JP2009283267A - 燃料電池用電解質・電極構造体及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質を補強するとともに、コンパクトな構成で、発電面に十分な反応ガスを分配供給することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８で挟持する。電解質膜・電極構造体１４を構成する固体高分子電解質膜２６は、外周端縁部両面に補強部３２を有する。補強部３２には、アノード側電極３０の外方に位置して枠部材４０ａ、４０ｂが設けられるとともに、前記枠部材４０ａ、４０ｂは、燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び燃料ガス出口バッファ部５０ｂに相当する部位に、燃料ガス入口通路３６ａ及び燃料ガス出口通路３６ｂを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設する燃料電池用電解質・電極構造体、及び前記電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持す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（電解質）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、例えば、車載用として使用されている。

一般的に、電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜がアノード側電極及びカソード側電極よりも大きな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周部が外方に突出している。しかしながら、固体高分子電解質膜の外周部は、機械的強度が弱く、前記外周部が破損し易いという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１６に示すように、固体高分子電解質膜１の両主面にアノード２ａ及びカソード２ｂが積層される電解質膜・電極構造体３を備えている。この電解質膜・電極構造体３は、反応ガス供給板４ａ、４ｂに挟持されている。

反応ガス供給板４ａには、アノード２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５ａが設けられる一方、反応ガス供給板４ｂには、カソード２ｂに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路５ｂが設けられている。

電解質膜・電極構造体３と反応ガス供給板４ａ、４ｂとの間には、ガスシール部６ａ、６ｂが配置されるとともに、前記ガスシール部６ａ、６ｂと固体高分子電解質膜１との間には、補強膜７ａ、７ｂが介装されている。

特開平５−２４２８９７号公報

ところで、上記の燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを構成する場合、反応ガス供給板４ａ、４ｂの外周縁部に、積層方向に貫通する反応ガス連通孔（図示せず）が形成されている。そして、燃料ガス用反応ガス連通孔は、燃料ガス流路５ａに連通し、前記燃料ガス流路５ａに燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス用反応ガス連通孔は、酸化剤ガス流路５ｂに連通し、前記酸化剤ガス流路５ｂに酸化剤ガスを供給している。所謂、内部マニホールド構造である。

その際、燃料ガス用反応ガス連通孔と燃料ガス流路５ａとの間、及び酸化剤ガス用反応ガス連通孔と酸化剤ガス流路５ｂとの間には、燃料ガス及び酸化剤ガスを発電面に対して円滑に分配供給するために、バッファ部を設ける必要がある。

しかしながら、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜１の外周部に補強膜７ａ、７ｂを介装してガスシール部６ａ、６ｂが配設されており、バッファ部の流路断面が相当に狭くなってしまう。これにより、反応ガスの集中による圧力損失が増大し、発電面に前記反応ガスを十分な量だけ均一に分配することができ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、電解質を補強するとともに、コンパクトな構成で、発電面に十分な反応ガスを分配供給することが可能な燃料電池用電解質・電極構造体及び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するとともに、前記電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池用電解質・電極構造体に関するものである。

この電解質・電極構造体では、額縁状補強部に、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されている。

また、反応ガス通路は、額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を接合することにより形成されることが好ましい。

さらに、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、一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池に関するものである。

そして、電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを一方の電極に沿って流すための反応ガス流路と、少なくとも前記反応ガスを一方の前記電極の外方と前記反応ガス流路との間に流通させるバッファ部とが設けられるとともに、額縁状補強部には、前記バッファ部に相当する部位に前記反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されている。

さらにまた、一方のセパレータには、バッファ部に相当する部位に反応ガス通路に対向して反応ガス流路部が形成されることが好ましい。

また、反応ガス流路部は、バッファ部の反応ガス通路と同一形状に形成されることが好ましい。

本発明に係る電解質・電極構造体では、電解質の外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部に設けられるため、前記電解質を良好に補強することができる。しかも、額縁状補強部には、反応ガス通路が形成されるため、電解質・電極構造体自体の厚さが大きくなることがなく、反応ガス通路の通路高さを確保することが可能になる。

従って、燃料電池全体の小型化が遂行され、反応ガス通路での圧力損失を低下させるとともに、排水性の向上を図ることができる。さらに、電極に対して反応ガスを均一に分配することが可能になり、発電性能の向上が容易に図られる。

また、本発明に係る燃料電池では、額縁状補強部には、バッファ部に相当する部位に反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されている。このため、電極反応面を流通する反応ガスが集合するバッファ部には、十分な通路断面積を確保することができ、前記バッファ部から反応ガス流路に、又は前記反応ガス流路から前記バッファ部に、反応ガスを円滑且つ確実に分配供給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の分解斜視説明図であり、図２は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の断面説明図である。

単位セル１２は、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４が、第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８とに挟持される。第１及び第２金属セパレータ１６、１８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をプレス成形して構成される。

単位セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

単位セル１２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２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１４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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。固体高分子電解質膜２６は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０よりも大きな表面積に設定される。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０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２６の両面に形成される。

固体高分子電解質膜２６の外周端縁部両面には、樹脂製の額縁状補強部（補強膜）３２が、例えば、射出成形により一体成形され、又は、樹脂製シートが接着剤により一体化される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック（例えば、ＰＩ、ＰＰＳ）等が採用される。補強部３２は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０よりも薄膜状に構成される（図２参照）。なお、補強部３２は、固体高分子電解質膜２６の一方の面にのみ設けてもよい。

補強部３２の第１金属セパレータ１６側の面には、図２及び図３に示すように、後述する酸化剤ガス入口バッファ部４４ａに相当する部位に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口通路３４ａと、後述する酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂに相当する部位に、前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス出口通路３４ｂとが形成される。

補強部３２の第２金属セパレータ１８側の面には、図１及び図２に示すように、後述する燃料ガス入口バッファ部５０ａに相当する部位に、燃料ガスを流すための燃料ガス入口通路３６ａと、後述する燃料ガス出口バッファ部５０ｂに相当する部位に、前記燃料ガスを流すための燃料ガス出口通路３６ｂとが形成される。

酸化剤ガス入口通路３４ａ及び酸化剤ガス出口通路３４ｂは、所望の通路形状を有して補強部３２に接合される枠部材３８ａ、３８ｂにより形成される。枠部材３８ａ、３８ｂは、例えば、補強部３２と同一材料で構成されており、予め、接着剤が塗布された状態で熱プレスを介して前記補強部３２に固着される。

燃料ガス入口通路３６ａ及び燃料ガス出口通路３６ｂは、同様に、所望の通路形状を有して補強部３２に接合される枠部材４０ａ、４０ｂにより形成される。枠部材４０ａ、４０ｂは、補強部３２と同一材料で構成され、予め、接着剤が塗布された状態で熱プレスによって前記補強部３２に固着される。枠部材３８ａ、４０ｂ間（枠部材３８ｂ、４０ａ間）の厚さｔ１は、電解質膜・電極構造体１４の厚さｔ２と同一の寸法に設定される（ｔ１＝ｔ２）。このため、電解質膜・電極構造体１４の取り扱い性が向上するとともに、第１及び第２金属セパレータ１６、１８のプレス成形が容易に行われる。

第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、前記第１金属セパレータ１６を波形状（凹凸形状）に成形することにより、複数の酸化剤ガス流路溝４２が設けられる。酸化剤ガス流路溝４２は、カソード側電極２８の発電面に沿って矢印Ｂ方向に互いに平行に延在するとともに、前記酸化剤ガス流路溝４２の両端には、酸化剤ガス入口流路部４２ａ及び酸化剤ガス出口流路部４２ｂが連通する。

電解質膜・電極構造体１４と第１金属セパレータ１６との間には、酸化剤ガス入口通路３４ａと酸化剤ガス入口流路部４２ａとにより酸化剤ガス入口バッファ部４４ａが構成されるとともに、酸化剤ガス出口通路３４ｂと酸化剤ガス出口流路部４２ｂとにより酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂが構成される。

酸化剤ガス入口バッファ部４４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから発電面内の酸化剤ガス流路溝４２に酸化剤ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂは、前記酸化剤ガス流路溝４２から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに使用済みの酸化剤ガスを排出する。

図４に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂには、酸化剤ガス流路溝４２の裏面形状により複数の冷却媒体流路溝４６が形成される。冷却媒体流路溝４６の両端には、酸化剤ガス入口流路部４２ａの裏面形状である冷却媒体入口流路部４６ａと、酸化剤ガス出口流路部４２ｂの裏面形状である冷却媒体出口流路部４６ｂとが連通する。

図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、前記第２金属セパレータ１８を波形状（凹凸形状）に成形することにより、複数の燃料ガス流路溝４８が設けられる。燃料ガス流路溝４８は、アノード側電極３０の発電面に沿って矢印Ｂ方向に互いに平行に延在するとともに、前記燃料ガス流路溝４８の両端には、燃料ガス入口流路部４８ａ及び燃料ガス出口流路部４８ｂが連通する。

電解質膜・電極構造体１４と第２金属セパレータ１８との間には、燃料ガス入口連通孔２４ａから発電面内の燃料ガス流路溝４８に燃料ガスを供給する燃料ガス入口バッファ部５０ａと、前記燃料ガス流路溝４８から燃料ガス出口連通孔２４ｂに使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス出口バッファ部５０ｂとが設けられる。

燃料ガス入口バッファ部５０ａは、燃料ガス入口通路３６ａと燃料ガス入口流路部４８ａとにより構成される一方、燃料ガス出口バッファ部５０ｂは、燃料ガス出口通路３６ｂと燃料ガス出口流路部４８ｂとにより構成される。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、燃料ガス流路溝４８の裏面形状により複数の冷却媒体流路溝４６が形成される。冷却媒体流路溝４６の両端には、燃料ガス出口流路部４８ｂの裏面形状である冷却媒体入口流路部４６ａと、燃料ガス入口流路部４８ａの裏面形状である冷却媒体出口流路部４６ｂとが連通する。

図１、図２及び図４に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周縁部には、第１シール部材５２が設けられる。図１、図２及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂの外周縁部には、第２シール部材５４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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ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２４ａ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２０ａから第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス入口バッファ部４４ａを通って酸化剤ガス流路溝４２に導入される。酸化剤ガスは、複数の酸化剤ガス流路溝４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２８に供給される。

一方、燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の燃料ガス入口バッファ部５０ａを通って燃料ガス流路溝４８に導入される。燃料ガスは、複数の燃料ガス流路溝４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４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１４では、カソード側電極２８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、発電が行われる。

使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。一方、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口バッファ部５０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路溝４６に供給される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４の発電面を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４を構成する固体高分子電解質膜２６は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０の外方に突出する外周端縁部両面に補強部３２が設けられており、前記固体高分子電解質膜２６を良好に補強することができる。

しかも、補強部３２には、図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６に対向する面に、枠部材３８ａ、３８ｂを介して酸化剤ガス入口通路３４ａ及び酸化剤ガス出口通路３４ｂが形成されている。従って、電解質膜・電極構造体１４は、厚さ方向の寸法が大きくなることがなく、酸化剤ガス入口通路３４ａ及び酸化剤ガス出口通路３４ｂの通路高さ（溝深さ）を確保することが可能になる。

その際、第１金属セパレータ１６には、酸化剤ガス入口通路３４ａと同一形状の酸化剤ガス入口流路部４２ａと、酸化剤ガス出口通路３４ｂと同一形状の酸化剤ガス出口流路部４２ｂとが形成されている。

これにより、酸化剤ガス入口通路３４ａと酸化剤ガス入口流路部４２ａとからなる酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ、及び酸化剤ガス出口通路３４ｂと酸化剤ガス出口流路部４２ｂとからなる酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂは、それぞれの流路高さを大きく設定することが可能になる。このため、単位セル１２の積層方向の寸法が大きくなることがなく、燃料電池１０全体の小型化が遂行されるとともに、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂにおける圧力損失を有効に低下させることができる。

さらに、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂにおける排水性の向上を図ることが可能になるとともに、カソード側電極２８に対して酸化剤ガスを均一に分配することができ、発電性能の向上が容易に図られるという効果がある。

同様に、補強部３２には、枠部材４０ａ、４０ｂが固着されて燃料ガス入口通路３６ａ及び燃料ガス出口通路３６ｂが形成されている（図１及び図２参照）。そして、第２金属セパレータ１８には、燃料ガス入口通路３６ａに対向して燃料ガス入口流路部４８ａが形成されるとともに、燃料ガス出口通路３６ｂに対向して燃料ガス出口流路部４８ｂが形成され、それぞれ燃料ガス入口バッファ部５０ａと燃料ガス出口バッファ部５０ｂとを構成している。

従って、燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び燃料ガス出口バッファ部５０ｂにおけるそれぞれの流路高さを大きく設定することができるとともに、単位セル１２の厚さ方向の寸法が大きくなることがない。これにより、燃料電池１０全体の小型化を図るとともに、アノード側電極３０に対して燃料ガスを均一に分配し、発電性能の向上を図ることが可能になるという利点がある。

なお、第１の実施形態では、酸化剤ガス入口通路３４ａと酸化剤ガス入口流路部４２ａとが同一形状に設定されているが、異なる形状を有していてもよい。また、酸化剤ガス出口通路３４ｂと酸化剤ガス出口流路部４２ｂ、燃料ガス入口通路３６ａと燃料ガス入口流路部４８ａ、及び燃料ガス出口通路３６ｂと燃料ガス出口流路部４８ｂとにおいても、同様である。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の断面説明図である。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〜第５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、複数の単位セル６２を積層して構成されており、前記単位セル６２は、第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体６４を備える。電解質膜・電極構造体６４を構成する固体高分子電解質膜２６の外周縁部両面には、樹脂製の額縁状補強部６６が一体成形される。

補強部６６には、第１金属セパレータ１６側の面に切り欠きを設けることにより、酸化剤ガス入口通路３４ａ及び酸化剤ガス出口通路３４ｂが設けられるとともに、第２金属セパレータ１８側の面に切り欠きを設けることにより、燃料ガス入口通路３６ａ及び燃料ガス出口通路３６ｂが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、固体高分子電解質膜２６の外周端縁部両面に補強部６６が設けられるとともに、この補強部６６に酸化剤ガス入口通路３４ａ、酸化剤ガス出口通路３４ｂ、燃料ガス入口通路３６ａ及び燃料ガス出口通路３６ｂが一体成形されている。従って、電解質膜・電極構造体６４の厚さ方向の寸法が大きくなることがなく、通路高さを確保するとともに、排水性の向上を図ることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６８の断面説明図である。

燃料電池６８は、複数の単位セル６２ａを積層して構成されており、前記単位セル６２ａは、第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体６４ａを備える。電解質膜・電極構造体６４ａを構成する固体高分子電解質膜２６の外周縁部両面には、複数の樹脂製の額縁状補強部６９が一体成形される。

各補強部６９は、第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８とが近接する部位間に対応して設けられる。補強部６９間では、固体高分子電解質膜２６が、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ、酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂ、燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び燃料ガス出口バッファ部５０ｂに直接露呈している。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池７０の分解斜視説明図であり、図９は、複数の単位セル７２が積層された前記燃料電池７０の断面説明図である。

単位セル７２は、第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体７４が第１金属セパレータ７６と第２金属セパレータ７８とに挟持されて構成される。第１金属セパレータ７６の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７６ａには、複数の酸化剤ガス流路溝４２が設けられる。酸化剤ガス流路溝４２の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口バッファ部８０ａと酸化剤ガス出口バッファ部８０ｂとが形成される。酸化剤ガス入口バッファ部８０ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部８０ｂは、複数のエンボス８２ａ、８２ｂを有する。

図１０に示すように、第１金属セパレータ７６の面７６ｂには、複数の冷却媒体流路溝４６が形成される。冷却媒体流路溝４６の両端には、酸化剤ガス入口バッファ部８０ａの裏面形状である冷却媒体入口バッファ部８４ａと、酸化剤ガス出口バッファ部８０ｂの裏面形状である冷却媒体出口バッファ部８４ｂとが連通する。

冷却媒体入口バッファ部８４ａ及び冷却媒体出口バッファ部８４ｂは、それぞれ複数のエンボス８６ａ、８６ｂを有する。

図１１に示すように、第２金属セパレータ７８の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７８ａには、複数の燃料ガス流路溝４８が設けられる。燃料ガス流路溝４８の両端には、燃料ガス入口バッファ部８８ａと、燃料ガス出口バッファ部８８ｂとが連通する。燃料ガス入口バッファ部８８ａ及び燃料ガス出口バッファ部８８ｂは、それぞれ複数のエンボス９０ａ、９０ｂを有する。

図８に示すように、第２金属セパレータ７８の面７８ｂには、複数の冷却媒体流路溝４６が形成される。冷却媒体流路溝４６の両端には、冷却媒体入口バッファ部８４ａと冷却媒体出口バッファ部８４ｂとが連通する。

図９及び図１２に示すように、電解質膜・電極構造体７４を構成する固体高分子電解質膜２６の外周端縁部両面には、補強部３２が一体成形される。補強部３２には、カソード側電極２８の矢印Ｂ方向両端外方に位置し、酸化剤ガス入口バッファ部８０ａに相当する部位と、酸化剤ガス出口バッファ部８０ｂに相当する部位とに、それぞれ酸化剤ガス入口通路９２ａと酸化剤ガス出口通路９２ｂとが形成される。

酸化剤ガス入口通路９２ａは、補強部３２に接合される（又は、一体成形される）枠部材９４ａのエンボス形状部によって形成される一方、酸化剤ガス出口通路９２ｂは、前記補強部３２に接合される（又は、一体成形される）枠部材９４ｂのエンボス形状部によって形成される。

図８に示すように、補強部３２には、アノード側電極３０の矢印Ｂ方向両端外方に位置して、燃料ガス入口バッファ部８８ａ及び燃料ガス出口バッファ部８８ｂに相当する部位に、それぞれ燃料ガス入口通路９６ａと燃料ガス出口通路９６ｂとが形成される。

燃料ガス入口通路９６ａは、補強部３２に設けられる枠部材９８ａのエンボス形状部によって形成される一方、燃料ガス出口通路９６ｂは、前記補強部３２に設けられる枠部材９８ｂのエンボス形状部によって形成される。

このように構成される第４の実施形態では、例えば、燃料ガス流路溝４８の両端に連通する燃料ガス入口バッファ部８８ａ及び燃料ガス出口バッファ部８８ｂは、第２金属セパレータ７８に形成されるエンボス部９０ａ、９０ｂと、固体高分子電解質膜２６の補強部３２に形成される燃料ガス入口通路９６ａ及び燃料ガス出口通路９６ｂとによって構成されている。

従って、燃料ガス入口バッファ部８８ａ及び燃料ガス出口バッファ部８８ｂは、各単位セル７２の積層方向の厚さを大きくすることがなく、通路高さを大きく設定することができる。これにより、燃料電池７０の小型化が遂行されるとともに、燃料ガス入口バッファ部８８ａ及び燃料ガス出口バッファ部８８ｂでの圧力損失を低下させ、しかも排水性の向上を図ることができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１００の分解斜視図であり、図１４は、複数の単位セル１０２を積層してスタック化された前記燃料電池１００の断面説明図である。

単位セル１０２は、電解質膜・電極構造体１４が第１カーボンセパレータ１０６と第２カーボンセパレータ１０８とに挟持されて構成される。第１カーボンセパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１０６ａには、複数の酸化剤ガス流路溝４２が設けられる。酸化剤ガス流路溝４２の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａを構成する酸化剤ガス入口流路部４２ａと、酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂを構成する酸化剤ガス出口流路部４２ｂとが連通する。

第１カーボンセパレータ１０６の面１０６ｂは、例えば、平坦状に構成される。図１５に示すように、第２カーボンセパレータ１０８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１０８ａには、複数の燃料ガス流路溝４８が設けられる。燃料ガス流路溝４８の両端には、燃料ガス入口バッファ部５０ａを構成する燃料ガス入口流路部４８ａと、燃料ガス出口バッファ部５０ｂを構成する燃料ガス出口流路部４８ｂとが連通する。

図１３に示すように、第２カーボンセパレータ１０８の面１０８ｂには、複数の冷却媒体流路溝４６が形成される。冷却媒体流路溝４６の両端には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する冷却媒体入口流路部４６ａと、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する冷却媒体出口流路部４６ｂとが連通する。

このように構成される第５の実施形態では、金属セパレータに代えて、第１カーボンセパレータ１０６及び第２カーボンセパレータ１０８を用いるとともに、電解質膜・電極構造体１４を備えている。従って、燃料電池１００全体の小型化が遂行されるとともに、カソード側電極２８及びアノード側電極３０にそれぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを均一に分配することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、反応ガス面と冷却媒体面とで、それぞれ個別に最適な形状を設定することができる。

なお、第５の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４を用いているが、これに代えて、電解質膜・電極構造体６４、６４ａ又は７４を用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。 前記単位セルを構成する電解質・電極構造体の正面説明図である。 前記単位セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記単位セルを構成する第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の断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。 前記単位セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記単位セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記単位セルを構成する電解質・電極構造体の正面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。 前記単位セルを構成する第２カーボンセパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示される固体高分子電解質膜型燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、６０、６８、７０、１００…燃料電池
１２…単位セル
１４、６４、６４ａ、７４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７６、７８…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…カソード側電極
３０…アノード側電極 ３２、６６、６９…補強部
３４ａ、９２ａ…酸化剤ガス入口通路 ３４ｂ、９２ｂ…酸化剤ガス出口通路
３６ａ、９６ａ…燃料ガス入口通路 ３６ｂ、９６ｂ…燃料ガス出口通路
３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、９４ａ、９４ｂ、９８ａ、９８ｂ…枠部材
４２…酸化剤ガス流路溝 ４２ａ…酸化剤ガス入口流路部
４２ｂ…酸化剤ガス出口流路部
４４ａ、８０ａ…酸化剤ガス入口バッファ部
４４ｂ、８０ｂ…酸化剤ガス出口バッファ部
４６…冷却媒体流路溝 ４８…燃料ガス流路溝
４８ａ…燃料ガス入口流路部 ４８ｂ…燃料ガス出口流路部
５０ａ、８８ａ…燃料ガス入口バッファ部
５０ｂ、８８ｂ…燃料ガス出口バッファ部
６２、６２ａ、７２、１０２…単位セル
８４ａ…冷却媒体入口バッファ部
８４ｂ…冷却媒体出口バッファ部 １０６、１０８…カーボンセパレータ

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設するとともに、前記電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池用電解質・電極構造体であって、
   前記額縁状補強部には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池用電解質・電極構造体。
2. 請求項１記載の電解質膜・電極構造体において、前記反応ガス通路は、前記額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を接合することにより形成されることを特徴とする燃料電池用電解質・電極構造体。
3. 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、一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池であって、
   前記電解質・電極構造体と一方の前記セパレータとの間には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを一方の前記電極に沿って流すための反応ガス流路と、
   少なくとも前記反応ガスを一方の前記電極の外方と前記反応ガス流路との間に流通させるバッファ部と、
   が設けられるとともに、
   前記額縁状補強部には、前記バッファ部に相当する部位に前記反応ガスを流すための反応ガス通路が形成され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、前記反応ガス通路は、前記額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を重ね合わせることにより形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池において、一方の前記セパレータには、前記バッファ部に相当する部位に前記反応ガス通路に対向して反応ガス流路部が形成されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記反応ガス流路部は、前記バッファ部の前記反応ガス通路と同一形状に形成されることを特徴とする燃料電池。

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