JP6733538B2

JP6733538B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6733538B2
Application number: JP2016252572A
Authority: JP
Inventors: 亘大津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018106934A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池スタックを搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池を積層することにより構成されている。燃料電池には、上記の化学反応を行う膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）、及びＭＥＡを挟持する一対のセパレータが含まれる。一方のセパレータには、水素ガスを流す流路溝が設けられ、他方のセパレータには、空気を流す流路溝が設けられており、各流路溝からＭＥＡに水素ガスと空気が供給される（例えば特許文献１及び２を参照）。

電解質膜が乾燥するとプロトン伝導性が低下するため、燃料電池の発電性能を良好に維持するには、電解質膜の湿度管理が重要である。電解質膜の湿度管理に関し、例えば特許文献３には、一方のセパレータの流通溝の上流部を流れる反応ガスから他方のセパレータの流通溝の下流部を流れる反応ガスに、電解質膜を介して水分を移動させる加湿部を設けることで、電解質膜を加湿する点が記載されている。

特開２０１５−１９１８０１号公報国際公開第２０１２／０３５５８５号特開２００２−２５５８４号公報

しかし、特許文献３の加湿手段では、電解質膜における水移動抵抗を考慮すると、少量の水分しか移動させることができないために電解質膜が十分に加湿されないおそれがある。なお、この問題は、ＦＣＶに搭載された燃料電池に限定されず、他用途の燃料電池にも同様に存在する。

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、電解質膜を十分に加湿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、一対のセパレータと、前記一対のセパレータにより挟持された膜電極接合体と、を備え、前記膜電極接合体は、一対の電極と、前記一対の電極に挟持された電解質膜とを有し、前記一対のセパレータから前記一対の電極にそれぞれ導かれた反応ガスを用いて発電し、前記一対のセパレータは、それぞれ、前記反応ガスが供給される供給孔と、前記反応ガスが排出される排出孔と、前記膜電極接合体に対向する面に設けられた中流域流路溝群、上流域流路溝群、及び下流域流路溝群とを有し、前記中流域流路溝群は、前記反応ガスを前記供給孔側から前記排出孔側に案内し、前記上流域流路溝群は、前記供給孔と前記中流域流路溝群の上流側の端部の間を接続し、前記下流域流路溝群は、前記排出孔と前記中流域流路溝群の下流側の端部の間を接続し、前記一対のセパレータの一方の前記上流域流路溝群と前記一対のセパレータの他方の前記下流域流路溝群は、前記膜電極接合体を挟んで対向し、該対向する前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の少なくとも一方は、前記一対のセパレータの前記膜電極接合体に対向する面を見たときに前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の他方と交差する部分の溝幅が、前記交差する部分の上流側及び下流側の各端部から延び、前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の他方と交差していない部分の溝幅より狭い。

本発明によれば、電解質膜を十分に加湿することができる。

燃料電池の一例を示す分解斜視図である。セパレータの一例を示す平面図である。アノード側流路溝及びカソード側流路溝の狭幅部の一例を示す図である。燃料電池内の水分の移動の様子を例示する図である。相対湿度ごとの水移動抵抗を示すグラフである。セパレータの他の例を示す平面図である。セパレータの他の例を示す平面図である。

図１は、燃料電池の一例を示す分解斜視図である。燃料電池スタックは、複数の燃料電池をスタックして、その両端にエンドプレートを配置して各エンドプレートの間を締結することにより構成されている。

燃料電池は、一対のセパレータ１，２と、一対のガスケット３，４と、一対のガスケット３，４内に収容された一対のガス拡散層３０，４０と、膜電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）５とを有する。セパレータ１及びガスケット３は燃料電池のカソード側に配置され、セパレータ２及びガスケット４は燃料電池のアノード側に配置されている。

ガスケット３，４は、一対のセパレータ１，２の間を封止し、気密性を維持する。ガスケット３，４は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。

ガスケット３，４は例えば矩形の板状部材であり、その中心には、ガス拡散層３０，４０を収容するための方形の収容孔３７，４７を有する。また、ガスケット３，４同士が積層されたとき、ＭＥＡ５の外周部分がガスケット３，４の少なくとも一方に接合される。これにより、ＭＥＡ５は一対のガス拡散層３０，４０により挟まれるため、カソード側のガス拡散層３０、ＭＥＡ５、及びアノード側のガス拡散層４０は、この順に積層される。

ガス拡散層３０，４０は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。カソード側ガス拡散層３０は、一方の反応ガスである酸化剤ガス（空気）を拡散し、アノード側ガス拡散層４０は、他方の反応ガスである水素ガスを拡散する。

符号Ｐ１はＭＥＡ５の断面を示す。ＭＥＡ５は、電解質膜５０、カソード電極５１、及びアノード電極５２を有する。電解質膜５０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。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。

電解質膜５０は、アノード電極５２及びカソード電極５１の間に挟持されている。アノード電極５２及びカソード電極５１は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、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５２及びカソード電極５１は、白金担持カーボンの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５２には、アノード側セパレータ２からアノード側ガス拡散層４０を介し水素ガスが供給され、カソード電極５１には、カソード側セパレータ１からカソード側ガス拡散層３０を介し酸化剤ガスが供給される。ＭＥＡ５は、酸化剤ガス及び水素ガスの電気化学反応により発電する。

一対のセパレータ１，２は、例えば金属板などにより構成される。カソード側セパレータ１には、酸化剤ガス（例えば空気）の供給孔１３及び排出孔１４と、水素ガスの供給孔１６及び排出孔１１と、冷却水の供給孔１２及び排出孔１５とが形成されている。

各供給孔１２，１３，１６及び各排出孔１１，１４，１５は、厚み方向に延びる貫通孔であり、その開口は、一例として矩形状を有する。酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４は、セパレータ１の向かい合う一組の対角の近傍にそれぞれ設けられ、水素ガスの供給孔１６及び排出孔１１は、セパレータ１の向かい合う他の一組の対角の近傍にそれぞれ設けられている。供給孔１３には、発電反応に用いられる酸化剤ガスが供給され、排出孔１４には、発電反応に用いられた酸化剤ガスが排出される。

カソード側セパレータ１において、カソード側ガスケット３内のガス拡散層３０と対向する面１ａには、例えばプレス金型による曲げ加工などによって流路溝群１０が形成されている。流路溝群１０は、酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４に連通し、酸化剤ガスを供給孔１３から排出孔１４に流す。このとき、酸化剤ガスは、カソード側ガス拡散層３０を通りＭＥＡ５に供給され、発電に使用された後、カソード側ガス拡散層３０を通り流路溝群１０に戻る。なお、セパレータ１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。

また、供給孔１６には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔１１には、発電反応に用いられた水素ガスが排出される。供給孔１２には、燃料電池を冷却する冷却水が供給され、排出孔１５には、冷却水が排出される。

ガスケット３，４とアノード側セパレータ２には、スタック時に供給孔１３及び排出孔１４に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、ガスケット３，４には、酸化剤ガスが供給される供給孔３３，４３と、酸化剤ガスが排出される排出孔３４，４４とが設けられている。また、アノード側のセパレータ２には、酸化剤ガスが供給される供給孔２３と、酸化剤ガスが排出される排出孔２４とが設けられている。

各供給孔１３，３３，４３，２３は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより酸化剤ガス供給マニホルドを構成する。酸化剤ガスは、矢印Ａｉｎで示されるように、酸化剤ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、各排出孔１４，３４，４４，２４は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより酸化剤ガス排出マニホルドを構成する。酸化剤ガスは、矢印Ａｏｕｔで示されるように、酸化剤ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、アノード側セパレータ２には、酸化剤ガスの供給孔２３及び排出孔２４と、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１と、冷却水の供給孔２２及び排出孔２５とが形成されている。

各供給孔２２，２３，２６及び各排出孔２１，２４，２５は、厚み方向に延びる貫通孔であり、その開口は、一例として矩形状を有する。酸化剤ガスの供給孔２３及び排出孔２４は、セパレータ２の向かい合う一組の対角の近傍にそれぞれ設けられ、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１は、セパレータ２の向かい合う他の一組の対角の近傍にそれぞれ設けられている。供給孔２６には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔２１には、発電反応に用いられた水素ガスが排出される。

アノード側セパレータ２において、アノード側ガスケット４内のガス拡散層４０と対向する面２ａには、例えばプレス金型による曲げ加工などによって流路溝群２０が形成されている。流路溝群２０は、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１に連通し、水素ガスを供給孔２６から排出孔２１に流す。このとき、水素ガスは、アノード側ガス拡散層４０を通りＭＥＡ５に供給され、発電に使用された後、アノード側ガス拡散層４０を通り流路溝群２０に戻る。なお、セパレータ２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。

また、供給孔２３には、発電反応に用いられる酸化剤ガスが供給され、排出孔２４には、発電反応に用いられた酸化剤ガスが排出される。供給孔２２には、燃料電池を冷却する冷却水が供給され、排出孔２５には、冷却水が排出される。

ガスケット３，４には、スタック時に供給孔２６及び排出孔２１に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、ガスケット３，４には水素ガスが供給される供給孔３６，４６と、水素ガスが排出される排出孔３１，４１とが設けられている。

各供給孔１６，３６，４６，２６は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより水素ガス供給マニホルドを構成する。水素ガスは、矢印Ｈｉｎで示されるように、水素ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、各排出孔１１，３１，４１，２１は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより水素ガス排出マニホルドを構成する。水素ガスは、矢印Ｈｏｕｔで示されるように、水素ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、冷却水の各供給孔１２，３２，４２，２２は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより冷却水供給マニホルドを構成し、冷却水の排出孔１５，３５，４５，２５は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより冷却水排出マニホルドを構成する。冷却水は、冷却水供給マニホルド及び水素ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。冷却水は、図示を省略するが、アノード側セパレータ２の面２ａとは反対面内の流路溝を流れることにより燃料電池を冷却する。

このように、一対のセパレータ１，２はＭＥＡ５を挟持し、ＭＥＡ５は、カソード側セパレータ１からカソード電極５１に導かれた酸化剤ガスと、アノード側セパレータ２からアノード電極５２に導かれた水素ガスとを用いて発電する。各セパレータ１，２のＭＥＡ５に対向する面１ａ，２ａには、ＭＥＡ５との間で受け渡される酸化剤ガス及び水素ガスを流す流路溝群１０，２０が備えられている。なお、本例において、燃料電池にはガス拡散層３０，４０が設けられているが、ガス拡散層３０，４０に代えて、他の多孔質層が設けられてもよい。

図２は、セパレータ１，２の一例を示す平面図である。図２には、カソード側セパレータ１の面１ａに、アノード側セパレータ２の面２ａの水素ガスの流路溝群２０、供給孔２６、及び排出孔２１を重ねた状態が示されている。つまり、図２には、ＭＥＡ５を挟持したときの一対のセパレータ１，２の面１ａ，２ａにおける流路溝群１０，２０、供給孔１３，２６、及び排出孔１４，２１が示されている（点線参照）。

カソード側セパレータ１の面１ａには、酸化剤ガスが流れる流路溝群１０が形成されている。流路溝群１０は、酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４に連通する。流路溝群１０には、上流域流路溝群１０ｂ、中流域流路溝群１０ａ、及び下流域流路溝群１０ｃが含まれている。

中流域流路溝群１０ａは、第１流路溝群の一例であり、酸化剤ガスを供給孔１３側から排出孔１４側に案内する。中流域流路溝群１０ａは、一例として、セパレータ１の一組の対辺と平行に伸びる複数の流路溝から構成される。

上流域流路溝群１０ｂは、第２流路溝群の一例であり、酸化剤ガスの供給孔１３を中流域流路溝群１０ａに接続する。上流域流路溝群１０ｂは、水素ガスの排出孔１１に近い流路溝ほど、中流域流路溝群１０ａの延びる方向に対する角度が大きくなっている。

下流域流路溝群１０ｃは、第３流路溝群の一例であり、酸化剤ガスの排出孔１４を中流域流路溝群１０ａに接続する。下流域流路溝群１０ｃは、水素ガスの供給孔１６に近い流路溝ほど、中流域流路溝群１０ａの延びる方向に対する角度が大きくなっている。

また、アノード側セパレータ２の面２ａには、水素ガスが流れる流路溝群２０が形成されている。流路溝群２０は、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１に連通する。流路溝群２０には、上流域流路溝群２０ｂ、中流域流路溝群２０ａ、及び下流域流路溝群２０ｃが含まれている。

中流域流路溝群２０ａは、第１流路溝群の一例であり、水素ガスを供給孔２６側から排出孔２１側に案内する。中流域流路溝群２０ａは、一例として、セパレータ２の一組の対辺と平行に伸びる複数の流路溝から構成される。

上流域流路溝群２０ｂは、第２流路溝群の一例であり、水素ガスの供給孔２６を中流域流路溝群２０ａに接続する。上流域流路溝群２０ｂは、酸化剤ガスの排出孔２４に近い流路溝ほど、中流域流路溝群２０ａの延びる方向に対する角度が大きくなっている。

下流域流路溝群２０ｃは、第３流路溝群の一例であり、水素ガスの排出孔２１を中流域流路溝群２０ａに接続する。下流域流路溝群２０ｃは、酸化剤ガスの供給孔２３に近い流路溝ほど、中流域流路溝群２０ａの延びる方向に対する角度が大きくなっている。

カソード側セパレータ１の中流域流路溝群１０ａとアノード側セパレータ２の中流域流路溝群２０ａは、ＭＥＡ５を挟んで対向する。また、カソード側セパレータ１の上流域流路溝群１０ｂとアノード側セパレータ２の下流域流路溝群１０ｃは、ＭＥＡ５を挟んで対向し、カソード側セパレータ１の下流域流路溝群１０ｃとアノード側セパレータ２の上流域流路溝群２０ｂは、ＭＥＡ５を挟んで対向する。

セパレータ１，２の面１ａ，２ａを見たとき、つまり面１ａ，２ａの正面視において、カソード側セパレータ１の上流域流路溝群１０ｂとアノード側セパレータ２の下流域流路溝群１０ｃは互いに交差する部分（以下、「交差部分」と表記）Ｐ２を有する。また、カソード側セパレータ１の下流域流路溝群１０ｃとアノード側セパレータ２の上流域流路溝群２０ｂも互いに交差する部分（以下、「交差部分」と表記）Ｐ３を有する。

上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂ及び下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃは、交差部分Ｐ２，Ｐ３において溝幅が他部分より狭い。このため、交差部分Ｐ２，Ｐ３における水素ガス及び酸化剤ガスの流速は、他部分における流速より速くなる。以下の説明では、上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂ及び下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃにおいて、溝幅が他部分より狭い部分を「狭幅部」と表記する。

図３は、アノード側流路溝及びカソード側流路溝の狭幅部の一例を示す図である。図３には、符号Ｇ１は、カソード側流路溝１００の狭幅部１００ａを示し、符号Ｇ２は、アノード側流路溝２００の狭幅部２００ａを示す。

また、符号Ｇ３は、カソード側流路溝１００の狭幅部１００ａとアノード側流路溝２００の狭幅部２００ａの重なり合った様子を示す。なお、本例では、カソード側セパレータ１の上流域流路溝群１０ｂとアノード側セパレータ２の下流域流路溝群２０ｃの交差部分Ｐ２を挙げるが、以下に述べる構成は、カソード側セパレータ１の下流域流路溝群１０ｃとアノード側セパレータ２の上流域流路溝群２０ｂの交差部分Ｐ３においても同様である。

符号Ｇ１で示されるように、カソード側セパレータ１の交差部分Ｐ２では、カソード側流路溝１００の溝幅が、狭幅部１００ａに向かい徐々に狭くなる。狭幅部１００ａの溝幅Ｄｎは他部分の溝幅Ｄｗより狭いため、カソード側流路溝１００を流れる酸化剤ガスの流速は、狭幅部１００ａにおいて他部分より速くなる。

また、符号Ｇ２で示されるように、アノード側セパレータ２の交差部分Ｐ２では、アノード側流路溝２００の溝幅が、狭幅部２００ａに向かい徐々に狭くなる。狭幅部２００ａの溝幅Ｄｎは他部分の溝幅Ｄｗより狭いため、アノード側流路溝２００を流れる水素ガスの流速は、狭幅部２００ａにおいて他部分より速くなる。なお、カソード側セパレータ１とアノード側セパレータ２の溝幅Ｄｗ，Ｄｎは相違してもよい。

符号Ｇ３で示されるように、カソード側流路溝１００の狭幅部１００ａとアノード側流路溝２００の狭幅部２００ａは面１ａ，２ａ内で重なり合う。酸化剤ガス及び水素ガスは狭幅部１００ａ，２００ａにおいて加速するため、酸化剤ガス及び水素ガスに含まれる水分の電解質膜５０における水移動抵抗が低減される。これにより、水分が、狭幅部１００ａ，２００ａの一方から他方に容易に移動することができるので、電解質膜５０を十分に加湿することが可能となる。

図４は、燃料電池内の水分の移動の様子を例示する図である。図４には、燃料電池の積層方向の断面が示されている。なお、図４において、カソード側流路溝１００とアノード側流路溝２００は、便宜上、平行に表されているが、実際には、狭幅部１００ａ，２００ａにおいて交差している。

例えば、下流域流路溝群１０ｃを流れる酸化剤ガスの水分は、狭幅部１００ａからカソード側ガス拡散層３０を介して電解質膜５０に到達する。下流域流路溝群１０ｃを流れる酸化剤ガスには、ＭＥＡ５の発電反応で生じた生成水が含まれるため、電解質膜５０は十分に加湿される。そして、酸化剤ガスの余った水分は、電解質膜５０を通過して、アノード側ガス拡散層４０を介し上流域流路溝群２０ｂを流れる水素ガスを加湿する。

また、下流域流路溝群２０ｃを流れる水素ガスの水分は、狭幅部２００ａからアノード側ガス拡散層４０を介して電解質膜５０に到達する。下流域流路溝群２０ｃを流れる水素ガスには、ＭＥＡ５の発電反応で生じた生成水が含まれるため、電解質膜５０は十分に加湿される。そして、水素ガスの余った水分は、電解質膜５０を通過して、上流域流路溝群１０ｂを流れる酸化剤ガスを加湿する。

このように、本例では、狭幅部１００ａ，２００ａにより電解質膜５０の水移動抵抗が低減されるため、カソード側セパレータ１及びアノード側セパレータ２は、ＭＥＡ５を挟んで水分を循環させて電解質膜５０の湿度を良好に維持することができる。

図５は、相対湿度ごとの水移動抵抗を示すグラフである。図５には、一例として、電解質膜５０の相対湿度が２５（％）、４５（％）、６５（％）、及び８５（％）である場合の水移動抵抗（ｓ／ｃｍ）が示されている。なお、本例では、電解質膜５０の水移動抵抗として厚さ２０（μｍ）のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜のデータを挙げる。

水移動抵抗には内部抵抗と表面抵抗が含まれる。内部抵抗は、水分が電解質膜５０の内部で受ける抵抗であり、表面抵抗は、電解質膜５０とアノード電極５２及びカソード電極５１の境界で受ける抵抗（つまり境界抵抗）である。相対湿度が大きくなるほど、水移動抵抗は減少するが、水移動抵抗に占める表面抵抗の比率は、相対湿度によらず、内部抵抗の比率より大きい。

ΔＣ／Ｆｌｕｘ＝（１／ｋ_Ａ）＋（ｄ／Ｄｍ）＋（１／ｋ_Ｃ）・・・（１）

水移動抵抗は上記の式（１）で表される。式（１）において、ΔＣは水分濃度差（ｍｏｌ／ｃｍ^３）であり、Ｆｌｕｘは水移動量（ｍｏｌ／ｃｍ^２／ｓｅｃ）である。また、ｋ_Ａはアノード電極５２側の物質移動係数であり、ｋ_Ｃはカソード電極５１側の物質移動係数である。また、Ｄｍは電解質膜５０の水拡散係数（ｃｍ）であり、ｄは電解質膜５０の厚さ（ｃｍ）である。

式（１）において、１／ｋ_Ａはカソード電極５１側の表面抵抗であり、１／ｋ_Ｃはアノード電極５２側の表面抵抗である。また、ｄ／Ｄｍは内部抵抗である。

Ｓｈ＝ｋ・Ｌ／Ｄｗ・・・（２）
Ｒｅ＝Ｌ・ｖ・ρ／μ ・・・（３）
Ｓｃ＝μ/（ρ・Ｄｗ）・・・（４）

また、流体力学において、シャーウッド数Ｓｈは上記の式（２）で表され、レイノルズ数Ｒｅは上記の式（３）で表される。またシュミット数Ｓｃは上記の式（４）で表される。ここで、ｋは、物質移動係数であり、上記のｋ_Ａ及びｋ_Ｃに該当する。また、Ｌは、流体の流れる代表長さであり、狭幅部１００ａ，２００ａの長さに該当する。また、Ｄｗは水分の拡散係数であり、ｖは水分の流速である。また、ρは水分の密度であり、μは水分の粘度である。

Ｓｈ＝０．６４４×Ｒｅ^０．５×Ｓｃ^１／３・・・（５）
Ｓｈ＝０．０３７×Ｒｅ^０．８×Ｓｃ^１／３・・・（６）

また、一般的な半経験式として、平板上の層流に関するシャーウッド数Ｓｈは上記の式（５）で表され、平板上の乱流に関するシャーウッド数Ｓｈは上記の式（６）で表される。式（５）及び式（６）によると、シャーウッド数Ｓｈは、レイノルズ数Ｒｅ及びシュミット数Ｓｃが大きいほど、大きくなる。また、式（３）によると、レイノルズ数Ｒｅは、水分の流速が速いほど、大きくなる。したがって、シャーウッド数Ｓｈは、水分の流速が速いほど、大きくなる。

また、式（２）によると、物質の移動係数ｋは、シャーウッド数Ｓｈが大きいほど、大きいため、式（１）の物質移動係数ｋ_Ａ，ｋ_Ｃは、水分の流速が速いほど、大きい。よって、電解質膜５０の表面抵抗は、水分の流速が速いほど、小さくなる。

上述したように、酸化剤ガス及び水素ガスは狭幅部１００ａ，２００ａにおいて加速するため、水分の電解質膜５０における表面抵抗が低減される。これにより、水分が、狭幅部１００ａ，２００ａの一方から他方に容易に移動することができるので、電解質膜５０を十分に加湿することが可能となる。なお、本例では、カソード側流路溝１００とアノード側流路溝２００の両方に狭幅部１００ａ，２００ａが設けられたが、カソード側流路溝１００とアノード側流路溝２００の少なくとも一方に狭幅部１００ａ，２００ａを設けても上記の効果は得られる。

本例において、カソード側セパレータ１の流路溝群１０内の酸化剤ガスの流れ方向とアノード側セパレータ２内の水素ガスの流れ方向は対向するが、これに限定されず、互いに直交してもよい。

図６は、セパレータ１，２の他の例を示す平面図である。図６において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６には、カソード側セパレータ１の面１ａに、アノード側セパレータ２の面２ａの水素ガスの流路溝群２０、供給孔２６ａ、及び排出孔２１ａを重ねた状態が示されている（点線参照）。つまり、図６には、ＭＥＡ５を挟持したときの一対のセパレータ１，２の面１ａ，２ａにおける流路溝群１０，２０、供給孔１３ａ，２６ａ、及び排出孔１４ａ，２１ａが示されている。

水素ガスの供給孔２６ａ及び排出孔２１ａは、アノード側セパレータ２の対向する一組の辺にそれぞれ沿って設けられている。また、酸化剤ガスの供給孔１３ａ及び排出孔１４ａは、カソード側セパレータ１の対向する一組の辺の一端の近傍に設けられている。酸化剤ガスの供給孔１３ａは、セパレータ１，２同士を重ねたときに水素ガスの排出孔２１ａの近傍に位置するように設けられている。また、酸化剤ガスの排出孔１４ａは、セパレータ１，２同士を重ねたときに水素ガスの供給孔２６ａの近傍に位置するように設けられている。

酸化剤ガスの流路溝群１０は、供給孔１３ａから排出孔１４ａに向かい蛇行するように設けられている。本例の流路溝群１０は、供給孔１３ａから排出孔１４ａに至るまでに２か所で方向転換しているが、方向転換の箇所数は限定されない。また、水素ガスの流路溝群２０は、供給孔２６ａから排出孔２１ａに向かい真っ直ぐに延びている。

カソード側セパレータ１の中流域流路溝群１０ａとアノード側セパレータ２の中流域流路溝群２０ａは、ＭＥＡ５を挟んで対向する。また、カソード側セパレータ１の上流域流路溝群１０ｂとアノード側セパレータ２の下流域流路溝群２０ｃは、ＭＥＡ５を挟んで対向し、カソード側セパレータ１の下流域流路溝群１０ｃとアノード側セパレータ２の上流域流路溝群２０ｂは、ＭＥＡ５を挟んで対向する。

セパレータ１，２の面１ａ，２ａを見たときにカソード側セパレータ１の上流域流路溝群１０ｂとアノード側セパレータ２の下流域流路溝群２０ｃが交差する部分には、上記の例と同様に狭幅部１００ａ，２００ａが設けられている。また、セパレータ１，２の面１ａ，２ａを見たときにカソード側セパレータ１の下流域流路溝群１０ｃとアノード側セパレータ２の上流域流路溝群２０ｂが交差する部分には、上記の例と同様に狭幅部１００ａ，２００ａが設けられている。

したがって、本例においても上記の例と同様の効果が得られる。また、以下の例のように、酸化剤ガスの流路溝群１０と水素ガスの流路溝群２０を本例とは逆にしてもよい。

図７は、セパレータ１，２の他の例を示す平面図である。図７において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７には、カソード側セパレータ１の面１ａに、アノード側セパレータ２の面２ａの水素ガスの流路溝群２０、供給孔２６ｂ、及び排出孔２１ｂを重ねた状態が示されている（点線参照）。つまり、図７には、ＭＥＡ５を挟持したときの一対のセパレータ１，２の面１ａ，２ａにおける流路溝群１０，２０、供給孔１３ｂ，２６ｂ、及び排出孔１４ｂ，２１ｂが示されている。

酸化剤ガスの供給孔１３ｂ及び排出孔１４ｂは、カソード側セパレータ１の対向する一組の辺にそれぞれ沿って設けられている。また、水素ガスの供給孔２６ｂ及び排出孔２１ｂは、アノード側セパレータ２の対向する一組の辺の一端の近傍に設けられている。水素ガスの供給孔２６ｂは、セパレータ１，２同士を重ねたときに酸化剤ガスの排出孔１４ｂの近傍に位置するように設けられている。また、水素ガスの排出孔２１ｂは、セパレータ１，２同士を重ねたときに酸化剤ガスの供給孔１３ｂの近傍に位置するように設けられている。

水素ガスの流路溝群２０は、供給孔２６ｂから排出孔２１ｂに向かい蛇行するように設けられている。本例の流路溝群２０は、供給孔２６ｂから排出孔２１ｂに至るまでに２か所で方向転換しているが、方向転換の箇所数は限定されない。また、酸化剤ガスの流路溝群１０は、供給孔１３ｂから排出孔１４ｂに向かい真っ直ぐに延びている。

したがって、本例においても上記の例と同様の効果が得られる。

これまで述べたように、ＭＥＡ５を挟んで対向する上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂ及び下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃの少なくとも一方は、一対のセパレータ１，２のＭＥＡ５に対向する面１ａ，２ａを見たときに上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂ及び下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃの他方と交差する部分の溝幅が他部分より狭い。より具体的には、上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂ及び下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃ交差部分には狭幅部１００ａ，２００ａが設けられている。

酸化剤ガス及び水素ガスは狭幅部１００ａ，２００ａにおいて加速するため、水分の電解質膜５０における表面抵抗が低減される。これにより、水分が、狭幅部１００ａ，２００ａの一方から他方に容易に移動することができるので、電解質膜５０を十分に加湿することが可能となる。

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。

１，２セパレータ
１ａ，２ａ面
５膜電極接合体（ＭＥＡ）
５０電解質膜
５１カソード電極
５２アノード電極
１０ａ，２０ａ中流域流路溝群
１０ｂ，２０ｂ上流域流路溝群
１０ｃ，２０ｃ下流域流路溝群
１３，１３ａ，１３ｂ，２６，２６ａ，２６ｂ供給孔
１４，１４ａ，１４ｂ，２１，２１ａ，２１ｂ排出孔
１００ａ，２００ａ狭幅部

Claims

一対のセパレータと、
前記一対のセパレータにより挟持された膜電極接合体と、を備え、
前記膜電極接合体は、一対の電極と、前記一対の電極に挟持された電解質膜とを有し、前記一対のセパレータから前記一対の電極にそれぞれ導かれた反応ガスを用いて発電し、
前記一対のセパレータは、それぞれ、
前記反応ガスが供給される供給孔と、
前記反応ガスが排出される排出孔と、
前記膜電極接合体に対向する面に設けられた中流域流路溝群、上流域流路溝群、及び下流域流路溝群とを有し、
前記中流域流路溝群は、前記反応ガスを前記供給孔側から前記排出孔側に案内し、
前記上流域流路溝群は、前記供給孔と前記中流域流路溝群の上流側の端部の間を接続し、
前記下流域流路溝群は、前記排出孔と前記中流域流路溝群の下流側の端部の間を接続し、
前記一対のセパレータの一方の前記上流域流路溝群と前記一対のセパレータの他方の前記下流域流路溝群は、前記膜電極接合体を挟んで対向し、
該対向する前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の少なくとも一方は、前記一対のセパレータの前記膜電極接合体に対向する面を見たときに前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の他方と交差する部分の溝幅が、前記交差する部分の上流側及び下流側の各端部から延び、前記上流域流路溝群及び前記下流域流路溝群の他方と交差していない部分の溝幅より狭い、
燃料電池。