JP2007149358A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの両面において流体の流れの均一性を高めることができる燃料電池用セパレータを課題とする。
【解決手段】表面に形成された第１流路（２１Ａ）と、裏面に形成された第２流路（２２Ａ）と、を備えた燃料電池用セパレータ（１２Ａ）であって、第１流路（２１Ａ）は、複数の第１メイン流路（７１Ａ）と、その第１メイン流路（７１Ａ、７１Ａ）間を流体が流れるように連絡する第１サブ流路と、を有する。第２流路（２２Ａ）は、複数の第２メイン流路（８１Ａ）と、その第２メイン流路（８１Ａ，８１Ａ）間を流体が流れるように連絡する第２サブ流路と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関し、特に燃料電池用セパレータの流路構造に関するものである。

従来、固体高分子型の燃料電池の単セルは、電解質膜およびこれを挟持する一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、で構成されている（例えば、特許文献１ないし３参照。）。

特許文献１に記載のセパレータは、プレス成形によりその表裏両面に凹凸が形成されている。このセパレータでは、ＭＥＡ側の表面の凸部が電極に接触して導電通路を構成し、ＭＥＡ側の表面の凹部が燃料ガス又は酸化ガスの流路を構成する。また、セパレータでは、ＭＥＡとは反対側の裏面側の凹部（すなわち、ＭＥＡ側の表面の凸部の背面側）は、冷媒の流路を構成する。そして、ＭＥＡ側の表面の凸部には、この凸部を横断するようにクロス溝が形成され、このクロス溝によって、隣接するガス流路間（すなわち、凹部間）が連通している。かかるセパレータによれば、クロス溝によってガス流路間のガス流れが確保されるため、フラッディングによるガス流路の閉塞が抑制される。
特開２００４−２４７０６１号公報 特開２００３−２０３６５０号公報 特開２００１−２８３８７３号公報

しかし、クロス溝は、セパレータの片面にしか設けられていなかった。このため、クロス溝のない冷媒流路では、流路間での冷媒の流れが不均一である場合に、その不均一性を解消することができなかった。

本発明の第１の目的は、セパレータの両面において流体の流れの均一性を高めることができる燃料電池用セパレータを提供することにある。
本発明の第２の目的は、冷媒の流路においてその流れの均一性を高めることができる燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記第１の目的を達成するべく、本発明の燃料電池用セパレータは、表面に形成された第１流路と、裏面に形成された第２流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、第１流路は、複数の第１メイン流路と、その第１メイン流路間を流体が流れるように連絡する第１サブ流路と、を有し、第２流路は、複数の第２メイン流路と、その第２メイン流路間を流体が流れるように連絡する第２サブ流路と、を有するものである。

この構成によれば、流体が第１サブ流路を介して第１メイン流路間で往来することができると共に、流体が第２サブ流路を介して第２メイン流路間で往来することができる。これにより、第１メイン流路間で流体の不均一性があっても、それを第１サブ流路で解消することができると共に、第２メイン流路間で流体の不均一性があっても、それを第２サブ流路で解消することができる。よって、セパレータの表裏両面において流体の流れの均一性を高め得る。

本発明の一態様によれば、第１メイン流路と第１サブ流路とは、流路断面積が異なることが、好ましい。

より好ましくは、第１サブ流路は、第１メイン流路よりも流路断面積が小さければよい。あるいは、別の観点からすれば、第１サブ流路は、第１メイン流路よりも流体抵抗が大きくてもよい。

この構成によれば、構造上、第１サブ流路によって第１メイン流路間の流体の往来を確保しつつ、第１メイン流路における流体の流れを適切に確保することができる。

ここで、第１流路を流れる流体及び第２流路を流れる流体は、一般に、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷媒から選択される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池の反応に寄与することから、反応ガスと総称される。好ましい一態様では、第１流路を流れる流体は反応ガスであり、第２流路を流れる流体は冷媒である。他の一態様では、第１流路を流れる流体は燃料ガスであり、第２流路を流れる流路は酸化剤ガスであってもよい。

ここで、燃料電池は、リン酸型など各種のタイプに適用することができるが、特に固体高分子型が好適である。一般に、固体高分子型の燃料電池は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とこれを挟持する一対のセパレータとを備える。
反応ガスが流れる第１メイン流路及び第１サブ流路は、ＭＥＡが面するセパレータの面に形成されるとよい。こうすることで、第１サブ流路を形成しない構成に比べて、ＭＥＡの反応ガスのガス拡散性及び第１メイン流路における排水性を向上することができる。
一方、冷媒が流れる第２メイン流路及び第２サブ流路は、ＭＥＡとは反対側のセパレータの面に形成されるとよい。こうすることで、第２サブ流路を形成しない構成に比べて、第２メイン流路間の冷媒の熱分布を均一化させることができる。

ここで、流路における冷媒の流れの均一性を高めることができる観点に着目すれば、本発明は以下のように捉えることもできる。

すなわち、上記第２の目的を達成するべく、本発明の他の燃料電池用セパレータは、表面に形成されて冷媒が流れる第１流路と、裏面に形成された第２流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、第１流路は、複数の第１メイン流路と、その第１メイン流路間を冷媒が流れるように連絡する第１サブ流路と、を有し、第１サブ流路は、第１メイン流路よりも流路断面積が小さいものである。

この構成によれば、冷媒が第１サブ流路を介して第１メイン流路間で往来することができる。これにより、第１メイン流路間で冷媒の不均一性があっても、それを第１サブ流路で解消することができ、第１メイン流路間の冷媒の熱分布を均一化させることができる。また、第１サブ流路を第１メイン流路よりも流路断面積を小さくしているので、第１メイン流路における冷媒の流れを適切に確保することができる。

上記第１の目的及び第２の目的を達成するための燃料電池用セパレータの一態様によれば、第１サブ流路は、第１メイン流路間を複数箇所で連絡することが、好ましい。

この構成によれば、第１メイン流路間の複数箇所で、この第１メイン流路間を流体が往来し得る。これにより、第１メイン流路間の流体の流れの均一性をより一層向上することができる。

本発明の一態様によれば、第２サブ流路は、第２メイン流路間を複数箇所で連絡することが、好ましい。

この構成によれば、同様に、第２メイン流路間の流体の流れの均一性をより一層向上することができる。

本発明の一態様によれば、第１サブ流路と第２サブ流路とは、それらの延在方向から見たとき、延在方向に直交する方向に交互に並んでいることが、好ましい。

この構成によれば、例えば燃料電池を積層化する際に有用となる。

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池用セパレータは、表面から見たときに凹である第１凹部であって、それぞれが第１メイン流路を構成する複数の第１凹部と、裏面から見たときに凹であり且つ第１凹部間に隣接するように位置する第２凹部であって、それぞれが第２メイン流路を構成する複数の第２凹部と、を備える。そして、第１サブ流路は、第２凹部の底部背面の一部を凹状に形成することにより構成され、第２サブ流路は、第１凹部の底部背面の一部を凹状に形成することにより構成される。

この構成によれば、セパレータの高さ（厚み）を小さくしつつ、第１サブ流路及び第２サブ流路を簡単に設けることができる。

本発明の一態様によれば、燃料電池用セパレータは、金属で形成されていることが、好ましい。例えば、燃料電池用セパレータは、板金をプレス成形することにより形成されるとよい。

本発明の第１の燃料電池用セパレータによれば、セパレータの両面において流体の流れの均一性を高めることができる。
本発明の第２の燃料電池用セパレータによれば、冷媒の流路においてその流れの均一性を高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用セパレータについて説明する。この燃料電池用セパレータは、表裏両面の流路に、それぞれ、メイン流路とサブ流路とを有し、サブ流路によってメイン流路間を連絡するようにしたものである。以下では、燃料電池車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。

図１は、燃料電池の斜視図である。
燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層した積層スタック構造を有する。燃料電池１は、スタック構造の両端に位置する単セル２の外側に、順次、出力端子４付きの集電板５、絶縁板６およびエンドプレート７を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート７間を架け渡すようにして設けられたテンションプレートが各エンドプレート７にボルト固定されることで、単セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。

図２は、単セル２を示す断面図である。
単セル２は、ＭＥＡ１１と、これを挟持する一対のセパレータ１２Ａ、１２Ｂと、で構成されている。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１５と、電解質膜１５を挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）１６Ａ，１６Ｂと、で構成されている。そして、電極１６Ａの外面にセパレータ１２Ａが面し、電極１６Ｂの外面にセパレータ１２Ｂが面している。

各電極１６Ａ，１６Ｂは、セパレータ１２Ａ，１２Ｂに面する拡散層５１と、拡散層５１に結着されて電解質膜１５に面する触媒層５２と、で構成されている。拡散層５１は、例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。拡散層５１は、流体を通過させる機能と、触媒層５２およびセパレータ１２Ａ，１２Ｂを導通させる機能とを有する導電体である。触媒層５２の触媒としては、例えば白金が好適に用いられる。

単セル２は、電極（アノード）１６Ａに燃料ガスとしての水素ガスが供給され、電極（カソード）１６Ｂに酸化剤ガスとしての酸素ガスが供給される。電解質膜１５は、燃料ガスから供給された水素イオンを電極１６Ａから電極１６Ｂに移動させる機能を有する。これにより、ＭＥＡ１１内で、電気化学反応が生じ起電力が得られる。

ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガス（アノードガス）を意味する。また、酸素ガスとは、酸素を代表とする酸化剤を含有するガス（カソードガス）を意味する。水素ガスおよび酸素ガスは、反応ガスと総称されることがある。

各セパレータ１２Ａ，１２Ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されており、カーボンや金属のほか、導電性を有する樹脂で構成される。本実施形態では、各セパレータ１２Ａ，１２Ｂの基材は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル合金、チタンなどの金属で板状に形成されている。電極１６Ａ，１６Ｂに面するセパレータ１２Ａ，１２Ｂの基材の面は、この基材よりも耐食性に優れた膜が被覆されてもよい。

セパレータ１２Ａは、電極１６Ａに面する表面に形成されたガス流路２１Ａと、この表面と反対の裏面に形成された冷媒流路２２Ａと、を有している。
セパレータ１２Ｂは、電極１６Ｂに面する表面に形成されたガス流路２１Ｂと、この表面と反対の裏面に形成された冷媒流路２２Ｂと、を有している。

燃料電池１においては、大略してセパレータ１２Ａ、ＭＥＡ１１、セパレータ１２Ｂ、セパレータ１２Ａ，ＭＥＡ１１、セパレータ１２Ｂ、・・・がこの順で積層されている。セパレータ１２ＡとＭＥＡ１１との間はガス流路２１Ａとして機能し、ＭＥＡ１１とセパレータ１２Ｂとの間はガス流路２１Ｂとして機能し、セパレータ１２Ｂとセパレータ１２Ａとの間は冷媒流路（２２Ｂ，２２Ａ）として機能する。なお、本実施形態では一例として、隣接する全ての発電セル２，２間に冷媒流路を設ける構成を説明するが、複数の発電セル間毎に冷媒流路を設ける構成にも本発明を適用可能である。

ガス流路２１Ａは、電極１６に水素ガスを供給する水素ガス流路であり、ガス流路２１Ｂは、電極１６Ｂに酸素ガスを供給する酸素ガス流路である。
冷媒流路２２Ａ，２２Ｂは、冷却水に代表される冷媒を燃料電池１内部に通流させるための流路である。冷媒流路２２Ａ，２２Ｂを流れる冷媒は、起電力を得る電気化学反応で発生した熱を低減し、燃料電池１の温度上昇を抑制する。

図３は、３つの単セル２を積層した状態を示す断面図である。
隣接する単セル２，２間では、冷媒流路２２Ａと冷媒流路２２Ｂとの少なくとも一部分が連通するよう、セパレータ１２Ａとセパレータ１２Ｂとが設けられる。好ましくは、冷媒流路２２Ａの幅と冷媒流路２２Ｂの幅とがセル積層方向視で略一致するように両者は対向する。こうすれば、セパレータ１２Ａ，１２Ｂ間の導通性と、冷媒流路の確保とを両立できる。

図４は、セパレータ１２Ａを裏面から見た平面図である。
セパレータ１２Ａは、平面視矩形状に形成されている。セパレータ１２Ａは、一平面内において、冷媒流路２２Ａ（表面ではガス流路２１Ａ）がある発電対応エリアと、発電対応エリアの四周を囲うようにある非発電対応エリアと、を有している。セパレータ１２Ａの表面における発電対応エリアは、電極１６Ａに面する領域であり、セパレータ１２Ａの表面における非発電対応エリアは、電極１６Ａに面しない或いは一部が僅かに面する領域である。

非発電対応エリアには、一対の短辺部３１、３１が発電対応エリアを挟んで対向するように位置している。第１の短辺部３１には、水素ガス入口３２ａ、酸素ガス入口３３ａ、および冷媒入口３４ａが矩形状に貫通形成されている。第２の短辺部３１には、水素ガス出口３２ｂ、酸素ガス出口３３ｂ、および冷媒出口３４ｂが矩形状に貫通形成されている。

セパレータ１２Ａを流れる冷媒は、冷媒入口３４ａから入口側連通部３６を通って冷媒流路２２Ａに導入され、冷媒流路２２Ａを流れた後、出口側連通部３７を通って冷媒出口３４ｂへと導出される。入口側連通部３６及び出口側連通部３７は、短辺部３１に沿う方向に延在している。

セパレータ１２Ａを流れる水素ガスは、同様に、水素ガス入口３２ａから入口側連通部を通ってガス流路２１Ａに導入され、ガス流路２１Ａから出口側連通部を通って水素ガス出口３２ｂへと導出される。

なお、詳述しないが、セパレータ１２Ｂについてもセパレータ１２Ａと同様に構成されている。すなわち、セパレータ１２Ｂは、一対の短辺部３１、３１、水素ガス入口３２ａ、酸素ガス入口３３ａ、冷媒入口３４ａ、水素ガス出口３２ｂ、酸素ガス出口３３ｂ、および冷媒出口３４ｂ、並びに発電対応エリア及び非発電対応エリアを有している。

ここで、図２、図４及び図５を参照して、本実施形態のセパレータ１２Ａ，１２Ｂの流路構造について説明する。

セパレータ１２Ａにおいて、ガス流路２１Ａ（第１流路）は、複数のストレート流路であるメイン流路（第１メイン流路）７１Ａと、そのメイン流路７１Ａ，７１Ａ間を水素ガスが流れるように連絡するサブ流路（第１サブ流路）７２Ａと、で構成されている。

複数のメイン流路７１Ａは、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する。各メイン流路７１Ａは、延在方向の一端であるガス導入端が上記の入口側連通部に直接開放し、他端であるガス導出端が上記の出口側連通部に直接開放している。すなわち、複数のメイン流路７１Ａは、水素ガス入口３２ａと水素ガス出口３２ｂとを結ぶように水素ガスを流すものである。

複数のサブ流路７２Ａは、メイン流路７１Ａの延在方向に直交する方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する。一つのサブ流路７２Ａは、隣接するメイン流路７１Ａ、７１Ａの間に位置し、メイン流路７１Ａ、７１Ａ同士の間で水素ガスが往来可能となるように、メイン流路７１Ａ、７１Ａ同士を連絡する。サブ流路７２Ａは、燃料電池１内における水素ガスの流れにおいて、補助的な役割を果たすものであり、補助流路又はクロス流路と換言することができる。

冷媒流路２２Ａは、ガス流路２１Ａと同様に構成されている。すなわち、冷媒流路２２Ａ（第２流路）は、複数のストレート流路であるメイン流路（第２メイン流路）８１Ａと、そのメイン流路８１Ａ，８１Ａ間を冷媒が流れるように連絡するサブ流路（第２サブ流路）８２Ａと、で構成されている。

複数のメイン流路８１Ａは、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する。各メイン流路８２Ａは、延在方向の一端である冷媒導入端が上記の入口側連通部３６に直接開放し、他端である冷媒導出端が上記の出口側連通部３７に直接開放している。すなわち、複数のメイン流路８１Ａは、冷媒入口３４ａと冷媒出口３４ｂとを結ぶように冷媒を流すものである。

複数のサブ流路８２Ａは、メイン流路８１Ａの延在方向に直交する方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する。サブ流路８２Ａは、隣接するメイン流路８１Ａ、８１Ａの間に位置し、メイン流路８１Ａ、８１Ａ同士の間で冷媒が往来可能となるように、メイン流路８１Ａ、８１Ａ同士を連絡する。すなわち、サブ流路８２Ａは、隣接するメイン流路８１Ａ、８１Ａ間を接続し、両者を連通する役割を果たす。サブ流路８２Ａは、燃料電池１内における冷媒の流れにおいて、補助的な役割を果たすものであり、補助流路又はクロス流路と換言することができる。

なお、詳述しないが、セパレータ１２Ｂにおけるガス流路２１Ｂ及び冷媒流路２２Ｂは、ガス流路２１Ａ及び冷媒流路２２Ａと同様に構成されている。すなわち、酸素ガス用のガス流路２１Ｂは、メイン流路７１Ｂ及びサブ流路７２Ｂを備え、冷媒流路２２Ｂは、メイン流路８１Ｂ及びサブ流路８２Ｂを備えている。

セパレータ１２Ａ及び１２Ｂは、略一定の厚みの板状の導電性材料を成形することにより形成されるものである。それゆえ、セパレータ１２Ａ及び１２Ｂの一方の面で、流体（反応ガスや温度調整用流体）の流路として機能する凹部は、他方の面で、例えば隣接する流路間の仕切りとして機能する凸部となる。

本実施形態では、セパレータ１２Ａ及び１２Ｂは、それぞれ、薄い板金をプレス成形することにより、表裏各面に直線上の凹部と凸部とが交互に連続した構造を有している。この凸部はリブ又は凸リブと換言でき、また、凹部は溝又は凹溝と換言できる。この凹凸により、セパレータ１２Ａは、表面にガス流路２１Ａを有し且つ裏面に冷媒流路２２Ａを有し、セパレータ１２Ｂは、表面にガス流路２１Ｂを有し且つ裏面に冷媒流路２２Ｂを有している。

具体的には、セパレータ１２Ａは、電極１６Ａに対して凸となる複数の凸部９１Ａの頂面が電極１６Ａに面接触する。二つの隣接する凸部９１Ａ，９１Ａの間には、電極１６Ａに対して凹となる凹部（第１凹部）９２Ａが画定される。この凹部９２Ａは、セパレータ１２Ａの表面から見たときに凹であり、ガス流路２１Ａのメイン流路７１Ａを構成する。

また、セパレータ１２Ａの表面の凸部９１Ａは、セパレータ１２Ａの裏面から見たときには溝状の凹部（第２凹部）１０１Ａとなる。凹部１０１Ａは、二つの凹部９２Ａ、９２Ａ間に隣接するように位置し、冷媒流路２２Ａのメイン流路８１Ａを構成する。

一方、凹部９２Ａは、セパレータ１２Ａの裏面から見たときには、凸部１０２Ａとなる。この凸部１０２Ａは、隣の単セル２のセパレータ１２Ｂの凸部１０２Ｂに面接触する。

同様に、セパレータ１２Ｂは、電極１６Ｂに対して凸となる複数の凸部９１Ｂの頂面が電極１６Ｂに面接触している。二つの隣接する凸部９１Ｂ、９１Ｂの間に画定される凹部９２Ｂは、セパレータ１２Ｂの表面から見たときに凹であり、ガス流路２１Ｂのメイン流路７１Ｂを構成する。

また、セパレータ１２Ｂの表面の凸部９１Ｂは、セパレータ１２Ａの裏面から見たときには溝状の凹部１０１Ｂとなる。この凹部１０１Ｂは、冷媒流路２２Ｂのメイン流路７１Ｂを構成する。

一方、セパレータ１２Ｂの表面の凹部９２Ｂは、セパレータ１２Ａの裏面から見たときには凸部１０２Ｂとなる。この凸部１０２Ｂは、隣の単セル２のセパレータ１２Ａの凸部１０２Ａに面接触する。

セパレータ１２Ａとセパレータ１２Ｂとの接触状態、例えばセル積層状態では、二つのセパレータ１２Ａ，１２Ｂの凹部１０１Ａ，１０１Ｂ同士は、全体として流路断面が六角形となって、一方向に延びる一つの空間を画成する。

この空間は、冷媒流路２２Ａ、２２Ｂのメイン流路８１Ａ、８１Ｂ同士を連通し、一体型のメイン冷媒流路として機能する。また、セル積層状態では、水素ガスのメイン流路８１Ａと酸素ガスのメイン流路８１Ｂとは、同方向に平行に延在し、ＭＥＡ１１を挟んでセル積層方向において位置ずれすることなく対向する。

ガス流路２１Ａのサブ流路７２Ａは、凸部９１Ａに溝状に形成され、電極１６Ａに対し凹となっている。本実施形態では、サブ流路７２Ａは、メイン流路７１Ａ、７１Ａ間をその延在方向における複数箇所で連絡するように、凸部９１Ａの複数箇所に形成されている。なお、サブ流路７２Ａを凹部１０１Ａとの関係で特定する表現によれば、サブ流路７２Ａは、凹部１０１Ａの底部背面の複数箇所を凹状に形成することにより構成されている。

ガス流路２１Ｂのサブ流路７２Ｂは、同様に、凸部９１Ｂに溝状に形成され、電極１６Ｂに対し凹となっている。サブ流路７２Ｂは、メイン流路７１Ｂ、７１Ｂ間をその延在方向における複数箇所で連絡するように、凸部９１Ｂの複数箇所に形成されている。なお、サブ流路７２Ｂを凹部１０１Ｂとの関係で特定する表現によれば、サブ流路７２Ｂは、凹部１０１Ｂの底部背面の複数箇所を凹状に形成することにより構成されている。

冷媒流路２２Ａのサブ流路８２Ａは、凹部９２Ａの底部背面の複数箇所を凹状に形成することにより構成され、メイン流路８１Ａ、８１Ａ間をその延在方向における複数箇所で連絡する。同様に、冷媒流路２２Ｂのサブ流路８２Ｂは、凹部９２Ｂの底部背面の複数箇所を凹状に形成することにより構成され、メイン流路８１Ｂ、８１Ｂ間をその延在方向における複数箇所で連絡する。セル積層状態では、冷媒流路２２Ａ、２２Ｂのサブ流路８１Ａ，８１Ｂ同士が連通し、一体型のサブ冷媒流路が画成される。

ここで、サブ流路同士の関係や、サブ流路とメイン流路との関係について説明する。
水素ガスのサブ流路７２Ａと酸素ガスのサブ流路７２Ｂとは、ＭＥＡ１１を挟んでセル積層方向において位置ずれすることなく対向する。かかる位置関係に設定することで、単セル２を積層化する上で有用となる。

サブ流路７２Ａ、７２Ｂは、これらの延在方向から見たとき（図５参照）隣接する冷媒のサブ流路８２Ａ、８２Ａ（又は８２Ｂ，８２Ｂ）の間に位置する。そして、サブ流路７２Ａ、７２Ｂとサブ流路８２Ａ、８２Ａ（又は８２Ｂ，８２Ｂ）とは、同延在方向からみたとき、その直交する方向に交互に並んでいる。かかる位置関係に設定することで、単セル２を積層化する上で有用となる。

サブ流路７２Ａ、７２Ｂは、流路断面が台形である。また、サブ流路８２Ａ，８２Ｂも流路断面が台形であり、一体型のサブ冷媒流路では、全体として流路断面が六角形となる。ここで、各サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂは、各凸部９１Ａ，９１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂの全高に亘っては形成されておらず、例えば各凸部９１Ａ，９１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂの高さの１／３〜１／５の範囲に形成される。

サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂとメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂとは、ともに流路断面が台形で共通するが、その断面積が異なっている。サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂは、メイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂよりも断面積が小さく設定され、好ましくはメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂの断面積の１／３〜１／５の範囲に設定されるとよい。

このように設定することで、サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂによるメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂ間の水素ガスの往来を確保しつつ、メイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂにおける水素ガスの流れを適切に確保することができる。

サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ及びメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂの断面積は、その幅に深さ（高さ）を乗じたものである。サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂの断面積をメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂのそれよりも小さくするには、例えば、サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂの深さがメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂの深さよりも浅くなるように構成すればよい。

もっとも、サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂの幅をメイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂの幅よりも狭くしてもよい。要するに、サブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂは、メイン流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂよりも流体抵抗が大きければよい。

なお、メイン流路７１Ａ、７１Ｂ、８１Ａ、８１Ｂやサブ流路７２Ａ、７２Ｂ、８２Ａ、８２Ｂの断面形状は、上記のような台形に限るものではなく、四角形などの多角形でもよいし、円、半円、曲線を含む各種形状にすることができる。

本実施形態のセパレータ１２Ａ，１２Ｂの流路構造の作用を説明する。
セパレータ１２Ａの凸部９１Ａには水素ガスのサブ流路７２Ａが形成され、セパレータ１２Ｂの凸部９１Ｂには酸素ガスのサブ流路７２Ｂが形成されている。このため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのメイン流路７１Ａ又は７１Ｂが閉塞しても、水素ガス又は酸素ガスはサブ流路７２Ａ又は７２Ｂを通って隣のメイン流路７１Ａ又は７１Ｂに流れることができる。

これにより、メイン流路７１Ａ，７１Ａ間（又は、７１Ｂ，７１Ｂ間）で水素ガス又は酸素ガスの流れに不均一性があっても、それを解消することができ、水素ガス又は酸素ガスの流れを確保できる。それゆえ、一つのメイン流路７１Ａ又は７１Ｂが全長にわたって発電不能になることを抑制できる。

また、セパレータ１２Ａ、１２Ｂの凸部９１Ａ、９１Ｂの頂面が接触するＭＥＡ１１の部分にも、サブ流路７２Ａ，７２Ｂによって水素ガス又は酸素ガスが供給され得る。これにより、サブ流路７２Ａ，７２Ｂによって、電気化学反応に寄与する電極１６Ａ，１６Ｂの有効発電面積を増やすことができる。それゆえ、ＭＥＡ１１の発電効率を向上できる。

この発電効率は、サブ流路７２Ａ，７２Ｂが多いほど向上し得る。セパレータ１２Ａの一つの凸部９１Ａには、その延在方向の複数箇所にサブ流路７２Ａが溝状に形成され、セパレータ１２Ｂの一つの凸部９１Ｂには、その延在方向の複数箇所にサブ流路７２Ｂが溝状に形成されている。それゆえ、セパレータ１２Ａ、１２Ｂに挟まれたＭＥＡ１１の発電効率を高め易くできる。

なお、セパレータ１２Ａの一つの凸部９１Ａにサブ流路７２Ａを複数形成する場合に、製造上はその溝のピッチを均等にすることが好ましいが、均等にしなくてもよい。また、一つの凸部９１Ａにおけるサブ流路７２Ａの数は、凸部９１Ａ，９１Ａ間で同じでなくてもよい。これらのことは、セパレータ１２Ｂについても同様である。

一方、セパレータ１２Ａ（又は１２Ｂ）には、冷媒のメイン流路８１Ａ，８１Ａ間（又は、８１Ｂ、８１Ｂ間）を連絡するようなサブ流路８２Ａ（又は８２Ｂ）が形成されている。このため、一つのメイン流路８１Ａの冷媒の流れに支障が生じても、冷媒がサブ流路８２Ａ（一体型のサブ冷媒流路）を通って隣のメイン流路８１Ａ（一体型のメイン冷媒流路）に流れることができる。

これにより、メイン流路８１Ａ，８１Ａ間（又は８１Ｂ，８１Ｂ間）の冷媒の流れが均一化され、その熱分布を均一化させることができる。それゆえ、単セル２が局所的に高温化することによる電解質膜１５の損傷を適切に抑制することができる。

このように、本実施形態のセパレータ１２Ａ、１２Ｂによれば、その両面において、反応ガス及び冷媒の流れの均一性を高めることができる。もっとも、他の変形例によれば、セパレータ１２Ａ（又は１２Ｂ）の両面を流れる流体は、それぞれ、水素ガス及び酸素ガスであってもよい。その場合には、他の構造又は装置により、単セル２を冷却するようにすればよい。

次に、本実施形態のセパレータ１２Ａの変形例について簡単に説明する。なお、セパレータ１２Ｂもセパレータ１２Ａと同様の変形例を適用し得るが、ここではその説明を省略する。

セパレータ１２Ａのメイン流路７１Ａ，８１Ａは、公知のサーペンタイン流路としてもよい。この場合、水素ガスのメイン流路７１Ａはサーペンタイン流路とし、冷媒のメイン流路８１Ａはストレート流路としてもよい。

複数のメイン流路７１Ａ，８１Ａは、相互の幅が一定でなくても良い。例えば、その延在方向に水素ガス入口３２ａ又は水素ガス出口３２ｂが位置するメイン流路７１Ａ，８１Ａと、これらから外れて位置するメイン流路７１Ａ，８１Ａとの間では、流路幅を変更してもよい。

同様に、複数のサブ流路７２Ａ，８２Ａは、相互の幅が一定でなくても良い。水素ガス入口３２ａ又は水素ガス出口３２ｂよりのサブ流路７２Ａ，８２Ａは、これらから外れたセパレータ１２Ａの中央部に位置するサブ流路７２Ａ，８２Ａとは、溝幅、溝深さ又は流路断面積が異なっていてもよい。

水素ガス用のサブ流路７２Ａでは、その溝底面上に溜まり得る生成水が、互いに隣接するメイン流路７１Ａ、７１Ａの一方又は双方に移動されるように、サブ流路７２Ａの溝底面に勾配があることが好ましい。サブ流路７２Ａの溝底面において、中央部から両端部（メイン流路７１Ａに直接開放する）にかけて、下り傾斜の勾配を設定すればよい。

セパレータ１２Ａを金属でなくカーボンで形成する場合には、メイン流路７１Ａ、８１Ａやサブ流路７２Ａ，８２Ｂは、切削、射出成形、圧縮成形、超音波加工などにより形成されればよい。もっとも、エッチングを利用して、セパレータ１２Ａにメイン流路７１Ａ、８１Ａやサブ流路７２Ａ，８２Ｂを形成するようにしてもよい。

上記した本発明の燃料電池用セパレータは、固体高分子型の燃料電池のみならず、リン酸型の燃料電池にも適用することができる。そして、燃料電池を搭載した燃料電池システムは、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システムは、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

燃料電池の斜視図である。 燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。 単セルを３つ積層した状態を示す断面図である。 図２のIV-IV線の矢印方向からみたセパレータの平面図であり、冷媒の流路構造を示す図である。 図２のV-V線の矢印方向からみた単セルの断面図である。

符号の説明

１：燃料電池、２：単セル、１１：ＭＥＡ、１２Ａ、１２Ｂ：セパレータ、１６Ａ、１６Ｂ：電極、２１Ａ、２１Ｂ：ガス流路、２２Ａ、２２Ｂ：冷媒流路、７１Ａ，７１Ｂ，８１Ａ，８１Ｂ：メイン流路、７２Ａ，７２Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ：サブ流路、９１Ａ，９１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ：凸部、９２Ａ，９２Ｂ，１０１Ａ，１０１Ｂ：凹部

Claims (12)

1. 表面に形成された第１流路と、
   裏面に形成された第２流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、
   前記第１流路は、複数の第１メイン流路と、その第１メイン流路間を流体が流れるように連絡する第１サブ流路と、を有し、
   前記第２流路は、複数の第２メイン流路と、その第２メイン流路間を流体が流れるように連絡する第２サブ流路と、を有する燃料電池用セパレータ。
2. 前記第１メイン流路と前記第１サブ流路とは、流路断面積が異なる請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記第１サブ流路は、前記第１メイン流路よりも流路断面積が小さい請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記第１サブ流路は、前記第１メイン流路よりも流体抵抗が大きい請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記第１流路及び前記第２流路の一方は、冷媒流路である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 表面に形成され、冷媒が流れる第１流路と、
   裏面に形成された第２流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、
   前記第１流路は、複数の第１メイン流路と、その第１メイン流路間を冷媒が流れるように連絡する第１サブ流路と、を有し、
   前記第１サブ流路は、前記第１メイン流路よりも流路断面積が小さい燃料電池用セパレータ。
7. 前記第１サブ流路は、前記第１メイン流路間を複数箇所で連絡する請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記第２サブ流路は、前記第２メイン流路間を複数箇所で連絡する請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記第１サブ流路と前記第２サブ流路とは、それらの延在方向から見たとき、当該延在方向に直交する方向に交互に並んでいる請求項８に記載の燃料電池用セパレータ。
10. 前記表面から見たときに凹である第１凹部であって、それぞれが前記第１メイン流路を構成する複数の第１凹部と、
    前記裏面から見たときに凹であり且つ前記第１凹部間に隣接するように位置する第２凹部であって、それぞれが前記第２メイン流路を構成する複数の第２凹部と、を備え、
    前記第１サブ流路は、前記第２凹部の底部背面の一部を凹状に形成することにより構成され、
    前記第２サブ流路は、前記第１凹部の底部背面の一部を凹状に形成することにより構成されている請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
11. 当該燃料電池用セパレータは、金属で形成されている請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
12. 前記燃料電池は、固体高分子型である請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
    
    

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