(57)【要約】【課題】燃料電池用のセパレータにおける排水性を高める技術を提供する。【解決手段】セパレータ２０は、アノードプレート２１とカソードプレート２２とを備えている。反応ガスの排出用のマニホールド孔５２，５４の周囲には、環状のシールラインが、各プレート２１，２２において弾性的に突出しているシール凸部４３，４４同士の接触によって形成されている。各プレート２１，２２には、シール凸部４３，４４の裏側のシール溝部４５，４６を挟んで配置されている複数の並列な流路溝のグループである第１流路溝群３５と第２流路溝群３６とを有している。第１流路溝群３５の開口部と第２流路溝群３６の開口部とはシール溝部４５，４６を挟んで非対称に構成されている。【選択図】図６
2015225709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に絶縁部材を有する複数の膜電極接合体が積層されている燃料電池において、前記膜電極接合体と前記絶縁部材とに接するように配置され、第１の面が第１の流体の流路壁として機能し、前記第１の面とは反対の第２の面が第２の流体の流路壁として機能するプレートを備えるセパレータであって、
前記プレートの前記絶縁部材と対向する領域には、前記第１の流体の排出のためのマニホールドを構成する貫通孔であるマニホールド孔が形成されており、
前記マニホールド孔の周囲には溝部が形成されており、
前記プレートは、前記第１の面側に、前記溝部を跨いで、前記膜電極接合体の発電領域から前記マニホールド孔に前記第１の流体を流出させるための流路として、前記マニホールド孔と前記溝部とを結ぶ複数の流路溝を含む第１流路溝群と、前記溝部と前記発電領域とを結ぶ複数の流路溝を含む第２流路溝群と、を有し、
前記プレートは、前記溝部における前記第１流路溝群の開口部と前記第２流路溝群の開口部とが前記溝部を挟んで非対称に構成されている第１流路構成と、前記第１流路溝群において少なくとも１つの流路溝の構成が他の流路溝の構成と異なる不均一な構成を有している第２流路構成と、のうちの少なくとも一方の流路構成を備えている、セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載のセパレータであって、
前記マニホールド孔の周囲には前記第２の面側における前記第２の流体の流路への前記第１の流体の漏洩を抑制するための環状のシールラインが、前記プレートを厚み方向に曲げて形成された前記第２の面側の凸壁部によって形成されており、
前記溝部は、前記凸壁部の裏側の溝である、セパレータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する位置に形成されており、
前記第１流路溝群の方が前記第２流路溝群よりも流路溝の数が多く、前記第１流路溝群の各流路溝は、前記第２流路溝群の各流路溝よりも広い範囲に所定の間隔で配列されている、セパレータ。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する領域に形成されており、
前記第１流路溝群の各流路溝の断面積は、前記第２流路溝群の各流路溝の断面積よりも大きい、セパレータ。
【請求項５】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する領域に配置されており、
前記第１流路溝群の各流路溝の断面積が前記溝部に向かって大きくなっていることによって、前記第１流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口面積の合計が前記第２流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口面積の合計より大きくなっている、セパレータ。
【請求項６】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口部と前記第２流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口部とは、開口方向に沿って見たときに、前記溝部を挟んで少なくとも一部が重なるように対向しており、
前記第１流路溝群および前記第２流路溝群の各流路溝は、前記マニホールド孔に近い位置ほど断面積が大きくなる、セパレータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のセパレータであって、
前記溝部は、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群の間に、前記溝部の延伸方向に沿った液水の移動が抑制されるように、前記溝部の壁面の表面性状と前記溝部の断面形状のうちの少なくとも一方が調整されている液水移動抑制構造を有している、セパレータ。
【請求項８】
請求項７記載のセパレータであって、
前記液水移動抑制構造を有する前記溝部は重力方向に沿った方向に延びており、
前記液水移動抑制構造を有する前記溝部の幅ａおよび深さｂによって決まる物性値をσ（２ａ＋２ｂ）とし、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部における液水の重力方向下側の接触角をθｆとし、重力方向上側の接触角をθｒとし、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部に滞留する液水の重量を表す定数をｍとしたときに、
前記液水移動抑制構造は、
σ（２ａ＋２ｂ）・（ｃｏｓ（１８０−θｆ）−ｃｏｓ（１８０−θｒ））＞ｍ・ｇ
の関係が満たされるように、前記溝部の壁面の表面性状と前記溝部の断面形状のうちの少なくとも一方が調整されている構造である、セパレータ。
【請求項９】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記流路溝を挟んで対向する領域に配置されており、
前記第１流路溝群の流路溝の配列分布は、前記第２流路溝群の流路溝の配列分布に対して前記流路溝の配列方向の一方の側に偏っている、セパレータ。
【請求項１０】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記流路溝を挟んで対向する領域に配置されており、
前記第１流路溝群の各流路溝の断面積は、前記流路溝の配列方向に大きくなっていく、セパレータ。
【請求項１１】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群の各流路溝と前記第２流路溝群の各流路溝とは、前記溝部を挟んで互いの開口部の少なくとも一部が重なり合うように対向しており、
前記第１流路溝群と前記第２流路溝群に含まれている互いに対向する流路溝の対には、前記溝部に向かって断面積が縮小する第１の流路溝対と、前記溝部に向かって断面積が拡大する第２の流路溝対と、が含まれる、セパレータ。
【請求項１２】
請求項１または請求項２記載のセパレータであって、
前記第１流路溝群は、前記溝部と前記マニホールド孔とを挟んで、前記第２流路溝と対向する位置において前記マニホールド孔と前記溝部とを接続している、セパレータ。
【請求項１３】
請求項２に従属する請求項３から請求項１２のいずれか一項に記載のセパレータであって、
前記プレートは第１プレートであり、
前記セパレータは、さらに、前記第１プレートの前記第２の面側に積層配置される第２プレートを備え、
前記第１の流体は反応ガスであり、
前記第２の流体は冷媒であり、
前記シールラインは、前記凸壁部が前記第２プレートの前記第１プレートと対向する側の面に接触することによって形成されている、セパレータ。
【請求項１４】
複数の膜電極接合体が積層されている燃料電池であって、
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のセパレータを備える、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）は、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。膜電極接合体はセパレータと呼ばれる導電性を有する板状部材の間に配置される。セパレータには、反応ガスのための流路や冷媒のための流路を構成する流路溝が形成される（特許文献１−２等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５４０７７６号公報
【特許文献２】特開２０１０−４９９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、セパレータに形成される反応ガスのための流路には多量の水分が流通する。燃料電池の運転停止後にセパレータの流路に水分が残留していると、当該水分の凍結による膨張や当該水分に含まれている不純物の濃縮などによってセパレータが劣化してしまう可能性があった。そのため、セパレータの流体流路に対しては排水性が高められることが望まれている。このほかに、従来の燃料電池用のセパレータにおいては、その小型化や軽量化、強度の向上、構成の簡易化、製造の容易化等が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［１］本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられるセパレータが提供される。このセパレータは、外周に絶縁部材を有する複数の膜電極接合体が積層されている燃料電池において、前記膜電極接合体と前記絶縁部材とに接するように配置され、第１の面が第１の流体の流路壁として機能し、前記第１の面とは反対の第２の面が第２の流体の流路壁として機能するプレートを備えて良い。前記プレートの前記絶縁部材と対向する領域には、前記第１の流体の排出のためのマニホールドを構成する貫通孔であるマニホールド孔が形成されて良い。前記マニホールド孔の周囲には溝部が形成されて良い。前記プレートは、前記第１の面側に、前記第２の面側の前記溝部を跨いで、前記膜電極接合体の発電領域から前記マニホールド孔に前記第１の流体を流出させるための流路として、前記マニホールド孔と前記溝部とを結ぶ複数の流路溝を含む第１流路溝群と、前記溝部と前記発電領域とを結ぶ複数の流路溝を含む第２流路溝群と、を有して良い。前記プレートは、前記溝部における前記第１流路溝群の開口部および前記第２流路溝群の開口部が前記溝部を挟んで非対称に構成されている第１流路構成と、前記第１流路溝群において少なくとも１つの流路溝の構成が他の流路溝の構成と異なる不均一な構成を有している第２流路構成と、のうちの少なくとも一方の流路構成を備えて良い。この形態のセパレータによれば、第１流路溝群および第２流路溝群が第１流路構成と第２流路構成の少なくとも一方を有していることによって、マニホールド孔の周囲の溝部に第１の流体に含まれる水分が残留してしまうことが抑制される。
【０００７】
［２］上記形態のセパレータにおいて、前記マニホールド孔の周囲には前記第２の面側における前記第２の流体の流路への前記第１の流体の漏洩を抑制するための環状のシールラインが、前記プレートを厚み方向に曲げて形成された前記第２の面側の凸壁部によって形成されており、前記溝部は前記凸壁部の裏側の溝であって良い。この形態のセパレータによれば、マニホールド孔を囲むシールラインを構成する溝部に第１の流体に含まれる水分が残留してしまうことが抑制される。
【０００８】
［３］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する位置に形成されており、前記第１流路溝群の方が前記第２流路溝群よりも流路溝の数が多く、前記第１流路溝群の各流路溝は、前記第２流路溝群の各流路溝よりも広い範囲に所定の間隔で配列されて良い。この形態のセパレータによれば、前記第２流路溝群の各流路溝から流出する第１の流体に含まれる水分が前記１流路溝群の各流路溝に流入しやすくなる。従って、シールラインを形成するための溝部に水分が残留してしまうことが抑制される。
【０００９】
［４］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記流路溝を挟んで対向する領域に形成されており、前記第１流路溝群の各流路溝の断面積は、前記第２流路溝群の各流路溝の断面積よりも大きくて良い。この形態のセパレータによれば、前記第２流路溝群の各流路溝から流出する第１の流体に含まれる水分が前記１流路溝群の各流路溝に流入しやすくなり、溝部に水分が残留することが抑制される。
【００１０】
［５］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する領域に配置されており、前記第１流路溝群の各流路溝の断面積が前記溝部に向かって大きくなっていることによって、前記第１流路溝群の各流路溝の前記溝部における断面積の合計が前記第２流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口面積の合計より大きくなっていて良い。この形態のセパレータによれば、前記第２流路溝群の各流路溝から流出する第１の流体に含まれる水分が前記１流路溝群の各流路溝に流入しやすくなり、溝部に水分が残留することが抑制される。
【００１１】
［６］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口部と前記第２流路溝群の各流路溝の前記溝部における開口部とは、開口方向に沿って見たときに、前記溝部を挟んで少なくとも一部が重なるように対向しており、前記第１流路溝群および前記第２流路溝群の各流路溝は、前記マニホールド孔に近い位置ほど断面積が大きくなる構成を有して良い。この形態のセパレータによれば、前記第２流路溝群の各流路溝から流出する第１の流体に含まれる水分が前記１流路溝群の各流路溝に流入しやすくなり、溝部に水分が残留することが抑制される。
【００１２】
［７］上記形態のセパレータにおいて、前記溝部は、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群の間に、前記溝部の延伸方向に沿った液水の移動が抑制されるように、前記溝部の壁面の表面性状と前記溝部の断面形状のうちの少なくとも一方が調整されている液水移動抑制構造を有していて良い。この形態のセパレータによれば、第２流路溝群の各流路溝から溝部に侵入した水分が第１流路溝群の各流路溝に流入しやすくなる。
【００１３】
［８］上記形態のセパレータにおいて、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部は重力方向に沿った方向に延びており、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部の幅ａおよび深さｂによって決まる物性値をσ（２ａ＋２ｂ）とし、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部における液水の重力方向下側の接触角をθｆとし、重力方向上側の接触角をθｒとし、前記液水移動抑制構造を有する前記溝部に滞留する液水の重量を表す定数をｍとしたときに、前記液水移動抑制構造は、σ（２ａ＋２ｂ）・（ｃｏｓ（１８０−θｆ）−ｃｏｓ（１８０−θｒ））＞ｍ・ｇの関係が満たされるように、前記溝部の壁面の表面性状と前記溝部の断面形状のうちの少なくとも一方が調整されている構造であって良い。この形態のセパレータによれば、液水移動抑制構造を有する溝部における液水の移動がより確実に抑制される。
【００１４】
［９］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記流路溝を挟んで対向する領域に配置されており、前記第１流路溝群の流路溝の配列分布は、前記第２流路溝群の流路溝の配列分布に対して前記流路溝の配列方向の一方の側に偏っていて良い。この形態のセパレータによれば、溝部内に第１の流体の圧力勾配を生じさせて溝部の延伸方向に沿った第１の流体の流れを形成することができる。従って、溝部に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００１５】
［１０］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群とはそれぞれ前記溝部を挟んで対向する領域に配置されており、前記第１流路溝群の各流路溝の断面積は、前記流路溝の配列方向に大きくなっていて良い。この形態のセパレータによれば、溝部内に生じる第１の流体の圧力勾配によって、溝部における水分の残留が抑制される。
【００１６】
［１１］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群の各流路溝と前記第２流路溝群の各流路溝とは、前記溝部を挟んで互いの開口部の少なくとも一部が重なり合うように対向しており、前記第１流路溝群と前記第２流路溝群に含まれている互いに対向する流路溝の対には、前記溝部に向かって断面積が縮小する第１の流路溝対と、前記溝部に向かって断面積が拡大する第２の流路溝対と、が含まれて良い。この形態のセパレータによれば、溝部内に生じる第１の流体の圧力勾配によって、溝部における水分の残留が抑制される。
【００１７】
［１２］上記形態のセパレータにおいて、前記第１流路溝群は、前記溝部と前記マニホールド孔とを挟んで、前記第２流路溝と対向する位置において前記第１マニホールド孔と前記溝部とを接続して良い。この形態のセパレータによれば、溝部が第１の流体の流路として機能するため、当該第１の流体によって、溝部の水分の排出性が高まる。
【００１８】
［１３］上記形態のセパレータにおいて、前記プレートは第１プレートであり、前記セパレータは、さらに、前記第１プレートの前記第２の面側に積層配置される第２プレートを備え、前記第１の流体は反応ガスであり、前記第２の流体は冷媒であり、前記シールラインは、前記凸壁部が前記第２プレートの前記第１プレートと対向する側の面に接触することによって形成されて良い。この形態のセパレータによれば、冷媒のシールラインを形成するための溝部に反応ガスに含まれる水分が残留してしまうことが抑制される。
【００１９】
［１４］本発明の他の形態によれば、複数の膜電極接合体が積層されている燃料電池が提供される。この燃料電池は、上記形態のいずれか一つに記載のセパレータを備えて良い。この形態の燃料電池によれば、セパレータの流路に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００２０】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００２１】
本発明は、燃料電池用のセパレータや燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池を備える燃料電池システムや、当該燃料電池システムを搭載する車両などの移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】セパレータに形成されている流路溝とシールラインの構成を示す概略図。
【図３】第１と第２のマニホールド孔を介した水素の流れを示す模式図。
【図４】第３と第４のマニホールド孔を介した酸素の流れを示す模式図。
【図５】第５と第６のマニホールド孔を介した冷媒の流れを示す模式図。
【図６】アノードプレートの第１の面における第１と第２のマニホールド孔の近傍の領域を示す概略図。
【図７】カソードプレートの第１の面における第３と第４のマニホールド孔の近傍の領域を示す概略図。
【図８】第１流路溝群と第２流路溝群における水分の流れを示す模式図。
【図９】他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１０】他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１１】他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１２】第２実施形態のセパレータの構成を説明するための概略図。
【図１３】接触角θｆ，θｒを説明するための模式図。
【図１４】第３実施形態のセパレータの構成を説明するための概略図。
【図１５】第１流路溝群と第２流路溝群の流路構成によってシール溝部内に圧力勾配が生じるメカニズムを説明するための模式図。
【図１６】第３実施形態の他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１７】第３実施形態の他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１８】第３実施形態の他の構成例としての第１流路溝群および第２流路溝群の構成を示す概略図。
【図１９】第４実施形態としてのセパレータの構成を説明するための概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
A．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池１００の構成を示す概略図である。図１では、便宜上、燃料電池１００の一部を構成している２組の膜電極接合体１０とセパレータ２０のみを図示してある。なお、図１では、便宜上、流路溝３１〜３３など複数の同じ構成部が存在する場合にはその一部に対してのみ符号を付してある。これは、以下で説明に用いられる各図においても同様である。
【００２４】
燃料電池１００は、反応ガスとして酸素と水素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１０が積層されたスタック構造を有している。各膜電極接合体１０の間には導電性を有する板状部材であるセパレータ２０が介挿されている。各膜電極接合体１０および各セパレータ２０は締結部材によって積層方向に締結されている（図示は省略）。また、燃料電池１００には、各膜電極接合体１０に分岐接続されている反応ガスおよび冷媒のための流路であるマニホールドが形成されている（図示は省略）。
【００２５】
膜電極接合体１０は、電解質膜１１の両側に第１の電極１２と第２の電極１３とが配置されている発電体である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜によって構成される。より具体的には、電解質膜１１は、ナフィオン（登録商標）など、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換樹脂膜によって構成される。
【００２６】
第１と第２の電極１２，１３はそれぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子によって構成されたガス拡散性を有する多孔質層として構成される。各電極１２，１３は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。なお、本実施形態の燃料電池１００では、第１の電極１２は水素が供給されるアノードとして機能し、第２の電極１３は酸素が供給されるカソードとして機能する。以下では、第１の電極１２を「アノード１２」とも呼び、第２の電極１３を「カソード１３」とも呼ぶ。
【００２７】
膜電極接合体１０の各電極１２，１３の上はガス拡散層１４が積層配置されている。ガス拡散層１４は、各電極１２，１３の全体に反応ガス（水素または酸素）を行き渡らせる機能と、膜電極接合体１０と各セパレータ２０との間の導電経路としての機能を有する。ガス拡散層１４は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材によって構成される。ガス拡散層１４は省略されても良い。
【００２８】
各膜電極接合体１０の外周には、ガスシール性を発揮可能な絶縁部材である絶縁シール部１５が配置されている。絶縁シール部１５は、膜電極接合体１０の外周端部を全周に渡って被覆している。絶縁シール部１５は、樹脂部材の射出成型によって形成されても良いし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することによって形成されても良い。絶縁シール部１５は、アノードプレート２１とカソードプレート２２との間に接着剤を充填させて硬化させることによって形成されても良い。
【００２９】
絶縁シール部１５は、膜電極接合体１０を挟んで隣り合って配置されているセパレータ２０同士を絶縁する機能を有する。また、絶縁シール部１５は、セパレータ２０のシール部４０との協働によって膜電極接合体１０の発電領域ＥＡをシールする機能を有する。「発電領域ＥＡ」は、反応ガスが供給されて発電反応が行われる領域であり、本実施形態では、特に、絶縁シール部１５によって囲まれている領域を意味する。なお、絶縁シール部１５には、反応ガスおよび冷媒のマニホールドを構成するマニホールド孔が形成されている（後述）。
【００３０】
セパレータ２０は２枚の板状部材であるアノードプレート２１とカソードプレート２２とが積層された二層構造を有している。アノードプレート２１およびカソードプレート２２は導電性を有するほぼ同サイズの板状部材（例えば、ステンレス鋼などの金属板）によって構成される。アノードプレート２１はアノード１２と対向するように配置され、カソードプレート２２はカソード１３に対向するように配置される。
【００３１】
以下では、アノードプレート２１とカソードプレート２２のそれぞれにおいて、膜電極接合体１０と対向する側の面Ｓ１，Ｓ３を「第１の面Ｓ１，Ｓ３」と呼び、その反対側の面Ｓ２，Ｓ４を「第２の面Ｓ２，Ｓ４」と呼ぶ。なお、本実施形態において、アノードプレート２１を第１プレートとして見たときにはカソードプレートが第２プレートに相当する。逆に、カソードプレート２２を第１プレートとして見たときにはアノードプレート２１が第２プレートに相当する。
【００３２】
アノードプレート２１およびカソードプレート２２は、プレス金型による曲げ加工によって形成された厚み方向の凹凸形状を有している。セパレータ２０では、各プレート２１，２２の厚み方向の凹凸形状によって、反応ガスや冷媒の流路を構成する流路溝３１〜３３と、反応ガスや冷媒の漏洩を抑制するシール部４０と、が形成されている。
【００３３】
アノードプレート２１の第１の面Ｓ１には、水素のための複数の並列な流路溝３１が形成されている。カソードプレート２２の第１の面Ｓ３には酸素のための複数の並列な流路溝３２が形成されている。水素の流路溝３１および酸素の流路溝３２は膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に形成されている。なお、流路溝３１，３２には、反応ガスのためのマニホールド孔と発電領域ＥＡとを結ぶ複数の並列な流路溝が含まれている（後述）。
【００３４】
アノードプレート２１とカソードプレート２２の第２の面Ｓ２，Ｓ４にはそれぞれ、冷媒の流路溝３３が形成されている。セパレータ２０では、アノードプレート２１とカソードプレート２２の流路溝３３同士は互いに対向し合っている。このように、本実施形態のセパレータ２０では、アノードプレート２１の第１の面Ｓ１は第１の流体である水素の流路壁を構成し、第２の面Ｓ２が第２の流体である冷媒の流路壁を構成する。また、カソードプレート２２の第１の面Ｓ３が第１の流体である酸素の流路壁を構成し、第２の面Ｓ４が第２の流体である冷媒の流路壁を構成する。
【００３５】
アノードプレート２１およびカソードプレート２２においてシール部４０を構成する凹凸は絶縁シール部１５と対向する領域に形成されている。シール部４０は、各プレート２１，２２の第１の面Ｓ１，Ｓ２に形成されている凸部４１，４２と、第２の面Ｓ３，Ｓ４に形成されている凸部４３，４４と、を含む。各プレート２１，２２の第１の面Ｓ１，Ｓ２に形成されている凸部４１，４２は、絶縁シール部１５と接触することによってシール性を発揮する。
【００３６】
各プレート２１，２２の第２の面Ｓ３，Ｓ４に形成されている凸部４３，４４は凸壁部に相当する。凸部４３，４４は線状に延びるように形成されている。各凸部４３，４４は、いわゆる板バネと同様なメカニズムによって、各プレート２１，２２の厚み方向に弾性を有する状態で突出している。
【００３７】
各凸部４３，４４は互いに対応する位置に設けられており、セパレータ２０では、２つの対応する凸部４３，４４同士が互いに接触して突出方向に押圧し合う。これによってアノードプレート２１とカソードプレート２２との境界に流体の漏洩を抑制するためのシールラインが形成される。以下では、これらの凸部４３，４４を特に「シール凸部４３，４４」とも呼ぶ。また、シール凸部４３，４４のためにその反対側の面（裏面）に形成されている凹部４５，４６を「シール溝部４５，４６」とも呼ぶ。
【００３８】
図２は、セパレータ２０に形成されている流路溝とシールラインの構成を示す概略図である。図２には、アノードプレート２１の第１の面Ｓ１と、カソードプレート２２の第１の面Ｓ３と、ガス拡散層１４と絶縁シール部１５と一体化されている膜電極接合体１０の概略断面と、がそれぞれ対応するように図示されている。図２には、シール凸部４３，４４によってアノードプレート２１とカソードプレート２２の間に形成されている第１と第２のシールラインＳＬ１，ＳＬ２がそれぞれ一点鎖線で図示されている。また、膜電極接合体１０の発電領域ＥＡが二点鎖線で図示されている。
【００３９】
絶縁シール部１５とセパレータ２０を構成する各プレート２１，２２には、反応ガスおよび冷媒のマニホールドを構成する貫通孔である６つのマニホールド孔５１〜５６が形成されている。第１と第２のマニホールド孔５１，５２はそれぞれ水素の供給用および水素の排出用である。第３と第４のマニホールド孔５３，５４はそれぞれ酸素の供給用と排出用である。第５と第６のマニホールド孔５５，５６はそれぞれ冷媒の供給用と排出用である。各供給用のマニホールド孔５１，５３，５５は、対応する各排出用のマニホールド孔５２，５４，５６と発電領域ＥＡを挟んで互いに対向する位置に形成されている。
【００４０】
アノードプレート２１の第１の面Ｓ１には、水素のための複数の並列な流路溝３１が第１のマニホールド孔５１と第２のマニホールド孔５２とを接続するように形成されている。カソードプレート２２の第１の面Ｓ３には、酸素のための複数の並列な流路溝３２が第３のマニホールド孔５３と第４のマニホールド孔５４とを接続するように形成されている。いずれの流路溝３１，３２も、幾重にも折り返すことによって発電領域ＥＡ内全体にわたって形成されている。なお、マニホールド孔５１〜５４の近傍では各流路溝３１，３２はシール溝部４５，４６と交差している。この部位における流路の構成についての詳細は後述する。
【００４１】
セパレータ２０では、シール凸部４３，４４によって第１と第２のシールラインＳＬ１，ＳＬ２が以下のように形成されている。第１のシールラインＳＬ１は、発電領域ＥＡと各マニホールド孔５１〜５６とを含む領域全体を囲むようにセパレータ２０の外周端に沿って形成されている。第１のシールラインＳＬ１はアノードプレート２１とカソードプレート２２の境界において冷媒が外部に漏洩することを防止する。
【００４２】
第２のシールラインＳＬ２は反応ガスのためのマニホールド孔５１〜５４のそれぞれの周囲に形成されている。第２のシールラインＳＬ２は、アノードプレート２１とカソードプレート２２の境界において各マニホールド孔５１〜５４から反応ガスが漏洩してしまうことを防止する。各プレート２１，２２の第１の面Ｓ１，Ｓ３では、反応ガスのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ４は、第２のシールラインＳＬ２を形成するための環状のシール溝部４５，４６によって囲まれている。各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ４と反応ガスの流路溝３１，３２との接続のために、当該シール溝部４５，４６と反応ガスの流路溝３１，３２とは交差している。
【００４３】
図３〜図５を参照して、燃料電池１００における各マニホールド孔５１〜５６を介した反応ガスおよび冷媒の流れを説明する。図３〜図５には、各マニホールド孔５１〜５６の近傍における燃料電池１００の概略断面が図示されている。より具体的には、図３には図２におけるＡ−Ａ切断およびＢ−Ｂ切断に相当する位置における断面がそれぞれ図示されている。図４には図２におけるＣ−Ｃ切断およびＤ−Ｄ切断に相当する位置おける断面がそれぞれ図示されている。図５には図２におけるＥ−Ｅ切断およびＦ−Ｆ切断に相当する位置における断面がそれぞれ図示されている。図３〜図５では、各セパレータ２０の概略断面構成が図１よりも詳細に図示されている。
【００４４】
図３は第１と第２のマニホールド孔５１，５２を介した水素の流れを模式的に示している。燃料電池１００の外部から供給された水素は、第１のマニホールド孔５１からアノードプレート２１の第１の面Ｓ１に設けられている流路溝３１に流入する。水素は流路溝３１に沿って流れ、シール溝部４５を越えて発電領域ＥＡへと流れる。発電領域ＥＡにおいて電気化学反応に用いられなかった水素とカソード１３側から移動してきた水分とを含む排ガスは、流路溝３１に沿って流れ、シール溝部４５を越えて第２のマニホールド孔５２へと流入し、燃料電池１００の外部へと排出される。
【００４５】
図４は第３と第４のマニホールド孔５３，５４を介した酸素の流れを模式的に示している。燃料電池１００の外部から供給された酸素は、第３のマニホールド孔５３からカソードプレート２２の第１の面Ｓ３に設けられている流路溝３２に流入する。酸素は流路溝３２に沿って流れ、シール溝部４６を越えて発電領域ＥＡへと流れる。発電領域ＥＡにおいて電気化学反応に用いられなかった酸素とカソード１３において生成された水分を含む排ガスは、流路溝３２に沿って流れて、シール溝部４６を越えて第４のマニホールド孔５４へと流入し、燃料電池１００の外部へと排出される。
【００４６】
図５は第５と第６のマニホールド孔５５，５６を介した冷媒の流れを模式的に示している。燃料電池１００の外部から供給された冷媒は、第５のマニホールド孔５５からセパレータ２０のアノードプレート２１とカソードプレート２２との間の流路溝３３に流入する。冷媒は流路溝３３に沿って流れ、発電領域ＥＡにおいて電気化学反応によって生じた熱を奪いつつ流れる。冷媒は、さらに、発電領域ＥＡから流路溝３３に沿って流れて、第６のマニホールド孔５６へと流入し、燃料電池１００の外部へと排出される。
【００４７】
図３，図４において示されているように、本実施形態のセパレータ２０では、シール溝部４５，４６の両側にほぼ同じ高さの流路溝３１，３２の流路壁が存在し、反応ガスの流路上におけるシール凸部４３，４４はその流路壁によって支持されている。そのため、セパレータ２０では、シール凸部４３，４４の配置姿勢が安定し、シール凸部４３，４４によるシール性が高められている。
【００４８】
図６，図７はそれぞれ、アノードプレート２１またはカソードプレート２２の第１の面Ｓ１，Ｓ３における反応ガスのためのマニホールド孔５１〜５４の近傍の領域を示す概略図である。反応ガスのための各マニホールド孔５１〜５４の近傍では、反応ガスのための流路溝３１，３２は、シール溝部４５，４６が交差していることによって、途中で分断されている。以下では、流路溝３１，３２のうち、シール溝部４５に囲まれている領域に含まれている複数の並列な流路溝３１，３２のグループを「第１流路溝群３５」と呼ぶ。また、シール溝部４５，４６と発電領域ＥＡとの間の領域にある複数の並列な流路溝３１，３２のグループを「第２流路溝群３６」と呼ぶ。
【００４９】
反応ガス供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍における第１流路溝群３５の各流路溝３１，３２は、第２流路溝群３６の各流路溝３１，３２がシール溝部４５，４６を跨いでそのまま延長された構成を有している。すなわち、供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍では、シール溝部４５における第１流路溝群３５の開口部は、第２流路溝群３６の開口部とシール溝部４５を挟んで対称な構成を有している。より具体的には、第１流路溝群３５の開口部と第２流路溝群３６の開口部とは第２のシールラインＳＬ２を挟んだ鏡面写像のように実質的にほぼ同じ開口位置と開口形状とを有している。
【００５０】
これに対して、反応ガスの排出用のマニホールド孔５２，５４の近傍における第１流路溝群３５は、第２流路溝群３６より流路溝３１，３２の数が多い。また、第１流路溝群３５の各流路溝３１，３２は第２流路溝群３６の各流路溝３１，３２に対してより広い範囲に所定の間隔で配列されている。そのため、反応ガスの排出用のマニホールド孔５２，５４の近傍では、第１流路溝群３５のシール溝部４５，４６における開口部は、第２流路溝群３６の開口部に対して対称な構成ではなく、非対称な構成になっている。
【００５１】
本明細書では、第１流路溝群３５のシール溝部４５，４６における開口部が第２流路溝群３６の開口部に対して非対称になっている流路構成を「第１流路構成」とも呼ぶ。本実施形態のセパレータ２０では、以下に説明するように、上記の第１流路構成によって、その排水性が高められており、セパレータ２０内に水分が残留してしまうことが抑制されている。
【００５２】
図８は、第１流路溝群３５と第２流路溝群３６における水分の流れを示す模式図である。図８には、カソードプレート２２における第４のマニホールド孔５４の近傍領域における流路構成が模式的に図示されている。なお、以下の説明は、アノードプレート２１における第２のマニホールド孔５２の近傍の第１流路溝群３５と第２流路溝群３６についても同様に当てはまる。第２流路溝群３６からシール溝部４６に流出する排ガスは各流路溝３２の開口部３６ｈから広がって流れ、排ガス中の水分は排ガスの流れに従って移動する。
【００５３】
本実施形態の第１流路溝群３５は、上述したように、第２流路溝群３６よりも流路溝３２の数が多く、広い範囲にわたって各流路溝３２が配列されている。そのため、セパレータ２０では、シール溝部４６において広がった排ガス中の水分は第２流路溝群３６の開口部３５ｈに流入しやすくなっている。これによって、排ガス中の水分がシール溝部４６の壁面に付着してしまい、第２流路溝群３６に流入することなくシール溝部４６に残留してしまうことが抑制されている。従って、当該残留水分が凍結して膨張することによるセパレータ２０の変形や、当該残留水分に含まれる不純物の濃縮に起因するセパレータ２０の劣化などが抑制される。
【００５４】
［第１実施形態における第１流路溝群および第２流路溝群の他の構成例］
第１流路溝群３５および第２流路溝群３６は、以下に説明する流路構成を有するように変形した場合であっても、上述したのと同様な効果を奏することが可能である。なお、以下の構成例１〜３における燃料電池１００の構成は、セパレータ２０における第１流路溝群３５および第２流路溝群３６の流路構成以外は、上記の実施形態において説明した構成とほぼ同じである。また、以下に説明する流路構成は、アノードプレート２１における第２のマニホールド孔５２の近傍の流路構成にも同様に適用可能である。
【００５５】
（１）構成例１
図９は、本実施形態の他の構成例１としての第４のマニホールド孔５４の近傍にある第１流路溝群３５ａおよび第２流路溝群３６ａの構成を示す概略図である。構成例１では第２流路溝群３６ａの構成は、本実施形態で説明した第２流路溝群３６の構成（図８）とほぼ同じである。構成例１における第１流路溝群３５ａでは、各流路溝３２の幅ｗ１が第２流路溝群３６における各流路溝３２の幅ｗ２よりも大きくなっている。つまり、構成例１における第１流路溝群３５ａでは、各流路溝３２の流路断面積が第２流路溝群３６における各流路溝３２の流路断面積よりも大きくなっている。
【００５６】
本構成例１では、第１流路溝群３５のシール溝部４６における開口部３５ｈは、第２流路溝群３６の開口部３６ｈに対して非対称である。また、シール溝部４６における第１流路溝群３５ａの開口面積の合計は第２流路溝群３６ａの開口面積の合計よりも大きい。このような構成であっても、第２流路溝群３６ａから流出した排ガス中の水分が第１流路溝群３５ａに流入しやすいため、セパレータ２０における排水性が高められる。
【００５７】
（２）構成例２
図１０は、本実施形態の他の構成例２としての第４のマニホールド孔５４の近傍にある第１流路溝群３５ｂおよび第２流路溝群３６ｂの構成を示す概略図である。構成例２では、第１流路溝群３５ｂの各流路溝３２は、第２流路溝群３６ｂの各流路溝３２がシール溝部４６を跨いでそのまま延長されたような連続的な構成を有している。第１流路溝群３５ｂおよび第２流路溝群３６ｂの各流路溝３２は、第４のマニホールド孔５４に近い位置ほど幅が大きくなるように末広がりに構成されている。第１流路溝群３５ｂのシール溝部４６における各開口部３５ｈは、第２流路溝群３６ｂのシール溝部４６における開口部３６ｈのうちの一つとシール溝部４６を挟んで対向している。第１流路溝群３５ｂの開口部３５ｈと第２流路溝群３６ｂの開口部３６ｈとは開口方向に沿って見たときに、第１流路溝群３５ｂの各開口部３５ｈのそれぞれの中に第２流路溝群３６ｂの開口部３６ｈのうちの一つが収まり、互いに重なっている。
【００５８】
本構成例２では、第１流路溝群３５ｂのシール溝部４６における開口部３５ｈは、第２流路溝群３６ｂの開口部３６ｈに対して非対称である。また、シール溝部４６における第１流路溝群３５ｂの開口面積の合計は第２流路溝群３６ｂの開口面積の合計よりも大きい。このような構成であっても、第２流路溝群３６ｂから流出した排ガス中の水分が第１流路溝群３５ｂに流入しやすいため、セパレータ２０における排水性が高められる。なお、第１流路溝群３５ｂの各開口部３５ｈは、開口方向に沿って見たときに、少なくとも第２流路溝群３６ｂの開口部３６ｈのうちの一部と重なっていれば良い。
【００５９】
（３）構成例３
図１１は、本実施形態の他の構成例としての第４のマニホールド孔５４の近傍にある第１流路溝群３５ｃおよび第２流路溝群３６ｃの構成を示す概略図である。構成例３では第２流路溝群３６ｃの構成は、本実施形態で説明した第２流路溝群３６の構成（図８）とほぼ同じである。構成例３では、第１流路溝群３５ｃの各流路溝３２は、シール溝部４６を挟んで第２流路溝群３６ｃの各流路溝３２と対向する位置に形成されている。第１流路溝群３５ｃと第２流路溝群３６ｃとでは、流路溝３２の数が同じであり、シール溝部４６の近傍以外での流路溝３２の幅はほぼ同じである。
【００６０】
本構成例３では、第１流路溝群３５ｃのシール溝部４６における開口部３５ｈは第２流路溝群３６ｃの各流路溝３２に向かって開口面積が大きくなるように構成されている。そのため、第１流路溝群３５ｃのシール溝部４６における開口部３５ｈは、第２流路溝群３６ｃの開口部３６ｈに対して非対称な構成を有している。また、シール溝部４６における第１流路溝群３５ｃの開口面積の合計は第２流路溝群３６ｃの開口面積の合計よりも大きい。このような構成であっても、第２流路溝群３６ｃから流出した排ガス中の水分が第１流路溝群３５ｃに流入しやすいため、セパレータ２０における排水性が高められる。
【００６１】
［第１実施形態のまとめ］
以上のように、本実施形態のセパレータ２０では、排ガス中の水分が排出用のマニホールド孔５２，５４に流入しやすいようにシール溝部４５，４６における第１流路溝群３５の開口部３５ｈと第２流路溝群３６の開口部３６ｈとが非対称に構成されている。従って、セパレータ２０における排水性が高められ、排ガス中の水分がシール溝部４５，４６に残留することが抑制されている。
【００６２】
B．第２実施形態：
図１２は、本発明の第２実施形態としてのセパレータ２０Ａの構成を説明するための概略図である。図１２には、セパレータ２０Ａの第４のマニホールド孔５４の近傍における流路構成が模式的に図示されている。図１２には、セパレータ２０Ａが燃料電池１００に組み付けられて使用されているときの重力方向を示す矢印Ｇが図示されている。第２実施形態のセパレータ２０Ａは、以下に説明する点以外は、上記第１実施形態のセパレータ２０とほぼ同じ構成を有している。第２実施形態では、燃料電池１００はその積層方向が重力方向と直交するように配置される。
【００６３】
第２実施形態のセパレータ２０Ａでは、カソードプレート２２の第４のマニホールド孔５４の周囲に形成されているシール溝部４６が、シール溝部４６の延伸方向に沿った液水の移動が抑制されている液水移動抑制構造を有している。液水移動抑制構造は、液水の表面張力によってシール溝部４６に滞留している液水ＬＱの移動が抑制されるように、シール溝部４６における壁面の表面粗さや親水性などの表面性状や、シール溝部４６の幅や深さなどの断面形状が調整されている。液水移動抑制構造は、第１流路溝群３５と第２流路溝群３６との間の領域ＬＩ（破線で図示）に形成されている。
【００６４】
本第２実施形態の領域ＬＩでは、重力による液水ＬＱの下降を抑制するために、毛管圧に基づく下記の不等式（Ａ）の関係が満たされるように、シール溝部４６の壁面の表面性状や、シール溝部４６の幅や深さが調整されている。
σ（２ａ＋２ｂ）・（ｃｏｓ（１８０−θｆ）−ｃｏｓ（１８０−θｒ））＞ｍ・ｇ  …（Ａ）
【００６５】
上記の不等式（Ａ）の中の「σ（２ａ＋２ｂ）」は、シール溝部４６の幅ａや深さｂによって決まる物性値である。また、角度θｆ，θｒは液水の接触角（後述）である。ｍは領域ＬＩに滞留すると想定される液水の重量に基づく定数である。ｍは領域ＬＩにおけるシール溝部４６の容積に基づいて予め決定されても良い。
【００６６】
図１３は上記の不等式（１）中の接触角θｆ，θｒを説明するための模式図である。図１３には液水ＬＱが微細な管２００の中を移動しているときの状態が模式的に図示されている。接触角θｆは、液水ＬＱの移動方向前方における接触角である。接触角θｒは、液水ＬＱの移動方向後方における接触角である。
【００６７】
シール溝部４６（図１２）では、接触角θｆ，θｒはそれぞれ、第１流路溝群３５の各流路溝に対向する領域内における重力方向下側の領域と重力方向上側の領域での接触角に相当する。接触角θｆ，θｒは、プラズマ撥水処理やショットブラストなどによって領域ＬＩにおけるシール溝部４６の撥水性を変化させることによって調整可能である。
【００６８】
上記の不等式（Ａ）の関係を満たしていれば、シール溝部４６内において液水ＬＱに生じる重力方向上側の表面張力と重力方向下側の表面張力との差が液水ＬＱに働く重力より大きくなる。従って、液水ＬＱは重力によってシール溝部４６の重力方向下側の領域へと移動することが抑制される。具体的に、領域ＬＩにおける液水移動抑制構造としては、１ｍｇ程度の液水ＬＱが領域ＬＩに滞留することが想定される場合には、液水ＬＱに生じる重力方向上側の表面張力と重力方向下側の表面張力との差が１０Ｐａ以上になる構成であることが望ましい。
【００６９】
領域ＬＩにおいて液水ＬＱの重力方向への移動が抑制され、液水ＬＱが領域ＬＩに滞留すると、当該液水ＬＱは、第２流路溝群３６からの排ガスやパージガスの流れによって第１流路溝群３５を介して第４のマニホールド孔５４に排出されやすくなる。従って、セパレータ２０内に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００７０】
以上のように、第２実施形態のシール溝部４６が領域ＬＩに液水移動抑制構造を有していることによって、液水ＬＱがシール溝部４６の重力方向下側の領域に滞留することが抑制され、セパレータ２０内に水分が残留してしまうことが抑制される。なお、第２実施形態の液水移動抑制構造は、アノードプレート２１における第２のマニホールド孔５２の周囲に設けられているシール溝部４５に適用することも可能である。これによって、アノード側の流路において上述したのと同様な効果を得ることができる。また、本実施形態の液水移動抑制構造は、第１実施形態で説明した他の構成例１〜３に対して適用した場合であっても、同様な効果を奏する。
【００７１】
C．第３実施形態：
図１４は、本発明の第３実施形態のセパレータ２０Ｂの構成を説明するための概略図である。図１４には、カソードプレート２２の第１の面Ｓ３における第４のマニホールド孔５４の近傍領域が図示されている。図１４には、シール溝部４６内に、圧力の高い側から低い側へと向かう圧力勾配の方向を示す矢印ＰＧと、ガスの流れを示す矢印ＧＦと、が図示されている。
【００７２】
第３実施形態のセパレータ２０Ｂは、第４のマニホールド孔５４の近傍における流路溝の流路構成が異なる点以外は、上記第１実施形態のセパレータ２０とほぼ同じである。第３実施形態のセパレータ２０Ｂでは、反応ガスの流れによって第４のマニホールド孔５４のシール溝部４６における第２流路溝群３６Ｂと第４のマニホールド孔５４との間の領域に圧力勾配が生じるように第１流路溝群３５Ｂが構成されている。
【００７３】
第３実施形態の第２流路溝群３６Ｂにおける流路構成は第１実施形態で説明した第２流路溝群３６とほぼ同じであり、所定の同一な幅を有する複数の流路溝が所定の間隔で並列に配列されている。第１流路溝群３５Ｂは、第２流路溝群３６とシール溝部４６を挟んで対向する領域内に配置されている。第１流路溝群３５Ｂは第２流路溝群３６よりも流路溝の数が少ない。第１流路溝群３５Ｂにおける流路溝３２の配列分布は、第２流路溝群３６における流路溝３２の配列分布に対して、第１流路溝群３５Ｂにおける流路溝３２の配列方向において一方の側に偏っている。
【００７４】
第３実施形態のセパレータ２０Ｂでは、シール溝部４６における第１流路溝群３５Ｂの開口部３５ｈと第２流路溝群３６Ｂの開口部３６ｈとは数や配列範囲が異なっており、非対称に構成されている（第１流路構成）。この構成によって、セパレータ２０Ｂに反応ガスが流されたときに、シール溝部４６における第１流路溝群３５Ｂと第２流路溝群３６との間の空間には第１流路溝群３５Ｂの流路溝が偏って配列されている方向に向かって圧力が低くなる圧力勾配が生じる（矢印ＰＧ）。
【００７５】
図１５は、第１流路溝群３５Ｂと第２流路溝群３６Ｂの流路構成によってシール溝部４６内に圧力勾配が生じるメカニズムを説明するための模式図である。図１５には、カソードプレート２２の第４のマニホールド孔５４の近傍領域における流路構成が模式的に図示されている。セパレータ２０Ｂに反応ガスが流されたときに、シール溝部４６において第２流路溝群３６Ｂの開口方向の先に第１流路溝群３５Ｂの流路溝が存在しない部位では、急縮小管の損失係数ζに基づく圧力損失が生じる。また、第２流路溝群３６Ｂの開口方向の先に第１流路溝群３５Ｂの流路溝が存在する部位では、流入する排ガスが集中することによる圧力損失が生じる。そのため、シール溝部４６内には、前述した方向への圧力勾配が生じる。
【００７６】
上記の圧力勾配によって、シール溝部４６内には、第２流路溝群３６Ｂの開口部３６ｈから第１流路溝群３５Ｂの開口部３５ｈに向かう排ガスの流れに加えて、シール溝部４６に沿って周回する排ガスの流れが生じる（図１４の矢印ＧＦ）。この排ガスの流れによってシール溝部４６内の水分が持ち去られて第１流路溝群３５Ｂから排出される可能性が高くなる。従って、セパレータ２０Ｂにおける排水性が高められ、セパレータ２０Ｂ内に水分が残留してしまうことが抑制される。特に、圧力勾配の方向（矢印ＰＧの方向）が重力方向と一致している場合には、重力によってシール溝部４６の下部領域に液水が滞留してしまうことが抑制される。
【００７７】
［第３実施形態における第１流路溝群および第２流路溝群の他の構成例］
第１流路溝群３５Ｂおよび第２流路溝群３６Ｂは、以下に説明する流路構成を有するように変形した場合であっても、上述したのと同様な効果を奏することが可能である。なお、以下の構成例における燃料電池１００の構成は、セパレータ２０Ｂにおける第１流路溝群３５Ｂおよび第２流路溝群３６Ｂの流路構成以外は、第１実施形態において説明した構成とほぼ同じである。
【００７８】
（１）他の構成例１
図１６は、第３実施形態の他の構成例１としての第１流路溝群３５Ｂａおよび第２流路溝群３６Ｂａの構成を示す概略図である。構成例１では、第２流路溝群３６Ｂａの流路構成は、上記の第２流路溝群３６Ｂの流路構成とほぼ同じである。第１流路溝群３５Ｂａの各流路溝３２は、シール溝部４６を挟んで第２流路溝群３６Ｂａの流路溝３２のうちの一つと対向している。また、第１流路溝群３５Ｂａの各流路溝３２の幅ｗ１，…，ｗｎ（ｎは１より大きい自然数）は、流路溝３２の配列方向に沿って一方の側から他方の側に次第に大きくなるように構成されている（ｗ１＜…＜ｗｎ）。
【００７９】
本構成例１では、シール溝部４６における第１流路溝群３５Ｂａの開口部３５ｈと第２流路溝群３６Ｂａの開口部３６ｈとは非対称になっている（第１流路構成）。また、本構成例１では、第１流路溝群３５Ｂａは各流路溝３２の構成が均一ではない。本明細書においては、本構成例１のように、並列に配列されている複数の流路溝のうちの少なくとも１つが異なる構成を有していることによって流路溝の構成が不均一になっている流路構成を「第２流路構成」とも呼ぶ。
【００８０】
この構成によれば、第１流路溝群３５Ｂａと第２流路溝群３６Ｂａの間におけるシール溝部４６内の圧力損失は、第１流路溝群３５Ｂａにおいて流路溝３２の幅が小さい側において大きく、流路溝３２の幅が大きい側において小さくなる。従って、第１流路溝群３５Ｂａと第２流路溝群３６Ｂａに排ガスが流れるときにはシール溝部４６内に圧力勾配が生じ、シール溝部４６内を周回する排ガスの流れが生じる。これによって、セパレータ２０Ｂにおける排水性が高められ、セパレータ２０Ｂ内に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００８１】
（２）他の構成例２
図１７は、第３実施形態の他の構成例２としての第１流路溝群３５Ｂｂおよび第２流路溝群３６Ｂｂの構成を示す概略図である。この構成例２では、第１流路溝群３５Ｂｂの各流路溝３２は、シール溝部４６を挟んで第２流路溝群３６Ｂｂの流路溝３２のうちの一つと対向している。また、第１流路溝群３５Ｂｂおよび第２流路溝群３６Ｂｂのそれぞれにおいて、流路溝３２の配列方向における一方にはシール溝部４６に向かって幅が縮小する流路溝３８が設けられており、他方にはシール溝部４６に向かって幅が縮小する流路溝３９が設けられている。
【００８２】
第１流路溝群３５Ｂｂおよび第２流路溝群３６Ｂｂにおける流路溝３８の対は第１の流路溝対に相当し、流路溝３９の対は第２の流路溝対に相当する。本構成例２では、シール溝部４６における第１流路溝群３５Ｂｂの開口部３５ｈと第２流路溝群３６Ｂｂの開口部３６ｈとは対称になっており、第１流路溝群３５Ｂｂおよび第２流路溝群３６Ｂｂは第１流路構成を有していない。ただし、本構成例２では、第１流路溝群３５Ｂａの各流路溝３２の構成がいずれも異なっており、不均一である（第２流路構成）。
【００８３】
シール溝部４６において、シール溝部４６に向かって幅が縮小している流路溝３８同士が対向している部位では、排ガスの流速が高くなり、圧力損失が大きくなる（ベルヌーイの法則）。また、当該部位では、急縮小管の損失係数ζに基づく圧力損失が生じる。一方、シール溝部４６に向かって幅が拡大している流路溝３９同士が対向している部位では、排ガスの流速が低くなり、圧力損失は小さい（ベルヌーイの法則）。また、当該部位では、急縮小管の損失係数ζに基づく圧力損失も小さい。
【００８４】
本構成例２によれば、第１流路溝群３５Ｂｂと第２流路溝群３６Ｂｂの間のシール溝部４６内における圧力損失は、流路溝３８が配置されている側において大きくなり、流路溝３９が配置されている側において小さくなる。従って、第１流路溝群３５Ｂｂと第２流路溝群３６Ｂｂに排ガスが流れるときにはシール溝部４６内に圧力勾配が生じ、シール溝部４６内を周回する排ガスの流れが生じる。これによって、セパレータ２０Ｂにおける排水性が高められ、セパレータ２０Ｂ内に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００８５】
（３）他の構成例３
図１８は、第３実施形態の他の構成例３としての第１流路溝群３５Ｂｃおよび第２流路溝群３６Ｂｃの構成を示す概略図である。構成例３では、第２流路溝群３６Ｂｃの流路構成は、上記の構成例１の第２流路溝群３６Ｂａ（図１６）の流路構成とほぼ同じである。構成例３では、第１流路溝群３５Ｂｃにおける流路溝３２の数は、第２流路溝群３６Ｂｃの流路溝３２の数と同じである。ただし、第１流路溝群３５Ｂｃにおける流路溝３２の配列分布は、第２流路溝群３６Ｂｃにおける流路溝３２の配列分布に対して、流路溝３２の配列方向の一方の側にオフセットされて偏っている。
【００８６】
このような構成であっても、シール溝部４６内に図１５において説明したのと同様な圧力勾配が生じ、シール溝部４６内を周回する排ガスの流れが生じる。これによって、セパレータ２０Ｂにおける排水性が高められ、セパレータ２０Ｂ内に水分が残留してしまうことが抑制される。なお、第１流路溝群３５Ｂｃにおける流路溝３１の数を第２流路溝群３６Ｂｃにおける流路溝の数よりも多くした場合であっても、流路溝３１の配列分布が上記のようにオフセットされて偏っていれば、同様な効果を得ることができる。
【００８７】
［第３実施形態のまとめ］
以上のように、第３実施形態のセパレータ２０Ｂでは、第４のマニホールド孔５４の近傍の第１流路溝群３５Ｂおよび第２流路溝群３６Ｂは、シール溝部４６内にシール溝部４６の延伸方向に圧力勾配が生じるように構成されている。従って、シール溝部４６内を周回する排ガスの流れを生じさせることができ、シール溝部４６内の水分の排出性が高められている。なお、上述した第３実施形態の流路構成（他の構成例１〜２における流路構成を含む）は、アノードプレート２１における第２のマニホールド孔５２の近傍の流路構成に対しても適用可能である。これによって同様な作用効果をアノード側の流路において得ることができる。
【００８８】
D．第４実施形態：
図１９は、本発明の第４実施形態としてのセパレータ２０Ｃの構成を説明するための概略図である。図１９には、セパレータ２０Ｃの第４のマニホールド孔５４の近傍における流路構成が模式的に図示されている。図１９には、排ガスの流れを示す矢印が図示されている。第４実施形態のセパレータ２０Ｃは、以下に説明する点以外は、上記第１実施形態のセパレータ２０とほぼ同じ構成を有している。
【００８９】
第４実施形態のセパレータ２０Ｃでは、第１流路溝群３５Ｃは、シール溝部４６において第２流路溝群３６と対向し合う位置には設けられていない。第１流路溝群３５Ｃは、第２流路溝群３６に対してシール溝部４６と第４のマニホールド孔５４とを挟んで対向する位置に設けられている。シール溝部４６における第１流路溝群３５Ｃの開口部３５ｈと、第２流路溝群３６Ｃの開口部３６ｈとは同じ方向を向いており、両者は対称な構成にはなっていない。この流路構成によって、第２流路溝群３６からシール溝部４６に流出した排ガスは、シール溝部４６に沿って第４のマニホールド孔５４の反対側の領域に回り込むように流れ、第１流路溝群３５Ｃを介して第４のマニホールド孔５４に流出する。
【００９０】
このように、第４実施形態のセパレータ２０Ｃであれば、シール溝部４６が排ガスの流路として機能し、常に排ガスの流れが生じることになる。従って、シール溝部４６における水分の移動が促進され、水分がシール溝部４６に残留してしまうことが抑制される。なお、第４実施形態の流路構成は、アノードプレート２１における第２のマニホールド孔５２の近傍の流路構成に対しても適用可能である。これによって同様な作用効果をアノード側の流路において得ることができる。
【００９１】
E．変形例：
E1．変形例１：
上記の各実施形態（他の構成例を含む。以下同様。）のセパレータは、固体高分子形燃料電池である燃料電池に用いられている。これに対して、上記各実施形態のセパレータは、固体高分子形燃料電池以外の種々のタイプの燃料電池に用いられても良い。上記各実施形態のセパレータは、排ガス中に水分が含まれるタイプの燃料電池に用いられることが望ましい。
【００９２】
E2．変形例２：
上記の各実施形態では、第１流路溝群と第２流路溝群の間にシールラインを形成するための凸壁部４３，４４の裏側の溝であるシール溝部４５，４６が設けられている。これに対して、第１流路溝群と第２流路溝群の間には、シールラインを構成するためのシール溝部４５，４６以外の溝部が設けられていても良い。第１流路溝群と第２流路溝群との間の溝部は、例えば、補強部としてのリブの裏側の溝部であっても良い。
【００９３】
E3．変形例３：
上記の各実施形態のおいて、第１流路溝群３５および第２流路溝群３６に第１流路構成または第２流路構成を適用するときに流路溝３１，３２の幅が調整されている構成においては、流路溝３１，３２の幅の代わりに、あるいは、幅とともに、流路溝３１，３２の深さが調整されても良い。つまり、流路溝３１，３２はその断面積が調整されれば良い。ここで、「流路溝の断面積」とは、流路溝の延伸方向に垂直な断面における流路溝内の領域の面積を意味する。
【００９４】
E4．変形例４：
上記の各実施形態のセパレータでは、供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍における第１流路溝群３５および第２流路溝群３６には第１流路構成や第２流路構成は適用されていない。供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍における第１流路溝群３５および第２流路溝群３６に対しても、供給用のマニホールド孔５１，５２から流入する水分がシール溝部４５，４６に滞留することが抑制されるように、第１流路構成や第２流路構成に相当する構成が適用されても良い。具体的には、上記の各実施形態において排出用のマニホールド孔５２，５４近傍の第１流路溝群３５に適用されていた構成を、供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍の第２流路溝群３６に適用し、排出用のマニホールド孔５２，５４近傍の第２流路溝群３６に適用されていた構成を、供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍の第１流路溝群３５に適用しても良い。これによって、供給用のマニホールド孔５１，５３の近傍のシール溝部４５，４６に水分が残留してしまうことが抑制される。
【００９５】
E5．変形例５：
上記の各実施形態の各セパレータでは、発電領域ＥＡ内に反応ガスのための流路溝３１，３２が設けられている。これに対して、発電領域ＥＡ内に反応ガスのための流路溝３１，３２は省略されても良い。発電領域ＥＡ内には、流路溝３１，３２の代わりにエキスパンドメタルやカーボン繊維、発泡金属などのガス流路部材が配置されても良い。また、発電領域ＥＡ内における流路溝３１，３２の流路構成は、発電領域ＥＡ内において幾重にも折り返す構成に限定されない。流路溝３１，３２は、例えば、発電領域ＥＡ内において直線的に延びる流路溝によって構成されても良いし、発電領域ＥＡ内において途中で途切れる流路溝を含んでいても良い。また、並列な流路溝同士が途中で連結されていても良い。
【００９６】
E6．変形例６：
上記の各実施形態では、セパレータの各流路溝３２〜３３に反応ガスや冷媒が流される場合を説明した。上記の各実施形態のセパレータには反応ガスや冷媒の代わりに、パージガスなどの他の流体が流される場合であっても、上記の各実施形態において説明したのと同様な効果を得ることができる。
【００９７】
E7．変形例７：
上記の各実施形態において、第１流路溝群３５および第２流路溝群３６に適用されている第１流路構成や第２流路構成は、アノードプレート２１とカソードプレート２２の両方に適用されても良いし、カソードプレート２２とアノードプレート２１のうちの一方にのみに適用されても良い。
【００９８】
E8．変形例８：
上記の各実施形態においては、第１流路溝群および第２流路溝群の各流路溝は各プレート２１，２２を厚み方向に凹凸させる曲げ加工によって形成されている。これに対して、第１流路溝群および第２流路溝群の各流路溝は各プレート２１，２２の表面に配置された樹脂部材などの別部材によって形成されていても良い。
【００９９】
E9．変形例９：
上記の各実施形態のセパレータにおいて、反応ガスの流路溝３１，３２に適用されていた第１流路溝群および第２流路溝群の流路構成は、冷媒用の流路溝３３に適用されても良い。この場合には、シール凸部４３，４４（シール溝部４５，４６）によって形成されるシールラインはアノードまたはカソードの流路に設けられる。
【０１００】
E10．変形例１０：
上記の各実施形態のセパレータは、アノードプレート２１とカソードプレート２２の二層構造を有している。これに対して、セパレータは、冷媒流路が省略されている単層プレートによって構成されて良い。この場合には、反応ガスが第１または第２の流体に相当する。
【０１０１】
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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２，１３…電極
１４…ガス拡散層
１５…絶縁シール部
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…セパレータ
２１…アノードプレート
２２…カソードプレート
３１，３２，３３…流路溝
３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５Ｂ，３５Ｂａ，３５Ｂｂ，３５Ｃ…第１流路溝群
３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６Ｂ，３６Ｂａ，３６Ｂｂ，３６Ｃ…第２流路溝群
３８，３９…流路溝
４０…シール部
４１，４２…凸部
４３，４４…シール凸部
４５，４６…シール溝部
１００…燃料電池
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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