WO2014013747A1 - 燃料電池 - Google Patents

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橋本　圭二
浩右 川尻
諭 二見
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell.
  • a fuel cell has a stack structure in which a plurality of single cells (fuel cell) 12 as shown in FIG. 11 are stacked (see Patent Document 1).
  • a membrane electrode assembly (MEA) 15 is attached to a joint portion between the pair of frames 13 and 14 included in each single cell 12.
  • the membrane electrode assembly 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 16 made of an ion exchange membrane, an electrode catalyst layer 17 located on the anode side, and an electrode catalyst layer 18 located on the cathode side. The outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 16 is sandwiched between the frames 13 and 14.
  • a gas diffusion layer 19 on the anode side is laminated on the surface of the electrode catalyst layer 17, and a gas diffusion layer 20 on the cathode side is laminated on the surface of the electrode catalyst layer 18. Furthermore, a first gas flow path forming body 21 on the anode side is stacked on the surface of the gas diffusion layer 19, and a second gas flow path forming body 22 on the cathode side is stacked on the surface of the gas diffusion layer 20. Yes.
  • a flat separator 23 is bonded to the surface of the first gas flow path forming body 21, and a flat plate separator 24 is bonded to the surface of the second gas flow path forming body 22.
  • the first gas flow path forming body 21 and the second gas flow path forming body 22 have the same configuration. Therefore, below, the structure of the 2nd gas flow path formation body 22 is demonstrated. However, in FIG. 11 and FIG. 12, the same reference numerals are given to the same parts of the configuration of the first gas flow path forming body 21 as the configuration of the second gas flow path forming body 22.
  • the second gas flow path forming body 22 includes a flat plate 25, and a plurality of first protrusions 26a and second protrusions 26b are cut and raised at a number of locations in the flat plate 25.
  • the first protrusion 26a and the second protrusion 26b are protrusions for forming a gas flow path, and are cut and raised so as to protrude toward the gas diffusion layer 20 side.
  • the second protrusions 26b are formed in a plurality of rows, and the first protrusions 26a are disposed adjacent to the gap between the pair of second protrusions 26b arranged in the same row.
  • a plurality of main flow paths h ⁇ b> 1 that serve as gas flow paths for the oxidant gas are formed between the flat plate material 25 and the gas diffusion layer 20. Is formed. Adjacent main flow channels h1 are communicated with each other by a secondary flow channel h2 formed between the first protrusion 26a and the second protrusion 26b.
  • the flat plate member 25 includes a plurality of small third protrusions protruding toward the separator 24 so as to correspond to the first and second protrusions 26a and 26b and to be located upstream of the gas flow direction P. Part 27 is formed.
  • the 3rd protrusion 27 is a protrusion for forming the water flow path 28, and is extrusion-molded so that it may protrude to the said separator 24 side, as shown in FIG.11 and FIG.12.
  • the depth of the water channel 28 is set, for example, in the range of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • a communication hole 29 penetrating the first and second protrusions 26a, 26b is formed along a direction Q perpendicular to the gas flow direction P.
  • the communication holes 29 are formed so as to open at two locations on the left and right sides of the first projection 26a and on two locations on the left and right sides of the second projection 26b when viewed from the gas flow direction P. ing.
  • the gas passage and the water passage 28 are communicated with each other through the communication hole 29.
  • the water flow path 28 becomes a water guide layer.
  • the first gas flow path forming body 21 is configured in the same manner as the second gas flow path forming body 22 as described above, but the inside of the gas flow path formed by the first gas flow path forming body 21 is The direction in which the fuel gas flows is 90 ° different from the direction in which the oxidant gas flows in the gas flow path formed by the second gas flow path forming body 22. That is, both are orthogonal.
  • Water generated on the cathode side enters the main flow channel h1 of the gas diffusion layer 20 and the gas channel forming body 22 on the cathode side. Further, a part of the water generated on the cathode side reversely diffuses (permeates) the membrane electrode assembly 15, and permeates water into the main flow channel h 1 of the anode-side gas diffusion layer 19 and the gas channel formation body 21. Infiltrate as.
  • the generated water and the permeated water are drained to the main flow channel h1 in the gas flow channel on the anode side and the cathode side, and a part of them flows through the communication hole 29 by the capillary action of the water flow channel 28. It moves to the path 28 (water conveyance layer). The water that has entered the water flow path 28 is moved downstream by the gas flow pressure.
  • the 1st gas flow path formation body 21 and the 2nd gas flow path formation body 22 have the liquid phase separation porous body flow path which is a water guide layer (water flow path 28) while being formed from a porous body.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of the main flow channel h1 and the subflow channel h2 showing a state where water overflowing in the main flow channel h1 stays in the main flow channel h1.
  • the gas flowing through the main flow channel h1 where the retained water R is located is located in the secondary flow channel h2.
  • the pressure loss of the main flow path h1 due to the staying water R is larger than the total value of the pressure losses in the subflow path h2 that has become a detour. Therefore, there is a problem that the staying water R continues to stay without being swept away by the gas. If the staying water continues to stay as it is, on the downstream side of the main flow path h1 where the staying water R is present, the gas diffusibility deteriorates, the current distribution cannot be made uniform, and the power generation performance deteriorates. become.
  • the separators 23 and 24 include a plurality of groove flow paths m extending in the gas flow direction, and the protrusions ma that define the groove flow paths m are in contact with the electrode catalyst layers 17 and 18 of the membrane electrode assembly 15. Are arranged.
  • the gas can push the stagnant water R downstream when the fuel cell is under high load.
  • the load is low, the accumulated water cannot be swept away by the gas pressure, and the retention is continued. For this reason, the gas diffusibility deteriorates and the current distribution cannot be made uniform, and the power generation performance Will get worse.
  • the object of the present invention is to remove stagnant water regardless of high load or low load, improve gas diffusivity and make current distribution uniform, and as a result, improve power generation performance. It is an object to provide a fuel cell capable of performing the above.
  • a fuel cell having a plurality of stacked unit cells, each unit cell having a membrane electrode assembly and a membrane electrode assembly interposed therebetween.
  • a membrane electrode assembly comprising: a solid polymer electrolyte membrane; and an electrode catalyst layer laminated on each of an anode side surface and a cathode side surface of the solid polymer electrolyte membrane And a gas diffusion layer laminated on the outer surface of each electrode catalyst layer, and a gas flow path forming body is laminated on each outer surface of the gas diffusion layer of each single cell, whereby each single cell Has a gas flow path for fuel gas and a gas flow path for oxidant gas, and at least one of the gas flow path forming bodies of each single cell includes a plurality of gas flow paths and adjacent gas flow paths. Between each gas flow path and it A communication path for guiding water in the gas channel to the water channel is provided between the water channel and the adjacent water channel, and the communication channel has a higher pressure loss
  • the communication path guides water in the gas flow path to the water conduit by capillary action. Is done.
  • a fuel cell according to the first or second aspect wherein the gas flow path has a groove shape.
  • At least one of the gas flow path forming bodies of each single cell is in the gas flow path.
  • a communication path is provided at predetermined intervals along the gas flow direction, while on the downstream side of the gas flow direction, a communication path is provided.
  • a fuel cell characterized in that the length in the gas flow direction of the portion of the gas flow path forming body not provided with a downstream communication passage in the gas flow direction is larger than the predetermined interval.
  • the fuel cell according to any one of the first to third aspects, wherein at least one of the gas flow path forming bodies of each single cell is in the gas flow path.
  • the portion on the downstream side of the gas flow direction in which the gas flows is formed flat or lifted so that at least some of the communication paths communicate with each other at a position corresponding to the portion.
  • a fuel cell is provided.
  • the fuel cell according to the first aspect wherein the gas flow path forming body is provided integrally with the separator, and the gas flow path and the water conduit of each gas flow path forming body. Facing the membrane electrode assembly, a fuel cell is provided.
  • the fuel cell according to any one of the first to sixth aspects, wherein the gas flow path and the water conduit of each gas flow path forming body extend linearly.
  • a fuel cell is provided in which the communication path guides water in the gas flow path to the water conduit by capillary action.
  • gas diffusibility can be improved and current distribution can be made uniform regardless of high load and low load, and as a result, power generation performance can be improved. There is an effect.
  • the permeated water touches the communication path, it can flow into the water conduit through the communication path by capillary action. It is possible to suppress the osmotic water from staying in the path.
  • the gas channel can be easily formed by forming the gas channel into a groove shape.
  • the pressure loss of the water conduit is sufficiently larger than the pressure loss of the gas flow path. It is possible to suppress the gas in the flow path from flowing into the water conduit through the communication path.
  • the gas flow path forming body is provided integrally with the separator, and each gas flow path and each water conduit of the gas flow path forming body are formed by the membrane electrode assembly.
  • the gas flow path and the water conduit can be easily formed, and the permeated water can be obtained even when the fuel cell has a low load.
  • it touches the communication path it can be caused to flow into the water conduit through the communication path by capillary action, so that the permeated water can be suppressed in the gas flow path.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • A is a fragmentary perspective view of the 1st, 2nd gas flow path formation body of the fuel cell of FIG. 1
  • (b) is explanatory drawing of the gas flow path and water conduit of the fuel cell of FIG.
  • (b) is a schematic diagram of the gas flow path and communication path of the fuel cell of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a main flow channel and a sub flow channel in which stagnant water exists in the fuel battery cell of FIG. 11.
  • FIG. 10 is a perspective view in a case where stagnant water is present in a groove channel of a separator in another conventional example.
  • the fuel cell 11 of the first embodiment is a solid polymer fuel cell, and has a stack structure including a large number of stacked single cells 12 and a cooling water channel (not shown). ing.
  • the single cell 12 includes a membrane electrode assembly 15 (MEA: Membrane-Electrode-Assembly) in first and second frames 13 and 14 made of synthetic resin such as a synthetic rubber having a square frame shape.
  • MEA Membrane-Electrode-Assembly
  • the first frame 13 defines a fuel gas flow path space 13a inside thereof.
  • the second frame 14 defines an oxidant gas flow passage space 14 a inside thereof.
  • the membrane electrode assembly 15 is disposed between the frames 13 and 14.
  • the single cell 12 includes a first gas flow path forming body 31 made of ferritic SUS (stainless steel), titanium alloy, or carbon housed in the flow path space 13a for the fuel gas, and a flow path space for the oxidant gas. And a second gas flow path forming body 41 made of a ferritic SUS (stainless steel), a titanium alloy, carbon, a titanium alloy plated with gold, or a gold alloy accommodated in 14a. Further, the single cell 12 includes a first separator 23 and a second separator 24 each having a flat plate shape made of ferritic SUS (stainless steel), titanium alloy, or carbon.
  • the 1st separator 23 is joined to the upper surface of the 1st flame
  • the second separator 24 is joined to the lower surface of the second frame 14 and the second gas flow path forming body 41 via a seal ring (not shown).
  • the membrane electrode assembly 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 16, a first electrode catalyst layer 17 and a second electrode catalyst layer 18, and a first gas diffusion layer 19 and a second gas diffusion layer 20. .
  • the first electrode catalyst layer 17 is formed by laminating a catalyst on the anode side surface of the electrolyte membrane 16, that is, the upper surface in FIG.
  • the second electrode catalyst layer 18 is formed by laminating a catalyst on the cathode side surface of the electrolyte membrane 16, that is, the lower surface in FIG.
  • the solid polymer electrolyte membrane 16 is made of a solid polymer material having good proton conductivity in a wet state. Such a solid polymer material includes a fluorine-based polymer film (for example, a Nafion film manufactured by DuPont).
  • the electrode catalyst layers 17 and 18 include carbon particles (not shown), and a large number of catalyst particles made of platinum (Pt) are attached to the surfaces of the carbon particles.
  • the power generation efficiency of the fuel cell can be increased by the catalytic action of the catalyst particles.
  • platinum contained in the electrode catalyst layers 17 and 18 has an action of promoting separation of hydrogen into protons and electrons or promoting a reaction of generating water from oxygen, protons, and electrons. As long as it has an effect
  • a first gas diffusion layer 19 having conductivity is laminated on the electrode catalyst layer 17 on the anode side.
  • a conductive second gas diffusion layer 20 is laminated on the electrode catalyst layer 18 on the cathode side.
  • the gas diffusion layers 19 and 20 are usually made of carbon paper or carbon cloth.
  • the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 will be described. Since the first gas flow path forming body 31 located on the anode side and the second gas flow path forming body 41 located on the cathode side have the same configuration, the configuration of the first gas flow path forming body 31 Only described below. Of course, both may not have the same configuration.
  • the same part as the configuration of the first gas flow path forming body 31 includes each member of the first gas flow path forming body 31.
  • the reference numerals obtained by adding 100 to the reference numerals are attached.
  • the “first separator 23” is the “second separator 24” and the “gas diffusion layer 19” is the “second gas diffusion layer 20”.
  • the “fuel gas flow direction P” should be read as “oxidant gas flow direction Q”, and the reference numerals of the respective members of the first gas flow path forming body 31 should be added by 100.
  • the direction in which the fuel gas flows is indicated by an arrow P.
  • the surface of the first gas flow path forming body 31 on the gas diffusion layer 19 side (the upper surface in FIG. 2 (a)) has a plurality of groove-like shapes extending linearly.
  • a gas flow path 32 is formed.
  • a plurality of water conduits 33 extending in a straight line are provided on the surface of the first gas flow path forming body 31 on the first separator 23 side (the lower surface in FIG. 2A).
  • the first gas flow path forming body 31 is formed such that a cross-sectional shape cut in a direction orthogonal to the fuel gas flow direction P has a substantially waveform.
  • the cross-sectional shape of the 1st gas flow path formation body 31 is not limited to a waveform, For example, a rectangular shape may be sufficient.
  • the gas flow path 32 is formed between a plurality of protrusions 34 extending in the fuel gas flow direction P and protruding toward the gas diffusion layer 19.
  • the water conduit 33 is formed between a plurality of ridges 35 extending in the fuel gas flow direction P and projecting toward the first separator 23.
  • the cross-sectional shape of the first gas flow path forming body 31 is not limited to a sine curve shape, and may be other waveform shapes such as a triangular wave shape and a pulse wave shape.
  • the first gas flow path forming body 31 is orthogonal to the fuel gas flow direction P by press-molding the protrusions 34 and 35.
  • Ribs 37 are provided at predetermined pitches.
  • the rib 37 is formed with a 1 ⁇ 2 pitch shifted from the protrusions 34 and 35 adjacent to each other.
  • the rib 37 has a portion (hereinafter referred to as a baffle plate portion 37 a) that bridges the protrusions 35 in the water conduit 33 and a portion 37 b that is disposed in the gas flow path 32.
  • the baffle plate portion 37a is located between the tops of the ridges 35 and the length thereof is longer than the length of the portion 37b located on the back side of the ridges 35. It has become.
  • the cross-sectional area of the water conduit 33 is narrower than the cross-sectional area of the gas flow path 32. Therefore, since the gas channel 32 has a substantially larger opening cross-sectional area than the water conduit 33 due to the presence of the baffle plate portion 37a, the gas flows mainly through the gas channel 32.
  • a passage 38 is formed in the rib 37 in the length direction of the rib 37, and the passage 38 allows water to pass between the adjacent conduits 33. Yes.
  • the thickness t2 of the rib 37 portion shown in FIG. is substantially the same as the thickness t1 of the portion of the body 31 forming a substantially waveform, the thicknesses of both are not limited to be substantially the same.
  • the top of the protrusion 34 is in contact with the gas diffusion layer 19, and the top of the protrusion 35 is in contact with the first separator 23.
  • the single cell 12 positioned at the uppermost end is cut in a cross-section such that the water conduit 33 appears in the figure, whereas the single cell 12 positioned at the lowermost end is a gas
  • the channel 32 is cut in a cross section as it appears in the figure.
  • a portion corresponding to the baffle plate portion 37 a is perpendicular to the fuel gas flow direction P (that is, the direction in which the gas flow channel 32 extends), and the gas flow channel 32.
  • a plurality of communication passages 36 and openings 36a communicating between the water guide passages 33 and the water guide passages 33 are cut and formed by pressing when the ribs 37 are formed (see FIG. 3).
  • the communication path 36 and the opening 36a have a cross-sectional shape and an open cross-sectional area in which capillary action works.
  • the pressure loss in the communication path 36 is larger than the pressure loss in the gas flow path 32.
  • the pressure loss of the gas flow path 32 at the time of drying in which the communication path 36 is not provided and no stagnant water is generated is ⁇ Pd
  • the communication path 36 is not provided
  • the stagnant water is gas.
  • ⁇ Pw be the pressure loss of the gas flow path 32 when staying in the flow path 32.
  • the coefficient k is a value larger than 1 (1 ⁇ k), and may be 2 or more.
  • the pressure loss of the communication path 36 provided in the gas flow path 32 is assumed to be ⁇ Pi.
  • i 1, 2,..., N
  • n is a communication path 36 located upstream of the gas flow path from the position where the accumulated water is present when the water flow is present in the gas flow path 32.
  • ⁇ Pw k ⁇ ⁇ Pd ⁇ ( ⁇ P1 + ⁇ P2 +... + ⁇ Pn)
  • the communication path 36 has a width and a height perpendicular to the width so that a capillary action is exerted (that is, the cross section). (Size of shape) is set, and a cross-sectional area that defines the pressure loss of the gas flow path 32 (that is, a width that determines the cross-sectional area) is set.
  • a fuel gas (hydrogen gas) is supplied from a fuel gas supply source (for example, a hydrogen cylinder) (not shown) to the frames 13 and 14 and the separators 23 and 24 of each unit cell 12.
  • a fuel gas supply source for example, a hydrogen cylinder
  • An introduction passage R ⁇ b> 1 for supplying the gas to the gas generator 32 is formed, and a lead-out passage R ⁇ b> 2 for leading the fuel off gas used for power generation to the outside is formed.
  • an oxidant gas (air) is introduced into the oxidant gas flow path 132 from an oxidant gas supply source (for example, a compressor) (not shown) into the frames 13 and 14 and the separators 23 and 24 of the single cell 12.
  • the introduction passage M1 is formed, and a lead-out passage M2 for leading the oxidizing off gas used for power generation to the outside is formed.
  • fuel (hydrogen) gas is supplied from the introduction passage R1 into the gas flow path 32 of the first gas flow path forming body 31, and the fuel gas flow direction P (the left side of FIG. Direction).
  • the fuel gas is uniformly supplied to the first electrode catalyst layer 17 by diffusing and passing through the first gas diffusion layer 19 in the gas flow path 32.
  • the oxidant (oxygen) gas supplied by the compressor is supplied to the gas flow path 132 of the second gas flow path forming body 41 through the introduction passage M1, and the inside of the gas flow path 132 is oxidant gas. It flows in the flow direction Q (right direction in FIG. 1).
  • the oxidant gas is uniformly supplied to the second electrode catalyst layer 18 by diffusing and passing through the second gas diffusion layer 20 in the gas flow path 132.
  • a part of the fuel gas that is not used at the time of power generation passes from the fuel gas flow path 32 of the first gas flow path forming body 31 through the lead-out path R2 as the fuel off gas. It is discharged outside. Oxidant gas that has not been used during power generation is discharged from the gas flow path 132 to the outside through the outlet passage M2 as an oxidizing off gas.
  • water is generated in the gas flow path 132 of the second gas flow path forming body 41 on the cathode side by the electrode reaction in the membrane electrode assembly 15 described above.
  • a part of the generated water is discharged to the outlet passage R2 by the flow pressure of the oxidant gas flowing in the gas flow path 132 as shown in FIG. That is, when the fuel cell is under a high load, the oxidant gas does not flow through the communication path 136 but flows while pushing out water in the gas flow path 132.
  • a part of the water flows into the water conduit 133 via the communication passage 136 and is drained to the outlet passage R2.
  • the gas flow becomes weak when the fuel cell is under a low load. In this case, as shown in FIG. Then, the water flows into the water conduit 133 through the communication path 136. For this reason, retention of generated water in the gas flow path 132 is suppressed.
  • the permeated water that has flowed into the fuel gas flow path 32 moves into the gas flow path 32 at low load, when the permeated water touches the communication path 36 in the same manner, the capillary action causes the communication gas to pass through the communication path 36. Then, it flows into the water conduit 33. For this reason, the permeated water stays in the gas flow path 32.
  • the generated water and the permeated water do not stay in the gas flow paths 32 and 132, so that the gas diffusibility is improved and the electrode reaction in the membrane electrode assembly 15 is made uniform, that is, The current distribution can be made uniform, and as a result, the power generation performance is improved.
  • the fuel cell of the present embodiment includes the first separator 23 and the second separator 24 that are provided separately from the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41.
  • the first gas flow path forming body 31 is provided with water conduits 33 and 133 for draining between adjacent gas flow paths 32 and 132. Between the water conduits 33 and 133 and the gas passages 32 and 132 adjacent thereto, communication passages 36 and 136 for guiding water in the gas passages 32 and 132 to the water conduit are provided.
  • the communication paths 36 and 136 have a higher pressure loss than the gas flow paths 32 and 132, respectively.
  • the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 are provided separately from the separator.
  • the gas flow paths 32 and 132 of the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 face the solid polymer electrolyte membrane 16, and the first gas flow path forming body 31 and
  • the water conduits 33 and 133 of the second gas flow path forming body 41 face the first separator 23 and the second separator 24 on the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 side, respectively. ing.
  • the effect (1) can be easily realized.
  • the communication paths 36 and 136 are formed such that the size of the cross-sectional shape thereof is such that the capillary action works, and the water in the gas flow paths 32 and 132 is communicated by the capillary action. 36, 136.
  • the gas flow paths 32 and 132 are groove-shaped, so that the gas flow paths can be easily formed.
  • the gas flow paths 32 and 132 and the water conduits 33 and 133 are formed in a straight line, and the size of the cross-sectional shape of the communication paths 36 and 136 is such that the capillary action works.
  • the water in the gas flow paths 32 and 132 is guided to the water conduit by the capillary action.
  • the gas flow path and the water conduit can be easily formed, and even when the fuel cell has a low load, when the permeated water touches the communication path, capillary action causes the communication path to pass through the communication path. Since it can be made to flow into a water conduit, it can control that permeated water retains in a gas channel.
  • first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 are provided separately from the first separator 23 and the second separator 24.
  • first gas flow path forming body 41 At least one of 31 and the second gas flow path forming body 41 may be provided integrally with the separator.
  • FIG. 5 shows an example of this.
  • a plurality of protrusions 200 having a trapezoidal cross section are provided in parallel to the flat plate-like first separator 23 (second separator 24), and a groove 202 between them is formed.
  • This is a gas passage (gas flow paths 32, 132).
  • the water guide path 33 (water guide path 133) extended linearly along the fuel gas flow direction P (oxidant gas flow direction Q) is provided in the top part of each protrusion 200, and the water guide path 33 (water guide path 133).
  • a communication path 36 (communication path 136) is provided between the gas flow path 32 and the gas flow path 32 (gas flow path 132).
  • the communication path 36 (communication path 136) is formed so that a capillary action works.
  • FIG. 6 shows another example in which the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 are provided integrally with the first separator 23 and the second separator 24.
  • the flat plate material is formed by press molding or the like so that the cross section repeats unevenness, and a plurality of trapezoidal protrusions 200 and a plurality of groove portions 202 are formed in a straight line.
  • the groove 202 is a gas flow path 32 (gas flow path 132).
  • a water conduit 33 (water conduit 133) is formed along the fuel gas flow direction P (oxidant gas flow direction Q).
  • the water conduit 33 (water conduit 133) is provided with a plurality of communication paths 36 (communication paths 136) that open to adjacent gas flow paths 32 (gas flow paths 132).
  • the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 are provided integrally with the first separator 23 and the second separator 24, respectively.
  • the gas flow paths 32 and 132 and the water conduits 33 and 133 of the first gas flow path forming body 31 and the second gas flow path forming body 41 face the solid polymer electrolyte membrane. There exists an effect similar to said (1) of embodiment.
  • water conduit 33 (water conduit 133) does not need to be limited to the arrangement shown in FIGS. 5 and 6, and may be arbitrarily arranged.
  • the plurality of groove-like gas flow paths 32 are formed in a straight line and the plurality of water conduits 33 are provided in a straight line on the side surface on the first separator 23 side.
  • other shapes such as a curved shape may be used.
  • the gas flow path forming body 31 (41) of the fuel cell 11 of the above embodiment may be replaced with a gas flow path forming body 31 (41) as shown in FIG.
  • the fuel gas flow direction P (or oxidant gas flow direction Q) is present in the upstream portion of the fuel gas flow direction P (or oxidant gas flow direction Q).
  • a communication path 36 (136) is provided at predetermined intervals along the line, and a communication path 36 (136) is provided in a downstream portion of the fuel gas flow direction P (or oxidant gas flow direction Q).
  • the length L of the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q) of the portion where the downstream communication passage 36 (136) is not provided in the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q) is It is preferable that the size is larger than the predetermined interval. In this case, the fuel gas (or oxidant gas) in the gas flow path 32 (132) can be prevented from flowing into the water conduit 33 (133) through the communication path 36 (136). This is because, since the communication passage 36 (136) is not provided in the downstream portion of the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q), even the stagnant water exists in the gas flow path 32 (132).
  • the pressure loss of the water conduit 33 (133) is sufficiently larger than the pressure loss of the gas flow channel 32. Since the gas that has flowed into the water conduit 33 (133) is discharged without being used for power generation, it is possible to use gas by suppressing the flow of fuel gas (or oxidant gas) into the water conduit 33 (133). Efficiency can be improved.
  • the gas flow path forming body 31 (41) of the fuel cell 11 of the above embodiment may be replaced with a gas flow path forming body 31 (41) as shown in any of FIGS.
  • the portion on the downstream side in the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q) is flat, and thus at a position corresponding to the same portion.
  • Adjacent water conduits 33 (133) communicate with each other.
  • the downstream portion of the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q) is partially lifted to correspond to the same portion.
  • Some adjacent water conduits 33 (133) communicate with each other at the position.
  • the downstream portion of the fuel gas flow direction P (or the oxidant gas flow direction Q) is lifted and formed at a position corresponding to the same portion. All the water conduits 33 (133) are in communication. In these cases, even if there is stagnant water in the gas flow path 32 (132), the pressure loss of the water conduit 33 (133) is sufficiently larger than the pressure loss of the gas flow path 32, so the gas flow path 32 It is possible to suppress the fuel gas (or oxidant gas) (132) from flowing into the water conduit 33 (133) through the communication path 36 (136).
  • SYMBOLS 11 Fuel cell, 15 ... Membrane electrode assembly, 16 ... Solid polymer electrolyte membrane, 17 ... 1st electrode catalyst layer, 18 ... 2nd electrode catalyst layer, 23 ... 1st separator, 24 ... 2nd separator, 31 ... 1st gas flow path formation body, 32 ... gas flow path, 33 ... water conduit, 36 ... communication path, 41 ... 2nd gas flow path formation body, 132 ... gas flow path, 133 ... water flow path, 136 ... communication path.

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Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関する。
　一般に、燃料電池は、図１１に示すような単セル（燃料電池セル）１２を複数積層したスタック構造を有する（特許文献１参照）。各単セル１２が備える一対のフレーム１３，１４同士の接合部には膜電極接合体（ＭＥＡ）１５が装着されている。膜電極接合体１５は、イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜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。固体高分子電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟着されている。
　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。
　第１ガス流路形成体２１と第２ガス流路形成体２２は同じ構成である。そのため、以下では第２ガス流路形成体２２の構成について説明する。ただし、図１１及び図１２中、第１ガス流路形成体２１の構成において第２ガス流路形成体２２の構成と同一部分には、同一符号を付す。
　第２ガス流路形成体２２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は、ガス流路を形成するための突部であり、ガス拡散層２０側に突出するように切り起こし成形されている。
　第２突部２６ｂは複数列に形成されており、同じ列に並んだ一対の第２突部２６ｂの間の間隙に隣接して第１突部２６ａが配置されている。第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂがガス拡散層２０に接触することによって、平板材２５とガス拡散層２０との間に酸化剤ガスのガス流路となる複数の主流流路ｈ１が形成されている。また、隣接する主流流路ｈ１同士は、第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂ間に形成される副流流路ｈ２により連通されている。
　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Ｐに関して上流側に位置するように、セパレータ２４側に突出した複数の小さな第３突部２７が成形されている。第３突部２７は、水流路２８を形成するための突部であり、図１１及び図１２に示すように前記セパレータ２４側に突出するように押し出し成形されている。前記各第３突部２７が前記セパレータ２４に接触することによって、平板材２５とセパレータ２４との間に水流路２８が形成されている。水流路２８の深さは、例えば、１０μｍ～５０μｍの範囲に設定されている。
　前記第１突部２６ａ及び第２突部２６ｂには、ガスの流れ方向Ｐ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Ｐから見て第１突部２６ａの左側と右側との二箇所及び第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、前記ガス流路と水流路２８とが連通されている。水流路２８は導水層となる。
　なお、第１ガス流路形成体２１は、前述したように第２ガス流路形成体２２と同様に構成されているが、第１ガス流路形成体２１によって形成されたガス流路内を燃料ガスが流れる方向は、第２ガス流路形成体２２によって形成されたガス流路内を酸化剤ガスが流れる方向とは、９０°異なる。即ち、両者は直交する。
　上記のように構成された従来の燃料電池セルでは、発電の際、すなわち、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）がアノード側及びカソード側にそれぞれ供給された際、水素と酸素の電気化学反応によって、カソード側の電極触媒層１８及びガス拡散層２０に水が生成する。また、発電効率を向上するため、燃料ガスと酸化剤ガスは加湿器によりそれぞれ加湿されてから単セル１２に供給されている。
　カソード側で生成した水は、カソード側のガス拡散層２０及びガス流路形成体２２の主流流路ｈ１に浸入する。また、カソード側で生成した水の一部は、前記膜電極接合体１５を逆拡散（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の主流流路ｈ１に浸透水として浸入する。
　このように生成水及び浸透水が、アノード側及びカソード側のガス流路において、主流流路ｈ１に排水され、それらの一部は、水流路２８の毛管作用により、連通孔２９を介して水流路２８（導水層）に移動する。水流路２８に進入した水は、ガスの流動圧力によって、下流側に移動されるようにしている。このように、第１ガス流路形成体２１及び第２ガス流路形成体２２は、多孔体から形成されるとともに導水層（水流路２８）である液相分離多孔体流路を有する。
特開２０１１－１５０８０１号公報
　上記のような液相分離多孔体流路を用いた燃料電池では、低負荷時では、生成水及び浸透水が少ないため、上記のように水が主流流路ｈ１から導水層に移動することにより主流流路ｈ１に留まらず、ガスを主流流路ｈ１に多く流すことができる。
　しかし、高負荷時では、生成水及び浸透水が多くなるため、導水層から主流流路ｈ１に水が溢れることがある。図１３は、主流流路ｈ１に溢れた水が、主流流路ｈ１に滞留している状態を示す主流流路ｈ１及び副流流路ｈ２の模式図である。
　この場合、主流流路ｈ１には多くの副流流路ｈ２が連通しているため、滞留水Ｒがある主流流路ｈ１を流れるガスは、滞留水Ｒがある部位を、副流流路ｈ２を迂回路として迂回し他の主流流路ｈ１に流れる。これは、滞留水Ｒのために主流流路ｈ１の圧損が、迂回路となった副流流路ｈ２における圧損の合計値よりも大きいためである。このため、滞留水Ｒはガスにより押し流されることなく、そのまま滞留し続ける問題があった。滞留水がそのまま滞留し続けると、滞留水Ｒがある主流流路ｈ１の下流側においては、ガス拡散性が悪化するとともに、電流分布の均一化をすることができず、発電性能が悪化することになる。
　また、液相分離多孔体流路を持たない燃料電池では、図１１に示す第１ガス流路形成体２１、第２ガス流路形成体２２を省略する代わりに、例えば、図１４に示すようにセパレータ２３、２４が、ガスの流れ方向に延びる複数の溝流路ｍを備えて、溝流路ｍを区画する突条ｍａが、膜電極接合体１５の電極触媒層１７、１８に接するようにして配置されている。このような燃料電池の場合、図１４に示すように、溝流路ｍ内に滞留水Ｒがあると、燃料電池の高負荷時は、ガスが滞留水Ｒを下流へ押し流していくことができるが、低負荷時にはガスの圧力では滞留水を押し流すことができず、滞留が継続されてしまい、このため、ガス拡散性が悪化するとともに、電流分布の均一化をすることができず、発電性能が悪化することになる。
　本発明の目的は、高負荷時及び低負荷時にかかわらず、滞留水を除去して、ガス拡散性を向上できるとともに電流分布の均一化を図ることができ、その結果、発電性能を向上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、本発明の第１の態様では、スタックされた複数の単セルを有する燃料電池であって、各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を間に挟んで配置される一対のセパレータとを備え、前記膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面にそれぞれ積層された電極触媒層と、各電極触媒層の外側面に積層されたガス拡散層とを備え、各単セルのガス拡散層のそれぞれの外側面にはガス流路形成体が積層されていて、これにより各単セルは燃料ガス用のガス流路及び酸化剤ガス用のガス流路を有しており、各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、複数のガス流路と、隣接するガス流路の間にそれぞれ位置する導水路とを備え、各ガス流路とそれに隣接する導水路との間には、ガス流路内の水を導水路に導くための連通路が設けられており、その連通路がガス流路に比べて高い圧力損失を有することを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第２の態様では、前記第１の態様の燃料電池であって、前記連通路が毛管作用により前記ガス流路内の水を前記導水路に導くことを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第３の態様では、前記第１又は第２の態様の燃料電池であって、前記前記ガス流路が溝状であることを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第４の態様では、前記第１の態様乃至第３の態様のうちいずれか１つの燃料電池であって、各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、ガス流路内をガスが流れる方向であるガス流方向の上流側の部分にはガス流方向に沿って所定間隔ごとに連通路が設けられている一方、ガス流方向の下流側の部分には連通路が設けられておらず、ガス流方向の下流側の連通路が設けられていないガス流路形成体の部分のガス流方向の長さは前記所定間隔の大きさよりも大きいことを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第５の態様では、前記第１の態様乃至第３の態様のうちいずれか１つの燃料電池であって、各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、ガス流路内をガスが流れる方向であるガス流方向の下流側の部分が平坦に形成されるか或いは持ち上げて形成されることにより、同部分に対応する位置で少なくとも一部の連通路が互いに連通していることを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第６の態様では、前記第１の態様の燃料電池であって、前記ガス流路形成体が前記セパレータとそれぞれ一体に設けられ、各ガス流路形成体のガス流路及び導水路が前記膜電極接合体に面していることを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第７の態様では、前記第１の態様乃至第６の態様のうちいずれか１つの燃料電池であって、各ガス流路形成体のガス流路及び導水路が直線状に延びており、前記連通路が毛管作用により前記ガス流路内の水を前記導水路に導くことを特徴とする燃料電池が提供される。
　本発明の第１の態様によれば、高負荷時及び低負荷時にかかわらず、ガス拡散性を向上できるとともに電流分布の均一化を図ることができ、その結果、発電性能を向上することができる効果を奏する。
　本発明の第２の態様によれば、燃料電池の低負荷時においても、浸透水が連通路に触れると毛管作用により、連通路を介して、導水路に流入させることができるため、ガス流路には、浸透水の滞留を抑制することができる。
　本発明の第３の態様によれば、ガス流路は、溝状にすることにより、ガス流路を容易に形成できる。
　本発明の第４の態様及び第５の態様によれば、ガス流路にたとえ滞留水があったとしても、ガス流路の圧損に比べて導水路の圧損が十分に大きくなるために、ガス流路のガスが連通路を通じて導水路に流れ込むのを抑制することができる。
　本発明の第６の態様によれば、前記ガス流路形成体は、前記セパレータとそれぞれ一体に設けられ、前記ガス流路形成体の各ガス流路及び各導水路は、前記膜電極接合体に面していることにより、本発明の第１の態様の効果を容易に実現できる。
　本発明の第７の態様によれば、ガス流路及び導水路を直線状に形成することにより、ガス流路及び導水路を容易に形成できるとともに、燃料電池の低負荷時においても、浸透水が連通路に触れると毛管作用により、連通路を介して、導水路に流入させることができるため、ガス流路には、浸透水の滞留を抑制することができる。
本発明の一実施形態の燃料電池の断面図。 （ａ）は図１の燃料電池の第１，第２ガス流路形成体の部分斜視図、（ｂ）は、図１の燃料電池のガス流路と導水路の説明図。 図１の燃料電池の第１，第２ガス流路形成体の部分斜視図。 （ａ）、（ｂ）は、図１の燃料電池のガス流路と連通路の模式図。 本発明の他の実施形態のセパレータの斜視図。 本発明の他の実施形態のセパレータの斜視図。 本発明の他の実施形態のガス流路形成体の斜視図。 本発明の他の実施形態のガス流路形成体の斜視図。 本発明の他の実施形態のガス流路形成体の斜視図。 本発明の他の実施形態のガス流路形成体の斜視図。 従来例の燃料電池セルの概略断面図。 図１１の燃料電池セルにおける第２ガス流路形成体の部分斜視図。 図１１の燃料電池セルにおいて滞留水が存在する主流流路と副流流路の模式図。 他の従来例においてセパレータの溝流路内に滞留水が存在する場合の斜視図。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の燃料電池を具体化した第１実施形態について図１～図４（ｂ）を参照して説明する。
　図１に示すように、第１実施形態の燃料電池１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の単セル１２と、図示しない冷却水流路とを備えるスタック構造を有している。
　単セル１２は、四角枠状をなす合成ゴム等の合成樹脂製の第１，第２フレーム１３，１４内に、膜電極接合体１５（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。第１フレーム１３は、その内側に燃料ガスの流路空間１３ａを区画している。第２フレーム１４は、その内側に酸化剤ガスの流路空間１４ａを区画している。
　前記膜電極接合体１５は、両フレーム１３，１４間に配設されている。前記単セル１２は、前記燃料ガスの流路空間１３ａに収容されたフェライト系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ガス流路形成体３１と、前記酸化剤ガスの流路空間１４ａに収容されたフェライト系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第２ガス流路形成体４１とを備えている。さらに、前記単セル１２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それぞれ平板状の第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は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体３１の上面に、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、第２フレーム１４及び第２ガス流路形成体４１の下面に、図示しないシールリングを介して接合されている。
　前記膜電極接合体１５は、固体高分子電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、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のアノード側の面、即ち図１中の上面に触媒を積層することにより形成されている。第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード側の面、即ち図１中の下面に触媒を積層することにより形成されている。前記固体高分子電解質膜１６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で作製されている。そのような固体高分子材料としてはフッ素系の高分子膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜等）がある。前記電極触媒層１７，１８は、図示しない炭素粒子を含んでおり、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。なお、電極触媒層１７，１８に含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。
　アノード側の電極触媒層１７には、導電性を有する第１ガス拡散層１９が積層されている。カソード側の電極触媒層１８には、導電性を有する第２ガス拡散層２０が積層されている。ガス拡散層１９，２０は通常、カーボンペーパーやカーボンクロスにより構成されている。
　次に、前記第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１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３１とカソード側に位置する第２ガス流路形成体４１とは同一構成を有しているので、前記第１ガス流路形成体３１の構成についてのみ以下では説明する。もちろん、両者は同一構成でなくてもよい。図１～図４（ｂ）において、第２ガス流路形成体４１の構成のうち、第１ガス流路形成体３１の構成と同一部分には、第１ガス流路形成体３１の各部材の参照符号に１００を足した参照符号を付している。従って、第２ガス流路形成体４１に関しては、下記の説明中、「第１セパレータ２３」を「第２セパレータ２４」に、「前記ガス拡散層１９」を「第２ガス拡散層２０」に、「燃料ガス流方向Ｐ」を「酸化剤ガス流方向Ｑ」にそれぞれ読替えるとともに、第１ガス流路形成体３１の各部材の参照符号に１００を足して読替えされたい。
　図２（ａ）において、燃料ガスの流れる方向を矢印Ｐで表す。図２（ａ）に示すように、第１ガス流路形成体３１のガス拡散層１９側の面（図２（ａ）中の上側の面）には、直線状に延びる複数の溝状のガス流路３２が形成されている。第１ガス流路形成体３１の第１セパレータ２３側の面（図２（ａ）中の下側の面）には、直線状に延びる複数の導水路３３が設けられている。本実施形態では、第１ガス流路形成体３１は、燃料ガス流方向Ｐと直交する方向で切断した断面形状が、略波形となるように形成されている。なお、第１ガス流路形成体３１の断面形状は、波形に限定されるものではなく、例えば、矩形状でもよい。ガス流路３２は、燃料ガス流方向Ｐに延びるとともに前記ガス拡散層１９側に突出した複数の突条３４の間に形成されている。また、前記導水路３３は、燃料ガス流方向Ｐに延びるとともに前記第１セパレータ２３側に突出した複数の突条３５間に形成されている。なお、第１ガス流路形成体３１の断面形状は、サインカーブ状に限定するものではなく、三角波形状、パルス波形状等の他の波形形状であってもよい。
　図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１ガス流路形成体３１には、前記突条３４，３５に対してプレス成形することにより、燃料ガス流方向Ｐと直交するリブ３７が所定ピッチ毎に設けられている。リブ３７は、相互に隣接する突条３４、３５とは、１／２ピッチをずらして形成されている。
　図２（ｂ）に示すように、リブ３７は、導水路３３で突条３５間を架橋する部位（以下、邪魔板部３７ａという）と、ガス流路３２内に配置された部位３７ｂを有する。同図に示すように、リブ３７において、邪魔板部３７ａは、突条３５の頂部側間に位置してその長さが、突条３５の裏側に位置する部位３７ｂの長さよりも長いものとなっている。その結果、ガス流路３２及び導水路３３をリブ３７に沿って切断した場合、導水路３３の断面積の方が、ガス流路３２の断面積よりも狭くなる。従って、邪魔板部３７ａの存在によりガス流路３２の方が開口断面積は実質上導水路３３よりも広いため、ガスはガス流路３２の方を主体に流れることになる。
　図１及び図２（ｂ）に示すように、リブ３７内には、リブ３７の長さ方向に通路３８が形成され、通路３８により、隣接する導水路３３間を水が通過可能にされている。なお、本実施形態では、第１ガス流路形成体３１は、一枚の金属板から形成されているため、図２（ｂ）に示すリブ３７部分の厚みｔ２は、第１ガス流路形成体３１の略波形をなす部分の厚みｔ１と、略同一としているが、両者の厚みは略同一に限定されるものではない。
　前記突条３４の頂点は、図１に示すように前記ガス拡散層１９に当接されるとともに、前記突条３５の頂点は、前記第１セパレータ２３に当接されている。なお、図１において、最上端側に位置する単セル１２は、導水路３３が図中に現れるような断面で切断されているのに対して、最下端側に位置する単セル１２は、ガス流路３２が図中に現れるような断面で切断されている。
　図１に示すように、前記突条３４において、邪魔板部３７ａと対応する部位には、燃料ガス流方向Ｐ（すなわち、ガス流路３２が伸びる方向）と直交して、前記ガス流路３２と導水路３３間を連通する複数の連通路３６及び開孔部３６ａが、前記リブ３７の形成時においてプレスにより切り込み形成されている（図３参照）。連通路３６及び開孔部３６ａは、毛管作用が働く断面形状及び開口断面積を有している。また、連通路３６における圧損は、ガス流路３２における圧損よりも大きくされている。
　ここで、連通路３６の合計の圧損をガス流路３２の圧損よりも大きくする方法について説明する。
　例えば、連通路３６が設けられておらず、かつ、滞留水が生じていない乾燥時のガス流路３２の圧損をΔＰｄとし、同じく連通路３６が設けられておらず、かつ、滞留水がガス流路３２に滞留しているときのガス流路３２の圧損をΔＰｗとする。この両者の関係を、ΔＰｗ＝ｋ・ΔＰｄとする。ここで、係数ｋは１よりも大きい値（１＜ｋ）であり、２以上であってもよい。
　一方、ガス流路３２に設けられている連通路３６の圧損をΔＰｉとする。なお、ｉは、ｉ＝１，２，……，ｎであり、ｎはガス流路３２に滞留水があった場合の滞留水が存在する位置からガス流路の上流に位置する連通路３６の個数である。
　ここで、ガス流路３２の圧損と連通路３６の圧損の関係を、
　ΔＰｗ＝ｋ・ΔＰｄ＜（ΔＰ１＋ΔＰ２＋…＋ΔＰｎ）
とする。
　このようにガス流路３２の圧損及び連通路３６の圧損の大小関係を成立させるべく、かつ、連通路３６が、毛管作用が働くようにその幅及び幅に直交する高さ（すなわち、前記断面形状の大きさ）を設定するとともに、ガス流路３２の圧損を規定する断面積（すなわち、前記断面積を決定する幅等）を設定する。
　図１に示すように、前記各単セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、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（水素ガス）を前記燃料のガス流路３２へ供給するための導入通路Ｒ１が形成されるとともに、発電に供された燃料オフガスを外部に導出するための導出通路Ｒ２が形成されている。
　また、前記単セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、図示しない酸化剤ガス供給源（例えばコンプレッサ）から酸化剤ガス（空気）を前記酸化剤のガス流路１３２へ導入するための導入通路Ｍ１が形成されるとともに、発電に供された酸化オフガスを外部に導出するための導出通路Ｍ２が形成されている。
　（実施形態の作用）
　さて、上記のように構成された燃料電池の作用を説明する。
　図１において、燃料（水素）ガスは、前記導入通路Ｒ１から第１ガス流路形成体３１のガス流路３２内に供給され、ガス流路３２内を燃料ガス流方向Ｐ（図１の左方向）に流れる。燃料ガスは、ガス流路３２内において第１ガス拡散層１９を拡散及び通過することによって第１電極触媒層１７に均一に供給される。図１において、コンプレッサによって供給された酸化剤（酸素）ガスは、前記導入通路Ｍ１を通して、前記第２ガス流路形成体４１のガス流路１３２に供給され、ガス流路１３２内を酸化剤ガス流方向Ｑ（図１の右方向）に流れる。酸化剤ガスは、ガス流路１３２内において第２ガス拡散層２０を拡散及び通過することによって第２電極触媒層１８に均一に供給される。燃料（水素）ガス及び酸化剤（酸素）ガスが供給されることにより、膜電極接合体１５において電極反応が起こり、発電が行われる。その結果、積層された複数の単セル１２及び図示しない冷却水流路によって構成された燃料電池１１から、所望の電力が出力される。
　また、図４（ａ）に示すように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３１の燃料ガス流路３２から導出通路Ｒ２を通って外部に排出される。発電の際に用いられなかった酸化剤ガスは、ガス流路１３２から酸化オフガスとして導出通路Ｍ２を通って外部に排出される。
　また、前述した膜電極接合体１５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４１のガス流路１３２に水が生成する。生成した水の一部は、図４（ｂ）に示すようにガス流路１３２内を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって導出通路Ｒ２に排出される。すなわち、燃料電池が高負荷時には、酸化剤ガスは連通路１３６を流れず、ガス流路１３２の水を押し出しながら流れる。また、一部の水は連通路１３６を介して導水路１３３に流れ、導出通路Ｒ２に排水される。
　なお、前記生成水の一部は、ガス流路１３２内の酸化剤ガスの圧力が燃料ガスのガス流路３２内の燃料ガスの圧力よりも高いので、その圧力差により、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体高分子電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９を浸透して、第１ガス流路形成体３１の燃料ガス流路３２へ浸透水として流入する。この浸透水はガス流路３２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。
　この場合においても、燃料電池が高負荷時には、燃料ガスは連通路３６を流れず、ガス流路３２の水を押し出しながら流れる。
　また、燃料電池の低負荷時では、ガス流（ガスの圧力）は弱くなるが、この場合、図３に示すように、ガス流路１３２の生成水が、連通路１３６に触れると毛管作用により、連通路１３６を介して、導水路１３３に流入する。このため、ガス流路１３２には、生成水の滞留が抑制される。低負荷時において、燃料ガス流路３２へ、流入した浸透水がガス流路３２内に移動した場合には、同様に浸透水が連通路３６に触れると毛管作用により、連通路３６を介して、導水路３３に流入する。このため、ガス流路３２には、浸透水の滞留が抑制される。このようにして、本実施形態では、生成水及び浸透水がガス流路３２、１３２に滞留しなくなるため、ガス拡散性を向上するとともに、膜電極接合体１５における電極反応を均一化して、すなわち、電流分布の均一化を図ることができ、その結果、発電性能が向上する。
　本実施形態の燃料電池によれば、以下のような効果を得ることができる。
　（１）　本実施形態の燃料電池は、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１とは別体に設けられた第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ガス流路形成体３１には、隣接するガス流路３２、１３２間に排水のための導水路３３、１３３が設けられている。導水路３３、１３３とそれに隣接するガス流路３２、１３２との間には、ガス流路３２、１３２内の水を前記導水路に導くための連通路３６、１３６が設けられている。そして、連通路３６、１３６はそれぞれガス流路３２、１３２に比して高い圧力損失を有している。この結果、本実施形態によれば、高負荷時及び低負荷時にかかわらず、ガス拡散性を向上できるとともに電流分布の均一化を図ることができ、その結果、発電性能を向上することができる。
　（２）　本実施形態の燃料電池は、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１は、セパレータとはそれぞれ別体に設けられている。また、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１の各ガス流路３２、１３２は、固体高分子電解質膜１６に面しており、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１の各導水路３３、１３３は、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１側の第１セパレータ２３、及び第２セパレータ２４にそれぞれ面している。これにより、上記（１）の効果を容易に実現できる。
　（３）　本実施形態では、連通路３６、１３６は、その断面形状の大きさが、毛管作用が働く大きさに形成されて、前記ガス流路３２、１３２内の水が毛管作用により連通路３６、１３６に導かれる。この結果、燃料電池の低負荷時においても、浸透水が連通路３６に触れると毛管作用により、連通路３６を介して、導水路３３に流入させることができるため、ガス流路に浸透水が滞留するのを抑制することができる。
　（４）　本実施形態の燃料電池では、ガス流路３２、１３２が溝状であることにより、ガス流路を容易に形成できる。
　（５）　本実施形態の燃料電池では、ガス流路３２、１３２及び導水路３３、１３３は直線状に形成され、前記連通路３６、１３６の断面形状の大きさが、毛管作用が働く大きさに形成されて、ガス流路３２、１３２内の水が前記毛管作用により導水路に導かれている。この結果、本実施形態によれば、ガス流路及び導水路を容易に形成できるとともに、燃料電池の低負荷時においても、浸透水が連通路に触れると毛管作用により、連通路を介して、導水路に流入させることができるため、ガス流路に浸透水が滞留するのを抑制することができる。
　なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
　・　前記実施形態では、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１を第１セパレータ２３、及び第２セパレータ２４とは別体に設けたが、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１の少なくともいずれか一方をセパレータと一体に設けても良い。
　図５は、その一例であり、平板状の第１セパレータ２３（第２セパレータ２４）に対して、断面台形状をなす複数の突条２００を直線状に平行に設けて、その間の溝部２０２をガス通路（ガス流路３２、１３２）としたものである。そして、各突条２００の頂部には、燃料ガス流方向Ｐ（酸化剤ガス流方向Ｑ）に沿って直線状に延びる導水路３３（導水路１３３）を設け、導水路３３（導水路１３３）とガス流路３２（ガス流路１３２）の間には連通路３６（連通路１３６）がそれぞれ設けられている。すなわち、突条２００の導水路３３（導水路１３３）に対しその突条２００を挟んで隣接する一対のガス流路３２（ガス流路１３２）が連通路３６（連通路１３６）を介して連通している。本例においても、連通路３６（連通路１３６）は、毛管作用が働くように形成されている。
　図６は、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１を第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４と一体に設けた他の一例である。
　図６の例では、平板状をなす材料が、プレス成形等により、断面が凹凸を繰り返すように形成されて複数の台形状の突条２００と複数の溝部２０２とが直線状に形成されている。溝部２０２がガス流路３２（ガス流路１３２）とされている。また、各突条２００の頂面には、導水路３３（導水路１３３）が燃料ガス流方向Ｐ（酸化剤ガス流方向Ｑ）に沿って形成されている。また、導水路３３（導水路１３３）には、隣接するガス流路３２（ガス流路１３２）にそれぞれ開口する連通路３６（連通路１３６）が複数個設けられている。
　図５又は図６のセパレータを備える燃料電池によれば、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１は、第１セパレータ２３、及び第２セパレータ２４とそれぞれ一体に設けられ、第１ガス流路形成体３１及び第２ガス流路形成体４１の各ガス流路３２、１３２及び各導水路３３、１３３は、固体高分子電解質膜に面していることにより、第１実施形態の上記（１）と同様の効果を奏する。
　なお、導水路３３（導水路１３３）は、図５、図６に示すような配置に限定される必要はなく、任意に配置してもよい。
　・　前記実施形態では、複数の溝状のガス流路３２が直線状に形成するとともに第１セパレータ２３側側面には、複数の導水路３３を直線状に設けたが、直線状に限定する必要はなく、曲線状等の他の形状にしてもよい。
　・　前記実施形態の燃料電池１１のガス流路形成体３１（４１）は、図７に示すようなガス流路形成体３１（４１）で置き換えられてもよい。図７のガス流路形成体３１（４１）の場合、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の上流側の部分には燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）に沿って所定間隔ごとに連通路３６（１３６）が設けられている一方、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の部分には連通路３６（１３６）が設けられていない。燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の連通路３６（１３６）が設けられていない部分の燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の長さＬは、前記所定間隔の大きさよりも大きいことが好ましい。この場合、ガス流路３２（１３２）の燃料ガス（又は酸化剤ガス）が連通路３６（１３６）を通じて導水路３３（１３３）に流れ込むのを抑制することができる。なぜならば、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の部分に連通路３６（１３６）が設けられていないことにより、ガス流路３２（１３２）にたとえ滞留水がある場合でも、ガス流路３２の圧損に比べて導水路３３（１３３）の圧損が十分に大きくなるためである。導水路３３（１３３）に流れ込んだガスは発電に利用されることなく排出されてしまうため、導水路３３（１３３）への燃料ガス（又は酸化剤ガス）の流れ込みを抑制することにより、ガス利用効率を向上させることができる。
　・　前記実施形態の燃料電池１１のガス流路形成体３１（４１）は、図８～図１０のいずれかに示すようなガス流路形成体３１（４１）で置き換えられてもよい。図８のガス流路形成体３１（４１）の場合、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の部分が平坦になっていることにより、同部分に対応する位置で隣り合う導水路３３（１３３）同士が連通している。図９のガス流路形成体３１（４１）の場合、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の部分を部分的に持ち上げて形成したことにより、同部分に対応する位置で一部の隣接する導水路３３（１３３）同士が連通している。図１０のガス流路形成体３１（４１）の場合、燃料ガス流方向Ｐ（又は酸化剤ガス流方向Ｑ）の下流側の部分をすべて持ち上げて形成したことにより、同部分に対応する位置ですべての導水路３３（１３３）が連通している。これらの場合も、ガス流路３２（１３２）にたとえ滞留水がある場合でも、ガス流路３２の圧損に比べて導水路３３（１３３）の圧損が十分に大きくなるために、ガス流路３２（１３２）の燃料ガス（又は酸化剤ガス）が連通路３６（１３６）を通じて導水路３３（１３３）に流れ込むのを抑制することができる。
　１１…燃料電池、１５…膜電極接合体、１６…固体高分子電解質膜、１７…第１電極触媒層、１８…第２電極触媒層、２３…第１セパレータ、２４…第２セパレータ、３１…第１ガス流路形成体、３２…ガス流路，３３…導水路、３６…連通路、４１…第２ガス流路形成体、１３２…ガス流路、１３３…導水路、１３６…連通路。

Claims (7)

  1. 　スタックされた複数の単セルを有する燃料電池であって、各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を間に挟んで配置される一対のセパレータとを備え、前記膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面にそれぞれ積層された電極触媒層と、各電極触媒層の外側面に積層されたガス拡散層とを備え、各単セルのガス拡散層のそれぞれの外側面にはガス流路形成体が積層されていて、これにより各単セルは燃料ガス用のガス流路及び酸化剤ガス用のガス流路を有しており、
    　各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、複数のガス流路と、隣接するガス流路の間にそれぞれ位置する導水路とを備え、各ガス流路とそれに隣接する導水路との間には、ガス流路内の水を導水路に導くための連通路が設けられており、その連通路がガス流路に比べて高い圧力損失を有することを特徴とする燃料電池。
  2. 　前記連通路は、毛管作用により前記ガス流路内の水を前記導水路に導くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記ガス流路は溝状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
  4. 　各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、ガス流路内をガスが流れる方向であるガス流方向の上流側の部分にはガス流方向に沿って所定間隔ごとに連通路が設けられている一方、ガス流方向の下流側の部分には連通路が設けられておらず、ガス流方向の下流側の連通路が設けられていないガス流路形成体の部分のガス流方向の長さは前記所定間隔の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
  5. 　各単セルのガス流路形成体のうち少なくとも一方は、ガス流路内をガスが流れる方向であるガス流方向の下流側の部分が平坦に形成されるか或いは持ち上げて形成されることにより、同部分に対応する位置で少なくとも一部の連通路が互いに連通していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
  6. 　前記ガス流路形成体は、前記セパレータとそれぞれ一体に設けられ、
    　各ガス流路形成体のガス流路及び導水路は、前記膜電極接合体に面していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  7. 　各ガス流路形成体のガス流路及び導水路は直線状に延びており、前記連通路は、毛管作用により前記ガス流路内の水を前記導水路に導くことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
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