JP6315609B2 - 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。

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、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、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池は、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及び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及び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及び反応ガス出口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）に連通している。そして、反応ガス流路の入口側と出口側とには、反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とが連通している。

この場合、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、開口面積が比較的小さい。従って、電極反応面全体に亘って反応ガスの流れを円滑に行うため、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の近傍には、前記反応ガスを分散させるバッファ部が必要になっている。

そこで、反応ガス入口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且つ確実に供給することを可能にするために、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、セパレータの一方の面には、第１反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通する第１バッファ部が設けられている。セパレータの他方の面には、第２反応ガス連通孔と第２反応ガス流路とを連通する第２バッファ部が設けられている。

そして、第１バッファ部は、第１反応ガス連通孔に隣接し一方の反応ガスを流通させるとともに、第２バッファ部側で他方の反応ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域を有している。第２バッファ部は、第２反応ガス連通孔に隣接し他方の反応ガスを流通させるとともに、第１バッファ部側で一方の反応ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域を有している。

ここで、第１バッファ部及び第２バッファ部は、一方の反応ガス及び他方の反応ガスをそれぞれ流通させる共通バッファ領域を有している。さらに、第１専用バッファ領域及び第２専用バッファ領域は、それぞれ共通バッファ領域よりも深さ方向の寸法が大きく設定されている。

これにより、第１反応ガス連通孔及び第２反応ガス連通孔から第１バッファ部及び第２バッファ部を介して第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路全体に、それぞれの反応ガスを均一且つ確実に供給することができる、としている。

特開２０１２−１６４４６７号公報

本発明は、この種の内部マニホールド型燃料電池に関連してなされたものであり、特に反応ガスバッファ部に発生し易い応力を良好に緩和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、セパレータとが積層されている。一方の電極に対向する一方のセパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が設けられている。一方のセパレータには、さらに反応ガスを電解質膜・電極構造体とセパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを繋ぐ反応ガスバッファ部とが設けられている。

また、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とともに、前記電解質膜の外周縁部に樹脂枠部材が一体化される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されている。一方の電極に対向する一方のセパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が設けられている。一方のセパレータには、さらに反応ガスを電解質膜・電極構造体とセパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられ、樹脂枠部材には、反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを繋ぐ反応ガスバッファ部とが設けられている。

反応ガスバッファ部は、第１バッファ部領域と、前記第１バッファ部領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ部領域と、を有している。第１バッファ部領域には、複数個の第１エンボスが形成される一方、第２バッファ部領域には、複数個の第２エンボスが形成されている。そして、第２エンボスの直径は、第１エンボスの直径よりも小さい値に、又は前記第２エンボスの先端角部のＲ寸法は、前記第１エンボスの先端角部のＲ寸法よりも小さい値に設定されている。

さらに、この燃料電池では、一方のセパレータは、一方の電極に対向する面とは反対の面側に、隣接する他のセパレータとの間で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ことが好ましい。その際、第１エンボス及び第２エンボスは、冷却媒体流路に向かって突出して設けられることが好ましい。

本発明によれば、深溝バッファ部である第２バッファ部領域の第２エンボスを、前記第２バッファ部領域よりも浅溝バッファ部である第１バッファ部領域の第１エンボスよりも小さな寸法に設定している。このため、それぞれ溝深さの異なる第１バッファ部領域と第２バッファ部領域とで、積層方向の荷重に対して荷重分担を均一にすることができ、反応ガスバッファ部に発生し易い応力を良好に緩和させ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金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記発電セルの要部断面説明図である。 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。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。

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、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。なお、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に代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。

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（反応ガス連通孔）２２ａ及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）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（反応ガス連通孔）２４ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）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状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍と出口近傍とには、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８と第１酸化剤ガス出口バッファ部３０とが設けられる。

第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、三角形状を有する。第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、第１酸化剤ガス流路２６側に近接する第１酸化剤ガス入口バッファ部領域（第１バッファ部領域）２８ａを設ける。第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａは、第１金属セパレータ１４の厚さ方向の中立位置、すなわち、面１４ａ、１４ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出していない位置に平面状に設けられる（図２参照）。

第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス入口バッファ部領域（第２バッファ部領域）２８ｂを設ける（図２及び図３参照）。第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａには、複数個の第１エンボス２８ｅ１が形成される一方、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂには、複数個の第２エンボス２８ｅ２が形成される。第１エンボス２８ｅ１及び第２エンボス２８ｅ２は、面１４ｂ側（冷却媒体流路２７側）側に突出する有底円筒形状を有する。なお、第１エンボス２８ｅ１及び第２エンボス２８ｅ２は、楕円や四角形でもよい。円以外では、同等の面積の等価直径を直径とみなす。

図４に示すように、第１エンボス２８ｅ１は、直径Ｄ１に設定されるとともに、先端角部のＲ寸法がＲ１に設定される。第２エンボス２８ｅ２は、直径Ｄ２に設定されるとともに、先端角部のＲ寸法がＲ２に設定される。第２エンボス２８ｅ２の直径Ｄ２は、第１エンボス２８ｅ１の直径Ｄ１よりも小さな値に設定される（Ｄ２＜Ｄ１）。第２エンボス２８ｅ２の先端角部のＲ２は、第１エンボス２８ｅ１の先端角部のＲ１よりも小さな値に設定される（Ｒ２＜Ｒ１）。なお、第１エンボス２８ｅ１と第２エンボスｅ２とは、Ｄ２＜Ｄ１の関係、又は、Ｒ２＜Ｒ１の関係の少なくとも一方の関係を有していてもよい。

図１及び図３に示すように、第１酸化剤ガス出口バッファ部３０は、三角形状を有する。第１酸化剤ガス出口バッファ部３０は、第１酸化剤ガス流路２６側に近接する第１酸化剤ガス出口バッファ部領域（第１バッファ部領域）３０ａを設ける。第１酸化剤ガス出口バッファ部領域３０ａは、第１金属セパレータ１４の厚さ方向の中立位置に設けられる。

第１酸化剤ガス出口バッファ部３０は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第１酸化剤ガス出口バッファ部領域３０ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス出口バッファ部領域（第２バッファ部領域）３０ｂを設ける。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域３０ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１酸化剤ガス出口バッファ部領域３０ａには、複数個の第１エンボス３０ｅ１が形成される一方、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域３０ｂには、複数個の第２エンボス３０ｅ２が形成される。第１エンボス３０ｅ１及び第２エンボス３０ｅ２は、面１４ｂ側（冷却媒体流路２７側）側に突出する有底円筒形状を有する。なお、第１エンボス３０ｅ１及び第２エンボス３０ｅ２は、楕円や四角形でもよい。円以外では、同等の面積の等価直径を直径とみなす。

上記の第１エンボス２８ｅ１及び第２エンボス２８ｅ２と同様に、第２エンボス３０ｅ２は、第１エンボス３０ｅ１よりも小さな直径及び／又は小さなＲ寸法に設定される。

図３に示すように、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂ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２酸化剤ガス出口バッファ部領域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状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

第１燃料ガス流路３４の入口近傍と出口近傍とには、第１燃料ガス入口バッファ部３６と第１燃料ガス出口バッファ部３７とが設けられる。第１燃料ガス入口バッファ部３６は、三角形状を有する。第１燃料ガス入口バッファ部３６は、第１燃料ガス流路３４側に近接する第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａを設ける。第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置、すなわち、面１８ａ、１８ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出しない位置に平面状に設けられる。

第１燃料ガス入口バッファ部３６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂを設ける。第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１燃料ガス出口バッファ部３７は、三角形状を有する。第１燃料ガス出口バッファ部３７は、第１燃料ガス流路３４側に近接する第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａを設ける。第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。

第１燃料ガス出口バッファ部３７は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂを設ける。第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂ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２燃料ガス出口バッファ部領域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５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部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。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。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍と出口近傍とには、第２酸化剤ガス入口バッファ部４２と第２酸化剤ガス出口バッファ部４４とが設けられる。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、三角形状を有する。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、第２酸化剤ガス流路３８側に近接する第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａを設ける。第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。

第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂを設ける。第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、三角形状を有する。第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、第２酸化剤ガス流路３８側に近接する第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａを設ける。第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。

第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂを設ける。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂ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領域４４ｂ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状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４８ａを有する。

第２燃料ガス流路４８の入口近傍と出口近傍とには、第２燃料ガス入口バッファ部５０と第２燃料ガス出口バッファ部５２とが設けられる。第２燃料ガス入口バッファ部５０は、略三角形状を有する。第２燃料ガス入口バッファ部５０は、第２燃料ガス流路４８側に近接する第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａを設ける。第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａは、第３金属セパレータ２０の厚さ方向の中立位置、すなわち、面２０ａ、２０ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出しない位置に平面状に設けられる。

第２燃料ガス入口バッファ部５０は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂを設ける。

第２燃料ガス出口バッファ部５２は、略三角形状を有する。第２燃料ガス出口バッファ部５２は、第２燃料ガス流路４８側に近接する第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａを設ける。第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａは、第３金属セパレータ２０の厚さ方向の中立位置に設けられる。第２燃料ガス出口バッファ部５２は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂを設ける。

第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂ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領域５２ｂ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。

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。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。

第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス入口バッファ部２８の裏面形状と第１酸化剤ガス出口バッファ部３０の裏面形状とは、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス出口バッファ部５２の裏面形状と第２燃料ガス入口バッファ部５０の裏面形状とに当接する。

具体的には、図２及び図４に示すように、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８の第１エンボス２８ｅ１及び第２エンボス２８ｅ２は、第２燃料ガス出口バッファ部５２の裏面側の平坦面に当接する。第１酸化剤ガス出口バッファ部３０の第１エンボス３０ｅ１及び第２エンボス３０ｅ２は、第２燃料ガス入口バッファ部５０の裏面側の平坦面に当接する（図１参照）。

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２８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４２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５参照）。

酸化剤ガスは、図１、図３及び図５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３６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５０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３０及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４４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３７及び第２燃料ガス出口バッファ部５２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、第１の実施形態では、図３に示すように、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａと、積層方向に深溝な第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂとを設けている。第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａには、複数個の第１エンボス２８ｅ１が形成される一方、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂには、複数個の第２エンボス２８ｅ２が形成されている。

そして、図４に示すように、深溝バッファ部の第２エンボス２８ｅ２は、浅溝バッファ部の第１エンボス２８ｅ１よりも小さな寸法（少なくとも小さな直径又は小さなＲ寸法）に設定されている。このため、それぞれ溝深さの異なる第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａと第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂとで、積層方向の荷重に対して荷重分担を均一にすることができる。従って、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８に発生し易い応力を良好に緩和させることが可能になるという効果が得られる。

なお、第１酸化剤ガス出口バッファ部３０では、上記の第１酸化剤ガス入口バッファ部２８と同様の効果が得られる。また、第１の実施形態では、第１金属セパレータ１４に適用して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、第２金属セパレータ１８や第３金属セパレータ２０にも用いることができる。さらに、第１金属セパレータ１４に代えて、第１樹脂枠部材７０に第１酸化剤ガス入口バッファ部２８及び第１酸化剤ガス出口バッファ部３０を設けてもよい。さらにまた、第２樹脂枠部材７２にも用いることが可能である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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。

燃料電池１１０は、積層される複数の発電セル１１２を備える。発電セル１１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１１４ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１１４ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１電解質膜・電極構造体１１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１１４ｂは、樹脂枠部材を設けておらず、固体高分子電解質膜６４をカソード電極６６ａ及びアノード電極６８ａで挟持する。カソード電極６６ａは、アノード電極６８ａ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を構成しているが、第１の実施形態と同様に構成してもよい。

このように構成される第２の実施形態では、深溝バッファ部の第２エンボス２８ｅ２は、浅溝バッファ部の第１エンボス２８ｅ１よりも小さな寸法に設定されている。このため、それぞれ溝深さの異なる第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａと第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂとで、積層方向の荷重に対して荷重分担を均一にすることができる。従って、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８に発生し易い応力を良好に緩和させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１１０…燃料電池 １２、１１２…発電セル
１４、１８、２０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…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 ２７…冷却媒体流路
２８、４２…酸化剤ガス入口バッファ部
２８ａ、２８ｂ、４２ａ、４２ｂ…酸化剤ガス入口バッファ部領域
２８ｅ１、２８ｅ２、３０ｅ１、３０ｅ２…エンボス
３０、４４…酸化剤ガス出口バッファ部
３０ａ、３０ｂ、４４ａ、４４ｂ…酸化剤ガス出口バッファ部領域
３４、４８…燃料ガス流路 ３６、５０…燃料ガス入口バッファ部
３６ａ、３６ｂ、５０ａ、５０ｂ…燃料ガス入口バッファ部領域
３７、５２…燃料ガス出口バッファ部
３７ａ、３７ｂ、５２ａ、５２ｂ…燃料ガス出口バッファ部領域
６４…固体高分子電解質膜 ６６、６６ａ…カソード電極
６８、６８ａ…アノード電極 ７０、７２…樹脂枠部材
７４ａ、８２ａ、９０ａ、９８ａ…入口バッファ部
７４ｂ、８２ｂ、９０ｂ、９８ｂ…出口バッファ部

Claims (4)

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、セパレータとが積層され、一方の電極に対向する一方のセパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを繋ぐ反応ガスバッファ部とが設けられる燃料電池であって、
   前記反応ガスバッファ部は、第１バッファ部領域と、
   前記第１バッファ部領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ部領域と、
   を有するとともに、
   前記第１バッファ部領域には、複数個の第１エンボスが形成される一方、
   前記第２バッファ部領域には、複数個の第２エンボスが形成され、
   前記第２エンボスの直径は、前記第１エンボスの直径よりも小さい値に、又は前記第２エンボスの先端角部のＲ寸法は、前記第１エンボスの先端角部のＲ寸法よりも小さい値に設定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、前記一方のセパレータは、前記一方の電極に対向する面とは反対の面側に、隣接する他のセパレータとの間で冷却媒体を前記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、
   前記第１エンボス及び前記第２エンボスは、前記冷却媒体流路に向かって突出して設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
   前記電解質膜の外周縁部には、樹脂枠部材が一体化されていることを特徴とする燃料電池。
4. 電解質膜の両面に電極が設けられるとともに、前記電解質膜の外周縁部に樹脂枠部材が一体化される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、一方の電極に対向する一方のセパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられ、前記樹脂枠部材には、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを繋ぐ反応ガスバッファ部とが設けられる燃料電池であって、
   前記反応ガスバッファ部は、第１バッファ部領域と、
   前記第１バッファ部領域よりも前記積層方向に深い第２バッファ部領域と、
   を有するとともに、
   前記第１バッファ部領域には、複数個の第１エンボスが形成される一方、
   前記第２バッファ部領域には、複数個の第２エンボスが形成され、
   前記第２エンボスの直径は、前記第１エンボスの直径よりも小さい値に、又は前記第２エンボスの先端角部のＲ寸法は、前記第１エンボスの先端角部のＲ寸法よりも小さい値に設定されることを特徴とする燃料電池。

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