JP2009140704A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】間引き冷却構造において、流路構成の簡素化を図るとともに、排水性やガス分配性を向上させることができ、燃料電池全体の発電性能を良好に維持することを可能にする。
【解決手段】第１セパレータ１４には、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する出口側第１連結流路８０ｂが設けられるとともに、第２セパレータ１８には、第２燃料ガス流路５８と前記燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する出口側第２連結流路９２ｂが設けられる。出口側第１連結流路８０ｂと出口側第２連結流路９２ｂとは、同一のセパレータ面内に配置される外側通路８８ａと外側通路１００ａとを有するとともに、前記外側通路８８ａと前記外側通路１００ａとは、同一のセパレータ面内に交互に独立して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記発電ユニットを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す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単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

その際、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける（所謂、間引き冷却）ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化及び軽量化を図る工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図１１に示すように、第１セパレータ１ａ、第１ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）２ａ、第２セパレータ１ｂ、第２ＭＥＡ２ｂ及び第３セパレータ１ｃが積層されて、セルユニット３を構成するとともに、複数の前記セルユニット３が積層されている。

第１及び第２ＭＥＡ２ａ、２ｂは、それぞれイオン交換膜４ａと、前記イオン交換膜４ａの両面に固着されるアノード電極４ｂ及びカソード電極４ｃにより構成されている。第１セパレータ１ａは、第１ＭＥＡ２ａのアノード電極４ｂに対向する面に、燃料通路形成部材５ａが配設されるとともに、この燃料通路形成部材５ａには、燃料供給通路５ｂが形成されている。第１セパレータ１ａの他方の面には、冷却水通路形成部材６ａが配設されるとともに、この冷却水通路形成部材６ａには、冷却水供給通路６ｂが形成されている。

第２セパレータ１ｂは、第１ＭＥＡ２ａのカソード電極４ｃに対向する面に、酸素通路形成部材７ａが配設されるとともに、この酸素通路形成部材７ａには、酸素供給通路７ｂが形成されている。第２セパレータ１ｂの第２ＭＥＡ２ｂのアノード電極４ｂに対向する面に、燃料通路形成部材８ａが配設されるとともに、この燃料通路形成部材８ａには、燃料供給通路８ｂが形成されている。

第３セパレータ１ｃの第２ＭＥＡ２ｂのカソード電極４ｃに対向する面には、酸素通路形成部材９ａが配設されるとともに、前記酸素通路形成部材９ａには、酸素供給通路９ｂが形成されている。

特開平１０−１８９０１１号公報

上記の燃料電池では、図示していないが、各セルユニット３には、第１セパレータ１ａ〜第３セパレータ１ｃを貫通して、燃料、酸素及び冷却水を供給及び排出するための供給連通孔及び排出連通孔が設けられている。

そして、各供給連通孔からそれぞれの導入部を介して、例えば、燃料供給通路５ｂ、８ｂに燃料が供給されるとともに、各導出部を介して前記燃料が排出連通孔に排出されている。同様に、各共通連通孔から酸素供給通路７ｂ、９ｂに酸素が供給されるとともに、各導出部から排出連通孔に前記酸素が排出されている。

この場合、例えば、燃料用導入部及び導出部は、それぞれ燃料供給通路５ｂ、８ｂに対応して個別に設けられているが、流路構成を簡素化するため、燃料供給通路５ｂ、８ｂに共用流路部分を設けることが望まれている。

しかしながら、例えば、燃料用導出部において、燃料供給通路５ｂの出口側が生成水により閉塞されると、排出連通孔側の共用流路で燃料供給通路８ｂからの排ガスが優先的に流れてしまう。これにより、燃料供給通路５ｂから生成水を排出することができず、前記燃料供給通路５ｂでは、ストイキ不足による性能低下が惹起され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、間引き冷却構造において、流路構成の簡素化を図るとともに、排水性やガス分配性を向上させることができ、燃料電池全体の発電性能を良好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が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記発電ユニットを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。

第１セパレータには、一方の反応ガスを第１電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第１反応ガス流路と、反応ガス連通孔と前記第１反応ガス流路とを連通する第１連結流路とが設けられている。

第２セパレータには、一方の反応ガスを第２電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第２反応ガス流路と、反応ガス連通孔と前記第２反応ガス流路とを連通する第２連結流路とが設けられている。

そして、第１連結流路と第２連結流路とは、少なくとも同一のセパレータ面内に配置される部位が互いに独立し且つ前記セパレータ面内の平面位置が異なって形成されている。

また、第１連結流路と第２連結流路とは、少なくとも同一のセパレータ面内に配置される部位が交互に形成されることが好ましい。

さらに、第１連結流路は、第１セパレータを貫通して反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通する複数の第１孔部を有し、第２連結流路は、第２セパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と第２反応ガス流路とを連通する複数の第２孔部を有することが好ましい。

さらにまた、第１孔部は、反応ガスの流れ方向に交差する方向に２列に配置されるとともに、第２孔部は、前記反応ガスの流れ方向に交差する方向に１列に配置されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス連通孔及び第１反応ガス流路を連通する第１連結流路と、前記反応ガス連通孔及び第２反応ガス流路を連通する第２連結流路とは、同一のセパレータ面内に配置される部位を有している。このため、流路構成が有効に簡素化される。

しかも、第１連結流路と第２連結流路とは、少なくとも同一のセパレータ面内に配置される部位が、互いに独立して形成されている。従って、第１連結流路及び第２連結流路は、それぞれの反応ガスや生成水の流れに影響されることがなく、例えば、排出側反応ガス連通孔に対して、それぞれの生成水や排ガスを円滑且つ確実に排出することができる。このため、ストイキ不足による発電性能の低下を良好に阻止することが可能になる。

一方、第１連結流路及び第２連結流路は、供給側反応ガス連通孔から反応ガスの合流や分配がないため、圧力損失を抑制することができる。これにより、反応ガスを第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路に円滑且つ確実に供給することが可能になる。

図１は、本発明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。図２は、燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。

燃料電池１０は、実質的に２つの単位セルを含む発電ユニット１２を、矢印Ａ方向に積層して構成される。発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。なお、発電ユニット１２は、３つ以上の単位セルを含むことも可能である。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０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セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。

アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。固体高分子電解質膜２２、アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。

アノード側電極２４及びカソード側電極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２２の両面に形成される。

発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、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３０ａ、及び燃料ガス、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（反応ガス連通孔）３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、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（反応ガス連通孔）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３０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

図４に示すように、第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）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３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

図５に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４の上端部及び下端部近傍には、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０の裏面形状であるバッファ部４６、４８が設けられる。

第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、図６に示すように、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は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

図７に示すように、第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

図８に示すように、第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａ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とを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。

第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。第１〜第３シール部材７４、７６及び７８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が用いられる。

第１シール部材７４は、図４に示すように、第１セパレータ１４の外周端部に近接して、面１４ａに設けられる外側シール７４ａを備え、この外側シール７４ａから内方に離間し、第１燃料ガス流路３６を囲繞する内側シール７４ｂが設けられる。

図５に示すように、第１シール部材７４は、第１セパレータ１４の面１４ｂ側に設けられ、外側シール７４ａに対応する外側シール７４ｃと、内側シール７４ｂに対応し、冷却媒体流路４４を囲繞する内側シール７４ｄとを有する。

図４及び図５に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する入口側第１連結流路８０ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する出口側第１連結流路８０ｂとが設けられる。

入口側第１連結流路８０ａは、外側シール７４ａに囲繞される領域内と、外側シール７４ｃ及び内側シール７４ｄ間の連結シール７４ｅに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数の外側供給孔部８２ａと、内側シール７４ｂに囲繞される領域内と、前記連結シール７４ｅに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数の内側供給孔部８２ｂとを有する。

図４に示すように、面１４ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと３つの外側供給孔部８２ａとを連通する３本の外側通路８４ａと、３つの内側供給孔部８２ｂと入口バッファ部３８とを連通する６本の内側通路８４ｂとが設けられる。図５に示すように、面１４ｂ側には、外側供給孔部８２ａと内側供給孔部８２ｂとを連通する３本の中間通路８４ｃが形成される。

出口側第１連結流路８０ｂは、同様に、外側シール７４ａに囲繞される領域内と、連結シール７４ｅに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数、例えば、３つの外側排出孔部８６ａと、内側シール７４ｂに囲繞される領域内と、前記連結シール７４ｅに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数、例えば、３つの内側排出孔部８６ｂとを有する。

面１４ａ側には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと各外側排出孔部８６ａとを連通する３本の外側通路８８ａと、内側排出孔部８６ｂと出口バッファ部４０とを連通する６本の内側通路８８ｂとが形成される。図５に示すように、面１４ｂ側には、外側排出孔部８６ａと内側排出孔部８６ｂとを連通する３本の中間通路８８ｃが形成される。

図６に示すように、第２シール部材７６は、第２セパレータ１８の面１８ａの外周端部に近接して設けられる外側シール７６ａを備え、この外側シール７６ａの内方には、第１酸化剤ガス流路５０を囲繞して内側シール７６ｂが設けられる。外側シール７６ａと内側シール７６ｂとは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０とを連通しており、これらの連結部分に複数の受け部９０ａ、９０ｂが設けられる。

図７に示すように、第２シール部材７６は、第２セパレータ１８の面１８ｂ側の外周端部に近接して設けられる外側シール７６ｃと、第２燃料ガス流路５８を囲繞する内側シール７６ｄとを有する。

図６及び図７に示すように、第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する入口側第２連結流路９２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する出口側第２連結流路９２ｂとが設けられる。

入口側第２連結流路９２ａは、外側シール７６ａに囲繞される領域内と、内側シール７６ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数、例えば、３つの供給孔部９４を有する。面１８ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと供給孔部９４とを連通する外側通路９６ａが形成される。図７に示すように、面１８ｂ側には、各供給孔部９４と入口バッファ部６０とを連通する６本の内側通路９６ｂが形成される。

出口側第２連結流路９２ｂは、同様に、外側シール７６ａに囲繞される領域内と内側シール７６ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して貫通形成される複数、例えば、３つの排出孔部９８を有する。面１８ａ側には、排出孔部９８を燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する３本の外側通路１００ａが形成される。図７に示すように、面１８ｂ側には、各排出孔部９８を出口バッファ部６２に連通する６本の内側通路１００ｂが形成される。

図８に示すように、第３シール部材７８は、面２０ａ側の外周端部に近接して設けられる外側シール７８ａを備える。この外側シール７８ａの内方には、第２酸化剤ガス流路６６を囲繞する内側シール７８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第２酸化剤ガス流路６６の連結部分には、複数の受け部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。

図１に示すように、第３シール部材７８は、第３セパレータ２０の面２０ｂの外周端部に近接して設けられる外側シール７８ｃと、冷却媒体流路４４を囲繞して設けられる内側シール７８ｄとを有する。

図４、図６及び図９に示すように、入口側第１連結流路８０ａと入口側第２連結流路９２ａとは、第１セパレータ１４と第２セパレータ１８とが互いに対向する際に、同一のセパレータ面内に配置される部位、すなわち、外側通路８４ａ、９６ａを有する。外側通路８４ａと外側通路９６ａとは、同一のセパレータ面内で互いに独立して、すなわち、交互に形成される。

同様に、出口側第１連結流路８０ｂと出口側第２連結流路９２ｂとは、図４、図６及び図１０に示すように、それぞれ同一のセパレータ面内に配置される部位である外側通路８８ａと外側通路１００ａとを有する。外側通路８８ａと外側通路１００ａとは、同一のセパレータ面内で互いに独立して、すなわち、交互に配置される。

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３２ａ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３４ａ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３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される（図６及び図８参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４と第２セパレータ１８との間に形成された外側通路８４ａ、９６ａに導入される。図４に示すように、外側通路８４ａに導入された燃料ガスは、外側供給孔部８２ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、図５に示すように、燃料ガスは、中間通路８４ｃを通って内側供給孔部８２ｂから面１４ａ側に導入される。

このため、図４に示すように、燃料ガスは、内側通路８４ｂを通って入口バッファ部３８に送られ、第１燃料ガス流路３６に沿って、重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、外側通路９６ａに導入された燃料ガスは、図６に示すように、供給孔部９４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、図７に示すように、燃料ガスは、面１８ｂ側で内側通路９６ｂを通って入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、出口バッファ部４０から内側通路８８ｂに導入され、内側排出孔部８６ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。

図５に示すように、面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、中間通路８８ｃを通って外側排出孔部８６ａに導入され、再度、面１４ａ側に移動する。このため、図４に示すように、燃料ガスは、外側排出孔部８６ａから外側通路８８ａを通って、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される（図１０参照）。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図７に示すように、出口バッファ部６２から内側通路１００ｂを通って排出孔部９８から面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、図６及び図１０に示すように、外側通路１００ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４と第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図４及び図５に示すように、第１セパレータ１４には、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する出口側第１連結流路８０ｂが設けられるとともに、図６及び図７に示すように、第２セパレータ１８には、第２燃料ガス流路５８と前記燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する出口側第２連結流路９２ｂが設けられている。

そして、出口側第１連結流路８０ｂと出口側第２連結流路９２ｂとは、同一のセパレータ面内に配置される部位である外側通路８８ａと外側通路１００ａとを有している。このため、出口側第１連結流路８０ｂ及び出口側第２連結流路９２ｂは、流路構成が有効に簡素化されるという利点がある。

しかも、外側通路８８ａと外側通路１００ａとは、図１０に示すように、同一面内に互いに独立して、具体的には、交互に形成されている。従って、第１燃料ガス流路３６から出口側第１連結流路８０ｂに排出される燃料ガスと、第２燃料ガス流路５８から出口側第２連結流路９２ｂに排出される燃料ガスとは、互いに合流や分配されることがなく、それぞれ燃料ガス出口連通孔３２ｂに個別に排出される。

これにより、出口側第１連結流路８０ｂ及び出口側第２連結流路９２ｂは、第１燃料ガス流路３６及び第２燃料ガス流路５８における燃料ガスや生成水の流れに影響されることがない。このため、第１燃料ガス流路３６、第２燃料ガス流路５８、電極触媒層及び出口バッファ部４０、６２から排出される燃料ガス及び生成水を、燃料ガス出口連通孔３２ｂに円滑且つ確実に排出することができるという効果が得られる。

さらに、出口側第１連結流路８０ｂや出口側第２連結流路９２ｂは、生成水により閉塞されることがない。従って、ストイキ不足による発電性能の低下、例えば、低負荷時の発電の不安定化や高負荷時の濃度過電圧の増大等を良好に防止することが可能になる。

さらにまた、本実施形態では、第１セパレータ１４には、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３２ａとを連通する入口側第１連結流路８０ａが設けられるとともに、第２セパレータ１８には、第２燃料ガス流路５８と前記燃料ガス入口連通孔３２ａとを連通する入口側第２連結流路９２ａが設けられている。

そして、入口側第１連結流路８０ａと入口側第２連結流路９２ａとは、同一のセパレータ面内に配置される外側通路８４ａと外側通路９６ａとが、交互に配置されている。このため、入口側第１連結流路８０ａ及び入口側第２連結流路９２ａは、導入部側（外側通路８４ａ、９６ａ）で分配や合流されることがなく、圧力損失を抑制することができる。これにより、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１燃料ガス流路３６及び第２燃料ガス流路５８に、燃料ガスを円滑且つ確実に供給することが可能になるという利点がある。特に、純水素を用いるとともに、ストイキが小さく設定されている場合でも、燃料ガスを円滑且つ確実に供給することができる。

本発明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。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面側の説明図である。 前記第１セパレータの他方の面側の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面側の説明図である。 前記第２セパレータの他方の面側の説明図である。 前記燃料電池を構成する第３セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の燃料ガス入口連通孔側の斜視説明図である。 前記燃料電池の燃料ガス出口連通孔側の斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 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 ３６、５８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ５０、６６…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８…シール部材 ８０ａ…入口側第１連結流路
８０ｂ…出口側第１連結流路 ８２ａ…外側供給孔部
８２ｂ…内側供給孔部
８４ａ、８８ａ、９６ａ、１００ａ…外側通路
８４ｂ、８８ｂ、９６ｂ、１００ｂ…内側通路
８４ｃ、８８ｃ…中間通路 ８６ａ…外側排出孔部
８６ｂ…内側排出孔部 ９２ａ…入口側第２連結流路
９２ｂ…出口側第２連結流路 ９４…供給孔部
９８…排出孔部

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記発電ユニットを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
   前記第１セパレータには、前記一方の反応ガスを前記第１電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第１反応ガス流路と、
   前記反応ガス連通孔と前記第１反応ガス流路とを連通する第１連結流路と、
   が設けられ、
   前記第２セパレータには、前記一方の反応ガスを前記第２電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第２反応ガス流路と、
   前記反応ガス連通孔と前記第２反応ガス流路とを連通する第２連結流路と、
   が設けられ、
   前記第１連結流路と前記第２連結流路とは、少なくとも同一のセパレータ面内に配置される部位が互いに独立し且つ前記セパレータ面内の平面位置が異なって形成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、前記第１連結流路と前記第２連結流路とは、少なくとも同一のセパレータ面内に配置される部位が交互に形成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、前記第１連結流路は、前記第１セパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第１反応ガス流路とを連通する複数の第１孔部を有し、
   前記第２連結流路は、前記第２セパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第２反応ガス流路とを連通する複数の第２孔部を有することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記第１孔部は、前記反応ガスの流れ方向に交差する方向に２列に配置されるとともに、
   前記第２孔部は、前記反応ガスの流れ方向に交差する方向に１列に配置されることを特徴とする燃料電池。

Images