JP4923403B2 - 燃料電池の配流特性の改善 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池のガス配流特性を改善する技術に関する。

燃料電池は、通常、複数の単セルを積層することにより構成される。この単セルを積層する際の単セルを構成する各部材の位置合わせを容易にし、燃料電池の組み立てを容易にするため、セパレータ内部に反応ガス流路を設けた燃料電池が提案されている。このような燃料電池では、電極に反応ガスを供給し、電極から反応ガスを排出するためのガス連通孔が、反応ガス流路の電極側に設けられている（特許文献１参照）。

特開２００２−１５１１０８号公報

しかしながら、このようなガス連通孔を介して電極に反応ガスを供給した場合、ガス連通孔の下流側と、ガス連通孔でない部分の下流側とで反応ガスの流量が異なり、電極内での反応ガス流量が不均一となる可能性がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電極内での反応ガス流量を均一化することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、電極と、セパレータと、をそれぞれ有する複数の単セルと、前記複数の単セルのそれぞれを連通するガスマニホールドと、を備え、前記セパレータは、その内部に、前記電極の表面に存在するガス通過路と前記ガスマニホールドとを連通する複数のガス連通流路を備え、前記複数のガス連通流路のそれぞれは、前記セパレータの前記電極に面した表面側に開口したガス連通孔を少なくとも１つ有し、前記複数のガス連通流路の複数のガス連通孔は、前記ガスマニホールドからの第１の距離に設けられた第１の連通孔群と、前記第１の距離よりも大きな第２の距離に設けられた第２の連通孔群と、を含み、前記第２の連通孔群の総開口面積は、前記第１の連通孔群の総開口面積よりも大きいことを特徴とする。

この構成によれば、電極の表面で反応ガスが衝突することにより反応ガスの流れが乱されるので、電極内での反応ガス流量の均一性を高めることができる。

前記複数のガス連通流路は、前記第１の連通孔群に属するガス連通孔と、前記第２の連通孔群に属するガス連通孔と、をそれぞれ備えるものとしてもよい。

この構成によれば、ガス連通孔の閉塞による反応ガス流量の不均化を抑制できる。

前記セパレータは、隣接するガス連通流路に設けられたガス連通孔を連通して拡大連通孔を形成する連結流路を備えるものとしてもよい。

この構成によれば、ガス連通流路の閉塞による反応ガス流量の不均化を抑制できる。

前記第１の連通孔群と前記第２の連通孔群は、それぞれ複数の拡大連通孔を備え、前記第１の連通孔群の前記複数の拡大連通孔と、前記第２の連通孔群の前記複数の拡大連通孔とは、千鳥状の配列となるように配置されたものとしてもよい。

この構成によれば、連結流路が近接することによるセパレータの剛性の低下を抑制できる。

前記セパレータは、第１の板と第２の板と第３の板とをこの順に積層することにより形成され、前記第１の板と前記第２の板と前記第３の板は、それぞれ積層した際に前記ガスマニホールドを形成するマニホールド穴を有し、前記第１の板は、前記ガス連通孔を有し、前記第２の板は、前記ガス連通孔と前記マニホールド穴とを連通させることにより前記複数のガス連通流路を形成するガス流路穴を有し、前記第３の板は、前記ガス流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有するものとしてもよい。

この構成によれば、板を積層することによりセパレータを形成することができるので、セパレータの形成がより容易となる。

前記電極は、前記ガス通過路を構成するガス拡散層を有するものとしてもよい。

この構成によれば、単セルの圧力損失を低減することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその燃料電池を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池システムを搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を参考例および実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１参考例：
Ｂ．第２参考例：
Ｃ．第３参考例：
Ｄ．実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１参考例：
図１（ａ）は、本発明の第１参考例としての燃料電池を構成する燃料電池スタック１００の構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、複数の単セル２００を積層することにより構成されている。燃料電池スタック１００には、酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却水供給マニホールド１５０と、冷却水排出マニホールド１６０と、が設けられている。

図１（ｂ）は、単セル２００の構成を示す説明図である。単セル２００は、アノード側プレート３００と、カソード側プレート４００と、中間プレート５００と、膜・電極接合体６００と、シール部材２１０とを備えている。

３つのプレート３００，４００，５００は、それぞれ、種々の形状の穴がプレス成形により形成された平板である。これらのプレート３００，４００，５００は、ステンレス鋼などのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。３つのプレート３００，４００，５００は、積層されることにより、燃料ガスと酸化ガスと冷却水とのそれぞれの流路を分離するセパレータを構成する。

膜・電極接合体６００は、電解質膜６２０と、アノード６４０と、カソード６６０と、を備えている。電解質膜６２０は、ナフィオン（デュポン社の商標）などのフッ素系樹脂材料で形成された湿潤状態において良好な導電性を有するイオン交換膜である。アノード６４０とカソード６６０は、カーボンクロスなどのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。このアノード６４０とカソード６６０には、白金や白金と他の金属からなる合金などが燃料電池反応の触媒として担持されている。なお、以下では、アノード６４０とカソード６６０とを併せて「電極」とも呼ぶ。

シール部材２１０は、シリコーンゴムなどのガス不透性と弾力性と耐熱性とを有する材料で形成されている。シール部材２１０の中心部には、破線で示すように、膜・電極接合体６００を配置するための穴が設けられている。

３つのプレート３００，４００，５００とシール部材２１０とのそれぞれには、複数の貫通穴（図示しない）が設けられている。これらの貫通穴は、単セル２００を積層し燃料電池スタック１００を構成したときにマニホールド１１０〜１６０を形成する。なお、以下では、これらの貫通穴を「マニホールド穴」とも呼ぶ。

未使用の酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド１１０を介して単セル２００に供給され、単セル２００から排出される使用済みの酸化ガス（カソードオフガス）は、酸化ガス排出マニホールド１２０を介して排出される。未使用の燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド１３０を介して単セル２００に供給され、単セル２００から排出される使用済みの燃料ガス（アノードオフガス）は、燃料ガス排出マニホールド１４０を介して排出される。なお、一般に、酸化ガスと燃料ガスとは燃料電池反応に用いられるガスであるので、これらのガスは併せて「反応ガス」とも呼ばれる。

燃料電池スタック１００の冷却水は、冷却水供給マニホールド１５０を介して単セル２００に供給される。そして、セパレータ中の冷却水流路（図示しない）を流れた冷却水は、冷却水排出マニホールド１６０を介して燃料電池スタック１００から排出される。

図２（ａ）は、カソード側プレート４００を膜・電極接合体６００側（図１（ｂ）の左側）から見た様子を示している。カソード側プレート４００の周辺部には、６個のマニホールド穴４２２〜４３２が設けられている。カソード側プレート４００には、これらのマニホールド穴４２２〜４３２の他に、複数の酸化ガス供給孔４４０からなる第１の酸化ガス供給孔群と、複数の酸化ガス供給孔４４２からなる第２の酸化ガス供給孔群と、複数の酸化ガス排出孔４４４からなる酸化ガス排出孔群と、が設けられている。図２（ａ）に示すように、第１の酸化ガス供給孔群は、マニホールド穴４２２との距離が第２の酸化ガス供給孔群よりも小さくなっている。

図２（ｂ）は、アノード側プレート３００を中間プレート５００側（図１（ｂ）の左側）から見た様子を示している。アノード側プレート３００の周辺部には、図２（ａ）に示すカソード側プレート４００と同様に、６個のマニホールド穴３２２〜３３２が設けられている。アノード側プレート３００には、これらのマニホールド穴３２２〜３３２の他に、複数の燃料ガス供給孔３５０と、複数の燃料ガス排出孔３５４とが設けられている。

図２（ｃ）は、中間プレート５００をカソード側プレート４００側（図１（ｂ）の左側）から見た様子を示している。図２（ａ），（ｂ）に示すカソード側プレート４００やアノード側プレート３００と同様に、中間プレート５００には、４個のマニホールド穴５２２〜５２８が設けられている。

酸化ガス供給マニホールド１１０に対応するマニホールド穴５２２には、酸化ガス供給孔４４０，４４２と酸化ガス供給マニホールド１１０とを連通するための櫛歯状の酸化ガス供給流路穴５４２が設けられている。そのため、３つのプレート３００，４００，５００とを積層することにより、酸化ガス供給マニホールド１１０と酸化ガス供給孔４４０，４４２とが連通し、複数の酸化ガス供給流路が形成される。

酸化ガス排出マニホールド１２０を形成するマニホールド穴５２４には、酸化ガス排出孔４４４と酸化ガス排出マニホールド１２０とを連通するための櫛歯状の酸化ガス排出流路穴５４４が形成されている。同様に、燃料ガス供給マニホールド１３０を形成するマニホールド穴５２６には、燃料ガス供給マニホールド１３０と燃料ガス供給孔３５０とを連通するための櫛歯状の燃料ガス供給流路穴５４６が設けられている。また、燃料ガス排出マニホールド１４０を形成するマニホールド穴５２８には、燃料ガス排出孔３５４と燃料ガス排出マニホールド１４０を連通するための櫛歯状の燃料ガス排出流路穴５４８とが設けられている。

中間プレート５００には、これらのマニホールド穴５２２〜５２８と、ガス流路穴５４２，５４４，５４６，５４８との他に、冷却水供給マニホールド１５０（マニホールド穴３３０，４３０）の位置から冷却水排出マニホールド１６０（マニホールド穴３３２，４３２）の位置とにわたって複数の冷却水流路穴５５０が設けられている。これらの冷却水流路穴５５０は、３つのプレート３００，４００，５００を積層することにより、冷却水供給マニホールド１５０と冷却水排出マニホールド１６０とを連通する冷却水流路を形成する。

図３は、第１参考例における燃料ガスの流れの様子を示す説明図である。図３（ａ）は、３つのプレート４００，５００，３００をこの順に積層したセパレータを図１の左側から見た様子を示している。図３（ｂ）の右半分は、セパレータに膜・電極接合体６００（図１）とカソード側プレート４００とを積層した状態でのＡ−Ａ線（図３（ａ）の一点鎖線）に沿った断面を示している。また、図３（ｂ）の左半分は、Ｂ−Ｂ線（図３（ａ）の二点鎖線）に沿った断面を示している。

図３（ｂ）に示すように、３つのプレート４００，５００，３００を積層することにより、燃料ガス供給流路穴５４６と燃料ガス供給孔３５０とは、燃料ガス供給マニホールド１３０からアノード６４０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路８３０を形成する。同様に、燃料ガス排出孔３５４と燃料ガス排出流路穴５４８とは、アノード６４０から燃料ガス排出マニホールド１４０に燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路８４０を形成する。なお、図３（ｂ）に示すように、燃料ガス供給孔３５０と燃料ガス排出孔３５４とは、いずれもセパレータの電極側表面に開口した燃料ガス連通孔となる。

燃料ガスは、図３（ｂ）の矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス供給流路８３０を介してアノード６４０に供給される。アノード６４０に供給された燃料ガスは、多孔質のアノード６４０中を流れる間に燃料電池反応で使用される。そして、使用済みの燃料ガスは、アノード６４０から燃料ガス排出流路８４０を介して燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。なお、この場合のアノード６４０は、上流側のアノード６４０表面から下流側のアノード６４０表面に燃料ガスを通過させる燃料ガス通過路となる。

図４は、第１参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。図４（ａ）は、３つのプレート４００，５００，３００をこの順に積層したセパレータを図１の左側から見た様子を示している。図４（ｂ）は、セパレータに膜・電極接合体６００（図１）とアノード側プレート３００とを積層した状態でのＣ−Ｃ線（図４（ａ）の一点鎖線）に沿った断面を示している。

図４（ｂ）に示すように、３つのプレート４００，５００，３００を積層することにより、酸化ガス供給流路穴５４２と酸化ガス供給孔４４０，４４２とは、酸化ガス供給マニホールド１１０からカソード６６０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路８１０を形成する。同様に、酸化ガス排出孔４４４と酸化ガス排出流路穴５４４とは、カソード６６０から酸化ガス排出マニホールド１２０に酸化ガスを排出する酸化ガス排出流路８２０を形成する。なお、図４（ｂ）に示すように、酸化ガス供給孔４４０，４４２と酸化ガス排出孔４４４とは、いずれもセパレータの電極側表面に開口した酸化ガス連通孔となる。

このように単セル２００を構成することにより、酸化ガスは、図４（ｂ）の矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から、酸化ガス供給流路８１０を介してカソード６６０に供給される。カソード６６０に供給された酸化ガスは、多孔質のカソード６６０中を流れる間に燃料電池反応で使用される。そして、使用済みの酸化ガスは、カソード６６０から酸化ガス排出流路８２０を介して酸化ガス排出マニホールド１２０に排出される。なお、この場合のカソード６６０は、上流側のカソード６６０表面から下流側のカソード６６０表面に酸化ガスを通過させる酸化ガス通過路となる。

このとき、酸化ガス供給マニホールド１１０に近い上流側の酸化ガス供給孔４４０からカソード６６０に供給された酸化ガスは、その主流方向が図４（ａ）のＣ−Ｃ線と平行な方向となる。酸化ガス供給マニホールド１１０から遠い下流側の酸化ガス供給孔４４２の位置では、主流方向と直交する方向に酸化ガスが供給される。このように、異なる方向の酸化ガス流が衝突することにより酸化ガスの流れが乱されるので、酸化ガスの流量が平均化し、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性が高くなる。

図４（ｂ）に示すように、酸化ガス供給流路８１０は、酸化ガス供給流路穴５４２と酸化ガス供給孔４４０，４４２によって形成されるので、酸化ガス供給孔４４０の中間プレート５００側端で分岐した流路となる。酸化ガス供給流路８１０が分岐しているので、酸化ガス供給孔４４０，４４２とのいずれか一方が酸化ガスに混入した夾雑物等により閉塞しても、酸化ガスは閉塞していない酸化ガス供給孔を通してカソード６６０に供給される。そのため、第１参考例では、酸化ガス供給孔の閉塞によってカソード６６０内で酸化ガス流量が不均一になることを抑制することができる。

このように、第１参考例では、１つの酸化ガス供給流路８１０に２つの酸化ガス供給孔４４０，４４２を設けることにより、異なる方向の酸化ガス流を衝突させることができる。そのため、カソード６６０内での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性を高められる。

なお、第１参考例では、複数の酸化ガス供給孔は、第１と第２の２つの酸化ガス供給孔群を構成しているが、酸化ガス供給孔群の数は、２以上の任意の数とすることができる。この場合、各酸化ガス供給孔群の酸化ガス供給マニホールド１１０（マニホールド穴４２２）からの距離は、互いに異なるように設定される。

Ｂ．第２参考例：
図５は、第２参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。第２参考例は、円形の酸化ガス供給孔４４０，４４２に替えて長円形の酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａがカソード側プレート４００ａに設けられている点で、第１参考例と異なっている。他の点は、第１参考例と同様である。

図５（ａ）は、３つのプレート４００ａ，５００，３００をこの順に積層したセパレータを図１の左側から見た様子を示している。図５（ｂ）は、セパレータに膜・電極接合体６００（図１）とアノード側プレート３００とを積層した状態でのＣ−Ｃ線（図５（ａ）の一点鎖線）に沿った断面を示している。

図５（ａ）に示すように、カソード側プレート４００ａには、複数の酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａが千鳥状の配列となるように設けられている。これらの酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａは、２つの隣接する第１参考例の酸化ガス供給孔４４０，４４２（図４（ａ））を連結した孔となっている。すなわち、酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａは、隣接した酸化ガス供給孔４４０，４４２を連通する連結流路と、酸化ガス供給孔４４０，４４２とで形成される拡大連通孔である。

なお、第２参考例では、複数の酸化ガス供給孔４４０ａは、第１の酸化ガス供給孔群に属する２つの酸化ガス供給孔４４０を連通することにより形成され、複数の酸化ガス供給孔４４２ａは、第２の酸化ガス供給孔群に属する２つの酸化ガス供給孔４４２を連通することにより形成されている。そのため、２つの酸化ガス供給孔群は、それぞれ拡大連通孔４４０ａ，４４２ａとを備えていると言うことができる。

第２参考例においても、酸化ガス供給流路穴５４２と酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａとは、図５（ｂ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０からカソード６６０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路８１０ａを形成する。酸化ガスは、図５（ｂ）の矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から、酸化ガス供給流路８１０ａを介してカソード６６０に供給される。

第２参考例においても、上流側の酸化ガス供給孔４４０ａからの酸化ガス流と、下流側の酸化ガス供給孔４４２ａからの酸化ガス流とは、酸化ガス供給流路穴５４２の位置で衝突させられる。そのため、カソード６６０内での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。

また、カソード６６０に供給された酸化ガスは、長円形の酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａの全体から下流に向かって流れる。酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａは、カソード６６０の幅全体にわたって形成されているので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性をより高めることができる。

隣接する酸化ガス供給流路穴５４２が長円形の酸化ガス供給孔４４０ａ，４４２ａによって連通されている。隣接する酸化ガス供給流路穴５４２が連通されているので、酸化ガス供給流路穴５４２のいずれかが酸化ガスに混入した夾雑物等により閉塞しても、酸化ガスは閉塞していない酸化ガス供給流路穴５４２を通してカソード６６０に供給される。そのため、第２参考例では、酸化ガス供給流路穴５４２の閉塞によりカソード６６０内で酸化ガス流量が不均一になることを抑制することができる。

このように、第２参考例においても、第１参考例と同様に、カソード６６０内での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。

第２参考例は、酸化ガス供給流路穴５４２の閉塞によるカソード６６０内での酸化ガス流量の不均化を抑制できる点で、第１参考例よりも好ましい。一方、第１参考例は、カソード側プレートに設けられる酸化ガス供給孔の開口面積が小さく、カソード側プレートの剛性の低下を抑制できる点で、第２参考例よりも好ましい。

なお、第２参考例では、拡大連通孔は、同一の酸化ガス供給孔群に属する２つの酸化ガス供給孔を連通することにより形成されているが、一般に、拡大連通孔は隣接する酸化ガス供給流路に設けられたＬ個（Ｌは２以上の任意の整数）の酸化ガス供給孔を連通するものであればよい。例えば、ある酸化ガス供給流路に設けられた酸化ガス供給孔４４０と、その流路に隣接する酸化ガス供給流路に設けられた酸化ガス供給孔４４２とを連通するものとしてもよい。この場合、拡大連通孔の配列は、千鳥状でなく直線状となる。

Ｃ．第３参考例：
図６は、第３参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。第３参考例は、カソード側プレート４００ｂに酸化ガス排出孔４４６が更に設けられている点と、酸化ガス排出流路穴５４４ｂが酸化ガス排出マニホールド１２０と酸化ガス排出孔４４４，４４６とを連通するように形成されている点とで、第１参考例と異なっている。他の点は、第１参考例と同様である。

図６（ａ）は、３つのプレート４００ｂ，５００ｂ，３００をこの順に積層したセパレータを図１の左側から見た様子を示している。図６（ｂ）は、セパレータに膜・電極接合体６００（図１）とアノード側プレート３００とを積層した状態でのＣ−Ｃ線（図６（ａ）の一点鎖線）に沿った断面を示している。

図６（ａ）に示すように、カソード側プレート４００ｂは、第１参考例のカソード側プレート４００に、複数の酸化ガス排出孔４４６を設けた構成となっている。この複数の酸化ガス排出孔４４６からなる第２の酸化ガス排出孔群の酸化ガス排出マニホールド１２０からの距離は、複数の酸化ガス排出孔４４４からなる第１の酸化ガス排出孔群よりも大きくなっている。

図６（ｂ）に示すように、酸化ガス排出流路８２２は、酸化ガス排出流路穴５４４ｂと酸化ガス排出孔４４４，４４６とによって形成されるので、酸化ガス排出孔４４６の中間プレート５００側端で分岐した流路となる。酸化ガス排出流路８２２が分岐しているので、酸化ガス排出孔４４４，４４６とのいずれか一方がカソード６６０で生成された水等により閉塞しても、酸化ガスは、閉塞していない酸化ガス排出孔を通してカソード６６０から排出される。そのため、第３参考例では、酸化ガス排出孔の閉塞によりカソード６６０下流部で酸化ガス流量が不均一になることを抑制することができる。

なお、第３参考例においても、第１参考例と同様に、１つの酸化ガス供給流路８１０に２つの酸化ガス供給孔４４０，４４２が設けられている。そのため、カソード６６０内で酸化ガス流が衝突させられ、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性が高くなる。また、酸化ガス供給流路８１０が分岐しているので、酸化ガス供給孔の閉塞によってカソード６６０内で酸化ガス流量が不均一になることを抑制することができる。

第３参考例は、酸化ガス排出孔の閉塞によるカソード６６０下流部の酸化ガス流量の不均化を抑制できる点で、第１参考例よりも好ましい。一方、第１参考例は、カソード側プレートに設けられる酸化ガス排出孔の数が少なく、カソード側プレートの剛性の低下を抑制できる点で、第３参考例よりも好ましい。

なお、第３参考例では、カソード側プレート４００ｂは、２つの酸化ガス供給孔群と２つの酸化ガス排出孔群とを有しているが、Ｍ個（Ｍは１以上の任意の整数）の酸化ガス供給孔群と、Ｎ個（Ｎは２以上の任意の整数）の酸化ガス排出孔群とを有するものとしてもよい。酸化ガス供給孔群の数を１としても、酸化ガス排出孔の閉塞によるカソード６６０下流部の酸化ガス流量の不均化を抑制できる。

Ｄ．実施例：
図７は、実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。実施例は、１つの酸化ガス供給流路穴５４２ｃに対して１つの酸化ガス供給孔４４０ｃ，４４２ｃとが設けられている点と、酸化ガス供給孔４４２ｃが横長の楕円形になっている点とで、第１参考例と異なっている。他の点は、第１参考例と同様である。

図７（ａ）は、３つのプレート４００ｃ，５００ｃ，３００をこの順に積層したセパレータを図１の左側から見た様子を示している。図７（ｂ）は、セパレータに膜・電極接合体６００（図１）とアノード側プレート３００とを積層した状態でのＣ−Ｃ線（図７（ａ）の一点鎖線）に沿った断面を示している。また、図７（ｃ）は、Ｄ−Ｄ線（図７（ａ）の二点鎖線）に沿った断面を示している。

図７（ａ）に示すように、実施例では、隣接した酸化ガス供給流路穴５４２ｃに対応する酸化ガス供給孔４４０ｃ，４４２ｃは、酸化ガス供給マニホールド１１０からの距離が互いに異なる直線上に設けられている。このように、酸化ガス供給孔４４０ｃ，４４２ｃを設けることにより、開口面積が大きい酸化ガス供給孔４４２ｃが近接しないので、カソード側プレート４００ｃの剛性の低下を抑制することができる。

実施例では、図７（ｂ）に示すように、酸化ガス供給流路穴５４２ｃと酸化ガス供給孔４４０ｃとは、酸化ガス供給流路８１２を形成する。また、図７（ｃ）に示すように、酸化ガス供給流路穴５４２ｃと酸化ガス供給孔４４２ｃとは、酸化ガス供給流路８１４を形成する。酸化ガスは、これらの酸化ガス供給流路８１２，８１４を介して酸化ガス供給マニホールド１１０からカソード６６０に供給される。

実施例においても、上流側の酸化ガス供給孔４４０ｃからの酸化ガス流と、下流側の酸化ガス供給孔４４２ｃからの酸化ガス流とは、酸化ガス供給孔４４２ｃの位置で衝突させられる。そのため、カソード６６０内での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。

また、カソード６６０に供給された酸化ガスは、円形の酸化ガス供給孔４４０ｃと楕円形の酸化ガス供給孔４４２ｃのそれぞれ全体から下流に向かって流れる。これらの酸化ガス供給孔４４０ｃ，４４２ｃは、カソード６６０の幅全体にわたって形成されているので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性をより高めることができる。

このように、実施例においても、第１参考例と同様に、カソード６６０内での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、カソード６６０内での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。

なお、実施例では、下流側の酸化ガス供給孔４４２ｃを横長の楕円形とし、上流側の酸化ガス供給孔４４０ｃを円形としているが、下流側の酸化ガス供給孔の総開口面積が上流側の酸化ガス供給孔の総開口面積以上であれば、上流側の酸化ガス供給孔と下流側の酸化ガス供給孔とを異なる形状で形成しても良い。このように、上流側および下流側の酸化ガス供給孔を形成することにより、上流側の酸化ガス供給孔からの酸化ガス流は、下流側の酸化ガス供給孔からの酸化ガスとの衝突によってその流れを乱すことができる。

また、実施例では、隣接した酸化ガス供給流路穴に対応する酸化ガス供給孔を酸化ガス供給マニホールドからの距離が互いに異なる直線上に設けているが、隣接した酸化ガス排出流路穴に対応する酸化ガス排出孔を酸化ガス排出マニホールドからの距離が互いに異なる直線上に設けるものとしてもよい。この場合、酸化ガス排出孔を単一の直線上に設けるよりも酸化ガス排出孔の距離が大きくなるので、隣接した酸化ガス排出孔が生成水により同時に閉塞する可能性が低下する。そのため、酸化ガス排出孔の閉塞によるカソードの下流部でのガス不均化を抑制することができる。

このとき、酸化ガス排出孔は、酸化ガス排出孔がカソード６６０の幅全体にわたって形成され酸化ガス流量の均一性をより高められるので、上流側の酸化ガス排出孔と上流側の酸化ガス排出孔のいずれか一方の総開口面積を大きくすることが好ましい。この場合、カソード側プレートの剛性の低下を抑制することができるので、酸化ガス排出マニホールドから遠い酸化ガス排出孔の総開口面積を酸化ガス排出マニホールドに近い酸化ガス排出孔の総開口面積よりも大きくすることが好ましい。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記各参考例および実施例では、図２に示すように、アノード側プレート３００とカソード側プレート４００とに設ける穴の位置を変えているが、一般には、酸化ガスと、燃料ガスと、冷却水との各流路が連通しないようにできればよい。これらの反応ガス流路と冷却水流路とが連通しないようにするためには、酸化ガス供給流路穴５４２と酸化ガス排出流路穴５４４の位置でアノード側プレート３００にガス不透性の部材を設け、燃料ガス供給流路穴５４６と燃料ガス排出流路穴５４８の位置でカソード側プレート４００にガス不透性の部材を設ければよい。

Ｅ２．変形例２：
上記各参考例および実施例では、マニホールドと電極とを連通する、ガス連通流路（酸化ガス供給流路、酸化ガス排出流路、燃料ガス供給流路、燃料ガス排出流路）を有するセパレータを３つのプレートにより形成しているが、セパレータは他の構成により形成することもできる。例えば、ガス連通流路を形成するための流路溝とガス連通孔とを設けた部材と、燃料ガスと酸化ガスと冷却水との各流路を分離する部材とを含む複数の部材を積層することによりセパレータを形成するものとしてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上記各参考例および実施例では、単一の多孔質材で電極を形成することにより、電極を反応ガスを通過させるためのガス通過路としているが、ガス通過路は他の方法により構成することも可能である。例えば、電極に電解質側の多孔質材の空孔率よりも空孔率が高い多孔質材で形成されたガス拡散層を設けることにより、空孔率の高いガス拡散層が反応ガスの通過するガス通過路となる。また、セパレータの電極に接する面に流路溝を形成し、その流路溝と電極とで形成される流路をガス通過路とすることもできる。

Ｅ４．変形例４：
上記各参考例および実施例では、本発明の適用によるカソード内での酸化ガス流量の均一性向上について説明してきたが、本発明を燃料ガスの流路側に適用することにより、アノード内での燃料ガス流量の均一性向上を図ることもできる。
その他の形態：
燃料電池であって、電極と、セパレータと、をそれぞれ有する複数の単セルと、前記複数の単セルのそれぞれを連通するガスマニホールドと、を備え、前記セパレータは、その内部に、前記電極の表面に存在するガス通過路と前記ガスマニホールドとを連通する複数のガス連通流路を備え、前記複数のガス連通流路のそれぞれは、前記セパレータの前記電極に面した表面側に開口したガス連通孔を少なくとも１つ有し、前記複数のガス連通流路の複数のガス連通孔は、前記ガスマニホールドからの第１の距離に設けられた第１の連通孔群と、前記第１の距離よりも大きな第２の距離に設けられた第２の連通孔群と、を含むことを特徴とする。
この構成によれば、電極の表面で反応ガスが衝突することにより反応ガスの流れが乱されるので、電極内での反応ガス流量の均一性を高めることができる。
前記複数のガス連通流路は、前記第１の連通孔群に属するガス連通孔と、前記第２の連通孔群に属するガス連通孔と、をそれぞれ備えるものとしてもよい。
この構成によれば、ガス連通孔の閉塞による反応ガス流量の不均化を抑制できる。
前記セパレータは、隣接するガス連通流路に設けられたガス連通孔を連通して拡大連通孔を形成する連結流路を備えるものとしてもよい。
この構成によれば、ガス連通流路の閉塞による反応ガス流量の不均化を抑制できる。
前記第１の連通孔群と前記第２の連通孔群は、それぞれ複数の拡大連通孔を備え、前記第１の連通孔群の前記複数の拡大連通孔と、前記第２の連通孔群の前記複数の拡大連通孔とは、千鳥状の配列となるように配置されたものとしてもよい。
この構成によれば、連結流路が近接することによるセパレータの剛性の低下を抑制できる。
前記セパレータは、第１の板と第２の板と第３の板とをこの順に積層することにより形成され、前記第１の板と前記第２の板と前記第３の板は、それぞれ積層した際に前記ガスマニホールドを形成するマニホールド穴を有し、前記第１の板は、前記ガス連通孔を有し、前記第２の板は、前記ガス連通孔と前記マニホールド穴とを連通させることにより前記複数のガス連通流路を形成するガス流路穴を有し、前記第３の板は、前記ガス流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有するものとしてもよい。
この構成によれば、板を積層することによりセパレータを形成することができるので、セパレータの形成がより容易となる。
前記電極は、前記ガス通過路を構成するガス拡散層を有するものとしてもよい。
この構成によれば、単セルの圧力損失を低減することができる。
前記第２の連通孔群の総開口面積は、前記第１の連通孔群の総開口面積よりも大きいものとしてもよい。
この構成によれば、電極内での反応ガスの流れをより容易に乱すことができる。

燃料電池を構成する燃料電池スタック１００の構成を示す説明図。 単セル２００を構成する３つのプレート３００，４００，５００の形状を示す模式図。 第１参考例における燃料ガスの流れの様子を示す説明図。 第１参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図。 第２参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図。 第３参考例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図。 実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０…冷却水供給マニホールド
１６０…冷却水排出マニホールド
２００…単セル
２１０…シール部材
３００…アノード側プレート
３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２…マニホールド穴
３５０…燃料ガス供給孔
３５４…燃料ガス排出孔
４００，４００ａ，４００ｂ，４００ｃ…カソード側プレート
４２２，４２４，４２６，４２８，４３０，４３２…マニホールド穴
４４０，４４０ａ，４４０ｃ…酸化ガス供給孔
４４２，４４２ａ，４４２ｃ…酸化ガス供給孔
４４４，４４６…酸化ガス排出孔
５００…中間プレート
５２２，５２４，５２６，５２８，５３０，５３２…マニホールド穴
５４２，５４２ｃ…酸化ガス供給流路穴
５４４，５４４ｂ…酸化ガス排出流路穴
５４６…燃料ガス供給流路穴
５４８…燃料ガス排出流路穴
５５０…冷却水流路穴
６００…電極接合体
６２０…電解質膜
６４０…アノード
６６０…カソード
８１０，８１０ａ，８１２，８１４…酸化ガス供給流路
８２０，８２２…酸化ガス排出流路
８３０…燃料ガス供給流路
８４０…燃料ガス排出流路

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電極と、セパレータと、をそれぞれ有する複数の単セルと、
   前記複数の単セルのそれぞれを連通するガスマニホールドと、
   を備え、
   前記セパレータは、その内部に、前記電極の表面に存在するガス通過路と前記ガスマニホールドとを連通する複数のガス連通流路を備え、
   前記複数のガス連通流路のそれぞれは、前記セパレータの前記電極に面した表面側に開口したガス連通孔を少なくとも１つ有し、
   前記複数のガス連通流路の複数のガス連通孔は、前記ガスマニホールドからの第１の距離に設けられた第１の連通孔群と、前記第１の距離よりも大きな第２の距離に設けられた第２の連通孔群と、を含み、
   前記第２の連通孔群の総開口面積は、前記第１の連通孔群の総開口面積よりも大きい、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記複数のガス連通流路は、前記第１の連通孔群に属するガス連通孔と、前記第２の連通孔群に属するガス連通孔と、をそれぞれ備える、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、隣接するガス連通流路に設けられたガス連通孔を連通して拡大連通孔を形成する連結流路を備える、燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記第１の連通孔群と前記第２の連通孔群は、それぞれ複数の拡大連通孔を備え、
   前記第１の連通孔群の前記複数の拡大連通孔と、前記第２の連通孔群の前記複数の拡大連通孔とは、千鳥状の配列となるように配置された、
   燃料電池。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、第１の板と第２の板と第３の板とをこの順に積層することにより形成され、
   前記第１の板と前記第２の板と前記第３の板は、それぞれ積層した際に前記ガスマニホールドを形成するマニホールド穴を有し、
   前記第１の板は、前記ガス連通孔を有し、
   前記第２の板は、前記ガス連通孔と前記マニホールド穴とを連通させることにより前記複数のガス連通流路を形成するガス流路穴を有し、
   前記第３の板は、前記ガス流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有する、
   燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池であって、
   前記電極は、前記ガス通過路を構成するガス拡散層を有する、燃料電池。

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