JP5577156B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が設けられている。さらに、各燃料電池毎又は複数の燃料電池毎に、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って形成されている。

燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が内部に設けられる、所謂、内部マニホールド燃料電池型を構成する場合がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図１２に示すように、単位セル１を備えるとともに、前記単位セル１は、膜電極構造体２の両面にセパレータ３ａ、３ｂが配置されている。

単位セル１の長手方向上端部には、流体連通孔である燃料ガス供給口４ａ及び酸化剤ガス供給口５ａが積層方向に貫通して設けられるとともに、前記単位セル１の長手方向下端部には、流体連通孔である燃料ガス排出口４ｂ及び酸化剤ガス排出口５ｂが、積層方向に貫通形成されている。単位セル１の短手方向両端部には、流体連通孔である４つの冷却水供給口６ａと、４つの冷却水排出口６ｂとが鉛直方向に配列されている。

セパレータ３ａの膜電極構造体２に対向する面には、燃料ガス供給口４ａと燃料ガス排出口４ｂとに連通し、長手方向に延在する波状の複数の燃料ガス流路７ａが形成されている。セパレータ３ｂの膜電極構造体２に対抗する面には、酸化剤ガス供給口５ａと酸化剤ガス排出口５ｂとに連通し、長手方向に延在する波状の複数の酸化剤ガス流路８ａが形成されている。

単位セル１同士が積層されることにより、一方の単位セル１を構成するセパレータ３ａと、他方の単位セル１を構成するセパレータ３ｂとの間には、冷却水流路が形成される。この冷却水流路は、燃料ガス流路７ａの裏面側の溝形状７ｂと、酸化剤ガス流路８ａの裏面側の溝形状８ｂとが重なり合うことにより、短手方向（水平方向）に冷却水の流れを許容して冷却水供給口６ａと冷却水排出口６ｂとを連通している。

セパレータ３ａ、３ｂの冷却水流路側の面には、燃料ガス供給口４ａ及び燃料ガス排出口４ｂをそれぞれ周回してシールする第１シール部９ａと、酸化剤ガス供給口５ａ及び酸化剤ガス排出口５ｂをそれぞれ周回してシールする第２シール部９ｂとが設けられている。セパレータ３ａ、３ｂの膜電極構造体２に対向する面には、冷却水供給口６ａ及び冷却水排出口６ｂをそれぞれ周回してシールする第３シール部９ｃが設けられている。第１シール部９ａ、第２シール部９ｂ及び第３シール部９ｃは、同一の断面積に設定されており、金属製のセパレータ３ａ、３ｂに一体成形されている。

特開２００７−１４１５５２号公報

上記の特許文献１では、例えば、膜電極構造体２のアノード側電極に燃料ガスを供給するために、波状の複数の燃料ガス流路７ａが設けられている。このため、発電面全体に燃料ガスが到達するまでに時間がかかってしまい、特に燃料電池車両が急加速された際には、十分な発電電力を得ることができないという問題がある。

特に、燃料電池起動時には、燃料ガス流路７ａには、空気が存在している。従って、燃料ガス供給口４ａから燃料ガス流路７ａの上部にのみ燃料ガスが供給されている状況下で、発電されると、発電可能領域が小さくて発電状態が不安定になってしまう。しかも、電位が安定するまでに時間がかかり、高電位に曝されることによる劣化のおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、特に起動時における迅速な発電の安定化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、反応ガス流路が複数の反応ガス流路溝を有するとともに、前記反応ガス流路の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられ、前記反応ガス流路溝は、反応ガスが反応ガス入口連通孔から反応ガス出口連通孔に向かって他の反応ガス流路溝よりも速く到達する複数の起動用流路部を構成し、１以上の前記起動用流路部と１以上の他の前記反応ガス流路溝とが、前記反応ガス流路の流路幅方向に沿って交互に配設されている。

また、この燃料電池では、起動用流路部が、他の反応ガス流路溝よりも圧力損失の小さな部位を有することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、電極がガス拡散層を有し、前記ガス拡散層は、起動用流路部に配置される部位の厚さが、他の反応ガス流路溝に配置される部位の厚さよりも小さく設定されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、起動用流路部が互いに隣接する複数の波状の反応ガス流路溝を有し、互いに隣接する前記反応ガス流路溝には、反応ガスをそれぞれの前記反応ガス流路溝に導入させるための分岐部が設けられることが好ましい。

また、反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。

本発明によれば、起動用流路部に導入された反応ガスは、他の反応ガス流路溝に導入された反応ガスよりも速く、反応ガス出口連通孔に到達することができる。このため、反応ガスは、発電面内の広範囲に対してより速く到達し、急加速時等にも前記発電面内全体で発電を行うことが可能になる。従って、起動直後に、発電の安定化が迅速に遂行され、燃料電池の電位が良好に安定化するとともに、高電位に曝される時間が短縮され、劣化の抑制が確実に行われる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面の説明図である。 本発明と比較例との時間と電位との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路の正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路の正面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路の正面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路の正面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面説明図である。 特許文献１に開示されている単位セルの分解斜視説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（水平方向）に複数積層されることにより、燃料電池スタック１１を構成する。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６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板により構成される。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

なお、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６に代えて、例えば、第１カーボンセパレータ（図示せず）及び第２カーボンセパレータ（図示せず）を使用してもよい。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、縦長形状（長方形状）を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。なお、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。

燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２０ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔２２ａが対称位置に設けられるとともに、前記燃料電池１０の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔２２ｂが対称位置に設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６及びアノード側電極２８とを備える。

カソード側電極２６及びアノード側電極２８は、図２に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２６ａ、２８ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層２６ａ、２８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部間に形成される複数本の波状の酸化剤ガス流路溝３０ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。複数本の波状の酸化剤ガス流路溝３０ａは、面内で互いに均一の幅寸法を有する。

複数の酸化剤ガス流路溝３０ａの中、少なくとも１つの前記酸化剤ガス流路溝３０ａにより、第１の実施形態では、間に２つの前記酸化剤ガス流路溝３０ａを挟んで、複数の前記酸化剤ガス流路溝３０ａにより、起動用流路部３３が設けられる。起動用流路部３３は、所定の酸化剤ガス流路溝３０ａにより構成されるとともに、酸化剤ガスが酸化剤ガス入口連通孔１８ａから酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに向かって他の酸化剤ガス流路溝３０ａよりも速く到達する機能を有する。

具体的には、図２及び図３に示すように、起動用流路部３３を構成する酸化剤ガス流路溝３０ａは、第１金属セパレータ１４の面１４ａを平滑にして構成される。一方、他の酸化剤ガス流路溝３０ａは、面１４ａに粗加工部位ＲＦが設けられることにより、前記酸化剤ガス流路溝３０ａにおける酸化剤ガスの圧力損失が高く設定される。粗加工部位ＲＦは、図３に示すように、酸化剤ガス流路３０の上流から所定の高さＨまでの間に設けられることが好ましい。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂ（面１４ａとは反対の面）には、酸化剤ガス流路３０を構成する酸化剤ガス流路溝３０ａの裏面形状である冷却媒体流路溝３０ｂが設けられる。冷却媒体流路溝３０ｂは、後述する冷却媒体流路３８の一部を構成する。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部間に形成される複数本の波状の燃料ガス流路溝３４ａを有するとともに、前記燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。複数本の波状の燃料ガス流路溝３４ａは、面内で互いに均一の幅寸法を有する。

複数の燃料ガス流路溝３４ａの中、少なくとも１つの前記燃料ガス流路溝３４ａにより、第１の実施形態では、間に２つの他の燃料ガス流路溝３４ａを挟んで、複数の前記燃料ガス流路溝３４ａにより、起動用流路部３５が構成される。

起動用流路部３５は、所定の燃料ガス流路溝３４ａに対応する第２金属セパレータ１６の面１６ａを平滑にして構成される。他の燃料ガス流路溝３４ａには、面１６ａに粗加工部位ＲＦを設けることにより、燃料ガスの圧力損失を大きく設定している。粗加工部位ＲＦは、燃料ガス流路３４の上流から所定の高さＨの間に設けられる。

なお、酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３４の所定の酸化剤ガス流路溝３０ａ及び燃料ガス流路溝３４ａにおいて、それぞれの圧力損失を大きくするためには、粗加工部位ＲＦの他、例えば、起毛材の他、種々の摩擦発生部材を貼り付けることにより、構成してもよい。また、酸化剤ガス流路３０には、圧力損失を大きくする必要がない場合があり、燃料ガス流路３４のみに粗加工部位ＲＦ等の処理を施してもよい。以下に説明する第２の実施形態以降においても、同様である。

第２金属セパレータ１６の面１６ｂと第１金属セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図１及び図２参照）。この冷却媒体流路３８は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲を周回して矢印Ｃ方向に冷却媒体を流通させる。冷却媒体流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４０ａ及び出口バッファ部４０ｂが設けられる。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４２及び第２シール部材４４としては、例えば、弾性を有するＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４６ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材４２を切り欠いて酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４６ｂが形成される。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス流路３４とを連通する複数の連結通路５０ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材４４を切り欠いて燃料ガス出口連通孔２０ｂと燃料ガス流路３４とを連通する複数の連結通路５０ｂが形成される。

図１に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて一対の冷却媒体入口連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体流路３８とを連通する複数の連結通路５２ａが形成される。面１６ｂには、第２シール部材４４を切り欠いて一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２２ｂと冷却媒体流路３８とを連通する複数の連結通路５２ｂが形成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、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、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向両側に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、燃料電池１０の停止時には、例えば、空気掃気によって燃料ガス流路３４に空気が存在している。このため、燃料電池１０の起動時には、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路３４の上流に供給された燃料ガスは、この燃料ガス流路３４を構成する各燃料ガス流路溝３４ａに沿って、比較的ゆっくりと燃料ガス出口連通孔２０ｂ側に流通し易い。

その際、第１の実施形態では、複数の燃料ガス流路溝３４ａの中、所定数の前記燃料ガス流路溝３４ａを、他の前記燃料ガス流路溝３４ａよりも圧力損失の小さな起動用流路部３５として構成している。具体的には、起動用流路部３５以外の燃料ガス流路溝３４ａには、粗加工部位ＲＦを設けることにより、燃料ガス流通面の摩擦係数を大きくしている。

このため、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路３４に導入された燃料ガスは、圧力損失の小さな起動用流路部３５に優先的に導入され、この起動用流路部３５を構成する燃料ガス流路溝３４ａに沿って、迅速に燃料ガス出口連通孔２０ｂに到達することができる。

従って、燃料ガスは、発電面内の広範囲に対してより早く到達し、急加速時等にも、前記発電面内全体で発電を行うことが可能になる。これにより、起動直後に、発電の安定化が迅速に遂行され、燃料電池１０の電位が良好に安定化するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０では、高電位に曝される時間が有効に短縮され、劣化の抑制が確実に行われる。

また、燃料ガス流路溝３４ａの粗加工部位ＲＦは、燃料ガス流路３４の上流側に所定の距離Ｈの範囲内にわたって設けられている。このため、燃料ガス流路３４の下流側では、各燃料ガス流路溝３４ａの摩擦係数が小さくなる。従って、前記燃料ガス流路溝３４ａに凝縮水が滞留することがなく、良好な排水性を維持することができるという利点がある。

なお、酸化剤ガス流路３０では、図３に示すように、上記の燃料ガス流路３４と同様に、粗加工部位ＲＦを設けて圧力損失が大きく設定された酸化剤ガス流路溝３０ａと、平坦状を有して圧力損失が小さく設定された酸化剤ガス流路溝３０ａからなる起動用流路部３３とを備えている。

従って、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから酸化剤ガス流路３０に導入された酸化剤ガスは、起動用流路部３３に沿って、迅速に酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに到達することができ、上記の燃料ガス流路３４と同様の効果が得られる。

図５は、第１の実施形態の燃料電池１０（本発明）と、粗加工部位ＲＦを設けない一般的な燃料電池（比較例）とにおける起動時の電位を検出した結果が示されている。これにより、第１の実施形態では、燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電面内の広範囲に対し比較例に比べて迅速に到達することができ、短時間で安定した電位を得ることが可能になる。しかも、カソード側では、比較例に比べて高電位に曝される時間が有効に短尺化され、劣化の抑制が容易に遂行可能になるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路７０の正面説明図である。

反応ガス流路７０は、燃料ガス流路のみ、又は前記燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の両方を構成することができる。なお、以下に説明する第３の実施形態以降においても、同様である。

反応ガス流路７０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部７０ｂ間に形成される複数本の波状の反応ガス流路溝７０ａを有する。反応ガス流路溝７０ａの中、所定数（少なくとも１つ）の反応ガス流路溝７０ａは、起動用流路部７２を構成する。

起動用流路部７２では、反応ガス流路溝７０ａの上流側に、隣接する反応ガス流路溝７０ａ側に膨出する波状凸部７０ｂの内方コーナ部上側を切欠いて分岐部７４ａが設けられる。反応ガス流路溝７０ａの下流側には、隣接する反応ガス流路溝７０ａの外方に湾曲する波状凸部７０ｂの外側コーナ部上側を切欠いて分岐部７４ｂが設けられる。分岐部７４ａ、７４ｂは、セパレータに波状凸部７０ｂをプレス加工する際に、プレスしない部位を設けることによって予め形成される。

このように構成される第２の実施形態では、反応ガス（少なくとも燃料ガス）が反応ガス流路７０に導入されると、この反応ガスは、各反応ガス流路溝７０ａに振り分けられる。そして、反応ガス流路溝７０ａに供給された反応ガスの一部は、分岐部７４ａを通って起動用流路部７２を構成する反応ガス流路溝７０ａに導入される一方、残余の反応ガスは、起動用流路部７２に隣接する反応ガス流路溝７０ａに沿って矢印Ｃ方向に流通する。

従って、起動用流路部７２では、隣接する反応ガス流路溝７０ａを流動する反応ガス流量が、起動用流路部７２を構成する反応ガス流路溝７０ａを流動する反応ガス流量よりも削減され、前記起動用流路部７２の反応ガス流量が増加し、反応ガスは、前記起動用流路部７２において、矢印Ｃ方向に沿って迅速に流通することができる。これにより、反応ガスは、発電面内の広範囲に対してより早く到達し、急加速時等にも良好に発電を行うことが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、起動用流路部７２の下流側では、隣り合う反応ガス流路溝７０ａに分岐部７４ｂを通って、反応ガスが合流される。このため、反応ガス流路７０の下流では、各反応ガス流路溝７０ａに略同量の反応ガスが流通することになる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路８０の正面説明図である。

反応ガス流路８０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部間に形成される複数の波状の反応ガス流路溝８０ａを有する。少なくとも１つ以上の反応ガス流路溝８０ａは、他の反応ガス流路溝８０ａよりも発電面内の広範囲に対してより早く到達する起動用流路部８２を構成する。起動用流路部８２は、反応ガス流路溝８０ａの流路幅Ｓ１を、他の反応ガス流路溝８０ａの流路幅Ｓ２よりも大きく設定することにより構成される。

このように構成される第３の実施形態では、他の反応ガス流路溝８０ａよりも流路幅Ｓ１の大きな反応ガス流路溝８０ａを用いて起動用流路部８２が構成されている。このため、起動用流路部８２には、反応ガスの流入量が増大している。従って、発電面内の広範囲に対してより早く反応ガスを到達することができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路９０の正面説明図であり、図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する反応ガス流路１００の正面説明図である。

図８に示すように、反応ガス流路９０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部９０ｂ間に形成される複数本の波状の反応ガス流路溝９０ａを有する。波状凸部９０ｂの中、少なくとも一本には、上流側に延在するガイド部９０ｂ１が一体に設けられることにより、前記ガイド部９０ｂ１に隣接する反応ガス流路溝９０ａが起動用流路部９４を構成する。

図９に示すように、反応ガス流路１００は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状凸部１００ｂ間に形成される複数本の波状の反応ガス流路溝１００ａを有する。複数の波状凸部１００ｂの中、少なくとも一以上の上端には、切欠き部１００ｂ１が設けられることにより、流量長が短く構成される反応ガス流路溝１００ａを有する起動用流路部１０２が構成される。

上記の第４の実施形態では、ガイド部９０ｂ１の案内作用下に、起動用流路部９４を構成する反応ガス流路溝９０ａに反応ガスが円滑且つ迅速に導入され、前記反応ガスを発電面内の広範囲に対してより早く到達させることができる。

また、上記の第５の実施形態では、切欠き部１００ｂ１を有する、すなわち、流量長の短かな反応ガス流路溝１００ａにより起動用流路部１０２が構成されている。この起動用流路部１０２では、他の反応ガス流路溝１００ａに比べて圧損が低減され、反応ガスの流入が円滑に行われる。これにより、第４及び第５の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体１１２と、前記電解質膜・電極構造体１１２を挟持する第１セパレータ１１４及び第２セパレータ１１６とを備える。第１セパレータ１１４及び第２セパレータ１１６は、例えば、カーボンセパレータや、金属セパレータにより構成される。

第１セパレータ１１４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の直線状凸部間に形成される複数本の直線状の酸化剤ガス流路溝１１８を有する。第２セパレータ１１６は、同様に矢印Ｃ方向に延在する複数本の直線状凸部間に形成される複数本の直線状の燃料ガス流路溝１２０を有する。

図１１に示すように、複数の酸化剤ガス流路溝１１８の中、少なくとも１つ以上の前記酸化剤ガス流路溝１１８に対応して、カソード側電極２６のガス拡散層に切欠き部位１２２を設けることにより、起動用流路部１２４が構成される。同様に複数の燃料ガス流路溝１２０の中、少なくとも一以上の前記燃料ガス流路溝１２０に対応して、アノード側電極２８を構成するガス拡散層に切欠き部位１２６を設けることにより、起動用流路部１２８が構成される。

各ガス拡散層は、切欠き部位１２２、１２６を設けることにより、起動用流路部１２４、１２８に配置される部位の厚さが、他の酸化剤ガス流路溝１１８及び燃料ガス流路溝１２０に配置される部位の厚さよりも小さく設定される。切欠き部位１２２、１２６は、矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

このように構成される第６の実施形態では、カソード側電極２６のガス拡散層２６ａに切欠き部位１２２を設けることにより、他の部位に比べて厚さの小さな部位に起動用流路部１２４が構成されている。同様に、アノード側電極２８を構成するガス拡散層２８ａに切欠き部位１２６を設けることにより、他の部位よりも厚さの小さな部位に対応して起動用流路部１２８が構成されている。

従って、各酸化剤ガス流路溝１１８に供給された酸化剤ガスは、起動用流路部１２４で電極触媒層に対し迅速に供給されるとともに、矢印Ｃ方向に対して迅速に流動し、発電反応が早期に遂行される。同様に、各燃料ガス流路溝１２０に供給された燃料ガスは、切欠き部位１２６が設けられている起動用流路部１２８で電極触媒層に迅速に供給されるとともに、矢印Ｃ方向に対して迅速に流動する。

これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスは、発電面内の広範囲に対してより早く到達し、発電の安定化が迅速に遂行される等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１１０…燃料電池 １１…燃料電池スタック
１２、１１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、１１４、１１６…金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４…固体高分子電解質膜 ２６…カソード側電極
２８…アノード側電極 ３０…酸化剤ガス流路
３０ａ、１１８…酸化剤ガス流路溝
３３、３５、７２、８２、９４、１０２、１２４、１２８…起動用流路部
３４…燃料ガス流路 ３４ａ、１２０…燃料ガス流路溝
３８…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材
７０、８０、９０、１００…反応ガス流路
７０ａ、８０ａ、９０ａ、１００ａ…反応ガス流路溝
７０ｂ、９０ｂ、１００ｂ…波状凸部
７４ａ、７４ｂ…分岐部 ９０ｂ１…ガイド部
１２２、１２６…切欠き部位

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記反応ガス流路は、複数の反応ガス流路溝を有するとともに、
   前記反応ガス流路の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられ、
   前記反応ガス流路溝は、前記反応ガスが、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス出口連通孔に向かって他の前記反応ガス流路溝よりも速く到達する複数の起動用流路部を構成し、
   １以上の前記起動用流路部と１以上の他の前記反応ガス流路溝とが、前記反応ガス流路の流路幅方向に沿って交互に配設されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記起動用流路部は、他の前記反応ガス流路溝よりも圧力損失の小さな部位を有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記電極は、ガス拡散層を有し、
   前記ガス拡散層は、前記起動用流路部に配置される部位の厚さが、他の前記反応ガス流路溝に配置される部位の厚さよりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、前記起動用流路部は、互いに隣接する複数の波状の前記反応ガス流路溝を有し、
   互いに隣接する前記反応ガス流路溝には、前記反応ガスをそれぞれの前記反応ガス流路溝に導入させるための分岐部が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガスは、燃料ガスであることを特徴とする燃料電池。

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