JP5809093B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、互いに隣接する前記金属セパレータ間には、該金属セパレータを波形に成形して電極面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けら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、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が電極面方向に沿って設けられている。

ここで、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。この金属セパレータは、金属薄板を波形状に成形することにより、セパレータ面の表裏には、それぞれ前記波形状の凹部（溝部）に沿って反応ガス流路と冷却媒体流路の一部とが設けられている。冷却媒体流路は、互いに隣接する金属セパレータに成形された溝部同士が重なり合って構成されている。

さらに、金属セパレータには、反応ガス流路や冷却媒体流路等をシールするために、シール部材が一体成形されている。その際、冷却媒体流路の最外周には、隣接する金属セパレータの溝部同士が重なり合っており、シール部材との間に隙間が発生し易い。従って、冷却媒体は、冷却媒体流路を迂回して前記冷却媒体流路の外方とシール部材との間を流通する、所謂、ショートカットが発生するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この特許文献１は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と長方形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータ間には、電極範囲を周回して長辺方向に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記金属セパレータには、長辺方向一端側に前記冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体供給連通孔が設けられ、且つ長辺方向他端側に前記冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体排出連通孔が設けられる燃料電池に関するものである。

そして、冷却媒体流路は、波形状を有する複数の波状凸部間に形成される一方、金属セパレータの外側から、前記冷却媒体流路の最外周を構成する前記波状凸部の側部に当接するとともに、側部波形状の一部に倣う少なくとも凸形状を有する閉塞シール部が設けられている。

これにより、簡単な構成で、冷却媒体流路全域にわたって冷却媒体を良好に流通させることができ、前記冷却媒体のショートカットを可及的に阻止することが可能になる、としている。

特開２０１１−１７１２２２号公報

本発明は、この種の技術に関してなされたものであり、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体のショートカットを可及的に阻止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。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、互いに隣接する前記金属セパレータ間には、該金属セパレータが波形に成形して冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられる燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、冷却媒体流路の幅方向最外周よりも外方に位置する外周部には、冷却媒体が前記冷却媒体流路を迂回することを阻止するための迂回規制部が設けられるとともに、前記迂回規制部は、少なくとも一方の金属セパレータに一体に成形され、他方の金属セパレータに当接する凸部を備えている。

また、この燃料電池では、金属セパレータは、長方形状を有し、前記金属セパレータの長辺方向一方側には、冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記金属セパレータの長辺方向他方側には、前記冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられ、凸部は、各冷却媒体入口連通孔と各冷却媒体出口連通孔との間に、それぞれ少なくとも１つ、成形されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、冷却媒体流路は、波形状を有する複数の波状突起部間に形成されるとともに、凸部は、最外周の前記波状突起部の外方に、前記冷却媒体流路の流れ方向に交差する方向の長さが異なる２種の凸状部位を交互に設けて構成されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路の外周部に設けられた迂回規制部は、少なくとも一方の金属セパレータに一体に成形される凸部を備えるとともに、前記凸部は、他方の金属セパレータに直接当接している。このため、冷却媒体流路の周囲に形成される迂回路は、凸部を介して確実に閉塞することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体のショートカットを可及的に阻止することが可能になる。

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ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電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２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。

図１〜図４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、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。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１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部には、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入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、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が設けられる。

発電ユニット１２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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、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一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図５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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。

入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される一方、出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端には、前記第１酸化剤ガス流路２６から生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられる。第１カソード排水通路３２は、第１金属セパレータ１４の面１４ａ及び該面１４ａとは反対の面１４ｂに交互に形成される凹凸形状部３４ａ、３４ｂにより構成される。凹凸形状部３４ａ、３４ｂは、重力方向最下端の波状流路溝部２６ａの外側形状に沿って第１金属セパレータ１４にプレス成形される。

凹凸形状部３４ａは、面１４ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部３４ｂは、面１４ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する。図１、図２、図５及び図６に示すように、第１金属セパレータ１４の下部側及び上部側には、冷却媒体が冷却媒体流路３８を迂回して前記冷却媒体流路３８の外周部を流通することを阻止するための迂回規制部３５ａ、３５ｂが設けられる。

迂回規制部３５ａは、図６に示すように、下部側の冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとの間に配置されている凹凸形状部（凸部）３４ｂｓを備える。凹凸形状部３４ｂｓは、他の凹凸形状部３４ｂよりも冷却媒体流路３８側に大きく突出し、隣接する第３金属セパレータ２０の後述する凹凸形状部６４ａｓに近接（当接を含む、以下同様である）する（図２参照）。近接する両側の凹凸形状部３４ｂｓと凹凸形状部６４ａｓとは、矢印Ｃ方向の長さが互いに異なっている。

凹凸形状部３４ｂｓは、冷却媒体流路３８の流れ方向に交差する方向（矢印Ｃ方向）の長さが異なる２種の凸状部位（波状流路溝部２６ａの山部及び谷部に対応する）を交互に設けて構成される。

なお、凹凸形状部３４ｂｓは、冷却媒体入口連通孔２５ａの冷却媒体出口連通孔２５ｂ側の端部の近傍に少なくとも１つ、及び前記冷却媒体出口連通孔２５ｂの前記冷却媒体入口連通孔２５ａ側の端部の近傍に少なくとも１つ、成形してもよい。以下の各凹凸形状部でも、同様である。

迂回規制部３５ｂは、図１及び図５に示すように、上部側の冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとの間に配置されている凹凸形状部（凸部）３４ｂｔを備える。凹凸形状部３４ｂｔは、重力方向最上端の波状流路溝部２６ａの山部及び谷部に対応して成形されるとともに、冷却媒体流路３８側に大きく突出し、隣接する第３金属セパレータ２０の後述する凹凸形状部６４ａｔに近接する。

図２に示すように、凹凸形状部３４ａは、後述する第１樹脂枠部材８０に近接して第１カソード排水通路３２を部分的に閉塞する。図５に示すように、第１カソード排水通路３２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路３６が設けられる。排水用流路３６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路５８の裏面形状とが重なり合って形成される。第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と第２燃料ガス流路５８の裏面形状とは、位相が反転することにより冷却媒体流路３８が形成されているが、前記位相が同一であってもよい。

図７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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路４０が形成される。第１燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４０ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４２ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４２ｂが形成される。

第１燃料ガス流路４０の重力方向下端には、前記第１燃料ガス流路４０から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第１アノード排水通路４４が設けられる。第１アノード排水通路４４は、第２金属セパレータ１８の面１８ａ及び該面１８ａとは反対の面１８ｂに交互に形成される凹凸形状部４６ａ、４６ｂにより構成される。

凹凸形状部４６ａは、面１８ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部４６ｂは、面１８ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する。凹凸形状部４６ａは、図２に示すように、後述する第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７８に当接して第１アノード排水通路４４を部分的に閉塞する。図７に示すように、第１アノード排水通路４４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路４８が設けられる。排水用流路４８は、排出孔部４２ｂに連通する。

図８に示すように、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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５０が形成される。第２酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）５０ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝５２ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝５２ｂが形成される。

第２酸化剤ガス流路５０の重力方向下端には、前記第２酸化剤ガス流路５０から生成水を重力方向下方に排出するための第２カソード排水通路５４が設けられる。第２カソード排水通路５４は、第１アノード排水通路４４の裏面形状である凹凸形状部４６ａ、４６ｂにより構成される。

図２に示すように、凹凸形状部４６ｂは、後述する第２樹脂枠部材８２に当接して第２カソード排水通路５４を部分的に閉塞する。図８に示すように、第２カソード排水通路５４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路５６が設けられる。排水用流路５６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。

図９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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）５８ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部６０ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部６０ｂが形成される。図１及び図３に示すように、供給孔部６０ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部４２ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部６０ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部４２ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。

図９に示すように、第２燃料ガス流路５８の重力方向下端には、前記第２燃料ガス流路５８から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第２アノード排水通路６２が設けられる。第２アノード排水通路６２は、第２金属セパレータ１８の面１８ａ及び該面１８ａとは反対の面１８ｂに交互に形成される凹凸形状部６４ａ、６４ｂにより構成される。

凹凸形状部６４ａは、面２０ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部６４ｂは、面２０ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する。下部側の冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとの間には、凹凸形状部３４ｂｓに当接する凹凸形状部６４ａｓが設けられる。上部側の冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとの間には、凹凸形状部３４ｂｔに当接する凹凸形状部６４ａｔが設けられる。

なお、上部側の凹凸形状部６４ａｔは、必要に応じて設ければよく、例えば、平坦面に形成されていてもよい。凹凸形状部３４ｂｔが、平坦面に当接して迂回規制部３５ｂを構成することができればよいからである。

図２に示すように、凹凸形状部６４ａは、後述する第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に当接して第２アノード排水通路６２を部分的に閉塞する。図９に示すように、第２アノード排水通路６２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路６６が設けられる。排水用流路６６は、排出孔部６０ｂに連通する。

図１０に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路５８の裏面形状である冷却媒体流路３８の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３８が一体に設けられる。冷却媒体流路３８の重力方向下端には、第２アノード排水通路６２の裏面形状である凹凸形状部６４ａ、６４ｂが設けられる。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材６８が一体成形される。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の外周端縁部を周回して第２シール部材７０が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７２が一体成形される。

第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール材が用いられる。

図５に示すように、第１シール部材６８は、第１金属セパレータ１４の面１４ａ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と、第１酸化剤ガス流路２６とを連通する第１凸状シール部６８ａを有する。第１シール部材６８は、図６に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部６８ｂを有する。

図７に示すように、第２シール部材７０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂと、第１燃料ガス流路４０とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部７０ａを有する。

図８に示すように、第２シール部材７０は、面１８ｂ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と、第２酸化剤ガス流路５０との外周を連通する第２凸状シール部７０ｂを有する。

図９に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂと、第２燃料ガス流路５８とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部７２ａを有する。

図１０に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部７２ｂを有する。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体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７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード電極７６及びアノード電極７８とを備える。カソード電極７６は、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４の表面積（平面寸法）よりも小さな表面積（平面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極７６、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４は、同一の表面積に設定してもよく、また、前記アノード電極７８は、前記カソード電極７６及び前記固体高分子電解質膜７４の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。

カソード電極７６及びアノード電極７８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７４の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第１樹脂枠部材８０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第２樹脂枠部材８２が、例えば、射出成形等により一体成形される。第１樹脂枠部材８０及び第２樹脂枠部材８２を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

図１１及び図１２に示すように、第１樹脂枠部材８０は、長手方向（矢印Ｂ方向）両端部に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに向かって膨出する突出部８０ａ、８０ｂと、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって膨出する突出部８０ｃ、８０ｄとを有する。

第１樹脂枠部材８０のカソード電極７６側の面には、図１１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部８４ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部８４ｂが設けられる。入口バッファ部８４ａ及び出口バッファ部８４ｂは、ライン状凸部とエンボスにより構成され、又は、前記ライン状凸部のみや前記エンボスのみにより構成してもよい。以下の他のバッファ部も同様である。

図１２に示すように、第１樹脂枠部材８０のアノード電極７８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路４０との間に位置して入口バッファ部８６ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路４０との間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。

図１３及び図１４に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材８２は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かってそれぞれ膨出する突出部８２ａ、８２ｂ、８２ｃ及び８２ｄを有する。

第２樹脂枠部材８２のカソード電極７６側の面には、図１３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路５０との間に位置して入口バッファ部８８ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第２酸化剤ガス流路５０との間に位置して出口バッファ部８８ｂが形成される。

第２樹脂枠部材８２のアノード電極７８側の面には、図１４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路５８との間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第２燃料ガス流路５８との間に位置して出口バッファ部９０ｂが設けられる。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３８が形成される。

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２５ａ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、酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８４ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図５及び図８に示すように、第１酸化剤ガス流路２６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のカソード電極７６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極７６に供給される。

一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部４２ａを通って入口バッファ部８６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８６ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部６０ａを通って入口バッファ部９０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。

燃料ガスは、図１、図７及び図９に示すように、第１燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７８に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極７６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７８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電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極７６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８６ｂ、９０ｂから排出孔部４２ｂ、６０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３８に供給される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。

この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。その際、冷却媒体は、冷却媒体流路３８を迂回して前記冷却媒体流路３８の外周部を流通し易い。

この場合、第１の実施形態では、図１、図２、図５及び図６に示すように、第１金属セパレータ１４の下部側及び上部側には、冷却媒体が冷却媒体流路３８を迂回して前記冷却媒体流路３８の外周部を流通することを阻止するための迂回規制部３５ａ、３５ｂが設けられている。

迂回規制部３５ａは、第１金属セパレータ１４に冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとの間に設けられる１以上の凹凸形状部３４ｂｓと、前記第１金属セパレータ１４に隣接する第３金属セパレータ２０に設けられ、前記凹凸形状部３４ｂｓが当接する１以上の凹凸形状部６４ａｓとを有している（図２参照）。

同様に、迂回規制部３５ｂは、第１金属セパレータ１４に設けられる１以上の凹凸形状部３４ｂｔと、前記第１金属セパレータ１４に隣接する第３金属セパレータ２０に設けられ、前記凹凸形状部３４ｂｔが当接する１以上の凹凸形状部６４ａｔとを有している（図１、図５、図６、図９及び図１０参照）。

このため、冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３８に供給される冷却媒体は、前記冷却媒体流路３８を迂回することがなく、前記冷却媒体流路３８を確実に流通した後、冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出されている。

その際、迂回規制部３５ａ、３５ｂは、第１金属セパレータ１４及び第３金属セパレータ２０自体をプレス加工して凸部を一体に成形するだけでよい。従って、凸部により冷却媒体流路３８の周囲に形成される迂回路を良好に閉塞することができるとともに、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体のショートカットを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

図１５及び図１６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０は、複数の発電ユニット１２２を積層して構成される。

発電ユニット１２２は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１２４との間に、電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。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。

第２金属セパレータ１２４は、電解質膜・電極構造体１６側の面１２４ａに、燃料ガス流路４０が設けられるとともに、前記第２金属セパレータ１２４の表裏に突出して凹凸形状部３４ｂｓに当接する凹凸形状部６４ａｓと、凹凸形状部３４ｂｔに当接する凹凸形状部６４ａｔとが設けられる。

凹凸形状部６４ａｓが凹凸形状部３４ｂｓに当接して迂回規制部３５ａが構成されるとともに、凹凸形状部６４ａｔが凹凸形状部３４ｂｔに当接して迂回規制部３５ｂが構成される。

電解質膜・電極構造体１６は、第１の実施形態の第１電解質膜・電極構造体１６ａ又は第２電解質膜・電極構造体１６ｂと同様に構成されている。

このように構成される第２の実施形態では、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１２４とが重なり合って、迂回規制部３５ａ、３５ｂが形成されている。このため、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体のショートカットを可及的に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１２０…燃料電池 １２、１２２…発電ユニット
１４、１８、２０、１２４…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
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
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、５０…酸化剤ガス流路 ３２、５４…カソード排水通路
３４ａ、３４ｂ、４６ａ、４６ｂ、６４ａ、６４ｂ、３４ｂｓ、３４ｂｔ、６４ａｓ、６４ａｔ…凹凸形状部
３５ａ、３５ｂ…迂回規制部 ３６、４８、５６、６６…排水用流路
３８…冷却媒体流路 ４０…燃料ガス流路
４４、６２…アノード排水通路 ５８…燃料ガス流路
６８、７０、７２…シール部材 ７４…固体高分子電解質膜
７６…カソード電極 ７８…アノード電極
８０、８２…樹脂枠部材

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、互いに隣接する前記金属セパレータ間には、該金属セパレータを波形に成形して冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられる燃料電池であって、
   前記冷却媒体流路の幅方向最外周よりも外方に位置する外周部には、前記冷却媒体が該冷却媒体流路を迂回することを阻止するための迂回規制部が設けられるとともに、
   前記迂回規制部は、少なくとも一方の金属セパレータに一体に成形され、他方の前記金属セパレータに当接する凸部を備え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、前記金属セパレータは、長方形状を有し、前記金属セパレータの長辺方向一方側には、前記冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記金属セパレータの長辺方向他方側には、前記冷却媒体流路を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられ、
   前記凸部は、各冷却媒体入口連通孔と各冷却媒体出口連通孔との間に、それぞれ少なくとも１つ、成形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、前記冷却媒体流路は、波形状を有する複数の波状突起部間に形成されるとともに、
   前記凸部は、最外周の前記波状突起部の外方に、前記冷却媒体流路の流れ方向に交差する方向の長さが異なる２種の凸状部位を交互に設けて構成されることを特徴とする燃料電池。

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