JP4727910B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する発電セルを備え、前記発電セルには、積層方向に貫通して反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の発電セルでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを気密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１には、従来からのＯリングによるシール構造が開示されている。すなわち、図１１に示すように、電解質膜１の両面にアノード側電極２ａおよびカソード側電極２ｂが配置された電解質膜・電極構造体３を、セパレータ４ａ、４ｂにより挟持するとともに、前記電解質膜１の周端部と前記セパレータ４ａ、４ｂとの間には、Ｏリング５ａ、５ｂが介装されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１４８１６９号公報（段落［０００８］、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガスおよび燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路とからなる。
【０００７】
さらに、セパレータの周縁部には、該セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する反応ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔および燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する反応ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体流路に連通する冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔とが形成されている。
【０００８】
この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、シール部材により形成された連結流路を介して連通する構造が考えられる。例えば、図１２に示すように、セパレータ６の一方の面６ａ内には、発電面に沿って反応ガス流路７ａが形成されるとともに、積層方向に反応ガス連通孔７ｂが貫通形成されている。
【０００９】
このセパレータ６の面６ａには、シール部材８が配設されるとともに、前記シール部材８は、断続的に切り欠いた連結部８ａを備えている。この連結部８ａ間には、反応ガス流路７ａと反応ガス連通孔７ｂとを連通する連結流路７ｃが形成されている。セパレータ６の他方の面６ｂには、図示しない冷却媒体流路を密閉してシール部材９が設けられている。
【００１０】
ここで、シール部材８、９は、反応ガスおよび冷却媒体のシール機能の他に発電セル面内の荷重バランスや発電セル毎の荷重バランスを均一化させるとともに、特に発電面内を必要な面圧に保持することによって、発電性能の安定化を図る必要がある。さらに、発電セル毎の間隙を均等にして流路断面積を一定にし、反応ガス連通孔７ｂおよび冷却媒体連通孔７ｄから分配される反応ガスおよび冷却媒体の流量を均一にすることにより、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図る必要がある。
【００１１】
しかしながら、図１２の構造では、反応ガス流路７ａと反応ガス連通孔７ｂとの連結流路７ｃにおいて、シール部材８の連結部８ａが断続的に設けられる一方、シール部材９のシール片部９ａが前記連結部８ａに対向して連続的に設けられている。このため、互いに対向する連結部８ａとシール片部９ａとでは、積層方向に付与される荷重に対して、それぞれの変形量（以下、シール変形量ともいう）が異なってしまう。従って、各シール部材８、９では、それぞれのシール高さが変動して流路断面積が不均一になり、シール性の低下やガス流路の閉塞による反応ガスの供給不良等が発生するという問題がある。
【００１２】
また、薄板金属製のセパレータでは、シール線圧（荷重）のバランスが不均一になり、前記セパレータが積層方向に変形する場合がある。これにより、シール面圧や発電面圧が過剰または不足になって、簡単な構成で、所望の発電性能を発揮することができないという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの両面に設けられるシール部材の変形量を略均一にして、所望のシール機能および発電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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する複数の発電セルを備え、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、互いに隣接する前記発電セルの各セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、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および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる。
【００１５】
そして、セパレータの一方の面には、冷却媒体流路を密封する第１シールが設けられる一方、前記セパレータの他方の面には、反応ガス流路を密封する第２シールが設けられる。
【００１６】
この場合、第２シールは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第１シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第１シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第１シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定される。ここで、シール重合部とは、セパレータを挟んで第２シールの受部に重なり合う第１シールの一部分をいう。
【００１７】
一方、第１シールは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第２シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第２シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第２シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定される。ここで、シール重合部とは、セパレータを挟んで第１シールの受部に重なり合う第２シールの一部分をいう。
【００１８】
このため、セパレータの両面において、第１シールと第２シールとの変形量が略同一になり、発電セル面内の荷重分布が均一になり、発電セル毎の荷重ばらつきが減少する。従って、発電性能の安定化を図るとともに、反応ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図ることができる。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池では、電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、所謂、段差ＭＥＡを構成している。
【００２０】
そして、第１シールは、第１の電極側の前記セパレータに設けられるとともに、電解質膜とセパレータとの間に配置される内側シールと、隣接するセパレータ間に配置される外側シールとを設ける。一方、第２シールは、第１シールの内側シールに対応する内側シールと、前記第１シールの外側シールに対応する外側シールとを設ける。これにより、発電セルの強度の向上を図るとともに、前記発電セル自体の薄型化が可能になる。
【００２１】
さらに、受部とシール重合部とは、それぞれ略同一のシール線圧に設定される。シール線圧とは、単位長さ当たりの荷重をいう。これにより、簡単な構成で、発電セル内および各発電セル間の間隙が均等になって、安定した反応ガスおよび冷却媒体の連結（連通）機能とシール機能とを確保することができる。
【００２２】
さらにまた、受部は、シール重合部と交差する方向に延在するシール長さが、前記シール重合部のシール幅寸法よりも長尺に構成されている。このため、簡単な構成で、第１および第２シールの変形量を略同一に設定することが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００２４】
図２および図３に示すように、燃料電池１０は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている発電セル１２には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００２５】
図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６が、第１および第２金属セパレータ１８、２０に挟持されて構成される。第１および第２金属セパレータ１８、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ており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２６】
発電セル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、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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２７】
発電セル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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
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およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも小さな表面積を有している。
【００２９】
アノード側電極３８およびカソード側電極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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００３０】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上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（図１および図４参照）。図５に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａ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上方向（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。
【００３１】
図１および図６に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２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、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００３２】
図１および図４に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８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、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、また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を使用する。
【００３３】
第１シール部材５０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化される第１平面部５２と、前記第１金属セパレータ１８の面１８ｂ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。
【００３４】
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に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図４に示すように、第１平面部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよ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一方、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。
【００３５】
第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０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、第２金属セパレータ２０の外周端部に近接して面２０ａに設けられる外側シール（第１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（第１シール）５８ｂが設けられる。
【００３６】
外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂは、先端先細り形状（リップ形状）、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。外側シール５８ａは、第１金属セパレータ１８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。
【００３７】
図５に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａおよ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。
【００３８】
第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、外側シール５８ａに対応する外側シール（第２シール）５８ｃと、内側シール５８ｂに対応する内側シール（第２シール）５８ｄとが設けられる（図６参照）。外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂと同様の形状を有している。
【００３９】
図５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とを連通する入口連結部６０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通させる出口連結部６２とを備える。
【００４０】
入口連結部６０は、外側シール５８ａを矢印Ｃ方向に沿って断続的に切り欠くとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部６４により構成される。各受部６４間には、酸化剤ガス用の連通路が形成される。出口連結部６２は、同様に外側シール５８ａを部分的に切り欠くとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部６６を備える。各受部６６間には、酸化剤ガス用の連通路が形成される。
【００４１】
図７に示すように、入口連結部６０の受部６４と外側シール５８ｃのシール重合部６８とは、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで互いに重なり合っている。シール重合部６８とは、第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａの受部６４に重なり合う外側シール５８ｃの一部分をいう。受部６４は、シール重合部６８と交差する方向に延在しかつ前記シール重合部６８のシール幅寸法、すなわち、外側シール５８ｃのシール幅寸法よりも長尺に構成されており、前記受部６４と前記シール重合部６８とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【００４２】
具体的には、各受部６４とシール重合部６８とは、略同一の単位長さ当たりの荷重、すなわち、シール線圧を有するとともに、前記受部６４のシール長さＬ１とシール重合部６８のシール長さＬ２とは、略同一の長さに設定される。このシール長さＬ２は、各受部６４の配置間隔に相当するシール重合部６８の長さである。なお、受部６４とシール重合部６８とは、バネ定数が略同一であれば同一の材料で形成される必要はなく、種々の材料が選択可能である。
【００４３】
出口連結部６２は、上記の入口連結部６０と同様に構成されており、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで互いに重なり合う各受部６４と外側シール５８ｃのシール重合部７０とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される（図５参照）。
【００４４】
図６に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する入口連結部７２と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する出口連結部７４とが設けられる。入口連結部７２は、外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄを構成して矢印Ｃ方向に断続的に設けられるとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部７６を備える。出口連結部７４は、同様に、外側シール５８ｃおよび内側シール５８ｄを構成して矢印Ｃ方向に断続的に設けられるとともに、矢印Ｂ方向に延在する複数の受部７８を備える。
【００４５】
図８に示すように、入口連結部７２は、面２０ａの外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂを構成するシール重合部８０ａ、８０ｂと、第２金属セパレータ２０を介装して重なり合っている。入口連結部７２を構成する各受部７６とシール重合部８０ａ、８０ｂとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。具体的には、受部７６のシール長さＬ３は、シール重合部８０ａ、８０ｂのそれぞれのシール長さＬ４、Ｌ５を加算した値と等しく設定される（Ｌ３＝Ｌ４＋Ｌ５）。このシール長さＬ４、Ｌ５は、各受部７６の配置間隔に相当するシール重合部８０ａ、８０ｂの長さである。なお、受部７６は、シール重合部８０ａ、８０ｂに一体的に跨って設けられているが、各シール重合部８０ａ、８０ｂ毎に分割して構成してもよい。
【００４６】
同様に、出口連結部７４を構成する各受部７８は、図６に示すように、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部８２ａ、８２ｂと重なり合っている。受部７８とシール重合部８２ａ、８２ｂとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【００４７】
図６に示すように、面２０ｂでは、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、入口連結部８４および出口連結部８６が設けられる。入口連結部８４は、矢印Ｃ方向に配列される複数の受部８８を設ける一方、出口連結部８６は、同様に矢印Ｃ方向に配列される複数の受部９０を備える。
【００４８】
各受部８８は、第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部９２ａ、９２ｂと重なり合っている。各受部９０は、同様に第２金属セパレータ２０を挟んで外側シール５８ａおよび内側シール５８ｂのシール重合部９４ａ、９４ｂと重なり合っている。
【００４９】
入口連結部８４とシール重合部９２ａ、９２ｂおよび出口連結部８６とシール重合部９４ａ、９４ｂは、それぞれ積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定され、具体的には、入口連結部７２と同様の構成を有している。入口連結部８４および出口連結部８６の近傍には、内側シール５８ｄの外方に位置して、それぞれ複数の供給孔部９６および排出孔部９８が形成される。供給孔部９６と排出孔部９８は、第２金属セパレータ２０の面２０ａで内側シール５８ｂの内方にかつ燃料ガス流路４４の入口側と出口側とに貫通形成される（図５参照）。
【００５０】
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。
【００５１】
まず、図１に示すように、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とともに、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。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。
【００５２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され（図３参照）、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部９６を通って第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され（図２参照）、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３８に供給される。
【００５３】
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。
【００５４】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部９８を通り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。同様に、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。
【００５５】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路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、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００５６】
この場合、本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから酸化剤ガス流路４２に酸化剤ガスを供給するために、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、複数の受部６４を備えた入口連結部６０が設けられている。図５に示すように、この入口連結部６０は、外側シール５８ａの一部を構成しており、前記第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記入口連結部６０の受部６４と互いに重なり合うシール重合部６８が設けられる。このシール重合部６８は、外側シール５８ｃの一部を構成しており、前記シール重合部６８および受部６４は、弾性を有して変形し易い。
【００５７】
そこで、図７に示すように、入口連結部６０の各受部６４とシール重合部６８とは、略同一のシール線圧を有するとともに、前記受部６４のシール長さＬ１とシール重合部６８のシール長さＬ２とは、略同一の長さに設定されている。このため、第２金属セパレータ２０の両面２０ａ、２０ｂで互いに重なり合う各受部６４とシール重合部６８とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に維持される。
【００５８】
具体的には、受部６４のシール長さＬ１とシール重合部６８のシール長さＬ２とを、図９に示すように変化させたところ、積層方向の荷重に対してシール長さＬ１とシール長さＬ２との比（Ｌ１／Ｌ２）に対する前記受部６４と前記シール重合部６８との圧縮高さの差が、図１０に示すように変動した。従って、シール長さＬ１とシール長さＬ２との比が略１．０、すなわち、シール長さＬ１＝シール長さＬ２の関係を満たすことによって、圧縮高さに差が生ずることがない。
【００５９】
これにより、第２金属セパレータ２０では、両面２０ａ、２０ｂにおけるシール変形量が略同一となり、前記第２金属セパレータ２０に対してシール線圧（荷重）のバランスが不均一となることがなく、該第２金属セパレータ２０自体の変形を良好に阻止することが可能になる。しかも、入口連結部６０に変形が惹起されることがなく、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから酸化剤ガス流路４２に酸化剤ガスを円滑かつ確実に供給することができる。
【００６０】
一方、出口連結部６２では、上記の入口連結部６０と同様に、各受部６６とシール重合部７０とのシール変形量が略同一となる。このため、第２金属セパレータ２０自体の変形を阻止するとともに、酸化剤ガス流路４２から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排ガス（使用済み酸化剤ガス）を確実に排出することが可能になる。
【００６１】
また、図６に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する入口連結部７２が設けられる。この入口連結部７２の各受部７６と、該受部７６に第２金属セパレータ２０を介装して互いに重なり合うシール重合部８０ａ、８０ｂとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定されている。すなわち、図８に示すように、受部７６のシール長さＬ３が各シール重合部８０ａ、８０ｂのシール長さＬ４、Ｌ５の加算値と等しくなっている（Ｌ３＝Ｌ４＋Ｌ５）。
【００６２】
これにより、入口連結部７２とシール重合部８０ａ、８０ｂとのシール変形量が略同一となり、第２金属セパレータ２０自体の変形を阻止するとともに、冷却媒体入口連通孔３２ａから冷却媒体流路４６に冷却媒体を円滑かつ確実に供給することができる。
【００６３】
一方、出口連結部７４においても同様に、各受部７８とシール重合部８２ａ、８２ｂとのシール変形量が略同一となって、冷却媒体を冷却媒体出口連通孔３２ｂに円滑に排出することが可能になる。
【００６４】
さらにまた、図６に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス流路４４とを連通する入口連結部８４および出口連結部８６が設けられている。そして、それぞれの受部８８、９０とシール重合部９２ａ、９２ｂおよび９４ａ、９４ｂとは、シール変形量が略同一に設定されており、燃料ガスの円滑な供給および排出と、第２金属セパレータ２０自体の変形の阻止とが、良好に行われる。
【００６５】
これにより、本実施形態では、燃料電池１０の発電性能の安定化を図るとともに、簡単な構成で、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル１２毎の発電性能の均一化および安定化が確実に図られるという効果が得られる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第２シールは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第１シールのシール重合部と互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記シール重合部とは、積層方向の荷重に対して変形量が略同一に設定される。
【００６７】
一方、第１シールは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第２シールのシール重合部と互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記シール重合部とは、積層方向の荷重に対して変形量が略同一に設定される。
【００６８】
このため、セパレータの両面において、第１シールと第２シールとの変形量が略同一になり、発電セル面内の荷重バランスおよび発電セル毎の荷重バランスが均一化される。従って、発電性能の安定化を図るとともに、反応ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の他の部位の要部断面説明図である。
【図４】前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記発電セルに設けられた酸化剤ガスの入口連結部の説明図である。
【図８】前記発電セルに設けられた冷却媒体の入口連結部の説明図である。
【図９】シール長さと受部の長さとの関係図である。
【図１０】シール長さと受部の長さと比による圧縮高さの差の説明図である。
【図１１】特許文献１に開示されたシール構造の説明図である。
【図１２】従来のセパレータの一部説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…発電セル
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…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…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５０、５６…シール部材 ５２、５４…平面部
５８ａ、５８ｃ…外側シール ５８ｂ、５８ｄ…内側シール
６０、７２、８４…入口連結部 ６２、７４、８６…出口連結部
６４、６６、７６、７８、８８、９０…受部
６８、７０、８０ａ、８０ｂ、８２ａ、８２ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ…シール重合部
９６…供給孔部 ９８…排出孔部

Claims (6)

1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する複数の発電セルを備え、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、互いに隣接する前記発電セルの各セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、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および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
   前記セパレータの一方の面には、前記反応ガス流路を密封する第１シールが設けられ、前記セパレータの他方の面には、前記冷却媒体流路を密封する第２シールが設けられるとともに、
   前記第２シールは、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、前記セパレータを挟んで前記第１シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第１シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第１シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する複数の発電セルを備え、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、互いに隣接する前記発電セルの各セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、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および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
   前記セパレータの一方の面には、前記反応ガス流路を密封する第１シールが設けられ、前記セパレータの他方の面には、前記冷却媒体流路を密封する第２シールが設けられるとともに、
   前記第１シールは、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、前記セパレータを挟んで前記第２シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第２シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第２シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体は、電解質膜を第１および第２の電極で挟持するとともに、前記第１の電極が前記第２の電極よりも小さな表面積に設定されており、
   前記第１シールは、前記第１の電極側の前記セパレータに設けられるとともに、
   前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置される内側シールと、
   隣接するセパレータ間に配置される外側シールと、
   を設けることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記第２シールは、前記第１シールの前記内側シールに対応する内側シールと、
   前記第１シールの前記外側シールに対応する外側シールと、
   を設けることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記受部と前記シール重合部とは、それぞれ略同一のシール線圧に設定されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記受部は、前記シール重合部と交差する方向に延在するシール長さが、該シール重合部のシール幅寸法よりも長尺に構成されることを特徴とする燃料電池。

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