JP2013258107A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電領域に滞留水が発生することがなく、しかも電解質膜の劣化を有効に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０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。燃料電池１０では、第２金属セパレータ１８と第１電解質膜・電極構造体１６ａと構成する第１樹脂枠部材７４との間に、第１バイパス流路４２が設けられる。第１バイパス流路４２は、第１燃料ガス流路３４の重力方向下方に且つ発電領域外に位置し、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス出口連通孔２４ｂを連結する。
【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る電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢を有し、反応ガスを前記電極面に沿って流通させる反応ガス流路が設けら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。

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９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の端部と主流路部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の端部と主流路部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、燃料電池セパレータが水平方向に積層されている場合、合流部５に生成水が滞留し易くなる。しかも、合流部５では、外部放熱により結露し易くなる。このため、合流部５に接続される主流路部３にも滞留水が発生してしまう。従って、水滞留部では、セパレータからのイオン溶出や電極からの貴金属溶出が惹起され、電解質膜の劣化や電極性能の低下が懸念される。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、発電領域に滞留水が発生することがなく、しかも電解質膜の劣化を有効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、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水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢を有し、前記セパレータには、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入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが設けられる一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が一体に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、樹脂枠部材とセパレータとの間には、反応ガス流路の重力方向下方に且つ発電領域外に位置し、反応ガス入口連通孔から反応ガス出口連通孔を連結するバイパス流路が設けられている。

また、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体の一方の側と第１のセパレータとの間に第１の反応ガス流路が形成され、前記電解質膜・電極構造体の他方の側と第２のセパレータとの間に第２の反応ガス流路が形成されるとともに、バイパス流路は、積層方向に沿って、樹脂枠部材と前記第１のセパレータ又は前記第２のセパレータのいずれか一方のみとの間に形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、反応ガス入口連通孔と反応ガス流路との間には、入口バッファ部が設けられるとともに、バイパス流路は、前記入口バッファ部を介して前記反応ガス入口連通孔に接続されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、バイパス流路は、連結流路を介して反応ガス出口連通孔に接続されるとともに、前記連結流路は、前記バイパス流路の出口よりも下方に配置され、且つ、前記反応ガス出口連通孔の底部は、前記連結流路よりも下方に配置されることが好ましい。

本発明によれば、バイパス流路は、樹脂枠部材とセパレータとの間に形成されている。このため、電解質膜は、バイパス流路から独立しており、前記バイパス流路に滞留水が発生しても、前記電解質膜が前記滞留水により劣化することを確実に阻止することができる。

しかも、バイパス流路は、発電領域外に設けられている。従って、発電領域に供給される反応ガスの供給不良を惹起することがなく、良好な発電が確実に遂行される。これにより、簡単な構成で、発電領域に滞留水が発生することがなく、しかも電解質膜の劣化を有効に抑制することが可能になる。

本発明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金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 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）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、それぞれ立位姿勢で配置される第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、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。

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（反応ガス入口連通孔）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（反応ガス出口連通孔）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（反応ガス入口連通孔）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（反応ガス出口連通孔）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３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、それぞれ複数のエンボス部２８ａを有する入口バッファ部２８及び複数のエンボス部２９ａを有する出口バッファ部２９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。

入口バッファ部２８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、出口バッファ部２９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５０の裏面形状とが重なり合って形成される。

図４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と第１燃料ガス流路３４とを連結する入口連結流路３６ａ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とを連結する出口連結流路３６ｂが設けられる。入口連結流路３６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に設けられる複数の供給孔部３８ａを有する一方、出口連結流路３６ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に設けられる複数の排出孔部３８ｂを有する。

第１燃料ガス流路３４の重力方向下方に且つ発電領域４０外（発電領域４０の下方）に位置し、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス出口連通孔２４ｂを連結する第１バイパス流路４２が設けられる。図２に示すように、第１バイパス流路４２は、後述する第１樹脂枠部材７４と第２金属セパレータ１８との間に形成されており、固体高分子電解質膜６８から独立して（離間して）設けられる。

出口連結流路３６ｂの下端位置３６ｂｕは、第１バイパス流路４２の出口下端位置４２ｕよりも下方に配置され、且つ、燃料ガス出口連通孔２４ｂの底部２４ｂｕは、前記出口連結流路３６ｂの下端位置３６ｂｕよりも下方に配置される。

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４４が形成される。第２酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部４４ａを有する。なお、波状流路溝部４４ａ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４６ａ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４６ｂが形成される。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、入口連結流路３６ａを構成し、供給孔部３８ａと前記燃料ガス入口連通孔２４ａとを連結する入口連結溝４８ａが形成される。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、出口連結流路３６ｂを構成し、排出孔部３８ｂと前記燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連結する出口連結溝４８ｂが形成される。

図２に示すように、第２金属セパレータ１８は、第１バイパス流路４２の裏面側を第２電解質膜・電極構造体１６ｂを構成する第２樹脂枠部材（後述する）７６に当接させ、第２酸化剤ガス流路４４側に流路を設ける間隙を設けていない。第１バイパス流路４２の積層方向の寸法を大きく確保するためである。

図６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５０が形成される。第２燃料ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部５０ａを有する。なお、波状流路溝部５０ａ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と第２燃料ガス流路５０とを連結する入口連結流路５２ａ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５０とを連結する出口連結流路５２ｂが設けられる。入口連結流路５２ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に設けられる複数の供給孔部５４ａを有する一方、出口連結流路５２ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に設けられる複数の排出孔部５４ｂを有する。

図１に示すように、供給孔部５４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３８ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部５４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３８ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。

図６に示すように、第２燃料ガス流路５０の重力方向下方に且つ発電領域５６外（発電領域５６の下方）に位置し、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス出口連通孔２４ｂを連結する第２バイパス流路５８が設けられる。出口連結流路５２ｂの下端位置５２ｂｕは、第２バイパス流路５８の出口下端位置５８ｕよりも下方に配置され、且つ、燃料ガス出口連通孔２４ｂの底部２４ｂｕは、前記出口連結流路５２ｂの下端位置５２ｂｕよりも下方に配置される。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路５０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、入口連結流路５２ａを構成し、供給孔部５４ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとを連結する入口連結溝６０ａが形成される。面２０ｂには、出口連結流路５２ｂを構成し、排出孔部５４ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連結する出口連結溝６０ｂ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６２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６４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６６が一体成形される。

第１シール部材６２、第２シール部材６４及び第３シール部材６６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３に示すように、第１シール部材６２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６２ａを有する。第１シール部材６２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とを連通する第２凸状シール部６２ｂを有する。

図４に示すように、第２シール部材６４は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３８ａ及び排出孔部３８ｂ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６４ａを有する。

図５に示すように、第２シール部材６４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４４との外周を連通する第２凸状シール部６４ｂを有する。

図６に示すように、第３シール部材６６は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部５４ａ及び排出孔部５４ｂと、第２燃料ガス流路５０とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部６６ａを有する。

第３シール部材６６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３８とを連通する第２凸状シール部６６ｂ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６８と、前記固体高分子電解質膜６８を挟持するカソード電極７０及びアノード電極７２とを備える。カソード電極７０は、アノード電極７２及び固体高分子電解質膜６８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、カソード電極７０、アノード電極７２及び固体高分子電解質膜６８は、同一の平面寸法（表面寸法）に設定してもよく、また、前記アノード電極７２は、前記カソード電極７０及び固体高分子電解質膜６８の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有していてもよい。

カソード電極７０及びアノード電極７２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６８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７０の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６８の外周縁部に第１樹脂枠部材７４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７０の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６８の外周縁部に第２樹脂枠部材７６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７４及び第２樹脂枠部材７６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１に示すように、第１樹脂枠部材７４のカソード電極７０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７８ａ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７８ｂが設けられる。

入口バッファ部７８ａは、複数本の直線状入口ガイド流路８０ａと複数のエンボス部８２ａとを有する。出口バッファ部７８ｂは、複数本の直線状出口ガイド流路８０ｂと複数のエンボス部８２ｂとを有する。

図７に示すように、第１樹脂枠部材７４のアノード電極７２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８４ａ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８４ｂが設けられる。

入口バッファ部８４ａは、複数本の直線状入口ガイド流路８６ａと複数のエンボス部８８ａとを有する。出口バッファ部８４ｂは、複数本の直線状出口ガイド流路８６ｂと複数のエンボス部８８ｂとを有する。図４及び図７に示すように、第１バイパス流路４２は、入口バッファ部８４ａを介して燃料ガス入口連通孔２４ａに接続される。

図１に示すように、第２樹脂枠部材７６のカソード電極７０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４４との間に位置して入口バッファ部９０ａ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４４との間に位置して出口バッファ部９０ｂが設けられる。

入口バッファ部９０ａは、複数本の直線状入口ガイド流路９２ａと複数のエンボス部９４ａとを有する。出口バッファ部９０ｂは、複数本の直線状出口ガイド流路９２ｂと複数のエンボス部９４ｂとを有する。

図８に示すように、第２樹脂枠部材７６のアノード電極７２側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路５０との間に位置して入口バッファ部９６ａ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５０との間に位置して、出口バッファ部９６ｂが設けられる。

入口バッファ部９６ａは、複数本の直線状入口ガイド流路９８ａと複数のエンボス部１００ａとを有する。出口バッファ部９６ｂは、複数本の直線状出口ガイド流路９８ｂと複数のエンボス部１００ｂとを有する。図６及び図８に示すように、第２バイパス流路５８は、入口バッファ部９６ａを介して燃料ガス入口連通孔２４ａに接続される。

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。

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１及び図３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７８ａ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、図１及び図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９０ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４４に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図３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７０に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路４４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７０に供給される。

一方、燃料ガスは、図１、図４及び図７に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部３８ａを通って入口バッファ部８４ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８４ａ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、図１、図６及び図８に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部５４ａを通って入口バッファ部９６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９６ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５０に供給される。

燃料ガスは、図１、図４及び図６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７２に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５０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７２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７０に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７２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７０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部７８ｂ、９０ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。

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７２に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８４ｂ、９６ｂから排出孔部３８ｂ、５４ｂ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、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給される。冷却媒体は、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２及び図４に示すように、第１燃料ガス流路３４の重力方向下方に且つ発電領域４０外に位置し、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス出口連通孔２４ｂを連結する第１バイパス流路４２が設けられている。このため、第１燃料ガス流路３４に生成された水や燃料ガス入口連通孔２４ａから飛び込んだ水は、第１バイパス流路４２に沿って流通し、出口連結流路３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

その際、第１バイパス流路４２は、第１樹脂枠部材７４と第２金属セパレータ１８との間に形成されており、固体高分子電解質膜６８から独立して（離間して）設けられている。従って、第１バイパス流路４２に滞留水が発生しても、固体高分子電解質膜６８が前記滞留水に接触することがない。これにより、固体高分子電解質膜６８が劣化することを、確実に阻止することができる。

しかも、第１バイパス流路４２は、発電領域４０外に設けられている。このため、発電領域４０に供給される燃料ガスの供給不良を惹起することがなく、良好な発電が確実に遂行される。これにより、簡単な構成で、発電領域４０に滞留水が発生することがなく、しかも固体高分子電解質膜６８の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらにまた、図４に示すように、出口連結流路３６ｂの下端位置３６ｂｕは、第１バイパス流路４２の出口下端位置４２ｕよりも下方に配置され、且つ、燃料ガス出口連通孔２４ｂの底部２４ｂｕは、前記出口連結流路３６ｂの下端位置３６ｂｕよりも下方に配置されている。従って、第１バイパス流路４２に沿って流通する水は、重力の作用下に、前記第１バイパス流路４２から出口連結流路３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに円滑且つ確実に排出される。

なお、第２バイパス流路５８では、上記の第１バイパス流路４２と同様の効果を得ることができる。また、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路４４でも、上記の第１バイパス流路４２及び第２バイパス流路５８と同様に構成されるバイパス流路を採用することが可能である。

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、４４…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、５０…燃料ガス流路 ３６ａ、５２ａ…入口連結流路
３６ｂ、５２ｂ…出口連結流路 ３８ａ、５４ａ…供給孔部
３８ｂ、５４ｂ…排出孔部 ４０、５６…発電領域
４２、５８…バイパス流路 ６２、６４、６６…シール部材
６８…固体高分子電解質膜 ７０…カソード電極
７２…アノード電極 ７４、７６…樹脂枠部材
７８ａ、８４ａ、９０ａ、９６ａ…入口バッファ部
７８ｂ、８４ｂ、９０ｂ、９６ｂ…出口バッファ部

Claims (4)

1. 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水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢を有し、前記セパレータには、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入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが設けられる一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材と前記セパレータとの間には、前記反応ガス流路の重力方向下方に且つ発電領域外に位置し、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス出口連通孔を連結するバイパス流路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、前記電解質膜・電極構造体の一方の側と第１のセパレータとの間に第１の反応ガス流路が形成され、前記電解質膜・電極構造体の他方の側と第２のセパレータとの間に第２の反応ガス流路が形成されるとともに、
   前記バイパス流路は、前記積層方向に沿って、前記樹脂枠部材と前記第１のセパレータ又は前記第２のセパレータのいずれか一方のみとの間に形成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、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路との間には、入口バッファ部が設けられるとともに、
   前記バイパス流路は、前記入口バッファ部を介して前記反応ガス入口連通孔に接続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、前記バイパス流路は、連結流路を介して前記反応ガス出口連通孔に接続されるとともに、
   前記連結流路は、前記バイパス流路の出口よりも下方に配置され、且つ、前記反応ガス出口連通孔の底部は、前記連結流路よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池。

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