(57)【要約】【課題】燃料電池における反応ガスの配流性を向上させる技術を提供する。【解決手段】セパレータ２０には、供給用マニホールド４１に連結するとともに、排出用マニホールド４２に向かって走り、その端部が閉塞されている供給用流路溝２１３が設けられている。セパレータ２０には、排出用マニホールド４２に連結するとともに、供給用流路溝２１３と併走し、その端部が閉塞されている排出用流路溝２２３が設けられている。供給用流路溝２１３と排出用流路溝２２３との間の流路壁２２の中流域には、流路抵抗が高く、反応ガスのための副流路として機能する細溝部５０が設けられている。【選択図】図３
2011187417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された発電体である膜電極接合体を有する燃料電池において、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に配置される燃料電池用セパレータであって、
前記燃料電池の外部から反応ガスの供給を受けるための供給用マニホールドと、
前記燃料電池の外部へと排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
前記膜電極接合体の電極面に対向する面側に設けられた反応ガスのための流路溝と、
を備え、
前記流路溝は、
前記供給用マニホールドに連結するとともに、前記排出用マニホールドに向かって走り、前記排出用マニホールド側の端部において、前記排出用マニホールドに向かう方向が閉塞されている供給用流路溝と、
前記排出用マニホールドに連結するとともに、前記供給用流路溝と併走し、前記供給用マニホールド側の端部において、前記供給用マニホールドに向かう方向が閉塞されている排出用流路溝と、
前記供給用流路溝と前記排出用流路溝との間の流路壁に設けられ、前記供給用流路溝と前記排出用流路溝とを接続する接続流路溝と、
を含み、
前記接続流路溝は、前記供給用流路溝と前記排出用流路溝よりも高い流路抵抗を有しており、
前記接続流路溝は、前記供給用流路溝および前記排出用流路溝における反応ガスの流れ方向に渡る全流域のうちのそれぞれの中流域を互いに接続するように形成された中流域接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、さらに、
前記接続流路溝は、前記供給用流路溝の閉塞した端部側と前記排出用流路溝とを接続するように形成された下流域接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータであって、
前記接続流路溝は、前記排出用流路溝との接続部位が、前記供給用流路溝との接続部位から見て、より上流側に位置するように設けられている傾斜接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
燃料電池であって、
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された発電体である膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、
を備え、
前記２枚のセパレータは、少なくとも一方が、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータである、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える。また、膜電極接合体は、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。セパレータの外表面には、膜電極接合体の電極面に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路として機能する流路溝が設けられ、セパレータと膜電極接合体の電極面との間には、反応ガスを電極面全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。
【０００３】
ここで、セパレータに設けられる流路溝としては、供給された反応ガスのための供給側流路溝と、排ガスのための排出側流路溝とが隔壁を介して分離して形成された構成を有するものがある（特許文献１等）。こうした構成を有する流路溝では、供給側流路溝の下流端が閉塞されているため、供給側流路溝に流入した反応ガスは全て、電極面に配置されたガス拡散層を介して排出側流路溝へと流れることとなる。従って、ガス拡散層へと流入することなく燃料電池の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減させることができる。
【０００４】
しかし、上記の構成の流路溝を有する燃料電池では、電極面における反応ガスの上流側の領域と、供給側流路溝の閉塞された下流側端部近傍の領域において、ガス拡散層に流入する反応ガスの量が増大する傾向にあった。即ち、電極面における反応ガスの供給量分布が不均一となるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４１９７９号公報
【特許文献２】特開２００８−１２３７０７号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池における反応ガスの配流性を向上させ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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された発電体である膜電極接合体を有する燃料電池において、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に配置される燃料電池用セパレータであって、前記燃料電池の外部から反応ガスの供給を受けるための供給用マニホールドと、前記燃料電池の外部へと排ガスを排出するための排出用マニホールドと、前記膜電極接合体の電極面に対向する面側に設けられた反応ガスのための流路溝とを備え、前記流路溝は、前記供給用マニホールドに連結するとともに、前記排出用マニホールドに向かって走り、前記排出用マニホールド側の端部において、前記排出用マニホールドに向かう方向が閉塞されている供給用流路溝と、前記排出用マニホールドに連結するとともに、前記供給用流路溝と併走し、前記供給用マニホールド側の端部において、前記供給用マニホールドに向かう方向が閉塞されている排出用流路溝と、前記供給用流路溝と前記排出用流路溝との間の流路壁に設けられ、前記供給用流路溝と前記排出用流路溝とを接続する接続流路溝とを含み、前記接続流路溝は、前記供給用流路溝と前記排出用流路溝よりも高い流路抵抗を有しており、前記接続流路溝は、前記供給用流路溝および前記排出用流路溝における反応ガスの流れ方向に渡る全流域のうちのそれぞれの中流域を互いに接続するように形成された中流域接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、流路抵抗の高い接続流路溝が、反応ガスのための主流路として機能する供給用流路溝および排出用流路溝に対して、反応ガスの配流性を調整するための副流路として機能する。また、接続流路溝として中流域接続流路溝が設けられることにより、ガス拡散層へと流入することなく中流域まで供給用流路溝を流れる反応ガスの量を増大させることができる。そのため、中流域以降において供給側流路溝からガス拡散層へと流入する反応ガスの量を増大させることができ、反応ガスの配流性を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池用セパレータであって、さらに、前記接続流路溝は、前記供給用流路溝の閉塞した端部側と前記排出用流路溝とを接続するように形成された下流域接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、下流域接続流路溝が、発電反応によって生成された水分のための排水路としても機能する。即ち、接続流路溝によって、燃料電池における反応ガスの配流性を向上させることができるとともに、その排水性を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池用セパレータであって、前記接続流路溝は、前記排出用流路溝との接続部位が、前記供給用流路溝との接続部位から見て、より上流側に位置するように設けられている傾斜接続流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、傾斜接続流路溝が、反応ガスの流れ方向に対して、下流側から上流側へと斜め後方に延びることとなる。そのため、傾斜接続流路溝によって誘導される反応ガスが発電領域において移動する距離が実質的に延長され、燃料電池から排出される未反応ガスをより低減させることができる。
【００１１】
［適用例４］
燃料電池であって、電解質膜の両面にガス拡散層を有する電極が配置された発電体である膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータとを備え、前記２枚のセパレータは、少なくとも一方が、適用例１ないし適用例３のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータである、燃料電池。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用セパレータ、そのセパレータを用いた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池スタックの構成を示す概略図。
【図２】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】アノードセパレータの構成を示す概略図。
【図４】カソードセパレータの構成を示す概略図。
【図５】細溝部を構成する各細溝の断面形状の構成例を示す概略図。
【図６】一次流路溝から二次流路溝への反応ガスの移動を説明するための模式図。
【図７】本発明の比較例として細溝部が省略されたセパレータを有する燃料電池スタックにおける反応ガスの流れを説明するための説明図。
【図８】細溝部の機能を説明するための説明図。
【図９】第２実施例におけるアノードセパレータの構成を示す概略図。
【図１０】第２実施例におけるカソードセパレータの構成を示す概略図。
【図１１】細溝部の他の構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１００は、反応ガスとして水素と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。燃料電池スタック１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、シール一体型膜電極接合体１０と、アノードセパレータ２０と、カソードセパレータ３０とを備える。
【００１５】
図２（Ａ），（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体１０の構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側の面を示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０の概略断面を示している。なお、シール一体型膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の面の構成と同様であるため、図示および説明は省略する。
【００１６】
シール一体型膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電部１１と、発電部１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する（図２（Ａ））。発電部１１には膜電極接合体５が含まれる（図２（Ｂ））。膜電極接合体５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面にそれぞれ配置されたアノード２およびカソード３とを備える。アノード２およびカソード３は、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持された導電性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー）によって構成される。
【００１７】
アノード２およびカソード３の外表面にはそれぞれ、ガス拡散部材１５が配置される。ガス拡散部材１５は、燃料電池スタック１００が構成されたときに各セパレータ２０，３０と直接的に接触し、反応ガスを電極面全体に拡散させるためのガス拡散層として機能するとともに、膜電極接合体５において発電された電気の導電パスとして機能する。ガス拡散部材１５は、ガスを拡散するための細孔を有するとともに、導電性を有する多孔質部材によって構成することができる。具体的には、ガス拡散部材１５としては、例えば、カーボンペーパや多孔質の金属焼結体を採用することができる。また、ガス拡散部材１５としては、いわゆるエキスパンドメタルなどの細孔を有するように加工された金属板を採用することも可能である。
【００１８】
外周シール部１２は、膜電極接合体５の外周端を被覆するように射出成形された樹脂部材である。外周シール部１２の両面には、図示せざる突起部（リブ）が形成されている。当該突起部は、シール一体型膜電極接合体１０が燃料電池スタック１００に組み付けられたときに、各セパレータ２０，３０の外表面に押圧され、流体の漏洩を抑制するためのシールラインを構成する。
【００１９】
また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールド４１〜４４が貫通孔として形成されている。各マニホールド４１〜４４は、電極面における水素の流れ方向と酸素の流れ方向とが、電解質膜１を挟んで互いに対向するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールド４１と酸素排出用マニホールド４４とが、発電部１１に対して同じ側に設けられ、水素排出用マニホールド４２と酸素供給用マニホールド４３とが、その反対側に設けられている。また、各供給用マニホールド４１，４３と、各排出用マニホールド４２，４４とは、発電部１１を挟んでそれぞれ対角するように形成されている。なお、各マニホールド４１〜４４の配置構成は、他の配置構成であっても良い。また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールド４１〜４４に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。
【００２０】
ここで、本明細書では、アノード側の発電部１１における水素供給用マニホールド４１側、または、カソード側の発電部１１における酸素供給用マニホールド４３側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電部１１における水素排出用マニホールド４２側、または、カソード側の発電部１１における酸素排出用マニホールド４４側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電部１１において、上流側から下流側に向かう方向（図２の紙面左右方向に沿った方向）を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。
【００２１】
図３，図４はそれぞれ、アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図３には、アノードセパレータ２０のシール一体型膜電極接合体１０と対向する側の面が図示されており、図４には、カソードセパレータ３０のシール一体型膜電極接合体１０と対向する側の面が図示されている。なお、図３，図４にはそれぞれ、燃料電池スタック１００の積層方向に沿って見たときに、シール一体型膜電極接合体１０の発電部１１と重なる領域を一点鎖線で図示してある。
【００２２】
各セパレータ２０，３０はそれぞれ、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。各セパレータ２０，３０には、シール一体型膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールド４１〜４４が貫通孔として形成されている。また、各セパレータ２０，３０には、反応ガスのための流路溝が発電部１１全体に渡って形成されている。なお、燃料電池スタック１００を構成したときに互いに隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０との間には、冷媒のための流路が形成されることが好ましい。
【００２３】
アノードセパレータ２０（図３）には、流路壁を介して互いに分離された水素供給用の流路溝（「供給側流路溝」または「一次流路溝」とも呼ぶ）と、水素排出用の流路溝（「排出側流路溝」または「二次流路溝」とも呼ぶ）とが設けられている。具体的には、一次流路溝としては、導入流路溝２１０と、分配流路溝２１１と、供給側並列流路溝２１３とが設けられている。また、二次流路溝としては、導出流路溝２２０と、集合流路溝２２１と、排出側並列流路溝２２３とが設けられている。
【００２４】
導入流路溝２１０は、水素供給用マニホールド４１と発電部１１とを連通する流路溝である。分配流路溝２１１は、導入流路溝２１０と連結するとともに、供給側並列流路溝２１３のそれぞれと連結する流路溝であり、反応ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に延びている。供給側並列流路溝２１３は、発電部１１において、水素供給用マニホールド４１側から水素排出用マニホールド４２側に向かって直線状に延びる複数の並列な流路溝である。各供給側並列流路溝２１３の下流側の端部は、水素の流れ方向に対しては閉塞している。
【００２５】
導出流路溝２２０は、発電部１１と水素排出用マニホールド４２とを連通する流路溝である。集合流路溝２２１は、導出流路溝２２０と連結するとともに、排出側並列流路溝２２３の下流側端部と連結する流路溝である。排出側並列流路溝２２３は、発電部１１において、各供給側並列流路溝２１３と併走する複数の並列な流路溝である。各排出側並列流路溝２２３の上流側の端部は閉塞している。
【００２６】
各供給側並列流路溝２１３と各排出側並列流路溝２２３とは、並列方向に互いに交互に配列されている。即ち、アノードセパレータ２０では、櫛歯状の一次流路溝と櫛歯状の二次流路溝とが互いに噛み合うように構成されている。ここで、各供給側並列流路溝２１３と各排出側並列流路溝２２３とを隔てる複数の並列な流路壁を「並列流路壁２２」と呼ぶ。また、各排出側並列流路溝２２３の閉塞端部と分配流路溝２１１との間の流路壁を「上流端流路壁２１」と呼び、各供給側並列流路溝２１３の閉塞端部と集合流路溝２２１との間の流路壁を「下流端流路壁２３」と呼ぶ。これらの流路壁２１〜２３は、燃料電池スタック１００を構成したときに、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散部材１５と接触する。
【００２７】
ここで、アノードセパレータ２０の外表面には、上記の一次流路溝および二次流路溝に加えて、各並列流路壁２２の外表面に、２つの細溝部５０，５１が設けられている。第１の細溝部５０は、水素の流れ方向に対してほぼ垂直に走り、隣り合う供給側並列流路溝２１３と排出側並列流路溝２２３との中流域同士を接続する複数の微細な溝によって構成されている。ここで、「中流域」とは、発電部１１における反応ガスの流れ方向の中央部近傍の領域を意味する。以後、この第１の細溝部５０を「中流域細溝部５０」とも呼ぶ。一方、第２の細溝部５１は、水素の流れ方向に対してほぼ垂直に走り、供給側並列流路溝２１３の閉塞した下流端部と排出側並列流路溝２２３とを接続する複数の微細な溝によって構成されている。以後、この第２の細溝部５１を「下流域細溝部５１」とも呼ぶ。
【００２８】
なお、これらの細溝部５０，５１の各溝は、一次流路溝および二次流路溝より流路断面積を小さくすることにより、流路抵抗が高くなるように構成されている。これにより、本実施例の燃料電池スタック１００では、一次流路溝および二次流路溝を反応ガスのための主流路として機能させるとともに、細溝部５０，５１の各溝を反応ガスの副流路として機能させる。
【００２９】
図５（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、細溝部５０，５１を構成する細溝の断面形状の構成例を示す概略図である。図５（Ａ）の構成例では、細溝部５０，５１の各細溝の断面形状は、略Ｖ字型となるように構成されている。図５（Ｂ）の構成例では、細溝部５０，５１の各細溝の断面形状は、略矩形状となるように構成されている。図５（Ｃ）の構成例では、細溝部５０，５１の各細溝の断面形状は、略半円弧状となるように構成されている。細溝部５０，５１の各細溝の断面形状は、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示されたいずれの形状によっても構成することができる。また、細溝部５０，５１の各細溝の断面形状は、他の形状であっても良い。
【００３０】
カソードセパレータ３０（図４）には、酸素のための流路溝として、アノードセパレータ２０と同様な一次流路溝と二次流路溝とが形成されている。具体的には、一次流路溝として、導入流路溝３１０と、分配流路溝３１１と、供給側並列流路溝３１３とが設けられ、二次流路溝として、導出流路溝３２０と、集合流路溝３２１と、排出側並列流路溝３２３とが設けられている。また、一次流路溝と二次流路溝との間には、アノードセパレータ２０の各流路壁２１〜２３と同様な、上流端流路壁３１や、並列流路壁３２、下流端流路壁３３が存在する。さらに、カソードセパレータ３０の並列流路壁３２には、アノードセパレータ２０と同様に、細溝部５０，５１が形成されている。
【００３１】
ここで、各セパレータ２０，３０（図３，図４）の一次流路溝および二次流路溝における反応ガスの流れについて説明する。供給用マニホールド４１，４３から供給された反応ガスは、導入流路溝２１０，３１０を介して、分配流路溝２１１，３１１へと流れる。分配流路溝２１１，３１１の反応ガスは、各供給側並列流路溝２１３，３１３へと分岐する。各供給側並列流路溝２１３，３１３の反応ガスは、各並列流路壁２２，３２に沿って下流側へと流れつつ、その一部が、ガス拡散部材１５へと流入する。なお、各並列流路壁２２，３２の下流側端部まで流れた反応ガスのほとんどは、終端流路壁２３，３３によってガス拡散部材１５内へと誘導される。
【００３２】
図６は、一次流路溝から二次流路溝への反応ガスの移動を説明するための模式図である。図６には、図４の６−６切断における単セル１１０の概略断面が図示されている。供給側並列流路溝２１３，３１３などの一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入した反応ガスは、膜電極接合体５において発電反応に用いられつつ、さらに下流側へと流れる。発電反応に用いられることのなかった反応ガスを含む排ガスは、ガス拡散部材１５から排出側並列流路溝２２３，３２３などの二次流路溝へと流れる。各排出側並列流路溝２２３，３２３（図３，図４）に流入した排ガスは、集合流路溝２２１，３２１において合流する。集合流路溝２２１，３２１の排ガスは、導出流路溝２２０，３２０を介して、各排出用マニホールド４２，４４へと排出される。
【００３３】
ところで、本実施例のセパレータ２０，３０では、前記したとおり、細溝部５０，５１によって、供給側並列流路溝２１３，３１３と排出側並列流路溝２２３，３２３とが接続されている。しかし、本実施例のセパレータ２０，３０では、細溝部５０，５１を反応ガスのための副流路として構成することにより、一次流路溝の反応ガスの大部分がガス拡散部材１５を介して二次流路溝へと流れるように構成されている。即ち、本実施例の燃料電池スタック１００では、一次流路溝と二次流路溝とは、ほぼ分離された構成を有しているものと解釈でき、これによって、ガス拡散部材１５へと流入することなく発電部１１から排出されてしまう未反応ガスの量が低減されている。ここで、細溝部５０，５１の機能を説明するために、細溝部５０，５１が省略され、一次流路溝と二次流路溝とが完全に分離されている場合について説明する。
【００３４】
図７（Ａ），（Ｂ）は、本発明の比較例として細溝部５０，５１が省略されたセパレータを有する燃料電池スタックにおける反応ガスの流れを説明するための説明図である。なお、比較例の燃料電池スタックの構成は、セパレータが異なる点以外は、本実施例の燃料電池スタック１００と同様である。図７（Ａ）は、比較例の燃料電池スタックに用いられるアノードセパレータ２０ａを示しており、細溝部５０，５１が省略されている点以外は図３のアノードセパレータ２０とほぼ同じである。なお、比較例の燃料電池スタックのカソードセパレータ（図示は省略）は、アノードセパレータ２０ａと同様に、細溝部５０，５１が省略されている点以外は、本実施例のカソードセパレータ３０と同じ構成である。ここで、発電部１１の反応ガスの流れ方向における上流端から下流端の間の位置を「流れ方向位置Ｘ」と呼ぶ。
【００３５】
図７（Ｂ）は、比較例の燃料電池スタックにおける流れ方向位置Ｘと、一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する水素の量との関係を示すグラフである。このグラフは流体シミュレーションによって得ることができる。なお、以下においては、比較例の燃料電池スタックにおける水素の流れについて説明するが、カソード側における酸素の流れについても同様である。
【００３６】
比較例の燃料電池スタックでは、一次流路溝と二次流路溝との間に細溝部５０，５１が設けられていないため、一次流路溝の水素を全てガス拡散部材１５を介して二次流路溝へと流すことができる。しかし、各供給側並列流路溝２１３からガス拡散部材１５へと流れ込む水素の量は、比較的水素の流速が速い上流端部近傍と、ガス拡散部材１５以外に水素の逃げ場所がない下流側の閉塞端部近傍とにおいて増大することとなる。従って、この比較例の燃料電池スタックでは、発電部１１の上流域および下流域に比較して、中流域の方が発電量が低下する傾向となり、その発電分布が不均一となってしまう。
【００３７】
図８は、本実施例のセパレータ２０，３０における細溝部５０，５１の機能を説明するための説明図である。図８（Ａ）は、本実施例の燃料電池スタック１００における流れ方向位置Ｘと一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する水素の量との関係を示す図７（Ｂ）と同様なグラフである。本実施例の燃料電池スタック１００では、一次流路溝の中流域に反応ガスの逃げ部としての中流域細溝部５０が設けられているため、一次流路溝の中流域以降の圧力損失を低下させることができる。そのため、中流域以降へと流れる反応ガスの量を増大させることができ、発電部１１の上流端近傍においてガス拡散部材１５内に流入する水素の量を低減させることができる。即ち、反応ガスの流れ方向における一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する水素量の不均一性を低減させることができる。
【００３８】
図８（Ｂ）は、細溝部５０，５１による排水性の向上を説明するための模式図である。図８（Ｂ）は、並列流路壁２２に設けられた細溝部５０，５１が図示されている点と、水分の流れを示す矢印が追加されている点以外は図６とほぼ同じである。ここで、膜電極接合体５のカソード３では、発電反応によって水分が生成される。この水分がアノード２側やカソード３側のガス拡散部材１５に移動すると、ガス拡散部材１５の細孔を塞ぎ、反応ガスの流れを阻害してしまう可能性がある。
【００３９】
しかし、本実施例の燃料電池スタック１００では、ガス拡散部材１５内の水分を、より抵抗の低い細溝部５０，５１の各溝へと誘導することができ、細溝部５０，５１の各溝を流れる反応ガスによって、排出側並列流路溝２２３へと排出させることができる。従って、生成水分によってガス拡散部材１５の圧力損失が増大してしまうことが抑制され、反応ガスの配流性が低下してしまうことが抑制される。なお、細溝部５０，５１の各溝は、燃料電池スタック１００の運転中に排水によって閉塞されてしまわない程度の流路断面積を有することが好ましい。
【００４０】
ところで、一般に、ガス拡散部材１５内部の生成水分は、反応ガスによって誘導され、発電部１１の下流端部側に滞留しやすい傾向にある。しかし、本実施例のセパレータ２０，３０では、下流域細溝部５１が設けられているため、発電部１１の下流端近傍におけるガス拡散部材１５からの排水性が向上されている。そのため、当該領域において、一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する反応ガス量を増大させることができ、反応ガスの配流性を向上させることができる。
【００４１】
このように、セパレータ２０，３０の細溝部５０，５１は、発電部１１におけるガスの流量分布を調整し、反応ガスの配流性を向上させるための副流路として機能させることができる。また、細溝部５０，５１は、ガス拡散部材１５内の水分を排出するための排水路としても機能させることができる。従って、セパレータ２０，３０を用いた燃料電池スタック１００であれば、反応ガスの配流性および排水性が向上する。
【００４２】
なお、細溝部５０，５１を構成する各溝の形成位置や流路断面積、各溝間の間隔は、一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する反応ガス量が、反応ガスの流れ方向に渡ってより均一となるように設計されることが好ましい。この一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する反応ガス量の均一性は、流体解析によって検証することも可能であり、膜電極接合体の電極面内における発電分布を測定することによっても検証することが可能である。
【００４３】
B．第２実施例：
図９，図１０はそれぞれ、本発明の第２実施例としてのアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ３０Ａの構成を示す概略図である。図９，図１０は、細溝部５０，５１に換えて、各並列流路壁２２，３２に、傾斜細溝部５２が形成されている点以外は、図３，図４とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池スタックにおける他の構成は、第１実施例で説明した燃料電池スタック１００と同様である。
【００４４】
各セパレータ２０Ａ，３０Ａの傾斜細溝部５２は、各並列流路壁２２，３２の全体に渡って形成されており、その各溝は、第１実施例で説明した細溝部５０，５１の溝と同様に、反応ガスのための副流路として機能する。なお、傾斜細溝部５２を構成する溝は、上流域および下流域に比較して、中流域においてより多く形成されることが好ましい。これによって、中流域において一次流路溝からガス拡散部材１５へと流入する反応ガスの量を増大させることができる。また、傾斜細溝部５２を構成する溝は、上流域に比較して下流域の方が、より多く形成されることが好ましい。これによって、下流域におけるガス拡散部材１５の排水性を向上させ、反応ガスの配流性をより向上させることができる。
【００４５】
ここで、傾斜細溝部５２を構成する各溝は、反応ガスの流れ方向に対して、下流側から上流側へと傾斜した角度を有するように延びている。即ち、傾斜細溝部５２を構成する各溝は、排出側並列流路溝２２３，３２３との接続部位が、各供給側並列流路溝２１３，３１３との接続部位から見て、より上流側に位置するように設けられている。このように傾斜細溝部５２の各溝が、反応ガスの流れ方向に対して斜め後方に向かって延びることにより、傾斜細溝部５２によって誘導される反応ガスは、上流側から下流側へと流れることとなる。即ち、その分だけ、発電部１１内における反応ガスの流路が実質的に延長され、発電に用いられる反応ガス量を増大させることができる。
【００４６】
このように、第２実施例のセパレータ２０Ａ，３０Ａによれば、発電部１１における反応ガスの配流性を向上させることができるとともに、発電反応に用いられる反応ガス量を増大させることができる。従って、これらのセパレータ２０Ａ，３０Ａを用いた燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００４７】
C．その他の構成例：
図１１（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、一次流路溝と二次流路溝との間に設けられる反応ガスのための副流路として機能する細溝部の他の構成例を示す模式図である。図１１（Ａ）〜（Ｄ）にはそれぞれ、供給用マニホールド４５およびそれに接続する一次流路溝６１と、排出用マニホールド４６およびそれに接続する二次流路溝６２とが模式的に図示してある。なお、図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示す流路構成は、アノード側とカソード側との区別をすることなく図示したものであり、セパレータにおける他の構成部位の図示は省略されている。一次流路溝６１および二次流路溝６２はそれぞれ、第１実施例および第２実施例で説明したものと同様に、反応ガスの流れ方向（矢印で図示）に沿って延びる櫛歯状の流路溝同士が、交互に噛み合うように構成されている。
【００４８】
図１１（Ａ）の例では、一次流路溝６１の櫛歯状の流路と、二次流路溝６２の櫛歯状の流路との間に、ジグザグ状の細溝によって構成された細溝部５３ａが設けられている。図１１（Ｂ）の例では、略正弦波形状に延びる細溝によって構成された細溝部５３ｂが設けられている。図１１（Ｃ）の例では、細溝部５３ｃは、反応ガスの流れ方向に沿って延びる細溝と反応ガスの流れ方向に垂直な方向に延びる細溝とが交差する略メッシュ状の細溝部５３ｃが設けられている。図１１（Ｄ）の例では、一次流路溝６１の下流側の端部と、二次流路溝６２の上流側の端部とを細溝によって接続する細溝部５３ｄが設けられている。この細溝部５３ｄによって、一次流路溝６１の下流側端部まで流れた反応ガスを、二次流路溝の上流側端部まで誘導させることができる。
【００４９】
このように、一次流路溝６１と二次流路溝６２とを接続する細溝部は、発電部１１における反応ガスの配流性を考慮して種々の態様で構成することができる。なお、細溝部は、中流域における反応ガスの配流性を向上させるために、中流域に設けられていることが好ましい。さらに、細溝部は、下流域における反応ガスの配流性および排水性を向上させるために、中流域に加えて、下流域にも設けられていることがより好ましい。
【００５０】
D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５１】
D1．変形例１：
上記実施例において、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄを構成する各細溝の壁面は、他の流路溝の壁面より親水性が高くなるように構成されているものとしても良い。具体的には、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄの壁面に対して、親水性の高い部材によるめっき処理を施すものとしても良いし、ショットブラスト処理などの表面加工処理を施すものとしても良い。これによって、ガス拡散部材１５内の生成水分を、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄへと誘導することができ、燃料電池スタックにおける排水性を向上させることができるとともに、反応ガスの配流性を向上させることができる。
【００５２】
D2．変形例２：
上記実施例において、一次流路溝および二次流路溝における櫛歯状の流路溝である供給側並列流路溝２１３，３１３および排出側並列流路溝２２３，３２３は、直線状の流路溝として構成されていた。しかし、供給側並列流路溝２１３，３１３および排出側並列流路溝２２３，３２３は直線状の流路溝として構成されていなくとも良い。供給側並列流路溝２１３，３１３は、供給用マニホールド４１，４３に連結されるとともに、排出用マニホールド４２，４４に向かって延びる流路溝であれば良く、排出側並列流路溝２２３，３２３は、排出用マニホールド４２，４４に連結するとともに、供給側並列流路溝２１３，３１３と併走する流路溝であればよい。なお、これらの並列流路溝２１３，３１３，２２３，３２３が直線状の流路溝ではない場合であっても、中流域細溝部５０は、各並列流路溝２１３，３１３，２２３，３２３における反応ガスの流れ方向に渡る全流域のうちの中流域に設けられていれば良い。
【００５３】
D3．変形例３：
上記実施例において、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄの各溝は、一次流路溝や二次流路溝の流路断面積より小さい流路断面積を有することにより、流路抵抗の高い反応ガスのための副流路として構成されていた。しかし、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄの各溝は、流路断面積を小さくする以外の方法によって、一次流路溝や二次流路溝より流路抵抗が高くされているものとしても良い。具体的には、細溝部５０，５１，５２，５３ａ〜５３ｄを構成する各溝に、流路抵抗を高くするための多孔質部材が配置されるものとしても良い。
【００５４】
D4．変形例４：
上記実施例では、アノードセパレータ２０，２０Ａおよびカソードセパレータ３０，３０Ａの両方ともに、一次流路溝および二次流路溝が設けられ、さらに、細溝部５０，５１，５２が設けられていた。しかし、一次流路溝および二次流路溝、または、細溝部５０，５１，５２は、アノードセパレータとカソードセパレータのうちのいずれか一方にのみ設けられているものとして良い。なお、細溝部５０，５１，５２は、アノードセパレータのみに設けられた場合より、カソードセパレータのみに設けられた場合の方が、反応ガスの配流性の向上効果が大きくなる。
【００５５】
D5．変形例５：
上記第１実施例において、セパレータ２０，３０には、２つの細溝部５０，５１が設けられていた。しかし、下流域細溝部５１は省略されるものとしても良い。また、上記第２実施例において、傾斜細溝部５２は、並列流路壁２２，３２の全体に渡って形成されていた。しかし、傾斜細溝部５２は、第１実施例の中流域細溝部５０のように、中流域のみに形成されるものとしても良い。
【００５６】
D6．変形例６：
上記実施例において、膜電極接合体５とセパレータ２０，２０Ａ，３０，３０Ａとの間にはガス拡散部材１５が配置されていた。しかし、ガス拡散部材１５は省略されるものとしても良い。ただし、この場合には、膜電極接合体５の電極に、電極面全体に反応ガスを拡散させるためのガス拡散層が設けられていることが好ましい。
【００５７】
D7．変形例７：
上記実施例において、燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池として構成されていた。しかし、燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池として構成することも可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１…電解質膜
２…アノード
３…カソード
５…膜電極接合体
１０…シール一体型膜電極接合体
１１…発電部
１２…外周シール部
１５…ガス拡散部材
２０，２０Ａ，２０ａ…アノードセパレータ
２１…上流端流路壁
２２…並列流路壁
２３…下流端流路壁
２１０…導入流路溝
２１１…分配流路溝
２１３…供給側並列流路溝
２２０…導出流路溝
２２１…集合流路溝
２２３…排出側並列流路溝
３０，３０Ａ…カソードセパレータ
３１…上流端流路壁
３２…並列流路壁
３３…下流端流路壁
３１０…導入流路溝
３１１…分配流路溝
３１３…供給側並列流路溝
３２０…導出流路溝
３２１…集合流路溝
３２３…排出側並列流路溝
４１…水素供給用マニホールド
４２…水素排出用マニホールド
４３…酸素供給用マニホールド
４４…酸素排出用マニホールド
４５…供給用マニホールド
４６…排出用マニホールド
５０…中流域細溝部
５１…下流域細溝部
５２…傾斜細溝部
５３ａ〜５３ｄ…細溝部（他の構成例）
６１…一次流路溝
６２…二次流路溝
１００…燃料電池スタック
１１０…単セル
【図１】
2011187417.tif 000003
【図２】
2011187417.tif 000004
【図３】
2011187417.tif 000005
【図４】
2011187417.tif 000006
【図５】
2011187417.tif 000007
【図６】
2011187417.tif 000008
【図７】
2011187417.tif 000009
【図８】
2011187417.tif 000010
【図９】
2011187417.tif 000011
【図１０】
2011187417.tif 000012
【図１１】
2011187417.tif 000013