(57)【要約】【課題】排水性を良好に向上させるとともに、反応ガスを確実に供給することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２セパレータ１６、１８を備える。第１セパレータ１６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とを連通する酸化剤ガス流路３２が形成され、この酸化剤ガス流路３２は、凸状部３８を介してそれぞれ入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とに分割形成される。入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とは、凸状部３８に形成された複数の補助流路溝４２を介して連通する。【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る電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設され、前記セパレータを貫通して燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成されるとともに、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、前記反応ガス入口連通孔に連通する入口側主流路溝と、
前記反応ガス出口連通孔に連通する出口側主流路溝と、
を有し、
前記入口側主流路溝と前記出口側主流路溝とは、隔壁用凸状部を介して互いに分離形成されるとともに、前記隔壁用凸状部には、前記入口側主流路溝と出口側主流路溝とを連通させる補助流路溝が形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、前記補助流路溝は、前記入口側主流路溝及び前記出口側主流路溝よりも小さな開口断面積に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、前記隔壁用凸状部を介して前記入口側主流路溝及び前記出口側主流路溝から分離形成される中間流路溝を有し、
前記隔壁用凸状部には、前記入口側主流路溝及び出口側主流路溝と前記中間流路溝とを連通させる補助流路溝が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記補助流路溝は、前記入口側主流路溝、前記出口側主流路溝及び前記中間流路溝よりも小さな開口断面積に設定され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、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設され、前記セパレータを貫通して燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成されるとともに、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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】
上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、燃料電池には、セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１４に示すように、アノード電極を構成するポーラス状アノードシート部材１を備えている。このアノードシート部材１には、水素ガス入口２ａ及び水素ガス出口２ｂが略対角位置に設けられている。
【０００５】
水素ガス入口２ａには、入口ライナ３ａが連通するとともに、この入口ライナ３ａに入口流路溝４ａが連通している。入口流路溝４ａは、複数の分岐流路溝５ａに連なっており、各分岐流路溝５ａは、互いに平行して水素ガス出口２ｂに向かって延在している。
【０００６】
水素ガス出口２ｂには、出口ライナ３ｂが連通するとともに、この出口ライナ３ｂに出口流路溝４ｂが連通している。出口流路溝４ｂは、複数の分岐流路溝５ｂに連なっており、各分岐流路溝５ｂは、互いに平行して水素ガス入口２ａに向かって延在している。
【０００７】
この場合、ポーラス状アノードシート部材１、すなわち、アノード拡散層には、それぞれ入口側及び出口側に独立して、いわゆる、櫛歯状流路が形成されている。そして、水素ガス入口２ａから入口ライナ３ａに供給される水素ガスは、入口流路溝４ａから複数の分岐流路溝５ａに導入された後、アノード拡散層の内部を流れて複数の分岐流路溝５ｂに至り、さらに出口流路溝４ｂを介して水素ガス出口２ｂに排出されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５２５２４１０号明細書（図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術では、入口側の分岐流路溝５ａに結露水が発生した際に、この結露水は、出口側の分岐流路溝５ｂに排出されずに前記分岐流路溝５ａに滞留するおそれがある。分岐流路溝５ａ、５ｂが直接接続されておらず、アノード拡散層の内部を結露水が移動し難いからである。これにより、水素ガス等の反応ガスを電極に対して良好に供給することができず、所望の発電が行われないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排水性を良好に向上させるとともに、反応ガスを確実に電極に供給することができ、所望の発電性能を確保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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体に隣接してセパレータが配設され、前記セパレータを貫通して燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成されるとともに、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極接合体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池である。
【００１２】
反応ガス流路は、反応ガス入口連通孔に連通する入口側主流路溝と、反応ガス出口連通孔に連通する出口側主流路溝とを有し、前記入口側主流路溝と前記出口側主流路溝とは、隔壁用凸状部を介して互いに分離形成されるとともに、前記隔壁用凸状部には、前記入口側主流路溝と出口側主流路溝とを連通させる補助流路溝が形成されている。
【００１３】
また、補助流路溝は、入口側主流路溝及び出口側主流路溝よりも小さな開口断面積に設定されることが好ましい。
【００１４】
さらに、反応ガス流路は、隔壁用凸状部を介して入口側主流路溝及び出口側主流路溝から分離形成される中間流路溝を有し、前記隔壁用凸状部には、前記入口側主流路溝及び出口側主流路溝と前記中間流路溝とを連通させる補助流路溝が形成されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、補助流路溝は、入口側主流路溝、出口側主流路溝及び中間流路溝よりも小さな開口断面積に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入口側主流路溝と出口側主流路溝とは、隔壁用凸状部を介して互いに分離形成されて、例えば、櫛歯状流路溝を構成するとともに、前記隔壁用凸状部に形成されている補助流路溝により、前記入口側主流路溝と出口側主流路溝とが連通している。
【００１７】
従って、入口側主流路溝に結露水が発生すると、この結露水は、補助流路溝を介して出口側主流路溝に排出されるため、排水性が良好に向上する。しかも、電極の反応面（層）では、隔壁用凸状部の近傍からの排水が容易に遂行されるとともに、前記隔壁用凸状部の近傍への反応ガスの拡散性が有効に向上し、特に高電流における濃度過電圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する単位セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の前記単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の断面説明図である。
【００１９】
単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４が、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８とに挟持される。第１及び第２セパレータ１６、１８は、例えば、カーボン製セパレータで構成されているが、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等により構成される金属セパレータを採用してもよい。
【００２０】
単位セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、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（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１４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を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。固体高分子電解質膜２６は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０よりも大きな表面積に設定される。
【００２３】
カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。
【００２４】
図１及び図３に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２が設けられる。この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口側主流路溝３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口側主流路溝３６とを有する。入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とは、隔壁用凸状部３８を介して互いに分離形成され、それぞれ、いわゆる、櫛歯状流路を構成する。
【００２５】
酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍には、バッファ部を構成する複数のエンボス４０が設けられる一方、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍には、同様にバッファ部を構成する複数のエンボス４１が設けられる。凸状部３８は、エンボス４０、４１間に水平方向（矢印Ａ方向）に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００２６】
凸状部３８には、入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とを連通させる複数本の補助流路溝４２が矢印Ｃ方向に延在して形成される。図１〜図３に示すように、補助流路溝４２は、入口側主流路溝３４及び出口側主流路溝３６よりも小さな開口断面積（小さな幅寸法で且つ小さな溝深さ）に設定される。
【００２７】
図３に示すように、面１６ａには、例えば、ガスケット等の第１シール部材４４が設けられる。この第１シール部材４４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路３２に連通する一方、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを前記酸化剤ガス流路３２から遮蔽する。
【００２８】
酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍には、それぞれ第１シール部材４４を構成する複数のガイド部４６ａ、４６ｂが設けられる。各ガイド部４６ａ、４６ｂは、互いに矢印Ｃ方向に離間しており、これらの間に連結路が形成される。第１セパレータ１６の面１６ｂは、略平坦状に構成される。
【００２９】
図４に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が形成される。燃料ガス流路４８は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する入口側主流路溝５０と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する出口側主流路溝５２とを有する。入口側主流路溝５０と出口側主流路溝５２とは、隔壁用凸状部５４を介して互いに分離形成されて、いわゆる、櫛歯状流路を構成する。
【００３０】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数のエンボス５６が設けられる一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、同様に複数のエンボス部５７が設けられ、それぞれバッファ部が構成される。凸状部５４は、水平方向に蛇行しながら、矢印Ｃ方向に延在しており、入口側主流路溝５０と出口側主流路溝５２とを連通させる複数の補助流路溝５８が、矢印Ｃ方向に延在して設けられる。補助流路溝５８は、入口側主流路溝５０及び出口側主流路溝５２よりも小さな開口断面積（小さな幅寸法で且つ小さな溝深さ）に設定される。
【００３１】
面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを燃料ガス流路４８に連通する第２シール部材６０が設けられる。この第２シール部材６０は、連結路を構成するガイド部６１ａ、６１ｂを含む。
【００３２】
図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通して冷却媒体流路６２が形成される。この冷却媒体流路６２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝により構成されている。面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路６２に連通する第３シール部材６４が設けられる。
【００３３】
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。
【００３４】
先ず、図１に示すように、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とともに、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。さらに、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。
【００３５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａからガイド部４６ａ間を通って第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３２を構成する入口側主流路溝３４に導入される（図３参照）。入口側主流路溝３４では、酸化剤ガスが凸状部３８に沿って矢印Ｂ１方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２８に供給される。
【００３６】
各入口側主流路溝３４は、矢印Ｂ１方向先端部が凸状部３８により閉塞されている。従って、入口側主流路溝３４に沿って流動する酸化剤ガスは、凸状部３８に形成される複数の補助流路溝４２を通って出口側主流路溝３６に導入される。次いで、出口側主流路溝３６に導入された酸化剤ガスは、矢印Ｂ１方向に流動してバッファ部からガイド部４６ｂ間を通って酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００３７】
一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス流路４８を構成する入口側主流路溝５０に供給される。このため、燃料ガスは、入口側主流路溝５０に沿って矢印Ｂ２方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極３０に供給される。
【００３８】
各入口側主流路溝５０に沿って流動する燃料ガスは、凸状部５４に形成される複数の補助流路溝５８を通って出口側主流路溝５２に移動する。さらに、燃料ガスは、出口側主流路溝５２に沿って矢印Ｂ２方向に移動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスとアノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、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】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１及び第２セパレータ１６、１８間に形成される冷却媒体流路６２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、酸化剤ガス流路３２において、入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とは、凸状部３８を介して互いに分離形成される櫛歯状流路溝を構成している。そして、凸状部３８には、入口側主流路溝３４と出口側主流路溝３６とを連通させるための補助流路溝４２が形成されている。
【００４１】
このため、各単位セル１２の発電反応によって入口側主流路溝３４に生成水が発生し、この生成水による結露水が生じると、前記結露水は、凸状部３８に形成されている複数の補助流路溝４２を通って出口側主流路溝３６に排出される。従って、入口側主流路溝３４に滞留水が発生することがなく、前記入口側主流路溝３４からの排水性が良好に向上するという効果がある。
【００４２】
しかも、凸状部３８は、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２８に接触している。これにより、カソード側電極２８で生成される生成水が電極触媒層から容易に排出されるとともに、前記カソード側電極２８の電極触媒層では、前記凸状部３８の近傍に対して酸化剤ガスの拡散性が有効に向上し、特に、高電流における濃度過電圧を低減することができるという利点が得られる。
【００４３】
一方、図４に示すように、燃料ガス流路４８は、上記の酸化剤ガス流路３２と同様に、それぞれ櫛歯状流路溝を構成する入口側主流路溝５０と出口側主流路溝５２とが、凸状部５４を介して分離形成されるとともに、この凸状部５４には、複数の補助流路溝５８が形成されている。従って、燃料ガス流路４８における排水性の向上及び燃料ガスの拡散性の向上が確実に図られる。
【００４４】
なお、第１の実施形態では、凸状部３８、５４に、矢印Ｃ方向に延在して複数の補助流路溝４２、５８が同一幅寸法で且つ等間隔ずつ離間して形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示す凸状部３８ａでは、矢印Ｂ１方向に向かって離間間隔が狭くなる複数の補助流路溝４２ａが設けられる。図６に示す凸状部３８ｂでは、矢印Ｂ１方向に向かって溝幅が広くなる複数の補助流路溝４２ｂが設けられ、図７に示す凸状部３８ｃでは、矢印Ｃ方向に対して矢印Ｂ１方向に傾斜する複数の補助流路溝４２ｃが設けられる。
【００４５】
また、上記の溝構成は、以下に説明する第２〜第５の実施形態においても同様である。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の断面説明図である。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〜第５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。
【００４７】
燃料電池７０は、複数の単位セル７１を矢印Ａ方向に積層してスタック化される。単位セル７１は、電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１金属セパレータ７２及び第２金属セパレータ７４を備える。第１及び第２金属セパレータ７２、７４は、薄板にプレス成形加工を施すことにより電解質膜・電極構造体１４に向かう面７２ａ、７４ａに、それぞれ酸化剤ガス流路３２ａと燃料ガス流路４８ａとが形成される（図９及び図１０参照）。互いに隣接する第１及び第２金属セパレータ７２、７４間には、冷却媒体流路６２ａが形成される（図８参照）。
【００４８】
第１金属セパレータ７２は、図９に示すように、プレス成形により面７２ａ側に突出する凸状部７６が形成される。酸化剤ガス流路３２ａは、凸状部７６を介して入口側主流路溝３４ａと出口側主流路溝３６ａとに分離形成され、櫛歯状流路溝を構成する。
【００４９】
凸状部７６には、入口側主流路溝３４ａと出口側主流路溝３６ａとを連通させる複数の補助流路溝７８が形成されるとともに、この補助流路溝７８は、入口側主流路溝３４ａ及び出口側主流路溝３６ａよりも小さな開口断面積に設定される。酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍には、それぞれエンボス部４０ａ、４１ａが膨出形成されてバッファ部が構成される。
【００５０】
図１０に示すように、第２金属セパレータ７４の面７４ａには、プレス成形により凸状部８０が膨出形成される。燃料ガス流路４８ａは、凸状部８０を介してそれぞれ入口側主流路溝５０ａと出口側主流路溝５２ｂとに分離形成され、櫛歯状流路溝を構成する。
【００５１】
凸状部８０には、入口側主流路溝５０ａと出口側主流路溝５２ａとを連通させる複数の補助流路溝８２が形成されるとともに、この補助流路溝８２は、前記入口側主流路溝５０ａ及び前記出口側主流路溝５２ａよりも小さな開口断面積に設定される。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍及び燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、それぞれエンボス部５６ａ、５７ａが膨出形成されてバッファ部が構成される。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３２ａを構成する入口側主流路溝３４ａと出口側主流路溝３６ａとは、それぞれ分離形成されて櫛歯状流路溝を構成するとともに、凸状部７６に形成される複数の補助流路溝７８を介して互いに連通している。このため、排水性の向上を図るとともに、ガス拡散性が向上する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、燃料ガス流路４８ａにおいても同様である。
【００５３】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ９０の正面説明図である。
【００５４】
セパレータ９０は、例えば、カーボンセパレータで構成されており、カソード電極面に向かう面９０ａには、酸化剤ガス流路３２ｂが設けられる。酸化剤ガス流路３２ｂは、凸状部９２を介して互いに分離形成される入口側主流路溝３４ｂと出口側主流路溝３６ｂとを有するとともに、前記凸状部９２によって前記入口側主流路溝３４ｂ及び前記出口側主流路溝３６ｂから分離される中間流路溝９４を有する。
【００５５】
凸状部９２には、入口側主流路溝３４ｂと中間流路溝９４とを連通する補助流路溝９６ａと、出口側主流路溝３６ｂと前記中間流路溝９４とを連通する補助流路溝９６ｂとが形成される。補助流路溝９６ａ、９６ｂは、入口側主流路溝３４ｂ、出口側主流路溝３６ｂ及び中間流路溝９４よりも小さな開口断面積に設定される。
【００５６】
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから酸化剤ガス流路３２ｂに供給される酸化剤ガスは、先ず、入口側主流路溝３４ｂに沿って矢印Ｂ１方向に移動するとともに、凸状部９２に形成されている複数の補助流路溝９６ｂを通って一旦中間流路溝９４に導入される。各中間流路溝９４には、複数の補助流路溝９６ｂを介して出口側主流路溝３６ｂが連通している。従って、中間流路溝９４の酸化剤ガスは、補助流路溝９６ｂを通って出口側主流路溝３６ｂに移動し、前記出口側主流路溝３６ｂから酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５７】
このため、第３の実施形態では、酸化剤ガスが補助流路溝９６ａと補助流路溝９６ｂとを２回通過して流れる構成を採用している。このため、例えば、第１の実施形態において、同一ピッチで補助流路溝を配置した場合に比べ、補助流路溝９６ａ、９６ｂを流れる流速を早くすることができ、前記補助流路溝９６ａ、９６ｂにおける生成水の排出性を向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００５８】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ１００の正面説明図である。
【００５９】
セパレータ１００は、例えば、カーボンセパレータで構成されており、カソード電極面に向かう面１００ａに酸化剤ガス流路３２ｃが形成される。酸化剤ガス流路３２ｃは、凸状部１０２を介して入口側主流路溝３４ｃと出口側主流路溝３６ｃとに分離形成されるとともに、前記入口側主流路溝３４ｃと前記出口側主流路溝３６ｃとは、複数の補助流路溝４２を介して連通する。
【００６０】
凸状部１０２には、入口側主流路溝３４ｃの矢印Ｂ２方向先端側と出口側主流路溝３６ｃとを連通する第１連通溝１０４ａと、前記入口側主流路溝３４ｃの矢印Ｂ１方向先端側と前記出口側主流路溝３６ｃとを連通する第２連通溝１０４ｂとが形成される。第１及び第２連通溝１０４ａ、１０４ｂは、補助流路溝４２よりも大きな開口断面積に設定される。
【００６１】
このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから酸化剤ガス流路３２ｃに導入される酸化剤ガスは、入口側主流路溝３４ｃに沿って矢印Ｂ１方向に流れるとともに、第１及び第２連通溝１０４ａ、１０４ｂと複数の補助流路溝４２とを介して出口側主流路溝３６ｃに移動する。
【００６２】
その際、第１及び第２連通溝１０４ａ、１０４ｂは、補助流路溝４２に比べて大きな開口断面積に設定されている。このため、入口側主流路溝３４ｃの出口近傍である第２連通溝１０４ｂと出口側主流路溝３６ｃの入口近傍である第１連通溝１０４ａとでは、補助流路溝４２に比べて酸化剤ガスの流量が大きくなる。これにより、入口側主流路溝３４ｃから出口側主流路溝３６ｃへの生成水の排水性が有効に向上するという効果が得られる。
【００６３】
なお、入口側主流路溝３４ｃでは、入口側に比べて出口側に生成水が多量に発生し易い。従って、第１連通溝１０４ａを設けることなく、第２連通溝１０４ｂのみを設けてもよい。
【００６４】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ１１０の正面説明図である。
【００６５】
セパレータ１１０は、例えば、カーボンセパレータで構成されており、カソード電極面に向かう面１１０ａに酸化剤ガス流路３２ｄが形成される。酸化剤ガス流路３２ｄは、凸状部１１２を介して入口側主流路溝３４ｄと出口側主流路溝３６ｄとに分離形成されるとともに、前記入口側主流路溝３４ｄと前記出口側主流路溝３６ｄとは、複数の補助流路溝１１４を介して連通する。入口側主流路溝３４ｄは、矢印Ｂ１方向に向かって開口断面積が小さくなる先細り形状に設定される一方、出口側主流路溝３６ｄは、矢印Ｂ１方向に向かって開口断面積が広がる形状に設定される。
【００６６】
このように構成される第５の実施形態では、入口側主流路溝３４ｄでは、酸化剤ガスが矢印Ｂ１方向に移動するのに伴って反応により消費されるとともに、補助流路溝１１４に供給されるため、前記酸化剤ガスの流量が減少する。一方、出口側主流路溝３６ｄでは、補助流路溝１１４から酸化剤ガスが供給されるため、矢印Ｂ１方向に向かって酸化剤ガスの流量が増加する。
【００６７】
その際、入口側主流路溝３４ｄと出口側主流路溝３６ｄとは、それぞれの開口断面積が流量の増減に合わせて変化しており、これによって酸化剤ガスの分配が均一化されるという効果が得られる。しかも、入口側主流路溝３４ｄの出口近傍と出口側主流路溝３６ｄの入口近傍とでは、開口断面積が縮小されることによって流速が大きくなり、生成水の排出性が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の断面説明図である。
【図３】前記単位セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】凸状部に形成される補助流路溝の別の形態の説明図である。
【図６】前記補助流路溝のさらに別の形態の説明図である。
【図７】前記補助流路溝のさらにまた別の形態の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【図９】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１０】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図１４】特許文献１に開示されるアノードシート部材の正面説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０、７０…燃料電池                １２、７１…単位セル
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７２、７４、９０、１００、１１０…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…カソード側電極
３０…アノード側電極                ３２、３２ａ〜３２ｄ…酸化剤ガス流路
３４、３４ｂ〜３４ｄ、５０…入口側主流路溝
３６、３６ｂ〜３６ｄ、５２…出口側主流路溝
３８、３８ａ〜３８ｃ、５４、７６、８０、９２、１０２、１１２…凸状部
４２、４２ａ〜４２ｃ、５８、７８、８２、９６ａ、９６ｂ、１１４…補助流路溝
４８、４８ａ…燃料ガス流路          ６２、６２ａ…冷却媒体流路
９４…中間流路溝                    １０４ａ、１０４ｂ…連通溝
【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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