JP2013246948A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型且つコンパクトな構成で、反応ガスや冷却媒体を円滑に流通させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、第１電解質膜・電極構造体１６ａを備え、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第１樹脂枠部材５８を一体成形する。第１樹脂枠部材５８には、第１酸化剤ガス流路２６の外周部を形成する樹脂壁部６７ａ、６７ｂが設けられる。樹脂壁部６７ａ、６７ｂは、冷却媒体流路３２と冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連結する入口冷却媒体連結部３３ａ及び出口冷却媒体連結部３３ｂに対して積層方向に重なる位置に、薄肉壁部６７ａｔ、６７ｂｔを設ける。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池１０は、第１電解質膜・電極構造体１６ａを備え、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第１樹脂枠部材５８を一体成形する。第１樹脂枠部材５８には、第１酸化剤ガス流路２６の外周部を形成する樹脂壁部６７ａ、６７ｂが設けられる。樹脂壁部６７ａ、６７ｂは、冷却媒体流路３２と冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連結する入口冷却媒体連結部３３ａ及び出口冷却媒体連結部３３ｂに対して積層方向に重なる位置に、薄肉壁部６７ａｔ、６７ｂｔを設ける。
【選択図】図１
Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられ、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設けた電解質膜・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。
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。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用単セルは、図１０に示すように、供給された作動ガスで発電する膜−電極接合体１と、前記膜−電極接合体１を周囲から保持する保持部材２と、前記膜−電極接合体１及び前記保持部材２を挟持するアノードセパレータ３及びカソードセパレータ４とを備えている。
アノードセパレータ３及びカソードセパレータ４と保持部材２との間には、シール部材５ａが介装されるとともに、互いに隣接する前記アノードセパレータ３と前記カソードセパレータ４との間には、シール部材５ｂが介装されている。
アノードセパレータ３には、膜−電極接合体１のアノード電極１ａに対向して燃料ガス流路６が形成されている。カソードセパレータ４には、膜−電極接合体１のカソード電極１ｂに対向して酸化剤ガス流路７が形成されている。さらに、互いに隣接するアノードセパレータ３とカソードセパレータ４との間には、冷却媒体流路８が形成されている。
ところで、上記の単セルでは、樹脂製の保持部材２は、比較的厚肉状に構成される必要がある。反応ガスのバイパスを防止するとともに、樹脂強度及び樹脂成形性の確保を図るためである。従って、単セルは、積層方向に対して相当に大きな寸法を有しており、前記積層方向に大型化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、小型且つコンパクトな構成で、反応ガスや冷却媒体を円滑に流通させ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が設けられ、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の一方の面には、電極面に沿って一方の反応ガスを流通させる一方の反応ガス流路が設けられ、前記セパレータの他方の面には、他のセパレータが隣接し且つ該他のセパレータとの間に電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられる燃料電池に関するものである。
この燃料電池では、積層方向に沿って一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス連通孔、前記積層方向に沿って他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス連通孔及び前記積層方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔が設けられ、且つ、冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とは、冷却媒体連結部により連結されている。
そして、セパレータの一方の面に対向する樹脂製枠部材には、一方の反応ガス流路の外周部を形成する樹脂壁部が設けられている。樹脂壁部は、冷却媒体連結部と積層方向に重なる位置に薄肉壁部を設け、前記薄肉壁部は、一方の反応ガス流路側に膨出する厚さ方向の寸法が、他の部位の厚さ方向の寸法よりも小さく設定されている。
本発明によれば、樹脂壁部は、冷却媒体連結部と積層方向に重なる位置に、薄肉壁部を設けている。このため、冷却媒体連結部では、積層方向の流路高さを比較的大きく設定することができる。従って、冷却媒体の圧損が低減され、前記冷却媒体の分配性が良好に向上する一方、反応ガスの円滑な流通を保持することが可能になる。
これにより、小型且つコンパクトな構成で、反応ガスや冷却媒体を円滑に流通させることができる。
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、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（第１反応ガス連通孔）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（第２反応ガス連通孔）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（第２反応ガス連通孔）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（第１反応ガス連通孔）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４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（一方の反応ガス流路）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。第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体流路３２と冷却媒体入口連通孔２５ａと連結する一対の入口冷却媒体連結部３３ａと、前記冷却媒体流路３２と冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連結する一対の出口冷却媒体連結部３３ｂとが設けられる。
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５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１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。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。
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。
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４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。
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５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１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。
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及び図３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（一方の電極）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ガス拡散層と、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た電極触媒層とを有する。
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の厚さは、第１電解質膜・電極構造体１６ａと同等以上の寸法に設定される。
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の厚さは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの厚さと同等以上の寸法に設定される。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６に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、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。
第１樹脂枠部材５８には、第１酸化剤ガス流路２６の外周部を形成する樹脂壁部６７ａ、６７ｂが設けられる。樹脂壁部６７ａは、第１樹脂枠部材５８の上部に矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、樹脂壁部６７ｂは、前記第１樹脂枠部材５８の下部に矢印Ｂ方向に延在して設けられる。図２に示すように、樹脂壁部６７ａ、６７ｂは、第１樹脂枠部材５８の表面から厚さ方向に寸法ｔ１だけ突出して（肉厚に）構成される。
樹脂壁部６７ａ、６７ｂは、入口冷却媒体連結部３３ａ及び出口冷却媒体連結部３３ｂと積層方向に重なる位置に、薄肉壁部６７ａｔ、６７ｂｔを設ける。図３に示すように、薄肉壁部６７ａｔ、６７ｂｔは、第１酸化剤ガス流路２６側に膨出する厚さ方向の寸法ｔ２が、他の部位（樹脂壁部６７ａ、６７ｂ）の厚さ方向の寸法ｔ１よりも小さく設定される（ｔ２＜ｔ１）。
図７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。
第１樹脂枠部材５８には、第１燃料ガス流路３４の外周部を形成する樹脂壁部７３ａ、７３ｂが設けられる。樹脂壁部７３ａは、第１樹脂枠部材５８の上部に矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、樹脂壁部７３ｂは、前記第１樹脂枠部材５８の下部に矢印Ｂ方向に延在して設けられる。樹脂壁部７３ａ、７３ｂは、他の部位よりも肉厚であり、入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂの近傍まで延在する。
図８に示すように、第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、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には、第２酸化剤ガス流路３８の外周部を形成する樹脂壁部７９ａ、７９ｂが設けられる。樹脂壁部７９ａは、第２樹脂枠部材６０の上部に矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、樹脂壁部７９ｂは、前記第２樹脂枠部材６０の下部に矢印Ｂ方向に延在して設けられる。樹脂壁部７９ａ、７９ｂは、他の部位よりも肉厚であり、入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂの近傍まで延在する。
図９に示すように、第２樹脂枠部材６０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。
第２樹脂枠部材６０には、第２燃料ガス流路４２の外周部を形成する樹脂壁部８６ａ、８６ｂが設けられる。樹脂壁部８６ａは、第２樹脂枠部材６０の上部に矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、樹脂壁部８６ｂは、前記第２樹脂枠部材６０の下部に矢印Ｂ方向に延在して設けられる。樹脂壁部８６ａ、８６ｂは、他の部位よりも肉厚であり、入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂの近傍まで延在する。
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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部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。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部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４及び図５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１及び図７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、第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部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。
燃料ガスは、第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って、第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部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及び図９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に導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される一方、排出孔部４４ｂを通って前記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、本実施形態では、図３及び図６に示すように、第１樹脂枠部材５８には、第１酸化剤ガス流路２６の外周部を形成する樹脂壁部６７ａ、６７ｂが設けられている。そして、樹脂壁部６７ａ、６７ｂは、入口冷却媒体連結部３３ａ及び出口冷却媒体連結部３３ｂと積層方向に重なる位置に、薄肉壁部６７ａｔ、６７ｂｔを設けている。
このため、入口冷却媒体連結部３３ａ及び出口冷却媒体連結部３３ｂでは、積層方向の流路高さを比較的大きく設定することができる。従って、積層方向の寸法を狭小に維持した状態で、冷却媒体の圧損が低減され、前記冷却媒体の分配性が良好に向上するという効果が得られる。
しかも、第１樹脂枠部材５８と第１金属セパレータ１４のと間には、隙間を形成することができ、荷重を前記第１樹脂枠部材５８に負わせることがない。一方、第１酸化剤ガス流路２６に沿って酸化剤ガスの円滑な流通を保持することが可能になる。
また、樹脂壁部６７ａ、６７ｂ、７３ａ、７３ｂ、７９ａ、７９ｂ、８６ａ、８６ｂは、他の部位よりも肉厚に構成されている。これにより、酸化剤ガスや燃料ガスのバイパスを確実に阻止するとともに、樹脂強度の向上及び樹脂成形性の向上が容易に図られる。これにより、小型且つコンパクトな構成で、反応ガスや冷却媒体を円滑に流通させることができる。
１０…燃料電池 １２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…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 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 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
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
６７ａ、６７ｂ、７３ａ、７３ｂ、７９ａ、７９ｂ、８６ａ、８６ｂ…樹脂壁部
６７ａｔ、６７ｂｔ…薄肉壁部
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…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 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 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
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
６７ａ、６７ｂ、７３ａ、７３ｂ、７９ａ、７９ｂ、８６ａ、８６ｂ…樹脂壁部
６７ａｔ、６７ｂｔ…薄肉壁部
Claims (1)
- 電解質膜の両側に一対の電極が設けられ、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の一方の面には、電極面に沿って一方の反応ガスを流通させる一方の反応ガス流路が設けられ、前記セパレータの他方の面には、他のセパレータが隣接し且つ該他のセパレータとの間に電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられる燃料電池であって、
積層方向に沿って前記一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス連通孔、前記積層方向に沿って他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス連通孔及び前記積層方向に沿って前記冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とは、冷却媒体連結部により連結され、
前記セパレータの前記一方の面に対向する前記樹脂製枠部材には、前記一方の反応ガス流路の外周部を形成する樹脂壁部が設けられるとともに、
前記樹脂壁部は、前記冷却媒体連結部と前記積層方向に重なる位置に薄肉壁部を設け、前記薄肉壁部は、前記一方の反応ガス流路側に膨出する厚さ方向の寸法が、他の部位の厚さ方向の寸法よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
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