(57)【要約】【課題】流体流路の下流部における流速の低下を防止または抑制するとともに、流体の面方向における部分的な流量の低下をも抑制または防止する。【解決手段】セパレータ１２２に形成された酸化ガス流路１２６は、複数の流路溝１２６ａ〜１２６ｈがセパレータ１２２面内で折れ曲がり部１４０ｂ、１４０ｄを有するとともに、折れ曲がり部１４０ｂ、１４０ｄにおいて隣接する流路同士が合流する合流部を備える。折れ曲がり部１４０ｂ、１４０ｄの外周部と内周部で合流する流路の本数が異なり、内周部でのみ合流してもよい。酸化ガス流路１２６に代えて、燃料ガス流路や冷媒流路に適用することも可能である。【選択図】図１
2008108571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、
前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のセパレータにおいて、
内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多いことを特徴とするセパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載のセパレータにおいて、
前記合流部は、前記折れ曲がり部の内周部にのみ有することを特徴とするセパレータ。
【請求項４】
上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝がセパレータ面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、
セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域は、水平方向よりも鉛直方向に長いことを特徴とするセパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載のセパレータにおいて、
前記流体が、反応ガスであることを特徴とするセパレータ。
【請求項６】
請求項４に記載のセパレータにおいて、
前記流体が、酸化ガスであることを特徴とするセパレータ。
【請求項７】
複数の流路溝が単位セルに並行する面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、
前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝が単位セルに並行する面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、
前記面内における流体の流通する領域は、単位セル設置時の水平方向よりも鉛直方向に長いことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池において、
前記流体が、反応ガスであ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、流体流路を有するセパレータおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の構成の概略について説明する。図１２に例示したように、電解質膜１２の一方の面にカソード触媒層１４（カソード極または酸化剤極ともいう）と、もう一方の面にアノード触媒層１６（アノード極または燃料極ともいう）とを電解質膜１２を挟んで対向するように設け、さらにカソード触媒層１４の外側にカソード拡散層１８を、またアノード触媒層１６の外側にアノード拡散層２０を、それぞれ設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。また、カソード拡散層１８の外側には、酸化ガス流路２６およびセル冷媒流路３０が形成されたカソード側セパレータ２２が、アノード拡散層２０の外側には、燃料ガス流路２８およびセル冷媒流路３０が形成されたアノード側セパレータ２４が、例えば、接着などにより一体化されて、単位セル１０が形成される。
【０００３】
カソード触媒層１４に酸素や空気等のカソード用原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を、アノード触媒層１６に水素等のアノード用原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を、それぞれ供給して発電する。この単位セル１０を複数枚積層させることにより、所望の発電性能を有する燃料電池が形成される。このような燃料電池は通常、発電時には例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、セル冷媒流路３０に水などの冷媒を流通させて燃料電池の過熱を防止している。
【０００４】
図１３は、図１２に示したカソード側セパレータ２２において、特にカソード側セパレータ２２の一方面側に形成された酸化ガス流路２６の流路構造の一例を示す概略図である。図１３において、カソード側セパレータ２２は、単位セル１０の積層方向に貫通させて、各セル間にカソード用原料である酸化ガスを連通させる酸化ガス供給マニホールド３２および酸化ガス排出マニホールド３４と、これらのマニホールドの双方に連通し、各単セル１０内に分岐させて酸化ガスを流通させる酸化ガス流路２６を有する。
【０００５】
酸化ガス流路２６は、カソード側セパレータ２２の、ＭＥＡに圧接される面全体にわたりほぼ等間隔に形成された複数の流路溝２６ａ〜２６ｆを有し、例えば図１２に示すようにカソード側セパレータ２２と圧接させたときにＭＥＡとの間に生じる面圧の偏在に伴う、ＭＥＡの疲労劣化などの不具合の発生を抑制または防止している。また、図１３に示すように、酸化ガス流路２６を形成する複数の流路溝２６ａ〜２６ｆのそれぞれには折れ曲がり部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがそれぞれ設けられ、カソード側セパレータ２２の面全体において、図１２に示すカソード拡散層１８への酸化ガスの供給を効率よく行なうようにしている。
【０００６】
図１２，１３に示すように、酸化ガス供給マニホールド３２から単位セル１０内に導入された酸化ガスは、酸化ガス流路２６において、ＭＥＡを介する電池反応に供される。具体的には、酸化ガス流路２６を流通する酸化ガスの少なくとも一部がカソード拡散層１８を経由してカソード触媒層１４内に送られる。燃料電池の運転中、カソード触媒層１４に送られた酸化ガス中の酸素が、アノード触媒層１６側から電解質膜１２を透過した水素イオンと、外部回路を通じ供給された電子とともに消費されて水を生成する。
【０００７】
つまり、図１３に示すように、酸化ガス流路２６の、酸化ガス供給マニホールド３２側、すなわち上流側から、酸化ガス排出マニホールド３４側、すなわち下流側への酸化ガスの流通に従い、酸化ガス中に含まれる酸素は、ＭＥＡにおける電池反応により、徐々に消費される。このため、酸化ガス流路２６の下流側を流通する酸化ガス量は、酸化ガス流路２６の上流側を流通する酸化ガス量と比較して、少なくとも消費された酸素ガス分だけ減少している。
【０００８】
また、カソード触媒層１４で生成した水の少なくとも一部が、カソード拡散層１８を経由し、気体として酸化ガス流路２６に流入する。このため、酸化ガス流路２６内の水分量は、一般に上流側から下流側にすすむにつれて徐々に増加していく。
【０００９】
上述したように、酸化ガス排出マニホールド３４から単位セル１０の外部に排出される酸化ガス、つまり使用済み酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド３２から導入された酸化ガスと比較して、酸素分圧が低下している一方、水の分圧が上昇している。
【００１０】
カソード触媒層１４および／または酸化ガス流路２６内の水分が十分に排出されずに滞留してしまうと、水分の少なくとも一部が凝縮した場合にガス流路の閉塞、いわゆるフラッディングを引き起こし、酸化ガスの供給不足に伴う出力低下に繋がるおそれがある。このため、酸化ガス流路２６内の水分を確実に単位セル１０の外部に排出するよう、酸化ガス流路２６内を流通する酸化ガスの流量または流速、特に酸化ガスの流速の低下しがちな下流部において、少なくとも所定の流速（下限流速）以上に維持させることが望ましい。
【００１１】
酸化ガス流路２６の下流部において、酸化ガスの流量を少なくとも所定の値以上に維持させるために、例えば下流部における酸化ガス流路２６の、各流路溝の溝深さや溝幅を狭める方法が考えられる。しかし、溝深さの大幅な変更については、セパレータ厚の偏肉が生じやすくなり、成形性が悪化するおそれがあるため、あまり好ましくない。また溝幅の変更は、成形性およびＭＥＡに対する面圧負荷が不均一になるおそれがあるため、電解質膜等の耐久性の観点からあまり好ましくない。一方、特許文献１〜６に記載の流路構造によれば、いずれの場合についても下流側における流体の流量および／または流速の低下を抑制することが可能となると考えられる。
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−２５０９２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１６９６号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４２６１号公報
【特許文献４】特開２００１−５２７２３号公報
【特許文献５】特開２００５−１９０７１４号公報
【特許文献６】特開２００４−５５２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１〜６に記載のいずれの場合についても、並行して配設された複数の流路溝をセパレータ面内において折り曲げる、折れ曲がり部の外側部分と内側部分とで圧力損失などが相違することにより、セパレータ面内における流体の流量および／または流速に相違が生じ、単位時間ごとに流通する反応ガス量（アノード用原料である燃料ガス量および／またはカソード用原料である酸化ガス量）がばらつくおそれがあった。
【００１４】
セパレータ面内における反応ガス量のばらつきは、ＭＥＡの部位による電池反応のばらつきにつながるため、ＭＥＡの部位によっては、所定の発電性能が十分に発揮されないおそれがあった。さらに、ＭＥＡの部位による発電性のばらつきは、ＭＥＡの局所的な劣化に繋がるおそれがあった。
【００１５】
また、互いに隣接する流路溝が、ガスの進行方向が反転するように折り返される部分では、相対的に圧損が高い外側の流路溝から内側の流路溝に、拡散層を介してガスが流れ込む場合がある。かかる場合には、外側の流路溝のガス流量が減少し、外側の流路溝における排水性が低下するという課題もあった。
【００１６】
本発明は、流体流路の下流部における流速の低下を防止または抑制するとともに、流体の面方向における部分的な流量のばらつきを低減または防止することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は他に、セパレータの面方向に折れ曲がり部を有する複数の流路溝からなる流体流路において、特に折れ曲がり部における流速の低下を抑制または防止することを目的とする。
【００１８】
さらに、本発明の別の目的は、反応ガス流路内におけるフラッディングの発生を抑制または防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００２０】
（１）複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なる、セパレータ。
【００２１】
（２）上記（１）に記載のセパレータにおいて、内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多い、セパレータ。
【００２２】
（３）上記（２）に記載のセパレータにおいて、前記合流部は、前記折れ曲がり部の内周部にのみ有する、セパレータ。
【００２３】
（４）上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝がセパレータ面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域は、水平方向よりも鉛直方向に長い、セパレータ。
【００２４】
（５）上記（４）に記載のセパレータにおいて、前記流体が、反応ガスである、セパレータ。
【００２５】
（６）上記（４）に記載のセパレータにおいて、前記流体が、酸化ガスである、セパレータ。
【００２６】
（７）複数の流路溝が単位セルに並行する面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なる、燃料電池。
【００２７】
（８）上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝が単位セルに並行する面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、前記面内における流体の流通する領域は、単位セル設置時の水平方向よりも鉛直方向に長い、燃料電池。
【００２８】
（９）上記（８）に記載の燃料電池において、前記流体が、反応ガスである、燃料電池。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、流体流路の下流部における流速の低下を防止または抑制するとともに、流体の面方向における部分的な流量の低下をも抑制または防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態におけるカソード側セパレータ１２２において、特にカソード側セパレータ１２２の一方面側に形成された酸化ガス流路１２６の流路構造の一例を示す概略図である。図１において、カソード側セパレータ１２２は、図１１に示すカソード側セパレータ２２の酸化ガス流路２６に替えて酸化ガス流路１２６を有することを除き、カソード側セパレータ２２とほぼ同様の構成を有している。
【００３２】
図１において、カソード側セパレータ１２２の一方面側に形成された酸化ガス流路１２６は、カソード側セパレータ１２２の、ＭＥＡに圧接される面全体にわたりほぼ等間隔に形成された複数の流路溝を有し、それぞれの流路溝には複数の折れ曲がり部が設けられ、カソード拡散層１８（図１２）への酸化ガスの供給をカソード側セパレータ１２２の面全体において効率よく行なうことを可能にしている。
【００３３】
酸化ガス流路１２６のうち、折れ曲がり部１４０ｂにおいて、内周側を流通する流路溝１２６ａ〜流路溝１２６ｄを合流させることにより、流路溝の本数を、８本から６本に減少させる。また、折れ曲がり部１４０ｄにおいて、内周側を流通する流路溝１２６ｅ〜流路溝１２６ｈを合流させることにより、流路溝の本数を、６本から４本にさらに減少させる。このように、酸化ガス流路１２６は、流路溝の本数を次第に減少させることにより、酸化ガス供給マニホールド３２から導入された酸化ガスの流速を所定値以下に低下させることなく酸化ガス排出マニホールド３４まで流通させることが可能となる。
【００３４】
図２は、図１に示した酸化ガス流路１２６における、Ｃで囲まれた部分について示した拡大図である。酸化ガス流路１２６のうち、流路溝１２６ａと、これに隣接する流路溝１２６ｂが折れ曲がり部１４０ｂで合流しており、これに伴い折れ曲がり部１４０ｂの下流側には合流した流路溝１２６ａｂが形成される。同様に、流路溝１２６ｃと、これに隣接する流路溝１２６ｄが折れ曲がり部１４０ｂで合流し、これに伴い折れ曲がり部１４０ｂの下流側には流路溝１２６ｃｄが形成される。このように、折れ曲がり部１４０ｂにおいて、内周部を流通する流路溝を合流させることにより、折れ曲がり部１４０ｂの下流側では、溝本数が８本から６本に減少している。なお、隣接する流路溝がそれぞれ合流した流路溝１２６ａｂ、１２６ｃｄの溝幅はいずれも、流路溝１２６ａ〜１２６ｈの溝幅とほぼ同じである。
【００３５】
一方、図１に示す折れ曲がり部１４０ｄにおいて、上述の折れ曲がり部１４０ｂと同様、内側部分を流通する流路溝１２６ｇと１２６ｈ、流路溝１２６ｅと１２６ｆがそれぞれ合流する。このため、折れ曲がり部１４０ｄの下流側では、溝本数が６本から４本に減少している。また、隣接する流路溝がそれぞれ合流した流路溝１２６ｇｈ、１２６ｅｆの溝幅はいずれも、流路溝１２６ａ〜１２６ｈの溝幅とほぼ同じである。
【００３６】
すなわち、酸化ガス流路１２６は、折れ曲がり部１４０ｂ，１４０ｄにおいて互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備え、上流側から下流側に進むにつれて溝本数を次第に減少させながら、徐々に流路断面積を減少させる構成を有している。このとき、折れ曲がり部の内周部にのみ合流部を有することにより、折り曲げ部の外周部を流通する流体の流速および／または流量と、折り曲げ部の内周部を流通する流体の流速および／または流量とを調整することが可能となり、酸化ガス流路１２６における、カソード側セパレータ１２２を流通する酸化ガス流量が面全体にわたり大きく変化せず、ほぼ同程度となる。
【００３７】
なお、折れ曲がり部での流路溝の合流に関しては、流体流路の形状や流通させる流体の種類等の諸条件により適宜設定することが可能である。すなわち、本発明の他の実施の形態において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なっていれば、外周部において合流させることも可能であるが、内周部における流路の合流本数は、外周部における流路の合流本数よりも多いことが好ましい。外周部と内周部とで合流本数を同じにすると、外周部を流通する流体流量と内周部を流通する流体流量との差異は、合流前と大差ないか、さらに悪化してしまう。
【００３８】
図３に、本発明の他の実施の形態におけるカソード側セパレータおよびこのセパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路の流路構造の概略を例示する。図３に示すように、カソード側セパレータがいかなる形状であっても、また酸化ガス供給マニホールド３２および／または酸化ガス排出マニホールド３４がいかなる位置に配置されても、互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせることにより、酸化ガス流路全体にわたる酸化ガスの流通を好適な状態とすることが可能となる。
【００３９】
例えば、図３（ａ）において、各流路溝を形成し、溝幅を規定するとともに、ＭＥＡと当接する溝山３１の形状は、所定の幅を有する形状であるが、特に合流部において形成される先端部３１ａの形状は、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すような矩形状でなくてもよく、流通する流体の抵抗を低減させるように適宜成形してもよい。例えば先細形状にしてもよく、または丸みをつけた、いわゆるＲカット形状としてもよく、流通させる流体の特性に応じて適宜設定してよい。
【００４０】
図１および図３に示した流体流路においてはいずれも、隣接する流路溝を２本ずつ合流させているが、これに限らず、３つ以上の流路溝を一度に合流させることも可能である。
【００４１】
上述した実施の形態についてはいずれも、カソード側セパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路を例に挙げ、すなわち、流体流路を流通する流体は酸化ガスであるとして説明したが、これに限らず、酸化ガスと同様に、流路面内における一様の流量を維持することが必要である、燃料ガスを流通させる場合においても有効である。さらに、他の実施の形態として、冷媒を流通させる冷媒流路において適用した場合についても、圧損を調整することにより冷却性能を向上させることが可能となるため、有効である。
【００４２】
このように、複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流体流路において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせ、特に内周部において流路溝を合流させることにより、流体流路の上流側から下流側にかけて流速を低下させることなく、またセパレータ面内における流体流量の分布を一様にすることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明の他の実施の形態として、例えば１本の流路溝を、折れ曲がり部において、２本以上に分岐させることも可能である。本構成を適用すると、下流側を流通する流体の流速は低下するため、あまり好ましくないが、例えば、電池反応面に最適な反応ガス流量および／または流速分布にするために、ある限られた部分のみの流量および／または流速を積極的に低下させる必要がある場合や、複数枚積層させた単セルにおいてそれぞれを流通する反応ガスや冷媒の流速を調整する必要がある場合に、流路溝の合流と分岐を組み合わせて適用することも可能である。
【００４４】
図４は、本発明の他の実施の形態におけるカソード側セパレータ２２２において、特にカソード側セパレータ２２２の一方面側に形成された酸化ガス流路２２６の流路構造の一例を示す概略図である。図４において、カソード側セパレータ２２２は、図１に示すカソード側セパレータ１２２の酸化ガス流路１２６に替えて酸化ガス流路２２６を有することを除き、カソード側セパレータ１２２とほぼ同様の構成を有している。
【００４５】
図４に示す酸化ガス流路２２６は、図１に示す酸化ガス流路１２６と比較すると、折れ曲がり部が多く（図１では５箇所に対し図４では１０箇所）、この内、４箇所の折れ曲がり部（２４０ｃ、２４０ｅ、２４０ｇおよび２４０ｉ）において、内周部を流通する流路溝を合流させることにより徐々に流路溝の本数を減少させ（８本→６本→４本→３本→２本）、上流側から下流側（ここでは酸化ガス供給マニホールド３２側から酸化ガス排出マニホールド３４側）に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させている。このように、折れ曲がり部の数を適宜設定することにより、流路溝の本数の調整を複数回、段階的に行なうことが可能となり、酸化ガス流路２２６全体にわたり流体の流速および／または流量をより好ましい状態とすることが可能となる。
【００４６】
図４に示すカソード側セパレータ２２２を単位セルおよび他の部材と組み合わせて燃料電池とする際に、好ましくは上流側の酸化ガス供給マニホールド３２側を上方、下流側の酸化ガス排出マニホールド３４側を下方として配置される。このような流路溝の構成によれば、水平方向の長さが長くなるほど、徐々に流速が低下してしまうため、反応ガスに水分が混在するような条件下においては、水分の凝縮により流路溝の水平部分でフラッディングが発生しやすくなる可能性がある。セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域を、水平方向よりも垂直方向または鉛直方向に長くすることにより、すなわち、図４において、Ｘ＜Ｙとすることにより、酸化ガス流路２２６内での、特に流路溝の水平部分でのフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
【００４７】
また、上述した実施の形態に示した流体流路は、図１、図４にそれぞれ示したような酸化ガス流路１２６、２２６に限らず、燃料ガス流路についても適用することが可能である。燃料ガス流路に本構成を適用することにより、湿潤させた燃料ガスに含まれる水分に由来するフラッディングの抑制または防止に寄与しうる。
【００４８】
なお、本実施の形態において、定置用の燃料電池においては、燃料電池は載置された状態のまま保持されるが、例えば車載用など、移動体に設置されるような場合においては、振動や傾斜により、水平方向、垂直または鉛直方向は前述した方向からずれる場合も想定されるが、そのような移動体に設置するような場合においても、例えば、移動時に傾斜した状態下におかれた場合においても常に流体流路における流体の流通する領域が、水平方向よりも垂直方向または鉛直方向に長くなるようにすることにより、いかなる場所において運転・停止させた場合においても常にフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態に示した流体流路はさらに、酸化ガス流路、燃料ガス流路などの反応ガス流路に限らず、冷媒流路に適用することも可能である。冷媒流路においてはフラッディングの影響を考慮する必要はないが、上述のように各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させることにより下流側における流速の低下を抑制または防止させると、補機動力の低減や冷却性能の向上に寄与することが可能となる。
【００５０】
上述した各実施の形態では、流体流路の折れ曲がり部において、内周部を流通する流路溝を合流させることにより流路溝の本数、すなわち流路断面積を減少させる構成を例示したが、これに限らない。上述したような構成とは逆に、流体流路の折れ曲がり部において、内周部より外周部における流路断面積を減少させるよう、外周部における流路の合流本数が内周部における流路の合流本数より多い構成としてもよく、他の実施の形態として、外周部にのみ合流部を有する構成としてもよい。かかる構成によれば、内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多い構成と比較して、折れ曲がり部における内周部と外周部との流路溝間で流通するガスの流量および／または流速の差の低減は見込めないものの、内周部側を流通する流体流路の圧損を低減しつつ、流体流量の少ない外周部側での流速を高めることにより、例えば、反応ガス流路における排水性の向上に寄与することが可能となる。
【実施例】
【００５１】
複数の折り曲げ部を有する流体流路の構成として、図５に示すようなモデルを想定し、検討した。図５において、第１の折れ曲がり部（１）−第１の水平部分（２）−第２の折れ曲がり部（３）までを第１のパス５０、第３の折れ曲がり部（４）−第２の水平部分（５）−第４の折れ曲がり部（６）までを第２のパス５２、第５の折れ曲がり部（７）−第３の水平部分（８）−第６の折れ曲がり部（９）までを第３のパス５４、第７の折れ曲がり部（１０）−第４の水平部分（１１）−第８の折れ曲がり部（１２）までを第４のパス５４と規定する。また、第２の折れ曲がり部（３）と第３の折れ曲がり部（４）とを合わせて第１の折り返し部６０、第４の折れ曲がり部（６）と第５の折れ曲がり部（７）とを合わせて第２の折り返し部６２、第６の折れ曲がり部（９）と第７の折れ曲がり部（１０）とを合わせて第３の折り返し部６４、とそれぞれ称する場合もある。
【００５２】
図５において、流体流路は並行する複数の流路溝から構成されており、複数の流路溝の溝幅および溝深さは、流体流路全体にわたりほぼ一様である。図５に示すように、上流部における複数の流路溝のうち、対向する壁に沿った流れをそれぞれＡ，Ｂとする。複数の流路溝の溝幅および溝深さは、流体流路全体にわたりほぼ一様であり、流路溝Ａ，Ｂの流路断面積はいずれも、第１の折れ曲がり部（１）から第８の折れ曲がり部（１２）まで、ほぼ一定である。なお、以下に示す流体流路としては、特に断りのない限りカソード側セパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路を例に挙げて説明したものである。すなわち、本実施の形態において、流体流路を流通する流体の流量は第１のパス５０から第４のパス５６まで一定でなく、燃料電池の運転により酸化ガス中の酸素が徐々に消費されていくことにより、酸化ガスの流量が次第に減少していく構成となっている。
【００５３】
＜実施の形態１＞
［実施例１］
図５に示したような流体流路において、各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させた場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子を図６に示した。図６に示すように、溝本数を徐々に減少させることにより、フラッディングが発生する流速の限界値（下限流速）を下回らないように、流体の流速を調整することが可能となる。
【００５４】
［比較例１］
図７は、図５に示したような流体流路において、流路溝の本数を一定にした場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子である。図７に示すように、溝本数を減少させない場合には、下流側にすすむにつれて徐々に流速が低下していき、下限流速値以下になってしまうと、フラッディングが発生するおそれがある。なお、あらかじめ流速を早めにすることにより、下限流速値を下回らないようにすることも可能であるが、補機動力が余分に必要となるため、好ましくない。
【００５５】
＜実施の形態２＞
図５に示したような流体流路において、各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させる場合に、合流部の位置による流量の差異について検討する。
【００５６】
［比較例２］
図８は、流路溝の本数を上流側から下流側にかけて一定にした場合について、図５に示した各部位におけるそれぞれの流路溝ごとの流量の変化について示した図である。なお、図８および以下に説明する図９〜図１１では、図５に示す流路溝ＡおよびＢにおける流量の変化について示した。図８に示すように、流路溝Ａと流路溝Ｂとでは、水平部分（２）、（５）、（８）および（１１）においては流量がほぼ同じであるが、折れ曲がり部においては流路溝Ａと流路溝Ｂとを流通する流体流量の差異が大きい。
【００５７】
［参考例１］
図９は、図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側と外周側とに配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を一様に合流させて、溝本数を減少させた場合について示したものである。図９に示すように、流路溝Ａと流路溝Ｂとを流通する流体の流量の差異は、図８と大差なく、依然として大きい。
【００５８】
［参考例２］
図１０は、図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、外周側に配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を合流させて、内周側については合流させずに溝本数を徐々に減少させた場合について示したものである。図１０に示すように、合流部を設けない、図８に示すような構成と比較してさらに大きな流量差が生じてしまう。
【００５９】
［実施例２］
図１１は、図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側に配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を合流させて、外周側については合流させずに溝本数を徐々に減少させた場合について示したものである。本構成によれば、流体流路の全体にわたり流量の差異がほとんど生じることなく、面全体にわたり流体の流量をほぼ一様とすることが可能となる。
【００６０】
図８に示したように、折り返し部に合流部を設けない構成によれば、距離が長くなる外周部側は流体の流通が滞留しがちとなるが、本構成のように内周部に合流部を設け、内周部側の流路溝の本数を減少させることにより敢えて内周側を高圧損とし、外周部側を流通する流体流量を相対的に増加させることにより、内周側と外周側とを流通する流体流量の差異が低減し、または流体流量がほぼ一様となる。
【００６１】
なお、各折り返し部に設ける合流部は、例えば図５に示す第１の折り返し部６０においては第２の折れ曲がり部（３）側に設けても良く、第３の折れ曲がり部（４）側に設けても良い。また、他の折り返し部においても同様に、折れ曲がり部のどちらに合流部を設けても構わないが、流体流路全体にわたり流量差が極力抑えられるような構成にすることが好ましい。
【００６２】
このように、複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流体流路において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせ、特に内周部において流路溝を合流させることにより、流体流路の上流側から下流側にかけて流速を低下させることなく、またセパレータ面内における流体流量の分布を一様にすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、一般に流体流路を形成可能なセパレータに限らず、例えば、メタルセパレータを使用した場合における樹脂フレームに形成させる流体流路など、燃料電池におけるあらゆる流体流路の形状に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態における流体の流路構造の一例を示す概略図である。
【図２】図１に示した酸化ガス流路１２６における、Ｃで囲まれた部分について示した拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態における流体の流路構造を例示する概略図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における流体の流路構造の一例を示す概略図である。
【図５】複数の折れ曲がり部を有する流体流路の構成の概略を示す模式図である。
【図６】各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させた場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子を例示する図である。
【図７】流路溝の本数を一定にした場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子を例示する図である。
【図８】流路溝の本数を一定にした場合について、図５に示した各部位におけるそれぞれの流路溝ごとの流量の変化について示した図である。
【図９】図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側と外周側とで一様に合流させた場合について示した図である。
【図１０】図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、外周側のみを合流させた場合について示した図である。
【図１１】図５に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側のみを合流させた場合について示した図である。
【図１２】従来の流体の流路構造の一例を示す概略図である。
【図１３】燃料電池単位セルの構成の概略を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  単位セル、１２  電解質膜、１４  カソード触媒層、１６  アノード触媒層、１８  カソード拡散層、２０  アノード拡散層、２２，１２２，２２２  カソード側セパレータ、２４  アノード側セパレータ、２６，１２６，２２６  酸化ガス流路、２８  燃料ガス流路、３０  セル冷媒流路、３１  溝山、３１ａ  先端部、３２  酸化ガス供給マニホールド、３４  酸化ガス排出マニホールド、５０  第１のパス、５２  第２のパス、５４  第３のパス、５６  第４のパス、６０  第１の折り返し部、６２  第２の折り返し部、６４  第３の折り返し部。
【図１】
2008108571.tif 000003
【図２】
2008108571.tif 000004
【図３】
2008108571.tif 000005
【図４】
2008108571.tif 000006
【図５】
2008108571.tif 000007
【図６】
2008108571.tif 000008
【図７】
2008108571.tif 000009
【図８】
2008108571.tif 000010
【図９】
2008108571.tif 000011
【図１０】
2008108571.tif 000012
【図１１】
2008108571.tif 000013
【図１２】
2008108571.tif 000014
【図１３】
2008108571.tif 000015