(57)【要約】【課題】簡単な構成で、発電面内における反応分布を均一に確保することができ、良好な発電性能を維持することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２金属セパレータ１４、１６を備える。燃料ガスが燃料ガス流路３２に沿って鉛直上方向に流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４４に沿って鉛直下方向に流れる。酸化剤ガス流路４４および燃料ガス流路３２は、酸化剤ガス直線溝４８および燃料ガス直線溝３６の長さ方向の寸法Ｌが、これらに交差する全幅寸法Ｗよりも短尺に構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池であって、
一方のセパレータと電極との間には、一方の電極面に沿って直線状に燃料ガスを供給する複数の直線溝形状の燃料ガス流路が設けられ、
他方のセパレータと電極との間には、他方の電極面に沿って直線状に酸化剤ガスを供給する複数の直線溝形状の酸化剤ガス流路が設けられるとともに、
前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路を流れる前記酸化剤ガスとは、互いに対向流を構成し、
前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの流れ方向の寸法が該燃料ガスおよび該酸化剤ガスの流れ方向に交差する全幅寸法よりも短尺に構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記電解質である固体高分子電解質膜を設ける固体高分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、前記セパレータには、積層方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通する燃料ガス連通孔および前記酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス連通孔が設けられて内部マニホールド型燃料電池を構成するとともに、
前記燃料ガス連通孔および前記酸化剤ガス連通孔は、少なくとも前記セパレータの鉛直方向両端に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持し該電解質・電極構造体に接する面が平坦な一対のセパレータとを設けた燃料電池であって、
一方の電極には、一方の電極面に沿って燃料ガスを供給する多孔質形状の燃料ガス流路が設けられ、
他方の電極には、他方の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する多孔質形状の酸化剤ガス流路が設けられるとともに、
前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路を流れる前記酸化剤ガスとは、互いに対向流を構成し、
前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、それぞれ前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの流れ方向の寸法が該燃料ガスおよび該酸化剤ガスの流れ方向に交差する全幅寸法よりも短尺に構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記電解質である固体高分子電解質膜を設ける固体高分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料電池において、前記セパレータには、積層方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通する燃料ガス連通孔および前記酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス連通孔が設けられて内部マニホールド型燃料電池を構成するとともに、
前記燃料ガス連通孔および前記酸化剤ガス連通孔は、少なくとも前記セパレータの鉛直方向両端に配置されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
この場合、所望の発電機能を維持するとともに、ガス流路内に液体状態の水が滞留することを阻止するために、特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００６】
この特許文献１では、図１２に示すように、セパレータ１に直線状の複数のガス流路溝２が形成されており、前記ガス流路溝２のガス流れ方向の寸法Ｈ１は、該ガス流路溝２のガス流路溝部の全幅寸法Ｈ２の１．５倍に設定されている。これにより、ガス流路溝２の流体抵抗値を、従来に比べて略２倍に増大することができる、としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−３３３５９０号公報（段落［００２４］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電解質・電極構造体が部分的に乾燥したり、滞留水が発生したりすることがなく、前記電解質・電極構造体を構成する固体高分子電解質膜の水分量を全体的に均一に維持するために、酸化剤ガス流れ方向との燃料ガス流れ方向とを、互いに逆方向（対向流）に設定する構成が採用されている。
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガス流路溝２が長尺であるため、前記ガス流路溝２のガス流れ方向両端に酸化剤ガス入口および燃料ガス入口が設けられると、前記酸化剤ガス入口と前記燃料ガス入口との間隔（Ｈ１）が大きくなってしまう。従って、酸化剤ガス入口から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口に向かって、すなわち、燃料ガス入口に向かって、酸素濃度が低下する。同様に、燃料ガス入口から供給される燃料ガスは、燃料ガス出口に向かって、すなわち、酸化剤ガス入口に向かって、水素濃度が低下する。
【００１０】
これにより、電解質・電極構造体を挟んで互いに反応する酸素濃度と水素濃度とが、発電面の面方向に沿って変動してしまい、前記発電面内における反応分布を均一に確保することができず、効率的な発電性能を維持することができないという問題がある。しかも、圧力降下が大きくなり、燃料電池システムの発電効率が低下してしまう。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電面内における反応分布を均一に確保することができ、良好な発電性能を維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、一方のセパレータと電極との間には、一方の電極面に沿って直線状に燃料ガスを供給する複数の直線溝形状の燃料ガス流路が設けられ、他方のセパレータと電極との間には、他方の電極面に沿って直線状に酸化剤ガスを供給する複数の直線溝形状の酸化剤ガス流路が設けられる。そして、燃料ガス流路を流れる燃料ガスと酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスとは、互いに対向流を構成するとともに、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの流れ方向の寸法が該燃料ガスおよび該酸化剤ガスの流れ方向に交差する全幅寸法よりも短尺に構成される。
【００１３】
このため、水分量の少ない燃料ガス流路の入口側と、水分量の多い酸化剤ガス流路の出口側とが対向し、電解質・電極構造体が部分的に乾燥したり、滞留水が発生したりすることがない。従って、電解質・電極構造体を構成する電解質の水分量を全体的に均一に維持することが可能になり、簡単な構成で、前記電解質を所望の加温状態に有効に維持することができ、良好な発電機能を確実に得ることが可能になる。
【００１４】
さらに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は、比較的短尺でかつ直線溝形状に構成されているため、酸化剤ガス入口と燃料ガス入口との間隔が小さくなる。これにより、発電面の面方向に沿って移動する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれ出入口近傍間での濃度変化が減少される。従って、発電面内で部分的に反応が集中したり、反応が不十分になったりすることがなく、前記発電面内における反応分布を均一に確保することができる。このため、発電面内の単位面積当たりの反応比率が向上し、良好な発電性能を維持することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２および請求項５に係る燃料電池では、燃料電池は、電解質である固体高分子電解質膜を設ける固体高分子型燃料電池である。これにより、固体高分子電解質膜の両面に沿って燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流を構成し、酸化剤ガスに含まれる水分が前記固体高分子電解質膜を透過して前記燃料ガスを良好に加湿することができる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３および請求項６に係る燃料電池では、セパレータには、積層方向に貫通して燃料ガス流路に連通する燃料ガス連通孔および酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス連通孔が設けられて内部マニホールド型燃料電池を構成するとともに、前記燃料ガス連通孔および前記酸化剤ガス連通孔は、少なくとも前記セパレータの鉛直方向両端に配置される。従って、簡単な構成で、重力の作用下に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に滞留水が発生することを確実に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、一方の電極には、一方の電極面に沿って燃料ガスを供給する多孔質形状の燃料ガス流路が設けられ、他方の電極には、他方の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する多孔質形状の酸化剤ガス流路が設けられる。具体的には、両電極を構成する両ガス拡散層が多孔質材で形成され、それぞれのガス拡散層内には、空孔部分を連ねて燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが設けられる。
【００１８】
そして、燃料ガス流路を流れる燃料ガスと酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスとは、互いに対向流を構成するとともに、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、それぞれ前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの流れ方向の寸法が該燃料ガスおよび該酸化剤ガスの流れ方向に交差する全幅寸法よりも短尺に構成される。すなわち、各ガス拡散層自体が幅広に構成される。
【００１９】
従って、簡単な構成で、電解質を所望の加温状態に有効に維持するとともに、発電面内における反応分布を均一に確保することができ、良好な発電性能を有することが可能になる。しかも、セパレータは、電解質・電極構造体に接する面が平坦に構成されており、前記セパレータを容易かつ安価に製造することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２金属セパレータ１４、１６に挟持されている。なお、第１および第２金属セパレータ１４、１６は、例えば、カーボン製プレートにより構成してもよい。
【００２２】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、鉛直方向）の一端縁部（下端縁部）中央には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。この酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの両側には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための２つの燃料ガス入口連通孔２４ａとが、矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、鉛直方向）の他端縁部（上端縁部）中央には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。この燃料ガス出口連通孔２４ｂの両側には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを供給するための２つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａとが、矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２５】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２６】
第１金属セパレータ１４のアノード側電極２８に対向する面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する直線溝形状の燃料ガス流路３２が設けられる。図３に示すように、燃料ガス流路３２は、面１４ａの下部側に複数のエンボスを設ける入口バッファ部３４ａと、前記面１４ａの上部側に複数のエンボスを設ける出口バッファ部３４ｂと、前記入口バッファ部３４ａおよび前記出口バッファ部３４ｂ間に鉛直方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して設けられる複数の燃料ガス直線溝３６とを備える。
【００２７】
燃料ガス流路３２は、燃料ガス直線溝３６の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法（燃料ガスの流れ方向の寸法）Ｌが、複数の前記燃料ガス直線溝３６の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法（燃料ガスの流れ方向に交差する幅寸法）Ｗよりも短尺に構成される。すなわち、Ｌ／Ｗ≦１の関係に設定される。図４に示すように、全幅寸法Ｗは、第１金属セパレータ１４の幅方向両端縁部に設けられた燃料ガス直線溝３６間の距離である。
【００２８】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。この冷却媒体流路３８は、面１４ｂの下部側に複数のエンボスを設ける入口バッファ部４０ａと、前記面１４ｂの上部側に複数のエンボスを設ける出口バッファ部４０ｂと、前記入口バッファ部４０ａおよび前記出口バッファ部４０ｂ間に矢印Ｂ方向に直線状に延在して設けられる複数の冷却媒体直線溝４２とを備える。
【００２９】
第２金属セパレータ１６のカソード側電極３０に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する直線溝形状の酸化剤ガス流路４４が設けられる。酸化剤ガス流路４４は、面１６ａの下部側に複数のエンボスを設ける出口バッファ部４６ｂと、前記面１６ａの上部側に複数のエンボスを設ける入口バッファ部４６ａと、前記入口バッファ部４６ａおよび前記出口バッファ部４６ｂ間に矢印Ｂ方向に直線状に延在して設けられる複数の酸化剤ガス直線溝４８とを備える。
【００３０】
酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス直線溝４８の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法（酸化剤ガスの流れ方向の寸法）Ｌが、複数の前記酸化剤ガス直線溝４８の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法（酸化剤ガスの流れ方向に交差する幅寸法）Ｗよりも短尺に構成される。すなわち、Ｌ／Ｗ≦１の関係に設定される。
【００３１】
燃料ガス流路３２と酸化剤ガス流路４４とは、それぞれのＬ／Ｗを実質的に等しく設定することが望ましい。燃料ガス流路３２に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス流路４４に供給される酸化剤ガスとが等しくなって、均一な反応が遂行されるからである。具体的には、好ましくは、Ｌ／Ｗ＜０．７、より好ましくは、Ｌ／Ｗ＜０．５に設定される。
【００３２】
この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガスを鉛直下方向に流す一方、燃料ガス流路３２は、燃料ガスを鉛直上方向に流すように設定されており、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとは、互いに逆方向に流れる対向流を構成する。
【００３３】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂおよび第２金属セパレータ１６の面１６ａには、シール部材５０が、例えば、焼き付け等により一体的に設けられる。このシール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３４】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３５】
まず、図１に示すように、２つの燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、２つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３６】
このため、燃料ガスは、燃料電池１０の下部側を矢印Ａ方向に移動して第１金属セパレータ１４の燃料ガス流路３２に供給される。図３に示すように、燃料ガス流路３２では、燃料ガスが入口バッファ部３４ａを介して複数の燃料ガス直線溝３６に分散され、前記燃料ガス直線溝３６に沿って鉛直上方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給される。
【００３７】
一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、燃料電池１０の上部側を矢印Ａ方向に移動して第２金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路４４に供給される。酸化剤ガス流路４４では、酸化剤ガスが入口バッファ部４６ａを介して複数の酸化剤ガス直線溝４８に分散され、前記酸化剤ガス直線溝４８に沿って鉛直下方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に供給される。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード側電極２８に供給される燃料ガスと、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３９】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部３４ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂを介して矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部４６ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを介して矢印Ａ方向に排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４の冷却媒体流路３８に供給された後、鉛直上方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガスが燃料ガス流路３２に沿って鉛直上方向に流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４４に沿って鉛直下方向に流れており、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとは、互いに逆方向に流れる対向流を構成する。
【００４２】
このため、水分量の少ない燃料ガス流路３２の入口側と、水分量の多い酸化剤ガス流路４４の出口側とが対向し、前記酸化剤ガス流路４４から固体高分子電解質膜２６を透過した水分が前記燃料ガス流路３２に供給される。これにより、電解質膜・電極構造体１２が部分的に乾燥したり、滞留水が発生したりすることがない。従って、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２６の水分量を全体的に均一に維持することが可能になる。
【００４３】
しかも、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、鉛直方向に沿って流れるため、燃料ガス流路３２および酸化剤ガス流路４４に滞留水が発生することを確実に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜２６を所望の加温状態に有効に維持することができ、良好な発電機能を確実に得ることが可能になる。
【００４４】
さらに、燃料ガス流路３２は、燃料ガス直線溝３６の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌが、複数の前記燃料ガス直線溝３６の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗよりも短尺に構成される（Ｌ／Ｗ≦１）。同様に、酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス直線溝４８の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌが、複数の前記酸化剤ガス直線溝４８の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗよりも短尺に構成される（Ｌ／Ｗ≦１）。
【００４５】
このため、燃料ガス流路３２および酸化剤ガス流路４４は、比較的短尺でかつ直線的に設けられ、燃料ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス入口連通孔２０ａとの間隔が小さくなる。これにより、発電面の面方向に沿って移動する反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）は、それぞれ出入口近傍間での濃度変化が減少される。従って、電解質膜・電極構造体１２の発電面内で部分的に反応が集中したり、反応が不十分になったりすることがなく、前記発電面内における反応分布を均一に確保することができる。このため、発電面内の単位面積当たりの反応比率が向上し、良好な発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
具体的に、Ｌ／Ｗの値を変更して出力電流値Ｉ（Ａ／ｃｍ２）を検出したところ、図５に示す結果が得られた。これにより、Ｌ／Ｗ＞１では、反応ガスの入口、中央および出口でガス消費による濃度勾配が大きくなって、均一な反応が困難になり、あるいは一方のガスの濃度不足を惹起し、所望の発電性能を確保することができない。さらに、Ｌ／Ｗが１を超えて大きくなると、生成水が反応ガス入口から反応ガス出口に向かって累積的に滞留し易く、反応ガス流路の閉塞が発生して発電性能が低下し易い。
【００４７】
また、図６に示すように、Ｌ／Ｗ≦１では、圧損（カソード側）が許容値内に維持される。従って、反応ガスを燃料電池１０に供給するためのコンプレッサ等が大型化することがなく、設備全体を有効に小型化することが可能になる。
【００４８】
しかも、電解質膜・電極構造体１２の発電面内の一部において、高濃度の燃料ガスと高濃度の酸化剤ガスとの反応が集中することがない。このため、電解質膜・電極構造体１２の耐久寿命が短縮されることを阻止し、前記電解質膜・電極構造体１２を長期間にわたって良好に使用することが可能になる。
【００４９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３および第４の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００５０】
燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２が、第１および第２金属セパレータ（またはカーボンセパレータ）６４、６６に挟持されている。燃料電池６０の矢印Ｂ方向（図７中、鉛直方向）の一端縁部（下端縁部）および他端縁部（上端縁部）には、それぞれ積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス出口連通孔２４ｂと、２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂと、２つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａとが設けられる。
【００５１】
燃料電池６０の矢印Ｂ方向の中間部には、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと、２つの冷却媒体入口連通孔２２ａと、２つの燃料ガス入口連通孔２４ａとが、矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。
【００５２】
電解質膜・電極構造体６２は、矢印Ｂ方向に長尺な固体高分子電解質膜２６を備え、この固体高分子電解質膜２６の両面には、アノード側電極２８ａ、２８ｂとカソード側電極３０ａ、３０ｂとが鉛直方向に配列して設けられる。
【００５３】
図８に示すように、第１金属セパレータ６４の面６４ａには、アノード側電極２８ａ、２８ｂに対向して燃料ガス流路３２ａ、３２ｂが鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス流路３２ａは、燃料ガスを鉛直下方向に流す一方、燃料ガス流路３２ｂは、燃料ガスを鉛直上方向に流す。燃料ガス流路３２ａ、３２ｂは、それぞれ燃料ガス直線溝３６の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌ１が、複数の前記燃料ガス直線溝３６の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗ１よりも短尺に構成される（Ｌ１／Ｗ１≦１）。
【００５４】
図７に示すように、第１金属セパレータ６４の面６４ｂには、冷却媒体流路３８ａ、３８ｂが鉛直方向に配列して形成される。冷却媒体流路３８ａは、冷却媒体を鉛直下方向に流す一方、冷却媒体流路３８ｂは、冷却媒体を鉛直上方向に流す。
【００５５】
第２金属セパレータ６６の面６６ａには、カソード側電極３０ａ、３０ｂに対向して酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂが鉛直方向に配列して設けられる。酸化剤ガス流路４４ａは、酸化剤ガスを鉛直上方向に流す一方、酸化剤ガス流路４４ｂは、酸化剤ガスを鉛直下方向に流す。
【００５６】
酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂは、それぞれ酸化剤ガス直線溝４８の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌ１が、複数の前記酸化剤ガス直線溝４８の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗ１よりも短尺に構成される（Ｌ１／Ｗ１≦１）。
【００５７】
燃料ガス流路３２ａ、３２ｂと酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂとは、それぞれのＬ１／Ｗ１を実質的に等しく設定することが望ましい。さらに、具体的には、好ましくは、Ｌ１／Ｗ１＜０．７、より好ましくは、Ｌ１／Ｗ１＜０．５に設定される。
【００５８】
電解質膜・電極構造体６２を挟んで互いに対向する燃料ガス流路３２ａと酸化剤ガス流路４４ａとは、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに逆方向に流れる対向流を構成する。同様に、電解質膜・電極構造体６２を挟んで互いに対向する燃料ガス流路３２ｂと酸化剤ガス流路４４ｂとは、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに逆方向に流れる対向流を構成する。
【００５９】
このように構成される第２の実施形態では、２つの燃料ガス入口連通孔２４ａに燃料ガスが供給されるとともに、４つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸化剤ガスが供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔２２ａに冷却媒体が供給される。
【００６０】
このため、燃料ガスは、燃料電池６０の中間部側を矢印Ａ方向に移動して第１金属セパレータ６４の燃料ガス流路３２ａ、３２ｂに分配して供給される。図８に示すように、燃料ガス流路３２ａでは、燃料ガスが複数の燃料ガス直線溝３６に沿って鉛直下方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体６２のアノード側電極２８ａに供給される。一方、燃料ガス流路３２ｂでは、燃料ガスが複数の燃料ガス直線溝３６に沿って鉛直上方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体６２のアノード側電極２８ｂに供給される。
【００６１】
また、酸化剤ガスは、図７に示すように、燃料電池６０の下部側および上部側を矢印Ａ方向に移動して、第２金属セパレータ６６の酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂに供給される。酸化剤ガス流路４４ａでは、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス直線溝４８に沿って鉛直上方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体６２のカソード側電極３０ａに供給される。一方、酸化剤ガス流路４４ｂでは、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス直線溝４８に沿って鉛直下方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体６２のカソード側電極３０ｂに供給される。
【００６２】
従って、電解質膜・電極構造体６２では、アノード側電極２８ａ、２８ｂに供給される燃料ガスと、カソード側電極３０ａ、３０ｂに供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００６３】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに分配して供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ６４の冷却媒体流路３８ａ、３８ｂに分配して供給された後、鉛直下方向および鉛直上方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００６４】
この場合、第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体６２を挟んで互いに対向する燃料ガス流路３２ａと酸化剤ガス流路４４ａとは、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに逆方向に流れる対向流を構成する。同様に、電解質膜・電極構造体６２を挟んで互いに対向する燃料ガス流路３２ｂと酸化剤ガス流路４４ｂとは、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに逆方向に流れる対向流を構成する。
【００６５】
さらに、燃料ガス流路３２ａ、３２ｂは、それぞれ燃料ガス直線溝３６の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌ１が、複数の前記燃料ガス直線溝３６の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗ１よりも短尺に構成される（Ｌ１／Ｗ１≦１）。同様に、酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂは、それぞれ酸化剤ガス直線溝４８の長さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌ１が、複数の前記酸化剤ガス直線溝４８の幅方向（矢印Ｃ方向）に向かう全幅寸法Ｗ１よりも短尺に構成される（Ｌ１／Ｗ１≦１）。
【００６６】
これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜２６を所望の加温状態に有効に維持するとともに、電解質膜・電極構造体６２の発電面内における反応分布を均一に確保することができ、良好な発電性能を維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図であり、図１０は、前記燃料電池８０の一部断面図である。
【００６８】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２が、第１および第２金属セパレータ（またはカーボンセパレータ）８４、８６に挟持されている。電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極８８およびカソード側電極９０を備える。アノード側電極８８およびカソード側電極９０は、ガス拡散層９２、９４を有するとともに、このガス拡散層９２、９４は多孔質材、例えば、三菱レイヨン製ＭＦＧ−０７０や東レ製ＴＧＰ−Ｈ−０６０等で形成される。
【００６９】
ガス拡散層９２内は、多孔質形状に構成されているため、燃料ガスが空孔部分を連ねて鉛直上方向に流れるとともに、ガス拡散層９４内は、多孔質形状に構成されているため、酸化剤ガスが空孔部分を連ねて鉛直下方向に流れる。図９に示すように、燃料ガス流路３２は、燃料ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）の寸法Ｌ２が、この流れ方向に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）の寸法Ｗ２よりも短尺に構成される（Ｌ２／Ｗ２≦１）。具体的には、寸法Ｌ２はガス拡散層９２の高さ寸法であり、寸法Ｗ２は前記ガス拡散層９２の全幅寸法である。
【００７０】
酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）の寸法（ガス拡散層９４の高さ）Ｌ２が、この流れ方向に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）の寸法（ガス拡散層９２の全幅）Ｗ２よりも短尺に構成される（Ｌ２／Ｗ２≦１）。
【００７１】
燃料ガス流路３２と酸化剤ガス流路４４とは、それぞれのＬ２／Ｗ２を実質的に等しく設定することが望ましい。さらに、具体的には、好ましくは、Ｌ２／Ｗ２＜０．７、より好ましくは、Ｌ２／Ｗ２＜０．５に設定される。
【００７２】
第１金属セパレータ８４は、アノード側電極８８に対向する面８４ａが平坦状に形成される一方、反対の面８４ｂに冷却媒体流路３８が設けられる。第２金属セパレータ８６は、カソード側電極９０に対向する面８６ａおよび反対の面が平坦状に形成される。
【００７３】
このように構成される第３の実施形態では、燃料ガスがアノード側電極８８のガス拡散層９２内に形成された燃料ガス流路３２に沿って、鉛直上方向に流れる。一方、酸化剤ガスがカソード側電極９０のガス拡散層９４内に形成された酸化剤ガス流路４４に沿って、鉛直下方向に流れている。すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスとは、互いに逆方向に流れる対向流を構成する。
【００７４】
さらに、燃料ガス流路３２は、燃料ガスの流れ方向の寸法Ｌ２が、この流れ方向に交差する幅方向の寸法Ｗ２よりも短尺に構成される。同様に、酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガスの流れ方向の寸法Ｌ２が、この流れ方向に交差する幅方向の寸法Ｗ２よりも短尺に構成される。
【００７５】
これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜２６を所望の加温状態に有効に維持するとともに、電解質膜・電極構造体８２の発電面内における反応分布を均一に確保することができ、良好な発電性能を維持することが可能になる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、第１金属セパレータ８４の面８４ａが平坦状に形成される一方、第２金属セパレータ８６の両面が平坦状に形成される。従って、第１および第２金属セパレータ８４、８６を容易かつ安価に製造することができ、経済的となる。
【００７６】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視図である。なお、第２および第３の実施形態に係る燃料電池６０、８０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７７】
燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２が、第１および第２金属セパレータ（またはカーボンセパレータ）１０４、１０６に挟持されている。電解質膜・電極構造体１０２は、固体高分子電解質膜２６の両面にアノード側電極８８ａ、８８ｂとカソード側電極９０ａ、９０ｂとを設ける。アノード側電極８８ａ、８８ｂは、それぞれ多孔質形状のガス拡散層９２を有する一方、カソード側電極９０ａ、９０ｂは、それぞれ多孔質形状のガス拡散層９４を有する。
【００７８】
アノード側電極８８ａ、８８ｂに設けられる各燃料ガス流路３２ａ、３２ｂは、燃料ガスの流れ方向の寸法Ｌ３が、この流れ方向に交差する幅方向の寸法Ｗ３よりも短尺に構成される（Ｌ３／Ｗ３≦１）。同様に、カソード側電極９０ａ、９０ｂに設けられる各酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂは、酸化剤ガスの流れ方向の寸法Ｌ３が、この流れ方向に交差する幅方向の寸法Ｗ３よりも短尺に構成される（Ｌ３／Ｗ３≦１）。
【００７９】
燃料ガス流路３２ａ、３２ｂと酸化剤ガス流路４４ａ、４４ｂとは、それぞれのＬ３／Ｗ３を実質的に等しく設定することが望ましい。さらに、具体的には、好ましくは、Ｌ３／Ｗ３＜０．７、より好ましくは、Ｌ３／Ｗ３＜０．５に設定される。
【００８０】
第１金属セパレータ１０４は、アノード側電極８８ａ、８８ｂに対向する面１０４ａが平坦状に形成される一方、反対の面１０４ｂに冷却媒体流路３８ａ、３８ｂが設けられる。第２金属セパレータ１０６は、カソード側電極９０ａ、９０ｂに対向する面１０６ａおよび反対の面が平坦状に形成される。
【００８１】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、電解質・電極構造体が部分的に乾燥したり、滞留水が発生したりすることがなく、簡単な構成で、電解質を所望の加温状態に有効に維持することができ、良好な発電機能を確実に得ることが可能になる。
【００８３】
さらに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は、比較的短尺でかつ直線的に設けられているため、酸化剤ガス入口と燃料ガス入口との間隔が小さくなる。これにより、発電面の面方向に沿って移動する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれ出入口近傍間での濃度変化が減少される。従って、発電面内における反応分布を均一に確保することができ、前記発電面内の単位面積当たりの反応比率が向上し、良好な発電性能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記第１金属セパレータに設けられている燃料ガス直線溝の幅方向に向かう全幅寸法Ｗの説明図である。
【図５】Ｌ／Ｗと出力電流値との関係説明図である。
【図６】Ｌ／Ｗとカソード側圧損との関係説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１０】前記燃料電池の一部断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１２】特許文献１に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０、１００…燃料電池
１２、６２、８２、１０２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６、８４、８６、１０４、１０６…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔  ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔    ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔    ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜
２８、８８、８８ａ、８８ｂ…アノード側電極
３０、９０、９０ａ、９０ｂ…カソード側電極
３２、３２ａ、３２ｂ…燃料ガス流路
３６…燃料ガス直線溝          ３８、３８ａ、３８ｂ…冷却媒体流路
４２…冷却媒体直線溝          ４４、４４ａ、４４ｂ…酸化剤ガス流路
４８…酸化剤ガス直線溝        ５０…シール部材
９２、９４…ガス拡散層
【図１】
2004335147.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004335147.tif 000009
【図８】
2004335147.tif 000010
【図９】
2004335147.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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