JP4344584B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層す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（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンとからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種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（反応ガス）、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イオン化され、電解質膜を介してカ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、直流の電気エ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（反応ガス）、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、このカソード側電極において、水素イオン、電子及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、カソード側電極に対向して酸化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。また、セパレータ間には、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。燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口連通孔から流路出口連通孔に向かって設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し流路溝で構成されている。

ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口連通孔や流路出口連通孔が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体等の流体を円滑に流すために、前記流路入口連通孔や前記流路出口連通孔の周囲にバッファ部が必要となる。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のガス通路板が知られている。この特許文献１では、図１１に示すように、例えば、酸化剤ガス側のガス通路板１が、カーボンや金属により構成される溝部材２を備えている。ガス通路板１の上部側には、酸化剤ガスの入口マニホールド３が設けられる一方、前記ガス通路板１の下部側には、酸化剤ガスの出口マニホールド４が形成されている。

溝部材２には、入口マニホールド３に連通する入口側通流溝５ａと、出口マニホールド４に連通する出口側通流溝５ｂと、前記入口側通流溝５ａと前記出口側通流溝５ｂとを連通する中間通流溝６とが設けられている。入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂは、複数の突起７ａを介して格子状に形成される一方、中間通流溝６は、複数回折り返した曲折形状に形成され、複数本の直線状溝部８と、折り返し部位に複数の突起７ｂにより形成された格子状溝部９とを備えている。

このように構成される燃料電池のガス通路板１では、入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂがバッファ部を構成しており、供給ガスの電極への接触面積が広くなるとともに、この供給ガスが自由に移動することができる一方、中間通流溝６では、複数本の直線状溝部８を介して反応ガスを高速でむらなく通流させることができる、としている。

特開平１０−１０６５９４号公報（図１）

この場合、上記のガス通路板１には、実際上、入口マニホールド３から出口マニホールド４に至る複数本の蛇行する流路（サーペンタイン流路）１ａが形成されている。その際、複数本の直線状溝部８では、各流路１ａの長さが略同一であって、それぞれの流路抵抗が一定となり易い。

ところが、複数の突起７ａを介して格子状に形成される入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂでは、入口マニホールド３及び出口マニホールド４から各直線状溝部８に至るそれぞれの流路１ａの長さが異なっている。これにより、入口側通流溝５ａ及び出口側通流溝５ｂにおける流路抵抗が変動し、電極面全面にわたって反応ガスを均一に供給することができず、反応ガスの分配性が低下するという問題が指摘されている。

一方、複数の突起７ｂにより形成される格子状溝部９においても同様に、各直線状溝部８から前記格子状溝部９に導出して折り返した後、各直線状溝部８に導入する反応ガスは、それぞれの流路１ａの長さが異なるため、均一な分配性を維持することができない。このため、電極面全面にわたって反応ガスを均一に供給することが困難になり、所望の発電性能を確保することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、蛇行する反応ガス流路内の流路抵抗を均一化することができ、反応ガスを電極面全面にわたって良好に分配して、良好な発電性能を確保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。

本発明の燃料電池では、電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路は、セパレータ面内に偶数回の折り返し部位を有する複数本の略同一長さのサーペンタイン流路溝を備えている。また、反応ガス流路は、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔に、サーペンタイン流路溝を連通する略三角形状の入口バッファ部と、積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔に、前記サーペンタイン流路溝を連通する略三角形状の出口バッファ部とを備えるとともに、前記入口バッファ部と前記出口バッファ部とは、互いに略対称形状に構成されている。さらに、前記入口バッファ部の１辺は、前記サーペンタイン流路溝の一方の終端部と略直交し、前記出口バッファ部の１辺は、前記サーペンタイン流路溝の他方の終端部と略直交している。また、前記反応ガス入口連通孔は、前記サーペンタイン流路溝の一方の全終端部の延長方向に配置され、前記反応ガス出口連通孔は、前記サーペンタイン流路溝の他方の全終端部の延長方向に配置されている。

また、少なくとも入口バッファ部又は出口バッファ部の一方に、複数のエンボスが設けられることが好ましい。

さらに、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、少なくとも１辺に斜辺を設けるとともに、前記反応ガス入口連通孔の前記斜辺は、入口バッファ部の傾斜部に対向する一方、前記反応ガス出口連通孔の前記斜辺は、出口バッファ部の傾斜部に対向することが好ましい。

本発明に係る燃料電池では、反応ガス流路を構成する各サーペンタイン流路溝は、それぞれの流路長さが略同一長さであるために流路抵抗が均一化されて、前記各サーペンタイン流路溝に反応ガスを均一に供給することができる。さらに、反応ガス流路を構成する略三角形状の入口バッファ部と略三角形状の出口バッファ部とを備えるとともに、前記入口バッファ部と前記出口バッファ部とは、互いに略対称形状に構成されている。

従って、反応ガス入口連通孔から反応ガス出口連通孔に至る反応ガス流路全体の流路抵抗が均一化され、前記反応ガス流路における反応ガスの分配性が一層良好に向上する。これにより、燃料電池の発電性能を有効に維持することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２とセパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１及び第２金属プレート１４、１６を備える。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ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、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、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（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０は、カーボンペ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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。

図１及び図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４及び出口バッファ部３６は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス３４ａ、３６ａを設ける。

入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂ及び３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。具体的には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃとしては、偶数回、例えば、２回の折り返し部位Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半のサーペンタイン流路溝を構成することにより、それぞれの流路長さが略同一長さに設定される。

図３に示すように、入口バッファ部３４の鉛直部（１辺）３４ｂは、矢印Ｃ方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの終端部と略直交する一方、この入口バッファ部３４の傾斜部３４ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに向かって配置される。この酸化剤ガス入口連通孔２０ａには、四角形、平行四辺形あるいは台形等、種々の形状が選択されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔２０ａを形成する内壁面には、入口バッファ部３４に対向し且つ傾斜部３４ｃに平行な斜辺３７ａが設けられる。

なお、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの形状は、上記のように種々選択されるものであり、この酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側に膨出する張り出し部３９ａ、３９ｂを設けてもよい。以下、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂにおいても、上記の酸化剤ガス入口連通孔２０ａと同様に構成される。

出口バッファ部３６の鉛直部（１辺）３６ｂは、矢印Ｃ方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの終端部と略直交するとともに、前記酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、鉛直部３４ｂ、３６ｂ間で略同一長さに規制される。出口バッファ部３６の傾斜部３６ｃは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに対向して配置される。この酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを形成する内壁面には、傾斜部３６ｃに平行な斜辺３７ｂが設けられる。

第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。

第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向の両端近傍に設けられる、例えば、略三角形状の第１及び第２の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向の両端近傍に設けられる、例えば、略三角形状の第１及び第２の出口バッファ部４８、５０とを備える。

第１の入口バッファ部４４と第２の出口バッファ部５０とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、第２の入口バッファ部４６と第１の出口バッファ部４８とは、互いに略対称形状に構成される。第１の入口バッファ部４４、第２の入口バッファ部４６、第１の出口バッファ部４８及び第２の出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａ及び５０ａにより構成されている。

冷却媒体入口連通孔２２ａと第１及び第２の入口バッファ部４４、４６とは、第１及び第２の入口連絡流路５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂと第１及び第２の出口バッファ部４８、５０とは、第１及び第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。第１の入口連絡流路５２は、例えば、２本の流路溝を備えるとともに、第２の入口連絡流路５４は、例えば、６本の流路溝を備える。同様に、第１の出口連絡流路５６は、６本の流路溝を設ける一方、第２の出口連絡流路５８は、２本の流路溝を設ける。

第１の入口連絡流路５２の流路本数と第２の入口連絡流路５４の流路本数とは、２本と６本とに限定されるものではなく、また、それぞれの流路本数が同一に設定されていてもよい。第１及び第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。

第１の入口バッファ部４４と第１の出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４及び６６を介して連通するとともに、第２の入口バッファ部４６と第２の出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２及び７４を介して連通する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。

直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６及び７６と直線状流路溝６８、７０及び７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８及び９０を介して連通する。

冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１及び第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。

なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状の部分の図示は省略する。また、図６に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された後述する燃料ガス流路（反応ガス流路）９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分の図示は省略する。

面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の第１の入口連絡流路５２を介して連通する第１の入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の第２の出口連絡流路５８を介して連通する第２の出口バッファ部５０とが設けられる。

第１の入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ２及び出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａ及び６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的且つ所定の長さに設けられる。第２の出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ１及び入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａ及び７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。

溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。

図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する第２の入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する第１の出口バッファ部４８とが設けられる。

第２の入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さに且つ断続的に連通する一方、第１の出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

冷却媒体流路４２において、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部は、それぞれの溝部６０ａ〜７８ａ及び６０ｂ〜７８ｂが互いに対向することにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図４参照）。直線状流路溝８０〜９０は、一部を重合させてそれぞれ第１及び第２金属プレート１４、１６に振り分けられている。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞する線状シール４０ａが介装されている。

図７に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状（略三角形状）の出口バッファ部１００とを備える。

入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス９８ａ、１００ａを設けており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、偶数回、例えば、２回の折り返し部位Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成されることにより、それぞれの流路長さが略同一長さに設定される。

入口バッファ部９８の鉛直部（１辺）９８ｂは、矢印Ｃ方向に配置され、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの終端部と略直交するとともに、傾斜部９８ｃは、燃料ガス入口連通孔２４ａに向かって配置される。この燃料ガス入口連通孔２４ａを構成する内壁面には、傾斜部９８ｃに対向し且つ該傾斜部９８ｃに平行な斜辺１０４ａが形成される。出口バッファ部１００の鉛直部（１辺）１００ｂは、矢印Ｃ方向に配置され、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの終端部と略直交するとともに、傾斜部１００ｃは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに対向して配置される。この燃料ガス出口連通孔２４ｂを構成する内壁面には、傾斜部１００ｃに平行な斜辺１０４ｂが形成される。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞する線状シール４０ｂが設けられる。

このように構成される本実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、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とともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａ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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図７に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。

次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する第１及び第２の入口連絡流路５２、５４を介して第１及び第２の入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。

第１及び第２の入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６及び６８〜７４に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０及び７６、７８に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって供給された後、第１及び第２の出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに第１及び第２の出口連絡流路５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図７に示すように、燃料ガス流路９６は、面１６ｂ内に２回の折り返し部位Ｔ３、Ｔ４を有する３本の燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを備え、前記燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの流路長さが略同一長さに設定されている。このため、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃにおける燃料ガスの流路抵抗が均一化され、前記燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに沿って燃料ガスを均一に供給することができる。

さらに、燃料ガス流路９６は、それぞれ略三角形状の入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを備えるとともに、前記入口バッファ部９８と前記出口バッファ部１００とは、互いに略対称形状に構成されている。従って、図８に示すように、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの両側では、それぞれ入口バッファ部９８の流路抵抗と出口バッファ部１００の流路抵抗との和が略同一の値となっている。

これにより、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス出口連通孔２４ｂに至る燃料ガス流路９６全体の流路抵抗が均一化され、前記燃料ガス流路９６における燃料ガスの分配性が一層良好に向上する。このため、アノード側電極２８の電極面全面にわたって燃料ガスを均一且つ確実に供給することができるという効果が得られる。

しかも、入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００には、複数のエンボス９８ａ、１００ａが設けられている。従って、燃料ガスを均一に分配することができるとともに、強度の向上を図って隣接する電解質膜・電極構造体１２を確実に支持することが可能になる。

また、入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００は、略三角形状に構成されるため、従来の長方形状のバッファ部に比べて面積を削減することができる。これにより、入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００の専有面積が有効に狭小化され、セパレータ１３自体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。

さらにまた、入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００の傾斜部９８ｃ、１００ｃは、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂの斜辺１０４ａ、１０４ｂに対向し且つ該傾斜部９８ｃ、１００ｃに平行している。従って、コンパクトな構成で、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂの断面積を良好に確保することが可能になる。

さらに、入口バッファ部９８及び出口バッファ部１００の鉛直部９８ｂ、１００ｂは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃの終端部と略直交している。このため、入口バッファ部９８から燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに燃料ガスを円滑に流すことができるとともに、前記燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃから出口バッファ部１００に前記燃料ガスを円滑に流すことが可能になる。

一方、図３に示すように、酸化剤ガス流路３２では、上記の燃料ガス流路９６と同様に、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃが、略同一長さを有するサーペンタイン流路溝を構成している。さらに、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの両端に設けられる入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、略三角形状で且つ互いに略対称形状に構成されている。

従って、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに至る酸化剤ガス流路３２全体の流路抵抗が確実に均一化され、前記酸化剤ガス流路３２における酸化剤ガスの分配性が有効に向上する。このため、カソード側電極３０の電極面全面にわたって酸化剤ガスを均一且つ確実に供給することが可能になる。これにより、燃料電池１０の発電性能を有効に維持することができるという利点が得られる。

なお、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃ及び燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、２回の折り返し部位を有する一往復半のサーペンタイン流路溝を構成しているが、これに限定されるものではなく、４回又は６回等、偶数回の折り返し部位を有していればよい。

また、本実施形態では、略三角形状のバッファ部として、例えば、入口バッファ部３４を用いて説明したが、これに限定されるものではない。図９に示す入口バッファ部１２０は、底辺部１２０ａ及び上辺部１２０ｂを有する略三角形状（略台形状を含む）に構成される。一方、図１０に示す入口バッファ部１３０は、傾斜底辺部１３０ａを有する略三角形状に構成される。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。 セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。 前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。 第２金属プレートの正面説明図である。 前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。 燃料ガス流路の位置と流路抵抗との関係図である 他の形状を有する入口バッファ部の説明図である。 さらに別の形状を有する入口バッファ部の説明図である。 特許文献１の燃料電池のガス通路板の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１３…セパレータ １４、１６…金属プレート
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３２…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８、１２０、１３０…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００…出口バッファ部
３８ａ〜３８ｃ…酸化剤ガス流路溝 ４２…冷却媒体流路
９６…燃料ガス流路 １０２ａ〜１０２ｃ…燃料ガス流路溝

Claims (3)

1. 電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路を備え、
   前記反応ガス流路は、セパレータ面内に偶数回の折り返し部位を有する複数本の略同一長さのサーペンタイン流路溝と、
   前記サーペンタイン流路溝を前記反応ガス入口連通孔に連通する略三角形状の入口バッファ部と、
   前記サーペンタイン流路溝を前記反応ガス出口連通孔に連通する略三角形状の出口バッファ部と、
   を備え、
   前記入口バッファ部と前記出口バッファ部とは、互いに略対称形状に構成され、
   前記入口バッファ部の１辺は、前記サーペンタイン流路溝の一方の終端部と略直交し、
   前記出口バッファ部の１辺は、前記サーペンタイン流路溝の他方の終端部と略直交し、
   前記反応ガス入口連通孔は、前記サーペンタイン流路溝の一方の全終端部の延長方向に配置され、
   前記反応ガス出口連通孔は、前記サーペンタイン流路溝の他方の全終端部の延長方向に配置されてい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、少なくとも前記入口バッファ部又は前記出口バッファ部の一方には、複数のエンボスが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記載の燃料電池において、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔は、少なくとも１辺に斜辺を設けるとともに、
   前記反応ガス入口連通孔の前記斜辺は、前記入口バッファ部の傾斜部に対向する一方、前記反応ガス出口連通孔の前記斜辺は、前記出口バッファ部の傾斜部に対向することを特徴とする燃料電池。

Images