固体高分子型燃料電池用セル
【課題】 膜／電極接合体と第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路と燃料ガス流路におけるシール性能を高度に且つ安定して確保することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供する。
【解決手段】 膜／電極接合体１８における固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも一回り大きな平面形状として、固体高分子膜１４の外周縁部の全周を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部から外報に突出させると共に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２を固体高分子膜１４より更に一回り大きな平面形状として、各セパレータ２０，２２に被着形成された主面シールゴム層５２によって固体高分子膜１４を挟圧保持せしめた。
【解決手段】 膜／電極接合体１８における固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも一回り大きな平面形状として、固体高分子膜１４の外周縁部の全周を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部から外報に突出させると共に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２を固体高分子膜１４より更に一回り大きな平面形状として、各セパレータ２０，２２に被着形成された主面シールゴム層５２によって固体高分子膜１４を挟圧保持せしめた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電界質膜を用いた固体高分子型燃料電池用のセルに係り、特にセル内部に形成されるガス流路のシール性能を簡単な構造によって高度に達成することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、良く知られているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜を電解質としてその両面に重ね合わせた一対の触媒電極の表面に対して、酸化剤としての酸素（空気）と燃料としての水素を供給し、電気化学的に反応させることによって電力を得るものである。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、目的とする電圧を安定して効率的に得るために、各触媒電極の表面上に酸素や水素を安定して供給することが重要であると共に、適当な温度に維持することも重要となる。
【０００４】
そこで、一般に、固体高分子電解質膜の両面に対してそれぞれ通気性を有する多孔質膜状の酸化電極と燃料電極を配設した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その酸化電極の表面に第一セパレータを重ね合わせると共に、燃料電極の表面に第二セパレータを重ね合わせた構造のセルが採用されている。この単セルを、複数段重ね合わせて電気的に直列接続することで、目的とする電圧を得るようにした構造とされている。
【０００５】
そして、第一セパレータに設けた凹溝を酸化電極で覆蓋することによって酸化ガス流路が形成されると共に、第二セパレータに設けた凹溝を燃料電極で覆蓋することによって燃料ガス流路が形成されている。また、第一セパレータ又は第二セパレータの電極と重ね合わされる主面に対する裏側の副面には、第一セパレータ又は第二セパレータに設けた凹溝を隣接する別の単セルの副面で覆蓋することによって冷却流路が形成されている。
【０００６】
また、相互に重ね合わされた各単セルの外周縁部には、重ね合わせ方向に貫通するようにして、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔と、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔、更に冷却水供給孔および冷却水排出孔が、それぞれ形成されている。そして、これらの給排孔を通じて給排される酸化ガス，燃料ガス，冷却水が、各単セルにおいて、それぞれ、上述の酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路に流通せしめられて、各排出孔から排出されるようになっている。（例えば、特許文献１参照）
【０００７】
ここにおいて、これら酸化ガス流路や燃料ガス流路の形態は、発電の効率や安定性に関して重要な影響を与える。特に近年では、生成する水を速やかに排出して滞留を防止すると共に、電気化学的反応の効率化などを目的として、流路内のガス圧力を大きく設定することがある。
【０００８】
ところが、従来構造の固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体の両面において、第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路および燃料ガス流路におけるシール性能を安定して確保することが難しかった。そのために、例えば膜／電極接合体の一方の面に流通せしめられる酸化ガスと他方の面に流通せしめられる燃料ガスが、膜／電極接合体の外周縁部を回り込んでリークすることにより、電池の発電不良が発生したり異常発熱するなどの問題が発生するおそれがあった。
【０００９】
なお、このような問題に鑑み、従来構造の単セルでは、一般に、互いに重ね合わされる部材間（膜／電極接合体に対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間）には、別体のシールゴムが配設されていた。しかしながら、別体のシールゴムを組み付けるには、部品点数と組付工程数が増えるだけでなく、シールゴムを正確な位置に配設することが難しいという問題がある。
【００１０】
さらに、固体高分子型燃料電池用セルを製造するに際しては、膜／電極接合体の両面に第一セパレータと第二セパレータを重ね合わせて組み付ける必要があるが、膜／電極接合体は、非常に薄肉で強度も小さく取扱いが難しいことから、膜／電極接合体を第一セパレータおよび第二セパレータに対して重ね合わせ面内で相互に正確に位置合わせすることが難しいという問題もあった。
【００１１】
特に、第一及び第二のセパレータには、一般に、各主面にガス流路用凹溝が形成されると共に、少なくとも一方の副面には冷却水用凹溝が形成されていることから、膜／電極接合体に対して第一及び第二のセパレータの位置がズレてしまうと、その構造によっては目的とするガス流路や冷却水流路が形成されなくなって、発電性能の低下や、ガスリークが発生する原因となる場合もあったのである。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、ＭＥＡと第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路と燃料ガス流路におけるシール性能を高度に且つ安定して確保することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の特に請求項６及び請求項７に記載の発明においては、製造に際して、ＭＥＡに対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面内での位置決めを、特別な部品点数の増加や組付工数の増加を伴うことなく、高い精度をもって簡易に行うことの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することも、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１６】
すなわち、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで積層構造とし、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記膜／電極接合体における前記固体高分子電解質膜を前記燃料電極および前記酸化電極よりも一回り大きな平面形状として該固体高分子電解質膜の外周縁部の全周を該燃料電極および該酸化電極の外周縁部から外方に突出させる一方、前記第一セパレータおよび第二セパレータを何れも該固体高分子電解質膜よりも更に一回り大きな平面形状として、該第一及び第二セパレータにおける該膜／電極接合体に重ね合わされる主面の外周部分に主面シールゴム層を固着することにより、該燃料電極および該酸化電極から突出した該固体高分子電解質膜の外周縁部を、該第一及び第二セパレータの間で、それら両セパレータの該主面シールゴム層の内周部分によって流体密に挟圧保持せしめたことを特徴とする。
【００１７】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体の一方の表面において第一セパレータとの重ね合わせ面間に形成される燃料ガス流路と、膜／電極接合体の他方の表面において第二セパレータとの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路との、何れも、各セパレータの外周部分に固着形成された主面シールゴム層によって囲繞された領域に形成されることとなる。そして、それら主面シールゴム層によって囲繞された領域から外周側に突出して、固体高分子電解質膜だけが延び出しており、この固体高分子電解質膜の突出した外周縁部が、両セパレータ間で挟圧力を及ぼされて、両主面シールゴム層間に流体密に挟圧保持されている。それ故、燃料ガス流路と酸化ガス流路が、固体高分子電解質膜を隔てて高度に気密シール可能となり、ガスリークが効果的に防止され得る。
【００１８】
なお、本発明において採用される第一，第二セパレータの材質は特に限定されるものではなく、具体的には、例えば、カーボンの圧縮成形体や導電性樹脂材料の射出成形体、或いはステンレス鋼などの金属材料によるプレス成形体など、各種のものが採用可能である。更に、燃料ガス流路や酸化ガス流路の形態、構造も何等限定されるものではない。
【００１９】
また、主面シールゴム層の厚さ寸法は、膜／電極接合体の構造や部材厚さ寸法、セパレータの構造などを考慮して、燃料電極や酸化電極と第一，第二セパレータの対向面間に燃料ガス流路や酸化ガス流路が有効に形成されると共に、有効なシール機能を発揮し得るだけの圧縮力をもって、主面シールゴム層が固体高分子電解質膜に対して当接せしめられるように設定されることが望ましい。
【００２０】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第二の態様は、前記第一の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータとして金属製セパレータを採用して、前記主面シールゴム層を該金属製セパレータに対して加硫接着せしめたことを特徴とする。
【００２１】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一、第二セパレータを金属製としたことにより、カーボン等を用いたセパレータに比して大きな強度を確保することが出来るため、第一，第二セパレータを十分に薄肉としつつも必要な強度を確保することが出来る。しかも、カーボン等を用いたセパレータに比して金属製のセパレータは導電性に優れている。それ故、金属製のセパレータを採用することにより、十分な強度を確保しつつ、よりコンパクトで高性能な燃料電池の実現が可能となる。
【００２２】
また、金属製のセパレータは、樹脂やカーボンに比して耐熱温度も極めて高く、熱による変形や収縮等の問題が回避される。
【００２３】
更に、金属製としたことにより、リサイクル等による再利用も容易である。
【００２４】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面の裏側の副面に副面シールゴム層を固着すると共に、該第一及び／又は第二セパレータにおいて厚さ方向に貫通する接続孔を複数形成して、該接続孔を通じて前記主面シールゴム層と該副面シールゴム層を連結一体化せしめたことを特徴とする。
【００２５】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一及び／又は第二セパレータにおいて形成されて、セパレータを厚さ方向に貫通する接続孔を通じて、主面シールゴム層と副面シールゴム層を連結し、一体化せしめることにより、第一及び／又は第二セパレータに対するシールゴム層全体の固着面積を大きく取ることが出来て、第一及び／又は第二セパレータに対するシールゴム層の固着強度を増すことが出来る。
【００２６】
さらに、極めて薄肉とされたシールゴム層を射出成形するに際して、狭い成形キャビティに対するゴム材料の充填をより確実に安定して実現することが出来て、充填不良など問題を回避でき得る。
【００２７】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第四の態様は、前記第三の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの両方に対して前記副面シールゴム層を形成する一方、それら第一セパレータおよび第二セパレータの各副面に、互いに重ね合わせられることによって冷却水流路を形成する冷却水流路形成部を設けると共に、該冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、該副面シールゴム層と一体的に被着形成したことを特徴とする。
【００２８】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一及び第二セパレータの各副面に、冷却水流路を形成する冷却水形成部を設けることにより、固体高分子型燃料電池用セルの温度管理を有効に行うことが出来て、発電効率の向上が実現され得る。
【００２９】
また、第一セパレータ及び第二セパレータの両方に対して副面シールゴム層を形成すると共に、冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、副面シールゴム層と一体的に被着形成することにより、冷却水流路が絶縁ゴム層によって第一セパレータ及び第二セパレータから絶縁されて、固体高分子型燃料電池用セルで発電された電力が冷却水へ散逸することを抑制することが出来る。
【００３０】
なお、第一セパレータ及び第二セパレータの両方に対して副面シールゴム層を形成するが、副面シールゴム層は第一セパレータ及び第二セパレータの各副面の全面に被着形成されることはない。即ち、各セルが発生した電力の総電力を固体高分子型燃料電池から取り出すことが出来るように、第一セパレータと第二セパレータは、電気的に導通状態で重ね合わせられる必要があるため、副面の全面をシールゴム層によって覆って絶縁することはない。
【００３１】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面に開口して延びる凹溝を形成し、該凹溝を前記膜／電極接合体の前記燃料電極または前記酸化電極で覆蓋せしめることによって前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路を形成すると共に、該燃料ガス流路または該酸化ガス流路の端部を前記膜／電極接合体の前記固体高分子電解質膜の外周縁部から更に外方まで延び出させて、該第一セパレータおよび該第二セパレータを重ね合わせ方向に貫通して形成された燃料ガスまたは酸化ガスの給排孔に接続する接続凹溝を形成し、更に、該接続凹溝の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層を形成することによって該接続凹溝をトンネル状構造としたことを特徴とする。
【００３２】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、凹溝形成部位においても、例えば凹溝を蓋するプレート部材を別途に設けることなく、シールゴム層でシール性能を有利に確保できる。また、シールゴム層は金属セパレータに対して固設されており、好適には金属セパレータの主面に対して加硫接着される。従って、シールゴム層と金属セパレータの隙間にガスが入り込むことに起因するリーク等の問題が防止される。なお、凹溝の開口部分を跨ぐシールゴム層は凹溝の両側で金属セパレータに固着されているため、単純な剪断方向の弾性だけでなく、引張方向の弾性によっても、シール時の圧縮力が有利に確保され得る。
【００３３】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記膜／電極接合体における前記燃料電極及び／又は前記酸化電極の外周縁部を、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面に形成された前記主面シールゴム層の内周縁部に当接させることにより、該膜／電極接合体に対して該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータを重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向において相互に位置合わせ出来るようにしたことを特徴とする。
【００３４】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで固体高分子型燃料電池用セルを構成する際に、膜／電極接合体を第一セパレータ及び第二セパレータの主面上において所定の位置に容易に位置決めすることが出来る。それ故、膜／電極接合体と第一セパレータ及び第二セパレータの各対向面間において、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を所定の態様で形成することが出来ると共に、膜／電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が各セパレータに形成された主面シールゴム層間に挟圧保持されることによるシール機能を確実に得ることが出来る。
【００３５】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第七の態様は、前記第六の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記主面シールゴム層の内周縁部の端面が、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面から離れるに従って該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータの外周側に向かって傾斜して広がる傾斜案内面とされていることを特徴とする。
【００３６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、主面シールゴム層の内周縁部の端面を傾斜面としたことにより、位置決め精度を確保しつつ、重ね合わせをする際のガイド機能を向上させることが出来て、重ね合わせの作業を容易に行うことが出来る。
【発明の効果】
【００３７】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにあっては、固体高分子電解質膜を燃料電極及び酸化電極よりも一回り大きな平面形状とすると共に、第一セパレータと第二セパレータを何れも固体高分子電解質膜より一回り大きな平面形状として、それら各セパレータの主面の外周部分にそれぞれ形成された主面シールゴム層によって膜／電極接合体を流体密に挟圧保持することにより、燃料ガス流路と酸化ガス流路におけるシール性能を高度に且つ安定して確保することが出来る。
【００３８】
また、本発明の特に第六及び第七の態様においては、燃料電極及び／又は酸化電極の外周縁部を、第一のセパレータ及び／又は第二のセパレータの主面に形成された主面シールゴム層の内周縁部に当接させることによって、膜／電極接合体に対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面内での位置決めを、特別な部品点数の増加や組付工数の増加を伴うことなく、高い精度をもって簡易に行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４０】
先ず、図１には、本発明に従う構造とされた単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成された固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。
【００４１】
より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質としてその両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。また、この膜／電極接合体１８を両面からサンドイッチ状に挟むようにして、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が重ね合わされている。そして、かかる単セル１２が、板厚方向で複数枚重ね合わされることにより、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを構成するようになっている。
【００４２】
なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００４３】
そして、各単セル１２には、膜／電極接合体１８と第一セパレータ２０の重ね合わせ面間において、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路２４が形成されている。また、膜／電極接合体１８と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間には、空気（酸素）を供給する酸化ガス流路２６が形成されている。更に、相互に重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路２８が形成されている。
【００４４】
また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３４ａと燃料ガス排出孔３４ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３４ｃと酸化ガス排出孔３４ｄが形成されている。
【００４５】
また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各中央部分には、冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。
【００４６】
さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。
【００４７】
これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆが形成されている。
【００４８】
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板３６，３８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。
【００４９】
また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８には、燃料ガス供給用ポート４０ａ，燃料ガス排出用ポート４０ｂ，酸化ガス供給用ポート４０ｃ，酸化ガス排出用ポート４０ｄ，冷却水供給用ポート４０ｅ，冷却水排出用ポート４０ｆの合計６個のポート４０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート４０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート４０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。
【００５０】
そして、これら各供給用ポート４０ａ，ｃ，ｅを通じて各供給孔３４ａ，ｃ，ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路２４および酸化ガス流路２６と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路２８を流通せしめられた後、各排出孔３４ｂ，ｄ，ｆを経て、各排出用ポート４０ｂ，ｄ，ｆを通じて排出されるようになっているのである。
【００５１】
これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。
【００５２】
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に且つ安定して発揮させるには、各単セル１２の触媒電極１６ａ，１６ｂに対して燃料ガスと酸化ガスを連続的に供給すると共に、各単セル１２に対して冷却水を連続的に供給して温度管理を実現することが必要となる。そこで、これら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排流路を形成する流路構造について、以下に説明を加える。
【００５３】
先ず、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜６に示されている如き、同一の金属製セパレータ４２が採用されている。
【００５４】
この金属製セパレータ４２は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ４２は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。
【００５５】
具体的には、金属製セパレータ４２には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部３０と第二辺縁部３２に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における３個の貫通孔４４ａ，ｅ，ｄと、第二辺縁部３２における３個の貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ４２の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ４２を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔４４ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部３０には、上から順に貫通孔４４ａ，ｅ，ｄが形成されている一方、第二辺縁部３２には、上から順に貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂが形成されている。
【００５６】
これにより、２枚の金属製セパレータ４２，４２を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向に合致して相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、各貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄ，冷却水供給孔３４ｅ，冷却水排出孔３４ｆとされている。
【００５７】
さらに、金属製セパレータ４２において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面４６には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部３０の左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａの近くから第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部３２の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部３０に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部３０の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部３２の右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝４８が形成されている。この凹溝４８は、一つの貫通孔４４ａを、略対角方向で対向位置する別の貫通孔４４ｂに接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝４８は、水平方向に延びる各直線部分が、主面４６の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。
【００５８】
特に本実施形態において、凹溝４８は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有している。なお、凹溝４８は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから２．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．３ｍｍから１．２ｍｍ、とされ、より望ましくは、開口部の溝幅が１．６ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝４８において、隣り合う凹溝４８の間隔は、好適には、開口部において０．２ｍｍから１．２ｍｍとされ、より好適には、０．７ｍｍとされるのが望ましい。
【００５９】
また、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の各貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域５０とされている。かかるガス拡散領域５０の周囲には、図５に示すように、ガス拡散領域５０を囲むようにして主面シールゴム層５２が金属製セパレータ４２の主面４６に被着されている。なお、本実施形態において、加硫成形された主面シールゴム層５２は、加硫接着によってその全面に亘って金属製セパレータ４２の主面４６に接着されて、金属製セパレータ４２に対して流体密に密着せしめられている。そして、組付け状態下において第一，第二セパレータ２０，２２の各主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２同士が圧接せしめられることによって、ガス拡散領域５０が流体密にシールされている。また、主面シールゴム層５２の内周面が燃料電極１６ａ若しくは酸化電極１６ｂの外周面に当接せしめられることにより、金属製セパレータ４２に重ね合わせられる膜／電極接合体１８が主面４６上で位置決めされる。特に本実施形態では、主面シールゴム層５２の内周面が傾斜面とされており、主面シールゴム層５２の内周が、金属製セパレータ４２の主面４６から離隔するに従って次第に広がるようにされている。
【００６０】
更に、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の一部でガス拡散領域５０の外部に形成された部分、即ち、凹溝４８の各貫通孔４４ａ，ｂ，ｃ，ｄへの接続部分である接続凹溝としての接続部５４には、その開口部を覆蓋するように、主面シールゴム層５２が橋渡し状に延びて形成されている。換言すれば、凹溝４８の貫通孔４４ａ〜ｄへの接続部分である接続部５４は、主面シールゴム層５２によって凹溝４８の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。
【００６１】
一方、金属製セパレータ４２において、凹溝４８が開口する主面４６と反対側の副面５６には、図５，６に示すように、冷却水流路形成部としての凹状通路５８が形成されている。凹状通路５８は、主面４６に形成された複数条の凹溝４８の間で、副面５６において形成されて、燃料ガス供給孔３４ａの近くから燃料ガス排出孔３４ｂの近くまで延びている。即ち、主面４６における凹溝４８間の凸部を、その反対側の副面５６において凹状通路５８として利用しており、酸化ガス供給孔３４ｃ及び酸化ガス排出孔３４ｄの手前まで凹溝４８に沿って延びている。
【００６２】
また、冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆの近くには、接続凹所６０が形成されている。接続凹所６０は、一方の端部が冷却水供給孔３４ｅ又は冷却水排出孔３４ｆに接続されている一方、他方の端部が酸化ガス供給孔３４ｃ又は酸化ガス排出孔３４ｄの近くまで延びている。
【００６３】
そして、図６に示すように、副面５６において、金属製セパレータ４２の外周部付近および凹溝４８の底部を除く略全面には、副面シールゴム層６２が形成されている。また、凹状通路５８の内面には、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されており凹状通路５８の内側に被着せしめられている。これによって、凹状通路５８内が全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。なお、特に本実施形態では、金属製セパレータ４２に複数の接続孔６４が貫設されており、金属製セパレータ４２の主面４６と副面５６にそれぞれ固着された主面シールゴム層５２，副面シールゴム層６２が物理的に一体化せしめられて、シールゴム層６６を形成している。これにより、シールゴム層６６の被着強度の向上や、薄肉とされたシールゴム層６６の成形時におけるゴム材料の充填不良防止を実現している。
【００６４】
なお、本実施形態では、図７に示されているように、燃料電極１６ａに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部に係合凹所６８が設けられていると共に、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部には、係合突起７０が設けられている。かかる係合凹所６８と係合突起７０を係合せしめることにより、単セル１２を重ね合わせてセルスタックを構成する際に、単セル１２同士が互いに位置決めされるようになっている。
【００６５】
更に、図７に示すように、シールゴム層６６の外側、即ち金属製セパレータ４２の外周縁部には、補助シールゴム７２が略全周に亘って被着形成せしめられている。かかる補助シールゴム７２によって、組付け状態下において金属製セパレータ４２間がシールされており、万が一シールゴム層６６を越えてリークが発生した場合においても、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷却水が外部にリークすることを防止することができる。また、かかる補助シールゴム７２における金属製セパレータ４２の主面４６側と副面５６側の両面は、副面５６側から主面４６側に向かって傾斜する傾斜面とされており、かかる傾斜面がそれぞれガイド面７４とされている。このガイド面７４の主面４６側と副面５６側の傾斜角度は略同一とされており、金属製セパレータ４２を重ね合わせる際に、かかる主面４６側のガイド面７４と副面５６側のガイド面７４を相互に重ね合わせることによって金属製セパレータ４２同士を容易に位置決めすることが可能となっている。
【００６６】
特に、本実施形態では、ガイド面７４が潤滑面とされており、高いシール性能を確保すると共に、ガイド面７４の重ね合わせによる位置決めをスムーズに行うことが可能とされている。なお、ガイド面７４を潤滑面とする手段としては、具体的には、例えば、補助シールゴム７２の材料として、油分などの混合により表面に潤滑材がブリードするようにした自己潤滑性ゴムを採用したり、或いは、表面にレーザー処理や低摩擦性樹脂コートを施して潤滑性を向上させるなどの手段を用いることが考えられる。
【００６７】
また、図７に示されているように、補助シールゴム７２が被着形成されている金属製セパレータ４２の外周縁部は、凹溝４８が開口形成された主面４６側と反対の副面５６に向けて傾斜せしめられて、補強リブ７６が形成されている。かかる補強リブ７６は、金属製セパレータ４２の板面に対して略２５〜６５度程度の傾斜角度で端縁部の実質的に全周に亘って形成されており、金属製セパレータ４２の強度を増すと共に、補助シールゴム７２を一層強固に固定することが可能となっている。特に本実施形態では、略矩形平板形状とされた金属製セパレータ４２の四隅に切欠部７８が設けられている。この切欠部７８によって、隣り合う各辺部の補強リブ７６が互いに独立しており、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲せしめることによる、歪の発生を回避している。
【００６８】
而して、このような構造とされた金属製セパレータ４２は、膜／電極接合体１８に対して、その両側から重ね合わせられて組み付けられている。即ち、膜／電極接合体１８は、前述の如く固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化して構成されている。また、固体高分子膜１４が、金属製セパレータ４２に比して一回り小さな矩形板形状とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが、固体高分子膜１４よりも更に一回り小さな矩形板形状とされている。これによって、固体高分子膜１４の外周縁部が、全周に亘って、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂの外周縁部から所定幅寸法で突出せしめられている。そして、この突出した固体高分子膜１４の外周縁部が、第一及び第二セパレータ２０，２２間において挟み込まれており、突出した固体高分子膜１４の外周縁部が全周に亘ってガスケットとしての主面シールゴム層５２を介して挟圧保持されて、主面シールゴム層５２に圧接せしめられていることで、膜／電極接合体１８を挟んで燃料電極１６ａ側と酸化電極１６ｂ側の各ガス拡散領域がそれぞれ流体密にシールされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２０における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、燃料電極１６ａの厚さ寸法よりも大きく、第二セパレータ２２における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、酸化電極１６ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されている。具体的には、例えば、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、各セパレータ２０，２２における主面シールゴム層５２の厚さをそれぞれ０．２７５ｍｍとするのが望ましい。また、それら第一及び第二のセパレータ２０，２２における両主面シールゴム層５２，５２の層厚寸法の合計値は、膜／電極接合体１８の総厚寸法、即ち、固体高分子膜１４の膜厚寸法と燃料／酸化の両電極１６ａ，１６ｂの厚さ寸法の合計と同じか僅かに大きく設定されることが望ましい。好適には、例えば、主面シールゴム層５２，５２の層厚の合計値を０．５５ｍｍとする一方、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、固体高分子膜１４の厚さ寸法を０．０５ｍｍとすることが望ましい。
【００６９】
なお、接続部５４の開口部では、主面シールゴム層５２が接続部５４の存在によって第一，第二セパレータ２０，２２間で十分に挟圧されず、それに伴って、主面シールゴム層５２間に挟圧保持されるべき固体高分子膜１４も十分に挟圧保持されない。その結果、極めて薄肉とされた固体高分子膜１４は、接続部５４の開口部上において接続部５４内への撓みを生じるおそれがある。そして、燃料ガス供給孔３４ａ／酸化ガス供給孔３４ｃから接続部５４を介して燃料ガス流路２４／酸化ガス流路２６へ供給されるべき燃料ガス／酸化ガスが、かかる撓みを通じて膜／電極接合体１８を挟んで反対側に形成された酸化ガス流路２６／燃料ガス流路２４、或いはガス拡散領域に導かれることによってガスリークが発生する危険性がある。そこで、特に本実施形態では、図８に示すように、主面シールゴム層５２が接続部５４の開口部上に橋渡し状態で配設されている。これによって、固体高分子膜１４に撓みが生じるのを防ぐことが出来て、上述の如きガスリークを防止することが出来るようなっている。
【００７０】
また、金属製セパレータ４２は、各主面４６，４６を膜／電極接合体１８に対して重ね合わせられている。すなわち、膜／電極接合体１８の両側に重ね合わせられる二枚の金属製セパレータとしての第一，第二セパレータ２０，２２は、互いに表裏を反転した状態で組み付けられている。つまり、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０は、上述の如く、左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａと右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂが凹溝４８によって接続されている。一方、この第一セパレータ２０の表裏を反転せしめることにより、右上部に形成された酸化ガス供給孔３４ｃと左下部に形成された酸化ガス排出孔３４ｄが凹溝４８によって接続されて、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる第二セパレータ２２として使用することが出来るのである。
【００７１】
このようにして、膜／電極接合体１８に対して、その両側から第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を重ね合わせることによって得られた単セル１２においては、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０の主面４６に開口形成された凹溝４８の開口部が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、燃料電極１６ａと第一セパレータ２０の主面４６の間に、燃料ガス流路２４が形成されている。一方、酸化電極１６ｂと重ね合わせられる第二セパレータ２２の主面４６に形成された凹溝４８の開口部が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、酸化電極１６ｂと第二セパレータ２２の主面４６の間に、酸化ガス流路２６が形成されている。なお、上述の如く、第一，第二セパレータ２０，２２にそれぞれ被着形成された主面シールゴム層５２，５２の間で固体高分子膜１４が挟圧保持されてシールされていることにより、膜／電極接合体１８を挟んで形成される燃料ガス流路２４と酸化ガス流路２６の間で膜／電極接合体１８を越えて生じるガスリークが防止されている。
【００７２】
更に、かかる単セル１２は、互いに複数が重ね合わせられており、金属製セパレータ４２の副面５６同士が重ね合わせられることにより、一方の金属製セパレータ４２の副面５６に形成された凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２によって覆蓋されることとなって、金属製セパレータ４２の副面５６間に冷却水流路２８が形成されている。即ち、図９に示すように、互いに重ね合わせられる金属製セパレータ４２の各副面５６，５６に形成された凹状通路５８，５８において、一部では、凹状通路５８，５８が互いに重ね合わせられて冷却水流路２８が形成される一方、他の部分では、一方の金属製セパレータ４２に形成されている凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２の凹溝４８の底部によって覆蓋されて冷却水流路２８が形成されている。
【００７３】
また、一方の金属製セパレータ４２に形成された接続凹所６０の一部が、他方の金属製セパレータ４２に形成された凹状通路５８の端部と重ね合わせられて、重ね合わせ方向で接続されている。これによって、金属製セパレータ４２の副面５６が重ね合わせられた状態で、一方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、他方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられていると共に、他方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、一方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられており、冷却水供給孔３４ｅから供給された冷却水が、冷却水流路２８を通過して、冷却水排出孔３４ｆから排出されるようになっている。
【００７４】
なお、冷却水流路２８は、流路内面の全長に亘って絶縁ゴム層６３が被着形成されていると共に、凹溝４８の底部においては、副面シールゴム層６２が被覆されておらず、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分において第一セパレータ２０と第二セパレータ２２とが電気的に導通せしめられている。これによって、単セル１２間が電気的に導通せしめられて、各単セル１２が発生した総電力を図示しない陽極側集電板と陰極側集電板を介して外部に取り出すことができると共に、冷却水流路２８が電気的に絶縁されて、各単セル１２が発電した電気が冷却水を通して散逸することを防いでいる。
【００７５】
ここにおいて、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは図２或いは図８に示すように、固体高分子膜１４が燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも一回り大きな平面形状とされて、固体高分子膜１４の外周縁部の全周を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部から外方に延出せしめられていると共に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２が固体高分子膜１４よりも更に一回り大きな平面形状を有している。また、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６には、燃料電極１６ａ又は酸化電極１６ｂに重ね合わせられる部分の周囲に主面シールゴム層５２が被着形成されている。従って、膜／電極接合体１８を第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の主面４６，４６で両側から挟み込むことによって、各電極１６ａ，１６ｂの外方に突出せしめられた固体高分子膜１４が主面シールゴム層５２，５２の内周部分によって全周に亘って流体密に挟圧保持されることとなる。それ故、ガス拡散領域５０において、燃料ガス流路２４が形成されている側と酸化ガス流路２６が形成されている側とを、膜／電極接合体１８によって隔てて、それぞれを高度に機密シールすることが可能となる。
【００７６】
また、本実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２として金属製セパレータ４２を採用している。これによって、第一，第二セパレータ２０，２２の強度を確保しつつ、十分に薄肉とすることが出来る。それ故、単セル１２の厚みを減少させることが可能となり、単セル１２の集合によって構成されるセルスタック、延いては固体高分子型燃料電池１０のサイズのコンパクト化が実現される。しかも、金属製セパレータ４２の外周縁部において補強リブ７６を全周に亘って形成したことによって、金属製セパレータ４２の強度を一層高めることが出来て、より有利に金属製セパレータ４２の薄肉化を実現することができる。
【００７７】
更に、導電樹脂やカーボンに比して優れた導電性を有する金属を用いて第一，第二セパレータ２０，２２を形成したことにより、高性能な固体高分子型燃料電池１０が容易に実現され得る。また、金属は樹脂やカーボンに比して耐熱温度が極めて高いため、発熱反応を生じる固体高分子型燃料電池１０内に配設しても、熱による変形や収縮などの問題が回避される。しかも、金属製セパレータ４２は、リサイクル等の再利用も容易である。
【００７８】
また、主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２と副面５６に被着形成された副面シールゴム層６２が接続孔６４によって物理的に接続されて一体化されている。これにより、シールゴム層６６の金属製セパレータ４２に対する被着強度を高めることが出来ると共に、シールゴム層６６の成形時にセパレータ表面に巧くゴム材料が廻るようにすることが出来て、不良品の発生を防止することが出来る。
【００７９】
さらに、本実施形態では、副面シールゴム層６２が、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の両方の副面５６にそれぞれ被着形成されていると共に、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されている。これによって、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の副面５６，５６間に、副面シールゴム層６２と一体的に形成された絶縁ゴム層６３によって絶縁された冷却水流路２８が形成されている。それ故、冷却水流路２８に冷却水を通水せしめることによって固体高分子型燃料電池１０の温度管理を容易且つ確実に行うことが出来ると共に、冷却水流路２８が絶縁されていることによって、単セル１２で発電した電力の冷却水への散逸が有効に防止されて、発電効率の向上が実現され得る。
【００８０】
また、凹溝４８と貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部５４の開口を覆うようにして主面シールゴム層５２を橋渡し状に延びて形成した。それ故、接続部５４の開口部で固体高分子膜１４に撓みが生じて、燃料ガスが酸化電極１６ｂ側に漏れたり、酸化ガスが燃料電極１６ａ側に漏れたりすることを防ぐことが出来る。なお、接続部５４の開口を覆うように形成された主面シールゴム層５２は、凹溝４８の幅方向両端で金属製セパレータ４２に固着されていることから、剪断方向の弾性のみならず、引っ張り方向の弾性によってもシール時の圧縮力が有利に確保され得る。
【００８１】
また、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部を第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２の内周縁部に当接せしめることによって、膜／電極接合体１８を第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６上で位置決めすることが可能とされている。しかも、主面シールゴム層５２の内周縁部を、主面シールゴム層５２が被着形成されたセパレータから離隔するに従って次第に拡開する傾斜面によって構成したことにより、膜／電極接合体１８と第一，第二セパレータ２０，２２を重ね合わせて単セル１２とする際に膜／電極接合体１８を第一，第二セパレータ２０，２２の主面４６上で一層容易に位置決めすることが出来て、作業効率の向上を図ることが出来る。
【００８２】
また、本実施形態では、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を、共通の金属製セパレータ４２を表裏反転せしめることにより構成している。それ故、部品点数の削減及び製造設備の簡略化が可能となり、それに伴って部品の製造や管理を容易にすることができる。
【００８３】
また、凹溝４８を葛折状に延びる形状としたことにより、凹溝４８によって形成される燃料ガス流路２４及び酸化ガス流路２６をガス拡散領域５０の略全面に亘って形成することが出来て、燃料電極１６ａ又は酸化電極１６ｂに対して効率的に燃料ガス又は酸化ガスを接触させることが出来る。
【００８４】
更に、凹溝４８を形成することによって金属製セパレータ４２の副面５６側に生じる凹凸を巧く利用して凹状通路５８を形成した。これにより、凹状通路５８によって構成される冷却水流路２８を燃料ガス流路２４或いは酸化ガス流路２６と同様に金属製セパレータ４２上の広い範囲に形成することが出来て、効率的な冷却を実現することが出来る。
【００８５】
次に、図１０には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池用の単セル８０の組付け状態が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同じ部材や部分については、図中に第一の実施形態と同一の符号を付すことによって、説明を省略する。
【００８６】
すなわち、本発明の第二の実施形態では、単セル８０を構成する複数の金属製セパレータ４２に被着形成されたシールゴム層８２及び補助シールゴム８４が、略同一の形状とされている。具体的には、例えば、第一の実施形態において副面シールゴム層６２に設けられていた係合凹所６８および係合突起７０が第二の実施形態におけるシールゴム層８２には設けられていないと共に、補助シールゴム８４が、傾斜面を持たない略直方体形状とされている。
【００８７】
このような第二の実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、表裏を反転せしめても同一の形状となるため、単セル８０を重ね合わせて固体高分子型燃料電池を構成する作業において、より効率的に作業を行うことが可能となる。
【００８８】
また、金属製セパレータにシールゴム層８２及び補助シールゴム８４を被着形成した状態であっても、表裏反転せしめることにより、第一セパレータ２０又は第二セパレータ２２のどちらとしても使用することが出来る。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の部品の共通化を一層有利に実現することが出来て、組付時の各作業がより効率的に達成され得る。
【００８９】
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００９０】
例えば、前記実施形態では、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２として金属製のセパレータを採用した例を示したが、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の材質は前記実施形態のものに何等限定されない。具体的には、例えば、カーボン製や導電性樹脂材料製なども採用され得る。
【００９１】
また、第一，第二セパレータ２０，２２に形成される凹溝４８は、前記実施形態の如き葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。
【００９２】
更に、凹溝４８の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。
【００９３】
また、前記実施形態では、冷却水流路２８を凹溝４８によって第一，第二セパレータ２０，２２の副面５６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路２８は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面５６上で冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。
【００９４】
また、凹溝４８が接続される燃料ガス供給孔３４ａと酸化ガス供給孔３４ｃ、或いは、凹状通路５８が接続される冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。
【００９５】
また、前記実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２の角部に切欠きを設けたが、このような切欠きは必ずしも設ける必要はない。更に、第一，第二セパレータ２０，２２の外周縁部に設けた補強リブ７６は必ずしも必要ではない。更にまた、補強リブ７６に被着形成される補助シールゴム７２，８４も必ずしも必要ではない。このように補助シールゴム７２，８４を被着形成しないと共に、副面シールゴム層６２において係合凹所６８及び係合突起７０を形成しないことによって、第一，第二セパレータ２０，２２を略完全に同一形状とされたセパレータによって実現することが出来て、取扱い及び組付け作業をより効率的に行うことが出来る。
【００９６】
さらに、本実施形態では、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部に被着形成しなかったが、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分を除いて、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部においても副面シールゴム層６２を被着形成することも出来る。これにより、冷却水流路２８が一層高度に絶縁されて、冷却水への電力の散逸を有効に防止でき、固体高分子型燃料電池の効率向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池用セパレータを用いて構成された固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する単セルの構造を示す斜視図である。
【図３】図１に示された固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側を示す側面図である。
【図４】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図５】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側を示す側面図である。
【図６】図５に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図７】図１に示された固体高分子型燃料電池における単セルの組付け状態を示す断面図である。
【図８】図４に示された固体高分子型電池用セパレータの一部を拡大して示す斜視断面図である。
【図９】図４，図６に示された固体高分子型電池用セパレータの副面側の組付け状態を示す斜視断面図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態としての固体高分子型電池用セパレータを含んで構成された単セルの組付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 固体高分子型燃料電池
１２ 単セル
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
２４ 燃料ガス流路
２６ 酸化ガス流路
２８ 冷却水流路
４２ 金属製セパレータ
４８ 凹溝
５０ ガス拡散領域
５４ 接続部
５８ 凹状通路
６０ 接続凹所
８０ 単セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電界質膜を用いた固体高分子型燃料電池用のセルに係り、特にセル内部に形成されるガス流路のシール性能を簡単な構造によって高度に達成することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、良く知られているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜を電解質としてその両面に重ね合わせた一対の触媒電極の表面に対して、酸化剤としての酸素（空気）と燃料としての水素を供給し、電気化学的に反応させることによって電力を得るものである。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、目的とする電圧を安定して効率的に得るために、各触媒電極の表面上に酸素や水素を安定して供給することが重要であると共に、適当な温度に維持することも重要となる。
【０００４】
そこで、一般に、固体高分子電解質膜の両面に対してそれぞれ通気性を有する多孔質膜状の酸化電極と燃料電極を配設した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その酸化電極の表面に第一セパレータを重ね合わせると共に、燃料電極の表面に第二セパレータを重ね合わせた構造のセルが採用されている。この単セルを、複数段重ね合わせて電気的に直列接続することで、目的とする電圧を得るようにした構造とされている。
【０００５】
そして、第一セパレータに設けた凹溝を酸化電極で覆蓋することによって酸化ガス流路が形成されると共に、第二セパレータに設けた凹溝を燃料電極で覆蓋することによって燃料ガス流路が形成されている。また、第一セパレータ又は第二セパレータの電極と重ね合わされる主面に対する裏側の副面には、第一セパレータ又は第二セパレータに設けた凹溝を隣接する別の単セルの副面で覆蓋することによって冷却流路が形成されている。
【０００６】
また、相互に重ね合わされた各単セルの外周縁部には、重ね合わせ方向に貫通するようにして、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔と、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔、更に冷却水供給孔および冷却水排出孔が、それぞれ形成されている。そして、これらの給排孔を通じて給排される酸化ガス，燃料ガス，冷却水が、各単セルにおいて、それぞれ、上述の酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路に流通せしめられて、各排出孔から排出されるようになっている。（例えば、特許文献１参照）
【０００７】
ここにおいて、これら酸化ガス流路や燃料ガス流路の形態は、発電の効率や安定性に関して重要な影響を与える。特に近年では、生成する水を速やかに排出して滞留を防止すると共に、電気化学的反応の効率化などを目的として、流路内のガス圧力を大きく設定することがある。
【０００８】
ところが、従来構造の固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体の両面において、第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路および燃料ガス流路におけるシール性能を安定して確保することが難しかった。そのために、例えば膜／電極接合体の一方の面に流通せしめられる酸化ガスと他方の面に流通せしめられる燃料ガスが、膜／電極接合体の外周縁部を回り込んでリークすることにより、電池の発電不良が発生したり異常発熱するなどの問題が発生するおそれがあった。
【０００９】
なお、このような問題に鑑み、従来構造の単セルでは、一般に、互いに重ね合わされる部材間（膜／電極接合体に対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間）には、別体のシールゴムが配設されていた。しかしながら、別体のシールゴムを組み付けるには、部品点数と組付工程数が増えるだけでなく、シールゴムを正確な位置に配設することが難しいという問題がある。
【００１０】
さらに、固体高分子型燃料電池用セルを製造するに際しては、膜／電極接合体の両面に第一セパレータと第二セパレータを重ね合わせて組み付ける必要があるが、膜／電極接合体は、非常に薄肉で強度も小さく取扱いが難しいことから、膜／電極接合体を第一セパレータおよび第二セパレータに対して重ね合わせ面内で相互に正確に位置合わせすることが難しいという問題もあった。
【００１１】
特に、第一及び第二のセパレータには、一般に、各主面にガス流路用凹溝が形成されると共に、少なくとも一方の副面には冷却水用凹溝が形成されていることから、膜／電極接合体に対して第一及び第二のセパレータの位置がズレてしまうと、その構造によっては目的とするガス流路や冷却水流路が形成されなくなって、発電性能の低下や、ガスリークが発生する原因となる場合もあったのである。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、ＭＥＡと第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路と燃料ガス流路におけるシール性能を高度に且つ安定して確保することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の特に請求項６及び請求項７に記載の発明においては、製造に際して、ＭＥＡに対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面内での位置決めを、特別な部品点数の増加や組付工数の増加を伴うことなく、高い精度をもって簡易に行うことの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することも、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１６】
すなわち、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで積層構造とし、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記膜／電極接合体における前記固体高分子電解質膜を前記燃料電極および前記酸化電極よりも一回り大きな平面形状として該固体高分子電解質膜の外周縁部の全周を該燃料電極および該酸化電極の外周縁部から外方に突出させる一方、前記第一セパレータおよび第二セパレータを何れも該固体高分子電解質膜よりも更に一回り大きな平面形状として、該第一及び第二セパレータにおける該膜／電極接合体に重ね合わされる主面の外周部分に主面シールゴム層を固着することにより、該燃料電極および該酸化電極から突出した該固体高分子電解質膜の外周縁部を、該第一及び第二セパレータの間で、それら両セパレータの該主面シールゴム層の内周部分によって流体密に挟圧保持せしめたことを特徴とする。
【００１７】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体の一方の表面において第一セパレータとの重ね合わせ面間に形成される燃料ガス流路と、膜／電極接合体の他方の表面において第二セパレータとの重ね合わせ面間に形成される酸化ガス流路との、何れも、各セパレータの外周部分に固着形成された主面シールゴム層によって囲繞された領域に形成されることとなる。そして、それら主面シールゴム層によって囲繞された領域から外周側に突出して、固体高分子電解質膜だけが延び出しており、この固体高分子電解質膜の突出した外周縁部が、両セパレータ間で挟圧力を及ぼされて、両主面シールゴム層間に流体密に挟圧保持されている。それ故、燃料ガス流路と酸化ガス流路が、固体高分子電解質膜を隔てて高度に気密シール可能となり、ガスリークが効果的に防止され得る。
【００１８】
なお、本発明において採用される第一，第二セパレータの材質は特に限定されるものではなく、具体的には、例えば、カーボンの圧縮成形体や導電性樹脂材料の射出成形体、或いはステンレス鋼などの金属材料によるプレス成形体など、各種のものが採用可能である。更に、燃料ガス流路や酸化ガス流路の形態、構造も何等限定されるものではない。
【００１９】
また、主面シールゴム層の厚さ寸法は、膜／電極接合体の構造や部材厚さ寸法、セパレータの構造などを考慮して、燃料電極や酸化電極と第一，第二セパレータの対向面間に燃料ガス流路や酸化ガス流路が有効に形成されると共に、有効なシール機能を発揮し得るだけの圧縮力をもって、主面シールゴム層が固体高分子電解質膜に対して当接せしめられるように設定されることが望ましい。
【００２０】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第二の態様は、前記第一の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータとして金属製セパレータを採用して、前記主面シールゴム層を該金属製セパレータに対して加硫接着せしめたことを特徴とする。
【００２１】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一、第二セパレータを金属製としたことにより、カーボン等を用いたセパレータに比して大きな強度を確保することが出来るため、第一，第二セパレータを十分に薄肉としつつも必要な強度を確保することが出来る。しかも、カーボン等を用いたセパレータに比して金属製のセパレータは導電性に優れている。それ故、金属製のセパレータを採用することにより、十分な強度を確保しつつ、よりコンパクトで高性能な燃料電池の実現が可能となる。
【００２２】
また、金属製のセパレータは、樹脂やカーボンに比して耐熱温度も極めて高く、熱による変形や収縮等の問題が回避される。
【００２３】
更に、金属製としたことにより、リサイクル等による再利用も容易である。
【００２４】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面の裏側の副面に副面シールゴム層を固着すると共に、該第一及び／又は第二セパレータにおいて厚さ方向に貫通する接続孔を複数形成して、該接続孔を通じて前記主面シールゴム層と該副面シールゴム層を連結一体化せしめたことを特徴とする。
【００２５】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一及び／又は第二セパレータにおいて形成されて、セパレータを厚さ方向に貫通する接続孔を通じて、主面シールゴム層と副面シールゴム層を連結し、一体化せしめることにより、第一及び／又は第二セパレータに対するシールゴム層全体の固着面積を大きく取ることが出来て、第一及び／又は第二セパレータに対するシールゴム層の固着強度を増すことが出来る。
【００２６】
さらに、極めて薄肉とされたシールゴム層を射出成形するに際して、狭い成形キャビティに対するゴム材料の充填をより確実に安定して実現することが出来て、充填不良など問題を回避でき得る。
【００２７】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第四の態様は、前記第三の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの両方に対して前記副面シールゴム層を形成する一方、それら第一セパレータおよび第二セパレータの各副面に、互いに重ね合わせられることによって冷却水流路を形成する冷却水流路形成部を設けると共に、該冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、該副面シールゴム層と一体的に被着形成したことを特徴とする。
【００２８】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、第一及び第二セパレータの各副面に、冷却水流路を形成する冷却水形成部を設けることにより、固体高分子型燃料電池用セルの温度管理を有効に行うことが出来て、発電効率の向上が実現され得る。
【００２９】
また、第一セパレータ及び第二セパレータの両方に対して副面シールゴム層を形成すると共に、冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、副面シールゴム層と一体的に被着形成することにより、冷却水流路が絶縁ゴム層によって第一セパレータ及び第二セパレータから絶縁されて、固体高分子型燃料電池用セルで発電された電力が冷却水へ散逸することを抑制することが出来る。
【００３０】
なお、第一セパレータ及び第二セパレータの両方に対して副面シールゴム層を形成するが、副面シールゴム層は第一セパレータ及び第二セパレータの各副面の全面に被着形成されることはない。即ち、各セルが発生した電力の総電力を固体高分子型燃料電池から取り出すことが出来るように、第一セパレータと第二セパレータは、電気的に導通状態で重ね合わせられる必要があるため、副面の全面をシールゴム層によって覆って絶縁することはない。
【００３１】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面に開口して延びる凹溝を形成し、該凹溝を前記膜／電極接合体の前記燃料電極または前記酸化電極で覆蓋せしめることによって前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路を形成すると共に、該燃料ガス流路または該酸化ガス流路の端部を前記膜／電極接合体の前記固体高分子電解質膜の外周縁部から更に外方まで延び出させて、該第一セパレータおよび該第二セパレータを重ね合わせ方向に貫通して形成された燃料ガスまたは酸化ガスの給排孔に接続する接続凹溝を形成し、更に、該接続凹溝の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層を形成することによって該接続凹溝をトンネル状構造としたことを特徴とする。
【００３２】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、凹溝形成部位においても、例えば凹溝を蓋するプレート部材を別途に設けることなく、シールゴム層でシール性能を有利に確保できる。また、シールゴム層は金属セパレータに対して固設されており、好適には金属セパレータの主面に対して加硫接着される。従って、シールゴム層と金属セパレータの隙間にガスが入り込むことに起因するリーク等の問題が防止される。なお、凹溝の開口部分を跨ぐシールゴム層は凹溝の両側で金属セパレータに固着されているため、単純な剪断方向の弾性だけでなく、引張方向の弾性によっても、シール時の圧縮力が有利に確保され得る。
【００３３】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記膜／電極接合体における前記燃料電極及び／又は前記酸化電極の外周縁部を、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面に形成された前記主面シールゴム層の内周縁部に当接させることにより、該膜／電極接合体に対して該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータを重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向において相互に位置合わせ出来るようにしたことを特徴とする。
【００３４】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで固体高分子型燃料電池用セルを構成する際に、膜／電極接合体を第一セパレータ及び第二セパレータの主面上において所定の位置に容易に位置決めすることが出来る。それ故、膜／電極接合体と第一セパレータ及び第二セパレータの各対向面間において、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を所定の態様で形成することが出来ると共に、膜／電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が各セパレータに形成された主面シールゴム層間に挟圧保持されることによるシール機能を確実に得ることが出来る。
【００３５】
また、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第七の態様は、前記第六の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにおいて、前記主面シールゴム層の内周縁部の端面が、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面から離れるに従って該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータの外周側に向かって傾斜して広がる傾斜案内面とされていることを特徴とする。
【００３６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、主面シールゴム層の内周縁部の端面を傾斜面としたことにより、位置決め精度を確保しつつ、重ね合わせをする際のガイド機能を向上させることが出来て、重ね合わせの作業を容易に行うことが出来る。
【発明の効果】
【００３７】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルにあっては、固体高分子電解質膜を燃料電極及び酸化電極よりも一回り大きな平面形状とすると共に、第一セパレータと第二セパレータを何れも固体高分子電解質膜より一回り大きな平面形状として、それら各セパレータの主面の外周部分にそれぞれ形成された主面シールゴム層によって膜／電極接合体を流体密に挟圧保持することにより、燃料ガス流路と酸化ガス流路におけるシール性能を高度に且つ安定して確保することが出来る。
【００３８】
また、本発明の特に第六及び第七の態様においては、燃料電極及び／又は酸化電極の外周縁部を、第一のセパレータ及び／又は第二のセパレータの主面に形成された主面シールゴム層の内周縁部に当接させることによって、膜／電極接合体に対する第一セパレータおよび第二セパレータの重ね合わせ面内での位置決めを、特別な部品点数の増加や組付工数の増加を伴うことなく、高い精度をもって簡易に行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４０】
先ず、図１には、本発明に従う構造とされた単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成された固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。
【００４１】
より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質としてその両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。また、この膜／電極接合体１８を両面からサンドイッチ状に挟むようにして、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が重ね合わされている。そして、かかる単セル１２が、板厚方向で複数枚重ね合わされることにより、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを構成するようになっている。
【００４２】
なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００４３】
そして、各単セル１２には、膜／電極接合体１８と第一セパレータ２０の重ね合わせ面間において、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路２４が形成されている。また、膜／電極接合体１８と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間には、空気（酸素）を供給する酸化ガス流路２６が形成されている。更に、相互に重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路２８が形成されている。
【００４４】
また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３４ａと燃料ガス排出孔３４ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３４ｃと酸化ガス排出孔３４ｄが形成されている。
【００４５】
また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各中央部分には、冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。
【００４６】
さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。
【００４７】
これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆが形成されている。
【００４８】
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板３６，３８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。
【００４９】
また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８には、燃料ガス供給用ポート４０ａ，燃料ガス排出用ポート４０ｂ，酸化ガス供給用ポート４０ｃ，酸化ガス排出用ポート４０ｄ，冷却水供給用ポート４０ｅ，冷却水排出用ポート４０ｆの合計６個のポート４０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート４０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート４０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。
【００５０】
そして、これら各供給用ポート４０ａ，ｃ，ｅを通じて各供給孔３４ａ，ｃ，ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路２４および酸化ガス流路２６と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路２８を流通せしめられた後、各排出孔３４ｂ，ｄ，ｆを経て、各排出用ポート４０ｂ，ｄ，ｆを通じて排出されるようになっているのである。
【００５１】
これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。
【００５２】
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に且つ安定して発揮させるには、各単セル１２の触媒電極１６ａ，１６ｂに対して燃料ガスと酸化ガスを連続的に供給すると共に、各単セル１２に対して冷却水を連続的に供給して温度管理を実現することが必要となる。そこで、これら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排流路を形成する流路構造について、以下に説明を加える。
【００５３】
先ず、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜６に示されている如き、同一の金属製セパレータ４２が採用されている。
【００５４】
この金属製セパレータ４２は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ４２は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。
【００５５】
具体的には、金属製セパレータ４２には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部３０と第二辺縁部３２に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における３個の貫通孔４４ａ，ｅ，ｄと、第二辺縁部３２における３個の貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ４２の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ４２を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔４４ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部３０には、上から順に貫通孔４４ａ，ｅ，ｄが形成されている一方、第二辺縁部３２には、上から順に貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂが形成されている。
【００５６】
これにより、２枚の金属製セパレータ４２，４２を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向に合致して相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、各貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄ，冷却水供給孔３４ｅ，冷却水排出孔３４ｆとされている。
【００５７】
さらに、金属製セパレータ４２において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面４６には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部３０の左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａの近くから第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部３２の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部３０に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部３０の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部３２の右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝４８が形成されている。この凹溝４８は、一つの貫通孔４４ａを、略対角方向で対向位置する別の貫通孔４４ｂに接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝４８は、水平方向に延びる各直線部分が、主面４６の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。
【００５８】
特に本実施形態において、凹溝４８は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有している。なお、凹溝４８は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから２．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．３ｍｍから１．２ｍｍ、とされ、より望ましくは、開口部の溝幅が１．６ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝４８において、隣り合う凹溝４８の間隔は、好適には、開口部において０．２ｍｍから１．２ｍｍとされ、より好適には、０．７ｍｍとされるのが望ましい。
【００５９】
また、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の各貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域５０とされている。かかるガス拡散領域５０の周囲には、図５に示すように、ガス拡散領域５０を囲むようにして主面シールゴム層５２が金属製セパレータ４２の主面４６に被着されている。なお、本実施形態において、加硫成形された主面シールゴム層５２は、加硫接着によってその全面に亘って金属製セパレータ４２の主面４６に接着されて、金属製セパレータ４２に対して流体密に密着せしめられている。そして、組付け状態下において第一，第二セパレータ２０，２２の各主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２同士が圧接せしめられることによって、ガス拡散領域５０が流体密にシールされている。また、主面シールゴム層５２の内周面が燃料電極１６ａ若しくは酸化電極１６ｂの外周面に当接せしめられることにより、金属製セパレータ４２に重ね合わせられる膜／電極接合体１８が主面４６上で位置決めされる。特に本実施形態では、主面シールゴム層５２の内周面が傾斜面とされており、主面シールゴム層５２の内周が、金属製セパレータ４２の主面４６から離隔するに従って次第に広がるようにされている。
【００６０】
更に、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の一部でガス拡散領域５０の外部に形成された部分、即ち、凹溝４８の各貫通孔４４ａ，ｂ，ｃ，ｄへの接続部分である接続凹溝としての接続部５４には、その開口部を覆蓋するように、主面シールゴム層５２が橋渡し状に延びて形成されている。換言すれば、凹溝４８の貫通孔４４ａ〜ｄへの接続部分である接続部５４は、主面シールゴム層５２によって凹溝４８の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。
【００６１】
一方、金属製セパレータ４２において、凹溝４８が開口する主面４６と反対側の副面５６には、図５，６に示すように、冷却水流路形成部としての凹状通路５８が形成されている。凹状通路５８は、主面４６に形成された複数条の凹溝４８の間で、副面５６において形成されて、燃料ガス供給孔３４ａの近くから燃料ガス排出孔３４ｂの近くまで延びている。即ち、主面４６における凹溝４８間の凸部を、その反対側の副面５６において凹状通路５８として利用しており、酸化ガス供給孔３４ｃ及び酸化ガス排出孔３４ｄの手前まで凹溝４８に沿って延びている。
【００６２】
また、冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆの近くには、接続凹所６０が形成されている。接続凹所６０は、一方の端部が冷却水供給孔３４ｅ又は冷却水排出孔３４ｆに接続されている一方、他方の端部が酸化ガス供給孔３４ｃ又は酸化ガス排出孔３４ｄの近くまで延びている。
【００６３】
そして、図６に示すように、副面５６において、金属製セパレータ４２の外周部付近および凹溝４８の底部を除く略全面には、副面シールゴム層６２が形成されている。また、凹状通路５８の内面には、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されており凹状通路５８の内側に被着せしめられている。これによって、凹状通路５８内が全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。なお、特に本実施形態では、金属製セパレータ４２に複数の接続孔６４が貫設されており、金属製セパレータ４２の主面４６と副面５６にそれぞれ固着された主面シールゴム層５２，副面シールゴム層６２が物理的に一体化せしめられて、シールゴム層６６を形成している。これにより、シールゴム層６６の被着強度の向上や、薄肉とされたシールゴム層６６の成形時におけるゴム材料の充填不良防止を実現している。
【００６４】
なお、本実施形態では、図７に示されているように、燃料電極１６ａに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部に係合凹所６８が設けられていると共に、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部には、係合突起７０が設けられている。かかる係合凹所６８と係合突起７０を係合せしめることにより、単セル１２を重ね合わせてセルスタックを構成する際に、単セル１２同士が互いに位置決めされるようになっている。
【００６５】
更に、図７に示すように、シールゴム層６６の外側、即ち金属製セパレータ４２の外周縁部には、補助シールゴム７２が略全周に亘って被着形成せしめられている。かかる補助シールゴム７２によって、組付け状態下において金属製セパレータ４２間がシールされており、万が一シールゴム層６６を越えてリークが発生した場合においても、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷却水が外部にリークすることを防止することができる。また、かかる補助シールゴム７２における金属製セパレータ４２の主面４６側と副面５６側の両面は、副面５６側から主面４６側に向かって傾斜する傾斜面とされており、かかる傾斜面がそれぞれガイド面７４とされている。このガイド面７４の主面４６側と副面５６側の傾斜角度は略同一とされており、金属製セパレータ４２を重ね合わせる際に、かかる主面４６側のガイド面７４と副面５６側のガイド面７４を相互に重ね合わせることによって金属製セパレータ４２同士を容易に位置決めすることが可能となっている。
【００６６】
特に、本実施形態では、ガイド面７４が潤滑面とされており、高いシール性能を確保すると共に、ガイド面７４の重ね合わせによる位置決めをスムーズに行うことが可能とされている。なお、ガイド面７４を潤滑面とする手段としては、具体的には、例えば、補助シールゴム７２の材料として、油分などの混合により表面に潤滑材がブリードするようにした自己潤滑性ゴムを採用したり、或いは、表面にレーザー処理や低摩擦性樹脂コートを施して潤滑性を向上させるなどの手段を用いることが考えられる。
【００６７】
また、図７に示されているように、補助シールゴム７２が被着形成されている金属製セパレータ４２の外周縁部は、凹溝４８が開口形成された主面４６側と反対の副面５６に向けて傾斜せしめられて、補強リブ７６が形成されている。かかる補強リブ７６は、金属製セパレータ４２の板面に対して略２５〜６５度程度の傾斜角度で端縁部の実質的に全周に亘って形成されており、金属製セパレータ４２の強度を増すと共に、補助シールゴム７２を一層強固に固定することが可能となっている。特に本実施形態では、略矩形平板形状とされた金属製セパレータ４２の四隅に切欠部７８が設けられている。この切欠部７８によって、隣り合う各辺部の補強リブ７６が互いに独立しており、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲せしめることによる、歪の発生を回避している。
【００６８】
而して、このような構造とされた金属製セパレータ４２は、膜／電極接合体１８に対して、その両側から重ね合わせられて組み付けられている。即ち、膜／電極接合体１８は、前述の如く固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化して構成されている。また、固体高分子膜１４が、金属製セパレータ４２に比して一回り小さな矩形板形状とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが、固体高分子膜１４よりも更に一回り小さな矩形板形状とされている。これによって、固体高分子膜１４の外周縁部が、全周に亘って、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂの外周縁部から所定幅寸法で突出せしめられている。そして、この突出した固体高分子膜１４の外周縁部が、第一及び第二セパレータ２０，２２間において挟み込まれており、突出した固体高分子膜１４の外周縁部が全周に亘ってガスケットとしての主面シールゴム層５２を介して挟圧保持されて、主面シールゴム層５２に圧接せしめられていることで、膜／電極接合体１８を挟んで燃料電極１６ａ側と酸化電極１６ｂ側の各ガス拡散領域がそれぞれ流体密にシールされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２０における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、燃料電極１６ａの厚さ寸法よりも大きく、第二セパレータ２２における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、酸化電極１６ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されている。具体的には、例えば、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、各セパレータ２０，２２における主面シールゴム層５２の厚さをそれぞれ０．２７５ｍｍとするのが望ましい。また、それら第一及び第二のセパレータ２０，２２における両主面シールゴム層５２，５２の層厚寸法の合計値は、膜／電極接合体１８の総厚寸法、即ち、固体高分子膜１４の膜厚寸法と燃料／酸化の両電極１６ａ，１６ｂの厚さ寸法の合計と同じか僅かに大きく設定されることが望ましい。好適には、例えば、主面シールゴム層５２，５２の層厚の合計値を０．５５ｍｍとする一方、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、固体高分子膜１４の厚さ寸法を０．０５ｍｍとすることが望ましい。
【００６９】
なお、接続部５４の開口部では、主面シールゴム層５２が接続部５４の存在によって第一，第二セパレータ２０，２２間で十分に挟圧されず、それに伴って、主面シールゴム層５２間に挟圧保持されるべき固体高分子膜１４も十分に挟圧保持されない。その結果、極めて薄肉とされた固体高分子膜１４は、接続部５４の開口部上において接続部５４内への撓みを生じるおそれがある。そして、燃料ガス供給孔３４ａ／酸化ガス供給孔３４ｃから接続部５４を介して燃料ガス流路２４／酸化ガス流路２６へ供給されるべき燃料ガス／酸化ガスが、かかる撓みを通じて膜／電極接合体１８を挟んで反対側に形成された酸化ガス流路２６／燃料ガス流路２４、或いはガス拡散領域に導かれることによってガスリークが発生する危険性がある。そこで、特に本実施形態では、図８に示すように、主面シールゴム層５２が接続部５４の開口部上に橋渡し状態で配設されている。これによって、固体高分子膜１４に撓みが生じるのを防ぐことが出来て、上述の如きガスリークを防止することが出来るようなっている。
【００７０】
また、金属製セパレータ４２は、各主面４６，４６を膜／電極接合体１８に対して重ね合わせられている。すなわち、膜／電極接合体１８の両側に重ね合わせられる二枚の金属製セパレータとしての第一，第二セパレータ２０，２２は、互いに表裏を反転した状態で組み付けられている。つまり、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０は、上述の如く、左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａと右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂが凹溝４８によって接続されている。一方、この第一セパレータ２０の表裏を反転せしめることにより、右上部に形成された酸化ガス供給孔３４ｃと左下部に形成された酸化ガス排出孔３４ｄが凹溝４８によって接続されて、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる第二セパレータ２２として使用することが出来るのである。
【００７１】
このようにして、膜／電極接合体１８に対して、その両側から第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を重ね合わせることによって得られた単セル１２においては、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０の主面４６に開口形成された凹溝４８の開口部が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、燃料電極１６ａと第一セパレータ２０の主面４６の間に、燃料ガス流路２４が形成されている。一方、酸化電極１６ｂと重ね合わせられる第二セパレータ２２の主面４６に形成された凹溝４８の開口部が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、酸化電極１６ｂと第二セパレータ２２の主面４６の間に、酸化ガス流路２６が形成されている。なお、上述の如く、第一，第二セパレータ２０，２２にそれぞれ被着形成された主面シールゴム層５２，５２の間で固体高分子膜１４が挟圧保持されてシールされていることにより、膜／電極接合体１８を挟んで形成される燃料ガス流路２４と酸化ガス流路２６の間で膜／電極接合体１８を越えて生じるガスリークが防止されている。
【００７２】
更に、かかる単セル１２は、互いに複数が重ね合わせられており、金属製セパレータ４２の副面５６同士が重ね合わせられることにより、一方の金属製セパレータ４２の副面５６に形成された凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２によって覆蓋されることとなって、金属製セパレータ４２の副面５６間に冷却水流路２８が形成されている。即ち、図９に示すように、互いに重ね合わせられる金属製セパレータ４２の各副面５６，５６に形成された凹状通路５８，５８において、一部では、凹状通路５８，５８が互いに重ね合わせられて冷却水流路２８が形成される一方、他の部分では、一方の金属製セパレータ４２に形成されている凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２の凹溝４８の底部によって覆蓋されて冷却水流路２８が形成されている。
【００７３】
また、一方の金属製セパレータ４２に形成された接続凹所６０の一部が、他方の金属製セパレータ４２に形成された凹状通路５８の端部と重ね合わせられて、重ね合わせ方向で接続されている。これによって、金属製セパレータ４２の副面５６が重ね合わせられた状態で、一方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、他方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられていると共に、他方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、一方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられており、冷却水供給孔３４ｅから供給された冷却水が、冷却水流路２８を通過して、冷却水排出孔３４ｆから排出されるようになっている。
【００７４】
なお、冷却水流路２８は、流路内面の全長に亘って絶縁ゴム層６３が被着形成されていると共に、凹溝４８の底部においては、副面シールゴム層６２が被覆されておらず、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分において第一セパレータ２０と第二セパレータ２２とが電気的に導通せしめられている。これによって、単セル１２間が電気的に導通せしめられて、各単セル１２が発生した総電力を図示しない陽極側集電板と陰極側集電板を介して外部に取り出すことができると共に、冷却水流路２８が電気的に絶縁されて、各単セル１２が発電した電気が冷却水を通して散逸することを防いでいる。
【００７５】
ここにおいて、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは図２或いは図８に示すように、固体高分子膜１４が燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも一回り大きな平面形状とされて、固体高分子膜１４の外周縁部の全周を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部から外方に延出せしめられていると共に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２が固体高分子膜１４よりも更に一回り大きな平面形状を有している。また、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６には、燃料電極１６ａ又は酸化電極１６ｂに重ね合わせられる部分の周囲に主面シールゴム層５２が被着形成されている。従って、膜／電極接合体１８を第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の主面４６，４６で両側から挟み込むことによって、各電極１６ａ，１６ｂの外方に突出せしめられた固体高分子膜１４が主面シールゴム層５２，５２の内周部分によって全周に亘って流体密に挟圧保持されることとなる。それ故、ガス拡散領域５０において、燃料ガス流路２４が形成されている側と酸化ガス流路２６が形成されている側とを、膜／電極接合体１８によって隔てて、それぞれを高度に機密シールすることが可能となる。
【００７６】
また、本実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２として金属製セパレータ４２を採用している。これによって、第一，第二セパレータ２０，２２の強度を確保しつつ、十分に薄肉とすることが出来る。それ故、単セル１２の厚みを減少させることが可能となり、単セル１２の集合によって構成されるセルスタック、延いては固体高分子型燃料電池１０のサイズのコンパクト化が実現される。しかも、金属製セパレータ４２の外周縁部において補強リブ７６を全周に亘って形成したことによって、金属製セパレータ４２の強度を一層高めることが出来て、より有利に金属製セパレータ４２の薄肉化を実現することができる。
【００７７】
更に、導電樹脂やカーボンに比して優れた導電性を有する金属を用いて第一，第二セパレータ２０，２２を形成したことにより、高性能な固体高分子型燃料電池１０が容易に実現され得る。また、金属は樹脂やカーボンに比して耐熱温度が極めて高いため、発熱反応を生じる固体高分子型燃料電池１０内に配設しても、熱による変形や収縮などの問題が回避される。しかも、金属製セパレータ４２は、リサイクル等の再利用も容易である。
【００７８】
また、主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２と副面５６に被着形成された副面シールゴム層６２が接続孔６４によって物理的に接続されて一体化されている。これにより、シールゴム層６６の金属製セパレータ４２に対する被着強度を高めることが出来ると共に、シールゴム層６６の成形時にセパレータ表面に巧くゴム材料が廻るようにすることが出来て、不良品の発生を防止することが出来る。
【００７９】
さらに、本実施形態では、副面シールゴム層６２が、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の両方の副面５６にそれぞれ被着形成されていると共に、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されている。これによって、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の副面５６，５６間に、副面シールゴム層６２と一体的に形成された絶縁ゴム層６３によって絶縁された冷却水流路２８が形成されている。それ故、冷却水流路２８に冷却水を通水せしめることによって固体高分子型燃料電池１０の温度管理を容易且つ確実に行うことが出来ると共に、冷却水流路２８が絶縁されていることによって、単セル１２で発電した電力の冷却水への散逸が有効に防止されて、発電効率の向上が実現され得る。
【００８０】
また、凹溝４８と貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部５４の開口を覆うようにして主面シールゴム層５２を橋渡し状に延びて形成した。それ故、接続部５４の開口部で固体高分子膜１４に撓みが生じて、燃料ガスが酸化電極１６ｂ側に漏れたり、酸化ガスが燃料電極１６ａ側に漏れたりすることを防ぐことが出来る。なお、接続部５４の開口を覆うように形成された主面シールゴム層５２は、凹溝４８の幅方向両端で金属製セパレータ４２に固着されていることから、剪断方向の弾性のみならず、引っ張り方向の弾性によってもシール時の圧縮力が有利に確保され得る。
【００８１】
また、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの外周縁部を第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２の内周縁部に当接せしめることによって、膜／電極接合体１８を第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の主面４６上で位置決めすることが可能とされている。しかも、主面シールゴム層５２の内周縁部を、主面シールゴム層５２が被着形成されたセパレータから離隔するに従って次第に拡開する傾斜面によって構成したことにより、膜／電極接合体１８と第一，第二セパレータ２０，２２を重ね合わせて単セル１２とする際に膜／電極接合体１８を第一，第二セパレータ２０，２２の主面４６上で一層容易に位置決めすることが出来て、作業効率の向上を図ることが出来る。
【００８２】
また、本実施形態では、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を、共通の金属製セパレータ４２を表裏反転せしめることにより構成している。それ故、部品点数の削減及び製造設備の簡略化が可能となり、それに伴って部品の製造や管理を容易にすることができる。
【００８３】
また、凹溝４８を葛折状に延びる形状としたことにより、凹溝４８によって形成される燃料ガス流路２４及び酸化ガス流路２６をガス拡散領域５０の略全面に亘って形成することが出来て、燃料電極１６ａ又は酸化電極１６ｂに対して効率的に燃料ガス又は酸化ガスを接触させることが出来る。
【００８４】
更に、凹溝４８を形成することによって金属製セパレータ４２の副面５６側に生じる凹凸を巧く利用して凹状通路５８を形成した。これにより、凹状通路５８によって構成される冷却水流路２８を燃料ガス流路２４或いは酸化ガス流路２６と同様に金属製セパレータ４２上の広い範囲に形成することが出来て、効率的な冷却を実現することが出来る。
【００８５】
次に、図１０には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池用の単セル８０の組付け状態が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同じ部材や部分については、図中に第一の実施形態と同一の符号を付すことによって、説明を省略する。
【００８６】
すなわち、本発明の第二の実施形態では、単セル８０を構成する複数の金属製セパレータ４２に被着形成されたシールゴム層８２及び補助シールゴム８４が、略同一の形状とされている。具体的には、例えば、第一の実施形態において副面シールゴム層６２に設けられていた係合凹所６８および係合突起７０が第二の実施形態におけるシールゴム層８２には設けられていないと共に、補助シールゴム８４が、傾斜面を持たない略直方体形状とされている。
【００８７】
このような第二の実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、表裏を反転せしめても同一の形状となるため、単セル８０を重ね合わせて固体高分子型燃料電池を構成する作業において、より効率的に作業を行うことが可能となる。
【００８８】
また、金属製セパレータにシールゴム層８２及び補助シールゴム８４を被着形成した状態であっても、表裏反転せしめることにより、第一セパレータ２０又は第二セパレータ２２のどちらとしても使用することが出来る。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の部品の共通化を一層有利に実現することが出来て、組付時の各作業がより効率的に達成され得る。
【００８９】
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００９０】
例えば、前記実施形態では、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２として金属製のセパレータを採用した例を示したが、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の材質は前記実施形態のものに何等限定されない。具体的には、例えば、カーボン製や導電性樹脂材料製なども採用され得る。
【００９１】
また、第一，第二セパレータ２０，２２に形成される凹溝４８は、前記実施形態の如き葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。
【００９２】
更に、凹溝４８の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。
【００９３】
また、前記実施形態では、冷却水流路２８を凹溝４８によって第一，第二セパレータ２０，２２の副面５６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路２８は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面５６上で冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。
【００９４】
また、凹溝４８が接続される燃料ガス供給孔３４ａと酸化ガス供給孔３４ｃ、或いは、凹状通路５８が接続される冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。
【００９５】
また、前記実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２の角部に切欠きを設けたが、このような切欠きは必ずしも設ける必要はない。更に、第一，第二セパレータ２０，２２の外周縁部に設けた補強リブ７６は必ずしも必要ではない。更にまた、補強リブ７６に被着形成される補助シールゴム７２，８４も必ずしも必要ではない。このように補助シールゴム７２，８４を被着形成しないと共に、副面シールゴム層６２において係合凹所６８及び係合突起７０を形成しないことによって、第一，第二セパレータ２０，２２を略完全に同一形状とされたセパレータによって実現することが出来て、取扱い及び組付け作業をより効率的に行うことが出来る。
【００９６】
さらに、本実施形態では、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部に被着形成しなかったが、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分を除いて、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部においても副面シールゴム層６２を被着形成することも出来る。これにより、冷却水流路２８が一層高度に絶縁されて、冷却水への電力の散逸を有効に防止でき、固体高分子型燃料電池の効率向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池用セパレータを用いて構成された固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する単セルの構造を示す斜視図である。
【図３】図１に示された固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側を示す側面図である。
【図４】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図５】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側を示す側面図である。
【図６】図５に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図７】図１に示された固体高分子型燃料電池における単セルの組付け状態を示す断面図である。
【図８】図４に示された固体高分子型電池用セパレータの一部を拡大して示す斜視断面図である。
【図９】図４，図６に示された固体高分子型電池用セパレータの副面側の組付け状態を示す斜視断面図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態としての固体高分子型電池用セパレータを含んで構成された単セルの組付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 固体高分子型燃料電池
１２ 単セル
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
２４ 燃料ガス流路
２６ 酸化ガス流路
２８ 冷却水流路
４２ 金属製セパレータ
４８ 凹溝
５０ ガス拡散領域
５４ 接続部
５８ 凹状通路
６０ 接続凹所
８０ 単セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで積層構造とし、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用セルにおいて、
前記膜／電極接合体における前記固体高分子電解質膜を前記燃料電極および前記酸化電極よりも一回り大きな平面形状として該固体高分子電解質膜の外周縁部の全周を該燃料電極および該酸化電極の外周縁部から外方に突出させる一方、前記第一セパレータおよび第二セパレータを何れも該固体高分子電解質膜よりも更に一回り大きな平面形状として、該第一及び第二セパレータにおける該膜／電極接合体に重ね合わされる主面の外周部分に主面シールゴム層を固着することにより、該燃料電極および該酸化電極から突出した該固体高分子電解質膜の外周縁部を、該第一及び第二セパレータの間で、それら両セパレータの該主面シールゴム層の内周部分によって流体密に挟圧保持せしめたことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項２】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータとして金属製セパレータを採用して、前記主面シールゴム層を該金属製セパレータに対して加硫接着せしめた請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項３】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面の裏側の副面に副面シールゴム層を固着すると共に、該第一及び／又は第二セパレータにおいて厚さ方向に貫通する接続孔を複数形成して、該接続孔を通じて前記主面シールゴム層と該副面シールゴム層を連結一体化せしめた請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項４】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの両方に対して前記副面シールゴム層を形成する一方、それら第一セパレータおよび第二セパレータの各副面に、互いに重ね合わされることによって冷却水流路を形成する冷却水流路形成部を設けると共に、該冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、該副面シールゴム層と一体的に被着形成した請求項３に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項５】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面に開口して延びる凹溝を形成し、該凹溝を前記膜／電極接合体の前記燃料電極または前記酸化電極で覆蓋せしめることによって前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路を形成すると共に、該燃料ガス流路または該酸化ガス流路の端部を前記膜／電極接合体の前記固体高分子電解質膜の外周縁部から更に外方まで延び出させて、該第一セパレータおよび該第二セパレータを重ね合わせ方向に貫通して形成された燃料ガスまたは酸化ガスの給排孔に接続する接続凹溝を形成し、更に、該接続凹溝の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層を形成することによって該接続凹溝をトンネル状構造とした請求項１乃至４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項６】
前記膜／電極接合体における前記燃料電極及び／又は前記酸化電極の外周縁部を、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面に形成された前記主面シールゴム層の内周縁部に当接させることにより、該膜／電極接合体に対して該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータを重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向において相互に位置合わせ出来るようにした請求項１乃至５の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項７】
前記主面シールゴム層の内周縁部の端面が、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面から離れるに従って該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータの外周側に向かって傾斜して広がる傾斜案内面とされている請求項６に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体を第一セパレータと第二セパレータで両側から挟み込んで積層構造とし、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用セルにおいて、
前記膜／電極接合体における前記固体高分子電解質膜を前記燃料電極および前記酸化電極よりも一回り大きな平面形状として該固体高分子電解質膜の外周縁部の全周を該燃料電極および該酸化電極の外周縁部から外方に突出させる一方、前記第一セパレータおよび第二セパレータを何れも該固体高分子電解質膜よりも更に一回り大きな平面形状として、該第一及び第二セパレータにおける該膜／電極接合体に重ね合わされる主面の外周部分に主面シールゴム層を固着することにより、該燃料電極および該酸化電極から突出した該固体高分子電解質膜の外周縁部を、該第一及び第二セパレータの間で、それら両セパレータの該主面シールゴム層の内周部分によって流体密に挟圧保持せしめたことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項２】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータとして金属製セパレータを採用して、前記主面シールゴム層を該金属製セパレータに対して加硫接着せしめた請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項３】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面の裏側の副面に副面シールゴム層を固着すると共に、該第一及び／又は第二セパレータにおいて厚さ方向に貫通する接続孔を複数形成して、該接続孔を通じて前記主面シールゴム層と該副面シールゴム層を連結一体化せしめた請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項４】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの両方に対して前記副面シールゴム層を形成する一方、それら第一セパレータおよび第二セパレータの各副面に、互いに重ね合わされることによって冷却水流路を形成する冷却水流路形成部を設けると共に、該冷却水流路形成部の表面を覆う絶縁ゴム層を、該副面シールゴム層と一体的に被着形成した請求項３に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項５】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの少なくとも一方において、前記主面に開口して延びる凹溝を形成し、該凹溝を前記膜／電極接合体の前記燃料電極または前記酸化電極で覆蓋せしめることによって前記燃料ガス流路または前記酸化ガス流路を形成すると共に、該燃料ガス流路または該酸化ガス流路の端部を前記膜／電極接合体の前記固体高分子電解質膜の外周縁部から更に外方まで延び出させて、該第一セパレータおよび該第二セパレータを重ね合わせ方向に貫通して形成された燃料ガスまたは酸化ガスの給排孔に接続する接続凹溝を形成し、更に、該接続凹溝の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層を形成することによって該接続凹溝をトンネル状構造とした請求項１乃至４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項６】
前記膜／電極接合体における前記燃料電極及び／又は前記酸化電極の外周縁部を、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面に形成された前記主面シールゴム層の内周縁部に当接させることにより、該膜／電極接合体に対して該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータを重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向において相互に位置合わせ出来るようにした請求項１乃至５の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項７】
前記主面シールゴム層の内周縁部の端面が、前記第一セパレータ及び／又は前記第二セパレータの主面から離れるに従って該第一セパレータ及び／又は該第二セパレータの外周側に向かって傾斜して広がる傾斜案内面とされている請求項６に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−４０７９１（Ｐ２００６−４０７９１Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２１６３０（Ｐ２００４−２２１６３０）
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]