JP2015092446A - 燃料電池及びセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の流路壁の一部を孔まで延ばすことで、ガスケットの撓みと、排出すべき水の滞留とを同時に解消して、発電能力の向上を図ることができる燃料電池及びセパレータの提供を目的とする。
【解決手段】燃料電池のセパレータは、膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状のセパレータを貫通する第１孔から第１距離離れた第１位置と、前記セパレータを貫通する第２孔から第２距離離れた第２位置との間に、前記膜／電極接合体と対向する第１面に形成されている第１突部と、少なくとも前記第２位置と前記第２孔との間に前記第１面に形成される第２突部と、を備える。
【選択図】図４

Description

本開示は、単位電池セルで生成された余分な水の排出を容易にする燃料電池及びセパレータに関する。

一般に、燃料電池は、単位電池セルを積層した構成となっている。単位電池セルでは、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の両面が、それぞれガスケットを介して、一対のセパレータで挟持される。単位電池セルの積層体は、一般にスタックと呼ばれている。

燃料電池の構成部品のうち、膜／電極接合体は、固体高分子電解質膜を備える。固体高分子電界質膜の両面には、カソード電極及びアノード電極が備えられる。これらカソード電極及びアノード電極は、いずれも触媒層とガス拡散層とを有する。

一方、燃料電池の構成部品のうち、セパレータは、導電性を有する板状の部材からなる。セパレータの一方の面には、複数の流路壁が設けられる。複数の流路壁は、セパレータの一方の面とカソード電極との間に酸化ガスを流入するための流路壁である。セパレータの他方の面にも、複数の流路壁が設けられる。他方の面に設けられた複数の流路壁は、他方の面とアノード電極との間に燃料ガスを流入するための流路壁である。これら流路壁の両端には、ガスの導入路、ガスの排出路となる孔がそれぞれ形成される。流路壁の両端にそれぞれ形成された孔は、スタックを構成したときに互いに連通する。そして、単位電池セルの両端で連通した孔により、一連のガスの導入路、一連のガスの排出路が形成される。

このような燃料電池では、アノード電極で水素が水素イオンと電子とに分かれる。水素イオンは、固体高分子電解質膜を通って、カソード電極へ移動する。電子は、カソード電極と接触する複数の流路壁を伝導し、カソード電極に移動する。カソード電極では、水素イオンと、電子と、酸素との反応によって、水が生成される。また、カソード電極側で生成された水が、固体高分子電解質膜を通してアノード電極側に逆拡散する。

特許文献１には、セパレータの流路壁とセパレータの孔との間に、流路壁とは連結しない複数の突部が形成されている。セパレータの複数の突部は、ガスケットを支持する。

特開２００８−１０３１０２号公報

特許文献１の複数の流路壁に沿って、カソード電極で生成された水が排出される。しかし、特許文献１の複数の突部は、複数の流路壁から離間して設けられている。このため、排出される水は、複数の突部に衝突し、複数の流路壁と、複数の突部との間の領域に、水が滞留してしまう。この結果、カソード電極から孔へのガスの流れが遮られ、燃料電池の発電能力が低下するという問題が生じる。

また、アノード電極側においても同様に、カソード電極で生成された水が、固体高分子電解質膜を通してアノード電極に逆拡散すると、アノード電極においても、複数の流路壁と複数の突部との間に水が滞留してしまい、燃料電池の発電能力を低下させてしまう。

水の滞留を防ぐために、複数の流路壁と複数の突部とを離間させずに、複数の流路壁と複数の突部とを全て連結させることが考えられる。しかしながら、複数の流路壁と複数の突部とを全て連結させると、複数の突部によって、ガスが排出される孔へガスが流入するための領域が減少する。ガスが通過する領域が減少すると、ガスの流量が減少するため、発電量が低下する。また、複数の流路壁の数を減らす方法も考えられるが、複数の流路壁の数を減らした場合、膜／電極接合体と複数の流路壁との接触面積が減少する。膜／電極接合体と複数の流路壁との接触面積の減少は、流れる電子の数が減少するため、燃料電池の発電能力の低下を招く。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものである。複数の流路壁の一部を孔まで延ばすことで、ガスケットの撓みと、排出すべき水の滞留とを同時に解消して、発電能力の向上を図ることができる燃料電池及びセパレータの提供を目的とする。

請求項１に記載の燃料電池は、平面形状の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状の第１セパレータであって、前記第１セパレータを貫通する第１孔から第１距離離れた第１位置と、前記第１セパレータを貫通する第２孔から第２距離離れた第２位置との間に、前記膜／電極接合体と対向する第１面に形成されている第１突部と、少なくとも前記第２位置と前記第２孔との間に前記第１面に形成される第２突部と、を備える前記第１セパレータと、前記膜／電極接合体と前記第１セパレータとの間に設けられたガスケットであって、前記第１突部、前記第１孔、及び前記第２孔にそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔が形成された前記ガスケットと、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の燃料電池は、前記第２突部は、前記第１孔と前記第２孔との間に連続して形成されることを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池は、前記膜／電極接合体の他方の面に設けられる平面形状の第２セパレータを更に備えており、前記第２セパレータは、前記第２セパレータを貫通する第３孔から第３距離離れた第３位置と、前記第２セパレータを貫通する第４孔から第４距離離れた第４位置との間に、前記膜／電極接合体と対向する第２面に連続して形成され、前記膜／電極接合体と接触する第３突部と、少なくとも前記第３位置と前記第４孔との間に前記第２面に連続して形成される第４突部と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の燃料電池は、前記第４突部は、前記第３孔から前記第４孔へ連続して形成されることを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池は、前記第１セパレータは、複数の前記第１突部と、複数の前記第２突部と、を備え、前記複数の前記第１突部の数は、前記複数の前記第２突部の数よりも多いことを特徴とする。

請求項６に記載の燃料電池は、前記第１セパレータには、前記第１面に、前記第２位置から前記第２孔へ下る斜面が形成されることを特徴とする。

請求項７に記載の燃料電池は、前記第１セパレータには、前記第１面に、前記第１位置から前記第1孔へ下る第１斜面と、前記第２位置から前記第２孔へ下る第２斜面と、が形成されることを特徴とする。

請求項８に記載の燃料電池は、前記第１セパレータは、矩形であり、前記第１セパレータには、前記矩形の一方の短辺側に前記第１孔が形成され、前記第１セパレータには、前記矩形の他方の短辺側に前記第２孔が形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載のセパレータは、平面形状のセパレータであって、前記セパレータを貫通する第１孔から第１距離離れた第１位置と、前記セパレータを貫通する第２孔から第２距離離れた第２位置との間に、前記セパレータの第１面に連続して形成される第１突部と、少なくとも前記第１位置と前記第２孔との間に前記第１面に連続して形成される第２突部と、を備えることを特徴とする。

請求項１０に記載のセパレータは、前記第２突部は、前記第１孔と前記第２孔との間に連続して形成されることを特徴とする。

請求項１１に記載のセパレータは、前記セパレータは、複数の前記第１突部と、複数の前記第２突部と、を備え、前記複数の前記第１突部の数は、前記複数の前記第２突部の数のよりも多いことを特徴とする。

請求項１２に記載のセパレータは、前記セパレータには、前記第１面に、前記第２位置から前記第２孔へ下る斜面が形成されることを特徴とする。

請求項１３に記載のセパレータは、前記セパレータには、前記第１面に、前記第１位置から前記第1孔へ下る第１斜面と、前記第２位置から前記第２孔へ下る第２斜面と、が形成されることを特徴とする。

請求項１４に記載のセパレータは、前記セパレータは、矩形であり、前記セパレータには、前記矩形の一方の短辺側に前記第１孔が形成され、前記セパレータには、前記矩形の他方の短辺側に前記第２孔が形成されていることを特徴とする。

請求項１５に記載のセパレータは、前記セパレータを貫通する第３孔から第３距離離れた第３位置と、前記セパレータを貫通する第４孔から第４距離離れた第４位置との間に、前記第１面とは反対の第２面に連続して形成される第３突部と、少なくとも前記第３位置と、前記第４孔との間に前記第２面に連続して形成される第４突部と、を備えることを特徴とする。

請求項１６に記載のセパレータは、前記第４突部は、前記第３孔と前記第４孔との間に連続して形成されることを特徴とする。

本開示の燃料電池、及び、セパレータによれば、ガスケットの撓みと、排出すべき余分な水の滞留とを同時に解消して、発電能力の向上を図ることができる。

実施形態の固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。 上記固体高分子型燃料電池のスタック１Ａの構成を示す分解斜視図である。 セパレータ１０の後ろ方向からみた平面図である。 第１実施形態のセパレータの要部を示す。図４（ａ）は平面視の部分拡大平面図、図４（ｂ）は斜視の部分拡大図である。 図５（ａ）上記セパレータの要部を示す部分平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 第２実施形態のセパレータ１０の要部を示す。図６（ａ）はセパレータ１０の要部を示す部分平面図である。図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本開示の実施形態に係る固体高分子型燃料電池、これを構成するセパレータ及びガスケットについて、図面を参照しつつ説明する。

＜全体構成＞
図１において、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は、スタック１Ａと、一対のエンドプレート１Ｂと、複数本のボルト１Ｃとを有する。スタック１Ａは、積層された複数の単位電池セル１ａから構成される。一対のエンドプレート１Ｂの夫々は、長方形の平面形状である。複数の単位電池セル１ａは、図１に示すように、前後方向に沿って、積層される。前後方向は、複数の単位電池セル１ａが積層される方向である。また、図１に示すように、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の長尺方向を左右方向とし、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の短尺方向を上下方向とする。一対のエンドプレート１Ｂは、スタック１Ａの前後方向の両端を挟み込む。複数本のボルト１Ｃは、スタック１Ａ及び一対のエンドプレート１Ｂを互いに固定する。複数本のボルト１Ｃの一部は、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかを貫通して、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかとスタック１Ａとを固定する。また、複数本のボルト１Ｃの残りは、一対のエンドプレート１Ｂの両方を貫通して、一対のエンドプレート１Ｂとスタック１Ａとを固定する。

図１に示すように、一対のエンドプレートの一方のエンドプレート１Ｂ−ａには、第１ガス孔２が形成される。さらに、図１に示すように、エンドプレート１Ｂ−ａには、第２ガス孔３が形成される。また、一対のエンドプレートの他方のエンドプレート１Ｂ−ｂには、第３ガス孔（不図示）が形成される。さらに、エンドプレート１Ｂ−ｂには、第４ガス孔（不図示）が形成される。なお、第１ガス孔２は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ａの一端に形成され、第１ガス孔２と、第２ガス孔３とは、エンドプレート１Ｂ−ａにおいて、異なる位置に形成される。また、第３ガス孔は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ｂの他端に形成され、第３ガス孔と、第４ガス孔は、エンドプレート１Ｂ−ｂにおいて、異なる位置に形成される。なお、第１ガス孔２及び第２ガス孔３は、エンドプレート１Ｂ−ａを貫通する貫通孔である。同様に、第３ガス孔及び第４ガス孔も、エンドプレート１Ｂ−ｂを貫通する貫通孔である。

図２に示すように、各単位電池セル１ａは、膜／電極接合体３０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、一対のガスケット２０と、一対のセパレータ１０とから構成される。

一対のガスケット２０の一方のガスケット２０−ａは、膜／電極接合体３０の前方向の面に接触し、一対のガスケット２０の他方のガスケット２０−ｂは、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に接触する。一対のセパレータ１０は、ガスケット２０が夫々接触された膜／電極接合体３０の両面を挟持する。以下、図２に示した固体高分子型燃料電池１の一対のセパレータ１０、一対のガスケット２０、膜／電極接合体３０を順に説明する。

＜膜／電極接合体＞
図２に示すように、膜／電極接合体３０は、長方形の平面形状からなる。膜／電極接合体３０は、固体高分子電解質膜３１、カソード電極３２（図５（ｂ）を参照）及びアノード電極３３を有する。カソード電極３２及びアノード電極３３は、固体高分子電解質膜３１の両面に設けられる。具体的には、図２において、膜／電極接合体３０の前方向の表面に、アノード電極３３が設けられる。また、図２において、膜／電極接合体３０の後ろ方向の表面に、カソード電極３２（図５（ｂ）参照）が設けられる。これらカソード電極３２及びアノード電極３３は、いずれも図示しない触媒層とガス拡散層とを有する。

＜ガスケット＞
ガスケット２０は、長方形のシート材からなる。ガスケット２０を形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット２０は、長方形の平面形状からなる。ガスケット２０には、第１貫通孔２１と、第２貫通孔２２と、第３貫通孔２３と、第４貫通孔２４と、第５貫通孔２５と、第６貫通孔２６とが形成される。第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０を前後方向に貫通する孔である。

ガスケット２０の中央部分には、最も大きな長方形の第１貫通孔２１が形成される。ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１または複数の第２流路壁１９が形成される略長方形の領域の外形に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１または第２流路壁１９が形成される略長方形の領域の位置に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極３２及びアノード電極３３の外形にも対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極３２及びアノード電極３３の位置にも対応する。

本実施形態では、第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第２貫通孔２２が、ガスケット２０の右端側に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第３貫通孔２３が、ガスケット２０の左端側に、上下方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第２貫通孔２２の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第１孔１２の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第３貫通孔２３の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第２孔１３の外形及び位置にそれぞれ対応する。

さらに、図２の例では、第４貫通孔２４が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第５貫通孔２５が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第４貫通孔２４の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第３孔１４の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第５貫通孔２５の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第４孔１５の外形及び位置にそれぞれ対応する。

ガスケット２０の長方形の各長辺の近傍には、複数の第６貫通孔２６が形成される。図２の例では、複数の第６貫通孔２６が、等間隔でガスケット２０に形成されている。図２の例では、上方向の長辺に沿った複数の第６貫通孔２６は、第４貫通孔２４及び第５貫通孔２５よりも、ガスケット２０の外側に形成される。複数の第６貫通孔２６の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の複数の挿入孔１６の外形及び位置にそれぞれ対応する。

＜セパレータ＞
セパレータ１０は、金属製の長方形の平面形状からなる。例えば、セパレータ１０は、アルミニウムを用いて生成される。セパレータ１０は、カーボンまたはステンレスを用いて生成されても良い。また、本実施形態では、アルミニウムの上にカーボンが塗布されている。セパレータ１０は、ガスケット２０またはエンドプレート１Ｂとほぼ同一寸法の長方形の平面形状からなる。セパレータ１０には、複数の第１流路壁１１と、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６とが形成される。第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４、第４孔１５、及び挿入孔１６のそれぞれは、セパレータを上下方向に貫通する貫通孔である。

本実施形態では、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６とは、それぞれ、セパレータ１０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第１孔１２が、セパレータ１０の右端側（一方の短辺側）に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第２孔１３が、セパレータ１０の左端側（他方の短辺側）に、上下方向に沿って２つ形成される。さらに、図２の例では、第３孔１４が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第４孔１５が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、セパレータ１０における２つの第１孔１２は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第１ガス孔２と対応する位置に形成される。また、セパレータ１０における２つの第３孔１４は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第２ガス孔３と対応する位置に形成される。

図２に示すセパレータ１０の前方向における表面の中央に、複数の第１流路壁１１（第１突部）が所定の間隔をあけて互いに平行に設けられる。図２に示すように、各第１流路壁１１は、左右方向に沿って、２つの第１孔１２の近傍から２つの第２孔１３の近傍まで延びた第１溝部１１ａを備える。具体的には、各第１流路壁１１は、２つの第１孔１２から左方向に所定の第１距離を離れた第１位置から、２つの第２孔１３から右方向に所定の第２距離を離れた第２位置まで連続して延びた第１溝部１１ａを備える。第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が第１位置から第２位置まで延びて形成されたものである。図２に示す第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第１流路壁１１を含む略長方形の領域の外形及び位置は、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に設けられたカソード電極３２の外形及び位置に対応する。

図２の例では、第１ガス孔２から流入された酸化ガスが、セパレータ１０の２つの第１孔１２を通り抜け、さらに、ガスケット２０の第２貫通孔２２を通り抜ける。本実施形態では、酸化ガスは、固体高分子型燃料電池１の外部に存在する空気である。なお、酸化ガスとして、酸素（Ｏ2）を含む気体であれば良い。また、第１ガス孔２から流入された酸化ガスが、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａに沿って、２つの第１孔１２から２つの第２孔１３へ流れる。複数の第１流路壁１１の前方向に、ガスケット２０が配置されている場合、ガスケット２０の第１貫通孔２１を介して、膜／電極接合体３０のカソード電極３２と、セパレータ１０−ｂの複数の第１流路壁１１とが接触する。このため、酸化ガスが、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａに沿って流れることができる。これにより、酸化ガスが、膜／電極接合体３０のカソード電極３２に供給される。各第１流路壁１１は、例えば、ストレート型の流路壁である。本実施形態では、図２に示すように、２つの第１孔１２が、仕切り壁１２ａによって仕切られている。また、２つの第２孔１３が、仕切り壁１３ａによって仕切られている。また、２つの第３孔１４が、仕切り壁１４ａによって仕切られている。また、２つの第４孔１５が、仕切り壁１５ａによって仕切られている。２つの第１孔１２、２つの第２孔１３、２つの第３孔１４、及び２つの第４孔１５は、それぞれ２つの孔が合わさった長方形の１つの孔であってもよい。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、ビームの役割を果たす仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが、２つの孔の間に設けられている。

図３に示すように、セパレータ１０の第１流路壁１１が形成される面と逆の面には、複数の第２流路壁１９（第３突部）が形成される。図３に示すセパレータ１０の後ろ方向における表面に、複数の第２流路壁１９が、所定の間隔をあけて、互いに並んで形成される。図３に示すように、各第２流路壁１９は、まず、２つの第３孔１４の近傍から、上下方向に沿って延びた第２溝部１９ａを備える。具体的には、各第２流路壁１９は、２つの第３孔１４から下方向に所定の第３距離を離れた第３位置から、連続して延びた第２溝部１９ａを備える。そして、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、左右方向に沿って延び、さらに、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、２つの第４孔１５に向かって上下方向に沿って延びる。具体的には、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、２つの第４孔１５から下方向に所定の第４距離を離れた第４位置に連続して延びる。図３に示す第２溝部１９ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が連続して形成されることによって構成されたものである。図３に示す第２溝部１９ａとして、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第２流路壁１９を含む領域の外形及び位置は、膜／電極接合体３０の前方向の面に設けられたアノード電極３３の外形及び位置に対応する。各第２流路壁１９は、ストレート型の各第１流路壁１１と異なり、左右方向に沿った各第２流路壁１９の両端が、第３孔１４と第４孔１５のそれぞれに向かって直角に曲折したサーペンタイン型の流路壁である。

図３の例では、第２ガス孔３から流入された燃料ガスが、セパレータ１０の２つの第３孔１４を通り抜ける。なお、本実施形態では、燃料ガスは、水素（Ｈ2）である。燃料ガスとして、水素（Ｈ2）を含むガスであれば良い。そして、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガスが、ガスケット２０−ａの第４貫通孔２４を通り抜ける。さらに、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガスは、図３の各第２流路壁１９の第２溝部１９ａに沿って、２つの第３孔１４から、２つの第４孔１５へ流れる。詳細には、膜／電極接合体３０のアノード電極３３が、ガスケット２０―ａの第１貫通孔２１を通って、セパレータ１０−ａの複数の第２流路壁１９と接触する。このため、燃料ガスが、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａを沿って流れることができる。これにより、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。

さらに、セパレータ１０の長方形の各長辺の近傍には、それぞれ複数の挿入孔１６が形成される。図２の例では、複数の挿入孔１６が、等間隔でセパレータ１０に形成されている。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、第３孔１４及び第４孔口１５が、隣り合う２つの挿入孔１６の間の領域に形成されている。

複数の挿入孔１６には、上述した複数のボルト１Ｃがそれぞれ挿入される。挿入孔１６の直径は、ボルト１Ｃの直径よりも３ｍｍ以上大きい。挿入孔１６にボルト１Ｃが挿入されたときに、挿入孔１６とボルト１Ｃとの間には、１．５ｍｍ以上の隙間が形成される。この結果、セパレータ１０とボルト１Ｃとが確実に絶縁される。

セパレータ１０の長辺に沿って隣り合う挿入孔１６どうしの間隔は、それぞれ８０ｍｍ以下である。挿入孔１６どうしの間隔が８０ｍｍ以下であると、セパレータ１０とガスケット２０との間のシール性が向上され、特に、燃料ガスの漏れが有効に防止される。好ましくは、挿入孔１６どうしの間隔は、６０ｍｍ±１ｍｍ程度とする。

ここで、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は空冷式となっている。本実施形態の固体高分子型燃料電池１では、セパレータ１０の長方形の各長辺と、複数の第１流路壁１１の上下方向の両端との間の領域が、それぞれ放熱部１７となっている。図１に示すように、複数の単位電池セル１ａが積層されると、各セパレータ１０の放熱部１７が多数のフィンを形成し、広範な放熱面積を提供する。固体高分子型燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質膜３１を備えた燃料電池である。固体高分子型燃料電池１は、一般的な燃料電池であっても良い。一般的な燃料電池とは、例えば、固体高分子電解質膜３１以外の膜を用いた燃料電池である。

＜発電の原理＞
上述したように、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。セパレータ１０の複数の第２流路壁１９に沿って燃料ガスは供給され、アノード電極３３の拡散層によって拡散される。そして、燃料ガスは、触媒層によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜３１を通ってカソード電極３２へ移動する。また、電子は導体であるセパレータ１０を通って、カソード電極３２へ移動する。カソード電極３２では、上述したように、複数の第１流路壁１１に沿って流れる酸化ガスと、移動された水素イオン及び電子とが触媒層によって反応されて、水が生成される。このとき、水の電気分解と逆の原理で電気が発電される。生成された水及び／又はガスは、複数の第１流路壁１１に沿って第２孔１３を通過する。また、膜／電極接合体３０で生成される水及び／又はガスは、第４孔１５を通過する。

＜＜第２突部１８＞＞
次に、本実施形態のセパレータに設けられた第２突部１８（第４突部）について、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図５（ａ）、図５（ｂ）を参照しつつ説明する。

上述のように、固体高分子型燃料電池１は、各単位電池セル１ａのカソード電極３２で水を生成して電気を発電する。カソード電極３２で生成された水は、セパレータ１０の第１溝部１１ａを通って、第２孔１３から排出される。しかし、第２孔１３から排出されるべき水が途中で滞留してしまうと、この余分な水によって酸化ガスの経路が塞がれてしまう。この結果、固体高分子型燃料電池１の発電能力が低下してしまう。

また、各単位電池セル１ａのカソード電極３２で生成された水は、固体高分子電解質膜３１を通してアノード電極３３に逆拡散される。すると、水によってセパレータ１０の燃料ガスの経路が塞がれてしまい、固体高分子型燃料電池１の発電能力がさらに低下してしまう場合がある。

そこで、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、本実施形態のセパレータ１０は、複数の第１流路壁１１の左方向の端部と、第２孔１３との間の領域ＡＲに、４つの第２突部１８が設けられる。本実施形態では、例えば、セパレータ１０は、複数の第１流路壁１１の中で、特定の第１流路壁１１ａを構成する第１突部の左方向の端部と、第２孔１３との間の領域ＡＲに、４つの第２突部１８が設けられても良い。

各第２突部１８は、複数の第１流路壁１１を構成する第１突部と同様に、ダイカストによって金属製のセパレータ１０の表面に形成された突起である。図４（ａ）に示すように、各第２突部１８の右方向の一端は、特定の第１流路壁１１に接続される。このように、各第２突部１８の右方向の一端が、特定の第１流路壁１１に接続されることで、各第２突部１８と、特定の第１流路壁１１との隙間がなくなり、水の経路である領域ＡＲにおいて、水が滞留することを防ぐことができる。また、各第２突部１８の右方向の一端が、特定の第１流路壁１１に接続される以外に、特定の第１流路壁１１が、第２孔１３まで連続して延びて、第２突部として構成されても良い。各第２突部１８の左方向の端部が、第２孔１３に達する。このように、各第２突部１８の左方向の端部が第２孔１３に達することで、複数の第１流路壁１１から第２開口１３へ向けた経路が画定される。これにより、複数の第１流路壁１１に沿って流れた水が第２孔１３へ案内される。また、第１の実施形態では、各第２突部１８の左右方向の長さは、領域ＡＲの左右方向の幅と同一である。

第１の実施形態では、複数の第１流路壁１１の全ではなく、一部に対応して第２突部１８が形成される。従って、上下方向に隣合う２つの第２突部１８が接続された第１流路壁１１の間には、第２突部１８が接続されない一又は複数の第１流路壁１１が挟まれる。このような構成とした場合は、上下方向に互いに隣り合う２つの第２突部１８によって形成される経路の幅が広くされ、各第１流路壁１１に沿って流入した水がスムーズに第２孔１３へ流出される。なお、第１の実施形態では、複数の第１流路壁１１の数は、第２突部１８の数よりも多くなる。

第１の実施形態では、各第２突部１８の上下方向の幅は、各第１流路壁１１の上下方向の幅と同じ寸法である。

図５（ｂ）に示すように、各第２突部１８は、領域ＡＲで前後方向に突出する。第２突部１８がガスケット２０を支えることで、ガスケット２０の撓みが防止される。具体的には、図５（ｂ）に示すように、第２突部１８の前方向には、長方形のブリッジ板２９が設けられる。長方形のブリッジ板２９は、領域ＡＲを上下方向に横断して設けられる。このため、第２突部１８は、ブリッジ板２９を介して、ガスケット２０の一部を間接的に支持することになる。第１の実施形態では、セパレータ１０の板面のうち、領域ＡＲの前後方向の厚さＬ２が、各第１流路壁１１が形成された領域の前後方向の厚さＬ１よりも小さい。また、左右方向に沿って、複数の第１流路壁１１の左側の端部と第２孔１３との間には、セパレータ１０に傾斜面ＳＬが形成される。図５（ｂ）の例では、複数の第１流路壁１１の左側の端部から傾斜面ＳＬが形成され、第２孔１３に向けて一定の平面がセパレータ１０に形成されている。このような構成を採用することで、複数の第１流路壁１１に沿って流入した水が、傾斜面ＳＬに沿って領域ＡＲにスムーズに流れ込み、その後、各第２突部１８によって画定された経路に沿って、第２孔１３へ効率よく排出される。

各第２突部１８の高さ寸法が、ブリッジ板２９の厚さ寸法よりも大きい。

ここで、第１の実施形態では、図２に示すように、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４、及び第３孔１５が、それぞれ仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａによって２つに分割される。２つの第１孔１２、２つの第２孔１３、２つの第３孔１４、２つの第４孔１５は、それぞれ２つの孔が合わさった長方形の１つの孔であってもよい。第１の実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、ビームの役割を果たす仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが、２つの第１孔１２、２つの第２孔１３、２つの第３孔１４、及び２つの第４孔１５の中央にそれぞれ形成される。

そして、第１の実施形態では、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、領域ＡＲにおける各第２突部１８が、いずれも、仕切り壁１３ａが形成された位置と上下方向に異なる位置に形成される。これにより、図４（ａ）中の矢印に示すように、図４（ａ）の中央の２つの第２突部１８によって画定された経路に沿って流入する水が、２つの第２孔１３へ排出される。特に、第１の実施形態では、仕切り壁１３ａの第２突部１８側の端部を半円形にしてあるので、図４（ａ）の中央の２つの第２突部１８によって画定された経路に沿って流入した水が、この半円形の端部に沿って２つの第２孔１３へそれぞれ案内される。

また、第１の実施形態では、図４（ａ）に示すように、全ての複数の第１流路壁１１によって形成される上下方向の幅が、上側に設けられた第２孔１３の上方向の端部と、下側に設けられた第２孔１３の下方向の端部との間の距離とほぼ等しい。これにより、全ての複数の第１流路壁１１に沿って流入した水が、スムーズに２つの第２孔１３へ流出される。このような全ての複数の第１流路壁１１によって形成される上下方向の幅と、上側に設けられた第１孔１２の上方向の端部と、下側に設けられた第１孔１２の下方向の端部との間の距離もほぼ等しい。また、複数の第２流路壁１９の左右方向の幅と、左側に設けられた第３孔１４の左方向の端部と、右側に設けられた第３孔１４の右方向の端部との間の距離もほぼ等しい。また、複数の第２流路壁１９の左右方向の幅と、左側に設けられた第４孔１５の左方向の端部と、右側に設けられた第４孔１５の右方向の端部との間の距離もほぼ等しい。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図５（ａ）、図５（ｂ）により、第１の実施形態では、説明の便宜上、第２孔１３に対応する第２突部１８のみを図示しているが、同じ構成の第２突部が、第１孔１２に対応して形成されても良い。具体的には、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す第２突部１８は、セパレータ１０の右方向に形成された第１孔１２に対応して形成されても良い。この場合、各第２突部１８の左方向の一端が、特定の第１流路壁１１に接続される。このように、各第２突部１８の左方向の一端が、特定の第１流路壁１１に接続されることで、各第２突部１８と、特定の第１流路壁１１との隙間がなくなり、水が滞留することを防ぐことができる。また、各第２突部１８の左方向の一端は、特定の第１流路壁１１に接続される以外に、特定の第１流路壁１１が、第１孔１２まで連続して延びて、第２突部として構成されても良い。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図５（ａ）、図５（ｂ）により、第１の実施形態では、説明の便宜上、第２孔１３に対応する第２突部１８のみを図示しているが、第２突部１８と同じ構成の第４突部が、第３孔１４と第４孔１５に対応して形成されても良い。具体的には、図３の第３孔１４から、第３位置まで連続して延びた第４突部が形成されても良い。また、図３の第４孔１５から第４位置まで連続して延びた第４突部が形成されても良い。この場合は、第４突部は、後ろ方向に突出する。各第４突部の下方向の一端が、特定の第２流路壁１９に接続される。このように、各第４突部の下方向の一端が、特定の第２流路壁１９に接続されることで、各第４突部と、特定の第２流路壁１９との隙間がなくなり、水が滞留することを防ぐことができる。また、各第４突部の下方向の一端は、特定の第２流路壁１９に接続される以外に、特定の第２流路壁１９が、第３孔１４まで連続して延びて、第４突部として構成されても良い。また、各第４突部の下方向の一端は、特定の第２流路壁１９に接続される以外に、特定の第２流路壁１９が、第４孔１５まで連続して延びて、第４突部として構成されても良い。

＜第２実施形態＞
次に、本開示の第２実施形態に係るセパレータ及びこれを備えた固体高分子型燃料電池について、図６（ａ）、（ｂ）を参照しつつ説明する。なお、第２の実施形態において、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６（ａ）、図６（ｂ）において、第２の実施形態では、セパレータ１０に設けられる第２突部１８０の構成を変更し、上述した第１実施形態で用いたブリッジ板２９（図５（ｂ）を参照）を不要としている。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、セパレータ１０の全ての複数の第１流路壁１１には、それぞれ第２突部１８０が設けられる。また、各第２突部１８０の頂部の左右方向の略中央には、前方向に突出した突起部１８１が設けられる。ここで、第２の実施形態では、図６（ｂ）に示すように、各第２突部１８０の前後方向の高さが、上述した第１実施形態の各第２突部１８（図５（ｂ）を参照）の前後方向の高さよりも高い。そして、第２突部１８０と突起部１８１との合計高さをＨとしている。

このような構成からなる本実施形態のセパレータ１０によれば、全ての複数の第１流路壁１１に第２突部１８０が形成されることで、隣り合う２つの第２突部１８０どうしの間隔が狭くなる。これにより、図５（ｂ）に示すようなブリッジ板２９なしで、ガスケット２０の前後方向の撓みが防止される。また、領域ＡＲにおいて、ガスケット２０の一部が各第２突部１８０に支持されると、各突起部１８１がガスケット２０に当接し、ガスケット２０の部分的な位置ずれが確実に防止される。

＜作用効果＞
上述した第１及び第２実施形態に係るセパレータ１０及びこれを備えた固体高分子型燃料電池１では、第２突部１８及び第２突部１８０により、ガスケット２０の撓みと、水の滞留とが同時に解消され、発電能力の向上が図られる。

＜その他の変更＞
本開示のセパレータ及びこれを備えた固体高分子型燃料電池は、上述した第１及び第２実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、上述した各実施形態では、セパレータ１０の外形を長辺と短辺とを有する略矩形としたが、セパレータ１０の外形は、特に限定されるものではなく、任意の形状に変更することができる。

また、例えば、上述した各実施形態では、酸化ガスの複数の第１流路壁１１をストレート型とし、燃料ガスの複数の第２流路壁１９をサーペンタイン型としたが、この構成も、特に限定されるものではない。例えば、複数の第１流路壁１１及び複数の第２流路壁１９は、自由に設計変更することが可能である。このことに関連して、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４及び第４孔１５の位置も、上述した各実施形態の位置に限定されるものではない。

さらに、上述した各実施形態では、空冷用のセパレータ１０を例示したが、冷却水が通過するための孔を有する水冷用のセパレータに、本開示の第２突部を適用することも可能である。

１ 固体高分子型燃料電池
１Ａ スタック
１ａ 単位電池セル
１Ｂ エンドプレート
１Ｃ ボルト
１０ セパレータ
１１ 複数の第１流路壁
１１ａ 第１流路壁
１２ 第１孔
１３ 第２孔
１２ａ、１３ａ 仕切り壁
１４ 第３孔
１５ 第４孔
１４ａ、１５ａ 仕切り壁
１６挿入孔
１８ 第２突部
１９ 複数の第２流路壁
１９ａ 第２流路壁
２０ ガスケット
２１ 第１貫通孔
２２ 第２貫通孔
２３ 第３貫通孔
２４ 第４貫通孔
２５ 第５貫通孔
２６ 第６貫通孔
３０ 膜／電極接合体
３１ 固体高分子電解質膜
３２ カソード電極
３３ アノード電極
４０ 組立シャフト
１００、１００Ａ、１００Ｂ 突起部
１８０ 第２突部
１８０ａ 突起部
ＡＲ 領域
ＳＬ 傾斜
Ｈ リブと突起部との合計高さ

Claims (16)

1. 平面形状の膜／電極接合体と、
   前記膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状の第１セパレータであって、
   前記第１セパレータを貫通する第１孔から第１距離離れた第１位置と、前記第１セパレータを貫通する第２孔から第２距離離れた第２位置との間に、前記膜／電極接合体と対向する第１面に連続して形成され、前記膜／電極接合体と接触する第１突部と、
   少なくとも前記第１位置と前記第２孔との間に前記第１面に連続して形成される第２突部であって、前記第１位置から前記第２位置で前記前記膜／電極接合体と接触する第２突部と、
   を備える前記第１セパレータと、
   前記膜／電極接合体と前記第１セパレータとの間に設けられたガスケットであって、前記第１突部に対応する位置に貫通された貫通孔と、前記第１孔及び前記第２孔にそれぞれ対応する位置に貫通された複数の貫通孔とが形成されたガスケットと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第２突部は、前記第１孔と前記第２孔との間に連続して形成されることを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記膜／電極接合体の他方の面に設けられる平面形状の第２セパレータを更に備えており、
   前記第２セパレータは、
   前記第２セパレータを貫通する第３孔から第３距離離れた第３位置と、前記第２セパレータを貫通する第４孔から第４距離離れた第４位置との間に、前記膜／電極接合体と対向する第２面に連続して形成され、前記膜／電極接合体と接触する第３突部と、
   少なくとも前記第３位置と前記第４孔との間に前記第２面に連続して形成される第４突部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記第４突部は、前記第３孔から前記第４孔へ連続して形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第１セパレータは、
   複数の前記第１突部と、
   複数の前記第２突部と、を備え、
   前記複数の前記第１突部の数は、前記複数の前記第２突部の数よりも多いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記第１セパレータには、前記第１面に、前記第２位置から前記第２孔へ下る斜面が形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記第１セパレータには、前記第１面に、
   前記第１位置から前記第１孔へ下る第１斜面と、
   前記第２位置から前記第２孔へ下る第２斜面と、が形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
8. 前記第１セパレータは、矩形であり、
   前記第１セパレータには、前記矩形の一方の短辺側に前記第１孔が形成され、
   前記第１セパレータには、前記矩形の他方の短辺側に前記第２孔が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 平面形状のセパレータであって、
   前記セパレータを貫通する第１孔から第１距離離れた第１位置と、前記セパレータを貫通する第２孔から第２距離離れた第２位置との間に、前記セパレータの第１面に連続して形成される第１突部と、
   少なくとも前記第１位置と前記第２孔との間に前記第１面に連続して形成される第２突部と、
   を備えることを特徴とするセパレータ。
10. 前記第２突部は、前記第１孔と前記第２孔との間に連続して形成されることを特徴とする請求項９に記載のセパレータ。
11. 前記セパレータは、
    複数の前記第１突部と、
    複数の前記第２突部と、を備え、
    前記複数の前記第１突部の数は、前記複数の前記第２突部の数のよりも多いことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のセパレータ。
12. 前記セパレータには、前記第１面に、前記第２位置から前記第２孔へ下る斜面が形成されることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のセパレータ。
13. 前記セパレータには、前記第１面に、
    前記第１位置から前記第1孔へ下る第１斜面と、
    前記第２位置から前記第２孔へ下る第２斜面と、が形成されることを特徴とする請求項１０に記載のセパレータ。
14. 前記セパレータは、矩形であり、
    前記セパレータには、前記矩形の一方の短辺側に前記第１孔が形成され、
    前記セパレータには、前記矩形の他方の短辺側に前記第２孔が形成されていることを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載のセパレータ。
15. 前記セパレータを貫通する第３孔から第３距離離れた第３位置と、前記セパレータを貫通する第４孔から第４距離離れた第４位置との間に、前記第１面とは反対の第２面に連続して形成される第３突部と、
    少なくとも前記第３位置と、前記第４孔との間に前記第２面に連続して形成される第４突部と、
    を備えることを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載のセパレータ。
16. 前記第４突部は、前記第３孔と前記第４孔との間に連続して形成されることを特徴とする請求項１５に記載のセパレータ。