JP2015103322A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、外部から衝撃等が付与された際、積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向のずれを可及的に抑制し、所望のシール機能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電ユニット１２は、第１金属セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体２６ａ、第２金属セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体２６ｂ及び第３金属セパレータ３０を有する。上部荷重受け部材７８ａは、第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される４枚の櫛歯状の板状受け部８２ａｔを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有する金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの外周には、弾性シール部材が一体に設けられ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電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより発電セルを構成している。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、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に組み込まれている。

燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流通させる必要がある。従って、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。ところが、車載用燃料電池スタックを構成する際には、走行時の振動や急停止時又は急発進時の衝撃、外部からの衝撃荷重を受けた際に、シール部材が大きく変形してしまうおそれがある。

このため、シール部材は、良好な接触面積を確保することができず、所望のシール性を維持することが困難になる場合がある。特に、セパレータとして金属セパレータが使用される際には、前記金属セパレータ自体の変形等に起因し、シール部材とセパレータ表面とのシール面圧を良好に確保することができないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、金属セパレータには、少なくともシール部材又は前記金属セパレータの変形量を規制するために、該金属セパレータを両面から挟んでその外周端部を周回して荷重受け部材が設けられている。荷重受け部材は、平坦な上面を有する形状であるとともに、隣り合う荷重受け部材の上面同士が所定の隙間を有して対向するように配置されている。

従って、燃料電池内部のガス圧力による金属セパレータの変動が発生した際や燃料電池外部からの振動及び衝撃による前記金属セパレータの変動が発生した際、隣り合う荷重受け部材の上面同士が接触している。これにより、金属セパレータやシール部材に過剰な変形が発生することを阻止し、良好なシール性を発揮することが可能になる、としている。

特許第４４５０５５３号公報

本発明は、この種の燃料電池スタックに関連してなされたものであり、外部から衝撃等が付与された際、積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向のずれを可及的に抑制し、簡単な構成で、所望のシール機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。

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有する金属セパレータとが積層されている。そして、金属セパレータの外周には、弾性シール部材が一体に設けられている。

燃料電池は、複数の金属セパレータの外周に沿って配設される荷重受け部材を備え、前記荷重受け部材は、互いに隣接する前記金属セパレータの各弾性シール部材間に配置される櫛歯状の板状受け部を備えている。

また、この燃料電池では、金属セパレータは、多角形状を有するとともに、荷重受け部材は、前記金属セパレータの辺毎に分割して設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、金属セパレータの積層方向に複数の荷重受け部材が配列されるとともに、互いに隣接する前記荷重受け部材同士を位置決め保持するために係止部材を備えることが好ましい。

本発明によれば、荷重受け部材は、互いに隣接する金属セパレータの各弾性シール部材間に配置される櫛歯状の板状受け部を備えている。このため、燃料電池に外部から衝撃等が付与された際、各金属セパレータが積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向にずれることを阻止することができる。これにより、簡単な構成で、外部からの衝撃等による積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向へのずれを可及的に抑制し、所望のシール機能を確保することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する荷重受け構造の分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する荷重受け構造の一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面説明図である。

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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池１０は、複数の発電ユニット１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。なお、複数の発電ユニット１２を重力方向に積層して燃料電池１０を構成してもよい。

発電ユニット１２の積層方向一端には、図２に示すように、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。発電ユニット１２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状の第１エンドプレート１８ａの中央部からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート１８ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。図１に示すように、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂの各長辺間には、連結バー（連結部材）２１の両端がねじ２２により固定される。第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂの各短辺間には、連結バー２１の両端がねじ２２により固定される。

図２及び図３に示すように、発電ユニット１２は、第１金属セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６ａ、第２金属セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６ｂ及び第３金属セパレータ３０を有する。

第１金属セパレータ２４、第２金属セパレータ２８及び第３金属セパレータ３０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。第１金属セパレータ２４、第２金属セパレータ２８及び第３金属セパレータ３０は、平面が矩形の横長形状（多角形状）を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂ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（陽イオン交換膜）３２を備える。固体高分子電解質膜３２は、アノード電極３４及びカソード電極３６に挟持される。アノード電極３４は、カソード電極３６よりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、アノード電極３４は、カソード電極３６よりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記カソード電極３６と同一の平面寸法を有してもよい。

アノード電極３４及びカソード電極３６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、例えば、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。

図３に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス排出連通孔４０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の他端縁部には、矢印Ｂ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供給連通孔４０ａ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。

発電ユニット１２の互いに対向する長辺の両端縁部一方には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体供給連通孔４２ａが設けられる。発電ユニット１２の互いに対向する長辺の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。

各冷却媒体供給連通孔４２ａ、４２ａは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに近接し、且つそれぞれ矢印Ｃ方向両側の各長辺に振り分けられる。各冷却媒体排出連通孔４２ｂ、４２ｂは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ及び燃料ガス供給連通孔４０ａにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｃ方向両側の各長辺に振り分けられる。

第１金属セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２６ａに向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第１燃料ガス流路４４が形成される。第１燃料ガス流路４４は、矢印Ａ方向に延在し、その入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。

第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路４８の一部が形成される。冷却媒体流路４８の一部は、第１燃料ガス流路４４の裏面形状として形成される。冷却媒体流路４８は、矢印Ａ方向に沿って延在する。

第２金属セパレータ２８の第１電解質膜・電極構造体２６ａに向かう面２８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

第２金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２６ｂに向かう面２８ｂには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第２燃料ガス流路５４が形成される。第２燃料ガス流路５４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。

第３金属セパレータ３０の第２電解質膜・電極構造体２６ｂに向かう面３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第２酸化剤ガス流路５８が形成される。第２酸化剤ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第３金属セパレータ３０の面３０ｂには、冷却媒体流路４８の一部が形成される。冷却媒体流路４８の入口側には、前記冷却媒体流路４８を流路幅方向に挟んで一対の冷却媒体供給連通孔４２ａが設けられる。冷却媒体流路４８の出口側には、前記冷却媒体流路４８を流路幅方向に挟んで一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。

第１金属セパレータ２４は、燃料ガス供給連通孔４０ａと第１燃料ガス流路４４とを連通する複数の供給連結路６２ａ、及び、燃料ガス排出連通孔４０ｂと前記第１燃料ガス流路４４とを連通する複数の排出連結路６２ｂを有する。第２金属セパレータ２８は、燃料ガス供給連通孔４０ａと第２燃料ガス流路５４とを連通する複数の供給連結路６４ａ、及び、燃料ガス排出連通孔４０ｂと前記第２燃料ガス流路５４とを連通する複数の排出連結路６４ｂを有する。

供給連結路６２ａ及び排出連結路６２ｂには、蓋体６６ａ、６６ｂが配置される。供給連結路６４ａ及び排出連結路６４ｂには、蓋体６８ａ、６８ｂが配置される。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材（弾性シール部材）７０が一体成形される。第２金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２金属セパレータ２８の外周端縁部を周回して第２シール部材（弾性シール部材）７２が一体成形される。第３金属セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第３金属セパレータ３０の外周端縁部を周回して第３シール部材（弾性シール部材）７４が一体成形される。

第１シール部材７０、第２シール部材７２及び第３シール部材７４としては、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２及び図３に示すように、第１シール部材７０は、第１金属セパレータ２４のセパレータ面に沿って均一な厚さで延在するベースシール７０ａを有する。ベースシール７０ａには、第１金属セパレータ２４の外周形状に沿って肉厚な外周凸部７０ｂが一体成形される。ベースシール７０ａには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールするためのシール凸部７０ｃが一体成形される。

第２シール部材７２は、第２金属セパレータ２８のセパレータ面に沿って均一な厚さで延在するベースシール７２ａを有する。ベースシール７２ａには、第２金属セパレータ２８の外周形状に沿って肉厚な外周凸部７２ｂが一体成形される。ベースシール７２ａには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールするためのシール凸部７２ｃが一体成形される。

第３シール部材７４は、第３金属セパレータ３０のセパレータ面に沿って均一な厚さで延在するベースシール７４ａを有する。ベースシール７４ａには、第３金属セパレータ３０の外周形状に沿って肉厚な外周凸部７４ｂが一体成形される。ベースシール７４ａには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールするためのシール凸部７４ｃが一体成形される。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂが形成される。第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａ及び一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。

第１の実施形態では、燃料電池１０は、各発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ２４、第２金属セパレータ２８及び第３金属セパレータ３０の外周（単に、セパレータ外周ともいう）に沿って配置される荷重受け構造７６を備える。荷重受け構造７６は、第１金属セパレータ２４、第２金属セパレータ２８及び第３金属セパレータ３０の辺毎に４分割して設けられ、電気絶縁性を有する樹脂で形成される。

具体的には、図４に示すように、荷重受け構造７６は、セパレータ外周の上側長辺に沿って配設される複数個の上部荷重受け部材７８ａと、前記セパレータ外周の下側長辺に沿って配設される複数個の下部荷重受け部材７８ｂとを設ける。荷重受け構造７６は、さらにセパレータ外周の一方の側部短辺に沿って配設される複数個の側部荷重受け部材８０ａと、前記セパレータ外周の他方の側部短辺に沿って配設される複数個の側部荷重受け部材８０ｂとを設ける。

上部荷重受け部材７８ａは、図２及び図４に示すように、下方に突出して第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される４枚の櫛歯状の板状受け部８２ａｔを一体に備える。各板状受け部８２ａｔ間には、空間部８２ａが形成され、前記空間部８２ａに外周凸部７０ｂ、７２ｂ及び７４ｂが配置される。すなわち、互いに隣接する外周凸部７０ｂと外周凸部７２ｂとの間、及び外周凸部７２ｂと外周凸部７４ｂとの間に、それぞれ１枚の板状受け部８２ａｔが配置される（図２参照）。板状受け部８２ａｔは、第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂと範囲ｔに亘って重なり部位を有する。

上部荷重受け部材７８ａの一方の側部には、１以上、例えば、２つのピン部材（係止部材）８４ａが一体に、又は別部材を固着して設けられる。上部荷重受け部材７８ａの他方の側部には、ピン部材８４ａが挿入される穴部８６ａが、前記ピン部材８４ａと積層方向（矢印Ｂ方向）に同軸上に形成される。隣り合う上部荷重受け部材７８ａは、一方のピン部材８４ａが他方の穴部８６ａに挿入（嵌合）されることにより、互いに隣接する前記上部荷重受け部材７８ａ同士が連結される。

下部荷重受け部材７８ｂは、図４に示すように、上方に突出して第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される４枚の櫛歯状の板状受け部８２ｂｔを一体に備える。各板状受け部８２ｂｔ間には、空間部８２ｂが形成され、前記空間部８２ｂに外周凸部７０ｂ、７２ｂ及び７４ｂが配置される。

下部荷重受け部材７８ｂの一方の側部には、１以上、例えば、２つのピン部材（係止部材）８４ｂが一体に、又は別部材を固着して設けられる。下部荷重受け部材７８ｂの他方の側部には、ピン部材８４ｂが挿入される穴部８６ｂが、前記ピン部材８４ｂと積層方向（矢印Ｂ方向）に同軸上に形成される。隣り合う下部荷重受け部材７８ｂは、一方のピン部材８４ｂが他方の穴部８６ｂに挿入（嵌合）されることにより、互いに隣接する前記下部荷重受け部材７８ｂ同士が連結される。

側部荷重受け部材８０ａは、側方に突出して第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される４枚の櫛歯状の板状受け部８８ａｔを一体に備える。各板状受け部８８ａｔ間には、空間部８８ａが形成され、前記空間部８８ａに外周凸部７０ｂ、７２ｂ及び７４ｂが配置される。

側部荷重受け部材８０ａの一方の側部には、１以上、例えば、２つのピン部材（係止部材）９０ａが一体に、又は別部材を固着して設けられる。側部荷重受け部材８０ａの他方の側部には、ピン部材９０ａが挿入される穴部９２ａが、前記ピン部材９０ａと積層方向（矢印Ｂ方向）に同軸上に形成される。隣り合う側部荷重受け部材８０ａは、一方のピン部材９０ａが他方の穴部９２ａに挿入（嵌合）されることにより、互いに隣接する前記側部荷重受け部材８０ａ同士が連結される。

側部荷重受け部材８０ｂは、側方に突出して第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される４枚の櫛歯状の板状受け部８８ｂｔを一体に備える。各板状受け部８８ｂｔ間には、空間部８８ｂが形成され、前記空間部８８ｂに外周凸部７０ｂ、７２ｂ及び７４ｂが配置される。

側部荷重受け部材８０ｂの一方の側部には、１以上、例えば、２つのピン部材（係止部材）９０ｂが一体に、又は別部材を固着して設けられる。側部荷重受け部材８０ｂの他方の側部には、ピン部材９０ｂが挿入される穴部９２ｂが、前記ピン部材９０ｂと積層方向（矢印Ｂ方向）に同軸上に形成される。隣り合う側部荷重受け部材８０ｂは、一方のピン部材９０ｂが他方の穴部９２ｂに挿入（嵌合）されることにより、互いに隣接する前記側部荷重受け部材８０ｂ同士が連結される。

複数個の上部荷重受け部材７８ａ、下部荷重受け部材７８ｂ、側部荷重受け部材８０ａ及び８０ｂは、第１絶縁プレート１６ａと第２絶縁プレート１６ｂとの間に、又は、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとの間に、挟持されて固定される。

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。

先ず、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給連通孔３８ａ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、燃料ガス供給連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、図示しないが、第２エンドプレート１８ｂの一対の冷却媒体供給連通孔４２ａには、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。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ２８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３金属セパレータ３０の第２酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ａ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２６ａのカソード電極３６に供給される。さらに、残余の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ａ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２６ｂのカソード電極３６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の第１燃料ガス流路４４に沿って水平方向（矢印Ａ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２６ａのアノード電極３４に供給される。また、残余の燃料ガスは、第２金属セパレータ２８の第２燃料ガス流路５４に沿って矢印Ａ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２６ｂのアノード電極３４に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂでは、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３４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。

次いで、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂの各カソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通する。第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂの各アノード電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通する。

一方、上下一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ２４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ３０との間に形成された冷却媒体流路４８に導入される。

各冷却媒体供給連通孔４２ａから冷却媒体流路４８に供給される冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを冷却する。この冷却媒体は、さらに矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、荷重受け構造７６は、図２及び図４に示すように、セパレータ外周の上側長辺に沿って配設される複数個の上部荷重受け部材７８ａを備えている。上部荷重受け部材７８ａは、互いに隣接する外周凸部７０ｂと外周凸部７２ｂとの間、及び外周凸部７２ｂと外周凸部７４ｂとの間に配置される櫛歯状の複数の板状受け部８２ａｔを有している。

荷重受け構造７６は、さらにセパレータ外周の下側長辺に沿って配設される複数個の下部荷重受け部材７８ｂと、セパレータ外周の両方の側部短辺に沿って配設される複数個の側部荷重受け部材８０ａ、８０ｂとを有している。そして、下部荷重受け部材７８ｂ及び側部荷重受け部材８０ａ、８０ｂは、上部荷重受け部材７８ａと同様に構成されている。

このため、燃料電池１０に外部から衝撃等が付与された際、各発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ２４〜第３金属セパレータ３０は、積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向にずれることを阻止することができる。しかも、上部荷重受け部材７８ａ同士は、ピン部材８４ａと穴部８６ａとの嵌合作用下に、互いに積層方向に位置決め保持されている。一方、下部荷重受け部材７８ｂ同士及び側部荷重受け部材８０ａ、８０ｂ同士は、同様に互いに位置決め保持されている。

従って、燃料電池１０では、簡単な構成で、外部からの衝撃等による積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向へのずれを可及的に抑制することができる。これにより、燃料電池１０全体として所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、荷重受け構造７６は、単一の発電ユニット１２毎に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、２組又は３組以上の発電ユニット１２を一体に位置決め保持する荷重受け構造を用いてもよい。また、以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００を構成する荷重受け構造１０２の一部分解斜視説明図である。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。また、以下に説明する第３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。

荷重受け構造１０２は、セパレータ外周の上側長辺に沿って配設される複数個の上部荷重受け部材１０４を備える。上部荷重受け部材１０４は、下方に突出して第１金属セパレータ２４の外周凸部７０ｂ、第２金属セパレータ２８の外周凸部７２ｂ及び第３金属セパレータ３０の外周凸部７４ｂが挟持される３枚の櫛歯状の板状受け部１０６ｔを備える。上部荷重受け部材１０４は、水平方向に突出する板状部１０８を有する。板状部１０８は、実質的に、第１の実施形態の端部の板状受け部８２ａｔを削除することにより設けられる。

各板状受け部１０６ｔ間には、空間部１０６が形成されるとともに、互いに隣接する上部荷重受け部材１０４間には、板状部１０８を介して空間部１０６が形成される。板状部１０８の先端には、１以上、例えば、２つのピン部材（係止部材）１０９ａが一体に、又は別部材を固着して設けられる。上部荷重受け部材１０４の側部には、ピン部材１０９ａが挿入される１以上、例えば、２つの穴部１０９ｂが形成される。

このように構成される第２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とともに、各上部荷重受け部材１０４同士の接合部位の厚さが薄肉化される。すなわち、１枚の板状受け部８２ａｔの厚さ分が削減される。従って、燃料電池１００全体の積層方向の寸法が一層短尺化されるという効果がある。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０の概略斜視説明図である。燃料電池１１０は、複数の発電ユニット１１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に、又は、前記電極面を水平姿勢にして鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層される。

図８に示すように、発電ユニット１１２は、第１金属セパレータ１１４、電解質膜・電極構造体２６及び第２金属セパレータ１１６が矢印Ｂ方向に積層される。発電ユニット１１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して酸化剤ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。発電ユニット１１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互い連通して燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１１４の電解質膜・電極構造体２６に向かう面１１４ａには、燃料ガス流路４４ａが形成される。燃料ガス流路４４ａは、複数個の供給連通孔１１７ａを介して燃料ガス供給連通孔４０ａに連通するとともに、複数個の排出連通孔１１７ｂを介して燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する。第２金属セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体２６に向かう面１１６ａには、酸化剤ガス流路５０ａが形成される。第１金属セパレータ１１４の面１１４ｂと第２金属セパレータ１１６の面１１６ｂとの間には、冷却媒体流路４８が形成される。

第１金属セパレータ１１４には、第１シール部材（弾性シール部材）１１８が一体成形される。第２金属セパレータ１１６には、第２シール部材（弾性シール部材）１２０が一体成形される。第１シール部材１１８は、ベースシール１１８ａを有するとともに、前記ベースシール１１８ａには、外周凸部１１８ｂ及びシール凸部１１８ｃが一体成形される。第２シール部材１２０は、ベースシール１２０ａを有するとともに、前記ベースシール１２０ａには、外周凸部１２０ｂ及びシール凸部１２０ｃが一体成形される。

燃料電池１１０は、図７に示すように、各発電ユニット１１２を構成する第１金属セパレータ１１４及び第２金属セパレータ１１６の外周（単に、セパレータ外周ともいう）に沿って配置される荷重受け構造１２２を備える。

荷重受け構造１２２は、セパレータ外周の上側長辺に沿って配設される複数個の上部荷重受け部材１２４ａと、前記セパレータ外周の下側長辺に沿って配設される複数個の下部荷重受け部材１２４ｂとを設ける。荷重受け構造１２２は、さらにセパレータ外周の一方の側部短辺に沿って配設される複数個の側部荷重受け部材１２６ａと、前記セパレータ外周の他方の側部短辺に沿って配設される複数個の側部荷重受け部材１２６ｂとを設ける。

図７及び図９に示すように、上部荷重受け部材１２４ａは、下方に突出して第１金属セパレータ１１４の外周凸部１１８ｂ及び第２金属セパレータ１１６の外周凸部１２０ｂが挟持される３枚の櫛歯状の板状受け部１２８ｔを一体に備える。各板状受け部１２８ｔ間には、空間部１２８が形成され、前記空間部１２８に外周凸部１１８ｂ及び１２０ｂが配置される。すなわち、互いに隣接する外周凸部１１８ｂと外周凸部１２０ｂとの間に、１枚の板状受け部１２８ｔが配置される。

上部荷重受け部材１２４ａの一方の側部には、例えば、２つのピン部材（係止部材）１３０ａが一体に、又は別部材を固着して設けられる。上部荷重受け部材１２４ａの他方の側部には、ピン部材１３０ａが挿入される穴部１３０ｂが、例えば、２つ設けられる。

なお、下部荷重受け部材１２４ｂ及び側部荷重受け部材１２６ａ、１２６ｂは、上部荷重受け部材１２４ａと同様に構成されており、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１１０では、外部から衝撃等が付与された際、各発電ユニット１１２を構成する第１金属セパレータ１１４及び第２金属セパレータ１１６が積層方向及び該積層方向に直交するセパレータ面方向にずれることを阻止することができる。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に構成することが可能である。

１０、１００、１１０…燃料電池 １２、１１２…発電ユニット
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２４、２８、３０、１１４、１１６…金属セパレータ
２６、２６ａ、２６ｂ…電解質膜・電極構造体
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２ａ…冷却媒体供給連通孔
４２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４４、４４ａ、５４…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５０、５０ａ、５８…酸化剤ガス流路
７０、７２、７４、１１８、１２０…シール部材
７６、１０２、１２２…荷重受け構造
７８ａ、１０４、１２４ａ…上部荷重受け部材
７８ｂ、１２４ｂ…下部荷重受け部材
８０ａ、８０ｂ、１２６ａ、１２６ｂ…側部荷重受け部材
８２ａ、８２ｂ、８８ａ、８８ｂ、１０６、１２８…空間部
８２ａｔ、８２ｂｔ、８８ａｔ、８８ｂｔ、１０６ｔ、１２８ｔ…板状受け部
８４ａ、８４ｂ、９０ａ、９０ｂ、１０９ａ、１３０ａ…ピン部材
８６ａ、８６ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０９ｂ、１３０ｂ…穴部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有する金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの外周には、弾性シール部材が一体に設けられる燃料電池であって、
   複数の前記金属セパレータの外周に沿って配設される荷重受け部材を備え、
   前記荷重受け部材は、互いに隣接する前記金属セパレータの各弾性シール部材間に配置される櫛歯状の板状受け部を備え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、前記金属セパレータは、多角形状を有するとともに、
   前記荷重受け部材は、該金属セパレータの辺毎に分割して設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記金属セパレータの積層方向に複数の前記荷重受け部材が配列されるとともに、
   互いに隣接する前記荷重受け部材同士を位置決め保持するために係止部材を備えることを特徴とする燃料電池。

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