JP5993622B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが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を有し、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が一体に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固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位セル）を備えている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。

内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔（燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔）及び反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔）を備えている。反応ガス入口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）の入口側に連通する一方、反応ガス出口連通孔は、前記反応ガス流路の出口側に連通している。

この場合、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、開口幅寸法が反応ガス流路の流路幅寸法に比べて相当に小さな寸法に設定されている。従って、反応ガス流路における反応ガスの流れを均等且つ円滑に行うために、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の近傍には、前記反応ガスを良好に配流させるバッファ部が必要になっている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セパレータは、図１０に示すように、対角位置に入口マニホールド１ａ及び出口マニホールド１ｂが設けられるとともに、セパレータ面内には、ガス流路２が形成されている。

ガス流路２は、入口マニホールド１ａ及び出口マニホールド１ｂの通路幅より幅広に形成された流路幅を有し且つ流路を複数に分割するリブ３ａを設ける主流路部３と、前記入口マニホールド１ａ及び前記出口マニホールド１ｂと前記主流路部３との間に配置される配流部（バッファ部）４及び合流部（バッファ部）５とを備えている。

配流部４は、流路を複数に分割するリブ４ａを設けるとともに、前記リブ４ａの端部と主流路部３のリブ３ａとの間には、隙間４ｂが形成されている。合流部５は、流路を複数に分割するリブ５ａを設けるとともに、前記リブ５ａの端部と主流路部３のリブ３ａとの間には、隙間５ｂが形成されている。

特開２００６−１７２９２４号公報

上記の特許文献１では、発電部に設けられている主流路部３は、反応ガスを発電面全面に良好に流通させる機能を有する一方、配流部４及び合流部５は、前記反応ガスの流配制御や排水制御を行う機能を有している。

しかしながら、燃料電池セパレータが水平方向（立位姿勢）に積層されている場合、合流部５に生成水が滞留し易くなる。このため、合流部５に接続される主流路部３にも滞留水が発生してしまう。従って、水滞留部では、セパレータからのイオン溶出や電極からの貴金属溶出が惹起され、電解質膜の劣化や電極性能の低下が懸念される。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、反応ガス流路から反応ガス連通孔に生成水を容易且つ確実に排出させることができ、簡単な構成で、良好な排水性を確保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・電極構造体とセパレータとが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を有し、前記セパレータには、電極面に沿って水平方向に反応ガスを移動させる反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられる一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が一体に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、樹脂枠部材のセパレータに対向する面には、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間を延在し、前記反応ガス流路から前記反応ガス連通孔に反応ガスを流動させるガイド流路を形成する反応ガスガイド部材と、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間を延在し、前記樹脂枠部材の前記反応ガスガイド部材と同じ面に設けられ前記反応ガス流路から前記反応ガス連通孔に向かって斜め下方に反応ガスを流動可能な排水用経路を形成する排水ガイド部材とが設けられ、前記排水ガイド部材の反応ガス流れ方向上流の端部は、前記反応ガス流路の最下部よりも下方に配置されている。

また、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスガイド部材、排水ガイド部材及び前記樹脂枠部材の表面高さを低く形成したチャンバを有するバッファ部が設けられるとともに、反応ガス流路の端部と前記チャンバとは、積層方向に重なり領域を有することが好ましい。

本発明によれば、排水ガイド部材は、反応ガス流路の最下部よりも下方に配置されており、前記反応ガス流路を流通する生成水は、前記排水ガイドの案内作用下に円滑に排水される。従って、反応ガス流路から反応ガス連通孔に生成水を容易且つ確実に排出させることができ、簡単な構成で、良好な排水性を確保することが可能になる。

本発明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。 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。 特許文献１に開示されている燃料電池セパレータの説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明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）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、それぞれ立位姿勢で配置される第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を設ける。

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。なお、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に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）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４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、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。なお、波状流路溝部２６ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

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。

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３２が形成される。冷却媒体流路３２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４２の裏面形状とが重なり合って形成される。

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３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部３４ａを有する。なお、波状流路溝部３４ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａ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３６ｂが形成される。

図５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３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部３８ａを有する。なお、波状流路溝部３８ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

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４０ａ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４０ｂが形成される。

図１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４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部４２ａを有する。なお、波状流路溝部４２ａに代えて、直線状流路溝を採用してもよい。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａ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４４ｂが形成される。供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側に配置される。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２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３２が一体に設けられる。

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４６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４８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５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０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４に示すように、第１シール部材４６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との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１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３２との外周を連通する第２凸状シール部４６ｂを有する。

第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと、第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。

図５に示すように、第２シール部材４８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３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。

図１に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと、第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。

第３シール部材５０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３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。

図２及び図３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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。

なお、上記とは反対に、アノード電極５６は、カソード電極５４の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６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。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材５８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５８の厚さは、第１電解質膜・電極構造体１６ａと同等以上の寸法に設定される。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２樹脂枠部材６０の厚さは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの厚さと同等以上の寸法に設定される。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０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６に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、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６２ａ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６２ｂが設けられる。

入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８の表面高さを低く形成した入口チャンバ６３ａを有し、前記入口チャンバ６３ａには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材６４ａが設けられる。ガイド部材６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。入口バッファ部６２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接してエンボス部６７ａが形成される。

出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８の表面高さを低く形成した出口チャンバ６３ｂを有する。出口チャンバ６３ｂには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材（反応ガスガイド部材）６４ｂと、第１酸化剤ガス流路２６の最下部よりも下方に距離ｈ１だけ離間して配置され、排水用経路６６ｂｂを形成する排水ガイド部材６４ｂｂとが設けられる。

ガイド部材６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。第１酸化剤ガス流路２６の端部と出口チャンバ６３ｂとは、積層方向に重なり領域６５を有する。出口バッファ部６２ｂには、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接してエンボス部６７ｂが形成される。

図７に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６８ａ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３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

入口バッファ部６８ａは、第１樹脂枠部材５８の表面高さを低く形成した入口チャンバ６９ａを有し、前記入口チャンバ６９ａには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材７０ａが設けられる。ガイド部材７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。入口バッファ部６８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接してエンボス部７３ａが形成される。

出口バッファ部６８ｂは、第１樹脂枠部材５８の表面高さを低く形成した出口チャンバ６９ｂを有する。出口チャンバ６９ｂには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材（反応ガスガイド部材）７０ｂと、第１燃料ガス流路３４の最下部よりも下方に距離ｈ２だけ離間して配置され、排水用経路７２ｂｂを形成する排水ガイド部材７０ｂｂとが設けられる。

ガイド部材７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。第１燃料ガス流路３４の端部と出口チャンバ６９ｂとは、積層方向に重なり領域７１を有する。出口バッファ部６８ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接してエンボス部７３ｂが形成される。

図８に示すように、第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８の入口側との間に位置して入口バッファ部７４ａ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３８の出口側との間に位置して、出口バッファ部７４ｂが設けられる。

入口バッファ部７４ａは、第２樹脂枠部材６０の表面高さを低く形成した入口チャンバ７５ａを有し、前記入口チャンバ７５ａには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材７６ａが設けられる。ガイド部材７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。入口バッファ部７４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接してエンボス部７９ａが形成される。

出口バッファ部７４ｂは、第２樹脂枠部材６０の表面高さを低く形成した出口チャンバ７５ｂを有する。出口チャンバ７５ｂには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材（反応ガスガイド部材）７６ｂと、第２酸化剤ガス流路３８の最下部よりも下方に距離ｈ３だけ離間して配置され、排水用経路７８ｂｂを形成する排水ガイド部材７６ｂｂとが設けられる。

ガイド部材７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。第２酸化剤ガス流路３８の端部と出口チャンバ７５ｂとは、積層方向に重なり領域７７を有する。出口バッファ部７４ｂには、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接してエンボス部７９ｂが形成される。

図９に示すように、第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部８０ａ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４２との間に位置して、出口バッファ部８０ｂが設けられる。

入口バッファ部８０ａは、第２樹脂枠部材６０の表面高さを低く形成した入口チャンバ８１ａを有し、前記入口チャンバ８１ａには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材８２ａが設けられる。ガイド部材８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。入口バッファ部８０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接してエンボス部８５ａが形成される。

出口バッファ部８０ｂは、第２樹脂枠部材６０の表面高さを低く形成した出口チャンバ８１ｂを有する。出口チャンバ８１ｂには、互いに平行する複数本のライン状ガイド部材（反応ガスガイド部材）８２ｂと、第２燃料ガス流路４２の最下部よりも下方に距離ｈ４だけ離間して配置され、排水用経路８４ｂｂを形成する排水ガイド部材８２ｂｂとが設けられる。

ガイド部材８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが形成される。第２燃料ガス流路４２の端部と出口チャンバ８１ｂとは、積層方向に重なり領域８３を有する。出口バッファ部８０ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接してエンボス部８５ｂが形成される。

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３２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１及び図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部６２ａ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、図１及び図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部７４ａを通って、第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図４及び図５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５４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路３８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５４に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図７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の供給孔部３６ａを通って、第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。

燃料ガスは、図１及び図９に示すように、第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って、第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４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５６に供給されるとともに、第２燃料ガス流路４２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５６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５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

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５６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される一方、排出孔部４４ｂを通って前記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、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、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。

この場合、本実施形態では、例えば、図７に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、出口バッファ部６８ｂが設けられるとともに、前記出口バッファ部６８ｂは、第１燃料ガス流路３４と燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連結するガイド部材７０ｂと、前記第１燃料ガス流路３４の最下部よりも下方に配置され、排水用経路７２ｂｂを形成する排水ガイド部材７０ｂｂとを設けている。

このため、第１燃料ガス流路３４を流通する生成水（カソード側からの逆拡散水）は、排水ガイド部材７０ｂｂの案内作用下及び重力により円滑に排水される。また、排水用経路７２ｂｂが生成水により閉塞した際には、排水ガイド部材７０ｂｂの入口から出口までの間の圧力差によって滞留水を排出することができる。

従って、第１燃料ガス流路３４から燃料ガス出口連通孔２４ｂに生成水を容易且つ確実に排出させることができ、簡単な構成で、良好な排水性を確保することが可能になるという効果が得られる。

さらに、本実施形態では、図３及び図７に示すように、出口バッファ部６８ｂは、第１樹脂枠部材５８の表面高さを低く形成した出口チャンバ６９ｂを有するとともに、前記出口チャンバ６９ｂと第１燃料ガス流路３４の端部とは、積層方向に重なり領域７１を有している。

これにより、第１燃料ガス流路３４から出口バッファ部６８ｂに滞留水を容易且つ確実に排出することができる。しかも、排水用経路７２ｂｂが生成水により閉塞した際には、より大きな圧力差で滞留水を排出することが可能になる。具体的には、第１燃料ガス流路３４の入口から排水ガイド部材７０ｂｂの出口までの間の圧力差によって滞留水を排出することができる。

また、図３及び図９に示すように、第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、出口バッファ部８０ｂが設けられている。そして、出口バッファ部８０ｂには、第２燃料ガス流路４２の最下部よりも下方に配置され、排水用経路８４ｂｂを形成する排水ガイド部材８２ｂｂが設けられている。さらに、出口バッファ部８０ｂは、第２樹脂枠部材６０の表面高さを低く形成した出口チャンバ８１ｂを有するとともに、前記出口チャンバ８１ｂと第２燃料ガス流路４２の端部とは、積層方向に重なり領域８３を有している。

これにより、出口バッファ部８０ｂでは、上記の出口バッファ部６８ｂと同様の効果を得ることが可能になる。さらにまた、図６及び図８に示すように、酸化剤ガス側でも、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂは、上記の出口バッファ部６８ｂと同様に構成されており、同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…発電ユニット
１４、１８、２０…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、３８…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ…入口バッファ部
６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ…出口バッファ部
６３ａ、６９ａ、７５ａ、８１ａ…入口チャンバ
６３ｂ、６９ｂ、７５ｂ、８１ｂ…出口チャンバ
６４ａ、６４ｂ、７０ａ、７０ｂ、７６ａ、７６ｂ、８２ａ、８２ｂ…ガイド部材
６４ｂｂ、７０ｂｂ、７６ｂｂ、８２ｂｂ…排水ガイド部材
６５、７１、７７、８３…重なり領域
６６ａ、７２ａ、７８ａ、８４ａ…入口ガイド流路
６６ｂ、７２ｂ、７８ｂ、８４ｂ…出口ガイド流路
６６ｂｂ、７２ｂｂ、７８ｂｂ、８４ｂｂ…排水用経路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが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を有し、前記セパレータには、電極面に沿って水平方向に反応ガスを移動させる反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられる一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材の前記セパレータに対向する面には、
   前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間を延在し、前記反応ガス流路から前記反応ガス連通孔に前記反応ガスを流動させるガイド流路を形成する反応ガスガイド部材と、
   前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間を延在し、前記樹脂枠部材の前記反応ガスガイド部材と同じ面に設けられ前記反応ガス流路から前記反応ガス連通孔に向かって斜め下方に反応ガスを流動可能な排水用経路を形成する排水ガイド部材と、
   が設けられ、
   前記排水ガイド部材の反応ガス流れ方向上流の端部は、前記反応ガス流路の最下部よりも下方に配置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、前記樹脂枠部材には、前記反応ガスガイド部材、前記排水ガイド部材及び前記樹脂枠部材の表面高さを低く形成したチャンバを有するバッファ部が設けられるとともに、
   前記反応ガス流路の端部と前記チャンバとは、前記積層方向に重なり領域を有することを特徴とする燃料電池。

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