JP2017199608A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電性能の低下を抑制すること。【解決手段】ＭＥＡ１０と、ＭＥＡを挟持するアノード側セパレータ１８ａ及びカソード側セパレータ１８ｃと、カソード側セパレータのＭＥＡ側の面にカソード側セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられ、空気が流通する発電用流路２２と、カソード側セパレータのＭＥＡとは反対側の面にカソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在して設けられ、発電用流路と側壁２６によって隔てられていて、空気が流通する冷却用流路２４と、を備え、発電用流路の空気排出口側の断面積は、空気排出口側よりも上流における発電用流路の断面積よりも小さく、冷却用流路の空気排出口側の断面積は、空気排出口側よりも上流における冷却用流路の断面積よりも大きく、発電用流路と冷却用流路とを隔てる側壁に貫通孔３０が設けられている、燃料電池。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒電極層が設けられた膜電極接合体を、一対のセパレータで挟持した構造を有する。燃料電池の冷却方法として、冷却水を循環させる水冷式の他に、発電用に供給される酸化剤ガスを冷却に用いる空冷式が知られている。例えば、出力低下を招くことなく効果的な冷却を可能とするために、燃料電池の運転状態に応じて冷却用流路を流れる空気量と発電用流路を流れる空気量との配分を変更する空冷式の燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。また、冷却用流路と発電用流路とが貫通孔で接続された空冷式の燃料電池が知られている（例えば、特許文献２）。
特開２００６−２５２９３４号公報 特開２００８−２７７４８号公報
空冷式の燃料電池では、膜電極接合体での電気化学反応による発熱によって流路を流れる酸化剤ガスの温度が上昇し、酸化剤ガスが流れる流路に沿った温度勾配が発生する。すなわち、酸化剤ガスが流れる流路の排出口側における温度が高くなる。これにより、排出口側において膜電極接合体が乾燥して発電性能が低下することが生じてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能の低下を抑制することを目的とする。
本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面に前記カソード側セパレータの一端から他端にかけて第１方向に延在して設けられ、酸化剤ガスが流通する発電用流路と、前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体とは反対側の面に前記カソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて前記第１方向に延在して設けられ、前記第１方向に交差する第２方向で前記発電用流路と側壁によって隔てられていて、前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路と、を備え、前記発電用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記発電用流路の前記排出口側よりも上流における前記発電用流路の断面積よりも小さく、前記冷却用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記冷却用流路の前記排出口側よりも上流における前記冷却用流路の断面積よりも大きく、前記発電用流路と前記冷却用流路とを隔てる前記側壁に貫通孔が設けられている、燃料電池である。
上記構成において、前記発電用流路の前記酸化剤ガスが供給される供給口側の断面積は、前記発電用流路の前記排出口側の断面積よりも大きく、前記冷却用流路の前記酸化剤ガスが供給される供給口側の断面積は、前記冷却用流路の前記排出口側の断面積よりも小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように階段状に変化し、前記貫通孔は、前記階段状に変化する階段部に前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向に直交して設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように階段状に変化し、前記貫通孔は、前記階段状に変化する階段部の近傍に設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記発電用流路の幅が変化する前記階段部が複数設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように傾斜して変化し、前記貫通孔は、前記傾斜して変化する傾斜部に設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように傾斜して変化し、前記貫通孔は、前記傾斜して変化する傾斜部の近傍に設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記カソード側セパレータは凹凸形状をした金属板からなる構成とすることができる。
本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。
図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図２は、図１におけるカソード側セパレータを拡大した斜視図である。 図３は、比較例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図４は、比較例１の単セルの発電分布及び温度分布を示す図である。 図５は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１の単セルの温度分布を示す図である。 図６は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１の単セルの発電分布を示す図である。 図７は、実施例２に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図である。 図８（ａ）は、実施例３に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図、図８（ｂ）は、実施例３の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図である。 図９（ａ）は、実施例４に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図、図９（ｂ）は、実施例４の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図である。 図１０は、実施例５に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図である。 図１１は、実施例６に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータを拡大した斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
実施例１に係る燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。実施例１の燃料電池は、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。図２は、図１におけるカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。
図１及び図２のように、実施例１の燃料電池を構成する単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃ、を備える。ＭＥＧＡ２０は、例えば樹脂（エポキシ樹脂やフェノール樹脂など）からなる絶縁部材３４の内側に配置されている。ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材３４は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃとによって挟持されている。
カソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。例えば、カソード側セパレータ１８ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる発電用流路２２と冷却用流路２４とが形成されている。発電用流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられている。冷却用流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられている。発電用流路２２には、ＭＥＧＡ２０に供給される空気が空気供給口から空気排出口に向かって流れる。冷却用流路２４には、単セル１００を冷却する空気が空気供給口から空気排出口に向かって流れる。なお、発電用流路２２を流れる空気によっても単セル１００は冷却される。
発電用流路２２と冷却用流路２４とは、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に第１方向に直線状に延在し、且つ、第１方向に交差する第２方向で交互に並んで設けられている。すなわち、発電用流路２２と冷却用流路２４とは、第１方向に交差する第２方向で側壁２６によって隔てられている。発電用流路２２は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さＤを有する。言い換えると、冷却用流路２４は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さＤを有する。また、発電用流路２２のピッチ間隔Ｗ１（中心間の距離）は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。冷却用流路２４のピッチ間隔Ｗ２（中心間の距離）も、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。
発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅は空気供給口から空気排出口にかけて一定ではない。発電用流路２２の幅は、空気供給口と空気排出口との間で、空気排出口側が空気供給口側よりも狭くなるように階段状に変化している。冷却用流路２４の幅は、空気供給口と空気排出口との間で、空気排出口側が空気供給口側よりも広くなるように階段状に変化している。すなわち、発電用流路２２は空気排出口側の断面積Ｓ１が空気供給口側の断面積Ｓ１１よりも小さく、冷却用流路２４は空気排出口側の断面積Ｓ２が空気供給口側の断面積Ｓ１２よりも大きくなっている。発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が階段状に変化する階段部２８は、例えば空気供給口よりも空気排出口側寄りに位置している。ここで、階段部２８とは、発電用流路２２と冷却用流路２４とを隔てる側壁のうち、空気の流れ方向に直交する部位を指す。
側壁２６内の階段部２８に、発電用流路２２と冷却用流路２４とを連通させる貫通孔３０が設けられている。貫通孔３０は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向に直交して設けられている。この貫通孔３０によって、空気供給口から空気排出口に向かって発電用流路２２を流れる空気の一部は、冷却用流路２４に流れ込むようになる。
アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１、ａ２が設けられ、絶縁部材３４には孔ｓ１、ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に設けられた絶縁部材３６には孔ｃ１、ｃ２が設けられている。孔ａ１、ｓ１、ｃ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ａ２、ｓ２、ｃ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって直線状に延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる水素流路３２が設けられている。水素流路３２は、発電用流路２２及び冷却用流路２４と交差（例えば直交）している。
ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが設けられ、他方の面にカソード触媒層１４ｃが設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
ＭＥＡ１０の両側にアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃが配置されている。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａとの間及びＭＥＡ１０とカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。撥水層は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃと同じく、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成される。ただし、撥水層は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。
ここで、実施例１に係る燃料電池の効果を説明するに当たり、比較例１に係る燃料電池について説明する。図３は、比較例１に係る燃料電池を構成する単セル５００の分解斜視図である。図３のように、比較例１の燃料電池を構成する単セル５００は、カソード側セパレータ１８ｃの発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が、空気供給口から空気排出口にかけて一定となっている。すなわち、発電用流路２２の断面積は空気供給口から空気排出口にかけて一定になっている。冷却用流路２４の断面積も空気供給口から空気排出口にかけて一定になっている。また、発電用流路２２と冷却用流路２４とを隔てる側壁２６に貫通孔は設けられていない。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
図４は、比較例１の単セル５００の発電分布及び温度分布を示す図である。図４において、横軸は発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った位置を示し、左縦軸は単セル５００の電流密度を、右縦軸は単セル５００の温度を示している。なお、図４では、水素流路３２を露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合における単セル５００の電流密度を示している。また、水素流路３２を露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合において、単セル５００の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２であるときのセル温度を示している。
図４のように、空気供給口から空気排出口に向かうに従いセル温度が高くなることが分かる。また、空気供給口側及び空気排出口側では、その間に比べて、電流密度が低くなることが分かる。
図５は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１の単セル５００の温度分布を示す図である。図５において、横軸は発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った位置を示し、縦軸は単セル５００の温度を示している。なお、図５では、水素流路３２を無加湿の水素が流れる場合、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合、及び露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合において、単セル５００の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２であるときのセル温度を示している。発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気の条件は全ての場合で同じである。無加湿の水素が流れる場合を実線で、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合の破線で、露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合を点線で示している。
図５のように、水素流路３２を流れる水素の加湿状態が変化した場合でも、空気供給口から空気排出口に向かうに従いセル温度が高くなることが分かる。このように、空気供給口から空気排出口に向かってセル温度が高くなるのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気は、ＭＥＡ１０での電気化学反応による発熱によって温度が上昇する。このため、空気供給口側に比べて空気排出口側では冷却性能が低下する。したがって、空気供給口から空気排出口に向かうに従いセル温度が高くなったものと考えられる。なお、燃料電池を燃料電池自動車や電気自動車に搭載する場合、燃料電池の大きさは車両の搭載空間の制限を受ける。このため、大きな発電を得るために、発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った方向における発電部の長さを長くすることが望まれる。この場合には、発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った温度勾配が大きくなり、空気排出口側のセル温度がより高くなる。
図６は、水素の加湿状態を変化させた場合における、比較例１の単セル５００の発電分布を示す図である。図６において、横軸は発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った位置を示し、縦軸は単セル５００の電流密度を示している。なお、図６においても、水素流路３２を無加湿の水素が流れる場合を実線で、露点温度４０℃に加湿された水素が流れる場合を破線で、露点温度５０℃に加湿された水素が流れる場合を点線で示している。発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気の条件は全ての場合で同じである。
図６のように、空気供給口側では、水素流路３２を流れる水素の加湿度が増すに従い電流密度が低下することが分かる。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、空気供給口側では、空気による冷却効果が高いため、セル温度が低くなる。このため、水の飽和蒸気圧が低くなり、ＭＥＡ１０での電気化学反応で生成された生成水の排水は液水で行われるようになる。つまり、空気供給口側ではＭＥＡ１０に液水が溜まり易い状態にある。したがって、水素流路３２に加湿した水素が供給されると、ＭＥＡ１０内の液水過多によるフラッディングが発生し、その結果、発電性能が低下したものと考えられる。なお、セル温度が低くなると触媒による電気化学反応が進み難くなり発電性能が低下するが、水素の加湿度が変わることで発電性能が変化していることから、上述したように、ＭＥＡ１０内の液水過多が発電性能の低下の原因であると考えられる。
一方、空気排出口側では、水素流路３２を流れる水素の加湿度が増すに従い電流密度が上昇することが分かる。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、空気排出口側では、空気による冷却効果が低下してセル温度が高くなる。このため、水の飽和蒸気圧が高くなり、ＭＥＡ１０での電気化学反応で生成された生成水の空気による排水が水蒸気で速やかに行われるようになる。つまり、空気排出口側ではＭＥＡ１０内に液水が溜まり難い状態にあり、ＭＥＡ１０が乾燥し易い状態にある。したがって、水素流路３２に加湿した水素が供給されることで、ＭＥＡ１０の乾燥が改善され、その結果、発電性能が上昇したものと考えられる。
なお、図３のように、発電用流路２２及び冷却用流路２４と水素流路３２とは、交差（例えば直交）している。このため、空気供給口側と空気排出口側とで水素流路３２を流れる水素の状態は同じである。よって、発電用流路２２及び冷却用流路２４に沿った方向での発電分布は、発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気に起因したものと考えられる。
このように、発電用流路２２の断面積の大きさが空気供給口から空気排出口にかけて一定である場合には、空気供給口側では生成水を含む液水の過多によるフラッディングによって発電性能の低下が生じる場合がある。また、空気排出口側ではＭＥＡ１０の乾燥によって電解質膜１２の抵抗が増大することによる発電性能の低下が生じる場合がある。
一方、実施例１によれば、図２のように、発電用流路２２は空気排出口側の断面積が上流側の断面積よりも小さく、冷却用流路２４は空気排出口側の断面積が上流側の断面積よりも大きい。そして、発電用流路２２と冷却用流路２４とを隔てる側壁２６に貫通孔３０が設けられている。発電用流路２２の空気排出口側の断面積を小さくすることで、空気排出口側においてＭＥＧＡ２０に触れる空気量を少なくすることができ、空気によるＭＥＡ１０からの液水の持ち去りを抑制することができる。また、冷却用流路２４の空気排出口側の断面積を大きくし、且つ、貫通孔３０を設けて発電用流路２２から冷却用流路２４に空気が流れるようにすることで、空気排出口側での冷却性能の低下を抑制できる。これらのことから、空気排出口側におけるＭＥＡ１０の乾燥を抑制することができ、空気排出口側における発電性能の低下を抑制することができる。
また、実施例１によれば、図２のように、発電用流路２２の空気供給口側の断面積は空気排出口側の断面積よりも大きく、冷却用流路２４の空気供給口側の断面積は空気排出口側の断面積よりも小さい。発電用流路２２の空気供給口側の断面積を大きくし、且つ、貫通孔３０を設けて発電用流路２２から冷却用流路２４への空気の流れを確保することで、発電用流路２２の空気供給口側を流れる空気の流量を多くすることができる。これにより、空気供給口側においてＭＥＧＡ２０に触れる空気量を多くすることができ、ＭＥＡ１０からの液水の排出を促進することができる。よって、空気供給口側におけるＭＥＡ１０内の液水が過多になることを抑制することができ、空気供給口側における発電性能の低下を抑制することができる。
また、実施例１によれば、図１のように、発電用流路２２と冷却用流路２４とは、発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気の流通方向である第１方向に交差する第２方向に並んで設けられている。これにより、冷却用流路２４をカソード触媒層１４ｃの近くに配置することができるため、冷却効率を良好にすることができる。
また、実施例１によれば、図２のように、発電用流路２２の幅は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向で狭まるように階段状に変化している。貫通孔３０は、発電用流路２２の幅が階段状に変化する階段部２８に発電用流路２２を流れる空気の流通方向に直交して設けられている。これにより、発電用流路２２から冷却用流路２４への空気の流れをスムーズにすることができる。
また、実施例１によれば、カソード側セパレータ１８ｃは凹凸形状をした金属板からなる。これにより、カソード側セパレータ１８ｃを簡素な構造とすることができ、生産性の向上や製造コストの低減ができる。なお、カソード側セパレータ１８ｃは、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材で形成されていてもよい。
図７は、実施例２に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。図７のように、実施例２の単セルのカソード側セパレータ１８ｃでは、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が３段階で変化している。すなわち、発電用流路２２及び冷却用流路２４の断面積が３段階で変化している。発電用流路２２の断面積は、空気供給口側で最も大きく、次いで空気供給口と空気排出口との間で大きく、空気排出口側では最も小さくなっている。冷却用流路２４の断面積は、空気供給口側で最も小さく、次いで空気供給口と空気排出口との間で小さく、空気排出口側では最も大きくなっている。貫通孔３０は、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅を変化させる２箇所の階段部２８ａ、２８ｂの両方の側壁２６に設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例２によれば、発電用流路２２の幅が変化する複数の階段部２８ａ、２８ｂが設けられ、貫通孔３０は複数の階段部２８ａ、２８ｂそれぞれに設けられている。これにより、発電用流路２２を細分化した各領域に適切な空気量を流すことができる。
図８（ａ）は、実施例３に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図、図８（ｂ）は、実施例３の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。図８（ａ）のように、実施例３の単セルのカソード側セパレータ１８ｃでは、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が変化する階段部２８の近傍であって、階段部２８よりも空気の流れに対して後段側の側壁２６に貫通孔３０が設けられている。貫通孔３０は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向に平行に設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例３では、貫通孔３０は階段部２８の近傍に設けられている。発電用流路２２の断面積は階段部２８で小さくなるため、発電用流路２２を流れてきた空気は階段部２８近傍で滞り、その結果、階段部２８近傍の圧力が上昇するようになる。この発電用流路２２内の圧力が上昇した階段部２８の近傍に貫通孔３０を設けることで、発電用流路２２から冷却用流路２４へと空気を流すことができる。なお、上述の記載から明らかなように、階段部２８の近傍とは、発電用流路２２内の空気の流れが滞って圧力が上昇する範囲であり、発電用流路２２内の圧力が冷却用流路２４内の圧力よりも高くなる範囲である。
なお、実施例３では、貫通孔３０は、階段部２８よりも空気の流れに対して後段側の側壁２６に設けられている場合を例に示したがこれに限られない。図８（ｂ）のように、貫通孔３０は、階段部２８よりも空気の流れに対して前段側であって、階段部２８近傍の側壁２６に設けられていてもよい。また、貫通孔３０は、後述する実施例５と同様に、階段部２８よりも前段側及び後段側の両方に設けられていてもよい。
図９（ａ）は、実施例４に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図、図９（ｂ）は、実施例４の変形例１に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。図９（ａ）のように、実施例４の単セルのカソード側セパレータ１８ｃでは、発電用流路２２の幅は、空気排出口側が空気供給口側よりも狭くなるように傾斜して変化（テーパ状に変化）している。冷却用流路２４の幅は、空気排出口側が空気供給口側よりも広くなるように傾斜して変化（テーパ状に変化）している。貫通孔３０は、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が傾斜して変化する傾斜部４０に設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例４によれば、発電用流路２２の幅は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向において狭まるように傾斜して変化している。貫通孔３０は、発電用流路２２の幅が傾斜して変化する傾斜部４０に設けられている。この場合でも、発電用流路２２から冷却用流路２４へと空気を流すことができる。
なお、実施例４では、空気供給口から空気排出口までの全領域にわたって、発電用流路２２の幅が傾斜して変化する場合を例に示したがこれに限られない。図９（ｂ）のように、空気供給口と空気排出口との間の一部の領域において、発電用流路２２の幅が傾斜して変化している場合でもよい。
なお、実施例４においては、貫通孔３０は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向に沿って傾斜部４０に複数設けられている場合が好ましい。これにより、発電用流路２２を流れる空気を複数の貫通孔３０を介して少しずつ冷却用流路２４に流すことができる。
図１０は、実施例５に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。図１０のように、実施例５の単セルのカソード側セパレータ１８ｃでは、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が変化する傾斜部４０の近傍であって、傾斜部４０よりも空気の流れに対して前段側及び後段側の側壁２６に貫通孔３０が設けられている。貫通孔３０は、発電用流路２２を流れる空気の流通方向に平行に設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例５では、貫通孔３０は傾斜部４０の近傍に設けられている。実施例３と同様に、傾斜部４０の近傍では発電用流路２２内の圧力が上昇することから、傾斜部４０の近傍に貫通孔３０を設けることで、発電用流路２２から冷却用流路２４へと空気を流すことができる。なお、傾斜部４０の近傍とは、実施例３の階段部２８の近傍と同じく、発電用流路２２内の空気の流れが滞って圧力が上昇する範囲であり、発電用流路２２内の圧力が冷却用流路２４内の圧力よりも高くなる範囲である。
なお、実施例５では、貫通孔３０は傾斜部４０よりも前段側及び後段側の両方に設けられている場合を例に示したがこれに限られない。実施例３と同様に、傾斜部４０の後段側にのみ設けられていてもよいし、実施例３の変形例１と同様に、傾斜部４０の前段側にのみ設けられていてもよい。
図１１は、実施例６に係る燃料電池を構成する単セルのカソード側セパレータ１８ｃを拡大した斜視図である。図１１のように、実施例６の単セルのカソード側セパレータ１８ｃでは、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が３段階で変化している。発電用流路２２の断面積は、空気供給口側及び空気排出口側で小さく、空気供給口と空気排出口との中間部で大きくなっている。冷却用流路２４の断面積は、空気供給口側及び空気排出口側で大きく、空気供給口と空気排出口との中間部で小さくなっている。貫通孔３０ａ、３０ｂが、発電用流路２２及び冷却用流路２４の幅が変化する２箇所の階段部２８ａ、２８ｂの側壁２６に設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例６のように、発電用流路２２の空気供給口側の断面積が小さくなっていてもよい。この場合でも、発電用流路２２の空気排出口側の断面積が小さいことで、空気排出口側においてＭＥＧＡ２０に触れる空気量を少なくすることができる。また、冷却用流路２４の空気排出口側の断面積が大きく且つ階段部２８ａの側壁２６に貫通孔３０ａが設けられていることで、空気排出口側の冷却性能の低下を抑制できる。よって、空気排出口側におけるＭＥＡ１０の乾燥を抑制でき、発電性能の低下を抑制することができる。
また、実施例６によれば、発電用流路２２の幅が大きくなる階段部２８ｂにも貫通孔３０ｂが設けられている。これにより、発電用流路２２の空気供給口側の断面積が小さい場合でも、冷却用流路２４を流れる空気が階段部２８ｂの貫通孔３０ｂを介して発電用流路２２に流れ込むため、発電用流路２２の断面積が大きい部分を流れる空気の流量を多くすることができる。したがって、発電用流路２２の断面積が大きい部分に対応する領域においてＭＥＡ１０内で液水が過多になることを抑制できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 発電用流路
２４ 冷却用流路
２６ 側壁
２８〜２８ｂ 階段部
３０〜３０ｂ 貫通孔
３２ 水素流路
３４、３６ 絶縁部材
４０ 傾斜部
１００、５００ 単セル
本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面に前記カソード側セパレータの一端から他端にかけて延在して設けられ、酸化剤ガスが流通する発電用流路と、前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体とは反対側の面に前記カソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて延在して設けられ、前記発電用流路と側壁によって隔てられていて、前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路と、を備え、前記発電用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記発電用流路の前記排出口側よりも上流における前記発電用流路の断面積よりも小さく、前記冷却用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記冷却用流路の前記排出口側よりも上流における前記冷却用流路の断面積よりも大きく、前記発電用流路と前記冷却用流路とを隔てる前記側壁に貫通孔が設けられている、燃料電池である。
発電用流路２２と冷却用流路２４とは、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に第１方向に直線状に延在し、且つ、第１方向に交差する第２方向で交互に並んで設けられている。発電用流路２２は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さＤを有する。言い換えると、冷却用流路２４は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さＤを有する。また、発電用流路２２のピッチ間隔Ｗ１（中心間の距離）は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。冷却用流路２４のピッチ間隔Ｗ２（中心間の距離）も、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。

Claims (8)

  1. 膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
    前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面に前記カソード側セパレータの一端から他端にかけて第１方向に延在して設けられ、酸化剤ガスが流通する発電用流路と、
    前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体とは反対側の面に前記カソード側セパレータの前記一端から前記他端にかけて前記第１方向に延在して設けられ、前記第１方向に交差する第２方向で前記発電用流路と側壁によって隔てられていて、前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路と、を備え、
    前記発電用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記発電用流路の前記排出口側よりも上流における前記発電用流路の断面積よりも小さく、
    前記冷却用流路の前記酸化剤ガスが排出される排出口側の断面積は、前記冷却用流路の前記排出口側よりも上流における前記冷却用流路の断面積よりも大きく、
    前記発電用流路と前記冷却用流路とを隔てる前記側壁に貫通孔が設けられている、燃料電池。
  2. 前記発電用流路の前記酸化剤ガスが供給される供給口側の断面積は、前記発電用流路の前記排出口側の断面積よりも大きく、
    前記冷却用流路の前記酸化剤ガスが供給される供給口側の断面積は、前記冷却用流路の前記排出口側の断面積よりも小さい、請求項１記載の燃料電池。
  3. 前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように階段状に変化し、
    前記貫通孔は、前記階段状に変化する階段部に前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向に直交して設けられている、請求項１または２記載の燃料電池。
  4. 前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように階段状に変化し、
    前記貫通孔は、前記階段状に変化する階段部の近傍に設けられている、請求項１または２記載の燃料電池。
  5. 前記発電用流路の幅が変化する前記階段部が複数設けられている、請求項３または４記載の燃料電池。
  6. 前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように傾斜して変化し、
    前記貫通孔は、前記傾斜して変化する傾斜部に設けられている、請求項１または２記載の燃料電池。
  7. 前記発電用流路の幅は、前記発電用流路を流れる前記酸化剤ガスの流通方向において狭まるように傾斜して変化し、
    前記貫通孔は、前記傾斜して変化する傾斜部の近傍に設けられている、請求項１または２記載の燃料電池。
  8. 前記カソード側セパレータは凹凸形状をした金属板からなる、請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池。
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