JP7081517B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池における複数層の膜電極接合体間に配置される燃料電池用セパレータに関する。

特許文献１に示される燃料電池では、図６に概略的に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）７１が厚み方向（図６の上下方向）における両側からセパレータ７５によって挟まれている。膜電極接合体７１は、電解質膜７２と、上記厚み方向における電解質膜７２の両側に配置された電極層とを備えている。一方の電極層はカソード電極層７３を構成し、他方の電極層はアノード電極層７４を構成している。なお、燃料電池７０においては、複数層の膜電極接合体７１が上記セパレータ７５によって隔てられることで、膜電極接合体７１がそれぞれ上述したように厚み方向における両側からセパレータ７５によって挟まれている。

各セパレータ７５は、導電性を有する金属製のセパレータ基材７６を備えている。各セパレータ基材７６には、膜電極接合体７１に向けて突出する複数の凸状部７７と、同凸状部７７の突出方向とは反対側へ凹む複数の凹状部７８とが形成されている。複数の凸状部７７及び複数の凹状部７８は、膜電極接合体７１の面に沿う方向（図６の左右方向）に互い違いに配置されて平行に延びている。

各凹状部７８及びカソード電極層７３により囲まれた領域は、同カソード電極層７３に酸化ガスを供給する流路８１を構成している。各凹状部７８及びアノード電極層７４により囲まれた領域は、同アノード電極層７４に燃料ガスを供給する流路８２を構成している。

各凸状部７７の頂面には、導電性を有する薄膜８５が積層されている。各薄膜８５は、膜電極接合体７１とセパレータ７５毎のセパレータ基材７６との接触抵抗の増大を抑制して、同接触抵抗が、燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体７１での反応に及ぼす影響を小さくするために設けられている。接触抵抗は、二つの物体を接触させて電流を流すとき、その界面近傍に存在する電気抵抗である。

上記燃料電池７０では、アノード電極層７４に燃料ガスが供給され、カソード電極層７３に酸化ガスが供給されると、それら燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体７１での反応に基づき発電が行われる。この際、上記反応に伴ってカソード電極層７３で水が生成される。生成された水の一部は、カソード電極層７３と各薄膜８５との間に位置する。この水のうち流路８１に近いものは、同流路８１内を高い流速で流れる酸化ガスに乗って燃料電池７０の外部へ排出される。

特開２０１６－６６５３１号公報

ところが、上記水のうち、流路８１から遠ざかった箇所に位置するものは、同流路８１内の酸化ガスの流れによって燃料電池７０の外部へ排出されきれず、カソード電極層７３と各薄膜８５との間で滞留する。この滞留する水が原因で、酸化ガスの拡散が十分に行われず、燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下するおそれがある。

なお、カソード電極層７３及びアノード電極層７４にある程度の水分を含ませることにより、発電効率を向上させることができる。そのため、膜電極接合体７１を薄くすることが考えられる。こうすると、カソード電極層７３側で生成された水が電解質膜７２を伝わってアノード電極層７４側に移動しやすくなる。ただし、各薄膜８５とアノード電極層７４との間に必要以上の水が保持されて、同アノード電極層７４側に余剰の水が溜まると、燃料ガスがアノード電極層７４に接触しにくくなって、燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下するおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、発電に伴い生成した水の排水性能を高めることのできる燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記課題を解決する燃料電池用セパレータは、電解質膜の厚み方向における両側に電極層が接合されてなる膜電極接合体を備える燃料電池に用いられて、同方向における前記膜電極接合体の外側に配置され、かつ導電性を有するセパレータ基材を備え、前記セパレータ基材には、前記膜電極接合体に向けて突出する複数の凸状部と、同凸状部の突出方向とは反対側へ凹む複数の凹状部とが形成され、複数の前記凸状部及び複数の前記凹状部は、前記膜電極接合体の面に沿う方向に互い違いに配置されて平行に延びており、前記凹状部及び前記電極層により囲まれた領域が、同電極層に対しガスとして酸化ガス又は燃料ガスを供給する流路を構成する燃料電池用セパレータにおいて、前記凸状部及び前記凹状部の前記電極層側の面のうち少なくとも前記凸状部の頂面には、導電性を有する薄膜が積層され、前記頂面における前記薄膜には、前記凸状部の両側の前記流路を連通させる溝が形成され、前記凹状部のうち前記ガスの流れ方向における前記溝の下流側には、前記流路の流路断面積を、同溝により連通された箇所での流路断面積よりも小さくする流路抵抗増大部が設けられている。

上記の構成によれば、ガスとしての酸化ガス又は燃料ガスは、それぞれ対応する流路を流れる。この際、流路抵抗増大部はガスの流れの抵抗となる。一方、薄膜に形成されて、凸状部の両側の流路を連通させる溝では、ガスが流通可能である。一方の流路を流れるガスは、溝を通って他方の流路へ流入可能である。そのため、流路抵抗増大部により流路抵抗が増大される側の流路を流れるガスの一部は、同流路抵抗増大部を通過するが、別の一部は、ガスの流れ方向における流路抵抗増大部よりも上流側の溝を通って、流路抵抗増大部により流路抵抗が増大されない側の流路へ移り、その流路を流れる。

流路を流れる酸化ガスは、同流路に面した電極層に供給される。流路を流れる燃料ガスは、同流路に面した電極層に供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体での反応に基づき発電が行われる。この反応に伴い、酸化ガスが供給された電極層では水が生成される。生成した水の一部は、電極層と、薄膜のうち凸状部の頂面に積層された部分との間に位置する。この水のうち、流路に近いものは、同流路内を流れるガスによって同流路に引っ張られる。流路へ出た水は、ガスに乗って同流路を流れる。また、上記水のうち溝に近いものは、同溝を流れるガスによって、流路抵抗増大部により流路抵抗が増大されない側の流路に追い出される。この水は、追い出された側の流路におけるガスに乗って流れる。上記のように、ガスに乗って流路を流れる水は、最終的には燃料電池の外部へ排出される。

従って、溝がない場合に比べ、排出される水の量が多くなり、排水性能が高まる。また、溝がない場合とは異なり、生成された水が、電極層と、薄膜のうち凸状部の頂面に積層された部分との間に滞留することが抑制される。滞留が原因で、ガスの拡散が十分に行われず、燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下する現象が起こりにくくなる。

上記燃料電池用セパレータによれば、発電に伴い生成した水の排水性能を高めることができる。

第１実施形態における燃料電池の部分断面図。 第１実施形態における第１セパレータの部分斜視図。 第１実施形態における第１セパレータの部分底面図。 第２実施形態における第１セパレータの部分斜視図。 第３実施形態における第１セパレータの部分斜視図。 従来の燃料電池において、膜電極接合体が厚み方向における両側からセパレータによって挟まれた状態を概略的に示す略図。

（第１実施形態）
以下、燃料電池用セパレータを具体化した第１実施形態について、図１～図３を参照して説明する。

図１に示すように、燃料電池１０は複数層の膜電極接合体１１を備えている。各膜電極接合体１１は、厚み方向（図１の上下方向）における両側から燃料電池用セパレータによって挟み込まれている。ここで、両燃料電池用セパレータを区別するために、図１において各膜電極接合体１１の上側（厚み方向における一方の外側）に位置するものを第１セパレータ２１といい、下側（厚み方向における他方の外側）に位置するものを第２セパレータ３１というものとする。

複数層の膜電極接合体１１は、それらの間に設けられた第１セパレータ２１及び第２セパレータ３１によって互いに隔てられている。各膜電極接合体１１は、電解質膜１２と、上記厚み方向における同電解質膜１２の両側に配置された電極層とを備えている。一方（図１の上方）の電極層はカソード電極層１３を構成し、他方（図１の下方）の電極層はアノード電極層１４を構成している。

カソード電極層１３を挟んで電解質膜１２とは反対側（図１の上側）には、炭素繊維等からなり、後述する酸化ガスの拡散を促進するガス拡散層１５が配置されている。アノード電極層１４を挟んで電解質膜１２とは反対側（図１の下側）には、炭素繊維等からなり、後述する燃料ガスの拡散を促進するガス拡散層１６が配置されている。

上記膜電極接合体１１及び両ガス拡散層１５，１６と、それらを上記厚み方向における両側（外側）から挟み込む第１セパレータ２１及び第２セパレータ３１とによってセルユニット２０が構成されている。さらに、複数のセルユニット２０が上記厚み方向に重ねられることによって、燃料電池１０におけるセルスタックが構成されている。

図１及び図２に示すように、各第１セパレータ２１の骨格部分は、導電性を有する金属製のセパレータ基材２２によって構成されている。第１実施形態では、各セパレータ基材２２は、１００μｍ程度の厚みを有するステンレス鋼板によって形成されている。

各セパレータ基材２２には、膜電極接合体１１に向けて突出する複数の凸状部２３と、同凸状部２３の突出方向とは反対側へ凹む複数の凹状部２４とが形成されている。図１及び図２では、各凸状部２３は下方へ突出し、各凹状部２４は上方へ凹んでいる。各凹状部２４は、凸状部２３及び凹状部２４の配列方向（図１では左右方向）に相対向する一対の側壁部２４ａと、両側壁部２４ａの底部同士を連結する底壁部２４ｂとを備えている。複数の凸状部２３及び複数の凹状部２４は、膜電極接合体１１の面に沿う方向（図１では左右方向）に互い違いに配置されて平行に延びている。各凹状部２４及びカソード電極層１３により囲まれた領域は、同カソード電極層１３に対し酸化ガス（例えば空気）を供給するための流路２５を構成している。

図１に示すように、各第２セパレータ３１の骨格部分は、導電性を有する金属製のセパレータ基材３２によって構成されている。第１実施形態では、各セパレータ基材３２は、上記セパレータ基材２２と同様、１００μｍ程度の厚みを有するステンレス鋼板によって形成されている。

各セパレータ基材３２には、膜電極接合体１１に向けて突出する複数の凸状部３３と、同凸状部３３の突出方向とは反対側へ凹む複数の凹状部３４とが形成されている。図１では、各凸状部３３は上方へ突出し、各凹状部３４は下方へ凹んでいる。各凹状部３４は、凸状部３３及び凹状部３４の配列方向（図１では左右方向）に相対向する一対の側壁部３４ａと、両側壁部３４ａの底部同士を連結する底壁部３４ｂとを備えている。複数の凸状部３３及び複数の凹状部３４は、膜電極接合体１１の面に沿う方向（図１では左右方向）に互い違いに配置されて平行に延びている。各凹状部３４及びアノード電極層１４により囲まれた領域は、同アノード電極層１４に対し燃料ガス（例えば水素）を供給するための流路３５を構成している。

燃料電池１０におけるセルスタックでは、複数のセルユニット２０が上記厚み方向に重ねられていることについては上述した通りである。従って、図１の上下方向における中央部分に示されるセルユニット２０の第１セパレータ２１の上側には、二点鎖線で示すように、上隣のセルユニット２０における第２セパレータ３１が配置されている。そして、第１セパレータ２１の各凹状部２４の底部と、その上隣の第２セパレータ３１の各凹状部３４の底部との間に薄膜２６が介在されている。各薄膜２６は、両凹状部２４，３４間の接触抵抗の増大を抑制するためのものであり、セパレータ基材２２，３２よりも導電性の高い（電気抵抗値の低い）材料、例えばカーボン、金、白金等によって形成されている。さらに、第１セパレータ２１の凸状部２３と上隣の第２セパレータ３１の凸状部３３との間には、冷却液（例えば冷却水）の流路２７が形成されている。

同様に、図１の上下方向における中央部分に示されるセルユニット２０の第２セパレータ３１の下側には、二点鎖線で示すように、下隣のセルユニット２０における第１セパレータ２１が配置されている。そして、第２セパレータ３１の各凹状部３４の底部と、その下隣の第１セパレータ２１の各凹状部２４の底部との間に薄膜２６が介在されている。さらに、第２セパレータ３１の各凸状部３３と下隣の第１セパレータ２１の各凸状部２３との間には、冷却液の流路２７が形成されている。

図１及び図２に示すように、セルユニット２０毎の第１セパレータ２１のセパレータ基材２２において、凸状部２３及び凹状部２４のカソード電極層１３側の面のうち、凸状部２３の頂面には薄膜４２が積層されている。各薄膜４２は、膜電極接合体１１とセパレータ基材２２との間の接触抵抗の増大を抑制して、同接触抵抗が、燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体１１での反応に及ぼす影響を小さくするために設けられている。各薄膜４２は、上記薄膜２６と同様の材料を用い、インクジェット印刷法により、厚さが例えば数１００ｎｍ～数１００μｍとなるように形成されている。各薄膜４２は、各セパレータ基材２２よりも高い親水性を有している。各第１セパレータ２１は、各薄膜４２においてガス拡散層１５に接している。表現を変えると、第１セパレータ２１毎の各薄膜４２は、ガス拡散層１５を介してカソード電極層１３に間接的に接している。

各薄膜４２には、凸状部２３の延びる方向に対し交差する方向、第１実施形態では直交する方向（図１の左右方向）へ延びる溝４３が形成されている。溝４３は、凸状部２３の延びる方向に互いに離間した複数箇所に形成されている。各溝４３は、後述する流路抵抗増大部の設けられた凹状部２４を両側から挟む凸状部２３上の薄膜４２において、上記凸状部２３及び凹状部２４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ形成されている。各溝４３の深さは、薄膜４２の厚みと同一に設定されており、同溝４３が形成された箇所では、凸状部２３の頂面が露出している。

薄膜４２に溝４３が形成された凸状部２３の両側には流路２５が位置している。各溝４３の一方の端部は一方の流路２５に繋がり、同溝４３の他方の端部は他方の流路２５に繋がっている。各凸状部２３の両側の流路２５は、溝４３によって連通されている。溝４３の流路２５との接続部分における流路断面積は、同流路２５の溝４３との接続部分における流路断面積よりも小さい。

図１～図３に示すように、各凹状部２４のうち、酸化ガスの流れ方向における溝４３の下流側には、流路２５の流路断面積を、同溝４３によって連通された箇所での流路断面積よりも小さくする流路抵抗増大部が設けられている。隣り合う凹状部２４における流路抵抗増大部は、流路２５における酸化ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している（図２参照）。各流路抵抗増大部は、凹状部２４における両側壁部２４ａであって、凸状部２３及び凹状部２４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ設けられて、互いに接近する側へ突出する一対の突部２８によって構成されている。

突部２８と、同突部２８により流路断面積を小さくされた流路２５に繋がれた溝４３との組み合わせは、隣り合う凹状部２４では、同流路２５における酸化ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している。

図１に示すように、セルユニット２０毎の第２セパレータ３１のセパレータ基材３２において、凸状部３３及び凹状部３４のアノード電極層１４側の面のうち、各凸状部３３の頂面には薄膜５２が積層されている。各薄膜５２は、第１セパレータ２１における薄膜４２と同様の目的で、同様の材料を用い、同様の方法によって、同様の厚み及び親水性を有するように形成されている。第２セパレータ３１は、凸状部３３毎の薄膜５２においてガス拡散層１６に接している。各薄膜５２には、第１セパレータ２１の溝４３と同様の方向に延びて、両端が異なる流路３５に繋がる溝５３が形成されている。各溝５３は、後述する流路抵抗増大部の設けられた凹状部３４を両側から挟む凸状部３３上の薄膜５２において、凸状部３３及び凹状部３４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ形成されている。凸状部３３の両側の流路３５は、溝５３によって連通されている。溝５３の流路３５との接続部分における流路断面積は、同流路３５の溝５３との接続部分における流路断面積よりも小さい。

各凹状部３４のうち、燃料ガスの流れ方向における溝５３の下流側には、流路３５の流路断面積を、同溝５３によって連通された箇所での流路断面積よりも小さくする流路抵抗増大部が設けられている。隣り合う凹状部３４における流路抵抗増大部は、流路３５における燃料ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している。各流路抵抗増大部は、凹状部３４における両側壁部３４ａであって、凸状部３３及び凹状部３４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ設けられて、互いに接近する側へ突出する一対の突部３８によって構成されている。

突部３８と、同突部３８により流路断面積を小さくされた流路３５に繋がれた溝５３との組み合わせは、隣り合う凹状部３４では、同流路３５における燃料ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している。

なお、上記第１セパレータ２１は、次のようにして製造される。まず、平坦なステンレス鋼板が準備され、これをプレス成形することにより、複数の凸状部２３及び複数の凹状部２４を有するセパレータ基材２２が形成される。各凸状部２３の頂面に対し、インクジェット印刷法によって、セパレータ基材２２よりも導電性の高い材料が塗布されることで、溝４３を有する薄膜４２が形成される。第２セパレータ３１も、上記第１セパレータ２１と同様の工程を経ることにより製造される。

次に、上記のようにして構成された第１実施形態の作用及び効果について説明する。
図２及び図３において矢印で示すように、燃料電池１０においては、酸化ガスが各流路２５を流れる。また、燃料ガスが各流路３５を流れる。この際、各突部２８が酸化ガスの流れの抵抗となる。各凹状部２４において突部２８の設けられた箇所では、設けられていない箇所よりも流路断面積が小さくなっているからである。薄膜４２に形成されて、凸状部２３の両側の流路２５を連通させる溝４３では、酸化ガスが流通可能である。一方の流路２５を流れる酸化ガスの一部は、流れ方向を変えて溝４３を通って他方の流路２５へ流入可能である。そのため、突部２８により流路抵抗が増大される側の流路２５を流れる酸化ガスの一部は、同流路２５に沿って流れて、両突部２８間を通過する。しかし、流路２５を流れる酸化ガスの別の一部は、同酸化ガスの流れ方向における両突部２８よりも上流側の溝４３を通って、両突部２８により流路抵抗が増大されない側の流路２５へ移り、その流路２５を流れる。

同様に、燃料ガスが各流路３５を流れる際には、図１に示すように、各突部３８が燃料ガスの流れの抵抗となる。そのため、両突部３８により流路抵抗が増大される側の流路３５を流れる燃料ガスの一部は、両突部３８間を通過するが、別の一部は、燃料ガスの流れ方向における両突部３８よりも上流側の溝５３を通って、両突部３８により流路抵抗が増大されない側の流路３５へ移り、その流路３５を流れる。

各流路２５を流れる酸化ガス（空気）は、ガス拡散層１５を介してカソード電極層１３に供給される。各流路３５を流れる燃料ガス（水素）は、ガス拡散層１６を介してアノード電極層１４に供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体１１での反応に基づき発電が行われる。この反応に伴い、酸化ガスが供給されたカソード電極層１３では水が生成される。

詳しくは、燃料ガス（水素）がアノード電極層１４に供給されると、そこで水素原子から電子がとられて同アノード電極層１４に送り出され、その電子が同アノード電極層１４から外部回路（図示略）の導線を通ってカソード電極層１３に流れる。そして、アノード電極層１４で電子がとられることによってプラスの電荷を帯びた水素イオン（プロトン）は、電解質膜１２を伝わってカソード電極層１３に移動する。一方、酸素ガス（空気）が供給されているカソード電極層１３では、上述したように流された電子を酸素分子が受け取って酸素イオンとなる。さらに、アノード電極層１４から電解質膜１２を伝わってカソード電極層１３に移動した水素イオンが上記酸素イオンと結合し、カソード電極層１３で水が生成される。

生成した水の一部は、カソード電極層１３と各薄膜４２との間のガス拡散層１５に位置する。この水のうち、流路２５に近いものは、図１～図３に示すように、同流路２５を流れる酸化ガスによって同流路２５に引っ張られる。流路２５へ出た水は、酸化ガスに乗って同流路２５を流れる。また、上記水のうち溝４３に近いものは、同溝４３を流れる酸化ガスによって、両突部２８により流路抵抗が増大されない側の流路２５に追い出される。この水は、追い出された側の流路２５における酸化ガスに乗って流れる。上記のように、酸化ガスに乗って流路２５を流れる水は、最終的には燃料電池１０の外部へ排出される。

従って、溝４３がない場合に比べ、燃料電池１０から排出される水の量が多くなり、排水性能が高まる。また、溝４３がない場合とは異なり、生成された水が、ガス拡散層１５に滞留することが抑制される。滞留が原因で、酸化ガスの拡散が十分に行われず、燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下する現象が起こりにくくなる。

ここで、図１に示すように、カソード電極層１３及びアノード電極層１４にある程度の水分を含ませることにより、発電効率を向上させることができる。そのため、膜電極接合体１１を薄くすることが考えられる。こうすると、カソード電極層１３側で生成された水が電解質膜１２を伝わってアノード電極層１４側に移動しやすくなる。ただし、ガス拡散層１６に必要以上の水が保持されてアノード電極層１４側に余剰の水が溜まると、燃料ガス（水素）がアノード電極層１４に接触しにくくなって、膜電極接合体１１での燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下するおそれがある。

しかし、ガス拡散層１６における水のうち、流路３５に近いものは、同流路３５を流れる燃料ガスによって同流路３５に引っ張られる。流路３５へ出た水は、燃料ガスに乗って同流路３５を流れる。

また、第１実施形態では、第２セパレータ３１における薄膜５２にも溝５３が形成されていて、ガス拡散層１６に必要以上の水が保持される現象が、溝５３によって抑制される。すなわち、ガス拡散層１６における水のうち溝５３に近いものは、同溝５３を流れる燃料ガスによって、両突部３８により流路抵抗が増大されない側の流路３５に追い出される。この水は、追い出された側の流路３５における燃料ガスに乗って流れる。そして、上記のように、燃料ガスに乗って流路３５を流れる水は、最終的には燃料電池１０の外部へ排出される。

従って、溝５３がない場合に比べ、燃料電池１０から排出される水の量が多くなり、排水性能が高まる。また、溝５３がない場合とは異なり、生成された水が、ガス拡散層１６に滞留して、アノード電極層１４側に余剰な水が溜まることが抑制される。水の滞留が原因で、燃料ガスの拡散が十分に行われず、燃料ガス及び酸化ガスの反応が低下する現象が起こりにくくなる。

第１実施形態によると、上記以外にも、次の効果が得られる。
・各第１セパレータ２１において、流路２５の流路断面積を小さくするだけであれば、流路抵抗増大部（突部２８）は凹状部２４の一対の側壁部２４ａのうち一方にのみ設けられればよい。

しかし、ステンレス鋼板をプレス加工して、突部２８からなる流路抵抗増大部を形成する第１実施形態では、同流路抵抗増大部に急激に形状が変化する部分があると、鋼板が破れる等の問題が発生する。この問題を解消するには、流路抵抗増大部になだらかに形状が変化する部分（長い助走区間）を形成する必要がある。反面、長い助走区間により、流路抵抗増大部が、凹状部２４が延びる方向に長くなってしまう問題が新たに生ずる。

この点、第１実施形態では、流路抵抗増大部が一対の側壁部２４ａの両方に設けられている。流路抵抗増大部は、両側壁部２４ａの相対向する箇所にそれぞれ設けられて、互いに接近する側へ突出する一対の突部２８によって構成されている。流路２５において流路抵抗増大部によって小さくされる流路断面積が同一であるという条件下では、流路抵抗増大部が２つの突部２８によって構成される場合、１つの突部によって構成される場合よりも、１つ当たりの突部２８の大きさが小さくなる。これに伴い、図３に示すように、各突部２８の助走区間Ｚ１が短くなり、凹状部２４の延びる方向（図３では上下方向）における流路抵抗増大部の寸法を短くすることができる。

図１に示すように、各第２セパレータ３１では、流路抵抗増大部が、両側壁部３４ａであって、凸状部３３及び凹状部３４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ設けられて、互いに接近する側へ突出する一対の突部３８によって構成されている。そのため、各第２セパレータ３１でも、上記第１セパレータ２１と同様に、凹状部３４の延びる方向における流路抵抗増大部の寸法を短くする効果が得られる。

・図３に示すように、第１実施形態では、各第１セパレータ２１における溝４３が、流路抵抗増大部（突部２８）の設けられた凹状部２４を両側から挟む一対の凸状部２３上の薄膜４２を対象とし、両薄膜４２において、凸状部２３及び凹状部２４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ形成されている。そのため、上述したように、各流路２５を流れる酸化ガスの一部は、同酸化ガスの流れ方向における流路抵抗増大部（突部２８）よりも上流で、上記配列方向における両側に振り分けられる。振り分けられた酸化ガスは、両溝４３を互いに遠ざかる側へ向けて流れ、流路抵抗増大部（突部２８）により流路抵抗が増大されない側の流路２５へ移り、その流路２５を流れる。

また、ガス拡散層１５に滞留している水のうち溝４３に近いものは、同溝４３を流れる酸化ガスによって、流路抵抗増大部（突部２８）により流路抵抗が増大されない側の流路２５に追い出される。この水は、追い出された側の流路２５における酸化ガスに乗って流れ、燃料電池１０の外部へ排出される。

そのため、溝４３が、両薄膜４２において、凸状部２３及び凹状部２４の配列方向に相対向する箇所に形成されない場合に比べ、酸化ガス及び水をバランスよく流すことができる。

図１に示すように、各第２セパレータ３１でも、溝５３が、流路抵抗増大部（突部３８）の設けられた凹状部３４を両側から挟む一対の凸状部３３上の薄膜５２を対象とし、両薄膜５２において、凸状部３３及び凹状部３４の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ形成されている。そのため、第２セパレータ３１でも、上記第１セパレータ２１と同様に、燃料ガス及び水をバランスよく流す効果が得られる。

・図２に示すように、突部２８と、同突部２８により流路断面積を小さくされた流路２５に繋がれた溝４３との組み合わせが、隣り合う凹状部２４では、同流路２５における酸化ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している。そのため、酸化ガスは、流路２５のうち突部２８の近くまで流れると、流路抵抗増大により流れにくくなって、溝４３を経由して隣の流路２５に流入する。この酸化ガスは、流路２５のうち突部２８の近くまで流れると、流路抵抗増大により流れにくくなって、溝４３を経由して隣の流路２５に流入する。このように酸化ガスは、突部２８の近くまで流れる毎に溝４３を介して隣の流路２５に移る。そのため、酸化ガスを膜電極接合体１１の面に沿う方向に偏在させることなく、満遍なく均等に流れされることができる。

また、ガス拡散層１５に滞留している水のうち、各流路２５に近いものは上記酸化ガスに乗って流れる。また、ガス拡散層１５に滞留している水のうち、溝４３に近いものは、同溝４３を流れる酸化ガスによって、突部２８により流路抵抗が増大されない側の流路２５に追い出される。そのため、上記水についても、膜電極接合体１１の面に沿う方向に偏在させることなく、満遍なく均等に流れさせて、燃料電池１０の外部へ排出することができる。

図１に示すように、各第２セパレータ３１でも、突部３８と、同突部３８により流路断面積を小さくされた流路３５に繋がれた溝５３との組み合わせが、隣り合う凹状部３４では、同流路３５における燃料ガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している。そのため、第２セパレータ３１でも、上記第１セパレータ２１と同様の効果が得られる。

・各第１セパレータ２１における各薄膜４２の親水性が低いと、各溝４３内の水が同溝４３の内側面に対し弾かれやすくなって、同溝４３内で移動しにくくなる。各溝４３内の水が、流路２５側へ移動しにくくなる。

しかし、各薄膜４２がセパレータ基材２２よりも高い親水性を有している第１実施形態では、各溝４３内の水が同溝４３の内側面に対し広がりやすい。これに伴い、各溝４３内の水が、流路２５側へ移動しやすくなる。

また、各第２セパレータ３１における各薄膜５２がセパレータ基材３２よりも高い親水性を有しているため、上記第１セパレータ２１と同様に、各溝５３内の水が流路３５側へ移動しやすくなる。

・溝４３，５３を有する薄膜４２，５２をインクジェット印刷法によって形成している。そのため、薄膜４２，５２における溝４３，５３の形状を、インクジェット印刷法のパターン調整を通じて簡単に変更することができる。

・薄膜４２，５２において溝４３，５３が形成された箇所では、セパレータ基材２２，３２を露出させている。表現を変えると、該当する箇所では、セパレータ基材２２，３２における凸状部２３，３３の頂面に薄膜４２，５２を形成していない。従って、上記頂面において溝４３，５３を形成する予定の箇所には、インクジェット印刷法によって印刷材料を塗布しなくてすみ、溝４３，５３を形成しやすい。

（第２実施形態）
次に、燃料電池用セパレータの第２実施形態について、図４を参照して説明する。
第２実施形態では、各第１セパレータ２１における溝４３が、複数の分岐溝部４３ａによって構成されている。図４では、分岐溝部４３ａが２つ図示されているが、３つ以上であってもよい。複数の分岐溝部４３ａは、凸状部２３の両側の流路２５のうち、突部２８により流路断面積が小さくされていない側（図４の左下側）の流路２５を起点として分岐している。複数の分岐溝部４３ａにおいて上記起点から遠い側の端部は、互いに離間した状態で、凸状部２３の両側の流路２５のうち、突部２８により流路断面積が小さくされた側（図４の右上側）の流路２５に繋がれている。

上記以外の構成は第１実施形態と同様である。そのため、第１実施形態で説明したものと同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
従って、第２実施形態によると、第１実施形態と同様の作用及び効果が得られる。

また、突部２８により流路抵抗が増大される側（図４の右上側）の流路２５を流れる酸化ガスの一部は、第１実施形態で説明したように、同酸化ガスの流れ方向における突部２８の上流側の溝４３を通って、突部２８により流路抵抗が増大されない側（図４の左下側）の流路２５へ移り、その流路２５を流れる。この際、第２実施形態では、酸化ガスは、複数の分岐溝部４３ａをそれぞれ流れた後に合流して、突部２８により流路抵抗が増大されない側の流路２５へ流れる。この合流により、酸化ガスの流速を速くする効果が期待できる。また、複数の分岐溝部４３ａのそれぞれを酸化ガスが流れ、水がこれらの酸化ガスに乗って流れた後に合流するため、ガス拡散層１５に滞留する水をより多く追い出す効果も期待できる。

なお、図示はしないが、各第２セパレータ３１における溝５３が、上記溝４３と同様に、複数の分岐溝部によって構成されてもよい。この場合、溝５３における複数の分岐溝部は、凸状部３３の両側の流路３５のうち、突部３８により流路断面積が小さくされていない側の流路３５を起点として分岐する。溝５３における複数の分岐溝部において上記起点から遠い側の端部は、互いに離間した状態で、凸状部３３の両側の流路３５のうち、突部３８により流路断面積が小さくされた流路３５に繋がれる。このようにした場合にも、上記第１セパレータ２１の溝４３と同様の作用及び効果が期待できる。

（第３実施形態）
次に、燃料電池用セパレータの第３実施形態について、図５を参照して説明する。
第３実施形態では、セルユニット２０毎の第１セパレータ２１における層構造が第１実施形態と異なっている。第３実施形態では、第１セパレータ２１のセパレータ基材２２において、凸状部２３及び凹状部２４のカソード電極層１３側の面に、導電性を有し、かつ同セパレータ基材２２よりも高い耐腐食性を有する第１薄膜４１が全面にわたって積層されている。第３実施形態では、第１薄膜４１は、窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電性粒子を樹脂材料に混合させることによって形成されている。

第１実施形態での薄膜４２は、第３実施形態では第２薄膜として、第１薄膜４１のうち、凸状部２３の頂面に積層された部分に形成されている。薄膜４２には、凸状部２３の両側の流路２５を連通させる溝４３が形成されている。この溝４３は、凸状部２３の延びる方向へ互いに離間した複数箇所に形成されている。各溝４３の深さは、薄膜４２の厚みと同一に設定されており、同溝４３が形成された箇所では、第１薄膜４１が露出している。

上記以外の構成は第１実施形態と同様である。そのため、第１実施形態で説明したものと同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
従って、第３実施形態によると、第１実施形態と同様の作用及び効果が得られるほか、次の作用及び効果も得られる。

上記燃料電池１０では、電解質膜１２での反応の副産物として酸性の物質が生ずると、ステンレス鋼板製のセパレータ基材２２がこの酸性物質との電気化学的な反応によって浸食、すなわち、腐食するおそれがある。この際、セパレータ基材２２から鉄イオンが溶出し、膜電極接合体１１の構成部材、例えば電解質膜１２、触媒（図示略）等の性能低下を招く懸念がある。

しかし、第３実施形態によれば、鉄イオンの溶出が、凸状部２３及び凹状部２４のカソード電極層１３側の面の全面に形成された第１薄膜４１によって抑制される。従って、溶出した鉄イオンが原因で、膜電極接合体１１の構成部材の性能が低下する上記現象を第１薄膜４１によって抑制することができる。

なお、図示はしないが、セルユニット２０毎の第２セパレータ３１のセパレータ基材３２において、凸状部３３及び凹状部３４のアノード電極層１４側の面にも、導電性を有し、かつ同セパレータ基材３２よりも高い耐腐食性を有する第１薄膜が全面にわたって積層されてもよい。第１実施形態での薄膜５２は、第３実施形態では第２薄膜として、上記第１薄膜のうち、凸状部３３の頂面に積層された部分に形成される。薄膜５２には、凸状部３３の両側の流路３５を連通させる溝５３が形成される。このようにした場合にも、上記第１薄膜４１と同様、セパレータ基材３２の腐食による鉄イオンの溶出を第１薄膜によって抑制する作用及び効果が期待できる。

なお、上述した各実施形態は、これを以下のように変更した変形例として実施することもできる。
＜セパレータ基材２２，３２について＞
・セパレータ基材２２，３２は、導電性を有するものであることを条件に、ステンレス鋼とは異なる金属材料、例えば、チタンによって形成されてもよい。

＜第１薄膜４１及び薄膜４２，５２について＞
・薄膜４２，５２が第１薄膜４１と同一の材料によって形成されてもよい。
・薄膜４２，５２は、凸状部２３，３３の頂面に加え、同凸状部２３，３３の他の箇所や凹状部２４，３４に形成されてもよい。ただし、薄膜４２，５２を形成する工程の煩雑さ、コスト等を考えると、凸状部２３，３３の頂面にのみ形成されることが好ましい。

また、薄膜４２，５２が凸状部２３，３３の頂面とは異なる箇所に形成されると、その分、流路２５，３５の流路断面積が小さくなる。そのため、薄膜４２，５２は、必要な箇所である凸状部２３，３３の頂面にのみ設けられることが好ましい。

・上記各実施形態では、薄膜４２，５２の親水性をセパレータ基材２２，３２の親水性よりも高くしたが、こうしたことは必須ではない。
・第３実施形態では、第１セパレータ２１における第１薄膜４１と、第２セパレータ３１における第１薄膜との一方が省略されてもよい。

・第１～第３実施形態では、第１セパレータ２１における薄膜４２と、第２セパレータ３１における薄膜５２との一方が省略されてもよい。
＜溝４３，５３について＞
・第１及び第３実施形態における溝４３，５３は、凸状部２３，３３の延びる方向に対し、斜めに交差する方向へ延びてもよい。

・第１セパレータ２１における溝４３と、第２セパレータ３１における溝５３とのいずれか一方が省略されてもよい。
・上記各実施形態において、溝４３，５３の深さが、薄膜４２，５２において同溝４３，５３の設けられていない箇所の厚みよりも小さく設定されてもよい。この場合には、薄膜４２，５２において溝４３，５３の形成された箇所にも、同薄膜４２，５２の一部が形成される。上記各実施形態とは異なり、薄膜４２，５２において溝４３，５３の形成された箇所では、セパレータ基材２２，３２や第１薄膜４１が露出しない。インクジェット印刷法であれば、このように、他よりも厚みの小さな箇所（溝４３，５３）を有する薄膜４２，５２を形成することが可能である。

・複数の分岐溝部４３ａにより構成される第２実施形態における溝４３は、第３実施形態にも適用可能である。
＜流路抵抗増大部について＞
・第１セパレータ２１における流路抵抗増大部は、凹状部２４における両側壁部２４ａの一方にのみ設けられて、対向する側壁部２４ａ側へ突出する突部２８により構成されてもよい。

第２セパレータ３１における流路抵抗増大部についても、上記第１セパレータ２１の流路抵抗増大部と同様に、一方の側壁部３４ａにのみ設けられた突部３８によって構成されてもよい。

・第１セパレータ２１における流路抵抗増大部は、凹状部２４における底壁部２４ｂからカソード電極層１３側へ突出する突部によって構成されてもよい。
第２セパレータ３１における流路抵抗増大部についても、上記第１セパレータ２１の流路抵抗増大部と同様に、底壁部３４ｂからアノード電極層１４側へ突出する突部によって構成されてもよい。

・第１セパレータ２１における流路抵抗増大部は、凹状部２４における両側壁部２４ａの少なくとも一方と底壁部２４ｂとに跨がって形成されてもよい。
第２セパレータ３１における流路抵抗増大部についても、凹状部３４における両側壁部３４ａの少なくとも一方と底壁部３４ｂとに跨がって形成されてもよい。

＜その他＞
・第１セパレータ２１及び第２セパレータ３１は、ガス拡散層１５，１６が形成されない燃料電池にも適用可能である。

１０…燃料電池、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…カソード電極層（電極層）、１４…アノード電極層（電極層）、２１…第１セパレータ（燃料電池用セパレータ）、２２，３２…セパレータ基材、２３，３３…凸状部、２４，３４…凹状部、２４ａ，３４ａ…側壁部、２５，３５…流路、２８，３８…突部（流路抵抗増大部）、３１…第２セパレータ（燃料電池用セパレータ）、４１…第１薄膜、４２，５２…薄膜（第３実施形態では第２薄膜を構成）、４３，５３…溝、４３ａ…分岐溝部。

Claims (6)

1. 電解質膜の厚み方向における両側に電極層が接合されてなる膜電極接合体を備える燃料電池に用いられて、同方向における前記膜電極接合体の外側に配置され、かつ導電性を有するセパレータ基材を備え、
   前記セパレータ基材には、前記膜電極接合体に向けて突出する複数の凸状部と、同凸状部の突出方向とは反対側へ凹む複数の凹状部とが形成され、
   複数の前記凸状部及び複数の前記凹状部は、前記膜電極接合体の面に沿う方向に互い違いに配置されて平行に延びており、
   前記凹状部及び前記電極層により囲まれた領域が、同電極層に対しガスとして酸化ガス又は燃料ガスを供給する流路を構成する燃料電池用セパレータにおいて、
   前記凸状部及び前記凹状部の前記電極層側の面のうち少なくとも前記凸状部の頂面には、導電性を有する薄膜が積層され、
   前記頂面における前記薄膜には、前記凸状部の両側の前記流路を連通させる溝が形成され、
   前記凹状部のうち前記ガスの流れ方向における前記溝の下流側には、前記流路の流路断面積を、同溝により連通された箇所での流路断面積よりも小さくする流路抵抗増大部が設けられている燃料電池用セパレータ。
2. 前記溝は、前記凸状部の両側の前記流路のうち、前記流路抵抗増大部により流路断面積が小さくされていない側の前記流路を起点として分岐する複数の分岐溝部からなり、
   複数の分岐溝部において前記起点から遠い側のそれぞれの端部は、互いに離間した状態で、前記凸状部の両側の前記流路のうち、前記流路抵抗増大部により流路断面積が小さくされた流路に繋がれている請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記凹状部は、前記凸状部及び前記凹状部の配列方向に相対向する一対の側壁部を備え、
   前記流路抵抗増大部は、両側壁部の相対向する箇所にそれぞれ設けられて、互いに接近する側へ突出する一対の突部により構成されている請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記溝は、前記流路抵抗増大部が設けられた前記凹状部を両側から挟む前記凸状部上の前記薄膜において、前記凸状部及び前記凹状部の配列方向に相対向する箇所にそれぞれ形成されている請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記流路抵抗増大部は凹状部毎に設けられ、
   前記流路抵抗増大部と、同流路抵抗増大部により流路断面積が小さくされた流路に繋がれた前記溝との組み合わせは、隣り合う凹状部では、前記流路におけるガスの流れ方向に互いに異なる箇所に位置している請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記セパレータ基材は金属材料により形成されており、
   前記凸状部及び前記凹状部の前記電極層側の面には、導電性を有し、かつ前記セパレータ基材よりも高い耐腐食性を有する第１薄膜が全面にわたって積層され、
   前記薄膜は第２薄膜として、前記第１薄膜のうち、少なくとも前記凸状部の頂面に積層された部分に形成されている請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。

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