JP6109727B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と横長形状の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電解質膜の一面側にアノード電極が、前記電解質膜の他面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、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、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、各燃料電池を構成し、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。

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、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。

ところが、内部マニホールド型燃料電池では、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することが困難とな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、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成されている。

セパレータには、反応ガス流路の入口側に位置し、前記反応ガス流路と同等の幅寸法を有する略三角形状の入口バッファ部と、前記入口バッファ部の一方の稜線側に位置する反応ガス連通孔の供給側とが設けられている。そして、入口バッファ部は、複数の凸部を有するとともに、前記凸部は、前記入口バッファ部の中央部側の配置密度が前記入口バッファ部の端部側の配置密度に比べて疎になるように設定されている。

従って、特に反応ガスが通過し易い入口バッファ部の幅方向中央部側では、凸部の配置密度が疎であるため、前記反応ガスの流速が低下して前記反応ガスを反応ガス流路の幅方向中央部側の流路溝に案内することができる、としている。

特開２００８−２９３７４３号公報

本発明は、この種の技術に関するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路全面に亘って反応ガスを均等に供給することができ、所望の発電性能を確保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。

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と横長形状のセパレータとが積層される燃料電池を有し、前記セパレータの短辺側には、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方の反応ガスがセパレータ積層方向に流通される第１反応ガス連通孔と、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの他方の反応ガスが前記セパレータ積層方向に流通される第２反応ガス連通孔とが設けられるとともに、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ものである。

この燃料電池スタックでは、一方の反応ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる反応ガス流路が形成されたセパレータは、前記反応ガス流路の入口側及び前記反応ガス流路の出口側に連なってそれぞれ三角形状のバッファ部を設ける一方、第１反応ガス連通孔と前記バッファ部とを繋げる複数本の連結流路を設けている。

そして、第１反応ガス連通孔は、バッファ部の稜線に沿って延在する長方形状を有し、前記バッファ部の中央側で終端するとともに前記長方形状の短辺に相当する端部壁面が前記短辺全体に亘って外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記バッファ部の端部側で終端する端部壁面が平坦面を構成している。

また、この燃料電池スタックでは、第１反応ガス連通孔は、バッファ部に近接し且つ複数本の連結流路が形成された連通孔壁面が、前記バッファ部の稜線と平行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、バッファ部の端部側で終端する端部壁面は、第１反応ガス連通孔の連通孔壁面に対して直角ではなく傾斜する平坦面であることが好ましい。

本発明によれば、第１反応ガス連通孔は、長方形状を有し、バッファ部の中央側で終端する端部壁面が外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記バッファ部の端部側で終端する端部壁面が平坦面を構成している。このため、第１反応ガス連通孔では、バッファ部の端部側の圧損は、前記バッファ部の中央部側の圧損よりも高くなる。従って、特に反応ガスが流れ難いバッファ部の中央側に供給される前記反応ガスの流量を増加させることができる。これにより、反応ガス流路全体に反応ガスを均等に供給することが可能になる。

このため、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路全面に亘って反応ガスを均等且つ確実に供給することができ、所望の発電性能を確保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カソード側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アノード側セパレータの正面説明図である。 本願例と従来例とにおいて、酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの流量の比較説明図である。 前記燃料電池を構成する酸化剤ガス入口連通孔の要部説明図である。 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カソ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カソード側セパレータの正面説明図である。

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構成でもよい。

燃料電池１１の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部（一方の短辺側）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（第１反応ガス連通孔）１８ａと、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（第２反応ガス連通孔）２０ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂは、略長方形状を有するとともに、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（他方の短辺側）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（第２反応ガス連通孔）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（第１反応ガス連通孔）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、略長方形状を有するとともに、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、開口形状が冷却媒体流路３８の流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って長尺な略長方形状に設定される。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）に沿って長尺な略長方形状に設定される。

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、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

図３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は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在し、酸化剤ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状又は波状の流路溝３０ａを有する。

酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の突起状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の形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点３２ａｅの位置が高さ方向中央（矢印Ｃ方向）から下方に離間して設定される。

入口バッファ部３２ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに対向する第１稜線３２ａｒ１及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに対向する第２稜線３２ａｒ２を有する。第１稜線３２ａｒ１は、第２稜線３２ａｒ２よりも長尺に構成される。第１稜線３２ａｒ１は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの入口バッファ部３２ａ側の連通孔壁面１８ａｗと平行に構成される。

出口バッファ部３２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス入口連通孔２０ａの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点３２ｂｅの位置が高さ方向中央（矢印Ｃ方向）から上方に離間して設定される。出口バッファ部３２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに対向する第１稜線３２ｂｒ１及び燃料ガス入口連通孔２０ａに対向する第２稜線３２ｂｒ２を有する。第１稜線３２ｂｒ１は、第２稜線３２ｂｒ２よりも長尺に構成される。第１稜線３２ｂｒ１は、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの出口バッファ部３２ｂ側の連通孔壁面１８ｂｗと平行に構成される。

入口バッファ部３２ａと酸化剤ガス入口連通孔１８ａとは、複数本の入口連結流路３３ａにより連通する。入口連結流路３３ａでは、壁部側の幅寸法ａは、酸化剤ガスの流通幅寸法ｂよりも小さな寸法に設定される（ａ＜ｂ）。以下に説明する燃料ガス側でも、同様である。

出口バッファ部３２ｂと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとは、複数本の出口連結流路３３ｂにより連通する。入口連結流路３３ａ及び出口連結流路３３ｂは、それぞれの流路のピッチが同一であり、且つ、複数本の流路のガス流通方向に交差する方向に切断した断面積が同一である。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、入口バッファ部３２ａの中央側（頂点３２ａｅ）で終端する端部壁面１８ａｅ１が外方に突出する湾曲面、例えば、円弧面を構成し、且つ、前記入口バッファ部３２ａの端部側で終端する端部壁面１８ａｅ２が平坦面を構成する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、カソード側セパレータ１４の短辺に対して角度α１だけ傾斜する。

端部壁面１８ａｅ２は、角部にＲ（アール）を設けてもよい。端部壁面１８ａｅ１は、例えば、入口連結流路３３ａの端部流路の位置を起点にして湾曲が開始される。なお、以下に説明する酸化剤ガス出口連通孔１８ｂでも同様であり、さらに燃料ガス側においても同様である。

酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、出口バッファ部３２ｂの中央側（頂点３２ｂｅ）で終端する端部壁面１８ｂｅ１が外方に突出する湾曲面、例えば、円弧面を構成し、且つ、前記出口バッファ部３２ｂの端部側で終端する端部壁面１８ｂｅ２が平坦面を構成する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、カソード側セパレータ１４の短辺に対して角度α２だけ傾斜する。端部壁面１８ｂｅ２は、角部にＲ（アール）を設けてもよい。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、縦長形状を有しているが、例えば、三角形状でもよい。また、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、出口バッファ部３２ｂの端部側の断面積を小さく構成することが好ましい。端部の圧損が大きくなり、酸化剤ガスが流れ難くなるからである。なお、燃料ガス側も同様である。

図４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は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在し、燃料ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状又は波状の流路溝３４ａを有する。燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の突起状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状を有するとともに、頂点３６ａｅの位置が高さ方向中央（矢印Ｃ方向）から上方に離間して設定される。

入口バッファ部３６ａは、燃料ガス入口連通孔２０ａに対向する第１稜線３６ａｒ１及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに対向する第２稜線３６ａｒ２を有する。第１稜線３６ａｒ１は、第２稜線３６ａｒ２よりも短尺に構成される。第１稜線３６ａｒ１は、燃料ガス入口連通孔２０ａの入口バッファ部３６ａ側の連通孔壁面２０ａｗと平行に構成される。

出口バッファ部３６ｂは、燃料ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔１８ａの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点３６ｂｅの位置が高さ方向中央（矢印Ｃ方向）から下方に離間して設定される。出口バッファ部３６ｂは、燃料ガス出口連通孔２０ｂに対向する第１稜線３６ｂｒ１及び酸化剤ガス入口連通孔１８ａに対向する第２稜線３６ｂｒ２を有する。第１稜線３６ｂｒ１は、第２稜線３６ｂｒ２よりも短尺に構成される。第１稜線３６ｂｒ１は、燃料ガス出口連通孔２０ｂの出口バッファ部３６ｂ側の連通孔壁面２０ｂｗと平行に構成される。

入口バッファ部３６ａと燃料ガス入口連通孔２０ａとは、複数本の入口連結流路３７ａにより連通する。入口連結流路３７ａでは、壁部側の幅寸法ａは、燃料ガスの流通幅寸法ｂよりも小さな寸法に設定される（ａ＜ｂ）。出口バッファ部３６ｂと燃料ガス出口連通孔２０ｂとは、複数本の出口連結流路３７ｂにより連通する。入口連結流路３７ａ及び出口連結流路３７ｂは、それぞれの流路のピッチが同一であり、且つ、複数本の流路のガス流通方向に交差する方向に切断した断面積が同一である。

燃料ガス入口連通孔２０ａは、入口バッファ部３６ａの中央側（頂点３６ａｅ）で終端する端部壁面２０ａｅ１が外方に突出する湾曲面、例えば、円弧面を構成し、且つ、前記入口バッファ部３６ａの端部側で終端する端部壁面２０ａｅ２が平坦面を構成する。燃料ガス入口連通孔２０ａは、アノード側セパレータ１６の短辺に対して角度α３だけ傾斜する。

端部壁面２０ａｅ２は、角部にＲ（アール）を設けてもよい。燃料ガス出口連通孔２０ｂは、出口バッファ部３６ｂの中央側（頂点３６ｂｅ）で終端する端部壁面２０ｂｅ１が外方に突出する湾曲面、例えば、円弧面を構成し、且つ、前記出口バッファ部３６ｂの端部側で終端する端部壁面２０ｂｅ２が平坦面を構成する。燃料ガス出口連通孔２０ｂは、アノード側セパレータ１６の短辺に対して角度α４だけ傾斜する。端部壁面２０ｂｅ２は、角部にＲ（アール）を設けてもよい。

図１に示すように、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。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。

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。

冷却媒体入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結流路４１ａが設けられるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結流路４１ｂが設けられる。

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。

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、図１及び図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから入口連結流路３３ａ及び入口バッファ部３２ａを通って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、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａから入口連結流路３７ａ及び入口バッファ部３６ａを通って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、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、図１及び図３に示すように、出口バッファ部３２ｂ及び出口連結流路３３ｂから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、図４に示すように、出口バッファ部３６ｂ及び出口連結流路３７ｂから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３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、入口バッファ部３２ａの中央側（頂点３２ａｅ）で終端する端部壁面１８ａｅ１が外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記入口バッファ部３２ａの端部側で終端する端部壁面１８ａｅ２が平坦面を構成している。

ここで、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの両方の端部壁面が湾曲面に構成された構造（従来例）と本願構造（本願例）とを用いて、酸化剤ガス流路３０に供給される酸化剤ガスの分配状態を比較した。その結果、図５に示すように、従来例の構造では、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから入口バッファ部３２ａの端部側（上端側）に多量の酸化剤ガスが流通してしまい、前記入口バッファ部３２ａの中央側を流通する酸化剤ガスが少量になっている。

このため、酸化剤ガス流路３０の幅方向上端側に多量の酸化剤ガスが供給され、発電部の中央部位から下方部位には、少量の酸化剤ガスが供給されてしまう。従って、発電部内に酸化剤ガスが不均一に供給され、耐久性及び発電安定性が低下するという問題がある。

これに対して、本願例では、酸化剤ガス入口連通孔１８ａにおいて、入口バッファ部３２ａの端部側で終端する端部壁面１８ａｅ２が、平坦面を構成している。このため、酸化剤ガス入口連通孔１８ａでは、入口バッファ部３２ａの端部側の圧損は、前記入口バッファ部３２ａの中央部側の圧損よりも高くなる。従って、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから供給される酸化剤ガスは、前記酸化剤ガスが流れ難い入口バッファ部３２ａの中央側での流量が、前記入口バッファ部３２ａの上端側での流量よりも従来例に比べて多量になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガス流路３０の幅方向全面に亘って酸化剤ガスを均等且つ確実に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

なお、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ側では、上記の酸化剤ガス入口連通孔１８ａと同様に構成されており、同様の効果が得られる。また、燃料ガス流路３４では、図４に示すように、酸化剤ガス流路３０と同様に構成されており、上記の酸化剤ガス流路３０側と同様の効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、単一の電解質膜・電極構造体１２、すなわち、単一のＭＥＡと、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６、すなわち、２枚のセパレータとにより構成される燃料電池１１を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、２つのＭＥＡと３枚のセパレータとで構成される（セパレータ間にＭＥＡを介装）ユニットセルを備え、前記ユニットセル間に構成される冷却媒体流体に適用してもよい。

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カソード側セパレータ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を構成するカソード側セパレータ１４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。また、アノード側セパレータは、図示しないが、カソード側セパレータ６０と同様に構成してもよい。

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、略長方形状を有するとともに、互いに略同一の開口面積を有する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス入口連通孔２０ａは、略長方形状を有するとともに、互いに略同一の開口面積を有する。

カソード側セパレータ６０は、酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍に、それぞれ複数の突起状エンボスを有する入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの形状に沿って三角形状を有する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａに対向する第１稜線６２ａｒ１と、燃料ガス出口連通孔２０ｂに対向する第２稜線６２ａｒ２とは、同一長さに設定される。

出口バッファ部６２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス入口連通孔２０ａの形状に沿って三角形状を有する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに対向する第１稜線６２ｂｒ１と、燃料ガス入口連通孔２０ａに対向する第２稜線６２ｂｒ２とは、同一長さに設定される。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、入口バッファ部６２ａの中央側で終端する端部壁面１８ａｅ１が外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記入口バッファ部６２ａの端部側で終端する端部壁面１８ａｅ２が平坦面を構成している。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、出口バッファ部６２ｂの中央側で終端する端部壁面１８ｂｅ１が外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記出口バッファ部６２ｂの端部側で終端する端部壁面１８ｂｅ２が平坦面を構成している。

このように構成される第２の実施形態では、入口バッファ部６２ａの中央側に供給される酸化剤ガスの流量が、前記入口バッファ部６２ａの上端側に供給される酸化剤ガスの流量よりも従来に比べて多量になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガス流路３０の全面に亘って酸化剤ガスを均等且つ確実に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる等、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を構成するカソード側セパレータ７０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を構成するカソード側セパレータ１４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。また、アノード側セパレータは、図示しないが、カソード側セパレータ７０と同様に構成してもよい。

酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、入口バッファ部３２ａとは反対側の連通孔壁面１８ａｗ１を有し、前記連通孔壁面１８ａｗ１は、カソード側セパレータ７０の短辺と平行する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、入口バッファ部３２ａの端部側で終端する平坦面状の端部傾斜壁面１８ａｅｋを有し、前記端部傾斜壁面１８ａｅｋは、カソード側セパレータ７０の長辺側に長辺に対して角度θだけ傾斜する。端部傾斜壁面１８ａｅｋの上方側の端部には、Ｒ壁面１８ａｅｒが連なって設けられる。なお、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ側は、上記の酸化剤ガス入口連通孔１８ａ側と同様に構成してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガス流路３０の全面に亘って酸化剤ガスを均等且つ確実に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、図示しないが、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに、第３の実施形態の構成を適用してもよい。

１０…燃料電池スタック １１…燃料電池
１２…電解質膜・電極構造体
１４、６０、７０…カソード側セパレータ
１６…アノード側セパレータ １８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ａｅ１、１８ａｅ２、１８ｂｅ１、１８ｂｅ２、２０ａｅ１、２０ａｅ２、２０ｂｅ１、２０ｂｅ２…端部壁面
１８ａｗ、１８ａｗ１、１８ｂｗ、２０ａｗ、２０ｂｗ…連通孔壁面
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
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、６２ａ…入口バッファ部
３２ａｅ、３２ｂｅ、３６ａｅ、３６ｂｅ…頂点
３２ａｒ１、３２ａｒ２、３２ｂｒ１、３２ｂｒ２、３６ａｒ１、３６ａｒ２、３６ｂｒ１、３６ｂｒ２、６２ａｒ１、６２ａｒ２、６２ｂｒ１、６２ｂｒ２…稜線
３２ｂ、３６ｂ、４０ｂ、６２ｂ…出口バッファ部
３３ａ、３７ａ、４１ａ…入口連結流路
３３ｂ、３７ｂ、４１ｂ…出口連結流路
３４…燃料ガス流路 ３８…冷却媒体流路

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と横長形状のセパレータとが積層される燃料電池を有し、前記セパレータの短辺側には、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方の反応ガスがセパレータ積層方向に流通される第１反応ガス連通孔と、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの他方の反応ガスが前記セパレータ積層方向に流通される第２反応ガス連通孔とが設けられるとともに、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
   前記一方の反応ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる反応ガス流路が形成された前記セパレータは、前記反応ガス流路の入口側及び前記反応ガス流路の出口側に連なってそれぞれ三角形状のバッファ部を設ける一方、前記第１反応ガス連通孔と前記バッファ部とを繋げる複数本の連結流路を設けるとともに、
   前記第１反応ガス連通孔は、前記バッファ部の稜線に沿って延在する長方形状を有し、前記バッファ部の中央側で終端するとともに前記長方形状の短辺に相当する端部壁面が前記短辺全体に亘って外方に突出する湾曲面を構成し、且つ、前記バッファ部の端部側で終端する端部壁面が平坦面を構成す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、前記第１反応ガス連通孔は、前記バッファ部に近接し且つ前記複数本の連結流路が形成された連通孔壁面が、前記バッファ部の前記稜線と平行に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記バッファ部の前記端部側で終端する前記端部壁面は、前記第１反応ガス連通孔の前記連通孔壁面に対して直角ではなく傾斜する平坦面であることを特徴とする燃料電池スタック。

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