JP2017147101A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】特にブリッジ部からの反応ガスの流配特性を良好に向上させることを可能にする。【解決手段】発電セル１０は、樹脂枠付きＭＥＡ１２を第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６で挟持する。樹脂枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａの外周に樹脂枠部材５０を固定する。樹脂枠部材５０に設けられた酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａには、酸化剤ガス流路２４と酸化剤ガス入口連通孔１８ａとを連通させる酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４が形成され、且つ、前記酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の底部には、傾斜面５６ａｒ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外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層されるセパレータと、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の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。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

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、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、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。

この場合、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と反応ガス流路とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために、平行溝部等を有する連結流路を介して連結されている。その際、連結流路が閉塞されることがなく、良好にシールすることを可能にするために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。

この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられた樹脂枠付きＭＥＡを構成している。樹脂枠部材は、金属セパレータの外周に設けられた反応ガス連通孔よりも内側に配置される外形形状を有している。そして、樹脂枠部材には、発電領域外に位置して反応ガス流路に連結されるバッファ部と、前記バッファ部と前記反応ガス連通孔とを連結する連結流路（ブリッジ部）の一部とが設けられている。

このため、比較的剛性の高い樹脂枠部材が使用されるため、前記樹脂枠部材が変形することがなく、簡単且つ経済的な構成で、連結流路が閉塞されることを確実に阻止することができる、としている。

特許第５８２４５７５号公報

本発明は、この種の樹脂枠付きＭＥＡを設ける燃料電池に関連してなされたものであり、特にブリッジ部からの反応ガスの流配特性を良好に向上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。

本発明に係る燃料電池は、樹脂枠付きＭＥＡと、前記樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層されるセパレータと、を備えている。樹脂枠付きＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両面に電極が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられている。

セパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガスを樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、が形成されている。一方、樹脂枠部材には、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連結させるブリッジ部が設けられている。そして、ブリッジ部は、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通させる複数本の連結流路を有し、且つ、前記連結流路の底部には、傾斜面が設けられている。

また、この燃料電池では、傾斜面は、連結流路毎に傾斜角度が異なっていることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、傾斜面は、反応ガス連通孔から反応ガス流路に向かって深さが連続的に浅くなっていることが好ましい。

本発明によれば、樹脂枠部材に設けられたブリッジ部の連結流路は、底部に傾斜面が設けられている。このため、反応ガスは、連結流路に円滑に流入することができ、ブリッジ部からの前記反応ガスの流配特性を良好に向上させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視説明図である。 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第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記発電セルの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記発電セルを構成する樹脂枠付きＭＥＡの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電セルの酸化剤ガス用入口ブリッジ部における断面説明図である。 前記発電セルの燃料ガス用入口ブリッジ部における断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る発電セル（燃料電池）１０は、例えば、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燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

発電セル１０は、樹脂枠付きＭＥＡ１２を第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６で挟持する。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有するとともに、樹脂枠付きＭＥＡ１２の外形寸法よりも大きな外形寸法を有する（図１参照）。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ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薄板を備える。金属薄板は、プレス成形されて断面が凹凸に構成される。なお、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、反応ガス連通孔である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。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、酸化剤ガス（反応ガス）、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、燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出する。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、反応ガス連通孔である燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａは、燃料ガスを供給し、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、酸化剤ガスを排出する。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６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１８ａ側に、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、冷却媒体入口連通孔２２ａが上下に設けられる。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２０ａ側に、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、冷却媒体出口連通孔２２ｂが上下に設けられる。一対の冷却媒体入口連通孔２２ａは、冷却媒体を供給する一方、一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂは、前記冷却媒体を排出する。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２４が形成される。酸化剤ガス流路２４は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）２４ａを有する。

酸化剤ガス流路２４の入口側端部には、発電領域外に位置して入口バッファ部２６ａが連なる一方、前記酸化剤ガス流路２４の出口側端部には、発電領域外に位置して出口バッファ部２６ｂが連なる。

入口バッファ部２６ａ及び出口バッファ部２６ｂは、樹脂枠付きＭＥＡ１２側に突出するそれぞれ複数個のエンボスを有するが、前記エンボスとともに、又は該エンボスに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。入口バッファ部２６ａ及び出口バッファ部２６ｂのエンボスは、第１金属セパレータ１４の面１４ｂ側（冷却媒体流路３８側）のエンボスと交互に設けられる。

図１に示すように、第２金属セパレータ１６の樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路３２が設けられる。燃料ガス流路３２は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）３２ａを有する。

燃料ガス流路３２の入口側端部には、発電領域外に位置して入口バッファ部３４ａが連なる一方、前記燃料ガス流路３２の出口側端部には、発電領域外に位置して出口バッファ部３４ｂが連なる。

入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂは、樹脂枠付きＭＥＡ１２側に突出するそれぞれ複数個のエンボスを有するが、前記エンボスとともに、又は該エンボスに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂのエンボスは、第２金属セパレータ１６の面１６ｂ側（冷却媒体流路３８側）のエンボスと交互に設けられる。

燃料ガス入口連通孔２０ａの近傍には、複数の供給孔部（貫通孔部）３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２０ｂの近傍には、複数の排出孔部（貫通孔部）３６ｂが形成される。

互いに隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。冷却媒体流路３８は、第１金属セパレータ１４に形成された酸化剤ガス流路２４の裏面形状と、第２金属セパレータ１６に形成された燃料ガス流路３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図１及び図２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の外周端部を周回して、第１シール部材４０が一体化される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４２が一体化される。

第１シール部材４０は、図２及び図３に示すように、面１４ａ側に設けられ、隣接する第２金属セパレータ１６の第２シール部材４２の平坦面に当接する凸状シール４０ａを有する。

凸状シール４０ａは、図３に示すように、酸化剤ガス流路２４、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを囲繞する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａの近傍には、凸状シール４０ａを切り欠いて複数本の入口通路４３ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの近傍には、前記凸状シール４０ａを切り欠いて複数本の出口通路４３ｂが形成される。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス流路２４は、入口通路４３ａを介して連通する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路２４は、出口通路４３ｂを介して連通する。

図１及び図２に示すように、第２シール部材４２は、面１６ａ側に設けられる凸状シール４２ａを有する。凸状シール４２ａは、面１６ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと燃料ガス流路３２とを囲繞してこれらを連通させる。

第１シール部材４０及び第２シール部材４２には、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。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、図２、図４及び図５に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１２ａを備える。段差ＭＥＡとは、一方の電極の平面寸法と他方の電極の平面寸法とが異なる、すなわち、段差を有するＭＥＡである。詳細は、後述する。

電解質膜・電極構造体１２ａは、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）４４を有する。固体高分子電解質膜４４の一方の面には、カソード電極４６が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜４４の他方の面には、アノード電極４８が設けられる。固体高分子電解質膜４４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

アノード電極４８の平面寸法（外形寸法）は、固体高分子電解質膜４４及びカソード電極４６の平面寸法（外形寸法）よりも小さな寸法を有する。カソード電極４６は、固体高分子電解質膜４４と、同一の平面寸法に設定される。

なお、上記の構成に代えて、カソード電極４６は、固体高分子電解質膜４４及びアノード電極４８よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。また、電解質膜・電極構造体１２ａは、段差ＭＥＡに限定されるものではなく、アノード電極４８とカソード電極４６とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

カソード電極４６及びアノード電極４８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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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４４の両面に形成される。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜４４の外周を周回して接合される樹脂枠部材５０を備える。

樹脂枠部材５０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）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等で構成される。

樹脂枠部材５０は、図１、図２、図４及び図５に示すように、電解質膜・電極構造体１２ａの外周端部を覆う断面コ字状を有する。電解質膜・電極構造体１２ａは、段差ＭＥＡを構成するため、断面コ字状の樹脂枠部材５０と強固に接合することができる。

図１に示すように、樹脂枠部材５０の一方の対角位置には、矢印Ｂ方向外方に膨出する酸化剤ガス用入口ブリッジ部（突起部）５２ａ及び酸化剤ガス用出口ブリッジ部（突起部）５２ｂが形成される。樹脂枠部材５０の他方の対角位置には、矢印Ｂ方向外方に膨出する燃料ガス用入口ブリッジ部（突起部）５４ａ及び燃料ガス用出口ブリッジ部（突起部）５４ｂが形成される。

酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａは、樹脂枠部材５０の一方の面５０ａ側で、第１金属セパレータ１４に当接する。酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２６ａ（図３参照）とを連結する複数本の酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１、５６ａ２、５６ａ３及び５６ａ４が形成される。

酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４は、酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印Ｂ方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。なお、図１及び図４には、４本の酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４が記載されているが、本数は、必要に応じて増減可能である。

図４に示すように、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５６ａｒが設けられる。各傾斜面５６ａｒは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから酸化剤ガス流路２４に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有する。傾斜面５６ａｒは、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の全長に亘って設けられていてもよく、又は、前記酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の途上（図４参照）まで設けられていてもよい。

図１に示すように、酸化剤ガス用出口ブリッジ部５２ｂは、樹脂枠部材５０の一方の面５０ａ側で、第１金属セパレータ１４に当接する。酸化剤ガス用出口ブリッジ部５２ｂには、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２６ｂとを連結する複数本の酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１、５６ｂ２、５６ｂ３及び５６ｂ４が形成される。

酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４は、酸化剤ガス用出口ブリッジ部５２ｂの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印Ｂ方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。なお、図１には、４本の酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４が記載されているが、本数は、必要に応じて増減可能である。

酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４の底部には、それぞれ傾斜面５６ｂｒが設けられる。各傾斜面５６ｂｒは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂから酸化剤ガス流路２４に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有する。傾斜面５６ｂｒは、酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４の全長に亘って設けられていてもよく、又は、前記酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４の途上まで設けられていてもよい。

図１に示すように、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａは、樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂ側で、第２金属セパレータ１６に当接する。図５及び図６に示すように、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部３４ａとを連結する複数本の燃料ガス入口連結流路５８ａ１、５８ａ２、５８ａ３及び５８ａ４が形成される。

燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４は、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印Ｂ方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４は、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａの外周端部から内方に離間した位置に設けられる。なお、図６には、４本の燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４が記載されているが、本数は、必要に応じて増減可能である。

図５に示すように、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５８ａｒが設けられる。各傾斜面５８ａｒは、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路３２に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有する。傾斜面５８ａｒは、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４の全長に亘って設けられていてもよく、又は、前記燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４の途上（図５参照）まで設けられていてもよい。

図１に示すように、燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂは、樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂ側で、第２金属セパレータ１６に当接する。図６に示すように、燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂには、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部３４ｂとを連結する複数本の燃料ガス出口連結流路５８ｂ１、５８ｂ２、５８ｂ３及び５８ｂ４が形成される。

燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４は、燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印Ｂ方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４は、燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂの外周端部から内方に離間した位置に設けられる。なお、図６には、４本の燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４が記載されているが、本数は、必要に応じて増減可能である。

燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４の底部には、それぞれ傾斜面５８ｂｒが設けられる。各傾斜面５８ｂｒは、燃料ガス出口連通孔２０ｂから燃料ガス流路３２に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有する。傾斜面５８ｂｒは、燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４の全長に亘って設けられていてもよく、又は、前記燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４の途上まで設けられていてもよい。

図２に示すように、樹脂枠部材５０は、一方の面５０ａに当接する第１金属セパレータ１４と接着剤６０ａにより接合される。樹脂枠部材５０は、他方の面５０ｂに当接する第２金属セパレータ１６と接着剤６０ｂにより接合される。接着剤６０ａ、６０ｂとしては、例えば、液状シールやホットメルト剤が用いられる。なお、接着剤６０ａ又は６０ｂのいずれか一方のみを用いてもよい。

また、樹脂枠部材５０は、上記の構成に限定されるものではなく、種々の形状を有する樹脂枠部材を使用することが可能であり、電解質膜・電極構造体１２ａの外周に接合して樹脂枠付きＭＥＡ１２を構成することができる。

このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、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には、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、上下一対の冷却媒体入口連通孔２２ａには、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及び図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１金属セパレータ１４の入口通路４３ａに供給される。入口通路４３ａの下流に隣接して、樹脂枠部材５０の酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａが配設されている。

従って、酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａの酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４を流通した後、入口バッファ部２６ａから酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス流路２４に沿って矢印Ｂ方向に移動して、電解質膜・電極構造体１２ａのカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図５に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａから第２金属セパレータ１６の面１６ｂ側に供給される。燃料ガスは、複数の供給孔部３６ａを通過して面１６ａ側に供給される。面１６ａでは、供給孔部３６ａに重なって樹脂枠部材５０の燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａが当接するとともに、前記燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａには、複数本の燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４が形成されている。

これにより、燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４を流通して入口バッファ部３４ａから燃料ガス流路３２に導入される。このため、燃料ガスは、燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動して、電解質膜・電極構造体１２ａのアノード電極４８に供給される。

これにより、電解質膜・電極構造体１２ａでは、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４８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、カソード電極４６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の出口バッファ部２６ｂから酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４を流通する。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出され、矢印Ａ方向に流通される。

同様に、アノード電極４８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、図１及び図６に示すように、第２金属セパレータ１６の出口バッファ部３４ｂから燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４を流通する。そして、燃料ガスは、排出孔部３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出され、矢印Ａ方向に流通される。

また、図１に示すように、上下一対の冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１６との間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２２ａから冷却媒体流路３８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方向に移動して樹脂枠付きＭＥＡ１２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、上下一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、樹脂枠部材５０の酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａには、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１、５６ａ２、５６ａ３及び５６ａ４が形成されている。そして、図４に示すように、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５６ａｒが設けられている。

傾斜面５６ａｒは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから酸化剤ガス流路２４に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有している。このため、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから供給される酸化剤ガスは、各傾斜面５６ａｒに沿って酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４に流れが乱れることなく円滑且つ確実に流入することができる。従って、酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａから入口バッファ部２６ａに対して、酸化剤ガスの流配特性を良好に向上させて圧損を低減させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、樹脂枠部材５０の酸化剤ガス用出口ブリッジ部５２ｂには、酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１、５６ｂ２、５６ｂ３及び５６ｂ４が形成されている。そして、酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４の底部には、それぞれ傾斜面５６ｂｒが設けられている。これにより、酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４から酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに酸化剤ガスを流れが乱れることなく円滑且つ確実に排出することができ、前記酸化剤ガスの流配特性を有効に向上させて圧損を低減させることが可能になる。

一方、図６に示すように、樹脂枠部材５０の燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａには、燃料ガス入口連結流路５８ａ１、５８ａ２、５８ａ３及び５８ａ４が形成されている。そして、図５に示すように、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５８ａｒが設けられている。

傾斜面５８ａｒは、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路３２に向かって深さが連続的に浅くなるテーパ形状を有している。このため、燃料ガス入口連通孔２０ａから供給される燃料ガスは、各傾斜面５８ａｒに沿って燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４に流れが乱れることなく円滑且つ確実に流入することができる。従って、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａから入口バッファ部３４ａに対して、燃料ガスの流配特性を良好に向上させて圧損を低減させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、樹脂枠部材５０の燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂには、燃料ガス出口連結流路５８ｂ１、５８ｂ２、５８ｂ３及び５８ｂ４が形成されている。そして、燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４の底部には、それぞれ傾斜面５８ｂｒが設けられている。これにより、燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４から燃料ガス出口連通孔２０ｂに燃料ガスを流れが乱れることなく円滑且つ確実に排出することができ、前記燃料ガスの流配特性を有効に向上させて圧損を低減させることが可能になる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る発電セル（燃料電池）７０の酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａにおける断面説明図であり、図８は、前記発電セル７０の燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａにおける断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る発電セル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７０は、樹脂枠付きＭＥＡ７２を備え、前記樹脂枠付きＭＥＡ７２は、電解質膜・電極構造体１２ａと樹脂枠部材７４とを接合して構成される。図７に示すように、樹脂枠部材７４の酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａには、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１、５６ａ２、５６ａ３及び５６ａ４が形成される。そして、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１、５６ａ２、５６ａ３及び５６ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５６ａ１ｒ、５６ａ２ｒ、５６ａ３ｒ及び５６ａ４ｒが設けられる。

傾斜面５６ａ１ｒ、５６ａ２ｒ、５６ａ３ｒ及び５６ａ４ｒは、矢印Ｂ方向に延在する基準線Ｏ１に対し、同一の起点Ｐ１からそれぞれ異なる傾斜角度α１゜、α２゜、α３゜及びα４゜だけ傾斜する。傾斜角度α１゜からα４゜に順次角度を大きくすることが好ましい。傾斜面５６ａ１ｒは、中央寄りであり、傾斜面５６ａ４ｒは、端部寄りである。なお、傾斜角度α１゜、α２゜、α３゜及びα４゜は、それぞれ酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１、５６ａ２、５６ａ３及び５６ａ４における酸化剤ガスの流量や流配状態等を考慮して設定される。すなわち、図示する大小関係は、視認性から便宜的に設定したものであり、この大小関係に限定されるものではない。

図８に示すように、樹脂枠部材７４の燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａには、燃料ガス入口連結流路５８ａ１、５８ａ２、５８ａ３及び５８ａ４が形成される。そして、燃料ガス入口連結流路５８ａ１、５８ａ２、５８ａ３及び５８ａ４の底部には、それぞれ傾斜面５８ａ１ｒ、５８ａ２ｒ、５８ａ３ｒ及び５８ａ４ｒが設けられる。

傾斜面５８ａ１ｒ、５８ａ２ｒ、５８ａ３ｒ及び５８ａ４ｒは、矢印Ｂ方向に延在する基準線Ｏ２に対し、同一の起点Ｐ２からそれぞれ異なる傾斜角度α５゜、α６゜、α７゜及びα８゜だけ傾斜する。傾斜角度α５゜からα８゜に順次角度を大きくすることが好ましい。傾斜面５８ａ１ｒは、中央寄りであり、傾斜面５８ａ４ｒは、外側寄りである。なお、傾斜角度α５゜、α６゜、α７゜及びα８゜は、それぞれ燃料ガス入口連結流路５８ａ１、５８ａ２、５８ａ３及び５８ａ４における燃料ガスの流量や流配状態等を考慮して設定される。すなわち、図示する大小関係は、視認性から便宜的に設定したものであり、この大小関係に限定されるものではない。

一方、樹脂枠部材７４の酸化剤ガス用出口ブリッジ部５２ｂには、酸化剤ガス出口連結流路５６ｂ１〜５６ｂ４が形成されており、上記の酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４と同様に構成される。また、樹脂枠部材７４の燃料ガス用出口ブリッジ部５４ｂには、燃料ガス出口連結流路５８ｂ１〜５８ｂ４が形成されており、上記の燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４と同様に構成される。

このように構成される第２の実施形態では、図７に示すように、樹脂枠部材７４の酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａには、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４が形成されている。そして、酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４の底部には、それぞれ異なる傾斜角度α１゜〜α４゜に設定された傾斜面５６ａ１ｒ〜５６ａ４ｒが形成されている。

このため、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから供給される酸化剤ガスは、各傾斜面５６ａ１ｒ〜５６ａ４ｒに沿って酸化剤ガス入口連結流路５６ａ１〜５６ａ４に円滑且つ確実に流入することができる。従って、酸化剤ガス用入口ブリッジ部５２ａから入口バッファ部２６ａへの酸化剤ガスの流配特性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、図８に示すように、樹脂枠部材７４の燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａには、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４が形成されている。そして、燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４の底部には、それぞれ異なる傾斜角度α５゜〜α８゜に設定された傾斜面５８ａ１ｒ〜５８ａ４ｒが形成されている。

これにより、流配特性が向上し、燃料ガス入口連通孔２０ａから供給される燃料ガスは、各傾斜面５８ａ１ｒ〜５８ａ４ｒに沿って燃料ガス入口連結流路５８ａ１〜５８ａ４に円滑且つ確実に流入することができる。このため、燃料ガス用入口ブリッジ部５４ａから入口バッファ部３４ａへの燃料ガスの流配特性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

なお、発電セル１０、７０は、１枚のＭＥＡを一対のセパレータにより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金属セパレータ、第１樹脂枠付きＭＥＡ、第２金属セパレータ、第２樹脂枠付きＭＥＡ及び第３セパレータの順に積層された発電ユニット（燃料電池）を有し、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造の燃料電池を採用してもよい。

１０、７０…発電セル １２、７２…樹脂枠付きＭＥＡ
１２ａ…電解質膜・電極構造体 １４、１６…金属セパレータ
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…酸化剤ガス流路 ２６ａ、３４ａ…入口バッファ部
２６ｂ、３４ｂ…出口バッファ部 ３２…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路 ４４…固体高分子電解質膜
４６…カソード電極 ４８…アノード電極
５０、７４…樹脂枠部材 ５２ａ…酸化剤ガス用入口ブリッジ部
５２ｂ…酸化剤ガス用出口ブリッジ部 ５４ａ…燃料ガス用入口ブリッジ部
５４ｂ…燃料ガス用出口ブリッジ部
５６ａ１〜５６ａ４…酸化剤ガス入口連結流路
５６ａｒ、５６ａ１ｒ、５６ａ２ｒ、５６ａ３ｒ、５６ａ４ｒ、５６ｂｒ、５８ａｒ、５８ａ１ｒ、５８ａ２ｒ、５８ａ３ｒ、５８ａ４ｒ、５８ｂｒ…傾斜面
５６ｂ１〜５６ｂ４…酸化剤ガス出口連結流路
５８ａ１〜５８ａ４…燃料ガス入口連結流路
５８ｂ１〜５８ｂ４…燃料ガス出口連結流路

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜の両面に電極が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きＭＥＡと、
   前記樹脂枠付きＭＥＡの両側に積層されるセパレータと、
   を備える燃料電池であって、
   前記セパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
   前記反応ガスを前記樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、
   が形成される一方、
   前記樹脂枠部材には、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結させるブリッジ部が設けられるとともに、
   前記ブリッジ部は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通させる複数本の連結流路を有し、且つ、前記連結流路の底部には、傾斜面が設けられてい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、前記傾斜面は、前記連結流路毎に傾斜角度が異なってい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、前記傾斜面は、前記反応ガス連通孔から前記反応ガス流路に向かって深さが連続的に浅くなっていることを特徴とする燃料電池。

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