(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を電気化学的に酸化させる燃料極と酸化剤を電気化学的に酸化させる酸化剤極との間に電解質膜を挟んだ構成の単電池同士の間に配置されるように矩形もしくは方形の平板状をなすと共に、前記燃料もしくは前記酸化剤を流通させる多条の細い正面溝が前記単電池に密着させられる一方の第１面に形成され、かつ前記燃料もしくは前記酸化剤を流通させる多条の細い背面溝が他の単電池に密着させられる他方の第２面に形成され、前記正面溝の一端部が連通する第１供給用マニホールドと前記正面溝の他端部が連通する第１排出用マニホールドとが前記矩形もしくは方形の中心に対して対称となるように周辺部に該周辺部の板厚方向に貫通して形成され、さらに前記背面溝の一端部が連通する第２供給用マニホールドと前記背面溝の他端部が連通する第２排出用マニホールドとが前記矩形もしくは方形の中心に対して対称となるように周辺部に該周辺部の板厚方向に貫通して形成されている燃料電池用セパレータにおいて、
前記正面溝の一端部を前記第２面側で前記第１供給用マニホールドに連通する第１供給部と、
前記正面溝の他端部を前記第２面側で前記第１排出用マニホールドに連通する第１排出部と、
前記背面溝の一端部を前記第１面側で前記第２供給用マニホールドに連通する第２供給部と、
前記背面溝の他端部を前記第１面側で前記第２排出用マニホールドに連通する第２排出部と、
前記第１面における前記第１供給用マニホールドの開口部および前記第１排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲むガスケット用溝と、前記第２供給用マニホールドの開口部および前記第２排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲むガスケット用溝とのいずれか一方のガスケット用溝と、
前記第２面における前記第１供給用マニホールドの開口部および前記第１排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲む他のガスケット用溝と、前記第２供給用マニホールドの開口部および前記第２排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲む他のガスケット用溝とのいずれか一方の他のガスケット用溝とを備え、
前記矩形もしくは方形における対角線上の一対のコーナー部のうちのいずれか一方に前記第１供給用マニホールドが設けられ、いずれか他方に前記第１排出用マニホールドが設けられ、かつ
前記矩形もしくは方形における対角線上の一対の他のコーナー部のうちのいずれか一方に前記第２供給用マニホールドが設けられ、いずれか他方に前記第２排出用マニホールドが設けられ、
前記ガスケット用溝および前記他のガスケット用溝は、前記コーナー部を形成している２辺における各辺の長さの中央部を越えない範囲にそれぞれ形成され、
前記正面溝での前記燃料もしくは前記酸化剤の流通方向と前記背面溝での前記燃料もしくは前記酸化剤の流通方向とが直交するように、前記正面溝および前記背面溝が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記各マニホールドは前記各コーナー部に沿って直角に曲がって形成されると共に、前記各マニホールドの長さ方向の中間部に、互いに対向する内周縁を連結する補強用ブリッジ部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータを積層した燃料電池用セパレータの積層構造であって、
前記第１面同士を対向させかつ前記第２面同士を対向させて積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの積層構造。
【請求項４】
偶数枚の前記燃料電池用セパレータを積層することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの積層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気化学的反応によって起電力を生じる単電池を積層して構成される燃料電池に関し、特にそれら単電池の間に配置される燃料電池用セパレータおよびその積層構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用のセパレータの一例が特許文献１に記載されている。その特許文献１に記載されているセパレータは、全体としてほぼ矩形状の平板体であって、一方の面に互いに平行な多条の細溝が形成されていて、これが陽極側流域とされ、また他方の面に互いに平行な多条の細溝が形成されていて、これが陰極側流域とされている。これらの細溝は、６箇所で直角に屈曲して全体としてジグザグに折れ曲がっており、一群をなす陽極側細溝は、矩形状のセパレータにおける例えば一方の面（正面）で上辺側の右端側の部分と下辺側の左端側の部分とに開口している。これに対して、一群をなす陰極側細溝は、上記の陽極側細溝に対して９０度回転した向きになっていて、例えば他方の面（背面）で左辺側（正面で右辺側）の上端部の部分と右辺側（正面で左辺側）の下端側の部分とに開口している。そして、これらの細溝の端部に対応する４箇所、すなわち正面で上辺側の右端部側の部分と下辺側の左端側の部分と正面で右辺側の上端側の部分（背面で左辺側の上端側の部分）と正面で左辺側の下端側の部分（背面で右辺側の下端側の部分）とに板厚方向に貫通しかつ開口形状が長孔状のマニホールドが形成されている。さらに、上下左右の各辺の部分（セパレータにおける縁の部分もしくは耳の部分）には、それぞれに形成されているマニホールドと同一形状でかつ左右対称もしくは上下対称となる位置（左右もしくは上下に反転させた場合に重なる位置）に他の４つのマニホールドが形成されている。
【０００３】
したがって、特許文献１に記載されているセパレータによれば、二枚のセパレータをその正面と背面とを対向させてその間に膜・電極構成体（Membran Electrod Assemby：ＭＥＡ）を挟み込んで一つのユニットを構成する。ついで、そのユニットを構成している一方のセパレータに他のＭＥＡを対面させる。その場合、当該他のＭＥＡが密着させられるセパレータの面が正面であれば、第三のセパレータを９０度回転させた状態でその背面が前記他のＭＥＡに密着するように配置する。こうすることにより、前記ユニットでは細溝に連通していない他のマニホールドが、第三のセパレータにおける細溝に連通しているマニホールドと繋がる。このように、特許文献１に記載されているセパレータでは、複数のユニットを積層した構造になっている電池を貫通するように各セパレータのマニホールドが繋がり、燃料の供給および排出用の二対の管路と、空気の供給および排出用の二対の管路が形成される。そして、いずれか一対の管路は一つおきのユニットに連通し、他の一対の管路は他の一つおきのユニットに連通する。すなわち、二系統の供給路と二系統の排出路とを形成するように構成されている。
【０００４】
また特許文献２に記載されたセパレータは、ほぼ矩形状に形成された平板体の一方の面（正面）に互いに平行な多条の細溝が４箇所で直角に屈曲して形成されていて、これがＭＥＡに燃料を供給する燃料溝とされ、他方の面（背面）に互いに平行な多条の細溝が４箇所で直角に屈曲して形成されていて、これがＭＥＡに酸化剤を供給する酸化剤溝とされている。燃料溝の一端部は前記一方の面で左辺側の下端側の部分に形成された燃料供給用マニホールドに前記一方の面側で連通し、他端部は右辺側の上端側の部分に形成された燃料排出用マニホールドに前記一方の面側で連通している。酸化剤溝の一端部は、前記他方の面で左辺側の下端側の部分に形成された酸化剤供給用マニホールドに前記他方の面側で連通し、他端部は右辺側の上端側の部分に形成された酸化剤排出用マニホールドに前記他方の面側で連通している。そして、二枚のセパレータのうちいずれか一方のセパレータを裏返し、それら二枚のセパレータの正面同士あるいは背面同士を対向させ、その間にＭＥＡを挟み込んで一つのユニットを構成するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６１５３０８号明細書
【特許文献２】特開２０１０−８６６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されている構成では、各セパレータが燃料や酸化剤の給排のためのマニホールドをそれぞれ二対備えており、そのうち一対のマニホールドは偶数番目の単電池に燃料や酸化剤を給排するためのものであり、他方の一対のマニホールドは奇数番目の単電池に燃料や酸化剤を給排するためのものである。そのため、特許文献１に記載されている構成では各単電池に対して燃料や酸化剤を給排するための流路の構成が複雑になる。また、単電池の積層数が増大して燃料や酸化剤を給排するための流路長が長くなると、各管路における流動抵抗が増大して下流側の単電池に供給する燃料や酸化剤に不足を生じる可能性がある。そこで、下流側の単電池に必要十分な燃料や酸化剤を供給するために、陽極側流域や陰極側流域の大きさを変更せずに、各マニホールドの開口面積を必要十分に大きくしようとすると、特許文献１に記載されている構成では、セパレータを大きくせざるを得ず、ひいては燃料電池が大型化する可能性がある。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されている構成では、各セパレータにおいて、燃料や酸化剤を給排するためのマニホールドは、それぞれ一対ずつ形成されている。そのため、特許文献１に記載されている構成と比較して、各単電池に対して燃料や酸化剤を給排するための流路の構成を簡素化できる。また、セパレータのサイズを変更せずに、各マニホールドの開口面積を大きくすることができる。しかしながら、特許文献２に記載されたセパレータにおいては、一方の面において燃料供給用マニホールドおよび燃料排出用マニホールドと燃料溝とが分離されておらず、また他方の面において酸化剤供給用マニホールドおよび酸化剤排出用マニホールドと酸化剤溝とが分離されていない。そのため、例えば酸化剤供給用マニホールドを流通する酸化剤が燃料溝に混入する可能性がある。
【０００８】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、燃料や酸化剤あるいは反応生成物を流通させるマニホールドの数を少なくして小型軽量化することができ、かつ、マニホールドと燃料もしくは酸化剤を単電池に供給するための反応領域とを分離することのできる燃料電池用セパレータおよびその積層構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料を電気化学的に酸化させる燃料極と酸化剤を電気化学的に酸化させる酸化剤極との間に電解質膜を挟んだ構成の単電池同士の間に配置されるように矩形もしくは方形の平板状をなすと共に、前記燃料もしくは前記酸化剤を流通させる多条の細い正面溝が前記単電池に密着させられる一方の第１面に形成され、かつ前記燃料もしくは前記酸化剤を流通させる多条の細い背面溝が他の単電池に密着させられる他方の第２面に形成され、前記正面溝の一端部が連通する第１供給用マニホールドと前記正面溝の他端部が連通する第１排出用マニホールドとが前記矩形もしくは方形の中心に対して対称となるように周辺部に該周辺部の板厚方向に貫通して形成され、さらに前記背面溝の一端部が連通する第２供給用マニホールドと前記背面溝の他端部が連通する第２排出用マニホールドとが前記矩形もしくは方形の中心に対して対称となるように周辺部に該周辺部の板厚方向に貫通して形成されている燃料電池用セパレータにおいて、前記正面溝の一端部を前記第２面側で前記第１供給用マニホールドに連通する第１供給部と、前記正面溝の他端部を前記第２面側で前記第１排出用マニホールドに連通する第１排出部と、前記背面溝の一端部を前記第１面側で前記第２供給用マニホールドに連通する第２供給部と、前記背面溝の他端部を前記第１面側で前記第２排出用マニホールドに連通する第２排出部と、前記第１面における前記第１供給用マニホールドの開口部および前記第１排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲むガスケット用溝と、前記第２供給用マニホールドの開口部および前記第２排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲むガスケット用溝とのいずれか一方のガスケット用溝と、前記第２面における前記第１供給用マニホールドの開口部および前記第１排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲む他のガスケット用溝と、前記第２供給用マニホールドの開口部および前記第２排出用マニホールドの開口部のそれぞれを個別に取り囲む他のガスケット用溝とのいずれか一方の他のガスケット用溝とを備え、前記矩形もしくは方形における対角線上の一対のコーナー部のうちのいずれか一方に前記第１供給用マニホールドが設けられ、いずれか他方に前記第１排出用マニホールドが設けられ、かつ前記矩形もしくは方形における対角線上の一対の他のコーナー部のうちのいずれか一方に前記第２供給用マニホールドが設けられ、いずれか他方に前記第２排出用マニホールドが設けられ、前記ガスケット用溝および前記他のガスケット用溝は、前記コーナー部を形成している２辺における各辺の長さの中央部を越えない範囲にそれぞれ形成され、前記正面溝での前記燃料もしくは前記酸化剤の流通方向と前記背面溝での前記燃料もしくは前記酸化剤の流通方向とが直交するように、前記正面溝および前記背面溝が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各マニホールドは前記各コーナー部に沿って直角に曲がって形成されると共に、前記各マニホールドの長さ方向の中間部に、互いに対向する内周縁を連結する補強用ブリッジ部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを積層した燃料電池用セパレータの積層構造において、前記第１面同士を対向させかつ前記第２面同士を対向させて積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの積層構造である。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、偶数枚の前記燃料電池用セパレータを積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの積層構造である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、燃料電池用セパレータの各コーナー部に形成されているマニホールドが、燃料や酸化剤を供給し、あるいは余剰の燃料や酸化剤もしくは反応生成物を排出するための流路を形成する。単電池に対して燃料や酸化剤を供給もしくは排出するためのマニホールドは、それぞれ一対ずつ形成されている。そのため、各流路の構成を簡素にすることができるとともに、燃料電池用セパレータの周辺部分を有効に利用して開口面積の広いマニホールドを形成することができる。つまりセパレータを小型軽量化することが可能になる。そしてこれにより、単電池を多数積層したとしても下流側の単電池に対して必要十分な量の燃料や酸化剤を確実に供給することができる。また、この発明に係る燃料電池用セパレータは、第１面において、各マニホールドと正面溝とが分離されており、その正面溝は第２面側で第１供給部および第１排出部を介して各マニホールドに連通される。また第２面において、各マニホールドと背面溝とが分離されており、その背面溝は第１面側で第２供給部および第２排出部を介して各マニホールドに連通される。つまり各面において、各マニホールドと各溝とは分離されているため、例えば燃料を流通させている正面溝にマニホールドから漏れ出た酸化剤が混入することを防止もしくは抑制することができる。また、いずれか一対のマニホールドの開口部をガスケットによって取り囲んだとすれば、上述した各マニホールドと各溝との分離をより確実なものとすることができる。さらに、各マニホールドと、正面溝もしくは背面溝とは、上述したように分離されているため、上記のガスケットが正面溝もしくは背面溝に乗り上げて燃料もしくは酸化剤の流通が妨げられることがない。
【００１４】
さらに、この発明では、第１面と第２面との構成が、表裏を反転しかつ９０度向きを変えたものとなっている。つまり第１面および第２面において、第１供給用マニホールドおよび第１排出用マニホールドと、第２供給用マニホールドおよび第２排出用マニホールドとが、矩形もしくは方形の中心に対して９０度回転対称に形成されている。そのため、それぞれの面に二対形成されているマニホールドの開口部のうちいずれか一対のマニホールドの開口部の周囲にガスケットを配置して第１面同士もしくは第２面同士を向かい合わせることにより流路を形成するマニホールド同士の間を上記のガスケットによってシールすることができる。すなわち、一方の面で合計４箇所の開口部の全てにガスケットを設けずに、その半分の二箇所にガスケットを設ければよく、必要部品を少なくし、組立性を向上させることができる。また、正面溝における燃料もしくは酸化剤の流通方向に対して背面溝における燃料もしくは酸化剤の流通方向が直交しているため、それらに接触する単電池の側面に対して、燃料もしくは酸化剤を均一に供給することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、各マニホールドはコーナー部に沿って直角に曲がって形成されるので、燃料電池用セパレータの周辺部分を有効に利用することができる。また、補強用ブリッジ部が形成されているため、マニホールドの開口面積が大きいとしても、燃料電池用セパレータの強度を確保することができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、第１面同士および第２面同士を対向させ、それらの間に単電池を挟みつけて積層すればよく、同一の構成のものを使用することができるので、部品の種類を少なくでき、また組立が容易になる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明による効果と同様の効果に加えて、偶数枚の燃料電池用セパレータを積層すれば、同一の構成のエンドプレートをスタックの両側に配置することができるので、部品の種類を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係るセパレータの一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図である。
【図２】正面における供給用マニホールドの一部および供給側スリットを示す部分図である。
【図３】他の供給用マニホールドの一部および供給側スリットを示す図であって、（ａ）は部分正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図４】単電池とセパレータを積層する場合の配列パターンを模式的に示す図であって、（ａ）は奇数枚の単電池を配列する場合のパターンを示し、（ｂ）は偶数枚の単電池を配列する場合のパターンを示す。
【図５】スタックの断面の一部を拡大して示す図である。
【図６】セパレータ毎における空気の流通方向を模式的に示す図である。
【図７】この発明を適用することができるＤＭＦＣの原理的な構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
つぎにこの発明を図に示す例によって具体的に説明する。図７はこの発明を適用することができるＤＭＦＣの原理的な構成を模式的に示す図である。図７において、符号１は電解質膜を示し、この電解質膜１は従来知られているナフィオン（Nafion:登録商標）などから構成されている。この電解質膜１を挟んで一方の面側に燃料供給側の触媒層２ｆが設けられ、他方の面側に酸化剤としての空気を供給する側の触媒層２ｏが設けられている。これらの触媒層２ｆ，２ｏは、一例として白金とルテニウムとの混合物によって構成されている。それぞれの触媒層２ｆ，２ｏの外側（電解質膜１とは反対側）に多孔質材によって構成されたガス拡散層３ｆ，３ｏが配置され、そして最も外側に電極４ｆ，４ｏがそれぞれ配置されている。これらの電解質膜１および触媒層２ｆ，２ｏならびにガス拡散層３ｆ，３ｏおよび電極４ｆ，４ｏは互いに密着した状態に重ね合わされて一体化されている。このように一体化された構成体が発電のための最少の構成を備えた単電池となっており、膜・電極構成体（Membran Electrod Assemby：ＭＥＡ）５と称せられる。
【００２０】
図１はこの発明に係るセパレータを示し、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は背面図（裏面図）である。ここに示すセパレータ６は、全体として矩形もしくは方形（以下、単に矩形と記す）をなす平板状の部材であって、カーボンや、カーボンと合成樹脂との合成材、あるいは金属などによって構成され、したがって導電性を有している。このセパレータ６は、電解質膜１を主体として構成された単電池５を挟み込んだ状態で多数積層されるから、セパレータ６自体を電極として機能させることも可能であり、そのように構成した場合には、単電池は電極を備えていなくてもよい。
【００２１】
セパレータ６の一方の面（仮に正面とする）には、図１の（ａ）に示すように、メタノール水溶液などの燃料もしくは空気などの酸化剤を流通させるために細溝７が形成されている。すなわち、正面の中央部における大半の領域は、矩形状の反応領域８とされており、その反応領域８の全体を埋め尽くすように、互いに密着しかつ平行な多数条の細溝（以下、仮に正面溝とする）７が４箇所で直角に屈曲して全体としてジグザグ状に形成されている。この正面溝７は、セパレータ６が単電池を挟み込んで単電池に密着した状態で燃料や酸化剤を流通させるための流路となる部分であり、したがってその本数や幅、屈曲パターンなどは、単電池の燃料極側もしくは酸化剤極側の全体に燃料もしくは酸化剤を均等かつ十分に分散させて流す目的を達成する範囲で適宜に設定することができる。
【００２２】
図１に示す例では、多数本の一群の正面溝７の幅は、反応領域８の幅の１／３程度であり、一方の端部は所定のコーナー部（図１の（ａ）では左上のコーナー部）を構成している二辺のうちの一方の辺（図１の（ａ）では上辺）側に向けて開口している。また他方の端部は、セパレータ６の中心に対して点対称となる位置に位置している。具体的には、前記コーナー部に対して対角線上のある他のコーナー部を構成している二辺のうち一方の辺（図１の（ａ）では下辺）側に向けて開口している。そして、正面溝７におけるこれらの端部のそれぞれに対応してスリット９，１０が形成されている。図２に一方のスリット９を示してある。これらのスリット９，１０は、上記の多数条の一群の正面溝７の幅とほぼ等しい長さを有し、セパレータ６の表裏両面に開口するように貫通して形成されている。
【００２３】
各スリット９，１０に対応してマニホールド１１，１２が形成されている。その構成を具体的に説明すると、図１の（ａ）における左上のコーナー部で上記の反応領域８の外側には、そのコーナー部に沿って直角に曲がったマニホールド（以下、仮に第１供給用マニホールドと記す）１１が形成されている。この第１供給用マニホールド１１は、多数のセパレータ６を積層した場合に各セパレータ６の第１供給用マニホールド１１が互いに連通して供給路を形成するためのものであって、セパレータ６の表裏両面側に開口するようにセパレータ６を貫通して形成されている。なお、その長さは、セパレータ６の各辺の中央部にまでは到らない長さに設定されている。また、この第１供給用マニホールド１１における長さ方向での中央部に、すなわち図１の（ａ）に示す例において９０度に曲がっている箇所に、第１供給用マニホールド１１の互いに対向する内側縁を連結する補強用のブリッジ部１３が形成されている。このブリッジ部１３は、第１供給用マニホールド１１を横切っているが、その厚さがセパレータ６の厚さより薄くなっていて、第１供給用マニホールド１１におけるブリッジ部１３の両側の部分が互いに連通しており、第１供給用マニホールド１１は二分割されてはいない。
【００２４】
この第１供給用マニホールド１１とこれに対応しているスリット（以下、仮に供給側スリットとする）９とは互いに連通している。その連通構造について説明すると、図３の（ａ）および（ｂ）は、セパレータ６の他方の面（以下、仮に背面とする）における供給側スリット９の開口部の周囲の部分を示しており、セパレータ６の背面における供給側スリット９と、第１供給用マニホールド１１における供給側スリット９と平行になっている部分との間は、供給側スリット９の長さと同じ幅で窪んでいる。この窪んでいる部分は、セパレータ６の背面に単電池が密着した場合に該単電池との間に隙間ができる部分であり、したがってこの窪んだ部分が第１供給用マニホールド１１と供給側スリット９とを連通する連通部（以下、仮に供給用連通部とする）１４となっている。それら供給側スリット９と供給用連通部１４とがこの発明における第１供給部に相当している。
【００２５】
他方のスリット（以下、仮に排出側スリットとする）１０とこれに対応するマニホールド（以下、仮に第１排出用マニホールド）１２とは、上述した供給側スリット９およびこれに対応する第１供給用マニホールド１１と同様の関係で構成され、またこれら供給側スリット９および第１供給用マニホールド１１に対して、セパレータ６の中心について点対称となる位置に設けられている。具体的に説明すると、排出側スリット１０は図１の（ａ）における下辺の右側に寄った位置に形成され、多数条の一群の正面溝７の他方の端部が連通している。
【００２６】
また、図１の（ａ）における右下のコーナー部で上記の反応領域８の外側には、そのコーナー部に沿って直角に曲がった第１排出用マニホールド１２が形成されている。この第１排出用マニホールド１２は、多数のセパレータ６を積層した場合に各セパレータ６の第１排出用マニホールド１２が互いに連通して排出路を形成するためのものであって、セパレータ６の表裏両面側に開口するようにセパレータ６を貫通して形成されている。なお、その長さは、セパレータ６の各辺の中央部にまでは到らない長さに設定されている。また、この第１排出用マニホールド１２における長さ方向での中央部、すなわち図１の（ａ）に示す例では９０度に曲がっている箇所に、第１排出用マニホールド１２の互いに対向する内側縁を連結する補強用のブリッジ部１５が形成されている。このブリッジ部１５は、第１排出用マニホールド１２を横切っているが、その厚さがセパレータ６の厚さより薄くなっていて、第１排出用マニホールド１２におけるブリッジ部１５の両側の部分が互いに連通しており、第１排出用マニホールド１２は二分割されてはいない。
【００２７】
この第１排出用マニホールド１２とこれに対応している排出側スリット１０とは互いに連通しており、その連通構造は前述した図３に示す供給側スリット９と第１供給用マニホールド１１との連通構造と同様であり、セパレータ６の背面における排出側スリット１０と、第１排出用マニホールド１２における排出側スリット１０と平行になっている部分との間は、排出側スリット１０の長さと同じ幅で窪んでいる。この窪んでいる部分は、セパレータ６の背面に単電池が密着した場合に単電池との間に隙間ができる部分であり、したがってこの窪んだ部分が第１排出用マニホールド１２と排出側スリット１０とを連通する連通部（以下、仮に排出用連通部とする）１６となっている。それら排出側スリット１０と排出用連通部１６とがこの発明における第１排出部に相当している。
【００２８】
そして、上述した正面溝７およびこれが連通している各スリット９，１０を一つの領域としてその外側を取り囲むようにガスケット用溝１７が形成されている。また、上記の第１供給用マニホールド１１を取り囲む他のガスケット用溝１８と、上記の第１排出用マニホールド１２を取り囲む更に他のガスケット用溝１９とがそれぞれ形成されている。
【００２９】
つぎに背面の構造について説明すると、背面は上述した構造の正面を表裏反転させるとともに９０度回転させた構造になっている。具体的に説明すると、図１の（ｂ）に示すように、メタノール水溶液などの燃料もしくは空気などの酸化剤を流通させるために細溝２０が形成されている。すなわち、背面の中央部における大半の領域は、矩形状の反応領域２１とされており、その反応領域２１の全体を埋め尽くすように、互いに密着しかつ平行な多数条の細溝（仮に背面溝とする）２０が４箇所で直角に屈曲して全体としてジグザグ状に形成されている。この背面溝２０は、セパレータ６が単電池を挟み込んで単電池に密着した状態で空気もしくは燃料を流通させるための流路となる部分であり、したがってその本数や幅、屈曲パターンなどは、単電池の空気極側もしくは燃料極側の全体に空気もしくは燃料を均等かつ十分に分散させて流す目的を達成する範囲で適宜に設定することができる。
【００３０】
図１に示す例では、多数本の一群の背面溝２０の幅は、反応領域２１の幅の１／３程度であり、一方の端部は所定のコーナー部（図１の（ｂ）では左上のコーナー部）を構成している二辺のうちの一方の辺（図１の（ｂ）では左辺）側に向けて開口している。また他方の端部は、セパレータ６の中心に対して点対称となる位置に位置している。具体的には、前記コーナー部に対して対角線上のある他のコーナー部を構成している二辺のうち一方の辺（図１の（ｂ）では右辺）側に向けて開口している。そして、背面溝２０におけるこれらの端部のそれぞれに対応してスリット２２，２３が形成されている。これらのスリット２２，２３は前述した燃料用のスリット９，１０と同様の構成であって、上記の多数条の一群の背面溝２０の幅とほぼ等しい長さを有し、セパレータ６の表裏両面に開口するように貫通して形成されている。
【００３１】
各スリット２２，２３に対応してマニホールド２４，２５が形成されている。一方のマニホールド２４は供給用のマニホールドであり、この発明における第２供給用マニホールドに相当し、他方のマニホールド２５は排出用のマニホールドであって、この発明における第２排出用マニホールドに相当している。供給用マニホールド２４は、前述した燃料の供給のための第１供給用マニホールド１１と長さおよび幅ならびに曲がり角度が同じで向きが異なる形状であり、燃料の供給のための第１供給用マニホールド１１と左右対称となるように形成されている。具体的に説明すると、図１の（ｂ）における左上（図１の（ａ）では右上）のコーナー部で上記の反応領域２１の外側には、そのコーナー部に沿って直角に曲がった供給用マニホールド２４が形成されている。この供給用マニホールド２４は、多数のセパレータ６を積層した場合に各セパレータ６の供給用マニホールド２４が互いに連通して供給路を形成するためのものであって、セパレータ６の表裏両面側に開口するようにセパレータ６を貫通して形成されている。なお、その長さは、セパレータ６の各辺の中央部にまでは到らない長さに設定されている。また、この供給用マニホールド２４における長さ方向での中央部、すなわち図１の（ｂ）に示す例では９０度に曲がっている箇所に、供給用マニホールド２４の互いに対向する内側縁を連結する補強用のブリッジ部２６が形成されている。このブリッジ部２６は、供給用マニホールド２４を横切っているが、その厚さがセパレータ６の厚さより薄くなっていて、供給用マニホールド２４におけるブリッジ部２６の両側の部分が互いに連通しており、供給用マニホールド２４は二分割されてはいない。
【００３２】
この供給用マニホールド２４とこれに対応している供給側スリット２２とは互いに連通しており、その連通構造は前述した図３に示す供給側スリット９と第１供給用マニホールド１１との連通構造と同様であり、セパレータ６の正面における供給側スリット２２と、供給用マニホールド２４における供給側スリット２２と平行になっている部分との間は、供給側スリット２２の長さと同じ幅で窪んでいる。この窪んでいる部分は、セパレータ６の背面に単電池が密着した場合に単電池との間に隙間ができる部分であり、したがってこの窪んだ部分が供給用マニホールド２４と供給側スリット２２とを連通する連通部（以下、仮に供給用連通部とする）２７となっている。それら供給側スリット２２と供給用連通部２７とがこの発明における第２供給部に相当している。
【００３３】
他方の排出側スリット２３とこれに対応する排出用マニホールド２５とは、上述した供給側スリット２２およびこれに対応する供給用マニホールド２４と同様の関係で構成され、またこれら供給側スリット２２および供給用マニホールド２４に対して、セパレータ６の中心について点対称となる位置に設けられている。具体的に説明すると、排出側スリット２３は図１の（ｂ）における右辺の下側によった位置に形成され、多数条の一群の背面溝２０の他方の端部が連通している。
【００３４】
また、図１の（ｂ）における右下のコーナー部で上記の反応領域２１の外側には、そのコーナー部に沿って直角に曲がった排出用マニホールド２５が形成されている。この排出用マニホールド２５は、多数のセパレータ６を積層した場合に各セパレータ６の排出用マニホールド２５が互いに連通して排出路を形成するためのものであって、セパレータ６の表裏両面側に開口するようにセパレータ６を貫通して形成されている。なお、その長さは、セパレータ６の各辺の中央部にまでは到らない長さに設定されている。また、この排出用マニホールド２５における長さ方向での中央部、すなわち図１の（ｂ）に示す例では９０度に曲がっている箇所に、排出用マニホールド２５の互いに対向する内側縁を連結する補強用のブリッジ部２８が形成されている。このブリッジ部２８は、排出用マニホールド２５を横切っているが、その厚さがセパレータ６の厚さより薄くなっていて、排出用マニホールド２５におけるブリッジ部２８の両側の部分が互いに連通しており、排出用マニホールド２５は二分割されてはいない。
【００３５】
この排出用マニホールド２５とこれに対応している排出側スリット２３とは互いに連通しており、その連通構造は前述した図３に示す供給側スリット９と第１供給用マニホールド１１との連通構造と同様であり、セパレータ６の背面における排出側スリット２３と、排出用マニホールド２５における排出側スリット２３と平行になっている部分との間は、排出側スリット２３の長さと同じ幅で窪んでいる。この窪んでいる部分は、セパレータ６の背面に単電池が密着した場合に単電池との間に隙間ができる部分であり、したがってこの窪んだ部分が排出用マニホールド２５と排出側スリット２３とを連通する連通部（以下、仮に排出用連通部とする）２９となっている。それら排出側スリット２３と排出用連通部２９とがこの発明における第２排出部に相当している。
【００３６】
そして、上述した背面溝２０およびこれが連通している各スリット２２，２３を一つの領域としてその外側を取り囲むようにガスケット用溝３０が形成されている。また、上記の第１供給用マニホールド１１を取り囲む他のガスケット用溝３１と、上記の第１排出用マニホールド１２を取り囲む更に他のガスケット用溝３２とが形成されている。
【００３７】
そして、セパレータ６の外周四辺の中央部には、積層した場合の各セパレータ６の相対位置を決めるための位置決め用凹部３３がそれぞれ形成されている。
【００３８】
つぎに上述した構成のセパレータ６の作用について説明する。この発明に係る上記のセパレータ６は、正面同士を対向させてその間に単電池５を挟み込み、そのセパレータ６の背面側に更に他のセパレータ６を背面同士を対向させて配置し、かつそれらの背面同士の間に単電池５を挟み込み、以下同様にして多数のセパレータ６および単電池５が積層されて、単電池５を直列に接続した燃料電池（スタック）が構成される。図４には、セパレータ６および単電池５の配列パターンを模式的に示してあり、図４の（ａ）は、単電池５を奇数枚すなわちセパレータ６を偶数枚積層した場合の配列パターンを示し、図４の（ｂ）は、単電池５を偶数枚すなわちセパレータ６を奇数枚積層した場合の配列パターンを示す。図４における「正」は正面側、「背」は背面側をそれぞれ示す。図４の（ａ）に示すように、単電池５を奇数枚積層した場合においては、スタックの両端部には、一方の面にのみ上述した正面の構造を形成したエンドプレート３４Ａ、もしくは背面の構造を形成したエンドプレート３４Ｂが配置される。すなわちスタックの両端部に、同型状のエンドプレートが配置される。これに対して図４の（ｂ）に示すように、単電池５を偶数枚積層した場合には、例えばスタックの一方の端部には上述した正面の構造を一面にのみ形成したエンドプレート３４Ａが配置され、他方の端部には上述した背面の構造を一面にのみ形成したエンドプレート３４Ｂが配置される。
【００３９】
正面同士を互いに対向させて単電池５を挟み付けることにより、各正面に形成されている正面溝７は単電池５に密着し、その結果、正面溝７が単電池５に燃料もしくは空気を供給するための管路となる。そして、一方の正面に形成されている正面溝７のパターンは図１の（ａ）に示すパターンとなるのに対して、これに対向している他方の面の正面溝７のパターンは、図１の（ａ）に示すパターンとは左右が反対になる。したがって、図１の（ａ）における左上の第１供給用マニホールド１１に、図１の（ａ）の右上（図１の（ｂ）では左上）の供給用マニホールド２４が重なり合い、同様に左下の第１排出用マニホールド１２に右下（図１の（ｂ）では左下）の排出用マニホールド２５が重なり合う。背面同士を対向させてそれらの背面同士の間に単電池５を挟み込んだ場合も同様であって、図１の（ｂ）に示す背面には、これを左右反転させた背面が対向させられ、各マニホールドが上記のように重なり合う。そして、４つのコーナー部に積層方向に連通した管路が形成される。
【００４０】
図５に、上述した構成のスタックの断面の一部を拡大して示してあり、互いに重なり合うマニホールドのいずれか一方のガスケット用溝１８に嵌め込まれたガスケット３５によって各マニホールドあるいは管路の液密性が維持される。同様に、反応領域８や反応領域２１の外周側にもガスケット用溝１７が形成されていて、それらガスケット用溝１７のいずれか一方に嵌め込まれたガスケット３６と、単電池５を取り囲むように単電池５に一体的に形成されたフィルム層３７とが接触することによって各領域８，２１の液密性が維持される。
【００４１】
上記の４つのマニホールド１１，１２，２４，２５のうち例えば図１の（ａ）における左上の第１供給用マニホールド１１が燃料供給部とされ、これに対して例えば図１の（ａ）における右上の供給用マニホールド２４が空気供給部とされ、こうした場合には図１の（ａ）における右下の第１排出用マニホールド１２が燃料排出部とされ、これに対して図１の（ａ）における左下の排出用マニホールド２５が空気や反応生成物の排出部とされる。図１の（ａ）における左上の第１供給用マニホールド１１に供給された燃料は、図１の（ａ）に示す正面においては、前述した供給用連通部１４を経て供給側スリット９に到り、ここから各正面溝７に分配されて供給される。メタノール水溶液などの燃料は正面溝７を流れる間に燃料極で分解されて電子およびプロトンならびに二酸化炭素を生じ、その二酸化炭素と余剰の燃料とが排出側スリット１０および排出用連通部２９を介して排出用マニホールド２５に流れ出る。すなわち燃料は図１の（ａ）における左上から右下に向けてジグザグに流れる。
【００４２】
他方、図１の（ａ）における右上の供給用マニホールド２４と左下の排出用マニホールド２５とは、図１の（ａ）における正面溝７には連通していないが、これらのマニホールド２４，２５には、積層された他のセパレータ６の正面に開口している第１供給用マニホールド１１と第１排出用マニホールド１２とが重なり合って連通している。したがって、図１の（ａ）における右上の供給用マニホールド２４に空気を供給すれば、これに重なり合っている他のセパレータ６における第１供給用マニホールド１１から前述した供給用連通部１４ならびに供給側スリット９を経て、当該他のセパレータ６の正面に形成されている正面溝７に空気が分配されて供給される。正面溝７を流れる空気中の酸素は、酸化剤極において電解質膜を透過してきたプロトンの酸化の用に供されて水を生じ、その水と余剰の空気とが、前記他のセパレータ６における排出側スリット１０から排出用連通部１６を経て排出用マニホールド２５に流れ出る。すなわち、空気は図１の（ａ）における右上から左下に向けてジグザグに流れる。
【００４３】
さらに、図１の（ｂ）に示す背面での挙動について説明すると、図１の（ｂ）における左上の供給用マニホールド２４は、図１の（ａ）における左上の第１供給用マニホールド１１に重なり合って互いに連通しており、したがってここを流れる燃料がその供給用マニホールド２４から正面側の供給用連通部２７を経て供給側スリット２２に流れ、ここから背面に形成されている背面溝２０に分配されて供給される。その燃料は背面溝２０を流れる間に燃料極において分解されて電子およびプロトンならびに二酸化炭素を生じ、その二酸化炭素と余剰の燃料とが排出側スリット２３および排出用連通部２９を介して排出用マニホールド２５に流れ出る。すなわち、燃料は図１の（ｂ）における左上から右下に向けてジグザグに流れる。
【００４４】
他方、図１の（ｂ）における右上の第１供給用マニホールド１１と左下の第１排出用マニホールド１２とは、図１の（ｂ）における背面溝２０には連通していないが、これらのマニホールド１１，１２には、積層された他のセパレータ６の背面に開口している供給用マニホールド２４と排出用マニホールド２５とが重なり合って連通している。したがって、図１の（ｂ）における右上の第１供給用マニホールド１１に空気を供給すれば、これに重なり合っている他のセパレータ６における供給用マニホールド２４から前述した供給用連通部２７および供給側スリット２２を経て、当該他のセパレータ６の背面に形成されている背面溝２０に分配されて供給される。背面溝２０を流れる空気中の酸素は、酸化剤極において電解質膜を透過してきたプロトンの酸化の用に供されて水を生じ、その水と余剰の空気とが、前記他のセパレータ６における排出側スリット２３から排出用連通部１６を経て排出用マニホールド２５に流れ出る。すなわち、空気は図１の（ｂ）における右上から左下に向けてジグザグに流れる。
【００４５】
ついで積層したセパレータ６毎における燃料および空気の流通方向について簡単に説明する。図６に、セパレータ６毎における空気の流通方向を模式的に示してある。図４の（ａ）に示す例において、左側のエンドプレート３４Ａには正面溝７が形成されていて、ここにエンドプレート３４Ａの左上の第１供給用マニホールド１１を流通する燃料が分配されて供給される。エンドプレート３４Ａの右上の供給用マニホールド２４を流通する空気は、単電池５を挟んで対向している１枚目のセパレータ６における第１供給用マニホールド１１に連通され、ここから供給用連通部１４ならびに供給側スリット９を経て、当該１枚目のセパレータ６の正面溝７に分配されて供給される。その１枚目のセパレータの背面における左上の供給用マニホールド２４はエンドプレート３４Ａの左上の第１供給用マニホールド１１に重なり合って互いに連通しているので、ここを流れる燃料がその供給用マニホールド２４から正面側の供給用連通部２７を経て供給側スリット２２に流れ、ここから１枚目のセパレータの背面溝２０に分配されて供給される。上述した空気が流通する１枚目のセパレータの背面における右上の供給用マニホールド１１は、単電池５を挟んで対向している２枚目のセパレータ６における第１供給用マニホールド２４に連通され、ここから供給用連通部２７や供給側スリット２２を経て、２枚目のセパレータの背面溝２０に空気が分配されて供給される。このように、この発明では、奇数番目のセパレータ６と偶数番目のセパレータ６とで、燃料および空気が流通する溝が交互に変更することにより、燃料および空気の流通方向が奇数番目のセパレータ６と偶数番目のセパレータ６とで図６に示すように直交する。
【００４６】
上述したように、この発明では、正面においてガスケット用溝１８，２３によって囲まれたマニホールド１１，１２を、燃料と空気とのいずれか一方のための流路とし、背面においてガスケット用溝３１，３６によって囲まれたマニホールド２４，２５を、燃料と空気とのいずれか他方のための流路とすることができる。そのマニホールドの開口形状は、前述したコーナー部に沿って直角に曲がったＬ字型の細長い形状であるため、いずれか一辺のコーナー部に近い箇所に直線的にマニホールドを形成した場合に比較して開口面積を大きくできる。したがって、この発明に係るセパレータ６によれば、マニホールドの数を少なくすることができるので、セパレータを小型軽量化することができる。また積層数が多くなって流路長が長くなった場合であっても、下流側の単電池に対して十分に燃料や空気を供給することができ、それに伴って燃料電池の全体としての発電効率あるいは発電量を向上させることができる。さらに、この発明では、セパレータ６の正面同士もしくは背面同士を対向させて積層するように構成されているため、マニホールド１１，１２とマニホールド２４，２５とのいずれか一方にガスケットを設ければよく、部品点数を削減できる。そして、ガスケット同士が重なり合うことがないため、ガスケットを介して各セパレータ６の各コーナー部に作用する荷重を均一にできる。
【００４７】
なお、この発明は上述した具体例に限定されないのであって、いずれのマニホールドを燃料用のマニホールドとし、また空気用のマニホールドとするかは適宜に決めればよい。また、細溝のパターンは、それぞれの領域の全体に燃料もしくは空気を可及的に均一に分散させることのできるパターンであればよく、上述したジグザグのパターンに限定されない。
【符号の説明】
【００４８】
５…単電池、  ６…セパレータ、  ７…正面溝、  ９…供給側スリット、  １０…排出側スリット、  １１…供給用マニホールド、  １２…排出用マニホールド、  １４…供給用連通部、  １６…排出用連通部、  １８…ガスケット用溝、  １９…ガスケット用溝、  ２０…背面溝、  ２２，２３…スリット、  ２４…供給用マニホールド、  ２５…排出用マニホールド、  ２７…供給用連通部、  ２９…排出用連通部、  ３１…ガスケット用溝、  ３２…ガスケット用溝。
【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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