JP2014192013A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、反応ガス連通孔から反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を保持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０では、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス流路３２とを連通する入口バッファ部５６が設けられる。入口バッファ部５６は、燃料ガス流路３２に隣接する第１バッファ領域５６ａと、燃料ガス入口連通孔２２ａに隣接する第２バッファ領域５６ｂとを有する。第２バッファ領域５６ｂには、前記第２バッファ領域５６ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域５６ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域５６ｂｍが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体の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セパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔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、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。この電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されて発電セル（単位セル）が構成されている。燃料電池では、通常、数十〜数百の単位セルが積層されて車載用燃料電池スタックを構成している。

上記の燃料電池では、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。この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及び反応ガス出口連通孔を備えている。そして、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口側及び出口側には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

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入口バッファ部及び出口バッファ部が必要になっている。

その際、入口バッファ部及び出口バッファ部に連通する反応ガス流路に、反応ガスを均一に分配することが困難となっている。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、入口バッファ部の圧損が、出口バッファ部の圧損よりも小さく設定されている。

従って、特許文献１では、発電により反応ガス流路で反応ガスが消費される際に、入口バッファ部の圧損と出口バッファ部の圧損とが同等になっている。これにより、反応ガス流路に反応ガスを均等に分配することができ、簡単な構成で、所望の発電性能を良好に維持することが可能になる、としている。

特開２０１０−１２９２６５号公報

本発明は、この種のバッファ部を有する燃料電池に関連してなされたものであり、簡単な構成で、反応ガス連通孔から反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を保持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、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体の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セパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔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、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通するバッファ部が設けられている。バッファ部は、反応ガス流路に隣接する第１バッファ領域と、反応ガス連通孔に隣接し、且つ前記第１バッファ領域よりも積層方向に深い第２バッファ領域と、を有している。そして、第２バッファ領域は、反応ガス流路の流れ方向に交差する幅方向の一方から前記幅方向の他方に向かって積層方向の深さが異なっている。

また、この燃料電池では、第２バッファ領域には、前記第２バッファ領域よりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域よりも積層方向に深い中間深さバッファ領域が設けられている。

さらに、この燃料電池では、第１バッファ領域には、反応ガス流路と第２バッファ領域とを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部が設けられるとともに、中間深さバッファ領域は、前記第２バッファ領域の底部と前記膨出ガイド部の底部との間の中間位置に設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、反応ガス連通孔は、反応ガス流路の幅方向の中央領域から一方側に寄って配置されるとともに、中間深さバッファ領域は、前記反応ガス流路の前記幅方向の中央領域に接続される膨出ガイド部の延長上と第２バッファ領域の前記一方側の端部との間に設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、反応ガス連通孔は、幅方向の中央領域から一方側に寄って配置される反応ガス入口連通孔と、前記幅方向の中央領域から他方側に寄って配置される反応ガス出口連通孔と、を有するともに、前記反応ガス入口連通孔と反応ガス流路とを連通する入口バッファ部は、第２バッファ領域の一方側に中間深さバッファ領域が設けられ、前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路とを連通する出口バッファ部は、前記第２バッファ領域の前記一方側に前記中間深さバッファ領域が設けられている。

さらに、この燃料電池では、第２バッファ領域には、反応ガス流路の幅方向の一方から前記幅方向の他方に向かって積層方向の深さが連続的に変化する傾斜部が設けられている。

本発明によれば、反応ガス連通孔に隣接する第２バッファ領域は、反応ガス流路に隣接する第１バッファ領域よりも積層方向に深く（深溝に）設定されている。このため、第２バッファ領域における反応ガスのガス分配性を良好に向上させることができる。

従って、例えば、反応ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）から入口バッファ部（バッファ部）に供給される反応ガスは、第２バッファ領域で良好に分配された後、第１バッファ領域に沿って流動して反応ガス流路に供給されている。

しかも、第２バッファ領域は、反応ガス流路の流れ方向に交差する幅方向の一方から前記幅方向の他方に向かって積層方向の深さが異なっている。これにより、第２バッファ領域内では、深さが浅く設定される部位の圧損が高くなって反応ガスの分配が減少されるため、前記第２バッファ領域の深さが変更される位置や範囲等を設定することで、前記反応ガスの分配の増減を調整することが可能になる。

このため、簡単な構成で、反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を保持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電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部拡大説明図である。 前記電解質膜・電極構造体に設けられた樹脂枠部材の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記樹脂枠部材の、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 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。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の、図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。

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（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２０ａ及び燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２２ａが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２０ａは、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガス（空気等）を矢印Ａ方向に供給する一方、燃料ガス入口連通孔２２ａは、燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガス（水素ガス等）を矢印Ａ方向に供給する。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２０ｂが設けられる。燃料ガス出口連通孔２２ｂは、燃料ガスを矢印Ａ方向に排出する一方、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に排出する。

発電セル１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２４ａが設けられる。発電セル１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２４ｂ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Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂ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３２の裏面形状とが重なり合って構成される。

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２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する燃料ガス流路３２が形成される。燃料ガス流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとを連通する冷却媒体流路２８の一部が形成される。

第１セパレータ１４の両方の面１４ａ、１４ｂ及び第２セパレータ１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、必要に応じてシール部材（図示せず）を設けることができる。

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と同一の平面寸法、又はこれらよりも大きな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜３６の外周端縁部には、樹脂枠部材（額縁部）４２が、例えば、射出成形等により一体成形、又は別体部品が接合される。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及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体１８では、樹脂枠部材４２に酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体出口連通孔２４ｂが形成される。

図３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連結溝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連結溝４４ｂとが設けられる。入口側連結溝４４ａの他端は、入口バッファ部４６に連通する一方、出口側連結溝４４ｂの他端は、出口バッファ部４８に連通する。

図４に示すように、各入口側連結溝４４ａは、均一の長さＳに且つ均一の幅寸法ｈに設定されるとともに、同一の圧損に設定される。各出口側連結溝４４ｂは、同様に、均一の長さに且つ均一の幅寸法に設定されるとともに、同一の圧損に設定される。

入口バッファ部４６は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６とを連通する。出口バッファ部４８は、酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する。

入口バッファ部４６は、略三角形状を有し、酸化剤ガス流路２６に隣接する第１バッファ領域４６ａと、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに隣接する第２バッファ領域４６ｂとを有する。第１バッファ領域４６ａには、酸化剤ガス流路２６と第２バッファ領域４６ｂとを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部５０が設けられる。

各膨出ガイド部５０は、薄板状を有しており、互いに平行し且つ酸化剤ガス流路２６の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って略均等に配列される。図５に示すように、第１バッファ領域４６ａは、面４２ａからの積層方向（矢印Ａ方向）の深さ（膨出ガイド部５０の先端から底部までの深さ）Ｄ１が設定される。

図３及び図４に示すように、第２バッファ領域４６ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの内側端面に平行するとともに、入口側連結溝４４ａの配列方向に長尺に形成される。第２バッファ領域４６ｂは、電解質膜・電極構造体１８の一方の端部側（酸化剤ガス入口連通孔２０ａが設けられている端部側）（矢印Ｂ１方向）の幅寸法が、前記一方の端部側とは反対の他方の端部側（矢印Ｂ２方向）の幅寸法よりも小さな寸法に設定される。第２バッファ領域４６ｂは、略台形状を有し、幅寸法が矢印Ｂ２方向に向かって連続的に大きくなる。

図５に示すように、第２バッファ領域４６ｂは、面４２ａからの積層方向（矢印Ａ方向）の深さＤ２が設定される。第２バッファ領域４６ｂの深さＤ２は、第１バッファ領域４６ａの深さＤ１よりも大きく、すなわち、深溝に設定される（Ｄ２＞Ｄ１）。第２バッファ領域４６ｂには、エンボス部５２が設けられる。

第２バッファ領域４６ｂの矢印Ｂ１方向の端部側には、前記第２バッファ領域４６ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域４６ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域４６ｂｍが設けられる。中間深さバッファ領域４６ｂｍの深さＤ３は、Ｄ１＜Ｄ３＜Ｄ２の関係を有する。

中間深さバッファ領域４６ｂｍは、第２バッファ領域４６ｂの底部と膨出ガイド部５０の底部との間の中間位置に設けられる。第２バッファ領域４６ｂの底部と中間深さバッファ領域４６ｂｍの底部との距離ｔ１、及び前記中間深さバッファ領域４６ｂｍの底部と第１バッファ領域４６ａの底部との距離ｔ２は、ｔ１＝ｔ２の関係に設定される。

図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａは、酸化剤ガス流路２６の流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）の中央領域から一方側（矢印Ｂ１方向）に寄って配置される。中間深さバッファ領域４６ｂｍは、酸化剤ガス流路２６の前記幅方向の中央領域に接続される膨出ガイド部５０ｍｉｄ１の延長上と第２バッファ領域４６ｂの前記一方側の端部との間に設けられる。

出口バッファ部４８は、略三角形状を有し、酸化剤ガス流路２６に隣接する第１バッファ領域４８ａと、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに隣接する第２バッファ領域４８ｂとを有する。第１バッファ領域４８ａには、酸化剤ガス流路２６と第２バッファ領域４６ｂとを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部５０が設けられる。

第２バッファ領域４８ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの内側端面に平行するとともに、出口側連結溝４４ｂの配列方向に長尺に形成される。第２バッファ領域４８ｂは、電解質膜・電極構造体１８の他方の端部側（酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられている端部側）（矢印Ｂ２方向）の幅寸法が、前記他方の端部側とは反対の一方の端部側（矢印Ｂ１方向）の幅寸法よりも小さな寸法に設定される。第２バッファ領域４８ｂは、略台形状を有し、幅寸法が矢印Ｂ１方向に向かって連続的に大きくなる。

第２バッファ領域４８ｂは、第１バッファ領域４８ａよりも深溝に設定される。第２バッファ領域４８ｂの矢印Ｂ１方向の端部側には、前記第２バッファ領域４８ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域４８ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域４８ｂｍが設けられる。中間深さバッファ領域４８ｂｍは、上記の中間深さバッファ領域４６ｂｍと同様に構成される。

酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、酸化剤ガス流路２６の流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）の中央領域から他方側（矢印Ｂ２方向）に寄って配置される。中間深さバッファ領域４８ｂｍは、酸化剤ガス流路２６の前記幅方向の中央領域に接続される膨出ガイド部５０ｍｉｄ２の延長上と第２バッファ領域４８ｂの前記他方側とは反対の一方側の端部との間に設けられる。

図１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２２ａに一端が連通する複数本の入口側連結溝５４ａと、燃料ガス出口連通孔２２ｂに一端が連通する複数本の出口側連結溝５４ｂとが設けられる。入口側連結溝５４ａの他端は、入口バッファ部５６に連通する一方、出口側連結溝５４ｂの他端は、出口バッファ部５８に連通する。

各入口側連結溝５４ａは、均一の長さに且つ均一の幅寸法に設定されるとともに、同一の圧損に設定される。各出口側連結溝５４ｂは、同様に、均一の長さに且つ均一の幅寸法に設定されるとともに、同一の圧損に設定される。

入口バッファ部５６は、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス流路３２とを連通するとともに、出口バッファ部５８は、前記燃料ガス流路３２と燃料ガス出口連通孔２２ｂとを連通する。

入口バッファ部５６は、略三角形状を有し、燃料ガス流路３２に隣接する第１バッファ領域５６ａと、燃料ガス入口連通孔２２ａに隣接する第２バッファ領域５６ｂとを有する。第１バッファ領域５６ａには、燃料ガス流路３２と第２バッファ領域５６ｂとを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部６０が設けられる。

各膨出ガイド部６０は、薄板状を有しており、互いに平行し且つ燃料ガス流路３２の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って略均等に配列される。図６に示すように、第１バッファ領域５６ａは、面４２ｂからの積層方向（矢印Ａ方向）の深さ（膨出ガイド部６０の先端から底部までの深さ）Ｄ４が設定される。

図１に示すように、第２バッファ領域５６ｂは、燃料ガス入口連通孔２２ａの内側端面に平行するとともに、入口側連結溝５４ａの配列方向に長尺に形成される。第２バッファ領域５６ｂは、電解質膜・電極構造体１８の一方の端部側（燃料ガス入口連通孔２２ａが設けられている端部側）（矢印Ｂ２方向）の幅寸法が、前記一方の端部側とは反対の他方の端部側（矢印Ｂ１方向）の幅寸法よりも小さな寸法に設定される。第２バッファ領域５６ｂは、略台形状を有し、幅寸法が矢印Ｂ１方向に向かって連続的に大きくなる。

図６に示すように、第２バッファ領域５６ｂは、面４２ｂからの積層方向（矢印Ａ方向）の深さＤ５が設定される。第２バッファ領域５６ｂの深さＤ５は、第１バッファ領域５６ａの深さＤ４よりも大きく、すなわち、深溝に設定される（Ｄ５＞Ｄ４）。第２バッファ領域５６ｂには、エンボス部６２が設けられる。

第２バッファ領域５６ｂの矢印Ｂ２方向の端部側には、前記第２バッファ領域５６ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域５６ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域５６ｂｍが設けられる。中間深さバッファ領域５６ｂｍの深さＤ６は、Ｄ４＜Ｄ６＜Ｄ５の関係を有する。

中間深さバッファ領域５６ｂｍは、第２バッファ領域５６ｂの底部と膨出ガイド部６０の底部との間の中間位置に設けられる。第２バッファ領域５６ｂの底部と中間深さバッファ領域５６ｂｍの底部との距離ｔ３、及び前記中間深さバッファ領域５６ｂｍの底部と第１バッファ領域５６ａの底部との距離ｔ４は、ｔ３＝ｔ４の関係に設定される。

図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２２ａは、燃料ガス流路３２の流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）の中央領域から他方側（矢印Ｂ２方向）に寄って配置される。中間深さバッファ領域５６ｂｍは、燃料ガス流路３２の前記幅方向の中央領域に接続される膨出ガイド部６０ｍｉｄ１の延長上と第２バッファ領域５６ｂの前記他方側の端部との間に設けられる。

出口バッファ部５８は、略三角形状を有し、燃料ガス流路３２に隣接する第１バッファ領域５８ａと、燃料ガス出口連通孔２２ｂに隣接する第２バッファ領域５８ｂとを有する。第１バッファ領域５８ａには、燃料ガス流路３２と第２バッファ領域５８ｂとを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部６０が設けられる。

第２バッファ領域５８ｂは、燃料ガス出口連通孔２２ｂの内側端面に平行するとともに、出口側連結溝５４ｂの配列方向に長尺に形成される。第２バッファ領域５８ｂは、電解質膜・電極構造体１８の他方の端部側（燃料ガス出口連通孔２２ｂが設けられている端部側）（矢印Ｂ１方向）の幅寸法が、前記他方の端部側とは反対の一方の端部側（矢印Ｂ２方向）の幅寸法よりも小さな寸法に設定される。第２バッファ領域５８ｂは、略台形状を有し、幅寸法が矢印Ｂ２方向に向かって連続的に大きくなる。

第２バッファ領域５８ｂは、第１バッファ領域５８ａよりも深溝に設定される。第２バッファ領域５８ｂの矢印Ｂ２方向の端部側には、前記第２バッファ領域５８ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域５８ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域５８ｂｍが設けられる。中間深さバッファ領域５８ｂｍは、上記の中間深さバッファ領域５６ｂｍと同様に構成される。

燃料ガス出口連通孔２２ｂは、燃料ガス流路３２の流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）の中央領域から他方側（矢印Ｂ１方向）に寄って配置される。中間深さバッファ領域５８ｂｍは、燃料ガス流路３２の前記幅方向の中央領域に接続される膨出ガイド部６０ｍｉｄ２の延長上と第２バッファ領域５８ｂの前記他方側とは反対の一方側の端部との間に設けられる。

樹脂枠部材４２の両方の面４２ａ、４２ｂには、シール部材６４が、例えば、射出成形により一体成形、又は、別体部品を接合して構成される。シール部材６４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部材が用いられる。

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２２ａ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２４ａ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３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の樹脂枠部材４２に形成された入口側連結溝４４ａを通って入口バッファ部４６に導入される。さらに、酸化剤ガスは、入口バッファ部４６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（図１参照）。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）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。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２２ａから電解質膜・電極構造体１８の樹脂枠部材４２に形成された入口側連結溝５４ａを通って入口バッファ部５６に導入される。さらに、燃料ガスは、入口バッファ部５６から第２セパレータ１６の燃料ガス流路３２に沿って重力方向（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、出口バッファ部４８から出口側連結溝４４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図３参照）。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、図１に示すように、出口バッファ部５８から出口側連結溝５４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２４ａ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２４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、樹脂枠部材４２の面４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに隣接して入口バッファ部４６が設けられている。入口バッファ部４６は、酸化剤ガス流路２６に隣接する第１バッファ領域４６ａと、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに隣接する第２バッファ領域４６ｂとを有している。そして、図５に示すように、第２バッファ領域４６ｂの深さＤ２は、第１バッファ領域４６ａの深さＤ１よりも大きく、すなわち、深溝に設定されている（Ｄ２＞Ｄ１）。

従って、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部４６に供給される酸化剤ガスは、第２バッファ領域４６ｂから第１バッファ領域４６ａにわたって良好に分配された後、酸化剤ガス流路２６に供給される。

しかも、第２バッファ領域４６ｂには、前記第２バッファ領域４６ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域４６ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域４６ｂｍが設けられている。これにより、第２バッファ領域４６ｂ内では、中間深さバッファ領域４６ｂｍによって酸化剤ガスの分配が減少されている。

このため、中間深さバッファ領域４６ｂｍの位置及び範囲を設定することで、酸化剤ガスの分配の増減を調整することが可能になる。第１の実施形態では、図４に示すように、中間深さバッファ領域４６ｂｍは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側、すなわち、酸化剤ガス流路２６の幅方向一方（矢印Ｂ１方向）側に寄って設けられている。

従って、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから酸化剤ガスが流通し易い幅方向一方側は、前記酸化剤ガスが流通し難い幅方向他方側よりも浅溝に構成している。これにより、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの幅方向一方側は、圧損が増加して幅方向他方側よりも酸化剤ガスが流れ難くなり、幅方向全体に亘って前記酸化剤ガスを均等に流通させることができる。

このため、簡単な構成で、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部４６を介して酸化剤ガス流路２６全体に酸化剤ガスを均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を保持することが可能になるという効果が得られる。

一方、図３に示すように、樹脂枠部材４２の面４２ａには、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに隣接して出口バッファ部４８が設けられている。出口バッファ部４８は、酸化剤ガス流路２６に隣接する第１バッファ領域４８ａと、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに隣接する第２バッファ領域４８ｂとを有している。第２バッファ領域４８ｂは、第１バッファ領域４８ａよりも深溝に設定されている。

そして、第２バッファ領域４８ｂには、前記第２バッファ領域４８ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域４８ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域４８ｂｍが設けられている。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６から第１バッファ領域４８ａを通って第２バッファ領域４８ｂに円滑且つ均一に流動された後、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。このため、酸化剤ガス流路２６では、発電領域全域で酸化剤ガスの分配を均一化することが可能になる。

また、図１及び図６に示すように、樹脂枠部材４２の面４２ｂには、燃料ガス入口連通孔２２ａに隣接して入口バッファ部５６が設けられている。入口バッファ部５６は、燃料ガス流路３２に隣接する第１バッファ領域５６ａと、燃料ガス入口連通孔２２ａに隣接する第２バッファ領域５６ｂとを有している。第２バッファ領域５６ｂの深さＤ５は、第１バッファ領域５６ａの深さＤ４よりも大きく、すなわち、深溝に設定されている（Ｄ５＞Ｄ４）。

従って、燃料ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部５６に供給される燃料ガスは、第２バッファ領域５６ｂから第１バッファ領域５６ａにわたって良好に分配された後、燃料ガス流路３２に供給される。

しかも、第２バッファ領域５６ｂには、前記第２バッファ領域５６ｂよりも積層方向に浅く且つ第１バッファ領域５６ａよりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域５６ｂｍが設けられている。これにより、第２バッファ領域５６ｂ内では、中間深さバッファ領域５６ｂｍによって燃料ガスの分配が減少されている。このため、中間深さバッファ領域５６ｂｍの位置を設定することで、燃料ガスの分配の増減を調整することが可能になる。

従って、簡単な構成で、燃料ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部５６を介して燃料ガス流路３２全体に燃料ガスを均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を保持することが可能になるという効果が得られる。

一方、樹脂枠部材４２の面４２ｂには、燃料ガス出口連通孔２２ｂに隣接して出口バッファ部５８が設けられている。出口バッファ部５８は、上記の入口バッファ部５６と同様に構成されている。これにより、燃料ガスは、燃料ガス流路３２から第１バッファ領域５８ａを通って第２バッファ領域５８ｂに円滑且つ均一に流動された後、燃料ガス出口連通孔２２ｂに排出されている。このため、燃料ガス流路３２では、発電領域全域で燃料ガスの分配を均一化することが可能になる。

従って、第１セパレータ１４に形成された酸化剤ガス流路２６全体と第２セパレータ１６に形成された燃料ガス流路３２全体とには、酸化剤ガスと燃料ガスとを均一且つ確実に供給することができる。これにより、燃料電池１０は、簡単な構成で、良好な発電性能を保持することが可能になるという効果が得られる。

なお、樹脂枠部材４２には、酸化剤ガス用の入口バッファ部４６及び出口バッファ部４８のみを設けてもよく、あるいは、燃料ガス用の入口バッファ部５６及び出口バッファ部５８のみを設けてもよい。また、出口バッファ部４８、５８には、中間深さバッファ領域４８ｂｍ、５８ｂｍを設けなくてもよい。以下に説明する第２以降の実施形態においても、同様である。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０を構成する発電セル７２の分解概略斜視図である。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７２は、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６間に電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７８を挟持する。電解質膜・電極構造体７８は、固体高分子電解質膜３６ａと、前記固体高分子電解質膜３６ａを挟持するカソード電極３８ａ及びアノード電極４０ａとを備える。固体高分子電解質膜３６ａは、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６と同一の平面寸法（外形寸法）を有し、カソード電極３８ａ及びアノード電極４０ａは、前記固体高分子電解質膜３６ａよりも小さな平面寸法を有する。

第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。なお、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６は、発電領域に対応して金属プレートを使用し、前記金属プレートの外周に樹脂枠部材（額縁部）を接合して構成してもよい。

図８に示すように、第１セパレータ７４の電解質膜・電極構造体７８に向かう面７４ａには、酸化剤ガス流路２６が形成される。面７４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路２６とを連結するために、入口側連結溝４４ａ及び入口バッファ部４６が設けられる。面７４ａには、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路２６とを連結するために、出口側連結溝４４ｂ及び出口バッファ部４８が設けられる。

図７に示すように、第２セパレータ７６の電解質膜・電極構造体７８に向かう面７６ａには、燃料ガス流路３２が形成される。面７６ａには、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス流路３２とを連結するために、入口側連結溝５４ａ及び入口バッファ部５６が設けられる。面７６ａには、燃料ガス出口連通孔２２ｂと燃料ガス流路３２とを連結するために、出口側連結溝５４ｂ及び出口バッファ部５８が設けられる。

第１セパレータ７４の面７４ｂと第２セパレータ７６の面７６ｂとの間には、冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、面７４ｂ又は面７６ｂの少なくとも一方に設けられていればよい。

このように構成される第２の実施形態では、図８に示すように、第１セパレータ７４の面７４ａには、入口バッファ部４６及び出口バッファ部４８が設けられている。一方、図７に示すように、第２セパレータ７６の面７６ａには、入口バッファ部５６及び出口バッファ部５８が設けられている。このため、簡単な構成で、発電領域全域で酸化剤ガス及び燃料ガスの分配を均一化することが可能になり、良好な発電性能を保持することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体８０の一部説明図である。

電解質膜・電極構造体８０を構成する樹脂枠部材８２には、入口バッファ部８４が設けられる。なお、図示しないが、樹脂枠部材８２には、酸化剤ガス側の出口バッファ部（出口バッファ部４８に相当）、燃料ガス側の入口バッファ部（入口バッファ部５６に相当）及び出口バッファ部（出口バッファ部５８に相当）が設けられる。これらの構造は、入口バッファ部８４と同様である。また、第２の実施形態の第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６にも、同様に適用することができる。

入口バッファ部８４は、酸化剤ガス流路２６に隣接する第１バッファ領域８４ａと、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに隣接する第２バッファ領域８４ｂとを有する。図１０に示すように、第２バッファ領域８４ｂには、酸化剤ガス流路２６の幅方向の一方の端部側（矢印Ｂ１方向）から前記幅方向の他方の端部側（矢印Ｂ２方向）に向かって積層方向の深さが連続的に変化する傾斜部８６が設けられる。第２バッファ領域８４ｂは、矢印Ｂ１方向の端部の深さＤ７が、矢印Ｂ２方向の端部の深さＤ８よりも浅く設定される（Ｄ７＜Ｄ８）。

このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス流路２６の発電領域全域で酸化剤ガスの分配が均一化される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第３の実施形態では、第２バッファ領域８４ｂに傾斜部８６を設けているが、これに代えて、例えば、深さが２段階（又はそれ以上）に段階的に変化する多段構造を採用してもよい。

１０、７０…燃料電池 １２、７２…発電セル
１４、１６、７４、７６…セパレータ １８、７８、８０…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…燃料ガス入口連通孔 ２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２４ａ…冷却媒体入口連通孔 ２４ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路 ２８…冷却媒体流路
３２…燃料ガス流路 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、８２…樹脂枠部材 ４４ａ、５４ａ…入口側連結溝
４４ｂ、５４ｂ…出口側連結溝 ４６、５６、８４…入口バッファ部
４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、５８ａ、５８ｂ、８４ａ、８４ｂ…バッファ領域
４６ｂｍ、５６ｂｍ、５８ｂｍ…中間深さバッファ領域
４８、５８…出口バッファ部 ５０、６０…膨出ガイド部
８６…傾斜部

Claims (6)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体の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セパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔とが形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通するバッファ部が設けられ、
   前記バッファ部は、前記反応ガス流路に隣接する第１バッファ領域と、
   前記反応ガス連通孔に隣接し、且つ前記第１バッファ領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ領域と、
   を有し、
   前記第２バッファ領域は、前記反応ガス流路の流れ方向に交差する幅方向の一方から前記幅方向の他方に向かって前記積層方向の深さが異な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、前記第２バッファ領域には、該第２バッファ領域よりも積層方向に浅く且つ前記第１バッファ領域よりも前記積層方向に深い中間深さバッファ領域が設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記第１バッファ領域には、前記反応ガス流路と前記第２バッファ領域とを連続的に繋ぐ複数本の膨出ガイド部が設けられるとともに、
   前記中間深さバッファ領域は、前記第２バッファ領域の底部と前記膨出ガイド部の底部との間の中間位置に設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔は、前記反応ガス流路の前記幅方向の中央領域から一方側に寄って配置されるとともに、
   前記中間深さバッファ領域は、前記反応ガス流路の前記幅方向の中央領域に接続される前記膨出ガイド部の延長上と前記第２バッファ領域の前記一方側の端部との間に設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔は、前記幅方向の中央領域から一方側に寄って配置される反応ガス入口連通孔と、
   前記幅方向の中央領域から他方側に寄って配置される反応ガス出口連通孔と、
   を有するともに、
   前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路とを連通する入口バッファ部は、前記第２バッファ領域の前記一方側に前記中間深さバッファ領域が設けられ、
   前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路とを連通する出口バッファ部は、前記第２バッファ領域の前記一方側に前記中間深さバッファ領域が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１記載の燃料電池において、前記第２バッファ領域には、前記反応ガス流路の前記幅方向の一方から前記幅方向の他方に向かって前記積層方向の深さが連続的に変化する傾斜部が設けられることを特徴とする燃料電池。

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