WO2010100872A1 - 燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 - Google Patents

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flow path
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gas flow
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竹口伸介
中川貴嗣
辻庸一郎
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell including the same, and more particularly to a structure of a fuel cell separator.
  • a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. is there.
  • a single cell (cell) of PEFC is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode), a MEA (Membrane-Electrode-Assembly), a gasket, and a conductive material. And a plate-like separator.
  • the PEFC is generally formed by stacking a plurality of cells, sandwiching both ends of the stacked cells with end plates, and fastening the end plates and the cells with fasteners.
  • the polymer electrolyte membrane functions as an electrolyte having hydrogen ion conductivity by reducing the specific resistance of the membrane by containing water in a saturated state.
  • the reaction gas fuel gas and oxidant gas
  • water is generated as a reaction product at the cathode by oxidation of hydrogen.
  • the water in the humidified reaction gas and the reaction product water contribute to saturate the water content of the polymer electrolyte membrane, and the excess water is discharged to the outside of the PEFC together with the excess anode gas and cathode gas.
  • a narrow groove extending from the upstream side to the downstream side of the reaction gas channel is provided in the rib portion that contacts the MEA of the separator. Thereby, it is intended to remove the generated water and condensed water into the narrow groove, and to move the downstream water that tends to be excessive in water to the upstream side that is likely to be insufficient in water.
  • a water reservoir groove parallel to the gas flow path is provided. This is intended to move the downstream water to the locally locally dry area.
  • the fuel cell disclosed in Patent Document 1 in one narrow groove, when the narrow groove is closed because the generated water is stored, there is no place to retract the generated water. It becomes impossible for the reactive gas to flow downstream from the blocked portion. Therefore, the fuel cell disclosed in Patent Document 1 has a problem that the reaction gas cannot be sufficiently supplied to the gas diffusion electrodes facing these portions, and the battery performance cannot be sufficiently improved. It was.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and in the case where the PEFC is operated particularly under a low humidification condition, an electrode region having a high humidity and a high gas concentration can be created.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell separator capable of sufficiently improving performance and a fuel cell including the same.
  • the inventors of the present invention have found the following points as a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art.
  • the inventors of the present invention have found that it is extremely effective to adopt the configuration described below to achieve the object of the present invention, and have come up with the present invention.
  • the fuel cell separator according to the present invention is a plate-shaped fuel cell separator, which penetrates in the thickness direction and feeds the reaction gas, and penetrates in the thickness direction.
  • a second gas manifold hole to be discharged and one or more groove-shaped first holes formed on one main surface, one end connected to the first gas manifold hole and the other end connected to the second gas manifold hole A main gas flow path, a groove-shaped first sub-gas flow path formed at one of the main surfaces and having one end connected to at least one of the first gas manifold hole and the second gas manifold hole; And a groove-shaped second sub-gas channel having one end branched from the first sub-gas channel and the other end closed.
  • reaction gas is supplied to the second sub-gas channel from the first sub-gas channel or from the first main gas channel by a down flow via the gas diffusion layer.
  • a power generation reaction is performed also in a portion of the gas diffusion electrode (hereinafter simply referred to as an electrode) facing the second sub gas flow channel and in the vicinity thereof, and water is generated.
  • the second sub-gas channel is branched from the first sub-gas channel, and its end (downstream end) is closed, so that the reaction gas is forced to flow (discharge). Absent. For this reason, the water produced
  • the humidity and gas supply which greatly affect the battery performance, are not limited to the portion of the electrode facing the first main gas flow channel and the first sub gas flow channel and the vicinity thereof, It can be secured at the portion facing the second sub-gas channel and in the vicinity thereof. Therefore, when the fuel cell separator according to the present invention is used in a fuel cell, the cell performance can be improved.
  • the second sub-gas flow is directly from the first sub-gas channel.
  • a reaction gas can be supplied to the channel.
  • the generated water can be retreated to the branched second sub-gas channel by the reaction gas. For this reason, obstruction
  • the humidity and gas supply which greatly affect the battery performance, are not limited to the portion of the electrode facing the first main gas flow channel and the first sub gas flow channel and the vicinity thereof, It can be secured at the portion facing the second sub-gas channel and in the vicinity thereof. Therefore, when the fuel cell separator according to the present invention is used in a fuel cell, the cell performance can be improved.
  • the configuration in which the other end of the second sub-gas channel is closed refers to a configuration in which the other end of the second sub-gas channel is not in communication with other channels.
  • the structure which has a rib between the other end of a 2nd sub gas flow path and the flow path of a 1st main gas flow path is inserted.
  • the first main gas flow path may be formed to be bent.
  • the first main gas flow path may be formed in a serpentine shape.
  • the second sub gas flow path may be provided in a first rib formed so as to be sandwiched between the first main gas flow paths.
  • the second sub gas channel is adjacent to the first main gas channel, and the second sub gas channel is arranged from the first sub gas channel or next to the second sub gas channel.
  • the reaction gas is supplied from the main gas flow path by down flow through the gas diffusion layer.
  • sufficient reaction gas is supplied to the second sub-gas channel, and when the reaction gas is low-humidified, the portion of the electrode facing the second sub-gas channel where the humidity and gas supply greatly affect the battery performance and Since it can be sufficiently secured in the vicinity thereof, the battery performance can be further improved.
  • a cross-sectional area of the first sub gas flow path may be smaller than a cross-sectional area of the first main gas flow path.
  • the flow rate of the reaction gas supplied to the first sub gas flow channel can be reduced with respect to the first main gas flow channel, so that it is difficult to discharge moisture remaining in the second sub gas flow channel outside the cell.
  • the relative humidity in the second sub-gas channel can be further increased.
  • the reaction gas supplied to the first main gas channel from the reaction gas supplied to the first sub gas channel greatly contributes to the power generation reaction, the amount of gas supply to the first main gas channel is reduced. By increasing the number, the reaction gas supplied to the fuel cell can be efficiently used for the power generation reaction.
  • one end of the first sub gas flow path may be connected to the first gas manifold hole, and the other end may be connected to the second gas manifold hole.
  • the first sub-gas flow path may have one end connected to the first gas manifold hole and the other end closed.
  • one end of the first sub-gas channel may be closed and the other end may be connected to the second gas manifold hole.
  • the plurality of first main gas flow paths are provided so as to run in parallel, and grooves are formed in second ribs formed between the plurality of first main gas flow paths.
  • a third sub-gas flow channel may be provided.
  • one end of the third sub-gas flow path may be connected to the first gas manifold hole or the second gas manifold hole, and the other end may be closed.
  • one or more of the second sub gas flow paths may be provided.
  • the fuel cell according to the present invention includes a first gas manifold hole that penetrates in the thickness direction and supplies a reaction gas, a second gas manifold hole that penetrates in the thickness direction and discharges the reaction gas, and one main surface.
  • One or more groove-shaped first main gas passages having one end connected to the first gas manifold hole and the other end connected to the second gas manifold hole, and formed on the one main surface.
  • a groove-shaped first sub-gas flow channel having one end connected to at least one of the first gas manifold hole and the second gas manifold hole, and one end formed on the one main surface.
  • the first main gas flow path and the first sub gas flow path include The reaction gas supplied from the first gas manifold hole flows and is discharged to the second gas manifold hole. For this reason, the water produced
  • reaction gas is supplied to the second sub-gas channel from the first sub-gas channel or from the first main gas channel by a down flow via the gas diffusion layer.
  • a power generation reaction is performed also in a portion of the gas diffusion electrode (hereinafter simply referred to as an electrode) facing the second sub gas flow channel and in the vicinity thereof, and water is generated.
  • the second sub-gas channel is branched from the first sub-gas channel, and its end (downstream end) is closed, so that the reaction gas is forced to flow (discharge). Absent. For this reason, the water produced
  • the humidity and the gas supply that greatly affect the cell performance are the part of the electrode facing the first main gas channel and the first sub gas channel, and This can be ensured not only in the vicinity thereof, but also in the portion facing the second sub-gas channel of the electrode and in the vicinity thereof. Therefore, when the fuel cell according to the present invention is used, the cell performance can be improved.
  • the second sub-gas flow is directly from the first sub-gas channel.
  • a reaction gas can be supplied to the channel.
  • the generated water can be retreated to the branched second sub-gas channel by the reaction gas. For this reason, obstruction
  • the humidity and the gas supply that greatly affect the cell performance are the part of the electrode facing the first main gas channel and the first sub gas channel, and
  • the battery performance can be improved because it can be secured not only in the vicinity but also in the portion facing the second sub-gas channel of the electrode and in the vicinity thereof.
  • a groove-like second main gas flow path is provided on one main surface of the second separator, and the second main gas passage is seen from the thickness direction of the first separator. At least a part of the gas flow path may be provided so as to overlap the second sub gas flow path of the first separator.
  • the water retained in the second sub-gas channel on the second main gas channel of the second separator having a low water content and the electrode side facing the second main gas channel of the second separator are polymerized. It can be supplied by moisture movement through the membrane, and the battery performance can be improved by improving the relative humidity of both electrodes.
  • the second main gas flow path may be formed to be bent.
  • the second main gas flow path may be formed in a serpentine shape.
  • the fuel cell separator and the fuel cell of the present invention even if the supplied reactive gas is low humidified, it is possible to create a high-humidity and high-gas concentration electrode region, thereby improving battery performance. can do.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator of the fuel cell shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the anode separator of the fuel cell shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cath
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the second separator of the fuel cell according to Embodiment 8 of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the gas flow path used in Test Example 1.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a gas flow path used in Test Example 1.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a gas flow path used in Test Example 1.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a gas flow path used in Test Example 2.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a gas flow path used in Test Example 2.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a gas flow path used in Test Example 2.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the gas flow path used in the reference example.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the gas flow path used in the reference example.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a part is omitted.
  • the fuel cell 100 is a single cell (cell), which includes an MEA (Membrane-Electrode-Assembly) 5, gaskets 6A and 6B, And an anode separator 10A and a cathode separator 10B.
  • MEA Membrane-Electrode-Assembly
  • anode separator 10A and a cathode separator 10B anode separator 10A and a cathode separator 10B.
  • the MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane (electrolyte layer; for example, NAfion (trade name) manufactured by DuPont, USA) 1 that selectively transports hydrogen ions, an anode 4A, and a cathode 4B. .
  • a polymer electrolyte membrane electrolyte layer; for example, NAfion (trade name) manufactured by DuPont, USA
  • the polymer electrolyte membrane 1 has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape. On both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, an anode 4A and a cathode 4B (these are referred to as gas diffusion electrodes) are disposed so as to be located inward from the peripheral edge thereof. Note that manifold holes such as an oxidant gas supply manifold hole 51 described later are provided in the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane 1 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the anode 4A is provided on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and is a mixture of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst (for example, a noble metal such as platinum) and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity. And an anode gas diffusion layer 3A that is provided on the main surface of the anode catalyst layer 2A and has both gas permeability and conductivity.
  • the cathode 4B is provided on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and includes conductive carbon particles carrying an electrode catalyst (for example, a noble metal such as platinum), and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity.
  • a cathode gas diffusion layer 3B provided on the main surface of the cathode catalyst layer 2B and having both gas permeability and conductivity.
  • the anode catalyst layer 2A and the cathode catalyst layer 2B are formed in the relevant field using an ink for forming a catalyst layer containing conductive carbon particles carrying an electrode catalyst made of a noble metal, a polymer electrolyte, and a dispersion medium. It can be formed by a known method.
  • the material constituting the anode gas diffusion layer 3A and the cathode gas diffusion layer 3B is not particularly limited, and materials known in the art can be used.
  • conductive materials such as carbon cloth and carbon paper can be used.
  • a porous porous substrate can be used.
  • the conductive porous substrate may be subjected to a water repellent treatment by a conventionally known method.
  • a conductive porous sheet mainly composed of conductive carbon particles and a polymer resin can be used.
  • a pair of annular and substantially rectangular fluororubber gaskets 6A and 6B are disposed around the anode 4A and the cathode 4B of the MEA 5 with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. This prevents the fuel gas, air, and oxidant gas from leaking out of the battery, and prevents these gases from being mixed with each other in the fuel cell 100.
  • each manifold hole such as an oxidant gas supply manifold hole 51 described later, is provided in the peripheral portion of the gaskets 6A and 6B so as to penetrate in the thickness direction.
  • a conductive plate-like anode separator (second separator) 10A and a cathode separator (fuel cell separator; first separator) 10B are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gaskets 6A and 6B.
  • MEA 5 is mechanically fixed, and when a plurality of fuel cells 100 are stacked in the thickness direction, MEA 5 is electrically connected.
  • these separators 10A and 10B can use the material excellent in heat conductivity and electroconductivity, graphite, or the material which mixed graphite and resin.
  • a separator produced by injection molding of a mixture of carbon powder and a binder (solvent) or a separator obtained by performing gold plating on the surface of a plate made of titanium or stainless steel can be used.
  • a groove-like fuel gas flow path 7 through which fuel gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 10A that contacts the anode 4A, and the other main surface.
  • a groove-shaped cooling medium flow path 9 through which the cooling medium flows is provided (hereinafter referred to as an outer surface).
  • a groove-like oxidant gas flow path 8 through which an oxidant gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the cathode separator 10B that is in contact with the cathode 4B.
  • the other main surface (hereinafter referred to as the outer surface) is provided with a groove-like cooling medium flow path 9 through which the cooling medium flows.
  • fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode 4A and the cathode 4B, respectively, and these gases react to generate electricity and heat. Further, the generated heat is recovered by passing a cooling medium such as cooling water or ethylene glycol through the cooling medium flow path 9.
  • a cooling medium such as cooling water or ethylene glycol
  • the fuel cell 100 configured as described above may be used as a single cell (cell), or a plurality of fuel cells 100 may be stacked and used as a cell stack. Further, when the fuel cells 100 are stacked, the cooling medium flow path 9 may be provided for every two to three cells. Further, when the cooling medium flow path 9 is not provided between the single cells, the separator sandwiched between the two MEAs 5 is provided, the fuel gas flow path 7 is provided on one main surface, and the oxidant gas flow is provided on the other main surface. A separator serving as the anode separator 10 ⁇ / b> A and the cathode separator 10 ⁇ / b> B provided with the passage 8 may be used.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator 10B of the fuel cell 100 shown in FIG.
  • the cathode separator 10B which is the fuel cell separator according to the first embodiment, has a plate shape and is substantially rectangular.
  • a plurality of through holes penetrating in the thickness direction are formed in the peripheral portion of the main surface of the cathode separator 10B, and these through holes constitute manifold holes such as the oxidant gas supply manifold hole 51 and the like.
  • the oxidant gas supply manifold hole (first gas manifold hole) 51 is provided in the upper part of the cathode separator 10B
  • the oxidant gas discharge manifold hole (second gas manifold hole) 52 is formed as the cathode separator. 10B is provided in the lower part.
  • the fuel gas supply manifold hole 53 is provided in the upper part of one side of the cathode separator 10B (the left side in the drawing: hereinafter referred to as the first side), and the fuel gas discharge manifold hole 54 is formed in the cathode separator 10B. 10B is provided at the lower side of the other side (the right side in the drawing: hereinafter referred to as the second side).
  • a cooling medium supply manifold hole for supplying the cooling medium and a cooling medium discharge manifold hole for discharging the cooling medium are omitted.
  • An oxidant gas flow path 8 is provided on the inner surface of the cathode separator 10B so that the oxidant gas supply manifold hole 51 and the oxidant gas discharge manifold hole 52 communicate with each other.
  • the oxidant gas flow path 8 includes a plurality of grooves 18, 28, and 38, and each groove forms a first main gas flow path 18, a first sub gas flow path 28, and a second sub gas flow path 38. To do.
  • a portion between the grooves constituting the oxidant gas flow path 8 forms a rib in contact with the cathode 4B, and is formed only by the first main gas flow path 18 (first main gas flow path).
  • the ribs formed so as to be sandwiched by 18 are called first ribs 48.
  • the oxidant gas flow path 8 is formed symmetrically with respect to the central axis C of the cathode separator 10B.
  • the first main gas flow path 18 is composed of two grooves. Its upstream end is connected to the oxidant gas supply manifold hole 51, and its downstream end is connected to the oxidant gas discharge manifold hole 52. Further, the first main gas flow path 18 is formed in a serpentine shape so that the oxidant gas is supplied to the entire main surface of the cathode 4B (the portion indicated by the broken line in FIG. 2).
  • the first sub-gas flow path 28 is composed of three grooves. Its upstream end is connected to the oxidant gas supply manifold hole 51, and its downstream end is connected to the oxidant gas discharge manifold hole 52. Further, the first sub gas channel 28 is formed so as to extend along both side portions and the central axis C of the cathode 4B.
  • the second sub gas channel 38 is formed to branch from the first sub gas channel 28. Its upstream end is connected to the first sub-gas channel 28 and its downstream end is closed.
  • the second sub-gas channel 38 is provided in the first rib 48 and extends in a horizontal direction of the first main gas channel 18 (direction from the first side portion to the second side portion). It is formed so as to be sandwiched.
  • the fact that the downstream end of the second sub gas flow path 38 is closed refers to a configuration in which the downstream end of the second sub gas flow path 38 is not in communication with other flow paths.
  • the second sub gas channel 38 is provided in the first rib 48, and there is a rib between the downstream end of the second sub gas channel 38 and the first main gas channel 18. is doing.
  • a cooling medium flow path 9 is provided on the outer surface of the cathode separator 10B so as to communicate a cooling medium supply manifold hole (not shown) and a cooling medium discharge manifold hole (not shown).
  • the cooling medium flow path 9 only needs to be formed so that the cooling medium is supplied to the entire outer surface of the cathode separator 10B.
  • the cooling medium flow path 9 may be formed in a serpentine shape.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the anode separator 10A of the fuel cell 100 shown in FIG.
  • the anode separator 10A has a plate shape and is substantially rectangular. Similar to the cathode separator 10B, manifold holes such as an oxidant gas supply manifold hole 51 are provided on the peripheral edge of the main surface of the anode separator 10A.
  • a fuel gas flow path 7 as a second main gas flow path is provided on the inner surface of the anode separator 10A so as to communicate the fuel gas supply manifold hole 53 and the fuel gas discharge manifold hole 54.
  • the fuel gas flow path 7 is composed of two grooves, and is formed in a serpentine shape so that fuel gas is supplied to the entire main surface of the anode 4A (the portion indicated by the broken line in FIG. 3). Is formed.
  • a part of the fuel gas channel 7 (here, a portion extending in the horizontal direction of the fuel gas channel 7) is seen from the thickness direction of the anode separator 10A (cathode separator 10B), and the oxidant gas channel.
  • a cooling medium flow path 9 is provided on the outer surface of the anode separator 10A in the same manner as the cathode separator 10B.
  • the first main gas flow path 18 is formed so as to face the entire main surface of the cathode 4B, and the entire cathode 4B is formed. Sufficient oxidant gas can be supplied.
  • the first sub gas flow path 28 or the second sub gas flow is provided in the portion facing the second sub gas flow path 38 of the cathode 4B and in the vicinity thereof (hereinafter referred to as a region facing the second sub gas flow path 38 of the cathode 4B).
  • Water is generated by the electrochemical reaction of the oxidant gas supplied from the first main gas flow path 18 provided next to the flow path 38 by the downflow via the cathode gas diffusion layer 3B. . Since the downstream end of the second sub gas flow path 38 is closed, the oxidant gas is not forced to flow.
  • the generated water is not forcibly discharged out of the fuel cell 100 along the flow of the oxidant gas, and the region facing the second sub gas flow path 38 of the cathode 4B or the second sub gas. It stays in the flow path 38.
  • the fuel cell 100 is operated under so-called low humidification conditions (conditions in which the dew point of the reaction gas is adjusted to be lower than the operating temperature of the fuel cell)
  • the accumulated moisture As a result, the area of the cathode 4B facing the second sub gas channel 38 and the relative humidity in the second sub gas channel 38 increase.
  • the humidity and the gas supply that greatly affect the cell performance are the second sub gas flow of the cathode 4B. Since it can be secured in the region facing the path 38, the battery performance can be improved.
  • the oxidant is applied to the entire area of the cathode 4B.
  • a first main gas flow path configured to mainly supply gas
  • a first sub gas flow path configured to supply an oxidant gas to the second sub gas flow path
  • the first sub gas is disposed in the cathode separator 10B, and the first main gas channel 18 and the second sub-gas are arranged.
  • a part of the fuel gas flow path 7 of the anode separator 10A (here, a part extending in the horizontal direction of the fuel gas flow path 7) is the anode separator 10A (cathode separator).
  • 10B is provided so as to overlap with the second sub-gas flow path 38 constituting the oxidant gas flow path 8 as viewed from the thickness direction. For this reason, even if the area facing the fuel gas flow path 7 of the anode 4A is in a low humidified state, the area facing the second sub gas flow path 38 of the cathode 4B that has become high humidity or the second sub gas flow path 38.
  • the moisture inside moves to the anode 4A through the polymer electrolyte membrane 1 of the MEA 5 by concentration diffusion. Thereby, the humidity in the fuel gas flow path 7 and the anode 4A can be kept moderate, and drying of the polymer electrolyte membrane 1 can be suppressed. Therefore, in the fuel cell 100 according to Embodiment 1, the battery performance can be improved.
  • the portion extending in the horizontal direction of the fuel gas channel 7 of the anode separator 10A is viewed from the thickness direction of the anode separator 10A (cathode separator 10B), and the oxidant gas channel 8 is configured.
  • the present invention is not limited to this, and in order for a part of the fuel gas channel 7 to exhibit the above-described effects, a part of the second sub gas channel 38 What is necessary is just to be provided so that it may overlap.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the second embodiment has the same basic configuration as the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the first embodiment.
  • the oxidant gas flow path 8 is not provided line-symmetrically with respect to the central axis C, and the shape of the first main gas flow path 18 is different from that of the first embodiment.
  • the first main gas flow path 18 formed on the first side portion side with respect to the central axis C is the first embodiment. It is formed similarly to the cathode separator 10B of the fuel cell 100 according to the above.
  • the first main gas channel 18 formed on the second side with respect to the central axis C is the same as the first main gas channel 18 formed on the first side. It is formed to have a shape. That is, the two first main gas passages 18 and 18 are formed so as to run in parallel with each other across the central axis C (provided side by side).
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the third embodiment of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the first embodiment.
  • the cross-sectional area in the direction perpendicular to the flow of the oxidant gas in the groove constituting the flow path of the first sub-gas flow path 28 (hereinafter simply referred to as the cross-sectional area of the flow path) is the first main
  • the gas channel 18 and the second sub gas channel 38 are formed so as to be smaller in cross-sectional area.
  • the width of the first sub-gas flow path 28 is made smaller than the width of the first main gas flow path 18 and the second sub-gas flow path 38. Is formed.
  • the thus configured fuel cell separator 10B according to the third embodiment and the fuel cell 100 including the same have the same effects as the fuel cell 100 according to the first embodiment.
  • the first main gas flow path 18 formed in a serpentine shape is longer than the first sub gas flow path 28 formed in a straight line. For this reason, if the cross-sectional areas of the flow paths are the same, the first sub-gas flow path 28 has a smaller pressure loss than the first main gas flow path 18, and the first sub-gas flow path 18 is first than the first main gas flow path 18. The flow rate of the oxidant gas flowing through the sub gas channel 28 increases.
  • the cross-sectional area of the first sub-gas flow path 28 is equal to the cross-sectional area of the first main gas flow path 18.
  • the flow rate of the oxidant gas flowing through the first main gas flow path 18 can be increased. Therefore, in the fuel cell separator 10B according to the third embodiment and the fuel cell 100 including the fuel cell separator 10B, more oxidant gas can be supplied to the cathode 4B, and the cell performance can be further improved.
  • the width of the first sub gas flow path 28 is set to the first main gas flow path 18 or the first sub gas flow path 28.
  • the present invention is not limited to this.
  • the depth of the flow path of the first sub gas flow path 28 may be formed to be shallower than the depth of the flow paths of the first main gas flow path 18 and the second sub gas flow path 38.
  • the first sub-gas flow path 28 may have a reduced cross-sectional area, or the cross-sectional area of the flow path of only the second sub-gas flow path 38 may be reduced. Also good.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the fourth embodiment of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the first embodiment. .
  • the first sub-gas channel 28 and the oxidizing gas discharge manifold hole 52 are not in communication, that is, the downstream end of the first sub-gas channel 28 is closed. And different.
  • the first sub gas flow path 28 and the oxidant gas discharge manifold hole 52 are not in communication with each other.
  • the oxidant gas is not forcibly supplied to the sub gas channel 28.
  • the first sub-gas channel 28 communicates with the oxidant gas supply manifold hole 51, the oxidant gas is supplied to a small extent. For this reason, when the oxidant gas is consumed in the second sub gas flow path 38, the oxidant gas can be supplied from the first sub gas flow path 28.
  • the generated water can be moved into the second sub-gas channel 38 by the pressure of the oxidant gas. For this reason, the generated water stays in the first sub-gas flow path 28 and the blockage of the first sub-gas flow path 28 can be suppressed.
  • the distribution ratio of the reaction gas to the first main gas channel 18 and the first sub gas channel 28 is important for improving the cell performance. It is very difficult to set the gas distribution ratio in consideration of the channel cross-sectional shape and the channel length in advance.
  • the reactive gas here, the oxidant gas
  • the oxidant gas is positively applied to the gas diffusion electrode. Is supplied to the first main gas flow path 18, and it is not necessary to design gas distribution between the first main gas flow path 18 and the first sub gas flow path 28. For this reason, in the fuel cell separator 10B according to the fourth embodiment and the fuel cell 100 including the same, design restrictions such as the cross-sectional shape of the gas channel and the channel length are reduced.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the fifth embodiment of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the fourth embodiment.
  • the first sub gas flow is not in communication with the oxidant gas supply manifold hole 51, that is, contrary to the fuel cell separator 10B according to the fourth embodiment, the first sub gas flow
  • the difference from the fourth embodiment is that the upstream end of the passage 28 is closed.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to the sixth embodiment of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell separator 10B according to the first embodiment.
  • the four grooves 18A to 18D constitute the first main gas passages 18A to 18D, and the first main gas passage 18A, the first main gas passage 18B, and the first main gas passage 18C.
  • the first main gas flow path 18D is different from the first embodiment in that the first main gas flow path 18D and the first main gas flow path 18D are provided in parallel.
  • a second rib 58 is formed between the first main gas flow path 18A and the first main gas flow path 18B, and similarly between the first main gas flow path 18C and the first main gas flow path 18D.
  • a second rib 58 is formed on the surface.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell separator according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to Embodiment 7 of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell separator (cathode separator) 10B according to Embodiment 6. .
  • the downstream ends of the first main gas flow path 18B and the first main gas flow path 18D are not communicated with the oxidant gas discharge manifold hole 52, but the first main gas flow path 18A and the first main gas flow path 18D, respectively.
  • the point of being connected in the middle of the main gas flow path 18C and the point that the third sub gas flow path 68 is provided in the second rib 58 are different from the sixth embodiment.
  • the third sub-gas flow path 68 is constituted by two grooves, and its upstream end communicates with the oxidant gas supply manifold hole 51 and its downstream end is closed.
  • the third sub gas channel 68 is formed so as to run in parallel with the first main gas channel 18A and the first main gas channel 18B, or the first main gas channel 18C and the first main gas channel 18D. ing.
  • the fact that the downstream end of the third sub gas flow path 68 is closed refers to a configuration in which the downstream end of the third sub gas flow path 68 is not in communication with other flow paths.
  • the third sub gas channel 68 is provided in the second rib 58, and the downstream end of the third sub gas channel 68 and the first main gas channel 18A (or the first main gas flow).
  • a rib is provided between the road 18C).
  • the humidity increases relatively from the upstream side due to the generation of water and the consumption of gas at the downstream side of the gas flow path.
  • the decrease is caused by the low relative humidity of the reaction gas upstream.
  • the third sub gas channel 68 having the same effect as that of the second sub gas channel 38 is provided on the upstream side of the oxidant gas channel 8. Accordingly, the relative humidity in the vicinity of the portion facing the upstream side of the oxidant gas flow path 8 and the upstream side of the oxidant gas flow path 8 in the cathode 4B can be further increased.
  • the cell performance can be further improved.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the second separator of the fuel cell according to Embodiment 8 of the present invention.
  • the fuel cell 100 according to Embodiment 8 of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell 100 according to Embodiment 1.
  • a part of the fuel gas flow path (second main gas flow path) 7 of the anode separator (second separator) (here, the portion extending in the horizontal direction) is As viewed from the thickness direction of the anode separator 10A (cathode separator 10B), not only the second sub gas flow path 38 constituting the oxidant gas flow path 8 but also a portion extending in the horizontal direction of the first main gas flow path 18 is overlapped. 1 is different from the first embodiment.
  • the fuel cell 100 according to the eighth embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell 100 according to the first embodiment. Further, in the fuel cell 100 according to the eighth embodiment, the pressure loss can be increased by increasing the number of turns (the number of repetitions) of the flow path in the fuel gas flow path 7, and more uniformly by the anode 4A. Fuel gas can be supplied.
  • the cathode separator 10B (oxidant gas flow path 8) and the anode separator 10A (fuel gas flow path 7) are configured differently, but the present invention is not limited to this, and the fuel gas flow path Similarly to the oxidant gas flow path 8, the main gas flow path and the first to third sub gas flow paths may be provided.
  • the fuel gas supply manifold hole constitutes the first gas manifold hole
  • the fuel gas discharge manifold hole constitutes the second gas manifold hole.
  • Test Example 1 11 to 13 are schematic diagrams showing a schematic configuration of the gas flow path used in Test Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the gas flow path used in Test Example 1.
  • the oxidant gas flow path 8 of Example 1 uses the gas flow path shown in FIG. 11 (corresponding to Embodiment 3 of the present invention), and the oxidant gas flow path 8 of Comparative Example 1 is the gas shown in FIG. A flow path (serpentine shape) was used, and the oxidant gas flow path 8 of Comparative Example 2 was a gas flow path (straight shape) shown in FIG. Moreover, the gas flow path shown in FIG. 13 was used for the fuel gas flow path 7 of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
  • Fluorescent and PEM modules of Ansys Japan Co., Ltd. were used.
  • the power generation conditions are as follows: current density 0.24 A / cm 2 , fuel utilization rate 75%, oxygen utilization rate 55%, fuel gas 75% hydrogen and carbon dioxide 25% mixed gas, oxidant gas air
  • the dew point of the gas and the oxidant gas was 65 ° C.
  • the battery temperature was 90 ° C.
  • Example 1 the battery voltage was 713.3 mV, in Comparative Example 1, 708.1 mV, and in Comparative Example 2, 705.9 mV.
  • the proton conductivity that varies depending on the water content of the polymer electrolyte membrane 1 is 1.51 S / m in Example 1, 1.41 S / m in Comparative Example 1, and 1.33 S / m in Comparative Example 2. became.
  • Test Example 2 14 to 16 are schematic diagrams showing a schematic configuration of the gas flow path used in Test Example 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the gas flow path used in Test Example 2.
  • the oxidant gas flow path 8 of Example 2 uses the gas flow path shown in FIG. 14 (corresponding to Embodiment 3 of the present invention), and the oxidant gas flow path 8 of Comparative Example 3 is the gas shown in FIG. A flow path (corresponding to the oxidant gas flow path and the narrow groove of the fuel cell disclosed in Patent Document 1) was used. Further, as the fuel gas channel 7 of Example 2 and Comparative Example 3, the gas channel shown in FIG. 16 was used. The analysis was performed in the same manner as in Test Example 1 except that the current density was 0.16 A / cm 2 .
  • Example 2 the battery voltage was 698.1 mV, and in Comparative Example 3, it was 698.9 mV.
  • the proton conductivity that varies depending on the water content of the polymer electrolyte membrane 1 was 1.51 S / m in Example 2 and 1.41 S / m in Comparative Example 3.
  • Reference example 17 and 18 are schematic views showing a schematic configuration of the gas flow path used in the reference example.
  • the oxidant gas flow path 8 of Reference Example 1 includes a gas flow path shown in FIG. 17, that is, a first main gas flow path 18 and a second sub gas flow path provided along the first main gas flow path 18. 38, and the oxidant gas flow path 8 of Reference Example 2 was the gas flow path shown in FIG. 18 (a serpentine-shaped flow path used in a general fuel cell). Further, as the fuel gas channel 7 of Reference Examples 1 and 2, the gas channel shown in FIG. 16 was used. Analysis was performed in the same manner as in Test Example 1.
  • the battery voltage was 706.3 mV in Reference Example 1 and 707.0 mV in Reference Example 2.
  • the proton conductivity that varies depending on the water content of the polymer electrolyte membrane 1 was 1.53 S / m in Reference Example 1 and 1.54 S / m in Reference Example 2.
  • the first main gas flow path 18 configured to mainly supply the reaction gas over the entire electrode
  • the second sub gas flow A first sub-gas flow path 28 configured to supply a reaction gas to the passage 38
  • the fuel cell separator of the present invention and the fuel cell including the same create an area of high humidity inside the cell under operating conditions in which the reaction gas is supplied at a low humidity, and the reaction gas is also supplied there, thereby efficiently generating power. Therefore, it is useful in the technical field of fuel cells.

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Abstract

　本発明の燃料電池用セパレータは、板状で、厚み方向に貫通し、反応ガスを供給する第１ガスマニホールド孔（５１）と、厚み方向に貫通し、反応ガスを排出する第２ガスマニホールド孔（５２）と、一方の主面に形成され、一端が第１ガスマニホールド孔（５１）に接続され、他端が第２ガスマニホールド孔（５２）に接続された１以上の溝状の第１メインガス流路（１８）と、一方の主面に形成され、第１ガスマニホールド孔（５１）及び第２ガスマニホールド孔（５２）の少なくとも一方にその一端が接続された溝状の第１サブガス流路（２８）と、一方の主面に形成され、一端が第１サブガス流路（２８）から分岐され、かつ、他端が閉鎖された溝状の第２サブガス流路（３８）と、を備える。

Description

燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池
　本発明は、燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池、特に燃料電池用セパレータの構造に関する。
　高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜－電極接合体）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成されている。
　ところで、高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。このため、発電運転時には、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）は加湿されてＰＥＦＣに供給される。また、ＰＥＦＣの発電運転時には、水素の酸化によりカソードにおいて反応生成物として水が生成される。加湿された反応ガス中の水及び反応生成水は、高分子電解質膜の含水量を飽和状態にするように貢献し、余剰の水は余剰のアノードガス及びカソードガスとともにＰＥＦＣの外部へ排出される。
　この反応ガスを加湿する水蒸気や生成水の管理を適切に行うことがＰＥＦＣの性能を大きく左右する。生成水や凝縮水が特定の場所に滞留してしまうと、その領域の電極に対して反応ガスの供給ができなくなり、電池性能の低下を引き起こしてしまう（いわゆる、フラッディング）という問題があった。また、ＰＥＦＣに供給する反応ガスの加湿量（水蒸気量）が少ない場合（いわゆる、低加湿条件で運転する場合）では、ガス拡散電極の最初に反応ガスが供給される部分近傍が、高分子電解質膜の含水量が低下することによって電池性能の低下が起こる（これをドライアップという）という問題があった。
　このような問題に対して、ガス流路の形状を工夫して、セル内の余剰な水分を外部へ排出させる。あるいは、同じセル内で水が不足している部位に移動させ、フラッディングやドライアップの問題を解決する取り組みが行われている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
　特許文献１に開示されている燃料電池では、セパレータのＭＥＡと接触するリブ部に、反応ガス流路の上流側から下流側に沿った細溝を設けている。これにより、生成水や凝縮水を細溝内に除去し、水過剰となりやすい下流側の水を、水不足となりやすい上流側に移動させることを意図している。
　また、特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータでは、ガス流路に平行する水リザーバ溝が設けられている。これにより、下流側の水を上流側の局部的に乾燥している領域に移動させることを意図している。
特開２００５－１５８５１３号公報 特開２００６－２３６７５０号公報
　しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池及び特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータであっても、低加湿で供給された反応ガスで発電を行った際の電池性能を改善するという観点からは、未だ改善の余地があることを本発明者等は見出した。すなわち、特許文献１に開示されている燃料電池や特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータでは、下流域で確実に飽和状態になる運転条件で燃料電池を発電する場合には、水として存在する余剰水を上流側に細溝や水リザーバ溝を介して移動できる場合がある。しかしながら、生成水やガス消費を考慮に入れても下流域が未飽和状態であれば、これらの溝による上流への水分移動は行われず、電池性能を充分に向上することができないという問題があった。
　また、特許文献１に開示されている燃料電池のように１本の細溝では、生成水が貯まることにより、細溝を閉塞した場合には、その生成水を退避させるところがないため、細溝の閉塞された部分から下流側を反応ガスが通流できなくなる。したがって、特許文献１に開示されている燃料電池では、これらの部分と面するガス拡散電極に充分に反応ガスが供給することができず、電池性能を充分に向上することができないという問題があった。
　また、特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータでは、水リザーバ溝は、反応ガス供給マニホールド孔及び反応ガス排出マニホールド孔と連通していないため、水リザーブ溝には、直接、反応ガスが供給されない。このため、水リザーバ溝と面するガス拡散電極に充分に反応ガスが供給することができず、電池性能を充分に向上することができないという問題があった。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ＰＥＦＣを特に低加湿条件で運転するような場合に、高湿度で、かつ、高ガス濃度の電極領域を作り出すことができ、電池性能を充分に向上させることができる燃料電池用セパレータ及びこれを備える燃料電池を提供することを目的とする。
　本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
　特許文献１に開示されている燃料電池のセパレータでは、細溝内に供給されるごくわずかな反応ガスによって発電反応が起き、生成水が発生する。そして、細溝を通流する反応ガス量が少ないため、生成水の排出性が悪く、反応ガス流路に対して反応ガスの相対湿度が高くなることを見出した。つまり、反応ガス流路に対して供給量の少ないサブガス流路を反応ガス流路の一部として形成することで、相対的に湿度の高いガス流路をセル面内で確保することができることが分かった。これは、特に供給される反応ガスが低加湿条件でより電池性能に効果があることが分かった。
　そして、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
　すなわち、本発明に係る燃料電池用セパレータは、板状の燃料電池用セパレータであって、厚み方向に貫通し、反応ガスを供給する第１ガスマニホールド孔と、厚み方向に貫通し、反応ガスを排出する第２ガスマニホールド孔と、一方の主面に形成され、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続された１以上の溝状の第１メインガス流路と、前記一方の主面に形成され、前記第１ガスマニホールド孔及び前記第２ガスマニホールド孔の少なくとも一方にその一端が接続された溝状の第１サブガス流路と、前記一方の主面に形成され、一端が前記第１サブガス流路から分岐され、かつ、他端が閉鎖された溝状の第２サブガス流路と、を備える。
　本発明に係る燃料電池用セパレータの第１サブガス流路の両端が、それぞれ、第１ガスマニホールド孔及び第２ガスマニホールド孔に接続されている場合には、第１メインガス流路及び第１サブガス流路には、第１ガスマニホールド孔から供給された反応ガスが通流して、第２ガスマニホールド孔に排出される。このため、第１メインガス流路及び第１サブガス流路内で、反応ガスの電気化学反応によって生成された水は、第２ガスマニホールド孔から排出される。
　また、第２サブガス流路には、第１サブガス流路から、あるいは、第１メインガス流路からガス拡散層を経由した伏流によって反応ガスが供給される。その結果、ガス拡散電極（以下、単に電極という）における第２サブガス流路と面する部分及びその近傍においても発電反応が行われ、水が生成される。
　ところで、第２サブガス流路は、第１サブガス流路から分岐していて、その端（下流端）は閉鎖されているため、強制的に反応ガスが通流する（排出する）構成になっていない。このため、第２サブガス流路で生成された水は、第２サブガス流路内に滞留することができ、第２サブガス流路内の相対湿度が上昇する。また、第２サブガス流路内の相対湿度が上昇するため、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍においても、相対湿度が高い雰囲気とすることができる。したがって、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給が、電極の第１メインガス流路及び第１サブガス流路に面する部分及びその近傍だけでなく、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍で確保できる。そのため、本発明に係る燃料電池用セパレータを燃料電池に用いると、電池性能を向上させることができる。
　一方、第１サブガス流路の一端が、第１ガスマニホールド孔又は第２ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されている場合であっても、第１サブガス流路から直接第２サブガス流路に反応ガスを供給することができる。また、第１サブガス流路の途中に生成水が貯まったとしても、この生成水は、反応ガスによって、分岐された第２サブガス流路に退避させることができる。このため、第１サブガス流路の生成水による閉塞を抑制することができる。したがって、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給が、電極の第１メインガス流路及び第１サブガス流路に面する部分及びその近傍だけでなく、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍で確保できる。そのため、本発明に係る燃料電池用セパレータを燃料電池に用いると、電池性能を向上させることができる。
　ここで、第２サブガス流路の他端が閉鎖されている構成とは、第２サブガス流路の他端が他の流路と連通していない構成を指す。例えば、第２サブガス流路の他端と第１メインガス流路の流路との間にリブを有する構成を差す。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１メインガス流路が屈曲するように形成されていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１メインガス流路はサーペンタイン状に形成されていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１メインガス流路によって挟まれるようにして形成された第１リブに前記第２サブガス流路が設けられていてもよい。
　これにより、第２サブガス流路は、第１メインガス流路に隣接する構成となり、第２サブガス流路には、第１サブガス流路から、あるいは、第２サブガス流路の隣に配置されたメインガス流路から、ガス拡散層を経由した伏流によって反応ガスが供給される。その結果、第２サブガス流路には充分な反応ガスが供給され、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給が電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍でより充分に確保できるため、電池性能をより向上させることができる。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１サブガス流路の断面積は、前記第１メインガス流路の断面積より小さくてもよい。
　これにより、第１メインガス流路に対して第１サブガス流路に供給される反応ガスの流量を少なくすることができるため、第２サブガス流路で滞留した水分をセル外に排出しにくくすることができ、より第２サブガス流路内の相対湿度を高めることができる。また、発電反応に大きく寄与するのは第１サブガス流路に供給される反応ガスより第１メインガス流路に供給される反応ガスであるため、第１メインガス流路へのガス供給量を増やすことで燃料電池に供給した反応ガスを効率的に発電反応に利用することができる。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続されていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１サブガス流路は、一端が閉鎖され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続されていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、複数の前記第１メインガス流路が並走するように設けられ、該複数の第１メインガス流路の間に形成された第２リブに溝状の第３サブガス流路が設けられていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第３サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔又は前記第２ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されていてもよい。
　さらに、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第２サブガス流路が、１以上設けられていてもよい。
　また、本発明に係る燃料電池は、厚み方向に貫通し、反応ガスを供給する第１ガスマニホールド孔と、厚み方向に貫通し、反応ガスを排出する第２ガスマニホールド孔と、一方の主面に形成され、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続された１以上の溝状の第１メインガス流路と、前記一方の主面に形成され、前記第１ガスマニホールド孔及び前記第２ガスマニホールド孔の少なくとも一方にその一端が接続された溝状の第１サブガス流路と、前記一方の主面に形成され、一端が前記第１サブガス流路から分岐され、かつ、他端が閉鎖された溝状の第２サブガス流路と、を備える、板状の第１セパレータと、板状の第２セパレータと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの間に配置されている膜－電極接合体と、を備える。
　第１セパレータの第１サブガス流路の両端が、それぞれ、第１ガスマニホールド孔及び第２ガスマニホールド孔に接続されている場合には、第１メインガス流路及び第１サブガス流路には、第１ガスマニホールド孔から供給された反応ガスが通流して、第２ガスマニホールド孔に排出される。このため、第１メインガス流路及び第１サブガス流路内で、反応ガスの電気化学反応によって生成された水は、第２ガスマニホールド孔から排出される。
　また、第２サブガス流路には、第１サブガス流路から、あるいは、第１メインガス流路からガス拡散層を経由した伏流によって反応ガスが供給される。その結果、ガス拡散電極（以下、単に電極という）における第２サブガス流路と面する部分及びその近傍においても発電反応が行われ、水が生成される。
　ところで、第２サブガス流路は、第１サブガス流路から分岐していて、その端（下流端）は閉鎖されているため、強制的に反応ガスが通流する（排出する）構成になっていない。このため、第２サブガス流路で生成された水は、第２サブガス流路内に滞留することができ、第２サブガス流路内の相対湿度が上昇する。また、第２サブガス流路内の相対湿度が上昇するため、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍においても、相対湿度が高い雰囲気とすることができる。したがって、本発明に係る燃料電池は、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給が、電極の第１メインガス流路及び第１サブガス流路に面する部分及びその近傍だけでなく、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍で確保できる。そのため、本発明に係る燃料電池を用いると、電池性能を向上させることができる。
　一方、第１サブガス流路の一端が、第１ガスマニホールド孔又は第２ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されている場合であっても、第１サブガス流路から直接第２サブガス流路に反応ガスを供給することができる。また、第１サブガス流路の途中に生成水が貯まったとしても、この生成水は、反応ガスによって、分岐された第２サブガス流路に退避させることができる。このため、第１サブガス流路の生成水による閉塞を抑制することができる。したがって、本発明に係る燃料電池は、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給が、電極の第１メインガス流路及び第１サブガス流路に面する部分及びその近傍だけでなく、電極の第２サブガス流路に面する部分及びその近傍で確保できるため、電池性能を向上させることができる。
　さらに、本発明に係る燃料電池では、前記第２セパレータの一方の主面には、溝状の第２メインガス流路が設けられ、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２メインガス流路の少なくとも一部が、前記第１セパレータの第２サブガス流路と重なるように設けられていてもよい。
　これにより、水分含有量が少ない第２セパレータの第２メインガス流路及び該第２セパレータの第２メインガス流路と面する電極側に、第２サブガス流路で滞留した水を高分子電解質膜を介した水分移動によって供給することができ、両極の相対湿度向上による電池性能の改善を図ることができる。
　また、本発明に係る燃料電池では、前記第２メインガス流路が屈曲するように形成されていてもよい。
　さらに、本発明に係る燃料電池では、前記第２メインガス流路はサーペンタイン状に形成されていてもよい。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
　本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池によれば、供給される反応ガスが低加湿であっても、高湿度で、かつ、高ガス濃度の電極領域を作り出すことができるために電池性能を向上することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示す燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図３は、図１に示す燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池の第２セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１１は、試験例１で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１２は、試験例１で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１３は、試験例１で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１４は、試験例２で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１５は、試験例２で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１６は、試験例２で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１７は、参考例で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。 図１８は、参考例で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図２乃至図１０においては、セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
　（実施の形態１）
　[燃料電池の構成]
　図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、一部を省略している。
　図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、単電池（セル）であり、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層－電極接合体）５と、ガスケット６Ａ、６Ｂと、アノードセパレータ１０Ａと、カソードセパレータ１０Ｂと、を備えている。
　ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層；例えば、米国デュポン（株）製のＮＡｆｉｏｎ（商品名））１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、を有している。
　高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード４Ａ及びカソード４Ｂ（これらをガス拡散電極という）が、それぞれ配設されている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、後述する酸化剤ガス供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
　アノード４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード触媒層２Ａと、アノード触媒層２Ａの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。同様に、カソード４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。
　なお、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。また、例えば、導電性炭素粒子及び高分子樹脂を主成分とする導電性多孔質シートを用いることができる。
　また、ＭＥＡ５のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対の環状で略矩形のフッ素ゴム製のガスケット６Ａ、６Ｂが配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット６Ａ、６Ｂの周縁部には、後述する酸化剤ガス供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
　また、ＭＥＡ５とガスケット６Ａ、６Ｂを挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ（第２セパレータ）１０Ａとカソードセパレータ（燃料電池用セパレータ；第１セパレータ）１０Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ１０Ａ、１０Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合した材料を使用することができる。例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したセパレータやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したセパレータを使用することができる。
　アノードセパレータ１０Ａのアノード４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路７が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路９が設けられている。同様に、カソードセパレータ１０Ｂのカソード４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路９が設けられている。
　これにより、アノード４Ａ及びカソード４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水やエチレングリコール等の冷却媒体を冷却媒体流路９に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
　なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層してセルスタックとして使用してもよい。また、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路９を単電池２～３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路９を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路７を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路８を設けた、アノードセパレータ１０Ａとカソードセパレータ１０Ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。
　次に、カソードセパレータ１０Ｂ及びアノードセパレータ１０Ａについて、図１乃至図３を参照しながら詳細に説明する。
　[セパレータの構成]
　図２は、図１に示す燃料電池１００のカソードセパレータ１０Ｂの概略構成を示す模式図である。
　図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータである、カソードセパレータ１０Ｂは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。カソードセパレータ１０Ｂの主面の周縁部には、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が形成されており、これらの貫通孔が酸化剤ガス供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔を構成する。具体的には、酸化剤ガス供給マニホールド孔（第１ガスマニホールド孔）５１は、カソードセパレータ１０Ｂの上部に設けられていて、酸化剤ガス排出マニホールド孔（第２ガスマニホールド孔）５２は、カソードセパレータ１０Ｂの下部に設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド孔５３は、カソードセパレータ１０Ｂの一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、燃料ガス排出マニホールド孔５４は、カソードセパレータ１０Ｂの他方の側部（図面の右側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。なお、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールド孔、及び冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールド孔は省略する。
　カソードセパレータ１０Ｂの内面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１と酸化剤ガス排出マニホールド孔５２を連通するように、酸化剤ガス流路８が設けられている。酸化剤ガス流路８は、複数の溝１８、２８、３８から構成されていて、それぞれの溝が第１メインガス流路１８、第１サブガス流路２８、及び第２サブガス流路３８を構成する。そして、酸化剤ガス流路８を構成する溝と溝との間の部分が、カソード４Ｂと当接するリブを形成し、第１メインガス流路１８のみで形成された（第１メインガス流路１８によって挟まれるように形成された）リブを第１リブ４８という。なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路８は、カソードセパレータ１０Ｂの中心軸Ｃに対して線対称に形成されている。
　第１メインガス流路１８は、ここでは２つの溝から構成されている。その上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１に接続され、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔５２に接続されている。また、第１メインガス流路１８は、カソード４Ｂ（図２において、破線で示した部分）の主面の全域に酸化剤ガスが供給されるように、サーペンタイン状に形成されている。
　第１サブガス流路２８は、ここでは３つの溝から構成されている。その上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１に接続され、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔５２に接続されている。また、第１サブガス流路２８は、カソード４Ｂの両側部と中心軸Ｃに、それぞれ、沿って延びるように形成されている。
　第２サブガス流路３８は、第１サブガス流路２８から枝分かれするように形成されている。その上流端は第１サブガス流路２８に接続され、その下流端は閉鎖されている。また、第２サブガス流路３８は、第１リブ４８に設けられていて、第１メインガス流路１８の水平方向（第１の側部から第２の側部への方向）に延びる部分に挟まれるように形成されている。
　ここで、第２サブガス流路３８の下流端が閉鎖されているとは、第２サブガス流路３８の下流端が他の流路と連通していない構成を指す。例えば、本実施の形態１では、第２サブガス流路３８は第１リブ４８に設けられており、第２サブガス流路３８の下流端と第１メインガス流路１８との間にリブを有している。
　なお、カソードセパレータ１０Ｂの外面には、冷却媒体供給マニホールド孔（図示せず）と冷却媒体排出マニホールド孔（図示せず）とを連通するように冷却媒体流路９が設けられている。冷却媒体流路９は、カソードセパレータ１０Ｂの外面の全域に冷却媒体が供給されるように形成されていればよく、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよい。
　次に、図１及び図３を参照しながら、アノードセパレータ１０Ａについて、詳細に説明する。図３は、図１に示す燃料電池１００のアノードセパレータ１０Ａの概略構成を示す模式図である。
　図３に示すように、アノードセパレータ１０Ａは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。アノードセパレータ１０Ａの主面の周縁部には、カソードセパレータ１０Ｂと同様に、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔が設けられている。
　また、アノードセパレータ１０Ａの内面には、燃料ガス供給マニホールド孔５３と燃料ガス排出マニホールド孔５４とを連通するように、第２メインガス流路である燃料ガス流路７が設けられている。燃料ガス流路７は、ここでは、２つの溝から構成されていて、アノード４Ａ（図３において、破線で示した部分）の主面の全域に燃料ガスが供給されるように、サーペンタイン状に形成されている。また、燃料ガス流路７は、その一部（ここでは、燃料ガス流路７の水平方向に延びる部分）が、アノードセパレータ１０Ａ（カソードセパレータ１０Ｂ）の厚み方向から見て、酸化剤ガス流路８を構成する第２サブガス流路３８と重なるように設けられている（図１参照）。なお、アノードセパレータ１０Ａの外面には、カソードセパレータ１０Ｂと同様に冷却媒体流路９が設けられている。
　次に、本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００の作用効果について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
　[燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池の作用効果]
　上述したように、本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータであるカソードセパレータ１０Ｂでは、カソード４Ｂの主面全域に面するように第１メインガス流路１８が形成されており、カソード４Ｂ全体に充分な酸化剤ガスを供給することができる。
　また、カソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する部分及びその近傍（以下、カソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する領域という）では、第１サブガス流路２８、あるいは、第２サブガス流路３８の隣に設けられた第１メインガス流路１８から、カソードガス拡散層３Ｂを経由した伏流によって供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応することにより、水が生成される。第２サブガス流路３８は、その下流端が閉鎖されているため、強制的に酸化剤ガスが通流することがない。このため、生成された水が、酸化剤ガスの流れに沿って、強制的に燃料電池１００外に排出されることがなく、カソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する領域や第２サブガス流路３８に滞留する。これにより、特に、いわゆる低加湿条件（反応ガスの露点を、燃料電池の作動温度よりも低くなるように水分を調節した条件）で燃料電池１００を運転するような場合には、その滞留した水分によって、カソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する領域や第２サブガス流路３８内の相対湿度は上昇する。
　したがって、本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、反応ガスが低加湿の場合に、電池性能に大きく影響する湿度とガス供給がカソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する領域で確保できるため、電池性能を向上させることができる。
　すなわち、本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータであるカソードセパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００では、特に、低加湿条件で燃料電池１００を運転するような場合に、カソード４Ｂ全域に酸化剤ガスの供給を主として行うように構成された第１メインガス流路１８と、第２サブガス流路３８に酸化剤ガスを供給するように構成された第１サブガス流路２８と、該第１サブガス流路２８から分岐され、電気化学反応により生成した水を滞留させるように構成された第２サブガス流路３８と、をカソードセパレータ１０Ｂに配設し、第１メインガス流路１８と第２サブガス流路３８とを隣接させることにより、燃料電池１００内で高湿度と高ガス濃度の領域を作ることによって電池性能の向上を図ることができる。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ１０Ａの燃料ガス流路７の一部（ここでは、燃料ガス流路７の水平方向に延びる部分）が、アノードセパレータ１０Ａ（カソードセパレータ１０Ｂ）の厚み方向から見て、酸化剤ガス流路８を構成する第２サブガス流路３８と重なるように設けられている。このため、アノード４Ａの燃料ガス流路７と面する領域が低加湿状態になったとしても、高湿度となったカソード４Ｂの第２サブガス流路３８に面する領域や第２サブガス流路３８内の水分が、濃度拡散によって、ＭＥＡ５の高分子電解質膜１を介してアノード４Ａに移動する。これにより、燃料ガス流路７やアノード４Ａ内の湿度を適度に保つことができ、また、高分子電解質膜１の乾燥を抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、電池性能の向上を図ることができる。
　なお、本実施の形態１においては、アノードセパレータ１０Ａの燃料ガス流路７の水平方向に延びる部分を、アノードセパレータ１０Ａ（カソードセパレータ１０Ｂ）の厚み方向から見て、酸化剤ガス流路８を構成する第２サブガス流路３８と重なるように設けたが、これに限定されず、燃料ガス流路７の一部が、上記作用効果を奏するためには、第２サブガス流路３８の一部と重なるように設けられていればよい。
　（実施の形態２）
　図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図４に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態２では、酸化剤ガス流路８が、中心軸Ｃに対して線対称に設けられておらず、第１メインガス流路１８の形状が実施の形態１と異なる。具体的には、２つの第１メインガス流路１８、１８のうち、中心軸Ｃに対して、第１の側部側に形成されている第１メインガス流路１８は、実施の形態１に係る燃料電池１００のカソードセパレータ１０Ｂと同様に形成されている。一方、中心軸Ｃに対して、第２の側部側に形成されている第１メインガス流路１８は、第１の側部側に形成されている第１メインガス流路１８と同様の形状になるように形成されている。すなわち、２つの第１メインガス流路１８、１８は、中心軸Ｃを挟んで、互いに並走するように形成されている（互いに並んで設けられている）。
　このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
　（実施の形態３）
　図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図５に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態３では、第１サブガス流路２８の流路を構成する溝の酸化剤ガスの流れに対して垂直方向の断面積（以下、単に流路の断面積という）が、第１メインガス流路１８や第２サブガス流路３８の流路の断面積よりも小さくなるように形成されている点が実施の形態１と異なる。具体的には、本実施の形態３においては、第１サブガス流路２８の流路の幅が、第１メインガス流路１８や第２サブガス流路３８の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。
　このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
　ところで、直線状に形成された第１サブガス流路２８に対して、サーペンタイン状に形成された第１メインガス流路１８の方が、流路長が長くなる。このため、流路の断面積が同じであれば、第１サブガス流路２８の方が第１メインガス流路１８よりも圧力損失は小さくなってしまい、第１メインガス流路１８より第１サブガス流路２８を通流する酸化剤ガスの流量が多くなる。
　しかしながら、本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、第１サブガス流路２８の流路の断面積を、第１メインガス流路１８の流路の断面積よりも小さくなるように形成することで、第１メインガス流路１８を通流する酸化剤ガスの流量を増加することができる。このため、本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、カソード４Ｂにより多くの酸化剤ガスを供給することができ、電池性能の向上をより図ることができる。
　なお、本実施の形態３においては、第１サブガス流路２８の流路の断面積を小さくするために、第１サブガス流路２８の流路の幅を、第１メインガス流路１８や第２サブガス流路３８の流路の幅よりも小さくなるように形成したが、これに限定されない。例えば、第１サブガス流路２８の流路の深さを、第１メインガス流路１８や第２サブガス流路３８の流路の深さよりも浅くなるように形成してもよい。また、例えば、第１サブガス流路２８だけでなく、第２サブガス流路３８も流路の断面積を小さくしてもよく、第２サブガス流路３８のみの流路の断面積を小さくしてもよい。
　（実施の形態４）
　図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図６に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態４では、第１サブガス流路２８と酸化剤ガス排出マニホールド孔５２が連通していない点、すなわち、第１サブガス流路２８の下流端が閉鎖されている点が実施の形態１と異なる。
　このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、第１サブガス流路２８と酸化剤ガス排出マニホールド孔５２が連通していないため、第１サブガス流路２８に強制的に酸化剤ガスが供給されなくなる。しかし、第１サブガス流路２８は、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１と連通しているために、わずかではあるが酸化剤ガスが供給される。このため、第２サブガス流路３８で酸化剤ガスが消費されると、第１サブガス流路２８から酸化剤ガスを供給することができる。
　また、第１サブガス流路２８内に生成水が滞留したような場合でも、酸化剤ガスの圧力によって、第２サブガス流路３８内に生成水を移動させることができる。このため、第１サブガス流路２８内に生成水が滞留して、第１サブガス流路２８の閉塞を抑制することができる。
　したがって、本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
　ところで、本発明に係る燃料電池用セパレータにおける反応ガス流路の構成では、第１メインガス流路１８と第１サブガス流路２８への反応ガスの分配比が電池性能の向上に重要となるが、流路断面形状や流路長等をあらかじめ考慮に入れて、そのガス分配比を設定するのは非常に困難である。
　しかしながら、本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂのように、第１サブガス流路２８の下流端を閉鎖することにより、反応ガス（ここでは、酸化剤ガス）をガス拡散電極に積極的に供給するのは第１メインガス流路１８となり、第１メインガス流路１８と第１サブガス流路２８とのガス分配を設計する必要がなくなる。このため、本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００では、ガス流路の形状を流路断面形状や流路長等の設計上の制限が軽減される。
　（実施の形態５）
　図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図７に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態５では、第１サブガス流路２８と酸化剤ガス供給マニホールド孔５１が連通していない点、すなわち、実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂとは反対に、第１サブガス流路２８の上流端が閉鎖されている点が実施の形態４と異なる。
　このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００では、第１サブガス流路２８は、酸化剤ガス排出マニホールド孔５２と連通し、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１と連通していないため、第１サブガス流路２８には、酸化剤ガス排出マニホールド孔５２から酸化剤ガスが供給される。このため、本実施の形態５に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００においても、実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態６）
　図８は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図８に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態６では、４つの溝１８Ａ～１８Ｄが第１メインガス流路１８Ａ～１８Ｄを構成し、第１メインガス流路１８Ａと第１メインガス流路１８Ｂ及び第１メインガス流路１８Ｃと第１メインガス流路１８Ｄが互いに並走するように設けられている点が実施の形態１と異なる。なお、第１メインガス流路１８Ａと第１メインガス流路１８Ｂとの間に第２リブ５８が形成され、同様に、第１メインガス流路１８Ｃと第１メインガス流路１８Ｄとの間に第２リブ５８が形成される。
　このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態７）
　図９は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
　図９に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂは、実施の形態６に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１０Ｂと基本的構成は同じである。本実施の形態７では、第１メインガス流路１８Ｂ及び第１メインガス流路１８Ｄの下流端が酸化剤ガス排出マニホールド孔５２に連通されないで、それぞれ、第１メインガス流路１８Ａ及び第１メインガス流路１８Ｃの途中に接続されている点と、第２リブ５８に第３サブガス流路６８が設けられている点が実施の形態６と異なる。
　第３サブガス流路６８は、ここでは、２つの溝で構成されていて、その上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔５１に連通し、その下流端は、閉鎖されている。また、第３サブガス流路６８は、第１メインガス流路１８Ａ及び第１メインガス流路１８Ｂ、又は第１メインガス流路１８Ｃ及び第１メインガス流路１８Ｄと並走するように形成されている。
　ここで、第３サブガス流路６８の下流端が閉鎖されているとは、第３サブガス流路６８の下流端が他の流路と連通していない構成を指す。例えば、本実施の形態７では、第３サブガス流路６８は第２リブ５８に設けられており、第３サブガス流路６８の下流端と第１メインガス流路１８Ａ（又は第１メインガス流路１８Ｃ）との間にリブを有している。
　ところで、燃料電池１００に供給される反応ガスが低加湿の場合、ガス流路の下流側では生成水の発生やガスの消費によって相対的に上流側より湿度が上昇するため、低加湿による電池性能の低下は、上流側での反応ガスの低い相対湿度が原因となる。本実施の形態７に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、第２サブガス流路３８と同様の作用効果を奏する第３サブガス流路６８を酸化剤ガス流路８の上流側に設けることによって、酸化剤ガス流路８の上流側及びカソード４Ｂにおける酸化剤ガス流路８の上流側と面する部分とその近傍の相対湿度をさらに上昇させることができる。このため、本実施の形態７に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池１００では、電池性能をさらに向上させることができる。
　（実施の形態８）
　図１０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池の第２セパレータの概略構成を示す模式図である。
　本発明の実施の形態８に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じである。本実施の形態８では、図１０に示すように、アノードセパレータ（第２セパレータ）の燃料ガス流路（第２メインガス流路）７の一部（ここでは、水平方向に延びる部分）が、アノードセパレータ１０Ａ（カソードセパレータ１０Ｂ）の厚み方向から見て、酸化剤ガス流路８を構成する第２サブガス流路３８だけでなく、第１メインガス流路１８の水平方向に延びる部分と重なるように設けられている点が実施の形態１と異なる。
　このように構成された本実施の形態８に係る燃料電池１００では、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、燃料ガス流路７における流路の折り返し数（反復数）を増加させることにより、圧力損失を高めることができ、また、アノード４Ａにより均一に燃料ガスを供給することができる。
　なお、上記実施の形態においては、カソードセパレータ１０Ｂ（酸化剤ガス流路８）とアノードセパレータ１０Ａ（燃料ガス流路７）の構成を異なるようにしたが、これに限定されず、燃料ガス流路７を酸化剤ガス流路８と同様に、メインガス流路と第１～第３サブガス流路を設ける構成としてもよい。この場合、燃料ガス供給マニホールド孔が、第１ガスマニホールド孔を構成し、燃料ガス排出マニホールド孔が、第２ガスマニホールド孔を構成する。
　以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
　次に、本発明に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びそれを備える燃料電池（ここでは、単セル）１００をシミュレーション解析によってその効果を検証した結果について説明する。なお、簡便に評価するために電極面のみを解析対象とした。
　（試験例１）
　図１１乃至図１３は、試験例１で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。
　実施例１の酸化剤ガス流路８は、図１１に示すガス流路（本発明の実施の形態３に相当）を用い、比較例１の酸化剤ガス流路８は、図１２に示すガス流路（サーペンタイン状）を用い、比較例２の酸化剤ガス流路８は、図１３に示すガス流路（ストレート状）を用いた。また、実施例１及び比較例１、２の燃料ガス流路７は、図１３に示すガス流路を用いた。
　解析にはアンシス・ジャパン株式会社のＦＬＵＥＮＴ、ＰＥＭモジュールを使用した。発電条件は、電流密度０．２４Ａ／ｃｍ２、燃料利用率７５％、酸素利用率５５％、燃料ガスには水素７５％、二酸化炭素２５％の混合ガス、酸化剤ガスには空気とし、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を６５℃、電池温度を９０℃とした。
　この結果、実施例１では電池電圧が７１３．３ｍＶ、比較例１では７０８．１ｍＶ、比較例２では７０５．９ｍＶとなった。また、高分子電解質膜１の含水量によって変化するプロトン導電率は、実施例１では、１．５１Ｓ／ｍ、比較例１では１．４１Ｓ／ｍ、比較例２では、１．３３Ｓ／ｍとなった。
　（試験例２）
　図１４乃至図１６は、試験例２で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。
　実施例２の酸化剤ガス流路８は、図１４に示すガス流路（本発明の実施の形態３に相当）を用い、比較例３の酸化剤ガス流路８は、図１５に示すガス流路（特許文献１に開示されている燃料電池の酸化剤ガス流路及び細溝に相当）を用いた。また、実施例２及び比較例３の燃料ガス流路７は、図１６に示すガス流路を用いた。解析は、電流密度０．１６Ａ／ｃｍ２とした以外は、試験例１と同様に行った。
　この結果、実施例２では電池電圧が６９８．１ｍＶ、比較例３では６９８．９ｍＶとなった。また、高分子電解質膜１の含水量によって変化するプロトン導電率は、実施例２では、１．５１Ｓ／ｍ、比較例３では１．４１Ｓ／ｍとなった。
　（参考例）
　図１７及び図１８は、参考例で用いたガス流路の概略構成を示す模式図である。
　参考例１の酸化剤ガス流路８は、図１７に示すガス流路、すなわち、第１メインガス流路１８と、該第１メインガス流路１８に沿って設けられた第２サブガス流路３８と、からなる流路を用い、参考例２の酸化剤ガス流路８は、図１８に示すガス流路（一般的な燃料電池で用いられているサーペンタイン状の流路）を用いた。また、参考例１、２の燃料ガス流路７は、図１６に示すガス流路を用いた。解析は、試験例１と同様に行った。
　この結果、参考例１では電池電圧が７０６．３ｍＶ、参考例２では７０７．０ｍＶとなった。また、高分子電解質膜１の含水量によって変化するプロトン導電率は、参考例１では、１．５３Ｓ／ｍ、参考例２では１．５４Ｓ／ｍとなった。
　これらの結果から、本発明に係る燃料電池用セパレータ１０Ｂ及びこれを備える燃料電池１００では、高分子電解質膜１の含水量が増加して電池性能に影響を与えるプロトン導電率が向上することが確認できた。また、参考例１及び参考例２の結果から、生成水を滞留するための第２サブガス流路３８のみを設けても、プロトン導電率を向上することができないことが示唆された。すなわち、特許文献２に開示されている燃料電池のように、反応ガスマニホールド孔と連通しない水リザーバ溝を設けても、該水リザーバ溝には、反応ガスの供給が充分に行われないため、水が充分に生成されず、プロトン導電率を向上することができないことが示唆された。
　したがって、本発明に係る燃料電池用セパレータ１１及びそれを備える燃料電池１００のように、電極全域に反応ガスの供給を主として行うように構成された第１メインガス流路１８と、第２サブガス流路３８に反応ガスを供給するように構成された第１サブガス流路２８と、第１サブガス流路２８から分岐され、電気化学反応により生成した水を滞留させるように構成された第２サブガス流路３８と、を燃料電池用セパレータ１０Ｂに配設することにより、燃料電池１００内で高湿度と高ガス濃度の領域を作ることによって電池性能の向上を図ることができることが示唆された。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
　本発明の燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池は、反応ガスが低湿度で供給される運転条件において、セル内部で湿度の高い領域を作り出し、そこに反応ガスも供給されるため効率よく発電することができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
　１　高分子電解質膜
　２Ａ　アノード触媒層
　２Ｂ　カソード触媒層
　３Ａ　アノードガス拡散層
　３Ｂ　カソードガス拡散層
　４Ａ　アノード
　４Ｂ　カソード
　５　ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層－電極接合体）
　６Ａ　ガスケット
　６Ｂ　ガスケット
　７　燃料ガス流路
　８　酸化剤ガス流路
　９　冷却媒体流路
　１０Ａ　アノードセパレータ（第２セパレータ）
　１０Ｂ　カソードセパレータ（第１セパレータ、燃料電池用セパレータ）
　１８　第１メインガス流路（溝）
　１８Ａ　第１メインガス流路（溝）
　１８Ｂ　第１メインガス流路（溝）
　１８Ｃ　第１メインガス流路（溝）
　１８Ｄ　第１メインガス流路（溝）
　２８　第１サブガス流路（溝）
　３８　第２サブガス流路（溝）
　４８　第１リブ
　５１　酸化剤ガス供給マニホールド孔（第１ガスマニホールド孔）
　５２　酸化剤ガス排出マニホールド孔（第２ガスマニホールド孔）
　５３　燃料ガス供給マニホールド孔
　５４　燃料ガス排出マニホールド孔
　５８　第２リブ
　６８　第３サブガス流路
　１００　燃料電池

Claims (15)

  1. 　板状の燃料電池用セパレータであって、
    　厚み方向に貫通し、反応ガスを供給する第１ガスマニホールド孔と、
    　厚み方向に貫通し、反応ガスを排出する第２ガスマニホールド孔と、
    　一方の主面に形成され、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続された１以上の溝状の第１メインガス流路と、
    　前記一方の主面に形成され、前記第１ガスマニホールド孔及び前記第２ガスマニホールド孔の少なくとも一方にその一端が接続された溝状の第１サブガス流路と、
    　前記一方の主面に形成され、一端が前記第１サブガス流路から分岐され、かつ、他端が閉鎖された溝状の第２サブガス流路と、を備える、燃料電池用セパレータ。
  2. 　前記第１メインガス流路が屈曲するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 　前記第１メインガス流路はサーペンタイン状に形成されている、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 　前記第１メインガス流路によって挟まれるようにして形成された第１リブに前記第２サブガス流路が設けられている、請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
  5. 　前記第１サブガス流路の断面積は、前記第１メインガス流路の断面積より小さい、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  6. 　前記第１サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  7. 　前記第１サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  8. 　前記第１サブガス流路は、一端が閉鎖され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  9. 　複数の前記第１メインガス流路が並走するように設けられ、
    　該複数の第１メインガス流路の間に形成された第２リブに溝状の第３サブガス流路が設けられている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  10. 　前記第３サブガス流路は、一端が前記第１ガスマニホールド孔又は前記第２ガスマニホールド孔に接続され、他端が閉鎖されている、請求項９に記載の燃料電池用セパレータ。
  11. 　前記第２サブガス流路が、１以上設けられている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  12. 　厚み方向に貫通し、反応ガスを供給する第１ガスマニホールド孔と、厚み方向に貫通し、反応ガスを排出する第２ガスマニホールド孔と、一方の主面に形成され、一端が前記第１ガスマニホールド孔に接続され、他端が前記第２ガスマニホールド孔に接続された１以上の溝状の第１メインガス流路と、前記一方の主面に形成され、前記第１ガスマニホールド孔及び前記第２ガスマニホールド孔の少なくとも一方にその一端が接続された溝状の第１サブガス流路と、前記一方の主面に形成され、一端が前記第１サブガス流路から分岐され、かつ、他端が閉鎖された溝状の第２サブガス流路と、を備える、板状の第１セパレータと、
    　板状の第２セパレータと、
    　前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの間に配置されている膜－電極接合体と、を備える、燃料電池。
  13. 　前記第２セパレータの一方の主面には、溝状の第２メインガス流路が設けられ、
    　前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２メインガス流路の少なくとも一部が、前記第１セパレータの第２サブガス流路と重なるように設けられている、請求項１２に記載の燃料電池。
  14. 　前記第２メインガス流路が屈曲するように形成されている、請求項１２に記載の燃料電池。
  15. 　前記第２メインガス流路はサーペンタイン状に形成されている、請求項１４に記載の燃料電池。
     
     
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