JP2009081061A

JP2009081061A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009081061A
Application number: JP2007249936A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Ishida; 堅太郎石田; Seiji Sugiura; 誠治杉浦; Tsutomu Iwazawa; 力岩澤; Eri Ishikawa; 江利石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】流体流路を構成する複数の分岐流路溝に流体を均一且つ確実に供給することができ、流量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】酸化剤ガス流路３２は、１つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口流路溝３４ａ〜３４ｄと、１つの酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口流路溝３６ａ〜３６ｄと、各入口流路溝３４ａ〜３４ｄからそれぞれ複数本に分岐されて第１セパレータ１６の面内を延在し、且つ各出口流路溝３６ａ〜３６ｄに合流される複数組の分岐流路溝３８ａ〜３８ｄとを有する。入口流路溝３４ｂ、３４ｃ及び出口流路溝３６ｂ、３６ｃには、それぞれ酸化剤ガスの流量を調整するための流量調整機構４０ａ、４０ｂが設けられる。
【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入口連通孔及び流体出口連通孔と、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入口連通孔及び流体出口連通孔、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１０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、流体流路を構成する複数の分岐流路溝に流体を均一且つ確実に供給することができ、流量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入口連通孔及び流体出口連通孔と、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。

流体流路は、１つの流体入口連通孔に連通する複数本の入口流路溝と、１つの流体出口連通孔に連通する複数本の出口流路溝と、各入口流路溝からそれぞれ複数本に分岐されて前記セパレータの面内を延在し、且つ各出口流路溝に合流される複数組の分岐流路溝とを有し、少なくとも前記入口流路溝又は前記出口流路溝には、流体の流量を調整するための流量調整機構が設けられている。

また、流量調整機構は、少なくとも１本の入口流路溝の途上又は少なくとも１本の出口流路溝の途上に設けられる絞り部を備えることが好ましい。

さらに、流量調整機構は、少なくとも１本の入口流路溝又は少なくとも１本の出口流路溝の開口断面積を、他の入口流路溝又は他の出口流路溝の開口断面積よりも小さく設定して構成されることが好ましい。

さらにまた、流量調整機構は、少なくとも１本の入口流路溝又は少なくとも１本の出口流路溝を、第１流路部と第１流路部よりも開口断面積が小さな第２流路部とに分割するとともに、前記第１流路部の流路長と前記第２流路部の流路長との割合を設定して構成されることが好ましい。

また、分岐流路溝は、溝本数の多い多数側分岐流路溝と、溝本数の少ない少数側分岐流路溝とを有し、前記多数側分岐流路溝に流量調整機構が設けられることが好ましい。

本発明によれば、１つの流体入口連通孔から複数本の入口流路溝に導入された流体は、各入口流路溝に連通する複数本の分岐流路溝に分流してセパレータの面内を流れた後、出口流路溝に合流して１つの流体出口連通孔に排出されている。

その際、少なくとも入口流溝又は出口流路溝では、流体の流量が調整されるため、複数組の分岐流路溝に流通する前記流体の流量を均一化させることができる。これにより、流体流路内で流速のばらつきが惹起されることがなく、湿度の変化や圧力損失の変化を阻止して効率的且つ良好な発電性能を維持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（流体入口連通孔）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（流体出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

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（流体出口連通孔）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（流体出口連通孔）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は、図３に示すように、１つの酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する複数本、例えば、４本の入口流路溝３４ａ〜３４ｄと、１つの酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する複数本、例えば、４本の出口流路溝３６ａ〜３６ｄとを有する。

入口流路溝３４ａから複数本、例えば、３本の分岐流路溝３８ａに分岐されるとともに、３本の前記分岐流路溝３８ａは、第１セパレータ１６の面内を矢印Ｂ方向に延在して出口流路溝３６ａに合流する。入口流路溝３４ｂ、３４ｃからそれぞれ複数本、例えば、５本の分岐流路溝３８ｂ、３８ｃが分岐されており、それぞれ５本の前記分岐流路溝３８ｂ、３８ｃは、矢印Ｂ方向に延在して各出口流路溝３６ｂ、３６ｃに合流する。

同様に、入口流路溝３４ｄから複数本、例えば、３本の分岐流路溝３８ｄが分岐され、３本の前記分岐流路溝３８ｄは、矢印Ｂ方向に延在した後、出口流路溝３６ｄに合流する。

入口流路溝３４ａ〜３４ｄの中、溝本数の多い多数側分岐流路溝３８ｂ、３８ｃに連通する前記入口流路溝３４ｂ、３４ｃには、酸化剤ガスの流量を調整するための流量調整機構４０ａが設けられる。出口流路溝３６ａ〜３６ｄの中、多数側分岐流路溝３８ｂ、３８ｃに連通する前記出口流路溝３６ｂ、３６ｃには、酸化剤ガスの流量を調整するための流量調整機構４０ｂが設けられる。

流量調整機構４０ａは、入口流路溝３４ｂ、３４ｃの一部に流路幅を狭めて構成される絞り部４２ａを備える。流量調整機構４０ｂは、同様に、出口流路溝３６ｂ、３６ｃの一部を幅狭に構成される絞り部４２ｂを備える。

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）４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、１つの燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する複数本、例えば、４本の入口流路溝４６ａ〜４６ｄと、１つの燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する複数本、例えば、４本の出口流路溝４８ａ〜４８ｄとを有する。

入口流路溝４６ａと出口流路溝４８ａとには、複数本、例えば、３本の分岐流路溝５０ａが連通し、入口流路溝４６ｂと出口流路溝４８ｂとには、複数本、例えば、５本の分岐流路溝５０ｂが連通する。入口流路溝４６ｃと出口流路溝４８ｃとには、複数本、例えば、５本の分岐流路溝５０ｃが連通し、入口流路溝４６ｄと出口流路溝４８ｄとには、複数本、例えば、３本の分岐流路溝５０ｄが連通する。

分岐流路溝５０ａ〜５０ｄは、矢印Ｂ方向に延在して第２セパレータ１８の面内に延在する。溝本数の多い多数側分岐流路溝５０ｂ、５０ｃに連通する入口流路溝４６ｂ、４６ｃには、流量調整機構５２ａが設けられるとともに、多数側分岐流路溝５０ｂ、５０ｃに連通する出口流路溝４８ｂ、４８ｃには、流量調整機構５２ｂが設けられる。流量調整機構５２ａは、入口流路溝４６ｂ、４６ｃの一部に設けられる絞り部５４ａを備える一方、流量調整機構５２ｂは、出口流路溝４８ｂ、４８ｃの一部に設けられる絞り部５４ｂを備える。

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）５６が設けられる。冷却媒体流路５６は、１つの冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する複数本、例えば、４本の入口流路溝５８ａ〜５８ｄと、１つの冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する複数本、例えば、４本の出口流路溝６０ａ〜６０ｄとを有する。入口流路溝５８ａ〜５８ｄと出口流路溝６０ａ〜６０ｄとは、それぞれ複数本の分岐流路溝６２ａ〜６２ｄに連通する。

分岐流路溝６２ａ、６２ｄは、例えば、３本に設定される一方、分岐流路溝６２ｂ、６２ｃは、例えば、５本に設定される。溝本数の多い多数側分岐流路溝６２ｂ、６２ｃに連通する入口流路溝５８ｂ、５８ｃには、流量調整機構６４ａを構成する絞り部６６ａが設けられるとともに、多数側分岐流路溝６２ｂ、６２ｃに連通する出口流路溝６０ｂ、６０ｃには、流量調整機構６４ｂを構成する絞り部６６ｂが設けられる。

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５６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７０が設けられる。この第１シール部材７０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５６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７２が設けられる。この第２シール部材７２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４４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５６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の入口流路溝３４ａ〜３４ｄに導入される。酸化剤ガスは、入口流路溝３４ａ〜３４ｄに沿って移動した後、前記入口流路溝３４ａ〜３４ｄに連通する複数組の分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに分配供給される。さらに、酸化剤ガスは、各分岐流路溝３８ａ〜３８ｄ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の入口流路溝４６ａ〜４６ｄに導入される。燃料ガスは、入口流路溝４６ａ〜４６ｄに沿って移動した後、前記入口流路溝４６ａ〜４６ｄに連通する複数組の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに分配供給される。さらに、燃料ガスは、分岐流路溝５０ａ〜５０ｄ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。

各分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに沿って流動する酸化剤ガスは、図３に示すように、出口流路溝３６ａ〜３６ｄに合流した後、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。また、各分岐流路溝５０ａ〜５０ｄに沿って流動する燃料ガスは、図４に示すように、出口流路溝４８ａ〜４８ｄに合流した後、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冷却媒体流路５６に導入される。冷却媒体は、先ず、冷却媒体流路５６を構成する入口流路溝５８ａ〜５８ｄに沿って移動した後、前記入口流路溝５８ａ〜５８ｄに連通する複数組の分岐流路溝６２ａ〜６２ｄに分配供給される。冷却媒体は、各分岐流路溝６２ａ〜６２ｄ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、前記分岐流路溝６２ａ〜６２ｄに連通する出口流路溝６０ａ〜６０ｄに合流して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に入口流路溝３４ａ〜３４ｄの一端が連通するとともに、前記入口流路溝３４ａ〜３４ｄの他端部には、それぞれ所定本数の分岐流路溝３８ａ〜３８ｄが連通している。分岐流路溝３８ａ〜３８ｄは、矢印Ｂ方向に延在した後、それぞれ所定本数ずつ出口流路溝３６ａ〜３６ｄに合流するとともに、前記出口流路溝３６ａ〜３６ｄは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通している。

そして、入口流路溝３４ｂ、３４ｃには、流量調整機構４０ａを構成する絞り部４２ａが設けられる一方、出口流路溝３６ｂ、３６ｃには、流量調整機構４０ｂを構成する絞り部４２ｂが設けられている。ここで、入口流路溝３４ｂ、３４ｃと出口流路溝３６ｂ、３６ｃとに連通する分岐流路溝３８ｂ、３８ｃの流路本数（例えば、５本）は、入口流路溝３４ａ、３４ｄと出口流路溝３６ａ、３６ｄとに連通する分岐流路溝３８ａ、３８ｄの流路溝本数（例えば、３本）よりも多数に設定されている。このため、酸化剤ガスは、分岐流路溝３８ａ、３８ｄよりも分岐流路溝３８ｂ、３８ｃに流れ易くなっている。

従って、入口流路溝３４ｂ、３４ｃと出口流路溝３６ｂ、３６ｃとに絞り部４２ａ、４２ｂを設けることにより、圧損を付与することができ、前記分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに流通する酸化剤ガスの流量を均一化させることが可能になる。これにより、酸化剤ガス流路３２内で、酸化剤ガスの流速がばらつくことがなく、湿度の変化や圧力損失の変化を阻止し、効率的且つ良好な発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、２つの流量調整機構４０ａ、４０ｂを備えているが、少なくともいずれか一方のみを用いてもよい。さらに、入口流路溝３４ａ、３４ｂの端部を、及び入口流路溝３４ｃ、３４ｄの端部を、それぞれ１本に合流させて酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連結してもよい。同様に、出口流路溝３６ａ、３６ｂの端部を、及び出口流路溝３６ｃ、３６ｄの端部を、それぞれ１本に合流させて酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連結してもよい。一方、燃料ガス流路４４及び冷却媒体流路５６においても同様である。さらにまた、以下に説明する第２及び第３の実施形態においても、同様に構成することができる。

また、図４に示すように、燃料ガス流路４４は、上記の酸化剤ガス流路３２と同様に、複数組の分岐流路溝５０ａ〜５０ｄを備えるとともに、入口流路溝４６ｂ、４６ｃに流量調整機構５２ａが設けられる一方、出口流路溝４８ｂ、４８ｃに流量調整機構５２ｂが設けられている。

このため、それぞれ流路溝本数の異なる分岐流路溝５０ａ、５０ｄ及び５０ｂ、５０ｃに対して、燃料ガスを均一の流量で流通させることができ、効率的且つ良好な発電性能を維持することが可能になるという利点がある。

さらにまた、図５に示すように、冷却媒体流路５６は、入口流路溝５８ａ〜５８ｄと出口流路溝６０ａ〜６０ｄとを有するとともに、前記入口流路溝５８ａ〜５８ｄと前記出口流路溝６０ａ〜６０ｄとは、それぞれ複数本の分岐流路溝６２ａ〜６２ｄに連通している。

その際、分岐流路溝６２ｂ、６２ｃの流路本数（例えば、５本）は、分岐流路溝６２ａ、６２ｄの流路溝本数（例えば、３本）よりも多く設定されるとともに、入口流路溝５８ｂ、５８ｃ及び出口流路溝６０ｂ、６０ｃには、流量調整機構６４ａ、６４ｂが設けられている。従って、冷却媒体は、流量調整機構６４ａ、６４ｂで圧損が付与されるため、それぞれ流路溝本数の異なる分岐流路溝６２ｂ、６２ｃと６２ａ、６２ｄとに対して、均一の流量で流通することができる。

これにより、冷却媒体流路５６全域にわたって冷却媒体の流量が均一化され、カソード側電極２８及びアノード側電極３０の電極面全面を均一且つ良好に冷却することができ、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０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、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、この詳細な説明は省略する。

燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１４が第１セパレータ８２と第２セパレータ８４とに挟持される。図７に示すように、第１セパレータ８２の面１６ａには、酸化剤ガス流路（流体流路）８６が設けられる。

酸化剤ガス流路８６は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する複数本、例えば、４本の入口流路溝８８ａ〜８８ｄと、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する複数本、例えば、４本の出口流路溝９０ａ〜９０ｄとを有する。入口流路溝８８ａ〜８８ｄと出口流路溝９０ａ〜９０ｄとは、それぞれ複数本の分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに連通する。

入口流路溝８８ｂ、８８ｃには、流量調整機構９２ａが設けられ、この流量調整機構９２ａは、入口流路溝８８ｂ、８８ｃの開口断面積を入口流路溝８８ａ、８８ｄの開口断面積よりも小さく設定して構成される。出口流路溝９０ｂ、９０ｃには、流量調整機構９２ｂが設けられ、この流量調整機構９２ｂは、前記出口流路溝９０ｂ、９０ｃの開口断面積を出口流路溝９０ａ、９０ｄの開口断面積よりも小さく設定して構成される。

入口流路溝８８ｂ、８８ｃは、入口流路溝８８ａ、８８ｄと同一の深さを有し、且つ幅狭に設定される。出口流路溝９０ｂ、９０ｃは、同様に、出口流路溝９０ａ、９０ｄと同一の深さを有し、且つ幅狭に設定される。

第２セパレータ８４の面１８ａには、燃料ガス流路９４が設けられており、この燃料ガス流路９４は、上記の酸化剤ガス流路８６と同様に構成される。第２セパレータ８４の面１８ｂには、冷却媒体流路９６が形成される。

冷却媒体流路９６は、図８に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口流路溝９８ａ〜９８ｄと、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口流路溝１００ａ〜１００ｄとを有し、前記入口流路溝９８ａ〜９８ｄと前記出口流路溝１００ａ〜１００ｄとは、それぞれ所定本数の分岐流路溝６２ａ〜６２ｄに連通する。

入口流路溝９８ｂ、９８ｃは、入口流路溝９８ａ、９８ｄよりも小さな開口断面積に設定されて流量調整機構１０２ａを構成する。出口流路溝１００ｂ、１００ｃは、出口流路溝１００ａ、１００ｄよりも小さな開口断面積（幅寸法）に設定されて流量調整機構１０２ｂを構成する。

このように構成される第２の実施形態では、図７に示すように、酸化剤ガス流路８６を構成する入口流路溝８８ｂ、８８ｃは、入口流路溝８８ａ、８８ｄよりも小さな開口断面積に設定されるとともに、出口流路溝９０ｂ、９０ｃは、出口流路溝９０ａ、９０ｄよりも小さな開口断面積に設定されている。従って、流路本数が多い分岐流路溝３８ｂ、３８ｃと流路本数の少ない分岐流路溝３８ａ、３８ｄとを流通する酸化剤ガスは、流量が均一化され、酸化剤ガス流路８６全体に均一に流通することができる。

同様に、図８に示すように、冷却媒体流路９６では、入口流路溝９８ｂ、９８ｃは、入口流路溝９８ａ、９８ｄよりも小さな開口断面積に設定されるとともに、出口流路溝１００ｂ、１００ｃは、出口流路溝１００ａ、１００ｄよりも小さな開口断面積に設定されている。このため、流路溝本数の多い分岐流路溝６２ｂ、６２ｃと流路溝本数の少ない分岐流路溝６２ａ、６２ｄとを通流する冷却媒体は、流量が均一化されて発電面全面を均一に冷却することが可能になる。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３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１１２が形成される。酸化剤ガス流路１１２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口流路溝１１４ａ〜１１４ｄと、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口流路溝１１６ａ〜１１６ｄとを有する。入口流路溝１１４ａ〜１１４ｄは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する第１流路部１１８ａ〜１１８ｄと、前記第１流路部１１８ａ〜１１８ｄよりも開口断面積が小さく、且つそれぞれ分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに連通する第２流路部１２０ａ〜１２０ｄとに分割構成される。

第１流路部１１８ａ〜１１８ｄの流路長と、第２流路部１２０ａ〜１２０ｄの流路長との割合が設定される。具体的には、第２流路部１２０ｂ、１２０ｃは、第２流路部１２０ａ、１２０ｄに比べて大きな割合（長尺）に構成される。なお、入口流路溝１１４ａ〜１１４ｄの中、少なくとも１つを分割構成してもよい。以下、同様である。

出口流路溝１１６ａ〜１１６ｄは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連なる第１流路部１２２ａ〜１２２ｄと、前記第１流路部１２２ａ〜１２２ｄよりも開口断面積が小さく、且つそれぞれ分岐流路溝３８ａ〜３８ｄに連なる第２流路部１２４ａ〜１２４ｄとに分割構成される。第１流路部１２２ａ〜１２２ｄの流路長と、第２流路部１２４ａ〜１２４ｄとの流路長との割合が設定されており、前記第２流路部１２４ｂ、１２４ｃは、前記第２流路部１２４ａ、１２４ｄよりも長尺に構成される。

なお、図示していないが、燃料ガス流路及び冷却媒体流路は、上記の酸化剤ガス流路１１２と同様に構成される。

このように構成される第３の実施形態では、入口流路溝１１４ａ〜１１４ｄは、第１流路部１１８ａ〜１１８ｄと、前記第１流路部１１８ａ〜１１８ｄよりも開口断面積が小さい第２流路部１２０ａ〜１２０ｄとに分割されるとともに、それぞれの流路長の割合が設定されている。

同様に、出口流路溝１１６ａ〜１１６ｄは、第１流路部１２２ａ〜１２２ｄと、前記第１流路部１２２ａ〜１２２ｄよりも開口断面積が小さい第２流路部１２４ａ〜１２４ｄとに分割されるとともに、それぞれの流路長の割合が設定されている。従って、それぞれの分岐流路溝３８ａ〜３８ｄを通流する酸化剤ガスの流量を均一化することができ、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。

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。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セパレータの正面説明図である。本発明の第３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、８０…燃料電池１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、８２、８４、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、８６、１１２…酸化剤ガス流路
３４ａ〜３４ｄ、４６ａ〜４６ｄ、５８ａ〜５８ｄ、８８ａ〜８８ｄ、９８ａ〜９８ｄ、１１４ａ〜１１４ｄ…入口流路溝
３６ａ〜３６ｄ、４８ａ〜４８ｄ、６０ａ〜６０ｄ、９０ａ〜９０ｄ、１００ａ〜１００ｄ、１１６ａ〜１１６ｄ…出口流路溝
３８ａ〜３８ｄ、５０ａ〜５０ｄ、６２ａ〜６２ｄ…分岐流路溝
４０ａ、４０ｂ、５２ａ、５２ｂ、６４ａ、６４ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…流量調整機構
４２ａ、４２ｂ、５４ａ、５４ｂ、６６ａ、６６ｂ…絞り部
４４、９４…燃料ガス流路５６、９６…冷却媒体流路
１１８ａ〜１１８ｄ、１２０ａ〜１２０ｄ、１２２ａ〜１２２ｄ、１２４ａ〜１２４ｄ…流路部

Claims

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入口連通孔及び流体出口連通孔と、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、１つの前記流体入口連通孔に連通する複数本の入口流路溝と、
１つの前記流体出口連通孔に連通する複数本の出口流路溝と、
各入口流路溝からそれぞれ複数本に分岐されて前記セパレータの面内を延在し、且つ各出口流路溝に合流される複数組の分岐流路溝と、
を有し、
少なくとも前記入口流路溝又は前記出口流路溝には、前記流体の流量を調整するための流量調整機構が設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記流量調整機構は、少なくとも１本の前記入口流路溝の途上又は少なくとも１本の前記出口流路溝の途上に設けられる絞り部を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記流量調整機構は、少なくとも１本の前記入口流路溝又は少なくとも１本の前記出口流路溝の開口断面積を、他の前記入口流路溝又は他の前記出口流路溝の開口断面積よりも小さく設定して構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記流量調整機構は、少なくとも１本の前記入口流路溝又は少なくとも１本の前記出口流路溝を、第１流路部と前記第１流路部よりも開口断面積が小さな第２流路部とに分割するとともに、前記第１流路部の流路長と前記第２流路部の流路長との割合を設定して構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記分岐流路溝は、溝本数の多い多数側分岐流路溝と、
溝本数の少ない少数側分岐流路溝と、
を有し、前記多数側分岐流路溝に前記流量調整機構が設けられることを特徴とする燃料電池。