(57)【要約】【課題】  流路溝群から合流領域に流出した発電ガス混合の適正に行える燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルを提供する。【解決手段】  燃料電池用セパレータ２は、板状に形成され、かつ一方の主面に発電ガスが通流する発電ガス通流領域１０１がサーペンタイン状に形成されたセパレータであって、発電ガス通流領域１０１は、発電ガスが分流する流路溝群を有する複数の分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄと、発電ガスが混合する窪み部２８を有し、隣り合う分流領域の流路溝群が窪み部２８に連通するようにして複数の分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄを接続する１以上の合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、を備え、流路溝群の流路溝２５の延長線上において、窪み部２８の底面から立設された島状の複数の突起２７が配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成され、かつ一方の主面に発電ガスが通流する発電ガス通流領域がサーペンタイン状に形成された燃料電池用セパレータであって、
前記発電ガス通流領域は、前記発電ガスが分流する流路溝群を有する複数の分流領域と、前記発電ガスが混合する窪み部を有し、隣り合う前記分流領域の流路溝群が前記窪み部に連通するようにして前記複数の分流領域を接続する１以上の合流領域と、を備え、
前記流路溝群の流路溝の延長線上において、前記窪み部の底面から立設された島状の複数の突起が配置される燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記突起は円柱状に形成され、前記流路溝群の流路溝の中心線上に、前記突起の中心軸が位置している請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
前記突起の中心軸に垂直な断面の直径が、前記流路溝の幅にほぼ等しい請求項２記載のセパレータ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載されたセパレータがアノードセパレータ及びカソードセパレータとして組み込まれ、
前記アノードセパレータにおいて前記発電ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータにおいて前記発電ガスが酸化剤ガスである、燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルに係り、更に詳しくは、セパレータの発電ガス通流領域の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素が含有された酸化剤ガスとを燃料電池セルにおいて電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。このＰＥＦＣは一般的には複数段に燃料電池セルを積層させて構成されている。
【０００３】
燃料電池セルは、ＭＥＡ（membrane electrode assemble）と称される膜−電極接合体を有し、このＭＥＡは、ＭＥＡの両面周縁部にガスケットが配置されるようにして、一対の導電性セパレータ（具体的にはアノードセパレータおよびカソードセパレータからなるセパレータの対）により挟まれている。
【０００４】
アノードセパレータの表面には、燃料ガス（発電ガス；還元剤ガス）が通流するサーペンタインタイプの燃料ガス通流領域が、燃料ガス供給路（燃料ガス供給マニホールド孔）と燃料ガス排出路（燃料ガス排出マニホールド孔）とを繋いで形成されている。この燃料ガス通流領域は、燃料ガス供給路と燃料ガス排出路とを繋ぐように形成された複数の燃料ガス流路溝で構成されている。これらの複数の燃料ガス流路溝は互いに沿うようにしてサーペンタイン状に屈曲してなり、これにより、上述のサーペンタインタイプの燃料ガス通流領域が形成されている。
【０００５】
また、カソードセパレータの表面には、酸化剤ガス（発電ガス）が通流するサーペンタインタイプの酸化剤ガス通流領域が、酸化剤ガス供給路（酸化剤ガス供給マニホールド孔）と酸化剤ガス排出路（酸化剤ガス排出マニホールド孔）とを繋いで形成されている。この酸化剤ガス通流領域は、酸化剤ガス供給路と酸化剤ガス排出路とを繋ぐように形成された複数の酸化剤ガス流路溝で構成されている。これらの複数の酸化剤ガス流路溝は互いに沿うようにしてサーペンタイン状に屈曲してなり、これにより、上述のサーペンタインタイプの酸化剤ガス通流領域が形成されている。
【０００６】
このため、燃料ガスおよび酸化剤ガスが各々、燃料ガス通流領域内および酸化剤ガス通流領域内の流路溝を流れる間に、これらのガスが、発電ガスとしてＭＥＡに供給されＭＥＡの内部において上記電気化学反応により消費される。
【０００７】
ところで、アノードセパレータやカソードセパレータには、高い発電ガス混合性能および凝縮水の優れた排水性能並びに適正な発電ガス流速を確保する観点から各種の工夫がなされている（特許文献１〜特許文献４参照）。
【０００８】
例えば、複数の流路溝間から流出した発電ガスの混合を図るため、複数の流路溝の折り返し部に当該流路溝を合流させる、発電ガスの合流領域を設けたセパレータの設計例がある（特許文献２および特許文献４）。この流路溝の合流領域には、複数の流路溝に連通する凹部の底面に複数の突起が点在するように設けられている。
【０００９】
また、発電ガス消費を考慮して、凝縮水の充分な排水性能および適正な発電ガス流速を確保するため、当該流路溝が発電ガス供給路から発電ガス排出路に近づくに連れて、その溝数を変更してなるセパレータの設計例もある（特許文献１、特許文献２および特許文献３）。
【特許文献１】特開平１１−２５０９２３号公報
【特許文献２】特開平１０−１０６５９４号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４２６１号公報
【特許文献４】特開２０００−１６４２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記合流領域を示した特許文献２および特許文献４に記載の折り返し部（合流領域）では、発電ガス分流領域内の複数の流路溝（以下、流路溝群という。）の延長に、発電ガスの流れ方向においてこれらの流路溝に位置合わせした形態の、格子状溝が形成されている。
【００１１】
言い換えると、上記流路溝群を形作る帯状の複数のリブ（電極支持部）の延長線上に、合流領域の窪み部の底面から立設された、多数の島状の突起が並んでいる。
【００１２】
しかし、島状の突起の斯かる配置にすると、発電ガス分流領域内の流路溝群を流れて、ここからから合流領域に流入した発電ガスは、この合流領域の突起の間の格子状溝をすり抜けるように流れ、合流領域に流入した発電ガスが充分に混合されない可能性がある。
【００１３】
そうなると、流路溝群から流出した発電ガスの流れを乱して発電ガス混合を図り、下流側に位置する流路溝群に均一に発電ガスを排出するという合流領域の効果が充分に発揮され難くなる。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、流路溝群から合流領域に流出した発電ガスの混合を適正に図れる燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池用セパレータは、板状に形成され、かつ一方の主面に発電ガスが通流する発電ガス通流領域がサーペンタイン状に形成されたセパレータであって、前記発電ガス通流領域は、前記発電ガスが分流する流路溝群を有する複数の分流領域と、前記発電ガスが混合する窪み部を有し、隣り合う前記分流領域の流路溝群が前記窪み部に連通するようにして前記複数の分流領域を接続する１以上の合流領域と、を備え、前記流路溝群の流路溝の延長線上において、前記窪み部の底面から立設された島状の複数の突起が配置される。
【００１６】
島状の複数の突起を、斯かる配置にしたことにより、分流領域の流路溝群から合流領域に流入する発電ガスは、その流入直後に突起に直接当たり、これにより、発電ガスの流れが乱され、流路溝群から流出した発電ガスが互いに適正に混合される。
【００１７】
ここで、前記突起は円柱状に形成される場合、前記流路溝群の流路溝の中心線上に、前記突起の中心軸を位置付けることにより、また、前記突起の中心軸に垂直な断面の直径を、前記流路溝の幅にほぼ等しくすることにより、より効果的に発電ガスを突起に当てることができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池セルは、上記セパレータがアノードセパレータ及びカソードセパレータとして組み込まれたセルであり、前記アノードセパレータにおいて前記発電ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータにおいて前記発電ガスが酸化剤ガスである。
【００１９】
斯かる構成によれば、アノードセパレータの流路溝群から流出した還元剤ガスは、合流領域において適正に混合され、カソードセパレータの流路溝群から流出した酸化剤ガスは、合流領域において適正に混合される。このため、この燃料電池セルによる発電動作が、電極部の面内で均一に行われる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によれば、流路溝群から合流領域に流出した発電ガス混合を適正に図れる燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態の燃料電池セルの構造を分解して模式的に示した斜視図である。
【００２３】
図１に示す如く、燃料電池スタック１００は、複数の矩形の燃料電池セル１０を積層して構成されている。
【００２４】
なお、燃料電池スタック１００の両端の最外層には端板４０が取り付けられ、燃料電池セル１０は互いに両端板４０から、燃料電池セル１０の四隅のボルト孔４を挿通させる締結ボルト（図示せず）とナット（図示せず）とで締結されている。ここでは、燃料電池セル１０は、例えば６０個積層されている。
【００２５】
燃料電池セル１０のＭＥＡ１は、高分子電解質膜６の両面の中央部に、矩形の電極部５（触媒層およびガス拡散層）の対を設けて構成されている。そして、燃料電池セル１０は、導電性の板状のセパレータ２、３の対を有し、ＭＥＡ１の周縁部６ａに、矩形かつ環状のガスケット（図示せず）が配設され、このガスケットとＭＥＡ１の電極部５とが、この導電性のセパレータ（具体的にはアノードセパレータ２およびカソードセパレータ３）の対により挟まれてなる。なお、ＭＥＡ１の構成は公知であり、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２６】
アノードセパレータ２の表面（おもて面；一方の電極部５との当接面）には、燃料ガスが通流する燃料ガス通流領域１０１が形成されている。この燃料ガス通流領域１０１は、燃料ガスを均等に分配して均一流速で流すための複数の帯状の燃料ガス流路溝２５（流路溝群；例えば図２参照）を有する燃料ガス分流領域の集合体２１、および複数の燃料ガス流路溝２５を合流して燃料ガスの混合を図るための島状（円柱状）の複数の突起２７（例えば図２参照）を有する燃料ガス合流領域の集合体２２を備えて構成されている。
【００２７】
なお、この燃料ガス通流領域１０１の構成は後程詳しく説明する。
【００２８】
また、カソードセパレータ３の表面（おもて面；他方の電極部５との当接面）には、酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス通流領域１０２が形成されている。この酸化剤ガス通流領域１０２は、酸化剤ガスを均等に分配して均一流速で流すための複数の帯状の酸化剤ガス流路溝３５（流路溝群；例えば図６参照）を有する酸化剤ガス分流領域の集合体３１、および複数の酸化剤ガス流路溝３５を合流して酸化剤ガスの混合を図るための島状（円柱状）の複数の突起３７（例えば図６参照）を有する酸化剤ガス合流領域の集合体３２を備えて構成されている。
【００２９】
なお、この酸化剤ガス通流領域１０２の構成は後程詳しく説明する。
【００３０】
また、これらの両セパレータ２、３およびＭＥＡ１の周縁部６ａには、これらを貫通するようにして、燃料ガスを供給および排出するための一対の燃料ガスマニフォールド孔１２Ａ、１２Ｂおよび酸化剤ガスを供給および排出するための一対の酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ａ、１３Ｂ並びに冷却水を供給および排出するための冷却水マニフォールド孔１４Ａ、１４Ｂが設けられている。
【００３１】
そして、燃料電池セル１０が積層された形態では、これらの孔１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ等は順に繋がり、これにより燃料電池スタック１００の積層方向（ねじ締結方向）に延びる、楕円柱状の一対の燃料ガスマニフォールドおよび楕円柱状の一対の酸化剤ガスマニフォールド並びに楕円柱状の一対の冷却水マニフォールドが形成されることになる。
【００３２】
ここで、燃料ガス通流領域１０１は、サーペンタイン状かつ帯状に延びて、燃料ガスマニフォールド孔１２Ａと、燃料ガスマニフォールド孔１２Ｂとの間を結ぶように形成されている。これにより、燃料ガスマニフォールドを流れる燃料ガスの一部が、各アノードセパレータ２の燃料ガスマニフォールド孔１２Ａから燃料ガス通流領域１０１に導かれる。こうして導かれた燃料ガスは、燃料ガス通流領域１０１を流れる間に、ＭＥＡ１において発電ガスとして消費される。ここで消費されなかった燃料ガスは、燃料ガス通流領域１０１から各アノードセパレータ２の燃料ガスマニフォールド孔１２Ｂに流出し、燃料ガスマニフォールドを流れて燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００３３】
一方、酸化剤ガス通流領域１０２は、サーペンタイン状かつ帯状に延びて、酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ａと、酸化剤ガスマニフォールド１３Ｂとの間を結ぶように形成されている。これにより、酸化剤ガスマニフォールドを流れる酸化剤ガスの一部が、各カソードセパレータ３の酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ａから酸化剤ガス通流領域１０２に導かれる。こうして導かれた酸化剤ガスは、酸化剤ガス通流領域１０２を流れる間に、ＭＥＡ１において発電ガスとして消費される。ここで消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス通流領域１０２から各かソードセパレータ３の酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ｂに流出し、酸化剤ガスマニフォールドを流れて燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００３４】
なお、燃料電池セル１０の温度を適温に保つための冷却水は、一対の冷却水マニフォールドを介してカソードセパレータ３の裏面（上記表面の反対面）設けられた複数の冷却水溝（図示せず）を流れるが、ここでは冷却水の通流構造の詳細な説明は省く。
【００３５】
次に、アノードセパレータ２に配設された燃料ガス通流領域１０１の構成について図面を参照して詳しく述べる。
【００３６】
図２は、アノードセパレータの表面を示した図である。
【００３７】
図３は、図２のIII−III線に沿ったアノードセパレータの断面図であり、図４は、図２の
IV−IV線に沿ったアノードセパレータの断面図であり、図５は、図２のＡ領域の拡大図で
ある。
【００３８】
なお、図２および図５において、「上」、「下」は、アノードセパレータ２を組み込んだ燃料電池スタック１００の設置状態における「上方向」、「下方向」を示し、図２において、「第１の側」および「第２の側」は、それぞれ、アノードセパレータ２を組み込んだ燃料電池スタック１００の設置状態における「右又は左方向」、「左または右方向」を示す。
【００３９】
図２から理解されるとおり、燃料ガス通流領域１０１は、アノードセパレータ２の表面の、ＭＥＡ１の電極部５に当接する領域２０１内において、サーペンタイン状に形成され、燃料ガス分流領域の集合体２１と、燃料ガス合流領域の集合体２２（図１参照）と、により構成されている。
【００４０】
燃料ガス分流領域の集合体２１は、上から下に向かって、燃料ガス流路溝２５の溝数を違えた、第１、第２、第３および第４の燃料ガス分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに区分されてなる。
【００４１】
また、燃料ガス合流領域の集合体２２には、第１の燃料ガス分流領域２１Ａと第２の燃料ガス分流領域２１Ｂとの間に介在する第１の燃料ガス合流領域２２Ａ、および第２の燃料ガス分流領域２１Ｂと第３の燃料ガス分流領域２１Ｃとの間に介在する第２の燃料ガス合流領域２２Ｂ（中間合流領域）、並びに第３の燃料ガス分流領域２１Ｃと第４の燃料ガス分流領域２１Ｄとの間に介在する第３の燃料ガス合流領域２２Ｃがある。
【００４２】
そして、燃料ガス分流領域の集合体２１は、第１、第２および第３の燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの各々を挟んで、これらの合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの上流側に位置する燃料ガス分流領域の集合体２１の燃料ガス流路溝２５の溝数がその下流側に位置する燃料ガス分流領域の集合体２１の燃料ガス流路溝２５の溝数よりも多くなるように、第１、第２、第３および第４の燃料ガス分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに区分して構成されている。
【００４３】
ここで、第１、第２および第３の燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの配置箇所および第１、第２、第３および第４の燃料ガス分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの燃料ガス流路溝２５の溝数は、燃料ガス流路溝２５を流れる燃料ガスの発電消費量を勘案して、第１、第２、第３および第４の燃料ガス分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの各々の燃料ガス流路溝２５を流れる燃料ガスの流速が、凝縮水排出に適した速度となり、かつ互いに一致するように決定されている。
【００４４】
斯かる構成により、燃料ガスの電極部５への面内供給均一化が図れると共に、燃料電池発電に起因して発生する凝縮水の、燃料ガスによる排水性能が、燃料ガス量が少なくかつ凝縮水の溜まり易い下流側（燃料ガスマニフォールド孔１２Ｂ近傍）においても適正に確保され好適である。
【００４５】
また、この実施形態では、図２に示す如く、第１の燃料ガス合流領域２２Ａの下流側の第２の燃料ガス分流領域２１Ｂは、この第１の燃料ガス合流領域２２Ａを間に挟んで上流側の第１の燃料ガス分流領域２１Ａを折り返すように構成されているが、両端部に位置する折り返し部の全てに、燃料ガス合流領域を設けるようには構成されていない。
【００４６】
すなわち、アノードセパレータ２は、燃料ガス流路溝２５を流れる燃料ガスの流速を凝縮水排出に適した速度に揃える観点から、窪み部（後記）に複数の突起２７が形成された燃料ガス合流領域からなる折り返し部と、コの字状に曲がった複数の燃料ガス流路溝２５からなる折り返し部とが、混在するようになっている。
【００４７】
より詳しくは、本実施形態では、第１の燃料ガス分流領域２１Ａでは、６列の燃料ガス流路溝２５が、第２の側の燃料ガスマニフォールド孔１２Ａから第１の側に延びて、２箇所で１８０°折り返すようにして、第１の燃料ガス合流領域２２Ａに至るように構成されている。
【００４８】
また、第２の燃料ガス分流領域２１Ｂでは、５列の燃料ガス流路溝２５が、第１の側の折り返し部に位置する第１の燃料ガス合流領域２２Ａの下流側から第２の側に延びて、２箇所で１８０°折り返すようにして、第２の燃料ガス合流領域２２Ｂに至るように構成されている。
【００４９】
また、第３の燃料ガス分流領域２１Ｃでは、４列の燃料ガス流路溝２５が、第２の側の折り返し部に位置する第２の燃料ガス合流領域２２Ｂの下流側から第１の側に延びて、２箇所で１８０°折り返すようにして、第３の燃料ガス合流領域２２Ｃに至るように構成されている。
【００５０】
また、第４の燃料ガス分流領域２１Ｄでは、３列の燃料ガス流路溝２５が、第１の側の折り返し部に位置する第３の燃料ガス合流領域２２Ｃの下流側から第２の側に延びて、５箇所で１８０°折り返すようにして燃料ガスマニフォールド孔１２Ｂに至るように構成されている。
【００５１】
また、図３に示す如く、第１の燃料ガス分流領域２１Ａの横断面は、均等なピッチＰ１および均等な幅Ｗ１、Ｗ２並びに均等な段差Ｄ１を有する複数（ここでは６個）の凹部２５と複数（ここでは６個）の凸部２６からなる凹凸パターンが形成されるように構成されており、この凹部２５が燃料ガス流路溝２５に相当し、この凸部２６が電極部５に接触してこれを支持するリブ（電極支持部）に相当する。
【００５２】
このようなアノードセパレータ２の断面構成によれば、ＭＥＡ１の電極部５が、第１の燃料ガス分流領域２１Ａの凸部２６に当接し、これにより、電極部５は、均等なピッチＰ１および均等な幅Ｗ２並びに均等な段差Ｄ１を有して配設された凸部２６の頂面で均等に支持される。また、電極部５が、均等なピッチＰ１および均等な幅Ｗ１並びに均等な段差Ｄ１を有して配設された燃料ガス流路溝２５の内部に、等しく垂れ込む。
【００５３】
斯かる構成により、第１の燃料ガス分流領域２１Ａの燃料ガス流路溝２５に燃料ガスを流す際に、複数の燃料ガス流路溝２５の間の燃料ガス圧損不均一性が抑制され好適である。また、電極部５における燃料ガス拡散の面内（電極部５の厚み方向に垂直な方向における）不均一性が抑制され好適である。
【００５４】
なお、第２、第３および第４の燃料ガス分流領域２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの横断面の構成は、ここで述べた構成と同じため、これらの説明は省略する。
【００５５】
また、図４および図５から理解されるとおり、第２の燃料ガス合流領域２２Ｂは、燃料ガス流路溝２５（凹部２５）に連通する窪み部２８（凹状の領域）と、この窪み部２８の底面に立設された複数の島状（ここでは円柱状）の突起２７と、により構成されている。
【００５６】
窪み部２８は、アノードセパレータ２の表面に、サーペンタイン状の燃料ガス通流領域１０１の第２の側の折り返し部に位置するように形成されている。この窪み部２８は、アノードセパレータ２の表面から見て、上下方向に延びる底辺２８ａと、この底辺２８ａとの間に略４５度の挟角を有する一対の斜辺２８ｂ、２８ｃと、を有する略直角三角形状に形成されている。そして、この底辺２８ａが燃料ガス通流領域１０１の折り返し部の外端（側縁）を構成し、上側の斜辺２８ｂが第２の燃料ガス分流領域２１Ｂとの境界を構成し、下側の斜辺２８ｃが第３の燃料ガス分流領域２１Ｃとの境界を構成している。第２の燃料ガス分流領域２１Ｂの各燃料ガス流路溝２５は上側の斜辺２８ｂにおいて窪み部２８と連通し、第３の燃料ガス分流領域２１Ｃの各燃料ガス流路溝２５は下側の斜辺２８ｃにおいて窪み部２８と連通している。なお、窪み部２８は、ここでは、燃料ガス流路溝２５と同じ深さに形成されている。
【００５７】
突起２７は、図４および図５に示すように、第２及び第３の燃料ガス分流領域２１Ｂ、２１Ｃの各凹部２５（燃料ガス流路溝２５；但し、最上段、２段および最下段の凹部２５を除く。）の延長線上に、均等なピッチＰ２で複数（ここでは１２個）形成されている。このピッチＰ２は、ここでは、各燃料ガス分流領域２１Ｂ、２１Ｃの凸部２６のピッチＰ１と同じである。また、全ての突起２７が均等な高さ（段差）Ｄ２及び同じ形状を有している。
【００５８】
突起２７は、燃料ガスを混合するガス流邪魔片として機能するとともにＭＥＡ１の電極部５の支持部（リブ）として機能する。
【００５９】
突起２７を斯かる配置にすれば、燃料ガス流路溝２５の各々から第２の燃料ガス合流領域２２Ｂに入った直後の燃料ガスは、図５の矢印で示すように、直接に突起２７に当たることが期待される。
【００６０】
また、燃料ガス流路溝２５（凹部２５）の中心線上に、円柱状の突起２７の中心軸が位置していることが望ましい。また、突起２７の中心軸に垂直な断面の直径を、燃料ガス流路溝２５（凹部２５）の幅にほぼ等しくすることが望ましい。これにより、燃料ガスをより効果的に突起２７に当たるようになる。
【００６１】
なお、第１および第３の燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｃの構成は、ここで述べた構成と同じため（窪み部２８の形状は正確には相似形）、これらの構成の説明は省略する。
【００６２】
このようなアノードセパレータ２（特に燃料ガス合流領域の構成）によれば、複数の燃料ガス流路溝２５の間の燃料ガス混合および燃料ガス流速均一性並びに燃料ガス圧均一化について、以下に述べる効果が得られる。
【００６３】
第１に、燃料ガス合流領域の集合体２２に島状に配され、かつ燃料ガス流路溝２５の延長線上に存在する複数の突起２７によれば、燃料ガス分流領域の集合体２１の各燃料ガス流路溝２５から燃料ガス合流領域の集合体２２に流入する燃料ガスは、図５の矢印で示す如く、その流入直後に突起２７に直接当たって、これにより、燃料ガスの流れが乱され、複数の燃料ガス流路溝２５の間の燃料ガスが互いに適正に混合される。
【００６４】
第２に、第１、第２および第３の燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを、燃料ガス分流領域に対し斜めの直線状境界を有するように形成したことにより、例えば、燃料ガスは、第２の燃料ガス合流領域２２Ｂ内を均一に流れ、ここの下流側の燃料ガス流路溝２５（第３の燃料ガス分流領域２１Ｃの燃料ガス流路溝２５）への燃料ガス分配性は悪化すること無く、燃料ガス流速の均一性が維持される。
【００６５】
第３に、第１、第２および第３の燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを略三角形に区画したことにより、第１の燃料ガス合流領域２２Ａと第２の燃料ガス合流領域２２Ｂとの間を繋ぐ第２の燃料ガス分流領域２１Ｂの５列の燃料ガス流路溝２５の各々の流路長が互いに等しく設定され、これにより、これらの燃料ガス流路溝２５を流れる燃料ガスの流速均一化は阻害されない。同様に、第２の燃料ガス合流領域２２Ｂと第３の燃料ガス合流領域２２Ｃとの間を繋ぐ第３の燃料ガス分流領域２１Ｃの４列の燃料ガス流路溝２５の各々の流路長が互いに等しく設定され、これにより、これらの燃料ガス流路溝２５を流れる燃料ガスの流速均一化は阻害されない。
【００６６】
第４に、燃料ガス合流領域の集合体２２において、燃料ガス分流領域の集合体２１の燃料ガス流路溝２５の各々が全て集められて、ここで燃料ガスの圧力均一化を図れる。
【００６７】
第５に、各燃料ガス分流領域２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに必要な燃料ガス流路溝２５の溝数が、その溝数を任意に可変可能な中継部としての機能を果たす各燃料ガス合流領域２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃにおいて細かく調整可能になり、延いては、燃料ガスが燃料ガス流路溝２５を流れる際の燃料ガスの消費量を考慮した、燃料ガス流速の微調整を行える。
【００６８】
次に、カソードセパレータ３に配設された酸化剤ガス通流領域１０２の構成について図面を参照して詳しく述べる。
【００６９】
図６は、カソードセパレータの表面を示した図である。
【００７０】
図７は、図６のVII−VII線に沿ったカソードセパレータの断面図であり、図８は、図６の
VIII−VIII線に沿ったカソードセパレータの断面図であり、図９は、図６のＣ領域の拡大図で
ある。
【００７１】
なお、図６および図９において、「上」、「下」は、それぞれ、カソードセパレータ３を組み込んだ燃料電池スタック１００の設置状態における「上方向」、「下方向」を示し、図６において、「第１の側」および「第２の側」は、それぞれ、カソードセパレータ３を組み込んだ燃料電池スタック１００の設置状態における「右又は左方向」、「左または右方向」を示す。
【００７２】
図６から理解されるとおり、酸化剤ガス通流領域１０２は、カソードセパレータ３の表面の、ＭＥＡ１の電極部５に当接する領域２０２内において、サーペンタイン状に形成され、酸化剤ガス分流領域の集合体３１と、酸化剤ガス合流領域の集合体３２（図１参照）と、により構成されている。
【００７３】
酸化剤ガス分流領域の集合体３１は、上から下に向かって酸化剤ガス流路溝３５の溝数を違えた、第１、第２、第３、第４および第５の酸化剤ガス分流領域３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅに区分されてなる。
【００７４】
また、酸化剤ガス合流領域の集合体３２には、第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａと第２の酸化剤ガス分流領域３１Ｂとの間に介在する第１の酸化剤ガス合流領域３２Ａ、および第２の酸化剤ガス分流領域３１Ｂと第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃとの間に介在する第２の酸化剤ガス合流領域３２Ｂ（中間合流領域）、並びに第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃと第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄとの間に介在する第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃ（中間合流領域）、並びに第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄと第５の酸化剤ガス分流領域３１Ｅとの間に介在する第４の酸化剤ガス合流領域３２Ｄがある。
【００７５】
このような第１、第２、第３および第４の酸化剤ガス合流領域３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄに配置箇所および第１、第２、第３、第４および第５の酸化剤ガス分流領域３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅの酸化剤ガス流路溝３５の溝数は、酸化剤ガス流路溝３５を流れる酸化剤ガスの発電消費量を勘案して、第１、第２、第３、第４および第５の酸化剤ガス分流領域３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅの各々の酸化剤ガス流路溝３５を流れる酸化剤ガスの流速が、凝縮水排出に適した流速となり、かつ互いに一致するように決定されている。
【００７６】
斯かる構成により、酸化剤ガスの電極部５への面内供給均一化を図れると共に、燃料電池発電に起因して発生する凝縮水の、酸化剤ガスによる排水性能が、酸化剤ガス量が少なくかつ凝縮水の溜まり易い下流側（酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ｂ近傍）においても適正に確保され好適である。
【００７７】
また、この実施形態では、図６に示す如く、第１の酸化剤ガス合流領域３２Ａの下流側の第２の酸化剤ガス分流領域３１Ｂは、この第１の酸化剤ガス合流領域２２Ａを間に挟んで上流側の第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａを折り返すように構成されているが、両端部に位置する折り返し部の全てに、酸化剤ガス合流領域を設けるようには構成されていない。
【００７８】
すなわち、カソードセパレータ３は、酸化剤ガス流路溝３５を流れる酸化剤ガスの流速を凝縮水排出に適した速度に揃える観点から、窪み部（後記）に複数の突起３７が形成された酸化剤ガス合流領域からなる折り返し部と、コの字状に曲がった複数の酸化剤ガス流路溝３５からなる折り返し部とが、混在するようになっている。
【００７９】
より詳しくは、本実施形態では、第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａでは、１１列の酸化剤ガス流路溝３５が、第２の側の酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ａから第１の側に延びて、第１の酸化剤ガス合流領域３２Ａに至るように構成されている。
【００８０】
また、第２の酸化剤ガス分流領域３１Ｂでは、１０列の酸化剤ガス流路溝３５が、第１の側の折り返し部に位置する第１の酸化剤ガス合流領域３２Ａの下流側から第２の側に延びて、１箇所で１８０°折り返すようにして、第２の酸化剤ガス合流領域３２Ｂに至るように構成されている。
【００８１】
また、第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃでは、９列の酸化剤ガス流路溝３５が、第１の側の折り返し部に位置する第２の酸化剤ガス合流領域３２Ｂの下流側から第２の側に延びて、第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃに至るように構成されている。
【００８２】
また、第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄでは、８列の酸化剤ガス流路溝３５が、第２の側の折り返し部に位置する第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃの下流側から第１の側に延びて、１箇所で１８０°折り返すようにして、第４の酸化剤ガス合流領域３２Ｄに至るように構成されている。
【００８３】
また、第５の酸化剤ガス分流領域３１Ｅでは、７列の酸化剤ガス流路溝３５が、第２の側の折り返し部に位置する第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｄの下流側から第２の側に延びて、酸化剤ガスマニフォールド孔１３Ｂに至るように構成されている。
【００８４】
また、図７に示す如く、第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａの横断面は、均等なピッチＰ２および均等な幅Ｗ３、Ｗ４並びに均等な段差Ｄ３を有する複数（ここでは１１個）の凹部３５と複数（ここでは１１個）の凸部３６からなる凹凸パターンが形成されるように構成されており、この凹部３５が酸化剤ガス流路溝３５に相当し、この凸部３６が電極部５に接触してこれを支持するリブ（電極支持部）に相当する。
【００８５】
このようなカソードセパレータ３の断面構成によれば、ＭＥＡ１の電極部５が、第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａの凸部３６に当接し、これにより、電極部５は、均等なピッチＰ３および均等な幅Ｗ４並びに均等な段差Ｄ３を有して配設された凸部３６の頂面で均等に支持される。また、電極部５が、均等なピッチＰ３および均等な幅Ｗ３並びに均等な段差Ｄ３を有して配設された酸化剤ガス流路溝３５の内部に、等しく垂れ込む。
【００８６】
斯かる構成により、第１の酸化剤ガス分流領域３１Ａの酸化剤ガス流路溝３５に酸化剤ガスを流す際に、複数の酸化剤ガス流路溝３５の間の酸化剤ガス圧損不均一性が抑制され好適である。また、電極部５における酸化剤ガス拡散の面内（電極部５の厚み方向に垂直な方向における）不均一性が抑制され好適である。
【００８７】
なお、第２、第３、第４および第５の酸化剤ガス分流領域３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅの横断面の構成は、ここで述べた構成と同じため、これらの説明は省略する。
【００８８】
また図８および図９から理解されるとおり、第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃは、酸化剤ガス流路溝３５（凹部３５）に連通する窪み部３８（凹状の領域）と、この窪み部３８の底面に立設された複数の島状（ここでは円柱状）の突起３７と、により構成されている。
【００８９】
窪み部３８は、カソードセパレータ３の表面に、サーペンタイン状の酸化剤ガス通流領域１０２の第２の側の折り返し部に位置するように形成されている。この窪み部３８は、カソードセパレータ３の表面から見て、上下方向に延びる底辺３８ａと、この底辺３８ａとの間に略４５度の挟角を有する一対の斜辺３８ｂ、３８ｃと、を有する略直角三角形状に形成されている。そして、この底辺３８ａが酸化剤ガス通流領域１０２の折り返し部の外端（側縁）を構成し、上側の斜辺３８ｂが第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃとの境界を構成し、下側の斜辺３８ｃが第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄとの境界を構成している。第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃの各酸化剤ガス流路溝３５は上側の斜辺３８ｂにおいて窪み部３８と連通し、第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄの各酸化剤ガス流路溝３５は下側の斜辺３８ｃにおいて窪み部３８と連通している。なお、窪み部３８は、ここでは酸化剤ガス流路溝３５と同じ深さに形成されている。
【００９０】
突起３７は、図８および図９に示すように、第３及び第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｃ、３１Ｄの各凹部３５（酸化剤ガス流路溝３５；但し、最上段、２段、最下段の凹部３５を除く。）の延長線上に、均等なピッチＰ４で複数（ここでは５６個）形成されている。このピッチＰ４は、ここでは、各酸化剤ガス分流領域３１Ｃ、３１Ｄの凸部３６のピッチＰ３と同じである。また、図８に示す如く、全ての突起３７が均等な高さ（段差）Ｄ４及び同じ形状を有している。
【００９１】
突起３７は、酸化剤ガスを混合するガス流邪魔片として機能するとともにＭＥＡ１の電極部５の支持部（リブ）として機能する。
【００９２】
突起３７を斯かる配置にすれば、酸化剤ガス流路溝３５の各々から第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃに入った直後の酸化剤ガスは、図９の矢印で示すように、直接に突起３７に当たることが期待される。
【００９３】
また、酸化剤ガス流路溝３５（凹部３５）の中心線上に、円柱状の突起３７の中心軸が位置していることが望ましい。更に、突起３７の中心軸に垂直な断面の直径を、酸化剤ガス流路溝３５（凹部３５）の幅に等しくすることが望ましい。これにより、酸化剤ガスをより効果的に突起３７に当たるようになる。
【００９４】
なお、第１、第２および第４の酸化剤ガス合流領域３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｄの断面および平面視の構成は、ここで述べた構成と同じため（窪み部３８の形状は正確には相似形）、これらの構成の説明は省略する。
【００９５】
このようなカソードセパレータ３（特に酸化剤ガス合流領域の構成）によれば、複数の酸化剤ガス流路溝３５の間の酸化剤ガス混合および酸化剤ガス流速均一性並びに酸化剤ガス圧均一化について、以下に述べる効果が得られる。
【００９６】
第１に、酸化剤ガス合流領域の集合体３２に島状に配され、かつ酸化剤ガス流路溝３５の延長線上に存在する複数の突起３７によれば、酸化剤ガス分流領域の集合体３１の各酸化剤ガス流路溝３５から酸化剤ガス合流領域の集合体３２に流入する酸化剤ガスは、図９の矢印で示す如く、その流入直後に突起３７に直接当たって、これにより、酸化剤ガスの流れが乱され、複数の酸化剤ガス流路溝３５の間の酸化剤ガスが互いに適正に混合される。
【００９７】
第２に、第１、第２、第３および第４の酸化剤ガス合流領域３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを酸化剤ガス分流領域に対し斜めの直線状の境界を有するように形成したことにより、例えば、酸化剤ガスは、第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃ内を均一に流れ、ここの下流側の酸化剤ガス流路溝３５（第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄの酸化剤ガス流路溝３５）への酸化剤ガス分配性は悪化すること無く、酸化剤ガス流速の均一性が維持される。
【００９８】
第３に、例えば第２、第３および第４の酸化剤ガス合流領域３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを略三角形に区画したことにより、第２の酸化剤ガス合流領域３２Ｂと第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃとの間を繋ぐ第３の酸化剤ガス分流領域３１Ｃの９列の酸化剤ガス流路溝３５の各々の流路長が互いに等しく設定され、これにより、これらの酸化剤ガス流路溝３５を流れる酸化剤ガスの流速均一化は阻害されない。
【００９９】
同様に、第３の酸化剤ガス合流領域３２Ｃと第４の酸化剤ガス合流領域３２Ｄとの間を繋ぐ第４の酸化剤ガス分流領域３１Ｄの８列の酸化剤ガス流路溝３５の各々の流路長が互いに等しく設定され、これにより、これらの酸化剤ガス流路溝３５を流れる酸化剤ガスの流速均一化は阻害されない。
【０１００】
第４に、酸化剤ガス合流領域の集合体３２において、酸化剤ガス分流領域の集合体３１の酸化剤ガス流路溝３５の各々が全て集められて、ここで酸化剤ガスの圧力均一化を図れる。
【０１０１】
第５に、各酸化剤ガス分流領域３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅに必要な酸化剤ガス流路溝３５の溝数が、その溝数を任意に可変可能な中継部としての機能を果たす各酸化剤ガス合流領域３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄにおいて細かく調整可能になり、延いては、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路溝３５を流れる際の酸化剤ガスの消費量を考慮した、酸化剤ガスの流速の微調整が行える。
【０１０２】
次に、本実施の形態による燃料電池セル１０の動作例を説明する。
【０１０３】
アノードセパレータ２に当接する電極部５は、図３に示す如く、複数の燃料ガス流路溝２５（凹部２５）の上端開口において、これらの燃料ガス流路溝２５の各々を均一な流速で通流する燃料ガスに曝されている。
【０１０４】
また、カソードセパレータ３に当接する電極部５は、図７に示す如く、複数の酸化剤ガス流路溝３５（凹部３５）の上端開口において、これらの酸化剤ガス流路溝３５の各々を均一な流速で通流する酸化剤ガスに曝されている。
【０１０５】
更に、アノードセパレータ２の燃料ガス合流領域の集合体２２において複数の燃料ガス流路溝２５間の燃料ガスの混合が適正に行われ、カソードセパレータ３の酸化剤ガス合流領域の集合体３２において複数の酸化剤ガス流路溝３５間の酸化剤ガスの混合が適正に行われる。
【０１０６】
このため、燃料ガスが燃料ガス通流領域１０１を流れる間に、電極部５の面内全域において、この電極部５の中に均一に燃料ガスが拡散し、酸化剤ガスが酸化剤ガス通流領域１０２を流れる間に、電極部５の面内全域において、この電極部５の中に均一に酸化剤ガスが拡散する。よって、燃料電池セル１０による発電動作が、電極部５の面内全域で均一に行われる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明による燃料電池用セパレータは、発電ガス混合性能を改善でき、例えば、高分子電解質型燃料電池に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池セルの構造を分解して模式的に示した斜視図である。
【図２】アノードセパレータの表面を示した図である。
【図３】図２のIII−III線に沿ったアノードセパレータの断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿ったアノードセパレータの断面図である。
【図５】図２のＡ領域の拡大図である。
【図６】カソードセパレータの表面を示した図である。
【図７】図６のVII−VII線に沿ったカソードセパレータの断面図である。
【図８】図６のVIII−VIII線に沿ったカソードセパレータの断面図であり、
【図９】図６のＣ領域の拡大図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１                            ＭＥＡ
２                            アノードセパレータ
３                            カソードセパレータ
４                            ボルト孔
５                            電極部
６                            高分子電解質膜
６ａ                          周縁部
１０                          燃料電池セル
１２Ａ、１２Ｂ                燃料ガスマニフォールド孔
１３Ａ、１３Ｂ                酸化剤ガスマニフォールド孔
１４Ａ、１４Ｂ                水マニフォールド孔
２１                          燃料ガス分流領域の集合体
２１Ａ                        第１の燃料ガス分流領域
２１Ｂ                        第２の燃料ガス分流領域
２１Ｃ                        第３の燃料ガス分流領域
２１Ｄ                        第４の燃料ガス分流領域
２２                          燃料ガス合流領域の集合体
２２Ａ                        第１の燃料ガス合流領域
２２Ｂ                        第２の燃料ガス合流領域
２２Ｃ                        第３の燃料ガス合流領域
２５                          燃料ガス流路溝（凹部）
２６、３６                    凸部
２７、３７                    突起
２８、３８                    窪み部
２８ａ、３８ａ                底辺
２８ｂ、２８ｃ、３８ｂ、３８ｃ斜辺
３１                          酸化剤ガス分流領域の集合体
３１Ａ                        第１の酸化剤ガス分流領域
３１Ｂ                        第２の酸化剤ガス分流領域
３１Ｃ                        第３の酸化剤ガス分流領域
３１Ｄ                        第４の酸化剤ガス分流領域
３１Ｅ                        第５の酸化剤ガス分流領域
３２                          酸化剤ガス合流領域の集合体
３２Ａ                        第１の酸化剤ガス合流領域
３２Ｂ                        第２の酸化剤ガス合流領域
３２Ｃ                        第３の酸化剤ガス合流領域
３２Ｄ                        第４の酸化剤ガス合流領域
３５                          酸化剤ガス流路溝（凹部）
４０                          端板
１００                        燃料電池スタック
１０１                        燃料ガス通流領域
１０２                        酸化剤ガス通流領域
２０１、２０２                領域
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４        ピッチ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４        段差
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４        幅
【図１】
2007048486.tif 000003
【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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