JP2007200642A - 燃料電池セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの電極配置エリアに流体を均等に分配できると共に、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも電池性能を確保できる燃料電池セパレータを提供する。また、従来よりも体積効率に優れた燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】セパレータには、その本体の四つの外周辺と電極配置エリアとの間に四角枠領域が確保されている。セパレータ本体の左辺部及び右辺部に対応する四角枠領域のうちの外側領域にはそれぞれ、第１流通孔１２，１１が設けられている。また、四角枠領域のうちの内側領域にはそれぞれ、複数の第２流通孔２１，２２が電極配置エリアの周縁に沿って一列に並んで設けられている。セパレータ本体の一方の面には、左右の第１流通孔１２，１１どうしをつなぐための複数条の第１流通孔連絡溝１３が、電極配置エリアを横断し且つ各溝１３が第２流通孔２１，２２の間を通るように設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータ、及び、複数の電池セルと複数の燃料電池セパレータとを積層配置して構成される燃料電池スタックに関するものである。

一般に燃料電池は、電池セルとセパレータとを交互に配置して積層したものを端子板及び絶縁板を介して一対のエンドプレート間に挟着保持してなる燃料電池スタックから構成されている。固体高分子型燃料電池の場合、電池セルは、プロトン透過性の高分子材料からなる固体高分子膜を、ガス透過性及び導電性を兼備した燃料ガス側電極及び酸化剤ガス側電極の間に挟んでなる膜・電極アセンブリとして構成されている。燃料電池を機能させるためには、燃料電池スタック内に、燃料ガス（例えば水素）及び酸化剤ガス（例えば空気）の二種類の流体（より好ましくは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体（例えば冷却水）の三種類の流体）を流通させる必要があり、セパレータは、これら流体の流路形成に重要な役割を果たしている。即ち、セパレータには一般に、上記の各流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも二種類の流通孔が形成されている。積層方向に並んだ一連の流通孔によって構築される通路は、一般に「マニホルド」と呼ばれる。また、セパレータには、当該セパレータに接する電極の表面に対し、各流通孔（マニホルド）からそれぞれの流体を供給するための面内供給路が設けられている。このように燃料電池セパレータは、電池セル同士を電気的に直列接続する役割のほかに、燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを防止しつつ、電池セルの二つの電極に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する役割を担っている。

特許文献１は、導電性酸化物板及びその導電性酸化物板に重ね合わせてこれを補強する補強板からなる複合セパレータを開示する。特許文献１の図１に示されるように、この複合セパレータにあっては、補強板中央のガス通路内に設けられた中央ポケット部に導電性酸化物板が嵌め込まれ且つ重ね合わされている。この導電性酸化物板には複数の平行な突起が形成され、その結果、複数の突起間には複数の平行な溝が構築されている。そして、それぞれの溝の片側の端部は、補強板の中央ポケット部に隣接して凹設された略三角形状（末広がりな平面形状）の第１のガス分配路を介して、補強板の一方の片隅に設けられたガス給排気孔（ガス給気孔）に接続されている。また、それぞれの溝の反対側の端部は、補強板の中央ポケット部に隣接して凹設された略三角形状（末広がりな平面形状）の第２のガス分配路を介して、補強板の他方の片隅に設けられたガス給排気孔（ガス排気孔）に接続されている。なお、上記平行溝が設けられた導電性酸化物板が占める範囲は、当該複合セパレータに接触させる電極の配置エリアと重なる。

特許文献１の複合セパレータでは、補強板の一方の片隅に設けられたガス給排気孔（ガス給気孔）から導電性酸化物板の複数の溝の各々に対して均等にガスを分配し、各溝でのガスの流れを均一化するために、ガス給排気孔（ガス給気孔）と導電性酸化物板（即ち電極配置エリア）との間に略三角形状のガス分配路を設定する必要があった。換言すれば、補強板において略三角形状のガス分配路用のスペースを確保するために、ガス給排気孔と導電性酸化物板（即ち電極配置エリア）との間の距離を長くしていた。このため、電池セルの電極面積に比べてセパレータの外形寸法をかなり大きくせざるを得ず、かかる複合セパレータを使用した燃料電池スタックは、体積が大きいにもかかわらず体積効率（体積あたりの発電効率）が低いものとなり、とりわけ車載用には不向きであった。

特開２０００−２２３１３２号公報

本発明の目的は、セパレータの電極配置エリアに流体を均等に分配することができると共に、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも電池性能を確保することができる燃料電池セパレータを提供することにある。また、従来よりも体積効率に優れた燃料電池スタックを提供することにある。

請求項１の発明は、矩形状の電極を対面接触可能な矩形状の板材であるセパレータ本体を備え、前記セパレータ本体の四つの外周辺と前記電極の配置エリアとの間には四角枠領域が確保されると共に、その四角枠領域を、セパレータ本体の外周辺寄りに位置する外側領域と、電極配置エリア寄りに位置する内側領域とに区分可能な燃料電池セパレータにおいて、前記セパレータ本体の対向する二つの外周辺に対応する前記外側領域の対向する二箇所にはそれぞれ、第１の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第１流通孔が設けられ、前記第１流通孔が設けられた前記外側領域の対向する二箇所の内側に位置する前記内側領域の対向する二箇所にはそれぞれ、第２の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための複数の第２流通孔が、前記電極配置エリアの周縁に沿って一列に並んだ状態で設けられ、前記セパレータ本体の一方の面には、前記外側領域の対向する二箇所にそれぞれ設けられた第１流通孔どうしをつなぐための複数条の第１流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられ、これら複数条の第１流通孔連絡溝の各々は、前記内側領域の各箇所において一列に並んだ前記複数の第２流通孔の間を通るように設けられていることを特徴とする燃料電池セパレータである。

本発明の燃料電池セパレータでは、第２の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための第２流通孔を、前記四角枠領域の内側領域の対向する二箇所のそれぞれにおいて、電極配置エリアの周縁に沿って一列に並んだ複数の孔として設けている。このため、複数の第２流通孔のいずれをも電極配置エリアの周縁の直近に配置でき、全ての第２流通孔と電極配置エリアとの距離を非常に短くすることができる。従って、これら複数の第２流通孔を介して第２の流体をこのセパレータの電極配置エリアに供給すると共に電極配置エリアから排出する場合でも、従来例のような略三角形状のガス分配路を殊更に設定する必要がない。また、第１の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための第１流通孔を、前記四角枠領域の外側領域の対向する二箇所のそれぞれに設けると共に、二箇所に分かれて設けられた第１流通孔どうしをつなぐための複数条の第１流通孔連絡溝を電極配置エリアを横断するように設けたので、これら複数条の第１流通孔連絡溝を介して、第１の流体はこのセパレータの電極配置エリアの全体に均等に供給されると共に電極配置エリアの全体から均等に排出される。なお、複数条の第１流通孔連絡溝の設置に際して、第１流通孔連絡溝の各々が前記内側領域の各箇所において一列に並んだ複数の第２流通孔の間を通るようにしたので、各第１流通孔連絡溝と各第２流通孔とが連通することはなく、第１の流体と第２の流体とが混ざり合うこともない。このように、本発明の燃料電池セパレータによれば、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも、セパレータの電極配置エリアに流体を均等に分配することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記第１流通孔連絡溝が設けられた面の反対側にあたる前記セパレータ本体の他方の面には、前記内側領域の対向する二箇所にそれぞれ設けられた一方の群の複数の第２流通孔と他方の群の複数の第２流通孔とをつなぐための複数条の第２流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、セパレータ本体の他方の面において、前記四角枠領域の内側領域の対向する二箇所に分かれて設けられた一方の群の複数の第２流通孔と他方の群の複数の第２流通孔とをつなぐための複数条の第２流通孔連絡溝を電極配置エリアを横断するように設けたので、これら複数条の第２流通孔連絡溝を介して、第２の流体は、セパレータ本体の他方の面における電極配置エリアの全体に均等に供給されると共に電極配置エリアの全体から均等に排出される。

なお、請求項２において、前記複数条の第２流通孔連絡溝が、一方の群の複数の第２流通孔と他方の群の複数の第２流通孔とを１対１の対応関係でつなぐことは好ましい。

請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記四角枠領域のうちの、前記第１流通孔及び第２流通孔が設けられている対向する二箇所以外に残された対向する二箇所にはそれぞれ、第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第３流通孔が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、第３流通孔を介して、第１の流体及び第２の流体以外の第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記四角枠領域のうちの、前記第１流通孔及び第２流通孔が設けられている対向する二箇所以外に残された対向する二箇所にはそれぞれ、第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第３流通孔が設けられ、前記第１流通孔連絡溝が設けられた面の反対側にあたる前記セパレータ本体の他方の面には、前記四角枠領域のうちの前記残された対向する二箇所にそれぞれ設けられた第３流通孔どうしをつなぐための複数条の第３流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、第３流通孔を介して、第１の流体及び第２の流体以外の第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させることが可能となる。また、セパレータ本体の他方の面において、前記四角枠領域のうちの残された対向する二箇所に分かれて設けられた第３流通孔どうしをつなぐための複数条の第３流通孔連絡溝を電極配置エリアを横断するように設けたので、これら複数条の第３流通孔連絡溝を介して、第３の流体は、セパレータ本体の他方の面における電極配置エリアの全体に均等に供給されると共に電極配置エリアの全体から均等に排出される。

請求項５の発明は、前記第１の流体が冷却媒体であり、前記第２の流体が燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの一方であり、前記第３の流体が燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの他方であり、前記第１流通孔が冷却媒体流通孔であり、前記第１流通孔連絡溝が冷却媒体流通孔連絡溝であり、請求項３に記載の第１の燃料電池セパレータ（Ａ）と、請求項４に記載の第２の燃料電池セパレータ（Ｂ）とを、各々のセパレータにおける前記冷却媒体流通孔連絡溝としての第１流通孔連絡溝が設けられた面どうしを相互に接触させて一体化したことを特徴とする二対一体型の燃料電池セパレータである。

本発明の二対一体型の燃料電池セパレータは、タイプの異なる第１及び第２の燃料電池セパレータ（Ａ，Ｂ）を、それぞれのセパレータにおける第１流通孔連絡溝（即ち冷却媒体流通孔連絡溝）が設けられた面（即ち一方の面（Ａ１，Ｂ１））どうしを相互に接触させて一体化することにより構成される。この構成によれば、第１の燃料電池セパレータ（Ａ）における他方の面（Ａ２）において電極配置エリアを横断するように設けられた複数条の第２流通孔連絡溝は、燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの一方である第２の流体を当該第１の燃料電池セパレータ（Ａ）の他方の面（Ａ２）に対面接触される電極の表面に均等に供給するための面内供給路を提供する。同様に、第２の燃料電池セパレータ（Ｂ）における他方の面（Ｂ２）において電極配置エリアを横断するように設けられた複数条の第３流通孔連絡溝は、燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの他方である第３の流体を当該第２の燃料電池セパレータ（Ｂ）の他方の面（Ｂ２）に対面接触される電極の表面に均等に供給するための面内供給路を提供する。更に、第１の燃料電池セパレータ（Ａ）における一方の面（Ａ１）に設けられた複数条の第１流通孔連絡溝（即ち冷却媒体流通孔連絡溝）と、第２の燃料電池セパレータ（Ｂ）における一方の面（Ｂ１）に設けられた複数条の第１流通孔連絡溝（即ち冷却媒体流通孔連絡溝）とが互いに符合して重なり合うことにより、電極配置エリアを横断する複数本のトンネル状の冷却媒体流通孔連絡通路が、両セパレータ（Ａ，Ｂ）内の接合境界部に構築される。この二対一体型の燃料電池セパレータによれば、各電極の表面に燃料ガスや酸化剤ガスを均等供給する機能を損なうことなく、燃料電池セパレータ（ひいては燃料電池スタック）を冷却媒体によって効率的に冷却可能となる。

請求項６の発明は、複数の電池セルと複数の燃料電池セパレータとを積層配置して構成される燃料電池スタックであって、前記各電池セルは、二つの矩形状の電極間に固体高分子膜を挟んで構成されており、前記各燃料電池セパレータは、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セパレータであることを特徴とする燃料電池スタックである。

本発明の燃料電池スタックでは、スタックを構成する燃料電池セパレータとして、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セパレータ（即ち、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも、セパレータの電極配置エリアに流体を均等に分配することができる燃料電池セパレータ）を用いたので、従来よりも体積効率（体積あたりの発電効率）が高められる。

請求項７の発明は、請求項６に記載の燃料電池スタックであって、前記複数の燃料電池セパレータの各々に設けられた複数の第２流通孔の各々が積層方向に並ぶことにより、燃料電池スタックの内部には、積層方向に延びると共に互いに独立した複数のスタック内通路が構築されており、燃料電池スタックの積層方向の一端部には、前記複数のスタック内通路の各端部を互いに連通させると共にこれらスタック内通路と第２の流体の供給源とを接続するための接続部材が設けられていることを特徴とする。

この燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの積層方向の一端部に設けられた接続部材によって、各セパレータの複数の第２流通孔の各々により構築される相互に独立した複数のスタック内通路の各端部がひとまとめにされると共に、これら複数のスタック内通路が第２の流体の供給源に接続される。この接続部材を介して第２の流体の供給源から複数のスタック内通路の各々に対し第２の流体が均等に分配されるので、互いに独立した複数のスタック内通路の間において、第２の流体の流通・分配が不均衡化されることはない。なお、かかる接続部材を燃料電池スタックの積層方向の一端部に設けて、互いに独立した複数のスタック内通路に対し直接的に第２の流体を均等分配するようにしたので、各セパレータごとの面内において、従来例のごとき略三角形状のガス分配路を設定する必要が全くない。このことは、燃料電池スタックの体積効率（体積あたりの発電効率）の向上に大きく貢献する。

本発明の燃料電池セパレータによれば、セパレータの電極配置エリアに流体を均等に分配することができると共に、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも電池性能を確保することができる。

本発明の燃料電池スタックによれば、従来よりも体積効率（体積あたりの発電効率）を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタックは、電池セルＣの両側に第１のセパレータ片Ａ及び第２のセパレータ片Ｂを整合させつつ重ね合わせて構成される単位電池を、積層方向に複数積み重ねて構成されている。この単位電池の積層集合体の両端部には、それぞれ一組の端子板及び絶縁板（いずれも図示略）が配設され、更にそれらの両外側にはそれぞれエンドプレート（図示略）が配設され、締結具（図示略）を用いて一対のエンドプレート間に上記単位電池の積層集合体を挟着保持することにより、燃料電池スタックが最終的に構成される。なお、図１からわかるように、二つの電池セルＣ間には２枚のセパレータ片Ａ及Ｂが介在され、これら２枚のセパレータ片Ａ及Ｂが接合一体化されることで、二つの電池セルＣを実質的に隔てる二対一体型のセパレータが構築される。

二つのセパレータ間に挟まれる電池セルＣは、例えばプロトン透過性を持つ高分子材料を基材とする固体高分子膜１と、燃料ガス側電極としての水素側電極２と、酸化剤ガス側電極としての空気側電極３とを備え、両電極２，３間に固体高分子膜１を挟んでなる膜・電極アセンブリとして構成されている。水素側及び空気側の各電極２，３は、優れたガス透過性と導電性とを兼ね備えた材料（例えば多孔質のカーボン材料）により矩形状の薄い板材として構成されている。電極２，３は、電気化学反応における電子の授受及び移動に関与する電極として機能するのみならず、ガス拡散層としても機能する。なお、電池セルＣの厚みは０．３〜０．６ｍｍ程度である。

［第１のセパレータ片Ａ］
図１、図２及び図３に示すように、セパレータ本体を構成する第１のセパレータ片Ａは、金属製の矩形状の板材として提供され、その厚みは０．５〜１ｍｍ程度である。図２はセパレータ片Ａの一方の面（以下「冷却水面Ａ１」という）を示し、図３はセパレータ片Ａの他方の面（以下「水素ガス面Ａ２」という）を示す。セパレータ片Ａの冷却水面Ａ１は、第２のセパレータ片Ｂと背中合わせに接合される面であり、セパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２は、電池セルＣの水素側電極２を対面接触させる面である。図３中央の矩形状の二点鎖線は、セパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２に対して水素側電極２が接触配置される電極配置エリアを示す。他方、図２中央の矩形状の二点鎖線は、図３の電極配置エリアを冷却水面Ａ１側に透過させたときの電極配置エリアを示す。図２及び図３に示すように、セパレータ片Ａにおける上下左右四つの外周辺と、前記電極配置エリアとの間には、額縁のごとき四角枠領域が確保されている。その四角枠領域のうちの少なくとも左辺部及び右辺部については、セパレータ片Ａの外周辺寄りに位置する外側領域と、電極配置エリア寄りに位置する内側領域とに区分することができる。

第１のセパレータ片Ａには、左右で対をなす冷却水入口孔１１及び冷却水出口孔１２、左右で対をなす一群の水素ガス入口孔２１及び一群の水素ガス出口孔２２、並びに、上下で対をなす空気入口孔３１及び空気出口孔３２が設けられている。

セパレータ片Ａの前記四角枠領域のうちの外側領域において左右に対向する左辺部及び右辺部（セパレータ片Ａの左辺及び右辺に対応する部位）にはそれぞれ、縦長な形状の冷却水入口孔１１及び冷却水出口孔１２が貫通形成されている。より具体的には、図２のセパレータ片Ａの右辺（即ち図３のセパレータ片Ａの左辺）に沿って上下方向に縦長に延びるように冷却水入口孔１１が設けられている。また、図２のセパレータ片Ａの左辺（即ち図３のセパレータ片Ａの右辺）に沿って上下方向に縦長に延びるように冷却水出口孔１２が設けられている。

冷却水入口孔１１及び冷却水出口孔１２が設けられている前記四角枠外側領域の左辺部及び右辺部のそれぞれの内側に位置する前記四角枠内側領域の左辺部及び右辺部にはそれぞれ、一群の水素ガス入口孔２１及び一群の水素ガス出口孔２２が貫通形成されている。より具体的には、図２のセパレータ片Ａの四角枠内側領域の左辺部（即ち図３のセパレータ片Ａの四角枠内側領域の右辺部）には、複数の水素ガス入口孔２１（本例では９孔）が、電極配置エリアの周縁に沿って上下方向に一列に並んだ状態で設けられている。また、図２のセパレータ片Ａの四角枠内側領域の右辺部（即ち図３のセパレータ片Ａの四角枠内側領域の左辺部）には、複数の水素ガス出口孔２２（本例では９孔）が、電極配置エリアの周縁に沿って上下方向に一列に並んだ状態で設けられている。

更に、セパレータ片Ａの前記四角枠領域において上下に対向する上辺部及び下辺部（セパレータ片Ａの上辺及び下辺に対応する部位）にはそれぞれ、横長な形状の空気入口孔３１及び空気出口孔３２が貫通形成されている。より具体的には、図２及び図３のセパレータ片Ａの上辺に沿って左右方向に横長に延びるように空気入口孔３１が設けられている。また、図２及び図３のセパレータ片Ａの下辺に沿って左右方向に横長に延びるように空気出口孔３２が設けられている。

図２に示すように、セパレータ片Ａの冷却水面Ａ１の表面には、前記四角枠外側領域に設けられた右側の冷却水入口孔１１と左側の冷却水出口孔１２とをつなぐための複数条の冷却水孔連絡溝１３（本例では９条）が、電極配置エリアを左右方向に横断するように形成されている。これら９条の冷却水孔連絡溝１３は、上下方向に等間隔で且つ互いに平行に配設されており、これら９条の冷却水孔連絡溝１３によって電極配置エリアのほぼ全体がカバーされている。なお、９条の冷却水孔連絡溝１３のうち一番上の溝を除く８条の冷却水孔連絡溝１３の各々は、前記四角枠内側領域の各辺部に一列に並べられた水素ガス入口孔２１の間及び水素ガス出口孔２２の間を通るように設けられている。それ故、水素ガス入口孔２１や水素ガス出口孔２２が冷却水孔連絡溝１３と連通することはなく、水素ガスと冷却水とが混ざり合うこともない。

図３に示すように、前記冷却水面Ａ１の反対面であるセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２の表面には、前記四角枠内側領域に設けられた右側の一群の水素ガス入口孔２１と左側の一群の水素ガス出口孔２２とをつなぐための複数条の水素ガス孔連絡溝２３（本例では９条）が、電極配置エリアを左右方向に横断するように形成されている。水素ガス入口孔２１、水素ガス出口孔２２及び水素ガス孔連絡溝２３の数は同数に設定されており、１条の水素ガス孔連絡溝２３によって水素ガス入口孔２１と水素ガス出口孔２２とが１対１の対応関係で接続されている。また、これら９条の水素ガス孔連絡溝２３は上下方向に等間隔で且つ互いに平行に配設されており、これら９条の水素ガス孔連絡溝２３によって電極配置エリアのほぼ全体がカバーされている。

更に、第１のセパレータ片Ａの冷却水面Ａ１及び水素ガス面Ａ２の各表面には、図２及び図３にハッチングで示す部位において、シール層Ｓが被覆形成されている。このシール層Ｓは、例えばフッ素ゴムからなるコーティング皮膜であり、燃料電池スタックの構成時にガスや冷却媒体の漏洩を防止するためのシール手段として機能する。

なお、本実施形態の第１のセパレータ片Ａでは、冷却水入口孔１１及び冷却水出口孔１２によって第１流通孔又は冷却媒体流通孔が構成され、水素ガス入口孔２１及び水素ガス出口孔２２によって第２流通孔が構成され、空気入口孔３１及び空気出口孔３２によって第３流通孔が構成される。また、冷却水孔連絡溝１３によって第１流通孔連絡溝又は冷却媒体流通孔連絡溝が構成され、水素ガス孔連絡溝２３によって第２流通孔連絡溝が構成される。

［第２のセパレータ片Ｂ］
図１、図４及び図５に示すように、セパレータ本体を構成する第２のセパレータ片Ｂは、金属製の矩形状の板材として提供され、その厚みは０．５〜１ｍｍ程度である。図４はセパレータ片Ｂの一方の面（以下「冷却水面Ｂ１」という）を示し、図５はセパレータ片Ｂの他方の面（以下「空気面Ｂ２」という）を示す。セパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１は、第１のセパレータ片Ａと背中合わせに接合される面であり、セパレータ片Ｂの空気面Ｂ２は、電池セルＣの空気側電極３を対面接触させる面である。図５中央の矩形状の二点鎖線は、セパレータ片Ｂの空気面Ｂ２に対して空気側電極３が接触配置される電極配置エリアを示す。他方、図４中央の矩形状の二点鎖線は、図５の電極配置エリアを冷却水面Ｂ１側に透過させたときの電極配置エリアを示す。図４及び図５に示すように、セパレータ片Ｂにおける上下左右四つの外周辺と、前記電極配置エリアとの間には、額縁のごとき四角枠領域が確保されている。その四角枠領域のうちの少なくとも左辺部及び右辺部については、セパレータ片Ｂの外周辺寄りに位置する外側領域と、電極配置エリア寄りに位置する内側領域とに区分することができる。

第２のセパレータ片Ｂには、上記第１のセパレータ片Ａと同様、左右で対をなす冷却水入口孔４１及び冷却水出口孔４２、左右で対をなす一群の水素ガス入口孔５１及び一群の水素ガス出口孔５２、並びに、上下で対をなす空気入口孔６１及び空気出口孔６２が設けられている。

セパレータ片Ｂの前記四角枠領域のうちの外側領域において左右に対向する左辺部及び右辺部（セパレータ片Ｂの左辺及び右辺に対応する部位）にはそれぞれ、縦長な形状の冷却水入口孔４１及び冷却水出口孔４２が貫通形成されている。より具体的には、図４のセパレータ片Ｂの左辺（即ち図５のセパレータ片Ｂの右辺）に沿って上下方向に縦長に延びるように冷却水入口孔４１が設けられている。また、図４のセパレータ片Ｂの右辺（即ち図５のセパレータ片Ｂの左辺）に沿って上下方向に縦長に延びるように冷却水出口孔４２が設けられている。

冷却水入口孔４１及び冷却水出口孔４２が設けられている前記四角枠外側領域の左辺部及び右辺部のそれぞれの内側に位置する前記四角枠内側領域の左辺部及び右辺部にはそれぞれ、一群の水素ガス入口孔５１及び一群の水素ガス出口孔５２が貫通形成されている。より具体的には、図４のセパレータ片Ｂの四角枠内側領域の右辺部（即ち図５のセパレータ片Ｂの四角枠内側領域の左辺部）には、複数の水素ガス入口孔５１（本例では９孔）が、電極配置エリアの周縁に沿って上下方向に一列に並んだ状態で設けられている。また、図４のセパレータ片Ｂの四角枠内側領域の左辺部（即ち図５のセパレータ片Ｂの四角枠内側領域の右辺部）には、複数の水素ガス出口孔５２（本例では９孔）が、電極配置エリアの周縁に沿って上下方向に一列に並んだ状態で設けられている。

更に、セパレータ片Ｂの前記四角枠領域において上下に対向する上辺部及び下辺部（セパレータ片Ｂの上辺及び下辺に対応する部位）にはそれぞれ、横長な形状の空気入口孔６１及び空気出口孔６２が貫通形成されている。より具体的には、図４及び図５のセパレータ片Ｂの上辺に沿って左右方向に横長に延びるように空気入口孔６１が設けられている。また、図４及び図５のセパレータ片Ｂの下辺に沿って左右方向に横長に延びるように空気出口孔６２が設けられている。

図４に示すように、セパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１の表面には、前記四角枠外側領域に設けられた左側の冷却水入口孔４１と右側の冷却水出口孔４２とをつなぐための複数条の冷却水孔連絡溝４３（本例では９条）が、電極配置エリアを左右方向に横断するように形成されている。これら９条の冷却水孔連絡溝４３は、上下方向に等間隔で且つ互いに平行に配設されており、これら９条の冷却水孔連絡溝４３によって電極配置エリアのほぼ全体がカバーされている。なお、９条の冷却水孔連絡溝４３のうち一番上の溝を除く８条の冷却水孔連絡溝４３の各々は、前記四角枠内側領域の各辺部に一列に並べられた水素ガス入口孔５１の間及び水素ガス出口孔５２の間を通るように設けられている。それ故、水素ガス入口孔５１や水素ガス出口孔５２が冷却水孔連絡溝４３と連通することはなく、水素ガスと冷却水とが混ざり合うこともない。

図５に示すように、前記冷却水面Ｂ１の反対面であるセパレータ片Ｂの空気面Ｂ２の表面には、前記四角枠領域に設けられた上側の空気入口孔６１と下側の空気出口孔６２とをつなぐための複数条の空気孔連絡溝６３（本例では９条）が、電極配置エリアを上下方向に横断するように形成されている。これら９条の空気孔連絡溝６３は、左右方向に等間隔で且つ互いに平行に配設されており、これら９条の空気孔連絡溝６３によって電極配置エリアのほぼ全体がカバーされている。

更に、第２のセパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１及び空気面Ｂ２の各表面には、図４及び図５にハッチングで示す部位において、シール層Ｓが被覆形成されている。このシール層Ｓは、例えばフッ素ゴムからなるコーティング皮膜であり、燃料電池スタックの構成時にガスや冷却媒体の漏洩を防止するためのシール手段として機能する。

なお、本実施形態の第２のセパレータ片Ｂでは、冷却水入口孔４１及び冷却水出口孔４２によって第１流通孔又は冷却媒体流通孔が構成され、水素ガス入口孔５１及び水素ガス出口孔５２によって第２流通孔が構成され、空気入口孔６１及び空気出口孔６２によって第３流通孔が構成される。また、冷却水孔連絡溝４３によって第１流通孔連絡溝又は冷却媒体流通孔連絡溝が構成され、空気孔連絡溝６３によって第３流通孔連絡溝が構成される。

［燃料電池スタック］
燃料電池スタックの組立てに際しては、第１及び第２のセパレータ片Ａ，Ｂ並びに電池セルＣを図１のように直列に配置すると共に、それらが互いに接するように積層する。その際、第１のセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２には、左右一対の細長くて薄い覆い板２４（図３に破線で示す）を、左側の水素ガス出口孔２２群及び右側の水素ガス入口孔２１群のそれぞれの内側位置にてそれぞれの孔群に沿って予め固着しておく。そして、これら２枚の覆い板２４が固着されたセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２の電極配置エリアに対し、電池セルＣの水素側電極２を面接触させる。すると、矩形状の水素側電極２の左辺及び右辺が、左右の各覆い板２４の中心線にほぼ重なるように配置される。その結果、セパレータ片Ａと水素側電極２との接合により、全ての水素ガス孔連絡溝２３が２枚の覆い板２４及び水素側電極２によって覆われ、水素側電極２に隣接するトンネル状の水素ガス孔連絡通路になる。このトンネル状水素ガス孔連絡通路（水素ガス孔連絡溝２３）は、水素ガス入口孔２１と水素ガス出口孔２２とを１対１の対応関係で接続しながら電極配置エリアを左右方向に横断する。

これと同様に、第２のセパレータ片Ｂの空気面Ｂ２には、上下一対の細長くて薄い覆い板６４（図５に破線で示す）を、上側の空気入口孔６１及び下側の空気出口孔６２のそれぞれの内側位置にてそれぞれの孔に沿って予め固着しておく。そして、これら２枚の覆い板６４が固着されたセパレータ片Ｂの空気面Ｂ２の電極配置エリアに対し、電池セルＣの空気側電極３を面接触させる。すると、矩形状の空気側電極３の上辺及び下辺が、上下の各覆い板６４の中心線にほぼ重なるように配置される。その結果、セパレータ片Ｂと空気側電極３との接合により、全ての空気孔連絡溝６３が２枚の覆い板６４及び空気側電極３によって覆われ、空気側電極３に隣接するトンネル状の空気孔連絡通路になる。このトンネル状空気孔連絡通路（空気孔連絡溝６３）は、空気入口孔６１と空気出口孔６２とを接続しながら電極配置エリアを上下方向に横断する。

更に、第１のセパレータ片Ａの冷却水面Ａ１と第２のセパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１との接合時には、冷却水入口孔１１と４１、冷却水出口孔１２と４２、各水素ガス入口孔２１と５１、各水素ガス出口孔２２と５２、空気入口孔３１と６１、空気出口孔３２と６２、がそれぞれに符合し合い、互いに連通する。また、９条の冷却水孔連絡溝１３と９条の冷却水孔連絡溝４３とが１対１の対応関係で互いに符合し合い重なり合うことにより、合計９本のトンネル状の冷却水孔連絡通路が両セパレータ片Ａ，Ｂの接合境界部に構築される。

こうして燃料電池スタックが完成すると、その燃料電池スタックの内部には、積層方向に貫通する複数本の流体通路（マニホルド）が構成される。即ち、積層方向に並んだ一連の冷却水入口孔１１，４１によって一本の冷却水供給通路が構成され、積層方向に並んだ一連の冷却水出口孔１２，４２によって一本の冷却水排出通路が構成される。また、積層方向に並んだ一連の水素ガス入口孔２１，５１によって互いに独立した合計９本の水素ガス供給通路７（図６参照）が構成され、積層方向に並んだ一連の水素ガス出口孔２２，５２によって互いに独立した合計９本の水素ガス排出通路が構成される。更に、積層方向に並んだ一連の空気入口孔３１，６１によって一本の空気供給通路が構成され、積層方向に並んだ一連の空気出口孔３２，６２によって一本の空気排出通路が構成される。なお、互いに独立した合計９本の水素ガス供給通路７は、「各セパレータに設けられた複数の第２流通孔の各々が積層方向に並ぶことにより、燃料電池スタックの内部に構築される、積層方向に延びると共に互いに独立した複数のスタック内通路」に相当する。

上記冷却水入口孔１１，４１により構成される冷却水供給通路は、その一端部が冷却水源（図示略）に接続されるものである。上記空気入口孔３１，６１により構成される空気供給通路は、その一端部が空気取り入れ口（図示略）に接続されるものである。また、上記水素ガス入口孔２１，５１により構成される９本の水素ガス供給通路７は、それぞれの一端部が水素ガス供給源（図示略）に接続されるものであるが、その接続に際しては、図６に示すような接続部材８を併用することが好ましい。

即ち図６に示すように、燃料電池スタックの積層方向の一端部であって９本の水素ガス供給通路７の各端部が開口したあたりに、縦長なカバー形状の接続部材８を装着する。この接続部材８は、９本の水素ガス供給通路７の各開口端部を互いに連通させると共に、これらの水素ガス供給通路７と水素ガス供給源（図示略）とを接続する部材である。接続部材８の略中央部には、水素ガス供給源とつながる入口穴８ａが設けられている。この接続部材８によって、互いに独立した９本の水素ガス供給通路７の各開口端部がひとまとめにされると共に、これらの通路７が水素ガス供給源に接続されるので、水素ガス供給源から各水素ガス供給通路７に対し水素ガスが均等分配され、９本の水素ガス供給通路７間において水素ガスの流通・分配が不均衡化することはない。

［本実施形態の作用効果の要点］
第１及び第２のセパレータ片Ａ，Ｂでは、第２流通孔としての水素ガス入口孔２１，５１及び水素ガス出口孔２２，５２を、前記四角枠領域の内側領域の対向する左右二辺部のそれぞれにおいて、電極配置エリアの周縁に沿って一列に並んだ９個の孔として設けている。また、水素ガスの入口を９個の水素ガス入口孔２１又は５１として分割設置すると共に、水素ガスの出口を９個の水素ガス出口孔２２又は５２として分割設置することで、各孔（２１，２２，５１，５２）の断面積を小さくしている。このため、第２流通孔（２１，２２，５１，５２）のいずれをも電極配置エリアの周縁の直近に配置可能となり、全ての第２流通孔と電極配置エリアとの距離を非常に短くすることができる。それ故、第１のセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２において、水素ガス入口孔２１と水素ガス出口孔２２とをつなぐ水素ガス孔連絡溝２３を介して、水素ガスをセパレータ片Ａの電極配置エリアに供給・排出するときでも、従来例のような略三角形状のガス分配路を殊更に設定する必要がない。従って、本実施形態の二対一体型のセパレータによれば、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも、セパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２の電極配置エリアに水素ガスを均等供給することができる。

第１のセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２には、前記四角枠内側領域の対向する左右二辺部に分かれて設けられた一群の水素ガス入口孔２１と一群の水素ガス出口孔２２とをつなぐための９条の水素ガス孔連絡溝２３を、電極配置エリアを左右に横断するように互いに平行且つ等間隔に設けている。このため、これら９条の水素ガス孔連絡溝２３は、当該セパレータＡの水素ガス面Ａ２に対面接触される水素側電極２の表面に水素ガスを均等に供給するための平行な面内供給路を提供する。従って、各水素ガス入口孔２１からセパレータ片Ａ内に供給される水素ガスは、これらの水素ガス孔連絡溝２３を介して水素ガス面Ａ２の電極配置エリアの全体に均等に供給されると共に、そこから各水素ガス出口孔２２に向けて一様に排出される。

第２のセパレータ片Ｂの空気面Ｂ２には、前記四角枠領域の対向する上下二辺部に分かれて設けられた空気入口孔６１と空気出口孔６２とをつなぐための９条の空気孔連絡溝６３を、電極配置エリアを上下に横断するように互いに平行且つ等間隔に設けている。このため、これら９条の空気孔連絡溝６３は、当該セパレータＢの空気面Ｂ２に対面接触される空気側電極３の表面に空気を均等に供給するための平行な面内供給路を提供する。従って、空気入口孔６１からセパレータ片Ｂ内に供給される空気は、これらの空気孔連絡溝６３を介して空気面Ｂ２の電極配置エリアの全体に均等に供給されると共に、そこから空気出口孔６２に向けて一様に排出される。

更に本実施形態の二対一体型のセパレータによれば、第１のセパレータ片Ａの冷却水面Ａ１に設けられた９条の冷却水孔連絡溝１３と、第２のセパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１に設けられた９条の冷却水孔連絡溝４３とが互いに符合して重なり合うことにより、電極配置エリアを左右に横断する９本のトンネル状の冷却水孔連絡通路が、両セパレータ片Ａ，Ｂの接合境界部に構築される。故に、この二対一体型セパレータによれば、各電極２，３の表面に水素ガスや空気を均等供給する機能を損なうことなく、燃料電池セパレータ（ひいては燃料電池スタック）を冷却水によって効率的に冷却することができる。

このように本実施形態によれば、電極面積に比してセパレータの外形寸法をあまり大きくせずとも、電極配置エリアに各流体を均等に分配することができる二つのセパレータ片Ａ，Ｂを用いて二対一体型のセパレータを構成すると共に、そのようなセパレータを用いて燃料電池スタックを構成しているので、燃料電池スタックの体積効率を従来よりも大幅に高めることができる。また、二つのセパレータ片Ａ，Ｂにそれぞれ対面接触する水素側電極２及び空気側電極３の各面に対し、水素ガス孔連絡溝２３や空気孔連絡溝６３を介して水素ガス及び空気を効率的に均等分配することができるため、従来よりも電池性能を向上させることができる。

［変更例］上記実施形態では、第２流通孔（２１，２２，５１，５２）を水素ガスの入口孔及び出口孔とし、第３流通孔（３１，３２，６１，６２）を空気の入口孔及び出口孔とした。これに代えて、第２流通孔（２１，２２，５１，５２）を空気の入口孔及び出口孔とし、第３流通孔（３１，３２，６１，６２）を水素ガスの入口孔及び出口孔とすることにより、第２流通孔連絡溝（２３）を空気孔連絡溝にすると共に、第３流通孔連絡溝（６３）を水素ガス孔連絡溝にしてもよい。

［変更例］上記実施形態では、第１流通孔又は冷却媒体流通孔としての冷却水入口孔１１，４１及び冷却水出口孔１２，４２を単一の長い孔として構成したが、当該入口孔や出口孔をそれぞれ、複数の小さな孔の一群として構成してもよい。また、第３流通孔としての空気入口孔３１，６１及び空気出口孔３２，６２を単一の長い孔として構成したが、当該入口孔や出口孔をそれぞれ、複数の小さな孔の一群として構成してもよい。

［変更例］上記実施形態では、セパレータ片（Ａ，Ｂ）の四角枠領域の左辺部及び右辺部に第１流通孔（１１，１２，４１，４２）及び第２流通孔（２１，２２，５１，５２）を設けると共に、四角枠領域の上辺部及び下辺部に第３流通孔（３１，３２，６１，６２）を設けた。これに代えて、第１、第２及び第３流通孔の全てが、セパレータ片の四角枠領域の左辺部及び右辺部（又は上辺部及び下辺部）に設けられてもよい。例えば、セパレータ片の四角枠領域の一辺部において、セパレータ片の一外周辺に沿って設けられた第１流通孔（１１，１２，４１，４２）と、電極配置エリアの一周縁に沿って設けられた一群の第２流通孔（２１，２２，５１，５２）との中間位置に、単一又は複数の孔からなる第３流通孔（３１，３２，６１，６２）を設けてもよい。

［変更例］上記実施形態では、冷却媒体として水（冷却水）を用いたが、冷媒ガス（例えばフロンガス）が用いられてもよい。

燃料電池スタックにおいて積層される構成部品の概略を示す側面図。 第１のセパレータ片Ａの冷却水面Ａ１を示す正面図。 第１のセパレータ片Ａの水素ガス面Ａ２を示す背面図。 第２のセパレータ片Ｂの冷却水面Ｂ１を示す正面図。 第２のセパレータ片Ｂの空気面Ｂ２を示す背面図。 燃料電池スタックの積層方向の一端部付近の概略を示す斜視図。

符号の説明

Ａ…第１のセパレータ片、Ｂ…第２のセパレータ片（Ａ及びＢはセパレータ本体を構成する）、Ｃ…電池セル、１…固体高分子膜、２…水素側電極（燃料ガス側電極）、３…空気側電極（酸化剤ガス側電極）、７…水素ガス供給通路（スタック内通路）、８…接続部材、１１…冷却水入口孔（第１流通孔、冷却媒体流通孔）、１２…冷却水出口孔（第１流通孔、冷却媒体流通孔）、１３…冷却水孔連絡溝（第１流通孔連絡溝、冷却媒体流通孔連絡溝）、２１…水素ガス入口孔（第２流通孔）、２２…水素ガス出口孔（第２流通孔）、２３…水素ガス孔連絡溝（第２流通孔連絡溝）、３１…空気入口孔（第３流通孔）、３２…空気出口孔（第３流通孔）、４１…冷却水入口孔（第１流通孔、冷却媒体流通孔）、４２…冷却水出口孔（第１流通孔、冷却媒体流通孔）、４３…冷却水孔連絡溝（第１流通孔連絡溝、冷却媒体流通孔連絡溝）、５１…水素ガス入口孔（第２流通孔）、５２…水素ガス出口孔（第２流通孔）、６１…空気入口孔（第３流通孔）、６２…空気出口孔（第３流通孔）、６３…空気孔連絡溝（第３流通孔連絡溝）。

Claims (7)

1. 矩形状の電極を対面接触可能な矩形状の板材であるセパレータ本体を備え、前記セパレータ本体の四つの外周辺と前記電極の配置エリアとの間には四角枠領域が確保されると共に、その四角枠領域を、セパレータ本体の外周辺寄りに位置する外側領域と、電極配置エリア寄りに位置する内側領域とに区分可能な燃料電池セパレータにおいて、
   前記セパレータ本体の対向する二つの外周辺に対応する前記外側領域の対向する二箇所にはそれぞれ、第１の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第１流通孔が設けられ、
   前記第１流通孔が設けられた前記外側領域の対向する二箇所の内側に位置する前記内側領域の対向する二箇所にはそれぞれ、第２の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための複数の第２流通孔が、前記電極配置エリアの周縁に沿って一列に並んだ状態で設けられ、
   前記セパレータ本体の一方の面には、前記外側領域の対向する二箇所にそれぞれ設けられた第１流通孔どうしをつなぐための複数条の第１流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられ、これら複数条の第１流通孔連絡溝の各々は、前記内側領域の各箇所において一列に並んだ前記複数の第２流通孔の間を通るように設けられていることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 前記第１流通孔連絡溝が設けられた面の反対側にあたる前記セパレータ本体の他方の面には、前記内側領域の対向する二箇所にそれぞれ設けられた一方の群の複数の第２流通孔と他方の群の複数の第２流通孔とをつなぐための複数条の第２流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記四角枠領域のうちの、前記第１流通孔及び第２流通孔が設けられている対向する二箇所以外に残された対向する二箇所にはそれぞれ、第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第３流通孔が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
4. 前記四角枠領域のうちの、前記第１流通孔及び第２流通孔が設けられている対向する二箇所以外に残された対向する二箇所にはそれぞれ、第３の流体を燃料電池スタックの積層方向に流通させるための少なくとも一つの第３流通孔が設けられ、
   前記第１流通孔連絡溝が設けられた面の反対側にあたる前記セパレータ本体の他方の面には、前記四角枠領域のうちの前記残された対向する二箇所にそれぞれ設けられた第３流通孔どうしをつなぐための複数条の第３流通孔連絡溝が、前記電極配置エリアを横断するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
5. 前記第１の流体が冷却媒体であり、前記第２の流体が燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの一方であり、前記第３の流体が燃料ガス又は酸化剤ガスのうちの他方であり、前記第１流通孔が冷却媒体流通孔であり、前記第１流通孔連絡溝が冷却媒体流通孔連絡溝であり、
   請求項３に記載の第１の燃料電池セパレータ（Ａ）と、請求項４に記載の第２の燃料電池セパレータ（Ｂ）とを、各々のセパレータにおける前記冷却媒体流通孔連絡溝としての第１流通孔連絡溝が設けられた面どうしを相互に接触させて一体化したことを特徴とする二対一体型の燃料電池セパレータ。
6. 複数の電池セルと複数の燃料電池セパレータとを積層配置して構成される燃料電池スタックであって、
   前記各電池セルは、二つの矩形状の電極間に固体高分子膜を挟んで構成されており、
   前記各燃料電池セパレータは、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セパレータであることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックであって、
   前記複数の燃料電池セパレータの各々に設けられた複数の第２流通孔の各々が積層方向に並ぶことにより、燃料電池スタックの内部には、積層方向に延びると共に互いに独立した複数のスタック内通路が構築されており、
   燃料電池スタックの積層方向の一端部には、前記複数のスタック内通路の各端部を互いに連通させると共にこれらスタック内通路と第２の流体の供給源とを接続するための接続部材が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。

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