JP4647721B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関する。

近年、プレス成形によって燃料電池用セパレータを製造することが提案されている（たとえば特許文献１参照）。また、一方の面に反応ガス流路が形成され、他方の面（裏面）に冷媒流路が形成された燃料電池セパレータをプレス成形によって製造する方法が提案されている（例えば特許文献２〜６参照）。

図１は、特許文献２および特許文献３に開示された燃料極側の燃料電池セパレータの平面図である。図１に記載された燃料電池セパレータは、リブ２１２Ｂ１およびリブ２１２Ｂ２によって規定された蛇行状のガス流路２１２Ｐを有する。ガス流路２１２Ｐは、燃料ガスが直線状に流れる直線ガス流路領域と、燃料ガスがターンする接続領域とを有する。

特許文献２および特許文献３に開示された燃料電池セパレータでは、直線ガス流路領域にはリブ２１２Ｌが形成されているが、接続領域にはリブが形成されていないことを特徴とする。

図２は、図１の燃料電池セパレータを用いた燃料電池スタックの断面図である。図２Ａは、図１の燃料電池セパレータを用いた燃料電池スタックの線ＡＡの断面図である。同様に図２Ｂは、燃料電池スタックの線ＢＢの断面図であり、そして図２Ｃは、燃料電池スタックの線ＣＣの断面図である。

図２Ａには、燃料電池セパレータの直線ガス流路領域の断面図が示される。図２Ａに示されるように、燃料極セパレータ２６０Ａと酸化極セパレータ２６０Ｂとが貼り合わされることによって生じた冷媒流路２２２Ｐに冷媒が流れる。

図２Ｂおよび図２Ｃには、燃料電池セパレータの接続領域の断面図が示される。図２Ｂおよび図２Ｃに示されるように、接続領域における燃料電池セパレータは、反応ガスの導通が可能なようにリブ２１２Ｂよりも低く、かつ裏面で冷媒の導通が可能なように、直線ガス流路領域の底よりも高い（中程度の高さの）面を有する。

また図２Ｂおよび図２Ｃでは、冷媒流路２２２Ｐの接続領域には、リブ２１２Ｂ１およびリブ２１２Ｂ２に対応するリブがない。すなわち、蛇行状のガス流路２１２Ｐと異なり、冷媒流路２２２Ｐは、図２Ｄに示すように並列に接続されている。

また、特許文献２および特許文献３には、図３Ａおよび図３Ｂ（図３ＡのＤＤ線断面図）に示されるように、接続領域に突起２６１Ｃおよび窪み２６１Ｄを設けることで、セパレータの剛性を高める技術が開示されている。

このように、特許文献２および特許文献３に開示された技術によれば、接続領域がリブを有さず、かつ接続領域が中程度の高さの面を有することで、プレス加工で製造するセパレータの一方の面に蛇行状の反応ガス流路を形成し、他方の面に流路パターンが異なる冷媒流路を形成することができる。

特許文献４にも同様に、プレス成形によって製造され、表面に直線ガス流路領域および接続領域を有するガス流路が形成され、裏面に冷媒流路が形成された、セパレータが開示されている。特許文献４でも接続領域は、中程度の高さの面、突起および窪みを有する。

特許文献５および特許文献６には、プレス成形によって製造され、表面にガス流路が形成され、裏面に冷媒流路が形成されたセパレータが開示されている。特許文献５および特許文献６に開示されたセパレータのガス流路および冷媒流路は、接続領域を有さない。

また、直線ガス流路領域と、接続領域とを有するガス流路において、直線ガス流路が有するリブの長さを調節することで、ガス流路内に水滴が残留することを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献７参照）。

特開２００４−１５８４６３号公報 国際公開第２００６／０７５７８６号パンフレット 米国特許出願公開第２００７／０２９８３０８号明細書 特開２００７−１６５２５７号公報 特開２００８−４１６１７号公報 米国特許出願公開第２００６／００６５５２０号明細書 特開２００６−１６４２３０号公報

しかしながら、特許文献２、３および４に開示された燃料電池セパレータでは、冷媒流路の接続領域に形成された突起が抵抗となり、冷媒が冷媒流路内をスムーズに流れることが出来ないことがあった。冷媒が冷媒流路内をスムーズに流れることができないと、冷媒流路に供給できる冷媒の量が減少し、燃料電池を効率的に冷やすことができなくなる。燃料電池を効率的に冷却できない場合、ＭＥＡが劣化しやすくなり、燃料電池の耐久性（寿命）が低下してしまう。

本発明の目的は、プレス加工によって製造することができ、一方の面に反応ガス流路を有し、他方の面に冷媒流路を有する燃料電池セパレータを含む燃料電池の冷却効率を上げる手段を提供することである。これにより、耐久性の高い燃料電池を提供することができる。

また、本発明の他の目的は、セパレータの両面に流路が形成される場合に、裏面と表面のそれぞれの流路を、流路に流れる媒体に適した構造にすることができるセパレータを提供することである。

本発明の第１は、以下に示す燃料電池セパレータに関する。
［１］一方の面に、リブＡ１によって規定された１つの蛇行状のガス流路が形成されているガス流路面を有し、他方の面に、リブＢ１によって規定された２つの蛇行状の冷媒流路が形成されている冷媒流路面を有する、波形に成形された燃料電池用金属セパレータであって、前記ガス流路は、リブＡ２によって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝を有するガス直線領域と、前記ガス直線領域同士を接続するガスターン領域と、を含み、前記ガス直線領域の一部は、前記ガス流路の底面よりも浅い中間面であり、前記ガス直線領域の中間面は、前記ガス直線領域の上流端と下流端との間にあり、前記ガスターン領域は、前記ガス流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、前記冷媒流路は、リブＢ２によって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝を有する冷媒直線領域と、前記冷媒直線領域同士を接続する冷媒ターン領域と、を含み、前記冷媒ターン領域は、前記冷媒流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、前記２つの蛇行状の冷媒流路は、前記冷媒直線領域におけるライン状の溝に対して垂直なリブＢ３で区切られており、前記リブＢ３は、前記ガス直線領域の中間面の裏面にあり、前記冷媒ターン領域は、前記ガスターン領域の裏面および前記ガス直線領域の中間面の裏面にある、燃料電池用金属セパレータ。
［２］前記ガス直線領域内のライン状の溝を規定するリブＡ２は、前記ガスターン領域まで延びており、前記冷媒直線領域内のライン状の溝を規定するリブＢ２は、前記冷媒ターン領域まで延びている、［１］に記載の燃料電池用金属セパレータ。
［３］前記ガス直線領域は、２以上のリブＡ２を有し、前記ガス直線領域におけるターン外側のリブＡ２は、前記ガス直線領域におけるターン内側のリブＡ２よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、［１］または［２］に記載の燃料電池用金属セパレータ。
［４］前記冷媒直線領域は、２以上のリブＢ２を有し、前記冷媒直線領域におけるターン外側のリブＢ２は、前記冷媒直線領域におけるターン内側のリブＢ２よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、［１］または［２］に記載の燃料電池用金属セパレータ。
［５］前記ガスターン領域の中間面と前記ガスターン領域の突起の頂点との距離は、前記冷媒ターン領域の中間面と前記冷媒ターン領域の突起の頂点との距離よりも大きい、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。
［６］上流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数は、下流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数よりも多い、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。
［７］上流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数は、下流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数と同じである、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。

本発明の第２は、以下に示す燃料電池に関する。
［８］高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、［１］〜［７］のいずれかに記載の金属セパレータである、燃料電池。

本発明によれば、プレス加工された燃料電池セパレータの両面を流路面として使用することができる。したがって本発明の燃料電池セパレータを用いることで、燃料電池スタックを小型化することができる。
また、本発明では、燃料電池セルを効率的に冷やすことができる。このため、本発明によれば、燃料電池セルの耐久性（寿命）を上げることができる。

従来の燃料電池セパレータの平面図 従来の燃料電池スタックの断面図 従来の燃料電池スタックを示す図 ガス溝を接続する溝を有するガスターン領域の模式図 中間面を有するガスターン領域の模式図 ターン外側のリブがターン内側のリブよりもターン外側まで延びていない燃料電池セパレータの平面図 ターン外側のリブがターン内側のリブよりもターン外側まで延びている燃料電池セパレータの平面図 本発明のセパレータを用いた燃料電池スタックの拡大断面図 実施の形態１の燃料電池セパレータの斜視図 実施の形態１の燃料電池セパレータのガス流路面の平面図 実施の形態１の反応ガス流路のガス直線領域の拡大斜視図 実施の形態１の反応ガス流路のガスターン領域の拡大斜視図 実施の形態１の燃料電池セパレータの冷媒流路面の平面図 実施の形態１の燃料電池セパレータの冷媒流路面の拡大斜視図 実施の形態１の冷媒流路の冷媒ターン領域の拡大斜視図 実施の形態２の燃料電池セパレータのガス流路面の平面図 実施の形態２の燃料電池セパレータの冷媒流路面の平面図

１．本発明の燃料電池
本発明の燃料電池は、少なくとも一つの燃料電池セルを備える。すなわち、本発明の燃料電池は、燃料電池セル単体であってもよく、複数のセルを有する燃料電池スタックであってもよい。通常、燃料電池スタックは、集電板、絶縁板および端板によって挟持され、さらに締結され固定される。

本発明の燃料電池セルは、ＭＥＡ（高分子電解質膜および触媒電極の集合体）と、ＭＥＡを挟持する１対のセパレータとを備える。ＭＥＡは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する。触媒電極は、高分子電解質膜側に位置する触媒層と、セパレータ側に位置するガス拡散層とから構成される。

高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。

触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を触媒する層である。触媒層の材料は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応の触媒能を有するものであれば特に限定されない。

ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。

本発明の燃料電池は、セパレータに特徴を有する。以下、本発明のセパレータについて詳細に説明する。

２．本発明の燃料電池セパレータ
本発明のセパレータは、金属板やカーボンシートなどをプレス成形することによって製造された、表裏一体のセパレータである。すなわち本発明のセパレータは、波形の断面形状を有する。また、本発明の燃料電池セパレータの厚さはほぼ一定であり、波形断面の厚さもほぼ一定である。つまり、セパレータの第１面に形成されたリブは、第２面（第１面の裏面）の溝に対応し；第１面に形成された溝は、第２面（第１面の裏面）のリブに対応する。

本発明の燃料電池セパレータは、一方の面に、リブによって規定された蛇行状の第１流路が形成されている第１流路面を有し、他方の面（第１流路面の裏面）に、リブによって規定された蛇行状の流路が形成されている第２流路面を有する。第１流路および第２流路は、それぞれ直線領域とターン領域とを有する。

第１流路面は、前述したＭＥＡに接する面である。したがって第１流路は、ＭＥＡに反応ガスを供給するための反応ガス流路である。

一方で、第２流路面に形成される第２流路は、冷媒流路であってもよく、ガス流路であってもよい。すなわち第２流路面は、冷媒流路面であってもよいし、第２ガス流路面であってもよい。

第１流路（反応ガス流路）のパターンは、第２流路のパターンと異なることが好ましい。反応ガス流路に流れる物質の性質と第２流路に流れる物質の性質とは異なるからである。たとえば、反応ガスは、発電のために消費されることから、流路を流れる過程で減少する。したがって供給される反応ガスの量は、排出される反応ガスの量よりも多い。一方で、冷媒は発電のために消費されることは無いことから、供給される冷媒の量と排出される冷媒の量は一定である。

本発明のセパレータは、上述のようにプレス加工で表裏一体に形成されるにもかかわらず、第１流路の流路パターンと、第２流路の流路のパターンが異なることを特徴とする。ここで「流路のパターンが異なる」とは、流路や直線領域、ターン領域などの数や、直線領域が有する後述する溝の数などが異なることを意味する。

また、本発明の燃料電池セパレータは、後述する溝およびリブ以外に、ターン領域に溝よりも浅い面（以下「中間面」という）を有することを特徴とする（図５参照）。以下「第１流路面」、「第２流路面」および「中間面」について説明する。

［第１流路面について］
上述したように第１流路面には蛇行状の反応ガス流路が形成されている。反応ガス流路とは反応ガスが流れる流路である。ここで「反応ガス」とは、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化ガスを意味する。蛇行状の反応ガス流路は、上述のように複数のガス直線領域とガスターン領域とを有する。

ガス直線領域とは、蛇行状の反応ガス流路のうち、反応ガスが直線状に進む領域を指す（図１０参照）。ガス直線領域は、ガス直線領域内にリブによって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝（以下「ガス溝」という）を有する。ガス直線領域では、反応ガスはガス溝を流れる。
また、ガス溝はガス直線領域に対して平行であることが好ましい。ガス溝の幅は、０．２５ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましい。また、ガス溝を規定するリブの幅は０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。さらにガス溝：リブの比率は２：１〜１：２の範囲であることが好ましい。

ガスターン領域とは、反応ガスが折り返す領域を指す（図５参照）。つまり、２つのガス直線領域同士が１つのガスターン領域によって接続される。２つのガス直線領域と一つのガスターン領域とが、蛇行状の反応ガス流路の１ターンを構成する。

本発明では、ガスターン領域が、上述したガス溝の底面よりも浅い面（中間面）を有することを特徴とする。ガスターン領域が中間面を有することで、ガスターン領域にガス溝を接続する溝を形成しなくとも、ガス直線領域間の反応ガスの導通を可能にする。したがって、本発明では、ガスターン領域は、ガス溝間を接続する溝を有さない。

また、ガスターン領域が、ガス溝を接続する溝を有さないことで、ガスターン領域の裏側（第２流路面）の流路のパターンの設定自由度が高くなる。
以下、図面を用いて、ガスターン領域の裏側の流路のパターンの設定自由度が高くなる理由について説明する。

図４は、中間面を有さないガスターン領域を示す。図４に示されたガスターン領域１２０は、直線領域１１０のガス溝１１１を接続する溝１２１を有する。このようにガスターン領域にガス溝同士を接続する溝が形成された場合、ガスターン領域の裏側に形成される流路パターンも強制的に定まってしまう。したがって、ガスターン領域の裏側の流路のパターンを自由に設定することは不可能になる。
したがって１のセパレータの表と裏で、パターンが異なる流路を形成することができなくなり、１のセパレータの表面に反応ガス流路、裏面にパターンが異なる第２流路を形成することができない。

図５は、中間面を有するガスターン領域を示す。図５に示されたガスターン領域１２０は、ガス溝１１１よりも浅い中間面１２３を有する。ガスターン領域が中間面１２３を有することで、図４のようにガス溝１１１を接続する溝が無くとも、１のガス直線領域１１０ａから他のガス直線領域１１０ｂへのガスの導通が可能になる。

またガス流路面ではリブ１０３によって規定された領域がガスターン領域１２０となるが、第２流路面では、リブ２０３によって規定された領域がターン領域２２０となる。
このように、ガスターン領域が中間面を有することで、ガス流路面における流路パターンと第２流路面における流路のパターンとを違えることができる。

また中間面はガスターン領域だけでなくガス直線領域に設けられてもよい。ガス直線領域が有する中間面が、ガス溝に垂直の溝を有することで、後述する冷媒流路を分割することができる（実施の形態１参照）。

前記ガス直線領域のガス溝を規定するリブは、ガスターン領域まで延びていることが好ましい。さらに、本発明では、ガス直線領域が有するリブのうちターン外側のリブが、ターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていることが好ましい（図７参照）。ターン外側のリブがターン内側のリブよりも、よりターン外側まで延びていることで、反応ガスを燃料電池セル全体に効率よく供給することができる。
以下図面を用いて、ターン外側のリブがターン外側まで延びていることと、反応ガスを燃料電池セル全体に効率よく供給することとの関係について説明する。

図６は、ガス直線領域が有するリブのうちターン外側のリブが、ターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていない燃料電池セパレータのガス流路面の模式図である。図６の矢印は反応ガスの流れを示し、図６の領域１０５は反応ガスの分布を示す。図６に示すように、ターン外側のリブ１１３ａがターン内側のリブ１１３ｂよりもよりターン外側まで延びていないと、反応ガスはガスターン領域１２０の奥側１２０ａまで達しないことがあり、反応ガスが供給されない領域が発生するおそれがある。また、反応ガスが供給されない領域では、反応ガス中の水分が液化しやすく、液化した水がガス流路を塞ぐ恐れがある。

図７は、ガス直線領域のガス溝を規定するリブのうち、ターン外側のリブがターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びている燃料電池セパレータのガス流路面の模式図である。図７の矢印は反応ガスの流れを示し、図７の領域１０５は反応ガスの分布を示す。図７に示すように、ターン外側のリブ１１３ａがターン内側のリブ１１３ｂよりもよりターン外側まで延びているため、反応ガスはガスターン領域１２０の奥側まで確実に達することができる。

このように、ガス直線領域のガス溝を規定するリブがガスターン領域まで延びており、かつターン外側のリブがターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていることで、反応ガスをＭＥＡ全体に効率よく供給することができる。

本発明では上流側の反応ガス流路の容積は、下流側の反応ガス流路の容積よりも大きいことが好ましい。具体的には、ガス溝の深さおよび幅が一定のままで、上流側のガス直線領域が有するガス溝の数が、下流側のガス直線領域が有するガス溝の数よりも多いことが好ましい（図１０参照）。ここで上流側のガス直線領域とは、ガス直線領域のうち反応ガス供給マニホールドに最も近いガス直線領域を意味する（図１０のガス直線領域１１０ｘ参照）。一方、下流側のガス直線領域とは、ガス直線領域のうち反応ガス排出マニホールドに最も近いガス直線領域を意味する（図１０のガス直線領域１１０ｙ参照）。

上述のように反応ガスは、流路を流れる過程で消費されていくことから、上流側の反応ガス流路と下流側の反応ガス流路の容積が同じであった場合、下流側の反応ガス流路における反応ガスの分圧は、上流側の反応ガス流路の反応ガスの分圧よりも低くなる。反応ガスの分圧に偏りが生じると、ＭＥＡにおいて熱分布が発生し、発電効率が低下する恐れがある。

このように、上流側のガス直線領域が有するガス溝の数を、下流側のガス直線領域が有するガス溝の数よりも増やすことで、反応ガス流路内の反応ガス分圧分布を均一化することができる。これにより、ＭＥＡの発熱分布のばらつきを抑えることができるので、発電反応分布をより均一化でき、発電効率をより向上させることができる。
また、反応ガス流路内の反応ガス分圧の低下を防止することができるので、流路やガス拡散層からの水排出性の低下を防止し、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができる。

［第２流路面について］
上述のように本発明では、第２流路面は、冷媒流路面であってもよいし、第２ガス流路面であってもよい。以下、第２流路面が冷媒流路面である場合と、第２ガス流路面である場合とに分けて説明する。
（１）第２流路面が冷媒流路面の場合
冷媒流路面にはガス流路面と同様に蛇行状の冷媒流路が形成される。冷媒流路とは、燃料電池を冷やすための冷媒が流れる流路を意味する。冷媒の例には、純水や不凍液（グリコール溶液など）などが含まれる。

蛇行状の冷媒流路は、反応ガス流路と同様に、冷媒直線領域と冷媒ターン領域とを有する。このように本発明の燃料電池セパレータでは、冷媒流路が蛇行状に形成されることを特徴とする。これにより低温の冷媒を、燃料電池セルのうち発電時に高温になる領域（以下「高温領域」という）に導くことができる。

また、後述するように、本発明では冷媒流路面の中間面に形成された突起を小さくすることで、冷媒の流れをスムーズにすることができる。このため、本発明では、燃料電池の冷却効率が高い。

高温領域では、一般的に相対湿度が低く、ＭＥＡが劣化しやすい。したがって、燃料電池の耐久性を上げるためには、高温領域を集中的に冷却し、高温領域の相対湿度を上げ、燃料電池セルにおける水分布を平均化する必要がある。上述のように本発明では温度の低い冷媒を、高温領域に供給することができることから、高温領域を集中的に冷却し、高温領域の相対湿度を上げることで、燃料電池セルにおける水分布を平均化することができる。これにより、ＭＥＡの劣化が防止され燃料電池の耐久性が向上する。

高温領域の具体的な例には、燃料電池セルのうち反応ガス供給マニホールド付近の領域が含まれる。

冷媒直線領域は、冷媒直線領域内にリブによって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝（以下「冷媒溝」という）を有する。また、冷媒溝は冷媒直線領域に対して平行であることが好ましい。冷媒溝の幅は、０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。また冷媒溝を規定するリブの幅は、０．２５〜３ｍｍであることが好ましい。さらに冷媒溝：リブの比率は２：１〜１：２の範囲であることが好ましい。

冷媒ターン領域とは、上述のように冷媒直線領域同士を接続する領域を意味する。本発明では、冷媒ターン領域が、上述した冷媒溝の底面よりも浅い面（以下「中間面」と呼ぶ）を有することを特徴とする。冷媒ターン領域が中間面を有することで、冷媒ターン領域に冷媒溝を接続する溝を形成しなくとも、冷媒直線領域間の冷媒の導通を可能にする。また、上述したように、冷媒ターン領域が中間面を有することで、冷媒流路は反応ガス流路と異なった流路パターンを有することができる（図５参照）。

また、上述したガス流路面では、反応ガスの流路の数は１つであったが、冷媒流路面は２以上の冷媒流路を有していてもよい（図１３参照）。冷媒流路面に２以上の蛇行状の冷媒流路を形成するには、ガス直線領域に中間面を形成し、かつガス直線領域に形成された中間面にガス溝に対して垂直な溝を形成すればよい（実施の形態１参照）。冷媒流路面が２以上の冷媒流路を有することで、発電時にとくに高温になる燃料電池セルの領域（反応ガス供給マニホールド付近）に温度の低い冷媒を供給することができる。

冷媒直線領域の冷媒溝を規定するリブは、冷媒ターン領域まで延びていることが好ましい。本発明では、冷媒直線領域が有するリブのうちターン外側のリブが、ターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていることを特徴とする（図１５参照）。冷媒直線領域が有するリブのうちターン外側のリブが、ターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていることで、冷媒がよりスムーズに冷媒流路内を流れることができる。また、冷媒直線領域が有するリブのうちターン外側のリブが、ターン内側のリブよりもよりターン外側まで延びていることで、冷媒ターン領域の隅々まで冷媒を供給することができる。

第１流路（反応ガス流路）では、上流側のガス直線領域が有するガス溝の数は下流側のガス直線領域が有するガス溝の数よりも多いことが好ましいが（図１０参照）、冷媒流路面では、全ての冷媒直線領域が有する冷媒溝の数が等しくてもよい。すなわち、上流側の冷媒直線領域が有する冷媒溝の数は、下流側の冷媒直線領域が有する冷媒溝の数と同じであることが好ましい。ここで上流側の冷媒直線領域とは、冷媒直線領域のうち冷媒供給マニホールドに最も近いガス直線領域を意味する。一方、下流側の冷媒直線領域とは、冷媒直線領域のうち冷媒排出マニホールドに最も近い冷媒直線領域を意味する。
反応ガスと異なり、冷媒流路に供給される冷媒量と冷媒流路から排出される冷媒量は等しいからである。

このように、本発明によれば、プレス加工された燃料電池セパレータの両面を流路面として使用することができる。したがって本発明の燃料電池セパレータを用いることで、燃料電池スタックを小型化することができる。
また、本発明では、冷媒流路は蛇行状であることから、低温の冷媒を、高温領域に流れるように、冷媒の流れをコントロールすることができる。このため、本発明によれば、高温領域における相対湿度を上げ、燃料電池セルにおける水分布を平均化することができ、料電池セルの耐久性（寿命）を上げることができる。

（２）第２流路面が第２ガス流路面である場合
第２流路面が第２ガス流路である場合、第２ガス流路には、上述したガス流路に流れる反応ガスとは異なる反応ガスが流れる。すなわち、ガス流路に流れる反応ガスが燃料ガスである場合、第２ガス流路に流れる反応ガスは酸化ガスである。また、ガス流路に流れるガスが酸化ガスである場合、第２ガス流路に流れる反応ガスは燃料ガスである。
第２ガス流路の構成は、反応ガス流路と同様にすることができる。

［中間面について］
以下上述した中間面についてより詳細に説明する。また、中間面の説明では、第２流路は冷媒流路であることを前提に説明をする。

反応ガス流路のガスターン領域の中間面および冷媒流路面の冷媒ターン領域の中間面には、それぞれ突起が形成されている（図１２、図１５参照）。反応ガス流路のガスターン領域の中間面に突起が形成さていることによって、燃料電池セルがスタックされた場合、ガスターン領域が積層方向に押し潰されることが防止される。また、反応ガス流路のガスターン領域の中間面が有する突起（以下「ガス流路面の突起」という）は、ＭＥＡに接するように構成されることが好ましい。突起がＭＥＡに接することで、セパレータの導電性を高めることができる。

冷媒流路面の冷媒ターン領域の中間面に突起（以下「冷媒流路面の突起」という）が形成されていることによって、燃料電池セルがスタックされた場合、冷媒ターン領域が積層方向に押し潰されることが防止される。

また本発明では、ガス流路面の突起の頂面の面積は、冷媒流路面の突起の頂面の面積よりも大きい。

図８Ａは、本発明の燃料電池スタックの断面の部分拡大図を示す。また、図８Ａは、後で説明する図１２の線ＡＡの断面図に対応する。図８Ａに示されるように本発明では、燃料極セパレータ３００と酸化極セパレータ４００とでＭＥＡ５００を挟むことで燃料電池セルを構成する。また燃料極セパレータ３００と酸化極セパレータ４００とが貼り合わせられることで、冷媒流路２００が形成される。

図８Ａに示されるように、ガス流路面の突起１２５の頂面１２５Ｗは、冷媒流路面の突起２２５の頂面２２５Ｗよりも大きい。ガス流路面の突起１２５の頂面１２５Ｗの面積は、冷媒流路面の突起２２５の頂面２２５Ｗの面積の１倍超３倍以下であることが好ましい。

ガス流路面の突起はＭＥＡに接することでセパレータの導電性を向上させる機能を有することから、ガス流路面の突起１２５の頂面の面積を、冷媒流路面の突起２２５の頂面の面積よりも大きくすることで、セパレータの導電性が高まる。また、ガス流路面の突起１２５を大きくすることで、ガスターン領域における反応ガス流路の流路断面積を削減し、反応ガスの流速がガスターン領域内で低下することを防止することができる。一方、ガス流路面の突起１２５が小さいと、ガスターン領域で、反応ガスの流速が低下し；反応ガスに含まれる水分が液化して、反応ガス流路を塞ぐ恐れがある。

一方、冷媒流路面の突起の頂面の面積を小さくすることで、冷媒流路内を冷媒が流れやすくなる。これにより、単位時間あたりに供給できる冷媒を増やすことができ、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。

このように本発明では、本発明では、ガス流路面の突起の頂面の面積を、冷媒流路面の突起の頂面の面積よりも大きくすることで、高いセパレータの導電性と、高い冷却効率とを両立させることができる。

また、ガス流路面の中間面とガス流路面の突起の頂点との距離（ガス流路面の突起の高さ）は、冷媒流路面の中間面と冷媒流路面の突起の頂点との距離（冷媒流路面の突起の高さ）よりも大きいことが好ましい。

図８Ｂは図８Ａの四角Ｚで囲まれた領域を拡大した図である。図８Ｂに示されるように、ガス流路面の中間面１２３からのガス流路面の突起１２５の高さＸは、冷媒流路面の中間面２２３から冷媒流路面の突起２２５の高さＹよりも大きい。ＸとＹとの比は、３：１〜３：２であることが好ましい。

このようにガス流路面の突起の高さ（Ｘ）を冷媒流路面の突起の高さ（Ｙ）よりも大きく設定することで、ガス流路面の中間面をより深くすることができる。これにより例えば、ガスターン領域の単位面積あたりの容積が大きくなり、圧力損失を抑えることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、第２流路面が冷媒流路である例について説明する。また本実施の形態では、冷媒流路面が２つの蛇行状の冷媒流路を有する例について説明する。
図９は、本実施の形態の燃料電池セパレータの斜視図である。また、図９に示した燃料電池セパレータ３００は燃料極セパレータである。

燃料電池セパレータ３００は、燃料ガス供給マニホールド３１０、燃料ガス排出マニホールド３１２、反応ガス流路１００、酸化ガス供給マニホールド３３０、酸化ガス排出マニホールド３３２、冷媒供給マニホールド３４０、および冷媒排出マニホールド３４２を有する。反応ガス流路１００の裏面には、冷媒流路２００が形成されている（図１３参照）。

図９に示された一点鎖線は反応ガスの動きを示す。図９に示されるように反応ガスは蛇行状に流れる。

燃料ガス供給マニホールド３１０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための孔であり、反応ガス流路１００に燃料ガスを供給する。燃料ガス排出マニホールド３１２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから燃料ガスを排出するための孔であり、反応ガス流路１００から燃料ガスを排出する。

酸化ガス供給マニホールド３３０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化ガスを供給するための孔である。また、酸化ガス排出マニホールド３３２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔である。

冷媒供給マニホールド３４０は、燃料電池スタック内に冷媒を供給するための孔であり冷媒流路２００に冷媒を供給する。また、冷媒排出マニホールド３４２は、燃料電池スタック内から冷媒を排出するための孔であり、冷媒流路２００から冷媒を排出する。

図１０は、図９に示した燃料電池セパレータ３００のガス流路面側の平面図である。ガス流路面は、反応ガス流路１００を有する。反応ガス流路１００は、リブ１０３によって蛇行状に規定され、ガス直線領域１１０およびガスターン領域１２０を有する。

ガス直線領域１１０はリブ１１３によって規定された複数のガス溝１１１を有する。図１０に示されるように、上流側のガス直線領域１１０ｘは６本のガス溝１１１を有し、下流側のガス直線領域１１０ｙは４本のガス溝１１１を有する。すなわち上流側のガス直線領域１１０ｘが有するガス溝１１１の数は、下流側のガス直線領域１１０ｙが有するガス溝１１１の数よりも多い。また、本実施の形態では、ガス直線領域にも中間面１２３が形成されていることを特徴とする。また、ガス直線領域が有する中間面１２３にはガス溝１１１対してに対して垂直な溝１０７が形成されている。ガス直線領域が有する中間面１２３は、裏面の冷媒流路面における冷媒ターン領域に対応する。

図１１はガス直線領域１１０ｘの拡大斜視図である。図１１に示すようにガス直線領域１１０ｘは、中間面１２３を有する。さらに中間面１２３にはガス溝１１１に対して垂直な溝１０７が形成されている。溝１０７は後述する冷媒流路入口２３０のリブ２０５に対応する。

このように、本実施の形態では、ガス直線領域が中間面を有し、かつガス直線領域が有する中間面がガス溝に対して垂直な溝を有することで、冷媒流路面の流路を分割することができる。

図１２はガスターン領域１２０の拡大斜視図である。図１２中の矢印は、反応ガスの流れを示す。図１２に示されるようにガスターン領域１２０は、中間面１２３および突起１２５を有する。またリブ１１３はガス直線領域１１０からガスターン領域１２０まで延びている。より詳細には、ターン外側のリブ１１３ａがターン内側のリブ１１３ｂよりもターン外側まで延びている。

図１３は、図９に示した燃料電池セパレータ３００の冷媒流路面側の平面図である。図１３に示された一点鎖線は冷媒の動きを示す。上述したように、冷媒流路面は、冷媒流路入口２３０および２つの冷媒流路（２００ａ、２００ｂ）を有する。冷媒流路２００ａおよび２００ｂは、リブ２０３によって蛇行状に規定されている。冷媒流路２００ａおよび２００ｂはそれぞれ、冷媒直線領域２１０および冷媒ターン領域２２０を有する。

図１４は、冷媒流路入口２３０の拡大斜視図である。また、図１４は、図１１に示した、ガス直線領域１１０ｘの裏面である。図１４に示すように冷媒流路入口２３０は、冷媒溝２１１に対して垂直なリブ２０５を有する。リブ２０５は反応ガス流路の溝１０７に対応する。

リブ２０５は、冷媒供給マニホールド３４０から供給される冷媒を冷媒流路２００ａおよび冷媒流路２００ｂに分ける機能を有する。このように、リブ２０５によって冷媒供給マニホールド３４０から供給された冷媒が冷媒流路２００ａおよび２００ｂに分けられ、１の冷媒流路面に２つの蛇行状の冷媒流路２００ａおよび２００ｂが形成される。

冷媒流路２００ａおよび２００ｂは後述する冷媒溝２１１に垂直で、かつリブ２０５上を通るＡＡ線によって区切られている。また、冷媒流路２００ａおよび冷媒流路２００ｂのパターンは、ＡＡ線に関して線対称である。このように冷媒流路面に２つの冷媒流路を形成することで、発電時の燃料電池セルのうち最も高温になる燃料ガス供給マニホールド３１０および酸化ガス供給マニホールド３３０周辺の箇所により低温の冷媒を供給することができ、燃料電池セルを効率よく冷却することができる。

冷媒直線領域２１０はリブ２１３によって規定された複数の冷媒溝２１１を有する。反応ガス流路１００とは異なり、冷媒流路２００の全ての冷媒直線領域２１０が有する冷媒溝２１１の数は（４本）、等しい。

図１５は、冷媒ターン領域２２０の拡大斜視図である。図１５中の矢印は、冷媒の流れを示す。図１５に示されるように冷媒ターン領域２２０は、中間面２２３および突起２２５を有する。またリブ２１３は冷媒直線領域２１０から冷媒ターン領域２２０まで延びている。より詳細には、ターン外側のリブ２１３がターン内側のリブ２１３よりもターン外側に延びている。

このように、本実施の形態では、ガス直線領域に中間面を設け、かつガス直線領域の中間面にガス溝に対して垂直な溝を設けることで、冷媒流路面に冷媒流路を分割するリブを形成することができる。これにより、発電時に高温になる反応ガス供給マニホールド付近の燃料電池セルの領域（高温領域）に低温の冷媒を供給することができ、高温領域を効率よく冷却し、高温領域における相対湿度を上げることができる。

（参照の形態）
実施の形態１では、冷媒流路面が２つの冷媒流路を有する例について説明した。本参照の形態では、冷媒流路面が１つの冷媒流路を有する例について説明する。

図１６は、本参照の形態の燃料電池セパレータのガス流路面側の平面図である。また、図１６に示した燃料電池セパレータ３０１は燃料極セパレータである。実施の形態１の燃料電池セパレータ３００と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。

燃料電池セパレータ３０１は、燃料ガス供給マニホールド３１０、燃料ガス排出マニホールド３１２、反応ガス流路１００、酸化ガス供給マニホールド３３０、酸化ガス排出マニホールド３３２、冷媒供給マニホールド３４０、および冷媒排出マニホールド３４２を有する。反応ガス流路１００の裏面には、冷媒流路２００が形成されている（図１７参照）。

反応ガス流路１００は、リブ１０３によって蛇行状に規定され、ガス直線領域１１０およびガスターン領域１２０を有する。

ガス直線領域１１０は、リブ１１３によって規定された複数のガス溝１１１を有する。図１６に示されるように、上流側のガス直線領域１１０ｘが有するガス溝１１１の数は、下流側のガス直線領域１１０ｙが有するガス溝１１１の数よりも多い。また、実施の形態１と異なり、本参照の形態では、ガス直線領域は、中間面を有さない。

ガスターン領域１２０は、中間面１２３および突起１２５を有する。またリブ１１３はガス直線領域１１０からガスターン領域１２０まで延びている。より詳細には、ターン外側のリブ１１３がターン内側のリブ１１３よりもターン外側に延びている（図７も参照）。

図１７は、燃料電池セパレータ３０１の冷媒流路面側の平面図である。冷媒流路面は、１の冷媒流路２００を有する。冷媒流路２００は、リブ２０３によって蛇行状に規定され、冷媒直線領域２１０および冷媒ターン領域２２０を有する。

図１７に示すように燃料電池セパレータ３０１の冷媒流路面は、実施の形態１の燃料電池セパレータ３００と異なり、１の蛇行状の冷媒流路２００のみを有する。

このように、本参照の形態によれば、蛇行状の反応ガス流路を有するガス流路面の裏面に、蛇行状の冷媒流路を形成することができる。これにより、発電時に高温になる箇所に低温の冷媒を供給することができ、燃料電池セルを効率的に冷却することができる。

本出願は、２００８年８月１１日出願の特願２００８−２０７１９８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明によれば、プレス加工された燃料電池セパレータの両面を流路面として使用することができる。したがって本発明の燃料電池セパレータを用いることで、燃料電池スタックを小型化することができる。

また、本発明によれば、燃料電池セルの耐久性（寿命）を上げることができる。

２１２Ｐ ガス流路
２１２Ｂ１、２１２Ｂ２ リブ
２１２Ｌ リブ
２２２Ｐ 冷媒流路
２６０Ａ 燃料極セパレータ
２６０Ｂ 酸化極セパレータ
２６１Ｃ 突起
２６１Ｄ 窪み
１００ 反応ガス流路
１０３ 反応ガス流路を規定するリブ
１０５ ガス分布領域
１０７ ガス溝に対して垂直な溝
１１０ ガス直線領域
１１１ ガス溝
１１３ ガス溝を規定するリブ
１２０ ガスターン領域
１２１ ガス溝を接続する溝
１２３ ガス流路面の中間面
１２５ ガスターン領域の突起
２００ 冷媒流路
２０３ 冷媒流路を規定するリブ
２０５ 冷媒を分割するリブ
２１０ 冷媒直線領域
２１１ 冷媒溝
２１３ 冷媒溝を規定するリブ
２２０ 冷媒ターン領域
２２３ 冷媒ターン領域の中間面
２２５ 冷媒ターン領域の突起
２３０ 冷媒流路入口
３００ 燃料電池セパレータ
３０１ 燃料電池セパレータ
３１０ 燃料ガス供給マニホールド
３１２ 燃料ガス排出マニホールド
３３０ 酸化ガス供給マニホールド
３３２ 酸化ガス排出マニホールド
３４０ 冷媒供給マニホールド
３４２ 冷媒排出マニホールド
４００ 酸化極セパレータ
５００ ＭＥＡ

Claims (8)

1. 一方の面に、リブＡ１によって規定された１つの蛇行状のガス流路が形成されているガス流路面を有し、他方の面に、リブＢ１によって規定された２つの蛇行状の冷媒流路が形成されている冷媒流路面を有する、波形に成形された燃料電池用金属セパレータであって、
   前記ガス流路は、
   リブＡ２によって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝を有するガス直線領域と、前記ガス直線領域同士を接続するガスターン領域と、を含み、
   前記ガス直線領域の一部は、前記ガス流路の底面よりも浅い中間面であり、
   前記ガス直線領域の中間面は、前記ガス直線領域の上流端と下流端との間にあり、
   前記ガスターン領域は、前記ガス流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、
   前記冷媒流路は、
   リブＢ２によって規定された２以上の互いに平行なライン状の溝を有する冷媒直線領域と、前記冷媒直線領域同士を接続する冷媒ターン領域と、を含み、
   前記冷媒ターン領域は、前記冷媒流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、
   前記２つの蛇行状の冷媒流路は、前記冷媒直線領域におけるライン状の溝に対して垂直なリブＢ３で区切られており、
   前記リブＢ３は、前記ガス直線領域の中間面の裏面にあり、
   前記冷媒ターン領域は、前記ガスターン領域の裏面および前記ガス直線領域の中間面の裏面にある、燃料電池用金属セパレータ。
2. 前記ガス直線領域内のライン状の溝を規定するリブＡ２は、前記ガスターン領域まで延びており、
   前記冷媒直線領域内のライン状の溝を規定するリブＢ２は、前記冷媒ターン領域まで延びている、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
3. 前記ガス直線領域は、２以上のリブＡ２を有し、
   前記ガス直線領域におけるターン外側のリブＡ２は、前記ガス直線領域におけるターン内側のリブＡ２よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
4. 前記冷媒直線領域は、２以上のリブＢ２を有し、
   前記冷媒直線領域におけるターン外側のリブＢ２は、前記冷媒直線領域におけるターン内側のリブＢ２よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
5. 前記ガスターン領域の中間面と前記ガスターン領域の突起の頂点との距離は、前記冷媒ターン領域の中間面と前記冷媒ターン領域の突起の頂点との距離よりも大きい、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
6. 上流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数は、下流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数よりも多い、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
7. 上流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数は、下流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数と同じである、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
8. 高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、
   前記セパレータは、請求項１に記載の金属セパレータである、燃料電池。

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