(57)【要約】【課題】燃料電池の冷却効率の向上および電極への反応ガスの供給の均一化を図る。【解決手段】燃料電池１のカソード側セパレータ１１は、凹凸状の断面を有する導電板により形成され、カソード側セパレータ１１には、カソード電極４側へ開口した空気供給溝１２と、カソード電極４側の反対側へ開口した冷媒流通溝１５とが交互に配置されている。冷媒流通溝１５の底側の左側角部および右側角部には、左側ディンプル部２５および右側ディンプル部２６がそれぞれ設けられている。左側ディンプル部２５および右側ディンプル部２６はそれぞれ、カソード側セパレータ１１を空気供給溝１２が開口している側から見たときには左側角部または右側角部に対して凹んでおり、カソード側セパレータ１１を冷媒流通溝１５が開口している側から見たときには左側角部または右側角部から当該冷媒流通溝１５内に突出している。【選択図】図４
2020155273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、
前記一対の電極間に設けられた電解質膜と、
前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の外側に設けられたセパレータと、
前記セパレータに設けられ、反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
前記セパレータに設けられ、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路とを備え、
前記セパレータは、凹凸状の断面を有する導電板により形成され、
前記セパレータには、前記一方の電極側へ開口し、前記反応ガス流路として用いられる複数の第１の溝と、前記一方の電極側の反対側へ開口し、前記冷却媒体流路として用いられる複数の第２の溝とが１つずつ交互に配置され、
前記各第２の溝の底部は平板状に形成され、前記一方の電極と対向し、
前記各第２の溝において、当該第２の溝と前記第１の溝とを仕切る側壁部と、当該第２の溝の底部とが交わる角部には、前記セパレータを前記各第１の溝が開口している側から見たときには当該角部に対して凹んでおり、前記セパレータを前記各第２の溝が開口している側から見たときには当該角部から当該第２の溝内に突出している第１のディンプル部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記各第２の溝において、前記第１のディンプル部は、当該第２の溝の底部から前記側壁部に亘って形成され、前記第１のディンプル部内の空間は、当該第２の溝と隣り合っている前記第１の溝内と連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記各第２の溝において、前記第１のディンプル部は、前記角部から前記底部の幅方向における所定の位置に至るまで拡がっており、前記所定の位置は前記角部から前記底部の幅の４分の３未満の距離離れた位置であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記所定の位置は前記角部から前記底部の幅の２分の１未満の距離離れた位置であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記所定の位置は前記角部から前記底部の幅の５分の１以上の距離離れた位置であること特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記各第２の溝において、前記第１のディンプル部は、前記第１の溝の底部と前記側壁部とが交わる角部には達していないことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記各第２の溝において、前記第１のディンプル部は全体的に曲面により形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記各第２の溝には一対の前記第１のディンプル部が設けられ、
前記一対の第１のディンプル部のうちの一方の第１のディンプル部は、当該第２の溝の一側において隣り合う前記第１の溝と当該第２の溝とを仕切る側壁部と、当該第２の溝の底部とが交わる角部に配置され、
前記一対の第１のディンプル部のうちの他方の第１のディンプル部は、当該第２の溝の他側において隣り合う前記第１の溝と当該第２の溝とを仕切る側壁部と、当該第２の溝の底部とが交わる角部に配置され、
前記一対の第１のディンプル部は互いに対向していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記各第２の溝において、当該第２の溝の底部の幅方向略中央部には、前記第２の溝内に突出している第２のディンプル部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記各第２の溝には複数の前記第１のディンプル部および複数の前記第２のディンプル部が設けられ、前記複数の第１のディンプル部は当該第２の溝の伸長方向においてそれぞれ離間して配置され、前記各第２のディンプル部は前記複数の第１のディンプル部のうち当該第２の溝の伸長方向において互いに隣り合う２つの第１のディンプル部間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記各第２の溝の横断面視において、前記第１のディンプル部および第２のディンプル部は互いに部分的に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機構を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池は、アノード電極と、カソード電極と、これらの電極間に設けられた電解質膜と、アノード電極の外側およびカソード電極の外側にそれぞれ設けられた一対のセパレータとを備えた複数のセルを積み重ねることにより形成されている。各セルにおいて、アノード電極およびカソード電極には、反応ガス、具体的には、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する。より具体的には、アノード電極には燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極には酸化剤ガスとして例えば空気を供給する。水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により各セルにおいて電気エネルギーが得られる。各セパレータにおいて、アノード電極に臨む部分には、水素ガスをアノード電極に供給するための水素ガス流路が設けられている。また、各セパレータにおいて、カソード電極に臨む部分には、空気をカソード電極に供給するための空気流路が設けられている。
【０００３】
ところで、電気化学反応時に生じる熱により燃料電池スタックの温度分布が不均一になると、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。多くの燃料電池は、各セパレータに冷却媒体流路を設け、その冷却媒体流路に空気または水等の冷却媒体を流通させることで、燃料電池スタックを冷却し、燃料電池スタックの温度分布が不均一となることを抑制している。
【０００４】
下記の特許文献１の図２には、冷却媒体流路（５４）が設けられたセパレータ（１４、１６）を有する燃料電池スタック（１０）が記載されている。なお、丸括弧内の符号は特許文献１の図２中の符号を示している。燃料電池スタック（１０）において、各電解質膜・電極構造体（１２）は、固体高分子電解質膜（２４）と、固体高分子電解質膜（２４）を挟持するカソード電極（２６）およびアノード電極（２８）とを備えている。セパレータ（１４、１６）は、互いに隣り合う２つの電解質膜・電極構造体（１２）の間に設けられている。セパレータ（１４、１６）は、カソード側セパレータ（１４）およびアノード側セパレータ（１６）により構成されている。
【０００５】
各セパレータ（１４、１６）は、薄板状金属を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形されている。カソード側セパレータ（１４）においてカソード電極（２６）に向かう面には酸化剤ガス流路（３０）が形成されている。アノード側セパレータ（１６）においてアノード電極（２８）に向かう面には燃料ガス流路（４４）が形成されている。また、カソード側セパレータ（１４）とアノード側セパレータ（１６）との間には冷却媒体流路（５４）が形成されている。アノード側セパレータ（１６）において、冷却媒体流路（５４）は燃料ガス流路（４４）の裏面に形成されており、カソード側セパレータ（１４）において、冷却媒体流路（５４）は酸化剤ガス流路（３０）の裏面に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−２０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の図２に示されているように、カソード側セパレータ（１４）において、酸化剤ガス流路（３０）と冷却媒体流路（５４）とは、図２中の矢示Ｂ方向に交互に配置されている。すなわち、互いに隣り合う２つの酸化剤ガス流路（３０）間に冷却媒体通路（５４）が配置されている。酸化剤ガスは、カソード電極（２６）において、酸化剤ガス流路３０の開口部と対向している部分からカソード電極（２６）内に流入する。一方、酸化剤ガスは、カソード電極（２６）において、冷却媒体通路（５４）の壁部と接触している部分からは流入しない。したがって、カソード電極（２６）において、酸化剤ガス流路（３０）の開口部と対向している部分の周囲の領域と比較して、冷却媒体通路（５４）の壁部と接触している部分の周囲の領域では、酸化剤ガスの供給量が少なくなる。
【０００８】
確かに、カソード電極（２６）において酸化剤ガス流路（３０）の開口部と対向している部分からカソード電極（２６）内へ流入した酸化剤ガスは、カソード電極（２６）のガス拡散層を通ることにより拡散する。しかしながら、例えば、冷却効率を向上させるべく、冷却媒体通路（５４）の幅を大きくした場合には、冷却媒体通路（３０）を挟んで互いに隣り合う２つの酸化剤ガス流路（３０）間の間隔が広くなる。その結果、カソード電極（２６）において、冷却媒体通路（５４）の壁部と接触している部分の周囲の領域への酸化剤ガスの拡散が不十分となる可能性がある。カソード電極（２６）への酸化剤ガスの供給が不均一になると、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。同様の問題は、アノード電極（２８）への水素ガスの供給についても起こり得る。
【０００９】
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、冷却効率の向上、および電極への反応ガスの供給の均一化を図ることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、一対の電極と、前記一対の電極間に設けられた電解質膜と、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の外側に設けられたセパレータと、前記セパレータに設けられ、反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記セパレータに設けられ、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路とを備え、前記セパレータは、凹凸状の断面を有する導電板により形成され、前記セパレータには、前記一方の電極側へ開口し、前記反応ガス流路として用いられる複数の第１の溝と、前記一方の電極側の反対側へ開口し、前記冷却媒体流路として用いられる複数の第２の溝とが１つずつ交互に配置され、前記各第２の溝の底部は平板状に形成され、前記一方の電極と対向し、前記各第２の溝において、当該第２の溝と前記第１の溝とを仕切る側壁部と、当該第２の溝の底部とが交わる角部には、前記セパレータを前記各第１の溝が開口している側から見たときには当該角部に対して凹んでおり、前記セパレータを前記各第２の溝が開口している側から見たときには当該角部から当該第２の溝内に突出している第１のディンプル部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の冷却効率の向上、および電極への反応ガスの供給の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例の燃料電池を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例の燃料電池におけるセルを示す分解図である。
【図３】図２中の上方から見たセルを示す説明図である。
【図４】図３中の矢示ＩＶーＩＶ方向から見た２つのセルを示す断面図である。
【図５】本発明の実施例の燃料電池におけるカソード側セパレータの一部を右前上方から見た斜視図である。
【図６】本発明の実施例の燃料電池におけるカソード側セパレータの一部を左前下方から見た斜視図である。
【図７】図４中のカソード側セパレータにおいて１つの冷媒流通溝の横断面を示す拡大図である。
【図８】本発明の実施例におけるカソード側セパレータにおいて、空気供給溝内を流通する空気がカソード側ガス拡散層へ流入する経路を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施例の燃料電池におけるカソード側セパレータの一部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態の燃料電池は、一対の電極と、一対の電極間に設けられた電解質膜と、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の外側に設けられたセパレータと、セパレータに設けられ、反応ガスを流通させる反応ガス流路と、セパレータに設けられ、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路とを備えている。
【００１４】
セパレータは、凹凸状の断面を有する導電板により形成されている。また、セパレータには、上記一方の電極側へ開口し、反応ガス流路として用いられる複数の第１の溝と、上記一方の電極側の反対側へ開口し、冷却媒体流路として用いられる複数の第２の溝とが１つずつ交互に配置されている。また、各第２の溝の底部は平板状に形成され、上記一方の電極と対向している。
【００１５】
また、各第２の溝において、当該第２の溝と第１の溝とを仕切る側壁部と、当該第２の溝の底部とが交わる角部には、第１のディンプル部が設けられている。すなわち、第１のディンプル部は、第２の溝の底部から側壁部に亘って形成されている。また、第１のディンプル部は、セパレータを各第１の溝が開口している側から見たときには当該角部に対して凹んでおり、セパレータを各第２の溝が開口している側から見たときには当該角部から第２の溝内に突出している。
【００１６】
第２の溝の底部において第１のディンプル部が形成されていない部分は、上記一方の電極、または上記一方の電極とセパレータとの間に設けられた部材（例えばガス拡散層等）に接触している。これに対し、第２の溝の底部において第１のディンプル部が形成されている部分は、上記一方の電極、または上記一方の電極とセパレータとの間に設けられた部材から離間している。すなわち、第２の溝の底部において第１のディンプル部が形成されている部分と、上記一方の電極、または上記一方の電極とセパレータとの間に設けられた部材との間には空間が形成されている。そして、第１のディンプル部は、第２の溝の底部から側壁部に亘って形成されているので、上記空間は、第２の溝と側壁部を挟んで隣り合っている第１の溝内と連通している。したがって、第１の溝内を流通する反応ガスは上記空間内に流入する。その結果、第１の溝内を流通する反応ガスは、第１の溝の開口部からだけでなく、第１のディンプル部により形成された上記空間内を通って上記一方の電極に流入する。
【００１７】
このように、本発明の実施形態によれば、セパレータにおいて、第１の溝の開口部と上記一方の電極とが対向している領域だけでなく、第２の溝の底側と上記一方の電極とが対向している領域においても、反応ガスを上記一方の電極へ流入させることができる。したがって、上記一方の電極において、第２の溝の底側、すなわち冷却媒体流路の底側と対向している領域においても反応ガスを十分に供給することができ、反応ガスの供給量を上記一方の電極の全域に亘って均一化することができる。よって、燃料電池の発電性能を高めることができる。
【００１８】
また、本発明の実施形態において、セパレータを各第２の溝が開口している側から見たとき、第１のディンプル部は、第２の溝の底部と側壁部とが交わる角部から第２の溝内に突出している。第１のディンプル部が第２の溝内に突出していることにより、第２の溝内を流通する冷却媒体が第１のディンプル部に当たり、冷却媒体に渦が発生し、冷却媒体が攪拌される。この結果、冷却媒体による燃料電池の冷却効率を高めることができる。
【００１９】
以上より、本発明の実施形態によれば、第１のディンプル部により、燃料電池の冷却効率の向上と、電極への反応ガスの供給の均一化との双方を実現することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、図１ないし図９を用い、本発明の燃料電池の実施例について説明する。各図中の右下には、左（Ｌ）、右（Ｒ）、前（Ｆ）、後（Ｂ）、上（Ｕ）および下（Ｄ）をそれぞれ示す矢印が描かれている。説明の便宜上、燃料電池の実施例に関して方向を述べる際には、それらの矢印に従う。
【００２１】
（燃料電池）
図１は本発明の実施例の燃料電池１を示している。燃料電池１は例えば固体高分子型燃料電池である。図１に示すように、燃料電池１は複数のセル２を備えている。燃料電池１においては、複数のセル２が上下方向に積み重ねられることにより、燃料電池スタックが形成されている。複数のセル２のうち、最も上側に配置されたセル２の上方には集電板５１が設けられ、集電板５１の上方には絶縁板５２を介してエンドプレート５３が設けられている。同様に、複数のセル２のうち、最も下側に配置されたセル２の下方にも集電板５１、絶縁板５２およびエンドプレート５３が設けられている。各セル２、各集電板５１および各絶縁板５２は、例えば、燃料電池１の外周側部分に、各セル２、各集電板５１、各絶縁板５２および各エンドプレート５３を上下方向に貫通するいくつかの貫通孔を形成し、各貫通孔に、長いボルト５４を通し、各ボルト５４の端部にナットを締結することにより、一対のエンドプレート５３間に支持されている。
【００２２】
図２は、セル２の構成要素を模式的に示す分解図である。図３は、図２中の上方から見たセル２を示している。図４は、図３中の矢示ＩＶーＩＶ方向から見た２つのセル２の断面を示している。図２において、各セル２は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）３、カソード側ガス拡散層７、アノード側ガス拡散層８、カソード側セパレータ１１およびアノード側セパレータ４１を備えている。
【００２３】
ＭＥＡ３は、外形が四角形の薄膜状に形成されている。ＭＥＡ３は、図４に示すように、カソード電極４と、アノード電極５と、これら電極４、５間に設けられた電解質膜６とを備えている。カソード電極４およびアノード電極５はそれぞれ、例えば、白金の粒子を担持した炭素担体により形成された触媒層である。電解質膜６は、例えばフッ素系スルホン酸膜等の固体高分子材料により形成されている。
【００２４】
カソード側ガス拡散層７はカソード電極４と隣接するようにカソード電極４の上方に配置されている。アノード側ガス拡散層８はアノード電極５と隣接するようにアノード電極５の下方に配置されている。カソード側ガス拡散層７およびアノード側ガス拡散層８はそれぞれ、例えば炭素繊維により、外形が四角形の薄膜状に形成されている。
【００２５】
カソード側セパレータ１１は、カソード側ガス拡散層７の外側、具体的には、カソード側ガス拡散層７と隣接するようにカソード側ガス拡散層７の上方に配置されている。カソード側セパレータ１１の詳細については後述する。
【００２６】
アノード側セパレータ４１は、アノード側ガス拡散層８の外側、具体的には、アノード側ガス拡散層８と隣接するようにアノード側ガス拡散層８の下方に配置されている。アノード側セパレータ４１は、例えば、金属、または炭素と樹脂との複合材料等の導電性を有する材料により、外形が四角形の平板状に形成されている。また、図２に示すように、アノード側セパレータ４１の上面、すなわちアノード側ガス拡散層８と対向する面には複数の水素供給溝４２が形成されている。複数の水素供給溝４２は、アノード電極５に供給する水素ガスを流通させるための水素ガス流路４３として用いられる。水素供給溝４２は、アノード側ガス拡散層８を介してアノード電極５の全域に水素ガスを均一に供給することが可能となるように、アノード側セパレータ４１の上面の全域に亘って形成されている。
【００２７】
（カソード側セパレータ）
カソード側セパレータ１１は、導電性を有する板状の材料（導電板）により形成されている。具体的には、カソード側セパレータ１１は、例えばステンレス鋼等の金属板により形成されている。また、カソード側セパレータ１１は、図２に示すように、その外形が四角形状に形成されている。また、カソード側セパレータ１１は、例えばプレス加工により、その断面形状が凹凸状となるように折り曲げられている。本実施例においては、カソード側セパレータ１１はその断面形状が矩形波状となるように折り曲げられている。
【００２８】
カソード側セパレータ１１には、下方、すなわちカソード電極４側へ開口する複数の空気供給溝１２と、上方、すなわちアノード側セパレータ４１側へ開口する複数の冷媒流通溝１５とが形成されている。カソード側セパレータ１１において、複数の空気供給溝１２と複数の冷媒流通溝１５とは１つずつ交互に配置されている。また、各空気供給溝１２および各冷媒流通溝１５は、前後方向に直線状に、かつ互いに平行に伸長している。複数の空気供給溝１２は、カソード電極４に供給する空気を流通させるための空気流路３１として用いられる。また、複数の冷媒流通溝１５は、燃料電池１を冷却する冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路３２として用いられる。冷却媒体は例えば水等の液体である。なお、空気供給溝１２は特許請求の範囲の記載における「第１の溝」の具体例であり、冷媒流通溝１５は特許請求の範囲の記載における「第２の溝」の具体例であり、空気流路３１は特許請求の範囲の記載における「反応ガス流路」の具体例である。
【００２９】
図４に示すように、各空気供給溝１２の開口部はカソード側ガス拡散層７を介してカソード電極４と対向している。各空気供給溝１２の底部１３は、前後左右方向に拡がる平板状に形成され、アノード側セパレータ４１の下面（水素供給溝４２が形成されていない面）に接触している。
【００３０】
各冷媒流通溝１５の開口部は、アノード側セパレータ４１の下面と対向している。各冷媒流通溝１５の底部１６は、前後左右方向に拡がる平板状に形成されている。また、各冷媒流通溝１５の底部１６と各空気供給溝１２の底部１３とは互いに平行である。また、各冷媒流通溝１５の底部１６は、カソード側ガス拡散層７を介してカソード電極４と対向している。また、各冷媒流通溝１５の底部１６において、後述する左側ディンプル部２５、右側ディンプル部２６および中央ディンプル部２７が形成されていない部分は、カソード側ガス拡散層７に接触している。
【００３１】
カソード側セパレータ１１において、冷媒流通溝１５と空気供給溝１２とを仕切る側壁部１７は、前後上下方向に拡がる平板状に形成され、冷媒流通溝１５の底部１６および空気供給溝１２の底部１３のそれぞれと直交している。
【００３２】
また、各冷媒流通溝１５には、複数の左側ディンプル部２５、複数の右側ディンプル部２６および複数の中央ディンプル部２７が設けられている。これらディンプル部２５、２６、２７はそれぞれ、例えばプレス加工によりカソード側セパレータ１１に形成されている。なお、複数の左側ディンプル部２５および複数の右側ディンプル部２６はそれぞれ特許請求の範囲の記載における「第１のディンプル部」の具体例である。また、複数の中央ディンプル部２７は特許請求の範囲における「第２のディンプル部」の具体例である。
【００３３】
ここで、図５はカソード側セパレータ１１の一部をその右前上方から見た斜視図であり、図６はカソード側セパレータ１１の一部をその左前下方から見た斜視図である。また、図７は、図４中のカソード側セパレータ１１において１つの冷媒流通溝１５の横断面を示す拡大図である。
【００３４】
各左側ディンプル部２５は、各冷媒流通溝１５において、左側の側壁部１７と底部１６とが交わる左側角部１８に設けられている。各左側ディンプル部２５は、各冷媒流通溝１５の底部１６から左側の側壁部１７に亘って形成されている。カソード側セパレータ１１を上方、すなわち各冷媒流通溝１５が開口している側から見たとき、各左側ディンプル部２５は、図５に示すように左側角部１８から冷媒流通溝１５内に突出している。また、カソード側セパレータ１１を下方、すなわち各空気供給溝１２が開口している側から見たとき、各左側ディンプル部２５は、図６に示すように左側角部１８に対して凹んでいる。また、図２に示すように、複数の左側ディンプル部２５は、各冷媒流通溝１５の左側角部１８の前端側部分から後端側部分にかけて、前後方向に例えば所定の等しい間隔を置いて配置されている。
【００３５】
各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５は、冷媒流通溝１５の左右方向中央には達していない。具体的には、各左側ディンプル部２５は、図７に示すように、左側角部１８から底部１６の左右方向（幅方向）における位置Ｐｗに至るまで拡がっており、各左側ディンプル部２５の右端の位置Ｐｗは、左側角部１８から、底部１６の幅Ｗの例えば５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定されている。
【００３６】
また、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５は、冷却流通溝１５の左隣りの空気供給溝１２の底部１３と側壁部１７とが交わる角部２１には達していない。具体的には、各左側ディンプル部２５は、左側角部１８から側壁部１７の上下方向（高さ方向）における位置Ｐｈに至るまで拡がっており、各左側ディンプル部２５の上端の位置Ｐｈは、左側角部１８から、側壁部１７の高さＨの例えば５分の１以上かつ３分の２未満の距離、離れた位置に設定されている。
【００３７】
また、各左側ディンプル部２５は全体的に曲面により形成されている。具体的には、各左側ディンプル部２５は、中空の球体の左上部を切り出したような形状を有している。
【００３８】
また、図４に示すように、各冷媒流通溝１５の底部１６において各左側ディンプル部２５が形成されている部分は、カソード側ガス拡散層７から離間している。すなわち、各冷媒流通溝１５の底部１６において各左側ディンプル部２５が形成されている部分と、カソード側ガス拡散層７との間には空間が形成されている。そして、各左側ディンプル部２５内のこの空間は、冷媒流通溝１５の左側において当該冷媒流通溝１５と隣り合っている空気供給溝１２内と連通している。
【００３９】
一方、各右側ディンプル部２６は、各冷媒流通溝１５において、右側の側壁部１７と底部１６とが交わる右側角部１９に設けられている。各冷媒流通溝１５において、右側ディンプル部２６のそれぞれの形状は、左側ディンプル部２５の形状と左右対称であり、右側ディンプル部２６のそれぞれの配置は、左側ディンプル部２５の配置と左右対称である。各冷媒流通溝１５において、左側ディンプル部２５と右側ディンプル部２６とはそれぞれ互いに対向している。また、各冷媒流通溝１５において、左側ディンプル部２５と右側ディンプル部２６とは互いに離間している。
【００４０】
各冷媒流通溝１５において、各右側ディンプル部２６は、図７に示すように、右側角部１９から底部１６の左右方向における位置Ｑｗに至るまで拡がっており、各右側ディンプル部２６の左端の位置Ｑｗは、右側角部１９から、底部１６の幅Ｗの例えば５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定されている。また、各冷媒流通溝１５において、各右側ディンプル部２６は、右側角部１９から側壁部１７の上下方向における位置Ｑｈに至るまで拡がっており、各右側ディンプル部２６の上端の位置Ｑｈは、右側角部１９から、側壁部１７の高さＨの例えば５分の１以上かつ３分の２未満の距離、離れた位置に設定されている。
【００４１】
また、図４に示すように、各冷媒流通溝１５の底部１６において各右側ディンプル部２６が形成されている部分は、カソード側ガス拡散層７から離間している。すなわち、各冷媒流通溝１５の底部１６において各右側ディンプル部２６が形成されている部分と、カソード側ガス拡散層７との間には空間が形成されている。そして、各右側ディンプル部２６内のこの空間は、冷媒流通溝１５の右側において当該冷媒流通溝１５と隣り合っている空気供給溝１２内と連通している。
【００４２】
一方、各中央ディンプル部２７は、各冷媒流通溝１５の底部１６の左右方向中央部に設けられている。カソード側セパレータ１１を上方から見たとき、各中央ディンプル部２７は、図５に示すように冷媒流通溝１５の底部１６から冷媒流通溝１５内に突出している。また、図２に示すように、複数の中央ディンプル部２７は、各冷媒流通溝１５の底部１６の前端側部分から後端側部分にかけて、前後方向に例えば所定の等しい間隔を置いて配置されている。
【００４３】
各冷媒流通溝１５において、各中央ディンプル部２７は、図７に示すように、冷媒流通溝１５の左側角部１８および右側角部１９のそれぞれから離間している。また、各冷媒流通溝１５において、各中央ディンプル部２７は、左側ディンプル部２５および右側ディンプル部２６のそれぞれと略同一の高さを有している。また、各中央ディンプル部２７は全体的に曲面により形成されている。具体的には、各中央ディンプル部２７は中空の半球状の形状を有している。
【００４４】
また、図３に示すように、各中央ディンプル部２７は、各冷媒流通溝１５の左右方向中央であって、前後方向において互いに隣り合う２つの左側ディンプル部２５の間（または、前後方向において互いに隣り合う２つの右側ディンプル部２６の間）に配置されている。すなわち、中央ディンプル部２７は、冷媒流通溝１５の底部１６において、前後方向において互いに隣り合う２つの左側ディンプル部２５と、これら２つの左側ディンプル部２５とそれぞれ対向する２つの右側ディンプル部２６とに囲まれた領域の中央に配置されている。
【００４５】
また、各中央ディンプル部２７は、左側ディンプル部２５および右側ディンプル部２６のそれぞれから離間している。しかしながら、図４に示すように、各冷媒流通溝１５の横断面視において、各中央ディンプル部２７は、中央ディンプル部２７の左部が左側ディンプル部２５の右部と重なり合い、中央ディンプル部２７の右部が右側ディンプル部２６の左部と重なり合うように配置されている。
【００４６】
以上、説明した通り、本発明の実施例の燃料電池１のカソード側セパレータ１１において、各冷媒流通溝１５の左側角部１８および右側角部１９には複数の左側ディンプル部２５および複数の右側ディンプル部２６がそれぞれ設けられており、カソード側セパレータ１１を下方から見たとき、各左側ディンプル部２５は左側角部１８に対して凹んでおり、各右側ディンプル部２６は右側角部１９に対して凹んでいる。そして、各左側ディンプル部２５とカソード側ガス拡散層７との間の空間は各冷媒流通溝１５の左隣りの空気供給溝１２と連通し、各右側ディンプル部２６とカソード側ガス拡散層７との間の空間は各冷媒流通溝１５の右隣りの空気供給溝１２と連通している。この構成において、各空気供給溝１２内を流通する空気は、図８に示すように、各空気供給溝１２の開口部からカソード側ガス拡散層７へ流入するだけでなく、各左側ディンプル部２５とカソード側ガス拡散層７との間の空間、および各右側ディンプル部２６とカソード側ガス拡散層７との間の空間をそれぞれ通ってカソード側ガス拡散層７へ流入する。各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５とカソード側ガス拡散層７との間の空間、および各右側ディンプル部２６とカソード側ガス拡散層７との間の空間はそれぞれ冷媒流通溝１５の左右方向中央に向かって伸長している。したがって、各空気供給溝１２内を流通する空気は、これらの空間をそれぞれ通り、冷媒流通溝１５の中央に近い位置からカソード側ガス拡散層７内へ流入し、カソード側ガス拡散層７内において拡散する。この結果、各空気供給溝１２内を流通する空気が、カソード電極４において各冷媒流通溝１５の中央部に対向する位置へ到達し易くなる。
【００４７】
このように、本実施例の燃料電池１によれば、カソード側セパレータ１１において、各空気供給溝１２の開口部とカソード側ガス拡散層７とが対向している領域だけでなく、各冷媒流通溝１５の底側とカソード側ガス拡散層７とが対向している領域においても、空気をカソード側ガス拡散層７へ流入させることができる。したがって、カソード電極４において、冷媒流通溝１５の底側、すなわち冷却媒体流路３２の底側と対向している領域においても空気を十分に供給することができ、空気の供給量をカソード電極４の全域に亘って均一化することができる。よって、燃料電池１の発電性能を高めることができる。
【００４８】
また、カソード側セパレータ１１を上方から見たとき、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５および各右側ディンプル部２６は左側角部１８および右側角部１９から冷媒流通溝１５内にそれぞれ突出している。各左側ディンプル部２５および各右側ディンプル部２６が冷媒流通溝１５内に突出していることにより、冷媒流通溝１５内を流通する冷却媒体が左側ディンプル部２５または右側ディンプル部２６に当たり、冷却媒体に渦が発生し、冷却媒体が攪拌される。この結果、冷却媒体による燃料電池の冷却効率を高めることができる。
【００４９】
以上より、本実施例の燃料電池１によれば、各左側ディンプル部２５および各右側ディンプル部２６により、燃料電池１の冷却効率の向上と、カソード電極４への空気の供給の均一化との双方を実現することができる。
【００５０】
さらに、本実施例においては、図７に示すように、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５は、左側角部１８から底部１６の幅方向における位置Ｐｗに至るまで拡がっており、位置Ｐｗは、左側角部１８から、底部１６の幅Ｗの５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定されている。また、各右側ディンプル部２６は、右側角部１９から底部１６の幅方向における位置Ｑｗに至るまで拡がっており、位置Ｑｗは、右側角部１９から、底部１６の幅Ｗの５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定されている。この構成により、冷媒流通溝１５内における冷却媒体の流通が滞ることを防止しつつ、空気供給溝１２内を流通する空気を、カソード電極４において各冷媒流通溝１５の中央部に対向する位置へ到達し易くすることができる。すなわち、各左側ディンプル部２５の右端部の位置Ｐｗを、左側角部１８から、底部１６の幅Ｗの２分の１以上の距離、離れた位置に設定し、または各右側ディンプル部２６の左端部の位置Ｑｗを、右側角部１９から、底部１６の幅Ｗの２分の１以上の距離、離れた位置に設定し、あるいは、各左側ディンプル部２５の右端部と各右側ディンプル部２６の左端部とを連結させた場合には、冷媒流通溝１５の底側における冷却媒体の流通が左側ディンプル部２５または右側ディンプル部２６により過剰に遮られてしまい、冷却媒体の流通が滞ってしまうおそれがある。一方、各左側ディンプル部２５の右端部の位置Ｐｗを左側角部１８に極めて接近させ（例えば左側角部１８から、底部１６の幅Ｗの１０分の１程度の距離、離れた位置に設定し）、または各右側ディンプル部２６の左端部の位置Ｑｗを右側角部１９に極めて接近させ（例えば右側角部１９から、底部１６の幅Ｗの１０分の１程度の距離、離れた位置に設定し）た場合には、各空気供給溝１２内を流通する空気が冷媒流通溝１５の中央に近い位置からカソード側ガス拡散層７内へ流入しなくなるので、空気が、カソード電極４において各冷媒流通溝１５の中央部に対向する位置へ到達し難くなる。本実施例によれば、各左側ディンプル部２５の右端部の位置Ｐｗを、左側角部１８から、底部１６の幅Ｗの５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定し、各右側ディンプル部２６の左端部の位置Ｑｗを、右側角部１９から、底部１６の幅Ｗの５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定したことにより、冷却媒体の流通の滞りを防止しつつ、空気をカソード電極４において各冷媒流通溝１５の中央部に対向する位置へ到達し易くすることができる。
【００５１】
また、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５は、冷媒流通溝１５の左隣りの空気供給溝１２の底部１３と側壁部１７とが交わる角部２１には達していない。また、各右側ディンプル部２６は、冷媒流通溝１５の右隣りの空気供給溝１２の底部１３と側壁部１７とが交わる角部２２には達していない。この構成によっても、冷媒流通溝１５内における冷却媒体の流通が滞ることを防止することができる。すなわち、各左側ディンプル部２５をその上端部の位置Ｐｈが角部２１に達するように形成し、または各右側ディンプル部２６をその上端部の位置Ｑｈが角部２２に達するように形成した場合には、冷媒流通溝１５内の左端側または右端側において冷却媒体の流通が過剰に遮られてしまい、冷却媒体の流通が滞ってしまうおそれがある。本実施例によれば、このような冷却媒体の流通の滞りを防止することができる。
【００５２】
また、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５と各右側ディンプル部２６とは左右方向において互いに対向するように配置されている。この構成により、各冷媒流通溝１５内の底側において、幅が広い部分と幅の狭い部分とを交互に形成することができ、各冷媒流通溝１５内を流通する冷却媒体を攪拌させることができる。
【００５３】
また、各冷媒流通溝１５において、底部１６の左右方向略中央部には中央ディンプル部２７が設けられている。中央ディンプル部２７を設けることで、各冷媒流通溝１５内を流通する冷却媒体を中央ディンプル部２７に当て、冷却媒体に渦を発生させ、冷却媒体を攪拌させることができる。
【００５４】
また、各中央ディンプル部２７は、各冷媒流通溝１５の左右方向中央であって、前後方向において互いに隣り合う２つの左側ディンプル部２５の間、または、前後方向において互いに隣り合う２つの右側ディンプル部２６の間に配置されている。この構成により、左側ディンプル部２５と中央ディンプル部２７との間、または右側ディンプル部２６と中央ディンプル部２７との間を通る冷却媒体を蛇行させることができる。
【００５５】
また、図４に示すように、各冷媒流通溝１５の横断面視において、各中央ディンプル部２７は、中央ディンプル部２７の左部が左側ディンプル部２５の右部と重なり合い、中央ディンプル部２７の右部が右側ディンプル部２６の左部と重なり合うように配置されている。この構成により、左側ディンプル部２５と中央ディンプル部２７との間、または右側ディンプル部２６と中央ディンプル部２７との間を通る冷却媒体を大きく蛇行させることができる。
【００５６】
また、各冷媒流通溝１５において、各左側ディンプル部２５、各右側ディンプル部２６および各中央ディンプル部２７はそれぞれ全体的に曲面により形成されている。この構成により、各冷媒流通溝１５内を流通する冷却媒体が過度に攪拌され、冷却媒体の流通が滞ってしまうことを防止することができる。
【００５７】
なお、上記実施例では、冷媒流通溝１５の左右方向中央であって、前後方向において互いに隣り合う２つの左側ディンプル部２５（または２つの右側ディンプル部２６）の間に１つの中央ディンプル部２７を配置したが、冷媒流通溝１５の左右方向中央であって、前後方向において互いに隣り合う２つの左側ディンプル部２５（または２つの右側ディンプル部２６）の間に複数の中央ディンプル部を配置してもよい。
【００５８】
また、上記実施例では、各冷媒流通溝１５において、図７に示すように、各左側ディンプル部２５の右端の位置Ｐｗが、冷媒流通溝１５の左側角部１８から、冷媒流通溝１５の底部１６の幅Ｗの５分の１以上かつ２分の１未満の距離、離れた位置に設定されている場合を例にあげたが、本発明はこれに限らない。各左側ディンプル部の右端の位置を、左側角部１８から、底部１６の幅の２分の１以上かつ４分の３未満の距離、離れた位置に設定してもよい。右側ディンプル部の左端の位置についても同様である。また、上記実施例では、各冷媒流通溝１５において、左側ディンプル部２５の形状と右側ディンプル部２６の形状とが互いに左右対称である場合を例にあげたが、左側ディンプル部の形状と右側ディンプル部の形状とは互いに左右対称でなくてもよい。また、上記実施例では、各冷媒流通溝１５において、左側ディンプル部２５の配置と右側ディンプル部２６の配置とが互いに左右対称である場合を例にあげたが、左側ディンプル部の配置と右側ディンプル部の配置とは互いに左右対称でなくてもよい。また、上記実施例では、各冷媒流通溝１５において、左側ディンプル部２５と右側ディンプル部２６とがそれぞれ互いに対向している場合を例にあげたが、左側ディンプル部と右側ディンプル部とはそれぞれ互いに対向していなくてもよい。また、冷媒流通溝に中央ディンプル部を設けなくてもよい。図９は本発明の他の実施例の燃料電池におけるカソード側セパレータ６１を示している。図９に示すように、カソード側セパレータ６１の各冷媒流通溝６３には、複数の左側ディンプル部６７および複数の右側ディンプル部６８が設けられている。各左側ディンプル部６７の右端の位置Ｐｗは、冷媒流通溝６３の左側角部６４から、冷媒流通溝６３の底部の幅の２分の１以上かつ４分の３未満の距離、離れた位置に設定されている。また、各右側ディンプル部６８の左端の位置Ｑｗは、冷媒流通溝６３の右側角部６５から、冷媒流通溝６３の底部の幅の２分の１以上かつ４分の３未満の距離、離れた位置に設定されている。また、各左側ディンプル部６７の配置と各右側ディンプル部６８の配置とは互いに左右対称ではない。また、冷媒流通溝６３には中央ディンプル部が設けられていない。この実施形態によれば、左側ディンプル部６７と右側ディンプル部６８との間に冷却媒体を通すことにより、冷却媒体を蛇行させて攪拌させることができ、冷却媒体による燃料電池の冷却効率を高めることができる。
【００５９】
また、上記実施例では、カソード側セパレータ１１を金属板により形成する場合を例にあげたが、カソード側セパレータ１１を例えば炭素と樹脂との複合体等により形成してもよい。
【００６０】
また、上記実施例では、水等の液体を冷却媒体として用いる場合を例にあげたが、冷却媒体は空気等の気体でもよい。
【００６１】
また、上記実施例では、空気供給溝１２を有するカソード側セパレータ１１に形成された冷媒流通溝１５に左側ディンプル部２５、右側ディンプル部２６および中央ディンプル部２７を設ける場合を例にあげたが、これに代え、またはこれに加え、水素供給溝４２を有するアノード側セパレータ４１に冷媒流通溝を形成し、その冷媒流通溝に左側ディンプル部、右側ディンプル部および中央ディンプル部を設けてもよい。もっとも、空気は水素と比較して拡散し難く、かつ反応し難いので、水素供給溝４２を有するアノード側セパレータ４１に形成された冷媒流通溝に左側ディンプル部、右側ディンプル部および中央ディンプル部を設けるよりも、空気供給溝１２を有するカソード側セパレータ１１に形成された冷媒流通溝１５に左側ディンプル部２５、右側ディンプル部２６および中央ディンプル部２７を設ける方が、燃料電池の発電性能をより大きく向上させることができる。
【００６２】
また、各空気供給溝１２の幅寸法と深さ寸法の比率、各冷媒流通溝１５の幅寸法と深さ寸法の比率、および空気供給溝１２の幅寸法と冷媒流通溝１５の幅寸法の比率はそれぞれ図４等に示すものに限定されない。また、各空気供給溝１２または各冷媒流通溝１５を前後方向に蛇行しながら伸長させてもよい。また、カソード電極４へ供給する反応ガスは空気以外の酸化剤ガスでもよい。また、本発明の燃料電池は燃料電池自動車以外にも用いることができる。
【００６３】
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池もまた本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池
２  セル
４  カソード電極
５  アノード電極
６  電解質膜
７  カソード側ガス拡散層
８  アノード側ガス拡散層
１１、６１  カソード側セパレータ
１２  空気供給溝（第１の溝）
１３  底部
１５、６３  冷媒流通溝（第２の溝）
１６  底部
１７  側壁部
１８、６４  左側角部
１９、６５  右側角部
２１、２２  角部
２５、６７  左側ディンプル部（第１のディンプル部）
２６、６８  右側ディンプル部（第１のディンプル部）
２７  中央ディンプル部（第２のディンプル部）
３１  空気流路（反応ガス流路）
３２  冷却媒体流路
【図１】
2020155273.tif 000003
【図２】
2020155273.tif 000004
【図３】
2020155273.tif 000005
【図４】
2020155273.tif 000006
【図５】
2020155273.tif 000007
【図６】
2020155273.tif 000008
【図７】
2020155273.tif 000009
【図８】
2020155273.tif 000010
【図９】
2020155273.tif 000011