(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池であって、
少なくとも前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路は、複数本の流路溝と、
流路入口および流路出口と前記流路溝とを連通し、かつ、前記電解質・電極接合体の積層方向の流路深さが前記流路溝の流路深さよりも浅く構成されるエンボス部と、
前記流路溝とは個別に構成され、前記エンボス部と共にバッファ用空間部を形成する案内溝部と、
を設け、
前記案内溝部は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記バッファ用空間部に流入された前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを案内するとともに、
前記案内溝部は、前記流路入口または前記流路出口および前記流路溝から離間した位置に形成され、かつ、前記エンボス部よりも前記積層方向の流路深さが深く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、前記流路溝は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを案内するために長さが段階的に異なる複数本の案内流路を構成し、
前記案内流路は、少なくとも１つの前記流路入口または少なくとも１つの前記流路出口から離間する方向に向かうに連れて長尺にな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、前記電解質・電極接合体を冷却する冷却媒体を供給するための冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路は、複数本の流路溝と、
流路入口および流路出口と前記流路溝とを連通し、かつ、前記電解質・電極接合体の積層方向の流路深さが前記流路溝の流路深さよりも浅く構成されるエンボス部と、
前記流路溝とは個別に構成され、前記エンボス部と共にバッファ用空間部を形成する案内溝部と、
を設け、
前記案内溝部は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記バッファ用空間部に流入された前記冷却媒体を案内するとともに、
前記案内溝部は、前記流路入口または前記流路出口および前記流路溝から離間した位置に形成され、かつ、前記エンボス部よりも前記積層方向の流路深さが深く構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、前記流路溝は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記冷却媒体を案内するために長さが段階的に異なる複数本の長尺となる案内流路を構成し、
前記案内流路は、少なくとも１つの前記流路入口または少なくとも１つの前記流路出口から離間する方向に向かうに連れて長尺にな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、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）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（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備え、通常、この単位セルが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、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、触媒電極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】
上記の燃料電池スタックでは、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を流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向し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設けられている。燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口から流路出口に向かって設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し流路で構成されている。
【０００５】
ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口や流路出口が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体等の流体を円滑に流すために、前記流路入口や前記流路出口の周囲にバッファ部が必要になっている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平１０−１０６５９４号公報に開示されている燃料電池のガス通路板が知られている。この従来技術では、図１９に示すように、例えば、酸化剤ガス側のガス通路板１が、カーボンや金属により構成される溝部材２を備えるとともに、前記ガス通路板１の上部側に酸化剤ガスの入口マニホールド３が設けられる一方、前記ガス通路板１の下部側に酸化剤ガスの出口マニホールド４が形成されている。
【０００７】
溝部材２には、入口マニホールド３に連通する入口側通流溝５ａと、出口マニホールド４に連通する出口側通流溝５ｂと、前記入口側通流溝５ａと前記出口側通流溝５ｂとを連通する中間通流溝６とが設けられている。入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂは、複数の突起７ａを介して格子状に形成される一方、中間通流溝６は複数回折り返した曲折形態に形成され、複数本の直線状溝部８と、折り返し部に複数の突起７ｂにより形成された格子状溝部９とを備えている。
【０００８】
このように構成される従来技術では、入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂがバッファ部を構成しており、供給ガスの電極への接触面積が広くなるとともに、この供給ガスが自由に移動することができる一方、中間通流溝６では、複数本の直線状溝部８を介して反応ガスを高速でむらなく通流させることができ、かつ、圧損を低減する、としている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２０に示すように、上記のガス通路板１全体を金属プレートで構成する際には、バッファ部である入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂの各突起７ａ、７ｂがエンボス構造Ｅにより構成されることになる。さらに、ガス通路板１をセパレータとして用いる際には、このガス通路板１の両面にガス流路が設けられることになり、入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂと中間通流溝６とは、表裏両面で共有されることになる。
【００１０】
しかしながら、入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂがエンボス構造Ｅであるため、図２１に示すように、前記入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂの流路深さＨ１は、直線状溝部８の流路深さＨ２に比べて相当に浅くなってしまう。このため、入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂは、流路の圧力損失が大きくなってしまうので、これを低減するために大きな流路断面積が必要となってしまう。
【００１１】
これにより、入口側通流溝５ａおよび出口側通流溝５ｂでは、部分的にガスの流れ易さの異なる部位が発生し、ガスが均一に分配されないおそれがある。例えば、酸化剤ガスや燃料ガスが流れ難くなると、燃料電池の発電性能が低下する一方、この性能低下を阻止するために多量の酸化剤ガスや燃料ガスを流すと、効率が悪くなるとともに、圧損が増加するという不具合がある。
【００１２】
一方、冷却媒体が流れ難い部分では、発電時の発熱の冷却が不十分となり、温度が高くなって湿度の低下による抵抗過電圧が増加するという問題がある。さらに、発電面内の発電分布にばらつきが発生したり、電解質膜の温度上昇による耐久性の低下が惹起されたりする。その際、この性能低下を阻止するために多量の冷却媒体を流すと、効率が低下するとともに、圧損が増加するという不具合が惹起されてしまう。
【００１３】
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、反応ガス等の流体の分配性を有効に向上させることができ、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池では、少なくとも燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が、複数本の流路溝と、流路入口および流路出口と前記流路溝とを連通し、かつ、電解質・電極接合体の積層方向の流路深さが前記流路溝の流路深さよりも浅く構成されるエンボス部と、前記流路溝とは個別に構成され、前記エンボス部と共にバッファ用空間部を形成する案内溝部とを設け、前記案内溝部は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記バッファ用空間部に流入された反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化剤ガス）を案内するとともに、前記流路入口または前記流路出口および前記流路溝から離間した位置に形成されている。案内溝部は、エンボス部よりも積層方向の流路深さが深く構成される。
【００１５】
このように、反応ガスが流れ難いエンボス部に、この反応ガスの流動性を向上させるための案内流路が設けられるため、流路入口から流路溝に、または前記流路溝から流路出口に、前記反応ガスが円滑かつ確実に導入される。これにより、反応ガスの流れ分配性が向上し、燃料電池の発電性能を良好に維持するとともに、必要以上の反応ガスを流す必要がなく、流路の圧損を確実に低減させることが可能になる。
【００１６】
また、流路溝は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを案内するために長さが段階的に異なる複数本の案内流路が構成され、前記案内流路は、少なくとも１つの前記流路入口または少なくとも１つの前記流路出口から離間する方向に向かうに連れて長尺になる。
【００１７】
従って、反応ガスが流れ難いエンボス部に案内流路を設けることにより、前記反応ガスの流動性を有効に向上させることができる。これにより、簡単な構成で、反応ガスを均一に分配することができ、燃料電池の発電性能の向上および流路の圧損の低減を図ることが可能になる。
【００１８】
さらにまた、冷却媒体流路が、複数本の流路溝と、流路入口および流路出口と前記流路溝とを連通し、かつ、電解質・電極接合体の積層方向の深さが前記流路溝の流路深さよりも浅く構成されるエンボス部と、前記流路溝とは個別に構成され、前記エンボス部と共にバッファ用空間部を形成する案内溝部とを備えている。そして、案内溝部は、少なくとも流路入口から流路溝に、または前記流路溝から流路出口に、前記バッファ用空間部に流入された前記冷却媒体を案内するとともに、前記エンボス部よりも積層方向の流路深さが深く構成される。さらに、前記流路溝は、少なくとも前記流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から前記流路出口に、前記冷却媒体を案内するために長さが段階的に異なる複数本の長尺となる案内流路が構成され、前記案内流路は、少なくとも１つの前記流路入口または少なくとも１つの前記流路出口から離間する方向に向かうに連れて長尺になる。
【００１９】
このため、冷却媒体が流れ難いエンボス部において、前記冷却媒体の流動性を有効に向上させることができ、燃料電池を良好に冷却して発電性能を向上させることが可能になる。
【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を組み込む燃料電池スタック１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の第１単位セル（燃料電池）１４と第２単位セル（燃料電池）１６とを矢印Ａ方向に交互に重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。第１および第２単位セル１４、１６は、矩形状を有しており、発電面が鉛直方向に向かうように立位姿勢に配置された状態で、水平方向に積層される。
【００２２】
第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンとから構成されている。
【００２３】
図１および図２に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、前記第１接合体１８のアノード側電極２６ａ側と第２接合体２０のカソード側電極２４ｂ側との間に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第３セパレータ３２が配設される。第１および第３セパレータ２８、３２の間には、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が介装される。第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２は、金属薄板で構成されている。
【００２４】
図１に示すように、第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス入口３６と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口３８と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与された空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）が排出される中間酸化剤ガス出口４０と、前記中間酸化剤ガス出口４０に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に前記酸化剤ガスを導入させる中間酸化剤ガス入口４２とが設けられる。
【００２５】
第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口４６と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与された燃料ガスが排出される中間燃料ガス出口４８と、前記中間燃料ガス出口４８に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に前記燃料ガスを導入させる第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂとが設けられる。
【００２６】
第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス出口５４、冷却媒体入口５６および燃料ガス出口５８が設けられる。
【００２７】
図１に示すように、第１セパレータ２８の中央部側には、矢印Ｃ方向（長辺方向）に沿って所定の長さだけ延在しかつ鉛直方向に並列する複数本の直線溝部（流路溝）６０ａが設けられるとともに、前記直線溝部６０ａの矢印Ｃ方向両端には、バッファ用空間部を構成するエンボス部６２ａが形成される。
【００２８】
直線溝部６０ａおよびエンボス部６２ａは、第１セパレータ２８の両面から交互に設けられており、図２および図３に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する面２８ａに酸化剤ガス流路６４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路６４の両端が流路入口である酸化剤ガス入口４６と流路出口である中間酸化剤ガス出口４０とに連通する。
【００２９】
図３に示すように、エンボス部６２ａには、酸化剤ガス入口４６から直線溝部６０ａに、および前記直線溝部６０ａから中間酸化剤ガス出口４０に、酸化剤ガスを案内する直線溝部（案内溝部）６６ａが形成される。この直線溝部６６ａは、直線溝部６０ａと交差する鉛直方向に延在するとともに、酸化剤ガスの流れ易さに応じて各溝長さが設定されている。
【００３０】
直線溝部６０ａの酸化剤ガス入口４６の一端側には、前記酸化剤ガス入口４６から離間する方向に向かって段階的に長尺となるとともに、前記直線溝部６０ａの中間酸化剤ガス出口４０の他端側には、前記中間酸化剤ガス出口４０から離間する方向に向かって段階的に長尺となり、酸化剤ガスを前記酸化剤ガス入口４６から前記直線溝部６０ａに、および前記直線溝部６０ａから前記中間酸化剤ガス出口４０に、案内するための複数本の案内流路６８ａが構成される。
【００３１】
第１セパレータ２８は、図２および図４に示すように、壁板３４の一方の面に対向する面２８ｂに直線溝部６０ａおよびエンボス部６２ａを介して冷却媒体流路７０を設ける。冷却媒体流路７０は、図１に示すように、一端が流体出口である冷却媒体出口３８に連通するとともに、他端側が壁板３４の端部を折り返して前記壁板３４の他方の面側から冷却媒体入口５６に連通する。
【００３２】
第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する面３０ｂに直線溝部（流路溝）６０ｂおよびエンボス部６２ｂを介して燃料ガス流路７２を設けるとともに、前記燃料ガス流路７２は、燃料ガス入口（流路入口）３６と、中間燃料ガス出口（流路出口）４８とに連通する（図５参照）。
【００３３】
エンボス部６２ｂには、燃料ガス入口３６から直線溝部６０ｂに、および前記直線溝部６０ｂから中間燃料ガス出口４８に、それぞれ燃料ガスを案内するための直線溝部（案内溝部）６６ｂが設けられる。直線溝部６０ｂの燃料ガス入口３６の一端側には、前記燃料ガス入口３６から離間する方向に向かって段階的に長尺になるとともに、前記直線溝部６０ａの中間燃料ガス出口４８の他端側には、前記中間燃料ガス出口４８から離間する方向に向かって段階的に長尺になる複数本の案内流路６８ｂが構成されている。
【００３４】
第２セパレータ３０は、図２および図６に示すように、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する面３０ａに酸化剤ガス流路７４を設ける。酸化剤ガス流路７４の一端は、中間酸化剤ガス入口（流路入口）４２を介して中間酸化剤ガス出口４０に連通するとともに、他端が酸化剤ガス出口（流路出口）５４に連通する。
【００３５】
エンボス部６２ｂには、中間酸化剤ガス入口４２から直線溝部６０ｂに、および前記直線溝部６０ｂから酸化剤ガス出口５４に、それぞれ酸化剤ガスを案内する直線溝部６６ｂが形成されるとともに、前記直線溝部６０ｂには、前記中間酸化剤ガス入口４２および前記酸化剤ガス出口５４から離間する方向に向かって段階的に長尺となる案内流路６８ｂが構成されている。
【００３６】
第３セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する面３２ｂに燃料ガス流路７６を設ける（図７参照）。この燃料ガス流路７６は、一端側を第１および第２中間燃料ガス入口（流路入口）５０ａ、５０ｂを介して中間燃料ガス出口４８に連通する一方、他端側を燃料ガス出口（流路出口）５８に連通する。
【００３７】
エンボス部６２ｃには、第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂから直線溝部（流路溝）６０ｃに、および前記直線溝部６０ｃから燃料ガス出口５８に、それぞれ燃料ガスを案内する直線溝部（案内溝部）６６ｃが形成される。直線溝部６０ｃの第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂの一端側には、少なくとも第１中間燃料ガス入口５０ａおよび冷却媒体入口５６から離間する方向に向かって段階的に長尺となるとともに、前記直線溝部６０ｃの燃料ガス出口５８の他端側には、前記燃料ガス出口５８から離間する方向に向かって段階的に長尺となる複数本の案内流路６８ｃが構成されている。
【００３８】
第３セパレータ３２は、壁板３４に対向する面３２ａに冷却媒体流路７８を設ける。図８に示すように、この冷却媒体流路７８は、一端を冷却媒体入口（流路入口）５６に連通するとともに、他端を壁板３４で折り返して冷却媒体流路７０に連通する。
【００３９】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
燃料電池スタック１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の第１および第２単位セル１４、１６に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００４１】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口４６に供給された酸化剤ガスは、図３および図８に示すように、第１セパレータ２８に設けられている酸化剤ガス流路６４に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口３６に供給された燃料ガスは、図５および図８に示すように、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路７２に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４２】
第１接合体１８に一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６４から中間酸化剤ガス出口４０に導入され、この中間酸化剤ガス出口４０に沿って矢印Ａ方向に移動する。この酸化剤ガスは、図６および図８に示すように、中間酸化剤ガス入口４２から第２セパレータ３０に設けられている酸化剤ガス流路７４に導入された後、前記酸化剤ガス流路７４を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。
【００４３】
同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、図８に示すように、中間燃料ガス出口４８に導入されて矢印Ａ方向に移動する。この燃料ガスは、第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂを介して第３セパレータ３２に設けられている燃料ガス流路７６に導入される（図７参照）。
【００４４】
そして、燃料ガスは、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動するため、前記第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口５４に排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口５８に排出される。
【００４５】
一方、冷却媒体入口５６に供給された冷却媒体は、第１セパレータ２８に設けられている冷却媒体流路７０に沿って移動した後、壁板３４で折り返して第３セパレータ３２に設けられている冷却媒体流路７８に沿って移動し、冷却媒体出口３８に排出される。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、例えば、図３に示すように、第１セパレータ２８の面２８ａに設けられている酸化剤ガス流路６４が、複数本の直線溝部６０ａとエンボス部６２ａとを設けている。このエンボス部６２ａには、酸化剤ガスが流れ難い部分に対応して、複数本でかつ長さの異なる直線溝部６６ａが形成されている。
【００４７】
このため、酸化剤ガス入口４６からエンボス部６２ａに導入された酸化剤ガスは、直線溝部６６ａの案内作用下に直線溝部６０ａの入口および出口から遠い部分に円滑に流入する。さらに、酸化剤ガスは、この直線溝部６０ａからエンボス部６２ａに導入された後、直線溝部６６ａの案内作用下に中間酸化剤ガス出口４０に良好に排出される。
【００４８】
一方、直線溝部６０ａは、酸化剤ガス入口４６の一端側に、前記酸化剤ガス入口４６から離間する方向に向かって段階的に長尺であるとともに、前記直線溝部６０ａの中間酸化剤ガス出口４０の他端側に、前記中間酸化剤ガス出口４０から離間する方向に向かって段階的に長尺となる複数本の案内流路６８ａを設けている。このため、案内流路６８ａの入口および出口から遠い部分では酸化剤ガスが流れ易くなり、前記酸化剤ガスが直線溝部６０ａに対して均一に分配されることになる。
【００４９】
これにより、開口の小さな酸化剤ガス入口４６から酸化剤ガス流路６４に導入された酸化剤ガスは、この酸化剤ガス流路６４全体に沿って均一に、すなわち、発電面全体に対して均一に分配された後、開口の小さな中間酸化剤ガス出口４０から排出される。従って、燃料電池スタック１０全体の発電性能を有効に維持するとともに、必要以上に多くの量の酸化剤ガスを流す必要がなく、効率の低下を阻止し、かつ、流路の圧損を低減することが可能になるという効果が得られる。
【００５０】
図５に示すように、第２セパレータ３０の面３０ｂに形成されている燃料ガス流路７２では、同様にエンボス部６２ｂに直線溝部６６ｂが形成されるとともに、直線溝部６０ｂに案内流路６８ｂが構成されている。このため、燃料ガス入口３６からエンボス部６２ｂに導入された燃料ガスは、直線溝部６６ｂおよび案内流路６８ｂを介して複数の直線溝部６０ｂに均一、かつ、円滑に導入された後、案内流路６８ｂおよび直線溝部６６ｂを介して中間燃料ガス出口４８に円滑に排出される。
【００５１】
従って、燃料ガスは、燃料ガス流路７２全体に均一に分散して移動し、前記燃料ガスを発電面全面に対して不足することなく十分に供給することができる。これにより、燃料電池スタック１０の発電性能が向上するとともに、圧損を有効に減少させることが可能になる。
【００５２】
また、冷却媒体流路７０、７８においても同様に、冷却媒体入口５６から前記冷却媒体流路７８に均一に冷却媒体を供給することができるとともに、この冷却媒体を冷却媒体流路７０から冷却媒体出口３８に円滑に排出することが可能になる。このため、燃料電スタック１０の発電時の発熱を十分に冷却することができ、温度の上昇に伴う湿度の低下が有効に回避され、抵抗過電圧が増加することがない。しかも、発電面内の発電分布のばらつきや電解質膜２２ａ、２２ｂの温度上昇による耐久性の悪化を阻止し、効率的な冷却機能を営むことができるという利点がある。
【００５３】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタック１００の要部分解斜視図であり、図１０は、前記燃料電池スタック１００内の流れ説明図である。なお、図１に示す燃料電池スタック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。
【００５４】
燃料電池スタック１００は、図９に示すように、矢印Ａ方向に積層される複数の単位セル（燃料電池）１０２を備える。各単位セル１０２は、接合体１０４と、前記接合体１０４を挟持する第１および第２セパレータ１０６、１０８とを備える。
【００５５】
接合体１０４と第１および第２セパレータ１０６、１０８の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口４６、冷却媒体出口３８および燃料ガス出口５８が設けられる。接合体１０４と第１および第２セパレータ１０６、１０８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口３６、冷却媒体入口５６および酸化剤ガス出口５４が設けられる。
【００５６】
第１セパレータ１０６の接合体１０４側の面１０６ａには、酸化剤ガス流路１１０が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路１１０は、矢印Ｃ方向に沿って所定の長さだけ延在しかつ鉛直方向に並列する複数本の直線溝部（流路溝）１１２ａと、前記直線溝部１１２ａの矢印Ｃ方向両端に設けられ、バッファ用空間部を構成するエンボス部１１４ａとを備える。
【００５７】
エンボス部１１４ａは、酸化剤ガス入口４６および酸化剤ガス出口５４を直線溝部１１２ａに連通する機能を有しており、前記エンボス部１１４ａには、鉛直方向に延在する複数本で、かつ、それぞれ所定の長さに設定された直線溝部（案内溝部）１１６ａが形成される。直線溝部１１２ａの酸化剤ガス入口４６の一端側には、前記酸化剤ガス入口４６から離間する方向に向かって段階的に長尺となるとともに、前記直線溝部１１２ａの酸化剤ガス出口５４の他端側には、前記酸化剤ガス出口５４から離間する方向に向かって段階的に長尺となる複数本の案内流路１１８ａを構成する。
【００５８】
図１１に示すように、第２セパレータ１０８の接合体１０４側の面１０８ａには、燃料ガス入口３６と燃料ガス出口５８とを連通する燃料ガス流路１２０が形成される。この燃料ガス流路１２０は、水平方向に延在する複数本の直線溝部（流路溝）１１２ｂと、前記直線溝部１１２ｂの両側で、かつ、燃料ガス入口３６および燃料ガス出口５８の近傍に設けられるエンボス部１１４ｂとを有する。
【００５９】
エンボス部１１４ｂには、燃料ガス入口３６から直線溝部１１２ｂに、前記直線溝部１１２ｂから燃料ガス出口５８に、それぞれ燃料ガスを案内する直線溝部（案内溝部）１１６ｂが形成され、前記直線溝部１１６ｂは、鉛直方向に延在し、かつ、水平方向に沿って長さが異なっている。直線溝部１１２ｂの燃料ガス入口３６の一端側には、前記燃料ガス入口３６から離間する方向に向かって段階的に長尺となるとともに、前記直線溝部６０ａの燃料ガス出口５８の他端側には、前記燃料ガス出口５８から離間する方向に向かって段階的に長尺になる複数本の案内流路１１８ｂを構成している。
【００６０】
単位セル１０２間には、第１および第２セパレータ１０６、１０８の間に対応して中間セパレータ１２２が介装されている（図９参照）。図１２に示すように、中間セパレータ１２２の第２セパレータ１０８側の面１２２ａには、冷却媒体入口５６と冷却媒体出口３８とに連通して冷却媒体流路１２４が形成される。この冷却媒体流路１２４は、水平方向に延在する複数本の直線溝部（流路溝）１１２ｃと、冷却媒体入口５６および冷却媒体出口３８の近傍に設けられるエンボス部１１４ｃとを有する。
【００６１】
エンボス部１１４ｃには、冷却媒体入口５６から直線溝部１１２ｃに、前記直線溝部１１２ｃから冷却媒体出口３８に、それぞれ冷却媒体を案内する直線溝部（案内溝部）１１６ｃが上下に設けられている。直線溝部１１２ｃの冷却媒体入口５６の一端側には、前記冷却媒体入口５６から離間する方向に向かって段階的に長尺となるとともに、前記直線溝部１１２ｃの冷却媒体出口３８の他端側には、前記冷却媒体出口３８から離間する方向に向かって段階的に長尺になる複数本の案内流路１１８ｃを構成している。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１００内に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が供給されると、図１０に示すように、この酸化剤ガスは、第１セパレータ１０６の酸化剤ガス流路１１０に導入され、接合体１０４を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガスは、第２セパレータ１０８の燃料ガス流路１２０に導入され、接合体１０４を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、各接合体１０４では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、図９に示すように、第１セパレータ１０６に設けられている酸化剤ガス流路１１０に、酸化剤ガス入口４６から酸化剤ガスが導入されると、前記酸化剤ガスは、エンボス部１１４ａに設けられた直線溝部１１６ａの案内作用下に、直線溝部１１２ａに円滑に導入されるとともに、案内流路１１８ａを介して前記直線溝部１１２ａに円滑に送られる。次いで、酸化剤ガスは、直線溝部１１６ａおよび案内流路１１８ａの作用下に、酸化剤ガス出口５４に円滑に排出される。
【００６４】
これにより、酸化剤ガス流路１１０全体にわたって酸化剤ガスが均一かつ確実に供給され、カソード側電極２４ａ全面に対し前記酸化剤ガスが均一にかつ反応に十分な量だけ供給される。従って、第２の実施形態では、燃料電池スタック１００の発電性能の低下を確実に阻止するとともに、圧損の低減を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、第２セパレータ１０８の燃料ガス流路１２０においても同様に、燃料ガスが円滑かつ十分に供給されるため、アノード側電極２６ａにおける燃料ガスの不足等を惹起することがなく、良好な発電機能を営むことが可能になる。
【００６６】
さらに、中間セパレータ１２２の冷却媒体流路１２４では、冷却媒体入口５６から導入された冷却媒体が、直線溝部１１６ｃおよび案内流路１１８ｃを介して直線溝部１１２ｃに沿って均一かつ良好に流動した後、冷却媒体出口３８に排出される。これにより、冷却媒体による冷却効率の低下が惹起されることがなく、効率的な発電機能を維持することができる。
【００６７】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１３０の一方の面の正面図である。このセパレータ１３０には、酸化剤ガス、燃料ガスまたは冷却媒体（以下、単に流体という）を流すための流路入口１３２と流路出口１３４とが貫通形成されるとともに、前記流路入口１３２と前記流路出口１３４とは、流体流路１３６を介して連通している。
【００６８】
この流体流路１３６は、水平方向に延在する複数本の直線溝部（流路溝）１３８と、流路入口１３２および流路出口１３４の近傍に設けられるエンボス部１４０とを備える。エンボス部１４０には、流路入口１３２から直線溝部１３８に、および直線溝部１３８から流路出口１３４に、それぞれ流体を案内するための複数本の直線溝部（案内溝部）１４２が鉛直方向に延在して設けられている。直線溝部１３８は、流路入口１３２および流路出口１３４から離間する方向に段階的に長尺となる複数本の案内流路１４４を構成している。
【００６９】
このように構成されるセパレータ１３０では、流路入口１３２から流体流路１３６に導入される流体が、この流体流路１３６全体にわたって均一かつ確実に流動した後、流路出口１３４から円滑に排出されることになる。
【００７０】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１５０の一方の面の正面図である。このセパレータ１５０の一端部側には、上下に流路入口１５２と流路出口１５４とが形成されるとともに、前記セパレータ１５０の面内には、前記流路入口１５２から前記流路出口１５４に至る折り返し流路１５６が形成される。
【００７１】
折り返し流路１５６は、水平方向から鉛直方向に、さらに水平方向に屈曲する複数本の流路溝１５８と、流路入口１５２および流路出口１５４の近傍に設けられるエンボス部１６０とを備える。エンボス部１６０には、流体の流れ難い部位に対応して複数本の溝部１６２が設けられており、この溝部１６２は、Ｌ字状に屈曲して構成されている。流路溝１５８は、中央から上下方向に向かって流路入口１５２および流路出口１５４に近接する方向に傾斜する案内流路１６４を構成している。
【００７２】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１７０の一方の面の正面説明図である。なお、図１４に示すセパレータ１５０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ａを付して、その詳細な説明は省略する。
【００７３】
このセパレータ１７０の下端側には、流路入口１５２ａと流路出口１５４ａとが互いに近接して配置されるとともに、前記流路出口１５４ａ側にのみ溝部１６２ａが設けられている。
【００７４】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１８０の一方の面の正面説明図である。なお、図１４に示すセパレータ１５０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
このセパレータ１８０では、流路入口１５２ｂと流路出口１５４ｂとが対角位置に配置されており、前記流路入口１５２ｂと前記流路出口１５４ｂとを連通する折り返し流路１５６ｂは、Ｓ字状の複数本の流路溝１５８ｂを備えている。
【００７６】
図１７は、本発明に関連する燃料電池を構成するセパレータ１９０の一方の面の正面説明図である。なお、図１４に示すセパレータ１５０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｃを付して、その詳細な説明は省略する。
【００７７】
このセパレータ１９０では、流路入口１５２ｃと流路出口１５４ｃとが対角位置に配置されており、折り返し流路１５６ｃを構成するエンボス部１６０ｃには、溝部が用いられていない。Ｓ字状に折り返す複数本の流路溝１５８ｃは、流路入口１５２ｃおよび流路出口１５４ｃに近接する端部側に、長さが段階的に異なる案内流路１６４ｃを構成している。
【００７８】
また、図１８に示すように、案内流路１６４ｃに代替して、鉛直方向に延在する溝部２００を設けたセパレータ２０２を用いることもできる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、バッファ用空間部を形成するエンボス部および案内溝部が設けられており、この案内溝部を介して流路入口から複数本の流路溝に、または前記流路溝から流路出口に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを円滑に供給することができる。これにより、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスを均一かつ十分に供給することができ、燃料電池の発電性能を有効に維持することができるとともに、圧損の増加を回避することが可能になる。
【００８０】
また、本発明では、複数本の流路溝が、流路入口から前記流路溝に、または前記流路溝から流路出口に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを案内するために長さが段階的に異なる複数本の案内流路を構成している。従って、燃料ガスまたは酸化剤ガスを円滑かつ確実に流すことができ、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの供給不良を惹起することがなく、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００８１】
さらにまた、本発明では、エンボス部および案内溝部が形成されるとともに、流路溝には複数本の案内流路が設定されている。このため、簡単な構成で、燃料ガスまたは酸化剤ガスをアノード側電極またはカソード側電極に均一かつ十分に供給することができ、所望の発電性能を確実に得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を組み込む燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】  前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図３】  前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図４】  前記第１セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図５】  前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】  前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】  前記燃料電池スタックを構成する第３セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図８】  前記燃料電池スタック内の流れ説明図である。
【図９】  本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図１０】  前記燃料電池スタック内の流れ説明図である。
【図１１】  前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１２】  前記燃料電池スタックを構成する中間セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１３】  本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１４】  本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一方の面の正面図である。
【図１５】  本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１６】  本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１７】  本発明に関連する燃料電池を構成するセパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１８】  図１７に示す案内流路に代替して、鉛直方向に延在する溝部を設けたセパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１９】  従来技術に係るガス通路板の正面説明図である。
【図２０】  流通溝とエンボス構造とを備えたセパレータの一部正面説明図である。
【図２１】  図２０中、前記セパレータのＸ−Ｘ線断面図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック      １４、１６、１０２…単位セル
１８、２０…接合体                  ２２ａ、２２ｂ…電解質膜
２４ａ、２４ｂ…カソード側電極      ２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８、３０、３２、１０６、１０８、１３０、１５０、１７０、１８０、１９０、２０２…セパレータ
３６…燃料ガス入口                  ３８…冷却媒体出口
４０…中間酸化剤ガス出口            ４２…中間酸化剤ガス入口
４６…酸化剤ガス入口                ４８…中間燃料ガス出口
５０ａ、５０ｂ…中間燃料ガス入口    ５４…酸化剤ガス出口
５６…冷却媒体入口                  ５８…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｃ、６６ａ〜６６ｃ、１１２ａ〜１１２ｃ、１１６ａ〜１１６ｃ、１３８、１４２…直線溝部
６２ａ〜６２ｃ、１１４ａ〜１１４ｃ、１４０、１６０、１６０ｃ…エンボス部
６４、７４、１１０…酸化剤ガス流路
６８ａ〜６８ｃ、１１８ａ〜１１８ｃ、１４４、１６４、１６４ｃ…案内流路
７０、７８、１２４…冷却媒体流路    ７２、７６、１２０…燃料ガス流路
１３２、１５２、１５２ａ〜１５２ｃ…流路入口
１３４、１５４、１５４ａ〜１５４ｃ…流路出口
１３６…流体流路                    １５６、１５６ｂ、１５６ｃ…折り返し流路
１５８、１５８ｂ、１５８ｃ…流路溝  １６２、１６２ａ…溝部
【図１】
0003866958.tif 000002
【図２】
0003866958.tif 000003
【図３】
0003866958.tif 000004
【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】
0003866958.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003866958.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003866958.tif 000014
【図１４】
0003866958.tif 000015
【図１５】
0003866958.tif 000016
【図１６】
0003866958.tif 000017
【図１７】
0003866958.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0003866958.tif 000020
【図２０】
0003866958.tif 000021
【図２１】
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