JP2014022188A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電ユニット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の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路２６が形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部２６ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路３２を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる波形状の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ている。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として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、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、発電セル毎又は複数の発電セル毎に、隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が電極面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。

その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路の重力方向下端側には、重力の作用により水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。

そこで、ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よく行うことを目的とする燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１５に示すように、枠体１を備えており、この枠体１の一方の面側には、セル２とカソード側流路基板３とが嵌め込まれるとともに、前記枠体１の他方の面側には、アノード側流路基板４が嵌め込まれている。

セル２は、固体高分子電解質２ａにカソード２ｂ及びアノード２ｃを配して構成されている。カソード側流路基板３には、複数のカソード側流路３ａが形成される一方、アノード側流路基板４には、複数のアノード側流路４ａが形成されている。

枠体１の上流部には、一対の水導入マニホールド孔５ａと、前記水導入マニホールド孔５ａをアノード側流路４ａに連通する溝孔５ｂと、一対の燃料ガス導入マニホールド孔６ａと、前記燃料ガス導入マニホールド孔６ａを前記アノード側流路４ａに連通する溝孔６ｂとが形成されている。枠体１の下流部には、一対の燃料ガス導出マニホールド孔７ａと、前記燃料ガス導出マニホールド孔７ａをアノード側流路４ａに連通する溝孔７ｂと、一対の水導出マニホールド孔８ａと、前記水導出マニホールド孔８ａをアノード側流路４ａに連通する溝孔８ｂとが形成されている。

そして、アノード側流路４ａを通過した未反応の燃料ガスは、溝孔７ｂから燃料ガス導出マニホールド孔７ａを通って燃料電池外に排出されるとともに、前記アノード側流路４ａを通過した水は、溝孔８ｂから水導出マニホールド孔８ａを通って燃料電池外に排出されている。

特許第３１２３９９２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、枠体１が燃料ガス流れ方向に沿って相当に長尺化されている。このため、カソード側流路３ａが水平に向くように配置されると、燃料電池全体の高さ方向の寸法が大きくなり、前記燃料電池を車両に搭載する場合の搭載スペースが限定されるという問題がある。

しかも、カソード側流路３ａでは、発電による生成水が発生している。この生成水は、重力方向下方に移動して滞留するおそれがあり、酸化剤ガスの供給不足が惹起され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、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出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で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる波形状の反応ガス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、重力方向最下方に配置される反応ガス流路は、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有している。

また、この燃料電池では、セパレータの水平方向一端下部には、反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、排水通路の下方には、排水用流路が連通するとともに、前記排水用流路は、前記セパレータの長手方向に延在して前記反応ガス出口連通孔に連通することが好ましい。

本発明によれば、水平方向に長尺な電極面に沿って反応ガスが流通されると、反応により水が生成されるとともに、この水は、前記電極面の重力方向下方に滞留し易い。その際、重力方向最下方に配置される反応ガス流路は、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有している。

このため、電極面の重力方向下方に移動した水は、排水通路から電極面の外部に円滑に排出される。これにより、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる。従って、燃料電池は、最適な発電環境を良好に維持することができる。

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。 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要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。 前記発電ユニットの、図１０中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 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要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の分解斜視説明図である。

図１〜図３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。燃料電池１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックを構成する。

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。

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２６がプレス成形される。

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を有する入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。

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。

第１酸化剤ガス流路２６の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部２６ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路３２を有する。具体的には、下端波状流路溝部２６ａｅは、上下（矢印Ｃ方向）に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向（矢印Ｂ方向）に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央（最下位置）に排水通路３２の上端側が連通する。

各排水通路３２は、第１金属セパレータ１４にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路３４に連通する。排水通路３２は、第１酸化剤ガス流路２６から生成水のみを排出して酸化剤ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水通路３２は、下端波状流路溝部２６ａｅよりも流路断面積が小さく設定される。

排水用流路３４は、水平方向に直線状に延在し、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。なお、排水用流路３４は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。また、所定の数毎に間引いて排水通路３２を設けてもよい。

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３８が形成される。冷却媒体流路３８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５８の裏面形状とが重なり合って形成される。

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４０がプレス成形される。

第１燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部４０ａ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４２ａ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４２ｂが形成される。

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５０がプレス成形される。第２酸化剤ガス流路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。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５２ａ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５２ｂが形成される。

第２酸化剤ガス流路５０の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部５０ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路５４を有する。具体的には、下端波状流路溝部５０ａｅは、上下（矢印Ｃ方向）に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向（矢印Ｂ方向）に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央（最下位置）に排水通路５４の上端側が連通する。

各排水通路５４は、第２金属セパレータ１８にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路５６に連通する。排水通路５４は、第２酸化剤ガス流路５０から生成水のみを排出して酸化剤ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水用流路５６は、水平方向に直線状に延在し、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。なお、排水用流路５６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。

図７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５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部５８ａ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６０ａ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６０ｂが形成される。図１に示すように、供給孔部６０ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部４２ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部６０ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部４２ｂよりも内側（燃料ガス流路側）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５８の裏面形状である冷却媒体流路３８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３８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６８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７０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７２が一体成形される。

第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７２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６８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６８ａを有する。第１シール部材６８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３８との外周を連通する第２凸状シール部６８ｂを有する。

図５に示すように、第２シール部材７０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂと、第１燃料ガス流路４０とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部７０ａを有する。

図６に示すように、第２シール部材７０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５０との外周を連通する第２凸状シール部７０ｂを有する。

図７に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂと、第２燃料ガス流路５８とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部７２ａを有する。

第３シール部材７２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との外周を連通する第２凸状シール部７２ｂ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７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード電極７６及びアノード電極７８とを備える。カソード電極７６は、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４の表面積よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極７６、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４は、同一の表面積に設定してもよく、前記アノード電極７８は、前記カソード電極７６及び固体高分子電解質膜７４の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。

カソード電極７６及びアノード電極７８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７４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７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第１樹脂枠部材８０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７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第２樹脂枠部材８２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８０及び第２樹脂枠部材８２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電解質膜・電極構造体１６ａに設けられる第１樹脂枠部材８０のカソード電極７６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８４ａ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８４ｂが設けられる。

図８に示すように、第１樹脂枠部材８０のアノード電極７８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路４０との間に位置して入口バッファ部８６ａ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４０との間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。

図１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８２のカソード電極７６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５０との間に位置して入口バッファ部８８ａ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５０との間に位置して出口バッファ部８８ｂが形成される。

第２樹脂枠部材８２のアノード電極７８側の面には、図９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５８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、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第２燃料ガス流路５８との間に位置して出口バッファ部９０ｂが設けられる。

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３８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から入口バッファ部８４ａ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、さらに酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図４及び図６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７６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路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のカソード電極７６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１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４２ａを通って入口バッファ部８６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８６ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、さらに図１及び図９に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部６０ａを通って入口バッファ部９０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。

燃料ガスは、図１に示すように、第１燃料ガス流路４０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７８に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８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７８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７６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７８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７６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂ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７８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８６ｂ、９０ｂから排出孔部４２ｂ、６０ｂ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３８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。

上記のように、燃料電池１０内の各発電ユニット１２が発電されると、発電反応により第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路５０に生成水が発生する。例えば、第１酸化剤ガス流路２６は、水平方向に長尺に形成されており、生成水は、前記第１酸化剤ガス流路２６の途上からカーボンペーパ等を介して重力下方向に移動し、発電面の重力方向下方に滞留し易い。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路２６が設けられている。そして、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部２６ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路３２を有している。具体的には、下端波状流路溝部２６ａｅは、上下（矢印Ｃ方向）に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向（矢印Ｂ方向）に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央（最下位置）に排水通路３２の上端側が連通している。

このため、第１酸化剤ガス流路２６に発生した生成水は、カーボンペーパ等を介して重力方向下方に移動した後、排水通路３２から電極面の外部に円滑に排出される。そして、生成水は、排水通路３２に連通する排水用流路３４に流動し、前記排水用流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動して酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

従って、第１酸化剤ガス流路２６において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる。これにより、燃料電池１０は、最適な発電環境を良好に維持することができるという効果が得られる。また、第２酸化剤ガス流路５０では、上記の第１酸化剤ガス流路２６と同様の効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路５０に排水通路３２及び排水通路５４を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１燃料ガス流路４０及び第２燃料ガス流路５８に、同様の排水通路を設けてもよい。

図１０〜図１２に示すように、本発明の第２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。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、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１３に示すように、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、第１燃料ガス流路４０が設けられる。第１燃料ガス流路４０の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部４０ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路１２６を有する。具体的には、下端波状流路溝部４０ａｅは、上下（矢印Ｃ方向）に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向（矢印Ｂ方向）に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央（最下位置）に排水通路１２６の上端側が連通する。

各排水通路１２６は、第２金属セパレータ１２４にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路１２８に連通する。排水通路１２６は、第１燃料ガス流路４０から生成水のみを排出して燃料ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水用流路１２８は、水平方向に直線状に延在し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。なお、排水用流路１２８は、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。第２金属セパレータ１２４の他方の面１２４ｂに、冷却媒体流路３８の一部が構成される。

このように構成される第２の実施形態では、第１燃料ガス流路４０の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部４０ａｅは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路１２６を有している。このため、第１燃料ガス流路４０に逆拡散した生成水は、カーボンペーパ等を介して重力方向下方に移動した後、排水通路１２６から電極面の外部に円滑に排出される。さらに、生成水は、排水通路１２６に連通する排水用流路１２８に流動し、前記排水用流路１２８に沿って矢印Ｂ方向に移動して燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

従って、第１燃料ガス流路４０において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出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１４に示すように、本発明の第３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。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１３２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１３４、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１３４は、第１燃料ガス流路４０に連通する排水通路５４ａと、第２酸化剤ガス流路５０に連通する排水通路５４ｂとを両面に交互に設ける。

従って、第１燃料ガス流路４０及び第２酸化剤ガス流路５０において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出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。

１０、１２０、１３０…燃料電池 １２、１２２、１３２…発電ユニット
１４、１８、２０、１２４、１３４…金属セパレータ
１６、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、５０…酸化剤ガス流路
２６ａ、４０ａ、５０ａ、５８ａ…波状流路溝部
２６ａｅ、４０ａｅ、５０ａｅ…下端波状流路溝部
３２、５４、５４ａ、５４ｂ、１２６…排水通路
３４、５６、１２８…排水用流路 ３８…冷却媒体流路
４０、５８…燃料ガス流路 ６８、７０、７２…シール部材
７４…固体高分子電解質膜 ７６…カソード電極
７８…アノード電極 ８０、８２…樹脂枠部材

Claims (2)

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で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる波形状の反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
   重力方向最下方に配置される前記反応ガス流路は、前記波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有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、前記セパレータの水平方向一端下部には、前記反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、
   前記排水通路の下方には、排水用流路が連通するとともに、
   前記排水用流路は、前記セパレータの前記長手方向に延在して前記反応ガス出口連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。

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