(57)【要約】【課題】閉塞流路によるガス流路中流部におけるガス拡散電極層の排水性を向上させる。【解決手段】本発明のガス流路構造において、溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、複数のガス供給側枝流路と複数のガス排出側枝流路とが交互に配列される。ガス供給側枝流路とガス排出側枝流路との間を仕切る隔壁の下側のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗が、ガス供給側枝流路またはガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが低く、かつ、下流部よりも中流部のほうが低い。【選択図】図２
2012064483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路および前記ガス拡散層により構成される燃料電池のガス流路構造であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間を仕切る隔壁の下側の前記ガス拡散層を通過するガスの通気抵抗が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが低く、かつ、下流部よりも中流部のほうが低い
ことを特徴とするガス流路構造。
【請求項２】
請求項１記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の幅が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが狭く、かつ、下流部よりも中流部のほうが狭い
ことを特徴とするガス流路構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層のガスの透気度が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが高く、かつ、下流部よりも中流部のほうが高い
ことを特徴とするガス流路構造。
【請求項４】
請求項３記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層の厚さが、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが厚い
ことを特徴とするガス流路構造。
【請求項５】
請求項３記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層の気孔径が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが大きい
ことを特徴とするガス流路構造。
【請求項６】
膜電極接合体を挟持し、前記膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路を有する燃料電池用セパレータであって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間のリブの幅が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが狭い
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項７】
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路と、前記溝状ガス流路に対向するように形成され、前記膜電極接合体を冷却するための溝状冷媒流路と、を有する燃料電池の流路構造であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積が、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積よりも小さく、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積よりも小さい
ことを特徴とする流路構造。
【請求項８】
請求項７記載の流路構造であって、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチが、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチよりも広く、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチよりも広い
ことを特徴とする流路構造。
【請求項９】
請求項７記載の流路構造であって、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅が、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅よりも狭く、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅よりも狭い
ことを特徴とする流路構造。
【請求項１０】
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路に対向するように形成され、前記膜電極接合体を冷却するための溝状冷媒流路に流れる冷媒の流量を制御する燃料電池の冷媒流量制御装置であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記溝状冷媒流路は、前記膜電極接合体の前記溝状ガス流路の上流部に対応する上流領域と中流部に対応する中流領域と下流部に対応する下流領域とを、それぞれ冷却するための上流冷媒流路と中流冷媒流路と下流冷媒流路とに分離されており、
前記中流冷媒流路の流量が、前記上流冷媒流量よりも少なく、かつ、前記下流冷媒流量よりも少なくなるように制御する
ことを特徴とする冷媒流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスの供給側と排出側のガス流路がリブ（隔壁）により分離され、供給側の下流端および排出側の上流端が閉塞された構造の溝状のガス流路（以下、「閉塞流路」とも呼ぶ）を有する固体高分子型燃料電池の排水性、特に、ガス流路内およびガス拡散層内に滞留した液水の排水性に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。この燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly，「発電体」とも呼ぶ）を、セパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒電極層およびガス拡散層が順に形成された構造を有している。セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
【０００３】
上記燃料電池の一例として、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された略くし歯形状のガス供給側流路の複数のガス供給側枝流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された略くし歯形状のガス排出側流路の複数のガス排出側枝流路と、が交互に配列されるとともに、ガス供給側流路とガス排出側流路とがリブ（隔壁）を介して分離された構造の溝状の閉塞流路を、ガス流路として有する燃料電池が知られている（特許文献１参照）。この閉塞流路構造のガス流路の場合、ガス供給口からガス供給側流路に供給される反応ガスは全てガス拡散層に導かれ、ガス拡散層を通過してガス排出側流路へ導かれてガス排出口へと排出される。これにより、閉塞流路ではない溝状のガス流路構造の場合において問題となっていた、流路間のリブ下のガス拡散層部分におけるガス供給性や排水性が悪いという点を改善することができ、濃度過電圧の発生を抑制することができ、均一な発電性能を得ることができる、という利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４１９７９号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記閉塞流路を有する燃料電池セルでは、ガス供給側枝流路を流れるガスは、ガス供給側枝流路とガス排出側枝流路との差圧により、ガス供給側枝流路とガス排出側枝流路との間のリブ下のガス拡散層および触媒電極層からなるガス拡散電極層に導かれ、少なとも一部のガスが電気化学反応に寄与した後、残ったガスがガス排出側溝流路を介して排出される。このとき、ガス供給側枝流路とガス排出側枝流路との差圧は、流路の中流部（燃料電池セルの中央部）が上流部および下流部に比べて小さくなる、という特徴がある。このため、ガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ向かってリブ下のガス拡散電極層を通過するガスの流速は、上流部および下流部に対して中流部が遅くなる、という特性がある。また、ガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ向かってリブ下のガス拡散電極層を通過するガスの流量は、上流部および下流部に対して中流部が少なくなる、という特性がある。この特性により、中流部に対応する位置（燃料電池セルの中央部）のガス拡散電極層内に滞留した液水を押し出すには、ガスの流速や流量が不足する可能性が高く、滞留した液水が排出され難い、ということになる。このため、発電動作中においては、滞留した液水によりガスの供給が阻害され、発電性能の低下や電解質膜の劣化等の問題が生じることになり、発電性能の均一化の面で不十分である。また、この燃料電池セルにより構成された燃料電池を車両に搭載した場合には、氷点下始動に対応する必要があるが、そのために、発電停止時に実行する燃料電池セル内の残留水を除去する掃気処理にも時間がかかる、ということになる。
【０００６】
そこで、本発明は、閉塞流路によるガス流路の中流部（燃料電池セルの中央部）におけるガス拡散電極層の排水性を向上させることが可能な技術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】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路および前記ガス拡散層により構成される燃料電池のガス流路構造であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間を仕切る隔壁の下側の前記ガス拡散層を通過するガスの通気抵抗が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが低く、かつ、下流部よりも中流部のほうが低い
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によれば、中流部においてガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ流れるガスの流速・流量を増加させて、ガスの流速・流量の均一化を図ることが可能となり、中流部の隔壁の下側に滞留しやすい液水の排水性を向上させることが可能である。これにより、発電性能の均一化を図ることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の幅が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが狭く、かつ、下流部よりも中流部のほうが狭い
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によれば、中流部の通気抵抗を、容易に、上流部の通気抵抗より小さく、かつ、下流部の通気抵抗より小さくすることができる。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層のガスの透気度が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部よりも中流部のほうが高く、かつ、下流部よりも中流部のほうが高い
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によっても、中流部の通気抵抗を、容易に、上流部の通気抵抗より小さく、かつ、下流部の通気抵抗より小さくすることができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例３記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層の厚さが、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが厚い
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によれば、中流部の透気度を、容易に、上流部の透気度より高く、かつ、下流部の透気度より高くすることができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例３記載のガス流路構造であって、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間の前記隔壁の下側の前記ガス拡散層の気孔径が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが大きい
ことを特徴とするガス流路構造。
このガス流路構造によっても、中流部の透気度を、容易に、上流部の透気度より高く、かつ、下流部の透気度より高くすることができる。
【００１２】
［適用例６］
膜電極接合体を挟持し、前記膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路を有する燃料電池用セパレータであって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記ガス供給側枝流路と前記ガス排出側枝流路との間のリブの幅が、前記ガス供給側枝流路または前記ガス排出側枝流路の上流部および下流部よりも中流部のほうが狭い
ことを特徴とするセパレータ。
このセパレータを用いれば、中流部の通気抵抗を、容易に、上流部の通気抵抗より小さく、かつ、下流部の通気抵抗より小さくしたガス流路を構成することができる。これにより、中流部においてガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ流れるガスの流速・流量を増加させて、ガスの流速・流量の均一化を図ることが可能となり、中流部の隔壁の下側に滞留しやすい液水の排水性を向上させることが可能である。これにより、発電性能の均一化を図ることができる。
【００１３】
［適用例７］
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路と、前記溝状ガス流路に対向するように形成され、前記膜電極接合体を冷却するための溝状冷媒流路と、を有する燃料電池の流路構造であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積が、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積よりも小さく、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路の対向面積よりも小さい
ことを特徴とする流路構造。
この流路構造によれば、中流部においてガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ流れるガスの温度を上流部および下流部のガスの温度よりも高く維持することにより、ガスによる液水の持ち去り量を増加させることが可能となり、中流部の隔壁の下側に滞留しやすい液水の排水性を向上させることが可能である。これにより、発電性能の均一化を図ることができる。
【００１４】
［適用例８］
適用例７記載の流路構造であって、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチが、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチよりも広く、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路のピッチよりも広い
ことを特徴とする流路構造。
この流路構造によれば、溝状ガス流路の中流部に対する溝状冷媒流路の対向面積を、容易に、溝状ガス流路の上流部に対する溝状冷媒流路の対向面積よりも小さく、かつ、溝状ガス流路の下流部に対する溝状冷媒流路の対向面積よりも小さくすることができる。
【００１５】
［適用例９］
適用例７記載の流路構造であって、
前記溝状ガス流路の中流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅が、前記溝状ガス流路の上流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅よりも狭く、かつ、前記溝状ガス流路の下流部に対する前記溝状冷媒流路の流路幅よりも狭い
ことを特徴とする流路構造。
この流路構造によっても、溝状ガス流路の中流部に対する溝状冷媒流路の対向面積を、容易に、溝状ガス流路の上流部に対する溝状冷媒流路の対向面積よりも小さく、かつ、溝状ガス流路の下流部に対する溝状冷媒流路の対向面積よりも小さくすることができる。
【００１６】
［適用例１０］
膜電極接合体に含まれるガス拡散層に接する面に形成された溝状ガス流路に対向するように形成され、前記膜電極接合体を冷却するための溝状冷媒流路に流れる冷媒の流量を制御する燃料電池の冷媒流量制御装置であって、
前記溝状ガス流路は、上流端がガス供給口に接続され、下流端が閉塞された複数のガス供給側枝流路を有する略くし歯形状のガス供給側流路と、上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に接続された複数のガス排出側枝流路を有する略くし歯形状のガス排出側流路と、に分離され、前記複数のガス供給側枝流路と前記複数のガス排出側枝流路とが交互に配列されており、
前記溝状冷媒流路は、前記膜電極接合体の前記溝状ガス流路の上流部に対応する上流領域と中流部に対応する中流領域と下流部に対応する下流領域とを、それぞれ冷却するための上流冷媒流路と中流冷媒流路と下流冷媒流路とに分離されており、
前記中流冷媒流路の流量が、前記上流冷媒流量よりも少なく、かつ、前記下流冷媒流量よりも少なくなるように制御する
ことを特徴とする冷媒流量制御装置。
この冷媒流路制御装置によれば、中流部においてガス供給側枝流路からガス排出側枝流路へ流れるガスの温度を上流部および下流部のガスの温度よりも高く維持することにより、ガスによる液水の持ち去り量を増加させることが可能となり、中流部の隔壁の下側に滞留しやすい液水の排水性を向上させることが可能である。これにより、発電性能の均一化を図ることができる。
【００１７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用のガス流路構造、燃料電池用セパレータ、燃料電池の流路構造、燃料電池の冷媒流量制御装置だけでなく、これらを用いた燃料電池、燃料電池システム等の種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】カソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２を示す説明図である。
【図３】比較例としての従来のカソード側のセパレータ３０Ｒに形成されている酸化ガス流路３２Ｒを示す説明図である。
【図４】比較例の酸化ガス流路３２Ｒの問題点を示す説明図である。
【図５】実施例のカソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２の効果を示す説明図である。
【図６】酸化ガス流路３２の第１の変形例を示す説明図である。
【図７】酸化ガス流路３２の第２の変形例を示す説明図である。
【図８】酸化ガス流路３２の第３の変形例を示す説明図である。
【図９】カソード側のガス拡散層の透気度を変化させたガス流路構造を示す説明図である。
【図１０】カソード側のガス拡散層の透気度を変化させたガス流路構造の変形例を示す説明図である。
【図１１】カソード側のセパレータ３０Ｆに形成された酸化ガス流路３２Ｆおよびアノード側のセパレータ２０Ｆに形成された冷媒流路２４Ｆを示す説明図である。
【図１２】冷媒流路２４Ｆの第１の変形例を示す説明図である。
【図１３】冷媒流路２４Ｆの第２の変形例を示す説明図である。
【図１４】冷媒流路２４Ｆの第３の変形例を示す説明図である。
【図１５】冷媒流路制御装置について示す説明図である。
【図１６】制御部９０によって実行される冷媒流量制御の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成概要：
図１は、本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両面から挟持するアノード側のセパレータ２０およびカソード側のセパレータ３０と、を備えている。膜電極接合体１０は、電解質層１１と、電解質層１１のそれぞれの面上に形成されるアノード側の触媒電極層１３およびカソード側の触媒電極層１５と、上記各触媒電極層に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層１７およびカソード側のガス拡散層１９と、で構成されている。なお、触媒電極層およびガス拡散層を纏めてガス拡散電極あるいはガス拡散電極層とも呼ぶ。
【００２１】
電解質層１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質層１１としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。
【００２２】
触媒電極層１３，１５は、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質層１１と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。
【００２３】
ガス拡散層１７，１９は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成することができる。
【００２４】
セパレータ２０，３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ２０のガス拡散層１７側の表面には、燃料電池セル１００に供給される反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ２）の流路となる溝形状（凹凸形状）の燃料ガス流路２２が形成されている。燃料ガス流路２２が形成されている面とは反対側の面には、燃料電池セル１００に供給される冷媒としての水（Ｈ２Ｏ、以下、「冷却水」とも呼ぶ）の流路となる溝形状（凸凹形状）の冷媒流路２４が形成されている。また、セパレータ３０のガス拡散層１９側の表面には、燃料電池セル１００に供給される反応ガスとしての酸化ガスである空気（厳密には酸素［Ｏ２］）の流路となる溝形状（凹凸形状）の酸化ガス流路３２が形成されている。
【００２５】
図２は、カソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２を示す説明図である。なお、図２は、膜電極接合体側から見た図である。
【００２６】
図２に示すように、カソード側のセパレータ３０の外周部の左上部には、冷媒供給マニホールド用の孔（以下、「冷媒供給マニホールド孔」あるいは冷媒供給口）と呼ぶ）３０ｗｉが設けられ、右下部には、冷媒排出マニホールド用の孔（以下、「冷媒排出マニホールド孔」あるいは「冷媒排出口」と呼ぶ）３０ｗｏが設けられている。また、外周部の左中央部には、酸化ガス供給マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス供給マニホールド孔」あるいは「酸化ガス供給口」と呼ぶ）３０ｏｉが設けられ、右中央部には、酸化ガス排出マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス排出マニホールド孔」あるいは「酸化ガス排出口」と呼ぶ）３０ｏｏが設けられている。さらにまた、外周部の左下部には、燃料ガス供給マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス供給マニホールド孔」あるいは「燃料ガス供給口」と呼ぶ）３０ｈｉが設けられ、右上部には、燃料ガス排出マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス排出マニホールド孔」あるいは「燃料ガス供給口」と呼ぶ）３０ｈｏが設けられている。
【００２７】
酸化ガス流路３２は、酸化ガス供給マニホールド孔３０ｏｉに連通された酸化ガス供給側流路３２ｉと、酸化ガス排出マニホールド孔３０ｏｏに連通された酸化ガス排出側流路３２ｏとに分離されている。酸化ガス供給側流路３２ｉは、酸化ガス供給マニホールド孔３０ｏｉに連通された上下方向に延びる溝流路（以下、「酸化ガス供給連通路」と呼ぶ）３２ｃｉと、酸化ガス供給連通路３２ｃｉから分岐して酸化ガス排出マニホールド孔３０ｏｏ側に向かって横方向に延びる複数の溝流路（酸化ガス供給側枝流路）３２ｂｉと、から構成された略くし歯形状のガス流路構造を有している。酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉは流路の下流端が閉塞されている。同様に、酸化ガス排出側流路３２ｏは、酸化ガス排出マニホールド孔３０ｏｏに連通された上下方向に延びる溝流路(以下、「酸化ガス排出連通路」と呼ぶ)３２ｃｏと、酸化ガス排出連通路３２ｃｏから分岐して酸化ガス供給マニホールド孔３０ｏｉ側に向かって延びる複数の溝流路（酸化ガス排出側枝流路）３２ｂｏと、から構成された略くし歯形状のガス流路構造を有している。酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏは流路の上流端が閉塞されている。
【００２８】
酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏとは、互いに交互となるように配列されており、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏとの間は隔壁３２ｂｗで仕切られて分離されている。隔壁３２ｂｗの幅は、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉの下流端と、酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏの上流端との間の中間位置を含む所定の幅領域を中流部、中流部よりも上流側を上流部、中流部よりも下流側を下流部とし、上流部、中流部、および下流部の幅をそれぞれＷｕ、Ｗｍ、Ｗｄとした場合に、Ｗｕ＞Ｗｍ、かつ、Ｗｄ＞Ｗｍの関係を満たすように設定されており、この構造を有することにより後述する効果を得ることができる。
【００２９】
アノード側のセパレータ２０に形成されている燃料ガス流路２２も、図示は省略するが、カソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路と同様の構成を有している。なお、図１には、燃料ガス供給側流路の燃料ガス供給側枝流路２２ｂｉと、燃料ガス排出側流路の燃料ガス排出側枝流路２２ｂｏとが示されている。また、図１に示すように、燃料ガス流路２２が形成されている面とは反対側の面には、冷媒としての水（Ｈ２Ｏ、以下、「冷却水」とも呼ぶ）が流れる冷媒流路２４が形成されている。通常燃料電池は、燃料電池セル１００を複数積層したスタック構造を有しており、冷媒流路２４は、アノード側のセパレータ２０に接する他の燃料電池セル１００のカソード側のセパレータ３０の酸化ガス流路が形成されている面とは反対側の面に接するように配置される。なお、本例では、アノード側のセパレータ２０に冷媒流路２４が形成されている場合を示しているが、カソード側のセパレータ３０に冷媒流路が形成されていてもよいし、アノード側のセパレータ２０とカソード側のセパレータ３０との両方に冷媒流路が形成されていてもよい。
【００３０】
燃料電池セル１００の外周部には、反応ガスのガスシール性を確保するためのシール部材が配設されている（図示せず）。また、スタック構造の燃料電池の外周部には、燃料電池セル１００の積層方向と平行であって反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）や冷媒が流通する複数のマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各燃料電池セル１００の燃料ガス供給マニホールド孔（燃料ガス供給口）から分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セル１００の燃料ガス流路を通過し、その後、各燃料電池セル１００の燃料ガス排出マニホールド孔（燃料ガス排出口）を介して燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各燃料電池セル１００の酸化ガス供給マニホールド孔（酸化ガス供給口）から分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セル１００の酸化ガス流路を通過し、その後、各燃料電池セル１００の酸化ガス排出マニホールド孔（酸化ガス排出口）を介して酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００３１】
上記燃料電池セル１００では、カソード側のセパレータ３０の酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉにより供給された酸化ガスは、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏとの差圧により、ガス拡散層１９に導かれる。そして、ガス拡散層１９に導かれた酸化ガスは触媒電極層１５に供給されて触媒電極層１５による電気化学反応に寄与した後、酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏに押し出されて排出される。同様に、アノード側のセパレータ２０の燃料ガス供給側枝流路２２ｂｉにより供給された燃料ガスも、ガス拡散層１７に導かれる。そして、ガス拡散層１７に導かれた燃料ガスは触媒電極層１３に供給されて触媒電極層１３による電気化学反応に寄与した後、燃料ガス排出側枝流路２２ｂｏに押し出されて排出される。
【００３２】
燃料電池セル１００は、以上のように、アノード側およびカソード側に供給された反応ガスが電気化学反応に供され、その結果として電力を発生するとともに、その副産物として水を生成する。なお、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉに供給された酸化ガスは、隔壁３２ｂｗの下側のガス拡散層１９に導かれ、また、燃料ガス供給側枝流路２２ｂｉに供給された燃料ガスは、隔壁２２ｂｗの下側のガス拡散層１７に導かれる。これにより、ガスの供給側と排出側とが分離させていない構造のガス流路において、隔壁の下側へガスが供給されない、という不具合を抑制する効果がある。
【００３３】
なお、本実施例は、上記したように、酸化ガス流路３２において、隔壁３２ｂｗの幅を、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉの下流端と、酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏの上流端との間の中間位置を含む所定の幅領域を中流部、中流部よりも上流側を上流部、中流部よりも下流側を下流部とし、上流部、中流部、および下流部の幅をそれぞれＷｕ、Ｗｍ、Ｗｄとした場合に、Ｗｕ＞Ｗｍ、かつ、Ｗｄ＞Ｗｍの関係を満たすように設定していることに特徴を有している。また、燃料ガス流路２２においても同様の特徴を有している。そして、この特徴を有することにより、以下で説明する効果を得ることができる。
【００３４】
Ａ２．ガス流路構造の効果：
図３は比較例としての従来のカソード側のセパレータ３０Ｒに形成されている酸化ガス流路３２Ｒを示す説明図である。図４は、比較例の酸化ガス流路３２Ｒの問題点を示す説明図である。図５は、実施例のカソード側のセパレータ３０に形成されている酸化ガス流路３２の効果を示す説明図である。なお、図３は、膜電極接合体側から見た図である。
【００３５】
比較例のカソード側のセパレータ３０Ｒに形成されている酸化ガス流路３２Ｒは、実施例のカソード側のセパレータ３０の酸化ガス流路３２と同様に、略くし歯形状の酸化ガス供給側流路３２Ｒｉと、略くし歯形状の酸化ガス排出側流路３２Ｒｏとに分離されている。ただし、交互に配列された酸化ガス供給側枝流路３２Ｒｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２Ｒｂｏとの間を仕切る隔壁３２Ｒｂｗの幅が、上流部、中流部、および、下流部にわたって一定である点のみが、実施例の酸化ガス流路３２の構造と異なっている。
【００３６】
比較例の酸化ガス流路３２Ｒの場合、図４（ａ）に示すように、酸化ガス供給側枝流路と酸化ガス排出側枝流路との間に発生する差圧は、酸化ガス流路の入口（酸化ガス排出側枝流路の上流端）側および出口（酸化ガス供給側枝流路の下流端）側で大きく、中央部（酸化ガス供給側枝流路および酸化ガス排出側枝流路の中央部）ほど、小さくなる。このため、酸化ガス供給側枝流路と酸化ガス排出側枝流路との間の隔壁の下を流れる酸化ガス（以下、「潜り込み酸化ガス」とも呼ぶ）の流速および流量は、図４（ｂ）に示すように、酸化ガス流路の入口側および出口側で大きく、中央部ほど小さくなる。なお、図３では、矢印の大きさで、流速・流量の大きさを示している。これにより、酸化ガス流路の枝流路の中央部ほど、潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足しやすくなる。例えば、図５（ａ）に示すように、酸化ガス流路の入口および出口から中央部に向かうにつれて、流速が低下し、閾値Ｖｔｈよりも低い領域（中流部）では、隔壁(リブ)の下に液水が滞留することになる。一方、実施例のカソード側のセパレータ３０の酸化ガス流路３２の場合には、比較例において、潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足しやすくなる中流部のリブ幅を、上流部および下流部の１／２に狭めて、ガス拡散層の通気抵抗を１／２にすることにより、この中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量を、比較例の場合の約２倍に高めている。これにより、図５（ｂ）に示すように、中流部における潜り込み酸化ガスの流速を閾値Ｖｔｈ以上とすることができ、滞留水の発生を抑制することができる。
【００３７】
以上のように、本実施例の場合には、潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して、均一化を図ることが可能となり、中流部の隔壁の下側に滞留しやすい液水の排水性を向上させることが可能である。この結果、発電性能の均一化を図ることができ、発電性能を向上させることができる。また、酸化ガスの供給障害による電解質膜の劣化の防止や掃気性の向上に効果がある。
【００３８】
なお、アノード側のセパレータ２０に形成された燃料ガス流路２２については、図３に示した比較例の酸化ガス流路と同様の構造としてもよいし、実施例の酸化ガス流路と同様の構成としてもよい。酸化ガス流路と同様の構造とすれば、同様に、排水性を向上させることができる。
【００３９】
Ａ３．ガス流路構造の変形例：
上記実施例の酸化ガス流路３２は、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏとの間の隔壁３２ｂｗの幅として、上流部の幅Ｗｕおよび下流部の幅Ｗｄに対して中流部の幅Ｗｍが、Ｗｍ＜Ｗｕ、かつ、Ｗｍ＜Ｗｄとなるように、酸化ガス供給側枝流路３２ｂｉおよび酸化ガス排出側枝流路３２ｂｏの流路の中流部の幅が上流部および下流部の幅に対して１段階広くなった構造の場合を例に示しているが、これに限定されるものではなく、以下に示す種々の変形も可能である。
【００４０】
図６は、酸化ガス流路３２の第１の変形例を示す説明図である。第１の変形例の酸化ガス流路３２Ａは、酸化ガス供給側枝流路３２Ａｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２Ａｂｏとの間の隔壁３２Ａｂｗの幅が、流路の上流端（入口）および下流端（出口）から中央部に向かって複数段階で順に狭くなるように、酸化ガス供給側枝流路３２Ａｂｉおよび酸化ガス排出側枝流路３２Ａｂｏの流路幅が複数段階で順に広くなる構造を有している。この構造の場合には、実施例の酸化ガス流路３２の場合よりも、さらに、潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図ることが可能である。
【００４１】
図７は、酸化ガス流路３２の第２の変形例を示す説明図である。第２の変形例の酸化ガス流路３２Ｂは、酸化ガス供給側枝流路３２Ｂｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２Ｂｂｏとの間の隔壁３２Ｂｂｗの幅が、流路の上流端（入口）および下流端（出口）から中央部に向かって連続的に狭くなるように、酸化ガス供給側枝流路３２Ｂｂｉおよび酸化ガス排出側枝流路３２Ｂｂｏの流路幅が連続的に広くなる構造を有している。この構造の場合には、第１の変形例の酸化ガス流路３２Ａの場合よりも、さらに、潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図ることが可能である。
【００４２】
図８は、酸化ガス流路３２の第３の変形例を示す説明図である。第３の変形例の酸化ガス流路３２Ｃは、酸化ガス供給側枝流路３２Ｃｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２Ｃｂｏとの間の隔壁３２Ｃｂｗの幅が、流路の上流端（入口）および下流端（出口）から中央部に向かって連続的に狭くなるように、酸化ガス供給側枝流路３２Ｃｂｉまたは酸化ガス排出側枝流路３２Ｃｂｏのいずれかの流路幅が中央部に向かって連続的に広くなる構造を有している。図の例では、酸化ガス供給側枝流路３２Ｃｂｉの流路幅が中央部に向かって連続的に広くなっている。この構造の場合にも、第２の変形例の酸化ガス流路３２Ｂと同様に、第１の変形例の酸化ガス流路３２Ａの場合よりも、さらに、潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図ることが可能である。
【００４３】
以上説明したように、比較例において発生する可能性の高い酸化ガス流路の中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量の不足を解消して排水性を向上させるために、上流部および下流部に対する中流部のガス拡散層（ガス拡散電極層）を通過する酸化ガスの通気抵抗が小さくなるように、酸化ガス供給側枝流路と酸化ガス排出側枝流路との間を仕切る隔壁（リブ）の幅を変化させる構造であれば、どのような酸化ガス供給側枝流路および酸化ガス排出側枝流路の構造であってもよい。
【００４４】
なお、上記変形例は、酸化ガス流路について説明したが、燃料ガス流路を同様の構造としてもよい。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．ガス流路構造：
上記第１実施例は、ガス供給側枝流路とガス排出側枝流路との間を仕切る隔壁の幅を変化させることにより、ガス流路の中流部のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗を小さくすることにより、中流部における潜り込みガスの流速・流量を増加させて排水性を向上させたガス流路構造である。これに対して、中流部のガス拡散層の透気度を上流部および下流部よりも高くして、ガス流路の中流部のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗を小さくすることにより、中流部における潜り込みガスの流速・流量を増加させて、潜り込みガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図り、排水性を向上させたガス流路構造とすることも考えられる。
【００４６】
図９は、カソード側のガス拡散層の透気度を変化させたガス流路構造を示す説明図である。図９（ａ）は、カソード側のガス拡散層１９Ｄおよびセパレータ３０Ｄを電解質膜側から見た図であり、図９（ｂ）は、Ａ−Ａ線における概略断面を示している。
【００４７】
セパレータ３０Ｄに形成されている酸化ガス流路３２Ｄは、図３に示した比較例の酸化ガス流路３２Ｒと同じである。本例のガス拡散層１９Ｄは、酸化ガス流路３２Ｄにおいて酸化ガスの流速・流量が不足する可能性のある中流部に対向する領域の厚さＴｍが、上流部に対向する領域の厚さＴｕおよび下流部に対向する領域の厚さＴｄよりも厚くなるように、例えば、２倍の厚さ（Ｔｍ＝２・Ｔｕ＝２・Ｔｄ）になるように形成されている。これにより、中流部のガス拡散層のガスの透気度を、上流部の透気度および下流部の透気度に比べて高くすることができ、例えば、２倍に高めることができる。この結果、中流部のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗を小さくすることができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図り、排水性を向上させることが可能である。この結果、発電性能の均一化を図ることができ、発電性能を向上させることができる。また、酸化ガスの供給障害による電解質膜の劣化の防止や掃気性の向上に効果がある。
【００４８】
なお、厚さの異なるガス拡散層は、例えば、２枚のガス拡散層を重ね合わせることにより構成することができる。この場合、セパレータ側の隔壁の高さは、ガス拡散層の厚さの変化に応じて変化させる必要がある。
【００４９】
また、上記実施例では、ガス拡散層の厚さを中流部において１段階厚くする構造を例に説明したが、第１実施例の隔壁の幅と同様に、複数段階厚くする構成としてもよい。複数段階厚くするガス拡散層は、例えば、３枚以上のガス拡散層を重ね合わせることにより構成することができる。また、連続的に厚さが変化するガス拡散層としてもよい。
【００５０】
Ｂ２．ガス流路構造の変形例：
図１０は、カソード側のガス拡散層の透気度を変化させたガス流路構造の変形例を示す説明図である。図１０（ａ）は、カソード側のガス拡散層１９Ｅおよびセパレータ３０Ｅを電解質膜側から見た図であり、図１０（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線における概略断面を示している。
【００５１】
セパレータ３０Ｅに形成されている酸化ガス流路３２Ｅは、図３に示した比較例の酸化ガス流路３２Ｒと同じである。本例のガス拡散層１９Ｅは、酸化ガス流路３２Ｅにおいて酸化ガスの流速・流量が不足する可能性のある中流部に対向する領域の気孔径Ｒｍが、上流部に対向する領域の気孔径Ｒｕおよび下流部に対向する領域の気孔径Ｒｄよりも大きくなるように、例えば、２倍の大きさ（Ｒｍ＝２・Ｒｕ＝２・Ｒｄ）になるように形成されている。これにより、中流部のガス拡散層のガスの透気度を、上流部の透気度および下流部の透気度に比べて高くすることができ、例えば、２倍に高めることができる。この結果、中流部のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗を小さくすることができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図り、排水性を向上させることが可能である。
【００５２】
なお、気孔径の異なるガス拡散層は、例えば、気孔径の異なる種類のガス拡散層をそれぞれ対応する領域に並べて配置することにより構成することができる。
【００５３】
また、上記変形例では、ガス拡散層の気孔径を中流部において１段階大きくする構造を例に説明したが、上記実施例のガス拡散層の厚さと同様に、複数段階変化させる構成としてもよい。また、連続的に気孔径が変化するガス拡散層としてもよい。
【００５４】
以上説明したように、酸化ガス流路の中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量の不足を解消して排水性を向上させるために、中流部のガス拡散層の透気度を上流部および下流部よりも高くして、ガス流路の中流部のガス拡散層を通過するガスの通気抵抗を小さくすることにより、中流部における潜り込みガスの流速・流量を増加させることができる構成であれば、どのようなガス拡散層の構造であってもよい。
【００５５】
なお、上記実施例および変形例は、酸化ガス流路に関して説明したが、燃料ガス流路に関しても同様の構成としてもよい。
【００５６】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．ガス流路構造および冷媒流路構造：
上記第１および第２実施例は、ガス流路の中流部におけるガスの通気抵抗を小さくすることにより、中流部における潜り込みガスの流速・流量を増加させて、潜り込みガスの流速・流量の低下を抑制して均一化を図り、排水性を向上させたガス流路構造を例に説明した。これに対して、以下で説明するように、中流部における潜り込みガスの流速・流量の低下を抑制するのではなく、中流部における潜り込みガス中に含んで持ち去ることができる水蒸気量を増加させることにより、排水性を向上させた流路構造も考えられる。
【００５７】
図１１は、カソード側のセパレータ３０Ｆに形成された酸化ガス流路３２Ｆおよびアノード側のセパレータ２０Ｆに形成された冷媒流路２４Ｆを示す説明図である。
【００５８】
酸化ガス流路３２Ｆは、図１１（ａ）に示すように、図３に示した比較例の酸化ガス流路３２Ｒと同じ構造であり、酸化ガス流路の枝流路の中央部ほど、潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足しやすくなる。なお、図１１（ａ）には、矢印の大きさで、流速・流量の大きさを示している。
【００５９】
一方、冷媒流路２４Ｆは、上流部および下流部に対向する領域に設けられた冷媒枝流路２４Ｆｂの間隔Ｐｗｕ，Ｐｗｄに対して、中流部に対向する領域に設けられた冷媒流路２４Ｆｂの間隔Ｐｗｍを広くして、中流部の冷媒枝流路の数が上流部および下流部に対して少なくなるように設けられている。これにより、上流部に対向する冷媒流路の面積および下流部に対向する冷媒流路の面積に対して、中流部に対向する冷媒流路の面積が小さくなる。この結果、燃料電池セルの中流部の温度を上流部および下流部に比べて高く維持することができ、中流部の潜り込み酸化ガスの相対湿度を低下させることが可能となり、この潜り込み酸化ガスが持ち去ることが可能な水分を増加させることができる。これにより、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、酸化ガス供給側枝流路３２Ｆｂｉと酸化ガス排出側枝流路３２Ｆｂｏとの間の隔壁３２Ｆｂｗの下のガス拡散層に滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。この結果、発電性能の均一化を図ることができ、発電性能を向上させることができる。また、酸化ガスの供給障害による電解質膜の劣化の防止や掃気性の向上に効果がある。
【００６０】
Ｃ２．冷媒流路構造の変形例：
上記実施例の冷媒流路２４Ｆは、冷媒枝流路２４Ｆｂの中流部の間隔Ｐｗｍを、上流部の間隔Ｐｗｕおよび下流部の間隔Ｐｗｄよりも大きくした構造の場合を例に示しているが、これに限定されるものではなく、以下に示す種々の変形も可能である。
【００６１】
図１２は、冷媒流路２４Ｆの第１の変形例を示す説明図であり、第１の変形例の冷媒流路２４Ｇにおいても、実施例の冷媒流路２４Ｆと同様に、上流部および下流部に対向する領域に設けられた冷媒枝流路２４Ｇｂの間隔Ｐｗｕ，Ｐｗｄに対して、中流部に対向する領域に設けられた冷媒枝流路２４Ｇｂの間隔Ｐｗｍを広くして、中流部の冷媒枝流路の数が上流部および下流部に対して少なくなるように設けられている。これにより、上流部に対向する冷媒流路の面積および下流部に対向する冷媒流路の面積に対して、中流部に対向する冷媒流路の面積を小さくすることができる。これにより、上記実施例と同様に、燃料電池セルの中流部の温度を上流部および下流部に比べて上昇させることができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。
【００６２】
図１３は、冷媒流路２４Ｆの第２の変形例を示す説明図であり、第２の変形例の冷媒流路２４Ｈにおいても、実施例の冷媒流路２４Ｆと同様に、上流部および下流部に対向する領域に設けられた冷媒枝流路２４Ｊｂの間隔Ｐｗｕ，Ｐｗｄに対して、中流部に対向する領域に設けられた冷媒枝流路２４Ｈｂの間隔Ｐｗｍを広くして、中流部の冷媒枝流路の数が上流部および下流部に対して少なくなるように設けられている。これにより、上流部に対向する冷媒流路の面積および下流部に対向する冷媒流路の面積に対して、中流部に対向する冷媒流路の面積を小さくすることができる。これにより、上記実施例と同様に、燃料電池セルの中流部の温度を上流部および下流部に比べて高く維持することができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。
【００６３】
図１４は、冷媒流路２４Ｆの第３の変形例を示す説明図である。第３の変形例の冷媒流路２４Ｊは、上流部の冷媒枝流路２４Ｊｂｕの流路幅Ｗｌｕおよび下流部の冷媒枝流路２４Ｊｂｄの流路幅Ｗｌｄよりも中流部の冷媒枝流路２４Ｊｂｍの流路幅Ｗｌｍを狭くした構造を有している。この構造の場合にも、上流部に対向する冷媒流路の面積および下流部に対向する冷媒流路の面積に対して、中流部に対向する冷媒流路の面積を小さくすることができる。これにより、上記実施例と同様に、燃料電池セルの中流部の温度を上流部および下流部に比べて上昇させることができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。
【００６４】
以上説明したように、比較例において発生する可能性の高い酸化ガス流路の中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量の不足を解消して排水性を向上させるために、上流部に対向する冷媒流路の面積および下流部に対向する冷媒流路の面積に対して、中流部に対向する冷媒流路の面積を小さくする構造であれば、どのような冷媒流路の構造であってもよい。
【００６５】
なお、以上の実施例および変形例の説明では、酸化ガス流路の排水性を例に説明したが、燃料ガス流路に対しても排水性向上の効果を得ることができる。
【００６６】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．冷媒流量制御装置の構造：
上記第３実施例の冷媒流路構造は、ガス流路の中流部に対応する燃料電池セルの領域（燃料電池セルの中央部）の冷却能力を低下させることにより、排水性を向上させるものである。しかしながら、この場合、高温動作時において、燃料電池セルの中央部が乾燥して、発電性能が低下してしまう可能性がある。そこで、これに対応するために、以下で説明するように、冷媒流量を制御することが考えられる。
【００６７】
図１５は、冷媒流路制御装置について示す説明図である。酸化ガス流路および燃料ガス流路の構造は、第３実施例の場合（図１１（ａ）参照）と同じとする。
【００６８】
アノード側のセパレータ２０Ｋに形成された冷媒流路２４Ｋは、酸化ガス流路の上流部、中流部、および、下流部に対応して、それぞれ独立に形成された上流側冷媒流路２４Ｋｕ、中流側冷媒流路２４Ｋｍ、および、下流側冷媒流路２４Ｋｄにより構成されている。
【００６９】
上流側冷媒流路２４Ｋｕは上流側冷媒供給マニホールド孔２０ｕｗｉおよび上流側冷媒排出マニホールド孔２０ｕｗｏに接続され、中流側冷媒流路２４Ｋｍは中流側冷媒供給マニホールド孔２０ｍｗｉおよび中流側冷媒排出マニホールド孔２０ｍｗｏに接続され、下流側冷媒流路２４Ｋｄは下流側冷媒供給マニホールド孔２０ｄｗｉおよび下流側冷媒排出マニホールド孔２０ｄｗｏに接続されている。上流側冷媒供給マニホールド孔２０ｕｗｉ、中流側冷媒供給マニホールド孔２０ｍｗｉ、および、下流側冷媒供給マニホールド孔２０ｄｗｉは、３つに分岐された冷媒供給配管５０に接続されている。また、上流側冷媒排出マニホールド孔２０ｕｗｏ、中流側冷媒排出マニホールド孔２０ｍｗｏ、および、下流側冷媒排出マニホールド孔２０ｄｗｏは、３つに分岐された冷媒排出配管６０に接続されている。なお、冷媒供給配管５０の各分岐配管部分には、冷媒流量を制御する流量制御弁７０ｕ，７０ｍ，７０ｄが設けられている。また、冷媒排出配管６０の各分岐配管部分には、冷媒温度を測定する温度センサー８０ｕ，８０ｍ，８０ｄが設けられている。流量制御弁７０ｕ，７０ｍ，７０ｄは、制御部９０から供給される制御信号によって制御される。
【００７０】
制御部９０は、以下で説明するように、温度センサー８０ｕ，８０ｍ，８０ｄの示す温度に基づいて流量制御弁７０ｕ，７０ｍ，７０ｄを制御することにより、上流側冷媒流路２４Ｋｕ、中流側冷媒流路２４Ｋｍ、および、下流側冷媒流路２４Ｋｄの冷媒流量を制御する。
【００７１】
Ｄ２．冷媒流量制御：
図１６は、制御部９０によって実行される冷媒流量制御の手順を示すフローチャートである。燃料電池の発電動作時において、まず、３つの温度センサー８０ｕ，８０ｍ，８０ｄの示す温度に基づいて３つの流量制御弁７０ｕ，７０ｍ，７０ｄを制御することにより、上流側冷媒流路２４Ｋｕ、中流側冷媒流路２４Ｋｍ、および、下流側冷媒流路２４Ｋｄの冷媒流量を制御して、燃料電池セルの温度が面内で均一になるように制御する（ステップＳ１１０）。この制御動作は、燃料電池セルの中央部（酸化ガス流路の中流部）に対応する冷媒（冷却水、Ｈ２Ｏ）の排出側の温度を温度センサー８０ｍにより監視（ステップＳ１２０）して、燃料電池セルの中央部に対応する冷媒の温度が閾値以下となるまで継続される。これにより、燃料電池セルの温度が閾値よりも高い高温の場合に、燃料電池セルの面内全体の温度が均一で閾値温度以下となるように制御して、燃料電池セルの乾燥を防止することができる。
【００７２】
これに対して、燃料電池セルの中央部に対応する冷媒の温度が閾値以下となった場合には、中流側冷媒流路２４Ｋｍに接続されている流量制御弁７０ｍを制御して、中流側冷媒流路２４Ｋｍの冷媒流量を、他の冷媒流路２４Ｋｕ，２４Ｋｄの冷媒流量よりも減少（Ｄｏｗｎ）させる（ステップＳ１３０）。そして、燃料電池セルの中央部に対応する冷媒の温度が閾値以上となるまで、温度センサー８０ｍにより温度を監視する（ステップＳ１４０）。そして、燃料電池セルの中央部に対応する冷媒の温度が閾値以上となった場合には、ステップＳ１１０に戻って、燃料電池セルの面内の均一温度制御を実行する。これにより、燃料電池セルの温度が低温の場合には、燃料電池セルの中央部に対応する中流側冷媒流路２４Ｋｍの冷媒流量を、他の冷媒流路２４Ｋｕ，２４Ｋｄの冷媒流量よりも減少させることができる。これにより、第３実施例と同様に、燃料電池セルの中央部の温度を上流部および下流部に比べて高く維持することができ、中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。
【００７３】
以上説明したように、本実施例では、燃料電池セルの温度が閾値以上の高温の場合には、燃料電池セルの面内全体の温度が均一で閾値温度以下となるように制御して、燃料電池セルの乾燥を防止することが可能であり、燃料電池セルの温度が閾値以下の低温の場合には、燃料電池セルの中央部に対応するガス流路の中流部における潜り込み酸化ガスの流速・流量が不足していても、滞留する液水の排水性を向上させることが可能である。
【００７４】
なお、以上の実施例の説明では、酸化ガス流路を例に説明したが、燃料ガス流路に対しても燃料電池セルの乾燥防止の効果と排水性向上の効果とを兼ね備えることができる。
【００７５】
Ｅ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００７６】
上記各実施例は、それぞれ独立した構造について説明しているが、例えば、第１実施例と第２実施例、第１実施例と第３実施例、第１実施例と第４実施例、第２実施例と第３実施例、第２実施例と第４実施例、第１実施例と第２実施例と第３実施例、第１実施例と第２実施例と第４実施例、をそれぞれ組み合わせて適用してもよい。すなわち、各実施例を適宜組み合わせて実施することも可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…膜電極接合体
１１…電解質層
１３…触媒電極層
１５…触媒電極層
１７…ガス拡散層
１９…ガス拡散層
１９Ｄ…ガス拡散層
１９Ｅ…ガス拡散層
２０ｕｗｉ…上流側冷媒供給マニホールド孔
２０ｕｗｏ…上流側冷媒排出マニホールド孔
２０ｍｗｉ…中流側冷媒供給マニホールド孔
２０ｍｗｏ…中流側冷媒排出マニホールド孔
２０ｄｗｉ…下流側冷媒供給マニホールド孔
２０ｄｗｏ…下流側冷媒排出マニホールド孔
２０，２０Ｆ，２０Ｋ…セパレータ
２２…燃料ガス流路
２２ｂｉ…燃料ガス供給側枝流路
２２ｂｏ…燃料ガス排出側枝流路
２２ｂｗ…隔壁
２４，２４Ｆ〜２４Ｈ，２４Ｊ，２４Ｋ…冷媒流路
２４Ｆｂ〜２４Ｈｂ，２４Ｊｂ…冷媒枝流路
２４Ｊｂｕ，２４Ｊｂｍ，２４Ｊｂｄ…冷媒枝流路
２４Ｋｕ…上流側冷媒流路
２４Ｋｍ…中流側冷媒流路
２４Ｋｄ…下流側冷媒流路
３０，３０Ｄ〜３０Ｆ，３０Ｒ…セパレータ
３０ｏｉ…酸化ガス供給マニホールド孔
３０ｏｏ…酸化ガス排出マニホールド孔
３２ｂｗ，３２Ａｂｗ〜３２Ｃｂｗ，３２Ｆｂｗ，３２Ｒｂｗ…隔壁
３２，３２Ａ〜３２Ｆ，３２Ｒ…酸化ガス流路
３２ｉ…酸化ガス供給側流路
３２ｏ…酸化ガス排出側流路
３２Ｒｉ…酸化ガス供給側流路
３２Ｒｏ…酸化ガス排出側流路
３２ｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２ｃｉ…酸化ガス供給連通路
３２ｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
３２ｃｏ…酸化ガス排出連通路
３２Ａｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２Ａｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
３２Ｂｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２Ｂｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
３２Ｃｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２Ｃｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
３２Ｆｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２Ｆｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
３２Ｒｂｉ…酸化ガス供給側枝流路
３２Ｒｂｏ…酸化ガス排出側枝流路
５０…冷媒供給配管
６０…冷媒排出配管
７０ｕ，７０ｍ，７０ｄ…流量制御弁
８０ｕ，８０ｍ，８０ｄ…温度センサー
９０…制御部
１００…燃料電池セル
【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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