JP2020140944A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応ガスの流路に水滴が詰まることを抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】 燃料電池は、ＭＥＡと、ＭＥＡを保持するフレームと、互いの板面を対向させて接合され、フレームに重なる一対のセパレータとを有し、一対のセパレータ及びフレームは、厚み方向に貫通し、反応ガスが流れるマニホルド孔を有し、一方のセパレータは、マニホルド孔を囲み、フレームを支持する凸部を有し、一対のセパレータの間には、凸部に沿って反応ガスが流れる環状流路と、環状流路と膜電極接合体の間を接続する３本以上の第１接続流路と、マニホルド孔と環状流路の間を接続する３本以上の第２接続流路とが設けられ、前記３本以上の第１接続流路の配列及び前記３本以上の第２接続流路の配列のうち、少なくとも一方の配列において、配列方向の中心に最も近い接続流路の断面積が他の接続流路の断面積より大きい。【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池の一対のセパレータには、発電に用いられる反応ガスがマニホルド孔からセパレータの外部に漏れないように、マニホルド孔の周囲にシールラインが設けられている（例えば特許文献１）。マニホルド孔は、シールラインに沿って形成された凸部によりシールされる。

凸部の裏側には、反応ガスが流れる溝状の流路（以下、「シール流路」と表記）が設けられている。シール流路には、反応ガスがシール流路を介して発電領域とマニホルド孔の間で流れるように複数の接続流路が接続されている。

特開２０１５−２２５７０９号公報

反応ガスには、例えば発電で生成された水分が含まれているため、シール流路には、水分の凝縮による水滴も流れる。シール流路に繋がる各接続流路の間隔には、製造時の誤差によりばらつきが存在する。

反応ガスは入口側の各接続流路からシール流路に入ると２方向に分流し出口側の各接続流路で合流するため、接続流路同士の間隔が大きいほど、シール流路内の反応ガスの分流箇所または合流箇所で反応ガスが滞留しやすい。このため、水滴がシール流路に詰まり、反応ガスの流れを阻害して燃料電池の発電性能に影響を及ぼすおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、反応ガスの流路に水滴が詰まることを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池は、反応ガスにより発電する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を保持するフレームと、互いの板面を対向させて接合され、前記フレームに重なる一対のセパレータとを有し、前記一対のセパレータ及び前記フレームは、厚み方向に貫通し、前記反応ガスが流れるマニホルド孔を有し、前記一対のセパレータの一方は、前記マニホルド孔を囲み、前記フレームを支持する凸部を有し、前記一対のセパレータの間には、前記凸部に沿って前記反応ガスが流れる環状流路と、前記環状流路と前記膜電極接合体の間を接続する３本以上の第１接続流路と、前記マニホルド孔と前記環状流路の間を接続する３本以上の第２接続流路とが設けられ、前記３本以上の第１接続流路の配列及び前記３本以上の第２接続流路の配列のうち、少なくとも一方の配列において、配列方向の中心に最も近い接続流路の断面積が他の接続流路の断面積より大きい。

本発明によれば、燃料電池において反応ガスの流路に水滴が詰まることを抑制することができる。

燃料電池の単セルの一例を示す分解斜視図である。 アノードセパレータの一例を示す平面図である。 カソードセパレータの一例を示す平面図である。 比較例のアノードセパレータの貫通孔の周辺を示す平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図４のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 実施例のアノードセパレータの貫通孔の周辺を示す平面図である。 図８のＢ’−Ｂ’線に沿った断面図である。 図８のＣ’−Ｃ’線に沿った断面図である。

図１は、燃料電池の単セル２の一例を示す分解斜視図である。燃料電池は、例えば燃料電池車に用いられるが、その用途に限定はない。燃料電池は、固体高分子形であり、複数の単セル２が積層された積層体を含んで構成される。

単セル２は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスは反応ガスの一例である。

単セル２は、単セル２の積層方向に沿って配置されたＭＥＧＡ２０、フレーム２１、カソードセパレータ２３、及びアノードセパレータ２４を有する。なお、カソードセパレータ２３及びアノードセパレータ２４は一対のセパレータの一例である。

ＭＥＧＡ２０には、膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）２００と、ＭＥＡ２００を挟持する一対のガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）２０１，２０２とが含まれる。符号Ｐは、ＭＥＡ２００の積層構造を示している。ＭＥＡ２００には、電解質膜２００ａと、電解質膜２００ａを挟持するアノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃとが含まれる。

電解質膜２００ａは、例えば、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜を含む。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、それぞれ、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

アノード電極触媒層２００ｂには一方のガス拡散層２０１を介し燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層２００ｃには他方のガス拡散層２０２を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層２０１，２０２は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料などを含んで形成される。ＭＥＡ２００は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。

フレーム２１は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム２１の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（PET: Polyethylene Terephthalate）系樹脂、シンジオタクチックポリスチレン（SPS; Syndiotactic Polystyrene）系樹脂、及びポリプロピレン（PP: Polypropylene）系樹脂などが挙げられる。フレーム２１は、枠形状を有し、中央部には矩形状の開口２１０が設けられている。

開口２１０は、ＭＥＧＡ２０に対応する位置に設けられ、その縁にはＭＥＡ２００の外周側の端部が接着層を介し接着される。これにより、ＭＥＡ２００はフレーム２１に保持される。

また、フレーム２１の端部には、厚み方向に貫通する貫通孔２１１〜２１６が設けられている。貫通孔２１１，２１５，２１４は、フレーム２１の一方の端部に設けられ、貫通孔２１３，２１６，２１２は、フレーム２１の他方の端部に設けられている。貫通孔２１１〜２１６は、カソードセパレータ２３及びアノードセパレータ２４の貫通孔２３１〜２３６，２４１〜２４６にそれぞれ重なる。

貫通孔２１１，２４１，２３１は、燃料ガスの供給口であるアノード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料ガスが流れる。貫通孔２１２，２４２，２３２は、燃料ガスの排出口であるアノード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料オフガスが流れる。

貫通孔２１３，２４３，２３３は、酸化剤ガスの供給口であるカソード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤ガスが流れる。貫通孔２１４，２４４，２３４は、酸化剤ガスの排出口であるカソード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流れる。

貫通孔２１５，２４５，２３５は、単セル２を冷却する冷却水の供給口である冷却水入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却水が流れる。貫通孔２１６，２４６，２３６は、冷却水の排出口である冷却水出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却水が流れる。

カソードセパレータ２３及びアノードセパレータ２４は、例えばＳＵＳなど金属やチタンなどにより板状に形成され、矩形状の外形を有する。カソードセパレータ２３及びアノードセパレータ２４は、各々の板面を対向させた状態で例えばレーザ溶接により互いに接合されている。アノードセパレータ２４はＭＥＧＡ２０のアノード側に配置され、カソードセパレータ２３は、単セル２に隣接する他の単セル２のＭＥＧＡ２０のカソード側に配置される。

また、アノードセパレータ２４は接着剤によりフレーム２１に接着されている。これにより、フレーム２１はアノードセパレータ２４に固定される。

アノードセパレータ２４は、厚み方向に貫通する貫通孔２４１〜２４６と、波板形状のアノード流路部２４０を有する。貫通孔２４１，２４５，２４４はアノードセパレータ２４の一方の端部に設けられ、貫通孔２４３，２４６，２４２はアノードセパレータ２４の他方の端部に設けられている。なお、貫通孔２４１〜２４４は、反応ガスが流れるマニホルド孔の一例である。

ＭＥＧＡ２０側のアノード流路部２４０の面には、燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス流路が形成されている。燃料ガス流路はガス拡散層２０１に対向し、燃料ガスは燃料ガス流路からガス拡散層２０１に供給される。また、カソードセパレータ２３側のアノード流路部２４０の面には、冷却水が流れる溝状の冷却水流路が形成されている。

アノード流路部２４０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。燃料ガス流路及び冷却水流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。

また、カソードセパレータ２３は、厚み方向に貫通する貫通孔２３１〜２３６と、波板形状のカソード流路部２３０を有する。貫通孔２３１，２３５，２３４はカソードセパレータ２３の一方の端部に設けられ、貫通孔２３３，２３６，２３２はカソードセパレータ２３の他方の端部に設けられている。

アノードセパレータ２４側のカソード流路部２３０の面には、冷却媒体が流れる溝状の冷却水流路が形成されている。また、隣接する他の単セルのＭＥＧＡ２０側のカソード流路部２３０の面には、酸化剤ガスが流れる溝状の酸化剤ガス流路が形成されている。酸化剤ガス流路は、隣接する他の単セル２のＭＥＧＡ２０のガス拡散層２０２に対向し、酸化剤ガスは酸化剤ガス流路からガス拡散層２０２に供給される。

カソード流路部２３０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。冷却媒体流路及び燃料ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。なお、カソードセパレータ２３及びアノードセパレータ２４は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

（アノードセパレータ２４及びカソードセパレータ２３の構成）
図２は、アノードセパレータ２４の一例を示す平面図であり、図３は、カソードセパレータ２３の一例を示す平面図である。図２には、アノードセパレータ２４のＭＥＧＡ２０側の板面が示され、図３には、アノードセパレータ２４側から正面視した場合のカソードセパレータ２３の隣接する単セル２側の板面が示されている。

燃料ガスは、貫通孔２４１，２３１からアノード流路部２４０内の燃料ガス流路を流れて貫通孔２４２，２３２に排出される。アノード流路部２４０内の燃料ガス流路にはＭＥＧＡ２０が積層され、燃料ガス流路からＭＥＧＡ２０に燃料ガスが供給される。

酸化剤ガスは、貫通孔２４３，２３３からカソード流路部２３０内の酸化剤ガス流路を流れて貫通孔２４４，２３４に排出される。カソード流路部２３０内の酸化剤ガス流路には、隣接する単セル２のＭＥＧＡ２０が積層され、酸化剤ガス流路からＭＥＧＡ２０に酸化剤ガスが供給される。

また、冷却水は、貫通孔２４５，２３５からアノード流路部２４０内の冷却水流路を流れて貫通孔２４６，２３６に排出される。冷却水流路は、カソード流路部２３０とアノード流路部２４０の間に形成されている。冷却水は、ＭＥＧＡ２０の発電により生じた熱を吸収する。

符号Ｌ０ｓ〜Ｌ６ｓは、燃料電池内部を外気に対して封止するためのばねシールラインを示す。カソードセパレータ２３の板面には、フレーム２１側に突出した凸部がばねシールラインＬ０ｓ〜Ｌ６ｓに沿って設けられている。アノードセパレータ２４にフレーム２１が重なると、凸部はフレーム２１に当接してフレーム２１を弾性力により支持する。このとき、凸部がフレーム２１を押圧するため、ばねシールラインＬ０ｓ〜Ｌ６ｓの内側の領域が封止される。

一方、アノードセパレータ２４の板面には、隣接する単セル２のフレーム２１側に突出した凸部がばねシールラインＬ０ｓ〜Ｌ６ｓに沿って設けられている。アノードセパレータ２４にフレーム２１が重なると、凸部はフレーム２１に当接してフレーム２１を弾性力により支持する。このとき、凸部がフレーム２１を押圧するため、ばねシールラインＬ０ｓ〜Ｌ６ｓの内側の領域が封止される。

また、アノードセパレータ２４及びカソードセパレータ２３の凸部の背面側には、凸部と表裏一体の凹部、つまり溝が形成されており、各の間には燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流れるシール流路が形成されている。

ばねシールラインＬ０ｓは、貫通孔２４１〜２４４，２３１〜２３４、アノード流路部２４０、カソード流路部２３０を囲むように設定されている。ばねシールラインＬ１ｓ〜Ｌ６ｓは貫通孔２４１〜２４６，２３１〜２３６をそれぞれ囲むように設定されている。ばねシールラインＬ０ｓ〜Ｌ６ｓによって、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が、アノードセパレータ２４とフレーム２１の間から外部に漏れることが抑制される。

ばねシールラインＬ０ｓ，Ｌ５ｓ，Ｌ６ｓ沿いのシール流路には冷却水が流れる。冷却水は、貫通孔２４５，２３５から導入流路Ｒ５を流れてアノード流路部２４０及びカソード流路部２３０の冷却水流路に流入する。導入流路Ｒ５は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

導入流路Ｒ５は、ばねシールラインＬ０ｓ，Ｌ５ｓ沿いのシール流路に接続されている。冷却水は導入流路Ｒ５とばねシールラインＬ０ｓ，Ｌ５ｓ沿いのシール流路の間で流通する。

また、冷却水はアノード流路部２４０及びカソード流路部２３０の冷却水流路から導出流路Ｒ６を流れて貫通孔２４６，２３６から排出される。導出流路Ｒ６は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

導出流路Ｒ６は、ばねシールラインＬ０ｓ，Ｌ６ｓ沿いのシール流路に接続されている。冷却水は導出流路Ｒ６からばねシールラインＬ０ｓ，Ｌ６ｓ沿いのシール流路の間で流通する。

ばねシールラインＬ１ｓ，Ｌ２ｓ沿いのシール流路には燃料ガスが流れる。燃料ガスは、貫通孔２４１，２３１から導入流路Ｒ１を流れ、アノードセパレータ２４の板面の開口Ｈ１を抜けてアノード流路部２４０内の燃料ガス流路に流入する。導入流路Ｒ１は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

導入流路Ｒ１は、ばねシールラインＬ１ｓ沿いのシール流路に接続されている。燃料ガスは導入流路Ｒ１とばねシールラインＬ１ｓ沿いのシール流路の間で流通する。

燃料ガスは、アノード流路部２４０の燃料ガス流路からアノードセパレータ２４の板面の開口Ｈ２を抜けて導出流路Ｒ２０に流入する。導出流路Ｒ２０はばねシールラインＬ２ｓ沿いのシール流路に接続されているため、燃料ガスは導出流路Ｒ２０からシール流路に流れる。導出流路Ｒ２０は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

ばねシールラインＬ２ｓ沿いのシール流路は排出流路Ｒ２１を介して貫通孔２４２，２３２と接続されている。燃料ガスはシール流路から排出流路Ｒ２１を通り貫通孔２４２，２３２に排出される。排出流路Ｒ２１は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

ばねシールラインＬ３ｓ，Ｌ４ｓ沿いのシール流路には酸化剤ガスが流れる。酸化剤ガスは、貫通孔２４３，２３３から導入流路Ｒ３を流れ、カソードセパレータ２３の板面の開口Ｈ３を抜けてカソード流路部２３０内の酸化剤ガス流路に流入する。導入流路Ｒ３は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

導入流路Ｒ３は、ばねシールラインＬ３ｓ沿いのシール流路に接続されている。酸化剤ガスは導入流路Ｒ３とばねシールラインＬ３ｓ沿いのシール流路の間で流通する。

酸化剤ガスは、カソード流路部２３０の酸化剤ガス流路からカソードセパレータ２３の板面の開口Ｈ４を抜けて導出流路Ｒ４０に流入する。導出流路Ｒ４０はばねシールラインＬ４ｓ沿いのシール流路に接続されているため、燃料ガスは導出流路Ｒ４０からシール流路に流れる。導出流路Ｒ４０は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

ばねシールラインＬ４ｓ沿いのシール流路は排出流路Ｒ４１を介して貫通孔２４４，２３４と接続されている。酸化剤ガスはシール流路から排出流路Ｒ４１を通り貫通孔２４４，２３４に排出される。排出流路Ｒ４１は、アノードセパレータ２４の板面からフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝と、カソードセパレータ２３の板面から隣接する単セル２のフレーム２１に向かって突出する凸部の背面側の溝との間に形成されている。

（比較例の流路）
図４は、比較例のアノードセパレータ２４の貫通孔２４２の周辺を示す平面図である。燃料ガスが排出される貫通孔２４２の周囲には、ばねシールラインＬ２ｓに沿って凸部２４７が設けられている。凸部２４７は貫通孔２４２を囲むように設けられている。

また、凸部２４７とアノードセパレータ２４の端部の間には、ばねシールラインＬ０ｓに沿って他の凸部２４８が設けられている。凸部２４７，２４８は、フレーム２１と当接してフレーム２１を弾性力により支持する。

開口Ｈ２は、凸部２４７のアノード流路部２４０側に設けられている。開口Ｈ２は、一例としてスリット形状を有するが、これに限定されない。開口Ｈ２と凸部２４７の間は、フレーム２１側に突出する凸部１０〜１２により接続されている。また、凸部２４７と貫通孔２４２の間は、フレーム２１側に突出する凸部１３〜１５により接続されている。

燃料ガスは、ＭＥＧＡ２０から点線の矢印に沿って貫通孔２４２から排出される。

図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。カソードセパレータ２３は、凸部１２と対向する位置に、凸部１２とは反対側に突出する凸部３２を有する。各凸部１２，３２の背面側の溝は、燃料ガスが流れる導出流路Ｒ２０を構成する。

また、カソードセパレータ２３は、凸部１５と対向する位置に、凸部１５とは反対側に突出する凸部３５を有する。各凸部１５，３５の背面側の溝は、燃料ガスが流れる排出流路Ｒ２１を構成する。

また、カソードセパレータ２３は、凸部２４７と対向する位置に、凸部２４７とは反対側に突出する凸部２３７を有する。各凸部２４７，２３７の背面側の溝は、燃料ガスが流れる環状のシール流路Ｒ２を構成する。シール流路Ｒ２は、貫通孔２４２を囲む環状流路の一例である。導出流路Ｒ２０は、シール流路Ｒ２とＭＥＡ２００の間を接続する第１接続流路の一例であり、排出流路Ｒ２１は、貫通孔２４２とシール流路Ｒ２の間を接続する第２接続流路の一例である。

燃料ガスは、矢印Ｆａで示されるように、ＭＥＧＡ２０から開口Ｈ２を抜けて導出流路Ｒ２０を流れてシール流路Ｒ２に入る。燃料ガスは、矢印Ｆｂで示されるように、シール流路Ｒ２から排出流路Ｒ２１に入り貫通孔２４２から排出される。

図６は、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。カソードセパレータ２３は、凸部１０，１１，１２と対向する位置に、凸部１０，１１，１２とは反対側に突出する凸部３０，３１，３２をそれぞれ有する。凸部１０，３０の背面側の溝、凸部１１，３１の背面側の溝、及び凸部１２，３２の背面側の溝は、それぞれ、燃料ガスが流れる導出流路Ｒ２０を構成する。

凸部１０，３０の間、凸部１１，３１の間、及び凸部１２，３１の間の各導出流路Ｒ２０は、高さＨａ及び幅Ｗａが同一であり、断面積も同一である。

図７は、図４のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。カソードセパレータ２３は、凸部１３，１４，１５と対向する位置に、凸部１３，１４，１５とは反対側に突出する凸部３３，３４，３５をそれぞれ有する。凸部１３，３３の背面側の溝、凸部１４，３４の背面側の溝、及び凸部１５，３５の背面側の溝は、それぞれ、燃料ガスが流れる排出流路Ｒ２１を構成する。

凸部１３，３３の間、凸部１４，３４の間、及び凸部１５，３５の間の各導出流路Ｒ２０は、高さＨｂ及び幅Ｗｂが同一であり、断面積も同一である。なお、凸部１０，３０，１３，３３を通る断面、凸部１１，３１，１４，３４を通る断面、及び凸部１２，３２，１５，３５を通る断面は、図５と同様である。

再び図４を参照すると、凸部１０〜１２は、製造時の誤差により均等な間隔に配置されていない。一例として、凸部１０，１１の間隔Ｄａは、凸部１１，１２の間隔Ｄｂより広い。つまり、３個の凸部１０〜１２のうち、凸部１０が他の２個の凸部１１，１２から離れている。

各凸部１０〜１２に沿った導出流路Ｒ２０からシール流路Ｒ２に流入した燃料ガスは、２方向Ｌ１，Ｌ２（紙面の上下方向）に分流する。このとき、凸部１０に沿った導出流路Ｒ２０からの燃料ガスは、間隔Ｄａ，Ｄｂの差分のため、方向Ｌ１の流速が方向Ｌ２の流速より速くなる。一方、凸部１１，１２に沿った導出流路Ｒ２０からの燃料ガスは、間隔Ｄａ，Ｄｂの差分のため、方向Ｌ２の流速が方向Ｌ１の流速より速くなる。すなわち、方向Ｌ１，Ｌ２燃料ガスの流速が一方向Ｌ２に偏っている。

したがって、シール流路Ｒ２内では、凸部１０に沿った導出流路Ｒ２０の出口付近と凸部１１，１２に沿った導出流路Ｒ２０の出口付近の間に燃料ガスが滞留しやすい領域Ｐ１が生ずる。領域Ｐ１内の水滴は、燃料ガスの流れが弱いために貫通孔２４２に排出されず、シール流路Ｒ２に詰まり、燃料ガスの流れを阻害して燃料電池の発電性能に影響を及ぼすおそれがある。

このような現象は、以下に述べるように排出流路Ｒ２１にも存在する。

凸部１３〜１５は、製造時の誤差により均等な間隔に配置されていない。一例として、凸部１４，１５の間隔Ｄｄは、凸部１３，１４の間隔Ｄｃより広い。つまり、３個の凸部１３〜１５のうち、凸部１５が他の２個の凸部１３，１４から離れている。

燃料ガスは、シール流路Ｒ２の２方向Ｌ３，Ｌ４から、各凸部１３〜１５に沿った排出流路Ｒ２１に流入する。このとき、凸部１５に沿った排出流路Ｒ２１に流入する燃料ガスは、間隔Ｄｃ，Ｄｄの差分のため、方向Ｌ４の流速が方向Ｌ３の流速より速くなる。一方、凸部１３，１４に沿った排出流路Ｒ２１に流入する燃料ガスの流速は、間隔Ｄｃ，Ｄｄの差分のため、方向Ｌ３の流速が方向Ｌ４の流速より速くなる。すなわち、方向Ｌ３，Ｌ４燃料ガスの流速が一方向Ｌ３に偏っている。

したがって、シール流路Ｒ２内では、凸部１５に沿った排出流路Ｒ２１の入口付近と凸部１３，１４に沿った排出流路Ｒ２１の入口付近の間に燃料ガスが滞留しやすい領域Ｐ２が生ずる。領域Ｐ２内の水滴は、燃料ガスの流れが弱いために貫通孔２４２に排出されず、シール流路Ｒ２に詰まり、燃料ガスの流れを阻害して燃料電池の発電性能に影響を及ぼすおそれがある。

（実施例の流路）
そこで、実施例では、凸部１０〜１２に沿った３本の導出流路Ｒ２０うち、導出流路Ｒ２０が並ぶ方向における中心に最も近い導出流路Ｒ２０の断面積が他の導出流路Ｒ２０の断面積より大きくなるように凸部１０〜１２の幅Ｗａを設定する。また、凸部１３〜１５に沿った３本の排出流路Ｒ２１うち、排出流路Ｒ２１が並ぶ方向における中心に最も近い排出流路Ｒ２１の断面積が他の排出流路Ｒ２１の断面積より大きくなるように凸部１３〜１５の幅Ｗｂを設定する。つまり、導出流路Ｒ２０の配列及び排出流路Ｒ２１の配列の小各々において、配列方向の中心に最も近い流路の断面積が他の流路の断面積より大きい。

図８は、実施例のアノードセパレータ２４の貫通孔２４２の周辺を示す平面図である。図８において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

アノードセパレータ２４は、比較例のアノードセパレータ２４の凸部１１に代えて凸部１１ｓを有する。凸部１１ｓは、３つの凸部１０，１１ｓ，１２のうち、凸部１０，１１ｓ，１２が並ぶ方向における中心に最も近い位置に配置されている。

凸部１１ｓは、一例として、凸部１１の幅を凸部１０側に向けて広げたものである。このため、凸部１０，１１ｓの間隔Ｄａ’は凸部１０，１１の間隔Ｄａより狭くなる。また、凸部１１ｓ，１２の間隔Ｄｂは比較例と同じである。このため、間隔Ｄａ’と間隔Ｄｂの差分は、比較例の間隔Ｄａ，Ｄｂの差分より小さい。

図９は、図８のＢ’−Ｂ’線に沿った断面図である。図９において、図６と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

カソードセパレータ２３は、比較例の凸部３１に代えて凸部３１ｓを有する。凸部３１ｓは、３つの凸部３０，３１ｓ，３２のうち、凸部３０，３１ｓ，３２の配列方向における中心に最も近い位置に配置されている。凸部３１ｓは、一例として、凸部３１の幅を凸部３０側に向けて広げ、凸部１１ｓと実質的に同じ幅としたものである。

このため、凸部１１ｓ，３１ｓに沿った導出流路Ｒ２０の幅Ｗａｓは、両側の導出流路Ｒ２０の幅Ｗａより広くなる。したがって、凸部１１ｓ，３１ｓに沿った導出流路Ｒ２０の断面積は、両側の導出流路Ｒ２０の断面積より大きい。なお、各導出流路Ｒ２０の高さＨａは同一であるが、中心の導出流路Ｒ２０の高さＨａを、幅Ｗａｓに代えて、または幅Ｗａｓとともに増加させことにより、中心の導出流路Ｒ２０の断面積を両側の導出流路Ｒ２０の断面積より大きくしてもよい。

これにより、図８に示されるように、凸部１１ｓに沿った導出流路Ｒ２０からシール流路Ｒ２に流れる燃料ガスの流量は、圧力損失の低下によって両側の導出流路Ｒ２０からシール流路Ｒ２に流れる燃料ガスの流量より多くなる。このため、凸部１１ｓに沿った導出流路Ｒ２０からシール流路Ｒ２内を方向Ｌ１と方向Ｌ２に流れる各燃料ガスの流速の偏りが比較例の場合より低減される。

したがって、シール流路Ｒ２内に燃料ガスが滞留しやすい領域Ｐ１が生じて水滴がシール流路Ｒ２に詰まることが抑制される。

上記の効果は、以下の構成により排出流路Ｒ２１についても得られる。

アノードセパレータ２４は、比較例のアノードセパレータ２４の凸部１４に代えて凸部１４ｓを有する。凸部１４ｓは、３つの凸部１３，１４ｓ，１５のうち、凸部１３，１４ｓ，１５が並ぶ方向における中心に最も近い位置に配置されている。

凸部１４ｓは、一例として、凸部１４の幅を凸部１５側に向けて広げたものである。このため、凸部１５，１４ｓの間隔Ｄｄ’は凸部１５，１４の間隔Ｄｄより狭くなる。また、凸部１３，１４ｓの間隔Ｄｃは比較例と同じである。このため、間隔Ｄｄ’と間隔Ｄｃの差分は、比較例の間隔Ｄｄ，Ｄｃの差分より小さい。

図１０は、図８のＣ’−Ｃ’線に沿った断面図である。図１０において、図７と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

カソードセパレータ２３は、比較例の凸部３４に代えて凸部３４ｓを有する。凸部３４ｓは、３つの凸部３３，３４ｓ，３５のうち、凸部３３，３４ｓ，３５の配列方向における中心に最も近い位置に配置されている。凸部３４ｓは、一例として、凸部３４の幅を凸部３５側に向けて広げ、凸部１４ｓと実質的に同じ幅としたものである。

このため、凸部１４ｓ，３４ｓに沿った排出流路Ｒ２１の幅Ｗｂｓは、両側の排出流路Ｒ２１の幅Ｗｂより広くなる。したがって、凸部１４ｓ，３４ｓに沿った排出流路Ｒ２１の断面積は、両側の排出流路Ｒ２１の断面積より大きい。なお、各排出流路Ｒ２１の高さＨｂは同一であるが、中心の排出流路Ｒ２１の高さＨｂを、幅Ｗｂｓに代えて、または幅Ｗｂｓとともに増加させことにより、中心の排出流路Ｒ２１の断面積を両側の排出流路Ｒ２１の断面積より大きくしてもよい。

これにより、図８に示されるように、凸部１４ｓに沿った排出流路Ｒ２１から貫通孔２４２に流れる燃料ガスの流量は、圧力損失の低下によって両側の排出流路Ｒ２１から貫通孔２４２に流れる燃料ガスの流量より多くなる。このため、凸部１４ｓに沿った排出流路Ｒ２１にシール流路Ｒ２内の方向Ｌ３，Ｌ４から流れる各燃料ガスの流速の偏りが比較例の場合より低減される。

したがって、シール流路Ｒ２内に燃料ガスが滞留しやすい領域Ｐ２が生じて水滴がシール流路Ｒ２に詰まることが抑制される。

なお、本実施例では、燃料ガスの入口において中心の導出流路Ｒ２０の断面積を両側の導出流路Ｒ２０の断面積より大きくするとともに、燃料ガスの出口において中心の排出流路Ｒ２１の断面積を両側の排出流路Ｒ２１より大きくしたが、導出流路Ｒ２０及び排出流路Ｒ２１の一方だけの断面積を大きくしてもよい。また、本実施例では、一例として３本の導出流路Ｒ２０及び３本の排出流路Ｒ２１を挙げたが、４本以上の導出流路Ｒ２０及び４本以上の排出流路Ｒ２１が設けられた場合でも、その配列方向の中心に最も近い導出流路Ｒ２０または排出流路Ｒ２１の幅を広くすることにより上記と同様の効果が得られる。

また、上記の構成は、カソードセパレータ２３において、酸化剤ガスが排出される貫通孔２４４の周囲の導出流路Ｒ４０及び排出流路Ｒ４１の何れかにも適用することができる。この場合、３本の導出流路Ｒ４０のうち、３本の導出流路Ｒ４０の配列方向における中心に最も近い導出流路Ｒ４０の断面積が他の導出流路Ｒ４０の断面積より大きくなる。これにより、ばねシールラインＬ４ｓ沿いのシール流路内において、導出流路Ｒ４０の出口近傍に水滴が詰まることが抑制される。なお、導出流路Ｒ４０は第１接続流路の一例であり、排出流路Ｒ４１は第２接続流路の一例である。

また、３本の排出流路Ｒ４１のうち、３本の排出流路Ｒ４１の配列方向における中心に最も近い排出流路Ｒ４１の断面積が他の排出流路Ｒ４１の断面積より大きくなる。これにより、ばねシールラインＬ４ｓ沿いのシール流路内において、排出流路Ｒ４１の入口近傍に水滴が詰まることが抑制される。なお、上記と同様の構成は、アノードセパレータ２４における燃料ガスの入口の貫通孔２４１の周囲のシール流路やカソードセパレータ２３における酸化剤ガスの入口の貫通孔２３３の周囲のシール流路にも適用することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

２ 単セル（燃料電池）
２１ フレーム
２３ カソードセパレータ（セパレータ）
２４ アノードセパレータ（セパレータ）
２００ 膜電極接合体
２３１〜２３４，２４１〜２４４ 貫通孔（マニホルド孔）
１０〜１５，１１ｓ，１４ｓ，２４７ 凸部
Ｒ２０，Ｒ４０ 導出流路（第１接続流路）
Ｒ２１，Ｒ４１ 排出流路（第２接続流路）

Claims (1)

1. 反応ガスにより発電する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を保持するフレームと、
   互いの板面を対向させて接合され、前記フレームに重なる一対のセパレータとを有し、
   前記一対のセパレータ及び前記フレームは、厚み方向に貫通し、前記反応ガスが流れるマニホルド孔を有し、
   前記一対のセパレータの一方は、前記マニホルド孔を囲み、前記フレームを支持する凸部を有し、
   前記一対のセパレータの間には、前記凸部に沿って前記反応ガスが流れる環状流路と、前記環状流路と前記膜電極接合体の間を接続する３本以上の第１接続流路と、前記マニホルド孔と前記環状流路の間を接続する３本以上の第２接続流路とが設けられ、
   前記３本以上の第１接続流路の配列及び前記３本以上の第２接続流路の配列のうち、少なくとも一方の配列において、配列方向の中心に最も近い接続流路の断面積が他の接続流路の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池。

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