(57)【要約】      （修正有）【課題】発電性能の低下が抑制された燃料電池の提供。【解決手段】電解質膜と第１及び第２触媒層とセパレータとを備え、前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる複数の流路溝を有し、前記複数の流路溝は、第１方向にそれぞれ波状に延在し前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の波状溝と、前記複数の波状溝を前記第２方向から挟む位置にある第１及び第２端部溝とを含み、前記第１触媒層は、前記第２方向で互いに対向する第１及び第２縁を有し、前記第１及び第２端部溝は、それぞれ前記第２方向で前記第１触媒層の前記第１及び第２縁に隣接し、前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第１領域内で、前記第１端部溝は前記第１方向に延在し、前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第２領域内で、前記第２端部溝は前記第１方向に延在している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、
前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、
前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる複数の流路溝を有し、
前記複数の流路溝は、第１方向にそれぞれ波状に延在し前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の波状溝と、前記複数の波状溝を前記第２方向から挟む位置にある第１及び第２端部溝と、を含み、
前記第１触媒層は、前記第２方向で互いに対向する第１及び第２縁を有し、
前記第１及び第２端部溝は、それぞれ、前記第２方向で前記第１触媒層の前記第１及び第２縁に隣接し、
前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第１領域内で、前記第１端部溝は前記第１方向に延在し、
前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第２領域内で、前記第２端部溝は前記第１方向に延在している、燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、前記第１方向に直線状に延在している、請求項１の燃料電池。
【請求項３】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、前記第１方向に波状に延在している、請求項１の燃料電池。
【請求項４】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、直線状の部分と湾曲状の部分とを有している、請求項１の燃料電池。
【請求項５】
前記複数の波状溝のうち前記第１端部溝に最も近い前記波状溝と前記第１端部溝とを連通する連通溝を備え、
前記連通溝の深さは、前記複数の流路溝の各深さよりも浅い、請求項１乃至４の何れかの燃料電池。
【請求項６】
前記連通溝の幅は、前記複数の流路溝の各幅よりも狭い、請求項５の燃料電池。
【請求項７】
前記複数の波状溝は、波長が同じである、請求項１乃至６の何れかの燃料電池。
【請求項８】
前記複数の波状溝は、位相が同じである、請求項７の燃料電池。
【請求項９】
前記複数の波状溝は、振幅が同じである、請求項１乃至８の何れかの燃料電池。
【請求項１０】
前記複数の波状溝のうち前記第１端部溝に隣接した前記波状溝の振幅は、前記複数の波状溝のうち前記第２端部溝に隣接した前記波状溝を除くそれ以外の前記波状溝の各振幅よりも小さい、請求項１乃至８の何れかの燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセパレータには、電解質膜上に形成された触媒層との間で反応ガスが流れる複数の流路溝が形成されている。この流路溝内を流れる反応ガスの一部が触媒層に供給されることにより、発電反応が生じる。例えば特許文献１のセパレータには、複数の流路溝として複数の波状溝が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば特許文献１では、波状溝は所定の振幅で波状に形成されているのに対し、触媒層の縁は、略直線状に形成されている。このため、触媒層の縁に最も近い波状溝と触媒層の縁との間には、この波状溝から触媒層の縁までの間隔が広い部位が存在する。このような部位では触媒層に反応ガスが十分に供給されずに、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、発電性能の低下が抑制された燃料電池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】
【０００６】
上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる複数の流路溝を有し、前記複数の流路溝は、第１方向にそれぞれ波状に延在し前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の波状溝と、前記複数の波状溝を前記第２方向から挟む位置にある第１及び第２端部溝と、を含み、前記第１触媒層は、前記第２方向で互いに対向する第１及び第２縁を有し、前記第１及び第２端部溝は、それぞれ、前記第２方向で前記第１触媒層の前記第１及び第２縁に隣接し、前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第１領域内で、前記第１端部溝は前記第１方向に延在し、前記第２方向での幅が前記複数の波状溝の各振幅未満であって前記第１方向に延在した第２領域内で、前記第２端部溝は前記第１方向に延在している、燃料電池によって達成できる。
【０００７】
第２方向での幅が複数の波状溝の各振幅未満であって第１方向に延在した第１領域内で、第１触媒層の第１縁に隣接した第１端部溝は、第１方向に延在している。このため、第１端部溝が複数の波状溝の各振幅と同じ振幅を有した波状であった場合と比較して、第１端部溝から第１触媒層の第１縁までの第２方向での間隔の拡大を抑制できる。同様に、第２方向での幅が複数の波状溝の各振幅未満であって第１方向に延在した第２領域内で、第１触媒層の第２縁に隣接した第２端部溝は、第１方向に延在している。このため、第２端部溝が複数の波状溝の各振幅と同じ振幅を有した波状であった場合と比較して、第２端部溝から第１触媒層の第２縁までの第２方向での間隔の拡大を抑制できる。このため、第１及び第２端部溝をそれぞれ流れる反応ガスを第１触媒層の第１及び第２縁にまで供給でき、燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
【０００８】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、前記第１方向に直線状に延在してもよい。
【０００９】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、前記第１方向に波状に延在してもよい。
【００１０】
前記第１及び第２端部溝の少なくとも一方は、直線状の部分と湾曲状の部分とを有してもよい。
【００１１】
前記複数の波状溝のうち前記第１端部溝に最も近い前記波状溝と前記第１端部溝とを連通する連通溝を備え、前記連通溝の深さは、前記複数の流路溝の各深さよりも浅くてもよい。
【００１２】
前記連通溝の幅は、前記複数の流路溝の各幅よりも狭くてもよい。
【００１３】
前記複数の波状溝は、波長が同じであってもよい。
【００１４】
前記複数の波状溝は、位相が同じであってもよい。
【００１５】
前記複数の波状溝は、振幅が同じであってもよい。
【００１６】
前記複数の波状溝のうち前記第１端部溝に隣接した前記波状溝の振幅は、前記複数の波状溝のうち前記第２端部溝に隣接した前記波状溝を除くそれ以外の前記波状溝の各振幅よりも小さくてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。
【図２】図２は、単セルが複数積層された燃料電池の部分断面図である。
【図３】図３Ａは、本実施例でのセパレータの流路部の＋Ｘ方向側の端部の領域の拡大図であり、図３Ｂは、本実施例でのセパレータの流路部の−Ｘ方向側の端部の領域の拡大図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、比較例のセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。
【図５】図５Ａは、第１変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図であり、図５Ｂは、第２変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。
【図６】図６Ａは、第３変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図であり、図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ線に対応する、第３変形例の燃料電池の単セルの断面図である。
【図７】図７Ａは、第４変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図であり、図７Ｂは、第５変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、燃料電池１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。単セル２は、図１に示したＺ方向で他の単セルと共に積層される。単セル２は略矩形状であり、単セル２の長手方向及び短手方向がそれぞれ図１に示してＹ方向及びＸ方向に相当する。
【００２０】
燃料電池１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、ＭＥＧＡ１０を挟持するカソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ１０の周縁領域に接合されている。
【００２１】
セパレータ２０の２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。同様に、支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ４０の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ｃ１、ｓ１、及びａ１は連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｃ２、ｓ２、及びａ２は、冷媒入口マニホールドを、孔ｃ３、ｓ３、及びａ３はアノード出口マニホールドを、孔ｃ４、ｓ４、及びａ４はアノード入口マニホールドを、孔ｃ５、ｓ５、及びａ５は冷媒出口マニホールドを、孔ｃ６、ｓ６、及びａ６はカソード出口マニホールドを画定する。尚、本実施例の燃料電池１では、冷媒としては液体である冷却水が用いられる。
【００２２】
ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４０Ａとは反対側の面、及びセパレータ２０の流路部２０Ａとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路部４０Ｂ及び２０Ｂ（以下、流路部と称する）がそれぞれ形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂはセパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４０Ａ及び４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。これらの流路部は、主に、ＸＹ平面において各セパレータのＭＥＧＡ１０に対向する領域に設けられている。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。尚、図１には、セパレータ４０の流路部４０Ａの、−Ｘ方向での端部の領域Ａと＋Ｘ方向での端部の領域Ｂを示しているが、詳しくは後述する。
【００２３】
図２は、単セル２が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。図２では、１つの単セル２のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。図２に示した断面は、Ｙ方向に直交する断面である。
【００２４】
ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。
【００２５】
流路部２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、及び４０Ｂは、Ｙ方向から見てその断面形状は波形状である。詳細には、流路部２０Ａでは、拡散層１６ｃから退避するように凹んだ凹状の流路溝２１と、拡散層１６ｃに向けて突出して拡散層１６ｃに当接したリブ２３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。カソードガスは、流路溝２１内に沿って流れ、拡散層１６ｃを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ｃ側に供給される。また、流路部２０Ｂでは、拡散層１６ｃとは反対側に突出してセパレータ２０よりも＋Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのアノード側のセパレータに当接するリブ２２と、このアノード側のセパレータから退避した流路溝２４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝２４内に沿って流れる。ここで、流路溝２１とリブ２２とは表裏一体の関係であり、リブ２３と流路溝２４とも表裏一体の関係にある。流路溝２１及び２４とリブ２２及び２３はＹ方向に延在している。
【００２６】
同様に、流路部４０Ａでは、拡散層１６ａから退避するように凹んだ凹状の流路溝４１と、拡散層１６ａに向けて突出して拡散層１６ａに当接したリブ４３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。アノードガスは、流路溝４１内に沿って流れ、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ａ側に供給される。また、流路部４０Ｂでは、拡散層１６ａとは反対側に突出してセパレータ４０よりも−Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのカソード側のセパレータに当接するリブ４２と、このカソード側のセパレータから退避した流路溝４４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝４４内に沿って流れる。ここで、流路溝４１とリブ４２とは表裏一体の関係であり、リブ４３と流路溝４４とも表裏一体の関係にある。流路溝４１及び４４とリブ４２及び４３はＹ方向に延在している。
【００２７】
図３Ａは、本実施例でのセパレータ４０の流路部４０Ａの＋Ｘ方向側の端部の領域Ｂの拡大図である。図３Ｂは、本実施例でのセパレータ４０の流路部４０Ａの−Ｘ方向側の端部の領域Ａの拡大図である。領域Ａ及びＢは、セパレータ４０のＸ方向での端部に相当する。図３Ａ及び図３Ｂには、溝４１１、４１２、及び４１５と、リブ４３１〜４３５とを示している。溝４１１、４１２、及び４１５は、図２に示した複数の流路溝４１の一部である。リブ４３１〜４３５は、図２に示した複数のリブ４３の一部である。溝４１１、４１２、４１５及びリブ４３１〜４３５は、Ｘ方向に並んでいる。流路部４０Ａに形成された複数の流路溝４１のうち、溝４１１が最も−Ｘ方向側に位置し、溝４１２が最も＋Ｘ方向側に位置している。リブ４３１は、溝４１１の−Ｘ方向側に位置している。リブ４３２は、溝４１１とこの溝４１１に隣接した溝４１５との間に位置している。リブ４３５は、隣接する２つの溝４１５の間に位置している。リブ４３３は、溝４１２の＋Ｘ方向側に位置している。リブ４３４は、溝４１２と溝４１２に隣接した溝４１５との間に位置している。図３Ａには、触媒層１４ａの＋Ｘ方向側に位置した縁１４ａ２を示し、図３Ｂには、触媒層１４ａの−Ｘ方向側に位置した縁１４ａ１を示している。縁１４ａ１及び１４ａ２は、Ｘ方向に略垂直であってＹ方向に略直線状に延在し、互いに略平行である。縁１４ａ１及び１４ａ２は、Ｘ方向で互いに対向する第１及び第２縁の一例である。
【００２８】
溝４１１及び４１２は直線状であるが、複数の溝４１５のそれぞれは波状である。複数の溝４１５は、Ｙ方向にそれぞれ波状に延在しＹ方向に直交するＸ方向に並んだ複数の波状溝の一例である。尚、図１では、流路部４０Ａを複数の直線状の線分で簡易的に示している。溝４１１及び４１２は、複数の溝４１５をＸ方向で挟む位置にある第１及び第２端部溝の一例である。図３Ａ及び図３Ｂには、溝４１５の振幅Ａ５を示している。また、図３Ａ及び図３Ｂには、Ｘ方向での幅が複数の溝４１５の各振幅Ａ５未満であってＹ方向に延在した領域Ｒ２及びＲ１をそれぞれ示している。溝４１１及び４１２は、それぞれ領域Ｒ１及びＲ２内でＹ方向に延在している。溝４１１及び４１２は、それぞれ、Ｘ方向で縁１４ａ１及び１４ａ２に隣接し、複数の流路溝４１のうち縁１４ａ１及び１４ａ２に最も近い。また、複数の流路溝４１は、Ｘ方向で縁１４ａ１及び１４ａ２の間に形成されている。従って、全ての流路溝４１がＺ方向で触媒層１４ａに重なっている。複数の溝４１５のＸ方向での各溝間のピッチ間隔、各溝間の波長、位相、及び振幅は略同じである。
【００２９】
尚、隣接する溝４１５の間にあるリブ４３５も、波状である。リブ４３１の溝４１１に沿った側面、及びリブ４３３の溝４１２に沿った側面は、略直線状である。尚、リブ４３１の−Ｘ方向側の側面、及びリブ４３３の＋Ｘ方向側の側面については図示を省略している。リブ４３４は、溝４１２に沿った側面は直線状であり、リブ４３４に隣接した溝４１５に沿った側面は波状である。同様に、リブ４３２は、溝４１１に沿った側面は直線状であり、リブ４３２に隣接した溝４１５に沿った側面は波状である。
【００３０】
このように複数の溝４１５及びリブ４３５が波状である主な理由について、図２を用いて説明する。例えば、セパレータ４０の複数の流路溝４１及び複数のリブ４３の全てとセパレータ２０の複数の流路溝２１及び複数のリブ２３の全て直線状であった場合に、仮にセパレータ２０及び４０の面方向での相対位置が所望の位置からずれると、セパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＭＥＧＡ１０を挟んでＸ方向にずれた状態となる。ＭＥＧＡ１０は剛性が低いため、Ｙ方向の長い範囲（例えば４ｍｍ以上）に亘ってセパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＸ方向にずれていると、ＭＥＧＡ１０が屈曲させられて局所的に強い応力が発生し、ＭＥＡ１１の強度が低下する場合がある。これに対して、溝４１５及びリブ４３５が波状であって、ＭＥＧＡ１０を介して溝４１５及びリブ４３５に対向するセパレータ２０の流路溝２１及びリブ２３の形状が直線状又は溝４１５とは位相や振幅、波長等が異なる波状の場合には、上述のようにセパレータ２０及び４０の相対位置が所望の位置からずれても、Ｙ方向の長い範囲に亘ってセパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＸ方向にずれて、ＭＥＧＡ１０が屈曲させられることが抑制される。これにより、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制される。本実施例では、ＭＥＧＡ１０を介して溝４１５及びリブ４３５に対向するセパレータ２０の流路溝２１及びリブ２３の形状は直線状であるが、これに限定されない。
【００３１】
図４Ａ及び図４Ｂは、比較例のセパレータ４０ｘの流路部４０Ｘの一部分を示した拡大図である。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに対応している。セパレータ４０ｘの流路部４０Ｘは、本実施例での流路部４０Ａとは異なり、直線状の溝４１１及び４１２の代わりに波状の溝４１１ｘ及び４１２ｘが形成されている。溝４１１ｘ及び４１２ｘは、溝４１５と振幅、位相、及び波長が略同じであり、即ち溝４１５と形状及び大きさが略同じである。従って、流路部４０Ｘでは、溝４１１ｘ及び４１２ｘのそれぞれに隣接したリブ４３１ｘ及び４３３ｘのＸ方向での幅が部分的に拡大している。このため、溝４１１ｘと縁１４ａ１との間では、この溝４１１ｘから縁１４ａ１までのＸ方向での間隔が広い部位Ｓ１が存在する。この部位Ｓ１では、リブ４３１ｘのＸ方向での幅が他の部位よりも広くなっており、このためリブ４３１ｘと拡散層１６ａとの接触面積は、この部位Ｓ１で大きくなっている。従って、溝４１１ｘ内を流れるアノードガスが、この部位Ｓ１に十分に供給されず、アノードガスが縁１４ａ１にまで十分に供給されない場合がある。同様に、溝４１２ｘから縁１４ａ２までのＸ方向での間隔が広い部位Ｓ２が存在する。従って、溝４１２ｘ内を流れるアノードガスが、この部位Ｓ２に十分に供給されず、アノードガスが縁１４ａ２にまで十分に供給されない場合がある。以上のように、比較例のようなセパレータ４０ｘを用いた場合には、アノードガスが触媒層１４ａの全面に亘って十分に供給されずに発電性能が低下する可能性がある。
【００３２】
これに対して図３Ａに示したように本実施例の場合には、複数の流路溝４１のうち縁１４ａ１に最も近い溝４１１は直線状であり、更に縁１４ａ１と略平行である。このため、溝４１１から縁１４ａ１までのＸ方向の間隔は、Ｙ方向で略一定である。従って、溝４１１を流れるアノードガスを、触媒層１４ａの縁１４ａ１にまでＹ方向で略均等に供給することができる。同様に、複数の流路溝４１のうち縁１４ａ２に最も近い溝４１２は直線状であり、更に縁１４ａ２と略平行である。このため、溝４１２から縁１４ａ２までのＸ方向の間隔は、Ｙ方向で略一定である。従って、溝４１２を流れるアノードガスを、触媒層１４ａの縁１４ａ２にまでＹ方向で略均等に供給することができる。このように、アノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されないことを抑制でき、発電性能の低下を抑制できる。また、水素欠乏を起因とした触媒層１４ａの劣化による発電性能の低下も抑制できる。
【００３３】
例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示された比較例の縁１４ａ１及び１４ａ２のそれぞれに最も近い溝４１１ｘ及び４１２ｘのＸ方向の幅を、それぞれ、部位Ｓ１及びＳ２に接近するように部分的に拡大させることにより、部位Ｓ１及びＳ２へのアノードガスの供給を確保することが考えられる。この場合、これらの溝の幅が部分的に拡大するため、このように拡大した部位ではＭＥＡ１１に対してＺ方向の挟持力を十分に作用させることができず、ＭＥＡ１１が膨潤及び伸縮を繰り返して強度が低下する可能性がある。また、溝の幅が部分的に拡大した部位では、アノードガスの流速が低下するため、排水能力が低下して液水が滞留するおそれがある。これに対して本実施例では、溝４１１及び４１２のＸ方向の各幅は、Ｙ方向で略一定である。このため、ＭＥＡ１１に十分な挟持力を作用させることができ、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制されるとともに、排水能力の低下が抑制されている。
【００３４】
ここで、燃料電池１は発電することにより高温化するが、燃料電池１の周辺温度の影響により、燃料電池１の外周部での温度は比較的低下しやすい。従って、セパレータ４０も流路部４０ａのＸ方向での両端部で冷えやすく、単セル２内のこの両端部周辺で凝縮水が発生しやすい。ここで、溝４１１及び４１２は、それぞれ、−Ｘ方向での端部及び＋Ｘ方向での端部に位置しており、直線状である。このため、直線状の溝４１１及び４１２内での水の滞留が抑制され、溝４１１及び４１２を流れるアノードガスにより水を下流側に流すことができる。このように、排水性が促進されている。
【００３５】
また、本実施例の燃料電池１が、例えばＺ方向が重力方向となる姿勢で使用された場合には、溝４１１及び４１２の双方によりアノード側で発生した水を下流側に流すことができる。本実施例の燃料電池１が、例えば＋Ｘ方向が重力方向の上方側となる姿勢で使用された場合には、溝４１１はその他の溝よりも重力方向の下方側に位置することになる。このため、例えばアノード側で発生した水が溝４１１内に侵入した場合であっても、溝４１１を流れるアノードガスにより排水が促進される。同様に、本実施例の燃料電池１が、例えば−Ｘ方向が重力方向の上方側となる姿勢で使用された場合には、溝４１２はその他の溝よりも重力方向の下方側に位置することになる。このため、例えばアノード側で発生した水が溝４１２内に侵入した場合であっても、溝４１２を流れるアノードガスにより排水が促進されている。以上のように、燃料電池１の使用時での姿勢によらずに排水性が確保されている。
【００３６】
複数の溝４１５は、波長、位相、及び振幅が略同じであり、形状が共通化されている。ここで、一般にプレス成型において、金型を用いて成形された金属板の形状は、必ずしも金型の形状を反転させた形状と同一にはならずに、金属板が金型により変形された後に金属板が持つ弾性により成型前の金属板の形状に近づくようにわずかに戻る。これをスプリングバックと言う。このため、金型を設計する際には、このスプリングバックを考慮する。仮に溝の形状がそれぞれ異なる場合、それぞれの溝の形状毎に金型の設計を行う必要があり、金型の設計に要する時間が長期化するおそれがある。本実施例のように、複数の溝の形状を共通化することにより、金型の設計に要する時間の長期化を抑制できる。また、特に燃料電池用のセパレータのように精密な形状の成型を行う場合には、金属の平板に対して複数回に亘って異なる金型を使用してプレス成型を行うことにより、徐々に成型による金属板の伸びを大きくして、最終製品形状とする場合がある。ここで、最終製品形状となる波の形状がそれぞれ異なっている場合、プレス成型の途中で使用される各金型の設計もそれぞれ異なるため、金型の設計に要する時間が更に長期化するおそれがある。一方、本実施例においては、複数の溝４１５の形状が共通化されているため、これらを成型するための途中の金型の形状も共通化でき、セパレータを製造するための金型の設計に要する時間の長期化を抑制できる。
【００３７】
上述したように溝４１１及び４１２は、それぞれ、Ｘ方向での幅が複数の溝４１５の各振幅未満である領域Ｒ１及びＲ２内でＹ方向に直線状に延在しているが、２つの端部溝がそれぞれこのような領域Ｒ１及びＲ２内でＹ方向に延在しているのであれば、その形状は問わない。２つの端部溝のそれぞれがこのような領域Ｒ１及びＲ２内でＹ方向に延在している限り、２つの端部溝の形状は、溝４１５よりも直線状に近似した形状であり、本実施例と同様に縁１４ａ１及び１４ａ２へのアノードガスの供給が促進されるからである。例えば、端部溝は、波状にＹ方向に延在していてもよいし、直線状の部分と湾曲した部分とを有していてもよい。このような複数の変形例について以下で説明する。
【００３８】
次に、複数の変形例について説明する。以下の変形例では、縁１４ａ１に隣接した端部溝のみを図示して説明し、縁１４ａ２に隣接した端部溝についての説明は省略する。尚、変形例においては、上述した実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【００３９】
図５Ａは、第１変形例であるセパレータ４０ａの流路部４０Ａａの一部分を示した拡大図である。図５Ａは、図３Ｂに対応している。流路部４０Ａａでは、上述した実施例の直線状の溝４１１とは異なり、溝４１１ａも溝４１５と同様に波状である。溝４１１ａは、複数の溝４１５のそれぞれと、波長及び位相が略同じであるが、振幅が異なっている。具体的には、溝４１１ａの振幅Ａ１ａは、溝４１５の振幅Ａ５よりも小さい。従って、溝４１１ａも、上述した実施例の直線状の溝４１１と同様に、領域Ｒ１内でＹ方向に延在している。換言すれば、溝４１１ａは、溝４１５よりも直線状の縁１４ａ１に近似した形状である。このような構成によっても、溝４１１ａから縁１４ａ１までのＸ方向での間隔が拡大することが抑制され、アノードガスを触媒層１４ａの縁１４ａ１にまで供給でき、発電性能の低下を抑制できる。尚、リブ４３１ａの溝４１１ａに隣接した側面も、波状となっている。
【００４０】
また、第１変形例では、溝４１１ａは直線状ではなく波状であって溝４１５と位相及び波長が同じであるため、溝４１１ａと溝４１１ａに隣接する溝４１５との間のＸ方向での間隔が拡大することが抑制されている。これにより、溝４１１ａと溝４１１ａに隣接する溝４１５との間の部位にも、これらの溝からアノードガスを供給でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００４１】
ここで、一般的に、隣接する２つの溝のそれぞれを流れるアノードガスの圧力損失の差が大きいと、アノードガスの流量の差が増大し、アノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されにくい箇所が生じる可能性がある。ここで、このようなアノードガスの圧力損失の差は、隣接する２つの溝の形状が大きく異なっている場合に増大しやすい。これに対して第１変形例では、溝４１１ａは、溝４１１ａに隣接した溝４１５と共に波状である。このため、溝４１１ａと、溝４１１ａに隣接した溝４１５とをそれぞれ流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制されている。これにより、アノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されないことを抑制でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００４２】
実施例では上述したようにリブ４３の背面側には冷媒が流れる流路溝４４が形成されており、第１変形例でも同様にリブ４３２ａ及び４３５のそれぞれの背面側にもリブ４３２ａ及び４３５の形状と略同じ形状の２つの流路溝４４が形成されている。このため、リブ４３２ａ及び４３５のそれぞれの背面側にある流路溝４４を流れる冷媒の圧力損失の差の増大を抑制できる。これにより、冷媒が流れにくい箇所が生じてＭＥＡ１１を部分的に冷却できないことを抑制でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００４３】
図５Ｂは、第２変形例であるセパレータ４０ｂの流路部４０Ａｂの一部分を示した拡大図である。図５Ｂは、図３Ｂに対応している。溝４１１ｂは、Ｙ方向に湾曲部４１１ｂ１、直線部４１１ｂ２、湾曲部４１１ｂ１、直線部４１１ｂ２…が連続した形状である。湾曲部４１１ｂ１は、−Ｘ方向、換言すれば縁１４ａ１側に向けて凸となるように湾曲しており、湾曲部４１１ｂ１に＋Ｘ方向で隣接した溝４１５の湾曲した一部分と略同じ形状である。これに対して直線部４１１ｂ２は、縁１４ａ１と略平行となるようにＹ方向に直線状である。従って、溝４１１ｂの振幅Ａ１ｂは、溝４１５の振幅Ａ５よりも小さい。また、溝４１１ｂも上述した領域Ｒ１内でＹ方向に延在している。また、直線部４１１ｂ２は、＋Ｘ方向で隣接した溝４１５の＋Ｘ方向側に凸となるように湾曲した一部分に隣接している。このように、直線部４１１ｂ２は縁１４ａ１から離れるようには湾曲していないため、アノードガスを触媒層１４ａの縁１４ａ１にまで供給でき、発電性能の低下を抑制できる。尚、溝４１１ｂは、直線部４１１ｂ２を部分的に有しているため、溝４１５よりも直線状の縁１４ａ１に近似した形状といえる。また、リブ４３１ｂの溝４１１ｂに隣接した側面、及びリブ４３２ｂの溝４１１ｂに隣接した側面も、波状の部分と直線状の部分とを有している。
【００４４】
図６Ａは、第３変形例であるセパレータ４０ｃの流路部４０Ａｃの一部分を示した拡大図である。図６Ａは、図３Ｂに対応している。溝４１１と、溝４１１に隣接する溝４１５との間には、Ｘ方向に延びた複数の連通溝４１６が連通している。連通溝４１６は、溝４１１及び４１５の間のリブ４３２ｃを交差するように形成されている。連通溝４１６は、溝４１１と、溝４１１に隣接する溝４１５とのＸ方向での間隔が拡大している部位に設けられている。互いに隣接した溝４１１及び４１５をアノードガスが流れることにより、連通溝４１６にもアノードガスが流れる。これにより、上記の部位にアノードガスを供給でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００４５】
図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ線に対応する、第３変形例の燃料電池１ｃの単セル２ｃの断面図である。図６Ｂに示すように、連通溝４１６の深さＤ６は、溝４１１の深さＤ１よりも浅く、詳細には、流路溝４１の何れよりも浅い。このため、プレス加工時に連通溝４１６の成形に起因して母材の伸び量が部分的に増大して薄肉となる箇所が生じることが抑制されている。また、連通溝４１６の幅Ｗ６は、溝４１１の幅Ｗ１よりも狭く、詳細には、流路溝４１の何れよりも狭い。このため、連通溝４１６に起因したＭＥＡ１１に作用する挟持力の低下が抑制され、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制されている。尚、第３変形例においても、溝４１１は領域Ｒ１内でＹ方向に延在しているため、アノードガスを触媒層１４ａの縁１４ａ１にまで供給でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００４６】
図７Ａは、第４変形例であるセパレータ４０ｄの流路部４０Ａｄの一部分を示した拡大図である。図７Ａは、図３Ｂに対応している。溝４１１に隣接した溝４１５ｄは、その他の複数の溝４１５と同様に波状であって波長及び位相が略同じであるが、溝４１５ｄの振幅Ａ５ｄは、溝４１５の振幅Ａ５よりも小さい。これにより、溝４１１及び４１５ｄの間のリブ４３２ｄのＸ方向の幅の拡大が抑制されており、アノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されないことを抑制でき、発電性能の低下を抑制できる。尚、リブ４３５ｄの溝４１５ｄに隣接した側面も、リブ４３５ｄの溝４１５に隣接した側面よりも小さい振幅で波状となっている。
【００４７】
尚、図３Ａに示した溝４１２に隣接した溝４１５の代わりに、溝４１５ｄを採用してもよい。この場合、図７Ａに示した溝４１１に隣接した溝４１５ｄは、溝４１２に隣接した溝４１５ｄを除くそれ以外の複数の溝４１５の各振幅よりも小さい。
【００４８】
また、第４変形例において、溝４１１は振幅がゼロである波状であると解釈すると、溝４１１、溝４１５ｄ、及び溝４１５ｄに隣接した溝４１５、の順に振幅が徐々に変化している。このため、溝４１１から溝４１５ｄに隣接した溝４１５までの領域での母材の延び率の増大が抑制され、歩留まり率が低下するのを抑制できる。また、この領域でプレス加工に伴う残留応力を低減できる。これにより、セパレータ４０ｄに反りが発生する可能性を低減できる。
【００４９】
また、図７Ａには、複数の溝４１５の各振幅Ａ５よりも小さい溝４１５ｄの振幅Ａ５ｄ未満のＸ方向での幅を有しＹ方向に延在した領域Ｒ１ｄを示している。溝４１１は、領域Ｒ１ｄ内でＹ方向に延在している。このため、第４変形例においても、アノードガスを触媒層１４ａの縁１４ａ１にまで供給でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００５０】
図７Ｂは、第５変形例であるセパレータ４０ｅの流路部４０Ａｅの一部分を示した拡大図である。第５変形例では、第１変形例と同様に、縁１４ａ１に最も近い端部溝４１１ａが波状であって、他の複数の波状溝４１５よりも振幅が小さい波状溝である。溝４１１ａに隣接した溝４１５ｅは、その他の溝４１５と同様に波状であって波長及び位相が略同じであるが、溝４１５ｅの振幅Ａ５ｅは、溝４１５の振幅Ａ５よりも小さく、溝４１１ａの振幅Ａ１ａよりも大きい。これにより、溝４１１ａ及び４１５ｅの間のリブ４３２ｅのＸ方向の幅の拡大が抑制され、アノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されないことを抑制でき、発電性能の低下を抑制できる。尚、リブ４３２ｅの溝４１１ａに隣接した側面も、リブ４３２ｅの溝４１５ｅに隣接した側面よりも小さい振幅で波状となっている。リブ４３５ｅの溝４１５ｅに隣接した側面も、リブ４３５ｅの溝４１５に隣接した側面よりも小さい振幅で波状となっている。
【００５１】
第５変形例でも、溝４１１ａ、溝４１５ｅ、及び溝４１５ｅに隣接した溝４１５、の順に振幅が徐々に変化している。このため、溝４１１ａから溝４１５ｅに隣接した溝４１５までの領域での母材の延び率の増大が抑制され、歩留まり率が低下するのを抑制できる。また、この領域でプレス加工に伴う残留応力を低減できる。これにより、セパレータ４０ｅに反りが発生する可能性を低減できる。
【００５２】
また、図７Ｂには、複数の溝４１５の各振幅Ａ５よりも小さい溝４１５ｅの振幅Ａ５ｅ未満のＸ方向での幅を有しＹ方向に延在した領域Ｒ１ｅを示している。溝４１１ａは、領域Ｒ１ｅ内でＹ方向に延在している。このため、第５変形例においても、アノードガスを触媒層１４ａの縁１４ａ１にまで供給でき、発電性能の低下が抑制されている。
【００５３】
上述した実施例及び複数の変形例に示したように、縁１４ａ１に最も近い端部溝はＺ方向で触媒層１４ａに重なる位置に形成されていることが好ましいが、これに限定されない。例えば縁１４ａ１が端部溝内に位置してもよいし、端部溝が触媒層１４ａよりも外側に位置してもよい。この場合、端部溝を流れるアノードガスが触媒層１４に供給されて発電に寄与されるように、端部溝がその他の溝よりも縁１４ａ１に近いことが好ましい。
【００５４】
上記の複数の変形例では、縁１４ａ１側の端部溝を例に説明したが、縁１４ａ２側の端部溝も同様に構成されていてもよい。また、セパレータの縁１４ａ１側の形状を上記の実施例及び複数の変形例の何れかの形状にし、縁１４ａ２側の形状を上記の実施例及び複数の変形例の何れかの形状にしてもよい。
【００５５】
上述した本実施例及び変形例の流路部をカソード側のセパレータに適用してもよい。
【００５６】
上記のセパレータ４０〜４０ｅは、冷媒として液体を用いた水冷式の燃料電池１に採用されているが、これに限定されず、冷媒として空気を用いた空冷式の燃料電池に採用してもよい。
【００５７】
上述した波状の溝は、正弦波状であってもよいし、直線と円弧とにより波状に形成されていてもよい。
【００５８】
上記実施例及び変形例では、複数の溝は波長及び位相が略同じであるが、これに限定されない。この場合も、縁１４ａ１側の端部溝が、上述した領域Ｒ１内でＹ方向に延在するような、直線状や又は振幅が比較的小さい波状であれば、この端部溝から縁１４ａ１までの間隔の拡大を抑制できるからである。また、上記実施例及び変形例では、複数の溝は略同じピッチ間隔で形成されているがこれに限定されない。
【００５９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１  燃料電池
２  単セル
１４ａ  アノード触媒層（第１触媒層）
１４ｃ  カソード触媒層（第２触媒層）
１４ａ１、１４ａ２  縁  （第１及び第２縁）
４０  セパレータ
４０Ａ  アノード流路部
４１  流路溝
４３  リブ
４１１、４１２  溝（第１及び第２端部溝）
４１５  溝（波状溝）
４１６  連通溝
Ｒ１、Ｒ２  領域（第１及び第２領域）
【図１】
2019175714.tif 000003
【図２】
2019175714.tif 000004
【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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