JP2012164467A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を保持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する第２セパレータ１８は、第１入口バッファ部５２及び第２入口バッファ部６０を表裏に設ける。第１入口バッファ部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに隣接して酸化剤ガスを流通させるとともに、第２入口バッファ部６０側で燃料ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域５２ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する共通バッファ領域５２ｂとを有する。そして、第１専用バッファ領域５２ａは、共通バッファ領域５２ｂより深溝に設定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた第１及び第２電解質膜・電極構造体間にセパレータが積層されるとともに、前記セパレータの一方の面には、前記第１電解質膜・電極構造体の一方の電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成され、且つ、前記セパレータの他方の面には、前記第２電解質膜・電極構造体の他方の電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス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固体高分子電解質膜の両側に、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発電セル（単位セル）を備えている。この種の燃料電池では、車載用として使用される際に、通常、数十〜数百の単位セルが積層されて燃料電池スタックを構成している。

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、所謂、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側及び出口側には、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。

この場合、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、開口面積が比較的小さい。従って、反応ガスの流れを円滑に行うため、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の近傍には、前記反応ガスを分散させるバッファ部が必要になっている。例えば、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池では、図８に示すように、セパレータ１を備えている。

セパレータ１の４隅には、互いに対角線上に位置して一方の反応ガスを流すための給排気孔２ａ、２ａと、他方の反応ガスを流すための給排気孔２ｂ、２ｂとが形成されている。セパレータ１の一方の面１ａには、溝と突起とが交互に設けられることにより、反応ガス流路３ａが形成されるとともに、前記セパレータ１の他方の面１ｂには、同様に反応ガス流路３ｂが形成されている。

面１ａでは、給排気孔２ａ、２ａと反応ガス流路３ａとが、ガス分配路（バッファ部）４ａ、４ａにより連通するとともに、前記ガス分配路４ａには、複数の集電体５が設けられている。セパレータ１の面１ｂには、給排気孔２ｂ、２ｂと反応ガス流路３ｂとを連通するガス分配路４ｂ、４ｂが形成されるとともに、前記ガス分配路４ｂには、複数の集電体５が設けられている。

特開平６−１４００５６号公報

ところで、上記の特許文献１では、反応ガス流路３ａの幅寸法（矢印Ｘ方向）に比べて給排気孔２ａ、２ａの開口径が相当に小さい。このため、ガス分配路４ａ、４ａを介して、反応ガス流路３ａの幅方向に沿って反応ガスを均一に供給することができないという問題がある。

これにより、反応ガス流路３ａの発電領域に反応ガス流量が少なくなる部位が発生し易い。従って、低負荷時には、不安定な発電が惹起される一方、高負荷時には、反応ガス不足による過大な濃度過電圧が発生し、所望の発電性能を得ることができないというおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を保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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた第１及び第２電解質膜・電極構造体間にセパレータが積層されるとともに、前記セパレータの一方の面には、前記第１電解質膜・電極構造体の一方の電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成され、且つ、前記セパレータの他方の面には、前記第２電解質膜・電極構造体の他方の電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、セパレータの一端部には、一方の反応ガスを積層方向に流す第１反応ガス連通孔及び他方の反応ガスを前記積層方向に流す第２反応ガス連通孔が設けられるとともに、前記セパレータの一方の面には、前記第１反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通する第１バッファ部が設けられ、前記セパレータの他方の面には、前記第２反応ガス連通孔と第２反応ガス流路とを連通する第２バッファ部が設けられている。

そして、第１バッファ部は、第１反応ガス連通孔に隣接し一方の反応ガスを流通させるとともに、第２バッファ部側で他方の反応ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域を有し、前記第２バッファ部は、第２反応ガス連通孔に隣接し前記他方の反応ガスを流通させるとともに、前記第１バッファ部側で前記一方の反応ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域を有している。

ここで、第１バッファ部及び第２バッファ部は、一方の反応ガス及び他方の反応ガスをそれぞれ流通させる共通バッファ領域を有し、第１専用バッファ領域及び第２専用バッファ領域は、それぞれ前記共通バッファ領域よりも深さ方向の寸法が大きく設定されている。

また、この燃料電池では、第１バッファ部及び第２バッファ部は、三角形状を有することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１バッファ部及び第２バッファ部は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が第１反応ガス連通孔及び第２反応ガス連通孔に隣接する対称形状に構成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、セパレータと第１電解質膜・電極構造体又は第２電解質膜・電極構造体を挟んで対向する他のセパレータを備え、前記他のセパレータは、前記第１電解質膜・電極構造体又は前記第２電解質膜・電極構造体に対向する一方の面に、他方の反応ガス又は一方の反応ガスを供給する第３反応ガス流路が形成され、且つ、前記他のセパレータの他方の面には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、前記他のセパレータには、第１バッファ部と同一位置で且つ同一形状の第３バッファ部と、第２バッファ部と同一位置で且つ同一形状の第４バッファ部とが設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、セパレータ及び他のセパレータには、冷却媒体を積層方向に流す冷却媒体連通孔が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、第１反応ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔である一方、第２反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔であり、一方の反応ガスは、酸化剤ガスであるとともに、他方の反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。

本発明によれば、第１反応ガス連通孔に隣接する第１専用バッファ領域及び第２反応ガス連通孔に隣接する第２専用バッファ領域は、両面に第１反応ガスと第２反応ガスとが流通する共通バッファ領域よりも深溝に構成されている。このため、第１バッファ部及び第２バッファ部は、第１反応ガス連通孔及び第２反応ガス連通孔に隣接して第１反応ガス及び第２反応ガスの流動性が向上する。

従って、例えば、第１反応ガス入口連通孔（第１反応ガス連通孔）から第１入口バッファ部（第１バッファ部）に供給される一方の反応ガスは、第１専用バッファ領域から共通バッファ領域にわたって均一に分配された後、第１反応ガス流路に供給される。さらに、一方の反応ガスは、第１反応ガス流路から共通バッファ領域を通って第１専用バッファ領域に均一に分配された後、第１反応ガス出口連通孔（第１反応ガス連通孔）に排出される。

一方、例えば、第２反応ガス入口連通孔（第２反応ガス連通孔）から第２入口バッファ部に（第２バッファ部）供給される他方の反応ガスは、第２専用バッファ領域から共通バッファ領域にわたって均一に分配された後、第２反応ガス流路に供給される。さらに、他方の反応ガスは、第２反応ガス流路から共通バッファ領域を通って第２専用バッファ領域に均一に分配された後、第２反応ガス出口連通孔（第２反応ガス連通孔）に排出される。

これにより、第１及び第２反応ガス連通孔から第１及び第２バッファ部を介して第１及び第２反応ガス流路全体にそれぞれの反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を保持することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解概略斜視図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２セパレータの他方の面の説明図である。 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。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、複数のセルユニット（発電セル）１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成され、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。

セルユニット１２は、第１セパレータ（他のセパレータ）１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）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（他のセパレータ）２０を設ける。

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、金属セパレータに代えて、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及び第２電解質膜・電極構造体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、固体高分子電解質膜２２及びカソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、アノード側電極２４とカソード側電極２６とは、同一の表面積を有していてもよい。

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。

セルユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部（セパレータの一端部）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（空気等）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔（第１反応ガス連通孔）３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス等）を供給するための燃料ガス入口連通孔（第２反応ガス連通孔）３２ａが設けられる。

セルユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、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（第２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（第１反応ガス連通孔）３０ｂが設けられる。

セルユニット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、前記セルユニット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。

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。

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は、第１燃料ガス流路３６の裏面形状である。

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（一方の面）１８ａには、図４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（第１反応ガス流路）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、それぞれ複数のエンボスを有する第１入口バッファ部（第１バッファ部）５２及び第１出口バッファ部（第１バッファ部）５４が設けられる。

第１入口バッファ部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに隣接して酸化剤ガス（一方の反応ガス）を流通させるとともに、後述する第２入口バッファ部６０（第２バッファ部）側で燃料ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域５２ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する共通バッファ領域５２ｂとを有する。

共通バッファ領域５２ｂとは、第２セパレータ１８の一方の面１８ａに酸化剤ガスが流通するとともに、前記第２セパレータ１８の他方の面１８ｂに燃料ガスが流通する領域をいう。

第１入口バッファ部５２は、三角形状を有する。第１専用バッファ領域５２ａの入口側短辺５２ａｅは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを形成し前記第１専用バッファ領域５２ａ側に隣接する内壁面３０ａｅと平行する。

図２に示すように、第１酸化剤ガス流路５０側から見て第１専用バッファ領域５２ａの積層方向の深さＤ１は、共通バッファ領域５２ｂの前記積層方向の深さＤ２よりも大きく、すなわち、深溝に設定される。第１専用バッファ領域５２ａは、裏面側が第２電解質膜・電極構造体１６ｂを構成するアノード側電極２４に接している。

第１出口バッファ部５４は、第１入口バッファ部５２と同様に構成されており、図４に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに隣接して酸化剤ガスを流通させるとともに、後述する第２出口バッファ部６２（第２バッファ部）側で燃料ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域５４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する共通バッファ領域５４ｂとを有する。

第１出口バッファ部５４は、三角形状を有する。第１専用バッファ領域５４ａの出口側短辺５４ａｅは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを形成し前記第１専用バッファ領域５４ａ側に隣接する内壁面３０ｂｅと平行する。第１専用バッファ領域５４ａは、共通バッファ領域５４ｂよりも積層方向に深溝に構成される。

図５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（他方の面）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（第２反応ガス流路）５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、第１酸化剤ガス流路５０の裏面形状である。

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、それぞれ表側と裏側とに交互に突出する複数のエンボスを有する第２入口バッファ部（第２バッファ部）６０及び第２出口バッファ部（第２バッファ部）６２が設けられる。

第２入口バッファ部６０は、燃料ガス入口連通孔３２ａに隣接して燃料ガス（他方の反応ガス）を流通させるとともに、第１入口バッファ部５２側で酸化剤ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域６０ａと、第２燃料ガス流路５８に近接する共通バッファ領域６０ｂとを有する。

第２入口バッファ部６０は、三角形状を有する。第２専用バッファ領域６０ａの入口側短辺６０ａｅは、燃料ガス入口連通孔３２ａを形成し前記第１専用バッファ領域６０ａ側に隣接する内壁面３２ａｅと平行する。

図３に示すように、第２燃料ガス流路５８側から見て第２専用バッファ領域６０ａの積層方向の深さＤ３は、共通バッファ領域６０ｂの前記積層方向の深さＤ４よりも大きく、すなわち、深溝に設定される。第２専用バッファ領域６０ａは、裏面側が第１電解質膜・電極構造体１６ａを構成するカソード側電極２６に接している。

第２出口バッファ部６２は、第２入口バッファ部６０と同様に構成されており、図５に示すように、燃料ガス出口連通孔３２ｂに隣接して燃料ガスを流通させるとともに、第１出口バッファ部５４側で酸化剤ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域６２ａと、第２燃料ガス流路５８に近接する共通バッファ領域６２ｂとを有する。

第２出口バッファ部６２は、三角形状を有する。第２専用バッファ領域６２ａの出口側短辺６２ａｅは、燃料ガス出口連通孔３２ｂを形成し前記第２専用バッファ領域６２ａ側に隣接する内壁面３２ｂｅと平行する。第２専用バッファ領域６２ａは、共通バッファ領域６２ｂよりも積層方向に深溝に構成される。

第１入口バッファ部５２及び第２入口バッファ部６０は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに隣接する対称形状に構成される。第１出口バッファ部５４及び第２出口バッファ部６２は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに隣接する対称形状に構成される。

なお、酸化剤ガスとして空気が使用される場合には、空気の流量が水素（燃料ガス）の流量よりも大きいため、第１入口バッファ部５２及び第２入口バッファ部６０、並びに第１出口バッファ部５４及び第２出口バッファ部６２は、それぞれ非対称形状であってもよい。

図６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、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部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。

図１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連結溝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連結溝８０ｂとが設けられる。入口側第１連結溝８０ａ及び出口側第１連結溝８０ｂは、蓋板８２ａ及び蓋板８２ｂにより覆われる。

図４に示すように、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との連通部分には、複数の入口側連結流路８９ａ及び複数の出口側連結流路８９ｂを形成する複数の受け部９０ａ、９０ｂが設けられる。

図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂ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連結溝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連結溝９２ｂとが設けられる。入口側第２連結溝９２ａ及び出口側第２連結溝９２ｂは、蓋板９４ａ及び蓋板９４ｂにより覆われる。

図６に示すように、第３セパレータ２０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と第２酸化剤ガス流路６６の連通部分に、複数の入口側連結流路１０１ａ及び複数の出口側連結流路１０１ｂを形成する複数の受け部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ａは、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、それぞれ複数のエンボスを有する第３入口バッファ部（第３バッファ部）１１０及び第３出口バッファ部（第３バッファ部）１１２が設けられる。

第３入口バッファ部１１０は、第１入口バッファ部５２と同一位置で且つ同一形状を有し、第３専用バッファ領域１１０ａと共通バッファ領域１１０ｂとを有する。第３出口バッファ部１１２は、第１出口バッファ部５４と同一位置で且つ同一形状を有し、第３専用バッファ領域１１２ａと共通バッファ領域１１２ｂとを有する。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、第２入口バッファ部６０及び第２出口バッファ部６２と同一位置で且つ同一形状の第４入口バッファ部（第４バッファ部）１１４及び第４出口バッファ部（第４バッファ部）１１６が設けられる。

第４入口バッファ部１１４は、第４専用バッファ領域１１４ａと共通バッファ領域１１４ｂとを有する。第４出口バッファ部１１６は、第４専用バッファ領域１１６ａと共通バッファ領域１１６ｂとを有する。

この構成により、第１酸化剤ガス流路５０と第２酸化剤ガス流路６６とにおける酸化剤ガスの流れが同一条件で遂行される。

図７に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、第１入口バッファ部５２及び第１出口バッファ部５４と同一位置で且つ同一形状の第３入口バッファ部（第３バッファ部）１１８及び第３出口バッファ部（第３バッファ部）１２０が設けられる。

第３入口バッファ部１１８は、第３専用バッファ領域１１８ａと共通バッファ領域１１８ｂとを有する。第３出口バッファ部１２０は、第３専用バッファ領域１２０ａと共通バッファ領域１２０ｂとを有する。

第１セパレータ１４の面１４ａには、第２入口バッファ部６０及び第２出口バッファ部６２と同一位置で且つ同一形状の第４入口バッファ部（第４バッファ部）１２２及び第４出口バッファ部（第４バッファ部）１２４とが設けられる。

第４入口バッファ部１２２は、第４専用バッファ領域１２２ａと共通バッファ領域１２２ｂとを有する。第４出口バッファ部１２４は、第４専用バッファ領域１２４ａと共通バッファ領域１２４ｂとを有する。

この構成により、第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路５８とにおける燃料ガスの流れが同一条件で遂行される。

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４及び図６参照）。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１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に形成された入口側第１連結溝８０ａを通って入口バッファ部３８に送られる。この燃料ガスは、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、燃料ガスは、図１及び図５に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２セパレータ１８に形成された入口側第２連結溝９２ａを通って第２入口バッファ部６０に供給される。この燃料ガスは、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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図１及び図５に示すように、出口バッファ部４０、６２から出口側第１連結溝８０ｂ及び出口側第２連結溝９２ｂ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に示すように、第２セパレータ１８の第１入口バッファ部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに隣接して酸化剤ガスを流通させるとともに、第２入口バッファ部６０側で燃料ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域５２ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する共通バッファ領域５２ｂとを有している。そして、第１専用バッファ領域５２ａの積層方向の深さＤ１は、共通バッファ領域５２ｂの前記積層方向の深さＤ２よりも大きく、すなわち、深溝に設定されている（図２参照）。

従って、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１入口バッファ部５２に供給される酸化剤ガスは、第１専用バッファ領域５２ａから共通バッファ領域５２ｂにわたって均一に分配された後、第１酸化剤ガス流路５０に供給される。これにより、酸化剤ガスは、第１専用バッファ領域５２ａから共通バッファ領域５２ｂに均等に供給された後、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向（矢印Ｂ方向）全体に対して均一且つ確実に供給される。

一方、第２セパレータ１８の第１出口バッファ部５４は、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに隣接して酸化剤ガスを流通させるとともに、第２出口バッファ部６２側で燃料ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域５４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する共通バッファ領域５４ｂとを有している。第１専用バッファ領域５４ａは、共通バッファ領域５４ｂよりも積層方向に深溝に構成されている。

このため、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０から共通バッファ領域５４ｂを通って第１専用バッファ領域５４ａに均一に分配された後、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。従って、第１酸化剤ガス流路５０では、発電領域全域で酸化剤ガスの分配を均一化することが可能になる。

また、図５に示すように、第２セパレータ１８の第２入口バッファ部６０は、燃料ガス入口連通孔３２ａに隣接して燃料ガスを流通させるとともに、第１入口バッファ部５２側で酸化剤ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域６０ａと、第２燃料ガス流路５８に近接する共通バッファ領域６０ｂとを有している。そして、第２専用バッファ領域６０ａの積層方向の深さＤ３は、共通バッファ領域６０ｂの前記積層方向の深さＤ４よりも大きく、すなわち、深溝に設定されている（図３参照）。

従って、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２入口バッファ部６０に供給される燃料ガスは、第２専用バッファ領域６０ａから共通バッファ領域６０ｂにわたって均一に分配された後、第２燃料ガス流路５８に供給される。これにより、燃料ガスは、第２専用バッファ領域６０ａから共通バッファ領域６０ｂに均等に供給された後、第２燃料ガス流路５８の幅方向（矢印Ｂ方向）全体に対して均一且つ確実に供給される。

一方、第２セパレータ１８の第２出口バッファ部６２は、燃料ガス出口連通孔３２ｂに隣接して燃料ガスを流通させるとともに、第１出口バッファ部５４側で酸化剤ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域６２ａと、第２燃料ガス流路５８に近接する共通バッファ領域６２ｂとを有している。第２専用バッファ領域６２ａは、共通バッファ領域６２ｂよりも積層方向に深溝に構成されている。

このため、第２燃料ガス流路５８に供給された燃料ガスは、共通バッファ領域６２ｂを通って第２専用バッファ領域６２ａに均一に分配された後、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されている。従って、第２燃料ガス流路５８では、発電領域全域で燃料ガスの分配を均一化することが可能になる。

これにより、第２セパレータ１８の表裏に形成された第１酸化剤ガス流路５０全体及び第２燃料ガス流路５８全体に、酸化剤ガス及び燃料ガスを均一且つ確実に供給することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を保持することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…セルユニット
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
５２、６０、１１０、１１４、１１８、１２２…入口バッファ部
５２ａ、５４ａ、６０ａ、６２ａ、１１０ａ、１１２ａ、１１４ａ、１１６ａ、１１８ａ、１２０ａ、１２２ａ、１２４ａ…専用バッファ領域
５２ｂ、５４ｂ、６０ｂ、６２ｂ、１１０ｂ、１１２ｂ、１１４ｂ、１１６ｂ、１１８ｂ、１２０ｂ、１２２ｂ、１２４ｂ…共通バッファ領域
５４、６２、１１２、１１６、１２０、１２４…出口バッファ部
７４、７６、７８…シール部材

Claims (6)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた第１及び第２電解質膜・電極構造体間にセパレータが積層されるとともに、前記セパレータの一方の面には、前記第１電解質膜・電極構造体の一方の電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成され、且つ、前記セパレータの他方の面には、前記第２電解質膜・電極構造体の他方の電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータの一端部には、前記一方の反応ガスを積層方向に流す第１反応ガス連通孔及び前記他方の反応ガスを前記積層方向に流す第２反応ガス連通孔が設けられるとともに、
   前記セパレータの一方の面には、前記第１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バッファ部が設けられ、
   前記セパレータの他方の面には、前記第２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バッファ部が設けられ、
   前記第１バッファ部は、前記第１反応ガス連通孔に隣接し前記一方の反応ガスを流通させるとともに、前記第２バッファ部側で前記他方の反応ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域を有し、
   前記第２バッファ部は、前記第２反応ガス連通孔に隣接し前記他方の反応ガスを流通させるとともに、前記第１バッファ部側で前記一方の反応ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域を有し、
   前記第１バッファ部及び前記第２バッファ部は、前記一方の反応ガス及び前記他方の反応ガスをそれぞれ流通させる共通バッファ領域を有し、
   前記第１専用バッファ領域及び前記第２専用バッファ領域は、それぞれ前記共通バッファ領域よりも深さ方向の寸法が大きく設定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バッファ部及び前記第２バッファ部は、三角形状を有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記第１バッファ部及び前記第２バッファ部は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が前記第１反応ガス連通孔及び前記第２反応ガス連通孔に隣接する対称形状に構成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータと前記第１電解質膜・電極構造体又は前記第２電解質膜・電極構造体を挟んで対向する他のセパレータを備え、
   前記他のセパレータは、前記第１電解質膜・電極構造体又は前記第２電解質膜・電極構造体に対向する一方の面に、前記他方の反応ガス又は前記一方の反応ガスを供給する第３反応ガス流路が形成され、且つ、前記他のセパレータの他方の面には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記他のセパレータには、前記第１バッファ部と同一位置で且つ同一形状の第３バッファ部と、
   前記第２バッファ部と同一位置で且つ同一形状の第４バッファ部と、
   が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記セパレータ及び前記他のセパレータには、前記冷却媒体を前記積層方向に流す冷却媒体連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、前記第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、
   前記第１反応ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔である一方、前記第２反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔であり、
   前記一方の反応ガスは、酸化剤ガスであるとともに、前記他方の反応ガスは、燃料ガスであることを特徴とする燃料電池。

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