JP6177212B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、反応ガス流路及び反応ガス連通孔が形成される一方、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、樹脂枠部材が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一方の面側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の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、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、反応ガス連通孔と反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流通させるために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。その際、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール機能を確保することを可能にすることを目的とした、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、セパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する連結流路が設けられている。そして、電解質膜・電極構造体の少なくとも一方のガス拡散層には、連結流路に重ね合わされてセパレータに圧着することにより、該連結流路をシールするための重合部が設けられている。

特許第４６３４９３３号公報

ところで、上記の燃料電池では、連結流路は、セパレータをプレス加工することにより形成されている。このため、連結流路のプレス形状が複雑化し、プレス作業が煩雑化するおそれがある。さらに、平坦なガス拡散層が、連結流路に落ち込むように変形し易く、前記連結流路が塞がれる場合がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、特に金属セパレータの製造作業を簡素化するとともに、連結流路の閉塞を可及的に抑制することができ、シール性及びガス分配性の向上を図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・電極構造体と金属セパレータとが積層されている。金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスを電解質膜・電極構造体と前記金属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。反応ガス流路と反応ガス連通孔との間にはバッファ部が設けられている。一方、電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられている。

そして、樹脂枠部材は、反応ガス連通孔よりも内側に配置される外形形状を有するとともに、前記樹脂枠部材には、電極面の外方に位置して前記反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連結させる連結流路部が設けられている。一方、金属セパレータには、連結流路部に当接する平坦部が形成されている。

また、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガス連通孔に隣接して連結流路部を構成する複数個の突起部が形成され、前記突起部は、前記反応ガス連通孔から前記バッファ部に向かって延在し、前記突起部間には、連結流路が形成される。

さらに、この燃料電池では、連結流路部と反応ガス流路との間には、少なくともエンボス部又は複数本の棒状突起のいずれかを含むバッファ部が設けられることが好ましい。

また、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・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、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電解質膜・電極構造体と前記金属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一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる。樹脂枠部材は、反応ガス連通孔よりも内側に配置される外形形状を有するとともに、前記樹脂枠部材には、電極面の外方に位置して前記反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連結させる連結流路部が設けられている。一方、金属セパレータには、連結流路部に当接する平坦部が形成されている。連結流路部は、金属セパレータに隣接する開放端部側の開口幅寸法が、該金属セパレータから離間する底部側の開口幅寸法よりも大きな寸法に設定される。

本発明によれば、樹脂枠部材には、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連結させる連結流路部が設けられる一方、金属セパレータには、前記連結流路部に当接する平坦部が形成されている。このため、金属セパレータは、形状が簡素化してプレス成形性が向上し、前記金属セパレータの製造作業を簡素化することができる。

しかも、樹脂枠部材は、プレス成形される金属セパレータに比べて、変形量が大幅に削減される。従って、連結流路の断面積が変化することがなく、ガスシール性及びガス分配性を良好に向上させ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３中、Ｖ−Ｖ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・電極構造体の正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 比較例としての従来構成の発電ユニットの断面説明図である。 入口連結流路の他の形状の説明図である。

図１〜図５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金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を有する。第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも外形寸法が大きく設定される（図３及び図４参照）。

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（図１及び図２参照）。

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、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。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の長辺方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び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冷却媒体入口連通孔２５ａが上下に設けられる。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冷却媒体出口連通孔２５ｂが上下に設けられる。

図６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の外方には、後述する入口バッファ部７０ａに当接する平面状の第１バッファ当接部２８ａが設けられるとともに、直線状流路溝２６ｂｓの外方には、後述する出口バッファ部７０ｂに当接する平面状の第２バッファ当接部２８ｂが設けられる。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、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３０の一部が形成される。冷却媒体流路３０は、第１酸化剤ガス流路２６が形成される第１金属セパレータ１４の裏面形状と、後述する第２燃料ガス流路４２が形成される第３金属セパレータ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３２が形成される。第１燃料ガス流路３２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）３２ａを有する。

第１燃料ガス流路３２の燃料ガス入口流路端部には、後述する入口バッファ部８１ａに当接する平面状の第１バッファ当接部３４ａが設けられるとともに、前記第１燃料ガス流路３２の燃料ガス出口流路端部には、後述する出口バッファ部８１ｂに当接する平面状の第２バッファ当接部３４ｂが設けられる。第１バッファ当接部３４ａ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３６ａが形成される。第２バッファ当接部３４ｂ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３６ｂが形成される。

図１及び図７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（直線状流路溝でもよい）３８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路３８の酸化剤ガス入口流路端部には、後述する入口バッファ部８４ａに当接する平面状の第１バッファ当接部４０ａが設けられるとともに、前記第２酸化剤ガス流路３８の酸化剤ガス出口流路端部には、後述する出口バッファ部８４ｂに当接する平面状の第２バッファ当接部４０ｂが設けられる。

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（直線状流路溝でもよい）４２ａを有する。

第２燃料ガス流路４２の燃料ガス入口流路端部には、後述する入口バッファ部９６ａに当接する平面状の第１バッファ当接部４４ａが設けられるとともに、前記第２燃料ガス流路４２の燃料ガス出口流路端部には、後述する出口バッファ部９６ｂに当接する平面状の第２バッファ当接部４４ｂが設けられる。第１バッファ当接部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。第２バッファ当接部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。

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４８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５０が一体成形される。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５２が一体成形される。

第１シール部材４８〜第３シール部材５２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シール部材４８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４８ａ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４８ｂとを一体に有する。

図６に示すように、第１シール部材４８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍に設けられる複数本の凸状部４８ｐａを有し、前記凸状部４８ｐａ間には、複数本の入口通路５４ａが形成される。複数本の凸状部４８ｐａに近接して、後述する入口連結流路部６８ａに当接する入口平坦部５５ａが形成される。第１シール部材４８は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍に設けられる複数本の凸状部４８ｐｂを有し、前記凸状部４８ｐｂ間には、複数本の出口通路５４ｂが形成される。複数本の凸状部４８ｐｂに近接して、後述する出口連結流路部６８ｂに当接する出口平坦部５５ｂが形成される。

図２に示すように、第２シール部材５０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５０ａ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５０ｂとを一体に有する。

図７に示すように、第２シール部材５０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍に設けられる複数本の凸状部５０ｐａを有し、前記凸状部５０ｐａ間には、複数本の入口通路５６ａが形成される。複数本の凸状部５０ｐａに近接して、後述する入口連結流路部８２ａに当接する入口平坦部５７ａが形成される。第２シール部材５０は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍に設けられる複数本の凸状部５０ｐｂを有し、前記凸状部５０ｐｂ間には、複数本の出口通路５６ｂが形成される。複数本の凸状部５０ｐｂに近接して、後述する出口連結流路部８２ｂに当接する出口平坦部５７ｂが形成される。図６及び図７に示すように、凸状部５０ｐａ、５０ｐｂは、凸状部４８ｐａ、４８ｐｂよりも長尺に構成される。

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）５８を備える。固体高分子電解質膜５８は、カソード電極６０及びアノード電極６２により挟持される。カソード電極６０は、アノード電極６２及び固体高分子電解質膜５８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６０、アノード電極６２及び固体高分子電解質膜５８は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６２は、カソード電極６０及び固体高分子電解質膜５８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６０及びアノード電極６２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５８の両面に形成される。

図１〜図４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６０の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５８の外周縁部に第１樹脂枠部材６４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６０の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５８の外周縁部に第２樹脂枠部材６６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６４及び第２樹脂枠部材６６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８に示すように、第１樹脂枠部材６４のカソード電極６０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連結流路部６８ａ及び入口バッファ部７０ａが設けられる。入口連結流路部６８ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに隣接して設けられ、第１樹脂枠部材６４の一方の短辺で終端する複数個の突起部７２ａを有する。各突起部７２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部７０ａに向かって延在する。突起部７２ａは、図３に示すように、第１金属セパレータ１４の入口平坦部５５ａに当接する。突起部７２ａ間には、入口連結流路７４ａが形成される。

図８に示すように、入口バッファ部７０ａは、入口連結流路部６８ａと第１酸化剤ガス流路２６との間に設けられる。入口バッファ部７０ａは、入口連結流路部６８ａに近接して複数個のエンボス部７６ａを有するとともに、第１酸化剤ガス流路２６に近接して複数本の棒状突起７８ａを有する。棒状突起７８ａ間には、複数本の直線状通路８０ａが形成される。なお、入口バッファ部７０ａは、エンボス部７６ａのみ、又は、棒状突起７８ａのみを有してもよい。また、以下に説明する各入口バッファ部及び出口バッファ部も、同様に構成される。

第１樹脂枠部材６４のカソード電極６０側の面には、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連結流路部６８ｂ及び出口バッファ部７０ｂが設けられる。出口連結流路部６８ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに隣接して設けられ、第１樹脂枠部材６４の他方の短辺で終端する複数個の突起部７２ｂを有する。各突起部７２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂから出口バッファ部７０ｂに向かって延在する。突起部７２ｂは、図４に示すように、第１金属セパレータ１４の出口平坦部５５ｂに当接する。突起部７２ｂ間には、出口連結流路７４ｂが形成される。

図８に示すように、出口バッファ部７０ｂは、出口連結流路部６８ｂと第１酸化剤ガス流路２６との間に設けられる。出口バッファ部７０ｂは、出口連結流路部６８ｂに近接して複数個のエンボス部７６ｂを有するとともに、第１酸化剤ガス流路２６に近接して複数本の棒状突起７８ｂを有する。棒状突起７８ｂ間には、複数本の直線状通路８０ｂが形成される。

図１に示すように、第１樹脂枠部材６４のアノード電極６２側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３２との間に位置して入口バッファ部８１ａ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３２との間に位置して、出口バッファ部８１ｂが設けられる。入口バッファ部８１ａ及び出口バッファ部８１ｂは、入口バッファ部７０ａ及び出口バッファ部７０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図１及び図９に示すように、第２樹脂枠部材６６のカソード電極６０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との間に位置して入口連結流路部８２ａ及び入口バッファ部８４ａが設けられる。入口連結流路部８２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに隣接して設けられ、第２樹脂枠部材６６の一方の短辺で終端する複数個の突起部８６ａを有する。各突起部８６ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８４ａに向かって延在する。突起部８６ａは、図３に示すように、第２金属セパレータ１８の入口平坦部５７ａに当接する。突起部８６ａ間には、入口連結流路８８ａが形成される。

図５に示すように、入口連結流路８８ａは、第２金属セパレータ１８に隣接する開放端部側の開口幅寸法ｌ１が、前記第２金属セパレータ１８から離間する底部側の開口幅寸法ｌ２よりも大きな寸法に設定される（ｌ１＞ｌ２）。

図９に示すように、入口バッファ部８４ａは、入口連結流路部８２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に設けられる。入口バッファ部８４ａは、入口連結流路部８２ａに近接して複数個のエンボス部９０ａを有するとともに、第２酸化剤ガス流路３８に近接して複数本の棒状突起９２ａを有する。棒状突起９２ａ間には、複数本の直線状通路９４ａが形成される。

第２樹脂枠部材６６のカソード電極６０側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８の出口側との間に位置して出口連結流路部８２ｂ及び出口バッファ部８４ｂが設けられる。出口連結流路部８２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに隣接して設けられ、第２樹脂枠部材６６の他方の短辺で終端する複数個の突起部８６ｂを有する。各突起部８６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂから出口バッファ部８４ｂに向かって延在する。突起部８６ｂは、図４に示すように、第２金属セパレータ１８の出口平坦部５７ｂに当接する。突起部８６ｂ間には、出口連結流路８８ｂが形成される。

図９に示すように、出口バッファ部８４ｂは、出口連結流路部８２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に設けられる。出口バッファ部８４ｂは、出口連結流路部８２ｂに近接して複数個のエンボス部９０ｂを有するとともに、第２酸化剤ガス流路３８に近接して複数本の棒状突起９２ｂを有する。棒状突起９２ｂ間には、複数本の直線状通路９４ｂが形成される。

図１に示すように、第２樹脂枠部材６６のアノード電極６２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９６ａ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４２との間に位置して、出口バッファ部９６ｂが設けられる。入口バッファ部９６ａ及び出口バッファ部９６ｂは、入口バッファ部８４ａ及び出口バッファ部８４ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

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３０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２４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、上下一対の冷却媒体入口連通孔２５ａ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３及び図６に示すように、第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口通路５４ａを通って入口連結流路部６８ａに導入される。入口連結流路部６８ａでは、図３、図６及び図８に示すように、酸化剤ガスは、入口連結流路７４ａと入口平坦部５５ａとの間を通って入口バッファ部７０ａに送られる。そして、酸化剤ガスは、入口バッファ部７０ａ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。

残余の酸化剤ガスは、図３及び図７に示すように、第２金属セパレータ１８の酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口通路５６ａを通って入口連結流路部８２ａに導入される。入口連結流路部８２ａでは、図３、図７及び図９に示すように、酸化剤ガスは、入口連結流路８８ａと入口平坦部５７ａとの間を通って入口バッファ部８４ａに送られる。そして、酸化剤ガスは、入口バッファ部８４ａ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に供給される。

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６０に供給される。残余の酸化剤ガスは、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６０に供給される。

一方、燃料ガスは、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を通って入口バッファ部８１ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８１ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３２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金属セパレータ２０の供給孔部４６ａを通って入口バッファ部９６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９６ａ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３２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６２に供給される。残余の燃料ガスは、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６２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６０に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６２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のカソード電極６０に供給されて消費された酸化剤ガスは、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の出口バッファ部７０ｂに導入される。酸化剤ガスは、図４、図６及び図８に示すように、出口バッファ部７０ｂから出口連結流路部６８ｂに送られる。出口連結流路部６８ｂでは、酸化剤ガスは、出口連結流路７４ｂと出口平坦部５５ｂとの間を通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極６０に供給されて消費された酸化剤ガスは、図１に示すように、第２金属セパレータ１８の出口バッファ部８４ｂに導入される。酸化剤ガスは、図４、図７及び図９に示すように、出口バッファ部８４ｂから出口連結流路部８２ｂに送られる。出口連結流路部８２ｂでは、酸化剤ガスは、出口連結流路８８ｂと出口平坦部５７ｂとの間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６２に供給されて消費された燃料ガスは、図１に示すように、出口バッファ部８１ｂ、９６ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂ、４６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、上下一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路３０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、上下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８に示すように、第１樹脂枠部材６４のカソード電極６０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連結流路部６８ａが設けられている。入口連結流路部６８ａは、入口連結流路７４ａを形成する複数個の突起部７２ａを有している。

同様に、第１樹脂枠部材６４には、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連結流路部６８ｂが設けられている。出口連結流路部６８ｂは、出口連結流路７４ｂを形成する複数個の突起部７２ｂを有している。

一方、第１金属セパレータ１４には、図３、図４及び図６に示すように、突起部７２ａが当接する入口平坦部５５ａと、突起部７２ｂが当接する出口平坦部５５ｂとが形成されている。このため、第１金属セパレータ１４には、入口連結流路及び出口連結流路を構成するプレス成形処理が不要になる。従って、第１金属セパレータ１４の形状が簡素化してプレス成形性が向上し、前記第１金属セパレータ１４の製造作業を簡素化するとともに、経済的であるという効果が得られる。

しかも、第１樹脂枠部材６４は、プレス成形される第１金属セパレータ１４に比べて、変形量が大幅に削減される。具体的には、図１０に示すように、従来構造の発電ユニット１２ref.は、連結流路８８ref.がプレス成形された金属セパレータ１８ref.を備える。電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂枠部材６６ref.は、電極のガス拡散層自体の外周を伸ばして構成してもよい。樹脂枠部材６６ref.は、連結流路８８ref.に対向して平坦面に構成される。

連結流路８８ref.は、樹脂枠部材６６ref.側の開口幅寸法ｌ３が、前記樹脂枠部材６６ref.から離間する底部側の開口幅寸法ｌ４よりも大きな寸法に設定される（ｌ３＞ｌ４）。このため、樹脂枠部材６６ref.は、連結流路８８ref.内に落ち込むように変形し易く、前記連結流路８８ref.が塞がれるという問題がある。

これに対して、本願発明では、図５に示すように、第２樹脂枠部材６６に設けられた入口連結流路８８ａは、第２金属セパレータ１８に隣接する開放端部側の開口幅寸法ｌ１が、前記第２金属セパレータ１８から離間する底部側の開口幅寸法ｌ２よりも大きな寸法に設定されている（ｌ１＞ｌ２）。従って、第２樹脂枠部材６６は、変形し難くなり、入口連結流路８８ａの閉塞を可及的に抑制することが可能になる。

これにより、本願発明では、入口連結流路部６８ａ及び出口連結流路部６８ｂにおけるガスシール性及びガス分配性を良好に向上させることが可能になる。

さらにまた、第２樹脂枠部材６６及び第２金属セパレータ１８では、上記の第１樹脂枠部材６４及び第１金属セパレータ１４と同様の効果が得られる。なお、本実施形態では、アノード側にのみ適用して説明したが、これに限定されるものではなく、カソード側にも容易に適用することができる。

本願発明では、図５に示すように、入口連結流路８８ａは、開口断面が台形状に構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１１に示す燃料電池１０ａのように、断面形状が半円形の入口連結流路８８ａａを用いてもよい。さらに、他の連結流路も、同様に断面形状が半円形に構成することができるとともに、その他、種々の形状に設定してもよい。

また、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。

１０、１０ａ…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、３８…酸化剤ガス流路
２６ａ、３２ａ、３８ａ、４２ａ…波状流路溝
３０…冷却媒体流路 ３２、４２…燃料ガス流路
４８、５０、５２…シール部材
４８ｐａ、４８ｐｂ、５０ｐａ、５０ｐｂ…凸状部
５４ａ、５６ａ…入口通路 ５４ｂ、５６ｂ…出口通路
５５ａ、５７ａ…入口平坦部 ５５ｂ、５７ｂ…出口平坦部
５８…固体高分子電解質膜 ６０…カソード電極
６２…アノード電極 ６４、６６…樹脂枠部材
６８ａ、８２ａ…入口連結流路部 ６８ｂ、８２ｂ…出口連結流路部
７０ａ、８１ａ、８４ａ、９６ａ…入口バッファ部
７０ｂ、８１ｂ、８４ｂ、９６ｂ…出口バッファ部
７２ａ、７２ｂ、８６ａ、８６ｂ…突起部
７４ａ、８８ａ、８８ａａ…入口連結流路
７４ｂ、８８ｂ…出口連結流路
７６ａ、７６ｂ、９０ａ、９０ｂ…エンボス部
７８ａ、７８ｂ、９２ａ、９２ｂ…棒状突起

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、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電解質膜・電極構造体と前記金属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、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間にはバッファ部が設けられ、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材は、前記反応ガス連通孔よりも内側に配置される外形形状を有するとともに、
   前記樹脂枠部材には、前記電極面の外方に位置して前記反応ガス連通孔と前記バッファ部とを連結させる連結流路部が設けられる一方、
   前記金属セパレータには、前記連結流路部に当接する平坦部が形成され、
   前記樹脂枠部材には、前記反応ガス連通孔に隣接して前記連結流路部を構成する複数個の突起部が形成され、前記突起部は、前記反応ガス連通孔から前記バッファ部に向かって延在し、前記突起部間には、連結流路が形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、前記連結流路部と前記反応ガス流路との間には、少なくともエンボス部又は複数本の棒状突起のいずれかを含むバッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、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電解質膜・電極構造体と前記金属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一方、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材は、前記反応ガス連通孔よりも内側に配置される外形形状を有するとともに、
   前記樹脂枠部材には、前記電極面の外方に位置して前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連結させる連結流路部が設けられる一方、
   前記金属セパレータには、前記連結流路部に当接する平坦部が形成され、
   前記連結流路部は、前記金属セパレータに隣接する開放端部側の開口幅寸法が、該金属セパレータから離間する底部側の開口幅寸法よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。

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