JP6045980B2 - 燃料電池スタック - 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・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。

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一方の側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより発電セル（単位セル）が構成されている。燃料電池は、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、一方のセパレータの面内に、アノード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。さらに、発電セル毎又は複数の発電セル毎に、互いに隣接するセパレータ間にセパレータ面に沿って電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

また、燃料電池では、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。具体的には、発電セルの積層方向に貫通して、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とが、燃料電池の内部に設けられている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、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、平面が矩形状の金属セパレータとが積層される発電ユニットを備えている。金属セパレータの電極対向面には、電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状ガス流路が設けられている。そして、発電ユニットは、該発電ユニットの間に波形状ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路を形成して互いに積層されている。

さらに、金属セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられている。金属セパレータの互いに対向する他方の２辺には、積層方向に貫通し、少なくとも反応ガス入口連通孔又は反応ガス出口連通孔に近接し、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。

従って、一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が、それぞれ振り分けて設けられるため、冷却媒体流路全域に対して冷却媒体を均一且つ確実に供給することができる。

国際公開第２０１０／０８２５８９号パンフレット

上記の燃料電池では、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体流路との間は、複数本の連結流路を介して連通するとともに、前記冷却媒体流路の入口側には、一対の冷却媒体入口連通孔間に位置してバッファ部が設けられている場合が多い。従って、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔から連結流路を通って冷却媒体流路（発電部）に供給されるとともに、バッファ部を通過して前記発電部の中央部位まで供給されている。

ところで、バッファ部は、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の開口形状等に対応して、例えば、三角形に設定されている場合がある。その際、冷却媒体流路の幅方向中央側から前記冷却媒体流路の外方に突出する三角形の頂点には、冷却媒体が集中し易くなるとともに、前記冷却媒体の滞留が惹起するおそれがある。

これにより、冷却媒体流路の幅方向に沿って冷却媒体を均等に供給することができず、発電部内の温度が不均一になるとともに、冷却効率が低下し易い。このため、局所的な劣化や滞留水が発生するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電部全面に亘って冷却媒体を均等に供給することができ、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に一対の電極が設けられるとともに前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ前記セパレータが配置された電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されている。互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側及び前記冷却媒体流路の出口側には、それぞれバッファ部が設けられている。一方、冷却媒体流路の入口側には、流路幅方向の両側にバッファ部を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。

この燃料電池スタックでは、バッファ部は、冷却媒体流路の流路幅の範囲内から前記冷却媒体流路の外方に突出する頂点を有する三角形に構成され、前記頂点側には、前記三角形の内方に突出する凹部が設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、セパレータは、金属セパレータである。金属セパレータの一方の面には、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスをセパレータ面に沿って流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口側及び出口側にそれぞれ連通する反応ガスバッファ部と、が設けられることが好ましい。そして、金属セパレータの他方の面には、反応ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路と、反応ガスバッファ部の裏面形状であるバッファ部と、が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、バッファ部は、流路幅方向の中央から前記流路幅方向の一方に離間した位置に頂点を有する略三角形に構成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、バッファ部は、凹部を挟む２つの辺を有し、少なくとも一方の辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の小さな浅バッファ部領域が設けられることが好ましい。

本発明によれば、三角形に構成されるバッファ部は、冷却媒体流路の流路幅の範囲内から前記冷却媒体流路の外方に突出する頂点側に、前記三角形の内方に突出する凹部を設けている。このため、凹部によって冷却媒体の流れが分散され、頂点近傍に前記冷却媒体が集中することを抑制することができ、冷却媒体流路全体に前記冷却媒体を均等に供給することが可能になる。しかも、頂点近傍に冷却媒体が滞留することがなく、冷却効率の低下を抑制することができる。

これにより、簡単な構成で、発電部全面に亘って冷却媒体を均等且つ確実に供給し、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制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スタックを構成する燃料電池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。 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの一方の面の説明図である。 前記アノード側セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する冷却媒体入口連通孔の要部説明図である。 本願例と従来例とにおいて、冷却媒体流路に供給される冷却媒体の流量の比較説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの一方の面の説明図である。 前記アノード側セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する冷却媒体入口連通孔の要部説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１１が立位姿勢（電極面が鉛直方向に平行）にて矢印Ａ方向に積層される。燃料電池１１は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６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薄板状金属セパレータにより構成される。金属セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、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、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。

燃料電池１１の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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一方、燃料ガス出口連通孔２０ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂは、略三角形を有するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、前記燃料ガス出口連通孔２０ｂよりも大きな開口面積に設定される。

燃料電池１１の長辺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２０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス入口連通孔２０ａは、略三角形を有するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、前記燃料ガス入口連通孔２０ａよりも大きな開口面積に設定される。

燃料電池１１の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方には、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２つの冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられる。燃料電池１１の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。

冷却媒体入口連通孔２２ａは、開口形状が後述する冷却媒体流路３８の流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体入口連通孔２２ａは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第１領域２２ａ１及び第２領域２２ａ２に分割するリブ部２２ａ(rib)が設けられる。なお、リブ部２２ａ(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

冷却媒体出口連通孔２２ｂは、開口形状が冷却媒体流路３８の流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体出口連通孔２２ｂは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第１領域２２ｂ１及び第２領域２２ｂ２に分割するリブ部２２ｂ(rib)が設けられる。なお、リブ部２２ｂ(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード電極２６及びアノード電極２８とを備える。

カソード電極２６及びアノード電極２８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、例えば、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

図１に示すように、カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路３０が形成される。酸化剤ガス流路３０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バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。

入口バッファ部３２ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの形状に沿って非対称三角形を有するとともに、水平方向の頂点位置が高さ方向中央から下方に離間して設定される。出口バッファ部３２ｂは、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの形状に沿って非対称三角形を有するとともに、水平方向の頂点位置が高さ方向中央から上方に離間して設定される。

図３に示すように、アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４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は、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの形状に沿って略三角形を有するとともに、水平方向の頂点位置が高さ方向中央から上方に離間して設定される。出口バッファ部３６ｂは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの形状に沿って略三角形を有するとともに、水平方向の頂点位置が高さ方向中央から下方に離間して設定される。

アノード側セパレータ１６の面１６ｂとカソード側セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図１及び図４参照）。冷却媒体流路３８は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂが設けられる。

図４に示すように、アノード側セパレータ１６では、冷却媒体流路３８は、燃料ガス流路３４の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂは、出口バッファ部３６ｂ及び入口バッファ部３６ａの裏面形状として形成される。カソード側セパレータ１４では、冷却媒体流路３８は、酸化剤ガス流路３０の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂは、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂの裏面形状として形成される。以下、アノード側セパレータ１６を用いて説明する。なお、冷却媒体流路３８は、直線状の流路溝により構成してもよく、また、複数の燃料電池毎に設けてもよい。

図４に示すように、入口バッファ部４０ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの形状に沿って略三角形を有する。水平方向の頂点４０ａｅの位置は、高さ方向（流路幅方向）中央（矢印Ｃ方向）から下方に距離ｈ１だけ離間して設定される。頂点４０ａｅの近傍には、具体的には、前記頂点４０ａｅの下方近傍（三角形の一辺）には、略三角形の内方に突出する凹部４１ａが設けられる。

出口バッファ部４０ｂは、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの形状に沿って略三角形を有する。水平方向の頂点４０ｂｅの位置は、高さ方向（流路幅方向）中央（矢印Ｃ方向）から上方に距離ｈ２だけ離間して設定される。頂点４０ｂｅの近傍には、具体的には、前記頂点４０ｂｅの上方近傍（三角形の一辺）には、略三角形の内方に突出する凹部４１ｂが設けられる。

図１に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形される。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４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部材が用いられる。

カソード側セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて、入口バッファ部３２ａと酸化剤ガス入口連通孔１８ａとを連通する複数本の入口連結流路４６ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて、出口バッファ部３２ｂと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとを連通する複数本の出口連結流路４６ｂが形成される。

図３に示すように、アノード側セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて、入口バッファ部３６ａと燃料ガス入口連通孔２０ａとを連通する複数本の入口連結流路４８ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて、出口バッファ部３６ｂと燃料ガス出口連通孔２０ｂとを連通する複数本の出口連結流路４８ｂが形成される。

図４に示すように、アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて、上方側の冷却媒体入口連通孔２２ａの近傍に、入口連結流路５０ａｕ１、５０ａｕ２が形成される。面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて、下方側の冷却媒体入口連通孔２２ａの近傍に、入口連結流路５０ａｄ１、５０ａｄ２が形成される。入口連結流路５０ａｕ１の流路本数と入口連結流路５０ａｄ１の流路本数とは、異なる本数に設定される。

入口連結流路５０ａｕ１は、上方側の冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部４０ａとを連通する。入口連結流路５０ａｄ１は、下方側の冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部４０ａとを連通する。

入口連結流路５０ａｕ２は、上方側の冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３８とを連通する。入口連結流路５０ａｄ２は、下方側の冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３８とを連通する。

アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて、上方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４０ｂとを連通する複数本の出口連結流路５０ｂｕ１、５０ｂｕ２が形成される。面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて、下方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４０ｂとを連通する複数本の出口連結流路５０ｂｄ１、５０ｂｄ２が形成される。

出口連結流路５０ｂｕ１は、上方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４０ｂとを連通する。出口連結流路５０ｂｄ１は、下方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４０ｂとを連通する。

出口連結流路５０ｂｕ２は、上方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路３８とを連通する。出口連結流路５０ｂｄ２は、下方側の冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３８とを連通する。

このように構成される燃料電池１１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１８ａには、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２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２２ａには、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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス流路３４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給される（図１参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２８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、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、図１及び図４に示すように、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２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２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、入口バッファ部４０ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの形状に沿って略三角形を有している。入口バッファ部４０ａには、冷却媒体流路３８の流路幅の範囲内から前記冷却媒体流路３８の外方に突出する頂点４０ａｅが設けられている。そして、頂点４０ａｅの近傍には、略三角形の内方に突出する凹部４１ａが設けられている。

このため、凹部４１ａによって冷却媒体の流れが分散され、頂点４０ａｅの近傍に前記冷却媒体が集中することを抑制することができ、冷却媒体流路３８全体に前記冷却媒体を均等に供給することが可能になる。しかも、頂点４０ａｅの近傍に冷却媒体が滞留することがなく、冷却効率の低下を抑制することができる。

ここで、図５中、一点鎖線で示すように、頂点４０ａｅの近傍に凹部４１ａを設けない構造（従来例）と、前記頂点４０ａｅの近傍に前記凹部４１ａを設けた構造（本願例）とを用いて、冷却媒体流路３８に供給される冷却媒体の分配状態を比較した。

その結果、図６に示すように、従来例の構造では、頂点４０ａｅの近傍に冷却媒体が集中し易く、冷却媒体流路３８の幅方向中央側の流量が、前記冷却媒体流路３８の幅方向両端側の流量よりも多量になってしまう。従って、冷却媒体流路３８の幅方向に大きな温度差が発生し易く、耐久性及び発電安定性が低下するという問題がある。しかも、頂点４０ａｅの近傍に冷却媒体が滞留し易く、冷却効率が低下するという問題がある。

これに対して、本願例では、頂点４０ａｅの下方近傍には、略三角形の内方に突出する凹部４１ａが設けられている。これにより、図５に示すように、入口連結流路５０ａｕ１、５０ａｄ１から供給される冷却媒体は、入口バッファ部４０ａ内で良好に分散される。このため、図６に示すように、冷却媒体流路３８の幅方向に沿って冷却媒体を均等に供給することができる。

従って、簡単な構成で、発電部全面に亘って冷却媒体を供給することができ、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。なお、出口バッファ部４０ｂ側では、上記の入口バッファ部４０ａと同様に構成されており、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スタックを構成するアノード側セパレータ６０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するアノード側セパレータ１６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の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂは、略同一の開口面積に設定されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス入口連通孔２０ａは、略同一の開口面積に設定される。入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂは、三角形を有し、それぞれの頂点４０ａｅ、４０ｂｅの位置が、高さ方向中央に設定される。頂点４０ａｅに対応して、三角形の内方に突出する凹部６２ａが設けられるとともに、頂点４０ｂｅに対応して、三角形の内方に突出する凹部６２ｂが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、三角形を有する入口バッファ部４０ａの頂点４０ａｅに対応して凹部６２ａが設けられている。このため、凹部６２ａによって冷却媒体の流れが分散され、頂点４０ａｅ近傍に前記冷却媒体が集中することを抑制することができる。従って、冷却媒体流路３８全体に冷却媒体を均等に供給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。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック７０を構成する燃料電池７２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スタック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７２は、図８及び図９に示すように、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ７４及びアノード側セパレータ７６とを備える。

図１０に示すように、アノード側セパレータ７６の面７６ａには、燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍に入口バッファ部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は、凹部４１ｂの裏面形状を挟む２つの辺を有し、前記２つの辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の大きな深バッファ部領域３６ａｄ１、３６ａｄ２が設けられる。なお、深バッファ部領域３６ａｄ１又は３６ａｄ２の一方のみを設けてもよい。

出口バッファ部３６ｂは、凹部４１ａの裏面形状を挟む２つの辺を有し、前記２つの辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の大きな深バッファ部領域３６ｂｄ１、３６ｂｄ２が設けられる（図９参照）。なお、深バッファ部領域３６ｂｄ１又は３６ｂｄ２の一方のみを設けてもよい。

図１１に示すように、アノード側セパレータ７６の面７６ｂには、冷却媒体流路３８の入口近傍及び出口近傍に入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂが設けられる。入口バッファ部４０ａは、凹部４１ａを挟む２つの辺を有する。２つの辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の小さな浅バッファ部領域（深バッファ部領域３６ｂｄ１、３６ｂｄ２の裏面形状）４０ａｓ１、４０ａｓ２が設けられる（図９参照）。なお、浅バッファ部領域４０ａｓ１又は４０ａｓ２の一方のみを設けてもよい。

出口バッファ部４０ｂは、凹部４１ｂを挟む２つの辺を有する。２つの辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の小さな浅バッファ部領域（深バッファ部領域３６ａｄ１、３６ａｄ２の裏面形状）４０ｂｓ１、４０ｂｓ２が設けられる。なお、浅バッファ部領域４０ｂｓ１又は４０ｂｓ２の一方のみを設けてもよい。

図８に示すように、カソード側セパレータ７４の面７４ａには、酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍に入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。入口バッファ部３２ａは、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の大きな深バッファ部領域３２ａｄ１、３２ａｄ２を有する。出口バッファ部３２ｂは、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の大きな深バッファ部領域３２ｂｄ１、３２ｂｄ２を有する（図９参照）。なお、深バッファ部領域３２ｂｄ１又は３２ｂｄ２の一方のみを設けてもよい。カソード側セパレータ７４の面７４ｂには、酸化剤ガス流路３０の裏面形状である冷却媒体流路３８の一部が形成される。

このように構成される第３の実施形態では、図１２に示すように、入口連結流路５０ａｕ１、５０ａｄ１から供給される冷却媒体は、浅バッファ部領域４０ａｓ１、４０ａｓ２に沿って入口バッファ部４０ａ内を流動する。従って、冷却媒体流路３８の幅方向に沿って冷却媒体を一層均等且つ確実に供給することができる。

一方、出口バッファ部４０ｂでは、冷却媒体流路３８を流通した冷却媒体が、浅バッファ部領域４０ｂｓ１、４０ｂｓ２に沿って前記出口バッファ部４０ｂ内を流動する。このため、冷却媒体は、上下一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂに均等に排出することが可能になる。

これにより、第３の実施形態では、簡単な構成で、局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０…燃料電池スタック １１、７２…燃料電池
１２…電解質膜・電極構造体 １４、７４…カソード側セパレータ
１６、６０、７６…アノード側セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ａ１、２２ａ２、２２ｂ１、２２ｂ２…領域
２２ａ（rib）、２２ｂ（rib）…リブ部
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード電極 ２８…アノード電極
３０…酸化剤ガス流路
３２ａ、３６ａ、４０ａ…入口バッファ部
３２ａｄ１、３２ａｄ２、３２ｂｄ１、３２ｂｄ２、３６ａｄ１、３６ａｄ２、３６ｂｄ１、３６ｂｄ２…深バッファ部領域
３２ｂ、３６ｂ、４０ｂ…出口バッファ部
３４…燃料ガス流路 ３８…冷却媒体流路
４０ａｅ、４０ｂｅ…頂点
４０ａｓ１、４０ａｓ２、４０ｂｓ１、４０ｂｓ２…浅バッファ部領域
４１ａ、４１ｂ、６２ａ、６２ｂ…凹部
４６ａ、４８ａ、５０ａｄ１、５０ａｄ２、５０ａｕ１、５０ａｕ２…入口連結流路
４６ｂ、４８ｂ、５０ｂｄ１、５０ｂｄ２、５０ｂｕ１、５０ｂｕ２…出口連結流路

Claims (4)

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積層されるとともに前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ前記セパレータが配置された燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側及び前記冷却媒体流路の出口側には、それぞれバッファ部が設けられる一方、前記冷却媒体流路の入口側には、流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックであって、
   前記バッファ部は、前記冷却媒体流路の流路幅の範囲内から該冷却媒体流路の外方に突出する頂点を有する三角形に構成され、
   前記頂点側には、前記三角形の内方に突出する凹部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、金属セパレータであり、
   前記金属セパレータの一方の面には、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記セパレータ面に沿って流通させる反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路の入口側及び出口側に、それぞれ連通する反応ガスバッファ部と、
   が設けられるとともに、
   前記金属セパレータの他方の面には、前記反応ガス流路の裏面形状である前記冷却媒体流路と、
   前記反応ガスバッファ部の裏面形状である前記バッファ部と、
   が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記バッファ部は、前記流路幅方向の中央から前記流路幅方向の一方に離間した位置に前記頂点を有する略三角形に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記バッファ部は、前記凹部を挟む２つの辺を有し、少なくとも一方の辺側には、他のバッファ部領域よりも深さ寸法の小さな浅バッファ部領域が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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