(57)【要約】      （修正有）【課題】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】矩形枠状の支持フレームに支持された膜電極ガス拡散接合体１０が矩形セパレータ２０を介して複数積層された燃料電池スタックであり、膜電極ガス拡散接合体１０に対応するセパレータ２０の面には冷却水入口マニホールドａ２と冷却水出口マニホールドａ５を連通する複数の冷却水流路２１が形成され、また前記矩形枠状の支持フレームに対応するセパレータ２０の面にも冷却水外周流路２２が形成され、冷却水外周流路２２はセパレータ２０の角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、６ｅを巡る角縁流路部２２１、２２３、２２４と中央縁２ｅ、５ｅを通る中央縁流路部２２２、２２５を持ち、角縁１ｅの長さに対する角縁流路部２２１の流路容積の割合は中央縁２ｅの長さに対する中央縁流路部２２２の流路容積の割合より大きい。【選択図】図２
2020115430.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、
膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に接合された枠状の絶縁部材と、
前記膜電極ガス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、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとには、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、第２、第３、及び第４ガスマニホールドが形成されており、
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、
前記冷却水流路部は、前記第１セパレータの外周縁に沿って延びた外周路を含み、
前記外周縁は、
前記第１、第２、第３、及び第４ガスマニホールドにそれぞれ対向した第１、第２、第３、及び第４角縁と、
前記第１及び第２角縁の間に位置して前記膜電極ガス拡散層接合体に対向した第１中央縁と、
前記第３及び第４角縁の間に位置して前記膜電極ガス拡散層接合体に対向した第２中央縁と、を含み、
前記外周路は、
前記第１、第２、第３、及び第４角縁と前記第１、第２、第３、及び第４ガスマニホールドとの間でそれぞれ延在した第１、第２、第３、及び第４角路と、
前記第１中央縁と前記膜電極ガス拡散層接合体との間で延在した第１中央路と、
前記第２中央縁と前記膜電極ガス拡散層接合体との間で延在した第２中央路と、を含み、
前記第１角縁の長さに対する前記第１角路の流路容積の割合は、前記第１中央縁の長さに対する前記第１中央路の流路容積の割合よりも大きい、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１角路の少なくとも一部は、蛇行しており、
前記第１中央路の少なくとも一部は、直線状である、請求項１の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１角路の少なくとも一部と前記第１中央路の少なくとも一部とは、蛇行しており、
前記第１中央路の少なくとも一部は、前記第１角路の少なくとも一部よりも振幅が小さい、請求項１の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１角路の少なくとも一部と前記第１中央路の少なくとも一部とは、蛇行しており、
前記第１中央路の少なくとも一部は、前記第１角路の少なくとも一部よりも波長が長い、請求項１又は３の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１角縁は、直線状に延びた縁領域を含み、
前記第１角路の少なくとも一部は、前記縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で、前記縁領域が延びた方向に蛇行している、請求項１乃至４の何れかの燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１角縁は、直線状に延びた第１縁領域、前記第１縁領域と交差した方向に直線状に延びた第２縁領域、前記第１及び第２縁領域を接続した接続領域、を含み、
前記第１角路は、前記第１縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で延びた第１路領域、前記第１路領域よりも下流側に位置し前記第２縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で延びた第２路領域、を含み、
前記第１路領域は、前記接続領域に接近するにつれて前記第１縁領域に接近するように延び、
前記第２路領域は、前記接続領域から離れるにつれて前記第２縁領域から離れるように延びている、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角路の少なくとも一部は、前記第１中央路の少なくとも一部よりも流路幅が大きい、請求項１乃至６の何れかの燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第２角縁の長さに対する前記第２角路の流路容積の割合は、前記第１中央縁の長さに対する前記第１中央路の流路容積の割合よりも大きい、請求項１乃至７の何れかの燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第３角縁の長さに対する前記第３角路の流路容積の割合は、前記第２中央縁の長さに対する前記第２中央路の流路容積の割合よりも大きい、請求項１乃至８の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第４角縁の長さに対する前記第４角路の流路容積の割合は、前記第２中央縁の長さに対する前記第２中央路の流路容積の割合よりも大きい、請求項１乃至９の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第１ガスマニホールドは、アノードガス入口マニホールドである、請求項１乃至１０の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１２】
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１１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、膜電極ガス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、単セルの角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ガス拡散層接合体の厚みは膨張する。しかしながら、膜電極ガス拡散層接合体から単セルの角部までは離れており、且つ角部近傍には反応ガスが流れるマニホールドが形成されている。このため、膜電極ガス拡散層接合体の熱が単セルの角部までに熱が伝わるには時間を要する。このため、単セルの中央部での厚みは膨張しているが、単セルの角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角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角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、角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、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に接合された枠状の絶縁部材と、前記膜電極ガス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、前記膜電極ガス拡散層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、前記絶縁部材と前記第１及び第２セパレータとには、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、第２、第３、及び第４ガスマニホールドが形成されており、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、前記冷却水流路部は、前記第１セパレータの外周縁に沿って延びた外周路を含み、前記外周縁は、前記第１、第２、第３、及び第４ガスマニホールドにそれぞれ対向した第１、第２、第３、及び第４角縁と、前記第１及び第２角縁の間に位置して前記膜電極ガス拡散層接合体に対向した第１中央縁と、前記第３及び第４角縁の間に位置して前記膜電極ガス拡散層接合体に対向した第２中央縁と、を含み、前記外周路は、前記第１、第２、第３、及び第４角縁と前記第１、第２、第３、及び第４ガスマニホールドとの間でそれぞれ延在した第１、第２、第３、及び第４角路と、前記第１中央縁と前記膜電極ガス拡散層接合体との間で延在した第１中央路と、前記第２中央縁と前記膜電極ガス拡散層接合体との間で延在した第２中央路と、を含み、前記第１角縁の長さに対する前記第１角路の流路容積の割合は、前記第１中央縁の長さに対する前記第１中央路の流路容積の割合よりも大きい、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、第１角縁に対する第１角路を流れる冷却水の流速が低減される。これにより、第１角縁に対応した単セルの角部が凍結した状態で発電が開始された際には、角部を流れる冷却水により角部を早期に昇温できる。これにより、単セルの角部と中央部との厚みの差が増大する前に角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】
前記第１角路の少なくとも一部は、蛇行しており、前記第１中央路の少なくとも一部は、直線状であってもよい。
【０００９】
前記第１角路の少なくとも一部と前記第１中央路の少なくとも一部とは、蛇行しており、前記第１中央路の少なくとも一部は、前記第１角路の少なくとも一部よりも振幅が小さくてもよい。
【００１０】
前記第１角路の少なくとも一部と前記第１中央路の少なくとも一部とは、蛇行しており、前記第１中央路の少なくとも一部は、前記第１角路の少なくとも一部よりも波長が長くてもよい。
【００１１】
前記第１角縁は、直線状に延びた縁領域を含み、前記第１角路の少なくとも一部は、前記縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で、前記縁領域が延びた方向に蛇行していてもよい。
【００１２】
前記第１角縁は、直線状に延びた第１縁領域、前記第１縁領域と交差した方向に直線状に延びた第２縁領域、前記第１及び第２縁領域を接続した接続領域、を含み、前記第１角路は、前記第１縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で延びた第１路領域、前記第１路領域よりも下流側に位置し前記第２縁領域と前記第１ガスマニホールドとの間で延びた第２路領域、を含み、前記第１路領域は、前記接続領域に接近するにつれて前記第１縁領域に接近するように延び、前記第２路領域は、前記接続領域から離れるにつれて前記第２縁領域から離れるように延びていてもよい。
【００１３】
前記第１角路の少なくとも一部は、前記第１中央路の少なくとも一部よりも流路幅が大きくてもよい。
【００１４】
前記第２角縁の長さに対する前記第２角路の流路容積の割合は、前記第１中央縁の長さに対する前記第１中央路の流路容積の割合よりも大きくてもよい。
【００１５】
前記第３角縁の長さに対する前記第３角路の流路容積の割合は、前記第２中央縁の長さに対する前記第２中央路の流路容積の割合よりも大きくてもよい。
【００１６】
前記第４角縁の長さに対する前記第４角路の流路容積の割合は、前記第２中央縁の長さに対する前記第２中央路の流路容積の割合よりも大きくてもよい。
【００１７】
前記第１ガスマニホールドは、アノードガス入口マニホールドであってもよい。
【００１８】
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】
【００１９】
角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】
【００２０】
【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２は、上方側から見た場合でのセパレータの概略図である。
【図３】図３は、図２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４】図４は、図２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５】図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ上方側から見た場合での角溝周辺を模式的に示した拡大図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ上方側から見た場合での角溝周辺を模式的に示した拡大図である。
【図７】図７は、比較例のセパレータについての説明図である。
【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９は、上方側から見た場合の第１変形例のセパレータの模式図である。
【図１０】図１０Ａは、上方側から見た場合での第２変形例のセパレータの模式図であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、それぞれ角溝及び中央溝の部分拡大図である。
【図１１】図１１Ａは、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータの角溝周辺を模式的に示した拡大図であり、図１１Ｂは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータの角溝周辺を模式的に示した拡大図である。
【図１２】図１２は、上方側から見た場合での第５変形例のセパレータの角溝周辺を模式的に示した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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が、これに限定されない。
【００２２】
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。
【００２３】
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、アノ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、カソード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、カソ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、アノード出口マニホールドを画定する。尚、孔ａ１がアノード出口マニホールドであり、孔ａ６がアノード入口マニホールドであってもよい。孔ａ２が冷却水出口マニホールドであり、孔ａ４が冷却水入口マニホールドであってもよい。孔ａ３がカソード入口マニホールドであって、孔ａ４がカソード出口マニホールドであってもよい。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
［冷却水流路部の構成］
流路部２０Ａは、複数の冷却溝２１、外周溝２２、複数の中継溝２１ａ及び２１ｂ、複数の案内溝２１ｃ〜２１ｆを含む。複数の冷却溝２１の大部分は、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おり、Ｘ方向に複数並設されている。
【００２８】
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、複数の冷却溝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。
【００２９】
複数の中継溝２１ａ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と複数の冷却溝２１とを接続している。複数の中継溝２１ｂ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と複数の冷却溝２１とを接続している。
【００３０】
案内溝２１ｃ及び２１ｄは、外周溝２２が複数の中継溝２１ａ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、複数の冷却溝２１とは非接続である。
【００３１】
流路部２０Ａと同様に、流路部４０Ａも、複数の冷却溝４１、外周溝４２、複数の中継溝４１ａ及び４１ｂ、及び複数の案内溝４１ｃ〜４１ｆを含む。外周溝４２、中継溝４１ａ及び４１ｂ、及び案内溝４１ｃ〜４１ｆは、それぞれ、外周溝２２、中継溝２１ａ及び２１ｂ、及び案内溝２１ｃ〜２１ｆ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。
【００３２】
案内溝４１ｃ及び４１ｄも同様に、ビード４９２に交差して外周溝４２と孔ａ２とを接続し、複数の冷却溝４１とは非接続である。案内溝４１ｅ及び４１ｆは、ビード４９５に交差して外周溝４２と孔ａ５とを接続し、複数の冷却溝４１とは非接続である。
【００３３】
［外周溝の構成］
図２は、上方側から見た場合でのセパレータ２０の概略図である。尚、図２では、セパレータ２０に重なるＭＥＧＡ１０の外形を点線で示している。セパレータ２０の外周縁２０Ｅは、角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅと、中央縁２ｅ及び５ｅとを含む。角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅは、セパレータ２０の４つの角部のそれぞれに対応しており、それぞれ孔ａ１、ａ３、ａ４、及びａ６に沿っている。角縁１ｅ及び４ｅと中央縁２ｅとは、孔ａ２及びａ５を結ぶＹ方向に平行な仮想線よりも＋Ｘ方向側に位置している。角縁３ｅ及び６ｅと中央縁５ｅとは、上述の仮想線よりも−Ｘ方向側に位置している。中央縁２ｅは、角縁１ｅ及び４ｅの間に位置しており、ＭＥＧＡ１０のＹ方向に略平行に延びた２つ縁の＋Ｘ方向側の縁に対向している。中央縁５ｅは、角縁３ｅ及び６ｅの間に位置しており、ＭＥＧＡ１０のＹ方向に略平行に延びた２つの縁の−Ｘ方向側の縁に対向している。
【００３４】
図２に示すように、外周溝２２は、ＭＥＧＡ１０とＺ方向で重ならない位置に設けられている。具体的には外周溝２２は、内側溝２２ａ及び２２ｂと、角溝２２１、２２３、２２４、及び２２６と、中央溝２２２及び２２５とを含む。内側溝２２ａは、ビード２９２と冷却溝２１との間で中継溝２１ａに交差し、ビード２９１及び２９２の間、及びビード２９２及び２９３の間に延在している。内側溝２２ｂは、ビード２９５と冷却溝２１との間で中継溝２１ｂに交差し、ビード２９４及び２９５の間、ビード２９５及び２９６の間に延在している。角溝２２１、２２３、２２４、及び２２６は、セパレータ２０のそれぞれの角部に位置している。具体的には、角溝２２１は、角縁１ｅとビード２９１との間、換言すれば角縁１ｅと孔ａ１との間に位置している。同様に、角溝２２３は角縁３ｅと孔ａ３との間に、角溝２２４は角縁４ｅと孔ａ４との間に、角溝２２６は角縁６ｅと孔ａ６との間に位置している。中央溝２２２は、ＭＥＧＡ１０のＹ方向に延在した２つの縁のうちの＋Ｘ方向に位置した縁と、中央縁２ｅとの間で、Ｙ方向に略平行に延びている。中央溝２２５は、ＭＥＧＡ１０のＹ方向に延在した２つの縁のうちの−Ｘ方向に位置した縁と、中央縁５ｅとの間で、Ｙ方向に略平行に延びている。
【００３５】
冷却水の大部分は、孔ａ２から、中継溝２１ａ、冷却溝２１、中継溝２１ｂ、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２１ｃ、内側溝２２ａ、角溝２２１、中央溝２２２、角溝２２４、案内溝２１ｅ、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２１ｄ、内側溝２２ａ、角溝２２３、中央溝２２５、角溝２２６、案内溝２１ｆ、孔ａ５の順に流れる。即ち、冷却水の大部分は、孔ａ２から冷却溝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２１ａと案内溝２１ｃ及び２１ｄとは、ビード２９２に交差しており、中継溝２１ｂと案内溝２１ｅ及び２１ｆとは、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、内側溝４２ａ及び４２ｂと、角溝４２１、４２３、４２４、及び４２６と、中央溝４２２及び４２５とを含む。内側溝４２ａ及び４２ｂ、角溝４２１、４２３、４２４、及び４２６、中央溝４２２及び４２５は、それぞれ、内側溝２２ａ及び２２ｂ、角溝２２１、２２３、２２４、及び２２６、中央溝２２２及び２２５にＺ方向で対向している。角溝２２１及び４２１は、流路部２０Ａの一部である角路を画定する。同様に、角溝２２３及び４２３、角溝２２４及び４２４、角溝２２６及び４２６は、それぞれ角路を画定する。中央溝２２２及び４２２は、流路部２０Ａの一部である中央路を画定する。同様に、中央溝２２５及び４２５は、中央路を画定する。
【００３７】
［冷却性］
図３は、図２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４は、図２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３及び図４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】
図３及び図４に示すように、単セル２の中継溝２１ａ、冷却溝２１、内側溝２２ａ、角溝２２１、ビード２９１及び２９２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。中継溝２１ｂ、案内溝２１ｃ及び２１ｄ、内側溝２２ｂ、ビード２９３〜２９６も同様である。同様に、単セル２の中継溝４１ａ、冷却溝４１、内側溝４２ａ、角溝４２１、ビード４９１及び４９２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。中継溝４１ｂ、案内溝４１ｃ及び４１ｄ、内側溝４２ｂ、ビード４９３〜４９６も同様である。
【００４１】
図３に示すように、単セル２の冷却溝２１は単セル２の拡散層１６ｃに当接し、単セル２の冷却溝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の冷却溝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の冷却溝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の隣接する冷却溝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の隣接する冷却溝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３及び図４に示すように、単セル２の内側溝２２ａ、角溝２２１、ビード２９１及び２９２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の内側溝４２ａ、角溝４２１、ビード４９１及び４９２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。これら内側溝２２ａやビード２９２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、内側溝２２ａやビード２９２等と冷却溝２１との−Ｚ方向の突出量は略同じである。内側溝４２ａやビード４９２等の＋Ｚ方向での突出量は、冷却溝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の内側溝４２ａ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２１ａの−Ｚ方向の突出量は、内側溝２２ａやビード２９２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４１ａも、単セル２ａの支持フレーム１８には当接していない。
【００４５】
［角溝］
次に、セパレータ２０の角溝２２１、２２３、２２４、及び２２６について説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ上方側から見た場合での角溝２２１及び２２４周辺を模式的に示した拡大図である。尚、図５Ａ及び図５Ｂでは、中央溝２２２を一部省略して示しており、冷却溝２１、案内溝２１ｃ及び２１ｅについては図示を省略してある。
【００４６】
角溝２２１及び２２４は、一定の振幅及び一定の波長で波状に蛇行して延びている。中央溝２２２は、直線状に延びている。ここで角縁１ｅは、孔ａ１を＋Ｘ方向から−Ｙ方向にかけて連続的に投影した場合に形成される領域である。同様に、角縁４ｅは、孔ａ４を＋Ｘ方向から＋Ｙ方向にかけて連続的に投影した場合に形成される領域である。中央縁２ｅは、ＭＥＧＡ１０を＋Ｘ方向から投影した場合に形成される領域である。図５Ａには、角縁１ｅ及び中央縁２ｅのそれぞれの長さ１ｅＬ及び２ｅＬと、角溝２２１及び中央溝２２２の中心線の長さ１Ｌ及び２Ｌとを示している。図５Ｂには、中央縁２ｅ及び角縁４ｅのそれぞれの長さ２ｅＬ及び４ｅＬと、中央溝２２２及び角溝２２４の中心線の長さ２Ｌ及び４Ｌとを示している。溝の中心線とは、上方側から溝を見た場合に溝の長さ方向での任意の地点での溝幅の中心位置を結んだ線である。角縁１ｅは、Ｘ方向に略平行な部位とＹ方向に略平行な部位とで構成され、長さ１ｅＬは、これらの部位の合計の長さである。角縁４ｅとその長さ４ｅＬとについても同様である。
【００４７】
角溝２２１は蛇行しているのに対して、中央溝２２２は直線状である。このため、長さ１ｅＬに対する長さ１Ｌの割合は、長さ２ｅＬに対する長さ２Ｌの割合よりも大きい。即ち、（１Ｌ／１ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立する。同様に、（４Ｌ／４ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立する。
【００４８】
また、角溝２２１、中央溝２２２、及び２２４での任意の地点での溝断面積は略一定である。これらの任意の地点での溝幅や溝深さは略一定だからである。セパレータ４０に関しても同様に、角溝４２１、中央溝４２２、及び角溝４２４での任意の地点での溝断面積は略一定である。ここで、角溝２２１の溝断面積と角溝４２１の溝断面積との合計は、角溝２２１及び４２１により画定される流路断面積１Ａに相当する。図４において、角溝２２１及び４２１で包囲された部分の面積が、角溝２２１及び４２１により画定される流路断面積１Ａに相当する。任意の位置での流路断面積１Ａも略一定である。ここで、角溝２２１及び４２１により画定される流路容積１Ｖは、長さ１Ｌに流路断面積１Ａを乗算して得ることができる。同様に、中央溝２２２及び４２２により画定される流路容積２Ｖは、長さ２Ｌに中央溝２２２及び４２２により画定される流路断面積２Ａを乗算して得ることができる。角溝２２４及び４２４により画定される流路容積４Ｖは、長さ４Ｌに角溝２２４及び４２４により画定される流路断面積４Ａを乗算して得ることができる。
【００４９】
ここで、上述したように、（１Ｌ／１ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立するため、（１Ｖ／１ｅＬ）＞（２Ｖ／２ｅＬ）が成立する。即ち、角縁１ｅの長さ１ｅＬに対する流路容積１Ｖの割合は、中央縁２ｅの長さ２ｅＬに対する流路容積２Ｖの割合よりも大きい。このため、角縁１ｅに対する角溝２２１及び４２１を流れる冷却水の流速は、中央縁２ｅに対する中央溝２２２及び４２２を流れる冷却水の流速よりも低減される。角縁１ｅの長さ１ｅＬに対する流路容積１Ｖの割合が大きいほど、角縁１ｅの一端から他端にまで所定量の冷却水が移動するのに時間を要し、中央縁２ｅの長さ２ｅＬに対する流路容積２Ｖの割合が小さいほど、中央縁２ｅの一端から他端にまで同一量の冷却水が移動するのに短時間で済むからである。このため、例えば角縁１ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水の温度が角縁１ｅに伝達しやすく角縁１ｅは昇温しやすい。同様に、（４Ｌ／４ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立するため、（４Ｖ／４ｅＬ）＞（２Ｖ／２ｅＬ）が成立する。このため、角溝２２４及び４２４を流れる冷却水の流速は低減されており、角縁４ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角縁４ｅの昇温が促進される。
【００５０】
また、角路を画定する角溝２２１及び４２１内の表面積１Ｓとし、中央路を画定する中央溝２２２及び４２２内の表面積２Ｓとすると、（１Ｌ／１ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立するため、（１Ｓ／１ｅＬ）＞（２Ｓ／２ｅＬ）が成立する。即ち、角縁１ｅの長さ１ｅＬに対する表面積１Ｓの割合は、中央縁２ｅの長さ２ｅＬに対する表面積２Ｓの割合よりも大きい。ここで、表面積１Ｓは、角溝２２１及び４２１内で単位量当たりの冷却水が角溝２２１及び４２１内の表面に接触する面積を意味する。表面積２Ｓは、中央溝２２２及び４２２内で単位量当たりの冷却水が中央溝２２２及び４２２内の表面に接触する面積を意味する。上記の関係が成立することにより、角溝２２１及び４２１を流れる冷却水の温度は角溝２２１及び４２１内の表面を介して角縁１ｅに伝達しやすく、これと比較して中央溝２２２及び４２２を流れる冷却水の温度は中央溝２２２及び４２２内の表面を介して中央縁２ｅには伝達されにくい。従って、例えば角溝２２１及び４２１や角縁１ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水の温度が角溝２２１及び４２１を介して角縁１ｅに伝達しやすく、角縁１ｅの昇温が促進される。同様に、角溝２２４及び４２４内の表面積４Ｓとすると、（４Ｌ／４ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）の関係が成立するため、（４Ｓ／４ｅＬ）＞（２Ｓ／２ｅＬ）が成立する。このため、角溝２２４及び４２４や角縁４ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水の温度が角溝２２４及び４２４を介して角縁４ｅに伝達しやすく、角縁４ｅの昇温が促進される。
【００５１】
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ上方側から見た場合での角溝２２３及び２２６周辺を模式的に示した拡大図である。尚、図６Ａ及び図６Ｂでは、中央溝２２５を一部省略して示しており、冷却溝２１、案内溝２１ｄ及び２１ｆについては図示を省略してある。
【００５２】
角溝２２３及び２２６は、一定の振幅及び一定の波長で波状に蛇行して延びている。中央溝２２５は、直線状に延びている。図５には、角縁３ｅ、中央縁５ｅ、及び角縁６ｅのそれぞれの長さ３ｅＬ、５ｅＬ、及び６ｅＬを示している。角縁３ｅは、孔ａ３を−Ｘ方向から−Ｙ方向にかけて連続的に投影した場合に形成される領域である。角縁６ｅは、孔ａ５を−Ｘ方向から＋Ｙ方向にかけて連続的に投影した場合に形成される領域である。中央縁５ｅは、ＭＥＧＡ１０を−Ｘ方向から投影した場合に形成される領域である。ＭＥＧＡ１０は、矩形状であるため、長さ２ｅＬと長さ５ｅＬとは同じである。図６Ａには、角縁３ｅ及び中央縁５ｅのそれぞれの長さ３ｅＬ及び５ｅＬと、角溝２２３及び中央溝２２５の中心線の長さ３Ｌ及び５Ｌとを示している。図６Ｂには、中央縁５ｅ及び角縁６ｅのそれぞれの長さ５ｅＬ及び６ｅＬと、中央溝２２５及び角溝２２６の中心線の長さ５Ｌ及び６Ｌとを示している。
【００５３】
上述した場合と同様に、（３Ｌ／３ｅＬ）＞（５Ｌ／５ｅＬ）の関係が成立するため、角溝２２３及び４２３により画定される流路容積３Ｖと、中央溝２２５及び４２５により画定される流路容積５Ｖとに関しても、（３Ｖ／３ｅＬ）＞（５Ｖ／５ｅＬ）が成立する。このため、角溝２２３及び４２３を流れる冷却水の流速が低減されており、角縁３ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角縁３ｅの昇温が促進される。同様に、（６Ｌ／６ｅＬ）＞（５Ｌ／５ｅＬ）が成立するため、角溝２２６及び４２６により画定される流路容積６Ｖと、中央溝２２５及び４２５により画定される流路容積５Ｖとに関しても、（６Ｖ／６ｅＬ）＞（５Ｖ／５ｅＬ）が成立する。このため、角溝２２６及び４２６を流れる冷却水の流速が低減され、角縁６ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角縁６ｅの昇温が促進される。
【００５４】
また、角溝２２３及び４２３内の表面積３Ｓと、中央溝２２５及び４２５内の表面積５Ｓとに関しても、（３Ｌ／３ｅＬ）＞（５Ｌ／５ｅＬ）の関係が成立するため、（３Ｓ／３ｅＬ）＞（５Ｓ／５ｅＬ）が成立する。このため、例えば角溝２２３及び４２３や角縁３ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角溝２２３及び４２３を介して角縁３ｅの昇温が促進される。同様に、角溝２２６及び４２６内の表面積６Ｓに関しても、（６Ｌ／６ｅＬ）＞（５Ｌ／５ｅＬ）が成立するため、（６Ｓ／６ｅＬ）＞（５Ｓ／５ｅＬ）が成立する。このため、例えば角溝２２６及び４２６や角縁６ｅの温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角溝２２６及び４２６を介して角縁６ｅの昇温が促進される。
【００５５】
［比較例及びその問題点］
次に、比較例について説明する。図７は、比較例のセパレータ２０ｘについての説明図である。外周溝２２ｘの角溝２２１ｘでは、直線状に延びており、角溝２２１ｘの溝幅も中央溝２２２と同様である。角溝２２１ｘにＺ方向で対向する不図示の角溝についても角溝２２１ｘと同様の形状である。このため、角溝２２１ｘの長さ１Ｌｘと、角溝２２１ｘとこれに対向する角溝とにより画定される角路の流路容積１Ｖｘ、角溝２２１ｘにより画定される角路の内面の表面積１Ｓｘに関して、（１Ｌｘ／１ｅＬ）＜（２Ｌ／２ｅＬ）、（１Ｖｘ／１ｅＬ）＜（２Ｖ／２ｅＬ）、（１Ｓｘ／１ｅＬ）＜（２Ｓ／２ｅＬ）が成立する。従って、角溝２２１ｘを流れる冷却水の流速は、上述した本実施例の場合よりも速い。
【００５６】
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８Ａ及び図８Ｂでは、単セル２ｘの角部周辺を示しており、ＭＥＧＡ１０ｘ等の図示を簡略化している。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、且つ単セル２ｘの角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。
【００５７】
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や角溝２２１ｘ及び４２１ｘ、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、単セル２ｘの角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、角溝２２１ｘ及び４２１ｘやビード２９１及び４９１は、ＭＥＧＡ１０ｘからＸＹ平面方向に離れている。更に、角溝２２１ｘ及び４２１ｘとＭＥＧＡ１０ｘとの間にはアノードガスが流れる孔１ａが設けられているが、孔１ａには、ＭＥＧＡ１０ｘ内を流れる前の、ＭＥＧＡ１０ｘの発電反応による熱を受けていないアノードガスが流れる。更に、単セル２ｘの角部には氷Ｉが存在しており、氷Ｉを融解するために発電反応による熱が奪われる。このため、単セル２ｘの角部は昇温するのに時間を要する。
【００５８】
従って、単セル２ｘの中央部では厚みが膨張しているが、角部では氷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、角溝２２１ｘ及び４２１ｘ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。他の角部でも同様の問題が生じる可能性がある。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。
【００５９】
［本実施例の構成による効果］
上述したように本実施例では、角溝２２１及び４２１、角溝２２３及び４２３、角溝２２４及び４２４、角溝２２６及び４２６を流れる冷却水の流速が低減されており、単セル２の角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅの各温度が冷却水の温度よりも低い場合には、冷却水により角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅの昇温が促進される。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、角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅ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の中央部と角部との厚みの差の増大を抑制でき、角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。
【００６０】
また、上述したように本実施例では、表面積１Ｓ、３Ｓ、４Ｓ、及び６Ｓが確保されているため、角溝２２１、４２１、２２３、４２３、２２４、４２４、２２６、及び４２６の昇温が促進されている。これにより、これらの近傍の角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅの昇温も促進される。
【００６１】
角溝２２１、４２１、２２３、４２３、２２４、４２４、２２６、及び４２６は蛇行しているため、冷却水の圧損は、直線状の中央溝２２２、４２２、２２５、及び４２５での冷却水の圧損よりも増大している。これによっても、角溝２２１及び４２１、角溝２２３及び４２３、角溝２２４及び４２４、角溝２２６及び４２６内を流れる冷却水の流速が低減される。このため、角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅの昇温も促進される。
【００６２】
上記の角溝は、部分的にのみ蛇行しその他の部分は直線状に延びていてもよい。
【００６３】
［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。
【００６４】
図９は、上方側から見た場合の第１変形例のセパレータ２０ａの模式図である。セパレータ２０ａの外周溝２２Ａでは、角溝２２１及び２２４は蛇行しているが、角溝２２３ａ及び２２６ａは蛇行せずに、それぞれ直線状の２つの部位が略直角に接続した形状である。このため、角溝２２１及び２２４に関してのみ、上述した本実施例での関係式を満たす。
【００６５】
ここで、孔ａ１及びａ４はそれぞれアノードガス入口マニホールド及びカソードガス入口マニホールドであり、孔ａ３及びａ６は、カソードガス出口マニホールド及びアノードガス出口マニホールドである。カソードガス出口マニホールド及びアノードガス出口マニホールドでは、それぞれ、ＭＥＧＡ１０内を流れてＭＥＧＡ１０から熱を受けた後のカソードガス及びアノードガスが流れる。これに対して、カソードガス入口マニホールド及びアノードガス入口マニホールドでは、ＭＥＧＡ１０からはまだ熱を受けていないカソードガス及びアノードガスが流れる。このため、角縁１ｅ及び４ｅの方が、角縁３ｅ及び６ｅよりも昇温し難く、角縁１ｅ及び４ｅ周辺に蛇行した角溝２２１及び２２４を採用することで、角縁１ｅ及び４ｅを早期に昇温できる。また、角溝２２３ａ及び２２６ａは蛇行していないため、冷却水の圧損の増大を抑制できる。
【００６６】
尚、角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅのうち、昇温がされにくい角縁に対応した角溝だけ、上述したように蛇行させてもよい。例えば、カソードガスとして用いられる空気をエアコンプレッサにより圧縮して燃料電池スタックに供給される場合には、カソードガス入口マニホールドである孔ａ４には比較的高温の圧縮空気が供給されるため、角縁４ｅは昇温されやすい。このため、角縁４ｅ以外の昇温がされにくい角縁に対してのみ、蛇行した角溝を設けてもよい。また、角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅのうち予め凍結が生じやすい角縁が分かっている場合には、凍結が生じやすい角縁に対応する角溝のみを蛇行させてもよい。
【００６７】
また、例えば、燃料電池スタックの周辺に熱源が存在しており、例えばその熱源により角縁１ｅ、３ｅ、４ｅ、及び６ｅの何れかが昇温されやすく、残りが昇温されにくい場合には、昇温されにくい角縁に対応した角縁のみを蛇行されてもよい。熱源としては、例えば、燃料電池スタックにカソードガスとしての空気を圧縮して供給するエアコンプレッサや、アノードオフガスを燃料電池スタックに再循環させる循環ポンプ等の、燃料電池スタック用の補機が考えられる。
【００６８】
［第２変形例］
図１０Ａは、上方側から見た場合での第２変形例のセパレータ２０ｂの模式図である。セパレータ２０ｂの外周溝２２Ｂでは、中央溝２２２ｂ及び２２５ｂも、角溝２２１等と同様に蛇行している。図１０Ｂ及び図１０Ｃは、それぞれ角溝２２１及び中央溝２２２ｂの部分拡大図である。中央溝２２２ｂの振幅Ａ２は、角溝２２１の振幅Ａ１よりも小さい。また、中央溝２２２ｂの波長λ２は、角溝２２１の波長λ１よりも長い。このため、中央溝２２２ｂの中心線の長さ２Ｌｂ、及び中央溝２２２ｂに対応する流路容積２Ｖｂ、中央溝２２２ｂに対応した中央路内の表面積２Ｓｂに関して、上述した本実施例と同様に、（１Ｌ／１ｅＬ）＞（２Ｌｂ／２ｅＬ）が成立し、（１Ｖ／１ｅＬ）＞（２Ｖｂ／２ｅＬ）、（１Ｓ／１ｅＬ）＞（２Ｓｂ／２ｅＬ）が成立する。このため、第２変形例においても、冷却水による角縁１ｅ等の昇温が促進されている。
【００６９】
ここで、中央溝２２２ｂも蛇行しているため、直線状の中央溝２２２よりも、冷却水の流速が低減され、中央溝２２２ｂと冷却水との接触面積も確保されており、冷却水による中央縁２ｅの昇温が促進される。また、振幅Ａ２は振幅Ａ１より小さく、波長λ２は波長λ１よりも長いため、中央溝２２２ｂでの冷却水の圧損の増大が抑制されている。中央溝２２５ｂについても同様である。
【００７０】
振幅Ａ２及びＡ１が同じであって、波長λ２が波長λ１よりも長くてもよい。また、波長λ２及びλ１が同じであって、振幅Ａ２が振幅Ａ１よりも小さくてもよい。これによっても、中央溝２２２ｂでの冷却水の圧損の増大を抑制できる。中央溝２２５ｂについても同様である。中央縁２ｅ及び５ｅの何れか一方が凍結しやすい場合には、凍結が生じやすい中央縁にのみ、蛇行した中央溝を採用してもよい。
【００７１】
［第３変形例］
図１１Ａは、上方側から見た場合での第３変形例のセパレータ２０ｃの角溝２２１ｃ周辺を模式的に示した拡大図である。外周縁２０Ｅｃの角縁１ｅｃは、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ略平行な縁領域１ｅ１及び１ｅ２を含む。セパレータ２０ｃの外周溝２２Ｃでは、角溝２２１ｃは、縁領域１ｅ２と孔ａ１との間でＸ方向に蛇行している点は上述した本実施例と同様であるが、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間でＹ方向ではなくＸ方向に蛇行している点で異なっている。詳細には、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間で角溝２２１ｃは、内側溝２２ａから＋Ｘ方向に略直線状に延びて途中で反対方向である−Ｘ方向に略直線状に延び、その後に再び＋Ｘ方向に略直線状に延びるように蛇行している。換言すれば、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間で角溝２２１ｃは、縁領域１ｅ１が延びた方向に蛇行している。このためセパレータ２０ｃは、上述したセパレータ２０よりも−Ｙ方向に拡大しており、長さ１ｅＬｃは、上述した長さ１ｅＬよりも長い。また、このように蛇行した部位は、部分的に縁領域１ｅ１と孔ａ１との間から−Ｘ方向に外れるように延びている。ここで、長さ１Ｌｃは、長さ１Ｌｃ１と長さ１Ｌｃ２との合計である。長さ１Ｌｃ１は、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間にある角溝２２１ｃのうちの上流側の部位の長さであり、長さ１Ｌｃ２は、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間の下流側の部位から、縁領域１ｅ２と孔ａ２との間にまで延びた下流側の部位までの長さである。
【００７２】
このように長さ１Ｌｃが確保されており、（１Ｌｃ／１ｅＬｃ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）が成立する。従って、角溝２２１ｃに対応する角路の流路容積１Ｖｃ、角溝２２１ｃに対応した角路内の表面積１Ｓｃに関しても、（１Ｖｃ／１ｅＬｃ）＞（２Ｖ／２ｅＬ）、（１Ｓｃ／１ｅＬｃ）＞（２Ｓ／２ｅＬ）が成立する。このため、第３変形例においても、冷却水による角縁１ｅｃの昇温が促進されている。特に第３変形例での長さ１Ｌｃは、上述した本実施例での長さ１Ｌよりも十分に長いため、流路容積１Ｖｃ及び表面積１Ｓｃも十分に大きい。このため、より角縁１ｅｃを早期に昇温することができる。
【００７３】
角溝２２１ｃは、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間でＸ方向に蛇行しつつ、縁領域１ｅ２と孔ａ１との間でもＸ方向ではなくＹ方向に蛇行していてもよい。また、角溝２２１ｃは、上述した本実施例と同様に縁領域１ｅ１と孔ａ１との間でＹ方向に蛇行しつつ、縁領域１ｅ２と孔ａ１との間ではＹ方向に蛇行していてもよい。上述した本実施例の角溝２２３、２２４、及び２２６の少なくとも一つが、角溝２２１ｃと同様の態様で蛇行していてもよい。
【００７４】
尚、孔ａ１が矩形状ではなく三角形状であって、三角形状の第１辺が縁領域１ｅ２に略平行に対向し、第２辺がＭＥＧＡ１０側に位置して略Ｘ方向に延びており、第１辺と第３辺との間の頂点が縁領域１ｅ１に対向しているような形状を採用してもよい。この場合には、第１辺と縁領域１ｅ２との間で角溝が、縁領域１ｅ２が延びた方向に蛇行していてもよい。この場合には、縁領域１ｅ２の昇温を促進できる。
【００７５】
［第４変形例］
図１１Ｂは、上方側から見た場合での第４変形例のセパレータ２０ｄの角溝２２１ｄ周辺を模式的に示した拡大図である。セパレータ２０ｄは、セパレータ２０ｃと平面方向での大きさが同じである。角縁１ｅｃは、上述した縁領域１ｅ１及び１ｅ２と、縁領域１ｅ１及び１ｅ２とを接続した接続領域１ｅ３とを含む。第４変形例では、外周溝２２Ｄの角溝２２１ｄは、路領域２２１ｄ１及び２２１ｄ２を含む。路領域２２１ｄ１は、縁領域１ｅ１と孔ａ１との間に位置し、路領域２２１ｄ２は、縁領域１ｅ２と孔ａ２との間に位置している。具体的には、路領域２２１ｄ１は、接続領域１ｅ３に接近するにつれて縁領域１ｅ１に接近し孔ａ１から離れるように略直線状に延びている。路領域２２１ｄ２は、接続領域１ｅ３から離れるにつれて縁領域１ｅ２から離れて孔ａ１に接近するように略直線状に延びている。路領域２２１ｄ１及び２２１ｄ２の間の内側の角度は、９０度未満である。
【００７６】
このように長さ１Ｌｄが確保されており、（１Ｌｄ／１ｅＬｃ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）が成立する。従って、角溝２２１ｄに対応した角路の流路容積１Ｖｄ、角溝２２１ｄに対応した角路内の表面積１Ｓｄに関しても、（１Ｖｄ／１ｅＬｃ）＞（２Ｖ／２ｅＬ）、（１Ｓｄ／１ｅＬｃ）＞（２Ｓ／２ｅＬ）が成立する。このため、第４変形例においても、冷却水による角縁１ｅｃの昇温が促進されている。また、角溝２２１ｄは蛇行していないため、冷却水の圧損の増大が抑制されている。尚、路領域２２１ｄ１及び２２２ｄ２は、接続領域１ｅ３に対向する部位で湾曲した部位を介して接続されており、これによっても冷却水の圧損の増大が抑制されている。
【００７７】
路領域２２１ｄ１及び２２１ｄ２は、略直線状であるが、少なくとも一方が湾曲又は蛇行していてもよい。路領域２２１ｄ１及び２２１ｄ２の一方の一部分が、湾曲又は蛇行していてもよい。また、接続領域１ｅ３は、角縁１ｅｃの頂点であるが、アール状に角が丸められた形状であってもよい。上述した本実施例の角溝２２３、２２４、及び２２６の少なくとも一つが、角溝２２１ｄと同様の形状であってもよい。
【００７８】
［第５変形例］
図１２は、上方側から見た場合での第５変形例のセパレータ２０ｅの角溝２２１ｅ周辺を模式的に示した拡大図である。セパレータ２０ｅの外周溝２２Ｅでは、角溝２２１ｅは蛇行しておらず、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ略直線状に延びた部位から構成されている。また、角溝２２１ｅの溝幅Ｗ１が、中央溝２２２の溝幅Ｗ２よりも大きく形成されている。このため、角溝２２１ｅの中心線の長さ１Ｌｃは、確保されていないが、角溝２２１ｅに対応した角路の流路容積１Ｖｅと、角溝２２１ｅに対応した角路内の表面積１Ｓｅとは確保されている。このため、（１Ｌｅ／１ｅＬ）＞（２Ｌ／２ｅＬ）は成立しないが、（１Ｖｅ／１ｅＬ）＞（２Ｖ／２ｅＬ）、（１Ｓｅ／１ｅＬ）＞（２Ｓ／２ｅＬ）は成立する。このため、第５変形例においても、冷却水による角縁１ｅの昇温が促進されている。
【００７９】
角溝２２１ｅの溝幅は一定であるが、角溝２２１ｅの少なくとも一部の溝幅が、中央溝２２２の少なくとも一部の溝幅よりも大きくてもよい。また角溝２２１ｅは、部分的に溝幅が拡大又は縮小した部位が設けられていてもよい。角溝２２１ｅの少なくとも一部は、蛇行又は湾曲していてもよい。上述した本実施例の角溝２２３、２２４、及び２２６の少なくとも一つが、角溝２２１ｅと同様の形状であってもよい。また、上述した変形例の角溝２２１ｃや角溝２２１ｄの少なくとも一部分の溝幅が拡大していてもよい。
【００８０】
［その他］
上述した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。また、角縁は略直交する２つの縁により画定されているが、湾曲した形状であってもよい。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セパレータを採用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セパレータを採用してもよい。
【００８１】
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】
【００８２】
１  燃料電池スタック
２、２Ａ  単セル
１０  膜電極ガス拡散層接合体
１８  支持フレーム（絶縁部材）
ａ１、ａ３、ａ４、ａ６  孔（第１、第２、第３、及び第４ガスマニホールド）
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）
２２１、２２３、２２４、２２６、４２１、４２３、４２４、４２６  角溝
２２２、２２５、４２２、４２５  中央溝
【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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