JP5560728B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車に用いられる燃料電池に係り、より詳しくは発電性能を向上することができる燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、図１３に示すように多数枚の発電セル１２を積層することにより電池スタック１１を構成している。図１４に示すように前記発電セル１２を構成する一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は、固体電解質膜１６と、アノード側に位置する電極触媒層１７と、カソード側に位置する電極触媒層１８とを備えている。固体電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟着されている。前記電極触媒層１７の表面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の表面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の表面にはアノード側の第１ガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の表面には、カソード側の第２ガス流路形成体２２が積層されている。前記第１ガス流路形成体２１の表面には平板状のセパレータ２３が接合され、第２ガス流路形成体２２の表面には平板状のセパレータ２４が接合されている。

図１４，１５に示すように、前記第１ガス流路形成体２１には、前記セパレータ２３に接触される基板部２１ａと、該基板部２１ａの表面に一体に形成された突条２１ｂとが形成され、各突条２１ｂの間には前記ガス拡散層１９の表面によって閉塞されることで、ガス流路Ｔを構成するストレート溝２１ｃが形成されている。又、第２ガス流路形成体２２も前記ガス流路形成体２１と同様に構成されている。即ち、第２ガス流路形成体２２には、前記セパレータ２４に接触される基板部２２ａと、該基板部２２ａの表面に一体に形成された突条２２ｂとが形成され、各突条２２ｂの間には前記ガス拡散層２０の表面によって閉塞されることで、ガス流路Ｆを構成するストレート溝２２ｃが形成されている。そして、前記発電セル１２に形成された燃料ガスの導入通路Ｍ１から前記ガス流路Ｔに燃料ガスが供給されるとともに、同じく前記発電セル１２に形成された酸化ガスの導入通路Ｒ１（図１３参照）から酸化ガスが前記ガス流路Ｆに供給されると、前記電極構造体１５において燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）が電気化学的に反応して発電が行われる。発電に供された燃料オフガスと酸化オフガスは、発電セル１２に形成された燃料オフガスの導出通路Ｍ２及び酸化オフガスの導出通路Ｒ２（図１３参照）を通してそれぞれ外部に排出される。（特許文献１参照）

特開２００７‐２０７７２５号公報

ところが、従来の燃料電池は、図１４及び図１５に示すように、前記ガス流路形成体２１，２２のストレート溝２１ｃ，２２ｃの通路断面積が全て同じとなるように同形状に形成されていたので、次のような問題があった。即ち、前記発電セル１２によって発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によって、周知のようにカソード側の電極触媒層１８及びガス拡散層２０に生成水が生成される。発電効率を向上するため、燃料ガスと酸化ガスは加湿器によりそれぞれ加湿され、発電セル１２に供給され、ガス流路Ｔ，Ｆに加湿水が供給される。カソード側の生成水の一部は、前記電極構造体１５を浸透して、アノード側のガス拡散層１９及びガス流路形成体２１のストレート溝２１ｃに浸透水として浸入する。

上述した生成水や加湿水がカソード側の第２ガス流路形成体２２のストレート溝２２ｃの壁面に滞留水Ｗとなって付着して残留すると、該滞留水Ｗによってストレート溝２２ｃを流れる酸化ガスの流量が減少し、発電が抑制される。即ち、図１６に示すように、例えば３つのストレート溝２２ｃ（ガス流路Ｆ）が滞留水Ｗによって閉塞されると、各ストレート溝２２ｃの最も外側に位置する２つの突条２２ｂの間の広い領域Ａ１と対応する前記電極触媒層１８に酸化ガスが供給されなくなって、発電効率が低下する。換言すれば、各ストレート溝２２ｃ（ガス流路Ｆ）はどれも滞留水Ｗにより閉塞される可能性があるため、生成水や加湿水の量が多いほど、滞留水Ｗによって閉塞されるストレート溝２２ｃ（ガス流路Ｆ）が増えるので、発電効率の低下に歯止めがかからない。

又、図１３に示す多数積層された発電セル１２のうち、例えば特定の発電セル１２の全てのガス流路Ｔ，Ｆに滞留水Ｗが残留して燃料ガス及び酸化ガスの供給が抑制されて、発電セル１２が発電不能に陥ると、燃料電池スタック１１の各発電セル１２が電気的に直列接続されているので、発電の継続が不可能になる。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、複数のガス流路をそれぞれ備えたガス流路形成体と、該ガス流路形成体に一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記ガス流路にガスを導入する導入通路及びガス流路からガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、前記ガス流路形成体における複数のガス流路の間に流動抵抗の差が生じるようにガス流路の形状を設定し、前記ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、前記ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記ガス流路形成体に形成された連通孔により連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ガス流路を並設し、そのガス流路を通路断面積が相違する形状にしたことを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記ガス流路を、ガスの流動抵抗の小さいストレートガス流路と、流動抵抗の大きい蛇行ガス流路とにより構成したことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記水流路の下流側の開口部は、ガスの導出通路の内壁にまで延長され、その導出通路において前記水流路の下流側の開口部と対応して、ガスの流速を速くするための絞り部が形成されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記ガス流路形成体の平板部及び前記セパレータの前記水流路の下流側の部分に、それらの平板部及びセパレータを貫通するガス通路が形成され、該ガス通路は、前記ガスの導出通路に連通されて、ガスの流速を速くするための絞り部として機能するものであることを要旨とする。

（作用）
本発明において、発電時に生成された浸透水や加湿水がガス流路の複数の群のうちの流動抵抗の大きいガス流路に滞留水となって付着する。しかし、流動抵抗の小さいガス流路には残留することは殆どないので、電極触媒層へのガスの供給が適正に行われる。このため、電極触媒層へのガスの供給が阻害される領域を低減し、発電効率の低下を抑制することができる。

本発明によれば、電極触媒層へのガスの供給が適正に行われ、発電効率の低下を抑制することができるとともに、発電が停止されるのを防止することができる。

この発明の燃料電池を具体化した第１実施形態を示す図１３の１−１線における断面図。 燃料電池を構成する発電セルを示す図１３の２−２線における断面図。 第１，第２ガス流路形成体を示す斜視図。 発電セルの要部の拡大断面図。 この発明の第２実施形態の燃料電池の第１ガス流路形成体及びセパレータを示す部分斜視図。 この発明の第２実施形態の燃料電池の第２ガス流路形成体及びセパレータを示す部分斜視図。 第２実施形態の燃料電池の発電セルを示す図１３の１−１線における断面図。 発電セルの第１及び第２ガス流路形成体の部分平面図。 この発明の燃料電池を具体化した第３実施形態の発電セルを示す図１３の２−２線における断面図。 この発明の燃料電池を具体化した第４実施形態を示す発電セルを示す図１３の１−１線における断面図。 第１実施形態の変形例を示す第１，第２ガス流路形成体の斜視図。 第１実施形態の変形例を示す第１，第２ガス流路形成体の部分斜視図。 燃料電池スタックの略体斜視図。 従来の燃料電池スタックの発電セルを示す図１３の２−２線における断面図。 従来の第１，第２ガス流路形成体の斜視図。 従来の発電セルの部分拡大断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池を具体化した第１実施形態を図１〜図４及び図１２に従って説明する。

図１２に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の発電セル１２によって構成されている。
図１に示すように、発電セル１２は、四角枠状をなす合成ゴム等の合成樹脂製の第１，第２フレーム１３，１４内に、電極構造体としてのＭＥＡ１５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ: 膜電極接合体）を備えている。第１フレーム１３は、その内側に燃料ガスの流路空間１３ａを区画しており、第２フレーム１４は、その内側に酸化ガスの流路空間１４ａを区画している。前記ＭＥＡ１５は、両フレーム１３，１４間に配設されている。前記発電セル１２は、図１及び図２に示すように前記燃料ガスの流路空間１３ａに収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金或いはカーボンよりなる第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガスの流路空間１４ａに収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、カーボン、金鍍金を施したチタン合金、或いは金合金よりなる第２ガス流路形成体２２とを備えている。さらに、前記発電セル１２は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金或いはカーボンよりなるそれぞれ平板状の第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４を備えている。第１セパレータ２３は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に図示しないシールリングを介して接合されている。第２セパレータ２４は、フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に図示しないシールリングを介して接着されている。

前記ＭＥＡ１５は、固体電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、導電性を有する第１ガス拡散層１９及び第２ガス拡散層２０とにより構成されている。第１電極触媒層１７は、電解質膜１６のアノード側の面、即ち図示上面に積層された触媒により形成されており、第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード側の面、即ち図示下面に積層された触媒によって形成されている。ガス拡散層１９，２０は、電極触媒層１７，１８の表面にそれぞれ接触されている。

前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、図示しないが炭素粒子を備えており、炭素粒子の表面には、多数の白金（Ｐｔ）からなる触媒粒子が付着している。前記触媒粒子による触媒作用により、燃料電池の発電が行われる際にその発電効率を高めることができる。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。

次に、前記第１及び第２ガス流路形成体２１，２２について説明する。アノード側に位置する第１ガス流路形成体２１とカソード側に位置する第２ガス流路形成体２２とは、設置方向が例えば９０°異なるが、同様に構成されている。なお、前記第１ガス流路形成体２１と第２ガス流路形成体２２の設置方向は、同方向であっても逆方向であってもよい。前記第１ガス流路形成体２１は、図１及び図３に示すように、前記セパレータ２３に接触される基板部２１ａと、該基板部２１ａの表面に一体に形成された複数の平行な突条２１ｂとにより構成されている。各突条２１ｂの間には前記ガス拡散層１９の表面によって閉塞されることで、燃料ガスの第１ガス流路Ｔ１及び第２ガス流路Ｔ２を構成する第１ストレート溝２１ｃ及び第２ストレート溝２１ｄが形成されている。前記第２ガス流路形成体２２は、前記セパレータ２４に接触される基板部２２ａと、該基板部２２ａの表面に一体に形成された複数の平行な突条２２ｂとにより構成されている。各突条２２ｂの間には前記ガス拡散層２０の表面によって閉塞されることで、酸化ガスの第１ガス流路Ｆ１及び第２ガス流路Ｆ２を構成する第１ストレート溝２２ｃ及び第２ストレート溝２２ｄが形成されている。

図４に示すように、第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ（２２ｃ，２２ｄ）の深さｄ１，ｄ２は、全て同じに設定され、第１ストレート溝２１ｃ（２２ｃ）の幅ｗ１は、第２ストレート溝２１ｄ（２２ｄ）の幅ｗ２によりも狭く設定されている。従って、前記第１ガス流路Ｔ１（Ｆ１）の燃料（酸化）ガスの通路断面積Ｓ１は、ガスの流動抵抗が大きくなるように狭く設定されている。第２ガス流路Ｔ２（Ｆ２）の燃料（酸化）ガスの通路断面積Ｓ２は、ガスの流動抵抗が小さくなるように広く設定されている。

図２に示すように、前記各発電セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、図示しない燃料ガス供給源（例えば水素ボンベ）から燃料ガス（水素ガス）を前記ガス流路Ｔ１，Ｔ２へ供給するための導入通路Ｍ１が形成されるとともに、発電に供された燃料オフガスを外部に導出するための導出通路Ｍ２が形成されている。図１に示すように、前記発電セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、図示しない酸化ガス供給源（例えばコンプレッサ）から酸化ガス（空気）を前記ガス流路Ｆ１，Ｆ２へ導入するための導入通路Ｒ１が形成されるとともに、発電に供された酸化オフガスを外部に導出するための導出通路Ｒ２が形成されている。

次に、前記のように構成した燃料電池の作用について説明する。
図２において、図示しない加湿器によって加湿された燃料（水素）ガスは、前記導入通路Ｍ１から前記第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２（図１参照）内に供給され、矢印方向に流れる。燃料ガスは、ガス流路Ｔ１，Ｔ２内において第１ガス拡散層１９を通過することによって拡散されて、第１電極触媒層１７に均一に供給される。図１において、図示しない加湿器によって加湿された酸化（酸素）ガスは、前記導入通路Ｒ１を通して、前記第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ１，Ｆ２（図２参照）に供給され、矢印方向に流れる。酸化ガスは、ガス流路Ｆ１，Ｆ２内において第２ガス拡散層２０を通過することによって拡散されて、電極触媒層１８に均一に供給される。燃料（水素）ガスと酸化（酸素）ガスとの供給により、ＭＥＡ１５において電極反応が発生し、発電が行われる。その結果、積層された複数の発電セル１２によって構成された燃料電池スタック１１から、所望の電力が出力される。

発電の際に用いられなかった一部の燃料ガスは、燃料オフガスとして第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２から導出通路Ｍ２を通って外部に排出される。発電の際に用いられなかった酸化ガスは、第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２から酸化オフガスとして導出通路Ｒ２を通って外部に排出される。

前述したＭＥＡ１５における電極反応によって、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ１，Ｆ２に生成水が生成される。この生成水は加湿水とともに第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２内を流れる酸化ガスの流動圧力によって導出通路Ｒ２に排出される。前記生成水の一部は、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９を浸透して、第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２へ浸透水として流入する。この浸透水は加湿水とともにガス流路Ｔ１，Ｔ２内を流れる燃料ガスの流動圧力によって導出通路Ｍ２へ排出される。

カソード側の第２ガス流路形成体２２の第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２に生成された生成水及び加湿水の大部分は、酸化ガスの流動圧力によって、酸化ガスの導出通路Ｒ２側へ排出され、残った生成水及び加湿水は第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２の内壁面に付着しようとする。このとき、第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されているので、生成水及び加湿水はその表面張力によって残留し易く、その滞留水Ｗは、図４に示すように、第１ガス流路Ｆ１の内壁面に広い範囲で付着して残留する傾向にある。しかし、第２ガス流路Ｆ２の通路断面積Ｓ２は広く設定されているので、この第２ガス流路Ｆ２においては、残留し難く滞留水Ｗは酸化ガスの流動圧力によって押し流され、第２ガス流路Ｆ２に残留することは殆どない。このため、滞留水Ｗによって閉塞された第１ガス流路Ｆ１と対応する第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が不足し、部分的に発電が不能となるが、第２ガス流路Ｆ２によって酸化ガスの第２電極触媒層１８への供給が適正に行われ、発電効率の低下が抑制される。

即ち、図４に示すように、一つの第１ガス流路Ｆ１が滞留水Ｗによって閉塞されると、ガス拡散層１９は二つの突条２２ｂと滞留水Ｗによって遮蔽され、発電不可となる領域はＡ１となる。しかし、第２ガス流路Ｆ２は滞留水Ｗによって、閉塞されることはないので、領域Ａ１よりも広い領域Ａ２は、常に発電可能な領域となる。

一方、アノード側の第１ガス流路形成体２１の第１，第２ガス流路Ｔ１，Ｔ２に生成された浸透水及び加湿水は燃料ガスの流動圧力によって、燃料ガスの導出通路Ｍ２側へ排出され、残りの浸透水及び加湿水は第１，第２ガス流路Ｔ１，Ｔ２の内壁面に付着しようとする。このとき、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されているので、浸透水及び加湿水はその表面張力によって滞留水Ｗとなり、第１ガス流路Ｔ１の内壁面に広い面積で付着して残留する傾向にある。しかし、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２は広く設定されているので、この第２ガス流路Ｔ２においては残留し難く、滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押し流され、第２ガス流路Ｔ２に残留することは殆どない。このため、第２ガス流路Ｔ２によって燃料ガスの第１電極触媒層１８への供給が適正に行われ、発電効率の低下が抑制される。

第１実施形態の燃料電池によれば、以下のような利点を得ることができる。
（１）第１実施形態では、第１ガス流路形成体２１の第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１を狭く、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２を広く設定した。又、第２ガス流路形成体２２の第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１を狭く、第２ガス流路Ｆ２の通路断面積Ｓ２を広く設定した。このため、前述したように、アノード側の第１ガス流路Ｔ１及びカソード側の第１ガス流路Ｆ１には浸透水や加湿水及び生成水や加湿水が滞留水Ｗとなって付着するが、第２ガス流路Ｔ２及び第２ガス流路Ｆ２に滞留水Ｗが付着するのを防止することができる。このため、第１ガス拡散層１９及び第１電極触媒層１７への燃料ガスの供給及び第２ガス拡散層２０及び第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が低減されるのを抑制して、発電効率の低下を防止することができる。

（２）第１実施形態では、発電セル１２のアノード側の殆どの第１ガス流路Ｔ１が滞留水Ｗによって閉塞されたとしても、殆どの第２ガス流路Ｔ２によって燃料ガスの供給が行われる。又、カソード側の殆どの第１ガス流路Ｆ１が滞留水Ｗによって閉塞されたとしても、殆どの第２ガス流路Ｆ２によって酸化ガスの供給が行われる。従って、１つの発電セル１２の第１，第２電極触媒層１７，１８の全域に燃料ガス及び酸化ガスが供給されなくなるのを防止して、発電セル１２が発電不能に陥るのを防止することができ、燃料電池スタック１１による発電が停止されるのを防止することができる。

（３）第１実施形態では、第１ガス流路形成体２１の第１，第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ及び第２ガス流路形成体２２の第１，第２ストレート溝２２ｃ，２２ｄの幅ｗ１，ｗ２を変更するという簡単な構成を採用したので、両ガス流路形成体２１，２２の製造を容易に行い、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を図５〜図８に基づいて説明する。以下に示す各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との異なる構成、作用及び効果を中心に説明する。

図５及び図７に示すように、前記第１ガス流路形成体２１は平板材２５を含み、その平板材２５における多数の箇所には、複数の第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂが切り起こし成形されている。第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂは、ガス流路Ｔを形成するための突部であり、第１ガス拡散層１９側（図７参照）に突出するように切り起こし成形されている。前記各第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂが前記第１ガス拡散層１９に接触することによって、平板材２５と第１ガス拡散層１９との間に燃料ガスのガス流路Ｔ（燃料ガスの流路空間１３ａでもある）が形成されている。ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑから見た場合、第１突部２６ａは半円状を呈する。第２突部２６ｂは扁平台状を呈し、同第２突部２６ｂと前記第２ガス拡散層２０との接触面積は広くなる。

前記平板材２５には、第１及び第２突部２６ａ，２６ｂと対応するように、かつガスの流れ方向Ｐ１に関して上流側に位置するように複数の小さく低い第３突部２７が成形されている。第３突部２７は、水流路２８を形成するための突部であり、図５及び図７に示すように前記セパレータ２３側に突出するように押し出し成形されている。前記各第３突部２７が前記セパレータ２３に接触することによって、平板材２５とセパレータ２３との間に水流路２８が形成されている。前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂには、ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑに沿って第１及び第２突部２６ａ，２６ｂを貫通する連通孔２９が形成されている。すなわち、連通孔２９は、ガスの流れ方向Ｐ１から見て第１突部２６ａの左側と右側との二箇所及び第２突部２６ｂの左側と右側との二箇所においてそれぞれ開口するように形成されている。該連通孔２９によって、前記ガス流路Ｔと水流路２８とが連通されている。

前記半円状の第１突部２６ａは、図５及び図７に示すように、ガスの流れ方向Ｐ１に沿って、所定のピッチで配列されている。前記偏平台状の第２突部２６ｂは、ガスの流れ方向Ｐ１に沿って、所定のピッチで直列状に配列されている。ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑに隣接する第１及び第２突部２６ａ，２６ｂは、図８に示すように、ガスの流れ方向Ｐ１に関して第２突部２６ｂの中心Ｏ２と第１突部２６ａの中心Ｏ１とが一致するように配列されている。ガスの流れ方向Ｐ１に指向する第２突部２６ｂの列の間には、ガスの流れ方向Ｐ１に関して、第１，第２突部２６ａ，２６ｂが存在しない帯状平板部２５ａが形成されている。ガス流路Ｔは、前記帯状平板部２５ａと第１セパレータ２３との間において、ガスの流動抵抗の小さい直帯状のストレートガス流路Ｔｓを備えている。前記ガス流路Ｔは、このストレートガス流路Ｔｓとは別に、ガスの流動抵抗の大きい蛇行ガス流路Ｔｄを備えている。この蛇行ガス流路Ｔｄは、第１突部２６ａと第２突部２６ｂとの間に形成された蛇行する平板部２５ｂと、第１セパレータ２３とによって形成されている。

カソード側の第２ガス流路形成体２２は、図６に示すように第１ガス流路形成体２１と同様に構成されているが、酸化ガスの流れ方向Ｐ２が９０°異なる。即ち、酸化ガスの流れ方向Ｐ２は、第１ガス流路形成体２１の燃料ガスの流れ方向Ｐ１と直交する。第２ガス流路形成体２２の前記ガス流路Ｔと対応するガス流路Ｆについては、ストレートガス流路Ｔｓと対応するストレートガス流路Ｆｓ、蛇行ガス流路Ｔｄと対応する蛇行ガス流路Ｆｄを有するが、各符号を付すことにより説明を省略する。

第２実施形態においては、前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂの帯状平板部２５ａから突出する部分の高さ、換言すれば、ストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）及び蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の深さは、３０μｍ〜１０００μｍの範囲に、望ましくは３０μｍ〜３００μｍの範囲に設定されており、例えば２００μｍに設定されている。前記第３突部２７の帯状平板部２５ａから突出する部分の高さ、換言すれば、前記水流路２８の深さは１０μｍ〜５０μｍの範囲に設定されており、例えば３０μｍに設定されている。このように水流路２８が細隙状に、かつ水流路２８の深さがストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の深さよりも浅く形成されているため、細隙状の水流路２８の毛管作用によりストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）内の水が連通孔２９を通して水流路２８に吸い込まれ易くなる。図８に示す帯状平板部２５ａの幅Ｄは、１００μｍ〜３００μｍに設定されており、平板部２５ｂの幅Ｅは、５０μｍ〜１５０μｍに設定されている。

次に、第２実施形態の燃料電池の作用について説明する。
図７において、発電の際に導入通路Ｍ１から図５及び図８に示すストレートガス流路Ｔｓに供給された加湿水を含む燃料ガスの大半は、図８に破線の矢印で示すように直進し、一部の燃料ガスが左右の第２突部２６ｂの上流側の表面に当たる。この表面に当たった燃料ガスに含まれる加湿水及び浸透水は滞留水Ｗとなって該表面に付着して成長する。この滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押されて、その大部分が第２突部２６ｂの連通孔２９を通して第２突部２６ｂの内部に進入し、水流路２８の毛細管作用により該水流路２８に進入する。この水流路２８に進入した水は、燃料ガスの流動圧力によって、下流側に移動される。

一方、蛇行ガス流路Ｔｄに供給された加湿水を含む燃料ガスの大半は、図８に破線の矢印で示すように蛇行し、第１突部２６ａの上流側の表面に当たる。この表面に当たった燃料ガスに含まれる加湿水及び浸透水も滞留水Ｗとなって該表面に付着して成長する。この滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押されて、第１突部２６ａの左右の連通孔２９を通して第１突部２６ａの内部に進入し、水流路２８の毛細管作用により該水流路２８に進入する。この水流路２８に進入した水も、燃料ガスの流動圧力によって、下流側に移動される。

以下、この第２実施形態の効果について説明する。
（１）第２実施形態では、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２に圧力損失が低く、かつ滞留水の付着を防止することができるストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）と、圧力損失が高く、かつ滞留水が付着し易い蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の２種類が形成されている。このため、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）に滞留水が残留して、燃料ガス及び酸化ガスが電極触媒層１７，１８の一部に供給されない状態となっても、ストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）から燃料ガス及び酸化ガスが電極触媒層１７，１８に供給される。このため、発電効率が低下するのを防止することができる。又、発電セル１２が発電不能になるのを防止して、燃料電池スタック１１による発電の停止を未然に防止することができる。

（２）第２実施形態では、アノード側の第１ガス流路形成体２１の平板材２５とセパレータ２３との間に水流路２８が形成されている。前記水流路２８の深さがガス流路Ｔの深さよりも浅く形成されている。平板材２５と第１ガス拡散層１９との間に形成されたガス流路Ｔ内の浸透水や加湿水は、前記第１突部２６に形成された連通孔２９を介して毛細管作用により水流路２８に導かれる。水流路２８内に導かれた浸透水や加湿水は、燃料ガスの流動圧力によって燃料ガスの導出通路Ｍ２側へ排出される。このような構成により、第１電極触媒層１７に燃料ガスが適正に供給されるため、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態が回避され、発電効率が向上する。

又、水流路２８の水は、燃料ガスの導出通路Ｍ２へ排出される。これにより、前記ガス流路Ｔ内に浸透水や加湿水が残留するのが抑制され、浸透水等によるガス流路Ｔ内を流れる燃料ガスの圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。さらに、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態によって生じるアノード側の第１電極触媒層１７の電位の上昇が抑制され、従って、第１ガス流路形成体２１の腐蝕が防止されるため、その耐久性を向上することができる。よって、第１ガス流路形成体２１の材料の選択基準が緩和され、第１ガス流路形成体２１の材料として安価な材料を用いることができ、材料コストを低減することができる。

（３）第２実施形態では、カソード側の第２ガス流路形成体２２の平板材２５とセパレータ２４との間に水流路２８が設けられているので、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ内の生成水や加湿水が前記水流路２８によって酸化ガスの導出通路Ｒ２側へ排出される。これにより、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆに生成水や加湿水が残留するのが抑制されて、ガス流路Ｆ内を流れる酸化ガスの生成水による圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。又、電極触媒層１８に酸化ガスが適正に供給されて、酸化ガス欠乏状態が回避されるので、発電効率が向上する。

（４）第２実施形態では、第１突部２６の内側空間の内周面が図５及び図６に示すように、半円弧面に形成されている。そのため、ガス流路Ｔｓ（Ｆｓ），Ｔｄ（Ｆｄ）に生成された浸透水や生成水が第１突部２６の内側空間に進入して滞留水Ｗとして安定して保持され、第１突部２６の保水性を向上することができる。即ち、第１，第２ガス拡散層１９，２０の表面に付着した滞留水Ｗは、表面張力によって球状になる傾向にあるので、第１突部２６の半円筒状の内側空間に流入し易くなる。このため、第１，第２ガス拡散層１９，２０の表面の滞留水Ｗの成長が抑制され、水によるガスの供給不足が解消され、発電性能が向上する。又、滞留水Ｗが第１，第２ガス拡散層１９，２０の表面に付着したまま燃料電池の発電が停止されると、第１，第２ガス拡散層１９，２０が水によって局部的に劣化する。この実施形態ではも、この劣化を防止して、拡散層１９，２０の耐久性を向上することができる。

（５）第２実施形態では、半円状の前記第１突部２６のみが点在しているセパレータと比較して、前記第２ガス拡散層２０と接触する面積が偏平台形状の第２突部２６ｂによって広くなる。そのため、半円状の第１突部２６が前記第２ガス拡散層２０に食い込むのを防止することができるとともに、発電された電気の流路抵抗が低減される。一方、半円状に形成された多数の第１突部２６によって生成水や加湿水を滞留水として保持する能力も高められる。

（６）第２実施形態では、前記ストレートガス流路Ｔｓ，Ｆｓによって、ガスの流路圧損が低減されるので、例えばガスを供給するコンプレッサ等の周辺機器の動力損失を低減することができる。
（変形例）
なお、本発明は以下のような実施形態に変更してもよい。

・燃料ガスの導出通路Ｍ２において、燃料ガスの流速を速くするための絞り部が形成されてもよい。具体的には、図９に示すように、第１ガス流路形成体２１の下流側端縁２１ｅ、即ち水流路２８の下流側の開口部は、導出通路Ｍ２の側壁にまで延長されている。前記導出通路Ｍ２において前記下流側端縁２１ｅと対向する壁面には、突条部１３ｂが設けられている。該突条部１３ｂと前記端縁２１ｅとにより、水流路２８の下流側の開口部の近傍に位置する絞り部４１が形成されている。この絞り部４１における導出通路Ｍ２の通路断面積が狭くなり、同絞り部４１における燃料ガスの流速は速くなる。この実施形態においては、絞り部４１を流れる流速の速い燃料ガスのベンチュリー効果によって、前記水流路２８内に存在する水は、導出通路Ｍ２へ吸い出され、排水がより適正に行われる。上述の構成と同様に、酸化ガスの導出通路Ｒ２において酸化ガスの流速を速くするための絞り部が形成されてもよい。

・第２実施形態において、図１０に示すようにセパレータ２４に排水孔３５を形成し、その排水孔３５と対応する位置にガス通路２２ｅを設けてもよい。こうした構成により、これらのガス通路２２ｅ及び排水孔３５は、連通路３６を通じて酸化ガスの導出通路Ｒ２に連通されており、酸化ガスの通路となっている。これらガス通路２２ｅ及び排水孔３５は、酸化ガスの流速を速くするための絞り部４１として機能している。この実施形態においては、絞り部４１を流れる流速の速い酸化ガスのベンチュリー効果によって、水流路２８内の水は、適正に連通路３６へ吸い出され、排水がより適正に行われる。上述の構成と同様に、燃料ガスの導出通路Ｍ２において燃料ガスの流速を速くするための絞り部が形成されてもよい。

・図１１に示すように、前記第１ガス流路形成体２１の第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄの深さｄ１，ｄ２を相違させることにより、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１を狭くしてガスの流動抵抗を大きくし、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２を広くしてガスの流動抵抗を小さくするようにしてもよい。

・図１２に示すように、前記第１ガス流路Ｔ１を平面視で、ガスの流動抵抗が大きい蛇行ガス流路Ｔｄとし、第２ガス流路Ｔ２を平面視で、ガスの流動抵抗が小さいストレートガス流路Ｔｓとしてもよい。この実施形態において、第１，第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ及び第１，第２ストレート溝２２ｃ，２２ｄの幅ｗ１，ｗ２は、それぞれ同じであってもよい。

・図示しないが、前記第２実施形態において、アノード側のみに水流路２８が設けられてもよい。このような構成によれば、アノード側の第１電極触媒層１７への燃料ガスの供給が低減されるのを抑制でき、燃料電池の発電効率を向上することができるとともに、アノード側の第２ガス流路形成体２２及びカソード側の電極触媒層１８の耐久性を向上することができる。又、カソード側のみに水流路２８が設けられてもよい。このような構成により、カソード側の前記第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が低減されるのを抑制でき、燃料電池の発電効率を向上することもできる。

・通路断面積が大きい複数のストレートガス流路と、通路断面積が小さい複数の蛇行ガス流路とを適宜に組み合わせてもよい。
・前記ガス流路の通路断面積を例えば三段階以上に変化させてもよい。通路断面積を交互或いは規則性をもって相違させるのに代えて、不規則に相違させてもよい。

・前記各実施形態の燃料電池において、発電セル１２のセパレータ２３，２４に冷却水を通過させるための溝が形成されてもよい。
・カソード側のみに前記水流路２８を設けた燃料電池において、アノード側の第１ガス流路形成体２１と第１セパレータ２３とが一体的に構成されていてもよい。又、フレーム１３と第１セパレータ２３とが金属材料により例えば鍛造により一体的に構成されていてもよい。

・アノード側のみに前記水流路２８を設けた燃料電池において、カソード側の第２ガス流路形成体２２と第２セパレータ２４とが一体的に構成されていてもよい。又、フレーム１４と第２セパレータ２４とが金属材料により例えば鍛造により一体的に構成されていてもよい。

Ｆ，Ｔ，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２，Ｔｄ，Ｔｓ…ガス流路、ｄ１，ｄ２…深さ、Ｆｄ，Ｔｄ…蛇行ガス流路、Ｆｓ，Ｔｓ…ストレートガス流路、Ｍ１，Ｒ１…導入通路、Ｍ２，Ｒ２…導出通路、Ｓ１，Ｓ２…通路断面積、Ｔｓ…小さいストレートガス流路、１７，１８…電極触媒層、２１，２２…ガス流路形成体、２２ｅ…ガス通路、２３，２４…セパレータ、２５ｂ…平板部、２８…水流路、２９…連通孔、４１…絞り部。

Claims (5)

1. 電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、複数のガス流路をそれぞれ備えたガス流路形成体と、該ガス流路形成体に一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記ガス流路にガスを導入する導入通路及びガス流路からガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、
   前記ガス流路形成体における複数のガス流路の間に流動抵抗の差が生じるようにガス流路の形状を設定し、
   前記ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、前記ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記ガス流路形成体に形成された連通孔により連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成したことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記ガス流路を並設し、そのガス流路を通路断面積が相違する形状にしたことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１において、前記ガス流路を、ガスの流動抵抗の小さいストレートガス流路と、流動抵抗の大きい蛇行ガス流路とにより構成したことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１において、前記水流路の下流側の開口部は、ガスの導出通路の内壁にまで延長され、その導出通路において前記水流路の下流側の開口部と対応して、ガスの流速を速くするための絞り部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１において、前記ガス流路形成体の平板部及び前記セパレータの前記水流路の下流側の部分に、それらの平板部及びセパレータを貫通するガス通路が形成され、該ガス通路は、前記ガスの導出通路に連通されて、ガスの流速を速くするための絞り部として機能するものであることを特徴とする燃料電池。

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