JP2003077497A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池用セパレータにおいて、ガス拡散性
を向上することである。 【解決手段】 流路幅が上流よりも拡幅する流路部分３
１０が、小凸部４２を縦横に配置して流路溝５１が格子
状に形成されたセパレータにおいて、前記流路部分３１
０に、凸部の占有密度が小凸部４２を配置した部位より
も高い凸部高密度領域４３，４４，４５を設け、凸部高
密度領域４３〜４５を、細長の形状とするとともに、下
流側が、外側に膨らんだ拡幅部側に向くように傾斜せし
めることで、凸部高密度領域４３〜４５により、上流か
らのガスを拡幅部の方に案内してガスが均一に拡散する
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池を構成する
電池セルの隔壁をなす燃料電池用セパレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電解質膜の上下面に、触媒
を担持した電極を重ね合わせて電池セルとするととも
に、電池セルとセパレータとを電極とセパレータとが対
向するように交互に積層する構造となっている。セパレ
ータは、電極側に突出する凸部が設けられて、セパレー
タを挟んで相隣れる電池セルの電極同志を導通する集電
極としての機能を果たすとともに、セパレータと電極と
の間隙に燃料ガス、酸化ガスを流し電極に供給する機能
を果たしている。セパレータの背向する表面の一方に沿
って燃料ガスを流すとともに他方の表面に沿って酸化ガ
スを流し、これらのガスをそれぞれ、対応する電極に拡
散していくようにする。これにより、積層する電池セル
が直列接続となり、積層数に応じて高電圧が取り出せ
る。

【０００３】図７はセパレータの一例を示すもので、セ
パレータ９は表面に複数の凸部９２１，９２２が形成さ
れており、凸部非形成部により流路溝９３１，９３２が
形成される。流路９１は集電部としての凸部９２１，９
２２と、ガスの通り道となる流路溝９３１，９３２とが
混在した構造をとる。流路９１の経路は、図例のもので
は図中右上の燃料ガス導入孔９４１から図中左下の燃料
ガス排出孔９４２に到るＳ字状となっている。そして、
折り返し部で互いに結合する上流部、中流部および下流
部は、凸部９２１が細長の長方形で流路幅の方向に複数
配置されており、流路溝９３１が直線状である。この直
線状の流路溝９３１では、ガスの移動方向が一方向に規
定されて、流速を速めるとともに、圧力損失の低減を図
っている。また、集電部としての凸部９２１を細長の長
方形とすることで十分な集電性が得られる。また、流路
９１の折り返し部では正方形の小凸部９２２が縦横に等
間隔で配置されて格子状の流路溝９３２となっており、
ガスの向きがスムーズに変化するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発電効率の
向上を図るとすれば、流路溝の面積を増やしながら、集
電部としての凸部の面積をも確保することを考慮しなけ
ればならず、種々の流路形状が試みられている。また、
燃料ガス導入孔や酸化ガス導入孔の形状や大きさが燃料
電池の全体レイアウトの中で制限されることが考えられ
る。このため、例えば、燃料ガス導入孔が図例のような
流路の幅一杯の形状とすることができなくなることがあ
り得る。すると、ガス導入孔に連なる部分が、相対的に
その上流部であるガス導入孔よりも拡幅し、ガス導入孔
の真っ直ぐ下流部には良好にガスが拡散しても該下流部
から脇にはずれた拡幅部には、必ずしも十分にガスが拡
散しない。このため、ガス拡散のむらで、電極へのガス
の供給能力が、流路溝の面積から予想される能力よりも
低くなる等の弊害を生じ、発電効率が低下する。

【０００５】特開平１０−１０６５９４号公報に記載の
技術では、燃料ガス導入孔９３１に連なる部分を、前記
セパレータ９の流路の折り返し部のごとく流路溝を格子
状としており、このものでは流路の拡幅部へのガスの拡
散を促す一定の効果があるものの、必ずしも十分ではな
い。

【０００６】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
ガスを均一に拡散することの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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、燃料電池の積層する電池セルの隔壁をなすセパレー
タであって、その表面に電池セルの電極と接触し導通す
る凸部が設けられるとともに、凸部非形成部により、電
極に供給する燃料ガスまたは酸化ガスが電極との間隙を
流れる流路溝が形成された流路に、前記凸部として小凸
部を縦横に配置して流路溝が格子状に形成された格子状
溝形成部を有し、前記流路が、前記格子状溝形成部で流
路幅がその上流部よりも拡幅する形状である燃料電池用
セパレータにおいて、該格子状溝形成部に、凸部の占有
密度が前記小凸部の占有密度よりも高い凸部高密度領域
を設け、該凸部高密度領域を、細長の形状とするととも
に、下流側が流路の拡幅部側に向くように傾斜せしめ
る。

【０００８】上流からのガスは、凸部高密度領域までく
ると流通抵抗が増大する。凸部高密度領域は拡幅部側に
向いているので、ガスは拡幅部の方へ案内される。これ
により、ガスの拡散むらが減少し、ガス拡散を均一化す
ることができる。

【０００９】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記凸部高密度領域を、ひと続きの凸
部により構成する。

【００１０】凸部高密度領域において完全にガスが遮ら
れるので、凸部高密度領域の幅が狭くともガスを拡幅部
のほうへ案内する十分な作用が得られる。したがって、
ガスと電極との接触面積は殆ど減じられない。

【００１１】請求項３記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記凸部高密度領域を、前記小凸部よ
りも大きな凸部を飛び石状に配置してなる構成とする。

【００１２】凸部高密度領域を凸部と流路溝とが混在し
たものとすることで、電極において、セパレータと導通
する部分とガスと接触する部分とが適当に分散し、電池
セルの作動状態を均質化することができる。

【００１３】請求項４記載の発明では、請求項３の発明
の構成において、前記凸部高密度領域に飛び石状に配置
する大きな凸部の形状を、前記流路の幅方向に長い長方
形とする。

【００１４】凸部高密度領域のひとつひとつの凸部を過
度に大きくすることなく、効率よく上流からのガスをせ
き止めることができる。

【００１５】請求項１ないし４の発明は、請求項５記載
の発明のように前記格子状溝形成部の上流部が、燃料ガ
スまたは酸化ガスを導入するガス導入口である燃料電池
用セパレータに適用すれば、前記凸部高密度領域により
ガス拡散の不均一が改善されて、ガス導入口の形状や形
成位置の自由度が拡大する。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に本発明の
第１実施形態になる燃料電池用セパレータ（以下、適
宜、セパレータという）を示し、図２に前記セパレータ
を適用した燃料電池の要部の断面構造を示す。セパレー
タ１１は、ガス不透性の、セパレータとして望ましい特
性を備えた緻密性カーボン等の公知の材料により、長方
形の板状に構成されたもので、燃料電池の電池セル１２
と交互に積層し、電池セル１２の隔壁となる。電池セル
１２には電解質膜１２０の両面に、ガスが拡散可能な多
孔質層等の構造を有する電極１２１，１２２を重ねた一
般的な構造のものが用いられ得る。

【００１７】セパレータ１１の背向する表面１１０１，
１１０２のそれぞれには、電池セル１２の電極１２１，
１２２の方に突出する多数の凸部４１，４２，４３，４
４，４５，４６が形成されて、段上面にて電池セル１２
の電極１２１，１２２と密着し、該電極１２１，１２２
とセパレータ１１とが導通するようになっている。ま
た、凸部４２等の非形成部にできる空間は、水素を含有
する水素リッチガス等の燃料ガスまたは酸素を含有する
空気等の酸化ガスが電極１２１，１２２との間隙を流れ
る流路３１，３２となり、流路３１，３２を流通するこ
れらのガスが、セパレータ１１とは非接触の電極１２
１，１２２の表面から電極１２１，１２２内に拡散す
る。

【００１８】セパレータ１１の図１中左右の対向辺の近
傍には、燃料ガスをセパレータ１１の一方の表面１１０
１の流路溝５１，５２に導入するための燃料ガス用のガ
ス導入孔２１と、燃料ガスを前記流路溝５１，５２から
排出するための燃料ガス排出孔２６とが形成されてい
る。燃料ガス導入孔２１は図中右上に、燃料ガス排出孔
２６は図中左下に位置している。また、酸化ガスをセパ
レータ１１の他方の表面１１０２の図略の流路溝に導入
するための酸化ガス導入孔２４と、酸化ガスを前記流路
溝から排出するための酸化ガス排出孔２３とが形成され
ている。また、冷却水を循環する冷却水流路を形成する
ための冷却水流路孔２２，２５が形成されている。

【００１９】セパレータ１１の一方の表面１１０１にお
ける凸部４１〜４６とこれにより形状が規定される流路
溝５１，５２について説明する。セパレータ１１にはこ
れを縁取るように額縁状の凸部４１が形成されている。
額縁状凸部４１は、前記燃料ガス導入孔２１および燃料
ガス排出孔２６の形成部よりも外側に形成され、燃料ガ
スが額縁状凸部４１で囲まれた範囲を流通可能となって
いる。

【００２０】額縁状凸部４１からは２つの流路形成リブ
４１１，４１２が延設されている。第１の流路形成リブ
４１１は図中上から略１／３の位置を、燃料ガス導入孔
２１の近傍から横方向に伸び、第２の流路形成リブ４１
２は図中下から略１／３の位置を、燃料ガス排出孔２６
の近傍から横方向に伸びている。これにより、全体とし
ては、燃料ガス導入孔２１からＳ字状に蛇行して燃料ガ
ス排出孔２６に到る燃料ガスの流路３１が形成される。

【００２１】蛇行する流路３１は、導入部３１０、互い
に平行な上流部３１１、中流部３１３、下流部３１５
と、上流部３１１と中流部３１３との間、中流部３１３
と下流部３１５との間で折り返す折り返し部３１２，３
１４からなり、セパレータ１１と対向する電池セル１２
の電極１２１の全体に燃料ガスを供給可能としている。
導入部３１０は本発明の特徴部分であり、後述する。上
流部３１１、中流部３１３、下流部３１５は、それぞ
れ、流路形成リブ４１１，４１２に平行に形成された細
長の凸部４６が、流路幅方向に並列配置されており、凸
部非形成部により、複数の直線状の流路溝５２が互いに
平行に形成される。図例では、細長凸部４６の幅と流路
溝５２の幅とが同じになるように設定してある。

【００２２】折り返し部３１２，３１４では、小凸部で
ある正方形の凸部４２が縦横に等間隔に配置されてお
り、流路溝５３が格子状をなしている。これにより、折
り返し部３１２，３１４においてガスや水が滞留するこ
となく、流れ方向がスムーズに変化するようになってい
る。また、凸部４２の辺の長さはその配置間隔と同じ
で、凸部４２の辺の長さと流路溝５３の幅とが同じにし
てある。図例では、凸部４２は、上流部３１１等の細長
凸部４６の配置間隔と同じ配置間隔で配置されるととも
に、辺の長さが細長凸部４６の幅と同じにしてある。

【００２３】流路３１の導入部３１０について説明す
る。図３、図４は導入部３１０の近傍を拡大したもので
ある。導入部３１０は、全体的に、折り返し部３１２，
３１４と同じ配置間隔で、折り返し部３１２，３１４と
同様に小凸部である正方形の凸部４２が縦横に等間隔で
配置されており、全体としては格子状の流路溝５１が形
成される。この格子状溝形成部である導入部３１０は、
上流側部分が額縁状凸部４１の角部に開口する冷却水流
路２２を避けて、セパレータ１１の図中上側の辺縁側で
幅が狭くなっており、その上流端にて燃料ガス導入孔２
１と連なっている。これにより、燃料ガス導入孔２１か
らの燃料ガスが全体的には図中左向きに導入部３１０を
通り上流部３１１に流れる。

【００２４】燃料ガス導入孔２１は、流路３１の幅方向
に長い長方形形状で、長辺が導入部３１０の上流端の幅
よりもやや狭くなっている。

【００２５】したがって、導入部３１０の形状は、上流
部である燃料ガス導入孔２１側からみたとき、燃料ガス
導入孔２１の流路幅方向の長さ（以下、開口幅という）
よりも拡幅し、上流部３１１に近い側では、図中上側が
さらに拡幅している。以下、導入部３１０のうち、燃料
ガス導入孔２１の真っ直ぐ下流で流路幅方向中央部より
も流路３１の側縁側の部分３１０ａ，３１０ｂを、図中
上側のものを第１の拡幅部３１０ａと、図中下側のもの
を第２の拡幅部３１０ｂという。

【００２６】流路３１の導入部３１０には、正方形凸部
４２に混じって３つの帯状の凸部４３，４４，４５が形
成されており、導入部３１０の幅方向に並列している。
帯状凸部４３〜４５は、等間隔で配置される正方形凸部
４２をこれと同じ形状の凸部により縦方向または横方向
に互いに連結した構造で、導入部３１０の他の領域より
も凸部の占有密度が高い凸部高密度領域となっている。

【００２７】帯状凸部４３〜４５は、燃料ガス導入孔２
１に近い上流側がガスの流下方向に平行に直線状に形成
され、燃料ガス導入孔２１の真っ直ぐ下流で流路幅方向
中央部に位置している。そして、下流側がジグザグに屈
曲してガスの流下方向に対して傾げてある。この傾斜方
向は、図中上側の第１の帯状凸部４３が図中上側の方向
てあり、その下の第２の帯状凸部４４が第１の帯状凸部
４３と同方向で、傾斜角は第１の帯状凸部４３よりもや
や緩くしてある。また、図中下側の第３の帯状凸部４５
は、第１、第２の帯状凸部４３，４４と反対側の図中下
側の方向に傾斜している。

【００２８】これにより、燃料ガス導入孔２１から導入
部３１０に流入した燃料ガスが下流に向かって流れて帯
状凸部４３〜４５の下流部に到ると、帯状凸部４３〜４
５により真っ直ぐ流下することを阻害され、傾斜した帯
状凸部４３〜４５に沿って脇の方に案内されていく。帯
状凸部４３，４４により案内されたガスは第１の拡幅部
３１０ａの方に、帯状凸部４５により案内されたガスは
第２の拡幅部３１０ｂの方に案内される。これにより、
燃料ガス導入孔２１からの燃料ガスが拡幅部３１０ａ，
３１０ｂにスムーズに拡散していく。

【００２９】また、第１の拡幅部３１０ａの方に案内す
る凸部として、２つの帯状凸部４３，４４を設けること
で、次の効果を奏する。第２の帯状凸部４４は燃料ガス
導入孔２１の開口幅方向中央から真っ直ぐ下流の位置よ
りもやや図中下側に位置しており、大きく拡幅している
第１の拡幅部３１０ａに相対的により多くのガスが拡散
するようになっている。そして、第２の帯状凸部４４よ
りも上側にさらに傾斜角の大きい第１の帯状凸部４３を
設けることで、導入部３１０の隅部へのガスの拡散がよ
り十分なものとなるようにしている。

【００３０】これにより、ガスをより均一に拡散せしめ
ることができる。

【００３１】しかも、帯状凸部４３〜４５がそれぞれひ
と続きの構成であり、帯状凸部４３〜４５において完全
に上流からのガスが遮られるので、帯状凸部４３〜４５
が正方形凸部４２ひとつ分の幅しかもっていなくともガ
スを脇の方へ案内する十分な作用が得られる。したがっ
て、帯状凸部４３〜４５は僅かな面積で済み、ガスと電
極１２１との接触面積が殆ど減じられない。

【００３２】図５は流路３１の導入部３１０におけるガ
スの流速の、流路幅方向（Ｙ方向）の分布を示すもの
で、図３中のＡ−Ａ線に沿う断面で計測したものであ
る。流速はガスの流下方向（Ｘ方向）の流速比で示して
いる。図中には、本発明と比較するための比較例のもの
も併せて示している。比較例は、導入部の流路溝が、帯
状凸部のない単純な格子状流路溝のもので、その他は本
発明の実施形態と同じである。比較例では、導入部の拡
幅部で流速が低くなる傾向が強いのに対して、本発明で
は、この傾向が緩和されて、特に、大きく拡幅している
第１の拡幅部において、流速を確保するきわめて顕著な
効果を奏することが認められる。

【００３３】これにより、燃料ガス導入孔が開口面積の
小さなものであっても、また、その形成位置が導入部に
対して流路幅方向に大きくオフセットしても、均一に燃
料ガスを拡散することができる。

【００３４】なお、酸化ガスの流路３２が形成される方
の表面１１０２側にも同様の構成を適用することができ
るのは勿論である。

【００３５】（第２実施形態）図６に本発明の第２実施
形態になるセパレータを示す。第１実施形態のセパレー
タの導入部において、帯状凸部に代わる別の構造を与え
たものである。なお、説明の便宜のため、第１実施形態
と同じ部分には図示はしなくとも同じ番号を付すものと
する。

【００３６】本セパレータ１１Ａの流路導入部３１０Ａ
には、正方形凸部４２が７つ分の大きさの長方形の凸部
４７、正方形凸部４２が３つ分の大きさの長方形の凸部
４８がそれぞれ複数、配置してある。凸部４７，４８は
長辺が流路幅方向にとってあり、それぞれ、上流からの
燃料ガスをせき止める作用をするようになっている。長
方形凸部４７，４８は、図中、上側、中側、下側の３つ
の凸部高密度領域である領域３１０１，３１０２，３１
０３のそれぞれに群をつくっており、凸部の占有密度が
高くなっている。

【００３７】領域３１０１〜３１０３のそれぞれは、長
方形凸部４７，４８が雁行状に配置してなり、ガス流下
方向に対して傾斜している。図中上側の第１、第２の領
域３１０１，３１０２は、下流側が第１の拡幅部３１０
ａ側に向いている。また、その下の第３の領域３１０３
は、領域３１０１，３１０２とは逆に図中下側の第２の
拡幅部３１０ｂ側に向いている。

【００３８】凸部４７，４８は、それぞれが上流からの
ガスをせき止める作用をするとともに、雁行状に配置さ
れているので、領域３１０１〜３１０３は実質的に第１
実施形態の帯状凸部４３〜４５のごとく、ガスの流れ
を、各領域３１０１〜３１０３に沿って拡幅部３１０
ａ，３１０ｂの方に案内する。これにより、第１実施形
態と同様にガスの拡散の均一化をはかることができる。

【００３９】なお、第１の拡幅部３１０ａ側を向く第
１、第２の領域３１０１，３１０２のうち第２の領域３
１０２は、第３の領域３１０３と同じ、正方形凸部４２
が３つ分の長方形凸部４８により形成されているが、第
１の領域３１０１の長方形凸部４７は正方形凸部４２が
７つ分の大きさの凸部であり、第１の領域３１０１の傾
斜角は第２の領域３１０２の傾斜角よりも大きい。これ
により、第１実施形態のごとく、大きく拡幅する第１の
拡幅部３１０ａの全域に良好にガスを均一に拡散せしめ
ることができる。

【００４０】なお、本実施形態の構成によれば、領域３
１０１〜３１０３は、凸部４７，４８が飛び石状に配置
されているから、凸部非形成で流路溝５１となる部分と
凸部４７，４８とが混在し、電極１２１において、ガス
と接触する部分とセパレータ１１と接触する部分とが適
当に分散することになるから、電池セル１２の機能に偏
りが生じない。

【００４１】また、本実施形態では、ガス拡散を均一化
するための凸部を短辺が正方形凸部の辺と同じ長さの長
方形とするとともに、長辺が流路の幅方向になるように
配置することで、効率よくガス流れをせき止め得るよう
にしているが、例えば、ずんぐりとした正方形に近い形
状でもよい。

【００４２】また、酸化ガスの流路３２が形成される方
の表面１１０２側にも同様の構成を適用することができ
るのは勿論である。

【００４３】また、前記各実施形態は、凸部高密度領域
を導入部に設けているが、流路のうち、流路幅が上流部
よりも拡幅し、流路溝が格子状に形成されている部分で
あれば凸部高密度領域を設けることで、ガス拡散を均一
化する本発明のすぐれた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態になる燃料電池用セパレ
ータの平面図である。

【図２】前記燃料電池用セパレータを適用した燃料電池
の要部断面図である。

【図３】前記燃料電池用セパレータの要部の拡大図であ
る。

【図４】前記燃料電池用セパレータの要部の斜視図であ
る。

【図５】流路溝における流速分布を示すグラフである。

【図６】本発明の第２実施形態になる燃料電池用セパレ
ータの平面図である。

【図７】従来の燃料電池用セパレータの代表例の平面図
である。

【符号の説明】

１１，１１Ａ セパレータ １２ 電池セル １２０ 電解質膜 １２１，１２２ 電極 １１０１，１１０２ 表面 ２１ 燃料ガス導入孔（上流部） ２３ 酸化ガス排出孔 ２４ 酸化ガス導入孔 ２６ 燃料ガス排出孔 ２２，２５ 冷却水流路孔 ３１，３２ 流路 ３１０ 導入部（格子状溝形成部） ３１０ａ，３１０ｂ 拡幅部 ３１０１，３１０２，３１０３ 領域（凸部高密度領
域） ３１１ 上流部 ３１２ 折り返し部 ３１３ 中流部 ３１４ 折り返し部 ３１５ 下流部 ４１ 額縁状凸部 ４１１，４１２ 流路形成用リブ ４２ 正方形凸部（小凸部） ４６，４７，４８ 凸部 ４３，４４，４５ 帯状凸部（凸部、凸部高密度領域） ５１，５２，５３ 流路溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 稔幸 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 浅井 康之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 八神 裕一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 和田 三喜男 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高橋 剛 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の積層する電池セルの隔壁をな
   すセパレータであって、その表面に電池セルの電極と接
   触し導通する凸部が設けられるとともに、凸部非形成部
   により、電極に供給する燃料ガスまたは酸化ガスが電極
   との間隙を流れる流路溝が形成された流路に、前記凸部
   として小凸部を縦横に配置して流路溝が格子状に形成さ
   れた格子状溝形成部を有し、前記流路が、前記格子状溝
   形成部で流路幅がその上流部よりも拡幅する形状である
   燃料電池用セパレータにおいて、 該格子状溝形成部に、凸部の占有密度が前記小凸部の占
   有密度よりも高い凸部高密度領域を設け、 該凸部高密度領域を、細長の形状とするとともに、下流
   側が流路の拡幅部側に向くように傾斜せしめたことを特
   徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池用セパレータに
   おいて、前記凸部高密度領域を、ひと続きの凸部により
   構成した燃料電池用セパレータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池用セパレータに
   おいて、前記凸部高密度領域を、前記小凸部よりも大き
   な凸部を飛び石状に配置してなる構成とした燃料電池用
   セパレータ。
4. 【請求項４】 請求項３記載の燃料電池用セパレータに
   おいて、前記凸部高密度領域に飛び石状に配置する大き
   な凸部の形状を、前記流路の幅方向に長い長方形とした
   燃料電池用セパレータ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池用セパレータにおいて、前記格子状溝形成部の上流部
   が、燃料ガスまたは酸化ガスを導入するガス導入口であ
   る燃料電池用セパレータ。