JP3243974B2

JP3243974B2 - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP3243974B2
Application number: JP16731395A
Authority: JP
Inventors: 義彦新藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-07-03
Filing date: 1995-07-03
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2015-07-03
Also published as: JPH0922708A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属製のセパレータ
を備えることで小形化された構成とした固体高分子電解
質型燃料電池に係わり、セパレータが備える保持体の部
位において、固体高分子電解質材製の電解質膜が受ける
損傷の発生度を低減する、改良されたその構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、近年、内燃機関
と比較して、排気ガスによる大気汚染度が低いこと、運
転時の発生音が小さいこと等の大きな特徴を持つことか
ら、燃料電池を自動車等の車両の駆動に用いる駆動用電
動機用の車載電源として利用することが考えられるよう
になってきている。燃料電池を車載電源として利用する
際には、電源システムが可能な限り小形であることが望
ましく、このような観点から、各種の方式が有る燃料電
池の内でも固体高分子電解質型燃料電池が注目されるよ
うになってきている。

【０００３】こうした特長を持っている固体高分子電解
質型燃料電池の一層の大出力化，小形化などを図るべ
く、改良された構成としたものが同じ出願人より、特願
平６−３０２５６１号、特願平６−３２１１３８号とし
てすでに出願されている。以下に、前記の改良された構
成を持つ固体高分子電解質型燃料電池の一例を従来例の
固体高分子電解質型燃料電池として説明する。なお、固
体高分子電解質型燃料電池に特有の性質・性能などにつ
いては、特願平６−３０２５６１号、特願平６−３２１
１３８号中に開示されているところに譲り、ここでの説
明を省略することが有ることを承知いただきたい。

【０００４】まず、従来例の固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池を、図５〜図１２を用いて説明
する。ここで、図５は、従来例の固体高分子電解質型燃
料電池が備える単位燃料電池の要部を模式的に示した後
記する図１０におけるＡ−Ａ断面図である。図６は、図
５に示した単位燃料電池の部分断面図で、（ａ）は後記
する図１０におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｂ）は図６
（ａ）中に示したセパレータの部分断面図である。図７
は、図５に示した単位燃料電池の後記する図１０におけ
るＣ−Ｃ断面図であり、図８は、図５に示した単位燃料
電池の後記する図１０におけるＤ−Ｄ断面図である。図
９は、図５に示した単位燃料電池が有する燃料電池セル
の斜視図であり、図１０は、図５に示した単位燃料電池
が有するセパレータの斜視図であり、図１１は、図５に
示した単位燃料電池が有する燃料ガス用のシール体の斜
視図であり、図１２は、図５に示した単位燃料電池が有
する酸化剤ガス用のシール体の斜視図である。

【０００５】図５〜図１２において、５は、燃料電池セ
ル６，セパレータ７，７を用いると共に、燃料ガス用の
シール体８Ａと、酸化剤ガス用のシール体８Ｂとを備え
る単位燃料電池（以降、単電池と略称することが有
る。）である。燃料電池セル６は、シート状とされた，
公知のパーフルオロスルホン酸樹脂膜（例えば、米国の
デュポン社製、商品名ナフィオン膜）などの固体高分子
電解質材製の電解質膜（以降、ＰＥ膜と略称することが
ある。）６Ｃと、シート状の燃料電極膜（アノード極で
もある。）６Ａと、酸化剤電極膜（カソード極でもあ
る。）６Ｂとで構成されている。電極膜６Ａ，６Ｂは矩
形状をなしており、その寸法は図９中に電極膜６Ｂにつ
いて示したようにＷ×Ｈ_Eである。ＰＥ膜６Ｃは、０．
１〔ｍｍ〕程度の厚さ寸法と、電極膜６Ａ，６Ｂの面方
向の外形寸法よりも大きい面方向の外形寸法とを持つも
のであり、従って、電極膜６Ａ，６Ｂの周辺部には、Ｐ
Ｅ膜６Ｃの端面との間にＰＥ膜６Ｃの露出面が存在する
ことになる。

【０００６】燃料電極膜６Ａは、ＰＥ膜６Ｃの一方の主
面に密接されて積層されて、燃料ガス（例えば、水素あ
るいは水素を高濃度に含んだガスである。）の供給を受
ける電極膜である。また，酸化剤電極膜６Ｂは、ＰＥ膜
６Ｃの他方の主面に密接されて積層されて、酸化剤ガス
（例えば、空気である。）の供給を受ける電極膜であ
る。燃料電極膜６Ａの外側面が，燃料電池セル６の一方
の側面６ａであり、酸化剤電極膜６Ｂの外側面が，燃料
電池セル６の他方の側面６ｂである。燃料電極膜６Ａお
よび酸化剤電極膜６Ｂは共に、触媒活物質を含む触媒層
と電極基材とを備えて構成されており、前記の触媒層側
でＰＥ膜６Ｃの両主面にホットプレスにより密着させる
のが一般である。電極基材は、触媒層を支持すると共に
反応ガス（以降、燃料ガスと酸化剤ガスを総称してこの
ように言うことがある。）の供給および排出に寄与し，
集電体としての機能を有する多孔質のシート（使用材料
としては、例えば、カーボンペーパーが用いられる。）
である。

【０００７】燃料電極膜６Ａ，酸化剤電極膜６Ｂに反応
ガスが供給されると、それぞれの電極膜６Ａ，６Ｂに備
えられた触媒層と、ＰＥ膜６Ｃとの界面に、気相（燃料
ガスまたは酸化剤ガス）・液相（固体高分子電解質）・
固相（燃料電極膜，酸化剤電極膜が持つ触媒）の三相界
面が形成され、公知のごとく、電気化学反応を生じさせ
ることで直流電力が発生されるのである。

【０００８】ＰＥ膜６Ｃは、その露出面に、燃料ガス通
流用の貫通穴６１，酸化剤ガス通流用の貫通穴６２，熱
媒通流用の貫通穴６３とからなる貫通穴群が、この事例
の場合には２群形成されている。これ等の貫通穴群は、
図９中に詳示したように、寸法Ｗを持つ電極膜６Ａ，６
Ｂの１対の辺に平行させて、しかも、互いに対称関係と
なる位置に形成されている。一方の貫通穴群は、反応ガ
スを電極膜６Ａ，６Ｂに供給する等のために用いられ、
他方の貫通穴群は、電極膜６Ａ，６Ｂを通過した反応ガ
スを燃料電池セル６から排出する等のために用いられ
る。なお、それぞれの貫通穴群においては、貫通穴６
１，６２，６３は、図９中に詳示したように、ＰＥ膜６
Ｃの寸法Ｗ方向の中心線に対して面対称位置に形成され
ている。

【０００９】セパレータ７は、不動態膜が大気によって
容易に生成される性質を備える金属（例えば、ステンレ
ス鋼，チタン合金等である。）の薄板材を用いて、例え
ばプレス加工によって、図５〜図８，図１０に示したよ
うに形成したものである。すなわち、セパレータ７は、
溝部である中央部領域７１と、平板状部である，一方の
マニホールド領域７２、他方のマニホールド領域７３お
よび周辺部領域７４とを備えている。

【００１０】中央部領域７１は、燃料電池セル６が持つ
電極膜６Ａ，６Ｂと対向する部位に位置し、電極膜６
Ａ，６Ｂの持つ外形と同一の、Ｗ×Ｈ_Eの領域の寸法
（図１０を参照）を持っている。中央部領域７１には、
セパレータ７の素材が寸法Ｗの方向に連続する波板状に
成形されることで、波形溝７１１が形成されている。波
形溝７１１によって、その一方の側面側にガス通流用の
溝７１１ａが、その他方の側面側に熱媒通流用の溝７１
１ｂとが、互いに表裏となる関係で形成されている（図
６を参照）。この波形溝７１１の高さ寸法が、そのま
ま、セパレータ７の厚さ方向寸法（図６中にＴ_1Bとして
示した。）になっている。溝７１１ａが形成されている
部位の波形溝７１１のＰＥ膜６Ｃと接する面である、ガ
ス通流側の最高突出高さ寸法（図６中にＴ_11Bとして示
した。）となる頂部７１ａと、溝７１１ｂが形成されて
いる部位の熱媒通流側の最高の突出高さ寸法（図６中に
Ｔ_12Bとして示した。）となる頂部７１ｂとには、それ
ぞれ、この部位に存在する不動態膜を除去した後、金，
銀等の貴金属の層７９〔図６（ｂ）中に一点鎖線で示し
た。〕が、例えば、電気メッキ層として形成されてい
る。

【００１１】一方のマニホールド領域７２は、この事例
の場合には、反応ガスが流入される側の中央部領域７１
の端部に隣接されて、平板状に形成されており、矩形状
をなしたＷ×Ｈ_Mの領域の寸法（図１０を参照）を持っ
ている。マニホールド領域７２の反応ガスが通流される
側の側面には、後記するシール体８Ａ，８Ｂの主要部の
厚さ寸法Ｔ_13Bと同一値である、高さ寸法Ｔ_13B（図７
を参照）を持つ保持体７２１が、寸法Ｗの方向のほぼ全
幅にわたり図１０中に示すごとくに配列されて、例えば
プレス加工によって、一体に形成されている。互いに隣
接する保持体７２１の相互間に形成される空間が、この
部位における反応ガスの通流路である。保持体７２１の
列は、２列形成されているが、第１列目の保持体７２１
の列に形成されている反応ガスの通流路の中心位置が、
第２列目の保持体７２１の列に形成されている保持体７
２１の中心位置とが合致する関係で、それぞれの保持体
７２１の列が形成されている。そうして、第１列目の保
持体７２１の内の、反応ガスの流れに関して後記する連
通溝付きの貫通穴８２１，８４２と対向する部位に在る
保持体７２１については、保持体７２１の中心位置がこ
れら貫通穴８２１，８４２の持つ連通溝の中心位置とほ
ぼ合致する関係で形成されている。なお、保持体７２１
の高さ寸法Ｔ_13Bは、ガス通流側の最高突出高さ寸法Ｔ
_11Bと電極膜６Ａ，６Ｂの厚さ寸法とのほぼ和となる値
に設定されている。

【００１２】さらに、マニホールド領域７２の熱媒が通
流される側の側面には、高さ寸法Ｔ _12B（図７を参照）
を持つ保持体７２２が、それぞれの保持体７２１の列に
形成されている保持体７２１の、互いに隣接する保持体
７２１の中間となる位置に、寸法Ｗの方向のほぼ全幅に
わたり配列されて、例えばプレス加工によって、一体に
形成されている。互いに隣接する保持体７２２の相互間
に形成される空間が、この部位における後記する熱媒９
９の通流路である。保持体７２２の列は、２列形成され
ているが、セパレータ７に対する反応ガス等の入口側に
近い第１列目においては、保持体７２２の列に形成され
ている熱媒９９の通流路の中心位置が、第２列目の保持
体７２２の列に形成されている保持体７２２の中心位置
とが合致する関係で、それぞれの保持体７２２の列が形
成されている。そうして、第１列目の保持体７２２の内
の、熱媒の流れに関して後記する連通溝付きの貫通穴９
１３と対向する部位に在る保持体７２２については、保
持体７２２の中心位置が貫通穴９１３が備える連通溝の
中心位置とがほぼ合致する関係で形成されている。

【００１３】他方のマニホールド領域７３は、この事例
の場合には、反応ガスが排出される側の中央部領域７１
の端部に隣接されて、平板状に形成されており、マニホ
ールド領域７２と同一の矩形状をなしたＷ×Ｈ_Mの領域
の寸法を持っている。マニホールド領域７３にも、マニ
ホールド領域７２と同一の、保持体７２１，７２２が形
成されているが、その詳細な説明は重複を避ける意味で
省略する。なお、マニホールド領域７３における反応ガ
ス等の入口側に近い第１列目の保持体７２１，７２２の
列においては、マニホールド領域７２における反応ガス
等の入口側に近い第１列目の保持体７２１，７２２の列
と、同一の位置関係で形成されていることを付言してお
く。

【００１４】周辺部領域７４は、中央部領域７１，一方
のマニホールド領域７２および他方のマニホールド領域
７３の周囲に、それぞれのマニホールド領域７２，７３
と連続した同一平面をなす平板状に形成されており、そ
の外形は、燃料電池セル６の外形とほぼ同一に設定され
ている。周辺部領域７４の、マニホールド領域７２，７
３のそれぞれと隣接される部位には、図１０中に詳示し
たように、燃料ガス通流用の貫通穴７４１，酸化剤ガス
通流用の貫通穴７４２，熱媒通流用の貫通穴７４３とか
らなる貫通穴群が、この事例の場合には２群形成されて
いる。これ等の貫通穴群に含まれる貫通穴は、ＰＥ膜６
Ｃに形成されている、貫通穴６１，６２，６３のそれぞ
れと対向させて形成されている。そうして、それぞれの
貫通穴７４１，７４２のマニホールド領域７２，７３側
に隣接する部位の、反応ガスが通流される側の側面に
は、それぞれ高さ寸法Ｔ_14Bを持つ保持体７４４（図８
を参照）と、保持体７４５とが、例えばプレス加工によ
って一体に形成されている。

【００１５】なお、保持体７４４，７４５が持つ高さ寸
法Ｔ_14Bは、この事例の場合には後記する理由により、
保持体７２１が持つ高さ寸法Ｔ_13Bに対して、僅かに大
きい値に設定されている。また、貫通穴７４３のマニホ
ールド領域７２，７３側に隣接する部位の、熱媒９９が
通流される側の側面には、高さ寸法Ｔ_12Bを持つ保持体
７４６が、例えばプレス加工によって一体に形成されて
いる。なお、保持体７４４の中心位置は貫通穴７４１の
中心位置と、保持体７４５の中心位置は貫通穴７４２の
中心位置と、また、保持体７４６の中心位置は貫通穴７
４３中心位置と、それぞれほぼ合致させて形成されてい
る。

【００１６】燃料ガス用のシール体８Ａは、反応ガス・
熱媒が、所定の通流路外に漏れ出るのを防止すると共
に、反応ガス・熱媒の通流路，および燃料ガスを燃料ガ
スの通流路から燃料電極膜６Ａに供給する流路を提供す
ることが主な役目である。シール体８Ａは、弾性材を用
いて薄板状に製作され、その外形をセパレータ７の外形
とほぼ同一に設定され、その主要部の厚さは、寸法Ｔ
_13Bに設定されている。シール体８Ａは、図１１に示す
ように、セパレータ７の中央部領域７１，マニホールド
領域７２，７３とよりなる領域に対向する部位に、貫通
穴領域８１が形成されている。この貫通穴領域８１は、
矩形状をなしたＷ×Ｈ_Oの領域の寸法（図１０，図１１
を参照）を持っている。シール体８Ａの、貫通穴領域８
１の周辺をなしている周辺部領域８２には、セパレータ
７に形成されている貫通穴７４１，７４２，７４３と対
向させて、それぞれ、燃料ガス通流用の連通溝付きの貫
通穴８２１，酸化剤ガス通流用の貫通穴８２２，熱媒通
流用の貫通穴８２３とからなる貫通穴群が、この事例の
場合には図１１中に示すように２群形成されている。そ
れぞれの貫通穴８２１には、貫通穴領域８１の一方のマ
ニホールド領域７２に対向する部位と、また、貫通穴領
域８１の他方のマニホールド領域７３に対向する部位と
の間を連通する連通溝が、図１１中に示すように備えら
れている。

【００１７】酸化剤ガス用のシール体８Ｂは、反応ガス
・熱媒が、所定の通流路外に漏れ出るのを防止すると共
に、反応ガス・熱媒の通流路，および酸化剤ガスを酸化
剤ガスの通流路から酸化剤電極膜６Ｂに供給する流路を
提供することが主な役目である。シール体８Ｂは、弾性
材を用いて薄板状に製作され、その外形をセパレータ７
の外形とほぼ同一に設定され、その主要部の厚さは、寸
法Ｔ_13Bに設定されている。シール体８Ｂは、図１２に
示すように、シール体８Ａと同様に、矩形状をなした領
域寸法Ｗ×Ｈ_O（図１０，図１２を参照）を持つ貫通穴
領域８３が形成されている。シール体８Ｂの、貫通穴領
域８３の周辺をなしている周辺部領域８４には、セパレ
ータ７に形成されている貫通穴７４１，７４２，７４３
と対向させて、それぞれ、燃料ガス通流用の貫通穴８４
１，酸化剤ガス通流用の連通溝付きの貫通穴８４２，熱
媒通流用の貫通穴８４３とからなる貫通穴群が、この事
例の場合には図１２中に示すように２群形成されてい
る。それぞれの貫通穴８４２には、貫通穴領域８３の一
方のマニホールド領域７２に対向する部位と、また、貫
通穴領域８３の他方のマニホールド領域７３に対向する
部位との間を連通する連通溝が、図１２中に示すように
備えられている。

【００１８】単電池５は、燃料電池セル６と、燃料電池
セル６の燃料電極膜６Ａ側のＰＥ膜６Ｃの露出面にシー
ル体８Ａを、燃料電池セル６の酸化剤電極膜６Ｂ側のＰ
Ｅ膜６Ｃの露出面にシール体８Ｂを、また、シール体８
Ａの外側から一方のセパレータ７をその頂部７１ａを電
極膜６Ａの側面６ａに接触させて、さらに、シール体８
Ｂの外側から他方のセパレータ７を、その頂部７１ａを
電極膜６Ｂの側面６ｂに接触させて、それぞれ重ね合わ
されて組み立てられる。

【００１９】その際、それぞれが持つ燃料ガス通流用の
貫通穴６１，８２１，８４１，７４１は互いに連通さ
れ、燃料ガスの通流路を形成する。燃料ガスは、貫通穴
８２１に備えられた連通溝を通流して、燃料電極膜６Ａ
に供給され、かつ排出される。また、それぞれが持つ酸
化剤ガス通流用の貫通穴６２，８２２，８４２，７４２
は互いに連通され、酸化剤ガスの通流路を形成する。酸
化剤ガスは、貫通穴８４２に備えられた連通溝を通流し
て、酸化剤電極膜６Ｂに供給され、かつ排出される。さ
らに、それぞれが持つ熱媒通流用の貫通穴６３，８２
３，８４３，７４３は互いに連通されて、熱媒９９の通
流路を形成する。

【００２０】単電池５の持つ前記の構成により、一対の
セパレータ７が持つそれぞれのマニホールド領域７２，
７３に対向する部位のＰＥ膜６Ｃの露出面は、それぞれ
のセパレータ７が持つ保持体７２１，７２２のＰＥ膜６
Ｃと接する面である頂部（保持体７２１の場合は７２１
ａである。）によって、その両側面を挟むようにして保
持されることになる。また、一対のセパレータ７が持つ
それぞれの周辺部領域７４に対向する部位のＰＥ膜６Ｃ
の露出面は、シール体８Ａ，８Ｂと接触している部位に
ついてはシール体８Ａ，８Ｂによって、また、シール体
８Ａ，８Ｂの連通溝付きの貫通穴８２１，８４２による
連通溝と対向する部位については、それぞれのセパレー
タ７が持つ保持体７４４，７４５のＰＥ膜６Ｃと接する
面である頂部（保持体７４４の場合は７４４ａであ
る。）によって保持されることになる。これらによっ
て、この部位のＰＥ膜６Ｃは、燃料ガスと酸化剤ガスの
それぞれのガス圧に大きな差が発生したような異常時に
おいても、所定の位置に保持されるのである。

【００２１】ただし、保持体７４４，７４５の中心間隔
寸法，保持幅寸法（保持体７２１，７２２，７４４，７
４５の、この部位での反応ガスの通流方向に対して垂直
となる方向の幅寸法。）と、保持体７２１，７２２の中
心間隔寸法，保持幅寸法とを比較すると、中心間隔長さ
については保持体７４４，７４５の方が長く、保持幅寸
法に関しては、保持体７４４，７４５の方が短くならざ
るをえないものである（図１０参照）。このために、こ
れらの保持体によってＰＥ膜６Ｃが保持される保持間隔
寸法（ほぼ、中心間隔寸法−保持幅寸法である。）は、
保持体７４４，７４５で保持される部位の方が長くな
る。このために、燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧などに
対応してＰＥ膜６Ｃを所定の位置に保持するためには、
保持体７４４，７４５においては、保持体７２１，７２
２よりも強い力でＰＥ膜６Ｃを加圧することが必要とな
るのである。このことが、保持体７４４，７４５の高さ
寸法Ｔ_14Bを、保持体７２１，７２２の高さ寸法Ｔ_13B
よりも大きい値に設定した理由である。

【００２２】ところで、１個の燃料電池セル６が発生す
る電圧は、公知のごとく、１〔Ｖ〕程度以下と低い値で
あるので、前記した構成を持つ単電池６の複数個（数十
個から数百個であることが多い。）を、燃料電池セル６
の発生電圧が互いに直列接続されるように積層した単位
燃料電池の積層体として構成し、電圧を高めて実用に供
されるのが一般である。

【００２３】図１３は、従来例の固体高分子電解質型燃
料電池の要部を模式的に示したその側面図であり、図１
４は、図１３中に示した熱媒用のシール体の斜視図であ
る。図１５は、図１３に示した固体高分子電解質型燃料
電池の互いに隣接する単位燃料電池間の構成を説明する
側面断面図であり、図１６は、図１３に示した固体高分
子電解質型燃料電池の互いに隣接する単位燃料電池間の
構成を説明する部分断面図である。図１７は、図１３に
おけるＱ部の詳細図である。図１３〜図１７において、
図５〜図１２に示した従来例の単位燃料電池５と同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図
１３〜図１７には、図５〜図１２で付した符号について
は、代表的な符号のみを記した。

【００２４】図１３〜図１７において、９は、複数の単
電池５と、熱媒用のシール体９１と、単電池５で発生し
た直流電力を取り出すための，銅材等の導電材製の集電
板９２，９２と、単電池５，集電板９２を構造体から電
気的に絶縁するための電気絶縁材製の電気絶縁板９３，
９３と、両電気絶縁板９３の両外側面に配設される鉄材
等の金属製の加圧板９４，９５と、複数の締付けボルト
９６とを備えた、固体高分子電解質型燃料電池（スタッ
ク）である。

【００２５】シール体９１は、反応ガス・熱媒が、所定
の通流路外に漏れ出るのを防止すると共に、反応ガス・
熱媒の通流路，および熱媒９９を熱媒の通流路から熱媒
通流用の溝７１１ｂに供給する流路を提供することが主
な役目である。シール体９１は、弾性材を用いて薄板状
に製作され、その外形をセパレータ７の外形とほぼ同一
に設定され、その主要部の厚さは、寸法Ｔ_12Bに設定さ
れている。シール体９１は、図１４に示すように、セパ
レータ７の中央部領域７１，マニホールド領域７２，７
３とよりなる領域に対向する部位に貫通穴領域９１Ｂが
形成されている。この貫通穴領域９１Ｂは、矩形状をな
したＷ×Ｈ_Oの領域の寸法（図１０，図１４を参照）を
持っている。

【００２６】シール体９１の、貫通穴領域９１Ｂの周辺
をなしている周辺部領域９１Ａには、セパレータ７に形
成されている貫通穴７４１，７４２，７４３と対向させ
て、それぞれ、燃料ガス通流用の貫通穴９１１，酸化剤
ガス通流用の貫通穴９１２，熱媒通流用の連通溝付きの
貫通穴９１３とからなる貫通穴群が、この事例の場合に
は図１４中に示すように２群形成されている。それぞれ
の貫通穴９１３には、貫通穴領域９１Ｂの一方のマニホ
ールド領域７２に対向する部位、また、貫通穴領域９１
Ｂの他方のマニホールド領域７３に対向する部位との間
を連通する連通溝が、図１４中に示すように備えられて
いる。

【００２７】スタック９においては、単電池５には、単
電池５が備えるそれぞれのセパレータ７に形成された周
辺部領域７４の熱媒９９が通流される側に、シール体９
１を介挿し、互いに隣接する単電池５が備えるセパレー
タ７と、その頂部７１ｂを互いに接触させ、それぞれ重
ね合わされて単電池５の積層体が構成される（図１５，
図１６を参照）。

【００２８】スタック９は、単電池５の積層体の両端部
に、単電池５で発生した直流電力をスタック９から取り
出すための集電板９２，９２と、単電池５、集電板９２
を構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９３
と、両電気絶縁板９３の両外側面に配設される加圧板９
４，９５とを順次積層し、加圧板９４，９５にその両外
側面側から複数の締付けボルト９６により適度の加圧力
を与えるようにして構成されている。この締付けボルト
９６は、加圧板９４，９５に跨がって装着される六角ボ
ルト等であり、それぞれの締付けボルト９６は、これ等
と嵌め合わされる六角ナット等と、安定した加圧力を与
えるための皿ばね等と協同して、単電池５をその積層方
向に加圧する。この締付けボルト９６が単電池５を加圧
する加圧力は、燃料電池セル６の見掛けの表面積あたり
で、５〔kg/cm²〕内外程度であるのが一般である。

【００２９】そうして、加圧板９４，９５のスタック９
の外側面となる側面には、それぞれの熱媒用の貫通穴に
対向させて、熱媒用の配管接続体９８が装着されてい
る。また、電気絶縁板９３，９３の両側面の貫通穴の開
口部、および、加圧板９４，９５の配管接続体９８が装
着される側面の，貫通穴の開口部のそれぞれには、貫通
穴を取り巻いて、凹形状の溝が形成されている。それぞ
れの溝には、熱媒９９がこれ等の部位から冷却部外に漏
れ出るのを防止する役目を負う図示しない弾性材製のシ
ール体（例えば、Ｏリングである。）が装着されてい
る。

【００３０】このように構成されたスタック９において
は、単電池の積層体の両端部に位置する単電池５が備え
るセパレータ７の頂部７１ｂは、集電板９２の側面と接
触されるように構成されている（図１７を参照）。その
際、それぞれの単電池５が持つ反応ガス，熱媒の通流路
は、シール体９１に形成されている貫通穴９１１，９１
２，９１３によって互いに連通され、スタック９として
の反応ガス，熱媒の通流路を完成させている。そうし
て、熱媒９９は、図１３，図１７に示す（図１７中で
は、二点鎖線で示す。）ごとく、まず、加圧板９４に装
着された熱媒の入口側の配管接続体９８（図１７中での
図示は省略した。）からスタック９に流入する。スタッ
ク９に流入した熱媒９９は、セパレータ７の一方のマニ
ホールド領域７２に隣接して設けられた貫通穴７４３
と、この貫通穴７４３に連通している前記の諸貫通穴を
介してスタック９内を通流する。

【００３１】そうして、それぞれのシール体９１が持つ
貫通穴９１３に備えられた連通溝において分路され、そ
れぞれの単電池５が持つセパレータ７に形成されている
波形溝７１１の他方の側面側の、熱媒通流用の溝７１１
ｂ中を通流して、スタック９の発電運転時には、それぞ
れの単電池５，従って，燃料電池セル６を冷却する。そ
れぞれの単電池５を冷却することで温度が上昇した熱媒
９９は、セパレータ７の他方のマニホールド領域７３に
隣接して設けられた貫通穴７４３と、この貫通穴７４３
に連通している前記の諸貫通穴を介して順次合流され、
加圧板９５に装着された熱媒の出口側の配管接続体９８
からスタック９の外部に排出される。入口側および出口
側の配管接続体９８の設置個数は、それぞれ、セパレー
タ７の一方のマニホールド領域７２に隣接して設けられ
た貫通穴７４３の個数と、セパレータ７の他方のマニホ
ールド領域７３に隣接して設けられた貫通穴７４３の個
数と同一である。従って、熱媒９９は、貫通穴７４３の
個数による並列数を持つ並列流路によって、スタック９
内を通流することになる。

【００３２】また、反応ガスのスタック９内における通
流の様子は、熱媒９９の場合と基本的には同一である。
そうして、燃料電池セル６に供給される反応ガスは、そ
れぞれのガス通流路中を、図１３（ａ）中に矢印で示し
たごとく、その供給側を重力方向に対して上側に、その
排出側を重力方向に対して下側になるように配置される
のが一般である。これは、燃料電池セル６においては、
公知のごとく発電時の副生物として水蒸気が生成される
のであるが、この水蒸気のために、下流側の反応ガスほ
ど多量に水蒸気が含有されることとなり、この結果、排
出端付近の反応ガスでは過飽和に相当する水蒸気が凝結
して液体状態の水として存在することとなる可能性が有
るためである。反応ガスの供給側を重力方向に対して上
側に，反応ガスの排出側を重力方向に対して下側になる
ように配置することで、凝結した水は、反応ガス通流路
中を重力により自力で流下できるので、それぞれの単位
燃料電池装置６からの凝結した水の除去が容易になるの
である。なお、燃料電池セル６に使用されているＰＥ膜
６Ｃは、公知のごとくに飽和に含水させることにより良
好なプロトン導電性電解質として機能する膜であるの
で、反応ガスは、適度の値の湿度状態に調整されてスタ
ック９に供給されている。

【００３３】ところで、燃料電池セル６で行われる電気
化学反応は、公知のごとく発熱反応である。従って、燃
料電池セル６で電気化学反応によって発電を行う際に
は、発生される直流電力値とほぼ同等値の熱が発生する
ことも避けられないものである。この損失による熱を除
去するためにスタック９に供給されるのが、例えば、市
水である熱媒９９である。単電池５では、この熱媒９９
が、通流路中を前述したように通流することで、燃料電
池セル６は、セパレータ７，７を介して冷却されるので
ある。また、燃料電池セル６は、公知のごとく、その発
電を行うに際しては、５０〔℃〕程度を越える温度条件
に保つことが必要なものである。このために、スタック
９の起動時には、まだ常温の燃料電池セル６を昇温する
必要が有り、この役目を果たすのも熱媒９９なのであ
る。スタック９では、熱媒９９が外部から供給されるこ
とで、燃料電池セル６の温度を、５０〔℃〕から１００
〔℃〕程度の好ましい温度条件にして運転されるのが一
般である。

【００３４】図５〜図１７に示した固体高分子電解質型
燃料電池（スタック）９は前述の構成を備えているの
で、まず、スタック９は、それぞれの反応ガスおよび熱
媒に関して、互いに並列する複数の通流路が備えられて
いることになる。このことにより、それぞれの単電池５
に対して、この複数の通流路から反応ガスおよび熱媒を
供給することが可能であり、このことは、大面積の単電
池５においては、供給圧力値を低減することが容易にな
るという利点が得られている。

【００３５】また、セパレータ７は、そのガス通流用の
溝７１１ａと熱媒通流用の溝７１１ｂとを、波板状の波
形溝７１１の表裏をなす両側面に形成したので、ガス通
流用の溝７１１ａの側壁と、熱媒通流用の溝７１１ｂの
側壁との間の厚さ寸法は、薄板の厚さ寸法とほぼ同等で
あり、従って、全ての溝７１１ａと溝７１１ｂにおい
て、両溝の側壁間の厚さ寸法は同一である。これにより
セパレータ７では、反応ガスと熱媒との間の熱伝達に影
響を与える熱伝導抵抗の主要因となる，両溝の側壁間の
厚さ寸法を極めて短いものにすることができて、燃料電
池セル６に対する熱媒９９の熱交換能を向上させること
ができている。またこの構成とすることにより、セパレ
ータ７では、波形溝７１１が、燃料電池セル６が持つ電
極膜６Ａ，６Ｂに対向する領域のほぼ全面にわたり形成
されることになるので、熱媒９９により、燃料電池セル
６の均一な加熱・冷却が容易になるのである。

【００３６】その上に、全ての溝７１１ａと溝７１１ｂ
において、両溝の側壁間の厚さ寸法は同一であるので、
セパレータ７の厚さ方向の寸法（図６中にＴ_1Bとして示
した。）を薄くすることが可能となる。これによって、
スタック９の単電池５の積層方向の長さ寸法を短縮する
ことができている。また、セパレータ７は、ステンレス
鋼，チタン合金等の不動態膜が大気によって容易に生成
される性質を備える金属材を用いて形成することによっ
て、セパレータ７の層７９を除く表面には、必ず不動態
膜が存在することになる。このことによって、発電時に
副生された水蒸気が凝結したものである生成水が、イオ
ン化されることによる問題の発生を防止することができ
ている。そうして、セパレータ７が金属製化できること
によって、機械的に強固なものとなり、大面積のセパレ
ータであっても、その厚さ寸法を大きくすることなく製
作することができている。

【００３７】また、セパレータ７は、波形溝７１１の頂
部７１ａ，７１ｂに、この部位に存在する不動態膜を除
去した後、金，銀等の貴金属の層７９が形成されている
ことによって、この部分のの電気接触抵抗値および熱接
触抵抗値を、小さい値に保持することができている。こ
のことによって、不動態膜が大気によって容易に生成さ
れる性質を備える金属材を用いて製作しながらも、長期
信頼性の高いスタック９を得ることができている。

【００３８】また、セパレータ７は、マニホールド領域
７２，７３に保持体７２１を備えるようにしているの
で、燃料電池セル６が持つＰＥ膜６Ｃの露出面は、その
両側から保持体７２１によって保持される。これによっ
て、両反応ガス間に過大な差圧が生じた異常な運転状態
の場合の，ＰＥ膜６Ｃの破損の発生度などを低減するこ
とができている。

【００３９】また、セパレータ７は、マニホールド領域
７２，７３に保持体７２２を備えるようにしているの
で、互いに隣接して配置されるセパレータ７は、波形溝
７１１の頂部７１ｂと共に、保持体７２２の頂部の部位
でも、互いに接合されるので、互いに接合される接合点
の面積が拡大されることになる。これにより、スタック
９において締付けボルト９６により単電池５に与えられ
る加圧力を、より広い接合点の面積で分担することが可
能となり、単電池５に生じる応力を低減することができ
ている。

【００４０】また、セパレータ７が備える保持体７２
１，７２２は、その第１列目の保持体の列に形成されて
いる反応ガスの通流路の中心位置が、連通溝付きの貫通
穴８２１，８４２，９１３と対向する部位に在る保持体
７２１，７２２については、保持体７２１，７２２の中
心位置がこれ等に対応する前記の貫通穴がそれぞれに持
つ連通溝の中心位置とがほぼ合致する関係で形成されて
いる。

【００４１】保持体７２１と連通溝付きの貫通穴８２１
との場合を例にとると、貫通穴８２１が持つ連通溝から
マニホールド領域７２に流入した燃料ガスは、まず、保
持体７２１に衝突する。これにより、流入した燃料ガス
が持つ動圧が減殺される。動圧が減殺されることによ
り、波形溝７１１が持つ多数のガス通流用の溝７１１ａ
中をそれぞれ通流する燃料ガスの流量は、流入した燃料
ガスが持つ静圧値によって定まることになるのでほぼ均
等となる。これによって、燃料電池セル６が備える燃料
電極膜６Ａには燃料ガスが均等に供給され、その全面に
おいてほぼ均等な発電反応を行うことができている。

【００４２】以上のことは、酸化剤ガスにおける連通溝
付きの貫通穴８２１と保持体７２１、および、熱媒９９
における連通溝付きの貫通穴９１３と保持体７２２につ
いても同様である。また、セパレータ７においては、保
持体７２１，７２２は、反応ガス，熱媒の通流方向に、
通流路の位置を変えて２列設けられている。これは、前
記した動圧を減殺する作用をさらに高めようとするもの
である。

【００４３】また、セパレータ７においては、マニホー
ルド領域７２とマニホールド領域７３にそれぞれ保持体
７２１，７２２を備え、しかも、マニホールド領域７２
の第２列目の保持体７２１，７２２と、マニホールド領
域７３の第１列目の保持体７２１，７２２とは、通流路
の位置を変えて設けられている。これも、前記した動圧
を減殺する作用を一層高めようとするものである。

【００４４】さらにまた、金属薄板材を用いたセパレー
タを持つ単電池の従来例として、前記の単電池５以外
に、前述の特願平６−３０２５６１号、特願平６−３２
１１３８号には、例えば、燃料電池セルと同一の外形を
持つ部分に、その外周を囲む皿状をした保持部が一体に
形成されているセパレータを持つ単電池などが開示され
ているが、ここでの説明は省略する。

【００４５】なお、セパレータ７が持つ保持体７２１，
７２２、および、保持体７４４，７４５，７４６は、セ
パレータ７とは別個に製作しても差し支えないものであ
るが、セパレータ７に一体に形成することによって、ス
タック９全体としての部品点数を低減することが可能と
なるとの利点が得られるものである。しかしながら、セ
パレータ７と一体に形成することによって不都合が生じ
る場合等には、別個に製作しても差し支えないことは勿
論のことである。

【００４６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池（スタック）において
は、金属薄板材製のセパレータを用いることなどによっ
て、燃料電池セルの大面積化，スタックの小形化などを
実現することができているが、なお次記するような問題
点が存在している。すなわち、従来技術による単位燃料
電池（単電池）が備える金属薄板材製のセパレータにお
いては、前述した事例の場合では、保持体７２１，７２
２，７４４，７４５を備えており、これらの保持体の頂
部によって、燃料電池セル６を構成している固体高分子
電解質材製の電解質膜（ＰＥ膜）６Ｃの露出面を、ＰＥ
膜６Ｃの両面を挟むようにして保持している。これによ
って、両反応ガス間に過大な差圧が生じた場合などにお
ける、ＰＥ膜６Ｃの破損，ＰＥ膜６Ｃに形成された反応
ガス通流用の貫通穴を介しての両反応ガスの混触（燃料
電池においては、一般にクロスリークと呼ばれているの
で、以降ではクロスリークと言うことにする。）などの
発生の防止、あるいは、締付けボルト９６の加圧力によ
り単電池５に生じる応力値の低減を図ることができてい
る。

【００４７】しかしながら、前述した事例の単電池５で
は、反応ガスが通流される連通溝付きの貫通穴８２１，
８４２のそれぞれが持つ連通溝部と対向する部位に形成
されている保持体７４４，７４５に関しては、前記のご
とく、その高さ寸法Ｔ_14Bを保持体７２１，７２２の高
さ寸法Ｔ_13Bよりも大きい値に設定して、保持体７２
１，７２２によって保持される部位よりも強い力でＰＥ
膜６Ｃを加圧できるようにしている。ところがこのこと
によって、予想外に大きな値の応力がＰＥ膜６Ｃに働く
ことが分かってきた。すなわち、保持体７４４，７４５
の高さ寸法Ｔ_14Bは、保持体７４４，７４５が製作され
る際の加工精度によってはその値が大きくなり、これが
主原因となって大きな値の応力がＰＥ膜６Ｃに働くので
ある。

【００４８】ＰＥ膜６Ｃは、公知のごとく、その素材と
しての性質は、軟質のプラスチック材と同様であるの
で、大きな値の応力が加え続けられと、この応力値が小
さくなる方向に変形をする。この結果、保持体７４４，
７４５の頂部によって加圧される部位のＰＥ膜６Ｃに貫
通穴が発生し、この貫通穴を介してのクロスリークが発
生することが起こり得るのである。また、これを避ける
ために、高さ寸法Ｔ_14Bの製作誤差を小さく抑えようと
すると、保持体７４４，７４５やセパレータ７全体を高
い寸法精度で加工を行うことが必要になることで、その
製造原価が高価になるのである。

【００４９】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、保持体を介して加
圧される部位においても、固体高分子電解質材製の電解
質膜に加わる応力値を低減することが可能な固体高分子
電解質型燃料電池を提供することにある。

【００５０】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）複数の単位燃料電池を互いに積層した単位燃料電池
の積層体と、この積層体の両端の部位のそれぞれに配置
され，それぞれの単位燃料電池をその積層方向に加圧す
る加圧力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、燃
料電池セルと、燃料ガス用および酸化剤ガス用のセパレ
ータと、燃料ガス用および酸化剤ガス用のシール体とを
有し、燃料電池セルは、シート状の固体高分子電解質材
製の電解質膜と、この電解質膜の両主面のそれぞれに，
その周縁部分に露出面を残して接合されたシート状の燃
料電極膜およびシート状の酸化剤電極膜とを持ち、燃料
ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生す
るものであり、セパレータは、金属材で形成され、電解
質膜の露出面とほぼ同形に形成された平板状部と、燃料
電池セルのいずれかの電極膜と対向する部位に，いずれ
かの前記のガスを通流させるガス通流用の溝と，燃料電
池セルで発生した熱を除去するなどの役目を果たす熱媒
を通流させる熱媒通流用の溝とが，互いに表裏となる関
係で波板状に形成された溝部とを持ち、平板状部には、
前記の両ガスをそれぞれに通流させる貫通穴が形成され
ており、波板状をなす溝部の頂部を燃料電池セルのいず
れかの主面に接触させて配置されるものであり、シール
体は、平板状の弾性材により燃料ガスと酸化剤ガスとの
混触を防止できるように形成され、前記の両ガスをそれ
ぞれに通流させる貫通穴と、この貫通穴の内の一方のガ
スを通流させる各貫通穴と，セパレータのガス通流用の
溝との間を連通する連通溝とを持ち、前記の露出面とセ
パレータとの間に介挿されるものであり、セパレータの
平板状部は、電解質膜の露出面と対向する部位に保持体
を備え、この保持体は、いずれかのガスを通流させる流
路を形成するための複数の突起体を有し、この突起体
は、前記の溝部のいずれかのガス通流用の溝の最高突出
高さ寸法と、前記の燃料電極膜または酸化剤電極膜の厚
さ寸法との和とほぼ同等の高さ寸法を持つものである、
固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータが備
える保持体は、前記の電解質膜と接する側に、応力緩和
用の構造体を備える構成とすること、または、２）前記１項に記載の手段において、保持体が備える応
力緩和用の構造体は、平板状の部材である構成とするこ
と、または、３）前記１項に記載の手段において、セパレータが備え
る保持体は、セパレータとは別個の部材として形成さ
れ、平板状部と、この平板状部の一方の面側に形成さ
れ，燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかを通流させる
流路を形成するための複数の突起体とを備え、前記の平
板状部を応力緩和用の構造体として用いる構成とするこ
と、さらにまたは、４）前記３項に記載の手段において、保持体が備える突
起体は、燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかが通流さ
れる方向に対し、断続させて形成されてなる構成とする
こと、により達成される。

【００５１】

【作用】この発明においては、固体高分子電解質型燃料
電池において、（１）セパレータが備える保持体を、前記の電解質膜と
接する側に、例えば、平板状の部材である、応力緩和用
の構造体を備える構成とすることにより、保持体を介し
て加圧される部位の固体高分子電解質材製の電解質膜
（ＰＥ膜）の露出面に加えられる応力の値は、ＰＥ膜と
接触し合う面積が、前記の構造体の存在によって増大さ
れることによって低減される。これにより、保持体を介
して加圧される部位のＰＥ膜に貫通穴が発生する度合い
を低減することが可能となるのである。

【００５２】（２）セパレータが備える保持体を、セパ
レータとは別個の部材として形成され、平板状部と、こ
の平板状部の一方の面側に形成され，燃料ガスまたは酸
化剤ガスのいずれかを通流させる流路を形成するための
複数の突起体とを備え、前記の平板状部を応力緩和用の
構造体として用いる構成とすることにより、保持体の平
板状部が、前記の（１）項における平板状の部材と同一
の作用を発揮するので、前記の（１）項の作用を得るに
当たり、平板状の部材を不要とすることができる。

【００５３】（３）前記の（２）項において、保持体が
備える突起体を、燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれか
が通流される方向に対し、断続させて形成されてなる構
成とすることにより、平板状部の一方の面側に形成され
た突起体が、筒状をなす場合であっても、ＰＥ膜と接触
する平板状部の面積の減少度を抑制することが可能とな
る。

【００５４】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。実施例１；図１は、請求項１，２に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備える単
位燃料電池の要部を模式的に示した前記の図５と同等部
位の断面図であり、図２は、（ａ）は図１におけるＥ−
Ｅ断面図であり、（ｂ）は図１におけるセパレータの要
部とその周辺部のＲ矢視図である。図１，図２におい
て、図５〜図１２に示した従来例による固体高分子電解
質型燃料電池が備える単位燃料電池と同一部分には同じ
符号を付し、その説明を省略する。なお、図１，図２中
には、図５〜図１２で付した符号については、代表的な
符号のみを記した。

【００５５】図１，図２において、１は、図５に示した
従来例による固体高分子電解質型燃料電池が備える単位
燃料電池（単電池）に対して、セパレータ７に替えてセ
パレータ２を用いるようにした単電池である。セパレー
タ２は、図５中に示した従来例の単電池５が備えるセパ
レータ７に対して、この発明の特徴的な構成として、そ
れぞれの保持体７４４，７４５の頂部に応力緩和用の構
造体である平板体２１を備えている。

【００５６】平板体２１は、例えば、保持体７４４，７
４５と同一種類の金属材を用いて製作され、保持体７４
４，７４５の頂部に、溶接などを用いて固着されてい
る。そうして、セパレータ２の保持体７４４，７４５部
分の平板体２１を含む高さ寸法は、図１中に示したごと
く、従来例のセパレータ７の場合と同一のＴ_14Bに設定
されている。

【００５７】図１，図２に示す実施例では前述の構成と
したので、保持体７４４，７４５を介して加圧される固
体高分子電解質材製の電解質膜（ＰＥ膜）６Ｃの露出面
と接触し合う部位は、単電池１では平板体２１となる。
この平板体２１が直接にＰＥ膜６Ｃの露出面と接触し合
い、ＰＥ膜６Ｃの露出面をその両面から支持する。これ
により、ＰＥ膜６Ｃの露出面と平板体２１とが接触し合
う面積値は、保持体７４４，７４５の頂部が直接にＰＥ
膜６Ｃの露出面に接触される従来例の場合よりも増大さ
れる。

【００５８】ところで、接触された外部の物体によって
加圧される部位に発生する応力の値は、周知のごとく接
触面積値に逆比例する関係の値であるので、保持体７４
４，７４５の頂部よりも広い面積を持つ平板体２１によ
って加圧されるＰＥ膜６Ｃの露出面に加えられる応力の
値は、従来例の場合よりも低減されるのである。この結
果、この部位のＰＥ膜６Ｃに貫通穴が発生するというこ
とは解消されるのである。また、このことによって、高
さ寸法Ｔ_14Bの値が多少増大したとしても、この部位に
加えられる応力値を、ＰＥ膜６Ｃに貫通穴を発生させな
い限界値以下に抑制することが可能となるのである。

【００５９】実施例２；図３は、請求項１，３に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池の要部を模式的に示した図で、
（ａ）は前記の図５と同等部位の断面図であり、（ｂ）
は図３（ａ）におけるＵ部詳細図であり、（ｃ）は図３
（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図であり、（ｄ）は図３
（ａ）における保持体の要部とその周辺部のＳ矢視図で
ある。図３において、図５〜図１２に示した従来例によ
る固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電池と
同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。な
お、図３中には、図５〜図１２で付した符号について
は、代表的な符号のみを記した。

【００６０】図３において、３は、図５に示した従来例
による固体高分子電解質型燃料電池が備える単電池に対
して、セパレータ７に替えてセパレータ２Ａを用いるよ
うにすると共に、保持体４を用いるようにした単電池で
ある。セパレータ２Ａは、図５中に示した従来例の単電
池５が備えるセパレータ７に対して、それぞれの保持体
７４４，７４５を形成しないようにしたセパレータであ
る。したがって、セパレータ２Ａは、従来例のセパレー
タ７の保持体７４４，７４５が形成されていた部位は、
平板状となっている。

【００６１】保持体４は、セパレータ２Ａとは別個に、
例えば、セパレータ２Ａに使用されているものと同一の
金属材の薄板材を用いて、例えばプレス加工によって、
図３中に示したように形成したものである。保持体４
は、平板状をした平板状部４１と、この平板状部４１の
一方の面側にのみ形成された、それぞれが有底の筒状と
した複数の突起体４２とで構成されている。複数の突起
体４２は、これらの突起体４２の相互間に、いずれかの
反応ガスを通流させる流路が形成されるように配置され
ている。

【００６２】この保持体４の高さ寸法と、保持体４が装
着される部位のセパレータ２Ａの厚さ寸法との和である
総高さ寸法は、図３中に示したごとく、従来例のセパレ
ータ７の場合と同一のＴ_14Bに設定されている。そうし
て、この保持体４は、平板状部４１の、突起体４２が形
成された一方の面側とは反対側の面で、ＰＥ膜６Ｃの露
出面と接触し合うようにして、単電池３に組み込まれる
のである。なお、この保持体４は、単電池３に組み込ま
れる前に、例えば突起体４２でセパレータ２Ａに固着さ
れるようにしてもよいものである。

【００６３】図３に示す実施例では前述の構成としたの
で、保持体４の平板状部４１が、実施例１による単電池
１が持つ平板体２１と同一の作用を発揮する部材であ
り、応力緩和用の構造体であることになる。したがっ
て、単電池３では、単電池１が持つ作用・効果を、平板
状の部材を準備すること無しに得ることができるのであ
る。

【００６４】実施例３；図４は、請求項１，３，４に対
応するこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃
料電池が備える単位燃料電池の要部を模式的に示した図
で、（ａ）は前記の図５と同等部位の断面図であり、
（ｂ）は図４（ａ）におけるＶ部詳細図であり、（ｃ）
は図４（ａ）におけるＧ−Ｇ断面図であり、（ｄ）は図
４（ａ）における保持体の要部とその周辺部のＴ矢視図
である。図４において、図３に示した請求項１，３に対
応するこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃
料電池が備える単位燃料電池、および、図５〜図１２に
示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池が備え
る単位燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、その説
明を省略する。なお、図４中には、図５〜図１２で付し
た符号については、代表的な符号のみを記した。

【００６５】図４において、３Ａは、図３に示したこの
発明による固体高分子電解質型燃料電池が備える単電池
に対して、保持体４に替えて保持体４Ａを用いるように
した単電池である。保持体４Ａは、平板状をした平板状
部４１と、この平板状部４１の一方の面側にのみ形成さ
れた、それぞれが有底の筒状とした複数の突起体４３と
で構成されている。複数の突起体４３は、この実施例の
特徴的な構成として、これらの突起体４３の相互間に、
いずれかの反応ガスを通流させる流路が形成されるよう
にすると共に、反応ガスの通流方向に沿う方向にも間隔
が設けられるようにして、図４中に示したごとく碁盤目
状に配置されている。

【００６６】図４に示す実施例では前述の構成としたの
で、保持体４Ａの平板状部４１が、ＰＥ膜６Ｃの露出面
と接触し合う面積値を、図３に示した保持体４の場合よ
りも増大することが可能となる。この結果、平板状部４
１によって加圧されるＰＥ膜６Ｃの露出面に加えられる
応力の値を、保持体４の場合よりも低減することが可能
となる。

【００６７】実施例３における今までの説明では、保持
体４Ａが備える突起体４３は碁盤目状に配置されている
としてきたが、これに限定されるものではなく、例え
ば、千鳥状に配置されてもよいものである。また、実施
例２，３における今までの説明では、保持体４，４Ａが
備える突起体４２，４３は有底の筒状であるとしてきた
が、これに限定されるものではなく、例えば、中実状で
あってもよいものである。これによって、平板状部４１
が、ＰＥ膜６Ｃの露出面と接触し合う面積値を、さらに
増大することが可能となる。

【００６８】さらにまた、実施例１〜３における今まで
の説明では、応力緩和用の構造体は、保持体７４４，７
４５が配置されていた部位にのみ備えられるとしてきた
が、これに限定されるものではなく、保持体７２１，７
２２などの他の保持体が配置されている部位に備えられ
てもよいものである。応力緩和用の構造体を保持体７２
１，７２２などにも備えることによって、保持体によっ
て加圧される部位におけるＰＥ膜６Ｃに発生する応力値
を低減することが可能となり、固体高分子電解質型燃料
電池の信頼性の向上を図ることが可能となる。

【００６９】なお、実施例１〜実施例３の説明の中では
触れてこなかったが、実施例１〜実施例３などによって
得られるこの発明によるいずれの単電池も、図１３に示
した従来例の単電池５の場合と同様な方法によって積層
されて、スタックを構成することは勿論のことである。

【００７０】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた構成とすることにより、次
記する効果を奏する。保持体を介して加圧されるＰＥ膜の露出面と接触し合
う加圧面の面積値が増大されるので、保持体を介して加
圧される部位においても、ＰＥ膜に加わる応力値を低減
することが可能となる。これにより、クロスリークの発
生を抑制することが可能になると共に、保持体部分を主
体に、その寸法精度を緩和することが可能となるので、
固体高分子電解質型燃料電池の製造原価を低減すること
が可能となる。また、前記の課題を解決するための手段の項の、３項または
４項に記載した構成とすることにより、平板状の部材を
準備すること無しに前記の項による効果を得ることが
できるので、固体高分子電解質型燃料電池の製造原価を
一層低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電池
の要部を模式的に示した後記の図５と同等部位の断面図

【図２】（ａ）は図１におけるＥ−Ｅ断面図、（ｂ）は
図１におけるセパレータの要部とその周辺部のＲ矢視図

【図３】請求項１，３に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電池
の要部を模式的に示した図で、（ａ）は後記の図５と同
等部位の断面図、（ｂ）は図３（ａ）におけるＵ部詳細
図、（ｃ）は図３（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図、（ｄ）
は図３（ａ）における保持体の要部とその周辺部のＳ矢
視図

【図４】請求項１，３，４に対応するこの発明の一実施
例による固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料
電池の要部を模式的に示した図で、（ａ）は後記の図５
と同等部位の断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＶ部
詳細図、（ｃ）は図４（ａ）におけるＧ−Ｇ断面図、
（ｄ）は図４（ａ）における保持体の要部とその周辺部
のＴ矢視図

【図５】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備える
単位燃料電池の要部を模式的に示した後記する図１０に
おけるＡ−Ａ断面図

【図６】図５に示した単位燃料電池の部分断面図で、
（ａ）は後記する図１０におけるＢ−Ｂ断面図、（ｂ）
は図６（ａ）中に示したセパレータの部分断面図

【図７】図５に示した単位燃料電池の後記する図１０に
おけるＣ−Ｃ断面図

【図８】図５に示した単位燃料電池の後記する図１０に
おけるＤ−Ｄ断面図

【図９】図５に示した単位燃料電池が有する燃料電池セ
ルの斜視図

【図１０】図５に示した単位燃料電池が有するセパレー
タの斜視図

【図１１】図５に示した単位燃料電池が有する燃料ガス
用のシール体の斜視図

【図１２】図５に示した単位燃料電池が有する酸化剤ガ
ス用のシール体の斜視図

【図１３】従来例の固体高分子電解質型燃料電池の要部
を模式的に示したその側面図

【図１４】図１３中に示した熱媒用のシール体の斜視図

【図１５】図１３に示した固体高分子電解質型燃料電池
の互いに隣接する単位燃料電池間の構成を説明する側面
断面図

【図１６】図１３に示した固体高分子電解質型燃料電池
の互いに隣接する単位燃料電池間の構成を説明する部分
断面図

【図１７】図１３におけるＱ部の詳細図

【符号の説明】

１単位燃料電池（単電池）２セパレータ２１平板体７４４保持体Ｔ_14B 高さ寸法

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の単位燃料電池を互いに積層した単位
燃料電池の積層体と、この積層体の両端の部位のそれぞ
れに配置され，それぞれの単位燃料電池をその積層方向
に加圧する加圧力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、燃料電池セルと、燃料ガス用および酸
化剤ガス用のセパレータと、燃料ガス用および酸化剤ガ
ス用のシール体とを有し、燃料電池セルは、シート状の固体高分子電解質材製の電
解質膜と、この電解質膜の両主面のそれぞれに，その周
縁部分に露出面を残して接合されたシート状の燃料電極
膜およびシート状の酸化剤電極膜とを持ち、燃料ガスお
よび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生するもの
であり、セパレータは、金属材で形成され、電解質膜の露出面と
ほぼ同形に形成された平板状部と、燃料電池セルのいず
れかの電極膜と対向する部位に，いずれかの前記のガス
を通流させるガス通流用の溝と，燃料電池セルで発生し
た熱を除去するなどの役目を果たす熱媒を通流させる熱
媒通流用の溝とが，互いに表裏となる関係で波板状に形
成された溝部とを持ち、平板状部には、前記の両ガスを
それぞれに通流させる貫通穴が形成されており、波板状
をなす溝部の頂部を燃料電池セルのいずれかの主面に接
触させて配置されるものであり、シール体は、平板状の弾性材により燃料ガスと酸化剤ガ
スとの混触を防止できるように形成され、前記の両ガス
をそれぞれに通流させる貫通穴と、この貫通穴の内の一
方のガスを通流させる各貫通穴と，セパレータのガス通
流用の溝との間を連通する連通溝とを持ち、前記の露出
面とセパレータとの間に介挿されるものであり、セパレータの平板状部は、電解質膜の露出面と対向する
部位に保持体を備え、この保持体は、いずれかのガスを
通流させる流路を形成するための複数の突起体を有し、
この突起体は、前記の溝部のいずれかのガス通流用の溝
の最高突出高さ寸法と、前記の燃料電極膜または酸化剤
電極膜の厚さ寸法との和とほぼ同等の高さ寸法を持つも
のである、固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータが備える保持体は、前記の電解質膜と接する
側に、応力緩和用の構造体を備えることを特徴とする固
体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、保持体が備える応力緩和用の構造体は、平板状の部材で
あることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、セパレータが備える保持体は、セパレータとは別個の部
材として形成され、平板状部と、この平板状部の一方の
面側に形成され，燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれか
を通流させる流路を形成するための複数の突起体とを備
え、前記の平板状部を応力緩和用の構造体として用いる
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】請求項３に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、保持体が備える突起体は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの
いずれかが通流される方向に対し、断続させて形成され
てなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。