JP3956864B2 - 流路構造を有する燃料電池のセパレータ - Google Patents
流路構造を有する燃料電池のセパレータ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3956864B2 JP3956864B2 JP2003035273A JP2003035273A JP3956864B2 JP 3956864 B2 JP3956864 B2 JP 3956864B2 JP 2003035273 A JP2003035273 A JP 2003035273A JP 2003035273 A JP2003035273 A JP 2003035273A JP 3956864 B2 JP3956864 B2 JP 3956864B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- separator
- sectional area
- cross
- gas flow
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路構造を有する燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体から構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷媒（通常は冷却水）を流すための流路が形成される。少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層したセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
セパレータには凹溝、凸リブが形成され、セパレータのＭＥＡ対向面の凹溝は燃料ガスまたは酸化ガスの反応ガスが流れるガス流路となり、凸リブは拡散層に接触され導電通路となる。
反応ガスは上記発電反応で消費されるので、下流ほど濃度、分圧が小になってガス流速が遅くなること、また、上記発電反応で生じる生成水により下流ほど拡散層、ガス流路の水分による詰まりが生じやすくなることにより、下流側のガス流速が低下しないようにする必要がある。
これを満足するために、特開平１１−１６５９０号公報は、下流ほど、ガス流路の溝幅を狭くするか、溝深さを浅くして、反応ガスの流速を維持するセパレータ流路構造を開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のセパレータ流路構造には、つぎの問題がある。
(i) ガス流路幅の変化によってガス流路断面積を変化させた場合、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化してしまうため、セル全面での反応の均一性を保つことができなくなる。
(ii)ガス流路溝深さの変化によってガス流路断面積を変化させた場合、（セパレータ厚さをセル面方向に変えるとセルを積層した時にスタックが曲がるのでセパレータは一定厚さにする必要があるため）セル面前面にわたって、ガス流路溝が最も深い部分でのセパレータ厚さにセパレータ厚さを統一しなければならないので、セパレータ自体の厚さが厚くなり、スタックの全長が長くなってしまう。
とくにメタルセパレータでは、プレスの制約から溝の深さが制限されるため、ガス流路溝深さによってガス流路断面積を変化させる場合、その変化量が限られる。
本発明の目的は、セル全面での反応の均一性を保つことができ、セパレータ厚さも大きくする必要がない、流路構造を有する燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータにガス流路溝が形成されている流路構造を有する燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化である流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（２） 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われている（１）記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（３） 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われている（１）記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（４） メタルセパレータにガス流路溝が形成されている燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であり、前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われている流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
【０００６】
上記（１）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路溝の開口部幅は一定のままガス流路断面積が変化しているので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがない。
また、ガス流路断面積が変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速を高速に維持でき、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの拡散層内への拡散が得られ、電池性能が良好に維持される。
上記（２）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路断面積の変化がガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
上記（３）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向にガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
上記（４）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路溝の開口部幅は一定のままガス流路断面積が変化しているので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがない。また、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータを図１〜図１０を参照して、説明する。
本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータが適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０の単セル１９は、図１〜図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、図３〜図９に示すように、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュールを構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュールを積層してモジュール群とする。図１に示すように、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、たとえば、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる。請求項１〜４の発明は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合にも、またセパレータ１８がメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる場合にも成立する。請求項５の発明は、セパレータ１８がメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる場合に成立する。
【００１０】
図３〜図９は、セパレータ１８が、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつ第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成された場合を示している。
第１のセパレータ１８Ａ、第１の樹脂フレーム１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１のセパレータ１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第２のセパレータ１８Ｂ、第２の樹脂フレーム１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製である。
【００１１】
ＭＥＡ（拡散層１３、１６を設けた場合はＭＥＡ＋拡散層１３、１６）は、セパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９では、図４、図５に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分では、図８、図９に示すように、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１２】
図３〜図６に示すように、単セル１９において、第１のセパレータ１８Ａ、第２のセパレータ１８Ｂには、プレス成形で凹凸（凹溝、凸リブ）が形成される。第１のセパレータ１８Ａには、ＭＥＡ側に燃料ガス流路２７が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。第２のセパレータ１８Ｂには、ＭＥＡ側に酸化ガス流路２８が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、たとえば、複数の流路を並列にした流路群からなる。図３は、流路がストレート流路の場合を示しているが、サーペンタイン流路であってもよい。
【００１３】
また、図３に示すように、反応ガス流路がストレート流路の場合、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口と燃料ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口と酸化ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
図３、図７に示すように、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂが設けられ、他方３１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられる。
【００１５】
図７（図７は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部が形成されている。ガス流路連通部には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
【００１６】
図８、図９に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にゴムガスケット３９を配して、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールする。ゴムガスケット３９はＯリング等を用いてもよい。
図７、図８、図９に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図７で斜線を施した部分）が形成されている。
【００１７】
本発明の流路構造を有するセパレータは、つぎのように構成されている。
図３〜図６に示すように、単セル１９の燃料電池発電部対応部２９において、ＭＥＡの一側に配置した第１のセパレータ１８Ａは、燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇと、凹溝１８Ａｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐを有しており、ＭＥＡの他側に配置した第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガス流路２８となる凹溝１８Ｂｇと、凹溝１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ｂｐを有している。凹溝１８Ａｇと凹溝１８ＢｇとはＭＥＡに向かって開口しており、凸リブ１８Ａｐと凸リブ１８Ｂｐは凸の頂面が拡散層に接触している。メタルセパレータの場合は、凸リブ１８Ａｐの背面には第１の冷媒流路２６ａが形成されており、凸リブ１８Ｂｐの背面には第２の冷媒流路２６ｂが形成されている。
【００１８】
一つのセル１９の第１のセパレータ１８Ａの第１の冷媒流路２６ａと隣りのセル１９の第２のセパレータ１８Ｂの第２の冷媒流路２６ｂはセル積層方向に互いに位置が一致されて一体冷媒流路２６を形成している。すなわち第１のセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６と、隣りのセルの第２のセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、一体に連通している。
一つのセル１９において、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
【００１９】
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されている。燃料ガスクロス溝１８Ａｃは凸リブ１８Ａｐの両側の燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇを連通している。酸化ガスクロス溝１８Ｂｃは凸リブ１８Ｂｐの両側の酸化ガス流路２８となる凹溝１８Ｂｇを連通している。
一体冷媒流路２６は、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している。すなわち、冷媒流路２６の流路断面積は、冷媒流路２６ａの流路断面積以上であり、冷媒流路２６ｂの流路断面積以上である。
【００２０】
図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに形成された燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに形成された酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれている（互いにオフセットしている）。
さらに詳しくは、図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に交互に位置しており、燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃの一方のクロス溝は、その両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している。
【００２１】
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃは、それぞれ、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの全高にわたって形成されている。
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂに形成される凹溝、凸リブ、ガスクロス溝は何れも金属板をプレス成形することにより形成されている。
【００２２】
図６に示すように、第１のセパレータ１８Ａにガス流路溝１８Ａｇが形成され、第２のセパレータ１８Ｂにガス流路溝１８Ｂｇが形成されているセパレータ流路構造において、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇ伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深さＨがそれぞれほぼ一定で、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇ伸長方向に、ガス流路断面積（図６で破線で囲んだ部分の面積）が変化している。
【００２３】
ガス流路断面積の変化は、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化である。たとえば、図３は酸化ガス（空気）が図の右から左に流れる場合を示しているが、酸化ガス流路２８の場合には図３の右から左にかけてガス流路断面積が減少していく。燃料ガス２７の場合も、上流から下流側に流路断面積が減少するように変化する。ガス流路断面積の変化は、徐々に変化してもよいし、段階状に変化してもよいし、徐々の変化と段階状の変化との組み合わせであってもよい。
図６は、図３のＥ、Ｆ、Ｇでの断面を示しており、Ｅが反応ガス流れの上流部であり、Ｆが反応ガス流れの中流部であり、Ｇが反応ガス流れの下流部である。図６において、Ｅ、Ｆ、Ｇでのガス流路断面積の大小関係は、〔Ｅでのガス流路断面積〕≧〔Ｆでのガス流路断面積〕≧〔Ｇでのガス流路断面積〕である。ただし、〔Ｅでのガス流路断面積〕≠〔Ｇでのガス流路断面積〕である。
【００２４】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化で行われてもよい。その場合、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の、溝底面の法線に対するテーパ角θは、ガス流れ方向下流に行くに従って大となる。ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗが一定であるから、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θが大になる程、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は小さくなる。
【００２５】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒ（ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面から溝底面への移行部の湾曲の半径）の変化で行われてもよい。その場合、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒは、ガス流れ方向下流に行くに従って大となる。凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒが大になる程、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は小さくなる。
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化とガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化との組み合わせで行われてもよい。
【００２６】
溝側面の傾斜角度および／またはリブ付け根Ｒを変えることによるガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂがカーボンセパレータであっても、メタルセパレータであっても、成立し、適用可能である。
【００２７】
図６に示すように、第１のセパレータ１８Ａ、第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化で行われてもよい。
メタルセパレータでは、母材（たとえば、材質がステンレス）の拡散層１３、１６との接触電気抵抗を下げるために、凸リブ頂面に金、白金、または半導体（ＩｒＯ2 ）メッキなどを施し、イオンの溶出を抑制するためにさらにカーボン塗膜を施し、さらにその上に導電性樹脂コートを施す。また、凹溝表面には、導電性が必要ないので、腐蝕抑制上、エポキシ樹脂あるいはゴムコートなどからなる表面処理層を形成する。その場合、表面処理層を多層塗りし、その層数を変えることにより、層厚ｔを変えることができる。たとえば、１回５μｍを８回塗布すれば４０μｍ厚となるが、１６回塗布すれば８０μｍを得るといった具合である。塗布回数を、上流側から下流側にいくに従って増やして、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔを、下流側にいくに従って増やすと、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は下流側ほど小さくなる。
【００２８】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化と、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化との組み合わせで行われてもよい。
【００２９】
つぎに、本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの作用を説明する。
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのガス流路２７、２８が閉塞してもガスはガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを通って隣りのガス流路２７、２８に流れることができ、ガスの流れが確保され、一つのガス流路２７、２８が全長にわたって発電不能になることはない。フラッディングが生じてもガス流路２７、２８の閉塞が局部的に制限され、ガス流路２７、２８におけるガス流れは、局部的なフラッディング部を除き、良好に維持される。
【００３０】
また、一体冷媒流路２６が、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有しているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって一体冷媒流路２６が分断されることがなく、一体冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって冷媒流路２６が分断されることがなく、冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
その結果、燃料ガス、酸化ガスの流れも冷媒の流れも、ともに、良好に保たれる。
【００３１】
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂの何れか一方のセパレータの冷媒流路２６ａ、２６ｂがガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって分断されても、他方のセパレータの冷媒流路を通って良好に冷媒が流れることができる。そのため、冷媒流れを良好に保つのに、第１、第２のセパレータの冷媒流路深さ、したがって第１、第２のセパレータの厚さを大にする必要がない。したがって、ガスクロス溝を設けたにもかかわらず、スタック２３をセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトに維持できる。
【００３２】
また、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗが一定のままで、ガス流路２７、２８の流路断面積が変化しているので、ガス流路２７、２８の伸長方向に、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ頂面の面積は一定で、電極拡散層１３、１６とセパレータ凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐとの接触面積が変化せず、セル面内方向に、反応の均一性、発電の均一性が保たれる。また、セパレータ母材（表面処理層４０を含まない部分を母材と呼ぶ）のガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの溝深さＨを一定にしたまま、ガス流路２７、２８の流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長を、変化するガス流路溝深さに応じて大とする必要がなく、セパレータ１８の厚さ、セル１９の厚さ、スタック２３をセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトに維持できる。
【００３３】
ガス流路２７、２８の流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速が高速に維持され、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの、拡散層１３、１６内への良好な拡散が得られ、ガス流れ方向下流側においても、電池性能、発電性能が良好に維持される。
【００３４】
ガス流路断面積の変化がガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
同様に、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
【００３５】
ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
【００３６】
つぎに、ガス流路断面積の変化による燃料電池の性能を評価して見た。
図１０は、（イ）発明品と（ロ）比較品の電圧−電流密度特性を示す。発明品は、メタル母材としてステンレス板を用い、流路深さを０．５ｍｍ、ピッチ２ｍｍの凹凸形状によりガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇを形成した。ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θを上流側から下流側に５°から２０°に徐々に変化させてテスト品を作製した。比較品は、流路深さを０．５ｍｍ、ピッチ２ｍｍで、ガス流路断面積は一定である。
図１０からわかるように、本発明では、生成水が多く生じる高電流密度域でも、ガス流れが良好で電圧低下が少ないが、比較例では、高電流密度域でフラッディングによりガス流れが阻害され、電圧低下が大になる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路溝の開口部幅を一定にしたままガス流路断面積を変化させたので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがなく、セパレータ厚、スタック長をコンパクトに維持できる。
また、ガス流路断面積が変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速を高速に維持でき、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの拡散層内への拡散が得られ、電池性能が良好に維持される。
請求項２の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路断面積の変化がガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
請求項３の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
請求項４の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路溝の開口部幅を一定にしたままガス流路断面積を変化させたので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがなく、セパレータ厚、スタック長をコンパクトに維持できる。また、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施された表面処理層の厚さの変化で行われており、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】 図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの平面図である。
【図４】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータを具現した単セルの一部の断面図であり、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 図４の流路構造を有する燃料電池のセパレータをＣ方向から見た断面図である。
【図６】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの一部の上流部、中流部、下流部での拡大断面図で、図３のＥ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇ断面図である。
【図７】 本発明が適用される燃料電池の、セパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図８】 図７のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】 図７のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】 （イ）本発明であるガス流路溝断面積が徐変する場合と（ロ）比較例であるガス流路溝断面積が一定である場合の、電圧−電流密度特性図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 第１のメタルセパレータ
１８Ｂ 第２のメタルセパレータ
１８Ｃ 第１の樹脂フレーム
１８Ｄ 第２の樹脂フレーム
１８Ａｐ 第１のセパレータの凸リブ
１８Ｂｐ 第２のセパレータの凸リブ
１８Ａｇ 第１のセパレータの凹溝
１８Ｂｇ 第２のセパレータの凹溝
１８Ａｃ 燃料ガスクロス溝
１８Ｂｃ 酸化ガスクロス溝
Ｗ ガス流路溝開口部幅
Ｈ ガス流路溝深さ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２６ａ 第１の冷媒流路
２６ｂ 第２の冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 燃料電池発電部対応部
３０、３１ 対向部
３２ 冷媒マニホルド
３２ａ 入り側の冷媒マニホルド
３２ｂ 出側の冷媒マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 酸化ガスマニホルド
３４ａ 入り側の酸化ガスマニホルド
３４ｂ 出側の酸化ガスマニホルド
３５ ガス整流部
３６ ガス整流部
３８ 接着剤シール部
３９ ゴムガスケット
４０ 表面処理層
ｔ 表面処理層の厚さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路構造を有する燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体から構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷媒（通常は冷却水）を流すための流路が形成される。少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層したセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
セパレータには凹溝、凸リブが形成され、セパレータのＭＥＡ対向面の凹溝は燃料ガスまたは酸化ガスの反応ガスが流れるガス流路となり、凸リブは拡散層に接触され導電通路となる。
反応ガスは上記発電反応で消費されるので、下流ほど濃度、分圧が小になってガス流速が遅くなること、また、上記発電反応で生じる生成水により下流ほど拡散層、ガス流路の水分による詰まりが生じやすくなることにより、下流側のガス流速が低下しないようにする必要がある。
これを満足するために、特開平１１−１６５９０号公報は、下流ほど、ガス流路の溝幅を狭くするか、溝深さを浅くして、反応ガスの流速を維持するセパレータ流路構造を開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のセパレータ流路構造には、つぎの問題がある。
(i) ガス流路幅の変化によってガス流路断面積を変化させた場合、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化してしまうため、セル全面での反応の均一性を保つことができなくなる。
(ii)ガス流路溝深さの変化によってガス流路断面積を変化させた場合、（セパレータ厚さをセル面方向に変えるとセルを積層した時にスタックが曲がるのでセパレータは一定厚さにする必要があるため）セル面前面にわたって、ガス流路溝が最も深い部分でのセパレータ厚さにセパレータ厚さを統一しなければならないので、セパレータ自体の厚さが厚くなり、スタックの全長が長くなってしまう。
とくにメタルセパレータでは、プレスの制約から溝の深さが制限されるため、ガス流路溝深さによってガス流路断面積を変化させる場合、その変化量が限られる。
本発明の目的は、セル全面での反応の均一性を保つことができ、セパレータ厚さも大きくする必要がない、流路構造を有する燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータにガス流路溝が形成されている流路構造を有する燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化である流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（２） 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われている（１）記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（３） 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われている（１）記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
（４） メタルセパレータにガス流路溝が形成されている燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であり、前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われている流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
【０００６】
上記（１）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路溝の開口部幅は一定のままガス流路断面積が変化しているので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがない。
また、ガス流路断面積が変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速を高速に維持でき、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの拡散層内への拡散が得られ、電池性能が良好に維持される。
上記（２）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路断面積の変化がガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
上記（３）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向にガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
上記（４）の流路構造を有する燃料電池のセパレータでは、ガス流路溝の開口部幅は一定のままガス流路断面積が変化しているので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがない。また、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータを図１〜図１０を参照して、説明する。
本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータが適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０の単セル１９は、図１〜図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、図３〜図９に示すように、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュールを構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュールを積層してモジュール群とする。図１に示すように、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、たとえば、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる。請求項１〜４の発明は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合にも、またセパレータ１８がメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる場合にも成立する。請求項５の発明は、セパレータ１８がメタルセパレータと樹脂フレームとを組み合わせたセパレータからなる場合に成立する。
【００１０】
図３〜図９は、セパレータ１８が、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつ第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成された場合を示している。
第１のセパレータ１８Ａ、第１の樹脂フレーム１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１のセパレータ１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第２のセパレータ１８Ｂ、第２の樹脂フレーム１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製である。
【００１１】
ＭＥＡ（拡散層１３、１６を設けた場合はＭＥＡ＋拡散層１３、１６）は、セパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９では、図４、図５に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分では、図８、図９に示すように、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１２】
図３〜図６に示すように、単セル１９において、第１のセパレータ１８Ａ、第２のセパレータ１８Ｂには、プレス成形で凹凸（凹溝、凸リブ）が形成される。第１のセパレータ１８Ａには、ＭＥＡ側に燃料ガス流路２７が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。第２のセパレータ１８Ｂには、ＭＥＡ側に酸化ガス流路２８が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、たとえば、複数の流路を並列にした流路群からなる。図３は、流路がストレート流路の場合を示しているが、サーペンタイン流路であってもよい。
【００１３】
また、図３に示すように、反応ガス流路がストレート流路の場合、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口と燃料ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口と酸化ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
図３、図７に示すように、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂが設けられ、他方３１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられる。
【００１５】
図７（図７は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部が形成されている。ガス流路連通部には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
【００１６】
図８、図９に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にゴムガスケット３９を配して、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールする。ゴムガスケット３９はＯリング等を用いてもよい。
図７、図８、図９に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図７で斜線を施した部分）が形成されている。
【００１７】
本発明の流路構造を有するセパレータは、つぎのように構成されている。
図３〜図６に示すように、単セル１９の燃料電池発電部対応部２９において、ＭＥＡの一側に配置した第１のセパレータ１８Ａは、燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇと、凹溝１８Ａｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐを有しており、ＭＥＡの他側に配置した第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガス流路２８となる凹溝１８Ｂｇと、凹溝１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ｂｐを有している。凹溝１８Ａｇと凹溝１８ＢｇとはＭＥＡに向かって開口しており、凸リブ１８Ａｐと凸リブ１８Ｂｐは凸の頂面が拡散層に接触している。メタルセパレータの場合は、凸リブ１８Ａｐの背面には第１の冷媒流路２６ａが形成されており、凸リブ１８Ｂｐの背面には第２の冷媒流路２６ｂが形成されている。
【００１８】
一つのセル１９の第１のセパレータ１８Ａの第１の冷媒流路２６ａと隣りのセル１９の第２のセパレータ１８Ｂの第２の冷媒流路２６ｂはセル積層方向に互いに位置が一致されて一体冷媒流路２６を形成している。すなわち第１のセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６と、隣りのセルの第２のセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、一体に連通している。
一つのセル１９において、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
【００１９】
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されている。燃料ガスクロス溝１８Ａｃは凸リブ１８Ａｐの両側の燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇを連通している。酸化ガスクロス溝１８Ｂｃは凸リブ１８Ｂｐの両側の酸化ガス流路２８となる凹溝１８Ｂｇを連通している。
一体冷媒流路２６は、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している。すなわち、冷媒流路２６の流路断面積は、冷媒流路２６ａの流路断面積以上であり、冷媒流路２６ｂの流路断面積以上である。
【００２０】
図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに形成された燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに形成された酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれている（互いにオフセットしている）。
さらに詳しくは、図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に交互に位置しており、燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃの一方のクロス溝は、その両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している。
【００２１】
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃは、それぞれ、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの全高にわたって形成されている。
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂに形成される凹溝、凸リブ、ガスクロス溝は何れも金属板をプレス成形することにより形成されている。
【００２２】
図６に示すように、第１のセパレータ１８Ａにガス流路溝１８Ａｇが形成され、第２のセパレータ１８Ｂにガス流路溝１８Ｂｇが形成されているセパレータ流路構造において、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇ伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深さＨがそれぞれほぼ一定で、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇ伸長方向に、ガス流路断面積（図６で破線で囲んだ部分の面積）が変化している。
【００２３】
ガス流路断面積の変化は、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化である。たとえば、図３は酸化ガス（空気）が図の右から左に流れる場合を示しているが、酸化ガス流路２８の場合には図３の右から左にかけてガス流路断面積が減少していく。燃料ガス２７の場合も、上流から下流側に流路断面積が減少するように変化する。ガス流路断面積の変化は、徐々に変化してもよいし、段階状に変化してもよいし、徐々の変化と段階状の変化との組み合わせであってもよい。
図６は、図３のＥ、Ｆ、Ｇでの断面を示しており、Ｅが反応ガス流れの上流部であり、Ｆが反応ガス流れの中流部であり、Ｇが反応ガス流れの下流部である。図６において、Ｅ、Ｆ、Ｇでのガス流路断面積の大小関係は、〔Ｅでのガス流路断面積〕≧〔Ｆでのガス流路断面積〕≧〔Ｇでのガス流路断面積〕である。ただし、〔Ｅでのガス流路断面積〕≠〔Ｇでのガス流路断面積〕である。
【００２４】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化で行われてもよい。その場合、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の、溝底面の法線に対するテーパ角θは、ガス流れ方向下流に行くに従って大となる。ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗが一定であるから、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θが大になる程、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は小さくなる。
【００２５】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒ（ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面から溝底面への移行部の湾曲の半径）の変化で行われてもよい。その場合、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒは、ガス流れ方向下流に行くに従って大となる。凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒが大になる程、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は小さくなる。
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化とガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化との組み合わせで行われてもよい。
【００２６】
溝側面の傾斜角度および／またはリブ付け根Ｒを変えることによるガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂがカーボンセパレータであっても、メタルセパレータであっても、成立し、適用可能である。
【００２７】
図６に示すように、第１のセパレータ１８Ａ、第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータの場合、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化で行われてもよい。
メタルセパレータでは、母材（たとえば、材質がステンレス）の拡散層１３、１６との接触電気抵抗を下げるために、凸リブ頂面に金、白金、または半導体（ＩｒＯ2 ）メッキなどを施し、イオンの溶出を抑制するためにさらにカーボン塗膜を施し、さらにその上に導電性樹脂コートを施す。また、凹溝表面には、導電性が必要ないので、腐蝕抑制上、エポキシ樹脂あるいはゴムコートなどからなる表面処理層を形成する。その場合、表面処理層を多層塗りし、その層数を変えることにより、層厚ｔを変えることができる。たとえば、１回５μｍを８回塗布すれば４０μｍ厚となるが、１６回塗布すれば８０μｍを得るといった具合である。塗布回数を、上流側から下流側にいくに従って増やして、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔを、下流側にいくに従って増やすと、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの流路断面積は下流側ほど小さくなる。
【００２８】
図６に示すように、ガス流路断面積（ガス流路２７、２８の断面積）の変化は、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角の変化、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化と、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化との組み合わせで行われてもよい。
【００２９】
つぎに、本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの作用を説明する。
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのガス流路２７、２８が閉塞してもガスはガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを通って隣りのガス流路２７、２８に流れることができ、ガスの流れが確保され、一つのガス流路２７、２８が全長にわたって発電不能になることはない。フラッディングが生じてもガス流路２７、２８の閉塞が局部的に制限され、ガス流路２７、２８におけるガス流れは、局部的なフラッディング部を除き、良好に維持される。
【００３０】
また、一体冷媒流路２６が、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有しているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって一体冷媒流路２６が分断されることがなく、一体冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって冷媒流路２６が分断されることがなく、冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
その結果、燃料ガス、酸化ガスの流れも冷媒の流れも、ともに、良好に保たれる。
【００３１】
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂの何れか一方のセパレータの冷媒流路２６ａ、２６ｂがガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって分断されても、他方のセパレータの冷媒流路を通って良好に冷媒が流れることができる。そのため、冷媒流れを良好に保つのに、第１、第２のセパレータの冷媒流路深さ、したがって第１、第２のセパレータの厚さを大にする必要がない。したがって、ガスクロス溝を設けたにもかかわらず、スタック２３をセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトに維持できる。
【００３２】
また、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗが一定のままで、ガス流路２７、２８の流路断面積が変化しているので、ガス流路２７、２８の伸長方向に、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ頂面の面積は一定で、電極拡散層１３、１６とセパレータ凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐとの接触面積が変化せず、セル面内方向に、反応の均一性、発電の均一性が保たれる。また、セパレータ母材（表面処理層４０を含まない部分を母材と呼ぶ）のガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの溝深さＨを一定にしたまま、ガス流路２７、２８の流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長を、変化するガス流路溝深さに応じて大とする必要がなく、セパレータ１８の厚さ、セル１９の厚さ、スタック２３をセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトに維持できる。
【００３３】
ガス流路２７、２８の流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速が高速に維持され、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの、拡散層１３、１６内への良好な拡散が得られ、ガス流れ方向下流側においても、電池性能、発電性能が良好に維持される。
【００３４】
ガス流路断面積の変化がガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
同様に、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの両側に位置する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐのリブ付け根Ｒの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
【００３５】
ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇに施された表面処理層４０の厚さｔの変化で行われている場合は、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの開口部幅Ｗとセパレータ母材のガス流路溝深Ｈさをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路２７，２８の流路断面積を変化させることができる。
【００３６】
つぎに、ガス流路断面積の変化による燃料電池の性能を評価して見た。
図１０は、（イ）発明品と（ロ）比較品の電圧−電流密度特性を示す。発明品は、メタル母材としてステンレス板を用い、流路深さを０．５ｍｍ、ピッチ２ｍｍの凹凸形状によりガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇを形成した。ガス流路溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの側面の傾斜角θを上流側から下流側に５°から２０°に徐々に変化させてテスト品を作製した。比較品は、流路深さを０．５ｍｍ、ピッチ２ｍｍで、ガス流路断面積は一定である。
図１０からわかるように、本発明では、生成水が多く生じる高電流密度域でも、ガス流れが良好で電圧低下が少ないが、比較例では、高電流密度域でフラッディングによりガス流れが阻害され、電圧低下が大になる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路溝の開口部幅を一定にしたままガス流路断面積を変化させたので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがなく、セパレータ厚、スタック長をコンパクトに維持できる。
また、ガス流路断面積が変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であるので、ガス流れ方向下流側でのガス流速を高速に維持でき、ガス流れ方向下流側での生成水の吹き飛ばし、ガスの拡散層内への拡散が得られ、電池性能が良好に維持される。
請求項２の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路断面積の変化がガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
請求項３の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
請求項４の流路構造を有する燃料電池のセパレータによれば、ガス流路溝の開口部幅を一定にしたままガス流路断面積を変化させたので、ガス流路伸長方向に、凸リブ頂面の面積は一定で、電極とセパレータ凸リブとの接触面積が変化せず、セル全面での反応の均一性が保たれる。また、セパレータ母材のガス流路溝深さを一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させたので、ガス流路溝深さに変化がある場合のようにセパレータ厚、スタック長が、変化するガス流路溝深さに応じて大となることがなく、セパレータ厚、スタック長をコンパクトに維持できる。また、ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施された表面処理層の厚さの変化で行われており、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われているので、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さをそれぞれほぼ一定にしたまま、ガス流路断面積を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】 図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの平面図である。
【図４】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータを具現した単セルの一部の断面図であり、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 図４の流路構造を有する燃料電池のセパレータをＣ方向から見た断面図である。
【図６】 本発明の流路構造を有する燃料電池のセパレータの一部の上流部、中流部、下流部での拡大断面図で、図３のＥ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇ断面図である。
【図７】 本発明が適用される燃料電池の、セパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図８】 図７のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】 図７のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】 （イ）本発明であるガス流路溝断面積が徐変する場合と（ロ）比較例であるガス流路溝断面積が一定である場合の、電圧−電流密度特性図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 第１のメタルセパレータ
１８Ｂ 第２のメタルセパレータ
１８Ｃ 第１の樹脂フレーム
１８Ｄ 第２の樹脂フレーム
１８Ａｐ 第１のセパレータの凸リブ
１８Ｂｐ 第２のセパレータの凸リブ
１８Ａｇ 第１のセパレータの凹溝
１８Ｂｇ 第２のセパレータの凹溝
１８Ａｃ 燃料ガスクロス溝
１８Ｂｃ 酸化ガスクロス溝
Ｗ ガス流路溝開口部幅
Ｈ ガス流路溝深さ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２６ａ 第１の冷媒流路
２６ｂ 第２の冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 燃料電池発電部対応部
３０、３１ 対向部
３２ 冷媒マニホルド
３２ａ 入り側の冷媒マニホルド
３２ｂ 出側の冷媒マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 酸化ガスマニホルド
３４ａ 入り側の酸化ガスマニホルド
３４ｂ 出側の酸化ガスマニホルド
３５ ガス整流部
３６ ガス整流部
３８ 接着剤シール部
３９ ゴムガスケット
４０ 表面処理層
ｔ 表面処理層の厚さ
Claims (4)
- セパレータにガス流路溝が形成されている流路構造を有する燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化である流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
- 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の側面の傾斜角の変化で行われている請求項１記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
- 前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝の両側に位置する凸リブのリブ付け根Ｒの変化で行われている請求項１記載の流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
- メタルセパレータにガス流路溝が形成されている燃料電池のセパレータであって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれ一定で、ガス流路断面積が変化しており、ガス流路断面積の変化が、ガス流れ方向下流側のガス流路断面積が上流側のガス流路断面積以下となる変化であり、前記ガス流路断面積の変化が、ガス流路溝に施されたエポキシ樹脂あるいはゴムコートの表面処理層の多層塗りの層数を変えることによる厚さの変化で行われている流路構造を有する燃料電池のセパレータ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003035273A JP3956864B2 (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | 流路構造を有する燃料電池のセパレータ |
| CA2456731A CA2456731C (en) | 2003-02-13 | 2004-02-03 | Separator passage structure of fuel cell |
| DE102004007203A DE102004007203B4 (de) | 2003-02-13 | 2004-02-13 | Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle |
| US10/777,726 US7468217B2 (en) | 2003-02-13 | 2004-02-13 | Separator passage structure of fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003035273A JP3956864B2 (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | 流路構造を有する燃料電池のセパレータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004247154A JP2004247154A (ja) | 2004-09-02 |
| JP3956864B2 true JP3956864B2 (ja) | 2007-08-08 |
Family
ID=32821042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003035273A Expired - Lifetime JP3956864B2 (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | 流路構造を有する燃料電池のセパレータ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7468217B2 (ja) |
| JP (1) | JP3956864B2 (ja) |
| CA (1) | CA2456731C (ja) |
| DE (1) | DE102004007203B4 (ja) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10323882A1 (de) * | 2003-05-26 | 2004-12-23 | Siemens Ag | Brennstoffzelle und Heizeinrichtung einer Brennstoffzelle |
| JP2006108027A (ja) * | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2006114387A (ja) * | 2004-10-15 | 2006-04-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP4951925B2 (ja) * | 2005-10-11 | 2012-06-13 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池 |
| JP4947337B2 (ja) * | 2005-11-24 | 2012-06-06 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
| FR2897721A3 (fr) * | 2006-02-20 | 2007-08-24 | Renault Sas | Plaque bipolaire pour pile a combustible |
| WO2008019503A1 (en) * | 2006-08-18 | 2008-02-21 | Hyteon Inc. | Method for operating a fuel cell and a fuel cell stack |
| US20080050643A1 (en) * | 2006-08-24 | 2008-02-28 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Electrically conductive lands adhered to gas diffusion media and methods of making and using the same |
| DE102006041296A1 (de) * | 2006-09-01 | 2008-03-06 | Behr Gmbh & Co. Kg | Scheibenelement für eine Stromabnehmerplatte oder Bipolarplatte einer Brennstoffzelle |
| JP5233184B2 (ja) * | 2007-07-03 | 2013-07-10 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
| US8163432B2 (en) | 2008-12-12 | 2012-04-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| JP5577156B2 (ja) * | 2010-06-01 | 2014-08-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| WO2012035585A1 (ja) * | 2010-09-16 | 2012-03-22 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用セパレータ、燃料電池、燃料電池の製造方法 |
| JP5336619B2 (ja) * | 2011-04-07 | 2013-11-06 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用金属セパレータ及びその貴金属塗布方法 |
| JP5768882B2 (ja) * | 2011-07-05 | 2015-08-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| GB2494878A (en) * | 2011-09-21 | 2013-03-27 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell separator plates |
| EP2875544B1 (de) * | 2012-07-20 | 2017-11-08 | Carl Freudenberg KG | Elektrisch leitfähiges flächengebilde |
| US9644277B2 (en) | 2012-08-14 | 2017-05-09 | Loop Energy Inc. | Reactant flow channels for electrolyzer applications |
| WO2014026287A1 (en) | 2012-08-14 | 2014-02-20 | Powerdisc Development Corporation Ltd. | Fuel cell components, stacks and modular fuel cell systems |
| CA2919875C (en) | 2012-08-14 | 2021-08-17 | Powerdisc Development Corporation Ltd. | Fuel cell flow channels and flow fields |
| US10122025B2 (en) | 2012-08-24 | 2018-11-06 | Ford Global Technologies, Llc | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
| US9786928B2 (en) | 2012-08-24 | 2017-10-10 | Ford Global Technologies, Llc | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
| DE102012221802A1 (de) * | 2012-11-28 | 2014-05-28 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage |
| KR101451838B1 (ko) * | 2012-12-13 | 2014-10-16 | 두산중공업 주식회사 | 용융탄산염 연료전지 및 그 연료전지의 집전판 제조 방법 |
| CN105229835B (zh) * | 2013-05-16 | 2017-10-13 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池用的分隔件组件的制造装置和制造方法 |
| JP6423210B2 (ja) * | 2014-09-10 | 2018-11-14 | タカハタプレシジョン株式会社 | ガス流路構造及び燃料電池 |
| WO2017161449A1 (en) | 2016-03-22 | 2017-09-28 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow field design for thermal management |
| JP6402740B2 (ja) | 2016-04-28 | 2018-10-10 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| US20180248203A1 (en) * | 2017-02-28 | 2018-08-30 | GM Global Technology Operations LLC | System and method for manufacturing channels in a bipolar plate |
| KR20230100109A (ko) * | 2021-12-28 | 2023-07-05 | 주식회사진영정기 | 구조적 변형이 방지되는 고체산화물 연료전지용 집전체 |
| DE102022209317A1 (de) * | 2022-09-07 | 2024-03-07 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Separatorplattenhälfte, Separatorplatte, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4169917A (en) * | 1978-07-10 | 1979-10-02 | Energy Research Corporation | Electrochemical cell and separator plate thereof |
| US4292379A (en) * | 1980-04-28 | 1981-09-29 | Westinghouse Electric Corp. | Variable area fuel cell process channels |
| US4988583A (en) | 1989-08-30 | 1991-01-29 | Her Majesty The Queen As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government | Novel fuel cell fluid flow field plate |
| JP3524305B2 (ja) | 1996-12-03 | 2004-05-10 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| JP3272980B2 (ja) * | 1997-06-26 | 2002-04-08 | 松下電器産業株式会社 | 燃料電池 |
| FR2786027B1 (fr) * | 1998-11-12 | 2006-04-28 | Commissariat Energie Atomique | Plaques bipolaires pour pile a combustible et pile a combustible comprenant ces plaques |
| JP2001043870A (ja) * | 1999-07-29 | 2001-02-16 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池用セパレータ |
| JP3972581B2 (ja) | 2000-12-25 | 2007-09-05 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| DE10127322A1 (de) * | 2001-06-06 | 2002-12-19 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Platte bestimmt für eine Brennstoffzelle |
| US6780536B2 (en) * | 2001-09-17 | 2004-08-24 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
| JP4585737B2 (ja) | 2002-08-12 | 2010-11-24 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| US7482088B2 (en) * | 2003-01-31 | 2009-01-27 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
-
2003
- 2003-02-13 JP JP2003035273A patent/JP3956864B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2004
- 2004-02-03 CA CA2456731A patent/CA2456731C/en not_active Expired - Lifetime
- 2004-02-13 US US10/777,726 patent/US7468217B2/en active Active
- 2004-02-13 DE DE102004007203A patent/DE102004007203B4/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20040161658A1 (en) | 2004-08-19 |
| CA2456731A1 (en) | 2004-08-13 |
| DE102004007203B4 (de) | 2008-07-10 |
| JP2004247154A (ja) | 2004-09-02 |
| DE102004007203A1 (de) | 2004-09-02 |
| US7468217B2 (en) | 2008-12-23 |
| CA2456731C (en) | 2010-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3956864B2 (ja) | 流路構造を有する燃料電池のセパレータ | |
| JP4151314B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US6933067B2 (en) | Fuel cell | |
| EP2573851B1 (en) | Metal separator for fuel cell and fuel cell stack having the same | |
| US20050115825A1 (en) | Electrolyzer cell arrangement | |
| US9214682B2 (en) | Fuel cell | |
| JP4585737B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP3972832B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP5098128B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US8241816B2 (en) | Fuel cell separator | |
| JP4673110B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP3551810B2 (ja) | 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池並びに燃料電池におけるガスの流通方法 | |
| JP4447204B2 (ja) | メタルセパレータを備えた燃料電池 | |
| JP2019121530A (ja) | 発電セル | |
| JP4259041B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2003132911A (ja) | 燃料電池 | |
| KR100543483B1 (ko) | 연료 전지 | |
| US7745062B2 (en) | Fuel cell having coolant inlet and outlet buffers on a first and second side | |
| JP4134615B2 (ja) | 燃料電池 | |
| EP3576200B1 (en) | Fuel cell stack | |
| JP4498681B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| JP5336221B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3945136B2 (ja) | ガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2004200132A (ja) | 燃料電池スタック |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050608 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060927 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061128 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070122 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070313 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070319 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070417 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070430 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 3956864 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110518 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110518 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120518 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120518 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130518 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140518 Year of fee payment: 7 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |