JP4792699B2

JP4792699B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4792699B2
Application number: JP2004009962A
Authority: JP
Inventors: 信行折橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: JP2005203288A

Description

本発明は、燃料電池に関し、とくにセル面内のガス分配性を改善できる燃料電池セパレータに関する。

燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜と膜の一面に形成されたアノードおよび膜の多面に形成されたカソードからなる膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly 、ＭＥＡ）を、セパレータで挟んだものから構成される。少なくとも１つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックが構成される。
ＭＥＡを挟む２つのセパレータのうちアノード側のセパレータには、燃料ガス（水素）流路が形成されるとともにその背面に冷媒（冷却水）流路が形成され、カソード側のセパレータには、酸化ガス（空気）流路が形成されるとともにその背面に冷媒（冷却水）流路が形成される。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

特開昭６０−１３３６６５号公報は、セパレータへのガス入口、出口を、アノード、カソード側とも、セパレータの対角部位に配置し、セパレータのガス流路を多数の縦溝と、縦溝に交差する複数の横溝を有する碁盤の目状流路から構成したセパレータにおて、縦溝の伸長方向中央部の深さを縦溝の伸長方向両側端部の深さより小とし、縦溝を流れてきたガスを横溝を通して縦溝と直交する方向に分配し、これによって、セル面内のガス分配を均一化し、セル面の全領域で均一に発電が行われるようにした燃料電池のセパレータを開示している。縦溝の伸長方向中央部の深さを浅くすることにより、横溝によるガス分配の均一化を促進させる。

しかし、従来の燃料電池のセパレータには、以下の問題がある。
自動車に搭載される燃料電池においては、広範囲な発電負荷が求められる。そのために、従来の燃料電池において、高負荷発電時に合わせてセパレータを設計すると、低負荷発電時にはガス流量、ガス流速が低下し、生成水の排出が不十分となり、セル面内での生成水の滞留によって発電が阻害され、起電力が低下してしまう。
また、低負荷発電時には、横溝を設けて碁盤目状とした流路であっても、セパレータ面内で低圧損部位にガスが流れて局部的にガスが流れにくい領域が発生しやすい。局部的に生成水の排出が不十分で生成水の滞留が多くなると、その部位で、発電が阻害され、起電力が低下してしまう。
特開昭６０−１３３６６５号公報

本発明が解決しようとする問題点は、燃料電池において、低負荷発電時に、ガス流量、ガス流速が低下し、生成水の排出が不十分となり、セル面内での生成水の滞留によって発電が阻害され、起電力が低下するという問題である。

本発明の目的は、低負荷発電時においても生成水の排出が良好で、起電力の低下を抑制できるセパレータを有する燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）互いに並列でかつ独立な複数の溝流路を少なくとも一部に含むガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池であって、前記複数の溝流路の流路断面積をガス流れ方向と直交する方向に、小大小または大小大と、変化させ、前記ガス流路がストレート流路であり、前記ガス流路が全長にわたって前記溝流路から構成されており、低負荷発電時にガスが流れにくい部位の溝流路の流路断面積を他の部位の溝流路の流路断面積より大とし、
前記ガス流路が酸化ガスマニホールドに接続された酸化ガス流路と燃料ガスマニホールドに接続された燃料ガス流路とを含み、
前記酸化ガスマニホールドと前記燃料ガスマニホールドの一方のガスマニホールドがセル面の上下方向の中央領域に設けられており、前記酸化ガスマニホールドと前記燃料ガスマニホールドの他方のガスマニホールドが矩形状のセル面の対角部に設けられており、
前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路の、前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位はセル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域であり、
前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路の、前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位はセル面の上下方向の中央領域であり、
前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位の溝流路の溝流路幅を前記他の部位の溝流路の溝流路幅より大とし、
セル面の上下方向の中央領域に設けられた前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路における、セル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域の溝流路の溝流路幅をセル面の上下方向の中央領域の溝流路の溝流路幅より大とするとともに、セル面の上下方向の中央領域に設けられた前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路における、前記複数の溝流路の溝流路幅をガス流れ方向と直交する方向に、大小大と、変化させ、
矩形状のセル面の対角部に設けられた前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路における、セル面の上下方向の中央領域の溝流路の溝流路幅をセル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域の溝流路の溝流路幅より大とするとともに、矩形状のセル面の対角部に設けられた前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路における、前記複数の溝流路の溝流路幅をガス流れ方向と直交する方向に、小大小と、変化させた、燃料電池。

上記（１）の燃料電池によれば、複数の溝流路の流路断面積をガス流れ方向と直交する方向に変化させたので、低負荷発電時には、ガス流れ方向と直交する方向のガスの流れ分布が不均一になり、ガスが流路断面積が大きい溝流路に主に流れて、その溝流路のガス流速が高く維持され、生成水を効果的に排出できる。その結果、低負荷発電時においても生成水の排出が良好で、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。
上記（１）の燃料電池によれば、ガス流路が全長にわたって前記溝流路から構成されているので、溝流路の伸長方向の途中で溝流路の伸長方向と直交する方向にガスが流れてガスの流れ分布が乱されてしまうことがない。
上記（１）の燃料電池によれば、低負荷発電時にガスが流れにくい部位の溝流路の流路断面積を他の部位の溝流路の流路断面積より大としたので、低負荷発電時には溝流路の流路断面積を大とした領域に主にガスが流れ、その溝流路のガス流速が高く維持され、生成水を効果的に排出できる。また、元々流れやすかった部位にも流れ、その部位での生成水の滞留を抑制する。その結果、低負荷発電時においても、ほぼセル面の全域で生成水の排出が良好で、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図１３を参照して説明する。
図中、図１、図２、図３は参考例１を示し、図４、図５は参考例２を示し、図６、図７、図８は本発明の実施例１を示し、図９は参考例３を示す。図１０、図１１は、参考例１〜３と本発明の実施例１に適用可能な、燃料電池の一般構成を示す。また図１２、図１３は比較例（本発明に含まず）を示す。
参考例１〜３と本発明の実施例１に共通な部分には、参考例１〜３と本発明の実施例１にわたって同じ符号を付してある。

まず、参考例１〜３と本発明の実施例１に共通な部分を、図１、図２、図３、図１０〜図１３を参照して説明する。
参考例１〜３と本発明の実施例１の燃料料電池は、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。また、セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュール（図１０、図１１では１モジュールが１セルから構成される場合を示しており、セル１９とモジュールが等しいので、モジュールにも符号１９を付す）を構成し、モジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。

流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示してあるが、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電性樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせ、の何れかからなる。
セパレータ１８には、図１、図２、図３に示すように、互いに並列でかつ独立な複数の溝流路２７ａまたは２８ａ（２７ａは燃料ガス流路２７の溝流路、２８ａは酸化ガス流路２８の溝流路）を少なくとも一部に含むガス流路２７または２８が形成されている。隣接する溝流路２７ａ、２８ａは、ガス伸長方向に連続して延びるリブ２７ｂ、２８ｂによって隔てられている。溝流路２７ａ、２８ａは、それと交差する流路をもたず、溝流路２７ａ同士、または溝流路２８ａ同士は、互いに独立である。

複数の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積は、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に、段階的に、または、徐々に、変化している。複数の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積は、ガス流れ方向Ｆには、したがって溝流路２７ａ、２８ａの伸長方向には、一定である。
複数の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積は、溝流路２７ａ、２８ａの幅を変えるか、または溝流路２７ａ、２８ａの深さを変えるか、または溝流路２７ａ、２８ａの幅と深さの両方を変えるか、の何れかにより、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に変化されている。

複数の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積を変えることにより、溝流路２７ａ、２８ａの圧損は、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に、変化する。すなわち、溝流路２７ａの圧損は溝流路２７ａ同士で、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に、異なり、溝流路２８ａの圧損は溝流路２８ａ同士で、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に、異なる。

参考例１〜３と本発明の実施例１に共通な部分の作用・効果は次の通りである。
複数の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積をガス流れ方向Ｆと直交する方向に変化させたので、低負荷発電時には、ガス流れ方向Ｆと直交する方向のガスの流れ分布が不均一になり、ガスが流路断面積が大きい溝流路（圧損が小の溝流路）に主に流れて、その溝流路（流路断面積が大きい溝流路、圧損が小の溝流路）のガス流速が高く維持され、生成水を効果的に、下流側に吹き飛ばして排出することができる。その結果、低負荷発電時においても、生成水の排出が良好で、生成水の滞留による燃料電池の起電力の低下を抑制できる。

つぎに、各参考例と本発明の実施例１に特有な部分の、構成、作用・効果を説明する。
〔参考例１〕
参考例１では、図１、図２、図３に示すように、ガス流路２７がストレート流路であり、ガス流路２７がガス流路２７の全長にわたって互いに並列な複数の溝流路２７ａから構成されている。また、ガス流路２８がストレート流路であり、ガス流路２８がガス流路２８の全長にわたって互いに並列な複数の溝流路２８ａから構成されている。
燃料ガスまたは酸化ガスのガス入口・出口マニホールド３０、３１（３０ｉ、３１ｉがガス入口、３０ｏ、３１ｏがガス出口）に、ガス分配・収束部３４、３５を介して、燃料ガスまたは酸化ガスのガス流路２７、２８が接続している。ガス入口・出口マニホールド３０、３１がセパレータの辺の一部に存在するので、全ての溝流路２７ａ、２８ａに対して流れを拡げ、または収束させるために、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に延びるガス分配・収束部３４、３５を介在させる。
低負荷発電時にガスを多く流したい部位１００（低負荷発電時の発電領域）の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積が、他の部位１０１の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積より大とされている。
図１の例では、セル面の上下方向の中央領域を低負荷発電時にガス（燃料ガス、酸化ガス）を多く流したい部位１００（低負荷発電時の発電領域１００）としてあり、この低負荷発電時の発電領域１００を挟む上下両側の領域を他の部位１０１としてある。たとえば、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホールドの一方がセパレータ１８の辺の中央部にある場合は、他方のガスマニホールドはセパレータ１８の辺の中央部から外れた位置にあるが、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方ともにセル面の上下方向の中央領域にある溝流路２８ａ、２８ａがガスを多く流したい部位１００にあり、該ガスを多く流したい部位１００の溝流路２７ａ、２８ａの幅を、他の部位１０１の溝流路２７ａ、２８ａの幅より大としてある。ただし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、電解質膜１１を挟んで互いに反対側に位置する。たとえば、膜１１を挟んで対向する燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８のうち、燃料ガス流路２７を図１の流路構成とし、酸化ガス流路２８を後述の図７に準じる流路構成（セル面の上下方向中央領域の流路断面積を大とする）としてもよい。
低負荷発電時にガス（燃料ガス、酸化ガス）を多く流したい部位１００（低負荷発電時の発電領域１００）は、図１に示したようなセル面の上下方向の中央領域にあるものに限定されない。たとえば、図２のように、ガス入口・出口マニホールド３０、３１（３０ｉ、３１ｉがガス入口、３０ｏ、３１ｏがガス出口）が矩形状のセパレータの対角部にあり、ガス（燃料ガス、酸化ガス）を多く流したい部位１００（低負荷発電時の発電領域１００）がセル面の上下方向の上下両側領域が低負荷発電時にあり、他の部位１０１が上下方向中央領域にあるものであってもよい。

参考例１の作用・効果については、ガス流路２７、２８が全長にわたって溝流路２７ａ、２８ａから構成されているので、溝流路２７ａ、２８ａの伸長方向の途中で溝流路２７ａ、２８ａの伸長方向と直交する方向にガスが流れてガスの流れ分布が乱されてしまうことがない。
また、低負荷発電時にガスを多く流したい部位１００の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積を他の部位１０１の溝流路の流路断面積より大としたので、低負荷発電時には溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積を大とした領域（低負荷発電時の発電領域）に主にガスが流れ、その領域１００の溝流路２７ａ、２８ａのガス流速が高く維持され、生成水を効果的に排出できる。参考例１の場合、高負荷発電時には、セル面全域（領域１００、領域１０１の両方）が、ガスが十分に流れて発電領域となり、低負荷発電時には、セル面の一部領域（領域１００）が発電領域となる。その結果、低負荷発電時においても、領域１００におけるガス流が十分で生成水の排出が良好であり、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。低負荷発電時には、領域１０１ではガス流れが不十分で発電が低下し、水の生成量が少なく、フラッディングが生じないか、または水の滞留が生じても発電領域として期待していない部位のため起電力上、発電上、問題が生じない。

図１２、図１３は参考例１に対する比較例である。
比較例では、溝流路１２７ａ、１２８ａの流路断面積がガス流れ方向Ｆと直交する方向に一定のため、低負荷発電時には、流量が低下して発電面積がガス流量に対して広すぎるため、一部の領域において、たとえば上下方向両側領域の流路溝において流速が低下し、生成水の滞留が生じて詰まったりし、流れたり流れなかったりする流れの不安定な状態が生じる。これによって、起電力の低下が生じることがある。
これに対して参考例１では、低負荷発電領域では、セル面の一部のみを発電領域１００として使用し、その領域１００では十分なガス流速を得るようにし、そのガス流速によって生成水を下流に吹き流し、生成水によるガス流れの閉塞と起電力の低下を抑制することができる。また、高負荷発電領域では十分なガス流量があるので、セル面全域で生成水によるガス流れの閉塞は生じず、セル面全域が発電領域となる。

〔参考例２〕
参考例２は、参考例１の「低負荷発電領域ではセル面の一部のみを発電領域１００として使用して生成水によるガス流れの閉塞と起電力の低下を抑制すること」を、図４、図５に示すように、蛇行流路において実現したものである。
参考例２では、図４、図５に示すように、ガス流路２７、２８が、直線部１０３とＵターン部１０４を有する蛇行流路１０２であり、直線部１０３が溝流路２７ａ、２８ａから構成されており、Ｕターン部１０４が互いに間隔をおいて配置された複数の突起２７ｃ、２８ｃと突起２７ｃ、２８ｃ間に形成された格子状流路２７ｄ、２８ｄとを有する流路から形成されている。
ガス出口マニホールド３０ｏ、３１０と、ガス出口マニホールド３０ｏ、３１ｏに連通しかつガス出口マニホールド３０ｏ、３１ｏに最も近いＵターン部１０４との間に、オリフィス１０５が設けられている。オリフィス１０５は、開口面積が一定、かつ、不変である。オリフィス１０５は、流路の仕切りに設けた切り欠きや穴からなる。
ガスがオリフィス１０５を通って流れると、ガス出口マニホールド３０、３１に最も近いＵターン部１０４より下流側のガス流路をバイパスして、ガスが、直接、ガス出口マニホールド３０、３１に流れる。

参考例２の作用・効果については、ガス出口マニホールド３０ｏ、３１ｏと、ガス出口マニホールド３０ｏ、３１ｏに最も近いＵターン部１０４との間に、オリフィス１０５を設けたので、高負荷発電時には、オリフィス１０４が高抵抗であるため、図５に示すように、オリフィス１０５を通り抜けるガス量の割合が低下してガスがＵターン部１０４より下流側のガス流路にも多量に流れ、セル面の全域をガスが流れる。低負荷発電時には、オリフィス１０５が低抵抗であるため、図４に示すように、オリフィス１０５を通り抜けるガス量の割合が高くなり、最終段のガス流路をバイパスしてガスが流れる。その結果、参考例１と同様に、高負荷発電時にはセル面全域が発電領域であり、低負荷発電時にはセル面の一部領域が発電領域となる。そのため、低負荷発電時には、フラッディングによる生成水の滞留が起こりやすい最終段のガス流路をバイパスしてガスが流れる結果、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。また、最終段のガス流路に水の滞留が生じても発電領域として期待していない部位のため起電力上、発電上、問題が生じない。

〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図６、図７、図８に示すように、ガス流路２７がストレート流路であり、ガス流路２７がガス流路２７の全長にわたって互いに並列な複数の溝流路２７ａから構成されている。また、ガス流路２８がストレート流路であり、ガス流路２８がガス流路２８の全長にわたって互いに並列な複数の溝流路２８ａから構成されている。
燃料ガスまたは酸化ガスのガス入口・出口マニホールド３０、３１に、ガス分配・収束部３４、３５を介して、燃料ガスまたは酸化ガスのガス流路２７、２８が接続している。ガス入口・出口マニホールド３０、３１がセパレータの辺の一部に存在するので、全ての溝流路２７ａ、２８ａに対して流れを拡げ、または収束させるために、ガス流れ方向Ｆと直交する方向に延びるガス分配・収束部３４、３５を介在させる。
低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積が、他の部位１０７の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積より大とされている。
低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６の溝流路２７ａ、２８ａの溝幅が、他の部位１０７の溝流路２７ａ、２８ａの溝幅より大とされている。
低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６の溝流路２７ａ、２８ａの圧損を、他の部位１０７の溝流路２７ａ、２８ａの圧損より低くしてある。
図６の例では、セル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域が低負荷発電時にガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れにくい部位１０６であり、セル面の上下方向の中央領域が他の部位１０７である。たとえば、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホールドの一方がセパレータ１８の辺の中央部にある場合は、他方のガスマニホールドはセパレータ１８の辺の中央部から外れた位置にあるが、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方ともにセル面の上下方向の端部領域がガスが流れにくい部位１０６であり、この部位１０６にある溝流路２８ａ、２８ａの幅を、他の部位１０７の溝流路２７ａ、２８ａの幅より大としてある。ただし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、電解質膜１１を挟んで互いに反対側に位置する。たとえば、膜１１を挟んで対向する燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８のうち、燃料ガス流路２７を図６の流路構成とし、酸化ガス流路２８を前述の図２に準じる流路構成（セル面の上下方向両側領域の流路断面積を大とする）としてもよい。
低負荷発電時にガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れにくい部位１０６は、図６に示したようなセル面の上下両側の領域にあるものに限定されない。たとえば、図７のように、ガス入口・出口マニホールド３０、３１（３０ｉ、３１ｉがガス入口、３０ｏ、３１ｏがガス出口）が矩形状のセパレータの対角部にあり、低負荷発電時にガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れにくい部位１０６がセル面の上下方向中央領域（この部位の溝流路の幅を他の部位の溝流路の幅より大とする）にあり、他の部位１０７がセル面の上下方向両側領域にあるものであってもよい。

本発明の実施例１の作用・効果については、ガス流路２７、２８が全長にわたって溝流路２７ａ、２８ａから構成されているので、溝流路２７ａ、２８ａの伸長方向の途中で溝流路２７ａ、２８ａの伸長方向と直交する方向にガスが流れてガスの流れ分布が乱されてしまうことがない。
また、低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６の溝流路２７ａ、２８ａの流路断面積を他の部位１０７の溝流路の流路断面積より大としたので、低負荷発電時には溝流路の流路断面積を大とした領域１０６にもガスが良好に流れ、その領域１０６の溝流路２７ａ、２８ａのガス流速が高く維持され、生成水を効果的に排出できる。また、元々流れやすかった部位１０７にもガスが流れ、その部位１０７での生成水の滞留を抑制する。その結果、低負荷発電時においても、ほぼセル面の全域で生成水の排出が良好で、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。

図１２、図１３は本発明の実施例１に対しても比較例となる。
比較例では、溝流路１２７ａ、１２８ａの流路断面積がガス流れ方向Ｆと直交する方向に一定のため、低負荷発電時には、一部の領域において、たとえばガスマニホールドからガスが流入、流出しにくい上下方向両側領域の流路溝において流速が低下し、生成水の滞留が生じて詰まったりし、流れたり流れなかったりする流れの不安定な状態が生じる。これによって、起電力の低下が生じることがある。
これに対して本発明の実施例１では、低負荷発電領域では、低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６にも生成水吹き飛ばしに必要なガス流速を得ることができるガス量を流すようにしたので、そのガス流速によって生成水を下流に吹き流し、生成水によるガス流れの閉塞と起電力の低下を抑制することができる。また、高負荷発電領域では十分なガス流量があるので、セル面全域で生成水によるガス流れの閉塞は生じず、セル面全域を発電領域とすることができる。

〔参考例３〕
参考例３は、本発明の実施例１の「低負荷発電時にガスが流れにくい部位１０６にも生成水吹き飛ばしに必要なガス流速を得ることができるガス量を流すようにする」ことを、図９に示すように、蛇行流路のＵターン部において実現したものである。
参考例３では、図９に示すように、ガス流路２７、２８が、直線部１０３とＵターン部１０４を有する蛇行流路１０２であり、直線部１０３が溝流路２７ａ、２８ａから構成されており、Ｕターン部１０４が互いに間隔をおいて配置された複数の突起２７ｃ、２８ｃと突起２７ｃ、２８ｃ間に形成された格子状流路２７ｄ、２８ｄとを有する流路から形成されている。
Ｕターン部１０４において、Ｕターンの外側部１０４ａに位置する複数の突起２７ｃ、２８ｃの間隔が、Ｕターンの内側部１０４ｂに位置する複数の突起２７ｃ、２８ｃの間隔より大とされている。Ｕターン部１０４において、Ｕターンの外側部１０４ａに位置する格子状流路２７ｄ、２８ｄの幅が、Ｕターンの内側部１０４ｂに位置する格子状流路２７ｄ、２８ｄの幅より大とされている。
Ｕターン部１０４において、Ｕターンの外側部１０４ａの圧損が、Ｕターンの内側部１０４ｂの圧損より小さくされている。

参考例３の突起２７ｃ、２８ｃの間隔に係る構成を、参考例１の流路溝構成と組み合わせてもよいし、あるいは、通常の均一流路溝構成と組み合わせてもよい。
また、参考例３の突起２７ｃ、２８ｃの間隔に係る構成を、参考例２のオリフィス構成と組み合わせてもよいし、あるいは通常の、オリフィスをもたない流路構成と組み合わせてもよい。

参考例３の作用・効果については、Ｕターン部１０４において、Ｕターンの外側部１０４ａに位置する複数の突起２７ｃ、２８ｃの間隔を、Ｕターンの内側部１０４ｂに位置する複数の突起２７ｃ、２８ｃの間隔より大としたので、従来セパレータでは流れにくかったＵターンの外側部１０４ａにもガスが流れるようになる。その結果、低負荷発電時においても、Ｕターンの外側部１０４ａを含む、セル面のほぼ全域で生成水の排出が良好で、生成水の滞留による起電力の低下を抑制できる。

参考例１の燃料電池に用いられるセパレータの一例の正面図である。参考例１の燃料電池に用いられるセパレータのもう一例の正面図である。図１のセパレータのＡ−Ａ線で見た拡大断面図である。参考例２の燃料電池に用いられるセパレータの、低負荷発電時における、正面図である。参考例２の燃料電池に用いられるセパレータの、高負荷発電時における、正面図である。本発明の実施例１の燃料電池に用いられるセパレータの一例の正面図である。本発明の実施例１の燃料電池に用いられるセパレータのもう一例の正面図である。図６のセパレータのＢ−Ｂ線で見た拡大断面図である。参考例３の燃料電池に用いられるセパレータの正面図である。参考例１〜３と本発明の実施例１の燃料電池の側面図である。図１０の一部の拡大断面図である。比較例の燃料電池に用いられるセパレータの正面図である。図１２のセパレータのＣ−Ｃ線で見た拡大断面図である。

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１３拡散層
１４電極（アノード）
１６拡散層
１７電極（カソード）
１８セパレータ
１９セルまたはモジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２７ａ燃料ガスの流路溝
２７ｂリブ
２７ｃ突起
２７ｄ格子状流路
２８酸化ガス流路
２８ａ酸化ガスの流路溝
２８ｂリブ
２８ｃ突起
２８ｄ格子状流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３０ｉガス入口
３０ｏガス出口
３１酸化ガスマニホールド
３１ｉガス入口
３１ｏガス出口
３２冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３ガス側シール材（たとえば、接着剤）
３４、３５ガス分配・収束部
１００低負荷発電時にガスを多く流したい部位（低負荷発電時の発電領域）
１０１他の部位
１０２蛇行流路
１０３蛇行流路の直線部
１０４蛇行流路のＵターン部
１０４ａＵターンの外側部
１０４ｂＵターンの内側部
１０５オリフィス
１０６低負荷発電時にガスが流れにくい部位
１０７他の部位

Claims

互いに並列でかつ独立な複数の溝流路を少なくとも一部に含むガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池であって、前記複数の溝流路の流路断面積をガス流れ方向と直交する方向に、小大小または大小大と、変化させ、前記ガス流路がストレート流路であり、前記ガス流路が全長にわたって前記溝流路から構成されており、低負荷発電時にガスが流れにくい部位の溝流路の流路断面積を他の部位の溝流路の流路断面積より大とし、
前記ガス流路が酸化ガスマニホールドに接続された酸化ガス流路と燃料ガスマニホールドに接続された燃料ガス流路とを含み、
前記酸化ガスマニホールドと前記燃料ガスマニホールドの一方のガスマニホールドがセル面の上下方向の中央領域に設けられており、前記酸化ガスマニホールドと前記燃料ガスマニホールドの他方のガスマニホールドが矩形状のセル面の対角部に設けられており、
前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路の、前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位はセル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域であり、
前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路の、前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位はセル面の上下方向の中央領域であり、
前記低負荷発電時にガスが流れにくい部位の溝流路の溝流路幅を前記他の部位の溝流路の溝流路幅より大とし、
セル面の上下方向の中央領域に設けられた前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路における、セル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域の溝流路の溝流路幅をセル面の上下方向の中央領域の溝流路の溝流路幅より大とするとともに、セル面の上下方向の中央領域に設けられた前記一方のガスマニホールドに接続するガス流路における、前記複数の溝流路の溝流路幅をガス流れ方向と直交する方向に、大小大と、変化させ、
矩形状のセル面の対角部に設けられた前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路における、セル面の上下方向の中央領域の溝流路の溝流路幅をセル面の上下方向の中央領域を挟む上下両側の領域の溝流路の溝流路幅より大とするとともに、矩形状のセル面の対角部に設けられた前記他方のガスマニホールドに接続するガス流路における、前記複数の溝流路の溝流路幅をガス流れ方向と直交する方向に、小大小と、変化させた、燃料電池。