JP2011060492A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池において、反応ガスの電極面内における分配の均一性を向上させる技術を提供すること。
【解決手段】 燃料電池を構成するセパレータであって、セパレータの、拡散層と対向する面は、略矩形状を成し、発電を行う発電部の第１の辺に沿って反応ガスを流すための第１の流路と、第１の流路から略直角に分岐して設けられ、その端部が閉塞している複数の第２の流路と、発電部の第１の辺と対向する第２の辺に沿って反応ガスを流すための第３の流路と、第３の流路から略直角に分岐するとともに、隣り合う第２の流路の間に配置され、その端部が閉塞している複数の第４の流路と、を備え、複数の第２の流路は、第２の流路、拡散層、および第４の流路の順に流れるガスの圧力損失が、第１の流路の長さの中央付近が残余の部分よりも小さくなるように形成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池を構成するセパレータに関するものである。

燃料電池において、従来、各電極に反応ガスを供給するための流路が設けられたセパレータが用いられている。例えば、特許文献１に開示されているように、反応ガスの供給孔がセパレータの端部に設けられている場合には、略矩形を成す電極の一辺に沿うように第１の流路（「コモンレール」とも呼ばれる）を設けるとともに、第１の流路に対して略直角に複数の第２の流路を設けることがある。このようにすると、供給孔から供給される反応ガスを、電極の全面に分配して供給することができる。

特開平１１−１６５９１号公報 特開２００６−１２７７７０号公報 特開２００８−１５２９３４号公報

しかしながら、このように反応ガスが第１の流路を流通するとともに、第２の流路に分岐して供給される流路構成の場合には、電極面の中央部に供給されるガス量が少なくなり、発電性能が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、反応ガスの電極面内における分配の均一性を向上させる技術を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］ 電解質膜と前記電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体と前記発電体の両面に配置される拡散層とを備える燃料電池において、前記拡散層に対向して配置されるセパレータであって、
前記発電体には、前記セパレータを介して前記発電体に供給される反応ガスを利用して発電を行う発電部が、略矩形状に形成され、
前記セパレータの、前記拡散層と対向する面は、
前記発電体の前記発電部の第１の辺に沿って前記反応ガスを流すための第１の流路と、
前記第１の流路から略直角に分岐して設けられ、その端部が閉塞している複数の第２の流路と、
前記発電部の前記第１の辺と対向する第２の辺に沿って前記反応ガスを流すための第３の流路と、
前記第３の流路から略直角に分岐するとともに、隣り合う前記第２の流路の間に配置され、その端部が閉塞している複数の第４の流路と、
を備え、
前記複数の第２の流路は、
前記第２の流路、前記拡散層、前記第４の流路の順に流れるガスの圧力損失が、前記第１の流路の長さの中央付近が残余の部分よりも小さくなるように形成されるセパレータ。

第１の流路に供給された反応ガスは、分岐して第２の流路に供給されつつ第１の流路を流通する。そのため、第１の流路の長さの中央付近ではガスの流量が少なくなる。このセパレータによれば、第２の流路、拡散層、第４の流路の順に流れるガスの圧力損失が、第１の流路の長さの中央付近が残余の部分よりも小さくなっているため、ガスの流量が少なくなっていても、第２の流路に流入しやすくなり、発電部の中央付近にもガスが流れやすくなる。その結果、発電部の面内におけるガスの分配の均一性が向上される。

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、上記セパレータを備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施例としてのセパレータを用いた燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図である。 シール部材一体型ＭＥＡの概略平面構成を示す平面図である。 アノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。 アノードガスの流れを示す説明図である。 中間プレートの平面構成を概略的に示す平面図である。 カソード対向プレートの平面構成を概略的に示す平面図である。 第２の実施例におけるアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。 第２の実施例におけるアノードガスの流れを示す説明図である。 第３の実施例におけるアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。 比較例のアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。 比較例のセパレータを用いた場合に電極に供給されるアノードガス流量の分布を示すグラフである。 第１の流路の幅とガス流量との関係を表すグラフである。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としてのセパレータを用いた燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図である。燃料電池スタック１００は、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック１００は、シール部材一体型ＭＥＡ２００とセパレータ３００とが交互に積層された積層体を有する。そして、積層体のアノード側の端に集電板３０ａ、絶縁板２０ａ、エンドプレート１０ａが積層され、カソード側の端に、同様に、集電板３０ｃ、絶縁板２０ｃ、エンドプレート１０ｃが積層される。燃料電池スタック１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。

燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の積層方向に貫通するアノードガス供給マニホールド１０２、アノード排ガス排出マニホールド１０４、カソードガス供給マニホールド１０８、カソード排ガス排出マニホールド１０６、冷却水供給マニホールド１１０、冷却水排出マニホールド１１２が設けられている。これらのマニホールドは、上記したシール部材一体型ＭＥＡ２００、セパレータ３００、エンドプレート１０ａ、１０ｃ、絶縁板２０ａ、２０ｃ、集電板３０ａ、３０ｃが積層されることにより、それぞれに設けられた貫通孔によって構成される。なお、図１において、集電板３０ａ、３０ｃの間に配置される複数のシール部材一体型ＭＥＡ２００、セパレータ３００のうち、一部について、符号を記載している。

図２は、シール部材一体型ＭＥＡ２００の概略平面構成を示す平面図である。シール部材一体型ＭＥＡ２００は、外形が略矩形状のＭＥＡ２１０の外周に、枠状のシール部材２２０が、ＭＥＡ２１０と一体的に形成されている。ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２の一方の面にアノード２１４ａ、アノード側拡散層２１６ａの順に積層され、他方の面にカソード２１４ｃ、カソード側拡散層２１６ｃの順に積層されて構成される。

本実施例において、電解質膜２１２としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を用いている。アノード２１４ａおよびカソード２１４ｃとしては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された電極を用いている。アノード側拡散層２１６ａおよびカソード側拡散層２１６ｃとしては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層２１６ａ、２１６ｃに撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。シール部材２２０は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。

図２に示すように、シール部材２２０には、カソードガス供給用貫通孔１０８ｓ、カソード排ガス排出用貫通孔１０６ｓが、それぞれ４つずつ、アノードガス供給用貫通孔１０２ｓ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｓ、冷却水供給用貫通孔１１０ｓ、冷却水排出用貫通孔１１２ｓが、それぞれ１つずつ、形成されている。そして、反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインＳＬが形成されている。

本実施例におけるセパレータ３００は、アノード側拡散層２１６ａと当接するアノード対向プレート３１０と、カソード側拡散層２１６ｃと当接するカソード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３３０およびアノード対向プレート３１０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。

アノード対向プレート３１０、カソード対向プレート３３０、中間プレート３２０は、シール部材一体型ＭＥＡ２００の外形と同一の略矩形状を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。

図３は、アノード対向プレート３１０の構成を概略的に示す図である。図３(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、アノード対向プレート３１０の周縁部には、上記したアノードガス供給マニホールド１０２、アノード排ガス排出マニホールド１０４、カソード排ガス排出マニホールド１０６、カソードガス供給マニホールド１０８、冷却水供給マニホールド１１０、冷却水排出マニホールド１１２を構成する、アノードガス供給用貫通孔１０２ａ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ａ、カソードガス供給用貫通孔１０８ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０６ａ、冷却水供給用貫通孔１１０ａ、冷却水排出用貫通孔１１２ａが形成されている。

アノード対向プレート３１０は、アノード対向プレート３１０の一方の長辺に沿って設けられる第１の流路１２０を備える（図３（ａ））。第１の流路１２０は、アノードガス供給用貫通孔１０２ａと繋がっている。第１の流路１２０は、貫通孔として形成され(図３（ｂ）)、アノード対向プレート３１０が中間プレート３２０およびカソード対向プレート３３０と接合されることにより、溝状になる。セパレータ３００がシール部材一体型ＭＥＡ２００に積層されると、第１の流路１２０はＭＥＡ２１０の長辺に沿って配置される。アノードガスは、アノードガス供給用貫通孔１０２ａを介して第１の流路１２０に流入し、第１の流路１２０を流れる。

また、アノード対向プレート３１０は、第１の流路１２０から略直角に分岐して設けられる第２の流路１２２、１２４を備える。第２の流路１２４は、第１の流路１２０の長さの中央付近に２本設けられ、第２の流路１２２は、その両側に２本ずつ設けられている。第１の流路１２０に流入したアノードガスは、各第２の流路１２２、１２４に分配されつつ第１の流路１２０を流れる。

第２の流路１２２、１２４は、溝状に形成され（図３（ｂ）、（ｃ））、その端部は第３の流路１４０（後述する）とは接続されず、閉塞している（図３（ａ）、（ｂ））。第２の流路１２２、１２４の端部が閉塞していると、第２の流路１２２、１２４に流入したアノードガスの流れが閉塞端で止められて、アノード側拡散層２１６ａに流入しやすい。したがって、第２の流路が第３の流路１４０と接続されている場合に比べて、ガスの分散性が向上され、ガスの利用効率が向上される。

本実施例において、第２の流路１２４は、その幅Ｗ２が第２の流路１２２の幅Ｗ１よりも広く（図３（ｃ））、長さおよび深さは第２の流路１２２と同一である（図３（ａ）、（ｃ））。すなわち、アノード対向プレート３１０の面に平行に第２の流路１２４を切断した切断面の断面積は、第２の流路１２２を同様に切断した切断面の断面積よりも大きい。したがって、第２の流路１２４を流れるガスの圧力損失は、第２の流路１２２を流れる圧力損失よりも小さい。

アノード対向プレート３１０は、アノード対向プレート３１０の他方の長辺に沿って設けられる第３の流路１４０を備える（図３（ａ））。第３の流路１４０は、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ａと繋がっている。第３の流路１４０は、第１の流路１２０と同様に貫通孔として形成され(図３（ｂ）)、アノード対向プレート３１０が中間プレート３２０およびカソード対向プレート３３０と接合されることにより、溝状になる。セパレータ３００がシール部材一体型ＭＥＡ２００に積層されると、第３の流路１４０はＭＥＡ２１０の他方の長辺に沿って配置される。

また、アノード対向プレート３１０は、第３の流路１４０から略直角に分岐するとともに、隣り合う第２の流路１２２、１２４の間に配置される第４の流路１４２、１４４を備える。詳しくは、第４の流路１４４は、隣り合う２本の第２の流路１２４の間に１本設けられ、第４の流路１４２は、隣り合う２本の第２の流路１２２の間に１本ずつ、隣り合う第２の流路１２２と第２の流路１２４との間に１本ずつ設けられている。

第４の流路１４２、１４４は、第２の流路１２２と同様に溝状に形成され（図３（ｂ）、（ｃ））、その端部は第１の流路１２０とは接続されず、閉塞している（図３（ａ）、（ｂ））。アノード排ガスは、第４の流路１４２、１４４から第３の流路１４０に流入し、第３の流路１４０を経由してアノード排ガス排出用貫通孔１０４ａに流れ込む。

本実施例において、第４の流路１４４は、その幅Ｗ２が第４の流路１４２の幅Ｗ１よりも広く（図３（ｃ））、長さおよび深さは第４の流路１４２と同一である（図３（ａ）、（ｃ））。すなわち、アノード対向プレート３１０の面に平行に第４の流路１４４を切断した切断面の断面積は、第４の流路１４２を同様に切断した切断面の断面積よりも大きい。したがって、第４の流路１４４を流れるガスの圧力損失は、第４の流路１４２を流れる圧力損失よりも小さい。なお、第４の流路１４４の幅Ｗ２は第２の流路１２４の幅Ｗ２と同一であり、第４の流路１４２の幅Ｗ１は第２の流路１２２の幅Ｗ２と同一である。

図４は、アノードガスの流れを示す説明図である。図４では、互いに当接して配置されるアノード側拡散層２１６ａとアノード対向プレート３１０の図３（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面の一部を示している。アノードガス供給用貫通孔１０２ａを介して供給されるアノードガスは、第２の流路１２２（１２４）、アノード側拡散層２１６ａ、第４の流路１４２(１４４)、第３の流路１４０の順に流れ、アノード排ガス排出マニホールド１０４を介して外部に排出される。なお、アノードガスは、各流路を流れつつアノード側拡散層２１６ａを介してアノードに供給され、発電反応に用いられ、発電反応後および未反応のガスがアノード排ガスとして、外部に排出される。

本実施例において、第２の流路１２２、１２４、第４の流路１４２、１４４は、切削（エッチング）によって形成されるが、この方法に限定されず、例えば、プレス加工等の他の周知の方法によって形成してもよい。

図５は、中間プレート３２０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、中間プレート３２０には、上記したアノード対向プレート３１０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍ、カソードガス供給用貫通孔１０８ｍ、カソード排ガス排出用貫通孔１０６ｍ、冷却水供給用貫通孔１１０ｍ、冷却水排出用貫通孔１１２ｍが形成されている。

さらに、アノード対向プレート３１０に形成されている第１の流路１２０と同様の貫通孔である、第１の流路用貫通孔１２０ｍと、アノード対向プレート３１０に形成されている第３の流路１４０と同様の貫通孔である、第３の流路用貫通孔１４０ｍと、が形成されている。

また、４つのカソードガス供給用貫通孔１０８ｍから、後述する複数のカソードガス供給口３３８ｈに空気が流れるように、カソードガス供給用貫通孔１０８ｍと複数のカソードガス供給口３３８ｈとを接続するカソードガス供給用接続部１０８ｊ、が形成されている。同様に、後述する複数のカソード排ガス排出口３３６ｈから、４つのカソード排ガス排出用貫通孔１０６ｍにカソード排ガスが流れるように、複数のカソード排ガス排出口３３６ｈとカソード排ガス排出用貫通孔１０６ｍとを接続するカソード排ガス排出用接続部１０６ｊ、が形成されている。

また、中間プレート３２０の短辺の長さ方向の中央付近には、冷却水流路１１０ｐが形成されている。冷却水流路１１０ｐは貫通孔として形成され、冷却水供給用貫通孔１１０ｍ、冷却水排出用貫通孔１１２ｍと、溝状を成す連結路１１０ｄを介して接続されている。これにより、セパレータ３００内に冷却水が流れて燃料電池スタック１００全体が冷却され、発電によって燃料電池スタック１００の温度が上昇するのが抑制される。

図６は、カソード対向プレート３３０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート３３０には、上記したアノード対向プレート３１０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｃ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｃ、カソードガス供給用貫通孔１０８ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０６ｃ、冷却水供給用貫通孔１１０ｃ、冷却水排出用貫通孔１１２ｃが形成されている。

さらに、複数のカソードガス供給口３３８ｈ、カソード排ガス排出口３３６ｈが、カソード対向プレート３３０の対向する長辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０８ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０６ｃよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、カソードガス供給口３３８ｈから、カソード側拡散層２１６ｃにカソードガスとしての空気が供給され、カソード排ガスが、カソード排ガス排出口３３６ｈを介して排出される。

Ａ２．実施例の効果：
本実施例の効果について、比較例のセパレータを用いた場合と比較して説明する。比較例のセパレータは、アノード対向プレートが備える第２の流路と第４の流路以外の構成は第１の実施例と同様であるため、第１の実施例と同様の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。図１０は、比較例のアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。図１０(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。図１０(ａ)に示すように、アノード対向プレート３１０Ｐには、第１の実施例におけるアノード対向プレート３１０と同様に、６本の第２の流路１２２Ｐが設けられており、隣り合う第２の流路１２２Ｐの間に第４の流路１４２Ｐが設けられている。しかしながら、比較例のアノード対向プレート３１０Ｐでは、第１の実施例と異なり、全ての第２の流路１２２Ｐの幅が等しい。同様に、全ての第４の流路１４２Ｐの幅が等しい。すなわち、比較例のセパレータのアノード対向プレート３１０Ｐでは、第１の流路１２０の長さの中央付近と端部付近とで、第２の流路１２２Ｐおよび第４の流路１４２Ｐの幅を変えていない。

図１１は、比較例のセパレータを用いた場合に電極に供給されるアノードガス流量の分布を示すグラフである。図１１では、非発電状態でアノードガスを流した場合の、図１０(ａ)に示すＣ〜Ｄ間を均等に分割した各点を流れるアノードガスの流量のシミュレーション結果を示している。図示するように、Ｃ〜Ｄ間の長さの中央付近の位置では、ガス流量が非常に少なくなっている。

このように第１の流路１２０の長さの中央付近でガスの供給量が少なくなるのは、以下の理由によると考えられる。アノードガス供給用貫通孔１０２ａを介して供給されるガスは第１の流路１２０を流通しつつ、第２の流路１２２Ｐに分岐して供給される。アノードガス供給用貫通孔１０２ａと第１の流路１２０との接続部付近（入り口付近）では、第１の流路１２０に流入したガスが大量にあるため、第２の流路１２２Ｐに流入しやすい。第１の流路１２０の長さの中央付近では、第１の流路１２０の入り口付近で、第２の流路１２２にガスが分配されているため、第１の流路１２０を流れるガスの量が減少しており、第１の流路１２０を流れるガスの抵抗が小さくなっているため、ガスが第２の流路１２２Ｐに分配されにくい。第１の流路１２０の閉塞した端部付近では、第１の流路１２０を流れてきたガスが溜まるため、ガスが第２の流路１２２Ｐへ分配されやすい。

図１２は、第１の流路の幅とガス流量との関係を表すグラフである。図１２では、第１の流路１２０の幅を変化させた場合の、図１１の横軸（位置）の中央付近におけるガス流量を示している。横軸は、第２の流路１２２Ｐの圧損に対する第１の流路１２０の圧損（圧損比）である。圧損比は、図中の横軸の右に行くほど大きく、すなわち、第１の流路１２０の幅が細くなっている。なお、図１２も図１１と同様に、非発電状態でアノードガスを流した場合のシミュレーション結果である。

図１２に示すように、第１の流路１２０の幅が細くなるにつれて、ガス流量は減少していく。従来、燃料電池スタックの小型化のために、第１の流路１２０の幅を細くしたいという要望がある。しかしながら、第１の流路１２０の幅を細くすると、第１の流路１２０の長さの中央付近においてガスの供給量が少なくなり（図１１、１２）、発電性能が低下するおそれがあった。

これに対し、本実施例におけるセパレータ３００では、アノード対向プレート３１０に形成される第２の流路１２２、１２４のうち、第１の流路１２０の長さの中央付近に配置される第２の流路１２４の幅がその両側に配置される第２の流路１２２よりも広い。したがって、第２の流路１２４を流れるガスの圧力損失が第２の流路１２２を流れるガスの圧力損失よりも小さくなる。すなわち、第１の流路１２０の長さの中央付近を第２の流路１２４、アノード側拡散層２１６ａ、第４の流路１４４の順に流れるガスの圧力損失は、残余の部分、例えば、第２の流路１２２、アノード側拡散層２１６ａ、第４の流路１４２の順に流れるガスの圧力損失よりも小さい。その結果、第１の流路１２０を流れるガスは、第２の流路１２２よりも第２の流路１２４へ流入しやすくなる。したがって、第１の流路１２０の長さの中央付近で第１の流路１２０を流れるガス量が減少しても、第１の流路１２０から第２の流路１２２、第２の流路１２４へ、略均等にガスが分配されるようになり、アノード側拡散層２１６ａ面内におけるガス分配の均一性が向上される。その結果、燃料電池スタック１００を構成する各シール部材一体型ＭＥＡ２００における発電性能の低下が抑制され、燃料電池スタック１００全体としての発電性能の低下が抑制される。

Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例のセパレータは、第２の流路および第４の流路の構成が第１の実施例と異なる以外は第１の実施例と同一であるため、同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。図７は、第２の実施例におけるアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。図３と同様に、図７(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。

本実施例のアノード対向プレート３１０Ａは、第１の実施例におけるアノード対向プレート３１０と同様に、第１の流路１２０の長さの中央付近に２本の第２の流路１２４Ａを備え、その両側に２本ずつ第２の流路１２２Ａを備える。また、アノード対向プレート３１０Ａは、隣り合う２本の第２の流路１２４Ａの間に１本の第４の流路１４４と、隣り合う２本の第２の流路１２２Ａの間にそれぞれ１本ずつの第４の流路１４２Ａと、隣り合う第２の流路１２２Ａと第２の流路１２４Ａとの間に１本ずつの１４２Ａと、を備える（図７（ａ））。

本実施例において、第２の流路１２２Ａの幅Ｗ１Ａと、第２の流路１２４Ａの幅Ｗ２Ａは等しい。同様に、第４の流路１４２Ａと第４の流路１４４Ａの幅は等しい。第１の流路１２０の長さの中央付近に配置される第２の流路１２４Ａと第４の流路１４２Ａとの間隔（以下、「山幅」ともいう）Ｗ４および第２の流路１２４Ａと第４の流路１４４Ａとの山幅Ｗ４は、その両側に配置される第２の流路１２２Ａと第４の流路１４２Ａとの山幅Ｗ３よりも狭い（図７（ａ），（ｃ））。

図８は、本実施例におけるアノードガスの流れを示す説明図である。図８では、互いに当接して配置されるアノード側拡散層２１６ａとアノード対向プレート３１０Ａの図７（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面の一部を示している。アノードガスは、第２の流路１２２Ａ（１２４Ａ）、アノード側拡散層２１６ａ、第４の流路１４２Ａ(１４４Ａ)の順に流れつつ、拡散されてアノードに供給される。

本実施例において、上記の通り、第１の流路１２０の長さの中央付近に配置される第２の流路と第４の流路との山幅Ｗ４は、その両側に配置される第２の流路と第４の流路との山幅Ｗ３より狭い。したがって、ガスがアノード側拡散層２１６ａを流れる距離は、第１の流路１２０の長さの中央付近よりもその両側（残余の部分）の方が長い。アノード側拡散層２１６ａとしては、例えば、カーボンフェルト等の微少な連通孔を備えるものを用いるため、アノード側拡散層２１６ａを通るガスの圧力損失は大きい。アノード側において、第２の流路、アノード側拡散層２１６ａ、第４の流路の順にガスが通るため、アノード側拡散層２１６ａを通る距離が長いと、その経路におけるガスの圧力損失が大きくなる。したがって、第１の流路１２０の長さの中央付近において、第１の流路１２０から第３の流路１４０へと流れるガスの圧力損失は、その両側（残余の部分）を流れるガスの圧力損失よりも小さい。したがって、本実施例のセパレータを用いた場合も、第１の流路１２０から第２の流路１２２Ａ、第２の流路１２４Ａへ、略均等にガスが分配されるようになり、アノード側拡散層２１６ａ面内におけるガス分配の均一性が向上され、燃料電池における発電性能の低下が抑制される。

Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例のセパレータは、第２の流路および第４の流路の構成が第１の実施例と異なる以外は第１の実施例と同一であるため、同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。図９は、第３の実施例におけるアノード対向プレートの構成を概略的に示す図である。図３と同様に、図９(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。

本実施例のアノード対向プレート３１０Ｂは、第１の実施例におけるアノード対向プレート３１０と同様に、第１の流路１２０の長さの中央付近に２本の第２の流路１２４Ｂを備え、その両側に２本ずつ第２の流路１２２Ｂを備える。また、アノード対向プレート３１０Ｂは、隣り合う２本の第２の流路１２４Ｂの間に１本の第４の流路１４４Ｂと、隣り合う２本の第２の流路１２２Ｂの間にそれぞれ１本ずつの第４の流路１４２Ｂと、隣り合う第２の流路１２２Ｂと第２の流路１２４Ｂとの間に１本ずつの１４２Ｂと、を備える（図９（ａ））。

本実施例において、第２の流路１２２Ｂの幅Ｗ１Ｂと、第２の流路１２４Ｂの幅Ｗ２Ｂは等しい。同様に、第４の流路１４２Ｂと第４の流路１４４Ｂの幅は等しい。第１の流路１２０の長さの中央付近に配置された第２の流路１２４Ｂと第４の流路１４４Ｂの溝深さＨ２は、その両側に配置された第２の流路１２２Ｂ、第４の流路１４２Ｂの溝深さＨ１よりも深い（図９（ｃ））。なお、本実施例において、第２の流路１２２Ｂ、１２４Ｂと第４の流路１４２Ｂ、１４４Ｂとの山幅は等しい。

すなわち、アノード対向プレート３１０Ｂの面に垂直に第２の流路１２４Ｂを切断した切断面の断面積は、第２の流路１２２Ｂを同様に切断した切断面の断面積よりも大きい。そのため、第２の流路１２４Ｂを流れるガスの圧力損失は、第２の流路１２２Ｂを流れる圧力損失よりも小さくなる。したがって、第１の流路１２０を流れるガスは、第２の流路１２２よも第２の流路１２４へ流入しやすくなり、第１の流路１２０の長さの中央付近で第１の流路１２０を流れるガス量が減少しても、第１の流路１２０から第２の流路１２２Ｂ、第２の流路１２４Ｂへ、略均等にガスが分配されるようになる。その結果、本実施例のセパレータを用いると、燃料電池の電極へのアノードガスの分配の均一性が向上され、燃料電池における発電性能の低下が抑制される。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例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で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。

（１）上記実施例において、セパレータとしてアノード対向プレート、中間プレート、カソード対向プレートを備える３層構造のセパレータを例示したが、セパレータの構造は上記実施例に限定されない。例えば、１枚のプレートの両面に、アノードガスを流すためのアノードガス流路、カソードガスを流すためのカソードガス流路が、それぞれ設けられる構成としてもよい。アノードガス流路が形成されるアノード側セパレータ、カソードガス流路が形成されるカソード側セパレータをそれぞれ、独立して構成する構造としてもよい。また、２枚のプレートを接合することにより、アノードガス流路、冷却水流路、カソードガス流路のそれぞれを形成する２層構造としてもよい。

（２）各マニホールドの配置は、上記実施例に限定されない。マニホールドを構成する貫通孔から供給されるガスを、ＭＥＡ２１０の所定の辺に沿って流すための流路（コモンレール）と、その流路から略直角に分岐して設けられる流路とを備えるのが好ましい。

（３）上記実施例では、カソード対向プレートには、ガスを流すための流路が形成されていない例を示したが、カソード対向プレートにも同様の流路を備える構成としてもよい。

（４）上記実施例において、ガス拡散層とセパレータとが当接する例を示したが、さらに、ガス拡散層とセパレータとの間に、連通する複数の孔を備える多孔体流路を備える構成にしてもよい。

（５）上記実施例において、複数のシール部材一体型ＭＥＡ２００がセパレータ３００を介して積層される燃料電池スタック１００を例示したが、１枚のシール部材一体型ＭＥＡ２００の両側からアノード対向プレート３１０とカソード対向プレート３３０とで挟持する構成の燃料電池においても、同様の効果を得ることができる。

（６）第２の流路、拡散層、第４の流路の順に流れるガスの圧力損失が、第１の流路の長さの中央付近が残余の部分よりも小さくなるようにするための第２の流路の構成は、上記実施例に限定されない。例えば、第１の流路の長さの中央付近に配置される第２の流路の長さを、その両側に配置される第２の流路の長さよりも長くしてもよい。また、第２の流路の形状は全て同じにして、溝の表面に加工を施すことにより、第２の流路を流れるガスの圧力損失に変化をもたせる構成にしてもよい。

（７）上記実施例では、第４の流路も、第２の流路と同様に、幅や深さを変化させているが、第４の流路は、全て同一の構成（溝幅、山幅、深さ）としてもよい。このようにしても、第２の流路の構成を変化させることにより、ガスの分散性が向上され、発電性能の低下を抑制することができる。

（８）上記実施例では、第２の流路の幅を、第１の流路の長さの中央付近とその他の部分との２段階に変えているが、３段階以上の多段階に変化させるようにしてもよい。

１０ａ、１０ｃ…エンドプレート
２０ａ、２０ｃ…絶縁板
３０ａ、３０ｃ…集電板
３２ａ…出力端子
１００…燃料電池スタック
１０２…アノードガス供給マニホールド
１０２ａ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｃ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｍ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｓ…アノードガス供給用貫通孔
１０４…アノード排ガス排出マニホールド
１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｍ、１０４ｓ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０６…カソード排ガス排出マニホールド
１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｍ、１０６ｓ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０６ｊ…カソード排ガス排出用接続部
１０８…カソードガス供給マニホールド
１０８ａ、１０８ｃ、１０８ｍ、１０８ｓ…カソードガス供給用貫通孔
１０８ｊ…カソードガス供給用接続部
１１０…冷却水供給マニホールド
１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｍ、１１０ｓ…冷却水供給用貫通孔
１１０ｄ…連結路
１１０ｐ…冷却水流路
１１２…冷却水排出マニホールド
１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｍ、１１２ｓ…冷却水排出用貫通孔
１２０…第１の流路
１２０ｍ…第１の流路用貫通孔
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｐ、１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ…第２の流路
１４０…第３の流路
１４０ｍ…第３の流路用貫通孔
１４２、１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｐ、１４４、１４４Ａ、１４４Ｂ…第４の流路
２００…シール部材一体型ＭＥＡ
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４ａ…アノード
２１４ｃ…カソード
２１６ａ…アノード側拡散層
２１６ｃ…カソード側拡散層
２２０…シール部材
３００…セパレータ
３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｐ…アノード対向プレート
３２０…中間プレート
３３０…カソード対向プレート
３３６ｈ…カソード排ガス排出口
３３８ｈ…カソードガス供給口

Claims (1)

1. 電解質膜と前記電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体と前記発電体の両面に配置される拡散層とを備える燃料電池において、前記拡散層に対向して配置されるセパレータであって、
   前記発電体には、前記セパレータを介して前記発電体に供給される反応ガスを利用して発電を行う発電部が、略矩形状に形成され、
   前記セパレータの、前記拡散層と対向する面は、
   前記発電体の前記発電部の第１の辺に沿って前記反応ガスを流すための第１の流路と、
   前記第１の流路から略直角に分岐して設けられ、その端部が閉塞している複数の第２の流路と、
   前記発電部の前記第１の辺と対向する第２の辺に沿って前記反応ガスを流すための第３の流路と、
   前記第３の流路から略直角に分岐するとともに、隣り合う前記第２の流路の間に配置され、その端部が閉塞している複数の第４の流路と、
   を備え、
   前記複数の第２の流路は、
   前記第２の流路、前記拡散層、前記第４の流路の順に流れるガスの圧力損失が、前記第１の流路の長さの中央付近が残余の部分よりも小さくなるように形成されるセパレータ。

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