JP5235351B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、第１金属セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え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。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層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配設した電解質膜・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）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セル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。

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、必要に応じて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、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける（所謂、間引き冷却）ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図１１に示すように、セパレータ１Ａ、電極ユニット２Ａ、セパレータ１Ｂ、電極ユニット２Ｂ及びセパレータ１Ｃの順に積層されている。電極ユニット２Ａ、２Ｂは、固体電解質膜２ａを燃料極２ｂ及び空気極２ｃで挟んで接合されている。

セパレータ１Ａ〜１Ｃは、各燃料極２ｂに対向する面に燃料ガス流路３ａを設けるとともに、前記セパレータ１Ａ〜１Ｃは、各空気極２ｃに対向する面に酸化剤ガス流路３ｂを設けている。

セパレータ１Ａ〜１Ｃは、金属プレートを波状に成形することにより一方に突出する凸部４を設け、前記凸部４を燃料極２ｂに接触させることにより燃料ガス流路３ａが形成されている。セパレータ１Ａ〜１Ｃは、同様に、他方に突出する凸部５を設け、前記凸部５を空気極２ｃに接触させることにより酸化剤ガス流路３ｂが形成されている。

特開２０００−２２３１３７号公報

しかしながら、上記の燃料電池では、セパレータ１Ａとセパレータ１Ｂとにより電極ユニット２Ａを挟持する際、互いの凸部４、５が積層方向（矢印Ｓ方向）に対してオフセットしている。このため、セパレータ１Ａ、１Ｂ間に電極ユニット２Ａを確実に挟持することができず、所望の締め付け荷重を付与することが困難になる。これにより、効率的な発電が遂行されないとともに、電極ユニット２Ａ、２Ｂの損傷が惹起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、同一の反応ガスを流す反応ガス流路の溝本数が異なっていても、簡単な構成で、発電特性を同一に設定することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え、前記第１金属セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１反応ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２金属セパレータとの間に第２反応ガス流路が形成され、前記第２金属セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第３反応ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３金属セパレータとの間に第４反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。

そして、第１〜第３金属セパレータの各々は波板形状に形成され、前記第１金属セパレータのうち第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部と前記第２金属セパレータのうち前記第１電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とが、発電ユニットの積層方向に対して対向した状態で該第１電解質・電極構造体を挟持し、前記第２金属セパレータのうち第２電解質・電極構造体側に突出する第３凸部と前記第３金属セパレータのうち前記第２電解質・電極構造体側に突出する第４凸部とが、前記発電ユニットの積層方向に対して対向した状態で該第２電解質・電極構造体を挟持し、第１〜第４反応ガス流路は、前記第１及び第２反応ガス流路のそれぞれの流路溝本数が互いに同一となる一方、前記第３及び第４反応ガス流路のそれぞれの流路溝本数が互いに同一で且つ前記第１反応ガス流路の流路溝本数と１本違いとなるように設定され、少なくとも同一の反応ガスを流す第１及び第３反応ガス流路は、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定されている。

また、発電ユニットは、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔を設け、少なくとも前記反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通する通路部と、前記反応ガス連通孔と第３反応ガス流路とを連通する通路部とは、互いに同一深さに設定されることが好ましい。

さらに、第１〜第４反応ガス流路は、一方向にのみ延在する複数本の波形状の流路溝を備えることが好ましい。

本発明では、少なくとも第１反応ガスを流す第１及び第３反応ガス流路は、各ガス流路長が同一に且つ各流路溝深さが同一に設定されている。このため、第１及び第３反応ガス流路は、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定されても、圧損のばらつきを有効に抑制することができ、簡単な構成で、発電特性を同一に維持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の分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、複数の発電ユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される（図２参照）。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０の順に積層される。

発電ユニット１２の長辺方向の上端縁部には、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供給連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するカソード側電極３０及びアノード側電極３２とを備える。

図２に示すように、カソード側電極３０及びアノード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３０ａ、３２ａ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３０ａ、３２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層３０ｂ、３２ｂとを有する。電極触媒層３０ｂ、３２ｂは、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）３４が形成される。第１酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向（長辺方向）にのみ延在する複数の波状流路溝３４ａを有し、前記波状流路溝３４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、四角形状を有するとともに、複数のエンボス（凸部）を設ける。酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部３６ａとの間には、連通路形成用の複数の受け部３８ａが形成される一方、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部３６ｂとの間には、連通路形成用の複数の受け部３８ｂが形成される。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、第１酸化剤ガス流路３４の裏面形状に対応して冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第１冷却媒体流路４０ａが形成される。

図３に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路（第２反応ガス流路）４２が形成される。第１燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝４２ａを有し、前記波状流路溝４２ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂが設けられる。

入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂは、四角形状を有するとともに、複数のエンボス（凸部）を設ける。燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部４４ａとの間には、連通路形成用の複数の受け部４６ａが形成される一方、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部４４ｂとの間には、連通路形成用の複数の受け部４６ｂが形成される。

第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（第３反応ガス流路）４８が形成される。第２酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝４８ａを有し、前記波状流路溝４８ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。

入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂは、四角形状を有するとともに、複数のエンボス（凸部）を設ける。酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部５０ａとの間には、連通路形成用の複数の受け部５２ａが形成される一方、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部５０ｂとの間には、連通路形成用の複数の受け部５２ｂが形成される。

図４に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第２燃料ガス流路（第４反応ガス流路）５４が形成される。第２燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向にのみ延在する複数の波状流路溝５４ａを有し、前記波状流路溝５４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。

入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂは、四角形状を有するとともに、複数のエンボス（凸部）を設ける。燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部５６ａとの間には、連通路形成用の複数の受け部５８ａが形成される一方、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部５６ｂとの間には、連通路形成用の複数の受け部５８ｂが形成される。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第２冷却媒体流路４０ｂが形成される（図１参照）。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材６０が一体成形される。第１シール部材６０は、面１４ａ側で、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを、第１酸化剤ガス流路３４に連通させる。第１シール部材６０は、面１４ｂ側で、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂを第１冷却媒体流路４０ａに連通させる。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、第２シール部材６２が一体成形される。第２シール部材６２は、図３に示すように、面１８ａ側で、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを第１燃料ガス流路４２に連通させる。第２シール部材６２は、面１８ｂ側で、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを第２酸化剤ガス流路４８に連通させる（図１参照）。

第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、第３シール部材６４が一体成形される。第３シール部材６４は、図４に示すように、面２０ａ側で、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを、第２燃料ガス流路５４に連通させる。第３シール部材６４は、面２０ｂ側で、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂを第２冷却媒体流路４０ｂに連通させる。

第１酸化剤ガス流路３４及び第２酸化剤ガス流路４８は、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される一方、第１燃料ガス流路４２及び第２燃料ガス流路５４は、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される。

概略的に説明すると、図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路３４を構成する波状流路溝３４ａが、例えば、７本形成されている。これに対し、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２酸化剤ガス流路４８を構成する波状流路溝４８ａが、例えば、６本だけ形成されている。

一方、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、図２及び図３に示すように、第１燃料ガス流路４２を構成する波状流路溝４２ａが、７本設けられている。これに対し、第３金属セパレータ２０の面２０ａには、図２及び図４に示すように、第２燃料ガス流路５４を構成する波状流路溝５４ａが６本だけ設けられている。

なお、第１燃料ガス流路４２の矢印Ｂ方向両端を構成する波状流路溝４２ａは、第２シール部材６２に設けられる流路形成部６２ａによって形成される（図２及び図３参照）。同様に、第２燃料ガス流路５４の矢印Ｂ方向両端を構成する波状流路溝５４ａは、第３シール部材６４に設けられる流路形成部６４ａによって形成される（図２及び図４参照）。

図５に示すように、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とは、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定される。第１酸化剤ガス流路３４は、受け部３８ａ及び入口バッファ部３６ａを有する入口側通路部と、受け部３８ｂ及び出口バッファ部３６ｂを有する出口通路部とを有する。第２酸化剤ガス流路４８は、受け部５２ａ及び入口バッファ部５０ａを有する入口側通路部と、受け部５２ｂ及び出口バッファ部５０ｂを有する出口通路部とを有する。第１酸化剤ガス流路３４及び第２酸化剤ガス流路４８では、それぞれの入口側通路部及び出口通路部は、互いに同一深さに設定される。

同様に、第１燃料ガス流路４２と第２燃料ガス流路５４とは、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定される。第１燃料ガス流路４２及び第２燃料ガス流路５４では、それぞれの入口側通路部及び出口通路部は、互いに同一深さに設定される。

なお、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とにのみ、上記の構成を採用したり、また、第１燃料ガス流路４２と第２燃料ガス流路５４とにのみ、上記の構成を採用したりしてもよい。

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、燃料電池１０を構成する各発電ユニット１２では、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３４及び第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４８に導入される。このため、酸化剤ガスは、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３０に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４２及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５４に導入される。従って、燃料ガスは、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３２に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３０ｂ、３２ｂ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、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。同様に、アノード側電極３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図１及び図２に示すように、各発電ユニット１２間に形成される第１及び第２冷却媒体流路４０ａ、４０ｂに導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体１６ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１酸化剤ガス流路３４を構成する波状流路溝３４ａと、第２酸化剤ガス流路４８を構成する波状流路溝４８ａとは、互いに異なる本数に設定されている。具体的には、波状流路溝３４ａが７本であるのに対し、波状流路溝４８ａが６本に設定されている。そして、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とは、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定される（図５参照）。

ここで、図６に示すように、幅Ｗ、深さ（高さ）Ｈ及び長さＬの長方形断面を有する流路溝において、圧力損失（以下、単に圧損という）の理論式に基づいて流体の体積流量Ｑが、以下の式から得られる。

Ｑ＝π×ΔＰ×Ｄ⁴／（１２８×μ×Ｌ）（層流時Ｒｅ（レイノルズ数）＜２１００）、なお、Ｄ＝（１２８×ｗ×Ｈ³／（π×Ｋ））^(1/4)、Ｋ＝１２
上記の式から、
ΔＰ＝１２×μ×Ｌ×Ｑ／ｗ×Ｈ³
ΔＰ＝１２×μ×Ｌ×Ｑ／Ｓ×Ｈ²
ΔＰ＝１２×μ×Ｌ×ｖ／Ｈ²（なお、μ：流体粘度、Ｓ：表面積、ｖ：流速）が得られる。

従って、流路溝の圧損は、深さＨの二乗に反比例する一方、流速ｖに比例する。このため、図７に示すように、流路溝深さをある程度大きく設定することにより、例えば、流路溝の本数や流路幅（Ｗ）の変動に影響されることがない。さらに、換言すれば、流路溝の幅寸法が変動したり、前記流路溝の本数が変動したりしても、該流路溝の長さ及び溝深さを同一に設定すれば、圧損に影響を与えることが少ない。

これにより、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とは、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定されても、圧損のばらつきを有効に抑制することができ、簡単な構成で、発電特性を同一に維持することが可能になるという効果が得られる。

同様に、第１燃料ガス流路４２を構成する波状流路溝４２ａと、第２燃料ガス流路５４を構成する波状流路溝５４ａとは、異なる本数に設定されている。そして、第１燃料ガス流路４２と第２燃料ガス流路５４とは、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定されている（図５参照）。このため、圧損のばらつきを有効に抑制することができ、簡単な構成で、発電特性を同一に維持することが可能になる。

さらに、第１酸化剤ガス流路３４及び第２酸化剤ガス流路４８では、それぞれの入口側通路部及び出口通路部は、互いに同一深さに設定される一方、第１燃料ガス流路４２及び第２燃料ガス流路５４では、それぞれの入口側通路部及び出口通路部は、互いに同一深さに設定されている。これにより、入口側通路部及び出口側通路部における圧損のばらつきを有効に抑制することができ、発電性能の向上が容易に図られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の分解斜視説明図である。図９は、燃料電池８０の、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図であり、図１０は、前記燃料電池８０の、図８中、Ｘ−Ｘ線断面図である。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８０は、複数の発電ユニット８２を備える。発電ユニット８２は、第１金属セパレータ８４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８６ａ、第２金属セパレータ８８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８６ｂ及び第３金属セパレータ９０の順に積層される。

第１電解質膜・電極構造体８６ａ及び第２電解質膜・電極構造体８６ｂは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体用の連通孔を設けておらず、アノード側電極３２がカソード側電極３０よりも小さな表面積を有する、所謂、段差ＭＥＡを構成する。第１電解質膜・電極構造体８６ａは、第２電解質膜・電極構造体８６ｂよりも大きな外形寸法に設定される。

第２金属セパレータ８８には、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに近接してそれぞれ複数の燃料ガス通過用の貫通孔９２ａ、９２ｂが形成される。貫通孔９２ａ、９２ｂは、第２電解質膜・電極構造体８６ｂ側の面１８ｂで燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通し、前記第２金属セパレータ８８を通過して第１電解質膜・電極構造体８６ａ側の面１８ａで第１燃料ガス流路４２に連通する。

第３金属セパレータ９０には、貫通孔９２ａ、９２ｂよりも中央側にオフセットして燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通するそれぞれ複数の燃料ガス通過用の貫通孔９４ａ、９４ｂが形成される。貫通孔９４ａ、９４ｂは、面２０ｂで燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通し、第３金属セパレータ９０を通過して面２０ａで第２燃料ガス流路５４に連通する。

第２金属セパレータ８８に設けられる受け部５２ａ、５２ｂは、第１金属セパレータ８４に設けられる受け部３８ａ、３８ｂよりも長尺に構成される。第２金属セパレータ８８の入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂは、第１金属セパレータ８４の入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂよりも矢印Ｃ方向の寸法が短尺に構成される。すなわち、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とは、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される一方、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定される。

第１燃料ガス流路４２及び第２燃料ガス流路５４は、同様にそれぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定される一方、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定される。

このように構成される第２の実施形態では、第１酸化剤ガス流路３４と第２酸化剤ガス流路４８とは、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定されている。このため、それぞれの流路溝本数が互いに異なる本数に設定されても、圧損のばらつきを有効に抑制することができ、簡単な構成で、発電特性を同一に維持す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の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 流路長さ方向に対する流路溝深さの説明図である。 圧損の理論式に用いられる流路溝の説明図である。 流路溝深さと圧損のばらつきとの関係図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 前記燃料電池の、図８中、Ｘ−Ｘ線断面図である。 特許文献１の燃料電池の断面図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池 １２、８２…発電ユニット
１４、１８、２０、８４、８８、９０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、８６ａ、８６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔 ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６ａ…冷却媒体供給連通孔 ２６ｂ…冷却媒体排出連通孔
２８…固体高分子電解質膜 ３０…カソード側電極
３２…アノード側電極 ３４、４８…酸化剤ガス流路
３４ａ、４８ａ…波状流路溝
３６ａ、４４ａ、５０ａ、５６ａ…入口バッファ部
３６ｂ、４４ｂ、５０ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３８ａ、３８ｂ、４６ａ、４６ｂ、５２ａ、５２ｂ、５８ａ、５８ｂ…受け部
４０ａ、４０ｂ…冷却媒体流路 ４２、５４…燃料ガス流路
４２ａ、５４ａ…波上流路溝 ６０、６２、６４…シール部材
９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ…貫通孔

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される発電ユニットを備え、
   前記第１金属セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１反応ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２金属セパレータとの間に第２反応ガス流路が形成され、前記第２金属セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第３反応ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３金属セパレータとの間に第４反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
   前記第１〜第３金属セパレータの各々は波板形状に形成され、
   前記第１金属セパレータのうち前記第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部と前記第２金属セパレータのうち前記第１電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とが、前記発電ユニットの積層方向に対して対向した状態で該第１電解質・電極構造体を挟持し、
   前記第２金属セパレータのうち前記第２電解質・電極構造体側に突出する第３凸部と前記第３金属セパレータのうち前記第２電解質・電極構造体側に突出する第４凸部とが、前記発電ユニットの積層方向に対して対向した状態で該第２電解質・電極構造体を挟持し、
   前記第１〜第４反応ガス流路は、前記第１及び第２反応ガス流路のそれぞれの流路溝本数が互いに同一となる一方、前記第３及び第４反応ガス流路のそれぞれの流路溝本数が互いに同一で且つ前記第１反応ガス流路の流路溝本数と１本違いとなるように設定され、
   少なくとも同一の反応ガスを流す第１及び第３反応ガス流路は、それぞれのガス流路長が互いに同一長さに且つそれぞれの流路溝深さが互いに同一深さに設定さ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、発電ユニットは、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔を設け、
   少なくとも前記反応ガス連通孔と前記第１反応ガス流路とを連通する通路部と、前記反応ガス連通孔と前記第３反応ガス流路とを連通する通路部とは、互いに同一深さに設定され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、前記第１〜第４反応ガス流路は、一方向にのみ延在する複数本の波形状の流路溝を備えることを特徴とする燃料電池。

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