JP4841769B2

JP4841769B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4841769B2
Application number: JP2001272640A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 誠治杉浦
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003086203A; US20030049507A1; US6866956B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電極構造体をセパレータで挟持してなる単位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】
単位セルには、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単位セルは、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】
各単位セルでは、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、隣接する単位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、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単位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、各単位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、電極構造体の外周、隣接する単位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単位セルを薄くすること、具体的には、各単位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、単位セルにおいて、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、単位セル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の全てを単位セル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、各単位セル７９の厚さ寸法に単位セル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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に記載した発明は、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（すなわち、燃料ガスおよび酸化剤ガス）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単位セルを、これら単位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（例えば、実施の形態における燃料ガス供給口１７、酸化剤ガス供給口１８、冷却媒体供給口１９、燃料ガス排出口２０、酸化剤ガス排出口２１、冷却媒体排出口２２）と、前記ガスシール部材をセパレータの厚さ方向に迂回して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、前記冷却媒体流路を前記反応ガス用の連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記連絡路に対して連通孔側にずれた位置に配置されている燃料電池を提案している。
【００１７】
この発明に係る燃料電池によれば、セパレータに設けられた連通孔とガス流路とが、ガスシール部材をセパレータの厚さ方向に迂回する連絡路によって連絡されているので、ガスシール部材の位置では、連絡路の高さ寸法とセパレータの必要最小限の厚さ寸法とが確保されている必要がある。一方、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材が連絡路に対して連通孔側にずれた位置に配置されているので、冷却面シール部材の積層方向の位置をガスシール部材の近傍に設けられている連絡路とは無関係に決定することが可能となる。
【００１８】
その結果、単位セルの積層方向に沿う連絡路の位置と冷却面シール部材の位置とを重なり合わせることが可能となり、その重なり合った寸法分だけ、各単位セル毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。燃料電池では、数百に及ぶ単位セルを積層するので、燃料電池全体としては、各単位セル毎に低減された厚さの積層数倍の大幅な小型化を図ることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池において、前記冷却面シール部材が、前記連絡路近傍を除き、前記ガスシール部材と積層方向に沿って並んだ位置に配置されている燃料電池を提案している。
【００２０】
この発明に係る燃料電池によれば、ガスシール部材を厚さ方向に迂回して形成される連絡路近傍は、該連絡路の高さ分だけセパレータを厚くせざるを得ないため、冷却面シール部材を連通孔側にずらして、ガスシール部材と冷却面シール部材とが、同一のシールラインに配されることを回避し、連絡路近傍以外の部分では、ガスシール部材と冷却面シール部材とを単位セルの積層方向に一列に並んだ位置に配することにより、単位セルの面積を低減することが可能となる。また、連通孔近傍でシールラインをずらすことにより、請求項１記載の燃料電池と同様に、冷却面シール部材と連絡路とを積層方向に重なり合う位置に配置することが可能となり、冷却面シール部材とガスシール部材とを積層方向に近接させて燃料電池の厚さを低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１ついて、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１２に示されるように、単位セル２を複数積層して構成されている。単位セル２は、図１に示されるように、電極構造体３を一対のセパレータ４，５で挟持することにより構成されている。電極構造体３と各セパレータ４，５との間には、ガスシール部材６，７がそれぞれ配置されている。これらガスシール部材６，７は、図１２に示されるように、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。
【００２２】
前記電極構造体３は、例えば、図２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２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４，５と同等の大きさを有し、各貫通孔１０ａは、セパレータ４，５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。
【００２３】
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。
【００２４】
単位セル２を構成するセパレータ４，５には、２種類のセパレータ４，５がある。各セパレータ４，５は、図３および図４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１３〜１６（図１５参照）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４，５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、これら供給口１７〜１９、排出口２０〜２２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。
【００２５】
前記冷却媒体供給口１９および冷却媒体排出口２２は、図３および図４に示されるように、セパレータ４，５の幅方向（図３の矢印Ｐ方向）のほぼ中央に配置されている。また、前記燃料ガス供給口１７と酸化剤ガス供給口１８は、前記冷却媒体供給口１９を挟んでセパレータ４，５の幅方向の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガス排出口２０と酸化剤ガス排出口２１は、前記冷却媒体排出口２２を挟んでセパレータ４，５の幅方向の両側に配置されている。これら燃料ガス排出口２０および酸化剤ガス排出口２１は、それぞれ燃料ガス供給口１７および酸化剤ガス供給口１８に対して対角位置となるように配置されている。
【００２６】
各セパレータ４，５の長さ方向（図３の矢印Ｑ方向）に沿う、燃料ガス供給口１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１の長さ寸法は、隣接する冷却媒体供給口１９および排出口２２よりも短く形成されている。これにより、燃料ガス供給口１７および排出口２０、酸化剤ガス供給口１８および排出口２１と波板部４ａ，５ａとの間の間隔寸法は、冷却媒体供給口１９および排出口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。
【００２７】
一方のセパレータ４の一面側には、図３に示されるように、燃料ガス供給口１７と波板部４ａとの間および該波板部４ａと燃料ガス排出口２０との間に、燃料ガス供給口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排出口２０から排出させるための連絡路２３がそれぞれ形成されている。該連絡路２３は、セパレータ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４の表面には、該ブリッジ板２３ｂをはめ込む凹部２４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４の平面部４ｂと段差なく同一平面内に配されている。
【００２８】
また、他方のセパレータ５の一面側にも、図４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２５が設けられている。
なお、両セパレータ４，５の他面側には、図５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。
【００２９】
前記ガスシール部材６，７は、図６に示されるように、波板部４ａ，５ａの外周を取り囲む主環状部６ａ，７ａの両側に、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２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。
このようなガスシール部材６，７を、前記一方のセパレータ４の一面側に配置した状態、電極構造体３の一面側に配置した状態、および、前記他方のセパレータ５の一面側に配置した状態をそれぞれ、図７〜図９に示す。
【００３０】
これらの図７〜図９によれば、ガスシール部材６，７の主環状部６ａ，７ａは、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２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２３，２５に設けられたブリッジ板２３ｂ，２５ｂの上を通過して、各供給口１７〜１９および排出口２０〜２２と波板部４ａ，５ａとの間を連絡路２３，２５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。
【００３１】
このように構成された単位セル２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１０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。
【００３２】
このような冷却面シール部材２７を、各セパレータ４，５の他面側に配置した状態を図１１に示す。
これによれば、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供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過して、冷却媒体供給口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を介して冷却媒体排出口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供給口１７，１８および各排出口２０，２１を、それぞれ独立して密封している。
【００３３】
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供給口１７，１８と波板部４ａ，５ａとの間、排出口２０，２１と波板部４ａ，５ａとの間を通過する部分は、破線で示された上記ガスシール部材の主環状部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。
【００３４】
このように構成された燃料電池１の各部の断面を図１２〜図１５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７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４，５を厚さ方向に貫通する燃料ガス供給口１７から連絡路２３を通してアノード電極１１とセパレータ４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。
【００３５】
この図１２を見ると、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、単位セル２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６は、セパレータ４に形成されている連絡路２３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２３は、ガスシール部材６をセパレータ４の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材６の内外を連通させ、ガスシール部材６の外側の燃料ガス供給口１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材６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。
【００３６】
この場合において、各単位セル２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６，７が配置されている連絡路２３に対して燃料ガス供給口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４の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した連絡路２３を構成する溝２３ａとはセパレータ４の厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。
【００３７】
上記においては、燃料ガス供給口１７について説明したが、燃料ガス排出口２０においても同様のことが言える。
さらに、図１３は、図７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４，５を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス供給口１８から連絡路２５を通してカソード電極１２とセパレータ５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。
【００３８】
この図１３においても、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ４，５との間を密封するガスシール部材６，７が、単位セル２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７は、セパレータ５に形成されている連絡路２５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２５は、ガスシール部材７をセパレータ５の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材７の内外を連通させ、ガスシール部材７の外側の酸化剤ガス供給口１８から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材７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。
【００３９】
この場合において、各単位セル２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７が配置されている連絡路２５よりも酸化剤ガス供給口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５の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した連絡路２５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。
酸化剤ガス排出口２１側においても同様のことが言える。
【００４０】
したがって、連絡路２３，２５の形成されている位置におけるセパレータ４，５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の占有高さを節約して、燃料電池１の高さを大幅に低減することができる。
【００４１】
なお、図１４，１５は、それぞれ、図７に示された線Ｃ−Ｃ、線Ｄ−Ｄに沿う縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口１９から隣接する単位セル２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。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池３０について、図１６および図１７を参照して、以下に説明する。なお、本実施形態においては、第１の実施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。
図１６，図１７は、それぞれ、第１の実施形態における図１２，図１４に対応する縦断面図である。
【００４３】
本実施形態に係る燃料電池３０は、第１の実施形態に係る燃料電池１が各単位セル２毎に冷却媒体流路２８を形成していたのに対し、２つの単位セル３１，３２毎に１つの冷却媒体流路３３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３３が形成される部分においては、第１の実施形態に係る燃料電池１と同様に、図１７に示されるように、２つのセパレータ３４，３５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３３を形成するようにしているが、冷却媒体流路３３が形成されない部分においては、第１の実施形態におけるセパレータ４，５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。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池３０も、第１の実施形態に係る燃料電池１と同様に、電極構造体３とその両側に配される一対のセパレータ３４，３７（または、セパレータ３５，３７）との間を密封するガスシール部材６，７が、単位セル３１，３２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８のガスシール部材６が、セパレータ３４，３７に形成されている連絡路２３に掛け渡されたブリッジ板２３ｂ上に配置され、それによって、連絡路２３が、ガスシール部材６をセパレータ３４，３７の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材６の内外を連通させ、ガスシール部材６の外側の燃料ガス供給口１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材６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。酸化剤ガス流路９側でも同様である。
【００４５】
そして、冷却媒体流路３３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６，７が配置されている連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に配置されることにより、第１の実施形態と同様、セパレータ３４，３７の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した連絡路２３を構成する溝２３ａを冷却面シール部材２７とはセパレータ３４，３７の厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。その結果、高さ寸法を大幅に低減した燃料電池３０を構成することができる。
【００４６】
また、冷却媒体流路３３を２つの単位セル３１，３２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３３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３０の高さ寸法をさらに低減することが可能となる。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池４０について、図１８，図１９を参照して以下に説明する。図１８，図１９は、それぞれ、第１の実施形態における図１２，図１４に対応する縦断面図である。
本実施形態に係る燃料電池４０は、ガスシール部材４１の構造において第１の実施形態に係る燃料電池１と相違している。
【００４８】
本実施形態におけるガスシール部材４１は、第１の実施形態の電解質膜１０を両側から挟む一対のガスシール部材６，７に代えて、電解質膜１０の一面側に配されるセパレータ４２と電解質膜１０との間を密封する内側シール部４１ａと、電解質膜１０の外側に配置され、対向する一対のセパレータ４２，４３間を密封する外側シール部４１ｂとを備えた２重のガスシール部材４１を採用している。
【００４９】
本実施形態に係る燃料電池４０においても、連絡路２３は、ガスシール部材４１をセパレータ４２の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材４１の内外を連通し、ガスシール部材４１の外側の燃料ガス供給口１７から供給される燃料ガスを、ガスシール部材４１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。そして、前記ガスシール部材４１が配置されている連絡路２３よりも燃料ガス供給口１７側にずれた位置に冷却面シール部材２７を配置することにより、上記実施形態と同様、連絡路２３を構成する溝２３ａを冷却面シール部材２７とはセパレータ４２，４３の厚さ方向に重なる位置に配置することができ、高さ寸法の低減された燃料電池４０を構成することができる。
【００５０】
さらに、この２重のガスシール部材４１を用いることにより、第１および第２の実施形態におけるガスシール部材６，７と同様に、電解質膜１０の両側に形成されるガス流路８，９を確実に密封することができるうえに、電解質膜１０の片側にガスシール部材４１を配して、ガスシール部材４１の占有スペースを低減して燃料電池４０の高さ寸法を低減することができる。
【００５１】
なお、この第３の実施形態に係る燃料電池４０において、第２の実施形態に示した２セル毎に冷却媒体流路３３を設ける構造を採用することにしてもよい。その場合には、上記第３の実施形態に係る燃料電池４０における高さ寸法の低減効果に、冷却媒体流路３３を間引いたことによる高さ寸法の低減効果が加わり、一層の小型化を図ることが可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池５０について、図２０，図２１を参照して、以下に説明する。図２０，図２１は、それぞれ、第３の実施形態における図１８，図１９に対応する縦断面図である。
本実施形態に係る燃料電池５０は、図１８に示すように、電解質膜１０の両面に同等の大きさの電極１１，１２を配置した第３の実施形態に係る燃料電池４０の電極構造体３に代えて、一方の電極５１を他方の電極５２よりも大きく形成して、その大きな電極５１によって電解質膜１０の一面全体を受けるように構成した段差状の電極構造体５３を採用している点において、上記実施形態に係る燃料電池４０と相違している。
【００５３】
本実施形態に係る燃料電池５０においても、ガスシール部材４１を単位セル５４の積層方向に迂回してガスシール部材４１の内外を連絡する連絡路２３が設けられ、該連絡路２３から燃料ガス供給口１７方向にずれた位置に冷却面シール部材２７が設けられているので、冷却面シール部材２７と連絡路２３とをセパレータ４２の厚さ方向に重なる位置に配置して燃料電池５０の高さ寸法の低減を図ることができる。
なお、本実施形態に係る燃料電池５０においても、第２の実施形態において説明した２セル毎に冷却媒体流路３３を設けることにしてもよい。
【００５４】
次に、この発明の第５の実施形態に係る燃料電池６０について、図２２，図２３を参照して、以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池６０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６１，６２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〜第４の実施形態に係る燃料電池１，３０，４０，５０と相違している。
【００５５】
本実施形態に係る燃料電池６０においても、電解質膜１０を両側から挟むガスシール部材６，７の位置で、ガスシール部材６，７との間隔をあける方向にセパレータ６２を湾曲させて連絡路２３を形成し、該連絡路２３に掛け渡したブリッジ板２３ｂによってガスシール部材６を支持するように構成している。したがって、連絡路２３はガスシール部材６をセパレータ６１，６２の積層方向に迂回してガスシール部材６の内外を連通している。
【００５６】
また、冷却面シール部材２７は、前記連絡路２３から燃料ガス供給口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６１，６２の積層方向に連絡路２３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６１，６２の間隔寸法を低減し、燃料電池６０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。
【００５７】
なお、上記第５の実施形態においては、カーボン製セパレータの場合の第１の実施形態に対応するものについて図面を参照して説明したが、第２〜第４の実施形態に記載されたような場合、すなわち、２セル毎に冷却媒体流路３３を設ける場合、内側シール部４１ａと外側シール部４１ｂとを有する２重のガスシール部材４１を用いる場合、大きさの異なる電極５１，５２によって電解質膜１０を挟んだ段差のある電極構造体５３を用いる場合のいずれについても金属製セパレータ６１，６２を用いて同様の作用効果を奏することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１）請求項１記載の発明にかかる燃料電池によれば、単位セルの厚さ方向に沿う冷却面シール部材の位置と連絡路の位置とを重ならせることができるので、その重なった分の厚さ寸法を単位セルごとに節約することができる。その結果、複数の単位セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。
（２）請求項２記載の発明にかかる燃料電池によれば、連絡路の近傍においては、上述した冷却面シール部材を連絡路からずらし、それ以外の部分においてはガスシール部材と厚さ方向に一列に並べるように配置することにより、燃料電池の面積の増加を抑えつつ、厚さ寸法を大幅に低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルを模式的に示す分解斜視図である。
【図２】図１の単位セルを構成する電極構造体を示す平面図である。
【図３】図１の単位セルを構成する、一方のセパレータを示す平面図である。
【図４】図１の単位セルを構成する、他方のセパレータを示す平面図である。
【図５】図３および図４のセパレータの裏面を示す平面図である。
【図６】図１の単位セルを構成するガスシール部材を示す平面図である。
【図７】図６のガスシール部材を図３のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。
【図８】図６のガスシール部材を図２の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。
【図９】図６のガスシール部材を図４のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。
【図１０】図１の燃料電池を構成する冷却面シール部材を示す平面図である。
【図１１】図１０の冷却面シール部材を図５のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。
【図１２】図７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７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７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】図７の線Ｄ−Ｄで切断した図１の燃料電池を示す縦断面図である。
【図１６】本発明の第２の実施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１７】図１６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１４と同様の縦断面図である。
【図２０】本発明の第４の実施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２１】図２０の燃料電池を示す図１４と同様の縦断面図である。
【図２２】本発明の第５の実施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２３】図２２の燃料電池を示す図１４と同様の縦断面図である。
【図２４】従来の燃料電池の単位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】
１；３０；４０；５０；６０燃料電池
２；３１，３２単位セル
３；５３電極構造体
４，５；３４，３５；４２，４３；６１，６２セパレータ
６，７；４１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）
１１；５２アノード電極（電極）
１２；５１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）
２３，２５連絡路
２７冷却面シール部材
２８；３３冷却媒体流路

Claims

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単位セルを、これら単位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、前記ガスシール部材をセパレータの厚さ方向に迂回して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、
前記冷却媒体流路を前記反応ガス用の連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記連絡路に対して連通孔側にずれた位置に配置されている燃料電池。
前記冷却面シール部材が、前記連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されている請求項１記載の燃料電池。