図1は、燃料電池1の単セル2の分解斜視図である。燃料電池1は、単セル2が複数積層されることで構成される。図1では、一つの単セル2のみを示し、その他の単セルについては省略してある。図1には、互いに直交するX方向、Y方向、及びZ方向を示している。単セル2は、図1に示したZ方向で他の単セルと共に積層される。即ち、Z方向は、複数の単セル2が積層される積層方向である。単セル2は略矩形状であり、単セル2の長手方向及び短手方向はそれぞれ図1に示したY方向及びX方向に相当する。
燃料電池1は、反応ガスとしてアノードガス(例えば水素)とカソードガス(例えば酸素)の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル2は、膜電極ガス拡散層接合体10(以下、MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)と称する)と、MEGA10を支持する支持フレーム18と、MEGA10を挟持するアノードセパレータ20及びカソードセパレータ40(以下、セパレータと称する)とを含む。MEGA10は、カソードガス拡散層16c及びアノードガス拡散層16a(以下、拡散層と称する)を有している。支持フレーム18は、略枠状であって内周側がMEGA10の周縁領域に接合されている。セパレータ20及び40と、支持フレーム18が接合されたMEGA10とは、Z方向に積層されている。
セパレータ20の2つの短辺の一方側には孔a1~a3が形成され、他方側には孔a4~a6が形成されている。同様に、支持フレーム18の2つの短辺の一方側には孔s1~s3が形成され、他方側には孔s4~s6が形成されている。同様に、セパレータ40の2つの短辺の一方側には孔c1~c3が形成され、他方側には孔c4~c6が形成されている。孔a1、s1、及びc1は連通してアノード出口マニホールドを画定する。同様に、孔a2、s2、及びc2は、冷媒入口マニホールドを、孔a3、s3、及びc3はカソード入口マニホールドを、孔a4、s4、及びc4はカソード出口マニホールドを、孔a5、s5、及びc5は冷媒出口マニホールドを、孔a6、s6、及びc6はアノード入口マニホールドを画定する。尚、本実施例の燃料電池1では、冷媒としては液体である冷却水が用いられる。
セパレータ20は、MEGA10に対向する面20aと、面20aの反対側の面20bとを有している。セパレータ40は、MEGA10に対向する面40aと、面40aの反対側の面40bとを有している。セパレータ20の面20aには、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通してアノードガスが流れるアノード溝20Aが形成されている。セパレータ40の面40aには、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード溝40Aが形成されている。セパレータ20の面20b、及びセパレータ40の面40bには、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒溝20B及び40Bがそれぞれ形成されている。アノード溝20A及び冷媒溝20Bはセパレータ20の長手方向(Y方向)に延びている。カソード溝40A及び冷媒溝40Bも同様に、セパレータ40の長手方向(Y方向)に延びている。これらの溝は、主に、XY平面において各セパレータのMEGA10に対向する領域に設けられている。
セパレータ20及び40の材料は、ガス遮断性及び導電性を有した材料であり、具体的には、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウムといった金属、又はカーボンを圧縮した緻密質カーボン、又はこれら複合した材料である。また、セパレータ20及び40は、プレス加工により成形されたものであるが、これに限定されず、切削加工により成形されたものであってもよい。
図2は、単セル2が複数積層された燃料電池1の模式的な部分断面図である。図2では、1つの単セル2のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。図2が示す断面は、アノード溝20Aやカソード溝40A、及び冷媒溝20B及び40Bが延びたY方向に直交している。
MEGA10は、拡散層16a及び16cと、膜電極接合体(以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)と称する)11とを有している。MEA11は、電解質膜12と、電解質膜12の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層14a及びカソード触媒層14c(以下、触媒層と称する)とを含む。電解質膜12は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層14a及び14cは、例えば白金(Pt)などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜12に塗布することにより形成される。拡散層16a及び16cは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層16a及び16cは、それぞれ触媒層14a及び14cに接合されている。尚、拡散層16a及び16cの少なくとも一方が、金属発泡焼結体や網状のエキスパンドメタル等の多孔体であってもよい。また、触媒層14aに撥水層が接合され、この撥水層に拡散層16aが接合されていてもよい。同様に、触媒層14cに撥水層が接合され、この撥水層に拡散層16cが接合されていてもよい。
アノード溝20A及び冷媒溝20Bは、Y方向から見てその断面形状は波形状である。アノード溝20A及び冷媒溝20Bは、X方向、即ちアノード溝20A及び冷媒溝20Bが並んだ方向に繰り返し連続した、リブ部21、側部23、底部25、及び側部27により画定されている。リブ部21は、拡散層16aに当接している。底部25は、リブ部21と略平行であり拡散層16aから退避している。側部23は、リブ部21とこのリブ部21よりも+X方向側にある底部25との間で、このリブ部21及び底部25に対して傾斜して連続している。側部27は、底部25とこの底部25よりも+X方向側にあるリブ部21との間で、この底部25及びリブ部21に対して傾斜して連続している。側部23及び27は、この側部23及び27の間のリブ部21の、X方向の中心を通過するYZ平面に対して略対称である。
拡散層16a側で、側部23、底部25、及び側部27により囲まれた空間が、セパレータ20のアノード溝20Aとして画定される。また、底部25は図2Aに示した単セル2の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータに当接する。この不図示のカソードセパレータ側で、リブ部21と、側部23及び27とにより囲まれた空間がセパレータ20の冷媒溝20Bとして画定される。このようにアノード溝20A及び冷媒溝20Bは、セパレータ20に表裏一体に形成されている。アノード溝20Aは、拡散層16a側でアノードガスが流れるガス溝の一例である。冷媒溝20Bは、拡散層16aとは反対側で冷媒が流れる冷媒溝の一例である。アノード溝20A及び冷媒溝20Bは、拡散層16a側で反応ガスが流れるアノード溝20Aと拡散層16a側とは反対側で冷媒が流れる冷媒溝20Bとが形成された流路部の一例である。セパレータ20の面20aは、流路部のアノード溝20A側の第1面の一例であり、セパレータ20の面20bは、面20aとは反対側である冷媒溝20B側の第2面の一例である。セパレータ40の面40aは、流路部のカソード溝40A側の第1面の一例であり、セパレータ40の面40bは、面40aとは反対側である冷媒溝40B側の第2面の一例である。
同様に、カソード溝40A及び冷媒溝40Bは、Y方向から見てその断面形状は波形状である。カソード溝40A及び冷媒溝40Bは、X方向に繰り返し連続した、リブ部41、側部43、底部45、側部47により画定されている。リブ部41は、拡散層16cに当接している。底部45は、リブ部41と略平行であり拡散層16cから退避している。側部43は、リブ部41とこのリブ部41よりも+X方向側にある底部45との間で、このリブ部41及び底部45に対して傾斜して連続している。側部47は、底部45とこの底部45よりも+X方向側にあるリブ部41との間で、この底部45及びリブ部41に対して傾斜して連続している。側部43及び47は、この側部43及び47の間のリブ部41の、X方向の中心を通過するYZ平面に対して略対称である。
拡散層16c側で、側部43、底部45、及び側部47により囲まれた空間が、セパレータ40のカソード溝40Aとして画定される。また、底部45は図2に示した単セル2の下方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータに当接する。この不図示のカソードセパレータ側で、リブ部41と、側部43及び47とにより囲まれた空間がセパレータ40の冷媒溝40Bとして画定される。このようにカソード溝40A及び冷媒溝40Bは、セパレータ40に表裏一体に形成されている。カソード溝40Aは、拡散層16c側でカソードガスが流れるガス溝の一例である。冷媒溝40Bは、拡散層16cとは反対側で冷媒が流れる冷媒溝の一例である。カソード溝40A及び冷媒溝40Bは、拡散層16c側で反応ガスが流れるカソード溝40Aと拡散層16c側とは反対側で冷媒が流れる冷媒溝40Bとが形成された流路部の一例である。
側部27は、リブ部21に側部23とは反対側で隣接した隣接側部の一例である。隣接する2つの底部25の一方は、側部27にリブ部21と反対側で隣接し拡散層16aから退避した隣接底部の一例である。側部47は、リブ部41に側部43とは反対側で隣接した隣接側部の一例である。隣接する2つの底部45の一方は、側部47にリブ部41と反対側で隣接し拡散層16cから退避した隣接底部の一例である。
図3は、セパレータ40の流路部の一部を示した斜視図である。図3では、カソードガスが流れるセパレータ40の面40a側を示している。図3において、カソードガス及び冷媒は+Y方向に流れる。セパレータ40の面40aには、排水溝43g及び47gや案内溝41gが形成されている。具体的には、排水溝43g及び47gは、それぞれ側部43及び47にカソード溝40Aに沿って延びて形成され、詳細には、カソード溝40Aと平行である。排水溝47gは、側部47の面40aにカソード溝40A溝に沿って延びた隣接排水溝の一例である。また、案内溝41gは、リブ部41とそのリブ部41に隣接した側部43及び47の一部とに、X方向に延びて形成されており、Y方向に所定のピッチで複数形成されている。これら案内溝41gは、一端が排水溝43gに連通し、他端が排水溝47gに連通している。尚、図3から明らかであるが、案内溝41gや、排水溝43g及び47gの各幅や各深さは、カソード溝40Aや冷媒溝40Bの各幅や各深さよりも小さい。
図4Aは、セパレータ40の流路部の一部を示した断面図である。図4Aの断面は、カソード溝40A等が延びたY方向に垂直であり、図4Aは、排水溝43g及び47gがそれぞれ延びた方向に垂直な断面から見た場合での、セパレータ40の流路部の一部を示しているともいえる。排水溝43gは、Y方向に垂直な方向から見て、側部43の略中央部に形成されている。排水溝43gは、排水溝43gが延びた方向に垂直な断面視で略V字状である。換言すれば、排水溝43gは、側部43の一部に段状に形成された部分によって画定されている。排水溝47gについても同様である。排水溝43gの幅や深さは、これら排水溝43gが延びた方向で略一定であるがこれに限定されない。排水溝47gについても同様である。
発電反応により生じた生成水は、排水溝43g及び47gにより捕捉される。排水溝43g及び47gで捕捉された液水は、カソードガスの圧力を受けて排水溝43g及び47gに沿ってカソードガスの下流側へと流れ、カソードガス排出マニホールドを介して燃料電池1の外部へ排出される。尚、案内溝41gや対向部位41hについては、詳しくは後述する。
次に、排水溝43gの水力直径について説明する。溝の水力直径とは、その溝の断面積と等価とみなせる断面積を有した円管の直径を意味する。従って、溝の水力直径が大きいほど、その溝の断面積が大きいことを示し、その溝で捕捉できる液水の量も多いことを示す。従って、溝による排水性を考慮すると、その溝の水力直径は大きいほどよい。しかしながら、溝の水力直径が増大するほど、溝の毛管力が低下することが知られている。図4Bは、溝の水力直径と毛管力との関係を示したグラフである。横軸は水力直径を示し、縦軸は毛管力を示している。図4Bに示すように、水力直径と毛管力との関係は反比例の関係にある。ここで、毛管力が大きいほどその溝の液水の保持力が大きいことを示す。従って、水力直径が大きいほど、その溝で捕捉できる液水の量は確保できるが、毛管力は低下し、一度溝で捕捉した液水が溝から脱離し、この溝を有効利用して液水を排出することが困難となる可能性がある。
従って本実施例での排水溝43gの水力直径は、2μm以上であって200μm以下に設定されている。排水溝43gの水力直径が2μm以上であることにより、排水溝43gが最大限捕捉できる液水の量が確保されている。これにより、例えば燃料電池1の運転状態がカソード溝40A内で液水が発生しやすい状態であっても、カソード溝40A内での液水の滞留が抑制される。また、排水溝43gの水力直径が200μm以下であるため、毛管力による排水溝43gの液水の保持力が確保されている。これにより、例えば排水溝43gにより一度捕捉された液水が、カソードガスからの圧力や燃料電池1から外部に加えられた振動、その他重力の作用等によって排水溝43gから脱離してカソード溝40A内で滞留することが抑制される。以上のように、排水溝43gが有効利用されて排水性が向上している。排水溝47gについても同様である。
排水溝43gの水力直径は、5μm以上であって150μm以下が好ましい。排水溝43gの水力直径が5μm以上であることにより、上述した2μm以上の場合よりも排水溝43gの毛管力は低下するが排水溝43gが最大限捕捉できる液水の量を確保できる。また、排水溝43gの水力直径が150μm以下であることにより、上述した200μm以下の場合よりも排水溝43gが最大限捕捉できる液水の量は低下するが毛管力を確保することができる。排水溝43gの水力直径がこのような範囲に設定されていることにより、排水溝43gが捕捉できる液水の量の確保と毛管力の確保とを両立でき、排水溝43gによる排水性が向上している。排水溝43gの水力直径は、更に好ましくは7μm以上であって150μm以下であり、更に好ましくは10μm以上であって100μm以下である。尚、排水溝43gの水力直径は小さいほど、排水溝43gの形成やその寸法精度を維持することが困難となる場合があるため、このような事情を考慮して適宜設定することが望ましい。
尚、溝の水力直径とは、溝の断面と等価な円管の直径を意味する。溝の水力直径は、以下のようにして算出できる。最初に、溝の断面積を、濡れ縁長さで除算する。このようにして算出された値に4を乗算する。これにより、溝の水力直径が算出される。濡れ縁長さとは、溝が延びた方向から見て溝の内面の長さである。排水溝43gの水力直径の具体的な算出方法については、後述する。
図5Aは、図4Aの排水溝43gの拡大図である。尚、図5Aでは案内溝41gについては省略してある。また、図5Aでは、排水溝43gを流れる液水Wを図示している。側部43の面40aは、リブ部41側から底部45側に順に、面431a、433a、及び432aを含む。面431aは、リブ部41の面40aから+X方向と-Z方向との間の方向であって拡散層16cから離れるようにリブ部41側から底部45側に延びている。面433aは、面431aから+X方向と+Z方向との間の方向であって拡散層16cに接近するように延びている。面432aは、面433aから+X方向と-Z方向との間の方向であって拡散層16cから離れるようにリブ部41側から底部45側に延びて、底部45の面40aに連続している。面431aのリブ部41に対する傾斜角度と、面432aのリブ部41に対する傾斜角度とは、僅かに異なっているが同一であってもよい。
上述したように、面431a及び432aがそれぞれリブ部41側から底部45側に向けて拡散層16cから離れるように傾斜しているのに対し、面433aは、面431aから拡散層16cに接近するように傾斜している。換言すれば、面433aと面432aとの+X方向での接続位置は、面433aと面431aとの+X方向での接続位置よりも+X方向側に位置しており、面433aと面432aとの+Z方向での接続位置は、面433aと面431aとの+Z方向での接続位置よりも+Z方向側、即ち拡散層16cに近い位置にあるといえる。面433aと、面433aに-X方向で対向する面431aの一部分とによって、断面視で略V字状の排水溝43gが画定されている。面431aは、リブ部41側から底部45側に延びた第1傾斜面の一例である。面432aは、面431aと底部45との間に位置してリブ部41側から底部45側に延びた第2傾斜面の一例である。面433aは、面431aと面432aとの間に位置して面431a側から拡散層16c側に向かうように傾斜した第3傾斜面の一例である。
このように、排水溝43gの内面の一部を画定する面433aが拡散層16c側に向けて延びていることにより、例えば、拡散層16cで発生した生成水が、リブ部41の面40aから面431a上に流れて排水溝43gに流入した場合や、案内溝41gを介して排水溝43gに流入した場合に、生成水が排水溝43gから面432a上に流出することが抑制される。即ち、面433aにより排水溝43gによる液水の捕捉性が向上している。これにより排水性が向上している。排水溝47gについても同様である。
また、断面視で、面433aの長さLは、面433a以外の面431aや面432aの長さよりも短く形成されている。これにより、カソードガスの圧損の増大を抑制できる。断面視で面433aの長さが面431aや面432aの長さよりも長いと、面433aがカソード溝40A側に大きく突出していることになり、カソードガスの圧損が増大するからである。具体的には、面433aの長さLは例えば0.2mm以下が好ましい。排水溝47gについても同様である。
また、図4A及び図5Aに示すように、側部43の面40bは、側部43の面40aと略同じ形状である。即ち、側部43の面40bは、側部43の面40aと相補形状であり、換言すれば略相似している。このため、面40bで排水溝43gに対向した対向部位43hも、排水溝43gの内面と相補形状であり、排水溝43gと同様に断面視で略V字状で冷媒溝40B側に突出している。このように対向部位43hが排水溝43gと相補形状であるため、例えば面40bが冷媒溝40B側に突出した対向部位43hを有しておらずに滑らかに略直線状に連続している場合での排水溝43gに対向する部位の表面積と比較して、対向部位43hの表面積が確保されている。
ここで、拡散層16c内やカソード溝40A内では、発電反応により生じた熱や、不図示のコンプレッサにより圧縮されて高温となったカソードガスが流れることにより、比較的高温となっている。これにより、カソード溝40A内では、発電反応により生じた生成水の一部や、燃料電池1に供給される前にカソードガスに含まれていた水分が、水蒸気となって流れる。これに対して、カソード溝40Aの反対側の冷媒溝40Bでは、低温の冷媒が流れている。
ここで、上述したように対向部位43hの表面積が確保されているため、排水溝43gの内面に接する水蒸気と、対向部位43hに接する冷媒との熱交換効率が向上している。即ち、排水溝43gの内面が、冷媒によりより冷却されやすい構成となっている。このため、排水溝43g内での水蒸気の凝縮が促進されている。これにより、燃料電池1の排水性が向上している。排水溝47gや排水溝47gに対向する対向部位47hについても同様である。
本実施例での排水溝43gは、側部43に形成されており底部45には形成されていない。また、底部45の面40bは、平坦に形成されている。例えば、底部45の面40aに窪んだ排水溝を形成することも考えられる。しかしながら、底部45の面40aに排水溝を形成すると、底部45の剛性が部分的に低下して、底部45の面40bを平坦に維持することが困難となる可能性がある。また、底部45の面40bの全面に亘って隣接するセパレータが当接する場合、面40bの底部45の排水溝に対向する部位を冷媒溝40B側に突出させることは困難である。ここで、セパレータ40の底部45の面40bは、セパレータ40に隣接するセパレータに当接して、両者は導通接続され、両者間の接触抵抗は小さい方が好ましい。このような接触抵抗の増大を抑制するためには、セパレータ40の底部45の面40bと隣接するセパレータとの密着面積が大きいことが望ましく、そのためには底部45の面40bが平坦であることが望ましい。本実施例では、排水溝43gを底部45ではなく、側部43に設けることにより、底部45の面40bを平坦に維持でき、セパレータ間の接触抵抗の増大が抑制されている。
次に、排水溝43gの水力直径の算出について説明する。図5Bは、図5Aの部分拡大図である。図5Bには、液水Wの断面積Aと、面431aと面433aとに液水Wが接触した長さsとを示している。ここで、断面積Aは、排水溝43gに最大限捕捉された液水Wの断面積である。このため、断面積Aが排水溝43gの断面積とみなすことができる。また、長さsは、排水溝43gの濡れ縁長さに相当する。図5Bに示した例では、長さsは、面433aの長さと、面433aと-X方向で対向した面431aの一部分の長さとの合計である。排水溝43gの水力直径は、上記の断面積Aを長さsで除算して4を乗算することにより算出できる。
次に、本実施例の案内溝41gについて説明する。図6Aは、セパレータ40の流路部の一部を示した断面図である。図6Aの断面は、カソード溝40Aが延びたY方向に直交するX方向に垂直である。案内溝41gは、リブ部41と、側部43及び47の一部分とに亘って形成され、X方向に延びている。案内溝41gの幅、深さは部位によらずに略一定であるが、これに限定されない。ここで、案内溝41gは、排水溝43gよりもリブ部41側の側部43で面40aに対して窪んでいる。このため、排水溝43gよりもリブ部41側の側部43の面40aに液水が付着した場合であっても、カソード溝40A内を流れるカソードガスの圧力により、+Y方向に流れて側部43で案内溝41gに捕捉される。このように案内溝41gで捕捉された液水は排水溝43gへと案内され、液水は案内溝41gから排水溝43gへと連続的に流れる。このように排水性が向上している。
また、上述したように案内溝41gは、排水溝43gのみならず、排水溝47gにも連通している。このため、リブ部41で案内溝41gに捕捉された液水は、この案内溝41gに連通した排水溝43g及び47gの少なくとも何れかに案内されるため、排水性が向上している。
また、案内溝41gは、排水溝43g及び47gよりも、拡散層16cに当接するリブ部41側に形成されている。これにより、発電反応によりMEA11のカソード側で発生した生成水を、案内溝41gで容易に捕捉することができる。
上述したように、案内溝41gは、その一端が排水溝43gに連通しており、排水溝43gを通過するように連通しているのではない。従って、案内溝41gは、排水溝43gと底部45との間の側部43の領域には形成されていない。案内溝41gが排水溝43gに通過するように連通している場合には、リブ部41側から排水溝43gに向かって案内溝41gを流れる液水が排水溝43gを通過して、排水溝43gに案内できない可能性がある。本実施例では案内溝41gの一端が排水溝43gに連通していることにより、案内溝41gから排水溝43gへと液水を適切に案内できる。同様に、案内溝41gの他端も排水溝47gに連通している。
図6Bは、案内溝41gを示した断面図である。図6Bの断面は、案内溝41gが延びた方向に垂直である。排水溝43gと同様に、面40bの案内溝41gに対向した対向部位41hは案内溝41gに相補形状であり冷媒溝40B側に突出している。これにより、上述した排水溝43gと同様に、案内溝41gの内面上での凝縮水の発生が促進され、排水性が向上している。
ここで、排水溝43g及び47gの各水力直径は、案内溝41gの水力直径よりも小さい。ここで、図4Bに示したように、溝の水力直径が小さいほど毛管力が増大するため、排水溝43g及び47gの各毛管力は、案内溝41gの毛管力よりも大きい。これにより、案内溝41g内の液水は、毛管力が大きい排水溝43g及び47gの何れかに流れることが促進され、排水性が向上している。本実施例では、排水溝43g及び47gと案内溝41gとの深さは略同じであり、排水溝43g及び47gのそれぞれは案内溝41gよりも幅が狭く形成されているが、これに限定されず、例えば、排水溝43g及び47gと案内溝41gとの幅が略同じであり、排水溝43g及び47gのそれぞれが案内溝41gよりも深さが浅くてもよい。
尚、案内溝41gについても、排水溝43gと同様に、案内溝41gの水力直径は、2μm以上であって200μm以下であるが、5μm以上であって150μm以下でもよい。また、案内溝41gの水力直径は、好ましくは7μm以上であって150μm以下であり、更に好ましくは10μm以上であって100μm以下である。案内溝41gの水力直径をこのような範囲に設定することにより、案内溝41gが保持できる液水の量を確保しつつ液水の保持力も確保することができる。しかしながら、案内溝41gの水力直径は必ずしも上記範囲を満たす必要はない。案内溝41gが満水になると案内溝41gから排水溝43g及び47gの何れかに液水が溢れ出るからである。
排水溝43g及び47gと案内溝41gとが形成されたセパレータ40の面40aが重力方向上方を向くようにして燃料電池1が使用される場合には、重力の作用によって拡散層16c側から面40a側に落下した液水も、排水溝43g及び47gや案内溝41gで容易に捕捉することができる。
排水溝43g及び47gや案内溝41gは、親水処理がなされていることが望ましい。これにより、排水溝43g及び47gや案内溝41g内での液水の流動性が向上し、排水性が向上する。親水処理としては、周知の種々の技術を適用可能であり、例えば、プラズマ処理、紫外線処理、親水被膜の形成等が挙げられる。
案内溝41gは、排水溝43g及び47gの双方に連通しているが、何れか一方にのみ連通していてもよい。この場合も、案内溝41gから排水溝43g及び47gの一方に液水を案内することができるからである。また、案内溝41gはリブ部41にも形成されているが、リブ部41には形成されておらずに側部43及び47の少なくとも一方にのみ形成されていてもよい。例えば、案内溝41gがリブ部41には形成されておらずに側部43にのみ形成されている場合には、案内溝41gは、側部43の、リブ部41と排水溝43gとの間の領域に形成されて排水溝43gに連通していればよい。この場合も、側部43に形成された案内溝41gにより液水を捕捉でき、案内溝41gから排水溝43gに液水を案内できるからである。
側部43における排水溝43gの位置は、リブ部41及び底部45の何れからも同じ距離となるように側部43の略中央に形成されているが、これに限定されない。排水溝43gが延びた方向は、-Z方向から見て、カソード溝40Aの延びた方向に対して僅かに傾斜していてもよい。また、排水溝43gは、排水性を考慮すると直線状に延びていることが好ましいが、-Z方向から見て、カソード溝40Aが延びた方向に対して緩やかに湾曲した形状であってもよいし、複数の直線状の部分が異なる角度で連通した形状でもよい。排水溝47gについても同様である。また、排水溝43g及び47gは平行でなくてもよい。側部43及び47の何れか一方にのみ排水溝が形成されていてもよい。
案内溝41gは、-Z方向から見て、カソード溝40Aの延びた方向に対して直交する方向に延びているが、これに限定されない。案内溝41gは、-Z方向から見て直線状であるがこれに限定されず、湾曲した形状であってもよいし、複数の直線状の部分が異なる角度で連通した形状でもよい。また、案内溝41gは、-Z方向から見て排水溝43g及び47gに直交するように連通しているが、これに限定されない。例えば、側部43で案内溝41gは、カソードガスが流れる方向に沿うように、+Y方向と+X方向との間の方向に延びて排水溝43gに接続されていてもよい。同様に、側部47で案内溝41gは、カソードガスが流れる方向に沿うように、+Y方向と-X方向との間の方向に延びて排水溝47gに接続されていてもよい。Y方向に並んだ複数の案内溝41gのピッチは、一定に限定されない。例えば、液水が発生しやすい部分により狭いピッチで複数の案内溝41gを形成してもよい。
図7は、セパレータ20の流路部の一部を示した断面図である。図7は、セパレータ20のアノード溝20A及び冷媒溝20Bが延びた方向に対して垂直な断面図である。セパレータ40と同様に、アノード側のセパレータ20においても、側部23及び27にはそれぞれ排水溝23g及び27gが形成され、側部23及び27とリブ部21とには排水溝23g及び27gに連通した複数の案内溝21gが形成されている。これらの排水溝23g及び27gや案内溝21gに対向する面20bの対向部位23h、27h、及び21hは、それぞれ排水溝23g及び27gや案内溝21gと相補形状であり冷媒溝20B側に突出しているため、排水性が向上している。尚、セパレータ20のアノード溝20A及び冷媒溝20Bの形状及び大きさは、それぞれセパレータ40のカソード溝40A及び冷媒溝40Bの形状及び大きさと略同じであり、アノード溝20A及び冷媒溝20Bの形状とカソード溝40A及び冷媒溝40Bの形状とはXY平面で略対称である。
本実施例では、排水溝23g及び27gや案内溝21gは、セパレータ20の重力方向下方を向いた面20aに窪んで形成されている。ここで、排水溝23g及び27gや案内溝21gの水力直径は、上述した排水溝43gと同様の範囲に設定されている。これにより、毛管力により、液水が重力によってこれら溝から脱離することが抑制される。これらのセパレータ20及び40を有する燃料電池1の向きが重力方向に対して何れの向きで使用されても、液水が重力によりこれらの溝から脱離することが抑制され、排水性が向上する。
上述したセパレータ40のカソード溝40A及び冷媒溝40Bや、セパレータ20のアノード溝20A及び冷媒溝20Bは、直線状に延びているが、これに限定されず、少なくとも一方のセパレータの溝が波状に延びていてもよい。例えば、セパレータ40のカソード溝40A及び冷媒溝40Bが波状に延びている場合には、側部43及び47や排水溝43g及び47gも波状に延びて形成される。
上記実施例では、アノード側のセパレータ20に排水溝23g及び27gが形成され、カソード側のセパレータ40にも排水溝43g及び47gが形成されているが、これに限定されない。セパレータ20及び40の何れか一方にのみ、排水溝が形成されていてもよい。尚、発電反応による生成水の発生量は、一般的にアノード側よりもカソード側での方が多いため、カソード側のセパレータ40に排水溝43g及び47gの少なくとも一方を設けることが好ましい。
上記実施例では、セパレータ20の側部23及び27は、互いに略平行なリブ部21及び底部25に対して傾斜しているが、これに限定されず、例えば、側部23及び27のそれぞれがリブ部及び底部25に対して略直交してもよい。セパレータ40の側部43及び47についても同様である。
上述したセパレータ20及び40のそれぞれは、一層構造であるが、複数の層から構成されるものであってもよい。例えば、金属層と導電性樹脂層とを含むセパレータであってもよい。金属層は、例えば金属板である。導電性樹脂層は、例えば絶縁性の樹脂バインダ中に、金属製である導電性の粒子が分散されたものである。
上記のセパレータは、冷媒として液体を用いた水冷式の燃料電池に採用するものに限定されず、例えば冷媒として空気を用いた空冷式の燃料電池に採用してもよい。
次に排水溝の変形例について説明する。図8A~図8Cは、複数の変形例の排水溝の拡大断面図である。尚、変形例については、上述した実施例と類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。図8A~図8Cは、それぞれ、第1~第3変形例の排水溝43ga~43gcを示した拡大断面図である。図8A~図8Cは、図4Bに対応している。
図8Aに示すセパレータ401では、側部43Aの面40aは、リブ部41側から底部45側にかけて順に、面431a1、431a2、431a3、433a1、及び432a1を有している。面431a1及び432a1は、+X方向と-Z方向との間の方向に略直線状に延びている。面431a2は、面431a1よりも+X方向に対して急角度で面431a1から、拡散層16cから退避するように底部45側に延びている。面431a3は、面431a2から+X方向に延びている。面433a1は、面431a3から、+X方向と+Z方向との間の方向で拡散層16c側に向かうように延びている。排水溝43gaは、面431a2の一部分と、面431a3と、面433a1とにより、断面視で略台形状に画定されている。面431a1及び431a2は、リブ部41側から底部45側に延びた第1傾斜面の一例である。面432a1は、面431a1及び431a2と底部45との間に位置してリブ部41側から底部45側に延びた第2傾斜面の一例である。面433a1は、面431a1及び431a2と面432a1との間に位置して、面431a1及び431a2側から拡散層16c側に向かうように傾斜した第3傾斜面の一例である。尚、面433a1は、+X方向に延びた面431a3を介して面431a2に連続している。
排水溝43gaの水力直径も、上述した排水溝43gと同じ範囲に設定されているため、排水溝43gaが捕捉する液水の量と、毛管力による排水溝43gaの液水の保持力とが確保されている。尚、排水溝43gaの水力直径は、排水溝43gaに最大限捕捉された液水Wの断面積を、液水Wが接触している面431a2、431a3、及び433a1の部分の合計の長さで除算して、4で乗算することにより算出できる。
また、上述したように面433a1は、面431a2側から拡散層16c側に向かうように延びているため、面431a1及び431a2や案内溝41gから排水溝43gaに流入した液水が面432a1側に流出することが抑制される。また、面433a1の長さは、面431a1等よりも短いため、カソードガスの圧損の増大を抑制できる。また、側部43Aにおいても面40bは面40aと相補形状であり、対向部位43haも排水溝43gaと相補形状であり冷媒溝40B側に突出しているため、対向部位43haの表面積が確保されており、排水性が向上している。
尚、面431a1及び432a1は、略同じ傾斜角度であるが、これらがリブ部41側から底部45側に延びている限り、面431a1及び432a1のそれぞれの傾斜角度は違っていてもよい。
図8Bに示すセパレータ402では、側部43Bの面40aは、リブ部41側から底部45側にかけて順に、面431a1、431a4、431a5、及び432a1を有している。面431a4は、面431a1から略-Z方向に延びており、詳細には-Z方向と-X方向との間の方向に延びている。面431a5は、面431a4から略+X方向に延びており、詳細には+X方向と-Z方向との間の方向に延びている。即ち、面431a5は、面431a4側から拡散層16c側に向けて延びているわけではない。面431a4及び431a5により、排水溝43gbは断面視で略三角形状に画定されている。
排水溝43gbの水力直径も、上述した排水溝43gと同じ範囲に設定されているため、排水溝43gbが捕捉できる液水の量と排水溝43gbの液水の保持力とが確保されている。尚、排水溝43gbの水力直径は、排水溝43gに最大限捕捉された液水Wの断面積を、液水Wが接触している面431a4及び431a5の部分の合計の長さで除算して、4で乗算することにより算出できる。側部43Bにおいても、面40bは面40aと相補形状であり、対向部位43hbも排水溝43gbと相補形状であり冷媒溝40B側に突出しているため、対向部位43hbの表面積が確保されており、排水性が向上している。尚、面431a5は、面431a4側から拡散層16c側に向けて延びていてもよい。これにより、面431a1から排水溝43gbに流入した液水が面432a1側に流出することが抑制される。
図8Cに示すセパレータ403では、側部43Cの排水溝43gcは、互いに沿うように2つ形成され、2つの排水溝43gcはそれぞれ断面視で略半円状である。具体的には、側部43Cの面40aは、リブ部41側から底部45側にかけて順に、面431a1、431a6、433a7、431a8、431a6、433a7、及び432a1を有している。互いに隣接した面431a6及び433a7は、中心が同一である円弧面を画定し、排水溝43gcを画定している。2つの排水溝43gcの各水力直径も、上述した排水溝43gと同じ範囲に設定されているため、各排水溝43gcが捕捉できる液水の量と各排水溝43gcの液水の保持力とが確保されている。尚、排水溝43gcの水力直径は、排水溝43gcに最大限捕捉された液水Wの断面積を、液水Wが接触している面431a6及び433a7の部分の合計の長さで除算して、4で乗算することにより算出できる。尚、面431a8は、2つの排水溝43gcとの間に位置して、面431a1及び432a1と略同じ傾斜角度である。
図8Dは、図8Cの部分拡大図である。面431a6は、面431a1から-X方向と-Z方向との間の方向に延び、徐々に+X方向に延びるように湾曲している。面433a7は、面431a6から+X方向と+Z方向との間の方向に延びるように湾曲している。ここで、面431a6と面433a7との境界は、Z方向に直交する位置である。
2つの排水溝43gcのうちリブ部41に近い排水溝43gcに関して、面431a1及び431a6は、リブ部41側から底部45側に延びた第1傾斜面の一例である。面431a8は、面431a1及び431a6と底部45との間に位置してリブ部41側から底部45側に延びた第2傾斜面の一例である。面433a7は、面431a1及び431a6と面431a8との間に位置して面431a1及び431a6から拡散層16c側に向かうように傾斜した第3傾斜面の一例である。面433a7が拡散層16c側に向かうように傾斜しているため、面431a1や案内溝41gから排水溝43gcに流入した液水が面431a8に流出することが抑制される。
また、2つの排水溝43gcのうち底部45に近い排水溝43gcに関して、面431a8は、リブ部41側から底部45側に延びた第1傾斜面の一例である。面432a1は、面431a8と底部45との間に位置してリブ部41側から底部45側に延びた第2傾斜面の一例である。面433a7は、面431a8と面432a1との間に位置して面431a8から拡散層16c側に向かうように傾斜した第3傾斜面の一例である。面433a7が拡散層16c側に向かうように傾斜しているため、面431a8上から排水溝43gcに流入した液水が面432a1に流出することが抑制される。
また、2つの排水溝43gcがリブ部41側から底部45側の方向に並んで設けられているため、リブ部41側の排水溝43gcから面431a8に液水が流出したとしても、底部45側の排水溝43gcによりその液水を捕捉することができ、排水性が向上している。また、側部43Cにおいても、面40bは面40aと相補形状であり、2つの排水溝43gcに対応するように2つの対向部位43hcも相補形状であって冷媒溝40B側に突出しているため、対向部位43haの表面積が確保されており、排水性が向上している。また、2つの面433a7の合計の長さは、面431a1や面432a1よりも短いため、カソードガスの圧損の増大を抑制できる。
上述した略台形状や略三角形状の排水溝が単一の側部に対して複数設けられていてもよい。また、単一の側部に略半円状の排水溝、略台形状の排水溝、略三角形状の排水溝の少なくとも2つが設けられていてもよい。また、単一の側部に上述した略半円形状の排水溝が一つだけ設けられていてもよい。以上のように、排水溝の断面形状は、製造の容易性や液水の捕捉性等を考慮して、適宜設計することが望ましい。尚、案内溝41gも、上記の変形例と同様に、略台形状や略三角形状であってもよいし、このような形状の微細溝が案内溝41gに隣接して設けられていてもよい。
上述した実施例及び変形例では、カソード溝40A及び冷媒溝40Bは表裏一体に形成されているが、これに限定されず、図4Aと同様の断面視でカソード溝及び冷媒溝がX方向で互いに重ならない程度にZ方向に離れていてもよい。また、上述した実施例及び変形例では、排水溝に対向する対向部位が冷媒溝側に突出しているが、排水溝の水力直径が上述した範囲に設定されていれば、このような対向部位は設けられていなくてもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。