JPWO2012035584A1 - 燃料電池用セパレータ、燃料電池 - Google Patents

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Abstract

膜電極接合体を含む積層体と接触して配置される燃料電池用のセパレータは、ガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を積層体との間に形成するためのガス供給流路形成部と、ガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を積層体との間に形成するためのガス排出流路形成部と、ガス供給流路内のガスをガス排出経路に移動させるためのガス移動流路であって、ガス供給流路およびガス排出流路より断面積の小さいガス移動流路を積層体との間に形成するためのガス移動流路形成部と、を備える。

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータおよび燃料電池に関する。
一般に、固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、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。セパレータには、積層されたときに、反応ガスや冷却媒体（例えば冷却液）などの流体を流通させるための流路を構成する溝などの流路形成部を表面に備えたものが知られている。
この流路形成部を備えるセパレータには、積層されたときに、膜電極接合体に供給するための供給ガスを流通させるための供給側の流路と、膜電極接合体から排出される排出ガスを流通させるための排出側の流路とが分離した流路が形成され、供給側の流路を流通する供給ガスが膜電極接合体などの積層体の内部を経由せずに直接的に排出側の流路に移動することを抑制するものが知られている。（特許文献１）。
特開２００４−１４６３０９号公報 特開２００４−２７３３９２号公報 特開２００５−３２７５３２号公報 特開２００５−３２２５９５号公報 特開２００７−２９９６５７号公報 特開平８−９６８２０号公報
しかし、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池では、発電により生じた生成水などの液体が、供給側の流路や、供給側の流路と排出側の流路との間付近における積層体の内部で滞留することがあった。この滞留した液体により、供給側の流路や積層体の内部において、供給側の流路から流入したガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性効率が低下する虞があった。
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、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図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、本願発明は、以下の態様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］
膜電極接合体を含む積層体と接触して配置される燃料電池用のセパレータであって、
前記膜電極接合体にガスを供給するためのガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を前記積層体との間に形成するためのガス供給流路形成部と、
前記膜電極接合体からガスを排出させるためのガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を前記積層体との間に形成するためのガス排出流路形成部と、
一方の端部が前記ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記ガス排出流路に接続され、前記ガス供給流路内のガスを前記ガス排出経路に移動させるためのガス移動流路であって、前記ガス供給流路および前記ガス排出流路より断面積の小さいガス移動流路を前記積層体との間に形成するためのガス移動流路形成部と、を備えるセパレータ。
この構成によれば、セパレータは、膜電極接合体を含む積層体と接触させた状態で燃料電池に用いられたときに、ガス供給流路とガス排出経路との間において、接触する積層体との間にガスを流通させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例２］
適用例１に記載のセパレータにおいて、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する溝形状を有し、ガスの流通方向がともに前記第１の方向となるようにして、第２の方向に沿って交互に並んで配置され、
前記セパレータは、さらに、
前記ガス供給流路形成部と前記ガス排出流路形成部により形成されるリブの頂部に形成される領域であって、前記第１の方向に沿って延伸するリブ領域を備え、
前記ガス移動流路形成部は、直線状に形成された溝形状を有し、前記リブ領域に形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、リブ領域に溝形状のガス移動流路形成部を備えているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例３］
適用例２に記載のセパレータにおいて、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する一対の側面部と、前記一対の側面部の互いの端部を繋ぐ閉塞面部と、を備え、
前記リブ領域は、前記ガス供給流路形成部の前記側面部と、前記ガス排出流路形成部の前記側面部との間にそれぞれ形成され、
前記ガス移動流路形成部は、複数の前記リブ領域のうち、少なくとも一部の前記リブ領域において、前記ガス供給経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい一方の端部から、前記ガス排出経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい他方の端部までの間の全範囲で前記第１の方向に沿って所定の間隔毎に形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス移動流路形成部が第１の方向に沿って所定の間隔毎に形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例４］
適用例３に記載のセパレータにおいて、
前記所定の間隔は、０．３〜１．２ｍｍの範囲の間隔であり、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、前記第２の方向における互いの間隔が０．８〜２ｍｍの範囲となるようにして交互に配置されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス移動流路形成部が第１の方向に沿って０．３〜１．２ｍｍの範囲の間隔で形成され、ガス供給流路形成部およびガス排出流路形成部が互いの間隔が０．８〜２ｍｍの範囲となるようにして交互に配置されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［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において、
前記ガス移動流路形成部は、前記ガス移動流路の断面積が、前記ガス供給路およびガス排出流路の断面積の１／１０以下となるように形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス供給路およびガス排出流路の断面積の１／１０以下の断面積を有するガス移動流路を備えているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例６］
適用例２ないし適用例５のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、溝の幅がそれぞれ、０．８〜２ｍｍの範囲となり、溝の深さがそれぞれ、０．２〜１ｍｍの範囲となるように形成され、
前記ガス移動流路形成部は、溝の幅が、５０〜２００μｍの範囲となり、溝の深さが、３０〜１５０μｍの範囲となるように形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス供給流路形成部およびガス排出流路形成部の溝の幅が０．８〜２ｍｍの範囲、溝の深さが０．２〜１ｍｍの範囲となるように形成され、また、ガス移動流路形成部は、溝の幅が５０〜２００μｍの範囲、溝の深さが３０〜１５０μｍの範囲となるように形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例７］
適用例３ないし適用例６のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記リブ領域における前記ガス移動流路形成部の配置密度は、前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部の上流側と接する領域よりも、前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部の下流側と接する領域の方が高い、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、リブ領域に形成されたガス移動流路形成部の配置密度が、ガス供給流路形成部およびガス排出流路形成部のガスの流通方向上流側と接する領域よりも下流側と接する領域の方が高くなるように形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例８］
適用例３ないし適用例７のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記第２の方向は、鉛直方向であり、
前記ガス移動流路形成部は、前記複数のリブ領域のうち、上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域にのみ形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、複数のリブ領域のうち、重力方向上端側がガス供給流路形成部の側面部と接し、重力方向下端側がガス排出流路形成部の側面部と接しているリブ領域にのみガス移動流路形成部が形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例９］
適用例３ないし適用例７のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記第２の方向は、鉛直方向であり、
前記ガス移動流路形成部は、前記複数のリブ領域のうち、上端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域において、前記ガス移動流路の一部を閉塞するための閉塞部を備えている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、複数のリブ領域のうち、重力方向上端側がガス排出流路形成部の側面部と接し、重力方向下端側がガス供給流路形成部の側面部と接しているリブ領域において、ガス移動流路形成部の一部を閉塞するための閉塞部を備えているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１０］
適用例８または適用例９のいずれかに記載のセパレータにおいて、
上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅は、上端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅よりも広い、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、複数のリブ領域において、上端側がガス供給流路形成部の側面部と接し、下端側がガス排出流路形成部の側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅が、上端側がガス排出流路形成部の側面部と接し、下端側がガス供給流路形成部の側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅よりも広くなるように形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１１］
適用例３ないし適用例１０のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記ガス移動流路形成部は、前記リブ領域において、前記ガス供給経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい一方の端部から、前記ガス排出経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい他方の端部までの間の全範囲で互いに平行、もしくは、互いに交叉するように形成されている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、リブ領域の第１の方向に沿った方向における全範囲において、ガス移動流路形成部が互いに平行、もしくは、互いに交叉するように形成されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１２］
適用例２ないし適用例１１のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記ガス移動流路形成部は、前記ガス移動流路の断面形状が、三角形状、四角形状、および、半円形状のいずれかとなる形状を備えている、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス移動流路の断面形状が、三角形状、四角形状、および、半円形状のいずれかとなるようにガス移動流路形成部が形状されているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１３］
適用例２ないし適用例１２のいずれかに記載のセパレータにおいて、
前記ガス移動流路形成部は、前記積層体の前記セパレータと接触する接触面よりも親水性が高い、セパレータ。
この構成によれば、セパレータは、積層体のセパレータと接触する接触面よりも親水性の高いガス移動流路形成部を備えているため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１４］
適用例２ないし適用例１２のいずれかに記載のセパレータはさらに、
前記ガス供給流路形成部、前記ガス流路形成部、および、前記ガス移動流路形成部がそれぞれ形成されている第１の面と反対側の第２の面に、燃料電池を冷却するための液体を流通させるための液体流路を形成するための液体流路形成部を備えているセパレータ。
この構成によれば、セパレータは、ガス流路形成部およびガス移動流路形成部がそれぞれ形成されている第１の面と反対側の第２の面に、燃料電池を冷却するための液体を流通させるための液体流路を形成するための液体流路形成部を備えているため、供給側の流路や、発電による燃料電池の昇温を効率的に抑制することができる。
［適用例１５］
燃料電池であって、
膜電極接合体を含む積層体と、
前記積層体の両側に配置される請求項１ないし請求項１４に記載のセパレータと、を備える、燃料電池。
この構成によれば、燃料電池は、内部において供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備えていても、ガス供給流路とガス排出経路との間付近の積層体にガスを流通させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
［適用例１６］
燃料電池であって、
膜電極接合体を含む積層体と、
前記積層体の両側に配置される請求項１４に記載のセパレータと、をそれぞれ複数備え、
各前記セパレータは、前記液体流路形成部が他の前記セパレータの前記液体流路形成部と対向するように重ねて配置されている、燃料電池。
この構成によれば、燃料電池は、セパレータの液体流路形成部が他のセパレータの液体流路形成部と互いに対向するように配置されているため、燃料電池の昇温を抑制するための液体流路を容易に構成することができる。
［適用例１７］
適用例１５もしくは適用例１６に記載の燃料電池において、
前記積層体は、前記膜電極接合体と接触して配置されるガス拡散層を備え、
前記セパレータは、前記ガス拡散層と接触している、燃料電池。
この構成によれば、燃料電池は、セパレータと膜電極接合体との間にガス拡散層を有していても、ガス供給流路とガス排出経路との間付近のガス拡散層にガスを流通させることができるため、供給側の流路と排出側の流路とを分離させた構成を備える燃料電池において、供給側の流路や、膜電極接合体を含む積層体の内部に液体が滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
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、燃料電池の製造方法、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。
本発明の第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 第１実施例における単セルの概略構成を表わす断面模式図である。 第１実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 第１実施例におけるガス供給支流路溝およびガス排出支流路溝を斜視的に示した説明図である。 第１実施例におけるガス移動流路溝の形状を説明するための説明図である。 比較例としてのガス移動流路溝を備えていないカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。 第１実施例に係るカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。 第１試験における試験結果を説明するための説明図である。 第２試験における試験結果を説明するための説明図である。 第１実施例の変形例におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。 第１実施例の変形例におけるガス移動流路溝の形状を説明するための説明図である。 第２実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 第２実施例に係るカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。 比較例６におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 比較例７におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 図１５のＹ−Ｙ断面の一部を例示した説明図である。 第３試験における試験結果を説明するための説明図である。 第３実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 カソード側セパレータに形成された第１閉塞型ガス移動流路溝とガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。 カソード側セパレータに形成された第２閉塞型ガス移動流路溝とガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。 比較例におけるカソード側セパレータの水分の移動方向を説明するための説明図である。 本実施例におけるカソード側セパレータの水分の移動方向を説明するための説明図である。 第４試験における試験結果を説明するための説明図である。 第３実施例の変形例１におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。 第３実施例の変形例２におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。 第３実施例の変形例３におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。
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．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システム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と、燃料電池１００に供給する水素を貯蔵する水素タンク５０と、燃料電池１００に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ６０と、燃料電池システム１０全体の制御をおこなう制御部８０を含んでいる。
燃料電池１００は、それぞれ長方形状を有する、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、単セル１４０とを備え、積層された複数の単セルの両側にそれぞれ集電板１３０、絶縁板１２０およびエンドプレート１１０がこの順に配置されている。燃料電池１００としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池１００として固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池１００は、複数の単セル１４０が積層されたスタック構造を有している。単セル１４０は燃料電池１００における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例において、各単セル１４０の構成や仕様は互いに同一である。各セルの具体的な構成は図２を用いて後述する。なお、本実施例では、長方形状を有する単セル１４０の長手方向を「ｘ方向」、単セル１４０の短手方向を「ｙ方向」、単セル１４０の積層方向を「ｚ方向」とも呼ぶ。ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向は互いに直交する。
水素タンク５０に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁５１によって減圧された後に水素ガス供給路５３に放出され、水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）は、後述するアノード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を含有するガス（アノード排ガス）は、後述するアノードガス排出マニホールドを介して集約され、アノード排ガス路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、水素ガス供給路５３とアノード排ガス路５４とを接続する図示しない接続路やポンプを備えることにより、アノードオフガスを供給側に再循環させる構成としてもよい。
エアコンプレッサ６０は、外部から取り込んだ酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路６１を介して燃料電池１００に供給する。燃料電池１００に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）は、後述するカソード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（カソード排ガス）は、後述するカソードガス排出マニホールドを介して集約され、カソード排ガス路６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。
冷媒循環ポンプ７１は、冷媒循環流路７２を介して、燃料電池１００に冷媒を供給する。冷媒は、後述する冷媒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を冷却した後の冷媒は、後述する冷媒排出マニホールドを介して集約され、冷媒循環流路７３を介してラジエータ７０に循環される。ラジエータ７０により冷却された冷媒は、再び燃料電池１００に供給される。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施例では、冷媒として液体を用いているが、冷媒として空気を用いる構成であってもよい。
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。
Ａ−２．燃料電池の概略構成：
図２は、第１実施例における単セルの概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池１００の単セル１４０は、電解質膜２１２の各面にアノード２１４およびカソード２１５の電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）２１０を含む発電体２００を、一対のセパレータ（カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００）によって挟持した構成を有している。発電体２００は、アノード２１４の外側に配置されたアノード側拡散層２２６と、カソード２１５の外側に配置されたカソード側拡散層２２７と、を含んでいる。アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置され、それぞれ反応ガスとしての水素ガスもしくは空気を拡散させつつアノード２１４やカソード２１５に供給する。なお、発電体２００は、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の少なくとも一方の外側に金属多孔体（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た多孔体流路層を備えていてもよい。本実施例における発電体２００は、特許請求の範囲における「積層体」に該当する。
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、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。
カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼など、ガス不透過の導電性部材によって形成されている。カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。カソード側セパレータ３００は、カソード側拡散層２２７との間に、カソード供給ガスが流通するカソードガス供給流路ＣＳＣと、カソード排ガスが流通するカソードガス排出流路ＣＥＣとを形成する。アノード側セパレータ４００は、アノード側拡散層２２６との間に、アノード供給ガスが流通するアノードガス供給流路ＡＳＣと、アノード排ガスが流通するアノードガス排出流路ＡＥＣとを形成する。また、カソード側セパレータ３００およびアノード側セパレータ４００は、２つの発電体２００の間において、アノード側拡散層２２６もしくはカソード側拡散層２２７と接する面と反対の面を互いに接触させた状態で重ねて配置され、カソード側セパレータ３００と、アノード側セパレータ４００との間に冷媒が流通する冷媒流路ＬＦＣを形成する。セパレータの具体的な構成は図３〜５を用いて後述する。
水素タンク５０（図１）から供給されたアノード供給ガスは、水素ガス供給路５３および後述するアノードガス供給マニホールドを経由してアノードガス供給流路ＡＳＣに流入する。アノードガス供給流路ＡＳＣを流通するアノード供給ガスは、アノード側拡散層２２６で拡散されつつアノード２１４に供給され、電気化学反応に供される。一方、アノード側拡散層２２６で拡散されたアノード供給ガスのうち、電気化学反応に供されなかったアノード供給ガスを含むアノード排ガスは、アノード側拡散層２２６からアノードガス排出流路ＡＥＣに流入する。アノードガス排出流路ＡＥＣを流通するアノード排ガスは、後述するアノードガス排出マニホールドおよびアノード排ガス路５４（図１）を経由して燃料電池１００の外部に放出される。
エアコンプレッサ６０（図１）から供給されたカソード供給ガスは、酸化ガス供給路６１および後述するカソードガス供給マニホールドを経由してカソードガス供給流路ＣＳＣに流入する。カソードガス供給流路ＣＳＣを流通するカソード供給ガスは、カソード側拡散層２２７で拡散されつつカソード２１５に供給され、電気化学反応に供される。一方、カソード側拡散層２２７で拡散されたカソード供給ガスのうち、電気化学反応に供されなかったカソード供給ガスを含むカソード排ガスは、カソード側拡散層２２７からカソードガス排出流路ＣＥＣに流入する。カソードガス排出流路ＣＥＣを流通するカソード排ガスは、後述するカソードガス排出マニホールドおよびカソード排ガス路６３（図１）を経由して燃料電池１００の外部に放出される。
冷媒循環ポンプ７１から送られる冷媒Ｌｃは、冷媒循環流路７２（図１）および後述する冷媒供給マニホールドを経由して冷媒流路ＬＦＣに流入する。冷媒流路ＬＦＣを流通する冷媒Ｌｃは、カソード側セパレータ３００もしくはアノード側セパレータ４００を介して発電体２００から熱を吸収し、冷媒排出マニホールドを経由して冷媒循環流路７３（図１）に放出される。
Ａ−３．セパレータの概略構成：
図３は、第１実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。本実施例では、カソード側セパレータ３００とアノード側セパレータ４００は同様の形状を有しているため、ここでは、カソード側セパレータ３００の概略構成についてのみ説明する。カソード側セパレータ３００は、長方形の板状の外形を備え、長手方向（ｘ方向）の両端部にマニホールドを構成するための開口部が形成されている。カソード側セパレータ３００のほか、アノード側セパレータ４００や、発電体２００の外周部に形成された図示しない枠状部材においても同様に開口部が形成されているため、単セル１４０は、カソード側セパレータ３００、枠状部材、および、アノード側セパレータ４００が積層されることにより、これらの開口部が連通して、複数のマニホールドが形成される。
具体的には、単セル１４０には、燃料電池１００に供給されたアノード供給ガスを各単セル１４０に分配するアノードガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給されたカソード供給ガスを各単セル１４０に分配するカソードガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０から排出されるアノード排ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出するアノードガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０から排出されるカソード排ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出するカソードガス排出マニホールド１５４と、燃料電池１００に供給された冷媒Ｌｃを各単セル１４０に分配する冷媒供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷媒Ｌｃを集めて燃料電池１００の外部に排出する冷媒排出マニホールド１７４と、が形成される。上記各マニホールドは、燃料電池１００の積層方向（ｚ方向）に略平行な方向に延伸する流路である。
カソード側セパレータ３００は、上記の開口部の他に、ガス供給流路溝３１０と、ガス排出流路溝３２０と、ガス移動流路溝３３０と、を備える。ガス供給流路溝３１０は、カソード側拡散層２２７との間にカソード供給ガスが流通するカソードガス供給流路ＣＳＣを形成する。ガス供給流路溝３１０は、ガス供給束流路溝３１１と、複数のガス供給支流路溝３１２と、を備えている。ガス供給束流路溝３１１は、カソードガス供給マニホールド１５２とガス供給支流路溝３１２とを接続し、カソードガス供給マニホールド１５２から流入するカソード供給ガスを各ガス供給支流路溝３１２に分配する。ガス供給支流路溝３１２は、カソード側セパレータ３００の長手方向（ｘ方向）に延伸した長溝状の外形を備え、一方の端部がガス供給束流路溝３１１に接続され、他方の端部が閉塞部Ｐｂにより閉塞されている。本実施例におけるガス供給支流路溝３１２は、特許請求の範囲における「ガス供給流路形成部」に該当する。
一方、ガス排出流路溝３２０は、カソード側拡散層２２７との間にカソード排ガスが流通するカソードガス排出流路ＣＥＣを形成する。ガス排出流路溝３２０は、ガス排出束流路溝３２１と、複数のガス排出支流路溝３２２と、を備えている。ガス排出束流路溝３２１は、カソードガス排出マニホールド１５４とガス排出支流路溝３２２とを接続し、ガス排出支流路溝３２２から流入するカソード排ガスを集めてカソードガス排出マニホールド１５４に排出する。ガス排出支流路溝３２２は、カソード側セパレータ３００の長手方向（ｘ方向）に延伸した長溝状の外形を備え、一方の端部が閉塞部Ｐｂにより閉塞され、他方の端部がガス排出束流路溝３２１に接続されている。本実施例におけるガス排出支流路溝３２２は、特許請求の範囲における「ガス排出流路形成部」に該当する。
カソード側セパレータ３００は、ガス供給流路溝３１０と、ガス排出流路溝３２０と、が一体となった構成をとらずに、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２とがカソード側セパレータ３００の短手方向（ｙ方向）において交互に配置された、いわゆるＩＤＦＦ（Inter-Digitate Flow Field）型の流路溝を備えている。カソード側セパレータ３００は、ガス供給束流路溝３１１を流通するカソード供給ガスの流通方向とガス排出束流路溝３２１を流通するカソード排ガスの流通方向がともにｙ方向となるように形成されている。以後、カソード側セパレータ３００のｘ方向において、ガス供給束流路溝３１１やガス排出束流路溝３２１を流通するガスの流通方向上流側をカソード側セパレータ３００の上流側とも呼び、ガス供給束流路溝３１１やガス排出束流路溝３２１を流通するガスの流通方向下流側をカソード側セパレータ３００の下流側とも呼ぶ。なお、図２は、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２とが交互に配置されている領域の断面を表している。また、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２の数は任意に設定することができる。
カソード側セパレータ３００は、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２との間に、両側の凹状の溝によって相対的に凸状に形成されたリブの頂部に形成された領域であるリブ領域Ａｗを複数備えている。カソード側セパレータ３００は、各リブ領域Ａｗに複数のガス移動流路溝３３０を備えている。ガス移動流路溝３３０は、一方の端部がガス供給支流路溝３１２と接続され、他方の端部がガス排出支流路溝３２２と接続された細溝状の外形を備える。これにより、ガス移動流路溝３３０は、カソード側拡散層２２７との間に、カソードガス供給流路ＣＳＣを流通するカソード供給ガスの一部がカソード側拡散層２２７を経由せずにカソードガス排出流路ＣＥＣに移動するためのバイパス流路を形成する。ガス供給支流路溝３１２、ガス排出支流路溝３２２、および、ガス移動流路溝３３０について、図４〜図５を用いて詳述する。
図４は、第１実施例におけるガス供給支流路溝およびガス排出支流路溝を斜視的に示した説明図である。図４の下方側は、図３のガス供給束流路溝３１１側と対応し、図４の上方側は、図３のガス排出束流路溝３２１側に対応している。図４に示すように、ガス供給支流路溝３１２は、一対のガス供給支流路側面部３１２ｓと、ガス供給支流路閉塞面部３１２ｂとを備えている。一対のガス供給支流路側面部３１２ｓは、それぞれガス供給支流路溝３１２の延伸方向（ｘ方向）と沿った方向に延伸した長尺状の外形を備え、ガス供給支流路溝３１２のｙ方向の溝断面において、両側の側面を形成する。ガス供給支流路閉塞面部３１２ｂは、ガス供給支流路溝３１２の閉塞部Ｐｂと接する面に形成され、ガス供給支流路溝３１２の閉塞された端部において、一対のガス供給支流路側面部３１２ｓとそれぞれ接続されている。すなわち、ガス供給支流路閉塞面部３１２ｂは、一対のガス供給支流路側面部３１２ｓの互いの端部を繋ぐように形成されている。本実施例におけるガス供給支流路側面部３１２ｓは、特許請求の範囲における「側面部」に該当する。本実施例におけるガス供給支流路閉塞面部３１２ｂは、特許請求の範囲における「閉塞面部」に該当する。
一方、ガス排出支流路溝３２２は、一対のガス排出支流路側面部３２２ｓと、ガス排出支流路閉塞面部３２２ｂとを備えている。一対のガス排出支流路側面部３２２ｓは、それぞれガス排出支流路溝３２２の延伸方向（ｘ方向）と沿った方向に延伸した長尺状の外形を備え、ガス排出支流路溝３２２のｙ方向の溝断面において、両側の側面を形成する。ガス排出支流路閉塞面部３２２ｂは、ガス排出支流路溝３２２の閉塞部Ｐｂと接する面に形成され、ガス排出支流路溝３２２の閉塞された端部において、一対のガス排出支流路側面部３２２ｓとそれぞれ接続されている。すなわち、ガス排出支流路閉塞面部３２２ｂは、一対のガス排出支流路側面部３２２ｓの互いの端部を繋ぐように形成されている。
本実施例では、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の溝幅、すなわち、ｙ方向の幅は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲となるように形成されている。また、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の溝の深さは、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲となるように形成されている。なお、本実施例では、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２は、一対のガス供給支流路側面部３１２ｓもしくは一対のガス排出支流路側面部３２２ｓ（以後、それぞれを単に、「一対の側面部」とも呼ぶ）の間に底面部を備えているが、一対の側面部の間に底面部を備えず、側面部同士が直接接する形状であってもよい。すなわち、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の断面形状は、略コの字状のように側面と底面とを備える形状に限定されず、略Ｖの字状のように側面のみにより構成される形状であってもよいし、略Ｕの字状のように側面が曲線を有していてもよいし、両側の側面が曲線を有することにより側面同士が接する境界が一義的に規定できない形状であってもよい。
リブ領域Ａｗは、一対の長辺と一対の短辺とを備える長方形状の外形を有し、一方の長辺がガス供給支流路側面部３１２ｓと接し、他方の長辺がガス排出支流路側面部３２２ｓと接している。また、リブ領域Ａｗは、一方の短辺のｘ方向における位置が、隣接するガス供給支流路閉塞面部３１２ｂのｘ方向における位置と等しく、他方の短辺のｘ方向における位置が、隣接するガス排出支流路閉塞面部３２２ｂのｘ方向における位置と等しい。リブ領域Ａｗの一方の長辺から他方の長辺までの距離、すなわち、リブ領域Ａｗのｙ方向における幅は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲となるように形成されている。また言い換えると、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２とのｙ方向における間隔は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲となるように形成されている。
ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗの一方の長辺と接しているガス供給支流路側面部３１２ｓと、他方の長辺と接しているガス排出支流路側面部３２２ｓとを直線状に繋ぐように形成されている。ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗにおいて、互いに平行になるようにして複数配置されている。本実施例では、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、ｘ方向に等間隔に並んで配置されている。すなわち、ガス移動流路溝３３０は、ｘ方向において、リブ領域Ａｗと隣接するガス供給支流路閉塞面部３１２ｂから、リブ領域Ａｗと隣接するガス排出支流路閉塞面部３２２ｂのまでの間の全範囲において等間隔に並んで配置されている。また、本実施例では、ガス移動流路溝３３０は、ガス供給支流路側面部３１２ｓと接続されている位置が、ガス排出支流路側面部３２２ｓと接続さている位置より、ｘ方向において上流側となるように、ｙ方向に対して斜めに配置されている。
図５は、第１実施例におけるガス移動流路溝の形状を説明するための説明図である。図５は、ガス供給支流路溝３１２からガス移動流路溝３３０を見たときの構成を模式的に示している。ガス移動流路溝３３０は、Ｖの字状の断面を備え、溝の深さが、３０μｍ〜１５０μｍの範囲となるように形成され、溝幅すなわちｘ方向の幅が、５０μｍ〜２００μｍの範囲となるように形成されている。また、ガス移動流路溝３３０は、ｘ方向における配置間隔（ピッチ）が、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲となるように配置されている。ガス移動流路溝３３０は、ガス移動流路溝３３０と、カソード側拡散層２２７により形成されるガス移動流路の断面積が、カソードガス供給流路ＣＳＣやカソードガス排出流路ＣＥＣの断面積の１／１０以下となるように形成されている。すなわち、ガス移動流路溝３３０の断面積は、ガス供給支流路溝３１２の断面積やガス排出支流路溝３２２の断面積の１／１０以下となるように形成されている。また、ガス移動流路溝３３０は、カソード側拡散層２２７より親水性が高くなるように形成されている。これにより、キャピラリー圧による排水をおこなうことができる。ガス移動流路溝３３０の親水性の程度は、例えば、接触角が１００°より小さくなる程度であればよい。
Ａ−４．効果例：
ここでは、燃料電池１００にカソード側セパレータ３００を用いることにより生じる効果の一例について説明する。図６は、比較例としてのガス移動流路溝を備えていないカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。図７は、第１実施例に係るカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。
比較例に係る燃料電池１００ｗでは、図６に示すように、電気化学反応等によりカソード内部に液体Ｗｇが生じると、液体Ｗｇがカソード側拡散層２２７の内部、特にカソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗと接している領域の内部に滞留する。これは、カソード側拡散層２２７の内部のうち、カソードガス供給流路ＣＳＣやカソードガス排出流路ＣＥＣと接している領域の内部では、カソードガス供給流路ＣＳＣから供給されるカソード供給ガスによる押し出しや、カソードガス排出流路ＣＥＣへの排出により、液体Ｗｇの滞留が抑制されるのに対し、リブ領域Ａｗと接している領域の内部では、カソードガス供給流路ＣＳＣまでの距離が長いことによるガス圧損の増大や、排出先のカソードガス排出流路ＣＥＣまでの距離が長いこと等により、液体Ｗｇが容易に排出されないためである。リブ領域Ａｗと接している領域の付近のカソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが滞留することにより、カソード側拡散層２２７の内部、特にリブ領域Ａｗと接している領域付近の内部においてカソード供給ガスの拡散が妨げられる。これにより、カソード２１５において、カソード供給ガスが供給される領域の面積が減少し、発電効率が低下する。
一方、本実施例に係る燃料電池１００は、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２との間にガス移動流路溝３３０を備えているため、図７に示すように、カソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣとの間にガス移動流路が形成される。カソード側セパレータ３００のようなＩＤＦＦ型の流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池１００は、発電時にカソードガス供給流路ＣＳＣの内部とカソードガス排出流路ＣＥＣの内部との間で圧力差が生じているため、ガス移動流路によって、カソードガス供給流路ＣＳＣの内部のカソード供給ガスがガス移動流路を経由してカソードガス排出流路ＣＥＣに導出される。すなわち、カソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との間にカソード供給ガスを強制的に流通させることができる。これにより、カソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗと接しているカソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが存在しても、カソード側拡散層２２７の内部の液体Ｗｇは、ガス移動流路側に移動してガス移動流路から排出されるため、カソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが滞留することを抑制することができる。よって、カソード側拡散層２２７の内部において液体Ｗｇによりカソード供給ガスの拡散が妨げられる領域を低減させることができ、発電効率を向上させることができる。
Ａ−５．試験例：
（第１試験）
第１試験では、本発明の一態様となるカソード側セパレータを含む、３つのカソード側セパレータを用いて、ガス移動流路溝の有無による発電性能の違いについて調べた。まず、本発明の一態様となる実施例１のカソード側セパレータ３００は、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の溝幅が、０．８ｍｍ、リブ領域Ａｗのｙ方向における幅が、１．６ｍｍとなるように形成され、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝３３０を備えている。比較例２のカソード側セパレータは、実施例１のカソード側セパレータ３００と比較して、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝３３０を備えていない点のみが異なる。比較例３のカソード側セパレータは、実施例１および比較例２のカソード側セパレータが図３に示すようなＩＤＦＦ型流路溝を有しているのに対して、閉塞部Ｐｂを備えずに、ガス供給束流路溝３１１およびガス排出束流路溝３２１が、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２によって直線的に接続されたストレート型流路溝を有する。比較例３のカソード側セパレータは、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝３３０を備えていない。実施例１、比較例２、および、比較例３をそれぞれ用いた３つの燃料電池について、４０℃、過加湿条件下で発電性能を比較した。
図８は、第１試験における試験結果を説明するための説明図である。図８に示したグラフの縦軸は、燃料電池の単セルにおいて発電により生じる電圧（Ｖ）を示し、横軸は、電解質膜を流れる電流の電流密度（Ａ／ｃｍ2）を示している。比較例２および比較例３のガス移動流路を備えていないカソード側セパレータを用いた燃料電池では、電気化学反応が活発化して液体Ｗｇの発生量が増大する高電流密度域（＞１Ａ）では電圧降下が生じている。このことから、カソード側拡散層２２７の内部において、滞留した液体Ｗｇによりカソード供給ガスの拡散が妨げられていることがわかる。また、電圧降下は、比較例２および比較例３のいずれの燃料電池においても発生していることから、ストレート型流路溝を有するセパレータに限られず、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータであっても、ガス移動流路溝３３０を備えていない場合には、カソード側拡散層２２７の内部に滞留する液体Ｗｇを容易に排出できないことがわかる。
（第２試験）
第２試験では、上述の実施例１のカソード側セパレータを含む、３つのカソード側セパレータを用いて、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータにガス移動流路溝を形成した場合と、ストレート型流路溝を有するセパレータにガス移動流路溝を形成した場合の発電性能の違いについて調べた。比較例４のカソード側セパレータは、ストレート型流路溝を有し、図３に示したカソード側セパレータ３００と比較して、閉塞部Ｐｂを備えず、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の溝幅が、０．８ｍｍ、リブ領域Ａｗのｙ方向における幅が、１．２ｍｍとなるように形成されている。なお、比較例４のカソード側セパレータは、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝３３０を備えていない。比較例５のカソード側セパレータは、比較例４のカソード側セパレータと比較して、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝３３０を備えている点のみが異なる。実施例１、比較例４、および、比較例５をそれぞれ用いた３つの燃料電池について、４０℃、過加湿条件下で発電性能を比較した。
図９は、第２試験における試験結果を説明するための説明図である。図９に示したグラフの縦軸および横軸は、図８と同様であり、縦軸は、燃料電池の単セルにおいて発電により生じる電圧（Ｖ）を示し、横軸は、電解質膜を流れる電流の電流密度（Ａ／ｃｍ2）を示している。まず、比較例４と比較例５とを比較すると、ストレート型流路溝を有するセパレータにおいても、ガス移動流路溝を形成することで発電性能が向上することがわかる。しかし、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータと比較すると、ガス移動流路溝を形成することによる発電性能の向上効果は小さい。これは、ストレート型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池は、発電中であってもカソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣの内部との間で圧力差が生じにくく、カソード側拡散層２２７に滞留している液体Ｗｇを十分に排出できる程度にカソード供給ガスがガス移動流路を流通しないためである。なお、ストレート型流路溝を有するセパレータにガス移動流路溝を形成したことによる発電性能の向上効果は、ガス移動流路溝により形成されるガス移動流路を経由してカソード供給ガスがカソード側拡散層２２７のより広い範囲に供給されたことにより生じている。
また、実施例１と比較例５とを比較すると、比較例５のカソード側セパレータは、リブ領域Ａｗのｙ方向における幅が、１．２ｍｍであるのに対し、実施例１のカソード側セパレータ３００は、リブ領域Ａｗの幅が１．６ｍｍであるため、セパレータの短辺方向（ｙ方向）においてガス供給支流路溝３１２が占める割合が相対的に少ない。そのため、実施例１のカソード側セパレータ３００を用いた燃料電池１００は、比較例５のカソード側セパレータを用いた燃料電池よりもカソード２１５へのカソード供給ガスの供給能力が劣る。しかし、実施例１のカソード側セパレータ３００を用いた燃料電池１００は、ガス移動流路にカソード供給ガスを強制的に流通させてカソード側拡散層２２７の内部の液体Ｗｇをガス移動流路に排出されることができるため、比較例５のカソード側セパレータを用いた燃料電池に比べて、カソード側拡散層２２７の内部においてカソード供給ガスをより広い範囲に拡散させることができる。そのため、実施例１のカソード側セパレータ３００を用いた燃料電池１００は、カソード２１５のより広い範囲にカソード供給ガスを供給することができ、発電効率を大きく向上させることができる。
以上説明した、第１実施例に係るカソード側セパレータ３００によれば、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、カソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣとの間に、カソードガス供給流路ＣＳＣ内のカソード供給ガスをカソードガス排出流路ＣＥＣに移動させるためのガス移動流路を形成することができるため、カソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、カソード側セパレータ３００は、燃料電池１００に用いられたときに、カソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣに端部がそれぞれ接続され、カソードガス供給流路ＣＳＣおよびカソードガス排出流路ＣＥＣより断面積の小さいガス移動流路をカソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣとの間に形成する。これにより、燃料電池１００は、発電時にガス移動流路の内部にカソード供給ガスを強制的に流通させてカソード側拡散層２２７の内部に滞留する液体Ｗｇをカソード側拡散層２２７の外部に排出することができるため、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、発電効率の低下の抑制を図ることができる。
従来から、ＩＤＦＦ型の流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池では、セパレータのリブ領域Ａｗと接するカソード側拡散層２２７の内部において液体Ｗｇが滞留し、カソード供給ガスの拡散が妨げられることで発電効率が低下することがあった。しかし、本発明に係るカソード側セパレータ３００を用いた燃料電池１００は、発電時に生じるカソードガス供給流路ＣＳＣの内部とカソードガス排出流路ＣＥＣの内部との圧力差を利用して、カソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との間にカソード供給ガスを強制的に流通させることができる。これにより、カソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗと接しているカソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが存在しても、液体Ｗｇは、ガス移動流路側に移動してガス移動流路から排出されるため、カソード側拡散層２２７の内部に液体Ｗｇが滞留することを抑制することができる。よって、カソード側拡散層２２７の内部において液体Ｗｇによりカソード供給ガスの拡散が妨げられる領域を低減させることができ、発電効率を向上させることができる。
第１実施例に係るカソード側セパレータ３００によれば、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、ｘ方向に等間隔に並んで配置されているため、発電体２００の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、発電などにより生じた液体Ｗｇは、カソード側拡散層２２７の内部の広い範囲で滞留し、カソードガス供給流路ＣＳＣから供給されたカソード供給ガスの拡散を妨げる。そのため、ガス移動流路溝３３０をリブ領域Ａｗの全範囲に形成することにより、広い範囲で、カソード側セパレータ３００ｗのリブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との間にカソード供給ガスを強制的に流通させてカソード側拡散層２２７の内部に滞留する液体Ｗｇをカソード側拡散層２２７の外部に排出することができる。よって、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、発電効率を向上させることができる。
第１実施例に係るカソード側セパレータ３００によれば、ガス移動流路溝３３０は、ガス移動流路の断面積が、カソードガス供給流路ＣＳＣおよびカソードガス排出流路ＣＥＣの断面積の１／１０以下となるように形成されているため、発電体２００の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。具体的には、ガス移動流路の断面積を、ガス移動流路の両端が接続されているカソードガス供給流路ＣＳＣおよびカソードガス排出流路ＣＥＣの断面積の１／１０以下とすることで、ガス移動流路の内部の圧力損失によりガス移動流路の両端で圧力差が生じる。この圧力差により、ガス移動流路の内部にガスを強制的に流通させることができるため、カソード側拡散層２２７の内部に滞留する液体Ｗｇをカソード側拡散層２２７の外部に排出することができる。すなわち、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、発電効率を向上させることができる。具体的な一例として、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の溝の幅が０．８〜２ｍｍの範囲、溝の深さが０．２〜１ｍｍの範囲となるように形成し、ガス移動流路溝３３０の溝の幅が５０〜２００μｍの範囲、溝の深さが３０〜１５０μｍの範囲となるように形成することにより、ＩＤＦＦ型流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池において、発電効率を向上させることができる。
Ａ−６．第１実施例の変形例：
図１０は、第１実施例の変形例におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。図１０は、第１実施例における図４と対応している。図４に示すように、第１実施例では、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗにおいて、互いに平行になるようにして複数配置されているが、ガス移動流路溝３３０の配置パターンは、第１実施例に限定されず、これ以外の配置パターンを備えていてもよい。例えば、図１０に示すカソード側セパレータ３００ａのように、ガス移動流路溝３３０ａがリブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、互いに交叉するように形成されていてもよい。こうすることで、カソード側セパレータ３００ａのリブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との間のより広い範囲でカソード供給ガスを強制的に流通させてカソード側拡散層２２７の内部に滞留する液体Ｗｇをカソード側拡散層２２７の外部に排出することができる。
図１１は、第１実施例の変形例におけるガス移動流路溝の形状を説明するための説明図である。図５に示すように、第１実施例では、ガス移動流路溝３３０は、Ｖの字状の断面を備えているが、ガス移動流路溝３３０の断面形状は第１実施例に限定されず、これ以外の形状であってもよい。例えば、図１１（ａ）に示すように、ガス移動流路溝３３０は、四角形や五角形のように三角形以外の多角形のガス移動流路が形成されるように、断面に複数の角部を備えた形状であってもよいし、図１１（ｂ）に示すように、半円状のガス移動流路が形成されるように、断面に角部を備えない形状であってもよい。
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、ガス移動流路溝がｘ方向に等間隔に並んで配置されたカソード側セパレータについて説明したが、第２実施例では、ガス移動流路溝の配置間隔がセパレータの上流側と下流側とで異なるカソード側セパレータについて説明する。燃料電池システムの概略構成や、燃料電池の概略構成など、カソード側セパレータに形成されたガス移動流路溝の配置間隔以外については、第１実施例と同様であるため説明を省略する。
Ｂ−１．セパレータの概略構成：
図１２は、第２実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。第２実施例のカソード側セパレータ３００ｂは、第１実施例のカソード側セパレータと同様の外形形状や開口部を有している。また、第２実施例のカソード側セパレータ３００ｂにおいて、第１実施例のカソード側セパレータと同じ符号が付されている部分については、第１実施例と同様の形状や構成を備えている。
第２実施例のガス移動流路溝３３０ｂは、第１実施例のガス移動流路溝３３０と同様に、リブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、互いに平行になるようにして複数配置されている。一方、第２実施例のガス移動流路溝３３０ｂは、リブ領域Ａｗにおいて、セパレータの上流側における配置密度が下流側の配置密度より低くなるように配置されている。ガス移動流路溝３３０ｂの配置密度とは、リブ領域Ａｗの単位面積に含まれているガス移動流路溝３３０ｂの割合をいい、例えば、リブ領域Ａｗの単位面積に含まれるガス移動流路溝３３０ｂの本数や、リブ領域Ａｗの単位面積におけるガス移動流路溝３３０ｂの配置間隔の平均値により特定することができる。本実施例では、ガス移動流路溝３３０ｂは、リブ領域Ａｗにおける配置間隔がセパレータの上流側で広く、下流側にいくに従って狭くなるように配置されている。具体的には、ガス移動流路溝３３０ｂの配置間隔を上流側から順にＷｐ１、Ｗｐ２、Ｗｐ３、・・・、Ｗｐｎ−１、Ｗｐｎ（ｎはガス移動流路溝３３０ｂの本数より１少ない整数）とすると、ガス移動流路溝３３０ｂは、リブ領域Ａｗにおいて配置間隔がＷｐ１≧Ｗｐ２≧Ｗｐ３≧・・・≧Ｗｐｎ−１≧Ｗｐｎとなるように配置されている。
Ｂ−２．効果例：
ここでは、カソード側セパレータにおいてガス移動流路溝の配置密度をセパレータの上流側で低くし、下流側で高くすることにより生じる効果の一例について説明する。図１３は、第２実施例に係るカソード側セパレータとガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。一般的に燃料電池は、カソード２１５やカソード側拡散層２２７のカソード供給ガスの流通方向上流側では、カソード供給ガスの流通等により水分が欠乏した状態となりやすい。一方、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、カソード供給ガスの流通方向上流側においてガス移動流路の配置密度が低いため、ガス移動流路からカソード２１５の各領域までのカソード側拡散層２２７の内部におけるカソード供給ガスの拡散距離が長く、カソード２１５やカソード側拡散層２２７の上流側においてガスの拡散抵抗を高めることができる。これにより、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、カソード２１５やカソード側拡散層２２７の上流側において水分の排出を抑制させて保湿性を高めることができる。
一方、一般的に燃料電池は、カソード２１５やカソード側拡散層２２７のカソード供給ガスの流通方向下流側では、水分が滞留しやすく水分が過剰な状態となりやすい。一方、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、カソード供給ガスの流通方向下流側においてガス移動流路の配置密度が高いため、ガス移動流路からカソード２１５の各領域までのカソード側拡散層２２７の内部におけるカソード供給ガスの拡散距離を短くすることができる。これにより、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、カソード２１５へのカソード供給ガスの供給量を増やしてカソード２１５やカソード側拡散層２２７の下流側に供給されるカソード供給ガスが不足する状態の発生を抑制することができる。
Ｂ−３．試験例：
（第３試験）
第３試験では、３つのカソード側セパレータを用いて、ガス移動流路溝の配置間隔をセパレータの上流側と下流側とで変化させることによる発電性能の違いについて調べた。まず、本発明の一態様となる実施例２のカソード側セパレータ３００ｂは、図１２に示すように、リブ領域Ａｗにおいて、ガス移動流路溝３３０ｂの配置密度が、セパレータの上流側で低く、下流側で高くなるように配置されている。
図１４は、比較例６におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。比較例６のカソード側セパレータ３００ｘは、リブ領域Ａｗにおけるガス移動流路溝の配置密度以外については、実施例２のカソード側セパレータ３００ｂと同様の構成を有している。カソード側セパレータ３００ｘは、リブ領域Ａｗにおけるガス移動流路溝３３０ｘの配置密度が、セパレータの上流側と下流側とで等しくなるように形成されている。具体的には、図１４に示すように、カソード側セパレータ３００ｘは、リブ領域Ａｗにおいて、ガス移動流路溝３３０ｂのｘ方向における配置間隔がすべてＷｐｘで一定となるように形成されている。
図１５は、比較例７におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。図１６は、図１５のＹ−Ｙ断面の一部を例示した説明図である。比較例７のカソード側セパレータ３００ｙは、ストレート型のガス流路溝Ｇｇｆを備え、上流側では水分の欠乏状態を抑制するためにガス流路溝Ｇｇｆの幅を狭くし、下流側ではカソード供給ガスの供給量を増やすためにガス流路溝Ｇｇｆの幅が広くなるように形成されている。カソード側セパレータ３００ｙは、リブ領域Ａｗにガス移動流路溝を備えていない。なお、ストレート型のガス流路溝を備えるセパレータにおいて、比較例７のように、ガス流路溝の幅を上流側と下流側とで変化させた構成については、以下のような不具合が指摘されている。図１６に示すように、カソード側セパレータ３００ｙは、上流側では、ガス流路溝Ｇｇｆの幅が狭いため、カソード供給ガスの供給能力が低下する。一方、下流側では、リブ領域Ａｗの幅が狭いため、カソード側セパレータ３００ｙを介した冷媒Ｌｃによる冷却能力が低下する。すなわち、カソード供給ガスの供給能力の向上と冷媒Ｌｃによる冷却能力の向上とが二律背反する構成となっている。
以上の、実施例２、比較例６、および、比較例７をそれぞれ用いた３つの燃料電池について、電解質膜を流れる電流の電流密度（Ａ／ｃｍ2）を１．２Ａ／ｃｍ2に維持した状態で発電性能の比較をおこなった。図１７は、第３試験における試験結果を説明するための説明図である。図１７に示したグラフの縦軸は、セル電圧（Ｖ）を示し、横軸は、セル温度（℃）を示している。実施例２および比較例６と、比較例７とを比較すると、セパレータにガス移動流路溝を形成すると、低温域における発電性能が向上することわかる。これは、ガス移動流路溝により、カソード２１５やカソード側拡散層２２７の内部の水分を容易に外部に排出することができるためである。また、セパレータにガス移動流路溝を形成すると、高温域においても発電性能が向上することわかる。これは、ガス移動流路溝によって、下流側においても、リブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との接触面積を十分に確保できるため、冷媒Ｌｃにより容易に冷却することができるためである。
また、実験例２と比較例６とを比較すると、実施例２のカソード側セパレータ３００ｂは、上流側におけるガス移動流路溝の配置密度が低いため、保湿効果により上流側のドライアップが抑制されて発電性能が向上していることがわかる。また、実施例２のカソード側セパレータ３００ｂは、下流側におけるガス移動流路溝の配置密度が高いため、水分が滞留しやすい下流側においてカソード２１５へのカソード供給ガスの供給量が増えて発電性能が向上していることがわかる。
以上説明した、第２実施例に係るカソード側セパレータ３００ｂによれば、ガス移動流路溝３３０ｂの配置密度を上流側と下流側とで変化させることにより、ガス移動流路溝を有するセパレータを用いた燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。具体的には、カソード側セパレータ３００ｂは、上流側ではガス移動流路溝の配置密度が低いため、保湿効果よりドライアップの発生を抑制することができる。また、カソード側セパレータ３００ｂは、下流側ではガス移動流路溝の配置密度が高いため、カソード２１５に供給されるカソード供給ガスの供給量を増やすことができる。これらによって、燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。
一般的に、燃料電池のカソード２１５やカソード側拡散層２２７は、カソード供給ガスの流通方向上流側では、カソード供給ガスにより水分を奪われるなどして水分が欠乏した状態となりやすい。一方、カソード供給ガスの流通方向下流側では、水分が滞留しやすく水分が過剰な状態となりやすい。しかし、本実施例のカソード側セパレータ３００ｂは、上流側におけるガス移動流路溝の配置密度が低いため、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、図１３に示すように、上流側においてガス移動流路からカソード２１５の各領域までのカソード供給ガスの拡散距離が長くなり、カソード供給ガスによる水分の排出を抑制することができる。一方、本実施例のカソード側セパレータ３００ｂは、下流側におけるガス移動流路溝の配置密度を高いため、カソード側セパレータ３００ｂを用いた燃料電池は、図１３に示すように、下流側においてガス移動流路からカソード２１５の各領域までのカソード供給ガスの拡散距離が短くなり、カソード２１５へのカソード供給ガスの供給量を増やすことができる。これにより、水分が滞留した状態であってもカソード２１５へのカソード供給ガスの供給不足による発電効率の低下を抑制することができる。
Ｃ．第３実施例：
第１実施例では、ガス供給支流路溝とガス排出支流路溝との間を直線的に繋ぐガス移動流路溝を有するカソード側セパレータについて説明したが、第３実施例では、ガス供給支流路溝とガス排出支流路溝との間において溝の一部が分断したガス供給支流路溝を有するカソード側セパレータについて説明する。燃料電池システムの概略構成や、燃料電池の概略構成など、カソード側セパレータに形成されたガス移動流路溝の形状以外については、第１実施例と同様であるため説明を省略する。ただし、第３実施例に係る燃料電池は、図１や図２においてｙ方向と沿った方向が重力方向（鉛直方向）となるように設置される。
Ｃ−１．セパレータの概略構成：
図１８は、第３実施例におけるカソード側セパレータの概略構成を示す説明図である。第３実施例のカソード側セパレータ３００ｃは、第１実施例のカソード側セパレータと同様の外形形状や開口部を有している。また、第３実施例のカソード側セパレータ３００ｃにおいて、第１実施例のカソード側セパレータと同じ符号が付されている部分については、第１実施例と同様の形状や構成を備えている。第３実施例のカソード側セパレータ３００ｃは、図１８に示すように、ガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２が重力方向に沿って交互に並ぶようにして燃料電池に配置される。具体的には、第３実施例のカソード側セパレータ３００ｃは、互いに対応するガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２の１つの組み合わせにおいて、ガス供給支流路溝３１２が重力方向上方側、ガス排出支流路溝３２２が重力方向下方側となる向きに配置される。
第３実施例のガス移動流路溝３３０ｃは、第１実施例のガス移動流路溝３３０と同様に、リブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、互いに平行になるようにして複数配置されている。一方、第３実施例のガス移動流路溝３３０ｃは、ガス供給支流路溝３１２とガス排出支流路溝３２２との間に形成される複数のリブ領域Ａｗのうちの一部のリブ領域Ａｗにおいて、溝の一部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている。具体的には、第３実施例のガス移動流路溝３３０ｃは、溝の一部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１または第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２と、溝が閉塞部Ｐｐにより閉塞されずに上端から下端まで連通している連通型ガス移動流路溝３３０ｃ３とを含んでいる。
カソード側セパレータ３００ｃは、リブ領域Ａｗのうち、上方側の長辺がガス排出支流路溝３２２と接し、下方側の長辺がガス供給支流路溝３１２と接している第１リブ領域Ａｗ１には、第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２が形成されている。一方、カソード側セパレータ３００ｃは、リブ領域Ａｗのうち、上方側の長辺がガス供給支流路溝３１２と接し、下方側の長辺がガス排出支流路溝３２２と接している第２リブ領域Ａｗ２には、連通型ガス移動流路溝３３０ｃ３が形成されている。
第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１は、第１実施例のガス移動流路溝３３０と同様の外形を備えているが、ガス排出支流路溝３２２と接している溝の上端部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている。第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２は、第１実施例のガス移動流路溝３３０と同様の外形を備えているが、溝の中央部付近が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている。一方、連通型ガス移動流路溝３３０ｃ３は、第１実施例のガス移動流路溝３３０と同様に、ガス供給支流路溝３１２に接続されている一方の端部からガス排出支流路溝３２２に接続されている他方の端部まで溝が連通している。
Ｃ−２．効果例：
ここでは、ガス排出支流路溝３２２が上方側、ガス供給支流路溝３１２が下方側となる第１リブ領域Ａｗ１に形成されているガス移動流路溝の一部を閉塞部Ｐｐにより閉塞することにより生じる効果の一例について図１９〜図２２を用いて説明する。図１９は、カソード側セパレータに形成された第１閉塞型ガス移動流路溝とガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。図２０は、カソード側セパレータに形成された第２閉塞型ガス移動流路溝とガス拡散層との境界付近を模式的に示した説明図である。図２１は、比較例におけるカソード側セパレータの水分の移動方向を説明するための説明図である。図２２は、本実施例におけるカソード側セパレータの水分の移動方向を説明するための説明図である。
図１９および図２０に示すように、カソード側セパレータ３００ｃは、第１リブ領域Ａｗ１に第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２が形成されているため、カソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池は、上方側のカソードガス排出流路ＣＥＣと下方側のカソードガス供給流路ＣＳＣとの間に形成されるガス移動流路が閉塞部Ｐｐにより閉塞される。これにより、燃料電池の内部において、カソードガス排出流路ＣＥＣに排出された液体Ｗｇが重力により下方のカソードガス供給流路ＣＳＣに移動することを抑制することができる。一方、カソード側セパレータ３００ｃは、第２リブ領域Ａｗ２に連通型ガス移動流路溝３３０ｃ３が形成されているため、カソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池の内部において、カソードガス供給流路ＣＳＣに排出された液体Ｗｇを重力により下方のカソードガス排出流路ＣＥＣに排出することができる。
図２１に示すように、リブ領域Ａｗに形成されているガス移動流路溝がすべて連通型であるカソード側セパレータ３００ｚを用いた燃料電池は、ガス移動流路によってすべてのカソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣが連通する。そのため、燃料電池がカソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣが重力方向に並ぶ状態で使用されると、重力によって液体Ｗｇが下方側に移動し、下方に形成された流路において液体Ｗｇが滞留する。これにより、滞留した液体Ｗｇによりカソード供給ガスの流通が抑制されるため、発電性能が低下する問題があった。しかし、図２２に示すように、本実施例のカソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池は、重力によって液体Ｗｇがカソードガス排出流路ＣＥＣから下方のカソードガス供給流路ＣＳＣに移動することを抑制でき、液体Ｗｇをカソードガス排出流路ＣＥＣに集合させてカソード排ガスとともにカソードガス排出マニホールド１５４に排出することができる。これにより、液体Ｗｇの滞留による発電性能の低下を抑制することができる。
本実施例のカソード側セパレータ３００ｃは、第１リブ領域Ａｗ１にガス移動流路溝を備えない構成とするのではなく、溝の一部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２を備える構成としている。このことにより得られる効果についてさらに説明する。図１９および図２０に示すように、カソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池は、第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２によって、カソード側セパレータ３００ｃとカソード側拡散層２２７との間に閉塞部Ｐｐにより閉塞されたガス移動流路が形成される。これにより、カソードガス供給流路ＣＳＣから供給されたカソード供給ガスは、この閉塞されたガス移動流路を経由してカソード側拡散層２２７のより広い範囲に供給されるため、発電効率の向上を図ることができる。なお、第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１と第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２では、第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１の方がカソードガス供給流路ＣＳＣと接続されたガス移動流路の長さが長くなるため、発電効率をより高めることができる。
Ｃ−３．試験例：
（第４試験）
第４試験では、２つのカソード側セパレータを用いて、第１リブ領域Ａｗ１に形成されたガス移動流路溝の一部を閉塞部Ｐｐにより閉塞することによる発電性能の違いについて調べた。まず、本発明の一態様となる実施例３のカソード側セパレータとして、図１８に示した、第１リブ領域Ａｗ１に第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２が形成されているカソード側セパレータ３００ｃを用いた。一方、比較例８として、図２１に示した、リブ領域Ａｗに形成されたガス移動流路溝がすべて連通型であるカソード側セパレータ３００ｚを用いた。
実施例３および比較例８をそれぞれ用いた２つの燃料電池について、電解質膜を流れる電流の電流密度（Ａ／ｃｍ2）を１．２Ａ／ｃｍ2に維持した状態で発電性能の比較をおこなった。図２３は、第４試験における試験結果を説明するための説明図である。図２３に示したグラフの縦軸は、セル電圧（Ｖ）を示し、横軸は、セル温度（℃）を示している。実施例３と比較例８とを比較すると、セパレータにおいて、第１リブ領域Ａｗ１に形成されるガス移動流路溝を閉塞部Ｐｐにより閉塞すると、低温域における発電性能が向上することわかる。これは、上述したように、カソードガス排出流路ＣＥＣに排出された液体Ｗｇが下方のカソードガス供給流路ＣＳＣに移動せずにカソードガス排出マニホールド１５４から排出されることで発電性能が向上したためである。
以上説明した、第３実施例に係るカソード側セパレータ３００ｃによれば、ガス排出支流路溝３２２が重力方向上方側、ガス供給支流路溝３１２が重力方向下方側となる第１リブ領域Ａｗ１に形成されるガス移動流路溝の一部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されているため、ガス移動流路を有するセパレータを用いた燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。具体的には、カソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池は、上方側のカソードガス排出流路ＣＥＣと下方側のカソードガス供給流路ＣＳＣとの間に形成されるガス移動流路が閉塞部Ｐｐにより閉塞されるため、カソードガス排出流路ＣＥＣに排出された液体Ｗｇが重力により下方側のカソードガス供給流路ＣＳＣに移動することを抑制することができる。これにより、重力方向下方側に形成された流路において液体Ｗｇが滞留してカソード供給ガスの流通が抑制される状態の発生を低減することができる。すなわち、カソードガス供給流路ＣＳＣにおいてカソード供給ガスが不均一に流通することによる発電性能の低下を抑制することができる。
ガス移動流路を有するセパレータを用いた燃料電池は、リブ領域Ａｗとカソード側拡散層２２７との間にカソード供給ガスを強制的に流通させて発電効率の向上が図れる反面、セパレータのガス供給支流路溝３１２およびガス排出支流路溝３２２が重力方向に交互に並ぶように配置された場合には、内部の液体Ｗｇがセパレータの重力方向下方側に形成された流路に移動してセパレータの下方側においてカソード供給ガスの流通が妨げられる虞があった。しかし、本実施例で示したように、第１リブ領域Ａｗ１に形成されるガス移動流路溝を閉塞部Ｐｐにより閉塞することにより、セパレータのリブ領域Ａｗにガス移動流路を形成する利点を得つつ、リブ領域Ａｗにガス移動流路を形成することにより生じる不具合の抑制を図ることができる。
また、本実施例で示したカソード側セパレータ３００ｃは、第１リブ領域Ａｗ１にガス移動流路溝を備えない構成とするのではなく、溝の一部が閉塞部Ｐｐにより閉塞されている閉塞型のガス移動流路溝を備える構成としているため、燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。具体的には、カソード側セパレータ３００ｃを用いた燃料電池は、カソード側セパレータ３００ｃとカソード側拡散層２２７との間に閉塞部Ｐｐにより閉塞されたガス移動流路が形成される。これにより、カソードガス供給流路ＣＳＣから供給されたカソード供給ガスは、閉塞されたガス移動流路を経由してカソード側拡散層２２７のより広い範囲に供給されるため、発電効率の向上を図ることができる。
Ｃ−４．第３実施例の変形例：
図２４は、第３実施例の変形例１におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。第３実施例では、図１８に示すように、カソード側セパレータ３００ｃは、第１リブ領域Ａｗ１に第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１および第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２の２種類のガス移動流路溝が形成されているが、第１リブ領域Ａｗ１に形成されるガス移動流路溝は、２種類である必要はなく、１種類であってもよいし、３種類以上であってもよい。例えば、図２４に示すように、カソード側セパレータ３００ｄは、第１リブ領域Ａｗ１に第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１のみが形成されていてもよいし、第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２のみが形成されていてもよい。また、カソード側セパレータは、閉塞部Ｐｐにより閉塞されている位置や範囲が異なる３種類以上の閉塞型ガス移動流路溝が第１リブ領域Ａｗ１に形成されていてもよい。これらのいずれの場合であっても、上記実施例で示した効果と同様の効果を得ることができるため、ガス移動流路を有するセパレータを用いた燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。
図２５は、第３実施例の変形例２におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。第３実施例では、図１８に示すように、カソード側セパレータ３００ｃは、第１閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ１もしくは第２閉塞型ガス移動流路溝３３０ｃ２のいずれかのガス移動流路溝が第１リブ領域Ａｗ１に形成されているが、図２５に示すカソード側セパレータ３００ｅのように、第１リブ領域Ａｗ１にガス移動流路溝が形成されていない構成としてもよい。この場合であっても、カソード側セパレータ３００ｅを用いた燃料電池の内部において、カソードガス排出流路ＣＥＣに排出された液体Ｗｇが重力により下方のカソードガス供給流路ＣＳＣに移動することを抑制することができるため、セパレータの第２リブ領域Ａｗ２にガス移動流路を形成する利点を得つつ、第１リブ領域Ａｗ１にガス移動流路を形成することにより生じる不具合の抑制を図ることができる。
図２６は、第３実施例の変形例３におけるカソード側セパレータの概略構成を説明するための説明図である。図２５で示した変形例２のカソード側セパレータ３００ｅは、第１リブ領域Ａｗ１の重力方向（ｙ方向）における幅Ｗ１と、第２リブ領域Ａｗ２のｙ方向における幅Ｗ２との関係について特に限定していないが、図２６に示すように、第１リブ領域Ａｗ１の幅Ｗ１を第２リブ領域Ａｗ２の幅Ｗ２の０．８倍以下とすることにより、ガス移動流路を有するセパレータを用いた燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。具体的には、第１リブ領域Ａｗ１の幅Ｗ１を小さくすることで、第１リブ領域Ａｗ１とカソード側拡散層２２７との接触面積を小さくすることができる。これにより、第１リブ領域Ａｗ１と接しているカソード側拡散層２２７の内部における液体Ｗｇの滞留を抑制することができるため、発電効率をさらに向上させることができる。
Ｄ．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。
Ｄ１．変形例１：
本実施例では、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗにおいて、互いに平行になるようにして複数配置されているが、各ガス移動流路溝３３０は、それぞれ、カソードガス供給流路ＣＳＣとカソードガス排出流路ＣＥＣとを連通するガス移動流路が形成可能であれば、必ずしも互いに平行でなくてもよい。また、本実施例では、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗの一方の短辺から他方の短辺までの間の全範囲において、並んで複数配置されているが、ガス移動流路溝３３０は、リブ領域Ａｗの一部に複数は位置されていてもよいし、リブ領域Ａｗの一部に１つのみ配置されていてもよい。また、本実施例では、ガス移動流路溝３３０は、各リブ領域Ａｗにおける本数や間隔が同程度となるように示されているが、リブ領域Ａｗごとにガス移動流路溝３３０の本数や間隔が異なっていてもよい。また、本実施例では、ガス移動流路溝３３０、４３０は、直線状に形成されているが、少なくとも一部が曲線であったてもよいし、一部が折れ曲がっていてもよい。
Ｄ２．変形例２：
本実施例では、燃料電池１００は、拡散層とセパレータとが接する構成として説明しているが、燃料電池１００は、拡散層とセパレータとの間に発泡金属やパンチングメタルなどのガス流路部材を備え、セパレータがガス流路部材と接する構成であってもよい。この場合であっても、ガス流路のほか、ガス流路部材や拡散層の内部に液体Ｗｇが滞留することによる発電効率の低下の抑制を図ることができる。
Ｄ３．変形例３：
本実施例では、カソード側セパレータ３００とアノード側セパレータ４００とを重ねた状態で燃料電池に使用されているが、本発明は、カソード側セパレータ３００とアノード側セパレータ４００とを一体化した１枚のセパレータとしても実現することができる。
Ｄ４．変形例４：
本実施例では、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。
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
６０…エアコンプレッサ
７０…ラジエータ
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…カソードガス供給マニホールド
１５４…カソードガス排出マニホールド
１６２…アノードガス供給マニホールド
１６４…アノードガス排出マニホールド
１７２…冷媒供給マニホールド
１７４…冷媒排出マニホールド
２００…発電体
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２２６…アノード側拡散層
２２７…カソード側拡散層
３００…カソード側セパレータ
３１０…ガス供給流路溝
３１１…ガス供給束流路溝
３１２…ガス供給支流路溝
３１２ｂ…ガス供給支流路閉塞面部
３１２ｓ…ガス供給支流路側面部
３２０…ガス排出流路溝
３２１…ガス排出束流路溝
３２２…ガス排出支流路溝
３２２ｂ…ガス排出支流路閉塞面部
３２２ｓ…ガス排出支流路側面部
３３０…ガス移動流路溝
４００…アノード側セパレータ
４１０…ガス供給流路溝
４１１…ガス供給束流路溝
４１２…ガス供給支流路溝
４２０…ガス排出流路溝
４２１…ガス排出束流路溝
４２２…ガス排出支流路溝
Ｐｂ、Ｐｐ…閉塞部
Ｌｃ…冷媒
Ａｗ…リブ領域
ＣＥＣ…カソードガス排出流路
ＡＥＣ…アノードガス排出流路
ＬＦＣ…冷媒流路
ＣＳＣ…カソードガス供給流路
ＡＳＣ…アノードガス供給流路

Claims (17)

  1. 膜電極接合体を含む積層体と接触して配置される燃料電池用のセパレータであって、
    前記膜電極接合体にガスを供給するためのガス供給流路であって、ガスの流通方向における下流側の端部が閉塞されたガス供給流路を前記積層体との間に形成するためのガス供給流路形成部と、
    前記膜電極接合体からガスを排出させるためのガス排出流路であって、ガスの流通方向における上流側の端部が閉塞されたガス排出流路を前記積層体との間に形成するためのガス排出流路形成部と、
    一方の端部が前記ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記ガス排出流路に接続され、前記ガス供給流路内のガスを前記ガス排出経路に移動させるためのガス移動流路であって、前記ガス供給流路および前記ガス排出流路より断面積の小さいガス移動流路を前記積層体との間に形成するためのガス移動流路形成部と、を備えるセパレータ。
  2. 請求項１に記載のセパレータにおいて、
    前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する溝形状を有し、ガスの流通方向がともに前記第１の方向となるようにして、第２の方向に沿って交互に並んで配置され、
    前記セパレータは、さらに、
    前記ガス供給流路形成部と前記ガス排出流路形成部により形成されるリブの頂部に形成される領域であって、前記第１の方向に沿って延伸するリブ領域を備え、
    前記ガス移動流路形成部は、直線状に形成された溝形状を有し、前記リブ領域に形成されている、セパレータ。
  3. 請求項２に記載のセパレータにおいて、
    前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、それぞれ、第１の方向に沿って延伸する一対の側面部と、前記一対の側面部の互いの端部を繋ぐ閉塞面部と、を備え、
    前記リブ領域は、前記ガス供給流路形成部の前記側面部と、前記ガス排出流路形成部の前記側面部との間にそれぞれ形成され、
    前記ガス移動流路形成部は、複数の前記リブ領域のうち、少なくとも一部の前記リブ領域において、前記ガス供給経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい一方の端部から、前記ガス排出経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい他方の端部までの間の全範囲で前記第１の方向に沿って所定の間隔毎に形成されている、セパレータ。
  4. 請求項３に記載のセパレータにおいて、
    前記所定の間隔は、０．３〜１．２ｍｍの範囲の間隔であり、
    前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、前記第２の方向における互いの間隔が０．８〜２ｍｍの範囲となるようにして交互に配置されている、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において、
    前記ガス移動流路形成部は、前記ガス移動流路の断面積が、前記ガス供給路およびガス排出流路の断面積の１／１０以下となるように形成されている、セパレータ。
  6. 請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部は、溝の幅がそれぞれ、０．８〜２ｍｍの範囲となり、溝の深さがそれぞれ、０．２〜１ｍｍの範囲となるように形成され、
    前記ガス移動流路形成部は、溝の幅が、５０〜２００μｍの範囲となり、溝の深さが、３０〜１５０μｍの範囲となるように形成されている、セパレータ。
  7. 請求項３ないし請求項６のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記リブ領域における前記ガス移動流路形成部の配置密度は、前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部の上流側と接する領域よりも、前記ガス供給流路形成部および前記ガス排出流路形成部の下流側と接する領域の方が高い、セパレータ。
  8. 請求項３ないし請求項７のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記第２の方向は、鉛直方向であり、
    前記ガス移動流路形成部は、前記複数のリブ領域のうち、上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域にのみ形成されている、セパレータ。
  9. 請求項３ないし請求項７のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記第２の方向は、鉛直方向であり、
    前記ガス移動流路形成部は、前記複数のリブ領域のうち、上端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域において、前記ガス移動流路の一部を閉塞するための閉塞部を備えている、セパレータ。
  10. 請求項８または請求項９のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    上端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅は、上端側が前記ガス排出流路形成部の前記側面部と接し、下端側が前記ガス供給流路形成部の前記側面部と接しているリブ領域の鉛直方向における幅よりも広い、セパレータ。
  11. 請求項３ないし請求項１０のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記ガス移動流路形成部は、前記リブ領域において、前記ガス供給経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい一方の端部から、前記ガス排出経路形成部の前記閉塞面部と前記第１の方向における位置が等しい他方の端部までの間の全範囲で互いに平行、もしくは、互いに交叉するように形成されている、セパレータ。
  12. 請求項２ないし請求項１１のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記ガス移動流路形成部は、前記ガス移動流路の断面形状が、三角形状、四角形状、および、半円形状のいずれかとなる形状を備えている、セパレータ。
  13. 請求項２ないし請求項１２のいずれかに記載のセパレータにおいて、
    前記ガス移動流路形成部は、前記積層体の前記セパレータと接触する接触面よりも親水性が高い、セパレータ。
  14. 請求項２ないし請求項１２のいずれかに記載のセパレータはさらに、
    前記ガス供給流路形成部、前記ガス流路形成部、および、前記ガス移動流路形成部がそれぞれ形成されている第１の面と反対側の第２の面に、燃料電池を冷却するための液体を流通させるための液体流路を形成するための液体流路形成部を備えているセパレータ。
  15. 燃料電池であって、
    膜電極接合体を含む積層体と、
    前記積層体の両側に配置される請求項１ないし請求項１４に記載のセパレータと、を備える、燃料電池。
  16. 燃料電池であって、
    膜電極接合体を含む積層体と、
    前記積層体の両側に配置される請求項１４に記載のセパレータと、をそれぞれ複数備え、
    各前記セパレータは、前記液体流路形成部が他の前記セパレータの前記液体流路形成部と対向するように重ねて配置されている、燃料電池。
  17. 請求項１５もしくは請求項１６に記載の燃料電池において、
    前記積層体は、前記膜電極接合体と接触して配置されるガス拡散層を備え、
    前記セパレータは、前記ガス拡散層と接触している、燃料電池。
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