(57)【要約】    【課題】  簡素な構造により、セパレータの凸部に対応する電極の部分のガスの拡散性を好適に高めることができる燃料電池およびセパレータを提供することを課題とする。    【解決手段】  電極１６側の面に凹凸形状を有し、その凸部３１が電極１６に接触してその凹部３２と電極１６との間で複数の平行なガス流路２１を構成するセパレータ１２と、複数のガス流路２１の少なくとも一つに設けられ、隣接する二つのガス流路２１の間にガスの差圧を生じさせる差圧発生手段７１と、を備えた燃料電池１である。差圧発生手段７１となる抵抗要素は、凹部３２の底部３２ａを隆起させることで設けることができ、隣接する一方のガス流路２１にはその上流側に設けられ、他方のガス流路２１にはその下流側に設けられる。    【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と当該電極との間で複数の平行なガス流路を構成するセパレータと、
前記複数のガス流路の少なくとも一つに設けられ、隣接する二つのガス流路の間にガスの差圧を生じさせる差圧発生手段と、
を備えた燃料電池。
【請求項２】
前記差圧発生手段は、隣接する任意の二つのガス流路の少なくとも一方に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記差圧発生手段は、隣接する任意の二つのガス流路の両方に設けられ、一方のガス流路にはその上流側に、他方のガス流路にはその下流側に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記差圧発生手段は、前記凹部に設けられた抵抗要素である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記凸部に対応するセパレータの部分には、前記ガス流路と平行に延在する冷却流路の複数が平行に形成されており、
前記抵抗要素は、前記凹部の底部の一部をその幅方向に亘って前記ガス流路側に対し凸状に隆起させた隆起部からなり、
前記隆起部は、これが設けられたガス流路を挟んで隣接する二つの前記冷却流路を連通するように、冷却流路側に対し凹状に面している請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記隆起部は、前記凹部の底部上の生成水がその下流側に移動されるように勾配を有している請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータは、前記複数のガス流路の上流側をガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、前記複数のガス流路の下流側をガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を有しており、
前記複数のガス流路は、その延長線上に前記ガス入口および前記ガス出口が位置する第１ガス流路群と、当該第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、
前記第１ガス流路群の抵抗要素は、前記第２ガス流路群の抵抗要素よりも流路抵抗が高く設定されている請求項４ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と当該電極との間で複数の平行なガス流路を構成するセパレータを、備えた燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記複数のガス流路の上流側をガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、
前記複数のガス流路の下流側をガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を有し、
前記複数のガス流路は、
その延長線上に前記ガス入口および前記ガス出口が位置する第１ガス流路群と、
前記第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、
前記第１ガス流路群の流路抵抗は、前記第２ガス流路群の流路抵抗よりも高く設定されている燃料電池。
【請求項９】
燃料電池の電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と当該電極との間で複数の平行なガス流路を構成する燃料電池用セパレータであって、
前記複数の凹部の少なくも一つには、隣接する二つのガス流路の間にガスの差圧を生じさせる抵抗要素が設けられている燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
前記抵抗要素は、隣接する任意の二つの凹部の少なくとも一方に設けられている請求項９に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
前記抵抗要素は、隣接する任意の二つの凹部の両方に設けられ、一方の凹部には前記ガス流路の上流側に、他方の凹部には前記ガス流路の下流側に設けられている請求項１０に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
前記凸部に対応する部分には、前記ガス流路と平行に延在する冷却流路の複数が平行に形成されており、
前記抵抗要素は、前記凹部の底部の一部をその幅方向に亘って前記ガス流路側に対し凸状に隆起させた隆起部からなり、
前記隆起部は、これが設けられたガス流路を挟んで隣接する二つの前記冷却流路を連通するように、冷却流路側に対し凹状に面している請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１３】
前記隆起部は、前記凹部の底部上の生成水が前記ガス流路の下流側に移動されるように勾配を有している請求項１２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１４】
前記複数のガス流路にガスを導入するためのガス入口と、
前記複数のガス流路からガスを導出するためのガス出口と、
前記複数のガス流路の上流側を前記ガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、
前記複数のガス流路の下流側を前記ガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を更に有しており、
前記複数のガス流路は、その延長線上に前記ガス入口および前記ガス出口が位置する第１ガス流路群と、当該第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、
前記第１ガス流路群における前記抵抗要素は、前記第２ガス流路群における前記抵抗要素よりも流路抵抗が高く設定されている請求項９ないし１３のいずれか一項に記載の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、電極側の面に凹凸形状を有して電極に接触するセパレータを備えた燃料電池および燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型の燃料電池の単セルは、電解質膜およびこれを両側から挟んだ電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを両側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは電極側の面に凹凸形状を有しており、単セル化した状態では、セパレータの凸部が電極に接触して、その凹部と当該電極との間で複数の平行なガス流路が構成される（例えば、特許文献１参照。）。
一般に、凸部が接触する電極の部位は、ガスが拡散し難いため発電に寄与し難い。そこで特許文献１に記載の燃料電池では、セパレータに吸引通路を形成し、この吸引通路を介して凸部と電極との間の境界層を吸引手段で吸引するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１３３２８７号公報（第６頁、第７頁、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来の燃料電池では、吸引手段および吸引通路によってガスの流れを強制的に起こすことができるため、凸部に対応する電極の部位でガスの拡散性が高まり、その結果、発電効率を向上させることができる点では有用である。しかし、セパレータにガス流路に加えて吸引通路を別途形成する必要があり、また吸引手段の構成を設ける必要があるなど、全体として構造が煩雑化し易い上に、セパレータの製造も困難性が高く、コストアップにつながっていた。
【０００４】
本発明は、簡素な構造により、セパレータの凸部に対応する電極の部分のガスの拡散性を好適に高めることができる燃料電池を提供することをその目的としている。また、凸部が接触する電極の部分についてガスの拡散を促進することができる燃料電池用セパレータを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池は、電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と電極との間で複数の平行なガス流路を構成するセパレータと、複数のガス流路の少なくとも一つに設けられ、隣接する二つのガス流路の間にガスの差圧を生じさせる差圧発生手段と、を備えたものである。
【０００６】
この構成によれば、各ガス流路におけるガスの流れを確保しつつ、差圧発生手段により、隣接する二つのガス流路の一方から他方のガス流路へとガスの流れを生じさせることができる。これにより、隣接する二つのガス流路の間に位置する部分、すなわちセパレータの凸部が接触する電極の部分にもガスの流れ（拡散）を生じさせることができるため、凸部に対応する電極の部分の発電を促進することができる。また、差圧発生手段がガス流路に設けられているため、従来の吸引通路等の構成に比べ、セパレータの構造を簡素化することが可能となる。
なお、差圧発生手段を一つのガス流路にのみ設ける場合には、複数のガス流路のうち中心に位置するガス流路に設けることが、差圧の作用上好ましい。
【０００７】
この場合、差圧発生手段は、隣接する任意の二つのガス流路の少なくとも一方に設けられていることが、好ましい。
【０００８】
この構成によれば、例えば三つのガス流路に対し一つの割合で差圧発生手段を設ける場合に比べて、二つのガス流路の間に適切に且つ確実に差圧を生じさせることができる。これにより、セパレータの凸部に対応する電極の部分に、ガスをより確実に拡散させることができる。
【０００９】
同様に、差圧発生手段は、隣接する任意の二つのガス流路の両方に設けられ、一方のガス流路にはその上流側に、他方のガス流路にはその下流側に設けられていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、上記同様に、隣接する二つのガス流路の間に適切に且つ確実に差圧を生じさせることができることに加えて、この差圧が生じる状態をガスの流れ方向に亘って確保することができる。これにより、隣接する二つのガス流路の一方から他方へのガスの流れが、ガス流路の存在する部分に亘って生じるため、セパレータの凸部に対応する電極の部分の略全域に亘って、ガスを適切に拡散させることができる。
【００１１】
これらの場合、差圧発生手段は、凹部に設けられた抵抗要素であることが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、差圧発生手段を電極に設ける場合に比べて、差圧発生手段たる抵抗要素を簡単に設けることが可能となる。抵抗要素は、例えば、凹部の内壁部位をガス流路となる空間に突出させることで構成すればよく、次に後述する隆起部のほか、凹部に被覆した親水性のコーティング層などで構成することができる。
【００１３】
この場合、凸部に対応するセパレータの部分には、ガス流路と平行に延在する冷却流路の複数が平行に形成されており、抵抗要素は、凹部の底部の一部をその幅方向に亘ってガス流路側に対し凸状に隆起させた隆起部からなり、隆起部は、これが設けられたガス流路を挟んで隣接する二つの冷却流路を連通するように、冷却流路側に対し凹状に面していることが、好ましい。
【００１４】
この構成によれば、抵抗要素となる隆起部を凹部に簡単に設けることができると共に、隆起部を有効に利用して平行な二つの冷却流路を連通することができる。これにより、冷却流路を流れる冷却水等の冷媒を二つの冷却流路間で往来させることができるため、各冷却流路の熱分布を均一化させることができる。
なお、セパレータの基材としてメタルを用いた場合には、プレス成形によって、セパレータの凹凸形状を含め隆起部を容易に形成することが可能となる。
【００１５】
この場合、隆起部は、凹部の底部上の生成水がその下流側に移動されるように勾配を有していることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、燃料電池の反応によって水が生成されるが、この生成水を隆起部の勾配に倣ってガスの流れにより排水することができる。これにより、隆起部に生成水を滞留させることを構造上簡易に防止または抑制することができ、燃料電池の良好な低温起動性などの安定性および信頼性を高めることができる。
【００１７】
これらの場合、セパレータは、複数のガス流路の上流側をガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、複数のガス流路の下流側をガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を有しており、複数のガス流路は、その延長線上にガス入口およびガス出口が位置する第１ガス流路群と、当該第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、第１ガス流路群の抵抗要素は、第２ガス流路群の抵抗要素よりも流路抵抗が高く設定されていることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、ガス入口から導入されたガスは入口側共通流路から分配されるようにして複数のガス流路へと流入していくと共に、複数のガス流路を流れたガスは出口側共通流路で集合してガス出口へと流出していく。このような構成の場合、通常、ガス入口・出口が対応する第１ガス流路群では、ガス入口・出口が対応しない第２ガス流路群に比べてガスが流れ易い。したがって上記構成のように、第１ガス流路群の抵抗要素の流路抵抗を第２ガス流路群の抵抗要素のそれよりも高く設定することで、第１ガス流路群のガスの流れ易さを第２ガス流路群に近づけることができる。これにより、複数のガス流路間でのガスの流量のばらつきが低減され、全体として発電を均一化することができる。
【００１９】
本発明の他の燃料電池は、電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と当該電極との間で複数の平行なガス流路を構成するセパレータを、備えた燃料電池であって、セパレータは、複数のガス流路の上流側をガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、複数のガス流路の下流側をガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を有し、複数のガス流路は、その延長線上にガス入口およびガス出口が位置する第１ガス流路群と、第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、第１ガス流路群の流路抵抗は、第２ガス流路群の流路抵抗よりも高く設定されているものである。
【００２０】
この構成によれば、上記同様に、第１ガス流路群の流路抵抗を第２ガス流路群の流路抵抗よりも高く設定しているため、第１ガス流路群は、第２ガス流路群と同程度にガスの流れ易さを確保することができる。これにより、複数のガス流路間でガスの流量のばらつきをなくすことができ、全体として発電を均一化することができる。
また、第１ガス流路群の流路抵抗によって、第１ガス流路群が二以上のガス流路からなる場合には、その隣接する二つのガス流路の間にガスの差圧を生じさせることも可能であり、上記と同様に、第１ガス流路群に対応するセパレータの凸部が接触する電極の部分にもガスの流れ（拡散）を生じさせることができる。このことは、第２ガス流路群が二以上のガス流路からなる場合も同様である。
【００２１】
本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池の電極側の面に凹凸形状を有し、その凸部が電極に接触してその凹部と電極との間で複数の平行なガス流路を構成する燃料電池用セパレータであって、複数の凹部の少なくも一つには、隣接する二つのガス流路の間にガスの差圧を生じさせる抵抗要素が設けられているものである。
【００２２】
この構成によれば、上記と同様に、凹部に設けた抵抗要素によって、隣接する二つのガス流路の一方から他方へとガスの流れを生じさせることが可能となる。このため、二つのガス流路間に位置する凸部が接触する電極の部分について、ガスの流れ（拡散）を促進することができる。これにより、セパレータを組み付けた燃料電池では、凸部に対応する電極の部分の発電を促進することができる。また、従来の吸引通路等の構成に比べセパレータの構造を簡素化し、適切にコストダウンに供し得る。
【００２３】
この場合、抵抗要素は、隣接する任意の二つの凹部の少なくとも一方に設けられていることが、好ましい。
【００２４】
この構成によれば、上記と同様に、二つのガス流路の間に適切に且つ確実に差圧を生じさせることができる。
【００２５】
この場合、抵抗要素は、隣接する任意の二つの凹部の両方に設けられ、一方の凹部にはガス流路の上流側に、他方の凹部にはガス流路の下流側に設けられていることが、好ましい。
【００２６】
この構成によれば、上記と同様に、凸部に対応する電極の部分の略全域に亘って、ガスを適切に拡散させることが可能となる。
【００２７】
これらの場合、凸部に対応する部分には、ガス流路と平行に延在する冷却流路の複数が平行に形成されており、抵抗要素は、凹部の底部の一部をその幅方向に亘ってガス流路側に対し凸状に隆起させた隆起部からなり、隆起部は、これが設けられたガス流路を挟んで隣接する二つの冷却流路を連通するように、冷却流路側に対し凹状に面していることが、好ましい。
【００２８】
この構成によれば、上記と同様に、抵抗要素となる隆起部を凹部に簡単に設けることができると共に、隆起部を有効に利用して各冷却流路の熱分布を均一化させることができる。
【００２９】
この場合、隆起部は、凹部の底部上の生成水がガス流路の下流側に移動されるように勾配を有していることが、好ましい。
【００３０】
この構成によれば、燃料電池の反応によって生成された生成水を、隆起部の勾配に倣ってガスの流れにより排水することができるため、燃料電池の良好な低温起動性などを高めることが可能となる。
【００３１】
これらの場合、複数のガス流路にガスを導入するためのガス入口と、複数のガス流路からガスを導出するためのガス出口と、複数のガス流路の上流側をガス入口に共通に連通させる入口側共通流路と、複数のガス流路の下流側をガス出口に共通に連通させる出口側共通流路と、を更に有しており、複数のガス流路は、その延長線上にガス入口およびガス出口が位置する第１ガス流路群と、第１ガス流路群に含まれない残りの第２ガス流路群と、からなり、第１ガス流路群における抵抗要素は、第２ガス流路群における抵抗要素よりも流路抵抗が高く設定されていることが、好ましい。
【００３２】
この構成によれば、複数のガス流路間でのガスの流量のばらつきを低減することができ、全体として発電を均一化することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の燃料電池によれば、セパレータの凸部が電極に接触する部分についても、簡素な構造により適切に発電に寄与させることができる。したがって、電極の有効発電面積を増加し、発電効率を好適に向上することができる。
【００３４】
本発明のセパレータによれば、凸部が接触する電極の部分についてガスの拡散を促進することができ、燃料電池の発電効率の向上に好適に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池および燃料電池用セパレータについて説明する。この燃料電池は、複数のストレート流路となるガス流路を主としてセパレータの凸部により画定し、隣接する二つのガス流路のガスに差圧を構造上生じさせることで、この凸部が接触する電極の部分も発電させるものである。以下では、燃料電池車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１に示すように、固体高分子型の燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層した積層スタック構造で構成されており、両端に位置する単セル２の外側に順次、出力端子４付きの集電板５、絶縁板６およびエンドプレート７を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート７間を架け渡すようにして設けられたテンションプレートが各エンドプレート７にボルト固定されることで、単セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００３７】
図２に示すように、単セル２は、ＭＥＡ１１と、これを外側から挟持する一対のセパレータ１２と、で構成されている。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１５と、電解質膜１５を両面から挟んだ一対の電極１６（アノードおよびカソード）と、で構成されている。各電極１６の外面に各セパレータ１２が面している。
【００３８】
各電極１６は、セパレータ１２に面する拡散層と、拡散層に結着された電解質膜側の触媒層と、で構成されている。なお、図示では、各電極１６は、拡散層と触媒層とを区別することなく、一つのハッチングで表されている。触媒層は、例えば白金で構成されている。拡散層は、例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。
【００３９】
一対のセパレータ１２の一方は、アノード側の電極１６との間に水素ガスのガス流路２１を複数構成し、セパレータ１２の他方は、カソード側の電極１６との間に酸素ガスのガス流路２１を複数構成する。このような構成により、アノード側の電極１６の拡散層には水素ガスが供給され、カソード側の電極１６の拡散層には酸素ガスが供給され、ＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じて、起電力が得られる。
【００４０】
なお、一対の電極１６の構造および一対のセパレータ１２の構造は、水素ガスおよび酸素ガスの種別に関らず略同様である。以下の説明では、水素ガスおよび酸素ガスを総称して「ガス」と記載し、必要に応じて適宜、各ガスやこれに伴うセパレータ１２の構造の違いについて言及する。また、酸素ガスとは酸素を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。
【００４１】
セパレータ１２は、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンのほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施例のセパレータ１２の基材はメタルからなり、セパレータ１２は、板状のメタルをその表裏各面からプレス成形されることによって、表裏各面に凹凸形状を有している。セパレータ１２の表裏各面の凹凸の単位は複数が連続していると共に、凸部および凹部はそれぞれ一方向に延在している。
【００４２】
具体的には、セパレータ１２は、その電極１６側の面の凸部３１が電極１６の拡散層に面接触して、この凸部３１によって画定される溝状の凹部３２と拡散層との間で複数のガス流路２１を構成する（図３参照）。複数のガス流路２１は、一方向に平行に延在しており、そのピッチは等ピッチで構成される。単セル２における水素ガスおよび酸素ガスの各ガス流路２１は、同方向に平行に延在し、ＭＥＡ１１を挟んで位置ずれすることなく対向している。なお、セパレータ１２の電極１６側の表面は、例えばカーボン材料などの耐食性に優れた親水性の膜が被覆されている。
【００４３】
また、セパレータ１２の表面側の凸部３１となる部位は、セパレータ１２の裏面側では溝状の凹部４１となり、同様に、セパレータ１２の表面側の凹部３２となる部位は、セパレータ１２の裏面側では凸部４２となる。セパレータ１２の裏面側の凸部４２は、隣の単セル２のセパレータ１２の裏面側の凸部４２に面接触し、この接触状態における隣接する二つのセパレータ１２の裏面側の凹部４１同士で、冷却水に代表される冷媒を通流させるための複数の冷却流路２３が構成される（図５参照）。
【００４４】
すなわち、隣接する二つの単セル２間では、酸素ガス用のガス流路２１を形成したセパレータ１２の凹部４１と、水素ガス用のガス流路２１を形成したセパレータ１２の凹部４１とが連通し、流路断面が四角形の冷却流路２３が画定される。複数の冷却流路２３は、ガス流路２１と同方向に平行に延在し、そのピッチは等ピッチで構成される。冷却流路２３を流れる冷却水によって、起電力を得る電気化学反応で発生した熱を低減し、燃料電池１の温度上昇が抑制される。
【００４５】
図３は、水素ガス用のガス流路２１を形成したセパレータ１２の電極１６側の表面を示す平面図である。同図に示すように、セパレータ１２は、平面視矩形状に形成され、ガス流路２１に直交する一対の短辺部５１を有している。
【００４６】
一方の短辺部５１には、水素ガス用のガス入口６１ａ、酸素ガス用のガス入口６２ａ、および冷却水入口６３ａが矩形状に貫通形成されている。他方の短辺部５１には、水素ガス用のガス出口６１ｂ、酸素ガス用のガス出口６２ｂ、および冷却水出口６３ｂが矩形状に貫通形成されている。水素ガス用のガス入口６１ａとガス出口６１ｂとは対角配置され、酸素ガス用のガス入口６２ａとガス出口６２ｂとは対角配置されている。例えば水素ガスは、ガス入口６１ａから水素ガス用の複数のガス流路２１に導入され、ガス出口６１ｂへと導出される。
【００４７】
また、セパレータ１２の一方の短辺部５１には、セパレータ１２が対応するガスに対応して、複数のガス流路２１の上流側をガス入口６１ａに共通に連通させる入口側共通流路６４が形成されている。同様に、他方の短辺部５１には、セパレータ１２が対応するガスに対応して、複数のガス流路２１の下流側をガス出口６１ｂに共通に連通させる出口側共通流路６５が形成されている。
【００４８】
入口側共通流路６４および出口側共通流路６５は、短辺部５１の延在方向に亘って形成されている。入口側共通流路６４および出口側共通流路６５には、複数のガス流路２１間でガスの流入・流出を均一化させる複数のガス分配突起６６を有しており、複数のガス分配突起６６はこれらに分散配置されている。
【００４９】
本実施例の各ガス流路２１には、隣接する二つのガス流路２１の間にガスの差圧が生じるように、差圧発生手段となる抵抗要素７１がセパレータ１２の電極１６側の凹部３２に設けられている。各抵抗要素７１は、複数のガス流路２１においてその上流側および下流側の位置に交互に設けられている。すなわち、隣接する任意の二つのガス流路２１では、一方のガス流路２１にはその上流端から距離ａの所定位置に抵抗要素７１が設けられ、他方のガス流路２１にはその下流側から距離ｂの所定位置に抵抗要素７１が設けられている。
【００５０】
図４および図５に示すように、抵抗要素７１は、凹部３２の底部３２ａの幅方向に亘って且つ凹部３２の延在方向の一部（長さＬ）を、ガス流路２１となる空間に隆起された隆起部で構成されている。隆起部７１は、セパレータ１２の裏面側を表面側に押し出すようにプレス成形することで形成され、ガス流路２１の流路断面を狭めるようにガス流路２１側に対し凸状に隆起している。一方で、隆起部７１は、隆起部７１のあるガス流路２１を挟んで隣接する二つの冷却流路２３を連通するように、冷却流路２３側に凹状に面している。
【００５１】
したがって、各ガス流路２１を流れるガスの流れは、隆起部７１の位置で圧損が生じる。隣接する二つのガス流路２１では隆起部７１の位置が上流側と下流側とで異なっているため、この圧損によって、隣接する二つのガス流路２１の間では、ガス流路２１の延在方向に亘ってガスの差圧が生じた状態となる。これにより、各ガス流路２１ではガスが適切に流れつつ、隣接するガス流路２１との間でガスの圧力差が発生しているため、一方のガス流路２１のガスの一部は、いわゆるショートパスするように、凸部３１を伝って他方のガス流路２１へと流れ込むことになる。
【００５２】
一方、各冷却流路２３を流れる冷却水は、隆起部７１の位置における連通通路７２を介して、隣接する冷却流路２３に流れ込む。これにより、各冷却流路２３の熱分布が全体として均一化されるようになる。特に本実施例のように、隣接する二つの単セル２のセパレータ１２の隆起部７１を同じ位置に設けている場合には、冷却流路２３間の連通通路を大きくすることができる。なお、隆起部７１の長さ（Ｌ）および隆起させる高さを調整することで、ガスの圧損の程度および冷却流路２３間の連通通路７２の大きさを調整することができる。本実施例では、全ての隆起部７１を同一形状で構成している。
【００５３】
以上のように、本実施例の燃料電池１（の単セル２）では、セパレータ１２の任意の隣接する二つのガス流路２１の間にガスの差圧が生じるため、セパレータ１２の凸部３１が接触する電極１６の拡散層の部分にも、ガスを拡散させることができる。これにより、ガス流路２１を構成する電極１６の部分のみならず、ガス流路２１を構成しないセパレータ１２の凸部３１が接触する電極１６の部分も発電に利用することができる。したがって、電極１６の略全域を利用することができ、発電効率を向上することができる。
【００５４】
また、ガスの差圧を生じさせる構成が、セパレータ１２の凹部３２に隆起部７１を設けるという単純な構成であるため、セパレータ１２の構造を従来に比べて簡素化することができると共に、プレス成形によって簡単に形成することができる。また隆起部７１を有効に利用して、冷却流路２３における冷却水の温度分布の均一化に供することができる。
【００５５】
なお、本実施例では、隆起部７１を一つのガス流路２１につき一つ設けたが、もちろん複数設けてもよい。また、隆起部７１（抵抗要素）をランド状とすることもできるが、隆起部７１の位置の連通通路７２によって二つの冷却流路２３を連絡させる本実施例の構成の方が冷却性の観点で有用となる。
【００５６】
また、抵抗要素を凹部３２の底部３２ａでなくて、凹部３２の底部３２ａから立ち上がる側壁部あるいは電極１６の外面に設けることもできるが、本実施例の構成とする方が、抵抗要素の形成上の観点で有用となる。さらに、プレス成形で形成する隆起部７１以外の他の抵抗要素としては、例えば、所定の部材をガス流路２１上に貼って構成してもよいし、あるいはセパレータ１２の電極１６側の面に被覆する耐食性の膜で構成してもよい。後者の場合には、耐食性の膜の膜厚を部分的に厚くすることで、抵抗要素７１とすることができる。
【００５７】
また、隣接する二つのガス流路２１にそれぞれ抵抗要素７１を設けたが、そのうち、下流側の抵抗要素７１については省略する構成も採用することができる。もっとも、本実施例のように、隣接する一方のガス流路２１には上流側に、他方のガス流路２１には下流側に抵抗要素７１をそれぞれ設けることで、出口側共通流路６５での複数のガス流路２１のガス圧をほぼ同圧に設定することができる。
【００５８】
また、全てのガス流路２１（凹部３２）に抵抗要素７１を設けるのではなく、一つのガス流路２１（凹部３２）にのみ設ける構成も採用することができるが、この場合には、複数のガス流路２１のうち中心に位置するガス流路２１に設けることが望ましい。この場合には、抵抗要素７１があるガス流路２１から遠い位置にある二つのガス流路２１の間では、生じるガスの差圧が小さくなるが、ガス流路２１の数が少ない場合には有効となる。
【実施例２】
【００５９】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２に係る燃料電池１について、実施例１との相違点を中心に説明する。実施例２と実施例１との相違点は、隆起部７１の形状と、隣接する二つの単セル２のセパレータ１２の隆起部７１の位置と、である。
【００６０】
本実施例の隆起部７１は、凹部３２の底部３２ａからなだらかに隆起するようにして設けられている。隆起部７１のガス流路２１側の空間に面する隆起面９１は、登り斜面９２と降り斜面９３とを正面視略「ヘ」字状に連ねてなり、降り斜面９３がガスの流れ方向に所定の排水勾配を有している。水素ガス用のガス流路２１に設けられた隆起部７１と、酸素ガス用のガス流路２１に設けられた隆起部７１とは、ガスの流れ方向において僅かに位置ずれしている。
【００６１】
本実施例によれば、燃料電池１の反応によって生成された水は、隆起部７１の隆起面９１に滞留することなく、ガスの流れによって隆起面９１からその下流側に排水され易くなる。すなわち、降り斜面９３の勾配によって、凹部３２の底部３２ａ上の生成水をその下流側に移動させることができる。これにより、ガス流路２１に隆起部７１を設けた場合であっても、生成水の排水性を構造上適切に確保することができ、燃料電池１の良好な低温起動性などの安定性および信頼性を高めることができる。
【実施例３】
【００６２】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３に係る燃料電池１について、実施例１との相違点を中心に説明する。実施例３と実施例１との相違点は、複数のガス流路２１の配列位置によって、隆起部７１（抵抗要素）によるガスの流路抵抗の大きさが異なる点である。なお、ガス分配突起６６については図示省略している。
【００６３】
水素ガス用の複数のガス流路２１は、セパレータ２１面方向におけるその延長線上に水素ガス用のガス入口６１ａおよびガス出口６１ｂが位置する第１ガス流路群１０１と、セパレータ２１面方向におけるその延長線上から外れた位置に水素ガス用のガス入口６１ａおよびガス出口６１ｂが位置する第２ガス流路群１０２と、に分類される。酸素ガス用の複数のガス流路２１も同様である。なお、図７では、第１ガス流路群１０１を含む領域については、ハッチング態様の斜線が施されている。
【００６４】
第１ガス流路群１０１は、ガス入口６１ａ側の二つのガス流路２１およびガス出口６１ｂ側の二つのガス流路２１の計四つのガス流路２１からなる。第２ガス流路群１０２は、第１ガス流路群１０１に含まれない残りのガス流路２１からなり、この場合には計二つのガス流路２１からなる。各ガス流路２１には、実施例１と同様に隆起部７１が設けられている。一般に、第１ガス流路群１０１は第２ガス流路群１０２に比べてガスが流れ易い傾向にあることに鑑みて、本実施例では、第１ガス流路群１０１の各ガス流路２１の隆起部７１ａは、第２ガス流路群１０２の各ガス流路２１の隆起部７１ｂよりも流路抵抗が高くなるように設定されている。
【００６５】
具体的には、第１ガス流路群１０１の各隆起部７１ａは、その長さが第２ガス流路群１０２の各隆起部７１ｂに比べて長く形成されている。これにより、第１ガス流路群１０１の各ガス流路２１でのガスの流れは、第２ガス流路群１０２に比べて大きな圧損が生じることになる。したがって本実施例によれば、第１ガス流路群１０１のガスの流れ易さを第２ガス流路群１０２に近づけることができるため、ガス流路２１間でのガスの流量差を抑制することができる。これにより、単セル２全体として発電が均一化される。
【００６６】
なおもちろん、上記したように、第１ガス流路群１０１の各隆起部７１ａの調整に際し、第１ガス流路群１０１の各隆起部７１ａの凹ます深さ（ガス流路２１を構成する空間への突出高さ）を調整するようにしてもよい。また、第１ガス流路群１０１の隣接する二つのガス流路２１の間で、各ガス流路２１の隆起部７１ａによってガスの差圧が生じることなどは実施例１と同様である。また、第１ガス流路群１０１および第２ガス流路群１０２を構成するガス流路２１の本数は上記の複数に限らず、一つであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例１に係る燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図２】実施例１に係る燃料電池の単セルの部分断面図である。
【図３】実施例１に係る燃料電池のセパレータの表面側を平面的に示す説明図である。
【図４】図３のIV-IV線で切断して、隣接する二つの単セルの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図３のIV-IV線まわりの構成について示す斜視図であり、隣接する二つの単セルの構成を示す図である。
【図６】実施例２に係る燃料電池を示す図であり、図５と同様な図である。
【図７】実施例３に係る燃料電池を示す図であり、図３と同様な図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  燃料電池、２  単セル、１１  ＭＥＡ、１２  セパレータ、１６  電極、２１  ガス流路、２３  冷却流路、３１、４２  凸部、３２、４１  凹部、３２ａ  底部、６１ａ、６２ａ  ガス入口、６１ｂ、６２ｂ  ガス出口、６４  入口側共通流路、６５  出口側共通流路、７１  隆起部（抵抗要素、差圧発生手段）、７２  連通通路、１０１  第１ガス流路群、１０２  第２ガス流路群
【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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