(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられるセパレータであって、
反応ガスが流通する複数のガス流路溝を有するガス流路と、
前記ガス流路からの前記反応ガスの排出を行うためのガス排出孔と、
前記ガス排出孔と前記ガス流路との間に位置し、前記ガス流路から排出される前記反応ガスを前記ガス排出孔に流すための導出流路部と、
を備え、
前記複数のガス流路溝は、前記導出流路部に連結される連結流路部を有し、
前記連結流路部は、重力方向に対して傾斜した傾斜ガス流路溝を有し、
前記連結流路部の前記傾斜ガス流路溝の溝幅は、水の表面張力に基づいて前記傾斜ガス流路溝部の壁面が前記水を保持する力が、重力によって前記水に加わる力よりも大きくなるように設定されている、セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のセパレータであって、
前記導出流路部のガス流路溝の溝幅は、水の表面張力に基づいて前記導出流路部のガス流路溝の壁面が前記水を保持する力が、前記連結流路部のガス流路溝の壁面が前記水を保持する力よりも小さくなるように設定されている、セパレータ。
【請求項３】
膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するためのガス流路が形成された燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記反応ガスが流通する複数のガス流路溝を有する前記ガス流路と、
前記ガス流路からの前記反応ガスの排出を行うためのガス排出孔と、
前記ガス排出孔と前記ガス流路との間に位置し、前記ガス流路から排出される前記反応ガスを前記ガス排出孔に流すための導出流路部と、
を備え、
前記複数のガス流路溝は、前記導出流路部に連結される連結流路部を有し、
前記連結流路部は、重力方向に対して傾斜した傾斜ガス流路溝を有し、
前記連結流路部の前記傾斜ガス流路溝の溝幅は、水の表面張力に基づいて前記傾斜ガス流路溝部の壁面が前記水を保持する力が、重力によって前記水に加わる力よりも大きくなるように設定されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、複数のユニットセルを積層したスタック構造を有している。各ユニットセルは、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するためのガス流路が形成された構造を有している。ガス流路としては、例えば、セパレータの外縁部に設けられた反応ガスの供給孔から膜電極接合体の表面全体を経由して、供給孔の外縁部に対向する外縁部に設けられた排出孔に向かって流れるように形成されている。例えば、特許文献１には、ガス流路溝と、隣り合うガス流路溝の部分同士を連通する連通溝とを有し、連通溝がガス流路溝よりも浅く形成されているセパレータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７／０８８８３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のセパレータは、結露水によるガス流路の閉塞を抑制するものである。しかしながら、この構造の場合、セパレータから膜電極接合体に付与可能な面圧や、複数のユニットセルへのガス分配、ガス流路の圧損等の種々の要求性能を満たすことが難しい。面圧については、セパレータの接触面積の低下が要因となる。また、ガス分配やガス流路の圧損については、一部の流路に残水が有っても連通溝の存在によって残水の両端に差圧がかかりにくいため、排水性が確保しにくく、該当するユニットセルのガス流路の圧損は変化するが、積層された複数のユニットセルへのガス分配特性が悪化することが要因となる。また、燃料電池の高負荷運転時において限界ストイキ比付近での運転で所望の発電性能を得ることが難しく、要求性能を満たすことが難しい場合もある。なお、ストイキ比とは、燃料電池の発電力に対して最低限必要なガス量（即ち電気化学反応に供されるガス量）と実際に供給されたガス量との比である。すなわち、特許文献１のセパレータの構造は、上記した付与可能面圧やガス分配、圧損等の要求性能を損なう可能性がある。
【０００５】
また、従来のセパレータにおいて、上述したガス流路溝の構造に加えて、ガス流路と反応ガスの排出孔との間に接続流路を設けた構造とする場合がある。このようなセパレータでは、燃料電池の運転停止状態においてガス流路内の残水が接続流路に移動して滞留する場合があり、燃料電池を氷点下環境で始動させる場合に、接続流路に滞留した水が凍結し、接続流路が閉塞している可能性があった。なお、特許文献１には、上述の接続流路を有する構造に関して何らの記載も示唆もない。
【０００６】
そこで、本発明は、付与可能な面圧や、ガス分配、ガス圧損等の要求性能を満たしつつ、接続流路に水が滞留し、凍結して、接続流路を閉塞することを抑制する技術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】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本発明の一形態は、燃料電池に用いられるセパレータである。このセパレータは、反応ガスが流通する複数のガス流路溝を有するガス流路と；前記ガス流路からの前記反応ガスの排出を行うためのガス排出孔と；前記ガス排出孔と前記ガス流路との間に位置し、前記ガス流路から排出される前記反応ガスを前記ガス排出孔に流すための導出流路部と；を備える。前記複数のガス流路溝は、前記導出流路部に連結される連結流路部を有し；前記連結流路部は、重力方向に対して傾斜した傾斜ガス流路溝を有し；前記連結流路部のガス流路溝の溝幅は、水の表面張力に基づいて前記ガス流路溝の壁面が前記水を保持する力が、重力によって前記水に加わる力よりも大きくなるように設定されている。この形態のセパレータによれば、傾斜ガス流路溝部の残水を反応ガス排出孔へ移動しないように保持することにより、他の要求性能を満たしつつ、導出流路部における水の残存を抑制することが可能となる。これにより、氷点下始動時において、少なくとも導出流路部の凍結による閉塞を抑制することが可能である。
【０００９】
（２）上記形態のセパレータにおいて、前記導出流路部のガス流路溝の溝幅は、水の表面張力に基づいて前記ガス流路溝の壁面が前記水を保持する力が、前記連結流路部のガス流路溝の壁面が前記水を保持する力よりも小さくなるように設定されているようにしてもよい。この形態のセパレータによれば、毛細管現象を利用して、導出流路部から連結流路部へ残水を誘導することが可能となり、導出流路部における残水の凍結による閉塞を抑制することが可能である。
【００１０】
本発明は、上記形態のセパレータ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記形態のセパレータを備える燃料電池のユニットセル、そのユニットセルを備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態における燃料電池の構成を示す概略斜視図である。
【図２】ユニットセルの構成を分解して示す概略斜視図である。
【図３】アノード側セパレータの構成を示す概略平面図である。
【図４】燃料ガス流路の一部を拡大して示す概略斜視図である。
【図５】燃料ガス流路のうち燃料ガス排出孔につながる出口側領域を拡大して示す概略平面図である。
【図６】比較例としての連結流路部を示す概略平面図である。
【図７】図６の連結流路部の一部をガス面側から見た状態を拡大して示す概略斜視図である。
【図８】実施形態としての連結流路部のうち第２の連結流路部分の一部をガス面側から見た状態を拡大して示す概略斜視図である。
【図９】第１の導出流路部分と境界流路溝と第３の連結流路部分の一部について、第２実施形態におけるガス面側の構造を拡大して示す概略平面図および概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、複数のユニットセル１００を水平方向であるＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。前端側のエンドプレート１７０Ｆとユニットセル１００との間には、前端側の絶縁板１６５Ｆを介して前端側のターミナルプレート１６０Ｆが設けられている。後端側のエンドプレート１７０Ｅとユニットセル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介して後端側のターミナルプレート１６０Ｅが設けられている。ユニットセル１００とターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅとエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（重力方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。
【００１３】
前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆには、燃料ガス供給孔１７２ＩＮ及び燃料ガス排出孔１７２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮ及び酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１７６ＩＮ及び冷却水排出孔１７６ＯＴと、が設けられている。これらの給排孔は、各ユニットセル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連結して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０から外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。
【００１４】
複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮは前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、複数の酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴは上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ＩＮは前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ＯＴは左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。複数の冷却水供給孔１７６ＩＮは燃料ガス供給孔１７２ＩＮの下側にＹ方向に沿って配置されており、複数の冷却水排出孔１７６ＯＴは燃料ガス排出孔１７２ＯＴの上側にＹ方向に沿って配置されている。
【００１５】
前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１００の発電電力の集電板であり、不図示の端子から集電した電力を外部へ出力するためのものである。
【００１６】
図２は、ユニットセル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。ユニットセル１００は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０と、ＭＥＧＡ１１０を両側から挟むアノード側セパレータ１２０およびカソード側セパレータ１３０と、カソード側セパレータ１３０とＭＥＧＡ１１０との間に介挿されたガス流路部材１５０と、ＭＥＧＡ１１０の外周を覆う接着シール１４０と、を備えている。
【００１７】
ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両面に一対の触媒電極層が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含み、膜電極接合体の両面に一対のガス拡散層が形成された発電体である。なお、ＭＥＧＡをＭＥＡと呼ぶ場合もある。
【００１８】
アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、ステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。
【００１９】
アノード側セパレータ１２０には、後述するように、ＭＥＧＡ１１０側の面に溝状の燃料ガス流路が形成されており、反対側の面に溝状の冷却水流路が形成されている。
【００２０】
アノード側セパレータ１２０には、上述したマニホールドを構成する給排孔として、燃料ガス供給孔１２２ＩＮ及び燃料ガス排出孔１２２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ＩＮ及び酸化剤ガス排出孔１２４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１２６ＩＮ及び冷却水排出孔１２６ＯＴと、が形成されている。同様に、カソード側セパレータ１３０には、燃料ガス供給孔１３２ＩＮ及び燃料ガス排出孔１３２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１３４ＩＮ及び酸化剤ガス排出孔１３４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１３６ＩＮ及び冷却水排出孔１３６ＯＴと、が形成されている。また、接着シール１４０にも、同様に、アノード側セパレータ１２０の給排孔に対応して、燃料ガス供給孔１４２ＩＮ及び燃料ガス排出孔１４２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１４４ＩＮ及び酸化剤ガス排出孔１４４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１４６ＩＮ及び冷却水排出孔１４６ＯＴと、が形成されている。
【００２１】
ガス流路部材１５０は、カソード側セパレータ１３０の酸化剤ガス供給孔１３４ＩＮから供給される酸化剤ガスを、ＭＥＧＡ１１０の面方向（ＸＹ平面方向）に沿って流し、酸化剤ガス排出孔１３４ＯＴから排出するためのガス流路を構成する。ガス流路部材１５０としては、例えば、金属多孔体（例えば、エキスパンドメタル）などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料が用いられる。
【００２２】
図３は、アノード側セパレータ１２０の構成を示す概略平面図である。なお、図３は、アノード側セパレータ１２０に隣接する他のユニットセル１００に対向する面（以下、「冷却面」とも呼ぶ）側から見た状態を示している。なお、冷却面とは反対のＭＥＧＡ１１０に対向する面を「ガス面」とも呼ぶ。アノード側セパレータ１２０の外周縁部には、上述したように、反応ガスおよび冷却水の給排孔として、燃料ガス供給孔１２２ＩＮ及び燃料ガス排出孔１２２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ＩＮ及び酸化剤ガス排出孔１２４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１２６ＩＮ及び冷却水排出孔１２６ＯＴと、が形成されている。そして、給排孔が形成された内側の流路形成領域１２１（図２）には、冷却面側において凸部２０２と凹部２０４（「溝２０４」と呼ぶ）とが交互に繰り返し並んだ断面凸凹形状（断面波形形状）が形成されている。この断面凹凸形状は、例えば、一枚の平板をプレス加工することによって形成されたものである。冷却面における凸部２０２がガス面において燃料ガス流路溝（以下、「燃料ガス流路溝２０２」とも呼ぶ）を構成し、冷却面における溝２０４がガス面において燃料ガス流路溝２０２を仕切るリブを構成するとともに、冷却水流路溝（以下、「冷却水流路溝２０４」とも呼ぶ）を構成している。そして、複数の燃料ガス流路溝２０２で構成される燃料ガス流路２００が、燃料ガス供給孔１２２ＩＮから燃料ガス排出孔１２２ＯＴへ向けてサーペンタイン状に形成されている。
【００２３】
冷却面側において、燃料ガス流路溝２０２は冷却水流路溝２０４を仕切るリブとして機能する。このため、領域Ａでは、燃料ガス流路溝２０２が壁となって冷却水供給孔１２６ＩＮから冷却水排出孔１２６ＯＴへ向かう冷却水の流れを阻害する。そこで、この領域の燃料ガス流路溝２０２を以下で説明する構造とすることにより、これを防止している。
【００２４】
図４は、図３に示した領域Ａ内の燃料ガス流路２００のうちＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２の一部を拡大して示す概略斜視図である。図４において、上方は冷却面側であり、下方はガス面側である。Ｙ方向に沿って形成された燃料ガス流路溝２０２には、浅溝部２０８が形成されている。浅溝部２０８は、他の部分（以下、「深溝部２０６」とも呼ぶ）よりも深さが浅い部分である。ここで、燃料ガス流路溝２０２の深さとは、アノード側セパレータ１２０のガス面のＭＥＧＡ１１０に接触する部分の位置から、燃料ガス流路溝２０２の底部までの距離を意味する。従って、燃料ガス流路溝２０２の深さは、深溝部２０６の位置において深く、浅溝部２０８の位置において浅くなる。この燃料ガス流路溝２０２は、Ｙ方向に沿って浅溝部２０８および深溝部２０６が存在するが、いずれも、ＭＥＧＡ１１０とは接触しないため、溝に沿って燃料ガスが流れる燃料ガス流路を構成する。
【００２５】
また、複数のユニットセル１００が積層された燃料電池１０（図１，２参照）において、アノード側セパレータ１２０は、隣接するユニットセル１００のカソード側セパレータの表面と各深溝部２０６の位置で接触し、浅溝部２０８の位置で接触しない。このため、アノード側セパレータ１２０の浅溝部２０８の位置の冷却面側には、カソード側セパレータ１３０の表面との間に、浅溝部２０８を挟んで隣接する２つの冷却水流路溝２０４を連通する連通流路溝２０５が形成される。この構造によって、冷却水は、冷却水流路溝２０４に沿ってＹ方向（重力方向）に流れるだけでなく、連通流路溝２０５を介してＸ方向（水平方向）にも流れるようにすることが可能となる。これにより、Ｘ方向に沿った冷却水流路溝２０４を流れる冷却水の流れがＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によって遮断されるのを防止することができる。
【００２６】
また、図示は省略するが、図３に示した領域ＡのＸ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２にも同様に浅溝部２０８が形成される。これにより、Ｙ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２に平行な冷却水流路溝２０４を流れる冷却水の流れがＸ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によって遮断されるのを防止することができる。
【００２７】
また、図示は省略するが、Ｘ方向およびＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２だけでなく、Ｘ方向およびＹ方向に対して斜め方向に沿った燃料ガス流路溝２０２に対しても同様に浅溝部２０８が形成される。これにより、Ｘ方向あるいはＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２に平行な冷却水流路溝２０４を流れる冷却水の流れが燃料ガス流路溝２０２によって遮断されるのを防止することができる。
【００２８】
以上のように、冷却水供給孔１２６ＩＮから供給される冷却水を、Ｘ方向およびＹ方向のいずれの方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によっても遮断されずに、冷却水排出孔１２６ＯＴへ向けて流すことが可能である。
【００２９】
図５は、図３に示した燃料ガス流路２００のうち燃料ガス排出孔１２２ＯＴにつながる出口側領域（図３の領域Ｂ）を拡大して示す概略平面図である。燃料ガス排出孔１２２ＯＴにつながる出口側領域の燃料ガス流路２００は、燃料ガス排出孔１２２ＯＴにつながる導出流路部２３０、および、導出流路部２３０と内部流路部２１０との間の連結流路部２２０、で構成されている。なお、図３と同様に、図５も冷却面側を示しているので、燃料ガス流路溝２０２ａ〜２０２ｅは凸部として描かれている。
【００３０】
連結流路部２２０は、内部流路部２１０の燃料ガス流路部分２００ａにつながる第１の連結流路部分２００ｂと、第１の連結流路部分２００ｂにつながる第２の連結流路部分２００ｃと、第２の連結流路部分２００ｃにつながる第３の連結流路部分２００ｄと、第３の連結流路部分２００ｄと導出流路部２３０とを連結する境界流路溝２０２ｅと、で構成されている。第１の連結流路部分２００ｂは、燃料ガス流路部分２００ａの複数の燃料ガス流路溝２０２ａにつながり、Ｘ方向にのびる複数の第１の連結流路溝２０２ｂで構成されている。第２の連結流路部分２００ｃは、第１の連結流路溝２０２ｂから重力方向に傾斜した方向に沿って下方向に向かってのびる複数の第２の連結流路溝２０２ｃ（「傾斜ガス流路溝部２０２ｃ」とも呼ぶ）で構成されている。この第２の連結流路溝２０２ｃは、重力方向に対して傾いた方向（例えば斜め下方向）に沿って下方に延びていることが好ましいが、重力方向に延びていても良い。第３の連結流路部分２００ｄは、境界流路溝２０２ｅおよび第２の連結流路溝２０２ｃにつながり、Ｘ方向にのびる複数の第３の連結流路溝２０２ｄで構成されている。境界流路溝２０２ｅは、第３の連結流路部分２００ｄと導出流路部２３０との境界でＹ方向に沿ってのびる溝で構成されている。なお、連結流路部２２０を構成する各連結流路溝２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄは、図４に示した燃料ガス流路溝と同様に、浅溝部２０８を有しており、冷却面側において冷却水を流す連通流路を構成する。
【００３１】
導出流路部２３０は、境界流路溝２０２ｅにつながる第１の導出流路部分２３０Ａと、第１の導出流路部分２３０Ａおよび燃料ガス排出孔１２２ＯＴにつながる第２の導出流路部分２３０Ｂと、で構成されている。これらの導出流路部分２３０Ａ，２３０Ｂは、アノード側セパレータのガス面との間に配置されたシーリングプレート１２８と、アノード側セパレータ１２０との間に形成されている。第１の導出流路部分２３０Ａは、境界流路溝２０２ｅにつながり、略くし歯状流路を構成する複数の第１の導出流路溝２３２Ａで構成されている。また、第２の導出流路部分２３０Ｂは、シーリングプレート１２８に形成された略くし歯状の凸部２３４Ｂによって形成され、略くし歯状流路を構成する複数の第２の導出流路溝２３２Ｂで構成されている。
【００３２】
なお、図示および説明を省略するが、燃料ガス流路２００のうち燃料ガス供給孔１２２ＩＮにつながる入口側領域も、出口側領域と同様に、燃料ガス供給孔１２２ＩＮにつながる導入流路部、および、導入流路部と内部流路部との間の連結流路部、で構成されている。
【００３３】
アノード側セパレータ１２０は、以下で説明するように、導出流路部２３０につながる連結流路部２２０の構造に特徴を有している。
【００３４】
図６は、比較例としての連結流路部２２０Ｒを示す概略平面図である。また、図７は、図６の連結流路部２２０Ｒの一部をガス面側から見た状態を拡大して示す概略斜視図である。連結流路部２２０Ｒは、ガス面側に凸の複数のエンボス２１６およびガス面側に凹の複数のディンプル２１８が、交互に、かつ、離間して配置されることにより構成されている。なお、連結流路部２２０Ｒで連結される内部流路部２１０および導出流路部２３０は、本実施形態の連結流路部２２０と同様である。
【００３５】
内部流路部２１０のＹ方向上部側を流れる燃料ガス（図６の実線矢印で示す）は、連結流路部２２０Ｒにおいて、ディンプル２１８が離間して配置されている構造上、導出流路部２３０方向へ向かって流れ易い。このため、連結流路部２２０Ｒの上部領域Ｃには水が滞留し易く、また、運転停止前に実行される掃気によっても排出され難い。一方、ディンプル２１８およびエンボス２１６の構造の場合、図７に示すように、残水２１９に接触するディンプル２１８およびエンボス２１６の壁面が少ないため、連結流路部２２０Ｒのディンプル２１８で構成される流路においては、毛管現象によって水を上昇させる力（「毛管力」とも呼ぶ）は、水に加わる重力よりも小さくなる。なお、毛管力は下式（１）で示される液面高さｈで表すことができる。また、この毛管力は、水の表面張力に基づいてガス流路溝の壁面が水を保持する力に相当する。
ｈ＝２・Ｔ・ｃｏｓθ／（ρ・ｇ・ｒ）  …（１）
Ｔ：表面張力，θ：接触角，ρ：液体密度，ｇ：重力加速度，ｒ：管の内径
ここで、断面が円形で無い流路に対する「管の内径ｒ」は、流路断面積に等しい円の直径に相当する。ディンプル構造の場合、内径ｒが大きいため、液面高さｈは小さく、すなわち、毛管力は小さくなる。
【００３６】
このため、上部領域Ｃの残水２１９は、運転停止している状態において、図７に矢印で示したように連結流路部２２０Ｒを下方（重力方向）に移動することになり、移動した水が導出流路部２３０で滞留し易くなる。そして、導出流路部２３０に滞留した水が凍結した場合には、導出流路部２３０を閉塞することにより、燃料ガス流路が閉塞されることになり、燃料電池１０の運転動作の不具合等を招く可能性がある。
【００３７】
これに対して、実施形態の連結流路部２２０（図５）は、以下で説明するように、導出流路部２３０への水の移動を抑制することができる。
【００３８】
図８は、図５の第２の連結流路部分２００ｃの一部をガス面側から見た状態を拡大して示している。この場合、比較例の場合に比べて、水に接触する壁面が多くなり、また、流路断面積が小さくなるので管の内径ｒが小さくなり、毛管力を大きくすることができる。特に、重力方向に傾斜した方向に延びる第２の連結流路溝２０２ｃにおける毛管力Ｆが、仮に溝が満水でも重力よりも大きくなるように、第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅を設定することが好ましい。特に、重力による力ｇに加えて振動による力αを考慮し、これらの力の合計（ｇ＋α）よりも、毛管力Ｆの方が大きくなるように第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅を設定することが好ましい。この場合には、振動力αとしては、燃料電池１０の使用環境において想定される予め設定した値を使用可能である。なお、溝幅に加えて、溝の深さもこれらの目的に沿うように設定することが好ましい。また、第１の連結流路溝２０２ｂおよび第３の連結流路溝２０２ｄの溝幅および溝深さも、第２の連結流路溝２０２ｃと等しい値に設定することが好ましい。なお、溝深さをあらかじめ定めた一定値とした場合には、第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅を設定し、これに合わせて第１の連結流路溝２０２ｂおよび第３の連結流路溝２０２ｄの溝幅を設定することができる。このようにすれば、仮に掃気時において排出されない残水が第２の連結流路溝２０２ｃに有ったとしても、図８に示すように、その水が導出流路部２３０へ移動しないように保持することが可能である。
【００３９】
ここで、連結流路部２２０を含む燃料ガス流路２００には、ＭＥＧＡ１００（図２参照）に含まれるガス拡散層が接しているため、連結流路部２２０が残水の凍結によって閉塞したとしても、ガス拡散層を介して燃料ガスが流れることによって、燃料ガス流路が全体として閉塞されることはない。これに対して、導出流路部２３０には、ガス拡散層が接していないため、導出流路部２３０の残水の凍結によって燃料ガス流路が全体として閉塞されることになる。
【００４０】
上記したように、連結流路部２２０は残水が導出流路部２３０へ移動しないように保持することができるので、燃料電池１０の氷点下始動時において、導出流路部２３０に滞留する水が凍結することによる導出流路部２３０の閉塞を抑制することが可能となり、燃料ガス流路が全体として閉塞されるのを抑制することができる。また、導出流路２３０の閉塞の抑制は、従来技術で説明した構造のセパレータとは異なり、付与可能面圧やガス分配、ガス圧損等の要求性能を満たしつつ実現可能である。また、一般的に実行される流路溝の表面に撥水処理を施す場合のように閉塞の抑制効果が継時的に低下するものではない。
【００４１】
Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、残水を保持可能なガス流路溝構造について説明した。第２実施形態のセパレータは、さらに、導出流路部２３０と連結流路部２２０との間の接続構造に関する特徴を有している。
【００４２】
図９（Ａ）は図５に示した第１の導出流路部分２３０Ａと境界流路溝２０２ｅと第３の連結流路部分２００ｄの一部について、第２実施形態におけるガス面側の構造を拡大して示す概略平面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）を模式的に示す概略斜視図である。
【００４３】
第１の導出流路溝２３２Ａの溝幅および溝深さは、第１の導出流路溝２３２Ａの毛管力Ｆ（２３２Ａ）が第３の連結流路溝２０２ｄの毛管力Ｆ（２０２ｄ）よりも小さくなるように設定されている。
【００４４】
この場合、図９（Ｂ）に示すように、境界流路溝２０２ｅを挟んで第１の導出流路部分２３０Ａおよび第３の連結流路部分２００ｄにまたがって連結した残水２１９があった場合に、第３の連結流路溝２０２ｄの毛管力Ｆ（２０２ｄ）と第１の導出流路溝２３２Ａの毛管力Ｆ（２３２Ａ）との毛管力の差によって、残水２１９を第１の導出流路溝２３２Ａ側から第３の連結流路溝２０２ｄ側へ移動させることができる。これにより、第１の導出流路溝２３２Ａに水が滞留し凍結することによって閉塞することを抑制することが可能となる。
【００４５】
さらに、導出流路部分２３０Ｂの第２の導出流路溝２３２Ｂ（図５参照）の溝幅および溝深さは、第２の導出流路溝２３２Ｂの毛管力Ｆ（２３２Ｂ）が第１の導出流路溝２３２Ａの毛管力Ｆ（２３２Ａ）よりも小さくなるように設定されていてもよい。この場合、境界流路溝２０２ｅを挟んで第２の導出流路部分２３０Ｂおよび第１の導出流路部分２３０Ａと第３の連結流路部分２００ｄにまたがって連結した残水があった場合に、第２の導出流路溝２３２Ｂの毛管力Ｆ（２３２Ｂ）と第１の導出流路溝２３２Ａの毛管力Ｆ（２３２Ａ）と第３の連結流路溝２０２ｄの毛管力Ｆ（２０２ｄ）との毛管力の差によって、第２の導出流路溝２３２Ｂおよび第１の導出流路溝２３２Ａの残水を第３の連結流路溝２０２ｄ側へ移動させることができる。これにより、燃料電池１０の氷点下始動時において、第１の導出流路部２３０Ａ及び第２の導出流路部２３０Ｂ、すなわち、導出流路部２３０に滞留する水が凍結することによる導出流路部２３０の閉塞を抑制することが可能となる。また、導出流路２３０の閉塞の抑制は、従来技術で説明した構造のセパレータとは異なり、付与可能面圧やガス分配、ガス圧損等の要求性能を満たしつつ実現可能である。また、一般的に実行される流路溝の表面に撥水処理を施す場合のように閉塞の抑制効果が継時的に低下するものではない。
【００４６】
Ｃ．変形例：
なお、上述した第１実施形態では、第１の連結流路溝２０２ｂおよび第３の連結流路溝２０２ｄの溝幅および溝深さを第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅および溝深さに合わせるものとして説明したが、必ずしも、第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅および溝深さに合わせる必要はない。但し、重力方向に対して傾斜した方向に沿って下方向を向く第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅は、重力に抗して残水を保持可能なように設定することが好ましい。具体的には、第２の連結流路溝２０２ｃの溝幅を、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とすることが好ましく、０．２〜０．８ｍｍの範囲とすることが更に好ましい。なお、溝幅が深さ方向に一定でない場合には、平均的な溝幅をこれらの範囲に設定することが好ましい。また、第２の連結流路溝２０２ｃの溝深さは、０．２〜０．８ｍｍの範囲とすることが好ましく、０．２〜０．６ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００４７】
また、上述した第１，２実施形態では、導出流路部２３０につながる連結流路部２２０について説明したが、燃料ガス供給孔１２２ＩＮ側の導入流路部につながる連結流路部についても同様に適用することができる。
【００４８】
また、上述した第１，第２実施形態では、アノード側セパレータ１２０の燃料ガス流路について説明したが、カソード側セパレータの酸化剤ガス流路が燃料ガス流路と同様の流路構造を有する場合には、同様に適用することが可能である。
【００４９】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…燃料電池
１００…ユニットセル
１２０…アノード側セパレータ
１２１…流路形成領域
１２２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１２２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１２４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１２４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１２６ＩＮ…冷却水供給孔
１２６ＯＴ…冷却水排出孔
１２８…シーリングプレート
１３０…カソード側セパレータ
１３２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１３２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１３４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１３４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１３６ＩＮ…冷却水供給孔
１３６ＯＴ…冷却水排出孔
１４０…接着シール
１４２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１４２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１４４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１４４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１４６ＩＮ…冷却水供給孔
１４６ＯＴ…冷却水排出孔
１５０…ガス流路部材
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１７２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１７４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１７４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１７６ＩＮ…冷却水供給孔
１７６ＯＴ…冷却水排出孔
２００…燃料ガス流路
２００ａ…燃料ガス流路部分
２００ｂ…第１の連結流路部分
２００ｃ…第２の連結流路部分
２００ｄ…第３の連結流路部分
２０２…燃料ガス流路溝
２０２ａ…燃料ガス流路溝
２０２ｂ…第１の連結流路溝
２０２ｃ…第２の連結流路溝
２０２ｄ…第３の連結流路溝
２０２ｅ…境界流路溝
２０４…冷却水流路溝
２０５…連通流路溝
２０６…深溝部
２０８…浅溝部
２１０…内部流路部
２１６…エンボス
２１８…ディンプル
２１９…水（残水）
２２０…連結流路部
２２０Ｒ…連結流路部
２３０…導出流路部
２３０Ａ…第１の導出流路部分
２３０Ｂ…第２の導出流路部分
２３２Ａ…第１の導出流路溝
２３２Ｂ…第２の導出流路溝
２３４Ｂ…凸部
【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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