JP3830805B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極構造体をセパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層して構成された燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を構成する燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。
【０００３】
各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス（例えば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体（例えば、純水）の流路が設けられている。
【０００４】
そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。
【０００５】
これら燃料ガスと酸化剤ガス（総称して反応ガス）および冷却媒体は、各々独立した流路に流通させる必要があるため、各流路間を液密または気密状態に仕切るシール技術が重要となる。
密封すべき部位としては、例えば、反応ガスおよび冷却媒体を燃料電池の各燃料電池セルに分配供給するために貫通形成された供給口の周囲、各燃料電池セルから排出された反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ収集して排出する排出口の周囲、膜電極構造体の外周、隣接する燃料電池セルのセパレータ間の外周等がある。シール部材としては、有機ゴム等の柔らかくて、適度に反発力のある材質のものが採用されている。
【０００６】
一方、近年、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化、低コスト化が大きな課題となっている。
燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を最大限に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。
【０００７】
ところが、セパレータを薄肉化することには、セパレータの強度や燃料電池の剛性上限界がある。また、セパレータ間の間隔寸法を小さくするには、シール部材の高さ寸法を低減することが効果的であるが、必要十分な密封性を確保するためには、十分な潰れ代を確保し得るシール部材の高さ寸法が必要となるため、その低減にも自ずと限界がある。
【０００８】
さらに、燃料電池セルにおいて、シール部材が占有する空間は、反応ガスおよび冷却媒体を密封するために必要不可欠ではあるものの、実質的に発電に寄与しない空間であるため、極力小さくする必要がある。
【０００９】
図２４は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号７０は、燃料電池をセパレータ７１の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、排出口、酸化剤ガス供給口、排出口、冷却媒体供給口、排出口などの連通孔である。また、符号７２は、セパレータ７１に沿って複数の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却媒体流路が形成されている領域である。
【００１０】
図２５は、図２４の線Ｘ−Ｘで切断した従来の燃料電池７３を示す縦断面図である。平面視において、発電に寄与しないシール部材の占有空間を極力小さくするために、従来は、燃料ガス流路７４および酸化剤ガス流路７５をそれぞれ密封するガスシール部材７６，７７と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材７８とを、燃料電池セル７９の積層方向に一列に並べて配置することにより、燃料電池７３の外形寸法を最小限に抑制している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように構成される燃料電池７３の場合に、各流路７４，７５を密封するガスシール部材７６，７７および冷却面シール部材７８の全てを燃料電池セル７９の積層方向に一列に並べて配置すると、燃料電池７３の厚さ寸法を、各燃料電池セル７９の厚さ寸法に燃料電池セル７９間の冷却面シール部材７８の高さ寸法を加えて積層数倍した値より小さくすることができないという不都合がある。
【００１２】
このことをさらに詳しく説明するために、再度、図２５を参照する。この図２５によれば、ガスシール部材７６，７７によって密封状態に隔離された燃料ガス供給口７０と燃料ガス流路７４とが連絡路８０によって連絡されている。該連絡路８０は、燃料ガス流路７４の周囲を全周にわたって密封しているガスシール部材７７の燃料ガス供給口７０近傍をセパレータ８１の厚さ方向に迂回するようにセパレータ８１に設けられている。また、セパレータ８２も酸化剤ガス供給口（図示略）において同様の連絡路（図示略）を有している。
【００１３】
したがって、各セパレータ８１，８２は、連絡路８０を形成するために比較的厚く形成されているが、各シール部材７６〜７８が配置されているシールラインの位置においては、図２５の断面に見られるように、強度を確保するための最小限の肉厚寸法となっており、それ以上の薄肉化を図ることができない。
また、各シール部材７６〜７８は、密封性を確保するために必要最小限の高さ寸法とされているので、これらシール部材７６〜７８の高さ寸法もそれ以上低減することはできない。
【００１４】
その結果、燃料電池７３の厚さ寸法は、２枚のセパレータ８１，８２の最小肉厚寸法、連絡路８０を構成するための厚さ寸法、２つのガスシール部材７６，７７の高さ寸法、固体高分子電解質膜８３の厚さ寸法および冷却面シール部材７８の高さ寸法を加えたものを積層数倍した寸法となるが、これらは全て必要不可欠な寸法であるため、それ以上の寸法低減を図ることは困難であった。
【００１５】
このような燃料電池７３の厚さ寸法を低減する手段として、前記ガスシール部材７６，７７と冷却面シール部材７８との積層方向から見た位置を互いにずらすことが提案されている。このようにすれば、連絡路の形成されている位置におけるセパレータ８１，８２の肉厚寸法を確保しつつ、冷却面シール部材７８が十分な密封性を確保するために必要な、冷却面シール部材７８の占有高さを節約して、燃料電池７３の高さを大幅に低減することができる。
【００１６】
しかし、前記ガスシール部材７６，７７と冷却面シール部材７８の配置位置をずらすことにより、積層方向に各燃料電池セルのシールラインが、直線上に並ばなくなる。このため、ずらして配置された前記ガスシール部材７６、７７と冷却面シール部材７８にかかる荷重圧力が弱くなる。このため、積層した燃料電池セルを積層方向に締め付けた場合には、冷却面シール部材が押しつぶされることにより生じた反力によってセパレータが変形してシール部材の密封性能が損なわれ、この位置におけるガスシール部材７６，７７と冷却面シール部材７８からガス及び冷媒の漏れが発生するおそれがある。したがって、シール部材の密封性能を確保するセパレータ８１、８２の剛性を確保するために、セパレータ８１、８２の厚みをある程度厚くせざるを得ず、これ以上の燃料電池７３の小型化を図ることができないという問題があった。
【００１７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池を構成するセパレータおよび膜電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、燃料電池の厚さ寸法を小さくして小型軽量化した燃料電池を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電解質（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１０）の両面にそれぞれ電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１１，カソード電極１２）を配した電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体３）と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ４Ａ、５Ａ）と、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス用のガス流路をそれぞれ密封するガスシール部材（例えば、実施の形態におけるガスシール部材６Ａ、７Ａ）とから構成された複数の燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２Ａ）を、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材（例えば、実施の形態における冷却面シール部材２７）を挟んで積層してなる燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１Ａ）であって、前記各セパレータに、前記ガスシール部材の外側にセパレータを厚さ方向に貫通して設けられる反応ガスおよび冷却媒体用の連通孔（例えば、実施の形態における連通孔１７〜２２）と、反応ガス用の連通孔とガス流路とを連絡する連絡路（例えば、実施の形態における連絡路２３Ａ、２５Ａ）とが設けられ、ガスシール部材および冷却面シール部材が積層方向から見てずれた位置に配置されたセパレータの部位が支持部材（例えば、実施の形態における支持部材２９Ａ〜２９Ｄ）によって支持されていることを特徴とする燃料電池である。
【００１９】
このように構成することで、上記したガスシール部材および冷却面シール部材をずらして配置されているセパレータの部位の剛性を確保することができる。このため、上記した位置のずれたガスシール部材および冷却面シール部材に十分な荷重圧力を付与することができる。
【００２０】
なお、支持部材の材質は配置する部位によって異なり、電極構造体を挟んだセパレータ間に配置する場合にはゴムや樹脂等の絶縁材料を用いる。また、セパレータの冷却面側に配置する場合には、ステンレスやカーボン材等の耐食性のある導電性材料を用いてもよいし、ゴムや樹脂等の絶縁材料を用いてもよい。また、電極構造体とセパレータ間に配置する場合にも、上記した耐食性のある絶縁材料を用いる。そして、燃料電池としては、固体高分子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
【００２１】
請求項２に記載した発明は、前記複数の燃料電池セルにおける、一の燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２Ｂ）と、該燃料電池セルの積層方向に隣合う燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２Ｃ）との、それぞれ対応する連絡路（例えば、実施の形態における連絡路２３Ｂおよび２３Ｃ、連絡路２５Ｂおよび２５Ｃ）が、積層方向から見て互いにずれた位置に設けられ、前記支持部材の少なくとも一部（例えば、実施の形態における支持部材２９Ｅ、２９Ｆ）が連絡路を形成するセパレータの部位を支持していることを特徴とする燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１Ｃ）である。
【００２２】
このように構成することで、連絡路をずらして設けたセパレータの部位の剛性が増すため、この部位の厚みを薄くできるとともに、この部位を積層方向にずらすことができる。
【００２３】
請求項３に記載した発明は、前記ガス流路または冷却媒体流路上に設けられた支持部材（例えば、実施の形態における支持部材２９Ｂ）には、反応ガスまたは冷却媒体を流入可能な通路部（例えば、実施の形態における通路部３０）が形成されていることを特徴とする燃料電池である。
請求項４に記載した発明は、前記冷却媒体流路は、複数の燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２Ｂ、２Ｃ）間に形成されることを特徴とする燃料電池である。
【００２４】
このように構成することで、前記支持部材に形成された通路部からガスまたは冷却媒体を流入させることができるとともに、この支持部材の設けられたセパレータの部位の剛性を増すことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を構成する燃料電池セルを示す概略構成図である。本実施の形態に係る燃料電池１Ａは、図１２に示されるように、燃料電池セル２Ａを複数積層して構成されている。燃料電池セル２Ａは、図１に示されるように、膜電極構造体３を一対のセパレータ４Ａ，５Ａで挟持することにより構成されている。膜電極構造体３と各セパレータ４Ａ，５Ａとの間には、ガスシール部材６Ａ，７Ａがそれぞれ配置されている。これらガスシール部材６Ａ，７Ａは、図１２に示されるように、膜電極構造体３の両側に燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とを密封状態に画定している。
【００２６】
前記膜電極構造体３は、例えば、図５および図１２に示されるように、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜１０（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜１０の両面を挟むアノード電極１１およびカソード電極１２とを有している。
電解質膜１０は、例えば、図５に示されるように、複数の貫通孔１０ａを有している。電解質膜１０は、後述するセパレータ４Ａ，５Ａと同等の大きさを有し、各貫通孔１０ａは、セパレータ４Ａ，５Ａの各供給口１７〜１９および各排出口２０〜２２に対応する位置に配置されている。
【００２７】
前記アノード電極１１およびカソード電極１２は、例えば、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層を基材として電解質膜１０と接する一表面に、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層を配設させることにより構成されている。
【００２８】
燃料電池セル２Ａを構成するセパレータ４Ａ，５Ａには、２種類のセパレータ４Ａ，５Ａがある。各セパレータ４Ａ，５Ａは、図２および図３に示されるように、いずれもカーボン製平板の表面に、複数の溝（図示せず）を削り込むことにより、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部４ａ，５ａと、該波板部４ａ，５ａに流通させる燃料ガス（例えば、水素ガス）、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）および冷却媒体（例えば、純水）をそれぞれ供給、排出させるように各セパレータ４Ａ，５Ａを貫通する燃料ガス供給口（連通孔）１７、酸化剤ガス供給口（連通孔）１８、冷却媒体供給口（連通孔）１９、燃料ガス排出口（連通孔）２０、酸化剤ガス排出口（連通孔）２１および冷却媒体排出口（連通孔）２２と、これら連通孔１７〜２２および前記波板部４ａ，５ａをそれぞれ取り囲むように配置される平面部４ｂ，５ｂとを具備している。
【００２９】
前記冷却媒体連通孔１９および冷却媒体連通孔２２は、図２および図３に示されるように、セパレータ４Ａ，５Ａの幅方向（図２の矢印Ｑ方向）のほぼ中央に配置されている。また、前記燃料ガス連通孔１７と酸化剤ガス連通孔１８は、前記冷却媒体連通孔１９を挟んでセパレータ４Ａ，５Ａの幅方向の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガス連通孔２０と酸化剤ガス連通孔２１は、前記冷却媒体連通孔２２を挟んでセパレータ４Ａ，５Ａの幅方向の両側に配置されている。これら燃料ガス連通孔２０および酸化剤ガス連通孔２１は、それぞれ燃料ガス連通孔１７および酸化剤ガス連通孔１８に対して対角位置となるように配置されている。
【００３０】
各セパレータ４Ａ，５Ａの長さ方向（図２の矢印Ｒ方向）に沿う、燃料ガス連通孔１７および連通孔２０、酸化剤ガス連通孔１８および連通孔２１の長さ寸法は、隣接する冷却媒体連通孔１９および連通孔２２よりも短く形成されている。これにより、燃料ガス連通孔１７および連通孔２０、酸化剤ガス連通孔１８および連通孔２１と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法は、冷却媒体連通孔１９および連通孔２２と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法よりも大きく形成されている。
【００３１】
一方のセパレータ４Ａの一面側には、図２に示されるように、燃料ガス連通孔１７と波板部４ａとの間および該波板部４ａと燃料ガス連通孔２０との間に、燃料ガス連通孔１７から供給されてきた燃料ガスを波板部４ａに流通させ、波板部４ａを通過した燃料ガスを燃料ガス連通孔２０から排出させるための連絡路２３Ａがそれぞれ形成されている。該連絡路２３Ａは、セパレータ４Ａの一面側に形成された複数の溝２３ａと、該溝２３ａ上に掛け渡される平板上のブリッジ板２３ｂとを備えている。ブリッジ板２３ｂが配置されるセパレータ４Ａの表面には、該ブリッジ板２３ｂをはめ込む凹部が形成されており、それによってブリッジ板２３ｂの表面は、セパレータ４Ａの平面部４ｂと段差なく同一平面内に配されている。
【００３２】
また、他方のセパレータ５Ａの一面側にも、図３に示されるように、酸化剤ガス供給口１８と波板部５ａとの間、および、該波板部５ａと酸化剤ガス排出口２１との間に、一方のセパレータ４Ａと同様に、複数の溝２５ａとブリッジ板２５ｂとからなる連絡路２５Ａが設けられている。
なお、両セパレータ４Ａ，５Ａの他面側には、図４に示されるように、冷却媒体供給口１９と波板部４ａ，５ａとを結ぶ連絡路２６および該波板部４ａ，５ａと冷却媒体排出口２２とを結ぶ連絡路２６が設けられている。
【００３３】
前記ガスシール部材６Ａ，７Ａは、図２および図３に示されているように、波板部４ａ，５ａの外周を取り囲む主環状部６ａ，７ａの両側に、各連通孔１７〜２２をそれぞれ取り囲む複数の副環状部６ｂ，７ｂを有する形状に一体的に構成されている。図２および図３に示したように、ガスシール部材６Ａ，７Ａの主環状部６ａ，７ａは、各連通孔１７〜２２と波板部４ａ，５ａとの間の平面部４ｂ，５ｂを通過するように配置される。これにより、主環状部６ａ，７ａは、連絡路２３Ａ，２５Ａに設けられたブリッジ板２３ｂ，２５ｂの上を通過して、各連通孔１７〜２２と波板部４ａ，５ａとの間を連絡路２３Ａ，２５Ａを構成する溝２３ａ，２５ａのみによって連絡し、他の部分は液密状態に密封するようになっている。
【００３４】
このように構成された燃料電池セル２Ａは、図１２に示されるように、冷却面シール部材２７を挟んで複数積層される。冷却面シール部材２７は、図４に示されるように、主環状部２７ａと副環状部２７ｂとを一体的に連結した構造を有している。前記冷却面シール部材２７の主環状部２７ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの連通孔１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、連通孔２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過して、冷却媒体連通孔１９から連絡路２６を介して波板部４ａ，５ａに接続し、波板部４ａ，５ａから連絡路２６を介して冷却媒体連通孔２２に接続する冷却媒体流路２８の周囲を密封している。また、冷却面シール部材２７の副環状部２７ｂは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各連通孔１７，１８および各連通孔２０，２１を、それぞれ独立して密封している。
【００３５】
冷却面シール部材２７の主環状部２７ａのうち、燃料ガスおよび酸化剤ガスの連通孔１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、連通孔２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過する部分は、上記ガスシール部材６Ａ、７Ａの主環状部６ａ，７ａの通過位置と比較すると、供給口１７，１８または排出口２０，２１に、より近い位置を通過するようにずれた位置に配置されている。
【００３６】
本実施の形態においては、積層方向から見てガスシール部材６Ａ、７Ａおよび冷却面シール部材２７がずらして配置されているセパレータ４Ａ、５Ａの部位を支持する支持部材２９Ａ〜２９Ｄが設けられている。すなわち、図２および図３に示したように、ガスシール部材６Ａ、７Ａには、このガスシール部材６Ａ、７Ａからずらして配置された冷却面シール部材２７を支持するための支持部材２９Ａ、２９Ｂが設けられている。また、図４に示したように、前記冷却面シール部材２７には、ガスシール部材６Ａ、７Ａの通過位置からずれた位置に、支持部材２９Ｃ、２９Ｄが設けられている。
【００３７】
このように構成された燃料電池１Ａの各部の断面を図１１〜図１４に示す。これらの図は、単に断面のみを示し、図中の波線は、左右に示される図が、連続した部材であることを示している。
図１２は、図２に示される線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。この図１２によれば、各セパレータ４Ａ，５Ａを厚さ方向に貫通する燃料ガス連通孔１７から連絡路２３Ａを通してアノード電極１１とセパレータ４Ａとの間に形成されている燃料ガス流路８へ燃料ガスを流通させる経路が示されている。
【００３８】
この図１２を見ると、膜電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４Ａ，５Ａとの間を密封するガスシール部材６Ａ，７Ａが、燃料電池セル２Ａの積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されている。燃料ガス流路のガスシール部材６Ａは、セパレータ４Ａに形成されている連絡路２３Ａに掛け渡されたブリッジ板２３ｂ上に配置されている。すなわち、連絡路２３Ａは、ガスシール部材６Ａをセパレータ４Ａの厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材６Ａの内外を連通させ、ガスシール部材６Ａの外側の燃料ガス連通孔１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材６Ａ内側の燃料ガス流路８に流通させることを可能としている。
【００３９】
この場合において、各燃料電池セル２Ａ間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材６Ａ，７Ａが配置されている連絡路２３Ａに対して燃料ガス連通孔１７側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ４Ａの一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した連絡路２３Ａを構成する溝２３ａとはセパレータ４Ａの厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
【００４０】
また、冷却面シール部材２７がガスシール部材６Ａ、７Ａからずらして配置されているセパレータの部位４Ａ、５Ａには、支持部材２９Ａ、２９Ｂが設けられている。図１２の断面図には支持部材２９Ｂが示されている。この支持部材２９Ａ、２９Ｂにより、上記した冷却面シール部材２７をずらして配置したセパレータ４Ａ、５Ａの部位が支持され、この部位の剛性を確保することができる。このため、この部位におけるセパレータ４Ａ、５Ａの変形を防止しつつ厚みを十分に薄くすることができる。また、上記した位置のずれた冷却面シール部材２７に十分な荷重圧力を付与することができる。このため、この部位のセパレータ４Ａ、５Ａの厚みを薄くしても、十分なシール性を確保することができる。
【００４１】
また、本実施の形態においては、図２や図３に示したように、上記冷却面シール部材２７のずれた部位を支持する支持部材として、２種類の支持部材２９Ａ、２９Ｂとが設けられている。これについて図１１を用いて説明する。図１１は、図２の線Ｐ−Ｐで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。燃料ガス流路８を横断するように設けられる支持部材２９Ｂには、断面凹状に切り欠いて形成した通路部３０が設けられている。この通路部３０により、燃料ガス流路８からの燃料ガスを流入させることができるとともに、この支持部材２９Ｂの設けられたセパレータ４Ａ、５Ａの部位の剛性を増すことができる。また、支持部材２９Ａには前記通路部３０を設けておらず、その分剛性をさらに高めることができる。なお、支持部材２９Ａ、２９Ｂには絶縁材料が用いられる。
上記においては、燃料ガス連通孔１７について説明したが、燃料ガス連通孔２０においても同様のことが言える。
【００４２】
さらに、図１３は、図３に示される線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。この図１３によれば、各セパレータ４Ａ，５Ａを厚さ方向に貫通する酸化剤ガス連通孔１８から連絡路２５Ａを通してカソード電極１２とセパレータ５Ａとの間に形成されている酸化剤ガス流路９へ酸化剤ガスを流通させる経路が示されている。
【００４３】
この図１３においても、膜電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４Ａ，５Ａとの間を密封するガスシール部材６Ａ，７Ａが、燃料電池セル２Ａの積層方向に対向する位置で電解質膜１０を厚さ方向に挟んで配置されており、ガスシール部材７Ａは、セパレータ５Ａに形成されている連絡路２５Ａに掛け渡されたブリッジ板２５ｂ上に配置されている。すなわち、連絡路２５Ａは、ガスシール部材７Ａをセパレータ５Ａの厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材７Ａの内外を連通させ、ガスシール部材７Ａの外側の酸化剤ガス連通孔１８から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材７Ａの内側の酸化剤ガス流路９に流通させることを可能としている。
【００４４】
この場合において、各燃料電池セル２Ａ間を密封して冷却媒体流路２８を画定している冷却面シール部材２７は、前記ガスシール部材７Ａが配置されている連絡路２５Ａよりも酸化剤ガス連通孔１８側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材２７は、セパレータ５Ａの一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した連絡路２５Ａの溝２５ａと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。また、燃料ガス連通孔１７の場合と同様に、冷却面シール部材２７がガスシール部材６Ａ、７Ａからずらして配置されているセパレータ４Ａ，５Ａの部位には、支持部材２９Ａ、２９Ｂが設けられており、これによりこの部位におけるセパレータ４Ａ、５Ａの変形を防止しつつ厚みを十分に薄くすることができるとともに、十分なシール性を確保することができる。
酸化剤ガス連通孔２１側においても同様のことが言える。
【００４５】
図１４は、図４に示された線Ｃ−Ｃで切断した縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口１９から隣接する燃料電池セル２Ａ、２Ａ間に画定された冷却媒体流路２８に接続する冷却媒体の経路、並びに、波板部４ａ，５ａによって画定された燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９および冷却媒体流路２８がそれぞれ示されている。また、図４に示したようにセパレータ４Ａ、５Ａの冷却媒体流路２８の形成される側のには、支持部材２９Ｃ、２９Ｄが設けられており、これによりガスシール部材６Ａ、７Ａからの荷重を受けて、セパレータ４Ａ、５Ａの剛性を高めている。また、冷却媒体流路２８を横断するように設けられる支持部材２９Ｄには、支持部材２９Ｂと同様に通路部３０が設けられている。この支持部材２９Ｃ、２９Ｄには、耐食性を有するステンレスやカーボン材等の導電性材料が用いられる。
【００４６】
したがって、連絡路２３Ａ，２５Ａの形成されている位置におけるセパレータ４Ａ，５Ａの肉厚寸法を確保しつつ、冷却面シール部材２７が十分な密封性を確保するために必要な、冷却面シール部材２７の占有高さを節約できる。また、ガスシール部材６Ａ、７Ａおよび冷却面シール部材２７をずらして配置されているセパレータ４Ａ、５Ａの部位の剛性を確保することができるため、セパレータ４Ａ、５Ａの変形を防止しつつ厚みを十分に薄くすることができるとともに、十分なシール性を確保することができる。このため、燃料電池１Ａの大幅な小型化を図ることができる。
【００４７】
次に、この発明の第２の実施の形態に係る燃料電池１Ｂについて、図１５〜図１７を参照して、以下に説明する。
本実施の形態に係る燃料電池１Ｂは、金属製薄板をプレス加工により波板状に形成したセパレータ４Ａ，５Ａを採用している点において、カーボン製セパレータを採用している第１の実施の形態に係る燃料電池１Ａと相違している。
【００４８】
本実施の形態に係る燃料電池１Ｂにおいても、電解質膜１０を両側から挟むガスシール部材６Ａ，７Ａの位置で、ガスシール部材６Ａ，７Ａとの間隔をあける方向にセパレータ４Ａを湾曲させて連絡路２３Ａを形成し、該連絡路２３Ａに掛け渡したブリッジ板２３ｂによってガスシール部材６Ａを支持するように構成している。したがって、連絡路２３Ａはガスシール部材６Ａをセパレータ４Ａ，５Ａの積層方向に迂回してガスシール部材６Ａの内外を連通している。
【００４９】
また、冷却面シール部材２７は、前記連絡路２３Ａから燃料ガス連通孔１７方向にずれた位置に配置されており、これによって、セパレータ４Ａ，５Ａの積層方向に連絡路２３Ａと重なる位置に配置されるようになっている。その結果、対向するセパレータ４Ａ，５Ａの間隔寸法を低減し、燃料電池１Ｂ全体の高さ寸法を低減することができるという効果がある。また、本実施の形態においても、第１の実施形態と同様に、支持部材２９Ａ〜２９Ｄが設けられ、これにより、セパレータ４Ａ、５Ａの変形を防止しつつ厚みを十分に薄くすることができるとともに、十分なシール性を確保することができる。金属製セパレータはカーボン製セパレータよりもさらに厚みを薄くすることができるため、さらなる燃料電池１Ｂの小型化を図ることができる。
【００５０】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池１Ｃについて、図１８〜図２０を参照して、以下に説明する。なお、本実施の形態においては、第１および第２の実施の形態と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を簡略化することにする。
【００５１】
図１８〜図２０は、それぞれ、第１の実施の形態における図１２〜図１４に対応する縦断面図である。
本実施の形態に係る燃料電池１Ｃは、第１および第２の実施の形態に係る燃料電池１Ａおよび燃料電池１Ｂが各燃料電池セル２Ａ毎に冷却媒体流路２８を形成していたのに対し、２つの燃料電池セル２Ｂ，２Ｃ毎に１つの冷却媒体流路２８を形成している点で相違している。すなわち、冷却媒体流路２８が形成される部分においては、第１の実施の形態に係る燃料電池１Ａと同様に、図１７に示されるように、２つのセパレータ４Ａ，５Ａを対向させ、これらの間に冷却面シール部材２７を挟むことにより、冷却媒体流路２８を形成するようにしているが、冷却媒体流路２８が形成されない部分においては、第１の実施の形態におけるセパレータ４Ａ，５Ａを一体にしたような単一のセパレータ３７が使用されている。
【００５２】
このように、冷却媒体流路２８を２つの燃料電池セル２Ｂ，２Ｃ毎に設けることにより、冷却面シール部材２７の数量を減らしてコスト低減を図ることができるとともに、冷却媒体流路２８を設けていない一体型のセパレータ３７の厚さ寸法を低減することにより、燃料電池１Ｃの高さ寸法をさらに低減することが可能となる。
【００５３】
さらに、本実施の形態においては、図６（ａ）、（ｂ）に示されているように、燃料電池セル２Ｂの燃料ガス連絡路２３Ｂと、燃料電池セル２Ｃの燃料ガス連絡路２３Ｃとは、積層方向から見て燃料ガス連通孔１７から膜電極構造体３に向かう方向に互いにずれた位置に設けられ、前記燃料電池セル２Ｃの燃料ガス連絡路２３Ｃを、積層方向から見て燃料電池セル２Ｂの膜電極構造体３よりも外側に形成している。また、図６（ａ）、（ｂ）に示されているように、本実施の形態においても、支持部材２９Ｅ〜２９Ｈが設けられ、セパレータ４Ｂ，３７、５Ｃの各部位を支持している。ここで、支持部材２９Ｅ、２９Ｆは、セパレータ４Ｂ，３７または３７，５Ｃ間に設けられるため、絶縁材料で形成されている。また、支持部材２９Ｇ，２９Ｈはセパレータ４Ｂと膜電極構造体３または膜電極構造体３とセパレータ３７との間に設けられるため、耐食性材料で形成されている。そして、支持部材２９Ｆ、２９Ｈには反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を流入するための通路部３０が形成されている。支持部材２９Ｅ、２９Ｆには通路部３０が設けられておらず、その分剛性を高めることができる。
【００５４】
このようにしたため、燃料電池セル２Ｃの燃料ガス連絡路２３Ｃを形成する部位は、前記燃料電池セル２Ｂの膜電極構造体３よりも突出させて設けても支持部材２９Ｆにより十分な剛性を確保することが可能となる。また、支持部材２９Ｅ〜２９Ｈにより、ガスシール部材６Ｂ、７Ｂおよび冷却面シール部材２７をずらして配置されているセパレータ４Ｂ、３７、５Ｃの部位の剛性を確保することができる。燃料ガス連通孔２０側の燃料ガス連絡路２３Ｂ、２３Ｃについても同様である。
【００５５】
また、前記燃料ガス連絡路２３Ｂおよび２３Ｃと同様に、燃料電池セル２Ｂの酸化剤ガス連絡路２５Ｂと、燃料電池セル２Ｃの酸化剤ガス連絡路２５Ｃとは、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、積層方向から見て酸化剤ガス連通孔１８から膜電極構造体３に向かう方向に互いにずれた位置に設けられている。このため、燃料電池セル２Ｃにおける酸化剤ガス連絡路２３Ｂを形成する部位は、積層方向に隣合う燃料電池セル２Ｃの膜電極構造体３に対して突出させて設けることが可能となる。そして、図１８に示したようにこの部位を支持部材２９Ｆで支持しているため、この部位の剛性が確保される。また、燃料ガス側と同様に、支持部材２９Ｅ〜２９Ｈにより、ガスシール部材６Ｂ、７Ｂおよび冷却面シール部材２７をずらして配置されているセパレータ４Ｂ、３７、５Ｃの部位の剛性を確保することができる。酸化剤ガス連通孔２１側の酸化剤ガス連絡路２５Ｂ、２５Ｃについても同様である。したがって、本実施の形態における燃料電池１Ｃは、シール性が十分に確保できるとともに、セパレータ３７，５Ｃ、４Ｂの厚みを十分に低減できるため、さらに小型化することができている。
【００５６】
次に、図２１〜図２３は本発明の第４の実施の形態を示すものであり、それぞれ第１の実施の形態の図１２〜図１４に相当する縦断面図である。この実施の形態における燃料電池１Ｄは、図２１〜図２３に示したように燃料電池セル２Ｄと燃料電池セル２Ｅとで構成されている。図２１（ａ）、（ｂ）に示されているように、燃料電池セル２Ｄの燃料ガス連絡路２３Ｄと、燃料電池セル２Ｅの燃料ガス連絡路２３Ｅとは、積層方向から見て燃料ガス連通孔１７から膜電極構造体３に向かう方向および交差する方向に互いにずれた位置に設けられている。
【００５７】
前記燃料電池セル２Ｄと、前記燃料電池セル２Ｅとの燃料ガス連絡路２３Ｄ，２３Ｅが、前記向かう方向および交差する方向に互いにずれた位置に設けられているので、前記燃料電池セル２Ｅのガスシール部材６Ｅ、７Ｅを、積層方向から見て燃料電池セル２Ｄの燃料ガス連絡路２３Ｄの形成位置からずらして、前記燃料電池セル２Ｄの膜電極構造体３よりも外側に設けることができる。
【００５８】
また、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、支持部材２９Ｅ〜２９Ｈが設けられ、セパレータ４Ｄ，４Ｅ、５Ｄ、５Ｅの各部位を支持している。これにより、燃料電池セル２Ｅの燃料ガス連絡路２３Ｅを形成する部位は、剛性を維持しつつ前記燃料電池セル２Ｄの膜電極構造体３よりも突出させて設けることが可能となり、その分燃料電池セル２Ｄ、２Ｅの厚さ寸法を低減することができる。燃料ガス連通孔２０側の燃料ガス連絡路２３Ｄ、２３Ｅについても同様である。また、図２２（ａ）、（ｂ）に示したように、燃料電池セル２Ｄの酸化剤ガス連絡路２５Ｄと、燃料電池セル２Ｅの酸化剤ガス連絡路２５Ｅについても同様である。さらに、本実施の形態においては、図１０に示したように、冷却面シール部材２７が配置されているセパレータ４Ｄ，５Ｅの面には、支持部材２９Ｉ〜２９Ｋが設けてあり、さらにこの部位の剛性を高めている。このため、燃料電池のさらなる小型化を図ることができる。
【００５９】
なお、以上説明した実施の形態においては、支持部材がセパレータとは別の構成部材である場合について説明したが、これに限らずセパレータと一体的に形成してもよい。例えば、カーボン製のセパレータにおいては、支持部材の箇所を肉厚にするとともに、凹凸を設けて通路部を形成することができる。また、上記した実施の形態は例示であり、他の形態にも本発明を適用できることはもちろんである。例えば、第２および第３の実施の形態のセパレータをカーボン製にしてもよいし、第４の実施の形態の冷却流路は各燃料電池セルごとではなく、２セルおきまたは３セル以上おきに設けてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、ガスシール部材および冷却面シール部材をずらして配置されているセパレータの部位の剛性を確保することができる。このため、セパレータの変形を防止しつつ厚みを十分に薄くすることができる。また、上記した位置のずれたガスシール部材および冷却面シール部材に十分な荷重圧力を付与することができる。このため、セパレータの厚みを薄くしても、十分なシール性を確保することができる。このため、燃料電池の大幅な小型化を図ることができる。
【００６１】
請求項２に記載した発明によれば、連絡路をずらして設けたセパレータの部位の厚みを薄くできるとともに、この部位を積層方向にずらして設けることができる。このため、燃料電池のさらなる小型化を図ることができる。
【００６２】
請求項３に記載した発明によれば、前記支持部材に形成された通路部からガスまたは冷却媒体を流入させることができるとともに、この支持部材の設けられたセパレータの部位の剛性を増すことができる。このため、燃料電池のさらなる小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を構成する燃料電池セルを示す概略構成図である。
【図２】 図１の燃料電池セルを構成する一方のセパレータにガスシール部材及び支持部材を配置した状態を示す平面図である。
【図３】 図１の燃料電池セルを構成する他方のセパレータにガスシール部材及び支持部材を配置した状態を示す平面図である。
【図４】 図２および図３のセパレータの裏面に冷却面シール部材及び支持部材を配置した状態を示す平面図である。
【図５】 図１の燃料電池セルを構成する電極構造体を示す平面図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の一方のセパレータを示す図２と同様の平面図である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態に係る係る燃料電池の他方のセパレータを示す図３と同様の平面図である。
【図８】 第４の実施の形態に係る燃料電池の一方のセパレータを示す図２と同様の平面図である。
【図９】 本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の他方のセパレータを示す図３と同様の平面図である。
【図１０】 図８及び図９に示したセパレータの裏面に冷却面シール部材及び支持部材を配置した状態を示す平面図である。
【図１１】 図２の線Ｐ−Ｐで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１２】 図２の線Ａ−Ａで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１３】 図３の線Ｂ−Ｂで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１４】 図４の線Ｃ−Ｃで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１５】 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池を示す図１２と同様の縦断面図である。
【図１６】 図１５の燃料電池を示す図１３と同様の縦断面図である。
【図１７】 図１５の燃料電池を示す図１４と同様の縦断面図である。
【図１８】 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池を示す図１２と同様の縦断面図である。
【図１９】 図１８の燃料電池を示す図１３と同様の縦断面図である。
【図２０】 図１８の燃料電池を示す図１４と同様の縦断面図である。
【図２１】 本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池を示す図８の線Ｄ−Ｄ、線Ｅ−Ｅで切断した縦断面図である。
【図２２】 図２１の燃料電池を示す図９の線Ｆ−Ｆ、線Ｇ−Ｇで切断した縦断面図である。
【図２３】 図２１の燃料電池を示す図１０の線Ｈ−Ｈで切断した縦断面図である。
【図２４】 従来の燃料電池の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。
【図２５】 図２４の燃料電池を線Ｘ−Ｘで切断した連通孔近傍を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１Ａ 燃料電池
２Ａ 燃料電池セル
３ 膜電極構造体
４Ａ，５Ａ セパレータ
６Ａ，７Ａ ガスシール部材
８，９ ガス流路
１０ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１１ アノード電極（電極）
１２ カソード電極（電極）
１７ 燃料ガス供給口（連通孔）
１８ 酸化剤ガス供給口（連通孔）
１９ 冷却媒体供給口（連通孔）
２０ 燃料ガス排出口（連通孔）
２１ 酸化剤ガス排出口（連通孔）
２２ 冷却媒体排出口（連通孔）
２３Ａ，２５Ａ 連絡路
２７ 冷却面シール部材
２８ 冷却媒体流路
２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄ 支持部材
３０ 通路部

Claims (4)

1. 電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータと、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス用のガス流路をそれぞれ密封するガスシール部材とから構成された複数の燃料電池セルを、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材を挟んで積層してなる燃料電池であって、
   前記各セパレータに、前記ガスシール部材の外側にセパレータを厚さ方向に貫通して設けられる反応ガスおよび冷却媒体用の連通孔と、反応ガス用の連通孔とガス流路とを連絡する連絡路とが設けられ、
   ガスシール部材および冷却面シール部材が積層方向から見てずれた位置に配置されたセパレータの部位が支持部材によって支持されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記複数の燃料電池セルにおける、一の燃料電池セルと、該燃料電池セルの積層方向に隣合う燃料電池セルとの、それぞれ対応する連絡路が、積層方向から見て互いにずれた位置に設けられ、
   前記支持部材の少なくとも一部が連絡路を形成するセパレータの部位を支持していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガス流路または冷却媒体流路上に設けられた支持部材には、反応ガスまたは冷却媒体を流入可能な通路部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記冷却媒体流路は、複数の燃料電池セル間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

Images