JP5386541B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、電極面方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体であるそれぞれの流体を流通させる複数の流体流路が形成されるセルユニットを備える燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することによりセルユニット（単位セル）が構成されている。通常、このセルユニットを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

一般的に、この種の燃料電池では、セルユニットの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

従って、セパレータには、複数の流体連通孔である燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられるため、前記セパレータの面積が相当に大きなものとなる。特に、セパレータとして金属セパレータが用いられる際には、高価なステンレス等の素材の使用量が増大し、部品単価が高騰するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、樹脂製の額縁部が設けられている。この額縁部には、各流体連通孔が貫通形成される一方、金属セパレータは、前記流体連通孔の内方に配置されている。

特開２００９−９８３８号公報

通常、内部マニホールド型燃料電池では、例えば、電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路と、前記冷却媒体を積層方向に流通させる冷却媒体連通孔とを繋ぐ、冷却媒体連結溝部（流体連結流路）が設けられている。例えば、図１６に示すように、燃料電池１は、電解質膜・電極構造体２と金属セパレータ３とを矢印Ｘ方向に積層して構成されており、前記電解質膜・電極構造体２は、額縁部（樹脂枠部材）４を有している。この額縁部４には、図示しない冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを繋ぐ複数の溝部５が形成されている。

その際、互いに矢印Ｘ方向に積層されている各額縁部４では、それぞれの溝部５同士が積層方向（矢印Ｘ方向）に重なっている。このため、各額縁部４の薄肉部６が積層方向に重なり合っており、前記薄肉部６に応力が集中し易い。従って、薄肉部６に破損（損傷）が惹起し易いという問題がある。これにより、所望の強度を確保するためには、薄肉部６を相当に肉厚に構成しなければならず、燃料電池１全体が積層方向に大型化してしまう。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠部材を良好に薄肉化するとともに、所望の強度を確実に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、電極面方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体であるそれぞれの流体を流通させる複数の流体流路が形成されるセルユニットを備え、複数の前記セルユニットが積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、電解質・電極構造体の外周には、樹脂枠部材が一体に設けられ、前記樹脂枠部材には、積層方向に貫通して各流体を流通させる複数の流体連通孔と、同一の前記流体を流通させる前記流体連通孔及び流体流路を連通させる複数の連結流路とが形成されている。

そして、積層方向に互いに隣接するセルユニットは、一方の連結流路と他方の連結流路とが前記積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置されている。

また、この燃料電池では、連結流路は、樹脂枠部材に形成される複数の溝部により構成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、金属セパレータは、一対の樹脂枠部材間に配置されるとともに、溝部は、一方の前記樹脂枠部材に設けられる第１溝部と、一方の前記樹脂枠部材に積層される他方の前記樹脂枠部材に設けられる第２溝部とを有し、前記第１溝部と前記第２溝部とは、端部同士が連通することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、金属セパレータの外形は、樹脂枠部材の流体連通孔よりも内方に位置することが好ましい。

本発明では、電解質・電極構造体の外周に設けられる樹脂枠部材には、複数の連結流路が形成されるとともに、積層方向に互いに隣接するセルユニットは、それぞれの前記連結流路同士が前記積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置されている。

このため、隣接するセルユニットは、各樹脂枠部材の薄肉部分同士が積層方向に重なり合うことがなく、前記薄肉部分に応力が集中することを確実に抑制することができる。従って、樹脂枠部材を良好に薄肉化するとともに、所望の強度を確実に維持することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第１電解質膜・電極構造体のカソード面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体のアノード面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２電解質膜・電極構造体のカソード面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体のアノード面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータのカソード面の説明図である。 前記第１金属セパレータのアノード面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータのカソード面の説明図である。 前記第２金属セパレータのアノード面の説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図１３中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面図である。 冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを繋ぐ複数の溝部の一般的な説明図である。

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、複数のセルユニット１２（後述するセルユニット１２ａを含む）を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される。

セルユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４、第１金属セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１８及び第２金属セパレータ２０を備える。セルユニット１２が積層されることにより、第１電解質膜・電極構造体１４は、第２金属セパレータ２０及び第１金属セパレータ１６に挟持される一方、第２電解質膜・電極構造体１８は、前記第１金属セパレータ１６及び前記第２金属セパレータ２０に挟持される。

第１電解質膜・電極構造体１４と第２電解質膜・電極構造体１８とは、それぞれ、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（電解質）２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード側電極２４及びアノード側電極２６とを備える（図２参照）。

固体高分子電解質膜２２は、カソード側電極２４及びアノード側電極２６と同一の表面積に設定される。なお、固体高分子電解質膜２２の外周部が、カソード側電極２４及びアノード側電極２６よりも突出してもよく、また、前記カソード側電極２４と前記アノード側電極２６との表面積が、互いに異なっていてもよい。

第１電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される樹脂枠部材（額縁部）２８ａが、例えば、射出成形等により一体に成形される。第２電解質膜・電極構造体１８では、同様に固体高分子電解質膜２２、カソード側電極２４及びアノード側電極２６の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される樹脂枠部材（額縁部）２８ｂが、例えば、射出成形等により一体に成形される。高分子材料としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

樹脂枠部材２８ａ、２８ｂは、図１に示すように、矢印Ｃ方向に長尺な略長方形状を有するとともに、各長辺の中央部には、内方に切り欠くことにより、それぞれ一対の凹部２９ａ、２９ｂが形成される。

カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。

図１に示すように、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、酸化剤ガス（流体）、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（流体連通孔）３０ａ及び燃料ガス（流体）、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（流体連通孔）３２ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

樹脂枠部材２８ａ、２８ｂの矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）３２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（流体連通孔）３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

樹脂枠部材２８ａ、２８ｂの矢印Ｂ方向の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体（流体）を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）３４ａが設けられるとともに、前記樹脂枠部材２８ａ、２８ｂの矢印Ｂ方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）３４ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つ、それぞれ矢印Ｂ方向両端の各辺（他方の２辺）に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つ、それぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとは、上下逆にして、すなわち、前記冷却媒体入口連通孔３４ａを酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに近接して設けてもよい。

図３に示すように、樹脂枠部材２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１４ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部３６ａが設けられる。樹脂枠部材２８ａのカソード面１４ａ側の幅方向（矢印Ｂ方向）両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向（矢印Ｃ方向）にわたって複数の入口孔部４０ａが貫通形成される。

樹脂枠部材２８ａのカソード面１４ａ側の下部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上側近傍に位置して複数の出口溝部３６ｂが設けられる。樹脂枠部材２８ａのカソード面１４ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向（矢印Ｃ方向）にわたって複数の出口孔部４０ｂが貫通形成される。

図４に示すように、樹脂枠部材２８ａには、第１電解質膜・電極構造体１４のアノード面（アノード側電極２６が設けられる面）１４ｂ側の幅方向両端部上方に、各冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の入口溝部４２ａが設けられる。樹脂枠部材２８ａのカソード面１４ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の出口溝部４２ｂが設けられる。

樹脂枠部材２８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａの下方に位置して複数の入口溝部４６ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上方に位置して複数の出口溝部４６ｂが設けられる。

樹脂枠部材２８ａのアノード面１４ｂ側には、外側シール部材（外側シールライン）４８及び内側シール部材（内側シールライン）５０が一体又は別体に成形される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する各シール部材は、上記の外側シール部材４８及び内側シール部材５０と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

外側シール部材４８は、樹脂枠部材２８ａの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂの外周並びに反応面（発電面）外周を周回する。この外側シール部材４８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する。外側シール部材４８により、入口溝部４２ａ及び入口孔部４０ａが、冷却媒体入口連通孔３４ａと一体に囲繞され、出口溝部４２ｂ及び出口孔部４０ｂが、冷却媒体出口連通孔３４ｂと一体に囲繞される。

内側シール部材５０は、外側シール部材４８の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口溝部４６ａ及び出口溝部４６ｂとを一体に囲繞する。内側シール部材５０は、第１金属セパレータ１６の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第１金属セパレータ１６の外周端縁面全周（セパレータ面内）に接する。外側シール部材４８は、第１金属セパレータ１６の外周端外方（セパレータ面外）に配置される。外側シール部材４８及び内側シール部材５０により、全流体連通孔が周回密封される。

図３に示すように、樹脂枠部材２８ａのカソード面１４ａ側には、入口孔部４０ａを囲繞するリング状入口シール部材５２ａと、出口孔部４０ｂを囲繞するリング状出口シール部材５２ｂとが設けられる。

図５に示すように、樹脂枠部材２８ｂには、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード面（カソード側電極２４が設けられる面）１８ａ側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部５６ａが設けられる。樹脂枠部材２８ｂのカソード面１８ａ側の幅方向両端部上方には、各冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の入口溝部５８ａが形成される。

樹脂枠部材２８ｂのカソード面１８ａ側の上部には、燃料ガス入口連通孔３２ａの下側近傍に位置して複数の入口溝部６２ａが設けられるとともに、前記入口溝部６２ａの下端部には、複数の入口孔部６４ａが貫通形成される。各入口孔部６４ａの下方には、所定の間隔だけ離間して複数の入口孔部６６ａが貫通形成される。

樹脂枠部材２８ｂのカソード面１８ａ側の幅方向両端部下方には、各冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の出口溝部５８ｂが設けられる。樹脂枠部材２８ｂのカソード面１８ａ側の下部には、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上側近傍に位置して複数の出口溝部６２ｂが設けられるとともに、前記出口溝部６２ｂの上端部には、複数の出口孔部６４ｂが貫通形成される。各出口孔部６４ｂの上方には、所定の間隔だけ離間して複数の出口孔部６６ｂが貫通形成される。

図６に示すように、樹脂枠部材２８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａの下方に位置して入口孔部６４ａ、６６ａを連通する複数の入口溝部７２ａが設けられる。樹脂枠部材２８ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂの上方に位置して出口孔部６４ｂ、６６ｂを連通する複数の出口溝部７２ｂが設けられる。

樹脂枠部材２８ｂには、アノード面１８ｂ側に外側シール部材（外側シールライン）７４及び内側シール部材（内側シールライン）７６が一体又は別体に成形される。外側シール部材７４は、樹脂枠部材２８ｂの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂの外周を周回する。

内側シール部材７６は、外側シール部材７４の内方に位置するとともに、アノード側電極２６と入口孔部６４ａ、６６ａ、入口溝部７２ａ、出口孔部６４ｂ、６６ｂ及び出口溝部７２ｂとを一体に囲繞する。内側シール部材７６は、第２金属セパレータ２０の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第２金属セパレータ２０の外周端縁面全周に接する。外側シール部材７４は、第２金属セパレータ２０の外周端外方に配置される。外側シール部材７４及び内側シール部材７６により、全流体連通孔が周回密封される。

図５に示すように、樹脂枠部材２８ｂのカソード面１８ａ側には、入口孔部６６ａを囲繞するリング状入口シール部材８０ａと、出口孔部６６ｂを囲繞するリング状出口シール部材８０ｂとが設けられる。

第１及び第２金属セパレータ１６、２０の外形は、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂの外周端部よりも酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂ（全流体連通孔）の内方に配置される寸法に設定される。

図２に示すように、第１金属セパレータ１６は、単一の金属プレートで構成される。第１金属セパレータ１６の第２電解質膜・電極構造体１８に対向する面１６ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成される。第１金属セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４に対向する面１６ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。

図７に示すように、第１金属セパレータ１６は、矢印Ｃ方向に長尺な長方形状を有するとともに、前記第１金属セパレータ１６の面１６ａ内には、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の波状流路溝を有した酸化剤ガス流路８４が設けられる。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部８５ａ及び出口バッファ部８５ｂが設けられる。

入口バッファ部８５ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部８７ａが形成される。出口バッファ部８５ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部８７ｂが形成される。

第１金属セパレータ１６の上部には、第２電解質膜・電極構造体１８の入口孔部６６ａに連通する複数の孔部９２ａが形成されるとともに、前記第１金属セパレータ１６の下部には、前記第２電解質膜・電極構造体１８の出口孔部６６ｂに連通する複数の孔部９２ｂが形成される。孔部９２ａ、９２ｂは、第１金属セパレータ１６を貫通する。

図８に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂ内には、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の波状流路溝を有した燃料ガス流路８６が設けられる。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部９６ａ及び出口バッファ部９６ｂが設けられる。入口バッファ部９６ａの上方には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置して複数の入口溝部９８ａが形成されるとともに、出口バッファ部９６ｂの下方には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置して複数の出口溝部９８ｂが形成される。

図２に示すように、第２金属セパレータ２０は、外形が同一形状を有して互いに積層される２枚の金属プレート（例えば、ステンレスプレート）１０２ａ、１０２ｂを備える。金属プレート１０２ａ、１０２ｂは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート１０２ａには、カソード側電極２４に対向して酸化剤ガス流路８４が形成されるとともに、金属プレート１０２ｂには、アノード側電極２６に対向して燃料ガス流路８６が形成される。金属プレート１０２ａ、１０２ｂ間には、冷却媒体流路８８が形成される。

図９に示すように、第２金属セパレータ２０は、矢印Ｃ方向両端にそれぞれ矢印Ｂ方向外方に突出して一対の突起部１０３ａ、１０３ｂが形成される。金属プレート１０２ａの面内には、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路８４が設けられる。酸化剤ガス流路８４の上流及び下流には、入口バッファ部１０４ａ及び出口バッファ部１０４ｂが設けられる。

金属プレート１０２ａには、各突起部１０３ａに冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の入口孔部４０ａに連通する複数の穴部１０６ａが形成される。金属プレート１０２ａには、各突起部１０３ｂに冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって、第１電解質膜・電極構造体１４の複数の出口孔部４０ｂに連通する複数の穴部１０６ｂが形成される。

図１０に示すように、第２金属セパレータ２０は、金属プレート１０２ｂの面内に、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路８６が設けられる。燃料ガス流路８６の上流及び下流には、入口バッファ部１１０ａ及び出口バッファ部１１０ｂが設けられる。

金属プレート１０２ｂの各突起部１０３ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａの幅方向にわたって複数の入口溝部１１２ａが形成される一方、前記金属プレート１０２ｂの各突起部１０３ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂの幅方向にわたって複数の出口溝部１１２ｂが形成される。入口溝部１１２ａ及び出口溝部１１２ｂは、それぞれ第２金属セパレータ２０の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造を有する。

図１１に示すように、積層方向に隣接する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第２電解質膜・電極構造体１８の酸化剤ガス流路８４とを連通する複数の酸化剤ガス連結流路１１３ａと、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第１電解質膜・電極構造体１４の酸化剤ガス流路８４とを連通する複数の酸化剤ガス連結流路１１３ｂとが形成される。なお、図示しないが、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路８４とを連通する酸化剤ガス連結流路が形成される。

図１２に示すように、積層方向に隣接する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス流路８６とを連通する複数の燃料ガス連結流路１１４が形成される。なお、図示しないが、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと燃料ガス流路８６とを連通する燃料ガス連結流路が形成される。

図１３に示すように、積層方向に隣接する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと第２金属セパレータ２０の冷却媒体流路８８とを連通する複数の冷却媒体連結流路１１６が形成される。なお、図示しないが、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂ間には、冷却媒体出口連通孔３４ｂと冷却媒体流路８８とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。

冷却媒体連結流路１１６は、樹脂枠部材２８ａの外側シール部材４８及び内側シール部材５０と、樹脂枠部材２８ｂの外側シール部材７４及び内側シール部材７６とが積層方向に異なる位置に配置されることにより形成される。

図１３に示すように、冷却媒体連結流路１１６は、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部４２ａ、５８ａと、樹脂枠部材２８ａに積層方向に形成される入口孔部（第１孔部）４０ａと、第２金属セパレータ２０を構成する金属プレート１０２ａに前記積層方向に形成される穴部（第２孔部）１０６ａとを有する。入口溝部４２ａと入口溝部５８ａとは、端部同士が連通する。

図１３及び図１４に示すように、燃料電池１０は、上記のセルユニット１２に隣接して積層される他のセルユニット１２（以下、単にセルユニット１２ａという）を備える。セルユニット１２の冷却媒体連結流路１１６（一方の連結流路）と、セルユニット１２ａの冷却媒体連結流路１１６ａ（他方の連結流路）とは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。

図１４に示すように、セルユニット１２は、各冷却媒体連結流路１１６が設けられることにより複数の薄肉部位１１８を有する一方、セルユニット１２ａは、各冷却媒体連結流路１１６ａが設けられることにより複数の薄肉部位１１８ａを有する。薄肉部位１１８と薄肉部位１１８ａとは、積層方向に互いに重なり合わない位置に配置される。

冷却媒体連結流路１１６と冷却媒体連結流路１１６ａとは、互いに同数設けられてもよく、又は、下方に位置する、例えば、前記冷却媒体連結流路１１６の本数を前記冷却媒体連結流路１１６ａの本数よりも１本だけ多く設定してもよい。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

各セルユニット１２では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスが、図１及び図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口溝部３６ａと第２電解質膜・電極構造体１８の間から入口溝部５６ａに導入される。

入口溝部３６ａに導入された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスが、出口溝部３６ｂ間から酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。

一方、入口溝部５６ａ間に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８と第１金属セパレータ１６との間の入口溝部８７ａを通って前記第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路８４に供給される。酸化剤ガス流路８４に供給された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側電極２４に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部８７ｂ、５６ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。

また、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、図１及び図１２に示すように、第２電解質膜・電極構造体１８のカソード側の入口溝部６２ａに導入される。燃料ガスは、入口溝部６２ａから入口孔部６４ａを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部７２ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路８６に供給される。

燃料ガスの残余の部分は、入口孔部６６ａ及び第１金属セパレータ１６の孔部９２ａを通って前記第１金属セパレータ１６と第１電解質膜・電極構造体１４との間に導入され、前記第１金属セパレータ１６の燃料ガス流路８６に供給される。

第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部７２ｂに排出され、さらに出口孔部６４ｂから出口溝部６２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。一方、第１金属セパレータ１６の燃料ガス流路８６を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部９２ｂから出口孔部６６ｂを通って出口溝部７２ｂに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

これにより、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８では、それぞれカソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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、発電が行われる。

さらにまた、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図１及び図１３に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４の入口溝部４２ａに導入され、入口溝部５８ａから入口孔部４０ａに供給される。冷却媒体は、入口孔部４０ａから第２金属セパレータ２０の穴部１０６ａを通って前記第２金属セパレータ２０の内部に導入される。

冷却媒体は、第２金属セパレータ２０内を各入口溝部１１２ａに沿って矢印Ｂ方向に且つ互いに内側方向に流通し、冷却媒体流路８８に供給される。互いに内側方向に流通する冷却媒体は、冷却媒体流路８８の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、前記冷却媒体流路８８の下部側で矢印Ｂ方向両側に振り分けられる。そして、各出口溝部１１２ｂから穴部１０６ｂを通って第２金属セパレータ２０から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部４０ｂから出口溝部５８ｂ、４２ｂを通って冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

このため、第１電解質膜・電極構造体１４及び第２電解質膜・電極構造体１８は、第２金属セパレータ２０内の冷却媒体流路８８を流通する冷却媒体により冷却される。

この場合、第１の実施形態では、図１３及び図１４に示すように、セルユニット１２を構成する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂに形成された複数の冷却媒体連結流路１１６と、セルユニット１２ａを構成する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂに形成された複数の冷却媒体連結流路１１６ａとは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置されている。

このため、セルユニット１２は、図１４に示すように、各冷却媒体連結流路１１６が設けられた複数の薄肉部位１１８と、各冷却媒体連結流路１１６ａが設けられた複数の薄肉部位１１８ａとは、積層方向に互いに重なり合わない位置に配置されている。

従って、薄肉部位１１８、１１８ａに応力が集中することを確実に抑制することができる。これにより、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂを良好に薄肉化するとともに、所望の強度を確実に維持することが可能になり、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の要部断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１２０は、複数のセルユニット１２２を積層して構成される。この燃料電池１２０は、セルユニット１２２に隣接して積層される他のセルユニット１２２（以下、単にセルユニット１２２ａという）を備える。

セルユニット１２２の酸化剤ガス連結流路１１３ａ（一方の連結流路）と、セルユニット１２２ａの酸化剤ガス連結流路１１３ａ（他方の連結流路）とは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。同様に、セルユニット１２２の酸化剤ガス連結流路１１３ｂ（一方の連結流路）と、セルユニット１２２ａの酸化剤ガス連結流路１１３ｂ（他方の連結流路）とは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。

これにより、セルユニット１２２を構成する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂに形成された複数の酸化剤ガス連結流路１１３ａ、１１３ｂと、セルユニット１２２ａを構成する樹脂枠部材２８ａ、２８ｂに形成された複数の酸化剤ガス連結流路１１３ａ、１１３ｂとは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置されている。

このため、樹脂枠部材２８ａ、２８ｂを良好に薄肉化するとともに、所望の強度を確実に維持することが可能になり、燃料電池１２０全体の小型化が容易に図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図示しないが、燃料ガス連結流路１１４においても同様に、積層方向に互いに隣接するセルユニットは、各燃料ガス連結流路１１４同士が前記積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置してもよい。

１０、１２０…燃料電池
１２、１２ａ、１２２、１２２ａ…セルユニット
１４、１８…電解質膜・電極構造体 １６、２０…金属セパレータ
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極 ２８ａ、２８ｂ…樹脂枠部材
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６ａ、４２ａ、４６ａ、５６ａ、５８ａ、６２ａ、７２ａ、８７ａ、９８ａ、１１２ａ…入口溝部
３６ｂ、４２ｂ、４６ｂ、５６ｂ、５８ｂ、６２ｂ、７２ｂ、８７ｂ、９８ｂ、１１２ｂ…出口溝部
４０ａ、６４ａ、６６ａ…入口孔部 ４０ｂ、６４ｂ、６６ｂ…出口孔部
４８、７４…外側シール部材 ５０、７６…内側シール部材
８４…酸化剤ガス流路 ８６…燃料ガス流路
８８…冷却媒体流路 ９２ａ、９２ｂ…孔部
１０２ａ、１０２ｂ…金属プレート １０６ａ、１０６ｂ…穴部
１１３ａ、１１３ｂ…酸化剤ガス連結流路
１１４…燃料ガス連結流路 １１６、１１６ａ…冷却媒体連結流路
１１８、１１８ａ…薄肉部位

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、電極面方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体であるそれぞれの流体を流通させる複数の流体流路が形成されるセルユニットを備え、複数の前記セルユニットが積層される燃料電池であって、
   前記電解質・電極構造体の外周には、樹脂枠部材が一体に設けられ、前記樹脂枠部材には、積層方向に貫通して各流体を流通させる複数の流体連通孔と、
   同一の前記流体を流通させる前記流体連通孔及び前記流体流路を連通させる複数の連結流路と、
   が形成されるとともに、
   前記積層方向に互いに隣接する前記セルユニットは、一方の前記連結流路と他方の前記連結流路とが前記積層方向に互いに重なり合わない位置にオフセットして配置されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記連結流路は、前記樹脂枠部材に形成される複数の溝部により構成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記金属セパレータは、一対の前記樹脂枠部材間に配置されるとともに、
   前記溝部は、一方の前記樹脂枠部材に設けられる第１溝部と、
   一方の前記樹脂枠部材に積層される他方の前記樹脂枠部材に設けられる第２溝部と、
   を有し、
   前記第１溝部と前記第２溝部とは、端部同士が連通することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータの外形は、前記樹脂枠部材の前記流体連通孔よりも内方に位置することを特徴とする燃料電池。

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