには、溝部６０ｂｒの形状（すなわち、第２樹脂枠部材６０の外周縁部形状）に対応して凸部２０ａｐがプレス成形され、前記凸部２０ａｐは、前記溝部６０ｂｒに係合する。第３金属セパレータ２０の面２０ａ（凸部２０ａｐを含む）と第２樹脂枠部材６０の面６０ｂとは、例えば、前記第３金属セパレータ２０から熱を加えて溶着や接着剤により接合される第２接合部７４ｂを構成する。

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、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａには、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、一部が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。酸化剤ガスは、他の一部が入口バッファ部６６ａを通って第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。また、酸化剤ガスは、図１及び図５に示すように、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から供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６４ａ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。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａ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、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。また、燃料ガスは、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、６６ｂを通って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６４ｂ、６８ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、上下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。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、第１樹脂枠部材５８の面５８ｂと第２金属セパレータ１８とは、第１係合部７２ａを構成している。第１係合部７２ａは、第１樹脂枠部材５８の面５８ｂ側の外周縁部に周回形成される溝部５８ｂｒを備える一方、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、前記溝部５８ｂｒの形状に対応して凸部１８ａｐがプレス成形されている。

このため、凸部１８ａｐを溝部５８ｂｒに係合させることにより、第１樹脂枠部材５８と第２金属セパレータ１８とは、互いに位置決めされている。しかも、第１樹脂枠部材５８と第２金属セパレータ１８とは、第１接合部７４ａにより互いに接合されている。従って、第１樹脂枠部材５８と第２金属セパレータ１８とは、所望のシール性を確保した状態で、互いに一体化することができる。

一方、第１樹脂枠部材５８と第１金属セパレータ１４とは、第１位置決め部７０ａにより互いに位置決めされている。第１位置決め部７０ａは、第１金属セパレータ１４の平面シール部４６ａの内周面４６ａｅと、第１樹脂枠部材５８の外周縁部に周回形成される溝部５８ａｒ内には、平面シール部４６ａの一部が配置されて、前記内周面４６ａｅが当接する溝内壁面５８ａｗとを有している。これにより、第１金属セパレータ１４は、第１樹脂枠部材５８に対して位置決めされ、前記第１金属セパレータ１４、前記第１樹脂枠部材５８及び第２金属セパレータ１８の位置決めが正確且つ良好に遂行されるという効果がある。

さらに、第２樹脂枠部材６０と第３金属セパレータ２０とは、第２係合部７２ｂにより互いに位置決めされるとともに、第２接合部７４ｂにより互いに接合されている。そして、第２樹脂枠部材６０と第２金属セパレータ１８とは、第２位置決め部７０ｂにより互いに位置決めされている。このため、第２金属セパレータ１８、第２樹脂枠部材６０及び第３金属セパレータ２０の位置決めが正確且つ良好に遂行される。

従って、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は、所望のシール性を確保することが可能になる。しかも、位置決め機構及び内側シールを不要にすることができ、経済的な構成で、シール線圧の過大な上昇を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要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。

燃料電池８０は、発電ユニット８２を備える。発電ユニット８２は、第１金属セパレータ８４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８６ａ、第２金属セパレータ８８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８６ｂ及び第３金属セパレータ９０を設ける。第２の実施形態では、第１金属セパレータ８４は、他方のセパレータ、第２金属セパレータ８８は、一方のセパレータ及び他方のセパレータ、第３金属セパレータ９０は、一方のセパレータである。

第２の実施形態では、第１樹脂枠部材９１の面９１ａと第１金属セパレータ８４とは、互いに位置決めされる第１位置決め部９２ａを構成する。第１樹脂枠部材９１の面９１ｂと第２金属セパレータ８８とは、第１係合部７２ａを構成する。第２樹脂枠部材９４の面９４ａと第２金属セパレータ８８とは、互いに位置決めされる第２位置決め部９２ｂを構成する。第２樹脂枠部材９４の面９４ｂと第３金属セパレータ９０とは、第２係合部７２ｂを構成する。

第１位置決め部９２ａは、第１樹脂枠部材９１の面９１ａ側の外周縁部に周回形成される溝部（凹部）９１ａｒを備える。第１金属セパレータ８４には、溝部９１ａｒの形状（すなわち、第１樹脂枠部材９１の外周縁部形状）に対応して凸部１４ａｐがプレス成形され、前記凸部１４ａｐは、前記溝部９１ａｒに係合する。

第２位置決め部９２ｂは、第２樹脂枠部材９４の面９４ａ側の外周縁部に周回形成される溝部（凹部）９４ａｒを備える。第２金属セパレータ８８には、溝部９４ａｒの形状（すなわち、第２樹脂枠部材９４の外周縁部形状）に対応して凸部１８ｂｐがプレス成形され、前記凸部１８ｂｐは、前記溝部９４ａｒに係合する。

このように構成される第２の実施形態では、位置決め機構及び内側シールを不要にすることができ、経済的な構成で、シール割れ等の不良の発生を可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、８０…燃料電池 １２、８２…発電ユニット
１４、１８、２０、８４、８８、９０…金属セパレータ
１４ａｐ、１８ａｐ、１８ｂｐ、２０ａｐ…凸部
１６ａ、１６ｂ、８６ａ、８６ｂ…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 ３０ａ…入口連結溝
３０ｂ…出口連結溝 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 ３６ａ…供給流路溝部
３６ｂ…排出流路溝部 ４６、４８、５０…シール部材
４６ａｅ…内周面 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 ５８ａｗ、６０ａｗ…溝内壁面
５８ａｒ、５８ｂｒ、６０ａｒ、６０ｂｒ、９１ａｒ、９４ａｒ…溝部
５８ｅ…先端面
７０ａ、７０ｂ、９２ａ、９２ｂ…位置決め部
７２ａ、７２ｂ…係合部 ７４ａ、７４ｂ…接合部

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられ、互いに隣接する前記セパレータ間には、前記樹脂枠部材の外方を周回してシール部材が設けられる燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材の一方の面と一方のセパレータとは、互いに係合する凸部及び凹部を有する係合部と、
   互いに接合される接合部と、
   を構成するとともに、
   前記樹脂枠部材の他方の面と他方のセパレータとは、互いに位置決めされる位置決め部を構成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、前記凸部は、前記一方のセパレータに形成されるとともに、
   前記凹部は、前記樹脂枠部材の前記一方の面に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、前記接合部は、前記凸部と前記凹部とにより構成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記位置決め部は、前記他方のセパレータの外周に設けられるシールの内周面と、
   前記シールの前記内周面に係合する前記樹脂枠部材の外周部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記位置決め部は、前記他方のセパレータの外周に形成される凸部と、
   前記樹脂枠部材の前記他方の面に形成される凹部と、
   を有することを特徴とする燃料電池。

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