(57)【要約】【課題】発電性能の低下を抑制すること。【解決手段】膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０に組み付けられ、膜電極接合体１０側の第１面２６に酸化剤ガスが流通する第１流路２２を有し、膜電極接合体１０とは反対側の第２面２８に酸化剤ガスが流通する第２流路２４を有するカソード側セパレータ１８ｃと、を備え、第１流路２２は第１面２６にカソード側セパレータ１８ｃの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部３０を含んで構成され、第２流路２４は第２面２８にカソード側セパレータ１８ｃの前記一端から前記他端にかけて延在し且つ第１凹部３０と交互に並んで設けられた第２凹部３２を含んで構成され、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面にカソード側セパレータ１８ｃを貫通する貫通孔３６が設けられている、燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に組み付けられ、前記膜電極接合体側の第１面に酸化剤ガスが流通する第１流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の第２面に酸化剤ガスが流通する第２流路を有するカソード側セパレータと、を備え、
前記第１流路は前記第１面に前記カソード側セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部を含んで構成され、
前記第２流路は前記第２面に前記カソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在し且つ前記第１凹部と交互に並んで設けられた第２凹部を含んで構成され、
前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面に前記カソード側セパレータを貫通する貫通孔が設けられている、燃料電池。
【請求項２】
前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の幅の１／４の幅となるように前記第２流路の幅方向に均等に４分割したときに中央側に位置する２つの領域を中央側領域、端側に位置する２つの領域を端側領域とした場合に、前記中央側領域に設けられた前記貫通孔の総面積は、２つの前記端側領域に設けられた前記貫通孔の総面積よりも大きい、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の幅の１／４の幅となるように前記第２流路の幅方向に均等に４分割したときに中央側に位置する２つの領域を中央側領域、端側に位置する２つの領域を端側領域とした場合に、前記中央側領域及び前記端側領域のうちの前記中央側領域にのみ設けられている、請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の長さの１／２の長さとなるように前記第２流路の長さ方向に均等に２分割したときに前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する領域を上流側領域、下流側に位置する領域を下流側領域とした場合に、前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の総面積は、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の総面積よりも小さい、請求項１から３のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項５】
複数の前記貫通孔が設けられ、
前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の間隔のうちの少なくとも１つは、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の間隔よりも大きい、請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
複数の前記貫通孔が設けられ、
前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の面積のうちの少なくとも１つは、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の面積よりも小さい、請求項４または５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記貫通孔は、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の長さの１／２の長さとなるように前記第２流路の長さ方向に均等に２分割したときに前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する領域を上流側領域、下流側に位置する領域を下流側領域とした場合に、前記上流側領域及び前記下流側領域のうちの前記上流側領域にのみ設けられている、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記貫通孔の縁部のうちの前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する上流側縁部に、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面から前記第２流路内に突出した壁部が設けられている、請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項９】
複数の前記貫通孔が設けられ、
前記壁部を備える前記貫通孔は、前記壁部を備えない前記貫通孔よりも、前記第２流路の下流側に設けられている、請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
複数の前記貫通孔が設けられ、
前記複数の貫通孔に備わる前記壁部の高さは、前記第２流路の下流側の方が上流側よりも高い、請求項８記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記壁部は、前記貫通孔の縁部のうちの前記上流側縁部と、前記貫通孔の縁部のうちの前記酸化剤ガスの流れに沿った側方縁部と、に設けられている、請求項８から１０のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記第２凹部の底面のうちの前記貫通孔が設けられた部分は他の部分よりも盛り上がっている、請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記貫通孔が設けられた部分での前記第２流路の幅は、前記貫通孔が設けられていない部分での前記第２流路部の幅よりも広い、請求項１から１２のいずれか一項記載の燃料電池。
【請求項１４】
膜電極接合体に組み付けられる燃料電池用セパレータであって、
一方の面に前記燃料電池用セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部と、
他方の面に前記燃料電池用セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在し且つ前記第１凹部と交互に並んで設けられた第２凹部と、を備え、
前記第２凹部の底面に前記燃料電池用セパレータを貫通する貫通孔が設けられている、燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の冷却方法として、冷却水を循環させる水冷式の他に、発電用に供給される酸化剤ガスを冷却に用いる空冷式が知られている。空冷式の燃料電池に用いられるセパレータとして、一方の面に燃料ガスを流す燃料流路を有し、他方の面に空気を流す空気流路を有し、内部に空気流路と貫通孔によって接続された冷却用空気流路を有するセパレータが知られている（例えば、特許文献１）。このセパレータによれば、冷却用空気流路を流れる空気を空気流路に送り込むことができるため、冷却効率の向上及び空気流路の凝縮水による閉塞の抑制を実現することができる。また、膜電極接合体側の面に発電用流路を有し、膜電極接合体とは反対側の面に発電用流路と交互に並んで冷却用流路を有するカソード側セパレータを用いた燃料電池において、冷却用流路の下側の領域に液水が溜まり易いことが知られている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０２７７４８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Quentin Meyer, 外１０名, “The Hydro-electro-thermal Performance of Air-cooled, Open-cathode Polymer Electrolyte Fuel Cells: Combined Localised Current Density, Temperature and Water Mapping”, Electrochimica Acta, 2015, VOL.180, p.307-315
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
膜電極接合体側の面に第１凹部からなる第１流路を有し、膜電極接合体とは反対側の面に第１凹部と交互に並んだ第２凹部からなる第２流路を有するカソード側セパレータを備えた燃料電池がある。このような燃料電池では、膜電極接合体のうちの第２流路の下側に位置する領域に第１流路を流通する酸化剤ガスが供給され難いことや、当該領域で生成された水が第１流路に排出され難いことが生じる。このため、発電性能が低下してしまうことがある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に組み付けられ、前記膜電極接合体側の第１面に酸化剤ガスが流通する第１流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の第２面に酸化剤ガスが流通する第２流路を有するカソード側セパレータと、を備え、前記第１流路は前記第１面に前記カソード側セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部を含んで構成され、前記第２流路は前記第２面に前記カソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在し且つ前記第１凹部と交互に並んで設けられた第２凹部を含んで構成され、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面に前記カソード側セパレータを貫通する貫通孔が設けられている、燃料電池である。
【０００８】
上記構成において、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の幅の１／４の幅となるように前記第２流路の幅方向に均等に４分割したときに中央側に位置する２つの領域を中央側領域、端側に位置する２つの領域を端側領域とした場合に、前記中央側領域に設けられた前記貫通孔の総面積は、２つの前記端側領域に設けられた前記貫通孔の総面積よりも大きい構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記貫通孔は、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の幅の１／４の幅となるように前記第２流路の幅方向に均等に４分割したときに中央側に位置する２つの領域を中央側領域、端側に位置する２つの領域を端側領域とした場合に、前記中央側領域及び前記端側領域のうちの前記中央側領域にのみ設けられている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の長さの１／２の長さとなるように前記第２流路の長さ方向に均等に２分割したときに前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する領域を上流側領域、下流側に位置する領域を下流側領域とした場合に、前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の総面積は、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の総面積よりも小さい構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、複数の前記貫通孔が設けられ、前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の間隔のうちの少なくとも１つは、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の間隔よりも大きい構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、複数の前記貫通孔が設けられ、前記下流側領域に設けられた前記貫通孔の面積のうちの少なくとも１つは、前記上流側領域に設けられた前記貫通孔の面積よりも小さい構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記貫通孔は、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面を前記第２流路の長さの１／２の長さとなるように前記第２流路の長さ方向に均等に２分割したときに前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する領域を上流側領域、下流側に位置する領域を下流側領域とした場合に、前記上流側領域及び前記下流側領域のうちの前記上流側領域にのみ設けられている構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記貫通孔の縁部のうちの前記酸化剤ガスの流れの上流側に位置する上流側縁部に、前記第２流路を構成する前記第２凹部の底面から前記第２流路内に突出した壁部が設けられている構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、複数の前記貫通孔が設けられ、前記壁部を備える前記貫通孔は、前記壁部を備えない前記貫通孔よりも、前記第２流路の下流側に設けられている構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、複数の前記貫通孔が設けられ、前記複数の貫通孔に備わる前記壁部の高さは、前記第２流路の下流側の方が上流側よりも高い構成とすることができる。
【００１７】
上記構成において、前記壁部は、前記貫通孔の縁部のうちの前記上流側縁部と、前記貫通孔の縁部のうちの前記酸化剤ガスの流れに沿った側方縁部と、に設けられている構成とすることができる。
【００１８】
上記構成において、前記第２凹部の底面のうち前記貫通孔が設けられた部分は他の部分よりも盛り上がっている構成とすることができる。
【００１９】
上記構成において、前記貫通孔が設けられた部分での前記第２流路の幅は、前記貫通孔が設けられていない部分での前記第２流路部の幅よりも広い構成とすることができる。
【００２０】
本発明は、膜電極接合体に組み付けられる燃料電池用セパレータであって、一方の面に前記燃料電池用セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部と、他方の面に前記燃料電池用セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在し且つ前記第１凹部と交互に並んで設けられた第２凹部と、を備え、前記第２凹部の底面に前記燃料電池用セパレータを貫通する貫通孔が設けられている、燃料電池用セパレータである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。
【図２】図２は実施例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図である。
【図３】図３（ａ）は比較例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図、図３（ｂ）は比較例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図である。
【図４】図４は比較例１に係る燃料電池の電流電圧特性の測定結果を示す図である。
【図５】図５は発電性能が低下した理由を説明するための断面図である。
【図６】図６は実施例１及び比較例１に係る燃料電池の高加湿条件での電流電圧特性の測定結果を示す図である。
【図７】図７は実施例１及び比較例１に係る燃料電池のエアストイキ特性の測定結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）から図８（ｄ）は実施例１におけるカソード側セパレータの他の例の斜視図である。
【図９】図９は実施例１及び比較例１に係る燃料電池の低加湿条件での電流電圧特性の測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は比較例１に係る燃料電池の発電分布及び温度分布を示す図である。
【図１１】図１１は水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１に係る燃料電池の温度分布を示す図である。
【図１２】図１２は水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１に係る燃料電池の発電分布を示す図である。
【図１３】図１３は実施例２に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は実施例２に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの他の例の斜視図である。
【図１５】図１５は実施例３に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図（その１）である。
【図１６】図１６は実施例３に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図（その２）である。
【図１７】図１７は実施例３の変形例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの第２流路の斜視図である。
【図１８】図１８（ａ）は実施例４に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの第２流路の斜視図、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１９】図１９は実施例５に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図である。
【図２０】図２０は実施例６に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの斜視図である。
【図２１】図２１は実施例７に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータの第２流路の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２４】
実施例１の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。実施例１の燃料電池は、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。図２は、実施例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。なお、図２では、カソード側セパレータ１８ｃの一部を拡大して図示し、カソード側セパレータ１８ｃをクロスハッチで示している（図３（ｂ）、図８（ａ）から図８（ｄ）、図１３から図１４（ｂ）においても同じ）。
【００２５】
図１のように、実施例１の燃料電池を構成する単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃ、を備える。ＭＥＧＡ２０は、例えば樹脂（エポキシ樹脂やフェノール樹脂など）からなる絶縁部材４０の内側に配置されている。ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材４０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃとによって挟持されている。言い換えると、アノード側セパレータ１８ａ及びカソード側セパレータ１８ｃは、ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材４０に組み付けられている。
【００２６】
図１及び図２のように、カソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。例えば、カソード側セパレータ１８ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる第１流路２２と第２流路２４とが形成されている。第１流路２２と第２流路２４とは、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に第１方向に直線状に延在し、且つ、第１方向に交差する第２方向で交互に並んでいる。第１流路２２及び第２流路２４を流通する空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。
【００２７】
第１流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の第１面２６にカソード側セパレータ１８ｃの一端から他端にかけて延在して設けられた第１凹部３０を含んで構成されている。したがって、第１流路２２を流通する空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて発電用として用いられる。第２流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の第２面２８にカソード側セパレータ１８ｃの一端から他端にかけて延在し且つ第１凹部３０と交互に並んで設けられた第２凹部３２を含んで構成されている。したがって、第２流路２４を流通する空気は、主に単セル１００を冷却する冷却用として用いられる。このように、実施例１の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。第１流路２２と第２流路２４とが第２方向に交互に並んで設けられていることから、第２流路２４をＭＥＧＡ２０の近くに配置することができるようになり、冷却効率を向上させることができる。
【００２８】
第１流路２２及び第２流路２４は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さＤを有する。また、第１流路２２の幅Ｗ１及び第２流路２４の幅Ｗ２は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。さらに、第１流路２２のピッチ間隔（中心間の距離）及び第２流路２４のピッチ間隔（中心間の距離）は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。
【００２９】
第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４（すなわち、第２流路２４のＭＥＧＡ２０側の面）に、カソード側セパレータ１８ｃを貫通する複数の貫通孔３６が設けられている。貫通孔３６は、例えば第２流路２４の幅方向の一端側から他端側に延在した矩形形状をしている。貫通孔３６は、一定の間隔をあけて第１方向に点在して設けられている。第２流路２４を流通する空気の一部は、貫通孔３６を介して、ＭＥＧＡ２０に供給される。したがって、第２流路２４を流通する空気の大部分は単セル１００を冷却する冷却用として用いられるが、一部はＭＥＧＡ２０に供給されて発電用として用いられる。
【００３０】
図１のように、アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１、ａ２が設けられ、絶縁部材４０には孔ｓ１、ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に設けられた絶縁部材４２には孔ｃ１、ｃ２が設けられている。孔ａ１、ｓ１、ｃ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ａ２、ｓ２、ｃ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって直線状に延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる水素流路３３が設けられている。水素流路３３は、第１流路２２及び第２流路２４と交差（例えば直交）している。
【００３１】
ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが設けられ、他方の面にカソード触媒層１４ｃが設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
【００３２】
ＭＥＡ１０の両側にアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃが配置されている。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａとの間及びＭＥＡ１０とカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。撥水層は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃと同じく、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成される。ただし、撥水層は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。
【００３３】
ここで、実施例１の燃料電池の効果を説明するにあたり、比較例１の燃料電池について説明する。図３（ａ）は、比較例１に係る燃料電池を構成する単セル５００の分解斜視図、図３（ｂ）は、比較例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、比較例１の燃料電池を構成する単セル５００では、カソード側セパレータ１８ｃの第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４に貫通孔が設けられていない。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３４】
空冷式の燃料電池において、カソード側セパレータ１８ｃの第１流路２２及び第２流路２４を流通する空気は、ファンや車速風などによって供給される。このため、第１流路２２及び第２流路２４を流通する空気の圧力損失は小さいことが好ましく、そのためには、第１流路２２及び第２流路２４の断面積が大きいことが好ましい。第１流路２２及び第２流路２４の断面積を大きくするには、第１流路２２及び第２流路２４の幅を広くすることが考えられる。そこで、比較例１の燃料電池を用いて、第１流路２２及び第２流路２４の幅を広くした場合の発電性能について調べた。
【００３５】
図４は、比較例１に係る燃料電池の電流電圧特性の測定結果を示す図である。図４において、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）で、縦軸はセル電圧（Ｖ）である。図４中の四角印は第１流路２２の幅Ｗ１及び第２流路２４の幅Ｗ２を０．３ｍｍとした場合の測定結果、菱形印は第１流路２２の幅Ｗ１及び第２流路２４の幅Ｗ２を１．０ｍｍとした場合の測定結果である。なお、測定は、燃料電池の温度を５０℃に調温し、アノード側セパレータ１８ａの水素流路３３に露点温度５０℃に加湿された水素を供給し、カソード側セパレータ１８ｃの第１流路２２及び第２流路２４にガス温度５０℃、露点温度−４０℃の乾燥空気を供給して行った。図４のように、第１流路２２及び第２流路２４の幅が１．０ｍｍの場合は、第１流路２２及び第２流路２４の幅が０．３ｍｍの場合に比べて、発電性能が低下した結果となった。
【００３６】
第１流路２２及び第２流路２４の幅が０．３ｍｍよりも広くなった場合に発電性能が低下したのは以下の理由によるものと考えられる。図５は、発電性能が低下した理由を説明するための断面図である。図５のように、ＭＥＡ１０には第１流路２２を流通する空気が拡散し、且つ、ＭＥＡ１０で電気化学反応によって生成された水は第１流路２２に排出される。第１流路２２及び第２流路２４の幅が広くなると、ＭＥＡ１０のうちの第２流路２４の幅方向の中央側で第２流路２４の下側に位置する領域１１と第１流路２２との距離が長くなる。このため、ＭＥＡ１０の領域１１に第１流路２２を流通する空気が供給され難くなり、ＭＥＡ１０の領域１１で生成された水が第１流路２２に排出され難くなる。このために、第１流路２２及び第２流路２４が広くなることで発電性能が低下したものと考えられる。
【００３７】
なお、第１流路２２及び第２流路２４を深くすることでも、第１流路２２及び第２流路２４の断面積を大きくすることができる。しかしながら、第１流路２２及び第２流路２４を深くすると、隣接する単セルのピッチ間隔が広くなってしまい、燃料電池が大型化してしまう。したがって、第１流路２２及び第２流路２４を深くすることで第１流路２２及び第２流路２４の断面積を大きくすることは好ましくなく、第１流路２２及び第２流路２４の幅を広くすることで第１流路２２及び第２流路２４の断面積を大きくすることが好ましい。
【００３８】
次に、実施例１に係る燃料電池に対して行った測定について説明する。なお、比較のために、比較例１に係る燃料電池に対しても同じ測定を行った。測定を行った実施例１及び比較例１の燃料電池は、カソード側セパレータ１８ｃの形状が異なる点以外は同じ構造をしている。カソード側セパレータ１８ｃは、実施例１及び比較例１共に、第１流路２２の幅Ｗ１を１．０ｍｍ、第２流路２４の幅Ｗ２を１．０ｍｍ、第１流路２２及び第２流路２４の深さＤを１．０ｍｍとした。また、実施例１では、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４に、０．５ｍｍ×１．０ｍｍの矩形形状をした貫通孔３６が第１方向に１．４ｍｍピッチ間隔（中心間の距離）で設けられているとし、比較例１では、貫通孔は設けられていないとした。
【００３９】
図６は、実施例１及び比較例１に係る燃料電池の高加湿条件での電流電圧特性の測定結果を示す図である。図６において、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）、左縦軸はセル電圧（Ｖ）、右縦軸はセル抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）である。図６中の実線は実施例１の測定結果、破線は比較例１の測定結果である。また、黒丸及び黒菱形はセル電圧の測定結果、白丸及び白菱形はセル抵抗の測定結果である。なお、測定は、燃料電池の温度を５０℃に調温し、アノード側セパレータ１８ａの水素流路３３に露点温度５０℃に加湿されストイキが２の水素を供給し、カソード側セパレータ１８ｃの第１流路２２及び第２流路２４に露点温度５０℃に加湿され４０Ｌ／ｍｉｎの一定流量の空気を供給して行った。すなわち、高加湿条件の運転での電流電圧特性を測定した。なお、ストイキとは、要求される発電量に必要な反応ガス量に対する実際に供給される反応ガス量の割合である。
【００４０】
図６のように、実施例１は、比較例１に比べて、高電流密度におけるセル電圧が高くなり発電性能が向上した結果となった。このように、実施例１の燃料電池で発電性能が向上したのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１の燃料電池では、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４に貫通孔３６が設けられている。このため、ＭＥＡ１０のうちの第２流路２４の下側に位置する領域で生成された水は、貫通孔３６を介して第２流路２４に排出され易くなり、フラッディングの発生が抑制される。また、第２流路２４を流通する空気が貫通孔３６を介してＭＥＡ１０に供給されるようになり、濃度過電圧の発生が抑制される。これらのために、実施例１では発電性能が向上したものと考えられる。なお、実施例１は比較例１と比べてセル抵抗が同程度であったことから、貫通孔３６が設けられても、高加湿条件の運転ではＭＥＡ１０の乾燥具合に変化がなく、また、カソード側セパレータ１８ｃとＭＥＧＡ２０との間の導通具合にも変化がないことが分かる。
【００４１】
図７は、実施例１及び比較例１に係る燃料電池のエアストイキ特性の測定結果を示す図である。図７において、横軸は所定の電流密度におけるエアストイキ、左縦軸はセル電圧（Ｖ）、右縦軸はセル抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）である。図７中の実線は実施例１の測定結果、破線は比較例１の測定結果である。また、黒丸及び黒菱形はセル電圧の測定結果、白丸及び白菱形はセル抵抗の測定結果である。なお、測定は、燃料電池の温度を５０℃に調温し、アノード側セパレータ１８ａの水素流路３３に露点温度５０℃に加湿されストイキが２の水素を供給し、カソード側セパレータ１８ｃの第１流路２２及び第２流路２４に露点温度５０℃に加湿された空気を供給して行った。
【００４２】
図７のように、実施例１は、比較例１に比べて、エアストイキが低い場合でもセル電圧が維持されエアストイキ特性が改善された結果となった。このように、実施例１の燃料電池のエアストイキ特性が改善したのは、第２流路２４を構成する第２凹部３２に貫通孔３６が設けられ、ＭＥＡ１０で生成された水が貫通孔３６を介して第２流路２４に排出され易くなり且つ第２流路２４を流通する空気が貫通孔３６を介してＭＥＡ１０に供給されるようになったためと考えられる。
【００４３】
以上のように、実施例１によれば、カソード側セパレータ１８ｃは、ＭＥＡ１０側の第１面２６に第１凹部３０を含んで構成された第１流路２２を有し、ＭＥＡ１０とは反対側の第２面２８に第１凹部３０と交互に並んだ第２凹部３２を含んで構成された第２流路２４を有する。そして、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４にカソード側セパレータ１８ｃを貫通する貫通孔３６が設けられている。これにより、第２流路２４の下側に位置するＭＥＡ１０で生成された水が貫通孔３６を介して第２流路２４に排出され易くなるため、フラッディングの発生を抑制することができる。また、第２流路２４を流通する空気が貫通孔３６を介して第２流路２４の下側のＭＥＡ１０に供給されるようになるため、濃度過電圧の発生を抑制することができる。したがって、発電性能の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、実施例１によれば、カソード側セパレータ１８ｃは、第１方向に延びた凹部と凸部とが第２方向で交互に繰り返した凹凸形状の金属板からなる。このため、カソード側セパレータ１８ｃを簡素な構造とすることができ、生産性の向上や製造コストの低減ができる。なお、カソード側セパレータ１８ｃは、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材で形成されていてもよい。
【００４５】
なお、実施例１では、貫通孔３６は、第２流路２４の幅方向の一端側から他端側に延在した矩形形状をしている場合を例に示したが、この場合に限られない。図８（ａ）から図８（ｄ）は、実施例１におけるカソード側セパレータ１８ｃの他の例を示す斜視図である。図８（ａ）のように、貫通孔３６は、第２流路２４の幅方向の端側から中央側に向かって幅が変化するような形状をしていてもよい。例えば、貫通孔３６は、第２流路２４の幅方向の端側から中央側に向かって幅が増大するような形状をしていてもよい。すなわち、貫通孔３６は、第２流路２４の幅方向の中央側の中央側領域４４での面積が端側の端側領域４６での面積よりも大きくなっていてもよい。なお、中央側領域４４とは、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４を第２流路２４の幅の１／４の幅となるように第２流路２４の幅方向に均等に４分割したときに中央側に位置する２つの領域である。端側領域４６とは、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４を第２流路２４の幅の１／４となるように第２流路２４の幅方向に均等に４分割したときに端側に位置する２つの領域である。
【００４６】
図８（ｂ）のように、貫通孔３６は、第２流路２４の幅方向の一端側から他端側に延在せずに、第２流路２４の幅方向の中央側と端側とで別々に分かれて設けられていてもよい。この場合、第２流路２４の中央側領域４４に設けられた貫通孔３６の面積は、第２流路２４の端側領域４６に設けられた貫通孔３６の面積と同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、第２流路２４の中央側領域４４に設けられた貫通孔３６の面積は、第２流路２４の端側領域４６に設けられた貫通孔３６の面積よりも大きくてもよい。
【００４７】
図８（ｃ）のように、貫通孔３６は、円形形状又は楕円形形状をしていてもよい。貫通孔３６は、第２流路２４の中央側領域４４にのみ設けられ、端側領域４６には設けられていなくてもよい。図８（ｄ）のように、貫通孔３６は１つだけ設けられていてもよい。
【００４８】
上述したように、ＭＥＡ１０のうちの第２流路２４の幅方向の中央側で第２流路２４の下側に位置する領域には第１流路２２から空気が供給され難く、また、当該領域で生成された水は第１流路２２に排出され難い。したがって、ＭＥＡ１０の当該領域への空気の供給を促進させ且つ当該領域で生成された水の排出を促進させる点から、第２流路２４の幅方向の中央側に比較的大きな貫通孔３６を設けることが好ましい。一方、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４に占める貫通孔３６の割合が高くなりすぎると、カソード側セパレータ１８ｃとＭＥＧＡ２０との接触面積が小さくなって、カソード側セパレータ１８ｃとＭＥＧＡ２０との間の導通の抵抗が高くなってしまう。したがって、カソード側セパレータ１８ｃとＭＥＧＡ２０との間の導通の抵抗が高くならない程度に貫通孔３６を設けることが好ましい。
【００４９】
これらのことから、図８（ａ）から図８（ｄ）のように、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４のうちの中央側領域４４に設けられた貫通孔３６の総面積は、２つの端側領域４６に設けられた貫通孔３６の総面積よりも大きいことが好ましい。言い換えると、中央側領域４４の総面積に対する中央側領域４４に設けられた貫通孔３６の総面積の割合である中央側開口率は、２つの端側領域４６の総面積に対する２つの端側領域４６に設けられた貫通孔３６の総面積の割合である端側開口率よりも大きいことが好ましい。図８（ｃ）及び図８（ｄ）のように、貫通孔３６は、中央側領域４４及び端側領域４６のうちの中央側領域４４にのみ設けられている場合が好ましい。
【実施例２】
【００５０】
まず、実施例１及び比較例１の燃料電池を低加湿条件で運転した場合の電流電圧特性について説明する。電流電圧特性の測定を行った実施例１及び比較例１の燃料電池の構造は、図６及び図７の測定を行った構造と同じである。図９は、実施例１及び比較例１に係る燃料電池の低加湿条件での電流電圧特性の測定結果を示す図である。図９において、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）、左縦軸はセル電圧（Ｖ）、右縦軸はセル抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）である。図９中の実線は実施例１の測定結果、破線は比較例１の測定結果である。また、黒丸及び黒菱形はセル電圧の測定結果、白丸及び白菱形はセル抵抗の測定結果である。なお、測定は、燃料電池の温度を８０℃に調温し、アノード側セパレータ１８ａの水素流路３３に露点温度４０℃に加湿されストイキが２の水素を供給し、カソード側セパレータ１８ｃの第１流路２２及び第２流路２４に露点温度２７℃に加湿され４０Ｌ／ｍｉｎの一定流量の空気を供給して行った。
【００５１】
図９のように、実施例１は、比較例１に比べて、高電流密度におけるセル電圧が低くなる結果となった。このように、低加湿条件の運転では、実施例１の燃料電池の発電性能が低下した理由を図１０から図１２を用いて説明する。
【００５２】
図１０は、比較例１に係る燃料電池の発電分布及び温度分布を示す図である。図１０において、横軸は第１流路２２及び第２流路２４に沿った位置であり、左縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）、右縦軸はセル温度（℃）である。なお、図１０では、水素流路３３を露点温度５０℃に加湿された水素が流れ、第１流路２２及び第２流路２４には空気供給口からガス温度２５℃、露点温度１０℃である低加湿の空気が供給され、単セルの平均電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２であるときの単セル内の部位ごとにおける電流密度とセル温度を示している。図１０のように、セル温度は空気供給口から空気排出口に向かうに従い高くなる結果となった。また、電流密度は空気供給口側及び空気排出口側ではその間に比べて低くなる結果となった。
【００５３】
図１１は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１に係る燃料電池の温度分布を示す図である。図１１において、横軸は第１流路２２及び第２流路２４に沿った位置であり、縦軸はセル温度（℃）である。なお、図１１では、水素流路３３を無加湿の水素が流れる場合、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合、及び露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合において、単セルの電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２であるときのセル温度を示している。第１流路２２及び第２流路２４を流れる空気の条件は、ガス温度２５℃、露点温度１０℃の低加湿であり、全ての場合で同じである。無加湿の水素が流れる場合を実線で、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合を破線で、露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合を点線で示している。
【００５４】
図１１のように、水素流路３３を流れる水素の加湿状態が変化した場合でも、セル温度は空気供給口から空気排出口に向かうに従って高くなる結果となった。このように、セル温度が空気供給口から空気排出口に向かって高くなるのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、第１流路２２及び第２流路２４を流れる空気は、ＭＥＡ１０での電気化学反応による発熱によって温度が上昇する。このため、空気供給口側に比べて空気排出口側では冷却性能が低下する。したがって、空気供給口から空気排出口に向かうに従いセル温度が高くなったものと考えられる。なお、燃料電池を燃料電池自動車や電気自動車に搭載する場合、燃料電池の大きさは車両の搭載空間の制限を受ける。このため、大きな発電を得るために、第１流路２２及び第２流路２４に沿った方向における発電部の長さを長くすることが望まれる。この場合には、第１流路２２及び第２流路２４に沿った温度勾配が大きくなり、空気排出口側のセル温度がより高くなる。
【００５５】
図１２は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１に係る燃料電池の発電分布を示す図である。図１２において、横軸は第１流路２２及び第２流路２４に沿った位置であり、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）である。なお、図１２においても、水素流路３３を無加湿の水素が流れる場合を実線で、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合を破線で、露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合を点線で示している。第１流路２２及び第２流路２４を流れる空気の条件は、ガス温度２５℃、露点温度１０℃の低加湿であり、全ての場合で同じである。
【００５６】
図１２のように、空気供給口側では、水素流路３３を流れる水素の加湿度が増すに従い電流密度が低下する結果となった。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、空気供給口側では、空気による冷却効果が高いため、セル温度が低くなる。このため、水の飽和蒸気圧が低くなり、ＭＥＡ１０での電気化学反応で生成された生成水の排水は液水で行われるようになる。つまり、空気供給口側ではＭＥＡ１０に液水が溜まり易い状態にある。したがって、水素流路３３に加湿した水素が供給されると、ＭＥＡ１０内の液水過多によるフラッディングが発生し、その結果、発電性能が低下したものと考えられる。なお、セル温度が低くなると触媒による電気化学反応が進み難くなり発電性能が低下するが、水素の加湿度が変わることで発電性能が変化していることから、上述したように、ＭＥＡ１０内の液水過多が発電性能の低下の原因であると考えられる。
【００５７】
一方、空気排出口側では、水素流路３３を流れる水素の加湿度が増すに従い電流密度が上昇する結果となった。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、空気排出口側では、空気による冷却効果が低下してセル温度が高くなる。このため、水の飽和蒸気圧が高くなり、ＭＥＡ１０での電気化学反応で生成された生成水の排水が水蒸気で速やかに行われるようになる。つまり、空気排出口側ではＭＥＡ１０内に液水が溜まり難い状態にあり、ＭＥＡ１０が乾燥し易い状態にある。したがって、水素流路３３に加湿した水素が供給されることで、ＭＥＡ１０の乾燥が改善され、その結果、発電性能が上昇したものと考えられる。
【００５８】
なお、図３のように、第１流路２２及び第２流路２４と水素流路３３とは、交差（例えば直交）している。このため、空気供給口側と空気排出口側とで水素流路３３を流れる水素の状態は同じである。よって、第１流路２２及び第２流路２４に沿った方向での発電分布は、第１流路２２及び第２流路２４を流れる空気に起因したものと考えられる。
【００５９】
このように、空気供給口側では、生成水を含む液水の過多によるフラッディングによって発電性能の低下が生じる場合がある。空気排出口側では、ＭＥＡ１０の乾燥によって電解質膜１２の抵抗が増大することによって発電性能の低下が生じる場合がある。比較例１の燃料電池では第２流路２４に貫通孔が設けられていないのに対し、実施例１の燃料電池では第２流路２４に貫通孔３６が設けられている。このため、実施例１は、比較例１に比べて、ＭＥＡ１０で生成された水が外部に排出され易い。このことは、空気供給口側ではフラッディングによる発電性能の低下を抑制することに貢献するが、空気排出口側ではＭＥＡ１０の乾燥を助長させて発電性能が低下する要因となる。したがって、図９において、実施例１が比較例１に比べて発電性能が低下したのは、ＭＥＡ１０の乾燥によるものと考えられる。また、図９において、実施例１のセル抵抗が、比較例１のセル抵抗に比べて高くなっていることからも、ＭＥＡ１０の乾燥が原因で発電性能が低下したものと考えられる。
【００６０】
図１３は、実施例２に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図１３のように、実施例２の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、円形形状又は楕円形形状をした貫通孔３６が、第２流路２４の幅方向の中央側で且つ第２流路２４を流通する空気の流れに対して上流側の上流側領域４８にのみ設けられ、下流側の下流側領域５０には設けられていない。なお、上流側領域４８とは、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４を第２流路２４の長さの１／２の長さとなるように第２流路２４の長さ方向に均等に２分割したときに空気の流れの上流側に位置する領域である。下流側領域５０とは、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４を第２流路２４の長さの１／２となるように第２流路２４の長さ方向で均等に２分割したときに空気の流れの下流側に位置する領域である。実施例２の燃料電池のその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００６１】
実施例２によれば、貫通孔３６は、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４のうちの上流側領域４８にのみ設けられている。これにより、第２流路２４の上流側では、貫通孔３６を介した生成水の排水及び空気の供給が可能となるため、フラッディング及び濃度過電圧の発生を抑制できる。第２流路２４の下流側では、貫通孔３６がないため、生成水が排出され難くなり、ＭＥＡ１０の乾燥を抑制できる。したがって、実施例２によれば、低加湿条件での運転の場合でも、発電性能の低下を抑制することができる。
【００６２】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの他の例を示す斜視図である。図１４（ａ）のように、第２流路２４の空気供給口から空気排出口に向かって、同じ形状で同じ大きさの複数の貫通孔３６が互いの間隔を徐々に広げて設けられていてもよい。すなわち、第２流路２４の下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の間隔が、第２流路２４の上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の間隔よりも大きくなっていてもよい。図１４（ｂ）のように、第２流路２４の空気供給口から空気排出口に向かって、大きさが徐々に小さくなる複数の貫通孔３６が等間隔で設けられていてもよい。すなわち、第２流路２４の下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の面積が、第２流路２４の上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の面積よりも小さくなっていてもよい。これらの場合でも、第２流路２４の上流側ではフラッディング及び濃度過電圧の発生を抑制でき、第２流路２４の下流側では生成水が排出され難くなるためＭＥＡ１０の乾燥を抑制できる。よって、発電性能の低下を抑制することができる。
【００６３】
したがって、低加湿条件での運転における発電性能の低下を抑制する点から、図１３から図１４（ｂ）のように、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４のうちの下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の総面積は、上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の総面積よりも小さいことが好ましい。言い換えると、下流側領域５０の総面積に対する下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の総面積の割合である下流側開口率は、上流側領域４８の総面積に対する上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の総面積の割合である上流側開口率よりも小さいことが好ましい。
【００６４】
なお、発電性能の低下の抑制という点では、図１４（ａ）のように、第２流路２４の下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の間隔の全てが、第２流路２４の上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の間隔よりも大きい場合が好ましいが、下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の間隔のうちの少なくとも１つが、上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の間隔よりも大きい場合でもよい。同様に、図１４（ｂ）のように、第２流路２４の下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の面積の全てが、第２流路２４の上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の面積よりも小さい場合が好ましいが、下流側領域５０に設けられた貫通孔３６の面積の少なくとも１つが、上流側領域４８に設けられた貫通孔３６の面積よりも小さい場合でもよい。
【実施例３】
【００６５】
図１５及び図１６は、実施例３に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図１５及び図１６のように、実施例３の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、矩形形状をした貫通孔３６が、第２流路２４の幅方向の中央側に設けられている。貫通孔３６の縁部のうちの空気の流れの上流側に位置する上流側縁部に、第２凹部３２の底面３４から第２流路２４内に向かって斜め方向に突出した壁部６０が設けられている。壁部６０は、例えば貫通孔３６の少なくとも一部を覆うように設けられている。壁部６０は、例えば折り曲げ加工又はプレス加工によって形成される。また、第１流路２２は第２流路２４よりも幅が狭く、すなわち第１流路２２は第２流路２４よりも断面積が小さくなっている。第２流路２４の断面積を比較的大きくすることで、冷却性能を向上させることができ、第１流路２２の断面積を比較的小さくすることで、第１流路２２を流れる空気による水分の持ち去りを抑制することができる。実施例３の燃料電池のその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００６６】
実施例３によれば、貫通孔３６の縁部のうちの空気の流れの上流側に位置する上流側縁部に、第２凹部３２の底面３４から第２流路２４内に突出した壁部６０が設けられている。第２凹部３２の底面３４に貫通孔３６を設けた場合、貫通孔３６からＭＥＡ１０内の水分が持ち去られ、ＭＥＡ１０が乾燥して発電性能の低下が生じる場合がある。しかしながら、壁部６０を設けることで、第２流路２４を流れる空気が壁部６０によって上方に曲げられて、貫通孔３６で露出するＭＥＧＡ２０の上面を通過する空気の流速が遅くなる。このため、貫通孔３６からＭＥＡ１０内の水分の持ち去りが抑制され、ＭＥＡ１０の乾燥を抑制できる。よって、発電性能の低下を抑制することができる。
【００６７】
なお、実施例３では、壁部６０は貫通孔３６の縁部のうちの上流側縁部にのみ設けられている場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。図１７は、実施例３の変形例１に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの第２流路２４の斜視図である。なお、図１７では、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４及び壁部６０をクロスハッチで示している。図１７のように、壁部６０は、貫通孔３６の縁部のうちの上流側縁部に加え、空気の流れに沿った側方縁部にも設けられていてもよい。この場合、貫通孔３６で露出するＭＥＧＡ２０の上面を通過する空気の流速がより遅くなるため、貫通孔３６からＭＥＡ１０内の水分の持ち去りがより抑制される。
【実施例４】
【００６８】
図１８（ａ）は、実施例４に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの第２流路２４の斜視図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。なお、図１８（ａ）では、第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４をクロスハッチで示している。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）のように、実施例５の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、円形形状をした貫通孔３６が、第２流路２４の幅方向の中央側に設けられている。第２流路２４を構成する第２凹部３２の底面３４のうちの貫通孔３６が設けられた部分は他の部分よりも盛り上がっている。これにより、貫通孔３６の上面と貫通孔３６で露出するＭＥＧＡ２０の上面との間に比較的大きな空隙６２が形成されるため、ＭＥＧＡ２０の上面を通過する空気の流速が遅くなり、貫通孔３６からＭＥＡ１０内の水分の持ち去りが抑制される。
【実施例５】
【００６９】
図１９は、実施例５に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図１９のように、実施例５の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、上流側領域４８に設けられた貫通孔３６には壁部６０が設けられてなく、下流側領域５０に設けられた貫通孔３６にのみ壁部６０が設けられている。実施例２で説明したように、低加湿条件での運転では、上流側では液水過多によるフラッディングが生じ、下流側ではＭＥＡ１０の乾燥が生じる場合がある。このため、実施例５のように、壁部６０を備えない貫通孔３６を上流側に設けることで、上流側では、貫通孔３６から液水の排水が促進され、フラッディングの発生が抑制される。また、壁部６０を備える貫通孔３６を下流側に設けることで、下流側では、貫通孔３６から液水が排水され難くなり、ＭＥＡ１０の乾燥が抑制される。したがって、実施例５によれば、低加湿条件での運転の場合でも、発電性能の低下を抑制することができる。
【００７０】
なお、実施例５では、第２流路２４の長さ方向の半分よりも上流側である上流側領域４８には壁部６０が設けられてなく、半分よりも下流側である下流側領域５０にのみ壁部６０が設けられている場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。第２流路２４の長さ方向の半分以外の位置に対して上流側では壁部６０が設けられてなく、下流側では壁部６０が設けられていてもよい。すなわち、壁部６０を備える貫通孔３６が、壁部６０を備えない貫通孔３６よりも、第２流路２４の下流側に設けられていればよい。
【実施例６】
【００７１】
図２０は、実施例６に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図２０のように、実施例６の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、下流側領域５０に設けられた壁部６０の高さが、上流側領域４８に設けられた壁部６０の高さよりも高くなっている。このため、上流側では貫通孔３６から液水が排水され易く、下流側では貫通孔３６から液水が排水され難くなる。したがって、低加湿条件での運転の場合でも、発電性能の低下を抑制することができる。
【００７２】
なお、実施例６では、第２流路２４の長さ方向の半分よりも下流側である下流側領域５０に設けられた壁部６０の高さが、半分よりも上流側である上流側領域４８に設けられた壁部６０の高さよりも高い場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。第２流路２４の長さ方向の半分以外の位置に対して下流側に設けられた壁部６０の高さが、上流側に設けられた壁部６０の高さよりも高い場合でもよい。すなわち、壁部６０の高さは、第２流路２４の下流側の方が上流側よりも高くなっていればよい。
【実施例７】
【００７３】
図２１は、実施例７に係る燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃの第２流路２４の平面図である。図２１のように、実施例７の燃料電池に備わるカソード側セパレータ１８ｃでは、貫通孔３６が設けられている部分での第２流路２４の幅Ｗ１が、貫通孔３６が設けられていない部分での第２流路２４の幅Ｗ２よりも広くなっている。すなわち、第２流路２４の断面積は、貫通孔３６が設けられている部分では貫通孔３６が設けられていない部分に比べて大きくなっている。このように、貫通孔３６が設けられている部分での第２流路２４の幅Ｗ１を貫通孔３６が設けられていない部分での第２流路２４の幅Ｗ２よりも広くすることで、貫通孔３６で露出するＭＥＧＡ２０の上面を通過する空気の流速が遅くなる。このため、貫通孔３６からＭＥＡ１０内の水分の持ち去りが抑制され、ＭＥＡ１０の乾燥を抑制できる。よって、発電性能の低下を抑制することができる。
【００７４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  膜電極接合体
１１  膜電極接合体の領域
１２  電解質膜
１４ａ  アノード触媒層
１４ｃ  カソード触媒層
１６ａ  アノードガス拡散層
１６ｃ  カソードガス拡散層
１８ａ  アノード側セパレータ
１８ｃ  カソード側セパレータ
２０  膜電極ガス拡散層接合体
２２  第１流路
２４  第２流路
２６  第１面
２８  第２面
３０  第１凹部
３２  第２凹部
３３  水素流路
３４  第２凹部の底面
３６  貫通孔
４０、４２  絶縁部材
４４  中央側領域
４６  端側領域
４８  上流側領域
５０  下流側領域
６０  壁部
６２  空隙
１００、５００  単セル
【図１】
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【図２】
2018037383.tif 000004
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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