JP2009059685A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】流体連通孔から流体流路を構成する複数の流路溝に、流体を均一且つ確実に供給することができ、流体分配の均一性を向上させるとともに、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】第１セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２が形成される。酸化剤ガス流路３２は、複数の流路溝３４を有し、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと所定数の前記流路溝３４とは、連結流路３６により直接連通している。連結流路３６は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位３６ａと、前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位３６ｂと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第３部位３６ｃとを備える。第１部位３６ａ、第２部位３６ｂ及び第３部位３６ｃ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から酸化剤ガス流路３２に円滑に連通している。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、セパレータに挟持されるとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す流体連通孔と、セパレータ面方向に沿って前記流体を流す流体流路とを有する燃料電池に関する。

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。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路（流体流路）がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体連通孔、具体的には、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が、前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図２２に示すように、本体部１及びスペーサ２を備えており、積層方向に貫通して第１貫通孔３ａ、３ｂ、第２貫通孔４ａ、４ｂ及び第３貫通孔５ａ、５ｂが上下に設けられている。第１貫通孔３ａ、３ｂは、案内空間６ａ、６ｂに連通するとともに、この案内空間６ａ、６ｂに突出してフィン状の案内部７ａ、７ｂが設けられている。

案内空間６ａ、６ｂの間には、反応部（空間）８が矢印方向の流れ方向を有して形成されている。第１貫通孔３ａから案内空間６ａに導入された、例えば、水素ガスは、この案内空間６ａに突出する案内部７ａに案内されて反応部８に供給されている。そして、この反応部８で反応に供された水素ガスは、案内部７ｂの案内作用下に案内空間６ｂを移動して、第１貫通孔３ｂに排出されている。

特開平１１−２８３６３７号公報

上記の特許文献１では、第１貫通孔３ａ、３ｂと反応部８との間に、バッファ部としての案内空間６ａ、６ｂが設けられている。このため、案内空間６ａ、６ｂに案内部７ａ、７ｂが設けられていても、第１貫通孔３ａから導入される水素ガスを、反応部８の幅方向全域に対して均一に供給することは困難である。従って、反応部８内の流量分布にばらつきが生じ易く、ガス分配が不均一になって発電反応の低下や、燃料利用率の低下等が惹起するという問題がある。さらに、バッファ部を廃止して複数本の流路溝を直接連通孔に接続する構造も考えられるが、複数本の流路溝に分配されるガスが不均一になるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、流体連通孔から流体流路を構成する複数の流路溝に、流体を均一且つ確実に供給することができ、流体分配の均一性を向上させるとともに、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。

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、セパレータに挟持されるとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す流体連通孔と、セパレータ面方向に沿って前記流体を流す流体流路とを有する燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、流体流路は、複数の流路溝を有し、流体連通孔と所定数の流路溝とは、連結流路により直接連通している。そして、連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される拡張部位と、前記流体流れ方向に対して流路断面積が縮小される縮小部位とを備えている。

また、一定部位は、流体連通孔に連通する部位に設けられ、縮小部位は、所定数の流路溝に連通する部位に設けられるとともに、拡張部位は、前記一定部位と前記縮小部位との間を連通して設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、流体流路は、複数の流路溝を有し、流体連通孔と所定数の流路溝とは、連結流路により直接連通するとともに、前記連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される拡張部位とを備えている。

さらにまた、一定部位は、流体連通孔に連通する部位に設けられ、拡張部位は、所定数の流路溝に連通する部位に設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、流体流路は、複数の流路溝を有し、流体連通孔と所定数の前記流路溝とは、連結流路により直接連通するとともに、前記連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、前記流体流れ方向に対して流路断面積が縮小される縮小部位とを備えている。

さらに、一定部位は、流体連通孔に連通する部位に設けられ、縮小部位は、所定数の流路溝に連通する部位に設けられることが好ましい。

さらにまた、流体連通孔には、複数の連結流路が、直接、連通することが好ましい。

本発明によれば、流体連通孔から連結流路に導入された流体は、一定部位から拡張部位及び／又は縮小部位を介して流量や流れ方向が変化された後、流路溝に分配されている。このため、流体は、連結流路から所定数の流路溝に均一且つ良好に分配供給され、流体流路における流体分配の均一性が有効に向上するとともに、所望の発電性能、耐久性能及び燃料利用率を確保することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の断面説明図である。

燃料電池１０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、カーボンセパレータで構成されているが、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セパレータにより構成してもよい。

燃料電池１０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（流体連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）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（流体連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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（流体連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）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（流体連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

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。

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。

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（流体流路）３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２には、図３に示すように、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状の流路溝３４を有する。酸化剤ガス入口連通孔２０ａと所定数の流路溝３４とは、連結流路３６により直接連通する。

概略的に説明すると、例えば、１６本の流路溝３４の内、４本の前記流路溝３４の端部が連結流路３６に合流（連通）するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する４つの前記連結流路３６が、矢印Ｃ方向に配列される。酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと所定数（例えば、４本）の流路溝３４とは、同様に連結流路３６により直接連通する。

各連結流路３６は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）３６ａと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位（拡張部位）３６ｂと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第３部位（縮小部位）３６ｃとを備える。

具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側の各連結流路３６において、第１部位３６ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに直接連通する部位に設けられる一方、第３部位３６ｃは、所定数（例えば、４本）の流路溝３４に連通する部位に設けられるとともに、第２部位３６ｂは、前記第１部位３６ａと前記第３部位３６ｃとの間を滑らかに連通して設けられる。

酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ側の各連結流路３６は、同様に、前記酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに直接連通する第１部位３６ａと、所定数（例えば、４本）の流路溝３４に連通する部位に設けられる第３部位３６ｃと、前記第１部位３６ａと前記第３部位３６ｃとを滑らかに連通して設けられる第２部位３６ｂとを有する。

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、燃料ガス流路（流体流路）３８が設けられる。燃料ガス流路３８は、複数の流路溝４０を有し、燃料ガス入口連通孔２４ａと所定数（例えば、４本）の流路溝４０とは、連結流路４２により直接連通する。同様に、燃料ガス出口連通孔２４ｂと所定数（例えば、４本）の流路溝４０とは、連結流路４２により直接連通する。

連結流路４２は、燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位４２ａと、前記燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位４２ｂと、前記燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第３部位４２ｃとを備える。

燃料ガス入口連通孔２４ａ側の連結流路４２では、第１部位４２ａ、第２部位４２ｂ及び第３部位４２ｃが、前記燃料ガス入口連通孔２４ａから所定数の流路溝４０の入口側端部に向かって連続且つ円滑に連通している。燃料ガス出口連通孔２４ｂ側の連結流路４２は、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第１部位４２ａと、所定数の流路溝４０に連通する第３部位４２ｃと、前記第１部位４２ａと前記第３部位４２ｃとを連続して円滑に連通する第２部位４２ｂとを有する。

図１及び図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体流路（流体流路）４４が設けられる。冷却媒体流路４４は、複数の流路溝４６を有し、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと所定数の流路溝４６とは、連結流路４８により直接連通する。

連結流路４８は、冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位４８ａと、前記冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位４８ｂと、前記冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が縮小される第３部位４８ｃとを一体的に有する。

なお、第１セパレータ１６の面１６ｂは、平坦状であってもよく、あるいは、第２セパレータ１８の面１８ｂと同様に、冷却媒体流路４４が形成されていてもよい。

図１及び図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周縁部には、ガスケット等の第１シール部材５０が設けられる。この第１シール部材５０は、面１６ａ側で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、面１６ｂ側で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４４に連通する。

図１及び図４に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂの外周縁部には、ガスケット等の第２シール部材５２が設けられる。この第２シール部材５２は、面１８ａ側で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３８に連通する一方、面１８ｂ側で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４４に連通する。

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。

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。

このため、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１６の連結流路３６に導入される。酸化剤ガスは、連結流路３６に沿って移動した後、前記連結流路３６に連通する所定数の流路溝３４に分配供給される。酸化剤ガスは、各流路溝３４に沿って矢印Ｂ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。

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から第２セパレータ１８の連結流路４２に導入される。燃料ガスは、連結流路４２に沿って移動した後、前記連結流路４２に連通する所定数の流路溝４０に分配供給される。燃料ガスは、各流路溝４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、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。

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。

各流路溝３４に沿って流動する酸化剤ガスは、図３に示すように、連結流路３６を介して酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。また、各流路溝４０に沿って流動する燃料ガスは、図４に示すように、連結流路４２から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に形成された連結流路４８に導入される。冷却媒体は、連結流路４８に沿って移動した後、前記連結流路４８に連通する所定数の流路溝４６に供給される。冷却媒体は、各流路溝４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４の発電面を冷却した後、連結流路４８から冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと所定数の流路溝３４とが、連結流路３６により直接連通している。この連結流路３６は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位３６ａと、前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位３６ｂと、前記流体流れ方向に対して流路断面積が縮小される第３部位３６ｃとを備え、これらが連続して設けられている。

このため、連結流路３６を流れる酸化剤ガスは、各所定数の流路溝３４に分配される分配部である第３部位３６ｃに至る前に、第２部位３６ｂの拡張作用下に流体速度が低下する。流体速度が低下することによって動圧が小さくなり、第３部位３６ｃの外側の流路（図７中、３４ｃ、３４ｄ）への流量が減少し、その分だけ内側の流路（図７中、３４ａ、３４ｂ）への流量が増加する。

さらに、第３部位３６ｃでは、流路幅が縮小されることによって酸化剤ガスの流れ方向が変化し、前記第３部位３６ｃに連通する所定数の流路溝３４に、前記酸化剤ガスを均一に分配することが可能になる。これにより、連結流路３６から所定数の流路溝３４に対し、酸化剤ガスを均一且つ良好に分配することができ、酸化剤ガス流路３２全域における酸化剤ガス分配の均一性を向上させるとともに、所望の発電性能、耐久性能及び燃料利用率を確保することが可能になるという効果が得られる。

ここで、図６に示す通常の連結流路９を用いた場合と、図７に示す第１の実施形態に係る連結流路３６を用いた場合とにおいて、各流路溝３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄの分配流量を検出する流体シミュレーションの実験を行った。

この結果、図８に示すように、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される従来の連結流路９では、外方に位置する流路溝３４ｄの流量が著しく多くなる一方、最内方に位置する流路溝３４ａの流量が相当に少なくなり、流路溝３４ａ、３４ｄ間に大きな流量差が発生していた。

これに対して、第１の実施形態に係る連結流路３６を用いた場合には、各流路溝３４ａ〜３４ｄを流れるガス流量の流量差が大幅に減少された。従って、酸化剤ガス流路３２全体に対し、酸化剤ガスを均一に供給することができるという結果が得られた。

また、燃料ガス流路３８及び冷却媒体流路４４においても同様に、燃料ガス及び冷却媒体をセパレータ面全域にわたり、均一且つ確実に供給することが可能になる。これにより、燃料電池１０の発電性の向上、配給性の向上及び燃料利用率の向上を図ることができる。なお、図７に示すように、流路溝３４ａ〜３４ｄの入口側端部位置を決定するリブ３５ａ〜３５ｃの先端位置を変更することにより、前記流路溝３４ａ〜３４ｄに分配される酸化剤ガス流量を調整することが可能になる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の分解斜視説明図である。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、以下に示す第３〜第６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。

燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）６２を、第１セパレータ６４及び第２セパレータ６６により挟持して構成される。燃料電池６０の矢印Ｃ方向一端縁部（上端縁部）には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池６０の矢印Ｃ方向他端縁部（下端縁部）には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

図９及び図１０に示すように、第１セパレータ６４の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の流路溝３４が形成される。所定数の流路溝３４の両端には、連結流路３６を介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが連通する。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、同じ辺側に設けられる。

図１１に示すように、第２セパレータ６６の面１８ａには、燃料ガス流路３８が設けられる。燃料ガス流路３８を構成する複数の流路溝４０は、矢印Ｂ方向に互いに平行に延在するとともに、所定数の前記流路溝４０の両端は、連結流路４２を介して燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、同じ辺側に設けられる。

図９に示すように、第２セパレータ６６の面１８ｂには、冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝４６を有する。所定数の流路溝４６の矢印Ｃ方向両端は、連結流路４８を介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａを流動する酸化剤ガスは、第１セパレータ６４に形成されている連結流路３６に沿って鉛直下方向に流動した後、所定数の流路溝３４に分配されて水平方向（矢印Ｂ方向）に供給される。そして、流路溝３４から連結流路３６に導入された酸化剤ガスは、鉛直上方向に流動した後、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

従って、第２の実施形態では、連結流路３６を設けるとともに、この連結流路３６は、第１部位３６ａ、第２部位３６ｂ及び第３部位３６ｃを有しており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池７０の分解斜視説明図である。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１４を、第１セパレータ７２及び第２セパレータ７４により挟持して構成される。図１２及び図１３に示すように、第１セパレータ７２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３２を構成する複数の流路溝３４が形成される。所定数の流路溝３４の両端には、連結流路７６を介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが連通する。

連結流路７６は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）７６ａと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位（拡張部位）７６ｂとを備える。

酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側の各連結流路７６において、第１部位７６ａは、前記酸化剤ガス入口連通孔２０ａに直接連通する部位に設けられる一方、第２部位７６ｂは、所定数の流路溝３４に連通する部位に設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ側の各連結流路７６は、同様に、前記酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに直接連通する第１部位７６ａと、所定数の流路溝３４に連通する部位に設けられる第２部位７６ｂとを有する。

図１４に示すように、第２セパレータ７４の面１８ａには、燃料ガス流路３８を構成する複数の流路溝４０が設けられる。所定数の流路溝４０の両端には、連結流路７８を介して燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが連通する。

連結流路７８は、燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）７８ａと、前記燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位（拡張部位）７８ｂとを備える。連結流路７８は、上記の連結流路７６と同様に構成される。

図１５に示すように、第２セパレータ７４の面１８ｂには、冷却媒体流路４４を構成する複数の流路溝４６が設けられる。冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと所定数の流路溝４６とは、連結流路８０により直接連通する。

連結流路８０は、冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）８０ａと、前記冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位（拡張部位）８０ｂとを有する。

このように構成される第３の実施形態では、例えば、図１３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから各連結流路７６に導入された酸化剤ガスは、第１部位７６ａから流路断面積が拡張される第２部位７６ｂに供給されている。これにより、酸化剤ガスは、流体速度が低下し、各所定数の流路溝３４に均一且つ良好に分配される。従って、酸化剤ガス流路３２全域における酸化剤ガス分配の均一性を向上させることが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８４の正面説明図である。

第１セパレータ８４の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の流路溝３４が形成される。所定数の流路溝３４の両端には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する連結流路８６がそれぞれ所定数ずつ設けられる。

各連結流路８６には、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）８６ａと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が拡張される第２部位（拡張部位）８６ｂとを備える。なお、第４の実施形態では、図示していないが、燃料ガス流路及び冷却媒体流路においても、同様に構成される連結流路が設けられる。

この第４の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから各連結流路８６に導入された酸化剤ガスは、第１部位８６ａから流路断面積が拡張される第２部位８６ｂを介して所定数の流路溝３４に分配されている。このため、酸化剤ガス流路３２全域における酸化剤ガス分配の均一性を向上させることができる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１７は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池９０の分解斜視説明図である。

燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体１４が第１セパレータ９２と第２セパレータ９４とに挟持される。図１７及び図１８に示すように、第１セパレータ９２の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の流路溝３４が設けられる。所定数の流路溝３４の両側には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する連結流路９６が設けられる。

各連結流路９６は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）９６ａと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第２部位（縮小部位）９６ｂとを備える。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側の各連結流路９６において、第１部位９６ａは、前記酸化剤ガス入口連通孔２０ａに直接連通する部位に設けられる一方、第２部位９６ｂは、所定数の流路溝３４に連通する部位に設けられる。

図１９に示すように、第２セパレータ９４の面１８ａには、燃料ガス流路３８を構成する複数の流路溝４０が設けられる。所定数の流路溝４０の両側には、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する連結流路９８が設けられる。

連結流路９８は、燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）９８ａと、前記燃料ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第２部位（縮小部位）９８ｂとを備える。

図２０に示すように、第２セパレータ９４の面１８ｂには、冷却媒体流路４４を構成する複数の流路溝４６が設けられる。所定数の流路溝４６と冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、連結流路１００により直接連通する。

各連結流路１００は、冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）１００ａと、前記冷却媒体流れ方向に対して流路断面積が縮小される第２部位（縮小部位）１００ｂとを有する。

このように構成される第５の実施形態では、例えば、図１８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから各連結流路９６に導入された酸化剤ガスは、第１部位９６ａから流路断面積が縮小される第２部位９６ｂに供給される。このため、酸化剤ガスの流れ方向が変化し、第２部位９６ｂに連通する所定数の流路溝３４に酸化剤ガスを均一に分配することが可能になり、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図２１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１１０の正面説明図である。

第１セパレータ１１０の面１６ａには、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の流路溝３４が設けられる。所定数の流路溝３４と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結流路１１２を介して連通する。

各連結流路１１２は、酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される第１部位（一定部位）１１２ａと、前記酸化剤ガス流れ方向に対して流路断面積が縮小される第２部位（縮小部位）１１２ｂとを備える。なお、図示していないが、燃料ガス流路及び冷却媒体流路においても、上記の連結流路１１２と同様に構成される連結流路が設けられる。

この第６の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから各連結流路１１２に導入された酸化剤ガスは、第１部位１１２ａから流路断面積が縮小される第２部位１１２ｂに供給される際に、前記酸化剤ガスの流れ方向が変化する。このため、各連結流路１１２から所定数の流路溝３４に対して、酸化剤ガスを均一且つ良好に分配することができ、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの他方の面の説明図である。 流量検出に使用された一般的な連結流路の説明図である。 流量検出に使用された第１の実施形態に係る連結流路の説明図である。 流量検出結果の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの他方の面の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの他方の面の説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示される燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０、９０…燃料電池 １４、６２…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６４、６６、７２、７４、８４、９２、９４、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…酸化剤ガス流路 ３４、４０、４６…流路溝
３６、４２、４８、７６、７８、８０、８６、９６、９８、１００、１１２…連結流路
３６ａ〜３６ｃ、４２ａ〜４２ｃ、４８ａ〜４８ｃ、７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ、８６ａ、８６ｂ、９６ａ、９６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…部位
３８…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路

Claims (7)

1. 電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、セパレータに挟持されるとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す流体連通孔と、セパレータ面方向に沿って前記流体を流す流体流路とを有する燃料電池であって、
   前記流体流路は、複数の流路溝を有し、
   前記流体連通孔と所定数の前記流路溝とは、連結流路により直接連通するとともに、
   前記連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、
   前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される拡張部位と、
   前記流体流れ方向に対して流路断面積が縮小される縮小部位と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記一定部位は、前記流体連通孔に連通する部位に設けられ、
   前記縮小部位は、所定数の前記流路溝に連通する部位に設けられるとともに、
   前記拡張部位は、前記一定部位と前記縮小部位との間を連通して設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、セパレータに挟持されるとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す流体連通孔と、セパレータ面方向に沿って前記流体を流す流体流路とを有する燃料電池であって、
   前記流体流路は、複数の流路溝を有し、
   前記流体連通孔と所定数の前記流路溝とは、連結流路により直接連通するとともに、
   前記連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、
   前記流体流れ方向に対して流路断面積が拡張される拡張部位と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記一定部位は、前記流体連通孔に連通する部位に設けられ、
   前記拡張部位は、所定数の前記流路溝に連通する部位に設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、セパレータに挟持されるとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す流体連通孔と、セパレータ面方向に沿って前記流体を流す流体流路とを有する燃料電池であって、
   前記流体流路は、複数の流路溝を有し、
   前記流体連通孔と所定数の前記流路溝とは、連結流路により直接連通するとともに、
   前記連結流路は、流体流れ方向に対して流路断面積が一定に設定される一定部位と、
   前記流体流れ方向に対して流路断面積が縮小される縮小部位と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記一定部位は、前記流体連通孔に連通する部位に設けられ、
   前記縮小部位は、所定数の前記流路溝に連通する部位に設けられることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流体連通孔には、複数の前記連結流路が、直接、連通することを特徴とする燃料電池。

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