JP7006549B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば、燃料電池には、一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路溝が設けられ、他方の面に冷却媒体の流路溝が設けられたセパレータを備えられる（例えば特許文献１参照）。セパレータは、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路溝と冷却媒体の流路溝が交互に並ぶように、例えばプレス加工などにより凹凸状に形成されている。

アノード側のセパレータは燃料ガスの流路溝を有し、カソード側のセパレータは酸化剤ガスの流路溝を有する。アノード側のセパレータとカソード側のセパレータは、ＭＥＧＡ(Membrane Electrode Gus diffusion layer Assembly)を挟んで冷却媒体の流路溝が設けられた面同士が向き合うように重ね合わせられる。

特開２００７－１６５２５７号公報

セパレータの平面視で燃料ガスの流路溝と酸化剤ガスの流路溝が交差する領域ではアノード側及びカソード側の各セパレータの冷却媒体の流路溝が合流するため、冷却媒体の流路溝は全体として網目状の形態を有する。冷却媒体は、網目状の流路溝をジグザグに流れて進行方向を頻繁に変えるため、一定方向に進む場合より圧力損失が高くなる。このため、燃料電池の冷却効率が低下するおそれがある。

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、冷却媒体の圧力損失を低減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、酸化剤ガスが流れる複数の第１流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第１流路溝の間に冷却媒体が流れる複数の第２流路溝が他方の面に設けられた第１セパレータと、燃料ガスが流れる複数の第３流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第３流路溝の間に前記冷却媒体が流れる複数の第４流路溝が他方の面に設けられた第２セパレータとを有し、前記第１セパレータと前記第２セパレータは、前記複数の第２流路溝が設けられた面と前記複数の第４流路溝が設けられた面が対向するように重ね合わせられ、平面視で前記複数の第１流路溝と前記複数の第３流路溝が交差する複数の交差部のうち、一部の交差部において、当該第１流路溝の底部と当該第３流路溝の底部の間を前記冷却媒体が通過するように、前記第１流路溝の底部と前記第３流路溝の底部が間隔をおいて対向し、前記複数の交差部は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスにより発電する発電領域に対して、前記複数の第２流路溝及び前記複数の第４流路溝の上流側または下流側に位置する。

本発明によれば、燃料電池の冷却媒体の圧力損失を低減することができる。

燃料電池の一例を示す分解斜視図である。 酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝の一例を示す平面図である。 カソードセパレータの冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。 アノードセパレータの冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。 比較例における冷却水の経路を示す平面図である。 Ａ－Ａ線に沿ったカソードセパレータ及びアノードセパレータの断面図である。 実施例における冷却水の経路を示す平面図である。 Ｂ－Ｂ線に沿ったカソードセパレータ及びアノードセパレータの断面図である。 Ｄ－Ｄ線に沿った流路溝の一例を示す断面図である。 Ｃ－Ｃ線に沿ったカソードセパレータ及びアノードセパレータの断面図である。 他の実施例におけるＢ－Ｂ線に沿ったカソードセパレータ及びアノードセパレータの断面図である。

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、カソードセパレータ１、アノードセパレータ２と、フレーム３と、ＭＥＧＡ５とを有する。符号Ｐ１はＭＥＡ５０の断面を示す。ＭＥＧＡ５には、膜電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）５０、及びＭＥＡ５０を挟む一対のガス拡散層５１，５２が含まれる。ＭＥＡ５０には、電解質膜５０ａ、カソード電極触媒層５０ｃ、及びアノード電極触媒層５０ｂが含まれる。

電解質膜５０ａ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を含む。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。

アノード電極触媒層５０ｂ及びカソード電極触媒層５０ｃは、それぞれ、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、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、アノード電極触媒層５０ｂ及びカソード電極触媒層５０ｃは、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む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。

アノード電極触媒層５０ｂには一方のガス拡散層５２を介し水素ガスなどの燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層５０ｃには他方のガス拡散層５１を介し空気などの酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層５１，５２は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料などを含んで形成される。

ＭＥＡ５０は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。酸化剤ガスは、カソードセパレータ１からガス拡散層５１を介してＭＥＡ５０に供給され、燃料ガスは、燃料電池スタックにおいて隣接する他の燃料電池のアノードセパレータ２からガス拡散層５２を介してＭＥＡ５０に供給される。

カソードセパレータ１は燃料電池のカソード側に配置され、アノードセパレータ２は燃料電池のアノード側に配置されている。燃料電池スタックにおいて、カソードセパレータ１は、ＭＥＧＡ５に隣接する他の燃料電池のアノードセパレータ２との間にフレーム３及びＭＥＧＡ５を挟み、アノードセパレータ２は、アノードセパレータ２に隣接する他の燃料電池のカソードセパレータ１との間に、その燃料電池のフレーム３及びＭＥＧＡ５を挟む。なお、カソードセパレータ１は第１セパレータの一例であり、アノードセパレータ２は第２セパレータの一例である。

カソードセパレータ１及びアノードセパレータ２は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。なお、カソードセパレータ１及びアノードセパレータ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。カソードセパレータ１及びアノードセパレータ２は接着剤また溶接により互いに接合され、カソードセパレータ１は例えば接着剤によりフレーム３に接着されている。

フレーム３は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム３の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（PET: Polyethylene Terephthalate）系樹脂、シンジオタクチックポリスチレン（SPS; Syndiotactic Polystyrene）系樹脂、及びポリプロピレン（PP: Polypropylene）系樹脂などが挙げられる。

フレーム３の中央部には矩形状の開口３０が設けられている。開口３０は、ＭＥＧＡ５に対応する位置に設けられ、その縁にはＭＥＡ５０の外周側の端部が接着される。これにより、ＭＥＧＡ５はフレーム３に固定される。

カソードセパレータ１には、一端に沿って貫通孔１１～１３が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔１４～１６が並ぶように設けられている。アノードセパレータ２には、一端に沿って貫通孔２１～２３が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔２４～２６が並ぶように設けられている。また、フレーム３には、一端に沿って貫通孔３１～３３が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔３４～３６が並ぶように設けられている。

貫通孔１１，２１，３１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燃料ガス供給マニホルドを構成する。燃料ガスは、矢印Ｈｉｎで示されるように、燃料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ことにより各燃料電池に供給される。

貫通孔１６，２６，３６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燃料ガス排出マニホルドを構成する。発電に用いられた燃料ガスは、矢印Ｈｏｕｔで示されるように、各燃料電池から燃料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て排出される。

貫通孔１２，２２，３２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する。冷却水は、矢印Ｃｉｎで示されるように、冷却水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ことにより各燃料電池に供給される。なお、冷却水は、燃料電池を冷却する冷却媒体の一例である。

貫通孔１５，２５，３５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。燃料電池の冷却に用いられた冷却水は、矢印Ｃｏｕｔで示されるように、冷却水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ことにより各燃料電池から排出される。

貫通孔１４，２４，３４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ことにより各燃料電池に供給される。

貫通孔１３，２３，３３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。発電に用いられた酸化剤ガスは、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ことにより各燃料電池から排出される。

カソードセパレータ１は、一方の面１ａに酸化剤ガスの流路溝が設けられ、その反対側の面１ｂに冷却水の流路溝が設けられたカソード流路部１ｃを有する。アノードセパレータ２は、一方の面２ａに燃料ガスの流路溝が設けられ、その反対側の面２ｂに冷却水の流路溝が設けられたアノード流路部２ｃを有する。

カソードセパレータ１とアノードセパレータ２は、冷却水の流路溝が設けられた面１ｂ，２ｂ同士が対向するように重ね合わせられる。冷却水は、供給側の貫通孔１２からカソード流路部１ｃ及びアノード流路部２ｃの流路溝を通って排出側の貫通孔１５に流れ込む。

カソードセパレータ１は、酸化剤ガスの流路溝が設けられた面１ａがＭＥＧＡ５のガス拡散層５１に対向するように積層される。酸化剤ガスは、供給側の貫通孔１４から流路溝を通って排出側の貫通孔１３に流れ込む。

アノードセパレータ２は、燃料ガスの流路溝が設けられた面２ａが、燃料電池スタックにおいて隣接する他の燃料電池のＭＥＧＡ５のガス拡散層５２に対向するように積層される。燃料ガスは、供給側の貫通孔２１から流路溝を通って排出側の貫通孔２６に流れ込む。

次に各流路溝の構成について述べる。

図２は、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝の一例を示す平面図である。より具体的には、図２は、図１に示された方向Ｖに従ってカソードセパレータ１の面１ａとアノードセパレータ２の面２ａを重ねて平面視したときの酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝を示す図である。

カソード流路部１ｃの面１ａ側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群１０ｂ、中流域流路溝群１０ａ、及び下流域流路溝群１０ｃが形成されている。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は互いに連通し、上流域流路溝群１０ｂは供給側の貫通孔１４と接続され、下流域流路溝群１０ｃは排出側の貫通孔１３と接続されている。酸化剤ガスは、矢印で示されるように、供給側の貫通孔１４から上流域流路溝群１０ｂ、中流域流路溝群１０ａ、及び下流域流路溝群１０ｃをこの順に経由して排出側の貫通孔１３に流れ込む。

アノード流路部２ｃの面２ａ側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群２０ｂ、中流域流路溝群２０ａ、及び下流域流路溝群２０ｃが形成されている。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は互いに連通し、上流域流路溝群２０ｂは供給側の貫通孔２１と接続され、下流域流路溝群２０ｃは排出側の貫通孔２６と接続されている。燃料ガスは、矢印で示されるように、供給側の貫通孔２１から上流域流路溝群２０ｂ、中流域流路溝群２０ａ、及び下流域流路溝群２０ｃをこの順に経由して排出側の貫通孔２６に流れ込む。

酸化剤ガス及び燃料ガスの中流域流路溝群１０ａ，２０ａは平面視でＭＥＡ５０に重なる。酸化剤ガスは中流域流路溝群１０ａとＭＥＡ５０の間で受け渡しされ、燃料ガスは中流域流路溝群２０ａとＭＥＡ５０の間で受け渡しされる。このため、中流域流路溝群１０ａ，２０ａは発電が行われる発電領域に該当する。

中流域流路溝群１０ａ，２０ａには、一例としてカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の長辺に沿った平行な複数の流路溝が含まれるが、これに限定されず、例えばサーペンタイン状に配置された複数の流路溝が含まれてもよい。また、上流域流路溝群１０ｂ，２０ｂには、中流域流路溝群１０ａ，２０ａと接続されるように、長辺に対して傾斜した平行な複数の流路溝が含まれ、下流域流路溝群１０ｃ，２０ｃには、中流域流路溝群１０ａ，２０ａと接続されるように、長辺に対して傾斜した平行な複数の流路溝が含まれる。

酸化剤ガスの貫通孔１３，１４はカソードセパレータ１の一組の対角の近傍に位置し、燃料ガスの貫通孔２１，２６は、アノードセパレータ２の上記の一組とは重ならない別の一組の対角の近傍に位置する。このため、長辺に対して傾斜した酸化剤ガスの流路溝と燃料ガスの流路溝の一部は、符号Ｐ２，Ｐ３で示されるように平面視で交差する。

次に冷却水の流路溝について述べる。

図３は、カソードセパレータ１の冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。図３には、図２との比較が容易となるように、図１の方向Ｖに従って、冷却水の流路溝が形成された面１ｂをその反対側の面１ａから透かして平面視したときの冷却水の流路溝が示されている。

カソード流路部１ｃの面１ｂ側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群１９ｂ、中流域流路溝群１９ａ、及び下流域流路溝群１９ｃが形成されている。上流域流路溝群１９ｂ、中流域流路溝群１９ａ、及び下流域流路溝群１９ｃは互いに連通し、上流域流路溝群１９ｂは供給側の貫通孔１２と接続され、下流域流路溝群１９ｃは排出側の貫通孔１５と接続されている。冷却水は、矢印で示されるように、供給側の貫通孔１２から上流域流路溝群１９ｂ、中流域流路溝群１９ａ、及び下流域流路溝群１９ｃをこの順に経由して排出側の貫通孔１５に流れ込む。

カソード流路部１ｃは、冷却水の流路溝が酸化剤ガスの流路溝と平面上で互い違いに配置されるように、例えばプレス加工などにより凹凸形状に形成されている。このため、冷却水の流路溝は反対側の面１ａの酸化剤ガスの流路溝の間に設けられている。つまり、冷却水の流路溝は酸化剤ガスの流路溝の壁として機能し、逆に酸化剤ガスの流路溝は冷却水の流路溝の壁として機能する。

図４は、アノードセパレータ２の冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。図４には、図１の方向Ｖに従って、冷却水の流路溝が形成された面２ｂを平面視したときの冷却水の流路溝が示されている。

アノード流路部２ｃの面２ｂ側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群２９ｂ、中流域流路溝群２９ａ、及び下流域流路溝群２９ｃが形成されている。上流域流路溝群２９ｂ、中流域流路溝群２９ａ、及び下流域流路溝群２９ｃは互いに連通し、上流域流路溝群２９ｂは供給側の貫通孔２２と接続され、下流域流路溝群２９ｃは排出側の貫通孔２５と接続されている。冷却水は、矢印で示されるように、供給側の貫通孔２２から上流域流路溝群２９ｂ、中流域流路溝群２９ａ、及び下流域流路溝群２９ｃをこの順に経由して排出側の貫通孔２５に流れ込む。

アノード流路部２ｃは、冷却水の流路溝が燃料ガスの流路溝と平面上で互い違いに配置されるように、例えばプレス加工などにより凹凸形状に形成されている。このため、冷却水の流路溝は反対側の面２ａの燃料ガスの流路溝の間に設けられている。つまり、冷却水の流路溝は燃料ガスの流路溝の壁として機能し、逆に燃料ガスの流路溝は冷却水の流路溝の壁として機能する。

次に冷却水が流れる経路について述べる。

図５は、比較例における冷却水の経路を示す平面図である。図５には、図２～図４の符号Ｐ３の領域を平面視したときの酸化剤ガスの流路溝１００、燃料ガスの流路溝２００、及び冷却水の流路溝１０１，２０１が部分的に示されている。図５の紙面右方向は各マニホルド側であり、図５の紙面左方向は発電領域側である。

図６は、Ａ－Ａ線に沿ったカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の断面図である。より具体的には、図６は、カソードセパレータ１側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、Ａ－Ａ線は、矢印で示される冷却水の経路の一部に沿っている。

符号Ｐ３の領域では、発電に使用された酸化剤ガスが、発電領域から酸化剤ガス排出マニホルドに向かって流路溝１００を流れる。また、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホルドから発電領域に向かって流路溝２００を流れる。酸化剤ガスの流路溝１００と燃料ガスの流路溝２００が交差する交差部Ｐでは、カソードセパレータ１とアノードセパレータ２の間の支持剛性が得られるように各流路溝１００，２００の底部１００ａ，２００ａ同士が接触している。このため、冷却水は交差部Ｐを通過することができない。

冷却水は、冷却水供給マニホルドから発電領域に向かってアノードセパレータ２の流路溝２０１とカソードセパレータ１の流路溝１０１を流れる。流路溝２０１，１０１同士の交差部Ｐ’では、各流路溝１０１，２０１の底部１０１ａ，２０１ａ同士が間隔をおいて対向しているため、各流路溝１０１，２０１を流れる冷却水が合流する。なお、図５では、Ａ－Ａ線上の交差部Ｐ’のみが符号で示されている。

冷却水は、交差部Ｐ’において部分的に流路溝１０１，２０１の一方から他方に流れ込む。なお、図６には、冷却水が流路溝２０１から流路溝１０１に流れ込む経路が矢印で示されているが、これとは逆に流路溝１０１から流路溝２０１に流れ込む経路も存在する。このため、冷却水の流路溝１０１，２０１は全体として網目状の形態を有する。

冷却水は、一例として、図５の矢印で示されるように、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝１００，２００の交差部Ｐを避けるように冷却水の流路溝１０１，２０１の交差部Ｐ’で進行方向を変えながらジグザグに流れる。このように、冷却水は進行方向を頻繁に変えるため、一定方向に進む場合より圧力損失が高くなる。このため、燃料電池の冷却効率が低下するおそれがある。

そこで、実施例の燃料電池では、各流路溝１００，２００の底部１００ａ，２００ａの間を冷却水が流れるように、一部の交差部Ｐにおいて酸化剤ガスの流路溝１００及び燃料ガスの流路溝２００の少なくとも一方が浅く形成されている。これにより、冷却水が進行方向を変える頻度が低下するため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

図７は、実施例における冷却水の経路Ｋａ，Ｋｂを示す平面図である。図７には、図２～図４の符号Ｐ３の領域を平面視したときの酸化剤ガスの流路溝１１０，１１１、燃料ガスの流路溝２１０，２１１、及び冷却水の流路溝１１２，２１２が部分的に示されている。

また、図７の紙面右方向は各マニホルド側であり、図７の紙面左方向は発電領域側である。なお、酸化剤ガスの流路溝１１０，１１１は第１流路溝の一例であり、冷却水の流路溝１１２は第２流路溝の一例である。また、燃料ガスの流路溝２１０，２１１は第３流路溝の一例であり、冷却水の流路溝２１２は第４流路溝の一例である。

図８は、Ｂ－Ｂ線に沿ったカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の断面図である。より具体的には、図８は、カソードセパレータ１側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、Ｂ－Ｂ線は、矢印で示される冷却水の経路Ｋａの一部に沿っている。

本例において、カソードセパレータ１の冷却水の流路溝１１２の深さは比較例と同様に一定であるが、酸化剤ガスの流路溝１１０，１１１の深さは相違する。流路溝１１０，１１１は冷却水の流路溝１１２を挟んで交互に配置されており、一方の流路溝１１０は他方の流路溝１１１より浅く形成されている。

また、アノードセパレータ２の冷却水の流路溝２１２の深さは比較例と同様に一定であるが、燃料ガスの流路溝２１０，２１１の深さは相違する。流路溝２１０，２１１は冷却水の流路溝２１２を挟んで交互に配置されており、一方の流路溝２１１は他方の流路溝２１０より浅く形成されている。なお、流路溝１１１，２１０の深さは比較例の流路溝１００，２００と同一である。

このため、浅い流路溝１１０，２１１同士が交差する交差部Ｑでは、各流路溝１１０，２１１の底部１１０ａ，２１１ａの間に、冷却水が通過できる隙間Ｌが存在する。つまり、各流路溝１１０，２１１の底部１１０ａ，２１１ａは間隔をおいて対向している。一方、深い流路溝１１１，２１０同士が交差する交差部Ｒでは、カソードセパレータ１とアノードセパレータ２の間の支持剛性が得られるように各流路溝１１１，２１０の底部１１１ａ，２１０ａ同士が接触している。このため、冷却水は交差部Ｒを通過することができない。

冷却水の流路溝１１２，２１２同士が交差する交差部Ｐ’では、比較例と同様に、各流路溝１１２，２１２の底部１１２ａ，２１２ａ同士が間隔をおいて対向しているため、各流路溝１１２，２１２を流れる冷却水は合流する。なお、図７では、Ｂ－Ｂ線上の交差部Ｐ’のみが符号で示されている。

冷却水の流路溝１１２，２１２の交差部Ｐ’同士は、浅い流路溝１１０，２１１同士の交差部Ｑを介して隣り合う。冷却水は、図８に矢印で示されるように、冷却水供給マニホルド側の交差部Ｐ’から、浅い流路溝１１０，２１１の底部１１０ａ，２１１ａの間の隙間Ｌを通って発電領域側の交差部Ｐ’に流れ込む。

図８の矢印で示されるように、一例として冷却水は、冷却水供給マニホルド側の交差部Ｐ’において流路溝２１２から隙間Ｌに流れ込み、発電領域側の交差部Ｐ’において流路溝１１２に流れ込む。しかし、図示は省略するが、冷却水供給マニホルド側の交差部Ｐ’において流路溝１１２から隙間Ｌに流れ込み、発電領域側の交差部Ｐ’の流路溝２１２に流れ込む冷却水の経路も存在する。

このように、酸化剤ガスの流路溝１１０と燃料ガスの流路溝２１１の各底部１１０ａ，２１１ａは間隔をおいて対向しているため、冷却水は、冷却水供給マニホルド側の流路溝１１２，２１２から隙間Ｌを流れて発電領域側の流路溝１１２，２１２に流れ込むことができる。

したがって、冷却水は、図７に示される経路Ｋａのように、深い流路溝１１１，２１０同士の交差部Ｒを避けるように冷却水の流路溝１１２，２１２の交差部Ｐ’で進行方向を変えながら流れるが、浅い流路溝１１０，２１１同士の交差部Ｑでは発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができる。したがって、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

また、図８に示されるように、深い流路溝１１１，２１０の底部１１１ａ，２１０ａの両端には、底部１１１ａ，２１０ａに対する段差が生ずるように段差部１１１ｂ，２１０ｂが設けられている。以下に述べるように、深い流路溝１１１は、段差部１１１ｂを有するため、浅い流路溝１１０との間で酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。

図９は、Ｄ－Ｄ線（図８参照）に沿った流路溝１１１の一例を示す断面図である。より具体的には、図９は流路溝１１１内の酸化剤ガスの流れる方向に沿った断面を示す。図９において、図８と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

流路溝１１１は、例えば酸化剤ガスが流れる方向に沿って一定間隔で凸部１１１ｃが設けられている。凸部１１１ｃの上部は、例えば段差部１１１ｂの高さに一致する。

凸部１１１ｃ、段差部１１１ｂ、及び底部１１１ａで確定される空間内には、点線の矢印で示されるように、酸化剤ガスの渦が発生する。酸化剤ガスの渦は、上部の酸化剤ガスの流れを実質的に阻害しないため、圧力損失には寄与しない。このため、段差部１１１ｂの高さ位置を浅い流路溝１１０の底部１１０ａの位置に合わせることにより深い流路溝１１１と浅い流路溝１１０の間の流路断面積の差分が低減される。

これにより、深い流路溝１１１と浅い流路溝１１０との間の酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。なお、燃料ガスの流路溝２１０にも上記と同様に構成を備えることにより底部２１０ａに燃料ガスの渦が生ずるため、流路溝２１０と流路溝２１１との間の酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。

このように、深い流路溝１１１，２１０と浅い流路溝１１０，２１１との間で圧力損失の差分が低減されるため、発電領域に流れる酸化剤ガス及び燃料ガスの流量の偏りが低減されて燃料電池の発電効率が向上する。

また、図７に示される経路Ｋｂのように、冷却水は、深い流路溝１１１と浅い流路溝２１１が交差する交差部Ｔ、及び深い流路溝２１０と浅い流路溝１１０が交差する交差部Ｓでも、発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができるため、さらに圧力損失が低減される。

図１０は、Ｃ－Ｃ線に沿ったカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の断面図である。より具体的には、図１０は、カソードセパレータ１側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、Ｃ－Ｃ線は、矢印で示される冷却水の経路Ｋｂに沿う。図１０において、図８と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

交差部Ｓにおいて、浅い流路溝１１０の底部１１０ａと深い流路溝２１０の底部２１０ａの間には、冷却水が流れる隙間Ｍが存在する。つまり、各流路溝１１０，２１０の底部１１０ａ，２１０ａは間隔をおいて対向している。また、交差部Ｔにおいて、浅い流路溝２１１の底部２１１ａと深い流路溝１１１の底部１１１ａの間には、冷却水が流れる隙間Ｎが存在する。つまり、各流路溝１１１，２１１の底部１１１ａ，２１１ａは間隔をおいて対向している。

このため、冷却水は、経路Ｋｂに沿って、冷却水供給マニホルドから発電領域に向かって交差部Ｓ，Ｔにおける各隙間Ｍ，Ｎを通り真っ直ぐに流れることができる。これにより、冷却水の進路が変わる頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失が低減される。

上記のように、酸化剤ガスが流れる複数の流路溝１１０，１１１と燃料ガスが流れる複数の流路溝２１０，２１１が交差する複数の交差部Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔのうち、一部の交差部Ｑ，Ｓ，Ｔにおいて流路溝１１０，１１１の底部１１０ａ，１１１ａと流路溝２１０，２１１の底部２１０ａ，２１１ａは、冷却水が各底部１１０ａ，１１１ａ，２１０ａ，２１１ａの間を通過するように、間隔をおいて対向している。このため、冷却水が底部１１０ａ，１１１ａ，２１０ａ，２１１ａ同士の間の隙間を流れることにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

本例において、カソードセパレータ１及びアノードセパレータ２のそれぞれに浅い流路溝１１０，２１１が設けられているが、浅い流路溝１１０，２１１はカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の一方だけに設けられてもよい。

図１１は、他の実施例におけるＢ－Ｂ線に沿ったカソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の断面図である。図１１において、図６及び図８と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例において、アノードセパレータ２は、比較例と同一の流路溝２００，２０１を有する。このため、燃料ガスの流路溝２００の深さは一様である。なお、流路溝２００は第３流路溝の一例であり、流路溝２０１は第４流路溝の一例である。

流路溝２００と深い流路溝１１１が交差する交差部Ｒにおいて、カソードセパレータ１とアノードセパレータ２の間の支持剛性が得られるように各流路溝１１１，２００の底部１１１ａ，２００ａ同士は接触する。また、流路溝２００と浅い流路溝１１０が交差する交差部Ｑにおいて、各流路溝１１０，２００の底部１１０ａ，２００ａの間には、冷却水が流れる隙間Ｋが存在する。つまり、各流路溝１１０，２００の底部１１０ａ，２００ａは間隔をおいて対向している。

したがって、図７に示される経路Ｋａのように、冷却水は、流路溝１１１，２００の交差部Ｒを避けるように冷却水の流路溝１１２，２０１の交差部Ｐ’で進行方向を変えながら流れるが、流路溝１１０，２００の交差部Ｑでは発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができる。これにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

上記のように、酸化剤ガスが流れる複数の流路溝１１０，１１１と燃料ガスが流れる複数の流路溝２００が交差する複数の交差部Ｑ，Ｒのうち、一部の交差部Ｑにおいて流路溝１１０の底部１１０ａと流路溝２００の底部２００ａは、冷却水が各底部１１０ａ，２００ａの間を通過するように間隔をおいて対向している。このため、冷却水が底部１１０ａ，２００ａ同士の間の隙間Ｋを流れることにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

なお、本例ではアノードセパレータ２に一様な深さの流路溝２００が設けられているが、これに代えて、カソードセパレータ１に比較例と同様の一様な深さの流路溝１００が設けられてもよい。この場合、流路溝２１１は他の流路溝２１０より浅くなっているため、冷却水は流路溝２１１と流路溝１００の底部２１１ａ，１００ａの間を流れることができ、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。

また、上記の構成は、図２～図３の符号Ｐ２で示された領域にも適用することができる。この場合、発電領域から冷却水排出マニホルドに向かう冷却水の圧力損失が低減されるため、冷却水の排出性能が向上する。

また、各実施例において、カソードセパレータ１及びアノードセパレータ２の中流域流路溝群１０ａ，２０ａはそれぞれストレート形状の流路溝を有するが、これに限定されず、カウンターフロー形状の流路溝を有してもよい。この場合、中流域流路溝群１０ａ，２０ａにおいて、酸化剤ガスの流路溝と燃料ガスの流路溝が平面視で交差する交差部の一部に上記と同様の構成を適用してもよい。

また、上記の実施例では、流路溝１１０，１１１，２１０，２１１ごとに深さが異なるが、１つの流路溝において、酸化剤ガスまたは燃料ガスの流れる方向に沿って深さが変化してもよい。この場合、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝の交差部のうち、少なくとも一方の流路溝が浅い交差部では各流路溝の底部同士の間に隙間が存在するため、冷却水が交差部を流れることができ、上記と同様の効果が得られる。

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 カソードセパレータ
２ アノードセパレータ
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ 面
１００，１０１，１１０～１１２ 流路溝
２００，２０１，２１０～２１２ 流路溝
１００ａ，１０１ａ，１１０ａ～１１２ａ 底部
２００ａ，２０１ａ，２１０ａ～２１２ａ 底部
Ｐ～Ｔ，Ｐ’ 交差部

Claims (1)

1. 酸化剤ガスが流れる複数の第１流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第１流路溝の間に冷却媒体が流れる複数の第２流路溝が他方の面に設けられた第１セパレータと、
   燃料ガスが流れる複数の第３流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第３流路溝の間に前記冷却媒体が流れる複数の第４流路溝が他方の面に設けられた第２セパレータとを有し、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータは、前記複数の第２流路溝が設けられた面と前記複数の第４流路溝が設けられた面が対向するように重ね合わせられ、
   平面視で前記複数の第１流路溝と前記複数の第３流路溝が交差する複数の交差部のうち、一部の交差部において、当該第１流路溝の底部と当該第３流路溝の底部の間を前記冷却媒体が通過するように、前記第１流路溝の底部と前記第３流路溝の底部が間隔をおいて対向し、
   前記複数の交差部は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスにより発電する発電領域に対して、前記複数の第２流路溝及び前記複数の第４流路溝の上流側または下流側に位置することを特徴とする燃料電池。
   

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