JP2009134996A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】間引き冷却構造において、簡単な構成で、圧力損失の差を吸収し、流量の均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する各燃料電池ユニット１２は、アノード側金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、中間金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側金属セパレータ２０を設ける。アノード側金属セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３４ａと第１燃料ガス流路３６ａとを連通する複数の外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂを有し、中間金属セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３４ａと第２燃料ガス流路３６ｂとを連通する複数の供給孔部６６ｃを有する。外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂの使用本数に対し、供給孔部６６ｃの使用本数が少なく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、２以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路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電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側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単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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。

上記の燃料電池では、各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（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）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、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、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（ブリッジ部に形成された反応ガス流路）を介して連通している。ところが、セパレータと電解質膜・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入するおそれがある。これにより、所望のシール性を維持することができず、しかも連結流路が閉塞されて反応ガスが良好に流れないという問題がある。

そこで、特許文献１に開示されている電気化学燃料電池スタックは、図９に示すように、アノードセパレータプレート１ａ、１ｂと、カソードセパレータプレート２ａ、２ｂとを備えている。ＭＥＡ３は、アノード３ａがアノードセパレータプレート１ａに接触する一方、カソード３ｂがカソードセパレータプレート２ａに接触して配置されている。

ＭＥＡ３は、シール４を備えており、スタックの積層方向に貫通して燃料ガスマニホールド５ａと酸化剤ガスマニホールド５ｂとが形成されている。燃料ガスマニホールド５ａは、カソードセパレータプレート２ｂとアノードセパレータプレート１ａとの間に形成される燃料ガス通路６ａから開口７ａを介して燃料ガス流路８ａに連通している。酸化剤ガスマニホールド５ｂは、同様にアノードセパレータプレート１ｂとカソードセパレータプレート２ａとの間に形成される酸化剤ガス通路６ｂから開口７ｂを介して酸化剤ガス流路８ｂに連通している。

これにより、シール４が燃料ガスマニホールド５ａや酸化剤ガスマニホールド５ｂに連通する開放溝部に面することがなく、ブリッジ部材が不要になる、としている。

米国特許第５０６５４０９号明細書

ところで、燃料電池では、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける（所謂、間引き冷却）ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。

その際、上記の間引き冷却構造では、各種セパレータ及びＭＥＡの積層上の関係から、例えば、スタックの積層方向に貫通して開口７ａ、７ｂをそれぞれ同一位置に形成することができない場合がある。このため、燃料ガスマニホールド５ａから燃料ガス通路６ａ及び開口７ａを介して燃料ガス流路８ａに至る各流路形状は、異なる形状（例えば、異なる長さ）になる一方、酸化剤ガスマニホールド５ｂから酸化剤ガス通路６ｂ及び開口７ｂを介して酸化剤ガス流路８ｂに至る各流路形状は、同様に異なる形状を有している。これにより、各流路における圧力損失が不均一になるおそれがある。

しかも、互いに隣接する単位セルでは、冷却媒体通路が形成される冷却面が、一方の単位セルの酸化剤ガス流路の裏面側に形成されるとともに、他方の単位セルの燃料ガス流路の裏面側に形成されている。従って、互いに隣接する単位セルは、温度や湿度等の環境が異なり、結露水による流路の閉塞状況も異なってしまう。

このため、例えば、各開口７ａ、７ｂの寸法及び形状等を同一に設定しても、流路を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を均等にすることができない。これにより、各単位セルの発電性能が不均一になり、燃料電池スタック全体の性能が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、間引き冷却構造において、簡単な構成で、圧力損失の差を吸収して流量の均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上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・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、２以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられる燃料電池に関するものである。

第１のセパレータには、一方の反応ガスを第１の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第１の反応ガス流路と、前記第１のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と前記第１の反応ガス流路とを連通する複数の第１孔部とが設けられている。

第１のセパレータに第１の電解質・電極構造体を介装して隣接する第２のセパレータには、一方の反応ガスを第２の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第２の反応ガス流路と、前記第２のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と前記第２の反応ガス流路とを連通する複数の第２孔部とが設けられている。そして、第１孔部と第２孔部とは、互いに異なる使用本数に設定されている。

また、燃料電池は、反応ガス連通孔と第１孔部とを連通する複数の第１通路と、反応ガス連通孔と第２孔部とを連通する複数の第２通路とを設けるとともに、前記第１通路と前記第２通路とは、互いに異なる使用本数に設定されることが好ましい。

さらに、第１のセパレータには、前記第１のセパレータを貫通して第１孔部と反応ガス連通孔とを連通する複数の第３孔部が設けられることが好ましい。

さらにまた、第１のセパレータには、一方の電極面側とは反対の面側で第１孔部と第３孔部とを連通する連結通路が設けられることが好ましい。

本発明によれば、第１のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第１の反応ガス流路とを連通する第１孔部と、第２のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第２の反応ガス流路とを連通する第２孔部とが、互いに異なる使用本数に設定されている。このため、圧力損失の差を吸収して第１の反応ガス流路の流量と第２の反応ガス流路の流量との均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることが可能になる。

しかも、第１のセパレータと第２セパレータとで、流路深さ等の内部構造が異なる際にも、第１孔部と第２孔部との使用本数を異ならせることにより、圧力損失の差を吸収することができる。これにより、燃料電池全体の設計の自由度が良好に向上する。

さらに、間引き冷却構造を採用するため、第１のセパレータと第２のセパレータとでは、温度や湿度等の環境状態が異なっている。従って、第１孔部と第２孔部との使用本数を異ならせることにより、水詰まりの発生を阻止して均一な流量を得ることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

燃料電池１０は、実質的に２つの単位セルを含む燃料電池ユニット１２を矢印Ａ方向に積層して構成される。燃料電池ユニット１２は、アノード側金属セパレータ（第１のセパレータ）１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、中間金属セパレータ（第２のセパレータ）１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側金属セパレータ２０を設ける。

アノード側金属セパレータ１４、中間金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ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金属薄板を波形状に成形して構成されている。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、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２２ａ、２２ｂと、前記固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂを挟持するアノード側電極（一方の電極）２４ａ、２４ｂ及びカソード側電極２６ａ、２６ｂとを備える。

アノード側電極２４ａ、２４ｂは、カソード側電極２６ａ、２６ｂよりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。固体高分子電解質膜２２ａ、アノード側電極２４ａ及びカソード側電極２６ａは、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。

アノード側電極２４ａ、２４ｂ及びカソード側電極２６ａ、２６ｂ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２２ａ、２２ｂの両面に形成される。

燃料電池ユニット１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３４ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池ユニット１２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、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３４ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３０ａが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図３に示すように、アノード側金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、後述するように、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する第１燃料ガス流路（第１の反応ガス流路）３６ａが形成される。

図１に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂとカソード側金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。この冷却媒体流路３８は、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在する。

中間金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４０ａが形成される。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、第１酸化剤ガス流路４０ａの入口側及び出口側を覆ってブリッジ部４２ａ、４２ｂが配設される。

図４に示すように、中間金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に直線状に延在する第２燃料ガス流路（第２の反応ガス流路）３６ｂが形成される。

図１に示すように、カソード側金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、矢印Ｂ方向に直線状に延在する第２酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４０ｂが設けられる。この第２酸化剤ガス流路４０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、第２酸化剤ガス流路４０ｂの入口側及び出口側を覆ってブリッジ部４２ａ、４２ｂが配設される。

アノード側金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、図１〜図３に示すように、このアノード側金属セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４６が一体化される。この第１シール部材４６は、アノード側金属セパレータ１４の外周端部に近接して面１４ａに設けられる外側シール４８ａを備え、この外側シール４８ａから内方に所定の距離だけ離間して内側シール４８ｂが設けられる。

外側シール４８ａ及び内側シール４８ｂは、先端先細り形状、台形状又は蒲鉾形状等、種々の断面形状が選択可能である。図３に示すように、外側シール４８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを囲繞する。内側シール４８ｂは、第１燃料ガス流路３６ａを囲繞するとともに、前記内側シール４８ｂと外側シール４８ａとの間には、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周端部が配置される。

アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂには、外側シール４８ａに対応する外側シール４８ｃと、内側シール４８ｂに対応する内側シール４８ｄとが設けられる（図１参照）。外側シール４８ｃ及び内側シール４８ｄは、上記の外側シール４８ａ及び内側シール４８ｂと同様の形状を有している。

図３に示すように、外側シール４８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第１酸化剤ガス流路４０ａとを連通する複数の受部５０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記第１酸化剤ガス流路４０ａとを連通する複数の受部５２とを設ける。受部５０により連通路５０ａが形成されるとともに、受部５２により連通路５２ａが形成される。

図１に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路３８とを連通する複数の受部５４と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路３８とを連通する複数の受部５６とが設けられる。受部５４、５６によりそれぞれ連通路５４ａ、５６ａが形成される。面１４ｂには、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に、それぞれ複数の受部５８、６０が設けられる。受部５８により複数の入口側連結通路６２が形成される一方、受部６０により複数の出口側連結通路６４が形成される。

アノード側金属セパレータ１４の面１４ａでは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａが外側シール４８ａに周回されるとともに、前記アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂでは、受部５８の周囲が外側シール４８ｃと内側シール４８ｄとにより囲繞される（図１参照）。受部５８と燃料ガス入口連通孔３４ａとの間には、上記の外側シール４８ａにより囲繞される領域内と、上記の外側シール４８ｃと内側シール４８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して、複数の外側供給孔部（第３孔部）６６ａが貫通形成される。

受部５８と第１燃料ガス流路３６ａとの間には、内側シール４８ｂに囲繞される領域及び上記の外側シール４８ｃと内側シール４８ｄとに囲繞される領域とに対応して、複数の内側供給孔部（第１孔部）６６ｂが貫通形成される。

すなわち、燃料ガス入口連通孔３４ａと第１燃料ガス流路３６ａとを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、外側供給孔部６６ａと内側供給孔部６６ｂとを有する。なお、通路部には、３以上の供給孔部（図示せず）を設けることもできる。

受部６０の近傍には、第１燃料ガス流路３６ａの終端近傍に位置して複数の内側排出孔部（第１孔部）６８ｂが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に対応して複数の外側排出孔部（第３孔部）６８ａが貫通形成される。

内側排出孔部６８ｂは、面１４ａ側の内側シール４８ｂに囲繞される領域内と、面１４ｂ側の外側シール４８ｃと内側シール４８ｄとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。外側排出孔部６８ａは、面１４ａ側の燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞する外側シール４８ａの領域内と、面１４ｂ側の外側シール４８ｃ及び内側シール４８ｄに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。

中間金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この中間金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材７０が一体化される。第２シール部材７０は、図１及び図４に示すように、中間金属セパレータ１８の面１８ａに一体化される平面部７２と、前記中間金属セパレータ１８の面１８ｂに一体化される外側シール４８ａ及び内側シール４８ｂとを備える。

中間金属セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍に外側供給孔部６６ａと矢印Ａ方向に重なり合って供給孔部（第２孔部）６６ｃが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍には、外側排出孔部６８ａと矢印Ａ方向に重なり合って排出孔部（第２孔部）６８ｃが形成される。

外側供給孔部６６ａと内側供給孔部６６ｂとは、同一の使用本数に設定されるとともに、供給孔部６６ｃは、前記外側供給孔部６６ａ及び前記内側供給孔部６６ｂとは異なる使用本数に設定される。

第１の実施形態では、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂの圧力損失が、供給孔部６６ｃの圧力損失より大きいため、前記外側供給孔部６６ａ及び前記内側供給孔部６６ｂの使用本数に対し、前記供給孔部６６ｃの使用本数が少なく設定される。同様に、外側排出孔部６８ａ及び内側排出孔部６８ｂの使用本数に対し、排出孔部６８ｃの使用本数が少なく設定される。

中間金属セパレータ１８は、第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａに第１酸化剤ガス流路４０ａが設けられる一方、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂに第２燃料ガス流路３６ｂが形成される（図１、図２及び図４参照）。

図２に示すように、アノード側金属セパレータ１４と中間金属セパレータ１８との間には、燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する共通通路８０が形成され、この共通通路８０は、外側供給孔部６６ａを介して入口側連結通路６２に連通するととともに、供給孔部６６ｃを介して前記中間金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路３６ｂに連通する。

平面部７２は、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周端部から外部に離間した位置を周回する。図２及び図４に示すように、外側シール４８ａは、カソード側金属セパレータ２０に設けられている第１平面部７６（後述する）に接触する一方、内側シール４８ｂは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを構成する固体高分子電解質膜２２ｂに直接接触する。

図１及び図２に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側金属セパレータ２０の外周端部を周回して、第３シール部材７４が一体化される。

第３シール部材７４は、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａに一体化される第１平面部７６と、前記カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂに一体化される第２平面部７８とを備える。第２平面部７８は、第１平面部７６よりも長尺に構成される。

図２に示すように、第１平面部７６は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部７８は、カソード側電極２６ｂの外周部分に所定の範囲にわたって積層方向に重合する位置を周回する。

図２に示すように、アノード側金属セパレータ１４と中間金属セパレータ１８との間には、燃料ガス入口連通孔３４ａと外側供給孔部６６ａ及び供給孔部６６ｃとを連通する共通通路８０が形成される。アノード側金属セパレータ１４と中間金属セパレータ１８との間には、同様に、燃料ガス出口連通孔３４ｂと外側排出孔部６８ａ及び排出孔部６８ｃとを連通する共通通路８２が形成される（図１参照）。

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３０ａ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３４ａ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３２ａ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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから中間金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４０ａ及びカソード側金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路４０ｂに導入される（図５参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４０ａ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のカソード側電極２６ａに供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路４０ｂ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のカソード側電極２６ｂに供給される（図１及び図５参照）。

一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側金属セパレータ１４と中間金属セパレータ１８との間に形成された共通通路８０に導入される。燃料ガスの一部は、共通通路８０からアノード側金属セパレータ１４の外側供給孔部６６ａを通って一旦面１４ｂ側に導入されるとともに、前記燃料ガスの他の一部は、供給孔部６６ｃを通って中間金属セパレータ１８の面１８ｂ側に導入される。

面１４ｂ側には、複数の受部５８により入口側連結通路６２が形成されており、燃料ガスの一部は、この入口側連結通路６２を通って内側供給孔部６６ｂから面１４ａ側に移動し、第１燃料ガス流路３６ａに導入される。さらに、燃料ガスは、図３に示すように、第１燃料ガス流路３６ａ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のアノード側電極２４ａに供給される。

また、面１８ｂ側には、図４に示すように、第２燃料ガス流路３６ｂが設けられており、燃料ガスの他の一部は、前記第２燃料ガス流路３６ｂ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のアノード側電極２４ｂに供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６ａ、２６ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４ａ、２４ｂ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、カソード側電極２６ａ、２６ｂに供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

アノード側電極２４ａに供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部６８ｂから出口側連結通路６４を通った後、外側排出孔部６８ａに導入され、共通通路８２から燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２４ｂに供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部６８ｃを通って共通通路８２に導入された後、燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、連通路５４ａを通ってアノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路３８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、連通路５６ａから冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。

この場合、燃料ガス入口連通孔３４ａと第１燃料ガス流路３６ａとの間に、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂが設けられる一方、前記燃料ガス入口連通孔３４ａと第２燃料ガス流路３６ｂとの間に、供給孔部６６ｃが設けられている。

そして、第１の実施形態では、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂの圧力損失が、供給孔部６６ｃの圧力損失より大きいため、前記外側供給孔部６６ａ及び前記内側供給孔部６６ｂの使用本数に対し、前記供給孔部６６ｃの使用本数が少なく設定されている。

このため、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂを通って第１燃料ガス流路３６ａに供給される燃料ガスの圧力損失と、供給孔部６６ｃを通って第２燃料ガス流路３６ｂに供給される燃料ガスの圧力損失との差を吸収することができる。これにより、第１燃料ガス流路３６ａの流量と第２燃料ガス流路３６ｂの流量との均一化を図ることが可能になり、燃料電池１０全体の性能を良好に向上させることができるという効果が得られる。

同様に、内側排出孔部６８ｂ及び外側排出孔部６８ａの使用本数に対し、排出孔部６８ｃの使用本数が少なく設定される。従って、第１燃料ガス流路３６ａの流量と第２燃料ガス流路３６ｂ流量とは、一層確実に均一化されるという利点がある。

しかも、第１の実施形態では、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂの使用本数に対し、供給孔部６６ｃの使用本数を少なく設定するだけでよい。このため、アノード側金属セパレータ１４及び中間金属セパレータ１８の構成が複雑化することがなく、燃料電池１０全体を経済的に製造することが可能になる。

なお、外側供給孔部６６ａ及び内側供給孔部６６ｂ、又は、内側排出孔部６８ｂ及び外側排出孔部６８ａの一方のみ、使用本数を異ならせてもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視説明図である。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。また、以下に説明する第３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。

燃料電池９０を構成する燃料電池ユニット９２は、アノード側金属セパレータ９４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、中間金属セパレータ９５、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側金属セパレータ２０を設ける。

アノード側金属セパレータ９４は、燃料ガス入口連通孔３４ａと第１燃料ガス流路３６ａと間に、複数の外側供給孔部(第３孔部)９６ａ及び複数の内側供給孔部（第１孔部）９６ｂを有する。アノード側金属セパレータ９４は、燃料ガス出口連通孔３４ｂと第１燃料ガス流路３６ａと間に、複数の外側排出孔部(第３孔部)９８ａ及び複数の内側排出孔部（第１孔部）９８ｂを有する。

中間金属セパレータ９５は、燃料ガス入口連通孔３４ａの近傍に外側供給孔部９６ａと矢印Ａ方向に重なり合って供給孔部（第２孔部）９６ｃが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍には、外側排出孔部９８ａと矢印Ａ方向に重なり合って排出孔部（第２孔部）９８ｃが形成される。

第２の実施形態では、例えば、流路深さが異なるために、外側供給孔部９６ａ及び内側供給孔部９６ｂの圧力損失が、供給孔部９６ｃの圧力損失よりも小さくなっている。従って、外側供給孔部９６ａ及び内側供給孔部９６ｂの使用本数に対し、供給孔部９６ｃの使用本数が多く設定される。同様に、外側排出孔部９８ａ及び内側排出孔部９８ｂの使用本数に対し、排出孔部９８ｃの使用本数が多く設定される。

これにより、第２の実施形態では、外側供給孔部９６ａ及び内側供給孔部９６ｂを通って第１燃料ガス流路３６ａに供給される燃料ガスの圧力損失と、供給孔部９６ｃを通って第２燃料ガス流路３６ｂに供給される燃料ガスの圧力損失との差を、確実に吸収することができる。

このため、第１燃料ガス流路３６ａの流量と第２燃料ガス流路３６ｂの流量との均一化を図ることが可能になり、燃料電池１０全体の性能の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。

燃料電池１００を構成する燃料電池ユニット１０２は、アノード側金属セパレータ１０４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、中間金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側金属セパレータ２０とを設ける。

アノード側金属セパレータ１０４は、燃料ガス入口連通孔３４ａと第１燃料ガス流路３６ａとの間に、複数の供給孔部(第１孔部)１０６を有する。供給孔部１０６は、実質的に内側供給孔部６６ｂに対応する位置に設定される。燃料ガス入口連通孔３４ａと供給孔部１０６とは、面１４ｂ側で複数の通路１０８を介して連通する。

アノード側金属セパレータ１０４は、燃料ガス出口連通孔３４ｂと第１燃料ガス流路３６ａとの間に、複数の排出孔部(第１孔部)１１０を有する。排出孔部１１０は、実質的に内側排出孔部６８ｂに対応する位置に設定される。燃料ガス出口連通孔３４ｂと排出孔部１１０とは、面１４ｂ側で複数の通路１１２を介して連通する。

中間金属セパレータ１８は、面１８ａ側で燃料ガス入口連通孔３４ａと供給孔部（第２孔部）６６ｃとを連通する複数の通路１１４（図８参照）と、燃料ガス出口連通孔３４ｂと排出孔部（第２孔部）６８ｃとを連通する複数の通路１１６とを有する。

供給孔部１０６は、供給孔部６６ｃよりも使用本数が多く設定されるとともに、排出孔部１１０は、排出孔部６８ｃよりも使用本数が多く設定される。通路１０８は、通路１１４よりも使用本数が多く設定される一方、通路１１２は、通路１１６よりも使用本数が多く設定される。

この場合、特に第１燃料ガス流路３６ａの裏面に冷却媒体流路３８が形成されるため、前記第１燃料ガス流路３６ａと第２燃料ガス流路３６ｂとで、温度や湿度等の環境状態が異なっている。

そこで、第３の実施形態では、供給孔部１０６が、供給孔部６６ｃよりも使用本数が多く設定されるとともに、排出孔部１１０が、排出孔部６８ｃよりも使用本数が多く設定されている。換言すれば、通路１０８は、通路１１４よりも使用本数が多く設定される一方、通路１１２は、通路１１６よりも使用本数が多く設定されている。

これにより、温度や湿度等の環境状態が異なっている第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂにおいて、水詰まりの発生を阻止し、均一な流量を確実に得ることが可能になるという効果が得られる。

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説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する中間金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。 特許文献１の電気化学燃料電池スタックの断面説明図である。

符号の説明

１０、９０、１００…燃料電池 １２、９２、１０２…燃料電池ユニット
１４、９４、１０４…アノード側金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
１８、９５…中間金属セパレータ ２０…カソード側金属セパレータ
２２ａ、２２ｂ…固体高分子電解質膜 ２４ａ、２４ｂ…アノード側電極
２６ａ、２６ｂ…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料剤ガス出口連通孔 ３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路 ４０ａ、４０ｂ…酸化剤ガス流路
６６ａ、９６ａ…外側供給孔部 ６６ｂ、９６ｂ…内側供給孔部
６６ｃ、９６ｃ、１０６…供給孔部 ６８ａ、９８ａ…外側排出孔部
６８ｂ、９８ｂ…内側排出孔部 ６８ｃ、９８ｃ、１１０…排出孔部
８０、８２…共通通路 １０８、１１２、１１４、１１６…通路

Claims (4)

1. 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、２以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられる燃料電池であって、
   第１のセパレータには、前記一方の反応ガスを第１の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第１の反応ガス流路と、
   前記第１のセパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第１の反応ガス流路とを連通する複数の第１孔部と、
   が設けられ、
   前記第１のセパレータに前記第１の電解質・電極構造体を介装して隣接する第２のセパレータには、前記一方の反応ガスを第２の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第２の反応ガス流路と、
   前記第２のセパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第２の反応ガス流路とを連通する複数の第２孔部と、
   が設けられ、
   前記第１孔部と前記第２孔部とは、互いに異なる使用本数に設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔と前記第１孔部とを連通する複数の第１通路と、
   前記反応ガス連通孔と前記第２孔部とを連通する複数の第２通路と、
   を設けるとともに、
   前記第１通路と前記第２通路とは、互いに異なる使用本数に設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第１のセパレータには、前記第１のセパレータを貫通して前記第１孔部と前記反応ガス連通孔とを連通する複数の第３孔部が設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記第１のセパレータには、前記一方の電極面側とは反対の面側で前記第１孔部と前記第３孔部とを連通する連結通路が設けられることを特徴とする燃料電池。

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