JP6841070B2 - 燃料電池用ガス流路形成板および燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体と板状のセパレータとの間に介設される燃料電池用ガス流路形成板、および同単セルが複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。

例えば固体高分子型燃料電池は、一対のセパレータによって膜電極接合体が挟まれた構造の単セルを複数積層することによって形成された燃料電池スタックを備えている。
こうしたセパレータとしては、平板状のフラットセパレータと、同フラットセパレータおよび上記膜電極接合体の間に介設されたガス流路形成板と、を備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のガス流路形成板には、上記膜電極接合体に対向する面に、複数の凹溝が間隔を置いて並ぶように配置されている。この凹溝は、単セルの内部（詳しくは膜電極接合体に）に供給されるガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を流通させるためのガス流路として機能する。また、ガス流路形成板における隣り合う２つのガス流路の間にはそれぞれ突条が形成されており、それら突条の裏面は凹溝になっている。そして、この凹溝は、発電に際して単セルの内部で発生する水を単セルの外部に排出するための水流路として機能する。また、上記突条には、ガス流路と水流路とを連通する貫通孔（連通路）が形成されている。

こうした燃料電池スタックでは、膜電極接合体での発電に際して発生した水が、ガス流路形成板の連通路を介して水流路に流入する。そして、水流路内に流入した水は、同水流路の内部を流れるガスの流動圧力によって押し流されて水流路の外部へ排出される。

特開２０１４−１６７８６０号公報

上述したガス流路形成板は、連通路が形成された部分においてのみ水流路への排水が可能な構造である。そのため、連通路の近傍において発生した水は水流路に速やかに排出することができるものの、連通路から離れた部分で発生した水は水流路への排出に時間がかかってしまう。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、連通路を通じた水流路への排水を効率よく行うことのできる燃料電池用ガス流路形成板および燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池用ガス流路形成板は、膜電極接合体と板状のセパレータとの間に介設される燃料電池の単セルのガス流路形成板であって、前記膜電極接合体に対向する面に間隔を置いて並ぶように配置された凹溝状の複数のガス流路と、隣り合う前記ガス流路の間に位置する突条の裏面に形成された凹溝状の水流路と、前記突条における同突条が延びる方向において間隔を置いて並ぶ位置にそれぞれ形成されて、前記ガス流路および前記水流路を連通する複数の連通路と、前記ガス流路の通路断面積が部分的に狭くなる態様で前記ガス流路の内壁面が同ガス流路の内方に向けて突出する形状であり、且つ、前記複数の連通路における前記ガス流路を流れるガスの流れ方向上流側の端部が、前記ガスの速度ベクトルにおける前記膜電極接合体側から前記セパレータ側に向かう方向成分が正の値になる範囲内に配置される形状である案内部と、を備える。

上記構成では、案内部の配設部分におけるガス流路（詳しくは、ガス流路形成板と膜電極接合体とによって挟まれた部分）の断面積が部分的に狭くなる。そのため、ガス流路における案内部の配設部分を通過する際に、ガスの流れがガス流路の底側（セパレータ側）から膜電極接合体側に向かう方向成分を含むようになるとともに、ガスの流速が高められるようになる。したがって、そうしたガスの流れによって、案内部周辺の水を押し流して、突条に形成された連通路の周辺に集めることができる。

しかも上記構成では、案内部におけるガスの流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）の端部においてガス流路の通路断面積が急拡大するため、案内部の配設部分を通過した後のガスがガス流路内において拡散して、同ガスの流れがガス流路の膜電極接合体側からセパレータ側に向かう方向成分を含むようになる。そして上記構成では、複数の連通路の少なくとも一部が、ガス流れが膜電極接合体側からセパレータ側に向かう方向成分を含む部分、すなわち突条に形成された連通路の開口に向かう方向成分を含む部分に配置される。そのため、そうしたガスの流れを利用して、連通路の周辺に集められた水を同連通路の内部に導入して水流路に流出させることができるようになる。

このように上記構成によれば、連通路を通じた水流路への排水を効率よく行うことができる。
上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記案内部の前記流れ方向下流側の端部と前記複数の連通路の前記流れ方向上流側の端部とは、前記流れ方向における位置が同一であることが好ましい。

上記構成によれば、案内部の配設部分を通過した後にセパレータ側に向かうガスの流れが複数の連通路に流入しやすくなるため、それら連通路の開口全体を有効に利用して同連通路にその周辺の水を導入することができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記案内部は、前記流れ方向下流側ほど前記内壁面の突出量が大きくなる形状で傾斜した傾斜面を有することが好ましい。
上記構成によれば、傾斜面に沿ってガスが円滑に流れるようになるため、案内部を設けることに伴う圧力損失の増大を抑えることができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記ガス流路形成板は、前記ガス流路が延びる方向と直交する方向における断面が凹凸形状の板材であることが好ましい。
上記構成によれば、断面凹凸形状の板材の一方の面における各凹溝をガス流路にするとともに他方の面における各凹溝を水流路にするといったように、断面凹凸形状の板材を、ガス流路および水流路を有するガス流路形成板にすることができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記複数の連通路と１つの前記案内部とが独立して機能する１つの機能部を構成し、同機能部が間隔を置いて複数設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、機能部による水流路への効率の良い排水を、単セル内部の広い範囲にわたって行うことができる。
上記課題を解決するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、前記単セルは、膜電極接合体と、板状のセパレータと、前記膜電極接合体および前記セパレータの間に介設された上記燃料電池用ガス流路形成板と、を備える。

本発明によれば、連通路を通じた水流路への排水を効率よく行うことができる。

ガス流路形成板および燃料電池スタックの一実施形態を示す断面図。 同実施形態の第１セパレータの斜視図。 図２の部分拡大図。 第１セパレータの断面図であり、（ａ）は図５における４Ａ−４Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は、図５における４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図。 ガス流路における案内部の配設部分およびその周辺を示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は連通路を中心とした断面図であって、実施形態の作用を説明する説明図。 他の実施形態のガス流路における案内部の配設部分およびその周辺を示す断面図。 他の実施形態のガス流路における案内部の配設部分およびその周辺を示す断面図。 他の実施形態のセパレータの平面構造を示す模式図。 他の実施形態のセパレータの平面構造を示す模式図。

以下、燃料電池用ガス流路形成板および燃料電池スタックの一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタックは、複数の単セル１０が積層された構造をなしており、固体高分子型燃料電池に内蔵されている。なお、図１において、上側の単セル１０は後述する水流路２６，３６が配設された位置で切断した断面形状を示しており、下側の単セル１０は後述するガス流路２５，３５が配置された位置で切断した断面形状を示している。

複数の単セル１０は、いずれも四角枠状をなす第１フレーム１１および第２フレーム１２を備えており、これらフレーム１１，１２によって四角シート状をなす周知の膜電極接合体１３の外縁部分が挟持されている。膜電極接合体１３は、固体高分子電解質膜１４と、この固体高分子電解質膜１４を間に挟む形状の一対の電極触媒層１５，１６と、それら電極触媒層１５，１６の外面を覆う形状の一対のガス拡散層１７，１８とを有する多層構造をなしている。

膜電極接合体１３は、第１セパレータ２０と第２セパレータ３０との間に挟まれている。第１セパレータ２０は、膜電極接合体１３のカソード側（図１の下側）のガス拡散層１７に当接しており、平板状のフラットセパレータ２１と、同フラットセパレータ２１および膜電極接合体１３の間に介設されたガス流路形成板２２とを備えている。第２セパレータ３０は、膜電極接合体１３のアノード側（図１の上側）のガス拡散層１８に当接しており、平板状のフラットセパレータ３１と、同フラットセパレータ３１および膜電極接合体１３の間に介設されたガス流路形成板３２とを備えている。フラットセパレータ２１，３１およびガス流路形成板２２，３２はそれぞれ金属板材によって形成されている。

単セル１０の内部には、図示しない酸化剤ガス供給源から後述するガス流路２５に対して酸化剤ガスを供給するための供給通路４１と、発電に供されなかった酸化剤ガスをガス流路２５の外部へ排出するための排出通路４２とが、第１フレーム１１およびフラットセパレータ２１によって区画形成されている。

また、単セル１０の内部には、図示しない燃料ガス供給源から後述するガス流路３５に対して燃料ガスを供給するための供給通路５１と、発電に供されなかった燃料ガスをガス流路３５の外部へ排出するための排出通路５２とが、第２フレーム１２およびフラットセパレータ３１によって区画形成されている。

なお図１に示す部分では、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２は、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２に対して上下反転するとともに左右反転した形状である。そのため以下では、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２については詳細に説明する一方、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２については第１セパレータ２０のガス流路形成板２２の各部の符号「２＊」にそれぞれ「１０」を加算した符号「３＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、符号「２５＊」，「２７＊」，「２８＊」にはそれぞれ「１００」を加算した符号「３５＊」，「３７＊」，「３８＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

以下、ガス流路形成板２２の構造について説明する。
図２に示すように、ガス流路形成板２２は断面略波形状をなしており、ステンレス鋼板などの一枚の金属板材をロール成形することによって形成されている。

ガス流路形成板２２の上記膜電極接合体１３（図１参照）に対向する面（図２における上面）には互いに平行に延びる複数の内側突条２３が形成されており、それら内側突条２３の頂面は膜電極接合体１３に当接している。また、互いに隣り合う２つの内側突条２３の間には、それぞれ凹溝状のガス流路２５が形成されている。このガス流路２５は、主に酸化剤ガスを流通させるための通路として機能する。

一方、ガス流路形成板２２の上記フラットセパレータ２１に対向する面（図２における下面）には互いに平行に延びる複数の外側突条２４が形成されており、それら外側突条２４の頂面はフラットセパレータ２１に当接している。また、互いに隣り合う２つの外側突条２４の間、すなわち各内側突条２３の裏面には、それぞれ凹溝状をなす水流路２６が形成されている。各水流路２６は、主に、膜電極接合体１３での発電に伴って生成された水を排出するための通路として機能する。

ガス流路形成板２２は、内側突条２３および外側突条２４が延びる方向、すなわちガス流路２５が延びる方向（以下、延設方向Ｌ）と直交する方向（以下、幅方向Ｗ）において湾曲する波形の板材である。

図２および図３に示すように、ガス流路形成板２２の内側突条２３には、幅方向Ｗにおいて延びる形状の複数のリブ２７１が形成されている。詳しくは、ガス流路形成板２２には、延設方向Ｌにおいて互いに近接した位置に配置された一対のリブ２７１からなる組が複数設けられている。こうした一対のリブ２７１からなる組は、延設方向Ｌにおいて等間隔で配置されている。なお、各リブ２７１は、幅方向Ｗに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板２２を形成する際に、各内側突条２３の頂面側の部分を部分的に剪断するとともに、その剪断した部分を頂面から離間する方向に曲げることによって形成される。

図４（ａ）にリブ２７１が形成されない部分におけるガス流路形成板２２の断面形状を示し、図４（ｂ）にリブ２７１が形成された部分におけるガス流路形成板２２の断面形状を示す。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、リブ２７１は水流路２６の内部に突出している。そのため、このリブ２７１によって水流路２６の内部が遮られており、その分だけ水流路２６における酸化剤ガスの圧力損失が大きくなっている。また図２〜図４に示すように、ガス流路形成板２２の内側突条２３には、上記複数のリブ２７１を形成することにより、ガス流路２５と水流路２６とを連通する複数の連通路２７が形成されている。これら連通路２７の形状は、同連通路２７における酸化剤ガスの圧力損失がガス流路２５における酸化剤ガスの圧力損失よりも大きくなるように定められている。これらのことから、ガス流路形成板２２が配設された部分においては、酸化剤ガスは主に、圧力損失の小さいガス流路２５を流れるようになる。

図１〜図５に示すように、ガス流路２５には、その内壁面が同ガス流路２５の内方に向けて突出する形状の複数の案内部２８が一体形成されている。これら案内部２８は、ガス流路２５の底面から内側突条２３の頂面側（図５の上方）に向かって突出する形状に形成されている。図２に示すように、各案内部２８は、同一の形状に形成されて、内側突条２３の一対のリブ２７１（連通路２７）と幅方向Ｗにおいて隣接する位置にそれぞれ設けられている。したがって、各案内部２８についても、一対の連通路２７と同様に、延設方向Ｌにおいて等間隔で設けられている。

図５に示すように、案内部２８の突端面は、その殆どの部分が、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）の部分ほど上記底面からの突出量が大きくなる形状で傾斜した傾斜面２８１によって構成されている。そして、案内部２８の突端面における下流側の端部２８２近傍の部分のみが上記底面からの突出量が等しい平坦面２８３によって構成されている。このように各案内部２８は上記底面からの突出量が下流側ほど大きくなっている。また、案内部２８の下流側の端部２８２とガス流路２５の底面との間には、ガス流路２５と水流路２６とを連通する連通孔２９が形成されている。

本実施形態では、案内部２８の下流側の端部２８２と一対の連通路２７のうちの酸化剤ガスの流れ方向上流側（以下、単に「上流側」）のもの（図５の左側の連通路２７）の上流側の端部２７３とが酸化剤ガスの流れ方向（延設方向Ｌ）において同一の位置になるように、各案内部２８が配置されている。各案内部２８は、幅方向Ｗに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板２２を形成する際に、各外側突条２４の頂面側の部分（ガス流路２５の底面側の部分）を部分的に剪断するとともに、その剪断した部分を頂面から離間する方向に曲げることによって形成される。本実施形態では、一対の連通路２７とそれら連通路２７に隣接する１つの案内部２８とが独立して機能する１つの機能部を構成しており、この機能部がガス流路形成板２２に間隔を置いて複数設けられている。

以下、そうした機能部をガス流路形成板２２に設けることによる作用について説明する。
図１の下側の単セル１０に示すように、燃料ガスが供給通路５１を通じてガス流路３５内に供給されると、同燃料ガスはガス流路３５を通じてガス拡散層１８に流入する。そして、燃料ガスはガス拡散層１８を通過するとともに拡散されて電極触媒層１６に供給される。一方、酸化剤ガスが供給通路４１を通じてガス流路２５内に供給されると、同酸化剤ガスはガス流路２５を通じてガス拡散層１７に流入する。そして、酸化剤ガスはガス拡散層１７を通過するとともに拡散されて電極触媒層１５に供給される。このようにして膜電極接合体１３に対して燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、膜電極接合体１３での電気化学反応によって発電が行なわれる。

こうした膜電極接合体１３での発電に際して、カソード側のガス拡散層１７の内部（詳しくは、電極触媒層１５との界面およびその近傍）では水が生成される。ガス拡散層１７の内部で生成される水は、単セル１０の発電効率を向上させる上では、水流路２６に速やかに排出されることが望ましい。

本実施形態では、図５に示すように、単セル１０の内部における案内部２８の配設部分において、ガス流路２５（詳しくは、ガス流路形成板２２とガス拡散層１７とによって挟まれた部分）の通路断面積が下流側（図５の左側）に向かうほど狭くなっている。そのため、酸化剤ガスがガス流路２５における案内部２８の配設部分を通過する際に、酸化剤ガスの流れがガス流路２５の底側（フラットセパレータ２１側）から膜電極接合体１３側に向かう方向成分（図５における上方向成分）を含むようになるとともに、同酸化剤ガスの流速が高められる。そして、そうした酸化剤ガスの流れの一部（図５中に矢印Ｆ１で示す流れ）は、ガス拡散層１７の内部に流入する。

このようにして流入する酸化剤ガスの流動圧力によってガス拡散層１７内部の水ＷＴが押し流されて、ガス拡散層１７内部の水ＷＴが案内部２８の下流側の端部２８２、すなわち連通路２７の配設部分周辺に集められる。こうして集められた水ＷＴは、ガス拡散層１７に当接している内側突条２３の頂面において開口している連通路２７の内部に、毛管作用によって引き込まれて導入されるようになる。

また本実施形態では、ガス流路２５における案内部２８の下流側の端部２８２と隣接する位置において内側突条２３の連通路２７が開口しているため、同案内部２８の下流側の端部２８２において、酸化剤ガスが通過する通路部分（詳しくは、ガス流路２５および連通路２７からなる部分）の断面積が急拡大する構造になっている。そのため、案内部２８の配設部分を通過した後の酸化剤ガスはガス流路２５内において拡散して、同酸化剤ガスの流れがガス流路２５の膜電極接合体１３側からフラットセパレータ２１側に向かう方向成分（図５における下方向成分）を含むようになる。

このように本実施形態では、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの速度ベクトルにおける膜電極接合体１３側からフラットセパレータ２１側に向かう方向成分が正の値になる範囲内に一対の連通路２７の上流側の端部２７３が配置されるように、それら連通路２７および案内部２８の形状が定められている。これにより、一対の連通路２７の少なくとも一部が、酸化剤ガスの流れが膜電極接合体１３側からフラットセパレータ２１側に向かう方向成分を含む部分、すなわち内側突条２３に形成された連通路２７の開口に向かう方向成分を含む部分に配置されている。そのため、案内部２８の配設部分を通過した後の酸化剤ガスの流れの一部が連通路２７の内部に向かうようになる。そうした連通路２７の内部に向かうガスの流れ（図５中に矢印Ｆ２で示す流れ）を利用して、ガス拡散層１７における連通路２７の周辺に集められた水ＷＴを同連通路２７の内部に導入することができる。

そして、図６（ａ）に示すように、連通路２７内に導入された水は一対の連通路２７それぞれの内部において水滴Ｓ１，Ｓ２を形成する。その後、連通路２７の内部に更に水が導入されて水滴Ｓ１，Ｓ２が成長すると、図６（ｂ）に示すように、両水滴Ｓ１，Ｓ２が結合して１つの水滴Ｓ３となる。このようにして水滴が結合したり、結合した水滴Ｓ３が更に成長したりすることにより、水滴Ｓ３がリブ２７１に触れるようになる。そして、図６（ｃ）に示すように、水滴Ｓ３が一対のリブ２７１の間の隙間に至ると、図６（ｄ）に示すように、水滴Ｓ３が毛管作用により同隙間に引き込まれて水流路２６内に導入されるようになる。なお、水流路２６内に導入された水が水滴となってリブ２７１に係留しているときには、この水が呼び水となって、連通路２７内の水が毛管作用によって水流路２６内に導かれるようになる。

このように本実施形態によれば、ガス流路形成板２２に案内部２８を設けることにより、ガス流路２５内を流れるガスの流れを利用して、連通路２７を通じた水流路２６への排水を効率よく行うことができる。

こうして水流路２６内に導入された水は、水流路２６内を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって下流側に押し流されて、排出通路４２を介して単セル１０の外部に排出されるようになる。

なお図５に示すように、ガス流路形成板２２に案内部２８を設けると、ガス流路２５における案内部２８の下流側の端部２８２に隣接する位置に、同ガス流路２５の底面側（図５の下側）に窪む凹形状の隅部２５１が形成されてしまう。この隅部２５１は酸化剤ガスが流れにくいために、膜電極接合体１３での発電に伴って生成した水ＷＴがガス流路２５に流入した場合には、その水が上記隅部２５１に滞留しやすい。本実施形態では、隅部２５１にガス流路２５と水流路２６とを連通する連通孔２９が形成されている。そのため、ガス流路２５に流入して隅部２５１に到達した水は、連通孔２９の内部に毛管作用によって引き込まれて水流路２６に導入されるようになる。

また、膜電極接合体１３での発電に際しては、単セル１０内部におけるアノード側の部分（例えばガス拡散層１８の内部）において水が発生する。本実施形態では、アノード側のガス流路形成板３２として、カソード側のガス流路形成板２２と同一の構造のものが採用されている。そのため、アノード側のガス流路３５および水流路３６においても、上述したカソード側のガス流路２５および水流路２６と同様の作用が奏される。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する作用効果が得られる。
（１）ガス流路形成板２２，３２に案内部２８，３８を設けることにより、連通路２７，３７を通じた水流路２６，３６への排水を効率よく行うことができる。

（２）案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２と、一対の連通路２７，３７のうちの上流側の連通路２７，３７の上流側の端部２７３，３７３とを、延設方向Ｌにおける位置が同一になるように配置した。これにより、単セル１０の内部構造が、延設方向Ｌにおける案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２と連通路２７，３７の開口部分との間にスペースが形成されない構造であって、案内部２８，３８と連通路２７，３７の開口部分とが延設方向Ｌにおいてオーバーラップしない構造になる。そのため、案内部２８、３８の配設部分を通過した後に偏向して連通路２７，３７の内部に向かう酸化剤ガス流れ（図５の矢印Ｆ２参照）の多くが上流側の連通路２７，３７の開口に向かうようになり、その流れが連通路２７，３７に流入しやすくなる。したがって、連通路２７，３７の開口全体を有効に利用して、同連通路２７，３７にその周辺の水を導入することができるようになる。

（３）案内部２８，３８の突端面を下流側ほど突出量が大きくなる形状の傾斜面２８１，３８１と平坦面２８３，３８３とにより構成した。そのため、傾斜面２８１，３８１および平坦面２８３，３８３に沿ってガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）がそれぞれ円滑に流れるようになる。このため、ガス流路２５，３５に案内部２８，３８を追加することに伴うガスの圧力損失の増大を抑えることができる。

（４）波状の板材の一方の面における各凹溝をガス流路２５，３５にするとともに、他方の面における各凹溝を水流路２６，３６にするといったように、波状の板材を、ガス流路２５，３５および水流路２６，３６を有するガス流路形成板２２，３２にすることができる。

（５）一対の連通路２７，３７と１つの案内部２８，３８とからなる機能部を、ガス流路形成板２２，３２に、間隔を置いて複数設けるようにした。そのため、機能部による水流路２６，３６への効率の良い排水を、単セル１０内部の広い範囲にわたって行うことができる。

（６）ガス流路２５，３５における案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２に隣接する位置に形成される隅部２５１，３５１に、連通孔２９，３９をそれぞれ形成した。これにより、ガス流路２５，３５に流入して隅部２５１，３５１に到達した水を連通孔２９，３９を介して水流路２６，３６に移動させることができる。そのため、ガス流路２５，３５に案内部２８，３８を設けることによって隅部２５１，３５１が形成されるとはいえ、同隅部２５１，３５１に水が滞留することを抑制することができる。

（７）ガス流路２５，３５の延設方向Ｌに対して直交する幅方向Ｗに沿ってそれぞれ金属板材をロール成形することによりガス流路形成板２２，３２を形成した。また、案内部２８，３８を、内側突条２３，３３の一対の連通路２７，３７と幅方向Ｗにおいて隣接する位置にそれぞれ形成した。ロール成形に用いられる装置は、複数の切刃をそれぞれ軸線方向に積層した一対のロールを備えている（図示略）。本実施形態によれば、各ロールを構成する複数の切刃のうちの連通路２７，３７を形成する切刃に案内部２８，３８に対応した形状を付加するだけで、連通路２７，３７を有するガス流路形成板２２，３２を形成することができるようになる。したがって、既存のロールを構成する複数の切刃のうちの一部の形状を変更するだけでガス流路形成板２２，３２を製造することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ガス流路形成板２２，３２をチタン板などのステンレス鋼板以外の金属板材によって形成してもよい。

・案内部２８，３８の突端面を、平坦面２８３，３８３を省略して、傾斜面２８１，３８１のみによって構成してもよい。
・図７に示すように、案内部２８，３８を、下流側ほど突出量が大きくなる階段状に形成することができる。こうした構成によっても、ガス流路２５，３５における案内部２８，３８の配設部分を通過するガスの流れがガス流路２５のフラットセパレータ２１側から膜電極接合体１３側に向かう方向成分を含むようになるとともに、同ガスの流速が高められるようになる。

・案内部２８，３８の配設部分と一対の連通路２７，３７のうちの上流側の連通路２７，３７が開口する範囲とを部分的にオーバーラップさせるなど、一対の連通路２７，３７の上流側の端部２７３，３７３が案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２よりも上流側になるように、案内部２８，３８および連通路２７，３７を配置してもよい。

また図８に示すように、一対の連通路２７，３７の上流側の端部２７３，３７３が案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２よりも下流側になるように、案内部２８，３８および連通路２７，３７を配置することができる。なお図８に示す例では、一対の連通路２７，３７の上流側の端部２７３，３７３が、案内部２８，３８の下流側の端部２８２，３８２よりも、一対の連通路２７，３７のうちの上流側の連通路２７，３７の延設方向Ｌにおける開口幅の分だけ下流側の位置になっている。また図８に示す例では、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの速度ベクトルにおける膜電極接合体１３側からフラットセパレータ２１側に向かう方向成分が、同図中に「Ｓ」で示す範囲においては正の値になる一方、範囲Ｓ以外の部分においては負の値になる。

要は、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの速度ベクトルにおける膜電極接合体１３側からフラットセパレータ２１側に向かう方向成分が正の値になる範囲内に一対の連通路２７，３７の上流側の端部２７３，３７３が配置されるように、それら連通路２７，３７および案内部２８，３８の形状を定めればよい。こうした構成によっても、案内部２８，３８の配設部分を通過した後の酸化剤ガスの流れの一部が連通路２７，３７の内部に向かうようになるため、そうした連通路２７の内部に向かうガスの流れ（図５中に矢印Ｆ２で示す流れ）を利用して、ガス拡散層１７における連通路２７の周辺に集められた水ＷＴを同連通路２７の内部に導入することができる。

・案内部２８，３８を、ガス流路２５，３５の底壁が同ガス流路２５，３５の内方に向けて突出する形状に形成することに代えて、ガス流路２５，３５の側壁が同ガス流路２５，３５の内方に向けて突出する形状に形成してもよい。こうした構成によっても、単セル１０の内部における案内部２８，３８の配設部分において、ガス流路２５の断面積が下流側に向かうほど狭くなるため、酸化剤ガスの流れがガス流路２５の底側（フラットセパレータ２１側）から開口側（膜電極接合体１３側）に向かう方向成分を含むようにするとともに、同酸化剤ガスの流速を高めることができる。

・案内部２８，３８を、幅方向Ｗにおいて断面矩形状で延びる形状に形成したり、幅方向Ｗにおいて断面弓形で延びる形状に形成したりすることが可能である。要は、ガス流路２５，３５の通路断面積が部分的に狭くなる態様でガス流路２５，３５の内壁面が同ガス流路２５，３５の内方に向けて突出する形状であれば、案内部２８，３８を任意の形状に形成することができる。

・一対の連通路２７，３７と１つの案内部２８，３８とからなる機能部を、ガス流路形成板２２，３２に等間隔で配置することに限らず、水が発生し易い部分ほど多数配置するようにしてもよい。

・各ガス流路形成板２２，３２において、隣り合うガス流路２５，３５に設けられた案内部２８同士が延設方向Ｌにおいてずれた位置になるように、各案内部２８を配置するようにしてもよい。具体的には、以下の［具体例１］や［具体例２］等のように各案内部２８を配置することができる。

図９に示すように、［具体例１］のガス流路形成板６２では、一対の連通路２７とそれら連通路２７に隣接する１つの案内部２８とからなる機能部が、各ガス流路２５，３５に対して、延設方向Ｌにおいて等間隔で並ぶように設けられている。また、それら機能部は、隣接するガス流路２５，３５のうちの一方に設けられる機能部と他方に設けられる機能部とが延設方向Ｌにおいて互い違いになるように配置されている。

図１０に示すように、［具体例２］のガス流路形成板７２では、「一対の連通路２７」が、各ガス流路２５，３５に対して、延設方向Ｌにおいて等間隔で並ぶとともに幅方向Ｗに延びる直線上において並ぶように設けられている。またガス流路形成板７２では、案内部２８が、全ての「一対の連通路２７」に隣接する位置に設けられるのではなく、延設方向Ｌおよび幅方向Ｗにおいて１つ置きの「一対の連通路２７」に隣接する位置に設けられている。

以下、このように案内部２８を配置することによる作用効果について説明する。
前述した実施形態の燃料電池は、内側突条２３，３３の突端がガス拡散層１７，１８（図５参照）に当接する構造であるため、ガス拡散層１７，１８の内側突条２３，３３側の面の一部が同内側突条２３，３３の突端によって塞がれてガス拡散層１７，１８の内部にガス（燃料ガスあるいは酸化剤ガス）が侵入し難い構造になっている。こうした構造は、燃料電池の発電効率の向上を妨げる一因になるおそれがある。

ガス流路形成板２２，３２（図２参照）の内側突条２３，３３の幅方向Ｗの長さを短くすることにより、ガス拡散層１７，１８の表面における同内側突条２３，３３の突端によって塞がれる部分を狭くすることは可能になる。ただし上記燃料電池は、内側突条２３，３３の突端とガス拡散層１７，１８との当接部分においてガス流路形成板２２，３２を支持する構造であるため、その支持強度を確保するべく内側突条２３，３３の幅方向Ｗの長さを短くするのには限界がある。

ここで、図９および図１０に一例を示すガス流路形成板を採用した変形例の燃料電池では、案内部２８がガス流路２５，３５の通路断面積を部分的に小さくする部分（いわゆる、絞り）として機能するため、ガス流路２５，３５における案内部２８の配設部分およびその上流側の部分では、他の部分と比較して、内部圧力が高くなる。そして、この変形例の燃料電池では、１本の内側突条２３，３３を挟む２本のガス流路２５，３５それぞれに設けられる案内部２８が、延設方向Ｌにおいてずれた位置に配置されている。

これにより、隣り合うガス流路２５，３５における内側突条２３，３３を間に挟む各部分のうちの一方（図９中および図１０中にＡで示す部分）には案内部２８を配置して内部圧力を高くすることができるとともに、他方（同Ｂで示す部分）には案内部２８を配置せずに内部圧力を比較的低くすることができる。このようにして上記変形例の燃料電池では、一本の内側突条２３，３３を間に挟む２本のガス流路２５，３５間に圧力差を生じさせることができる。

そのため、図９中および図１０中に矢印で示すように、上記圧力差を利用して、ガス拡散層１７，１８における内側突条２３，３３の突端が当接している部分を介して、隣り合うガス流路２５，３５の一方から他方にガスを流すことができる。これにより、膜電極接合体１３における内側突条２３，３３が当接している部分に多くの発電用ガスを供給することができるようになるため、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

なお、前述した実施形態のように、隣り合うガス流路２５，３５に設けられた案内部２８同士が延設方向Ｌにおいて同一の位置になるように各案内部２８を配置すると、隣り合うガス流路２５，３５における内側突条２３，３３を間に挟む各部分の双方に案内部２８が配置されて内部圧力が高くなるため、上記圧力差を発生させることができない。しかも、そうしたガス流路２５，３５における案内部２８の配設部分は他の部分と比較して内部圧力が高くなるため、それら配設部分に挟まれた部分（詳しくは、ガス拡散層１７，１８における内側突条２３，３３の突端が当接している部分）にはガスや水が滞留し易くなってしまう。

この点、上記変形例の燃料電池では、上記圧力差を生じさせることによって、ガス拡散層１７，１８における内側突条２３，３３の突端が当接している部分にもガスをスムーズに流すことができるようになる。これにより、ガスや水の滞留を抑えることができるために、発電効率の向上を図ることができる。

また、各セパレータにおける水が発生し難い上流側の部分を［具体例１］（図９参照）の構造にするとともに水が発生し易い下流側の部分を［具体例２］（図１０参照）の構造にするといったように、［具体例１］の構造と［具体例２］の構造とを組み合わせた構造のセパレータを採用することもできる。

なお隣接するガス流路２５，３５のうちの一方に設けられる機能部と他方に設けられる機能部とが延設方向Ｌにおいて互い違いになるように各機能部をガス流路形成板６２（図９参照）に配置することに限らず、各機能部を斜めに並ぶように配置したり、ジグザクに並ぶように配置したりしてもよい。その他、機能部の一部または全てを不規則に配置することなども可能である。

また、ガス流路形成板７２（図１０参照）における一つ置きの「一対の連通路２７」に隣接する位置に案内部２８を設けることに限らず、案内部２８を二つ置きの「一対の連通路２７」に隣接する位置に設けるようにしたり、三つ置きの「一対の連通路２７」に隣接する位置に設けるようにしたりしてもよい。また、案内部２８の一部または全てを不規則に配置することも可能である。

・機能部を、延設方向Ｌにおいて互いに近接した位置に配置される３つ以上の連通路と１つの案内部２８，３８とによって構成してもよい。
・ガス流路形成板２２，３２としては、波板形状のものを採用することに限らず、断面矩形波形状の板状や断面鋸歯形状の板材など、幅方向Ｗにおける断面が凹形状の部分と凸形状の部分とが交互に並ぶ凹凸形状のものであれば、任意の形状のものを採用することができる。また、ガス流路形成板２２，３２としては、各ガス流路２５，３５になる凹溝が捻れの位置になるように配置されたものや、各ガス流路２５，３５になる凹溝が蛇行して延びるもの、各水流路２６，３６になる凹溝が捻れの位置になるように配置されたもの、各水流路２６，３６になる凹溝が蛇行して延びるもの等を採用することもできる。

・内側突条２３，３３の全体を延設方向Ｌに直線で延びる形状に形成することに限らず、内側突条２３，３３を、その一箇所あるいは複数箇所において上流側の部分と下流側の部分とが幅方向Ｗにおいてずれた状態で延びる形状に形成してもよい。この場合には、「一対の連通路２７」を、内側突条２３，３３が延びる方向において並ぶように、内側突条２３，３３における幅方向Ｗにおいてずれた部分に形成することができる。

・各案内部２８，３８を同一の形状に形成したが、それら案内部２８，３８の形状をガス流路形成板２２，３２における配設位置に応じて異なる形状に形成することができる。
・膜電極接合体１３のカソード側に案内部２８を有するガス流路形成板２２を設けるとともに、膜電極接合体１３のアノード側に案内部３８を有していないガス流路形成板を設けるようにしてもよい。この場合には、アノード側のガス流路形成板として連通路３７を有していないものを採用したり、膜電極接合体１３のアノード側にガス流路が形成される構造にした上でアノード側のガス流路形成板を省略したりすることができる。また、膜電極接合体１３のカソード側に案内部２８を有していないガス流路形成板を設けるとともに、膜電極接合体１３のアノード側に案内部３８を有するガス流路形成板３２を設けるようにしてもよい。

・平板状のフラットセパレータ２１，３１に代えて、凹凸（ディンプルや突起）が形成されたセパレータや波板状のセパレータを採用したりするなど、任意の形状のセパレータを採用することができる。

１０…単セル、１１…第１フレーム、１２…第２フレーム、１３…膜電極接合体、１４…固体高分子電解質膜、１５，１６…電極触媒層、１７，１８…ガス拡散層、２０…第１セパレータ、３０…第２セパレータ、２１，３１…フラットセパレータ、２２，３２，６２，７２…ガス流路形成板、２３，３３…内側突条、２４，３４…外側突条、２５，３５…ガス流路、２５１，３５１…隅部、２６，３６…水流路、２７，３７…連通路、２７１，３７１…リブ、２７３，３７３…端部、２８，３８…案内部、２８１，３８１…傾斜面、２８２，３８２…端部、２８３，３８３…平坦面、２９，３９…連通孔、４１…供給通路、４２…排出通路、５１…供給通路、５２…排出通路。

Claims (5)

1. 膜電極接合体と板状のセパレータとの間に介設される燃料電池の単セルのガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体に対向する面に間隔を置いて並ぶように配置された凹溝状の複数のガス流路と、
   隣り合う前記ガス流路の間に位置する突条の裏面にそれぞれ形成された凹溝状の複数の水流路と、
   前記突条における同突条が延びる方向において間隔を置いて並ぶ位置にそれぞれ形成されて、前記ガス流路および前記水流路を連通する一対のリブからなる複数の連通路と、
   前記ガス流路を流れるガスの流れ方向において隣り合う前記連通路の間に延びるようにそれぞれ形成されて、前記ガス流路の通路断面積が部分的に狭くなる態様で前記ガス流路の内壁面が同ガス流路の内方に向けて突出する形状であり、且つ、前記複数の連通路における前記ガス流路を流れるガスの流れ方向上流側の端部が、前記ガスの速度ベクトルにおける前記膜電極接合体側から前記セパレータ側に向かう方向成分が正の値になる範囲内に配置される形状である複数の案内部と、を備え、
   前記案内部は、前記流れ方向下流側ほど前記内壁面の突出量が大きくなる形状で傾斜した傾斜面を有し、
   前記案内部の前記流れ方向下流側の端部と前記複数の連通路の前記流れ方向上流側の端部とは、前記流れ方向における位置が同一であり、前記案内部の下流側端部において前記ガス流路および前記連通路からなる部分の断面積が急拡大することを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
2. 膜電極接合体と板状のセパレータとの間に介設される燃料電池の単セルのガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体に対向する面に間隔を置いて並ぶように配置された凹溝状の複数のガス流路と、
   隣り合う前記ガス流路の間に位置する突条の裏面にそれぞれ形成された凹溝状の複数の水流路と、
   前記突条における同突条が延びる方向において間隔を置いて並ぶ位置にそれぞれ形成されて、前記ガス流路および前記水流路を連通する一対のリブからなる複数の連通路と、
   前記ガス流路を流れるガスの流れ方向において隣り合う前記連通路の間に延びるようにそれぞれ形成されて、前記ガス流路の通路断面積が部分的に狭くなる態様で前記ガス流路の内壁面が同ガス流路の内方に向けて突出する形状であり、且つ、前記複数の連通路における前記ガス流路を流れるガスの流れ方向上流側の端部が、前記ガスの速度ベクトルにおける前記膜電極接合体側から前記セパレータ側に向かう方向成分が正の値になる範囲内に配置される形状である複数の案内部と、を備え、
   前記案内部は、前記流れ方向下流側ほど前記内壁面の突出量が大きくなる階段状に形成されており、
   前記案内部の前記流れ方向下流側の端部と前記複数の連通路の前記流れ方向上流側の端部とは、前記流れ方向における位置が同一であり、前記案内部の下流側端部において前記ガス流路および前記連通路からなる部分の断面積が急拡大することを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記ガス流路形成板は、前記ガス流路が延びる方向と直交する方向における断面が凹凸形状の板材であることを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記複数の連通路と１つの前記案内部とが独立して機能する１つの機能部を構成し、同機能部が間隔を置いて複数設けられていることを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
5. 複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極接合体と、板状のセパレータと、前記膜電極接合体および前記セパレータの間に介設された請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス流路形成板と、を備える燃料電池スタック。

Images