(57)【要約】【課題】供給口と排出口が離れて存在することによる水分布のアンバランス、反応ガス濃度の不均一状態、またはくし歯形流路での圧力損失バラツキによるガス欠を防止する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質を燃料の極および酸化剤の極で狭持してなるセルを、燃料の極に燃料のガスを供給する流路が設けられた燃料流路板および酸化剤の極に酸化剤のガスを供給する流路が設けられた酸化剤流路板で挟持してなる燃料電池において、燃料流路板または酸化剤流路板の少なくともいずれか一方は、対応する極に接しない反対面に配置された供給流路および排出流路と、当該流路板を貫通し供給流路と排出流路とにそれぞれ接続する供給孔および排出孔と、対応する極に接する電極面に複数並行に配置され該電極面において供給孔と排出孔とを連結する連結流路が設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を有する電解質を燃料の極および酸化剤の極で狭持してなるセルを、上記燃料の極に燃料のガスを供給する流路が設けられた燃料側の流路板および上記酸化剤の極に酸化剤のガスを供給する流路が設けられた酸化剤側の流路板で挟持してなる燃料電池において、
上記燃料側の流路板または上記酸化剤側の流路板の少なくともいずれか一方は、対応する極に接しない反対面に配置された供給流路および排出流路、当該流路板を貫通し上記供給流路と上記排出流路とにそれぞれ接続する供給孔および排出孔、対応する極に接する電極面に複数並行に配置され該電極面において上記供給孔と上記排出孔とを連結する連結流路が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記供給流路と上記排出流路は、くし歯構造であり、互いの歯が噛み合うように配置され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】
上記燃料側の流路板の燃料の極に接する電極面における上記供給孔の出口と上記排出孔の入口とが、それぞれ上記酸化剤側の流路板の酸化剤の極に接する電極面の上記排出孔の入口と上記供給孔の出口が上記電解質を介して対向することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記供給流路と上記排出流路との間に温度を調節する流体を流す流路が配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記供給流路の流路断面積は対応するガスの流れに沿って上流よりも下流が小さいこと、または上記排出流路の流路断面積は対応するガスの流れに沿って上流よりも下流が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記連結流路の流路断面積は対応するガスの流れに沿って上流よりも下流が小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を介して一対の電極を対峙させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料の酸化を電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池には電解質により数種類の型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質にプロトン伝導性の固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。燃料極に水素ガスを、酸化剤極に酸素ガスを供給すると、燃料極では水素ガスが還元されてプロトンが生成され、酸化剤極では電解質膜を伝導してきたプロトンが酸化されて水が生成される。この反応にともない燃料極と酸化剤極間に電位差１．２３Ｖが生じ、酸化剤極から燃料極極に電流が流れる。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池においては、プロトンが電解質膜を伝導するために、固体高分子電解質膜が含水した状態であることが必要であり、加湿制御が必須の技術となる。固体高分子電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招く。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、固体高分子電解質膜が電解質膜として機能しなくなる。
【０００４】
そこで、水素ガスや酸素ガスを加湿して燃料電池に供給することにより、固体高分子電解質膜を積極的に加湿することが広く行われている。しかし、加湿水や反応生成水の量が電解質膜の保水量を上回ると、これらが凝縮してガス流路へ水が溢れ出すフラッディングという現象を生ずる。フラッディングが発生すると、電極の発電面を水が覆って反応を抑制し、供給ガス流路を閉塞してガス通流を阻害する現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。
【０００５】
フラッディングを解消するための技術として、ガス供給側流路とガス排出側流路との間で水を移動させる水移動手段が設けられているセパレータに形成されるガス流路において、供給側ガス流路と排出側ガス流路が直接連結されないように流路の分離を行い、供給ガスを強制的にガス拡散層に通流させることによって、凝縮した水を排出し易くした櫛型流路の燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、燃料電池の発電状態において、酸化剤極の流体流路では供給口側で酸素分圧（濃度）が高く、水分が少ない状態である。反対に、排出口側では酸素分圧が低く、水分が多いというアンバランスが生じる。また、燃料側でも供給口側で水素分圧が高く、排出口側で水素分圧が低いというようなアンバランスが生じる。特に水のアンバランスは供給する反応ガスの露点が低い場合に顕著となり、乾燥した供給口付近では電解質膜のイオン伝導度が低下し、また湿潤な排出口付近では電極内に水が溜まり、反応ガスの電極触媒表面への拡散を阻害するため電池の出力が大きく低下するという問題がある。
これらのアンバランスが解消できれば電池性能は向上すると考えられるが、従来の燃料電池構成では、燃料および酸化剤の供給口と排出口がセパレータ板の対角の離れた位置にあるため、面内を物質が移動してアンバランスを解消するのは困難である。
【０００７】
また、起動停止などガスを供給したり、止めたりする過程で電極が酸化されて、電池性能が低下するという問題がある。これは、燃料電池にガスを供給停止する際に、電池の入口出口で反応ガス成分の濃度差が生じ、その濃度差により形成された局部電池により電極が酸化されて劣化が起こる。この現象も燃料および酸化剤の供給口と排出口が離れて存在する従来の燃料電池構成では避けるのが困難である。
【０００８】
以上の問題を解決するためには、反応ガスの供給口と排出口をできる限り近づける構成が効果的である。従来技術で反応ガスの供給口と排出口が近接した構成としては、くし歯形流路が上げられる。くし歯形流路は櫛歯２本を歯が重ならないように重ねた形状の流路で、片方の歯が供給口、もう片方の歯が排出口に連結されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１４６３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、このくし歯型流路の構成では供給側流路と排出側流路が一見するとリブ部分をはさんで近接しているように見えるが、そこまでガスを誘導するための流路も電極に接して形成されているため、本質的には供給口と排出口は前述の従来燃料電池と同様離れた場所に位置する。そのため、供給口と排出口が離れて存在する従来燃料電池が抱える問題点を解決することは難しい。
【００１１】
また、くし歯型流路は、反応ガス供給流路と排出流路が直接連結されていないため、非連結部分（リブ部分）において反応ガスはカーボンペーパーなど導電性の多孔体で構成されるガス拡散層の内部を通過して供給流路側から排出流路側に移動する。カーボンペーパーなどの多孔体は、厚みや空隙率にバラツキがあるため、流路に反応ガスを流す場合と比較して、圧力損失のバラツキが大きくなる傾向がある。そのため、セルを複数積層した燃料電池スタックでくし歯形流路を使用した場合、各セル間での圧力損失のバラツキにより、反応ガス分配が不均一となり、場合によっては反応ガス不足（ガス欠）で電極が回復不可能なダメージを被る。
【００１２】
この発明の目的は、供給口と排出口が離れて存在することによる水分布のアンバランス、反応ガス濃度の不均一状態、またはくし歯形流路での圧力損失バラツキによるガス欠を防止する燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係わる燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質を燃料の極および酸化剤の極で狭持してなるセルを、上記燃料の極に燃料のガスを供給する流路が設けられた燃料流路板および上記酸化剤の極に酸化剤のガスを供給する流路が設けられた酸化剤流路板で挟持してなる燃料電池において、上記燃料流路板または上記酸化剤流路板の少なくともいずれか一方は、対応する極に接しない反対面に配置された供給流路および排出流路と、当該流路板を貫通し上記供給流路と上記排出流路とにそれぞれ接続する供給孔および排出孔と、対応する極に接する電極面に複数並行に配置され該電極面において上記供給孔と上記排出孔とを連結する連結流路が設けられる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係わる燃料電池の効果は、燃料流路または酸化剤流路の少なくともいずれか一方が、対応する極に接しない反対面に配置され該反対面においては連結されない供給流路および排出流路と、当該流路板を貫通し上記供給流路と上記排出流路とにそれぞれ接続する供給孔および排出孔と、対応する極に接する電極面に複数並行に配置され該電極面において上記供給孔と上記排出孔とを連結する連結流路が設けられるので、電極面で反応ガスの供給孔の出口と排出孔の入口が接近し、電極面内の水分布を均一化することができ、反応の不均一による電池性能低下が防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池スタックの構成図である。
この燃料電池スタック１は、複数のセル２が間に燃料／酸化剤隔板１２を介して積層され、積層された両端に金属製の集電板３、さらにその外の両端に絶縁板４を介して押さえ端板５が配置され、図示しないボルトとナットを用いて押さえ端板５を締め付けることにより一体化されている。
【００１６】
図２は、実施の形態１に係わる燃料電池スタック１を構成するセル２の構成図である。
このセル２は、電解質膜６と、電解質膜６を挟持する触媒層および導電性多孔体からなるガス拡散層で構成された燃料極７および酸化剤極８とから構成される膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と略す）９を備える。また、セル２は、ＭＥＡ９を両側から挟持する燃料側流路板１０および酸化剤側流路板１１を備える。
燃料側流路板１０のＭＥＡ９に接する面（以下、「燃料側流路板１０の電極面」と称す）の反対側の面（以下、「燃料側流路板１０の反対面」と称す）に燃料／酸化剤隔板１２を配置して燃料流路を、酸化剤側流路板１１のＭＥＡ９に接する面（以下、「酸化剤側流路板１１の電極面」と称す）の反対側の面（以下、「酸化剤側流路板１１の反対面」と称す）にも燃料／酸化剤隔板１２を配置して酸化剤流路を形成する。なお、ＭＥＡ９としては、この発明のために特別な構成を採用する必要はなく、周知のＭＥＡ９をそのまま使用することができる。
【００１７】
図３は、実施の形態１に係わるセル２の構成要素である燃料側流路板１０の流路詳細図である。図３（ａ）は、燃料側流路板１０の電極面の平面図である。図３（ｂ）は、燃料側流路板１０の反対面の平面図である。
燃料側流路板１０は、厚さ方向に貫通する燃料供給マニホールド２１、燃料排出マニホールド２２、酸化剤供給マニホールド２３、酸化剤排出マニホールド２４、冷却水など燃料電池スタック１の温度制御のための流体を供給するための温度制御流体供給マニホールド２５、温度制御のための流体を排出するための温度制御流体排出マニホールド２６が設けられている。
【００１８】
また、燃料側流路板１０は、反対面に燃料供給マニホールド２１から燃料を均一に分配するための燃料供給分配流路７１、反対面に燃料を反対面全体に供給するための燃料供給流路７２、燃料供給流路７２から電極面に燃料を供給するために燃料側流路板１０を厚さ方向に貫通する燃料供給孔７３、電極面から未消費の燃料を排出するために燃料側流路板１０を厚さ方向に貫通する燃料排出孔７５、燃料供給孔７３と燃料排出孔７５とを電極面内で連結する燃料連結流路７４、反対面に各燃料排出孔７５から排出した未消費の燃料を集合する燃料排出流路７６、反対面に各燃料排出流路７６から排出した未消費の燃料を集合して燃料排出マニホールド２２に排出するための燃料排出集合流路７７が設けられている。
【００１９】
燃料供給流路７２および燃料排出流路７６は、くし歯構造であり、燃料供給流路７２と燃料排出流路７６とは、互いの歯が噛み合うように配置されている。
燃料供給孔７３および燃料排出孔７５は、燃料ガスの流れる方向に等間隔に設けられている。なお、間隔を流れる方向に沿って変化させてもよい。
このようにくし歯構造の燃料供給流路７２と燃料排出流路７６とが、互いの歯が噛み合うように配置され、それぞれの歯に燃料供給孔７３と燃料排出孔７５とが設けられているので、燃料供給孔７３と燃料排出孔７５の間を短くすることができる。
また、燃料側流路板１０は、反対面に燃料供給流路７２と燃料排出流路７６の間を縫うように蛇行する温度制御流体用流路９０が設けられている。
【００２０】
図４は、実施の形態１に係わるセル２の構成要素である酸化剤側流路板１１の流路詳細図である。図４（ａ）は、酸化剤側流路板１１の反対面の平面図である。図４（ｂ）は、酸化剤側流路板１１の電極面の平面図である。
酸化剤側流路板１１は、燃料供給マニホールド２１、燃料排出マニホールド２２、酸化剤供給マニホールド２３、酸化剤排出マニホールド２４、温度制御流体供給マニホールド２５、温度制御流体排出マニホールド２６が酸化剤側流路板１１を厚さ方向に貫通するように設けられている。
【００２１】
また、酸化剤側流路板１１は、反対面に酸化剤供給マニホールド２３から酸化剤を均一に分配するための酸化剤供給分配流路８１、反対面に酸化剤を反対面全体に供給するための酸化剤供給流路８２、酸化剤供給流路８２から電極面に燃料を供給するために酸化剤側流路板１１を厚さ方向に貫通する酸化剤供給孔８３、電極面から未使用の酸化剤を排出するために酸化剤側流路板１１を厚さ方向に貫通する酸化剤排出孔８５、酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔８５とを電極面内で連結する酸化剤連結流路８４、反対面に各酸化剤排出孔８５から排出した未使用の酸化剤を集合する酸化剤排出流路８６、反対面に各酸化剤排出流路８６から排出した未使用の酸化剤を集合して酸化剤排出マニホールド２４に排出するための酸化剤排出集合流路８７が設けられている。
【００２２】
酸化剤供給流路８２および酸化剤排出流路８６は、くし歯構造であり、酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６とは、互いの歯が噛み合うように配置されている。
酸化剤供給孔８３および酸化剤排出孔８５は、酸化剤ガスの流れる方向に等間隔に設けられている。なお、間隔を流れる方向に沿って変化させてもよい。
このようにくし歯構造の酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６とが、互いの歯が噛み合うように配置され、それぞれの歯に酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔８５とが設けられているので、酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔７５の間を短くすることができる。
【００２３】
図５は、実施の形態１に係わる燃料／酸化剤隔板１２の流路詳細図である。図５（ａ）は、燃料側流路板１０に接する面の平面図である。図５（ｂ）は、酸化剤側流路板１１に接する面の平面図である。
燃料／酸化剤隔板１２は、燃料供給マニホールド２１、燃料排出マニホールド２２、酸化剤供給マニホールド２３、酸化剤排出マニホールド２４、温度制御流体供給マニホールド２５、温度制御流体排出マニホールド２６が燃料／酸化剤隔板１２を厚さ方向に貫通するように設けられている。
【００２４】
図６は、ＭＥＡ９、燃料側流路板１０、酸化剤側流路板１１および燃料／酸化剤隔板１２を積層したセル２の断面図である。なお、この断面図は、図３、図４、図５のＡ−Ａ断面の断面図である。
次に、図３〜図６を参照して、発電中の反応ガスの流れを説明する。
まず、燃料は燃料供給マニホールド２１を通じて燃料電池スタック１を構成する各セル２に分配供給される。各セル２に供給された燃料は、燃料供給マニホールド２１から燃料供給分配流路７１を経由して、複数の燃料供給流路７２に均一に分配される。燃料供給流路７２に供給された燃料は、さらに複数に分配され、燃料供給孔７３を通じてＭＥＡ９の燃料極７に供給される。燃料側流路板１０が燃料極７に接する面では、燃料連結流路７４に沿って燃料は流れると共に、電気化学的にプロトンに還元されて燃料が消費される。未消費の燃料（水分を含む）は、燃料連結流路７４から燃料排出孔７５に排出され、続いて複数の燃料排出孔７５の流れを燃料排出流路７６で集合させて、さらに複数の燃料排出流路７６の流れを燃料排出集合流路７７で集合させた後に、燃料排出マニホールド２２を通じて燃料電池スタック１の外部に排出される。
【００２５】
一方、酸化剤は酸化剤供給マニホールド２３を通じて燃料電池スタック１を構成する各セル２に分配供給される。各セル２に供給された酸化剤は、酸化剤供給マニホールド２３から酸化剤供給分配流路８１を経由して、複数の酸化剤供給流路８２に均一に分配される。酸化剤供給流路８２に供給された酸化剤は、さらに複数に分配され、酸化剤供給孔８３を通じてＭＥＡ６の酸化剤極８に供給される。酸化剤側流路板１１が酸化剤極８に接する面では、酸化剤連結流路８４に沿って酸化剤は流れると共に、電気化学的にプロトンを酸化することにより酸化剤が消費される。酸化剤が空気の場合は空気中の酸素が還元されて水を生成する。未使用の酸化剤および反応で生成した水分は、酸化剤連結流路８４から酸化剤排出孔８５に排出され、続いて複数の酸化剤排出孔８５の流れを酸化剤排出流路８６で集合させて、さらに複数の酸化剤排出流路８６の流れを酸化剤排出集合流路８７で集合させた後に、酸化剤排出マニホールド２４を通じて燃料電池スタック１の外部に排出される。
【００２６】
従来、空気を酸化剤として用いた燃料電池において、酸化剤極８に接する酸化剤連結流路８４、すなわち、酸化剤供給孔８３の出口から酸化剤排出孔８５の入口の間で水が生成するため、酸化剤排出孔８５の入口側に水が偏って存在する。そして、酸化剤排出孔８５の入口と酸化剤供給孔８３の出口との距離が離れている場合、酸化剤供給孔８３の出口と酸化剤排出孔８５の入口との間の水分布を均一化するのは難しいため、反応が不均一となり電池性能が低下するという問題がある。
【００２７】
一方、この実施の形態１では、酸化剤側流路板１１の反対面に酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６とが設けられているが、この面では酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６が連結されておらず、ＭＥＡ９に接する面に設けられた短い酸化剤連結流路８４で連結されているので、酸化剤供給孔８３の出口と酸化剤排出孔８５の入口が接近し、酸化剤排出孔８５の入口に水の偏りが起こりにくく均一化しやすい。その結果、反応が電極面内で均一に起こるため、電極性能が向上する。
特に、酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔８５との間で水の偏りが大きくなる低加湿運転、すなわち反応ガスを燃料電池よりも低い露点まで加湿する運転でこの均一化の効果は大きくなり、より一層電池性能が向上する。
なお、燃料側流路板１０においても燃料供給孔７３と燃料排出孔７５とが長さの短い燃料連結流路７４で連結されているので、燃料供給孔７３の出口と燃料排出孔７５の入口が接近し、燃料排出孔７５の入口に水の偏りが起こりにくく均一化しやすい。
【００２８】
このように酸化剤供給孔８３の出口と酸化剤排出孔８５の入口はできる限り近い構成が望ましいことが分かる。つまり酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔８５を連結する酸化剤連結流路８４はできる限り長さが短い構成が望ましい。但し、短すぎると流路内の圧力損失が少なくなりすぎて、ガス分配の不均一化の原因ともなるので、その点を考慮して流路長および流路断面積の最適化を実施する必要がある。
具体的には、ＭＥＡ９に接しない面に設けられる燃料供給流路７２、酸化剤供給流路８２、燃料排出流路７６および酸化剤供給流路８６よりも燃料連結流路７４、酸化剤連結流路８４を細くすることが好ましい。
【００２９】
また、燃料供給孔７３の出口と酸化剤排出孔８５の入口、燃料排出孔７５の入口と酸化剤供給孔８３の出口は、ＭＥＡ９を介してそれぞれが対面するように構成されており、燃料に対し酸化剤がＭＥＡ９を介して対向して流れる（以下、対向して流れる流れを対向流と称す）。対向流では酸化剤排出孔８５の入口に溜まった水がＭＥＡ９を介して、燃料供給孔７３の出口に移動し、燃料連結流路７４を通じて燃料排出孔７５まで到達する。燃料排出孔７５に到達した水は、再びＭＥＡ９を介して酸化剤供給孔８３の出口に移動する。その結果、電極面内の水分布がさらに均一化される効果がある。
【００３０】
このように燃料と酸化剤が対向に流れる構成が望ましい。ただし、電池の温度分布などにより水分布は変化するため、必ずしもどのような場合でも対向流が最適というわけではない。燃料と酸化剤の供給孔同士、排出孔同士が相対する並行流や、燃料連結流路７４と酸化剤連結流路８４がＭＥＡ９をはさんで直行する直交流など、電池特性に合わせて選択することが可能である。
【００３１】
一般に、燃料電池起動時に電池内部に滞留するガスと異なるガスを供給した場合、例えば電池内部両極流路に空気が満たされている状態で、燃料（水素）を供給した場合、入口と出口でガス組成が異なるため、局部電池反応により起電力が発生し、この起電力により電極が酸化され電池が劣化するという現象がある。従来の燃料電池では入口と出口が遠く離れているため、入口と出口のガス組成を均一化させるのは難しい。
【００３２】
しかし、この実施の形態１では、入口と出口の距離が短いため、入口と出口での反応ガスの濃度差がついた場合でも拡散などにより均一化しやすいため、局部電池の形成を最小限に抑える効果がある。その結果、起動停止を繰り返しても劣化が少ない燃料電池を提供することができる。
【００３３】
なお、この実施の形態１では、供給流路と排出流路を電極に接する面とは別の面に設けているため、従来電池ではその別の面に配置されていた温度制御流体用流路９０の配置が制限される。その結果、従来と比較して流路板の数が倍増することが懸念される。しかし、例えば燃料供給流路７２と燃料排出流路７６の間を縫うように温度制御流体用流路９０を配置することにより、流路板の増加を最小限に抑えることができる。
【００３４】
また、この実施の形態１において電極に接しない面に配置した燃料供給流路７２と燃料排出流路７６との間を縫うように温度制御流体用流路９０を配置したが、別に温度制御流体用流路用の流路板を別途設置することも可能である。この場合新たに流路板の枚数が増えるデメリットがあるが、電極面内に自由に温度制御流体の流路を配置できるため、より高度な温度制御が可能となる。
【００３５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と酸化剤側流路板１１Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。図７は、この発明の実施の形態２に係わる酸化剤側流路板の反対面の平面図である。
実施の形態１に係わる酸化剤供給流路８２および酸化剤排出流路８６は、直線形状のくし歯形流路であるが、実施の形態２に係わる酸化剤供給流路８２Ｂおよび酸化剤排出流路８６Ｂは、図７（ａ）に示すように渦巻形の流路であり、酸化剤供給流路８２Ｂと酸化剤排出流路８６Ｂとが反対面では連結していない。
なお、図７（ｂ）に示すように蛇行形の流路であってもよい。
また、燃料側流路板１０の反対面に設けられた燃料供給流路７２および燃料排出流路７６に関しても、燃料供給流路７２と燃料排出流路７６とが反対面で連結しなければ、渦巻形または蛇行形であってもよい。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態１においては、燃料側流路板１０の電極面に燃料極７が接し、電極面に燃料連結流路７４が、反対面に燃料供給流路７２と燃料排出流路７６とが設けられているが、実施の形態３においては、２枚の燃料側流路板を用い、一方の燃料側流路板の片面に燃料連結流路７４を、他方の燃料側流路板の片面に燃料供給流路７２と燃料排出流路７６とを設けている。
【００３７】
実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係わる燃料／酸化剤隔板１２Ｄの流路詳細図である。図８（ａ）は、燃料側流路板１０Ｄに接する面の平面図である。図８（ｂ）は、酸化剤側流路板１１Ｄに接する面の平面図である。図９は、実施の形態４に係わる燃料側流路板１０Ｄの反対面の平面図である。図１０は、実施の形態４に係わる酸化剤側流路板１１Ｄの反対面の平面図である。図１１は、実施の形態４においてＭＥＡ９、燃料側流路板１０Ｄ、酸化剤側流路板１１Ｄおよび燃料／酸化剤隔板１２Ｄを積層したセルの断面図である。なお、この断面図は、図８、図９、図１０のＢ−Ｂ断面の断面図である。
この発明の実施の形態４に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と燃料側流路板１０Ｄ、酸化剤側流路板１１Ｄおよび燃料／酸化剤隔板１２Ｄが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態４に係わる燃料側流路板１０Ｄは、図９に示すように、実施の形態１に係わる燃料側流路板１０と異なり、反対面で燃料供給分配流路７１、燃料供給流路７２、燃料排出流路７６、燃料排出集合流路７７が省略されている。
また、実施の形態４に係わる酸化剤側流路板１１Ｄは、図１０に示すように、実施の形態１に係わる酸化剤側流路板１１と異なり、反対面で酸化剤供給分配流路８１、酸化剤供給流路８２、酸化剤排出流路８６、酸化剤排出集合流路８７が省略されている。
一方、実施の形態４に係わる燃料／酸化剤隔板１２Ｄは、図８に示すように、一方の面に燃料供給マニホールド２１から燃料を均一に分配するための燃料供給分配流路７１、燃料を電極面全体に供給するための燃料供給流路７２、各燃料排出孔７５から排出した未消費の燃料を集合する燃料排出流路７６、各燃料排出流路７６から排出した未消費の燃料を集合して燃料排出マニホールド２２に排出するための燃料排出集合流路７７が追加されている。また、この一方の面に燃料供給流路７２と燃料排出流路７６の間の非連結部分を縫うように蛇行する温度制御流体用流路９０が追加されている。
また、実施の形態４に係わる燃料／酸化剤隔板１２Ｄは、他方の面に酸化剤供給マニホールド２３から酸化剤を均一に分配するための酸化剤供給分配流路８１、酸化剤を電極面全体に供給するための酸化剤供給流路８２、各酸化剤排出孔８５から排出した未使用の酸化剤を集合する酸化剤排出流路８６、各酸化剤排出流路８６から排出した未使用の酸化剤を集合して酸化剤排出マニホールド２４に排出するための酸化剤排出集合流路８７が追加されている。
【００３８】
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５に係わる酸化剤側流路板１１Ｅの流路詳細図である。図１２（ａ）は、酸化剤側流路板１１Ｅの反対面の平面図である。図１２（ｂ）は、酸化剤側流路板１１Ｅの電極面の平面図である。図１３は、実施の形態５においてＭＥＡ９、燃料側流路板１０Ｅ、酸化剤側流路板１１Ｅおよび燃料／酸化剤隔板１２、１２Ｅを積層したセルの断面図である。なお、この断面図は、図１２のＣ−Ｃ断面の断面図である。
この発明の実施の形態５に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と燃料側流路板１０Ｅ、酸化剤側流路板１１Ｅおよび燃料／酸化剤隔板１２Ｅが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態５に係わる燃料側流路板１０Ｅは、実施の形態１に係わる燃料側流路板１０と燃料連結流路７４Ｅが異なり、燃料供給孔７３と燃料排出孔７５が省略されており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
また、実施の形態５に係わる酸化剤側流路板１１Ｅは、図１２に示すように、実施の形態１に係わる酸化剤側流路板１１と酸化剤連結流路８４Ｅが異なり、酸化剤供給孔８３と酸化剤排出孔８５が省略されており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
実施の形態５に係わる燃料連結流路７４Ｅは、図１３に示すように、燃料側流路板１０Ｅを厚さ方向に貫通し、燃料供給流路７２と燃料排出流路７６を連結する。
また、実施の形態５に係わる酸化剤連結流路８４Ｅは、酸化剤側流路板１１Ｅを厚さ方向に貫通し、酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６を連結する。
【００３９】
この場合、温度制御流体用流路９０は燃料供給流路７２および燃料排出流路７６が設けられた反対面に配置できないため、別の面に新たに設置する必要があるが、電極に接する面に配する流路板をパンチングメタルのような穴あけ加工品が使用可能となるため、安価に製造できる可能性がある。流路板として使用する金属としては、導電性を有するものなら使用可能であるが、耐食性のある素材、例えばステンレス、チタンなどや、あるいは貴金属などの耐食性を有するコーティングを施した金属板や、カーボン板など導電性と耐食性とを有する材料を用いることができる。
【００４０】
実施の形態６．
図１４は、この発明の実施の形態６に係わる燃料側流路板１０Ｆの反対面の平面図である。図１５は、この発明の実施の形態６に係わる酸化剤側流路板１１Ｆの反対面の平面図である。
この発明の実施の形態６に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と燃料側流路板１０Ｆおよび酸化剤側流路板１１Ｆが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態６に係わる燃料側流路板１０Ｆは、実施の形態１に係わる燃料側流路板１０と燃料供給流路７２Ｆおよび燃料排出流路７６Ｆが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
また、実施の形態６に係わる酸化剤側流路板１１Ｆは、実施の形態１に係わる酸化剤側流路板１１と酸化剤供給流路８２Ｆおよび酸化剤排出流路８６Ｆが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００４１】
実施の形態１に係わる燃料供給流路７２および燃料排出流路７６は、断面積が一定であるが、実施の形態６に係わる燃料供給流路７２Ｆおよび燃料排出流路７６Ｆは、図１４に示すように、断面積が位置により変化している。
また、実施の形態１に係わる酸化剤供給流路８２および酸化剤排出流路８６は、断面積が一定であるが、実施の形態６に係わる酸化剤供給流路８２Ｆおよび酸化剤排出流路８６Ｆは、図１５に示すように、断面積が位置により変化している。
【００４２】
以下、酸化剤側流路板１１Ｆに関して効果を説明するが、燃料側流路板１０Ｆに関しても同様な効果が得られる。
酸化剤側流路板１１Ｆの反対面に設けられた酸化剤供給流路８２Ｆは、図１５に示すように、上流から下流に向かってガスが進むうちに多数の酸化剤連結流路８４に分岐されるため、上流と下流で流速が異なり、均一なガス分配が難しくなり、流速の遅い部分に水がたまりやすくなるなどの問題が生じる場合がある。これを解決するために、上流から下流側にかけて徐々に流路を細くすることが有効である。これにより下流側での流速が早くなり水溜り防止やガス分配均一化の効果がある。
【００４３】
一方、酸化剤排出流路８６では上流から下流に行くに従い、多数の酸化剤連結流路８４が合流するため徐々に流路を太くするのが効果的である。
断面積を変える手法としては、溝幅を狭くする溝深を深くする、複数の流路を合流させるなどの方法で流路本数を変えるなど、流路断面積が位置により変わる様々な手法が採用可能である。
なお、酸化剤供給流路８２と酸化剤排出流路８６の太さは共通にする必要はなく運転条件に合わせて最適な断面構成が選択できる。
【００４４】
実施の形態７．
図１６は、この発明の実施の形態７に係わる燃料側流路板１０Ｇの電極面の平面図である。図１７は、この発明の実施の形態７に係わる酸化剤側流路板１１Ｇの電極面の平面図である。
この発明の実施の形態７に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と燃料側流路板１０Ｇおよび酸化剤側流路板１１Ｇが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態７に係わる燃料側流路板１０Ｇは、実施の形態１に係わる燃料側流路板１０と燃料連結流路７４Ｇが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
また、実施の形態７に係わる酸化剤側流路板１１Ｇは、実施の形態１に係わる酸化剤側流路板１１と酸化剤連結流路８４Ｇが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
【００４５】
実施の形態１に係わる燃料連結流路７４は、断面積が一定であるが、実施の形態７に係わる燃料連結流路７４Ｇは、図１６に示すように、断面積が位置により変化している。
また、実施の形態１に係わる酸化剤連結流路８４は、断面積が一定であるが、実施の形態７に係わる酸化剤連結流路８４Ｇは、図１７に示すように、断面積が位置により変化している。
【００４６】
断面積の一定の燃料連結流路７４では発電時ガスの流れに沿って水素が消費されるため流量が低下しその結果流速が低下する。一方、下流に行くに従い流路の断面積を小さくすることにより下流側での流速を向上させることができる。
また、酸化剤連結流路８４も同様に酸素が消費されるが水（水蒸気）が生成するため一概に流量が低下するとは言えない。ただし、高加湿運転では下流部分での流速が十分に高まらず、水溜りを生じやすいため、下流部の流速を高めるために、流路を細くするのが効果的な場合もある。
なお、酸化剤連結流路８４と燃料連結流路７４の太さは共通にする必要はなく運転条件に合わせて最適な断面構成が選択できる。
断面積を変える手法としては、溝幅を狭くする溝深を深くする、複数の流路を合流させるなどの方法で流路本数を変えるなど、流路断面積が位置により変わる様々な手法が採用可能である。
【００４７】
実施の形態８．
図１８は、この発明の実施の形態８に係わる燃料側流路板１０Ｈの電極面の平面図である。
この発明の実施の形態８に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池と燃料側流路板１０Ｈが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態８に係わる燃料側流路板１０Ｈは、実施の形態１に係わる燃料側流路板１０と燃料連結流路７４Ｈが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
また、実施の形態８に係わる酸化剤側流路板は、実施の形態１と同様である。
【００４８】
実施の形態１に係わる燃料連結流路７４は、断面積が一定であるが、実施の形態８に係わる燃料連結流路７４Ｈは、図１８に示すように蛇行している。この蛇行している燃料連結流路７４Ｈは、その両端に燃料供給孔７３と燃料排出孔７５がそれぞれ形成されており、燃料側流路板１０Ｈの反対面側に形成された燃料供給流路と燃料排出流路とにそれぞれ連通されている。
【００４９】
このように構成された燃料連結流路７４Ｈは、燃料供給孔７３と燃料排出孔７５との間の距離をあまり離すことなく流路長を長くすることができるので、圧力損失を大きくすることができる。その結果、燃料供給流路から各燃料連結流路へのガス分配量を均一にすることが可能となる。
なお、実施の形態８に係わる燃料側流路板１０Ｈにおいて燃料連結流路７４Ｈを蛇行させているが、酸化剤側流路板に同じ構成を採用してもよい。その場合も、酸化剤供給流路から各酸化剤供給流路へのガス分配量を均一にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる燃料電池スタックの構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わるセルの構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる燃料側流路板の流路詳細図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係わる酸化剤側流路板の流路詳細図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係わる燃料／酸化剤隔板の流路詳細図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係わるセルの断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係わる酸化剤側流路板の反対面の平面図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係わる燃料／酸化剤隔板の詳細構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係わる燃料側流路板の反対面の平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係わる酸化剤側流路板の反対面の平面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４に係わるセルの断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係わる酸化剤側流路板の流路詳細図である。
【図１３】この発明の実施の形態５に係わるセルの断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態６に係わる燃料側流路板の反対面の平面図である。
【図１５】この発明の実施の形態６に係わる酸化剤側流路板の反対面の平面図である。
【図１６】この発明の実施の形態７に係わる燃料側流路板の電極面の平面図である。
【図１７】この発明の実施の形態７に係わる酸化剤側流路板の電極面の平面図である。
【図１８】この発明の実施の形態８に係わる燃料側流路板の電極面の平面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  燃料電池スタック、２  セル、３  集電板、４  絶縁板、５  押さえ端板、６  電解質膜、７  燃料極、８  酸化剤極、９  膜電極接合体（ＭＥＡ）、１０  燃料側流路板、１１  酸化剤側流路板、１２  燃料／酸化剤隔板、２１  燃料供給マニホールド、２２  燃料排出マニホールド、２３  酸化剤供給マニホールド、２４  酸化剤排出マニホールド、２５  温度制御流体供給マニホールド、２６  温度制御流体排出マニホールド、７１  燃料供給分配流路、７２  燃料供給流路、７３  燃料供給孔、７４  燃料連結流路、７５  燃料排出孔、７６  燃料排出流路、７７  燃料排出集合流路、８１  酸化剤供給分配流路、８２  酸化剤供給流路、８３  酸化剤供給孔、８４  酸化剤連結流路、８５  酸化剤排出孔、８６  酸化剤排出流路、８７  酸化剤排出集合流路、９０  温度制御流体用流路。
【図１】
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【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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【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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