JP2013214358A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、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２金属セパレータ１８において、波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂがカソード側電極触媒層５４ｂの外周端部から外方に延在する領域に配置される端部流路溝３４ａｅを有する。端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの積層方向の溝深さｄ１よりも小さな溝深さｄ２に設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・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、例えば、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。

電解質膜・電極構造体では、一方の電極が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方の電極が前記固体高分子電解質膜と同一の又は小さな平面寸法で且つ前記第１の電極よりも大きな平面寸法に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている膜・電極構造体では、図１８に示すように、固体高分子電解質膜１と、前記固体高分子電解質膜１を挟んで配設されるアノード側ガス拡散電極層２及びカソード側ガス拡散電極層３とを有している。アノード側ガス拡散電極層２及びカソード側ガス拡散電極層３は、それぞれ触媒層２ａ、３ａとガス拡散層２ｂ、３ｂと設けるとともに、前記触媒層２ａ、３ａは、固体高分子電解質膜１の両面にそれぞれ当接している。

固体高分子電解質膜１は、アノード側ガス拡散電極層２から一方の面のみがはみ出しているとともに、他方の面がカソード側ガス拡散電極層３にて覆われている。アノード側ガス拡散電極層２の触媒層２ａと、カソード側ガス拡散電極層３の触媒層３ａとの平面的な大きさがそれぞれ異なっており、それぞれの触媒層２ａ、３ａの端面位置をずらして設置されている。

特開２００３−６８３２３号公報

ところで、上記の燃料電池では、膜・電極構造体を挟んでセパレータが配設されるとともに、前記セパレータとアノード側ガス拡散電極層２との間には、燃料ガス流路が形成される一方、前記セパレータとのカソード側ガス拡散電極層３との間には、酸化剤ガス流路が形成されている。

その際、触媒層２ａの端部に対応して燃料ガス流路が形成されていないと、燃料ガスの供給不足が惹起されるおそれがある。一方、触媒層３ａの端部に対応して酸化剤ガス流体が形成されていないと、酸化剤ガスの供給不足が発生するおそれがある。このため、反応ガスの不足により固体高分子電解質膜１の外周部分が劣化し易いという問題がある。

さらに、上記の燃料電池では、触媒層２ａが触媒層３ａよりも大きな平面寸法に設定されている。このため、固体高分子電解質膜１には、アノード側ガス拡散電極層２の触媒層２ａのみが外周縁部に設けられている、所謂、半電極部位が形成されている。従って、半電極部位において高電位が発生し易くなり、前記半電極部位に対向する固体高分子電解質膜１の部分が、劣化し易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、簡単且つコンパクトな構成で、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一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・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ものである。

この燃料電池では、第１電極に対向するセパレータには、電極面に沿って一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス流路が複数本の第１流路溝により形成されるとともに、第２電極に対向するセパレータには、電極面に沿って他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス流路が複数本の第２流路溝により形成されている。

そして、第２流路溝は、第２電極触媒層の端部に配置される端部流路溝を有し、且つ、前記端部流路溝は、他の第２流路溝の積層方向の溝深さよりも小さな溝深さに設定されている。

また、この燃料電池では、端部流路溝は、他の第２流路溝の溝幅寸法よりも大きな溝幅寸法に設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１電極触媒層は、第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定されるとともに、端部流路溝は、前記第２電極触媒層が前記第１電極触媒層の外周端部から外方に延在する領域に配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、外周部に前記電解質膜・電極構造体よりも厚さの大きな樹脂製枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を構成するとともに、セパレータは、一方の面に第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に第２反応ガス流路が形成される反応ガスセパレータを有し、前記反応ガスセパレータは、端部流路溝が前記樹脂製枠部材の内周端部に対向する位置に設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、セパレータは、一方の面に第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に電極面に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される第１セパレータと、一方の面に第２反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に前記冷却媒体流路が形成される第２セパレータとを有することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１電極は、カソード電極である一方、第２電極は、アノード電極であることが好ましい。

本発明によれば、第２流路溝は、第２電極触媒層の端部に配置される端部流路溝を有している。このため、第２電極触媒層の端部に反応ガスを確実に供給することができ、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になる。

しかも、端部流路溝は、他の第２流路溝の積層方向の溝深さよりも小さな溝深さに設定されている。従って、端部流路溝の高さを低くすることができ、燃料電池全体の積層方向の寸法を良好に短尺化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を構成する発電ユニットの断面説明図である。 特許文献１に開示されている膜・電極構造体の断面説明図である。

図１〜図４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。なお、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に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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５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（第１反応ガス流路）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（第１流路溝）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、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。なお、波状流路溝部２６ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

入口エンボス部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、出口エンボス部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１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２５ａと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。

図６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（第２反応ガス流路）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（第２流路溝）３４ａを有する。なお、波状流路溝部３４ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

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。

図７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３８ａを有する。なお、波状流路溝部３８ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。

図８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４２ａを有する。なお、波状流路溝部４２ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

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、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側に配置される。

図９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。

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５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６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７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８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９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（第１電極）５４及びアノード電極（第２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の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。

なお、上記とは反対に、アノード電極５６は、カソード電極５４の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成してもよい。

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カソード側ガス拡散層（第１ガス拡散層）５４ａ及びアノード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）５６ａ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カソード側ガス拡散層５４ａ及びアノード側ガス拡散層５６ａの表面に一様に塗布されたカソード側電極触媒層（第１電極触媒層）５４ｂ及びアノード側電極触媒層（第２電極触媒層）５６ｂとを有する。

カソード側電極触媒層５４ｂは、アノード側電極触媒層５６ｂよりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する。カソード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅは、アノード側電極触媒層５６ｂの外周端部５６ｂｅよりも内方に距離Ｌだけ離間する。カソード側ガス拡散層５４ａは、アノード側ガス拡散層５６ａよりも小さな平面寸法を有するが、前記カソード側ガス拡散層５４ａは、前記アノード側ガス拡散層５６ａよりも大きな平面寸法を有してもよい。

第２金属セパレータ１８において、波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂがカソード側電極触媒層５４ｂの外周端部から外方に延在する領域（少なくとも距離Ｌを含む領域）に配置される端部流路溝３４ａｅを有する。端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの積層方向の溝深さｄ１よりも小さな溝深さｄ２（ｄ１＞ｄ２）に設定される。

端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの溝幅寸法ｈ１よりも大きな溝幅寸法に、すなわち、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周部からさらに外方に延在して設定される。端部流路溝３４ａｅからの水の排出性を向上させることが可能になるからである。

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５８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の厚さｔ１は、第１電解質膜・電極構造体１６ａの厚さｔ２よりも大きな寸法に設定される（ｔ１＞ｔ２）。

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６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２樹脂枠部材６０の厚さｔ３は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの厚さｔ４よりも大きな寸法に設定される（ｔ３＞ｔ４）。

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、各カソード側ガス拡散層５４ａの厚さｔ５が、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０の固体高分子電解質膜５２からの各厚さｔ６よりも小さな寸法に設定される（ｔ５＜ｔ６）。

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１０及び図１１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１０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。なお、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部のみにより構成してもよい。以下に説明する各バッファ部も同様である。

図１１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２に示すように、第１燃料ガス流路３４を構成する端部流路溝３４ａｅは、第１樹脂枠部材５８の内周端部５８ｉｅに対向する位置に設けられる。

図１２及び図１３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１２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１３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。

図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とは、入口連結流路８６ａ及び入口バッファ部６８ａを介して連結されるとともに、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とは、入口連結流路８８ａ及び入口バッファ部８０ａを介して連結される。

入口連結流路８６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａと入口バッファ部６８ａとの間に設けられている。この入口連結流路８６ａは、互いに隣接する第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成され、一端が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し、他端が供給孔部３６ａに連通する第１流路部９０ａと、前記第２金属セパレータ１８に形成される前記供給孔部３６ａと、前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部３６ａに連通し、且つ他端が入口バッファ部６８ａに連通する第２流路部９２ａとを備える。

入口連結流路８８ａは、同様に、互いに隣接する第３金属セパレータ２０とこれに隣接する第１金属セパレータ１４との間に形成され、一端側が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し、他端が供給孔部４４ａに連通する第１流路部９４ａと、前記第３金属セパレータ２０に形成される前記供給孔部４４ａと、前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部４４ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部８０ａに連通する第２流路部９６ａとを備える。

なお、燃料ガス出口連通孔２４ｂと出口バッファ部６８ｂ、８０ｂとの間には、同様に、出口連結流路８６ｂ、８８ｂが形成されており、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと入口バッファ部６２ａとは、入口連結流路９８ａを介して連結されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔２２ａと入口バッファ部７４ａとは、入口連結流路１００ａを介して連結される。

入口連結流路９８ａは、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８との間に形成され、一端が酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する第１流路部１０２ａと、前記第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ａとの間に形成され、一端側が前記第１流路部１０２ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部６２ａに連通する第２流路部１０４ａとを備える。

入口連結流路１００ａは、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成され、一端側が酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する第１流路部１０６ａと、前記第２金属セパレータ１８と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ａとの間に形成され、一端側が前記第１流路部１０６ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部７４ａに連通する第２流路部１０８ａとを備える。

なお、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと出口バッファ部６２ｂ、７４ｂとの間には、同様に、出口連結流路９８ｂ、１００ｂが形成されており、その詳細な説明は省略する。

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。

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４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結流路９８ａ、１００ａに導入される。入口連結流路９８ａに導入された酸化剤ガスは、入口バッファ部６２ａ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。入口連結流路１００ａに導入された酸化剤ガスは、入口バッファ部７４ａ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５及び図７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から入口連結流路８６ａ、８８ａに導入される。入口連結流路８６ａでは、燃料ガスが、第１流路部９０ａから供給孔部３６ａを通って第２流路部９２ａに送られた後、入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａ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。

入口連結流路８８ａでは、燃料ガスが、第１流路部９４ａから供給孔部４４ａを通って第２流路部９６ａに送られた後、入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａ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６及び図８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から出口連結流路を通って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、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂから出口連結流路８６ｂ、８８ｂに導入される。出口連結流路８６ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９２ｂから排出孔部３６ｂを通って第１流路部９０ｂに送られた後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

出口連結流路８８ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９６ｂから排出孔部４４ｂを通って第１流路部９４ｂに送られた後、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、図２に示すように、波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂがカソード側電極触媒層５４ｂの外周端部から外方に延在する領域（少なくとも距離Ｌを含む領域）に配置される端部流路溝３４ａｅを有している。このため、アノード側電極触媒層５６ｂのみが設けられる、所謂、半電極部位にも燃料ガスを流すことができる。

半電極部位に燃料ガスを流すための流路溝部が設けられていないと、第１酸化剤ガス流路２６を流通する酸化剤ガスが、固体高分子電解質膜５２を透過してアノード電極５６側にリークした際、前記酸化剤ガスは、前記アノード電極５６のアノード側電極触媒層５６ｂと反応し易い。従って、アノード側電極触媒層５６ｂの反応部位が高電位になり、固体高分子電解質膜５２が劣化するおそれがある。

そこで、第１の実施形態では、半電極部位に対応して端部流路溝３４ａｅが設けられており、前記端部流路溝３４ａｅに移動する酸化剤ガスは、燃料ガスと反応する。これにより、アノード電極５６側に酸化剤ガスが滞留することがなく、高電位の発生を確実に阻止して固体高分子電解質膜５２の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの積層方向の溝深さｄ１よりも小さな溝深さｄ２（ｄ１＞ｄ２）に設定されている。このため、端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの積層方向の溝深さよりも小さな溝深さに設定されている。従って、端部流路溝３４ａｅの高さを低くすることができ、燃料電池１０全体の積層方向の寸法を良好に短尺化することが可能になる。

また、第１樹脂枠部材５８は、第１電解質膜・電極構造体１６ａの剛性を確保するために、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａよりも肉厚に構成されている。同様に、第２樹脂枠部材６０は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの剛性を確保するために、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも肉厚に構成されている。これにより、端部流路溝３４ａｅの高さを、発電に必要な最低限の流路高さまで低くすることによって、発電ユニット１２の厚さが大きくなることがない。

このため、燃料電池１０全体の積層方向の寸法を可及的に短尺に構成することができ、前記燃料電池１０を良好にコンパクト化することが可能になるという利点がある。

図１４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。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１１４、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。

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。

第２金属セパレータ１１４は、第１燃料ガス流路３４を備えるとともに、前記第１燃料ガス流路３４を構成する波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂがカソード側電極触媒層５４ｂの外周端部から外方に延在する領域（少なくとも距離Ｌ０を含む領域）に配置される端部流路溝３４ａｅａを有する。

端部流路溝３４ａｅａは、波状流路溝部３４ａの溝幅寸法ｈ１よりも大きな溝幅寸法ｈ２に、すなわち、アノード側電極触媒層５６ｂの外周端部５６ｂｅを収容する領域に設定される。端部流路溝３４ａｅａを流通する燃料ガス流量が、波状流路溝部３４ａを流通する燃料ガス流量と同等になるようにするためである。

このように構成される第２の実施形態では、半電極部位に対応して端部流路溝３４ａｅａが設けられている。従って、アノード電極５６側に酸化剤ガスが滞留することがなく、高電位の発生を確実に阻止して固体高分子電解質膜５２の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の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５及び図１６に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０は、複数の発電ユニット１２２を積層して構成される。発電ユニット１２２は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１２４との間に、電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。

第２金属セパレータ１２４は、電解質膜・電極構造体１６側の面１２４ａに、燃料ガス流路３４が設けられるとともに、他方の面１２４ｂに、冷却媒体流路３２の一部が構成される。電解質膜・電極構造体１６は、第１の実施形態の第１電解質膜・電極構造体１６ａ又は第２電解質膜・電極構造体１６ｂと同様に構成されている。

図１６に示すように、第２金属セパレータ１２４は、燃料ガス流路３４を備えるとともに、前記燃料ガス流路３４を構成する波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂがカソード側電極触媒層５４ｂの外周端部から外方に延在する領域（少なくとも距離Ｌを含む領域）に配置される端部流路溝３４ａｅを有する。

このように構成される第３の実施形態では、半電極部位に対応して端部流路溝３４ａｅが設けられている。これにより、高電位の発生を確実に阻止して固体高分子電解質膜５２の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１７に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１３０は、複数の発電ユニット１３２を積層して構成される。発電ユニット１３２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１３４ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１３４ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１電解質膜・電極構造体１３４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１３４ｂは、カソード電極５４を構成するカソード側電極触媒層５４ｂは、アノード電極５６を構成するアノード側電極触媒層５６ｂと同一の平面寸法（表面寸法）を有する。

第２金属セパレータ１８において、燃料ガス流路３４を構成する波状流路溝部３４ａは、アノード側電極触媒層５６ｂの外周端部５６ｂｅに対向して配置される端部流路溝３４ａｅを有する。端部流路溝３４ａｅは、波状流路溝部３４ａの積層方向の溝深さｄ１よりも小さな溝深さｄ２（ｄ１＞ｄ２）に設定される。

このように構成される第４の実施形態では、波状流路溝部３４ａの端部流路溝３４ａｅは、アノード側電極触媒層５６ｂの外周端部５６ｂｅに対向して配置されている。このため、アノード側電極触媒層５６ｂの外周端部５６ｂｅに燃料ガスを確実に供給することができ、固体高分子電解質膜５２の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、第２金属セパレータ１８において、第２酸化剤ガス流路３８を構成する波状流路溝部３８ａは、カソード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅに対向して配置される端部流路溝３８ａｅを有していてもよい。これにより、カソード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅに対して酸化剤ガスを確実に供給することができる。また、上記の端部流路溝３４ａｅ又は端部流路溝３８ａｅの一方のみを設けることも可能である。

１０、１１０、１２０、１３０…燃料電池
１２、１１２、１２２、１３２…発電ユニット
１４、１８、２０、１１４、１２４…金属セパレータ
１６、１６ａ、１６ｂ、１３４ａ、１３４ｂ…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
２６ａ、３４ａ、３８ａ、４２ａ、…波状流路溝部
３０ａ、４０ａ…入口連結溝 ３０ｂ、４０ｂ…出口連結溝
３２…冷却媒体流路 ３４、４２…燃料ガス流路
３４ａｅ、３４ａｅａ、３８ａｅ…端部流路溝
３６ａ、４４ａ…供給孔部 ３６ｂ、４４ｂ…排出孔部
４６、４８、５０…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５４ａ、５６ａ…ガス拡散層
５４ｂ、５６ｂ…電極触媒層 ５６…アノード電極
５８、６０…樹脂枠部材

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
   前記第１電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス流路が複数本の第１流路溝により形成されるとともに、
   前記第２電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス流路が複数本の第２流路溝により形成され、
   前記第２流路溝は、前記第２電極触媒層の端部に配置される端部流路溝を有し、且つ、前記端部流路溝は、他の前記第２流路溝の積層方向の溝深さよりも小さな溝深さに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、前記端部流路溝は、他の前記第２流路溝の溝幅寸法よりも大きな溝幅寸法に設定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電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定されるとともに、
   前記端部流路溝は、前記第２電極触媒層が前記第１電極触媒層の外周端部から外方に延在する領域に配置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、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に該電解質膜・電極構造体よりも厚さの大きな樹脂製枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を構成するとともに、
   前記セパレータは、一方の面に前記第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に前記第２反応ガス流路が形成される反応ガスセパレータを有し、
   前記反応ガスセパレータは、前記端部流路溝が前記樹脂製枠部材の内周端部に対向する位置に設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、一方の面に前記第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に前記電極面に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される第１セパレータと、
   一方の面に前記第２反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面に前記冷却媒体流路が形成される第２セパレータと、
   を有す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電極は、カソード電極である一方、前記第２電極は、アノード電極であることを特徴とする燃料電池。

Images