JP2006093086A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜・電極構造体の電極触媒層から滞留水を円滑且つ確実に排出するとともに、簡単な構成で、良好な発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】第１金属セパレータ１４の面１４ａ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とを連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６を構成する酸化剤ガス流路溝３６ａの端部３６ｂ、３６ｃは、電解質膜・電極構造体１２の電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に突出して入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに連通する。燃料電池運転停止時に掃気を行う際に、酸化剤ガス流路３６に送られる掃気エアは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの残留水を端部３６ｃから出口バッファ部３８ｂに排出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成さ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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、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）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口及び出口には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス出口連通孔や酸化剤ガス入口連通孔である酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、発電時に生成される反応生成水が導入され易く、この酸化剤ガス連通孔内に滞留水が存在する場合がある。一方、燃料ガスが流れる燃料ガス出口連通孔や燃料ガス入口連通孔である燃料ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、結露等による滞留水が発生するおそれがある。これにより、酸化剤ガス連通孔や燃料ガス連通孔が滞留水によって縮小又は閉塞され易く、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法が知られている。この特許文献１では、固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置とを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、運転停止時に、先ず前記空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿の空気を所定時間供給した後に、燃料電池発電装置の運転を停止している。

特開２００１−３３２２８１号公報（図１）

通常、反応ガス流路は、長尺なガス流路長を確保するために、例えば、サーペンタイン流路等の複雑な流路形状を採用しており、前記反応ガス流路と反応ガス連通孔との連通部分には、前記反応ガスを円滑に供給又は排出するために、バッファ部が設けられる場合がある。

このため、発電面内で反応ガス流路が分断されてしまい、上記の特許文献１の運転方法を用いる際には、バッファ部に対応してガス流速が低下し易い。これにより、バッファ部直前の反応ガス流路に水が残存するおそれがあり、特に低温時に残留水が凍結して電解質・電極構造体の電極触媒が損傷を受ける可能性がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極構造体の電極触媒層から滞留水を円滑且つ確実に排出するとともに、簡単な構成で、良好な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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池である。

セパレータは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間にバッファ部を設けるとともに、前記反応ガス流路の前記反応ガス連通孔に向かう端部は、略水平方向に指向し且つ電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出して前記バッファ部に連通している。

また、電極は、電極触媒層と拡散層とを備え、前記拡散層は、前記電極触媒層の端部よりも外方に突出し且つバッファ部を覆って配置されることが好ましい。さらに、反応ガス流路の端部とバッファ部を構成するエンボス部との距離は、前記反応ガス流路の溝幅と同等寸法に設定されることが好ましい。

さらにまた、電極触媒層とバッファ部との間には、複数の反応ガス流路の端部が合流することが好ましく、また、前記反応ガス流路の端部は、反応ガス連通孔に向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状に設定されることが好ましい。さらに、バッファ部の最下位置は、反応ガス流路の端部の最下位置よりも下方に設定されることが好ましい。

また、セパレータが、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に親水処理部を設けている。親水処理は、一般的に採用されている種々の方式が可能であるとともに、例えば、金メッキ表面処理等を用いることができる。

さらにまた、本発明に係る燃料電池では、反応ガス流路の反応ガス連通孔に向かう端部には、略水平方向に指向し且つ電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出する延長部が設けられるとともに、複数の前記延長部の端部が前記反応ガス連通孔に向かって互いに合流している。

また、本発明に係る燃料電池では、反応ガス流路の反応ガス連通孔に向かう端部には、略水平方向に指向し且つ電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出する延長部が設けられるとともに、前記延長部の端部は、前記反応ガス連通孔に向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状に設定されることが好ましい。

さらに、本発明に係る燃料電池では、反応ガス流路の反応ガス連通孔に向かう端部には、電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出するとともに、前記電解質・電極構造体は、電極触媒層の端部から反応ガス連通孔に向かって延在する端部に、補強用含浸部、例えば、樹脂含浸部を設けている。

さらにまた、電解質・電極構造体の四隅には、それぞれ外方に突出する端部が設けられるとともに、各端部には、一方の電極を構成するガス拡散層に前記補強用含浸部が設けられることが好ましい。

また、電解質・電極構造体は、一方の電極を構成するガス拡散層が他方の電極を構成するガス拡散層よりも大きな寸法に設定されるとともに、前記大きな寸法に設定されたガス拡散層に補強用含浸部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路の端部が電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりもバッファ部側に突出しているため、運転停止時に残留水が前記電極触媒層に残留することを阻止することができる。これにより、特に、低温時に残留水によって電極触媒層が凍結することがなく、電解質・電極構造体の耐久性が良好に向上する。

また、反応ガス流路の延長部は、電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも反応ガス連通孔側に突出するとともに、複数の前記延長部の端部が前記反応ガス連通孔に向かって互いに合流し、あるいは、前記延長部の端部は、前記反応ガス連通孔に向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状に設定されている。このため、反応ガス流路内でガス流速の低下を惹起することがなく、残留水を容易且つ確実に排出することが可能になる。

さらに、電解質・電極構造体は、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に対応して補強用含浸部を形成している。従って、電解質・電極構造体は、残留水の凍結によって損傷することがなく、始動性及び耐久性の向上を図ることができる。しかも、補強用含浸部には、空隙が存在することがなく、水の進入による電解質・電極構造体の破損を有効に防止することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図である。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを、水平方向（矢印Ａ方向）に積層しており、通常、燃料電池スタックを構成する。

電解質膜・電極構造体１２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１８と、該固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。

図２に示すように、アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２４ａ、２４ｂ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２４ａ、２４ｂの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層２６ａ、２６ｂとを有する。電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部は、固体高分子電解質膜１８の両面に対し、前記固体高分子電解質膜１８の端部から内方に距離Ｈだけ離間する位置に形成されている。電解質膜・電極構造体１２には、外周から内方に距離Ｈだけ離間した範囲内に発電面２８が構成される（図１参照）。

燃料電池１０の矢印Ｂ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（反応ガス連通孔）３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、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（反応ガス連通孔）３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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（反応ガス連通孔）３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔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（反応ガス連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、図３に示すように、複数の酸化剤ガス流路溝３６ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝３６ａは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、具体的には、矢印Ｂ方向に１往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成している。

酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとの間に、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂが設けられる。酸化剤ガス流路溝３６ａの酸化剤ガス入口連通孔３０ａに向かう端部３６ｂは、略水平方向に、より好適には、水平方向から下方に傾斜する方向に指向し、且つ電解質膜・電極構造体１２の電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に距離Ｌだけ突出して入口バッファ部３８ａに連通する。距離Ｌは、水が電極触媒層２６ａ、２６ｂに戻されることがないように、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内、より好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定される。距離Ｌが１ｍｍ未満では、水の排出性が低下する一方、１０ｍｍを超えると、発電に寄与しない領域が増大して燃料電池１０が大型化する。

酸化剤ガス流路溝３６ａの酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かう端部３６ｃは、略水平方向に、より好適には、出口バッファ部３８ｂ側から下方に傾斜する方向に指向し、且つ電解質膜・電極構造体１２の電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に距離Ｌだけ突出して前記出口バッファ部３８ｂに連通する。入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂには、複数のエンボス（又はディンプル）４０ａ、４０ｂが設けられている。

酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂとは、複数の連通溝４２ａ、４２ｂを介して連通するとともに、前記連通溝４２ａ、４２ｂには、シールラインに沿ってブリッジ用の板体４４ａ、４４ｂが配設される。入口バッファ部３８ａの底面４６ａ及び出口バッファ部３８ｂの底面４６ｂは、酸化剤ガス流路溝３６ａの最下位置に配置される端部３６ｂ、３６ｃよりも下方に距離Ｄだけ離間して設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路３６と同様に、矢印Ｂ方向に１往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。燃料ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとの間に、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。燃料ガス流路溝４８ａの端部４８ｂ、４８ｃは、水平方向から僅かに下方に傾斜し、且つ電解質膜・電極構造体１２の電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に距離Ｌだけ突出して入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂに連通する。

燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂと、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂとは、複数の連通溝５２ａ、５２ｂを介して連通するとともに、前記連通溝５２ａ、５２ｂには、シールラインに沿って板体５４ａ、５４ｂが配設される。入口バッファ部５０ａの底面５６ａは、燃料ガス流路溝４８ａの最下位置の端部４８ｂよりも下方に距離Ｄだけ離間する。出口バッファ部５０ｂの底面５６ｂは、燃料ガス流路溝４８ａの最下位置の端部４８ｃよりも下方に距離Ｄだけ離間する。

第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路５８を一体的に形成する（図１参照）。冷却媒体流路５８は、酸化剤ガス流路３６の裏面側、及び燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５８ａを有する。この冷却媒体流路５８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。

図１〜図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材６０が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材６０は、平坦シールを構成するとともに、面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス流路３６を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う。

第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材６２が射出成形等により一体的に設けられる。第２シール部材６２は、平坦シールを構成するとともに、面１６ａには、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス流路４８を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う第１及び第２線状シール６４ａ、６４ｂが設けられる。面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び冷却媒体流路４２を覆って冷却媒体の漏れ止めを行う線状シール６６が設けられる。

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。

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等の冷却媒体が供給される。

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１４の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガス流路３６では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３８ａに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝３６ａを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８では、図４に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部５０ａに導入された後、複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２６ａ、２６ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３８ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される（図１及び図３参照）。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５０ｂから燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される（図４参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路５８に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路５８では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）及び鉛直方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面２８の全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、例えば、酸化剤ガス流路３６の出口側において、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路３６との間に出口バッファ部３８ｂが設けられている。そして、酸化剤ガス流路３６を構成する各酸化剤ガス流路溝３６ａの端部３６ｃは、電解質膜・電極構造体１２の電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に距離Ｌだけ突出して出口バッファ部３８ｂに連通している。

このため、燃料電池１０の運転停止時に、酸化剤ガス流路３６の掃気処理を施す際、各酸化剤ガス流路溝３６ａに沿って移動する掃気用エアは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部でガス流速が低下することがない。これにより、各酸化剤ガス流路溝３６ａの残留水は、電極触媒層２６ａ、２６ｂの外部に、すなわち発電面２８の外部に確実に排出され、出口バッファ部３８ｂ乃至端部３６ｃの先端部近傍に送り出される。

特に、端部３６ｃは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部から距離Ｌだけ外方に突出するとともに、この距離Ｌが１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に、より好適には２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定されている。従って、電極触媒層２６ａ、２６ｂによる水の吸い寄せに起因する影響を回避し、前記電極触媒層２６ａ、２６ｂから残留水を確実且つ円滑に排出することができる。

このため、第１の実施形態では、例えば、低温時に残留水により電極触媒層２６ａ、２６ｂが凍結することがなく、前記電極触媒層２６ａ、２６ｂの損傷を良好に回避し、電解質膜・電極構造体１２の耐久性が有効に向上するという効果が得られる。

さらに、出口バッファ部３８ｂの底面４６ｂの位置は、最下位置に配置される端部３６ｃよりも下方に距離Ｄだけ離間している。これにより、出口バッファ部３８ｂに排出された残留水が、端部３６ｃから酸化剤ガス流路溝３６ａに逆流することを確実に阻止することが可能になる。なお、酸化剤ガス流路３６を構成する酸化剤ガス流路溝３６ａ及び燃料ガス流路４８を構成する燃料ガス流路溝４８ａは、サーペンタイン流路であるが、これに限定されるものではなく、例えば、直線状流路であってもよい。また、以下に示す他の実施の形態においても同様である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ７０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る第１金属セパレータ１４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〜第１５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。

第１金属セパレータ７０の電解質膜・電極構造体１２に向かう面７０ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）７２が設けられる。酸化剤ガス流路７２は、サーペンタイン流路を構成する複数の酸化剤ガス流路溝７２ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かう端部７２ｂ、７２ｃは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部よりも外方に距離Ｌだけ突出し、且つ各々２本ずつ合流して入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに連通する。

具体的には、端部７２ｂ、７２ｃは、各々２本ずつ互いに近接する方向に屈曲して合流し、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに連通する。各々の屈曲部分は、電極触媒層２６ａ、２６ｂの端部位置に一致する必要はなく、該端部位置の内方あるいは外方であってもよい。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、各酸化剤ガス流路溝７２ａの端部７２ｃにおいて、燃料電池停止時の掃気を行う際、この端部７２ｃに送られる掃気用エアは、流速を維持した状態で、出口バッファ部５０ｂに導入される。従って、酸化剤ガス流路７２に残留する水分は、掃気用エアによって電極触媒層２６ａ、２６ｂの外方に円滑且つ確実に排出され、この電極触媒層２６ａ、２６ｂ内に残留水が存在することがなく、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ９０の正面説明図である。

第１金属セパレータ９０に設けられる酸化剤ガス流路（反応ガス流路）９２は、サーペンタイン流路を構成する複数の酸化剤ガス流路溝９２ａを有する。各酸化剤ガス流路溝９２ａの端部９２ｂ、９２ｃは、１つおきに屈曲して２つの端部９２ｂ、９２ｃ同士が合流するとともに、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂに連通する。端部９２ｂ、９２ｃは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの外方に距離Ｌだけ突出しており、掃気用エアの流速を減少させることがなく、電極触媒層２６ａ、２６ｂから残留水を円滑且つ確実に排出することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ１００の正面説明図である。第１金属セパレータ１００に設けられる酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１０２は、複数の酸化剤ガス流路溝１０２ａを有してサーペタイン流路を構成する。各酸化剤ガス流路溝１０２ａの端部１０２ｂ、１０２ｃは、電極触媒層２６ａ、２６ｂの外方に、すなわち入口バッファ部１０４ａ及び出口バッファ部１０４ｂに向かって距離Ｌだけ突出する。

入口バッファ部１０４ａ及び出口バッファ部１０４ｂは、複数のエンボス部１０６ａ、１０６ｂにより構成されている。酸化剤ガス流路溝１０２ａの端部１０２ｂ、１０２ｃと、該端部１０２ｂ、１０２ｃに最も近接して対向するエンボス部１０６ａ、１０６ｂとの距離Ｓ１は、前記酸化剤ガス流路溝１０２ａの溝幅Ｓ２と同等の寸法に設定される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料電池の運転停止時に、酸化剤ガス流路１０２を構成する各酸化剤ガス流路溝１０２ａに掃気用エアが供給されると、この掃気用エアは端部１０２ｃから出口バッファ部１０４ｂに流出する。その際、端部１０２ｃとエンボス部１０６ｂとの距離Ｓ１は、酸化剤ガス流路溝１０２ａの溝幅Ｓ２と同等の寸法に設定されることによって、前記酸化剤ガス流路溝１０２ａ内でのガス流速の低下を阻止することができる。従って、酸化剤ガス流路溝１０２ａの端部１０２ｃから出口バッファ部１０４ｂに向かって残留水を確実に排出することができ、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視図である。燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１１２と第１及び第２金属セパレータ１１４、１１６とを水平方向に積層して構成する。電解質膜・電極構造体１１２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かって突出する端部１１２ａ〜１１２ｄを有する。カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８と略同一の表面積に設定されるとともに、アノード側電極２０は、前記固体高分子電解質膜１８よりも小さな表面積に設定される。

第２金属セパレータ１１６は、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍に複数の供給孔部１１８ａを設ける一方、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に複数の排出孔部１１８ｂを設ける。

図９に示すように、第２金属セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体１１２に向かう面１１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）１２０が設けられる。燃料ガス流路１２０は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の燃料ガス流路溝１２０ａを有する。燃料ガス流路溝１２０ａは、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂに向かう端部に水平方向から僅かに下方に傾斜し、且つ電解質膜・電極構造体１１２の電極触媒層２６ａの端部よりも外方に突出する延長部１２０ｂ、１２０ｃを設ける。各延長部１２０ｂ、１２０ｃは、供給孔部１１８ａ及び排出孔部１１８ｂに連通している。

第２金属セパレータ１１６の面１１６ｂには、図８に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂに連通する冷却媒体流路１２２が設けられる。冷却媒体流路１２２は、矢印Ｂ方向に平行に延在する複数の冷却媒体流路溝１２２ａを有する。

第１金属セパレータ１１４の電解質膜・電極構造体１１２に向かう面１１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１２４が設けられる。この酸化剤ガス流路１２４は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝１２４ａを有する。第１金属セパレータ１１４の面１１４ｂは、第２金属セパレータ１１６の面１１６ｂに重なり合って、冷却媒体流路１２２を形成する。第１金属セパレータ１１４の外周縁部を周回して、第１シール部材１２５が一体的に設けられる。この第１シール部材１２５は、平面シール部を構成している。

図９に示すように、第２金属セパレータ１１６の外周縁部を周回して、第２シール部材１２６が一体的に設けられる。第２シール部材１２６は、面１１６ａに設けられる外側シール部１２８と内側シール部１３０とを備える。第２シール部材１２６は、図８に示すように、面１１６ｂに設けられるシール部１３２を有する。

このように構成される第５の実施形態では、図９に示すように、酸化剤ガス流路１２４の出口側において、燃料ガス流路溝１２０ａの端部には、電解質膜・電極構造体１１２の電極触媒層２６ａの端部よりも燃料ガス出口連通孔３４ｂ側に突出して延長部１２０ｃが設けられている。このため、各燃料ガス流路溝１２０ａに沿って移動する掃気用エアは、延長部１２０ｃで流速が低下することがなく、この延長部１２０ｃから排出連通孔１１８ｂに残留水を容易且つ確実に排出することができる。

これにより、例えば、低温時に残留水による電極触媒層２６ａの凍結が阻止され、電解質膜・電極構造体１１２の耐久性が良好に向上する等、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。なお、燃料ガス流路１２０及び酸化剤ガス流路１２４は、直線状流路を構成しているが、例えば、サーペンタイン流路を構成してもよい。また、以下の実施形態でも、同様である。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１４０の正面説明図である。

第２金属セパレータ１４０に設けられる燃料ガス流路（反応ガス流路）１４２には、直線状流路を構成する複数の酸化剤ガス流路１４０ａを有する。燃料ガス流路溝１４２ａの燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂ側に突出する延長部１４２ｂ、１４２ｃは、電極触媒層２６ａの外方に距離Ｌだけ突出するとともに、供給孔部１１８ａ及び排出孔部１１８ｂに連なる通路の近傍で終端している。このため、第６の実施形態では、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１５０の正面説明図である。

第２金属セパレータ１５０に設けられる燃料ガス流路（反応ガス流路）１５２は、直線状流路（又は、サーペンタイン流路）を構成する複数の燃料ガス流路溝１５２ａを有する。燃料ガス流路溝１５２ａの燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂに向かって突出する端部１５２ｂ、１５２ｃは、前記燃料ガス入口連通孔３４ａ及び前記燃料ガス出口連通孔３４ｂに向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状に設定される。

これにより、燃料ガス流路１５２の端部１５２ｃが電極触媒層２６ａの排出孔部１１８ｂ側に突出するため、ガス流速が低下することがなく、残留水を確実に排出することができる等、第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、端部１５２ｃは、先細り形状に構成されるため、この端部１５２ｃの先端のガス流速が上がり、水の滞留を一層確実に抑制することが可能になる。これにより、特に低温時における電解質膜・電極構造体１１２の破損を良好に阻止することができるという利点がある。

図１２は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１６０の要部分解斜視図である。なお、第５の実施形態に係る燃料電池１１０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１６０を構成する電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６２は、矢印Ｂ方向外方に突出する端部１１２ａ〜１１２ｄを設けている。燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂに向かって突出する端部１１２ｃ、１１２ｂに樹脂含浸部（補強用含浸部）１６４ａ、１６４ｂが設けられる。含浸樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン等が採用される。

従って、第８の実施形態では、燃料ガス流路１２０から排出孔部１１８ｂに残留水が排出されずに端部１１２ｂに滞留水が存在しても、この端部１１２ｂに設けられている樹脂含浸部１６４ａを介して固体高分子電解質膜１８の強度を維持することができる。これにより、特に低温時に、固体高分子電解質膜１８が残留水の凍結によって破損することを確実に阻止することが可能になり、始動性及び耐久性の向上を図ることができるという利点が得られる。

図１３は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ１７０の正面説明図である。なお、第７の実施形態に係る第２金属セパレータ１５０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第２金属セパレータ１７０は、延長部１５２ｂ、１５２ｃを含んで燃料ガス流路１５２と供給孔部１１８ａ及び排出孔部１１８ｂとの間に、親水処理部１７２ａ、１７２ｂを設ける。親水処理部１７２ａ、１７２ｂは、例えば、金メッキ表面処理の他、親水性物質を液状媒体に混在させた溶液を用い、その溶液と第２金属セパレータ１７０の所定の部位とを接触させることによっても設けられる。その他、従来から採用されている種々の親水処理が適用可能である。

このように、第９の実施形態では、親水処理部１７２ａ、１７２ｂを設けるため、特に燃料ガス流路１５２から排出孔部１１８ｂに残留水が排出される際、水のメニスカスの形成を緩和するとともに、液滴の発生を抑制することが可能になる。従って、滞留水の凍結によって固体高分子電解質膜（図示せず）の破損を有効に防止することができ、始動性及び耐久性の向上を図ることが可能になる。

図１４は、本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ１８０の正面説明図である。

第１金属セパレータ１８０は、端部３６ｂが水平方向から上方に傾斜して入口バッファ部３８ａに連通する。入口バッファ部３８ａの底面１８２ａ及び出口バッファ部３８ｂの底面１８２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの底面及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの底面と略同一高さに設定される。

これにより、第１０の実施形態では、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに水が滞留することがなく、この水は、連通溝４２ａ、４２ｂから酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを介して燃料電池の外部に良好に排出することができるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ１９０の正面説明図である。

第１金属セパレータ１９０は、入口バッファ部３８ａの底面１９２ａ及び出口バッファ部３８ｂの底面１９２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの底面及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの底面と略同一高さに設定される。

図１６は、本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ２００の正面説明図である。

第１金属セパレータ２００は、端部９２ｂ、９２ｃが互いに逆向きに構成される。入口バッファ部３８ａの底面２０２ａ及び出口バッファ部３８ｂの底面２０２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの底面及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの底面と略同一高さに設定される。

図１７は、本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ２１０の正面説明図である。

第１金属セパレータ２１０は、入口バッファ部１０４ａの底面２１２ａ及び出口バッファ部１０４ｂの底面２１２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの底面及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの底面と略同一高さに設定される。

図１８は、本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ２２０の正面説明図である。第２金属セパレータ２２０は、延長部１２０ｂが水平方向から僅かに上方に傾斜して供給孔部１１８ａに連通する。

図１９は、本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ２３０の正面説明図である。第２金属セパレータ２３０は、延長部１４２ｂが水平方向から僅かに上方に傾斜して供給孔部１１８ａの近傍で終端する。

なお、第１〜第１５の実施形態では、必要に応じてそれぞれの主要な構成要素を任意に組み合わせて構成することができる。

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図である。 前記燃料電池の酸化剤ガス側の入口バッファ部近傍で切断した一部断面図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。

符号の説明

１０、１１０、１６０…燃料電池
１２、１１２、１６２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７０、９０、１００、１１４、１１６、１４０、１５０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０…金属セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…アノード側電極
２２…カソード側電極 ２４ａ、２４ｂ…ガス拡散層
２６ａ、２６ｂ…電極触媒層 ２８…発電面
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、７２、９２、１０２、１２４…酸化剤ガス流路
３６ｂ、３６ｃ、４８ｂ、４８ｃ、７２ｂ、７２ｃ、９２ｂ、９２ｃ、１０２ｂ、１０２ｃ、１１２ａ〜１１２ｄ、１５２ｂ、１５２ｃ…端部
３８ａ、５０ａ、１０４ａ…入口バッファ部
３８ｂ、５０ｂ、１０４ｂ…出口バッファ部
４６ａ、４６ｂ、５６ａ、５６ｂ、１８２ａ、１８２ｂ、１９２ａ、１９２ｂ、２０２ａ、２０２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ…底面
４８、１２０、１４２、１５２…燃料ガス流路
６０、６２…シール部材 １０６ａ、１０６ｂ…エンボス部
１１８ａ…供給孔部 １１８ｂ…排出孔部
１２０ｂ、１２０ｃ、１４２ｂ、１４２ｃ…延長部
１２２…冷却媒体流路 １６４ａ、１６４ｂ…樹脂含浸部
１７２ａ、１７２ｂ…親水処理部

Claims (12)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間にバッファ部を設けるとともに、
   前記反応ガス流路の前記反応ガス連通孔に向かう端部は、略水平方向に指向し且つ前記電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出して前記バッファ部に連通す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、前記電極は、前記電極触媒層と拡散層とを備えるとともに、
   前記拡散層は、前記電極触媒層の端部よりも外方に突出し且つ前記バッファ部を覆って配置さ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、前記反応ガス流路の端部と前記バッファ部を構成するエンボス部との距離は、前記反応ガス流路の溝幅と同等寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記電極触媒層と前記バッファ部との間には、複数の反応ガス流路の端部が合流することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス流路の端部は、前記反応ガス連通孔に向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状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、前記バッファ部の最下位置は、前記反応ガス流路の端部の最下位置よりも下方に設定されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記反応ガス流路の端部と前記反応ガス連通孔との間に親水処理部が設けることを特徴とする燃料電池。
8. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路の前記反応ガス連通孔に向かう端部には、略水平方向に指向し且つ前記電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出する延長部が設けられるとともに、
   複数の前記延長部の端部が前記反応ガス連通孔に向かって互いに合流することを特徴とする燃料電池。
9. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路の前記反応ガス連通孔に向かう端部には、略水平方向に指向し且つ前記電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出する延長部が設けられるとともに、
   前記延長部の端部は、前記反応ガス連通孔に向かって開口断面積が小さくなるよう先細り形状に設定されることを特徴とする燃料電池。
10. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層され、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向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の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
    前記反応ガス流路の前記反応ガス連通孔に向かう端部には、前記電解質・電極構造体の電極触媒層の端部よりも外方に突出するとともに、
    前記電解質・電極構造体は、前記電極触媒層の端部から前記反応ガス連通孔に向かって延在する端部に、補強用含浸部を設けることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体の四隅には、それぞれ外方に突出する端部が設けられるとともに、
    各端部には、一方の電極を構成するガス拡散層に前記補強用含浸部が設けられることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１０又は１１記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体は、一方の電極を構成するガス拡散層が他方の電極を構成するガス拡散層よりも大きな寸法に設定されるとともに、
    前記大きな寸法に設定されたガス拡散層に前記補強用含浸部が設けられることを特徴とする燃料電池。

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