JP2013187128A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス流路に形成される水滞留部による固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを備える。第１セパレータ１８には、水滞留部として、酸化剤ガス流路３８が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路３８の重力方向の最下部流路溝３８ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１６には、発電領域外に位置し且つ最下部流路溝３８ｂに対向して水不透過層５６が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが立位姿勢で水平方向に沿って積層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、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを構成している。燃料電池は、通常、複数の発電セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システム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、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。

その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留する場合がある。従って、特に、電位が高いカソード電極側では、滞留水により金属の溶出が惹起され、溶出した金属が電解質膜に取り込まれることがある。これにより、電解質膜は、金属イオンによる劣化が著しくなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているシール構造が知られている。このシール構造は、図１７に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１に組み込まれている。

燃料電池１は、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃにより挟持したＭＥＡ２を備えている。ＭＥＡ２は、燃料流路３ａを形成するアノードセパレータ３と、酸化剤流路４ａを形成するカソードセパレータ４とに挟持されている。

ＭＥＡ２では、固体高分子電解質膜２ａの面積がアノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃよりも大きく形成されており、前記固体高分子電解質膜２ａの周縁部分には、両面に額縁状の保護膜５が設けられている。

保護膜５の外周部分は、アノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃの外周縁部に重なり部位を有している。アノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃの外周部分には、額縁状のガスシール材６が介装されている。

そこで、固体高分子電解質膜２ａに固着された保護膜５の外周側は、一対のガスシール材６に挟持されるとともに、前記保護膜５の内周側は、アノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃに挟持されている。このため、固体高分子電解質膜２ａが破損することを阻止するとともに、ガスシール機能を保持することができる、としている。

特開平５−２１０７７号公報

上記の特許文献１では、固体高分子電解質膜２ａを保護するためのシール構造が開示されているものの、滞留水による前記固体高分子電解質膜２ａの劣化を抑制することはできない。

すなわち、燃料流路３ａ及び酸化剤流路４ａ等の反応ガス流路には、生成水が滞留し易い部位（水滞留部）が存在している。例えば、反応ガス流路に連結されるバッファ部、前記反応ガス流路の重力方向最下部の流路溝、前記反応ガス流路の流路溝同士を合流する流路合流部及び前記反応ガス流路を迂回するバイパス流路等である。これにより、特許文献１では、水滞留部による固体高分子電解質膜２ａの劣化が発生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、反応ガス流路に形成される水滞留部による固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制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、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが、立位姿勢で水平方向に沿って積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、セパレータには、少なくとも発電面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路に連結されるバッファ部、前記反応ガス流路の重力方向最下部の流路溝、前記反応ガス流路の流路溝同士が合流する流路合流部又は前記反応ガス流路を迂回するバイパス流路のいずれかである水滞留部が設けられる一方、電解質膜・電極構造体には、発電領域外に位置し且つ前記水滞留部に対向して水不透過層が設けられている。

また、この燃料電池では、水不透過層は、電解質膜・電極構造体の少なくともカソード電極側に設けられることが好ましい。

本発明では、電解質膜・電極構造体には、水滞留部に対向して水不透過層が設けられている。このため、固体高分子電解質膜は、水滞留部から遮断されており、水に溶融された金属イオンによる膜劣化を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 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。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する電解質膜・電極構造体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断面説明図である。 前記燃料電池の他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要部断面説明図である。 前記燃料電池の別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要部断面説明図である。 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。 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。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 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。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 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に開示されたシール構造の分解説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、複数の発電セル１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。

発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを備える。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、薄板状の金属プレートを、それぞれ波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する（図２及び図３参照）。なお、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、金属プレートに代えて、カーボンプレート等を使用してもよい。

発電セル１２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供給連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａ、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排出連通孔３０ｂが設けられる。

発電セル１２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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。

図４に示すように、第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路３８が形成される。この酸化剤ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部３８ａ間に形成される。酸化剤ガス流路３８の入口側には、複数のエンボス４０ａｅを有する入口バッファ部４０ａが設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路３８の出口側には、複数のエンボス４０ｂｅを有する出口バッファ部４０ｂが設けられる。

図１に示すように、第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４２ａ間に形成される。

燃料ガス流路４２の入口側には、複数のエンボス４３ａｅを有する入口バッファ部４３ａが設けられるとともに、前記燃料ガス流路４２の出口側には、複数のエンボス４３ｂｅを有する出口バッファ部４３ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１６は、両側からエンボス４０ａｅ、４０ｂｅと４３ｂｅ、４３ａｅとで挟持される。なお、以下に説明する第２以降の実施形態でも同様である。

第１セパレータ１８の面１８ｂと第２セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４４が一体的に形成される。冷却媒体流路４４は、酸化剤ガス流路３８及び燃料ガス流路４２の裏面形状を重ね合わせて構成される。

第１セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１セパレータ１８の外周端部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。

第１シール部材４６及び第２シール部材４８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。

第１シール部材４６は、図１及び図４に示すように、面１８ａ、１８ｂ上に均一な厚さを有して成形される平面シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、面１８ａ側で平面シール部４６ａから突出し、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと酸化剤ガス流路３８とを連通させる凸状シール部４６ｂを有する（図４参照）。

第１シール部材４６は、面１８ｂ側で平面シール部４６ａから突出し、冷却媒体供給連通孔２８ａ及び冷却媒体排出連通孔２８ｂと冷却媒体流路４４とを連通させる凸状シール部４６ｃを有する（図１参照）。

第２シール部材４８は、面２０ａ、２０ｂ上に均一な厚さを有して形成される平面シール部４８ａを有する。第２シール部材４８は、面２０ａ側で平面シール部４８ａから突出し、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂを燃料ガス流路４２に連通する凸状シール部４８ｂを有する。

電解質膜・電極構造体１６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５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード電極５２及びアノード電極５４とを備える。固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４よりも大きな表面積に設定され、外周縁部が前記カソード電極５２及び前記アノード電極５４の外周端部から外方に突出する。

図２に示すように、カソード電極５２及びアノード電極５４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層５２ａ、５４ａ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５２ａ、５４ａの表面に一様に塗布された電極触媒層５２ｂ、５４ｂとを有する。

電極触媒層５２ｂ、５４ｂは、固体高分子電解質膜５０の両面に形成され、前記電極触媒層５２ｂ、５４ｂの外周端部は、第１セパレータ１８の凸部と第２セパレータ２０の凸部とにより挟持される。なお、以下に説明する第２以降の実施形態でも同様である。

第１の実施形態では、図４に示すように、カソード側セパレータである第１セパレータ１８の面１８ａにおいて、酸化剤ガス流路３８の重力方向最下部の流路溝（以下、最下部流路溝という）３８ｂは、水滞留部であるとともに、入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂは、同様に、水滞留部である。

電解質膜・電極構造体１６には、発電領域外（電極触媒層５２ｂの外方）に位置し、且つ、水滞留部である最下部流路溝３８ｂ、入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂに対向して水不透過層５６が設けられる。

図２及び図３に示すように、水不透過層５６は、カソード電極５２において、固体高分子電解質膜５０とガス拡散層５２ａの外周縁部との間に介装されるとともに、額縁状を有する（図５中、二点鎖線参照）。水不透過層５６の外形寸法は、固体高分子電解質膜５０の外形寸法と同一寸法であり、内側端面５６ａは、電極触媒層５２ｂの外周端面位置とほぼ同一位置に設定される（図３〜図５参照）。なお、アノード側に、カソード側と同様の水不透過層５６を設けてもよい。

ガス拡散層５２ａの外形形状位置は、酸化剤ガス流路３８と入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂとを覆った位置に設定される。

水不透過層５６は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）又はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂フィルムにより構成される。

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。

図１に示すように、燃料電池１０内では、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル１２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード電極５２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード電極５４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層５２ｂ、５４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード電極５２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。同様に、アノード電極５に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２８ａから第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂを移動して燃料電池１０から排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第１セパレータ１８の面１８ａには、水滞留部として、酸化剤ガス流路３８の最下部流路溝３８ｂと入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂとが設けられている。

そして、電解質膜・電極構造体１６では、発電領域である電極触媒層５２ｂの外方に位置し、且つ、水滞留部である最下部流路溝３８ｂ、入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂに対向して水不透過層５６が設けられている。

具体的には、図２に示すように、固体高分子電解質膜５０とカソード電極５２との間には、内側端縁部が前記固体高分子電解質膜５０とガス拡散層５２ａとの間に介装されるとともに、前記ガス拡散層５２ａの外周位置から下方に延在する水不透過層５６の一部が設けられている。

このため、特に、滞留水が発生し易い最下部流路溝３８ｂで、特に第１セパレータ１８から溶出された金属イオンは、水不透過層５６に阻止されて固体高分子電解質膜５０に移動することがない。なお、以下に説明する第２以降の実施形態でも同様である。これにより、固体高分子電解質膜５０の膜劣化が確実に抑制されるという効果が得られる。

同様に、図３に示すように、入口バッファ部４０ａでは、固体高分子電解質膜５０とガス拡散層５２ａとの間に介装された水不透過層５６が対向して配置されている。従って、滞留水が発生し易い入口バッファ部４０ａでは、金属イオンが溶出しても、この金属イオンは、水不透過層５６に阻止されて固体高分子電解質膜５０に接触することはない。このため、固体高分子電解質膜５０の膜劣化が確実に抑制されるという効果が得られる。なお、出口バッファ部４０ｂでは、上記の入口バッファ部４０ａと同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要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以降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（ＭＥＡ）６２と、前記電解質膜・電極構造体６２を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを備える。電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極６４及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極６４は、ガス拡散層６４ａと電極触媒層６４ｂとを有し、これらの表面積が略同一に設定される。ガス拡散層６４ａは、アノード電極５４を構成するガス拡散層５４ａよりも小さな表面積に設定される。電極触媒層５４ｂ、６４ｂは、実質的に同一の表面積に設定される。

ガス拡散層６４ａの外周端部から外方に延在する固体高分子電解質膜５０の面には、水不透過層６６が設けられる。水不透過層６６は、第１の実施形態に係る水不透過層５６と同様の材料で構成される。なお、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様である。

水不透過層６６は、第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８側において、最下部流路溝３８ｂに対向する領域及び入口バッファ部４０ａのエンボス４０ａｅ及び出口バッファ部４０ｂのエンボス４０ｂｅに対向する領域に設けられている（図６及び図７参照）。このため、固体高分子電解質膜５０は、水滞留部から遮断されており、水に溶融された金属イオンによる膜劣化を可及的に抑制することが可能になる。

なお、アノード電極５４を構成するガス拡散層５４ａは、カソード電極６４を構成するガス拡散層６４ａよりも小さな表面積に設定されてもよい。また、アノード電極５４の外周に水不透過層６６を設けてもよい。さらに、水不透過層６６にエンボス又はガイド流路を設ける一方、第１セパレータ１８側を平坦面に構成してもよい。

図８及び図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体７２を第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０で挟持する。

電解質膜・電極構造体７２は、固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード電極７４及びアノード電極７６を備える。カソード電極７４とアノード電極７６とは、同一の表面積に設定されるとともに、それぞれガス拡散層７４ａ、７６ａと、電極触媒層７４ｂ、７６ｂとを同一寸法に設定して備えている。

電解質膜・電極構造体７２の外周部には、水不透過層である樹脂枠７８が設けられる。樹脂枠７８は、電解質膜・電極構造体７２と同一の厚さに設定されるとともに、第１及び第２の実施形態の水不透過層５６、６６と同一の領域、すなわち、同一の額縁形状に設定される。

従って、第３の実施形態では、固体高分子電解質膜５０が水滞留部から遮断されており、水に溶融された金属イオンによる膜劣化を可及的に抑制することが可能になる等、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１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池７５の要部断面説明図である。燃料電池７５は、電解質膜・電極構造体７７と、前記電解質膜・電極構造体７７を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを備える。なお、第２実施形態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。

ガス拡散層６４ａの外周端部から外方に延在する固体高分子電解質膜５０の面を覆い、前記固体高分子電解質膜５０の端面から外方に突出して水不透過層７９が設けられる。水不透過層７９は、固体高分子電解質膜５０の面に配置される薄肉部７９ａと、電解質膜・電極構造体７７と同等の肉厚ｔを有する厚肉部７９ｂとを有する。なお、厚肉部７９ｂは、一定の厚さを有する必要はない。

このように、第４の実施形態では、固体高分子電解質膜５０は、水不透過層７９に覆われて外部に露呈することがなく、前記固体高分子電解質膜５０の劣化が一層確実に抑制されるという効果が得られる。

図１１に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１６を第１セパレータ８２及び第２セパレータ８４で挟持する。

図１２に示すように、第１セパレータ８２の電解質膜・電極構造体１６に向かう面８２ａには、酸化剤ガス流路８６が形成される。酸化剤ガス流路８６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状凸部８６ａと、矢印Ｂ方向に延在する直線部と矢印Ｃ方向に屈曲する少なくとも１つの屈曲部とを有する複数本の屈曲凸部８６ｂとを有し、これらの間に流路が形成される。

屈曲凸部８６ｂは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂの近傍で、それぞれ互いの端部同士が近接して配置されるとともに、前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ側及び前記酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ側には、複数本の流路を合流させる合流部８８が設けられる。

図１１に示すように、第２セパレータ８４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面８４ａには、燃料ガス流路９０が形成される。燃料ガス流路９０は、酸化剤ガス流路８６と同様に、複数本の直線状凸部９０ａと屈曲凸部９０ｂとの間に形成されるとともに、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを接続する。第１セパレータ８２の面８２ｂと第２セパレータ８４の面８４ｂとの間には、冷却媒体流路９２が形成される。

第５の実施形態では、図１２に示すように、第１セパレータ８２の酸化剤ガス流路８６において、流路溝同士が合流する合流部８８が設けられる一方、電解質膜・電極構造体１６には、水滞留部である前記合流部８８に対向して水不透過層５６が設けられている。

従って、固体高分子電解質膜５０は、合流部８８から遮断されており、水に溶融された金属イオンによる膜劣化を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１６を第１セパレータ１０２及び第２セパレータ１０４で挟持する。

第１セパレータ１０２の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１０２ａには、図１４に示すように、酸化剤ガス流路１０６が形成される。酸化剤ガス流路１０６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部１０６ａと、矢印Ｂ方向に延在する直線部と酸化剤ガス供給連通孔２６ａ側又は酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ側の少なくとも一方に向かって傾斜する傾斜部とを有する複数本の傾斜凸部１０６ｂとを有し、これらの間に複数本の流路溝が構成される。

酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ側には、複数本の流路溝が合流する合流部１０８が形成される。電解質膜・電極構造体１６では、水滞留部である合流部１０８に対向して水不透過層５６が設けられている。

第２セパレータ１０４は、図１３に示すように、電解質膜・電極構造体１６に向かう面１０４ａに、燃料ガス流路１１０を設ける。燃料ガス流路１１０は、酸化剤ガス流路１０６と同様に、複数本の直線状凸部１１０ａと複数本の傾斜凸部１１０ｂとにより形成される流路溝を備える。第１セパレータ１０２の面１０２ｂと第２セパレータ１０４の面１０４ｂとの間には、冷却媒体流路１１２が形成される。

このように構成される第６の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６には、水滞留部である合流部１０８に対向して水不透過層５６が設けられている。従って、固体高分子電解質膜５０の膜劣化を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５に示すように、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１２０は、電解質膜・電極構造体１６を第１セパレータ１２２及び第２セパレータ１２４で挟持する。

図１６に示すように、第１セパレータ１２２の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１２２ａには、酸化剤ガス流路１２６が形成される。酸化剤ガス流路１２６は、矢印Ｂ方向に蛇行しながら、矢印Ｃ方向に酸化剤ガスを流通させる複数本のサーペンタイン凸部１２６ａ間に形成される流路溝を備える。

酸化剤ガス流路１２６の外周には、サーペンタイン凸部１２６ａを迂回して、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連なるバイパス流路１２８が形成される。バイパス流路１２８は、水滞留部であり、電解質膜・電極構造体１６には、前記バイパス流路１２８に対向して水不透過層５６が設けられる。

図１５に示すように、第２セパレータ１２４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１２４ａには、蛇行流路である燃料ガス流路１３０が形成される。燃料ガス流路１３０は、複数本のサーペンタイン凸部１３０ａ間に形成される流路溝を備える。第１セパレータ１２２の面１２２ｂと第２セパレータ１２４の面１２４ｂとの間には、冷却媒体流路１３２が形成される。

このように構成される第７の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６は、水滞留部であるバイパス流路１２８に対向して水不透過層５６が設けられている。これにより、固体高分子電解質膜５０の膜劣化を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第５〜第７の実施形態では、第１の実施形態の電解質膜・電極構造体１６を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、水不透過層６６を有する第２の実施形態の電解質膜・電極構造体６２や、水不透過層である樹脂枠７８を有する第３の実施形態の電解質膜・電極構造体７２を用いてもよい。

１０、６０、７０、７５、８０、１００、１２０…燃料電池
１２…発電セル
１６、６２、７２、７７…電解質膜・電極構造体
１８、２０、８２、８４、１０２、１０４、１２２、１２４…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔 ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔 ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３８、８６、１０６、１２６…酸化剤ガス流路
３８ｂ…最下部流路溝 ４０ａ、４３ａ…入口バッファ部
４０ｂ、４３ｂ…出口バッファ部
４２、９０、１１０、１３０…燃料ガス流路
４４、９２、１１２、１３２…冷却媒体流路
４６、４８…シール部材 ５０…固体高分子電解質膜
５２、６４、７４…カソード電極 ５４、７６…アノード電極
５６、６６、７９…水不透過層 ７８…樹脂枠
８８、１０８…合流部 １２８…バイパス流路

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが、立位姿勢で水平方向に沿って積層される燃料電池であって、
   前記セパレータには、少なくとも発電面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路に連結されるバッファ部、前記反応ガス流路の重力方向最下部の流路溝、前記反応ガス流路の流路溝同士が合流する流路合流部又は前記反応ガス流路を迂回するバイパス流路のいずれかである水滞留部が設けられる一方、
   前記電解質膜・電極構造体には、発電領域外に位置し且つ前記水滞留部に対向して水不透過層が設けら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、前記水不透過層は、前記電解質膜・電極構造体の少なくともカソード電極側に設けられることを特徴とする燃料電池。

Images