JP5694117B2 - 燃料電池 - Google Patents

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が形成さ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発電セル（単位セル）を備えている。この種の燃料電池では、車載用として使用される際に、通常、数十〜数百の単位セルが積層されて燃料電池スタックを構成している。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、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。この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及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口側及び出口側には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

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、開口面積が比較的小さい。従って、反応ガスの流れを円滑に行うため、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、前記反応ガスを分散させるバッファ部が必要になっている。例えば、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池では、図１６に示すように、セパレータ１を備えている。

セパレータ１の４隅には、互いに対角線上に位置して一方の反応ガスを流すための給排気孔２ａ、２ａと、他方の反応ガスを流すための給排気孔２ｂ、２ｂとが形成されている。セパレータ１の面１ａには、溝と突起とが交互に設けられることにより、反応ガス流路３ａが形成されるとともに、前記セパレータ１の面１ｂには、同様に反応ガス流路３ｂが形成されている。

面１ａでは、給排気孔２ａ、２ａと反応ガス流路３ａとが、ガス分配路（バッファ部）４ａ、４ａにより連通するとともに、前記ガス分配路４ａには、複数の集電体５が設けられている。セパレータ１の面１ｂには、給排気孔２ｂ、２ｂと反応ガス流路３ｂとを連通するガス分配路４ｂ、４ｂが形成されるとともに、前記ガス分配路４ｂには、複数の集電体５が設けられている。

特開平６−１４００５６号公報

ところで、上記の特許文献１では、反応ガス流路３ａの幅寸法（矢印Ｘ方向）に比べて給排気孔２ａ、２ａの開口径が相当に小さい。このため、ガス分配路４ａ、４ａを介して、反応ガス流路３ａの幅方向（矢印Ｘ方向）に沿って反応ガスを均一に供給することができないという問題がある。

これにより、反応ガス流路３ａの発電領域に反応ガス流量が少なくなる部位が発生し易い。従って、低負荷時には、不安定な発電が惹起される一方、高負荷時には、反応ガス不足による過大な濃度過電圧が発生し、所望の発電性能を得ることができないというおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス連通孔からバッファ部を介して反応ガス流路全体に反応ガスを均一且つ確実に供給することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を保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が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、反応ガスを積層方向に流す反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とは、反応ガス流路の幅方向一端と幅方向他端とに互いに対角位置に配置され、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路の入口側及び前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路の出口側を、それぞれ連通する入口バッファ部及び出口バッファ部を設けている。入口バッファ部は、反応ガス入口連通孔に近接する第１入口バッファ領域及び反応ガス流路に近接する第２入口バッファ領域を有し、出口バッファ部は、反応ガス出口連通孔に近接する第１出口バッファ領域及び前記反応ガス流路に近接する第２出口バッファ領域を有している。

そして、第１入口バッファ領域は、第２入口バッファ領域よりも積層方向に深く構成され、且つ、第１出口バッファ領域は、第２出口バッファ領域よりも前記積層方向に深く構成されるとともに、前記第１出口バッファ領域は、前記第１入口バッファ領域よりも大きな表面積に設定され、且つ、反応ガス流路の幅方向他端から幅方向中央に至る範囲に設けられている。

さらに、この燃料電池では、入口バッファ部は、反応ガス流路の流路幅方向に延在するとともに、反応ガス入口連通孔から流路幅方向に離間するのに従って深さが小さく設定される一方、出口バッファ部は、反応ガス出口連通孔から前記流路幅方向に離間するに従って深さが小さく設定されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、第１出口バッファ領域は、第１入口バッファ領域よりも溝が深く設定されることが好ましい。

また、この燃料電池では、セパレータの一方の面には、一方の電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面には、他方の電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が形成されるとともに、前記第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、前記第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、前記一方の反応ガスは、酸化剤ガスであるとともに、前記他方の反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、燃料ガス流路と燃料ガスを積層方向に流す燃料ガス入口連通孔とを連通する燃料ガス入口バッファ部を備え、前記燃料ガス入口バッファ部の外側には、第１反応ガス流路側の第１入口バッファ領域の裏面形状を避ける位置に前記燃料ガス入口バッファ部よりも溝が深く、又は同一深さになる燃料ガスバイパス流路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス入口連通孔に近接する第１入口バッファ領域は、反応ガス流路に近接する第２入口バッファ領域よりも積層方向に溝が深く構成されている。一方、反応ガス出口連通孔に近接する第１出口バッファ領域は、反応ガス流路に近接する第２出口バッファ領域よりも積層方向に溝が深く構成されている。

このため、反応ガス入口連通孔から第１入口バッファ領域に供給される反応ガスは、前記第１入口バッファ領域から第２入口バッファ領域にわたって均一に分配された後、反応ガス流路に供給される。さらに、反応ガスは、反応ガス流路から第２出口バッファ領域を通って第１出口バッファ領域に均一に分配された後、反応ガス出口連通孔に排出される。

反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の開口幅寸法は、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔にそれぞれ近接する溝が深い第１入口バッファ領域及び第１出口バッファ領域により、実質的に広くなる。従って、反応ガス入口連通孔から入口バッファ部を介して反応ガス流路全体に対し、反応ガスを均一且つ確実に供給することが可能になる。

また、第１入口バッファ領域と第１出口バッファ領域とは、互いに異なる表面積に設定されている。これにより、例えば、第１入口バッファ領域が、第１出口バッファ領域よりも小さな表面積に設定されると、反応ガス流路の幅方向に沿って反応ガスを均一に供給することができる。このため、反応ガス流路全体に対し、反応ガスを均一且つ確実に供給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セルの分解概略斜視図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第３セパレータの正面説明図である。 比較例１と第１の実施形態とにおける燃料ガス流路の幅方向に対する流量の説明図である。 第１の実施形態と従来例と比較例２との流量分布を比較した図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２セパレータの、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 前記第２セパレータの、図８中、Ｘ−Ｘ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２セパレータの要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの第２燃料ガス流路側の面の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解概略斜視図である。 前記発電セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の説明図である。

図１及び図２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、複数のセルユニット（発電セル）１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成され、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。

セルユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３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板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。

アノード側電極２４は、固体高分子電解質膜２２及びカソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、アノード側電極２４とカソード側電極２６とは、同一の表面積を有していてもよい。固体高分子電解質膜２２、アノード側電極２４及びカソード側電極２６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２４及びカソード側電極２６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２２の両面に形成される。

セルユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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（空気等）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス等）を供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

セルユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、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３２ｂ、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３０ｂが設けられる。

セルユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記セルユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１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、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。なお、第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に直線状に延在する複数の直線状流路溝により構成してもよい。また、以下に説明する第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８、第２酸化剤ガス流路６６、燃料ガス流路１３８及び酸化剤ガス流路１４０でも、同様である。

入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０は、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１燃料ガス流路３６の幅方向に燃料ガスを均一に分配する機能及び前記第１燃料ガス流路３６の幅方向に流通する前記燃料ガスを燃料ガス出口連通孔３２ｂに均一に集合させる機能を有する。エンボス形状は、円形や四角形の他、棒状等種々の形状に設定することができ、第１セパレータ１４の表裏に設けられる。なお、以下に説明する第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０に設けられる各バッファ部においても、同様である。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６の裏面形状である。

第２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、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

入口バッファ部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接する略三角形の第１入口バッファ領域５２ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２入口バッファ領域５２ｂとを有する。図２に示すように、第１酸化剤ガス流路５０側から見て第１入口バッファ領域５２ａの積層方向の溝の深さＤ１は、第２入口バッファ領域５２ｂの前記積層方向の溝の深さＤ２よりも大きく設定される。

出口バッファ部５４は、入口バッファ部５２と同様に構成されており、図３に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接する略三角形の第１出口バッファ領域５４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２出口バッファ領域５４ｂとを有する。第１出口バッファ領域５４ａは、第２出口バッファ領域５４ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

第１入口バッファ領域５２ａは、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向（矢印Ｂ方向）略中央に比較的幅狭な範囲に設けられる。第１入口バッファ領域５２ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側に、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分の略中間まで延在し且つ先細り形状溝を有する。第１入口バッファ領域５２ａは、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向略中央に、矢印Ｂ方向に延在する溝を有し、この溝と先細り形状溝とが一体に連通して、矢印Ｃ方向の溝幅が狭小な横長溝が構成される。

第１出口バッファ領域５４ａは、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向端部から略中央に至る比較的幅広な範囲に設けられる。第１出口バッファ領域５４ａは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ側に、前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分の一方の端部から他方の端縁部まで延在し且つ先細り形状溝を有する。第１出口バッファ領域５４ａは、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向略中央に、矢印Ｂ方向に延在する溝を有するこの溝と先細り形状溝とが一体に連通して、矢印Ｃ方向の溝幅が第１入口バッファ領域５２ａよりも広く且つ矢印Ｂ方向の溝長さが前記第１入口バッファ領域５２ａよりも長尺な横長溝が構成される。

すなわち、第１入口バッファ領域５２ａと第１出口バッファ領域５４ａとは、互いに異なる表面積に設定される。具体的には、第１入口バッファ領域５２ａは、第１出口バッファ領域５４ａよりも小さな表面積に設定されるとともに、前記第１入口バッファ領域５２ａと前記第１出口バッファ領域５４ａとは、溝の深さが同一に設定される。

図４に示すように、第２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３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ表側と裏側とに交互に突出する複数のエンボスを有する入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

入口バッファ部６０の外側には、第１入口バッファ領域５２ａの裏面形状（凸形状）を避ける位置に、前記入口バッファ部６０よりも深い溝からなるバイパス流路６４が形成される。このバイパス流路６４は、第２燃料ガス流路５８の幅方向中央から酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側の端部に至る比較的幅広な範囲に設けられる。なお、バイパス流路６４は、入口バッファ部６０と同じ深さでもよい。

図５に示すように、第３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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。

第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。

第１〜第３シール部材７４、７６及び７８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が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する入口側第１連結流路８０ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する出口側第１連結流路８０ｂとが設けられる。入口側第１連結流路８０ａは、複数の外側供給孔部８２ａと複数の内側供給孔部８２ｂとを有する。

面１４ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと各外側供給孔部８２ａとを連通する複数の通路８４ａが設けられる。面１４ｂ側には、外側供給孔部８２ａと内側供給孔部８２ｂとを連通する複数の通路８４ｂが形成される。出口側第１連結流路８０ｂは、同様に、複数の外側排出孔部８６ａと複数の内側排出孔部８６ｂとを有する。

面１４ａ側には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと各外側排出孔部８６ａとを連通する複数の通路８８ａが形成される。面１４ｂ側には、外側排出孔部８６ａと内側排出孔部８６ｂとを連通する複数の通路８８ｂが形成される。

図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分には、複数の入口側連結流路８９ａ及び複数の出口側連結流路８９ｂを形成する複数の凸状の受け部９０ａ、９０ｂが設けられる。

第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する入口側第２連結流路９２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する出口側第２連結流路９２ｂとが設けられる。入口側第２連結流路９２ａは、供給孔部９４を有する。面１８ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと供給孔部９４とを連通する通路９６ａが形成される。

出口側第２連結流路９２ｂは、同様に、複数の排出孔部９８を有する。面１８ａ側には、排出孔部９８を燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の通路９６ｂが形成される。

図５に示すように、第３セパレータ２０には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第２酸化剤ガス流路６６の連通部分には、複数の入口側連結流路１０１ａ及び複数の出口側連結流路１０１ｂを形成する複数の凸状の受け部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。

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３２ａ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３４ａ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から第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される（図３及び図５参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ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２６に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４と第２セパレータ１８との間に形成された通路８４ａ、９６ａに導入される。通路８４ａに導入された燃料ガスは、外側供給孔部８２ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、通路８４ｂを通って内側供給孔部８２ｂから面１４ａ側に導入される。

このため、燃料ガスは、入口バッファ部３８に送られ、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ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２４に供給される。

また、通路９６ａに導入された燃料ガスは、図４に示すように、供給孔部９４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ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２４に供給される（図１及び図４参照）。

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２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６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。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図１に示すように、出口バッファ部４０から内側排出孔部８６ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。

面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８６ａに導入され、再度、面１４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、外側排出孔部８６ａから通路８８ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部９８を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、図４に示すように、通路９６ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４と第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４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、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第２セパレータ１８の入口バッファ部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接する第１入口バッファ領域５２ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２入口バッファ領域５２ｂとを有するとともに、前記第１入口バッファ領域５２ａは、前記第２入口バッファ領域５２ｂよりも積層方向に溝が深く構成されている。

一方、出口バッファ部５４は、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接する第１出口バッファ領域５４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２出口バッファ領域５４ｂとを有するとともに、前記第１出口バッファ領域５４ａは、前記第２出口バッファ領域５４ｂよりも積層方向に溝が深く構成されている。

このため、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１入口バッファ領域５２ａに供給される酸化剤ガスは、この第１入口バッファ領域５２ａから第２入口バッファ領域５２ｂ全体にわたって均一に分配される。従って、酸化剤ガスは、第１入口バッファ領域５２ａから第２入口バッファ領域５２ｂに均等に供給された後、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向（矢印Ｂ方向）全体に対して均一且つ確実に供給される。

さらに、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０から第２出口バッファ領域５４ｂを通って第１出口バッファ領域５４ａに均一に分配された後、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。従って、第１酸化剤ガス流路５０では、発電領域全域で酸化剤ガスの分配を均一化することが可能になる。

また、第１入口バッファ領域５２ａと第１出口バッファ領域５４ａとは、互いに異なる表面積に設定されている。第１の実施形態では、第１入口バッファ領域５２ａが、第１出口バッファ領域５４ａよりも小さな表面積に設定されている。このため、図４に示すように、第２セパレータ１８では、第１酸化剤ガス流路５０の裏面側の第２燃料ガス流路５８において、燃料ガス入口連通孔３２ａと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する入口バッファ部６０の外側に、前記入口バッファ部６０よりも溝が深いバイパス流路６４を容易に形成することができる。

これにより、第２燃料ガス流路５８の幅方向（矢印Ｂ方向）全体に対し、燃料ガスを均一且つ確実に供給することが可能になる。具体的には、第１入口バッファ領域５２ａが、第１出口バッファ領域５４ａと同じ表面積（比較的大きな表面積）に設定され、第２燃料ガス流路５８の入口バッファ部６０にバイパス流路６４が設けられない比較例１と、第１の実施形態とを用いて、前記第２燃料ガス流路５８の幅方向の流量を検出した。

その結果が、図６に示されている。第２燃料ガス流路５８では、燃料ガス中の水素がアノード側電極２４で消費されるため、入口と出口との流量差が大きくなる。このため、入口バッファ部６０の圧損が高くなり、比較例１では、燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する部位程、流量が多くなっている。

これに対して、第１の実施形態では、第１入口バッファ領域５２ａは、比較的幅狭な範囲に設けられており、この第１入口バッファ領域５２ａの裏面形状である凸形状部位は、第２燃料ガス流路５８側の入口バッファ部６０内に比較的省スペースに構成されている。従って、入口バッファ部６０のバッファ領域が拡大され、圧損の低下による燃料ガスの流量分配性が改善される。

しかも、第１の実施形態では、入口バッファ部６０の外側には、第１入口バッファ領域５２ａの裏面形状を避ける位置に、前記入口バッファ部６０よりも溝が深いバイパス流路６４が形成されている。そして、バイパス流路６４は、第２燃料ガス流路５８の幅方向中央から酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側の端部に至る比較的幅広な範囲に設けられている。

これにより、通常、燃料ガスが行き渡り難い酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側にも多くの燃料ガスを供給することができ、第２燃料ガス流路５８の幅方向全域にわたって燃料ガスを均一且つ確実に供給することが可能になるという効果が得られる（図６参照）。

さらにまた、第１の実施形態では、図３に示すように、第１酸化剤ガス流路５０において、第１入口バッファ領域５２ａが、第１出口バッファ領域５４ａよりも小さな表面積に設定されている。このため、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向にわたって酸化剤ガスを均一に配流させることができる。

具体的には、図７に示すように、第１の実施形態と、第１入口バッファ領域５２ａと第１出口バッファ領域５４ａとが同一表面積に設定された比較例２と、前記第１入口バッファ領域５２ａ及び前記第１出口バッファ領域５４ａを設けない従来例とを用いて、流路長の略中間部分で、それぞれの流路幅方向全体の流量分布を比較した。その結果、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向に沿った酸化剤ガスの配流性は、従来例、比較例２及び第１の実施形態の順に、向上した。

すなわち、第１の実施形態では、第１出口バッファ領域５４ａが第１入口バッファ領域５２ａよりも大きな表面積に設定されるため、圧損が低下して第１酸化剤ガス流路５０の幅方向中央に酸化剤ガスが流れ易くなる。従って、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向全体にわたって酸化剤ガスを均一に配流させることが可能になるという効果が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００を構成する第２セパレータ１０２の一方の面の説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第２セパレータ１８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以降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２セパレータ１０２は、第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍に、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１０４及び出口バッファ部１０６を設ける。

入口バッファ部１０４は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接する略三角形の第１入口バッファ領域１０４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２入口バッファ領域１０４ｂとを有する。第１入口バッファ領域１０４ａは、第２入口バッファ領域１０４ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

図９に示すように、第２入口バッファ領域１０４ｂは、第１酸化剤ガス流路５０の流路幅方向（矢印Ｂ方向）に延在するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（入口側連結流路８９ａ）から前記流路幅方向に離間するのに従って深さｔ１が小さく設定される。

出口バッファ部１０６は、入口バッファ部１０４と同様に構成されており、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接する略三角形の第１出口バッファ領域１０６ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２出口バッファ領域１０６ｂとを有する。第１出口バッファ領域１０６ａは、第２出口バッファ領域１０６ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

図１０に示すように、第２出口バッファ領域１０６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（出口側連結流路８９ｂ）から矢印Ｂ方向に離間する方向、すなわち、第１酸化剤ガス流路５０の流路幅方向に離間するのに従って深さｔ２が小さく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、第２入口バッファ領域１０４ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（入口側連結流路８９ａ）から矢印Ｂ方向に離間する方向に向かって深さｔ１が小さく設定されている。従って、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから離間して酸化剤ガスが流れ難い部位に向かって前記酸化剤ガスが流れ易くなり、第２入口バッファ領域１０４ｂ全体にわたって均一に分配される。

一方、第２出口バッファ領域１０６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（出口側連結流路８９ｂ）から矢印Ｂ方向に離間する方向に向かって深さｔ２が小さく設定されている。このため、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ側が深い溝に構成され、前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂから離間して酸化剤ガスが流れ難い部位から該酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かって前記酸化剤ガスが流れ易くなる。

これにより、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０の幅方向全域にわたって一層円滑且つ均一に流れることができるという効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０を構成する第２セパレータ１１２の一方の面の説明図である。

第２セパレータ１１２は、第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍に、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１１４及び出口バッファ部１１６を設ける。

入口バッファ部１１４は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接する略三角形の第１入口バッファ領域１１４ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２入口バッファ領域１１４ｂとを有する。第１入口バッファ領域１１４ａは、第２入口バッファ領域１１４ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

出口バッファ部１１６は、入口バッファ部１１４と同様に構成されており、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接する略三角形の第１出口バッファ領域１１６ａと、第１酸化剤ガス流路５０に近接する第２出口バッファ領域１１６ｂとを有する。第１出口バッファ領域１１６ａは、第２出口バッファ領域１１６ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

図１２に示すように、第１出口バッファ領域１１６ａは、第１入口バッファ領域１１４ａよりも寸法ｔ３だけ深い溝に設定される。第１酸化剤ガス流路５０の裏面形状である第２燃料ガス流路５８では、燃料ガスが消費されて少量の燃料ガスが下流側を流通している。このため、燃料ガス用のバッファ部を狭小にしても、前記燃料ガスの排出性に影響されることがなく、排出量が比較的多量な酸化剤ガス側に、大きなバッファ部を設けることができる。

このように構成される第３の実施形態では、第１出口バッファ領域１１６ａは、第１入口バッファ領域１１４ａよりも大きな表面積で且つ深い溝に設定されている。これにより、第１酸化剤ガス流路５０に沿って酸化剤ガスが一層円滑に流動することができるという効果が得られる。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する第２セパレータ１２２の第２燃料ガス流路５８側の面の説明図である。

第２セパレータ１２２では、入口バッファ部６０の外側に深い溝からなるバイパス流路６４が設けられていない。この燃料電池１２０では、第１酸化剤ガス流路５０において、発電領域全域で酸化剤ガスの分配を均一化することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１３０を構成する発電セル１３２の分解概略斜視図である。

発電セル１３２は、電解質膜・電極構造体１６が第１セパレータ１３４と第２セパレータ１３６とに挟持される。第１セパレータ１３４及び第２セパレータ１３６は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。

第１セパレータ１３４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１３４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路１３８が形成される。燃料ガス流路１３８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状（又は直線状）流路溝を有する。

図１５に示すように、第２セパレータ１３６の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１３６ａ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とを連通する酸化剤ガス流路１４０が形成される。この酸化剤ガス流路１４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状（又は直線状）流路溝を有する。酸化剤ガス流路１４０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１４２及び出口バッファ部１４４が設けられる。

入口バッファ部１４２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接する略三角形の第１入口バッファ領域１４２ａと、酸化剤ガス流路１４０に近接する第２入口バッファ領域１４２ｂとを有する。酸化剤ガス流路１４０側から見て第１入口バッファ領域１４２ａの積層方向の溝の深さは、第２入口バッファ領域１４２ｂの前記積層方向の溝の深さよりも大きく設定される。

出口バッファ部１４４は、入口バッファ部１４２と同様に構成されており、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接する略三角形の第１出口バッファ領域１４４ａと、酸化剤ガス流路１４０に近接する第２出口バッファ領域１４４ｂとを有する。第１出口バッファ領域１４４ａは、第２出口バッファ領域１４４ｂよりも積層方向に溝が深く構成される。

第１入口バッファ領域１４２ａは、酸化剤ガス流路１４０の幅方向（矢印Ｂ方向）略中央に比較的幅狭な範囲に設けられる。第１入口バッファ領域１４２ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側に、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路１４０との連通部分の略中間まで延在し且つ先細り形状溝を有する。第１入口バッファ領域１４２ａは、酸化剤ガス流路１４０の幅方向略中央に、矢印Ｂ方向に延在する溝を有し、この溝と先細り形状溝とが一体に連通して、矢印Ｃ方向の溝幅が狭小な横長溝が構成される。

第１出口バッファ領域１４４ａは、酸化剤ガス流路１４０の幅方向端部から略中央に至る比較的幅広な範囲に設けられる。第１出口バッファ領域１４４ａは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ側に、前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路１４０との連通部分の一方の端部から他方の端縁部まで延在し且つ先細り形状溝を有する。第１出口バッファ領域１４４ａは、酸化剤ガス流路１４０の幅方向略中央に、矢印Ｂ方向に延在する溝を有する。この溝と先細り形状溝とが一体に連通して、矢印Ｃ方向の溝幅が第１入口バッファ領域１４２ａよりも広く且つ矢印Ｂ方向の溝長さが前記第１入口バッファ領域１４２ａよりも長尺な横長溝が構成される。

すなわち、第１入口バッファ領域１４２ａと第１出口バッファ領域１４４ａとは、互いに異なる表面積に設定される。具体的には、第１入口バッファ領域１４２ａは、第１出口バッファ領域１４４ａよりも小さな表面積に設定されるとともに、前記第１入口バッファ領域１４２ａと前記第１出口バッファ領域１４４ａとは、溝の深さが同一に設定される。

図１４に示すように、各発電セル１３２では、互いに隣接する第１セパレータ１３４の面１３４ｂと第２セパレータ１３６の面１３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。

このように構成される第５の実施形態では、図１５に示すように、酸化剤ガス流路１４０の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１４２及び出口バッファ部１４４が設けられている。そして、入口バッファ部１４２を構成する第１入口バッファ領域１４２ａは、出口バッファ部１４４を構成する第１出口バッファ領域１４４ａよりも小さな表面積に設定されている。

このため、酸化剤ガス流路１４０の幅方向にわたって酸化剤ガスを均一に配流させることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１１０、１２０、１３０…燃料電池
１２…セルユニット
１４、１８、２０、１０２、１１２、１２２、１３４、１３６…セパレータ
１６、１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…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…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、５８、１３８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ５０、６６、１４０…酸化剤ガス流路
３８、５２、６０、６８、１０４、１１４、１４２…入口バッファ部
５２ａ、５２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…入口バッファ領域
４０、５４、６２、７０、１０６、１１６、１４４…出口バッファ部
５４ａ、５４ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１４４ａ、１４４ｂ…出口バッファ領域
６４…バイパス流路 ７４、７６、７８…シール部材
１３２…発電セル

Claims (5)

1. 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が形成される燃料電池であって、
   前記反応ガスを積層方向に流す反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とは、前記反応ガス流路の幅方向一端と幅方向他端とに互いに対角位置に配置され、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路の入口側及び前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路の出口側を、それぞれ連通する入口バッファ部及び出口バッファ部を設け、
   前記入口バッファ部は、前記反応ガス入口連通孔に近接する第１入口バッファ領域及び前記反応ガス流路に近接する第２入口バッファ領域を有し、
   前記出口バッファ部は、前記反応ガス出口連通孔に近接する第１出口バッファ領域及び前記反応ガス流路に近接する第２出口バッファ領域を有し、
   前記第１入口バッファ領域は、前記第２入口バッファ領域よりも前記積層方向に深く構成され、且つ、前記第１出口バッファ領域は、前記第２出口バッファ領域よりも前記積層方向に深く構成されるとともに、
   前記第１出口バッファ領域は、前記第１入口バッファ領域よりも大きな表面積に設定され、且つ、前記反応ガス流路の前記幅方向他端から幅方向中央に至る範囲に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、前記入口バッファ部は、前記反応ガス流路の流路幅方向に延在するとともに、前記反応ガス入口連通孔から前記流路幅方向に離間するのに従って深さが小さく設定される一方、
   前記出口バッファ部は、前記反応ガス出口連通孔から前記流路幅方向に離間するに従って深さが小さく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出口バッファ領域は、前記第１入口バッファ領域よりも溝が深く設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータの一方の面には、一方の電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成され、且つ、他方の面には、他方の電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が形成されるとともに、
   前記第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、前記第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、
   前記一方の反応ガスは、酸化剤ガスであるとともに、前記他方の反応ガスは、燃料ガスであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路と前記燃料ガスを前記積層方向に流す燃料ガス入口連通孔とを連通する燃料ガス入口バッファ部を備え、
   前記燃料ガス入口バッファ部の外側には、前記第１反応ガス流路側の前記第１入口バッファ領域の裏面形状を避ける位置に前記燃料ガス入口バッファ部よりも溝が深く、又は同一深さになる燃料ガスバイパス流路が形成されることを特徴とする燃料電池。

Images