JP6117736B2 - 燃料電池 - 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・電極構造体とセパレータとが積層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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータ間に挟持されることにより単位セル（発電セル）を構成している。この燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、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。また、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、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に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ている。燃料電池には、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を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されている。一方のセパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方の反応ガスをセパレータ面に沿って一方向に流通させる反応ガス流路が形成されている。一方のセパレータには、さらに反応ガス流路に連通して一方の反応ガスをセパレータ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。

この燃料電池では、反応ガス連通孔は、反応ガス流路の流れ方向に交差する流路幅方向に延在する長方形状を有している。反応ガス連通孔の開口部短辺側の幅寸法は、流路幅方向の端部側から中央側に向かって大きくなるように構成されている。また、一方のセパレータは、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ている。反応ガス連通孔の開口部の一辺は、三角形状の一辺に平行するように構成される。

また、この燃料電池では、反応ガス連通孔の開口部短辺側の幅寸法は、流路幅方向の端部側から中央側に向かって連続的に大きくなるように構成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、反応ガス連通孔は、少なくとも反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔であることが好ましい。その際、反応ガス流路から反応ガスを排出する反応ガス出口連通孔の開口断面積は、反応ガス入口連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス連通孔の開口部短辺側の幅寸法は、反応ガス流路の流路幅方向の端部側から中央側に向かって大きくなるように構成されている。このため、反応ガス連通孔では、流路幅方向の端部側の圧損は、前記流路幅方向の中央側の圧損よりも高くなっている。従って、特に反応ガスが流れ難い流路幅方向の中央側に対し、前記反応ガスが供給される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を構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。 前記単位セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記単位セルを構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 前記単位セル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。 前記単位セル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４の実施形態に係る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。

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１０は、複数の単位セル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。単位セル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。

単位セル１１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（反応ガス連通孔）１８ａ及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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２０ｂは、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、略長方形状を有する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、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。

単位セル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燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２０ａと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔（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。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、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。

単位セル１１は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの形状に対応して、例えば、四隅に切り欠き部位を形成する。なお、切り欠き部位は、必要に応じて設ければよい。

単位セル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２つの冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられる。単位セル１１の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出する２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。

一対の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。一対の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、例えば、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とに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の一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、それぞれ複数の電解質膜・電極構造体１２側に突出する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側の内側壁面１８ａｗ１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側の内側壁面１８ｂｗ１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。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、酸化剤ガス流路３０の流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）に延在する略長方形状を有する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１が大きくなるように構成される。

具体的には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、長尺な内側壁面１８ａｗ１及び外側壁面１８ａｗ２と、短尺な端部壁面１８ａｅ１、１８ａｅ２とにより周回して形成される。端部壁面１８ａｅ１の長さは、端部壁面１８ａｅ２の長さよりも長尺に構成される。外側壁面１８ａｗ２は、端部壁面１８ａｅ２から端部壁面１８ａｅ１に向かって内側壁面１８ａｗ１との離間間隔が大きくなる。外側壁面１８ａｗ２は、内側壁面１８ａｗ１に対して傾斜する方向に延在することにより、酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１が連続的に大きくなる。

酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、酸化剤ガス流路３０の流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）に延在する略長方形状を有する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ２が大きくなるように構成される。

具体的には、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、長尺な内側壁面１８ｂｗ１及び外側壁面１８ｂｗ２と、短尺な端部壁面１８ｂｅ１、１８ｂｅ２とにより周回して形成される。端部壁面１８ｂｅ１の長さは、端部壁面１８ｂｅ２の長さよりも長尺に構成される。外側壁面１８ｂｗ２は、端部壁面１８ｂｅ２から端部壁面１８ｂｅ１に向かって内側壁面１８ｂｗ１との離間間隔が大きくなる。外側壁面１８ｂｗ２は、内側壁面１８ｂｗ１に対して傾斜する方向に延在することにより、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ２が連続的に大きくなる。

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とに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の一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、それぞれ複数の電解質膜・電極構造体１２側に突出する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側の内側壁面２０ａｗ１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側の内側壁面２０ｂｗ１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。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、燃料ガス流路３４の流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）に延在する略長方形状を有する。燃料ガス入口連通孔２０ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ３が大きくなるように構成される。

具体的には、燃料ガス入口連通孔２０ａは、長尺な内側壁面２０ａｗ１及び外側壁面２０ａｗ２と、短尺な端部壁面２０ａｅ１、２０ａｅ２とにより周回して形成される。端部壁面２０ａｅ１の長さは、端部壁面２０ａｅ２の長さよりも長尺に構成される。外側壁面２０ａｗ２は、端部壁面２０ａｅ２から端部壁面２０ａｅ１に向かって内側壁面２０ａｗ１との離間間隔が大きくなる。外側壁面２０ａｗ２は、内側壁面２０ａｗ１に対して傾斜する方向に延在することにより、燃料ガス入口連通孔２０ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ３が連続的に大きくなる。

燃料ガス出口連通孔２０ｂは、燃料ガス流路３４の流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）に延在する略長方形状を有する。燃料ガス出口連通孔２０ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ４が大きくなるように構成される。

具体的には、燃料ガス出口連通孔２０ｂは、長尺な内側壁面２０ｂｗ１及び外側壁面２０ｂｗ２と、短尺な端部壁面２０ｂｅ１、２０ｂｅ２とにより周回して形成される。端部壁面２０ｂｅ１の長さは、端部壁面２０ｂｅ２の長さよりも長尺に構成される。外側壁面２０ｂｗ２は、端部壁面２０ｂｅ２から端部壁面２０ｂｅ１に向かって内側壁面２０ｂｗ１との離間間隔が大きくなる。外側壁面２０ｂｗ２は、内側壁面２０ｂｗ１に対して傾斜する方向に延在することにより、燃料ガス出口連通孔２０ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ４が連続的に大きくなる。

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。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。酸化剤ガス流路３０を流通する酸化剤ガスと、燃料ガス流路３４を流通する燃料ガスとは、対向流であり、冷却媒体流路３８を流通する冷却媒体と前記酸化剤ガスとは、並行流である。

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）の一方向に移動し、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）の一方向に移動し、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、酸化剤ガス流路３０の流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１が大きくなるように構成されている。

ここで、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの開口部短辺側の幅寸法が、長辺方向に沿って同一寸法に設定された構造（従来例）が用意された。この従来例と本願構造（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の中央側から下方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、酸化剤ガスの供給量が少量になってしまう。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、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａにおいて、酸化剤ガス流路３０の幅方向上端側の圧損が高くなる一方、前記酸化剤ガス流路３０の幅方向中央側の圧損が低くなっている。これにより、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多量になる。

このため、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単位セル１１を用いている。しかしながら、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が介装される）ユニットセルを備え、前記ユニットセル間に冷却媒体流路が構成される間引き冷却構造の燃料電池に適用してもよい。

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。

第２の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに代えて、酸化剤ガス入口連通孔６２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔６２ｂを備える。一方、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに代えて、燃料ガス入口連通孔６４ａ及び燃料ガス出口連通孔６４ｂを備える。酸化剤ガス入口連通孔６２ａ及び燃料ガス出口連通孔６４ｂは、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６２ｂ及び燃料ガス入口連通孔６４ａは、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、それぞれ複数の電解質膜・電極構造体側に突出する突起状エンボスを有する入口バッファ部６６ａ及び出口バッファ部６６ｂを設ける。入口バッファ部６６ａは、酸化剤ガス入口連通孔６２ａ及び燃料ガス出口連通孔６４ｂ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６２ａに対向する第１稜線６６ａｒ１と、燃料ガス出口連通孔６４ｂに対向する第２稜線６６ａｒ２とは、同一長さに設定される。

出口バッファ部６６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔６２ｂ及び燃料ガス入口連通孔６４ａ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６２ｂに対向する第１稜線６６ｂｒ１と、燃料ガス入口連通孔６４ａに対向する第２稜線６６ｂｒ２とは、略同一長さに設定される。

酸化剤ガス入口連通孔６２ａは、長尺な直線壁面６２ａｗ１及び湾曲壁面６２ａｗ２と、短尺な湾曲する端部壁面６２ａｅ１、６２ａｅ２とにより周回して形成される。直線壁面６２ａｗ１は、第１稜線６６ａｒ１に平行に構成される。湾曲壁面６２ａｗ２は、端部壁面６２ａｅ２から端部壁面６２ａｅ１に向かって直線壁面６２ａｗ１との離間間隔が大きくなる。

湾曲壁面６２ａｗ２は、直線壁面６２ａｗ１から離間する方向に湾曲することにより、酸化剤ガス入口連通孔６２ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１ａが連続的に大きくなる。

酸化剤ガス出口連通孔６２ｂは、長尺な直線壁面６２ｂｗ１及び湾曲壁面６２ｂｗ２と、短尺な湾曲する端部壁面６２ｂｅ１、６２ｂｅ２とにより周回して形成される。直線壁面６２ｂｗ１は、第１稜線６６ｂｒ１に平行に構成される。湾曲壁面６２ｂｗ２は、端部壁面６２ｂｅ２から端部壁面６２ｂｅ１に向かって直線壁面６２ｂｗ１との離間間隔が大きくなる。

湾曲壁面６２ｂｗ２は、直線壁面６２ｂｗ１から離間する方向に湾曲することにより、酸化剤ガス出口連通孔６２ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ２ａが連続的に大きくなる。

燃料ガス入口連通孔６４ａは、長尺な直線壁面６４ａｗ１及び湾曲壁面６４ａｗ２と、短尺な湾曲する端部壁面６４ａｅ１、６４ａｅ２とにより周回して形成される。直線壁面６４ａｗ１は、第２稜線６６ｂｒ２に平行に構成される。湾曲壁面６４ａｗ２は、端部壁面６４ａｅ２から端部壁面６４ａｅ１に向かって直線壁面６４ａｗ１との離間間隔が大きくなる。

湾曲壁面６４ａｗ２は、直線壁面６４ａｗ１から離間する方向に湾曲することにより、燃料ガス入口連通孔６４ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ３ａが連続的に大きくなる。

燃料ガス出口連通孔６４ｂは、長尺な直線壁面６４ｂｗ１及び湾曲壁面６４ｂｗ２と、短尺な湾曲する端部壁面６４ｂｅ１、６４ｂｅ２とにより周回して形成される。直線壁面６４ｂｗ１は、第２稜線６６ａｒ２に平行に構成される。湾曲壁面６４ｂｗ２は、端部壁面６４ｂｅ２から端部壁面６４ｂｅ１に向かって直線壁面６４ｂｗ１との離間間隔が大きくなる。

湾曲壁面６４ｂｗ２は、直線壁面６４ｂｗ１から離間する方向に湾曲することにより、燃料ガス出口連通孔６４ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ４ａが連続的に大きくなる。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、酸化剤ガス入口連通孔６２ａは、酸化剤ガス流路３０の流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１ａが大きくなるように構成されている。従って、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る等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔６２ａと燃料ガス出口連通孔６４ｂと、及び酸化剤ガス出口連通孔６２ｂと燃料ガス入口連通孔６４ａとは、それぞれ互いに略同一の開口面積を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス入口連通孔６２ａは、燃料ガス出口連通孔６４ｂよりも大きな開口面積に、酸化剤ガス出口連通孔６２ｂは、燃料ガス入口連通孔６４ａよりも大きな開口面積に、構成してもよい。その際、入口バッファ部６６ａ及び出口バッファ部６６ｂに代えて、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを採用することができる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池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。

カソード側セパレータ７０では、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの開口断面積は、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの開口断面積よりも小さく設定される。酸化剤ガス入口連通孔１８ａでは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１１が大きくなる。具体的には、端部壁面１８ａｅ１の長さＷ１は、端部壁面１８ａｅ２の長さＷ２よりも大きく設定される（Ｗ１＞Ｗ２）。

酸化剤ガス出口連通孔１８ｂでは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１２が小さくなる。具体的には、端部壁面１８ｂｅ１の長さＷ３は、端部壁面１８ｂｅ２の長さＷ４よりも小さく設定される（Ｗ３＜Ｗ４）。

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。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ８０の正面説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ６０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。

カソード側セパレータ８０では、酸化剤ガス入口連通孔６２ａの開口断面積は、酸化剤ガス出口連通孔６２ｂの開口断面積よりも小さく設定される。酸化剤ガス入口連通孔６２ａは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ１１ａが連続的に大きくなる。酸化剤ガス入口連通孔６２ａの端部壁面６２ａｅ２は、Ｒ形状部を構成する。

酸化剤ガス出口連通孔６２ｂは、流路幅方向の端部側から中央側に向かって開口部短辺側の幅寸法Ｔ２ａが連続的に大きくなるとともに、端部壁面６２ｂｅ２は、Ｒ形状部を構成する。

このように構成される第４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る等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １１…単位セル
１２…電解質膜・電極構造体 １４、６０、７０、８０…カソード側セパレータ
１６…アノード側セパレータ １８ａ、６２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ａｅ１、１８ａｅ２、１８ｂｅ１、１８ｂｅ２、２０ａｅ１、２０ａｅ２、２０ｂｅ１、２０ｂｅ２、６２ａｅ１、６２ａｅ２、６２ｂｅ１、６２ｂｅ２、６４ａｅ１、６４ａｅ２、６４ｂｅ１、６４ｂｅ２…端部壁面
１８ａｗ１、１８ｂｗ１、２０ａｗ１、２０ｂｗ１…内側壁面
１８ａｗ２、１８ｂｗ２、２０ａｗ２、２０ｂｗ２…外側壁面
１８ｂ、６２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ、６４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ、６４ｂ…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、６６ａ…入口バッファ部
３２ａｅ、３２ｂｅ、３６ａｅ、３６ｂｅ…頂点
３２ａｒ１、３２ａｒ２、３２ｂｒ１、３２ｂｒ２、３６ａｒ１、３６ａｒ２、３６ｂｒ１、３６ｂｒ２、６６ａｒ１、６６ａｒ２、６６ｂｒ１、６６ｂｒ２…稜線
３２ｂ、３６ｂ、４０ｂ、６６ｂ…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
６２ａｗ１、６２ｂｗ１、６４ａｗ１、６４ｂｗ１…直線壁面
６２ａｗ２、６２ｂｗ２、６４ａｗ２、６４ｂｗ２…湾曲壁面

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、一方のセパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方の反応ガスをセパレータ面に沿って一方向に流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通して前記一方の反応ガスをセパレータ積層方向に流通させる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は、前記反応ガス流路の流れ方向に交差する流路幅方向に延在する長方形状を有し、前記反応ガス連通孔の開口部短辺側の幅寸法は、前記流路幅方向の端部側から中央側に向かって大きくなるように構成され、
   前記一方のセパレータは、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とともに、
   前記反応ガス連通孔の開口部の一辺は、前記三角形状の一辺に平行するように構成され
   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、前記反応ガス連通孔の前記開口部短辺側の幅寸法は、前記流路幅方向の端部側から中央側に向かって連続的に大きくなるように構成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、前記反応ガス連通孔は、少なくとも前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔であり、
   前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出する反応ガス出口連通孔の開口断面積は、前記反応ガス入口連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。

Images