JP7067363B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池のセパレータには、電解質膜上に形成された触媒層との間で反応ガスが流れる複数の溝が形成されている。この溝内を流れる反応ガスの一部が触媒層に供給されることにより、発電反応が生じる。例えば特許文献１のセパレータの溝は、波状に延在した波状部が形成されている。

特開２００６－１４７４６６号公報

セパレータの平面内で、反応ガスを波状部から異なる方向に案内するために、このような溝に、波状部から異なる方向に直線状に延在した直線状部を設けることが考えられる。このような溝が複数設けられている場合、波状部に対する直線状部の接続地点によっては、接続地点での波状部の接線方向と直線状部との間の角度が、溝毎に異なる場合がある。このため、反応ガスの圧力損失も溝毎に異なり、このような溝間での圧力損失の差に起因して、一方の溝での反応ガスの流量が増大するが他方の溝での反応ガスの流量が低下する場合がある。このため、触媒層に反応ガスが部分的に供給されにくい箇所が生じ、発電性能が低下する可能性がある。

そこで本発明は、発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる第１及び第２溝を有し、前記第１及び第２溝のそれぞれは、第１方向に波状に延在した波状部と、前記波状部から前記第１方向に離れた位置にあり前記第１方向に交差する第２方向に直線状に延在した直線状部と、前記波状部と前記直線状部とを接続した接続部と、を含み、前記第１及び第２溝の接続部は、それぞれ、前記波状部から前記直線状部に向けて前記第１方向と略同一方向又は前記第１方向と前記第２方向との間の略同一方向に直線状に延在した部分を含み、前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点での間の角度は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点での間の角度と略同じであり、前記第２溝は、前記第１溝に隣接し、前記セパレータは、前記第２溝とは反対側で前記第１溝に隣接した第３溝を有し、前記第３溝は、前記第１方向に波状に延在した波状部を有し、前記第３溝の前記波状部、前記第１溝の前記波状部、及び前記第２溝の前記接続部は、前記第１方向に直交する方向に並び、前記第１溝の前記波状部は、前記第３溝の前記波状部よりも振幅が小さい、燃料電池によって達成できる。また、上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる第１及び第２溝を有し、前記第１及び第２溝のそれぞれは、第１方向に波状に延在した波状部と、前記波状部から前記第１方向に離れた位置にあり前記第１方向に交差する第２方向に直線状に延在した直線状部と、前記波状部と前記直線状部とを接続した接続部と、を含み、前記第１及び第２溝の接続部は、それぞれ、前記波状部から前記直線状部に向けて前記第１方向と略同一方向又は前記第１方向と前記第２方向との間の略同一方向に直線状に延在した部分を含み、前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点での間の角度は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点での間の角度と略同じであり、前記第２触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置され、前記セパレータとは異なる別のセパレータを備え、前記別のセパレータは、直線状に延在した複数の流路溝を有し、前記接続部は、前記電解質膜及び第１及び第２触媒層を介して前記別のセパレータの前記流路溝に対向すると共に、前記流路溝に交差する方向に延びている、燃料電池によっても達成できる。

第１及び第２溝の直線状部は同一の第２方向に直線状に延在し、第１及び第２溝の接続部は、第１方向と略同一方向又は第１方向と第２方向との間の略同一方向に延在した部分を含む。このため、第１及び第２溝において、波状部と接続部との接続地点における波状部と接続部との角度差は小さく、かつ接続部の直線状に延在した部分と直線状部と角度差も小さい。従って、第１及び第２溝をそれぞれ流れる反応ガスの圧力損失の差の増大が抑制され、第１触媒層に部分的に反応ガスが供給されない箇所が生じることが抑制され、発電性能の低下が抑制される。

前記第１溝の前記接続部と当該第１溝の前記波状部との接続地点での当該第１溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分と当該第１溝の前記波状部との間の角度と、前記第２溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分と当該第２溝の前記波状部との接続地点での当該第２溝の前記接続部と当該第２溝の前記波状部との間の角度とは、同じであってもよい。

前記第１溝の前記接続部は、当該第１溝の前記波状部と当該第１溝の前記波状部との接続地点での当該第１溝の前記波状部の接線方向に延在していてもよい。

前記第１及び第２溝の前記接続部の前記第１方向の各長さは、前記第１及び第２溝の前記波状部の各波長以下であってもよい。

前記第１溝の前記直線状部は、前記第２溝の前記直線状部と共用されていてもよい。

前記第１触媒層は、前記第１方向に沿って延在する縁を含み、前記第１溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分は、前記縁に沿って延在していてもよい。

前記第１触媒層は、前記第１方向に沿って延在する第１縁と、前記第１縁に連続し前記第１縁の延在した方向とは異なる方向に延在した第２縁と、を含み、前記第１溝の前記接続部は、前記第１触媒層の前記第１縁と前記第２溝の前記接続部との間に位置し、前記第１溝の前記直線状部は、前記第１触媒層の前記第２縁と前記第２溝の前記直線状部との間に位置し、前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点よりも、前記第２縁に近くてもよい。

前記セパレータは、前記反応ガスが流れる第１及び第２マニホールド孔を有し、前記第１及び第２溝の前記接続部は、前記第２マニホールド孔よりも前記第１マニホールド孔の近くに位置し、且つ前記第１マニホールド孔を前記第２マニホールド孔側に前記第１方向と平行な方向に投影した領域の外に位置してもよい。

前記第１及び第２溝の少なくとも一方の前記波状部は、波長が一定であり、振幅が一定であり、且つ１周期分の長さを超えて延在している波の形状を含んでもよい。

前記第１及び第２溝の前記波状部は、波長、振幅、及び位相が互いに同じであり、互いに隣接した波状であってもよい。

発電性能の低下が抑制された燃料電池を提供できる。

図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。 図２は、単セルが複数積層された燃料電池の部分断面図である。 図３は、本実施例でのセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。 図４Ａは、第１比較例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図であり、図４Ｂは、第２比較例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。 図５Ａは、互いに同一方向に延在した波状部と接続部との間の接続地点での角度が溝間で異なる構成でのアノードガスの圧力損失の差の説明図であり、図５Ｂは、第１比較例での溝間でのアノードガスの圧力損失の差の説明図である。 図６は、第１変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。 図７は、第２変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。 図８Ａは、第３変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図であり、図８Ｂは、第４変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。 図９は、第５変形例であるセパレータの流路部の一部分を示した拡大図である。

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。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。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がそれぞれ図１に示してＹ方向及びＸ方向に相当する。

燃料電池１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（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を挟持するカソードセパレータ２０及びアノードセパレータ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。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ａ１～ａ３が形成され、他方側には孔ａ４～ａ６が形成されている。孔ｃ１、ｓ１、及びａ１は連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｃ２、ｓ２、及びａ２は、冷媒入口マニホールドを、孔ｃ３、ｓ３、及びａ３はアノード出口マニホールドを、孔ｃ４、ｓ４、及びａ４はアノード入口マニホールドを、孔ｃ５、ｓ５、及びａ５は冷媒出口マニホールドを、孔ｃ６、ｓ６、及びａ６はカソード出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。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、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燃料ガスが流れるアノード流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、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酸化剤ガスが流れるカソード流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４０Ａとは反対側の面、及びセパレータ２０の流路部２０Ａとは反対側の面には、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流路部４０Ｂ及び２０Ｂ（以下、流路部と称する）がそれぞれ形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂはセパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４０Ａ及び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。これらの流路部は、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は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。尚、図１には、セパレータ４０の流路部４０Ａの、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤを点線で囲って示しているが、詳しくは後述する。

図２は、単セル２が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。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に示した断面は、Ｙ方向に直交する断面である。

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。

流路部２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、及び４０Ｂは、Ｙ方向から見てその断面形状は波形状である。詳細には、流路部２０Ａでは、拡散層１６ｃから退避するように凹んだ凹状の流路溝２１と、拡散層１６ｃに向けて突出して拡散層１６ｃに当接したリブ２３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。カソードガスは、流路溝２１内に沿って流れ、拡散層１６ｃを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ｃ側に供給される。また、流路部２０Ｂでは、拡散層１６ｃとは反対側に突出してセパレータ２０よりも＋Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのアノード側のセパレータに当接するリブ２２と、このアノード側のセパレータから退避した流路溝２４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝２４内に沿って流れる。ここで、流路溝２１とリブ２２とは表裏一体の関係であり、リブ２３と流路溝２４とも表裏一体の関係にある。流路溝２１及び２４とリブ２２及び２３はＹ方向に延在している。

同様に、流路部４０Ａでは、拡散層１６ａから退避するように凹んだ凹状の流路溝４１と、拡散層１６ａに向けて突出して拡散層１６ａに当接したリブ４３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。アノードガスは、流路溝４１内に沿って流れ、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ａ側に供給される。また、流路部４０Ｂでは、拡散層１６ａとは反対側に突出してセパレータ４０よりも－Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのカソード側のセパレータに当接するリブ４２と、このカソード側のセパレータから退避した流路溝４４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝４４内に沿って流れる。ここで、流路溝４１とリブ４２とは表裏一体の関係であり、リブ４３と流路溝４４とも表裏一体の関係にある。流路溝４１及び４４とリブ４２及び４３はＹ方向に延在している。

図３は、本実施例でのセパレータ４０の流路部４０Ａの一部分を示した拡大図である。図３は、図１に示した領域Ａ周辺を示している。図３には、流路溝４１の一部である溝４１１～４１５の一部分を示している。溝４１１～４１５は、それぞれ、波状部４１ａ、接続部４１ｃ、及び直線状部４１ｅを有している。これらの波状部４１ａは、図３の右側から－Ｙ方向に波状に延在しており、Ｘ方向での各溝間のピッチ間隔、各溝の波長、位相、及び振幅は略同じである。－Ｙ方向は、第１方向に相当する。各波状部４１ａは、波長及び振幅が一定でかつ１周期分の長さを超えて延在している。接続部４１ｃは、波状部４１ａよりも－Ｙ方向側に位置しており、波状部４１ａから波状部４１ａと同じ－Ｙ方向に延在しているが、波状部４１ａとは形状は異なり直線状に延在している。これらの接続部４１ｃは、互いに略同一方向に延在しており、略平行である。尚、これらの接続部４１ｃは、完全に同一方向に延在していることが好ましいが、例えば、±１０度以下又は±５度以下の角度差を有して略平行に延在していればよい。また、これらの接続部４１ｃは、－Ｙ方向に対して±１０度以下又は±５度以下の角度差を有して延在していればよい。直線状部４１ｅは、波状部４１ａ側から－Ｙ方向に離れた位置にあり、接続部４１ｃから－Ｙ方向と交差する方向に延在し、詳細には－Ｙ方向及び－Ｘ方向との間の方向に直線状に延在している。直線状部４１ｅが延在した方向は、第２方向に相当する。直線状部４１ｅは、接続部４１ｃから孔ａ３側に延在している。これらの直線状部４１ｅも、互いに略平行である。尚、図３には、詳しくは後述するが波状部４１ａの波長λと、接続部４１ｃの最大の長さＬとを示している。

波状部４１ａは、流路部４０ＡのＸＹ平面での略中央に形成され、接続部４１ｃ及び直線状部４１ｅは、流路部４０ＡのＸＹ平面の－Ｙ方向側の端部に形成されている。接続地点４１ｂは、波状部４１ａと接続部４１ｃとの接続地点を示している。接続地点４１ｄは、接続部４１ｃと直線状部４１ｅとの接続地点を示している。複数の接続地点４１ｂは、Ｘ方向に並んでいる。複数の接続地点４１ｄは、Ｘ方向と交差する方向に並んでいる。図３では、波状部４１ａは＋Ｙ方向の部分については省略してあるが、流路部４０Ａの＋Ｙ方向の端部付近にまで延在している。図３では、直線状部４１ｅの端部は、図示を省略してあるが、孔ａ３に向かって延在している。尚、直線状部４１ｅの図示を省略した部位では、孔３ａに到達する前に、部分的に湾曲していてもよい。

流路部４０Ａに形成された複数の流路溝４１のうち、溝４１１が最も＋Ｘ方向側に位置している。複数の直線状部４１ｅのうち、溝４１１の直線状部４１ｅが最も－Ｙ方向側に位置している。また、図３には、触媒層１４ａの＋Ｘ方向側の端部に位置した縁１４ａ１と、縁１４ａ１に直交し－Ｙ方向側の端部に位置した縁１４ａ２とを示している。縁１４ａ１は、Ｘ方向に略垂直であってＹ方向に略直線状に延在している。縁１４ａ２は、Ｙ方向に略垂直であってＸ方向に略直線状に延在している。縁１４ａ１及び１４ａ２は、それぞれ、第１縁、及び第１縁に連続し第１縁の延在した方向とは異なる方向に延在した第２縁の一例である。複数の流路溝４１のうち、少なくとも図３に示された溝４１１～４１５の一部については、Ｚ方向で触媒層１４ａに重なっている。

尚、図３では符号を付していないが、隣接した溝の間には図２に示したリブ４３が形成されている。このリブ４３も、溝４１１～４１５の形状に対応するように形成されている。例えば、波状部４１ａ同士の間の部分では、リブ４３も波状に延在している。また、接続部４１ｃ同士の間の部分では、リブ４３も直線状に延在している。同様に、直線状部４１ｅ同士の間の部分では、リブ４３は直線状に延在している。また、上述したように溝４１１～４１５の各波状部４１ａは、波長及び振幅が一定でかつ１周期分の長さを超えて延在している。このため、リブ４３の一部分も、１周期分の長さを超えて波状に延在しており、このように部分的に波状の流路溝４１及びリブ４３が確保されている。

このように複数の流路溝４１及びリブ４３の少なくとも一部が波状である主な理由について、図２を用いて説明する。例えば、セパレータ４０の複数の流路溝４１及び複数のリブ４３の全てとセパレータ２０の複数の流路溝２１及び複数のリブ２３の全て直線状であった場合に、仮にセパレータ２０及び４０の面方向での相対位置が所望の位置からずれると、セパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＭＥＧＡ１０を挟んでＸ方向にずれた状態となる。ＭＥＧＡ１０は剛性が低いため、Ｙ方向の長い範囲（例えば４ｍｍ以上）に亘ってセパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＸ方向にずれていると、ＭＥＧＡ１０が屈曲させられて局所的に強い応力が発生し、ＭＥＡ１１の強度が低下する場合がある。これに対して、ＭＥＧＡ１０を介して流路溝４１の波状部４１ａや及びリブ４３の波状部に対向するセパレータ２０の流路溝２１及びリブ２３の形状が直線状又は流路溝４１の波状部４１ａとは位相や振幅、波長等が異なる波状の場合には、上述のようにセパレータ２０及び４０の相対位置が所望の位置からずれても、Ｙ方向の長い範囲に亘ってセパレータ２０のリブ２３とセパレータ４０のリブ４３の位置がＸ方向にずれて、ＭＥＧＡ１０が屈曲させられることが抑制される。これにより、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制される。本実施例では、ＭＥＧＡ１０を介して流路溝４１の波状部４１ａ及びリブの波状部に対向するセパレータ２０の流路溝２１及びリブ２３の形状は直線状であるが、これに限定されない。

次に、複数の比較例と対比して本実施例について説明する。図４Ａは、第１比較例のセパレータ４０ｘの流路部４０Ａｘの一部分を示した拡大図である。図４Ａは、図３に対応している。セパレータ４０ｘの流路部４０Ａｘは、本実施例での流路部４０Ａとは異なり接続部４１ｃは設けられておらず、溝４１１ｘ～４１５ｘの波状部４１ａｘはそれぞれ直接直線状部４１ｅｘに接続されている。ここで波状部４１ａｘと直線状部４１ｅｘとの接続地点４１ｄｘは、本実施例の複数の接続地点４１ｄが並んだ方向と同様に、Ｘ方向と交差する方向に並んでいる。ここで、複数の波状部４１ａｘは、位相及び波長が略同じである。このため、接続地点４１ｄｘでの波状部４１ａｘの位相位置は、溝４１１ｘ～４１５ｘ毎に異なり、接続地点４１ｄｘでの波状部４１ａｘの接線方向も溝４１１ｘ～４１５ｘ毎に異なっている。よって、接続地点４１ｄｘでの波状部４１ａｘの接線方向と直線状部４１ｅｘの延在方向との間の角度も、溝４１１ｘ～４１５ｘ毎に異なっている。従って、アノードガスの圧力損失及びアノードガスの流量も、溝４１１ｘ～４１５ｘ毎に異なる。例えば、溝４１５ｘの接続地点４１ｄｘでは、波状部４１ａｘから直線状部４１ｅｘにかけて鋭角に連続しているが、溝４１１ｘの接続地点４１ｄｘでは、溝４１５ｘと比較して、波状部４１ａｘから直線状部４１ｅｘにかけて緩やかに連続している。このため、溝４１５ｘの方が溝４１１ｘよりもアノードガスの圧力損失が増大しており、溝４１５ｘの方が溝４１１ｘよりもアノードガスの流量が少ないと考えられる。このように、溝４１１ｘ～４１５ｘをそれぞれ流れるアノードガスの流量の差が増大しており、触媒層１４ａに部分的にアノードガスが供給されない部分が生じる場合がある。これにより、発電性能が低下する可能性がある。

これに対して図３に示したように本実施例の場合には、波状部４１ａと直線状部４１ｅとは直接接続されておらず、直線状に延在した接続部４１ｃを介して接続されている。従って、接続地点４１ｄでの接続部４１ｃと直線状部４１ｅとの間の角度は、溝４１１～４１５毎に略同じである。このため、溝４１１～４１５をそれぞれ流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制され、アノードガスの流量の差も抑制される。これにより、触媒層１４ａにアノードガスが部分的に供給されない箇所が生じることが抑制される。また、水素欠乏を起因とした触媒層１４ａの劣化による発電性能の低下も抑制できる。

また、本実施例では、接続地点４１ｂでの波状部４１ａの位相位置は、溝４１１～４１５毎に略同じである。このため、接続地点４１ｂでの波状部４１ａの接線方向と接続部４１ｃの延在方向との間の角度は、溝４１１～４１５毎に略同じである。従って、溝４１１～４１５をそれぞれ流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制され、アノードガスの流量の差も抑制される。これによっても発電性能の低下が抑制されている。

更に本実施例では、接続部４１ｃは接続地点４１ｂでの波状部４１ａの接線方向に延在している。このため、波状部４１ａと接続部４１ｃとは接続地点４１ｂで滑らかに連続しており、アノードガスの圧力損失の増大が抑制されている。この構成により、溝４１１～４１５をそれぞれ流れるアノードガスの流量も確保されており、触媒層１４ａの全体にアノードガスを供給することができる。

図４Ｂは、第２比較例のセパレータ４０ｙの流路部４０Ａｙの一部分を示した拡大図である。図４Ｂは、図３に対応している。セパレータ４０ｙの流路部４０Ａｙは、本実施例での流路部４０Ａとは異なり、直線状部４１ｅｙの延在した方向とＹ方向とのなす角度は、本実施例の直線状部４１ｅの延在した方向とＹ方向とのなす角度よりも小さい。波状部４１ａｙと直線状部４１ｅｙとの接続地点４１ｄｙは、Ｘ方向に並んでいる。複数の波状部４１ａｙは、位相及び波長が略同じである。このため、接続地点４１ｄｙでの波状部４１ａｙの位相位置は溝４１１ｙ～４１５ｙ毎に略同じであり、アノードガスの流量も溝４１１ｙ～４１５ｙ毎に略同じである。しかしながら、図４Ｂに示すように、溝４１１ｙ～４１５ｙは、縁１４ａ１と縁１４ａ２との間の触媒層１４ａの角部Ｘ周辺にまでは延在していない。このため、角部Ｘにはアノードガスが十分に供給されずに、発電性能が低下する可能性がある。

これに対して本実施例では、図３に示したように溝４１１～４１５は、波状部４１ａから触媒層１４ａの縁１４ａ２に延在した接続部４１ｃを含み、縁１４ａ１に最も近い溝４１１の接続地点４１ｄが最も縁１４ａ２に近い。詳細には、溝４１１～４１５の順に、接続地点４１ｄは縁１４ａ２に近い。換言すれば、溝４１１～４１５の接続地点４１ｂのＹ方向の位置が略同じという条件下において、複数の接続部４１ｃのうち、縁１４ａ１に最も近い溝４１１の接続部４１ｃが最も長い。このように溝４１１は触媒層１４ａの角部の近傍にまで延在しており、溝４１１を流れるアノードガスの一部が触媒層１４ａの角部にまで供給される。これによりアノードガスが触媒層１４ａに部分的に供給されないことが抑制され、発電性能の低下が抑制されている。

また、本実施例では、接続部４１ｃのＹ方向の最大の長さＬは、溝４１１の接続部４１ｃが最も長いが波状部４１ａの波長λ以下である。即ち、各接続部４１ｃはＹ方向の波状部４１ａの波長λよりも短く形成されている。従って、本実施例では、ＸＹ平面での流路部４０Ａの面積に占める波状部４１ａの割合が確保されている。このような構成により、上述したように、Ｙ方向の長い範囲に亘ってＭＥＧＡ１０が屈曲させられることが抑制され、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制されている。

次に、図１に示した領域Ａについて説明する。領域Ａは、少なくとも接続部４１ｃが形成されている領域である。また、図１には、孔ａ３を孔ａ４側に＋Ｙ方向に投影した場合の領域Ｃを示している。領域Ａは、孔ａ４よりも孔ａ３の近くに位置し、領域Ｃから＋Ｘ方向に外れた位置にある。接続部４１ｃは、このような領域Ａに形成されていることが好ましい。孔ａ３は、セパレータ４０の－Ｘ方向側の端部に位置しているが、領域Ａはセパレータ４０の＋Ｘ方向側に位置しており、セパレータ４０の流路部４０Ａの＋Ｘ方向側を流れるアノードガスは孔ａ３に案内する必要があるからである。尚、上記説明は、本実施例の接続部４１ｃが領域Ａに形成されていることに限定する趣旨ではなく、領域Ａ以外に形成されていてもよい。

尚、領域Ｂにも、図３に示した接続部を有した溝が形成されていることが好ましい。領域Ｂは、流路部４０ＡのＸＹ平面上の中心として領域Ａに対称である。領域Ｂに形成されている複数の溝の形状は、流路部４０ＡのＸＹ平面上の中心として、図３に示した溝４１１～４１５の形状と対称であることが好ましい。また、図１には、孔ａ４を孔ａ３側に－Ｙ方向に投影した場合の領域Ｄを示している。領域Ｂは、孔ａ３よりも孔ａ４の近くに位置し、領域Ｄから－Ｘ方向に外れた位置に形成されていることが好ましい。孔ａ４から流路部４０Ａを介して孔ａ３に流れるアノードガスの一部を、流路部４０Ａの－Ｘ方向側の端部に案内する必要があるからである。尚、上記説明は、本実施例の接続部が領域Ｂに形成されていることに限定する趣旨ではなく、領域Ｂ以外に形成されていてもよい。孔ａ３及びａ４は、アノードガスが流れる第１及び第２マニホールド孔の一例である。

複数の溝４１１～４１５の波状部４１ａは、波長、位相、及び振幅が略同じであり、形状が共通化されている。ここで、一般にプレス成型において、金型を用いて成形された金属板の形状は、必ずしも金型の形状を反転させた形状と同一にはならずに、金属板が金型により変形された後に金属板が持つ弾性により成型前の金属板の形状に近づくようにわずかに戻る。これをスプリングバックと言う。このため、金型を設計する際には、このスプリングバックを考慮する。仮に溝の形状がそれぞれ異なる場合、それぞれの溝の形状毎に金型の設計を行う必要があり、金型の設計に要する時間が長期化するおそれがある。本実施例のように、複数の溝の形状を共通化することにより、金型の設計に要する時間の長期化を抑制できる。また、特に燃料電池用のセパレータのように精密な形状の成型を行う場合には、金属の平板に対して複数回に亘って異なる金型を使用してプレス成型を行うことにより、徐々に成形による金属板の伸びを大きくして、最終製品形状とする場合がある。ここで、最終製品形状となる波の形状がそれぞれ異なっている場合、プレス成型の途中で使用される各金型の設計もそれぞれ異なるため、金型の設計に要する時間が更に長期化するおそれがある。一方、本実施例においては、複数の溝４１１～４１５の波状部４１ａの形状が共通化されているため、これらを成型するための途中の金型の形状も共通化でき、セパレータを製造するための金型の設計に要する時間の長期化を抑制できる。

本実施例では、図３に示したように、接続地点４１ｂでの波状部４１ａの位相が溝４１１～４１５毎に同じであり、換言すれば、接続地点４１ｂにおける波状部４１ａと接続部４１ｃとの間の角度が溝４１１～４１５毎に同じである。しかしながら、接続地点４１ｂでの波状部４１ａと接続部４１ｃとの間の角度が溝４１１～４１５毎に異なる構成であったとしても、接続部４１ｃが延在した方向が、波状部４１ａが延在した－Ｙ方向、即ち上述した第１方向と略同じであれば、このような構成の方が第１比較例よりもアノードガスの圧力損失の差の増大を抑制できる。この点について以下で説明する。

図５Ａは、互いに同一方向に延在した波状部と接続部との間の接続地点での角度が溝間で異なる構成でのアノードガスの圧力損失の差の説明図である。図５Ａには、曲線状に示した溝４１１、溝４１１上の地点Ｐ１～Ｐ４、地点Ｐ１～Ｐ４のそれぞれでの溝４１１の接線方向ａ１～ａ４、及び地点Ｐ１～Ｐ４のそれぞれでの方向Ａを示している。地点Ｐ１～Ｐ４は、波状部と接続部との接続地点を示す。方向Ａは、本実施例のように、接続部が延在した方向であって、波状部４１ａが延在した方向でもある。

例えば、地点Ｐ１で波状部と接続部とが接続される場合には、アノードガスは波状部に沿って接線方向ａ１で地点Ｐ１に流れようとし、地点Ｐ１から接続部に沿って方向Ａに流れようとする。同様に、地点Ｐ２で波状部と接続部とが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ２で地点Ｐ２に流れようとし、地点Ｐ２から方向Ａに流れようとする。地点Ｐ３で波状部と接続部とが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ３で地点Ｐ３に流れようとし、地点Ｐ３から方向Ａに流れようとする。地点Ｐ４で波状部と接続部とが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ４で地点Ｐ４に流れようとし、地点Ｐ４から方向Ａに流れようとする。

ここで、地点Ｐ１における接線方向ａ１と方向Ａとは同一であり、同様に地点Ｐ３における接線方向ａ３と方向Ａとは同一である。従って、接線方向ａ１と方向Ａの間の角度と接線方向ａ３と方向Ａの間の角度とは、共にゼロである。地点Ｐ１及びＰ３におけるこれらの角度は、溝４１１上の任意の点での波状部と接続部とが接続された場合に、溝４１１の接線方向と方向Ａの間の取り得る角度の最小値である。従って、例えば、地点Ｐ１で波状部と接続部とが接続される場合には、接線方向ａ１と方向Ａの間の角度はゼロであるため、地点Ｐ１でのアノードガスの圧力損失は小さい。同様に、地点Ｐ３で波状部と接続部とが接続される場合には、接線方向ａ３と方向Ａの間の角度はゼロであるため、地点Ｐ３でのアノードガスの圧力損失は小さい。

一方、接線方向ａ２と方向Ａとの間の角度はαであり、接線方向ａ４と方向Ａの間の角度も同じαである。ここで、地点Ｐ２及びＰ４における角度αは、溝４１１上の任意の点での波状部と接続部とが接続された場合に、溝４１１の接線方向と方向Ａの間の取り得る角度の最大値である。従って、地点Ｐ２で波状部と接続部とが接続される場合には、接線方向ａ２と方向Ａの間の角度が最大のαであるため、地点Ｐ２でのアノードガスの圧力損失は大きい。同様に、地点Ｐ４で波状部と接続部とが接続される場合には、地点Ｐ４での接線方向ａ４と方向Ａの間の角度が最大のαであるため、地点Ｐ４でのアノードガスの圧力損失は大きい。以上のように、地点Ｐ１又はＰ３で波状部と接続部とが接続される溝と、地点Ｐ２又はＰ４で波状部と接続部とが接続される溝とが設けられていた場合、この溝間でのアノードガスの圧力損失の差も最も大きくなる。地点Ｐ１又はＰ３での角度ゼロと地点Ｐ２又はＰ４での角度αとの差分はαであり、この差分αが２つの溝間でのアノードガスの圧力損失の差の大きさに相関する。

図５Ｂは、第１比較例でのアノードガスの圧力損失の差の説明図である。図５Ｂには、図５Ａと同様に、模式的に示した溝４１１ｘ、地点Ｐ１～Ｐ４、接線方向ａ１～ａ４、及び地点Ｐ１～Ｐ４のそれぞれでの方向Ｂを示している。尚、図５Ａに示した溝４１１と図５Ｂに示した溝４１１ｘは、同じ形状であるが便宜上異なる符号を付している。方向Ｂは、第１比較例での直線状部４１ｅｘが延びた方向、即ち上述した第２方向であり、溝４１１ｘが延びた方向に対して大きく交差する方向である。方向Ｂと溝４１１ｘが延びた－Ｙ方向との間の角度はβである。βはαよりも大きい。

例えば、地点Ｐ１で波状部４１ａｘと直線状部４１ｅｘとが接続される場合には、アノードガスは波状部４１ａｘに沿って接線方向ａ１で地点Ｐ１に流れようとし、地点Ｐ１から直線状部４１ｅｘに沿って方向Ｂに流れようとする。同様に、地点Ｐ２で波状部４１ａｘと直線状部４１ｅｘとが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ２で地点Ｐ２に流れようとし、地点Ｐ２から方向Ｂに流れようとする。地点Ｐ３で波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ３で地点Ｐ３に流れようとし、地点Ｐ３から方向Ｂに流れようとする。地点Ｐ４で波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続される場合には、アノードガスは接線方向ａ４で地点Ｐ４に流れようとし、地点Ｐ４から方向Ｂに流れようとする。

ここで、地点Ｐ１における接線方向ａ１と方向Ｂの間の角度、及び地点Ｐ３における接線方向ａ３と方向Ｂの間の角度は、共にβである。地点Ｐ２における接線方向ａ２と方向Ｂの間の角度は（α＋β）である。ここで、地点Ｐ２における角度（α＋β）は、溝４１１ｘ上の任意の点での波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続された場合に、溝４１１ｘの接線方向と方向Ｂとの間の取り得る角度の最大値である。従って、地点Ｐ２でのアノードガスの圧力損失は大きい。地点Ｐ４における接線方向ａ４と方向Ｂの間の角度は（β－α）である。ここで、地点Ｐ４における角度（β－α）は、溝４１１ｘ上の任意の点での波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続された場合に、溝４１１ｘの接線方向と方向Ｂとの間の取り得る角度の最小値である。従って、地点Ｐ４でのアノードガスの圧力損失は小さい。ここで、地点Ｐ２で波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続される溝と、地点Ｐ４で波状部４１ａと直線状部４１ｅｘとが接続される溝とが設けられていた場合、この溝間でのアノードガスの圧力損失の差も最も大きくなる。地点Ｐ２における角度（α＋β）と地点Ｐ４における角度（β－α）との差分は２αであり、この差分２αが２つの溝間でのアノードガスの圧力損失の差の大きさに相関する。

図５Ａを用いて説明した構成での差分αは、第１比較例での差分２αよりも小さい。従って、上述した構成の方が比較例よりも、溝間でのアノードガスの圧力損失の差が小さいことを示しており、溝間でのアノードガスの流量の差の増大も抑制されている。従って、本実施例のように、接続地点４１ｂにおいて波状部４１ａと接続部４１ｃとの間の角度が溝４１１～４１５毎に同じ構成に限定されない。

尚、上述の説明では、βがαよりも大きい場合について説明したが、これに限定されない。βがαよりも小さい場合には、接続地点での角度の最小値が０となる点が上述の例と異なるが、最大値は上述の例と同様に（α＋β）である。従って、取り得る角度の差分の最大値は、（α＋β）である。接続部の方向Ａが上述した第１方向に一致している場合での角度の差分の最大値はαであり、（α＋β）よりも小さい。このため、角度の差分に相関する圧力損失の差の増大を抑制することができる。また、上述の説明では、接続部の方向Ａが第１方向に一致している場合について説明したが、これに限定されない。接続部の方向が第１方向と第２方向の間の方向であっても、第２方向に延在する直線状部に波状部が接続される場合と比較して、取り得る角度の差分の最大値は小さい。従って、角度の差分に相関する圧力損失の差の増大を抑制することができる。

次に、複数の変形例について説明する。以下の変形例では、上述した実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

図６は、第１変形例であるセパレータ４０ａの流路部４０Ａａの一部分を示した拡大図である。図６は、図３に対応している。流路部４０Ａａでは、上述した溝４１１～４１５に加えて、溝４１６～４１９が形成されている。溝４１６～４１９のそれぞれも、溝４１１～４１５のそれぞれと同様に、波状部４１ａ、接続部４１ｃ、及び直線状部４１ｅを有している。溝４１６の波状部４１ａは、溝４１５の波状部４１ａとＸ方向で隣接し、溝４１６の接続部４１ｃは、溝４１５の接続部４１ｃよりも短い。溝４１７の接続部４１ｃは、溝４１６の波状部４１ａに－Ｘ方向で隣接し、溝４１７～４１９の接続部４１ｃは、Ｘ方向に並んでいる。溝４１１～４１９の接続地点４１ｄは、Ｘ方向に交差するように並んでいる。ここで、溝４１７～４１９に関しても、接続地点４１ｄでの接続部４１ｃと直線状部４１ｅとの間の角度は略同じに設定されている。また、溝４１７～４１９のそれぞれの接続地点４１ｄでの接続部４１ｃと直線状部４１ｅとの間の角度は、溝４１１～４１６のそれぞれの接続地点４１ｄでの接続部４１ｃと直線状部４１ｅとの間の角度と略同じである。また、上述した本実施例と同様に、溝４１１～４１９の各接続部４１ｃは、各波状部４１ａとの接続地点４１ｂにおいて波状部４１ａの接線方向に接続されている。従って、第１変形例においても、溝４１１～４１９のそれぞれを流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制されており、発電性能の低下が抑制されている。

図７は、第２変形例であるセパレータ４０ｂの流路部４０Ａｂの一部分を示した拡大図である。溝４１６ｂは、波状部４１ａと、波状部４１ａから－Ｙ方向に延在し振幅が波状部４１ａよりも小さい波状部４１ａｂとを有している。溝４１６ｂの波状部４１ａｂは、＋Ｘ方向側で溝４１５の波状部４１ａが隣接し、－Ｘ方向側で溝４１７の直線状の接続部４１ｃが隣接している。ここで例えば、仮に溝４１６ｂの波状部４１ａｂの振幅が波状部４１ａと同じであった場合、波状部４１ａｂと、この波状部４１ａｂの－Ｘ方向側で隣接した溝４１７の直線状の接続部４１ｃとの間のＸ方向の間隔が部分的に増大することが考えられる。この場合、このような隣接する溝の間隔が部分的に増大した部位にはアノードガスは供給されにくく、発電性能が低下する可能性がある。これに対して第２変形例では、波状部４１ａｂは、波状部４１ａｂに＋Ｘ方向側で隣接した溝４１５の波状部４１ａの振幅よりも小さいため、波状部４１ａｂ及び４１ａ間のＸ方向での間隔の増大が抑制されている。これにより、触媒層１４ａに部分的にアノードガスが供給されにくい箇所が生じることが抑制されており、発電性能の低下が抑制されている。

また、第２変形例において、溝４１７の接続部４１ｃは振幅がゼロである波状であると解釈すると、Ｘ方向に並んだ溝４１７の接続部４１ｃ、溝４１６の波状部４１ａｂ、及び溝４１５の波状部４１ａは、この順に振幅が徐々に変化している。このため、この領域での母材の延び率の増大が抑制され、歩留まり率が低下するのを抑制できる。また、この領域でプレス加工に伴う残留応力を低減できる。これにより、セパレータ４０ｂに反りが発生する可能性を低減できる。

尚、本変形例においては、溝４１６ｂ及び４１７はそれぞれ第１及び第２溝の一例である。溝４１５は、第３溝の一例である。溝４１７とは反対側で溝４１６ｂに隣接した第３溝の一例である。

図８Ａは、第３変形例であるセパレータ４０ｃの流路部４０Ａｃの一部分を示した拡大図である。図８Ａは、図３に対応している。流路部４０Ａｃでは、溝４１１ｃ及び４１２ｃの直線状部４１ｅｃは、共用されている。同様に、溝４１３ｃ～４１５ｃの直線状部４１ｅｃも共用されている。具体的には、溝４１１ｃの直線状部４１ｅｃの途中で、溝４１２ｃの接続部４１ｃｃが接続されている。同様に、溝４１３ｃの直線状部４１ｅｃの途中に、溝４１４ｃ及び４１５ｃのそれぞれの接続部４１ｃｃが接続されている。このような構成であっても、複数の接続部４１ｃｃは同じ方向に直線状に延在し、複数の直線状部４１ｅｃは接続部４１ｃｃとは異なる方向に直線状に延在しているため、接続部４１ｃｃと直線状部４１ｅｃとの間の角度は略同じである。また、溝４１１ｃ～４１５ｃの各接続部４１ｃｃは、各波状部４１ａとの接続地点４１ｂにおいて波状部４１ａの接線方向に接続されている。従って、溝４１１ｃ及び４１２ｃをそれぞれ流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制され、同様に溝４１３ｃ～４１５ｃをそれぞれ流れるアノードガスの圧力損失の差の増大も抑制され、発電性能の低下が抑制されている。尚、２本の溝４１１ｃ及び４１２ｃが合流し、３本の溝４１３ｃ～４１５ｃが合流している。このため、溝４１１ｃ及び４１２ｃを流れるアノードガスの圧力損失と、溝４１３ｃ～４１５ｃを流れるアノードガスの圧力損失との差の増大も抑制されていることが望ましい。例えば、溝４１３ｃ～４１５ｃの直線状部４１ｅｃでの溝断面積を、溝４１１ｃ及び４１２ｃの直線状部４１ｅｃでの溝断面積よりも大きくすることにより、上記の圧力損失の差の増大を抑制してもよい。

尚、溝４１２ｃの接続部４１ｃｃは、溝４１１ｃの接続部４１ｃｃよりも長く形成されている。溝４１４ｃの接続部４１ｃｃは、溝４１３ｃの接続部４１ｃｃよりも長く形成されている。溝４１５ｃの接続部４１ｃｃは、溝４１４ｃの接続部４１ｃｃよりも長く形成されている。また、溝４１１ｃ及び４１２ｃのそれぞれの接続地点４１ｄｃは、溝４１１ｃ及び４１２ｃで共用されている直線状部４１ｅｃの延びた方向に並んでいる。同様に、溝４１３ｃ～４１５ｃのそれぞれの接続地点４１ｄｃとは、溝４１３ｃ～４１５ｃで共用されている直線状部４１ｅｃの延びた方向に並んでいる。また、溝４１１ｃ及び４１２ｃのそれぞれの接続地点４１ｄｃと、溝４１３ｃ～４１５ｃのそれぞれの接続地点４１ｄｃとは、上述した本実施例等とは異なり、同一直線状には位置していない。

また、隣接した直線状部４１ｅｃ同士の間隔は、隣接した接続部４１ｃｃ同士の間隔や、隣接した波状部４１ａ同士の間隔よりも広いが、これに限定されない。例えば、隣接した直線状部４１ｅｃ同士の間隔は、隣接した接続部４１ｃｃ同士の間隔や、隣接した波状部４１ａ同士の間隔よりも狭くてもよい。

図８Ｂは、第４変形例であるセパレータ４０ｄの流路部４０Ａｄの一部分を示した拡大図である。第４変形例の溝４１１ｄ～４１５ｄは、上述した実施例の溝４１１～４１５と略同じ形状であり領域Ａに形成されている。また、図８Ｂには、セパレータ２０の直線状に延在した流路溝２１を点線で図示している。溝４１１ｄ～４１５ｄの接続部４１ｃは、流路溝２１にＭＥＧＡ１０を介して対向すると共に、流路溝２１とは交差する方向に延びている。即ち、接続部４１ｃは流路溝２１には平行ではないため、Ｙ方向の長い範囲に亘ってＭＥＧＡ１０が屈曲させられることが抑制され、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制されている。尚、直線状部４１ｅも、流路溝２１にＭＥＧＡ１０を介して対向すると共に、流路溝２１とは交差する方向に延びているため、ＭＥＡ１１の強度の低下が抑制されている。セパレータ２０は、触媒層１４ｃに対して電解質膜１２と反対側に配置され、セパレータ４０とは異なる別のセパレータの一例である。

図８Ｂに示す第４変形例のようにアノード側の流路部４０Ａｄの溝４１１ｄ～４１５ｄとカソード側の流路溝２１とが交差するように複数の単セルが積層されている場合、隣接する単セル間では、流路部４０Ａｄの裏面側に形成された流路部４０Ｂと、カソード側の流路部２０Ａの裏面側に形成された流路部２０Ｂとの間で冷却水が流れる。従って、流路部４０Ｂ及び２０Ｂにより、冷却水はＺ方向に蛇行しながらそれぞれの流路部に沿ってＸＹ平面内の方向に流れる。このように冷媒が流れる流路がＺ方向に蛇行するように画定される場合には、冷却水の圧力損失が増大するおそれがある。しかしながら、冷却水の流路幅を広くすることにより、冷却水の圧力損失の増大を抑制することができる。即ち、第４変形例では、アノード側の流路部４０Ａｄの溝４１１ｄ～４１５ｄと交差した部位におけるカソード側の隣接した流路溝２１同士の間隔を、アノード側の流路部４０Ａｄの溝４１１ｄ～４１５ｄと交差していない部位におけるカソード側の隣接した流路溝２１同士の間隔よりも広くしてもよい。また、カソード側の流路溝２１に交差した部位におけるアノード側の流路部４０Ａｄの隣接した溝４１１ｄ～４１５ｄ同士の間隔を、カソード側の流路溝２１に交差していない部位におけるアノード側の流路部４０Ａｄの隣接した溝４１１ｄ～４１５ｄ同士の間隔よりも広くしてもよい。

図９は、第５変形例であるセパレータ４０ｅの流路部４０Ａｅの一部分を示した拡大図である。流路部４０Ａｅでは、接続部４１ｃｅは、波状部４１ａｅとは延在する方向が異なっており、波状部４１ａｅから直線状部４１ｅｅにかけて、－Ｙ方向と直線状部４１ｅｅが延在した方向との間の方向で延在している。また接続部４１ｃｅは、波状部４１ａｅと接続部４１ｃｅとの間の接続地点４１ｂｅにおいて、波状部４１ａｅの接線方向に延在している。このような構成であっても、溝４１１ｅ～４１５ｅにおいて、接続地点４１ｄｅでの接続部４１ｃｅと直線状部４１ｅｅとの間の角度が略同じであり、溝４１１ｅ～４１５ｅのそれぞれを流れるアノードガスの圧力損失の差の増大が抑制されており、発電性能の低下が抑制されている。また、接続地点４１ｂｅでの波状部４１ａｅの位相位置は、溝４１１ｅ～４１５ｅ毎に略同じであるため、これによっても発電性能の低下が抑制されている。尚、隣接した直線状部４１ｅｅ同士の間隔、及び隣接した接続部４１ｃｅ同士の間隔は、隣接した波状部４１ａｅ同士の間隔よりも狭いが、これに限定されない。

上記実施例及び変形例では、複数の溝は波長及び位相が略同じであるが、これに限定されない。この場合も、直線状部と接続部との間の角度が複数の溝毎に略同じであれば、複数の溝をそれぞれ流れる反応ガスの流量の差の増大が抑制され、触媒層に部分的に反応ガスが供給されにくい箇所が生じることが抑制されるからである。また、上記実施例及び変形例では、複数の溝は略同じピッチ間隔で形成されているがこれに限定されない。

上述した本実施例及び変形例の流路溝をカソード側のセパレータに適用してもよい。

上記のセパレータ４０～４０ｅは、冷媒として液体を用いた水冷式の燃料電池１に採用されているが、これに限定されず、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。

上述した波状の溝は、正弦波状であってもよいし、直線と円弧とにより波状に形成されていてもよい。

波状部と接続部は、円弧状の円弧部を介して接続されていてもよい。波状部と接続部との接続地点において、波状部の接線方向に接続されておらず、曲げ角度を有して接続される場合には、波状部と接続部とを円弧部を介して接続することにより、圧力損失の増大を抑制することができる。なお、各溝に設定される上記円弧部の円弧の大きさは、同じであってもよく異なっていてもよい。円弧の大きさが同じ場合には、円弧部での圧力損失を均一に出来るため、各溝間の圧力損失の差の増大をより抑制することができる。接続部と直線状部についても、同様に円弧部を介して接続されていてもよい。接続部は、延在した全領域に亘って完全な直線状であることに限定されず、例えば、波状部との接続地点や直線状部との接続地点近傍で湾曲していてもよい。

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。

１ 燃料電池
２ 単セル
１４ａ アノード触媒層（第１触媒層）
１４ｃ カソード触媒層（第２触媒層）
２０ カソードセパレータ（別のセパレータ）
４０ アノードセパレータ（セパレータ）
４０Ａ アノード流路部
４１ 流路溝
４１１～４１５ 溝
４１ａ 波状部
４１ｃ 接続部
４１ｅ 直線状部

Claims (11)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、
   前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる第１及び第２溝を有し、
   前記第１及び第２溝のそれぞれは、第１方向に波状に延在した波状部と、前記波状部から前記第１方向に離れた位置にあり前記第１方向に交差する第２方向に直線状に延在した直線状部と、前記波状部と前記直線状部とを接続した接続部と、を含み、
   前記第１及び第２溝の接続部は、それぞれ、前記波状部から前記直線状部に向けて前記第１方向と略同一方向又は前記第１方向と前記第２方向との間の略同一方向に直線状に延在した部分を含み、
   前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点での間の角度は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点での間の角度と略同じであり、
   前記第２溝は、前記第１溝に隣接し、
   前記セパレータは、前記第２溝とは反対側で前記第１溝に隣接した第３溝を有し、
   前記第３溝は、前記第１方向に波状に延在した波状部を有し、
   前記第３溝の前記波状部、前記第１溝の前記波状部、及び前記第２溝の前記接続部は、前記第１方向に直交する方向に並び、
   前記第１溝の前記波状部は、前記第３溝の前記波状部よりも振幅が小さい、燃料電池。
2. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、
   前記第１触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、前記第１触媒層との間で反応ガスが流れる第１及び第２溝を有し、
   前記第１及び第２溝のそれぞれは、第１方向に波状に延在した波状部と、前記波状部から前記第１方向に離れた位置にあり前記第１方向に交差する第２方向に直線状に延在した直線状部と、前記波状部と前記直線状部とを接続した接続部と、を含み、
   前記第１及び第２溝の接続部は、それぞれ、前記波状部から前記直線状部に向けて前記第１方向と略同一方向又は前記第１方向と前記第２方向との間の略同一方向に直線状に延在した部分を含み、
   前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点での間の角度は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点での間の角度と略同じであり、
   前記第２触媒層に対して前記電解質膜と反対側に配置され、前記セパレータとは異なる別のセパレータを備え、
   前記別のセパレータは、直線状に延在した複数の流路溝を有し、
   前記接続部は、前記電解質膜及び第１及び第２触媒層を介して前記別のセパレータの前記流路溝に対向すると共に、前記流路溝に交差する方向に延びている、燃料電池。
3. 前記第１溝の前記接続部と当該第１溝の前記波状部との接続地点での当該第１溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分と当該第１溝の前記波状部との間の角度と、前記第２溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分と当該第２溝の前記波状部との接続地点での当該第２溝の前記接続部と当該第２溝の前記波状部との間の角度とは、同じである、請求項１又は２の燃料電池。
4. 前記第１溝の前記接続部は、当該第１溝の前記波状部との接続地点での当該第１溝の前記波状部の接線方向に延在している、請求項１乃至３の何れかの燃料電池。
5. 前記第１及び第２溝の前記接続部の前記第１方向の各長さは、前記第１及び第２溝の前記波状部の各波長以下である、請求項１乃至４の何れかの燃料電池。
6. 前記第１溝の前記直線状部は、前記第２溝の前記直線状部と共用されている、請求項１乃至５の何れかの燃料電池。
7. 前記第１触媒層は、前記第１方向に沿って延在する縁を含み、
   前記第１溝の前記接続部の直線状に延在した前記部分は、前記縁に沿って延在している、請求項１乃至６の何れかの燃料電池。
8. 前記第１触媒層は、前記第１方向に沿って延在する第１縁と、前記第１縁に連続し前記第１縁の延在した方向とは異なる方向に延在した第２縁と、を含み、
   前記第１溝の前記接続部は、前記第１触媒層の前記第１縁と前記第２溝の前記接続部との間に位置し、
   前記第１溝の前記直線状部は、前記第１触媒層の前記第２縁と前記第２溝の前記直線状部との間に位置し、
   前記第１溝の前記直線状部と当該第１溝の前記接続部との接続地点は、前記第２溝の前記直線状部と当該第２溝の前記接続部との接続地点よりも、前記第２縁に近い、請求項１乃至６の何れかの燃料電池。
9. 前記セパレータは、前記反応ガスが流れる第１及び第２マニホールド孔を有し、
   前記第１及び第２溝の前記接続部は、前記第２マニホールド孔よりも前記第１マニホールド孔の近くに位置し、且つ前記第１マニホールド孔を前記第２マニホールド孔側に前記第１方向と平行な方向に投影した領域の外に位置する、請求項１乃至８の何れかの燃料電池。
10. 前記第１及び第２溝の少なくとも一方の前記波状部は、波長が一定であり、振幅が一定であり、且つ１周期分の長さを超えて延在している波の形状を含む、請求項１乃至９の何れかの燃料電池。
11. 前記第１及び第２溝の前記波状部は、波長、振幅、及び位相が互いに同じであり、互いに隣接した波状である、請求項１乃至１０の何れかの燃料電池。
    

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