JP6551291B2 - 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

Description

本発明は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータ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。このセパレータとしては、平板状のフラットセパレータと、同フラットセパレータ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に記載の燃料電池スタックは、断面が波形状の部分を有するガス流路形成板によって、フラットスペーサと膜電極接合体との間のスペースが仕切られている。そして、上記スペースにおけるガス流路形成板よりも膜電極接合体側の部分が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し、ガス流路形成板よりもフラットスペーサ側の部分が発電に伴って単セルの内部で生成され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。また、上記ガス流路形成板には、ガス流路と水流路とを連通する貫通孔（連通路）が形成されている。

この燃料電池スタックでは、ガス流路を介して単セル内部の膜電極接合体にガスが供給されるとともに、膜電極接合体での発電に伴い生成された水が連通路を介して水流路に導入される。

特開２００９−２１０２２号公報

単セルの内部に供給されるガスとして、乾いたガス（含まれる水分の量が少ないガス）が採用される場合がある。この場合、発電時における膜電極接合体での電気化学反応によって生成される水分の量が少ないと、ガス流路を通過するガスが膜電極接合体（詳しくは、固体高分子電界膜）の水分を奪うことによって、同膜電極接合体を乾燥させるおそれがある。こうした膜電極接合体の乾燥は、同膜電極接合体のイオン導電性を低下させて電池性能の低下を招いたり、膜電極接合体の耐久性の低下を招いたりするおそれがあるために好ましくない。

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、膜電極接合体の乾燥を抑えることのできる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、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータ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板状のガス流路形成板であって、いずれも断面が凹凸形状であり、前記膜電極接合体に対向する面における凹溝がガス流路をなすとともに、前記フラットセパレータに対向する面における凹溝が水流路をなす複数の当接部と、前記ガス流路および前記水流路が延びる方向において隣り合う２つの前記当接部を連結する形状であり、且つ、前記フラットセパレータに対向する面が、前記当接部における前記フラットセパレータ側に突出する複数の突条の突端を繋ぐ形状よりも前記膜電極接合体側の位置において延びる形状の間隙部と、前記ガス流路および前記水流路を連通する連通路と、を備えて、前記ガス流路を流れるガスの流れ方向における上流側の部分に対して前記間隙部が配置される部分の占める割合は、前記流れ方向における下流側の部分に対して前記間隙部が配置される部分の占める割合よりも大きい。

上記構成によれば、ガス流路形成板の間隙部とフラットセパレータとの間に当接部のガス流路や水流路と交差する方向において連続的に延びる間隙が形成される。そのため、この間隙に、単セル内におけるガス流路形成板の配設部分において発生した水を毛管作用によって集めて保持することができる。

そして上記構成では、ガス流路形成板の上流側の部分では、同部分の全部位に対して間隙部が配設される部分の占める割合、言い換えれば、水流路の全部位に対して上記間隙になる部分の占める割合が、ガス流路形成板の下流側の部分の同割合と比較して大きくなっている。そのため、水流路における上流側（ガスを供給する通路側）の部分には比較的多くの水を保持することができ、その保持した水によってガス流路形成板の配設部分に流入するガスを加湿することができる。これにより、膜電極接合体に供給されるガスに含まれる水分量を多くすることができるため、膜電極接合体の乾燥を抑えることができる。

上記構成では、ガス流路形成板の上流側の部分においてガスが加湿されるため、その加湿されたガスが通過する下流側の部分においては、さほどガスを加湿しなくても膜電極接合体の乾燥を抑えることが可能である。そして、単セルの発電効率を向上させるためには、基本的には、単セルの内部で発生する水は同単セルの外部に速やかに排出されることが望ましい。この点、上記構成によれば、ガス流路形成板の下流側（ガスが流出する通路側）の部分では、同部分の全部位に対して間隙部が配設される部分の占める割合が比較的小さいため、同下流側の部分に保持される水の量を少なくすることができる。これにより、単セルの内部からの外部への排水性能を高くすることができるため、単セルの発電効率の向上を図ることができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記間隙部は、前記上流側の部分のみに配設されていることが好ましい。
上記構成によれば、ガス流路形成板の下流側の部分の水流路には間隙部が配設されないために、下流側の部分に滞留する水の量を少なくすることができ、単セルの内部からの外部へ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は、前記当接部および前記間隙部が鉛直方向において延びる状態で、且つ、前記単セル内部における前記ガス流路形成板の配設部分に流入するガスが、前記ガス流路形成板の前記上流側の端部における鉛直方向上方側の部分に直接吹き付けられる状態で配置されるものであることが好ましい。

単セルの内部で発生した水は、重力によって下方に流れ落ちたり、ガスの流動圧力によって下流側に押し流されたりする。そのため、ガス流路形成板の配設部分における鉛直方向上方側、且つ上流側の部分は、水が滞留し難く、乾燥し易い部位であると云える。そして上記構成は、そうした乾燥しやすい部位にガス流路形成板の配設部分に流入するガスが直接吹き付けられる構造であるため、膜電極接合体の乾燥を招き易いと云える。

上記構成によれば、ガス流路形成板の上流側の部分に鉛直方向において連続的に延びる間隙が形成されるために、この間隙によって、水流路内の水を重力やガスの流動圧力に抗して水流路内における鉛直方向上方側、且つ上流側の部分まで導いて保持することができる。これにより、ガス流路形成板の配設部分における鉛直方向上方側、且つ上流側の部分、すなわち乾燥し易い部分を通過するガスを好適に加湿することができるため、膜電極接合体の乾燥を的確に抑えることができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記間隙部は、前記ガス流路形成板の鉛直方向上方側の端部から鉛直方向下方側の端部まで延びる形状であることが好ましい。
上記構成によれば、単セル内部におけるガス流路形成板の配設部分に流入するガスを、同ガス流路形成板の上流側の部分全体を利用して好適に加湿することができる。

上記燃料電池用ガス流路形成板において、前記間隙部は、前記フラットセパレータ側の面が平面形状であることが好ましい。
上記構成によれば、ガス流路形成板の間隙部とフラットセパレータとの間隙の大きさのばらつきを抑えることができるため、同間隙の各部において、毛管作用を適正に発揮させて、水を集めて保持することができる。

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たものであって、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、平板形状のフラットセパレータと、前記膜電極接合体および前記フラットセパレータの間に介設された前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、膜電極接合体の乾燥を抑えることができる。

一実施形態の燃料電池スタックの概略構成を示す断面図。 同実施形態のガス流路形成板の配設態様を示す略図。 ガス流路形成板の上流部の一部を拡大した斜視図。 同上流部の図３の４−４線に沿った断面図。 同上流部を図３の矢印５方向から見た断面図。 同上流部を図３の矢印６方向から見た斜視図。 ガス流路形成板の下流部の一部を拡大した斜視図。 同下流部の図７の８−８線に沿った断面図。 同上流部を図７の矢印９方向から見た断面図。 同上流部を図７の矢印Ａ方向から見た斜視図。 他の実施形態のガス流路形成板の下流部の一部を拡大した斜視図。 同下流部の図１１の矢印Ｂ方向から見た側面図。 同下流部を図１１の矢印Ｃ方向から見た断面図。

以下、燃料電池用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。各単セル１０は膜電極接合体１１を有している。膜電極接合体１１は、固体高分子電解質膜１２と、この固体高分子電解質膜１２を間に挟む一対の電極触媒層１３，１４と、それら電極触媒層１３，１４の外面を覆う一対のガス拡散層１５，１６とを有する多層構造をなしている。

膜電極接合体１１は、第１セパレータ２０と第２セパレータ５０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１１のカソード側（図１の下側）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１１の間に介設されたガス流路形成板２３とを備えている。第２セパレータ５０は、膜電極接合体１１のアノード側（図１の上側）に当接しており、平板状のフラットセパレータ５１と、同フラットセパレータ５１および膜電極接合体１１の間に介設されたガス流路形成板５３とを備えている。フラットセパレータ２１，５１およびガス流路形成板２３，５３はそれぞれ金属板材によって形成されている。

そして、単セル１０の内部における膜電極接合体１１とフラットセパレータ２１との間隙には酸化剤ガスが供給される一方、単セル１０の内部における膜電極接合体１１とフラットセパレータ５１との間隙には燃料ガスが供給される。このようにして膜電極接合体１１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１１での電気化学反応によって発電が行なわれる。

以下、ガス流路形成板２３について詳細に説明する。
なお、第１セパレータ２０のガス流路形成板２３と第２セパレータ５０のガス流路形成板５３とは同一の形状である。そのため、以下では、第１セパレータ２０のガス流路形成板２３の形状については詳細に説明する一方、第２セパレータ５０のガス流路形成板５３の形状については第１セパレータ２０のガス流路形成板２３の各部の符号「２＊」，「３＊」，「４＊」にそれぞれ「３０」を加算した符号「５＊」，「６＊」，「７＊」を付して重複する説明を省略する。

図２に示すように、ガス流路形成板２３は、例えば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、鉛直方向において延びる状態で配設されている。単セル１０は、ガス流路形成板２３の配設部分に酸化剤ガスを供給する供給通路１７を有している。この供給通路１７は、ガス流路形成板２３の配設部分における酸化剤ガスの流れ方向上流側（以下、単に「上流側」）の端部（図２の左側の端部）であって、同配設部分の鉛直方向上方側（以下、単に「上方側」）の部分に連通する態様で設けられている。これにより、供給通路１７を介して単セル１０の内部におけるガス流路形成板２３の配設部分に流入する酸化剤ガスは、同ガス流路形成板２３の上流側の端部における上方側の部分に直接吹き付けられる。また、単セル１０では、ガス流路形成板２３の配設部分から酸化剤ガスを排出する排出通路１８が、同配設部分における酸化剤ガスの流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）の端部（図２の右側の端部）であって、同配設部分の鉛直方向下方側（以下、単に「下方側」）の部分に連通されている。

ガス流路形成板２３は上流側の部分と下流側の部分とが異なる形状に形成されている。
ここでは先ず、ガス流路形成板２３の上流側の部分（上流部２４）の形状を説明する。
図３〜図６に示すように、ガス流路形成板２３の上流部２４には、断面が波形状の部分（第１支持部２５および第２支持部２６）からなる当接部２７と平板形状の間隙部２８とが交互に配置されている。

当接部２７を構成する第１支持部２５および第２支持部２６はいずれも、鉛直方向において湾曲する波板形状である。これら第１支持部２５および第２支持部２６は、一方の面において突出する突条（内側突条２９）が膜電極接合体１１に当接するとともに他方の面において突出する突条（外側突条３０）がフラットセパレータ２１に当接する態様で、それら膜電極接合体１１およびフラットセパレータ２１の間に配置されている。そして、第１支持部２５および第２支持部２６では、膜電極接合体１１に対向する面において平行に延びる凹溝が主に酸化剤ガスが流通するガス流路３１になり、フラットセパレータ２１に対向する面において平行に延びる凹溝が、単セル１０内で発生した水（膜電極接合体１１での発電に際して生成された水など）が導入される水流路３２になる。

当接部２７では、第１支持部２５の各突条２９，３０の延びる方向（延設方向Ｌ）と第２支持部２６の各突条２９，３０の延びる方向とが一致する状態で、同延設方向Ｌにおいて１つの第１支持部２５を２つの第２支持部２６によって挟み込むように、それら第１支持部２５および第２支持部２６が配置されている。また当接部２７では、鉛直方向における内側突条２９の形成位置と外側突条３０の形成位置とが、第１支持部２５と第２支持部２６とで正反対になっている。すなわち延設方向Ｌにおいて、第１支持部２５の内側突条２９と第２支持部２６の外側突条３０とが隣接しており、第１支持部２５の外側突条３０と第２支持部２６の内側突条２９とが隣接している。

間隙部２８は、延設方向Ｌにおいて隣り合う２つの当接部２７の間に配置されており、それら当接部２７を一体に連結している。この間隙部２８は、ガス流路形成板２３の上方側の端部（図２参照）から鉛直方向下方側（以下、単に「下方側」）の端部まで延びる形状である。

図４および図５に示すように、間隙部２８は、膜電極接合体１１とフラットセパレータ２１との間において、それら膜電極接合体１１およびフラットセパレータ２１と接触しない態様で、膜電極接合体１１およびフラットセパレータ２１と平行に延びるように配設されている。間隙部２８のフラットセパレータ２１に対向する面は、各当接部２７の内側突条２９の突端を繋ぐ形状（詳しくは、内側突条２９がフラットセパレータ２１に当接する点を含む平面、すなわちフラットセパレータ２１の間隙部２８側の面）よりも膜電極接合体１１側の位置で延びる形状になっている。この間隙部２８のフラットセパレータ２１側の面は平面形状であるために、同間隙部２８の各部とフラットセパレータ２１との間隙の大きさは一定になる。そして、単セル１０内部における間隙部２８の配設部分では、同間隙部２８よりも膜電極接合体１１側の部分が主に酸化剤ガスが通過するガス流路３１の一部をなし、間隙部２８よりもフラットセパレータ２１側の部分が単セル１０内部で発生した水が導入される水流路３２の一部をなす。

図３、図４および図６に示すように、ガス流路形成板２３の上流部２４は、ガス流路３１と水流路３２とを連通する連通路３３を複数有している。詳しくは、ガス流路形成板２３の上流部２４には、延設方向Ｌにおいて第１支持部２５および第２支持部２６の一方の内側突条２９と他方の外側突条３０とが隣接する部分や第２支持部２６の内側突条２９と間隙部２８とが隣接する部分に貫通孔が形成されており、それら貫通孔が上記連通路３３に相当する。

本実施形態では、図３〜図６から明らかなように、水流路３２の流路断面積がガス流路３１の流路断面積よりも狭くなっているため、水流路３２の流路抵抗がガス流路３１の流路抵抗よりも大きくなっている。また、連通路３３の形状は、同連通路３３の流路抵抗がガス流路３１の流路抵抗よりも大きくなるように定められている。これらのことから、単セル１０の内部におけるガス流路形成板２３の上流部２４が配設された部分では、酸化剤ガスは主に、圧力損失の小さいガス流路３１を流れるようになる。

また図３に示すように、ガス流路形成板２３の当接部２７では、鉛直方向における内側突条２９の形成位置と外側突条３０の形成位置とが、第１支持部２５と第２支持部２６とで正反対になっている。そのため、図３中に黒塗りの矢印で示すように、酸化剤ガスが、「第２支持部２６のガス流路３１→第１支持部２５のガス流路３１→第２支持部２６のガス流路３１→間隙部２８のガス流路３１」といった順に蛇行して流れるようになる。これにより、酸化剤ガスがガス流路形成板２３（詳しくは、その上流部２４）の配設部分全体に分散し易くなっており、同酸化剤ガスが膜電極接合体１１の全体に供給され易くなっている。

さらに、ガス流路形成板２３の当接部２７では、単セル１０の内部で発生してガス流路３１内部に流入した水が、毛管作用によって連通路３３に引き込まれて水流路３２に導入されるようになる。なお、水流路３２内に導入された水が水滴となって連通路３３の近傍に滞留しているときには、この水が呼び水となって連通路３３内の水が毛管作用によって水流路３２内に導かれるようになる。こうして水流路３２内に導入された水は、水流路３２内を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって下流側に押し流されるようになる。

次に、ガス流路形成板２３の下流側の部分（下流部３４［図２参照］）の形状を説明する。
図７〜図１０に示すように、ガス流路形成板２３の下流部３４には、当接部３５と間隙部３６とが交互に配置されている。

当接部３５は鉛直方向において湾曲する波板形状である。この当接部３５は、一方の面において突出する突条（内側突条３７）が膜電極接合体１１に当接するとともに他方に突出する突条（外側突条３８）がフラットセパレータ２１に当接する態様で、それら膜電極接合体１１およびフラットセパレータ２１の間に配置されている。そして、この当接部３５では、膜電極接合体１１に対向する面において平行に延びる凹溝が主に酸化剤ガスが流通するガス流路３９になり、フラットセパレータ２１に対向する面において平行に延びる凹溝が単セル１０内で発生した水が導入される水流路４０になる。

間隙部３６は、各突条３７，３８が延びる方向（上記延設方向Ｌ）において隣り合う２つの当接部３５の間に配置されており、それら当接部３５を一体に連結している。この間隙部３６は、ガス流路形成板２３の上方側の端部（図２参照）から下方側の端部まで延びる形状に形成されている。間隙部３６は、当接部３５と同様に、鉛直方向において湾曲する波板形状である。ただし、図８および図９に示すように、間隙部３６の一方の面において突出する突条（内側突条３７）は膜電極接合体１１に当接するものの、他方の面において突出する突条（外側突条３８）はフラットセパレータ２１に当接しない形状に形成されている。間隙部３６のフラットセパレータ２１に対向する面は、各当接部３５の内側突条３７の突端を繋ぐ形状（詳しくは、内側突条３７がフラットセパレータ２１に当接する点を含む平面、すなわちフラットセパレータ２１の間隙部３６側の面）よりも膜電極接合体１１側の位置で延びる形状になっている。

ガス流路形成板２３における間隙部３６が形成された部分では、ガス流路形成板２３（詳しくは、間隙部３６）とフラットセパレータ２１との間に間隙Ｓが形成される。ただし、図８に示すように、その間隙Ｓの大きさは一定ではなく、外側突条３８の形成位置では狭くなっている一方、内側突条３７の形成位置では広くなっている。そして、単セル１０の内部における間隙部３６の配設部分では、同間隙部３６よりも膜電極接合体１１側の部分が酸化剤ガスが通過するガス流路３９の一部をなし、間隙部３６よりもフラットセパレータ２１側の部分が単セル１０内部で発生した水が導入される水流路４０の一部をなす。

図９に示すように、こうした下流部３４の間隙部３６は、延設方向Ｌにおける幅Ｗ１が上流部２４の間隙部２８の同幅Ｗ１（図５参照）と等しくなっており、延設方向Ｌにおける配設位置の間隔Ｗ２が上流部２４の間隙部２８の同間隔Ｗ３（図５参照）よりも長くなっている。これにより、ガス流路形成板２３では、その上流部２４に対して間隙部２８が配置される部分の占める割合が、下流部３４に対して間隙部３６が配置される部分の占める割合よりも大きくなっている。

また、図７〜図１０に示すように、延設方向Ｌにおける当接部３５の両端部、すなわち当接部３５における間隙部３６を間に挟む位置には、それぞれリブ４１が形成されている。このリブ４１は、内側突条３７の頂面側の部分が部分的に剪断されて同頂面から離間する方向に曲げられた形状になっている。そして、こうしたリブ４１をガス流路形成板２３の下流部３４に形成することにより、同下流部３４にガス流路３９と水流路４０とを連通する複数の連通路４３が形成されている。

図８に示すように、リブ４１は水流路４０の内部に突出している。そのため、このリブ４１によって水流路４０の内部が遮られており、その分だけ水流路４０の流路抵抗が大きくなっている。また図７、図８および図１０に示すように、連通路４３の形状は、同連通路４３の流路抵抗がガス流路３９の流路抵抗よりも大きくなるように定められている。これらのことから、単セル１０内部におけるガス流路形成板２３の下流部３４が配設された部分では、酸化剤ガスは主に、圧力損失の小さいガス流路３９を流れるようになる。

また、ガス流路形成板２３の下流部３４では、単セル１０の内部で発生した水が、毛管作用によって連通路４３に引き込まれて、水流路４０に導入されるようになる。なお、水流路４０内に導入された水が水滴となって連通路４３の近傍に滞留しているときには、この水が呼び水となって連通路４３内の水が毛管作用によって水流路４０内に導かれるようになる。そうして水流路４０内に導入された水は、水流路４０内を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって下流側に押し流されて、排出通路１８（図２参照）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２３を設けることによる作用について説明する。
各単セル１０では、膜電極接合体１１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１１での電気化学反応によって発電が行なわれる。そして、この発電に際して、膜電極接合体１１の内部および近傍において水が発生する。この水は、ガス流路形成板２３のガス流路３１，３９に流入するとともに、毛管作用によって連通路３３，４３に引き込まれて水流路３２，４０に導入されるようになる。

本実施形態では、ガス流路形成板２３の間隙部２８，３６とフラットセパレータ２１との間に延設方向Ｌと交差する方向（鉛直方向）において連続的に延びる間隙Ｓ（図５および図９参照）が形成されている。そのため、この間隙Ｓに、単セル１０内において発生して水流路３２，４０に流入した水を毛管作用によって集めて保持することができる。しかも本実施形態では、図４または図８に示すように、連通路３３，４３に隣接する位置に上記間隙Ｓ（詳しくは、間隙部２８，３６）が設けられているため、毛管作用によって連通路３３，４３に引き込まれる水を上記間隙Ｓに集め易い構造になっている。

ここで、単セル１０の内部で発生した水は、重力によって下方に流れ落ちたり、酸化剤ガスの流動圧力によって下流側に押し流されたりする。そのため、ガス流路形成板２３の配設部分における上方側、且つ上流側の部分（図２に矢印ＡＲで示す部分）は、水が滞留し難く、乾燥し易い部位であると云える。図２に示すように、単セル１０は、そうした乾燥しやすい部位に、供給通路１７を介してガス流路形成板２３の配設部分に流入するガスが直接吹き付けられる構造であるため、膜電極接合体１１の乾燥を招き易いと云える。

図５に示すように、ガス流路形成板２３の上流部２４では、同上流部２４の全部位に対して間隙部２８が配設される部分の占める割合、言い換えれば、水流路３２の全部位に対して上記間隙Ｓになる部分の占める割合が、ガス流路形成板２３の下流部３４（図９参照）の同割合と比較して大きくなっている。そのため、ガス流路形成板２３の上流部２４の水流路３２に比較的多くの水を保持することができ、その保持した水によってガス流路形成板２３の配設部分に流入するガスを加湿することができる。これにより、膜電極接合体１１に供給されるガスに含まれる水分量を多くすることができるため、同膜電極接合体１１の乾燥を抑えることができる。

また、ガス流路形成板２３の上流部２４には、同ガス流路形成板２３の上方側の端部から下方側の端部まで延びる形状の間隙部２８が形成されている。そのため、ガス流路形成板２３の上流部２４が配設される部分には、同ガス流路形成板２３の上方側の端部から下方側の端部まで連続的に延びる間隙Ｓが形成される。この間隙Ｓによって、図６中に黒塗りの矢印で示すように、水流路３２内の水を、重力やガスの流動圧力に抗して水流路３２内における上方側、且つ上流側の部分ＡＲ（図２に矢印ＡＲで示す部分）まで導いて保持することができるようになる。これにより、単セル１０内部のガス流路形成板２３の配設部分における上方側、且つ上流側の部分ＡＲ、すなわち乾燥し易い部分を通過するガスを好適に加湿することができるため、膜電極接合体１１の乾燥を的確に抑えることができる。

本実施形態では、単セル１０内部におけるガス流路形成板２３の上流部２４の配設部分において酸化剤ガスが加湿されるため、その加湿された酸化剤ガスが通過するガス流路形成板２３の下流部３４の配設部分では、さほど酸化剤ガスを加湿しなくても膜電極接合体１１の乾燥を抑えることが可能である。そして、単セル１０の発電効率を向上させるためには、基本的には、単セル１０の内部で発生する水は同単セル１０の外部に速やかに排出されることが望ましい。

図９に示すように、ガス流路形成板２３の下流部３４では、その全部位に対して間隙部３６が配設される部分の占める割合、言い換えれば、水流路４０の全部位に対して上記間隙Ｓになる部分の占める割合が、ガス流路形成板２３の上流部２４（図５参照）の同割合と比較して小さくなっている。そのため、ガス流路形成板２３の下流部３４の水流路４０に保持される水の量を比較的少なくすることができる。これにより、単セル１０の内部（詳しくは、ガス流路形成板２３の下流部３４の配設部分）から外部への排水性能を高くすることができるため、単セル１０の発電効率の向上を図ることができる。

ガス流路形成板２３の下流部３４には、同ガス流路形成板２３の上方側の端部から下方側の端部まで延びる形状の間隙部３６が形成されており、同ガス流路形成板２３の上方側の端部から下方側の端部まで連続的に延びる間隙Ｓが形成されている。ただし、図８に示すように、その間隙Ｓの大きさは一定ではなく、外側突条３８の形成位置では狭くなっている一方、内側突条３７の形成位置では広くなっている。そして、単セル１０の内部では、間隙Ｓが狭い部分では水が保持され易くなっており、間隙Ｓが広い部分では水が保持され難くなっている。そのため、単セル１０内部におけるガス流路形成板２３の下流部３４の配設部分では、ガス流路形成板２３の上流部２４の配設部分と比較して、間隙Ｓが狭く水が保持され易い部分が少なく、これによっても水の保持量が抑えられて排水性能が高くなっている。

また本実施形態では、アノード側のガス流路形成板５３として、カソード側のガス流路形成板２３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６１，６９、水流路６２，７０、および間隙部５８，６６においても、上述したカソード側のガス流路３１，３９、水流路３２，４０、および間隙部２８，３６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、以下に記載する作用効果が得られる。
（１）ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４の全部位に対して間隙部２８，５８が配設される部分の占める割合を、ガス流路形成板２３，５３の下流部３４，６４の同割合と比較して大きくした。これにより、ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４の水流路３２，６２に保持される水の量を比較的多くすることができるため、膜電極接合体１１に供給されるガスに含まれる水分量を多くして、同膜電極接合体１１の乾燥を抑えることができる。しかも、ガス流路形成板２３，５３の下流部３４，６４の水流路４０，７０に保持される水の量を比較的少なくすることができるため、その分だけ単セル１０の内部から外部への排水性能を高くして、単セル１０の発電効率の向上を図ることができる。

（２）ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４の間隙部２８，５８とフラットセパレータ２１との間に鉛直方向において連続的に延びる間隙Ｓが形成されている。そのため、ガス流路形成板２３，５３の配設部分における上方側、且つ上流側の部分、すなわち乾燥し易い部分を通過するガスを好適に加湿することができ、膜電極接合体１１の乾燥を的確に抑えることができる。

（３）間隙部２８，５８を、ガス流路形成板２３，５３の上方側の端部から下方側の端部まで延びる形状に形成した。そのため、単セル１０内部におけるガス流路形成板２３，５３の配設部分に流入するガスを、同ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４の全体を利用して好適に加湿することができる。

（４）ガス流路形成板２３，５３の間隙部２８，５８のフラットセパレータ２１側の面を平面形状にした。そのため、ガス流路形成板２３，５３の間隙部２８，５８とフラットセパレータ２１との間隙Ｓの大きさのばらつきを抑えることができるため、同間隙Ｓの各部において、毛管作用を適正に発揮させて、水を集めて保持することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ガス流路形成板２３，５３をチタン板などのステンレス鋼板以外の金属板材によって形成してもよい。

・ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４の当接部２７，５７を下流部３４，６４の当接部３５，６５と同一の構造にしたり、下流部３４，６４の当接部３５，６５を上流部２４，５４の当接部２７，５７と同一の構造にしたりしてもよい。

・間隙部が上流部２４，５４のみに配設される構造、すなわち下流部３４，６４に間隙部３６，６６が配設されない構造のガス流路形成板を採用してもよい。そうしたガス流路形成板の下流部の構造の一例を図１１〜図１３に示す。図１１〜図１３に示すように、ガス流路形成板８３の下流部８４は、当接部８５（前記第１支持部２５［図３参照］および前記第２支持部２６）のみからなる。詳しくは、この当接部８５では、第１支持部２５の各突条２９，３０の延びる方向と第２支持部２６の各突条２９，３０の延びる方向とが一致する態様で、それら第１支持部２５および第２支持部２６が延設方向Ｌにおいて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８３の下流部８４では、延設方向Ｌにおいて第１支持部２５および第２支持部２６の一方の内側突条２９と他方の外側突条３０とが隣接する部分に貫通孔が形成されており、それら貫通孔がガス流路３９と水流路４０とを連通する連通路３３になる。こうしたガス流路形成板８３を採用することにより、下流部８４の水流路４０には前記間隙Ｓ（詳しくは、間隙が狭く水が保持され易い部分［図４、図８参照］）が形成されないために、下流部８４に滞留する水の量を少なくすることができ、単セルの内部からの外部への排水性能を高くすることができる。

・ガス流路形成板２３，５３の上方側の端部およびその近傍や、ガス流路形成板２３，５３の下方側の端部およびその近傍に、間隙部２８，３６が形成されない部分を設定してもよい。

・ガス流路形成板２３，５３の上流部２４，５４に配設される間隙部２８，５８の形状は、フラットセパレータ２１との間に水を保持することの可能な間隙が形成される形状であれば、平板形状に限らず、湾曲した板状や、波形の板状、屈曲した板状など、任意の形状に形成することができる。

・上流部２４の当接部２７（第１支持部２５および第２支持部２６）や下流部３４の当接部３５としては、波板形状のものを採用することに限らず、断面が矩形波形状の板状や断面が鋸歯形状の板材など、断面が凹形状の部分と凸形状の部分とが交互に並ぶ凹凸形状のものであれば、任意の形状のものを採用することができる。また、当接部２７，３５として、各ガス流路３１，６１になる凹溝が捻れの位置になるように配置される形状のものや、各ガス流路３１，６１になる凹溝が蛇行して延びる形状のものなどを採用してもよい。その他、当接部２７，３５としては、各水流路３２，６２になる凹溝が捻れの位置になるように配置される形状のものや、各水流路３２，６２になる凹溝が蛇行して延びる形状のものなどを採用することもできる。

・膜電極接合体１１のカソード側に間隙部２８を有するガス流路形成板２３を設けるとともに、膜電極接合体１１のアノード側に間隙部５８を有していないガス流路形成板を設けるようにしてもよい。また、膜電極接合体１１のカソード側に間隙部２８を有していないガス流路形成板を設けるとともに、膜電極接合体１１のアノード側に間隙部５８を有するガス流路形成板５３を設けるようにしてもよい。

・上記実施形態に記載のガス流路形成板および燃料電池スタックは、ガス流路形成板が鉛直方向に延びるように配置される燃料電池スタックに限らず、ガス流路形成板が如何なる角度（鉛直方向に対して若干傾いた角度や、水平方向に延びる角度）で配置される燃料電池スタックにも適用することができる。

１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…固体高分子電解質膜、１３，１４…電極触媒層、１５，１６…ガス拡散層、１７…供給通路、１８…排出通路、２０…第１セパレータ、５０…第２セパレータ、２１，５１…フラットセパレータ、２３，５３，８３…ガス流路形成板、２４，５４…上流部、２５…第１支持部、２６…第２支持部、２７，５７…当接部、２８，５８…間隙部、２９…内側突条、３０…外側突条、３１，６１…ガス流路、３２，６２…水流路、３３…連通路、３４，６４，８４…下流部、３５，６５，８５…当接部、３６，６６…間隙部、３７…内側突条、３８…外側突条、３９，６９…ガス流路、４０，７０…水流路、４１…リブ、４３…連通路。

Claims (6)

1. 膜電極接合体と平板状のフラットセパレータ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板状のガス流路形成板であって、
   いずれも断面が凹凸形状であり、前記膜電極接合体に対向する面における凹溝がガス流路をなすとともに、前記フラットセパレータに対向する面における凹溝が水流路をなす複数の当接部と、
   前記ガス流路および前記水流路が延びる方向において隣り合う２つの前記当接部を連結する形状であり、且つ、前記フラットセパレータに対向する面が、前記当接部における前記フラットセパレータ側に突出する複数の突条の突端を繋ぐ形状よりも前記膜電極接合体側の位置において延びる形状の間隙部と、
   前記ガス流路および前記水流路を連通する連通路と、を備えて、
   前記ガス流路を流れるガスの流れ方向における上流側の部分に対して前記間隙部が配置される部分の占める割合は、前記流れ方向における下流側の部分に対して前記間隙部が配置される部分の占める割合よりも大きい
   燃料電池用ガス流路形成板。
2. 請求項１に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記間隙部は、前記上流側の部分のみに配設されている
   ことを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記ガス流路形成板は、前記当接部および前記間隙部が鉛直方向において延びる状態で、且つ、前記単セル内部における前記ガス流路形成板の配設部分に流入するガスが、前記ガス流路形成板の前記上流側の端部における鉛直方向上方側の部分に直接吹き付けられる状態で配置されるものである
   ことを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
4. 請求項３に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記間隙部は、前記ガス流路形成板の鉛直方向上方側の端部から鉛直方向下方側の端部まで延びる形状である
   ことを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス流路形成板において、
   前記間隙部は、前記フラットセパレータ側の面が平面形状である
   ことを特徴とする燃料電池用ガス流路形成板。
6. 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、平板形状のフラットセパレータと、前記膜電極接合体および前記フラットセパレータの間に介設された請求項１〜５のいずれか１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。

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