JP2016012507A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータを簡単且つ良好に構成するとともに、経済的に製造することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、枠付き電解質膜・電極構造体１２をカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６で挟持する。アノード電極３８は、内部にセパレータ面方向に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路４０が形成される第２多孔質ガス拡散層３８ｂを設ける。樹脂枠部材３２には、第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ１に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部４６ａと、前記第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ２から前記燃料ガスを排出する燃料ガス導出部４６ｂと、が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備える燃料電池に関する。

一般的に、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を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、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。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、電解質膜・電極構造体の外周部にシール部材が一体化される構成が採用される場合がある。燃料ガスや酸化剤ガスの漏れ、又はこれらのクロスリークを抑制することが可能になるからである。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、シール一体アセンブリとセパレータとが交互に積層されている。シール一体アセンブリは、ＭＥＡ（膜電極接合体）と、前記ＭＥＡの両側に配置されるアノード側多孔体及びカソード側多孔体と、ガスケットとから構成されている。

アノード側多孔体及びカソード側多孔体は、金属製多孔体やカーボン製多孔体から形成され、燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させる流路として機能している。ガスケットは、枠状部材であり、ＭＥＡの周囲に配置されるとともに、凸型形状のリップ部をアノード側とカソード側との両側に有している。リップ部は、セパレータ表面に密着しており、セパレータとの間でシールラインを形成している。

特開２００９−１２９６５０号公報

ところで、上記の特許文献１では、セパレータに反応ガス流路を形成するために、前記セパレータを３枚のプレートにより構成している。このため、セパレータの構造が複雑化するとともに、プレート数が増加して経済的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、セパレータを簡単且つ良好に構成するとともに、経済的に製造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。

本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備えている。枠付き電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータで挟持されている。

電極は、内部にセパレータ面方向に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される多孔質ガス拡散層を設けている。そして、樹脂枠部材には、多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に反応ガスを供給するガス導入部と、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から前記反応ガスを排出するガス導出部と、が設けられている。

また、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスをセパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔が設けられることが好ましい。その際、ガス導入部は、反応ガス入口連通孔に連通し樹脂枠部材の１つの辺に沿って延在する連結流路と、前記連結流路と多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面とに連なる複数本の通路と、を有することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスをセパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス出口連通孔が設けられることが好ましい。その際、ガス導出部は、反応ガス出口連通孔に連通し樹脂枠部材の１つの辺に沿って延在する連結流路と、前記連結流路と多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面とに連なる複数本の通路と、を有することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、樹脂枠部材は、第１樹脂シート部材、第２樹脂シート部材及び第３樹脂シート部材の順に積層されることが好ましい。その際、第１樹脂シート部材と第２樹脂シート部材との間には、ガス導入部である燃料ガス導入部とガス導出部である燃料ガス導出部とが形成されることが好ましい。一方、第２樹脂シート部材と第３樹脂シート部材との間には、ガス導入部である酸化剤ガス導入部とガス導出部である酸化剤ガス導出部とが形成されることが好ましい。

また、この燃料電池では、枠付き電解質膜・電極構造体に隣接する少なくとも一方のセパレータは、セパレータ面が平坦な平板形状に構成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、セパレータの外周縁部には、シール部材が設けられるとともに、前記シール部材と樹脂枠部材とは、溶着されることが好ましい。

本発明によれば、電極を構成する多孔質ガス拡散層は、内部に沿ってセパレータ面方向に反応ガスを流通させる反応ガス流路を構成している。そして、樹脂枠部材には、多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に反応ガスを供給するガス導入部と、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から反応ガスを排出するガス導出部と、が設けられている。

このため、セパレータは、反応ガス流路を含む流路系の加工が不要になり、前記セパレータの製造作業が一挙に簡素化する。これにより、セパレータを簡単且つ良好に製造することができ、燃料電池全体の製造コストが削減され、前記燃料電池を経済的に製造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の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する枠付き電解質膜・電極構造体の要部断面斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記枠付き電解質膜・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の要部断面説明図である。

図１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、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして、図示しない燃料電池車両（燃料電池電気自動車）に搭載される。

図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、枠付き電解質膜・電極構造体（枠付きＭＥＡ）１２をカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６で挟持する。カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ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薄板状金属プレートにより構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、カーボンセパレータにより構成してもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが上下に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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。燃料ガス出口連通孔２０ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが上下に設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａは、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給する、例えば、３つ（１つ以上であればよい）の冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられる。燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の他端縁部（下端縁部）には、冷却媒体を排出するため、例えば、３つ（１つ以上であればよい）の冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。

図２に示すように、カソード側セパレータ１４は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されるとともに、アノード側セパレータ１６は、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。凹凸形状部は、アノード側セパレータ１６のセパレータ面に、矢印Ｂ方向に沿って凹部と凸部とを交互に設けることにより、裏面側である面１６ｂに矢印Ｃ方向に延在する冷却媒体流路２４を形成する（図１参照）。なお、カソード側セパレータ１４には、後述する第１多孔質ガス拡散層３６ｂに当接する凸状部を設けてもよい。凸状部は、微小な高さ方向の変化を有するものであり、セパレータ面としては略平面形状を維持する。

冷却媒体流路２４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝により構成され、上部（入口）側が冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する一方、下部（出口）側が冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。冷却媒体流路２４は、アノード側セパレータ１６の凹凸形状の面１６ｂとカソード側セパレータ１４の裏面である平面形状の面１４ｂとが重なり合うことにより、形成される（図２参照）。

図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂの外周縁部には、該外周縁部を周回して第１シール部材２６が一体成形される。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周縁部には、該外周縁部を周回して第２シール部材２８が一体成形される。

第１シール部材２６及び第２シール部材２８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１〜図３に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０の外周を周回して設けられる樹脂枠部材３２とを備える。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体３０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（陽イオン交換膜）３４を備える。固体高分子電解質膜３４は、カソード電極３６及びアノード電極３８により挟持される。

カソード電極３６は、アノード電極３８及び固体高分子電解質膜３４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極３６、アノード電極３８及び固体高分子電解質膜３４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極３８は、カソード電極３６及び固体高分子電解質膜３４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極３６は、固体高分子電解質膜３４の一方の面３４ａに接合される第１電極触媒層３６ａと、前記第１電極触媒層３６ａに積層される第１多孔質ガス拡散層３６ｂとを有する。アノード電極３８は、固体高分子電解質膜３４の他方の面３４ｂに接合される第２電極触媒層３８ａと、前記第２電極触媒層３８ａに積層される第２多孔質ガス拡散層３８ｂとを有する。

第１電極触媒層３６ａ及び第２電極触媒層３８ａは、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を固体高分子電解質膜３４の両方の面３４ａ、３４ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。

第１多孔質ガス拡散層３６ｂ及び第２多孔質ガス拡散層３８ｂは、例えば、カーボン製多孔体等により形成される。第１多孔質ガス拡散層３６ｂ及び第２多孔質ガス拡散層３８ｂは、多孔質金属材料、例えば、多孔質チタン等で形成してもよい。第２多孔質ガス拡散層３８ｂの平面寸法は、第１多孔質ガス拡散層３６ｂの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。第２多孔質ガス拡散層３８ｂの内部には、セパレータ面方向に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路４０が形成される。第１多孔質ガス拡散層３６ｂの内部には、セパレータ面方向に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４０と酸化剤ガス流路４２とは、それぞれの流れ方向が対向流に構成される。

図１〜図３に示すように、電解質膜・電極構造体３０は、カソード電極３６の終端部外方に位置して、固体高分子電解質膜３４の外周縁部３４ａｅに樹脂枠部材３２が一体化される。樹脂枠部材３２は、第１樹脂シート部材３２ａ、第２樹脂シート部材３２ｂ及び第３樹脂シート部材３２ｃの順に積層される。樹脂材としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。

図１に示すように、樹脂枠部材３２には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂが貫通形成される。図２及び図３に示すように、第１樹脂シート部材３２ａ及び第３樹脂シート部材３２ｃは、額縁形状の平板を反応ガス流路系に対応して屈曲成形される一方、第２樹脂シート部材３２ｂは、額縁形状の平板シートにより構成される。

第１樹脂シート部材３２ａ、第２樹脂シート部材３２ｂ及び第３樹脂シート部材３２ｃは、互いに当接面同士が接着されることにより一体化される。図２に示すように、第２樹脂シート部材３２ｂの内周縁部は、固体高分子電解質膜３４の外周縁部３４ａｅに接着剤４４を介して接着される。

第１樹脂シート部材３２ａは、第２樹脂シート部材３２ｂに接着される平面部３２ａｆを有し、前記平面部３２ａｆから厚さ方向に突出して凸状部３２ａｐが一体成形される。凸状部３２ａｐと第２樹脂シート部材３２ｂとの間には、後述するように、流路系を構成する空間部が形成される。

第１樹脂シート部材３２ａは、内周縁部（凸状部３２ａｐの内周縁部）がアノード電極３８を構成する第２多孔質ガス拡散層３８ｂの外周縁部に重なり合って、例えば、接着される。図１に示すように、第１樹脂シート部材３２ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂをそれぞれ周回して凸状部３２ａｐを有する。

図１、図３及び図４に示すように、第１樹脂シート部材３２ａでは、凸状部３２ａｐにより燃料ガス入口連通孔２０ａから第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面（燃料ガス流路入口側端面）３８ｂｅ１に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部４６ａが形成される。燃料ガス導入部４６ａは、燃料ガス入口連通孔２０ａに連通し樹脂枠部材３２の１つの辺（燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる一方の短辺）に沿って延在する燃料ガス連結流路４８ａを有する。

燃料ガス連結流路４８ａに隣接して複数個の凹状部（平面部３２ａｆ）３２ａｒが矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部３２ａｒ間には、燃料ガス連結流路４８ａと第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ１とに連なる複数本の燃料ガス供給通路５０ａが形成される。

図１に示すように、第１樹脂シート部材３２ａでは、凸状部３２ａｐにより第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面（燃料ガス流路出口側端面）３８ｂｅ２から燃料ガス出口連通孔２０ｂに燃料ガスを排出する燃料ガス導出部４６ｂが形成される。燃料ガス導出部４６ｂは、燃料ガス出口連通孔２０ｂに連通し樹脂枠部材３２の１つの辺（酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが設けられる他方の短辺）に沿って延在する燃料ガス連結流路４８ｂを有する。

燃料ガス連結流路４８ｂに隣接して複数個の凹状部（平面部３２ａｆ）３２ａｒが矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部３２ａｒ間には、燃料ガス連結流路４８ｂと第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ２とに連なる複数本の燃料ガス排出通路５０ｂが形成される。

図２及び図３に示すように、第３樹脂シート部材３２ｃは、第２樹脂シート部材３２ｂに接着される平面部３２ｃｆを有し、前記平面部３２ｃｆから厚さ方向に突出して凸状部３２ｃｐが一体成形される。凸状部３２ｃｐと第２樹脂シート部材３２ｂとの間には、後述するように、流路系を構成する空間部が形成される。

図２に示すように、第３樹脂シート部材３２ｃは、内周縁部（凸状部３２ｃｐの内周縁部）がカソード電極３６を構成する第１多孔質ガス拡散層３６ｂの外周縁部に重なり合って、例えば、接着される。図５に示すように、第３樹脂シート部材３２ｃは、燃料ガス入口連通孔２０ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂをそれぞれ周回して凸状部３２ｃｐを有する。

図５に示すように、第３樹脂シート部材３２ｃでは、凸状部３２ｃｐにより酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面（酸化剤ガス流路入口側端面）３６ｂｅ１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入部５２ａが形成される。酸化剤ガス導入部５２ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに連通し樹脂枠部材３２の１つの辺（酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが設けられる他方の短辺）に沿って延在する酸化剤ガス連結流路５４ａを有する。

酸化剤ガス連結流路５４ａに隣接して複数個の凹状部（平面部３２ｃｆ）３２ｃｒが矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部３２ｃｒ間には、酸化剤ガス連結流路５４ａと第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ１とに連なる複数本の酸化剤ガス供給通路５６ａが形成される。

第３樹脂シート部材３２ｃでは、凸状部３２ｃｐにより第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面（酸化剤ガス出口側端面）３６ｂｅ２から酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス導出部５２ｂが形成される。酸化剤ガス導出部５２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに連通し樹脂枠部材３２の１つの辺（燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる一方の短辺）に沿って延在する酸化剤ガス連結流路５４ｂを有する。

酸化剤ガス連結流路５４ｂに隣接して複数個の凹状部（平面部３２ｃｆ）３２ｃｒが矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部３２ｃｒ間には、酸化剤ガス連結流路５４ｂと第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ２とに連なる複数本の酸化剤ガス排出通路５６ｂが形成される（図４及び図５参照）。

図２に示すように、アノード側セパレータ１６に設けられた第２シール部材２８と、樹脂枠部材３２を構成する第１樹脂シート部材３２ａとは、全周に亘って溶着層５８ａにより溶着される。溶着層５８ａは、アノード側セパレータ１６と第１樹脂シート部材３２ａとの間をシールする。カソード側セパレータ１４に設けられた第１シール部材２６と、樹脂枠部材３２を構成する第３樹脂シート部材３２ｃとは、全周に亘って溶着層５８ｂにより溶着される。溶着層５８ｂは、カソード側セパレータ１４と第３樹脂シート部材３２ｃとの間をシールする。溶着層５８ａ、５８ｂは、電気ヒータの他、レーザ加熱装置、超音波等の種々の加熱装置で形成することができる。

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１８ａ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２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、３つの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。

図５に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第２樹脂シート部材３２ｂと第３樹脂シート部材３２ｃとの間に形成された酸化剤ガス導入部５２ａに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部５２ａを構成する酸化剤ガス連結流路５４ａに沿って矢印Ｃ方向に流通するとともに、前記酸化剤ガス連結流路５４ａに連通する複数本の酸化剤ガス供給通路５６ａに分流されて矢印Ｂ方向に流通する。

このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路５６ａに沿って第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ１から酸化剤ガス流路４２に供給される。酸化剤ガスは、第１多孔質ガス拡散層３６ｂ内を酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体３０の第１電極触媒層３６ａに供給される。

一方、燃料ガスは、図１〜図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａから第２樹脂シート部材３２ｂと第１樹脂シート部材３２ａとの間に形成された燃料ガス導入部４６ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス導入部４６ａを構成する燃料ガス連結流路４８ａに沿って矢印Ｃ方向に流通するとともに、前記燃料ガス連結流路４８ａに連通する複数本の燃料ガス供給通路５０ａに分流されて矢印Ｂ方向に流通する。

従って、燃料ガスは、各燃料ガス供給通路５０ａに沿って第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ１から燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、第２多孔質ガス拡散層３８ｂ内を燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体３０の第２電極触媒層３８ａに供給される。

これにより、図２に示すように、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極３６の第１電極触媒層３６ａに供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８の第２電極触媒層３８ａに供給される燃料ガスとが、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３０の第１電極触媒層３６ａに供給されて消費された酸化剤ガスは、図２〜図５に示すように、第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ２から酸化剤ガス導出部５２ｂに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導出部５２ｂを構成する複数本の酸化剤ガス排出通路５６ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通した後、酸化剤ガス連結流路５４ｂに合流される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に流通して酸化剤ガス連結流路５４ｂから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。

電解質膜・電極構造体３０の第２電極触媒層３８ａに供給されて消費された燃料ガスは、第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端部３８ａｅ２から燃料ガス導出部４６ｂに排出される。燃料ガスは、燃料ガス導出部４６ｂを構成する複数本の燃料ガス排出通路５０ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通した後、燃料ガス連結流路４８ｂに合流される。燃料ガスは、矢印Ｃ方向に流通して燃料ガス連結流路４８ｂから燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

さらにまた、上部の３つ冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、一方の燃料電池１０を構成するカソード側セパレータ１４と、他方の燃料電池１０を構成するアノード側セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路２４に導入される。

各冷却媒体入口連通孔２２ａから冷却媒体流路２４に供給される冷却媒体は、矢印Ｃ方向（重力方向）に沿って流動した後、各冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。このため、燃料電池１０は、冷却媒体により冷却される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、アノード電極３８を構成する第２多孔質ガス拡散層３８ｂは、内部に沿ってセパレータ面方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路４０を構成している。一方、カソード電極３６を構成する第１多孔質ガス拡散層３６ｂは、内部に沿ってセパレータ面方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４２を構成している。

そして、樹脂枠部材３２は、第１樹脂シート部材３２ａと第２樹脂シート部材３２ｂとの間に、第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ１に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部４６ａが設けられている。第１樹脂シート部材３２ａと第２樹脂シート部材３２ｂとの間には、さらに第２多孔質ガス拡散層３８ｂの端面３８ｂｅ２から燃料ガスを排出する燃料ガス導出部４６ｂが設けられている（図１参照）。

同様に、第３樹脂シート部材３２ｃと第２樹脂シート部材３２ｂとの間に、図５に示すように、第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入部５２ａが設けられている。第３樹脂シート部材３２ｃと第２樹脂シート部材３２ｂとの間には、さらに第１多孔質ガス拡散層３６ｂの端面３６ｂｅ２から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス導出部５２ｂが設けられている。

このため、アノード側セパレータ１６及びカソード側セパレータ１４は、燃料ガス流路４０及び酸化剤ガス流路４２を含む流路系の加工が不要になる。従って、アノード側セパレータ１６及びカソード側セパレータ１４の製造作業が一挙に簡素化する。これにより、アノード側セパレータ１６及びカソード側セパレータ１４を簡単且つ良好に製造することができ、燃料電池１０全体の製造コストが削減され、前記燃料電池１０を経済的に製造することが可能になる。

特に、カソード側セパレータ１４は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されている。このため、カソード側セパレータ１４の製造作業が一挙に簡素化し、製造コストが大幅に削減されるという利点がある。

図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０は、アノード側セパレータ７２を備えるとともに、前記アノード側セパレータ７２とカソード側セパレータ１４との間には、流路形成プレート７４が介装される。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。

アノード側セパレータ７２は、カソード側セパレータ１４と同様に、セパレータ面が平坦な平面形状に構成される。流路形成プレート７４は、金属プレートを、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。流路形成プレート７４が、隣合う燃料電池７０間、すなわち、一方の燃料電池７０のアノード側セパレータ７２と他方の燃料電池７０のカソード側セパレータ１４との間に配置されることにより、冷却媒体流路２４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、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ７２は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されている。このため、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ７２の製造作業が一挙に簡素化し、製造コストが大幅に削減されるという効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、一対のセパレータ間に枠付きＭＥＡを挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１のセパレータ、第１の枠付きＭＥＡ、第２のセパレータ、第２の枠付きＭＥＡ及び第３のセパレータが積層された燃料電池を用いてもよい。この燃料電池では、内部に冷却媒体流路が設けられておらず、互いに隣接する燃料電池間に前記冷却媒体流路が設けられている（所謂、間引き冷却構造）。

１０、７０…燃料電池 １２…枠付き電解質膜・電極構造体
１４…カソード側セパレータ １６、７２…アノード側セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４…冷却媒体流路 ２６、２８…シール部材
３０…電解質膜・電極構造体 ３２…樹脂枠部材
３２ａ〜３２ｃ…樹脂シート部材 ３２ａｆ、３２ｃｆ…平面部
３２ａｐ、３２ｃｐ…凸状部 ３４…固体高分子電解質膜
３６…カソード電極 ３６ａ、３８ａ…電極触媒層
３６ｂ、３８ｂ…多孔質ガス拡散層 ３８…アノード電極
３６ｂｅ１、３６ｂｅ２、３８ｂｅ１、３８ｂｅ２…端面
４０…燃料ガス流路 ４２…酸化剤ガス流路
４４…接着剤 ４６ａ…燃料ガス導入部
４６ｂ…燃料ガス導出部 ４８ａ、４８ｂ…燃料ガス連結流路
５０ａ…燃料ガス供給通路 ５０ｂ…燃料ガス排出通路
５２ａ…酸化剤ガス導入部 ５２ｂ…酸化剤ガス導出部
５４ａ、５４ｂ…酸化剤ガス連結流路 ５６ａ…酸化剤ガス供給通路
５６ｂ…酸化剤ガス排出通路 ５８ａ、５８ｂ…接着層
７４…流路形成プレート

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備え、前記枠付き電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持する燃料電池であって、
   前記電極は、内部にセパレータ面方向に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される多孔質ガス拡散層を設けるとともに、
   前記樹脂枠部材には、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に前記反応ガスを供給するガス導入部と、
   前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から前記反応ガスを排出するガス導出部と、
   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、前記樹脂枠部材には、前記反応ガスを前記セパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔が設けられるとともに、
   前記ガス導入部は、前記反応ガス入口連通孔に連通し該樹脂枠部材の１つの辺に沿って延在する連結流路と、
   前記連結流路と前記多孔質ガス拡散層の前記反応ガス流路入口側端面とに連なる複数本の通路と、
   を有す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、前記樹脂枠部材には、前記反応ガスを前記セパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス出口連通孔が設けられるとともに、
   前記ガス導出部は、前記反応ガス出口連通孔に連通し該樹脂枠部材の１つの辺に沿って延在する連結流路と、
   前記連結流路と前記多孔質ガス拡散層の前記反応ガス流路出口側端面とに連なる複数本の通路と、
   を有す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、前記樹脂枠部材は、第１樹脂シート部材、第２樹脂シート部材及び第３樹脂シート部材の順に積層されるとともに、
   前記第１樹脂シート部材と前記第２樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である燃料ガス導入部と前記ガス導出部である燃料ガス導出部とが形成される一方、
   前記第２樹脂シート部材と前記第３樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である酸化剤ガス導入部と前記ガス導出部である酸化剤ガス導出部とが形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記枠付き電解質膜・電極構造体に隣接する少なくとも一方の前記セパレータは、セパレータ面が平坦な平板形状に構成されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータの外周縁部には、シール部材が設けられるとともに、
   前記シール部材と前記樹脂枠部材とは、溶着されることを特徴とする燃料電池。

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