燃料電池
【課題】簡単な構成で、シール一体型金属セパレータ内から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の単位セル１２を積層するとともに、前記単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０とに挟持される。カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲内で、第２平面部５４の一部に金属部位８２ａ、８２ｂが露呈する。具体的には、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２平面部５４の少なくとも一部を金属部位８２ａまで切り欠いて前記金属部位８２ａを露呈させる切り欠き部８４ａが設けられる。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の単位セル１２を積層するとともに、前記単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０とに挟持される。カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲内で、第２平面部５４の一部に金属部位８２ａ、８２ｂが露呈する。具体的には、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２平面部５４の少なくとも一部を金属部位８２ａまで切り欠いて前記金属部位８２ａを露呈させる切り欠き部８４ａが設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（電解質）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、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。
【０００４】
燃料電池では、セパレータとして、カーボンセパレータの他に金属セパレータが使用されている。金属セパレータは、一般的に、薄板金属プレートに弾性シール部材が一体化されたシール一体型金属セパレータが用いられている。
【０００５】
ところで、この種の金属セパレータでは、高湿度の反応ガスや冷却水等を連続して流通させると、シール部材であるゴムの内側に浸透した水分が、前記シール部材と金属プレートとの間に滞留するおそれがある。これにより、シール部材と金属プレートとの間にブリスター（水ぶくれ）が形成されてしまい、流路断面が狭小化して反応ガスや冷却水の流量が減少するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セパレータが知られている。この燃料電池セパレータでは、冷媒流通用の隙間に面したアノード側金属セパレータの表面に、プライマー層を介して絶縁被覆を形成した構造において、基材とプライマー層との界面における気化した冷媒が液化することによって生じるブリスターの発生を防止するために、冷媒排出溝を形成している。
【０００７】
これにより、部分的にプライマー層と接する部分のアノード側金属セパレータの温度が低下し、その界面部分で気化した冷媒成分が液化しても、この液化成分は冷媒排出溝から外部に排出されるので、ブリスターの発生を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１３４２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この種のブリスターは、冷却水流路だけではなく、反応ガスに接する反応ガス流路等でも発生している。特に、シール部材のシールラインにより囲まれた反応ガス流路範囲内では、結露水によるブリスターの発生を阻止することが望まれている。
【００１０】
本発明はこの種の要請に対応するものであり、簡単な構成で、シール一体型金属セパレータの内部から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、一対のセパレータ間には、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する通路部が弾性シール部材により形成されるとともに、前記通路部内で、各セパレータに設けられた前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈している。
【００１３】
また、この燃料電池では、通路部の露呈部以外のセパレータ表面がシールに覆われており、前記通路部は、弾性シール部材のシールラインにより囲繞されるとともに、前記シールラインの範囲内で、前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することが好ましい。
【００１４】
さらに、この燃料電池では、一方のセパレータには、通路部の一方を反応ガス連通孔に連通させる第１孔部と、前記通路部の他方を反応ガス流路に連通させる第２孔部とが貫通形成されるとともに、他方のセパレータには、弾性シール部材の少なくとも一部をセパレータ本体部位まで切り欠いて前記セパレータ本体部位を露呈させる切り欠き部が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電の継続により弾性シール部材とセパレータ本体部位との間に結露水が発生すると、この弾性シール部材の少なくとも一部に露呈する前記セパレータ本体部位を通って前記結露水が排出される。従って、簡単な構成で、シール一体型セパレータの内部から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になる。
【００１６】
しかも、結露水を排出するための溝が不要になるため、構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの一方の面側の正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの他方の面側の正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池の断面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの一方の面側の正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化される。単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１６が、アノード側金属セパレータ（一方のセパレータ）１８とカソード側金属セパレータ（他方のセパレータ）２０とに挟持される。
【００１９】
アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ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とともに、後述するように、シール一体型金属セパレータを構成する。なお、アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ２０は、金属以外の材料、例えば、カーボンにより形成してもよい。
【００２０】
単位セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス（反応ガス）、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（反応ガス連通孔）３４ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、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（反応ガス連通孔）３４ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３０ａが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１６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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０及び固体高分子電解質膜３６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。なお、本発明では、段差型ＭＥＡに限定されるものではなく、アノード側電極３８とカソード側電極４０とは、同一の表面積を有していてもよい。
【００２３】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０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３６の両面に形成される。
【００２４】
図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に対向する面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、酸化剤ガス流路４２の入口側及び出口側を覆ってブリッジ部４３ａ、４３ｂが配設される（図３参照）。
【００２５】
図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に対向する面１８ａには、後述するように、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向（矢印Ｃ方向）に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００２６】
図１及び図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂとカソード側金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在する。なお、冷却媒体流路４６は、各単位セル１２毎に、又は２以上の単位セル毎に設けることができる。
【００２７】
図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側金属セパレータ２０の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０は、弾性シール部材であり、例えば、シリコーンゴムにより構成される。
【００２８】
第１シール部材５０は、図２及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａに一体化される第１平面部５２と、前記カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂに一体化される第２平面部５４とを備える。第２平面部５４は、第１平面部５２よりも長尺に構成される。
【００２９】
図２に示すように、第１平面部５２は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部５４は、カソード側電極４０の外周部分に所定の範囲にわたって積層方向に重合する位置を周回する。
【００３０】
図３に示すように、第１平面部５２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を酸化剤ガス流路４２に連通して形成される。図５に示すように、第２平面部５４は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通して形成される。
【００３１】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、図１、図２及び図４に示すように、このアノード側金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５６が一体化される。この第２シール部材５６は、アノード側金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａに設けられる外側シール５８ａを備え、この外側シール５８ａから内方に所定の距離だけ離間して内側シール５８ｂが設けられる。
【００３２】
図２に示すように、外側シール５８ａは、カソード側金属セパレータ２０に設けられている第１平面部５２に接触する一方、内側シール５８ｂは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６に直接接触する。
【００３３】
図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを囲繞する。内側シール５８ｂは、燃料ガス流路４４を囲繞するとともに、前記内側シール５８ｂと外側シール５８ａとの間には、電解質膜・電極構造体１６の外周端部が配置される。
【００３４】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、外側シール５８ａに対応する外側シール５８ｃと、内側シール５８ｂに対応する内側シール５８ｄとが設けられる（図１参照）。外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂと同様の形状を有している。
【００３５】
図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路４２とを連通する複数の受部６０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通する複数の受部６２とを設ける。受部６０により通路部６０ａが形成されるとともに、受部６２により通路部６２ａが形成される。
【００３６】
図１及び図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６４と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６６とが設けられる。受部６４、６６によりそれぞれ通路部６４ａ、６６ａが形成される。
【００３７】
面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の受部６８、７０が設けられる。受部６８により入口側連結通路７２が形成される一方、受部７０により出口側連結通路７４が形成される。
【００３８】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａでは、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが、それぞれ外側シール５８ａに周回されるとともに（図４参照）、前記アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂでは、受部６８の周囲及び受部７０の周囲が、それぞれ外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとによるシールラインＳＬに囲繞されている（図１参照）。
【００３９】
受部６８と燃料ガス入口連通孔３４ａとの間には、上記の外側シール５８ａにより囲繞される領域内と、上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して、複数の第１供給孔部（第１孔部）７６ａが貫通形成される。
【００４０】
受部６８と燃料ガス流路４４との間には、内側シール５８ｂに囲繞される領域及び上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域とに対応して、複数の第２供給孔部（第２孔部）７６ｂが貫通形成される。
【００４１】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、第１供給孔部７６ａ、入口側連結通路７２及び第２供給孔部７６ｂを有し、シールラインＳＬに囲まれる（図１及び図２参照）。なお、通路部には、３以上の供給孔部（図示せず）を設けることもできる。
【００４２】
受部７０の近傍には、燃料ガス流路４４の終端近傍に位置して複数の第１排出孔部（第２孔部）７８ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に対応して複数の第２排出孔部（第１孔部）７８ｂが貫通形成される。
【００４３】
第１排出孔部７８ａは、面１８ａ側の内側シール５８ｂに囲繞される領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。第２排出孔部７８ｂは、面１８ａ側の燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する外側シール５８ａの領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。
【００４４】
燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、第１排出孔部７８ａ、出口側連結通路７４及び第２排出孔部７８ｂを有し、シールラインＳＬに囲まれる。
【００４５】
図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１供給孔部７６ａに至る通路８０は、第１及び第２シール部材５０、５６で形成される。入口側連結通路７２は、同様に第１及び第２シール部材５０、５６で形成されるとともに、前記入口側連結通路７２とは反対の第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂ間は、前記第１及び第２シール部材５０、５６で遮蔽される。
【００４６】
図５に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲（通路部を含む範囲）内で、第２平面部５４の一部に金属部位（セパレータ本体部位）８２ａ、８２ｂが露呈する。具体的には、図２に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２平面部５４の少なくとも一部を金属部位８２ａ、８２ｂまで切り欠いて前記金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部８４ａ、８４ｂが設けられる。
【００４７】
切り欠き部８４ａは、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍で、入口側連結通路７２に対向して直線状に複数形成される。切り欠き部８４ｂは、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍で、出口側連結通路７４に対向して直線状に複数形成される。切り欠き部８４ａ、８４ｂは、実質的に通路部に沿って形成される。通路部は、金属部位８２ａ、８２ｂ以外のセパレータ表面が第１シール部材５０に覆われている。
【００４８】
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。
【００４９】
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３４ａ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３２ａ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。
【００５０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから通路部６０ａを通ってカソード側金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４２に導入される。この酸化剤ガスは酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極４０に供給される（図１及び図３参照）。
【００５１】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから面１８ａ側（アノード側電極３８側）に供給された後、第１供給孔部７６ａを通って一旦、面１８ｂ側に導入される。面１８ｂ側には、複数の受部６８により入口側連結通路７２が形成されており、燃料ガスは、この入口側連結通路７２を通って第２供給孔部７６ｂから面１８ａ側に移動し、燃料ガス流路４４に導入される。さらに、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に供給される。
【００５２】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。
【００５３】
次いで、カソード側電極４０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。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、第１排出孔部７８ａから出口側連結通路７４を通った後、第２排出孔部７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５４】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、通路部６４ａを通ってアノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、通路部６６ａから冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される（図１参照）。
【００５５】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲内で、第２平面部５４の一部に金属部位８２ａ、８２ｂが露呈している。
【００５６】
従って、燃料電池１０では、発電の継続により弾性シール部材である第１シール部材５０の第２平面部５４と金属部位８２ａ、８２ｂとの間に結露水が発生すると、この第２平面部５４の少なくとも一部に露呈する前記金属部位８２ａ、８２ｂを通って前記結露水が排出される。
【００５７】
特に、第１の実施形態では、図２に示すように、第１供給孔部７６ａ、入口側連結通路７２及び第２供給孔部７６ｂを有する通路部は、シールラインＳＬに囲まれている。このため、カソード側金属セパレータ２０では、シールラインＳＬに囲まれた範囲内に第１シール部材５０の第２平面部５４のみが露呈していると、ブリスターが発生し易くなる。従って、シールラインＳＬに囲まれた範囲内で、第２平面部５４に複数の切り欠き部８４ａを設けて金属部位８２ａを通路部に露呈させることにより、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
これにより、第１の実施形態では、簡単な構成で、カソード側金属セパレータ（シール一体型金属セパレータ）２０内から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータ９０の正面説明図である。
【００６０】
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以降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。
【００６１】
カソード側金属セパレータ９０は、第２平面部５４の少なくとも一部を円形状に切り欠いて金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部９２ａ、９２ｂを有する。切り欠き部９２ａ、９２ｂは、実質的に通路部の端部に形成される。
【００６２】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータ１００の正面説明図である。
【００６３】
カソード側金属セパレータ１００は、第２平面部５４の少なくとも一部を円形状に切り欠いて金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部１０２ａ、１０２ｂを有する。切り欠き部１０２ａ、１０２ｂは、実質的に通路部間に位置して形成される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態及び第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視説明図である。
【００６６】
燃料電池１１０は、複数の単位セル１１２を矢印Ａ方向に積層して構成される。単位セル１１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１１４が、アノード側金属セパレータ１１６とカソード側金属セパレータ１１８とに挟持される。
【００６７】
カソード側金属セパレータ１１８の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１１８ａ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とに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１２０が形成される。
【００６８】
図９に示すように、アノード側金属セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）１２２が形成される。
【００６９】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路１２２とは、複数の流路溝（通路部）１２４ａにより連通するとともに、前記流路溝１２４ａは、蓋部材１２６ａにより覆われている。燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路１２２とは、複数の流路溝（通路部）１２４ｂにより連通するとともに、前記流路溝１２４ｂは、蓋部材１２６ｂにより覆われている。
【００７０】
図９及び図１０に示すように、アノード側金属セパレータ１１６は、受部６０により形成される通路部６０ａの一端側に、第２シール部材５６の少なくとも一部を円形状に切り欠いて、金属部位８２ａを露呈させる切り欠き部１２８ａを有する。アノード側金属セパレータ１１６は、受部６２により形成される通路部６２ａの一端側に、第２シール部材５６の少なくとも一部を円形状に切り欠いて、金属部位８２ｂを露呈させる切り欠き部１２８ｂを有する。
【００７１】
このように構成される第４の実施形態では、通路部６０ａ、６２ａの一端側に、切り欠き部１２８ａ、１２８ｂを設けることにより、金属部位８２ａ、８２ｂが露呈されている。このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、切り欠き部１２８ａ、１２８ｂは、円形状の他、直線状や長円状等、種々の形状に設定することができる。
【００７２】
なお、上記の実施形態では、カソード側セパレータにのみ露呈部を設けているが、アノード側セパレータにも同様に、露呈部を設けてもよい。
【００７３】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１３０の要部分解斜視説明図である。
【００７４】
燃料電池１３０は、複数の単位セル１３２を矢印Ａ方向に積層して構成される。単位セル１３２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側金属セパレータ１３４とカソード側金属セパレータ２０とに挟持される（図１２参照）。
【００７５】
アノード側金属セパレータ１３４には、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の供給孔部１３６及び複数の排出孔部１３８が貫通形成される。燃料ガス入口連通孔３４ａと供給孔部１３６とは、入口側連結通路１４０により連通する一方、燃料ガス出口連通孔３４ｂと排出孔部１３８とは、出口側連結通路１４２により連通する。
【００７６】
図１３に示すように、アノード側金属セパレータ１３４の面１３４ａには、第２シール部材５６を断続的に切り欠いた複数個の島状シール１４４ａ、１４４ｂが、供給孔部１３６及び排出孔部１３８に連結して設けられる。
【００７７】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、入口側連結通路１４０及び供給孔部１３６を有し、シールラインＳＬに囲まれる（図１２参照）。
【００７８】
このように構成される第５の実施形態では、上記の第１の実施形態等と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１１０、１３０…燃料電池 １２、１１２、１３２…単位セル
１６、１１４…電解質膜・電極構造体
１８、２０、９０、１００、１１６、１１８、１３４…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、１２０…酸化剤ガス流路
４４、１２２…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５０、５６…シール部材
６０、６２、６４、６６、６８、７０…受部
６０ａ、６２ａ、６４ａ、６６ａ…通路部
７２、７４、１４０、１４２…連結通路 ７６ａ、７６ｂ、１３６…供給孔部
７８ａ、７８ｂ、１３８…排出孔部 ８２ａ、８２ｂ…金属部位
８４ａ、８４ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１２８ａ、１２８ｂ…切り欠き部
１２４ａ、１２４ｂ…流路溝 １４４ａ、１４４ｂ…島状シール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（電解質）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、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。
【０００４】
燃料電池では、セパレータとして、カーボンセパレータの他に金属セパレータが使用されている。金属セパレータは、一般的に、薄板金属プレートに弾性シール部材が一体化されたシール一体型金属セパレータが用いられている。
【０００５】
ところで、この種の金属セパレータでは、高湿度の反応ガスや冷却水等を連続して流通させると、シール部材であるゴムの内側に浸透した水分が、前記シール部材と金属プレートとの間に滞留するおそれがある。これにより、シール部材と金属プレートとの間にブリスター（水ぶくれ）が形成されてしまい、流路断面が狭小化して反応ガスや冷却水の流量が減少するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セパレータが知られている。この燃料電池セパレータでは、冷媒流通用の隙間に面したアノード側金属セパレータの表面に、プライマー層を介して絶縁被覆を形成した構造において、基材とプライマー層との界面における気化した冷媒が液化することによって生じるブリスターの発生を防止するために、冷媒排出溝を形成している。
【０００７】
これにより、部分的にプライマー層と接する部分のアノード側金属セパレータの温度が低下し、その界面部分で気化した冷媒成分が液化しても、この液化成分は冷媒排出溝から外部に排出されるので、ブリスターの発生を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１３４２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この種のブリスターは、冷却水流路だけではなく、反応ガスに接する反応ガス流路等でも発生している。特に、シール部材のシールラインにより囲まれた反応ガス流路範囲内では、結露水によるブリスターの発生を阻止することが望まれている。
【００１０】
本発明はこの種の要請に対応するものであり、簡単な構成で、シール一体型金属セパレータの内部から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、一対のセパレータ間には、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する通路部が弾性シール部材により形成されるとともに、前記通路部内で、各セパレータに設けられた前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈している。
【００１３】
また、この燃料電池では、通路部の露呈部以外のセパレータ表面がシールに覆われており、前記通路部は、弾性シール部材のシールラインにより囲繞されるとともに、前記シールラインの範囲内で、前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することが好ましい。
【００１４】
さらに、この燃料電池では、一方のセパレータには、通路部の一方を反応ガス連通孔に連通させる第１孔部と、前記通路部の他方を反応ガス流路に連通させる第２孔部とが貫通形成されるとともに、他方のセパレータには、弾性シール部材の少なくとも一部をセパレータ本体部位まで切り欠いて前記セパレータ本体部位を露呈させる切り欠き部が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電の継続により弾性シール部材とセパレータ本体部位との間に結露水が発生すると、この弾性シール部材の少なくとも一部に露呈する前記セパレータ本体部位を通って前記結露水が排出される。従って、簡単な構成で、シール一体型セパレータの内部から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になる。
【００１６】
しかも、結露水を排出するための溝が不要になるため、構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの一方の面側の正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの他方の面側の正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池の断面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの一方の面側の正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化される。単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１６が、アノード側金属セパレータ（一方のセパレータ）１８とカソード側金属セパレータ（他方のセパレータ）２０とに挟持される。
【００１９】
アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ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とともに、後述するように、シール一体型金属セパレータを構成する。なお、アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ２０は、金属以外の材料、例えば、カーボンにより形成してもよい。
【００２０】
単位セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス（反応ガス）、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（反応ガス連通孔）３４ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、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（反応ガス連通孔）３４ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３０ａが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１６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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０及び固体高分子電解質膜３６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。なお、本発明では、段差型ＭＥＡに限定されるものではなく、アノード側電極３８とカソード側電極４０とは、同一の表面積を有していてもよい。
【００２３】
アノード側電極３８及びカソード側電極４０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３６の両面に形成される。
【００２４】
図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に対向する面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、酸化剤ガス流路４２の入口側及び出口側を覆ってブリッジ部４３ａ、４３ｂが配設される（図３参照）。
【００２５】
図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に対向する面１８ａには、後述するように、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向（矢印Ｃ方向）に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００２６】
図１及び図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂとカソード側金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在する。なお、冷却媒体流路４６は、各単位セル１２毎に、又は２以上の単位セル毎に設けることができる。
【００２７】
図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側金属セパレータ２０の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０は、弾性シール部材であり、例えば、シリコーンゴムにより構成される。
【００２８】
第１シール部材５０は、図２及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａに一体化される第１平面部５２と、前記カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂに一体化される第２平面部５４とを備える。第２平面部５４は、第１平面部５２よりも長尺に構成される。
【００２９】
図２に示すように、第１平面部５２は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部５４は、カソード側電極４０の外周部分に所定の範囲にわたって積層方向に重合する位置を周回する。
【００３０】
図３に示すように、第１平面部５２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を酸化剤ガス流路４２に連通して形成される。図５に示すように、第２平面部５４は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通して形成される。
【００３１】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、図１、図２及び図４に示すように、このアノード側金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５６が一体化される。この第２シール部材５６は、アノード側金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａに設けられる外側シール５８ａを備え、この外側シール５８ａから内方に所定の距離だけ離間して内側シール５８ｂが設けられる。
【００３２】
図２に示すように、外側シール５８ａは、カソード側金属セパレータ２０に設けられている第１平面部５２に接触する一方、内側シール５８ｂは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６に直接接触する。
【００３３】
図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを囲繞する。内側シール５８ｂは、燃料ガス流路４４を囲繞するとともに、前記内側シール５８ｂと外側シール５８ａとの間には、電解質膜・電極構造体１６の外周端部が配置される。
【００３４】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、外側シール５８ａに対応する外側シール５８ｃと、内側シール５８ｂに対応する内側シール５８ｄとが設けられる（図１参照）。外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂと同様の形状を有している。
【００３５】
図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路４２とを連通する複数の受部６０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通する複数の受部６２とを設ける。受部６０により通路部６０ａが形成されるとともに、受部６２により通路部６２ａが形成される。
【００３６】
図１及び図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６４と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する複数の受部６６とが設けられる。受部６４、６６によりそれぞれ通路部６４ａ、６６ａが形成される。
【００３７】
面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の受部６８、７０が設けられる。受部６８により入口側連結通路７２が形成される一方、受部７０により出口側連結通路７４が形成される。
【００３８】
アノード側金属セパレータ１８の面１８ａでは、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが、それぞれ外側シール５８ａに周回されるとともに（図４参照）、前記アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂでは、受部６８の周囲及び受部７０の周囲が、それぞれ外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとによるシールラインＳＬに囲繞されている（図１参照）。
【００３９】
受部６８と燃料ガス入口連通孔３４ａとの間には、上記の外側シール５８ａにより囲繞される領域内と、上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して、複数の第１供給孔部（第１孔部）７６ａが貫通形成される。
【００４０】
受部６８と燃料ガス流路４４との間には、内側シール５８ｂに囲繞される領域及び上記の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域とに対応して、複数の第２供給孔部（第２孔部）７６ｂが貫通形成される。
【００４１】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、第１供給孔部７６ａ、入口側連結通路７２及び第２供給孔部７６ｂを有し、シールラインＳＬに囲まれる（図１及び図２参照）。なお、通路部には、３以上の供給孔部（図示せず）を設けることもできる。
【００４２】
受部７０の近傍には、燃料ガス流路４４の終端近傍に位置して複数の第１排出孔部（第２孔部）７８ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に対応して複数の第２排出孔部（第１孔部）７８ｂが貫通形成される。
【００４３】
第１排出孔部７８ａは、面１８ａ側の内側シール５８ｂに囲繞される領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃと内側シール５８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。第２排出孔部７８ｂは、面１８ａ側の燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する外側シール５８ａの領域内と、面１８ｂ側の外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。
【００４４】
燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、第１排出孔部７８ａ、出口側連結通路７４及び第２排出孔部７８ｂを有し、シールラインＳＬに囲まれる。
【００４５】
図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１供給孔部７６ａに至る通路８０は、第１及び第２シール部材５０、５６で形成される。入口側連結通路７２は、同様に第１及び第２シール部材５０、５６で形成されるとともに、前記入口側連結通路７２とは反対の第１及び第２供給孔部７６ａ、７６ｂ間は、前記第１及び第２シール部材５０、５６で遮蔽される。
【００４６】
図５に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲（通路部を含む範囲）内で、第２平面部５４の一部に金属部位（セパレータ本体部位）８２ａ、８２ｂが露呈する。具体的には、図２に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２平面部５４の少なくとも一部を金属部位８２ａ、８２ｂまで切り欠いて前記金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部８４ａ、８４ｂが設けられる。
【００４７】
切り欠き部８４ａは、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍で、入口側連結通路７２に対向して直線状に複数形成される。切り欠き部８４ｂは、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍で、出口側連結通路７４に対向して直線状に複数形成される。切り欠き部８４ａ、８４ｂは、実質的に通路部に沿って形成される。通路部は、金属部位８２ａ、８２ｂ以外のセパレータ表面が第１シール部材５０に覆われている。
【００４８】
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。
【００４９】
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３４ａ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３２ａ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。
【００５０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから通路部６０ａを通ってカソード側金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４２に導入される。この酸化剤ガスは酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極４０に供給される（図１及び図３参照）。
【００５１】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａから面１８ａ側（アノード側電極３８側）に供給された後、第１供給孔部７６ａを通って一旦、面１８ｂ側に導入される。面１８ｂ側には、複数の受部６８により入口側連結通路７２が形成されており、燃料ガスは、この入口側連結通路７２を通って第２供給孔部７６ｂから面１８ａ側に移動し、燃料ガス流路４４に導入される。さらに、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に供給される。
【００５２】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。
【００５３】
次いで、カソード側電極４０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。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、第１排出孔部７８ａから出口側連結通路７４を通った後、第２排出孔部７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５４】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、通路部６４ａを通ってアノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、通路部６６ａから冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される（図１参照）。
【００５５】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂには、アノード側金属セパレータ１８の各シールラインＳＬにより囲まれた範囲内で、第２平面部５４の一部に金属部位８２ａ、８２ｂが露呈している。
【００５６】
従って、燃料電池１０では、発電の継続により弾性シール部材である第１シール部材５０の第２平面部５４と金属部位８２ａ、８２ｂとの間に結露水が発生すると、この第２平面部５４の少なくとも一部に露呈する前記金属部位８２ａ、８２ｂを通って前記結露水が排出される。
【００５７】
特に、第１の実施形態では、図２に示すように、第１供給孔部７６ａ、入口側連結通路７２及び第２供給孔部７６ｂを有する通路部は、シールラインＳＬに囲まれている。このため、カソード側金属セパレータ２０では、シールラインＳＬに囲まれた範囲内に第１シール部材５０の第２平面部５４のみが露呈していると、ブリスターが発生し易くなる。従って、シールラインＳＬに囲まれた範囲内で、第２平面部５４に複数の切り欠き部８４ａを設けて金属部位８２ａを通路部に露呈させることにより、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
これにより、第１の実施形態では、簡単な構成で、カソード側金属セパレータ（シール一体型金属セパレータ）２０内から結露水を容易且つ確実に排出することができ、ブリスターの発生を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータ９０の正面説明図である。
【００６０】
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以降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。
【００６１】
カソード側金属セパレータ９０は、第２平面部５４の少なくとも一部を円形状に切り欠いて金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部９２ａ、９２ｂを有する。切り欠き部９２ａ、９２ｂは、実質的に通路部の端部に形成される。
【００６２】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側金属セパレータ１００の正面説明図である。
【００６３】
カソード側金属セパレータ１００は、第２平面部５４の少なくとも一部を円形状に切り欠いて金属部位８２ａ、８２ｂを露呈させる切り欠き部１０２ａ、１０２ｂを有する。切り欠き部１０２ａ、１０２ｂは、実質的に通路部間に位置して形成される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態及び第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視説明図である。
【００６６】
燃料電池１１０は、複数の単位セル１１２を矢印Ａ方向に積層して構成される。単位セル１１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１１４が、アノード側金属セパレータ１１６とカソード側金属セパレータ１１８とに挟持される。
【００６７】
カソード側金属セパレータ１１８の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１１８ａ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とに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１２０が形成される。
【００６８】
図９に示すように、アノード側金属セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）１２２が形成される。
【００６９】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路１２２とは、複数の流路溝（通路部）１２４ａにより連通するとともに、前記流路溝１２４ａは、蓋部材１２６ａにより覆われている。燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路１２２とは、複数の流路溝（通路部）１２４ｂにより連通するとともに、前記流路溝１２４ｂは、蓋部材１２６ｂにより覆われている。
【００７０】
図９及び図１０に示すように、アノード側金属セパレータ１１６は、受部６０により形成される通路部６０ａの一端側に、第２シール部材５６の少なくとも一部を円形状に切り欠いて、金属部位８２ａを露呈させる切り欠き部１２８ａを有する。アノード側金属セパレータ１１６は、受部６２により形成される通路部６２ａの一端側に、第２シール部材５６の少なくとも一部を円形状に切り欠いて、金属部位８２ｂを露呈させる切り欠き部１２８ｂを有する。
【００７１】
このように構成される第４の実施形態では、通路部６０ａ、６２ａの一端側に、切り欠き部１２８ａ、１２８ｂを設けることにより、金属部位８２ａ、８２ｂが露呈されている。このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、切り欠き部１２８ａ、１２８ｂは、円形状の他、直線状や長円状等、種々の形状に設定することができる。
【００７２】
なお、上記の実施形態では、カソード側セパレータにのみ露呈部を設けているが、アノード側セパレータにも同様に、露呈部を設けてもよい。
【００７３】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１３０の要部分解斜視説明図である。
【００７４】
燃料電池１３０は、複数の単位セル１３２を矢印Ａ方向に積層して構成される。単位セル１３２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側金属セパレータ１３４とカソード側金属セパレータ２０とに挟持される（図１２参照）。
【００７５】
アノード側金属セパレータ１３４には、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の供給孔部１３６及び複数の排出孔部１３８が貫通形成される。燃料ガス入口連通孔３４ａと供給孔部１３６とは、入口側連結通路１４０により連通する一方、燃料ガス出口連通孔３４ｂと排出孔部１３８とは、出口側連結通路１４２により連通する。
【００７６】
図１３に示すように、アノード側金属セパレータ１３４の面１３４ａには、第２シール部材５６を断続的に切り欠いた複数個の島状シール１４４ａ、１４４ｂが、供給孔部１３６及び排出孔部１３８に連結して設けられる。
【００７７】
燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路４４とを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、入口側連結通路１４０及び供給孔部１３６を有し、シールラインＳＬに囲まれる（図１２参照）。
【００７８】
このように構成される第５の実施形態では、上記の第１の実施形態等と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１１０、１３０…燃料電池 １２、１１２、１３２…単位セル
１６、１１４…電解質膜・電極構造体
１８、２０、９０、１００、１１６、１１８、１３４…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２、１２０…酸化剤ガス流路
４４、１２２…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５０、５６…シール部材
６０、６２、６４、６６、６８、７０…受部
６０ａ、６２ａ、６４ａ、６６ａ…通路部
７２、７４、１４０、１４２…連結通路 ７６ａ、７６ｂ、１３６…供給孔部
７８ａ、７８ｂ、１３８…排出孔部 ８２ａ、８２ｂ…金属部位
８４ａ、８４ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１２８ａ、１２８ｂ…切り欠き部
１２４ａ、１２４ｂ…流路溝 １４４ａ、１４４ｂ…島状シール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池であって、
一対の前記セパレータ間には、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する通路部が前記弾性シール部材により形成されるとともに、
前記通路部内で、各セパレータに設けられた前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記通路部の露呈部以外のセパレータ表面がシールに覆われており、
前記通路部は、前記弾性シール部材のシールラインにより囲繞されるとともに、
前記シールラインの範囲内で、前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、一方の前記セパレータには、前記通路部の一方を前記反応ガス連通孔に連通させる第１孔部と、
前記通路部の他方を前記反応ガス流路に連通させる第２孔部と、
が貫通形成されるとともに、
他方の前記セパレータには、前記弾性シール部材の少なくとも一部を前記セパレータ本体部位まで切り欠いて該セパレータ本体部位を露呈させる切り欠き部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、弾性シール部材が一体成形されたセパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池であって、
一対の前記セパレータ間には、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する通路部が前記弾性シール部材により形成されるとともに、
前記通路部内で、各セパレータに設けられた前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記通路部の露呈部以外のセパレータ表面がシールに覆われており、
前記通路部は、前記弾性シール部材のシールラインにより囲繞されるとともに、
前記シールラインの範囲内で、前記弾性シール部材の少なくとも一部にセパレータ本体部位が露呈することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、一方の前記セパレータには、前記通路部の一方を前記反応ガス連通孔に連通させる第１孔部と、
前記通路部の他方を前記反応ガス流路に連通させる第２孔部と、
が貫通形成されるとともに、
他方の前記セパレータには、前記弾性シール部材の少なくとも一部を前記セパレータ本体部位まで切り欠いて該セパレータ本体部位を露呈させる切り欠き部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２３４７９７（Ｐ２０１２−２３４７９７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４２６０２（Ｐ２０１２−４２６０２）
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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