JPWO2013140855A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

燃料電池（１０）は、発電ユニット（１２）を備えるとともに、前記発電ユニット（１２）は、第１金属セパレータ（１４）、第１電解質膜・電極構造体（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電解質膜・電極構造体（１６ａ）は、外周部に第１樹脂枠部材（５８）を備え、前記第１樹脂枠部材（５８）には、発電領域外に位置して第１酸化剤ガス流路（２６）に連結される入口バッファ部（６２ａ）と、前記入口バッファ部（６２ａ）と酸化剤ガス入口連通孔（２２ａ）とを連結する入口連結流路の一部である突出部（５８ａ）とが設けられる。

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の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両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位セル）を備えている。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、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と反応ガス流路とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために、平行溝部等を有する連結流路を介して連結されている。その際、連結流路にシール部材が進入することを阻止するために、例えば、金属板を前記連結流路を覆って配置することが行われている。しかしながら、専用の金属板を用いるため、構成が複雑化して製造工程が増えるとともに、経済的ではない。
そこで、例えば、特許第４６３４９３３号公報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、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、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、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備えている。
そして、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るとともに、電解質・電極構造体の少なくとも一方のガス拡散層には、前記連結流路に重ね合わされて前記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。
ところで、電解質・電極構造体を構成するガス拡散層は、通常、カーボンペーパ等により構成されている。従って、ガス拡散層により連結流路をシールすると、前記ガス拡散層自体が変形し易いため、前記連結流路が閉塞されるおそれがある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、連結流路が閉塞されることがなく、良好にシール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。
本発明は、電解質膜の両側に一対の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に関するものである。
そして、この燃料電池では、樹脂枠部材は、金属セパレータの外周に設けられた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、発電領域外に位置して反応ガス流路に連結されるバッファ部と、前記バッファ部と前記反応ガス連通孔とを連結する連結流路の一部とが設けられている。
本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠部材が設けられるとともに、前記樹脂枠部材には、バッファ部と連結流路の一部とが設けられている。このため、比較的剛性の高い樹脂枠部材が使用されるため、前記樹脂枠部材が変形することがない。これにより、簡単且つ経済的な構成で、連結流路が閉塞されることを確実に阻止することができ、良好なシール性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１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金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの、図６中、ＸＶ−ＸＶ線断面図である。 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断面説明図である。
図１〜図５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、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。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、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、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（外周）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２２ａ、及び燃料ガス、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２４ｂが設けられる。
発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部（外周）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。
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側の一方に、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一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。
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の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。
入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される一方、出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。
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３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。
図７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（又は直線状流路溝部）３４ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部３６ｂが形成される。
図８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（又は直線状流路溝部）３８ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。
図９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部（又は直線状流路溝部）４２ａを有する。
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４４ｂが形成される。図３に示すように、供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、図４に示すように、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。
図１０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４２の裏面形状である冷却媒体流路３２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３２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４６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４８が一体成形されるとともに、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５０が一体成形される。
第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０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６に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部４６ｂを有する。
図７に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと、第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。
図８に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。
図９に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと、第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。
図１０に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。
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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の表面積よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の表面積に設定してもよく、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び固体高分子電解質膜５２の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。
カソード電極５４及びアノード電極５６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５２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５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材５８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５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材６０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５８及び第２樹脂枠部材６０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂよりも内側（矢印Ｂ方向内方及び矢印Ｃ方向内方）に配置される外形形状を有する。
第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０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１１及び図１２に示すように、第１樹脂枠部材５８は、長手方向（矢印Ｂ方向）両端部に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに向かって膨出する突出部５８ａ、５８ｂと、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって膨出する突出部５８ｃ、５８ｄとを有する。
第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図１１に示すように、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６２ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第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６２ｂが設けられる。
入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ａを有し、前記凸部６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ｂを有し、前記凸部６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂには、それぞれエンボス部６３ａ、６３ｂが形成される。なお、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。
図１２に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６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６８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。
入口バッファ部６８ａは、複数本のライン状凸部７０ａを有するとともに、前記凸部７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。出口バッファ部６８ｂは、複数本のライン状凸部７０ｂを有するとともに、前記凸部７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂには、それぞれエンボス部６９ａ、６９ｂが形成される。なお、入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。
図１３及び図１４に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かってそれぞれ膨出する突出部６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを有する。
第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、図１３に示すように、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バッファ部７４ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して出口バッファ部７４ｂが形成される。
入口バッファ部７４ａは、複数本のライン状凸部７６ａを有し、前記凸部７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。出口バッファ部７４ｂは、複数本のライン状凸部７６ｂを有し、前記凸部７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂには、それぞれエンボス部７５ａ、７５ｂが形成される。
第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図１４に示すように、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８０ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第２燃料ガス流路４２との間に位置して出口バッファ部８０ｂが設けられる。
入口バッファ部８０ａは、複数本のライン状凸部８２ａを有し、前記凸部８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。出口バッファ部８０ｂは、複数本のライン状凸部８２ｂを有し、前記凸部８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが設けられる。入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂには、それぞれエンボス部８１ａ、８１ｂが形成される。
図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とは、入口連結流路８６ａ及び入口バッファ部６８ａを介して連結されるとともに、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とは、入口連結流路８８ａ及び入口バッファ部８０ａを介して連結される。
入口連結流路８６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａと入口バッファ部６８ａとの間に設けられている。この入口連結流路８６ａは、互いに隣接する第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成され、一端が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し他端が供給孔部３６ａに連通する第１流路部９０ａと、前記第２金属セパレータ１８に形成される前記供給孔部３６ａと、前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部３６ａに連通し、且つ他端が入口バッファ部６８ａに連通する第２流路部９２ａとを備える。
入口連結流路８８ａは、同様に、互いに隣接する第３金属セパレータ２０とこれに隣接する第１金属セパレータ１４との間に形成され、一端側が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し他端が供給孔部４４ａに連通する第１流路部９４ａと、前記第３金属セパレータ２０に形成される前記供給孔部４４ａと、前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部４４ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部８０ａに連通する第２流路部９６ａとを備える。
図４に示すように、燃料ガス出口連通孔２４ｂと出口バッファ部６８ｂとは、出口連結流路８６ｂを介して連結されるとともに、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと出口バッファ部８０ｂとは、出口連結流路８８ｂを介して連結される。出口連結流路８６ｂは、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成される第１流路部９０ｂと、前記第２金属セパレータ１８に形成された排出孔部３６ｂと、前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ｄとの間に形成される第２流路部９２ｂとを備える。
出口連結流路８８ｂは、第３金属セパレータ２０とこれに隣接する第１金属セパレータ１４との間に形成される第１流路部９４ｂと、前記第３金属セパレータ２０に形成される排出孔部４４ｂと、前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ｄとの間に形成される第２流路部９６ｂとを備える。
図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと入口バッファ部６２ａとは、入口連結流路９８ａを介して連結されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔２２ａと入口バッファ部７４ａとは、入口連結流路１００ａを介して連結される。
入口連結流路９８ａは波形状を有し（図１５参照）、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８との間に形成され、一端が酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する第１流路部１０２ａと、前記第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ａとの間に形成され、一端側が前記第１流路部１０２ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部６２ａに連通する第２流路部１０４ａとを備える。
入口連結流路１００ａは、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成され、一端側が酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する第１流路部１０６ａと、前記第２金属セパレータ１８と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ａとの間に形成され、一端側が前記第１流路部１０６ａに連通し、且つ他端側が入口バッファ部７４ａに連通する第２流路部１０８ａとを備える。
なお、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと出口バッファ部６２ｂ、７４ｂとの間には、同様に、出口連結流路９８ｂ、１００ｂが形成されており、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３２が形成される。
この燃料電池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に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２５ａに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５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結流路９８ａ、１００ａに導入される。入口連結流路９８ａに導入された酸化剤ガスは、入口バッファ部６２ａ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。入口連結流路１００ａに導入された酸化剤ガスは、入口バッファ部７４ａ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。
酸化剤ガスは、図１、図６及び図８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５４に供給されるとともに、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５４に供給される。
一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから入口連結流路８６ａ、８８ａに導入される。入口連結流路８６ａでは、燃料ガスが、第１流路部９０ａから供給孔部３６ａを通って第２流路部９２ａに送られた後、入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。
入口連結流路８８ａでは、燃料ガスが、第１流路部９４ａから供給孔部４４ａを通って第２流路部９６ａに送られた後、入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａ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、図１、図７及び図９に示すように、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５６に供給されるとともに、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５６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５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂから出口連結流路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５６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６８ｂ、８０ｂから出口連結流路８６ｂ、８８ｂに導入される。出口連結流路８６ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９２ｂから排出孔部３６ｂを通って第１流路部９０ｂに送られた後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
出口連結流路８８ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９６ｂから排出孔部４４ｂを通って第１流路部９４ｂに送られた後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
一方、左右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３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａ、２５ｂから冷却媒体流路３２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、例えば、図５及び図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、固体高分子電解質膜５２の外周部に前記固体高分子電解質膜５２やガス拡散層であるカーボンペーパに比べて相当に強度及び剛性の高い第１樹脂枠部材５８が設けられている。
そして、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図１１に示すように、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂと入口連結流路９８ａ及び出口連結流路９８ｂの一部を構成する突出部５８ａ、５８ｂとが設けられている。このため、剛性及び厚さの大きな第１樹脂枠部材５８の突出部５８ａは、図５に示すように、第１金属セパレータ１４の入口連結溝３０ａ間の面に当接してブリッジ部を構成する際、前記入口連結溝３０ａに入り込むように変形することがない。
これにより、簡単且つ経済的な構成で、入口連結溝３０ａが閉塞されることを確実に阻止することができ、良好なシール性を確保することが可能になる。
しかも、第１樹脂枠部材５８に入口バッファ部６２ａを形成することができるため、第１金属セパレータ１４側の構成が有効に簡素化され、経済的である。
なお、出口バッファ部６２ｂ及び突出部５８ｂにおいても、上記と同様の効果が得られる。また、第２樹脂枠部材６０においても、上記の第１樹脂枠部材５８と同様の効果が得られる。
図１６及び図１７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０は、複数の発電ユニット１２２を積層して構成される。
発電ユニット１２２は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１２４との間に、電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。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。
第２金属セパレータ１２４は、電解質膜・電極構造体１６側の面１２４ａに、燃料ガス流路３４が設けられるとともに、他方の面１２４ｂに、冷却媒体流路３２の一部が構成される。電解質膜・電極構造体１６は、第１の実施形態の第１電解質膜・電極構造体１６ａ又は第２電解質膜・電極構造体１６ｂと同様に構成されている。
この第２の実施形態では、第１樹脂枠部材５８が設けられた電解質膜・電極構造体１６を備えており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この燃料電池では、樹脂枠部材は、金属セパレータの外周に設けられた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、発電領域外に位置して反応ガス流路に連結されるバッファ部と、前記バッファ部と前記反応ガス連通孔とを連結する連結流路の一部とが設けられ、前記バッファ部は、少なくともエンボス部又はガイド流路のいずれかを設けている。

Claims (4)

  1. 電解質膜（５２）の両側に一対の電極（５４、５６）を設けた電解質膜・電極構造体（１６ａ）と金属セパレータ（１４、１８、２０）とが積層されるとともに、前記金属セパレータ（１４、１８）には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（２６、３４）と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体（１６ａ）と前記金属セパレータ（１４、１８）との積層方向に流通させる反応ガス連通孔（２２ａ、２４ａ）とが設けられる一方、前記電解質膜・電極構造体（１６ａ）は、外周部に樹脂枠部材（５８）が設けられる燃料電池（１０）であって、
    前記樹脂枠部材（５８）は、前記金属セパレータ（１４、１８）の外周に設けられた前記反応ガス連通孔（２２ａ、２４ａ）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（５８）には、発電領域外に位置して前記反応ガス流路（２６、３４）に連結されるバッファ部（６２ａ、６８ａ）と、
    前記バッファ部（６２ａ、６８ａ）と前記反応ガス連通孔（２２ａ、２４ａ）とを連結する連結流路（９８ａ、８６ａ）の一部と、
    が設けら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（８６ａ）は、互いに隣接する前記金属セパレータ（１８、２０）間に形成され、一端側が前記反応ガス連通孔（２４ａ）に連通し他端が孔部（３６ａ）に連通する第１流路部（９０ａ）と、
    一方の前記金属セパレータ（１８）に積層方向に貫通して形成される前記孔部（３６ａ）と、
    互いに隣接する前記金属セパレータ（１８）と前記樹脂枠部材（５８）との間に形成され、一端側が前記孔部（３６ａ）に連通し且つ他端側が前記バッファ部（６８ａ）に連通する第２流路部（９２ａ）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項１記載の燃料電池において、前記連結流路（９８ａ）は、互いに隣接する前記金属セパレータ（１４、１８）間に形成され、一端側が前記反応ガス連通孔（２２ａ）に連通する第１流路部（１０２ａ）と、
    互いに隣接する前記金属セパレータ（１４）と前記樹脂枠部材（５８）との間に形成され、一端側が前記第１流路部（１０２ａ）に連通し且つ他端側が前記バッファ部（６２ａ）に連通する第２流路部（１０４ａ）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項１記載の燃料電池において、前記樹脂枠部材（５８）の一方の面には、第１のバッファ部（６２ａ）が設けられるとともに、前記樹脂枠部材（５８）の他方の面には、第２のバッファ部（６８ａ）が設けられ、
    前記第１のバッファ部（６２ａ）と前記第２のバッファ部（６８ａ）とは、それぞれ個別に形成されるガイド流路（６６ａ、７２ａ）を有することを特徴とする燃料電池。
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