JP4362345B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体と金属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とからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。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、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）と、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）とが設けられている。また、セパレータ間には、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。燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口連通孔から流路出口連通孔に向かって設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し流路溝で構成されている。

ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口連通孔や流路出口連通孔が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体等の流体を円滑に流すために、前記流路入口連通孔や前記流路出口連通孔の周囲にバッファ部が必要になっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のガス通路板が知られている。この従来技術では、図１１に示すように、例えば、酸化剤ガス側のガス通路板１が、カーボンや金属により構成される溝部材２を備えている。ガス通路板１の上部側には、酸化剤ガスの入口マニホールド３が設けられる一方、前記ガス通路板１の下部側には、酸化剤ガスの出口マニホールド４が形成されている。

溝部材２には、入口マニホールド３に連通する入口側通流溝５ａと、出口マニホールド４に連通する出口側通流溝５ｂと、前記入口側通流溝５ａと前記出口側通流溝５ｂとを連通する中間通流溝６とが設けられている。入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂは、複数の突起７ａを介して格子状に形成される一方、中間通流溝６は、複数回折り返した曲折形状に形成され、複数本の直線状溝部８と、折り返し部位に複数の突起７ｂにより形成された格子状溝部９とを備えている。

このように構成される燃料電池のガス通路板１では、入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂがバッファ部を構成しており、供給ガスの電極への接触面積が広くなるとともに、この供給ガスが自由に移動することができる一方、中間通流溝６では、複数本の直線状溝部８を介して反応ガスを高速でむらなく通流させることができる、としている。

特開平１０−１０６５９４号公報（図１）

上記のガス通路板１には、このガス通路板１の裏面側に、冷却媒体を面に沿って供給するための冷却媒体流路が形成される場合がある。その際、例えば、入口マニホールド３に近接して冷却媒体の入口マニホールド３ａが設けられる一方、出口マニホールド４に近接して冷却媒体の出口マニホールド４ａが設けられる。そして、入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂは、ガス通路板１の裏面側で冷却媒体を冷却媒体流路に対して供給及び排出するためのバッファ部として構成することが考えられる。

しかしながら、バッファ部である入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂは、正方形状乃至長方形状に形成されており、入口マニホールド３、３ａ及び出口マニホールド４、４ａをガス通路板１の面内に省スペース化を図って効率的に配設することができない。これにより、ガス通路板１は、反応に使用されない面積が増大して単位面積当たりの出力密度が低下してしまい、前記ガス通路板１自体が相当に大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、バッファ部の形状を工夫することにより、比較的小さな面積でバッファ部として所望の機能を確保し、出力密度を良好に向上させるとともに、容易に小型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池では、金属セパレータの一の面には、電極面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が設けられるとともに、前記金属セパレータの別の面には、前記別の面に沿って冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられている。

金属セパレータは、略三角形状のバッファ部を備えている。その際、バッファ部は、一辺が金属セパレータの一の面で反応ガス連通孔に連通し、他の一辺が前記金属セパレータの別の面で冷却媒体連通孔に連通し、さらにその他の一辺が前記金属セパレータの一の面で前記反応ガス流路に連通し且つ前記金属セパレータの別の面で前記冷却媒体流路に連通している。また、反応ガス流路には、屈曲する流路を設けることが好ましい。

さらに、金属セパレータが、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、反応ガス流路を設けるとともに、前記第２金属プレートは、前記第１金属プレートとの間に冷却媒体流路を設けている。そして、各バッファ部は、第１及び第２金属プレートに対して、少なくとも一部が互いに重なり合うように形成されることが好ましい。

さらにまた、反応ガス連通孔は、少なくとも一辺に斜辺を設けるとともに、前記反応ガス連通孔の前記斜辺は、バッファ部の傾斜部に対向することが好ましい。また、バッファ部の一辺は、反応ガス流路の終端と略直交することが好ましい。

本発明に係る燃料電池では、バッファ部が、反応ガス流路における反応ガスの分配機能と、冷却媒体流路における冷却媒体の分配機能とを有し、前記バッファ部の構成の簡素化及び小型化が図られる。さらに、バッファ部は、略三角形状に構成されるとともに、各辺を利用して良好な流路面積を確保することができる。このため、バッファ部は、正方形状乃至長方形状のバッファ部に比べて、小さい面積で所望の機能を維持することが可能になり、燃料電池全体の単位面積当たりの出力密度が有効に向上する。

図１は、本発明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。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と金属セパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、この金属セパレータ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（反応ガス）、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（反応ガス連通孔）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（反応ガス）、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（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）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、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。

図１及び図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（反応ガス流路）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に近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４及び出口バッファ部３６は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス３４ａ、３６ａを設ける。

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及び３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。具体的には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃとしては、例えば、２回の折り返し部位Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半のサーペンタイン流路溝が構成される。

図３に示すように、入口バッファ部３４の鉛直部（一辺）３４ｂは、矢印Ｃ方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの終端部と略直交する一方、この入口バッファ部３４の傾斜部３４ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに向かって配置される。この酸化剤ガス入口連通孔２０ａには、四角形、平行四辺形あるいは台形等、種々の形状が選択されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔２０ａを形成する内壁面には、入口バッファ部３４に対向し且つ傾斜部３４ｃに平行な斜辺３７ａが設けられる。

出口バッファ部３６の鉛直部（一辺）３６ｂは、矢印Ｃ方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの終端部と略直交するとともに、前記酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、鉛直部３４ｂ、３６ｂ間で略同一長さに規制される。出口バッファ部３６の傾斜部３６ｃは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに対向して配置される。この酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを形成する内壁面には、傾斜部３６ｃに平行な斜辺３７ｂが設けられる。

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及び酸化剤ガス流路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。

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方向の両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状（略三角形状）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方向の両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状（略三角形状）の出口バッファ部４８、５０とを備える。

入口バッファ部４４と出口バッファ部５０とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部４８とは、互いに略対称形状に構成される。入口バッファ部４４、入口バッファ部４６、出口バッファ部４８及び出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａ及び５０ａにより構成されている。

冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部４４、４６とは、第１及び第２の入口連絡流路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、第１及び第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。第１の入口連絡流路５２は、例えば、２本の流路溝を備えるとともに、第２の入口連絡流路５４は、例えば、６本の流路溝を備える。同様に、第１の出口連絡流路５６は、６本の流路溝を設ける一方、第２の出口連絡流路５８は、２本の流路溝を設ける。

第１の入口連絡流路５２の流路本数と第２の入口連絡流路５４の流路本数とは、２本と６本とに限定されるものではなく、また、それぞれの流路本数が同一に設定されていてもよい。第１及び第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。

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６０、６２、６４及び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及び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。

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、該凸状の部分の図示は省略する。また、図６に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された後述する燃料ガス流路（反応ガス流路）９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分の図示は省略する。

面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の第１の入口連絡流路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本の第２の出口連絡流路５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。

入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ２及び出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａ及び６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的且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の折り返し部位Ｔ１及び入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａ及び７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。

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。

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に連通する出口バッファ部４８とが設けられる。

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且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。

冷却媒体流路４２において、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部は、それぞれの溝部６０ａ〜７８ａ及び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。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を囲繞する線状シール４０ａが介装されている。

図１に示すように、金属セパレータ１３は、第１及び第２金属プレート１４、１６が積層された状態で、入口バッファ部３４、４６の少なくとも一部が互いに重なり合う一方、出口バッファ部３６、４８の少なくとも一部が互いに重なり合っている。図３に示すように、第１金属プレート１４の面（一の面）１４ａには、入口バッファ部３４が、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する一辺である傾斜部３４ｃと、他の一辺である短辺部３４ｄと、酸化剤ガス流路３２に連通するその他の一辺である鉛直部３４ｂとを設ける。

第２金属プレート１６の面（別の面）１６ａは、図６に示すように、入口バッファ部４６が、一辺である傾斜部４６ｃと、他の一辺である短辺部４６ｄと、その他の一辺である鉛直部４６ｂとを備える。面１６ａでは、入口バッファ部４６の短辺部４６ｄが冷却媒体入口連通孔２２ａに連通するとともに、鉛直部４６ｂが冷却媒体流路４２に連通する。

図３に示すように、第１金属プレート１４の面１４ａには、出口バッファ部３６が、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する一辺である傾斜部３６ｃと、他の一辺である短辺部３６ｄと、酸化剤ガス流路３２に連通するその他の一辺である鉛直部３６ｂとを設ける。

図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、出口バッファ部４８が、一辺である傾斜部４８ｃと、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する他の一辺である短辺部４８ｄと、冷却媒体流路４２に連通するその他の一辺である鉛直部４８ｂとを設ける。

図７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に向かう面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略直角三角形状（略三角形状）の入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の出口バッファ部１００とを備える。

入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス９８ａ、１００ａが設けられており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂ及び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方向に向かっており、例えば、２回の折り返し部位Ｔ３、Ｔ４が設けられて実質的に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。

入口バッファ部９８の鉛直部（一辺）９８ｂは、矢印Ｃ方向に配置され、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの終端部と略直交するとともに、傾斜部９８ｃは、燃料ガス入口連通孔２４ａに向かって配置される。この燃料ガス入口連通孔２４ａを構成する内壁面には、傾斜部９８ｃに対向し且つ該傾斜部９８ｃに平行な斜辺１０４ａが形成される。出口バッファ部１００の鉛直部（一辺）１００ｂは、矢印Ｃ方向に配置され、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの終端部と略直交するとともに、傾斜部１００ｃは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに対向して配置される。この燃料ガス出口連通孔２４ｂを構成する内壁面には、傾斜部１００ｃに平行な斜辺１０４ｂが形成される。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞する線状シール４０ｂが設けられる。

図５及び図７に示すように、第１金属プレート１４の面（一の面）１４ｂに形成される入口バッファ部４４と、第２金属プレート１６の面（他の面）１６ｂに形成される出口バッファ部１００とが重なり合う一方、前記面１４ｂの出口バッファ部５０と前記面１６ｂの入口バッファ部９８とが重なり合うように構成される。

入口バッファ部４４及び出口バッファ部１００は、それぞれ一辺である傾斜部４４ｃ、１００ｃと、他の一辺である短辺部４４ｄ、１００ｄと、その他の一辺である鉛直部４４ｂ、１００ｂとを設ける。同様に、出口バッファ部５０及び入口バッファ部９８は、一辺である傾斜部５０ｃ、９８ｃと、他の一辺である短辺部５０ｄ、９８ｄと、その他の一辺である鉛直部５０ｂ、９８ｂとを設ける。

このように構成される本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。

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７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。

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３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。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１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

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方向に延在する第１及び第２の入口連絡流路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。

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及び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及び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、さらに第１及び第２の出口連絡流路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、本実施形態では、図１に示すように、第１及び第２金属プレート１４、１６が積層される際に、それぞれの入口バッファ部３４、４６が積層方向に重なり合うとともに、前記入口バッファ部３４、４６が略三角形状（実質的には、略直角三角形状）に構成されている。その際、図３に示すように、第１金属プレート１４の面１４ａ（金属セパレータ１３の一の面）では、入口バッファ部３４の傾斜部３４ｃが酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通するとともに、鉛直部３４ｂが酸化剤ガス流路３２に連通している。

さらに、図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａ（金属セパレータ１３の別の面）では、入口バッファ部４６の短辺部４６ｄが冷却媒体入口連通孔２２ａに連通するとともに、鉛直部４６ｂが冷却媒体流路４２に連通している。

このように、金属セパレータ１３には、入口バッファ部３４、４６が互いに重ね合わされてバッファ部が一体的に構成されている。このバッファ部は、酸化剤ガス流路３２における酸化剤ガスの分配機能と、冷却媒体流路４２における冷却媒体の分配機能とを有しており、前記バッファ部としての構成の簡素化及び小型化が容易に図られる。

しかも、入口バッファ部３４、４６は、略三角形状に構成されるとともに、各辺を利用して良好な流路面積を確保することができる。このため、例えば、図８に示すように、略長方形状の入口バッファ部１１０を設け、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと同等の開口断面積を有する酸化剤ガス入口連通孔１１２を形成する場合に比べ、第１金属プレート１４の幅寸法が距離Ｈだけ短尺化される。

これにより、入口バッファ部３４は、入口バッファ部１１０に比べて小さい面積で所望の機能を維持することが可能になり、第１金属プレート１４を有効に小型化することができる。従って、本実施形態では、燃料電池１０全体の単位面積当たりの出力密度を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。

また、入口バッファ部３４、４６の傾斜部３４ｃ、４６ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの斜辺３２ａに対向し且つ該斜辺３７ａに平行している。従って、コンパクトな構成で、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの開口断面積を良好に確保することが可能になる。

さらに、入口バッファ部３４及び出口バッファ部３６の鉛直部３４ｂ、３６ｂは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの終端部と略直交している。このため、入口バッファ部３４から酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに酸化剤ガスを円滑に流すことができるとともに、前記酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃから出口バッファ部３６に前記酸化剤ガスを円滑に流すことが可能になる。

また、図１に示すように、出口バッファ部３６、４８は、互いに重ね合わされて略三角形状のバッファ部を一体的に構成しており、上記の入口バッファ部３４、４６と同様の効果が得られる。さらに、入口バッファ部４４と出口バッファ部１００とが互いに重ね合わされるとともに、出口バッファ部５０と入口バッファ部９８とが互いに重ね合わされており、これらも上記の入口バッファ部３４、４６と同様の効果が得られる。

さらにまた、本実施形態では、金属セパレータ１３が互いに積層される第１及び第２金属プレート１４、１６を備えている。従って、簡単な構成で、サーペンタイン等の所望の形状を有する酸化剤ガス流路３２、燃料ガス流路９６及び冷却媒体流路４２を確実且つ容易に形成することができるとともに、燃料電池１０全体の小型化を図ることが可能になるという利点がある。しかも、サーペンタイン流路に構成されるため、流路長が長くなり、圧損が設けられて流速の向上が図られる。

なお、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ及び燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、２回の折り返し部位を有する一往復半のサーペンタイン流路溝を構成しているが、これに限定されるものではなく、４回又は６回等の折り返し部位を有していてもよい。

また、本実施形態では、略三角形状のバッファ部として、例えば、入口バッファ部３４を用いて説明したが、これに限定されるものではない。図９に示す入口バッファ部１２０は、底辺部１２０ａ及び上辺部１２０ｂを有する略三角形状（略台形状を含む）に構成される。一方、図１０に示す入口バッファ部１３０は、傾斜底辺部１３０ａを有する略三角形状に構成される。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。 金属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。 前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。 第２金属プレートの正面説明図である。 前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。 入口バッファ部が略長方形状の場合の説明図である。 他の形状を有する入口バッファ部の説明図である。 さらに別の形状を有する入口バッファ部の説明図である。 従来技術に係る燃料電池のガス通路板の正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１３…金属セパレータ 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
３４、４４、４６、９８、１１０、１２０、１３０…入口バッファ部
３４ｂ、３６ｂ、４４ｂ、４６ｂ、４８ｂ、５０ｂ、９８ｂ、１００ｂ…鉛直部
３４ｃ、３６ｃ、４４ｃ、４６ｃ、４８ｃ、５０ｃ、９８ｃ、１００ｃ…傾斜部
３４ｄ、３６ｄ、４４ｄ、４６ｄ、４８ｄ、５０ｄ、９８ｄ、１００ｄ…短辺部
３６、４８、５０、１００…出口バッファ部
３２ａ、３７ａ、３７ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…斜辺
３８ａ〜３８ｃ…酸化剤ガス流路溝 ４２…冷却媒体流路
９６…燃料ガス流路 １０２ａ〜１０２ｃ…燃料ガス流路溝

Claims (5)

1. 電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体と金属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、
   前記金属セパレータの一の面には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられ、前記金属セパレータの別の面には、前記別の面に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が設けられるとともに、
   前記金属セパレータは、略三角形状のバッファ部を備え、
   前記バッファ部は、一辺が前記金属セパレータの一の面で前記反応ガス連通孔に連通し、他の一辺が前記金属セパレータの別の面で前記冷却媒体連通孔に連通し、さらにその他の一辺が前記金属セパレータの一の面で前記反応ガス流路に連通し且つ前記金属セパレータの別の面で前記冷却媒体流路に連通す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、前記反応ガス流路は、屈曲する流路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、前記金属セパレータは、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、前記第２金属プレートとは反対の面に前記反応ガス流路を設けるとともに、前記第２金属プレートは、前記第１金属プレートとの間に前記冷却媒体流路を設け、
   前記第１金属プレートに形成される略三角形状のバッファ部と、前記第２金属プレートに形成される略三角形状のバッファ部とは、積層方向に少なくとも一部が互いに重なり合うことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔は、少なくとも一辺に斜辺を設けるとともに、
   前記反応ガス連通孔の前記斜辺は、前記バッファ部の傾斜部に対向することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記バッファ部の一辺は、前記反応ガス流路の終端と略直交することを特徴とする燃料電池。

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