JP6006956B2 - 燃料電池 - Google Patents
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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・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、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は、開口幅寸法が反応ガス流路の流路幅寸法に比べて相当に小さな寸法に設定されている。従って、反応ガス流路における反応ガスの流れを均等且つ円滑に行うために、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、前記反応ガスを良好に配流させるバッファ部が必要になっている。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１７に示すように、カソード側金属セパレータ１の一方の面１ａには、酸化剤ガス入口連通孔２ａと酸化剤ガス出口連通孔２ｂとに連通する酸化剤ガス流路３が形成されている。カソード側金属セパレータ１の他方の面１ｂには、酸化剤ガス流路３の裏面形状である冷却媒体流路４が形成されている。
カソード側金属セパレータ１には、中間高さ部５ａ、５ｂから酸化剤ガス流路３側に突出して連続ガイド流路６ａ、６ｂを構成する線状ガイド突起部７ａ、７ｂと、前記中間高さ部５ａ、５ｂから冷却媒体流路４側に突出してエンボス流路を構成するエンボス部８ａ、８ｂとが設けられている。
これにより、波板形状のカソード側金属セパレータ１を用いて、酸化剤ガス流路３側の生成水の排出性を向上させるとともに、冷却媒体流路４側の冷却媒体の配流性を確保することを可能にする、としている。
ところが、上記のカソード側金属セパレータ１では、面１ａに線状ガイド突起部７ａ、７ｂが形成されると、反対側の面１ｂには、前記線状ガイド突起部７ａ、７ｂの裏面形状である線状溝部が形成されてしまう。このため、金属セパレータの一方の面側を流通する流体の流れを円滑にしようとすると、他方の面側を流通する流体を円滑に流通させ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、簡単且つ経済的な構成で、各反応ガスを各反応ガス流路に沿って円滑且つ均一に流通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、電解質膜の両側に設けられる一対の電極のうち、一方の電極の表面積が他方の電極及び前記電解質膜の表面積よりも小さい段差型の電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、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、前記電解質膜の外周端部に、前記一方の電極の終端部外方に位置する樹脂枠部材が一体成形されている燃料電池に関するものである。
この燃料電池では、樹脂枠部材の一方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して一方の反応ガス流路及び反応ガス連通孔に連結される第１のバッファ部が形成されるとともに、前記樹脂枠部材の他方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して他方の反応ガス流路及び反応ガス連通孔に連結され、前記第１のバッファ部とは個別に構成される第２のバッファ部が形成されている。
また、この燃料電池では、セパレータの角部には、反応ガス連通孔である酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が設けられるとともに、第１のバッファ部である酸化剤ガス側バッファ部は、反応ガス流路である酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側入口ガイド流路と、前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側出口ガイド流路とを有している。
一方、第２のバッファ部である燃料ガス側バッファ部は、反応ガス流路である燃料ガス流路から燃料ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側入口ガイド流路と、前記燃料ガス流路から燃料ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側出口ガイド流路とを有することが好ましい。
さらに、この燃料電池では、カソード側入口ガイド流路と酸化剤ガス入口連通孔との間、カソード側出口ガイド流路と酸化剤ガス出口連通孔との間、アノード側入口ガイド流路と燃料ガス入口連通孔との間、及び前記アノード側出口ガイド流路と前記燃料ガス出口連通孔との間には、それぞれエンボス部が設けられている。
さらにまた、この燃料電池では、樹脂枠部材は、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ことが好ましい。
さらに、この燃料電池では、第１のバッファ部が対向するセパレータの面は、平面状に形成される一方、第２のバッファ部が対向するセパレータの面は、平面状に形成されることが好ましい。
さらにまた、この燃料電池では、互いに隣接する一対のセパレータ間には、冷却媒体を電極面方向に流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、一方の前記セパレータのみに、発電領域外に位置して前記冷却媒体流路を冷却媒体連通孔に連通させるバッファ部が設けられることが好ましい。
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ている。そして、樹脂枠部材の一方の面には、一方の反応ガス流路に連結される第１のバッファ部が形成されるとともに、他方の面には、他方の反応ガス流路に連結され、前記第１のバッファ部とは個別に構成される第２のバッファ部が形成されている。
従って、樹脂枠部材の両面には、それぞれ所望の形状を有する第１のバッファ部と第２のバッファ部とを個別に形成することが可能になる。このため、第１の反応ガス流路及び第２の反応ガス流路には、それぞれ反応ガスを円滑に流通することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、各反応ガスを各反応ガス流路に沿って円滑且つ均一に流通させることが可能になる。
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（直線状流路溝部でもよい）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（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の上流側及び下流側には、後述する入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂが対向する平面部３５ａ、３５ｂが設けられる。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（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。
第２酸化剤ガス流路３８の上流側及び下流側には、後述する入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂが対向する平面部３９ａ、３９ｂが設けられる。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（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。
第２燃料ガス流路４２の上流側及び下流側には、後述する入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂが対向する平面部４３ａ、４３ｂが設けられる。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（平面寸法）よりも小さな表面積（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、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記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第１のバッファ部である入口バッファ部（酸化剤ガス側バッファ部）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（酸化剤ガス側バッファ部）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、カソード側入口ガイド流路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、カソード側出口ガイド流路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に近接してエンボス部６７ａ、６７ｂ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の形状は、上記の構成に限定されるものではない。酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第１酸化剤ガス流路２６との間にあって、前記第１酸化剤ガス流路２６に酸化剤ガスを均一に流通できる形状であればどのような形状でもよい。
また、ライン状凸部６４ａ、６４ｂとエンボス部６７ａ、６７ｂの形状も種々変更可能であるとともに、例えば、前記ライン状凸部６４ａ間に前記エンボス部６７ａが配置されてもよい。なお、以下に説明する入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂでも、同様である。
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との間に位置して第２のバッファ部である入口バッファ部（燃料ガス側バッファ部）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（燃料ガス側バッファ部）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、アノード側入口ガイド流路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、アノード側出口ガイド流路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、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接してそれぞれエンボス部７３ａ、７３ｂが形成される。
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との間に位置して第１のバッファ部である入口バッファ部（酸化剤ガス側バッファ部）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（酸化剤ガス側バッファ部）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、カソード側入口ガイド流路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、カソード側出口ガイド流路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に近接してエンボス部７９ａ、７９ｂが形成される。
なお、入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂの形状は、上記の構成に限定されるものではない。酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第２酸化剤ガス流路３８との間にあって、前記第２酸化剤ガス流路３８に酸化剤ガスを均一に流通できる形状であればどのような形状でもよい。
また、ライン状凸部７６ａ、７６ｂとエンボス部７９ａ、７９ｂの形状も種々変更可能であるとともに、例えば、前記ライン状凸部７６ａ間に前記エンボス部７９ａが配置されてもよい。なお、以下に説明する入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂでも、同様である。
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との間に位置して第２のバッファ部である入口バッファ部（燃料ガス側バッファ部）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（燃料ガス側バッファ部）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、アノード側入口ガイド流路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、アノード側出口ガイド流路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、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接してそれぞれエンボス部８５ａ、８５ｂ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。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、前記第１流路部９０ａの他端側に連通する供給孔部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、前記第１流路部９４ａの他端側に連通する供給孔部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、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、第１電解質膜・電極構造体１６ａの外周部には、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の一方の面には、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が設けられている。
さらに、第１樹脂枠部材５８の他方の面には、図１２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が設けられている。
従って、第１樹脂枠部材５８の両面には、それぞれ所望の形状を有する入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂと入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂとを個別に形成することが可能になる。このため、第１酸化剤ガス流路２６及び第１燃料ガス流路３４には、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスを円滑に流通させることができる。
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガスを第１酸化剤ガス流路２６に沿って円滑且つ均一に流通させるとともに、燃料ガスを第１燃料ガス流路３４に沿って円滑且つ均一に流通させることが可能になるという効果が得られる。
第２電解質膜・電極構造体１６ｂにおいても、上記の第１電解質膜・電極構造体１６ａと同様の効果が得られる。
図１５及び図１６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。
このように構成される第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。
１０、１２０…燃料電池 １２、１２２…発電ユニット
１４、１８、２０、１２４…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…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 ３０ａ、４０ａ…入口連結溝
３０ｂ、４０ｂ…出口連結溝 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路
３５ａ、３５ｂ、３９ａ、３９ｂ、４３ａ、４３ｂ…平面部
３６ａ、４４ａ…供給孔部 ３６ｂ、４４ｂ…排出孔部
４６、４８、５０…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
５８、６０…樹脂枠部材
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ…突出部
６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ…入口バッファ部
６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ…出口バッファ部
６４ａ、６４ｂ、７０ａ、７０ｂ、７６ａ、７６ｂ、８２ａ、８２ｂ…凸部
６６ａ、７２ａ、７８ａ、８４ａ…入口ガイド流路
６６ｂ、７２ｂ、７８ｂ、８４ｂ…出口ガイド流路
６７ａ、６７ｂ、７３ａ、７３ｂ、７９ａ、７９ｂ、８５ａ、８５ｂ…エンボス部
８６ａ、８８ａ、９８ａ、１００ａ…入口連結流路
８６ｂ、８８ｂ、９８ｂ、１００ｂ…出口連結流路
９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ、１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ…流路部
１４、１８、２０、１２４…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…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 ３０ａ、４０ａ…入口連結溝
３０ｂ、４０ｂ…出口連結溝 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路
３５ａ、３５ｂ、３９ａ、３９ｂ、４３ａ、４３ｂ…平面部
３６ａ、４４ａ…供給孔部 ３６ｂ、４４ｂ…排出孔部
４６、４８、５０…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
５８、６０…樹脂枠部材
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ…突出部
６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ…入口バッファ部
６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ…出口バッファ部
６４ａ、６４ｂ、７０ａ、７０ｂ、７６ａ、７６ｂ、８２ａ、８２ｂ…凸部
６６ａ、７２ａ、７８ａ、８４ａ…入口ガイド流路
６６ｂ、７２ｂ、７８ｂ、８４ｂ…出口ガイド流路
６７ａ、６７ｂ、７３ａ、７３ｂ、７９ａ、７９ｂ、８５ａ、８５ｂ…エンボス部
８６ａ、８８ａ、９８ａ、１００ａ…入口連結流路
８６ｂ、８８ｂ、９８ｂ、１００ｂ…出口連結流路
９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ、１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ…流路部
Claims (7)
- 電解質膜の両側に設けられる一対の電極のうち、一方の電極の表面積が他方の電極及び前記電解質膜の表面積よりも小さい段差型の電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、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、前記電解質膜の外周端部に、前記一方の電極の終端部外方に位置する樹脂枠部材が一体成形されている燃料電池であって、
前記樹脂枠部材の一方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して一方の前記反応ガス流路及び前記反応ガス連通孔に連結される第１のバッファ部が形成されるとともに、
前記樹脂枠部材の他方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して他方の前記反応ガス流路及び前記反応ガス連通孔に連結され、前記第１のバッファ部とは個別に構成される第２のバッファ部が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータの角部には、前記反応ガス連通孔である酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が設けられるとともに、
前記第１のバッファ部である酸化剤ガス側バッファ部は、前記反応ガス流路である酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側入口ガイド流路と、
前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側出口ガイド流路と、
を有する一方、
前記第２のバッファ部である燃料ガス側バッファ部は、前記反応ガス流路である燃料ガス流路から前記燃料ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側入口ガイド流路と、
前記燃料ガス流路から前記燃料ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側出口ガイド流路と、
を有することを特徴とする燃料電池。 - 請求項２記載の燃料電池において、前記カソード側入口ガイド流路と前記酸化剤ガス入口連通孔との間、前記カソード側出口ガイド流路と前記酸化剤ガス出口連通孔との間、前記アノード側入口ガイド流路と前記燃料ガス入口連通孔との間、及び前記アノード側出口ガイド流路と前記燃料ガス出口連通孔との間には、それぞれエンボス部が設けられることを特徴とする燃料電池。
- 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、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であって、
前記樹脂枠部材の一方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して一方の前記反応ガス流路に連結される第１のバッファ部が形成されるとともに、
前記樹脂枠部材の他方の面には、発電領域外であって前記電解質膜の外周端部外方に位置して他方の前記反応ガス流路に連結され、前記第１のバッファ部とは個別に構成される第２のバッファ部が形成され、
前記セパレータの角部には、前記反応ガス連通孔である酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が設けられるとともに、
前記第１のバッファ部である酸化剤ガス側バッファ部は、前記反応ガス流路である酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側入口ガイド流路と、
前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のカソード側出口ガイド流路と、
を有する一方、
前記第２のバッファ部である燃料ガス側バッファ部は、前記反応ガス流路である燃料ガス流路から前記燃料ガス入口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側入口ガイド流路と、
前記燃料ガス流路から前記燃料ガス出口連通孔に向かって延在する複数本のアノード側出口ガイド流路と、
を有し、
前記カソード側入口ガイド流路と前記酸化剤ガス入口連通孔との間、前記カソード側出口ガイド流路と前記酸化剤ガス出口連通孔との間、前記アノード側入口ガイド流路と前記燃料ガス入口連通孔との間、及び前記アノード側出口ガイド流路と前記燃料ガス出口連通孔との間には、それぞれエンボス部が設けられることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記樹脂枠部材は、前記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ことを特徴とする燃料電池。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１のバッファ部が対向する前記セパレータの面は、平面状に形成される一方、
前記第２のバッファ部が対向する前記セパレータの面は、平面状に形成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、互いに隣接する一対の前記セパレータ間には、冷却媒体を前記電極面方向に流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
一方の前記セパレータのみに、発電領域外に位置して前記冷却媒体流路を冷却媒体連通孔に連通させるバッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
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