JP4906891B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの両面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体が流通される第１及び第２流体流路が形成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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。

上記の燃料電池では、一方の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、他方の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、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。

その際、セパレータとして金属セパレータが使用される場合、アノード側の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。さらに、カソード側の金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。

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は、図１７に示すように、セパレータ板１とセパレータ枠２とから構成されている。セパレータ板１は、金属材料で構成されるとともに、エンボス加工乃至ディンプル加工を施してその表裏面に、数ミリ間隔で多数の突起３、４が形成されている。各突起３、４は、燃料電池スタックを構成したときに、突起の頂上が燃料電池単セル５に密接している。セパレータ板１と燃料電池単セル５との間には、突起３側に燃料ガス用流路６が形成される一方、突起４側に酸化剤ガス用流路７が形成されている。

特開平８−２２２２３７号公報

ところで、上記のセパレータ板１では、多数の突起３により燃料ガス用流路６が形成される一方、多数の突起４により酸化剤ガス用流路７が形成されるため、前記突起３間や前記突起４間に生成水が滞留し易い。その際、燃料ガスや酸化剤ガスは、生成水を迂回して突起３間や突起４間を流れるため、前記生成水が排出されないおそれがある。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能が低下するという問題がある。

さらに、燃料電池では、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。その際、例えば、２枚の電解質膜・電極構造体と３枚のセパレータとでセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路が形成されている。

しかしながら、セルユニットは、各電解質膜・電極構造体を互いに対向するセパレータの突起同士で保持する場合、互いに隣接するセルユニット間で、前記突起同士の位置がずれてしまう。従って、セパレータが変形し、電解質膜・電極構造体を確実に保持することができず、前記セパレータや前記電解質膜・電極構造体が損傷するとともに、流体の円滑な流通が阻害され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、電解質膜・電極構造体を確実に保持するとともに、バッファ部に沿って流体を円滑に流通させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体のいずれかが流通される第１流体流路及びバッファ部が形成され、前記金属セパレータの他方の面には、前記流体の他のいずれかが流通される第２流体流路及びバッファ部が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、互いに電解質膜・電極構造体を挟んで隣接する、又は直接隣接する第１及び第２の金属セパレータを備え、前記第１の金属セパレータは、バッファ部に前記第２の金属セパレータ側に突出するエンボス凸部を設け、前記第２の金属セパレータは、前記バッファ部に前記第１の金属セパレータ側に突出する連続ガイド凸部を設けるとともに、前記エンボス凸部と前記連続ガイド凸部とは、積層方向に互いに重なり合う位置に設定されている。

そして、各金属セパレータは、バッファ部の一方の面に突出するエンボス凸部と前記バッファ部の他方の面に突出する連続ガイド凸部とが、交互に設けられている。

さらにまた、燃料電池は、アノード側金属セパレータ、第１の電解質膜・電極構造体、中間金属セパレータ、第２の電解質膜・電極構造体及びカソード側金属セパレータの順に積層されるセルユニットを備えるとともに、互いに隣接する前記セルユニットは、一方のエンボス凸部及び連続ガイド凸部と他方の前記エンボス凸部及び前記連続ガイド凸部とが、異なる位相に設定されることが好ましい。

本発明によれば、第１金属セパレータのエンボス凸部と第２金属セパレータの連続ガイド凸部とが、積層方向に互いに重なり合っているため、前記エンボス凸部と前記連続ガイド凸部とにより、例えば、電解質膜・電極構造体を確実に保持することができる。

しかも、バッファ部には、連続ガイド凸部が設けられている。このため、連続ガイド凸部の案内作用下に、流体を円滑に流通させることが可能になり、良好な発電機能を確実に維持することができる。

さらに、間引き冷却構造では、小型及び軽量化が容易に図られる。

さらにまた、アノード側電極に連続ガイド凸部を設けることにより、純水素と酸素とで発電を行う燃料電池において、流量の少ないアノード側の排水性を向上させることが可能になり、安定した発電が行われる。

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説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セルユニットの分解斜視説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記第１金属セパレータの入口バッファ部の一部斜視説明図である。 前記第１金属セパレータの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セルユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図２中、Ｘ−Ｘ線断面図である。 前記燃料電池の、図２中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。 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説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セルユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セルユニットの分解斜視説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記第１セルユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 従来の燃料電池の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、第１セルユニット１２Ａと第２セルユニット１２Ｂとが、交互に矢印Ａ方向に積層して構成される。

第１セルユニット１２Ａは、図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａ、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８Ａ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ａを設ける。

第１金属セパレータ１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａ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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートにより構成される。第１金属セパレータ１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａは、金属プレートを波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４及びカソード側電極２６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て形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

第１セルユニット１２Ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１セルユニット１２Ａの長辺方向（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、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４Ａの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（流体流路）３６Ａが形成される。第１金属セパレータ１４Ａの面１４ｂには、第１酸化剤ガス流路３６Ａの裏面形状である第１冷却媒体流路（流体流路）３８Ａが形成される。

第１酸化剤ガス流路３６Ａは、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路４０ａと、前記直線状流路４０ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂとを有する。直線状流路４０ａは、面１４ａ側に突出する直線状流路突起部４０ｂ間に形成される。

入口バッファ部４２ａは、中間高さ部４４ａから第１酸化剤ガス流路３６Ａ側に突出する複数のエンボス凸部４６ａを備える。出口バッファ部４２ｂは、中間高さ部４４ｂから第１酸化剤ガス流路３６Ａ側に突出する複数のエンボス凸部４６ｂを備える。エンボス凸部４６ａ、４６ｂは、それぞれ所定の数ずつ一列に配列されたエンボス群が所定の間隔ずつ離間して複数列に配置される。

図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａの他方の面１４ｂには、第１酸化剤ガス流路３６Ａの裏面形状である第１冷却媒体流路３８Ａが形成される。第１冷却媒体流路３８Ａは、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路４８ａと、前記直線状流路４８ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂとを有する。

直線状流路４８ａは、面１４ａ側に突出する直線状流路突起部４８ｂ間に形成される。直線状流路４８ａは、直線状流路突起部４０ｂの裏面形状である一方、直線状流路突起部４８ｂは、直線状流路４０ａの裏面形状である。入口バッファ部５０ａは、入口バッファ部４２ａの裏面形状である一方、出口バッファ部５０ｂは、出口バッファ部４２ｂの裏面形状である。

図４及び図５に示すように、入口バッファ部５０ａは、中間高さ部４４ａから第１冷却媒体流路３８Ａ側に突出する連続ガイド凸部５２ａを備える。中間高さ部４４ａから連続ガイド凸部５２ａの深さは、前記中間高さ部４４ａからエンボス凸部４６ａの深さと同等に設定される。

図２に示すように、出口バッファ部５０ｂは、中間高さ部４４ｂから第１冷却媒体流路３８Ａ側に突出する連続ガイド凸部５２ｂを備える。第１金属セパレータ１４Ａの表裏には、１列に配列された所定数のエンボス凸部４６ａ（エンボス群）と連続ガイド凸部５２ａとが交互に設けられるとともに、１列に配列された所定数のエンボス凸部４６ｂ（エンボス群）と連続ガイド凸部５２ｂとが交互に設けられる。

図６に示すように、第２金属セパレータ１８Ａの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、第１燃料ガス流路（流体流路）５４Ａが形成される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、第１燃料ガス流路５４Ａの裏面形状である第２酸化剤ガス流路（流体流路）５６Ａが形成される。

第１燃料ガス流路５４Ａは、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路５８ａと、前記直線状流路５８ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂとを有する。直線状流路５８ａは、面１８ａ側に突出する直線状流路突起部５８ｂ間に形成される。

入口バッファ部６０ａは、中間高さ部６２ａから第１燃料ガス流路５４Ａ側に突出する連続ガイド凸部６４ａを備える。各連続ガイド凸部６４ａは、燃料ガスを燃料ガス入口連通孔３０ａから直線状流路５８ａに案内するように設けられる。出口バッファ部６０ｂは、中間高さ部６２ｂから第１燃料ガス流路５４Ａ側に突出する連続ガイド凸部６４ｂを備える。各連続ガイド凸部６４ｂは、燃料ガスを直線状流路５８ａから燃料ガス出口連通孔３０ｂに案内するように設けられる。

第２金属セパレータ１８Ａの面１８ｂには、図７に示すように、第１燃料ガス流路５４Ａの裏面形状である第２酸化剤ガス流路５６Ａが形成される。第２酸化剤ガス流路５６Ａは、第１酸化剤ガス流路３６Ａと同様に構成されており、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。

第３金属セパレータ２０Ａの第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、第２燃料ガス流路（流体流路）６６Ａが形成されるとともに、反対側の面２０ｂには、前記第２燃料ガス流路６６Ａの裏面形状である第２冷却媒体流路（流体流路）６８Ａが形成される。第２燃料ガス流路６６Ａは、第１燃料ガス流路５４Ａと同様に構成されており、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。

図８に示すように、第２冷却媒体流路６８Ａは、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路７０ａと、前記直線状流路７０ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部７２ａ及び出口バッファ部７２ｂとを有する。

直線状流路７０ａは、面２０ｂ側に突出する直線状流路突起部７０ｂ間に形成される。入口バッファ部７２ａ及び出口バッファ部７２ｂは、中間高さ部６２ｂ、６２ａから第２冷却媒体流路６８Ａ側に突出する複数のエンボス凸部７４ａ、７４ｂを備える。

第１セルユニット１２Ａでは、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａとで、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟持する際、互いに対向する第１酸化剤ガス流路３６Ａ及び第１燃料ガス流路５４Ａは、エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとが積層方向に同一位置に配置される。エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとは、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟持する。

同様に、第２金属セパレータ１８Ａと第３金属セパレータ２０Ａとで、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持する際、第２酸化剤ガス流路５６Ａ及び第２燃料ガス流路６６Ａは、エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとが積層方向に同一位置に配置される。エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持する。

図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａの面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４Ａの外周端縁部を周回して第１シール部材６８ａが一体成形される。第２金属セパレータ１８Ａの面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８Ａの外周端縁部を周回して第２シール部材６８ｂが一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０Ａの面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０Ａの外周端縁部を周回して第３シール部材６８ｃが一体成形される。

図９に示すように、第２セルユニット１２Ｂは、第１金属セパレータ１４Ｂ、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８Ｂ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ｂを設ける。なお、第１のセルユニット１２Ａ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。

第１金属セパレータ１４Ｂの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（流体流路）３６Ｂが形成される。第１金属セパレータ１４Ｂの面１４ｂには、第１酸化剤ガス流路３６Ｂの裏面形状である第１冷却媒体流路（流体流路）３８Ｂが形成される。

第１酸化剤ガス流路３６Ａ、３６Ｂでは、直線状流路突起部４０ｂ同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。第１冷却媒体流路３８Ａ、３８Ｂでは、直線状流路突起部４８ｂ同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。エンボス凸部４６ａ、４６ｂ同士の位相及び連続ガイド凸部５２ａ、５２ｂ同士の位相が異なっており、前記エンボス凸部４６ａと前記連続ガイド凸部５２ｂ及び前記エンボス凸部４６ｂと前記連続ガイド凸部５２ａの交互に配置順が逆に設定される。

第２金属セパレータ１８Ｂの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、第１燃料ガス流路（流体流路）５４Ｂが形成されるとともに、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、前記第１燃料ガス流路５４Ｂの裏面形状である第２酸化剤ガス流路（流体流路）５６Ｂが形成される。

第１燃料ガス流路５４Ａ、５４Ｂでは、直線状流路突起部５８ｂ同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。第２酸化剤ガス流路５６Ａ、５６Ｂでは、直線状流路突起部４０ｂ同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。エンボス凸部４６ａ、４６ｂ同士の位相及び連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂ同士の位相が異なっており、前記エンボス凸部４６ａと前記連続ガイド凸部６４ｂ及び前記エンボス凸部４６ｂと前記連続ガイド凸部６４ａの交互に配置順が逆に設定される。

第３金属セパレータ２０Ｂの第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、第２燃料ガス流路（流体流路）６６Ｂが形成されるとともに、反対側の面２０ｂには、前記第２燃料ガス流路６６Ｂの裏面形状である第２冷却媒体流路（流体流路）６８Ｂが形成される。

第２燃料ガス流路６６Ａ、６６Ｂでは、直線状流路突起部５８ｂ同士の位相及び連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂ同士の位相が異なっている。第２冷却媒体流路６８Ａ、６８Ｂでは、直線状流路突起部７０ｂ同士の位相及びエンボス凸部７４ａ、７４ｂ同士の位相が異なっている。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ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３０ａ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３２ａ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、第１セルユニット１２Ａでは、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ１４Ａの第１酸化剤ガス流路３６Ａ及び第２金属セパレータ１８Ａの第２酸化剤ガス流路５６Ａに導入される。

第１金属セパレータ１４Ａでは、図３に示すように、酸化剤ガスは、入口バッファ部４２ａに導入された後、各直線状流路４０ａに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給される。第２金属セパレータ１８Ａでは、図７に示すように、酸化剤ガスは、入口バッファ部４２ａに導入された後、各直線状流路４０ａに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ１８Ａの第１燃料ガス流路５４Ａに供給される。燃料ガスは、図６に示すように、入口バッファ部６０ａに導入された後、各直線状流路５８ａに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、燃料ガスは、第３金属セパレータ２０Ａの第２燃料ガス流路６６Ａに供給される。この燃料ガスは、入口バッファ部６０ａに導入された後、各直線状流路５８ａに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極２４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３０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セルユニット１２Ａを構成する第１金属セパレータ１４Ａと第２セルユニット１２Ｂを構成する第３金属セパレータ２０Ｂとの間に形成された第１冷却媒体流路３８Ａ、及び前記第１セルユニット１２Ａを構成する第３金属セパレータ２０Ａと前記第２セルユニット１２Ｂを構成する第１金属セパレータ１４Ｂとの間に形成された第１冷却媒体流路３８Ｂに導入される。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２セルユニット１２Ｂでは、上記の第１のセルユニット１２Ａと同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂにより発電が行われる。

この場合、第１の実施形態では、第１セルユニット１２Ａにおいて、第１金属セパレータ１４Ａの入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂと、第２金属セパレータ１８Ａの出口バッファ部６０ｂ及び入口バッファ部６０ａとは、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出するエンボス凸部４６ａ、４６ｂと、連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとが積層方向に同一位置に配置されている。

このため、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａとは、エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂとにより、第１電解質膜・電極構造体１６ａを確実に保持することができる。

しかも、第１燃料ガス流路５４Ａは、図６に示すように、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂに、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出して複数の連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂを設けている。従って、連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂの案内作用下に、燃料ガスを第１燃料ガス流路５４Ａに沿って円滑に流通させることが可能になり、良好な発電機能が確実に維持されるという効果が得られる。

同様に、第２金属セパレータ１８Ａの入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂと、第３金属セパレータ２０Ａの出口バッファ部６０ｂ及び入口バッファ部６０ａとは、それぞれ第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に突出するエンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとが積層方向に同一位置に配置されている。これにより、エンボス凸部４６ａ、４６ｂと連続ガイド凸部６４ｂ、６４ａとにより、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを保持することができる。

しかも、第２燃料ガス流路６６Ａは、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂに、それぞれ複数の連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂを有している。このため、燃料ガスを第２燃料ガス流路６６Ａに沿って円滑に流通させることが可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、第１セルユニット１２Ａと第２セルユニット１２Ｂとは、それぞれの第１酸化剤ガス流路３６Ａ、３６Ｂ、第１燃料ガス流路５４Ａ、５４Ｂ、第２酸化剤ガス流路５６Ａ、５６Ｂ及び第２燃料ガス流路６６Ａ、６６Ｂが、互いに異なる位相に設定されている（図１０及び図１１参照）。

従って、第１セルユニット１２Ａの第１金属セパレータ１４Ａと第２セルユニット１２Ｂの第３金属セパレータ２０Ｂとが重なり合う際に、連続ガイド凸部５２ａ、５２ｂとエンボス凸部７４ａ、７４ｂとが積層方向に互いに重なり合っている。

同様に、第１セルユニット１２Ａの第３金属セパレータ２０Ａと第２セルユニット１２Ｂの第１金属セパレータ１４Ｂとが重なり合う際に、エンボス凸部７４ａ、７４ｂと、連続ガイド凸部５２ａ、５２ｂとが積層方向に重なり合っている。

これにより、第１冷却媒体流路３８Ａ及び第１冷却媒体流路３８Ｂで荷重抜けが惹起することがなく、積層時の荷重や発電時の圧力変動に対して第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを確実に保持することができる。

このため、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの損傷やセパレータ変形を可及的に阻止するとともに、冷却媒体、燃料ガス及び酸化剤ガスの良好な流通を確保することが可能になるという利点がある。しかも、間引き冷却構造を採用することにより、燃料電池１０全体の小型及び軽量化が容易に図られる。

さらにまた、アノード側電極２４に対応して、連続ガイド凸部６４ａ、６４ｂが設けられている。従って、純水素と酸素とで発電を行う燃料電池１０において、流量の少ないアノード側の排水性を向上させることが可能になり、安定した発電が行われるという利点がある。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０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。

燃料電池９０は、第１セルユニット９２Ａと第２セルユニット９２Ｂとが、矢印Ａ方向に交互に積層して構成される。第１セルユニット９２Ａは、第１金属セパレータ９４Ａ、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ９６Ａ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ９８Ａを設ける（図１２及び図１３参照）。

第２セルユニット９２Ｂは、図１２及び図１４に示すように、第１金属セパレータ９４Ｂ、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ９６Ｂ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ９８Ｂを設ける。

第１セルユニット９２Ａを構成する第１金属セパレータ９４Ａは、図１５に示すように、面９４ａに第１酸化剤ガス流路３６Ａを設ける。この第１酸化剤ガス流路３６Ａは、直線状流路４０ａの両側に入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂを有する。

入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂは、第１酸化剤ガス流路３６Ａ側に突出する複数の連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂを設ける。連続ガイド凸部１００ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから直線状流路４０ａに酸化剤ガスを案内するとともに、連続ガイド凸部１００ｂは、前記直線状流路４０ａから酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに前記酸化剤ガスを案内する。

図１３に示すように、第１金属セパレータ９４Ａの面９４ｂには、第１冷却媒体流路３８Ａが設けられる。この第１冷却媒体流路３８Ａは、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂを有し、前記入口バッファ部５０ａ及び前記出口バッファ部５０ｂは、前記第１冷却媒体流路３８Ａ側に突出する複数のエンボス凸部１０２ａ、１０２ｂを備える。所定数のエンボス凸部１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ１列ずつ且つ連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂと交互に配置される。

第２金属セパレータ９６Ａの面９６ａには、第１燃料ガス流路５４Ａが形成され、前記第１燃料ガス流路５４Ａは、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂを有する。入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂは、第１燃料ガス流路５４Ａ側に突出する複数のエンボス凸部１０４ａ、１０４ｂを備える。

第２金属セパレータ９６Ａの面９６ｂには、図１６に示すように、第２酸化剤ガス流路５６Ａが形成される。第２酸化剤ガス流路５６Ａを構成する入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂには、第２酸化剤ガス流路５６Ａ側に突出する複数の連続ガイド凸部１０６ａ、１０６ｂが形成される。

図１３に示すように、第３金属セパレータ９８Ａの面９８ａには、第２燃料ガス流路６６Ａが設けられる。第２燃料ガス流路６６Ａを構成する入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂには、第２燃料ガス流路６６Ａに突出する複数のエンボス凸部１０８ａ、１０８ｂが形成される。

第３金属セパレータ９８Ａの面９８ｂには、第２冷却媒体流路６８Ａが形成される。第２冷却媒体流路６８Ａを構成する入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂには、前記第２冷却媒体流路６８Ａ側に突出する複数の連続ガイド凸部１１０ａ、１１０ｂが形成される。

第１セルユニット９２Ａでは、第１酸化剤ガス流路３６Ａを構成する連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂと、第２金属セパレータ９６Ａの第１燃料ガス流路５４Ａを構成するエンボス凸部１０４ｂ、１０４ａとが、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出し、且つ積層方向に重なり合って、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟持する。

第２金属セパレータ９６Ａの第２酸化剤ガス流路５６Ａを構成する連続ガイド凸部１０６ａ、１０６ｂと、第３金属セパレータ９８Ａの第２燃料ガス流路６６Ａを構成するエンボス凸部１０８ｂ、１０８ａとは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に積層方向に重なる位置に突出し、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持する。

第１セルユニット９２Ａ及び第２セルユニット９２Ｂにおいて、第１酸化剤ガス流路３６Ａ、３６Ｂでは、連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂ同士の位相が異なるとともに、第２酸化剤ガス流路５６Ａ、５６Ｂでは、連続ガイド凸部１０６ａ、１０６ｂ同士の位相が異なる。

第１燃料ガス流路５４Ａ、５４Ｂでは、エンボス凸部１０４ａ、１０４ｂ同士の位相が異なるとともに、第２燃料ガス流路６６Ａ、６６Ｂでは、エンボス凸部１０８ａ、１０８ｂ同士の位相が異なる。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、第１金属セパレータ９４Ａの連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂと、第２金属セパレータ９６Ａのエンボス凸部１０４ｂ、１０４ａとが積層方向に互いに重なり合っている。このため、連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂとエンボス凸部１０４ｂ、１０４ａにより、第１電解質膜・電極構造体１６ａを確実に保持することができる。

しかも、第１酸化剤ガス流路３６Ａを構成する入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂでは、前記第１酸化剤ガス流路３６Ａ側に突出する連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂが設けられている。従って、連続ガイド凸部１００ａ、１００ｂの案内作用下に、第１酸化剤ガス流路３６Ａに酸化剤ガスを円滑に流通させることが可能になり、良好な発電機能が確実に維持される。

さらに、第１セルユニット９２Ａと第２セルユニット９２Ｂとは、異なる位相に設定されており、第１冷却媒体流路３８Ａ及び第２冷却媒体流路６８Ａに荷重抜けが惹起されることはない。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、間引き冷却構造を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚の電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持するセルユニットを備え、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する燃料電池にも、適用することが可能である。

１０、９０…燃料電池
１２Ａ、１２Ｂ、９２Ａ、９２Ｂ…セルユニット
１４Ａ、１４Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ、９４Ａ、９４Ｂ、９６Ａ、９６Ｂ、９８Ａ、９８Ｂ…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…燃料ガス入口連通孔
３０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３６Ａ、３６Ｂ、５６Ａ、５６Ｂ…酸化剤ガス流路
３８Ａ、３８Ｂ、６８Ａ、６８Ｂ…冷却媒体流路
４０ａ、４８ａ、５８ａ、７０ａ…直線状流路
４２ａ、５０ａ、６０ａ、７２ａ…入口バッファ部
４２ｂ、５０ｂ、６０ｂ、７２ｂ…出口バッファ部
４６ａ、４６ｂ、７４ａ、７４ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…エンボス凸部
５２ａ、５２ｂ、６４ａ、６４ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…連続ガイド凸部
５４Ａ、５４Ｂ、６６Ａ、６６Ｂ…燃料ガス流路

Claims (2)

1. 電解質の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体のいずれかが流通される第１流体流路及びバッファ部が形成され、前記金属セパレータの他方の面には、前記流体の他のいずれかが流通される第２流体流路及びバッファ部が形成される燃料電池であって、
   互いに前記電解質膜・電極構造体を挟んで隣接する、又は直接隣接する第１及び第２の金属セパレータを備え、
   前記第１の金属セパレータは、前記バッファ部に前記第２の金属セパレータ側に突出するエンボス凸部を設け、
   前記第２の金属セパレータは、前記バッファ部に前記第１の金属セパレータ側に突出する連続ガイド凸部を設けるとともに、
   前記エンボス凸部と前記連続ガイド凸部とは、積層方向に互いに重なり合う位置に設定され、
   各金属セパレータは、前記バッファ部の一方の面に突出する前記エンボス凸部と前記バッファ部の他方の面に突出する前記連続ガイド凸部とが、交互に設けられ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、前記燃料電池は、アノード側金属セパレータ、第１の電解質膜・電極構造体、中間金属セパレータ、第２の電解質膜・電極構造体及びカソード側金属セパレータの順に積層されるセルユニットを備えるとともに、
   互いに隣接する前記セルユニットは、一方の前記エンボス凸部及び前記連続ガイド凸部と他方の前記エンボス凸部及び前記連続ガイド凸部とが、異なる位相に設定されることを特徴とする燃料電池。

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