JP2019067695A - 燃料電池用ガス流路形成板および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することを可能にする。【解決手段】ガス流路形成板２２は、膜電極接合体１３側に突出する形状で第１方向Ｌと同第１方向Ｌに交差する第２方向とにおいてそれぞれ並ぶように配置された複数の凸部２６を有する。ガス流路形成板２２は、複数の凸部２６のうちの隣り合う凸部２６に挟まれた部分を含むガス流路形成板２２における膜電極接合体１３側の部分からなるガス流路部２７と、凸部２６の内部を含むガス流路形成板２２におけるフラットセパレータ２１側の部分からなる水流路部２８と、を有する。ガス流路形成板２２は凸部２６の側壁に形成されて同凸部２６の内外を連通する開口部２９を有する。開口部２９は、ガス流路部２７を間に挟んだ状態で同ガス流路部２７を流れるガスの流れ方向と直交する方向において向かい合って重なることのないように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体と仕切板との間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成する燃料電池用ガス流路形成板、および同単セルが複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。

例えば固体高分子型燃料電池は、一対のセパレータによって膜電極接合体が挟まれた構造の単セルを複数積層することによって形成された燃料電池スタックを備えている。上記セパレータとしては、平板状の仕切板と、同仕切板および上記膜電極接合体の間に介設されたガス流路形成板とを備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１では、ガス流路形成板は、膜電極接合体側に突出して規則的に並ぶ複数の凸部を有している。このガス流路形成板における膜電極接合体側の部分（隣り合う凸部に挟まれた部分を含む）は、単セルの内部に供給されるガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を流通させるためのガス流路として機能する。また、ガス流路形成板における仕切板側の部分（上記凸部の内部を含む）は、発電に際して単セルの内部で発生する水を単セルの外部に排出するための水流路として機能する。上記ガス流路形成板の凸部には、その内部（水流路）と外部（ガス流路）とを連通する貫通孔が形成されている。

こうした燃料電池スタックでは、膜電極接合体での発電に際して発生した水が、ガス流路形成板の貫通孔を介して水流路に流入する。そして、水流路内に流入した水は、同水流路の内部を流れるガスの流動圧力によって押し流されて水流路の外部に排出される。

特許第５５６０４７０号公報

上記燃料電池スタックでは、ガス流路内の水は、毛管作用によって貫通孔の内部に引き込まれて水流路に排出される。そのため仮に、ガス流路形成板の凸部間（ガス流路）の水がそれら凸部の貫通孔に各別に接する状態になると、同水は、各貫通孔内に引き込まれるように両端が引っ張られた状態になってしまう。こうした状態では、ガス流路から水流路への排水が妨げられ易くなってガス流路内に水が滞留し易くなってしまうために、ガス流路の圧力損失が大きくなり、燃料電池スタックの発電効率の低下を招くおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することを可能にした燃料電池用ガス流路形成板および燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池用ガス流路形成板は、膜電極接合体と仕切板との間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、前記膜電極接合体側に突出する形状で第１方向と同第１方向に交差する第２方向とにおいてそれぞれ並ぶように配置された複数の凸部と、前記複数の凸部のうちの隣り合う前記凸部に挟まれた部分を含む前記ガス流路形成板における前記膜電極接合体側の部分からなるガス流路部と、前記凸部の内部を含む前記ガス流路形成板における前記仕切板側の部分からなる水流路部と、前記凸部の側壁に形成されて同凸部の内外を連通する開口部と、を有し、前記開口部は、前記挟まれた部分を間に挟んだ状態で同部分を流れるガスの流れ方向と直交する方向において向かい合って重なることのないように配置されている。

上記構成によれば、隣り合う凸部のそれぞれに開口部が形成される場合であっても、それら開口部がガスの流れ方向と直交する直交方向において重ならないため、それら開口部が直交方向において重なる位置に配置される場合と比較して、ガス流路部内の水が一つの開口部のみに接する状態になり易くなる。これにより、ガス流路部内の水が、隣り合う凸部のそれぞれに形成された開口部に引き込まれるように両端が引っ張られた状態になり難くなるため、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができるようになる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記開口部は、前記隣り合う前記凸部の対向壁のうちの一方のみに形成されていることが好ましい。
上記構成によれば、隣り合う凸部に挟まれた部分（ガス流路部内）の水が一つの開口部のみに接する状態になるようにすることができるため、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記開口部を、一つの貫通孔によって構成することができる。
上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記開口部は、前記複数の凸部の全てに設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、ガス流路形成板の仕切板側の部分（水流路部）を広い範囲に渡って実際に水が流通する流路として機能させることができるため、同ガス流路形成板が設けられた単セルの排水性能を高くすることができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記凸部は等間隔で規則的に並んでおり、前記開口部は、その全てが同一方向に向けて開口していることが好ましい。
上記構成によれば、ガス流路形成板の各部において水流路部への水の排出をバランス良く行うことができる。

上記課題を解決するための燃料電池用ガス流路形成板は、膜電極接合体と仕切板との間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、前記膜電極接合体側に突出する形状で間隔を置いて並ぶ複数の突条と、前記複数の突条のうちの隣り合う前記突条に挟まれた部分を含む前記ガス流路形成板における前記膜電極接合体側の部分からなるガス流路部と、前記突条の内部を含む前記ガス流路形成板における前記仕切板側の部分からなる水流路部と、前記突条の側壁に形成されて同突条の内外を連通する複数の開口部と、を有し、前記複数の開口部は、隣り合う前記突条の対向壁のうちの一方のみに形成されている。

上記構成によれば、隣り合う突条に挟まれた部分（ガス流路部内）の水が一つの開口部のみに接する状態になるようにすることができる。これにより、ガス流路部内の水が、隣り合う突条のそれぞれに形成された開口部に引き込まれるように両端が引っ張られた状態にならなくなるため、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができるようになる。

上記課題を解決するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、前記単セルは、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、前記一対のセパレータの少なくとも一方は、仕切板と、同仕切板および前記膜電極接合体の間に介設された上記燃料電池用ガス流路形成板と、を備える。

本発明によれば、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができる。

ガス流路形成板および燃料電池スタックの一実施形態を示す断面図。 ガス流路形成板の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図、（ｃ）は（ａ）のＣ矢視図、（ｄ）は（ａ）のＤ矢視図。 ガス流路形成板の（ａ）は斜め上方から見た斜視図、（ｂ）は斜め下方から見た斜視図。 ガス流路形成板の（ａ）は斜め上方から見た斜視図、（ｂ）は斜め下方から見た斜視図。 単セルの断面構造を概略的に示す断面図。 ガス流路形成板を概略的に示す平面図。 比較例の単セルの断面構造を概略的に示す断面図。 比較例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。 変形例のガス流路形成板を概略的に示す平面図。

以下、ガス流路形成板および燃料電池スタックの一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタックは、複数の単セル１０が積層された構造をなしており、固体高分子型燃料電池に内蔵されている。複数の単セル１０は、いずれも四角枠状をなす第１フレーム１１および第２フレーム１２を備えており、これらフレーム１１，１２によって四角シート状をなす周知の膜電極接合体１３の外縁部分が挟持されている。膜電極接合体１３は、固体高分子電解質膜１４と、この固体高分子電解質膜１４を間に挟む形状の一対の電極触媒層１５，１６と、それら電極触媒層１５，１６の外面を覆う形状の一対のガス拡散層１７，１８とを有する多層構造をなしている。

膜電極接合体１３は、第１セパレータ２０と第２セパレータ３０との間に挟まれている。第１セパレータ２０は、膜電極接合体１３のカソード側（図１の下側）のガス拡散層１７に当接しており、平板状のフラットセパレータ２１と、同フラットセパレータ２１および膜電極接合体１３の間に介設されたガス流路形成板２２とを備えている。第２セパレータ３０は、膜電極接合体１３のアノード側（図１の上側）のガス拡散層１８に当接しており、平板状のフラットセパレータ３１と、同フラットセパレータ３１および膜電極接合体１３の間に介設されたガス流路形成板３２とを備えている。フラットセパレータ２１，３１およびガス流路形成板２２，３２はそれぞれ金属板材によって形成されている。本実施形態では、フラットセパレータ２１，３１が仕切板に相当する。

単セル１０の内部には、図示しない酸化剤ガス供給源から後述するガス流路部２７に対して酸化剤ガスを供給するための供給通路４１と、発電に供されなかった酸化剤ガスをガス流路部２７の外部へ排出するための排出通路４２とが、第１フレーム１１およびフラットセパレータ２１によって区画形成されている。

また、単セル１０の内部には、図示しない燃料ガス供給源から後述するガス流路部３７に対して燃料ガスを供給するための供給通路５１と、発電に供されなかった燃料ガスをガス流路部３７の外部へ排出するための排出通路５２とが、第２フレーム１２およびフラットセパレータ３１によって区画形成されている。

なお図１に示す部分では、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２は、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２に対して上下反転するとともに左右反転した形状である。そのため以下では、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２については詳細に説明する一方、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２については第１セパレータ２０のガス流路形成板２２の各部の符号「２＊」にそれぞれ「１０」を加算した符号「３＊」を付すとともに各符号「２＊＊」にそれぞれ「１００」を加算した符号「３＊＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

以下、ガス流路形成板２２の構造について説明する。
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、ガス流路形成板２２は、ステンレス鋼板などの一枚の金属板材をロール成形することによって形成されている。

ガス流路形成板２２は、形状の異なる三種類の略波板形状の部分（小振部２３、大振部２４、中振部２５）が周期的に並んだ構造になっている。このガス流路形成板２２では、小振部２３、大振部２４、中振部２５といった順に三つの部分が並んだ構成を単位構成ＵＮとして、同単位構成ＵＮが多数並ぶように配置されている。三種類の略波板形状の部分のうち、小振部２３は波形状における振幅が最も小さい形状であり、大振部２４は同振幅が最も大きい形状であり、中振部２５は同振幅が中程度の形状である。

小振部２３は、上記波形状における上記膜電極接合体１３側に突出した部分（凸部分２３１）がフラットセパレータ２１から若干離間した位置で延びるとともに、同波形状における上記膜電極接合体１３に対して凹んだ部分（凹部分２３２）のフラットセパレータ２１側の端面が同フラットセパレータ２１に接している。

大振部２４は、その波形状における上記膜電極接合体１３側に突出した部分（凸部分２４１）の突端面が同膜電極接合体１３に接するとともに、同波形状における上記膜電極接合体１３に対して凹んだ部分（凹部分２４２）のフラットセパレータ２１側の端面が同フラットセパレータ２１に接している。

中振部２５は、その全体が上記大振部２４から離れるほど上記膜電極接合体１３から離間するように傾斜している。
中振部２５は、その波形状の延伸方向Ｌにおいて、傾斜の度合いの小さい緩傾斜部２５１と傾斜の度合いの大きい急傾斜部２５２とが交互に並んだ構造になっている。中振部２５の急傾斜部２５２の上記延伸方向Ｌにおける位置は大振部２４の凸部分２４１と同一の位置になっており、中振部２５の緩傾斜部２５１の上記延伸方向Ｌにおける位置は大振部２４の凹部分２４２と同一の位置になっている。

中振部２５の大振部２４側の端部では、急傾斜部２５２が波形状における上記膜電極接合体１３側に突出した部分（凸部分）になっており、緩傾斜部２５１が同波形状における上記膜電極接合体１３に対して凹んだ部分（凹部分）になっている。そして、こうした中振部２５の大振部２４側の端部では、凸部分の上記膜電極接合体１３側の端部が同膜電極接合体１３に接するとともに、凹部分の上記フラットセパレータ２１側の端部が同フラットセパレータ２１と膜電極接合体１３との間で延びている。

一方、中振部２５の上記大振部２４から離間する側の端部では、急傾斜部２５２が波形状における上記膜電極接合体１３に対して凹んだ部分（凹部分）になっており、緩傾斜部２５１が同波形状における上記膜電極接合体１３側に突出した部分（凸部分）になっている。そして、中振部２５の上記大振部２４から離間する側の端部では、凸部分（緩傾斜部２５１）および凹部分（急傾斜部２５２）が共にフラットセパレータ２１と膜電極接合体１３との間（詳しくは、フラットセパレータ２１から若干離間した位置）で延びている。

なお、中振部２５の上記大振部２４から離間する側の端部の隣には小振部２３が配置されている。そして、中振部２５の上記大振部２４から離間する側（すなわち小振部２３側）の端部は、小振部２３よりも膜電極接合体１３側で延びている。また、中振部２５の上記大振部２４から離間する側の端部では、上記延伸方向Ｌにおける中振部２５の凸部分の位置と小振部２３の凸部分２３１の位置とが同一になっており、同延伸方向Ｌにおける中振部２５の凹部分と小振部２３の凹部分２３２とが同一になっている。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ガス流路形成板２２では、大振部２４の凸部分２４１と中振部２５の急傾斜部２５２とによって、膜電極接合体１３側に突出するドーム形状の凸部２６が構成されている。

ガス流路形成板２２では、凸部２６の配設位置が上記延伸方向Ｌにおいて互い違いの位置になるように、隣り合う二つの単位構成ＵＮ（図２参照）が配置されている。すなわち、隣り合う二つの単位構成ＵＮは、上記延伸方向Ｌと直交する直交方向において、一方の単位構成ＵＮの凸部２６と他方の単位構成ＵＮにおける二つの凸部２６に挟まれた部分とが並ぶように配置されている。これにより、凸部２６は、第１方向である上記延伸方向Ｌと、第１方向に交差する第２方向（図３中および図４中に矢印ＣＲで示す方向）とにおいて、それぞれ等間隔で並ぶように規則的に配置されている。

ガス流路形成板２２の膜電極接合体１３側の部分には、隣り合う凸部２６によって挟まれた部分に、凹溝状のガス流路部２７が形成される。詳しくは、ガス流路部２７は、隣り合う凸部２６（大振部２４の凸部分２４１および中振部２５の急傾斜部２５２）の各側壁と、隣り合う凸部２６を繋ぐ部分（大振部２４の凹部分２４２、中振部２５の緩傾斜部２５１、小振部２３）とによって仕切られた部分である。このガス流路部２７は、ガス流路形成板２２の膜電極接合体１３側において略格子状に延びており、主に酸化剤ガスを流通させるための通路として機能する。

図４（ａ）に示すように、ガス流路部２７における小振部２３の凸部分２３１や中振部２５の急傾斜部２５２が配置された部分では、ガス流路部２７の内壁面の一部が、小振部２３の凹部分２３２から離れるに連れて膜電極接合体１３側に近づくように傾斜した形状になっている。そのため、ガス流路部２７内を流れる酸化剤ガスの一部は、そうしたガス流路部２７の内壁面の傾斜した部分に沿って流れることによって膜電極接合体１３に向かい、ガス拡散層１７（図１参照）の内部に流入するようになる。

また、ガス流路部２７における小振部２３の凸部分２３１や中振部２５の緩傾斜部２５１が配置された部分は、ガス流路部２７における上記小振部２３の凹部分２３２が配置された部分よりも、膜電極接合体１３側に突出した形状になっている。そのため、ガス流路部２７における小振部２３の凸部分２３１や中振部２５の緩傾斜部２５１が配置された部分では、流路断面積が部分的に狭くなっており、他の部分（詳しくは、小振部２３の凹部分２３２が配置された部分）と比較して内部圧力が高くなる。

これにより、ガス流路部２７の内部では、凸部２６を間に挟む位置において、すなわち小振部２３の凸部分２３１が配置される凸部２６の大振部２４側の位置と小振部２３の凹部分２３２が配置される凸部２６の急傾斜部２５２側の位置との間において圧力差が生じるようになる。そして、この圧力差によって、ガス流路部２７内を流れる酸化剤ガスの一部が、凸部２６の大振部２４側から急傾斜部２５２側に向けて同凸部２６を乗り越えるように流れて、上記延伸方向Ｌと交差する方向にも流れるようになる。また、ガス流路部２７の内部では、延伸方向Ｌにおいて隣り合う凸部２６に挟まれた部分を間に挟む位置において、すなわち小振部２３の凸部分２３１が配置される一方側の位置と小振部２３の凹部分２３２が配置される他方側の位置との間において圧力差が生じるようになる。そして、この圧力差によって、ガス流路部２７内を流れる酸化剤ガスの一部が、上記延伸方向Ｌにおいて隣り合う凸部２６によって挟まれた部分を通過するように流れて、同延伸方向Ｌと交差する方向に流れるようになる。

本実施形態では、このようにして酸化剤ガスがガス流路部２７の内部に拡散されるようになっている。そして、ガス流路部２７の内部において上記延伸方向Ｌと交差する方向に流れる酸化剤ガスの一部は、凸部２６の側壁に沿って流れるなどして膜電極接合体１３に向かい、ガス拡散層１７の内部に流入するようになる。

このように、ガス流路形成板２２を採用することによって膜電極接合体１３に酸化剤ガスが供給され易くなるため、燃料電池セルの発電効率の向上を図ることができる。
図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、ガス流路形成板２２のフラットセパレータ２１側の部分には、隣り合う二つの小振部２３によって挟まれた部分に、凹溝状の水流路部２８が形成される。詳しくは、水流路部２８は、隣り合う小振部２３の各側壁とそれら小振部２３を繋ぐ部分（大振部２４および中振部２５）とによって仕切られた部分（凸部２６の内部を含む）であり、主に、膜電極接合体１３での発電に伴って生成された水を排出するための通路として機能する。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ガス流路形成板２２の小振部２３と大振部２４との境界部分には、凸部２６の内部（水流路部２８）と外部（ガス流路部２７）とを連通する貫通孔（開口部２９）として、小振部２３の凸部分２３１と大振部２４の凸部分２４１との間隙が配置されている。この開口部２９は、一つの貫通孔からなるとともに、各凸部２６の側壁に設けられている。開口部２９は、全ての凸部２６に一つずつ設けられており、全てが同一方向（図３（ａ）における左斜め下方向）に向けて開口している。

また、ガス流路形成板２２の大振部２４と中振部２５との境界部分には、同ガス流路形成板２２の上記フラットセパレータ２１側の部分（水流路部２８）と上記膜電極接合体１３側の部分（ガス流路部２７）とを連通する貫通孔（開口部２２１）として、大振部２４の凹部分２４２と中振部２５の緩傾斜部２５１との間隙が配置されている。

これら開口部２９，２２１は、単セル１０の内部で発生する水を水流路部２８に排出する通路として機能する。
図１の下側の単セル１０に示すように、燃料ガスが供給通路５１を通じてガス流路部３７内に供給されると、同燃料ガスはガス流路部３７を通じてガス拡散層１８に流入する。そして、燃料ガスはガス拡散層１８を通過するとともに拡散されて電極触媒層１６に供給される。一方、酸化剤ガスが供給通路４１を通じてガス流路部２７内に供給されると、同酸化剤ガスはガス流路部２７を通じてガス拡散層１７に流入する。そして、酸化剤ガスはガス拡散層１７を通過するとともに拡散されて電極触媒層１５に供給される。このようにして膜電極接合体１３に対して燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、膜電極接合体１３での電気化学反応によって発電が行なわれる。こうした膜電極接合体１３での発電に際して、カソード側のガス拡散層１７の内部（詳しくは、電極触媒層１５との界面およびその近傍）では水が生成される。

そして、図２（ｃ）、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、この水は、ガス流路形成板２２のガス流路部２７に流入するとともに、毛管作用によって開口部２９，２２１に引き込まれて水流路部２８に導入されるようになる。なお、水流路部２８内に導入された水が水滴となって開口部２９，２２１の近傍に滞留しているときには、この滞留している水が呼び水となり、開口部２９，２２１内に侵入した水が毛管作用によって水流路部２８内に導かれるようになる。

そうして水流路部２８内に導入された水は、水流路部２８内を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって下流側（図１の左側）に押し流されて、排出通路４２（図１参照）を介して単セル１０の外部に排出されるようになる。

以下、単セル１０にガス流路形成板２２を設けることによる作用について説明する。
図５および図６に示すように、凸部２６には、開口部２９が同一の方向（図５および図６の左側）に向けて開口するように一箇所のみに設けられている。これにより、ガス流路形成板２２は、隣り合う凸部２６の対向壁の一方のみに開口部２９が形成された構造になっている。そのため、膜電極接合体１３（図５）での発電に際して発生してガス流路形成板２２のガス流路部２７に流入した水Ｗは、一つの開口部２９のみに接するようになる。そして、この開口部２９における毛管作用により、ガス流路部２７内の水Ｗは開口部２９の内部に引き込まれるようになる。このように本実施形態の単セル１０では、一つの開口部２９を介して、ガス流路部２７内の水が水流路部２８内に導入（排出）されるようになる。

図７および図８は、比較例の単セルの断面構造を概略的に示している。図７および図８に示すように、比較例の単セルでは、直交方向（図７および図８の左右方向）において隣り合う二つの凸部１５６の対向壁に対して、直交方向において重なる位置にそれぞれ貫通孔１５９が形成されている。そのため、膜電極接合体１３（図７）での発電に際して発生してガス流路形成板１５２のガス流路部１５７に流入する水Ｗは、同ガス流路部２７の両側壁の貫通孔１５９に接するようになる。したがって、図７中および図８中に黒塗りの矢印で示すように、ガス流路部１５７内の水Ｗは、各貫通孔１５９における毛管作用により、各貫通孔１５９内に引き込まれるように両端が引っ張られた状態になってしまう。この状態では、ガス流路部１５７から水流路部１５８への排水が妨げられ易くなって同ガス流路部１５７内に水Ｗが滞留し易くなってしまう。ガス流路部１５７内に滞留した水Ｗは酸化剤ガスの流れ（図８中に白抜きの矢印で示す）を邪魔するようになるため、ガス流路部１５７の圧力損失が大きくなり、燃料電池スタックの発電効率の低下を招くおそれがある。

この点、本実施形態では、図６に示すように、ガス流路部２７に流入した水Ｗは一つの開口部２９のみに接する状態になる。これにより、ガス流路部２７内の水Ｗの両端が開口部内に引き込まれるように引っ張られた状態にはならないため、同状態になる比較例の単セル（図８参照）と比較して、ガス流路部２７内の水が水流路部２８内に引き込まれ易くなる。そのため、ガス流路部２７内の水Ｗを速やかに水流路部２８に排出することができるようになる。

また本実施形態では、図６中に黒塗りの矢印で示すように、ガス流路部２７に流入した水Ｗがガス流路部２７の両側壁のうちの一方（図６の右側）のみに形成された開口部２９に接して引っ張られた状態になる。そのため本実施形態の単セル１０では、ガス流路部に流入した水の両端がガス流路部の両側壁の開口部に接して引っ張られた状態になる比較例の単セル（図８参照）と比較して、水Ｗが酸化剤ガスの流れ（図６中に白抜きの矢印で示す）によって押し流され易くなって、ガス流路部２７内に滞留し難くなる。そして、酸化剤ガスの流れ方向下流側に押し流された水Ｗは、下流側の開口部２９に引き込まれて水流路部２８に導入（排出）されるようになる。このように本実施形態によれば、ガス流路部２７内における水Ｗの滞留に起因する圧力損失の増大を抑えて、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑えることができる。

また本実施形態では、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、開口部２９が複数の凸部２６の全てに設けられている。そのため、ガス流路部２７から水流路部２８に水を排出するための通路として機能する開口部２９を、ガス流路形成板２２の全体に満遍なく配置することができる。これにより、ガス流路形成板２２の上記フラットセパレータ２１側の部分（水流路部２８）を広い範囲に渡って実際に水が流通する流路として機能させることができるため、同ガス流路形成板２２が設けられた単セル１０の排水性能を高くすることができる。

さらに本実施形態では、ガス流路形成板２２において凸部２６が等間隔で規則的に並んでおり、全ての開口部２９が同一方向に向けて開口している。そのため、ガス流路形成板２２の各部に開口部２９を有する凸部２６を同一の態様で配置することができる。したがって、ガス流路形成板２２の各部においてガス流路部２７内におけるガスの拡散と水流路部２８への水の排出とをバランス良く行うことができる。

なお、本実施形態では、アノード側のガス流路形成板３２として、カソード側のガス流路形成板２２と同一の構造のものが採用されている。そのため、アノード側のガス流路形成板３２の凸部３６および開口部３９においても、上述したカソード側のガス流路形成板２２の凸部２６および開口部２９と同様の作用が奏される。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）開口部２９，３９を、隣り合う凸部２６，３６の対向壁のうちの一方のみに形成するようにした。そのため、ガス流路部２７，３７内の水Ｗを速やかに水流路部２８，３８に排出することができる。したがって、ガス流路部２７，３７内における水Ｗの滞留に起因する圧力損失の増大を抑えて、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑えることができる。

（２）開口部２９，３９を複数の凸部２６，３６の全てに設けるようにした。そのため、ガス流路形成板２２，３２が設けられた単セル１０の排水性能を高くすることができる。

（３）全ての開口部２９，３９を同一方向に向けて開口する態様で設けるようにした。そのため、ガス流路形成板２２，３２の各部においてガス流路部２７，３７内におけるガスの拡散と水流路部２８，３８への水の排出とをバランス良く行うことができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ガス流路形成板２２における凸部２６の配置態様やガス流路形成板３２における凸部３６の配置態様は任意に変更することができる。

・隣り合う二つの凸部２６，３６の対向壁の一方のみに開口部２９，３９が設けられるのであれば、開口部２９，３９が開口する方向は任意に変更可能である。こうしたガス流路形成板によっても、隣り合う凸部２６，３６間（ガス流路部２７，３７内）の水が一つの開口部２９，３９のみに接する状態になるため、ガス流路部２７，３７内の水を速やかに水流路部２８，３８に排出することができる。以下、開口部の開口方向を変更したガス流路形成板の具体例について説明する。

図９に示すガス流路形成板６２では、前記波形状の延伸方向Ｌにおいては、一方（図９の左側）の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６１と他方（図９の左側）の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６２とが交互に並ぶように配置されている。また、このガス流路形成板６２では、上記延伸方向Ｌと直交する方向（直交方向）においては、同一方向の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６１（または凸部６６２）が並んでいる。

図１０に示すガス流路形成板７２では、両側壁に開口部７９を有する凸部７６１が上記延伸方向Ｌにおいて並んだ列と、開口部７９を有していない凸部７６２が上記延伸方向Ｌにおいて並んだ列とが上記直交方向において交互に並んでいる。なお図１０に一例を示すように、一部の凸部には開口部を設けないようにしてもよい。

図１１に示すガス流路形成板８２では、上記直交方向における最も左側の列には上記延伸方向Ｌにおいて一方（図１１の右側）の側壁に開口部８９が設けられた凸部８６１が並んでおり、上記直交方向における左側から二番目の列には開口部８９が設けられない凸部８６２が並んでおり、上記直交方向における左側から三番目の列には他方（図１１の左側）の側壁に開口部８９が設けられた凸部８６３が並んでいる。

図１２に示すガス流路形成板９２では、全ての凸部９６に対して、上記延伸方向Ｌにおける一方側（図１２の上側）の壁部に開口部９９が設けられている。
・隣り合う二つの凸部の対向壁の両方に開口部を設けてもよい。この場合には、各開口部を、隣り合う凸部に挟まれた部分（ガス流路部）を間に挟んだ状態で同部分を流れるガスの流れ方向と直交する方向において向かい合って重なることのないように配置すればよい。

上記ガス流路形成板によれば、隣り合う凸部の対向壁のそれぞれに開口部が形成されるとはいえ、それら開口部が上記直交方向において重ならないため、開口部が直交方向において重なるように配置されたガス流路形成板と比較して、ガス流路部内の水が一つの開口部のみに接する状態になり易くなる。これにより、ガス流路部内の水の両端が、隣り合う凸部のそれぞれに形成された開口部に引き込まれるように引っ張られた状態になり難くなるため、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができるようになる。

・図１３および図１４にガス流路形成板の一例を概念的に示すように、膜電極接合体１３側（図１３、図１４の紙面における手前側）に突出する形状で間隔を置いて並ぶ複数の突条１１６を有するガス流路形成板を、膜電極接合体１３（図１参照）とフラットセパレータ２１，３１との間に介設されるガス流路形成板の一実施形態にしてもよい。このガス流路形成板では、複数の突条１１６のうちの隣り合う二つの突条１１６に挟まれた部分を含むガス流路形成板における膜電極接合体１３側の部分がガス流路部１１７になっており、各突条１１６の内部を含むガス流路形成板におけるフラットセパレータ側（図１３の紙面における奥側）の部分が水流路部１１８になっている。詳しくは、ガス流路部１１７は、隣り合う二つの突条１１６の間に形成される凹溝状の部分を含んでおり、主にガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を流通させるための通路として機能する。また、水流路部１１８は、突条１１６の内部に形成される凹溝状の部分を含んでおり、主に、膜電極接合体１３での発電に伴って生成された水を排出するための通路として機能する。ガス流路形成板は、突条１１６が延びる方向、すなわちガス流路部１１７が延びる方向（延設方向Ｍ）と直交する方向（直交方向）において湾曲する波形の板材である。このガス流路形成板には、突条１１６の側壁に同突条１１６の内部（水流路部１１８）と外部（ガス流路部１１７）とを連通する複数の開口部１１９が形成されている。そして、複数の開口部１１９は、隣り合う突条１１６の対向壁のうちの一方のみに形成されている。

図１３に示すガス流路形成板１２２では、全ての突条１１６に対して、上記延設方向Ｍにおける両側壁のうちの一方（図１３の右側の側壁）のみに開口部１１９が設けられている。

図１４に示すガス流路形成板１３２では、上記延設方向Ｍにおける両側壁に開口部１１９が設けられた突条１１６と開口部１１９が設けられない突条１１６とが交互に並ぶように配置されている。

こうしたガス流路形成板によれば、膜電極接合体１３での発電に際して発生してガス流路部１１７に流入した水が一つの開口部１１９のみに接する状態になるようにすることができる。これにより、ガス流路部１１７内の水の両端が隣り合う突条１１６の対向壁のそれぞれに形成された開口部内に引き込まれるように引っ張られた状態にはならないため、同状態になる比較例の単セルと比較して、ガス流路部１１７内の水が水流路部１１８内に引き込まれ易くなる。そのため、ガス流路部１１７内の水を速やかに水流路部１１８に排出することができるようになる。

・ガス流路形成板の凸部（あるいは突条）に設ける開口部を、一つの貫通孔によって構成することに限らず、複数の孔によって構成するようにしてもよい。具体的には、開口部の開口部分を、メッシュ状の構造にしたり、パンチングメタル状の構造にしたり、壁状（または柱状）の部材によって複数の開口に仕切られた構造にしたりすることができる。

・上記実施形態のガス流路形成板の構造は、ガス流路形成板の全体に適用することに限らず、ガス流路形成板の一部のみに適用するようにしてもよい。単セルの内部において水の排水性が低くなり易い部分（例えば、ガス流れ方向における下流側の部分）に上記実施形態のガス流路形成板の構造を適用することにより、ガス流路部内の水を速やかに水流路部に排出することができるようになる。

・平板状のフラットセパレータ２１，３１に代えて、凹凸（ディンプルや突起）が形成された仕切板や波板状の仕切板を採用したりするなど、任意の形状の仕切板を採用することができる。

１０…単セル、１１…第１フレーム、１２…第２フレーム、１３…膜電極接合体、１４…固体高分子電解質膜、１５…電極触媒層、１６…電極触媒層、１７…ガス拡散層、１８…ガス拡散層、２０…第１セパレータ、２１，３１…フラットセパレータ、２２，３２，６２，７２，８２，９２，１０２，１２２，１３２…ガス流路形成板、２２１…開口部、２３…小振部、２３１，２４１…凸部分、２３２，２４２…凹部分、２４…大振部、２５…中振部、２５１…緩傾斜部、２５２…急傾斜部、２６，３６，６６１，６６２，７６１，７６２，８６１，８６２，８６３，９６，１０６１，１０６２…凸部、２７，３７…ガス流路部、２８，３８…水流路部、２９，３９，６９，７９，８９，９９，１０９…開口部、３０…第２セパレータ、３１…フラットセパレータ、３２…ガス流路形成板、４１，５１…供給通路、４２，５２…排出通路、１１６…突条、１１７…ガス流路部、１１８…水流路部、１１９…開口部、１５２…ガス流路形成板、１５６…凸部、１５７…ガス流路部、１５８…水流路部、１５９…貫通孔。

図９に示すガス流路形成板６２では、前記波形状の延伸方向Ｌにおいては、一方（図９の左側）の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６１と他方（図９の右側）の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６２とが交互に並ぶように配置されている。また、このガス流路形成板６２では、上記延伸方向Ｌと直交する方向（直交方向）においては、同一方向の側壁に開口部６９が設けられた凸部６６１（または凸部６６２）が並んでいる。

Claims (7)

1. 膜電極接合体と仕切板との間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体側に突出する形状で第１方向と同第１方向に交差する第２方向とにおいてそれぞれ並ぶように配置された複数の凸部と、
   前記複数の凸部のうちの隣り合う前記凸部に挟まれた部分を含む前記ガス流路形成板における前記膜電極接合体側の部分からなるガス流路部と、
   前記凸部の内部を含む前記ガス流路形成板における前記仕切板側の部分からなる水流路部と、
   前記凸部の側壁に形成されて同凸部の内外を連通する開口部と、を有し、
   前記開口部は、前記挟まれた部分を間に挟んだ状態で同部分を流れるガスの流れ方向と直交する方向において向かい合って重なることのないように配置されている
   燃料電池用ガス流路形成板。
2. 前記開口部は、前記隣り合う前記凸部の対向壁のうちの一方のみに形成されている
   請求項１に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
3. 前記開口部は、一つの貫通孔からなる
   請求項１または２に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
4. 前記開口部は、前記複数の凸部の全てに設けられている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
5. 前記凸部は等間隔で規則的に並んでおり、
   前記開口部は、その全てが同一方向に向けて開口している
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
6. 膜電極接合体と仕切板との間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体側に突出する形状で間隔を置いて並ぶ複数の突条と、
   前記複数の突条のうちの隣り合う前記突条に挟まれた部分を含む前記ガス流路形成板における前記膜電極接合体側の部分からなるガス流路部と、
   前記突条の内部を含む前記ガス流路形成板における前記仕切板側の部分からなる水流路部と、
   前記突条の側壁に形成されて同突条の内外を連通する複数の開口部と、を有し、
   前記複数の開口部は、隣り合う前記突条の対向壁のうちの一方のみに形成されている
   燃料電池用ガス流路形成板。
7. 複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、
   前記一対のセパレータの少なくとも一方は、仕切板と、同仕切板および前記膜電極接合体の間に介設された請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス流路形成板と、を備える燃料電池スタック。