(57)【要約】      （修正有）【課題】外周部が凍結した状態で発電が開始された際のシール性の低下が抑制された燃料電池スタックを提供する。【解決手段】膜電極拡散層接合体及びその外周部の枠状の絶縁部材と、膜電極接合体に対向した第１セパレータと、第１セパレータに対向した第２セパレータとを備え、第１及び第２セパレータの間で冷却水流路部を画定し、第１及び第２セパレータとには、冷却水が流れる第１及び第２マニホールドが形成されており、冷却水流路部は、膜電極拡散層接合体に対向した中央路と、中央路と第１及び第２マニホールドとを接続した第１中継路、第２中継路と、第１中継路及び第２中継路に交差し、第１及び第２セパレータと絶縁部材との外周部に沿って延びた外周路と、外周路と第１マニホールドとを接続し中央路とは非接続である第１案内路とを含み、外周路と第１案内路との間の角度は、第１マニホールド側であって且つ第１中継路とは反対側の角度よりも小さい。【選択図】図７
2020107446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、
前記複数の単セルの少なくとも一つは、
膜電極拡散層接合体と、
前記膜電極拡散層接合体の外周部に接合された枠状の絶縁部材と、
前記膜電極拡散層接合体及び絶縁部材に対向した第１セパレータと、
前記膜電極接合体及び絶縁部材とは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータと、を備え、
前記第１及び第２セパレータは、当該第１及び第２セパレータの間で冷却水が流れる冷却水流路部を画定し、
前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとには、前記冷却水が流れると共に前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとを貫通した第１及び第２マニホールドが形成されており、
前記冷却水流路部は、
前記膜電極拡散層接合体に対向した複数の中央路と、
前記複数の中央路と前記第１マニホールドとを接続した複数の第１中継路と、
前記複数の中央路と前記第２マニホールドとを接続した複数の第２中継路と、
前記複数の第１中継路及び複数の第２中継路に交差し、前記第１及び第２セパレータと前記絶縁部材との外周部に沿って延びた外周路と、
前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し、前記複数の中央路とは非接続である第１案内路と、を含み、
前記外周路と前記第１案内路との接続地点での前記外周路と前記第１案内路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度よりも小さい、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第２中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第２マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第２案内路、を含み、
前記外周路と前記第２案内路との接続地点での前記外周路と前記第２案内路との間の、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路側の角度は、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路とは反対側の角度よりも小さい、請求項１の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１中継路に対して前記第１案内路が設けられた側と、前記第２中継路に対して前記第２案内路が設けられた側とは同じである、請求項２の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第３案内路、を含み、
前記第３案内路は、前記複数の第１中継路を介して前記第１案内路とは反対側で前記外周路に接続し、
前記外周路と前記第３案内路との接続地点での前記外周路と前記第３案内路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度よりも小さい、請求項１乃至３の何れかの燃料電池スタック。
【請求項５】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第２中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第２マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第４案内路、を含み、
前記第４案内路は、前記複数の第２中継路を介して前記第２案内路とは反対側で前記外周路に接続し、
前記外周路と前記第４案内路との接続地点での前記外周路と前記第４案内路との間の、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路側の角度は、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路とは反対側の角度よりも小さい、請求項２又は３の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとを貫通し、前記第１マニホールドに隣接し、反応ガスが流れる反応ガスマニホールドを備え、
前記外周路は、前記第１マニホールドと前記反応ガスマニホールドとの間を通過し、
前記第１案内路は、前記第１マニホールドと前記反応ガスマニホールドとの間に位置している、請求項１乃至５の何れかの燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１案内路は、前記第１マニホールドと前記複数の中央路との間に位置している、請求項１乃至５の何れかの燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１案内路は、複数設けられている、請求項１乃至７の何れかの燃料電池スタック。
【請求項９】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である接続路、を含み、
前記外周路と前記接続路との接続地点での前記外周路と前記接続路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度以上であり、
前記接続路は、前記第１案内路と前記第１中継路との間に位置している、請求項１乃至８の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１及び第２単セルを含み、
前記第１単セルの前記第１セパレータは、前記第１単セルの前記第２セパレータから退避するように凹んだ第１外周溝を含み、
前記第１単セルの前記第２セパレータは、前記第１単セルの前記第１セパレータから退避するように凹んだ第２外周溝を含み、
前記第１単セルの前記第１及び第２外周溝は、前記第１単セルの前記外周路を画定し、
前記第１単セルの前記第１外周溝は、前記第１単セルの前記絶縁部材側に突出して、弾性部材を介して前記第１単セルの前記絶縁部材に当接し、
前記第２単セルの前記第２外周溝は、前記第２単セルの前記絶縁部材側に突出して、弾性部材を介して前記第２単セルの前記絶縁部材に当接している、請求項１乃至９の何れかの燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されて構成され、このような単セルは、膜電極拡散層接合体やセパレータ等の複数の部材が積層されて構成される（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−５３５９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば燃料電池スタックの発電停止後に氷点下環境下に置かれると、単セルの厚みが収縮した状態で、単セルの外周部で部材同士が凍結して固定される場合があり得る。このような状態で燃料電池スタックの発電が開始されると、発電に伴う発熱により単セルの中央部に位置する膜電極拡散層接合体の厚みは膨張する。しかしながら、単セルの外周部までに熱が伝わるには時間を要するため、単セルの中央部での厚みは膨張しているが、単セルの外周部の厚みは凍結により収縮した状態のままに固定される場合があり得る。このように単セルの中央部と外周部とで厚みの差が増大した状態で凍結が一部で解除されると、それまで固定された外周部で部材同士の間で一時的にシール性が低下する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、外周部が凍結した状態で発電が開始された際のシール性の低下が抑制された燃料電池スタック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】
上記目的は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの少なくとも一つは、膜電極拡散層接合体と、前記膜電極拡散層接合体の外周部に接合された枠状の絶縁部材と、前記膜電極拡散層接合体及び絶縁部材に対向した第１セパレータと、前記膜電極接合体及び絶縁部材とは反対側で前記第１セパレータに対向した第２セパレータと、を備え、前記第１及び第２セパレータは、当該第１及び第２セパレータの間で冷却水が流れる冷却水流路部を画定し、前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとには、前記冷却水が流れると共に前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとを貫通した第１及び第２マニホールドが形成されており、前記冷却水流路部は、前記膜電極拡散層接合体に対向した複数の中央路と、前記複数の中央路と前記第１マニホールドとを接続した複数の第１中継路と、前記複数の中央路と前記第２マニホールドとを接続した複数の第２中継路と、前記複数の第１中継路及び複数の第２中継路に交差し、前記第１及び第２セパレータと前記絶縁部材との外周部に沿って延びた外周路と、前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し、前記複数の中央路とは非接続である第１案内路と、を含み、前記外周路と前記第１案内路との接続地点での前記外周路と前記第１案内路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度よりも小さい、燃料電池スタックによって達成できる。
【０００７】
上記構成により、冷却水が第１マニホールドから第１案内路を介して外周路内に流入する場合では、外周路内に流入した冷却水は複数の第１中継路から遠ざかる方向に流れることが促進されるため、冷却水が外周路を流れることが促進される。また、冷却水が外周路から第１案内路を介して第１マニホールドに排出される場合では、外周路から第１案内路に冷却水が流入して第１マニホールドに排出されることが促進されるため、冷却水が外周路を流れることが促進される。以上により、外周部が凍結した状態で発電が開始された際には、外周部を流れる冷却水により外周部を早期に昇温でき、単セルの外周部と中央部との厚みの差が増大する前に外周部の凍結を早期に解除でき、シール性の低下を抑制できる。
【０００８】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第２中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第２マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第２案内路、を含み、前記外周路と前記第２案内路との接続地点での前記外周路と前記第２案内路との間の、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路側の角度は、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路とは反対側の角度よりも小さくてもよい。
【０００９】
前記第１中継路に対して前記第１案内路が設けられた側と、前記第２中継路に対して前記第２案内路が設けられた側とは同じであってもよい。
【００１０】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第３案内路、を含み、前記第３案内路は、前記複数の第１中継路を介して前記第１案内路とは反対側で前記外周路に接続し、前記外周路と前記第３案内路との接続地点での前記外周路と前記第３案内路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度よりも小さくてもよい。
【００１１】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第２中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第２マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である第４案内路、を含み、前記第４案内路は、前記複数の第２中継路を介して前記第２案内路とは反対側で前記外周路に接続し、前記外周路と前記第４案内路との接続地点での前記外周路と前記第４案内路との間の、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路側の角度は、前記第２マニホールド側であって且つ前記複数の第２中継路とは反対側の角度よりも小さくてもよい。
【００１２】
前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとを貫通し、前記第１マニホールドに隣接し、反応ガスが流れる反応ガスマニホールドを備え、前記外周路は、前記第１マニホールドと前記反応ガスマニホールドとの間を通過し、前記第１案内路は、前記第１マニホールドと前記反応ガスマニホールドとの間に位置していてもよい。
【００１３】
前記第１案内路は、前記第１マニホールドと前記複数の中央路との間に位置していてもよい。
【００１４】
前記第１案内路は、複数設けられていてもよい。
【００１５】
前記冷却水流路部は、前記外周路が前記複数の第１中継路に交差した領域から外れた位置で前記外周路と前記第１マニホールドとを接続し前記複数の中央路とは非接続である接続路、を含み、前記外周路と前記接続路との接続地点での前記外周路と前記接続路との間の、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路側の角度は、前記第１マニホールド側であって且つ前記複数の第１中継路とは反対側の角度以上であり、前記接続路は、前記第１案内路と前記第１中継路との間に位置していてもよい。
【００１６】
前記複数の単セルの少なくとも一つは、第１及び第２単セルを含み、前記第１単セルの前記第１セパレータは、前記第１単セルの前記第２セパレータから退避するように凹んだ第１外周溝を含み、前記第１単セルの前記第２セパレータは、前記第１単セルの前記第１セパレータから退避するように凹んだ第２外周溝を含み、前記第１単セルの前記第１及び第２外周溝は、前記第１単セルの前記外周路を画定し、前記第１単セルの前記第１外周溝は、前記第１単セルの前記絶縁部材側に突出して、弾性部材を介して前記第１単セルの前記絶縁部材に当接し、前記第２単セルの前記第２外周溝は、前記第２単セルの前記絶縁部材側に突出して、弾性部材を介して前記第２単セルの前記絶縁部材に当接してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
外周部が凍結した状態で発電が開始された際のシール性の低下が抑制された燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、上方側から見た場合でのセパレータの部分拡大図である。
【図３】図３は、セパレータの孔周辺の部分拡大斜視図である。
【図４】図４は、図２ＡのＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。
【図５】図５は、図２ＢのＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。
【図６】図６は、図２ＡのＣ−Ｃ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは、それぞれ上方側から見た場合での案内溝周辺の部分拡大図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、比較例で起こり得る問題の説明図である。
【図９】図９Ａは、上方側から見た場合の第１変形例のセパレータの案内溝周辺の部分拡大図であり、図９Ｂは、上方側から見た場合での第２変形例のセパレータの案内溝周辺の部分拡大図である。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂでは、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータの部分拡大図である。
【図１１】図１１は、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータの案内溝周辺の部分拡大図である。
【図１２】図１２Ａは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータの部分拡大図であり、図１２Ｂは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータの接続溝周辺の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。またＸ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。＋Ｚ方向は、鉛直上方向に相当する。
【００２０】
燃料電池スタック１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０よりも＋Ｚ方向側に配置されてＭＥＧＡ１０に対向している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０及び支持フレーム１８とは反対側でカソードセパレータ２０に対向している。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、内周部がＭＥＧＡ１０の外周部に接合された枠状の絶縁部材の一例である。セパレータ２０及び４０は、それぞれ第１及び第２セパレータの一例である。
【００２１】
セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８には、孔ａ１〜ａ６が貫通するように形成されている。セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ａ１は、カソード入口マニホールドを画定する。孔ａ２は、冷却水入口マニホールドを画定する。孔ａ３は、アノード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、アノード入口マニホールドを画定する。孔ａ５は、冷却水出口マニホールドを画定する。孔ａ６は、カソード出口マニホールドを画定する。尚、本実施例では、冷却水として氷点下環境下でも凍結しない不凍液が用いられる。
【００２２】
ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード流路部２０Ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。また、流路部２０Ａと対向するセパレータ４０にも、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４０Ａとは反対側の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通しアノードガスが流れるアノード流路部４０Ｂが形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂは、セパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４０Ａ及び４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。
【００２３】
流路部２０Ａは、セパレータ４０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４０Ａは、セパレータ２０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部２０Ｂは、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４０Ｂは、図示はしていないが、セパレータ２０とは反対側でセパレータ４０に隣接するＭＥＧＡから退避するように凹んだ複数の溝から構成される。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。
【００２４】
セパレータ２０の孔ａ１〜ａ６周りにはそれぞれ、ビードシール（以下、単にビードと称する）２９１〜２９６が形成されている。セパレータ４０の孔ａ１〜ａ６周りにもそれぞれ、ビードシール（以下、単にビードと称する）４９１〜４９６が形成されている。これらのビードは、孔ａ１〜ａ６からの反応ガスや冷却水の漏れを防止する。ビード２９１〜２９６及び４９１〜４９６は、Ｚ方向で支持フレーム１８に重なる位置にあるがＭＥＧＡ１０には重ならない位置に設けられている。
【００２５】
［冷却水流路部の構成］
流路部２０Ａは、複数の中央溝２１、外周溝２２、複数の中継溝２３及び２４、複数の案内溝２５〜２８を含む。複数の中央溝２１は、孔ａ１〜ａ３が形成された領域と、孔ａ４〜ａ６が形成された領域との間で、Ｙ方向に略平行に延びてＸ方向に複数並設されている。
【００２６】
外周溝２２は、詳しくは後述するが、冷却水の漏れを防止するビードとしても機能し、孔ａ２及びａ５やビード２９２及び２９５は包囲しないが、複数の中央溝２１や孔ａ１、ａ３、ａ４、及びａ６、ビード２９１、２９３、２９４、及び２９６の全体を包囲し、セパレータ２０の外周部の大半の部分に沿って延びている。外周溝２２は、Ｚ方向で支持フレーム１８に重なる位置にあるがＭＥＧＡ１０には重ならない位置に設けられている。外周溝２２は、外周路の一例である。
【００２７】
複数の中継溝２３は、ビード２９２及び外周溝２２に略直交するように交差し、Ｙ方向に略平行に延びて孔ａ２と複数の中央溝２１とを接続している。複数の中継溝２４は、ビード２９５及び外周溝２２に略直交するように交差して、Ｙ方向に略平行に延びて孔ａ５と複数の中央溝２１とを接続している。本実施例では、中継溝２３及び２４のそれぞれの数は４つであるが、これに限定されず、中央溝２１よりも少ない数だけ設けられていればよい。複数の中継溝２３と複数の中継溝２４とは、複数の第１中継路と複数の第２中継路との一例である。孔ａ２及びａ５は、第１及び第２マニホールドの一例である。
【００２８】
案内溝２５及び２７は、外周溝２２が複数の中継溝２３に交差した領域から外れた位置で外周溝２２と孔ａ２とを接続し、複数の中央溝２１とは非接続である。「外周溝２２が複数の中継溝２３に交差した領域から外れた位置」とは、少なくとも２つの中継溝２３に挟まれる領域を除外した位置を意味する。案内溝２５は、複数の中継溝２３よりも＋Ｘ方向側に位置し、案内溝２７は、複数の中継溝２３よりも−Ｘ方向側に位置する。換言すれば、案内溝２５は、複数の中継溝２３よりも孔ａ１の近くに位置し、案内溝２７は、複数の中継溝２３よりも孔ａ３の近くに位置する。また、案内溝２５及び２７は、孔ａ２の中心を通過しＹ方向に平行な線分に対して互いに反対側に位置している。このように、案内溝２５及び２７は、複数の中継溝２３を介して互いに反対側に位置している。案内溝２５及び２７は、ビード２９２に交差している。
【００２９】
案内溝２６及び２８は、外周溝２２が複数の中継溝２４に交差した領域から外れた位置で外周溝２２と孔ａ５とを接続し、複数の中央溝２１とは非接続である。「外周溝２２が複数の中継溝２４に交差した領域から外れた位置」とは、少なくとも２つの中継溝２３に挟まれる領域を除外した位置を意味する。案内溝２６及び２８は、ビード２９５に交差している。案内溝２６は、複数の中継溝２４よりも＋Ｘ方向側に位置し、案内溝２８は、複数の中継溝２４よりも−Ｘ方向側に位置する。換言すれば、案内溝２６は、複数の中継溝２４よりも孔ａ４の近くに位置し、案内溝２８は、複数の中継溝２４よりも孔ａ６の近くに位置する。また、案内溝２６及び２８は、孔ａ５の中心を通過しＹ方向に平行な線分に対して互いに反対側に位置している。このように、案内溝２６及び２８は、複数の中継溝２３を介して互いに反対側に位置している。案内溝２６及び２８は、ビード２９５に交差している。本実施例では、案内溝２５〜２８は、それぞれ２つ設けられているがこれに限定されない。案内溝２５〜２８は、第１〜第４案内路の一例である。
【００３０】
流路部２０Ａと同様に、流路部４０Ａも、複数の中央溝４１、外周溝４２、複数の中継溝４３及び４４、及び複数の案内溝４５〜４８を含む。中央溝４１、外周溝４２、中継溝４３及び４４、及び案内溝４５〜４８は、それぞれ、中央溝２１、外周溝２２、中継溝２３及び２４、及び案内溝２５〜２８にＺ方向で対向しており、互いに対応した形状である。外周溝４２も、外周溝２２と同様に、冷却水の漏れを防止するビードとしても機能する。外周溝４２は、外周路の一例である。複数の中継溝４３と複数の中継溝４４とは、複数の第１中継路と複数の第２中継路との一例である。
【００３１】
案内溝４５及び４７も同様に、外周溝４２が複数の中継溝４３に交差した領域から外れた位置で外周溝４２と孔ａ２とを接続し、複数の中央溝４１とは非接続である。案内溝４５及び４７は、ビード４９２に交差している。案内溝４６及び４８は、外周溝４２が複数の中継溝４４に交差した領域から外れた位置で外周溝４２と孔ａ５とを接続し、複数の中央溝４１とは非接続である。案内溝４６及び４８は、ビード４９５に交差している。案内溝４５〜４８は、第１〜第４案内路の一例である。
【００３２】
［外周溝の構成］
図２Ａ及び図２Ｂは、上方側から見た場合でのセパレータ２０の部分拡大図である。図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示すように、外周溝２２は、外側部２２１及び２２２、内側部２２３及び２２４、及び連通部２２５〜２２８を含む。図１及び図２Ａに示すように、内側部２２３は、孔ａ２と複数の中央溝２１との間で略Ｘ方向に延びており、領域Ｒ３で中継溝２３に交差している。尚、上述したように案内溝２５及び２７は、外周溝２２が中継溝２３と交差した領域Ｒ３から外れた位置に設けられている。連通部２２５は、外側部２２１及び内側部２２３に接続しており、孔ａ１及びａ２の間で略Ｙ方向に平行に延びている。連通部２２７は、外側部２２１及び内側部２２３に接続しており、孔ａ２及びａ３の間で略Ｙ方向に平行に延びている。
【００３３】
また、図１及び図２Ｂに示すように、内側部２２４は、孔ａ５と複数の中央溝２１との間で略Ｘ方向に延びており、領域Ｒ４で中継溝２４に交差している。尚、上述したように案内溝２６及び２８は、外周溝２２が中継溝２４と交差した領域Ｒ４から外れた位置に設けられている。連通部２２６は、外側部２２１及び内側部２２４に接続しており、孔ａ４及びａ５の間で略Ｙ方向に平行に延びている。連通部２２８は、外側部２２１及び内側部２２４に接続しており、孔ａ５及びａ６の間で略Ｙ方向に平行に延びている。
【００３４】
図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示すように、外側部２２１は、連通部２２５からセパレータ２０の−Ｙ方向側の短辺に沿って＋Ｘ方向に延び、セパレータ２０の−Ｙ方向側及び＋Ｘ方向側の角部からセパレータ２０の＋Ｘ方向側の長辺に沿って＋Ｙ方向に延び、セパレータ２０の＋Ｙ方向側及び＋Ｘ方向側の角部からセパレータ２０の＋Ｙ方向側の短辺に沿って−Ｘ方向に延び、連通部２２６に接続している。外側部２２２は、連通部２２７からセパレータ２０の−Ｙ方向側の短辺に沿って−Ｘ方向に延び、セパレータ２０の−Ｙ方向側及び−Ｘ方向側の角部から−Ｘ方向側の長辺に沿って＋Ｙ方向に延び、セパレータ２０の＋Ｙ方向側及び−Ｘ方向側の角部から＋Ｘ方向側の短辺に沿って＋Ｘ方向に延びて、連通部２２８に接続している。外側部２２１、連通部２２５及び２２６は、それぞれ外側部２２２、連通部２２７及び２２８と、孔ａ２と孔ａ５とを通過するＹ方向に平行な線分に対して略対称の位置に設けられている。
【００３５】
冷却水の大部分は、孔ａ２から、中継溝２３、中央溝２１、中継溝２４、孔ａ５の順に流れる。その他の冷却水の一部は、孔ａ２から案内溝２５、連通部２２５、外側部２２１、案内溝２６、孔ａ５の順に流れる。また、その他の冷却水の一部は、孔ａ２から案内溝２７、連通部２２７、外側部２２２、案内溝２８、孔ａ５の順に流れる。即ち、冷却水の大部分は、孔ａ２から中央溝２１を介して孔ａ５に流れ、その他の冷却水は孔ａ２から外周溝２２を介して孔ａ５に流れる。尚、中継溝２３と案内溝２５及び２７は、ビード２９２に交差しており、中継溝２４と案内溝２６及び２８は、ビード２９５に交差しているため、ビード２９２及び２９５内も冷却水が満たされる。
【００３６】
外周溝４２も、同様に外側部４２１及び４２２、内側部４２３及び４２４、及び連通部４２５〜４２８を含む。外側部４２１及び４２２、内側部４２３及び４２４、及び連通部４２５〜４２８は、それぞれ、外側部２２１及び２２２、内側部２２３及び２２４、連通部２２５〜２２８にＺ方向で対向している。
【００３７】
［冷却性］
図３は、セパレータ４０の孔ａ２周辺の部分拡大斜視図である。セパレータ４０の外周溝４２や中継溝４３、案内溝４７、ビード４９２等は、＋Ｚ方向側に突出している。図４は、図２ＡのＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図５は、図２ＢのＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図４及び図５では、２つの単セル２及び２Ａのみを図示し、その他の単セルについては省略してある。単セル２と単セル２Ａとは、便宜上異なる符号を付しているにすぎず、同一の構造を有している。単セル２Ａは、単セル２よりも＋Ｚ方向側に配置されている。
【００３８】
ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。
【００３９】
触媒層１４ａは、電解質膜１２の一方の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１４ｃは、電解質膜１２の他方の面の中央部に形成され、電解質膜１２の周縁領域には形成されていない。拡散層１６ａは、その端部が、触媒層１４ａの端部に略揃う位置に設けられる。拡散層１６ｃは、その端部が触媒層１４ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられており、これにより、電解質膜１２の周縁領域が露出するように設けられている。電解質膜１２の周縁領域に、支持フレーム１８の内周部が接合されている。
【００４０】
単セル２の中央溝２１、中継溝２３、中継溝２４、内側部２２３及び２２４、ビード２９２及び２９５は、単セル２のセパレータ４０から退避するように−Ｚ方向に凹んだ溝状であり、換言すれば−Ｚ方向に突出したリブ状である。同様に、単セル２の中央溝４１、中継溝４３、内側部４２３及び４２４、ビード４９２及び４９５は、単セル２のセパレータ２０から退避するように＋Ｚ方向に凹んだ溝状であり、換言すれば＋Ｚ方向に突出したリブ状である。
【００４１】
単セル２の中央溝２１は単セル２の拡散層１６ｃに当接し、単セル２の中央溝４１は単セル２Ａの拡散層１６ａに当接している。ここで、単セル２の中央溝２１及び４１は、Ｚ方向で単セル２及び２ＡのＭＥＧＡ１０に重なる位置に設けられている。このため、単セル２の中央溝２１及び４１間を冷却水が流れることにより、発電反応により高温となった単セル２及び２ＡのＭＥＧＡ１０から熱を奪うことができ、単セル２及び２Ａを冷却できる。
【００４２】
尚、単セル２の隣接する中央溝２１の間には、単セル２の拡散層１６ｃから退避したリブ２１ｒが形成されており、このリブ２１ｒと単セル２の拡散層１６ｃとの間にはカソードガスが流れる。単セル２の隣接する中央溝４１の間には、単セル２Ａの拡散層１６ａから退避したリブ４１ｒが形成されており、このリブ４１ｒと単セル２Ａの拡散層１６ａとの間にはアノードガスが流れる。
【００４３】
［シール性］
図４及び図５に示すように、単セル２の内側部２２３及び２２４、ビード２９２及び２９５は、ＸＹ平面方向でＭＥＧＡ１０から離れた位置にあり、弾性部材であるゴム５を介して単セル２の支持フレーム１８に当接している。単セル２の内側部４２３及び４２４、ビード４９２及び４９５も、ＸＹ平面方向でＭＥＧＡ１０から離れた位置にあり、ゴム５を介して単セル２Ａの支持フレーム１８に当接している。これら内側部２２３及び４２３等は、単セル２及び２Ａ等の複数の単セルが積層されてＺ方向に圧縮力が加えられた際には弾性変形する。この弾性復元力が単セル２及び２Ａの支持フレーム１８に作用することにより、シール性が確保されている。
【００４４】
尚、内側部２２３やビード２９２等と中央溝２１との−Ｚ方向の突出量は略同じである。内側部４２３やビード４９２等の＋Ｚ方向での突出量は、中央溝４１よりも、拡散層１６ａ、触媒層１４ａ、及び電解質膜１２の合計の厚みと同程度大きいため、単セル２の内側部４２３やビード４９２等は、単セル２Ａの支持フレーム１８に当接する。単セル２の中継溝２３及び２４の−Ｚ方向の突出量は、内側部２２３及び２２４、ビード２９２及び２９４よりも小さく、単セル２の支持フレーム１８には当接していない。同様に、単セル２の中継溝４３及び４４も、単セル２Ａの支持フレーム１８には当接していない。
【００４５】
図６は、図２ＡのＣ−Ｃ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。単セル２の案内溝２５及び連通部２２５は、単セル２のセパレータ４０から退避するように−Ｚ方向に凹んだ溝状であり、換言すれば−Ｚ方向に突出したリブ状である。同様に、単セル２の案内溝４５及び連通部４２５は、単セル２のセパレータ２０から退避するように＋Ｚ方向に凹んだ溝状であり、換言すれば＋Ｚ方向に突出したリブ状である。単セル２の連通部２２５及び４２５の突出量は、それぞれ上述した内側部２２３及び４２３と同じである。単セル２の連通部２２５は、ゴム５を介して単セル２の支持フレーム１８に当接している。単セル２の連通部４２５は、ゴム５を介して単セル２Ａの支持フレーム１８に当接している。連通部２２５及び４２５についても、上述した内側部２２３及び４２３と同様に、単セル２及び２Ａ等の複数の単セルが積層されてＺ方向に圧縮力が加えられた際には弾性変形することにより、シール性が確保されている。
【００４６】
尚、案内溝２５及び４５の突出量は、それぞれ上述した中継溝２３及び４３と同じであり、単セル２及び２Ａの何れの支持フレーム１８には当接しない。図６に示すように、案内溝２５及び４５は、それぞれ、ビード２９２及び４９２を交差して連通部２２５及び４２５に接続されているが、連通部２２５及び４２５を貫通するようには接続されていない。その他の案内溝２６〜２８及び４６〜４８も、同様に何れの支持フレームにも当接しない。
【００４７】
［案内溝と外周溝との接続角度］
次に、案内溝と外周溝との接続角度について説明する。図７Ａ〜図７Ｄは、それぞれ上方側から見た場合での案内溝２５〜２８周辺の部分拡大図である。図７Ａに示すように、案内溝２５は、孔ａ２からＸ方向と−Ｙ方向との間の方向に、略直線状に延びて外周溝２２の連通部２２５に接続している。図７Ａには、案内溝２５の幅の中心を示す中心線２５Ａと、連通部２２５の幅の中心を示す中心線２２５Ａと、中心線２５Ａと中心線２２５Ａとの交点２５Ｃと、交点２５Ｃ周りの角度であって孔ａ２側且つ中継溝２３側の角度αと、孔ａ２側且つ中継溝２３の反対側の角度βとを示している。交点２５Ｃは、案内溝２５と外周溝２２との接続地点を示す。ここで、角度αは角度βよりも小さい。即ち、α＜βの関係が成立している。
【００４８】
このため、孔ａ２から案内溝２５を介して連通部２２５に流入した冷却水は、連通部２２５内で＋Ｙ方向よりも−Ｙ方向に流れることが促進される。具体的には、案内溝２５以外の経路から連通部２２５内に流入する冷却水の影響を除外すると、案内溝２５から連通部２２５に流入して連通部２２５内を＋Ｙ方向に流れる冷却水の流量よりも、案内溝２５から連通部２２５内に流入して連通部２２５内を−Ｙ方向に流れる冷却水の流量の方が大きい。従って、冷却水は、案内溝２５から連通部２２５を介して外側部２２１に流れることが促進されている。即ち、外周溝２２及び４２内を流れることにより単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００４９】
例えば、本実施例とは異なり仮にα＞βの関係が成立しているとすると、孔ａ２から案内溝２５を介して連通部２２５に流入した冷却水は、連通部２２５内で−Ｙ方向よりも＋Ｙ方向に流れることが促進される。この場合、冷却水は、案内溝２５から連通部２２５を介して外側部２２１ではなく内側部２２３に流れて、内側部２２３から中継溝２３を介して中央溝２１へと流れることが促進される。また、仮にα＝βの関係が成立しているとすると、孔ａ２から案内溝２５を介して連通部２２５に流入した冷却水は、連通部２２５内で−Ｙ方向と＋Ｙ方向とに同程度流れると考えられる。何れの場合も、本実施例の方が、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００５０】
図７Ｂに示すように、案内溝２７についても同様に、案内溝２７の中心線２７Ａと連通部２２７の中心線２２７Ａとの交点２７Ｃ周りの、孔ａ２側且つ中継溝２３側の角度αは、孔ａ２側且つ中継溝２３の反対側の角度βよりも小さい。即ち、α＜βの関係が成立している。このため、案内溝２７から連通部２２７に流入した冷却水は、連通部２２７内で＋Ｙ方向よりも−Ｙ方向に流れることが促進され、案内溝２７から連通部２２７を介して外側部２２２に流れることにより、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００５１】
図７Ｃに示すように、案内溝２６の中心線２６Ａと連通部２２６の中心線２２６Ａとの交点２６Ｃ周りの、孔ａ５側且つ中継溝２４側の角度αは、孔ａ５側且つ中継溝２４の反対側の角度βよりも小さい。従って、本実施例では連通部２２６から案内溝２６を介して孔ａ５に排出される冷却水の流量が確保されている。このため、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００５２】
図７Ｄに示すように、案内溝２８の中心線２８Ａと連通部２２８の中心線２２８Ａとの交点２８Ｃ周りの、孔ａ５側且つ中継溝２４側の角度αは、孔ａ５側且つ中継溝２４の反対側の角度βよりも小さい。従って、本実施例では連通部２２８から案内溝２８に流入する冷却水の流量が確保されている。このため、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００５３】
［比較例での問題点］
以上のように、本実施例では単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。このような構成による効果について説明する前に、このような構成を備えていない比較例において起こり得る問題点について説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、比較例で起こり得る問題の説明図である。比較例の燃料電池スタック１ｘの単セル２ｘのセパレータ２０ｘ及び４０ｘは、本実施例とは異なり、単セル２ｘの外周部に沿って流れる冷却水の流量を確保するための構成は採用されていない。尚、図８Ａ及び図８Ｂでは、ビード２９１及び４９１近傍の単セル２ｘの外周部と単セル２ｘの中央部とを示しており、ＭＥＧＡ１０ｘ等の図示を簡略化している。
【００５４】
図８Ａは、燃料電池スタック１ｘの発電停止後に氷点下環境下に置かれ、且つ燃料電池スタック１ｘの外周部に付着した液水が凍結して氷Ｉとなった状態を示している。燃料電池スタック１ｘの発電停止後に氷点下環境下に置かれると、燃料電池スタック１ｘの温度は低下して複数の単セル２ｘ、具体的には、ＭＥＧＡ１０ｘや外側部２２１及び４２１、ビード２９１及び４９１は、Ｚ方向で収縮する。これらの部材が収縮した状態で、燃料電池スタック１ｘの外周部に付着した液水が凍結して氷Ｉとなると、これらの部材が収縮した状態で部材同士が固定される。その後に燃料電池スタック１ｘの発電が開始されると、ＭＥＧＡ１０ｘは発電反応による熱によってＺ方向の厚みが膨張する。しかしながら、ＭＥＧＡ１０ｘよりも外周側、即ち外側部２２１及び４２１、ビード２９１及び４９１は、ＭＥＧＡ１０ｘからＸＹ平面方向に離れており、更に単セル２ｘの外周部には氷Ｉが存在している。このため、単セル２ｘの外周部は昇温するのに時間を要する。
【００５５】
従って、単セル２ｘの中央部では厚みが膨張しているが、外周部では氷Ｉによって部材同士が固定されて厚みが収縮したままの状態となり得る。このような状態で、氷Ｉの一部が融解して部材同士の固定が解除されると、固定が解除された直後では、外側部２２１及び４２１やビード２９１及び４９１の伸長が追従できずに、図８Ｂに示すように、支持フレーム１８とセパレータ２０ｘ等との間の面圧が低下して、このような部材同士の間のシール性が低下する可能性がある。尚、図８Ｂは、理解を容易にするために部材同士の隙間を誇張して示している。
【００５６】
［本実施例の構成による効果］
本実施例では、単セル２の外周部を流れる冷却水の流量が確保されている。従って、上記のような状態で燃料電池スタック１の発電が開始された場合であっても、ＭＥＧＡ１０の厚みが大きく膨張して単セル２の中央部と外周部との厚みの差が増大する前に、外周部を冷却水の温度にまで早期に昇温して氷Ｉを早期に融解できる。これにより、単セル２の中央部と外周部との厚みの差の増大を抑制でき、外周部が凍結した状態で発電が開始された際のシール性の低下を抑制できる。
【００５７】
案内溝２５は中継溝２３に対して＋Ｘ方向側に設けられ、案内溝２６も中継溝２４に対して同じ＋Ｘ方向側に設けられている。このため、案内溝２５から連通部２２５に流入した冷却水は、外側部２２１を介して連通部２２６から案内溝２６に流れることが促進されている。同様に、案内溝２７は中継溝２３に対して−Ｘ方向側に設けられ、案内溝２８も中継溝２４に対して同じ−Ｘ方向側に設けられている。このため、案内溝２７から連通部２２７に流入した冷却水は、外側部２２２を介して連通部２２８から案内溝２８に流れることが促進されている。このような構成によっても、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されている。
【００５８】
本実施例では、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、案内溝２５〜２８はそれぞれ２つ設けられている。このため、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量が確保されており、シール性の低下が抑制されている。
【００５９】
２つの案内溝２５は、互いに略平行に延びているがこれに限定されず、α＜βの関係が成立するのであれば、２つの案内溝２５は、異なる角度で延びていてもよい。案内溝２６〜２８についても同様である。
【００６０】
本実施例では、案内溝２５〜２８はそれぞれ２つ設けられているが、１又は３以上設けられていてもよい。また、本実施例では案内溝２５〜２８が設けられているが、案内溝２５〜２８の少なくとも一つが設けられていてもよい。例えば、単一の案内溝２５のみが設けられている場合には、案内溝２５から連通部２２５に流入して外側部２２１を流れる冷却水の流量を確保することができるため、案内溝２５から連通部２２５、外側部２２１、連通部２２６、内側部２２４、中継溝２４の順に冷却水が流れることを促進できる。また、単一の案内溝２６のみが設けられている場合には、連通部２２６から案内溝２６に流入する冷却水の流量を確保することができるため、これにより、中継溝２３から内側部２２３、連通部２２５、外側部２２１、連通部２２６、案内溝２６の順に冷却水が流れることを促進できる。案内溝２７及び２８の一方のみが設けられている場合も同様である。
【００６１】
［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。尚、以下に説明する変形例において、上実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。また、以下の説明ではカソードセパレータについて説明するが、アノードセパレータもカソードセパレータに対応するように形成されている。
【００６２】
図９Ａは、上方側から見た場合の第１変形例のセパレータ２０ａの案内溝２５ａ周辺の部分拡大図である。案内溝２５ａは、複数の中央溝２１側に凸となるように緩やかに湾曲している。このため、案内溝２５ａから連通部２２５に流入する際の冷却水の圧損の増大が抑制されている。また、案内溝２５ａにおいても、αａ＜βａの関係が成立している。このため、冷却水が外周溝２２及び４２を流れることが促進されており、シール性の低下が抑制される。また、上述した本実施例の案内溝２６〜２８の少なくとも一つが、案内溝２５ａと同様に複数の中央溝２１側に凸となるように緩やかに湾曲していてもよい。例えば、案内溝２６が複数の中央溝２１側に凸となるように緩やかに湾曲していると、連通部２２６から案内溝２６に流入する際の冷却水の圧損の増大を抑制できる。
【００６３】
［第２変形例］
図９Ｂは、上方側から見た場合での第２変形例のセパレータ２０ｂの案内溝２５ｂ周辺の部分拡大図である。案内溝２５ｂは、複数の中央溝２１側とは反対側に凸となるように緩やかに湾曲している。案内溝２５ｂにおいても、αｂ＜βｂの関係が成立しているため、シール性の低下が抑制される。また、上述した本実施例の案内溝２６〜２８の少なくとも一つが、案内溝２５ａと同様に複数の中央溝２１とは反対側に凸となるように緩やかに湾曲していてもよい。
【００６４】
［第３変形例］
図１０Ａ及び図１０Ｂでは、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータ２０ｃの部分拡大図である。第３変形例では、中継溝２３及び２４は、それぞれ２つ設けられており、案内溝２５ｃ〜２８ｃはそれぞれ一つ設けられている。このため、領域Ｒ３ｃ及びＲ４ｃの各面積は、上述した本実施例の領域Ｒ３及びＲ４の各面積よりも小さい。また、案内溝２５ｃ及び２７ｃは、領域Ｒ３ｃから外れた位置に設けられ、同様に案内溝２６ｃ及び２８ｃは、領域Ｒ４ｃから外れた位置に設けられている。ここで、案内溝２５ｃは、孔ａ２と孔ａ１との間ではなく、孔ａ２と複数の中央溝２１との間でビード２９２に交差して孔ａ２と内側部２２３とを接続している。案内溝２７ｃも、孔ａ２と孔ａ３との間ではなく、孔ａ２と複数の中央溝２１との間でビード２９２に交差して孔ａ２と内側部２２３とを接続している。案内溝２６ｃは、孔ａ５と孔ａ４との間ではなく、孔ａ５と複数の中央溝２１との間でビード２９５に交差して孔ａ５と内側部２２４とを接続している。同様に、案内溝２８ｃは、孔ａ５と孔ａ６との間ではなく、孔ａ５と複数の中央溝２１との間でビード２９５に交差して孔ａ５と内側部２２４とを接続している。
【００６５】
図１１は、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータ２０ｃの案内溝２５ｃ周辺の部分拡大図である。案内溝２５ｃの中心線２５Ａｃと内側部２２３の中心線２２３Ａとの交点２５Ｃｃ周りの、孔ａ２側且つ中継溝２３側の角度αｃと、孔ａ２側且つ中継溝２３の反対側の角度βｃとは、αｃ＜βｃの関係が成立している。従って、案内溝２５ｃから内側部２２３に流入した冷却水が、内側部２２３内で＋Ｘ方向に流れることが促進される。これにより、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量を確保できる。
【００６６】
また、案内溝２７ｃと内側部２２３との接続角度も同様であるため、案内溝２７ｃから内側部２２３に流入した冷却水は、内側部２２３内で−Ｘ方向に流れることが促進される。更に、案内溝２６ｃと内側部２２４との接続角度、案内溝２８ｃと内側部２２４との接続角度も同様である。このため、冷却水が連通部２２６から内側部２２４を介して案内溝２６ｃに流入して孔ａ５に排出されること、及び冷却水が連通部２２８から内側部２２４を介して案内溝２８ｃに流入して孔ａ５に排出されることが促進される。以上のように、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量を確保でき、シール性の低下が抑制される。
【００６７】
案内溝２５ｃ〜２８ｃは、それぞれ直線状に形成されているが、案内溝２５ｃ〜２８ｃの少なくとも一つが、上述した第１及び第２変形例のように緩やかに湾曲していてもよい。
【００６８】
［第４変形例］
図１２Ａは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータ２０ｄの部分拡大図である。第４変形例では、上述した本実施例とは異なり、２つの案内溝２５の代わりに単一の案内溝２５と単一の接続溝２５ｖが設けられている。同様に、単一の案内溝２７と単一の接続溝２７ｖが設けられている。図１２Ｂは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータ２０ｄの接続溝２５ｖ周辺の部分拡大図である。接続溝２５ｖの中心線２５Ａｖと連通部２２５の中心線２２５Ａとの交点２５Ｃｖ周りの、孔ａ２側且つ中継溝２３側の角度αｖと、孔ａ２側且つ中継溝２３の反対側の角度βｖとは、αｖ＝βｖの関係が成立している。即ち、接続溝２５ｖは連通部２２５に直交して接続しており、αｖ＜βｖの関係は満たさない。接続溝２７ｖと連通部２２７との接続角度も同様である。接続溝２５ｖ及び２７ｖは、接続路の一例である。
【００６９】
接続溝２５ｖから連通部２２５内に流入した冷却水が、連通部２２５内で−Ｙ方向に流れることは促進されない。しかしながら、接続溝２５ｖは、案内溝２５と中継溝２３との間に位置している。換言すれば、案内溝２５及び接続溝２５ｖは、中継溝２３を基準として同じ側に配置されているところ、案内溝２５の方が接続溝２５ｖよりも中継溝２３から離れている。このため、案内溝２５から連通部２２５に流入して−Ｙ方向に流れようとする冷却水の流れが、接続溝２５ｖから連通部２２５内に流入した冷却水により阻害されることなく、外側部２２１へと流れることができる。従って、案内溝２５により、単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量を確保でき、シール性の低下が抑制される。接続溝２７ｖに関しても同様に、案内溝２７により単セル２の外周部に沿って流れる冷却水の流量を確保できる。尚、接続溝２５ｖと連通部２２５との接続角度、及び接続溝２７ｖと連通部２２７との接続角度の少なくとも一方が、αｖ＞βｖの場合であっても同様である。
【００７０】
尚、孔ａ５側の連通部２２６及び２２８の少なくとも一方に対して上記のような角度関係のある接続部を設けてもよい。例えば図２Ｂに示した本実施例の２つの案内溝２６のうち一方が上述したような接続溝であった場合には、この接続溝が、案内溝２６と中継溝２４との間に位置している限り、連通部２２６からの冷却水は、接続溝に流入する前に案内溝２６に流入することが促進される。また、図２Ｂに示した案内溝２８のうち一方が上述したような接続溝であった場合にも、この接続溝が、案内溝２８と中継溝２４との間に位置していればよい。
【００７１】
［その他の変形例］
上述した本実施例及び変形例において、案内溝の幅は常に一定であるがこれに限定されず、例えば一端から他端にかけて徐々に幅が拡大又は縮小してもよいし、幅が途中で部分的に増大又は縮小してもよい。案内溝が外周溝に接続される部分に、案内溝と外周溝との接続地点での冷却水の圧損を低減するために、アールが設けられていてもよい。上述した本実施例及び変形例では、孔ａ１〜ａ６は略矩形状であるが、これに限定されず、孔ａ１〜ａ６の少なくとも一つが円形や楕円形、５以上の角数を有した多角形であってもよい。燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうち少なくとも一つが、上述した本実施例及び変形例で示した単セルであればよい。例えば、凍結が生じやすい箇所が予めわかっている場合には、その箇所でのみ上述した本実施例及び変形例で示した単セルを採用してもよい。
【００７２】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃料電池スタック
２、２Ａ  単セル
１０  膜電極拡散層接合体
ａ２、ａ５  孔（第１及び第２マニホールド）
２０  カソードセパレータ（第１セパレータ）
４０  アノードセパレータ（第２セパレータ）
２０Ａ、４０Ａ  冷却水流路部
２１、４１  中央溝（中央路）
２２、４２  外周溝（外周路）
２３、２４、４３、４４  中継溝（中継路）
２５〜２８、４５〜４８  案内溝（案内路）
Ｒ３、Ｒ４  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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