JP2008235009A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるのを抑え、もって燃料電池の発電性能が低下するのを抑制する。
【解決手段】一方の面に冷媒を流通させるための複数本の冷媒流路３６と、冷媒を供給しまたは排出するための冷媒入口側マニホールド１７ａおよび冷媒出口側マニホールド１７ｂと、該冷媒入口側マニホールド１７ａおよび冷媒出口側マニホールド１７ｂと冷媒流路３６との間に形成される冷媒の分配流路２６と、を備えた構造の燃料電池用のセパレータ２０（２０ａ）に、冷媒入口側マニホールド１７ａと冷媒出口側マニホールド１７ｂをそれぞれ当該セパレータ２０（２０ａ）の冷媒流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置し、分配流路２６を、当該セパレータ２０（２０ａ）の中央部よりも冷媒流れ方向両側寄りほど冷媒の流路面積が小さくなるように形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成するセパレータの構造の改良に関する。

燃料電池用のセパレータとして、表裏に一体的な流体流路を備え、セパレータどうしが重ねあわされたときの間隙を冷却水（ＬＬＣ）等の冷媒が流れるように構成されているものが多く利用されている。また、このようなセパレータとして、例えば数十本程度の流体流路からなる流路部と、これら複数の流体流路に冷却水を均等に流すための分配流路とを備えているものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

このようなセパレータにおける分配流路は、流体（例えば冷却水）を均等に分配しつつ、セパレータどうし及びセパレータと膜−電極アッセンブリとの電気的接触（導通）を確保する構造であることが重要である。そこで、従来、セパレータの表面への突起および裏面への突起を交互に配置し、隣接するセパレータの突起どうしを突き合わせるようにした構造のセパレータが提案されている。
特開２００５−２４３６５１号公報

しかしながら、上述のような構造のセパレータにおいては、複数の流体流路に対する流体の配分能力（本明細書ではこれを配流性という場合がある）が十分でなく、流量にばらつきが生じる場合がある。例えば冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるとセル面内の温度が高くなり、発電性能が低下してしまうことがある。

そこで、本発明は、冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるのを抑え、もって燃料電池の発電性能が低下するのを抑制でき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。

上述した分配流路においては冷却水が均等に分配されることが望ましい。これを実現するべく、冷却水の入口側マニホールドと出口側マニホールドをセパレータの対角線上に配置して冷却水がセパレータの全体に行き渡るようにした構造のものもある。ところが、上述したようにセパレータの両面に突起を形成し、尚かつ当該両面のそれぞれに流体を流すという構造をとると、分配流路における流路深さは、波状に形成された流路部における流路深さのおよそ半分程度となってしまう。この場合、流体の流路部は分配流路よりも圧損が小さいことから、対角に位置する入口側マニホールドおよび出口側マニホールドに近い流路の冷却水流量が多くなりやすい（図７参照）。この点、例えば特開２０００−２５１９１３号公報、特表２００２−５３９５８３号公報においてはアノード側とカソード側とで流体流路の断面積を変える燃料電池が提案されてはいるが、単純に断面積を変えるのみでは配流性を向上させることは難しい。冷却水流量の実測例（図７）を参照しつつ検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、一方の面に冷媒を流通させるための複数本の冷媒流路と、冷媒を供給しまたは排出するための冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと、該冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと冷媒流路との間に形成される冷媒の分配流路と、を備えた構造の燃料電池用のセパレータにおいて、冷媒入口側マニホールドと冷媒出口側マニホールドはそれぞれ当該セパレータの冷媒流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置されており、分配流路は、当該セパレータの中央部よりも冷媒流れ方向両側寄りほど冷媒の流路面積が小さく形成されていることを特徴としている。

このような構造のセパレータにおいては、冷媒（例えば冷却水）が流れやすかった流路へ連なる分配流路の面積が小さく構成されている。このため、冷媒は圧損の大きい冷媒流れ方向両側寄りよりも当該セパレータの中央部寄りに流れやすくなるから、冷媒の配流性が向上し、流路ごとの流量のばらつき（偏り）が抑えられる。

かかるセパレータにおいては、中央部から冷媒流れ方向両側に向かうにつれて冷媒の流路面積が連続的に変化するように形成されていることが好ましい。

また、本発明にかかるセパレータは、冷媒の分配流路と燃料電池用の反応ガスの分配流路とが表裏一体に形成されたプレスメタルセパレータであり、冷媒の分配流路における流路面積減少分は当該セパレータの裏面側における反応ガスの分配流路の流路面積増加分となっている。例えば、一方の面（表面）側を冷媒他方の面（裏面）側を水素ガス（燃料ガス）が流れるセパレータの場合には、冷媒の分配流路面積を減少させた分だけその裏面にある水素ガスの分配流路面積を増加させることが可能である。

また、冷媒の分配流路のうち少なくとも流路面積が他部位より小さく形成されているものは断面形状が略矩形であることも好ましい。例えば２段の突起で形成されていた分配流路をこのように断面略矩形とすれば形状がシンプルになり、プレス用の型の形状も同様にシンプルになる。

本発明によれば、冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるのを抑えることができる。したがって、燃料電池の発電性能が低下するのを抑制することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図６に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１用のセパレータ２０は、複数本の凹溝からなる冷却水流路３６と、冷却水の入口側マニホールド１７ａおよび出口側マニホールド１７ｂと、該冷却水の入口側マニホールド１７ａおよび出口側マニホールド１７ｂと冷却水流路３６との間に形成されている冷却水の分配流路２６と、を備えた構造となっている。本実施形態では、かかる冷却水の分配流路２６を、当該セパレータ２０の中央部よりも冷媒流れ方向両側寄りほど流路面積が小さくなるように形成している（図５等参照）。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電セル）２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、セパレータ２０および冷却水の分配流路２６の構造について説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。

なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１、図４等においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図２においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図１、図３参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を備え、当該セル積層体３の両端に位置するセル（端セル）２，２の外側に順次、断熱セル４、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

断熱セル４は例えば２枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル２におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。また、このような断熱部材１０の周囲をシール部材で封止することによって空気層が形成される。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

テンションプレート８は両エンドプレート７，７間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート８は、各エンドプレート７，７にボルト等で固定され、単セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このテンションプレート８の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート８の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。

続いて、セパレータ２０および分配流路の構造について説明する（図３等参照）。

分配流路２１は、マニホールド１５ａ等とガス流路３４，３５あるいは冷却水流路３６との間に形成されているもので、マニホールド１５ａ等から流入した流体をガス流路３４，３５あるいは冷却水流路３６を構成する各凹溝へと分配し、または各凹溝から流れ出た流体を合流させてマニホールド１５ｂ等から流出させる。図３、図４においては冷却水流路３６に連なる冷却水の分配流路を符号２６で示している。また、図４においては酸化ガスのガス流路３４に連なる酸化ガスの分配流路を符号２４で、水素ガスのガス流路３５に連なる水素ガスの分配流路を符号２５でそれぞれ示している（図４参照）。

なお、各凹溝を流れ出た流体が合流する部分についても本実施形態では分配流路２４〜２６と呼んでいる。すなわち、この場合における分配流路２４〜２６は実質的に流体の分配を行うものではないが対称的な構造となっているものであり、流体をいずれの方向にも流しうるものなので分配流路と総称することとする（図３参照）。

セパレータ２０ｂには、ＭＥＡ３０に向かって略円形に突出する突起５２、および対向するセパレータ２０ａに向かって略円形に突出する突起５１が交互に等間隔となるように形成されている（図４参照）。各突起５１，５２の裏側にはディンプル状の凹部が一体的に形成されている。各突起５１，５２は対向するセパレータ２０ａまたはＭＥＡ３０と当接するスペーサとして機能し、酸化ガスの分配流路２４および冷却水の分配流路２６を形成するスペースを確保するとともに、セル積層時に当該セパレータ２０ｂに作用する締結荷重を受ける働きをする（図４参照）。

一方、セパレータ２０ａには、ＭＥＡ３０に向かって略円形に突出する突起４２、および対向するセパレータ２０ｂに向かって略円形に突出する突起４１が交互に等間隔となるように形成されている（図４参照）。各突起４１，４２の裏側にはディンプル状の凹部が一体的に形成されている（なお、図３では突起４２の裏側に形成されるディンプル状の凹部を符号４２ｄで示している）。各突起４１，４２は対向するセパレータ２０ｂまたはＭＥＡ３０と当接するスペーサとして機能し、水素ガスの分配流路２５および冷却水の分配流路２６を形成するスペースを確保するとともに、セル積層時に当該セパレータ２０ａに作用する締結荷重を受ける働きをする（図４参照）。

上述したセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）において、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａから流入した酸化ガスは、分配流路２４を流れ、酸化ガスのガス流路３４を流れ、さらに反対側の分配流路２４を流れ、出口側マニホールド１５ｂから流出する。同様に、水素ガスの入口側マニホールド１６ａから流入した水素ガスは、分配流路２５を流れ、水素ガスのガス流路３５を流れ、さらに反対側の分配流路２５を流れ、出口側マニホールド１６ｂから流出する。また、冷却水の入口側マニホールド１７ａから流入した冷却水は、分配流路２６を流れ、冷却水流路３６を流れ、さらに反対側の分配流路２６を流れ、出口側マニホールド１７ｂから流出する。

ここで、流路面積が一様である分配流路２６の場合、対角に位置する冷却水入口側マニホールド１７ａおよび出口側マニホールド１７ｂに近い流路に多くの冷却水が流れ込み、中央部における冷却水流量が極端に少なくなることがある（参考として示す図７参照）。この場合には冷却水の配流性が不十分ということになり、流量のばらつきに起因して冷却水による冷却が十分になされず、ひいては燃料電池１の発電性能が低下してしまうおそれがある。

この点、本実施形態では、冷却水の分配流路２６を、当該セパレータ２０の中央部よりも冷却水流れ方向（図３中の矢印参照）の両側寄りほど流路面積が小さくなるように形成している（図５参照）。すなわち、多くの冷却水が流れやすい冷却水流路３６へ連なる分配流路２６の流路面積を意図的に小さく構成することにより、冷却水の配流性を向上させるようにしている（図６参照）。このような構造の場合、冷却水は圧損の大きい冷媒流れ方向両側寄りばかりでなく、当該セパレータ２０の中央部寄りにも流れ込みやすくなるから、配流性が向上し、流路ごとの流量のばらつき（偏り）が抑えられる。なお、本明細書でいう圧損とは、流体流路の形状、流体流路の表面の滑らかさ等に起因して、当該流体が有する圧力などのエネルギーが消費されることである。例えば本実施形態の場合であれば、冷却水分配流路２６と冷却水流路３６との境界部分において冷却水に作用する差圧と表現することもできる。

なお、図６、図７では冷却水流路３６の流路（凹溝）数が５０である場合の冷却水の配流性を例示している。また、図中の「上段」、「下段」は、それぞれ鉛直方向上側、下側であることを表している。ちなみに、冷却水の入口側マニホールド１７ａが下段（下側）、出口側マニホールド１７ｂが上段（上側）に配置されることが一般に多いがこのような配置に限られるわけではない。

ここで配流性を向上させるための構造の具体例を説明する。本実施形態では、セパレータ２０ａの突起４１を、対向するセパレータ２０ｂの突起５１よりも大径に形成している（図５参照）。こうした場合、当該突起４１の裏側領域（面積）が増加し、隣接する突起４２の裏側領域（面積）が相対的に減少するから、その分だけ流体（冷却水）の圧損が大きくなる。図３を用いて別表現をすれば、隣接する突起４１，４１間の隙間が狭く形成された部分においては、その分だけ冷却水が流れ込みにくくなる。したがって、流れ方向両端寄りほど流量が多いという偏った配流性を改善し、流路ごとの流量のばらつき（偏り）を抑えることが可能となる（図６参照）。

また、冷却水の分配流路２６を小さく形成する際、セパレータ２０ａの断面形状（突起４１や突起４２の断面形状）は略矩形となっていることが好ましい。例えばセパレータ２０ｂは突起５１と突起５２との間に平坦部があり段差が２段の断面形状となっているのに対し、対向する本実施形態のセパレータ２０ａは断面形状が略矩形ないしは台形であり、突起４１と突起４２とが連続的に連なる比較的シンプルな波形状である。

さらに、冷却水の分配流路２６を小さく形成する際、セパレータ２０ａの中央部から冷媒流れ方向両側に向かうにつれて分配流路２６の流路面積が連続的に変化するように形成することも好ましい。例えば本実施形態では図３中のV-V線における断面形状のみを示しているが（図５参照）、当該V-V線よりも中央部に寄るほど断面積が大きくなり、当該V-V線よりも両端（外側）に寄るほど断面積が小さくなるように冷却水の分配流路２６の形状を連続的に変化させるようにしている。こうした場合、流量のばらつき（偏り）をさらに抑えて配流性をより向上させることができる（図６参照）。

ここまで説明したように、分配流路２６の一部を適宜小さく構成した本実施形態のセパレータ２０（２０ａ）によれば、冷却水の配流性を向上させ、流路ごとの流量のばらつき（偏り）を抑えることができるから、当該燃料電池１の発電性能が低下するのを抑制することが可能である。また、配流性が向上したことをＣＦＤ（計算流体力学）解析データを用いて例示すれば、従来形状における流量ばらつき（分散）度が67.4だったのに対し、本実施形態の場合には17.3に向上している（図６、図７参照）。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではセパレータ２０ａの形状を適宜変形し、冷却水流路面積の減少分を水素ガスの流路面積増加分に割り当てるようにしたが（図５参照）、この代わりに対向するセパレータ２０ｂの形状を適宜変形することとしてもよい。こうした場合には、冷却水流路面積の減少分を酸化ガスの流路面積増加分に割り当てることができる。あるいは、セパレータ２０ａ，２０ｂの両方を同様に変形して対称的な形状としてもよい。

また、本実施形態で示したセパレータ２０（２０ａ）の形状は一例に過ぎず、冷却水流量を適宜減少させうる形状であれば特にこのような形状に限定されることはない。例示すれば、分配流路２６を形成するセパレータ２０の溝部分を浅く形成することによって冷却水流量を減少させてもよいし、当該セパレータ２０の溝部分を幅狭に形成することによって冷却水流量を減少させてもよい。

本実施形態における燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池の構造例を示す側面図である。 セパレータの冷却水流路側の構造例を示す平面図である。 冷却水および反応ガスの分配流路の構造例を示す図３のIV-IV線における断面図である。 冷却水および反応ガスの分配流路の構造例を示す図３のV-V線における断面図である。 本実施形態のセパレータにおける流路ごとの冷却水流量の一例を示すグラフである。 従来のセパレータにおける流路ごとの冷却水流量の一例を比較例として示すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、１７ａ…冷却水の入口側マニホールド（冷媒入口側マニホールド）、１７ｂ…冷却水の出口側マニホールド（冷媒出口側マニホールド）、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、２４…酸化ガスの分配流路（反応ガスの分配流路）、２５…水素ガスの分配流路（反応ガスの分配流路）、２６…冷却水の分配流路（冷媒の分配流路）、３６…冷却水流路（冷媒流路）

Claims (4)

1. 一方の面に冷媒を流通させるための複数本の冷媒流路と、前記冷媒を供給しまたは排出するための冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと、該冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと前記冷媒流路との間に形成される前記冷媒の分配流路と、を備えた構造の燃料電池用のセパレータにおいて、
   前記冷媒入口側マニホールドと冷媒出口側マニホールドはそれぞれ当該セパレータの前記冷媒流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置されており、
   前記分配流路は、当該セパレータの中央部よりも前記冷媒流れ方向両側寄りほど前記冷媒の流路面積が小さく形成されている
   ことを特徴とするセパレータ。
2. 前記中央部から前記冷媒流れ方向両側に向かうにつれて前記冷媒の流路面積が連続的に変化するように形成されている請求項１に記載のセパレータ。
3. 前記冷媒の分配流路と前記燃料電池用の反応ガスの分配流路とが表裏一体に形成されたプレスメタルセパレータであり、前記冷媒の分配流路における流路面積減少分は当該セパレータの裏面側における前記反応ガスの分配流路の流路面積増加分となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のセパレータ。
4. 前記冷媒の分配流路のうち少なくとも流路面積が他部位より小さく形成されているものは断面形状が略矩形であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のセパレータ。

Images