JP2015076385A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】特に発電セルの積層方向の寸法を可及的に短尺化することができ、コンパクト化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、発電ユニット１２を備えるとともに、前記発電ユニット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２金属セパレータ１８の深溝バッファ部である第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと、第１樹脂枠部材７０の燃料ガス凹部である入口深エンボス部領域８４ａとは、積層方向に重なり合って該積層方向に比較的大きな入口バッファ部空間を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂製枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）を構成している。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、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池は、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及び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及び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及び反応ガス出口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）に連通している。反応ガス流路の入口側及び出口側には、反応ガス入口連通孔及び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、電極反応面全体に亘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。

そこで、反応ガス入口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を可能にするために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、セパレータの一方の面には、第１反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通する第１バッファ部が設けられている。セパレータの他方の面には、第２反応ガス連通孔と第２反応ガス流路とを連通する第２バッファ部が設けられている。

そして、第１バッファ部は、第１反応ガス連通孔に隣接し一方の反応ガスを流通させるとともに、第２バッファ部側で他方の反応ガスの流通を規制する第１専用バッファ領域を有している。第２バッファ部は、第２反応ガス連通孔に隣接し他方の反応ガスを流通させるとともに、第１バッファ部側で一方の反応ガスの流通を規制する第２専用バッファ領域を有している。

ここで、第１バッファ部及び第２バッファ部は、一方の反応ガス及び他方の反応ガスをそれぞれ流通させる共通バッファ領域を有している。さらに、第１専用バッファ領域及び第２専用バッファ領域は、それぞれ共通バッファ領域よりも深さ方向の寸法が大きく設定されている。

これにより、第１反応ガス連通孔及び第２反応ガス連通孔から第１バッファ部及び第２バッファ部を介して第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路全体に、それぞれの反応ガスを均一且つ確実に供給することができる、としている。

特開２０１２−１６４４６７号公報

本発明は、この種の内部マニホールド型燃料電池に関連してなされたものであり、特に発電セルの積層方向の寸法を可及的に短尺化することができ、コンパクト化を図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、電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されている。一方の電極に対向するセパレータには、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガスを電解質膜・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燃料ガス連通孔とが設けられている。燃料ガス流路と燃料ガス連通孔とは、燃料ガスバッファ部により繋がれている。

他方の電極に対向するセパレータには、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスを積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔とが設けられている。酸化剤ガス流路と酸化剤ガス連通孔とは、酸化剤ガスバッファ部により繋がれている。

燃料ガスバッファ部は、第１燃料ガスバッファ部領域と、前記第１燃料ガスバッファ部領域よりも積層方向に深溝な第２燃料ガスバッファ部領域とを有している。一方、酸化剤ガスバッファ部は、第１酸化剤ガスバッファ部領域と、前記第１酸化剤ガスバッファ部領域よりも積層方向に第２燃料ガスバッファ部領域とは反対方向に深溝な第２酸化剤ガスバッファ部領域とを有している。

そして、第２燃料ガスバッファ部領域と第２酸化剤ガスバッファ部領域とは、積層方向から見て互いに平面位置をずらして配置されている。樹脂枠部材には、第２燃料ガスバッファ部領域に積層方向に重なり合う燃料ガス凹部と、第２酸化剤ガスバッファ部領域に前記積層方向に重なり合う酸化剤ガス凹部とが形成されている。

また、この燃料電池では、燃料ガスバッファ部及び酸化剤ガスバッファ部は、正面視で三角形状を有し、第２燃料ガスバッファ部領域と第２酸化剤ガスバッファ部領域とは、三角形の互いに隣接する２辺に形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、樹脂枠部材に設けられた燃料ガス凹部には、燃料ガス用エンボス部が設けられるとともに、前記燃料ガス用エンボス部の頂部は、第２燃料ガスバッファ部領域に当接することが好ましい。一方、樹脂枠部材に設けられた酸化剤ガス凹部には、酸化剤ガス用エンボス部が設けられるとともに、前記酸化剤ガス用エンボス部の頂部は、第２酸化剤ガスバッファ部領域に当接することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、樹脂枠部材に設けられた燃料ガス凹部の平面領域と、第２燃料ガスバッファ部領域の平面領域とは、積層方向から見て一致することが好ましい。一方、樹脂枠部材に設けられた酸化剤ガス凹部の平面領域と、第２酸化剤ガスバッファ部領域の平面領域とは、積層方向から見て一致することが好ましい。

本発明によれば、それぞれ深溝バッファ部である第２燃料ガスバッファ部領域と第２酸化剤ガスバッファ部領域とは、互いに平面位置をずらして配置されている。さらに、樹脂枠部材には、第２燃料ガスバッファ部領域と第２酸化剤ガスバッファ部領域とに重なり合って、燃料ガス凹部と酸化剤ガス凹部とが形成されている。

このため、燃料ガスバッファ部及び酸化剤ガスバッファ部に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に供給することができ、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路全体に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等且つ確実に供給することが可能になる。しかも、燃料電池の積層方向の寸法を可及的に短尺化することができ、コンパクト化を図ることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。

図１〜図４に示すように、本発明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。燃料電池１０は、例えば、図示しないが燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。

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、めっき処理鋼板等により構成される。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。なお、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に代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。

図１に示すように、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（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、酸化剤ガス入口連通孔（酸化剤ガス連通孔）２２ａ及び燃料ガス出口連通孔（燃料ガス連通孔）２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

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の長辺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燃料ガス入口連通孔（燃料ガス連通孔）２４ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔（酸化剤ガス連通孔）２２ｂが設けられる。

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側に、矢印Ａ方向に互いに連通して一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。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の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図５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、それぞれ第１酸化剤ガス入口バッファ部２８及び第１酸化剤ガス出口バッファ部２９が設けられる。

第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、三角形状を有する。第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、第１酸化剤ガス流路２６側に近接する第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａを設ける。第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａは、第１金属セパレータ１４の厚さ方向の中立位置、すなわち、面１４ａ、１４ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出していない位置に平面状に設けられる。第１酸化剤ガス入口バッファ部２８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第１酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂを設ける。第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１酸化剤ガス出口バッファ部２９は、三角形状を有する。第１酸化剤ガス出口バッファ部２９は、第１酸化剤ガス流路２６側に近接する第１酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ａを設ける。第１酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ａは、第１金属セパレータ１４の厚さ方向の中立位置に設けられる。第１酸化剤ガス出口バッファ部２９は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第１酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂを設ける。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３０ａが形成される。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図６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の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ第１燃料ガス入口バッファ部３６及び第１燃料ガス出口バッファ部３７が設けられる。

第１燃料ガス入口バッファ部３６は、三角形状を有する。第１燃料ガス入口バッファ部３６は、第１燃料ガス流路３４側に近接する第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａを設ける。第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置、すなわち、面１８ａ、１８ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出しない位置に平面状に設けられる。第１燃料ガス入口バッファ部３６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂを設ける。第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１燃料ガス出口バッファ部３７は、三角形状を有する。第１燃料ガス出口バッファ部３７は、第１燃料ガス流路３４側に近接する第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａを設ける。第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。第１燃料ガス出口バッファ部３７は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第１燃料ガス出口バッファ部領域３７ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂを設ける。第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂは、三角形の一辺に形成される。

第１燃料ガス入口バッファ部領域３６ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝３５ａが形成され、前記入口連結溝３５ａが蓋体３９ａにより覆われる。第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝３５ｂが形成され、前記出口連結溝３５ｂが蓋体３９ｂに覆われる。

図７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金属セパレータ１８に形成される第２酸化剤ガス流路３８の裏面形状が、第１燃料ガス流路３４の形状である。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ第２酸化剤ガス入口バッファ部４２及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４４が設けられる。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、三角形状を有する。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、第２酸化剤ガス流路３８側に近接する第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａを設ける。第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第１酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂを設ける。第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、三角形状を有する。第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、第２酸化剤ガス流路３８側に近接する第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａを設ける。第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａは、第２金属セパレータ１８の厚さ方向の中立位置に設けられる。第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第１酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ａよりも積層方向に深溝な第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂを設ける。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝４６ａが形成される。第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝４６ｂが形成される。

第１燃料ガス入口バッファ部３６及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４４は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに隣接する高さが異なる三角形状に構成される。第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂとは、三角形の互いに隣接する２辺に形成される。

第１燃料ガス出口バッファ部３７と第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、共通底辺を有し、それぞれの頂点が燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２２ａに隣接する高さが異なる三角形状に構成される。第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂとは、三角形の互いに隣接する２辺に形成される。

なお、酸化剤ガスとして空気が使用される場合には、発電時に供給される空気の流量が水素（燃料ガス）の流量よりも多い。このため、第１燃料ガス入口バッファ部３６及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４４、並びに第１燃料ガス出口バッファ部３７と第２酸化剤ガス入口バッファ部４２は、それぞれ非対称形状となる。

図８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４８が形成される。第２燃料ガス流路４８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）４８ａを有する。第２燃料ガス流路４８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ第２燃料ガス入口バッファ部５０及び第２燃料ガス出口バッファ部５２が設けられる。

第２燃料ガス入口バッファ部５０は、三角形状を有する。第２燃料ガス入口バッファ部５０は、第２燃料ガス流路４８側に近接する第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａを設ける。第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａは、第３金属セパレータ２０の厚さ方向の中立位置、すなわち、面２０ａ、２０ｂのいずれにも凹状又は凸状に突出しない位置に平面状に設けられる。第２燃料ガス入口バッファ部５０は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第１燃料ガス入口バッファ部領域５０ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂを設ける。第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２燃料ガス出口バッファ部５２は、三角形状を有する。第２燃料ガス出口バッファ部５２は、第２燃料ガス流路４８側に近接する第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａを設ける。第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａは、第３金属セパレータ２０の厚さ方向の中立位置に設けられる。第２燃料ガス出口バッファ部５２は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第１燃料ガス出口バッファ部領域５２ａよりも積層方向に深溝な第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂを設ける。第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂは、三角形の一辺に形成される。

第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝５４ａが形成され、前記入口連結溝５４ａが蓋体５６ａにより覆われる。第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝５４ｂが形成され、前記出口連結溝５４ｂが蓋体５６ｂに覆われる。

図１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４８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。

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５８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６０が一体成形される。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６２が一体成形される。

第１シール部材５８、第２シール部材６０及び第３シール部材６２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２〜図４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６４を備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８により挟持される。

カソード電極６６は、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４の平面寸法よりも小さな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６６、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６８は、カソード電極６６及び固体高分子電解質膜６４よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極６６及びアノード電極６８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た電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜６４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６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）７０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６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）７２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７０及び第２樹脂枠部材７２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９及び図１０に示すように、第１樹脂枠部材７０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ及び燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって膨出する形状を有する。第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６側の面には、図９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７４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第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７４ｂが設けられる。

入口バッファ部７４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第１金属セパレータ１４の第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）７６ａを有する。入口深エンボス部領域７６ａの平面領域と、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。入口深エンボス部領域７６ａは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ａｅを設ける。エンボス部７６ａｅの頂部は、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域２８ｂに当接する。入口深エンボス部領域７６ａに隣接して、前記入口深エンボス部領域７６ａよりも浅溝な入口浅バッファ部領域７８ａが設けられる。入口浅バッファ部領域７８ａには、複数本の入口ガイド流路８０ａが形成される。

出口バッファ部７４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第１金属セパレータ１４の第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）７６ｂを有する。出口深エンボス部領域７６ｂの平面領域と、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。出口深エンボス部領域７６ｂは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ｂｅを設ける。エンボス部７６ｂｅの頂部は、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域２９ｂに当接する。出口深エンボス部領域７６ｂに隣接して、前記出口深エンボス部領域７６ｂよりも浅溝な出口浅バッファ部領域７８ｂが設けられる。出口浅バッファ部領域７８ｂには、複数本の出口ガイド流路８０ｂが形成される。

図１０に示すように、第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８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との間に位置して入口バッファ部８２ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部８２ｂが設けられる。

入口バッファ部８２ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）８４ａを有する。入口深エンボス部領域８４ａの平面領域と、第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。入口深エンボス部領域８４ａは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ａｅを設ける。エンボス部８４ａｅの頂部は、第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂに当接する。入口深エンボス部領域８４ａに隣接して、前記入口深エンボス部領域８４ａよりも浅溝な入口浅バッファ部領域８６ａが設けられる。入口浅バッファ部領域８６ａには、複数本の入口ガイド流路８８ａが形成される。

出口バッファ部８２ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）８４ｂを有する。出口深エンボス部領域８４ｂの平面領域と、第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。出口深エンボス部領域８４ｂは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ｂｅを設ける。エンボス部８４ｂｅの頂部は、第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂに当接する。出口深エンボス部領域８４ｂに隣接して、前記出口深エンボス部領域８４ｂよりも浅溝な出口浅バッファ部領域８６ｂが設けられる。出口浅バッファ部領域８６ｂには、複数本の出口ガイド流路８８ｂが形成される。

図１１及び図１２に示すように、第２樹脂枠部材７２は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ及び燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって膨出する形状を有する。第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６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２酸化剤ガス流路３８の入口側との間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８の出口側との間に位置して、出口バッファ部９０ｂが設けられる。

入口バッファ部９０ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接し、第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）９２ａを有する。入口深エンボス部領域９２ａの平面領域と、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。入口深エンボス部領域９２ａは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ａｅを設ける。エンボス部９２ａｅの頂部は、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂに当接する。入口深エンボス部領域９２ａに隣接して、前記入口深エンボス部領域９２ａよりも浅溝な入口浅バッファ部領域９４ａが設けられる。入口浅バッファ部領域９４ａには、複数本の入口ガイド流路９６ａが形成される。

出口バッファ部９０ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接し、第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）９２ｂを有する。出口深エンボス部領域９２ｂの平面領域と、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。出口深エンボス部領域９２ｂは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ｂｅを設ける。エンボス部９２ｂｅの頂部は、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂに当接する。出口深エンボス部領域９２ｂに隣接して、前記出口深エンボス部領域９２ｂよりも浅溝な出口浅バッファ部領域９４ｂが設けられる。出口浅バッファ部領域９４ｂには、複数本の出口ガイド流路９６ｂが形成される。

図１２に示すように、第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４８との間に位置して入口バッファ部９８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４８との間に位置して、出口バッファ部９８ｂが設けられる。

入口バッファ部９８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接し、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）１００ａを有する。入口深エンボス部領域１００ａの平面領域と、第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。入口深エンボス部領域１００ａは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ａｅを設ける。エンボス部１００ａｅの頂部は、第２燃料ガス入口バッファ部領域５０ｂに当接する。入口深エンボス部領域１００ａに隣接して、前記入口深エンボス部領域１００ａよりも浅溝な入口浅バッファ部領域１０２ａが設けられる。入口浅バッファ部領域１０２ａには、複数本の入口ガイド流路１０４ａが形成される。

出口バッファ部９８ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接し、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）１００ｂを有する。出口深エンボス部領域１００ｂの平面領域と、第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂの平面領域とは、積層方向から見て一致する。出口深エンボス部領域１００ｂは、三角形状の深溝領域に複数のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ｂｅを設ける。エンボス部１００ｂｅの頂部は、第２燃料ガス出口バッファ部領域５２ｂに当接する。出口深エンボス部領域１００ｂに隣接して、前記出口深エンボス部領域１００ｂよりも浅溝な出口浅バッファ部領域１０２ｂが設けられる。出口浅バッファ部領域１０２ｂには、複数本の出口ガイド流路１０４ｂが形成される。

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には、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には、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には、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２２ａから入口バッファ部７４ａ及び第１酸化剤ガス入口バッファ部２８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（図４及び図５参照）。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部９０ａ及び第２酸化剤ガス入口バッファ部４２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（図７参照）。

酸化剤ガスは、図１、図５及び図７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６６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、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６６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１、図６及び図１０に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の入口連結溝３５ａを通って入口バッファ部８２ａ及び第１燃料ガス入口バッファ部３６に供給される。同様に、燃料ガスは、図１、図８及び図１２に示すように、第３金属セパレータ２０の入口連結溝５４ａを通って入口バッファ部９８ａ及び第２燃料ガス入口バッファ部５０に供給される。このため、燃料ガスは、第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４８に供給される。

燃料ガスは、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６８に供給される。同様に、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４８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６８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６６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６８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６６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部７４ｂ、９０ｂに排出される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス出口バッファ部２９及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４４から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６８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８２ｂ、９８ｂに排出される。燃料ガスは、第１燃料ガス出口バッファ部３７及び第２燃料ガス出口バッファ部５２から出口連結溝３５ｂ、５４ｂを通って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、本実施形態では、例えば、図６に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、深溝バッファ部である第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂとが設けられている。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、図７に示すように、深溝バッファ部である第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂと第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂとが設けられている。

そして、第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂとは、互いに平面位置をずらして、具体的には、三角形の互いに隣接する２辺に対応して形成されている。同様に、第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂとは、互いに平面位置をずらして、具体的には、三角形の互いに隣接する２辺に形成されている。

さらに、第１樹脂枠部材７０には、図１０に示すように、第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）８４ａが形成されている。第１樹脂枠部材７０には、第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（燃料ガス凹部）８４ｂが形成されている。

同様に、第２樹脂枠部材７２には、図１１に示すように、第２酸化剤ガス入口バッファ部領域４２ｂと積層方向に重なり合う入口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）９２ａが形成されている。第２樹脂枠部材７２には、第２酸化剤ガス出口バッファ部領域４４ｂと積層方向に重なり合う出口深エンボス部領域（酸化剤ガス凹部）９２ｂが形成されている。

このため、第１燃料ガス入口バッファ部３６では、深溝バッファ部である第２燃料ガス入口バッファ部領域３６ｂと燃料ガス凹部である入口深エンボス部領域８４ａとが重なり合って、積層方向に比較的大きな入口バッファ部空間を形成することができる。さらに、第１燃料ガス出口バッファ部３７では、深溝バッファ部である第２燃料ガス出口バッファ部領域３７ｂと燃料ガス凹部である出口深エンボス部領域８４ｂとが重なり合って、積層方向に比較的大きな出口バッファ部空間を形成することができる。

従って、燃料ガス入口連通孔２４ａから第１燃料ガス流路３４に燃料ガスが円滑に供給されるとともに、前記第１燃料ガス流路３４から燃料ガス出口連通孔２４ｂに前記燃料ガスが円滑に排出される。これにより、第１燃料ガス流路３４全体に燃料ガスを均等且つ確実に供給することが可能になる。しかも、燃料電池１０の積層方向の寸法を可及的に短尺化することができ、前記燃料電池１０全体のコンパクト化を図ることが可能になるという効果が得られる。

なお、第２燃料ガス流路４８においても同様に、第２燃料ガス入口バッファ部５０及び第２燃料ガス出口バッファ部５２における燃料ガスの円滑且つ確実な流通が図られ、上記の第１燃料ガス流路３４側と同様の効果が得られる。また、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路３８においても、上記の第１燃料ガス流路３４側と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…発電ユニット
１４、１８、２０…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 ２８、４２…酸化剤ガス入口バッファ部
２８ａ、２８ｂ、４２ａ、４２ｂ…酸化剤ガス入口バッファ部領域
２９、４４…酸化剤ガス出口バッファ部
２９ａ、２９ｂ、４４ａ、４４ｂ…酸化剤ガス出口バッファ部領域
３２…冷却媒体流路 ３４、４８…燃料ガス流路
３６、５０…燃料ガス入口バッファ部
３６ａ、３６ｂ、５０ａ、５０ｂ…燃料ガス入口バッファ部領域
３７、５２…燃料ガス出口バッファ部
３７ａ、３７ｂ、５２ａ、５２ｂ…燃料ガス出口バッファ部領域
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード電極
６８…アノード電極 ７０、７２…樹脂枠部材
７４ａ、８２ａ、９０ａ、９８ａ…入口バッファ部
７４ｂ、８２ｂ、９０ｂ、９８ｂ…出口バッファ部
７６ａ、８４ａ、９２ａ、１００ａ…入口深エンボス部領域
７６ｂ、８４ｂ、９２ｂ、１００ｂ…出口深エンボス部領域
７８ａ、８６ａ、９４ａ、１０２ａ…入口浅バッファ部領域
７８ｂ、８６ｂ、９４ｂ、１０２ｂ…出口浅バッファ部領域
８０ａ、８８ａ、９６ａ、１０４ａ…入口ガイド流路
８０ｂ、８８ｂ、９６ｂ、１０４ｂ…出口ガイド流路

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、
   一方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料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燃料ガス連通孔と、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス連通孔とを繋ぐ燃料ガスバッファ部とが設けられ、
   他方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスを前記積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス連通孔とを繋ぐ酸化剤ガスバッファ部とが設けられる燃料電池であって、
   前記燃料ガスバッファ部は、第１燃料ガスバッファ部領域と、
   前記第１燃料ガスバッファ部領域よりも前記積層方向に深溝な第２燃料ガスバッファ部領域と、
   を有する一方、
   前記酸化剤ガスバッファ部は、第１酸化剤ガスバッファ部領域と、
   前記第１酸化剤ガスバッファ部領域よりも前記積層方向に前記第２燃料ガスバッファ部領域とは反対方向に深溝な第２酸化剤ガスバッファ部領域と、
   を有し、且つ、前記第２燃料ガスバッファ部領域と前記第２酸化剤ガスバッファ部領域とは、前記積層方向から見て互いに平面位置をずらして配置されるとともに、
   前記樹脂枠部材には、前記第２燃料ガスバッファ部領域に前記積層方向に重なり合う燃料ガス凹部と、
   前記第２酸化剤ガスバッファ部領域に前記積層方向に重なり合う酸化剤ガス凹部と、
   が形成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、前記燃料ガスバッファ部及び前記酸化剤ガスバッファ部は、正面視で三角形状を有し、前記第２燃料ガスバッファ部領域と前記第２酸化剤ガスバッファ部領域とは、三角形の互いに隣接する２辺に形成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、前記樹脂枠部材に設けられた前記燃料ガス凹部には、燃料ガス用エンボス部が設けられるとともに、前記燃料ガス用エンボス部の頂部は、前記第２燃料ガスバッファ部領域に当接する一方、
   前記樹脂枠部材に設けられた前記酸化剤ガス凹部には、酸化剤ガス用エンボス部が設けられるとともに、前記酸化剤ガス用エンボス部の頂部は、前記第２酸化剤ガスバッファ部領域に当接す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、前記樹脂枠部材に設けられた前記燃料ガス凹部の平面領域と、前記第２燃料ガスバッファ部領域の平面領域とは、積層方向から見て一致する一方、
   前記樹脂枠部材に設けられた前記酸化剤ガス凹部の平面領域と、前記第２酸化剤ガスバッファ部領域の平面領域とは、積層方向から見て一致することを特徴とする燃料電池。

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