JP6658486B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池スタックを搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素ガスと、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池を積層することにより構成されている。燃料電池には、上記の化学反応を行う膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）、及びＭＥＡを挟持する一対のセパレータが含まれる。一方のセパレータには、水素ガスを流す流路溝が設けられ、他方のセパレータには、空気を流す流路溝が設けられており、各流路溝からＭＥＡに水素ガスと空気が供給される。

流路溝の形態として、例えば１本の流路溝が複数本の流路溝に分岐するものが挙げられる（例えば特許文献１〜５参照）。この種の流路溝では、流路溝の分岐部において、流路溝を構成するリブ間の距離が分岐前後の部分より広くなる。このため、セパレータは、ＭＥＡを適切な間隔のリブにより保持することができず、ＭＥＡは、セパレータのリブにより圧縮されていない領域が増加する。

この領域では、ＭＥＡは、乾燥と湿潤の繰り返しによる収縮と膨張のために変形しやすくなる。このため、ＭＥＡにシワや折れなどが生じて劣化し、例えばクロスリークが生ずるおそれがある（例えば特許文献６参照）。

特開２００９−５９６８５号公報 特開２００９−８１０６１号公報 特開２００７−２０７７３１号公報 特開２００７−２０７７３０号公報 特開２００４−１７８８１６号公報 特開２０１２−１１９１６９号公報

上記の問題に対し、流路溝の溝幅を全体的に狭めれば、分岐部でもリブ間の間隔を十分に狭めることができるため、ＭＥＡの圧縮されていない領域を低減し得る。しかし、この場合、セパレータの製造工程において、例えばプレス成型やカーボン成型による流路溝の形成時に高い加工精度が必要とされるため、生産効率を維持することが難しい。なお、この問題は、ＦＣＶに搭載された燃料電池スタックに限定されず、他用途の燃料電池スタックにも同様に存在する。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体の劣化を抑制するとともに生産効率を維持することができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池用セパレータは、ガス拡散層により拡散した反応ガスを用いて発電する膜電極接合体を挟持する燃料電池用セパレータにおいて、前記反応ガスが供給または排出される孔と、前記反応ガスが流れる流路溝群を備え、前記流路溝群には、前記孔から延びる１本の第１流路溝、前記ガス拡散層に重なる複数本の第２流路溝、及び１本の第３流路溝が複数本の第４流路溝に分かれる分岐部が含まれ、前記第１流路溝の一端は、前記第３流路溝の一端に接続され、前記複数本の第２流路溝の一端は、前記複数本の第４流路溝の一端にそれぞれ接続され、前記第３流路溝において、前記複数本の第４流路溝に最も近い部分、及び前記複数本の第４流路溝において、前記第３流路溝に最も近い部分の少なくとも一方には、溝幅が他部分より狭い狭幅部が設けられ、前記狭幅部を含む、前記第３流路溝と前記複数本の第４流路溝の接続部分の溝深さは、他部分より浅い。

上記の構成において、前記狭幅部は、前記複数本の第４流路溝の各々に設けられ、前記複数本の第４流路溝の各々が延びる方向と前記第３流路溝が延びる方向のなす角度がそれぞれ等しく、前記複数本の第４流路溝の各々に設けられた前記狭幅部の溝幅がそれぞれ等しくてもよい。

上記の構成において、前記複数本の第４流路溝の各々に設けられた前記狭幅部の溝幅は、前記複数本の第４流路溝の各々が延びる方向と前記１本の第３流路溝が延びる方向のなす角度が大きいほうが広くてもよい。

上記の構成において、前記流路溝群には、前記第３流路溝に隣り合う他の流路溝と前記狭幅部の間を連通させる連通溝が含まれていてもよい。

上記の構成において、前記連通溝の溝幅は、前記狭幅部の溝幅より狭くてもよい。

上記の構成において、前記連通溝の溝深さは、前記狭幅部の溝深さより浅くてもよい。

上記の燃料電池用セパレータは、前記流路溝群に応じた波板形状を有する金属板であってもよい。

本明細書に記載の燃料電池は、反応ガスを用いて発電する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記一対のセパレータの少なくとも一方は上記の燃料電池用セパレータである。

本発明によれば、膜電極接合体の劣化を抑制するとともに生産効率を維持することができる。

燃料電池の一例を示す分解斜視図である。 セパレータの一例を示す平面図である。 比較例の分岐部を示す平面図及び断面図である。 第１実施例の分岐部を示す平面図及び断面図である。 第２実施例の分岐部を示す平面図及び断面図である。 第３実施例の分岐部を示す平面図である。 第４実施例の分岐部を示す平面図である。 第５実施例の分岐部を示す平面図である。

図１は、燃料電池の一例を示す分解斜視図である。燃料電池スタックは、複数の燃料電池を積層して、その両端にエンドプレートを配置して各エンドプレートの間を締結することにより構成されている。

燃料電池は、一対のセパレータ１，２と、一対の支持フレーム３，４と、一対の支持フレーム３，４内に収容された一対のガス拡散層３０，４０と、膜電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）５とを有する。セパレータ１及び支持フレーム３は燃料電池のカソード側に配置され、セパレータ２及び支持フレーム４は燃料電池のアノード側に配置されている。

支持フレーム３，４は一対のセパレータ１，２の間を絶縁する。また、支持フレーム３，４内のセパレータ１，２側に備えられた不図示のガスケットを圧縮することにより、支持フレーム３，４とセパレータ１，２の間は封止され、気密性が維持される。なお、支持フレーム３，４とセパレータ１，２の間の封止手段はガスケットに限定されず、例えば、支持フレーム３，４とセパレータ１，２を不図示の接着剤により接合することにより支持フレーム３，４とセパレータ１，２の間を封止してもよい。また、支持フレーム３，４は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。

支持フレーム３，４は例えば矩形の板状部材であり、その中心には、ガス拡散層３０，４０を収容するための方形の収容孔３７，４７を有する。なお、ＭＥＡ５は、支持フレーム３，４の少なくとも一方に接合されることにより、ＭＥＡ５に供給される水素ガス及び空気を分離する。ＭＥＡ５は一対のガス拡散層３０，４０により挟まれるため、カソード側のガス拡散層３０、ＭＥＡ５、及びアノード側のガス拡散層４０は、この順に積層される。

ガス拡散層３０，４０は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。カソード側ガス拡散層３０は、一方の反応ガスである酸化剤ガス（空気）を拡散し、アノード側ガス拡散層４０は、他方の反応ガスである水素ガスを拡散する。

符号Ｐ１はＭＥＡ５の断面を示す。ＭＥＡ５は、電解質膜５０、カソード電極５１、及びアノード電極５２を有する。電解質膜５０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

電解質膜５０は、アノード電極５２及びカソード電極５１の間に挟まれている。アノード電極５２及びカソード電極５１は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極５２及びカソード電極５１は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

アノード電極５２には、アノード側セパレータ２からアノード側ガス拡散層４０を介し水素ガスが供給され、カソード電極５１には、カソード側セパレータ１からカソード側ガス拡散層３０を介し酸化剤ガスが供給される。ＭＥＡ５は、酸化剤ガス及び水素ガスを用いた電気化学反応により発電する。

一対のセパレータ１，２は、例えば金属板などにより構成される。カソード側のセパレータ１には、酸化剤ガス（例えば空気）の供給孔１３及び排出孔１４と、水素ガスの供給孔１６及び排出孔１１と、冷却水の供給孔１２及び排出孔１５とが形成されている。

各供給孔１２，１３，１６及び各排出孔１１，１４，１５は、厚み方向に延びる貫通孔であり、その開口は、一例として矩形状を有する。酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４は、セパレータ１の向かい合う一組の対角の近傍にそれぞれ設けられ、水素ガスの供給孔１６及び排出孔１１は、セパレータ１の向かい合う他の一組の対角の近傍にそれぞれ設けられている。供給孔１３には、発電反応に用いられる酸化剤ガスが供給され、排出孔１４には、発電反応に用いられた酸化剤ガスが排出される。

カソード側セパレータ１において、カソード側支持フレーム３内のガス拡散層３０と対向する面１ａには、例えばプレス金型による曲げ加工などによって流路溝群１０が形成されている。より具体的には、カソード側セパレータ１は、金属板をプレス金型で曲げ加工することで流路溝群１０を構成するリブが形成される。すなわち、カソード側セパレータ１は、流路溝群１０に応じた波板形状を有する金属板である。なお、セパレータ１は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

流路溝群１０は、酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４に連通し、酸化剤ガスを供給孔１３から排出孔１４に流す。このとき、酸化剤ガスは、カソード側ガス拡散層３０を通りＭＥＡ５に供給され、発電に使用された後、カソード側ガス拡散層３０を通り流路溝群１０に戻る。

また、供給孔１６には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔１１には、発電反応に用いられた水素ガスが排出される。供給孔１２には、燃料電池を冷却する冷却水が供給され、排出孔１５には、冷却水が排出される。

支持フレーム３，４とアノード側セパレータ２には、積層時に供給孔１３及び排出孔１４に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、支持フレーム３，４には、酸化剤ガスが供給される供給孔３３，４３と、酸化剤ガスが排出される排出孔３４，４４とが設けられている。また、アノード側セパレータ２には、酸化剤ガスが供給される供給孔２３と、酸化剤ガスが排出される排出孔２４とが設けられている。

各供給孔１３，３３，４３，２３は、互いに重なり合うことにより酸化剤ガス供給マニホルドを構成する。酸化剤ガスは、矢印Ａｉｎで示されるように、酸化剤ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、各排出孔１４，３４，４４，２４は、互いに重なり合うことにより酸化剤ガス排出マニホルドを構成する。酸化剤ガスは、矢印Ａｏｕｔで示されるように、酸化剤ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、アノード側セパレータ２には、さらに、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１と、冷却水の供給孔２２及び排出孔２５とが形成されている。

各供給孔２２，２３，２６及び各排出孔２１，２４，２５は、厚み方向に延びる貫通孔であり、その開口は、一例として矩形状を有する。酸化剤ガスの供給孔２３及び排出孔２４は、セパレータ２の向かい合う一組の対角の近傍にそれぞれ設けられ、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１は、セパレータ２の向かい合う他の一組の対角の近傍にそれぞれ設けられている。供給孔２６には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔２１には、発電反応に用いられた水素ガスが排出される。

アノード側セパレータ２において、アノード側支持フレーム４内のガス拡散層４０と対向する面２ａには、例えばプレス金型による曲げ加工などによって流路溝群２０が形成されている。より具体的には、アノード側セパレータ２は、金属板をプレス金型で曲げ加工することで流路溝群２０を構成するリブが形成される。すなわち、アノード側セパレータ２は、流路溝群２０に応じた波板形状を有する金属板である。なお、セパレータ２は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

流路溝群２０は、水素ガスの供給孔２６及び排出孔２１に連通し、水素ガスを供給孔２６から排出孔２１に流す。このとき、水素ガスは、アノード側ガス拡散層４０を通りＭＥＡ５に供給され、発電に使用された後、アノード側ガス拡散層４０を通り流路溝群２０に戻る。

支持フレーム３，４には、積層時に供給孔２６及び排出孔２１に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、支持フレーム３，４には水素ガスが供給される供給孔３６，４６と、水素ガスが排出される排出孔３１，４１とが設けられている。

各供給孔１６，３６，４６，２６は、互いに重なり合うことにより水素ガス供給マニホルドを構成する。水素ガスは、矢印Ｈｉｎで示されるように、水素ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、各排出孔１１，３１，４１，２１は、互いに重なり合うことにより水素ガス排出マニホルドを構成する。水素ガスは、矢印Ｈｏｕｔで示されるように、水素ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。

また、冷却水の各供給孔１２，３２，４２，２２は、互いに重なり合うことにより冷却水供給マニホルドを構成し、冷却水の排出孔１５，３５，４５，２５は、互いに重なり合うことにより冷却水排出マニホルドを構成する。冷却水は、冷却水供給マニホルド及び水素ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れる。冷却水は、図示を省略するが、カソード側セパレータ１の面１ａとは反対面内の流路溝とアノード側セパレータ２の面２ａとは反対面内の流路溝の少なくとも一方を流れることにより燃料電池を冷却する。

このように、一対のセパレータ１，２は、酸化剤ガス及び水素ガスを用いて発電するＭＥＡ５を挟持する。各セパレータ１，２のＭＥＡ５に対向する面１ａ，２ａには、ＭＥＡ５との間で受け渡される酸化剤ガス及び水素ガスを流す流路溝群１０，２０が備えられている。なお、本例において、燃料電池にはガス拡散層３０，４０が設けられているが、ガス拡散層３０，４０に代えて、他の多孔質層が設けられてもよい。

図２は、セパレータ１の一例を示す平面図である。本例では、カソード側セパレータ１を挙げるが、以下に述べる構成はアノード側セパレータ２にも同様に適用することができる。

セパレータ１の面１ａには、酸化剤ガスが流れる流路溝群１０が形成されている。流路溝群１０は、酸化剤ガスの供給孔１３及び排出孔１４に連通する。流路溝群１０には、１本の流路溝が複数本の流路溝に分かれる分岐部１０ａ，１０ｂが設けられている。

分岐部１０ａは、供給孔１３に連通する各溝を複数本の流路溝に分岐し、分岐部１０ｂは、排出孔１４に連通する各溝を複数本の流路溝に分岐する。このため、セパレータ１は、ガス拡散層３０に重なる流路溝の数を増やし、ＭＥＡ５に酸化剤ガスを効率的に供給することができる。なお、アノード側セパレータ２の場合、流路溝の数が増えることにより、ＭＥＡ５に水素ガスを効率的に供給することができる。以下の例では、符号Ｐ２で示される分岐部１０ａの一部の構成について述べるが、他の分岐部１０ａ，１０ｂの部分にも同様の構成は可能である。

（比較例）
図３は、比較例の分岐部１０ａを示す平面図及び断面図である。分岐部１０ａでは、１本の流路溝１００ｘが２本の流路溝１０１ｘ，１０２ｘに分岐する。分岐先の各流路溝１０１ｘ，１０２ｘが延びる方向Ｌｍ，Ｌｎと分岐元の流路溝１００ｘが延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎはそれぞれ等しい。なお、図３において、断面は、流路溝１００ｘ，１０２ｘに沿った線分Ｘ−Ｘ’に沿ったものが示されている。

分岐前後で流路溝１００ｘ〜１０２ｘの溝深さＤｏ及び溝幅Ｗｏは一定であるが、各流路溝１００ｘ〜１０２ｘの交差部分１００ｙの溝幅Ｗａは、分岐元の流路溝１００ｘから分岐先の各流路溝１０１ｘ，１０２ｘに向かって拡張される。

このため、分岐部１０ａにおいて、流路溝１００ｘ〜１０２ｘを構成するリブ間の距離が分岐前後の部分より広くなる。これにより、セパレータ１は、ＭＥＡ５を適切な間隔のリブにより保持することができず、ＭＥＡは、セパレータ１のリブにより圧縮されていない領域が増加する。

この領域では、ＭＥＡ５は、乾燥と湿潤の繰り返しによる収縮と膨張のために変形しやすくなる。このため、ＭＥＡ５にシワや折れなどが生じて劣化し、例えばクロスリークが生ずるおそれがある。

これに対し、流路溝群１０の溝幅を全体的に狭めれば、分岐部１０ａ，１０ｂでもリブ間の間隔を十分に狭めることができるため、ＭＥＡ５の圧縮されていない領域を低減し得る。しかし、この場合、セパレータ１の製造工程において、例えばプレス成型やカーボン成型による流路溝の形成時に高い加工精度が必要とされるため、生産効率を維持することが難しい。

そこで、実施例のセパレータ１，２は、分岐部１０ａ，１０ｂに、溝幅が他部分より狭い狭幅部が設けられ、狭幅部の溝深さが他部分より浅くなるように構成される。この構成によると、セパレータ１，２は、分岐部１０ａ，１０ｂに狭幅部を設けることによりリブ間の距離を縮めることができるため、ＭＥＡ５を適切な間隔のリブにより保持することができる。

また、セパレータ１，２は、狭幅部の溝深さが他部分より浅いため、プレス成型やカーボン成型などにおいて生産が容易となり、生産効率を維持することができる。例えば、セパレータ１，２がプレス成型により生産される場合、狭幅部は、溝幅が狭くても溝深さが浅いため、プレスによる材料の引き延ばし量の増加を抑えることができ、その結果、プレス工程の増加が抑制されて生産が容易となる。また、セパレータ１，２がカーボン成型により生産される場合、狭幅部の溝幅が狭くてもその溝深さが浅いため、型の製作が容易となるとともに型の寿命を延ばすこともできる。これにより、セパレータ１，２の生産効率を維持することが可能となる。

（第１実施例）
図４は、第１実施例の分岐部１０ａを示す平面図及び断面図である。分岐部１０ａでは、１本の流路溝１００が２本の流路溝１０１，１０２に分岐する。分岐先の各流路溝１０１，１０２が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎと分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎはそれぞれ等しい。なお、図４において、断面は、流路溝１００，１０２に沿った線分Ｘａ−Ｘｂに沿ったものが示されている。

分岐先の流路溝１０１の入口には狭幅部１０１ａが設けられ、分岐先の流路溝１０２の入口には狭幅部１０２ａが設けられている。狭幅部１０１ａの溝幅Ｗｍ及び狭幅部１０２ａの溝幅Ｗｎは他部分の溝幅Ｗｏより狭い。なお、分岐先の流路溝１０１の入口とは、流路溝１０１のうち、分岐元の流路溝１００に最も近い部分を指す。

このため、セパレータ１は、分岐部１０ａにおいてリブ間の距離を縮めることができるので、ＭＥＡ５を適切な間隔のリブにより保持することができる。

より具体的には、狭幅部１０１ａの溝幅Ｗｍは、分岐元の流路溝１００から分岐先の流路溝１０１に向かい徐々に広がっており、狭幅部１０２ａの溝幅Ｗｎは、分岐元の流路溝１００から分岐先の流路溝１０２に向かい徐々に広がっている。なお、図４では、狭幅部１０１ａ，１０２ａの最小の溝幅Ｗｍ，Ｗｎが矢印で示されている。

狭幅部１０１ａの溝幅Ｗｍと狭幅部１０２ａの溝幅Ｗｎは異なっていてもよいが、等しいほうが好ましい。これは、分岐先の各流路溝１０１，１０２の角度θｍ，θｎがそれぞれ等しいため、分岐元の流路溝１００から流れ込んだ酸化剤ガスを各流路溝１０１，１０２にほぼ同じ流量で流し込むことが可能となるためである。

また、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝深さは他部分より浅い。より具体的には、流路溝１００〜１０２の底面９０〜９６のうち、狭幅部１０１ａ，１０２ａ、つまり分岐先の流路溝１０１，１０２の入口を含む底面９２が、他の底面９０，９１，９３，９４，９５，９６より高くなっている。

断面に示されるように、分岐元の流路溝１００の底面９０及び分岐先の流路溝１０１の底面９６における溝深さＤｏは、狭幅部１０１ａ，１０２ａを含む３本の流路溝１００〜１０２の交差路部分の溝深さＤｎより深い。また、分岐元の流路溝１００の底面９１は、底面９０と底面９２を接続するために斜面となっており、その溝深さは、底面９０から底面９２に向かって徐々に浅くなっている。分岐先の流路溝１０２の底面９５は、底面９６と底面９２を接続するために斜面となっており、その溝深さは、底面９６から底面９２に向かって徐々に浅くなっている。

また、断面の図示は省略するが、分岐先の流路溝１０１の底面９４における溝深さＤｏは、狭幅部１０１ａ，１０２ａを含む３本の流路溝１００〜１０２の交差路部分の溝深さＤｎより深い。分岐先の流路溝１０１の底面９３は、底面９４と底面９２を接続するために斜面となっており、その溝深さは、底面９４から底面９２に向かって徐々に浅くなっている。

このように、セパレータ１は、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝深さＤｎが他部分より浅いため、上述したように、プレス成型やカーボン成型などにおいて生産が容易となり、生産効率を維持することができる。さらに、カソード側セパレータ１は、流路溝群１０に応じた波板形状を有する金属板であるため、とりわけ生産効率が効果的に維持される。

本例では、３本の流路溝１００〜１０２のうち、分岐先の流路溝１０１，１０２の入口のみに狭幅部１０１ａ，１０２ａが設けられているため、酸化剤ガスの流量の多い分岐元の流路溝１００における圧損の増加が抑制される。しかし、以下の例のように、分岐元の流路溝１００の入口にも狭幅部１００ａが設けられてもよい。

（第２実施例）
図５は、第２実施例の分岐部１０ａを示す平面図である。図５において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図５において、断面は、流路溝１００，１０２に沿った線分Ｘａ−Ｘｂに沿ったものが示されている。

分岐先の流路溝１０１の入口には狭幅部１０１ａが設けられ、分岐先の流路溝１０２の入口には狭幅部１０２ａが設けられている。また、分岐元の流路溝１００の入口にも狭幅部１００ａが設けられている。狭幅部１０１ａの溝幅Ｗｍ、狭幅部１０２ａの溝幅Ｗｎ、及び狭幅部１００ａの溝幅Ｗｋは他部分の溝幅Ｗｏより狭い。なお、分岐元の流路溝１００の入口とは、流路溝１００のうち、分岐先の流路溝１０１，１０２に最も近い部分を指す。

このため、セパレータ１は、分岐部１０ａにおいてリブ間の距離を第１実施例より縮めることができるので、ＭＥＡ５を、より適切な間隔のリブにより保持することができる。

また、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝深さは他部分より浅い。より具体的には、流路溝１００〜１０２の底面９０〜９６のうち、狭幅部１００ａ〜１０２ａ、つまり各流路溝１００〜１０２の入口を含む底面９２が、他の底面９０，９１，９３，９４，９５，９６より高くなっている。

このように、セパレータ１は、狭幅部１００ａ〜１０２ａの溝深さＤｎが他部分より浅いため、上述したように、プレス成型やカーボン成型などにおいて生産が容易となり、生産効率を維持することができる。

また、狭幅部１００ａ〜１０２ａを設けた場合、狭幅部１００ａ〜１０２ａでは流路溝１００〜１０２の側壁がその内側に向かって張り出しているため、流路溝１００に隣り合う他の流路溝と流路溝１００〜１０２の距離が他部分より長くなる。このため、隣り合う他の流路溝と狭幅部１００ａ〜１０２ａの間の領域において酸化剤ガスの供給不足が生ずるおそれがある。そこで、以下の例のように、その領域に酸化剤ガスを流す微細な流路溝が設けられてもよい。

（第３実施例）
図６は、第３実施例の分岐部１０ａを示す平面図である。図６において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。本例では、第１実施例の構成をベースとして挙げるが、以下に述べる構成は第２実施例の構成にも適用可能である。

２本の流路溝８１，８２は流路溝１００に隣り合っており、一方の流路溝８１は、流路溝１００，１０１に沿って形成され、他方の流路溝８２は、流路溝１００，１０２に沿って形成されている。狭幅部１０１ａでは流路溝１０１の側壁がその内側に向かって張り出しているため、流路溝８１と狭幅部１０１ａの距離が他部分より長くなり、狭幅部１０２ａでは流路溝１０２の側壁がその内側に向かって張り出しているため、流路溝８２と狭幅部１０２ａの距離が他部分より長くなる。

このため、流路溝８１と狭幅部１０１ａの間の領域８１０には、流路溝８１と狭幅部１０１ａの間に酸化剤ガスを流す微細な流路溝１０３が設けられ、流路溝８２と狭幅部１０２ａの間の領域８２０には、流路溝８２と狭幅部１０２ａの間に酸化剤ガスを流す微細な流路溝１０４が設けられている。すなわち、流路溝群１０には、流路溝８１と狭幅部１０１ａを連通させる連通溝である微細な流路溝１０３、及び流路溝８２と狭幅部１０２ａを連通させる連通溝である微細な流路溝１０４が含まれている。

このため、流路溝８１と狭幅部１０１ａの間の領域８１０、及び流路溝８２と狭幅部１０２ａの間の領域８２０における酸化剤ガスの供給不足が抑制される。

また、微細な流路溝１０３，１０４の溝幅は、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝幅より狭くなっている。このため、セパレータ１は、分岐部１０ａにおいてリブ間の距離を第１実施例と同程度に縮めることができるので、ＭＥＡ５を適切な間隔のリブにより保持することができる。

さらに、微細な流路溝１０３，１０４の溝深さは、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝深さより浅くなっている。このため、セパレータ１は、プレス成型やカーボン成型などにおいて生産が容易となり、生産効率を維持することができる。

上記の各実施例において、分岐先の各流路溝１０１，１０２が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎと分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎはそれぞれ等しいが、これに限定されず、角度θｍ，θｎは相違してもよい。この場合、角度θｍ，θｎに応じて流路溝１０１，１０２に流れる酸化剤ガスの流れやすさが異なるため、以下の例のように、各流路溝１０１，１０２の狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝幅を角度θｍ，θｎに応じて異ならせることで、各流路溝１０１，１０２の酸化剤ガスの流量を均一にすると好ましい。

（第４実施例）
図７は、第４実施例の分岐部１０ａを示す平面図である。図７において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。本例では、第１実施例の構成をベースとして挙げるが、以下に述べる構成は第２実施例の構成にも適用可能である。

本例では、分岐先の各流路溝１０１，１０２が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎ’と分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎ’が相違する。一方の流路溝１０１の角度θｍは他方の流路溝１０２の角度θｎ’の角度より小さい。つまり、分岐元の流路溝１００に対する曲がりの程度は、流路溝１０２の方が流路溝１０１より大きい。

分岐元の流路溝１００から流れ込んだ酸化剤ガスは、角度θｎ’の大きい流路溝１０２より角度θｍの小さい流路溝１０１の方に流れ込みやすい。このため、角度θｎ’の大きい流路溝１０２と角度θｍの小さい流路溝１０１の間で酸化剤ガスの流量に差が生じないように、各流路溝１０１，１０２の狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’は、その角度θｍ，θｎ’に応じて異なっている。

より具体的には、角度θｍの小さい流路溝１０１の狭幅部１０１ａの溝幅Ｗｍは、角度θｎ’の大きい流路溝１０２の溝幅Ｗｎ’より狭くなっている。つまり、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’は、分岐先の各流路溝１０１，１０２が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎ’と分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎ’が大きいほうが広くなっている。このため、各流路溝１０１，１０２の酸化剤ガスの流量が、狭幅部１０１ａ，１０２ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’により均一となるように調整される。

したがって、各流路溝１０１，１０２の酸化剤ガスの流量が均一化されることにより、ＭＥＡ５全体にわたる発電量の分布を均一化することが可能となる。なお、本実施例においても、上記の微細な流路溝１０３，１０４が設けられてもよい。

上記の各実施例において、分岐先の流路溝１０１，１０２の数は２本であったが、これに限定されない。以下の例のように、流路溝群１９には、１本に流路溝から３本の流路溝に分かれる分岐部１０ａが含まれてもよい。

（第５実施例）
図８は、第５実施例の分岐部１０ａを示す平面図である。図８において、図７と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。本例では、第４実施例の構成をベースとして挙げるが、以下に述べる構成は第２実施例及び第３実施例の構成にも適用可能である。

分岐部１０ａでは、１本の流路溝１００が３本の流路溝１０１，１０２，１０５に分岐する。分岐先の流路溝１０５は、他の分岐先の流路溝１０１，１０２の間に延びている。

分岐先の流路溝１０５の入口には狭幅部１０５ａが設けられている。狭幅部１０５ａの溝幅Ｗｋ’は他部分の溝幅Ｗｏより狭い。より具体的には、狭幅部１０５ａの溝幅Ｗｋ’は、分岐元の流路溝１００から分岐先の流路溝１０５に向かい徐々に広がっている。なお、図８では、狭幅部１０５ａの最小の溝幅Ｗｋ’が矢印で示されている。

また、狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａの溝深さは他部分より浅い。より具体的には、流路溝１００〜１０５の底面９０〜９８のうち、狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａ、つまり分岐先の流路溝１０１，１０２，１０５の入口を含む底面９２が、他の底面９０，９１，９３，９４，９５，９６，９７，９８より高くなっている。

分岐元の流路溝１００の底面９０及び分岐先の流路溝１０５の底面９８における溝深さＤｏは、狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａを含む４本の流路溝１００〜１０２，１０５の交差路部分の溝深さＤｎより深い。分岐先の流路溝１０５の底面９７は、底面９８と底面９２を接続するために斜面となっており、その溝深さは、底面９８から底面９２に向かって徐々に浅くなっている。

分岐先の各流路溝１０１，１０２，１０５が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎ’，Ｌｋと分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎ’，θｋは相違する。流路溝１０５の角度θｋは他の流路溝１０１，１０２の角度θｍ，θｎ’の角度より小さい。つまり、分岐元の流路溝１００に対する曲がりの程度は、流路溝１０５が最も小さい。

このため、分岐元の流路溝１００から流れ込んだ酸化剤ガスは、角度θｋが最も小さい流路溝１０５に流れ込みやすい。このため、角度θｎ’が最も大きい流路溝１０２と角度θｍが２番目に大きい流路溝１０１と角度θｋが最も小さい流路溝１０５の間で酸化剤ガスの流量に差が生じないように、各流路溝１０１，１０２，１０５の狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’，Ｗｋ’は、その角度θｍ，θｎ’，θｋに応じて異なる。

より具体的には、角度θｋが最も小さい流路溝１０５の狭幅部１０５ａの溝幅Ｗｋ’は、他の流路溝１０１，１０２の溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’より小さくなっている。つまり、狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’，Ｗｋ’は、分岐先の各流路溝１０１，１０２，１０５が延びる方向Ｌｍ，Ｌｎ’，Ｌｋと分岐元の流路溝１００が延びる方向Ｌｏのなす角度θｍ，θｎ’，θｋが大きいほうが広くなっている。このため、各流路溝１０１，１０２，１０５の酸化剤ガスの流量が、狭幅部１０１ａ，１０２ａ，１０５ａの溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’，Ｗｋ’により均一となるように調整される。なお、溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’，Ｗｋ’と角度θｍ，θｎ’，θｋの関係としては、例えば、比例関係や非連続的なステップ状の増加関係が挙げられるが、これに限定されない。

したがって、各流路溝１０１，１０２の酸化剤ガスの流量が均一化されることにより、ＭＥＡ５全体にわたる発電量の分布を均一化することが可能となる。なお、本例及び第４実施例の構成を分岐部１０ｂに適用した場合、分岐先の各流路溝１０１，１０２，１０５から分岐元の流路溝１００に流れ込む酸化剤ガスの流量が、角度θｍ，θｎ’，θｋに応じた溝幅Ｗｍ，Ｗｎ’，Ｗｋ’によって均一化されるため、上記と同様の効果が得られる。

また、上記の各実施例の構成は、アノード側セパレータ２の流路溝群２０にも適用することができ、この場合も上記と同様の効果が得られる。上記の各実施例の構成は、カソード側セパレータ１とアノード側セパレータ２の少なくとも一方に適用されることで上記の効果が得られるが、両方のセパレータ１，２に適用した場合、その効果は増す。

このように、実施例のセパレータ１，２またはセパレータ１，２を備えた燃料電池によると、ＭＥＡ５の劣化を抑制するとともに生産効率を維持することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１，２ セパレータ
５ 膜電極接合体
１０，２０ 流路溝群
１０ａ，１０ｂ 分岐部
３０，４０ ガス拡散層
１００〜１０５，８１，８２ 流路溝
１００ａ〜１０２ａ，１０５ａ 狭幅部

Claims (8)

1. ガス拡散層により拡散した反応ガスを用いて発電する膜電極接合体を挟持する燃料電池用セパレータにおいて、
   前記反応ガスが供給または排出される孔と、
   前記反応ガスが流れる流路溝群を備え、
   前記流路溝群には、前記孔から延びる１本の第１流路溝、前記ガス拡散層に重なる複数本の第２流路溝、及び１本の第３流路溝が複数本の第４流路溝に分かれる分岐部が含まれ、
   前記第１流路溝の一端は、前記第３流路溝の一端に接続され、
   前記複数本の第２流路溝の一端は、前記複数本の第４流路溝の一端にそれぞれ接続され、
   前記第３流路溝において、前記複数本の第４流路溝に最も近い部分、及び前記複数本の第４流路溝において、前記第３流路溝に最も近い部分の少なくとも一方には、溝幅が他部分より狭い狭幅部が設けられ、
   前記狭幅部を含む、前記第３流路溝と前記複数本の第４流路溝の接続部分の溝深さは、他部分より浅い、
   燃料電池用セパレータ。
2. 前記狭幅部は、前記複数本の第４流路溝の各々に設けられ、
   前記複数本の第４流路溝の各々が延びる方向と前記第３流路溝が延びる方向のなす角度がそれぞれ等しく、
   前記複数本の第４流路溝の各々に設けられた前記狭幅部の溝幅がそれぞれ等しい、
   請求項１に記載された燃料電池用セパレータ。
3. 前記複数本の第４流路溝の各々に設けられた前記狭幅部の溝幅は、前記複数本の第４流路溝の各々が延びる方向と前記１本の第３流路溝が延びる方向のなす角度が大きいほうが広い、
   請求項１または２に記載された燃料電池用セパレータ。
4. 前記流路溝群には、前記第３流路溝に隣り合う他の流路溝と前記狭幅部の間を連通させる連通溝が含まれる、
   請求項１乃至３の何れかに記載された燃料電池用セパレータ。
5. 前記連通溝の溝幅は、前記狭幅部の溝幅より狭い、
   請求項４に記載された燃料電池用セパレータ。
6. 前記連通溝の溝深さは、前記狭幅部の溝深さより浅い、
   請求項４または５に記載された燃料電池用セパレータ。
7. 前記流路溝群に応じた波板形状を有する金属板である、
   請求項１乃至６の何れかに記載された燃料電池用セパレータ。
8. 反応ガスを用いて発電する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、
   前記一対のセパレータの少なくとも一方は請求項１乃至７の何れかに記載された燃料電池用セパレータである、
   燃料電池。
   

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