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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-31
(45)【発行日】2023-08-08
(54)【発明の名称】燃料電池セパレータと燃料電池セル
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0247 20160101AFI20230801BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20230801BHJP
H01M 8/10 20160101ALI20230801BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0247
H01M8/0258
H01M8/10 101
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019150903
(22)【出願日】2019-08-21
(65)【公開番号】P2021034170
(43)【公開日】2021-03-01
【審査請求日】2022-06-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000028
【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】加藤 英明
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 丈明
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１１４５０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１７５７１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２６９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２２１８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７
Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池用セパレータであって、燃料電池用セパレータの一方の面に設けられた直線状の凸部と、
前記直線状の凸部に対して一方の側において、前記直線状の凸部と並列に伸びる複数の波形状の凸部と、を有し、
複数の前記波形状の凸部のうち、最も前記直線状の凸部と近い前記波形状の凸部と、前記直線状の凸部と、の間であって、前記波形状の凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられ、
前記複数の凸部は、
前記波形状の凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、
それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、
前記直線状の凸部と、前記複数の凸部のそれぞれとの間には、反応ガスを流通させる流路が形成されている、
燃料電池用セパレータ。
【請求項2】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記直線状の凸部は、前記波形状の凸部のうち前記直線状の凸部と最も近い部分に向かって突出する一つ以上の部分を有する、
燃料電池用セパレータ。
【請求項3】
燃料電池セルであって、
膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟む、互いに向かい合う第１の辺および第２の辺と互いに向かい合う第３の辺と第４の辺とを有する一対の四角形の板状のセパレータと、
前記第２の辺よりも前記第１の辺に近い位置に設けられた、酸化ガス供給マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、
前記第１の辺よりも前記第２の辺に近い位置に設けられた、燃料ガス供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、
前記セパレータの一方の面であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と向かい合う側の面に、
前記第１の辺から前記第２の辺に向かう向きに伸びる複数の波形凸部と、
前記波形凸部と並列に伸びる直線状の凸部と、
を有し、
前記波形凸部のうち、前記直線状の凸部に最も近い前記波形凸部と、前記直線状の凸部との間であって、前記波形凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられており、
前記複数の凸部は、
前記波形凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、
それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、
前記膜電極ガス拡散層接合体の前記セパレータと向かい合う面において、前記複数の波形凸部または前記複数の凸部が接していない部分と、前記セパレータとの間には、流路が形成されている、
燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池車両では、燃料電池を収容するためのスペースの、鉛直方向の寸法が制限されることがある。そのため、燃料電池車両では、例えば、鉛直方向の長さに対して、水平方向の長さが大きい形状を有する燃料電池が用いられている。このような燃料電池のセパレータのＧＤＬと向かいあう面においては、波形状の凸部が水平方向に伸びるように形成されている。波形状の凸部の間に波形状の流路が形成される。特許文献１では、図９に示すように、セパレータ７０において波形状の凸部Ｃ７０２に加えて、重力方向の最下部に、平坦状の凸部Ｃ７０１を設けることにより、波形状の凸部Ｃ７０２と平坦状の凸部Ｃ７０１の間に、波形状の流路Ｆ７０２よりも断面積が大きい流路Ｆ７０１を形成したセパレータ７０を提示している。このセパレータ７０においては、生成水の、重力方向の下方の流路での滞留の防止、及び、生成水のガス流路への効率的な排出を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０７４－２７９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、ＧＤＬは、カーボンペーパ等で構成されている。また、ＧＤＬに対してセパレータと逆の側には、表面に触媒層が設けられたＭＥＡが配されている。従来技術においては、図１０に示すように、波形状の凸部Ｃ７０２と平坦状の凸部Ｃ７０１の間の流路幅Ｒ７０１は、波形状の凸部Ｃ７０２と波形状の凸部Ｃ７０２の間の流路幅Ｒ７０２よりも広くなる。この結果、セパレータ７０と重ねられているＧＤＬ８０が広くなった流路Ｆ７０１に突出し、流路の圧損が生じるおそれがあった（図１０破線枠内参照）。また、流路幅が大きくなっている部分において、ＧＤＬと触媒層との接触抵抗が増加するという心配があった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、燃料電池用セパレータの一方の面に設けられた直線状の凸部と、前記直線状の凸部に対して一方の側において、前記直線状の凸部と並列に伸びる複数の波形状の凸部と、を有し、複数の前記波形状の凸部のうち、最も前記直線状の凸部と近い前記波形状の凸部と、前記直線状の凸部と、の間であって、前記波形状の凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられ、前記複数の凸部は、前記波形状の凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、前記直線状の凸部と、前記複数の凸部のそれぞれとの間には、反応ガスを流通させる流路が形成されている。
（２）本開示の他の形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟む、互いに向かい合う第１の辺および第２の辺と互いに向かい合う第３の辺と第４の辺とを有する一対の四角形の板状のセパレータと、前記第２の辺よりも前記第１の辺に近い位置に設けられた、酸化ガス供給マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、前記第１の辺よりも前記第２の辺に近い位置に設けられた、燃料ガス供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、前記セパレータの一方の面であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と向かい合う側の面に、前記第１の辺から前記第２の辺に向かう向きに伸びる複数の波形凸部と、前記波形凸部と並列に伸びる直線状の凸部と、を有し、前記波形凸部のうち、前記直線状の凸部に最も近い前記波形凸部と、前記直線状の凸部との間であって、前記波形凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられており、前記複数の凸部は、前記波形凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、前記膜電極ガス拡散層接合体の前記セパレータと向かい合う面において、前記複数の波形凸部または前記複数の凸部が接していない部分と、前記セパレータとの間には、流路が形成されている。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、燃料電池用セパレータの一方の面に設けられた直線状の凸部と、前記直線状の凸部に対して一方の側において、前記直線状の凸部と並列に伸びる複数の波形状の凸部と、を有し、複数の前記波形状の凸部のうち、最も前記直線状の凸部と近い前記波形状の凸部と、前記直線状の凸部と、の間であって、前記波形状の凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられ、前記複数の凸部は、前記波形状の凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、前記直線状の凸部と、前記複数の凸部のそれぞれとの間には、反応ガスを流通させる流路が形成されている。
（２）本開示の他の形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟む、互いに向かい合う第１の辺および第２の辺と互いに向かい合う第３の辺と第４の辺とを有する一対の四角形の板状のセパレータと、前記第２の辺よりも前記第１の辺に近い位置に設けられた、酸化ガス供給マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、前記第１の辺よりも前記第２の辺に近い位置に設けられた、燃料ガス供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、前記セパレータの一方の面であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と向かい合う側の面に、前記第１の辺から前記第２の辺に向かう向きに伸びる複数の波形凸部と、前記波形凸部と並列に伸びる直線状の凸部と、を有し、前記波形凸部のうち、前記直線状の凸部に最も近い前記波形凸部と、前記直線状の凸部との間であって、前記波形凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、複数の凸部が設けられており、前記複数の凸部は、前記波形凸部と前記直線状の凸部とから互いに独立しており、それぞれ三角柱状の形状であることを特徴とし、前記膜電極ガス拡散層接合体の前記セパレータと向かい合う面において、前記複数の波形凸部または前記複数の凸部が接していない部分と、前記セパレータとの間には、流路が形成されている。
【0006】
本開示の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、燃料電池用セパレータの一方の面に設けられた直線状の凸部と、前記直線状の凸部に対して一方の側において、前記直線状の凸部と並列に伸びる複数の波形状の凸部と、を有し、複数の前記波形状の凸部のうち、最も前記直線状の凸部と近い前記波形状の凸部と、前記直線状の凸部と、の間であって、前記波形状の凸部の各部のうち、前記直線状の凸部から最も離れている部分と、前記直線状の凸部との間に、少なくとも一つ以上の凸部が設けられていることを特徴とする。この形態の燃料電池用セパレータによれば、燃料電池用セパレータを燃料電池セルに取り付けた際、流路におけるＧＤＬの突出を防ぐことができる。このため流路の圧損の増加を防ぐことができる。また、ＧＤＬと触媒層との接触抵抗の増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本開示の第一実施形態における、燃料電池セルの概略構成図を示す説明図である。
【図2】本開示の第一実施形態における、カソード側セパレータの概略構成図を示す説明図である。
【図3】本開示の第一実施形態における、アノード側セパレータの概略構成図を示す説明図である。
【図5】本開示における第二実施形態における、アノード側セパレータの概略構成図を示す説明図である。
【図7】本開示における第三実施形態における、カソード側セパレータの概略構成図を示す説明図である。
【図9】従来技術のセパレータの概略構成図を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
Ａ．第一実施形態
Ａ１．燃料電池セル１の構成
図１は、本開示の第一実施形態における、燃料電池セル１の概略構成図を示す説明図である。燃料電池セル１は、反応ガスとして水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する。燃料ガスとしては、水素ガスを用いる。酸化ガスとしては、空気を用いる。
Ａ１．燃料電池セル１の構成
図１は、本開示の第一実施形態における、燃料電池セル１の概略構成図を示す説明図である。燃料電池セル１は、反応ガスとして水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する。燃料ガスとしては、水素ガスを用いる。酸化ガスとしては、空気を用いる。
【0009】
燃料電池セル１は、複数の燃料電池セル１が図示しない一対のエンドプレートにより積層方向であるＹ軸の方向に支持される。また、積層方向は水平方向である。燃料電池セル１は、カソード側セパレータ１０と、アノード側セパレータ２０と、膜電極ガス拡散層接合体３０を備える。説明の便宜上、膜電極ガス拡散層接合体３０を、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０とも呼ぶ。
【0010】
図２は、本開示の第一実施形態における、カソード側セパレータ１０の概略構成図を示す説明図である。カソード側セパレータ１０は、隣接するＭＥＧＡ３０に酸素ガスを供給する（図２参照）。カソード側セパレータ１０は、金属製部材により形成される。
【0011】
カソード側セパレータ１０は、酸化ガス供給マニホールド１００ａと、冷却水供給マニホールドＣＷ１と、燃料ガス排出マニホールド２００ｂと、燃料ガス供給マニホールド２００ａと、冷却水排出マニホールドＣＷ２と、酸化ガス排出マニホールド１００ｂと、直線状凸部Ｃ１０１と、波形状凸部Ｃ１０２と、三角状凸部Ｃ１０３と、流入側エンボス１０３ａと排出側エンボス１０４ａを備える。
【0012】
燃料電池セル１は、複数が積層されることで、図示しない燃料電池スタックを形成する。燃料電池スタックの内部には、積層方向であるＹ軸方向に沿って、複数のマニホールド（１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ、ＣＷ１、ＣＷ２）が形成される（図１参照）。
【0013】
酸化ガス供給マニホールド１００ａには、酸化ガスが流入される。冷却水供給マニホールドＣＷ１には、冷却水が流入される。燃料ガス排出マニホールド２００ｂには、燃料ガスが排出される。酸化ガス供給マニホールド１００ａと、冷却水供給マニホールドＣＷ１と、燃料ガス排出マニホールド２００ｂは、カソード側セパレータ１０の、二つの短辺のうち、一辺である辺Ａの近傍に沿って形成されている。酸化ガス供給マニホールド１００ａと、冷却水供給マニホールドＣＷ１と、燃料ガス排出マニホールド２００ｂは、Ｚ軸の負方向に向かって、この順に設けられている。
【0014】
燃料ガス供給マニホールド２００ａには、燃料ガスが供給される。冷却水排出マニホールドＣＷ２には、冷却水が排出される。酸化ガス排出マニホールド１００ｂには、酸化ガスが排出される。燃料ガス供給マニホールド２００ａと、冷却水排出マニホールドＣＷ２と、酸化ガス排出マニホールド１００ｂは、上述した辺Ａと対向する辺Ｂの近傍に沿って形成されている。燃料ガス供給マニホールド２００ａと、冷却水排出マニホールドＣＷ２と、酸化ガス排出マニホールド１００ｂは、Ｚ軸の負方向に向かって、この順に設けられている。
【0015】
後述するアノード側セパレータ２０でも、酸化ガス供給マニホールド１００ａと、冷却水供給マニホールドＣＷ１と、燃料ガス排出マニホールド２００ｂと、燃料ガス供給マニホールド２００ａと、冷却水排出マニホールドＣＷ２と、酸化ガス排出マニホールド１００ｂを備える。それらの構成は、カソード側セパレータ１０と同様の構成である。
【0016】
直線状凸部Ｃ１０１は、略直線の形状を有する凸部である。直線状凸部Ｃ１０１は、カソード側セパレータ１０の一方の面である１０ａに設けられている。直線状凸部Ｃ１０１は、面１０ａから突出する。面１０ａは、ＭＥＧＡ３０に向かう面である。直線状凸部Ｃ１０１は、Ｘ軸上に伸びている。直線状凸部Ｃ１０１は、後述する波形状凸部Ｃ１０２に対して、カソード側セパレータ１０のＺ軸の正方向の側と、負方向の側にそれぞれ一つずつ設けられている。また、直線状凸部Ｃ１０１は、後述する波形状凸部Ｃ１０２と三角状凸部Ｃ１０３との間に、Ｘ軸上に伸びる直線状流路Ｆ１０１を形成する。
【0017】
波形状凸部Ｃ１０２は、略波形の形状を有する複数の凸部である。波形状凸部Ｃ１０２は、面１０ａから突出する。波形状凸部Ｃ１０２は、直線状凸部Ｃ１０１に対して、カソード側セパレータ１０の中心側において、直線状凸部Ｃ１０１と並列に伸びるように形成されている。波形状凸部Ｃ１０２は、伸びている方向に沿って、直線状凸部Ｃ１０１との距離が変動する。隣接する波形状凸部Ｃ１０２は、波形状流路Ｆ１０２を形成する。波形状凸部Ｃ１０２は、屈曲して接続された直線状部分で構成されている。また、波形状凸部Ｃ１０２は、周期、振幅が一定の三角波である。
【0018】
三角状凸部Ｃ１０３は、略三角の形状を有する複数の凸部である。三角状凸部Ｃ１０３は、面１０ａから突出する。三角状凸部Ｃ１０３は、複数の波形状凸部Ｃ１０２のうち、最も直線状凸部Ｃ１０１と近い波形状凸部Ｃ１０２ａと、直線状凸部Ｃ１０１との間に設けられている。また、三角状凸部Ｃ１０３は、波形状凸部Ｃ１０２ａの各部のうち、直線状凸部Ｃ１０１から最も離れている部分１０２ａａと、直線状凸部Ｃ１０１との間に設けられている。三角状凸部Ｃ１０３は、波形状凸部Ｃ１０２との間に屈曲流路Ｆ１０３を形成する。
【0019】
直線状流路Ｆ１０１と、波形状流路Ｆ１０２と、屈曲流路Ｆ１０３を合わせた流路を、酸化ガス流路部Ｆ１０ともよぶ。
【0020】
流入側エンボス１０３ａは、カソード側セパレータ１０の、ＭＥＧＡ３０に向かう面１０ａから突出する複数の突起である。複数の流入側エンボス１０３ａは、互いに離れて設けられており、複数の流入側エンボス１０３ａ間の空間が互いに連通してエンボス部１０３を形成している。エンボス部１０３は、酸化ガスを面１０ａ内にてＸ軸の負方向に均一に分配する機能を奏する。
【0021】
排出側エンボス１０４ａは、カソード側セパレータ１０の、ＭＥＧＡ３０に向かう面１０ａから突出する複数の突起である。排出側エンボス１０４ａは、互いに離れて設けられており、複数の排出側エンボス１０４ａ間の空間が互いに連通してエンボス部１０４を形成している。エンボス部１０４は、酸化ガスを均一に排出する機能を奏する。
【0022】
図３は、本開示の第一実施形態における、アノード側セパレータ２０の概略構成図を示す説明図である。アノード側セパレータ２０は、隣接するＭＥＧＡ３０に燃料ガスを供給する。
【0023】
アノード側セパレータ２０は、酸化ガス供給マニホールド１００ａと、冷却水供給マニホールドＣＷ１と、燃料ガス排出マニホールド２００ｂと、燃料ガス供給マニホールド２００ａと、冷却水排出マニホールドＣＷ２と、酸化ガス排出マニホールド１００ｂと、直線状凸部Ｃ２０１と、波形状凸部Ｃ２０２と、三角状凸部Ｃ２０３と、流入側エンボス２０３ａと排出側エンボス２０４ａを備える。
【0024】
直線状凸部Ｃ２０１は、略直線の形状を有する凸部である。直線状凸部Ｃ２０１は、アノード側セパレータ２０の一方の面である２０ａに設けられている。直線状凸部Ｃ２０１は、面２０ａから突出する。面２０ａは、ＭＥＧＡ３０に向かう面である。直線状凸部Ｃ２０１は、Ｘ軸上に伸びている。直線状凸部Ｃ２０１は、後述する波形状凸部Ｃ２０２に対して、アノード側セパレータ２０のＺ軸の正方向の側と、負方向の側にそれぞれ一つずつ設けられている。また、直線状凸部Ｃ２０１は、後述する波形状凸部Ｃ２０２と三角状凸部Ｃ２０３との間に、Ｘ軸上に伸びる直線状流路Ｆ２０１を形成する。
【0025】
波形状凸部Ｃ２０２は、略波形の形状を有する複数の凸部である。波形状凸部Ｃ２０２は、面２０ａから突出する。波形状凸部Ｃ２０２は、直線状凸部Ｃ２０１に対して、アノード側セパレータ２０の中心側において、直線状凸部Ｃ２０１と並列に伸びるように形成されている。波形状凸部Ｃ２０２は、伸びている方向に沿って、直線状凸部Ｃ２０１との距離が変動する。隣接する波形状凸部Ｃ２０２は、波形状流路Ｆ２０２を形成する。波形状凸部Ｃ２０２は、屈曲して接続された直線状部分で構成されている。また、波形状凸部Ｃ２０２は、周期、振幅が一定の三角波である。
【0026】
三角状凸部Ｃ２０３は、略三角の形状を有する凸部である。三角状凸部Ｃ２０３は、面２０ａから突出する。三角状凸部Ｃ２０３は、波形状凸部Ｃ２０２のうち、最も直線状凸部Ｃ２０１と近い波形状凸部Ｃ２０２ａと直線状凸部Ｃ２０１との間に設けられている。また、三角状凸部Ｃ２０３は、波形状凸部Ｃ２０２ａの各部のうち、直線状凸部Ｃ２０１から最も離れている部分Ｃ２０２ａａと、直線状凸部Ｃ２０１との間に設けられている。三角状凸部Ｃ２０３は、波形状凸部Ｃ２０２との間に屈曲流路Ｆ２０３を形成する。
【0027】
直線状流路Ｆ２０１と、波形状流路Ｆ２０２と、屈曲流路Ｆ２０３を、合わせて燃料ガス流路部Ｆ２０ともよぶ。
【0028】
流入側エンボス２０３ａは、アノード側セパレータ２０の、ＭＥＧＡ３０に向かう面２０ａから突出する複数の突起である。複数の流入側エンボス２０３ａは、互いに離れて設けられており、複数の流入側エンボス２０３ａ間の空間が互いに連通してエンボス部２０３を形成している。エンボス部２０３は、燃料ガスを面２０ａ内にてＸ軸の正方向に均一に分配する機能を奏する。
【0029】
排出側エンボス２０４ａは、アノード側セパレータ２０の、ＭＥＧＡ３０に向かう面２０ａから突出する複数の突起である。排出側エンボス２０４ａは、互いに離れて設けられており、複数の排出側エンボス２０４ａ間の空間が互いに連通してエンボス部２０４を形成している。エンボス部２０４は、燃料ガスを均一に排出する機能を奏する。
【0030】
図４は、本開示の第一実施形態の、図１におけるＩＶ－ＩＶ線断面図である。図４に示すように、ＭＥＧＡ３０は電解質膜３００と、カソード電極３１０ａと、アノード電極３１０ｂと、酸化ガス拡散層３２０ａと、燃料ガス拡散層３２０ｂを有している。
【0031】
電解質膜３００は、プロトンの伝導及びこれに伴う水の移動についての性能を有する。電解質膜３００は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系のイオン交換膜で形成される。
【0032】
カソード電極３１０ａは、カソード側の電極反応が進行する反応場であり、アノード電極３１０ｂと同様に、電解質膜３００との接触面の近辺に触媒を含んでいる。アノード電極３１０ｂは、アノード側の電極反応が進行する反応場であり、電解質膜３００との接触面の近辺に電極反応を促進する触媒を含んでいる。
【0033】
酸化ガス拡散層３２０ａは、酸化ガスの供給時に酸化ガスを拡散する。酸化ガス拡散層３２０ａは、ガス透過性および電子伝導性を有する。燃料ガス拡散層３２０ｂは、燃料ガスの供給時に燃料ガスを拡散する。燃料ガス拡散層３２０ｂは、ガス透過性および電子伝導性を有する。
【0034】
Ａ２．燃料電池セル１の動作：
図１に示すように、酸化ガス供給マニホールド１００ａに、矢印ＳＡ（図１の白抜き矢印参照）の向きに酸化ガスが供給される。供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド１００ａから、凸部が突出している面１０ａに導入される。供給された酸化ガスは、エンボス部１０３を通って、酸化ガス流路部Ｆ１０をＸ軸の負方向に向かって流動する（図２参照）。
図１に示すように、酸化ガス供給マニホールド１００ａに、矢印ＳＡ（図１の白抜き矢印参照）の向きに酸化ガスが供給される。供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド１００ａから、凸部が突出している面１０ａに導入される。供給された酸化ガスは、エンボス部１０３を通って、酸化ガス流路部Ｆ１０をＸ軸の負方向に向かって流動する（図２参照）。
【0035】
酸化ガスの供給とともに、燃料ガス供給マニホールド２００ａに、矢印ＳＢ（図１のクロスハッチング矢印参照）のように燃料ガスが供給される。供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド２００ａから面２０ａに導入される。供給された燃料ガスは、エンボス部２０３を通って、燃料ガス流路部Ｆ２０をＸ軸の正方向に向かって流動する（図３参照）。
【0036】
酸化ガス流路部Ｆ１０を通る酸化ガスは、酸化ガス拡散層３２０ａを透過してカソード電極３１０ａに供給される。また、燃料ガス流路部Ｆ２０を通る燃料ガスは、燃料ガス拡散層３２０ｂを透過してアノード電極３１０ｂに供給される。供給された酸化ガスと燃料ガスは、電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【0037】
発電により生じた生成水は、カソード側セパレータ１０においては酸化ガス拡散層３２０ａを介してＸ軸の負方向及びＺ軸の負方向に移動する（図２参照）。本実施形態においては、Ｚ軸の負方向は重力方向の下方ともよぶ。重力方向の下方に移動した生成水は、酸化ガス流路部Ｆ１０のうち、特に直線状流路Ｆ１０１と屈曲流路Ｆ１０３からエンボス部１０４を通った後に、酸化ガス排出マニホールド１００ｂから排出される。
【0038】
アノード側セパレータ２０においては、酸化ガス流路部Ｆ１０から燃料ガス流路部Ｆ２０に浸透した生成水が重力方向の下方に移動する（図３参照）。燃料ガス流路部Ｆ２０に移動した生成水は、燃料ガス流路部Ｆ２０のうち、特に直線状流路Ｆ２０１と屈曲流路Ｆ２０３からエンボス部２０４を通った後に、燃料ガス排出マニホールド２００ｂから排出される。
【0039】
図９は、従来技術のセパレータ７０の概略構成図を示す説明図である。図１０は、従来技術の、燃料電池セルの図４におけるＩＶ－ＩＶ線と同じ箇所での断面図である。図９及び図１０に示すように、セパレータ７０の流路幅Ｒ７０１とは、直線状凸部Ｃ７０１から最も離れている部分Ｃ７０２ａａと直線状凸部Ｃ７０１との間の流路をいう。
【0040】
図２に示すように、直線状凸部Ｃ１０１から最も離れている部分Ｃ１０２ａａと直線状凸部Ｃ１０１との間に三角状凸部Ｃ１０３が設けられている。これにより、直線状流路Ｆ１０１の流路幅Ｒ１０１の寸法が、三角状凸部Ｃ１０３が設けられていない場合の流路幅Ｒ７０１の寸法よりも小さくなる（図４及び図１０参照）。
【0041】
また、図３に示すように、直線状凸部Ｃ２０１から最も離れている部分Ｃ２０２ａａと直線状凸部Ｃ２０１との間に三角状凸部Ｃ２０３が設けられている。これにより、直線状流路Ｆ２０１の流路幅Ｒ２０１の寸法が、三角状凸部Ｃ２０３が設けられていない場合の流路幅Ｒ７０１の寸法よりも小さくなる（図４及び図１０参照）。
【0042】
この結果、直線状流路Ｆ１０１及び直線状流路Ｆ２０１における酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂの突出を防ぐことができる（図４破線枠内）。このため直線状流路Ｆ１０１及び直線状流路Ｆ２０１における酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂの圧損の増加を防ぐことができる。また、酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂと触媒層との接触抵抗の増加を抑えることができる。
【0043】
さらに、三角状凸部Ｃ１０３、Ｃ２０３を設けることで、直線状流路Ｆ１０１、Ｆ２０１と屈曲流路Ｆ１０３、Ｆ２０３の間を流れる酸化ガス及び燃料ガスが酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂに入り込みやすくなる。これにより酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂから生成水が押し出されるため、生成水が流路から排出されやすくなる。
【0044】
消費された酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド１００ｂに排出される。排出された酸化ガスは、Ｙ軸の負方向へ流動する（図１参照）。また、消費された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド２００ｂに排出される。排出された燃料ガスは、Ｙ軸の負方向へ流動する（図１参照）。
【0045】
酸化ガスと燃料ガスの供給とともに、冷却水供給マニホールドＣＷ１に、矢印ＳＣ（図１のシングルハッチング参照）のように純水である冷却水が供給される。供給された冷却水は、カソード側セパレータ１０の面１０ｂとアノード側セパレータ２０の面２０ｂ間の冷却水流路部ＦＷを、Ｘ軸の負方向に向かって流動する。冷却水はＭＥＧＡ３０を冷却した後、冷却水排出マニホールドＣＷ２に排出される（図１参照）。
【0046】
Ｂ．第二実施形態
図５は、本開示における第二実施形態における、アノード側セパレータ４０の概略構成図を示す説明図である。第二実施形態では、アノード側セパレータ２０の三角状凸部Ｃ２０３に代えて第二波形状凸部Ｃ４０３を備え、カソード側セパレータ１０の三角状凸部Ｃ１０３に代えて第二波形状凸部Ｃ５０３を備える点で第一実施形態と異なる。それ以外の構成は第一実施形態の及びカソード側セパレータ１０及びアノード側セパレータ２０と同様である。なお、以下において、第一実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図５は、本開示における第二実施形態における、アノード側セパレータ４０の概略構成図を示す説明図である。第二実施形態では、アノード側セパレータ２０の三角状凸部Ｃ２０３に代えて第二波形状凸部Ｃ４０３を備え、カソード側セパレータ１０の三角状凸部Ｃ１０３に代えて第二波形状凸部Ｃ５０３を備える点で第一実施形態と異なる。それ以外の構成は第一実施形態の及びカソード側セパレータ１０及びアノード側セパレータ２０と同様である。なお、以下において、第一実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【0047】
図５に示すように、第二波形状凸部Ｃ４０３は、略波形の形状を有する凸部である。第二波形状凸部Ｃ４０３は、アノード側セパレータ４０の、ＭＥＧＡ３０に向かう面４０ａから突出する。第二波形状凸部Ｃ４０３は、Ｘ軸上に伸びている。第二波形状凸部Ｃ４０３は、波形状凸部Ｃ２０２のうち、最も直線状凸部Ｃ２０１と近い波形状凸部Ｃ２０２ａと直線状凸部Ｃ２０１との間に設けられている。また、第二波形状凸部Ｃ４０３は、波形状凸部Ｃ２０２ａの各部のうち、直線状凸部Ｃ２０１から最も離れている部分Ｃ２０２ａａと、直線状凸部Ｃ２０１との間に設けられている。第二波形状凸部Ｃ４０３の振幅は、波形状凸部Ｃ２０２の振幅よりも小さい。また、波形状凸部Ｃ２０２の波長の大きさと第二波形状凸部Ｃ４０３の波長の大きさは同じである。
【0048】
第二波形状凸部Ｃ４０３は、直線状凸部Ｃ２０１との間に、Ｘ軸上に伸びる直線状流路Ｆ４０１を形成する。また、第二波形状凸部Ｃ４０３は、波形状凸部Ｃ２０２との間に、屈曲流路Ｆ４０３を形成する。
【0049】
カソード側セパレータ５０は、アノード側セパレータ４０と同様の形状を有する。
【0050】
図６は、本開示の第二実施形態の、図４におけるＩＶ－ＩＶ線と同じ箇所での断面図である。直線状凸部Ｃ２０１から最も離れている部分Ｃ２０２ａａと直線状凸部Ｃ２０１との間に第二波形状凸部Ｃ４０３が設けられている（図５参照）。これにより、直線状流路Ｆ４０１の流路幅Ｒ４０１の寸法が、第二波形状凸部Ｃ４０３が設けられていない場合の流路幅Ｒ７０１の寸法よりも小さくなる（図６及び図１０参照）。
【0051】
また、アノード側セパレータ４０と同様に、カソード側セパレータ５０の直線状凸部Ｃ１０１から最も離れている部分Ｃ１０２ａａと直線状凸部Ｃ５０１との間に第二波形状凸部Ｃ５０３が設けられている。これにより、直線状流路Ｆ５０１の流路幅Ｒ５０１の寸法が、第二波形状凸部Ｃ５０３が設けられていない場合の流路幅Ｒ７０１の寸法よりも小さくなる（図６及び図１０参照）。
【0052】
この結果、直線状流路Ｆ４０１及び直線状流路Ｆ５０１における酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂの突出を防ぐことができる（図６破線枠内）。このため直線状流路Ｆ４０１及び直線状流路Ｆ５０１における酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂの圧損を防ぐことができる。また、酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂと触媒層との接触抵抗の増加を抑えることができる。
【0053】
さらに、第二波形状凸部Ｃ４０３、Ｃ５０３を設けることで、直線状流路Ｆ４０１、Ｆ５０１と屈曲流路Ｆ４０３、Ｆ５０３の間を流れる酸化ガス及び燃料ガスが、酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂに入り込みやすくなる。そのため酸化ガス拡散層３２０ａ及び燃料ガス拡散層３２０ｂから生成水が押し出されるため、排水性が向上する。
【0054】
Ｃ．第三実施形態
図７は、本開示における第三実施形態における、カソード側セパレータ６０の概略構成図を示す説明図である。第三実施形態では、カソード側セパレータ１０の直線状凸部Ｃ１０１及び波形状凸部Ｃ１０２に代えて、直線状凸部Ｃ６０１と波形状凸部Ｃ６０２を備える点で第一実施形態と異なる。それ以外の構成は第一実施形態と同様である。なお、以下において、第一実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７は、本開示における第三実施形態における、カソード側セパレータ６０の概略構成図を示す説明図である。第三実施形態では、カソード側セパレータ１０の直線状凸部Ｃ１０１及び波形状凸部Ｃ１０２に代えて、直線状凸部Ｃ６０１と波形状凸部Ｃ６０２を備える点で第一実施形態と異なる。それ以外の構成は第一実施形態と同様である。なお、以下において、第一実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【0055】
図７に示すように、直線状凸部Ｃ６０１は、Ｚ軸の方向に突出する複数の第一凸部Ｃ６０１ａと、Ｘ軸の方向に伸びる平坦部Ｃ６０１ｂを有する。平坦部Ｃ６０１ｂのＺ軸方向の幅ＲＨ６０１ｂの寸法は、第一実施形態における直線状凸部Ｃ１０１のＺ軸方向の幅ＲＨ１０１の寸法よりも小さい（図２参照）。
【0056】
波形状凸部Ｃ６０２は、第二凸部Ｃ６０２ａａと第三凸部Ｃ６０２ｂｂをそれぞれ複数有している。第二凸部Ｃ６０２ａａと第三凸部Ｃ６０２ｂｂは、Ｚ軸の方向に突出する。第二凸部Ｃ６０２ａａは、直線状凸部Ｃ６０１と最も近い波形状凸部Ｃ６０２ａの山又は谷に設けられている。第三凸部Ｃ６０２ｂｂは、直線状凸部Ｃ６０１と、波形状凸部Ｃ６０２ａの次に近い波形状凸部Ｃ６０２ｂの山又は谷に設けられている。
【0057】
第二凸部Ｃ６０２ａａと第三凸部Ｃ６０２ｂｂは、第一凸部Ｃ６０１ａとＺ軸上に並んで設けられている。第一凸部Ｃ６０１ａ、第二凸部Ｃ６０２ａａ、第三凸部Ｃ６０２ｂｂがＺ軸上に並んだ部分を、凸部エリア６００とする（図７破線枠内参照）。図７に示すように、Ｘ軸の負方向に向かって凸部エリア６００が存在する密度が増加する。また、Ｘ軸の負方向に向かって凸部エリア６００が存在する間隔が小さくなる。
【0058】
図８は、本開示の第三実施形態の、図７におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線での断面図である。図８に示すように、実線部分が、凸部エリア６００が設けられていない部分の断面に該当する。図８の破線で示した部分は、凸部エリア６００の断面に該当する（図７の線８ｂ参照）。図８に示すように、凸部エリア６００の直線状流路Ｆ６０１の流路幅Ｒ６０１の寸法と、屈曲流路Ｆ６０３の流路幅Ｒ６０３の寸法と、波形状流路Ｆ６０２の流路幅Ｒ６０２の寸法は、第一凸部Ｃ６０１ａ、第二凸部Ｃ６０２ａａ、第三凸部Ｃ６０２ｂｂが設けられていない流路幅の寸法よりも小さい。また、直線状流路Ｆ６０１と屈曲流路Ｆ６０３と波形状流路Ｆ６０２のＹ軸の方向の寸法は、凸部エリア６００が設けられていない部分の寸法と同じである。
【0059】
これにより、凸部エリア６００を通る酸化ガスが酸化ガス拡散層３２０ａに入り込みやすくなる。また、Ｘ軸の負方向に向かって生成水が増大する。このため、生成水が酸化ガス拡散層３２０ａから排出されやすくなる。
【0060】
カソード側セパレータ１０とアノード側セパレータ２０のことを、燃料電池用セパレータともよぶ。酸化ガス拡散層３２０ａと燃料ガス拡散層３２０ｂのことを、ＧＤＬともよぶ。平坦状の凸部と直線状の凸部のことを、直線状凸部ともよぶ。波形状の凸部のことを、波形状凸部ともよぶ。また、各図は技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。
【0061】
Ｄ：他の実施形態
Ｄ１）上記実施形態では、カソード側セパレータ１０は、金属製部材により形成される。しかし、カソード側セパレータは、カーボン製部材により形成されてもよい。
Ｄ１）上記実施形態では、カソード側セパレータ１０は、金属製部材により形成される。しかし、カソード側セパレータは、カーボン製部材により形成されてもよい。
【0062】
Ｄ２）上記実施形態では、電解質膜３００は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系のイオン交換膜で形成される。しかし、電解質膜は、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基（電解質成分）を含む膜を用いることができる。
【0063】
Ｄ３）上記実施形態では、冷却水として純水が用いられる。しかし、冷却水は純水に限らずエチレングリコールや、エチレングリコールと水の混合溶液等、他の冷却媒体を用いることもできる。
【0064】
Ｄ４）第三実施形態では、直線状流路Ｆ６０１と屈曲流路Ｆ６０３と波形状流路Ｆ６０２のＹ軸の方向の寸法は、凸部エリア６００が設けられていない部分の寸法と同じである。しかし、直線状流路Ｆ６０１と屈曲流路Ｆ６０３と波形状流路Ｆ６０２のＹ軸の方向の寸法が、凸部エリア６００が設けられていない部分の寸法よりも小さくなっていてもよい。
【0065】
本開示は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【0066】
１…燃料電池セル、１０、５０、６０…カソード側セパレータ、１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ…面、２０、４０…アノード側セパレータ、３０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、７０…従来技術のセパレータ、１００ａ…酸化ガス供給マニホールド、１００ｂ…酸化ガス排出マニホールド、２００ａ…燃料ガス供給マニホールド、２００ｂ…燃料ガス排出マニホールド、ＣＷ１…冷却水供給マニホールド、ＣＷ２…冷却水排出マニホールド、１０３、１０４、２０３、２０４…エンボス部、１０３ａ、２０３ａ、…流入側エンボス、１０４ａ、２０４ａ…排出側エンボス、３００…電解質膜、３１０ａ…カソード電極、３１０ｂ…アノード電極、３２０ａ…酸化ガス拡散層、３２０ｂ…燃料ガス拡散層、Ｃ１０１、Ｃ２０１、Ｃ５０１、Ｃ６０１、Ｃ７０１…直線状凸部、Ｃ１０２、Ｃ１０２ａ、Ｃ２０２、Ｃ２０２ａ、Ｃ６０２、Ｃ６０２ａ…波形状凸部、Ｃ１０３、Ｃ２０３…三角状凸部、Ｃ１０２ａａ、Ｃ２０２ａａ、Ｃ７０２ａａ…部分、Ｃ４０３、Ｃ５０３…第二波形状凸部、Ｃ６０１ａ…第一凸部、Ｃ６０１ｂ…平坦部、Ｃ６０２ａａ…第二凸部、Ｃ６０２ｂｂ…第三凸部、６００…凸部エリア、Ｆ１０…酸化ガス流路部、Ｆ２０…燃料ガス流路部、Ｆ１０１、Ｆ２０１、Ｆ４０１、Ｆ５０１、Ｆ６０１…直線状流路、Ｆ１０２、Ｆ２０２、Ｆ６０２…波形状流路、Ｆ１０３、Ｆ２０３、Ｆ４０３、Ｆ６０３…屈曲流路、ＦＷ…冷却水流路部、Ｒ１０１、Ｒ２０１、Ｒ４０１、Ｒ５０１、Ｒ６０１、Ｒ６０２、Ｒ６０３、Ｒ７０１…流路幅、ＲＨ１０１、ＲＨ６０１…幅、Ａ、Ｂ…辺、ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ…矢印、８ｂ…線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】