JP2017004595A

JP2017004595A - 燃料電池用セパレータ、及び燃料電池

Info

Publication number: JP2017004595A
Application number: JP2015113786A
Authority: JP
Inventors: 庄司　昌史; Masashi Shoji; 昌史庄司; 幸博島崎; Yukihiro Shimasaki; 仁石本; Hitoshi Ishimoto; 敬一近藤; Keiichi Kondo; 和哉山崎; Kazuya Yamazaki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】燃料電池における反応ガスの拡散性を向上させるための技術を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ８０は、セパレータ本体８２と、セパレータ本体８２に設けられ、燃料電池の電極に供給される反応ガスが通る、互いに独立した複数のガス供給用流路８６と、隣り合う２つのガス供給用流路８６をつなぐ連結流路８８とを備える。連結流路８８は、２つのガス供給用流路８６に対して斜めに接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、及び燃料電池に関する。

燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる有望な発電システムとして注目され、技術開発が本格化している。

特許文献１には、固体高分子電解質膜と、アノード電極と、カソード電極とからなる膜電極接合体を挟む一対の燃料電池用セパレータが開示されている。特許文献１に開示される燃料電池用セパレータは、各電極に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路溝を有していた。

特開平１１−１７６４５７号公報

本発明者は、燃料電池用セパレータについて鋭意研究を重ねた結果、従来の燃料電池用セパレータには、燃料電池における反応ガスの拡散性を向上させる上で改善の余地があることを認識するに至った。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池における反応ガスの拡散性を向上させるための技術を提供することにある。

本発明のある態様は、燃料電池用セパレータである。当該燃料電池用セパレータは、セパレータ本体と、セパレータ本体に設けられ、燃料電池の電極に供給される反応ガスが通る、互いに独立した複数のガス供給用流路と、隣り合う２つのガス供給用流路をつなぐ連結流路と、を備える。連結流路は、２つのガス供給用流路に対して斜めに接続される。

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜、電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の一方の面と反対の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対の燃料電池用セパレータと、を備える。一対の燃料電池用セパレータは、少なくとも一方が上記態様の燃料電池用セパレータである。

本発明によれば、燃料電池における反応ガスの拡散性を向上させることができる。

実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。図２（Ａ）は、ガス拡散層に接する主表面側から見た燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。図２（Ｂ）は、ガス供給用流路と連結流路とを含む領域の一部を拡大して模式的に示す平面図である。図３（Ａ）は、比較例１に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。図３（Ｂ）は、比較例２に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。図３（Ｃ）は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。変形例に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。図５（Ａ）は、比較例３に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。図５（Ｂ）は、変形例に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１は、膜電極接合体１０と、アノードガス拡散層２０と、カソードガス拡散層４０と、一対の燃料電池用セパレータ６０，８０とを備える。膜電極接合体１０は、略平板状である。アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とは、膜電極接合体１０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０それぞれの膜電極接合体１０とは反対の主表面側には、燃料電池用セパレータ６０，８０が設けられる。燃料電池１の厚さは、例えば１．２ｍｍ以下である。本実施の形態の燃料電池１は、膜電極接合体１０、アノードガス拡散層２０、カソードガス拡散層４０及び燃料電池用セパレータ６０，８０で構成される単セルを１組備えるが、複数組の単セルが積層されてなるスタック構造を有してもよい。本実施の形態の燃料電池１は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。

膜電極接合体１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面側に配置されるアノード触媒層１４と、電解質膜１２のアノード触媒層１４が配置される側の面と反対の面側に配置されるカソード触媒層１６とで構成される。本実施の形態では、アノード触媒層１４は電解質膜１２の一方の主表面側に配置され、カソード触媒層１６は電解質膜１２の他方の主表面側に配置される。

電解質膜１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜１２の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン（デュポン社製、登録商標）１１２等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜１２の厚さは、例えば５μｍ以上５０μｍ以下である。

アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子の担体を有する。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜１２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜１２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。また、触媒粒子の担体としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素粒子を用いることができる。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６の厚さは、それぞれ、例えば１μｍ以上１００μｍ以下である。

アノードガス拡散層２０は、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４側の主表面に積層される。カソードガス拡散層４０は、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６側の主表面に積層される。アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、電子伝導性を有する多孔体であればよく、その材料として公知のものを使用することができる。例えば、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０には、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布又は不織布等を使用することができる。

また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、導電性粒子及び／又は導電性線維と、熱可塑性樹脂との混合材料で構成されてもよい。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛等のカーボン粒子や、金属粒子等を用いることができる。導電性繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維等を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素系樹脂を用いることができる。アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０の厚さは、例えば３０μｍ以上５５０μｍ以下である。

なお、アノード触媒層１４とアノードガス拡散層２０とが積層された構造をアノード電極あるいはアノードと称し、カソード触媒層１６とカソードガス拡散層４０とが積層された構造をカソード電極あるいはカソードと称する場合がある。

燃料電池用セパレータ６０は、アノードガス拡散層２０の主表面に積層される。燃料電池用セパレータ６０は、セパレータ本体６２と、冷却剤流路６４と、ガス供給用流路６６とを備える。なお、燃料電池用セパレータ６０の詳細な構造は、後に説明する。

セパレータ本体６２は、導電性及び熱伝導性を有する略平板状の部材であり、一方の主表面がアノードガス拡散層２０の主表面と接するように設けられる。セパレータ本体６２の材料としては、公知のものを使用することができる。例えば、セパレータ本体６２の材料としては、カーボン、グラファイト等の炭素材料や、ステンレス、チタン等の金属材料を使用することができる。これらの中でも、グラファイトは、微細加工が可能であり、特殊な表面処理を施さなくとも高温、高湿、及び高電位の環境下で劣化し難いため、より好ましい。セパレータ本体６２の材料にグラファイトを用いる場合、セパレータ本体６２の厚さを５００μｍ以下（最薄部分３００μｍ以下）とすることができる。セパレータ本体６２がこのような厚さを有する場合、セパレータ本体６２は、弾性率が４０ＧＰａ以上、且つ強度が０．１ＧＰａ以上であることが望ましい。これにより、セパレータ本体６２の破損をより確実に回避することができる。

冷却剤流路６４は、燃料電池１を冷却するための冷却剤が通る流路である。冷却剤としては、例えばアルカリ性を呈するように調質剤が添加された水等の冷却液が用いられる。冷却剤流路６４は、燃料電池用セパレータ６０のアノードガス拡散層２０とは反対側の主表面側に配置される。冷却剤流路６４は、セパレータ本体６２の主表面に形成された溝、すなわちセパレータ本体６２の主表面に沿って延在する凹部によって構成される。

セパレータ本体６２の表面に溝を形成する方法としては、セパレータ本体６２がグラファイト製である場合は、例えばドライエッチング法等を用いることができる。セパレータ本体６２が金属製である場合は、例えばウェットエッチング法等を用いることができる。これにより、微細な溝を形成することができるため、セパレータ本体６２の小型化を図ることができ、ひいては燃料電池１の小型化を図ることができる。

ガス供給用流路６６は、セパレータ本体６２のアノードガス拡散層２０側の主表面に設けられる。ガス供給用流路６６は、燃料電池１のアノード電極に供給される反応ガスとして、水素ガス等の燃料ガスが通る流路である。燃料ガスは、ガス供給用流路６６を通じてアノードガス拡散層２０に供給され、アノードガス拡散層２０からアノード触媒層１４に供給される。また、膜電極接合体１０での電極反応によって生成される水がアノードガス拡散層２０側にも至る場合には、ガス供給用流路６６は、当該水の排水路としても機能する。

ガス供給用流路６６は、セパレータ本体６２の主表面に形成された溝、すなわちセパレータ本体６２の主表面に沿って延在する凹部によって構成される。セパレータ本体６２の表面にガス供給用流路６６用の溝を形成する方法は、冷却剤流路６４用の溝を形成する方法と同様である。これにより、微細な溝を形成することができるため、セパレータ本体６２の小型化を図ることができ、ひいては燃料電池１の小型化を図ることができる。

燃料電池用セパレータ８０は、カソードガス拡散層４０の主表面に積層される。燃料電池用セパレータ８０は、燃料電池用セパレータ６０と同様に、セパレータ本体８２と、冷却剤流路８４と、ガス供給用流路８６とを備える。なお、燃料電池用セパレータ８０の詳細な構造は、後に説明する。

セパレータ本体８２は、導電性及び熱伝導性を有する略平板状の部材であり、一方の主表面がカソードガス拡散層４０の主表面と接するように設けられる。セパレータ本体８２の材料としては、セパレータ本体６２と同様のものを使用することができる。

冷却剤流路８４は、燃料電池１を冷却するための冷却剤が通る流路である。冷却剤としては、冷却剤流路６４を流れる冷却剤と同様のものを使用することができる。冷却剤流路８４は、燃料電池用セパレータ８０のカソードガス拡散層４０とは反対側の主表面側に配置される。冷却剤流路８４は、セパレータ本体８２の主表面に形成された溝、すなわちセパレータ本体８２の主表面に沿って延在する凹部によって構成される。セパレータ本体８２への溝の形成方法は、セパレータ本体６２の場合と同様である。

ガス供給用流路８６は、セパレータ本体８２のカソードガス拡散層４０側の主表面に設けられる。ガス供給用流路８６は、燃料電池１のカソード電極に供給される反応ガスとして、空気等の酸化剤ガスが通る流路である。酸化剤ガスは、ガス供給用流路８６を通じてカソードガス拡散層４０に供給され、カソードガス拡散層４０からカソード触媒層１６に供給される。また、ガス供給用流路８６は、カソード触媒層１６で生成される水の排水路としても機能する。ガス供給用流路８６の形成方法は、ガス供給用流路６６の場合と同様である。

燃料電池用セパレータ６０，８０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。なお、図１では、冷却剤流路６４，８４、及びガス供給用流路６６，８６は、それぞれ５つ図示されているが、その数は特に限定されず、燃料電池用セパレータ６０，８０や各流路の大きさ等に応じて適宜設定することができる。

上述した固体高分子形の燃料電池１では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層２０を介してアノード触媒層１４に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層１４において下記式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜１２中をカソード触媒層１６側へ移動する。電子は、アノードガス拡散層２０及び燃料電池用セパレータ６０を経由して外部回路（図示せず）に移動し、外部回路から燃料電池用セパレータ８０及びカソードガス拡散層４０を経由してカソード触媒層１６に流れ込む。一方、カソードガス拡散層４０を介してカソード触媒層１６に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層１６において下記式（２）で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
アノード触媒層１４：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
カソード触媒層１６：２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（２）

続いて、燃料電池用セパレータ６０，８０の構造について詳細に説明する。燃料電池用セパレータ６０と燃料電池用セパレータ８０とは同様の構造を有するため、ここでは、燃料電池用セパレータ８０を例に挙げて説明する。図２（Ａ）は、カソードガス拡散層４０に接する主表面側から見た燃料電池用セパレータ８０を模式的に示す平面図である。図２（Ｂ）は、ガス供給用流路８６と連結流路８８とを含む領域の一部を拡大して模式的に示す平面図である。なお、図１と図２（Ａ）とでは、ガス供給用流路８６の数が異なるが、図１ではガス供給用流路８６を視認しやすくするために、便宜的に図示する数を減らしている。

燃料電池用セパレータ８０は、セパレータ本体８２と、冷却剤流路８４（図１参照）と、ガス供給用流路８６と、連結流路８８と、反応ガス前室９０と、反応ガス後室９２とを備える。

セパレータ本体８２は、平面視で略矩形状の平板部材である。上述のように、燃料電池用セパレータ８０のカソードガス拡散層４０とは反対側の主表面には冷却剤流路８４が設けられる。セパレータ本体８２のカソードガス拡散層４０に接する側の主表面には、ガス供給用流路８６、連結流路８８、反応ガス前室９０及び反応ガス後室９２が設けられる。ガス供給用流路８６、連結流路８８、反応ガス前室９０及び反応ガス後室９２は、例えば、燃料電池用セパレータ８０の主表面に設けられる凹部によって構成される。反応ガス前室９０は、セパレータ本体８２の一端側、すなわち矩形状のセパレータ本体８２の一辺側に配置される。反応ガス後室９２は、セパレータ本体８２の当該一端側と反対の他端側、すなわち矩形状のセパレータ本体８２の前記一辺と反対の他辺側に配置される。そして、反応ガス前室９０と反応ガス後室９２との間にガス供給用流路８６及び連結流路８８が設けられる。

ガス供給用流路８６は、上述のように酸化剤ガスが流れる流路であり、且つ電極反応の生成水が流れる排水路である。ガス供給用流路８６は、セパレータ本体８２に複数設けられる。複数のガス供給用流路８６は、略直線状であり、互いに交わることなく延在する。すなわち、複数のガス供給用流路８６は互いに独立している。本実施の形態では、複数のガス供給用流路８６は互いに略平行に延在している。複数のガス供給用流路８６のそれぞれの一端８６ａは、反応ガス前室９０に接続される。複数のガス供給用流路８６のそれぞれの他端８６ｂは、反応ガス後室９２に接続される。

反応ガス前室９０は、反応ガスとしての酸化剤ガスが流入するガス入口９０ａを有する。反応ガス前室９０には、酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）からガス入口９０ａを介して酸化剤ガスが流入する。反応ガス前室９０に流入した酸化剤ガスは、反応ガス前室９０からそれぞれのガス供給用流路８６に分配される。ガス供給用流路８６に流入した酸化剤ガスは、一端８６ａから他端８６ｂに向けて流れるとともに、カソードガス拡散層４０に供給される。

反応ガス後室９２は、反応ガスとしての酸化剤ガスが排出されるガス出口９２ａを有する。それぞれのガス供給用流路８６を流れる酸化剤ガスの一部は、カソードガス拡散層４０に供給されずに他端８６ｂから反応ガス後室９２に流入する。反応ガス後室９２に流入した酸化剤ガスは、ガス出口９２ａを介して燃料電池１の外部に排出される。

ガス入口９０ａと、ガス出口９２ａとは、複数のガス供給用流路８６の配列方向Ａ（図２（Ａ）中の矢印Ａで示す方向）において互いにずれて配置される。すなわち、略矩形状のセパレータ本体８２における、反応ガス前室９０が配置される辺及び反応ガス後室９２が配置される辺に対して直交する２つの辺のうち、一方の辺寄りにガス入口９０ａが配置され、他方の辺寄りにガス出口９２ａが配置される。

連結流路８８は、隣り合う２つのガス供給用流路８６をつなぐ流路である。したがって、互いに独立する２つのガス供給用流路８６は、連結流路８８によって接続される。連結流路８８は、略直線状であり、２つのガス供給用流路８６に対して斜めに接続される。すなわち、連結流路８８は、ガス供給用流路８６における連結流路８８が接続される領域８６ｃの延在方向Ｂ（図２（Ｂ）中の矢印Ｂで示す方向）に対して斜めに延在する。連結流路８８の延在方向Ｃ（図２（Ｂ）中の矢印Ｃで示す方向）と領域８６ｃの延在方向Ｂとは、直交せず斜めに交わる。本実施の形態では、ガス供給用流路８６は直線状であるため、領域８６ｃの延在方向Ｂはガス供給用流路８６全体の延在方向Ｄ（図２（Ａ）中の矢印Ｄで示す方向）に等しい。

連結流路８８は、直線状であり、且つ隣り合う２つのガス供給用流路８６のそれぞれに対して斜めに接続される。このため、連結流路８８の一方の端部８８ａは、連結流路８８の他方の端部８８ｂよりも反応ガス前室９０寄りに位置する。このため、ガス供給用流路８６を流れる酸化剤ガスは、連結流路８８に一方の端部８８ａから流入して、他方の端部８８ｂから流出する。

具体的には、隣り合う２つのガス供給用流路８６ｍ，８６ｎのうち、ガス供給用流路８６ｍに連結流路８８の一方の端部８８ａが接続され、ガス供給用流路８６ｎに連結流路８８の他方の端部８８ｂが接続される構造において、ガス供給用流路８６ｍを流れる酸化剤ガスの一部が、一方の端部８８ａから連結流路８８に流入する。そして、連結流路８８内の酸化剤ガスは、他方の端部８８ｂからガス供給用流路８６ｎに流入する。

ガス供給用流路８６ｍを流れる酸化剤ガスが、ガス供給用流路８６ｍと連結流路８８とに分岐する際、その分岐角度は鋭角となる。また、連結流路８８を流れる酸化剤ガスが、ガス供給用流路８６ｎを流れる酸化剤ガスと合流する際、その合流角度は鋭角となる。したがって、ガス供給用流路８６ｍと連結流路８８との分岐角度は鋭角であり、連結流路８８とガス供給用流路８６ｎとの合流角度も鋭角である。

このように、ガス供給用流路８６に対して連結流路８８を斜めに接続することで、連結流路８８の一方の端部８８ａが接続されるガス供給用流路８６ｍを流れる酸化剤ガスを、連結流路８８へ円滑に流入させることができる。また、連結流路８８内の酸化剤ガスを、連結流路８８の他方の端部８８ｂが接続されるガス供給用流路８６ｎに円滑に流入させることができる。ガス供給用流路８６と連結流路８８との分岐角度及び合流角度はそれぞれ、例えば、２０度以上８０度以下である。各角度が２０度以上であると、連結流路８８に酸化剤ガスが流れ過ぎて、その結果、ガス供給用流路８６における酸化剤ガスの流れが阻害されることを抑制することができる。また、各角度が８０度以下であると、ガス供給用流路８６から連結流路８８に酸化剤ガスを円滑に流すことができる。

カソードガス拡散層４０に燃料電池用セパレータ８０が積層された構造では、カソードガス拡散層４０の燃料電池用セパレータ８０側の主表面のうち、燃料電池用セパレータ８０の表面に接する領域Ｘ（図１参照）において、生成水が溜まりやすい傾向にあった。領域Ｘに生成水が溜まると、領域Ｘと、その下方の領域への酸化剤ガスの拡散が阻害される。この結果、燃料電池１の発電効率が低下するおそれがあった。これに対し、本実施の形態では、２つのガス供給用流路８６の間に連結流路８８が設けられている。このため、領域Ｘにある生成水を連結流路８８に析出させることができる。また、連結流路８８はガス供給用流路８６に対して斜めに接続されているため、連結流路８８を流れる酸化剤ガスによって、連結流路８８に析出した生成水を反応ガス後室９２側に迅速に排出することができる。

また、連結流路８８は、反応ガス前室９０と反応ガス後室９２とが並ぶ方向（図２（Ａ）中の矢印Ｄで示す方向）において反応ガス前室９０に近い側の端部８８ａが、反応ガス後室９２に近い側の端部８８ｂよりも、複数のガス供給用流路８６の配列方向Ａにおいてガス入口９０ａ寄りに位置する。すなわち、連結流路８８における酸化剤ガスの流れの上流側に位置する端部８８ａは、下流側に位置する端部８８ｂよりも、ガス供給用流路８６の配列方向Ａにおいてガス入口９０ａに近い。また、下流側の端部８８ｂは、上流側の端部８８ａよりも配列方向Ａにおいてガス出口９２ａに近い。これにより、反応ガス前室９０からの距離が等しい位置における、複数のガス供給用流路８６を流れる酸化剤ガスの圧力の均一化を図ることができる。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照しながら、燃料電池用セパレータにおける反応ガスの圧力分布について説明する。図３（Ａ）は、比較例１に係る燃料電池用セパレータ１８０を模式的に示す平面図である。図３（Ｂ）は、比較例２に係る燃料電池用セパレータ２８０を模式的に示す平面図である。図３（Ｃ）は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ８０を模式的に示す平面図である。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示す破線は等圧線であり、各等圧線に付された数値は圧力値（ｋＰａ）である。

比較例１の燃料電池用セパレータ１８０は、連結流路８８が設けられていない点が実施の形態に係る燃料電池用セパレータ８０と異なる。このような燃料電池用セパレータ１８０では、特にガス供給用流路の配列方向の中央領域において、等圧線が縦に延びている。すなわち、等圧線の延在方向が、ガス供給用流路の延在方向に対して平行に近い。したがって、反応ガス前室からの距離が等しい位置における反応ガスの圧力分布は、不均一である。

比較例２の燃料電池用セパレータ２８０は、比較例１の燃料電池用セパレータ１８０に比べて、反応ガス前室及び反応ガス後室の容積が拡大されている。これにより、比較例１に比べて、等圧線の延在方向をガス供給用流路の延在方向に対して直交する方向に近づけることができる。すなわち、反応ガス前室からの距離が等しい位置における反応ガスの圧力分布をより均一化することができる。しかしながら、燃料電池用セパレータ２８０では、反応ガス前室及び反応ガス後室が拡大されているため、燃料電池１が大型化してしまう。また、大型化により製造コストの増大も生じ得る。

これに対し、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ８０は、連結流路８８を備えることで、反応ガスの圧力分布が燃料電池用セパレータ１８０よりも均一になっている。したがって、反応ガス前室９０及び反応ガス後室９２の容積拡大による燃料電池１の大型化を招くことなく、反応ガスの圧力分布を均一化することができる。

また、本実施の形態の燃料電池用セパレータ８０において、複数のガス供給用流路８６は、反応ガス前室９０寄りの一端８６ａ側から反応ガス後室９２寄りの他端８６ｂ側に向かって、表面の親水性が段階的又は連続的に高くなっている。これにより、ガス供給用流路８６及び連結流路８８に析出する生成水を、反応ガス後室９２側に移動させやすくすることができる。また、生成水だけでなく、反応ガス中の水分が凝縮することで生じる凝縮水も、反応ガス後室９２側に移動し易くなる。

ガス供給用流路８６の表面の親水性を変化させる方法としては、例えば、ガス供給用流路８６の表面の親水化にプラズマ処理、あるいはコロナ処理を用いる場合に、他端８６ｂ側に近づくにつれてプラズマ、あるいはコロナの強度を高める方法を挙げることができる。あるいは、他端８６ｂ側に近づくにつれて徐々にガス供給用流路８６の搬送速度を遅くする方法を挙げることができる。その他、プラズマ処理であれば、プラズマが他端８６ｂ側に近いほど高い強度で照射されるよう、プラズマの照射ゾーンにおいて、燃料電池用セパレータを斜めに傾けた状態で搬送する方法等を挙げることができる。また、ガス供給用流路８６の表面の親水化に過酸化水素処理を用いる場合に、他端８６ｂに近づくにつれて過酸化水素に接触させる時間を長くする方法を挙げることができる。なお、あくまでも一端８６ａ側と他端８６ｂ側とを対比した場合に、他端８６ｂ側の親水性が高いというだけであり、ガス供給用流路８６は、一端８６ａ側であっても十分な親水性を有する。

ガス供給用流路８６の寸法は、例えば、深さが３０μｍ以上４５０μｍ以下、幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下、隣り合うガス供給用流路８６間の距離が１００μｍ以上１０００μｍ以下である。連結流路８８の寸法は、例えば、深さが１０μｍ以上２５０μｍ以下、幅が２０μｍ以上２００μｍ以下である。連結流路８８の流路断面積をガス供給用流路８６の流路断面積よりも小さくすることで、ガス供給用流路８６における酸化剤ガスの流れが連結流路８８よって阻害されることを、抑制することができる。

燃料電池用セパレータ６０は、燃料電池用セパレータ８０と同様の構造を有する。このため、燃料電池用セパレータ６０に設けられる連結流路６８、反応ガス前室７０及び反応ガス後室７２の図示と、燃料電池用セパレータ６０の詳細な説明とは省略する。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池用セパレータ６０，８０は、セパレータ本体６２，８２と、ガス供給用流路６６，８６と、ガス供給用流路６６，８６に対して斜めに接続される連結流路６８，８８とを備える。これにより、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０から燃料電池用セパレータ６０，８０への水の排出を促進させることができる。すなわち、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０の排水性を高めることができる。これにより、燃料電池１における反応ガスの拡散性を向上させることができる。そして、これにより燃料電池１の発電性能を向上させることができる。

また、連結流路８８は、反応ガス前室９０と反応ガス後室９２とが並ぶ方向で反応ガス前室９０寄りの端部８８ａが、他方の端部８８ｂに比べて、ガス供給用流路８６の配列方向Ａにおいてガス入口９０ａ寄りに配置される。これにより、反応ガス前室９０からの距離が等しい位置における、複数のガス供給用流路８６を流れる酸化剤ガスの圧力の均一化を図ることができる。よって、燃料電池１の発電性能をより向上させることができる。

さらに、ガス供給用流路６６，８６は、反応ガスの流れの上流側から下流側に向かって表面の親水性が高くなっている。これにより、燃料電池用セパレータ６０，８０の排水性を高めることができるため、燃料電池用セパレータ６０，８０から迅速に水を排出することができる。よって、燃料電池１における反応ガスの拡散性の向上を促進させることができ、燃料電池１の発電性能をより向上させることができる。また、燃料電池用セパレータ６０，８０の排水性が高いため、ガス供給用流路６６，８６における水詰まりの発生を抑制することができる。このため、ガス供給用流路６６，８６の流路断面積を小さくすることができ、ひいては燃料電池１の小型化、薄型化が可能となる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

（変形例）
図４は、変形例に係る燃料電池用セパレータ８０を模式的に示す平面図である。実施の形態に係る燃料電池用セパレータ８０のガス供給用流路８６は、ストレート型の流路形状を有するが、変形例に係る燃料電池用セパレータ８０のガス供給用流路８６は、サーペンタイン型の流路形状を有する。以下、変形例に係る燃料電池用セパレータについて実施の形態と異なる構成を中心に説明する。実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明及び図示は適宜省略する。また、本変形例でも燃料電池用セパレータ６０と燃料電池用セパレータ８０とは同様の構造を有するため、燃料電池用セパレータ８０を例に挙げて説明する。

変形例に係る燃料電池用セパレータ８０は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ８０と同様に、セパレータ本体８２と、冷却剤流路８４（図１参照）と、ガス供給用流路８６と、連結流路８８と、反応ガス前室９０と、反応ガス後室９２とを備える。ガス供給用流路８６がサーペンタイン型の流路形状の場合でも、２つのガス供給用流路８６に対して斜めに接続される連結流路８８を設けることで、カソードガス拡散層４０から燃料電池用セパレータ８０への水の排出を促進させることができる。これにより、燃料電池１における反応ガスの拡散性を向上させることができる。

また、サーペンタイン型のガス供給用流路８６を有する燃料電池用セパレータ８０では、複数のガス供給用流路８６の一端８６ａの並ぶ方向において両端に位置する２つの一端８６ａの間の領域における中央部に、ガス入口９０ａが配置される。あるいは、一端８６ａが並ぶ方向において両端に位置する２つの一端８６ａの間の領域における中央部に、ガス入口９０ａの中心が配置される。そして、連結流路８８は、反応ガス流れの上流側の端部８８ａが下流側の端部８８ｂに比べて、ガス供給用流路８６の配列の中央にあるガス供給用流路８６に近くなるように配置される。これにより、複数のガス供給用流路８６を流れる酸化剤ガスの圧力の均一化を図ることができる。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照しながら、サーペンタイン型流路を有する燃料電池用セパレータにおける反応ガスの圧力分布について説明する。図５（Ａ）は、比較例３に係る燃料電池用セパレータ３８０を模式的に示す平面図である。図５（Ｂ）は、変形例に係る燃料電池用セパレータ８０を模式的に示す平面図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す破線は等圧線であり、各等圧線に付された数値は圧力値（ｋＰａ）である。なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、反応ガス前室９０及び反応ガス後室９２の図示を省略している。

比較例３の燃料電池用セパレータ３８０は、連結流路８８が設けられていない点で変形例に係る燃料電池用セパレータ８０と異なる。このような、燃料電池用セパレータ３８０では、反応ガスの流れる方向に対して直交する方向における反応ガスの圧力分布が不均一である。これに対し、変形例に係る燃料電池用セパレータ８０は、連結流路８８を備えることで、反応ガスの圧力分布が燃料電池用セパレータ３８０よりも均一になっている。これにより、燃料電池１の発電性能をより向上させることができる。

燃料電池用セパレータ６０は、燃料電池用セパレータ８０と同様の構造を有するため、同様の効果を奏することができる。

（その他）
上述した実施の形態では、燃料電池用セパレータ６０及び燃料電池用セパレータ８０の両方が、連結流路６８，８８を備える。しかしながら、特にこの構成に限定されず、燃料電池用セパレータ６０及び燃料電池用セパレータ８０の少なくとも一方が連結流路を有していればよい。また、複数のガス供給用流路６６，８６の全てにおいて、表面の親水性が変化しているが、特にこの構成に限定されず、複数のガス供給用流路６６，８６のうち少なくとも１つにおいて、表面の親水性が変化していればよい。また、上述した実施の形態において、燃料電池１は、固体高分子形燃料電池である。しかしながら、特にこの構成に限定されず、燃料電池１は、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）等の他の形の燃料電池であってもよい。

１燃料電池、１０膜電極接合体、１２電解質膜、１４アノード触媒層、１６カソード触媒層、６０，８０燃料電池用セパレータ、６２，８２セパレータ本体、６６，８６ガス供給用流路、６８，８８連結流路、７０，９０反応ガス前室、９０ａガス入口、７２，９２反応ガス後室、９２ａガス出口。

Claims

セパレータ本体と、
前記セパレータ本体に設けられ、燃料電池の電極に供給される反応ガスが通る、互いに独立した複数のガス供給用流路と、
隣り合う２つの前記ガス供給用流路をつなぐ連結流路と、
を備え、
前記連結流路は、前記２つのガス供給用流路に対して斜めに接続されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記反応ガスが流入するガス入口を有し、前記複数のガス供給用流路のそれぞれの一端が接続される反応ガス前室と、
前記反応ガスが排出されるガス出口を有し、前記複数のガス供給用流路のそれぞれの他端が接続される反応ガス後室と、
を備え、
前記ガス入口と、前記ガス出口とは、前記複数のガス供給用流路の配列方向において互いにずれて配置され、
前記連結流路は、前記反応ガス前室と前記反応ガス後室とが並ぶ方向において前記反応ガス前室に近い側の端部が、当該方向において前記反応ガス後室に近い側の端部よりも、前記複数のガス供給用流路の配列方向において前記ガス入口寄りに位置する請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記反応ガスが流入するガス入口を有し、前記複数のガス供給用流路のそれぞれの一端が接続される反応ガス前室と、
前記反応ガスが排出されるガス出口を有し、前記複数のガス供給用流路のそれぞれの他端が接続される反応ガス後室と、
を備え、
前記複数のガス供給用流路のうち少なくとも１つは、前記一端側から前記他端側に向かって表面の親水性が段階的又は連続的に高くなる請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の前記一方の面と反対の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対の燃料電池用セパレータと、
を備え、
前記一対の燃料電池用セパレータは、少なくとも一方が請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池。