(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池における反応ガスの消費効率を向上させるとともに、発電領域における水分分布を改善する技術を提供する。【解決手段】燃料電池のセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝が形成されている。流路溝は、供給用のマニホールドと連結された供給側流路溝と、排出用のマニホールドと連結された排出側流路溝とを有し、それらの流路溝は流路壁を挟んで互いに分離されている。供給側流路溝には、発電領域１１において上流側から下流側に延びる前段部２３ａと、下流側から上流側へと前段部２３ａから折り返し、端部が閉塞している後段部２３ｂとを有する供給側並列流路溝２３が含まれる。排出側流路溝には、供給側並列流路溝２３の前段部２３ａまたは後段部２３ｂと隣り合う位置において並列に延び、端部が閉塞している排出側並列流路溝２５が含まれる。【選択図】図３
2012079640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された膜電極接合体を有する燃料電池において、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に配置される燃料電池用セパレータであって、
前記膜電極接合体の発電領域に反応ガスを供給するための供給用マニホールドと、
前記発電領域からの排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
前記ガス拡散層に接触する面側に設けられた反応ガスのための流路溝と、
を備え、
前記流路溝は、前記供給用マニホールドに連結された供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排出側流路溝と、を含み、
前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記膜電極接合体の電極に配置されたときに、流路壁を挟んで互いに空間的に分離されており、
前記供給側流路溝は、前記発電領域において前記供給用マニホールド側の領域から前記排出用マニホールド側の領域に渡って延びる前段部と、前記上流側流路溝から折り返して、前記供給用マニホールド側の領域に向かって前記上流側流路溝と並列に延び、端部が閉塞している後段部と、を有し、
前記排出側流路溝は、前記供給側流路溝と前記流路壁を挟んで隣り合う位置において、前記排出用マニホールド側の領域から前記供給用マニホールド側の領域に向かって延びるとともに、前記供給用マニホールド側の端部が閉塞している、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータであって、
前記供給側流路溝の前記後段部は、前記発電領域において、前記排出用マニホールドより前記供給用マニホールドに近い領域まで延びている、燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記流路溝は、２つ以上の前記供給側流路溝と、１つ以上の排出側流路溝とを含み、
前記排出側流路溝は、２つの前記供給側流路溝の間において、一方の前記供給側流路溝の前記後段部と、他方の前記供給側流路溝の前記前段部とに挟まれている、燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
燃料電池であって、
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータとを備え、
前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータである、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備えるものがある。膜電極接合体は、一般に、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。また、セパレータの外表面には、反応ガスのガス流路として機能する流路溝が設けられ、セパレータと膜電極接合体の電極との間には、反応ガスを発電領域全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。
【０００３】
ここで、セパレータの流路溝としては、反応ガスを発電領域に供給するための供給側流路溝と、発電領域から排ガスを排出するための排出側流路溝とが、流路壁を挟んで空間的に分離するように形成されたものが提案されている（特許文献１等）。こうした構成を有する流路溝では、供給側流路溝の下流端が閉塞されているため、供給側流路溝に流入した反応ガスのほとんどが、電極面に配置されたガス拡散層へと流入して、排出側流路溝へと流れる。従って、ガス拡散層へと流入することなく燃料電池の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減させることができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。
【０００４】
しかし、こうした構成の流路溝を有する燃料電池では、発電領域における水分分布が偏ることにより、発電性能が低下してしまうという問題があった。具体的には、供給側流路溝の閉塞された端部の近傍領域において、燃料電池反応で生成された水分が滞留してしまい、反応ガスの流れが阻害されるという問題があった。また、上記構成の流路溝を有する燃料電池では、反応ガスの多くが発電領域の上流側の領域においてガス拡散層に流入する傾向にあり、当該上流側の領域における電解質膜の乾燥が促進され、プロトン伝導性が低下してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４２４８３号公報
【特許文献２】特開平１１−０１６５９１号公報
【特許文献３】特開２００４−１５８３６９号公報
【特許文献４】特開２００５−１４１９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池における反応ガスの消費効率を向上させるとともに、発電領域における水分分布を改善する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］
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された膜電極接合体を有する燃料電池において、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に配置される燃料電池用セパレータであって、前記膜電極接合体の発電領域に反応ガスを供給するための供給用マニホールドと、前記発電領域からの排ガスを排出するための排出用マニホールドと、前記ガス拡散層に接触する面側に設けられた反応ガスのための流路溝と、を備え、前記流路溝は、前記供給用マニホールドに連結された供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排出側流路溝と、を含み、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記膜電極接合体の電極に配置されたときに、流路壁を挟んで互いに空間的に分離されており、前記供給側流路溝は、前記発電領域において前記供給用マニホールド側の領域から前記排出用マニホールド側の領域に渡って延びる前段部と、前記上流側流路溝から折り返して、前記供給用マニホールド側の領域に向かって、前記上流側流路溝と並列に延び、端部が閉塞している後段部と、を有し、前記排出側流路溝は、前記供給側流路溝と前記流路壁を挟んで隣り合う位置において、前記排出用マニホールド側の領域から前記供給用マニホールド側の領域に向かって延びるとともに、前記供給用マニホールド側の端部が閉塞している、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、供給側流路溝の反応ガスのほとんどをガス拡散層へと流入させることができるため、反応ガスの消費効率を向上させることができる。また、ガス拡散層から供給側流路溝に移動してきた水分が、前段部から折り返して後段部の端部まで誘導されるため、供給側流路溝の前段部下流に水分が滞留してしまうことを抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池用セパレータであって、前記供給側流路溝の前記後段部は、前記発電領域における前記排出用マニホールドより前記供給用マニホールドに近い領域まで延びている、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、ガス拡散層から供給側流路溝に移動してきた水分を、後段部の端部まで誘導することにより、発電領域の前記供給用マニホールド側（上流側）の領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または２に記載の燃料電池用セパレータであって、前記流路溝は、２つ以上の前記供給側流路溝と、１つ以上の排出側流路溝とを含み、前記排出側流路溝は、２つの前記供給側流路溝の間において、一方の前記供給側流路溝の前記後段部と、他方の前記供給側流路溝の前記前段部とに挟まれている、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、供給側流路溝が後段部を有する場合であっても、前段部と排出側流路溝とが隣り合っているため、供給側流路溝と排出側流路溝との間における反応ガスの圧力損失が増大してしまうことを抑制できる。
【００１１】
［適用例４］
燃料電池であって、電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータとを備え、前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方は、適用例１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータである、燃料電池。
この燃料電池によれば、反応ガスの消費効率が向上するとともに、発電領域における水分分布が改善されるため、発電性能が向上する。
【００１２】
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、燃料電池用セパレータ、そのセパレータを備えた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】アノードセパレータの構成を示す概略図。
【図４】アノードセパレータにおける供給側流路溝と排出側流路溝との間の水素の移動を説明するための模式図。
【図５】カソードセパレータの構成を示す概略図。
【図６】参考例としての燃料電池における流路溝の構成を説明するための模式図と、本実施例の燃料電池における流路溝の構成を示す模式図。
【図７】第２実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータの構成を示す概略図。
【図８】他の構成例としての流路溝の構成を示す概略図。
【図９】他の構成例としての流路溝の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、シール一体型膜電極接合体１０と、アノードセパレータ２０と、カソードセパレータ３０とを備える。シール一体型膜電極接合体１０は、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに狭持されており、２つのセパレータ２０，３０のシール一体型膜電極接合体１０側の面には、反応ガスのための流路溝（破線で図示）が設けられている。
【００１５】
図２（Ａ），（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体１０の構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側の面を示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０の概略断面を示している。なお、シール一体型膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の面の構成と同様であるため、図示および説明は省略する。
【００１６】
シール一体型膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電領域１１と、発電領域１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する（図２（Ａ））。発電領域１１には膜電極接合体５が含まれる（図２（Ｂ））。膜電極接合体５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極（アノード２およびカソード３）とを備える。
【００１７】
アノード２およびカソード３は、導電性およびガス拡散性を有する多孔質部材（例えば、炭素繊維部材や黒鉛繊維部材）によって構成することができる。なお、アノード２およびカソード３の電解質膜１側の面には、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されている。
【００１８】
アノード２およびカソード３の外表面にはそれぞれ、ガス拡散部材６が配置される。ガス拡散部材６は、燃料電池１００が構成されたときに各セパレータ２０，３０の外表面と直接的に接触し、反応ガスを発電領域１１全体に拡散させるためのガス拡散層として機能する。また、ガス拡散部材６は、膜電極接合体５と各セパレータ２０，３０との間の導電パスとしても機能する。即ち、燃料電池１００では、アノード２またはカソード３と、ガス拡散部材６とで膜電極接合体５の電極が構成されていると解釈することも可能である。
【００１９】
ガス拡散部材６は、導電性を有する多孔質部材によって構成することができる。具体的には、ガス拡散部材６としては、例えば、カーボンペーパなどの導電性繊維部材や、多孔質の金属焼結体を採用することができる。また、ガス拡散部材６としては、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタルなど複数の通気のための細孔が形成されるように加工された金属板を採用することも可能である。
【００２０】
外周シール部１２は、膜電極接合体５を一体的に保持するとともに、燃料電池１００の外部への反応ガスの漏洩を抑制する。外周シール部１２は、樹脂部材を膜電極接合体５の外周端を被覆するように射出成形することにより形成される。なお、外周シール部１２の両面には、各セパレータ２０，３０に狭持されたときに反応ガスの漏洩を抑制するためのシールラインを形成するリブ（突起部）が設けられているが、その図示および説明は省略する。
【００２１】
外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が厚み方向を貫通する貫通孔として形成されている。各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、発電領域１１における水素の流れる方向と酸素の流れる方向とが、電解質膜１を挟んで互いに対向し、かつ、交差するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールドＭ１と酸素排出用マニホールドＭ４とが、発電領域１１に対して同じ側（紙面左側）に配列され、水素排出用マニホールドＭ２と酸素供給用マニホールドＭ３とが、その反対側（紙面右側）に配列されている。
【００２２】
また、水素供給用マニホールドＭ１と、水素排出用マニホールドＭ２とは、発電領域１１を挟んで互いに対角する位置に形成されている。酸素供給用マニホールドＭ３と酸素排出用マニホールドＭ４も同様である。なお、各マニホールドＭ１〜Ｍ４の配置は、他の構成であっても良い。また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。
【００２３】
ここで、本明細書では、アノード側の発電領域１１における水素供給用マニホールドＭ１側、または、カソード側の発電領域１１における酸素供給用マニホールドＭ３側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電領域１１における水素排出用マニホールドＭ２側、または、カソード側の発電領域１１における酸素排出用マニホールドＭ４側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電領域１１において、上流側から下流側に向かう方向を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。
【００２４】
図３は、アノードセパレータ２０の構成を示す概略図である。図３には、アノードセパレータ２０のガス拡散部材６と接触する側の面が図示されている。なお、図３には、セパレータ２０における水素の流れを示す矢印が図示されている。また、図３には、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、シール一体型膜電極接合体１０の発電領域１１と重なる領域が一点鎖線で図示されている。
【００２５】
セパレータ２０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。セパレータ２０には、シール一体型膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が貫通孔として形成されている。また、セパレータ２０には、反応ガスのための流路溝が発電領域１１全体に渡って形成されている。
【００２６】
アノードセパレータ２０には、発電領域１１に水素を供給するための流路溝（「供給側流路溝」または「一次流路溝」と呼ぶ）と、発電領域１１から水素を排出するための流路溝（「排出側流路溝」または「二次流路溝」と呼ぶ）とが設けられている。ここで、アノードセパレータ２０の流路溝は、燃料電池１００に組み付けられたときに、溝上方の開口部が、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散部材６によって塞がれる。このとき、供給側流路溝と排出側流路溝とは、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された状態となる。
【００２７】
アノードセパレータ２０には、供給側流路溝として、供給側連絡流路溝２１と、分配流路溝２２と、複数の供給側並列流路溝２３とが設けられている。供給側連絡流路溝２１は、水素供給用マニホールドＭ１と、発電領域１１内に設けられた分配流路溝２２とを連結・連絡する流路溝であり、水素供給用マニホールドＭ１の水素を発電領域１１へと導入する。
【００２８】
分配流路溝２２は、発電領域１１の上流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。分配流路溝２２には、各供給側並列流路溝２３が連結されている。これによって、分配流路溝２２は、供給側連絡流路溝２１から流入した水素を、発電領域１１において、反応ガスの流れ方向と直交する方向に行き渡らせるとともに、各供給側並列流路溝２３に分岐・流入させる。
【００２９】
各供給側並列流路溝２３は、発電領域においてほぼ等間隔に配列された反応ガスの流れ方向に沿って、上流側と下流側とを往復（蛇行）する流路溝である。即ち、各供給側並列流路溝２３は、発電領域１１の上流側から下流側に向かう前段部２３ａと、前段部２３ａから折り返して上流側に向かう後段部２３ｂとを有する。供給側並列流路溝２３の前段部２３ａは、上流側端部が分配流路溝２２に連結されており、後述する排出流路溝の合流流路溝２６の手前まで延びている。供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂは、前段部２３ａから略Ｕ字状に折り返して、分配流路溝２２の手前（供給側並列流路溝２３の前段部２３ａの始点の近傍）まで延び、その端部が閉塞されている。
【００３０】
アノードセパレータ２０には、排出側流路溝として、複数の排出側並列流路溝２５と、合流流路溝２６と、排出側連絡流路溝２７とが設けられている。各排出側並列流路溝２５は、発電領域１１において、上流側の領域から下流側の領域に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延びる流路溝である。各排出側並列流路溝２５の上流側の端部は閉塞されており、下流側の端部は、合流流路溝２６と連結されている。なお、排出側並列流路溝２５と、供給側並列流路溝２３とは、反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向に交互に配列されている。即ち、各排出側並列流路溝２５は、供給側並列流路溝２３における前段部２３ａまたは後段部２３ｂと隣り合う位置に設けられている。
【００３１】
合流流路溝２６は、発電領域１１の下流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。排出側連絡流路溝２７は、合流流路溝２６と水素排出用マニホールドＭ２とを連結し、連絡するための流路溝である。各排出側並列流路溝２５の排ガスは、合流流路溝２６において合流し、排出側連絡流路溝２７を介して水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。
【００３２】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、アノードセパレータ２０における供給側流路溝と排出側流路溝との間の水素の移動を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、アノードセパレータ２０における水素の流路溝の構成を示す模式図であり、アノードセパレータ２０において流路壁を構成する領域にハッチングを付してある。図４（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、燃料電池１００を構成したときの、図４（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断、Ｃ−Ｃ切断、Ｄ−Ｄ切断におけるアノードセパレータ２０とガス拡散部材６とを示す概略断面図である。図４（Ｂ）〜（Ｄ）にはそれぞれ、水素の流れを示す矢印が図示されている。
【００３３】
ここで、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂの端部および排出側並列流路溝２５の端部と、分配流路溝２２との間の流路壁を「上流側流路壁４１」と呼ぶ。また、供給側並列流路溝２３の下流側端部（折り返し部）と合流流路溝２６との間の流路壁を「下流側流路壁４２」と呼ぶ。さらに、供給側並列流路溝２３の前段部２３ａと排出側並列流路溝２５との間の流路壁を「第１並列流路壁４３ａ」と呼び、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂと排出側並列流路溝２５との間の流路壁を「第２並列流路壁４３ｂ」と呼ぶ。
【００３４】
分配流路溝２２に流入した水素は、前記したとおり各供給側並列流路溝２３へと分岐・流入し、残りの水素は、上流側流路壁４１によってガス拡散部材６へと誘導されて流入する（図４（Ｂ））。供給側並列流路溝２３に流入した水素は、前段部２３ａや後段部２３ｂの溝方向に沿って流れつつ、その一部が第１並列流路壁４３ａまたは第２並列流路壁４３ｂによってガス拡散部材６へと誘導されて流入する（図４（Ｃ））。
【００３５】
また、供給側流路溝２３に流入した水素のうち、前段部２３ａの下流側端部まで到達した水素の一部は、下流側流路壁４２によってガス拡散部材６へと誘導されて流入する（図４（Ｄ））。各部位において、ガス拡散部材６に流入した水素は、シール一体型膜電極接合体１０において発電反応に用いられる。発電反応に用いられることのなかった水素を含む排ガスは、ガス拡散部材６から、排出側並列流路溝２５や、合流流路溝２６へと流れ出る（図４（Ｂ）〜（Ｄ））。
【００３６】
図５は、カソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図５には、カソードセパレータ３０のガス拡散部材６と接触する側の面が図示されている。なお、図５には、図３と同様に、カソードセパレータ３０における酸素の流れを示す矢印が図示され、発電領域１１と重なる領域が一点鎖線で図示されている。
【００３７】
カソードセパレータ３０には、アノードセパレータ２０と同様な、互いに分離された供給側流路溝と排出側流路溝とが形成されている。具体的には、カソードセパレータ３０には、供給側流路溝として、アノードセパレータ２０の供給側連絡流路溝２１、分配流路溝２２、供給側並列流路溝２３と同様な、酸素のための供給側連絡流路溝３１、分配流路溝３２、供給側並列流路溝３３とが設けられている。なお、供給側並列流路溝３３は、アノードセパレータ２０の供給側並列流路溝２３と同様に、前段部３３ａと、後段部３３ｂとを有している。
【００３８】
また、カソードセパレータ３０には、排出側流路溝として、アノードセパレータ２０の排出側並列流路溝２５、合流流路溝２６、排出側連絡流路溝２７と同様な、排出側並列流路溝３５、合流流路溝３６、排出側連絡流路溝３７が設けられている。カソードセパレータ３０における供給側流路溝と排出側流路溝との間の酸素の移動は、図４で説明した水素の流れと同様である。なお、２つのセパレータ２０，３０のそれぞれの流路溝は、燃料電池１００を構成したときに、２つのセパレータ２０，３０のほとんどの流路壁同士が膜電極接合体５を挟んで互いに対向し合うように形成されていることが好ましい。これによって、膜電極接合体５をより確実に保持することが出来る。
【００３９】
このように、本実施例の燃料電池１００では、各セパレータ２０，３０に設けられた供給側流路溝と排出側流路溝とが互いに空間的に分断された閉塞流路溝として構成されている。そのため、供給側流路溝に流入したほとんどの反応ガスを、ガス拡散部材６へと流入させることができ、ガス拡散部材６へと流入することなく燃料電池１００の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減させることができる。即ち、本実施例の燃料電池１００では、反応ガスの消費効率が向上されている。なお、本明細書において、「反応ガスの消費効率」とは、供給された反応ガスの量に対する燃料電池反応に用いられた反応ガスの量の割合を意味する。
【００４０】
図６（Ａ）は、本発明の参考例としての燃料電池におけるアノードセパレータ２０Ａの流路溝の構成を示す図４（Ａ）と同様な模式図である。なお、図６（Ａ）には、アノードセパレータ２０の流路溝における水分の移動を示す矢印と、対流した液水Ｗとが模式的に図示されている。この参考例の燃料電池は、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータに設けられた流路溝の構成が異なる点以外は、本実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。なお、参考例の燃料電池におけるカソードセパレータの流路溝は、アノードセパレータ２０Ａの流路溝の構成と同様であるため、その図示および説明は省略する。
【００４１】
アノードセパレータ２０Ａの流路溝の構成は、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂが省略され、省略された後段部２３ｂに換えて排出側並列流路溝２５が追加されている点以外は、本実施例のアノードセパレータ２０の流路溝の構成とほぼ同じである。即ち、参考例のアノードセパレータ２０Ａでは、供給側並列流路溝２３は、発電領域１１において、上流側から下流側に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延び、排出側流路溝の合流流路溝２６の手前において閉塞する直線状の流路溝として構成されている。そして、略櫛歯状に配列された供給側並列流路溝２３（２３ａ）と排出側並列流路溝２５とが、互いに噛み合うように、反応ガスの流れ方向に直交する方向に渡って交互に配列されている。
【００４２】
このような流路溝の構成であっても、本実施例の燃料電池１００と同様に、供給側流路溝と排出側流路溝とが流路壁を挟んで空間的に分断されている。そのため、反応ガスのほとんどをガス拡散部材６へと流入させることができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。
【００４３】
ここで、燃料電池の運転中のガス拡散部材６には、通常、膜電極接合体５における燃料電池反応によって生成された多量の水分（液水や水蒸気を含む）が存在する。この水分は、その濃度勾配に従って、アノードセパレータ２０Ａの各流路溝へと移動する。排出側並列流路溝２５や合流流路溝２６に移動した水分は、排ガスの流れに誘導され、水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。
【００４４】
しかし、分配流路溝２２や供給側並列流路溝２３に移動した水分は、水素の流れに誘導されて、供給側並列流路溝２３の閉塞された下流側端部まで流される。そのため、供給側並列流路溝２３の閉塞端部には液水Ｗが滞留してしまう可能性が高い。このように、反応ガスの流れ方向の下流側端部において液水Ｗが局所的に滞留してしまうと、その液水Ｗによって水素の流れが阻害され、燃料電池の発電性能が低下してしまう可能性がある。
【００４５】
また、供給側流路溝では、反応ガスの量が多く、反応ガスの流速が速い上流側ほど、ガス拡散部材６へと流入する反応ガスの量が多くなる傾向にある。従って、ガス拡散部材６への反応ガスの流入量が多い発電領域１１の上流側では、反応ガスによる電解質膜１の乾燥が促進され、発電効率が低下してしまう可能性がある。
【００４６】
図６（Ｂ）は、本実施例の燃料電池１００のアノードセパレータ２０における流路溝の構成を示す模式図である。図６（Ｂ）は、水分の移動を示す矢印と、対流した液水Ｗとが模式的に図示されている点以外は、図４（Ａ）とほぼ同じである。なお、以下に説明する流路溝における水分の移動は、カソードセパレータ３０においても同様であるため、その図示および説明は省略する。
【００４７】
本実施例の燃料電池１００では、参考例の燃料電池と同様に、ガス拡散部材６から分配流路溝２２や供給側並列流路溝２３に移動してきた水分は、水素の流れによって、供給側並列流路溝２３の閉塞端部へと誘導される。また、発電領域１１の上流側ほど供給側流路溝からガス拡散部材６へと流入する反応ガスの量が多い。しかし、本実施例の燃料電池１００では、供給側並列流路溝２３が後段部２３ｂを有しているため、供給側流路溝２３の水分は、水素に誘導されて、前段部２３ａから折り返して、発電領域１１の上流側に設けられた後段部２３ｂの閉塞端部へと流れる。
【００４８】
即ち、本実施例の燃料電池１００では、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂによって、水分が発電領域１１の上流側の領域まで誘導される。これによって、発電領域１１の下流側の領域に液水Ｗが滞留してしまうことが抑制されるとともに、発電領域１１の上流側における電解質膜１の乾燥が抑制される。また、本実施例の燃料電池１００であれば、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂの閉塞端部近傍において液水Ｗが滞留してしまった場合であっても、発電領域１１の上流側の領域では反応ガスの量が多いため、液水Ｗが滞留した状態が解消されやすい。さらに、本実施例の燃料電池１００では、供給側並列流路溝２３の前段部２３ａと、排出側並列流路溝２５とが互いに並列に隣り合う部位を有しており、供給側流路溝から並列流路溝へと移動する反応ガスの圧力損失が低減されている。
【００４９】
このように、本実施例の燃料電池１００によれば、セパレータ２０，３０において、空間的に互いに分離された供給側流路溝と排出側流路溝とを有することにより、反応ガスの消費効率が向上されている。また、発電領域１１の下流側における液水の局所的な滞留や、発電領域１１の上流側における電解質膜１の乾燥が抑制されている。従って、燃料電池１００の発電領域１１における水分分布が改善され、燃料電池１００の発電性能が向上する。
【００５０】
B．第２実施例：
図７は本発明の第２実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータ２０Ｂの構成を示す概略図である。図７は、供給側並列流路溝２３および排出側並列流路溝２５に換えて、直線流路溝２４が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池の構成は、アノードセパレータ２０Ｂの構成が異なる点以外は、第１実施例の燃料電池１００の構成と同様である。
【００５１】
第２実施例のアノードセパレータ２０Ｂは、反応ガスの流路溝として、反応ガスの流れ方向に沿って直線状に延びる複数の並列な直線流路溝２４を有している。各直線流路溝２４は、発電領域１１の上流側端部の分配流路溝２２と、下流側端部の合流流路溝２６とを連結している。即ち、第２実施例の燃料電池では、アノードセパレータ２０Ｂの流路溝が供給側流路溝と排出側流路溝とに分けられていない。
【００５２】
なお、第２実施例の燃料電池では、カソードセパレータ３０の流路溝は、第１実施例と同様であり、流路溝が、供給側流路溝と排出側流路溝とに分けられている（図５）。そして、供給側並列流路溝３３が、上流側から下流側に延びる前段部３３ａと、下流側から上流側へと折り返して延びる後段部３３ｂとを有している。このように、２つのセパレータ２０Ｂ，３０のうち、カソードセパレータ３０にのみ、第１実施例と同様な反応ガスの流路溝が設けられている場合であっても、酸素の消費効率を向上させるとともに、カソード側の発電領域１１における水分分布を改善できる。
【００５３】
C．他の構成例：
図８（Ａ），（Ｂ）および図９（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、本発明の他の構成例としての流路溝の構成を示す概略図である。図８（Ａ），（Ｂ）および図９（Ａ），（Ｂ）には、セパレータの流路溝の構成が、図６（Ｂ）と同様に図示されている。なお、以下では、アノードセパレータのガス流路溝の構成として説明するが、この流路溝の構成は、アノードセパレータとカソードセパレータの両方に適用されるものとしても良いし、いずれか一方にのみ適用されるものとしても良い。
【００５４】
図８（Ａ）に示すアノードセパレータ２０Ｃの構成は、供給側並列流路溝２３が、折り返す方向の異なる後段部２３ｂを有している点以外は、第１実施例のアノードセパレータ２０の構成（図６（Ｂ））とほぼ同じである。第１実施例のアノードセパレータ２０では、各供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂは、前段部２３ａから紙面下側に折り返していた。しかし、この構成例のアノードセパレータ２０Ｃでは、紙面上側から２Ｎ本（Ｎは自然数）目の供給側並列流路溝２３が、前段部２３ａから紙面上側に折り返す後段部２３ｃを有している。これによって、アノードセパレータ２０Ｃでは、供給側流路溝２３に挟まれた排出側並列流路溝２５はいずれも、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂ，２３ｃに挟まれた構成となっている。
【００５５】
このような構成であっても、ガス拡散部材６から供給側並列流路溝２３に移動してきた水分を発電領域１１の下流側へと誘導することができ、発電領域１１における水分分布を改善することができる。ただし、アノードセパレータ２０Ｃの場合には、排出側並列流路溝２５はいずれも、供給側並列流路溝２３の前段部２３ａと隣り合っていない。そのため、第１実施例のセパレータ２０の構成よりも、供給側流路溝から排出側流路溝へと移動する反応ガスの圧力損失が高くなる。
【００５６】
図８（Ｂ）に示すアノードセパレータ２０Ｄの構成は、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂの流路幅が、前段部２３ａの流路幅よりも大きく構成されている点以外は、第１実施例のアノードセパレータ２０（図６（Ｂ））とほぼ同じである。この構成例のアノードセパレータ２０Ｄによっても、発電領域１１における水分分布を改善することが可能である。また、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂの方が幅が広くなり、圧力損失が低減されていることにより、後段部２３ｂを経由した発電領域１１の上流側への水分移動がより促進されている。
【００５７】
図９（Ａ）に示すアノードセパレータ２０Ｅの構成は、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂが異なる点以外は、第１実施例のアノードセパレータ２０（図６（Ｂ））とほぼ同じである。なお、図９（Ａ）には、図６（Ｂ）と同様に、供給側並列流路溝２３における水分の移動を示す矢印と、滞留した液水Ｗとが図示されている。アノードセパレータ２０Ｅの供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂは、発電領域１１の水素供給用マニホールドＭ１により近い上流側の領域まで到達せず、発電領域１１の水素排出用マニホールドＭ２により近い下流側の領域において閉塞している。
【００５８】
このような構成であっても、供給側並列流路溝２３の水分を、前段部２３ａから折り返して後段部２３ｂの閉塞端部へと誘導することができる。従って、発電領域１１の下流側端部の近傍において液水Ｗが滞留することを抑制でき、前段部２３ａに沿って流れる反応ガスの流れが阻害されることを抑制できる。しかし、発電領域１１の上流側における電解質膜１の乾燥を抑制できる点において、第１実施例の構成の方が好ましい。
【００５９】
図９（Ｂ）に示すアノードセパレータ２０Ｆの流路溝の構成は、以下の点以外は、第１実施例のアノードセパレータ２０（図６（Ｂ））とほぼ同じである。即ち、アノードセパレータ２０Ｆでは、水素供給用マニホールドＭ１から離れた位置に設けられた一部の供給側並列流路溝２３において後段部２３ｂが省略され、その省略された後段部２３ｂの位置に排出側並列流路溝２５が追加されている。
【００６０】
この構成によれば、反応ガスの流量が多く、より電解質膜１が乾燥しやすい、発電領域１１の上流側であって水素供給用マニホールドＭ１に近い領域に、供給側並列流路溝２３の後段部２３ｂによって水分を誘導することができる。従って、このような構成であっても、発電領域１１における水分分布を改善することができる。
【００６１】
なお、この構成例は、水素供給用マニホールドＭ１に近い一部の供給側流路溝２３にのみ後段部２３ｂを設ける構成に限定されるものではない。後段部２３ｂは、乾燥傾向にある発電領域１１の局所的な領域に向かって水分を誘導できるように、一部の供給側並列流路溝２３にのみ設けられているものとしても良い。
【００６２】
D．変形例：
なお、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り、例えば次のような変形も可能である。
【００６３】
D1．変形例１：
上記実施例では、セパレータ２０，３０の流路溝と膜電極接合体５の電極２，３の間にガス拡散部材６が配置されていた。しかし、ガス拡散部材６を省略し、セパレータ２０，３０の流路溝と、膜電極接合体５の電極２，３とが直接的に面するものとしても良い。これによって、単セル１１０を薄型化するとともに、単セル１１０における内部抵抗を低減することが可能である。
【００６４】
D2．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池は、後段部２３ｂを有する供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とが設けられたカソードセパレータ３０と、直線流路溝２４が設けられたアノードセパレータ２０Ｂとを備えていた。しかし、燃料電池は、後段部２３ｂを有する供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とが設けられたアノードセパレータ２０と、直線流路溝２４が設けられたカソードセパレータとを備えている構成であるものとしても良い。また、上記第２実施例において、アノードセパレータ２０Ｂに換えて、図６（Ａ）で説明した参考例の流路溝を有するセパレータが用いられるものとしても良い。即ち、アノードセパレータとカソードセパレータのうちの少なくとも一方において、後段部２３ｂを有する供給側並列流路溝２３が設けられていれば良い。
【符号の説明】
【００６５】
１…電解質膜
２…アノード
３…カソード
５…膜電極接合体
６…ガス拡散部材
１０…シール一体型膜電極接合体
１１…発電領域
１２…外周シール部
２０，２０Ａ〜２０Ｆ…アノードセパレータ
２１…供給側連絡流路溝
２２…分配流路溝
２３…供給側並列流路溝
２３ａ…前段部
２３ｂ，２３ｃ…後段部
２４…直線流路溝
２５…排出側並列流路溝
２６…合流流路溝
２７…排出側連絡流路溝
３０…カソードセパレータ
３１…供給側連絡流路溝
３２…分配流路溝
３３…供給側並列流路溝
３３ａ…前段部
３３ｂ…後段部
３５…排出側並列流路溝
３６…合流流路溝
３７…排出側連絡流路溝
４１…上流側流路壁
４２…下流側流路壁
４３ａ…第１並列流路壁
４３ｂ…第２並列流路壁
１００…燃料電池
１１０…単セル
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…酸素供給用マニホールド
Ｍ４…酸素排出用マニホールド
Ｗ…液水
【図１】
2012079640.tif 000003
【図２】
2012079640.tif 000004
【図３】
2012079640.tif 000005
【図４】
2012079640.tif 000006
【図５】
2012079640.tif 000007
【図６】
2012079640.tif 000008
【図７】
2012079640.tif 000009
【図８】
2012079640.tif 000010
【図９】
2012079640.tif 000011