(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に生成水を確実に排出し、効率的な発電を行うことを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１及び第２金属セパレータ１４、１６により挟持する。第１金属セパレータ１４は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとを連通するサーペンタイン流路形状の酸化剤ガス流路３０を設ける。酸化剤ガス流路３０は、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝３０ａが酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに直接開放される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、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とともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数の流路溝を有し、前記流路溝が前記反応ガス出口連通孔に直接開放されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路との間には、バッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体の電極反応部は、前記反応ガス流路内に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、少なくとも１つの折り返し部を有する屈曲乃至湾曲流路を構成することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、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とともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）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・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池は、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
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、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。
【０００４】
この場合、例えば、特許文献１には、反応ガス入口連通孔から反応ガス流路に反応ガスを均一に供給することを目的とした燃料電池が開示されている。この燃料電池では、図７に示すように、ＭＥＡ１の空気極側には、メタルセパレータ２ａと樹脂フレーム２ｂとが配置されるとともに、前記ＭＥＡ１の燃料極側には、メタルセパレータ２ｃと樹脂フレーム２ｄとが配置されている。樹脂フレーム２ｂ、２ｄには、ＭＥＡ１を収容する開口部３が形成されている。メタルセパレータ２ａのＭＥＡ１側の面には、酸化剤ガス流路４が形成されるとともに、前記ＭＥＡ１とは反対側の面には、冷却水流路５が形成されている。メタルセパレータ２ｃのＭＥＡ１側の面には、燃料ガス流路６が形成されている。
【０００５】
例えば、メタルセパレータ２ａ及び樹脂フレーム２ｂでは、酸化剤ガス流路４にガス整流部７ａ、７ｂを介して入口側の空気マニホールド８ａと出口側の空気マニホールド８ｂとが連通している。ガス整流部７ａ、７ｂは、多数の突起により構成されており、前記ガス整流部７ａ、７ｂと酸化剤ガス流路４との間の酸化剤ガスの流入及び流出が、前記ガス整流部７ａ、７ｂの全長にわたって均一化される、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−７７４９９号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、特に出口側の空気マニホールド８ｂに連通するガス整流部７ｂにおいて、酸化剤ガスの流路抵抗が大きくなり、このガス整流部７ｂに滞留水が発生し易い。このため、滞留水によって酸化剤ガスの流通が妨げられ、酸化剤ガス流路４に酸化剤ガスが円滑に流入することができないおそれがある。これにより、ＭＥＡ１の有効電極面積が減少してしまい、反応の集中が惹起して前記ＭＥＡ１が劣化するという問題がある。
【０００８】
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、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に生成水や結露水を確実に排出することができ、効率的な発電を行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、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とともに、前記反応ガス流路の入口側に連通する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路の出口側に連通する反応ガス出口連通孔とが、積層方向に貫通して形成される燃料電池である。そして、反応ガス流路は、複数の流路溝を有し、前記流路溝が反応ガス出口連通孔に直接開放されている。
【００１０】
また、反応ガス入口連通孔と反応ガス流路との間には、バッファ部が設けられることが好ましい。反応ガス入口連通孔から導入される反応ガスは、バッファ部の作用下に濃度分布が均一化された後、反応ガス流路に供給されるため、均一な発電が確実に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、電解質・電極構造体の電極反応部は、反応ガス流路内に配置されることが好ましい。すなわち、バッファ部は、電極反応部の外部に設けられるため、このバッファ部には、発電による生成水が生成されることがない。従って、生成水による反応ガス流路への反応ガス供給不足を確実に阻止することが可能になる。
【００１２】
さらにまた、反応ガス流路は、少なくとも１つの折り返し部を有する屈曲乃至湾曲流路を構成することが好ましい。反応ガス流路に生成される生成水は、前記反応ガス流路の出口端部が直接開放される反応ガス連通孔に確実に排出され、排水性が良好に向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応ガス流路を構成する複数の流路溝が、反応ガス出口連通孔に直接開放されるため、前記反応ガス流路から前記反応ガス出口連通孔に向かって反応ガスの流速を高く保持することができる。流路抵抗の増加を引き起こすバッファ部が存在しないからである。一般的に、バッファ部内で滞留水が発生すると、反応ガスは、この滞留水を避けて反応ガス出口連通孔に流れ込み易い。このため、バッファ部内に反応ガスが流れ難い部位が発生し、前記バッファ部の上流側である反応ガス流路において、前記反応ガスの円滑な流れが妨げられるおそれがある。これにより、電極面内では、反応ガス流配の乱れや流路抵抗の増加が発生し、積層されているセル間での反応ガスの分配バラツキが惹起し易い。
【００１４】
従って、上記のバッファ部が存在しない本発明では、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に良好に排水することが可能になり、前記反応ガス流路に滞留水が発生することを阻止することができる。
【００１５】
しかも、反応ガス出口連通孔の周囲の生成水は、反応ガス流路の出口付近の生成水を表面張力により引き込むことができ、排水性を一層向上させることが可能になる。
【００１６】
これにより、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に生成水や結露水を確実に排出することができ、効率的な発電を良好に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００１８】
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、第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを、水平方向（矢印Ａ方向）に積層しており、通常、燃料電池スタックを構成する。
【００１９】
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た固体高分子電解質膜１８と、該固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード側電極２０及びアノード側電極２２とを備える。
【００２０】
カソード側電極２０及びアノード側電極２２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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１８の両面に形成される。
【００２１】
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、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）２４ａ、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（反応ガス出口連通孔）２６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
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）２６ａ、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）２４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向下端には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａが２つ設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向上端には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂが２つ設けられる。
【００２４】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３０が設けられる。酸化剤ガス流路３０は、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝３０ａは、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン流路（屈曲乃至湾曲流路）を構成する。
【００２５】
図１に示すように、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス入口連通孔２４ａとの間には、入口バッファ部３２が設けられる。入口バッファ部３２は、複数のエンボス（又はディンプル）３２ａを設ける。図３に示すように、酸化剤ガス流路３０の出口側では、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａが酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに直接開放される。
【００２６】
図１に示すように、カソード側電極２０の電極反応部３４は、酸化剤ガス流路３０内に配置される。すなわち、入口バッファ部３２及び酸化剤ガス流路３０の出口側（酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとの連通部近傍）は、電極反応部３４の外部に設けられる。
【００２７】
図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。燃料ガス流路３６は、酸化剤ガス流路３０と同様に、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン流路（屈曲乃至湾曲流路）を構成する複数の燃料ガス流路溝３６ａを有する。
【００２８】
燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔２６ａとの間には、入口バッファ部３８が設けられる。入口バッファ部３８は、複数のエンボス（又はディンプル）３８ａを設ける。燃料ガス流路３６の出口側では、複数の燃料ガス流路溝３６ａが燃料ガス出口連通孔２６ｂに直接開放される。
【００２９】
アノード側電極２２の電極反応部４０は、燃料ガス流路３６内に配置される。すなわち、入口バッファ部３８及び燃料ガス流路３６の出口側（燃料ガス出口連通孔２６ｂとの連通部近傍）は、電極反応部４０の外部に設けられる。
【００３０】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとには、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、冷却媒体を鉛直上方向に流通させる。
【００３１】
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の外周端部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端部を周回して第２シール部材４６が一体成形される。
【００３２】
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。
【００３３】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ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２６ａ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２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガス流路３０では、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３２に導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２０に沿って蛇行しながら移動する。
【００３５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入される。この燃料ガス流路３６では、図４に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部３８に導入された後、複数の燃料ガス流路溝３６ａに分散される。これにより、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２２に沿って蛇行しながら移動する。
【００３６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２２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。
【００３７】
次いで、カソード側電極２０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２４ｂに排出されるとともに（図１参照）、アノード側電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２６ｂに排出される（図４参照）。
【００３８】
一方、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路４２では、冷却媒体が鉛直上方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の電極反応部３４、４０の全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、図１及び図３に示すように、酸化剤ガス流路３０の出口側で、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａが酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに直接開放されている。このため、例えば、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとの間にバッファ部が設けられるものに比べて流路抵抗が良好に削減され、前記酸化剤ガス流路３０から前記酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに向かって酸化剤ガスの流速を高く保持することができる。
【００４０】
従って、反応（発電）により酸化剤ガス流路３０に生成される生成水は、前記酸化剤ガス流路３０から酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに良好且つ確実に排出され、該酸化剤ガス流路３０に滞留水が発生することを阻止することが可能になる。
【００４１】
しかも、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂの周囲の生成水は、酸化剤ガス流路３０の出口付近の生成水を表面張力によって引き込むことができる。このため、酸化剤ガス流路３０からの排水性を一層向上させることが可能になる。
【００４２】
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、酸化剤ガス流路を３０から酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに生成水や結露水を確実に排出することができ、効率的な発電を良好に行うことが可能になるという効果が得られる。
【００４３】
また、図１に示すように、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス入口連通孔２４ａとの間には、入口バッファ部３２が設けられている。従って、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから酸化剤ガス流路３０に導入される酸化剤ガスは、先ず、入口バッファ部３２の作用下に濃度分布が均一化された後、前記酸化剤ガス流路３０に供給される。このため、均一な発電が確実に遂行可能になるという利点がある。
【００４４】
その際、カソード側電極２０の電極反応部３４は、酸化剤ガス流路３０内に配置されており、入口バッファ部３２は、この電極反応部３４の外部に配置されている。これにより、入口バッファ部３２には、発電による生成水が生成されることがなく、前記生成水による酸化剤ガス流路３０への反応ガス供給不足を有効に阻止することができる。
【００４５】
なお、燃料ガス流路３６では、図４に示すように、複数の燃料ガス流路溝３６ａが燃料ガス出口連通孔２６ｂに直接開放されるとともに、前記燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔２６ａとの間には、電極反応部４０の外部に位置して入口バッファ部３８が設けられている。従って、燃料ガス流路３６では、上記の酸化剤ガス流路３０と同様の効果が得られる。
【００４６】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の要部分解斜視図である。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。
【００４７】
燃料電池５０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）５２を挟持する第１及び第２金属セパレータ５４、５６を備える。燃料電池５０では、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向に長尺に且つ互いの端部を近接させて設けられるとともに、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとが、同様に矢印Ｃ方向に長尺に且つ互いの端部を近接させて設けられる。
【００４８】
燃料電池５０の下部側には、例えば、燃料ガス出口連通孔２６ｂ側に単一の冷却媒体入口連通孔２８ａが設けられる一方、前記燃料電池５０の上部側には、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに近接して単一の冷却媒体出口連通孔２８ｂが設けられる。
【００４９】
第１金属セパレータ５４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとを連通して略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する酸化剤ガス流路６０が設けられる。酸化剤ガス流路６０は、複数の酸化剤ガス流路溝６０ａを有し、この酸化剤ガス流路溝６０ａの下流は、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに直接開放される。
【００５０】
図６に示すように、第２金属セパレータ５６の面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する燃料ガス流路６２が設けられる。燃料ガス流路６２は、複数の燃料ガス流路溝６２ａを有し、前記燃料ガス流路溝６２ａの下流は、燃料ガス出口連通孔２６ｂに直接開放される。
【００５１】
この第２の実施形態では、酸化剤ガス流路６０を構成する複数の酸化剤ガス流路溝６０ａが、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに直接開放されるとともに、前記酸化剤ガス流路６０と前記酸化剤ガス入口連通孔２４ａとの間には、電極反応部３４の外部に位置して入口バッファ部３２が設けられている（図５参照）。
【００５２】
一方、燃料ガス流路６２を構成する複数の燃料ガス流路溝６２ａは、燃料ガス出口連通孔２６ｂに直接開放されるとともに、前記燃料ガス流路６２と燃料ガス入口連通孔２６ａとの間には、電極反応部４０の外部に位置して入口バッファ部３８が設けられている（図６参照）。
【００５３】
従って、酸化剤ガス流路６０及び燃料ガス流路６２から酸化剤ガス出口連通孔２４ｂ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂに良好に排水することができ、滞留水の発生を確実に阻止して効率的な発電が遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】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図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの要部拡大斜視図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】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図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている燃料電池の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０、５０…燃料電池                    １２、５２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、５４、５６…金属セパレータ  １８…固体高分子電解質膜
２０…カソード側電極                    ２２…アノード側電極
２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔            ２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２６ａ…燃料ガス入口連通孔              ２６ｂ…燃料ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔              ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０、６０…酸化剤ガス流路              ３０ａ、６０ａ…酸化剤ガス流路溝
３２、３８…入口バッファ部              ３４、４０…電極反応部
３６、６２…燃料ガス流路                ３６ａ、６２ａ…燃料ガス流路溝
４２…冷却媒体流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006252873.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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