(57)【要約】【課題】本発明は、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることを目的とする。【解決手段】燃料電池用のセパレータは、ガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を形成するためのガス供給流路形成部と、ガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を形成するためのガス排出流路形成部と、ガス供給流路の内部の液体をガス排出経路に移動させるための液体移動流路を形成するための液体移動流路形成部と、を備える。【選択図】図３
2012099382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のセパレータであって、
前記膜電極接合体にガスを供給するためのガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を形成するためのガス供給流路形成部と、
前記膜電極接合体からガスを排出させるためのガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を形成するためのガス排出流路形成部と、
一方の端部が前記ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記ガス排出流路に接続され、前記ガス供給流路の内部の液体を前記ガス排出経路に移動させるための液体移動流路を形成するための液体移動流路形成部と、を備えるセパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のセパレータにおいて、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する溝形状を有し、ガスの流通方向がともに前記第１の方向となるようにして、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って交互に並んで配置され、
前記セパレータは、さらに、
前記ガス供給流路形成部と前記ガス排出流路形成部により形成されるリブの頂部に形成される領域であって、前記第１の方向に沿って延伸するリブ領域を備え、
前記液体移動流路形成部は、直線状に形成された溝形状を有し、前記リブ領域に形成されている、セパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載のセパレータにおいて、
前記第２の方向は、鉛直方向であり、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、前記第１の方向に沿って延伸する一対の側面部と、前記一対の側面部の互いの端部を繋ぐ閉塞面部と、を備え、
前記リブ領域は、前記ガス供給流路形成部の前記側面部と、前記ガス排出流路形成部の前記側面部との間に形成され、
前記液体移動流路形成部は、前記リブ領域のうち、上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域にのみ形成されている、セパレータ。
【請求項４】
請求項３に記載のセパレータにおいて、
前記液体移動流路形成部は、前記リブ領域の前記第１の方向における中心位置よりも前記ガスの流通方向の下流側に一つ形成されている、セパレータ。
【請求項５】
燃料電池であって、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセパレータを含む燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、少なくとも、膜電極接合体のアノード側に前記液体移動流路形成部が形成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、電解質膜および一対の電極（アノードおよびカソード）を含む複数の発電体が、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを分離するためのセパレータを介して積層されたスタック構造の形態で利用される。セパレータには、積層されたときに、反応ガスや冷却媒体（例えば冷却液）などの流体を流通させるための流路を構成する溝などの流路形成部を表面に備えたものが知られている。
【０００３】
この流路形成部を備えるセパレータには、積層されたときに、膜電極接合体に供給するための供給ガスを流通させるための供給側の流路と、膜電極接合体から排出される排出ガスを流通させるための排出側の流路とが分離した流路が形成され、供給側の流路を流通する供給ガスが膜電極接合体などの積層体の内部を経由せずに直接的に排出側の流路に移動することを抑制するものが知られている。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１４３８６号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
しかし、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池では、発電により生じた生成水などの液体が、供給側の流路内部で滞留することがあった。この滞留した液体により、供給側の流路や積層体の内部において、供給側の流路から流入したガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性効率が低下する虞があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池用のセパレータであって、
前記膜電極接合体にガスを供給するためのガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を形成するためのガス供給流路形成部と、
前記膜電極接合体からガスを排出させるためのガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を形成するためのガス排出流路形成部と、
一方の端部が前記ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記ガス排出流路に接続され、前記ガス供給流路の内部の液体を前記ガス排出経路に移動させるための液体移動流路を形成するための液体移動流路形成部と、を備えるセパレータ。
【０００９】
この構成によれば、セパレータは、ガス供給流路とガス排出経路との間において、ガス供給流路の内部の液体をガス排出経路に移動させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載のセパレータにおいて、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する溝形状を有し、ガスの流通方向がともに前記第１の方向となるようにして、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って交互に並んで配置され、
前記セパレータは、さらに、
前記ガス供給流路形成部と前記ガス排出流路形成部により形成されるリブの頂部に形成される領域であって、前記第１の方向に沿って延伸するリブ領域を備え、
前記液体移動流路形成部は、直線状に形成された溝形状を有し、前記リブ領域に形成されている、セパレータ。
【００１１】
この構成によれば、セパレータは、リブ領域に溝形状の液体移動流路形成部を備えているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例２に記載のセパレータにおいて、
前記第２の方向は、鉛直方向であり、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、前記第１の方向に沿って延伸する一対の側面部と、前記一対の側面部の互いの端部を繋ぐ閉塞面部と、を備え、
前記リブ領域は、前記ガス供給流路形成部の前記側面部と、前記ガス排出流路形成部の前記側面部との間に形成され、
前記液体移動流路形成部は、前記リブ領域のうち、上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域にのみ形成されている、セパレータ。
【００１３】
この構成によれば、セパレータは、リブ領域のうち、重力方向上端側がガス供給流路形成部の側面部と接し、下端側がガス排出流路形成部の側面部と接しているリブ領域にのみ液体移動流路形成部が形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例３に記載のセパレータにおいて、
前記液体移動流路形成部は、前記リブ領域の前記第１の方向における中心位置よりも前記ガスの流通方向の下流側に一つ形成されている、セパレータ。
【００１５】
この構成によれば、セパレータは、リブ領域において、第１の方向におけるリブ領域の中心位置よりもガスの流通方向の下流側に一つ液体移動流路形成部が形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池であって、
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載のセパレータを含む燃料電池。
【００１７】
この構成によれば、燃料電池は、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備えていても、ガス供給流路の内部の液体をガス排出経路に移動させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、少なくとも、膜電極接合体のアノード側に前記液体移動流路形成部が形成されている、燃料電池。
【００１９】
この構成によれば、燃料電池は、少なくともアノード側において、ガス供給流路の内部の液体をガス排出経路に移動させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００２０】
なお、本発明は、種々の態様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、燃料電池用セパレータを備える燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池システムを備える自動車等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】
【００２１】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】単セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】アノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。
【図４】ガス供給支流路溝およびガス排出支流路溝を斜視的に示した説明図である。
【図５】液体移動流路溝の形状を説明するための説明図である。
【図６】液体移動流路溝の機能の一例を説明するための説明図である。
【図７】アノードガス流路におけるガスの圧力分布とガス拡散層におけるガスの流量分布を例示した説明図である。
【図８】変形例１における液体移動流路溝の形状を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料電池１００に供給する水素を貯蔵する水素タンク５０と、燃料電池１００に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ６０と、燃料電池システム１０全体の制御をおこなう制御部８０を含んでいる。
【００２４】
燃料電池１００は、それぞれ長方形状を有する、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、単セル１４０とを備え、積層された複数の単セルの両側にそれぞれ集電板１３０、絶縁板１２０およびエンドプレート１１０がこの順に配置されている。燃料電池１００としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池１００として固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池１００は、複数の単セル１４０が積層されたスタック構造を有している。単セル１４０は燃料電池１００における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例において、各単セル１４０の構成や仕様は互いに同一である。各セルの具体的な構成は図２を用いて後述する。本実施例では、長方形状を有する単セル１４０の長手方向を「ｘ方向」、単セル１４０の短手方向を「ｙ方向」、単セル１４０の積層方向を「ｚ方向」とも呼ぶ。ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向は互いに直交する。
【００２５】
水素タンク５０に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁５１によって減圧された後に水素ガス供給路５３に放出され、水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）は、後述するアノードガス供給マニホールドを介して各単セル１４０に供給され、各単セル１４０における発電に利用される。各単セル１４０において利用されなかった水素を含有するガス（アノード排ガス）は、後述するアノードガス排出マニホールドを介して集約され、アノード排ガス路５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを供給側に再循環させる構成としてもよい。
【００２６】
エアコンプレッサ６０は、外部から取り込んだ酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路６１を介して燃料電池１００に供給する。燃料電池１００に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）は、後述するカソードガス供給マニホールドを介して各単セル１４０に供給され、各単セル１４０における発電に利用される。各単セル１４０において利用されなかった空気（カソード排ガス）は、後述するカソードガス排出マニホールドを介して集約され、カソード排ガス路６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。
【００２７】
冷媒循環ポンプ７１は、冷媒循環流路７２を介して、燃料電池１００に冷媒を供給する。燃料電池１００で暖められた冷媒は、ラジエータ７０で冷却され、再び燃料電池１００に供給される。冷媒は、後述する冷媒供給マニホールドを介して各単セル１４０に導かれ、各単セル１４０を冷却する。各単セル１４０を冷却した後の冷媒は、後述する冷媒排出マニホールドを介して集約され、冷媒循環流路７３を介してラジエータ７０に循環される。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施例では、冷媒として液体を用いているが、冷媒として空気を用いる構成であってもよい。
【００２８】
制御部８０は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部８０は、燃料電池システム１０の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受領し、受領した信号に基づき燃料電池システム１０全体の制御を行う。
【００２９】
Ａ−２．燃料電池の概略構成：
図２は、単セルの概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池１００の単セル１４０は、電解質膜２１２の各面にアノード２１４およびカソード２１５の電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）２１０を含む発電体２００を、一対のセパレータ（カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００）によって挟持した構成を有している。発電体２００は、アノード２１４の外側に配置されたアノード側拡散層２２６と、カソード２１５の外側に配置されたカソード側拡散層２２７と、を含んでいる。アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置され、それぞれ反応ガスとしての水素ガスもしくは空気を拡散させつつアノード２１４やカソード２１５に供給する。なお、発電体２００は、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の少なくとも一方の外側に金属多孔体（例えばエキスパンドメタル）やカーボン多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成された多孔体流路層を備えていてもよい。
【００３０】
電解質膜２１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード２１５およびアノード２１４は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。
【００３１】
カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、例えば、カーボン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、プレス成形したステンレス鋼など、ガス不透過の導電性部材によって形成されている。カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。カソード側セパレータ３００は、カソード側拡散層２２７との間に、カソード供給ガスが流通するカソードガス供給流路ＣＳＣと、カソード排ガスが流通するカソードガス排出流路ＣＥＣとを形成する。アノード側セパレータ４００は、アノード側拡散層２２６との間に、アノード供給ガスが流通するアノードガス供給流路ＡＳＣと、アノード排ガスが流通するアノードガス排出流路ＡＥＣとを形成する。また、カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、２つの発電体２００の間において、重ねて配置され、カソード側セパレータ３００と、アノード側セパレータ４００との間に冷媒が流通する冷媒流路ＬＦＣを形成する。セパレータの具体的な構成は図３〜５を用いて後述する。
【００３２】
水素タンク５０から放出された水素を含むアノード供給ガスは、水素ガス供給路５３および後述するアノードガス供給マニホールドを経由してアノードガス供給流路ＡＳＣに流入する。アノードガス供給流路ＡＳＣを流通するアノード供給ガスは、アノード側拡散層２２６で拡散されつつアノード２１４に供給され、電気化学反応に供される。一方、アノード側拡散層２２６で拡散されたアノード供給ガスのうち、電気化学反応に供されなかったアノード供給ガスを含むアノード排ガスは、アノード側拡散層２２６からアノードガス排出流路ＡＥＣに流入する。アノードガス排出流路ＡＥＣを流通するアノード排ガスは、後述するアノードガス排出マニホールドおよびアノード排ガス路５４を経由して燃料電池１００の外部に放出される。
【００３３】
エアコンプレッサ６０から供給された酸素を含むカソード供給ガスは、酸化ガス供給路６１および後述するカソードガス供給マニホールドを経由してカソードガス供給流路ＣＳＣに流入する。カソードガス供給流路ＣＳＣを流通するカソード供給ガスは、カソード側拡散層２２７で拡散されつつカソード２１５に供給され、電気化学反応に供される。一方、カソード側拡散層２２７で拡散されたカソード供給ガスのうち、電気化学反応に供されなかったカソード供給ガスを含むカソード排ガスは、カソード側拡散層２２７からカソードガス排出流路ＣＥＣに流入する。カソードガス排出流路ＣＥＣを流通するカソード排ガスは、後述するカソードガス排出マニホールドおよびカソード排ガス路６３を経由して燃料電池１００の外部に放出される。
【００３４】
冷媒循環ポンプ７１から送られる冷媒Ｌｃは、冷媒循環流路７２および後述する冷媒供給マニホールドを経由して冷媒流路ＬＦＣに流入する。冷媒流路ＬＦＣを流通する冷媒Ｌｃは、カソード側セパレータ３００もしくはアノード側セパレータ４００を介して発電体２００から熱を吸収し、冷媒排出マニホールドを経由して冷媒循環流路７３に放出される。
【００３５】
Ａ−３．セパレータの概略構成：
図３は、アノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。本実施例では、アノード側セパレータ４００とカソード側セパレータ３００は同様の形状を有しているため、ここでは、アノード側セパレータ４００の概略構成についてのみ説明する。アノード側セパレータ４００は、長方形の板状の外形を備え、短手方向（ｙ方向）が重力方向に沿った方向となるようにして燃料電池１００に配置されている。アノード側セパレータ４００は、長手方向（ｘ方向）の両端部にマニホールドを構成するための開口部が形成されている。燃料電池１００は、アノード側セパレータ４００の他に、発電体２００の外周部に形成されている図示しない枠状部材や、カソード側セパレータ３００にも同様に開口部が形成されているため、カソード側セパレータ３００、枠状部材、アノード側セパレータ４００が積層されることにより、これらの開口部が連通して複数のマニホールドが形成されている。
【００３６】
具体的には、燃料電池１００は、燃料電池１００に供給されたアノード供給ガスを各単セル１４０に分配するアノードガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給されたカソード供給ガスを各単セル１４０に分配するカソードガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０から排出されるアノード排ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出するアノードガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０から排出されるカソード排ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出するカソードガス排出マニホールド１５４と、燃料電池１００に供給された冷媒Ｌｃを各単セル１４０に分配する冷媒供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷媒Ｌｃを集めて燃料電池１００の外部に排出する冷媒排出マニホールド１７４と、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池１００の積層方向（ｚ方向）に略平行な方向に延伸する流路である。
【００３７】
アノード側セパレータ４００は、上記の開口部の他に、ガス供給流路溝４１０と、ガス排出流路溝４２０と、液体移動流路溝４３０と、を備える。ガス供給流路溝４１０は、アノード側拡散層２２６との間にアノード供給ガスが流通するアノードガス供給流路ＡＳＣを形成する。ガス供給流路溝４１０は、ガス供給束流路溝４１１と、複数のガス供給支流路溝４１２と、を備えている。ガス供給束流路溝４１１は、アノードガス供給マニホールド１６２とガス供給支流路溝４１２とを接続し、アノードガス供給マニホールド１６２から流入するアノード供給ガスを各ガス供給支流路溝４１２に分配する。ガス供給支流路溝４１２は、アノード側セパレータ４００の長手方向（ｘ方向）に延伸した長溝状の外形を備え、一方の端部がガス供給束流路溝４１１に接続され、他方の端部が閉塞部Ｐｂにより閉塞されている。
【００３８】
一方、ガス排出流路溝４２０は、アノード側拡散層２２６との間にアノード排ガスが流通するアノードガス排出流路ＡＥＣを形成する。ガス排出流路溝４２０は、ガス排出束流路溝４２１と、複数のガス排出支流路溝４２２と、を備えている。ガス排出束流路溝４２１は、アノードガス排出マニホールド１６４とガス排出支流路溝４２２とを接続し、ガス排出支流路溝４２２から流入するアノード排ガスを集めてアノードガス排出マニホールド１６４に排出する。ガス排出支流路溝４２２は、アノード側セパレータ４００の長手方向（ｘ方向）に延伸した長溝状の外形を備え、一方の端部が閉塞部Ｐｂにより閉塞され、他方の端部がガス排出束流路溝４２１に接続されている。
【００３９】
アノード側セパレータ４００は、ガス供給流路溝４１０と、ガス排出流路溝４２０と、が直接接続された構成をとらずに、ガス供給支流路溝４１２とガス排出支流路溝４２２とがアノード側セパレータ４００の短手方向（ｙ方向）において交互に配置された、いわゆるＩＤＦＦ（Inter-Digitate Flow Field）型の流路溝を備えている。図２は、ガス供給支流路溝４１２とガス排出支流路溝４２２とが交互に配置されている領域の断面を表している。アノード側セパレータ４００は、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２が重力方向に沿って交互に並ぶように燃料電池１００に配置されている。具体的には、アノード側セパレータ４００は、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２の１つの組み合わせにおいて、ガス供給支流路溝４１２が重力方向上方側、ガス排出支流路溝４２２が重力方向下方側となる向きに配置される。ガス供給支流路溝４１２とガス排出支流路溝４２２の数は任意に設定することができる。
【００４０】
アノード側セパレータ４００は、ガス供給支流路溝４１２とガス排出支流路溝４２２との間に、両側の凹状の溝によって相対的に凸状に形成されたリブの頂部に形成された領域であるリブ領域Ａｗを複数備えている。アノード側セパレータ４００は、リブ領域Ａｗのうち、上方側の長辺がガス供給支流路溝４１２と接し、下方側の長辺がガス排出支流路溝４２２と接している第１リブ領域Ａｗ１に、液体移動流路溝４３０が形成されている。一方、アノード側セパレータ４００は、リブ領域Ａｗのうち、上方側の長辺がガス排出支流路溝４２２ガと接し、下方側の長辺がガス供給支流路溝４１２と接している第２リブ領域Ａｗ２には、液体移動流路溝４３０が形成されていない。本実施例では、液体移動流路溝４３０は、ｘ方向において、第１リブ領域Ａｗ１の中心位置よりも下流側に一つのみ形成されている。なお、液体移動流路溝４３０は、ｘ方向において、第１リブ領域Ａｗ１の中心位置よりも下流側の一部に形成されていればよく、第１リブ領域Ａｗ１の中心位置よりも下流側に複数形成されていてもよい。以後、第１リブ領域Ａｗ１と第２リブ領域Ａｗ２とを区別しないときには、２つを含めて単にリブ領域Ａｗとも呼ぶ。
【００４１】
液体移動流路溝４３０は、一方の端部がガス供給支流路溝４１２と接続され、他方の端部がガス排出支流路溝４２２と接続された細溝状の外形を備える。これにより、液体移動流路溝４３０は、アノード側拡散層２２６との間に、アノードガス供給流路ＡＳＣに滞留する生成水などの液体がアノードガス排出流路ＡＥＣに移動するためのバイパス流路を形成する。ガス供給支流路溝４１２、ガス排出支流路溝４２２、および、液体移動流路溝４３０のさらに具体的な形状について、図４〜図５を用いて説明する。
【００４２】
図４は、ガス供給支流路溝およびガス排出支流路溝を斜視的に示した説明図である。図４の下方側は、図３のガス供給束流路溝４１１側と対応し、図４の上方側は、図３のガス排出束流路溝４２１側に対応している。図４に示すように、ガス供給支流路溝４１２は、一対のガス供給支流路側面部４１２ｓと、ガス供給支流路閉塞面部４１２ｂとを備えている。一対のガス供給支流路側面部４１２ｓは、それぞれガス供給支流路溝４１２の延伸方向（ｘ方向）と沿った方向に延伸した長尺状の外形を備え、ガス供給支流路溝４１２のｙ方向の溝断面において、両側の側面を形成する。ガス供給支流路閉塞面部４１２ｂは、ガス供給支流路溝４１２の閉塞部Ｐｂと接する面に形成され、ガス供給支流路溝４１２の閉塞された端部において、一対のガス供給支流路側面部４１２ｓとそれぞれ接続されている。すなわち、ガス供給支流路閉塞面部４１２ｂは、一対のガス供給支流路側面部４１２ｓの互いの端部を繋ぐように形成されている。
【００４３】
一方、ガス排出支流路溝４２２は、一対のガス排出支流路側面部４２２ｓと、ガス排出支流路閉塞面部４２２ｂとを備えている。一対のガス排出支流路側面部４２２ｓは、それぞれガス排出支流路溝４２２の延伸方向（ｘ方向）と沿った方向に延伸した長尺状の外形を備え、ガス排出支流路溝４２２のｙ方向の溝断面において、両側の側面を形成する。ガス排出支流路閉塞面部４２２ｂは、ガス排出支流路溝４２２の閉塞部Ｐｂと接する面に形成され、ガス排出支流路溝４２２の閉塞された端部において、一対のガス排出支流路側面部４２２ｓとそれぞれ接続されている。すなわち、ガス排出支流路閉塞面部４２２ｂは、一対のガス排出支流路側面部４２２ｓの互いの端部を繋ぐように形成されている。
【００４４】
本実施例では、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２の溝幅、すなわち、ｙ方向の幅は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲となるように形成されている。また、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２の溝の深さは、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲となるように形成されている。なお、本実施例では、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２は、一対のガス供給支流路側面部４１２ｓもしくは一対のガス排出支流路側面部４２２ｓ（以後、それぞれを単に、「一対の側面部」とも呼ぶ）の間に底面部を備えているが、一対の側面部の間に底面部を備えず、側面部同士が直接接する形状であってもよい。すなわち、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２の断面形状は、略コの字状のように側面と底面とを備える形状に限定されず、略Ｖの字状のように側面のみにより構成される形状であってもよいし、略Ｕの字状のように側面が曲線を有していてもよいし、両側の側面が曲線を有することにより側面同士が接する境界が一義的に規定できない形状であってもよい。
【００４５】
リブ領域Ａｗは、一対の長辺と一対の短辺とを備える長方形状の外形を有し、一方の長辺がガス供給支流路側面部４１２ｓと接し、他方の長辺がガス排出支流路側面部４２２ｓと接している。また、リブ領域Ａｗは、一方の短辺のｘ方向における位置が、隣接するガス供給支流路閉塞面部４１２ｂのｘ方向における位置と等しく、他方の短辺のｘ方向における位置が、隣接するガス排出支流路閉塞面部４２２ｂのｘ方向における位置と等しい。リブ領域Ａｗの一方の長辺から他方の長辺までの距離、すなわち、リブ領域Ａｗのｙ方向における幅は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲となるように形成されている。
【００４６】
液体移動流路溝４３０は、第１リブ領域Ａｗ１の一方の長辺と接しているガス供給支流路側面部４１２ｓと、他方の長辺と接しているガス排出支流路側面部４２２ｓとを直線状に繋ぐように形成されている。本実施例では、液体移動流路溝４３０は、ガス供給支流路溝４１２やガス排出支流路溝４２２に直交する方向（ｙ方向）に沿って形成されているが、液体移動流路溝４３０は、ガス供給支流路溝４１２やガス排出支流路溝４２２に直交する方向（ｙ方向）に対して斜めに形成されていてもよい。
【００４７】
図５は、液体移動流路溝の形状を説明するための説明図である。図５は、ガス供給支流路溝４１２から液体移動流路溝４３０を見たときの構成を模式的に示している。液体移動流路溝４３０は、Ｖの字状の断面を備え、溝の深さが、３０μｍ〜１５０μｍの範囲となるように形成され、溝幅すなわちｘ方向の幅が、５０μｍ〜２００μｍの範囲となるように形成されている。液体移動流路溝４３０は、液体移動流路溝４３０と、アノード側拡散層２２６により形成される液体移動流路の断面積が、アノードガス供給流路ＡＳＣやアノードガス排出流路ＡＥＣの断面積の１／１０以下となるように形成されている。本実施例の液体移動流路溝４３０により形成される液体移動流路は、毛細管現象により液体が移動しない程度の断面積を備えている。
【００４８】
Ａ−４．効果例：
アノード側セパレータのリブ領域に液体移動流路溝を形成することにより生じる効果の一例について説明する。図６は、液体移動流路溝の機能の一例を説明するための説明図である。図６（ａ）は、液体移動流路溝４３０を備えていないアノード側セパレータ４００ｃにより形成されるアノードガス供給流路付近を例示した説明図である。図６（ｂ）は、液体移動流路溝４３０を備えたアノード側セパレータ４００により形成されるアノードガス供給流路付近を例示した説明図である。
【００４９】
本実施例のアノード側セパレータ４００は、第１リブ領域Ａｗ１に液体移動流路溝４３０が形成されているため、低温時におけるフラッディングの発生を抑制することができる。具体的には、液体移動流路溝４３０を備えていないＩＤＦＦ型のアノード側セパレータを用いた従来の燃料電池は、図６（ａ）に示すように、アノードガス供給流路ＡＳＣに液体Ｗｇが滞留して、アノード供給ガスの流通が妨げられことがあった。しかし、本実施例のように液体移動流路溝４３０を有するアノード側セパレータ４００を用いた燃料電池は、図６（ｂ）に示すように、液体移動流路溝４３０によって、上方側のアノードガス供給流路ＡＳＣと下方側のアノードガス排出流路ＡＥＣとの間に液体移動流路ＷＴＣが形成されるため、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部の液体Ｗｇをアノードガス排出流路ＡＥＣに排出することができる。
【００５０】
燃料電池１００は、発電時にアノードガス供給流路ＡＳＣとアノードガス排出流路ＡＥＣとの間に圧力差が生じる。そのため、発電時には、アノードガス供給流路ＡＳＣのアノードガスの一部は、液体移動流路溝４３０を流通してアノードガス排出流路ＡＥＣに移動する。よって、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部の液体Ｗｇは、液体移動流路溝４３０を流通するアノード供給ガスや重力により、液体移動流路溝４３０を経由してアノードガス排出流路ＡＥＣに移動する。アノードガス排出流路ＡＥＣに移動した液体Ｗｇは、アノードガス排出マニホールド１６４に排出される。
【００５１】
また、アノード側セパレータ４００は、ｘ方向において、第１リブ領域Ａｗ１の中心位置よりも下流側に液体移動流路溝４３０が形成されているため、高温時におけるドライアップの発生を抑制することができる。この理由を、アノード側セパレータ４００を用いた燃料電池の特性を示した図７を用いて説明する。図７は、アノードガス流路におけるガスの圧力分布とガス拡散層におけるガスの流量分布を例示した説明図である。図７の中段に示した第１のグラフは、アノード側セパレータ４００を用いた燃料電池における、アノードガス供給流路ＡＳＣとアノードガス排出流路ＡＥＣのガスの圧力分布を示す。第１のグラフの縦軸は、ガスの圧力を示し、横軸は、流路において圧力が検出された位置を示している。図７の下段に示した第２のグラフは、アノード側セパレータ４００を用いた燃料電池における、アノード側拡散層２２６の内部を流通するガスの流量分布を示す。第２のグラフの縦軸は、ガスの流量を示し、横軸は、拡散層において流量が検出された位置を示している。図７の上段に示したアノード側セパレータ４００の一部は、第１のグラフおよび第２のグラフの横軸が示す位置と、アノード側セパレータ４００における位置との対応関係を示している。なお、第２のグラフの横軸は、上段に示したアノード側セパレータ４００において対応する位置と接するアノード側拡散層２２６の位置を表している。
【００５２】
本実施例のアノード側セパレータ４００は、ｘ方向において、液体移動流路溝４３０が第１リブ領域Ａｗ１の中心位置よりも下流側の一部のみに形成されているため、第１のグラフに示すように、上流側付近では、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部とアノードガス排出流路ＡＥＣの内部との圧力差が、液体移動流路溝を備えていないＩＤＦＦ型の流路溝を備えるアノード側セパレータと同程度に保持されていることがわかる。また、上流側付近において、アノード側拡散層２２６を流通するアノード供給ガスの流量についても同程度に維持されていることがわかる。このことから、本実施例のアノード側セパレータ４００は、ＩＤＦＦ型の流路溝を備えるアノード側セパレータと同様に、カソードに存在する液体Ｗｇをアノードに汲み上げる機能を有しているため、ストレート型の流路溝を備えるアノード側セパレータと比べて耐ドライアップ性を備えている。
【００５３】
以上説明した、本実施例に係るアノード側セパレータ４００によれば、ＩＤＦＦ型流路溝を有するアノード側セパレータを用いた燃料電池において、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部の液体Ｗｇをアノードガス排出流路ＡＥＣに容易に排出することができるため、アノードガス供給流路ＡＳＣに液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、アノード側セパレータ４００を用いた燃料電池は、液体移動流路溝４３０によって、上方側のアノードガス供給流路ＡＳＣと下方側のアノードガス排出流路ＡＥＣとの間を連通する液体移動流路が形成される。この液体移動流路を経由して、燃料電池は、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部の液体Ｗｇをアノードガス排出流路ＡＥＣに排出することができるため、アノードガス供給流路ＡＳＣに滞留する液体Ｗｇを低減することができる。
【００５４】
また、本実施例に係るアノード側セパレータ４００によれば、液体移動流路溝を有するアノード側セパレータを用いた燃料電池において、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部とアノードガス排出流路ＡＥＣの内部との圧力差の減少を抑制することができるため、ドライアップによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、アノード側セパレータ４００を用いた燃料電池は、アノードガス供給流路ＡＳＣとアノードガス排出流路ＡＥＣとの間に形成される液体移動流路がセパレータの下流側の一部にのみ形成されるため、上流側付近では、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部とアノードガス排出流路ＡＥＣの内部との圧力差を、液体移動流路溝を備えていないＩＤＦＦ型の流路溝を備えるアノード側セパレータと同程度に保持することができる。よって、ＩＤＦＦ型の流路溝を備えるアノード側セパレータと同様に、本実施例のアノード側セパレータ４００は、カソードに存在する液体Ｗｇをアノードに汲み上げてアノードを保湿することができる。
【００５５】
本実施例に係るアノード側セパレータ４００によれば、液体移動流路溝４３０は、液体移動流路の断面積が、アノードガス供給流路ＡＳＣおよびアノードガス排出流路ＡＥＣの断面積の１／１０以下となるように形成されているため、発電体２００の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、液体移動流路の断面積を、液体移動流路の両端が接続されているアノードガス供給流路ＡＳＣおよびアノードガス排出流路ＡＥＣの断面積の１／１０以下とすることで、液体移動流路の内部の圧力損失により液体移動流路の両端で圧力差が生じる。この圧力差により、液体移動流路の内部にガスを強制的に流通させることができるため、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部に滞留する液体Ｗｇをアノードガス排出流路ＡＥＣに排出することができる。具体的な一例として、ガス供給支流路溝４１２およびガス排出支流路溝４２２の溝の幅が０．８〜２ｍｍの範囲、溝の深さが０．２〜１ｍｍの範囲となるように形成し、液体移動流路溝４３０の溝の幅が５０〜２００μｍ、溝の深さが３０〜１５０μｍの範囲となるように形成することにより、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、発電効率を向上させることができる。
【００５６】
Ｂ．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。
【００５７】
Ｂ１．変形例１：
図８は、変形例１における液体移動流路溝の形状を説明するための説明図である。図５に示すように、本実施例では、液体移動流路溝４３０は、Ｖの字状の断面を備えているが、液体移動流路溝４３０の断面形状はＶの字状に限定されず、これ以外の形状であってもよい。例えば、図８（ａ）に示すように、液体移動流路溝４３０は、三角形以外の多角形の液体移動流路が形成されるように、断面に複数の角部を備えた形状であってもよいし、図８（ｂ）に示すように、半円状の液体移動流路が形成されるように、断面に角部を備えない形状であってもよい。
【００５８】
Ｂ２．変形例２：
本実施例では、液体移動流路溝４３０は、アノード側セパレータ４００に形成されているものして説明したが、液体移動流路溝４３０は、カソード側セパレータに形成されていてもよい。また、燃料電池のアノード側セパレータとカソード側セパレータの少なくとも一方にのみ液体移動流路溝４３０が形成されていてもよい。これらの場合であっても、ガス流路や拡散層の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００５９】
Ｂ３．変形例３：
本実施例では、燃料電池１００は、拡散層とセパレータとが接する構成として説明しているが、燃料電池１００は、拡散層とセパレータとの間に発泡金属やパンチングメタルなどのガス流路部材を備え、セパレータがガス流路部材と接する構成であってもよい。この場合であっても、ガス流路のほか、ガス流路部材や拡散層の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００６０】
Ｂ４．変形例４：
本実施例では、カソード側セパレータ３００とアノード側セパレータ４００とを重ねた状態で燃料電池に使用されているが、本発明は、カソード側セパレータ３００とアノード側セパレータ４００とを一体化した１枚のセパレータとしても実現することができる。
【００６１】
Ｂ５．変形例５：
本実施例では、燃料電池１００は固体高分子型燃料電池であるとしているが、本発明は他の種類の燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池やリン酸形燃料電池）にも適用可能である。
【００６２】
Ｂ６．変形例６：
本実施例では、液体移動流路溝４３０は、上方側の長辺がガス供給支流路溝４１２と接し、下方側の長辺がガス排出支流路溝４２２と接している第１リブ領域Ａｗ１にのみ形成されているものとして説明したが、液体移動流路溝４３０は、上方側の長辺がガス排出支流路溝４２２ガと接し、下方側の長辺がガス供給支流路溝４１２と接している第２リブ領域Ａｗ２にのみ形成されていてもよい。また、液体移動流路溝４３０は、第１リブ領域Ａｗ１と第２リブ領域Ａｗ２の両方に形成されていてもよい。これらの場合であっても、液体移動流路溝４３０を介して、アノードガス供給流路ＡＳＣの内部の液体Ｗｇをアノードガス排出流路ＡＥＣに排出することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
６０…エアコンプレッサ
７０…ラジエータ
８０…制御部
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５２…カソードガス供給マニホールド
１５４…カソードガス排出マニホールド
１６２…アノードガス供給マニホールド
１６４…アノードガス排出マニホールド
１７２…冷媒供給マニホールド
１７４…冷媒排出マニホールド
２００…発電体
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２２６…アノード側拡散層
２２７…カソード側拡散層
３００…カソード側セパレータ
４００…アノード側セパレータ
４１０…ガス供給流路溝
４１１…ガス供給束流路溝
４１２…ガス供給支流路溝
４２０…ガス排出流路溝
４２１…ガス排出束流路溝
４２２…ガス排出支流路溝
４３０…液体移動流路溝
Ｐｂ…閉塞部
Ｌｃ…冷媒
Ａｗ１…第１リブ領域
Ａｗ２…第２リブ領域
Ｗｇ…液体
ＣＥＣ…カソードガス排出流路
ＡＥＣ…アノードガス排出流路
ＬＦＣ…冷媒流路
ＣＳＣ…カソードガス供給流路
ＡＳＣ…アノードガス供給流路
【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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