JP2013222605A - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セルの熱媒体流路における熱媒体のショートカットを抑制し、セル面内の温度分布のばらつきを低減する。
【解決手段】第１入口部及び第２入口部の間と第１出口部及び第２出口部の間とを仮想的に結ぶ線である仮想線を挟んで互いに対向する第１端面及び第２端面を有する板状の燃料電池用セパレータであって、第１熱媒体流路が、第１端面側で折り返す２以上の第１外側折り返し部と、第２端面側で折り返す１以上の第１内側折り返し部と、を有し、第２熱媒体流路が、第２端面側で折り返す２以上の第２外側折り返し部と、第１端面側で折り返す１以上の第２内側折り返し部と、を有し、第１内側折り返し部及び第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成された隣接折り返し部を１以上有し、１以上の隣接折り返し部のうちの少なくとも１つが、仮想線と重ならないように形成されている、燃料電池用セパレータ。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に用いるセパレータおよびこれを用いた燃料電池スタックに関するものである。

高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有するアノードガスと空気など酸素を含有するカソードガスとに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。

ところで、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応は発熱を伴う反応であるのため、ＭＥＡを触媒活性温度にするためには、反応部を冷却することにより、適切な温度管理を行う必要がある。

すなわち、ＰＥＦＣの冷却が不十分な場合、または、冷却のばらつきにより局所的な温度上昇が発生する場合は、ＭＥＡの温度上昇につながり、高分子電解質膜の水分が蒸発することになる。その結果、高分子電解質膜の劣化促進によるＭＥＡ耐久性の低下、または、高分子電解質膜の電気抵抗増大によるＭＥＡ起電力の低下につながることが知られている。

一方、ＰＥＦＣを必要以上に冷却した場合、セパレータのガス流路を流れるアノードガス及びカソードガスに含まれる水分の結露につながり、液体状態の水の量が増加することになる。その結果、液体状態の水が、ガス流路に表面張力によって液滴として付着し、この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路を塞いでガスの流れを阻害しフラッディング現象を起こし、電気出力が不安定化する等ＰＥＦＣの性能を低下させることが知られている。

これらの理由から、ＰＥＦＣは、ＭＥＡ、アノードガス流路、カソードガス流路で構成される反応部、および、この反応部の温度制御をする熱媒体流路を有する伝熱部が、それぞれ複数積層して構成されている。このような積層構造の燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）がＰＥＦＣの本体を構成している。

スタックには、伝熱部に供給前の熱媒体が流通する熱媒体供給マニホールド、前記伝熱部から排出後の熱媒体が流通する熱媒体排出マニホールド、前記反応部に供給前のアノードガスが流通するアノードガス供給マニホールド、前記反応部から排出後のアノードガスが流通するアノードガス排出マニホールド、前記反応部に供給前のカソードガスが流通するカソードガス供給マニホールド、及び前記反応部から排出後のカソードガスが流通するカソードガス排出マニホールドが、それぞれ、前記積層された反応部及び伝熱部の側部において積層方向に延びて形成されている。

ここで、一般的な構成として、内部マニホールド型スタックを例に説明する。内部マニホールド型スタックは、平板状のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、枠体及び該枠体の枠内に配設されたＭＥＡを有するＭＥＡ部材と、を備えている。

そして反応部は、アノードセパレータの内面及びカソードセパレータの内面に該ＭＥＡ部材が挟まれて構成されている。アノードセパレータには、前記熱媒体供給マニホールド、前記熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス
排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び、前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶアノードガス流路が形成されている。

同様にして、カソードセパレータには、前記熱媒体供給マニホールド、前記熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶカソードガス流路が形成されている。

ＭＥＡ部材の枠体には、前記熱媒体供給マニホールド、前記熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成されている。

ＭＥＡは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。また、セパレータは、電導性カーボンを含む樹脂、または、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極に当接して電気回路の一部を担っている。

なお、伝熱部の構成にはいくつかの形態がある。例えば、アノードセパレータ及び／ 又はカソードセパレータの外面に熱媒体流路が形成され、積層によるセパレータ外面同士の接合によって伝熱部が形成されるという形態がある。あるいは、熱媒体流路が内部に構成された伝熱部材が、セパレータの外面間に挿入されるという形態もある。伝熱媒体としては、水、シリコンオイルなどが一般的に用いられている。

ここで、燃料電池スタックを出来るだけコンパクトに設計するためには、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースをなくすことが望ましい。このため、アノードガスマニホールド、熱媒体マニホールド、カソードガスマニホールド、を対向する２面に集中させ、スペースの有効利用を図ることが一般的である。このとき、アノードガス、カソードガスをＭＥＡ面内に均一に流すために、それぞれの供給および排出マニホールドはＭＥＡの対角に配置されることが一般的である。このため、前記熱媒体供給マニホールドおよび前記熱媒体排出マニホールドは、アノードマニホールドおよびカソードマニホールドの間に配置される。すなわち、前記熱媒体供給マニホールドおよび前記熱媒体排出マニホールドは、マニホールドが配置される辺の中央付近に配置されることが一般的である。

そこで、従来は、熱媒体供給マニホールドおよび熱媒体排出マニホールドを、ＭＥＡを挟んで対向する辺のそれぞれ中央に配置した燃料電池スタックが開示されており、このとき、２つのマニホールド間に形成される熱媒体流路は、電極面の中央部分から左右に振り分けられた後、外側の折り返し部で折り返し、セパレータ中央の内側折り返し部にて再度隣接する、２系統サーペンタイン流路である流路パターンが開示されている。（例えば、特許文献１参照）
また、２つのマニホールド間に形成される熱媒体流路は、電極面の中央部分から左右に振り分けられた後、端部で再度隣接する、１系統サーペンタイン流路である流路パターンが開示されている。（例えば、特許文献２参照）
なお、以下においては、ＭＥＡの両側にセパレータが位置するようにセパレータを配置し、セパレータの外面にそれぞれ熱媒体流路が形成されたものをセルと呼ぶ。

米国特許第６５００５８０号明細書 米国特許第６２８０８６５号明細書

しかしながら、特許文献１の構成において、サーペンタイン流路の隣接部は、セパレータの中央、且つ、熱媒体供給マニホールドと熱媒体排出マニホールドを結ぶ線上、に配置されており、このような構成では、供給と排出のマニホールド間を熱媒体がショートカットする可能性があった。

熱媒体のショートカットが発生した場合、セル面内において熱媒体を均一に供給できないことから、温度ばらつきの増大、局所的な温度低下や温度上昇、につながる。

このことにより、温度が低下した部分では、反応ガス流路内で結露が発生し、反応ガス流路内の流体抵抗に差が生じる。その結果、セルにおける反応ガス流路ごとの反応ガス流量に差が生じ、燃料電池の運転が不安定になるいわゆるフラッディングが発生するという課題があった。

また、温度が上昇した部分では、電解質膜の乾きが進行し、電圧低下や電解質膜の劣化が加速される。この結果、電池の耐久性が低下するという課題があった。

更に、一般的な燃料電池セルはエンドプレートを介して荷重を印加され締結される構造であるが、荷重を加えた際にエンドプレートが撓むため、セルの中心部分の荷重が小さくなりやすく、セルの中心部に隣接部を配置する構成は、よりショートカットが発生しやすくなるという課題があった。

特許文献２の構成においては、左右に振り分けられたサーペンタイン流路が再度合流したときに、それぞれの熱媒体供給マニホールドからの流路長が異なることから、セル面内に局所的な温度の異なる部位の発生につながり、フラッディングの発生や、電池の耐久性が低下するという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、セルの熱媒体流路における熱媒体のショートカットを抑制し、セル面内の温度分布のばらつきを低減し、発電の安定性および耐久性を向上できる燃料電池用セパレータおよびこれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用セパレータは、熱媒体供給マニホールドおよび熱媒体排出マニホールドを、ＭＥＡを挟んで対向する辺のそれぞれ中央に配置し、熱媒体流路が電極面の中央部分から左右に振り分けられた後、外側の折り返し部で折り返し、セパレータ中央の隣接折り返し部にて再度隣接する、２系統サーペンタイン流路を有し、且つ、隣接折り返し部が、２系統サーペンタイン流路の、熱媒体供給マニホールド側の分岐点と、熱媒体排出マニホールド側の合流点と、を結ぶ仮想線と重ならないように形成するものである。

これにより、熱媒体流路における熱媒体のショートカットを抑制することで、モジュール面内の温度分布のばらつきを低減し、発電の安定性および耐久性を向上することができる。

本発明の燃料電池用セパレータおよびこれを備える燃料電池スタックによれば、ＭＥＡを挟んで対向する辺のそれぞれ中央に、熱媒体供給マニホールドおよび熱媒体排出マニホールドを配置するセパレータにおいても、熱媒体流路における熱媒体のショートカットを抑制するので、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態１に係るセルモジュールの概略構成を示す断面図 本発明の実施例１に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の比較例１に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の実施例２に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の実施例３に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の実施例４に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の実施例５に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図 本発明の実施例６に係るセパレータの熱媒体流路パターンを示す平面図

本発明のの燃料電池用セパレータは、厚み方向に貫通し、熱媒体を供給する入口マニホールドと、
厚み方向に貫通し、熱媒体を排出する出口マニホールドと、
一方の主面に形成され、第１入口部である一端が前記入口マニホールドに接続され、第１出口部である他端が前記出口マニホールドに接続され、サーペンタイン状に形成された１以上の溝状の第１熱媒体流路と、
前記一方の主面に形成され、第２入口部である一端が前記入口マニホールドに接続され、第２出口部である他端が前記出口マニホールドに接続され、サーペンタイン状に形成された１以上の溝状の第２熱媒体流路と、
を備え、
厚み方向から見て、前記入口マニホールド及び出口マニホールドが、前記第１熱媒体流路及び前記第２熱媒体流路を挟んで対向するように配置されており、
厚み方向から見て、前記第１入口部及び前記第２入口部の間と前記第１出口部及び前記第２出口部の間とを仮想的に結ぶ線である仮想線を挟んで互いに対向する第１端面及び第２端面を有する板状の燃料電池用セパレータであって、
前記第１熱媒体流路が、前記第１端面側で折り返す２以上の第１外側折り返し部と、前記第２端面側で折り返す１以上の第１内側折り返し部と、を有し、
前記第２熱媒体流路が、前記第２端面側で折り返す２以上の第２外側折り返し部と、前記第１端面側で折り返す１以上の第２内側折り返し部と、を有し、
前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成された隣接折り返し部を１以上有し、
１以上の前記隣接折り返し部のうちの少なくとも１つが、前記仮想線と重ならないように形成されていることを特徴とする。

この構成により、隣接折り返し部が、仮想線上にないことから、熱媒体のショートカット抑制が可能になり、ショートカットがもたらす熱媒体の不均一供給による、温度ばらつきの増大、局所的な温度低下や温度上昇、を抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成される隣接折り返し部を２以上有し、
２以上の前記隣接折り返し部のうちの少なくとも２つが、前記セパレータの厚み方向か
ら見て、前記仮想線に対して第１端面側と第２端面側とに、交互に形成されていてもよい。

この構成により、隣接折り返し部が複数配置された流路パターンにおいても、隣接折り返し部間の熱媒体ショートカットの抑制が可能になり、ショートカットがもたらす熱媒体の不均一供給による、温度ばらつきの増大、局所的な温度低下や温度上昇、を抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、前記第１内側折り返し部同士の間の流路の長さと、前記第２内側折り返し部同士の間の流路の長さとが、同一となるよう形成されていてもよい。

この構成により、２系統サーペンタイン流路パターンにおいても、隣接折り返し部間の流路長さを同一にすることが可能になり、セル面内の伝熱効果がばらつくことによる、温度ばらつきを抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成される隣接折り返し部を偶数個有し、
偶数個の前記隣接折り返し部が、前記セパレータの厚み方向から見て、前記仮想線に対して第１端面側と第２端面側とに、交互に形成されていてもよい。

この構成により、２系統サーペンタイン流路パターンにおいても、第１熱媒体流路と第２熱媒体流路の流路長さを同一にすることが可能になり、セル面内の伝熱効果がばらつくことによる、温度ばらつきを抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、前記第１入口部から最も上流側に配置される前記第１外側折り返し部までの流路の長さと前記第２入口部から最も上流側に配置される前記第２外側折り返し部までの流路の長さとが、同一となるよう形成されていてもよい。

この構成により、２系統サーペンタイン流路パターンにおいても、第１入口部から最も下流側に配置される隣接折り返し部までの第１熱媒体流路の長さと、第２入口部から最も下流側に配置される隣接折り返し部までの第２熱媒体流路の長さと、を同一にすることが可能になり、第１熱媒体流路と第２熱媒体流路とで伝熱効果が異なることによる、温度ばらつきを抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、前記第１出口部から最も下流側に配置される前記第１外側折り返し部までの流路の長さと前記第２出口部から最も下流側に配置される前記第２外側折り返し部までの流路の長さとが、同一となるよう形成されていてもよい。

この構成により、２系統サーペンタイン流路パターンにおいても、第１出口部から最も上流側に配置される隣接折り返し部までの第１熱媒体流路の長さと、第２出口部から最も上流側に配置される隣接折り返し部までの第２熱媒体流路の長さと、を同一にすることが可能になり、第１熱媒体流路と第２熱媒体流路とで伝熱効果が異なることによる、温度ばらつきを抑制することができ、燃料電池の性能および耐久性を安定的に確保することができる。

また、本発明の燃料電池用セパレータである第１セパレータと、板状の第２セパレータと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの間に配置されている膜一電極接合体と
、を含む１以上のセルと、
前記１以上のセルの積層方向に配置され、前記１以上のセルを両側から挟むように配置される一対の端板と、
前記積層方向に沿って伸びるように配置され、１以上の前記セルを挟んで互いに対向する少なくとも一対の締め付け部を有し、１以上の前記セルを締結するための締結部材と、を備えていてもよい。

この構成により、熱媒体流路が２系統サーペンタイン流路である燃料電池スタックにおいも、熱媒体のショートカット抑制が可能になり、ショートカットがもたらす熱媒体の不均一供給による、温度ばらつきの増大、局所的な温度低下や温度上昇、を抑制することができ、燃料電池スタックの性能および耐久性を安定的に確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
［燃料電池の構成］
本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１の構成について、図１を参照しながら説明する。

図１（ａ）は、燃料電池スタック１０１の概略構成を示す模式図、図１（ｂ）は、ガス及び熱媒体供給口側の模式図、図１（ｃ）は、ガス及び熱媒体排出口側の模式図、である。

図１に示すように、燃料電池スタック１０１は、複数のセル１０がその厚み方向に積層されたセル積層体８０と、このセル積層体８０の両端に配置された端板８１、８２と、セル積層体８０と端板８１、８２をセル１０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板８１とセル積層体８０の間には、絶縁板８３及び集電板３０が配置されていて、端板８２とセル積層体８０との間には、絶縁板８４及び集電板３１が配置されている。

セル積層体８０には、セル１０の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、熱媒体供給マニホールド（いずれも図示せず）、が構成されており、それぞれ、燃料ガス供給口６１、酸化剤ガス供給口６３、熱媒体供給口６２と接続されている。更に、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、熱媒体排出マニホールド（いずれも図示せず）、が構成されており、それぞれ、燃料ガス排出口７３、酸化剤ガス排出口７１、熱媒体排出口７２と接続されている。

［セルの構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１のセル１０について、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１０１におけるセル１０の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図２においては、一部を省略している。

図２に示すように、セル１０は、ＭＥＡ１８（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ガスケット１９と、アノードセパレータ１６と、カソードセパレータ１７と、を備えている。

ＭＥＡ１８は、水素イオンを選択的に輸送する電解質層（高分子電解質膜）１１と、アノード１２と、カソード１３と、を有している。電解質層１１は、略４角形の形状を有しており、電解質層１１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード１２とカソード１３がそれぞれ設けられている。なお、電解質層１１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、熱媒体供給マニホールド孔、および、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、熱媒体排出マニホールド孔、（いずれも図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。

アノード１２は、電解質層１１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層（いずれも図示せず）と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が電解質層１１と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。同様に、カソード１３は、電解質層１１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層（いずれも図示せず）と、を有している。

また、ＭＥＡ１８のアノード１２及びカソード１３の周囲には、電解質層１１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット１９が配設されている。これにより、燃料ガス、酸化剤ガス、熱媒体が電池外にリークされることが防止され、また、セル１０内でこれらが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット１９の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、熱媒体供給マニホールド孔、および、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、熱媒体排出マニホールド孔（いずれも図示せず）が設けられている。

また、ＭＥＡ１８とガスケット１９を挟むように、導電性のアノードセパレータ１６とカソードセパレータ１７が配設されている。これにより、ＭＥＡ１８が機械的に固定され、複数のセル１０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ１８が電気的に接続される。なお、これらのアノードセパレータ１６及びカソードセパレータ１７は、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

アノードセパレータ１６のアノード１２と接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路１４が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路２２が設けられている。同様に、カソードセパレータ１７のカソード１３と接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路１５が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路２３が設けられている。例えば、セル１０及びセル１０に隣接するセル１０Ａをその厚み方向に積層したときには、セル１０の溝状の熱媒体流路２２とセル１０Ａの溝状の熱媒体流路２３とが管状の溝状の熱媒体流路２８を形成する。なお、セル１０が溝状の熱媒体流路２２を有し、セル１０Ａの溝状の熱媒体流路２３を有さない平面形状であり、セル１０とセル１０Ａをその厚み方向に積層したときに、管状の溝状の熱媒体流路２８を形成する構成であってもよい。また、逆に、セル１０が溝状の熱媒体流路２２を有さない平面形状であり、セル１０Ａの溝状の熱媒体流路２３を有し、管状の溝状の熱媒体流路２８を形成する構成であってもよい。

なお、アノードセパレータ１６及びカソードセパレータ１７のそれぞれの周縁部には、
燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、熱媒体供給マニホールド孔、および、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、熱媒体排出マニホールド孔（いずれも図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路１４及び酸化剤ガス流路１５の形状は任意であり、例えば、セル１０の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。

これにより、アノード１２及びカソード１３には、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。

そして、このように形成されたセル１０がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体８０が形成される。

（実施例１）
実施例１として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図３に示す。

（比較例１）
比較例１として作成した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図４に示す。比較例１では、隣接折り返し部１３０が仮想線１２３上に形成されている点が実施例１と異なる。

（実施例２）
実施例２として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図５に示す。実施例２では、隣接折り返し部１３０が第１端面１２４側と第２端面１２５側とに交互に形成されていない点が実施例１と異なる。

（実施例３）
実施例３として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図６に示す。実施例３では、第１内側折り返し部１２７同士の間の流路の長さＡ１と第２内側折り返し部１２９同士の間の流路の長さＡ２が等しくない点が実施例１と異なる。

（実施例４）
実施例４として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図７に示す。実施例４では、隣接折り返し部１３０が奇数である点が実施例１と異なる。

（実施例５）
実施例５として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図８に示す。実施例５では、第１入口部１１７から最も上流側に配置される第１外側折り返し部１２６までの流路の長さＢ１の方が、第２入口部１２０から最も上流側に配置される１２８第２外側折り返し部までの流路の長さＢ２より長い点が実施例１と異なる。

（実施例６）
実施例６として作製した燃料電池スタックのアノードセパレータおよびカソードセパレータの熱媒体流路パターンを図９に示す。実施例６では、第１出口部１１８から最も下流側に配置される第１外側折り返し部１２６までの流路の長さＣ１の方が、第２出口部１２１から最も下流側に配置される第２外側折り返し部１２８までの流路の長さＣ２より短い
点が実施例１と異なる。

なお、燃料電池スタックは同じものを用い、アノードセパレータおよびカソードセパレータのみを交換し、発電後２４ｈの電圧にて電圧の評価とした。

以上により、発電開始し２４ｈ経過後の電圧を測定し、電圧の評価を行った。燃料電池スタック電圧を評価した結果を表１に示す。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、隣接折り返し部１３０が仮想線１２３上に形成されている比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、仮想線１２３に沿った熱媒体のショートカットによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、仮想線１２３に沿った熱媒体のショートカット抑制により、セル面内において熱媒体をより均一に供給可能となり、温度ばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、隣接折り返し部１３０が仮想線１２３より第２端面側のみに形成されている実施例２と比較し、電圧が上昇していることから、隣接折り返し部間の熱媒体のショートカットによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、隣接折り返し部１３０を第１端部側と第２端部側とに交互に配置し、隣接折り返し部に沿った熱媒体のショートカット抑制により、セル面内において熱媒体をより均一に供給可能となり、温度ばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、第１内側折り返し部１２７同士の間の流路の長さＡ１と第２内側折り返し部１２９同士の間の流路の長さＡ２が等しくない実施例３と比較し、電圧が上昇していることから、Ａ１とＡ２が異なることによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、Ａ１とＡ２を等しくし、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２とで、熱媒体による冷却効果を等しくすることにより、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２の冷却効果が同等となり、セル面内の温度分布のばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、隣接折り返し部１３０が奇数である実施例４と比較し、電圧が上昇していることから、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１
２２の流路長が異なることによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、第１内側折り返し部１２７の流路長と第２内側折り返し部１２９の流路長を等しくし、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２とで、熱媒体による冷却効果を等しくすることにより、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２の冷却効果が同等となり、セル面内の温度ばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、第１入口部１１７から最も上流側に配置される第１外側折り返し部１２６までの流路の長さＢ１の方が、第２入口部１２０から最も上流側に配置される１２８第２外側折り返し部までの流路の長さＢ２より長い、実施例５と比較し、電圧が上昇していることから、Ｂ１とＢ２が異なることによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、Ｂ１とＢ２を等しくし、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２とで、熱媒体による冷却効果を等しくすることにより、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２の冷却効果が同等となり、セル面内の温度ばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

実施例１の熱媒体流路パターンは、表１より、第１出口部１１８から最も下流側に配置される第１外側折り返し部１２６までの流路の長さＣ１の方が、第２出口部１２１から最も下流側に配置される第２外側折り返し部１２８までの流路の長さＣ２より長い、実施例６と比較し、電圧が上昇していることから、Ｃ１とＣ２が異なることによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。

このことは、Ｃ１とＣ２を等しくし、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２とで、熱媒体による冷却効果を等しくすることにより、第１熱媒体流路１１９と第２熱媒体流路１２２の冷却効果が同等となり、セル面内の温度ばらつきが低減され、電圧上昇につながったものと考えられる。

このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池用セパレータを備える燃料電池スタックは、セルの熱媒体流路における熱媒体のショートカットを抑制し、セル面内の温度分布のばらつきを低減し、発電の安定性および耐久性を向上させることができ、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池用セパレータおよびこれを備える燃料電池スタックは、２系統サーペンタイン流路を有する熱媒体流路によるセルの冷却に有効であり、熱媒体流路における熱媒体のショートカットによるセル面内の温度分布が不均一化になることによる電圧低下などの影響を受け難く、発電効率の向上が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。

１０、１０Ａ セル
１１ 電解質層
１２ アノード
１３ カソード
１４ 燃料ガス流路
１５ 酸化剤ガス流路
１６ アノードセパレータ
１７ カソードセパレータ
１８ ＭＥＡ
１９ ガスケット
２２、２３、２８ 熱媒体流路
３０、３１ 集電板
６１ 燃料ガス供給口
６２ 熱媒体供給口
６３ 酸化剤ガス供給口
７１ 酸化剤ガス排出口
７２ 熱媒体排出口
７３ 燃料ガス排出口
８０ セル積層体
８１、８２ 端板
８３、８４ 絶縁板
１０１ 燃料電池スタック
１１０ セパレータ
１１１ カソード入口マニホールド
１１２ 熱媒体入口マニホールド
１１３ アノード入口マニホールド
１１７ 第１入口部
１１８ 第１出口部
１１９ 第１熱媒体流路
１２０ 第２入口部
１２１ 第２出口部
１２２ 第２熱媒体流路
１２３ 仮想線
１２４ 第１端面
１２５ 第２端面
１２６ 第１外側折り返し部
１２７ 第１内側折り返し部
１２８ 第２外側折り返し部
１２９ 第２内側折り返し部
１３０ 隣接折り返し部

Claims (7)

1. 厚み方向に貫通し、熱媒体を供給する入口マニホールドと、
   厚み方向に貫通し、熱媒体を排出する出口マニホールドと、
   一方の主面に形成され、第１入口部である一端が前記入口マニホールドに接続され、第１出口部である他端が前記出口マニホールドに接続され、サーペンタイン状に形成された１以上の溝状の第１熱媒体流路と、
   前記一方の主面に形成され、第２入口部である一端が前記入口マニホールドに接続され、第２出口部である他端が前記出口マニホールドに接続され、サーペンタイン状に形成された１以上の溝状の第２熱媒体流路と、
   を備え、
   厚み方向から見て、前記入口マニホールド及び出口マニホールドが、前記第１熱媒体流路及び前記第２熱媒体流路を挟んで対向するように配置されており、
   厚み方向から見て、前記第１入口部及び前記第２入口部の間と前記第１出口部及び前記第２出口部の間とを仮想的に結ぶ線である仮想線を挟んで互いに対向する第１端面及び第２端面を有する板状の燃料電池用セパレータであって、
   前記第１熱媒体流路が、前記第１端面側で折り返す２以上の第１外側折り返し部と、前記第２端面側で折り返す１以上の第１内側折り返し部と、を有し、
   前記第２熱媒体流路が、前記第２端面側で折り返す２以上の第２外側折り返し部と、前記第１端面側で折り返す１以上の第２内側折り返し部と、を有し、
   前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成された隣接折り返し部を１以上有し、
   １以上の前記隣接折り返し部のうちの少なくとも１つが、前記仮想線と重ならないように形成されている、燃料電池用セパレータ。
2. 前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成される隣接折り返し部を２以上有し、
   ２以上の前記隣接折り返し部のうちの少なくとも２つが、前記セパレータの厚み方向から見て、前記仮想線に対して第１端面側と第２端面側とに、交互に形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記第１内側折り返し部同士の間の流路の長さと、前記第２内側折り返し部同士の間の流路の長さとが、同一となるよう形成されている、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記第１内側折り返し部及び前記第２内側折り返し部が、互いに隣接するように形成される隣接折り返し部を偶数個有し、
   偶数個の前記隣接折り返し部が、前記セパレータの厚み方向から見て、前記仮想線に対して第１端面側と第２端面側とに、交互に形成されている、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記第１入口部から最も上流側に配置される前記第１外側折り返し部までの流路の長さと前記第２入口部から最も上流側に配置される前記第２外側折り返し部までの流路の長さとが、同一となるよう形成されている、請求項３または４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記第１出口部から最も下流側に配置される前記第１外側折り返し部までの流路の長さと前記第２出口部から最も下流側に配置される前記第２外側折り返し部までの流路の長さとが、同一となるよう形成されている、請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータである第１セパレータと、板状の第２セパレータと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの間に配置されている膜一電極接合体と、を含む１以上のセルと、
   前記１以上のセルの積層方向に配置され、前記１以上のセルを両側から挟むように配置される一対の端板と、
   前記積層方向に沿って伸びるように配置され、１以上の前記セルを挟んで互いに対向する少なくとも一対の締め付け部を有し、１以上の前記セルを締結するための締結部材と、を備える、燃料電池スタック。