JP5026708B2 - 固体高分子型燃料電池用セルおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池用のセルとそのセルを複数用いて構成される固体高分子型燃料電池に関するものである。
最近では、発電手段の一つとして燃料電池が注目されており、かかる燃料電池の一種として固体高分子型燃料電池が一般に知られている。この固体高分子型燃料電池は、例えば、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。
このような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。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。そして、固体高分子型燃料電池は、このような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のである。
このような単セルでは、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、第一セパレータおよび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、第一セパレータおよび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。
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、酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔が酸化ガス流路の両端に接続されて、酸化ガス流路を通じて酸化ガスが膜／電極接合体に供給されると共に、燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔が燃料ガス流路の両端に接続されて、燃料ガス流路を通じて燃料ガスが膜／電極接合体に供給される一方、セパレータの副面側では、冷却水供給孔と冷却水排出孔が冷却水流路の両端に接続されて、冷却水流路を冷却水が流通するようになっている。
ところが、このような従来構造の固体高分子型燃料電池では、未だ十分な発電性能を得られない場合もあった。蓋し、優れた発電性能を実現するためには、膜／電極接合体とセパレータが高精度に位置合わせされて、組み付けられることが重要となるが、従来構造の固体高分子型燃料電池で採用される膜／電極接合体は、非常に薄く、変形を生じ易いことから、第一セパレータと第二セパレータの間に高精度に位置決めして配置することが極めて困難だったからである。
そこで、特許文献１（特開平１１−４５７２９号公報）等には、膜／電極接合体における固体高分子電解質膜の外周部分を覆うようにフレームを配置して、このフレームで膜／電極接合体を補強することにより、第一セパレータと第二セパレータの間での膜／電極接合体の組付けを容易に且つ高精度に実現することが、提案されている。
ところで、上述の如く、固体高分子型燃料電池における発電電圧を安定させるためには、各触媒電極の表面上に酸化ガス（酸素）や燃料ガス（水素）を安定して供給することが必要である。また、それらガスの安定供給を実現するためには、セパレータ間や膜／電極接合体とセパレータの間からのガスの漏れ出しを防ぐことが重要である。それ故、例えば、特許文献２（特開２０００−２９４２５４号公報）等に示されているように、従来構造の固体高分子型燃料電池では、相互に重ね合わされる膜／電極接合体やセパレータ等の部材間にシールゴム層を形成して、シールゴム層を介して各部材を重ね合わせることにより、部材間からのガスの漏れ出しを防ぐ構造が採用されている。なお、このシールゴム層は、一般的に、燃料ガスおよび酸化ガスの給排路を囲むように形成される。
しかしながら、このような従来構造の固体高分子型燃料電池に採用されるシールゴム層では、ガス給排孔とガス流路の接続部分におけるガスの回りこみが問題となる場合がある。即ち、シールゴム層が、ガス流路に接続されるガス給排孔とガス流路を一体的に取り囲むように形成されていることから、膜／電極接合体がセパレータよりも小さな平面形状で形成されて、膜／電極接合体がガス給排孔よりも内周側に位置せしめられている場合には、膜／電極接合体の外周縁部でガス流路とガス給排孔の接続流路上に位置せしめられる部分で、膜／電極接合体の本来それらガスが供給されるべき面とは反対側の面側に侵入するおそれがある。蓋し、一般に、固体高分子電解質膜は、非常に薄肉で変形を生じ易いシート状を呈しており、その外周縁部が流路上に露出した状態で位置せしめられるとガスの流入圧によって容易に撓み変形して、セパレータとの重ね合わせ面間に隙間を生じ、その隙間を通じて燃料ガスや酸化ガスが固体高分子電解質膜を回り込んで侵入する可能性があるからである。
なお、ガス給排孔とガス流路を接続する接続流路を、セパレータの主面において開口する凹溝を利用して形成し、凹溝の開口部に硬質の部材で形成される蓋部材を橋渡し状に嵌め付けて、接続流路をトンネル構造とすることも可能である。そして、この蓋部材にシールゴム層を被着形成し、膜／電極接合体（固体高分子型燃料電池）の外周縁部をセパレータに形成されるシールゴム層と蓋部材に形成されるシールゴム層の間で挟み込むことにより、膜／電極接合体を回りこんでガスが漏出することを防ぐことも、ガスの漏れ出しを防ぐためには有効であると考えられる。しかし、このような手段を採用すると、ガスの漏出を効果的に防ぐことが出来る一方で、セパレータとは別体として形成される蓋部材が必要となることから、部品点数が増加すると共に、蓋部材を精度良く組み付けることが必要となって、生産性の低下が問題となるおそれもある。
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、特別な部品を要することなく、少ない部品点数で優れたシール性能を実現することを可能とする、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルおよびそれを用いた新規な構造の固体高分子型燃料電池を提供することを、目的とする。
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、可能な限り任意な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。
すなわち、本発明は、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する突出部とし、該突出部を覆って該突出部を補強する補強樹脂部材を該突出部に固着すると共に、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの該膜／電極接合体に重ね合わされる主面上に主面シールゴム層を固着して、該補強樹脂部材を該主面シールゴム層を介して該第一セパレータおよび該第二セパレータに重ね合わせる一方、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の端部を該第一セパレータと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供給孔及び燃料ガス排出孔と酸化ガス供給孔及び酸化ガス排出孔にそれぞれ接続する接続凹溝を該第一セパレータ及び該第二セパレータの各主面側に形成し、該接続凹溝の溝幅を接続される該燃料ガス流路又は該酸化ガス流路の流路幅より大きくして該燃料ガス流路又は該酸化ガス流路の複数本を該接続凹溝に接続すると共に、該補強樹脂部材を該接続凹溝の開口部分を跨ぐように配置することによって該接続凹溝をトンネル状構造とし、更に、該接続凹溝において、該接続凹溝の底壁面から突出する支持突起を少なくとも一つ形成して、前記補強樹脂部材の該接続凹溝を跨いだ中間部分を該支持突起に当接させて支持せしめると共に、該補強樹脂部材の該接続凹溝を跨いだ両側部分を該主面シールゴム層に対して密着させて支持せしめたことを、特徴とする。
このような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おいては、膜／電極接合体の外周部分に突出する固体高分子電解質膜の突出部が、補強樹脂部材で覆われていると共に、補強樹脂部材が接続凹溝の開口部を跨ぐように配設されている。これによれば、接続凹溝の開口部を跨ぐように補強樹脂部材が配設されており、ガス流路とガス供給孔及びガス排出孔の接続部分がトンネル状構造とされていることから、ガス流路とガス供給孔及びガス排出孔の接続部分（接続凹溝）における燃料ガスや酸化ガスの漏れ出しを有利に防ぐことが出来る。しかも、ガス流路とガス供給孔及びガス排出孔の接続部分でのガスシールをするために接続凹溝がトンネル構造とされていると共に、かかるトンネル構造が膜／電極接合体の外周縁部に固着される補強樹脂部材で接続凹溝の開口部を覆うことで実現されている。それ故、接続凹溝の開口部を覆うために特別な部材を採用する必要がなく、部品点数の削減を図ることも出来る。更に、固体高分子電解質膜（膜／電極接合体）の外周縁部が、補強樹脂部材で補強されていることから、接続凹溝を流通せしめられる燃料ガスや酸化ガスの圧力によって固体高分子電解質膜（膜／電極接合体）が変形することを防ぐことが出来る。それ故、第一セパレータに形成された接続凹溝上に固体高分子電解質膜の外周縁部が位置せしめられている場合に、固体高分子電解質膜に重ね合わされた第二セパレータと固体高分子電解質膜の間に隙間ができて、かかる隙間を通じて燃料ガスや酸化ガスが膜／電極接合体を挟んだ反対側に導かれるのを防ぐことが出来て、固体高分子型燃料電池用セルにおける発電性能の安定化や発電効率の向上等を有利に図ることが出来る。しかも、固体高分子電解質膜の突出部に対して補強樹脂部材を固着せしめることから、補強樹脂部材と膜／電極接合体の間を通じてガスが漏れ出すことを回避できる。
また、前記補強樹脂部材が少なくとも一本の補強用桟を有しており、前記燃料電極および前記酸化電極が該補強用桟を挟んで分割された複数の電極を含んで構成されていることが、望ましい。これによれば、補強樹脂部材による膜／電極接合体の補強をより有利に実現することが出来る。
さらに、前記支持突起が前記接続凹溝の長さ方向で所定の長さをもって連続的に延びるように複数形成されていると共に、それら複数の支持突起が該接続凹溝の溝幅方向で相互に離隔して配設されていることが、望ましい。これによれば、支持突起と補強樹脂部材の接触面積を増すと共に、広範囲に亘ってそれら支持突起と補強樹脂部材の当接箇所を得ることが出来て、より効果的にガス流路の断面形状の安定化を図ってガスの漏れ出しを防ぐことが出来る。
また、前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路が何れも直線的に延びている一方、それら燃料ガス流路および酸化ガス流路の両端部分が該燃料ガス流路および該酸化ガス流路の幅方向に広がる一対のガス保留部にそれぞれ接続されていると共に、該ガス保留部が前記接続凹溝を通じて前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔の何れかに接続されており、該ガス保留部で一時的に燃料ガスおよび酸化ガスの何れか一方が貯留されるようになっていることが、望ましい。これによれば、ガス保留部で一時的に貯留されたガスをガス流路に供給することにより、供給されるガスの圧力を安定化させることが出来る。更に、ガス流路が直線的な形状とされていることにより、流路が屈曲や湾曲している場合の圧力損失を回避することが出来て、より安定した圧力で燃料ガスや酸化ガスを供給することが出来る。従って、供給されるガスで局所的に過大な圧力が作用せしめる等して、シール性能が低下することを有利に防ぐことが出来て、安定した発電性能を効率的に得ることが出来る。
また、前記主面シールゴム層が、前記燃料電極および前記酸化電極の何れか一方に重ね合わされて前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔の周囲を、少なくとも囲むように形成されていると共に、該主面シールゴム層の前記補強樹脂部材と重ね合わされる部分には、重ね合わせ方向で突出して連続的に形成されるＭＥＡシール突条が一体形成されていることが、望ましい。これによれば、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流路を略全体に亘って囲むように主面シールゴム層でシールして、それらガスの漏出を防ぐことが出来ると共に、主面シールゴム層に形成されるＭＥＡシール突条によって補強樹脂部材とセパレータが流体密に重ね合わされて、それら部材間でのガスのリークを有利に防ぐことが出来る。
また、前記第一セパレータに固着される前記主面シールゴム層には、前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔をそれぞれ囲むように主面シール突条が連続的に突出して形成されていると共に、前記第二セパレータにおける該主面シール突条が当接せしめられる部分に固着された該主面シールゴム層の表面が平坦面とされていることが、望ましい。これによれば、突出形成された主面シール突条と主面シールゴム層の平坦面によって、第一セパレータと第二セパレータの重ね合わせ面間でのシールを実現している。それ故、第一セパレータと第二セパレータの重ね合わせ方向に直交する方向での高精度な位置合わせを要することなく、主面シール突条と主面シールゴム層の平坦面との圧接を実現することが出来る。従って、組付け時の誤差等に大きく影響されることなく安定してシール性能が発揮される。
また、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの外周縁部にセパレータ補強部材が全周に亘って固着されており、互いに重ね合わされる該セパレータ補強部材の重ね合わせ面が、相互に嵌合する嵌合凸条および嵌合凹溝の少なくとも何れかを有して相互に嵌合する形状とされていることが、望ましい。これによれば、セパレータ補強部材によってセパレータの湾曲や捻り等の変形を防ぐことが出来る。しかも、セパレータ補強部材には、相互に嵌合する嵌合凸条と嵌合凹溝の少なくとも何れかが形成されていることから、セパレータ補強部材によって重ね合わせ方向に対して直角を為す方向でのセパレータ同士の位置合わせを容易に行うことが出来る。
また、前記セパレータ補強部材が合成樹脂材料で形成されていると共に、前記セパレータの外周縁部を挟持する一対の補強部を有する射出成形用金型を用いて該セパレータ補強部材が射出成形されていることが、望ましい。これによれば、セパレータ補強部材の射出成形時にセパレータが合成樹脂の射出圧によって変形することを防ぐことが出来る。
一方、本発明は、上述したような固体高分子型燃料電池用セルを、前記セパレータと前記膜／電極接合体の重ね合わせ方向で複数重ね合わせて構成される固体高分子型燃料電池も、特徴とする。このような構造とされた固体高分子型燃料電池では、燃料ガスや酸化ガスの漏れ出し等を防いで、効率的な発電を安定して実現することが出来る。
また、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路の何れかが形成されている領域を外周側に外れた位置に、主面と反対側の副面側に向かって突出する導電突出部が形成されていると共に、複数の前記固体高分子型燃料電池用セルの重ね合わせ面間で、重ね合わされる一方の該固体高分子型燃料電池用セルにおける該第一セパレータに形成された該導電突出部と重ね合わされる他方の該固体高分子型燃料電池用セルにおける該第二セパレータの該導電突出部が相互に接触するようにされていることが、望ましい。これによれば、相互に接触せしめられる導電突出部を通じて、各単セルで発電される電圧を効率的に集電することが出来る。
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。
先ず、図１には、本発明に従う構造と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。かかる固体高分子型燃料電池１０は、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としての単セル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。
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。本実施形態において、それら固体高分子膜１４と燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂは、何れも矩形平板形状であって、固体高分子膜１４が燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂに比して、正面視での面積が大きくされており、それらが重ね合わされた膜／電極接合体１８において、固体高分子膜１４が全周に亘って燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも外方に延び出している。
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。
また、固体高分子膜１４において、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂよりも外方に突出せしめられた部分、即ち突出部１９には、全周に亘って補強樹脂部材としての樹脂フィルム２０が接着されており、樹脂フィルム２０と固体高分子膜１４と電極１６ａ，１６ｂを有するＭＥＡコンポーネント２２が構成されている。樹脂フィルム２０は、ポリプロピレンやＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等の樹脂材料で形成されており、全体として薄肉の枠体形状を呈している。そして、樹脂フィルム２０が固体高分子膜１４の外周縁部に重ね合わされて接着されることにより、固体高分子膜１４が樹脂フィルム２０で補強されている。なお、樹脂フィルム２０は、固体高分子膜１４よりも一回り大きな外形形状を有しており、固体高分子膜１４よりも外方に突出せしめられている。
さらに、図３に示されているように、本実施形態の樹脂フィルム２０は、正面視で左右方向に長い薄肉の矩形枠体形状とされていると共に、樹脂フィルム２０の上下方向中間部分には、水平方向（図３中、左右方向）に延びる複数の補強用桟２３が形成されている。この補強用桟２３によって、樹脂フィルム２０の変形がより有利に防がれている。また、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、樹脂フィルム２０の形状に対応して、それぞれ、補強用桟２３を挟んで複数に分割されている。本実施形態では、図３に示されているように、三本の補強用桟２３が樹脂フィルム２０の上下方向で等間隔に配置されており、それら補強用桟２３を挟んで燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂが上下方向で四つに分割されて配設されている。なお、このような補強用桟２３を有する樹脂フィルム２０は、正面視で所定の長方形とされた合成樹脂製のフィルムを補強用桟２３を残すように打抜き加工すること等によって得ることが出来る。また、補強用桟は、必ずしも水平方向に延びるように形成されている必要はない。例えば、垂直方向や対角方向等に延びるように形成されていても良い。更に、補強用桟は必ずしも必要ではなく、樹脂フィルム２０の剛性や形状などによっては補強用桟が形成されていなくても良い。
更にまた、このようなＭＥＡコンポーネント２２は、例えば、特開平１１−４５７２９号公報等に開示されているように、固体高分子膜１４の各面に燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを固着することにより膜／電極接合体１８が形成されると共に、膜／電極接合体１８において燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂよりも外方に延び出した固体高分子膜１４の突出部を両側から挟み込むように、樹脂フィルム２０が重ね合わされて、それら重ね合わされた樹脂フィルム２０を固体高分子膜１４に熱融着せしめること等により、製造することが出来る。なお、固体高分子膜１４の両側から重ね合わされた二枚の樹脂フィルム２０は、熱融着によって一体的に固着されている。
また、ＭＥＡコンポーネント２２を挟み込むように一組のセパレータ２４，２６が重ね合わされている。なお、本実施形態では、燃料電極１６ａ側に重ね合わされるセパレータを第一セパレータ２４とすると共に、酸化電極１６ｂ側に重ね合わされるセパレータを第二セパレータ２６とする。また、本実施形態では、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６として、図４〜図６に示されている如き、同一の金属製セパレータ２８が採用されている。
この金属製セパレータ２８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２８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。特に本実施形態では、金属製セパレータ２８が、厚さ寸法が略０．２ｍｍとされた金属プレートを用いて成形されている。
具体的には、金属製セパレータ２８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４個）の貫通孔３４ａ〜ｈが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における４個の貫通孔３４ｅ，３４ａ，３４ｃ，３４ｆと、第二辺縁部３２における４個の貫通孔３４ｇ，３４ｄ，３４ｂ，３４ｈ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２８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２８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８個の貫通孔３４ａ〜ｈ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３４ｅ，３４ａ，３４ｃ，３４ｆ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３４ｇ，３４ｄ，３４ｂ，３４ｈが形成されている。
これにより、２枚の金属製セパレータ２８，２８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４個の貫通孔３４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３４ａ〜ｈが、それぞれ、燃料ガス供給孔３６ａ，燃料ガス排出孔３６ｂ，酸化ガス供給孔３６ｃ，酸化ガス排出孔３６ｄ，冷却水供給孔３６ｅ，３６ｆ，冷却水排出孔３６ｇ，３６ｈとされている。
さらに、金属製セパレータ２８のＭＥＡコンポーネント２２と重ね合わされる主面３８には、その中央部分に、水平方向に向かって直線的に延びる複数の主面凹溝４０が、互いに略平行に並んで形成されている。なお、金属製セパレータ２８の主面３８で、上下方向に隣り合う主面凹溝４０は、略一定の間隔をもって形成されていることが望ましい。更に、主面凹溝４０の間には、所定の本数毎に、より広い離隔距離を有する突出支持部４２が形成されて、主面凹溝４０が上下方向で複数の組に区切られていることが望ましい。本実施形態では、主面凹溝４０が、１０本毎に突出支持部４２で区切られており、合計で４０本の主面凹溝４０が３つの突出支持部４２で区切られて形成されている。また、金属製セパレータ２８にＭＥＡコンポーネント２２が重ね合わされた状態で、突出支持部４２に樹脂フィルム２０の補強用桟２３が重ね合わされるように、突出支持部４２同士の間隔が設定されていると共に、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂが主面凹溝４０の開口を覆うように重ね合わされるようになっている。
また、本実施形態では、主面凹溝４０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、主面凹溝４０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とされている。更に、より望ましくは、開口部の溝幅が１．３ｍｍ、底部の溝幅が０．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される主面凹溝４０において、隣り合う主面凹溝４０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、０．５ｍｍとされる。
また、金属製セパレータ２８の主面３８には、貫通孔３４ａ〜ｈと主面凹溝４０の端部との間に一対のガス保留部としてのガス保留領域４４，４４が形成されている。ガス保留領域４４は、鉛直方向に延びるように形成されて、主面凹溝４０の端部に接続されている。また、ガス保留領域４４には、主面凹溝４０と同じ深さ寸法で形成されて鉛直方向に延びる深底部分と、深底部分よりも深さ寸法が小さくされた浅底部分が、少なくとも一つずつ形成されている。なお、本実施形態におけるガス保留領域４４は、後述する主面シールゴム層５４で囲まれることによって形成されている。
さらに、金属製セパレータ２８の主面３８には、貫通孔３４ａ，３４ｂと各ガス保留領域４４，４４をそれぞれ接続する接続凹溝４６，４６が形成されている。接続凹溝４６は、主面凹溝４０と略同一の深さ寸法とされた凹溝であって、一方の端部が貫通孔３４ａ，３４ｂに接続されて貫通孔３４ａ，３４ｂから内方に向かって略水平に延び出すように形成されていると共に、他方の端部がガス保留領域４４に接続されている。また、接続凹溝４６の貫通孔３４ａ，３４ｂとの接続部付近には、接続凹溝４６の他の部分よりも深さ寸法が小さくされた段差部４８が設けられており、接続凹溝４６の幅方向へ接続凹溝４６の両側側壁間で延びている。更に、接続凹溝４６のガス保留領域４４との接続部付近には、接続凹溝４６の底面から突出する複数の支持突起５０が形成されている。支持突起５０は、接続凹溝４６の長さ方向に所定の長さで延びるように形成されており、本実施形態では、複数の支持突起５０が略一定の間隔をもって相互に平行に延びるように形成されている。なお、段差部４８や支持突起５０は必ずしも必要ではないと共に、上述の如き形状や数で形成されている必要もない。例えば、支持突起を、柱形状や円錐台形状、角錐台形状等としても良いし、接続凹溝４６の略全体に分布するように配置しても良い。
また、金属製セパレータ２８の主面３８で、主面凹溝４０が形成された領域とガス保留領域４４を合わせた領域が、ＭＥＡコンポーネント２２と重ね合わされて、燃料ガスおよび酸化ガスの何れかが流通せしめられるガス拡散領域５２とされている。
また、図４，５に示されているように、金属製セパレータ２８の主面３８には、燃料ガスの給排孔３６ａ，３６ｂと酸化ガスの給排孔３６ｃ，３６ｄ、更には、ガス拡散領域５２の周囲を、何れも囲むように主面シールゴム層５４が被着形成されている。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５４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２８の主面３８に接着されており、金属製セパレータ２８に対して流体密に密着せしめられている。
さらに、主面シールゴム層５４の内周縁部は、主面シールゴム層５４の外周部分に比して薄肉とされたＭＥＡシールゴム層５６とされている。ＭＥＡシールゴム層５６は、接続凹溝４６の形成部分を除く略全周に亘って所定の幅で形成されており、ＭＥＡコンポーネント２２の樹脂フィルム２０が重ね合わされるようになっている。更に、ＭＥＡシールゴム層５６には、ＭＥＡシール突条５８が一体形成されている。ＭＥＡシール突条５８は、略一定の半円形断面で連続的に延びて形成されていると共に、接続凹溝４６の手前で屈曲して、接続凹溝４６に沿って外方に延び出している。なお、本実施形態では、接続凹溝４６の底面に突出形成される支持突起５０の突出先端が、ＭＥＡシールゴム層５６の表面と略同一平面上に位置せしめられている。
一方、金属製セパレータ２８において、主面凹溝４０が開口する主面３８と反対側の副面６０には、図６に示されているように、副面凹溝６２が形成されている。副面凹溝６２は、主面３８に形成された複数条の主面凹溝４０の間で、副面６０に開口するように形成されて、水平方向で直線的に延びている。即ち、主面３８に開口して相互に平行に延びる複数の主面凹溝４０の間で形成される凸部を、その反対側の副面６０に開口する副面凹溝６２として利用しているのである。
また、副面凹溝６２は、主面３８におけるガス保留領域４４の一部の副面６０側を利用して、貫通孔３４ｅ〜ｈに接続されている。即ち、貫通孔３４ｅ〜ｈから水平方向に延び出した後、略直角方向に屈曲して、金属製セパレータ２８の上下方向中央部に形成される副面凹溝６２の端部に接続される接続通路６４が、ガス保留領域４４の主面凹溝４０との接続部分の副面６０側を含んで形成されている。なお、かかる接続通路６４は、後述する副面シールゴム層６８で周囲を囲まれることにより形成されている。
また、金属製セパレータ２８の上下端部で、副面凹溝６２の形成部分を外周側に外れた箇所には、導電突出部としての一組の導電接触部６６が形成されている。この導電接触部６６は、副面６０側に突出するように形成されており、水平方向で副面凹溝６２よりも僅かに短い範囲に亘って直線的に延びるように形成されている。そして、複数の単セル１２が重ね合わされることによって、各金属製セパレータ２８に形成された導電接触部６６が、副面６０側で相互に接触せしめられるようになっている。なお、本実施形態の導電接触部６６は、金属製セパレータ２８にプレス加工を施して、所定の部分を副面６０側に突出せしめることにより形成されている。また、かかる導電接触部６６は、必ずしも必要ではないと共に、形成位置や形成数等も何等限定されるものではない。
さらに、金属製セパレータ２８の副面６０には、副面凹溝６２が形成された領域を囲むように副面シールゴム層６８が被着形成されている。この副面シールゴム層６８は、単セル１２同士の重ね合わせ時に、金属製セパレータ２８同士が直接的に接触せしめられて、各単セル１２で発電される電圧を単セル１２間で導電する領域（導電接触部６６や、副面凹溝６２の間の突部、更には、接続凹溝４６の副面６０側や、ガス保留領域４４の深底部分の副面６０側など）を除くように被着形成されている。更に、副面シールゴム層６８は、貫通孔３４ｅ〜ｈと副面凹溝６２を接続する接続通路６４の形成部分を除くように形成されており、これにより、副面シールゴム層６８が被着された部分の表面よりも副面シールゴム層６８の厚さ寸法だけ凹んだ接続通路６４が形成されている。
また、金属製セパレータ２８の外周縁部には、硬質の合成樹脂材料で形成されたセパレータ補強部材７０が固着されている。セパレータ補強部材７０は、金属製セパレータ２８の板厚寸法に比して十分に厚肉とされた略枠体形状であって、金属製セパレータ２８の外周縁部を全周に亘って連続的に覆うように固着されている。このようなセパレータ補強部材７０を設けることにより、薄肉とされた金属製セパレータ２８を補強して変形するのを防ぐことが出来る。なお、セパレータ補強部材７０の厚さ寸法（セパレータの重ね合わせ方向での寸法）が適当に設定されることによって、導電接触部６６の突出先端面や、副面凹溝６２の間に形成される突部の先端、更には、接続凹溝４６の底面の副面６０側や、ガス保留領域４４の深底部分の副面６０側などが、セパレータ補強部材７０の副面６０側の表面と同一平面上、或いは、それよりも僅かに突出して位置せしめられるようになっている。
また、第一セパレータ２４の外周縁部に固着されるセパレータ補強部材７０には、主面３８側に略一定の半円形断面で延びる溝状の嵌合凹溝７２が形成されていると共に、副面６０側には嵌合凹溝７２の溝形状に対応する半円形断面を有する嵌合凸条７４が突出形成されている。更に、第二セパレータ２６の外周縁部に固着されるセパレータ補強部材７０には、主面３８側に嵌合凸条７４が形成されていると共に、副面６０側に嵌合凹溝７２が形成されている。それら嵌合凹溝７２と嵌合凸条７４は、相互に嵌合する形状とされており、第一セパレータ２４の嵌合凹溝７２と第二セパレータ２６の嵌合凸条７４が主面３８側で相互に位置合わせされて嵌め付けられると共に、第一セパレータ２４の嵌合凸条７４と第二セパレータ２６の嵌合凹溝７２が副面６０側で相互に位置合わせされて嵌め付けられるようになっている。これにより、金属製セパレータ２８を補強するセパレータ補強部材７０を利用して、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の位置決めを容易に実現することが出来て、それらセパレータ２４，２６の組付け作業を効率的に行うことが出来る。なお、組付け作業の容易さを実現するために、セパレータ補強部材７０を採用することが望ましいが、セパレータ補強部材７０はなくても良い。また、セパレータ補強部材７０の重ね合わせ面に形成される嵌合凹溝７２と嵌合凸条７４は、セパレータ補強部材７０の一方の面において、必ずしも何れか一方のみが一条だけ形成されている必要はなく、それぞれ異なる位置で延びるように並んで複数条形成されていても良く、一方の面に嵌合凹溝７２と嵌合凸条７４の両方が形成されていても良い。
このようなセパレータ補強部材７０は、金型に金属製セパレータ２８をセットし、合成樹脂材料を射出成形することによって有利に形成することが出来る。特に、射出成形用金型に対して、金属製セパレータ２８の外周縁部を主面３８側と副面６０側の両側から挟み込んで補強支持する補強部を設けることにより、セパレータ補強部材７０の射出成形時による圧力で金属製セパレータ２８が変形することを防ぐことが出来る。なお、本実施形態におけるセパレータ補強部材７０は、補強部によって金属製セパレータ２８が挟持された状態で射出成形されている。それ故、図４〜７に示されているように、補強部の金属製セパレータ２８への当接によって、合成樹脂材料が充填されていない小径孔状の部分が形成されており、かかる部分では孔を通じて金属製セパレータ２８が外部に露出している。
そして、かかる金属製セパレータ２８を用いた第一セパレータ２４と第二セパレータ２６によってＭＥＡコンポーネント２２が両側から挟み込まれて、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６の各主面３８，３８がＭＥＡコンポーネント２２に重ね合わせられることにより、単セル１２が形成される。また、図７に示されているように、第一セパレータ２４に形成されたガス流通用の主面凹溝４０の開口が燃料電極１６ａで覆蓋されることにより、トンネル状とされて、第一セパレータ２４と燃料電極１６ａの重ね合わせ面間に、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路７６が形成されている。更に、第二セパレータ２６に形成されたガス流通用の主面凹溝４０の開口が酸化電極１６ｂで覆蓋されることにより、トンネル状とされて、第二セパレータ２６と酸化電極１６ｂの重ね合わせ面間に、酸素（空気）を供給する酸化ガス流路７８が形成されている。本実施形態では、主面凹溝４０が直線的に水平方向で延びて形成されていることから、主面凹溝４０を利用して形成される燃料ガス流路７６および酸化ガス流路７８が水平方向で直線的に延びて形成されることとなる。それ故、燃料ガス流路７６および酸化ガス流路７８を通じて流通せしめられる燃料ガスおよび酸化ガスが局所的な圧力の違いを生じることなく安定して供給される。しかも、本実施形態では、燃料ガス流路７６および酸化ガス流路７８がガス保留領域４４を介してそれら燃料ガスおよび酸化ガスの給排孔３６ａ〜ｄに接続されるようになっており、ガス供給孔３６ａ，３６ｃから供給されるガスが、ガス保留領域４４に一時的に保留された後に燃料ガス流路７６および酸化ガス流路７８に供給されるようになっている。これにより、複数の燃料ガス流路７６および酸化ガス流路７８に対して、安定した圧力でガスが供給されるようになっている。
また、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６とＭＥＡコンポーネント２２が重ね合わされて積層構造とされた単セル１２では、ＭＥＡコンポーネント２２を構成する樹脂フィルム２０に形成される補強用桟２３が、主面凹溝４０の間に形成される突出支持部４２に重ね合わされている。これにより、樹脂フィルム２０の外周縁部が第一セパレータ２４および第二セパレータ２６の各ＭＥＡシールゴム層５６，５６の間で挟み込まれて支持されていると共に、樹脂フィルム２０の中間部分の一部が第一セパレータ２４の突出支持部４２と第二セパレータ２６の突出支持部４２の間で挟持されており、樹脂フィルム２０、ひいては、ＭＥＡコンポーネント２２の撓み変形等が有利に防がれるようになっている。
更にまた、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２４と他方の単セル１２の第二セパレータ２６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８０が形成されている。この冷却水流路８０は、第一セパレータ２４の副面６０に形成される副面凹溝６２の開口と、第二セパレータ２６の副面６０に形成される副面凹溝６２の開口が、相互に重ね合わされて覆蓋されることにより、それら副面凹溝６２，６２の対向面間に形成されている。
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の各中央部分に位置して、燃料ガス供給孔３６ａ，燃料ガス排出孔３６ｂ，酸化ガス供給孔３６ｃ，酸化ガス排出孔３６ｄ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３６ａと燃料ガス排出孔３６ｂ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３６ｃと酸化ガス排出孔３６ｄが形成されている。また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部および下部には、冷却水供給孔３６ｅ，３６ｆと冷却水排出孔３６ｇ，３６ｈが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通するように形成されている。なお、燃料ガス供給孔３６ａと燃料ガス排出孔３６ｂが燃料ガス流路７６を通じて相互に接続されていると共に、酸化ガス供給孔３６ｃと酸化ガス排出孔３６ｄが酸化ガス流路７８を通じて相互に接続されている。更に、冷却水供給孔３６ｅ，３６ｆと冷却水排出孔３６ｇ，３６ｈが冷却水流路８０を通じて相互に接続されている。また、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６が、互いに表裏反対となるように重ね合わされた同一の金属製セパレータ２８で構成されていることにより、第一セパレータ２４では、主面凹溝４０を利用して形成される燃料ガス流路７６によって燃料ガス供給孔３６ａと燃料ガス排出孔３６ｂが接続されるようになっている一方、第二セパレータ２６では、主面凹溝４０を利用して形成される酸化ガス流路７８によって酸化ガス供給孔３６ｃと酸化ガス排出孔３６ｄが接続されるようになっている。
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特開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２４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２６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。なお、本実施形態では、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の各副面６０側に突出するように形成される導電接触部６６が相互に接触せしめられるようになっていると共に、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６が、それらセパレータ２４，２６の副面６０側において、導電接触部６６を含む部分で直接的に重ね合わされており、各単セル１２間が電気的に導通されている。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８２と陰極側押え板８４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８２，８４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。
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８２と陰極側押え板８４には、燃料ガス供給用ポート８６ａ，燃料ガス排出用ポート８６ｂ，酸化ガス供給用ポート８０ｃ，酸化ガス排出用ポート８６ｄ，冷却水供給用ポート８６ｅ，８６ｆ，冷却水排出用ポート８６ｇ，８６ｈの合計８個のポート８６が形成されている。更に、これらそれぞれのポート８６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３６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８６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３６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。
そして、これら各供給用ポート８６ａ，８６ｃ，８６ｅ，８６ｆを通じて各供給孔３６ａ，３６ｃ，３６ｅ，３６ｆ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７６および酸化ガス流路７８と、単セル１２間に形成された冷却水流路８０を流通せしめられた後、各排出孔３６ｂ，３６ｄ，３６ｇ，３６ｈを経て、各排出用ポート８６ｂ，８６ｄ，８６ｇ，８６ｈを通じて排出されるようになっているのである。
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２４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２６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。
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に発揮させるには、各単セル１２に対して連続的に供給される燃料ガス及び酸化ガスを、それらガスの流通経路（ガス拡散領域５２や接続凹溝４６）から外部に漏らすことなく反応せしめて発電作用を得る必要がある。
そこで、本実施形態においては、金属製セパレータ２８の主面３８側に対して、ガス拡散領域５２及び貫通孔３４ａ〜ｈを取り囲むように形成された主面シールゴム層５４（ＭＥＡシールゴム層５６）が被着形成されている。更に、接続凹溝４６の開口がＭＥＡコンポーネント２２（樹脂フィルム２０）および単セル１２を構成する他方の金属製セパレータ２８で覆蓋されて、ガス流路７６，７８とガス給排孔３６ａ〜ｄを接続する部分がトンネル状の流路とされている。
すなわち、主面シールゴム層５４は、ガス拡散領域５２および各貫通孔３４ａ〜ｈをそれぞれ全周に亘って取り囲むように略一定の厚さで形成される薄肉のゴム層である。また、主面シールゴム層５４の内周縁部には、接続凹溝４６の形成箇所を除いてガス拡散領域５２を取り囲むように、略全周に亘ってＭＥＡシールゴム層５６が一体形成されている。このＭＥＡシールゴム層５６は、ＭＥＡコンポーネント２２の外周形状に対応して形成されており、ＭＥＡコンポーネント２２の外周縁部が、第一，第二のセパレータ２４，２６のＭＥＡシールゴム層５６が被着された部分に、略全周に亘って重ね合わされるようになっている。また、ＭＥＡシールゴム層５６は、ＭＥＡコンポーネント２２の厚さ寸法に応じて、主面シールゴム層５４よりも薄肉とされている。即ち、本実施形態では、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６の各ＭＥＡシールゴム層５６が、ＭＥＡコンポーネント２２の厚さ寸法の略半分ずつ主面シールゴム層５４の厚さ寸法よりも薄肉とされており、それら第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の各ＭＥＡシールゴム層５６の間でＭＥＡコンポーネント２２が挟み込まれて配設されるようになっている。なお、ＭＥＡシールゴム層５６の外周形状をＭＥＡコンポーネント２２の外周形状と対応させることにより、ＭＥＡコンポーネント２２が第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の間で面に平行な方向での所定位置に位置決めされて組み付けられるようになっている。これにより、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６とＭＥＡコンポーネント２２の重ね合わせ面間がＭＥＡシールゴム層５６で流体密に密着せしめられて、燃料ガスや酸化ガスの漏れによる発電性能の低下や不安定化等を有効に防ぐことが出来る。
さらに、本実施形態では、ＭＥＡシールゴム層５６の幅方向中央部分に一体形成されて、略全周に亘って連続的に延びるＭＥＡシール突条５８が設けられている。そして、ＭＥＡコンポーネント２２が第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の間に挟みこまれると、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６の各ＭＥＡシール突条５８がＭＥＡコンポーネント２２の各面に押し付けられて、ＭＥＡコンポーネント２２と各セパレータ２４，２６の間でのガスシールをより有利に実現することが出来る。
また、図８に示されているように、ＭＥＡコンポーネント２２は、ＭＥＡコンポーネント２２の外周縁部を構成する樹脂フィルム２０の少なくとも一部が第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の各接続凹溝４６上に位置するように、第一セパレータ２４および第二セパレータ２６対して位置合わせされている。これによって、接続凹溝４６の主面３８側の開口部がＭＥＡコンポーネント２２の外周縁部で覆われており、トンネル状の流路が形成されている。これにより、ガス給排孔３６ａ〜ｄとガス流路７６，７８の接続部分での燃料ガスや酸化ガスの漏出を有利に防ぐことが出来る。特に、膜／電極接合体１８の外周部分を膜／電極接合体１８よりも外周側に延び出すように設けられる硬質の樹脂フィルム２０で補強し、その硬質な樹脂フィルム２０を接続凹溝４６の開口部上に跨るように配置することによって、ガス流路７６，７８とガス給排孔３６ａ〜ｄの接続部分がトンネル状の流路とされている。それ故、樹脂フィルム２０を備えていない膜／電極接合体１８で接続凹溝４６を覆う場合に比して、流通せしめられるガスの圧力によってＭＥＡコンポーネント２２が変形せしめられて、ＭＥＡコンポーネント２２とＭＥＡシールゴム層５６の間に隙間が形成され、かかる隙間を通じてガスがＭＥＡコンポーネント２２を挟んだ反対側に侵入するのを、効果的に回避することが出来る。
しかも、本実施形態では、接続凹溝４６の底面から突出するように支持突起５０が形成されており、図８に示されているように、その支持突起５０の突出先端が、ＭＥＡシールゴム層５６の表面と略同一平面上に位置せしめられていることにより、ＭＥＡコンポーネント２２の樹脂フィルム２０に当接するようになっている。これによって、ＭＥＡコンポーネント２２が支持突起５０で支持されて、接続凹溝４６とＭＥＡコンポーネント２２で形成される流路のトンネル構造がより有利に維持されるようになっている。特に本実施形態では、支持突起５０が接続凹溝４６の長さ方向（水平方向）で所定の長さをもって延びるように形成されていると共に、複数の支持突起５０が接続凹溝４６の溝幅方向で相互に所定の間隔で離隔して配置されている。それ故、ＭＥＡコンポーネント２２の支持突起５０による当接支持をより有利に安定して実現することが出来る。
また、第一セパレータ２４に被着形成された主面シールゴム層５４では、貫通孔３４ａ〜ｈをそれぞれ略全周に亘って取り囲むように主面シール突条８８が形成されている一方、第二セパレータ２６に被着された主面シールゴム層５４では、第一セパレータ２４との重ね合わせ状態下で主面シール突条８８が圧接せしめられる部分が、平坦面とされている。これにより、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の重ね合わせ時に、第一セパレータ２４に形成される主面シール突条８８が第二セパレータ２６の主面シールゴム層５４における平坦面に押し付けられて、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の重ね合わせ面間でのシールが実現されている。特に、第二セパレータ２６の主面シールゴム層５４において、第一セパレータ２４側の主面シールゴム層５４に形成される主面シール突条８８が押圧される部分を、平坦面で構成することにより、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の面方向での高精度な位置合わせを必要とすることなく、それらセパレータ２４，２６間でのシールを有効に実現することが出来る。
また、第一セパレータ２４の副面６０に固着される副面シールゴム層６８には、副面凹溝６２と接続通路６４、貫通孔３４ａ〜ｈの周囲を囲むように、副面シール突条９０が一体形成されている一方、第二セパレータ２６の副面６０に固着される副面シールゴム層６８が略全面に亘って一定の厚さ寸法で形成されて、その表面が平坦面とされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２４の副面６０において、副面凹溝６２と接続通路６４と貫通孔３４ｅ〜ｈを一体的に囲むように副面シール突条９０が形成されていると共に、貫通孔３４ａ〜ｄをそれぞれ各別に囲むように副面シール突条９０が形成されている。これによって、第一セパレータ２４と第二セパレータ２６の高精度な位置合わせを要することなく、隣り合う単セル１２間で流通せしめられる冷却水の漏れ出しを効果的に防いで、冷却水を有効に流通せしめることが出来る。従って、固体高分子型燃料電池１０を所期の設定温度に維持することが出来て、安定して効率的な発電を実現することが出来る。
以上、本発明の一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。
例えば、燃料ガス給排孔３６ａ，３６ｂや酸化ガス給排孔３６ｃ，３６ｄ、更には、冷却水給排孔３６ｅ〜ｈの形成位置や各孔の形状等は、何れも、前記実施形態における具体的な記載によって何等限定されるものではない。また、ガス流路７６，７８や冷却水流路８０の形状等は、ガスおよび冷却水のスムーズな供給を実現するために前記実施形態で示されているような形状等を採用することが望ましいが、必ずしもそれに限定されるものではない。具体的には、例えば、第一辺縁部３０の上端部に形成される貫通孔を燃料ガス供給孔とすると共に、第二辺縁部３２の下端部に燃料ガス排出孔を設け、更に第一辺縁部３０の下端部に酸化ガス供給孔を設けると共に、第二辺縁部３２の上端部に酸化ガス排出孔を設ける一方、第一辺縁部３０および第二辺縁部３２の中央部分に冷却水供給孔と冷却水排出孔をそれぞれ形成しても良い。そして、葛折り状に蛇行して延びる主面凹溝を利用して形成されるガス流路によってガス供給孔とガス排出孔を接続すると共に、主面凹溝の間に形成される突部を利用して副面側に形成される副面凹溝を利用して形成される冷却水流路によって冷却水供給孔と冷却水排出孔が接続されるようになっていても良い。
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
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、１９ 突出部、２０ 樹脂フィルム、２２ ＭＥＡコンポーネント、２３ 補強用桟、２４ 第一セパレータ、２６ 第二セパレータ、３６ａ 燃料ガス供給孔、３６ｂ 燃料ガス排出孔、３６ｃ 酸化ガス供給孔、３６ｄ 酸化ガス排出孔、３８ 主面、４０ 主面凹溝、４２ 突出支持部、４４ ガス保留領域、４６ 接続凹溝、５０ 支持突起、５２ ガス拡散領域、５４ 主面シールゴム層、５６ ＭＥＡシールゴム層、５８ ＭＥＡシール突条、６０ 副面、６６ 導電接触部、６８ 副面シールゴム層、７０ セパレータ補強部材、７２ 嵌合凹溝、７４ 嵌合凸条、７６ 燃料ガス流路、７８ 酸化ガス流路、８８ 主面シール突条、９０ 副面シール突条
Claims (10)
- 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する突出部とし、該突出部を覆って該突出部を補強する補強樹脂部材を該突出部に固着すると共に、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの該膜／電極接合体に重ね合わされる主面上に主面シールゴム層を固着して、該補強樹脂部材を該主面シールゴム層を介して該第一セパレータおよび該第二セパレータに重ね合わせる一方、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の端部を該第一セパレータと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供給孔及び燃料ガス排出孔と酸化ガス供給孔及び酸化ガス排出孔にそれぞれ接続する接続凹溝を該第一セパレータ及び該第二セパレータの各主面側に形成し、該接続凹溝の溝幅を接続される該燃料ガス流路又は該酸化ガス流路の流路幅より大きくして該燃料ガス流路又は該酸化ガス流路の複数本を該接続凹溝に接続すると共に、該補強樹脂部材を該接続凹溝の開口部分を跨ぐように配置することによって該接続凹溝をトンネル状構造とし、更に、該接続凹溝において、該接続凹溝の底壁面から突出する支持突起を少なくとも一つ形成して、前記補強樹脂部材の該接続凹溝を跨いだ中間部分を該支持突起に当接させて支持せしめると共に、該補強樹脂部材の該接続凹溝を跨いだ両側部分を該主面シールゴム層に対して密着させて支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。 - 前記補強樹脂部材が少なくとも一本の補強用桟を有しており、前記燃料電極および前記酸化電極が該補強用桟を挟んで分割された複数の電極を含んで構成されている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記支持突起が前記接続凹溝の長さ方向で所定の長さをもって連続的に延びるように複数形成されていると共に、それら複数の支持突起が該接続凹溝の溝幅方向で相互に離隔して配設されている請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路が何れも直線的に延びている一方、それら燃料ガス流路および酸化ガス流路の両端部分が該燃料ガス流路および該酸化ガス流路の幅方向に広がる一対のガス保留部にそれぞれ接続されていると共に、該ガス保留部が前記接続凹溝を通じて、前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔との何れかに接続されており、該ガス保留部で一時的に燃料ガスおよび酸化ガスの何れか一方が貯留されるようになっている請求項１乃至３の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記主面シールゴム層が、前記燃料電極および前記酸化電極の何れか一方に重ね合わされて前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔の周囲を、少なくとも囲むように形成されていると共に、該主面シールゴム層の前記補強樹脂部材と重ね合わされる部分には、重ね合わせ方向で突出して連続的に形成されるＭＥＡシール突条が一体形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記第一セパレータに固着される前記主面シールゴム層には、前記燃料ガス供給孔及び前記燃料ガス排出孔と前記酸化ガス供給孔及び前記酸化ガス排出孔をそれぞれ囲むように主面シール突条が連続的に突出して形成されていると共に、前記第二セパレータにおける該主面シール突条が当接せしめられる部分に固着された該主面シールゴム層の表面が平坦面とされている請求項１乃至５の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの外周縁部にセパレータ補強部材が全周に亘って固着されており、互いに重ね合わされる該セパレータ補強部材の重ね合わせ面が、相互に嵌合する嵌合凸条および嵌合凹溝の少なくとも何れかを有して相互に嵌合する形状とされている請求項１乃至６の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 前記セパレータ補強部材が合成樹脂材料で形成されていると共に、前記セパレータの外周縁部を挟持する一対の補強部を有する射出成形用金型を用いて該セパレータ補強部材が射出成形されている請求項７に記載の固体高分子型燃料電池用セル。
- 請求項１乃至８の何れか一項に記載の固体高分子型燃料電池用セルを、前記セパレータと前記膜／電極接合体の重ね合わせ方向で複数重ね合わせて構成される固体高分子型燃料電池。
- 前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの前記燃料ガス流路および前記酸化ガス流路の何れかが形成されている領域を外周側に外れた位置に、主面と反対側の副面側に向かって突出する導電突出部が形成されていると共に、複数の前記固体高分子型燃料電池用セルの重ね合わせ面間で、重ね合わされる一方の該固体高分子型燃料電池用セルにおける該第一セパレータに形成された該導電突出部と重ね合わされる他方の該固体高分子型燃料電池用セルにおける該第二セパレータの該導電突出部が相互に接触するようにされている請求項９に記載の固体高分子型燃料電池。
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