JP4081433B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層す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を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池では、アノード側セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、カソード側セパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れ且つ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用い、この金属セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化且つ軽量化する工夫がなされている。

例えば、図１８に示す燃料電池１は、アノード側電極２とカソード側電極３との間に電解質膜４が介装された電解質膜・電極構造体５と、前記電解質膜・電極構造体５を挟持する一対の金属セパレータ６ａ、６ｂとを備えている。

金属セパレータ６ａには、アノード側電極２に対向する面に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給するための燃料ガス流路７ａが設けられる一方、金属セパレータ６ｂには、カソード側電極３に対向する面に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス流路７ｂが設けられている。金属セパレータ６ａ、６ｂには、アノード側電極２及びカソード側電極３に当接する平坦部８ａ、８ｂが設けられるとともに、前記平坦部８ａ、８ｂの裏面（当接面とは反対の面）側に冷却媒体を流すための冷却媒体流路９ａ、９ｂが形成されている。

ところが、上記の金属セパレータ６ａ、６ｂでは、燃料ガス流路７ａ及び酸化剤ガス流路７ｂの流路形状が設定されると、必然的に冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が決まってしまう。特に、長尺なガス流路長を確保するために、燃料ガス流路７ａ及び酸化剤ガス流路７ｂを電極面内で蛇行させるサーペンタイン流路で構成する場合、冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が著しく制限され、前記電極面内の流量にばらつきが発生することになる。

このため、金属セパレータ６ａ、６ｂの冷却媒体流路９ａ、９ｂに冷却媒体が淀む部分が発生し、前記金属セパレータ６ａ、６ｂの面方向全面にわたって冷却媒体を均一に流すことができないおそれがある。これにより、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが困難になるという問題が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１には、金属セパレータからなり、凹凸が形成されガス流路を形成する２枚の金属板と、該２枚の金属板の間に挟まれ、凹凸が形成され、表裏に冷却水流路を形成する中間金属板とを有する燃料電池用セパレータが開示されている。

特開２００２−７５３９５号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、金属セパレータは、ガス流路を形成する２枚の金属板と、該２枚の金属板の間に挟まれて表裏に冷却水流路を形成する１枚の中間金属板とを備えており、合計３枚の金属板が必要となっている。このため、特に多数の金属セパレータを積層して燃料電池スタックを構成する際に、部品点数が相当に増加して製造コストが高騰するとともに、金属セパレータの積層方向の寸法が大きくなり、燃料電池スタック全体が大型化してしまうという問題がある。

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、冷却媒体をセパレータの面内に均一且つ確実に流すことができ、良好な発電性能を確保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。

本発明では、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層するとともに、前記セパレータの両端中央部に積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成されている。

セパレータは、少なくとも互いに積層される第１及び第２金属プレートを備え、前記第１金属プレートは、カソード側電極の発電面に沿って酸化剤ガスを供給し且つ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設ける一方、前記第２金属プレートは、アノード側電極の発電面に沿って燃料ガスを供給し且つ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設けている。

第１及び第２金属プレート間には、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路と、冷却媒体連通孔から少なくとも逆方向である２方向に分岐して前記冷却媒体流路に連通する２以上のバッファ部とが設けられる。そして、少なくとも１のバッファ部は、冷却媒体連通孔から離間する奥側に冷却媒体の流れを規制して冷却面内に均一に前記冷却媒体を流通させるための凸部を設けている。

第１及び第２金属プレートには、それぞれ屈曲する流路、例えば、サーペンタイン流路を含む酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路が設けられるため、前記第１及び第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路は、部分的に冷却媒体の流れ状態が異なってしまう。

具体的には、第１及び第２金属プレート間には、互いの流路溝同士が重なって延在する重合部と、互いの流路溝同士が交わる交差部とが存在している。その際、重合部では、流路溝が深溝になって流路抵抗が低減される一方、交差部では、流路溝が浅溝になって流路抵抗が増加してしまう。このため、冷却媒体流路内において、両端部側の重合部の長さが中央部側に比べて長尺となり、冷却媒体は前記両端部側で流れ易くなっている。

そこで、冷却媒体が流れ易い部位に対応して、すなわち、バッファ部の冷却媒体連通孔から離間する奥側に、前記冷却媒体の流れを規制する凸部が設けられている。

また、反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、冷却媒体連通孔は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、バッファ部は、前記冷却媒体入口連通孔から少なくとも２方向に分岐して冷却媒体流路に連通する２以上の入口バッファ部と、前記冷却媒体出口連通孔から少なくとも２方向に分岐して前記冷却媒体流路に連通する２以上の出口バッファ部とを有することが好ましい。

さらに、第１金属プレートには、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部及び第１出口バッファ部が設けられるとともに、第２金属プレートには、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に連通し且つ前記第１入口バッファ部及び前記第１出口バッファ部とは異なる位置に第２入口バッファ部及び第２出口バッファ部が設けられることが好ましい。

さらにまた、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、セパレータの両端に３つずつ振り分けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記セパレータの両端中央部に配設されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体連通孔に連通するバッファ部に、冷却媒体が流れ易い部位に対応して凸部が設けられるため、前記部位での冷却媒体の流れが規制される。このため、冷却媒体流路全体にわたって冷却媒体の流れ状態が均一になる。これにより、簡単な構成で、冷却媒体をセパレータの面内に均一且つ確実に流すことができ、発電面全面を有効に冷却して良好な発電性能を確保することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０を構成する冷却媒体流路４２（後述する）の斜視説明図であり、図３は、前記冷却媒体流路４２の正面説明図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１及び第２金属プレート１４、１６を備える（図１、図４〜図７参照）。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印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２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８及びカソード側電極３０は、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを避けるように、矢印Ｂ方向両端部中央を内方に切り欠いて構成される。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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た電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。

図１及び図８に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂに連通する。入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂは、複数の連結路３６ａ、３６ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。

入口バッファ部３４ａと出口バッファ部３４ｂとは、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の酸化剤ガス流路溝３２ａを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３２ａは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、具体的には、矢印Ｂ方向に一往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成している。

第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図２及び図３に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、２つの出口バッファ部４８、５０とを備える。

冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部４４、４６とは、それぞれ複数の入口流路溝５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４８、５０とは、それぞれ複数の出口流路溝５６、５８を介して連通する。

冷却媒体流路４２は、下部側に矢印Ｂ方向に延在する長尺な直線状流路溝６０、６２、６４及び６６を有するとともに、上部側に矢印Ｂ方向に延在する長尺な直線状流路溝６８、７０、７２及び７４を有する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。

直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７２、７６及び７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６及び７６と直線状流路溝６８、７０及び７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８及び９０を介して連通する。

冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１及び第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。

図９に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、冷却媒体流路４２の一部が形成される。なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状の部分は図示を省略する。また、図１０に示す第２金属プレート１６の面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された燃料ガス流路９８が前記面１６ａに凸状に突出する部分は図示を省略する。

面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部５０とが設けられる。面１４ｂには、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成する溝部６０ａ〜７８ａが、矢印Ｂ方向に所定の長さにわたって設けられるとともに、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａが、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。

入口バッファ部４４には、冷却媒体入口連通孔２２ａから離間する奥側に、すなわち、冷却媒体流路４２の下端側に、冷却媒体の流れを規制する凸部９２ａが設けられる（図６及び図９参照）。出口バッファ部５０には、冷却媒体出口連通孔２２ｂから離間する奥側に、すなわち、冷却媒体流路４２の上端側に、冷却媒体の流れを規制する凸部９２ｂが設けられる。凸部９２ａ、９２ｂは、第１金属プレート１４にプレス成形によって一体成形されており、面１４ａ側で凹部を構成するとともに、この凹部は、酸化剤ガスが流入しないように閉塞構造を有する。

第１金属プレート１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属プレート１４の外周縁部を周回して第１シール部材９４が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材９４は、平坦シールを構成するとともに、面１４ａには、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う線状シール９４ａを有する。線状シール９４ａの一部は、連結路３６ａ、３６ｂを形成する仕切り壁を構成している。

図１０に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、入口バッファ部４６と出口バッファ部４８とが設けられる。面１６ａには、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成する溝部６０ｂ〜７８ｂが、矢印Ｂ方向に所定の長さにわたって設けられるとともに、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。

冷却媒体流路４２には、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部がそれぞれの溝部６０ａ〜７８ａ及び６０ｂ〜７８ｂを互いに対向させることにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図２及び図３参照）。直線状流路溝８０〜９０は、一部を重合させてそれぞれ第１及び第２金属プレート１４、１６に振り分けられている。

入口バッファ部４６には、図１０に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから離間する奥側に、すなわち、冷却媒体流路４２の上端側に、冷却媒体の流れを規制する凸部９６ａが設けられる。出口バッファ部４８には、冷却媒体出口連通孔２２ｂから離間する奥側に、すなわち、冷却媒体流路４２の下端側に、冷却媒体の流れを規制する凸部９６ｂが設けられる。凸部９６ａ、９６ｂは、図１１に示すように、面１６ｂ側で凹部を構成しており、この凹部は、燃料ガスが流入しないように閉塞構造を有する。

第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側に向かう面１６ｂには、燃料ガス流路９８が設けられる。燃料ガス流路９８は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる入口バッファ部１００ａと、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる出口バッファ部１００ｂとに連通する。

入口バッファ部１００ａ及び出口バッファ部１００ｂは、複数の連結路１０２ａ、１０２ｂを介して燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。燃料ガス流路９８を構成する複数の燃料ガス流路溝９８ａは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、具体的には、矢印Ｂ方向に一往復半だけ屈曲するサーペンタイン流路を構成している。

第２金属プレート１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属プレート１６の外周縁部を周回して第２シール部材１０４が射出成形等により一体的に設けられる。第２シール部材１０４は、平坦シールを構成するとともに、面１６ａには、図１０に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路４２を覆って冷却媒体の漏れ止めを行う線状シール１０４ａを有する。面１６ｂには、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び燃料ガス流路９８を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う線状シール１０４ｂを有する。

線状シール１０４ａの一部は、入口流路溝５２、５４及び出口流路溝５６、５８を形成する仕切り壁を構成している（図１０参照）。線状シール１０４ｂの一部は、連結路１０２ａ、１０２ｂを形成する仕切り壁を構成している（図１１参照）。

このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図８に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４ａに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３２ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝３２ａを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９８に導入される。この燃料ガス流路９８では、図１１に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部１００ａに導入された後、複数の燃料ガス流路溝９８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝９８ａを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図８参照）。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図１１参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図２〜図５に示すように、冷却媒体流路４２が冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する入口流路溝５２、５４を介して入口バッファ部４４、４６に一旦導入される。

入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、図２及び図３に示すように、直線状流路溝６０〜７８に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって供給された後、出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに出口流路溝５６、５８を介して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２及び図３に示すように、冷却媒体流路４２を構成する直線状流路溝６０〜７８において、流路断面積を拡大して矢印Ｂ方向に延在する主流路部分が上下方向（矢印Ｃ方向）外側に向かって長尺に構成されている。具体的には、直線状流路溝６０〜７８では、矢印Ｂ方向の主流路長が直線状流路溝６６、６８で最短となる一方、直線状流路溝６０、７４で最長となり、それぞれの主流路長差が相当に大きくなっている。冷却媒体は、入口バッファ部４４から直線状流路溝６６、６８に向かって流路抵抗の大きな交差部を通る一方、前記直線状流路溝６６、６８から出口バッファ部４８でも交差部を通るため、該直線状流路溝６６、６８では流量が減少してしまう。従って、直線状流路溝６０〜７８に沿って矢印Ｂ方向に流れる冷却媒体の流量にばらつきが生じ易く、特に、上下両端側の直線状流路溝６０、７４での流量が相当に増加してしまう。

そこで、第１の実施形態では、入口バッファ部４４及び出口バッファ部４８の下端側には、冷却媒体の流れを規制する凸部９２ａ、９６ｂが設けられるとともに、入口バッファ部４６及び出口バッファ部５０の上端側には、同様に冷却媒体の流れを規制する凸部９６ａ、９２ｂが設けられている。

入口バッファ部４４では、図６に示すように、第１金属プレート１４の面１４ｂに設けられる凸部９２ａは、第２金属プレート１６の面１６ａに接触しており、冷却媒体の流れが規制される。入口バッファ部４６では、図７に示すように、第２金属プレート１６に設けられる凸部９６ａが第１金属プレート１４の面１４ｂに接触し、冷却媒体の流れを規制している。

同様に、出口バッファ部４８、５０においても、第２金属プレート１６の凸部９６ｂは、第１金属プレート１４の面１４ｂに接触する一方、前記第１金属プレート１４の凸部９２ｂは、前記第２金属プレート１６の面１６ａに当接し、それぞれ冷却媒体の流れを規制している。

これにより、冷却媒体流路４２の矢印Ｃ方向両端側（上下端部側）で冷却媒体の流れが規制されるため、直線状流路溝６０〜７８の全体にわたって矢印Ｂ方向に冷却媒体の均一な流れ状態を得ることができる。具体的に、入口バッファ部４４、４６及び出口バッファ部４８、５０に凸部９２ａ、９６ａ及び９６ｂ、９２ｂを設けない構成で、冷却媒体流路４２を流れる冷却媒体の流量を検出した。その結果、図１２に示すように、冷却媒体流路４２の上下端部で冷却媒体の流量が相当に増加していた。また、直線状流路溝６６、６８では、流量が減少していた。

これに対して、第１の実施形態では、図１３に示すように、冷却媒体流路４２の上下端部に対応して、凸部９２ａ、９６ａ、９６ｂ及び９２ｂを設けることにより、前記冷却媒体流路４２の矢印Ｃ方向に沿った冷却媒体の流量は、略均一に維持された。従って、第１の実施形態では、簡単な構成で、冷却媒体をセパレータ１３の面内に均一且つ確実に供給することができ、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１０ａを構成する凸部９２ｃの断面説明図であり、図１５は、前記燃料電池１０ａを構成する凸部９６ｃの断面説明図である。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

凸部９２ｃでは、第１金属プレート１４の面１４ｂに凸部１１０が設けられる。この凸部１１０は、ゴム材料により第１金属プレート１４の面１４ｂに一体成形されており、前記凸部１１０が第２金属プレート１６の面１６ａに当接して冷却媒体の流れを規制している。図１５に示すように、凸部９６ｃでは、同様に第２金属プレート１６の面１６ａには、ゴム材料が一体成形されて凸部１１２が設けられる。この凸部１１２は、第１金属プレート１４の面１４ｂに当接して冷却媒体の流れを規制する。

このように構成される第２の実施形態では、凸部１１０、１１２がそれぞれ第２及び第１金属プレート１６、１４にゴム材料を一体成形することにより設けられており、凸部９２ａ、９６ａが前記第２及び第１金属プレート１６、１４にプレス成形される第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１０ｂを構成する凸部９２ｄの断面説明図であり、図１７は、前記燃料電池１０ｂを構成する凸部９６ｄの断面説明図である。

凸部９２ｄでは、予め、所定の形状に成形されたゴム製凸部１１４が第１金属プレート１４の面１４ｂに貼り付けられており、前記凸部１１４が第２金属プレート１６の面１６ａに当接する。図１７に示すように、凸部９６ｄでは、同様に予め所定の形状に成形されたゴム製凸部１１６が第２金属プレート１６の面１６ａに貼り付けられており、前記凸部１１６は、第１金属プレート１４の面１４ｂに当接している。これにより、第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する冷却媒体流路の斜視説明図である。 前記冷却媒体流路の正面説明図である。 前記燃料電池の図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記燃料電池の図３中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記燃料電池の図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 前記燃料電池の図３中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第１金属プレートの一方の面の説明図である。 前記第１金属プレートの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属プレートの一方の面の説明図である。 前記第２金属プレートの他方の面の説明図である。 凸部を設けない比較例を用いた際の冷却媒体の流量の説明図である。 第１の実施形態の冷却媒体の流量の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する一方の凸部の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する他方の凸部の断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する一方の凸部の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する他方の凸部の断面説明図である。 電解質膜・電極構造体を一組の金属セパレータで挟持した燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１３…セパレータ １４、１６…金属プレート
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３２…酸化剤ガス流路
３２ａ…酸化剤ガス流路溝
３４ａ、４４、４６、１００ａ…入口バッファ部
３４ｂ、４８、５０、１００ｂ…出口バッファ部
４２…冷却媒体流路 ５２、５４…入口流路溝
５６、５８…出口流路溝 ６０〜９０…直線状流路溝
９２ａ〜９２ｄ、９６ａ〜９６ｄ、１１０〜１１６…凸部
９８…燃料ガス流路

Claims (4)

1. 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層するとともに、前記セパレータの両端中央部に積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータは、少なくとも互いに積層される第１及び第２金属プレートを備え、
   前記第１金属プレートは、前記カソード側電極の発電面に沿って酸化剤ガスを供給し且つ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設ける一方、前記第２金属プレートは、前記アノード側電極の発電面に沿って燃料ガスを供給し且つ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設けるとともに、
   前記第１及び第２金属プレート間には、前記セパレータの面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路と、
   前記冷却媒体連通孔から少なくとも逆方向である２方向に分岐して前記冷却媒体流路に連通する２以上のバッファ部と、
   が設けられ、少なくとも１の前記バッファ部は、前記冷却媒体連通孔から離間する奥側に前記冷却媒体の流れを規制して冷却面内に均一に前記冷却媒体を流通させるための凸部を設け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、前記反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、
   前記冷却媒体連通孔は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、
   前記バッファ部は、前記冷却媒体入口連通孔から少なくとも２方向に分岐して前記冷却媒体流路に連通する２以上の入口バッファ部と、
   前記冷却媒体出口連通孔から少なくとも２方向に分岐して前記冷却媒体流路に連通する２以上の出口バッファ部と、
   を有す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金属プレートには、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部及び第１出口バッファ部が設けられるとともに、
   前記第２金属プレートには、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に連通し且つ前記第１入口バッファ部及び前記第１出口バッファ部とは異なる位置に第２入口バッファ部及び第２出口バッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記燃料ガス入口連通孔、前記酸化剤ガス入口連通孔、前記冷却媒体入口連通孔、前記燃料ガス出口連通孔、前記酸化剤ガス出口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記セパレータの両端に３つずつ振り分けられるとともに、
   前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記セパレータの両端中央部に配設されることを特徴とする燃料電池。

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