JP4486357B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータで挟持する発電セルを備え、前記発電セルが積層され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電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、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、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。

発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、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とを有する。

ところで、この種のセパレータとしては、薄板状の金属製プレートに凹凸状のプレス加工を施した金属セパレータが採用されている。その際、金属セパレータの両面には、反応ガス流路や冷却媒体流路を形成するための凹凸が一体的に設けられている。従って、金属セパレータの一方の面に、例えば、サーペンタイン形状の反応ガス流路を設けようとすると、他方の面が前記反応ガス流路の形状に拘束されてしまい、所望形状の冷却媒体流路を設けることができないおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータが採用されている。このセパレータは、凹凸が形成されて外面にそれぞ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、凹凸が形成されて表裏に冷却水流路を形成する中間金属板とを有している。

特開２００２−７５３９５号公報（図３）

上記の特許文献１では、具体的には、図１５に示すように、中間金属板１の両面に冷却水流路２ａ、２ｂが形成されている。その際、中間金属板１の一端部側には、冷却水マニホールドのＩＮ部３及びＯＵＴ部４が設けられており、前記ＩＮ部３及び前記ＯＵＴ部４は、冷却水流路２ａ、２ｂの両端部に連通している。そして、冷却水流路２ａ、２ｂは、中間金属板１の両面に沿って連続的に連なるサーペンタイン流路に構成されている。

しかしながら、上記のように、冷却水流路２ａ、２ｂが連続したサーペンタイン流路を構成するため、特に湾曲部位の加工が困難となる。このため、中間金属板１の成形作業が繁雑化するとともに、冷却水流路２ａ、２ｂの全長にわたって所望の開口寸法及び開口形状に維持することができないおそれがある。これにより、中間金属板１の製造コストが相当に高騰するとともに、反応面内に沿って冷却媒体を均一に供給することができないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的な構成で、冷却媒体を反応面内に沿って良好且つ均一に流す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では、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータで挟持する発電セルを備えるとともに、隣接する発電セル間に第３金属セパレータが配設され、前記第３金属セパレータの一方の面と前記第１金属セパレータとの間及び前記第３金属セパレータの他方の面と前記第２金属セパレータとの間には、それぞれ冷却媒体流路が形成されている。

そして、冷却媒体流路は、第３金属セパレータの両面両端部分に、冷却媒体入口及び冷却媒体出口に連通し且つそれぞれ独立した複数の直線状の冷却媒体入口流路溝及び複数の直線状の冷却媒体出口流路溝と、第１金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の冷却媒体流路溝と、第２金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の冷却媒体流路溝とを有している。

また、冷却媒体流路は、第３金属セパレータの両面中央部分に、冷却媒体入口流路溝及び冷却媒体出口流路溝と交差する方向に延在する複数の凸部を有することが好ましい。

本発明によれば、第３金属セパレータの両面両端部分には、それぞれ独立した直線状の冷却媒体入口流路溝及び直線状の冷却媒体出口流路溝が設けられるため、冷却媒体流路の形状が有効に簡素化される。従って、第３金属セパレータの成形作業が簡単且つ経済的に遂行されるとともに、第１及び第２金属セパレータの反応ガス流路の形状に影響されることがなく、前記第３金属セパレータの両面に沿って冷却媒体を円滑に供給することができる。

また、第３金属製セパレータの両面中央部分には、複数の凸部が設けられており、この凸部が第１及び第２金属セパレータに形成された反応ガス流路溝に対応して配置される。これにより、第１及び第２金属セパレータと第３金属セパレータとの間に形成される冷却媒体流路は、全長にわたって開口断面積を略一定に維持することができ、冷却媒体を反応面内に沿って良好且つ均一に流すことが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の前記発電セル１０を水平方向（矢印Ａ方向）に積層してスタック化された燃料電池１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池１２の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持されるとともに、隣接する前記発電セル１０同士の間には、第３金属セパレータ２０が配設される。第１〜第３金属セパレータ１６、１８及び２０は、板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。

発電セル１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）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２２ａと、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とが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル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と、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１０の矢印Ｃ方向の一端縁部（上部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（冷却媒体入口）２６ａが設けられる一方、前記発電セル１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下部）には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（冷却媒体出口）２６ｂが設けられる。冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとは、互いに略対角位置に設定される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線流路である酸化剤ガス流路２８が設けられる。酸化剤ガス流路２８は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８ａを備えている。第１金属セパレータ１６の面１６ｂには、溝部２８ａ間に位置して溝部２８ｂが設けられ、この溝部２８ｂは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する。酸化剤ガス流路２８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して、例えば、エンボス加工されたバッファ部３０ａ、３０ｂを有する。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材３２が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材３２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。

第１シール部材３２は、第１金属セパレータ１６の面１６ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂを酸化剤ガス流路２８に連通してこれらを囲繞する。第１シール部材３２は、図４に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂを後述する第１冷却媒体流路４０に連通して形成される。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線流路である燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部３４ａを備えている。

第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、溝部３４ａ間に位置して溝部３４ｂが設けられ、この溝部３４ｂは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する。燃料ガス流路３４は、面１８ａにおいて、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して、例えば、エンボス加工されたバッファ部３６ａ、３６ｂを有する（図５参照）。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材３８が一体化される。第２シール部材３８は、上記の第１シール部材３２と同一の材料で構成される。第２シール部材３８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、燃料ガス流路３４と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通してこれらを囲繞する（図５参照）。第２シール部材３８は、面１８ｂにおいて、後述する第２冷却媒体流路４２と冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通してこれらを囲繞する（図１参照）。

第３金属セパレータ２０は、第１金属セパレータ１６の面１６ｂに向かう面（一方の面）２０ａに第１冷却媒体流路４０を設ける一方、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに向かう面（他方の面）２０ｂに第２冷却媒体流路４２を設ける。

第１及び第２冷却媒体流路４０、４２は、第３金属セパレータ２０の矢印Ｂ方向両端部分に設けられ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通し且つそれぞれ独立した直線状の冷却媒体入口流路溝４４ａ、４４ｂ及び直線状の冷却媒体出口流路溝４６ａ、４６ｂを有する。冷却媒体入口流路溝４４ａ、４４ｂは、それぞれ面２０ａ、２０ｂに沿って矢印Ｃ方向に延在する複数の直線溝から構成される（図１及び図３参照）。冷却媒体出口流路溝４６ａ、４６ｂは、同様にそれぞれ面２０ａ、２０ｂに沿って矢印Ｃ方向に延在する複数の直線溝から構成される（図１参照）。

冷却媒体入口流路溝４４ａは、面２０ａの上端部に開放されるとともに、前記面２０ａの下端縁部で終端する。冷却媒体出口流路溝４６ａは、面２０ａの下端部に開放される一方、前記面２０ａの上端縁部で終端する。図６示すように、冷却媒体入口流路溝４４ｂは、面２０ｂの上端部に開放されるとともに、前記面２０ｂの下端縁部で終端する。冷却媒体出口流路溝４６ｂは、面２０ｂの下端部に開放される一方、前記面２０ｂの上端縁部で終端する。

図１に示すように、第１冷却媒体流路４０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａの中央部分に、冷却媒体入口流路溝４４ａ及び冷却媒体出口流路溝４６ａと交差する方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数の凸部４８ａを有する。凸部４８ａは、例えば、ゴム材を用いて第３金属セパレータ２０に成形されている。なお、ゴム材に代えて、第３金属セパレータ２０に金属凸部４８ａを一体成形してもよい。各凸部４８ａは、図２に示すように、第１金属セパレータ１６の各溝部２８ｂに配置されており、前記溝部２８ｂを流れる冷却媒体の流量を制限する機能を有している。

図６に示すように、第２冷却媒体流路４２は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂの中央部分に、冷却媒体入口流路溝４４ｂ及び冷却媒体出口流路溝４６ｂと交差する方向（矢印Ｂ方向）に延在する、例えば、ゴム製凸部４８ｂが生成される。各凸部４８ｂは、図２に示すように、第２金属セパレータ１８の各溝部３４ｂに配置されており、前記溝部３４ｂを流れる冷却媒体の流量を制限する機能を有している。第３金属セパレータ２０の矢印Ｃ方向両端部には、溝部３４ｂの流路断面積を減少させるために、該端部を周回してゴム部材４９を設けることが好ましい（図２及び図６参照）。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４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５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するアノード側電極５２及びカソード側電極５４とを備える。固体高分子電解質膜５０の外周縁部は、アノード側電極５２及びカソード側電極５４の外周端部よりも外方に突出している。

アノード側電極５２及びカソード側電極５４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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５０の両面に接合されている。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

先ず、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２２ａ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２６ａ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。

このため、燃料ガスは、図５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の燃料ガス流路３４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極５２に供給される。一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極５４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極５２に供給される燃料ガスと、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスとが、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、アノード側電極５２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１６、１８と第３金属セパレータ２０との間に形成された第１及び第２冷却媒体流路４０、４２に導入される。第１冷却媒体流路４０では、冷却媒体が冷却媒体入口流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に移動するとともに、第１金属セパレータ１６の面１６ｂに形成された溝部２８ｂに導入される。

このため、冷却媒体は、溝部２８ｂと凸部４８ａとの間隙を通って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し（図１参照）、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口流路溝４６ａに移動する。冷却媒体出口流路溝４６ａは、鉛直方向に延在して面２０ａの下端に開放されており、この冷却媒体出口流路溝４６ａに供給された冷却媒体は、鉛直下方向に移動して冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される（図４参照）。

この場合、第１の実施形態では、第３金属セパレータ２０の面２０ａに、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通し且つそれぞれ独立した直線状の冷却媒体入口流路溝４４ａ及び直線状の冷却媒体出口流路溝４６ａが設けられている。

従って、第１金属セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガス流路２８を設けることにより、面１６ｂに沿って複数の溝部２８ｂが矢印Ｂ方向に延在していても（図４参照）、冷却媒体入口連通孔２６ａから面２０ａ内の第１冷却媒体流路４０に冷却媒体を円滑且つ確実に供給する一方、前記第１冷却媒体流路４０から冷却媒体出口連通孔２６ｂに冷却媒体を円滑且つ確実に排出することができる。

しかも、面２０ａには、直線状の冷却媒体入口流路溝４４ａ及び直線状の冷却媒体出口流路溝４６ａを設けるだけでよく、第１冷却媒体流路４０の形状が有効に簡素化される。これにより、第３金属セパレータ２０の成形作業が簡単且つ経済的に遂行されるとともに、酸化剤ガス流路２８の形状に影響されることがなく、前記第３金属セパレータ２０の面２０ａに沿って冷却媒体を良好に供給することが可能になる。

また、第３金属セパレータ２０の面２０ａの中央部分には、複数の凸部４８ａが設けられており、この凸部４８ａが第１金属セパレータ１６の各溝部２８ｂに配置されている（図２参照）。このため、第１金属セパレータ１６と第３金属セパレータ２０との間に形成される第１冷却媒体流路４０は、全長にわたって開口断面積を略一定に維持することができ、冷却媒体を反応面内に沿って良好且つ均一に流すことが可能になるという利点がある。

なお、第２冷却媒体流路４２では、上記の第１冷却媒体流路４０と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第３金属セパレータ５６ａの一部斜視説明図であり、図８は、前記第３金属セパレータ５６ａの図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。

図７に示すように、第３金属セパレータ５６ａは薄板状である。第３金属セパレータ５６ａの両面には、プレス成形により波状に成形することによって複数の直線状の冷却媒体入口流路溝４４ｃ、４４ｄが矢印Ｃ方向に延在して交互に設けられる。第３金属セパレータ５６ａの中央部分には、プレス形成により冷却媒体入口流路溝４４ｃ、４４ｄと交差する方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数の凸部４８ｃが設けられる。

図８に示すように、凸部４８ｃは、溝部２８ｂに配置されるとともに、この凸部４８ｃの裏面側の凹部には、ゴム部材４８ｄが成形される。このゴム部材４８ｄは、溝部３４ｂに配置される。なお、凸部４８ｃの形状やゴム部材４８ｄの形状等を変更することにより、溝部２８ｂの流路断面積と溝部３４ｂの流路断面積とを異なるように設定することができる。その際、アノード側電極５２よりもカソード側電極５４からの熱が多いため、カソード側である溝部２８ｂの流路断面積を大きく設定すればよい。

図９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３金属セパレータ５６ｂの一部斜視説明図であり、図１０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３金属セパレータ５６ｃの一部斜視説明図である。

図９に示すように、第３金属セパレータ５６ｂには、該第３金属セパレータ５６ｂを矢印Ａ方向に切り欠いて複数の直線状の冷却媒体入口流路溝４４ｅが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。このため、冷却媒体入口流路溝４４ｅは、第３金属セパレータ５６ｂの両面に開放される。

図１０に示すように、第３金属セパレータ５６ｃには、矢印Ａ方向に貫通して複数の長円状開口部５８が形成される。各開口部５８は、矢印Ｃ方向に延在して配列されており、全体として矢印Ｃ方向に延在する直線状の冷却媒体入口流路溝が構成される。これにより、第２〜第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１２を構成する発電セル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６０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１及び第２金属セパレータ６２、６４に挟持されるとともに、隣接する前記発電セル６０同士の間には、第３金属セパレータ６６が配設される。

第１金属セパレータ６２の電解質膜・電極構造体１４に向かう面６２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路６８が設けられる。酸化剤ガス流路６８は、第１金属セパレータ６２を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部６８ａを備えている。溝部６８ａは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在するとともに、２つの折り返し用仕切り部７０ａが互いに矢印Ｃ方向に離間し且つ千鳥状に設けられる。

図１２に示すように、第１金属製セパレータ６２の面６２ｂには、溝部６８ａの反対である凸部の間に溝部６８ｂが設けられる一方、各仕切り部７０ａに隣接して仕切り部７０ｂが設けられる。

図１３に示すように、第２金属セパレータ６４の電解質膜・電極構造体１４に向かう面６４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路７２が形成される。

燃料ガス流路７２は、第２金属セパレータ６４を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部７２ａを備えている。溝部７２ａは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在するとともに、２つの折り返し用仕切り部７４ａが互いに矢印Ｃ方向に離間し且つ千鳥状に設けられる。第２金属製セパレータ６４の面６４ｂには、溝部７２ａの反対である凸部の間に溝部７２ｂが設けられる一方、各仕切り部７４ａに隣接して仕切り部７４ｂが設けられる（図１１及び図１３参照）。

第３金属セパレータ６６は、第１金属セパレータ６２の面６２ｂに向かう面６６ａに第１冷却媒体流路７６を設ける一方、第２金属セパレータ６４の面６４ｂに向かう面６６ｂに第２冷却媒体流路７８を設ける。

第１冷却媒体流路７６は、第３金属セパレータ６６の矢印Ｂ方向一端部分に、冷却媒体入口連通孔２６ａに連通する直線状の冷却媒体入口流路溝８０ａと、この冷却媒体入口流路溝８０ａの下方に配置される第１冷却媒体中間流路溝８２ａとをそれぞれ個別に有する。第１冷却媒体流路７６は、第３金属セパレータ６６の矢印Ｂ方向他端部分に、第２冷却媒体中間流路溝８４ａを有するとともに、前記第２冷却媒体中間流路溝８４ａの下方には、冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通する直線状の冷却媒体出口流路溝を有する。

第２冷却媒体流路７８は、図１４に示すように、冷却媒体入口流路溝８０ａと交互に設けられる直線状の冷却媒体入口流路溝８０ｂと、第１及び第２冷却媒体中間流路溝８２ａ、８４ａと交互に設けられる第１及び第２冷却媒体中間流路溝８２ｂ、８４ｂと、冷却媒体出口流路溝８６ａと交互に設けられる直線状の冷却媒体出口流路溝８６ｂとをそれぞれ個別に有する。

図１１及び図１４に示すように、冷却媒体入口流路溝８０ａ、８０ｂは、面６６ａ、６６ｂの上端部に開放されるとともに、前記面６６ａ、６６ｂの途上で終端し、第１及び第２冷却媒体中間流路溝８２ａ、８２ｂは、前記面６６ａ、６６ｂの途上から該面６６ａ、６６ｂの下端縁部で終端する。第２冷却媒体中間流路溝８４ａ、８４ｂは、面６６ａ、６６ｂの途上に設けられる一方、冷却媒体出口流路溝８６ａ、８６ｂは、前記面６６ａ、６６ｂの途上から該面６６ａ、６６ｂの下端部に開放される。

このように構成される発電セル６０では、燃料ガス入口連通孔２４ａに供給される燃料ガスは、第２金属セパレータ６４の燃料ガス流路７２に導入され、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極５２に供給される。一方、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに供給される酸化剤ガスは、第１金属セパレータ６２の酸化剤ガス流路６８に導入され、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極５４に供給される。

一方、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ６２、６４と第３金属セパレータ６６との間に形成された第１及び第２冷却媒体流路７６、７８に導入される。第１冷却媒体流路７６では、冷却媒体が冷却媒体入口流路溝８０ａに沿って鉛直下方向に移動するとともに、第１金属セパレータ６２の面６２ｂに形成された溝部６８ｂに導入される。

このため、冷却媒体は、溝部６８ｂと凸部４８ａとの間隙を通って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、第２冷却媒体中間流路溝８４ａに移動する。冷却媒体は、第２冷却媒体中間流路溝８４ａに沿って鉛直下方向に移動するとともに、第１金属セパレータ６２の溝部６８ｂに導入されて水平方向に移動する。さらに、冷却媒体は、第１冷却媒体中間流路溝８２ａに沿って鉛直下方向に移動した後、溝部６８ｂに沿って水平方向に移動し、冷却媒体出口流路溝８６ａを介して冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される。

これにより、第１冷却媒体流路７６では、冷却媒体が矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を冷却する。同様に、第２冷却媒体流路７８では、冷却媒体が矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を冷却する。

この場合、第５の実施形態では、酸化剤ガス流路６８及び燃料ガス流路７２がサーペンタイン流路を構成する際に、第１及び第２冷却媒体流路７６、７８をサーペンタイン流路に設定することができる。従って、酸化剤ガス流路６８及び燃料ガス流路７２の流路形状に影響されることがなく、簡単且つ経済的な構成で、第３金属セパレータ６６の面６６ａ、６６ｂに沿って冷却媒体を良好に供給することが可能になる。

このため、第５の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４の発電面全面を均一に冷却することができ、発電効率の向上を図ることが可能になる等、第１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を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 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。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第３金属セパレータの一部斜視説明図である。 前記第３金属セパレータの図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第３金属セパレータの一部斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第３金属セパレータの一部斜視説明図である。 本発明の第５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。 特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータの説明図である。

符号の説明

１０、６０…発電セル １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、２０、５６ａ〜５６ｃ、６２、６４、６６…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、２０ａ、２０ｂ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ…面
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、６８…酸化剤ガス流路
２８ａ、２８ｂ、３４ａ、３４ｂ、６８ａ、６８ｂ、７２ａ、７２ｂ…溝部
３４、７２…燃料ガス流路
４０、４２、７６、７８…冷却媒体流路
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、８０ａ、８０ｂ…冷却媒体入口流路溝
４６ａ、４６ｂ、８６ａ、８６ｂ…冷却媒体出口流路溝
４８ａ、４８ｃ…凸部 ４８ｄ、４９…ゴム部材
５０…固体高分子電解質膜 ５２…アノード側電極
５４…カソード側電極 ５８…開口部
６０…発電セル ７０ａ、７０ｂ、７４ａ、７４ｂ…仕切り部
８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ…冷却媒体中間流路溝

Claims (3)

1. 電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータで挟持する発電セルを備え、前記発電セルが積層される燃料電池であって、
   隣接する前記発電セル間に配設される第３金属セパレータを備え、
   前記第３金属セパレータの一方の面と前記第１金属セパレータとの間及び前記第３金属セパレータの他方の面と前記第２金属セパレータとの間には、それぞれ冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記冷却媒体流路は、前記第３金属セパレータの両面両端部分に、冷却媒体入口及び冷却媒体出口に連通し且つそれぞれ独立した複数の直線状の冷却媒体入口流路溝及び複数の直線状の冷却媒体出口流路溝と、
   前記第１金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の冷却媒体流路溝と、
   前記第２金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の冷却媒体流路溝と、
   を有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、前記冷却媒体流路は、前記第３金属セパレータの両面中央部分に、前記冷却媒体入口流路溝及び前記冷却媒体出口流路溝と交差する方向に延在する複数の凸部を有することを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体を第１及び第２金属セパレータで挟持する発電セルを備え、前記発電セルが積層される燃料電池であって、
   隣接する前記発電セル間に配設される第３金属セパレータを備え、
   前記第３金属セパレータの一方の面と前記第１金属セパレータとの間及び前記第３金属セパレータの他方の面と前記第２金属セパレータとの間には、それぞれ蛇行する冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記冷却媒体流路は、前記第３金属セパレータの両面両端部分に、冷却媒体入口及び冷却媒体出口に連通し且つそれぞれ独立した複数の直線状の冷却媒体入口流路溝及び複数の直線状の冷却媒体出口流路溝と、
   前記第１金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の蛇行する冷却媒体流路溝と、
   前記第２金属セパレータの前記第３金属セパレータに対向する面に、前記冷却媒体入口及び前記冷却媒体出口に連通する複数の蛇行する冷却媒体流路溝と、
   を有することを特徴とする燃料電池。

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