JP5507489B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるセルユニットを備えるとともに、互いに隣接する前記セルユニット間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成さ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を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から電極面方向に沿って形成された燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、シール一体型膜電極接合体とセパレータとが交互に積層されたスタック構造を有している。セパレータは、アノードプレート、カソードプレート及び中間プレートを備えており、例えば、前記アノードプレートは、図２７に示すように、横長の長方形状を有している。
アノードプレートの面内には、複数の流路溝１ａを有する燃料ガス流路１が形成されている。アノードプレートの長辺方向一端部には、酸化剤ガス出口連通孔２ｂ、冷却媒体入口連通孔３ａ及び燃料ガス入口連通孔４ａが上下に配列して形成されている。アノードプレートの長辺方向他端部には、燃料ガス出口連通孔４ｂ、冷却媒体出口連通孔３ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２ａが上下方向に配列して形成されている。
燃料ガス入口連通孔４ａ及び燃料ガス出口連通孔４ｂと、燃料ガス流路１とは、それぞれ貫通孔を５ａ、５ｂを介して連通している。図示しないが、カソードプレート及び中間プレートは、上記のアノードプレートと同様に構成されている。
上記の各セパレータでは、燃料ガス流路１等の反応ガス流路（又は、冷却媒体流路）の両側に位置して、酸化剤ガス出口連通孔２ｂ、冷却媒体入口連通孔３ａ、燃料ガス入口連通孔４ａと、燃料ガス出口連通孔４ｂ、冷却媒体出口連通孔３ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２ａとが、形成されている。
このため、セパレータの面積が相当に大きなものとなり、特に、金属セパレータが用いられる際、高価なステンレス等の素材の使用量が増大し、部品単価が高騰するという問題がある。さらに、セパレータには、長辺方向両端部に矢印Ｈ方向（幅方向）に３つずつ連通孔が形成されている。これにより、セパレータは、矢印Ｈ方向の寸法が相当に長尺化され、幅方向の短尺化が容易に図られな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、比較的高価な金属セパレータを良好に小型化することができるとともに、幅寸法を有効に短尺化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。
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが交互に積層され、２つの前記電解質・電極構造体及び２つの前記金属セパレータを有するセルユニットを備える燃料電池に関するものである。
この燃料電池では、少なくとも１つの金属セパレータは、内部に冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成される２枚のプレートで構成されており、２つの電解質・電極構造体の外周には、それぞれ樹脂枠部材が一体に設けられ、前記樹脂枠部材の互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられる一方、前記樹脂枠部材の互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接して冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体入口連通孔、及び前記反応ガス出口連通孔又は前記反応ガス入口連通孔に近接して前記冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。
そして、燃料電池は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔と冷却媒体流路とを連通する連結流路を備え、前記連結流路は、少なくとも１つの金属セパレータに設けられる貫通孔、及び少なくとも１つの樹脂枠部材に設けられる貫通孔を有している。
また、この燃料電池では、樹脂枠部材は、セパレータ面外に外側シールラインを有し且つセパレータ面内に内側シールラインを有する２重シールラインを設けるとともに、互いに隣接する一方の前記樹脂枠部材の前記２重シールラインの一部と他方の前記樹脂枠部材の前記２重シールラインの一部とは、該樹脂枠部材の面方向において異なる位置に配置されることにより、一方の前記樹脂枠部材と他方の前記樹脂枠部材との間に連結流路を形成することが好ましい。
さらにまた、この燃料電池では、２枚のプレートは、互いに外形が同一形状を有することが好ましい。
また、この燃料電池では、連結流路は、積層方向に隣接する樹脂枠部材間にセパレータ面方向に沿って設けられる溝部と、一方の前記樹脂枠部材に前記積層方向に形成され、前記溝部に連通する第１孔部と、一方の前記樹脂枠部材に隣接する一方のプレートに前記積層方向に形成され、前記第１孔部と冷却媒体流路とを連通する第２孔部とを有することが好ましい。
さらに、この燃料電池では、溝部は、一方の樹脂枠部材に設けられる第１溝部と、一方の前記樹脂枠部材に積層される他方の樹脂枠部材に設けられる第２溝部とを有するとともに、前記第１溝部と前記第２溝部とは、端部同士が連通することが好ましい。
本発明では、電解質・電極構造体の外周に設けられる樹脂枠部材には、流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるため、金属セパレータには、前記流体連通孔を設ける必要がない。
従って、金属セパレータは、発電領域に対応する外形寸法に設定することができ、小型軽量化が容易に図られ、前記金属セパレータの製造コストを削減することができる。これにより、金属セパレータを効率的に製造することが可能になり、燃料電池全体を経済的に得ることができる。
さらに、電解質・電極構造体は、樹脂枠部材の対向する一方の２辺には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔のみが設けられており、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、対向する他方の２辺に設けられている。このため、セルユニットは、一方の２辺の寸法、すなわち、幅方向の寸法が可及的に短尺化され、燃料電池の設置性が良好に向上する。
しかも、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、それぞれ他方の２辺に振り分けられている。従って、冷却媒体流路に対して冷却媒体を均一且つ確実に供給することができ、発電領域全域にわたって湿度環境を均一化することが可能になり、効率的な発電が遂行される。
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、複数のセルユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される。
セルユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４、第１金属セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１８及び第２金属セパレータ２０を備える。セルユニット１２が積層されることにより、第１電解質膜・電極構造体１４は、第２及び第１金属セパレータ２０、１６に挟持される一方、第２電解質膜・電極構造体１８は、前記第１及び第２金属セパレータ１６、２０に挟持される。
第１電解質膜・電極構造体１４と第２電解質膜・電極構造体１８とは、それぞれ、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（電解質）２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード側電極２４及びアノード側電極２６とを備える（図２参照）。
固体高分子電解質膜２２は、カソード側電極２４及びアノード側電極２６と同一の表面積に設定される。なお、固体高分子電解質膜２２の外周部が、カソード側電極２４及びアノード側電極２６よりも突出してもよく、また、前記カソード側電極２４と前記アノード側電極２６との表面積が、互いに異なっていてもよい。
第１電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される額縁部（樹脂枠部材）２８ａが、例えば、射出成形等により一体に成形される。第２電解質膜・電極構造体１８では、同様に固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、高分子材料で形成される額縁部（樹脂枠部材）２８ｂが、例えば、射出成形等により一体に成形される。高分子材料としては、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。
額縁部２８ａ、２８ｂは、図１に示すように、矢印Ｃ方向に長尺な略長方形状を有するとともに、各長辺の中央部には、内方に切り欠くことにより、それぞれ一対の凹部２９ａ、２９ｂが形成される。
カソード側電極２４及びアノード側電極２６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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。
図１に示すように、額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、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３０ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ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３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｂ方向の両端縁部上方には、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３４ａが設けられるとともに、前記額縁部２８ａ、２８ｂの矢印Ｂ方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。
各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つ、それぞれ矢印Ｂ方向両端の各辺（他方の２辺）に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つ、それぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとは、上下逆にして、すなわち、前記冷却媒体入口連通孔３４ａを酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに近接して設けてもよい。
第１及び第２電解質膜・電極構造体１４、１８では、互いに対向する一方の２辺にある上下両短辺に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス出口連通孔３２ｂとが設けられる一方、互いに対向する他方の２辺である左右両長辺には、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。
図３に示すように、額縁部２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１４ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部３６ａが設けられる。額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の幅方向（矢印Ｂ方向）両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの下側近傍に複数の入口溝部３８ａが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔３４ａの上側近傍に複数の入口孔部４０ａが貫通形成される。
額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の下部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上側近傍に位置して複数の出口溝部３６ｂが設けられる。額縁部２８ａのカソード面１４ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの上側近傍に複数の出口溝部３８ｂが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの下側近傍に複数の出口孔部４０ｂが貫通形成される。
図４に示すように、額縁部２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のアノード面（アノード側電極２６が設けられる面）１４ｂ側の幅方向両端部上方に、各冷却媒体入口連通孔３４ａの上側近傍に複数の入口溝部４２ａが設けられる。額縁部２８ａのアノード面１４ｂ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの下側近傍に複数の出口溝部４２ｂが設けられる。
額縁部２８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａの下方に位置して複数の入口溝部４６ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上方に位置して複数の出口溝部４６ｂが設けられる。
額縁部２８ａのアノード面１４ｂ側には、外側シール部材（外側シールライン）４８及び内側シール部材（内側シールライン）５０が一体又は別体に成形される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０には、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が用いられる。なお、以下に説明する各シール部材は、上記の外側シール部材４８及び内側シール部材５０と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
外側シール部材４８は、額縁部２８ａの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂの外周並びに反応面（発電面）外周を周回する。この外側シール部材４８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する。外側シール部材４８により、入口溝部４２ａ及び入口孔部４０ａが、冷却媒体入口連通孔３４ａと一体に囲繞され、出口溝部４２ｂ及び出口孔部４０ｂが、冷却媒体出口連通孔３４ｂと一体に囲繞される。
内側シール部材５０は、外側シール部材４８の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口溝部４６ａ及び出口溝部４６ｂとを一体に囲繞する。内側シール部材５０は、第１金属セパレータ１６の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第１金属セパレータ１６の外周端縁面全周（セパレータ面内）に接する。外側シール部材４８は、第１金属セパレータ１６の外周端外方（セパレータ面外）に配置される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０により、全流体連通孔が周回密封される。
図３に示すように、額縁部２８ａのカソード面１４ａ側には、入口孔部４０ａを囲繞するリング状入口シール部材５２ａと、出口孔部４０ｂを囲繞するリング状出口シール部材５２ｂとが設けられる。
図５に示すように、額縁部２８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１８ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部５６ａが設けられる。
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの上側近傍に複数の入口溝部５８ａが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔３４ａの下側近傍に複数の入口孔部６０ａが形成される。第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６０ａは、第１電解質膜・電極構造体１４の入口孔部４０ａと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の上部には、燃料ガス入口連通孔３２ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部６２ａが設けられるとともに、前記入口溝部６２ａの下端部には、複数の入口孔部６４ａが貫通形成される。各入口孔部６４ａの下方には、所定の間隔だけ離間して複数の入口孔部６６ａが貫通形成される。
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの下側近傍に複数の出口溝部５８ｂが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの上側近傍に複数の出口孔部６０ｂが形成される。第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４の出口孔部４０ｂと積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側の下部には、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上側近傍に位置して複数の出口溝部６２ｂが設けられるとともに、前記出口溝部６２ｂの上端部には、複数の出口孔部６４ｂが貫通形成される。各出口孔部６４ｂの上方には、所定の間隔だけ離間して複数の出口孔部６６ｂが貫通形成される。
図６に示すように、額縁部２８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１８のアノード面（アノード側電極２６が設けられる面）１８ｂ側の幅方向両端部上方に、各冷却媒体入口連通孔３４ａの下側近傍に複数の入口溝部６８ａが設けられる。額縁部２８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａの下方に位置して入口孔部６４ａ、６６ａを連通する複数の入口溝部７２ａが設けられる。
額縁部２８ｂのアノード面１８ｂ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの上側近傍に複数の出口溝部６８ｂが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上方に位置して出口孔部６４ｂ、６６ｂを連通する複数の出口溝部７２ｂが設けられる。
額縁部２８ｂには、アノード面１８ｂ側に外側シール部材（外側シールライン）７４及び内側シール部材（内側シールライン）７６が一体又は別体に成形される。外側シール部材７４は、額縁部２８ｂの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂの外周を周回する。
外側シール部材７４は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する。外側シール部材７４により、入口溝部６８ａ及び入口孔部６０ａが、冷却媒体入口連通孔３４ａと一体に囲繞され、出口溝部６８ｂ及び出口孔部６０ｂが、冷却媒体出口連通孔３４ｂと一体に囲繞される。
内側シール部材７６は、外側シール部材７４の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口孔部６４ａ、６６ａ、入口溝部７２ａ、出口孔部６４ｂ、６６ｂ及び出口溝部７２ｂとを一体に囲繞する。内側シール部材７６は、第２金属セパレータ２０の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第２金属セパレータ２０の外周端縁面全周に接する。外側シール部材７４は、第２金属セパレータ２０の外周端外方に配置される。外側シール部材７４及び内側シール部材７６により、全流体連通孔が周回密封される。
図５に示すように、額縁部２８ｂのカソード面１８ａ側には、入口孔部６０ａ、６６ａを囲繞するリング状入口シール部材７８ａ、８０ａと、出口孔部６０ｂ、６６ｂを囲繞するリング状出口シール部材７８ｂ、８０ｂとが設けられる。
第１及び第２金属セパレータ１６、２０は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂ（全流体連通孔）の内方に配置される寸法に設定される。
図２に示すように、第１金属セパレータ１６は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）８２ａ、８２ｂを備え、前記金属プレート８２ａ、８２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート８２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート８２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート８２ａ、８２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。
図７に示すように、第１金属セパレータ１６は、金属プレート８２ａの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の波状流路溝を有した酸化剤ガス流路８４を設ける。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部８５ａ及び出口バッファ部８５ｂが設けられる。入口バッファ部８５ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部８７ａが形成される。出口バッファ部８５ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部８７ｂが形成される。
第１金属セパレータ１６は、矢印Ｃ方向に長尺な長方形状を有するとともに、短辺方向（矢印Ｂ方向）両端側には、冷却媒体入口連通孔３４ａの下方側に突出する一対の突起部８９ａと、冷却媒体出口連通孔３４ｂの上方側に突出する一対の突起部８９ｂとが設けられる。金属プレート８２ａには、突起部８９ａに第２電解質膜・電極構造体１８の複数の入口孔部６０ａに連通する複数の穴部９０ａが形成される。金属プレート８２ａには、突起部８９ｂに第２電解質膜・電極構造体１８の複数の出口孔部６０ｂに連通する複数の穴部９０ｂが形成される。
金属プレート８２ａの上部には、第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６６ａに連通する複数の孔部９２ａが形成されるとともに、前記金属プレート８２ａの下部には、前記第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６６ｂに連通する複数の孔部９２ｂが形成される。孔部９２ａ、９２ｂは、金属プレート８２ｂにも形成され、第１金属セパレータ１６を貫通する。
図８に示すように、第１金属セパレータ１６は、金属プレート８２ｂの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の波状流路溝を有した燃料ガス流路８６を設ける。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部９６ａ及び出口バッファ部９６ｂが設けられる。入口バッファ部９６ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部９８ａが形成されるとともに、出口バッファ部９６ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部９８ｂが形成される。
金属プレート８２ｂには、突起部８９ａに冷却媒体入口連通孔３４ａの下方に位置して、複数の入口溝部１００ａが形成される。金属プレート８２ｂには、各突起部８９ｂに冷却媒体出口連通孔３４ｂの上方に位置して複数の出口溝部１００ｂが形成される。
図２に示すように、第２金属セパレータ２０は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）１０２ａ、１０２ｂを備え、前記金属プレート１０２ａ、１０２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート１０２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート１０２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート１０２ａ、１０２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。
図９に示すように、第２金属セパレータ２０は、矢印Ｃ方向両端にそれぞれ矢印Ｂ方向外方に突出して一対の突起部１０３ａ、１０３ｂが形成される。金属プレート１０２ａの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路８４を設ける。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部１０４ａ及び出口バッファ部１０４ｂが設けられる。
金属プレート１０２ａには、各突起部１０３ａに冷却媒体入口連通孔３４ａの上方に位置し、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の入口孔部４０ａに連通する複数の穴部１０６ａが形成される。金属プレート１０２ａには、各突起部１０３ｂに冷却媒体出口連通孔３４ｂの下方に位置し、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の出口孔部４０ｂに連通する複数の穴部１０６ｂが形成される。
図１０に示すように、第２金属セパレータ２０は、金属プレート１０２ｂの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路８６を設ける。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部１１０ａ及び出口バッファ部１１０ｂが設けられる。
金属プレート１０２ｂの各突起部１０３ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａの上側近傍に位置して複数の入口溝部１１２ａが形成される一方、前記金属プレート１０２ｂの各突起部１０３ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂの下側近傍に位置して複数の出口溝部１１２ｂが形成される。入口溝部１１２ａ及び出口溝部１１２ｂは、それぞれ第２金属セパレータ２０の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造を有する。
図１１に示すように、積層方向に隣接する額縁部２８ａ、２８ｂ間には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第２電解質膜・電極構造体１８の酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路１１３ａと、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第１電解質膜・電極構造体１４の酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路１１３ｂとが形成される。なお、図示しないが、額縁部２８ａ、２８ｂ間には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路が形成される。
図１２に示すように、積層方向に隣接する額縁部２８ａ、２８ｂ間には、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス流路８６とを連通する燃料ガス連結流路１１４が形成される。なお、図示しないが、額縁部２８ａ、２８ｂ間には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと燃料ガス流路８６とを連通する燃料ガス連結流路が形成される。
図１３及び図１４に示すように、積層方向に隣接する額縁部２８ａ、２８ｂ間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと第２金属セパレータ２０の冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路１１６ａと、前記冷却媒体入口連通孔３４ａと第１金属セパレータ１６の冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路１１６ｂとが形成される。なお、図示しないが、額縁部２８ａ、２８ｂ間には、冷却媒体出口連通孔３４ｂと冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。
冷却媒体連結流路１１６ａ、１１６ｂは、額縁部２８ａの外側シール部材４８及び内側シール部材５０と、額縁部２８ｂの外側シール部材７４及び内側シール部材７６とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成される。
図１３に示すように、冷却媒体連結流路１１６ａは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部４２ａ、５８ａと、額縁部２８ａに積層方向に形成される入口孔部（第１孔部）４０ａと、第２金属セパレータ２０を構成する金属プレート１０２ａに前記積層方向に形成される穴部（第２孔部）１０６ａとを有する。入口溝部４２ａと入口溝部５８ａとは、端部同士が連通する。
図１４に示すように、冷却媒体連結流路１１６ｂは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部６８ａ、３８ａと、額縁部２８ｂに積層方向に形成される入口孔部（第１孔部）６０ａと、第１金属セパレータ１６を構成する金属プレート８２ａに前記積層方向に形成される穴部（第２孔部）９０ａとを有する。入口溝部６８ａと入口溝部３８ａとは、端部同士が連通する。
額縁部２８ａの入口孔部４０ａ及び穴部１０６ａと、額縁部２８ｂの入口孔部６０及び穴部９０ａとは、積層方向に対して互いに重なり合わない位置に設定される。
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。
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、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３２ａには、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３４ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
各セルユニット１２では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスが、図１及び図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口溝部３６ａと第２電解質膜・電極構造体１８の間から入口溝部５６ａに導入される。
入口溝部３６ａに導入された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部３６ｂ間から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
一方、入口溝部５６ａ間に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８と第１金属セパレータ１６との間の入口溝部８７ａを通って前記第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部８７ｂ、５６ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、図１及び図１２に示すように、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側の入口溝部６２ａに導入される。燃料ガスは、入口溝部６２ａから入口孔部６４ａを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部７２ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路８６に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部６６ａ及び第１金属セパレータ１６の孔部９２ａを通って前記第１金属セパレータ１６と第１電解質膜・電極構造体１４との間に導入され、前記第１金属セパレータ１６の燃料ガス流路８６に供給される。
第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部７２ｂに排出され、さらに出口孔部６４ｂから出口溝部６２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。一方、第１金属セパレータ１６の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部９２ｂから出口孔部６６ｂを通って出口溝部７２ｂに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
これにより、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８では、それぞれカソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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、発電が行われる。
さらにまた、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体の一部は、図１及び図１３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口溝部４２ａに導入され、入口溝部５８ａから入口孔部４０ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部４０ａから第２金属セパレータ２０の穴部１０６ａを通って前記第２金属セパレータ２０の内部に導入される。
冷却媒体は、第２金属セパレータ２０内を各入口溝部１１２ａに沿って矢印Ｂ方向に且つ互いに内側方向に流通し、冷却媒体流路８８に供給される。互いに内側方向に流通する冷却媒体は、冷却媒体流路８８の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、前記冷却媒体流路８８の下部側で矢印Ｂ方向両側に振り分けられる。そして、各出口溝部１１２ｂから穴部１０６ｂを通って第２金属セパレータ２０から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部４０ｂから出口溝部５８ｂ、４２ｂを通って冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体の他の一部は、図１及び図１４に示すように、第２電解質膜・電極構造体１８の入口溝部６８ａに導入され、入口溝部３８ａから入口孔部６０ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部６０ａから第１金属セパレータ１６の穴部９０ａを通って前記第１金属セパレータ１６内部に導入される。
冷却媒体は、第１金属セパレータ１６内を入口溝部１００ａに沿って矢印Ｂ方向に且つ互いに内側方向に流通し、冷却媒体流路８８に供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路８８に沿って重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、矢印Ｂ方向両側に振り分けられる。冷却媒体は、各出口溝部１００ｂから穴部９０ｂを通って第１金属セパレータ１６から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部６０ｂから出口溝部３８ｂ、６８ｂを通って冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
このため、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８は、第１金属セパレータ１６内の冷却媒体流路８８及び第２金属セパレータ２０内の冷却媒体流路８８を流通する冷却媒体により冷却される。
この場合、第１の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４を構成する額縁部２８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８を構成する額縁部２８ｂには、全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが積層方向に貫通して形成されている。
このため、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ２０には、流体連通孔を設ける必要がなく、前記第１金属セパレータ１６及び前記第２金属セパレータ２０は、発電領域に対応する外形寸法に設定することができる。従って、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ２０は、小型軽量化が容易に図られ、前記第１金属セパレータ１６及び前記第２金属セパレータ２０の製造コストを削減することが可能になる。
これにより、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ２０を効率的に製造することができ、燃料電池１０全体を経済的に得ることが可能になるという利点が得られる。
さらに、第１の実施形態では、額縁部２８ａ、２８ｂの一方の２辺（各短辺）には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとが設けられるとともに、前記額縁部２８ａ、２８ｂの他方の２辺（各長辺）には、それぞれ冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂのみが設けられている。
このため、セルユニット１２は、一方の２辺の寸法、すなわち、短辺側の幅方向の寸法（矢印Ｂ方向の寸法）が可及的に短尺化され、燃料電池１０の設置性が良好に向上するという利点がある。
しかも、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂは、それぞれ各長辺に振り分けられている。従って、冷却媒体流路８８に対して、冷却媒体を均一且つ確実に供給することができ、発電領域全域にわたって湿度環境を均一化することが可能になり、効率的な発電が遂行される。
また、図１３及び図１４に示すように、積層方向に隣接する額縁部２８ａ、２８ｂ間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと第２金属セパレータ２０の冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路１１６ａと、前記冷却媒体入口連通孔３４ａと第１金属セパレータ１６の冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路１１６ｂとが形成されている。
そして、冷却媒体連結流路１１６ａ、１１６ｂは、額縁部２８ａの外側シール部材４８及び内側シール部材５０と、額縁部２８ｂの外側シール部材７４及び内側シール部材７６とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成されている。
具体的には、図１３に示すように、冷却媒体連結流路１１６ａは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部４２ａ、５８ａと、額縁部２８ａに積層方向に形成される入口孔部４０ａと、金属プレート１０２ａに前記積層方向に形成される穴部１０６ａとを有し、前記入口溝部４２ａと前記入口溝部５８ａとは、端部同士が連通している。
一方、図１４に示すように、冷却媒体連結流路１１６ｂは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部６８ａ、３８ａと、額縁部２８ｂに積層方向に形成される入口孔部６０ａと、金属プレート８２ａに前記積層方向に形成される穴部９０ａとを有し、前記入口溝部６８ａと前記入口溝部３８ａとは、端部同士が連通している。
その際、額縁部２８ａの入口孔部４０ａ及び穴部１０６ａと、額縁部２８ｂの入口孔部６０ａ及び穴部９０ａとは、積層方向に対して互いに重なり合わない位置に設定されている。従って、燃料電池１０の構成の簡素化が図られるとともに、前記燃料電池１０全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になるという効果が得られる。
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視説明図である。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。
図１５及び図１６に示すように、燃料電池１２０は、複数のセルユニット１２２を積層して構成されるとともに、前記セルユニット１２２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１２４、第１金属セパレータ１２６、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１２８及び第２金属セパレータ１３０を備える。
第１電解質膜・電極構造体１２４及び第２電解質膜・電極構造体１２８は、額縁部（樹脂枠部材）１３２ａ及び額縁部（樹脂枠部材）１３２ｂを設ける。図１７に示すように、額縁部１３２ａのカソード面１２４ａ側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの下側近傍に入口溝部３８ａを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向（矢印Ｃ方向）にわたって複数の入口孔部１３４ａが形成される。入口孔部１３４ａは、リング状入口シール部材１３６ａにより囲繞される。
額縁部１３２ａのカソード面１２４ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの上側近傍に出口溝部３８ｂを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向（矢印Ｃ方向）にわたって複数の出口孔部１３４ｂが形成される。出口孔部１３４ｂは、リング状出口シール部材１３６ｂにより囲繞される。
図１８に示すように、額縁部１３２ａのアノード面１２４ｂ側の幅方向両端部上方には、複数の入口孔部１３４ａに対応する複数の入口溝部１３８ａが設けられる一方、前記アノード面１２４ｂ側の幅方向両端部下方には、複数の出口孔部１３４ｂに対応する複数の出口溝部１３８ｂが設けられる。
図１９に示すように、額縁部１３２ｂのカソード面１２８ａ側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの下側近傍に入口孔部６０ａを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の入口溝部１４０ａが形成される。
額縁部１３２ｂのカソード面１２８ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの上側近傍に出口孔部６０ｂを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の出口溝部１４０ｂが形成される。
図２０に示すように、額縁部１３２ｂのアノード面１２８ｂ側には、入口溝部６８ａ及び出口溝部６８ｂが設けられていない。
第１金属セパレータ１２６は、単一の金属プレート部材で構成される。図２１に示すように、第１金属セパレータ１２６の一方の面に設けられる酸化剤ガス流路８４の上方には、複数の孔部９２ａと複数の入口溝部８７ａとが形成される一方、酸化剤ガス流路８４の下方には、複数の孔部９２ｂと複数の出口溝部８７ｂとが形成される。
第１金属セパレータ１２６の幅方向両端部には、それぞれ一対の突起部８９ａ、８９ｂが設けられることがなく、それぞれ複数の穴部９０ａ、９０ｂが設けられない。
図１６に示すように、第２金属セパレータ１３０は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）１４２ａ、１４２ｂを備え、前記金属プレート１４２ａ、１４２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート１４２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート１４２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート１４２ａ、１４２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。
図２２に示すように、金属プレート１４２ａの幅方向両端部上方には、矢印Ｃ方向に比較的長尺な一対の突起部１４３ａが設けられる。突起部１４３ａには、各冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の穴部１４４ａが形成される。金属プレート１４２ａの幅方向両端部下方には、矢印Ｃ方向に比較的長尺な一対の突起部１４３ｂが設けられる。突起部１４３ｂには、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の穴部１４４ｂが形成される。
図２３に示すように、金属プレート１４２ｂの一対の突起部１４３ａには、各冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の入口溝部１４６ａが形成される。金属プレート１４２ｂの一対の突起部１４３ｂには、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の出口溝部１４６ｂが形成される。
図２４に示すように、積層方向に隣接する額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第１電解質膜・電極構造体１２４の酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路１５０ａと、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第２電解質膜・電極構造体１２８の酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路１５０ｂとが形成される。なお、図示しないが、額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路が形成される。
図２５に示すように、積層方向に隣接する額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス流路８６とを連通する燃料ガス連結流路１５２が形成される。なお、図示しないが、額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと燃料ガス流路８６とを連通する燃料ガス連結流路が形成される。
図２６に示すように、積層方向に隣接する額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと第２金属セパレータ１３０の冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路１５４が形成される。なお、図示しないが、額縁部１３２ａ、１３２ｂ間には、冷却媒体出口連通孔３４ｂと冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。
冷却媒体連結流路１５４は、額縁部１３２ａの外側シール部材４８及び内側シール部材５０と、額縁部１３２ｂの外側シール部材７４及び内側シール部材７６とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成される。
冷却媒体連結流路１５４は、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部１３８ａ、１４０ａと、額縁部１３２ａに積層方向に形成される入口孔部（第１孔部）１３４ａと、金属プレート１４２ａに前記積層方向に形成される穴部（第２孔部）１４４ａとを有する。入口溝部１３８ａと入口溝部１４０ａとは、端部同士が連通する。
このように構成される燃料電池１２０の動作について、以下に概略的に説明する。
各セルユニット１２２では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスが、図１５及び図２４に示すように、第１電解質膜・電極構造体１２４の入口溝部３６ａ間と第２電解質膜・電極構造体１２８の入口溝部５６ａ間に導入される。
入口溝部３６ａに導入された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ１３０の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１２４のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部３６ｂ間から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
一方、入口溝部５６ａ間に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１２８と第１金属セパレータ１２６との間の入口溝部８７ａを通って前記第１金属セパレータ１２６の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１２８のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部８７ｂ、５６ｂ間を通って酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、図１５及び図２５に示すように、第２電解質膜・電極構造体１２８のカソード側の入口溝部６２ａに導入される。燃料ガスは、入口溝部６２ａから入口孔部６４ａを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部７２ａから第２金属セパレータ１３０の燃料ガス流路８６に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部６６ａ及び第１金属セパレータ１２６の孔部９２ａを通って前記第１金属セパレータ１２６と第１電解質膜・電極構造体１２４との間に導入され、前記第１金属セパレータ１２６の燃料ガス流路８６に供給される。
第２金属セパレータ１３０の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部７２ｂに排出され、さらに出口孔部６４ｂから出口溝部６２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。一方、第１金属セパレータ１２６の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部９２ｂから出口孔部６６ｂを通って出口溝部７２ｂに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
これにより、第１電解質膜・電極構造体１２４及び第２電解質膜・電極構造体１２８では、それぞれカソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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、発電が行われる。
さらにまた、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図１５及び図２６に示すように、第１電解質膜・電極構造体１２４の入口溝部１３８ａに導入され、入口溝部１４０ａから入口孔部１３４ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部１３４ａから第２金属セパレータ１３０の穴部１４４ａを通って前記第２金属セパレータ１３０の内部に導入される。
冷却媒体は、第２金属セパレータ１３０内を各入口溝部１４６ａに沿って矢印Ｂ方向に且つ互いに内側方向に流通し、冷却媒体流路８８に供給される。互いに内側方向に流通する冷却媒体は、冷却媒体流路８８の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向に移動した後、前記冷却媒体流路８８の下部側で矢印Ｂ方向両側に振り分けられる。そして、各出口溝部１４６ｂから穴部１４４ｂを通って前記第２金属セパレータ１３０から排出される。さらに、冷却媒体は、出口孔部１３４ｂから出口溝部１４０ｂ、１３８ｂを通って冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
このため、第１電解質膜・電極構造体１２４及び第２電解質膜・電極構造体１２８は、第２金属セパレータ１３０内の冷却媒体流路８８を流通する冷却媒体により間引き冷却される。
この場合、第２の実施形態では、第１金属セパレータ１２６及び第２金属セパレータ１３０は、小型軽量化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減され、燃料電池１２０全体を経済的に製造することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、１２０…燃料電池 １２、１２２…セルユニット
１４、１８、１２４、１２８…電解質膜・電極構造体
１６、２０、１２６、１３０…セパレータ
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…額縁部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６ａ、３８ａ、４２ａ、４６ａ、５６ａ、５８ａ、６２ａ、６８ａ、７２ａ、８７ａ、９８ａ、１００ａ、１１２ａ、１３８ａ、１４０ａ、１４６ａ…入口溝部
３６ｂ、３８ｂ、４２ｂ、４６ｂ、５６ｂ、５８ｂ、６２ｂ、６８ｂ、７２ｂ、８７ｂ、９８ｂ、１００ｂ、１１２ｂ、１３８ｂ、１４０ｂ、１４６ｂ…出口溝部
４０ａ、６０ａ、６４ａ、６６ａ、１３４ａ…入口孔部
４０ｂ、６０ｂ、６４ｂ、６６ｂ、１３４ｂ…出口孔部
４８、７４…外側シール部材 ５０、７６…内側シール部材
８２ａ、８２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…金属プレート
８４…酸化剤ガス流路 ８６…燃料ガス流路
８８…冷却媒体流路
９０ａ、９０ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１４４ａ、１４４ｂ…穴部
９２ａ、９２ｂ…孔部
１１６ａ、１１６ｂ、１５４…冷却媒体連結流路
１４、１８、１２４、１２８…電解質膜・電極構造体
１６、２０、１２６、１３０…セパレータ
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…額縁部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６ａ、３８ａ、４２ａ、４６ａ、５６ａ、５８ａ、６２ａ、６８ａ、７２ａ、８７ａ、９８ａ、１００ａ、１１２ａ、１３８ａ、１４０ａ、１４６ａ…入口溝部
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４０ａ、６０ａ、６４ａ、６６ａ、１３４ａ…入口孔部
４０ｂ、６０ｂ、６４ｂ、６６ｂ、１３４ｂ…出口孔部
４８、７４…外側シール部材 ５０、７６…内側シール部材
８２ａ、８２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…金属プレート
８４…酸化剤ガス流路 ８６…燃料ガス流路
８８…冷却媒体流路
９０ａ、９０ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１４４ａ、１４４ｂ…穴部
９２ａ、９２ｂ…孔部
１１６ａ、１１６ｂ、１５４…冷却媒体連結流路
Claims (5)
- 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが交互に積層され、２つの前記電解質・電極構造体及び２つの前記金属セパレータを有するセルユニットを備える燃料電池であって、
少なくとも１つの前記金属セパレータは、内部に冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成される２枚のプレートで構成されており、
２つの前記電解質・電極構造体の外周には、それぞれ樹脂枠部材が一体に設けられ、前記樹脂枠部材の互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられる一方、
前記樹脂枠部材の互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接して冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体入口連通孔、及び前記反応ガス出口連通孔又は前記反応ガス入口連通孔に近接して前記冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体出口連通孔が設けられるとともに、
前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔と前記冷却媒体流路とを連通する連結流路を備え、
前記連結流路は、少なくとも１つの前記金属セパレータに設けられる貫通孔、及び少なくとも１つの前記樹脂枠部材に設けられる貫通孔を有す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、前記樹脂枠部材は、セパレータ面外に外側シールラインを有し且つセパレータ面内に内側シールラインを有する２重シールラインを設けるとともに、
互いに隣接する一方の前記樹脂枠部材の前記２重シールラインの一部と他方の前記樹脂枠部材の前記２重シールラインの一部とは、該樹脂枠部材の面方向において異なる位置に配置されることにより、一方の前記樹脂枠部材と他方の前記樹脂枠部材との間に前記連結流路を形成することを特徴とする燃料電池。 - 請求項１又は２記載の燃料電池において、２枚の前記プレートは、互いに外形が同一形状を有す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、前記連結流路は、前記積層方向に隣接する前記樹脂枠部材間に前記セパレータ面方向に沿って設けられる溝部と、
一方の前記樹脂枠部材に前記積層方向に形成され、前記溝部に連通する第１孔部と、
一方の前記樹脂枠部材に隣接する一方の前記プレートに前記積層方向に形成され、前記第１孔部と前記冷却媒体流路とを連通する第２孔部と、
を有することを特徴とする燃料電池。 - 請求項４記載の燃料電池において、前記溝部は、一方の前記樹脂枠部材に設けられる第１溝部と、
一方の前記樹脂枠部材に積層される他方の前記樹脂枠部材に設けられる第２溝部と、
を有するとともに、
前記第１溝部と前記第２溝部とは、端部同士が連通することを特徴とする燃料電池。
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