JP6772200B2 - 発電セル - Google Patents

Description

本発明は、発電セルに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、ＭＥＡと一方のセパレータとの間に、一方の反応ガス流路として燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡと他方のセパレータとの間に、他方の反応ガス流路として酸化剤ガス流路が形成されている。また、燃料電池スタックでは、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔とが、積層方向に沿って形成されている。燃料ガス流路と燃料ガス入口連通孔との間、及び、燃料ガス流路と燃料ガス出口連通孔との間には、それぞれ入口及び出口連結流路が形成されている。同様に、酸化剤ガス流路と酸化剤ガス入口連通孔との間、及び、酸化剤ガス流路と酸化剤ガス出口連通孔との間には、それぞれ入口及び出口連結流路が形成されている（例えば、下記特許文献１を参照）。

特開２００９−７６２９４号公報

ところで、発電セル内で発生する生成水が反応ガス流路の出口側に滞留すると、反応ガスの分配性能が変化し、反応ガス流路の全面に亘って均一に反応ガスを分配することができないおそれがある。これにより発電性能の低下が惹起されるという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、反応ガス流路の出口側での生成水の排水性を向上させることが可能な発電セルを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜・電極構造体とセパレータとがセパレータ厚さ方向に積層され、前記電解質膜・電極構造体に対向して前記セパレータの一端から他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路に向けて前記反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路を通過した前記反応ガスを流す反応ガス出口連通孔とが、前記セパレータの厚さ方向に貫通形成され、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路の上流端とを連結する複数の入口連結流路溝と、前記反応ガス流路の下流端と前記反応ガス出口連通孔とを連結する複数の出口連結流路溝が形成された発電セルにおいて、前記入口連結流路溝は、当該入口連結流路溝の入口から前記反応ガス流路へ至る間に、流路が複数回分岐し、前記出口連結流路溝は、前記反応ガス流路から当該出口連結流路溝の出口へ至る間に、流路が複数回合流し、前記出口連結流路溝の合流回数は、前記入口連結流路溝の分岐回数よりも多い。

前記反応ガス入口連通孔は、前記反応ガス流路の流路幅方向における前記セパレータの中央部に１つ設けられ、前記反応ガス出口連通孔は、前記反応ガス流路の前記流路幅方向における前記セパレータの両端部に２つ設けられていることが好ましい。

前記反応ガス流路、前記入口連結流路溝及び前記出口連結流路溝は、燃料ガスを流す流路であることが好ましい。

前記出口連結流路溝は、前記反応ガス流路の流路幅方向に沿って間隔を置いて設けられた複数の凸部により互いに仕切られた複数の第１流路要素と、前記複数の凸部よりも前記反応ガス出口連通孔側に設けられた中間突起により互いに仕切られた複数の第２流路要素とを有し、前記複数の第２流路要素の本数は、前記第１流路要素の本数よりも少ないことが好ましい。

前記中間突起は、前記複数の凸部から離間して設けられていることが好ましい。

前記中間突起は、前記複数の凸部の延在方向に対して交差する方向に延在することが好ましい。

前記複数の凸部は、少なくとも１つの凸部が他の凸部と異なる長さを有することが好ましい。

本発明の発電セルによれば、出口連結流路溝の合流回数は、入口連結流路溝の分岐回数よりも多い。このため、反応ガスが出口連結流路溝を流れる際の圧損が増えることにより、反応ガス流路の入口側と出口側の間の差圧を適切に確保することができる。従って、反応ガス流路の出口側での生成水の排水性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る発電セルを備えた燃料電池スタックの斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 酸化剤ガス流路側から見た第１金属セパレータの構成説明図である。 燃料ガス流路側から見た第２金属セパレータの構成説明図である。 第２入口連結流路部の拡大説明図である。 第２出口連結流路部の拡大説明図である。

以下、本発明に係る発電セルについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート（電力取出プレート）１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。一方のインシュレータ１８ａは、積層体１４と一方のエンドプレート２０ａとの間に配置されている。他方のインシュレータ１８ｂは、積層体１４と他方のエンドプレート２０ｂとの間に配置されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、当該筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極（第２電極）４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に延在して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、複数の冷却媒体入口連通孔３６ａ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の燃料ガス出口連通孔３８ｂ（反応ガス出口連通孔）が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、複数の冷却媒体入口連通孔３６ａ及び複数の燃料ガス出口連通孔３８ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

これらの連通孔は上下方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体入口連通孔３６ａの間に配置されている。複数の燃料ガス出口連通孔３８ｂは、上側燃料ガス出口連通孔３８ｂ１と、下側燃料ガス出口連通孔３８ｂ２とを有する。上側燃料ガス出口連通孔３８ｂ１は、上側の冷却媒体入口連通孔３６ａの上方に配置されている。下側燃料ガス出口連通孔３８ｂ２は、下側の冷却媒体入口連通孔３６ａの下方に配置されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、複数の冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ（反応ガス出口連通孔）が設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、複数の冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び複数の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

これらの連通孔は上下方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、複数の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び複数の燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

燃料ガス入口連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体出口連通孔３６ｂの間に配置されている。複数の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、上側酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ１と、下側酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ２とを有する。上側酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ１は、上側の冷却媒体出口連通孔３６ｂの上方に配置されている。下側酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ２は、下側の冷却媒体出口連通孔３６ｂの下方に配置されている。

なお、連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの開口形状は、六角形に限らず、他の多角形（四角形、五角形等）、円形、楕円形、長円形等であってもよい。

燃料電池スタック１０において、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）に燃料電池スタック１０内のカソード側で生じた生成水を排出するための第１ドレン７２と、アノード側で生じた生成水を排出するための第２ドレン８２とが、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に設けられている。第１ドレン７２は、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通形成されるとともに、図示しない連結通路を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに連通している。第２ドレン８２は、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通形成されるとともに、図示しない連結通路を介して燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通している。第１ドレン７２の外周には、生成水の漏れを防止するためのビードシール７２ａが設けられている。第２ドレン８２の外周には、生成水の漏れを防止するためのビードシール８２ａが設けられている。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス入口連通孔３８ａは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた入口３５ａ、３７ａ、３９ａに連通する。また、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた出口３５ｂ、３７ｂ、３９ｂに連通する。

図２に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、複数の冷却媒体入口連通孔３６ａ及び複数の燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、複数の冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び複数の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう表面３０ａには、一方向、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。

酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状突起４８ａ間に形成された複数の波状流路溝４８ｂを有する。従って、酸化剤ガス流路４８では、複数の波状突起４８ａと複数の波状流路溝４８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。なお、酸化剤ガス流路４８では、上記の構成に代えて、複数の直線状突起の間に複数の直線状流路溝が形成されてもよい。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、第１金属セパレータ３０の長手方向の一端部（矢印Ｂ１方向側の端部）に設けられるとともに、矢印Ｃ方向に並ぶ５つの連通孔の中央を構成する連通孔である。従って、酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）における第１金属セパレータ３０の中央部に１つ設けられる。一方、２つの酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、第１金属セパレータ３０の長手方向の他端部（矢印Ｂ２方向側の端部）に設けられるとともに、矢印Ｃ方向に並ぶ５つの連通孔の両端を構成する連通孔である。従って、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向における第１金属セパレータ３０の両端部に２つ設けられる。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通させる第１入口連結流路部５０Ａが設けられている。本実施形態において第１入口連結流路部５０Ａは、複数の第１入口連結流路溝５０ａを有する。各第１入口連結流路溝５０ａは、複数の波状流路溝４８ｂに繋がっている。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス流路４８の酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側に隣接して、第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第１入口側隆起部５１ａが形成されている。複数の第１入口連結流路溝５０ａは、第１入口側隆起部５１ａに設けられている。第１入口側隆起部５１ａは、ベースプレート部３０ｓからの高さが後述する内側ビード部５２ｂの高さよりも低い。

また、第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、酸化剤ガス流路４８と２つの酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通させる第１出口連結流路部５０Ｂが設けられている。本実施形態において第１出口連結流路部５０Ｂは、複数の第１出口連結流路溝５０ｂを有する。各第１出口連結流路溝５０ｂは、複数の波状流路溝４８ｂに繋がっている。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス流路４８の矢印Ｂ２方向側に隣接して、第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第１出口側隆起部５１ｂが形成されている。複数の第１出口連結流路溝５０ｂは、第１出口側隆起部５１ｂに設けられている。第１出口側隆起部５１ｂは、ベースプレート部３０ｓからの高さが内側ビード部５２ｂの高さよりも低い。

各第１入口連結流路溝５０ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから酸化剤ガス流路４８へ至る間に、流路が複数回（本実施形態では、２回）分岐する。具体的に、各第１入口連結流路溝５０ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから酸化剤ガス流路４８へ至る間に、第１分岐部８４及び第２分岐部８６の２箇所で分岐する。すなわち、各第１入口連結流路溝５０ａでは、１本の流路要素５０ａ１が、第１分岐部８４で２本の流路要素５０ａ２に分岐する。そして、各流路要素５０ａ２が、第２分岐部８６でさらに２本の流路要素５０ａ３に分岐する。なお、各第１入口連結流路溝５０ａの分岐回数は、２回に限らず、他の回数であってもよい。

各第１出口連結流路溝５０ｂは、酸化剤ガス流路４８から酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへ至る間に、流路が複数回（本実施形態では、２回）合流する。具体的に、各第１出口連結流路溝５０ｂは、酸化剤ガス流路４８から酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへ至る間に、第１合流部８８及び第２合流部９０の２箇所で合流する。すなわち、各第１出口連結流路溝５０ｂでは、酸化剤ガス流路４８に臨む４本の流路要素５０ｂ１のうち互いに隣接する流路要素５０ｂ１が第１合流部８８でそれぞれ合流して２本の流路要素５０ｂ２に集約する。そして、２本の流路要素５０ｂ２が第２合流部９０で合流して１本の流路要素５０ｂ３に集約する。なお、各第１出口連結流路溝５０ｂの合流回数は、２回に限らず、他の回数であってもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって一体に膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部５２ａと、内側ビード部５２ｂと、複数の連通孔ビード部５２ｃとを有する。外側ビード部５２ａは、表面３０ａの外周縁部を周回する。内側ビード部５２ｂは、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部５２ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう表面３２ａには、一方向、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、酸化剤ガス流路４８における酸化剤ガスが流れる方向と反対方向（矢印Ｂ１方向）に、燃料ガスを流す。燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状突起５８ａ間に形成された複数の波状流路溝５８ｂを有する。従って、燃料ガス流路５８では、複数の波状突起５８ａと複数の波状流路溝５８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。なお、燃料ガス流路５８では、上記の構成に代えて、複数の直線状突起の間に複数の直線状流路溝が形成されてもよい。

燃料ガス入口連通孔３８ａは、第２金属セパレータ３２の長手方向の一端部（矢印Ｂ２方向側の端部）に設けられるとともに、矢印Ｃ方向に並ぶ５つの連通孔の中央を構成する連通孔である。従って、燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガス流路５８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）における第２金属セパレータ３２の中央部に１つ設けられる。一方、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、第２金属セパレータ３２の長手方向の他端部（矢印Ｂ１方向側の端部）に設けられるとともに、矢印Ｃ方向に並ぶ５つの連通孔の両端を構成する連通孔である。従って、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス流路５８の流路幅方向における第２金属セパレータ３２の両端部に２つ設けられる。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通させる第２入口連結流路部６０Ａが設けられている。本実施形態において第２入口連結流路部６０Ａは、複数の第２入口連結流路溝６０ａを有する。各第２入口連結流路溝６０ａは、複数の波状流路溝５８ｂに繋がっている。第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス流路５８の矢印Ｂ２方向側に隣接して、第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第２入口側隆起部６１ａが形成されている。複数の第２入口連結流路溝６０ａは、第２入口側隆起部６１ａに設けられている。第２入口側隆起部６１ａは、ベースプレート部３２ｓからの高さが後述する内側ビード部６２ｂの高さよりも低い。

また、第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、燃料ガス流路５８と燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通させる第２出口連結流路部６０Ｂが設けられている。本実施形態において第２出口連結流路部６０Ｂは、複数の第２出口連結流路溝６０ｂを有する。各第２出口連結流路溝６０ｂは、複数の波状流路溝５８ｂに繋がっている。第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス流路５８の矢印Ｂ１方向側に隣接して、第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第２出口側隆起部６１ｂが形成されている。複数の第２出口連結流路溝６０ｂは、第２出口側隆起部６１ｂに設けられている。第２出口側隆起部６１ｂは、ベースプレート部３２ｓからの高さが内側ビード部６２ｂの高さよりも低い。

図５に示すように、各第２入口連結流路溝６０ａは、燃料ガス入口連通孔３８ａから燃料ガス流路５８へ至る間に、流路が複数回（本実施形態では、２回）分岐する。具体的に、各第２入口連結流路溝６０ａは、燃料ガス入口連通孔３８ａから燃料ガス流路５８へ至る間に、第１分岐部９２及び第２分岐部９４の２箇所で分岐する。すなわち、各第２入口連結流路溝６０ａでは、１本の第１流路要素６０ａ１が、第１分岐部９２で中間突起９３を間に挟んで２本の第２流路要素６０ａ２に分岐する。そして、２本の第２流路要素６０ａ２が、第２分岐部９４で５本の第３流路要素６０ａ３に分岐する。

第１分岐部９２と第２分岐部９４との間には、全周に亘って流路に囲まれた島状の中間突起９３が設けられている。中間突起９３は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出することにより、２本の第２流路要素６０ａ２間を仕切っている。５本の第３流路要素６０ａ３は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する複数の凸部９５により仕切られている。複数の凸部９５は、燃料ガス流路５８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに間隔を置いて設けられている。複数の凸部９５は、少なくとも１つの凸部９５が他の凸部９５と異なる長さを有する。複数の凸部９５は、中間突起９３に対向して段階的に長さが大きくなる。なお、複数の凸部９５はすべて互いに同じ長さを有していてもよい。複数の凸部９５は、中間突起９３に対して非連続に（離間して）設けられている。従って、複数の凸部９５と中間突起９３との間には流路（第２入口連結流路溝６０ａの一部）が形成されている。中間突起９３は、凸部９５の延在方向に対して交差する方向に延在する。

図６に示すように、各第２出口連結流路溝６０ｂは、燃料ガス流路５８から燃料ガス出口連通孔３８ｂへ至る間に、流路が複数回（本実施形態では、３回）合流する。第２出口連結流路溝６０ｂの合流回数は、第２入口連結流路溝６０ａの分岐回数よりも多い。具体的に、各第２出口連結流路溝６０ｂは、燃料ガス流路５８から燃料ガス出口連通孔３８ｂへ至る間に、第１合流部９６、第２合流部９８及び第３合流部１００の３箇所で合流する。

各第２出口連結流路溝６０ｂは、燃料ガス流路５８に臨む５本の第１流路要素６０ｂ１からなる組６０ｇを２つ有し、各組６０ｇにおいて５本の第１流路要素６０ｂ１が第１合流部９６で合流して２本の第２流路要素６０ｂ２に集約する。また、各組６０ｇにおいて、２本の第２流路要素６０ｂ２が第２合流部９８で合流して１本の第３流路要素６０ｂ３に合流する。そして、一方の組と他方の組の２本の第３流路要素６０ｂ３が第３合流部１００で合流して、燃料ガス出口連通孔３８ｂへと連通する１本の第４流路要素６０ｂ４に集約する。

５本の第１流路要素６０ｂ１は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する複数の凸部９９により仕切られている。複数の凸部９９は、燃料ガス流路５８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに間隔を置いて設けられている。複数の凸部９９は、少なくとも１つの凸部９９が他の凸部９９と異なる長さを有する。複数の凸部９９は、中間突起９７に対向して段階的に長さが大きくなる。なお、複数の凸部９９はすべて互いに同じ長さを有していてもよい。

第１合流部９６と第２合流部９８との間には、全周に亘って流路に囲まれた島状の中間突起９７が設けられている。中間突起９７は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出することにより、２本の第２流路要素６０ｂ２間を仕切っている。中間突起９７は、複数の凸部９９に対して非連続に（離間して）設けられている。従って、複数の凸部９９と中間突起９７との間には流路（第２出口連結流路溝６０ｂの一部）が形成されている。中間突起９７は、凸部９９の延在方向に対して交差する方向に延在する。各第２出口連結流路溝６０ｂにおける２本の第３流路要素６０ｂ３は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する突起１０１により仕切られている。第３合流部１００は、突起１０１の下流側に設けられており、２本の第３流路要素６０ｂ３を１本の第４流路要素６０ｂ４に集約する。突起１０１の長さは、中間突起９７よりも燃料ガス流路５８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）に長い。突起１０１は、波状突起５８ａに連なっている。

なお、各第２出口連結流路溝６０ｂの合流回数は、３回に限らず、第２入口連結流路溝６０ａの分岐回数よりも多ければ他の回数であってもよい。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部６２ａと、内側ビード部６２ｂと、複数の連通孔ビード部６２ｃとを有する。外側ビード部６２ａは、表面３２ａの外周縁部を周回する。内側ビード部６２ｂは、外側ビード部６２ａよりも内側で、燃料ガス流路５８、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６２ｃは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、溶接又はろう付けにより互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８における酸化剤ガスが流れる方向と同じ方向（矢印Ｂ方向）に、冷却媒体を流す。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａ（入口３５ａ）に供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａ（入口３９ａ）に供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａ（入口３７ａ）に供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａでは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層及び第１電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、図２に示すように、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る発電セル１２は、以下の効果を奏する。

発電セル１２によれば、第２出口連結流路溝６０ｂの合流回数は、第２入口連結流路溝６０ａの分岐回数よりも多い。このため、燃料ガスが第２出口連結流路溝６０ｂを流れる際の圧損が増えることにより、燃料ガス流路５８の入口側と出口側の間の差圧を適切に確保することができる。従って、燃料ガス流路５８の出口側での生成水の排水性を向上させることができる。すなわち、第２出口連結流路溝６０ｂを介して、燃料ガス出口連通孔３８ｂへと生成水を良好に排出することができる。

燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガス流路５８の流路幅方向における第２金属セパレータ３２の中央部に１つ設けられている。また、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス流路５８の流路幅方向における第２金属セパレータ３２の両端部に２つ設けられている。この構成により、第２出口連結流路溝６０ｂにおいて、流入端から流出端までの流路長さを短く設定できるため、燃料ガス流路５８の流路幅方向の流量分配特性の改善（流路幅方向の流量の均一化）が図られる。

第２入口連結流路溝６０ａ及び第２出口連結流路溝６０ｂは、燃料ガス用の流路溝である。燃料電池スタック１０の運転時において、アノードには燃料ガスとして特に水素ガスのみ（純水素）が供給される場合、大部分の水素ガスがアノードの電気化学反応で消費されるため、従来構造では燃料ガス流路５８の出口側で流量が減少して差圧が不足しやすく、生成水の排水性が十分でない場合がある。これに対し、本実施形態では、燃料ガスが流れる第２入口連結流路溝６０ａ及び第２出口連結流路溝６０ｂについて、第２出口連結流路溝６０ｂの合流回数を第２入口連結流路溝６０ａの分岐回数よりも多くしたので、従来構造では差圧が不足しやすい燃料ガス流路５８の出口側での生成水の排水性を効果的に向上させることができる。

なお、発電セル１２では、第２入口連結流路溝６０ａ及び第２出口連結流路溝６０ｂと同様に、第１出口連結流路溝５０ｂの合流回数が第１入口連結流路溝５０ａの分岐回数よりも多くてもよい。これにより、酸化剤ガス流路４８の出口側での生成水の排水性を向上させることができる。

本実施形態では、２枚の金属セパレータ間に電解質膜・電極構造体を挟持したセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、３枚以上の金属セパレータと２枚以上の電解質膜・電極構造体を備え、金属セパレータと電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。

本発明は上述した実施形態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において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
４８…酸化剤ガス流路 ５０ａ…第１入口連結流路溝
５０ｂ…第１出口連結流路溝 ５８…燃料ガス流路
６０ａ…第２入口連結流路溝 ６０ｂ…第２出口連結流路溝

Claims (6)

1. 電解質膜・電極構造体とセパレータとがセパレータ厚さ方向に積層され、前記電解質膜・電極構造体に対向して前記セパレータの一端から他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路に向けて前記反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔と、前記反応ガス流路を通過した前記反応ガスを流す反応ガス出口連通孔とが、前記セパレータの厚さ方向に貫通形成され、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路の上流端とを連結する複数の入口連結流路溝と、前記反応ガス流路の下流端と前記反応ガス出口連通孔とを連結する複数の出口連結流路溝が形成された発電セルにおいて、
   前記反応ガス入口連通孔は、前記反応ガス流路の流路幅方向における前記セパレータの中央部に１つ設けられ、
   前記複数の入口連結流路溝の各々は、当該入口連結流路溝の入口から前記反応ガス流路へ至る間に、流路が複数回分岐し、
   前記反応ガス出口連通孔は、前記反応ガス流路の前記流路幅方向における前記セパレータの両端部に第１反応ガス出口連通孔と、第２反応ガス出口連通孔の２つを有し、
   前記複数の出口連結流路溝は、前記反応ガス流路から前記第１反応ガス出口連通孔に連結する第１出口連結流路溝と、前記反応ガス流路から前記第２反応ガス出口連通孔に連結する第２出口連結流路溝とを有し、
   前記第１出口連結流路溝は、前記反応ガス流路から当該第１出口連結流路溝の出口へ至る間に、流路が複数回合流し、
   前記第２出口連結流路溝は、前記反応ガス流路から当該第２出口連結流路溝の出口へ至る間に、流路が複数回合流し、
   前記第１出口連結流路溝及び前記第２出口連結流路溝の合流回数は共に、前記複数の入口連結流路溝の各々の分岐回数よりも多い、
   ことを特徴とする発電セル。
2. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   前記反応ガス流路、前記入口連結流路溝及び前記出口連結流路溝は、燃料ガスを流す流路である、
   ことを特徴とする発電セル。
3. 請求項１又は２記載の発電セルにおいて、
   前記出口連結流路溝は、前記反応ガス流路の流路幅方向に沿って間隔を置いて設けられた複数の凸部により互いに仕切られた複数の第１流路要素と、前記複数の凸部よりも前記反応ガス出口連通孔側に設けられた中間突起により互いに仕切られた複数の第２流路要素とを有し、前記複数の第２流路要素の本数は、前記第１流路要素の本数よりも少ない、
   ことを特徴とする発電セル。
4. 請求項３記載の発電セルにおいて、
   前記中間突起は、前記複数の凸部から離間して設けられている、
   ことを特徴とする発電セル。
5. 請求項３又は４記載の発電セルにおいて、
   前記中間突起は、前記複数の凸部の延在方向に対して交差する方向に延在する、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記複数の凸部は、少なくとも１つの凸部が他の凸部と異なる長さを有する、
   ことを特徴とする発電セル。

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