(57)【要約】【課題】残留水分による排ガス流路の閉塞を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池セルは、膜電極接合体と樹脂フレームとを挟む一対のセパレータの間に設けられ、排ガスを発電部からマニホールド部に導く排ガス流路を備える。前記排ガス流路は、前記発電部から前記マニホールド部に延びている第１流路部と、前記第１流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第２流路部および第３流路部と、前記第１流路部の下流端と前記第２流路部の上流端と前記第３流路部の上流端とに接続されている連結部と、を含む。前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、前記第１流路部の下流端の延長領域は、前記連結部において、前記第２流路部の上流端側ではなく、前記第３流路部の上流端側に向かって延びている。【選択図】図４Ａ
2019216002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと、
前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと、
前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と、
を備え、
前記排ガス流路は、
前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第１流路部と、
前記第１流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第２流路部および第３流路部と、
前記第１流路部の下流端と、前記第２流路部の上流端と、前記第３流路部の上流端と、に接続されている連結部と、
を含み、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第１流路部は、前記第１流路部の下流端を前記連結部内に延長した延長領域が、前記連結部において、前記第２流路部の上流端側ではなく、前記第３流路部の上流端側に向かって延びるように、前記連結部に接続しており、
前記連結部において、前記延長領域に対して、前記第２流路部と前記第３流路部の配列方向のうち、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側の領域には、前記発電部から延びている流路は接続されていない、燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池セルであって、
前記連結部は、前記第２流路部と前記第３流路部とに交差するように延びる連結流路であり、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に沿って見たときに、
前記第１流路部の下流側部位は、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続しており、
前記延長領域の延長方向における端部は、前記第２流路部の上流端に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置する、燃料電池セル。
【請求項３】
燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと、
前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと、
前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と、
を備え、
前記排ガス流路は、
前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第１流路部と、
前記第１流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第２流路部および第３流路部と、
前記第１流路部の下流端と、前記第２流路部の上流端と、前記第３流路部の上流端と、に接続されている連結部と、
前記第２流路部の上流端に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置し、前記第２流路部の上流端から、前記第２流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている交差壁面部と、
を含み、
前記第１流路部の下流端は、前記連結部において最も上流に位置し、
前記第１流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第１流路部の下流端は、前記第２流路部の上流端に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置し、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第１流路部の下流端は、前記交差壁面部と、前記第３流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第１流路部の下流端の中心軸方向において対向し、
前記交差壁面部は、前記第２流路部の上流端から、前記第１流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第１流路部の下流端から離れる方向に延びている、燃料電池セル。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池セルであって、
前記連結部は、前記第２流路部と前記第３流路部とに交差する方向に延びる連結流路であり、
前記交差壁面部は、前記連結流路の壁面の一部を構成しており、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に見たときに、前記第１流路部の下流側部位は、前記交差壁面部に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続している、燃料電池セル。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池セルであって、
前記連結流路は、第１連結流路であり、
前記延長領域は、第１延長領域であり、
前記排ガス流路は、さらに、
前記第１流路部と並列に延び、下流端が前記第１連結流路に接続されている第４流路部と、
前記第１流路部の上流端と前記第４流路部の上流端とが接続されている第２連結流路と、
前記第２連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第２連結流路に接続されている第５流路部と、
を含み、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第５流路部は、下流端を前記第２連結流路内に延長した第２延長領域が、前記第２連結流路において、前記第１流路部の上流端側ではなく、前記第４流路部の上流端側に向かって延びるように、前記第２連結流路に接続しており、
前記第２延長領域に対して、前記第１流路部と前記第４流路部の配列方向のうち、前記第４流路部から前記第１流路部に向かう方向側における前記第２連結流路の領域には、上流側が前記発電部に接続されている流路は接続されていない、燃料電池セル。
【請求項６】
請求項４記載の燃料電池セルであって、
前記連結流路は第１連結流路であり、
前記交差壁面部は第１交差壁面部であり、
前記排ガス流路は、さらに、
前記第１流路部と並列に延び、下流端が前記第１連結流路に接続されている第４流路部と、
前記第１流路部の上流端と前記第４流路部の上流端とが接続されている第２連結流路と、
前記第２連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第２連結流路に接続されている第５流路部と、
前記第１流路部の上流端に対して、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向側に位置し、前記第１流路部の上流端から、前記第１流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている第２交差壁面部と、
を含み、
前記第５流路部の下流端は、前記第２連結流路において最も上流に位置し、
前記第５流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第５流路部の下流端は、前記第１流路部の上流端に対して、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向側に位置し、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第５流路部の下流端は、前記第２交差壁面部と、前記第４流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第５流路部の下流端の中心軸方向において対向し、
前記第２交差壁面部は、前記第１流路部の上流端から、前記第５流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第５流路部の下流端から離れる方向に延びている、燃料電池セル。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の燃料電池セルであって、
前記第１流路部は、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に湾曲して前記第１連結流路に接続し、
前記第５流路部は、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向に湾曲して前記第２連結流路に接続している、燃料電池セル。
【請求項８】
請求項２、請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記連結流路の中心軸と前記第２流路部の上流端の中心軸との間の前記第３流路部側の角度θｂは、前記連結流路の中心軸と前記第１流路部の下流端の中心軸との間の前記第２流路部側の角度θａよりも大きい、燃料電池セル。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記第１流路部は、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータにおける前記樹脂フレーム側の面に設けられたセパレータ側凹部と、前記樹脂フレームと、の間の空間によって構成され、
前記第２流路部および前記第３流路部は、前記樹脂フレームの前記一方のセパレータ側の面に設けられたフレーム側凹部と、前記一方のセパレータと、の間の空間によって構成され、
前記連結部は、前記セパレータ側凹部と前記フレーム側凹部とが対向して形成される空間によって構成されている、燃料電池セル。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記第２流路部が重力方向上側となり、前記第３流路部が重力方向下側となるように配置される、燃料電池セル。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池セルが、複数個、積層された燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セル同士の間において、前記マニホールド部を囲み、互いに対向する前記セパレータに挟まれて、前記燃料電池セル同士の間からの流体の漏洩を防止するシール部材が配置され、
前記第２流路部および前記第３流路部は、前記樹脂フレーム内に設けられ、前記燃料電池セルの積層方向に沿って見たときに、前記シール部材と交差するように延びている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルおよび燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１には、膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の周囲に配置され、膜電極接合体とともにセパレータに挟まれる樹脂フレームを備える固体高分子形の燃料電池セルが開示されている。燃料電池セルは、通常、複数個が積層されて燃料電池スタックを構成する。こうした燃料電池セルでは、セパレータや樹脂フレームに形成された溝などの凹部によって、電極を含む発電部に接続される複数のガス流路が形成される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５８１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したガス流路のうち、発電部から排出される排ガスが流通する排ガス流路には、通常、排ガスとともに多量の水分が流入する。そのため、燃料電池セルの発電停止後に、排ガス流路内に水分が残留していると、例えば、氷点以下の温度になるような低温環境下では、残留水分の凍結によって、排ガス流路が閉塞される場合があった。排ガス流路が閉塞されてしまうと、発電部に反応ガスを十分に到達させることができず、燃料電池セルの発電の再開が困難になる。特に、全ての排ガス流路が閉塞されてしまった場合には、燃料電池セルの始動性が著しく低下してしまう。
【０００５】
特許文献１の燃料電池セルは、排ガス流路に流入した排水を排ガス流路によるガイドと重力の作用とによって排水用経路に誘導するものであり、いずれの排ガス流路にも水分が流入するように構成されている。そのため、特許文献１の燃料電池セルでは、全ての排ガス流路が残留水分によって閉塞されてしまう可能性がある。このように、排ガス流路における残留水分による排ガス流路の閉塞を抑制することについては依然として改良の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
［１］第１の形態は、燃料電池セルとして提供される。この形態の燃料電池セルは、膜電極接合体と；前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと；前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと；前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と；前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と；を備える。前記排ガス流路は；前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第１流路部と；前記第１流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第２流路部および第３流路部と；前記第１流路部の下流端と、前記第２流路部の上流端と、前記第３流路部の上流端と、に接続されている連結部と；を含む。前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに；前記第１流路部は、前記第１流路部の下流端を前記連結部内に延長した延長領域が、前記連結部において、前記第２流路部の上流端側ではなく、前記第３流路部の上流端側に向かって延びるように、前記連結部に接続しており；前記連結部において、前記延長領域に対して、前記第２流路部と前記第３流路部の配列方向のうち、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側の領域には、前記発電部から延びている流路は接続されていない。
この形態の燃料電池セルによれば、第１流路部から連結部に流入した排ガスの気体成分を第２流路部および第３流路部の両方へと流入させ、液体成分を、第２流路部側ではなく、第３流路部側へと誘導することができる。よって、第２流路部への液体成分の流入が抑制され、燃料電池セルの発電停止後に、第２流路部に水分が残留することが抑制される。そのため、低温環境下において、燃料電池セルにおける全ての排ガス流路が残留水分の凍結によって閉塞されて、発電の再開が困難になってしまうことが抑制される。
【０００８】
［２］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記連結部は、前記第２流路部と前記第３流路部とに交差するように延びる連結流路であり；前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に沿って見たときに；前記第１流路部の下流側部位は、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続しており；前記延長領域の延長方向における端部は、前記第２流路部の上流端に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置してよい。
この形態の燃料電池セルによれば、連結流路の流路方向に沿って、排ガスの液体成分を、第２流路部の上流端側から第３流路部の上流端側へと誘導することができるため、より一層、第２流路部への液体成分の流入を抑制することができる。
【０００９】
［３］第２の形態は、燃料電池セルとして提供される。この形態の燃料電池セルは、膜電極接合体と；前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと；前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと；前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と；前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と；を備える。前記排ガス流路は；前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第１流路部と；前記第１流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第２流路部および第３流路部と；前記第１流路部の下流端と、前記第２流路部の上流端と、前記第３流路部の上流端と、に接続されている連結部と；前記第２流路部の上流端に対して、記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置し、前記第２流路部の上流端から、前記第２流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている交差壁面部と；を含む。前記第１流路部の下流端は、前記連結部において最も上流に位置し；前記第１流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第１流路部の下流端は、前記第２流路部の上流端に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向側に位置し；前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに；前記第１流路部の下流端は、前記交差壁面部と、前記第３流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第１流路部の下流端の中心軸方向において対向し；前記交差壁面部は、前記第２流路部の上流端から、前記第１流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第１流路部の下流端から離れる方向に延びている。
この形態の燃料電池セルによれば、第１流路部から連結部に流入した排ガスの気体成分を、第２流路部および第３流路部の両方へと流入させ、液体成分を、第２流路部側ではなく、第３流路部側へと誘導することができる。よって、第２流路部への液体成分の流入が抑制され、燃料電池セルの発電停止後に、第２流路部に水分が残留することが抑制される。そのため、低温環境下において、燃料電池セルにおける全ての排ガス流路が残留水分の凍結によって閉塞されて、発電の再開が困難になってしまうことが抑制される。
【００１０】
［４］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記連結部は、前記第２流路部と前記第３流路部とに交差する方向に延びる連結流路であり；前記交差壁面部は、前記連結流路の壁面の一部を構成しており；前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に見たときに、前記第１流路部の下流側部位は、前記交差壁面部に対して、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続してよい。
この形態の燃料電池セルによれば、交差壁面部を有する連結流路によって、第１流路部から流出した排ガスの液体成分を、第２流路部側から第３流路部側へと誘導することができる。そのため、より一層、第２流路部への液体成分の流入を抑制することができる。
【００１１】
［５］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記連結流路は、第１連結流路であり；前記延長領域は、第１延長領域であり；前記排ガス流路は、さらに；前記第１流路部と並列に延び、下流端が前記第１連結流路に接続されている第４流路部と；前記第１流路部の上流端と前記第４流路部の上流端とが接続されている第２連結流路と；前記第２連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第２連結流路に接続されている第５流路部と；を含み；前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに；前記第５流路部は、下流端を前記第２連結流路内に延長した第２延長領域が、前記第２連結流路において、前記第１流路部の上流端側ではなく、前記第４流路部の上流端側に向かって延びるように、前記第２連結流路に接続しており；前記第２延長領域に対して、前記第１流路部と前記第４流路部の配列方向のうち、前記第４流路部から前記第１流路部に向かう方向側における前記第２連結流路の領域には、上流側が前記発電部に接続されている流路は接続されていなくてよい。
この形態の燃料電池セルによれば、第１連結流路と第２連結流路の二段階で第２流路部に流入する水分量を低減することができる。
【００１２】
［６］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記連結流路は第１連結流路であり；前記交差壁面部は第１交差壁面部であり；前記排ガス流路は、さらに；前記第１流路部と並列に延び、下流端が前記第１連結流路に接続されている第４流路部と；前記第１流路部の上流端と前記第４流路部の上流端とが接続されている第２連結流路と；前記第２連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第２連結流路に接続されている第５流路部と；前記第１流路部の上流端に対して、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向側に位置し、前記第１流路部の上流端から、前記第１流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている第２交差壁面部と；を含み；前記第５流路部の下流端は、前記第２連結流路において最も上流に位置し；前記第５流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第５流路部の下流端は、前記第１流路部の上流端に対して、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向側に位置し；前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに；前記第５流路部の下流端は、前記第２交差壁面部と、前記第４流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第５流路部の下流端の中心軸方向において対向し；前記第２交差壁面部は、前記第１流路部の上流端から、前記第５流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第５流路部の下流端から離れる方向に延びてよい。
この形態の燃料電池セルによれば、第１連結流路と第２連結流路の二段階で第２流路部に流入する水分量を低減することができる。
【００１３】
［７］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記第１流路部は、前記第２流路部から前記第３流路部に向かう方向に湾曲して前記第１連結流路に接続し；前記第５流路部は、前記第１流路部から前記第４流路部に向かう方向に湾曲して前記第２連結流路に接続してよい。
この形態の燃料電池セルによれば、第１流路部の上流側が第３流路部から第２流路部に向かう方向に延び、第５流路部の上流側が第４流路部から第１流路部に向かう方向に延びて、排ガス流路の形成範囲が広くなってしまうことを抑制することができる。
【００１４】
［８］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に沿って見たときに；前記連結流路の中心軸と前記第２流路部の上流端の中心軸との間の前記第３流路部側の角度θｂは、前記連結流路の中心軸と前記第１流路部の下流端の中心軸との間の前記第２流路部側の角度θａよりも大きくてよい。
この形態の燃料電池セルによれば、排ガスの液体成分を、第３流路部に向かう角度であって、第２流路部に流入しにくい角度で、連結流路に流入させることができる。よって、排ガスの液体成分が第２流路部に流入することを、より一層抑制することができる。
【００１５】
［９］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記第１流路部は、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータにおける前記樹脂フレーム側の面に設けられたセパレータ側凹部と、前記樹脂フレームと、の間の空間によって構成され；前記第２流路部および前記第３流路部は、前記樹脂フレームの前記一方のセパレータ側の面に設けられたフレーム側凹部と、前記一方のセパレータと、の間の空間によって構成され；前記連結部は、前記セパレータ側凹部と前記フレーム側凹部とが対向して形成される空間によって構成されてよい。
この形態の燃料電池セルによれば、連結部において、第１流路部の出口である下流端と第２流路部の入口である上流端とが樹脂フレームとセパレータとが積層されている方向においてずれた位置に開口する。そのため、第１流路部から連結部に流入した排ガス中の液体成分が第２流路部に流入することをより効果的に抑制することができる。
【００１６】
［１０］上記形態の燃料電池セルにおいて、前記第２流路部が重力方向上側となり、前記第３流路部が重力方向下側となるように配置されてよい。
この形態の燃料電池セルによれば、重力の作用が加わることにより、連結部において、排ガスの液体成分が、第２流路部の上流端側ではなく、第３流路部の上流端側へと、より一層、誘導されやすくなる。そのため、排ガスの液体成分が第２流路部へ流入することが、より一層抑制される。
【００１７】
［１１］第３の形態は、上記形態の燃料電池セルが、複数個、積層された燃料電池スタックとして提供される。この形態の燃料電池セルでは、前記燃料電池セル同士の間において、前記マニホールド部を囲み、互いに対向する前記セパレータに挟まれて、前記燃料電池セル同士の間からの流体の漏洩を防止するシール部材が配置され；前記第２流路部および前記第３流路部は、前記樹脂フレーム内に設けられ、前記燃料電池セルの積層方向に沿って見たときに、前記シール部材と交差するように延びてよい。
この形態の燃料電池スタックによれば、シール部材から樹脂フレームが受ける押圧力によって、樹脂フレームに形成されている排ガス流路の流路径が小さくなっていても、少なくとも、第２流路部における凍結水分による閉塞を抑制することができる。
【００１８】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００１９】
本発明は、燃料電池セルや燃料電池スタック以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池セルや燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載する車両、燃料電池セルにおける排ガス流路の流路構造、燃料電池セルにおいて排ガス流路を構成する凹部を有する樹脂フレームやセパレータ等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態における燃料電池スタックの構成を示す概略図。
【図２】第１実施形態における燃料電池セルを分解して示す概略図。
【図３】第１実施形態における燃料電池セルの概略断面図。
【図４Ａ】第１実施形態の排ガス流路の一部を抜き出して示す概略図。
【図４Ｂ】第１実施形態の排ガス流路における排ガスの流れを示す模式図。
【図５】第１流路部と第２流路部と連結流路とが交差する角度を説明するための概略図。
【図６Ａ】第２実施形態の排ガス流路の構成を示す概略平面図。
【図６Ｂ】第２実施形態の排ガス流路の構成を示す概略断面図。
【図７】第３実施形態の排ガス流路の構成を示す概略平面図。
【図８】第４実施形態の排ガス流路の構成を示す概略平面図。
【図９Ａ】排ガス流路の他の構成例を示す第１の概略平面図。
【図９Ｂ】排ガス流路の他の構成例を示す第２の概略平面図。
【図９Ｃ】排ガス流路の他の構成例を示す第３の概略平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の燃料電池セル１０を備える燃料電池スタック１００の構成を示す概略図である。燃料電池セル１０は、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。第１実施形態では、燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは酸素である。燃料電池スタック１００は、複数個の燃料電池セル１０が積層されて締結された構成を有している。図１には、燃料電池スタック１００における燃料電池セル１０の積層方向ＳＤを示す矢印を図示してある。
【００２２】
燃料電池セル１０は、単セルとも呼ばれ、それぞれが単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池セル１０は、発電体である膜電極接合体２０と、膜電極接合体の周囲に配置される樹脂フレーム３０と、膜電極接合体２０と樹脂フレーム３０とを積層方向ＳＤに挟む一対のセパレータ４１，４２と、を備える。図１では、膜電極接合体２０は燃料電池スタック１００の内部に配置されて見えないため、破線の引き出し線によって、その配置位置に符号を付してある。燃料電池セル１０の構成の詳細については後述する。
【００２３】
積層方向ＳＤに隣り合って配置される燃料電池セル１０同士の間にはそれぞれ、ガスケットとも呼ばれるシール部材１５が配置されている。シール部材１５は燃料電池スタック１００の外部から見えないため、図１では、破線の引き出し線によって、燃料電池セル１０同士の境界にその符号を付してある。シール部材１５は、互いに対向するセパレータ４１，４２に挟まれて圧縮された状態で配置され、燃料電池セル１０同士の間からの流体の漏洩を防止する。流体には、例えば、反応ガスや、燃料電池スタック１００で生成された水分、燃料電池スタック１００の運転温度を制御するための冷媒などが含まれる。
【００２４】
燃料電池スタック１００では、燃料電池セル１０が積層された積層体１１は、２枚のエンドプレート１２ａ，１２ｂによって積層方向ＳＤに挟まれている。各エンドプレート１２ａ，１２ｂは例えば、金属板によって構成される。積層体１１は、第１エンドプレート１２ａおよび第２エンドプレート１２ｂを介して、締結部材から、積層方向ＳＤに沿った締結力を付与される。図１では、締結部材の図示は、便宜上、省略されている。
【００２５】
各エンドプレート１２ａ，１２ｂと積層体１１との間には、集電板１３と絶縁板１４とが配置されている。集電板１３は、導電性を有する板状部材によって構成されている。集電板１３は、積層体１１に接触しており、各燃料電池セル１０と電気的に導通する。燃料電池スタック１００において発電された電力は、集電板１３を介して外部へと出力される。絶縁板１４は、集電板１３とエンドプレート１２ａ，１２ｂとの間に配置されて両者を電気的に絶縁する。
【００２６】
燃料電池スタック１００の内部には、各燃料電池セル１０の後述する発電部に接続されるマニホールドＭ１〜Ｍ６が設けられている。各マニホールドＭ１〜Ｍ６は、各燃料電池セル１０を貫通する貫通孔によって構成された後述するマニホールド部が積層方向ＳＤに連結されることによって形成される。各マニホールドＭ１〜Ｍ６は、各燃料電池セル１０の膜電極接合体２０の周囲に配列されている。なお、図１では、マニホールドＭ１，Ｍ４，Ｍ５の位置が重なっており、マニホールドＭ２，Ｍ３，Ｍ６の位置が重なっている。
【００２７】
第１マニホールドＭ１には、各燃料電池セル１０のアノードに供給される燃料ガスが流通する。第２マニホールドＭ２には、各燃料電池セル１０のアノードから排出される排ガスが流通する。第３マニホールドＭ３には、各燃料電池セル１０のカソードに供給される酸化剤ガスが流通する。第４マニホールドＭ４には、各燃料電池セル１０のカソードから排出される排ガスが流通する。第５マニホールドＭ５には、積層方向ＳＤに隣り合う燃料電池セル１０同士の間に形成される冷媒流路に供給される冷媒が流通する。第６マニホールドＭ６には、前述した冷媒流路から排出される冷媒が流通する。
【００２８】
第１エンドプレート１２ａと、第１エンドプレート１２ａ側の集電板１３および絶縁板１４には、各マニホールドＭ１〜Ｍ６の端部を構成する貫通孔が設けられている。第１エンドプレート１２ａの外表面には、反応ガスや冷媒のための配管類を各マニホールドＭ１〜Ｍ６に接続するための接続部が設けられている。当該接続部の図示および詳細な説明については省略する。
【００２９】
図２および図３を参照し、燃料電池セル１０の構成を説明する。図２は、燃料電池セル１０を分解して示す概略図である。図２には、カソード２３側から積層方向ＳＤに見たときの膜電極接合体２０と、樹脂フレーム３０と、一対のセパレータ４１，４２と、が図示されている。図３は、図２に示すＦ３−Ｆ３切断に相当する位置における燃料電池セル１０の概略断面図である。図３では、燃料電池スタック１００を構成したときの任意の隣り合う２つの燃料電池セル１０を例示してある。
【００３０】
図２および図３には、互いに直交する三方向を示すＸ，Ｙ，Ｚ軸が図示されている。ここで、第１実施形態では、図２に示すように、樹脂フレーム３０および一対のセパレータ４１，４２は、積層方向ＳＤに見たときに略四角状の外周形状を有している。Ｘ軸およびＹ軸はそれぞれ、樹脂フレーム３０およびセパレータ４１，４２の外周の一辺に沿った方向を示している。以下では、Ｘ軸に沿った方向であるＸ軸方向のうち、＋の方向を＋Ｘ方向とも呼び、−の方向を−Ｘ方向とも呼ぶ。また、Ｙ軸に沿った方向であるＹ軸方向のうち、＋の方向を＋Ｙ方向とも呼び、−の方向を−Ｙ方向とも呼ぶ。Ｚ軸に沿った方向であるＺ軸方向は、樹脂フレーム３０およびセパレータ４１，４２の厚み方向と、燃料電池スタック１００の積層方向ＳＤと、に平行である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は、後に参照する他の参照図においても、図２および図３と対応するように、適宜、図示してある。
【００３１】
図２を参照する。燃料電池セル１０では、膜電極接合体２０は、その周囲に枠状の樹脂フレーム３０が配置された状態で一対のセパレータ４１，４２に挟まれる。第１実施形態では、膜電極接合体２０は、積層方向ＳＤに見たときに、その外周端部が樹脂フレーム３０の内周端部と重なるように配置される。
【００３２】
図３を参照する。膜電極接合体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に配置された電極層であるアノード２２およびカソード２３と、を備える。電解質膜２１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す電解質樹脂の薄膜である。電解質膜２１は、例えば、フッ素系のイオン交換膜によって構成される。
【００３３】
アノード２２およびカソード２３は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を促進する触媒粒子が担持されている導電性材料によって構成される。アノード２２およびカソード２３は、内部においてＸ軸およびＹ軸によって規定される面に沿った方向にガスが拡散するガス拡散性を有する。膜電極接合体２０においてアノード２２およびカソード２３が配置されている領域が、供給された反応ガスの電気化学反応によって発電がおこなわれる発電部２５である。
【００３４】
第１実施形態では、カソード２３のＸ軸方向における長さおよびＹ軸方向における長さは電解質膜２１およびアノード２２より小さい。カソード２３は、その外周端部が、電解質膜２１の外周端部およびアノード２２の外周端部より内側に位置するように、電解質膜２１の面上に配置されている。カソード２３の外周端部の外側に延び出ている電解質膜２１の外周端部は、樹脂フレーム３０の開口部３１の内側周縁部に接合される。これによって、膜電極接合体２０は、図２に示すように、樹脂フレーム３０の中央の開口部３１内に、膜電極接合体２０の発電部２５が配置された状態で、樹脂フレーム３０に支持される。樹脂フレーム３０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）によって構成される。樹脂部材としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材を採用することができる。
【００３５】
図２に示すように、一対のセパレータ４１，４２は、膜電極接合体２０およびそれを支持する樹脂フレーム３０をほぼ覆うことができる程度のサイズを有している。図２では、各セパレータ４１，４２において膜電極接合体２０の発電部２５とＺ軸方向に重なる領域ＧＡが一点鎖線で図示されている。第１セパレータ４１は、カソード２３に面するカソードセパレータであり、第２セパレータ４２は、アノード２２に面するアノードセパレータである。
【００３６】
セパレータ４１，４２は導電性およびガス不透過性を有する板状部材によって構成される。第１実施形態では、各セパレータ４１，４２は、メタルセパレータであり、ステンレス鋼やチタンなどの金属部材をプレス成形したプレス成形板によって構成されている。他の実施形態では、セパレータ４１，４２はメタルセパレータによって構成されていなくてもよい。セパレータ４１，４２は、例えば、カーボンを板状に成形した部材によって構成されてもよい。
【００３７】
図２を参照する。燃料電池セル１０は、発電部２５の周囲に設けられたマニホールド部５１〜５６を有する。マニホールド部５１〜５６は、樹脂フレーム３０およびセパレータ４１，４２を貫通する貫通孔によって構成される。上述したように、燃料電池スタック１００において、各燃料電池セル１０のマニホールド部５１〜５６は積層方向ＳＤに連結され、図１で説明したマニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する。マニホールド部５１〜５６はそれぞれ、符号の末尾の数字が同じである対応するマニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する。
【００３８】
反応ガスの供給用のマニホールド部５１，５３は、各燃料電池セル１０の一対のセパレータ４１，４２の間に反応ガスを流入させる。反応ガスの排出用のマニホールド部５２，５４は、各燃料電池セル１０の一対のセパレータ４１，４２の間から排ガスを流出させる。冷媒供給用のマニホールド部５５は、燃料電池スタック１００において互いに隣り合って積層された燃料電池セル１０同士の間に冷媒を流入させる。冷媒排出用のマニホールド部５６は、当該互いに隣り合って積層された燃料電池セル１０同士の間を通過した冷媒を流出させる。
【００３９】
燃料ガス供給用の第１マニホールド部５１は、発電部２５の＋Ｙ方向側の端部の＋Ｘ方向側に設けられている。アノード２２側の排ガス用の第２マニホールド部５２は、発電部２５の−Ｙ方向側の端部の−Ｘ方向側に設けられている。第１マニホールド部５１と第２マニホールド部５２とは、発電部２５を挟んで対角の位置に設けられている。
【００４０】
酸化剤ガス供給用の第３マニホールド部５３は、発電部２５の＋Ｙ方向側の端部の−Ｘ方向側に設けられている。カソード２３側の排ガス用の第４マニホールド部５４は、発電部２５の−Ｙ方向側の端部の＋Ｘ方向側に設けられている。第３マニホールド部５３と第４マニホールド部５４とは、発電部２５を挟んで対角の位置に設けられている。
【００４１】
冷媒供給用の第５マニホールド部５５は、発電部２５の＋Ｘ方向側に設けられ、Ｙ軸方向において第１マニホールド部５１と第４マニホールド部５４とに挟まれている。冷媒排出用の第６マニホールド部５６は、発電部２５の−Ｘ方向側に設けられ、Ｙ軸方向において第２マニホールド部５２と第３マニホールド部５３とに挟まれている。
【００４２】
マニホールド部５１〜５６が形成される位置は上記の位置に限定されることはない。マニホールド部５１〜５６は、発電部２５の周囲に形成されていればよい。なお、第１実施形態では、燃料ガス用のマニホールド部５１，５２の開口面積は、酸化剤ガス用のマニホールド部５３，５４の開口面積より小さい。そして、燃料ガス用のマニホールド部５１，５２のＹ軸方向における開口幅は、酸化剤ガス用のマニホールド部５３，５４のＹ軸方向における開口幅より小さい。
【００４３】
燃料電池セル１０には、一対のセパレータ４１，４２の間に、反応ガス供給用のマニホールド部５１，５３と発電部２５とを接続し、マニホールド部５１，５３の反応ガスを発電部２５に導く供給ガス流路６０が設けられている。供給ガス流路６０は、第１マニホールド部５１と発電部２５との間、および、第３マニホールド部５３と発電部２５との間、にそれぞれ設けられている。
【００４４】
反応ガス供給用のマニホールド部５１，５３に連結されている上流側供給流路６１と、発電部２５に連結されている下流側供給流路６２と、を含む。上流側供給流路６１は、樹脂フレーム３０に設けられた溝状、あるいは、スリット状の凹部と、当該凹部を覆うセパレータ４１，４２の表面との間の空間によって構成されている。図２では、樹脂フレーム３０の右上の部位に図示されている燃料ガス用の上流側供給流路６１は、樹脂フレーム３０の裏側に設けられているため、破線で図示してある。
【００４５】
下流側供給流路６２は、セパレータ４１，４２の樹脂フレーム３０側の面に設けられた溝状の凹部と、当該凹部を覆う樹脂フレーム３０の表面との間の空間によって構成されている。図２では、第１セパレータ４１の左上の部位に図示されている酸化剤ガス用のカソード側の下流側供給流路６２は、第１セパレータ４１の裏側に設けられているため、破線で図示してある。下流側供給流路６２を構成するセパレータ４１，４２の凹部は、プレス加工によってセパレータ４１，４２の基材を厚み方向に凹凸するように折り曲げることによって形成されてもよい。セパレータ４１，４２の当該凹部は、エッチング処理など、セパレータ４１，４２の基材表面に対する溝掘り加工によって形成されてもよい。このように、供給ガス流路６０は、一対のセパレータ４１，４２の少なくとも一方と樹脂フレーム３０とによって構成されている。
【００４６】
燃料電池セル１０には、発電部２５と排ガス用のマニホールド部５２，５４とを接続し、排ガスをマニホールド部５２，５４に導く排ガス流路６５が設けられている。排ガス流路６５は、一対のセパレータ４１，４２に設けられている。排ガスには、発電部２５において発電に用いられなかった反応ガスと、発電部２５において生成された水分と、が含まれる。
【００４７】
複数の排ガス流路６５は、発電部２５と第２マニホールド部５２との間と、発電部２５と第４マニホールド部５４との間と、にそれぞれ設けられている。排ガス流路６５は、供給ガス流路６０と同様に、一対のセパレータ４１，４２のうちの少なくとも一方と樹脂フレーム３０とで構成される。排ガス流路６５は、セパレータ４１，４２側に設けられたセパレータ側流路部６８として構成された部位と、樹脂フレーム３０側に設けられた樹脂フレーム側流路部６９として構成された部位と、を含む。
【００４８】
セパレータ側流路部６８は、セパレータ４１，４２の樹脂フレーム３０側の面に設けられた溝状の凹部と、当該凹部に面する樹脂フレーム３０の表面との間の空間によって構成されている。図２では、第１セパレータ４１の右下の部位に図示されているカソード２３側の排ガス用のセパレータ側流路部６８は、第１セパレータ４１の裏側に設けられているため、破線で図示してある。
【００４９】
以下では、セパレータ側流路部６８を構成するためのセパレータ４１，４２の凹部を「セパレータ側凹部」とも呼ぶ。第１実施形態では、セパレータ側凹部は、セパレータ４１，４２の基材をプレス加工によって厚み方向に凹凸するように折り曲げることによって形成される。ただし、他の実施形態では、セパレータ側凹部は、プレス加工の代わりに、エッチング処理など、セパレータ４１，４２の基材表面に対する溝掘り加工によって形成されてもよい。
【００５０】
樹脂フレーム側流路部６９は、樹脂フレーム３０に設けられる溝状の凹部と、当該凹部に面するセパレータ４１，４２の表面との間の空間によって構成されている。図２では、樹脂フレーム３０の左下の部位に図示されているアノード２２側の排ガス用の樹脂フレーム側流路部６９は、樹脂フレーム３０の裏側に設けられているため、破線で図示してある。
【００５１】
以下では、樹脂フレーム側流路部６９を構成するための樹脂フレーム３０の凹部を「フレーム側凹部」とも呼ぶ。第１実施形態では、フレーム側凹部は、樹脂フレーム３０の表面を局所的に窪ませた有底の凹部によって構成される。他の実施形態では、フレーム側凹部としては、例えば、スリットや貫通孔など、樹脂フレーム３０を貫通する構成が採用されてもよい。
【００５２】
排ガス流路６５は、発電部２５からマニホールド部５２，５４へと並列に延びている複数の並列流路６６と、並列流路６６に交差する方向に延びている連結流路６７と、を有する。並列流路６６の上流端は、発電部２５に接続されており、並列流路６６の上流側は、セパレータ側流路部６８によって構成されている。並列流路６６の下流端は、マニホールド部５２，５４に接続されており、並列流路６６の下流側は、樹脂フレーム側流路部６９によって構成されている。並列流路６６では、並列流路６６を構成しているセパレータ側流路部６８の下流端部と樹脂フレーム側流路部６９の上流端部とがＺ軸方向に重なり合うことによって、並列流路６６の上流側と下流側とが連結されている。
【００５３】
複数の並列流路６６は、発電部２５側の上流端同士の間隔が、マニホールド部５２，５４側の下流端同士の間隔より広く、発電部２５からマニホールド部５２，５４に向かって集まるように延びている。これによって、発電部２５におけるより広い範囲から排ガスを効率良くマニホールド部５２，５４へと集めることができる。なお、上述したように、第１実施形態の燃料電池セル１０では、燃料ガス用のマニホールドＭ１，Ｍ２のＹ軸方向における開口幅は、酸化剤ガス用のマニホールドＭ３，Ｍ４のＹ軸方向における開口幅よりも小さい。そのため、第１実施形態では、アノード側の並列流路６６の本数は、カソード側の並列流路６６の本数よりも少ない。
【００５４】
連結流路６７は、並列流路６６のうちの少なくとも一部を連結する連結部として機能する。第１実施形態では、連結流路６７は、セパレータ側流路部６８として構成されている。第１実施形態では、連結流路６７は、Ｙ軸方向に沿って延びており、並列流路６６のうち、＋Ｙ方向側に配列されている流路に連結され、−Ｙ方向側に配列されている流路には連結されていない。なお、他の実施形態では、連結流路６７は、全ての並列流路６６に連結されていてもよい。また、−Ｙ方向側に配列されている流路にのみ連結されていてもよいし、並列流路６６のＹ軸方向における中央の領域に配列されている流路にのみ連結されていてもよい。並列流路６６および連結流路６７は、排ガスに含まれる液体成分が毛管力によって保持されて滞留してしまわない程度の流路断面積を有することが望ましい。
【００５５】
排ガス流路６５では、並列流路６６と連結流路６７とは、連結流路６７に連結されている並列流路６６の一部に、流入する排ガス中の液体成分の量が他よりも低減される流路が形成されるように接続されている。その詳細については後述する。
【００５６】
図３を参照する。セパレータ４１，４２の膜電極接合体２０側の面である内側面には、発電部２５と面する領域ＧＡの全体にわたって、反応ガスの流路を構成するガス流路溝４４が形成されている。また、セパレータ４１，４２のその反対側の外側面には、冷媒の流路を構成する冷媒流路溝４５が形成されている。なお、図２では、便宜上、ガス流路溝４４および冷媒流路溝４５の平面視の図示は省略されている。また、本明細書では、冷媒流路溝４５と冷媒用のマニホールド部５５，５６とを接続する流路の構成についての説明は省略する。
【００５７】
図３に示すように、セパレータ４１，４２の樹脂フレーム３０とは反対側の外側面には、図１で説明したシール部材１５を収容するための空間を形成する溝状のシール収納凹部４６が設けられている。シール部材１５は、積層方向ＳＤに見たときに、図２に示すように、発電部２５と各マニホールド部５１〜５６をそれぞれ囲むように配置されている。図２では、便宜上、シール収納凹部４６の図示は省略されている。
【００５８】
図２を参照する。図２には、重力方向を示す矢印Ｇを図示してある。なお、重力方向を示す矢印Ｇは、後に参照する他の図においても図２に対応するように図示してある。第１実施形態の燃料電池スタック１００は、発電の際には、−Ｙ方向側が重力方向下側となるように配置される。つまり、燃料電池スタック１００は、発電の際に、反応ガス供給用のマニホールド部５１，５３が重力方向上側となり、排ガス用のマニホールド部５２，５４が重力方向下側となるように配置される。そのため、発電中の発電部２５では、アノード２２側においてもカソード２３側においても、反応ガスが重力方向上側から下側へと流れる。これによって、発電部２５で生成された水分が重力に従って発電部２５の下方へと移動するため、当該水分が発電部２５から排出されやすくなっている。
【００５９】
図４Ａ、図４Ｂ、図５を順に参照して、第１実施形態の排ガス流路６５の流路構成を説明する。図４Ａは、図２に示す領域Ｆ４に含まれる排ガス流路６５の一部を、一対のセパレータ４１，４２が樹脂フレーム３０を挟んで対向する方向である積層方向ＳＤに見たときの概略平面図である。図４Ａでは、便宜上、排ガス流路６５の内部空間を白抜きで示し、排ガス流路６５の壁部を構成するセパレータ４２の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。
【００６０】
以下における排ガス流路６５の構成の説明は、特に断らない限り、一対のセパレータ４１，４２が樹脂フレーム３０を挟んで対向する方向に見たときのものである。以下では、アノード側の排ガス流路６５の構成について説明する。第１実施形態の燃料電池セル１０では、カソード側の排ガス流路６５も、アノード側の排ガス流路６５と同様な構成を有している。以下のアノード側の排ガス流路６５についての説明を、カソード側の排ガス流路６５に適用する場合には、第２マニホールド部５２が第４マニホールド部５４に置き換えられ、＋Ｘ方向および−Ｘ方向の正負が入れ替えられる。
【００６１】
排ガス流路６５の並列流路６６は、連結流路６７よりも上流側の第１流路部７１と、連結流路６７よりも下流側の第２流路部７２および第３流路部７３を有する。第１流路部７１は、発電部２５から第２マニホールド部５２に向かう方向に延びており、その下流端が連結流路６７に接続されている。第１実施形態では、第１流路部７１は、その下流側部位７１ｄが、発電部２５から−Ｘ方向側および−Ｙ方向側に向かって斜めに延びて、連結流路６７に接続されている。
【００６２】
第２流路部７２および第３流路部７３は、連結流路６７から互いに並列に延びており、それぞれの上流端が連結流路６７に接続されている。本明細書において、「並列に延びている」構成は、平行に延びている構成に限定されず、互いに交差する方向に延びている構成も含む。第２流路部７２と第３流路部７３とは、並列流路６６の配列方向において互いに隣り合っている。第２流路部７２は＋Ｙ方向側に位置し、第３流路部７３は−Ｙ方向側に位置する。
【００６３】
第２流路部７２および第３流路部７３のそれぞれの下流端は、図２において図示されているように、別個に第２マニホールド部５２に接続されている。なお、第１実施形態では、第２流路部７２と第３流路部７３の上流側部位は、第１流路部７１および連結流路６７と同様に、セパレータ側流路部６８として構成されている。第２流路部７２と第３流路部７３の下流側部位は、樹脂フレーム側流路部６９として構成されている。
【００６４】
第１実施形態では、並列流路６６は、連結流路６７の上流側に、第１流路部７１の他に、上流側流路部７４を有している。上流側流路部７４は、第１流路部７１の−Ｙ方向側において、発電部２５から第２マニホールド部５２に向かって延び、下流端が連結流路６７に接続されている。第１実施形態では、連結流路６７よりも上流側の流路である第１流路部７１および上流側流路部７４は、連結流路６７から発電部２５に向かって放射状に延びている。他の実施形態では、上流側流路部７４は省略されてもよいし、連結流路６７から発電部２５に向かって放射状に延びていなくてもよい。
【００６５】
第１実施形態では、並列流路６６は、連結流路６７の下流側に、第２流路部７２および第３流路部７３の他に、下流側流路部７５を有している。下流側流路部７５は、第３流路部７３よりも−Ｙ方向側に位置し、上流端が連結流路６７に接続され、それぞれの下流端が第２マニホールド部５２に接続されている。なお、下流側流路部７５では、第２流路部７２および第３流路部７３と同様に、上流側がセパレータ側流路部６８として構成され、下流側が樹脂フレーム側流路部６９として構成されている。他の実施形態では、下流側流路部７５は省略されてもよい。
【００６６】
第１流路部７１の下流端は、連結流路６７において最も上流に位置する。連結流路６７において、第１流路部７１の下流端に対して、第２流路部７２と第３流路部７３の配列方向のうちの第３流路部７３から第２流路部７２に向かう方向側の領域には、発電部２５から延びている流路は接続されていない。つまり、連結流路６７において、第１流路部７１の下流端よりも＋Ｙ方向側の領域には発電部２５から延びている流路は接続されていない。第１流路部７１は、下流端が連結流路６７に連結されている流路のうち、並列流路６６の配列方向において最も外側に位置する。
【００６７】
第１流路部７１の下流側部位７１ｄは、連結流路６７に対して、第２流路部７２から第３流路部７３に向かう方向である−Ｙ方向側に向かって傾斜して接続されている。第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａに平行な中心軸方向に見たときに、第１流路部７１の下流端は、第２流路部７２の上流端に対して、第２流路部７２から第３流路部７３に向かう方向側、つまり、＋Ｙ方向側に位置する。
【００６８】
なお、本明細書において、流路の中心軸とは、当該流路に直交する流路断面における中心を結ぶ仮想軸を意味する。また、流路の下流端や上流端における中心軸は、流路の上流端や下流端を構成する開口における中心位置での中心軸を意味する。
【００６９】
図４Ａでは、第１流路部７１の下流端を連結流路６７内に延長した延長領域７７に、網点のハッチングが付されている。第１流路部７１の下流端の延長領域７７は、第１流路部７１の下流端を構成する＋Ｙ方向側の壁面の接線Ｃ１と−Ｙ方向側の壁面の接線Ｃ２とに挟まれている領域である。
【００７０】
延長領域７７は、第１流路部７１の下流端における中心軸ＣＸａを連結流路６７内に延長した延長軸ＥＸａに沿った方向に延びている。延長軸ＥＸａは、第２流路部７２の上流端よりも第３流路部７３の上流端側の領域に向かって、第２流路部７２の上流端の中心軸ＣＸｂに対して斜めに交差する方向に延びている。
【００７１】
延長領域７７の延長方向における端部７７ｅは、連結流路６７において、第２流路部７２の上流端よりも第３流路部７３の上流端側、つまり、−Ｙ方向側に位置する。第２流路部７２の上流端は、延長領域７７の端部７７ｅと重なる部位を有していない。第１実施形態では、延長領域７７の端部７７ｅは、第３流路部７３の上流端と重なる部位を有している。なお、他の実施形態では、第３流路部７３の上流端は、延長領域７７の端部７７ｅと重なる部位を有しないように、延長領域７７の端部７７ｅよりも−Ｙ方向側に位置していてもよい。
【００７２】
延長領域７７は、第２流路部７２の上流端がない領域であって、第２流路部７２の上流端から見て第３流路部７３がある方側の領域に向かって延びている。つまり、第１流路部７１は、その下流端を連結流路６７内に延長した延長領域７７が、第２流路部７２の上流端側ではなく、第３流路部７３の上流端側に向かって延びるように、連結流路６７に接続している。
【００７３】
ここで、排ガス流路６５は、第２流路部７２の上流端から、第２流路部７２の上流端の中心軸ＣＸｂに対して交差する方向に延びている交差壁面部７９を有している。交差壁面部７９は、第２流路部７２の上流端に対して、第２流路部７２と第３流路部７３の配列方向のうちの第２流路部７２から第３流路部７３に向かう方向側に位置する。第１実施形態では、交差壁面部７９は、連結流路６７の壁面の一部を構成しており、第２流路部７２の上流端と第３流路部７３の上流端との間に位置している。
【００７４】
交差壁面部７９は、第２流路部７２の上流端から、第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａに直交する方向に交差する方向であって、第１流路部７１の下流端から離れる方向に延びている。交差壁面部７９は、第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａに対して、第２流路部７２から第３流路部７３に向かう方向に傾斜して交差している。交差壁面部７９は、第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａに対して、交差壁面部７９と第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａとの間の角度のうち、第３流路部７３側の角度が第２流路部７２側の角度より大きくなるように傾斜して交差している。第１実施形態では、第１流路部７１の下流端は、その中心軸ＣＸａに平行な中心軸方向において、交差壁面部７９と、第３流路部７３の上流端と、に対向している。
【００７５】
燃料電池セル１０では、第１流路部７１と第２流路部７２と第３流路部７３とが、連結流路６７に対して、上記のように接続されていることによって、以下に説明するように、排ガスの液体成分が第２流路部７２へと進入することが抑制されている。
【００７６】
図４Ｂを参照して、排ガス流路６５での排ガスの流れを説明する。図４Ｂでは、図４Ａで図示した排ガス流路６５に、排ガスの気体成分の流れを示す矢印と、排ガスに含まれる液体成分ＬＱと、が模式的に図示されている。
【００７７】
連結流路６７には、発電部２５から並列流路６６のそれぞれに、排ガスの気体成分とともに、排ガスの液体成分ＬＱが流入する。排ガスの気体成分は、液体成分ＬＱに比較して、運動量が小さく、移動方向が変化しやすい。第１流路部７１から連結流路６７に流出した排ガスの気体成分は、連結流路６７において拡散し、連結流路６７を通じて、第２流路部７２や、第３流路部７３、下流側流路部７５に分岐流入する。第１流路部７１以外の他の上流側流路部７４から連結流路６７に流出した排ガスの気体成分についても同様である。
【００７８】
一方、第１流路部７１から連結流路６７に流出した排ガスの液体成分ＬＱは、気体成分よりも運動量が大きいため、その多くが、慣性力に従って、第１流路部７１の下流端の延長領域７７に沿って、交差壁面部７９に向かって移動する。そして、液体成分ＬＱは、前述の慣性力のＹ軸方向に沿った成分によって、連結流路６７内を−Ｙ方向に移動し、連結流路６７よりも下流側の第３流路部７３や他の下流側流路部７５に流入する。第１実施形態では、上述したように、交差壁面部７９が、第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａに対して第２流路部７２から第３流路部に向かう方向に傾斜している。そのため、排ガスの液体成分ＬＱは交差壁面部７９によって第２流路部７２の上流端側から第３流路部７３の上流端側へと誘導される。第１流路部７１以外の他の上流側流路部７４から連結流路６７に流出した排ガスの液体成分ＬＱも、連結流路６７に沿って−Ｙ方向に移動し、第３流路部７３や他の下流側流路部７５に流入する。
【００７９】
このように、排ガス流路６５の流路構成によれば、第１流路部７１の排ガスのうち、運動量が大きい液体成分ＬＱが、第２流路部７２ではなく、第３流路部７３の方へと誘導される。そして、運動量が小さく、液体成分ＬＱから分離された気体成分の一部が第２流路部７２へと流入する。上述したように、第１流路部７１の下流端は、連結流路６７において最も上流に位置し、第１流路部７１の延長領域７７よりも＋Ｙ方向側の領域には発電部２５から延びて連結流路６７に接続する流路がない。そのため、第１流路部７１以外から第２流路部７２へと排ガスの液体成分ＬＱが進入する可能性は低い。
【００８０】
よって、燃料電池スタック１００の発電中に、第２流路部７２に排ガスの液体成分ＬＱが流入することが抑制され、第２流路部７２に流入する水分量が、第３流路部７３や他の下流側流路部７５より低減される。また、仮に、第２流路部７２に液体成分ＬＱが入り込んでしまったとしても、第２流路部７２へ流入する気体成分の圧力によって、第２流路部７２の下流へと液体成分ＬＱが排出される。そのため、第２流路部７２が液体成分ＬＱによって閉塞されてしまうことが抑制され、燃料電池スタック１００の発電停止後に、第２流路部７２に多量の水分が残留してしまうことが抑制される。よって、外気温が氷点下になるような低温環境下において、排ガス流路６５の全てが残留水分の凍結によって閉塞されて、燃料電池スタック１００の発電再開が困難になってしまうことが抑制される。
【００８１】
ここで、第１実施形態の燃料電池セル１０は、その発電の際には、第２流路部７２が重力方向上側となり、第３流路部７３が重力方向下側となるように配置される。そのため、排ガスの液体成分ＬＱは、重力の作用によっても、連結流路６７において、第２流路部７２よりも下方の流路部７３，７５へと誘導される。よって、排ガスの液体成分ＬＱの第２流路部７２への流入がより一層、抑制される。
【００８２】
また、第１実施形態の燃料電池セル１０では、上述したように、アノード側の並列流路６６の本数は、カソード側の並列流路６６の本数よりも少ない。第１実施形態では、そうした並列流路６６の本数の少ないアノード側の排ガス流路６５に第２流路部７２を有する構成が適用されている。そのため、排水量に対して並列流路６６の数が少ないアノード側の排ガス流路６５が、排水によって閉塞しやすくなってしまうことが抑制されている。また、第１実施形態の燃料電池セル１０では、カソード側の排ガス流路６５においても、液体成分ＬＱの流入が抑制される第２流路部７２を有する構成が適用されているため、残留水分による排ガス流路６５の閉塞が、さらに抑制されている。
【００８３】
図５を参照して、第１流路部７１と第２流路部７２と連結流路６７とが交差する角度について説明する。連結流路６７の中心軸ＣＸｃと、第１流路部７１の下流端の中心軸ＣＸａを連結流路６７内に延長した延長軸ＥＸａとの間の角度のうち、＋Ｙ方向側の角度、つまり、第２流路部７２側の角度をθａとする。また、連結流路６７の中心軸ＣＸｃと、第２流路部７２の下流端の中心軸ＣＸｂを連結流路６７内に延長した延長軸ＥＸｂと、の間の角度のうち、−Ｙ方向側の角度、つまり、第３流路部７３側の角度をθｂとする。このとき、θｂはθａよりも大きいことが望ましい。また、θｂとθａとの差が大きいほど望ましい。これによって、第１流路部７１から連結流路６７に流入した排ガスの液体成分ＬＱが、第２流路部７２側ではなく、第３流路部７３側へと、より一層、誘導されるようになる。そのため、排ガスの液体成分ＬＱの第２流路部７２への進入を、さらに効果的に抑制することができる。
【００８４】
以上のように、第１実施形態の燃料電池セル１０および燃料電池スタック１００によれば、排ガス流路６５において、排ガスの液体成分ＬＱが第２流路部７２に流入することが抑制される。よって、燃料電池スタック１００の発電停止後に、第２流路部７２に水分が残留することが抑制され、低温環境下において、全ての排ガス流路６５が残留水分の凍結によって閉塞されて、発電の再開が困難になってしまうことが抑制される。その他に、第１実施形態の燃料電池セル１０および燃料電池スタック１００によれば、第１実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
【００８５】
２．第２実施形態：
図６Ａおよび図６Ｂを参照して、第２実施形態の燃料電池セルが有する排ガス流路６５Ｂの構成を説明する。図６Ａは、第２実施形態の排ガス流路６５Ｂの一部を積層方向ＳＤに沿って見たときの概略平面図である。図６Ａでは、図４Ａと同様に、アノード側の排ガス流路６５Ｂについて、排ガス流路６５Ｂの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路６５Ｂの壁部を構成するセパレータ４２の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。図６Ｂは、図６Ａに示すＦ６−Ｆ６切断における第２実施形態の燃料電池セルの概略断面図である。
【００８６】
第２実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックの構成は、第２実施形態の排ガス流路６５Ｂを有している点以外は、第１実施形態の燃料電池セル１０および燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。第２実施形態の排ガス流路６５Ｂの構成は、以下で特に説明しない点については、第１実施形態の排ガス流路６５の構成とほぼ同じである。なお、第２実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックでは、第１実施形態と同様に、排ガス流路６５Ｂの構成は、アノード側とカソード側とで共通である。
【００８７】
排ガス流路６５Ｂでは、第１流路部７１は、第１実施形態で説明したのと同様に、セパレータ側流路部６８として形成されている。つまり、第１流路部７１は、セパレータ４１，４２の樹脂フレーム３０側の面に設けられたセパレータ側凹部４７と樹脂フレーム３０との間の空間によって構成されている。第１流路部７１以外の他の上流側流路部７４についても同様に、セパレータ側流路部６８として形成されている。
【００８８】
排ガス流路６５Ｂでは、第１実施形態とは異なり、第２流路部７２および第３流路部７３の上流側部位は、樹脂フレーム側流路部６９として形成されている。つまり、第２流路部７２および第３流路部７３は、上流端から下流端にわたって、樹脂フレーム３０のフレーム側凹部３７と、当該フレーム側凹部３７に面するセパレータ４１，４２の表面との間の空間によって構成されている。他の下流側流路部７５についても同様に、上流端から下流端にわたって、樹脂フレーム側流路部６９として形成されている。なお、図６Ａでは、樹脂フレーム側流路部６９はセパレータ４１，４２に覆われて見えないため、その位置を破線で図示してある。
【００８９】
図６Ｂを参照する。排ガス流路６５Ｂでは、連結流路６７は、セパレータ側凹部４７とフレーム側凹部３７とが対向して形成される空間によって構成されている。つまり、連結流路６７は、セパレータ側流路部６８として形成されている部位と、樹脂フレーム側流路部６９として形成されている部位と、が積層方向ＳＤに重ねられて構成されている。そのため、排ガス流路６５Ｂでは、交差壁面部７９は、セパレータ４１，４２の一部と樹脂フレーム３０の一部とで構成されている。なお、交差壁面部７９は、図６Ｂには表れていない。
【００９０】
第２実施形態の排ガス流路６５Ｂによれば、図６Ｂに示すように、第１流路部７１の下流端と、第２流路部７２の上流端とが、連結流路６７内において、Ｚ軸方向において離間した位置で開口している。そのため、第１流路部７１の下流端から流出した排ガスの液体成分が、第２流路部７２に流入することが、さらに抑制される。
【００９１】
図６Ａには、第１実施形態において図２および図３を参照して説明したシール部材１５が配置される位置を一点鎖線で図示してある。連結流路６７よりも下流側の樹脂フレーム側流路部６９である第２流路部７２と第３流路部７３と他の下流側流路部７５は、燃料電池セル１０を積層方向ＳＤに見たときに、シール部材１５の下方において、シール部材１５と交差するように延びている。
【００９２】
ここで、樹脂フレーム側流路部６９は、樹脂フレーム３０がセパレータ４１，４２を介してシール部材１５から押圧力を受けて厚み方向に圧縮されることによって、その流路径が小さくなってしまう場合がある。排ガス流路６５Ｂによれば、第２流路部７２への排ガスの液体成分の進入が抑制されるため、シール部材１５によって樹脂フレーム側流路部６９の流路径が小さくなっていても、少なくとも、第２流路部７２が液体成分によって閉塞されることが抑制される。また、シール部材１５を支持するための反力を得るために、シール部材１５と交差する樹脂フレーム側流路部６９の流路径を、より小さく設計することも可能になる。
【００９３】
以上のように、第２実施形態の排ガス流路６５Ｂを備える燃料電池セルおよび燃料電池スタックによれば、第２流路部７２への排ガスの液体成分の進入をより効果的に抑制できる。また、第２実施形態中で説明した種々の作用効果に加えて、第１実施形態中で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００９４】
３．第３実施形態：
図７は、第３実施形態の排ガス流路６５Ｃの一部を積層方向ＳＤに沿って見たときの概略平面図である。図７では、図４Ａと同様に、アノード側の排ガス流路６５Ｃについて、排ガス流路６５Ｃの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路６５Ｃの壁部を構成するセパレータ４２の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。
【００９５】
第３実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックの構成は、第３実施形態の排ガス流路６５Ｃを有している点以外は、第１実施形態の燃料電池セル１０および燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。第３実施形態の排ガス流路６５Ｃの構成は、以下で特に説明しない点については、第１実施形態の排ガス流路６５の構成とほぼ同じである。なお、第３実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックでは、第１実施形態と同様に、排ガス流路６５Ｃの構成は、アノード側とカソード側とで共通である。以下における排ガス流路６５Ｃの構成の説明は、特に断らない限り、一対のセパレータ４１，４２が樹脂フレーム３０を挟んで対向する方向に見たときのものである。
【００９６】
第３実施形態の排ガス流路６５Ｃは、連結流路６７の上流側、つまり、連結流路６７と発電部２５との間にも、並列流路６６に交差するように延びている連結流路８２を有している。以下では、区別のために、下流側の連結流路６７を「第１連結流路６７」とも呼び、その上流側の連結流路８２を「第２連結流路８２」とも呼ぶ。
【００９７】
第２連結流路８２には、第１流路部７１の上流端と、第１流路部７１と並列に延びている他の上流側流路部７４の上流端と、が接続されている。以下では、上流側流路部７４のうち、第１流路部７１の−Ｙ方向側に位置し、第１流路部７１と隣り合う並列な流路を、特に、「第４流路部８４」と呼ぶ。第４流路部８４の下流端は、第１流路部７１の下流端と同様に、第１連結流路６７に接続されている。第４流路部８４の上流端は、第１流路部７１の上流端よりも第２連結流路８２の下流側において、第２連結流路８２に接続されている。
【００９８】
排ガス流路６５Ｃは、さらに、第２連結流路８２よりも上流側に位置する第５流路部８５を有している。第５流路部８５の下流端は第２連結流路８２に接続されている。また、排ガス流路６５Ｃは、第５流路部８５の−Ｙ方向側に、並列な複数の流路部８６を有している。各流路部８６の下流端は、第２連結流路８２に接続され、上流端は発電部２５に接続されている。以下では、第１連結流路６７に接続されている上流側流路部７４を「第１上流側流路部７４」と呼び、第２連結流路８２に接続されている複数の並列な流路部８６を「第２上流側流路部８６」とも呼ぶ。
【００９９】
第５流路部８５の下流端は、第２連結流路８２において最も上流に位置している。第２連結流路８２における第５流路部８５の下流端よりも、第１流路部７１と第４流路部８４の配列方向のうちの第４流路部８４から第１流路部７１に向かう方向側の領域には、上流側が発電部２５に接続されている流路は接続されていない。つまり、第２連結流路８２における第５流路部８５の下流端よりも＋Ｙ方向側の領域には、上流側が発電部２５に接続されている流路は接続されていない。第５流路部８５は、発電部２５と第２連結流路８２とを接続する並列流路６６の配列方向において最も外側に位置する。第５流路部８５の下流端の中心軸ＣＸｅに平行な中心軸方向に見たときに、第５流路部８５の下流端は、第１流路部７１の上流端に対して、第１流路部７１と第４流路部８４の配列方向のうちの第１流路部７１から第４流路部８４に向かう方向側に位置する。
【０１００】
第５流路部８５の下流端を第２連結流路８２内に延長した延長領域８７は、第２連結流路８２において、第１流路部７１の上流端側ではなく、第４流路部８４の上流端側に向かって延びている。延長領域８７は、第１流路部７１の上流端がない領域であって、第１流路部７１の上流端から見て、第４流路部８４がある方の領域に向かって延びている。以下、第１実施形態で説明した第１連結流路６７内における第１流路部７１の下流端の延長領域７７を「第１延長領域７７」と呼び、第２連結流路８２内における第５流路部８５の下流端の延長領域８７を「第２延長領域８７」と呼ぶ。第２延長領域８７は、第５流路部８５の下流端を構成する＋Ｙ方向側の壁面の接線Ｃ３と−Ｙ方向側の壁面の接線Ｃ４とに挟まれている領域である。
【０１０１】
第２延長領域８７は、第５流路部８５の下流端における中心軸ＣＸｅを第２連結流路８２内に延長した延長軸ＥＸｅに沿った方向に延びている。延長軸ＥＸｅは、第１流路部７１の上流端よりも第４流路部８４の上流端側の領域に向かって、第１流路部７１の上流端の中心軸ＣＸｆに対して斜めに交差する方向に延びている。第２連結流路８２の第２延長領域８７よりも＋Ｙ方向側、つまり、第４流路部８４から第１流路部７１に向かう方向側の領域には、上流側が発電部２５に接続されている流路は接続されていない。
【０１０２】
第２延長領域８７の延長方向における端部８７ｅは、第２連結流路８２において、第１流路部７１の上流端よりも第４流路部８４の上流端側、つまり、−Ｙ方向側に位置する。第１流路部７１の上流端は、第２延長領域８７の端部８７ｅと重なる部位を有していない。第３実施形態では、第４流路部８４の上流端は、第２延長領域８７の端部８７ｅと重なる部位を有している。他の実施形態では、第４流路部８４の上流端は、第２延長領域８７の端部８７ｅと重なる部位を有しないように、第２延長領域８７の端部８７ｅよりも−Ｙ方向側に位置していてもよい。
【０１０３】
ここで、排ガス流路６５Ｃは、第１流路部７１の上流端から、第１流路部７１の上流端の中心軸ＣＸｆに対して交差する方向に延びている交差壁面部８９を有している。交差壁面部８９は、第１流路部７１の上流端に対して、第１流路部７１と第４流路部８４の配列方向のうちの第１流路部７１から第４流路部８４に向かう方向側に位置する。交差壁面部８９は、第２連結流路８２の壁面の一部を構成しており、第１流路部７１の上流端と第４流路部８４の上流端との間に位置している。以下、第１実施形態で説明した第１連結流路６７内の交差壁面部７９を「第１交差壁面部７９」と呼び、第２連結流路８２内の交差壁面部８９を「第２交差壁面部８９」と呼ぶ。
【０１０４】
第２交差壁面部８９は、第１流路部７１の上流端から、第５流路部８５の下流端の中心軸ＣＸｅに直交する方向に交差する方向であって、第５流路部８５の下流端から離れる方向に延びている。第２交差壁面部８９は、第５流路部８５の下流端の中心軸ＣＸｅに対して、第１流路部７１から第４流路部８４に向かう方向に傾斜して交差している。第２交差壁面部８９は、第５流路部８５の下流端の中心軸ＣＸｅに対して、第２交差壁面部８９と第５流路部８５の下流端の中心軸ＣＸｅとの間の角度のうち、第４流路部８４側の角度が第１流路部７１側の角度より大きくなるように傾斜して交差している。第５流路部８５の下流端は、その中心軸ＣＸｅに平行な中心軸方向において、第２交差壁面部８９と、第４流路部８４の上流端と、に対向している。
【０１０５】
排ガス流路６５Ｃでは、第５流路部８５から第２連結流路８２へと流入した排ガスの液体成分の移動経路は、図４Ｂで説明した第１流路部７１から第１連結流路６７へと流入した排ガスの液体成分ＬＱと同様になる。排ガス流路６５Ｃでは、第５流路部８５から第２連結流路８２に流入した排ガスの液体成分は、第２延長領域８７に沿って移動した後、第２交差壁面部８９に沿って−Ｙ方向側へと誘導されるため、第１流路部７１に流入することが抑制される。また、排ガス流路６５Ｃでは、仮に、第１流路部７１に排ガスの液体成分が流入したとしても、当該液体成分は、第１連結流路６７を介して第２流路部７２へと流入することが抑制される。このように、排ガス流路６５Ｃでは、第２連結流路８２と第１連結流路６７の二段階で、第２流路部７２へと到達して流入する水分量が低減されている。よって、残留水分による排ガス流路６５Ｃの閉塞が、より一層、効果的に抑制される。
【０１０６】
排ガス流路６５Ｃでは、第１流路部７１の下流側部位７１ｄは、第２流路部７２から第３流路部７３に向かう−Ｙ方向側に湾曲して第１連結流路６７に接続している。また、同様に、第５流路部８５の下流側部位８５ｄは、第１流路部７１から第４流路部８４に向かう−Ｙ方向側に湾曲して第２連結流路８２に接続している。
【０１０７】
第１流路部７１の下流側部位７１ｄが上記のように湾曲していることによって、下流側部位７１ｄが湾曲していない構成よりも、第１流路部７１の上流側部位を−Ｙ方向側に位置させることができる。第５流路部８５の下流側部位８５ｄについても同様である。よって、排ガス流路６５Ｃが形成される範囲のＹ軸方向における幅が大きくなることを抑制できる。
【０１０８】
第３実施形態では、第１流路部７１に隣り合う第４流路部８４の下流側部位は、第１流路部７１の下流側部位７１ｄと干渉しないように、第１流路部７１の下流側部位７１ｄと同様に湾曲している。また、第５流路部８５に隣り合う第２上流側流路部８６の下流側部位も、第５流路部８５の下流側部位８５ｄと干渉しないように、第５流路部８５の下流側部位８５ｄと同様に湾曲している。これによって、第１流路部７１と第４流路部８４との間隔および第５流路部８５とその隣の第２上流側流路部８６との間隔を狭くすることができ、排ガス流路６５Ｃが形成される範囲のＹ軸方向における幅をより小さくすることができる。
【０１０９】
以上、第３実施形態の排ガス流路６５Ｃを備える燃料電池セルおよび燃料電池スタックによれば、第２流路部７２への排ガスの液体成分の進入が、さらに抑制される。また、第１流路部７１の下流側部位７１ｄおよび第５流路部８５の下流側部位８５ｄに湾曲部を設けることによって、排ガス流路６５Ｃの形成領域が広がってしまうことが抑制されている。その他に、第３実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックによれば、第３実施形態中で説明した種々の作用効果に加えて、第１実施形態中や第２実施形態中で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【０１１０】
４．第４実施形態：
図８は、第４実施形態の排ガス流路６５Ｄを積層方向ＳＤに沿って見たときの概略平面図である。図８では、図４Ａと同様に、アノード側の排ガス流路６５Ｄについて、排ガス流路６５Ｄの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路６５Ｄの壁部を構成するセパレータ４２の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。第４実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックの構成は、第４実施形態の排ガス流路６５Ｄを有している点以外は、第１実施形態の燃料電池セル１０および燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。なお、第４実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックでは、第１実施形態と同様に、排ガス流路６５Ｄの構成は、アノード側とカソード側とで共通である。以下における排ガス流路６５Ｄの構成の説明は、特に断らない限り、一対のセパレータ４１，４２が樹脂フレーム３０を挟んで対向する方向に見たときのものである。
【０１１１】
排ガス流路６５Ｄは、発電部２５からマニホールド部５２，５４に向かって並列に延びる複数の並列流路９０を有する。各並列流路９０の上流端は発電部２５に接続され、下流端はマニホールド部５２，５４に接続されている。複数の並列流路９０は、分岐流路９４を含んでいる。分岐流路９４は、上流側の第１流路部９１と、第１流路部９１から分岐している下流側の第２流路部９２と第３流路部９３とを有する。分岐流路９４では、第１流路部９１と第３流路部９３とは直線状に並んでおり、第２流路部９２は、第１流路部９１と第３流路部９３とに対して斜めに交差するように接続している。
【０１１２】
第１流路部９１は発電部２５からマニホールド部５２，５４に向かって延び、その下流端が連結部９５に接続されている。第２流路部９２と第３流路部９３の上流端は連結部９５に接続されている。第２流路部９２と第３流路部９３とは、連結部９５から互いに並列に延びてそれぞれの下流端が別個にマニホールド部５２，５４に接続されている。なお、図示はされていないが、第２流路部９２と第３流路部９３の下流側部位は、第１実施形態で説明した樹脂フレーム側流路部６９として構成されている。
【０１１３】
ここで、分岐流路９４において、連結部９５は、第２流路部９２の上流端に面している領域である。第１流路部９１は、第２流路部９２の上流端よりも上流側の流路であり、第３流路部９３は第２流路部の上流端よりも下流側の流路である。第１流路部９１の下流端は、連結部９５において最も上流に位置している。また、第２流路部９２の上流端は、第３流路部９３の上流端よりも連結部９５の上流端側において、連結部９５に接続されている。
【０１１４】
第２流路部９２の上流端は、連結部９５に接続されている第１流路部９１の下流端を連結部９５内に延長した延長領域９７の＋Ｙ方向側に位置している。第１流路部９１の延長領域９７は、第２流路部９２の上流端側ではなく、第３流路部９３の上流端側に向かって延びている。延長領域９７は、第２流路部９２の上流端がない領域であって、第２流路部９２の上流端から見たときに、第３流路部９３の上流端がある方の領域に向かって延びている。連結部９５における延長領域９７よりも＋Ｙ方向側の領域、つまり、第３流路部９３から第２流路部９２に向かう方向側の領域には、発電部２５から延びている流路は接続されていない。
【０１１５】
積層方向ＳＤに見たときに、第１流路部９１の下流端は、連結部９５を挟んで、第１流路部９１の下流端の中心軸ＣＸｇに平行な中心軸方向において、第３流路部９３の上流端と対向している。分岐流路９４は、第２流路部９２の上流端から、第２流路部９２の上流端の中心軸ＣＸｈに対して交差する方向に延びている交差壁面部９９を有している。交差壁面部９９は、第２流路部９２の上流端に対して第２流路部９２から第３流路部９３に向かう方向側に位置する。
【０１１６】
積層方向ＳＤに見たときに、交差壁面部９９は、第１流路部９１の下流端の中心軸ＣＸｇに直交する方向に交差する方向であって、第２流路部９２の上流端から第１流路部９１の下流端から離れる方向に延びている。交差壁面部９９は、第３流路部９３の壁面の一部を構成しており、第３流路部９３の中心軸に沿って延びている。交差壁面部９９は、第１流路部９１の下流端とは、その中心軸ＣＸｇに平行な中心軸方向において対向していない。
【０１１７】
排ガス流路６５Ｄの分岐流路９４では、第１流路部９１を流れる排ガスのうち、運動量が小さい気体成分は、第２流路部９２と第３流路部９３とに分岐して流れる。一方、運動量が大きい液体成分のほとんどは、連結部９５内の延長領域９７に沿ってそのまま第３流路部９３へと流入し、交差壁面部９９によって第３流路部９３の下流側へと誘導される。このように、排ガス流路６５Ｄの分岐流路９４では、第２流路部９２への排ガスの液体成分の進入が抑制される。そのため、少なくとも、第２流路部９２では、燃料電池セルおよび燃料電池スタックの発電停止後に水分が残留することが抑制される。よって、残留水分によって排ガス流路６５Ｄの全てが閉塞されてしまうことが抑制される。その他に、第４実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックによれば、第４実施形態中で説明した種々の作用効果に加えて、他の各実施形態中で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【０１１８】
５．他の実施形態：
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
【０１１９】
（１）他の実施形態１：
図９Ａ〜図９Ｃを参照して、第１実施形態における排ガス流路６５の他の構成例を説明する。図９Ａに示す排ガス流路６５ａのように、第１流路部７１の下流端は、第３流路部７３の上流端と対向せず、交差壁面部７９のみと対向していてもよい。図９Ｂに示す排ガス流路６５ｂのように、第１流路部７１は、第２流路部７２および第３流路部７３とほぼ平行な角度で延びていてもよい。第１流路部７１の下流端の延長領域７７が延びる方向に平行なベクトルが、第２流路部７２の上流端側から第３流路部７３の上流端側に向かう方向の成分を有し、延長領域７７が第２流路部７２の上流端よりも第３流路部７３の上流端側に位置していればよい。図９Ｃに示す排ガス流路６５ｃのように、第２流路部７２と第３流路部７３とは互いに交差する方向に延びていてもよい。
【０１２０】
（２）他の実施形態２：
上記の各実施形態の排ガス流路６５，６５Ｂ〜６５Ｃ，６５ａ〜６５ｃにおいて、連結流路６７に接続されている第１流路部７１、第２流路部７２、および、第３流路部７３以外の流路部７４，７５は省略されてもよい。上記の各実施形態の排ガス流路６５，６５Ｂ〜６５Ｃにおいて、連結流路６７の＋Ｙ方向側に、連結流路６７に接続されず、発電部２５とマニホールド部５２，５４とを接続する流路が設けられていてもよい。第４実施形態の排ガス流路６５Ｄにおいて、分岐流路９４以外の並列流路９０が省略されていてもよい。分岐流路９４の＋Ｙ方向側に他の並列流路９０が設けられていてもよい。
【０１２１】
（３）他の実施形態３：
他の実施形態を含む上記の各実施形態の構成において、第１流路部７１，９１、第２流路部７２，９２、第３流路部７３，９３、連結流路６７、および、連結部９５は、樹脂フレーム側流路部６９として構成されていてもよい。第３実施形態の排ガス流路６５Ｃにおいて、第２連結流路８２および第２連結流路８２よりも下流側の流路が樹脂フレーム側流路部６９として構成されていてもよい。第３実施形態の排ガス流路６５Ｃにおいて、第１流路部７１、第２流路部７２、第３流路部７３、第１連結流路６７、第４流路部８４、第５流路部８５、第２連結流路８２が樹脂フレーム側流路部６９として構成されていてもよい。第４実施形態の排ガス流路６５Ｄにおいて、第１流路部７１がセパレータ側流路部６８によって構成され、第２流路部９２および第３流路部９３が樹脂フレーム側流路部６９によって構成されてもよい。また、連結部９５が、セパレータ側凹部４７とフレーム側凹部３７とが対向して形成される空間によって構成されていてもよい。
【０１２２】
（４）他の実施形態４：
燃料電池セル１０の発電中の配置姿勢は、上記の各実施形態で説明した第２流路部７２，９２が重力方向上側となり、第３流路部７３，９３が重力方向下側となる姿勢には限定されない。燃料電池セル１０は、発電中に、例えば、積層方向ＳＤが重力方向に沿った方向となるように配置されてもよい。
【０１２３】
（５）他の実施形態５：
上記の各実施形態における排ガス流路６５，６５Ｂ〜６５Ｄの流路構成は、アノード側とカソード側の両方に適用されていなくてもよく、アノード側とカソード側のいずれか一方にのみ適用されていてもよい。なお、上実施形態における排ガス流路６５，６５Ｂ〜６５Ｄの流路構成は、少なくとも、アノード側に適用されることが望ましい。
【０１２４】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…燃料電池セル、１１…積層体、１２ａ…第１エンドプレート、１２ｂ…第２エンドプレート、１３…集電板、１４…絶縁板、１５…シール部材、２０…膜電極接合体、２１…電解質膜、２２…アノード、２３…カソード、２５…発電部、３０…樹脂フレーム、３１…開口部、３７…フレーム側凹部、４１…第１セパレータ、４２…第２セパレータ、４４…ガス流路溝、４５…冷媒流路溝、４６…シール収納凹部、４７…セパレータ側凹部、５１〜５６…マニホールド部、６０…供給ガス流路、６１…上流側供給流路、６２…下流側供給流路、６５，６５Ｂ〜６５Ｄ，６５ａ〜６５ｃ…排ガス流路、６６…並列流路、６７…連結流路／第１連結流路、６８…セパレータ側流路部、６９…樹脂フレーム側流路部、７１…第１流路部、７１ｄ…下流側部位、７２…第２流路部、７３…第３流路部、７４…上流側流路部／第１上流側流路部、７５…下流側流路部、７７…延長領域／第１延長領域、７７ｅ…端部、７９…交差壁面部／第１交差壁面部、８２…第２連結流路、８４…第４流路部、８５…第５流路部、８５ｄ…下流側部位、８６…第２上流側流路部、８７…第２延長領域、８７ｅ…端部、８９…第２交差壁面部、９０…並列流路、９１…第１流路部、９２…第２流路部、９３…第３流路部、９４…分岐流路、９５…連結部、９７…延長領域、９９…交差壁面部、１００…燃料電池スタック、Ｃ１〜Ｃ４…接線、ＣＸａ〜ＣＸｃ，ＣＸｅ〜ＣＸｈ…中心軸、ＥＸａ，ＥＸｂ，ＥＸｅ…延長軸、ＬＱ…液体成分、Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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