JP4344513B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）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およ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。
【０００３】
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が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、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
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（反応ガス流路）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（反応ガス流路）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。
【０００５】
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か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かつ軽量化する工夫がなされている（特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、図２３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を挟持する一組の金属セパレータ６ａ、６ｂとを備えている。
【０００７】
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およびカソード側電極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。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２２２２３７号公報（段落［００１８］、図３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の金属セパレータ６ａ、６ｂでは、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路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および酸化剤ガス流路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ることになる。これにより、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ず、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。
【００１０】
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、セパレータの面内に冷却媒体を均一に流すことができ、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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体と交互に積層されるセパレータが、少なくとも互いに積層される第１および第２金属プレートを備えている。第１金属プレートは、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設ける一方、第２金属プレートは、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設けている。
【００１２】
そして、第１および第２金属プレート間には、同一の冷却媒体入口連通孔に連通する２以上の入口バッファ部と、同一の冷却媒体出口連通孔に連通する２以上の出口バッファ部と、セパレータ面方向に沿って延在し前記２以上の入口バッファ部と前記２以上の出口バッファ部とを連通する直線状流路溝とを備える冷却媒体流路が設けられている。
【００１３】
このため、第１および第２金属プレート間では、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、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可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１金属プレートには、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部および第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、同一の前記冷却媒体入口連通孔および同一の前記冷却媒体出口連通孔に連通し、かつ前記第１入口バッファ部および前記第１出口バッファ部とは異なる位置に配置して第２入口バッファ部および第２出口バッファ部が設けられている。
【００１５】
これにより、第１および第２金属プレートは、それぞれ屈曲流路を含む燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられることによってバッファ部の配置が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ内に所望の形状を有する冷却媒体流路を確実に形成することが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス流路が、燃料ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、燃料ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第１金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。また、酸化剤ガス流路が、酸化剤ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、酸化剤ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第２金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。
【００１７】
このため、セパレータの面内に沿って燃料ガスおよび酸化剤ガスを円滑かつ均一に供給することができ、燃料電池の発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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の一部断面説明図である。
【００１９】
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および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００２０】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３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、および燃料ガス、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。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３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、およ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。
【００２２】
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てなる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およびカソード側電極３０とを備える。
【００２３】
アノード側電極２８およびカソード側電極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、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２４】
図１および図３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およ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３４および出口バッファ部３６を備え、前記入口バッファ部３４および前記出口バッファ部３６は、複数のエンボス３４ａ、３６ａにより構成されている。
【００２５】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ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、２箇所のリターン部Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半の屈曲する流路を構成している。
【００２６】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００２７】
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４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。入口バッファ部４４、４６および出口バッファ部４８、５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００２８】
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２本の入口流路溝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２本の出口流路溝５６、５８を介して連通する。
【００２９】
入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。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。
【００３０】
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６２〜７８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および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９０を介して連通する。
【００３１】
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および第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５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路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、該凸状部分は図示を省略する。また、図６に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分は図示を省略する。
【００３２】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の入口流路溝５２を介して連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の出口流路溝５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。
【００３３】
入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００３４】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、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。
【００３５】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂを構成する出口バッファ部４８とが設けられる。
【００３６】
入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００３７】
冷却媒体流路４２では、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および６０ｂ〜７８ｂが互いに対向することにより、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４および図７参照）。直線状流路溝８０〜９４は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている（図８参照）。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞して線状シール４０ａが介装されている。
【００３８】
図９に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６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９８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１００とを備える。
【００３９】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、複数のエンボス９８ａ、１００ａによって構成されており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃ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、２つのリターン部Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半の屈曲する流路を構成している。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞して線状シール４０ｂが設けられる。
【００４０】
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。
【００４１】
図１に示すように、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とともに、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。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。
【００４２】
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３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ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。
【００４３】
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９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図９に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃ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。
【００４４】
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。
【００４５】
次いで、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１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、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３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４６】
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および第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４に示すように、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に冷却媒体が一旦導入される。
【００４７】
入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４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および７６、７８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。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成される冷却媒体流路４２が、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けている。このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に分岐して入口バッファ部４４、４６に一旦導入された後、直線状流路溝６０〜９０を介して発電面方向に移動し、さらに出口バッファ部４８、５０に一旦導入されて冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出されている。
【００４９】
これにより、冷却媒体は、セパレータ１３の面内全面に沿って均一に流れることができ、電解質膜・電極構造体１２の発電面を均一に冷却し、燃料電池１０全体として安定した発電性能を得ることができるという効果が得られる。
【００５０】
その際、第１金属プレート１４では、面１４ａ側からプレス成形される酸化剤ガス流路３２を避ける位置に対応して冷却媒体流路４２の一部が形成されている。具体的には、図３に示すように、入口バッファ部３４を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの下方に入口バッファ部４４が設けられるとともに、出口バッファ部３６を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの上方に出口バッファ部５０が設けられる。さらに、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けて、それぞれ所定の形状に設定された溝部６０ａ〜９０ａが形成される（図３および図５参照）。このように、第１金属プレート１４の両方の面１４ａ、１４ｂに、それぞれ酸化剤ガス流路３２と冷却媒体流路４２とを形成することができる。
【００５１】
一方、第２金属プレート１６の面１６ａには、面１６ｂに形成される燃料ガス流路９６を避けるようにして、冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、図９に示すように、出口バッファ部１００を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの上方に入口バッファ部４６が設けられるとともに、入口バッファ部９８を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの下方に出口バッファ部４８が設けられる。さらに、蛇行する燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを避けるようにして、溝部６０ｂ〜９０ｂが所定の形状に設定される（図６および図９参照）。このように、第２金属プレート１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、それぞれ冷却媒体流路４２と燃料ガス流路９６とを形成することができる。
【００５２】
これにより、第１および第２金属プレート１４、１６は、それぞれ酸化剤ガス流路３２および燃料ガス流路９６が設けられることによって流路形状が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ１３内に所望の形状を有する冷却媒体流路４２を確実に形成することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視図である。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。なお、以下に示す第３〜第５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。
【００５４】
燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２とを交互に積層しており、前記セパレータ１１２は、互いに積層される第１および第２金属プレート１１４、１１６を備える。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。
【００５５】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４のカソード側電極３０側の面１１４ａには、酸化剤ガス流路１１８が設けられる。この酸化剤ガス流路１１８は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに２本の入口流路溝１２０を介して連通する入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに２本の出口流路溝１２２を介して連通する出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４および出口バッファ部３６は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ、１２４ｂおよび１２４ｃを介して連通する。
【００５６】
第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されるとともに、前記第２金属プレート１１６のアノード側電極２８側の面１１６ａには、燃料ガス流路１２５が形成される。
【００５７】
図１２に示すように、燃料ガス流路１２５は、燃料ガス入口連通孔２４ａに２本の入口流路溝１２７を介して連通する入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに２本の出口流路溝１２９を介して連通する出口バッファ部１００とを備える。入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ、１３１ｂおよび１３１ｃを介して連通する。
【００５８】
図１３に示すように、冷却媒体流路１２６は、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して設けられる入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに近接して設けられる出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１２８、１３０を介して連通する一方、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、同様に矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１３２、１３４を介して連通する。
【００５９】
直線状流路溝１２８、１３４の矢印Ｃ方向外方には、直線状流路溝１３６、１３８が形成されるとともに、直線状流路溝１３０、１３２間には、直線状流路溝１４０が形成される。
【００６０】
直線状流路溝１２８〜１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４２、１４４を介して連通し、直線状流路溝１２８〜１３４および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４６、１４８を介して連通する。直線状流路溝１３０、１３２および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１５０、１５２を介して連通する。
【００６１】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４の第２金属プレート１１６に対向する面１１４ｂには、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０が設けられる。面１１４ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ａ〜１４０ａが、酸化剤ガス流路を構成する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃの屈曲部分を避けて形成される。面１１４ｂには、矢印Ｃ方向に沿って直線状流路溝１４６、１４８および１５２が形成される。
【００６２】
図１２に示すように、第２金属プレート１１６の第１金属プレート１１４に対向する面１１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して入口バッファ部４４、４６が設けられる。面１１６ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ｂ〜１４０ｂが、燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃの屈曲部分を避けて形成される。この面１１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在して直線状流路溝１４２、１４６および１５０が形成される。面１１４ａ、１１６ａには、線状シール４０ｃ、４０ｄが設けられるとともに、面１１４ｂ、１１６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられている。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１金属プレート１１４の面１１４ａには、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃを介して連通する酸化剤ガス流路１１８が設けられる一方、第２金属プレート１１６の面１１６ａには、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃを介して連通する燃料ガス流路１２５が設けられている。
【００６４】
このため、第１および第２金属プレート１１４、１１６の面１１４ｂ、１１６ｂでは、冷却媒体用の流路形状が制限されるが、それぞれの制約部分を互いに補って、前記第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されている。
【００６５】
この場合、冷却媒体流路１２６では、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けることができる。これにより、セパレータ１１２の面内に沿って冷却媒体を均一に流すことが可能になり、電解質膜・電極構造体１２の電極面を均一に冷却して安定した電池性能を得ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１６０の正面説明図である。
【００６７】
第１金属プレート１６０の面１６０ａは、カソード側電極３０に対向しており、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１６２が設けられる。この酸化剤ガス流路１６２は、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する３本の酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを備え、前記酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する。酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、４つのリターン部を設けて矢印Ｂ方向に二往復半の流路構造に設定される。
【００６８】
図１５は、第１金属プレート１６０に積層される第２金属プレート１６６のアノード側電極２８に対向する面１６６ａの正面説明図である。
【００６９】
この面１６６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路１６８が設けられる。燃料ガス流路１６８は、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する３本の燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃを備える。燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃ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、４つのリターン部を有する二往復半の流路構造に設定される。
【００７０】
第１および第２金属プレート１６０、１６６間には、冷却媒体流路１７２が形成される。図１６に示すように、冷却媒体流路１７２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７４を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７６を介して連通する。
【００７１】
直線状流路溝１７４、１７６間には、矢印Ｂ方向に延在して互いに平行な８本の直線状流路溝１７８が形成される。直線状流路溝１７４〜１７８は、矢印Ｃ方向に延在する２本の直線状流路溝１８０を介して一体的に連通するとともに、この直線状流路溝１７４よりも短尺な２本の直線状流路溝１８２と、さらにこの直線状流路溝１８２よりも短尺でかつ断続的な２本の直線状流路溝１８４を介して連通する。
【００７２】
冷却媒体流路１７２は、第１および第２金属プレート１６０、１６６に振り分けられる。具体的には、図１４に示すように、第１金属プレート１６０の面１６０ｂには、入口バッファ部３４および出口バッファ部３６を避ける位置に、入口バッファ部４４および出口バッファ部５０が設けられる。この面１６０ｂには、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１７４〜１７８を構成する溝部１７４ａ〜１７８ａが形成されるとともに、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１８０〜１８４を構成する溝部１８０ａ〜１８４ａが形成される。溝部１７４ａ〜１８４ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを避けるために、所定の範囲内で形成されている。
【００７３】
図１５に示すように、第２金属プレート１６６の面１６６ｂには、出口バッファ部１００および入口バッファ部９８を避けて、入口バッファ部４６および出口バッファ部４８が設けられる。この面１６６ｂには、直線状流路溝１７４〜１８４の一部を構成する溝部１７４ｂ〜１８４ｂが、燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃに干渉しない位置に形成される。面１６０ａ、１６６ａには、線状シール４０ｅ、４０ｆが設けられるとともに、面１６０ｂ、１６６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００７４】
これにより、第１および第２金属プレート１６０、１６６は、流路形状が制約される部位を互いに補うことができ、全体として所望の流路構造を有する冷却媒体流路１７２を形成することが可能になる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
しかも、酸化剤ガス流路１６２および燃料ガス流路１６８は、電極面に沿って二往復半の流路構造を採用しており、流路長が長尺化されてガス流速およびガス圧損が大きくなり、生成水の排出性能が有効に向上するという利点がある。
【００７６】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１９０の正面説明図であり、図１８は、前記第１金属プレート１９０に積層される第２金属プレート１９２の正面説明図である。
【００７７】
第１金属プレート１９０のカソード側電極３０に対向する面１９０ａには、酸化剤ガス流路１９４が形成される。この酸化剤ガス流路１９４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口バッファ部１９６と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口バッファ部１９８とを備える。入口バッファ部１９６および出口バッファ部１９８は、複数のエンボス１９６ａ、１９８ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００７８】
入口バッファ部１９６には、６本の酸化剤ガス流路溝２００が連通しており、前記酸化剤ガス流路溝２００は、矢印Ｂ方向に延在した後に矢印Ｃ方向に屈曲し、それぞれ２本ずつが酸化剤ガス流路溝２０２に合流して矢印Ｂ方向に延在する。各酸化剤ガス流路溝２０２は、さらに２本ずつに分岐して６本の酸化剤ガス流路溝２０４が得られ、この酸化剤ガス流路溝２０４は、矢印Ｃ方向から矢印Ｂ方向に屈曲した後、出口バッファ部１９８に連通する。
【００７９】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２のアノード側電極２８に対向する面１９２ａには、燃料ガス流路２０６が形成される。この燃料ガス流路２０６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する入口バッファ部２０８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する出口バッファ部２１０とを備える。入口バッファ部２０８および出口バッファ部２１０は、複数のエンボス２０８ａ、２１０ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００８０】
入口バッファ部２０８には、６本の燃料ガス流路溝２１２が連通し、前記燃料ガス流路溝２１２が矢印Ｂ方向に延在した後、矢印Ｃ方向に屈曲してそれぞれ２本ずつが合流して３本の燃料ガス流路溝２１４が構成される。燃料ガス流路溝２１４は、矢印Ｂ方向に延在した後、それぞれ２本ずつに分岐して６本の燃料ガス流路溝２１６が形成され、前記燃料ガス流路溝２１６が矢印Ｃ方向に延在した後、矢印Ｂ方向に屈曲して出口バッファ部２１０に連通する。
【００８１】
第１金属プレート１９０の面１９０ｂと第２金属プレート１９２の面１９２ｂとの間には、冷却媒体流路２１８が形成される。図１９に示すように、冷却媒体流路２１８は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な２つの入口バッファ部２２０、２２２と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な出口バッファ部２２４、２２６とを備える。入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６は、それぞれ複数のエンボス２２０ａ、２２２ａおよび２２４ａ、２２６ａにより構成されている。
【００８２】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６とは、それぞれ６本の直線状流路溝２２８を介して矢印Ｂ方向に直接連通する。面１９０ａには、両端が開放して矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２３０が設けられる。
【００８３】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６との近傍には、矢印Ｃ方向に延在して長尺な直線状流路溝２３６が２本設けられ、前記直線状流路溝２３６間には、それぞれ所定の長さを有する８本の直線状流路溝２３８が設けられる。
【００８４】
冷却媒体流路２１８は、第１および第２金属プレート１９０、１９２に振り分けられる。図１７に示すように、第１金属プレート１９０の面１９０ｂには、入口バッファ部２２０および出口バッファ部２２６が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ａ、２３０ａおよび２３６ａ、２３８ａが形成される。
【００８５】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２の面１９２ｂには、入口バッファ部２２２および出口バッファ部２２４が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ｂ、２３０ｂおよび２３６ｂ、２３８ｂが形成される。面１９０ａ、１９２ａには、線状シール４０ｇ、４０ｈが設けられる一方、面１９０ｂ、１９２ｂ間には図示しない線状シールが設けられる。
【００８６】
このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１９４および燃料ガス流路２０６が溝数を６本から３本、さらに６本と変更して構成されている。このため、酸化剤ガス用の入口バッファ部１９６および出口バッファ部１９８と、燃料ガス用の入口バッファ部２０８と出口バッファ部２１０と、冷却媒体用の入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６とが、それぞれ矢印Ｃ方向に長尺に構成される。従って、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体を、一層均一かつ円滑に電極面に沿って供給することができるという効果が得られる。
【００８７】
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート２４０の正面説明図であり、図２は、前記第１金属プレート２４０に積層される第２金属プレート２４２の正面説明図である。
【００８８】
第１金属プレート２４０のカソード側電極に対向する面２４０ａには、酸化剤ガス流路２４４が形成される。この酸化剤ガス流路２４４は、４本の酸化剤ガス流路溝２４６を備え、前記酸化剤ガス流路溝２４６が矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行して入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する。
【００８９】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２のアノード側電極２８に対向する面２４２ａには、燃料ガス流路２４８が形成される。燃料ガス流路２４８は、３本の燃料ガス流路溝２５０を備え、前記燃料ガス流路溝２５０が矢印Ｂ方向に二往復半だけ蛇行して入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する。
【００９０】
第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、冷却媒体流路２５２が形成される。図２２に示すように、冷却媒体流路２５２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通し、それぞれ複数のエンボス２５４ａ、２５６ａにより構成される入口バッファ部２５４、２５６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通し、それぞれ複数のエンボス２５８ａ、２６０ａにより構成される出口バッファ部２５８、２６０とを備える。
【００９１】
入口バッファ部２５４、２５６と出口バッファ部２５８、２６０とは、矢印Ｂ方向に延在するそれぞれ４本の直線状流路溝２６２により直接連通している。一端が入口バッファ部２５６に連通し、他端が出口バッファ部２６０の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６４と、一端が出口バッファ部に２５８に連通し、他端が入口バッファ部２５４の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６６とが設けられるとともに、両端が開放されて矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２６８が設けられる。
【００９２】
入口バッファ部２５４、２５６の近傍および出口バッファ部２５８、２６０の近傍には、矢印Ｃ方向に長尺に形成される直線状流路溝２７０が設けられるとともに、前記直線状流路溝２７０の間には、それぞれ矢印Ｃ方向に所定の長さに設定される８本の直線状流路溝２７２が形成される。
【００９３】
冷却媒体流路２５２は、第１および第２金属プレート２４０、２４２の互いに対向する面２４０ｂ、２４２ｂに振り分けられる。図２０に示すように、第１金属プレート２４０の面２４０ｂには、入口バッファ部２５４および出口バッファ部２６０が設けられるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ａ〜２７２ａが形成される。
【００９４】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２の面２４２ｂには、入口バッファ部２５６および出口バッファ部２５８が形成されるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ｂ〜２７２ｂが形成される。面２４０ａ、２４２ａには、線状シール４０ｉ、４０ｊが設けられる一方、面２４０ｂ、２４２ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００９５】
このように構成される第５の実施形態では、第１および第２金属プレート２４０、２４２に、それぞれ異なる流路形状を有する酸化剤ガス流路２４４および燃料ガス流路２４８が形成されていても、前記第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、所定の形状を有する冷却媒体流路２５２を確実に形成することができるという効果が得られる。
【００９６】
なお、本発明は、前述した第１〜第５の実施形態に限定されるものではなく、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通するそれぞれ３以上の入口バッファ部および出口バッファ部を設けてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータを構成する第１および第２金属プレート間には、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、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可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２セパレータの正面説明図である。
【図７】図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面図である。
【図８】図４中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。
【図９】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１３】前記燃料電池を構成するセパレータ内に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１６】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１９】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図２１】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図２２】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２３】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１３、１１２…セパレータ
１４、１６、１１４、１１６、１６０、１６６、１９０、１９２、２４０、２４２…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、１１８、１６２、１９４、２４４…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８、１９６、２０８、２２０、２２２、２５４、２５６…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００、１９８、２１０、２２４、２２６、２５８、２６０…出口バッファ部
４０、４０ａ〜４０ｊ…線状シール
４２、１２６、１７２、２１８、２５２…冷却媒体流路
６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９４、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、２２８、２３０、２３６、２３８、２６２、２６４、２６６、２６８、２７０、２７２…直線状流路溝
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６４ａ、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７２ａ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９０ａ、９０ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１７８ａ、１８０ａ、１８４ａ、１８４ｂ、２２８ａ、２２８ｂ、２３０ａ、２３０ｂ、２３６ａ、２３６ｂ、２３８ａ、２３８ｂ、２６２ａ、２６２ｂ、２７２ａ、２７２ｂ…溝部
９６、１２５、１６８、２０６、２４８…燃料ガス流路
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）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およ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。
【０００３】
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が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、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
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（反応ガス流路）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（反応ガス流路）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。
【０００５】
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か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かつ軽量化する工夫がなされている（特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、図２３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を挟持する一組の金属セパレータ６ａ、６ｂとを備えている。
【０００７】
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およびカソード側電極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。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２２２２３７号公報（段落［００１８］、図３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の金属セパレータ６ａ、６ｂでは、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路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および酸化剤ガス流路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ることになる。これにより、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ず、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。
【００１０】
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、セパレータの面内に冷却媒体を均一に流すことができ、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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体と交互に積層されるセパレータが、少なくとも互いに積層される第１および第２金属プレートを備えている。第１金属プレートは、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設ける一方、第２金属プレートは、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設けている。
【００１２】
そして、第１および第２金属プレート間には、同一の冷却媒体入口連通孔に連通する２以上の入口バッファ部と、同一の冷却媒体出口連通孔に連通する２以上の出口バッファ部と、セパレータ面方向に沿って延在し前記２以上の入口バッファ部と前記２以上の出口バッファ部とを連通する直線状流路溝とを備える冷却媒体流路が設けられている。
【００１３】
このため、第１および第２金属プレート間では、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、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可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１金属プレートには、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部および第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、同一の前記冷却媒体入口連通孔および同一の前記冷却媒体出口連通孔に連通し、かつ前記第１入口バッファ部および前記第１出口バッファ部とは異なる位置に配置して第２入口バッファ部および第２出口バッファ部が設けられている。
【００１５】
これにより、第１および第２金属プレートは、それぞれ屈曲流路を含む燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられることによってバッファ部の配置が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ内に所望の形状を有する冷却媒体流路を確実に形成することが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス流路が、燃料ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、燃料ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第１金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。また、酸化剤ガス流路が、酸化剤ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、酸化剤ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第２金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。
【００１７】
このため、セパレータの面内に沿って燃料ガスおよび酸化剤ガスを円滑かつ均一に供給することができ、燃料電池の発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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の一部断面説明図である。
【００１９】
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および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００２０】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３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、および燃料ガス、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。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３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、およ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。
【００２２】
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てなる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およびカソード側電極３０とを備える。
【００２３】
アノード側電極２８およびカソード側電極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、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２４】
図１および図３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およ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３４および出口バッファ部３６を備え、前記入口バッファ部３４および前記出口バッファ部３６は、複数のエンボス３４ａ、３６ａにより構成されている。
【００２５】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ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、２箇所のリターン部Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半の屈曲する流路を構成している。
【００２６】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００２７】
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４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。入口バッファ部４４、４６および出口バッファ部４８、５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００２８】
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２本の入口流路溝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２本の出口流路溝５６、５８を介して連通する。
【００２９】
入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。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。
【００３０】
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６２〜７８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および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９０を介して連通する。
【００３１】
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および第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５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路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、該凸状部分は図示を省略する。また、図６に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分は図示を省略する。
【００３２】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の入口流路溝５２を介して連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の出口流路溝５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。
【００３３】
入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００３４】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、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。
【００３５】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂを構成する出口バッファ部４８とが設けられる。
【００３６】
入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００３７】
冷却媒体流路４２では、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および６０ｂ〜７８ｂが互いに対向することにより、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４および図７参照）。直線状流路溝８０〜９４は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている（図８参照）。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞して線状シール４０ａが介装されている。
【００３８】
図９に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６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９８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１００とを備える。
【００３９】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、複数のエンボス９８ａ、１００ａによって構成されており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃ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、２つのリターン部Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半の屈曲する流路を構成している。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞して線状シール４０ｂが設けられる。
【００４０】
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。
【００４１】
図１に示すように、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とともに、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。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。
【００４２】
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３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ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。
【００４３】
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９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図９に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃ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。
【００４４】
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。
【００４５】
次いで、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１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、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３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４６】
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および第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４に示すように、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に冷却媒体が一旦導入される。
【００４７】
入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４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および７６、７８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。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成される冷却媒体流路４２が、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けている。このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に分岐して入口バッファ部４４、４６に一旦導入された後、直線状流路溝６０〜９０を介して発電面方向に移動し、さらに出口バッファ部４８、５０に一旦導入されて冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出されている。
【００４９】
これにより、冷却媒体は、セパレータ１３の面内全面に沿って均一に流れることができ、電解質膜・電極構造体１２の発電面を均一に冷却し、燃料電池１０全体として安定した発電性能を得ることができるという効果が得られる。
【００５０】
その際、第１金属プレート１４では、面１４ａ側からプレス成形される酸化剤ガス流路３２を避ける位置に対応して冷却媒体流路４２の一部が形成されている。具体的には、図３に示すように、入口バッファ部３４を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの下方に入口バッファ部４４が設けられるとともに、出口バッファ部３６を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの上方に出口バッファ部５０が設けられる。さらに、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けて、それぞれ所定の形状に設定された溝部６０ａ〜９０ａが形成される（図３および図５参照）。このように、第１金属プレート１４の両方の面１４ａ、１４ｂに、それぞれ酸化剤ガス流路３２と冷却媒体流路４２とを形成することができる。
【００５１】
一方、第２金属プレート１６の面１６ａには、面１６ｂに形成される燃料ガス流路９６を避けるようにして、冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、図９に示すように、出口バッファ部１００を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの上方に入口バッファ部４６が設けられるとともに、入口バッファ部９８を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの下方に出口バッファ部４８が設けられる。さらに、蛇行する燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを避けるようにして、溝部６０ｂ〜９０ｂが所定の形状に設定される（図６および図９参照）。このように、第２金属プレート１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、それぞれ冷却媒体流路４２と燃料ガス流路９６とを形成することができる。
【００５２】
これにより、第１および第２金属プレート１４、１６は、それぞれ酸化剤ガス流路３２および燃料ガス流路９６が設けられることによって流路形状が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ１３内に所望の形状を有する冷却媒体流路４２を確実に形成することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視図である。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。なお、以下に示す第３〜第５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。
【００５４】
燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２とを交互に積層しており、前記セパレータ１１２は、互いに積層される第１および第２金属プレート１１４、１１６を備える。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。
【００５５】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４のカソード側電極３０側の面１１４ａには、酸化剤ガス流路１１８が設けられる。この酸化剤ガス流路１１８は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに２本の入口流路溝１２０を介して連通する入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに２本の出口流路溝１２２を介して連通する出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４および出口バッファ部３６は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ、１２４ｂおよび１２４ｃを介して連通する。
【００５６】
第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されるとともに、前記第２金属プレート１１６のアノード側電極２８側の面１１６ａには、燃料ガス流路１２５が形成される。
【００５７】
図１２に示すように、燃料ガス流路１２５は、燃料ガス入口連通孔２４ａに２本の入口流路溝１２７を介して連通する入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに２本の出口流路溝１２９を介して連通する出口バッファ部１００とを備える。入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ、１３１ｂおよび１３１ｃを介して連通する。
【００５８】
図１３に示すように、冷却媒体流路１２６は、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して設けられる入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに近接して設けられる出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１２８、１３０を介して連通する一方、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、同様に矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１３２、１３４を介して連通する。
【００５９】
直線状流路溝１２８、１３４の矢印Ｃ方向外方には、直線状流路溝１３６、１３８が形成されるとともに、直線状流路溝１３０、１３２間には、直線状流路溝１４０が形成される。
【００６０】
直線状流路溝１２８〜１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４２、１４４を介して連通し、直線状流路溝１２８〜１３４および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４６、１４８を介して連通する。直線状流路溝１３０、１３２および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１５０、１５２を介して連通する。
【００６１】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４の第２金属プレート１１６に対向する面１１４ｂには、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０が設けられる。面１１４ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ａ〜１４０ａが、酸化剤ガス流路を構成する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃの屈曲部分を避けて形成される。面１１４ｂには、矢印Ｃ方向に沿って直線状流路溝１４６、１４８および１５２が形成される。
【００６２】
図１２に示すように、第２金属プレート１１６の第１金属プレート１１４に対向する面１１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して入口バッファ部４４、４６が設けられる。面１１６ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ｂ〜１４０ｂが、燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃの屈曲部分を避けて形成される。この面１１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在して直線状流路溝１４２、１４６および１５０が形成される。面１１４ａ、１１６ａには、線状シール４０ｃ、４０ｄが設けられるとともに、面１１４ｂ、１１６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられている。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１金属プレート１１４の面１１４ａには、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃを介して連通する酸化剤ガス流路１１８が設けられる一方、第２金属プレート１１６の面１１６ａには、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃを介して連通する燃料ガス流路１２５が設けられている。
【００６４】
このため、第１および第２金属プレート１１４、１１６の面１１４ｂ、１１６ｂでは、冷却媒体用の流路形状が制限されるが、それぞれの制約部分を互いに補って、前記第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されている。
【００６５】
この場合、冷却媒体流路１２６では、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けることができる。これにより、セパレータ１１２の面内に沿って冷却媒体を均一に流すことが可能になり、電解質膜・電極構造体１２の電極面を均一に冷却して安定した電池性能を得ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１６０の正面説明図である。
【００６７】
第１金属プレート１６０の面１６０ａは、カソード側電極３０に対向しており、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１６２が設けられる。この酸化剤ガス流路１６２は、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する３本の酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを備え、前記酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する。酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、４つのリターン部を設けて矢印Ｂ方向に二往復半の流路構造に設定される。
【００６８】
図１５は、第１金属プレート１６０に積層される第２金属プレート１６６のアノード側電極２８に対向する面１６６ａの正面説明図である。
【００６９】
この面１６６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路１６８が設けられる。燃料ガス流路１６８は、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する３本の燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃを備える。燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃ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、４つのリターン部を有する二往復半の流路構造に設定される。
【００７０】
第１および第２金属プレート１６０、１６６間には、冷却媒体流路１７２が形成される。図１６に示すように、冷却媒体流路１７２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７４を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７６を介して連通する。
【００７１】
直線状流路溝１７４、１７６間には、矢印Ｂ方向に延在して互いに平行な８本の直線状流路溝１７８が形成される。直線状流路溝１７４〜１７８は、矢印Ｃ方向に延在する２本の直線状流路溝１８０を介して一体的に連通するとともに、この直線状流路溝１７４よりも短尺な２本の直線状流路溝１８２と、さらにこの直線状流路溝１８２よりも短尺でかつ断続的な２本の直線状流路溝１８４を介して連通する。
【００７２】
冷却媒体流路１７２は、第１および第２金属プレート１６０、１６６に振り分けられる。具体的には、図１４に示すように、第１金属プレート１６０の面１６０ｂには、入口バッファ部３４および出口バッファ部３６を避ける位置に、入口バッファ部４４および出口バッファ部５０が設けられる。この面１６０ｂには、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１７４〜１７８を構成する溝部１７４ａ〜１７８ａが形成されるとともに、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１８０〜１８４を構成する溝部１８０ａ〜１８４ａが形成される。溝部１７４ａ〜１８４ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを避けるために、所定の範囲内で形成されている。
【００７３】
図１５に示すように、第２金属プレート１６６の面１６６ｂには、出口バッファ部１００および入口バッファ部９８を避けて、入口バッファ部４６および出口バッファ部４８が設けられる。この面１６６ｂには、直線状流路溝１７４〜１８４の一部を構成する溝部１７４ｂ〜１８４ｂが、燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃに干渉しない位置に形成される。面１６０ａ、１６６ａには、線状シール４０ｅ、４０ｆが設けられるとともに、面１６０ｂ、１６６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００７４】
これにより、第１および第２金属プレート１６０、１６６は、流路形状が制約される部位を互いに補うことができ、全体として所望の流路構造を有する冷却媒体流路１７２を形成することが可能になる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
しかも、酸化剤ガス流路１６２および燃料ガス流路１６８は、電極面に沿って二往復半の流路構造を採用しており、流路長が長尺化されてガス流速およびガス圧損が大きくなり、生成水の排出性能が有効に向上するという利点がある。
【００７６】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１９０の正面説明図であり、図１８は、前記第１金属プレート１９０に積層される第２金属プレート１９２の正面説明図である。
【００７７】
第１金属プレート１９０のカソード側電極３０に対向する面１９０ａには、酸化剤ガス流路１９４が形成される。この酸化剤ガス流路１９４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口バッファ部１９６と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口バッファ部１９８とを備える。入口バッファ部１９６および出口バッファ部１９８は、複数のエンボス１９６ａ、１９８ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００７８】
入口バッファ部１９６には、６本の酸化剤ガス流路溝２００が連通しており、前記酸化剤ガス流路溝２００は、矢印Ｂ方向に延在した後に矢印Ｃ方向に屈曲し、それぞれ２本ずつが酸化剤ガス流路溝２０２に合流して矢印Ｂ方向に延在する。各酸化剤ガス流路溝２０２は、さらに２本ずつに分岐して６本の酸化剤ガス流路溝２０４が得られ、この酸化剤ガス流路溝２０４は、矢印Ｃ方向から矢印Ｂ方向に屈曲した後、出口バッファ部１９８に連通する。
【００７９】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２のアノード側電極２８に対向する面１９２ａには、燃料ガス流路２０６が形成される。この燃料ガス流路２０６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する入口バッファ部２０８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する出口バッファ部２１０とを備える。入口バッファ部２０８および出口バッファ部２１０は、複数のエンボス２０８ａ、２１０ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００８０】
入口バッファ部２０８には、６本の燃料ガス流路溝２１２が連通し、前記燃料ガス流路溝２１２が矢印Ｂ方向に延在した後、矢印Ｃ方向に屈曲してそれぞれ２本ずつが合流して３本の燃料ガス流路溝２１４が構成される。燃料ガス流路溝２１４は、矢印Ｂ方向に延在した後、それぞれ２本ずつに分岐して６本の燃料ガス流路溝２１６が形成され、前記燃料ガス流路溝２１６が矢印Ｃ方向に延在した後、矢印Ｂ方向に屈曲して出口バッファ部２１０に連通する。
【００８１】
第１金属プレート１９０の面１９０ｂと第２金属プレート１９２の面１９２ｂとの間には、冷却媒体流路２１８が形成される。図１９に示すように、冷却媒体流路２１８は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な２つの入口バッファ部２２０、２２２と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な出口バッファ部２２４、２２６とを備える。入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６は、それぞれ複数のエンボス２２０ａ、２２２ａおよび２２４ａ、２２６ａにより構成されている。
【００８２】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６とは、それぞれ６本の直線状流路溝２２８を介して矢印Ｂ方向に直接連通する。面１９０ａには、両端が開放して矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２３０が設けられる。
【００８３】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６との近傍には、矢印Ｃ方向に延在して長尺な直線状流路溝２３６が２本設けられ、前記直線状流路溝２３６間には、それぞれ所定の長さを有する８本の直線状流路溝２３８が設けられる。
【００８４】
冷却媒体流路２１８は、第１および第２金属プレート１９０、１９２に振り分けられる。図１７に示すように、第１金属プレート１９０の面１９０ｂには、入口バッファ部２２０および出口バッファ部２２６が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ａ、２３０ａおよび２３６ａ、２３８ａが形成される。
【００８５】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２の面１９２ｂには、入口バッファ部２２２および出口バッファ部２２４が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ｂ、２３０ｂおよび２３６ｂ、２３８ｂが形成される。面１９０ａ、１９２ａには、線状シール４０ｇ、４０ｈが設けられる一方、面１９０ｂ、１９２ｂ間には図示しない線状シールが設けられる。
【００８６】
このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１９４および燃料ガス流路２０６が溝数を６本から３本、さらに６本と変更して構成されている。このため、酸化剤ガス用の入口バッファ部１９６および出口バッファ部１９８と、燃料ガス用の入口バッファ部２０８と出口バッファ部２１０と、冷却媒体用の入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６とが、それぞれ矢印Ｃ方向に長尺に構成される。従って、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体を、一層均一かつ円滑に電極面に沿って供給することができるという効果が得られる。
【００８７】
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート２４０の正面説明図であり、図２は、前記第１金属プレート２４０に積層される第２金属プレート２４２の正面説明図である。
【００８８】
第１金属プレート２４０のカソード側電極に対向する面２４０ａには、酸化剤ガス流路２４４が形成される。この酸化剤ガス流路２４４は、４本の酸化剤ガス流路溝２４６を備え、前記酸化剤ガス流路溝２４６が矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行して入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する。
【００８９】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２のアノード側電極２８に対向する面２４２ａには、燃料ガス流路２４８が形成される。燃料ガス流路２４８は、３本の燃料ガス流路溝２５０を備え、前記燃料ガス流路溝２５０が矢印Ｂ方向に二往復半だけ蛇行して入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する。
【００９０】
第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、冷却媒体流路２５２が形成される。図２２に示すように、冷却媒体流路２５２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通し、それぞれ複数のエンボス２５４ａ、２５６ａにより構成される入口バッファ部２５４、２５６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通し、それぞれ複数のエンボス２５８ａ、２６０ａにより構成される出口バッファ部２５８、２６０とを備える。
【００９１】
入口バッファ部２５４、２５６と出口バッファ部２５８、２６０とは、矢印Ｂ方向に延在するそれぞれ４本の直線状流路溝２６２により直接連通している。一端が入口バッファ部２５６に連通し、他端が出口バッファ部２６０の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６４と、一端が出口バッファ部に２５８に連通し、他端が入口バッファ部２５４の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６６とが設けられるとともに、両端が開放されて矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２６８が設けられる。
【００９２】
入口バッファ部２５４、２５６の近傍および出口バッファ部２５８、２６０の近傍には、矢印Ｃ方向に長尺に形成される直線状流路溝２７０が設けられるとともに、前記直線状流路溝２７０の間には、それぞれ矢印Ｃ方向に所定の長さに設定される８本の直線状流路溝２７２が形成される。
【００９３】
冷却媒体流路２５２は、第１および第２金属プレート２４０、２４２の互いに対向する面２４０ｂ、２４２ｂに振り分けられる。図２０に示すように、第１金属プレート２４０の面２４０ｂには、入口バッファ部２５４および出口バッファ部２６０が設けられるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ａ〜２７２ａが形成される。
【００９４】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２の面２４２ｂには、入口バッファ部２５６および出口バッファ部２５８が形成されるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ｂ〜２７２ｂが形成される。面２４０ａ、２４２ａには、線状シール４０ｉ、４０ｊが設けられる一方、面２４０ｂ、２４２ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００９５】
このように構成される第５の実施形態では、第１および第２金属プレート２４０、２４２に、それぞれ異なる流路形状を有する酸化剤ガス流路２４４および燃料ガス流路２４８が形成されていても、前記第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、所定の形状を有する冷却媒体流路２５２を確実に形成することができるという効果が得られる。
【００９６】
なお、本発明は、前述した第１〜第５の実施形態に限定されるものではなく、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通するそれぞれ３以上の入口バッファ部および出口バッファ部を設けてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータを構成する第１および第２金属プレート間には、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、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可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２セパレータの正面説明図である。
【図７】図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面図である。
【図８】図４中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。
【図９】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１３】前記燃料電池を構成するセパレータ内に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１６】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１９】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図２１】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図２２】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２３】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１３、１１２…セパレータ
１４、１６、１１４、１１６、１６０、１６６、１９０、１９２、２４０、２４２…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、１１８、１６２、１９４、２４４…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８、１９６、２０８、２２０、２２２、２５４、２５６…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００、１９８、２１０、２２４、２２６、２５８、２６０…出口バッファ部
４０、４０ａ〜４０ｊ…線状シール
４２、１２６、１７２、２１８、２５２…冷却媒体流路
６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９４、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、２２８、２３０、２３６、２３８、２６２、２６４、２６６、２６８、２７０、２７２…直線状流路溝
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６４ａ、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７２ａ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９０ａ、９０ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１７８ａ、１８０ａ、１８４ａ、１８４ｂ、２２８ａ、２２８ｂ、２３０ａ、２３０ｂ、２３６ａ、２３６ｂ、２３８ａ、２３８ｂ、２６２ａ、２６２ｂ、２７２ａ、２７２ｂ…溝部
９６、１２５、１６８、２０６、２４８…燃料ガス流路
Claims (3)
- 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、積層方向に貫通して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および冷却媒体出口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および第２金属プレートを備え、
前記第１金属プレートは、前記アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設ける一方、前記第２金属プレートは、前記カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設けるとともに、
前記第１および第２金属プレート間には、同一の前記冷却媒体入口連通孔に連通する２以上の入口バッファ部と、同一の前記冷却媒体出口連通孔に連通する２以上の出口バッファ部と、セパレータ面方向に沿って延在し前記２以上の入口バッファ部と前記２以上の出口バッファ部を連通する直線状流路溝とを備える冷却媒体流路が設けられることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１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および前記冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部および第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、同一の前記冷却媒体入口連通孔および同一の前記冷却媒体出口連通孔に連通しかつ前記第１入口バッファ部および前記第１出口バッファ部とは異なる位置に配置して第２入口バッファ部および第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。 - 請求項１または２記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路は、前記燃料ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、
前記燃料ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、
前記第１金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部とを連通する屈曲流路溝と、
を備え、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、
前記酸化剤ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、
前記第２金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
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