燃料電池
【課題】氷点下で燃料電池を起動する際に、十分な始動性を発揮すること。
【解決手段】発電部の一方の面に沿うように位置し、複数の酸化剤ガス供給口１４３ａ〜１４７ａのそれぞれから複数の酸化剤ガス排出口１４３ｂ〜１４７ｂのそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経Ｒ１〜Ｒ３路を備え、第１の分割発電領域Ｓ１の対応する酸化剤ガス供給口１４３ａの開口面積が、第２、第３の分割発電領域Ｓ２，Ｓ３の対応する酸化剤ガス供給口１４５ａ、１４７ａの開口面積よりも小さくして、第１の分割発電領域Ｓ１から出力される電流密度が、他の分割発電領域Ｓ２，Ｓ３から出力される電流密度よりも小さくする。
【解決手段】発電部の一方の面に沿うように位置し、複数の酸化剤ガス供給口１４３ａ〜１４７ａのそれぞれから複数の酸化剤ガス排出口１４３ｂ〜１４７ｂのそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経Ｒ１〜Ｒ３路を備え、第１の分割発電領域Ｓ１の対応する酸化剤ガス供給口１４３ａの開口面積が、第２、第３の分割発電領域Ｓ２，Ｓ３の対応する酸化剤ガス供給口１４５ａ、１４７ａの開口面積よりも小さくして、第１の分割発電領域Ｓ１から出力される電流密度が、他の分割発電領域Ｓ２，Ｓ３から出力される電流密度よりも小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、発電に伴ってカソードに水が生成される。氷点下で燃料電池を起動する場合、この生成水がガス流路で凍結し、ガス流路が閉塞する虞があった。そこで、ガス流路に連結される入り口側マニホールドの流路断面積を大きくして、この部分での流通を可能とし、結果として、ガス流路での閉塞を防止する燃料電池が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４３０１３号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、生成水は変わらず生成されることから、氷点下で生成水が凍結し、ガスの流れが阻害されてしまう虞があった。このために、前記従来の技術では、氷点下で燃料電池を起動する際に、十分な始動性を発揮することができないのが実情であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、氷点下で燃料電池を起動する際に、十分な始動性を発揮することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池であって、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う発電部と、前記発電部の周囲に配置される複数の酸化剤ガス供給口と、前記発電部の周囲に配置され、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれに対応する複数の酸化剤ガス排出口と、前記発電部の一方の面に沿うように位置し、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれから前記複数の酸化剤ガス排出口のそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経路とを備え、前記発電部における前記複数の酸化剤ガス経路のそれぞれが位置する複数の分割発電領域のうちの第１の分割発電領域から出力される電流密度が、前記複数の分割発電領域のうちの第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなるように、前記発電部の発電を部分的に抑制したことを特徴とする燃料電池。
【０００８】
適用例１に係る燃料電池では、発電部において第１の分割発電領域から出力される電流密度が、第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなる。このために、発電部の面内に発電分布の偏りが生じることになり、生成水の発生が少なく、常に乾き気味になっている箇所（前記第１の分割発電領域に相当する）が作られる。この乾き気味の箇所は、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、電力を取り出すことができる。したがって、適用例１に係る燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１０】
適用例２に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、生成水量を減らすために設けた第１の分割発電領域以外の発電領域が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口以外の酸化剤ガス供給口からの酸化剤ガスが第１の分割発電領域へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、複数のストレート溝によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１２】
適用例３に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が多孔体を材料とする多孔体流路層により構成され、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が直線状のストレート溝により構成されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１４】
適用例４に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路を多孔体により構成することで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路の気孔率が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路の気孔率よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１６】
適用例５に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する、多孔体である酸化剤ガス経路の気孔率を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１７】
［適用例６］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さが、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さよりも低いことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１８】
適用例６に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する、多孔体である酸化剤ガス経路における発電部に垂直な方向の高さを低くすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１９】
［適用例７］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記複数の酸化剤ガス経路は、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分が潰されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００２０】
適用例７に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分を潰すことで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００２１】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし７以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、適用例１ないし７のうちのいずれかの燃料電池を備える燃料電池システムの態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】参考例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】カソード側セパレータ３０の平面図である。
【図３】第１実施例におけるカソード側セパレータ１３０の平面図である。
【図４】第２実施例におけるカソード側セパレータ２３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図５】第３実施例におけるカソード側セパレータ３３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図６】第４実施例におけるカソード側セパレータ４３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図７】第５実施例におけるカソード側セパレータ５３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図８】第６実施例におけるカソード側セパレータ６３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２４】
Ａ．参考例：
本発明の実施例を説明するにあたり参考とする参考例を、まず説明する。図１は、参考例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。参考例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を、ガス拡散層１３、１４で挟持し、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３、１４をさらに両側からセパレータ２０、３０によって挟持することによって構成されている。
【００２５】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層１３、１４は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。ＭＥＡ１２およびガス拡散層１３、１４が、本発明でいう「発電部」に相当する。
【００２６】
アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とには、電気化学反応に供される反応ガスの流路として機能するガス流路形成部５１、５３が設けられている。詳しくは、アノード側セパレータ２０に設けられたガス流路形成部５１は、ＭＥＡ１２に備えられるアノード側ガス拡散層１３の面に沿うように配置され、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路として機能する。カソード側セパレータ３０に設けられたガス流路形成部５３は、ＭＥＡ１２に備えられるカソード側ガス拡散層１４の面に沿うように配置され、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスが通過する単セル内酸化剤ガス流路として機能する。
【００２７】
ガス流路形成部５１、５３は、セパレータ２０、３０を構成する板材に溝部を形成することで構成したもの、セパレータ２０、３０を構成する板材に凹部を形成し、この凹部に多孔体を配置することで構成したもの等がある。
【００２８】
アノード側セパレータ２０およびカソード側セパレータ３０は、図示するように矩形の薄板であり、矩形の周囲付近に複数の孔が形成されている。セパレータ２０、３０における一対の孔は、複数の単セルを積層したときに、複数の単セルを貫くように設けられており、反応ガスを燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。
【００２９】
詳しくは、矩形の第１の短辺付近に形成された一対の孔４１ａは、上流側の燃料ガスの流路を形成し、矩形の第２の短辺付近に形成された一対の孔４１ｂは、下流側の燃料ガスの流路を形成する。矩形の第１の長辺付近に形成された三対の孔４３ａ、４５ａ、４７ａは、上流側の酸化剤ガスの流路を形成し、矩形の第２の長辺付近に形成された三対の孔４３ｂ、４５ｂ、４７ｂは、下流側の酸化剤ガスの流路を形成する。さらには、矩形の第１の短辺付近に形成された一対の孔４９ａは、上流側の冷却液の流路を形成し、矩形の第２の短辺付近に形成された一対の孔４９ｂは、下流側の冷却液の流路を形成する。
【００３０】
上流側の流路を形成する各孔４１ａ、４３ａ〜４７ａは、ガス流路形成部５１、５３にそれぞれ接続されることで、外部から送られてきた反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を各単セルに分配する反応ガスの供給マニホールドとして機能する。下流側の流路を形成する各孔４１ｂ、４３ｂ〜４７ｂは、ガス流路形成部５１、５３の他方端（上記各孔４１ａ、４３ａ〜４７ａが接続されたと反対側の端部）にそれぞれ接続されることで、各単セル１０から排出された反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を集合させて燃料電池の外部へ導く反応ガスの排出マニホールドとして機能する。
【００３１】
ここで、酸化剤ガスについての供給マニホールドとして機能する４３ａ〜４７ａは、本発明でいう「酸化剤ガス供給口」に相当し、酸化剤ガスについての排出マニホールドとして機能する４３ｂ〜４７ｂは、本発明でいう「酸化剤ガス排出口」に相当する。
【００３２】
図２は、カソード側セパレータ３０の平面図である。前述したように、カソード側セパレータ３０が構成されることにより、ガス流路形成部５３において、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１と、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２と、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３とが形成されることになる。この参考例においては、第１ないし第３の酸化剤ガス経路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、同一の流速でもって流れる。この結果、参考例では、ＭＥＡ１２に備えられるカソード側ガス拡散層１４の面に均等に酸化剤ガスが供給され、発電部の面内における発電分布は均等となる。
【００３３】
Ｂ．第１実施例：
本発明の第１実施例について、次に説明する。第１実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００３４】
図３は、第１実施例におけるカソード側セパレータ１３０の平面図である。図示するように、カソード側セパレータ１３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔１４３ａ〜１４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔１４３ｂ〜１４７ｂとを備える。なお、カソード側セパレータ１３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、燃料ガス用、冷却水用の孔４１ａ、４１ｂ、４９ａ、４９ｂも備えるが、これらは本発明の本質部分ではないことから、ここでは言及しない。以下、第２実施例ないし第６実施例についても同様に言及しない。
【００３５】
参考例のカソード側セパレータ３０では、上流側の酸化剤ガス流路を形成する各孔４３ａ〜４７ａの開口面積は同一であったが、第１実施例における各孔１４３ａ〜１４７ａの開口面積は異なったものとなっている。詳しくは、第２の孔１４５ａと第３の孔１４７ａとの開口面積は同一であり、第１の孔１４３ａの開口面積は、第２、第３の孔１４５ａ、１４７ａの開口面積に比べて小さくなっている。本実施例では、１／２の開口面積となっている。
【００３６】
このため、カソード側セパレータ３０に備えられるガス流路形成部１５３において、孔１４３ａから孔１４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ１２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ１３の流速と比較して、小さい。本実施例では、１／２の流速となっている。
【００３７】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ１１が位置する第１の分割発電領域Ｓ１は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ１２が位置する第２の分割発電領域Ｓ２や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ１３が位置する第３の分割発電領域Ｓ３と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域Ｓ１は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この分割発電領域Ｓ１からは電力を取り出すことができる。また、生成水量を減らすために設けた第１の分割発電領域Ｓ１以外の発電領域Ｓ２、Ｓ３が凍結することにより、第１の分割発電領域Ｓ１の対応する酸化剤ガス流路Ｒ１１を形成する孔１４３ａ以外の孔１４５ａ、１４７ａからの酸化剤ガスが第１の分割発電領域Ｓ１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域Ｓ１における発電量が向上するという作用もある。この結果、第１実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００３８】
なお、第１の分割発電領域Ｓ１は、本発明でいう「第１の分割発電領域」に相当し、第２の分割発電領域Ｓ２および第３の分割発電領域Ｓ３のうちのいずれかが、本発明でいう「第２の分割発電領域」に相当する。ここで言う「第１の」、「第２の」という呼び名は、複数の分割発電領域のうちの一つと、それ以外の分割発電領域のうちの一つとを区別して特定するためのものである。
【００３９】
Ｃ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００４０】
図４は、第２実施例におけるカソード側セパレータ２３０を示す説明図である。詳しくは、図４（イ）はカソード側セパレータ２３０の平面図であり、図４（ロ）は図４(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図４（ハ）は図４(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００４１】
図４（イ）に示すように、カソード側セパレータ２３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００４２】
本第２実施例では、カソード側セパレータ２３０に備えられるガス流路形成部２５３は、直線状に延びる多数の溝部（以下、「ストレート溝」と呼ぶ）６０により構成されている（図４（ロ）、図４（ハ））。多数のストレート溝６０は、図４（イ）の上から下に向かうように配置されており、カソード側セパレータ３０に配置された上流側の孔１４３ａ〜１４７ａのいずれかと、下流側の孔１４３ｂ〜１４７ｂのいずれかとに接続されている。
【００４３】
なお、各ストレート溝６０は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１に含まれるものと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２に含まれるものと、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３に含まれるものとで異なった開口面積となっている。ここで、「開口面積」とは、延び方向に対して直角に切ったときの断面積である。詳しくは、第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２に含まれるストレート溝６０と第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３に含まれるストレート溝６０との開口面積は同一であり、図４（ロ）、図４（ハ）に示すように、第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１に含まれるストレート溝６０（他のストレート溝と区別するために６０ａとも呼ぶ）の開口面積は、第２、第３の酸化剤ガス経路Ｒ２２、Ｒ２３に含まれるストレート溝６０の開口面積に比べて小さくなっている。本実施例では、溝の高さを１／２とすることで、１／２の開口面積となっている。
【００４４】
このため、カソード側セパレータ２３０に備えられるガス流路形成部２５３において、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３の流速と比較して、小さい。本実施例では、１／２の流速となっている。
【００４５】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ２２，Ｒ２３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ２１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ２１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第２実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００４６】
なお、この第２実施例では、ストレート溝の高さを低くすることで、開口面積を小さくしているが、これに換えて、ストレート溝の溝幅を小さくすることで、開口面積を小さくするようにしてもよい。
【００４７】
Ｄ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、次に説明する。第３実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００４８】
図５は、第３実施例におけるカソード側セパレータ３３０を示す説明図である。詳しくは、図５（イ）はカソード側セパレータ３３０の平面図であり、図５（ロ）は図５(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図５（ハ）は図５(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００４９】
図５（イ）に示すように、カソード側セパレータ３３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００５０】
本第３実施例では、カソード側セパレータ３３０に備えられるガス流路形成部３５３が、参考例のガス流路形成部５３と相違する。本実施例のガス流路形成部３５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１に相当する部分３５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３に相当するその他の部分３５３ｂとにより区分けされており、前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ１に相当する部分３５３ａが多孔体流路層により構成され（図５（ロ））、その他の部分３５３ｂが第２実施例と同じストレート溝３６０（図５（ハ））を備えるように構成されている。多孔体は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。金属多孔体は、例えば、発泡金属を焼結させたものや、エキスパンドメタル等を適用可能である。
【００５１】
以上のように構成された第３実施例によれば、多孔体流路層を流れる酸化剤ガスの圧損が、ストレート溝の圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ３１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ３２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３３の流速と比較して、小さい。
【００５２】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ３１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ３２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ３３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ３２，Ｒ３３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ３１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ３１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第３実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００５３】
Ｅ．第４実施例：
本発明の第４実施例について、次に説明する。第４実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００５４】
図６は、第４実施例におけるカソード側セパレータ４３０を示す説明図である。詳しくは、図６（イ）はカソード側セパレータ４３０の平面図であり、図６（ロ）は図６(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図６（ハ）は図６(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００５５】
図６（イ）に示すように、カソード側セパレータ４３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００５６】
第４実施例では、カソード側セパレータ４３０に備えられるガス流路形成部４５３が、参考例のガス流路形成部５３と相違する。本実施例のガス流路形成部４５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３に相当するその他の部分４５３ｂとにより区分けされている。前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａは、第１の多孔体を材料とする多孔体流路層により構成され、前記その他の部分４５３ｂは、第２の多孔体を材料とする多孔体流路層により構成されている。前記第１の多孔体は、前記第２の多孔体よりも気孔率が小さいものである。例えば、第１の多孔体の気孔率は６０［％］未満であり、第２の多孔体の気孔率は６０〜７０［％］である。
【００５７】
以上のように構成された第４実施例によれば、第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａを流れる酸化剤ガスの圧損が、その他の部分４５３ｂを流れる酸化剤ガスの圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３の流速と比較して、小さい。
【００５８】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ４２，Ｒ４３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ４１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ４１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第４実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００５９】
Ｆ．第５実施例：
図７は、第５実施例におけるカソード側セパレータ５３０を示す説明図である。詳しくは、図７（イ）はカソード側セパレータ５３０の平面図であり、図７（ロ）は図７(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図７（ハ）は図７(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００６０】
第５実施例では、第４実施例と同様に、カソード側セパレータ５３０に備えられるガス流路形成部５５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３に相当するその他の部分５５３ｂとにより区分けされている。前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａは、多孔体を材料とし第１の高さｈ１を有する多孔体流路層により構成され、前記その他の部分５５３ｂは、前記部分５５３ａと同一種類の多孔体を材料とし第２の高さｈ２を有する多孔体流路層により構成されている。ここで、高さｈ１、ｈ２は発電部に垂直な方向の高さ（すなわち、積層方向）であり、第１の高さｈ１は第２の高さｈ２よりも低く、例えば、１／２の高さとなっている。
【００６１】
以上のように構成された第５実施例によれば、第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａを流れる酸化剤ガスの圧損が、その他の部分５５３ｂを流れる酸化剤ガスの圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３の流速と比較して、小さい。
【００６２】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ５２，Ｒ５３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ５１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ５１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第５実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００６３】
Ｇ．第６実施例：
図８は、第６実施例におけるカソード側セパレータ６３０を示す説明図である。詳しくは、図８（イ）はカソード側セパレータ６３０の平面図であり、図８（ロ）は図８(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図８（ハ）は図８(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図であり、図８（ニ）は図８(イ)におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【００６４】
第６実施例では、カソード側セパレータ６３０に備えられるガス流路形成部６５３は、多孔体を材料とする多孔体流路層により構成されている。多孔体は、ガス流路形成部４５３全域で同一の材料が使われている。ただし、この第６実施例では、多孔体流路層における、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１に相当する部分６５３ａの一部分、好ましくは、図８（ニ）に示すように、上流側の孔４３ａに近い側の一部分ＰＸが潰されている。このつぶれた部分は、酸化剤ガスを十分に通過させない。
【００６５】
したがって、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ６２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ６３の流速と比較して、小さくなる。このため、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ６２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ６３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ６２，Ｒ６３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ６１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ６１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第６実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００６６】
Ｈ．他の実施形態：
この発明は第１ないし第６実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６７】
・第１変形例：
第１ないし第６実施例の各燃料電池では、発電部における第１の酸化剤ガス経路が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）から出力される電流密度が、第２の酸化剤ガス経路が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）から出力される電流密度や、第３の酸化剤ガス経路が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）から出力される電流密度よりも小さくなるように、発電部の発電を部分的に抑制している。そして、この発電の抑制をどのように実現するかを、第１ないし第６実施例で種々に説明してきたが、こうした実現の態様はこれらに限る必要はなく、例えば、各酸化剤ガス経路を複数のストレート溝によりそれぞれ構成し、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路に含まれる複数のストレート溝のうちの一部を閉塞する構成等、種々の手法により実現することができる。
【００６８】
・第２変形例：
第１ないし第６実施例の各燃料電池では、第２および第３の分割発電領域から出力される電流密度が同じであり、この電流密度よりも第１の分割発電領域から出力される電流密度が小さくなるように構成されているが、これに換えて、第２および第３の分割発電領域から出力される各電流密度が相違し、両方の電流密度よりも第１の分割発電領域から出力される電流密度が小さくなるように構成してもよい。また、電流密度が低い分割発電領域は、ガス流路形成部２５３において一方の辺側に位置する第１の分割発電領域としていたが、これに換えて、中央に位置する第２の分割発電領域を電流密度が低い構成としてもよい。
【００６９】
・第３変形例：
各実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００７０】
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…単セル
１３…アノード側ガス拡散層
１４…カソード側ガス拡散層
２０…アノード側セパレータ
３０…カソード側セパレータ
４１ａ〜４９ａ、４１ｂ〜４９ｂ…孔
５１…ガス流路形成部
５３…ガス流路形成部
６０…ストレート溝
１３０…カソード側セパレータ
１５３…ガス流路形成部
２３０…カソード側セパレータ
２５３…ガス流路形成部
３３０…カソード側セパレータ
３５３…ガス流路形成部
３６０…ストレート溝
４３０…カソード側セパレータ
４５３…ガス流路形成部
５３０…カソード側セパレータ
５５３…ガス流路形成部
６３０…カソード側セパレータ
６５３…ガス流路形成部
Ｒ１…第１の酸化剤ガス経路
Ｓ１…第１の分割発電領域
Ｒ２…第２の酸化剤ガス経路
Ｓ２…第２の分割発電領域
Ｒ３…第３の酸化剤ガス経路
Ｓ３…第３の分割発電領域
Ｒ１１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ１２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ１３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ２１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ２２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ２３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ３１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ３２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ３３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ４１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ４２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ４３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ５１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ５２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ５３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ６１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ６２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ６３…第３の酸化剤ガス経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、発電に伴ってカソードに水が生成される。氷点下で燃料電池を起動する場合、この生成水がガス流路で凍結し、ガス流路が閉塞する虞があった。そこで、ガス流路に連結される入り口側マニホールドの流路断面積を大きくして、この部分での流通を可能とし、結果として、ガス流路での閉塞を防止する燃料電池が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４３０１３号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、生成水は変わらず生成されることから、氷点下で生成水が凍結し、ガスの流れが阻害されてしまう虞があった。このために、前記従来の技術では、氷点下で燃料電池を起動する際に、十分な始動性を発揮することができないのが実情であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、氷点下で燃料電池を起動する際に、十分な始動性を発揮することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池であって、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う発電部と、前記発電部の周囲に配置される複数の酸化剤ガス供給口と、前記発電部の周囲に配置され、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれに対応する複数の酸化剤ガス排出口と、前記発電部の一方の面に沿うように位置し、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれから前記複数の酸化剤ガス排出口のそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経路とを備え、前記発電部における前記複数の酸化剤ガス経路のそれぞれが位置する複数の分割発電領域のうちの第１の分割発電領域から出力される電流密度が、前記複数の分割発電領域のうちの第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなるように、前記発電部の発電を部分的に抑制したことを特徴とする燃料電池。
【０００８】
適用例１に係る燃料電池では、発電部において第１の分割発電領域から出力される電流密度が、第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなる。このために、発電部の面内に発電分布の偏りが生じることになり、生成水の発生が少なく、常に乾き気味になっている箇所（前記第１の分割発電領域に相当する）が作られる。この乾き気味の箇所は、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、電力を取り出すことができる。したがって、適用例１に係る燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１０】
適用例２に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、生成水量を減らすために設けた第１の分割発電領域以外の発電領域が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口以外の酸化剤ガス供給口からの酸化剤ガスが第１の分割発電領域へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、複数のストレート溝によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１２】
適用例３に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が多孔体を材料とする多孔体流路層により構成され、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が直線状のストレート溝により構成されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１４】
適用例４に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路を多孔体により構成することで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路の気孔率が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路の気孔率よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１６】
適用例５に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する、多孔体である酸化剤ガス経路の気孔率を小さくすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１７】
［適用例６］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さが、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さよりも低いことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００１８】
適用例６に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する、多孔体である酸化剤ガス経路における発電部に垂直な方向の高さを低くすることで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００１９】
［適用例７］ 適用例１に記載の燃料電池において、前記複数の酸化剤ガス経路は、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分が潰されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【００２０】
適用例７に係る燃料電池によれば、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分を潰すことで、第１の分割発電領域の発電の抑制が実現される。また、適用例２と同様に、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。したがって、簡単な構成により、十分な始動性を発揮することができる。
【００２１】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし７以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、適用例１ないし７のうちのいずれかの燃料電池を備える燃料電池システムの態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】参考例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】カソード側セパレータ３０の平面図である。
【図３】第１実施例におけるカソード側セパレータ１３０の平面図である。
【図４】第２実施例におけるカソード側セパレータ２３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図５】第３実施例におけるカソード側セパレータ３３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図６】第４実施例におけるカソード側セパレータ４３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図７】第５実施例におけるカソード側セパレータ５３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【図８】第６実施例におけるカソード側セパレータ６３０の平面図、各断面図を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２４】
Ａ．参考例：
本発明の実施例を説明するにあたり参考とする参考例を、まず説明する。図１は、参考例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。参考例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を、ガス拡散層１３、１４で挟持し、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３、１４をさらに両側からセパレータ２０、３０によって挟持することによって構成されている。
【００２５】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層１３、１４は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。ＭＥＡ１２およびガス拡散層１３、１４が、本発明でいう「発電部」に相当する。
【００２６】
アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とには、電気化学反応に供される反応ガスの流路として機能するガス流路形成部５１、５３が設けられている。詳しくは、アノード側セパレータ２０に設けられたガス流路形成部５１は、ＭＥＡ１２に備えられるアノード側ガス拡散層１３の面に沿うように配置され、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路として機能する。カソード側セパレータ３０に設けられたガス流路形成部５３は、ＭＥＡ１２に備えられるカソード側ガス拡散層１４の面に沿うように配置され、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスが通過する単セル内酸化剤ガス流路として機能する。
【００２７】
ガス流路形成部５１、５３は、セパレータ２０、３０を構成する板材に溝部を形成することで構成したもの、セパレータ２０、３０を構成する板材に凹部を形成し、この凹部に多孔体を配置することで構成したもの等がある。
【００２８】
アノード側セパレータ２０およびカソード側セパレータ３０は、図示するように矩形の薄板であり、矩形の周囲付近に複数の孔が形成されている。セパレータ２０、３０における一対の孔は、複数の単セルを積層したときに、複数の単セルを貫くように設けられており、反応ガスを燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。
【００２９】
詳しくは、矩形の第１の短辺付近に形成された一対の孔４１ａは、上流側の燃料ガスの流路を形成し、矩形の第２の短辺付近に形成された一対の孔４１ｂは、下流側の燃料ガスの流路を形成する。矩形の第１の長辺付近に形成された三対の孔４３ａ、４５ａ、４７ａは、上流側の酸化剤ガスの流路を形成し、矩形の第２の長辺付近に形成された三対の孔４３ｂ、４５ｂ、４７ｂは、下流側の酸化剤ガスの流路を形成する。さらには、矩形の第１の短辺付近に形成された一対の孔４９ａは、上流側の冷却液の流路を形成し、矩形の第２の短辺付近に形成された一対の孔４９ｂは、下流側の冷却液の流路を形成する。
【００３０】
上流側の流路を形成する各孔４１ａ、４３ａ〜４７ａは、ガス流路形成部５１、５３にそれぞれ接続されることで、外部から送られてきた反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を各単セルに分配する反応ガスの供給マニホールドとして機能する。下流側の流路を形成する各孔４１ｂ、４３ｂ〜４７ｂは、ガス流路形成部５１、５３の他方端（上記各孔４１ａ、４３ａ〜４７ａが接続されたと反対側の端部）にそれぞれ接続されることで、各単セル１０から排出された反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を集合させて燃料電池の外部へ導く反応ガスの排出マニホールドとして機能する。
【００３１】
ここで、酸化剤ガスについての供給マニホールドとして機能する４３ａ〜４７ａは、本発明でいう「酸化剤ガス供給口」に相当し、酸化剤ガスについての排出マニホールドとして機能する４３ｂ〜４７ｂは、本発明でいう「酸化剤ガス排出口」に相当する。
【００３２】
図２は、カソード側セパレータ３０の平面図である。前述したように、カソード側セパレータ３０が構成されることにより、ガス流路形成部５３において、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１と、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２と、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３とが形成されることになる。この参考例においては、第１ないし第３の酸化剤ガス経路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、同一の流速でもって流れる。この結果、参考例では、ＭＥＡ１２に備えられるカソード側ガス拡散層１４の面に均等に酸化剤ガスが供給され、発電部の面内における発電分布は均等となる。
【００３３】
Ｂ．第１実施例：
本発明の第１実施例について、次に説明する。第１実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００３４】
図３は、第１実施例におけるカソード側セパレータ１３０の平面図である。図示するように、カソード側セパレータ１３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔１４３ａ〜１４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔１４３ｂ〜１４７ｂとを備える。なお、カソード側セパレータ１３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、燃料ガス用、冷却水用の孔４１ａ、４１ｂ、４９ａ、４９ｂも備えるが、これらは本発明の本質部分ではないことから、ここでは言及しない。以下、第２実施例ないし第６実施例についても同様に言及しない。
【００３５】
参考例のカソード側セパレータ３０では、上流側の酸化剤ガス流路を形成する各孔４３ａ〜４７ａの開口面積は同一であったが、第１実施例における各孔１４３ａ〜１４７ａの開口面積は異なったものとなっている。詳しくは、第２の孔１４５ａと第３の孔１４７ａとの開口面積は同一であり、第１の孔１４３ａの開口面積は、第２、第３の孔１４５ａ、１４７ａの開口面積に比べて小さくなっている。本実施例では、１／２の開口面積となっている。
【００３６】
このため、カソード側セパレータ３０に備えられるガス流路形成部１５３において、孔１４３ａから孔１４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ１２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ１３の流速と比較して、小さい。本実施例では、１／２の流速となっている。
【００３７】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ１１が位置する第１の分割発電領域Ｓ１は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ１２が位置する第２の分割発電領域Ｓ２や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ１３が位置する第３の分割発電領域Ｓ３と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域Ｓ１は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この分割発電領域Ｓ１からは電力を取り出すことができる。また、生成水量を減らすために設けた第１の分割発電領域Ｓ１以外の発電領域Ｓ２、Ｓ３が凍結することにより、第１の分割発電領域Ｓ１の対応する酸化剤ガス流路Ｒ１１を形成する孔１４３ａ以外の孔１４５ａ、１４７ａからの酸化剤ガスが第１の分割発電領域Ｓ１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域Ｓ１における発電量が向上するという作用もある。この結果、第１実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００３８】
なお、第１の分割発電領域Ｓ１は、本発明でいう「第１の分割発電領域」に相当し、第２の分割発電領域Ｓ２および第３の分割発電領域Ｓ３のうちのいずれかが、本発明でいう「第２の分割発電領域」に相当する。ここで言う「第１の」、「第２の」という呼び名は、複数の分割発電領域のうちの一つと、それ以外の分割発電領域のうちの一つとを区別して特定するためのものである。
【００３９】
Ｃ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００４０】
図４は、第２実施例におけるカソード側セパレータ２３０を示す説明図である。詳しくは、図４（イ）はカソード側セパレータ２３０の平面図であり、図４（ロ）は図４(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図４（ハ）は図４(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００４１】
図４（イ）に示すように、カソード側セパレータ２３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００４２】
本第２実施例では、カソード側セパレータ２３０に備えられるガス流路形成部２５３は、直線状に延びる多数の溝部（以下、「ストレート溝」と呼ぶ）６０により構成されている（図４（ロ）、図４（ハ））。多数のストレート溝６０は、図４（イ）の上から下に向かうように配置されており、カソード側セパレータ３０に配置された上流側の孔１４３ａ〜１４７ａのいずれかと、下流側の孔１４３ｂ〜１４７ｂのいずれかとに接続されている。
【００４３】
なお、各ストレート溝６０は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１に含まれるものと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２に含まれるものと、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３に含まれるものとで異なった開口面積となっている。ここで、「開口面積」とは、延び方向に対して直角に切ったときの断面積である。詳しくは、第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２に含まれるストレート溝６０と第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３に含まれるストレート溝６０との開口面積は同一であり、図４（ロ）、図４（ハ）に示すように、第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１に含まれるストレート溝６０（他のストレート溝と区別するために６０ａとも呼ぶ）の開口面積は、第２、第３の酸化剤ガス経路Ｒ２２、Ｒ２３に含まれるストレート溝６０の開口面積に比べて小さくなっている。本実施例では、溝の高さを１／２とすることで、１／２の開口面積となっている。
【００４４】
このため、カソード側セパレータ２３０に備えられるガス流路形成部２５３において、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３の流速と比較して、小さい。本実施例では、１／２の流速となっている。
【００４５】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ２１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ２２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ２３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ２２，Ｒ２３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ２１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ２１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第２実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００４６】
なお、この第２実施例では、ストレート溝の高さを低くすることで、開口面積を小さくしているが、これに換えて、ストレート溝の溝幅を小さくすることで、開口面積を小さくするようにしてもよい。
【００４７】
Ｄ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、次に説明する。第３実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００４８】
図５は、第３実施例におけるカソード側セパレータ３３０を示す説明図である。詳しくは、図５（イ）はカソード側セパレータ３３０の平面図であり、図５（ロ）は図５(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図５（ハ）は図５(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００４９】
図５（イ）に示すように、カソード側セパレータ３３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００５０】
本第３実施例では、カソード側セパレータ３３０に備えられるガス流路形成部３５３が、参考例のガス流路形成部５３と相違する。本実施例のガス流路形成部３５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ１に相当する部分３５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３に相当するその他の部分３５３ｂとにより区分けされており、前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ１に相当する部分３５３ａが多孔体流路層により構成され（図５（ロ））、その他の部分３５３ｂが第２実施例と同じストレート溝３６０（図５（ハ））を備えるように構成されている。多孔体は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。金属多孔体は、例えば、発泡金属を焼結させたものや、エキスパンドメタル等を適用可能である。
【００５１】
以上のように構成された第３実施例によれば、多孔体流路層を流れる酸化剤ガスの圧損が、ストレート溝の圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ３１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ３２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ３３の流速と比較して、小さい。
【００５２】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ３１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ３２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ３３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ３２，Ｒ３３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ３１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ３１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第３実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００５３】
Ｅ．第４実施例：
本発明の第４実施例について、次に説明する。第４実施例における燃料電池内部の単セルの構成は、参考例の単セル１０の構成とよく似通っている。両者の相違点について、以下に説明する。相違点以外については、参考例の単セル１０と同一である。
【００５４】
図６は、第４実施例におけるカソード側セパレータ４３０を示す説明図である。詳しくは、図６（イ）はカソード側セパレータ４３０の平面図であり、図６（ロ）は図６(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図６（ハ）は図６(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００５５】
図６（イ）に示すように、カソード側セパレータ４３０は、参考例のカソード側セパレータ３０と同様に、上流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ａ〜４７ａと、下流側の酸化剤ガス流路を形成する３つの孔４３ｂ〜４７ｂとを備える。各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂは、参考例と同一のものであることから、参考例と同一の符号を付けた。すなわち、各孔４３ａ〜４７ａ、４３ｂ〜４７ｂの開口面積は、参考例と同様に同一である。さらに、図中において、参考例と同一のパーツについては、同一の符号を付けた。
【００５６】
第４実施例では、カソード側セパレータ４３０に備えられるガス流路形成部４５３が、参考例のガス流路形成部５３と相違する。本実施例のガス流路形成部４５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３に相当するその他の部分４５３ｂとにより区分けされている。前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａは、第１の多孔体を材料とする多孔体流路層により構成され、前記その他の部分４５３ｂは、第２の多孔体を材料とする多孔体流路層により構成されている。前記第１の多孔体は、前記第２の多孔体よりも気孔率が小さいものである。例えば、第１の多孔体の気孔率は６０［％］未満であり、第２の多孔体の気孔率は６０〜７０［％］である。
【００５７】
以上のように構成された第４実施例によれば、第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１に相当する部分４５３ａを流れる酸化剤ガスの圧損が、その他の部分４５３ｂを流れる酸化剤ガスの圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３の流速と比較して、小さい。
【００５８】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ４１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ４２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ４３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ４２，Ｒ４３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ４１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ４１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第４実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００５９】
Ｆ．第５実施例：
図７は、第５実施例におけるカソード側セパレータ５３０を示す説明図である。詳しくは、図７（イ）はカソード側セパレータ５３０の平面図であり、図７（ロ）は図７(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図７（ハ）は図７(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００６０】
第５実施例では、第４実施例と同様に、カソード側セパレータ５３０に備えられるガス流路形成部５５３は、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａと、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２および孔４７ａから孔４７ｂに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３に相当するその他の部分５５３ｂとにより区分けされている。前記第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａは、多孔体を材料とし第１の高さｈ１を有する多孔体流路層により構成され、前記その他の部分５５３ｂは、前記部分５５３ａと同一種類の多孔体を材料とし第２の高さｈ２を有する多孔体流路層により構成されている。ここで、高さｈ１、ｈ２は発電部に垂直な方向の高さ（すなわち、積層方向）であり、第１の高さｈ１は第２の高さｈ２よりも低く、例えば、１／２の高さとなっている。
【００６１】
以上のように構成された第５実施例によれば、第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１に相当する部分５５３ａを流れる酸化剤ガスの圧損が、その他の部分５５３ｂを流れる酸化剤ガスの圧損と比べて大きいことから、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３の流速と比較して、小さい。
【００６２】
したがって、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ５１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ５２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ５３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ５２，Ｒ５３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ５１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ５１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第５実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００６３】
Ｇ．第６実施例：
図８は、第６実施例におけるカソード側セパレータ６３０を示す説明図である。詳しくは、図８（イ）はカソード側セパレータ６３０の平面図であり、図８（ロ）は図８(イ)におけるＡ−Ａ線断面図であり、図８（ハ）は図８(イ)におけるＢ−Ｂ線断面図であり、図８（ニ）は図８(イ)におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【００６４】
第６実施例では、カソード側セパレータ６３０に備えられるガス流路形成部６５３は、多孔体を材料とする多孔体流路層により構成されている。多孔体は、ガス流路形成部４５３全域で同一の材料が使われている。ただし、この第６実施例では、多孔体流路層における、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１に相当する部分６５３ａの一部分、好ましくは、図８（ニ）に示すように、上流側の孔４３ａに近い側の一部分ＰＸが潰されている。このつぶれた部分は、酸化剤ガスを十分に通過させない。
【００６５】
したがって、孔４３ａから孔４３ｂに至る第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１の流速は、孔４５ａから孔４５ｂに至る第２の酸化剤ガス経路Ｒ６２の流速や、孔４５ｃから孔４５ｃに至る第３の酸化剤ガス経路Ｒ６３の流速と比較して、小さくなる。このため、発電部における第１の酸化剤ガス経路Ｒ６１が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）は、第２の酸化剤ガス経路Ｒ６２が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）や、第３の酸化剤ガス経路Ｒ６３が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）と比較して、出力される電流密度が小さい。このために、第１の分割発電領域は生成水の発生が少なく、常に乾き気味になることから、氷点下においてもガス流路が閉塞されることなく発電でき、この第１の分割発電領域からは電力を取り出すことができる。また、氷点下において、第２および第３の酸化剤ガス流路Ｒ６２，Ｒ６３が凍結することにより、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス流路Ｒ６１を形成する孔４３ａ以外の孔４５ａ、４７ａからの酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス流路Ｒ６１へ流入してくる。このため、非凍結時と比べ第１の分割発電領域における発電量が向上するという作用もある。この結果、第６実施例の燃料電池では、氷点下で起動する際に、十分な始動性を発揮することができる。
【００６６】
Ｈ．他の実施形態：
この発明は第１ないし第６実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６７】
・第１変形例：
第１ないし第６実施例の各燃料電池では、発電部における第１の酸化剤ガス経路が位置する第１の分割発電領域（図３のＳ１に相当する）から出力される電流密度が、第２の酸化剤ガス経路が位置する第２の分割発電領域（図３のＳ２に相当する）から出力される電流密度や、第３の酸化剤ガス経路が位置する第３の分割発電領域（図３のＳ３に相当する）から出力される電流密度よりも小さくなるように、発電部の発電を部分的に抑制している。そして、この発電の抑制をどのように実現するかを、第１ないし第６実施例で種々に説明してきたが、こうした実現の態様はこれらに限る必要はなく、例えば、各酸化剤ガス経路を複数のストレート溝によりそれぞれ構成し、第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路に含まれる複数のストレート溝のうちの一部を閉塞する構成等、種々の手法により実現することができる。
【００６８】
・第２変形例：
第１ないし第６実施例の各燃料電池では、第２および第３の分割発電領域から出力される電流密度が同じであり、この電流密度よりも第１の分割発電領域から出力される電流密度が小さくなるように構成されているが、これに換えて、第２および第３の分割発電領域から出力される各電流密度が相違し、両方の電流密度よりも第１の分割発電領域から出力される電流密度が小さくなるように構成してもよい。また、電流密度が低い分割発電領域は、ガス流路形成部２５３において一方の辺側に位置する第１の分割発電領域としていたが、これに換えて、中央に位置する第２の分割発電領域を電流密度が低い構成としてもよい。
【００６９】
・第３変形例：
各実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００７０】
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…単セル
１３…アノード側ガス拡散層
１４…カソード側ガス拡散層
２０…アノード側セパレータ
３０…カソード側セパレータ
４１ａ〜４９ａ、４１ｂ〜４９ｂ…孔
５１…ガス流路形成部
５３…ガス流路形成部
６０…ストレート溝
１３０…カソード側セパレータ
１５３…ガス流路形成部
２３０…カソード側セパレータ
２５３…ガス流路形成部
３３０…カソード側セパレータ
３５３…ガス流路形成部
３６０…ストレート溝
４３０…カソード側セパレータ
４５３…ガス流路形成部
５３０…カソード側セパレータ
５５３…ガス流路形成部
６３０…カソード側セパレータ
６５３…ガス流路形成部
Ｒ１…第１の酸化剤ガス経路
Ｓ１…第１の分割発電領域
Ｒ２…第２の酸化剤ガス経路
Ｓ２…第２の分割発電領域
Ｒ３…第３の酸化剤ガス経路
Ｓ３…第３の分割発電領域
Ｒ１１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ１２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ１３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ２１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ２２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ２３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ３１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ３２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ３３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ４１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ４２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ４３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ５１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ５２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ５３…第３の酸化剤ガス経路
Ｒ６１…第１の酸化剤ガス経路
Ｒ６２…第２の酸化剤ガス経路
Ｒ６３…第３の酸化剤ガス経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う発電部と、
前記発電部の周囲に配置される複数の酸化剤ガス供給口と、
前記発電部の周囲に配置され、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれに対応する複数の酸化剤ガス排出口と、
前記発電部の一方の面に沿うように位置し、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれから前記複数の酸化剤ガス排出口のそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経路と
を備え、
前記発電部における前記複数の酸化剤ガス経路のそれぞれが位置する複数の分割発電領域のうちの第１の分割発電領域から出力される電流密度が、前記複数の分割発電領域のうちの第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなるように、前記発電部の発電を部分的に抑制したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、複数のストレート溝によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が多孔体により構成され、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が直線状のストレート溝により構成されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域についての多孔体の気孔率が、前記第２の分割発電領域についての多孔体の気孔率よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さが、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さよりも低いことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記複数の酸化剤ガス経路は、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分が潰されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う発電部と、
前記発電部の周囲に配置される複数の酸化剤ガス供給口と、
前記発電部の周囲に配置され、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれに対応する複数の酸化剤ガス排出口と、
前記発電部の一方の面に沿うように位置し、前記複数の酸化剤ガス供給口のそれぞれから前記複数の酸化剤ガス排出口のそれぞれに至る複数の酸化剤ガス経路と
を備え、
前記発電部における前記複数の酸化剤ガス経路のそれぞれが位置する複数の分割発電領域のうちの第１の分割発電領域から出力される電流密度が、前記複数の分割発電領域のうちの第２の分割発電領域から出力される電流密度よりも小さくなるように、前記発電部の発電を部分的に抑制したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス供給口の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、複数のストレート溝によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積が、前記第２の分割発電領域の対応する各ストレート溝の開口面積よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が多孔体により構成され、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が直線状のストレート溝により構成されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域についての多孔体の気孔率が、前記第２の分割発電領域についての多孔体の気孔率よりも小さいことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路および前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路が、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さが、前記第２の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における前記発電部に垂直な方向の高さよりも低いことで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記複数の酸化剤ガス経路は、同一種類の多孔体によりそれぞれ構成され、前記第１の分割発電領域の対応する酸化剤ガス経路における一部分が潰されることで、前記発電の抑制が実現された燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４３５３８（Ｐ２０１１−２４３５３８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７２３８（Ｐ２０１０−１１７２３８）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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