JP4989080B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

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、金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と一方の金属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内部マニホールド型の燃料電池に関する。

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（単位セル）により構成されている。通常、燃料電池では、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が使用されている。

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、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、反応ガス入口連通孔から反応ガス流路を介して反応ガス出口連通孔に至る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、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用セパレータが知られている。このセパレータは、図１０に示すように、燃料ガス導入口１が貫通して形成されるとともに、この燃料ガス導入口１には、導入部（バッファ部）２が連なっている。導入部２は、燃料ガス導入口１の上下に拡幅部２ａ、２ｂを有し、上下に拡大して構成されている。

導入部２内には、複数の正方形状の凸部３が縦横に等間隔で配置されており、全体として格子状の流路溝４が形成されている。導入部２には、帯状の凸部５、６及び７が形成されており、それぞれ幅方向に並列している。この帯状の凸部５〜７は、燃料ガス導入口１から導入部２に流入した燃料ガスが鉛直下方向に流下することを阻止し、前記燃料ガスを横方向に案内する機能を有している。

特開２００３−７７４９７号公報（図３）

ところで、セパレータとしては、カーボンセパレータに代えて、薄板状の金属プレートで構成される金属セパレータが使用される場合がある。この金属セパレータでは、プレス加工によって一方の面に反応ガス流路及びバッファ部が形成されると、他方の面には、前記反応ガス流路及び前記バッファ部の形状により決定された冷却媒体流路（又は他の反応ガス流路）及びバッファ形状部が形成されることになる。

このため、上記の特許文献１のセパレータを金属セパレータに適用すると、前記金属セパレータの裏面側の冷却媒体流路又は他の反応ガス流路には、導入部２に対応するバッファ形状部が形成されてしまう。従って、この裏面側のバッファ形状部では、反応ガスや冷却媒体が流れ難くなる領域が発生し易く、この領域で水の滞留が惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの両面に反応ガスや冷却媒体等の所望の流体を円滑且つ確実に流すことができ、効率的な発電を良好に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。

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、金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と一方の金属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、積層方向に貫通して前記反応ガス流路の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔が形成される内部マニホールド型の燃料電池に関するものである。

金属セパレータは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に取り付け部を設けるとともに、前記取り付け部に着脱自在な流路部材を備え、前記流路部材は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する流路溝を有している。

また、反応ガス流路は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路の流路溝深さが前記酸化剤ガス流路の流路溝深さよりも浅く設定されるとともに、反応ガス連通孔は、燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔を有し、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス連通孔との間に取り付けられる燃料ガス側の流路部材の流路溝深さは、前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス連通孔との間に取り付けられる酸化剤ガス側の流路部材の流路溝深さよりも浅く設定されることが好ましい。

さらに、反応ガス連通孔は、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を有し、前記反応ガス入口連通孔と反応ガス流路との間に配設される第１の流路部材と、前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路との間に配設される第２の流路部材とは、同一形状を有し且つ互いに同一面内で反転して取り付けられることが好ましい。

さらにまた、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、金属セパレータとが積層される単位セルを備え、１又は２以上の前記単位セル間には、電極面に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路の入口側又は出口側に連通する冷却媒体連通孔が形成される内部マニホールド型の燃料電池に関するものである。

金属セパレータは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間に取り付け部を設けるとともに、前記取り付け部に着脱自在な流路部材を備え、前記流路部材は、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連通する流路溝を有している。

また、取り付け部と流路部材とを互いに位置決めするための凹凸部位が設けられることが好ましい。

本発明によれば、金属セパレータは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に取り付け部を設けるとともに、前記取り付け部には、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する流路溝を有する流路部材が着脱自在に構成されている。また、金属セパレータは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間に取り付け部を設けるとともに、前記取り付け部には、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連通する流路溝を有する流路部材が着脱自在に構成されている。

このため、波板形状に成形された金属セパレータの表裏には、それぞれ所望の形状を有する流路溝を容易且つ確実に設けることができ、反応ガスや冷却媒体等の種々の流体を均一に分配することが可能になる。これにより、特に反応ガス流路から滞留水を良好に排出することができ、安定した発電性能を有するとともに、耐久性の向上を図って効率的な発電が良好に遂行可能になる。

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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

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）に積層して単位セルを構成しており、通常、複数の前記燃料電池１０がスタック化されている。

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。

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。

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（反応ガス連通孔）３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、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（反応ガス連通孔）３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

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（反応ガス連通孔）３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔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（反応ガス連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図１〜図３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）３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝３６ａと凸部３６ｂとを交互に有する。

酸化剤ガス流路３６の両端部と酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとの間には、第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂが設けられる。第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂは、平坦面を構成するとともに、前記第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂには、第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂが着脱自在である（図１参照）。

第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂは、金属プレートをプレス加工して構成され、酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとを連通する第１流路溝４２ａ、及び前記酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２流路溝４２ｂを有する。第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂは、同一形状を有しており、互いに同一面内で反転して第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂに取り付けられる。

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）４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、酸化剤ガス流路３６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝４４ａと凸部４４ｂとを交互に有する。

燃料ガス流路４４の両端部と燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとの間には、第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂが設けられる。第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂは、平坦面を構成するとともに、前記第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂには、第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂが着脱自在である。

第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂは、金属プレートをプレス加工して構成され、燃料ガス流路４４と燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する第１流路溝５０ａ、及び前記燃料ガス流路４４と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第２流路溝５０ｂを有する。第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂは、同一形状を有しており、互いに同一面内で反転して第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂに取り付けられる。

燃料ガス側である燃料ガス流路４４と第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂとの溝深さは、酸化剤ガス側である酸化剤ガス流路３６と第１及び第２流路溝４２ａ、４２ｂとの溝深さよりも浅く設定される。

図１〜図３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３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路５２が一体に形成される。冷却媒体流路５２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝５２ａと凸部５２ｂとを交互に有する（図１参照）。

冷却媒体流路５２の両端部と冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂとの間には、第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂが設けられる。第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂは、第１金属セパレータ１４の第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂと第２金属セパレータ１６の第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂとの裏面側に対応しており、平坦面を構成する。第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂには、第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂが着脱自在である（図１及び図５参照）。

第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂは、金属プレートをプレス加工して構成され、冷却媒体流路５２と冷却媒体入口連通孔３２ａとを連通する第１流路溝５８ａ、及び前記冷却媒体流路５２と冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する第２流路溝５８ｂを有する。第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂは、同一形状を有しており、互いに同一面内で反転して第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂに取り付けられる（図１参照）。

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６０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６２が一体成形される。

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。

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３４ａ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３２ａ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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガス流路３６では、酸化剤ガスが第１流路部材４０ａの第１流路溝４２ａに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３６ａ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に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガス流路４４では、図４に示すように、燃料ガスが第１流路部材４８ａの第１流路溝５０ａに導入された後、複数の燃料ガス流路溝４４ａ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に沿って移動する。

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。

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、第２流路部材４０ｂの第２流路溝４２ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、第２流路部材４８ｂの第２流路溝５０ｂから燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される（図４参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａ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４８に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路４８では、冷却媒体が第１流路部材５６ａの第１流路溝５８ａに導入された後、複数の冷却媒体流路溝５２ａに分散される。

従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面（電極面）全面にわたって冷却した後、第２流路部材５６ｂの第２流路溝５８ｂから冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図４に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ａには、第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂが設けられている。そして、この第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂには、燃料ガス流路４４と燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂを有する第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂが取り付けられている。

一方、第２金属セパレータ１６の面１６ｂには、図１に示すように、第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂが設けられるとともに、前記第１及び第２取り付け部５４ａ、５４ｂには、第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂが取り付けられている。この第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂは、冷却媒体流路５２と冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する第１及び第２流路溝５８ａ、５８ｂを有している。

このため、波板形状に成形された第２金属セパレータ１６の表裏両方の面１６ａ、１６ｂには、それぞれ所望の形状を有する第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂ及び第１及び第２流路溝５８ａ、５８ｂを容易且つ確実に設けることができる。これにより、面１６ａ側では、燃料ガス流路４４に沿って燃料ガスを均一且つ良好に分配することが可能になるとともに、面１６ｂ側では、冷却媒体流路５２に沿って冷却媒体を均一且つ良好に分配することができる。

しかも、特に燃料ガス流路４４では、第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂを取り付けることにより面１６ａ内で滞留水が残存することを阻止することができる。このため、滞留水を燃料ガス出口連通孔３４ｂに良好に排出することができ、安定した発電性能を有するとともに、耐久性の向上を図って効率的な発電が良好に遂行可能になるという効果が得られる。

さらに、第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂは、同一構造を有して同一形状、すなわち同一長さの第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂを有している。従って、各燃料ガス流路溝４４ａと第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂとを繋ぐ流路溝長さは、それぞれ同等の長さに設定され、流路溝長さの差による圧損の影響を回避することができ、各燃料ガス流路溝４４ａに燃料ガスを良好に分配することが可能になる。

さらにまた、第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂは、燃料ガス流路溝４４ａと燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連続して連通する第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂを有している。このため、従来のエンボス等を用いるものに比べて、燃料ガスの分配性及び水の排出性が有効に向上するという利点がある。

しかも、第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂを第１及び第２取り付け部４６ａ、４６ｂに取り付けることにより、燃料ガスの圧損を大きくすることができる。これにより、燃料ガス入口連通孔３４ａから燃料ガス流路溝４４ａへの燃料ガスの分配性がさらに向上する。

なお、第１金属セパレータ１４では、上記の第２金属セパレータ１６と同様の効果が得られるものであり、その詳細な説明は省略する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０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。また、以下に説明する第３〜第５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。

燃料電池７０では、第１金属セパレータ１４に設けられた第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂに第１及び第２流路部材７２ａ、７２ｂが着脱自在である。第１及び第２流路部材７２ａ、７２ｂは、酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとを連通する第１流路溝７４ａ、及び前記酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２流路溝７４ｂとを有する。第２金属セパレータ１６には、図示していないが、面１６ａに第１及び第２流路部材７２ａ、７２ｂと同一の第１及び第２流路部材が着脱自在である。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、第１金属セパレータ１４において、酸化剤ガス流路溝３６ａと酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを、所望の流路形状を有する第１及び第２流路溝７４ａ、７４ｂにより連続して連通することができる。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図である。

燃料電池８０を構成する第１金属セパレータ１４は、第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂと第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂとを互いに位置決めするための凹凸部位８２を備える。この凹凸部位８２は、第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂに設けられ、面１４ａ側に膨出する上下２箇所の凸部８４と、第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂに設けられ、前記凸部８４に対応する凹部８６とを備える。凹凸部位８２では、凸部８４が凹部８６に嵌合することにより、第１及び第２流路部材４０ａ、４０ｂが前記第１及び第２取り付け部３８ａ、３８ｂに位置決めされる。

なお、第１金属セパレータ１４に取り付けられる第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂ、第２金属セパレータ１６の面１６ａに取り付けられる第１及び第２流路部材４８ａ、４８ｂ、及び面１６ｂに取り付けられる第１及び第２流路部材５６ａ、５６ｂは、上記と同様に構成される凹凸部位８２を介して位置決めがされる。

これにより、第３の実施形態では、第１流路部材４０ａ、４８ａ及び５６ａと第２流路部材４０ｂ、４８ｂ及び５６ｂとは、凹凸部位８２を介して第１及び第２金属セパレータ１４、１６の面１４ａ、１４ｂ、１６ａ及び１６ｂの所望の部位に正確且つ容易に取り付けることができ、作業性が一層簡素化されるという利点が得られる。なお、凹凸部位８２は、任意の位置に且つ任意の個数だけ設けることができるとともに、凹部８６と凸部８４とは、いずれの部材に設けてもよい。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視図である。

燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）９２と、第１及び第２金属セパレータ９４、９６とを矢印Ａ方向に積層する。燃料電池９０の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス入口連通孔３４ａが矢印Ａ方向に連通して設けられる。燃料電池９０の矢印Ｃ方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ａ方向に連通して設けられる。

第１金属セパレータ９４の面９４ａには、鉛直下方向に向かって延在する酸化剤ガス流路３６が設けられるとともに、面９４ｂには、鉛直下方向に向かって冷却媒体流路４８が設けられる。第２金属セパレータ９６の面９６ａには、鉛直下方向に向かって燃料ガス流路４４が設けられるとともに、面９６ｂには、鉛直下方向に向かって冷却媒体流路５２が設けられる。酸化剤ガス流路３６を流れる酸化剤ガスと燃料ガス流路４４を流れる燃料ガスとは、互いに平行流を構成する。

この場合、第４の実施形態では、比較的粘度が低く、流量が少ない燃料ガス側の燃料ガス流路溝４４ａと第１及び第２流路溝５０ａ、５０ｂの溝深さは、酸化剤ガス側の酸化剤ガス流路溝３６ａと第１及び第２流路溝４２ａ、４２ｂとの溝深さよりも浅く設定されている。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスは、鉛直下方向に向かって流れる平行流として設定されている。

これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス入口連通孔３０ａから燃料ガス出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かって共に圧力が降下し、圧損を合わせた時の極間差圧を有効に小さくすることができる。従って、燃料ガスと酸化剤ガスとは、気密にシールされて互いに混在することがなく、固体高分子電解質膜１８への負担が低減されて該固体高分子電解質膜１８の耐久性が良好に向上するという効果がある。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１００の要部断面説明図である。

燃料電池１００は、第１金属セパレータ１４、電解質膜・電極構造体１２、第３金属セパレータ１０２、電解質膜・電極構造体１２及び第２金属セパレータ１６をユニット１０４とし、前記ユニット１０４が矢印Ａ方向に積層して構成される。

このように構成される燃料電池１００では、各電解質膜・電極構造体１２の間に冷却媒体流路５２を設ける第１〜第４の実施形態とは異なり、２つの前記電解質膜・電極接合体１２毎に前記冷却媒体流路５２が設けられている。いわゆる、間引き冷却構造を採用する。このため、燃料電池１００は、積層方向の寸法が一挙に短尺化することができ、前記燃料電池１００全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。

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。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 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。 前記第２金属セパレータの一部斜視説明図である。 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。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータの説明図である。

符号の説明

１０、７０、９０、１００…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、９４、９６、１０２…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
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３６ａ…酸化剤ガス流路溝
３８ａ、３８ｂ、４６ａ、４６ｂ、５４ａ、５４ｂ…取り付け部
４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６ａ、５６ｂ、７２ａ、７２ｂ…流路部材
４２ａ、４２ｂ、５０ａ、５０ｂ、５８ａ、５８ｂ、７４ａ、７４ｂ…流路溝
４４…燃料ガス流路 ４４ａ…燃料ガス流路溝
５２ａ…冷却媒体流路溝

Claims (6)

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、波板形状部を有する金属セパレータとが積層される単位セルを複数個備え、前記電解質・電極構造体と一方の金属セパレータの波板形状部との間には、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、且つ前記単位セル同士の間に、電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、前記単位セルに、前記反応ガス流路の入口側又は出口側に連通する反応ガス連通孔と、前記冷却媒体流路の入口側又は出口側に連通する冷却媒体連通孔とが、ともに積層方向に貫通して形成され、前記反応ガスが、前記金属セパレータの前記反応ガス連通孔と、該反応ガス連通孔に隣接して形成された反応ガス連絡通路とを通過した後に前記反応ガス流路に流通し、且つ前記冷却媒体が、前記金属セパレータの前記冷却媒体連通孔と、該冷却媒体連通孔に隣接して形成された冷却媒体連絡通路とを通過した後に前記冷却媒体流路に流通する内部マニホールド型の燃料電池であって、
   前記金属セパレータの一端面に、前記反応ガス流路と前記反応ガス連絡通路との間に反応ガス用取り付け部を設けるとともに、
   前記反応ガス用取り付け部のみに着脱自在な反応ガス用流路部材を備え、
   前記反応ガス用流路部材は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連絡通路とを連通する流路溝を有し、
   前記金属セパレータの前記一端面の裏面である他端面に、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連絡通路との間に冷却媒体用取り付け部を設けるとともに、
   前記冷却媒体用取り付け部のみに着脱自在な冷却媒体用流路部材を備え、
   前記冷却媒体用流路部材は、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連絡通路とを連通する流路溝を有し、
   前記冷却媒体用取り付け部は、前記反応ガス用取り付け部と表裏の位置関係にあり、前記冷却媒体用流路部材は、前記反応ガス用流路部材の裏面に位置す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、前記反応ガス流路は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路の流路溝深さが前記酸化剤ガス流路の流路溝深さよりも浅く設定されるとともに、
   前記反応ガス連通孔は、燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔を有し、且つ前記反応ガス連絡通路は、前記燃料ガス連通孔に隣接する燃料ガス連絡通路、及び前記酸化剤ガス連通孔に隣接する酸化剤ガス連絡通路を有し、
   前記燃料ガス流路と、前記燃料ガス連絡通路との間に取り付けられる燃料ガス側の前記反応ガス用流路部材の流路溝深さは、前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス連絡通路との間に取り付けられる酸化剤ガス側の前記反応ガス用流路部材の流路溝深さよりも浅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、前記反応ガス連通孔は、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を有し、
   前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路との間に配設される第１の前記反応ガス用流路部材と、前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路との間に配設される第２の前記反応ガス用流路部材とは、同一形状を有し且つ互いに同一面内で反転して取り付けられることを特徴とする燃料電池。
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、前記反応ガス用取り付け部と前記反応ガス用流路部材とを互いに位置決めするための凹凸部位、又は、前記冷却媒体用取り付け部と前記冷却媒体用流路部材とを互いに位置決めするための凹凸部位が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 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、波板形状部を有する金属セパレータとが積層される単位セルを備え、前記電解質・電極構造体と一方の金属セパレータの波板形状部との間には、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、
   且つ１又は２以上の前記単位セル間には、電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、前記単位セルに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路の入口側又は出口側に連通する冷却媒体連通孔が形成され、前記冷却媒体が、前記金属セパレータの前記冷却媒体連通孔と、該冷却媒体連通孔に隣接して形成された冷却媒体連絡通路を通過した後、前記冷却媒体流路に流通する内部マニホールド型の燃料電池であって、
   前記金属セパレータの一端面に、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連絡通路との間に冷却媒体用取り付け部を設けるとともに、
   前記冷却媒体用取り付け部のみに着脱自在な冷却媒体用流路部材を備え、
   前記冷却媒体用流路部材は、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連絡通路とを連通する流路溝を有することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記冷却媒体用取り付け部と前記冷却媒体用流路部材とを互いに位置決めするための凹凸部位が設けられることを特徴とする燃料電池。

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