(57)【要約】【課題】簡単な構成で、反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出す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１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路２６が形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端には、生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられる。第１カソード排水通路３２は、重力方向下方から第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス流れ方向に向かって傾斜する複数の連結通路３２ａを有する。【選択図】図１
2013206762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路の重力方向下方には、前記セパレータの前記長手方向に延在する排水用流路が設けられるとともに、
前記反応ガス流路の重力方向最下端と前記排水用流路とを連通する複数の連結通路を備え、
前記連結通路は、重力方向下方から前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって傾斜す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、前記連結通路は、前記セパレータを構成する金属プレートの前記反応ガス流路側の面及び該面とは反対の面に交互に形成される凹凸形状部により構成さ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、前記セパレータの水平方向一端下部には、前記反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、
前記反応ガス出口連通孔には、前記排水用流路が連通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、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けら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設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が電極面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。
【０００５】
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路（特に、酸化剤ガス流路）の重力方向下端側には、重力の作用により水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。
【０００６】
そこで、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、図１７に示すように、セル１の積層方向と直交する前記セル１の主面１ａ、１ｃが鉛直方向に配置されて使用されている。
【０００７】
各セル１では、前記セル１の主面１ａ、１ｃが鉛直方向に配置された際に、アノード側セパレータ２ａ及びカソード側セパレータ２ｃの内面のうち、触媒層３ａ、３ｃ及び拡散層４ａ、４ｃよりも下方に位置する部位には、排水流路用のアノード側溝部５ａ及びカソード側溝部５ｃが設けられている。
【０００８】
アノード側溝部５ａは、アノード側セパレータ２ａの燃料ガス流路６ａとは連通しておらず、セル１中の水を集める機能を有している。カソード側溝部５ｃは、カソード側セパレータ２ｃの酸化剤ガス流路６ｃとは連通しておらず、セル１中の水を集める機能を有している。
【０００９】
このように構成される燃料電池では、アノード側溝部５ａ及びカソード側溝部５ｃよりも上方に位置する発電領域から、水が重力により落ちてきて前記アノード側溝部５ａ及び前記カソード側溝部５ｃに溜められるため、発電領域内の水は、重力により水を除去することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３５１３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１では、アノード側溝部５ａ及びカソード側溝部５ｃは、燃料ガス流路６ａ及び酸化剤ガス流路６ｃとは連通していない。従って、燃料ガス流路６ａ内の水及び酸化剤ガス流路６ｃ内の水は、拡散層４ａ、４ｃを透過して前記アノード側溝部５ａ及びカソード側溝部５ｃに自重により集められている。
【００１２】
しかしながら、発電時において、特に酸化剤ガス流路６ｃには、多量の生成水が発生している。このため、酸化剤ガス流路６ｃには、拡散層４ｃを透過する水分量に比べて多量の滞留水が発生し易い。これにより、酸化剤ガス流路６ｃからカソード側溝部５ｃに水を効果的に除去することができないという問題がある。従って、酸化剤ガス流路６ｃには、滞留水が残存してしまい、酸化剤ガスの円滑な流れが阻止されるとともに、アノード側からカソード側にクロスリークが発生するおそれがある。
【００１３】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関するものである。
【００１５】
この燃料電池では、反応ガス流路の重力方向下方には、セパレータの長手方向に延在する排水用流路が設けられるとともに、前記反応ガス流路の重力方向最下端と前記排水用流路とを連通する複数の連結通路を備えている。そして、各連結通路は、重力方向下方から前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって傾斜している。
【００１６】
また、この燃料電池では、連結通路は、セパレータを構成する金属プレートの反応ガス流路側の面及び該面とは反対の面に交互に形成される凹凸形状部により構成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池では、セパレータの水平方向一端下部には、反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、前記反応ガス出口連通孔には、排水用流路が連通することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水平方向に長尺な電極面に沿って反応ガスが流通されると、反応により水が生成されるとともに、この水は、反応ガス流路の重力方向下方に移動して滞留水を形成し易い。その際、反応ガス流路の重力方向下方には、連結通路が設けられており、前記反応ガス流路の重力方向下方に移動した水は、前記連結通路から排水用流路に排出されている。
【００１９】
ここで、連結通路は、重力方向下方から反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって傾斜している。従って、反応ガス流路の重力方向下部に滞留する水は、自重と反応ガスの流動による流体圧とを介し、連結通路から排水用流路に強制的に排出されている。
【００２０】
これにより、簡単な構成で、反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出することが可能になる。このため、反応ガス流路の下部には、滞留水によるアノード側からカソード側へのクロスリークが発生することを良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図６】前記第１金属セパレータの、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】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。
【図８】前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。
【図９】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。
【図１０】前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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１５】本発明の第２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。
【図１６】前記発電ユニットの、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】特許文献１に開示されている燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１〜図４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は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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（又は直線状流路溝部）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、それぞれ複数のエンボスを有する入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。
【００２９】
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。
【００３０】
第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端には、前記第１酸化剤ガス流路２６から生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられる。第１カソード排水通路３２は、第１金属セパレータ１４の面１４ａ及び該面１４ａとは反対の面１４ｂに交互に形成される凹凸形状部３４ａ、３４ｂにより構成される複数の連結通路３２ａを有する。
【００３１】
凹凸形状部３４ａ、３４ｂは、第１金属セパレータ１４にプレス成形されるとともに、重力方向下方（矢印Ｃ１方向）から第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ１方向）に向かって角度α゜だけ傾斜する。凹凸形状部３４ａは、面１４ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部３４ｂは、面１４ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する（図６参照）。
【００３２】
図２に示すように、凹凸形状部３４ａは、後述する第１樹脂枠部材８０に当接して第１カソード排水通路３２を部分的に閉塞する。図５に示すように、第１カソード排水通路３２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路３６が設けられる。排水用流路３６は、第１酸化剤ガス流路２６の１本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００３３】
連結通路３２ａは、凹凸形状部３４ａ間、すなわち、凹凸形状部３４ｂに沿って設けられており、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向最下端と排水用流路３６とを連通する。連結通路３２ａは、重力方向下方から第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス流れ方向に向かって角度α°（好ましくは、１０゜〜４５゜）だけ傾斜する。
【００３４】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８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５８の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００３５】
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４０が形成される。第１燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）４０ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４２ａ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４２ｂが形成される。
【００３６】
第１燃料ガス流路４０の重力方向下端には、前記第１燃料ガス流路４０から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第１アノード排水通路４４が設けられる。第１アノード排水通路４４は、第２金属セパレータ１８の面１８ａ及び該面１８ａとは反対の面１８ｂに交互に形成される凹凸形状部４６ａ、４６ｂにより構成される複数の連結通路４４ａを有する。
【００３７】
凹凸形状部４６ａ、４６ｂは、第２金属セパレータ１８にプレス成形されるとともに、重力方向下方（矢印Ｃ１方向）から第１燃料ガス流路４０の燃料ガス流れ方向（矢印Ｂ２方向）とは逆方向（矢印Ｂ１方向）に向かって角度α゜だけ傾斜する。凹凸形状部４６ａは、面１８ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部４６ｂは、面１８ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する。
【００３８】
凹凸形状部４６ａは、図２に示すように、後述する第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７８に当接して第１アノード排水通路４４を部分的に閉塞する。図７に示すように、第１アノード排水通路４４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路４８が設けられる。排水用流路４８は、排出孔部４２ｂに連通する。連結通路４４ａは、凹凸形状部４６ａ間、すなわち、凹凸形状部４６ｂに沿って設けられており、第１燃料ガス流路４０の重力方向最下端と排水用流路４８とを連通する。排水用流路４８は、第１燃料ガス流路４０の１本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、排出孔部４２ｂに連通する。
【００３９】
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５０が形成される。第２酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）５０ａを有する。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５２ａ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５２ｂが形成される。
【００４０】
第２酸化剤ガス流路５０の重力方向下端には、前記第２酸化剤ガス流路５０から生成水を重力方向下方に排出するための第２カソード排水通路５４が設けられる。第２カソード排水通路５４は、第１アノード排水通路４４の裏面形状である凹凸形状部４６ａ、４６ｂにより構成される複数の連結通路５４ａを有する。
【００４１】
図２に示すように、凹凸形状部４６ｂは、後述する第２樹脂枠部材８２に当接して第２カソード排水通路５４を部分的に閉塞する。図８に示すように、第２カソード排水通路５４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路５６が設けられる。排水用流路５６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４２】
連結通路５４ａは、凹凸形状部４６ｂ間、すなわち、凹凸形状部４６ａに沿って設けられており、第２酸化剤ガス流路５０の重力方向最下端と排水用流路５６とを連通する。連結通路５６ａは、重力方向下方から第２酸化剤ガス流路５０の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ１方向）に向かって角度α゜だけ傾斜する。
【００４３】
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５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）５８ａを有する。
【００４４】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部６０ａ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６０ｂが形成される。図１及び図３に示すように、供給孔部６０ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部４２ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部６０ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部４２ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。
【００４５】
図９に示すように、第２燃料ガス流路５８の重力方向下端には、前記第２燃料ガス流路５８から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第２アノード排水通路６２が設けられる。第２アノード排水通路６２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａ及び該面２０ａとは反対の面２０ｂに交互に形成される凹凸形状部６４ａ、６４ｂにより構成される複数の連結通路６２ａを有する。
【００４６】
凹凸形状部６４ａ、６６ｂは、第３金属セパレータ２０にプレス成形されるとともに、重力方向下方（矢印Ｃ１方向）から第２燃料ガス流路５８の燃料ガス流れ方向とは逆方向（矢印Ｂ１方向）に向かって角度α゜だけ傾斜する。凹凸形状部６４ａは、面２０ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸形状部６４ｂは、面２０ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する。
【００４７】
図２に示すように、凹凸形状部６４ａは、後述する第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に当接して第２アノード排水通路６２を部分的に閉塞する。図９に示すように、第２アノード排水通路６２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路６６が設けられる。排水用流路６６は、第２燃料ガス流路５８の１本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、排出孔部６０ｂに連通する。
【００４８】
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５８の裏面形状である冷却媒体流路３８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３８が一体に設けられる。冷却媒体流路３８の重力方向下端には、第２アノード排水通路６２の裏面形状である凹凸形状部６４ａ、６４ｂが設けられる。
【００４９】
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６８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７０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７２が一体成形される。
【００５０】
第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７２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。
【００５１】
図５に示すように、第１シール部材６８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との外周を連通する第１凸状シール部６８ａを有する。第１シール部材６８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３８との外周を連通する第２凸状シール部６８ｂを有する。
【００５２】
図７に示すように、第２シール部材７０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂと、第１燃料ガス流路４０とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部７０ａを有する。
【００５３】
図８に示すように、第２シール部材７０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５０との外周を連通する第２凸状シール部７０ｂを有する。
【００５４】
図９に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂと、第２燃料ガス流路５８とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部７２ａを有する。
【００５５】
図１０に示すように、第３シール部材７２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３８とを連通する第２凸状シール部７２ｂを有する。
【００５６】
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７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード電極７６及びアノード電極７８とを備える。カソード電極７６は、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４の表面積よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極７６、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４は、同一の表面積に設定してもよく、前記アノード電極７８は、前記カソード電極７６及び固体高分子電解質膜７４の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。
【００５７】
カソード電極７６及びアノード電極７８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７４の両面に形成される。
【００５８】
第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第１樹脂枠部材８０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７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第２樹脂枠部材８２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８０及び第２樹脂枠部材８２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。
【００５９】
図１１及び図１２に示すように、第１樹脂枠部材８０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８０ａ、８０ｂ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８０ｃ、８０ｄとを有する。
【００６０】
第１樹脂枠部材８０のカソード電極７６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入口バッファ部８４ａ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８４ｂが設けられる。
【００６１】
図１２に示すように、第１樹脂枠部材８０のアノード電極７８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路４０との間に位置して入口バッファ部８６ａ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４０との間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。
【００６２】
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８２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８２ａ、８２ｂ、８２ｃ及び８２ｄを有する。
【００６３】
第２樹脂枠部材８２のカソード電極７６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５０との間に位置して入口バッファ部８８ａ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５０との間に位置して出口バッファ部８８ｂが形成される。
【００６４】
第２樹脂枠部材８２のアノード電極７８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５８との間に位置して入口バッファ部９０ａ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５８との間に位置して出口バッファ部９０ｂが設けられる。
【００６５】
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３８が形成される。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
このため、酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８４ａ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。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８８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。
【００６９】
酸化剤ガスは、図１、図５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７６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５０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７６に供給される。
【００７０】
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から供給孔部４２ａを通って入口バッファ部８６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８６ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部６０ａを通って入口バッファ部９０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。
【００７１】
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４０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７８に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８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７８に供給される。
【００７２】
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７６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７８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。
【００７３】
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７６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。
【００７４】
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７８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８６ｂ、９０ｂから排出孔部４２ｂ、６０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００７５】
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、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３８に供給される。冷却媒体は、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。
【００７６】
上記のように、燃料電池１０内の各発電ユニット１２が発電されると、発電反応により第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路５０に生成水が発生する。例えば、第１酸化剤ガス流路２６は、水平方向に長尺に形成されており、生成水は、前記第１酸化剤ガス流路２６の途上から重力下方向に移動して発電面の重力方向下方に滞留し易い。
【００７７】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端に、前記第１酸化剤ガス流路２６から生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられている。
【００７８】
第１カソード排水通路３２は、凹凸形状部３４ａ間に沿って設けられ、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向最下端と排水用流路３６とを連通する複数の連結通路３２ａを有している。このため、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下方に移動した水は、連結通路３２ａから排水用流路３６に排出されている。
【００７９】
その際、連結通路３２ａは、重力方向下方（矢印Ｃ１方向）から第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ１方向）に向かって角度α゜だけ傾斜している。従って、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下部に滞留する水は、自重と酸化剤ガスの流動による流体圧とを介し、連結通路３２ａから排水用流路３６に強制的に排出されている。
【００８０】
これにより、簡単な構成で、第１酸化剤ガス流路２６内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記第１酸化剤ガス流路２６から排出することが可能になるという効果が得られる。このため、第１酸化剤ガス流路２６の下部には、滞留水によるアノード側からカソード側へのクロスリークが発生することを良好に抑制することができる。また、第２酸化剤ガス流路５０では、上記の第１酸化剤ガス流路２６と同様の効果が得られる。
【００８１】
一方、第１燃料ガス流路４０及び第２燃料ガス流路５８には、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路５０から固体高分子電解質膜７４を逆拡散した生成水が存在している。この生成水は、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路５０の生成水よりも少量である。
【００８２】
従って、第１燃料ガス流路４０及び第２燃料ガス流路５８の途上から重力下方向に移動する生成水は、第１アノード排水通路４４及び第２アノード排水通路６２を通って排水用流路４８、６６に流動した後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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４０が設けられるとともに、前記燃料ガス流路４０の重力方向下端には、前記燃料ガス流路４０から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するためのアノード排水通路４４が設けられる。第２金属セパレータ１２４の他方の面１２４ｂに、冷却媒体流路３８の一部が構成される。
【００８６】
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。
【００８７】
このように構成される第２の実施形態では、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１カソード排水通路３２が設けられるとともに、前記第１カソード排水通路３２は、重力方向下方から第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス流れ方向に向かって傾斜する複数の連結通路３２ａを有している。
【００８８】
このため、簡単な構成で、第１酸化剤ガス流路２６内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記第１酸化剤ガス流路２６から排出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。
【符号の説明】
【００８９】
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
１６、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、５０…酸化剤ガス流路        ３２、５４…カソード排水通路
３２ａ、４４ａ、５４ａ、５６ａ、６２ａ…連結通路
３４ａ、３４ｂ、４６ａ、４６ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６ｂ…凹凸形状部
３６、４８、５６、６６…排水用流路
３８…冷却媒体流路                ４０、５８…燃料ガス流路
４４、６２…アノード排水通路      ６８、７０、７２…シール部材
７４…固体高分子電解質膜          ７６…カソード電極
７８…アノード電極                ８０、８２…樹脂枠部材
【図１】
2013206762.tif 000003
【図２】
2013206762.tif 000004
【図３】
2013206762.tif 000005
【図４】
2013206762.tif 000006
【図５】
2013206762.tif 000007
【図６】
2013206762.tif 000008
【図７】
2013206762.tif 000009
【図８】
2013206762.tif 000010
【図９】
2013206762.tif 000011
【図１０】
2013206762.tif 000012
【図１１】
2013206762.tif 000013
【図１２】
2013206762.tif 000014
【図１３】
2013206762.tif 000015
【図１４】
2013206762.tif 000016
【図１５】
2013206762.tif 000017
【図１６】
2013206762.tif 000018
【図１７】
2013206762.tif 000019