JP2006260919A

JP2006260919A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006260919A
Application number: JP2005076209A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mouri; 昌弘毛里; Kentaro Nagoshi; 健太郎名越; Masaru Oda; 優小田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: JP4753599B2; US20070009779A1; US8778553B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、電極面内の温度分布を均一に設定することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持するアノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６とを備える。酸化剤ガス流路３８は、水平方向に流れ方向を有する一方、冷却媒体流路４６は、鉛直方向に流れ方向を有する。この冷却媒体流路４６には、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂとが連通し、前記冷却媒体入口連通孔２６ａ及び前記冷却媒体出口連通孔２６ｂの開口断面積を最小に設定することにより、酸化剤ガス流路３８及び燃料ガス流路３４の出口周辺部分に対応して供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定される。
【選択図】図１

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・電極構造体と前記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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路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電解質膜（電解質）の両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）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。

上記の発電セルでは、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが、それぞれ電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータに形成されている。さらに、互いに積層されるセパレータ間には、電解質膜・電極構造体の発電面を冷却するための冷却媒体流路が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている電気化学燃料電池スタックは、図１０に示すように、酸化剤ガス／冷却媒体流通用のプレート１を備えている。このプレート１は、一方の対角位置に酸化剤ガス入口２ａと酸化剤ガス出口２ｂとが形成されるとともに、他方の対角位置には、燃料ガス入口３ａ及び冷却媒体出口４ｂと、燃料ガス出口３ｂ及び冷却媒体入口４ａとが形成されている。

このプレート１の一方の面には、複数の酸化剤ガス流路５が発電反応領域に沿ってサーペンタイン流路として形成されている。この酸化剤ガス流路５は、酸化剤ガス入口２ａと酸化剤ガス出口２ｂとに連通している。

プレート１の他方の面には、冷却媒体入口４ａと冷却媒体出口４ｂとを連通する図示しない冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、酸化剤ガス流路５と同様に複数のサーペンタイン流路により構成されている。そして、冷却媒体流路では、最も低温な領域が酸化剤ガス流路５の最小含水領域に対応するとともに、前記冷却媒体流路の最も高温な領域が前記酸化剤ガス流路の最大含水領域に対応している。

米国特許第５５４７７７６号明細書（図６Ａ）

しかしながら、上記の従来技術では、プレート１の両面にそれぞれ略同一形状、例えば、サーペンタイン形状の酸化剤ガス流路５及び冷却媒体流路が設けられており、前記酸化剤ガス流路５及び前記冷却媒体流路を略同一形状に構成する必要がある。

このため、流路形状の設計に自由度が少なく、例えば、酸化剤ガス流路５等の反応ガス流路と冷却媒体流路とを略直交して構成することができず、汎用性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガスと冷却媒体とが略直交する流れ方向に設定された燃料電池において、簡単な構成で、電極面内の温度分布を均一に設定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・電極構造体と前記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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成される燃料電池である。

燃料電池は、冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、前記冷却媒体連通部は、反応ガス流路の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さくなるように構成されている。

また、本発明は、冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、前記冷却媒体連通部は、反応ガス流路の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きくなるように構成されている。

さらに、本発明は、冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、前記冷却媒体連通部は、反応ガス流路の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さくなる一方、前記反応ガス流路の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きくなるように構成されている。

さらにまた、冷却媒体連通部は、積層方向に貫通する冷却媒体連通孔を有し、この冷却媒体連通孔は、幅方向に沿って開口断面積を異ならせることが好ましく、また、前記冷却媒体連通部は、前記冷却媒体流路に連通する連結路を有し、前記連結路の間隔を前記幅方向に沿って異ならせることが好ましい。

さらに、反応ガス流路は、冷却媒体連通孔の開口断面積の大きな入口周辺部分から前記開口断面積の小さな出口周辺部分に向かって拡開するとともに、前記出口周辺部分では、前記反応ガス流路の流路本数が増加するように設定されることが好ましい。

さらにまた、反応ガス流路に連通して積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えるとともに、冷却媒体連通部は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔は、セパレータの左右又は上下に設けられる一方、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記セパレータの上下又は左右に設けられることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体連通部は、反応ガス流路の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さくなるため、前記反応ガス流路では、前記出口周辺部分の温度が上昇する。従って、出口周辺部分で反応ガスが温められ、反応ガス流路中の凝縮水等が水蒸気化して前記反応ガス中に取り込まれる。これにより、反応ガス流路に凝縮水が滞留することを抑制し、排水処理が確実に行われ、良好な発電が遂行可能になる。

また、本発明によれば、冷却媒体連通部は、反応ガス流路の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きくなるため、前記反応ガス流路では、前記入口周辺部分に多量の冷却媒体が供給される。このため、発電反応が顕著な入口周辺部分を良好に冷却することができ、電極の温度上昇を抑えることが可能になる。従って、電気抵抗の増加を有効に抑制し、良好な発電が遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。通常、複数の燃料電池１０が水平方向に積層されてスタック化される。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２をアノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６とで挟持する。アノード側金属セパレータ１４及びカソード側金属セパレータ１６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いる。

燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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１８ａと、燃料ガス、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２０ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂは、後述するバッファ部３６ａ、３６ｂの形状に対応して開口断面略台形状に設定される。

燃料電池１０の上端縁部には、冷却媒体を供給するための、例えば、３つの冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の下端縁部には、冷却媒体を排出するための、例えば、３つの冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂが設けられる。

冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａは、全体として略直角三角形状の開口断面を有しており、後述する酸化剤ガス流路３８及び燃料ガス流路３４の出口周辺部分、すなわち、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂ側に供給される冷却媒体の流量が、前記反応ガス流路の入口周辺部分、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス入口連通孔２０ａ近傍に供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定される。一方、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス入口連通孔２０ａに供給される冷却媒体の流量は、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きく設定される。

具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａにおいて、前記冷却媒体入口連通孔２２ａが最大開口断面積を有し、前記冷却媒体入口連通孔２６ａが最小開口断面積を有するとともに、前記冷却媒体入口連通孔２４ａが、これらの中間の開口断面積を有する。冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ、２６ｂにおいても同様に、これらが一体として略直角三角形状の開口形状を有し、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂに向かって、順次、開口断面積が小さくなる。

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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。

アノード側電極３０及びカソード側電極３２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、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

図１及び図２に示すように、アノード側金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４が形成される。この燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３４ａを有するとともに、前記流路溝３４ａの矢印Ｂ方向両端に位置してバッファ部３６ａ、３６ｂが設けられる。

バッファ部３６ａ、３６ｂは、略三角形状に設定される。燃料ガス入口連通孔２０ａとバッファ部３６ａとは、複数の入口連結路３７ａを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔２０ｂとバッファ部３６ｂとは、複数の出口連結路３７ｂを介して連通する。

図１に示すように、カソード側金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する。

酸化剤ガス流路３８は、上記の燃料ガス流路３４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３８ａを有するとともに、前記流路溝３８ａの矢印Ｂ方向両端部には、略三角形状のバッファ部４０ａ、４０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａとバッファ部４０ａとは、複数の入口連結路４２ａを介して連通する一方、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとバッファ部４０ｂとは、複数の出口連結路４２ｂを介して連通する。

図１及び図３に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂとカソード側金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂ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、燃料ガス流路３４と酸化剤ガス流路３８とが重なり合うことによって、矢印Ｃ方向に延在して形成される。

図３に示すように、カソード側金属セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の入口連結路４８ａと、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する複数の出口連結路４８ｂとが設けられる。冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと入口連結路４８ａと、並びに冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂと出口連結路４８ｂとにより、冷却媒体連通部が構成される。

アノード側金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５０が一体化される。カソード側金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材５２が一体化される。

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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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２０ａ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２２ａ、２４ａ及び２６ａ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。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側金属セパレータ１６のバッファ部４０ａを通って酸化剤ガス流路３８に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側金属セパレータ１４のバッファ部３６ａを通って燃料ガス流路３４に導入される（図３参照）。燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、バッファ部４０ｂから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、バッファ部３６ｂから燃料ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａに供給された冷却媒体は、アノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６との間に形成される冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向の流れ方向を有する一方、冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直交する矢印Ｃ方向の流れ方向を有している。そして、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂとにおいて、前記冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂの開口断面積が、前記冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び前記冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂの開口断面積よりも小さく設定されている。

このため、図１及び図３に示すように、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量は、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定され、前記出口周辺部の燃料ガス及び酸化剤ガスの温度低下を阻止することができる。

従って、出口周辺部分の燃料ガス及び酸化剤ガスは、温められて温度が上昇するため、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８中の凝縮水等は、水蒸気化して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガス中に取り込まれ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。これにより、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８に凝縮水が滞留することを抑制することができ、排水処理が確実に行われるとともに、良好な発電が遂行可能になるという効果が得られる。

また、第１の実施形態では、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂは、他の冷却媒体入口連通孔２４ａ、２６ａ及び他の冷却媒体出口連通孔２４ｂ、２６ｂよりも開口断面積が大きく設定されている。このため、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量は、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きく設定され、前記入口周辺部分に多量の冷却媒体が供給される。

これにより、特に発電反応が顕著な燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の入口周辺部分を良好に冷却することができ、電解質膜・電極構造体１２の温度上昇を抑えることが可能になる。従って、電解質膜・電極構造体１２の電気抵抗の増加を有効に抑制し、良好な発電が遂行可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視図である。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〜第６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。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６２をアノード側金属セパレータ６４とカソード側金属セパレータ６６とで挟持する。燃料電池６０の上端縁部には、冷却媒体を供給するための３つの冷却媒体入口連通孔６８ａ、７０ａ及び７２ａが設けられるとともに、前記燃料電池６０の他端縁部には、冷却媒体を排出するための３つの冷却媒体出口連通孔６８ｂ、７０ｂ及び７２ｂが設けられる。

冷却媒体入口連通孔６８ａ、７０ａ及び７２ａは、略矩形状で且つ略同一開口断面積に設定される。一方、冷却媒体出口連通孔６８ｂ、７０ｂ及び７２ｂは、同様に略矩形状で且つ略同一開口断面積を有している。

図５に示すように、カソード側金属セパレータ６６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔６８ａ、７０ａ及び７２ａと冷却媒体流路４６とを連通する複数の入口連結路７４ａ、７６ａ及び７８ａと、冷却媒体出口連通孔６８ｂ、７０ｂ及び７２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する複数の出口連結路７４ｂ、７６ｂ及び７８ｂとが設けられ、これらにより冷却媒体連通部が構成される。

入口連結路７４ａ、７６ａ及び７８ａでは、前記入口連結路７４ａの本数が最も多く、すなわち、幅方向（矢印Ｂ方向）の間隔が最も狭く、前記入口連結路７８ａの本数が最も少なく、すなわち、幅方向の間隔が最も広く設定される。同様に、出口連結路７４ｂ、７６ｂ及び７８ｂでは、前記出口連結路７４ｂの本数が最も多く且つ前記出口連結路７８ｂの本数が最も少なく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体入口連通孔７２ａに設けられる入口連結路７８ａが最小本数に設定されるとともに、冷却媒体出口連通孔７２ｂに連通する出口連結路７８ｂが最小本数に設定されている。このため、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量は、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定される。

さらに、冷却媒体入口連通孔６８ａに連通する入口連結路７４ａ及び冷却媒体出口連通孔６８ｂに連通する出口連結路７４ｂは、最大本数に設定されており、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の入口周辺部分に供給される冷却媒体媒体の流量は、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きく設定される。従って、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８に凝縮水が滞留することを阻止するとともに、電解質膜・電極構造体６２の電気抵抗を削減することが可能になる等、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カソード側金属セパレータ８０の正面説明図である。このカソード側金属セパレータ８０は、実質的に、上記の第１及び第２の実施形態を合わせた構造を有している。冷却媒体連通部は、幅方向に沿って開口断面積が変化する冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂとを有するとともに、それぞれの間隔が幅方向に沿って異なる入口連結路７４ａ、７６ａ及び７８ａと、出口連結路７４ｂ、７６ｂ及び７８ｂとを備えている。

これにより、第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる他、冷却媒体流路４６内での冷却媒体の流量分布を一層確実に設定することが可能になる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視説明図である。

燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）９２をアノード側金属セパレータ９４とカソード側金属セパレータ９６とで挟持する。燃料電池９０は、矢印Ｂ方向一端縁部に酸化剤ガス入口連通孔１８ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとを設けるとともに、矢印Ｂ方向他端縁部に燃料ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとを設ける。

冷却媒体流路４６には、例えば、第３の実施形態と同様に、入口連結路７４ａ、７６ａ及び７８ａを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａが連通するとともに、前記冷却媒体流路４６には、出口連結路７４ｂ、７６ｂ及び７８ｂを介して冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂが連通する。

このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路３８の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量より小さく設定されるとともに、前記酸化剤ガス流路３８の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きく設定される。

ここで、酸化剤ガス流路３８では、上流側で反応が集中し易く、燃料ガスに比べて濃度低下が発生し易い。このため、酸化剤ガス流路３８の上流側の発熱量が大きくなる一方、前記酸化剤ガス流路３８の下流側では、発電能力が低下して凝縮水が発生し易い。

従って、酸化剤ガス流路３８の下流側に対応して供給される冷却媒体の流量を小さく設定することにより、凝縮水を水蒸気化して前記酸化剤ガス流路３８から良好に排出することができる。また、酸化剤ガス流路３８の上流側に供給される冷却媒体の流量を大きく設定することにより、温度上昇を有効に抑制することができ、電気抵抗を下げることが可能になる。

これにより、第４の実施形態では、酸化剤ガス流路３８の中流側から下流側への発電能力が向上し、全体としての反応面積が拡大するとともに、反応集中を抑制し、電解質膜・電極構造体９２の局所的な劣化を防止することができるという効果が得られる。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。

燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１０２をアノード側金属セパレータ１０４とカソード側金属セパレータ１０６とで挟持する。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、燃料ガス出口連通孔２０ｂを矢印Ｃ方向に挟んで２つの酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、１８ａが設けられる。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを矢印Ｃ方向に挟んで２つの燃料ガス入口連通孔２０ａ、２０ａが設けられる。

燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８は、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ、及び２６ｂの傾斜に沿って略台形状に構成される。燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８は、それぞれ出口側に向かって拡開するとともに、出口側周辺部分では、流路本数が増加する。

電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極３０及びカソード側電極３２は、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の形状に対応して略台形状に構成される。

冷却媒体流路４６を冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂに連通する入口連結路４８ａ及び出口連結路４８ｂは、例えば、アノード側金属セパレータ１０４に設けられる。なお、入口連結路４８ａ及び出口連結路４８ｂは、カソード側金属セパレータ１０６に設けてもよい。

このように構成される第５の実施形態では、酸化剤ガス流路３８の下流側に対応して供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定されるとともに、前記酸化剤ガス流路３８の上流側に対応して供給される冷却媒体の流量が、その他の部分の冷却媒体の流量よりも大きく設定される。これにより、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８を略台形状に構成することにより、アノード側電極３０及びカソード側電極３２を略台形状に、すなわち、発電面積を大きく設定することができる。従って、第５の実施形態では、一層効率的な発電が容易に遂行可能になるという利点がある。

なお、第１〜第５の実施形態では、冷却媒体は、矢印Ｃ方向下方（重力方向）に沿って冷却媒体流路４６を流れる構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示す第６の実施形態に係る燃料電池１１０では、水平方向一端縁部に冷却媒体入口連通孔２２ａ、２４ａ及び２６ａが形成されるとともに、水平方向他端縁部に冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２４ｂ及び２６ｂが形成される。

燃料電池１１０の鉛直方向上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス入口連通孔２０ａが設けられる一方、前記燃料電池１１０の鉛直方向下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。

このように構成される燃料電池１１０では、冷却媒体は、冷却媒体流路４６に沿って水平方向に供給されるとともに、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３８の出口周辺部分に対応して供給される冷却媒体の流量が小さく、且つ前記燃料ガス流路３４及び前記酸化剤ガス流路３８の入口周辺部分に対応して供給される冷却媒体の流量が大きく設定されている。

これにより、第６の実施形態では、上記の第１の実施形態等の同様の効果が得られるとともに、横置き（燃料電池１０）と縦置き（燃料電池１１０）とに適宜設定可能であり、汎用性に優れるという利点がある。なお、第２〜第５の実施形態においても同様に、横置きと縦置きとを適宜選択することが可能である。

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説明図である。前記燃料電池を構成するアノード側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カソード側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の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成するカソード側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カソード側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の要部分解斜視説明図である。本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。従来技術のプレートの正面説明図である。

符号の説明

１０、６０、９０、１００、１１０…燃料電池
１２、６２、９２、１０２…電解質膜・電極構造体
１４、６４、９４、１０４…アノード側金属セパレータ
１６、６６、８０、９６、１０６…カソード側金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ、２４ａ、２６ａ、６８ａ、７０ａ、７２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、６８ｂ、７０ｂ、７２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８…固体高分子電解質膜３０…アノード側電極
３２…カソード側電極３４…燃料ガス流路
３８…酸化剤ガス流路４６…冷却媒体流路
３７ａ、４２ａ、４８ａ、７４ａ、７６ａ、７８ａ…入口連結路
３７ｂ、４２ｂ、４８ｂ、７４ｂ、７６ｂ、７８ｂ…出口連結路

Claims

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・電極構造体と前記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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
前記冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、
前記冷却媒体連通部は、前記反応ガス流路の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さくなるように構成されることを特徴とする燃料電池。
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・電極構造体と前記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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
前記冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、
前記冷却媒体連通部は、前記反応ガス流路の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きくなるように構成されることを特徴とする燃料電池。
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・電極構造体と前記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、互いに積層される前記セパレータ間には、前記反応ガスの流れ方向と略直交する冷却媒体の流れ方向を有する冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
前記冷却媒体流路の流れ方向に略直交する幅方向に延在し且つ前記冷却媒体流路に連通して積層方向に貫通する冷却媒体連通部を備え、
前記冷却媒体連通部は、前記反応ガス流路の出口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも小さくなる一方、前記反応ガス流路の入口周辺部分に供給される冷却媒体の流量が、その他の部分に供給される冷却媒体の流量よりも大きくなるように構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、冷却媒体連通部は、前記積層方向に貫通する冷却媒体連通孔を有し、
前記冷却媒体連通孔は、前記幅方向に沿って開口断面積を異ならせることを特徴とする燃料電池。
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、前記冷却媒体連通部は、前記冷却媒体流路に連通する連結路を有し、
前記連結路の間隔を前記幅方向に沿って異ならせることを特徴とする燃料電池。
請求項４記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、前記冷却媒体連通孔の開口断面積の大きな入口周辺部分から前記開口断面積の小さな出口周辺部分に向かって拡開するとともに、前記出口周辺部分では、前記反応ガス流路の流路本数が増加するように設定されることを特徴とする燃料電池。
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、前記反応ガス流路に連通して前記積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えるとともに、
前記冷却媒体連通部は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、
前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔は、前記セパレータの左右又は上下に設けられる一方、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記セパレータの上下又は左右に設けられることを特徴とする燃料電池。