JP2013222698A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス流路とバッファ部との境界部位での反応ガスの滞留や偏流を良好に抑制することができ、前記反応ガス流路全体に前記反応ガスを均一且つ円滑に供給することを可能にする。
【解決手段】燃料電池を構成する第１セパレータ１４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２６と、前記酸化剤ガス流路２６に前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口連通孔２０ａとが形成される。一方、電解質膜・電極構造体の外周部を構成する樹脂枠部材４２には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６とを連結する入口ガイド流路４６ａを構成する入口側樹脂凸部４４ａが形成される。そして、酸化剤ガス流路２６を構成する凸部２６ａの凸状端部２６ｔｆと、入口側樹脂凸部４４ａの凹状端部４４ａｔとは、互いに嵌め合う嵌め合い部位４８ａを構成している。
【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た電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応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反応ガス連通孔と、前記電極面外に設けられ、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するバッファ部と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、イオン交換樹脂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。この種の燃料電池では、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入口連通孔（燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔）及び反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔）を備えている。反応ガス入口連通孔は、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）の入口側に連通する一方、反応ガス出口連通孔は、前記反応ガス流路の出口側に連通している。

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、反応ガス流路における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に開示されている燃料電池セパレータは、図１６に示すように、対角位置に入口マニホールド１ａ及び出口マニホールド１ｂが設けられるとともに、セパレータ面内には、ガス流路２が形成されている。

ガス流路２は、入口マニホールド１ａ及び出口マニホールド１ｂの通路幅より幅広に形成された流路幅を有し且つ流路を複数に分割するリブ３ａを設ける主流路部３と、前記入口マニホールド１ａ及び前記出口マニホールド１ｂと前記主流路部３との間に配置される配流部（バッファ部）４及び合流部（バッファ部）５とを備えている。

配流部４は、流路を複数に分割するリブ４ａを設けるとともに、前記リブ４ａの端部と主流路３のリブ３ａとの間には、隙間４ｂが形成されている。合流部５は、流路を複数に分割するリブ５ａを設けるとともに、前記リブ５ａの端部と主流路３のリブ３ａとの間には、隙間５ｂが形成されている。

特開２００６−１７２９２４号公報

上記の特許文献１では、発電部に設けられている主流路部３は、反応ガスを発電面全面に良好に流通させる機能を有する一方、配流部４及び合流部５は、前記反応ガスの流配制御や排水制御を行う機能を有している。

しかしながら、リブ４ａの端部と主流路３のリブ３ａとの間には、隙間４ｂが形成されるとともに、リブ５ａの端部と前記リブ３ａとの間には、隙間５ｂが形成されている。このため、特に合流部５に生成水が存在する際に、反応ガスが隙間４ｂや隙間５ｂをバイパスすることにより、前記反応ガスの流れが主流路３の一部に偏ったりして、該反応ガスの流配性が著しく低下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、反応ガス流路とバッファ部との境界部位での反応ガスの滞留や偏流を良好に抑制することができ、前記反応ガス流路全体に前記反応ガスを均一且つ円滑に供給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、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応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反応ガス連通孔と、前記電極面外に設けられ、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するバッファ部と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、反応ガス流路は、セパレータに成形されるセパレータ凸部間に形成される一方、電解質膜・電極構造体又は前記セパレータの外周部には、反応ガス連通孔が形成される枠部材が設けられている。枠部材には、枠部材凸部を形成することにより、前記枠部材凸部間に、バッファ部を構成するガイド流路が形成されている。そして、セパレータ凸部の枠部材凸部に対向する端部と、前記枠部材凸部の前記セパレータ凸部に対向する端部とは、互いに嵌め合う嵌め合い部位を構成している。

また、この燃料電池では、セパレータ凸部と枠部材凸部とは、反応ガスの流れ方向に交差する方向に重なり部位を有することが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路を構成するセパレータ凸部と、バッファ部のガイド流路を構成する枠部材凸部とは、嵌め合い部位を構成している。このため、ガイド流路と反応ガス流路との間には、隙間が形成されることがなく、反応ガスの滞留や偏流を確実に抑制することができる。また、製造上、僅かな隙間が存在していても、嵌合によって合わせ面の長さが長くなり、反応ガスが流通し難くなる。従って、反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ円滑に供給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一部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。 前記発電セルを構成する第１セパレータの一部拡大正面図である。 前記第１セパレータ及び電解質膜・電極構造体の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記発電セルを構成する第２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・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記電解質膜・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セルの一部分解概略斜視図である。 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第２セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する嵌め合い部位の他の構成の説明図である。 嵌め合い部位の別の構成の説明図である。 嵌め合い部位のさらに他の構成の説明図である。 嵌め合い部位のさらに別の構成の説明図である。 嵌め合い部位のさらにまた別の構成の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池セパレータの説明図である。

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。

発電セル１２は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間に電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１８を挟持する。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入口連通孔（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）２４ｂ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入口連通孔（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）２０ｂが設けられる。

第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６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及び第２セパレータ１６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及び第２セパレータ１６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セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１８に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２６が形成される。酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に蛇行して矢印Ｃ方向に延在する複数の凸部（セパレータ凸部）２６ａ間に形成されるサーペンタイン流路を構成する。なお、酸化剤ガス流路２６は、蛇行することなく、矢印Ｂ方向に延在する直線流路で構成してもよい。

図３に示すように、各凸部２６ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側に対向する先端部に、前記酸化剤ガス入口連通孔２０ａに向かって鋭角状に突出する凸状端部２６ｔｆが形成される。各凸部２６ａは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ側に対向する後端部に、前記酸化剤ガス出口連通孔２０ｂから離間する方向に鋭角状に切れ込む凹状端部２６ｔｂが形成される。

凸状端部２６ｔｆの先端角度θ゜は、好適には、３０゜〜６０゜の角度範囲に設定されることが好ましい。なお、先端角度θ゜は、レイアウト制約、成形性、抑制したいバイパス量等を考慮して設定する必要がある。凹状端部２６ｔｂの先端開き角度θ゜も同様である。また、先端角度θ゜と先端開き角度θ゜とは、同一角度でもよく、あるいは、異なる角度でもよい。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを連通する冷却媒体流路２８の一部が形成される。冷却媒体流路２８は、酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する燃料ガス流路３０の裏面形状とが重なり合って構成される。

図５に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１８に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３０が形成される。燃料ガス流路３０は、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数の凸部（セパレータ凸部）３０ａ間に形成されるサーペンタイン流路を構成する。なお、燃料ガス流路３０は、直線状流路であってもよい。

各凸部３０ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に対向する先端部に、前記燃料ガス入口連通孔２４ａに向かって鋭角状に突出する凸状端部３０ｔｆが形成される。各凸部３０ａは、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に対向する後端部に、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂから離間して鋭角状に切れ込む凹状端部３０ｔｂが形成される。

第１セパレータ１４の両方の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材３２が一体成形される。第２セパレータ１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、第２シール部材３４が一体成形される。第１シール部材３２及び第２シール部材３４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等の弾性を有する材料を使用する。

第１シール部材３２は、面１４ａで酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路２６を囲繞して、これらを連通させる。第２シール部材３４は、図４に示すように、面１６ａで燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び燃料ガス流路３０を囲繞して、これらを連通させる。第２シール部材３４は、図１に示すように、面１６ｂで冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路２８を囲繞して、これらを連通させる。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１８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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード電極３８及びアノード電極４０とを備える。カソード電極３８及びアノード電極４０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３６の両面に形成される。

固体高分子電解質膜３６は、カソード電極３８及びアノード電極４０と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜３６の外周端縁部には、例えば、電気絶縁性を有する樹脂製の枠部材である樹脂枠部材４２が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、樹脂枠部材４２は、別体に構成されて接合により一体化されてもよい。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。また、枠部材としては、樹脂枠部材４２に代えて、セラミックス、ガラス、金属の他、カーボン材料で構成してもよい。

図１及び図６に示すように、電解質膜・電極構造体１８を構成する樹脂枠部材４２には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが形成される。

図６に示すように、樹脂枠部材４２のカソード電極３８を設ける面４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに一端が連通する複数本の入口側樹脂凸部（枠部材凸部）４４ａと、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに一端が連通する複数本の出口側樹脂凸部（枠部材凸部）４４ｂとが設けられる。

入口側樹脂凸部４４ａ間には、入口バッファ部を構成する入口ガイド流路４６ａが形成される。出口側樹脂凸部４４ｂ間には、出口バッファ部を構成する出口ガイド流路４６ｂが形成される。入口側樹脂凸部４４ａは、凸部２６ａと同一の幅寸法に設定され、出口側樹脂凸部４４ｂは、凸部２６ａと同一の幅寸法に設定される。

各入口側樹脂凸部４４ａは、先端部が平坦であり、カソード電極３８側の端部に、前記カソード電極３８から離間する方向に鋭角状に切れ込む凹状端部４４ａｔが形成される。各出口側樹脂凸部４４ｂは、先端部が平坦であり、カソード電極３８側の端部に、前記カソード電極３８に向かって鋭角状に突出する凸状端部４４ｂｔが形成される。

図３に示すように、各入口側樹脂凸部４４ａは、酸化剤ガス流路２６を形成する凸部２６ａと同数に且つ前記凸部２６ａの先端と直線上に配置される。入口側樹脂凸部４４ａの凹状端部４４ａｔと、凸部２６ａの凸状端部２６ｔｆとは、互いに嵌合して嵌め合い部位４８ａが構成される（図３及び図４参照）。

嵌め合い部位４８ａでは、凹状端部４４ａｔと凸状端部２６ｔｆとは、隙間なく（または、僅かに隙間が形成され）、しかも段差なく平滑な連結部位を構成する。入口側樹脂凸部４４ａの凹状端部４４ａｔと、凸部２６ａの凸状端部２６ｔｆとは、酸化剤ガスの流れ方向に交差する方向に、より具体的には、前記流れ方向と鋭角に交差する方向に、重なり部位を有する。

各出口側樹脂凸部４４ｂは、酸化剤ガス流路２６を形成する凸部２６ａと同数に且つ前記凸部２６ａの後端と直線上に配置される。出口側樹脂凸部４４ｂの凸状端部４４ｂｔと、凸部２６ａの凹状端部２６ｔｂとは、互いに嵌合して嵌め合い部位４８ｂが構成される。嵌め合い部位４８ｂでは、凸状端部４４ｂｔと凹状端部２６ｔｂとは、隙間なく（または、僅かに隙間が形成され）、しかも段差なく平滑な連結部位を構成する。出口側樹脂凸部４４ｂの凸状端部４４ｂｔと、凸部２６ａの凹状端部２６ｔｂとは、酸化剤ガスの流れ方向に交差する方向に、より具体的には、前記流れ方向と鋭角に交差する方向に、重なり部位を有する。

図７に示すように、樹脂枠部材４２のアノード電極４０を設ける面４２ｂには、燃料ガス入口連通孔２４ａに一端が連通する複数本の入口側樹脂凸部（枠部材凸部）５０ａと、燃料ガス出口連通孔２４ｂに一端が連通する複数本の出口側樹脂凸部（枠部材凸部）５０ｂとが設けられる。

入口側樹脂凸部５０ａ間には、入口バッファ部を構成する入口ガイド流路５２ａが形成される。出口側樹脂凸部５０ｂ間には、出口バッファ部を構成する出口ガイド流路５２ｂが形成される。入口側樹脂凸部５０ａは、凸部３０ａと同一の幅寸法に設定され、出口側樹脂凸部５０ｂは、凸部３０ａと同一の幅寸法に設定される。

各入口側樹脂凸部５０ａは、先端部が平坦であり、アノード電極４０側の端部に、前記アノード電極４０から離間する方向に鋭角状に切れ込む凹状端部５０ａｔが形成される。各出口側樹脂凸部５０ｂは、先端部が平坦であり、アノード電極４０側の端部に、前記アノード電極４０に向かって鋭角状に突出する凸状端部５０ｂｔが形成される。

各入口側樹脂凸部５０ａは、燃料ガス流路３０を形成する凸部３０ａと同数に且つ前記凸部３０ａの先端と直線上に配置される。入口側樹脂凸部５０ａの凹状端部５０ａｔと、凸部３０ａの凸状端部３０ｔｆとは、互いに嵌合して嵌め合い部位５４ａが構成される。

嵌め合い部位５４ａでは、凹状端部５０ａｔと凸状端部３０ｔｆとは、隙間なく（または、僅かに隙間が形成され）、しかも段差なく平滑な連結部位を構成する。入口側樹脂凸部５０ａの凹状端部５０ａｔと、凸部３０ａの凸状端部３０ｔｆとは、燃料ガスの流れ方向に交差する方向に、より具体的には、前記流れ方向と鋭角に交差する方向に、重なり部位を有する。

各出口側樹脂凸部５０ｂは、燃料ガス流路３０を形成する凸部３０ａと同数に且つ前記凸部３０ａの後端と直線上に配置される。出口側樹脂凸部５０ｂの凸状端部５０ｂｔと、凸部３０ａの凹状端部３０ｔｂとは、互いに嵌合して嵌め合い部位５４ｂが構成される。

嵌め合い部位５４ｂでは、凸状端部５０ｂｔと凹状端部３０ｔｂとは、隙間なく（または、僅かに隙間が形成され）、しかも段差なく平滑な連結部位を構成する。出口側樹脂凸部５０ｂの凸状端部５０ｂｔと、凸部３０ａの凹状端部３０ｔｂとは、燃料ガスの流れ方向に交差する方向に、より具体的には、前記流れ方向と鋭角に交差する方向に、重なり部位を有する。

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、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから電解質膜・電極構造体１８を構成する樹脂枠部材４２に形成された入口ガイド流路４６ａに導入される。さらに、酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、入口ガイド流路４６ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２６に供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１８のカソード電極３８に供給される（図１及び図２参照）。

一方、燃料ガスは、図１及び図７に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから電解質膜・電極構造体１８を構成する樹脂枠部材４２に形成された入口ガイド流路５２ａに導入される。さらに、燃料ガスは、図５に示すように、入口ガイド流路５２ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１８のアノード電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１８では、カソード電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０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、電解質膜・電極構造体１８のカソード電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、樹脂枠部材４２の出口ガイド流路４６ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図６参照）。また、電解質膜・電極構造体１８のアノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、樹脂枠部材４２の出口ガイド流路５２ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図７参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａ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２セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路２８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１８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、図３に示すように、金属セパレータである第１セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス流路２６を構成する複数の凸部２６ａがプレス成形により金属凸部として成形されている。一方、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１８を構成する樹脂枠部材４２には、入口バッファ部を構成する入口ガイド流路４６ａと出口バッファ部を構成する出口ガイド流路４６ｂとが、入口側樹脂凸部４４ａと出口側樹脂凸部４４ｂとに形成されている。

そして、図３に示すように、各凸部２６ａの凸状端部２６ｔｆと入口側樹脂凸部４４ａの凹状端部４４ａｔとは、互いに嵌合して嵌め合い部位４８ａを構成している。さらに、各凸部２６ａの凹状端部２６ｔｂと出口側樹脂凸部４４ｂの凸状端部４４ｂｔとは、互いに嵌合して嵌め合い部位４８ｂを構成している。従って、固体高分子電解質膜３６を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持し、発電セル１２が構成される際には、嵌め合い部位４８ａ、４８ｂが構成されている。

その際、嵌め合い部位４８ａでは、凹状端部４４ａｔと凸状端部２６ｔｆとは、隙間なく、しかも、段差なく平滑に連結部位を構成している。このため、入口ガイド流路４６ａと酸化剤ガス流路２６との間には、隙間が形成されることがなく、酸化剤ガスの滞留や偏流を確実に抑制することができる。これにより、酸化剤ガス流路２６全体に、酸化剤ガスを均一且つ円滑に供給することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、嵌め合い部位４８ａ、４８ｂがＶ字状を有しており、隣接する流路間を繋ぐバイパス流路長が長尺化している。従って、バイパスに必要な圧損が大きくなり、隣接する流路間への酸化剤ガスのバイパス量を有効に削減することができる。

しかも、嵌め合い部位４８ａ、４８ｂは、酸化剤ガスの流れ方向に沿って外方に拡開するＶ字形状を有している。このため、酸化剤ガスの摩擦抵抗を低減することができ、前記酸化剤ガスの滞留を一層確実に抑制することが可能になる。

なお、燃料ガス流路３０側においても、入口ガイド流路５２ａ及び出口ガイド流路５２ｂとの連結部位に嵌め合い部位５４ａ、５４ｂが設けられている。従って、上記の酸化剤ガス流路２６側と同様の効果が得られる。

図８に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０は、複数の発電セル６２を水平方向又は重力方向に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。

発電セル６２は、第１セパレータ６４及び第２セパレータ６６間に、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）６８を挟持する。第１セパレータ６４は、金属プレート７０と、前記金属プレート７０の外周を周回して一体化される樹脂枠部材７２とを有する。第２セパレータ６６は、金属プレート７４と、前記金属プレート７４の外周を周回して一体化される樹脂枠部材７６とを有する。

金属プレート７０は、薄板金属を波形状にプレス加工して構成されており、サーペンタイン流路である酸化剤ガス流路２６が形成される（図８及び図９参照）。

図９に示すように、樹脂枠部材７２には、酸化剤ガス流路２６が設けられる面６４ａに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと前記酸化剤ガス流路２６とを連結する入口ガイド流路４６ａが、複数本の入口側樹脂凸部４４ａ間に形成される。入口側樹脂凸部４４ａの凹状端部４４ａｔと凸部２６ａの凸状端部２６ｔｆとにより、嵌め合い部位４８ａが構成される。

面６４ａには、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６とを連結する出口ガイド流路４６ｂが複数本の出口側樹脂凸部４４ｂ間に形成される。出口側樹脂凸部４４ｂの凸状端部４４ｂｔと凸部２６ａの凹状端部２６ｔｂとにより、嵌め合い部位４８ｂが構成される。

図１０に示すように、金属プレート７４は、薄板金属を波形状にプレス加工することにより、サーペンタイン流路である燃料ガス流路３０が形成される。

樹脂枠部材７６の燃料ガス流路３０側の面６６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと前記燃料ガス流路３０とを連結する入口ガイド流路５２ａが、複数本の入口側樹脂凸部５０ａ間に形成される。面６６ａには、燃料ガス出口連通孔２４ｂと燃料ガス流路３０とを連結する出口ガイド流路５２ｂが、複数本の出口側樹脂凸部５０ｂ間に形成される。

入口側樹脂凸部５０ａの凹状端部５０ａｔと凸部３０ａの凸状端部３０ｔｆとにより、嵌め合い部位５４ａが構成される。出口側樹脂凸部５０ｂの凸状端部５０ｂｔと凸部３０ａの凹状端部３０ｔｂとにより、嵌め合い部位５４ｂが構成される。

図８に示すように、電解質膜・電極構造体６８は、固体高分子電解質膜３６の両側に、カソード電極３８とアノード電極４０とが設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜３６が大きな表面積を有し、樹脂枠部材を用いていない。

固体高分子電解質膜３６には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、図９に示すように、酸化剤ガス流路２６の両端と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連結する入口ガイド流路４６ａ及び出口ガイド流路４６ｂには、嵌め合い部位４８ａ、４８ｂが設けられている。従って、入口ガイド流路４６ａ及び出口ガイド流路４６ｂと酸化剤ガス流路２６との間には、隙間が形成されることがなく、前記酸化剤ガス流路２６全体に酸化剤ガスを均一且つ円滑に供給することが可能になる。

同様に、図１０に示すように、燃料ガス流路３０と入口ガイド流路５２ａ及び出口ガイド流路５２ｂとの間には、嵌め合い部位５４ａ、５４ｂが設けられている。これにより、隙間が形成されることがなく、燃料ガス流路３０全体に燃料ガスを均一且つ円滑に供給することが可能になる。

なお、第１及び第２の実施形態では、例えば、酸化剤ガス流路２６の入口側に、図３に示すように、各凸部２６ａと同数の入口側樹脂凸部４４ａが設けられているが、これに限定されるものではない。

例えば、図１１に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する嵌め合い部位８０は、反応ガス流路を形成する凸部８２に対し、樹脂凸部８４は、１つ置きに配置されている。樹脂凸部８４は、凸部８２と同一の幅寸法に設定される。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。

さらにまた、第１〜第３の実施形態では、それぞれの嵌め合い形状がＶ字型形状を有しているが、これに限定されるものではない。図１２に示すように、嵌め合い部位９０は、凹状端部９２と凸状端部９４とがそれぞれ円弧状（半径Ｒ）に構成される。

図１３に示す嵌め合い部位１００では、凹状端部１０２及び凸状端部１０４が底面及び頂部が平坦な略山形状を有している。図１４に示す嵌め合い部位１１０は、凹状端部１１２及び凸状端部１１４が鋸歯状に構成されている。図１５に示す嵌め合い部位１２０は、互いに平行に傾斜する傾斜端部１２２及び傾斜端部１２４を設ける。なお、嵌め合い部位は、上記以外の種々の形状にも設定可能である。

１０、６０…燃料電池 １２、６２…発電セル
１４、１６、６４、６６…セパレータ １８、６８…電解質膜・電極構造体
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…酸化剤ガス流路 ２６ａ、３０ａ、８２…凸部
２６ｔｂ、３０ｔｂ、４４ａｔ、５０ａｔ、９２、１０２、１１２…凹状端部
２６ｔｆ、３０ｔｆ、４４ｂｔ、５０ｂｔ、９４、１０４、１１４…凸状端部
２８…冷却媒体流路 ３０…燃料ガス流路
３２、３４…シール部材 ３６…固体高分子電解質膜
３８…カソード電極 ４０…アノード電極
４２、７２、７６…樹脂枠部材 ４４ａ、５０ａ…入口側樹脂凸部
４４ｂ、５０ｂ…出口側樹脂凸部 ４６ａ、５２ａ…入口ガイド流路
４６ｂ、５２ｂ…出口ガイド流路
４８ａ、４８ｂ、５４ａ、５４ｂ、８０、９０、１００、１１０、１２０…嵌め合い部位
７０、７４…金属プレート

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応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反応ガス連通孔と、前記電極面外に設けられ、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するバッファ部とが形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、前記セパレータに成形されるセパレータ凸部間に形成される一方、
   前記電解質膜・電極構造体又は前記セパレータの外周部には、前記反応ガス連通孔が形成される枠部材が設けられ、前記枠部材には、枠部材凸部を形成することにより、前記枠部材凸部間に、前記バッファ部を構成するガイド流路が形成されるとともに、
   前記セパレータ凸部の前記枠部材凸部に対向する端部と、前記枠部材凸部の前記セパレータ凸部に対向する端部とは、互いに嵌め合う嵌め合い部位を構成す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、前記セパレータ凸部と前記枠部材凸部とは、前記反応ガスの流れ方向に交差する方向に重なり部位を有することを特徴とする燃料電池。

Images