JP2014175237A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下環境で始動させる場合に、ガスの流路が完全に閉塞されるのを防止する。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されている。そして、セパレータに；当該セパレータの表面に交差する方向に反応ガスを流して、反応ガスの排出を行う排出マニホールドと；反応ガス流路と排出マニホールドとの間に位置し、反応ガス流路から排出された反応ガスを排出マニホールドに流す出口側接続流路と；が設けられている。さらに、出口側接続流路は；第１の流路幅ａを有する幅広流路４７０Ｗと；第１の流路幅よりも狭い第２の流路幅ｂを有する幅狭流路４７０Ｎと；第１の流路幅以下であり、かつ、第２の流路幅以上である流路幅ｃを有し、幅広流路と幅狭流路との間を連結する連結流路（隙間４８２）と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成された構造を有している。セパレータの外縁部には、積層方向に反応ガスを流すマニホールドが形成されており、反応ガス流路とマニホールドの間は接続流路によって接続されている。

従来、特許文献１によれば、排出側のマニホールドと反応ガス流路とを接続する出口バッファ部、すなわち出口側接続流路に複数の突起部を設けた構成が提案されている。複数の突起部は燃料電池の生成水の集合を防ぐためのもので、この構成によれば、燃料電池の排水性を向上することができる。

特開２００６−２７８２４７

燃料電池を氷点下環境で始動させる場合、燃料電池の生成水が、出口側接続流路において凍結することがある。特許文献１に記載された燃料電池でも、生成水が出口側接続路に均一に侵入した場合、突起部によって形作られる全流路が凍結し、出口側接続流路が完全に閉塞する虞があった。

また、膜電極接合体とセパレータとを含む単セルを複数積層する際に、ガスケットによってシールがなされるが、前記突起部によるシールラインへの面圧についての配慮がなされていないために、シールが不完全となることがあった。そのほか、冷間時の始動性、低コスト化、省資源化、高品質化、製造の容易化等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されている。そして、前記セパレータに；当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと；前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と；が設けられている。さらに、前記出口側接続流路は；第１の流路幅を有する幅広流路と；前記第１の流路幅よりも狭い第２の流路幅を有する幅狭流路と；前記第１の流路幅以下であり、かつ、前記第２の流路幅以上である流路幅を有し、前記幅広流路と前記幅狭流路との間を連結する連結流路と、を含む。

この形態の燃料電池によれば、幅広流路から連結流路、幅狭流路へと、毛細管現象によって生成水が誘導される。このために、連結流路および幅狭流路は生成水の滞留部となって、幅広流路には生成水が残存することがない。したがって、氷点下始動時において、少なくとも幅広流路は凍結による閉塞を免れることができる。この結果、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞することがなく、発電を継続させることができる。

（２）前記形態の燃料電池において、前記セパレータに、前記幅広流路と前記幅狭流路とを形作る複数種類の凸状部が設けられ；前記複数種類の凸状部のうちの一種類は、前記反応ガスの流れ方向に沿って連続した長尺凸状部であり；前記複数種類の凸状部のうちの他の一種類は、前記反応ガスの流れ方向の長さが前記長尺突状部材よりも短い凸状部であって、前記反応ガスの流れ方向に沿って間隙を空けて複数並ぶことで、前記連結流路を形作る短尺凸状部である構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、幅広流路、幅狭流路、および連結流路の作成が容易であり、しかも、反応ガスが流れ易い。

（３）前記形態の燃料電池において、前記長尺凸状部は、長手方向の一端が前記排出マニホールドの縁を越える構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、長尺凸状部によって、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができることから、凍結による閉塞をより免れることができる。

（４）前記形態の燃料電池において、前記長尺凸状部は、長手方向の他端が前記膜電極接合体の占める領域に達する構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、凍結による閉塞をより免れることができる。

（５）前記形態の燃料電池において、前記セパレータに当接されることで前記反応ガスまたは冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するシール部材を備え、前記セパレータの厚さ方向からの平面視において、前記連結流路は、前記シールラインと重ならないように配置される構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、積層時におけるシール面圧を確実に確保することができる。

（６）前記形態の燃料電池において、前記短尺凸状部は、前記反応ガスの流れ方向の長さを縦幅とし、前記流れ方向に垂直な方向の長さを横幅としたときに、前記横幅に対する縦幅の比が１．０５から５．０までの範囲内である構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、短尺凸状部の大きさを適切とすることができ、さらに、シールラインによるシール面圧の確保がより容易となる。

本発明の他の形態によれば、他の燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されている。そして、前記セパレータに；当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと；前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と；が設けられ、前記出口側接続流路は；第１の流路幅を有する幅広流路と；前記第１の流路幅よりも狭い第２の流路幅を有する幅狭流路と、を含む。この構成の燃料電池によれば、幅狭流路は幅広流路よりも狭いことから、閉塞し易いが、幅広流路は閉塞し難い。このために、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞する虞が少ない。

本発明は、前記形態の燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、前記形態の燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。

燃料電池内部の単セルを分解して示す説明図である。 図１に示した単セルの組み立て状態時におけるＡ−Ａ線矢視端面図である。 カソードオフガス排出用のマニホールドを構成する貫通孔周辺の積層方向からの平面視を示す説明図である。 生成水の誘導の様子を詳細に示す説明図である。 第２実施形態における第２のセパレータに形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。 第３実施形態における第２のセパレータに形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。 ピッチと凸状部の高さとの関係を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、燃料電池内部の単セル１０を分解して示す説明図である。この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。

図１に示すように、単セル１０は、発電体１００と、第１のセパレータ３００と、第２のセパレータ４００と、を備える。発電体１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）１１０と、ＭＥＡ１１０の両面を挟むように配置された一対のガス拡散層１２０，１３０とを備え、発電領域を形成する。

ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の両面を挟むように配置された一対の触媒電極層１１４，１１６とを備える。電解質膜１１２は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜１１２としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜等を用いてもよい。アノード、カソードとしての触媒電極層１１４，１１６は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持した触媒担持担体（例えば、カーボン粒子）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いてもよい。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム等を使用してもよい。

一対のガス拡散層１２０，１３０は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜１１２の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。

第１のセパレータ３００と第２のセパレータ４００とは、発電体１００とガス閉止・電気絶縁材料２１０，２２０（図２）とを両側から挟むように配置されている。

図２は、図１に示した単セル１０の組み立て状態時におけるＡ−Ａ線矢視端面図である。ガス閉止・電気絶縁材料２１０，２２０は、一対のセパレータ３００，４００の間、特に一対のセパレータ３００，４００の間の発電体１００の周縁外側に位置することで、セパレータ３００，４００が短絡することを防止すると共に、単セル１０内部を通過する反応ガスや冷却媒体が外部に漏れ出すことを防止する。ガス閉止・電気絶縁材料２１０，２２０は、ポリプロピレンにより形成されている。なお、ガス閉止・電気絶縁材料２１０，２２０は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの他の樹脂を用いて形成してもよい。

図１に戻って、第１のセパレータ３００はＭＥＡ１１０の一方の側であるアノード（ガス拡散層１２０）側に配置され、第２のセパレータ４００は他方の側であるカソード（ガス拡散層１３０）側に配置されている。

第１および第２のセパレータ３００，４００は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、外形が矩形状である。第１および第２のセパレータ３００，４００は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

第１および第２のセパレータ３００，４００には、それぞれ、マニホールドの一部を構成する貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２が形成されている。具体的には、貫通孔４２１は外部から供給されたアノード供給ガス（水素ガス）を流通するためのマニホールドＭ１の一部を構成し、貫通孔４２２はアノードオフガスを流通するためのマニホールドＭ２の一部を構成する。また、貫通孔４３１は外部から供給されたカソード供給ガス（空気）を流通するためのマニホールドＭ３の一部を構成し、貫通孔４３２はカソードオフガスを流通するためのマニホールドＭ４の一部を構成する。貫通孔４４１は外部から供給された冷却媒体を流通するためのマニホールドＭ５の一部を構成し、貫通孔４４２は排出された冷却媒体を流通するためのマニホールドＭ６の一部を構成する。

前述した、発電体１００の周縁外側に配置されるガス閉止・電気絶縁材料２１０，２２０（図２）は、前述した貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２にそれぞれ対応した６つの貫通孔（図２：２３２）を形成しており、貫通孔４２１〜４４２と前記６つの貫通孔とを、第１のセパレータ３００、発電体１００、および第２のセパレータ４００の積層方向（以下、単に「積層方向」と呼ぶ）Ｙに沿って連通することで、積層方向Ｙに伸びる形状の空気供給用、水素ガス供給用、水素ガス排出用、空気排出用、冷却媒体供給用、冷却媒体排出用の各マニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する。なお、積層方向Ｙは各セパレータ３００，４００の厚さ方向でもある。本実施形態では、各マニホールドＭ１〜Ｍ６の流体の流れ方向は、積層方向Ｙに沿った方向としたが、必ずしも積層方向に完全に一致させる必要はなく、セパレータ３００，４００の表面に交差する方向であればいずれの方向としてもよい。

図１に示すように、第２のセパレータ４００の両面のうちの発電体１００と対向する面には、溝流路４５０ｃａ（図中の裏側で一部だけ記載）が形成されている。溝流路４５０ｃａは、上記発電体１００と対向する面において、第２のセパレータ４００の一辺に沿った方向（図中Ｘ方向）に延び、折り返す蛇行形状を有する。溝流路４５０ｃａはマニホールドＭ３，Ｍ４と連通し、マニホールドＭ３を流れる空気を発電体１００のカソードとしてのガス拡散層１３０に供給すると共に発電体１００を流通したカソードオフガスをマニホールドＭ４に流通させる。溝流路４５０ｃａとマニホールドＭ３とは、第２のセパレータ４００に形成された入口側接続流路４６０によって連通している。また、溝流路４５０ｃａとマニホールドＭ４とは、第２のセパレータ４００に形成された出口側接続流路４７０によって連通している。第２のセパレータ４００の両面のうちの発電体１００が位置する側とは反対側の面には、溝流路（図示せず）が形成されている。この溝流路は、マニホールドＭ５，Ｍ６と連通し、冷却媒体が流通する。

第１のセパレータ３００の両面のうちの発電体１００と対向する面には、溝流路４５０ａｎ（図中の裏側で一部だけ記載）が形成されている。溝流路４５０ａｎは、上記発電体１００と対向する面において、第１のセパレータ３００の一辺に沿った方向（図中Ｘ方向）に延び、折り返す蛇行形状を有する。溝流路４５０ａｎはマニホールドＭ１と連通し、マニホールドＭ１を流れる水素ガスを発電体１００のカソードとしてのガス拡散層１２０に供給すると共に、発電体１００を流通したアノードオフガスをマニホールドＭ２に流通させる。溝流路４５０ａｎとマニホールドＭ１との間は、第１のセパレータ３００に形成された入口側接続流路（図示せず）によって連通している。溝流路４５０ａｎとマニホールドＭ２との間は、第１のセパレータ３００に形成された出口側接続流路（図示せず）によって連通している。第１のセパレータ３００の両面のうちの発電体１００が位置する側とは反対側の面には、溝流路４９０（一部だけ記載）が形成されている。溝流路４９０は、マニホールドＭ５，Ｍ６と連通し、冷却媒体が流通する。

さらに、第１のセパレータ３００の両面のうちの発電体１００が位置する側とは反対側の面には、第１のセパレータ３００の外周縁部と、水素ガス用の貫通孔４２１，４２２と、空気用の貫通孔４３１，４３２をそれぞれ囲うシールラインＳＬが形成されている。このシールラインＳＬは、図２に示すガスケット５１０によって構成されている。ガスケット５１０は、射出成形により形成されるもので、断面が凸形状を有する。複数の単セル１０を積層した際に、隣接する他の単セル１０の表面に密着してシールラインＳＬ（図１）となる。シールラインＳＬは、水素ガス、空気、および冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。シールラインＳＬによって、第１のセパレータ３００と第２のセパレータ４００との間に冷却媒体が流れる。シールラインＳＬを形成するガスケット５１０が［発明の概要］の欄に記載の「シール部材」に相当する。

本実施形態では、前述した、第１および第２のセパレータ３００、４００の一辺に沿ったＸ方向は、積層方向Ｙに対して垂直である。また、Ｘ方向および積層方向Ｙに対して垂直な図中のＺ方向は、第１および第２のセパレータ３００、４００の他の一辺に沿った方向となっている。このＺ方向が鉛直下方になるように、燃料電池は設置されている。

Ａ−２．出口側接続流路の構成：
第２のセパレータ４００に形成された出口側接続流路４７０について、次に詳述する。出口側接続流路４７０は、前述したように、溝流路４５０ｃａとマニホールドＭ４との間を接続するものであり、図１の吹出図に示すように、複数の凸状部によって形作られている。複数の凸状部は、２種類有り、２種類のうちの一方は長尺凸状部４８０Ｌであり、他方は短尺凸状部４８０Ｓである。長尺凸状部４８０Ｌの長手方向の長さは、短尺凸状部４８０Ｓの長手方向の長さよりも長い。長尺凸状部４８０Ｌおよび短尺凸状部４８０Ｓは、それらの長手方向が、溝流路４５０ｃａからのカソードオフガスの流れ方向である前述したＸ方向に沿うように、それぞれ配置されている。短尺凸状部４８０Ｓは、３つ、間隙を空けて方向Ｘに並んでいる（図２も参照）。１つの長尺凸状部４８０Ｌと、３つの短尺凸状部４８０Ｓの並びとが、Ｚ方向に互い違いに配置されることで、各流路が形作られる。なお、本実施形態では、長尺凸状部４８０Ｌの溝流路４５０ｃａ側の端部は、溝流路４５０ｃａと連結してはおらず、また、長尺凸状部４８０ＬのマニホールドＭ４側の端部は、マニホールドＭ４の縁までも達していない構成となっている。

本実施形態では、３つの短尺凸状部４８０Ｓで、反応ガスの流れ方向に沿った一列を構成していたが、これに換えて、２つ、４つ、５つ等の他の複数で、反応ガスの流れ方向に沿った一列を構成してもよい。この構成によれば、連結流路としての隣接する短尺凸状部の間の隙間を２以外の数にすることができる。

３つの短尺凸状部４８０Ｓの並びと、隣り合う２つの長尺凸状部４８０Ｌのうちの一方側とによって形作られる流路４７０Ｗは、第１の流路幅ａを有する。一方、３つの短尺凸状部４８０Ｓの並びと、隣り合う２つの長尺凸状部４８０Ｌのうちの他方側とによって形作られる流路４７０Ｎは、第１の流路幅ａよりも狭い第２の流路幅ｂを有する。以下、流路４７０Ｗを幅広流路４７０Ｗと呼び、流路４７０Ｎを幅狭流路４７０Ｎと呼ぶ。

さらに、本実施形態では、隣り合う短尺凸状部４８０Ｓ、４８０Ｓの間の隙間４８２の幅（「隙間幅」と呼ぶ）ｃは、第１の流路幅ａよりも短く、かつ、第２の流路幅ｂよりも長くなっている。すなわち、第１の流路幅ａ＞隙間幅ｃ＞第２の流路幅ｂとなっている。なお、これに換えて、隙間幅ｃは、第１の流路幅ａと同一としてもよいし、第２の流路幅ｂと同一としてもよい。すなわち、隙間幅ｃは、第１の流路幅ａ以下であり、かつ、第２の流路幅ｂ以上であればいずれの長さとしてもよい。なお、隙間４８２が［発明の概要］の欄に記載の「連結流路」に相当する。

図３は、カソードオフガス排出用のマニホールドＭ４を構成する貫通孔４３２周辺の積層方向Ｙからの平面視を示す説明図である。図３において実線にて第１のセパレータ３００を示し、破線にて第２のセパレータ４００を示している。図示するように、積層方向Ｙからの平面視において、シールラインＳＬは、短尺凸状部４８０Ｓ、４８０Ｓの間の隙間４８２と重ならないように、シールラインＳＬと短尺凸状部４８０Ｓ、４８０Ｓの位置が定められている。ここで、重なるとは、隙間４８２の少なくとも一部が、シールラインＳＬの少なくとも一部と重なることであり、本実施形態では、隙間４８２がシールラインＳＬに対して、積層方向Ｙからの平面視において、全部は勿論のこと、一部分でも重ならないように定められている。

さらに、本実施形態では、短尺凸状部４８０Ｓのサイズが次のように規定されている。図１の吹出図に示すように、短尺凸状部４８０Ｓについての、反応ガスの流れ方向Ｘの長さを縦幅Ｌ１とし、積層方向Ｙからの平面視における、前記流れ方向Ｘに垂直な方向Ｚの長さを横幅Ｌ２とすると、横幅Ｌ２に対する縦幅Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ２）が、２．５となっている。この比は、１．０５から５．０までの範囲内において、変更してもよい。横幅Ｌ２は、本実施形態では、０．２〜２［ｍｍ］となっている。こうした構成によって、短尺凸状部４８０Ｓの部位にシールラインＳＬを重ね合わすことが容易となる。

なお、第２のセパレータ４００に形成された入口側接続流路４６０についても、前述した出口側接続流路４７０と同様に、１つの長尺凸状部と、３つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造を有する。また、第１のセパレータ３００に形成された入口側接続流路および出口側接続流路についても、前述した出口側接続流路４７０と同様に、１つの長尺凸状部と、３つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造を有する。

Ａ−３．効果：
以上のように構成された第１実施形態の燃料電池によれば、出口側接続流路４７０における幅広流路４７０Ｗと幅狭流路４７０Ｎとの間が、隣り合う短尺凸状部４８０Ｓ、４８０Ｓの間の隙間４８２によって連結されており、その隙間幅ｃは、幅広流路４７０Ｗの流路幅ａよりも短く、幅狭流路４７０Ｎの流路幅ｂよりも長くなっている。このために、幅広流路４７０Ｗから隙間４８２、幅狭流路４７０Ｎへと、毛細管現象によって生成水が誘導される。

図４は、生成水の誘導の様子を詳細に示す説明図である。生成水Ｗは、発電体１００（で発生するもので、溝流路４５０ｃａから排出される。図示するように、溝流路４５０ｃａから流れてきた生成水Ｗは、一旦、幅広流路４７０Ｗに入っても、毛細管現象による毛管力と重力により、隙間４８２を通って幅狭流路４７０Ｎに流れ込む。幅狭流路４７０Ｎは、幅広流路４７０Ｗよりも狭いことと上記の流れ込みによって閉塞し易い。生成水量が多いか、流速が低い場合には、生成水Ｗは、幅狭流路４７０Ｎか、更に隙間４８２を含む部位に滞留する。このため、生成水Ｗは、幅広流路４７０Ｗに滞留することはない。すなわち、隙間４８２および幅狭流路４７０Ｎは生成水の滞留部となって、幅広流路４７０Ｗには生成水が残存することがない。

氷点下始動時においては、生成水が少なく、流速が低いため、生成水Ｗは主に幅狭流路４７０Ｎに滞留することになる。ここで、何らかの原因で一部の過冷却の生成水が氷結し、氷結核となった場合、核が成長し氷結するのは幅狭流路４７０Ｎの部位となるため、氷結が起こっても、幅広流路４７０Ｗが閉塞されることはない。したがって、氷点下始動時において、幅広流路４７０Ｗは凍結による閉塞が免れる。この結果、第１実施形態の燃料電池によれば、氷点下始動時において、出口側接続流路４７０が完全に閉塞することがなく、発電を継続させることができる。

また、第１実施形態によれば、図３を用いて説明したように、積層方向Ｙからの平面視において、隣り合う短尺凸状部４８０Ｓ、４８０Ｓの間の隙間４８２は、第１のセパレータ３００に設けたシールラインＳＬと重ならないように配置され、長尺凸状部４８０Ｌおよび短尺凸状部４８０Ｓが存在する部位にシールラインＳＬが位置していることから、積層時におけるシール面圧を確実に確保することができる。したがって、燃料電池における流体のシール性を向上することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における第２のセパレータ１４００に形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。この図は、出口側接続流路の周辺を積層方向から見たものである。第２実施形態における燃料電池は、第１実施形態における燃料電池と比べて、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の長さが長くなっている点が相違する。短尺凸状部４８０Ｓを含めて燃料電池のその他の構成は、第１実施形態における燃料電池の構成と同一であるので、同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符合を付し、その説明を省略する。

図示するように、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の一方の端部ｅｄ１は、発電領域１００Ｘに達し、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の他方の端部ｅｄ２はマニホールドＭ４の縁Ｍ４ｅｄを超える構成となっている。発電領域１００Ｘは、発電体１００のセパレータ４００と接する領域、すなわち、積層方向からの平面視におけるＭＥＡの占める領域である。

なお、第１のセパレータ３００に形成された出口側接続流路についても、第２のセパレータ４００に形成された前述した出口側接続流路と同様に、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の長さが第１実施形態と比べて長くなっている。

以上のように構成された第２実施形態の燃料電池によれば、長尺凸状部１４８０ＬがマニホールドＭ４の縁Ｍ４ｅｄを超えるほど長くなっていることによって、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができる。また、長尺凸状部１４８０Ｌは、発電領域１００Ｘに達するほど長くなっていることによっても、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができる。これらのことから、凍結による閉塞をより免れることができる。したがって、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞することがより確実になく、発電を継続させることができる。

なお、第２実施例の変形形態として、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の一方の端部ｅｄ１は発電領域１００Ｘに達しない構成としてもよいし、あるいは、長尺凸状部１４８０Ｌの長手方向の他方の端部ｅｄ２はマニホールドＭ４の縁Ｍ４ｅｄを超えない構成としてもよい。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における第２のセパレータに形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。前記各第１および第２実施形態では、長尺凸状部と短尺凸状部によって、幅広流路、幅狭流路、および連結流路が形作られるように構成していたが、これに換えて、第３実施形態では、同寸の短尺凸状部２４８０Ｓだけで幅広流路２４７０Ｗ、幅狭流路２４７０Ｎ、および連結流路２４８２が形作られている。短尺凸状部２４８０Ｓは、第１実施形態の短尺凸状部４８０Ｓと同一である。また、第１実施形態と同様に、連結流路２４８２の幅ｃは、第１の流路幅ａよりも短く、かつ、第２の流路幅ｂよりも長くなっている。燃料電池のその他の構成は、第１実施形態の構成と同一である。

以上のように構成された第３実施形態の燃料電池によっても、第１実施形態と同様に、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞されることを防止して、発電を継続させることができる。

なお、前記各実施形態およびその変形形態は、凸状部で形成される流路の幅を規定するものであり、凸状部の頂点間の距離（以下、「ピッチ」と呼ぶ）と凸状部の高さとの関係については特に言及してこなかったが、この関係は次のとおりのものである。図７は、第１実施形態におけるピッチと凸状部の高さとの関係を示す説明図である。図７（ａ）は平面図であり、図１の吹出図と同一である。図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。図７（ｂ）に示すように、出口側接続流路４７０において、幅広流路４７０Ｗを挟む長尺凸状部４８０Ｌの頂点と短尺凸状部４８０Ｓの頂点との距離を第１のピッチＰ１とし、幅狭流路４７０Ｎを挟む短尺凸状部４８０Ｓの頂点と長尺凸状部４８０Ｌの頂点との距離を第２のピッチＰ２とすると、Ｐ１，Ｐ２は、共に、凸状部の高さｈの０．２〜２．０倍の長さの範囲内となっている。凸状部の高さｈは、長尺凸状部４８０Ｌと短尺凸状部４８０Ｓを形作る波板の両側（図１におけるＹ方向のプラス側とマイナス側）のうちの一方側の頂点と他方側の頂点との間のＹ方向における長さである。「０．２〜２．０倍」というのは、０．２倍より大きく、かつ２．０倍より小さいという条件を満たす範囲である。このように、ピッチＰ１，Ｐ２を高さｈで規定される範囲に抑えることで、シールにかかる面圧を保持できる。

なお、こうした凸状部の頂点間のピッチＰ１，Ｐ２と凸状部の高さとの関係は、第１実施形態だけではなく、第２実施形態やそれらの変形形態においても同様な関係を有している。さらに、この関係、すなわち、ピッチをＰ、高さをｈとしたときに、０．２ｈ＜Ｐ＜２．０ｈとなる関係は、前記各実施形態およびその変形形態以外にも、流路幅が一定である出口側接続流路を有する燃料電池にも適用可能である。

Ｄ．変形形態：
・変形形態１：
前記各実施形態およびその変形形態では、カソード側の溝流路４５０ｃａおよびアノード側の溝流路４５０ａｎは蛇行形状としたが、これに換えて、ストレート形状等の他の形状としてもよい。

・変形形態２：
前記各実施形態およびその変形形態では、第１のセパレータに形成された入口側接続流路および出口側接続流路と、第２のセパレータに形成された入口側接続流路および出口側接続流路とが、それぞれ、１つの長尺凸状部と、３つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造としたが、これに換えて、第１および第２のセパレータの両出口側接続流路だけを前記構造としてもよい。また、第１のセパレータに形成された出口側接続流路だけを前記構造としてもよいし、第２のセパレータに形成された出口側接続流路だけを前記構造としてもよい。第２のセパレータに形成された出口側接続流路は、ＭＥＡのカソード側であることからアノード側よりも生成水が多いことから、第２のセパレータに形成された出口側接続流路を前記構造とすることが、氷点下始動時の始動性をより高めることができる。

・変形形態３：
前記各実施形態およびその変形形態では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載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。

１０…単セル
１００…発電体
１１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１２…電解質膜
１１４…触媒電極層
１２０…ガス拡散層
１３０…ガス拡散層
２１０，２２０…電気絶縁材料
３００…第１のセパレータ
４００…第２のセパレータ
４２１，４２２…貫通孔
４３１，４３２…貫通孔
４４１，４４２…貫通孔
４５０ｃａ…溝流路
４５０ａｎ…溝流路
４６０…入口側接続流路
４７０…出口側接続流路
４７０Ｎ…幅狭流路
４７０Ｗ…幅広流路
４８０Ｌ…長尺凸状部
４８０Ｓ…短尺凸状部
４８２…隙間
４９０…溝流路
５１０…ガスケット
１４００…第２のセパレータ
１４７０Ｗ…幅広流路
１４８０Ｌ…長尺凸状部
２４７０…出口側接続流路
２４７０Ｎ…幅狭流路
２４７０Ｗ…幅広流路
２４８０Ｓ…短尺凸状部

Claims (6)

1. 膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成された燃料電池であって、
   前記セパレータに、
   当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと、
   前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と、
   が設けられ、
   前記出口側接続流路は、
   第１の流路幅を有する幅広流路と、
   前記第１の流路幅よりも狭い第２の流路幅を有する幅狭流路と、
   前記第１の流路幅以下であり、かつ、前記第２の流路幅以上である流路幅を有し、前記幅広流路と前記幅狭流路との間を連結する連結流路と、
   を含む、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記セパレータに、前記幅広流路と前記幅狭流路とを形作る複数種類の凸状部が設けられ、
   前記複数種類の凸状部のうちの一種類は、前記反応ガスの流れ方向に沿って連続した長尺凸状部であり、
   前記複数種類の凸状部のうちの他の一種類は、前記反応ガスの流れ方向の長さが前記長尺突状部材よりも短い凸状部であって、前記反応ガスの流れ方向に沿って間隙を空けて複数並ぶことで、前記連結流路を形作る短尺凸状部である、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記長尺凸状部は、長手方向の一端が前記排出マニホールドの縁を越える構成である、燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記長尺凸状部は、長手方向の他端が前記膜電極接合体の占める領域に達する構成である、燃料電池。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記セパレータに当接されることで前記反応ガスまたは冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するシール部材を備え、
   前記セパレータの厚さ方向からの平面視において、前記連結流路は、前記シールラインと重ならないように配置される、燃料電池。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記短尺凸状部は、前記反応ガスの流れ方向の長さを縦幅とし、前記流れ方向に垂直な方向の長さを横幅としたときに、前記横幅に対する縦幅の比が１．０５から５．０までの範囲内である、燃料電池。

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