JP7176490B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層して構成される燃料電池スタックを備えている（例えば、特許文献１参照）。同文献１に記載の単セルは、膜電極接合体を有する発電部、発電部を挟持する一対のセパレータ、及び発電部と一対のセパレータとの間に設けられたガス流路形成板を備えている。

上記ガス流路形成板は、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ網目状のガス流路部を有している。ガス流路部は、上記凹部及び凸部と、発電部とにより区画される部分により構成されており、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスが流通する。

上記単セルは、平面視長方形状をなしている。同単セルの短辺側の両端部には、燃料ガスを供給する燃料ガス供給口と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出口とが発電部を挟んで設けられている。また、同単セルの長辺側の両端部には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口とが発電部を挟んで設けられている。酸化剤ガス供給口は、単セルの長辺の長さ方向に互いに間隔をおいて複数設けられている。同様に、酸化剤ガス排出口は、単セルの長辺の長さ方向に互いに間隔をおいて複数設けられている。

各酸化剤ガス供給口から供給される酸化剤ガスは、ガス流路形成板のガス流路部を通じて発電部に供給される。そして、発電部において酸化剤ガスと燃料ガスとが電気化学反応することにより発電が行われる。一方、発電部での発電に供されなかった酸化剤ガスは、ガス流路部を通じて各酸化剤ガス排出口から外部に排出される。

特開２０１６－２１３３９号公報

ところで、燃料電池スタックにおいては、発電効率を高める上で、発電部のより広い範囲、すなわち、ガス流路部のより広い範囲に反応ガスを行き渡らせることが好ましい。
ところが、各酸化剤ガス供給口が単セルの長辺の長さ方向に互いに間隔をおいて設けられていることから、互いに隣り合う酸化剤ガス供給口の間には、これら酸化剤ガス供給口を仕切る仕切り部が存在する。このため、酸化剤ガス供給口からガス流路部を通じて酸化剤ガス排出口に向かう酸化剤ガスは、上記仕切り部と隣り合う部分には流れにくい。したがって、ガス流路部のより広い範囲に反応ガスを行き渡らせる、すなわち反応ガスの分配性を高める上では、なお、改善の余地がある。

本発明の目的は、反応ガスの分配性を高めることのできる燃料電池スタックを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池スタックは、シート状の発電部と、前記発電部を厚さ方向において挟持する一対のセパレータと、前記一対のセパレータの少なくとも一方と前記発電部との間に設けられ、反応ガスが流通するガス流路部を構成するガス流路形成板と、前記ガス流路形成板の周囲に設けられ、前記ガス流路部に対して前記反応ガスを供給する供給口及び前記ガス流路部から前記反応ガスを排出する排出口を有する枠部材と、を備える単セルが複数積層されてなるものであり、前記供給口から前記排出口に向かう前記反応ガスの流れ方向を流れ方向とし、前記発電部と前記ガス流路部とが対向する方向を対向方向とし、前記流れ方向と前記対向方向との双方に直交する方向を直交方向とするとき、前記ガス流路部は、前記流れ方向に沿って延びるとともに前記直交方向において互いに並列して設けられ、前記発電部に対向する複数の対向部を有しており、前記対向部の各々と前記発電部との間には複数の主流路が形成されており、前記ガス流路部には、前記主流路の各々を連通するとともに前記流れ方向に互いに間隔をおいて設けられる複数の連通路が形成されており、前記ガス流路部のうち、前記流れ方向において前記供給口に隣接する部分を第１流路部とし、前記直交方向において前記第１流路部に隣接する部分を第２流路部とするとき、前記第２流路部における前記主流路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記主流路の各々の流路断面積よりも大きい。

同構成によれば、第２流路部における各主流路の流路断面積が、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも大きい。このため、第２流路部の各主流路における反応ガスの圧力損失は、第１流路部の各主流路における反応ガスの圧力損失よりも小さくなる。これにより、供給口から第１流路部の各主流路に流入した反応ガスは、各連通路を通じて第２流路部の各主流路に向かって流れやすくなる。すなわち、供給口から流入した反応ガスが第１流路部から第２流路部に向かって流れやすくなり、ガス流路部のより広い範囲に反応ガスを行き渡らせることができる。したがって、反応ガスの分配性を高めることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記第２流路部の前記対向部の各々は、前記第１流路部の前記対向部の各々よりも前記対向方向において前記発電部から離間した位置に設けられていることが好ましい。

同構成によれば、第２流路部の各主流路を形成する対向部が、第１流路部の各主流路を形成する対向部よりも対向方向において発電部から離間した位置に設けられている。このため、第２流路部における各主流路の流路断面積が、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも大きくなる。

このように、上記構成によれば、発電部からの対向部の距離を変更するという簡単な構成の変更により、第２流路部における各主流路の流路断面積を、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも大きくすることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記第２流路部の前記対向部の各々における前記直交方向の幅は、前記第１流路部の前記対向部の各々における前記直交方向の幅よりも大きいことが好ましい。

同構成によれば、第２流路部の各主流路を形成する対向部の幅が、第１流路部の各主流路を形成する対向部の幅よりも大きい。このため、第２流路部における各主流路の流路断面積が、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも大きくなる。

このように、上記構成によれば、対向部の直交方向における幅を変更するという簡単な構成の変更により、第２流路部における各主流路の流路断面積を、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも大きくすることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記ガス流路部のうち、前記流れ方向の下流側において前記第１流路部に隣接する部分を第３流路部とするとき、前記第３流路部における前記主流路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記主流路の各々の流路断面積よりも小さいことが好ましい。

同構成によれば、第３流路部における各主流路の流路断面積が、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも小さい。このため、第３流路部の各主流路における反応ガスの圧力損失は、第１流路部の各主流路における反応ガスの圧力損失よりも大きくなる。これにより、供給口から第１流路部の各主流路に流入した反応ガスは、圧力損失が大きい第３流路部よりも圧力損失が小さい第２流路部に向かって流れやすくなる。したがって、反応ガスの分配性を一層高めることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記第３流路部の前記対向部の各々は、前記第１流路部の前記対向部の各々よりも前記対向方向において前記発電部に近接した位置に設けられていることが好ましい。

同構成によれば、第３流路部の各主流路を形成する対向部が、第１流路部の各主流路を形成する対向部よりも対向方向において発電部に近接した位置に設けられている。このため、第３流路部における各主流路の流路断面積が、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも小さくなる。

このように、上記構成によれば、発電部からの対向部の距離を変更するという簡単な構成の変更により、第３流路部における各主流路の流路断面積を、第１流路部における各主流路の流路断面積よりも小さくすることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記第１流路部の前記対向部の各々と、前記第３流路部の前記対向部の各々とは、段差部を介して連なっていることが好ましい。
同構成によれば、流れ方向に沿って流れる反応ガスが段差部に衝突するため、第１流路部と第３流路部との境界部分における反応ガスの圧力損失が大きくなりやすい。これにより、第１流路部と第３流路部との反応ガスの圧力損失差を大きくすることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記主流路の各々は、前記対向部と、前記対向部の前記直交方向の両側に一体に設けられ、前記直交方向に直交する断面形状が波形状をなす波状部と、により構成されており、前記波状部は、前記対向部よりも前記発電部側に突出するとともに前記発電部に当接する第１凸部と、前記対向部よりも前記セパレータ側に突出するとともに前記セパレータに当接する第２凸部とが前記流れ方向に交互に並んで設けられるものであり、前記連通路の各々は、前記第１凸部と前記対向部とにより区画されており、前記第２流路部における前記連通路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記連通路の各々の流路断面積よりも大きいことが好ましい。

同構成によれば、第２流路部における各連通路の流路断面積が、第１流路部における各連通路の流路断面積よりも大きい。このため、第２流路部の各連通路における反応ガスの圧力損失は、第１流路部の各連通路における反応ガスの圧力損失よりも小さくなる。これにより、供給口から第１流路部に流入した反応ガスは、第２流路部の各連通路を通じて第２流路部に流入しやすくなる。すなわち、供給口から流入した反応ガスが第１流路部から第２流路部に向かって流れやすくなる。したがって、反応ガスの分配性を一層高めることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、前記ガス流路部のうち、前記流れ方向の下流側において前記第１流路部に隣接する部分を第３流路部とするとき、前記第３流路部における前記連通路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記連通路の各々の流路断面積よりも小さいことが好ましい。

同構成によれば、第３流路部における各連通路の流路断面積が、第１流路部における各連通路の流路断面積よりも小さい。このため、第３流路部の各連通路における反応ガスの圧力損失は、第１流路部の各連通路における反応ガスの圧力損失よりも大きくなる。これにより、供給口から第１流路部に流入した反応ガスは、第３流路部における各連通路よりも第２流路部における各連通路を通じて第２流路部に向かって流れやすくなる。したがって、反応ガスの分配性をより一層高めることができる。

本発明によれば、反応ガスの分配性を高めることができる。

燃料電池スタックの一実施形態を示す断面図。 同実施形態のガス流路形成板及び枠部材を示す平面図。 同実施形態の第１流路部におけるガス流路形成板及び第２セパレータの一部を示す断面斜視図。 同実施形態の第１流路部、第２流路部及び第３流路部における互いの位置関係を示す平面図。 図４の５－５線に沿った断面図。 図４の６－６線に沿った断面図。 図４の７－７線に沿った断面図。 図４の８－８線に沿った断面図。 図４の９－９線に沿った断面図。 図４の１０－１０線に沿った断面図。 図４の１１－１１線に沿った断面図。 同実施形態の酸化剤ガスの流れを示すガス流路形成板の平面図。 第１変更例の第１流路部、第２流路部及び第３流路部における互いの位置関係を示す平面図。 第２変更例の第１流路部、第２流路部及び第３流路部における互いに位置関係を示す平面図。 第３変更例における図８に対応した断面図。 第４変更例における図１０に対応した断面図。

以下、図１～図１２を参照して、一実施形態について説明する。
各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタックは、固体高分子形燃料電池を構成するものであり、平面視略長方形板状をなす複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、シート状の発電部１１を構成する膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly、以下、ＭＥＧＡ２０）と、ＭＥＧＡ２０を厚さ方向において挟持する第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０とを備えている。ＭＥＧＡ２０と第２セパレータ４０との間には、反応ガスが流通するガス流路部５１を構成するガス流路形成板５０が設けられている。

第１セパレータ３０は、発電部１１のアノード側に配置される。また、第２セパレータ４０は、発電部１１のカソード側に配置されている。
図２に示すように、ガス流路形成板５０の周囲には、樹脂材料からなり、平面視略長方形板状をなす枠部材６０が設けられている。本実施形態の枠部材６０には、ＭＥＧＡ２０とガス流路形成板５０とが重ね合わされた状態で嵌め込まれている。枠部材６０は、第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とにより厚さ方向において挟持されている。

以降において、図２の説明に限っては、同図の上下方向を単に上下方向とし、同図の左右方向を単に左右方向として説明する。なお、上下方向及び左右方向は、枠部材６０の実際の姿勢を示すものではない。

枠部材６０には、反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給口１２と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出口１３とが左右方向にガス流路形成板５０を挟んで設けられている。本実施形態の燃料ガスは、例えば水素ガスである。燃料ガス供給口１２は、ガス流路形成板５０の左側であって、上下方向におけるガス流路形成板５０の中央よりも上側に偏倚した位置に設けられている。また、燃料ガス排出口１３は、ガス流路形成板５０の右側であって、上下方向におけるガス流路形成板５０の中央よりも下側に偏倚した位置に設けられている。

燃料ガス供給口１２の下側の部分には、発電部１１に向けて冷却水を供給する３つの冷却水供給口１４が上下方向に互いに間隔をおいて設けられている。また、燃料ガス排出口１３の上側の部分には、発電部１１から冷却水を排出する３つの冷却水排出口１５が上下方向に互いに間隔をおいて設けられている。

また、枠部材６０には、反応ガスとして酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス供給口１６と、酸化剤ガスを排出する複数の酸化剤ガス排出口１７とが上下方向にガス流路形成板５０を挟んで設けられている。本実施形態の酸化剤ガスは、例えば空気である。本実施形態では、６つの酸化剤ガス供給口１６が左右方向に互いに間隔をおいて設けられている。同様に、６つの酸化剤ガス排出口１７が左右方向に互いに間隔をおいて設けられている。隣り合う２つの酸化剤ガス供給口１６同士の間には、これらの酸化剤ガス供給口１６を仕切る仕切り部１８が形成されている。

なお、図示は省略するが、第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０には、上述した各供給口１２，１４，１６及び各排出口１３，１５，１７に対応する位置にそれぞれ貫通孔が形成されている。

各酸化剤ガス供給口１６から供給される酸化剤ガスは、ガス流路形成板５０に流通した後、各酸化剤ガス排出口１７から排出される。
以降において、酸化剤ガス供給口１６から酸化剤ガス排出口１７に向かう酸化剤ガスの流れ方向を流れ方向Ｘと称し、発電部１１とガス流路形成板５０のガス流路部５１とが対向する方向を対向方向Ｙと称する。また、流れ方向Ｘと対向方向Ｙとの双方に直交する方向を直交方向Ｚと称する。

次に、単セル１０の各構成について詳細に説明する。
＜ＭＥＧＡ２０＞
図１に示すように、ＭＥＧＡ２０は、膜電極接合体２１と、いずれも炭素繊維からなり、膜電極接合体２１を挟持するアノード側ガス拡散層２４及びカソード側ガス拡散層２５とを備えている。膜電極接合体２１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料からなる電解質膜２２と、電解質膜２２を挟持する一対の電極触媒層２３とを備えている。各電極触媒層２３には、燃料電池における反応ガスの電気化学反応を促進するために例えば白金などの触媒が担時されている。

＜第１セパレータ３０＞
図１に示すように、第１セパレータ３０は、ステンレス鋼などの金属板材をプレス成形することにより形成されている。第１セパレータ３０の中央部は、ＭＥＧＡ２０のアノード側ガス拡散層２４に当接している。また、図示は省略するが、第１セパレータ３０の中央部よりも外周側の部分は、枠部材６０に当接している。

第１セパレータ３０の上記中央部には、少なくとも流れ方向Ｘに沿って延びる部分を有する溝状の複数の燃料ガス流路３１が形成されている。燃料ガス流路３１は、燃料ガス供給口１２及び燃料ガス排出口１３に連通されている。

第１セパレータ３０における燃料ガス流路３１とは反対側の面には、溝状の複数の冷却水流路３２が形成されている。冷却水流路３２は、互いに隣り合う燃料ガス流路３１同士の間の部分に１つずつ形成されており、冷却水供給口１４及び冷却水排出口１５に連通されている。

＜第２セパレータ４０＞
図１に示すように、第２セパレータ４０は、ステンレス鋼などの金属板材をプレス成形することにより形成されている。第２セパレータ４０の対向方向Ｙの一方側の面は、ガス流路形成板５０に当接している。第２セパレータ４０の対向方向Ｙの他方側の面は、当該第２セパレータ４０を備える単セル１０に隣接する単セル１０における第１セパレータ３０に当接している。

＜ガス流路形成板５０＞
図３に示すように、ガス流路形成板５０は、例えばステンレス鋼などの金属板材をロール成形することにより形成される。

図４に示すように、ガス流路部５１は、互いに形状の異なる領域を複数有している。より詳しくは、ガス流路部５１のうち、流れ方向Ｘにおいて酸化剤ガス供給口１６に隣接する第１流路部１５１と、直交方向Ｚにおいて第１流路部１５１に隣接する第２流路部２５１と、流れ方向Ｘの下流側において第１流路部１５１に隣接する第３流路部３５１とにおいてガス流路部５１の形状が互いに異なっている。

なお、本実施形態における第１流路部１５１と酸化剤ガス供給口１６との直交方向Ｚにおける長さは略同一である。また、第２流路部２５１と仕切り部１８との直交方向Ｚにおける長さは略同一である。また、第３流路部３５１と第１流路部１５１との直交方向Ｚにおける長さは略同一である。また、第１流路部１５１と第２流路部２５１との流れ方向Ｘにおける長さは略同一である。

次に、第１流路部１５１、第２流路部２５１、及び第３流路部３５１の形状について説明する。
＜第１流路部１５１＞
図３、図５、及び図６に示すように、第１流路部１５１は、流れ方向Ｘに沿って延在するとともに直交方向Ｚにおいて互いに並列して設けられ、発電部１１に対向する複数の対向部１６０を有している。各対向部１６０は、略四角棒状をなしている。なお、図３は、ガス流路部５１の基本的な形状である第１流路部１５１を示す斜視図である。

各対向部１６０の直交方向Ｚの両側には、直交方向Ｚに直交する断面形状が波形状をなす波状部１７０，１８０が一体に設けられている。
各波状部１７０，１８０は、同一の形状を有している。このため、以降では、波状部１７０の構成についてのみ説明し、波状部１８０の構成については、波状部１７０の符号「１７＊」に「１０」を加算した符号「１８＊」を付すことにより重複した説明を省略する。

各波状部１７０は、対向部１６０よりも発電部１１側に突出するとともに発電部１１、より詳しくは、カソード側ガス拡散層２５に当接する第１凸部１７１と、対向部１６０よりも第２セパレータ４０側に突出するとともに第２セパレータ４０に当接する第２凸部１７２とを有している。第１凸部１７１及び第２凸部１７２は、流れ方向Ｘに沿って延びる平坦な頂部を有している。第１凸部１７１と第２凸部１７２とは、流れ方向Ｘに交互に並んで設けられている。各第１凸部１７１は、各第１凸部１７１の流れ方向Ｘの両側に形成され、対向方向Ｙに対して傾斜するとともに第２凸部１７２に連結される一対の傾斜部１７３を有している。

第１凸部１７１と第２凸部１８２とが直交方向Ｚにおいて隣り合うとともに、第２凸部１７２と第１凸部１８１とが直交方向Ｚにおいて隣り合うように、波状部１７０と波状部１８０とが直交方向Ｚにおいて隣り合って設けられている。

図５に示すように、各対向部１６０と発電部１１との間には、各酸化剤ガス供給口１６から供給された酸化剤ガスが流れる複数の主流路１５２が形成されている。各主流路１５２は、各対向部１６０に対応して形成されているため、直交方向Ｚにおいて互いに並列している。

なお、以降において、主流路１５２の流路断面積とは、流れ方向Ｘに直交する面における主流路１５２の流路断面積を指すものとする。
各対向部１６０と第２セパレータ４０との間には、発電部１１における電気化学反応により生成された生成水が流れる水路１５３が形成されている。

図６に示すように、第１流路部１５１には、各主流路１５２を連通する複数の連通路１５４が流れ方向Ｘに互いに間隔をおいて形成されている。各連通路１５４は、直交方向Ｚに直交する面において、各波状部１７０，１８０の各第１凸部１７１，１８１と、対向部１６０とにより区画される部分により構成されている。

流れ方向Ｘにおいて隣り合う２つの連通路１５４の間には、これら２つの連通路１５４を連通する副流路１５５が形成されている。各副流路１５５は直交方向Ｚに直交する面において、互いに隣接する波状部１７０及び波状部１８０の第１凸部１７１及び第１凸部１８１、より詳しくは、傾斜部１７３及び傾斜部１８３、並びに発電部１１により区画される部分により構成されている。

なお、以降において、連通路１５４の流路断面積とは、直交方向Ｚに直交する面における連通路１５４の流路断面積を指し、副流路１５５の流路断面積とは、直交方向Ｚに直交する面における副流路１５５の流路断面積を指すものとする。

波状部１７０及び波状部１８０は、連通路１５４の流路断面積が副流路１５５の流路断面積よりも大きくなるように設けられている。このため、連通路１５４を流れる酸化剤ガスの圧力損失は、副流路１５５を流れる酸化剤ガスの圧力損失よりも小さくなる。したがって、主流路１５２を流れる酸化剤ガスの多くは、連通路１５４を通じて、当該主流路１５２に隣り合う主流路１５２に流れることとなる。

＜第２流路部２５１＞
第２流路部２５１の形状は、第１流路部１５１の形状に類似している。以降においては、第１流路部１５１の構成を示す符号「１＊＊」に「１００」を加算した符号「２＊＊」を付すことにより、重複した説明を省略する場合がある。

図５及び図７に示すように、第２流路部２５１における各対向部２６０の直交方向Ｚの幅Ｗ２は、第１流路部１５１における各対向部１６０の直交方向Ｚの幅Ｗ１よりも大きい。また、各対向部２６０は、各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間した位置に設けられている。これらにより、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくなる。

図６及び図８に示すように、第２流路部２５１における第１凸部２７１の頂部及び第１凸部２８１の頂部の流れ方向Ｘの長さＬ２は、第１流路部１５１における第１凸部１７１の頂部及び第１凸部１８１の頂部の流れ方向Ｘの長さＬ１よりも長い。これにより、第２流路部２５１における各連通路２５４の流路断面積は、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも大きくなる。

なお、第２流路部２５１における各傾斜部２７３，２８３と、第１流路部１５１における各傾斜部１７３，１８３とは同一の形状をなしている。このため、第２流路部２５１における各副流路２５５の流路断面積は、第１流路部１５１における各副流路１５５の流路断面積と同一である。

＜第３流路部３５１＞
第３流路部３５１の形状は、第１流路部１５１の形状に類似している。以降においては、第１流路部１５１の構成を示す符号「１＊＊」に「２００」を加算した符号「３＊＊」を付すことにより、重複した説明を省略する場合がある。

図５及び図９に示すように、第３流路部３５１における各対向部３６０の直交方向Ｚの幅Ｗ３は、第１流路部１５１における各対向部１６０の直交方向Ｚの幅Ｗ１と同一である。また、各対向部３６０は、各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１に近接した位置に設けられている。これにより、第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さくなる。

図６及び図１０に示すように、第３流路部３５１における第１凸部３７１の頂部及び第１凸部３８１の頂部の流れ方向Ｘの長さＬ３は、第１流路部１５１における第１凸部１７１の頂部及び第１凸部１８１の頂部の流れ方向Ｘの長さＬ１よりも短い。これにより、第３流路部３５１における各連通路３５４の流路断面積は、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも小さくなる。

なお、第３流路部３５１における各傾斜部３７３，３８３と、第１流路部１５１における各傾斜部１７３，１８３とは同一の形状をなしている。このため、第３流路部３５１における各副流路３５５の流路断面積は、第１流路部１５１における各副流路１５５の流路断面積と同一である。

図１１に示すように、それぞれ流れ方向Ｘに沿って延在する各対向部１６０と各対向部３６０とは、発電部１１からの距離が異なる。このため、これらの境界部分においては、段差部５２が形成されている。

本実施形態の作用について説明する。
第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積が、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きい。このため、第２流路部２５１の各主流路２５２における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各主流路１５２における酸化剤ガスの圧力損失よりも小さくなる。これにより、図１２に矢印Ａにて示すように、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１の各主流路１５２に流入した酸化剤ガスは、各連通路１５４を通じて第２流路部２５１の各主流路２５２に向かって流れやすくなる（以上、作用１）。

また、第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積が、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さい。このため、第３流路部３５１の各主流路３５２における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各主流路１５２における酸化剤ガスの圧力損失よりも大きくなる。これにより、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１の各主流路１５２に流入した酸化剤ガスは、図１２に矢印Ａにて示すように、圧力損失が大きい第３流路部３５１よりも圧力損失が小さい第２流路部２５１に向かって流れやすくなる（以上、作用２）。

また、第２流路部２５１における各連通路２５４の流路断面積が、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも大きい。このため、第２流路部２５１の各連通路２５４における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各連通路１５４における酸化剤ガスの圧力損失よりも小さくなる。これにより、図１２に矢印Ａにて示すように、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１に流入した酸化剤ガスは、第２流路部２５１の各連通路２５４を通じて第２流路部２５１に流入しやすくなる。すなわち、酸化剤ガス供給口１６から流入した酸化剤ガスが第１流路部１５１から第２流路部２５１に向かって流れやすくなる。（以上、作用３）。

また、第３流路部３５１における各連通路３５４の流路断面積が、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも小さい。このため、第３流路部３５１の各連通路３５４における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各連通路１５４における酸化剤ガスの圧力損失よりも大きくなる。これにより、図１２に矢印Ａにて示すように、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１に流入した酸化剤ガスは、第３流路部３５１における各連通路３５４よりも第２流路部２５１における各連通路２５４を通じて第２流路部２５１に向かって流れやすくなる。（以上、作用４）。

本実施形態の効果について説明する。
（１）ガス流路部５１は、流れ方向Ｘに沿って延びるとともに直交方向Ｚにおいて互いに並列して設けられ、発電部１１に対向する複数の対向部１６０，２６０を有している。各対向部１６０，２６０と発電部１１との間には複数の主流路１５２，２５２が形成されている。ガス流路部５１には、各主流路１５２，２５２を連通するとともに流れ方向Ｘに互いに間隔をおいて設けられる複数の連通路１５４，２５４が形成されている。第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きい。

こうした構成によれば、上記作用１を奏することから、酸化剤ガス供給口１６から流入した酸化剤ガスが第１流路部１５１から第２流路部２５１に向かって流れやすくなり、ガス流路部５１のより広い範囲に酸化剤ガスを行き渡らせることができる。したがって、酸化剤ガスの分配性を高めることができる。

（２）第２流路部２５１の各対向部２６０は、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間した位置に設けられている。
こうした構成によれば、第２流路部２５１の各主流路２５２を形成する対向部２６０が、第１流路部１５１の各主流路１５２を形成する対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間した位置に設けられている。このため、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積が、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくなる。

このように、上記構成によれば、発電部１１からの対向部２６０の距離を変更するという簡単な構成の変更により、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積を、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくすることができる。

（３）第２流路部２５１の各対向部２６０における直交方向Ｚの幅Ｗ２は、第１流路部１５１の各対向部１６０における直交方向Ｚの幅Ｗ１よりも大きい。
こうした構成によれば、第２流路部２５１の各主流路２５２を形成する対向部２６０の幅Ｗ２が、第１流路部１５１の各主流路１５２を形成する対向部１６０の幅Ｗ１よりも大きい。このため、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積が、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくなる。

このように、上記構成によれば、対向部２６０の直交方向Ｚにおける幅Ｗ２を変更するという簡単な構成の変更により、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積を、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくすることができる。

（４）第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さい。
こうした構成によれば、上記作用２を奏することから、酸化剤ガスの分配性を一層高めることができる。

（５）第３流路部３５１の各対向部３６０は、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１に近接した位置に設けられている。
こうした構成によれば、第３流路部３５１の各主流路３５２を形成する対向部３６０が、第１流路部１５１の各主流路１５２を形成する対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１に近接した位置に設けられている。このため、第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積が、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さくなる。

このように、上記構成によれば、発電部１１からの対向部３６０の距離を変更するという簡単な構成の変更により、第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積を、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さくすることができる。

（６）第１流路部１５１の各対向部１６０と、第３流路部３５１の各対向部３６０とは、段差部５２を介して連なっている。
こうした構成によれば、流れ方向Ｘに沿って流れる反応ガスが段差部５２に衝突するため、第１流路部１５１と第３流路部３５１との境界部分における酸化剤ガスの圧力損失が大きくなりやすい。これにより、第１流路部１５１と第３流路部３５１との酸化剤ガスの圧力損失差を大きくすることができる。

（７）第２流路部２５１における各連通路２５４の流路断面積は、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも大きい。
こうした構成によれば、上記作用３を奏することから、酸化剤ガスの分配性を一層高めることができる。

（８）第３流路部３５１における各連通路３５４の流路断面積は、第１流路部１５１における各連通路１５４の流路断面積よりも小さい。
こうした構成によれば、上記作用４を奏することから、酸化剤ガスの分配性を一層高めることができる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図１３に示すように、流れ方向Ｘの下流側において第１流路部１５１及び第２流路部２５１の双方に隣接する部分を第３流路部３５１とすることもできる。この場合、酸化剤ガスは第２流路部２５１から第３流路部３５１に向かって流れにくくなるため、直交方向Ｚに流れやすくなる。

・図１４に示すように、ガス流路部５１のうち、第１流路部１５１の直交方向Ｚの両側に隣接する部分に第２流路部２５１を設けることもできる。
・本実施形態では、第１流路部１５１の各副流路１５５の流路断面積と、第２流路部２５１の各副流路２５５の流路断面積とは同一であったが、図１５に示すように、各副流路２５５の流路断面積を、各副流路１５５の流路断面積よりも大きくすることもできる。この場合、第２流路部２５１の各副流路２５５における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各副流路１５５における酸化剤ガスの圧力損失よりも小さくなる。これにより、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１に流入した酸化剤ガスは、第２流路部２５１における各副流路２５５を介して第２流路部２５１に流入しやすくなる。すなわち、酸化剤ガス供給口１６から流入した酸化剤ガスが第１流路部１５１から第２流路部２５１に向かって流れやすくなり、ガス流路部５１のより広い範囲に酸化剤ガスを行き渡らせることができる。なお、本変更例では、各傾斜部２７３，２８３の対向方向Ｙに対する傾斜角度を、各傾斜部１７３，１８３の対向方向Ｙに対する傾斜角度よりも小さくすることにより、各副流路２５５の流路断面積が、各副流路１５５の流路断面積よりも大きくされている。

・本実施形態では、第１流路部１５１の各副流路１５５の流路断面積と、第３流路部３５１の各副流路３５５の流路断面積とは同一であったが、図１６に示すように、各副流路３５５の流路断面積を、各副流路１５５の流路断面積よりも小さくすることもできる。この場合、第３流路部３５１の各副流路３５５における酸化剤ガスの圧力損失は、第１流路部１５１の各副流路１５５における酸化剤ガスの圧力損失よりも大きくなる。これにより、酸化剤ガス供給口１６から第１流路部１５１に流入した酸化剤ガスは、第３流路部３５１における各副流路３５５よりも第２流路部２５１における各副流路２５５を通じて第２流路部２５１に流入しやすくなる。すなわち、酸化剤ガス供給口１６から流入した酸化剤ガスが第１流路部１５１から第２流路部２５１に向かって流れやすくなり、ガス流路部５１のより広い範囲に酸化剤ガスを行き渡らせることができる。なお、本変更例では、各傾斜部３７３，３８３の対向方向Ｙに対する傾斜角度を、各傾斜部１７３，１８３の対向方向Ｙに対する傾斜角度よりも大きくすることにより、各副流路３５５の流路断面積が、各副流路１５５の流路断面積よりも小さくされている。

・第１流路部１５１における各第１凸部１７１，１８１の頂部の長さＬ１と、第３流路部３５１における各第１凸部３７１，３８１の頂部の長さＬ３とを同一にすることもできる。この場合であっても、第３流路部３５１の各対向部３６０は、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１に近接しているため、第３流路部３５１における各主流路３５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも小さくなる。したがって、上記効果（４）を奏することができる。

・第１流路部１５１における各第１凸部１７１，１８１の頂部の長さＬ１と、第２流路部２５１における各第１凸部２７１，２８１の頂部の長さＬ２とを同一にすることもできる。この場合であっても、第２流路部２５１の各対向部２６０が、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間するとともに、各対向部２６０の幅Ｗ２が各対向部１６０の幅Ｗ１よりも大きい。このため、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくなる。したがって、上記効果（１）～効果（３）を奏することができる。

・各傾斜部１７３，１８３，２７３，２８３，３７３，３８３の傾斜角度を変更することにより、各連通路１５４，２５４，３５４の流路断面積を変更することもできる。
・本実施形態において、第１流路部１５１では、直交方向Ｚにおいて並ぶ２つの対向部１６０同士の間には、波状部１７０と波状部１８０とが設けられるものであった。これらに代えて、２つの対向部１６０同士の間に、１つの波状部１７０または１つの波状部１８０のみを設けるようにしてもよいし、３つ以上の波状部１７０，１８０を設けるようにしてもよい。また、第２流路部２５１及び第３流路部３５１においても同様の変更を行うことができる。

・対向部１６０，２６０，３６０は、流れ方向Ｘの下流側に向かうほど対向方向Ｙにおいて発電部１１側に近接するように傾斜していてもよい。この場合、流れ方向Ｘの下流側に向かうほど酸化剤ガスの圧力損失が徐々に大きくなる。

・第３流路部３５１の各対向部３６０の発電部１１からの距離と、第１流路部１５１の各対向部１６０の発電部１１からの距離とは同一であってもよい。この場合であっても、第３流路部３５１における各第１凸部３７１，３８１の頂部の長さＬ３が、第１流路部１５１における各第１凸部１７１，１８１の頂部の長さＬ１よりも短い。このため、第３流路部３５１の各連通路３５４の流路断面積は、第１流路部１５１の各連通路１５４の流路断面積よりも小さくなる。したがって、上記効果（８）を奏することができる。

・第３流路部３５１の各対向部３６０の発電部１１からの距離と、第１流路部１５１の各対向部１６０の発電部１１からの距離とを同一にするとともに、第３流路部３５１における各第１凸部３７１，３８１の頂部の長さＬ３と、第１流路部１５１における各第１凸部１７１，１８１の頂部の長さＬ１とを同一にすることもできる。この場合であっても、第２流路部２５１の各対向部２６０が、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間するとともに、各対向部２６０の幅Ｗ２が各対向部１６０の幅Ｗ１よりも大きい。また、第２流路部２５１における各第１凸部２７１，２８１の頂部の長さＬ２が、第１流路部１５１における各第１凸部１７１，１８１の頂部の長さＬ１よりも長い。これらのため、第２流路部２５１における各主流路２５２の流路断面積は、第１流路部１５１における各主流路１５２の流路断面積よりも大きくなる。したがって、上記効果（１）～効果（３）を奏することができる。

・第２流路部２５１の各対向部２６０が、第１流路部１５１の各対向部１６０よりも対向方向Ｙにおいて発電部１１から離間した位置に設けられていれば、各対向部２６０の幅Ｗ２と、各対向部１６０の幅Ｗ１とは同一であってもよい。

・第２流路部２５１の各対向部２６０の幅Ｗ２が、第１流路部１５１の各対向部１６０の幅Ｗ１よりも大きければ、各対向部２６０の発電部１１からの距離と、各対向部１６０の発電部１１からの距離とは同一であってもよい。

・本実施形態のガス流路形成板５０は、酸化剤ガスが供給されるカソード側に設けられるものであったが、燃料ガスが供給されるアノード側に設けることもできる。
・ガス流路部５１のうち、第１流路部１５１、第２流路部２５１、及び第３流路部３５１以外の部分の形状は適宜変更可能である。例えば、上記部分を第１流路部１５１と同一の形状とすることもできる。

１０…単セル、１１…発電部、１２…燃料ガス供給口、１３…燃料ガス排出口、１４…冷却水供給口、１５…冷却水排出口、１６…酸化剤ガス供給口、１７…酸化剤ガス排出口、１８…仕切り部、２０…ＭＥＧＡ、２１…膜電極接合体、２２…電解質膜、２３…電極触媒層、２４…アノード側ガス拡散層、２５…カソード側ガス拡散層、３０…第１セパレータ、３１…燃料ガス流路、３２…冷却水流路、４０…第２セパレータ、５０…ガス流路形成板、５１…ガス流路部、５２…段差部、６０…枠部材、１５１…第１流路部、１５２，２５２，３５２…主流路、１５３，２５３，３５３…水路、１５４，２５４，３５４…連通路、１５５，２５５，３５５…副流路、１６０，２６０，３６０…対向部、１７０，２７０，３７０…波状部、１７１，２７１，３７１…第１凸部、１７２，２７２，３７２…第２凸部、１７３，２７３，３７３…傾斜部、１８０，２８０，３８０…波状部、１８１，２８１，３８１…第１凸部、１８２，２８２，３８２…第２凸部、１８３，２８３，３８３…傾斜部、２５１…第２流路部、３５１…第３流路部。

Claims (8)

1. シート状の発電部と、前記発電部を厚さ方向において挟持する一対のセパレータと、前記一対のセパレータの少なくとも一方と前記発電部との間に設けられ、反応ガスが流通するガス流路部を構成するガス流路形成板と、前記ガス流路形成板の周囲に設けられ、前記ガス流路部に対して前記反応ガスを供給する供給口及び前記ガス流路部から前記反応ガスを排出する排出口を有する枠部材と、を備える単セルが複数積層されてなる燃料電池スタックにおいて、
   前記供給口から前記排出口に向かう前記反応ガスの流れ方向を流れ方向とし、前記発電部と前記ガス流路部とが対向する方向を対向方向とし、前記流れ方向と前記対向方向との双方に直交する方向を直交方向とするとき、
   前記ガス流路部は、前記流れ方向に沿って延びるとともに前記直交方向において互いに並列して設けられ、前記発電部に対向する複数の対向部を有しており、
   前記対向部の各々と前記発電部との間には複数の主流路が形成されており、
   前記ガス流路部には、前記主流路の各々を連通するとともに前記流れ方向に互いに間隔をおいて設けられる複数の連通路が形成されており、
   前記ガス流路部のうち、前記流れ方向において前記供給口に隣接する部分を第１流路部とし、前記直交方向において前記第１流路部に隣接する部分を第２流路部とするとき、
   前記第２流路部における前記主流路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記主流路の各々の流路断面積よりも大きい、
   燃料電池スタック。
2. 前記第２流路部の前記対向部の各々は、前記第１流路部の前記対向部の各々よりも前記対向方向において前記発電部から離間した位置に設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記第２流路部の前記対向部の各々における前記直交方向の幅は、前記第１流路部の前記対向部の各々における前記直交方向の幅よりも大きい、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記ガス流路部のうち、前記流れ方向の下流側において前記第１流路部に隣接する部分を第３流路部とするとき、
   前記第３流路部における前記主流路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記主流路の各々の流路断面積よりも小さい、
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第３流路部の前記対向部の各々は、前記第１流路部の前記対向部の各々よりも前記対向方向において前記発電部に近接した位置に設けられている、
   請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記第１流路部の前記対向部の各々と、前記第３流路部の前記対向部の各々とは、段差部を介して連なっている、
   請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記主流路の各々は、前記対向部の前記直交方向の両側に一体に設けられ、前記直交方向に直交する断面形状が波形状をなす一対の波状部同士の間であって、前記対向部と前記発電部との間に形成されており、
   前記波状部は、前記対向部よりも前記発電部側に突出するとともに前記発電部に当接する第１凸部と、前記対向部よりも前記セパレータ側に突出するとともに前記セパレータに当接する第２凸部とが前記流れ方向に交互に並んで設けられるものであり、
   前記連通路の各々は、前記第１凸部と前記対向部とにより区画されており、
   前記第２流路部における前記連通路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記連通路の各々の流路断面積よりも大きい、
   請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記ガス流路部のうち、前記流れ方向の下流側において前記第１流路部に隣接する部分を第３流路部とするとき、
   前記第３流路部における前記連通路の各々の流路断面積は、前記第１流路部における前記連通路の各々の流路断面積よりも小さい、
   請求項７に記載の燃料電池スタック。

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