JP5077620B2 - 燃料電池のセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、電解質の両側に電極が設けられたＭＥＡを挟持するためのセパレータに関する構造の改良に関する。

燃料電池に適用されるセパレータとして、波状に隣接する複数の凸部と凹部とで形成される筋状ないしは線状の流体流路と、これら複数の流体流路に導入される反応ガスあるいは冷却水を分配するための分配流路とを備えた構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２４３６５１号公報

しかしながら、このような構造のセパレータの場合、特に流体流路と分配流路との境界部付近における圧損（差圧）が大きいという問題があった。このように境界部付近における圧損が大きいことは、流体のシール性の確保しやすさ、ガス供給圧（供給能力）の大きさといった面での問題を生じさせうる。

そこで、本発明は、波状に隣接する複数の凸部と凹部とで形成される筋状ないしは線状の流体流路と、これら複数の流体流路に導入される反応ガスあるいは冷却水を分配するための分配流路との境界部分における圧損を低減できるようにした構造の燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。この中で、本発明者は従来のセパレータの構造、特に、筋状や線状に形成されている流体流路と、これら流体流路に接するように形成されている分配流路との境界部付近における構造に着目し、かかる問題を解決しうる技術を知見するに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスまたは冷却水を流通させるための流体流路を備えた燃料電池のセパレータにおいて、前記流体流路は当該セパレータの面に形成された隣接する凸部と凹部とで形成される筋状の流路であるとともに、前記流体流路に導入される流体をこれら流体流路に分配する分配流路を備え、前記流体流路を構成する前記凸部の末端の位置と前記凹部の末端の位置とが当該流体流路の筋方向にずれているというものである。

上記のような構造のセパレータにおいては、凸部（凸リブ）の末端位置と凹部（凹溝）の末端位置とが異なる構造、別の表現をすれば、凸部と凹部との間においてそれぞれの始端（あるいは終端）のいわば位相が異なる構造となっている。この場合、例えば分配流路からガス流路へと流れ込む反応ガスの当該ガス流路への導入部の領域（あるいは、分配流路から冷却水流路へと流れ込む冷却水の当該冷却水流路への導入部の領域）を大きくすることが可能となるから、従前のように流体流路を構成する凸部および凹部の末端が同一線上にあるという位相差の無い従来構造の場合と比べ、これら流体流路と分配流路との境界部分における圧損（流体に作用する差圧）を低減することが可能となる。このため、流体流路における流体のシール性を確保しやすくなるし、反応ガスや冷却水の供給圧（供給能力）を従来構造のときほど大きくしなくて済むようにもなる。

また、上述の燃料電池のセパレータにおいては、前記凹部の末端のほうが前記凸部の末端よりも前記分配流路側に位置した構造とすることができる。この場合、当該凹部および凸部が設けられている側の面においては、特に分配流路と流体流路との境界部付近において、当該面上を流れる流体に対する差圧が低減することになる。

さらに、燃料電池のセパレータを表裏一体型の構造とすることもできる。この場合、例えば上述のように前記凹部の末端のほうが前記凸部の末端よりも前記分配流路側に位置していればその裏面では逆の構造、つまり、凸部の末端のほうが凹部の末端よりも分配流路側に位置していることになる。このような構造においては、表面と裏面を流れる流体の流れ方に差異を付けることができるため、表裏を流れる流体の流速や流量をセパレータ構造により制御することができる。

また、前記分配流路には複数の突起が形成されていることが好ましい。これら突起は、当該分配流路を流れる流体（反応ガスまたは冷却水）が各流体流路へとより均等に分配されるように機能するほか、重なり合うセパレータの突起どうしが当接し合うことによってこの分配流路が変形しないように支え合うようにも機能する。

さらに、前記分配流路を、前記流体の折り返し部、導入部、排出部のいずれかとすることができる。

また、上述した燃料電池のセパレータを金属セパレータとすることもできる。

本発明によれば、凸部と凹部とで形成される筋状ないしは線状の流体流路と、これら複数の流体流路に導入される反応ガスあるいは冷却水を分配するための分配流路との境界部分における圧損を低減することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図１２に本発明にかかる燃料電池のセパレータの実施形態を示す。このセパレータ２０は、電解質膜（高分子電解質膜）３１の両側に電極３２ａ，３２ｂが設けられたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜−電極アッセンブリ）３０を挟持して燃料電池１を構成するもので、線状のリブからなる凸部（凸リブ）２１ａと溝からなる凹部（凹溝）２１ｂとで構成される流体を流すための線状の流体流路と、凸部２１ａと凹部２１ｂとの間の高さに位置する平面から成る分配流路１２とを備えた構造となっている。以下の実施形態では、この燃料電池１のセパレータ２０において、線状流体流路と分配流路１２との境界部において、線状流体流路の流れ方向に垂直な線に対して凸部２１ａの末端と凹部２１ｂの末端の位置とを異ならせている点が特徴的である。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するスタック３の概略構成について説明し、その後、当該セパレータ２０の構造について詳細に説明することとする（図１２等参照）。なお、本実施形態にて説明する燃料電池１のセパレータ２０はストレート型またはサーペンタイン型の流体流路が形成されているとともに、これら複数の流体流路の流体入口または流体出口には流体を複数の流体流路へと分配するための分配流路（分配部）１２が形成されているというものである。

図１２に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。なお、このようなセル２が積層されることによって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることが可能である。

セル２は、ＭＥＡ３０と、ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ（図１２中において符号２０ａ，２０ｂで示す）とで構成されている（図１２参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、ＭＥＡ３０と各セパレータ２０ａ，２０ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている。

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

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

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

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１２参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形の流路が形成される構造となっている（図１０、図１２参照）。なお、隣接するセル２，２のセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図６、図１２参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図６、図１２参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに枠状でありほぼ同一形状に形成されている部材である（図１２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、枠状の第３シール部材１３ｃが設けられている（図１２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。ちなみに、本実施形態のセル２においては、セパレータ２０ａ，２０ｂにおける流体の各種通路（３４〜３６，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，６１〜６６）のうち、各種流体の入口側のマニホールド１５ａ，１６ａ，１７ａおよび出口側のマニホールド１５ｂ，１６ｂ，１７ｂが、第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂや第３シール部材１３ｃの外側に位置する通路ということになる（図１２参照）。

続いて、本実施形態におけるセパレータ（ここまでの説明では符号２０ａ，２０ｂで示したが、以下では単に符号２０でも示す）の構造について詳細に説明する（図１等参照）。セパレータ２０はストレート型またはサーペンタイン型の流体流路が形成されたものであって、複数の流路の入口や出口には流体を各流体流路に分配するための分配流路（分配部）１２がさらに形成されている。流体流路のうち線状となっている部分（本明細書ではこれを線状流路ともいう）は線状の凸部２１ａと凹部２１ｂとからなり、また、分配流路１２は、凸部２１ａよりも低く凹部２１ｂよりは高い位置の平面からなる。例えば本実施形態の場合、凸部２１ａは凸形状のリブによって構成されており（以下「凸リブ」と表現し、これを符号２１ａで表す）、また、凹部２１ｂは凹形状の溝によって構成されている（以下「凹溝」と表現し、これを符号２１ｂで表す）。なお、１枚のセパレータ２０は例えば断面が波形状となるように形成されており、凸リブ２１ａの裏面側には凹溝２１ｂ、凹溝２１ｂの裏面側には凸リブ２１ａがそれぞれ表裏一体的に形成されている（図１０参照）。また、ここでいう流体は、例えばセパレータ２０どうしが向かい合わせになる面においては冷却水であり、ＭＥＡ３０と向かい合わせになる面においては酸化ガスまたは燃料ガスといった反応ガスということになる。なお、本明細書においては凸リブ２１ａと凹溝２１ｂとで構成されるガス流路あるいは冷却水流路３６を線状と表現しているが、ここでいう線状は直線状のものだけを意味するのではなく、要は複数の流体流路が隣接した状態で形成されていわば筋状になっていることを意味している。また、ここでいうガス流路とは、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、つまりは反応ガスの流路のことであり、図２等においては符号１０で表すことにする。

さらに、上述のセパレータ２０では、これら線状流路と分配流路１２との境界部において、線状流路の流れ方向に垂直な線に対して凸リブ２１ａの末端と凹溝２１ｂの末端の位置とが異なる構造となっている点、別の表現をすれば、ガス流路１０を形成するために複数本が隣接した状態で繰り返し形成されている凸部２１ａと凹部２１ｂに関し、当該凸部２１ａの末端と、凹部２１ｂの末端との位相が順次ずれた構造となっている点が特徴的である。以下、このようなセパレータ２０の構造を、第１〜第２の実施形態等に分けて説明することにする。

＜第１の実施形態＞
まず、図１に、ストレート型のガス流路１０が形成されたセパレータ２０を示す。このセパレータ２０の端部には、上述したように各種流体（酸化ガス、燃料ガス、冷却水）の入口側のマニホールド１５ａ，１６ａ，１７ａおよび出口側のマニホールド１５ｂ，１６ｂ，１７ｂが設けられている。また、ガス流路１０の両端部には、ガスを各ガス流路１０に分配するための分配流路１２が形成されている（図１、図２参照）。なお、ガス流路１０を流れ出たガスが合流する部分についても本実施形態では分配流路１２と呼んでいる。すなわち、この場合における分配流路１２は実質的にガスの分配を行うものではないが対称的な構造となっているものであり、ガスをいずれの方向にも流しうるものなので本実施形態では便宜的に両部位とも「分配流路」と称している。

この分配流路１２には、例えばプレス成形時に形成される複数の突起２３ａと、当該突起２３ａとは逆側に隆起する別の突起２４ａとが設けられている（図１、図２参照）。これらのうち、突起２３ａは凸リブ２１ａと同じ側（例えば表面側）に突出するものであり、尚かつこの凸リブ２１ａと同じ高さＨ１となるように形成されている（図２参照）。この突起２３ａは、ＭＥＡ３０の表面に突き当たることによって当該ＭＥＡ３０とセパレータ２０との間にガスが流れるための領域を確保する（図１１参照）。また、突起２４ａは凹溝２１ｂの窪み側と同じ側（例えば裏面側）に突出するものであり、尚かつこの凹溝２１ｂの裏面側に形成されている表裏一体的な凸リブ２１ａと同じ高さＨ２となるように形成されている（図２参照）。この突起２４ａは、隣り合うセパレータ２０の突起２４ａと互いに突き当たることによって２枚のセパレータ２０間に冷却水が流れるための領域（冷却水流路３６）を確保する（図１１参照）。なお、これら突起２３ａ，２４ａは、本実施形態のように等間隔に配置されていることが各種ガスあるいは冷却水の流れる領域を等間隔に保持して流れやすさを一定にするといった観点で好ましい（図１等参照）。また、これら突起２３ａ，２４ａのそれぞれの裏面には、例えばプレス成形に伴い同時に形成されるディンプル２３ｂ，２４ｂが形成されている（図１１等参照）。なお、図１１中の符号４０，４１はそれぞれ絶縁部材を表している。

凸リブ２１ａと凹溝２１ｂは、線状流路と分配流路１２との境界部において、それぞれの末端となる部分の位置が前後方向に異なる構造となっている（図４参照）。このような構造の一例を、各部位の長さを符号で表しつつ具体的に説明すると以下のとおりである。

すなわち、長手方向の全長がＬ０、全幅がＷ０のセパレータ２０において、本実施形態の場合には、凸リブ２１ａの全長がＬ１であるのに対し、凹溝２１ｂの全長はこれよりも長いＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）となっており、凹溝２１ｂの末端のほうが凸リブ２１ａの末端よりも分配流路１２側に位置した構造となっている（図１参照）。ここで、本実施形態にて示している凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂはそれぞれ中心線を基準として左右対称に形成されているため、結局、セパレータ２０の一端部における凹溝２１ｂは凸部２１ａよりもＳＡＸ１＝（Ｌ２−Ｌ１）／２だけ長く形成されていることになる（図２、図３参照）。

また、本実施形態における凸リブ２１ａと凹溝２１ｂの末端付近の構造についてさらに詳しく説明すると（図２〜図４参照）、まず、凸リブ２１ａの末端部分には、長手方向長さＳ３の傾斜部（図４中において符号２５ａで示す）が設けられている（図３、図４参照）。図３から明らかなように、長さＬ１である凸リブ２１ａの全長部分にこの傾斜部２５ａは含まれていない。また、凹溝２１ｂの末端部分にも傾斜部（図３中において符号２５ｂで示す）が設けられている（図３等参照）。図３からも明らかなように、この傾斜部２５ｂは、長さＬ２である凹溝２１ｂの全長に含まれている。なお、図３中に示す符号Ｓ２は、凹溝２１ｂの末端位置と凸リブ２１ａの末端位置との差分長さ（＝上述のＳＡＸ１）から、凹溝２１ｂの末端部分における傾斜部２５ｂの長さを引いた分の長さを示す（図３参照）。

なお付け加えておくと、セパレータ２０の全体厚みを符号Ｈ０で表している（図３参照）。この厚みＨ０は、セパレータ２０を構成する板材の板厚ｔ０と、上述した凸リブ２１ａおよび突起２３ａの突出高さＨ１と、上述した裏面側の凸リブ２１ａおよび突起２４ａの突出高さＨ２とを合計した値（Ｈ０＝ｔ０＋Ｈ１＋Ｈ２）である。さらに、凸リブ２１ａから隣の凸リブ２１ａまでの間隔（または凹溝２１ｂから隣の凹溝２１ｂまでの間隔）を符号Ｐｍで表している（図３参照）。

ここまで説明したような構造のセパレータ２０には、凹溝２１ｂの全長Ｌ２を凸リブ２１ａの全長Ｌ１よりも長くしたことによってガス導入部１３ａが形成されることになる（図４参照）。こうした場合、分配流路１２を流れるガスは、このガス導入部１３ａを通じてガス流路（線状流路）１０へと導入されやすくなるために、当該分配流路１２と線状流路との境界部分における圧損が低減されることになる。

なお、本実施形態においては凹溝２１ｂの末端に形成されたガス流路１０の延長部分をガス導入部１３ａと表現したがこれは便宜的なものに過ぎない。例えばガス流路１０におけるガスの流れを逆にした場合には、当該ガス導入部１３ａからガスが排出されることになるからこの場合は正確には「ガス排出部」ということになるが、いずれとなるかはガスの流れの向きによる。要は、ガスの導入部であるか排出部であるかにかかわらず、本実施形態のセパレータ２０によれば線状流路と分配流路１２との境界部分における差圧を抑え、圧損を低減することが可能となる。

また、上述した構造のセパレータ２０におけるガス側突出高さＨ１、冷却水側突出高さＨ２のそれぞれについては、分配流路１２における反応ガスや冷却水の按分寸法（つまり、基準となる数量に比例した割合で数量を割り振る場合の寸法）をとり種々の値とすることができるが、両者の関係につき、本実施形態では
［数１］
Ｈ１＞Ｈ２
を満たすようにしている（図３参照）。つまり、図３等に示すセパレータ２０においては、ガス側突出高さＨ１のほうが冷却水側突出高さＨ２よりも高い構造となっている。こうした場合、線状流路と分配流路１２との境界部分における差圧を抑えて圧損をさらに低減することが可能になるという点で好ましい。

また、ここまでは図２や図３を用いつつ、セパレータ２０の一端部における凹溝２１ｂは凸部２１ａよりもＳＡＸ１＝（Ｌ２−Ｌ１）／２だけ長く形成されている旨を説明したが、線状流路と分配流路１２との境界部分における圧損をさらに低減するという観点からすれば、このＳＡＸ１をある一定値よりも大きくなるように設定することが好ましい。一例を挙げれば、本実施形態では
［数２］
ＳＡＸ１＞３・ｔ０
つまり、ＳＡＸ１の大きさ（長さ）がセパレータ２０の板厚ｔ０の３倍値よりも大きくなるように設定し、板厚ｔ０のセパレータ２０において所定長さ（あるいは所定面積）以上のガス導入部１３ａが確保されるようにしている。こうした場合に、線状流路と分配流路１２との境界部分における圧損をある程度以下にまで低減させることが可能になるという点で有効である。加えて、ＭＥＡ３０の挟持間寸法の狭小化、別の表現をすればセパレータ２０の全体厚みＨ０を小さくして薄くする場合において、ＳＡＸ１を上述のように設定することは、圧損を低減させつつセパレータ２０の狭小化を図るうえでも有効となる。

さらには、以下のように設定することも好ましい。すなわち、図３（Ｄ）において斜線で示す部分（つまりガス導入部１３ａの縦断面）の面積をＡ３、図３（Ｃ）において格子状の斜線で示す部分の面積（つまり凹溝２１ｂの断面積）をＡ２、図３（Ｂ）において斜線で示す部分（つまりガス導入部１３ａの横断面）の面積をＡ１とした場合に、
［数３］
Ａ２／Ａ１＞０．４
［数４］
Ａ３＞Ａ２
の関係を満たす構造とすることが好ましい。こうした場合、同様に、線状流路と分配流路１２との境界部分における圧損をある程度以下にまで低減させることが可能になる。なお、この場合において、凹溝２１ｂの全長Ｌ２が凸リブ２１ａの全長Ｌ１よりも長くなっている（Ｌ２＞Ｌ１）であることは上述の場合と同じである。

なお、ここまでは酸化ガスまたは燃料ガスがガス流路１０に導入される場合を例として圧損を低減させるための形態について説明したが、これとは逆に、冷却水を分配流路１２から線状流路へと導入する場合の圧損を低減させるための構造とすることもできる。以下、参考形態として説明する。

＜参考形態＞
図５に、冷却水を分配流路１２から線状流路へと導入する場合の圧損を低減させるための構造の一例を示す。このセパレータ２０は、図３に示したものとは逆にＬ１＞Ｌ２、つまり、凸リブ２１ａの全長がＬ１であるのに対し、凹溝２１ｂの全長はこれよりも短いＬ２となっており、凸リブ２１ａの末端のほうが凹溝２１ｂの末端よりも分配流路１２側に位置している構造となっている（図５参照）。ここで、凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂはそれぞれ中心線を基準として左右対称に形成されているため、結局、本実施形態のセパレータ２０の一端部における凸リブ２１ａは凹溝２１ｂよりもＳＢＸ１＝（Ｌ１−Ｌ２）／２だけ長く形成されていることになる（図５参照）。

また、本実施形態における凸リブ２１ａと凹溝２１ｂの末端付近の構造についてさらに詳しく説明すると（図５参照）、まず、凸リブ２１ａの末端部分には、長手方向の長さＳ４の傾斜部２５ａが設けられている（図５参照）。図５から明らかなように、長さＬ１である凸リブ２１ａの全長部分にこの傾斜部２５ａは含まれていない。また、凹溝２１ｂの末端部分にも傾斜部（図５中において符号２５ｂで示す）が設けられている。図５からも明らかなように、この傾斜部２５ｂは、長さＬ２である凹溝２１ｂの全長に含まれている。なお、図５中に示す符号Ｓ５は、凸リブ２１ａの末端位置と凹溝２１ｂの末端位置との差分長さ（＝上述のＳＡＸ１）に、凹溝２１ｂの末端部分における傾斜部２５ｂの長さを足した分の長さを示す（図５参照）。

さらに、セパレータ２０の全体厚みは上述した実施形態と同じくＨ０である（図５参照）。この厚みＨ０は、セパレータ２０を構成する板材の板厚ｔ０と、上述した凸リブ２１ａの突出高さＨ１と、凹溝２１ｂの裏面側への突出高さＨ２とを合計した値（Ｈ０＝ｔ０＋Ｈ１＋Ｈ２）である。さらに、凸リブ２１ａから隣の凸リブ２１ａまでの間隔（または凹溝２１ｂから隣の凹溝２１ｂまでの間隔）を符号Ｐｍで表している（図５参照）。

以上のような構造のセパレータ２０は、ガス流路１０のある側からみると上述したような広い導入領域を有するガス導入部１３ａは形成されていないが、ガス流路１０の裏の面、つまり冷却水流路３６側の面からみると、逆の構造になっているという利点を挙げることができる。すなわち、冷却水側においては上述した第１の実施形態におけるガス導入部１３ａと同様のいわば冷却水導入部（図５中で符号１４ａで示す）が形成されている。したがって、このような構造のセパレータ２０によれば、冷却水側の線状流路と分配流路１２との境界部分における差圧を抑え、圧損を低減することが可能となる。

なお、上述した構造のセパレータ２０におけるガス側突出高さＨ１、冷却水側突出高さＨ２のそれぞれについては、分配流路１２におけるガスや冷却水の按分寸法をとり種々の値とすることができるが、両者の関係につき、本実施形態では
［数５］
Ｈ１＞Ｈ２
を満たすようにしている（図５参照）。つまり、図５に示すセパレータ２０においては、ガス側突出高さＨ１のほうが冷却水側突出高さＨ２よりも高くなっており、これにより、線状流路と分配流路１２との境界部分における差圧を抑えて圧損をさらに低減できるようにしている。

また、以下のように設定することも好ましい。すなわち、図５（Ｃ）において斜線で示す部分（つまり冷却水導入部１４ａの縦断面）の面積をＡ６、図５（Ｂ）において格子状の斜線で示す部分（つまり冷却水導入部１４ａの横断面）の面積をＡ５、図５（Ｂ）において斜線で示す部分（つまり冷却水流路３６の横断面）の面積をＡ４とした場合に、
［数６］
Ａ５／Ａ４＞０．２
［数７］
Ａ６＞Ａ５
の関係を満たす構造とすることが好ましい。こうした場合、同様に、冷却水の線状流路（冷却水流路３６）と分配流路１２との境界部分における圧損をある程度以下にまで低減させることが可能になる。なお、この場合において、凸リブ２１ａの全長Ｌ１が凹溝２１ｂの全長Ｌ２よりも長くなっている（Ｌ１＞Ｌ２）であることは上述の場合と同じである。

なお、上述した第１の実施形態、参考形態では、凸リブ２１ａの全長Ｌ１と凹溝２１ｂの全長Ｌ２のいずれか一方を長くし、他方側を短くした構造としたが（図１等参照）、これは一例に過ぎず、凸リブ２１ａの末端位置と凹溝２１ｂの末端位置が異なる態様はこれには限られない。他の例を挙げれば、凸リブ２１ａの全長Ｌ１と凹溝２１ｂの全長Ｌ２とを同じ長さにしたまま、一方（凸リブ２１ａ）の位置を他方（凹溝２１ｂ）に対して流路方向へと相対的にずらした構造とすることも可能である。こうした場合、表面の一端側にガス導入部１３ａ、裏面の他端側に冷却水導入部１４ａを形成することができるから、例えば、ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）の流れ方向と冷却水の流れ方向を表裏で異ならせるようにし、ガスと冷却水のいずれの圧損も低減させる構成とすることも可能である。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明をサーペンタイン型の流路を有するセパレータ２０に適用した場合について説明する（図６、図７参照）。

図６と図７に、ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）流路１０側から見たサーペンタイン型のセパレータ２０の一例を示す。このセパレータ２０の端部には、各種流体（酸化ガス、燃料ガス、冷却水）の入口側のマニホールド１５ａ，１６ａ，１７ａおよび出口側のマニホールド１５ｂ，１６ｂ，１７ｂが設けられているのは上述した実施形態と同様である（図６参照）。本実施形態のセパレータ２０においては、各種流体（酸化ガス、燃料ガス、冷却水）の入口側のマニホールド１５ａ，１６ａ，１７ａの近傍、および出口側のマニホールド１５ｂ，１６ｂ，１７ｂの近傍のそれぞれにガスの分配流路１２が設けられ、これら両端に設けられた分配流路１２の間には、複数本の平行な凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂによって構成されるストレート型の複数のガス流路１０（および冷却水流路３６）が設けられている（図６参照）。分配流路１２には、ガス流路１０のある面に向かって突出する突起２３ａ、および冷却水流路３６のある面の側に突出する突起２４ａの裏面に形成されるディンプル２４ｂが交互に配置されている（図６、図７参照）。また、分配流路１２およびストレート型のガス流路１０には、ガス流路１０に平行な２列のガス遮蔽凸部１８が互いにオフセットした状態で設けられることにより、２箇所の折り返し部１９を有するサーペンタイン型の流路が形成されている（図６参照）。リブ状に形成されているガス遮蔽凸部１８の折り返し部１９側への延長上には凸部２２ａと凹部２２ｂとが交互に形成されており、凸部２２ａと凸部２２ａの隙間、あるいはこれら延長上に複数並ぶ凸部２２ａの外側を通ってガス（酸化ガスまたは燃料ガス）が流れるようになっている（図６参照）。また、複数のガス流路１０の裏面側には冷却水流路３６が形成されており（ただし図６と図７では冷却水流路の図示を省略）、ガス流路１０のガス入口と出口、および冷却水流路３６の冷却水入口と出口にはそれぞれ上記の分配流路１２が設けられていることになる。

このようなサーペンタイン型のセパレータ２０においても、本実施形態では、ガス流路１０（および冷却水流路３６）と分配流路１２との境界部において、凸部２１ａの末端位置と凹部２１ｂの末端位置とがずれた構造としている。つまり、流体流路流路（ガス流路１０および冷却水流路３６）の流れ方向に垂直な線に対して凸リブ２１ａの末端と凹溝２１ｂの末端の位置とを異ならせるようにしている（図７等参照）。

ここで、本実施形態では、第１の実施形態にて説明したのと同様、凹溝２１ｂの全長（Ｌ２）を凸リブ２１ａの全長（Ｌ１）よりも長くする構造とし、凹溝２１ｂへのガス入口部にガス導入部１３ａ、ガス出口部にガス排出部１３ｂをそれぞれ形成することとしている（図７等参照）。こうした場合、分配流路１２を流れるガスは、このガス導入部１３ａを通じてガス流路１０へと導入されやすくなるために、当該分配流路１２とガス流路１０との境界部分における圧損が低減されることになる。また、このように凸リブ２１ａと凹溝２１ｂの形状ないしは構造にいわば位相を設けることにより、特に凸リブ２１ａや凹溝２１ｂの立ち上がり部分（別の表現をすればガス導入部１３ａやガス排出部１３ｂの付近の部分）における凹凸の段差が半分程度にまで減少し、その結果としてセパレータ２０の成形性が向上することは上述した実施形態の場合と同様である。

＜参考形態＞
ここまで、サーペンタイン型のセパレータ２０においてガス（水素ガスあるいは燃料ガス）の導入部１３ａまたはガス排出部１３ｂを形成する場合の態様を示したが、同じサーペンタイン型のセパレータ２０において、冷却水の導入部１４ａ等を形成することもできる。つまり、例えば上述した参考形態と同様、凸リブ２１ａの全長がＬ１であるのに対して凹溝２１ｂの全長をこれよりも短いＬ２とし、凸リブ２１ａの末端のほうが凹溝２１ｂの末端よりも分配流路１２側に位置している構造とすることができる（図８、図９参照）。このようなセパレータ２０は、ガス流路１０のある側からみると広い導入領域を有するガス導入部１３ａは形成されていないものの（図９等参照）、ガス流路１０の裏の面、つまり冷却水流路３６側の面からみると、逆の構造になっているという利点を挙げることができる。すなわち、冷却水側においては上述の実施形態にて説明したガス導入部１３ａと同様の冷却水導入部（例えば図５中では符号１４ａで示している）が形成されている。したがって、このような構造のセパレータ２０によれば、冷却水側の線状流路と分配流路１２との境界部分における差圧を抑え、圧損を低減することが可能となる。

以上、ここまで、燃料電池１を構成するセパレータ２０に関し、凸リブ２１ａとこれに隣接する凹溝２１ｂとのそれぞれの末端位置をずらした構造について種々の実施形態を説明した。以上のセパレータ２０によれば、いずれにおいても、ガス導入部１３ａあるいは冷却水導入部１４ａを通じてガスまたは冷却水が線状流路へと導入されやすくなるため、分配流路１２と線状流路との境界部分における圧損が低減するという効果が得られる。

しかも、ここまで説明した各セパレータ２０によれば、圧損低減という効果のみならず、当該セパレータ２０の成形性が向上するという効果も得られる。すなわち、従来構造の場合には凸リブの末端位置と凹溝の末端位置とが揃っていたため、当該末端位置における凹凸の段差が大きかったことから、成形時において当該末端位置の付近にて肉が寄りきらなかったり、これによって皺が大きくなったりすることがあった。このため、成形の際に高い精度が要求され、コストが高くなることもあった。これに対し、末端位置をずらす構造とした本実施形態の場合には、凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂの末端位置における凹凸差が抑えられるために従来構造よりも肉が寄りやすい。このため、皺が生じにくく、末端位置付近における割れも生じにくいという利点がある。この結果、成形に際して従来ほどの厳しい精度は必要なく、セパレータ２０の成形性が向上するという効果が得られる。

このような成形性向上という効果、またはこれに起因する効果についてさらに詳述すると以下のとおりである。

すなわち、第一として、従来のセパレータの場合、その周辺部が平坦で中央部に凹凸部からなる複数のガス溝を有し、溝端部において、凹凸部の傾斜角を一本おきないしは４本おきに緩急差を設け、このうちの緩斜面（緩い傾斜面）に形成される空間を使ってガスを折り返しつつ、当該ガスが下流側へと短絡するのを抑制した構造のものがある（例えば特開２００２−２５５８６号公報等）。また、ガス流路の横断面において、外側の面は平坦部を有し、折り曲げ部（以下、肩あるいは肩部ともいう）の曲率半径Ｒは一定で、上底部および下底部の全体も一定の曲率半径となっている場合がある。

ところがこのような構造だと、ガス折り返し部分およびその周辺部におけるシール性の確保が難しく、ガスリークを完全に解消することが困難であるため、連続的な溝の構成、あるいはそのような機能の確保ができず所望の性能が得られないことがある。例えば、板厚が０．１ｍｍといった極薄板を成形する場面では、成形品の肩部に対する型の肩半径（肩Ｒ）をゼロとしても、成形品の外形上、肩Ｒは板厚の２倍以上となることから、この部位は細身となって鋭角状となる結果、シール板を用いて完全にシールすることが非常に困難である。しかも、互いに当接している部材の材質が異なれば線膨張係数が異なり、尚かつシール板の劣化などが加わればシール性が確保できなくなる。こうした場合、ガス折り返し部のガス抜け等の影響が大きくなり、発電むらが生じることもある。

これに対し、本実施形態のセパレータ２０の場合には、上述したように凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂの末端位置の位相を異ならせているために段差が小さく、凹凸差が抑えられるために従来構造よりも成形しやすい。これによれば、従来構造のように肩部が細身となって鋭角状となるのが抑えられるから、ガスのシール性に優れるという利点がある。したがって、ガス折り返し部のガス抜け等の影響も少なく、発電むらが生じるのを抑えることが可能である。

第二として、従来構造の場合にはガス折り返し部における緩斜面部でガスが急激にターンするため圧損が高くなり、また例えばサーペンタイン型であれば流路内のターン数も多くなるので流路全体の圧損が非常に高くなることがある。つまり、ガス折り返し部ではインコース側での流速が大で圧損も高くなるため、斜面部周辺におけるガス流れ差が大きく、特に当該斜面部の肩部にてガス流れが最大となることがある。この場合、ＭＥＡがこの高速下での圧損で他部位に比べダメージを受け、耐久性に劣ってしまうことがある。また、このように流路全体での圧損が非常に高いと、ガス供給ユニットの供給能力も所定以上のものが必要となるから、この結果として燃料電池システム全体としての効率が低下することになる。さらに、サーペンタイン型等であればほぼ一筆書きの連続流路が形成されているため、高負荷条件下で生成水が増大すること、閉塞が生じた場合に差圧を大きくして閉塞解消を図ること、といった問題が生じるため、供給能力がさらに大きな供給ユニットが必要となることもある。

これに対し、本実施形態のセパレータ２０の場合には、上述したように凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂの末端位置の位相を異ならせている結果、特に線状流路と分配流路１２の境界部における圧損を低減させることが可能となっている。このため、ガス折り返し部あるいは流路全体としての圧損が高くなるのも抑制される結果、従来構造のようにＭＥＡがダメージを受けるようなことがない。また、従来よりも供給能力の低いガス供給ユニットを利用することも可能となるから、燃料電池システム全体としての効率を向上させることもできることとなる。

第三として、従来構造の場合には、ガス折り返し部の斜面部におけるガス短絡を抑制する観点からすれば、当該斜面形状はできるだけ丸みの少ない鋭角形状（直角のような形状）が必要で、しかも折り返し形状も必要である。しかし、実際には、当該折り返し部の斜面部の根元部においては材料が圧縮され、その応力のために皺や反りが生じやすいために、成形時の薄肉化や破断、成形歪が避けられないという問題もある。このため、従来法の場合、細かな溝ピッチ（例えば０．１ｍｍ程度の板圧ｔの１０倍程度）では凸部の肩部における破断・薄肉化や、根元部の皺などを理由としてプレス化が困難であった。

これに対し、本実施形態のセパレータ２０の場合には、上述したように凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂの末端位置における凹凸差が抑えられるために従来構造よりも肉が寄りやすく、また皺が生じにくく、末端位置付近における割れも生じにくい。このため、成形に際して薄肉化や破断、成形歪などが生じるのを抑制することが可能となっている。また、この結果として、従来構造のような連続したガス流路の場合であっても細かな溝ピッチのプレス成形を行うことが可能となり、セパレータ２０の溝形状の自由度が向上するという効果も得られる。

さらに、第四として、ガスの短絡を抑制するための凸部よりもガス折り返し部の肩部Ｒが小となっていることがあり、この場合、ＭＥＡ挟持寸法（ＭＥＡを挟み込む際の幅）が大きくなることがある。このようにＭＥＡの挟持寸法が大きくなると、当該燃料電池１の環境差によってはＭＥＡの拡散層の剥離や触媒の脱落などが生じることがあり、当該ＭＥＡの性能や耐久性が著しく低下するという問題もあった。

これに対し、本実施形態のセパレータ２０の場合には、上述したように凸リブ２１ａおよび凹溝２１ｂの末端位置の位相を異ならせている結果、ガス折り返し部の肩部Ｒの位置が同一となり挟持寸法が過大となるのを抑えることが可能である。この結果、ＭＥＡの挟持寸法を最小化することが可能となるから、当該ＭＥＡの耐久性が劣化するのを抑制できるという効果もある。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では表裏一体型のセパレータ２０を例示して説明したがこれは好適な形態の一例に過ぎず、これ以外の構造、つまり表裏一体型でない構造のセパレータである場合にも本発明を適用することは可能である。

また、上述した実施形態では金属製のセパレータ（メタルセパレータ）を例示して説明したが、本発明の適用対象がこれに限定されるということではなく、例えばカーボンセパレータなど他の種類のセパレータにおいても本発明を適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態におけるセパレータの構造例を表す図で、当該セパレータの平面図、およびＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線におけるそれぞれの断面図を記したものである。 図１に示したセパレータにおける酸化ガス入口側マニホールド付近の構造を拡大して示す平面図と断面図である。 本発明の第１の実施形態における凸リブおよび凹溝の末端付近の構造を示す図で、（Ａ）平面図、（Ｂ）と（Ｃ）はＢ−Ｂ線における断面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ線における断面図である。 本発明の第１の実施形態における凸リブおよび凹溝の末端付近の構造を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態における凸リブおよび凹溝の末端付近の構造を示す図で、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ線における断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線における断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるセパレータの構造例を表す平面図である。 図６に示したセパレータにおける酸化ガス入口側マニホールド付近の構造を拡大して示す図である。 本発明の第４の実施形態におけるセパレータの構造例を表す平面図である。 図８に示したセパレータにおける酸化ガス入口側マニホールド付近の構造を拡大して示す図である。 ＭＥＡとセパレータとを積層した場合の線状流路部分の構造例を示す断面図である。 ＭＥＡとセパレータとを積層した場合の分配流路部分の構造例を示す断面図である。 本発明の各実施形態における燃料電池の単セルを分解して示す分解斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池、１０…ガス流路、１２…分配流路、１３ａ…ガス導入部、１４ａ…冷却水導入部、１９…流体の折り返し部、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、２１ａ…凸リブ（凸部）、２１ｂ…凹溝（凹部）、２３ａ…反応ガスの分配流路に形成されている突起、２４ａ…冷却水の分配流路に形成されている突起、３０…ＭＥＡ、３１…電解質膜（電解質）、３２ａ…電極、３２ｂ…電極、３６…冷却水流路

Claims (7)

1. 反応ガスまたは冷却水を流通させるように形成された燃料電池のセパレータにおいて、
   当該セパレータの面に互いに平行に形成された隣接する凸部と凹部とで形成される筋状の流体流路と、
   前記流体流路に向けて導入される流体をこれら流体流路に分配する分配流路と、を備えるとともに、
   前記流体流路を構成する前記凸部の一方の末端の位置と、該凸部の末端側に位置する前記凹部の一方の末端の位置とが当該流体流路の筋方向にずれて位相が異なっており、
   尚かつ、前記凹部の各末端が前記凸部の各末端よりも前記分配流路側に位置し、
   前記分配流路に複数の突起がプレス成形されているとともにこれら複数の突起は金属板上にあり、
   前記流体流路と前記分配流路とが当該セパレータの表面および裏面にそれぞれ形成された表裏一体の構造であって金属製であり、
   前記分配流路は、前記流体の折り返し部、導入部、排出部のいずれかであり、
   前記凸部は凸リブであり、前記凹部は凹溝であり、
   前記凹溝の全長が前記凸リブの全長よりも長い
   ことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
2. 前記凸リブおよび前記凹部の末端に傾斜部が形成されている請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
3. 前記凹部は、反応ガスを流通させるものである請求項１または２に記載の燃料電池のセパレータ。
4. 前記凹部は、冷却水を流通させるものである請求項１または２に記載の燃料電池のセパレータ。
5. 当該セパレータの前記反応ガスが流通する面における前記凸部の反応ガス側突出高さＨ１が、当該セパレータの前記冷却水が流通する裏面における凸部の冷却水側突出高さＨ２よりも高い請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
6. 前記凸部の位置を前記凹部の位置に対して当該流体流路の筋方向に相対的にずらした構造である請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
7. 当該セパレータの表面における凹部の裏側に凸部が形成され、当該セパレータの表面における凸部の裏側に凹部が形成されており、
   当該セパレータの表面における前記凹部のうち、隣接する前記凸部の末端よりも前記分配流路寄りに位置する末端部分を反応ガスの導入部、当該セパレータの裏面における前記凹部のうち、隣接する前記凸部の末端よりも前記分配流路寄りに位置する末端部分を冷却水の導入部とし、前記反応ガスと前記冷却水の流れ方向を当該セパレータの表裏で異ならせている請求項６に記載の燃料電池のセパレータ。

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