WO2011108400A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

燃料電池（１０）を構成する燃料電池ユニット（１２）は、第１セパレータ（１４）、第１電解質膜・電極構造体（１６ａ）、第２セパレータ（１８）、第２電解質膜・電極構造体（１６ｂ）及び第３セパレータ（２０）を設ける。第１セパレータ（１４）、第２セパレータ（１８）及び第３セパレータ（２０）の外周縁部には、樹脂製ガイド部材（９０ａ、９０ｂ及び９０ｃ）が設けられる。樹脂製ガイド部材（９０ａ、９０ｂ及び９０ｃ）は、外方に突出する外周端部（１００ａ、１００ｂ及び１００ｃ）を有するとともに、前記樹脂製ガイド部材（９０ａ、９０ｃ）には、前記外周端部（１００ａ、１００ｃ）から内方に離間する凹状の逃げ部（１０２ａ、１０２ｂ）が形成される。

Description

燃料電池

　本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた１以上の電解質膜・電極構造体と複数のセパレータとを有する燃料電池ユニットを設け、複数の前記燃料電池ユニットが積層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電解質膜の両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

　燃料電池では、通常、数十～数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特開２００９－２８３４６９号公報に開示されている燃料電池スタックが知られている。

　この燃料電池スタックは、図１６に示すように、複数の燃料電池ユニット１が積層されるとともに、前記燃料電池ユニット１は、第１及び第２電解質膜・電極構造体２ａ、２ｂと、第１、第２及び第３セパレータ３ａ、３ｂ及び３ｃとを設けている。各燃料電池ユニット１は、位置決め機構４を介して一体に位置決めされている。位置決め機構４は、第２セパレータ３ｂの端縁部に一体成形される位置決め部材５を備えており、前記位置決め部材５の両端が、第１セパレータ３ａと第３セパレータ３ｃとに係合している。

　ところで、上記の燃料電池スタックでは、各燃料電池ユニット１の中央に配置されている第２セパレータ３ｂの側部に、樹脂製のガイド部６が膨出形成されている。従って、ガイド部６を、ガイドレール７に沿って案内させるだけで、各燃料電池ユニット１同士を容易且つ正確に積層することが可能になっている。

　ところで、上記の燃料電池スタックを、例えば、筺体内に収容する場合がある。その際、ガイド部６を、衝突時に電極面を保護するための衝突受け用樹脂具として使用することが望まれる。

　本発明はこの種の要請に対応するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の耐衝撃性を有効に向上させるとともに、位置決め性能を確保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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた１以上の電解質膜・電極構造体と複数のセパレータとを有する燃料電池ユニットを設け、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池に関するものである。

　この燃料電池は、各セパレータの外周部又は各電解質膜・電極構造体の外周部には、積層方向に沿って同一の位置に樹脂製ガイド部材が設けられるとともに、燃料電池ユニットを構成する複数の前記セパレータの中、１つを除く他の全ての前記セパレータに設けられる前記樹脂製ガイド部材、又は前記燃料電池ユニットを構成する複数の前記電解質膜・電極構造体の中、１つを除く他の全ての前記電解質膜・電極構造体に設けられる前記樹脂製ガイド部材には、外周端部から内方に離間する凹状の逃げ部が形成されている。

　本発明によれば、燃料電池ユニットでは、１のセパレータ又は１の電解質膜・電極構造体に設けられている樹脂製ガイド部材の外周端部は、他の全てのセパレータ又は他の全ての電解質膜・電極構造体に設けられている各樹脂製ガイド部材の外周端部の逃げ部から外部に露呈している。このため、外部に露呈する１の外周端部により燃料電池ユニット毎に位置決めを行うことができ、前記燃料電池ユニットの位置決め性能を確保することが可能になる。

　さらに、燃料電池ユニットを構成する複数のセパレータ又は複数の電解質膜・電極構造体では、各樹脂製ガイド部材の外周端部同士が、逃げ部を除いた部分で積層方向に重なり合っている。従って、複数の樹脂製ガイド部材は、衝撃受け部として機能することができ、保持可能な重量及び衝撃力が良好に増大する。これにより、簡単な構成で、燃料電池の耐衝撃性を有効に向上させるとともに、位置決め性能を確保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燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第３セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図１中、Ｖ－Ｖ線断面図である。 前記燃料電池ユニットを構成する樹脂製ガイド部材の斜視説明図である。 前記燃料電池が筐体内に収容された状態の斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図９中、Ｘ－Ｘ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記燃料電池の、図１３中、ＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図である。 前記燃料電池の、図１３中、ＸＶ－ＸＶ線断面図である。 特開２００９－２８３４６９号公報に開示されている燃料電池スタックの断面説明図である。

　図１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、複数の燃料電池ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。燃料電池ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

　第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３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セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

　第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。

　アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。固体高分子電解質膜２２、アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。

　アノード側電極２４及びカソード側電極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、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

　燃料電池ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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が設けられる。

　燃料電池ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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が設けられる。

　燃料電池ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

　図２に示すように、第１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、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

　第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６の裏面形状である。

　第２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、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

　図１に示すように、第２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、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

　図４に示すように、第３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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。

　第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

　第３セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

　第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。

　第１～第３シール部材７４、７６及び７８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が用いられる。

　図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び複数の内側供給孔部８０ｂが形成される。第１セパレータ１４には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び複数の内側排出孔部８２ｂが形成される。

　図３に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分には、複数の入口側連結流路８４ａ及び複数の出口側連結流路８４ｂが設けられる。第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８６と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８８とが設けられる。

　図４に示すように、第３セパレータ２０の面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第２酸化剤ガス流路６６とを連通する複数の入口側連結流路８９ａ及び複数の出口側連結流路８９ｂが設けられる。

　図１に示すように、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周縁部には、樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃがそれぞれ複数設けられる。樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ポリイミド又はＡＢＳ樹脂等で構成される。

　樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、予め、絶縁樹脂で成形した成形品を、かしめや接着等によって第１セパレータ１４～第３セパレータ２０を構成する金属プレートに設けられた切り欠き部に固定し、あるいは、前記金属プレートの前記切り欠き部に絶縁樹脂を一体で射出成形してもよい。

　樹脂製ガイド部材９０ｃには、孔部９２ａ、９２ｂが互いに並列して設けられる。樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂには、樹脂製ガイド部材９０ｃの孔部９２ａ、９２ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部９４ａ、９４ｂ及び９６ａ、９６ｂが形成される。

　図５に示すように、孔部９２ａ、９２ｂの直径は、孔部９４ａ、９４ｂ及び９６ａ、９６ｂの直径よりも小径に設定される。積層方向に対して一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、孔部９２ａ、９４ａ及び９６ａに、接続部材、例えば、半径方向に複数の割りを有した絶縁性樹脂クリップ９８が挿入されるとともに、他の一つ置きに配置される燃料電池ユニット１２では、各孔部９２ｂ、９４ｂ及び９６ｂに、同様に接続部材である絶縁性樹脂クリップ９８が挿入される。

　各絶縁性樹脂クリップ９８は、首部９８ａが、第３セパレータ２０に係止する一方、大径なフランジ部９８ｂが、第１セパレータ１４に当接することにより、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０が、積層方向に一体に保持される。

　図６に示すように、樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、それぞれ第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周端面ＥＦから外部に突出する外周端部１００ａ、１００ｂ及び１００ｃを設ける。燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０（複数のセパレータ）の中、前記第２セパレータ１８を除く第１セパレータ１４及び第３セパレータ２０に設けられる樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｃには、外周端部１００ａ、１００ｃから内方に離間する凹状の逃げ部１０２ａ、１０２ｂが形成される。逃げ部１０２ａ、１０２ｂは、樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｃの略中央部に設けられることが好ましい。

　図７に示すように、燃料電池１０は、筐体１１０内に収容される。筐体１１０は、燃料電池ユニット１２の積層方向両端に配置されるエンドプレート１１２ａ、１１２ｂと、前記燃料電池ユニット１２の側部に配置される４枚の側部パネル１１４ａ～１１４ｄと、前記エンドプレート１１２ａ、１１２ｂ及び前記側部パネル１１４ａ～１１４ｄを互いに連結するヒンジ機構１１６とを備える。側部パネル１１４ａ～１１４ｄは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）、その他の金属材又はカーボン材で構成される。

　図５に示すように、筐体１１０内では、各燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の各樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、それぞれの外周端部１００ａ、１００ｂ及び１００ｃが筐体内面（側部パネル１１４ａ～１１４ｄの内面）に一体に当接可能である。なお、筐体１１０を使用する代わりに、エンドプレート１１２ａ、１１２ｂ間にバー（図示せず）を架け渡すとともに、前記バーの内面に外周端部１００ａ、１００ｂ及び１００ｃが一体に当接してもよい。

　この燃料電池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３０ａ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３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａに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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される（図３及び図４参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される（図１参照）。

　一方、燃料ガスは、図１及び図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入される。このため、図２に示すように、燃料ガスは、入口バッファ部３８に送られ、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

　また、燃料ガスは、図３に示すように、供給孔部８６を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、図１に示すように、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

　従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

　第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図２に示すように、出口バッファ部４０から内側排出孔部８２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。

　図１に示すように、面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａに導入され、再度、面１４ａ側に移動する。このため、図２に示すように、燃料ガスは、外側排出孔部８２ａから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

　また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部８８を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス出口連通孔３２ｂ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は、図１に示すように、第１セパレータ１４と第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

　この場合、第１の実施形態では、所定の燃料電池ユニット１２において、樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃの各孔部９４ａ、９６ａ及び９２ａに絶縁性樹脂クリップ９８が挿入されるとともに、他の所定数の燃料電池ユニット１２において、各孔部９４ｂ、９６ｂ及び９２ｂに絶縁性樹脂クリップ９８が挿入されている。

　次に、それぞれ一体に組み付けられた各燃料電池ユニット１２は、図６に示すように、中央に配置されている第２セパレータ１８に設けられた樹脂製ガイド部材９０ｂの外周端部１００ｂのみが、外部に露呈している。樹脂製ガイド部材９０ｂを挟んで配置されている樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｃの外周端部１００ａ、１００ｃには、内方に離間する逃げ部１０２ａ、１０２ｂが形成されているからである。逃げ部１０２ａ、１０２ｂの幅Ｗは、ガイドレール１２０の幅Ｗａよりも大きい。

　このため、樹脂製ガイド部材９０ｂの外周端部１００ｂを、ガイドレール１２０に沿って案内させるだけで、燃料電池ユニット１２同士を容易且つ正確に積層することが可能になる。

　さらに、第１の実施形態では、燃料電池ユニット１２を構成する第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０において、各樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃの外周端部１００ａ、１００ｂ及び１００ｃ同士は、逃げ部１０２ａ、１０２ｂを除いた部分（逃げ部１０２ａ、１０２ｂの両側部分）で積層方向に重なり合っている。

　従って、各樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、図５に示すように、筐体１１０の内面に一体に当接している。これにより、各樹脂製ガイド部材９０ａ、９０ｂ及び９０ｃは、それぞれ衝撃受け部として機能することができ、保持可能な重量及び衝撃力を有効に増大させることが可能になる。このため、簡単な構成で、燃料電池１０の耐衝撃性を有効に向上させるとともに、位置決め性能を確保することができる。

　図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１３０を構成する燃料電池ユニット１３２の要部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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

　燃料電池ユニット１３２は、第１セパレータ１３４、電解質膜・電極構造体１６及び第２セパレータ１３６を備える。第１セパレータ１３４及び第２セパレータ１３６の外周縁部には、樹脂製ガイド部材９０ｂ、９０ｃがそれぞれ複数設けられる。樹脂製ガイド部材９０ｂ、９０ｃは、それぞれ外方に突出する外周端部１００ｂ、１００ｃを有するとともに、前記外周端部１００ｃには、逃げ部１０２ｂが形成される。

　この第２の実施形態では、燃料電池ユニット１３２が一体に組み付けられた後、第１セパレータ１３４に設けられている樹脂製ガイド部材９０ｂの外周端部１００ｂのみが、各燃料電池ユニット１３２同士を位置決めするための位置決め基準として使用される。

　一方、第１セパレータ１３４及び第２セパレータ１３６に設けられている樹脂製ガイド部材９０ｂ、９０ｃの逃げ部１０２ｂを除いた外周端部１００ｂ、１００ｃは、積層方向に同一位置に且つ互いに重なり合っている。従って、各樹脂製ガイド部材９０ｂ、９０ｃが衝撃受け部として機能し、簡単な構成で、燃料電池１３０の耐衝撃性を有効に向上させるとともに、位置決め性能を確保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。

　図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する燃料電池ユニット１４２の要部分解斜視説明図である。

　燃料電池ユニット１４２は、第１セパレータ１４４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４６ａ、第２セパレータ１４８、第２電解質膜・電極構造体１４６ｂ及び第３セパレータ１５０を設ける。第１電解質膜・電極構造体１４６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４６ｂ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１５２と、前記固体高分子電解質膜１５２を挟持するカソード側電極１５４及びアノード側電極１５６とを備える（図１０参照）。

　固体高分子電解質膜１５２は、カソード側電極１５４及びアノード側電極１５６よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜１５２の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状外周樹脂枠）１５８が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、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。

　図９に示すように、額縁部１５８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。額縁部１５８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

　第１セパレータ１４４、第２セパレータ１４８及び第３セパレータ１５０の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（以下、単に流体連通孔ともいう）の内側に配置される。

　図９及び図１１に示すように、第１セパレータ１４４の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部１６０ａ、１６０ｂが設けられる。突起部１６０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第１酸化剤ガス流路５０に連通する入口流路１６２ａが波状に形成される一方、突起部１６０ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第１酸化剤ガス流路５０に連通する出口流路１６２ｂが波状に形成される。

　第１セパレータ１４４の矢印Ｃ方向両端部中央には、外方に突出する突出部１６４ａ、１６４ｂが形成される。突出部１６４ａ、１６４ｂには、ノック孔１６６ａ、１６６ｂが貫通形成される。

　図９に示すように、第２セパレータ１４８の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部１６８ａ、１６８ｂと、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部１７０ａ、１７０ｂとが設けられる。

　第２セパレータ１４８の面１４８ａにおいて、突起部１６８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１燃料ガス流路３６に連通する入口流路１７２ａが波状に形成される一方、突起部１６８ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第１燃料ガス流路３６に連通する出口流路１７２ｂが波状に形成される。

　第２セパレータ１４８の面１４８ｂにおいて、突起部１７０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第２酸化剤ガス流路６６に連通する入口流路１７４ａが波状に形成される一方、突起部１７０ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第２酸化剤ガス流路６６に連通する出口流路１７４ｂが波状に形成される。

　第２セパレータ１４８の矢印Ｃ方向両端部中央には、外方に突出する突出部１７６ａ、１７６ｂが形成される。突出部１７６ａ、１７６ｂには、ノック孔１７８ａ、１７８ｂが貫通形成される。

　第３セパレータ１５０の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部１８０ａ、１８０ｂと、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに対応して突出する突起部１８２ａ、１８２ｂとが設けられる。

　突起部１８０ａには、面１５０ａ側で燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する入口流路１８４ａが波状に形成される一方、突起部１８０ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する出口流路１８４ｂが波状に形成される。突起部１８２ａには、面１５０ｂ側で冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体流路４４とを連通する入口流路１８６ａが波状に形成される一方、突起部１８２ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂと前記冷却媒体流路４４とを連通する出口流路１８６ｂが波状に形成される。

　第３セパレータ１５０の矢印Ｃ方向両端部中央には、外方に突出する突出部１８８ａ、１８８ｂが形成される。突出部１８８ａ、１８８ｂには、ノック孔１９０ａ、１９０ｂが貫通形成される。

　第１電解質膜・電極構造体１４６ａの額縁部１５８には、シール部材１９２が一体成形される。このシール部材１９２は、図１０に示すように、第１セパレータ１４４側の面に、前記第１セパレータ１４４の外周縁部を周回して摺接する第１シール部１９２ａを設ける。

　図１０及び図１２に示すように、シール部材１９２の第２セパレータ１４８側の面には、前記第２セパレータ１４８の外周部縁部を周回して摺接する第２シール部１９２ｂと、前記第２セパレータ１４８の外周部外方に位置し、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの額縁部１５８に摺接する第３シール部１９２ｃとが設けられる。

　図１２に示すように、第３シール部１９２ｃは、第１電解質膜・電極構造体１４６ａの矢印Ｃ方向両端側中央で、それぞれ外方に迂回するように形成されるとともに、それぞれの迂回部と第２シール部１９２ｂとの間にノック孔１９４ａ、１９４ｂが貫通形成される。

　第１電解膜・電極構造体１４６ａの各長辺には、ノック孔１９４ａ、１９４ｂの両側に樹脂製ガイド部材１９６ａが額縁部１５８と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材１９６ａは、額縁部１５８と別体に構成することもできる。樹脂製ガイド部材１９６ａの外周端部１９８ａには、前記外周端部１９８ａから内方に離間する凹状の逃げ部２００が形成される。

　図１０及び図１３に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの額縁部１５８には、第２シール部材２０２に一体成形される。この第２シール部材２０２は、第３セパレータ１５０側の面に前記第３セパレータ１５０の外周縁部を周回して周接する第１シール部２０２ａと、前記第３セパレータ１５０の外周部外方に位置し、隣接する第１電解質膜・電極構造体１４６ａの額縁部１５８に周接する第２シール部２０２ｂとを設ける。

　図１３に示すように、第２シール部２０２ｂは、矢印Ｃ方向両端縁部中央側に外方に迂回するように形成されるとともに、前記第２シール部２０２ｂの迂回部と第１シール部２０２ａとの間には、ノック部材２０４が額縁部１５８に一体成形される。

　図１４に示すように、ノック部材２０４は、第２セパレータ１４８側に膨出する外側膨出部２０６ａを備え、前記外側膨出部２０６ａは、前記第２セパレータ１４８のノック孔１７８ａ、第１電解質膜・電極構造体１４６ａのノック孔１９４ａ及び第１セパレータ１４４のノック孔１６６ａに一体に挿入される。外側膨出部２０６ａの内周側には、段状部２０６ｂを介して孔部２０６ｃが形成される。

　ノック部材２０４は、外側膨出部２０６ａとは反対側に膨出する内側膨出部２０６ｄを有する。内側膨出部２０６ｄは、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４６ｂのノック部材２０４の段状部２０６ｂに配置される。

　図１３に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの額縁部１５８には、樹脂製ガイド部材１９６ｂが一体成形される。樹脂製ガイド部材１９６ｂは、外周端部１９８ｂを設けるとともに、この外周端部１９８ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４６ａの樹脂製ガイド部材１９６ａに設けられた逃げ部２００から外方に露呈している（図１５参照）。

　この燃料電池１４０の動作について、以下に概略的に説明する。

　図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ１４４の突起部１６０ａに形成されている入口流路１６２を介して第１酸化剤ガス流路５０に供給されるとともに、第２セパレータ１４８の突起部１７０ａに形成されている入口流路１７４ａを介して第２酸化剤ガス流路６６に供給される。

　第１酸化剤ガス流路５０を流通した酸化剤ガスは、第１セパレータ１４４の突起部１６０ｂに形成されている出口流路１６２ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６を流通した酸化剤ガスは、第２セパレータ１４８の突起部１７０ｂに形成されている出口流路１７４ｂから前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。

　一方、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１４８の突起部１６８ａに形成されている入口流路１７２ａから第１燃料ガス流路３６に供給されるとともに、第３セパレータ１５０の突起部１８０ａに形成されている入口流路１８４ａから第２燃料ガス流路５８に供給される。

　第１燃料ガス流路３６を流通した燃料ガスは、第２セパレータ１４８の突起部１６８ｂに形成されている出口流路１７２ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されるとともに、第２燃料ガス流路５８を流通した燃料ガスは、第３セパレータ１５０の突起部１８０ｂに形成されている出口流路１８４ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

　また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第３セパレータ１５０の突起部１８２ａに形成されている入口流路１８６ａから冷却媒体流路４４に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路４４を流通した後、突起部１８２ｂに形成されている出口流路１８６ｂから冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

　この場合、第３の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４６ａの樹脂枠１５８に形成された樹脂製ガイド部材１９６ａの外周端部１９８ａに、逃げ部２００が形成されている。このため、燃料電池１４０が組み立てられた状態で、第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの樹脂枠１５８に形成された樹脂製ガイド部材１９６ｂの外周端部１９８ｂは、逃げ部２００に対応する部分から外部に露呈している。従って、樹脂製ガイド部材１９６ｂの外周端部１９８ｂをガイドレール案内用として用いることができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

　しかも、図１４に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの樹脂枠１５８には、ノック部材２０４が一体成形されている。このノック部材２０４の外側膨出部２０６ａは、第２セパレータ１４８のノック孔１９４ａ及び第１セパレータ１４４のノック孔１６６ａに一体に挿入されている。このため、第１電解質膜・電極構造体１４６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４６ｂの荷重を、第１セパレータ１４４及び第２セパレータ１４８により有効に受けることができ、燃料電池ユニット１４２全体の剛性を有効に向上させることが可能になる。

　なお、第１の実施形態では、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとの組み合わせを採用し、第２の実施形態では、１枚のＭＥＡと２枚のセパレータとの組み合わせを採用し、第３の実施形態では、２枚のＭＥＡと２枚のセパレータとの組み合わせを採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、３枚以上のＭＥＡと４枚以上のセパレータとを組み合せた燃料電池ユニットを用いてもよい。

Claims (6)

1. 　電解質膜の両側に一対の電極を設けた１以上の電解質膜・電極構造体と複数のセパレータとを有する燃料電池ユニット（１２、１４２）を設け、複数の前記燃料電池ユニット（１２、１４２）が積層される燃料電池であって、
   　各セパレータ（１４、１８、２０）の外周部又は各電解質膜・電極構造体（１４６ａ、１４６ｂ）の外周部には、積層方向に沿って同一の位置に樹脂製ガイド部材（９０ａ～９０ｃ、１９６ａ、１９６ｂ）が設けられるとともに、
   　前記燃料電池ユニット（１２）を構成する複数の前記セパレータ（１４、１８、２０）の中、１つを除く他の全ての前記セパレータ（１４、２０）に設けられる前記樹脂製ガイド部材（９０ａ、９０ｃ）、又は前記燃料電池ユニット（１４２）を構成する複数の前記電解質膜・電極構造体（１４６ａ、１４６ｂ）の中、１つを除く他の全ての前記電解質膜・電極構造体（１４６ａ）に設けられる前記樹脂製ガイド部材（１９６ｂ）には、外周端部から内方に離間する凹状の逃げ部（１０２ａ、２００）が形成され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、前記樹脂製ガイド部材（９０ａ～９０ｃ）の前記外周端部は、前記セパレータ（１４、１８、２０）の外周端面から外部に突出す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、前記燃料電池ユニット（１２）毎に一体に組み付けるための連結部材（９８）を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 　請求項１記載の燃料電池において、積層された複数の前記燃料電池ユニット（１２）を収容するための筐体（１１０）を備えることを特徴とする燃料電池。
5. 　請求項１記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体（１４６ａ、１４６ｂ）は、額縁状外周樹脂枠（１５８）を有し、前記樹脂製ガイド部材（１９６ａ、１９６ｂ）は、前記額縁状外周樹脂枠（１５８）に一体に構成されることを特徴とする燃料電池。
6. 　請求項５記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体（１４６ａ、１４６ｂ）の前記額縁状外周樹脂枠（１５８）と前記セパレータ（１４４、１４８）とは、ノック（２０４）により位置決めされることを特徴とする燃料電池。

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