(57)【要約】【課題】発電で生じた生成水を速やかに電極面から移動させ、ガス流路の下流におけるフラッディングを防止し、反応ガスの拡散性を確保することが可能なセパレータを提供する。【解決手段】多孔体で形成され膜電極接合体１に接し反応ガスが流れる反応ガス流路５と、反応ガス流路５に接する導電性平板３とを備える燃料電池用セパレータであって、反応ガス流路５には、流路溝１７が反応ガスの流れ方向に沿って形成されている。流路溝１７は、延伸方向に垂直な断面積が、反応ガス流路５を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きい。流路溝１７は、複数の部分溝１３、１４からなり、隣接する部分溝１３、１４の延伸方向が、導電性平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向において互いに異なる。【選択図】図３Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔体で形成され膜電極接合体に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接する導電性平板とを備える燃料電池用セパレータであって、
前記反応ガス流路には、流路溝が前記反応ガスの流れ方向に沿って形成されており、
前記流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、前記反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きく、且つ、前記流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する前記部分溝の延伸方向が、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向において互いに異なることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記流路溝は、複数の前記部分溝として、前記反応ガスの流れ方向に延伸する複数の横溝と、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向に延伸して前記横溝を接続する複数の縦溝とを備える、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
複数の前記横溝のそれぞれは、前記導電性平板又は前記膜電極接合体に接し、
前記導電性平板に接する前記横溝と前記膜電極接合体に接する前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向に沿って交互に配置される、請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
複数の前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向に垂直な断面積が、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
複数の前記横溝は、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
複数の前記横溝のうち、前記反応ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝は、前記導電性平板に接する、請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
複数の前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記流路溝は、前記反応ガスの流れの上流から下流に沿って前記導電性平板から前記膜電極接合体に向かって斜めに延伸する前記部分溝と、前記反応ガスの流れの上流から下流に沿って前記膜電極接合体から前記導電性平板に向かって斜めに延伸する前記部分溝とが、交互に配置されて形成されている、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
複数の前記部分溝は、前記反応ガスの流れ方向に垂直な断面積が、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
複数の前記部分溝は、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
複数の前記部分溝のうち、前記反応ガスの流れ方向の最も上流側にある部分溝は、前記導電性平板に接する、請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
複数の前記部分溝は、前記反応ガスの流れ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸化剤との化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池のセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の種類により様々な種類が実用化されている。例えば、固体高分子形燃料電池は、単位発電セルの構造として、膜電極接合体と、その両側に配置されたガス拡散層と、さらにその両側に配置されたセパレータとを備える。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜を、燃料極触媒層（以降「アノード」と呼ぶ）と酸化剤極触媒層（以降「カソード」と呼ぶ）とで挟んで被覆した接合体である。ガス拡散層は、例えば多孔質のカーボン材からなり、アノードとカソードへ均一に供給するようにガスを拡散させる。セパレータは、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給する。複数の単位発電セルを積層して積層体（以降「スタック」と呼ぶ）を形成し、このスタックの両端を締付板等により締め付けて、燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
セパレータは、その一方の面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、他方の片面に冷却媒体の流路を備えているのが一般的であり、例えば、プレス加工により金属薄板の表面に凹凸を成形することにより製作される。このセパレータを用いた燃料電池の場合、セパレータのアノード側では燃料ガス流路の凸面（以降リブと呼ぶ）が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブが、それぞれガス拡散層に接する。セパレータは、このガス拡散層との接触部分において、電気化学反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却流路に流れる冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは、凹部を流れ、ガス拡散層を介して、それぞれアノード又はカソードへ供給される。
【０００４】
燃料電池は、他の動力源に比べて効率が高いことと、環境負荷が小さいこと等から、定置用分散電源や車載用電源への実用化が進んでいる。例えば、車載用電源の場合には、小型軽量といった高出力密度化が求められている。このためには、発電面全体にわたり一様な発電をすることと、発電に直接寄与しない部品の削減が必要となる。
【０００５】
従来のセパレータは、金属薄板のプレス加工により反応ガス流路が形成されており、ガス拡散層と接するリブでは通電のみを、凹部（反応ガス流路）ではガス拡散を担うというように役割が分割されている。このため、リブやガス流路幅のサイズで、通電部とガス拡散部が分布してしまう。発電の一様化にはリブとガス流路幅を細分化することが有効であるが、これらの細分化には、加工の観点から限界がある。
【０００６】
そこで、このようなプレス加工のセパレータに代わり、細孔が連通した導電性多孔質体を反応ガス流路に用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を反応ガス流路に用いると、通電部分である多孔質体の骨格部とガス拡散部分である連通細孔とが一様に混合しているので、通電部とガス拡散部とを一様化することが可能となる。これにより、発電反応の一様化が図られ、出力の向上が期待できる。
【０００７】
燃料電池では、下記に示す反応により、燃料である水素と酸化剤である空気中の酸素とが消費されて、水と熱と電力が発生する。出力の大きい高電流密度の燃料電池では、反応により発生する水の量も増加する。
【０００８】
２Ｈ２＋Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、流路に沿って反応ガスが上流から下流へ流れる間に生じているので、下流に行くにしたがい反応ガス流量が減る。さらに、酸化剤ガス側（カソード側）では、反応で発生した水蒸気が流入し、燃料ガス側（アノード側）では、濃度拡散及び電気浸透に基づきカソード側から固体高分子電解質膜を介して移動してきた水が流入する。この結果、電極では、水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠を生じ、また凝縮水によるフラッディングを生じて、セル電圧の低下を引き起こすという課題がある。
【０００９】
特許文献１には、多孔質のガス拡散層の下流側に複数のスリットを設け、下流側での水の滞留を防止する技術が開示されている。この技術では、上流側で生成された水は、ガスの流れによって下流側に移動し、ガス拡散層 の下流側に設けたスリットによって排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１７２８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
反応ガス流路に多孔体を用いることで、ガス拡散性が向上し、電極での反応が一様になると、反応により生成される水も一様に発生する。ガス流路の上流部で生成された水は未反応のガスとともに下流部に移動することから、下流部では、過剰な水が滞留しやすくなり、フラッディングを生じてセル電圧の低下が起こりやすい。また、生成された水は、反応ガスの拡散を阻害してセルの電圧低下の要因となる。このため、生成された水を電極面（アノードとカソード）から速やかに遠ざけて排出し、水の滞留やフラッディングを防止するとともに、反応ガスの拡散性を確保することが必要である。従って、生成された水をガス流路の下流部に移動させるだけでなく、上流部と下流部の両方で電極面から速やかに移動させる必要がある。
【００１２】
燃料電池において、高電流密度の発電では生じる生成水が多くなるが、安定した発電を行うためには、反応ガスの拡散性を確保し、生成された水を電極面から速やかに移動させる必要がある。
【００１３】
本発明は、発電で生じた生成水を速やかに電極面から移動させ、ガス流路の下流におけるフラッディングを防止し、反応ガスの拡散性を確保することが可能なセパレータ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】
【００１４】
本発明による燃料電池用セパレータは、以下のような特徴を有する。多孔体で形成され膜電極接合体に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接する導電性平板とを備える燃料電池用セパレータであって、前記反応ガス流路には、流路溝が前記反応ガスの流れ方向に沿って形成されている。前記流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、前記反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きい。且つ、前記流路溝は、前記流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する前記部分溝の延伸方向が、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向において互いに異なる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるセパレータでは、発電で生じた生成水を速やかに電極面から移動させることができ、ガス流路の下流におけるフラッディングを防止し、反応ガスの拡散性を確保することが可能である。従って、発電で生じる生成水が多い高電流密度でも、安定な発電ができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池スタックの断面を示す模式図。
【図２】本発明の実施例１による酸化剤側セパレータを膜電極接合体から見たときの平面模式図。
【図３Ａ】実施例１の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。
【図３Ｂ】実施例１の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。
【図３Ｃ】実施例１の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。
【図４Ａ】実施例１の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの、水の移動を示す平面模式図。
【図４Ｂ】実施例１の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面における、水の移動を示す模式図。
【図５】実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路の変形例を示す図。
【図６】実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路の別の変形例を示す図。
【図７】実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路のさらに別の変形例を示す図。
【図８Ａ】実施例２の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。
【図８Ｂ】実施例２の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。
【図８Ｃ】実施例２の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。
【図９】実施例３の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。
【図１０Ａ】実施例４の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。
【図１０Ｂ】実施例４の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。
【図１０Ｃ】実施例４の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面（図１０ＡのＡ−Ａ’断面）を示す模式図。
【図１０Ｄ】実施例４の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面（図１０ＡのＢ−Ｂ’断面）を示す模式図。
【図１１】実施例５の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。
【図１２】実施例６の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による燃料電池用セパレータの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、燃料電池スタック１００の断面を示す模式図である。燃料電池スタック１００は、発電部１０５、燃料ガスの供給口１１１、燃料ガスの排出口１１２、酸化剤ガスの供給口１１３、酸化剤ガスの排出口１１４、発電した電力を外部に取り出すための集電板１１５、集電板１１５の外側に配置される絶縁板１１６、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）の漏洩を防止するためのシール部材２０、及び反応ガスの供給口と排出口を備える端板１１８を備える。図示していないが、燃料電池スタック１００は、さらに、燃料電池スタック１００の構成部材の積層方向に荷重を付与する機構を備える。
【００１９】
集電板１１５は、燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に取り出す端子であり、銅に金メッキしたものを使用することで耐食性と導電性を両立できる。端板１１８は、ＳＵＳのような金属材料を用いてもよいが、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）のような絶縁性樹脂を用いて、絶縁板１１６を兼ねてもよい。燃料電池スタック１００の構成部材に荷重を付与する機構は、発電部１０５が備える膜電極接合体１に、１ＭＰａ程度の面圧が付与する。
【００２０】
発電部１０５は、膜電極接合体１、燃料側セパレータ７、酸化剤側セパレータ８、及び冷却流路６を備える。
【００２１】
膜電極接合体１は、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子材料からなる固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノード、及び他方の面に配置されたカソードを備える。アノード及びカソードは、白金などの触媒が坦持されたカーボン担体と電解質とから構成される。
【００２２】
燃料側セパレータ７は、導電性の燃料側平板２と燃料側多孔質ガス流路４とを備え、膜電極接合体１の一方の面に接するように配置され、アノードに燃料ガスを供給する。膜電極接合体１には、燃料側多孔質ガス流路４が接する。すなわち、燃料側平板２と膜電極接合体１とで、燃料側多孔質ガス流路４を挟む。
【００２３】
酸化剤側セパレータ８は、導電性の酸化剤側平板３と酸化剤側多孔質ガス流路５とを備え、膜電極接合体１の他方の面に接するように配置され、カソードに酸化剤ガスを供給する。膜電極接合体１には、酸化剤側多孔質ガス流路５が接する。すなわち、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とで、酸化剤側多孔質ガス流路５を挟む。
【００２４】
通常、発電部１０５は、膜電極接合体１と多孔質ガス流路４、５との間に、カーボンペーパーやカーボンフェルトからなるガス拡散層を備える。しかし、多孔質ガス流路４、５にガス拡散層の機能を持たせ、ガス拡散層を省略することも可能である。以下に示す実施例では、多孔質ガス流路４、５にガス拡散層の機能を持たせて、ガス拡散層を省略した例を示す。
【００２５】
冷却流路６は、燃料側セパレータ７と酸化剤側セパレータ８に接するように配置され、電気化学反応による発電で生じた熱を冷却するための冷却媒体が流れる。冷却媒体としては、例えば水を用いることができる。
【００２６】
このような構成の燃料電池スタック１００において、本発明では、酸化剤側セパレータ８と燃料側セパレータ７のうち少なくとも一方が、以下の構成を備えることを特徴とする。
【００２７】
（１）多孔体で形成され膜電極接合体１に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、反応ガス流路に接する導電性平板とを備える。反応ガス流路には、流路溝（空隙）が反応ガスの流れ方向に沿って形成されている。流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きい。さらに、流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する部分溝の延伸方向が、導電性平板と膜電極接合体１とを結ぶ方向において互いに異なる。
【００２８】
（２）好ましくは、流路溝は、複数の部分溝として、反応ガスの流れ方向に延伸する複数の横溝と、導電性平板と膜電極接合体１とを結ぶ方向に延伸して横溝を接続する複数の縦溝とを備える。
【００２９】
（３）また、好ましくは、流路溝は、反応ガスの流れの上流から下流に沿って導電性平板から膜電極接合体１に向かって斜めに延伸する部分溝と、反応ガスの流れの上流から下流に沿って膜電極接合体１から導電性平板に向かって斜めに延伸する部分溝とが、交互に配置されて形成されている。
【００３０】
以下、本発明によるセパレータの実施例を説明する。以下の実施例では、酸化剤側セパレータ８を例に挙げて説明するが、燃料側セパレータ７にも以下の実施例を適用することができる。燃料側セパレータ７に以下の実施例を適用しても、酸化剤側セパレータ８に適用して得られるのと同様の効果を得ることができる。燃料電池の反応ガスは、一例として、燃料ガスを水素とし、酸化剤ガスを空気とする。燃料ガスは、水素でなくてもよく、水素リッチなガスであればよい。酸化剤ガスは、酸素ガスでもよく、酸素ガスが最も好ましい。また、本発明によるセパレータは、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池など、様々な種類の燃料電池に適用することができる。
【実施例１】
【００３１】
図２は、本発明の実施例１による酸化剤側セパレータ８を膜電極接合体１から見たときの平面模式図である。酸化剤側セパレータ８には、酸化剤ガス供給マニホールド２１、酸化剤ガス排出マニホールド２２、燃料ガス供給マニホールド２３、燃料ガス排出マニホールド２４、冷却媒体供給マニホールド２５、冷却媒体排出マニホールド２６、及びシール部材２０が設けられる。
【００３２】
シール部材２０は、ガスケット等からなり、単位発電セルの両面にある電極の短絡を防止し、反応ガスや液体の漏洩を防止する。
【００３３】
酸化剤側セパレータ８は、酸化剤側平板３（図２では示していない）と酸化剤側多孔質ガス流路５とを備える。酸化剤側多孔質ガス流路５には、後述するように、複数の部分溝（横溝１３と縦溝１４）からなる流路溝（空隙）が形成される。流路溝は、酸化剤側多孔質ガス流路５に形成された空洞であり、全体として酸化剤ガスの流れ方向に延伸し、酸化剤ガスを流通させる。隣接する部分溝の延伸方向は、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向において、互いに異なる。流路溝は、延伸方向（酸化剤ガスの流れ方向）に垂直な断面積が、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の細孔径の平均値（平均細孔径）から求めた細孔の断面積の平均値（平均細孔断面積）よりも大きい。
【００３４】
酸化剤側多孔質ガス流路５は、多孔体で形成され、反応ガス（酸化剤ガス）を発電面（カソード）で拡散させる。前述したように、酸化剤側セパレータ８は、膜電極接合体１に接する酸化剤側多孔質ガス流路５と、酸化剤側多孔質ガス流路５に接する酸化剤側平板３とを備える。酸化剤側多孔質ガス流路５は、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とで挟まれており、一方の面で酸化剤側平板３と対向し、他方の面で膜電極接合体１と対向する。
【００３５】
酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体は、連通した細孔を有し、導電性材料から構成される多孔質体である。材料としては、チタン、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、クロム、モリブデン、及びこれらを一部に含む合金（例えばＳＵＳ）などから選定する。発泡、焼結、又は微細金属繊維の結着などにより製造され、気孔率は７５％以上であることが望ましい。多孔体の気孔径は１０μｍ〜５００μｍの範囲を含むことが望ましく、特に細孔径分布によるモード径は１５０μｍ以上が望ましい。多孔体は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さとする。
【００３６】
さらに、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体には、酸化剤側平板３と対向する面には親水処理を、膜電極接合体１と対向する面には疎水処理をすることが望ましい。なお、本明細書では、親水処理とは水との接触角が３０°以下となるように処理することであり、疎水処理は水との接触角が８０°以上となるように処理することである。
【００３７】
酸化剤側平板３は、導電性を有する金属平板であり、厚さ０．２ｍｍ以下の純金属や合金、又は複数の金属プレートを積層し圧延したクラッド材からなる。材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ、アルミニウム、及びマグネシウムなどが使用できる。
【００３８】
図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の詳細を示す図である。図３Ａは、酸化剤側多孔質ガス流路５を酸化剤側平板３から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板３と対向する面を示している。図３Ｂは、酸化剤側多孔質ガス流路５を膜電極接合体１から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体１と対向する面を示している。図３Ｃは、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図である。
【００３９】
図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃにおいて、酸化剤ガスは、図の左側から右側へ流通する。すなわち、図２に示した酸化剤ガス供給マニホールド２１は、図３Ａ〜３Ｃでは左側にあり、酸化剤ガス排出マニホールド２２は、図３Ａ〜３Ｃでは右側にある。酸化剤側多孔質ガス流路５において、酸化剤ガスが供給される側（図３Ａ〜３Ｃでの左側）を「酸化剤ガス入口側端部１５」と呼び、酸化剤ガスが排出される側（図３Ａ〜３Ｃでの右側）を「酸化剤ガス出口側端部１６」と呼ぶ。酸化剤ガスは、酸化剤側多孔質ガス流路５に対して、上流側である酸化剤ガス入口側端部１５から流入し、下流側である酸化剤ガス出口側端部１６から流出する。
【００４０】
図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路５には、酸化剤ガスの流れ方向に沿って延伸する複数の横溝１３が形成される。複数の横溝１３のそれぞれは、酸化剤側平板３又は膜電極接合体１に接するように形成される。図３Ｃに示すように、酸化剤側平板３に接する横溝１３と膜電極接合体１に接する横溝１３は、酸化剤ガスの流れ方向に沿って交互に配置される。
【００４１】
さらに、酸化剤側多孔質ガス流路５には、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に沿って延伸する複数の縦溝１４が形成される。縦溝１４のそれぞれは、酸化剤ガスの流れ方向に沿って隣り合う横溝１３を接続する。すなわち、縦溝１４は、酸化剤側平板３に接する横溝１３と膜電極接合体１に接する横溝１３とを接続するように形成される。
【００４２】
部分溝である複数の横溝１３と複数の縦溝１４とにより、酸化剤側多孔質ガス流路５には、全体として酸化剤ガスの流れ方向に沿う流路溝１７が形成される。流路溝１７は、酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間でクランク状に折れ曲がって蛇行し、酸化剤ガスの流れの上流側から下流側に向かって延伸する。
【００４３】
横溝１３の、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に沿う断面積）は、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。横溝１３の深さ（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向の長さ）は、酸化剤側多孔質ガス流路５の厚さ（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向の長さ）の１／２以下とする。
【００４４】
縦溝１４の断面積（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に垂直な断面積）は、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。
【００４５】
すなわち、酸化剤側多孔質ガス流路５には、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の平均細孔断面積よりも大きい断面積を持つ流路溝１７が、横溝１３と縦溝１４とにより形成される。流路溝１７の断面積の具体的な値は、例えば、酸化剤ガスの圧力や流量、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の空孔率、及び酸化剤側多孔質ガス流路５の強度に基づいて決めることができる。本実施例では、一例として、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体に公称細孔径が６００μｍのＳＵＳ多孔体を用いた。この酸化剤側多孔質ガス流路５に形成した横溝１３は、深さ（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向の長さ）と幅（酸化剤ガスの流れ方向と酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向とに垂直な方向）が０．５ｍｍの角柱形状であり、縦溝１４は、直径（酸化剤ガスの流れ方向の長さ）が１ｍｍで、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ長さの円柱形状である。
【００４６】
横溝１３の形状は、角柱形でなくてもよく、任意の形状でよい。すなわち、横溝１３の、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に沿う断面）の形状は、多角形、円形、又は楕円形など、任意の形状でよい。縦溝１４の形状は、円柱形でなくてもよく、任意の形状でよい。すなわち、縦溝１４の、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に垂直な断面の形状は、多角形、円形、又は楕円形など、任意の形状でよい。
【００４７】
酸化剤側多孔質ガス流路５の酸化剤ガス入口側端部１５では、図３Ｃに示すように、横溝１３は、酸化剤側平板３に接するのが好ましい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝１３は、酸化剤側平板３に接するのが好ましい。これは、酸化剤ガスの流れの上流側（電気化学反応により発生した水の量が少ない部分）において、酸化剤ガスの流通により膜電極接合体１が乾燥するのを防ぐためである。
【００４８】
横溝１３と縦溝１４は、切削やプレス加工により成形でき、また、酸化剤側多孔質ガス流路５に用いる多孔体の製造段階で成形することも可能である。
【００４９】
酸化剤側多孔質ガス流路５の、酸化剤側平板３と対向する面に施す親水処理には、ＴｉＯ２やＳｉＯ２を含む親水剤を用い、膜電極接合体１と対向する面に施す疎水処理には、ＰＴＦＥを含む分散液を用いるのが有効である。
【００５０】
酸化剤側多孔質ガス流路５の中に、酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間で折れ曲がっている流路溝（空隙）１７を形成することにより、酸化剤ガスの拡散性を確保するとともに、発電で生じた生成水を速やかにカソードから移動させることが可能である。酸化剤ガスは、主に流路溝１７を通って、酸化剤側多孔質ガス流路５の上流側から下流側へと流れる。このとき、酸化剤ガスは、流路溝１７が折れ曲がっているので酸化剤側多孔質ガス流路５に衝突して、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体の細孔の中へ入りやすい。従って、酸化剤ガスは、流路溝１７を流れるだけでなく、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体の中へ拡散して流れて、電極へ到達する。このため、酸化剤側多孔質ガス流路５の中に折れ曲がっていない直線状の流路溝１７が形成されている場合に比べて、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができる。
【００５１】
横溝１３の酸化剤ガスの流れ方向の長さは、任意に定めることができるが、酸化剤ガスの拡散性を良くするためには短い方がよい。酸化剤ガスの拡散性は、酸化剤側多孔質ガス流路５の中の流路溝１７の折れ曲がる回数（すなわち、酸化剤ガスが酸化剤側多孔質ガス流路５に衝突する回数）が多いほど良くなる。横溝１３の酸化剤ガスの流れ方向の長さが短いと、流路溝１７の折れ曲がる回数が多くなり、酸化剤ガスの拡散性がさらに良くなる。
【００５２】
図３Ａ、及び図３Ｂに示すように、酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間で折れ曲がっている流路溝１７は、酸化剤側多孔質ガス流路５に複数本形成するのが好ましい。流路溝１７の数が多いほど、酸化剤ガスの拡散性がさらに良くなる。
【００５３】
図４Ａ及び図４Ｂは、酸化剤側多孔質ガス流路５内での水の移動を示す模式図である。図４Ａは、酸化剤側多孔質ガス流路５を酸化剤側平板３から見たときの、水の移動を示す平面模式図である。図４Ｂは、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面における、水の移動を示す模式図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、矢印は水の移動を示している。
【００５４】
図４Ｂに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路５の、膜電極接合体１と対向する面には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板３と対向する面には、親水処理が施されている。この疎水処理のために、電気化学反応で生成した水は、酸化剤側多孔質ガス流路５の細孔へ侵入せず、膜電極接合体１から流路溝１７（主に横溝１３）へ移動する。この水は、未反応の酸化剤ガスの圧力により、流路溝１７（主に縦溝１４）を通って酸化剤側平板３の方向へ移動する。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、この水は、酸化剤側多孔質ガス流路５の、酸化剤側平板３と対向する面の親水処理により、酸化剤側多孔質ガス流路５に吸収され、この面で保持される。
【００５５】
図５、図６、及び図7は、実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路５の変形例を示す図である。図５〜図７は、図３Ｃと同様に、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示している。
【００５６】
図５に示す酸化剤側多孔質ガス流路５では、酸化剤ガス入口側端部１５と酸化剤ガス出口側端部１６の両方において、横溝１３が酸化剤側平板３に接している。上述したように、酸化剤ガス入口側端部１５では、図３Ｃに示すように、横溝１３は、酸化剤側平板３に接するのが好ましい。しかし、酸化剤ガス出口側端部１６では、図３Ｃと図５に示すように、横溝１３は、膜電極接合体１に接していてもよく、酸化剤側平板３に接していてもよい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も下流側にある横溝１３は、膜電極接合体１に接していてもよく、酸化剤側平板３に接していてもよい。
【００５７】
図６に示す酸化剤側多孔質ガス流路５では、横溝１３と縦溝１４とからなる流路溝１７は、酸化剤側多孔質ガス流路５の内側に形成される。すなわち、酸化剤ガス入口側端部１５と酸化剤ガス出口側端部１６の位置にある横溝１３は、それぞれ酸化剤ガス入口側端部１５と酸化剤ガス出口側端部１６の部分が、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体により塞がれている。なお、酸化剤ガス入口側端部１５と酸化剤ガス出口側端部１６の位置にある横溝１３のうち一方だけが、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体により塞がれてもよい。
【００５８】
図７に示す酸化剤側多孔質ガス流路５では、横溝１３と縦溝１４とからなる流路溝１７は、膜電極接合体１と酸化剤側平板３に接していない。すなわち、横溝１３と縦溝１４とからなる流路溝１７は、酸化剤ガス入口側端部１５と酸化剤ガス出口側端部１６以外で、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体に囲まれている。なお、横溝１３と縦溝１４とからなる流路溝１７は、膜電極接合体１と酸化剤側平板３の一方だけに接してもよく、一部だけが膜電極接合体１又は酸化剤側平板３に接してもよい。
【００５９】
このように、酸化剤側平板３に接する横溝１３と膜電極接合体１に接する横溝１３とを酸化剤ガスの流れ方向に沿って交互に配置し、酸化剤側多孔質ガス流路５の中に酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間で折れ曲がっている流路溝１７を形成することにより、酸化剤ガスの流れ方向の上流で生成した水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へ速やかに移動させることができる。従って、生成された水が下流へ流動するのを防止することが可能であり、下流部での過剰な水の滞留を防止することが可能である。本実施例では、酸化剤ガスの流れ方向の下流側だけでなく、上流側でも、生成した水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へ速やかに移動させることができるという効果がある。
【実施例２】
【００６０】
図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃを用いて、本発明の実施例２による酸化剤側セパレータ８を説明する。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、本実施例における酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の詳細を示す図である。図８Ａは、酸化剤側多孔質ガス流路５を酸化剤側平板３から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板３と対向する面を示している。図８Ｂは、酸化剤側多孔質ガス流路５を膜電極接合体１から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体１と対向する面を示している。図８Ｃは、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図である。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃにおいて、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一又は共通する要素を示す。実施例１と同一又は共通する構成の説明は省略する。
【００６１】
本実施例では、図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路５の流路溝１７を形成する横溝１３は、酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていく。このような構成の場合、酸化剤ガスの流れの下流にいくほど、流路溝１７の折れ曲がる頻度が多くなる。このため、水の滞留やフラッディングが起こりやすい下流側において、生成した水を、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へより速やかに移動させることができる。さらに、下流側において、酸化剤ガスが酸化剤側多孔質ガス流路５に衝突する頻度が多くなり、酸化剤ガスの拡散性をさらに良くすることができる。
【実施例３】
【００６２】
図９を用いて、本発明の実施例３による酸化剤側セパレータ８を説明する。図９は、本実施例における酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図である。図９において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一又は共通する要素を示す。実施例１と同一又は共通する構成の説明は省略する。
【００６３】
本実施例では、酸化剤側多孔質ガス流路５の流路溝１７を形成する横溝１３は、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていく。このような構成の場合、酸化剤ガスの流れの下流にいくほど、酸化剤ガスの流速が速くなる。従って、生成した水を、酸化剤ガスの流速によって、流路溝１７（主に縦溝１４）を通って酸化剤側平板３の方向へ移動させる力が大きくなる。このため、水の滞留やフラッディングが起こりやすい下流側において、生成した水を、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へより速やかに移動させることができる。
【００６４】
なお、図９に示す例では、横溝１３の深さｄ（酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向の長さ）を、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくしていくことで、横溝１３の酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積を徐々に小さくさせている。すなわち、図９の例では、４つある横溝１３の深さは、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となっている。
【００６５】
横溝１３の酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積を、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって小さくさせていくことにより、酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向における、流路溝１３に対する酸化剤側多孔質ガス流路５の割合は、下流にいくほど多くなる。酸化剤側多孔質ガス流路５は、反応ガスを電極方向に拡散させる役割を担うため、酸化剤側多孔質ガス流路５の割合が多いほどガス拡散性が向上することが期待できる。従って、本実施例のような構成にすることにより、酸素濃度が減少する下流部でも、良好なガス拡散性を確保することができる。
【実施例４】
【００６６】
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄを用いて、本発明の実施例４による酸化剤側セパレータ８を説明する。図１０Ａ〜図１０Ｄは、本実施例における酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の詳細を示す図である。図１０Ａは、酸化剤側多孔質ガス流路５を酸化剤側平板３から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板３と対向する面を示している。図１０Ｂは、酸化剤側多孔質ガス流路５を膜電極接合体１から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体１と対向する面を示している。図１０Ｃは、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図であり、図１０ＡのＡ−Ａ’断面を示している。図１０Ｄは、酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図であり、図１０ＡのＢ−Ｂ’断面を示している。図１０Ａ〜図１０Ｄにおいて、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一又は共通する要素を示す。実施例１と同一又は共通する構成の説明は省略する。
【００６７】
本実施例では、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、酸化剤側セパレータ８は、２種類の流路溝１７を備える。１つは、図１０Ｃに示すように、酸化剤ガス入口側端部１５において酸化剤側平板３に接する横溝１３と、酸化剤ガス出口側端部１６において膜電極接合体１に接する横溝１３とを有する流路溝１７である。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝１３が酸化剤側平板３に接し、最も下流側にある横溝１３が膜電極接合体１に接する流路溝１７である。もう１つは、図１０Ｄに示すように、酸化剤ガス入口側端部１５において膜電極接合体１に接する横溝１３と、酸化剤ガス出口側端部１６において酸化剤側平板３に接する横溝１３とを有する流路溝１７である。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝１３が膜電極接合体１に接し、最も下流側にある横溝１３が酸化剤側平板３に接する流路溝１７である。
【００６８】
これら２種類の流路溝１７は、図１０Ａと図１０Ｂに示すように、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向（かつ酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に垂直な方向）において、交互に酸化剤側多孔質ガス流路５に配置される。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向（かつ酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に垂直な方向）において隣り合う流路溝１７が、異なる種類である。酸化剤側多孔質ガス流路５をこのような構成とすると、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向（かつ酸化剤側平板３と膜電極接合体１とを結ぶ方向に垂直な方向）において隣り合う流路溝１７が同じ種類である場合と比べ、酸化剤側多孔質ガス流路５の多孔体が保持する水分量を、酸化剤側多孔質ガス流路５の面内で一様にすることができる。
【００６９】
酸化剤側多孔質ガス流路５のこのような構成は、実施例１〜３にも適用可能である。
【実施例５】
【００７０】
図１１を用いて、本発明の実施例５による酸化剤側セパレータ８を説明する。図１１は、本実施例における酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図である。図１１において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一又は共通する要素を示す。実施例１と同一又は共通する構成の説明は省略する。
【００７１】
本実施例では、酸化剤側多孔質ガス流路５の流路溝１７を形成する横溝１３は、酸化剤ガスの流れる方向に対して斜めの方向に延伸する。図１１の例では、横溝１３は、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ酸化剤側平板３から膜電極接合体１に向かって斜めに延伸する。横溝１３は、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ膜電極接合体１から酸化剤側平板３に向かって斜めに延伸してもよい。
【００７２】
なお、図１１に示すような流路溝１７が形成された酸化剤側多孔質ガス流路５でも、酸化剤側多孔質ガス流路５の、膜電極接合体１と対向する面（又は膜電極接合体１と対向する部分）には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板３と対向する面（又は酸化剤側平板３と対向する部分）には、親水処理が施されている。
【００７３】
流路溝１７がこのように酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間で折れ曲がっていても、実施例１による酸化剤側セパレータ８と同様に、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができ、電気化学反応により生成された水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へ速やかに移動させることができる。
【００７４】
本実施例に示したような形状の流路溝１７にも、図６〜図９、及び図１０Ａ〜図１０Ｄに示したような変形を加えることが可能である。例えば、図８に示したように、横溝１３の酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていくようにしてもよい。また、例えば、図９に示したように、横溝１３の延伸方向（酸化剤ガスの流れ方向）に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていくようにしてもよい。
【実施例６】
【００７５】
図１２を用いて、本発明の実施例６による酸化剤側セパレータ８を説明する。図１２は、本実施例における酸化剤側セパレータ８の酸化剤側多孔質ガス流路５の側断面を示す模式図である。図１２において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一又は共通する要素を示す。実施例１と同一又は共通する構成の説明は省略する。
【００７６】
本実施例では、図１２に示すように、酸化剤側多孔質ガス流路５には、酸化剤ガスの流れる方向に対して斜めの方向に延伸する複数の部分溝１８、１９からなる流路溝１７が形成される。部分溝１８、１９の延伸する方向は、交互に変化する。図１２の例では、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ酸化剤側平板３から膜電極接合体１に向かって斜めに延伸する部分溝１８と、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ膜電極接合体１から酸化剤側平板３に向かって斜めに延伸する部分溝１９とが、交互に配置されて、流路溝１７が形成されている。
【００７７】
このように、部分溝１８、１９によって、酸化剤側多孔質ガス流路５の中に酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間で折れ曲がっている流路溝１７が形成される。部分溝１８、１９のそれぞれは、延伸方向に垂直な断面積が、酸化剤側多孔質ガス流路５を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。部分溝１８、１９により、酸化剤側多孔質ガス流路５には、全体として酸化剤ガスの流れ方向に沿う流路溝１７が形成される。流路溝１７は、酸化剤側平板３と膜電極接合体１との間でジグザグ状に折れ曲がって蛇行し、酸化剤ガスの流れの上流側から下流側に向かって延伸する。
【００７８】
なお、図１２に示すような流路溝１７が形成された酸化剤側多孔質ガス流路５でも、酸化剤側多孔質ガス流路５の、膜電極接合体１と対向する面（又は膜電極接合体１と対向する部分）には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板３と対向する面（又は酸化剤側平板３と対向する部分）には、親水処理が施されている。
【００７９】
このような形状の流路溝１７でも、実施例１による酸化剤側セパレータ８と同様に、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができ、電気化学反応により生成された水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体１から酸化剤側平板３の方向へ速やかに移動させることができる。
【００８０】
また、酸化剤側多孔質ガス流路５の酸化剤ガス入口側端部１５では、図１２に示すように、部分溝１８は、酸化剤側平板３に接するのが好ましい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある部分溝１８は、酸化剤側平板３に接するのが好ましい。これは、上述の実施例と同様に、酸化剤ガスの流れの上流側（電気化学反応により発生した水の量が少ない部分）において、酸化剤ガスの流通により膜電極接合体１が乾燥するのを防ぐためである。
【００８１】
本実施例に示したような形状の流路溝１７にも、図６〜図９、及び図１０Ａ〜図１０Ｄに示したような変形を加えることが可能である。例えば、図８に示したように、流路溝１７を形成する部分溝１８、１９の酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていくようにしてもよい。また、例えば、図９に示したように、流路溝１７を形成する部分溝１８、１９の延伸方向（酸化剤ガスの流れ方向）に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていくようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１…膜電極接合体、２…燃料側平板、３…酸化剤側平板、４…燃料側多孔質ガス流路、５…酸化剤側多孔質ガス流路、６…冷却流路、７…燃料側セパレータ、８…酸化剤側セパレータ、１３…横溝、１４…縦溝、１５…酸化剤ガス入口側端部、１６…酸化剤ガス出口側端部、１７…流路溝、１８、１９…部分溝。
【図１】
2014036012.tif 000003
【図２】
2014036012.tif 000004
【図３Ａ】
2014036012.tif 000005
【図３Ｂ】
2014036012.tif 000006
【図３Ｃ】
2014036012.tif 000007
【図４Ａ】
2014036012.tif 000008
【図４Ｂ】
2014036012.tif 000009
【図５】
2014036012.tif 000010
【図６】
2014036012.tif 000011
【図７】
2014036012.tif 000012
【図８Ａ】
2014036012.tif 000013
【図８Ｂ】
2014036012.tif 000014
【図８Ｃ】
2014036012.tif 000015
【図９】
2014036012.tif 000016
【図１０Ａ】
2014036012.tif 000017
【図１０Ｂ】
2014036012.tif 000018
【図１０Ｃ】
2014036012.tif 000019
【図１０Ｄ】
2014036012.tif 000020
【図１１】
2014036012.tif 000021
【図１２】
2014036012.tif 000022