(57)【要約】【課題】流路を流れる反応ガスの流速の低下を抑え、流路における水の滞留を抑制する。【解決手段】燃料電池のセパレータには、反応ガスを電極へ供給するガス供給部が設けられ、ガス供給部には、流入部から流出部に向かって上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５が順次形成されている。上流側直線部５１においては、流路４３Ａ、４３Ｂの上流側部分が互いに平行に直線状に伸長し、接近部５２においては、流路４３Ａ、４３Ｂの下流側部分が合流部５３に向かうに従って互いに徐々に接近し、合流部５３においては、流路４３Ａ、流路４３Ｂの下流端側部分が互いに合流し、かつ流路４３Ｃの上流端側部分に接続され、方向変更部５４においては、流路４３Ｃの上流側部分が曲がることにより流路４３Ｃの方向が変更され、下流側直線部５５においては、流路４３Ｃの下流側部分が直線状に伸長している。【選択図】図５
2020123530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の両側にそれぞれ配置された一対の電極と、
前記一対の電極のうちの一方の電極の外側に前記一方の電極に対向するように配置された第１のセパレータと、
前記一対の電極のうちの他方の電極の外側に前記他方の電極に対向するように配置された第２のセパレータとを備え、
前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータはそれぞれ、前記一対の電極のうち自己が対向する電極へ反応ガスを供給するガス供給部を有し、
前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータが有する前記ガス供給部は、
前記反応ガスを当該ガス供給部へ流入させる流入部と、
前記反応ガスを当該ガス供給部から流出させる流出部と、
前記流入部から前記流出部に向かって前記反応ガスを流通させる、少なくとも第１の流路、第２の流路および第３の流路を含む複数の流路とを有し、
当該ガス供給部には、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路により、前記流入部から前記流出部に向かって上流側直線部、接近部、合流部、方向変更部および下流側直線部が順次連続して形成され、
前記上流側直線部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの上流側部分が互いに平行に、かつそれぞれ直線状に伸長し、
前記接近部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの下流側部分が前記合流部に向かうに従って互いに徐々に接近し、
前記合流部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの下流端側部分が互いに合流し、かつ前記第３の流路の上流端側部分に接続され、
前記方向変更部においては、前記第３の流路の上流側部分が曲がることにより前記第３の流路の方向が変更され、
前記下流側直線部においては、前記第３の流路の下流側部分が直線状に伸長していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記接近部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの下流側部分のうち、前記下流側直線部における前記第３の流路の下流側部分からより離れている一方の流路の下流側部分が他方の流路の下流側部分に接近する方向に曲がり、前記他方の流路の下流側部分が直線状に伸長していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記下流側直線部における前記第３の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積は、前記接近部における前記第１の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積と前記接近部における前記第２の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積との合計よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記下流側直線部における前記第３の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積は、前記接近部における前記第１の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積、または前記接近部における前記第２の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積と等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記合流部における前記第３の流路の上流端側部分の単位長さ当たりの容積は、前記下流側直線部における前記第３の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積よりも大きく、かつ前記接近部における前記第１の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積と前記接近部における前記第２の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積との合計以下であることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記合流部における前記第３の流路の上流端側部分の単位長さ当たりの容積は、前記接近部における前記第１の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積と前記接近部における前記第２の流路の下流側部分の単位長さ当たりの容積との合計に等しいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記方向変更部における前記第３の流路の上流側部分の単位長さ当たりの容積は、前記合流部における前記第３の流路の上流端側部分の単位長さ当たりの容積と等しいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記方向変更部における前記第３の流路の上流側部分の単位長さ当たりの容積は、前記下流側直線部に向かって徐々に縮小していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、詳しくは、セパレータに形成された反応ガスの流路に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟む一対の電極の一方に水素等の燃料ガスを供給し、他方に酸素または空気を供給し、これによって生じる電気化学反応により電気エネルギーを得る装置である。
【０００３】
下記の特許文献１には、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池が記載されている。特許文献１に記載された燃料電池は、固体高分子材料を用いた電解質膜の一方の表面にアノード電極が形成され、他方の表面にカソード電極が形成された膜−電極接合体を備えている。また、膜−電極接合体の一方の外側にはアノードガス拡散層が配置され、他方の外側にはカソードガス拡散層が配置されている。さらに、アノードガス拡散層の外側およびカソードガス拡散層の外側にはセパレータがそれぞれ配置されている。また、アノードガス拡散層側のセパレータの表面には、アノードガス拡散層に燃料ガスを供給するためのガス流路が設けられている。また、カソードガス拡散層側のセパレータの表面には、カソードガス拡散層に酸化剤ガスを供給するためのガス流路が設けられている。また、特許文献１に記載された燃料電池において、酸化剤ガスを供給するためのガス流路の角部には、還元反応により生成された生成水等がガス流路の角部に滞留することを抑制するための排水促進部が設けられている。排水促進部は、ガス流路の角部の溝幅を小さくすることにより形成されている。特許文献１には、反応ガスが排水促進部を通過する際に反応ガスの流速が上昇し、ガス流路の角部における水の滞留が抑制される旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
還元反応による生成水、または電解質膜を湿潤させるための水分等が、カソード電極側のセパレータに形成された反応ガスの流路内に滞留すると、フラッディングが起こり、反応ガスの電極への供給が不十分となって燃料電池の性能が低下するおそれがある。また、逆拡散によりカソード電極側からアノード電極側へ移動した水分がアノード電極側のセパレータに形成された反応ガスの流路内に滞留することもあり得るため、アノード電極側のセパレータにおける反応ガスの流路においてもフラッディングが起こる可能性がある。
【０００６】
カソード電極側またはアノード電極側のセパレータに形成された反応ガスの流路における水の滞留を抑制する方法として、流路を流れる反応ガスにより流路内の水を押し流す方法が知られている。しかしながら、反応ガスの量は、反応ガスが反応に費やされることにより、流路の下流側に向かうに従って減少していく。その結果、流路の下流側では反応ガスの流速が低下し、反応ガスにより流路内の水を押し流す効果が十分に発揮されなくなるおそれがある。
【０００７】
また、上記特許文献１に記載された燃料電池のセパレータにおいても、ガス流路の下流側において反応ガスの量が減り、そのために反応ガスの流速が低下する。その結果、ガス流路の下流側では、排水促進部によって反応ガスの流速を上昇させる効果が低下し、流路内の水を反応ガスにより押し流すことが困難になる可能性がある。
【０００８】
一方、反応ガスの流路において、流路が方向転換する部分等で複数の流路を合流させ、流路の下流側に向かうに従って流路の数を減らしていくことにより、反応ガスの量の減少に伴う反応ガスの流速の低下を抑制することが考えられる。しかしながら、この方法によると、複数の流路が合流した流路の方向転換部分で、反応ガスの流れに乱れが生じ、反応ガスの流速が却って低下してしまう可能性がある。
【０００９】
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、流路を流れる反応ガスの流速の低下を抑え、流路内における水の滞留を抑制することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の電極の外側に前記一方の電極に対向するように配置された第１のセパレータと、前記一対の電極のうちの他方の電極の外側に前記他方の電極に対向するように配置された第２のセパレータとを備え、前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータはそれぞれ、前記一対の電極のうち自己が対向する電極へ反応ガスを供給するガス供給部を有し、前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータが有する前記ガス供給部は、前記反応ガスを当該ガス供給部へ流入させる流入部と、前記反応ガスを当該ガス供給部から流出させる流出部と、前記流入部から前記流出部に向かって前記反応ガスを流通させる、少なくとも第１の流路、第２の流路および第３の流路を含む複数の流路とを有し、当該ガス供給部には、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路により、前記流入部から前記流出部に向かって上流側直線部、接近部、合流部、方向変更部および下流側直線部が順次連続して形成され、前記上流側直線部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの上流側部分が互いに平行に、かつそれぞれ直線状に伸長し、前記接近部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの下流側部分が前記合流部に向かうに従って互いに徐々に接近し、前記合流部においては、前記第１の流路および前記第２の流路のそれぞれの下流端側部分が互いに合流し、かつ前記第３の流路の上流端側部分に接続され、前記方向変更部においては、前記第３の流路の上流側部分が曲がることにより前記第３の流路の方向が変更され、前記下流側直線部においては、前記第３の流路の下流側部分が直線状に伸長していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、流路を流れる反応ガスの流速の低下を抑え、流路内における水の滞留を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例の燃料電池を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例の燃料電池におけるセルを示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施例の燃料電池におけるセルの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例の燃料電池におけるセパレータを示す外観図である。
【図５】本発明の実施例の燃料電池におけるセパレータに形成されたガス供給部の一部を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例の燃料電池におけるセパレータに形成されたガス供給部の他の部分を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態の燃料電池は、電解質と、電解質の両側にそれぞれ配置された一対の電極と、一対の電極のうちの一方の電極の外側に当該電極に対向するように配置された第１のセパレータと、一対の電極のうちの他方の電極の外側に当該電極に対向するように配置された第２のセパレータとを備えている。また、第１のセパレータおよび第２のセパレータはそれぞれ、一対の電極のうち自己が対向する電極へ反応ガスを供給するガス供給部を有している。
【００１４】
第１のセパレータおよび第２のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータが有するガス供給部は、反応ガスを当該ガス供給部へ流入させる流入部と、反応ガスを当該ガス供給部から流出させる流出部と、流入部から流出部に向かって反応ガスを流通させる複数の流路を有している。この流路には、少なくとも第１の流路、第２の流路および第３の流路が含まれている。
【００１５】
当該ガス供給部には、第１の流路、第２の流路および第３の流路により、流入部から流出部に向かって上流側直線部、接近部、合流部、方向変更部および下流側直線部が順次連続して形成されている。上流側直線部においては、第１の流路および第２の流路のそれぞれの上流側部分が互いに平行に、かつそれぞれ直線状に伸長している。接近部においては、第１の流路および第２の流路のそれぞれの下流側部分が合流部に向かうに従って互いに徐々に接近している。合流部においては、第１の流路および第２の流路のそれぞれの下流端側部分が互いに合流し、かつ第３の流路の上流端側部分に接続されている。方向変更部においては、第３の流路の上流側部分が曲がることにより第３の流路の方向が変更されている。下流側直線部においては、第３の流路の下流側部分が直線状に伸長している。
【００１６】
上記接近部において、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分が互いに接近する態様は、第１の流路の下流側部分の伸長方向が変化し、第２の流路の下流側部分の伸長方向が変化せず、第１の流路の下流側部分が第２の流路の下流側部分に接近する態様でもよいし、その逆に、第２の流路の下流側部分の伸長方向が変化し、第１の流路の下流側部分の伸長方向が変化せず、第２の流路の下流側部分が第１の流路の下流側部分に接近する態様でもよい。また、第１の流路の下流側部分の伸長方向および第２の流路の下流側部分の伸長方向がそれぞれ変化し、第１の流路の下流側部分が第２の流路の下流側部分に接近すると同時に、第２の流路の下流側部分が第１の流路の下流側部分に接近する態様でもよい。
【００１７】
また、接近部において、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分が互いに接近する態様は、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分のうち第３の流路からより離れている流路の下流側部分の伸長方向が第３の流路に近づく方向に変化する態様でもよいし、その逆に、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分のうち第３の流路により近い流路の下流側部分の伸長方向が第３の流路から離れる方向に変化する態様でもよい。
【００１８】
また、接続部において、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分を互いに接近させるために、第１の流路の下流側部分および第２の流路の下流側部分のうちの一方または双方を、全体的に緩やかに湾曲させる態様としてもよいし、緩やかに湾曲した部分と、第１または第２の流路の上流側部分の伸長方向に対して傾斜した直線状の部分とを組み合わせる態様としてもよい。
【００１９】
また、上記合流部において、第１の流路の下流端側部分と第２の流路の下流端側部分とが交わる角度は９０度未満であることが好ましい。
【００２０】
また、方向変更部において、第３の流路の上流側部分が曲がる角度は９０度であってもよく、１８０度であってもよく、これら以外の角度であってもよい。
【００２１】
本発明の実施形態の燃料電池によれば、合流部において、第１の流路と第２の流路とを合流させる構成としたから、流出部に向かうに従って反応ガスの流路の数を減らしていくことができる。したがって、流路を流れる反応ガスの量が反応によって徐々に減少していく状況下にあっても、流路を流れる反応ガスの流速の低下を抑えることができる。
【００２２】
これに加え、本発明の実施形態の燃料電池によれば、接近部において第１の流路および第２の流路のそれぞれの下流側部分が合流部に向かうに従って互いに徐々に接近し、その後、合流部において第１の流路および第２の流路のそれぞれの下流端側部分が互いに合流し、かつ第３の流路の上流端側部分に接続され、その後、方向変更部において第３の流路の上流側部分が曲がることにより第３の流路の方向が変更される。この構成により、流路の合流箇所または方向変更箇所において、反応ガスの流れに乱れが生じることを抑制することができ、反応ガスの流れを円滑にすることができる。したがって、反応ガスの流速の低下を抑えることができ、反応ガスにより流路内の水を押し流して、水の滞留を抑制することができる。
【実施例】
【００２３】
（燃料電池）
図１は本発明の実施例の燃料電池１を示している。図１に示すように、燃料電池１は複数のセル２を備えている。複数のセル２は互いに積み重ねられることによってスタックを形成している。燃料電池１の一方の最も外側に配置されたセル２の外側には集電板３が配置され、集電板３の外側には絶縁板４を介して支持板５が配置されている。燃料電池１の他方の最も外側に配置されたセル２の外側にも同様に集電板３、絶縁板４および支持板５が配置されている。一対の支持板５は支持部材６により互いに接近する方向に締め付けられ、これにより、一方の絶縁板４、一方の集電板３、複数のセル２、他方の集電板３および他方の絶縁板４が一対の支持板５により押し付けられつつ挟持された状態で支持されている。なお、互いに隣り合った２つのセル２の間等に、各セル２を冷却するためのヒートシンクを設けてもよい。
【００２４】
また、各集電板３には、燃料電池１の電気化学反応により得られた電気を外部に出力するための端子が設けられている。また、燃料電池１には、各セル２のアノード電極側のセパレータ２８に形成されたガス供給部３１に、反応ガスとしての水素ガスを供給するための供給口と、各セル２において電気化学反応に費やされずに残った水素ガス、およびアノード電極側のセパレータ２８のガス供給部３１における流路４３内の水を排出するための排出口とが設けられている。これら供給口および排出口は、後述するＭＥＡ１１の枠部２１および各セパレータ２８、２９の外縁側部分に形成された連通穴３３、３４（図２参照）にそれぞれ連通している。また、燃料電池１には、各セル２のカソード電極側のセパレータ２９に形成されたガス供給部３２に、反応ガスとしての空気を供給するための供給口と、各セル２において電気化学反応に費やされずに残った空気、およびカソード電極側のセパレータ２９のガス供給部３２における流路４３内の水を排出するための排出口とが設けられている。これら供給口および排出口は、後述するＭＥＡ１１の枠部２１および各セパレータ２８、２９の外縁側部分に形成された連通穴３５、３６（図２参照）にそれぞれ連通している。なお、上記各端子、各供給口および各排出口については図示を省略している。
【００２５】
（セル）
図２は、分解されたセル２を示している。図３はセル２の構造を示している。各セル２は、図２に示すように、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１１、第１のセパレータとしてのセパレータ２８、および第２のセパレータとしてのセパレータ２９を備えている。ＭＥＡ１１および一対のセパレータ２８、２９はそれぞれ例えば方形の薄板状に形成されている。一対のセパレータ２８、２９は、ガスケット２４、２５を介してＭＥＡ１１を挟むように、ＭＥＡ１１の両側に配置されている。
【００２６】
ＭＥＡ１１は、本体部１２と、本体部１２を支持する枠部２１とを有している。図３に示すように、本体部１２は、電解質膜１３と、電解質膜１３の両側に配置された触媒層１４と、それぞれの触媒層１４の外側に配置されたガス拡散層１５とを有する積層体である。例えば、図３において、左側の触媒層１４およびガス拡散層１５がアノード電極１６に当たり、右側の触媒層１４およびガス拡散層１５がカソード電極１７に当たる。電解質膜１３は、例えばフッ素系スルホン酸膜等の固体高分子材料により形成されている。各触媒層１４は、例えば、白金の粒子を担持した炭素担体により形成されている。各ガス拡散層１５は例えば炭素繊維により形成されている。
【００２７】
また、図２において、ＭＥＡ１１の枠部２１は、例えば導電性を有する金属等により薄板状に形成されている。枠部２１はその中央に大きな貫通穴２２を有し、貫通穴２２の内側に本体部１２が設けられている。
【００２８】
各ガスケット２４、２５は、導電材料を混合することにより導電性が与えられた樹脂材料等により、中央に大きな貫通穴２６を有する薄板状に形成されている。
【００２９】
各セパレータ２８、２９は、例えば、黒鉛および樹脂の複合体、または金属により形成されている。図２において左側に配置されたセパレータ２８の右面は、図３に示すようにアノード電極１６に対向している。セパレータ２８の右面には、アノード電極１６に水素ガスを供給するための複数の流路４３を有するガス供給部３１が形成されている。ガス供給部３１は、その全体がガスケット２４の貫通穴２６を通り、アノード電極１６のガス拡散層１５に臨んでいる。また、図２において右側に配置されたセパレータ２９の左面は、図３に示すようにカソード電極１７に対向している。セパレータ２９の左面には、カソード電極１７に空気を供給するための複数の流路４３を有するガス供給部３２が形成されている。ガス供給部３２は、その全体がガスケット２５の貫通穴２６を通り、カソード電極１７のガス拡散層１５に臨んでいる。なお、図２において左側に配置されたセパレータ２８の左面には、図２に示すセル２の左隣りに配置されたセル２のカソード電極に空気を供給するためのガス供給部が形成されている。また、図２において右側に配置されたセパレータ２９の右面には、図２に示すセル２の右隣りに配置されたセル２のアノード電極に水素ガスを供給するためのガス供給部が形成されている。
【００３０】
また、図２に示すように、ＭＥＡ１１の枠部２１およびセパレータ２８、２９の外縁側部分のそれぞれには、複数の連通穴３３、３４、３５、３６が形成されている。連通穴３３は、各セル２のアノード電極側のセパレータ２８に形成されたガス供給部３１に供給する水素ガスを通す穴である。連通穴３４は、各セル２において電気化学反応に費やされずに残った水素ガス、およびアノード電極側のセパレータ２８のガス供給部３１における流路４３内から押し出された水を通す穴である。連通穴３５は、各セル２のカソード電極側のセパレータ２９に形成されたガス供給部３２に供給する空気を通す穴である。連通穴３６は、各セル２において電気化学反応に費やされずに残った空気、およびカソード電極側のセパレータ２９のガス供給部３２における流路４３内から押し出された水を通す穴である。さらに、ＭＥＡ１１の枠部２１およびセパレータ２８、２９の外縁側部分のそれぞれには、支持部材６を通すための複数の挿通穴３７が形成されている。また、各ガスケット２４、２５にも、ＭＥＡ１１の枠部２１およびセパレータ２８、２９のそれぞれに形成された連通穴３３、３４、３５、３６および複数の挿通穴３７に対応する穴等が形成されている。
【００３１】
（セパレータ）
図４は、図２において左側に配置されたセパレータ２８の右面を示している。セパレータ２８の右面には、アノード電極１６に水素ガスを供給するためのガス供給部３１が形成されている。図４に示すように、ガス供給部３１は、水素ガスをガス供給部３１へ流入させる流入部４１と、水素ガスをガス供給部３１から流出させる流出部４２と、流入部４１から流出部４２に向かって水素ガスを流通させる複数の流路４３とを有している。
【００３２】
流入部４１では、ガス供給部３１において最も上流側に位置する流路４３の上流端側部分と連通穴３３とが互いに連通している。連通穴３３を流れる水素ガスは流入部４１において流路４３に流入する。また、流出部４２では、ガス供給部３１において最も下流側に位置する流路４３の下流端側部分と連通穴３４とが互いに連通している。電気化学反応により費やされずに残った水素ガス、および水素ガスにより押されて流路４３内を移動した水は、流出部４２において連通穴３４へ流出する。
【００３３】
各流路４３は、図３に示すように、セパレータ２８の右面に形成された、横断面形状が概ね方形の細溝により構成されている。複数の流路４３は、水素ガスがアノード電極１６の全域に可及的に均一に供給されるように、セパレータ２８の右面においてアノード電極１６のガス拡散層１５に臨んでいる領域の略全域に隈無く形成されている。各流路４３は狭い間隔で並んでおり、数箇所で方向を変更しながら伸長し、長い流路長を有している。また、各流路４３は数箇所で合流している。
【００３４】
（１８０度の方向変更箇所の流路構造）
ガス供給部３１には、流路４３の方向が１８０度変更されている箇所がいくつか存在する。ガス供給部３１において、図４中の右側の二点鎖線で囲んだ部分Ｐには、流路４３の方向が１８０度変更されている箇所が含まれている。図５は、ガス供給部３１の部分Ｐを拡大して示している。図５に示すように、ガス供給部３１の部分Ｐには、ガス供給部３１が有する複数の流路４３の中の一部の流路である流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃにより、上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５が、流入部４１から流出部４２に向かって順次連続して形成されている。なお、流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃはそれぞれ第１の流路、第２の流路および第３の流路の具体例である。
【００３５】
上流側直線部５１においては、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの上流側部分が互いに隣り合い、互いに平行に、かつそれぞれ直線状に伸長している。
【００３６】
接近部５２においては、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分が合流部５３に向かうに従って互いに徐々に接近している。接近部５２において、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分のうち、流路４３Ｃの下流側部分からより離れた位置にある流路４３Ａの下流側部分が、流路４３Ｃの下流側部分により近い位置にある流路４３Ｂの下流側部分に接近する方向に緩やかに曲がっている。一方、接近部５２において、流路４３Ｂの下流側部分は曲がっておらず、上流側直線部５１における流路４３Ｂの上流側部分から伸長方向を変えることなく、直線状に伸長している。
【００３７】
合流部５３においては、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流端側部分が互いに合流した後、流路４３Ｃの上流端側部分に接続されている。合流部５３において、流路４３Ａの下流端側部分と流路４３Ｂの下流端側部分とが交わる角度は、本実施例においてはおよそ４５度である。なお、この角度は例えばおよそ３０度〜６０度の範囲内において適宜設定することができる。
【００３８】
方向変更部５４においては、流路４３Ｃの上流側部分が曲がることにより流路４３Ｃの方向が１８０度変更されている。方向変更部５４において、流路４３Ｃの上流側部分は、弧を描くように湾曲しており、その側壁面には角張った凹み（例えば２つの側壁面が９０度に交わる部分等）が形成されていない。
【００３９】
下流側直線部５５においては、流路４３Ｃの下流側部分が直線状に伸長している。下流側直線部５５において、流路４３Ｃの下流側部分は、上流側直線部５１における流路４３Ａおよび流路４３Ｂと平行に伸長している。
【００４０】
また、流路４３Ａの幅寸法ａは、上流側直線部５１から接近部５２を経て合流部５３において流路４３Ｂと合流する直前まで一定である。また、流路４３Ｂの幅寸法ｂも、上流側直線部５１から接近部５２を経て合流部５３において流路４３Ａと合流する直前まで一定である。また、流路４３Ａの幅寸法ａと流路４３Ｂの幅寸法ｂとは互いに等しい。
【００４１】
また、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の幅寸法ｃは、接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の幅寸法ａと流路４３Ｂの下流側部分の幅寸法ｂとの合計に等しい。また、方向変更部５４の上流側部分において、流路４３Ｃの上流側部分の幅寸法ｄは、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の幅寸法ｃと等しい。
【００４２】
また、方向変更部５４の下流側部分において、流路４３Ｃの上流側部分の幅寸法は徐々に縮小している。そして、下流側直線部５５において、流路４３Ｃの下流側部分の幅寸法ｅは、接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の幅寸法ａ、または流路４３Ｂの下流側部分の幅寸法ｂと等しくなっている。
【００４３】
流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃは、いずれも横断面形状が概ね方形であり、深さ寸法がそれぞれ等しく、一定であるので、流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃのそれぞれの幅寸法の比率は、流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃのそれぞれの単位長さ当たりの容積（以下、実施例の説明において、単位長さ当たりの容積を単に「容積」という。）の比率と一致する。すなわち、流路４３Ａと流路４３Ｂとの容積は互いに等しい。また、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の容積は、流路４３Ａの容積と流路４３Ｂの容積との合計に等しい。また、方向変更部５４における流路４３Ｃの上流側部分の容積は、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の容積に等しい。また、下流側直線部５５における流路４３Ｃの下流側部分の容積は、流路４３Ａまたは流路４３Ｂの容積に等しい。
【００４４】
このような上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５からなる流路構造において、水素ガスは、上流側直線部５１における流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの上流側部分を接近部５２に向かって直線状に流れる。その後、流路４３Ａを流れる水素ガスは、接近部５２における流路４３Ａの下流側部分を流れる間に、その流れ方向が流路４３Ｂに接近する方向に徐々に変えられる。この流れ方向の変化が緩やかであるため、流路４３Ａの下流側部分を流れる間において水素ガスの流速はほとんど低下しない。一方、流路４３Ｂを流れる水素ガスは、接近部５２における流路４３Ｂの下流側部分を流れる間、流れ方向が変えられることなく直線状に流れ続ける。このように水素ガスは流路４３Ｂを直線状に流れ続けるため、水素ガスの流速は維持される。
【００４５】
その後、合流部５３において、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分を流れる水素ガスが互いに合流し、流路４３Ｃに流入する。合流部５３において、合流前の流路の単位長さ当たりの総容積（以下、実施例の説明において、単位長さ当たりの総容積を単に「総容積」という。）、すなわち、流路４３Ａの下流端側部分の容積と流路４３Ｂの下流端側部分の容積との合計と、合流後の流路の総容積、すなわち、流路４３Ｃの上流端側部分の容積とが互いに等しい。つまり、合流の前後において流路の総容積が変化していない。したがって、合流部５３における合流によって水素ガスの流速はほとんど低下しない。
【００４６】
その後、方向変更部５４において、流路４３Ｃの上流側部分を流れる水素ガスは、その流れ方向が変更される。方向変更部５４において、流路４３Ｃの上流側部分が弧を描くように湾曲している。また、合流部５３から方向変更部５４の上流側部分までの間において、流路４３Ｃの上流側部分の容積が変化していない。また、方向変更部５４の下流側部分から下流側直線部５５に達するまでの間においては、流路４３Ｃの上流側部分の容積が徐々に縮小している。したがって、方向変更部５４において水素ガスの流速の低下が抑えられる。
【００４７】
その後、水素ガスは、下流側直線部５５において、流路４３Ｃの下流側部分を流れる。流路４３Ｃの下流側部分は直線状に伸長しており、また、流路４３Ｃの下流側部分の容積は、流路４３Ａまたは流路４３Ｂの下流側部分の容積と等しい。すなわち、下流側直線部５５における流路の総容積は、上流側直線部５１における流路の総容積の２分の１である。したがって、下流側直線部５５において流路４３Ｃの下流側部分を流れる水素ガスの流速は、接近部５２、合流部５３および方向変更部５４における水素ガスの流速の低下を考慮に入れても、上流側直線部５１において流路４３Ａまたは流路４３Ｂを流れる水素ガスの流速よりも速くなる。
【００４８】
なお、図５に示すような上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５からなる、１８０度の方向変換箇所における流路構造は、図４に示すように、ガス供給部３１において、部分Ｐ以外の部分（例えば、部分Ｐよりも外周側の部分や、図４中の左側の方向変更箇所）にも形成されている。
【００４９】
（９０度の方向変更箇所の流路構造）
また、ガス供給部３１には、流路４３の方向が９０度変更されている箇所がいくつか存在する。ガス供給部３１において、図４中の左側の二点鎖線で囲んだ部分Ｑには、流路４３の方向が９０度変更されている箇所が含まれている。図６は、ガス供給部３１の部分Ｑを拡大して示している。図６に示すように、ガス供給部３１の部分Ｑには、ガス供給部３１が有する複数の流路４３の中の一部の流路である流路４３Ｆ、流路４３Ｇおよび流路４３Ｈにより、上流側直線部６１、接近部６２、合流部６３、方向変更部６４および下流側直線部６５が、流入部４１から流出部４２に向かって順次連続して形成されている。なお、流路４３Ｆ、流路４３Ｇおよび流路４３Ｈはそれぞれ第１の流路、第２の流路および第３の流路の具体例である。
【００５０】
図６と図５とを比較するとわかる通り、流路４３Ｆ、流路４３Ｇおよび流路４３Ｈにより形成された、上流側直線部６１、接近部６２、合流部６３、方向変更部６４および下流側直線部６５からなる流路構造は、方向変更部６４において流路４３Ｈの上流側部分が曲がる角度が９０度であることを除き、流路４３Ａ、流路４３Ｂおよび流路４３Ｃにより形成された、上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５からなる流路構造と同じである。
【００５１】
なお、図６に示すような上流側直線部６１、接近部６２、合流部６３、方向変更部６４および下流側直線部６５からなる、９０度の方向変換箇所における流路構造は、図４に示すように、ガス供給部３１において、部分Ｑ以外の部分（例えば部分Ｑよりも外周側の部分）にも形成されている。
【００５２】
また、図２において右側に配置されたカソード電極側のセパレータ２９の左面に形成されたガス供給部３２は、図２において左側に配置されたアノード電極側のセパレータ２８の右面に形成されたガス供給部３１と同様に形成されている。
【００５３】
以上説明した通り、本発明の実施例の燃料電池１のセパレータ２８（２９）におけるガス供給部３１（３２）では、合流部５３において、流路４３Ａと流路４３Ｂとが合流することにより流路４３Ｃが形成される。この構成により、流出部４２に向かうに従って反応ガスの流路４３の数を減らしていくことができる。したがって、流路４３を流れる反応ガスの量が反応によって徐々に減少していく状況下にあっても、流路４３を流れる反応ガスの流速の低下を抑えることができる。
【００５４】
これに加え、接近部５２において流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分が合流部５３に向かうに従って互いに徐々に接近し、その後、合流部５３において流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流端側部分が互いに合流することによって流路４３Ｃが形成され、その後、方向変更部５４において流路４３Ｃの上流側部分が曲がることにより流路４３Ｃの方向が変更される。この構成により、流路４３の合流箇所または方向変更箇所において、反応ガスの流れに乱れが生じることを抑制することができ、反応ガスの流れを円滑にすることができる。したがって、反応ガスの流速の低下を抑えることができ、反応ガスにより流路４３内の水を押し流して、水の滞留を抑制することができる。
【００５５】
具体的には、本実施例の接近部５２、合流部５３および方向変更部５４における流路構造によれば、複数の流路が合流箇所または方向変更箇所において直角に交わる従来の流路構造と比較して、流路４３の合流箇所および方向変更箇所に、反応ガスが滞る部分や、反応ガスが突き当たる部分、流路容積が急変する部分等、反応ガスの流れを乱し易い部分が少ない。それゆえ、反応ガスの合流と方向変更を円滑に行うことができ、流路４３内の水を流出部４２側へ押し流すのに必要な反応ガスの流速を確保することができる。
【００５６】
また、本実施例の接近部５２、合流部５３および方向変更部５４における流路構造によれば、複数の流路が合流箇所または方向変更箇所において直角に交わる従来の流路構造と比較して、流路４３の合流箇所および方向変更箇所に、角部や狭窄部等、水が滞り易い形状を有する部分が少ない。それゆえ、流路４３の合流箇所または方向変更箇所における水の流れを良くすることできる。
【００５７】
また、接近部５２においては、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分のうち、下流側直線部５５における流路４３Ｃの下流側部分からより離れている流路４３Ａの下流側部分が、もう一方の流路４３Ｂの下流側部分に接近する方向に曲がっている。これは、流路４３Ａの下流側部分の曲がり方向が、方向変更部５４における流路４３Ｃの上流側部分の曲がり方向と一致していることを意味する。接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の曲がり方向と、方向変更部５４における流路４３Ｃの上流側部分の曲がり方向とが一致しているので、流路４３Ａの下流側部分から流路４３Ｃの上流側部分にかけての流路の全体的な曲がり方向を１つの方向に統一することができる。したがって、流路４３Ａの下流側部分から流路４３Ｃの上流側部分にかけての部分の全体的な流路抵抗を減らすことができ、流路４３Ａの下流側部分から流路４３Ｃの上流側部分にかけての部分を流れる反応ガスの流速の低下を抑制することができる。また、流路４３Ｂの下流側部分は、合流部５３において流路４３Ａと合流する直前まで直線状に伸長している。したがって、流路４３Ｂの下流側部分の流路抵抗を減らすことができ、流路４３Ｂの下流側部分を流れる反応ガスの流速の低下を抑制することができる。以上の作用を総合すると、流路４３Ａの下流側部分および流路４３Ｂの下流側部分から、両流路４３Ａ、４３Ｂの合流箇所を経て、流路４３Ｃの上流側部分に至るまでの間において、反応ガスの流速の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、合流部５３において、流路４３Ａおよび流路４３Ｂのそれぞれの下流側部分がおよそ３０度ないし６０度の範囲内の角度、例えばおよそ４５度の角度で互いに合流するので、２つの流路が９０度の角度で互いに合流する場合と比較して、合流箇所における水素ガスの流れの乱れを抑えることができる。
【００５９】
また、下流側直線部５５における流路４３Ｃの下流側部分の容積は、接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の容積と流路４３Ｂの下流側部分の容積との合計よりも小さい。この構成により、流路４３Ｃの下流側部分を流れる反応ガスの流速を、流路４３Ａの下流側部分または流路４３Ｂの下流側部分を流れる反応ガスの流速よりも速くすることができる。これにより、流路４３を流れる反応ガスの量が反応によって徐々に減少していく状況下にあっても、流路４３内の水を反応ガスにより流出部４２側へ押し流す効果を維持することができ、流路４３における水の滞留を抑制することができる。
【００６０】
特に、本実施例では、下流側直線部５５における流路４３Ｃの下流側部分の容積が、接近部５２における流路４３Ａまたは流路４３Ｂの下流側部分の容積と等しい。この構成によれば、下流側直線部５５における流路の総容積が、上流側直線部５１における流路の総容積の２分の１になるので、流路４３Ｃの下流側部分を流れる反応ガスの流速をより一層速くすることができ、流路４３内の水を反応ガスにより流出部４２側へ押し流す効果を高めることができる。
【００６１】
また、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の容積は、下流側直線部５５における流路４３Ｃの下流側部分の容積よりも大きく、かつ接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の容積と流路４３Ｂの下流側部分の容積との合計以下である。この構成により、流路４３の合流箇所および方向変更箇所において反応ガスの流れに乱れが生じることを抑制することができる。したがって、流路４３内の水を反応ガスにより流出部４２側へ押し流す効果を高めることができ、流路４３における水の滞留を抑制することができる。
【００６２】
特に、本実施例では、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の容積が、接近部５２における流路４３Ａの下流側部分の容積と流路４３Ｂの下流側部分の容積との合計に等しい。この構成により、合流前の流路４３の総容積と合流後の流路４３の総容積とを等しくすることができ、合流の前後において反応ガスの流速を維持することができる。また、流路４３の合流箇所における反応ガスの流れの乱れを抑制する効果を高めることができる。したがって、流路４３内の水を反応ガスにより流出部側へ押し流す効果をより一層高めることができ、水の滞留の抑制効果を高めることができる。
【００６３】
また、方向変更部５４における流路４３Ｃの上流側部分の容積は、合流部５３における流路４３Ｃの上流端側部分の容積と等しい。このように、合流箇所から方向変更箇所にかけての部分において、流路４３の容積を変化させないことにより、流路４３内を流れる反応ガスの速度変動を抑えることができる。したがって、方向変更に伴う反応ガスの流速の低下や乱れの発生を抑えることができる。よって、流路４３の方向変更箇所において水を反応ガスにより下流側へ押し流すことができ、流路４３の方向変更箇所における水の滞留を抑制することができる。
【００６４】
また、方向変更部５４における流路４３Ｃの上流側部分の容積は、方向変更部５４から下流側直線部５５にかけて徐々に縮小している。この構成により、流路４３Ｃにおいて、合流箇所から方向変更箇所を経て下流側部分に至るまで、容積が急激に変化しないので、当該部分を流れる反応ガスに乱れが生じることを抑制することができ、反応ガスの円滑に加速させることができる。
【００６５】
このように、本発明の実施例の燃料電池１のセパレータ２８（２９）におけるガス供給部３１（３２）における、上流側直線部５１、接近部５２、合流部５３、方向変更部５４および下流側直線部５５からなる流路構造（図５参照）によれば、反応ガスの流速の低下を抑え、流路４３における水の滞留を抑制することができる。よって、流路４３においてフラッディングが生じることを抑制することができる。この作用効果は、本発明の実施例の燃料電池１のセパレータ２８（２９）におけるガス供給部３１（３２）における、上流側直線部６１、接近部６２、合流部６３、方向変更部６４および下流側直線部６５からなる流路構造（図６参照）によっても得られる。
【００６６】
なお、上記実施例では、下流側直線部５５（６５）における流路４３Ｃ（４３Ｈ）の下流側部分の容積を、接近部５２（６２）における流路４３Ａ（４３Ｆ）または流路４３Ｂ（４３Ｇ）の下流側部分の容積と等しくした。しかしながら、本発明はこれに限らず、下流側直線部５５（６５）における流路４３Ｃ（４３Ｈ）の下流側部分の容積を、接近部５２（６２）における流路４３Ａ（４３Ｆ）または流路４３Ｂ（４３Ｇ）の下流側部分の容積よりも大きく、かつ接近部５２（６２）における流路４３Ａ（４３Ｆ）の下流側部分の容積と流路４３Ｂ（４３Ｇ）の下流側部分の容積との合計よりも小さくしてもよい。
【００６７】
また、上記実施例では、合流部５３（６３）における流路４３Ｃ（４３Ｈ）の上流端側部分の容積を、接近部５２（６２）における流路４３Ａ（４３Ｆ）の下流側部分の容積と流路４３Ｂ（４３Ｇ）の下流側部分の容積との合計と等しくした。しかしながら、本発明はこれに限らず、合流部５３（６３）における流路４３Ｃ（４３Ｈ）の上流端側部分の容積を、下流側直線部５５（６５）における流路４３Ｃ（４３Ｈ）の下流側部分の容積よりも大きく、かつ接近部５２（６２）における流路４３Ａ（４３Ｆ）の下流側部分の容積と流路４３Ｂ（４３Ｇ）の下流側部分の容積との合計未満としてもよい。
【００６８】
また、各セパレータ２８、２９のガス供給部３１、３２において、流路の方向を変更する位置、または流路の方向を変更する箇所の数は限定されない。また、流路の方向変更箇所のすべてに流路の合流箇所を設ける必要はない。また、２つの流路を合流して１つの流路にする場合に限らず、３つ以上の流路を合流して１つまたは２つの流路にしてもよい。また、流入部４１に直接連通する最も上流側の流路の数は限定されず、流出部４２に直接連通する最も下流側の流路の数も限定されない。
【００６９】
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池もまた本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【００７０】
１  燃料電池
２  セル
１１  ＭＥＡ
１３  電解質膜（電解質）
１６  アノード電極（電極）
１７  カソード電極（電極）
２８、２９  セパレータ
３１、３２  ガス供給部
４１  流入部
４２  流出部
４３  流路
４３Ａ、４３Ｆ  流路（第１の流路）
４３Ｂ、４３Ｇ  流路（第２の流路）
４３Ｃ、４３Ｈ  流路（第３の流路）
５１、６１  上流側直線部
５２、６２  接近部
５３、６３  合流部
５４、６４  方向変更部
５５、６５  下流側直線部
【図１】
2020123530.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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