JP5445592B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよびセパレータを備える燃料電池に関する。
一般に、燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池は、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層が、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。燃料電池の内部には、反応ガスや冷却媒体（例えば冷却液）といった流体を流動させるための流路が形成される。
一方の表面側に凹な形状の第１の溝部と他方の表面側に凹な形状の第２の溝部とが交互に複数並んだ波形断面形状を有する燃料電池用セパレータが知られている。このようなセパレータでは、各第１の溝部の上記一方の表面側に第１の流体（例えば冷却液）用の流路が形成され、各第２の溝部の上記他方の表面側に第２の流体（例えば燃料ガス）用の流路が形成される。燃料電池には、第１，２の流体を供給・排出するため燃料電池を積層方向に貫通するマニホールドが形成されており、各第１の流体用流路は第１の流体供給マニホールドおよび第１の流体排出マニホールドに接続され、各第２の流体用流路は第２の流体供給マニホールドおよび第２の流体排出マニホールドに接続される。
他方、発電体層の全域に効率的に流体を分配するために、燃料電池内の流体用流路を、蛇行した形状の流路（以下、「サーペンタイン型流路」とも呼ぶ）とする技術が知られている（例えば、特開２００３−２４２９９４号公報、特開２００９−１７０２８６号公報）。
上記従来の波形断面形状を有する燃料電池用セパレータでは、互いに隣接する第１および第２の溝部により形成される第１および第２の流体用流路の流れ方向は、互いに平行な方向に限定される。そのため、例えば、第２の溝部により形成される第２の流体用流路をサーペンタイン型流路とすると、反対側の第１の溝部により形成される第１の流体用流路の流れ方向も同様の方向に限定される。従って、セパレータの両側に形成された流体用流路のそれぞれの特に流路出入口付近において、流路を介した流体の良好な分配性を確保することは容易ではなかった。なお、別のセパレータ部品を追加することにより、２つの流体用流路の流れ方向の設定の自由度を向上させることは可能であるが、部品点数の増加は重量、大きさ、コストの増加につながるため好ましくない。
なお、このような課題は、固体高分子型燃料電池用に限らず一般の燃料電池用のセパレータに共通の課題であった。
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、燃料電池用セパレータの一方の側の流路を蛇行した形状の流路（サーペンタイン型流路）とした場合にも、セパレータの両側に形成された流体用流路のそれぞれにおいて、流路を介した流体の良好な分配性を確保することを目的とする。
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。例えば、本発明は、燃料電池用のセパレータであって、第１の表面側に凹な形状であり第１の流体用の流路を前記第１の表面側に形成する第１の溝部と、前記第１の表面側とは反対の第２の表面側に凹な形状であり第２の流体用の流路を前記第２の表面側に形成する第２の溝部と、が交互に複数並んだ波形断面形状を有する第１の流路形成部であって、複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含む直線状領域を平行に３つ以上有し、かつ、複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含み、各前記第２の流体用の流路が蛇行形状となるように、各前記直線状領域における対応する前記溝部間を接続する複数の折り返し領域を有する、第１の流路形成部と、前記第１の流路形成部における前記第２の流体用の流路の入口および出口の位置に隣接して配置され、各前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成すると共に、各前記第２の流体用の流路を連通する流路を前記第２の表面側に形成する第２の流路形成部と、を備え、各前記折り返し領域における各前記第２の溝部は、前記第２の表面側から見た深さが他の部分より浅い浅溝部であって、前記浅溝部を挟んで隣接する２つの前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成する浅溝部を有する、セパレータとして実現することが可能である。その他、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］燃料電池用のセパレータであって、
第１の表面側に凹な形状であり第１の流体用の流路を前記第１の表面側に形成する第１の溝部と、前記第１の表面側とは反対の第２の表面側に凹な形状であり第２の流体用の流路を前記第２の表面側に形成する第２の溝部と、が交互に複数並んだ波形断面形状を有する第１の流路形成部であって、複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含む互いに平行な３つ以上の直線状領域と、各前記第２の流体用の流路が蛇行形状となるように各前記直線状領域における対応する前記溝部間を接続する複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含む複数の折り返し領域と、を有する、第１の流路形成部と、
前記第１の流路形成部における前記第２の流体用の流路の入口および出口の位置に隣接して配置され、各前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成すると共に、各前記第２の流体用の流路を連通する流路を前記第２の表面側に形成する第２の流路形成部と、を備え、
各前記折り返し領域における各前記第２の溝部は、前記第２の表面側から見た深さが他の部分より浅い浅溝部であって、前記浅溝部を挟んで隣接する２つの前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成する浅溝部を有する、セパレータ。
この燃料電池用セパレータでは、波形断面形状を有する第１の流路形成部における第２の流体用の流路を蛇行形状の流路（サーペンタイン型流路）とした場合にも、蛇行形状の第２の流体用の流路の出入口の位置に隣接して配置された第２の流路形成部において各第１の流体用の流路が連通されると共に各第２の流体用の流路が連通され、さらに、折り返し領域の浅溝部によって第１の表面側に形成された連通流路により第１の流体用の流路間が連通されるため、セパレータの両側に形成された流体用流路のそれぞれにおいて、流体用流路を介した流体の良好な分配性を確保することができる。また、この燃料電池用セパレータでは、部品点数の増加を抑制することができる。
［適用例２］適用例１に記載のセパレータであって、
前記第１の流体は、冷却液であり、
前記第２の流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとのいずれかである、セパレータ。
この燃料電池用セパレータでは、燃料ガスと酸化剤ガスとのいずれかである第２の流体用の流路を蛇行形状として発電体層の全域に効率的に第２の流体を分配しつつ、セパレータの両側に形成された流体用流路のそれぞれにおいて、流体用流路を介した流体の良好な分配性を確保することができると共に、第２の流体用の流路における排水性を向上させて燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
［適用例３］適用例１または適用例２に記載のセパレータであって、
前記第２の流体用のマニホールドを構成する第２の開口が、前記第２の開口の少なくとも一部分が前記第２の流路形成部に対向するように形成されており、
前記第１の流体用のマニホールドを構成する第１の開口が、前記第１の開口の一部分が前記第２の流路形成部に対向すると共に他の一部分が前記第１の流路形成部の前記折り返し領域に対向するように形成されている、セパレータ。
この燃料電池用セパレータでは、第２の流路形成部が第２の流体用のマニホールドを構成する第２の開口と第１の流体用のマニホールドを構成する第１の開口との両方に対向するため、第２の流路形成部において第１の流体および第２の流体の両方をバランス良く分配および排出することができる。
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のセパレータであって、
前記第２の流路形成部は、平板部と、前記平板部から前記第１の表面側に突出した複数の独立した第１の突起部と、前記平板部から前記第２の表面側に突出した複数の独立した第２の突起部と、を有する、セパレータ。
この燃料電池用セパレータでは、第１の流体の分配性の低下を原因とする燃料電池の発電性能の低下を抑制しつつ、第２の流路形成部において、各第１の流体用の流路を連通する流路を第１の表面側に形成することができると共に、各第２の流体用の流路を連通する流路を第２の表面側に形成することができる。
［適用例５］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であって、
前記浅溝部の底部の積層方向に沿った位置は、前記第２の溝部の前記他の部分の位置より前記第２の表面側である、セパレータ。
この燃料電池用セパレータでは、材料の厚さを浅溝部と他の部分とで相違させることなく、浅溝部を挟んで隣接する２つの第１の流体用の流路を連通する流路を第１の表面側に形成することができる。
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。
本発明の実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 燃料電池１００に含まれる単セル１４０の平面構成を示す説明図である。 燃料電池１００の断面構成を示す説明図である。 燃料電池１００の断面構成を示す説明図である。 燃料電池１００の断面構成を示す説明図である。 燃料電池１００の断面構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３１０の波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡの構成を示す斜視図である。 アノード側セパレータ３１０の波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡの構成を示す斜視図である。 ディンプル部ＤＰＰの平面構成を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 変形例におけるアノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。 変形例におけるアノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。 図１３における折り返し領域ＣＡ１の部分を拡大して示す説明図である。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１０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を備えている。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素は、後述する燃料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（アノードオフガス）は、後述する燃料ガス排出マニホールドを介して集約され、排出配管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の配管５３に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。
燃料電池１００には、また、エアポンプ６０、配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気は、後述する酸化剤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（カソードオフガス）は、後述する酸化剤ガス排出マニホールドを介して集約され、配管６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００の各単セル１４０を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された冷却媒体が供給される。冷却媒体は、後述する冷却媒体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を冷却した後の冷却媒体は、後述する冷却媒体排出マニホールドを介して集約され、配管７３を介してラジエータ７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本実施例では、液体の冷却媒体である冷却液（以下、「ＦＣＣ」とも呼ぶ）が使用される。
燃料電池システム１０は、また、制御部８０を備えている。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。
図２は、燃料電池１００に含まれる単セル１４０の平面構成を示す説明図である。また、図３−６は、燃料電池１００の断面構成を示す説明図である。また、図７，８は、単セル１４０に含まれるアノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。図３には、図２，７，８のＡ１−Ａ１の位置における燃料電池１００の部分断面を示しており、図４には、図２，７，８のＢ１−Ｂ１の位置における燃料電池１００の部分断面を示しており、図５には、図２，７，８のＣ１−Ｃ１の位置における燃料電池１００の部分断面を示しており、図６には、図２，７，８のＤ１−Ｄ１の位置における燃料電池１００の部分断面を示している。また、図７には、アノード側セパレータ３１０の一方の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する側であり、以下では「第１の表面側」とも呼ぶ）の平面構成を示しており、図８には、アノード側セパレータ３１０の他方の表面側（発電体層２００に対向する側であり、以下では「第２の表面側」とも呼ぶ）の平面構成を示している。
燃料電池１００の内部には、図２に示すように、燃料電池１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化剤ガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０において利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド１５４と、燃料電池１００に供給された冷却液を各単セル１４０に分配する冷却液供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷却液を集めて燃料電池１００の外部に排出する冷却液排出マニホールド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の積層方向に略平行な方向（すなわち単セル１４０の面方向に略垂直な方向）に伸びる形状の流路である。
図２に示すように、単セル１４０の平面形状は略長方形であり、各マニホールドは単セル１４０の平面における外縁辺付近に配置されている。具体的には、燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却液供給マニホールド１７２の位置は、単セル１４０の外縁辺の内の一方の短辺に隣接した位置であり、燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却液排出マニホールド１７４の位置は、単セル１４０の外縁辺の内の他方の短辺に隣接した位置である。単セル１４０の外縁辺の短辺方向に沿った燃料ガス供給マニホールド１６２と冷却液供給マニホールド１７２との位置関係は、燃料ガス排出マニホールド１６４と冷却液排出マニホールド１７４との位置関係と逆の関係になっている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１５２の位置は、単セル１４０の外縁辺の内の一方の長辺（燃料ガス供給マニホールド１６２から遠い方の長辺）に隣接した位置であり、酸化剤ガス排出マニホールド１５４の位置は、単セル１４０の外縁辺の内の他方の長辺（燃料ガス供給マニホールド１６２から近い方の長辺）に隣接した位置である。
なお、本明細書では、燃料電池１００において単セル１４０を積層する方向を「積層方向」と呼ぶものとし、単セル１４０の主表面に平行な方向（すなわち積層方向と略垂直な方向）を「面方向」と呼ぶものとする。また、面方向の内、単セル１４０の長辺に平行な方向をＸ方向と呼び、単セル１４０の短辺に平行な方向（Ｘ方向に略垂直な方向）をＹ方向と呼ぶものとする。
図３−６に示すように、燃料電池１００の単セル１４０は、電解質膜２１２のそれぞれの面にアノード（アノード電極層）２１４、カソード（カソード電極層）２１５が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２１０を含む発電体層２００を、一対のセパレータ（カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０）によって挟持した構成となっている。膜電極接合体２１０は、さらに、アノード２１４の外側に配置されたアノード側拡散層２１６と、カソード２１５の外側に配置されたカソード側拡散層２１７と、を含んでいる。また、発電体層２００は、さらに、膜電極接合体２１０のカソード側拡散層２１７の外側に配置されたカソード側多孔体流路層２３０を含んでいる。
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、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。なお、図２では、単セル１４０の平面におけるカソード２１５およびアノード２１４が配置されている領域を破線で囲んで示している。
カソード側拡散層２１７およびアノード側拡散層２１６は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成されている。カソード側多孔体流路層２３０は、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ている。カソード側多孔体流路層２３０は、カソード側拡散層２１７より空孔率が高いため、内部におけるガスの流動抵抗が低く、酸化剤ガスが流動する酸化剤ガス用流路として機能する。
カソード側セパレータ３２０は、金属板に、各マニホールドを構成する開口等を形成するための孔空け加工を施して製造される。図３−６に示すように、カソード側セパレータ３２０は、平坦な板状形状である。
一方、アノード側セパレータ３１０は、金属板に、各マニホールドを構成する開口等を形成するための孔空け加工を施すと共に、凹凸を設けるプレス加工を施して製造される。
図７，８に示すように、アノード側セパレータ３１０には、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３６２と、燃料ガス排出マニホールド１６４を構成する開口３６４と、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３５２と、酸化剤ガス排出マニホールド１５４を構成する開口３５４と、冷却液供給マニホールド１７２を構成する開口３７２と、冷却液排出マニホールド１７４を構成する開口３７４とが形成されている。開口３７２および開口３７４は、本発明における第１の開口に相当し、開口３６２および開口３６４は、本発明における第２の開口に相当する。
また、アノード側セパレータ３１０は、第１の表面側（図７）に冷却液用の流路を形成すると共に第２の表面側（図８）に燃料ガス用の流路を形成する波形部ＷＳＰおよびディンプル部ＤＰＰ（ディンプル部ＤＰＰ１およびＤＰＰ２）を有している。波形部ＷＳＰは、本発明における第１の流路形成部に相当し、ディンプル部ＤＰＰは、本発明における第２の流路形成部に相当する。
図７，８に示すように、波形部ＷＳＰは、３つの直線状領域ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３と、２つの折り返し領域ＣＡ１，ＣＡ２とを含んでいる。３つの直線状領域ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３は、Ｘ方向に沿って伸びる領域であり、Ｙ方向に沿って順に並んで配置されている。すなわち、３つの直線状領域ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３は、互いに略平行である。
中央に位置する２番目の直線状領域ＳＡ２の一方（図８中の上側）の端部と１番目の直線状領域ＳＡ１の同方向の端部との間には１番目の折り返し領域ＣＡ１が配置されている。より具体的には、この方向（図８中の上側）の直線状領域ＳＡ２およびＳＡ１の端部の境界線は、Ｙ方向に平行ではなく所定の角度を有しており、直線状領域ＳＡ２およびＳＡ１の端部境界線の間に略三角形形状の折り返し領域ＣＡ１が配置されている。同様に、２番目の直線状領域ＳＡ２の他方（図８中の下側）の端部と３番目の直線状領域ＳＡ３の同方向の端部との間には２番目の折り返し領域ＣＡ２が配置されている。より具体的には、この方向（図８中の下側）の直線状領域ＳＡ２およびＳＡ３の端部の境界線は、Ｙ方向に平行ではなく所定の角度を有しており、直線状領域ＳＡ２およびＳＡ３の端部境界線の間に略三角形形状の折り返し領域ＣＡ２が配置されている。
また、１番目の直線状領域ＳＡ１の折り返し領域ＣＡ１に隣接する側とは反対側の端部（図８中の下側の端部）は、１番目のディンプル部ＤＰＰ１と隣接している。より具体的には、この方向（図８中の下側）の直線状領域ＳＡ１の端部の境界線はＹ方向に略平行であり、当該境界線に隣接して略長方形形状のディンプル部ＤＰＰ１が配置されている。同様に、３番目の直線状領域ＳＡ３の折り返し領域ＣＡ２に隣接する側とは反対側の端部（図８中の上側の端部）は、２番目のディンプル部ＤＰＰ２と隣接している。より具体的には、この方向（図８中の上側）の直線状領域ＳＡ３の端部の境界線はＹ方向に略平行であり、当該境界線に隣接して略長方形形状のディンプル部ＤＰＰ２が配置されている。
以上のことから、本実施例のアノード側セパレータ３１０では、波形部ＷＳＰおよびディンプル部ＤＰＰで構成される流路形成部全体におけるＸ方向に沿った両端部は、ディンプル部ＤＰＰおよび折り返し領域ＣＡにより構成される。
１番目の直線状領域ＳＡ１および１番目のディンプル部ＤＰＰ１と、２番目の直線状領域ＳＡ２と、の間には、両者間での流体の移動を遮るＸ方向に沿って伸びる仕切部３７６が形成されている。同様に、３番目の直線状領域ＳＡ３および２番目のディンプル部ＤＰＰ２と、２番目の直線状領域ＳＡ２と、の間にも、両者間での流体の移動を遮るＸ方向に沿って伸びる仕切部３７６が形成されている。
１番目の直線状領域ＳＡ１の一方（図８中の上側）の端部は、１番目の折り返し領域ＣＡ１を介して冷却液排出マニホールド１７４と対向しており、他方（図８中の下側）の端部は、１番目のディンプル部ＤＰＰ１を介して燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却液供給マニホールド１７２と対向している。２番目の直線状領域ＳＡ２の一方（図８中の上側）の端部は、１番目の折り返し領域ＣＡ１を介して冷却液排出マニホールド１７４と対向しており、他方（図８中の下側）の端部は、２番目の折り返し領域ＣＡ２を介して冷却液供給マニホールド１７２と対向している。３番目の直線状領域ＳＡ３の一方（図８中の上側）の端部は、２番目のディンプル部ＤＰＰ２を介して燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却液排出マニホールド１７４と対向しており、他方（図８中の下側）の端部は、２番目の折り返し領域ＣＡ２を介して冷却液供給マニホールド１７２と対向している。
図９は、アノード側セパレータ３１０の波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡの構成を示す斜視図である。図９には、１つの直線状領域ＳＡの一部の構成を拡大して示している。図９において、上方は第１の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する側）であり、下方は第２の表面側（発電体層２００に対向する側）である。図９および図３に示すように、波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡは、第１の表面側に凹な第１の溝部３１６と第２の表面側に凹な第２の溝部３１５とがＹ方向に沿って交互に複数並んだ波形断面形状を有している。このような断面形状は、金属板をプレス加工により折り曲げることにより形成される。各第１の溝部３１６および各第２の溝部３１５の平面形状は、Ｘ方向に沿って直線状に伸びる形状である。各直線状領域ＳＡは、所定数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５を含んでいる。
図９および図３に示すように、第１の溝部３１６は、第１の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する表面側）に、冷却液用の流路ＣＳを形成する。冷却液用流路ＣＳは、第１の溝部３１６と他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０とに囲まれた空間である。波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡにおいて、第１の溝部３１６はＸ方向に沿って伸びる形状であるため、冷却液用流路ＣＳもＸ方向に沿って伸びる流路空間となる。なお、冷却液は、本発明における第１の流体に相当する。
また、第２の溝部３１５は、第２の表面側（発電体層２００に対向する表面側）に、燃料ガス用の流路ＡＳを形成する。燃料ガス用流路ＡＳは、第２の溝部３１５と発電体層２００の表面とに囲まれた空間である。波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡにおいて、第２の溝部３１５はＸ方向に沿って伸びる形状であるため、燃料ガス用流路ＡＳもＸ方向に沿って伸びる流路空間となる。なお、燃料ガスは、本発明における第２の流体に相当する。
波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡでは、各第１の溝部３１６は、第１の表面側から見た深さL１（図９参照）が一定である。ここで、第１の溝部３１６の深さL１とは、直線状領域ＳＡの第１の表面側の最外部（すなわち他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に接触する部分）の位置から、第１の溝部３１６の第２の表面側の最外部（すなわち第１の溝部３１６の積層方向に略垂直な底部分）の位置までの積層方向に沿った距離を意味する。そのため、第１の溝部３１６の第１の表面側に形成される冷却液用流路ＣＳの深さは一定となる。また、複数の単セル１４０が積層された燃料電池１００において、アノード側セパレータ３１０は、各第１の溝部３１６の底部分の略全面で発電体層２００の表面と接触する。
同様に、波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡでは、各第２の溝部３１５は、第２の表面側から見た深さL２が一定である。ここで、第２の溝部３１５の深さL２とは、直線状領域ＳＡの第２の表面側の最外部（すなわち発電体層２００に接触する部分）の位置から、第２の溝部３１５の第１の表面側の最外部（すなわち第２の溝部３１５の積層方向に略垂直な底部分）の位置までの積層方向に沿った距離を意味する。そのため、第２の溝部３１５の第２の表面側に形成される燃料ガス用流路ＡＳの深さは一定となる。また、複数の単セル１４０が積層された燃料電池１００において、アノード側セパレータ３１０は、各第２の溝部３１５の底部分の略全面で他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０の表面と接触する。
図１０は、アノード側セパレータ３１０の波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡの構成を示す斜視図である。図１０には、１つの折り返し領域ＣＡの一部の構成を拡大して示している。図１０において、上方は第１の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する側）であり、下方は第２の表面側（発電体層２００に対向する側）である。図１０および図５，６に示すように、波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡは、第１の表面側に凹な第１の溝部３１６と第２の表面側に凹な第２の溝部３１５とがＸ方向に沿って交互に複数並んだ波形断面形状を有している。このような断面形状は、金属板をプレス加工によって折り曲げることにより形成される。各第１の溝部３１６および各第２の溝部３１５の平面形状は、Ｙ方向に沿って直線状に伸びる形状である。本実施例では、各折り返し領域ＣＡは、各直線状領域ＳＡと同数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５を含んでいる。
図１０および図５，６に示すように、第１の溝部３１６は、第１の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する表面側）に、冷却液用の流路ＣＳを形成する。冷却液用流路ＣＳは、第１の溝部３１６と他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０とに囲まれた空間である。波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡにおいて、第１の溝部３１６はＹ方向に沿って伸びる形状であるため、冷却液用流路ＣＳもＹ方向に沿って伸びる流路空間となる。
また、第２の溝部３１５は、第２の表面側（発電体層２００に対向する表面側）に、燃料ガス用の流路ＡＳを形成する。燃料ガス用流路ＡＳは、第２の溝部３１５と発電体層２００の表面とに囲まれた空間である。波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡにおいて、第２の溝部３１５はＹ方向に沿って伸びる形状であるため、燃料ガス用流路ＡＳもＹ方向に沿って伸びる流路空間となる。
波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡでは、各第１の溝部３１６は、第１の表面側から見た深さが一定であり、図９に示した直線状領域ＳＡの第１の溝部３１６の深さと同じである。そのため、第１の溝部３１６の第１の表面側に形成される冷却液用流路ＣＳの深さは一定となる。また、複数の単セル１４０が積層された燃料電池１００において、アノード側セパレータ３１０は、各第１の溝部３１６の底部分の略全面で発電体層２００の表面と接触する。
一方、図１０および図５，６に示すように、波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡにおいて、各第２の溝部３１５は、浅溝部３１４を有している。浅溝部３１４は、第２の表面側（発電体層２００に対向する表面側）から見た深さｄ２（図６参照）が他の部分（以下、「深溝部３１３」と呼ぶ）の深さｄ１よりも浅い部分である。すなわち、浅溝部３１４の底部（面方向に平行な部分）の積層方向に沿った位置は、深溝部３１３の底部の位置より第２の表面側である。そのため、第２の溝部３１５の第２の表面側に形成される燃料ガス用流路ＡＳの深さは、深溝部３１３の位置において深く、浅溝部３１４の位置において浅くなる。
また、複数の単セル１４０が積層された燃料電池１００において、アノード側セパレータ３１０は、各深溝部３１３の位置で他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０の表面と接触し、浅溝部３１４の位置では接触しない。そのため、アノード側セパレータ３１０の波形部ＷＳＰの折り返し領域ＣＡの浅溝部３１４の位置の第１の表面側には、カソード側セパレータ３２０の表面との間に、浅溝部３１４を挟んで隣接する２つの冷却液用流路ＣＳを連通する連通流路ＣＰが形成される。従って、折り返し領域ＣＡでは、冷却液は、冷却液用流路ＣＳおよび連通流路ＣＰを介して縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動する。図１０に示すように、本実施例では、各第２の溝部３１５に複数の浅溝部３１４が形成されている。また、各第２の溝部３１５の浅溝部３１４は、Ｘ方向に沿って隣接する他の第２の溝部３１５の浅溝部３１４と並んだ位置に形成されている。
図８に示すように、各折り返し領域ＣＡに含まれる各第２の溝部３１５は、隣接する各直線状領域ＳＡにおける対応する第２の溝部３１５間を接続するように形成されている。具体的には、１番目の折り返し領域ＣＡ１に含まれる各第２の溝部３１５は、１番目の直線状領域ＳＡ１および２番目の直線状領域ＳＡ２における対応する第２の溝部３１５間を接続し、２番目の折り返し領域ＣＡ２に含まれる各第２の溝部３１５は、２番目の直線状領域ＳＡ２および３番目の直線状領域ＳＡ３における対応する第２の溝部３１５間を接続する。そのため、波形部ＷＳＰに含まれる複数の第２の溝部３１５は、それぞれ１本の蛇行した形状の燃料ガス用流路ＡＳを形成するように連続する。上述したように、各第１の溝部３１６は、深さが一定であり、第２の溝部３１５における浅溝部３１４のような部分を有さないため、各燃料ガス用流路ＡＳは第１の溝部３１６によって分割された互いに独立した流路となる。
なお、上述したように、波形部ＷＳＰの直線状領域ＳＡと折り返し領域ＣＡとは、共に、第１の溝部３１６と第２の溝部３１５とが交互に複数並んだ波形断面形状を有しているため、各折り返し領域ＣＡに含まれる各第２の溝部３１５が、隣接する直線状領域ＳＡにおける対応する第２の溝部３１５間を接続するように形成されていることは、各折り返し領域ＣＡに含まれる各第１の溝部３１６も、隣接する直線状領域ＳＡにおける対応する第１の溝部３１６間を接続するように形成されていることを意味する。
図１１は、ディンプル部ＤＰＰの平面構成を示す説明図である。図１１（ａ）には、各ディンプル部ＤＰＰの第１の表面側（隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０に対向する側）の一部の平面構成を示しており、図１１（ｂ）には、各ディンプル部ＤＰＰの第２の表面側（発電体層２００に対向する側）の一部の平面構成を示している。図１１および図４に示すように、各ディンプル部ＤＰＰは、面方向に略平行な平板部３３２と、平板部３３２から第１の表面側に突出した複数の独立した第１の突起部３３４と、平板部３３２から第２の表面側に突出した複数の独立した第２の突起部３３６と、を有している。第１の突起部３３４および第２の突起部３３６の平面形状は、円形または多角形である。
各ディンプル部ＤＰＰの第１の表面側において、第１の突起部３３４が形成されていない部分は、ディンプル部冷却液用流路ＤＣＳを形成する。また、各ディンプル部ＤＰＰの第２の表面側において、第２の突起部３３６が形成されていない部分は、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳを形成する。各ディンプル部ＤＰＰにおける第１の突起部３３４および第２の突起部３３６は互いに独立している（すなわち、互いに連結されていない）ため、各ディンプル部ＤＰＰにより形成されるディンプル部冷却液用流路ＤＣＳおよびディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳは、冷却液および燃料ガスを縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動させる流路となる。そのため、図７に示すように、各ディンプル部ＤＰＰにより形成されたディンプル部冷却液用流路ＤＣＳは、隣接する直線状領域ＳＡの各第１の溝部３１６により第１の表面側に形成された各冷却液用流路ＣＳ間を連通する。また、図８に示すように、各ディンプル部ＤＰＰにより形成されたディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳは、隣接する直線状領域ＳＡの各第２の溝部３１５により第２の表面側に形成された各燃料ガス用流路ＡＳ間を連通する。
なお、本実施例では、第１の突起部３３４および第２の突起部３３６も、金属板のプレス加工により形成される。そのため、第１の表面側に形成された第１の突起部３３４は、第２の表面側から見れば凹部となり、第２の表面側に形成された第２の突起部３３６は、第１の表面側から見れば凹部となる。
図３−５に示すように、単セル１４０の発電体層２００の外縁部には、カソード側とアノード側との間のクロスリークを防止するためのシール部（ガスケット）４２０が配置されている。シール部４２０は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等のシール材料を用いた射出成形により形成される。
また、アノード側セパレータ３１０のカソード側セパレータ３２０に対向する側の表面には、図２に示す各マニホールドを囲むシールラインＳＬや各流体を流動させる領域を囲むシールラインＳＬを形成するための各種シール部（ガスケット）が配置されている。具体的には、アノード側セパレータ３１０には、酸化剤ガス供給マニホールド１５２および酸化剤ガス排出マニホールド１５４を囲むシールラインＳＬを形成するためのシール部４３０（図３）と、燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４を囲むシールラインＳＬを形成するためのシール部４５０（図４）と、アノード側セパレータ３１０とカソード側セパレータ３２０との間において冷却液を流動させる領域を囲むシールラインＳＬを形成するためのシール部４４０（図３，４）と、が配置されている。各シール部は、凸型断面形状のリップ部（４３２，４４２，４５２）を有しており、各単セル１４０が積層される際に、各リップ部が対向するカソード側セパレータ３２０により圧縮されて変形し、カソード側セパレータ３２０の表面に密着することにより、シールラインＳＬが形成される。
図４に示すように、アノード側セパレータ３１０の燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４の付近には、第２の表面側（発電体層２００に対向する表面側）に凹な形状の第３の溝部３１７が形成されている。第３の溝部３１７の深さは、第２の溝部３１５の深溝部３１３よりも浅い。ここで、第３の溝部３１７の深さは、アノード側セパレータ３１０の第２の表面側の最外部（すなわち発電体層２００に接触する部分）の位置から第３の溝部３１７の第１の表面側の最外部（すなわち第３の溝部３１７の積層方向に略垂直な底部分）の位置までの積層方向に沿った距離を意味する。また、第３の溝部３１７は、一方の端部が、各ディンプル部ＤＰＰの第２の表面側と連続しており、他方の端部に開口３１８が形成されている。
このように構成された各第３の溝部３１７は、シール部４４０，４５０によるシールラインＳＬの下（発電体層２００側）を通って、ディンプル部ＤＰＰに形成されたディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳと燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４との間を連通するトンネル流路ＴＲを形成する。トンネル流路ＴＲを形成するための第３の溝部３１７は、その全体が、発電体層２００の外縁部に配置されたシール部４２０よりも面方向に沿って内側に位置している。そのため、トンネル流路ＴＲは、全体にわたって、シール部４２０に対向することはなく、発電体層２００のアノード側拡散層２１６に対向する。本実施例では、第３の溝部３１７により、Ｘ方向に伸びる複数のトンネル流路ＴＲがＹ方向に沿って並んで形成される（図８参照）。
図４および図８において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２に供給された燃料ガスとしての水素は、開口３１８から上流側（供給側）のトンネル流路ＴＲを通って１番目のディンプル部ＤＰＰ１の第２の表面側に形成されたディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳに流入し、さらに、波形部ＷＳＰの１番目の直線状領域ＳＡ１の第２の溝部３１５により第２の表面側に形成された各燃料ガス用流路ＡＳ内に進入する。
ここで、上述したように、１番目のディンプル部ＤＰＰ１は、燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却液供給マニホールド１７２に対向している。そのため、トンネル流路ＴＲから供給される水素は、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳの内、主に、燃料ガス供給マニホールド１６２に対向する部分に流入する。しかし、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳは、燃料ガスを縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動させる流路であり、直線状領域ＳＡ１に形成された各燃料ガス用流路ＡＳ間を連通する流路である。そのため、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳの内の主に燃料ガス供給マニホールド１６２に対向する部分に流入した水素は、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳにおいて縦横に流動し、直線状領域ＳＡ１の各燃料ガス用流路ＡＳにバランス良く分配される。
波形部ＷＳＰでは、図８に示すように、直線状領域ＳＡ１の端部に位置する各燃料ガス用流路ＡＳの入口から流入した水素は、蛇行した燃料ガス用流路ＡＳ内を、ディンプル部ＤＰＰ２と直線状領域ＳＡ３との境界に位置する出口に向けて流動する。ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳおよび燃料ガス用流路ＡＳを流動している水素は、膜電極接合体２１０における発電に利用される。燃料ガス用流路ＡＳは蛇行した形状であるため、水素は発電体層２００の全域に効率的に分配される。
発電に利用されずに残った水素は、図４および図８に示すように、各燃料ガス用流路ＡＳの出口からディンプル部ＤＰＰ２の第２の表面側に形成されたディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳ内に流入して合流し、下流側のトンネル流路ＴＲを通って開口３１８から燃料ガス排出マニホールド１６４へと排出される。上述したように、２番目のディンプル部ＤＰＰ２は、燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却液排出マニホールド１７４に対向しているが、各燃料ガス用流路ＡＳから排出された水素は、ディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳにおいて燃料ガス排出マニホールド１６４に対向する部分に向けて流動し、円滑に燃料ガス排出マニホールド１６４へと排出される。
一方、図３において矢印で示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２に供給された酸化剤ガスとしての空気は、カソード側セパレータ３２０の発電体層２００に対向する位置に設けられた上流側（供給側）の開口３２２を通ってカソード側多孔体流路層２３０の内部に進入し、カソード側多孔体流路層２３０内を拡散しつつ流動する。このとき、空気は、膜電極接合体２１０における発電に利用される。発電に利用されずに残った空気は、カソード側セパレータ３２０の発電体層２００に対向する位置に設けられた下流側（排出側）の開口３２２を通って酸化剤ガス排出マニホールド１５４へと排出される。
また、図５および図７において矢印で示すように、冷却液供給マニホールド１７２に供給された冷却液は、アノード側セパレータ３１０の第１の表面側（カソード側セパレータ３２０に対向する表面側）の２番目の折り返し領域ＣＡ２および１番目のディンプル部ＤＰＰ１の端部に導かれる。なお、アノード側セパレータ３１０の第１の表面側には、冷却液が折り返し領域ＣＡ２の端部およびディンプル部ＤＰＰ１の端部の広範囲に向けて導かれるように、冷却液を誘導する突起状のガイド３８２が複数設けられている。
２番目の折り返し領域ＣＡ２の端部に導かれた冷却液は、図５において矢印で示すように、浅溝部３１４によって第１の表面側に形成された連通流路ＣＰを通って最も端部側の冷却液用流路ＣＳ内に流入する。上述したように、折り返し領域ＣＡでは、冷却液は冷却液用流路ＣＳおよび連通流路ＣＰを介して縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動するため、最も端部側の冷却液用流路ＣＳ内に流入した冷却液は、冷却液用流路ＣＳの延伸方向（Ｙ方向）に流動しつつ、他の冷却液用流路ＣＳにも移動する。このようにして、冷却液は、折り返し領域ＣＡ２において各冷却液用流路ＣＳにバランス良く分配され、直線状領域ＳＡの対応する各冷却液用流路ＣＳに流入する。
一方、１番目のディンプル部ＤＰＰ１の端部に導かれた冷却液は、図４において矢印で示すように、ディンプル部ＤＰＰ１によって第１の表面側に形成されたディンプル部冷却液用流路ＤＣＳ内に流入する。上述したように、ディンプル部ＤＰＰ１は、燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却液供給マニホールド１７２と対向しているため、冷却液は、主にディンプル部冷却液用流路ＤＣＳの内の冷却液供給マニホールド１７２に対向する部分に流入する。しかし、ディンプル部冷却液用流路ＤＣＳは、冷却液を縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動させる流路であり、直線状領域ＳＡ１に形成された各冷却液用流路ＣＳ間を連通する流路である。そのため、ディンプル部冷却液用流路ＤＣＳ内に流入した水素は、ディンプル部冷却液用流路ＤＣＳにおいて縦横に流動し、直線状領域ＳＡ１の各冷却液用流路ＣＳにバランス良く分配される。
各直線状領域ＳＡでは、図９に示すように、各冷却液用流路ＣＳは互いに独立しているため、直線状領域ＳＡ内の各冷却液用流路ＣＳに流入した冷却液は、図７に示すように、冷却液排出マニホールド１７４側の位置する方向（Ｘ方向）へ直線状に流動する。
１番目および２番目の直線状領域ＳＡ１，２における各冷却液用流路ＣＳを流動してきた冷却液は、１番目の折り返し領域ＣＡ１における対応する各冷却液用流路ＣＳ内に流入する。上述したように、折り返し領域ＣＡでは、冷却液は冷却液用流路ＣＳおよび連通流路ＣＰを介して縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動するため、各冷却液用流路ＣＳ内に流入した冷却液は、冷却液用流路ＣＳの延伸方向（Ｙ方向）に流動しつつ、他の冷却液用流路ＣＳにも移動する。このようにして、冷却液は、最も冷却液排出マニホールド１７４に近い冷却液用流路ＣＳへと移動し、冷却液排出マニホールド１７４へと排出される。
また、３番目の直線状領域ＳＡ３における各冷却液用流路ＣＳを流動してきた冷却液は、図４において矢印で示すように、２番目のディンプル部ＤＰＰ２の第１の表面側に形成されたディンプル部冷却液用流路ＤＣＳ内に流入して合流し、冷却液排出マニホールド１７４へと排出される。上述したように、２番目のディンプル部ＤＰＰ２は、燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却液排出マニホールド１７４に対向しているが、各冷却液用流路ＣＳから排出された水素は、ディンプル部冷却液用流路ＤＣＳにおいて冷却液排出マニホールド１７４に対向する部分に向けて流動し、円滑に冷却液排出マニホールド１７４へと排出される。なお、アノード側セパレータ３１０の第１の表面側には、冷却液が折り返し領域ＣＡ１の端部およびディンプル部ＤＰＰ２の端部から冷却液排出マニホールド１７４に向けて導かれるように、冷却液を誘導する突起状のガイド３８２が複数設けられている。
以上説明したように、本実施例では、アノード側セパレータ３１０が、第１の表面側に凹な形状であり冷却液用流路ＣＳを第１の表面側に形成する第１の溝部３１６と、第２の表面側に凹な形状であり燃料ガス用流路ＡＳを第２の表面側に形成する第２の溝部３１５と、が交互に複数並んだ波形断面形状を有する波形部ＷＳＰを備える。波形部ＷＳＰは、複数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５をそれぞれ含む互いに平行な３つの直線状領域ＳＡと、各燃料ガス用流路ＡＳが蛇行形状となるように各直線状領域ＳＡにおける対応する溝部間を接続する複数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５をそれぞれ含む複数の折り返し領域ＣＡと、を有する。各折り返し領域ＣＡにおける各第２の溝部３１５は、第２の表面側から見た深さが他の部分（深溝部３１３）より浅い浅溝部３１４を有し、浅溝部３１４は、隣接する２つの冷却液用流路ＣＳを連通する連通流路ＣＰを第１の表面側に形成する。また、アノード側セパレータ３１０は、波形部ＷＳＰにおける燃料ガス用流路ＡＳの入口および出口の位置に隣接して配置されたディンプル部ＤＰＰを備え、各ディンプル部ＤＰＰは、各冷却液用流路ＣＳを連通するディンプル部冷却液用流路ＤＣＳを第１の表面側に形成すると共に、各燃料ガス用流路ＡＳを連通するディンプル部燃料ガス用流路ＤＡＳを第２の表面側に形成する。そのため、本実施例のアノード側セパレータ３１０は、波形断面形状を有する波形部ＷＳＰにおける燃料ガス用流路ＡＳを蛇行した形状の流路（サーペンタイン型流路）とした場合にも、サーペンタイン型の燃料ガス用流路ＡＳの出入口に配置されたディンプル部ＤＰＰにおいて冷却液用流路ＣＳ間が連通されると共に燃料ガス用流路ＡＳ間が連通され、さらに、折り返し領域ＣＡの第１の表面側に形成された連通流路ＣＰにより冷却液用流路ＣＳ間が連通されるため、アノード側セパレータ３１０の両側に形成された流体用流路のそれぞれにおいて、流体用流路を介した流体（燃料ガスおよび冷却液）の良好な分配性を確保することができる。
図１２は、本実施例のアノード側セパレータを用いた燃料電池と比較例のアノード側セパレータを用いた燃料電池との性能評価結果を示す説明図である。本実施例と各比較例（比較例１，２）とは、サーペンタイン型の燃料ガス用流路ＡＳの出入口に隣接する部分（以下、「出入口部」と呼ぶ）と、サーペンタイン型の燃料ガス用流路ＡＳの折り返し領域ＣＡの部分（以下、「折り返し部」と呼ぶ）との構成の組み合わせが相違している。比較例１では、出入口部が本実施例における折り返し領域ＣＡ（図１０）と同様の構成（以下、「直交流路構成」と呼ぶ）となっており、折り返し部が本実施例におけるディンプル部ＤＰＰ（図１１）と同様の構成（以下、「ディンプル構成」と呼ぶ）となっている。比較例２では、出入口部と折り返し部とが共にディンプル構成となっている。
図１２には、本実施例および各比較例の燃料電池における、反応ガス用流路における排水能力の低下を原因とする発電性能の低下の有無と、反応ガス用流路における反応ガス分配性の低下を原因とする発電性能の低下の有無と、冷却液用流路における冷却液分配性の低下を原因とする発電性能の低下の有無と、セル面内の積層方向荷重（面圧）の低下（による接触抵抗の低下）を原因とする発電性能の低下の有無とを示している。
比較例１では、冷却液分配性の低下を原因とする発電性能の低下が見られた。比較例１では、出入口部に直交流路構成が採用されているため、直交流路構成の入口部において隣接する直線状領域ＳＡ１の各冷却液用流路ＣＳに冷却液がバランス良く分配されず、また直交流路構成の出口部において隣接する直線状領域ＳＡ３の各冷却液用流路ＣＳから冷却液がバランス良く排出されず、発電性能が低下している。一方、本実施例では、出入口部にディンプル構成が採用されているため、入口部において隣接する直線状領域ＳＡ１の各冷却液用流路ＣＳに冷却液がバランス良く分配され、また出口部において隣接する直線状領域ＳＡ３の各冷却液用流路ＣＳから冷却液がバランス良く排出され、発電性能の低下が抑制される。
また、比較例１では、面圧の低下を原因とする発電性能の低下が見られた。比較例１では、出入口部に比較して面積の大きい折り返し部にディンプル構成が採用されているため、面圧が低下して発電性能が低下している。一方、本実施例では、出入口部にディンプル構成が採用されているものの、比較的面積の大きい折り返し部に直交流路構成が採用されているため、面圧の低下が抑制され、発電性能の低下が抑制される。
比較例２では、ガスおよび冷却液の分配性の低下を原因とする発電性能の低下は見られないものの、排水能力の低下を原因とする発電性能の低下が見られた。比較例２では、出入口部に加えて折り返し部もディンプル構成が採用されているため、各反応ガス用流路が出入口部および折り返し部において互いに連通している。そのため、ある反応ガス用流路に水が溜まった場合に、当該反応ガス用流路の圧力が他の反応ガス用流路に抜けることとなり、反応ガス用流路に溜まった水が速やかに排出されず発電性能が低下している。一方、本実施例では、出入口部はディンプル構成が採用されているものの、折り返し部は直交流路構成が採用されているため、出入口部以外の部分では各反応ガス用流路は互いに独立し、ある反応ガス用流路の圧力が他の反応ガス用流路に抜けることがない。そのため、仮にある反応ガス用流路に水が溜まっても、当該反応ガス用流路のガス圧力によって水は速やかに排出され、発電性能の低下が抑制される。
また、比較例２では、面圧の低下を原因とする発電性能の低下が見られた。比較例２では、直交流路構成と比較して積層時の接触面積が小さい（いわゆるコンタクト率の低い）ディンプル構成が採用された部分が多いため、面圧が低下して発電性能が低下している。一方、本実施例では、出入口部はディンプル構成が採用されているものの、折り返し部は直交流路構成が採用されているため、面圧の低下が抑制され、発電性能の低下が抑制される。
なお、本実施例では、燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４を構成する開口３６２および開口３６４の一部分がディンプル部ＤＰＰに対向しており、冷却液供給マニホールド１７２および冷却液排出マニホールド１７４を構成する開口３７２および開口３７４の一部分がディンプル部ＤＰＰに対向すると共に他の一部分が折り返し領域ＣＡに対向するように形成されている。すなわち、１番目のディンプル部ＤＰＰ１は、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３６２および冷却液供給マニホールド１７２を構成する開口３７２の両方に対向している。また、２番目のディンプル部ＤＰＰ２は、燃料ガス排出マニホールド１６４を構成する開口３６４および冷却液排出マニホールド１７４を構成する開口３７４の両方に対向している。そのため、ディンプル部ＤＰＰ１において、燃料ガスおよび冷却液の両方をバランス良く分配することができると共に、ディンプル部ＤＰＰ２において、燃料ガスおよび冷却液の両方をバランス良く排出することができる。
また、本実施例では、アノード側セパレータ３１０という１つの部品のみで冷却液用の流路および燃料ガス用の流路を形成することができるため、部品点数の増加を抑制することができ、燃料電池１００の軽量化、小型化、低コスト化を実現することができる。また、本実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３１０は波形断面形状の波形部ＷＳＰを有するが、カソード側セパレータ３２０は平坦な板状形状であるため、カソード側セパレータ３２０も波形断面形状の波形部ＷＳＰを有する場合と比較して、以下の有利な点を有する。すなわち、本実施例の燃料電池１００では、冷却液用流路の圧力損失がアノード側セパレータ３１０の形状のみによって決定されるため、各単セル１４０の冷却液用流路の圧力損失のばらつきをより容易に抑制することができる。また、本実施例の燃料電池１００では、積層の際の位置ずれによってセパレータ間の接触面積がロスすることがないため、接触面積の確保が容易である。また、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体２１０への面圧ばらつきを抑制することができるため、拡散層と触媒層との間における隙間の発生を防止し、水の滞留を防止し、濃度分極を低減することができる。また、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ加工の容易化、低コスト化を図ることができる。
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。
Ｂ１．変形例１：
上記実施例における燃料電池システム１０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施例では、膜電極接合体２１０がアノード側拡散層２１６およびカソード側拡散層２１７を含むとしているが、膜電極接合体２１０がアノード側拡散層２１６およびカソード側拡散層２１７の少なくとも一方を含まないとしてもよい。
また、上記実施例では、燃料電池１００の各層の材料や製造方法を特定しているが、これらの材料や製造方法に限定されるものではなく、適正な種々の材料や製造方法を用いることができる。例えば、上記実施例では、アノード側セパレータ３１０は金属板にプレス加工を施して製造されるとしているが、アノード側セパレータ３１０は、金属板や樹脂カーボン板の削り出しや金属板のエッチングによって製造されるとしてもよいし、樹脂カーボンの射出成形によって製造されるとしてもよい。同様に、カソード側セパレータ３２０は、樹脂カーボン板の削り出しや樹脂カーボンの射出成形によって製造されるとしてもよい。
また、上記実施例では、単セル１４０の平面形状は、Ｘ方向に長い長方形形状であるとしているが、Ｙ方向に長い長方形形状であるとしてもよいし、長方形以外の他の形状（正方形、多角形、円形、楕円形等）であるとしてもよい。また、単セル１４０の平面における各マニホールドの配置は、各流体用流路の出入口にアクセスできる配置であれば、任意の配置に変更可能である。
また、上記実施例では、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。
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側セパレータ３１０が波形断面形状の波形部ＷＳＰを有する形状である一方、カソード側セパレータ３２０は平坦な板状形状であるとしているが、反対に、カソード側セパレータ３２０が波形断面形状の波形部ＷＳＰを有する形状である一方、アノード側セパレータ３１０は平坦な板状形状であるとしてもよい。この場合には、発電体層２００にカソード側多孔体流路層２３０が含まれない代わりにアノード側に多孔体流路層が設けられ、カソード側セパレータ３２０と発電体層２００との間に酸化剤ガス用の流路が形成されると共にカソード側セパレータ３２０とアノード側セパレータ３１０との間に冷却液用の流路が形成される。
あるいは、アノード側セパレータ３１０およびカソード側セパレータ３２０が共に波形断面形状の波形部ＷＳＰを有する形状であるとしてもよい。この場合には、発電体層２００に多孔体流路層が含まれず、アノード側セパレータ３１０と発電体層２００との間に燃料ガス用の流路が形成され、カソード側セパレータ３２０と発電体層２００との間に酸化剤ガス用の流路が形成され、カソード側セパレータ３２０とアノード側セパレータ３１０との間に冷却液用の流路が形成される。また、この場合には、アノード側セパレータ３１０およびカソード側セパレータ３２０の波形部ＷＳＰにおける第２の溝部３１５同士が接触する。また、この場合において、波形部ＷＳＰの第２の溝部３１５における浅溝部３１４は、アノード側セパレータ３１０およびカソード側セパレータ３２０のいずれか一方のみに設けられてもよいし、双方に設けられてもよい。
Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、各第２の溝部３１５に複数の浅溝部３１４が設けられているとしているが、各第２の溝部３１５に少なくとも１つの浅溝部３１４が設けられていれば、冷却液の流れ方向を燃料ガスの流れ方向に平行な方向に限定されず自由に設定することができる。また、上記実施例では、各第２の溝部３１５の浅溝部３１４は、Ｘ方向に沿って隣接する他の第２の溝部３１５の浅溝部３１４と並んだ位置に形成されているが、浅溝部３１４の配置パターンはこのようなパターンに限られず任意に変更可能である。
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、波形部ＷＳＰが、３つの直線状領域ＳＡと２つの折り返し領域ＣＡとを含むとしているが、波形部ＷＳＰの一方の表面側に形成される流体用流路が蛇行形状となる限り、波形部ＷＳＰに含まれる直線状領域ＳＡおよび折り返し領域ＣＡの数は変形可能である。
Ｂ５．変形例５：
上記実施例では、波形部ＷＳＰにおける蛇行形状の流体用流路（燃料ガス用流路ＡＳ）の入口および出口に隣接して、平板部３３２と第１の表面側に突出した第１の突起部３３４と第２の表面側に突出した第２の突起部３３６とを有するディンプル部ＤＰＰが配置されるとしているが、ディンプル部ＤＰＰに変えて、波形部ＷＳＰの両側において各流体用流路を連通する流路を形成する他の構成の流路形成部が配置されるとしてもよい。ただし、本実施例のように、出入口部に上述した構成のディンプル部ＤＰＰを配置すると、出入口部に直交流路構成を配置する場合と比較して、冷却液分配性の低下を原因とする発電性能の低下を抑制することができる。出入口部に直交流路構成を配置すると、直交流路構成の入口部において隣接する直線状領域ＳＡ１の各冷却液用流路ＣＳに冷却液がバランス良く分配されず、また直交流路構成の出口部において隣接する直線状領域ＳＡ３の各冷却液用流路ＣＳから冷却液がバランス良く排出されず、発電性能が低下するおそれがある。これに対し、本実施例のように、出入口部にディンプル部ＤＰＰを配置すると、入口部において隣接する直線状領域ＳＡ１の各冷却液用流路ＣＳに冷却液がバランス良く分配され、また出口部において隣接する直線状領域ＳＡ３の各冷却液用流路ＣＳから冷却液がバランス良く排出され、発電性能の低下が抑制される。
Ｂ６．変形例６：
上記実施例では、各直線状領域ＳＡの端部の境界線はＹ方向に平行ではなく所定の角度を有しており、各折り返し領域ＣＡの平面形状は略三角形形状であるとしているが、各折り返し領域ＣＡは、各燃料ガス用流路ＡＳが蛇行形状となるように各直線状領域ＳＡにおける対応する溝部間を接続する複数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５を含んでいれば、必ずしも平面形状が略三角形形状である必要はない。図１３および図１４は、変形例におけるアノード側セパレータ３１０の平面構成を示す説明図である。図１３は、上記実施例における図７に対応しており、図１４は、上記実施例における図８に対応している。また、図１５は、図１３における折り返し領域ＣＡ１の部分を拡大して示す説明図である。図１３ないし図１５に示す変形例は、各直線状領域ＳＡの端部の境界線がＹ方向に略平行であり、各折り返し領域ＣＡの平面形状が略矩形形状である点が、上記実施例とは異なっている。図１３ないし図１５に示す変形例においては、上記実施例と同様に、各折り返し領域ＣＡは、各燃料ガス用流路ＡＳが蛇行形状となるように各直線状領域ＳＡにおける対応する溝部間を接続する複数の第１の溝部３１６および第２の溝部３１５を含んでいる。また、この変形例においては、上記実施例と同様に、各折り返し領域ＣＡの各第２の溝部３１５が深溝部３１３と浅溝部３１４とを有しているため（図１５参照）、浅溝部３１４を挟んで隣接する２つの冷却液用流路ＣＳを連通する連通流路ＣＰが形成され、冷却液は冷却液用流路ＣＳおよび連通流路ＣＰを介して縦横に（Ｘ方向およびＹ方向の両方に）流動する。
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
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…酸化剤ガス供給マニホールド
１５４…酸化剤ガス排出マニホールド
１６２…燃料ガス供給マニホールド
１６４…燃料ガス排出マニホールド
１７２…冷却液供給マニホールド
１７４…冷却液排出マニホールド
２００…発電体層
２１０…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…アノード側拡散層
２１７…カソード側拡散層
２３０…カソード側多孔体流路層
３１０…アノード側セパレータ
３１３…深溝部
３１４…浅溝部
３１５…第２の溝部
３１６…第１の溝部
３１７…第３の溝部
３１８…開口
３２０…カソード側セパレータ
３２２…開口
３３２…平板部
３３４…第１の突起部
３３６…第２の突起部
３５２…開口
３５４…開口
３６２…開口
３６４…開口
３７２…開口
３７４…開口
３７６…仕切部
３８２…ガイド
４２０…シール部
４３０…シール部
４４０…シール部
４５０…シール部
ＤＰＰ…ディンプル部
ＣＡ…折り返し領域
ＳＡ…直線状領域
ＣＰ…連通流路
ＣＳ…冷却液用流路
ＡＳ…燃料ガス用流路
ＷＳＰ…波形部

Claims (6)

  1. 燃料電池用のセパレータであって、
    第１の表面側に凹な形状であり第１の流体用の流路を前記第１の表面側に形成する第１の溝部と、前記第１の表面側とは反対の第２の表面側に凹な形状であり第２の流体用の流路を前記第２の表面側に形成する第２の溝部と、が交互に複数並んだ波形断面形状を有する第１の流路形成部であって、複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含む直線状領域を平行に３つ以上有し、かつ、複数の前記第１の溝部および前記第２の溝部をそれぞれ含み、各前記第２の流体用の流路が蛇行形状となるように、各前記直線状領域における対応する前記溝部間を接続する複数の折り返し領域を有する、第１の流路形成部と、
    前記第１の流路形成部における前記第２の流体用の流路の入口および出口の位置に隣接して配置され、各前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成すると共に、各前記第２の流体用の流路を連通する流路を前記第２の表面側に形成する第２の流路形成部と、を備え、
    各前記折り返し領域における各前記第２の溝部は、前記第２の表面側から見た深さが他の部分より浅い浅溝部であって、前記浅溝部を挟んで隣接する２つの前記第１の流体用の流路を連通する流路を前記第１の表面側に形成する浅溝部を有する、セパレータ。
  2. 請求項１に記載のセパレータであって、
    前記第１の流体は、冷却液であり、
    前記第２の流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとのいずれかである、セパレータ。
  3. 請求項１または請求項２に記載のセパレータであって、
    前記第２の流体用のマニホールドを構成する第２の開口が、前記第２の開口の少なくとも一部分が前記第２の流路形成部に対向するように形成されており、
    前記第１の流体用のマニホールドを構成する第１の開口が、前記第１の開口の一部分が前記第２の流路形成部に対向すると共に他の一部分が前記第１の流路形成部の前記折り返し領域に対向するように形成されている、セパレータ。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセパレータであって、
    前記第２の流路形成部は、平板部と、前記平板部から前記第１の表面側に突出した複数の独立した第１の突起部と、前記平板部から前記第２の表面側に突出した複数の独立した第２の突起部と、を有する、セパレータ。
  5. 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であって、
    前記浅溝部の底部の積層方向に沿った位置は、前記第２の溝部の前記他の部分の位置より前記第２の表面側である、セパレータ。
  6. 燃料電池であって、
    電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノードと前記電解質膜の他方の側に配置されたカソードとを含む発電体層と、
    前記発電体層を間に挟んで配置された請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセパレータと、を備える、燃料電池。
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