WO2011089801A1

WO2011089801A1 - 燃料電池

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Publication number: WO2011089801A1
Application number: PCT/JP2010/072629
Authority: WO
Inventors: 浩右川尻; 圭二橋本; 諭二見; 友和林
Original assignee: トヨタ車体株式会社
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2011-07-28
Also published as: US20120301810A1; DE112010005161T5; JP2011150801A; CN102725896A; DE112010005161B4; JP5560728B2; CN102725896B; US9065090B2

Abstract

一対のフレーム（１３，１４）の間に固体電解質膜（１６）と電極触媒層（１７，１８）とよりなる膜電極接合体（１５）が介在されている。電極触媒層（１７）の表面にガス拡散層（１９）が積層され、電極触媒層（１８）の表面にガス拡散層（２０）が積層されている。ガス拡散層（１９）の表面に第１ガス流路形成体（２１）が積層され、ガス拡散層（２０）の表面に第２ガス流路形成体（２２）が積層されている。フレーム（１３）及び第１ガス流路形成体（２１）の表面にセパレータ（２３）が接触し、フレーム（１４）及びガス流路形成体（２２）の表面にセパレータ（２４）が接触する。第１ガス流路形成体（２１）に形成された複数の第１及び第２ストレート溝（２１ｃ，２１ｄ）の幅（ｗ１，ｗ２）が互いに異なるように設定されている。それにより、第１及び第２ガス流路（Ｔ１，Ｔ２）の通路断面積が互いに異なるように設定されている。

Description

燃料電池

　本発明は、例えば電気自動車に用いられる燃料電池に係り、より詳しくは発電性能を向上することができる燃料電池に関する。

　一般に、燃料電池は、図１３に示すように積層された多数枚の発電セル１２からなる燃料電池スタック１１を含む。図１４に示すように、各発電セル１２を構成する一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は、固体電解質膜１６と、アノード側に位置する電極触媒層１７と、カソード側に位置する電極触媒層１８とを備えている。固体電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟まれて固定されている。前記電極触媒層１７の表面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の表面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の表面にはアノード側の第１ガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の表面には、カソード側の第２ガス流路形成体２２が積層されている。前記第１ガス流路形成体２１の表面には平板状のセパレータ２３が接合され、第２ガス流路形成体２２の表面には平板状のセパレータ２４が接合されている。

　図１４，１５に示すように、前記第１ガス流路形成体２１は、前記セパレータ２３に接触する基板部２１ａと、該基板部２１ａの表面に一体に形成された突条２１ｂとを含む。隣接する突条２１ｂの間には前記ガス拡散層１９の表面によって閉塞されることで、ガス流路Ｔを構成するストレート溝２１ｃが形成されている。又、第２ガス流路形成体２２も前記ガス流路形成体２１と同様の構成を有する。即ち、第２ガス流路形成体２２には、前記セパレータ２４に接触する基板部２２ａと、該基板部２２ａの表面に一体に形成された突条２２ｂとを含む。隣接する突条２２ｂの間には前記ガス拡散層２０の表面によって閉塞されることで、ガス流路Ｆを構成するストレート溝２２ｃが形成されている。前記発電セル１２に形成された、燃料ガス用の導入通路Ｍ１から前記ガス流路Ｔに燃料ガス、即ち水素ガスが供給されるとともに、同じく前記発電セル１２に形成された、酸化ガス用、即ち酸素ガス用の導入通路Ｒ１（図１３参照）から酸化ガスが前記ガス流路Ｆに供給される。燃料ガス及び酸化ガスの供給により、前記電極構造体１５において燃料ガスと酸化ガスが電気化学的に反応して発電が行われる。発電の際に用いられなかった燃料オフガスと酸化オフガスとは、発電セル１２に形成された燃料オフガス用の導出通路Ｍ２及び酸化オフガス用の導出通路Ｒ２（図１３参照）を通してそれぞれ発電セル１２の外部に排出される。（特許文献１参照）

特開２００７‐２０７７２５号公報

　ところが、従来の燃料電池では、図１４及び図１５に示すように、前記ガス流路形成体２１，２２のストレート溝２１ｃ，２２ｃの全ての通路断面積が同じとなるように、ストレート溝２１ｃ，２２ｃが同じ形状に形成されている。そのため、次のような問題がある。即ち、前記発電セル１２によって発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によって、周知のようにカソード側の電極触媒層１８及びガス拡散層２０に水が生成される。発電効率を向上するため、燃料ガスと酸化ガスとは加湿器によりそれぞれ加湿された状態で発電セル１２に供給されるため、ガス流路Ｔ，Ｆに加湿水が供給される。カソード側の生成水の一部は、前記電極構造体１５に浸透して、アノード側のガス拡散層１９及びガス流路形成体２１のストレート溝２１ｃに浸透水として浸入する。

　上述した生成水及び加湿水がカソード側の第２ガス流路形成体２２のストレート溝２２ｃの壁面に滞留水Ｗとなって付着して残留すると、該滞留水Ｗによってストレート溝２２ｃを流れる酸化ガスの流量が減少し、発電が抑制される。即ち、図１６に示すように、例えば三つのストレート溝２２ｃ、即ちガス流路Ｆが滞留水Ｗによって閉塞されると、それらストレート溝２２ｃの最も外側に位置する二つの突条２２ｂの間の広い領域Ａ１と対応する前記電極触媒層１８に酸化ガスが供給されなくなって、発電効率が低下する。換言すれば、どのストレート溝２２ｃも滞留水Ｗにより閉塞される可能性があるため、生成水及び加湿水の量が多いほど、滞留水Ｗによって閉塞されるストレート溝２２ｃの数が増えるので、発電効率の低下に歯止めがかからない。

　又、図１３に示す多数の積層された発電セル１２のうち、例えば特定の発電セル１２の全てのガス流路Ｔ，Ｆに滞留水Ｗが残留して燃料ガス及び酸化ガスの供給が抑制されて、発電セル１２が発電不能に陥ると、燃料電池スタック１１の各発電セル１２が電気的に直列接続されているので、発電の継続が不可能になる。

　本発明の目的は、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池を提供することにある。

　上記問題点を解決するために、本発明の一態様によれば、アノード面及びカソード面を有する電解質膜と、電解質膜のアノード面上及びカソード面上にそれぞれ積層された一対の電極触媒層と、一対の電極触媒層上にそれぞれ積層された一対のガス流路形成体と、各ガス流路形成体に形成されるとともに、第１ガス流路及び第２ガス流路を含む複数のガス流路と、一対のガス流路形成体に一体又は別体にそれぞれ設けられた一対のセパレータと、複数のガス流路に燃料ガス及び酸化ガスを導入する一対の導入通路と、複数のガス流路から燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する一対の導出通路とを備えた燃料電池が提供される。各ガス流路形成体における第１ガス流路及び第２ガス流路の間に流動抵抗の差を生じるように、第１ガス流路及び第２ガス流路の形状が設定されている。

　複数のガス流路が並設され、第１ガス流路及び第２ガス流路の通路断面積が互いに異なるように設定されていることが好ましい。
　第１ガス流路はガスの流動抵抗の小さいストレート状のガス流路であり、第２ガス流路は第１ガス流路の流動抵抗より大きい流動抵抗を有する蛇行したガス流路であることが好ましい。

　各ガス流路形成体の表面には、前記一対のセパレータのうちの対応するセパレータが接触し、各ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、複数のガス流路を形成するための複数の突部とを備え、セパレータと平板部との間に複数の水流路が形成され、各水流路と複数のガス流路のうち少なくとも一つのガス流路とは、ガス流路形成体に形成された連通孔により連通され、各水流路の深さは、各ガス流路の深さよりも小さく設定され、燃料ガスと酸化ガスとの反応によって生成される水が各ガス流路から連通孔を通して毛管作用により水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって導出通路に排出されることが好ましい。

　導出通路は内壁を有し、各水流路はガスの流れ方向の下流側に開口部を有し、開口部は導出通路の内壁まで延び、導出通路において各水流路の開口部と対応する位置にガスの流速を高めるための絞り部が形成されていることが好ましい。

　ガス流路形成体の平板部及びセパレータの各水流路のガスの流れ方向の下流側の部分に、平板部及びセパレータを貫通するガス通路が形成され、該ガス通路は、導出通路に連通されて、ガスの流速を高めるための絞り部として機能することが好ましい。

　（作用）
　本発明において、発電時に生成された浸透水及び加湿水が複数のガス流路ののうちの流動抵抗の大きいガス流路に滞留水となって付着する。しかし、流動抵抗の小さいガス流路には残留することは殆どないので、電極触媒層へのガスの供給が適正に行われる。このため、電極触媒層へのガスの供給が阻害される領域を低減し、発電効率の低下を抑制することができる。

　本発明によれば、電極触媒層へのガスの供給が適正に行われ、発電効率の低下を抑制することができるとともに、発電が停止されることを防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す図１３の１－１線に沿った断面図。燃料電池を構成する発電セルを示す図１３の２－２線に沿った断面図。第１及び第２ガス流路形成体を示す斜視図。発電セルの要部を拡大して示す断面図。本発明の第２実施形態に係る燃料電池の第１ガス流路形成体及びセパレータを示す部分斜視図。本発明の第２実施形態に係る燃料電池の第２ガス流路形成体及びセパレータを示す部分斜視図。第２実施形態の燃料電池の発電セルを示す図１３の１－１線に沿った断面図。図７の発電セルの第１及び第２ガス流路形成体を示す部分平面図。本発明の第３実施形態に係る燃料電池の発電セルを示す図１３の２－２線における断面図。本発明の第４実施形態に係る燃料電池の発電セルを示す図１３の１－１線に沿った断面図。第１実施形態の変形例を示す第１及び第２ガス流路形成体を示す斜視図。第１実施形態の変形例を示す第１及び第２ガス流路形成体を示す部分斜視図。燃料電池スタックを示す斜視図。従来の燃料電池スタックの発電セルを示す図１３の２－２線に沿った断面図。従来の第１及び第２ガス流路形成体を示す斜視図。従来の発電セルを示す部分拡大断面図。

　（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池を図１～図４及び図１３に従って説明する。

　図１３に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の発電セル１２を含む。
　図１に示すように、各発電セル１２は、四角枠状の第１及び第２フレーム１３，１４と、同第１及び第２フレーム１３，１４内に配置された電極構造体としての膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１５とを備えている。第１及び第２フレーム１３，１４は、合成ゴム等の合成樹脂からなる。第１フレーム１３の内側には燃料ガスの流路空間１３ａが区画されており、第２フレーム１４の内側には酸化ガスの流路空間１４ａが区画されている。前記ＭＥＡ１５は、第１及び第２フレーム１３，１４間に配設されている。

　各発電セル１２は、図１及び図２に示すように前記燃料ガスの流路空間１３ａに収容された第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガスの流路空間１４ａに収容された第２ガス流路形成体２２とを備えている。第１ガス流路形成体２１は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、或いはカーボンよりなる。第２ガス流路形成体２２は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、カーボン、金鍍金を施したチタン合金、或いは金合金よりなる。さらに、各発電セル１２は、平板状の第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４を備えている。第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、或いはカーボンよりなる。第１セパレータ２３は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に図示しないシールリングを介して接合されている。第２セパレータ２４は、フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に図示しないシールリングを介して接着されている。

　前記ＭＥＡ１５は、固体電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、導電性を有する第１ガス拡散層１９及び第２ガス拡散層２０とにより構成されている。第１電極触媒層１７は、電解質膜１６のアノード面、即ち図示上面に積層された触媒により形成されている。第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード面、即ち図示下面に積層された触媒によって形成されている。ガス拡散層１９，２０は、電極触媒層１７，１８の表面にそれぞれ接触している。

　前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。各電極触媒層１７，１８は、炭素粒子（図示しない）を含む。炭素粒子の表面には、白金（Ｐｔ）からなる多数の触媒粒子が付着している。前記触媒粒子による触媒作用により、燃料電池の発電効率を高めることができる。各ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。

　次に、前記第１及び第２ガス流路形成体２１，２２について説明する。アノード側に位置する第１ガス流路形成体２１とカソード側に位置する第２ガス流路形成体２２とは、同様の構成を有するが、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の設置方向が例えば９０°異なる。なお、前記第１ガス流路形成体２１と第２ガス流路形成体２２の設置方向は、互いに同方向であっても逆方向であってもよい。各第１ガス流路形成体２１は、図１及び図３に示すように、第１セパレータ２３に接触する基板部２１ａと、該基板部２１ａの表面に一体に形成された複数の平行な突条２１ｂとにより構成されている。隣接する突条２１ｂの間には前記ガス拡散層１９の表面によって閉塞されることで、燃料ガスの第１ガス流路Ｔ１及び第２ガス流路Ｔ２を構成する第１ストレート溝２１ｃ及び第２ストレート溝２１ｄが形成されている。前記第２ガス流路形成体２２は、第２セパレータ２４に接触する基板部２２ａと、該基板部２２ａの表面に一体に形成された複数の平行な突条２２ｂとにより構成されている。隣接する突条２２ｂの間には前記ガス拡散層２０の表面によって閉塞されることで、酸化ガスの第１ガス流路Ｆ１及び第２ガス流路Ｆ２をそれぞれ構成する第１ストレート溝２２ｃ及び第２ストレート溝２２ｄが形成されている。

　図４に示すように、全ての第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ（２２ｃ，２２ｄ）の深さｄ１，ｄ２は、同一に設定され、第１ストレート溝２１ｃ（２２ｃ）の幅ｗ１は、第２ストレート溝２１ｄ（２２ｄ）の幅ｗ２よりも狭く設定されている。従って、前記第１ガス流路Ｔ１（Ｆ１）の燃料ガス、即ち酸化ガスの通路断面積Ｓ１は、ガスの流動抵抗が大きくなるように狭く設定されている。第２ガス流路Ｔ２（Ｆ２）の燃料ガス、即ち酸化ガスの通路断面積Ｓ２は、ガスの流動抵抗が第１ガス流路Ｔ１（Ｆ１）の流動抵抗より小さくなるように広く設定されている。

　図２に示すように、前記各発電セル１２の第１及び第２フレーム１３，１４及び第１及び第２セパレータ２３，２４には、導入通路Ｍ１及び導出通路Ｍ２が形成されている。導入通路Ｍ１は、図示しない燃料ガス供給源、例えば水素ボンベから燃料ガス、即ち水素ガスを前記ガス流路Ｔ１，Ｔ２へ供給するために設けられている。導出通路Ｍ２は、発電の際に用いられなかった燃料オフガスを発電セル１２の外部に導出するために設けられている。図１に示すように、前記発電セル１２の第１及び第２フレーム１３，１４及び第１及び第２セパレータ２３，２４には、導入通路Ｒ１及び導出通路Ｒ２が形成されている。導入通路Ｒ１は、図示しない酸化ガス供給源、例えばコンプレッサから酸化ガス、即ち空気を前記ガス流路Ｆ１，Ｆ２へ導入するために設けられている。導出通路Ｒ２は、発電の際に用いられなかった酸化オフガスを外部に導出するために設けられている。

　次に、上述の構成を有する燃料電池の作用について説明する。
　図２において、図示しない加湿器によって加湿された燃料ガス、即ち水素ガスは、前記導入通路Ｍ１から前記第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２（図１参照）内に供給され、矢印方向に沿って流れる。燃料ガスは、ガス流路Ｔ１，Ｔ２内において第１ガス拡散層１９を通過することによって拡散されて、第１電極触媒層１７に均一に供給される。図１において、図示しない加湿器によって加湿された酸化ガス、即ち酸素ガスは、前記導入通路Ｒ１を通して、前記第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ１，Ｆ２（図２参照）に供給され、矢印方向に沿って流れる。酸化ガスは、ガス流路Ｆ１，Ｆ２内において第２ガス拡散層２０を通過することによって拡散されて、電極触媒層１８に均一に供給される。燃料ガスと酸化ガスとの供給により、ＭＥＡ１５において電極反応が生じ、発電が行われる。その結果、積層された複数の発電セル１２によって構成された燃料電池スタック１１から、所望の電力が出力される。

　発電の際に用いられなかった一部の燃料ガスは、燃料オフガスとして第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２から導出通路Ｍ２を通って電池スタック１１の外部に排出される。発電の際に用いられなかった酸化ガスは、第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２から酸化オフガスとして導出通路Ｒ２を通って電池スタック１１の外部に排出される。

　前述したＭＥＡ１５における電極反応によって、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ１，Ｆ２に水が生成される。この生成水は加湿水とともに第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２内を流れる酸化ガスの流動圧力によって導出通路Ｒ２に排出される。前記生成水の一部は、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９に浸透して、第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１，Ｔ２へ浸透水として流入する。この浸透水は加湿水とともにガス流路Ｔ１，Ｔ２内を流れる燃料ガスの流動圧力によって導出通路Ｍ２へ排出される。

　カソード側の第２ガス流路形成体２２の第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２内の生成水及び加湿水の大部分は、酸化ガスの流動圧力によって、酸化ガス用の導出通路Ｒ２に向かって排出される。残った生成水及び加湿水は第１及び第２ガス流路Ｆ１，Ｆ２の内壁面に付着しようとする。このとき、第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されている。そのため、生成水及び加湿水はその表面張力によって残留し易く、その滞留水Ｗは、図４に示すように、第１ガス流路Ｆ１の内壁面に広い範囲で付着して残留する傾向にある。しかし、第２ガス流路Ｆ２の通路断面積Ｓ２は、第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１より広く設定されている。そのため、この第２ガス流路Ｆ２においては、残留し難く滞留水Ｗは酸化ガスの流動圧力によって押し流され、第２ガス流路Ｆ２に残留することは殆どない。このため、滞留水Ｗによって閉塞された第１ガス流路Ｆ１と対応する第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が不足し、部分的に発電が不能となる。しかし、第２ガス流路Ｆ２によって酸化ガスの第２電極触媒層１８への供給が適正に行われ、発電効率の低下が抑制される。

　即ち、図４に示すように、一つの第１ガス流路Ｆ１が滞留水Ｗによって閉塞されると、ガス拡散層１９は二つの突条２２ｂと滞留水Ｗによって遮蔽され、発電不能となる領域はＡ１で示される領域である。しかし、第２ガス流路Ｆ２は滞留水Ｗによって、閉塞されることはないので、領域Ａ１よりも広い領域Ａ２は、常に発電可能な領域となる。

　一方、アノード側の第１ガス流路形成体２１の第１及び第２ガス流路Ｔ１，Ｔ２内の浸透水及び加湿水は燃料ガスの流動圧力によって、燃料ガス用の導出通路Ｍ２へ向かって排出される。残りの浸透水及び加湿水は第１及び第２ガス流路Ｔ１，Ｔ２の内壁面に付着しようとする。このとき、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されているので、浸透水及び加湿水はその表面張力によって滞留水Ｗとなり、第１ガス流路Ｔ１の内壁面に広い面積で付着して残留する傾向にある。しかし、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２は、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１より広く設定されているので、この第２ガス流路Ｔ２においては残留し難く、滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押し流され、第２ガス流路Ｔ２に残留することは殆どない。このため、第２ガス流路Ｔ２によって燃料ガスの第１電極触媒層１８への供給が適正に行われ、発電効率の低下が抑制される。

　第１実施形態の燃料電池によれば、以下のような利点を得ることができる。
　（１）第１ガス流路形成体２１の第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されるとともに、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２が、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１より広く設定されている。又、第２ガス流路形成体２２の第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されるとともに、第２ガス流路Ｆ２の通路断面積Ｓ２が、第１ガス流路Ｆ１の通路断面積Ｓ１より広く設定されている。このため、前述したように、アノード側の第１ガス流路Ｔ１及びカソード側の第１ガス流路Ｆ１には浸透水及び加湿水及び生成水及び加湿水が滞留水Ｗとなって付着するが、第２ガス流路Ｔ２及び第２ガス流路Ｆ２に滞留水Ｗが付着することを防止することができる。このため、第１ガス拡散層１９及び第１電極触媒層１７への燃料ガスの供給、並びに第２ガス拡散層２０及び第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が低減されることを抑制して、発電効率の低下を防止することができる。

　（２）発電セル１２のアノード側の殆どの第１ガス流路Ｔ１が滞留水Ｗによって閉塞されたとしても、殆どの第２ガス流路Ｔ２によって燃料ガスの供給が行われる。又、カソード側の殆どの第１ガス流路Ｆ１が滞留水Ｗによって閉塞されたとしても、殆どの第２ガス流路Ｆ２によって酸化ガスの供給が行われる。従って、一つの発電セル１２の第１及び第２電極触媒層１７，１８の全域に燃料ガス及び酸化ガスが供給されなくなることを防止して、発電セル１２が発電不能に陥ることを防止することができ、ひいては燃料電池スタック１１による発電が停止されることを防止することができる。

　（３）第１ガス流路形成体２１の第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ並びに第２ガス流路形成体２２の第１及び第２ストレート溝２２ｃ，２２ｄの幅ｗ１，ｗ２を変更するという簡単な構成が採用されている。そのため、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の製造を容易に行い、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池を図５～図８に基づいて説明する。以下に示す各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との異なる構成、作用及び効果を中心に説明する。

　図５及び図７に示すように、前記第１ガス流路形成体２１は平板材２５を含み、その平板材２５における多数の箇所には、複数の第１突部２６ａ及び複数の第２突部２６ｂが切り起こし成形されている。第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂの各々は、ガス流路Ｔを形成するための突部であり、第１ガス拡散層１９（図７参照）に向かって突出する。前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂの各々が前記第１ガス拡散層１９に接触することによって、平板材２５と第１ガス拡散層１９との間に燃料ガス用のガス流路Ｔが形成されている。ガス流路Ｔは、流路空間１３ａとしても機能する。ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑから見た場合、第１突部２６ａは半円形状を有する。第２突部２６ｂは扁平台形状を有するため、同第２突部２６ｂと前記第２ガス拡散層２０との接触面積は広くなっている。

　前記平板材２５には、第１及び第２突部２６ａ，２６ｂと対応するように、かつガスの流れ方向Ｐ１に関して上流側に位置するように複数の小さく低い第３突部２７が成形されている。各第３突部２７は、水流路２８を形成するための突部であり、図５及び図７に示すように第１セパレータ２３に向かって突出するように押し出し成形されている。各第３突部２７が第１セパレータ２３に接触することによって、平板材２５と第１セパレータ２３との間に複数の水流路２８が形成されている。前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂの各々には、ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑに沿って第１及び第２突部２６ａ，２６ｂを貫通する連通孔２９が形成されている。すなわち、連通孔２９は、ガスの流れ方向Ｐ１から見て各第１突部２６ａの左側と右側との二箇所及び各第２突部２６ｂの左側と右側との二箇所においてそれぞれ開口するように形成されている。該連通孔２９によって、前記ガス流路Ｔと水流路２８とが互いに連通している。

　前記半円形状の第１突部２６ａは、図５及び図７に示すように、ガスの流れ方向Ｐ１に沿って、所定のピッチで配列されている。前記偏平台形状の第２突部２６ｂは、ガスの流れ方向Ｐ１に沿って、所定のピッチで直線的に配列されている。ガスの流れ方向Ｐ１と直交する方向Ｑに隣接する一対の第１及び第２突部２６ａ，２６ｂは、図８に示すように、ガスの流れ方向Ｐ１に関して第２突部２６ｂの中心Ｏ２と第１突部２６ａの中心Ｏ１とが互いに一致するように配列されている。ガスの流れ方向Ｐ１に沿って延びる第２突部２６ｂの隣接する列の間には、ガスの流れ方向Ｐ１に関して、第１及び第２突部２６ａ，２６ｂの存在しない帯状平板部２５ａが形成されている。ガス流路Ｔは、前記帯状平板部２５ａと第１セパレータ２３との間において、ガスの流動抵抗の小さい帯状のストレートガス流路Ｔｓを備えている。前記ガス流路Ｔは、このストレートガス流路Ｔｓとは別に、ガスの流動抵抗の大きい蛇行ガス流路Ｔｄを備えている。この蛇行ガス流路Ｔｄは、第１突部２６ａと第２突部２６ｂとの間に形成された蛇行する平板部２５ｂと、第１セパレータ２３とによって形成されている。

　カソード側の第２ガス流路形成体２２は、図６に示すように第１ガス流路形成体２１と同様の構成を有するが、酸化ガスの流れ方向Ｐ２が燃料ガスの流れ方向Ｐ１と９０°異なる。即ち、酸化ガスの流れ方向Ｐ２は、第１ガス流路形成体２１の燃料ガスの流れ方向Ｐ１と直交する。第２ガス流路形成体２２の前記ガス流路Ｔと対応するガス流路Ｆは、ストレートガス流路Ｔｓと対応するストレートガス流路Ｆｓ、蛇行ガス流路Ｔｄと対応する蛇行ガス流路Ｆｄを含むが、各符号を付すことによりその説明を省略する。

　第２実施形態においては、前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂの帯状平板部２５ａから突出する部分の高さ、換言すれば、ストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）及び蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の深さは、３０μｍ～１０００μｍの範囲内に、望ましくは３０μｍ～３００μｍの範囲内に設定されており、例えば２００μｍに設定されている。前記第３突部２７の帯状平板部２５ａから突出する部分の高さ、換言すれば、前記水流路２８の深さは１０μｍ～５０μｍの範囲内に設定されており、例えば３０μｍに設定されている。このように各水流路２８がスリット状に、かつ各水流路２８の深さがストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の深さよりも浅く形成されているため、スリット状の水流路２８の毛管作用によりストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）内の水が連通孔２９を通して水流路２８に吸い込まれ易くなる。図８に示す帯状平板部２５ａの幅Ｄは、１００μｍ～３００μｍに設定されており、平板部２５ｂの幅Ｅは、５０μｍ～１５０μｍに設定されている。

　次に、第２実施形態の燃料電池の作用について説明する。
　図７において、発電の際に導入通路Ｍ１から図５及び図８に示すストレートガス流路Ｔｓに供給された加湿水を含む燃料ガスの大部分は、図８に破線の矢印で示すように直進し、一部の燃料ガスが左右の第２突部２６ｂの上流側の表面に当たる。この表面に当たった燃料ガスに含まれる加湿水及び浸透水は滞留水Ｗとなって該表面に付着して成長する。この滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押されて、その燃料ガスの大部分が第２突部２６ｂの連通孔２９を通して第２突部２６ｂの内部に進入し、水流路２８の毛細管作用により該水流路２８に進入する。この水流路２８に進入した水は、燃料ガスの流動圧力によって、下流側に移動される。

　一方、蛇行ガス流路Ｔｄに供給された加湿水を含む燃料ガスの大半は、図８に破線の矢印で示すように蛇行し、第１突部２６ａの上流側の表面に当たる。この表面に当たった燃料ガスに含まれる加湿水及び浸透水も滞留水Ｗとなって該表面に付着して成長する。この滞留水Ｗは燃料ガスの流動圧力によって押されて、第１突部２６ａの左右の連通孔２９を通して第１突部２６ａの内部に進入し、水流路２８の毛細管作用により該水流路２８に進入する。この水流路２８に進入した水も、燃料ガスの流動圧力によって、下流側に移動される。

　以下、この第２実施形態の効果について説明する。
　（１）第１及び第２ガス流路形成体２１，２２には、圧力損失が低く、かつ滞留水の付着を防止することができるストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）と、圧力損失が高く、かつ滞留水が付着し易い蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）の２種類の流路が形成されている。このため、蛇行ガス流路Ｔｄ（Ｆｄ）に滞留水が残留して、燃料ガス及び酸化ガスが電極触媒層１７，１８の一部に供給されない状態となっても、ストレートガス流路Ｔｓ（Ｆｓ）から燃料ガス及び酸化ガスが電極触媒層１７，１８に供給される。このため、発電効率が低下することを防止することができる。又、発電セル１２が発電不能になることを防止して、燃料電池スタック１１による発電の停止を未然に防止することができる。

　（２）アノード側の第１ガス流路形成体２１の平板材２５と第１セパレータ２３との間に複数の水流路２８が形成されている。各水流路２８の深さがガス流路Ｔの深さよりも浅く設定されている。平板材２５と第１ガス拡散層１９との間に形成されたガス流路Ｔ内の浸透水及び加湿水は、前記第１突部２６に形成された連通孔２９を介して毛細管作用により水流路２８に導かれる。水流路２８内に導かれた浸透水及び加湿水は、燃料ガスの流動圧力によって燃料ガス用の導出通路Ｍ２へ向かって排出される。このような構成により、第１電極触媒層１７に燃料ガスが適正に供給されるため、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態が回避され、発電効率が向上する。

　又、水流路２８内の水は、燃料ガス用の導出通路Ｍ２へ排出される。これにより、前記ガス流路Ｔ内に浸透水及び加湿水が残留することが抑制され、浸透水、加湿水等の水によるガス流路Ｔ内を流れる燃料ガスの圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。さらに、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態によって生じるアノード側の第１電極触媒層１７の電位の上昇が抑制される。従って、第１ガス流路形成体２１の腐蝕が防止されるため、第１ガス流路形成体２１の耐久性を向上することができる。よって、第１ガス流路形成体２１の材料の選択基準が緩和され、第１ガス流路形成体２１の材料として安価な材料を用いることができ、材料コストを低減することができる。

　（３）カソード側の第２ガス流路形成体２２の平板材２５と第２セパレータ２４との間に複数の水流路２８が設けられている。そのため、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆ内の生成水及び加湿水が前記水流路２８によって酸化ガス用の導出通路Ｒ２へ向かって排出される。これにより、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆに生成水及び加湿水が残留することが抑制されて、ガス流路Ｆ内を流れる酸化ガスの生成水による圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。又、電極触媒層１８に酸化ガスが適正に供給されて、酸化ガス欠乏状態が回避されるので、発電効率が向上する。

　（４）第１突部２６の内側空間の内周面が図５及び図６に示すように、半円弧面として形成されている。そのため、ガス流路Ｔｓ（Ｆｓ），Ｔｄ（Ｆｄ）に生成された浸透水及び生成水が第１突部２６の内側空間に進入して滞留水Ｗとして安定して保持され、第１突部２６の保水性を向上することができる。即ち、第１及び第２ガス拡散層１９，２０の表面に付着した滞留水Ｗは、表面張力によって球状になる傾向にあるので、第１突部２６の半円筒状の内側空間に流入し易くなる。このため、第１及び第２ガス拡散層１９，２０の表面の滞留水Ｗの成長が抑制され、水によるガスの供給不足が解消され、発電性能が向上する。又、滞留水Ｗが第１及び第２ガス拡散層１９，２０の表面に付着したまま燃料電池の発電が停止されると、第１及び第２ガス拡散層１９，２０が水によって局部的に劣化する。この実施形態では、この劣化を防止して、拡散層１９，２０の耐久性を向上することができる。

　（５）半円形状の前記第１突部２６のみが点在しているセパレータと比較して、前記第２ガス拡散層２０と接触する面積が偏平台形状の第２突部２６ｂによって広くなる。そのため、半円形状の第１突部２６が前記第２ガス拡散層２０に食い込むことを防止することができるとともに、発電された電気に対する電気抵抗が低減される。一方、半円形状に形成された多数の第１突部２６によって生成水及び加湿水を滞留水として保持する能力も高められる。

　（６）前記ストレートガス流路Ｔｓ，Ｆｓによって、ガスの流路圧損が低減されるので、例えばガスを供給するコンプレッサ等の周辺機器の動力損失を低減することができる。
（変形例）
　なお、本発明は以下のような実施形態に変更してもよい。

　・燃料ガス用の導出通路Ｍ２において、燃料ガスの流速を高めるための絞り部が形成されてもよい。具体的には、図９に示すように、第１ガス流路形成体２１の下流側端縁２１ｅ、即ち水流路２８の下流側の開口部は、導出通路Ｍ２の側壁にまで延長されている。前記導出通路Ｍ２において前記下流側端縁２１ｅと対向する壁面には、突条部１３ｂが設けられている。該突条部１３ｂと前記端縁２１ｅとにより、水流路２８の下流側の開口部の近傍に位置する絞り部４１が形成されている。この絞り部４１における導出通路Ｍ２の通路断面積が狭くなり、同絞り部４１における燃料ガスの流速は高まる。この実施形態においては、絞り部４１を流れる流速の高い燃料ガスのベンチュリー効果によって、前記水流路２８内に存在する水は、導出通路Ｍ２へ吸い出されるため、排水がより適正に行われる。上述の構成と同様に、酸化ガス用の導出通路Ｒ２において酸化ガスの流速を高めるための絞り部が形成されてもよい。

　・第２実施形態において、図１０に示すように第２セパレータ２４に排水孔３５が形成され、その排水孔３５と対応する位置にガス通路２２ｅが設けられてもよい。こうした構成により、これらガス通路２２ｅ及び排水孔３５は、連通路３６を通じて酸化ガス用の導出通路Ｒ２に連通されており、酸化ガスの通路となっている。これらガス通路２２ｅ及び排水孔３５は、酸化ガスの流速を高めるための絞り部４１として機能している。この実施形態においては、絞り部４１を流れる流速の高い酸化ガスのベンチュリー効果によって、水流路２８内の水は、適正に連通路３６へ吸い出され、排水がより適正に行われる。上述の構成と同様に、燃料ガス用の導出通路Ｍ２において燃料ガスの流速を高めるための絞り部が形成されてもよい。

　・図１１に示すように、前記第１ガス流路形成体２１の第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄの深さｄ１，ｄ２が互いに異なるように設定されてもよい。これにより、第１ガス流路Ｔ１の通路断面積Ｓ１が狭く設定されてガスの流動抵抗が大きくなり、第２ガス流路Ｔ２の通路断面積Ｓ２が広く設定されてガスの流動抵抗が小さくなる。

　・図１２に示すように、前記第１ガス流路Ｔ１が平面視で、ガスの流動抵抗の大きい蛇行ガス流路Ｔｄであり、第２ガス流路Ｔ２が平面視で、ガスの流動抵抗の小さいストレートガス流路Ｔｓであってもよい。この実施形態において、第１及び第２ストレート溝２１ｃ，２１ｄ及び第１及び第２ストレート溝２２ｃ，２２ｄの幅ｗ１，ｗ２は、それぞれ同じであってもよい。

　・図示しないが、前記第２実施形態において、アノード側のみに水流路２８が設けられてもよい。このような構成によれば、アノード側の第１電極触媒層１７への燃料ガスの供給が低減されることを抑制でき、燃料電池の発電効率を向上することができるとともに、アノード側の第２ガス流路形成体２２及びカソード側の電極触媒層１８の耐久性を向上することができる。又、カソード側のみに水流路２８が設けられてもよい。このような構成により、カソード側の前記第２電極触媒層１８への酸化ガスの供給が低減されるのを抑制でき、燃料電池の発電効率を向上することもできる。

　・通路断面積が大きい複数のストレートガス流路と、通路断面積が小さい複数の蛇行ガス流路とが適宜に組み合わされてもよい。
　・前記ガス流路の通路断面積が例えば三段階以上に変化されてもよい。通路断面積は交互或いは規則性をもって変化されてもよいし、不規則に変化されてもよい。

　・前記各実施形態の燃料電池において、発電セル１２の第１及び第２セパレータ２３，２４に冷却水を通過させるための溝が形成されてもよい。
　・カソード側のみに前記水流路２８を設けた燃料電池において、アノード側の第１ガス流路形成体２１と第１セパレータ２３とが一体的に形成されていてもよい。又、第１フレーム１３と第１セパレータ２３とが金属材料により例えば鍛造により一体的に形成されていてもよい。

　・アノード側のみに前記水流路２８を設けた燃料電池において、カソード側の第２ガス流路形成体２２と第２セパレータ２４とが一体的に形成されていてもよい。又、フレーム１４と第２セパレータ２４とが金属材料により例えば鍛造により一体的に形成されていてもよい。

Claims

　アノード面及びカソード面を有する電解質膜と、
　前記電解質膜の前記アノード面上及び前記カソード面上にそれぞれ積層された一対の電極触媒層と、
　前記一対の電極触媒層上にそれぞれ積層された一対のガス流路形成体と、
　前記各ガス流路形成体に形成されるとともに、第１ガス流路及び第２ガス流路を含む複数のガス流路と、
　前記一対のガス流路形成体に一体又は別体にそれぞれ設けられた一対のセパレータと、
　前記複数のガス流路に燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ導入する一対の導入通路と、
　前記複数のガス流路から燃料オフガス及び酸化オフガスをそれぞれ導出する一対の導出通路とを備えた燃料電池において、
　前記各ガス流路形成体における前記第１ガス流路及び第２ガス流路の間に流動抵抗の差を生じるように、前記第１ガス流路及び第２ガス流路の形状が設定されていることを特徴とする燃料電池。
　請求項１において、前記複数のガス流路が並設され、前記第１ガス流路及び第２ガス流路の通路断面積が互いに異なるように設定されていることを特徴とする燃料電池。
　請求項１において、前記第１ガス流路はガスの流動抵抗の小さいストレート状のガス流路であり、前記第２ガス流路は前記第１ガス流路の流動抵抗より大きい流動抵抗を有する蛇行したガス流路であることを特徴とする燃料電池。
　請求項１において、前記各ガス流路形成体の表面には、前記一対のセパレータのうちの対応するセパレータが接触し、
　前記各ガス流路形成体は、
　平板部と、
　該平板部に一体に成形されるとともに、前記複数のガス流路を形成するための複数の突部とを備え、
　前記セパレータと前記平板部との間に複数の水流路が形成され、前記各水流路と前記複数のガス流路のうち少なくとも一つのガス流路とは、前記ガス流路形成体に形成された連通孔により連通され、前記各水流路の深さは、前記各ガス流路の深さよりも小さく設定され、前記燃料ガスと前記酸化ガスとの反応によって生成される水が前記各ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されることを特徴とする燃料電池。
　請求項４において、前記導出通路は内壁を有し、前記各水流路は前記ガスの流れ方向の下流側に開口部を有し、前記開口部は前記導出通路の前記内壁まで延び、前記導出通路において前記各水流路の開口部と対応する位置にガスの流速を高めるための絞り部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
　請求項４において、前記ガス流路形成体の平板部及び前記セパレータの前記各水流路の前記ガスの流れ方向の下流側の部分に、前記平板部及び前記セパレータを貫通するガス通路が形成され、該ガス通路は、前記導出通路に連通されて、ガスの流速を高めるための絞り部として機能することを特徴とする燃料電池。