WO2003098727A1 - Fuel cell - Google Patents

Description

明 細 書 燃料電池 技術分野

本発明は、 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質 ·電極構造体と、 前記 電解質 ·電極構造体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池に関する。 背景技術

例えば、 固体高分子型燃料電池は、 高分子イオン交換膜 （陽イオン交換膜） か らなる電解質 （電解質膜） の両側に、 それぞれアノード側電極および力ソード側 電極を対設した電解質 ·電極構造体を、 セパレータによつて挟持することにより 構成されている。 この種の燃料電池は、 通常、 電解質 ·電極構造体おょぴセパレ ータを所定数だけ積層することにより、 燃料電池スタックとして使用されている。 この燃料電池において、 アノード側電極に供給された燃料ガス、 例えば、 主に 水素を含有するガス （以下、 水素含有ガスともいう） は、 電極触媒上で水素がィ オン化され、 電解質を介して力ソード側電極側へと移動する。 その間に生じた電 子は外部回路に取り出され、 直流の電気工ネルギとして利用される。 なお、 カソ ード側電極には、 酸化剤ガス、 例えば、 主に酸素を含有するガスあるいは空気 (以下、 酸素含有ガスともいう） が供給されているために、'この力ソード側電極 において、 水素イオン、 電子および酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池では、 セパレータの面内に、 アノード側電極に対向して燃料ガ スを流すための燃料ガス流路 （反応ガス流路） と、 力ソード側電極に対向して酸 ィ匕剤ガスを流すための酸化剤ガス流路 （反応ガス流路） とが設けられている。 さ らに、 この種の燃料電池では、 反応ガス流路に反応ガスである酸化剤ガスおよび 燃料ガスを流すための連通孔が、 電解質 ·電極構造体およびセパレータの積層方 向に貫通して設けられた内部マ二ホールドが採用されている。

例えば、 特開 2 0 0 1— 2 6 6 9 1 0号公報に開示されている固体高分子電解 質型燃料電池では、 図 1 3に示すように、 燃料電池を構成するセパレータ 1の矢 印 X方向の一端縁部には、 酸化剤ガス、 例えば、 酸素含有ガスを供給するための 酸化剤ガス供給側連通孔 2 aと、 燃料ガス、 例えば、 水素含有ガスを供給するた めの燃料ガス供給側連通孔 3 aとが設けられている。

セパレータ 1の矢印 X方向の他端縁部には、 酸化剤ガスを排出するための酸ィ匕 剤ガス排出側連通孔 2 bと、 燃料ガスを排出するための燃料ガス排出側連通孔 3 bとが設けられている。 このセパレータ 1の力ソード側電極 （図示せず） に対向 する面 l aには、 例えば、 矢印 X方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガ ス流路 4が設けられるとともに、 この酸ィ匕剤ガス流路 4は、 酸化剤ガス供給側連 通孔 2 aと酸化剤ガス排出側連通孔 2 bとに連通している。

しかしながら、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 aがセパレータ 1の矢印 X方向の一 端縁部右側に設けられているため、 酸化剤ガスが前記酸化剤ガス供給側連通孔 2 aから鉛直方向 （矢印 X方向） に向かって酸化剤ガス流路 4に導入される際、 特 に燃料ガス供給側連通孔 3 aの近傍 （矢印 X方向の一端縁部左側） にこの酸化剤 ガスを十分に供給することが困難である。

これにより、 実質的に酸化剤ガスを酸化剤ガス供給側連通孔 2 aから電極面に 導く通路 （酸化剤ガス流路 4の一部） の本数が制限されてしまい、 該通路で酸化 剤ガスの圧損が増加する。 従って、 酸ィヒ剤ガス供給用のコンプレッサ等が大型化 し、 設備全体の小型化および軽量ィ匕を図ることができないという問題が指摘され ている。 し力も、 電極面内に反応ガスが均一に供給されず、 発電性能が低下する おそれがある。

さらに、 セパレータ 1では、 矢印 X方向に交差する矢印 Y方向両端側の 2つの 辺 1 bに連通孔が設けられていない。 このため、 各辺 1 bは外気に曝され易く、 この辺 1 b側の通路内で結露が発生し、 結露水の滞留により発電性能の低下が惹 起されてしまう。 発明の開示

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、 セパレータの小 型化を図るとともに、 発電†生能を有効に維持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 ·電極構造体に対向するセパレータ面内に 形成された反応ガス流路に、 少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガ スを供給および排出するため、 前記セパレータに積層方向に貫通して反応ガス供 給側連通孔および反応ガス排出側連通孔が設けられるとともに、 少なくとも前記 反応ガス供給側連通孔または前記反応ガス排出側連通孔 （以下、 単に連通孔とも いう） は、 前記セパレータの角部を跨いで 2辺方向にそれぞれ長尺状に延在する 第 1およぴ第 2直線部を備えている。

このように、 連通孔がセパレータの 2辺方向に延在する第 1およぴ第 2直線部 を備えているため、 反応ガスは異なる方向から反応ガス流路に供給される際に互 いに衝突し、 前記反応ガス流路内に均一に分散される。 このため、 電極面に対し て反応ガスを均一かつ確実に供給することが可能になる。 しかも、 反応ガスを異 なる方向から反応ガス流路に供給することができ、 前記反応ガスを前記連通孔か ら電極面まで導く通路の範囲が、 従来構造に比べて有効に増加し、 前記電極面の 全領域にわたって前記反応ガスを均一に供給することが可能になる。 従って、 通 路内での反応ガスの圧損が有効に低減され、 反応ガスを供給するコンプレッサ等 が大型化することがなく、 かつセル構造の薄型化が図られる。

しかも、 セパレータの角部を含んで該セパレータの周辺に連通孔が配置されて おり、 セパレータ面内のスペースを有効に利用することができ、 前記セパレータ の電極面利用率が向上する。 これにより、 燃料電池全体の小型化および軽量化が 可能になる。

また、 本発明では、 第 1直線部と第 2直線部とが、 セパレータの角部を挟んで 互いに離間することにより、 前記第 1および第 2直線部間にリプ部が設けられて いる。 このため、 セパレータの角部は、 リブ部によって良好に補強され、 前記セ パレータの強度が向上する。

さらに、 本発明では、 リブ部には、 スタック締め付けポルトまたは位置決めノ ックを揷入するための孔部が形成されており、 セパレータ面内を効率的に使用す ることができ、 燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

さらにまた、 本発明では、 セパレータには、 冷却媒体を供給おょぴ排出するた めに積層方向に貫通して冷却媒体供給側連通孔ぉよび冷却媒体排出側連通孔 （以 下、 単に連通孔ともいう） が設けられるとともに、 反応ガス供給側連通孔、 反応 ガス排出側連通孔、 前記冷却媒体供給側連通孔および前記冷却媒体排出側連通孔 は、 電解質'電極構造体の電極面を囲繞して延在している。

従って、 電極面が外気により直接冷却されることがなく、 前記電極面内での結 露の発生を有効に阻止することができる。 これにより、 加湿水を有効に活用する ことが可能になるとともに、 電極面内の結露水量を低減して発電性能の低下を防 止することができる。 しかも、 各連通孔を囲繞してシール部材が設けられる場合 には、 セパレータ面内にシールの面圧が作用し難い部位が存在することがなく、 前記セパレータ面内に均一なシール面圧が付与される。

また、 本発明では、 電解質 ·電極構造体とセパレータとは、 水平方向に積層さ れている。 このため、 連通孔には、 電極面よりも低い部分が存在し、 前記連通孔 に結露水が滞留しても、 反応ガス流路内が結露水で満たされることがない。 従つ て、 結露水の排出性が向上するとともに、 電極面内に水が蓄積することがなく、 発電性能を良好に維持することが可能になる。

さらに、 本発明では、 セパレータの角部に、 反応ガス流路と反応ガス供給側連 通孔および反応ガス排出側連通孔とを連通するバッファ部が設けられている。 こ のため、 反応ガスは、 反応ガス供給側連通孔から反応ガス流路を通って反応ガス 排出側連通孔に円滑に流れることができる。

さらにまた、 本発明では、 セパレータの平面形状は略四角形に設定されるとと もに、 少なくとも一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス排出側連通孔と は、 前記セパレータの対角位置のそれぞれの角部を跨いで設けられている。 これ により、 反応ガスは、 セパレータ面内を良好に流れることが可能になる。

また、 本発明では、 セパレータの平面形状は略四角形に設定されるとともに、 少なくとも一方の反応ガス流路は、 セパレータ面内に略 U字状に設けられ、 一方 の前記反応ガス流路に連通する一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス排 出側連通孔とは、 前記セパレータの互いに隣接する角部を跨いで設けられている。 従って、 セパレータ面内には、 略直線状の他、 略 U字状の反応ガス流路が有効に 形成される。

さらに、 本発明では、 セパレータの平面形状は略正方形に設定されるとともに、 セパレータ面内には、 少なくとも一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス 排出側連通孔とに近接して入口バッファ部と出口バッファ部とが設けられ、 反応 ガス流路は、 前記入口バッファ部と前記出口バッファ部との間に略直線状に設け られている。 ここで、 略直線状とは、 反応ガスの流れ方向に沿って曲線状や波状 にうねりを有するものを含む。 このため、 反応ガス流路内での反応ガスの圧損が 可及的に低減されるとともに、 略正方形状の電極面積に対してセパレータの外周 寸法を小さく設定することができ、 前記セパレータの保温性が向上する。

さらにまた、 本発明では、 少なくとも反応ガス流路の入口側端部位置または出 口側端部位置は、 少なくとも反応ガス供給側連通孔または反応ガス排出側連通孔 の前記反応ガス流路に向かって突出する端部位置と実質的に同一位置に設定され ている。

ここで、 例えば、 反応ガス供給側連通孔の端部が、 反応ガス流路の入口側端部 位置より前記反応ガス流路の内方に突出すると、 この反応ガス供給側連通孔の端 部から前記反応ガス流路内に反応ガスが流れないおそれがある。 従って、 端部位 置を設定することにより、 略直線状の反応ガス流路の流れ方向に直交する幅方向 に対して、 反応ガスを均一に流すことができ、 良好な発電機能を確保することが 可能になる。

また、 本発明では、 反応ガス供給側連通孔は、 反応ガス排出側連通孔よりも開 口断面積が大きく設定されている。 反応ガス排出側連通孔側では、 反応ガスが消 費されて反応ガス流量が減少している。 このため、 反応ガス排出側連通孔の開口 断面積を反応ガス供給連通孔の開口断面積よりも小さく設定することによって、 反応ガスの円滑な流れが可能になる。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明の第 1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 図 2は、 前記燃料電池の一部断面図である。

図 3は、 前記燃料電池を構成する第 1セパレータの正面説明図である。

図 4は、 前記燃料電池を構成する第 2セパレータの正面説明図である。

図 5は、 円形のバッファ部を設けた前記第 1セパレータの正面説明図である。 図 6は、 本発明の第 2の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータの 正面説明図である。

図 7は、 本発明の第 3の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータの 正面説明図である。

図 8は、 本発明の第 4の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータの 正面説明図である。

図 9は、 本発明の第 5の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータの 正面説明図である。

図 1 0は、 本発明の第 6の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ の正面説明図である。

図 1 1は、 本発明の第 7の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ の正面説明図である。

図 1 2は、 本発明の第 8の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ の正面説明図である。

図 1 3は、 特開 2 0 0 1— 2 6 6 9 1 0号に係るセパレータの正面説明図であ る。 発明を実施するための最良の形態

図 1は、 本発明の第 1の実施形態に係る燃料電池 1 0の要部分解斜視図であり、 図 2は、 前記燃料電池 1 0の一部断面図である。

燃料電池 1 0は、 電解質膜 ·電極構造体 （電解質 ·電極構造体） 1 4と、 前記 電解質膜 ·電極構造体 1 4を挟持する長方形 （略四角形） 状の第 1および第 2セ パレ一タ 1 6、 1 8とを備える。 電解質膜'電極構造体 1 4と第 1および第 2セ T JP03/06248

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パレータ 1 6、 1 8との間には、 後述する連通孔の周囲おょぴ電極面 （発電面） の外周を覆って、 ガスケット等のシール部材 1 9が介装されている。

電解質膜'電極構造体 1 4と第 1およぴ第 2セパレータ 1 6、 1 8とは、 水平 方向 （矢印 A方向） に積層されており、 その積層方向に交差する矢印 B方向 （図 1中、 水平方向） の一端縁部には、 積層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ィヒ剤ガス供給側連通孔 2 0と、 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排出側連通孔 2 2とが設けられ る。

酸化剤ガス供給側連通孔 2 0は、 第 1セパレータ 1 6の一端縁部上部の角部を 跨いで矢印 B方向および矢印 C方向 （2辺方向） にそれぞれ長尺状に延在する第 1およぴ第 2直線部 2 0 a、 2 O bを一体的に備える。 燃料ガス排出側連通孔 2 2は、 第 1セパレータ 1 6の一端縁部下部の角部を跨いで矢印 B方向おょぴ矢印 C方向 （2辺方向） にそれぞれ長尺状に延在する第 1およぴ第 2直線部 2 2 a、 2 2 bを一体的に備える。

電解質膜'電極構造体 1 4と第 1および第 2セパレータ 1 6、 1 8の矢印 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 料ガス供給側連通孔 2 4と、 酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出側連通 孔 2 6とが設けられる。 燃料ガス供給側連通孔 2 4および酸化剤ガス排出側連通 孔 2 6は、 第 1セパレータ 1 6の他端縁部上部および下部の角部を跨いで矢印 B 方向おょぴ矢印 C方向 （2辺方向） にそれぞれ長尺状に延在する第 1直線部 2 4 a、 2 6 aおよび第 2直線部 2 4 b、 2 6 bを備える。

電解質膜 ·電極構造体 1 4と第 1および第 2セパレータ 1 6、 1 8の下端縁部 には、 純水やエチレンダリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒 体供給側連通孔 2 8が設けられるとともに、 上端縁部には、 冷却媒体を排出する ための冷却媒体排出側連通孔 3 0が設けられる。

電解質膜'電極構造体 1 4は、 例えば、 パーフルォ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 （電解質） 3 2と、 該固体高分子電解質膜 3 2を 挟持するァノード側電極 3 4および力ソード側電極 3 6とを備える。 ァノード側 電極 3 4およびカソード側電極 3 6は、 力ーボンぺーパ等からなるガス拡散層と、 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とをそれぞれ有する。

図 1およぴ図 3に示すように、 第 1セパレータ 1 6のカソード側電極 3 6に対 向する面 1 6 aには、 前記力ソード側電極 3 6に沿って酸化剤ガスを供給するた めの酸化剤ガス流路 （反応ガス流路） 3 8が形成される。 酸化剤ガス流路 3 8は、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 0および酸化剤ガス排出側連通孔 2 6に近接して設け られる第 1およぴ第 2バッファ部 4 0 a、 4 0 bと、 前記第 1および第 2バッフ ァ部 4 0 a、 4 0 bに連通する複数本の酸化剤ガス流路溝 4 2とを備え,る。

第 1およぴ第 2バッファ部 4 0 a、 4 0 bは、 複数本の断続流路溝ゃエンボス 部等により構成されている。 酸化剤ガス流路溝 4 2は、 互いに平行して面 1 6 a 内に延在するとともに、 それぞれ屈曲形成されている。

図 4に示すように、 第 2セパレータ 1 8のアノード側電極 3 4に対向する面 1 8 aには、 前記アノード側電極 3 4に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス 流路 （反応ガス流路） 4 8が形成される。 燃料ガス流路 4 8は、 燃料ガス供給側 連通孔 2 4および燃料ガス排出側連通孔 2 2に近接して設けられる第 1および第 2バッファ部 5 0 a、 5 0 bと、 前記第 1および第 2バッファ部 5 0 a、 5 0 b に連通する複数本の酸化剤ガス流路溝 5 2とを備える。

第 1および第 2バッファ部 5 0 a、 5 0 bは、 複数本の断続流路溝ゃェンボス 部等により構成されている。 酸化剤ガス流路溝 5 2は、 互いに平行して面 1 8 a 内に延在するとともに、 それぞれ屈曲形成されている。

図 1に示すように、 第 2セパレータ 1 8の面 1 8 aとは反対の面 1 8 bには、 冷却媒体流路 5 8が設けられる。 この冷却媒体流路 5 8は、 鉛直方向 （矢印 C方 向） に平行に延在する所定本数の直線流路溝 6 0を設けている。 直線流路溝 6 0 の両端は、 冷却媒体供給側連通孔 2 8と、 冷却媒体排出側連通孔 3 0とに連通し ている。 シール部材 1 9の中央部には、 ァノード側電極 3 4およびカソード側電 極 3 6に対応して開口部 6 2が形成されている （図 1参照） 。

このように構成される燃料電池 1 0の動作について、 以下に説明する。 図 1に示すように、 燃料電池 1 0内には、 水素含有ガス等の燃料ガスと、 酸素 含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、 純水やエチレンダリコールやオイル等の 冷却媒体とが供給される。 矢印 A方向に連通している酸ィ匕剤ガス供給側連通孔 2 0に供給された酸ィヒ剤ガスは、 図 1および図 3に示すように、 第 1セパレータ 1 6の酸化剤ガス流路 3 8に導入される。

具体的には、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 0には、 酸化剤ガス流路 3 8を構成す る第 1バッファ部 4 0 aが連通しており、 この酸ィ匕剤ガス供給側連通孔 2 0から 前記第 1バッファ部 4 0 aに酸ィヒ剤ガスが供給される。 第 1バッファ部 4 0 aは、 酸化剤ガス流路溝 4 2に連通しており、 酸化剤ガスは、 前記酸化剤ガス流路溝 4 2を介して電解質膜 ·電極構造体 1 4を構成する力ソード側電極 3 6に沿って供 給される。

一方、 燃料ガスは、 矢印 A方向に連通している燃料ガス供給側連通孔 2 4から 燃料ガス流路 4 8に導入される。 この燃料ガス流路 4 8は、 図 4に示すように、 燃料ガス供給側連通孔 2 4に連通する第 1バッファ部 5 0 aを備えており、 燃料 ガスは、 前記第 1バッファ部 5 0 aを介して酸ィ匕剤ガス流路溝 5 2に供給される。 燃料ガスは、 酸化剤ガス流路溝 5 2を流れることにより、 電解質膜 ·電極構造体 1 4を構成するアノード側電極 3 4に沿って供給される。

従って、 各電解質膜 ·電極構造体 1 4では、 力ソード側電極 3 6に供給される 酸化剤ガスと、 ァノード側電極 3 4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、 発電が行われる （図 2参照） 。

次いで、 力ソード側電極 3 6に供給されて消費された酸化剤ガスは、 第 2バッ ファ部 4 0 bを介して酸化剤ガス排出側連通孔 2 6に排出される （図 3参照） 。 同様に、 アノード側電極 3 4に供給されて消費された燃料ガスは、 第 2バッファ 部 5 0 bを介して燃料ガス排出側連通孔 2 2に排出される （図 4参照） 。

また、 図 1に示すように、 冷却媒体供給側連通孔 2 8に供給された冷却媒体は、 第 2セパレータ 1 8の冷却媒体流路 5 8に導入される。 この冷却媒体は、 直線流 路溝 6 0に沿って鉛直上方向に移動し、 電解質膜'電極構造体 1 4を冷却した後、 冷却媒体排出側連通孔 3 0に排出される。 この場合、 第 1の実施形態では、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 0が、 第 1セパレ ータ 1 6の一端縁部上部の角部を跨いで 2辺方向 （矢印 B方向および矢印 C方 向） にそれぞれ長尺状に延在する第 1および第 2直線部 2 0 a、 2 0 bを備えて いる。 このため、 図 3に示すように、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 0に供給された 酸化剤ガスは、 第 1直線部 2 0 aから第 1バッファ部 4 0 aに鉛直下方向に向か つて導入されるとともに、 第 2直線部 2 0 bから前記第 1バッファ部 4 0 aに対 して水平方向に向かって導入される。

従って、 酸化剤ガスは、 第 1バッファ部 4 0 aに異なる方向から供給される際 に互いに衝突し、 前記第 1バッファ部 4 0 a内に均一に分散される。 これにより、 第 1セパレータ 1 6の面 1 6 a内では、 酸化剤ガスを酸化剤ガス流路 3 8の全体 にわたり良好に供給することができ、 実質的に前記酸ィヒ剤ガスを酸化剤ガス供給 側連通孔 2 0から電極面 6 4 (図 3参照） まで導く通路の範囲が、 従来構造に比 ベて大幅に増加し、 前記電極面 6 4の全領域にわたって前記酸化剤ガスを均一に 供給することが可能になる。 このため、 通路内、 すなわち、 酸化剤ガス流路 3 8 内での酸ィ匕剤ガスの圧損が有効に低減され、 酸化剤ガス供給用のコンプレッサ等 が大型化することがなく、 かつ燃料電池 1 0全体の薄型化が容易に図られる。 しかも、 第 1セパレータ 1 6の各角部を含んで前記第 1セパレータ 1 6の 4辺 に酸化剤ガス供給側連通孔 2 0、 酸化剤ガス排出側連通孔 2 6、 燃料ガス供給側 連通孔 2 4、 燃料ガス排出側連通孔 2 2、 冷却媒体供給側連通孔 2 8および冷却 媒体排出側連通孔 3 0が設けられている。 これにより、 第 1セパレータ 1 6の面 内スペースが有効に利用できるとともに、 前記第 1セパレータ 1 6の電極面利用 率が向上する。 このため、 燃料電池 1 0全体の小型化および軽量化が可能になる という効果が得られる。

さらにまた、 第 1セパレータ 1 6の電極面 6 4の周囲が酸化剤ガス供給側連通 孔 2 0、 酸化剤ガス排出側連通孔 2 6、 燃料ガス供給側連通孔 2 4、 燃料ガス排 出側連通孔 2 2、 冷却媒体供給側連通孔 2 8および冷却媒体排出側連通孔 3 0に より囲まれている。 従って、 電極面 6 4が外気により直接冷却されることがなく、 この電極面 6 4内での結露の発生を有効に阻止することができる。 このため、 酸 ィ匕剤ガスや燃料ガス等の反応ガスの加湿水を有効に活用することが可能になると ともに、 電極面 6 4内での結露水量を低減し、 燃料電池 1 0の発電性能の低下を 防止することができる。

さらに、 酸化剤ガスお出側連通孔 2 6は、 2辺方向 （矢印 B方向および矢印 C 方向） にそれぞれ延在する第 1およぴ第 2直線部 2 6 a、 2 6 bを設けている。 その際、 燃料電池 1 0は、 積層方向が水平方向に設定されており、 図 3に示すよ うに、 第 1直線部 2 6 aは、 電極面 6 4よりも低い位置に設定され、 酸化剤ガス 排出側連通孔 2 6に結露水が滞留しても、 酸化剤ガス流路 3 8内が結露水で満た されることはない。 これにより、 結露水の排出性が向上するとともに、 電極面 6 4内に水が蓄積することがなく、 燃料電池 1 0の発電性能を良好に維持すること が可能になる。

なお、 第 2セパレータ 1 8側では、 上記の第 1セパレータ 1 6側と同様の効果 が得られるため、 その詳細な説明は省略する。

また、 第 1の実施形態では、 第 1バッファ部 4 0 a、 5 0 aおよぴ第 2パッフ ァ部 4 0 b、 5 0 bは、 長方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 5に示すように、 第 1バッファ部 4 0 aに代替して円形状の 第 1バッファ部 4 0 a aを採用してもよレ、。 さらに、 四角形の他、 多角形等の 種々の形状に選択可能である。

図 6は、 本発明の第 2の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ 7 0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 1 0を構成する第 1セパレータ 1 6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。 また、 以下に説明する第 3〜至第 8の実施形態においても、 同様 にその詳細な説明は省略する。

第 1セパレータ 7 0では、 矢印 B方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔 Ί 2と燃科ガス排出側連通孔 7 4とが設けられる。 酸化剤ガス供給側連通孔 7 2お よび燃料ガス排出側連通孔 7 4は、 矢印 B方向に長尺状に延在する第 1直線部 7 2 a、 7 4 aと、 矢印 C方向に長尺状に延在する第 2直線部 7 2 b、 7 4 bとを 個別に備える。 第 1直線部 7 2 a、 7 4 aと第 2直線部 7 2 b、 7 4 bとは、 第 1セパレータ 7 0の上下両角部で分離構成されるとともに、 各角部には、 補強用 リブ部 7 6が形成される。

第 1セパレータ 7 0の矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供給側連通孔 7 8 と酸化剤ガス排出側連通孔 8 0と力 S設けられる。 燃料ガス供給側連通孔 7 8およ ぴ酸化剤ガス排出側連通孔 8 0は、 矢印 B方向おょぴ矢印 C方向にそれぞれ長尺 状に延在する第 1直線部 7 8 a、 8 0 aおよぴ第 2直線部 7 8 b、 8 0 bを個別 に備える。 第 1直線部 7 8 a、 8 0 aと第 2直線部 7 8 b、 8 0 bとは、 互いに 分離構成されており、 第 1セパレータ 7 0の上下両角部に対応してリプ部 7 6が 形成される。

このように構成される第 2の実施形態では、 第 1の実施形態と同様の効果が得 られる他、 第 1セパレータ 7 0の四隅にリブ部 7 6が形成されている。 従って、 リブ部 7 6により第 1セパレータ 7 0の四隅が良好に補強され、 前記第 1セパレ ータ 7 0の強度が向上するという利点がある。

図 7は、 本発明の第 3の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ 8 2の正面説明図である。

第 1セパレータ 8 2では、 矢印 B方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔 8 4と燃料ガス排出側連通孔 8 6とが設けられる。 酸化剤ガス供給側連通孔 8 4お よび燃料ガス排出側連通孔 8 6は、 矢印 B方向に長尺状に延在するとともに、 第 1セパレータ 8 2の角部に向かって傾斜突起を有する第 1直線部 8 4 a、 8 6 a と、 矢印 C方向に長尺状に延在するとともに、 前記第 1セパレータ 8 2の角部に 向かって傾斜突起を有する第 2直線部 8 4 b、 8 6 bとを個別に備える。 第 1直 線部 8 4 a、 8 6 aと第 2直線部 8 4 b、 8 6 bとは、 第 1セパレータ 8 2の上 下両角部で分離構成されるとともに、 各角部には、 補強用リブ部 8 8が形成され る。

第 1セパレータ 8 2の矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供給側連通孔 9 0 と酸化剤ガス排出側連通孔 '9 2とが設けられる。 燃科ガス供給側連通孔 9 0およ び酸化剤ガス排出側連通孔 9 2は、 矢印 B方向および矢印 C方向にそれぞれ長尺 状に延在するとともに、 第 1セパレータ 8 2のそれぞれ角部に向かってィ頃斜突起 を有する第 1直線部 90 a、 92 aおよぴ第 2直線部 90 b、 92 bを個別に備 える。 第 1直線部 90 a、 92 aと第 2直線部 90 b、 92 bとは、 互いに分離 構成されており、 第 1セパレータ 82の上下両角部に対応してリブ部 88が形成 される。

このように構成される第 3の実施形態では、 第 1直線部 84 a、 86 a、 90 a、 92 aおよび第 2直線部 84 b、 86 b、 90 b、 92 bは、 それぞれ第 1 セパレータ 82の四隅に向かって傾斜突起を有している。 このため、 酸化剤ガス 供給側連通孔 84、 燃料ガス排出側連通孔 86、 燃料ガス供給側連通孔 90およ ぴ酸化剤ガス排出側連通孔 92の開口面積を拡大することができ、 電極面利用率 (第 1セパレータ 82の平面積に対する電極面面積） が有効に向上するという効 果が得られる。

図 8は、 本発明の第 4の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ 1 00の正面説明図である。

第 1セパレータ 100では、 矢印 B方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔 102と燃料ガス排出側連通孔 104とが設けられる。 酸化剤ガス供給側連通孔 102および燃料ガス排出側連通孔 104は、 矢印 B方向に長尺状に延在する第 1直線部 102 a、 104 aと、 矢印 C方向に長尺状に延在する第 2直線部 10 2 b、 104 bとを個別に備える。

第 1直線部 102 a、 104 aと第 2直線部 102 b、 104 bとは、 第 1セ パレータ 100の上下両角部で分離構成されるとともに、 各角部には、 補強用リ プ部 105が形成される。 リブ部 105には、 スタック締め付け用ボルト孔 （ま たは位置決めノック孔） としての孔部 106が形成される。

第 1セパレータ 100の矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供給側連通孔 1 08と酸化剤ガス排出側連通孔 1 10とが設けられる。 燃料ガス供給側連通孔 1 08および酸化剤ガス排出側連通孔 110は、 矢印 B方向および矢印 C方向にそ れぞれ長尺状に延在する第 1直線部 108 a、 1 10 aおよぴ第 2直線部 108 b、 1 10 bを個別に備える。

第 1直線部 108 a、 1 10 aと第 2直線部 1 08 b、 1 10 bとは、 互いに 分離構成されており、 第 1セパレータ 100の上下両角部に対応してリブ部 10 5が形成される。 リブ部 105には、 スタック締め付け用ボルト孔 （または位置 決めノック孔） としての孔部 106が形成される。

このように構成される第 4の実施形態では、 第 2の実施形態と同様の効果が得 られる他、 第 1セパレータ 100の四隅に孔部 106が形成されており、 この孔 部 106を用いて燃料電池全体の締め付けや位置決め等を行うことができる。 図 9は、 本発明の第 5の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ 1 20の正面説明図である。

第 1セパレータ 1 20の矢印 B方向の一端縁部には、 酸化剤ガス供給側連通孔 122と、 冷却媒体供給側連通孔 124と、 燃料ガス排出側連通孔 126とが設 けられるとともに、 矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供給側連通孔 128と、 冷却媒体排出側連通孔 130と、 酸化剤ガス排出側連通孔 132とが設けられる。 酸化剤ガス供給側連通孔 122および燃料ガス排出側連通孔 126は、 矢印 B方 向に延在する第 1直線部 122 a、 126 aと、 矢印 C方向に延在する第 2直線 部 122 b、 126 bとを一体的に備える。 第 1直線部 122 a、 126 aは、 第 1セパレータ 120の略中央部に向かって比較的長尺状に構成されている。 燃料ガス供給側連通孔 128および酸化剤ガス排出側連通孔 132は、 同様に 矢印 B方向に延在する第 1直線部 128 a、 132 aと、 矢印 C方向に延在する 第 2直線部 128 b、 132 bとを一体的に備える。 第 1直線部 128 a、 13 2 aは、 第 1セパレータ 120の略中間部に向かって比較的長尺状に構成されて いる。

第 5の実施形態では、 第 1直線部 122 a、 126 aおよび第 1直線部 128 a、 1 32 aは、 第 1セパレータ 120の略中間部に向かって比較的長尺状に構 成されている。 従って、 酸化剤ガス供給側連通孔 122と酸化剤ガス排出側連通 孔 132とは互いに近接して配置されるとともに、 燃料ガス供給側連通孔 128 と燃料ガス排出側連通孔 126とは互いに近接して配置され、 燃料ガスの圧損を 良好に低減することができるという効果が得られる。

図 10は、 本発明の第 6の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ PC謂舰 48

15

1 4 0の正面説明図である。

この第 1セパレータ 1 4 0では、 矢印 B方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連 通孔 2 0と、 酸化剤ガス排出側連通孔 2 6とが設けられるとともに、 矢印 B方向 の他端縁部に燃料ガス供給側連通孔 2 4と、 燃料ガス排出側連通孔 2 2とが設け られる。

第 1セパレータ 1 4 0の面 1 4 0 aには、 酸化剤ガス流路 （反応ガス流路） 1 4 2が形成される。 酸化剤ガス流路 1 4 2は、 酸化剤ガス供給側連通孔 2 0およ ぴ酸化剤ガス排出側連通孔 2 6に近接して、 すなわち、 第 1セパレータ 1 4 0の 矢印 B方向の一端縁部の上下に位置して、 第 1および第 2バッファ部 1 4 4 a、 1 4 4 bを備える。 第 1およぴ第 2バッファ部 1 4 4 a、 1 4 4 bは、 複数本の 酸化剤ガス流路溝 1 4 6を介して連通しており、 前記酸化剤ガス流路溝 1 4 6は、 略 U字状の通路を構成している。

図 1 1は、 本発明の第 7の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ

1 5 0の正面説明図である。

この第 1セパレータ 1 5 0は、 上述した第 1セパレータ 1 2 0と第 1セパレー タ 1 4 0とを合わせた構成であり、 矢印 B方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連 通孔 1 2 2、 冷却媒体供給側連通孔 1 2 4および酸化剤ガス排出側連通孔 1 3 2 が設けられる。 第 1セパレータ 1 5 0の矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供 給側連通孔 1 2 8、 冷却媒体排出側連通孔 1 3 0および燃料ガス排出側連通孔 1 2 6が設けられる。

図 1 2は、 本発明の第 8の実施形態に係る燃料電池を構成する第 1セパレータ

1 6 0の正面説明図である。

第 1セパレータ 1 6 0は、 略正方形状に設定されるとともに、 前記第 1セパレ ータ 1 6 0の矢印 B方向の一端縁部には、 酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2と燃料 ガス排出側連通孔 1 6 4とが設けられる。

酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2は、 矢印 B方向に長尺状に延在する第 1直線部 1 6 2 aと矢印 C方向に長尺状に延在する第 2直線部 1 6 2 bとを一体的に備え る。 燃料ガス排出側連通孔 1 6 4は、 矢印 B方向に長尺状に延在する。 P T/JP03/06248

16

'ータ 1 6 0の矢印 B方向の他端縁部には、 燃料ガス供給側連通孔 1 6 6と酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8とが設けられる。 燃料ガス供給側連通孔 1 6 6および酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8は、 矢印 B方向おょぴ矢印 C方向にそ れぞれ長尺状に延在する第 1直線部 1 6 6 a、 1 6 8 aおよぴ第 2直線部 1 6 6 b、 1 6 8 bを一体的に備える。

酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2は、 酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8よりも開口 断面積が大きく設定されるとともに、 燃料ガス供給側連通孔 1 6 6は、 燃料ガス 排出側連通孔 1 6 4よりも開口断面積が大きく設定される。

第 1セパレータ 1 6 0の図示しない力ソード側電極に対向する面 1 6 0 aには、 酸化剤ガス流路 （反応ガス流路） 1 7 0が形成される。 酸化剤ガス流路 1 7 0は、 酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2および酸ィ匕剤ガス排出側連通孔 1 6 8に近接して 設けられる第 1およぴ第 2バッファ部 1 7 2 a、 1 7 2 bと、 前記第 1および第 2バッファ部 1 7 2 a、 1 7 2 bに連通して矢印 B方向に互いに並行に延在する 複数本の略直線状の酸ィヒ剤ガス流路溝 1 7 4とを備える。 ここで、 略直線状とは、 酸化剤ガス （反応ガス） の流れ方向に沿って曲線状や波状にうねりを有するもの を含む。

酸化剤ガス流路 1 7 0の入口側端部位置 T 1は、 酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2の矢印 B方向に向かって突出する第 1直線部 1 6 2 aの端部位置と実質的に同 —位置に設定される。 同様に、 酸化剤ガス流路 1 7 0の出口側端部位置 T 2は、 酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8の矢印 B方向に向かって突出する第 1直線部 1 6 8 aの端部位置と実質的に同一位置に設定される。

このように構成される第 8の実施形態では、 酸化剤ガス流路 1 7 0が第 1およ ぴ第 2バッファ部 1 7 2 a、 1 7 2 b間に略直線状に延在する複数本の酸化剤ガ ス流路溝 1 7 4を設けている。 このため、 酸化剤ガス流路 1 7 0内での酸化剤ガ スの圧損が可及的に低減されるとともに、 特に、 電極面積が略正方形状に設定さ れる際に、 第 1セパレータ 1 6 0の外周寸法を可及的に小さく設定することがで き、 前記第 1セパレータ 1 6 0の保温性が向上するという利点がある。

さらに、 酸化剤ガス流路 1 7 0の入口側端部位置 T 1力 酸化剤ガス供糸合側連 通孔 1 6 2の前記酸化剤ガス流路 1 7 0に向かって突出する第 1直線部 1 6 2 a の端部位置と実質的に同一位置に設定されている。 ここで、 第 1直線部 1 6 2 a の端部が、 酸化剤ガス流路 1 7 0の入口側端部位置 T 1よりも前記酸化剤ガス流 路 1 7 0の内方に突出していると （図 1 2中、 二点鎖,線参照） 、 この端部から前 記酸ィ匕剤ガス流路 1 7 0内に酸ィヒ剤ガスが流れないおそれがある。

従って、 第 1直線部 1 6 2 aの端部位置が、 酸化剤ガス流路 1 7 0の入口側端 部位置 T 1と同一位置に設定されることにより、 前記酸化剤ガス流路 1 7 0の幅 方向 （酸化剤ガス流路溝 1 7 4の流れ方向に直交する方向） に対して酸化剤ガス を均一に流すことができ、 良好な発電機能を確保することが可能になる。

一方、 酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8においても同様に、 第 1直線部 1 6 8 a の端部位置が、 酸化剤ガス流路 1 7 0の出口側端部位置 T 2と実質的に同一位置 に設定される。 これにより、 酸化剤ガス流路 1 7 0から酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8全体にわたって酸化剤ガスが円滑に排出される。

さらにまた、 酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2は、 酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8よりも開口断面積が大きく設定されている。 この酸化剤ガス排出側連通孔 1 6 8の近傍では、 酸化剤ガスが消費されて流量が減少している。 このため、 酸化剤 ガス排出側連通孔 1 6 8の開口断面積を酸化剤ガス供給側連通孔 1 6 2よりも小 さく設定することによって、 酸化剤ガスの円滑な流れが可能になる。

同様に、 燃料ガス供給側連通孔 1 6 6は、 燃料ガス排出側連通孔 1 6 4よりも 開口断面積が大きく設定されており、 消費されて流量が減少した燃料ガスを前記 燃料ガス排出側連通孔 1 6 4に円滑に排出することができる。 その際、 排出され る燃料ガスの流量が酸化剤ガスに比べて相当に少なくなつており、 燃料ガス排出 側連通孔 1 6 4の開口断面積を可及的に小さく設定することができる。

なお、 第 1〜第 8の実施形態では、 酸化剤ガスおよぴ燃料ガスである反応ガス の流れ方向が上方から下方に向かって設定されているが、 これとは逆に前記反応 ガスを下方から上方に向かつて流すように構成してもよい。

また、 積層方向を水平方向に設定しているが、 この積層方向を鉛直方向に設定 してもよい。 産業上の利用可能性

本発明に係る燃料電池では、 少なくとも反応ガスの供給または排出用の連通孔 力 セパレータの 2辺方向に延在する第 1およぴ第 2直線部を備えているため、 反応ガスは異なる方向から反応ガス流路に供給される際に互いに衝突し、 前記反 応ガス流路内に均一に分散される。 このため、 電極面に対して反応ガスを均一か つ確実に供給することが可能になる。 しかも、 反応ガスを連通孔から電極面まで 導く通路の範囲が、 従来構造に比べて大幅に増加する。 従って、 通路内での反応 ガスの圧損が有効に低減され、 反応ガスを供給するコンプレツサ等が大型化する ことなく、 かつセル構造の薄肉化が容易に図られる。

しかも、 セパレータの角部を含んで前記セパレータの周辺に連通孔が配置され るため、 前記セパレータの電極面利用率が有効に向上する。 これにより、 燃料電 池全体の小型化おょぴ軽量ィヒが可能になる。

また、 セパレータの周辺に配置された連通孔を介して電極面が囲まれており、 前記電極面が外気により直接冷却されることがなく、 該電極面内での結露の発生 を阻止することができる。 このため、 電極面内の結露水量を低減して発電性能の 低下を防止することが可能である。

Claims

請求の範囲

1. 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質'電極構造体 (14) と、 前 記電解質'電極構造体 （14) を挟持する一対のセパレータ （1 6) とを備え、 前記電解質 ·電極構造体 （14) に対向するセパレータ面内に形成された反応ガ ス流路 （3 8) に、 少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを供給 および排出するため、 前記セパレータ （1 6) の積層方向に貫通して反応ガス供 給側連通孔 （20) および反応ガス排出側連通孔 （26) が設けられた燃料電池 であって、

少なくとも前記反応ガス供給側連通孔 （20) または前記反応ガス排出側連通 孔 （26) は、 前記セパレータ （1 6) の角部を跨いで 2辺方向にそれぞれ長尺 状に延在する第 1および第 2直線部 （20 a、 20 b) を備えることを特徴とす る燃料電池。

2. 請求項 1記載の燃料電池において、 前記第 1直線部 （72 a) と前記第 2 直線部 （7 2 b) とは、 前記セパレータ （70) の前記角部を挟んで互いに離間 することにより、 該第 1および第 2直線部 （7 2 a、 7 2 b) 間にリブ部 （7 6) が設けられることを特徴とする燃料電池。

3. 請求項 2記載の燃料電池において、 前記リブ部 （1 05) には、 スタック 締め付けポルトまたは位置決めノックを揷入するための孔部 （1 06) が形成さ れることを特徴とする燃料電池。

4. 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記セパレー タ （1 6) には、 冷却媒体を供給および排出するために積層方向に貫通して冷却 媒体供給側連通孔 （28) および冷却媒体排出側連通孔 （30) が設けられると ともに、

前記反応ガス供給側連通孔 （20) 、 前記反応ガス排出側連通孔 （26) 、 前記 冷却媒体供給側連通孔 （28) および前記冷却媒体排出側連通孔 （30) は、 前 記電解質 ·電極構造体 （14) の電極面を囲繞して延在することを特徴とする燃 料電池。

5. 請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記電解質 · 電極構造体 （ 14 ) と前記セパレータ （16) とは、 水平方向に積層されること を特徴とする燃料電池。

6. 請求項 1乃至 5のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記セパレー タ （16) の前記角部には、 前記反応ガス流路 （38) と前記反応ガス供給側連 通孔 （20) および前記反応ガス排出側連通孔 （26) とを連通するバッファ部 (40 a, 40 b) が設けられることを特徴とする燃料電池。

7. 請求項 1乃至 6のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記セパレー タ （16) の平面形状は略四角形に設定されるとともに、

少なくとも一方の前記反応ガス供給側連通孔 （20) と一方の前記反応ガス排 出側連通孔 （26) とは、 前記セパレータ （16) の対角位置のそれぞれの角部 を跨いで設けられることを特徴とする燃料電池。

8. 請求項 1乃至 6のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記セパレー タ （140) の平面形状は略四角形に設定されるとともに、

少なくとも一方の前記反応ガス流路 （142) は、 セパレータ面内に略 U字状 に設けられ、 一方の前記反応ガス流路 （142) に連通する一方の前記反応ガス 供給側連通孔 （20) と一方の前記反応ガス排出側連通孔 （26) とは、 前記セ パレータ （140) の互いに隣接する角部を跨いで設けられることを特徴とする 燃料電池。

9. 請求項 7記載の燃料電池において、 前記セパレータ （160) の平面形状 は略正方形に設定されるとともに、

セパレータ面内には、 少なくとも一方の前記反応ガス供給側連通孔 （162) と一方の前記反応ガス排出側連通孔 （168) とに近接して入ロノくッファ部 (1 72 a) と出口バッファ部 （1 72 b) とが設けられ、

前記反応ガス流路 （170) は、 前記入口バッファ部 （172 a) と前記出口 バッファ部 （1 72 b) との間に略直線状に設けられることを特 S [とする燃料電 池。

10. 請求項 9記載の燃料電池において、 少なくとも前記反応ガス流路 （ 17 0) の入口側端部位置または出口側端部位置は、 少なくとも前記反応ガス供給側 連通孔 （162) または前記反応ガス排出側連通孔 （168) の前記反応ガス流 路 （170) に向かって突出する端部位置と実質的に同一位置に設定されること を特徴とする燃料電池。

1 1. 請求項 1乃至 10のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 前記反応 ガス供給側連通孔 （20) は、 前記反応ガス排出側連通孔 (26) よりも開口断 面積が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。