JP6177296B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、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を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、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。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、セパレータとして薄板形状の金属セパレータが採用される場合がある。金属セパレータでは、アノード電極に対向する面内に、燃料ガスを前記アノード電極の電極面に沿って流通させる複数の平面視波形状の波状燃料ガス流路（反応ガス流路）が形成されている。金属セパレータのカソード電極に対向する面内には、酸化剤ガスを前記カソード電極の電極面に沿って流通させる複数の平面視波形状の波状酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が形成されている。

そして、互いに隣接するセパレータ間には、波状燃料ガス流路の裏面形状と波状酸化剤ガス流路の裏面形状とが重なり合って、電極面の面方向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ている。

さらに、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合、発電セルの積層方向に貫通して反応ガスを流通させる反応ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが形成されている。その際、比較的開口面積の小さな反応ガス連通孔では、反応ガスを電極反応面に均一且つ確実に供給するため、前記反応ガス連通孔と反応ガス流路との間に複数のエンボス部やガイド部を備えたバッファ部が設けられている。この種の技術は、例えば、特許文献１の燃料電池スタックに開示されている。

特開２０１４−１３７９３７号公報

ところで、上記の燃料電池スタックでは、金属セパレータ間で冷却媒体流路を形成する場合、反応ガス流路やバッファ部の裏面形状であることにも起因して、前記金属セパレータ同士が比較的広い範囲で接触しない部位が存在し易い。このため、例えば、印加される燃料ガスと酸化剤ガスとに圧力差が発生すると、変形が大きくなって金属セパレータ同士が差圧による接触を繰り返し損傷を受けるおそれがある。

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、金属セパレータの変形を良好に抑制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では、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されている。互いに隣接する第１の金属セパレータと第２の金属セパレータとの間には、冷却媒体を電極面の面方向に沿って流通させる冷却媒体流路が形成されている。

第１の金属セパレータに設けられる冷却媒体流路は、平面視で波形状を有する波形凸部間に形成される波形流路溝を備えている。波形凸部の両端には、該波形凸部よりも高さの低い直線状凸部が連結されるとともに、前記直線状凸部の端部には、該直線状凸部よりも高さが高く第２の金属セパレータに当接するエンボス凸部が連結されている。

また、この燃料電池では、第２の金属セパレータには、エンボス凸部よりも直線状凸部から離間する位置に、前記エンボス凸部側に突出し且つ該エンボス凸部と同一の高さを有する他のエンボス凸部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、波形凸部よりも高さの低い直線状凸部の端部に、前記直線状凸部よりも高さの高いエンボス凸部が設けられている。このため、第１の金属セパレータは、第２の金属セパレータに対して波形凸部とエンボス凸部とで接触することができる。従って、直線状凸部に加わる曲げ応力を良好に緩和させることが可能になる。

これにより、金属セパレータ同士の接触部位は、各種凸部間で保持する距離を小さくすることが可能になり、簡単な構成で、差圧印加時の前記金属セパレータの変形を良好に抑制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セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、発電セル１２を備え、複数の前記発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って積層される。燃料電池１０は、例えば、図示しないが燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。

発電セル１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

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、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。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に示すように、発電セル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。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。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。

発電セル１２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２４ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが上下に設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部他方（燃料ガス入口連通孔２４ａ側）には、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが上下に設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ（第２の金属セパレータ）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の裏面形状は、冷却媒体流路２７の一部を構成する。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波形凸部２６ｔ間に形成される波形流路溝２６ａを備える。波形凸部２６ｔは、平面視で波形状を有する一方、波形流路溝２６ａも平面視で波形状を有する。波形流路溝２６ａは、湾曲する波形状により形成される湾曲溝形状の他、直線形状により形成されるジグザグ溝形状を含む。以下に説明する各波形凸部は、波形凸部２６ｔと同様に構成される。各波形凸部２６ｔの入口端部と出口端部とには、各入口直線状凸部２８ｔａと各出口直線状凸部２８ｔｂとが連結される。

図２に示すように、波形凸部２６ｔの平面２６ｆからの高さｔ１に対して、入口直線状凸部２８ｔａの前記平面２６ｆからの高さｔ２は、低く設定される（ｔ１＞ｔ２）。出口直線状凸部２８ｔｂは、入口直線状凸部２８ｔａと同様に構成される。

なお、入口直線状凸部２８ｔａ及び出口直線状凸部２８ｔｂは、波形凸部２６ｔより低く設定することにより、波形流路溝２６ａよりも流路深さが浅く構成されている。このため、入口直線状凸部２８ｔａ及び出口直線状凸部２８ｔｂでは、圧損が高くなり、良好な排水性が得られる。また、以下に説明するように、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では、反応ガスの流通条件等を揃えるため、波形凸部よりも高さの低い入口直線状凸部及び出口直線状凸部が採用されている。

図３に示すように、入口直線状凸部２８ｔａの外方には、第１酸化剤ガス入口バッファ部３０ａが設けられるとともに、出口直線状凸部２８ｔｂの外方には、第１酸化剤ガス出口バッファ部３０ｂが設けられる。第１酸化剤ガス入口バッファ部３０ａには、複数個のエンボス凸部（他のエンボス凸部）３０ａｅが面１４ｂ側（冷却媒体流路２７側）に突出して設けられる。第１酸化剤ガス出口バッファ部３０ｂには、複数個のエンボス凸部（他のエンボス凸部）３０ｂｅが面１４ｂ側（冷却媒体流路２７側）に突出して設けられる。なお、エンボス凸部３０ａｅ、３０ｂｅは、円形の他、楕円や四角形等の多角形でもよい。

第１酸化剤ガス入口バッファ部３０ａ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３１ａが形成される。第１酸化剤ガス出口バッファ部３０ｂ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３１ｂが形成される。

図１に示すように、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３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波形凸部３４ｔ間に形成される波形流路溝３４ａを備える。各波形凸部３４ｔの入口端部と出口端部とには、各入口直線状凸部３６ｔａと各出口直線状凸部３６ｔｂとが連結される。

入口直線状凸部３６ｔａの外方には、第１燃料ガス入口バッファ部３７ａが設けられるとともに、出口直線状凸部３６ｔｂの外方には、第１燃料ガス出口バッファ部３７ｂが設けられる。

第１燃料ガス入口バッファ部３７ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝３５ａが形成され、前記入口連結溝３５ａが蓋体３９ａにより覆われる。第１燃料ガス出口バッファ部３７ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝３５ｂが形成され、前記出口連結溝３５ｂが蓋体３９ｂに覆われる。

図４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形凸部３８ｔ間に形成される波形流路溝３８ａを備える。第２金属セパレータ１８に形成される第２酸化剤ガス流路３８の裏面形状が、第１燃料ガス流路３４の形状である。

各波形凸部３８ｔの入口端部と出口端部とには、各入口直線状凸部４０ｔａと各出口直線状凸部４０ｔｂとが連結される。図２に示すように、波形凸部３８ｔの平面３８ｆからの高さｔ３に対して、入口直線状凸部４０ｔａの前記平面３８ｆからの高さｔ４は、浅く設定される（ｔ３＞ｔ４）。出口直線状凸部４０ｔｂは、入口直線状凸部４０ｔａと同様に構成される。

図４に示すように、入口直線状凸部４０ｔａの外方には、第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａが設けられるとともに、出口直線状凸部４０ｔｂの外方には、第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂが設けられる。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａ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４６ａが形成される。第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂ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４６ｂが形成される。

図１に示すように、第３金属セパレータ（第１の金属セパレータ）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４８が形成される。第２燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波形凸部４８ｔ間に形成される波形流路溝４８ａを備える。各波形凸部４８ｔの入口端部と出口端部とには、各入口直線状凸部５０ｔａと各出口直線状凸部５０ｔｂとが連結される。

入口直線状凸部５０ｔａの燃料ガス入口連通孔２４ａ寄りの外方には、第２燃料ガス入口バッファ部５３ａが設けられるとともに、出口直線状凸部５０ｔｂの燃料ガス出口連通孔２４ｂ寄りの外方には、第２燃料ガス出口バッファ部５３ｂが設けられる。

第２燃料ガス入口バッファ部５３ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝５４ａが形成され、前記入口連結溝５４ａが蓋体５６ａにより覆われる。第２燃料ガス出口バッファ部５３ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝５４ｂが形成され、前記出口連結溝５４ｂが蓋体５６ｂに覆われる。

図５に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４８の裏面形状である冷却媒体流路２７の一部が形成される。冷却媒体流路２７は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波形凸部２７ｔ間に形成される波形流路溝２７ａを備える。各波形凸部２７ｔの入口端部と出口端部とには、各入口直線状凸部５１ｔａと各出口直線状凸部５１ｔｂとが連結される。

各入口直線状凸部５１ｔａの端部には、第２燃料ガス流路４８から冷却媒体流路２７側に向かって突出するエンボス凸部５２ｔａが一体成形される。各出口直線状凸部５１ｔｂの端部には、第２燃料ガス流路４８から冷却媒体流路２７側に向かって突出するエンボス凸部５２ｔｂが一体成形される。

図２に示すように、波形凸部２７ｔの平面２７ｆからの高さｔ５に対して、入口直線状凸部５１ｔａの前記平面２７ｆからの高さｔ６は、浅く設定される（ｔ５＞ｔ６）。出口直線状凸部５１ｔｂは、入口直線状凸部５１ｔａと同様に構成される。

エンボス凸部５２ｔａの平面２７ｆからの高さｔ７は、入口直線状凸部５１ｔａの前記平面２７ｆからの高さｔ６よりも高く設定される（ｔ７＞ｔ６）。エンボス凸部５２ｔａは、第１金属セパレータ１４の面１４ｂに接していればよく、高さｔ７は、高さｔ５と同じ又は異なる寸法に設定される。エンボス凸部５２ｔｂは、エンボス凸部５２ｔａと同様に構成される。

波形凸部２７ｔ及びエンボス凸部５２ｔａは、隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂに当接する一方、入口直線状凸部５１ｔａは、前記面１４ｂから離間して配置される。第１金属セパレータ１４のエンボス凸部３０ａｅは、エンボス凸部５２ｔａよりも入口直線状凸部５１ｔａから離間する位置で、第３金属セパレータ２０の面２０ｂに当接する。なお、出口直線状凸部５１ｔｂ及びエンボス凸部５２ｔｂは、上記の入口直線状凸部５１ｔａ及びエンボス凸部５２ｔａと同様に構成されている。エンボス凸部３０ｂｅも、エンボス凸部３０ａｅと同様である。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路２７が一体に設けられる。

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５８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６０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６２が一体成形される。

第１シール部材５８、第２シール部材６０及び第３シール部材６２には、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ゴムシール部材が用いられる。

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、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜６４を備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８により挟持される。

カソード電極６６は、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極６６、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６８は、カソード電極６６及び固体高分子電解質膜６４よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極６６及びアノード電極６８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た電極触媒層（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６４の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第１樹脂枠部材７０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第２樹脂枠部材７２が、例えば、射出成形等により一体成形される。

第１樹脂枠部材７０及び第２樹脂枠部材７２を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する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。樹脂材は、例えば、フィルム等により構成してもよい。第１樹脂枠部材７０及び第２樹脂枠部材７２の外形形状は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを含む各連通孔の内側に配置される寸法に設定される。

図１に示すように、第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６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７４ａが設けられる。第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６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、出口バッファ部７４ｂが設けられる。

入口バッファ部７４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ａと、第１酸化剤ガス流路２６に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）７８ａとを有する。出口バッファ部７４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ｂと、第１酸化剤ガス流路２６に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）７８ｂとを有する。

図６に示すように、第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、入口バッファ部８２ａが設けられる。第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４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、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ａと、第１燃料ガス流路３４に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）８６ａとを有する。出口バッファ部８２ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ｂと、第１燃料ガス流路３４に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）８６ｂとを有する。

図１に示すように、第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６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の入口側との間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられる。第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６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、出口バッファ部９０ｂが設けられる。

入口バッファ部９０ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ａと、第２酸化剤ガス流路３８に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）９４ａとを有する。出口バッファ部９０ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）９４ｂとを有する。

図７に示すように、第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４８との間に位置して、入口バッファ部９８ａが設けられる。第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４８との間に位置して、出口バッファ部９８ｂが設けられる。

入口バッファ部９８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ａと、第２燃料ガス流路４８に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）１０２ａとを有する。出口バッファ部９８ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ｂと、第２燃料ガス流路４８に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）１０２ｂとを有する。

発電セル１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電セル１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電セル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２７が形成される（図１及び図２参照）。

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、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。

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７４ａ及び第１酸化剤ガス入口バッファ部３０ａ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（図１〜図３参照）。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９０ａ及び第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａ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に導入される（図１及び図４参照）。

酸化剤ガスは、図１、図３及び図４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６６に供給される。同様に、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６６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図６に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の入口連結溝３５ａを通って入口バッファ部８２ａ及び第１燃料ガス入口バッファ部３７ａに供給される。同様に、燃料ガスは、図１及び図７に示すように、第３金属セパレータ２０の入口連結溝５４ａを通って入口バッファ部９８ａ及び第２燃料ガス入口バッファ部５３ａに供給される。このため、燃料ガスは、第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４８に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４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６８に供給される。同様に、燃料ガスは、第２燃料ガス流路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のアノード電極６８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６６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６８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６６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部７４ｂ、９０ｂに排出される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス出口バッファ部３０ｂ及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂ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６８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、出口バッファ部８２ｂ、９８ｂに排出される。燃料ガスは、第１燃料ガス出口バッファ部３７ｂ及び第２燃料ガス出口バッファ部５３ｂから出口連結溝３５ｂ、５４ｂ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、図１に示すように、冷却媒体流路２７に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路２７に供給され、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、互いに隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第３金属セパレータ２０の面２０ｂとの間に、冷却媒体流路２７が形成されている。そして、図５に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂでは、冷却媒体流路２７の一部を構成する波形流路溝２７ａが、複数の波形凸部２７ｔ間に形成されている。

図２及び図５に示すように、波形凸部２７ｔの入口端部には、前記波形凸部２７ｔよりも高さの低い入口直線状凸部５１ｔａが連続して形成されている。さらに、入口直線状凸部５１ｔａの端部には、前記入口直線状凸部５１ｔａよりも高さの高いエンボス凸部５２ｔａが連結されている。エンボス凸部５２ｔａは、第１金属セパレータ１４のエンボス凸部３０ａｅよりも入口直線状凸部５１ｔａに近接して配置されている。

一方、波形凸部２７ｔの出口端部には、前記波形凸部２７ｔよりも高さの低い出口直線状凸部５１ｔｂが連続して形成されている。さらに、出口直線状凸部５１ｔｂの端部には、前記出口直線状凸部５１ｔｂよりも高さの高いエンボス凸部５２ｔｂが連結されている。エンボス凸部５２ｔｂは、第１金属セパレータ１４のエンボス凸部３０ｂｅよりも出口直線状凸部５１ｔｂに近接して配置されている。

このため、図２に示すように、入口直線状凸部５１ｔａは、隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂから離間して配置される一方、波形凸部２７ｔ及びエンボス凸部５２ｔａは、前記面１４ｂに当接している。従って、入口直線状凸部５１ｔａに加わる曲げ応力を良好に緩和させることが可能になる。

これにより、第１金属セパレータ１４及び第３金属セパレータ２０同士の接触部位は、各種凸部間で保持する距離を小さくすることが可能になる。このため、簡単な構成で、差圧印加時の第１金属セパレータ１４及び第３金属セパレータ２０の変形を良好に抑制させることが可能になる。

なお、本実施形態では、発電セル１２が３枚の金属セパレータと２枚のＭＥＡとで構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、２枚の金属セパレータと１枚のＭＥＡとにより構成されてもよい。

１０…燃料電池 １２…発電セル
１４、１８、２０…金属セパレータ 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、２７ａ、３４ａ、３８ａ、４８ａ…波形流路溝
２７…冷却媒体流路
２８ｔａ、３６ｔａ、４０ｔａ、５０ｔａ、５１ｔａ…入口直線状凸部
２８ｔｂ、３６ｔｂ、４０ｔｂ、５０ｔｂ、５１ｔｂ…出口直線状凸部
３０ａｅ、３０ｂｅ、５２ｔａ、５２ｔｂ…エンボス凸部
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード電極
６８…アノード電極 ７０、７２…樹脂枠部材

Claims (2)

1. 電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、互いに隣接する第１の金属セパレータと第２の金属セパレータとの間には、冷却媒体を電極面の面方向に沿って流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
   前記第１の金属セパレータに設けられる前記冷却媒体流路は、平面視で波形状を有する波形凸部間に形成される波形流路溝を備え、
   前記波形凸部の両端には、該波形凸部よりも高さの低い直線状凸部が連結されるとともに、
   前記直線状凸部の端部には、該直線状凸部よりも高さが高く前記第２の金属セパレータに当接するエンボス凸部が連結されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、前記第２の金属セパレータには、前記エンボス凸部よりも前記直線状凸部から離間する位置に、前記エンボス凸部側に突出し且つ該エンボス凸部と同一の高さを有する他のエンボス凸部が設けられることを特徴とする燃料電池。

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