(57)【要約】【課題】燃料や酸化剤ガス等の反応流体の分配性を向上させるのに有利な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、膜１０を挟持する燃料極１１及び酸化剤極１２を有する膜電極接合体１と、膜電極接合体１の燃料極１１に対向すると共に燃料極１１に燃料を供給する第１配流板と、膜電極接合体１の酸化剤極１２に対向すると共に酸化剤極１２に酸化剤流体を供給する第２配流板とをもつ。第１配流板及び第２配流板のうちの一方または双方は、導入口２４と、導出口２５と、導入口２４と導出口２５とを接続する環状流路２６とを有する。導入口２４及び導出口２５は、環状流路の半径方向に沿って配置されている。【選択図】図３
2006261013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜を挟持する燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極に対向すると共に前記燃料極に燃料を供給する第１配流板と、
前記膜電極接合体の前記酸化剤極に対向すると共に前記酸化剤極に酸化剤流体を供給する第２配流板とを具備する燃料電池において、
前記第１配流板は、燃料が導入される燃料導入口と、燃料が導出される燃料導出口と、前記第１配流板の面上において前記燃料導入口から前記燃料導出口までを接続する燃料用環状流路とを有しており、
前記燃料導入口及び前記燃料導出口は、前記燃料用環状流路の半径方向に沿って配置されており、且つ、
前記第２配流板は、酸化剤が導入される酸化剤導入口と、酸化剤が導出される酸化剤導出口と、前記第２配流板の面上において前記酸化剤導入口から前記酸化剤導出口までを接続する前記酸化剤用環状流路とを有しており、
前記酸化剤導入口及び前記酸化剤導出口は、前記酸化剤用環状流路の半径方向に沿って配置されており、更に、
前記燃料用環状流路を燃料が流れる基本的方向と、前記酸化剤用環状流路を酸化剤流体が流れる基本的方向とが、互いに逆である対向流方式が採用されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記燃料用環状流路と前記酸化剤用環状流路とが対向する発電領域の面積において、前記対向流方式が採用されている流路部分が９５％以上を占めることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２において、前記燃料用環状流路は互いに隣接した複数の流路から形成され、前記酸化剤用環状流路は互いに隣接した複数の流路から形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記燃料導入口及び前記燃料導出口は、前記第１配流板の平面視において隣設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記酸化剤導入口及び前記酸化剤導出口は、前記第２配流板の平面視において隣設されてい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】
本発明は燃料及び酸化剤の酸化還元反応により発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料及び酸化剤の酸化還元反応により発電する。燃料電池は、膜を挟持する燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極に対向すると共に燃料極に燃料を供給する第１配流板と、膜電極接合体の酸化剤極に対向すると共に酸化剤極に酸化剤ガスを供給する第２配流板とを備えている。上記した燃料電池に関する背景技術として特許文献１〜３が挙げられる。
【０００３】
特許文献１には、第１配流板の縁部に複数の燃料入口を形成すると共に、第２配流板の縁部に複数の酸化剤入口を形成したものが開示されている。このものでは、複数の燃料入口を順に切替えると共に複数の燃料出口を順に切替えることにより、燃料を第１配流板の表面において旋回流動させる。また、複数の酸化剤入口を順に切替えると共に複数の酸化出口を順に切替えることにより、酸化剤ガスを第２配流板の表面において旋回流動させる。このものでは、燃料と酸化剤ガスとを互いに逆方向に旋回流動させている。
【０００４】
また特許文献２には、燃料が流れる溝状の複数の燃料流路を直状に並走させると共に、酸化剤ガスが流れる溝状の複数の酸化剤流路を直状に並走させた燃料電池が開示されている。このものでは、燃料流路は、下向きの複数の直状の往路と、上向きの複数の直状の復路とを有する。酸化剤流路は、上向きの複数の直状の往路と、下向きの複数の直状の復路とを有する。
【０００５】
また特許文献３には、燃料ガスが流れる溝状の複数の流路を直状に並走させると共に、酸化剤ガスを流れる溝状の複数の流路を直状に並走させている。このものでは、燃料ガスを流れる流路と酸化剤ガスを流れる流路とがほぼ直交状態に交差する。このものでは、燃料を流す流路のうち互いに隣設する２個の流路については、燃料同士が互いに逆向きに流れる。また、酸化剤ガスを流す流路のうち互いに隣設する２個の流路については、酸化剤ガス同士が互いに逆向きに流れる。
【０００６】
また特許文献４には、配流板の面上において導入口から導出口までを接続する環状流路を有する燃料電池用セパレータが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−７９４３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４２９９８号公報
【特許文献３】特開平７−２４９４２０号公報
【特許文献４】特開平１０−２３３２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した特許文献１に係る技術によれば、燃料を第１配流板の表面において旋回流動させ得るものの、燃料を旋回流動させるにあたり、複数の燃料入口を順に切替えると共に複数の燃料出口を順に切替える必要がある。また、酸化剤ガスを第２配流板の表面において旋回流動させ得るものの、酸化剤ガスを旋回流動させるにあたり、複数の酸化剤入口を順に切替えると共に複数の酸化剤出口を順に切替える必要がある。このため燃料や酸化剤ガスといった反応ガスを流路を切替える構造が複雑化し、更に、切替える操作も複雑化する問題がある。
【０００８】
また前記した特許文献２，３に係る技術によれば、燃料及び酸化剤ガスを流す流路を直状に延設させている方式を採用しており、配流板の中心領域の回りを旋回させる方式を採用しているものではない。
【０００９】
特許文献４によれば、配流板の面上において導入口から導出口までを接続する環状流路が形成されており、分配性を高めているものの、燃料が流れる基本的方向と、酸化剤流体が流れる基本的方向とを互いに逆にした対向流方式を採用しているものではない。
【００１０】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、反応ガスの流路の切替の複雑化を回避しつつ、燃料や酸化剤ガス等の反応流体を配流板の中心領域の回りで流すのに有利な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池は、膜を挟持する燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極に対向すると共に燃料極に燃料を供給する第１配流板と、膜電極接合体の酸化剤極に対向すると共に酸化剤極に酸化剤流体を供給する第２配流板とを具備する燃料電池において、
第１配流板は、燃料が導入される燃料導入口と、燃料が導出される燃料導出口と、第１配流板の面上において燃料導入口から燃料導出口までを接続する燃料用環状流路とを有しており、燃料導入口及び燃料導出口は、燃料用環状流路の半径方向に沿って配置されており、且つ、
第２配流板は、酸化剤を導入する酸化剤導入口と、酸化剤を導出する酸化剤導出口と、第２配流板の面上において酸化剤導入口から酸化剤導出口までを接続する酸化剤用環状流路とを有しており、酸化剤導入口及び酸化剤導出口は、酸化剤用環状流路の半径方向に沿って配置されており、
更に、燃料用環状流路を燃料が流れる基本的方向と、酸化剤用環状流路を酸化剤流体が流れる基本的方向とが、互いに逆である対向流方式が採用されていることを特徴とするものである。
【００１２】
燃料導入口及び燃料導出口は、燃料用環状流路の半径方向に沿って配置されている。このため、燃料導入口から導入された反応流体は、第１配流板の中心領域の回りを流れるように環状流路に沿って流れ、燃料導出口に至り、燃料導出口から導出される。また、酸化剤導入口及び酸化剤導出口は、酸化剤用環状流路の半径方向に沿って配置されている。このため、酸化剤導入口から導入された反応流体は、第２配流板の中心領域の回りを流れるように環状流路に沿って流れ、酸化剤導出口に至り、酸化剤導出口から導出される。
【００１３】
ところで、膜電極接合体を介して、燃料の上流と酸化剤流体の上流とが対向すると共に、燃料の下流と酸化剤流体の下流とが対向する場合には、配流板の面内における発電分布の均一性が低下する傾向がある。その理由としては、燃料の高濃度領域と酸化剤流体の高濃度領域とが対向して高発電領域が形成されると共に、燃料の低濃度領域と酸化剤流体の低濃度領域とが対向して低発電領域が形成されることになるためと考えられている。
【００１４】
この点について本発明に係る燃料電池によれば、燃料用環状流路を燃料が流れる基本的方向と、酸化剤用環状流路を酸化剤流体が流れる基本的方向とは、互いに逆である。つまり対向流方式が採用されている。この場合、膜電極接合体を介して、燃料の上流と酸化剤流体の下流とが対向すると共に、燃料の下流と酸化剤流体の上流とが対向する位置関係となる。このため燃料の下流（燃料の活物質濃度が低い領域）と酸化剤流体の下流（酸化剤流体の活物質濃度が低い領域）とが膜電極接合体を介して対向することが抑制される。ひいては配流板の面内における発電分布のムラが低減され、発電分布の均一性が向上する。
【００１５】
前記した本発明に係る構造を採用していれば、前記したように燃料用環状流路を燃料が流れる基本的方向と、酸化剤用環状流路を酸化剤流体が流れる基本的方向とを、互いに逆に設定する対向流方式を採用するのが容易である。更に、配流板のうち発電反応に貢献する発電領域（燃料用環状流路と酸化剤用環状流路とが対向する領域）の面積において、対向流方式が採用されている流路部分が９５％以上、９８％以上、殊に１００％を占めるように設定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、配流板の表面に形成されている環状流路は、配流板の中心領域の回りを巡るように形成されている。そして、導入口及び導出口は、この環状流路の半径方向に沿って形成されている。このため、反応流体を配流板の中心領域の回りを旋回させるように流すことができる。
【００１７】
ここで、燃料や酸化剤ガスといった反応流体を配流板の環状流路において配流板の中心領域の回りを旋回させるように流すにあたり、特許文献１とは異なり、複数の導入口を順に切替えると共に複数の導出口を順に切替える必要がない。このため燃料や酸化剤ガスといった反応ガスの流路を切替える構造が複雑化する問題、切替える操作が複雑化する問題が解消される。
【００１８】
更に、本発明によれば、燃料用環状流路を燃料が流れる基本的方向と、酸化剤用環状流路を酸化剤流体が流れる基本的方向とを、互いに逆に設定する対向流方式を採用することができる。ここで、配流板のうち発電反応に貢献する発電領域（燃料用環状流路と酸化剤用環状流路とが対向する領域）の面積において、対向流方式が採用されている流路部分が９５％以上、９８％以上、殊に１００％を占めるように設定することが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
好ましくは、燃料用環状流路は互いに隣接した複数の流路から形成され、酸化剤用環状流路は互いに隣接した複数の流路から形成されている形態を採用することができる。環状流路は、流路が配流板の中心領域の回りを巡るものであり、配流板の中心領域の回りをほぼ四角形状に沿って巡っても良いし、配流板の中心領域の回りをリング形状に巡っても良い。燃料用環状流路を構成する複数の流路は、互いに並走していることが好ましい。酸化剤用環状流路を構成する複数の流路は、互いに並走していることが好ましい。この場合、燃料導入口から導入された燃料を燃料導出口に向けて第１配流板の中心領域の回りを流すように並走させるのに有利となる。また、酸化剤導入口から導入された酸化剤流体を酸化剤導出口に向けて第２配流板の中心領域の回りを流すのに有利となる。
【００２０】
また、好ましくは、燃料用環状流路は第１配流板の表面において複数並走されており、複数の燃料用環状流路を仕切る第１壁部が第１配流板に並走状態に設けられている形態を採用することができる。この場合、燃料導入口から導入された燃料を燃料導出口に向けて第１配流板の中心領域の回りを流すように並走させるのに有利となる。また好ましくは、酸化剤用環状流路は第２配流板の表面において複数並走されており、複数の酸化剤用環状流路を仕切る第２壁部が第２配流板に並走状態に設けられている形態を採用することができる。この場合、酸化剤導入口から導入された酸化剤流体を酸化剤導出口に向けて第２配流板の中心領域の回りを流すのに有利となる。
【００２１】
好ましくは、燃料導入口及び燃料導出口は、第１配流板の平面視において隣設されている形態を採用することができる。このように燃料導入口及び燃料導出口が隣設されていれば、燃料導入口と燃料導出口とを第１配流板の中心領域の回りで繋ぐ燃料用環状流路の流路長さを長く確保するのに有利である。
【００２２】
また酸化剤導入口及び酸化剤導出口は、第２配流板の平面視において隣設されている形態を採用することができる。このように酸化剤導入口及び酸化剤導出口が隣設されていれば、酸化剤導入口と酸化剤導出口とを繋ぐ酸化剤用環状流路の流路長さを長く確保するのに有利である。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１を具体的に図１〜図４を参照しつ説明する。図１及び図２は本実施例に係る燃料電池の内部構造を模式的に表す概念図を示す。図１は、燃料電池の燃料導入口２４及び酸化剤導入口５４を表すように切断した断面図を示す。図２は燃料電池の燃料導出口２５及び酸化剤導出口５５を表すように切断した断面図を示す。図３は第１配流板２を示し、図４は第２配流板５を示す。
【００２４】
図１，図２に示すように、燃料電池は膜電極接合体１（ＭＥＡ）を有する。膜電極接合体１は、イオン伝導性を有する固体高分子型の膜１０と、膜１０の厚み方向の一方に配置された燃料極１１と、膜１０の厚み方向の他方に配置された酸化剤極１２とを有する。燃料極１１は、導電性及びガス拡散性を有する拡散層と、膜１０に対面する触媒層とを有する。酸化剤極１２は、導電性及びガス拡散性を有する拡散層と、膜１０に対面する触媒層とを有する。なお触媒層は膜１０に接合されていても良い。
【００２５】
図１に示すように、第１配流板２は、膜電極接合体１の燃料極１１に対向しており、膜電極接合体１の燃料極１１にガス状の燃料（一般的には水素含有ガス、水素ガス）を分配する。第２配流板５は、膜電極接合体１の酸化剤極１２に対向しており、膜電極接合体１の酸化剤極１２に酸化剤ガス（一般的には空気等の酸素含有ガス）を分配する。
【００２６】
図３は第１配流板２の平面視を示す。第１配流板２は、直状の辺部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを有する四角板形状をなす。辺部２２ａは第１配流板２の上辺部に、辺部２２ｂは側辺部に、辺部２２ｃは下辺部に，辺部２２ｄは側辺部に相当する。図３に示すように、第１配流板２を厚み方向に貫通する貫通流路として機能する燃料用入口マニホルド８０及び燃料用出口マニホルド８１が第１配流板２の上部に形成されている。更に、第１配流板２を厚み方向に貫通する貫通流路として機能する酸化剤用入口マニホルド８５及び酸化剤用出口マニホルド８６が第１配流板２の下部に形成されている。燃料電池の発電反応により酸化剤極１２側では水が生成する。このためその生成水をガスと共に排出し易くするため、酸化剤用出口マニホルド８６が第１配流板２の下部に形成されている。その関係で、酸化剤系統の酸化剤用入口マニホルド８５は第１配流板２の下部に形成されている。その反対の関係で、燃料系統の燃料用入口マニホルド８０及び燃料用出口マニホルド８１が第１配流板２の上部に形成されている。
【００２７】
図３に示すように、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、第１配流板２の辺部２２ｂ，２２ｄと平行につまり縦方向に沿って長く形成されている。つまり、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、燃料用環状流路２６の半径方向に沿って形成されている。
【００２８】
図３に示すように、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、針式時計でいうと、１２時の数字の位置に設定されており、つまり、第１配流板２の中心線Ｐ１（中心点を通り厚み方向に延びる中心線）よりも上側に配置している。換言すると、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、第１配流板２の上辺部に相当する辺部２２ａに対して交差（直交）する方向に形成されている。なお、一枚の第１配流板２あたり、燃料導入口２４の数は１個、燃料導出口２５の数は１個とされている。
【００２９】
図３に示すように、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は第１配流板２の平面視において互いに隣設されている。このため燃料導入口２４及び燃料導出口２５を第１配流板２の中心線Ｐ１の回りを巡るように、燃料用環状流路２６が第１配流板２の表面２ａにおいて延設されている。この結果、第１配流板２の中心線Ｐ１の回りに形成されている燃料用環状流路２６の流路長さ（発電距離に相当）を長く確保するのに有利である。即ち、複数の燃料用環状流路２６は、第１配流板２の燃料導入口２４から導入された燃料を燃料導出口２５に向けて、第１配流板２の中心線Ｐ１領域の回りを矢印Ｆ３方向に流すように並走している。
【００３０】
燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、第１配流板２の中心線Ｐ１の回りに形成されている燃料用環状流路２６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ１を横断するように、最も外側の燃料用環状流路２６ｏから第１配流板２の中心線Ｐ１に向けてつまり第１配流板２の求心方向に延設されている。図３に示すように燃料導入口２４は細長い開口形状をなしており、辺２４ｒ，２４ｓ，２４ｔ，２５ｕを有する。燃料導出口２５は燃料導入口２４と同様に細長い開口形状をなしており、辺２５ｒ，２５ｓ，２５ｔ，２５ｕを有する。
【００３１】
図３に示すように、第１配流板２の表面２ａには、複数の燃料用環状流路２６を仕切る複数の第１壁部２８が互いに平行に並走されている。第１壁部２８は、第１配流板２の辺部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに沿ってクランク形状に延設されている。従って図３に示すように、燃料用環状流路２６は、燃料導入口２４から延設された通路２６ａと、通路２６ａに交差する方向に延設された通路２６ｂと、通路２６ｂに交差する方向に延設された通路２６ｃと、通路２６ｃに交差する方向に延設された通路２６ｄと、通路２６ｄに交差する方向に燃料導出口２５に向けて延設された通路２６ｅとを有する。燃料導入口２４から燃料用環状流路２６に導入されたガス状の燃料は、矢印Ｆ３方向（図３参照）に流れ、通路２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを順に流れ、燃料導出口２５から導出される。なお、複数の燃料用環状流路２６は連続壁状の第１壁部２８で仕切られているため、互いに連通しないようにされている。
【００３２】
図１に示すように、第１配流板２のうち燃料用環状流路２６と反対側の表面２ｃには、第１入口流路２１が形成されている。図３に示すように、第１入口流路２１は、三角形状または疑似三角形状をなしており、斜辺状の縁２１ｘを有すると共に、第１配流板２の中心線Ｐ１に向けて延びるような長さＬ１を有する。故に、第１入口流路２１は、最も外側の燃料用環状流路２６ｏの上流に連通すると共に、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの上流に連通するように形成されている。
【００３３】
更に図２に示すように、第１配流板２のうち燃料用環状流路２６と反対側の表面２ｃには、第１出口流路３１が形成されている。図３に示すように、第１出口流路３１は、三角形状または疑似三角形状をなしており、斜辺状の縁３１ｘを有すると共に、第１配流板２の中心線Ｐ１に向けて延びるような長さＬ１を有する。故に、第１出口流路３１は、最も外側の燃料用環状流路２６ｏの下流に連通すると共に、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの下流に連通するように形成されている。
【００３４】
図３に示すように、第１配流板２において、燃料導入口２４と燃料導出口２５との間にはシール部としての第１シール突起２９が設けられている。第１シール突起２９は第１配流板２の母材で形成しても良いし、樹脂やゴム等のシール材料で形成しても良い。故に、燃料導入口２４から導入された燃料が燃料導出口２５に直接的に流れないようにされている。従って、燃料導入口２４から導入された燃料は第１配流板２の中心線Ｐ１の回りの領域を流れ易くなる。
【００３５】
図１に示すように、前記した燃料導入口２４は第１配流板２を厚み方向に貫通するスルーホール状（深さｈ１）とされており、この結果、燃料用環状流路２６の上流と第１入口流路２１とを連通する。同様に図２に示すように、燃料導出口２５は、第１配流板２を厚み方向に貫通するスルーホール状（深さｈ１）とされており、燃料用環状流路２６の下流と第１出口流路３１とを連通する。
【００３６】
図４は酸化剤ガスを流す第２配流板５の平面視を示す。第２配流板５は、辺部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを有する四角板形状をなす。辺部５２ａは第２配流板５の上辺部に、辺部５２ｂは側辺部に、辺部５２ｃは下辺部に，辺部５２ｄは側辺部に相当する。図４に示すように、第２配流板５には、これを厚み方向に貫通する貫通流路として機能する燃料用入口マニホルド８０及び燃料用出口マニホルド８１が形成されており、更に、貫通流路として機能する酸化剤用入口マニホルド８５及び酸化剤用出口マニホルド８６が形成されている。
【００３７】
図４に示すように、第２配流板５には、酸化剤ガスが導入される酸化剤導入口５４と、酸化剤ガスが導出される酸化剤導出口５５とがシール部としての第２シール突起５９を介して隣設されている。酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、酸化剤用環状流路５６の半径方向に沿って形成されている。
【００３８】
第２シール突起５９は第２配流板５の母材で形成しても良いし、樹脂やゴム等のシール材料で形成しても良い。故に、酸化剤導入口５４から導入された酸化剤ガスが酸化剤導出口５５に直接的に流れないようにされている。従って、酸化剤導入口５４から導入された酸化剤ガスは第２配流板５の中心線Ｐ２（中心点を通り厚み方向に延びる中心線）の回りの領域を流れ易くなる。
【００３９】
図４に示すように、酸化剤導入口５４は細長い開口形状をなしており、辺５４ｒ，５４ｓ，５４ｔ，５４ｕを有する。酸化剤導出口５５は酸化導入口５４と同様に細長い開口形状をなしており、辺５５ｒ，５５ｓ，５５ｔ，５５ｕを有する。酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、第２配流板５の辺部５２ｂ，５２ｄと平行に長く形成されている。
【００４０】
図４に示すように、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、針式時計でいうと、６の数字の位置に設定されており、つまり、第２配流板５の中心線Ｐ２よりも下側に配置している。なお、一枚の第２配流板５あたり、酸化剤導入口５４の数は１個、酸化剤導出口５５の数は１個とされている。
【００４１】
図４に示すように、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、第２配流板５の平面視において互いに隣設されているため、酸化剤導入口５４と酸化剤導出口５５とを第２配流板５の中心線Ｐ２の回りで繋ぐように酸化剤用環状流路５６が延設されている。この結果、中心線Ｐ２の回りに延設されている酸化剤用環状流路５６の流路長さ（発電距離に相当）を長く確保するのに有利である。即ち、複数の酸化剤用環状流路５６は、第２配流板５の酸化剤導入口５４から導入された酸化剤ガスを酸化剤導出口５５に向けて、第２配流板５の中心線Ｐ２領域の回りを矢印Ｏ３方向に流すように並走する。
【００４２】
ここで、図３及び図４は膜電極接合体１を介して表裏の関係にある。このため、図４における矢印Ｏ３方向は、図３における矢印Ｆ３方向と見掛け上、同じ方向にみえるが、図３における矢印Ｆ３方向とは逆方向である。
【００４３】
図４に示すように、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、酸化剤用環状流路５６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ２（図４参照）を横断するように、最も外側の酸化剤用環状流路５６ｏから第２配流板５の中心線Ｐ２に向けて、つまり第２配流板５の求心方向に延設されるように形成されている。換言すると、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、第２配流板５の下辺部に相当する辺部５２ｃに対して交差（直交）する方向に形成されている。
【００４４】
図４に示すように、第２配流板５の表面５ａには、複数の酸化剤用環状流路５６を仕切る複数の第２壁部５８が互いに平行に設けられている。第２壁部５８は、第２配流板５の辺部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄに沿ってクランク形状に延設されている。従って図４に示すように、酸化剤用環状流路５６は、酸化剤導入口５４から延設された通路５６ａと、通路５６ａと交差する方向に延設された通路５６ｂと、通路５６ｂに交差する方向に延設された通路５６ｃと、通路５６ｃに交差する方向に延設された通路５６ｄと、通路５６ｄに交差する方向に酸化剤導出口５５に向けて延設された通路５６ｅとを有する。酸化剤導入口５４から酸化剤用環状流路５６に導入された酸化剤ガスは、矢印Ｏ３方向に流れ、通路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅを順に流れ、酸化剤導出口５５から導出される。なお、複数の酸化剤用環状流路５６は連続壁状の第２壁部５８で仕切られているため、互いに連通しないようにされている。
【００４５】
図１に示すように、第２配流板５のうち酸化剤用環状流路５６と反対側の表面５ｃには、第２入口流路５１が形成されている。第２入口流路５１は、三角形状または疑似三角形状をなしており、斜辺状の縁５１ｘを有すると共に、第２配流板５の中心線Ｐ１に向けて延びるような長さＬ１を有する。故に、第２入口流路５１は、最も外側の酸化剤用環状流路５６ｏの上流に連通すると共に、最も内側の酸化剤用環状流路５６ｉの上流に連通するように形成されている。
【００４６】
更に図２に示すように、第２配流板５のうち酸化剤用環状流路５６と反対側の表面５ｃには第２出口流路６１が形成されている。図４に示すように、第２出口流路６１は、三角形状または疑似三角形状をなしており、斜辺状の縁６１ｘを有すると共に、第２配流板５の中心線Ｐ２に向けて延びるような長さＬ１を有する。故に、第２出口流路６１は、最も外側の酸化剤用環状流路５６ｏの下流に連通すると共に、最も内側の酸化剤用環状流路５６ｉの下流にも連通するように形成されている。
【００４７】
図１に示すように、前記した酸化剤導入口５４は第２配流板５を厚み方向に貫通するスルーホール状（深さｈ２）とされており、この結果、酸化剤用環状流路５６の上流と第２入口流路５１とを連通する。図２に示すように酸化剤導出口５５は、同様に第２配流板５を厚み方向に貫通するスルーホール状とされており、酸化剤用環状流路５６の下流と第２出口流路６１とを連通する。
【００４８】
図１に示すように、第１配流板２及び第２配流板５の外側には、冷却水等の冷却媒体を流す冷却通路１０１を有する冷却板１００が配置されている。これにより燃料電池は冷却される。
【００４９】
使用の際には、ガス状の燃料は第１配流板３及び第２配流板５の燃料用入口マニホルド８０を矢印Ｆ１方向（図１参照）に流れ、第１入口流路２１から矢印Ｆ２方向（図１参照）に流れて燃料導入口２４に至り、更に、燃料用環状流路２６に流れ、燃料用環状流路２６を矢印Ｆ３方向（図３参照）に流れる。このとき燃料は第１配流板２の中心線Ｐ１の領域の回りを旋回するように燃料用環状流路２６を流れ、発電反応に使用される。更に発電反応を経た燃料（燃料オフガス）４）は、燃料導出口２５から矢印Ｆ４方向（図２参照）に流れ、第１出口流路３１を介して燃料用出口マニホルド８１に至り、燃料用出口マニホルド８１を矢印Ｆ５方向（図２参照）に流れる。なお、矢印Ｆ１，Ｆ５の方向は図面と逆にしても良い。Ｏ１とＦ１とは対向する流れでも良いし、並行な流れでも良い。同様に、Ｏ５とＦ５とは対向する流れでも良いし、並行な流れでも良い。
【００５０】
これに対して、酸化剤ガスは酸化剤用入口マニホルド８５を矢印Ｏ１方向（図１参照）に流れ、第２入口流路５１から矢印Ｏ２方向（図１参照）に流れて酸化剤導入口５４に至り、更に、酸化剤用環状流路５６に至る。そして酸化剤ガスは酸化剤用環状流路５６を矢印Ｏ３方向（図４参照）に流れる。このとき酸化剤ガスは第２配流板５の中心線Ｐ２の領域の回りを旋回するように酸化剤用環状流路５６を流れる。更に、酸化剤ガスは酸化剤導出口５５から矢印Ｏ４方向（図２参照）に流れ、第２出口流路６１を介して酸化剤用出口マニホルド８６に至り、酸化剤用出口マニホルド８６を矢印Ｏ５方向（図２参照）に流れる。なお、矢印Ｏ１，Ｏ５の方向は図面と逆にしても良い。
【００５１】
以上の説明から理解できるように本実施例によれば、燃料用環状流路２６は第１配流板２の中心線Ｐ１の回りを巡るように形成されており、そして、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、第１配流板２の中心線Ｐ１の回りに形成された燃料用環状流路２６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ１を横断する方向に沿って形成されている。このため、燃料導入口２４から導入された燃料は、第１配流板２の中心領域Ｐ１の回りを並走する複数の燃料用環状流路２６に沿って流れ、燃料導出口２５から導出される。このように第１配流板２の中心領域Ｐ１の回りを旋回させるように燃料を流す。このように旋回させるため第１配流板２における燃料の分配性が向上する。
【００５２】
また、酸化剤用環状流路５６は第２配流板５の中心線Ｐ２の回りを巡るように形成されており、そして、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、第２配流板５の中心線Ｐ２の回りに形成された酸化剤用環状流路５６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ２を横断する方向に沿って形成されている。このため、酸化剤導入口５４から導入された反応流体である酸化剤ガスは、第２配流板５の中心領域Ｐ２の回りを並走する複数の酸化剤用環状流路５６に沿って流れ、酸化剤導出口５５から導出される。このように第２配流板５の中心領域Ｐ２の回りを旋回させるように酸化剤ガスを流す。このように旋回させるため第２配流板５における酸化剤ガスの分配性が向上する。
【００５３】
ここで本実施例によれば、燃料を第１配流板２の燃料用環状流路２６において旋回するように流すにあたり、特許文献１とは異なり、複数の導入口を順に切替えると共に複数の導出口を順に切替える必要がない。つまり、燃料ガスは、燃料導入口２４から導入され、燃料導出口２５から導出される。また、酸化剤ガスを第２配流板５の酸化剤用環状流路５６において旋回するように流すにあたり、特許文献１とは異なり、複数の導入口を順に切替えると共に複数の導出口を順に切替える必要がない。つまり、酸化剤ガスは、酸化剤導入口５４から導入され、酸化剤導出口５５から導出される。このため本実施例によれば、特許文献１とは異なり、燃料や酸化剤ガスといった反応ガスを流路を切替える構造、切替える操作が複雑化する問題が解消される。
【００５４】
更に本実施例に係る構造を採用すれば、燃料用環状流路２６を燃料が流れる基本的方向（矢印Ｆ３方向）と、酸化剤用環状流路５６を酸化剤ガスが流れる基本的方向（矢印Ｏ３方向）とを、互いに逆に設定する方式、つまり対向流方式を採用することが容易となる。殊に、配流板２，５のうち発電反応に貢献する発電領域（燃料用環状流路２６と酸化剤用環状流路５６とが対向する領域）の面積において、対向流方式が採用されている流路部分が実質的に９５％以上、１００％を占めるような方式を採用することが容易となる。
【００５５】
この結果、本実施例は、配流板２，５のうち発電反応に貢献する発電領域において、対向流方式が採用されている流路部分が１００％を占める。このため、燃料の上流（燃料の水素濃度が高い領域）と酸化剤ガスの上流（酸化剤ガスの酸素濃度が高い領域）とが膜電極接合体１を介して対向すると共に、燃料の下流（燃料の水素濃度が低い領域）と酸化剤ガスの下流（酸化剤ガスの酸素濃度が低い領域）とが膜電極接合体１を介して対向する構造が抑制される。これにより発電密度が高い部分と低い部分との双方が発生することが抑制される。ひいては、第１配流板２及び第２配流板５の面内における発電分布の均一性が向上する。
【００５６】
（他の実施例）
前記した実施例１によれば、図３から理解できるように、最も外側の燃料用環状流路２６ｏは、最も内側の燃料用環状流路２６ｉよりも流路長さが相対的に長くされている。即ち、最も内側の燃料用環状流路２６ｉは、最も外側の燃料用環状流路２６ｏよりも流路長が相対的に短くされている。このため最も外側の燃料用環状流路２６ｏの圧力損失Ｐｏは、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの圧力損失Ｐｉよりも大きくなる傾向がある。このため、外側の燃料用環状流路２６ｏと、内側の燃料用環状流路２６ｉとで、圧力損失の差を低減させる圧損差・低減構造を採用することができる。
【００５７】
例えば、最も外側の燃料用環状流路２６ｏの流路断面積をＳｏとし、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの流路断面積をＳｉとすれば、流路断面積Ｓｏを流路断面積Ｓｉよりも大きく設定することができる（Ｓｏ＞Ｓｉ）。あるいは、最も外側の燃料用環状流路２６ｏの流路深さＨｏとし、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの流路深さをＨｉとすれば、流路深さＨｏを流路深さＨｉよりも深く設定することができる（Ｈｏ＞Ｈｉ）。あるいは、最も外側の燃料用環状流路２６ｏの流路幅Ｄｏとし、最も内側の燃料用環状流路２６ｉの流路幅をＤｉとすれば、流路幅Ｄｏを流路幅Ｄｉよりも広く設定することができる（Ｄｏ＞Ｄｉ）。酸化剤用環状流路５６についても同様である。
【００５８】
図５〜図１０はそれぞれ他の実施例を示す。図５〜図１０は、第１配流板２に形成されている燃料導入口２４及び燃料導出口２５と、第２配流板５に形成されている酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５とは、便宜上、同一図面上に併せて図示されている。
【００５９】
図５に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０は第１配流板２の辺部２２ｂに形成され、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の辺部２２ａに形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５と、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６とは、第２配流板５の辺部５２ｃに並設されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６０】
図６に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０は第１配流板２の辺部２２ａに形成され、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１は第２配流板５の辺部５２ｄに形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５と、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６とは、第１配流板２の辺部２２ｃに並設されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６１】
図７に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０は第１配流板２の辺部２２ａに形成され、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の辺部２２ｂ（辺部２２ａに隣設）に形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５は第２配流板５の辺部５２ｄに形成されており、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６は第２配流板５の辺部５２ｃに並設されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６２】
図８に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０と、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１とは、第１配流板２の辺部２２ａに形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５は第２配流板５の辺部５２ｄに形成されており、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６は第２配流板５の辺部５２ｃ（辺部５２ｄに隣設）に形成されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６３】
図９に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０は第１配流板２の辺部２２ａに形成され、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の辺部２２ｄ（辺部２２ａに隣設）に形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５と、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６とは、第２配流板５の辺部５２ｂに形成されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６４】
図１０に示す実施例では、燃料導入口２４に連通する燃料用入口マニホルド８０は第１配流板２の辺部２２ｃに形成され、燃料導出口２５に連通する燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の辺部２２ｂ（辺部２２ｃに隣設）に形成されている。酸化剤導入口５４に連通する酸化剤用入口マニホルド８５と、酸化剤導出口５５に連通する酸化剤用出口マニホルド８６とは、第２配流板５の辺部５２ａに形成されている。ここで図示すると、燃料は中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを反時計回りの方向（矢印Ｆ３方向）に流れると共に、酸化剤ガスは中心線Ｐ１，Ｐ２の回りを時計回りの方向（矢印０３方向）に流れる。
【００６５】
更に、図１１に示す実施例によれば、燃料用入口マニホルド８０及び燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の上側に形成されている。図１１に示すように、酸化剤用入口マニホルド８５、酸化剤用出口マニホルド８６は第２配流板５の側辺部の上部に形成されている。図１２に示す実施例によれば、燃料用入口マニホルド８０及び燃料用出口マニホルド８１は第１配流板２の角部側に形成されている。図１２に示すように、酸化剤用入口マニホルド８５は第２配流板５の側辺部の上部に形成され、酸化剤用出口マニホルド８６は第２配流板５の下辺部に形成されている。
【００６６】
上記した図５〜図１２に示す実施例のように、第１配流板２において燃料導入口２４及び燃料導出口２５を形成する位置レイアウトを選択する自由度を高めることができる。第２配流板５においては酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５を形成する位置レイアウトを選択する自由度を高めることができる。従って配管レイアウトの設計上有利である。
【００６７】
この理由としては、燃料用環状流路２６は第１配流板２の中心線Ｐ１の回りを巡るように形成されており、燃料導入口２４及び燃料導出口２５は、第１配流板２の中心線Ｐ１の回りに形成された燃料用環状流路２６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ１を横断する方向に沿って形成されているためである。また、酸化剤用環状流路５６は第２配流板５の中心線Ｐ２の回りを巡るように形成されており、酸化剤導入口５４及び酸化剤導出口５５は、第２配流板５の中心線Ｐ２の回りに形成された酸化剤用環状流路５６の上流と下流とを結ぶ仮想線Ｗ２を横断する方向に沿って形成されているためである。
【００６８】
前記した図５〜図１２に示す実施例においても、配流板２，５のうち発電反応に貢献する発電領域（燃料用環状流路２６と酸化剤用環状流路５６とが対向する領域）の面積において、対向流方式が採用されている流路部分が１００％を占めるように設定されている。
【００６９】
前記した各実施例によれば、燃料が燃料用環状流路２６を流れる方向と、酸化剤ガスが酸化剤用環状流路５６を流れる方向とは、逆向きに設定されている。しかしこれに限らず、燃料が燃料用環状流路２６を流れる方向と、酸化剤ガスが酸化剤用環状流路５６を流れる方向とを、同じ向きに設定することにしても良い。この場合においても、第１配流板２及び第１配流板５のうち発電反応に貢献する発電領域（燃料用環状流路２６と酸化剤用環状流路５６とが対向する領域）の面積において、対向流方式が採用されている流路部分が１００％を占めるように設定することが好ましい。
【００７０】
また前記した実施例によれば、複数の燃料用環状流路２６は連続壁状の第１壁部２８で仕切られているため互いに連通しないようにされていると共に、複数の酸化剤用環状流路５６は連続壁状の第２壁部５８で仕切られているため、互いに連通しないようにされている。しかしこれに限らず、第１壁部２８は微小な開口を有し、隣接する複数の燃料用環状流路２６を互いに連通させるようにしても良い。同様に第２壁部５８は微小な開口を有し、隣接する複数の酸化剤用環状流路５６を互いに連通させるようにしても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
【００７１】
（付記項１）膜を挟持する燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極に対向すると共に前記燃料極に燃料を供給する第１配流板と、前記膜電極接合体の前記酸化剤極に対向すると共に前記酸化剤極に酸化剤流体を供給する第２配流板とを具備する燃料電池において、前記第１配流板は、燃料が導入される燃料導入口と、燃料が導出される燃料導出口と、前記第１配流板の面上において前記燃料導入口から前記燃料導出口までを接続する燃料用環状流路とを有しており、前記燃料導入口及び前記燃料導出口は、前記燃料用環状流路の半径方向に沿って配置されており、且つ、前記第２配流板は、酸化剤が導入される酸化剤導入口と、酸化剤が導出される酸化剤導出口と、前記第２配流板の面上において前記酸化剤導入口から前記酸化剤導出口までを接続する前記酸化剤用環状流路とを有しており、前記酸化剤導入口及び前記酸化剤導出口は、前記酸化剤用環状流路の半径方向に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池。
【００７２】
（付記項２）各請求項において、燃料用環状流路を有する第１配流板において、相対的に外側の燃料用環状流路の流路断面積は、相対的に内側の燃料用環状流路の流路断面積よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【００７３】
（付記項３）各請求項において、燃料用環状流路を有する第１配流板において、相対的に外側の燃料用環状流路の流路深さは、相対的に内側の燃料用環状流路の流路深さよりも深く設定されていることを特徴とする燃料電池。
【００７４】
（付記項４）各請求項において、燃料用環状流路を有する第１配流板において、相対的に外側の燃料用環状流路の流路幅は、相対的に内側の燃料用環状流路の流路幅よりも広く設定されていることを特徴とする燃料電池。
【００７５】
（付記項５）各請求項において、酸化剤用環状流路を有する第２配流板において、相対的に外側の酸化剤用環状流路の流路断面積は、相対的に内側の酸化剤用環状流路の流路断面積よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【００７６】
（付記項６）各請求項において、酸化剤用環状流路を有する第２配流板において、相対的に外側の酸化剤用環状流路の流路深さは、相対的に内側の酸化剤用環状流路の流路深さよりも深く設定されていることを特徴とする燃料電池。
【００７７】
（付記項７）各請求項において、酸化剤用環状流路を有する第２配流板において、相対的に外側の酸化剤用環状流路の流路幅は、相対的に内側の酸化剤用環状流路の流路幅よりも広く設定されていることを特徴とする燃料電池。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施例を示し、燃料電池の燃料導入口及び酸化剤導入口を表すように切断した断面図である。
【図２】燃料電池の燃料導出口及び酸化剤導出口を表すように切断した断面図である。
【図３】燃料用環状流路を有する第１配流板の平面図である。
【図４】酸化剤用環状流路を有する第２配流板の平面図である。
【図５】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図６】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図７】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図８】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図９】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図１０】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図１１】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【図１２】他の実施例を示し、第１配流板及び第２配流板において、酸化剤導入口、酸化剤導出口、燃料導入口及び燃料導出口が形成されている位置関係を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８０】
１は膜電極接合体、１０は膜、１１は燃料極、１２は酸化剤極、２は第１配流板、２４は燃料導入口、２５は燃料導出口、２６は燃料用環状流路、５は第２配流板、５４は酸化剤導入口、５５は酸化剤導出口、５６は酸化剤用環状流路を示す。
【図１】
2006261013.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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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