JP2013211181A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体を良好且つ均一に流配させるとともに、コンパクト化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、発電ユニット１２を備えるとともに、前記発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。第３金属セパレータ２０には、冷却媒体流路３２の出口側に冷却媒体出口バッファ部３３ｂが設けられる。冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、第１バッファ部３３ｂａと、前記第１バッファ部３３ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ｂｂｕとを有するとともに、前記第２バッファ部３３ｂｂｕに積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガス入口バッファ部３７ａ、４５ａのみにより構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂製枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが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。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、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。

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連通孔（燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔）及び冷却媒体連通孔を備えている。反応ガス連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）に連通する一方、冷却媒体連通孔は、セパレータ間に電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路に連通している。

この場合、反応ガス連通孔と反応ガス流路とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために、平行溝部等を有する連結流路を介して連結されている。その際、連結流路にシール部材が進入することを阻止するために、例えば、金属板を前記連結流路を覆って配置することが行われている。しかしながら、専用の金属板を用いるため、構成が複雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に向かう面には、反応ガスを電極面に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の上流及び下流に入口バッファ部及び出口バッファ部が連通する燃料電池に関するものである。

一対の電極は、電解質膜の両面に、少なくとも入口バッファ部又は出口バッファ部に対向する前記電解質膜の外周縁部を外部に露呈して設けられる触媒層及びガス拡散層を備えている。そして、外部に露呈する電解質膜の一方の外周縁部のみに、ガス拡散層よりも薄膜な補強フイルムが設けられている。

このため、入口バッファ部又は出口バッファ部に対向する電解質膜の外周縁部は、強度の向上が図られるとともに、相当に薄肉化され、前記入口バッファ部又は前記出口バッファ部の流路深さを容易に確保することができる。従って、酸化剤ガス及び燃料ガスを、発電流路面内に均一且つ良好に分配することが可能になり、発電性能の向上と電解質膜の耐久性の向上とが容易に遂行される。

特開２０１１−１６５４３２号公報

ところで、内部マニホールド型燃料電池では、冷却媒体連通孔と冷却媒体流路との間においても、発電面に沿って冷却媒体を均一且つ良好に流通させることが望まれている。

本発明は、この種の要請に対応してなされたものであり、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体を良好且つ均一に流配させるとともに、コンパクト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。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂製枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されている。

一方の電極に対向するセパレータには、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガスを電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス連通孔とを繋ぐ燃料ガスバッファ部とが設けられている。

他方の電極に対向するセパレータには、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスを積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス連通孔とを繋ぐ酸化剤ガスバッファ部とが設けられている。

互いに隣接するセパレータ間には、電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路と、前記冷却媒体を積層方向に流通させる冷却媒体連通孔と、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを繋ぐ冷却媒体バッファ部とが設けられている。

この燃料電池では、燃料ガスバッファ部、酸化剤ガスバッファ部及び冷却媒体バッファ部は、積層方向に重なり合っている。そして、冷却媒体バッファ部は、第１バッファ部と、前記第１バッファ部よりも積層方向に深溝な第２バッファ部とを有するとともに、前記第２バッファ部に前記積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガスバッファ部又は酸化剤ガスバッファ部のいずれか一方のみにより構成されている。

また、この燃料電池では、第２バッファ部に積層方向に隣接する他のバッファ部は、第３バッファ部と、前記第３バッファ部よりも前記積層方向に深溝な第４バッファ部とを有するとともに、前記第２バッファ部と前記第４バッファ部とは、前記積層方向に重なり合って配置されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、冷却媒体連通孔と第２バッファ部とを連結する冷却媒体連結通路を備えることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、樹脂製枠部材は、他のバッファ部の第４バッファ部に対応し、第３バッファ部よりも積層方向に深い深溝部を形成することが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体バッファ部は、第１バッファ部と、前記第１バッファ部よりも積層方向に深溝な第２バッファ部とを有している。このため、冷却媒体は、第２バッファ部に導入されることにより、円滑且つ確実に流通することができ、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流配性が良好に向上する。

しかも、第２バッファ部に積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガスバッファ部又は酸化剤ガスバッファ部のいずれか一方のみにより構成されている。従って、燃料電池の積層方向の厚さが大きくなることがなく、前記燃料電池全体をコンパクトに構成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ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第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。 前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの燃料ガス入口側の断面説明図である。 前記発電ユニットの燃料ガス出口側の断面説明図である。

図１〜図５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、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ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横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺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が設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（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、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、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一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図６に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口バッファ部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図７に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部３３ａ及び冷却媒体出口バッファ部３３ｂが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂは、冷却媒体入口バッファ部３３ａ及び冷却媒体出口バッファ部３３ｂの裏面形状である。

冷却媒体入口バッファ部３３ａは、第１バッファ部３３ａａと、前記第１バッファ部３３ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄとを有する（図４及び図５参照）。第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄは、図７に示すように、冷却媒体入口バッファ部３３ａの外方に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する位置に、上下方向（矢印Ｃ方向）に且つ互いに分離して設けられる。

冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、第１バッファ部３３ｂａと、前記第１バッファ部３３ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄとを有する（図３及び図７参照）。第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄは、図７に示すように、冷却媒体出口バッファ部３３ｂの外方に、すなわち、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接する位置に、上下方向（矢印Ｃ方向）に且つ互いに分離して設けられる。

図８に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部３６ｂが形成される。

第１燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部３７ａ及び燃料ガス出口バッファ部３７ｂが設けられる。燃料ガス入口バッファ部３７ａは、第１バッファ部（第３バッファ部）３７ａａと、前記第１バッファ部３７ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部（第４バッファ部）３７ａｂとを有する（図３参照）。第２バッファ部３７ａｂは、図８に示すように、燃料ガス入口バッファ部３７ａの外方に、すなわち、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接する位置に設けられる。

燃料ガス出口バッファ部３７ｂは、第１バッファ部（第３バッファ部）３７ｂａと、前記第１バッファ部３７ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部（第４バッファ部）３７ｂｂとを有する（図４及び図５参照）。第２バッファ部３７ｂｂは、図８に示すように、燃料ガス出口バッファ部３７ｂの外方に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する位置に設けられる。

図９に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部３９ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部３９ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂは、燃料ガス出口バッファ部３７ｂ及び燃料ガス入口バッファ部３７ａの裏面形状である。

酸化剤ガス入口バッファ部３９ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。

図１０に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４４ｂが形成される。図３に示すように、供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、図４に示すように、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。

第２燃料ガス流路４２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部４５ａ及び燃料ガス出口バッファ部４５ｂが設けられる。燃料ガス入口バッファ部４５ａは、第１バッファ部（第３バッファ部）４５ａａと、前記第１バッファ部４５ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部（第４バッファ部）４５ａｂとを有する（図３参照）。第２バッファ部４５ａｂは、図１０に示すように、燃料ガス入口バッファ部４５ａの外方に、すなわち、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接する位置に設けられる。

燃料ガス出口バッファ部４５ｂは、第１バッファ部（第３バッファ部）４５ｂａと、前記第１バッファ部４５ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部（第４バッファ部）４５ｂｂとを有する（図４及び図５参照）。第２バッファ部４５ｂｂは、図１０に示すように、燃料ガス出口バッファ部４５ｂの外方に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する位置に設けられる。

図１１に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。

冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部４７ａ及び冷却媒体出口バッファ部４７ｂが設けられる。冷却媒体出口バッファ部４７ｂ及び冷却媒体入口バッファ部４７ａは、燃料ガス入口バッファ部４５ａ及び燃料ガス出口バッファ部４５ｂの裏面形状である。

冷却媒体入口バッファ部４７ａは、第１バッファ部４７ａａと、前記第１バッファ部４７ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部４７ａｂとを有する（図４及び図５参照）。第２バッファ部４７ａｂは、図１１に示すように、冷却媒体入口バッファ部４７ａの外方に、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する位置に設けられる。

冷却媒体出口バッファ部４７ｂは、第１バッファ部４７ｂａと、前記第１バッファ部４７ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部４７ｂｂとを有する（図３及び図７参照）。第２バッファ部４７ｂｂは、図１１に示すように、冷却媒体出口バッファ部４７ｂの外方に、すなわち、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接する位置に設けられる。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０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等の弾性を有するシール材が用いられる。

図６に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１及び図７に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部４６ｂを有する。

図７に示すように、面１４ｂにおいて、第１シール部材４６には、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂの近傍に、冷却媒体流路３２と連通するそれぞれ複数本の導入連通部４６ｃ_ＩＮ及び導出連通部４６ｃ_ＯＵＴが形成される。

第１シール部材４６には、冷却媒体入口連通孔２５ａと第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄとを連結する冷却媒体供給連結通路４９ａｕ、４９ａｄが形成される。第１シール部材４６には、冷却媒体出口連通孔２５ｂと第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄとを連結する冷却媒体排出連結通路４９ｂｕ、４９ｂｄが形成される。

図８に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと、第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。

図９に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。

図１０に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと、第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。

図１１に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。

図２に示すように、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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の表面積（平面寸法）よりも小さな表面積（平面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の表面積に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記固体高分子電解質膜５２の表面積よりも小さな表面積を有してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６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５２の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、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等が採用される。

図１２及び図１３に示すように、第１樹脂枠部材５８は、長手方向（矢印Ｂ方向）両端部に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに向かって膨出する突出部５８ａ、５８ｂと、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって膨出する突出部５８ｃ、５８ｄとを有する。

第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図１２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部６２ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部６２ｂが設けられる。

入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ａを有し、前記凸部６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ｂを有し、前記凸部６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂには、それぞれエンボス部６３ａ、６３ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。

図１３に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

入口バッファ部６８ａは、複数本のライン状凸部７０ａを有するとともに、前記凸部７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。出口バッファ部６８ｂは、複数本のライン状凸部７０ｂを有するとともに、前記凸部７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂには、それぞれエンボス部６９ａ、６９ｂが形成される。

図１４及び図１５に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かってそれぞれ膨出する突出部６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを有する。

第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、図１４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部７４ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して出口バッファ部７４ｂが形成される。

入口バッファ部７４ａは、複数本のライン状凸部７６ａを有し、前記凸部７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。出口バッファ部７４ｂは、複数本のライン状凸部７６ｂを有し、前記凸部７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂには、それぞれエンボス部７５ａ、７５ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図１５に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部８０ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第２燃料ガス流路４２との間に位置して出口バッファ部８０ｂが設けられる。

入口バッファ部８０ａは、複数本のライン状凸部８２ａを有し、前記凸部８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。出口バッファ部８０ｂは、複数本のライン状凸部８２ｂを有し、前記凸部８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが設けられる。入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂには、それぞれエンボス部８１ａ、８１ｂが形成される。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。

第１の実施形態では、図３に示すように、酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂ、燃料ガス入口バッファ部３７ａ、酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂ、燃料ガス入口バッファ部４５ａ及び冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、積層方向に重なり合って配置される。

冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、第１バッファ部３３ｂａと、前記第１バッファ部３３ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ｂｂｕとを有するとともに、前記第２バッファ部３３ｂｂｕに積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガス入口バッファ部３７ａ、４５ａのみにより構成されている。第１バッファ部３３ｂａに積層方向に隣接する他のバッファ部は、酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂ、３９ｂ及び燃料ガス入口バッファ部３７ａ、４５ａである。

図４及び図５に示すように、酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ、燃料ガス出口バッファ部３７ｂ、酸化剤ガス入口バッファ部３９ａ、燃料ガス出口バッファ部４５ｂ及び冷却媒体入口バッファ部３３ａは、積層方向に重なり合って配置される。

図４に示すように、冷却媒体入口バッファ部３３ａは、第１バッファ部３３ａａと、前記第１バッファ部３３ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ａｂｄとを有するとともに、前記第２バッファ部３３ａｂｄに積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガス出口バッファ部３７ｂ、４５ｂのみにより構成されている。第１バッファ部３３ａａに積層方向に隣接する他のバッファ部は、酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ、３９ａ及び燃料ガス出口バッファ部３７ｂ、４５ｂである。

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２２ａ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２５ａ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、図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａ及び酸化剤ガス入口バッファ部２８ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから酸化剤ガス入口バッファ部３９ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図６及び図９に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極５４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、図３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の供給孔部３６ａを通って入口バッファ部６８ａ及び燃料ガス入口バッファ部３７ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａ及び燃料ガス入口バッファ部３７ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。

燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って入口バッファ部８０ａ及び燃料ガス入口バッファ部４５ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａ及び燃料ガス入口バッファ部４５ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、図１、図８及び図１０に示すように、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５６に供給されるとともに、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給される。

従って、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では、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂ、３９ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

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のアノード電極５６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６８ｂ、８０ｂ及び燃料ガス出口バッファ部３７ｂ、４５ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂ、４４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第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を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図３〜図５及び図７に示すように、冷却媒体入口バッファ部３３ａは、第１バッファ部３３ａａと、前記第１バッファ部３３ａａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄとを有している。そして、冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、第１バッファ部３３ｂａと、前記第１バッファ部３３ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄとを有している。

このため、図７に示すように、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２５ａから各導入連通部４６ｃ_ＩＮを通って冷却媒体流路３２に供給されるとともに、前記冷却媒体の一部は、冷却媒体排出連結通路４９ｂｕ、４９ｂｄを通って第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄに導入される。

第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄは、第１バッファ部３３ａａよりも深溝に形成されており、冷却媒体は、前記第２バッファ部３３ａｂｕ、３３ａｂｄを通って互いに隣接する終端部から前記第１バッファ部３３ａａの高さ方向中央側に供給される。

従って、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に冷却媒体が供給される際に、供給不足になり易い前記冷却媒体流路３２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部位にも、前記冷却媒体を確実に供給することができる。

一方、冷却媒体流路３２を流通した冷却媒体は、各導出連通部４６ｃ_ＯＵＴを通って冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出されるとともに、前記冷却媒体の一部は、第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄに導入される。

第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄは、第１バッファ部３３ｂａよりも深溝に形成されており、冷却媒体は、前記第２バッファ部３３ｂｂｕ、３３ｂｂｄを通って冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。これにより、冷却媒体流路３２を流通した冷却媒体は、流路幅方向に亘って容易且つ確実に排出することができ、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流配性が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、例えば、図３に示すように、冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、第１バッファ部３３ｂａと、前記第１バッファ部３３ｂａよりも積層方向に深溝な第２バッファ部３３ｂｂｕとを有するとともに、前記第２バッファ部３３ｂｂｕに積層方向に隣接する他のバッファ部は、燃料ガス入口バッファ部３７ａ、４５ａのみにより構成されている。

従って、発電ユニット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の積層方向の厚さを可及的に小さく構成することができ、前記燃料電池１０全体をコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。

なお、冷却媒体入口バッファ部３３ａでは、上記の冷却媒体出口バッファ部３３ｂと同様の効果が得られる。

図１６及び図１７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０は、複数の発電ユニット１１２を積層して構成される。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。

発電ユニット１１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｃ及び第３金属セパレータ１１４を備える。

第３金属セパレータ１１４は、燃料ガス入口バッファ部４５ａ及び燃料ガス出口バッファ部４５ｂ（冷却媒体出口バッファ部４７ｂ及び冷却媒体入口バッファ部４７ａ）を平坦状に構成している。

第２電解質膜・電極構造体１６ｃは、第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）１１６を設けるとともに、前記第２樹脂枠部材１１６には、第２バッファ部４５ａｂ、４５ｂｂに対応する部位に、深溝部１１６ａ、１１６ｂが形成される。深溝部１１６ａ、１１６ｂにより、第１バッファ部４５ａａ、４５ｂａと第２バッファ部４５ａｂ、４５ｂｂとが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流配性が良好に向上するとともに、燃料電池１１０全体をコンパクトに構成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。

１０、１１０…燃料電池 １２、１１２…発電ユニット
１４、１８、２０、１１４…金属セパレータ
１６ａ〜１６ｃ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路
２８ａ、３９ａ…酸化剤ガス入口バッファ部
２８ｂ、３９ｂ…酸化剤ガス出口バッファ部
３０ａ、４０ａ…入口連結溝 ３０ｂ、４０ｂ…出口連結溝
３２…冷却媒体流路
３３ａ、４７ａ…冷却媒体入口バッファ部
３３ａａ、３３ｂａ、３７ａａ、３７ｂａ、４５ａａ、４５ｂａ、４７ａａ、４７ｂａ…第１バッファ部
３３ａｂｄ、３３ａｂｕ、３３ｂｂｄ、３３ｂｂｕ、３７ａｂ、３７ｂｂ、４５ａｂ、４５ｂｂ、４７ａｂ、４７ｂｂ…第２バッファ部
３３ｂ、４７ｂ…冷却媒体出口バッファ部
３４、４２…燃料ガス流路 ３６ａ、４４ａ…供給孔部
３６ｂ、４４ｂ…排出孔部
３７ａ、４５ａ…燃料ガス入口バッファ部
３７ｂ、４５ｂ…燃料ガス出口バッファ部
４６、４８、５０…シール部材
４９ａｄ、４９ａｕ…冷却媒体供給連結通路
４９ｂｄ、４９ｂｕ…冷却媒体排出連結通路
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８、６０、１１６…樹脂枠部材
５８ａ〜５８ｄ、６０ａ〜６０ｄ…突出部
６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ…入口バッファ部
６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ…出口バッファ部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂製枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、
   一方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス連通孔とを繋ぐ燃料ガスバッファ部とが設けられ、
   他方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスを前記積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス連通孔とを繋ぐ酸化剤ガスバッファ部とが設けられ、
   さらに互いに隣接する前記セパレータ間には、電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路と、前記冷却媒体を前記積層方向に流通させる冷却媒体連通孔と、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを繋ぐ冷却媒体バッファ部とが設けられる燃料電池であって、
   前記燃料ガスバッファ部、前記酸化剤ガスバッファ部及び前記冷却媒体バッファ部は、前記積層方向に重なり合っており、
   前記冷却媒体バッファ部は、第１バッファ部と、
   前記第１バッファ部よりも前記積層方向に深溝な第２バッファ部と、
   を有するとともに、
   前記第２バッファ部に前記積層方向に隣接する他のバッファ部は、前記燃料ガスバッファ部又は前記酸化剤ガスバッファ部のいずれか一方のみにより構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２バッファ部に前記積層方向に隣接する他のバッファ部は、第３バッファ部と、
   前記第３バッファ部よりも前記積層方向に深溝な第４バッファ部と、
   を有するとともに、
   前記第２バッファ部と前記第４バッファ部とは、前記積層方向に重なり合って配置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、前記冷却媒体連通孔と前記第２バッファ部とを連結する冷却媒体連結通路を備え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、前記樹脂製枠部材は、前記他のバッファ部の前記第４バッファ部に対応し、前記第３バッファ部よりも前記積層方向に深い深溝部を形成することを特徴とする燃料電池。

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