JP6068371B2

JP6068371B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6068371B2
Application number: JP2014009429A
Authority: JP
Inventors: 堅太郎石田; 健司南雲; 義人木村; 佑苫名
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: US9831516B2; JP2015138650A; US20150207164A1

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・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・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔と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、セパレータ間に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。この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及び反応ガス出口連通孔を備えている。そして、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口側及び出口側には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔（以下、反応ガス連通孔ともいう）がそれぞれ連通している。

この場合、反応ガス連通孔は、開口面積が比較的小さい。従って、反応ガス流路における反応ガスの流れを円滑に行うため、反応ガス連通孔の近傍には、前記反応ガスを分散させるバッファ部（入口バッファ部及び出口バッファ部）が必要になっている。

その際、反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に反応ガスを均一に供給するために、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。

この燃料電池では、セパレータは、反応ガスを積層方向に流す反応ガス連通孔と、前記反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通するバッファ部とを設けている。そして、バッファ部は、反応ガス連通孔に近接する第１バッファ領域と、反応ガス流路に近接する第２バッファ領域とを有している。第１バッファ領域（深バッファ）は、第２バッファ領域（浅バッファ）よりも積層方向に深溝に構成されている。従って、反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に対し、反応ガスを均一且つ確実に供給することが可能になる。

特許第５１９７９９５号公報

本発明は、この種のバッファ部構造に関連してなされたものであり、特に深バッファにエンボス部が設けられる際、前記深バッファが形成された部材に作用する応力を有効に低減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。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されている。燃料電池には、電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスをセパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔とが形成されている。

この燃料電池では、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通するバッファ部が設けられている。バッファ部は、反応ガス流路側に位置し、複数本のガイド流路が形成される第１バッファ領域と、反応ガス連通孔側に位置し、且つ前記第１バッファ領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ領域と、を有している。そして、第２バッファ領域には、前記反応ガス連通孔と前記第１バッファ領域との間に、それぞれ複数個のエンボス部を有するエンボス部群が複数列に配設されている。反応ガス連通孔側のエンボス部群のエンボス部配置密度は、第１バッファ領域側のエンボス部群のエンボス部配置密度よりも低く設定されている。

また、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂製枠部材が設けられるとともに、前記樹脂製枠部材には、第１バッファ領域及び第２バッファ領域が形成されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス連通孔側に位置し且つ第１バッファ領域よりも深い第２バッファ領域には、それぞれ複数個のエンボス部を有するエンボス部群が複数列に配設されている。そして、反応ガス連通孔側のエンボス部群のエンボス部配置密度は、第１バッファ領域側のエンボス部群のエンボス部配置密度よりも低く設定されている。このため、バッファ部が設けられた部材では、深バッファである第２バッファ領域の反応ガス連通孔側の端部に作用する応力を有効に低減させることができる。従って、部材の耐久性が良好に向上する。

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。前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。前記発電ユニットの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。前記発電ユニットの、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。前記発電ユニットを構成する第１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。

図１〜図６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を備える。複数の発電ユニット１２は、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ことにより、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池スタックを構成する。

発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を有する。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３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セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３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セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

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、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の長辺方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、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２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

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側に近接し、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給する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（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図７に示すように、第１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本の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス入口流路端部と酸化剤ガス出口流路端部とには、直線状流路溝２６ａｓと直線状流路溝２６ｂｓとが形成される。

直線状流路溝２６ａｓ及び直線状流路溝２６ｂｓの外方には、それぞれ入口平坦部３２ａ及び出口平坦部３２ｂが設けられる。入口平坦部３２ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３４ａが形成される。出口平坦部３２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３４ｂが形成される。

図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３６の一部が形成される。冷却媒体流路３６は、第１酸化剤ガス流路２６が形成される第１セパレータ１４の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路５８が形成される第３セパレータ２０の裏面形状とが重なり合って形成される。

第２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３８が形成される。第１燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）３８ａを有する。

第１燃料ガス流路３８の燃料ガス入口流路端部と燃料ガス出口流路端部とには、直線状流路溝３８ａｓと直線状流路溝３８ｂｓとが形成される。直線状流路溝３８ａｓ及び直線状流路溝３８ｂｓの外方には、それぞれ入口平坦部４４ａ及び出口平坦部４４ｂが設けられる。入口平坦部４４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に位置して複数の供給孔部４６ａが形成される。出口平坦部４４ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に位置して複数の排出孔部４６ｂが形成される。

図１及び図８に示すように、第２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４８が形成される。第２酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）４８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路４８の酸化剤ガス入口流路端部と酸化剤ガス出口流路端部とには、直線状流路溝４８ａｓと直線状流路溝４８ｂｓとが形成される。直線状流路溝４８ａｓ及び直線状流路溝４８ｂｓの外方には、それぞれ入口平坦部５４ａ及び出口平坦部５４ｂが設けられる。入口平坦部５４ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝５６ａが形成される。出口平坦部５４ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝５６ｂが形成される。

図１に示すように、第３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（直線状流路溝でもよい）５８ａを有する。第２燃料ガス流路５８の燃料ガス入口流路端部と燃料ガス出口流路端部とには、直線状流路溝５８ａｓと直線状流路溝５８ｂｓとが設けられる。

直線状流路溝５８ａｓ及び直線状流路溝５８ｂｓの外方には、それぞれ入口平坦部６４ａ及び出口平坦部６４ｂが設けられる。入口平坦部６４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に位置して複数の供給孔部６６ａが形成される。出口平坦部６４ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に位置して複数の排出孔部６６ｂが形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１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セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２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。第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７１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７１は、セパレータ面に沿って均一な厚さで延在する平面シール部と、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部とを一体に有する。

第１シール部材６８〜第３シール部材７１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（陽イオン交換膜）７２を備える。固体高分子電解質膜７２は、カソード電極７４及びアノード電極７６により挟持される。カソード電極７４は、アノード電極７６及び固体高分子電解質膜７２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

なお、カソード電極７４、アノード電極７６及び固体高分子電解質膜７２は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極７６は、カソード電極７４及び固体高分子電解質膜７２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極７４及びアノード電極７６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７２の両面に形成される。

図１〜図６に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極７４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）７８が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極７４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）８０が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第１樹脂枠部材７８及び第２樹脂枠部材８０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１及び図９に示すように、第１樹脂枠部材７８のカソード電極７４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８２ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第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８２ｂが設けられる。

入口バッファ部８２ａは、図５に示すように、第１酸化剤ガス流路２６側に位置する第１バッファ領域８２ａ１と、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域８２ａ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域８２ａ２とを有する。図９に示すように、第１バッファ領域８２ａ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の入口ガイド流路８４ａを有する。入口ガイド流路８４ａは、ライン状の突起部８４ａｔ間に形成される。

第２バッファ領域８２ａ２は、深バッファであり、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１バッファ領域８２ａ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列（３例以上でもよい）に第１エンボス部群８５ａ１と第２エンボス部群８５ａ２とを有する。第１エンボス部群８５ａ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部８６ａ１を有し、第２エンボス部群８５ａ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部８６ａ２を有する。第１エンボス部群８５ａ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群８５ａ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

出口バッファ部８２ｂは、図６に示すように、第１酸化剤ガス流路２６側に位置する第１バッファ領域８２ｂ１と、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域８２ｂ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域８２ｂ２とを有する。図９に示すように、第１バッファ領域８２ｂ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の出口ガイド流路８４ｂを有する。出口ガイド流路８４ｂは、ライン状の突起部８４ｂｔ間に形成される。

第２バッファ領域８２ｂ２は、深バッファであり、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１バッファ領域８２ｂ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群８５ｂ１と第２エンボス部群８５ｂ２とを有する。第１エンボス部群８５ｂ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部８６ｂ１を有し、第２エンボス部群８５ｂ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部８６ｂ２を有する。第１エンボス部群８５ｂ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群８５ｂ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

図１０に示すように、第１樹脂枠部材７８のアノード電極７６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部８８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部８８ｂが設けられる。

入口バッファ部８８ａは、図３に示すように、第１燃料ガス流路３８側に位置する第１バッファ領域８８ａ１と、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域８８ａ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域８８ａ２とを有する。図１０に示すように、第１バッファ領域８８ａ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の入口ガイド流路９０ａを有する。入口ガイド流路９０ａは、ライン状の突起部９０ａｔ間に形成される。

第２バッファ領域８８ａ２は、深バッファであり、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１バッファ領域８８ａ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群９１ａ１と第２エンボス部群９１ａ２とを有する。第１エンボス部群９１ａ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９２ａ１を有し、第２エンボス部群９１ａ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９２ａ２を有する。第１エンボス部群９１ａ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群９１ａ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

出口バッファ部８８ｂは、図４に示すように、第１燃料ガス流路３８側に位置する第１バッファ領域８８ｂ１と、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域８８ｂ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域８８ｂ２とを有する。図１０に示すように、第１バッファ領域８８ｂ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の出口ガイド流路９０ｂを有する。出口ガイド流路９０ｂは、ライン状の突起部９０ｂｔ間に形成される。

第２バッファ領域８８ｂ２は、深バッファであり、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１バッファ領域８８ｂ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群９１ｂ１と第２エンボス部群９１ｂ２とを有する。第１エンボス部群９１ｂ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９２ｂ１を有し、第２エンボス部群９１ｂ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９２ｂ２を有する。第１エンボス部群９１ｂ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群９１ｂ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

図１及び図１１に示すように、第２樹脂枠部材８０のカソード電極７４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４８との間に位置して入口バッファ部９４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路４８との間に位置して、出口バッファ部９４ｂが形成される。

入口バッファ部９４ａは、図５に示すように、第２酸化剤ガス流路４８側に位置する第１バッファ領域９４ａ１と、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域９４ａ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域９４ａ２とを有する。図１１に示すように、第１バッファ領域９４ａ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の入口ガイド流路９６ａを有する。入口ガイド流路９６ａは、ライン状の突起部９６ａｔ間に形成される。

第２バッファ領域９４ａ２は、深バッファであり、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１バッファ領域９４ａ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群９７ａ１と第２エンボス部群９７ａ２とを有する。第１エンボス部群９７ａ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９８ａ１を有し、第２エンボス部群９７ａ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９８ａ２を有する。第１エンボス部群９７ａ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群９７ａ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

出口バッファ部９４ｂは、図６に示すように、第２酸化剤ガス流路４８側に位置する第１バッファ領域９４ｂ１と、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域９４ｂ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域９４ｂ２とを有する。図１１に示すように、第１バッファ領域９４ｂ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の出口ガイド流路９６ｂを有する。出口ガイド流路９６ｂは、ライン状の突起部９６ｂｔ間に形成される。

第２バッファ領域９４ｂ２は、深バッファであり、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１バッファ領域９４ｂ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群９７ｂ１と第２エンボス部群９７ｂ２とを有する。第１エンボス部群９７ｂ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９８ｂ１を有し、第２エンボス部群９７ｂ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部９８ｂ２を有する。第１エンボス部群９７ｂ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群９７ｂ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

図１２に示すように、第２樹脂枠部材８０のアノード電極７６側の面には、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１００ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路５８との間に位置して、出口バッファ部１００ｂが設けられる。

入口バッファ部１００ａは、図３に示すように、第２燃料ガス流路５８側に位置する第１バッファ領域１００ａ１と、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域１００ａ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域１００ａ２とを有する。図１２に示すように、第１バッファ領域１００ａ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の入口ガイド流路１０２ａを有する。入口ガイド流路１０２ａは、ライン状の突起部１０２ａｔ間に形成される。

第２バッファ領域１００ａ２は、深バッファであり、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１バッファ領域１００ａ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群１０３ａ１と第２エンボス部群１０３ａ２とを有する。第１エンボス部群１０３ａ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部１０４ａ１を有し、第２エンボス部群１０３ａ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部１０４ａ２を有する。第１エンボス部群１０３ａ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群１０３ａ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

出口バッファ部１００ｂは、図４に示すように、第２燃料ガス流路５８側に位置する第１バッファ領域１００ｂ１と、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域１００ｂ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域１００ｂ２とを有する。図１２に示すように、第１バッファ領域１００ｂ１は、浅バッファであり、複数本のライン状の出口ガイド流路１０２ｂを有する。出口ガイド流路１０２ｂは、ライン状の突起部１０２ｂｔ間に形成される。

第２バッファ領域１００ｂ２は、深バッファであり、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１バッファ領域１００ｂ１との間に、矢印Ｂ方向に沿って複数列、例えば、２列に第１エンボス部群１０３ｂ１と第２エンボス部群１０３ｂ２とを有する。第１エンボス部群１０３ｂ１は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部１０４ｂ１を有し、第２エンボス部群１０３ｂ２は、矢印Ｃ方向に沿って配設される複数個のエンボス部１０４ｂ２を有する。第１エンボス部群１０３ｂ１のエンボス部配置密度は、第２エンボス部群１０３ｂ２のエンボス部配置密度よりも低く設定される。

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セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３６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５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８２ａを通って第１セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部９４ａを通って第２セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４８に導入される。

酸化剤ガスは、図１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７４に供給される。残余の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路４８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７４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から第２セパレータ１８の供給孔部４６ａを通って入口バッファ部８８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８８ａを通って第２セパレータ１８の第１燃料ガス流路３８に供給される。

残余の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３セパレータ２０の供給孔部６６ａを通って入口バッファ部１００ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部１００ａを通って第３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に示すように、第１燃料ガス流路３８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７６に供給される。残余の燃料ガスは、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７６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７４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７６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７４に供給されて消費された酸化剤ガスは、図６に示すように、出口バッファ部８２ｂ、９４ｂから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７６に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、出口バッファ部８８ｂ、１００ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部４６ｂ、６６ｂ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、冷却媒体流路３６に導入される。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。

この場合、本実施形態では、例えば、図９に示すように、第１樹脂枠部材７８のカソード電極７４側の面には、入口バッファ部８２ａが設けられている。入口バッファ部８２ａは、図５に示すように、第１酸化剤ガス流路２６側に位置する第１バッファ領域８２ａ１と、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に位置し、且つ前記第１バッファ領域８２ａ１よりも積層方向に深い第２バッファ領域８２ａ２とを有する。そして、深バッファである第２バッファ領域８２ａ２には、複数個のエンボス部８６ａ１を有する第１エンボス部群８５ａ１と、複数個のエンボス部８６ａ２を有する第２エンボス部群８５ａ２とが、２列に配設されている。そして、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の第１エンボス部群８５ａ１のエンボス部配置密度は、第１バッファ領域８２ａ１側の第２エンボス部群８５ａ２のエンボス部配置密度よりも低く設定されている。

ここで、第１バッファ領域８２ａ１では、突起部８４ａｔの先端と第１セパレータ１４の面１４ａとの間にクリアランス（図示せず）が設定されている。このため、入口バッファ部８２ａが設けられた部材、すなわち、第１樹脂枠部材７８では、深バッファである第２バッファ領域８２ａ２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の端部に作用する応力を有効に低減させることができる。第１セパレータ１４は、突起部８４ａｔの先端に接触して変形する際、エンボス部８６ａ１、８６ａ２に荷重が集中することを抑制することが可能になるからである。従って、第１樹脂枠部材７８の耐久性が良好に向上するという効果が得られる。

さらに、第１樹脂枠部材７８のカソード電極７４側の面には、出口バッファ部８２ｂが設けられている。出口バッファ部８２ｂは、入口バッファ部８２ａと同様に構成されており、第１樹脂枠部材７８の耐久性の向上が図られる等、同様の効果が得られる。

また、第１樹脂枠部材７８のアノード電極７６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部８８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部８８ｂが設けられる。これにより、上記の入口バッファ部８２ａと同様の効果が得られる。

さらにまた、第２樹脂枠部材８０には、入口バッファ部９４ａ、１００ａと出口バッファ部９４ｂ、１００ｂとが形成されている。入口バッファ部９４ａ、１００ａ及び出口バッファ部９４ｂ、１００ｂは、上記の入口バッファ部８２ａと同様に構成されており、同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、燃料電池１０を構成する発電ユニット１２は、３枚のセパレータと２枚のＭＥＡとを備えた、所謂、間引き冷却型燃料電池を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、２枚のセパレータ間に１枚のＭＥＡを挟持する、所謂、各セル冷却型燃料電池を用いてもよい。

また、本実施形態では、入口バッファ部８２ａ、８８ａ及び出口バッファ部８２ｂ、８８ｂが第１樹脂枠部材７８に設けられるとともに、入口バッファ部９４ａ、１００ａ及び出口バッファ部９４ｂ、１００ｂが第２樹脂枠部材８０に設けられている。これに代えて、第１セパレータ１４に入口バッファ部８２ａ及び出口バッファ部８２ｂを設けてもよい。その際、第２セパレータ１８に入口バッファ部８８ａ、９４ａ及び出口バッファ部８８ｂ、９４ｂを設け、第３セパレータ２０に入口バッファ部１００ａ及び出口バッファ部１００ｂを設けてもよい。

１０…燃料電池１２…発電ユニット
１４、１８、２０…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、４８…酸化剤ガス流路
２６ａ、３８ａ、４８ａ、５８ａ…波状流路溝
３６…冷却媒体流路３８、５８…燃料ガス流路
７２…固体高分子電解質膜７４…カソード電極
７６…アノード電極７８、８０…樹脂枠部材
８２ａ、８８ａ、９４ａ、１００ａ…入口バッファ部
８２ａ１、８２ａ２、８２ｂ１、８２ｂ２、８８ａ１、８８ａ２、８８ｂ１、８８ｂ２、９４ａ１、９４ａ２、９４ｂ１、９４ｂ２、１００ａ１、１００ａ２、１００ｂ１、１００ｂ２…バッファ領域
８２ｂ、８８ｂ、９４ｂ、１００ｂ…出口バッファ部
８４ａ、９０ａ、９６ａ、１０２ａ…入口ガイド流路
８４ａｔ、８４ｂｔ、９０ａｔ、９０ｂｔ、９６ａｔ、９６ｂｔ、１０２ａｔ、１０２ｂｔ…突起部
８４ｂ、９０ｂ、９６ｂ、１０２ｂ…出口ガイド流路
８５ａ１、８５ａ２、８５ｂ１、８５ｂ２、９１ａ１、９１ａ２、９１ｂ１、９１ｂ２、９７ａ１、９７ａ２、９７ｂ１、９７ｂ２、１０３ａ１、１０３ａ２、１０３ｂ１、１０３ｂ２…エンボス部群
８６ａ１、８６ａ２、８６ｂ１、８６ｂ２、９２ａ１、９２ａ２、９２ｂ１、９２ｂ２、９８ａ１、９８ａ２、９８ｂ１、９８ｂ２、１０４ａ１、１０４ａ２、１０４ｂ１、１０４ｂ２…エンボス部

Claims

電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・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・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流す反応ガス連通孔とが形成される燃料電池であって、
前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通するバッファ部が設けられ、
前記バッファ部は、前記反応ガス流路側に位置し、複数本のガイド流路が形成される第１バッファ領域と、
前記反応ガス連通孔側に位置し、且つ前記第１バッファ領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ領域と、
を有し、
前記第２バッファ領域には、前記反応ガス連通孔と前記第１バッファ領域との間に、それぞれ複数個のエンボス部を有するエンボス部群が複数列に配設されるとともに、前記反応ガス連通孔側の前記エンボス部群のエンボス部配置密度は、前記第１バッファ領域側の前記エンボス部群のエンボス部配置密度よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂製枠部材が設けられるとともに、
前記樹脂製枠部材には、前記第１バッファ領域及び前記第２バッファ領域が形成されることを特徴とする燃料電池。