JP2001043868A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応がセパレータ
の反応帯域全体で効率よく行われるようにし、燃料電池
の性能向上を図る。 【解決手段】 基板１の一方の表面１ａに設けられた流
体通路の溝４は、両側壁面４ａと底面４ｂとで横断面が
矩形状に形成されると共に、流体通路の上流側において
開口部４ｃの幅Ｓ１または溝の深さを小さくして横断面
積を小さくされ、下流側において開口部４ｃの幅または
溝の深さを大きくして横断面積を大きくされており、さ
らに、流体通路の上流側から下流側に向けて上記横断面
積が徐々に変化されている。上流側で高い流速で流れて
反応に寄与しなかった未反応のガスは下流側で低い流速
で流れて十分に反応が行われることとなるので、基板１
の反応帯域の全体でほぼ均等な効率のよい反応が行われ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯用電源あるい
は電気自動車等に搭載して使用され、小形軽量を要求さ
れる燃料電池のセパレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池として、リン酸
水溶液や固体高分子等からなる電解質膜の両側に、水素
などの燃料ガスを供給する流体通路を形成した電極プレ
ートからなるセパレータと、酸素などの酸化剤ガスを供
給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレ
ータとをそれぞれ設けたものが知られている。そして、
上記セパレータの流体通路を構成する複数の溝は、横断
面が矩形で流体通路の入口から出口までほぼ同一寸法の
単純な形状になっており、かつ一直線状に並列して形成
されている（特開昭５９−１２７３７７号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のセ
パレータの流体通路においては、溝が単純な形状である
ことから、その加工が容易である反面、流体通路を流れ
る燃料ガスや酸化剤ガスは該流体通路の上流側において
溝の開口部を介して反応が十分に行われるのに対し、下
流側には反応に寄与するガスが十分に行き渡らないの
で、セパレータの反応帯域の全体で均等に反応が行われ
ず、燃料電池の出力性能を十分に高めることができない
問題があった。このため、小形軽量で出力性能の高い燃
料電池を実現できるセパレータが望まれていた。

【０００４】本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応
がセパレータの反応帯域全体で効率よく行われるように
した燃料電池用セパレータを提供することを目的とす
る。また、本発明の他の目的は、小形軽量で出力効率の
高い燃料電池を実現できる燃料電池用セパレータを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、基板の表面に沿って形成されて
流体を入口から出口に向けて流す有底の溝からなる流体
通路を設けた燃料電池用セパレータであって、上記流体
通路の溝は、流体通路の上流側において横断面積が小さ
く、流体通路の下流側において横断面積が大きく形成さ
れている構成としている。

【０００６】上記構成の装置においては、流体通路の上
流側において燃料ガスまたは酸化剤ガスは断面積の小さ
な溝内で流速を高くして流れ、溝の開口部を通して短時
間の接触による反応が行われ、一方、上流側で反応に寄
与しないまま下流側に流れたガスは断面積の大きな溝内
で流速を小さくして流れ、十分に時間をかけた接触によ
る反応が行われる。このため、流体通路を流れるガスは
上流側から下流側に亘る反応帯域の全体で反応が効率的
に行われることになる。

【０００７】請求項１に記載の装置において、流体通路
の溝は、上流側の横断面積から下流側の横断面積へと徐
々変化して形成されている構成とすることができる（請
求項２）。この構成では、上流側で反応に寄与しなかっ
たガスが徐々に下流側において反応に寄与するようにな
り、反応帯域の全体でほぼ均等に反応に行われる。

【０００８】請求項１または請求項２に記載の装置にお
いて、流体通路の溝は、流体通路の上流側において溝幅
が小さく、流体通路の下流側において溝幅を大きく形成
されている構成とすることができる（請求項３）。この
構成では、ガスの反応に寄与する溝の開口部の幅を適切
に変化させることができる。

【０００９】請求項１または請求項２に記載の装置にお
いて、流体通路の溝は、流体通路の上流側において溝の
深さが小さく、流体通路の下流側において溝の深さが大
きく形成されている構成とすることができる（請求項
４）。この構成では、基板への流体通路の溝を形成する
加工が容易である。

【００１０】請求項１ないし請求項３のいずれか１つに
記載の装置において、流体通路の溝は、流体通路の途中
において複数の分岐路に分岐されて横断面積が大きくな
るように形成されている構成とすることができる（請求
項５）。この構成では、流体通路の溝の分布密度を増し
て反応に寄与する溝の開口部の面積を上流側と下流側に
対し適切に設定することができる。また、請求項１ない
し請求項５のいずれか１つに記載の装置において、基板
はカーボンからなる構成とする（請求項６）と、基板製
品の軽量化が実現される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１ないし図４において、１
は略四角形をした平板状のカーボン板（基板）からなる
燃料ガス用電極プレートであり、電解質膜の一側に面す
る一方の表面１ａには、燃料ガスを流す流体通路２が反
応帯域３の全体に亘って設けられている。該流体通路２
は、電極プレート１の一側辺部（図１で右側辺部）に沿
う方向（上下方向）に平行な多数本の有底の溝４で形成
され、各溝４の入口端４ｘは流入溝５を介して燃料ガス
の流入孔６に接続され、また、各溝４の出口端４ｙは流
出溝５ａを介して燃料ガスの流出孔６ａに接続されれて
いる。

【００１２】前記各溝４は、図２，図３に示すように、
垂直な両側壁面４ａ，４ａと水平な底面４ｂとを有し横
断面が矩形状に形成されており、その開口部４ｃが、流
体通路２の上流側２ａ（図１で上方側）で小さい幅Ｓ１
に、下流側（図１で下方側）２ｂで上記幅Ｓ１より大き
な幅Ｓ２にそれぞれ設定されている。そして、該溝４
は、その全長に亘って深さが一定であり、開口部４ｃの
幅が流体通路２の上流側２ａの寸法から下流側２ｂの寸
法へと変化されることにより、断面積が上流側２ａから
下流側２ｂへと徐々に大きくなるように変化されてい
る。なお、前記溝４の断面積は、上流側２ａから下流側
２ｂに向けて連続的に変化させ、または、流体通路２の
途中で一定の長さ毎に段階的に変化させることができ
る。

【００１３】前記電極プレート１の一側辺部（図１で右
側辺部）には、電極プレート１の一方の表面１ａから他
方の表面１ｂに貫通する前記流入孔（ガス流入孔）６、
冷却水の流入孔（水流入孔）７、および酸化剤ガスの流
入孔（ガス流入孔）８が上方位置、中間位置、および下
方位置にそれぞれ設けられている。また、前記電極プレ
ート１の他側辺部（図１で左側辺部）には、同様に電極
プレート１を貫通する前記流出孔（ガス流出孔）６ａ、
冷却水の流出孔（水流出孔）７ａ、および酸化剤ガスの
流出孔（ガス流出孔）８ａが下方位置、中間位置、およ
び上方位置にそれぞれ設けられている。したがって、流
入孔６，８と流出孔６ａ，８ａとは電極プレート１の対
角位置に配置されている。

【００１４】前記電極プレート１の一方の表面１ａと反
対側にある他方の表面１ｂ（図４）には、冷却水を流す
冷却水通路９が前記反応帯域３に対応する領域の全体に
亘って設けられている。該冷却水通路９は、電極プレー
ト１の一側辺部に直交する辺部（図１で上下辺部）に沿
う方向（左右方向）に平行な多数本の有底の溝１０で形
成され、各溝１０の入口端は流入溝（水流入溝）１１を
介して前記水流入孔７に接続され、また、各溝１０の出
口端は流出溝（水流出溝）１１ａを介して前記水流出孔
７ａに接続されている。なお、電解質膜の他側に配置す
る酸化剤ガス用電極プレート１２は、前記電極プレート
１と同一の構造をしている。ただし、各電極プレート
１，１２は燃料電池セルの組立状態では電解質膜を挟ん
で互いに対向する関係になっているので、電極プレート
１２は、図５，図６に示すように、前記各流入孔６，
７，８と各流出孔６ａ，７ａ，８ａの位置や流体通路２
におけるガスの流れ方向が電極プレート１のものと逆に
なっている。

【００１５】上記構成の電極プレート１，１２が燃料電
池のセパレータとして使用される場合には、燃料ガスが
流入孔６に、冷却水が水流入孔７に、酸化剤ガスが流入
孔８にそれぞれ供給されると、燃料ガスは、電極プレー
ト１の流入孔６から流入溝５を経て流体通路２における
上流側２ａの溝４の入口端４ｘに入り、反応帯域３を下
流側２ｂに流れて溝４の出口端４ｙに至り、さらに、流
出溝５ａを経て流出孔６ａへ流出される。

【００１６】一方、酸化剤ガスは、電極プレート１２の
流入孔８から流入溝５を経て流体通路２における上流側
（図５の下方側）２ａの溝４の入口端４ｘに入り、反応
帯域３を下流側（図５の上方側）２ｂに流れて溝４の出
口端４ｙに至り、さらに、流出溝５ａを経て流出孔８ａ
へ流出される。その際、燃料ガスと酸化剤ガスは反応帯
域３，３において向流的に流れることにより電解質膜の
存在のもとに互いに反応し、電極プレート１，１２から
電力が出力される。このようにして燃料電池が作動して
いる間は、冷却水が電極プレート１，１２の水流入孔
７，７から水流入溝１１，１１を経て冷却水通路９，９
の各溝１０に入り，さらに、該冷却水通路９，９を下流
側へ流れて水流出溝１１ａ，１１ａを経て水流出孔７
ａ，７ａに流出されるので、上記反応によって発生する
熱は冷却水によって冷却され、作動温度が適切に維持さ
れる。

【００１７】上記の構成によれば、各電極プレート１，
１２の流体通路２の溝４は、該流体通路２の上流側にお
いて電解質膜の存在のもとで反応に寄与する開口部４ｃ
の幅Ｓ１が小さく横断面積が小さくなっているので、上
流側では燃料ガスや酸化剤ガスは流速が高く反応が適度
に抑えられ、速やかに下流側へ十分な量の未反応部分が
流れるようになり、また、下流側において反応に寄与す
る開口部４ｃの幅Ｓ２が大きく横断面積が大きくなって
いるので、上流側から下流側に流れたガスの未反応部分
は低い流速となって幅の大きな開口部４ｃを介して能率
よく反応する。したがって、各電極プレート１，１２の
反応帯域３，３の全体で均等に反応が行われることとな
り、燃料電池の性能向上を図ることができる。

【００１８】なお、上記実施の形態では、流体通路２の
溝４の横断面積を、溝４の深さを一定にして開口部４ｃ
の幅を変えることにより、上流側で小さく下流側で大き
くなるようにしたが、これに代えて、溝４の幅を一定に
して深さを上流側で浅く下流側で深くして、溝４の横断
面積を上流側で小さく下流側で大きくなるようにしても
よく、また、溝４の幅と深さの両方を変えることによ
り、溝４の横断面積を上流側で小さく下流側で大きくな
るようにしてもよい。

【００１９】また、上記実施の形態では、流体通路２の
溝４は、その壁面４ａが垂直な平面に形成され、底面４
ｂも水平な平面に形成された矩形断面に形成されている
が、上記壁面や底面は凹面や凸面に形成してもよく、溝
４の開口部４ｃの両縁や底面４ｂの両縁部は直線が交差
した角部とせずに適度に円弧状にした角部として形成し
てもよい。そして、流体通路２の断面は上記の形状に限
らず、台形状、逆台形状、円弧状、その他の形状でもよ
い。要するに、流体通路２の溝４の横断面積が上流側で
小さく下流側で大きくなっていればよく、溝４の断面形
状は特に限定されない。

【００２０】さらに、上記実施の形態では、前記電極プ
レート１，１２の流体通路２の溝４を基板の単一板に有
底の溝として形成したが、図７に示すように、貫通穴４
ｄによって溝４の壁面を構成する基板構成部材２０ａ
に、前記溝４の底部を構成する平板状の基板構成部材２
０ｂを接合することにより形成してもよい。このように
すれば、溝４の加工が確実、容易に行える。この場合、
基板構成部材２０ｂにおける溝４の底面４ｂとなる側と
反対側の面に前記冷却水通路９を設けることもできる。
また、上記実施の形態では、各電極プレート１，１２の
流体通路２は、上流側から下流側に向けて直線状に形成
したが、反応帯域３，３の全体に亘って蛇行して形成し
てもよい。このようにすると、流路が長く形成されるの
で、燃料ガスと酸化剤ガスとの接触時間が十分に確保さ
れ、効率のよい反応が行われ、燃料電池の性能の向上を
図ることができる。

【００２１】また、上記実施の形態では、前記流体通路
２の各溝４が上流側２ａの入口端４ｘから下流側２ｂの
出口端４ｙまでそれぞれ単一の溝として形成されている
が、図８，図９に示すように、途中で複数本に分岐させ
てもよい。このようにすると、密度の高い流体通路を形
成することができる。この場合、分岐された流体通路の
うち上流側の主路４ｅに沿う分岐路４ｆの入口部４ｇ
は、他の分岐路４ｈの入口部４ｉより狭く形成して、各
分岐路８ｆ，８ｈに均等にガスが流れるようにするとよ
い。流体通路２を蛇行して形成する場合には、蛇行する
流路の折り返し部に図９に示す分岐パターンを適用する
とよい。

【００２２】また、上記実施の形態では、前記電極プレ
ート（基板）１，１２をカーボンで構成したが、これに
限らず、機械的強度、耐食性、熱伝導度等に優れたチタ
ン等の金属で構成してもよいし、電極プレート１，１２
を電解質膜として固体高分子を使用した燃料電池に適用
したが、りん酸溶液を使用したものに適用てもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明のように、請求項１の発明は、
基板の表面に沿って形成された流体通路の溝は、流体通
路の上流側において横断面積が小さく、流体通路の下流
側において横断面積が大きく形成された構成としている
ので、燃料ガスや酸化剤ガスは、流体通路の上流側にお
いて高い流速のもとに適度に反応を行って、速やかに下
流側へ十分な量の未反応部分が流れ、下流側において該
未反応部分が低い流速のもとに能率よく反応することが
できる。したがって、基板の流体通路を上流側から下流
側に向けて流れるガスは反応帯域の全体で効率よく反応
が行われることとなり、燃料電池の性能向上を図ること
ができる。

【００２４】請求項２に記載の発明によれば、流体通路
の溝が、上流側の横断面積から下流側の横断面積へと徐
々変化して形成されているので、上流側で反応に寄与し
なかったガスが徐々に下流側において反応に寄与するよ
うになり、反応帯域の全体でほぼ均等に反応を行うこと
ができる。

【００２５】請求項３に記載の発明によれば、流体通路
の溝が、流体通路の上流側において溝幅を小さく、流体
通路の下流側において溝幅を大きく形成されているの
で、ガスの反応に寄与する溝の開口部の幅を適切に変化
させることにより、反応帯域の全体での反応効率の向上
を図ることができる。請求項４に記載の発明によれば、
流体通路の溝が、流体通路の上流側において溝の深さを
小さく、流体通路の下流側において溝の深さを大きく形
成されているので、基板への流体通路の溝を形成する加
工を容易に行うことができる。

【００２６】請求項５に記載の発明によれば、流体通路
の溝が、流体通路の途中において複数の分岐路に分岐さ
れて横断面積が大きくなるように形成されているので、
流体通路の溝の分布密度を増して反応に寄与する溝の開
口部の面積を上流側と下流側に対し適切に設定すること
ができる。また、請求項６に記載の発明によれば、基板
がカーボンで構成されているので、基板製品を軽量化で
き、小形化量の燃料電池の実現に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃料電池用セパレータ（燃料ガス用
電極プレート）の実施の形態を示す正面図である。

【図２】 図１のイーイ断面拡大図である。

【図３】 図１のローロ断面拡大図である。

【図４】 本発明の燃料電池用セパレータ（燃料ガス用
電極プレート）の実施の形態を示す背面図である。

【図５】 本発明の燃料電池用セパレータ（酸化剤ガス
用電極プレート）の実施の形態を示す正面図である。

【図６】 同じく背面図である。

【図７】 流体通路の溝の構成を示す断面拡大図であ
る。

【図８】 流体通路の溝の分岐パターンの一例を示す平
面図である。

【図９】 同じく他の例を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 電極プレート（基板） ２ 流体通路 ４ 溝 ４ａ 壁面 ４ｂ 底面 ４ｃ 開口部 ５ 流入溝 ５ａ 流出溝 ６，８ 流入孔 ６ａ，８ａ
流出孔 ７ 水流入孔 ７ａ 水流出
孔 ９ 冷却水通路 １２ 電極プ
レート（基板）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に沿って形成されて流体を入
   口から出口に向けて流す有底の溝からなる流体通路を設
   けた燃料電池用セパレータであって、 上記流体通路の溝は、流体通路の上流側において横断面
   積が小さく、流体通路の下流側において横断面積が大き
   く形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレー
   タ。
2. 【請求項２】 前記流体通路の溝は、上流側の横断面積
   から下流側の横断面積へと徐々変化して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレー
   タ。
3. 【請求項３】 前記流体通路の溝は、流体通路の上流側
   において溝幅が小さく、流体通路の下流側において溝幅
   が大きく形成されていることを特徴とする請求項１また
   は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 【請求項４】 前記流体通路の溝は、流体通路の上流側
   において溝の深さが小さく、流体通路の下流側において
   溝の深さを大きく形成されていることを特徴とする請求
   項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 【請求項５】 前記流体通路の溝は、流体通路の途中に
   おいて複数の分岐路に分岐されて横断面積が大きくなる
   ように形成されていることを特徴とする請求項１ないし
   請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレー
   タ。
6. 【請求項６】 前記基板はカーボンからなることを特徴
   とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の
   燃料電池用セパレータ。