JP2007324110A

JP2007324110A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007324110A
Application number: JP2006333305A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tanaka; 広行田中; Seiji Sugiura; 誠治杉浦
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP4981429B2

Abstract

【課題】積層方向に延在する反応ガス連通孔と電極面方向に延在する反応ガス流路との間で反応ガスを良好に流すことができ、しかも前記積層方向の薄型化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、単位セル１２ａ、１２ｂを交互に積層する。単位セル１２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持する。単位セル１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。積層方向に隣接する第１電解質・電極構造体２０ａ及び第２電解質・電極構造体２０ｂに設けられ、第１通路部７６ａ及び第２通路部７６ｂを形成する第１凹凸形状部３８ａ及び第２凹凸形状部３８ｂは、前記積層方向に互いにオフセットして配置されている。
【選択図】図３

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・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持する単位セルを積層するとともに、少なくとも電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設け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）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単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。

例えば、特許文献１に開示されているプロセス制御装置では、図１８に示すように、互いに平行に配置される２つの板１ａ、１ｂを重ね合わせた積層板がユニット２と交互に積層されている。ユニット２は、ＭＥＡ２ａを陽極２ｂ及び陰極２ｃで挟持するとともに、これらが一対の接触板２ｄに挟持されて構成されている。

板１ａとユニット２との間に第１室３ａが形成され、板１ｂと前記ユニット２との間に第２室３ｂが形成され、前記板１ａ、１ｂ間に第３室３ｃが形成されている。板１ａ、１ｂの端部には、パッキン４を介して積層方向に連通孔５が形成される。

この連通孔５は、板１ａ、１ｂ間に形成される流路６を介して、例えば、第２室３ｂに連通している。図示していないが、積層方向には、他の２つの連通孔が設けられており、他の２つの連通孔は、板１ａ、１ｂ間の流路（図示せず）を介して第１室３ａ及び第３室３ｃにそれぞれ連通している。

特開平６−２１８２７５号公報（図５）

しかしながら、上記の特許文献１では、積層方向に形成されている連通孔５を第２室３ｂに連通するための流路６は、流体を良好に導入するために積層方向の流路高さを確保するとともに、パッキン４によるシール高さを確保する必要がある。このため、ユニット２同士の間隔が相当に大きくなり、燃料電池の小型化が図られないという問題がある。

特に、車載用燃料電池スタックでは、多数、例えば、数百の燃料電池を積層して構成されている。従って、各燃料電池同士の間隔が大きくなっており、燃料電池スタック全体としての小型化が図られないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、積層方向に延在する反応ガス連通孔と電極面方向に延在する反応ガス流路との間で反応ガスを良好に流すことができ、しかも前記積層方向の薄型化を図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・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持する単位セルを積層するとともに、少なくとも電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。

そして、電解質・電極接合体は、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通する連通部を形成する凹凸形状部を電極面方向に有し、積層方向に隣接する電解質・電極接合体に設けられる各凹凸形状部は、前記積層方向に互いにオフセットして配置されている。

また、連通部は、凹凸形状部を構成する凹部と第１セパレータ及び第２セパレータとの間に形成される第１反応ガス連通路と、前記凹凸形状部を構成する凸部と前記第２セパレータ又は前記第１セパレータとの間に形成される第２反応ガス連通路とを有することが好ましい。

さらに、第２セパレータ又は第１セパレータのいずれか一方には、相対的に外形寸法の小さな他方の外形端部外方に位置し、反応ガス連通孔である反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とが積層方向に貫通して形成されることが好ましい。

さらにまた、第２セパレータ又は第１セパレータには、連通部を反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔に連通する開口部が積層方向に形成されることが好ましい。

また、本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極接合体を備え、前記第１電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持する第１単位セルと、前記第２電解質・電極接合体を第３セパレータ及び第４セパレータで挟持する第２単位セルとを交互に積層するとともに、少なくとも電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。

そして、第１電解質・電極接合体は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通する第１連通部を形成する第１凹凸形状部を電極面方向に有し、第２電解質・電極接合体は、電極面に沿って前記反応ガスを供給する反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する第２連通部を形成する第２凹凸形状部を前記電極面方向に有し、前記第１凹凸形状部と前記第２凹凸形状部とは、前記積層方向に互いにオフセットして配置されている。

本発明では、積層方向に隣接する電解質・電極接合体に設けられる各凹凸形状部が、前記積層方向に互いにオフセットして配置されるため、隣接する通路部同士が前記積層方向に重なることがない。従って、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通する通路部における流路高さ及びシール高さを維持した状態で、各単位セルの積層方向の薄型化を図ることが可能になる。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行され、特に車載用燃料電池スタックを良好にコンパクト化することができる。

また、本発明では、積層方向に隣接する第１電解質・電極接合体及び第２電解質・電極接合体に設けられる第１凹凸形状部及び第２凹凸形状部が、前記積層方向に互いにオフセットして配置されるため、隣接する第１通路部及び第２通路部同士が前記積層方向に重なることがない。従って、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通する第１通路部及び第２通路部における流路高さ及びシール高さを維持した状態で、第１単位セル及び第２単位セルの積層方向の薄型化を図ることが可能になる。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行され、特に車載用燃料電池スタックを良好にコンパクト化することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の断面説明図である。

燃料電池１０は、単位セル１２ａ、１２ｂを交互に矢印Ａ方向（水平方向）に積層する積層体１４を備えるとともに、前記積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。なお、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間は、図示しないタイロッドにより締め付けられているが、例えば、積層体１４全体をケーシング（図示せず）内に収容して構成してもよい。

単位セル１２ａは、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持するとともに、単位セル１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。単位セル１２ｂは、単位セル１２ａを面方向に１８０°回転させることにより構成されている。実際上、第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａと同一であり、第３金属セパレータ２６は、第１金属セパレータ２２と同一であり、第４金属セパレータ２８は、第２金属セパレータ２４と同一である。

図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａ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（電解質）３０ａと、該固体高分子電解質膜３０ａを挟持するカソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａとを備える。カソード側電極３２ａは、アノード側電極３４ａよりも大きな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３２ａは、固体高分子電解質膜３０ａの全面を覆って設けられる（所謂、段差ＭＥＡ）。

カソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａ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）とを有し、触媒塗布範囲３６ａが設けられる。

第１電解質膜・電極構造体２０ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第１凹凸形状部３８ａが設けられる。第１凹凸形状部３８ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第１凸部３７ａ、第１凹部３９ａ、第２凸部３７ｂ及び第２凹部３９ｂを有する。第１凹凸形状部３８ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第３凸部３７ｃ、第３凹部３９ｃ、第４凸部３７ｄ及び第４凹部３９ｄを有する。

第１金属セパレータ２２は、第２金属セパレータ２４よりも小さな外形寸法に設定される。図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ２２の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２２ａには、前記第１電解質膜・電極構造体２０ａの触媒塗布範囲３６ａに対応して第１酸化剤ガス流路４０が形成される。この第１酸化剤ガス流路４０は、面２２ａ側に突出する凸部４０ａと凹部４０ｂとを設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に延在して形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路４０の両側には、エンボス部４０ｃが形成される。第１酸化剤ガス流路４０の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部４１ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部４１ｂが設けられる。図４に示すように、入口部４１ａ及び出口部４１ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状の外方に突出している。

第１金属セパレータ２２は、所望の凹凸形状を有する外形形状部４２を有するとともに、この外形形状部４２は、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状部よりも大きな寸法に設定される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂ側には、第１酸化剤ガス流路４０を形成することにより、凹凸形状を反転させた第１冷却媒体流路４４が形成される。

図３に示すように、第２金属セパレータ２４は、横長な長方形状を有している。この第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８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（反応ガス）、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４６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４８ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、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５０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８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５０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４８ｂ、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４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図５に示すように、第２金属セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２４ａには、触媒塗布範囲３６ａに対応して第１燃料ガス流路５２が形成される。第１燃料ガス流路５２は、面２４ａ側に突出する凸部５２ａ及び凹部５２ｂが交互に設けられることによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。この第１燃料ガス流路５２の両側には、エンボス部５２ｃが形成される。

図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、面２４ａ側に第１燃料ガス流路５２を形成することによって、第２冷却媒体流路５４が形成される。第２冷却媒体流路５４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部５６ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部５６ｂが設けられる。

入口部５６ａ及び出口部５６ｂは、第２金属セパレータ２４に第３金属セパレータ２６が重ね合わされた際に、この第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応している。冷却媒体入口連通孔４８ａは、入口部５６ａを介して第２冷却媒体流路５４に連通する一方、冷却媒体出口連通孔４８ｂは、出口部５６ｂを介して第２冷却媒体流路５４に連通する。

第２金属セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔５０ａに近接して２つの燃料ガス用入口孔部５８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔５０ｂに近接して２つの燃料ガス用出口孔部５８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４６ａ近傍には、３つの酸化剤ガス用入口孔部６０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂの近傍には、３つの酸化剤ガス用出口孔部６０ｂが形成される。

図５に示すように、面２４ａには、第１燃料ガス流路５２を周回して第１シール部材６２ａ、第２シール部材６２ｂ及び第３シール部材６２ｃが、順次、外方に向かって一体成形される。第１シール部材６２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの周縁部、すなわち、固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に接触し、第２シール部材６２ｂは、第１金属セパレータ２２の周縁部に接触し、第３シール部材６２ｃは、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第２金属セパレータに相当する第４金属セパレータ２８に接触する。

第１シール部材６２ａは、燃料ガスの漏れを防止するための内側シール部材を構成し、第２シール部材６２ｂは、酸化剤ガスの漏れを防止するための中間シール部材を構成し、第３シール部材６２ｃは、冷却媒体の漏れを阻止するための外側シール部材を構成している。

第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体２０ａと同様に構成され、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第２凹凸形状部３８ｂが設けられる。第２凹凸形状部３８ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第５凹部３９ｅ、第５凸部３７ｅ、第６凹部３９ｆ及び第６凸部３７ｆを有する。第２凹凸形状部３８ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第７凹部３９ｇ、第７凸部３７ｇ、第８凹部３９ｈ及び第８凸部３７ｈを有する。

第３金属セパレータ２６は、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ側の面２６ｂに、第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部６３ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部６３ｂが設けられる。入口部６３ａ及び出口部６３ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの外形形状の外方に突出している。第３金属セパレータ２６の面２６ｂは、第２金属セパレータ２４の面２４ｂに重なり合うことにより、第２冷却媒体流路５４を一体的に形成する第３金属セパレータ２６が所定の凹凸形状を有する外形形状部６５を設ける。

図７に示すように、第４金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面２８ａには、第２燃料ガス流路６６が形成される。第２燃料ガス流路６６は、凸部６６ａと凹部６６ｂとによって矢印Ｂ方向に延在して形成されるとともに、両端側にはエンボス部６６ｃが形成される。

図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、面２８ａに第２燃料ガス流路６６を形成することによって、第１冷却媒体流路４４が形成される。この第１冷却媒体流路４４は、第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２とが重なり合うことによって一体的に形成される。第１冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ外方に延在して波形状の入口部６８ａと出口部６８ｂとが設けられる。

入口部６８ａと出口部６８ｂとは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部を介して第１冷却媒体流路４４を冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂに連通する。

第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４に設けられている入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂに対して積層方向の位置をずらして２つの入口孔部７０ａ及び２つの出口孔部７０ｂが形成される。第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４の３つの入口孔部６０ａ及び３つの出口孔部６０ｂに対して積層方向の位置をずらして３つの入口孔部７２ａ及び３つの出口孔部７２ｂが形成される。

図７に示すように、面２８ａには、第２燃料ガス流路６６を周回して第１シール部材７４ａ、第２シール部材７４ｂ及び第３シール部材７４ｃが、順次、外方に沿って設けられている。燃料ガスシール用の内側シール部材である第１シール部材７４ａは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを構成する固体高分子電解質膜３０ｂの周端部に接触し、酸化剤ガスシール用の中間シール部材である第２シール部材７４ｂは、第３金属セパレータ２６の周端部に接触し、冷却媒体シール用の外側シール部材である第３シール部材７４ｃは、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４の周縁部に接触する。

単位セル１２ａには、第１凹凸形状部３８ａを介して第１通路部７６ａが形成されるとともに、単位セル１２ｂには、第２凹凸形状部３８ｂを介して第２通路部７６ｂが形成される。

第１通路部７６ａは、図９に示すように、第１凹部３９ａと、第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４との間に形成され、酸化剤ガス入口連通孔４６ａを第１酸化剤ガス流路４０に連通する第１酸化剤ガス供給連通路７８ａを有する。第１通路部７６ａは、図１１に示すように、第３凸部３７ｃと、第２金属セパレータ２４との間に形成され、燃料ガス入口連通孔５０ａを第１燃料ガス流路５２に連通する第１燃料ガス供給連通路８０ａを有する。

第１通路部７６ａは、図３に示すように、第４凹部３９ｄと、第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４との間に形成され、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂを第１酸化剤ガス流路４０に連通する第１酸化剤ガス排出連通路７８ｂを有する。第１通路部７６ａは、第２凸部３７ｂと、第２金属セパレータ２４との間に形成され、燃料ガス入口連通孔５０ａを第１燃料ガス流路５２に連通する第１燃料ガス排出連通路８０ｂを有する。

第２通路部７６ｂは、図１０に示すように、第５凹部３９ｅと、第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８との間に形成され、酸化剤ガス入口連通孔４６ａを第２酸化剤ガス流路６４に連通する第２酸化剤ガス供給連通路８２ａを有する。第２通路部７６ｂは、図１２に示すように、第７凸部３７ｇと、第４金属セパレータ２８との間に形成され、燃料ガス入口連通孔５０ａを第２燃料ガス流路６６に連通する第２燃料ガス供給連通路８４ａを有する。

第２通路部７６ｂは、図３に示すように、第８凹部３９ｈと、第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８との間に形成され、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂを第２酸化剤ガス流路６４に連通する第２酸化剤ガス排出連通路８２ｂを有する。第２通路部７６ｂは、第６凸部３７ｆと、第４金属セパレータ２８との間に形成され、燃料ガス入口連通孔５０ａを第２燃料ガス流路６６に連通する第２燃料ガス排出連通路８４ｂを有する。

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、エンドプレート１６ａの酸化剤ガス入口連通孔４６ａ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５０ａには、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４８ａ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。

ここで、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２４ｂ側から連通する３つの入口孔部６０ａが形成される。一方、単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２８ｂ側から連通する３つの入口孔部７２ａが形成されている。

このため、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部６０ａを通って面２４ａ側の第１酸化剤ガス供給連通路７８ａに導入され、第１金属セパレータ２２に設けられている入口部４１ａから第１酸化剤ガス流路４０に供給される。

一方、図１０に示すように、単位セル１２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部が、第４金属セパレータ２８に設けられている入口孔部７２ａから面２８ａ側の第２酸化剤ガス供給連通路８２ａに導入され、第３金属セパレータ２６の入口部６３ａから第２酸化剤ガス流路６４に供給される。

また、第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、面２４ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部５８ａが形成されている。第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、面２８ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部７０ａが形成されている。

従って、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部５８ａを通って面２４ａ側の第１燃料ガス供給連通路８０ａに導入され、この第１燃料ガス供給連通路８０ａに連通する第１燃料ガス流路５２に供給される。

さらに、図１２に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスガスの一部は、第４金属セパレータ２８の入口孔部７０ａから面２８ａ側の第２燃料ガス供給連通路８４ａに導入され、この第２燃料ガス供給連通路８４ａに連通する第２燃料ガス流路６６に供給される。

これにより、図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａでは、カソード側電極３２ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ａ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。同様に、第２電解質膜・電極構造体２０ｂでは、カソード側電極３２ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ｂに供給される燃料ガスとにより発電が行われる。

単位セル１２ａの第１酸化剤ガス流路４０を流れた酸化剤ガスは、出口部４１ｂから第１酸化剤ガス排出連通路７８ｂに導入され、第２金属セパレータ２４に設けられた出口孔部６０ｂを通って面２４ｂ側に移動し、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。同様に、単位セル１２ｂの第２酸化剤ガス流路６４を流れた酸化剤ガスは、出口部６３ｂから第２酸化剤ガス排出連通路８２ｂに導入され、第４金属セパレータ２８に設けられた出口孔部７２ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。

また、第２金属セパレータ２４の第１燃料ガス流路５２を流れた燃料ガスは、第１燃料ガス排出連通路８０ｂに導入され、出口孔部５８ｂを通って面２４ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。同様に、第４金属セパレータ２８の第２燃料ガス流路６６を流れた燃料ガスは、第２燃料ガス排出連通路８４ｂに導入され、出口孔部７０ｂから面２８ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。

さらにまた、図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、第１冷却媒体流路４４に連通する入口部６８ａ及び出口部６８ｂが設けられるとともに、前記入口部６８ａ及び前記出口部６８ｂは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部に対応している。

このため、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１３に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂ側から入口部６８ａを通って前記第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２との間に形成された第１冷却媒体流路４４に導入される。この第１冷却媒体流路４４を通って冷却処理を施した冷却媒体は、出口部６８ｂを通って面２８ｂ側から冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

一方、図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第２冷却媒体流路５４に連通するとともに、第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応して入口部５６ａ及び出口部５６ｂが形成されている。

従って、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１４に示すように、面２４ｂ側から入口部５６ａを通って第２金属セパレータ２４と第３金属セパレータ２６との間に形成された第２冷却媒体流路５４に供給される。この第２冷却媒体流路５４を流れた冷却媒体は、出口部５６ｂから面２４ｂ側に流動し、冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。

この場合、第１の実施形態では、積層方向に隣接する第１電解質・電極構造体２０ａ及び第２電解質・電極構造体２０ｂに設けられる第１凹凸形状部３８ａ及び第２凹凸形状部３８ｂが、前記積層方向に互いにオフセットして配置されている。このため、隣接する第１通路部７６ａ及び第２通路部７６ｂ同士は、積層方向に重なることがない。

具体的には、例えば、第１酸化剤ガス流路４０と酸化剤ガス入口連通孔４６ａとを連通する第１酸化剤ガス供給連通路７８ａと、第２酸化剤ガス流路６４と酸化剤ガス入口連通孔４６ａとを連通する第２酸化剤ガス供給連通路８２ａとでは、積層方向に互いにオフセットしている。従って、第１酸化剤ガス供給連通路７８ａと第２酸化剤ガス供給連通路８２ａとにおける流路高さ及びシール高さを維持した状態で、単位セル１２ａ及び１２ｂの積層方向の薄型化を図ることが可能になる。これにより、燃料電池１０全体の小型化が容易に遂行され、特に車載用燃料電池スタックを良好にコンパクト化することができるという効果が獲られる。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の一部断面説明図である。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及び第４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１００は、単位セル１０２ａ、１０２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル１０２ａは、第１電解質膜・電極構造体１０４ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持する一方、単位セル１０２ｂは、第２電解質膜・電極構造体１０４ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。

第１電解質膜・電極構造体１０４ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第１通路部７６ａを形成する第１凹凸形状部１０６ａが設けられる。第１凹凸形状部１０６ａは、第１電解質膜・電極構造体１０４ａの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第１凸部３７ａ、第１凹部３９ａ、第２凸部３７ｂ及び第２凹部３９ｂを有する。第１凹凸形状部１０６ａは、第１電解質膜・電極構造体１０４ａの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第３凸部３７ｃ、第３凹部３９ｃ、第４凸部３７ｄ及び第４凹部３９ｄを有する。

第２電解質膜・電極構造体１０４ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体１０４ａと同様に構成され、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第２通路部７６ｂを形成する第２凹凸形状部１０６ｂが設けられる。第２凹凸形状部１０６ｂは、第２電解質膜・電極構造体１０４ｂの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第５凹部３９ｅ、第５凸部３７ｅ、第６凹部３９ｆ及び第６凸部３７ｆを有する。第２凹凸形状部１０６ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第７凹部３９ｇ、第７凸部３７ｇ、第８凹部３９ｈ及び第８凸部３７ｈを有する。

このように構成される第２の実施形態では、第１凹凸形状部１０４ａと第２凹凸形状部１０４ｂとが、積層方向に互いにオフセットしており、上記の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０の一部断面説明図である。

燃料電池１１０は、単位セル１１２ａ、１１２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル１１２ａは、第１電解質膜・電極構造体１１４ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持する一方、単位セル１１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体１１４ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。

第１電解質膜・電極構造体１１４ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第１通路部７６ａを形成する第１凹凸形状部１１６ａが設けられる。第１凹凸形状部１１６ａは、第１電解質膜・電極構造体１０４ａの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第１凹部１１８ａ、第１凸部１２０ａ及び第２凹部１１８ｂを有する。第１凹凸形状部１０６ａは、第１電解質膜・電極構造体１１４ａの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第２凸部１２０ｂ及び第３凹部１１８ｃを有する。

第２電解質膜・電極構造体１１４ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体１１４ａと同様に構成され、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第２通路部７６ｂを形成する第２凹凸形状部１１６ｂが設けられる。第２凹凸形状部１１６ｂは、第２電解質膜・電極構造体１１４ｂの矢印Ｂ方向一端部上部から下部に向かって形成される第４凹部１１８ｄ及び第３凸部１２０ｃを有する。第２凹凸形状部１１６ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの矢印Ｂ方向他端部上部から下部に向かって形成される第５凹部１１８ｅ、第４凸部１２０ｄ及び第６凹部１１８ｆを有する。

第１凹部１１８ａと、第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４との間に第１酸化剤ガス供給連通路７８ａが形成されるとともに、第１凸部１２０ａと、第２金属セパレータ２４との間に第１燃料ガス供給連通路８０ａが形成される。第３凹部１１８ｃと、第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４との間に第１酸化剤ガス排出連通路７８ｂが形成されるとともに、第１凸部１２０ａと、第２金属セパレータ２４との間に第１燃料ガス排出連通路８０ｂが形成される。

第４凹部１１８ｄと、第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８との間に第２酸化剤ガス供給連通路８２ａが形成されるとともに、第４凸部１２０ｄと、第４金属セパレータ２８との間に第２燃料ガス供給連通路８４ａが形成される。第６凹部１１８ｆと、第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８との間に第２酸化剤ガス排出連通路８２ｂが形成されるとともに、第３凸部１２０ｃと第４金属セパレータ２８との間に第２燃料ガス排出連通路８４ｂが形成される。

このように構成される第３の実施形態では、第１凹凸形状部１１６ａと第２凹凸形状部１１６ｂとが、積層方向に互いにオフセットしており、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１３０の一部断面説明図である。

燃料電池１３０は、単位セル１３２ａ、１３２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル１３２ａは、第１電解質膜・電極構造体１３４ａを第１金属セパレータ１３６及び第２金属セパレータ１３８で挟持する一方、単位セル１３２ｂは、第２電解質膜・電極構造体１１４ｂを第３金属セパレータ１４０及び第４金属セパレータ１４２で挟持する。

第１電解質膜・電極構造体１３４ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第１通路部７６ａを形成する第１凹凸形状部１３６ａが設けられる。第１凹凸形状部１３６ａは、第１電解質膜・電極構造体１０４ａの矢印Ｂ方向両端部に形成される第１凸部３７ａ、第１凹部３９ａ、第２凸部３７ｂ、第２凹部３９ｂ、第３凸部３７ｃ、第３凹部３９ｃ、第４凸部３７ｄ及び第４凹部３９ｄを有する。

第２電解質膜・電極構造体１３４ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体１３４ａと同様に構成され、矢印Ｂ方向両端部には、電極面方向に沿って第２通路部７６ｂを形成する第２凹凸形状部１３６ｂが設けられる。第２凹凸形状部１３６ｂは、第５凹部３９ｅ、第５凸部３７ｅ、第６凹部３９ｆ、第６凸部３７ｆ、第７凹部３９ｇ、第７凸部３７ｇ、第８凹部３９ｈ及び第８凸部３７ｈを有する。第１凸部３７ａ〜第８凸部３７ｈ及び第１凹部３９ａ〜第８凹部３９ｈは、鉛直方向に対してそれぞれ所定の方向に傾斜する。

第１金属セパレータ１３６〜第４金属セパレータ１４２は、上記の第１電解質膜・電極構造体１３４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１３４ｂの形状に対応する形状に設定される。同様に、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体入口連通孔４８ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体出口連通孔４８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂは、第１電解質膜・電極構造体１３４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１３４ｂの形状に対応する形状に設定される。

このように構成される第４の実施形態では、第１凹凸形状部１３６ａと第２凹凸形状部１３６ｂとが、積層方向に互いにオフセットしており、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。前記燃料電池の断面説明図である。前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。第１金属セパレータの一方の面の説明図である。第２金属セパレータの一方の面の説明図である。前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。第４金属セパレータの一方の面の説明図である。前記第４金属セパレータの他方の面の説明図である。前記燃料電池内での酸化剤ガスの流れ説明図である。前記燃料電池内での前記酸化剤ガスの別の流れ説明図である。前記燃料電池内での燃料ガスの流れ説明図である。前記燃料電池内での前記燃料ガスの別の流れ説明図である。前記燃料電池内での冷却媒体の流れ説明図である。前記燃料電池内での前記冷却媒体の別の流れ説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。特許文献１のプロセス制御装置の説明図である。

符号の説明

１０、１００、１１０、１３０…燃料電池
１２ａ、１２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…単位セル
１４…積層体
２０ａ、２０ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１３４ａ…電解質膜・電極構造体
２２、２４、２６、２８、１３６、１３８、１４０、１４２…金属セパレータ
３０ａ、３０ｂ…固体高分子電解質膜３２ａ、３２ｂ…カソード側電極
３４ａ、３４ｂ…アノード側電極
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ、３７ｆ、３７ｇ、３７ｈ、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ…凸部
３８ａ、３８ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…凹凸形状部
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ、３９ｆ、３９ｇ、３９ｈ、１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆ…凹部
４０、６４…酸化剤ガス流路４４、５４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口連通孔４６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４８ａ…冷却媒体入口連通孔４８ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２、６６…燃料ガス流路７６ａ、７６ｂ…通路部
７８ａ、８２ａ…酸化剤ガス供給連通路７８ｂ、８２ｂ…酸化剤ガス排出連通路
８０ａ、８４ａ…燃料ガス供給連通路８０ｂ、８４ｂ…燃料ガス排出連通路

Claims

電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持する単位セルを積層するとともに、少なくとも電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する連通部を形成する凹凸形状部を前記電極面方向に有し、
前記積層方向に隣接する前記電解質・電極構造体に設けられる各凹凸形状部は、前記積層方向に互い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。
請求項１記載の燃料電池において、前記連通部は、前記凹凸形状部を構成する凹部と前記第１セパレータ及び前記第２セパレータとの間に形成される第１反応ガス連通路と、
前記凹凸形状部を構成する凸部と前記第２セパレータ又は前記第１セパレータとの間に形成される第２反応ガス連通路と、
を有することを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第２セパレータ又は前記第１セパレータのいずれか一方には、相対的に外形寸法の小さな他方の外形端部外方に位置し、前記反応ガス連通孔である反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とが積層方向に貫通して形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項３記載の燃料電池において、前記第２セパレータ又は前記第１セパレータには、前記連通部を前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔に連通する開口部が前記積層方向に形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を配設した第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極接合体を備え、前記第１電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持する第１単位セルと、前記第２電解質・電極接合体を第３セパレータ及び第４セパレータで挟持する第２単位セルとを交互に積層するとともに、少なくとも電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記第１電解質・電極接合体は、電極面に沿って前記反応ガスを供給する反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する第１連通部を形成する第１凹凸形状部を前記電極面方向に有し、
前記第２電解質・電極接合体は、電極面に沿って前記反応ガスを供給する反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する第２連通部を形成する第２凹凸形状部を前記電極面方向に有し、
前記第１凹凸形状部と前記第２凹凸形状部とは、前記積層方向に互い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。