JP2017147141A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、バッファ部に生成水が滞留することを可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの第２樹脂枠部材７２の上面７２ｂには、燃料ガス出口バッファ部５０ｂを構成する凸部が設けられる。第２樹脂枠部材７２の下面７２ａは、全面に亘って平坦面形状に形成される。第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの上方に配置される第３金属セパレータ２０の下面２０ａには、凹部のみが設けられる。第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの下方に配置される第２金属セパレータ１８の上面１８ｂには、凸部のみが設けられる。
【選択図】図２

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有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが重力方向に積層される燃料電池スタックに関する。

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。この発電セルは、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は、開口幅寸法が反応ガス流路の流路幅寸法に比べて相当に小さな寸法に設定されている。従って、反応ガス流路における反応ガスの流れを均等且つ円滑に行うために、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、前記反応ガスを良好に配流させるバッファ部が必要になっている。

そこで、簡単且つ経済的な構成で、各反応ガスを各反応ガス流路に沿って円滑且つ均一に流通させることを課題とする燃料電池が、特許文献１に開示されている。この燃料電池は、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠部材が設けられている。そして、樹脂枠部材の一方の面には、一方の反応ガス流路に連結される第１のバッファ部が形成されるとともに、他方の面には、他方の反応ガス流路に連結され、前記第１のバッファ部とは個別に構成される第２のバッファ部が形成されている。

従って、樹脂枠部材の両面には、それぞれ所望の形状を有する第１のバッファ部と第２のバッファ部とを個別に形成することが可能になる。このため、第１の反応ガス流路及び第２の反応ガス流路には、それぞれ反応ガスを円滑に流通させることができる、としている。

特開２０１３−２０１０８５号公報

本発明は、この種の燃料電池に関連してなされたものであり、簡単且つコンパクトな構成で、バッファ部に生成水が滞留することを可及的に抑制し反応ガスを円滑に流通させることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、発電セルを備え、複数の前記発電セルは、電極面を水平方向に沿って配置した状態で、重力方向に積層されている。発電セルは、両面に電極が設けられた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、を有している。

樹脂枠付きＭＥＡとセパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成され、さらに前記樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとの積層方向に前記反応ガスを流通させる反応ガス連通孔が形成されている。そして、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、電極面の発電領域外に設けられたバッファ部を介して連通している。

この燃料電池スタックでは、樹脂枠部材の上面には、バッファ部を構成する凸部が上方に向かって設けられる一方、前記樹脂枠部材の下面は、全面に亘って平坦面形状に形成されている。樹脂枠付きＭＥＡの上面に対向するセパレータの下面には、バッファ部を構成する凹部のみが、樹脂枠部材の上面に対向して設けられている。さらに、樹脂枠付きＭＥＡの下面に対向するセパレータの上面には、バッファ部を構成する凸部のみが、樹脂枠部材の下面に対向して設けられている。

本発明によれば、樹脂枠部材の上面には、バッファ部を構成する凸部が上方に向かって設けられる一方、前記樹脂枠部材の下面は、全面に亘って平坦面形状に形成されている。このため、樹脂枠部材は、簡単且つコンパクトな構成で、バッファ部の厚さを良好に確保することができる。

しかも、上方のセパレータの下面には、樹脂枠部材の上面に対向して凹部のみが設けられるとともに、下方のセパレータの上面には、前記樹脂枠部材の下面に対向して凸部のみが設けられている。従って、バッファ部を構成する各凸部は、下方に向かって凹形状を有することがなく、前記凹形状に生成水が溜まることを阻止することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、バッファ部に生成水が滞留することを可及的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線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第１樹脂枠付きＭＥＡの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２樹脂枠付きＭＥＡの正面説明図である。

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スタック１０は、発電セル１２を備える。複数の発電セル１２は、電極面を水平方向（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に沿って配置した状態で、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しないが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として使用される。

発電セル１２は、第１金属セパレータ１４、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂ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、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。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、発電セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、それぞれ矢印Ａ方向（積層方向）に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の長辺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、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側）には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、冷却媒体を供給する一対の冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部他方（燃料ガス入口連通孔２４ａ側）には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１４の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう上面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２８が形成される。第１酸化剤ガス流路２８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）を有する。

第１酸化剤ガス流路２８の入口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス入口バッファ部３２ａが連なる一方、前記第１酸化剤ガス流路２８の出口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス出口バッファ部３２ｂが連なる。酸化剤ガス入口バッファ部３２ａは、複数個のエンボス部（凸部）３２ａｅを有する。図２に示すように、エンボス部３２ａｅは、第１金属セパレータ１４の下面１４ｂに凹部のみを設けるように、すなわち、上面１４ａに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。

図１に示すように、酸化剤ガス出口バッファ部３２ｂは、複数個のエンボス部（凸部）３２ｂｅを有する。エンボス部３２ｂｅは、第１金属セパレータ１４の下面１４ｂに凹部のみを設けるように、すなわち、上面１４ａに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。酸化剤ガス入口バッファ部３２ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３３ａが形成される。酸化剤ガス出口バッファ部３２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３３ｂが形成される。

第１酸化剤ガス流路２８の裏面形状は、冷却媒体流路３０の一部を構成する。なお、エンボス部３２ａｅ、３２ｂｅは、円形の他、楕円や四角形等の多角形でもよい。酸化剤ガス入口バッファ部３２ａは、エンボス部３２ａｅとともに、又は該エンボス部３２ａｅに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。また、酸化剤ガス出口バッファ部３２ｂは、エンボス部３２ｂｅとともに、又は該エンボス部３２ｂｅに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。

図３に示すように、第２金属セパレータ１８の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう下面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。

第１燃料ガス流路３４の入口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス入口バッファ部３６ａが連なる一方、前記第１燃料ガス流路３４の出口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス出口バッファ部３６ｂが連なる。燃料ガス入口バッファ部３６ａは、複数個のエンボス部（凸部）３６ａｅを有する。エンボス部３６ａｅは、第２金属セパレータ１８の下面１８ａに上方に向かう凹部のみを設けるように、すなわち、上面１８ｂに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。

燃料ガス出口バッファ部３６ｂは、複数個のエンボス部（凸部）３６ｂｅを有する。図２に示すように、エンボス部３６ｂｅは、第２金属セパレータ１８の下面１８ａに凹部のみを設けるように、すなわち、上面１８ｂに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。

図３に示すように、燃料ガス入口バッファ部３６ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝３８ａが形成され、前記入口連結溝３８ａが蓋体４０ａにより覆われる。燃料ガス出口バッファ部３６ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝３８ｂが形成され、前記出口連結溝３８ｂが蓋体４０ｂに覆われる。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう上面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とに連通する第２酸化剤ガス流路４２が形成される。第２酸化剤ガス流路４２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）を有する。第２金属セパレータ１８に形成される第２酸化剤ガス流路４２の裏面形状が、第１燃料ガス流路３４の形状である。

第２酸化剤ガス流路４２の入口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス入口バッファ部４４ａが連なる一方、前記第２酸化剤ガス流路４２の出口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂが連なる。酸化剤ガス入口バッファ部４４ａは、複数個のエンボス部（凸部）４４ａｅを有する。図２に示すように、エンボス部４４ａｅは、第２金属セパレータ１８の上面１８ｂに凸部のみを設けるように、すなわち、下面１８ａに上方に向かって凹部のみが突出するように設けられたエンボス部３６ｂｅの裏面形状を構成する。

図１に示すように、酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂは、複数個のエンボス部（凸部）４４ｂｅを有する。エンボス部４４ｂｅは、第２金属セパレータ１８の上面１８ｂに凸部のみを設けるように、すなわち、下面１８ａに上方に向かって凹部のみが突出するように設けられたエンボス部３６ａｅの裏面形状を構成する。

酸化剤ガス入口バッファ部４４ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝４６ａが形成される。酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝４６ｂが形成される。

図４に示すように、第３金属セパレータ２０の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう下面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。第２燃料ガス流路４８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）を有する。

第２燃料ガス流路４８の入口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス入口バッファ部５０ａが連なる一方、前記第２燃料ガス流路４８の出口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス出口バッファ部５０ｂが連なる。燃料ガス入口バッファ部５０ａは、複数個のエンボス部（凸部）５０ａｅを有する。エンボス部５０ａｅは、第３金属セパレータ２０の下面２０ａに上方に向かう凹部のみを設けるように、すなわち、上面２０ｂに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。

燃料ガス出口バッファ部５０ｂは、複数個のエンボス部（凸部）５０ｂｅを有する。図２に示すように、エンボス部５０ｂｅは、第３金属セパレータ２０の下面２０ａに凹部のみを設けるように、すなわち、前記第３金属セパレータ２０の上面２０ｂに上方に向かって凸部のみが突出するように構成される。

図４に示すように、燃料ガス入口バッファ部５０ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝５２ａが形成され、前記入口連結溝５２ａが蓋体５４ａにより覆われる。燃料ガス出口バッファ部５０ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝５２ｂが形成され、前記出口連結溝５２ｂが蓋体５４ｂに覆われる。

図１に示すように、互いに隣接する第３金属セパレータ２０の上面２０ｂと第１金属セパレータ１４の下面１４ｂとの間には、冷却媒体流路３０が形成される。冷却媒体流路３０は、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａと一対の冷却媒体入口連通孔２６ａとを連通する。

第１金属セパレータ１４の上面１４ａ及び下面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５６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の下面１８ａ及び上面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５８が一体成形される。第３金属セパレータ２０の下面２０ａ及び上面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６０が一体成形される。

第１シール部材５６、第２シール部材５８及び第３シール部材６０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ゴムシール部材が用いられる。

図２に示すように、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂ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６４を備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８により挟持される。固体高分子電解質膜６４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。

カソード電極６６は、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４の平面寸法よりも小さな平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６６、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６８は、カソード電極６６及び固体高分子電解質膜６４よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極６６及びアノード電極６８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た電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜６４の両面に形成される。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａは、カソード電極６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第１樹脂枠部材７０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、カソード電極６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第２樹脂枠部材７２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７０及び第２樹脂枠部材７２を構成する樹脂材としては、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。

樹脂材は、例えば、フィルム等により構成してもよい。第１樹脂枠部材７０及び第２樹脂枠部材７２の外形形状は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを含む各連通孔の内側に配置され、各連通孔が形成されない。

図５に示すように、第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６側の面、すなわち、下方に向かう下面７０ａは、全面に亘って平坦面形状を有する。図１に示すように、第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８側の面、すなわち、上方に向かう上面７０ｂには、複数個のエンボス部（凸部）７４ａと、複数本の直線状入口ガイド凸部（凸部）７６ａとが設けられる。

エンボス部７４ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられるとともに、直線状入口ガイド凸部７６ａは、第１燃料ガス流路３４に近接して設けられる。エンボス部７４ａ及び直線状入口ガイド凸部７６ａは、燃料ガス入口バッファ部３６ａを構成する。なお、エンボス部７４ａは、平坦面でもよく、直線状入口ガイド凸部７６ａは、エンボス部でもよい。

第１樹脂枠部材７０の上面７０ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する複数個のエンボス部（凸部）７４ｂと、第１燃料ガス流路３４に近接する複数本の直線状出口ガイド凸部（凸部）７６ｂとが設けられる。エンボス部７４ｂ及び直線状出口ガイド凸部７６ｂは、燃料ガス出口バッファ部３６ｂを構成する。なお、エンボス部７４ｂは、平坦面でもよく、直線状出口ガイド凸部７６ｂは、エンボス部でもよい。

図６に示すように、第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６側の面、すなわち、下方に向かう下面７２ａは、全面に亘って平坦面形状を有する。図１に示すように、第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面、すなわち、上方に向かう上面７２ｂには、複数個のエンボス部（凸部）７８ａと、複数本の直線状入口ガイド凸部（凸部）８０ａとが設けられる。

エンボス部７８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられるとともに、直線状入口ガイド凸部８０ａは、第２燃料ガス流路４８に近接して設けられる。エンボス部７８ａ及び直線状入口ガイド凸部８０ａは、燃料ガス入口バッファ部５０ａを構成する。なお、エンボス部７８ａは、平坦面でもよく、直線状入口ガイド凸部８０ａは、エンボス部でもよい。

第２樹脂枠部材７２の上面７２ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する複数個のエンボス部（凸部）７８ｂと、第２燃料ガス流路４８に近接する複数本の直線状出口ガイド凸部（凸部）８０ｂとが設けられる。エンボス部７８ｂ及び直線状出口ガイド凸部８０ｂは、燃料ガス出口バッファ部５０ｂを構成する。なお、エンボス部７８ｂは、平坦面でもよく、直線状出口ガイド凸部８０ｂは、エンボス部でもよい。

発電セル１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電セル１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電セル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３０が形成される（図１及び図２参照）。

このように構成される燃料電池スタック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２２ａ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２４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａ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。

なお、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体は、鉛直方向上方に向かって供給されるとともに、鉛直方向下方に排出されているが、これに限定されるものではない。酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体は、鉛直方向下方に向かって供給されるとともに、鉛直方向上方に排出されてもよく、また、それぞれの流通方向は、適宜変更可能である。

図１に示すように、酸化剤ガスの一部は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結溝３３ａ及び酸化剤ガス入口バッファ部３２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２８に供給される。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結溝４６ａ及び酸化剤ガス入口バッファ部４４ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４２に供給される。

酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路２８に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのカソード電極６６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのカソード電極６６に供給される。

一方、燃料ガスの一部は、図１及び図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の入口連結溝３８ａを通って燃料ガス入口バッファ部３６ａに供給される。同様に、残余の燃料ガスは、図１及び図４に示すように、第３金属セパレータ２０の入口連結溝５２ａを通って燃料ガス入口バッファ部５０ａに供給される。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａを構成する第１樹脂枠部材７０の上面７０ｂには、燃料ガス入口バッファ部３６ａを構成するエンボス部７４ａ及び直線状入口ガイド凸部７６ａが設けられている。このため、燃料ガスは、第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に良好に供給される。

一方、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを構成する第２樹脂枠部材７２の上面７２ｂには、燃料ガス入口バッファ部５０ａを構成するエンボス部７８ａ及び直線状入口ガイド凸部８０ａが設けられている。このため、燃料ガスは、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４８に良好に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのアノード電極６８に供給される。同様に、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極６８に供給される。

従って、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂでは、各カソード電極６６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６８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樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの各カソード電極６６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口バッファ部３２ｂ及び４４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極６８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口バッファ部３６ｂ及び５０ｂに導入される。燃料ガスは、出口連結溝３８ｂ、５２ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３０に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２６ａから冷却媒体流路３０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方向に移動して第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂ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２６ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、例えば、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを構成する第２樹脂枠部材７２の上面７２ｂには、燃料ガス入口バッファ部５０ａを構成するエンボス部７８ａ及び直線状入口ガイド凸部８０ａが設けられている。上面７２ｂには、さらに燃料ガス出口バッファ部５０ｂを構成するエンボス部７８ｂ及び直線状出口ガイド凸部８０ｂが設けられている。一方、第２樹脂枠部材７２の下面７２ａは、全面に亘って平坦面形状に形成されている。

このため、第２樹脂枠部材７２は、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び燃料ガス出口バッファ部５０ｂの厚さを良好に確保することができる。

しかも、図２に示すように、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの上方に配置されている第３金属セパレータ２０の下面２０ａには、第２樹脂枠部材７２の上面７２ｂに対向して凹部（エンボス部５０ａｅ、５０ｂｅの凹部側）のみが設けられている。一方、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの下方に配置されている第２金属セパレータ１８の上面１８ｂには、第２樹脂枠部材７２の下面７２ａに対向して凸部（エンボス部４４ａｅ、４４ｂｅの凸部側）のみが設けられている。

従って、第３金属セパレータ２０では、燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び燃料ガス出口バッファ部５０ｂを構成する各エンボス部５０ａｅ、５０ｂｅは、下方に向かって凹形状を有することがない。これにより、凹形状に生成水が溜まることを阻止することが可能になる。

同様に、第２金属セパレータ１８では、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂを構成する各エンボス部４４ａｅ、４４ｂｅは、下方に向かって凹形状を有することがない。このため、凹形状に生成水が溜まることを阻止することができるという効果が得られる。

従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガス入口バッファ部５０ａ、燃料ガス出口バッファ部５０ｂ、酸化剤ガス入口バッファ部４４ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部４４ｂに生成水が滞留することを可及的に抑制することが可能になる。

なお、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａと第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１８とは、上記の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂと前記第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０と同様の効果を得ることができる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４、１８、２０…金属セパレータ
１４ａ、１８ｂ、２０ｂ、７０ｂ、７２ｂ…上面
１４ｂ、１８ａ、２０ａ、７０ａ、７２ａ…下面
１６ａ、１６ｂ…樹脂枠付きＭＥＡ
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
２６ａ…冷却媒体入口連通孔 ２６ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８、４２…酸化剤ガス流路 ３０…冷却媒体流路
３２ａ、４４ａ…酸化剤ガス入口バッファ部
３２ａｅ、３２ｂｅ、３６ａｅ、３６ｂｅ、４４ａｅ、４４ｂｅ、５０ａｅ、５０ｂｅ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ…エンボス部
３２ｂ、４４ｂ…酸化剤ガス出口バッファ部
３４、４８…燃料ガス流路 ３６ａ、５０ａ…燃料ガス入口バッファ部
３６ｂ、５０ｂ…燃料ガス出口バッファ部
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード電極
６８…アノード電極 ７０、７２…樹脂枠部材
７６ａ、８０ａ…直線状入口ガイド凸部
７６ｂ、８０ｂ…直線状出口ガイド凸部

Claims (1)

1. 両面に電極が設けられた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、を有する発電セルを備え、複数の前記発電セルは、電極面を水平方向に沿って配置した状態で、重力方向に積層されており、前記樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとの間には、前記電極面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、さらに前記樹脂枠付きＭＥＡと前記セパレータとの積層方向に前記反応ガスを流通させる反応ガス連通孔が形成され、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とは、前記電極面の発電領域外に設けられたバッファ部を介して連通する燃料電池スタックであって、
   前記樹脂枠部材の上面には、前記バッファ部を構成する凸部が上方に向かって設けられる一方、前記樹脂枠部材の下面は、全面に亘って平坦面形状に形成され、
   前記樹脂枠付きＭＥＡの上面に対向する前記セパレータの下面には、前記バッファ部を構成する凹部のみが、前記樹脂枠部材の上面に対向して設けられるとともに、
   前記樹脂枠付きＭＥＡの下面に対向する前記セパレータの上面には、前記バッファ部を構成する凸部のみが、前記樹脂枠部材の下面に対向して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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