JP5293749B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池用セパレータに関する。

燃料電池では、セパレータに凹凸を設け、凹凸を用いて、セパレータの一方の面に反応ガス流路、他方の面に冷却水流路を形成する場合がある。ここで、各セパレータの凹凸の形状は、燃料電池の発電効率に影響を与える。しかし、従来は、燃料電池の発電効率を考慮した各セパレータの凹凸の形状については十分に検討されていなかった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、燃料電池の発電効率を向上させることが可能なセパレータを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、第１のプレートと、第２のプレートと、前記第１、第２のプレートの外縁部に形成された第１の反応ガス供給用の第１のマニホールドと、前記外縁部に形成された第１の反応ガス排出用の第２のマニホールドと、前記外縁部に形成された第２の反応ガス供給用の第３のマニホールドと、前記外縁部に形成された第２の反応ガス排出用の第４のマニホールドと、を備え、前記第１のプレートは、複数の第１の反応ガス流路を形成するための、前記第２のプレート側に突き出る帯状の複数の第１の凸部を有し、前記第２のプレートは、複数の第２の反応ガス流路を形成するための、前記第１のプレート側に突き出る帯状の複数の第２の凸部を有し、前記第１の凸部の頂部は、前記第２のプレートの２つの前記第２の凸部の間に形成される凹部の底と接し、前記第２の凸部の頂部は、前記第１のプレートの２つの前記第１の凸部の間に形成される凹部の底と接し、前記第１の反応ガス流路は、交互に前記第１、第２のマニホールドと接続され、前記第１の反応ガス流路の前記第１、第２のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されており、前記第２の反応ガス流路は、交互に前記第３、第４のマニホールドと接続され、前記第２の反応ガス流路の前記第３、第４のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されている。この形態の燃料電池用セパレータによれば、燃料電池を積層方向の厚さを厚くすることなく、第１の凸部のピッチや、第２の凸部のピッチを広くすることが可能となる。２つの凸部の間は、燃料電池の電気化学反応により生じた水が反応ガスの流れにより除去されやすいので、フラッディングが発生し難く、燃料電池の発電効率が高い。このように凸部のピッチを広くすることにより、燃料電池の発電効率が高い部分の割合を多くして燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。
（２）上記形態の燃料電池用セパレータにおいて、前記第１の凸部の一方の側面と、前記第２の凸部の一方の側面とが接していてもよい。この形態の燃料電池用セパレータによれば、第１のプレートと第２のプレートとの接触面積を広くすることが出来るので、第１のプレートと第２のプレートとの接触抵抗を低くすることが可能となる。その結果、接触抵抗による電圧の低下を抑制することが可能となる。
（３）上記形態の燃料電池用セパレータにおいて、さらに、前記第１、第２のプレートと、膜電極接合体を挟んで反対側に配置される第３、第４のプレートを備え、前記第３のプレートは、複数の第３の反応ガス流路を形成するための、前記第４のプレート側に突き出る帯状の複数の第３の凸部を有し、前記第４のプレートは、複数の第４の反応ガス流路を形成するための、前記第３のプレート側に突き出る帯状の複数の第４の凸部を有し、前記第３の凸部の頂部は、前記第４のプレートの２つの前記第４の凸部の間に形成される凹部の底と接し、前記第４の凸部の頂部は、前記第３のプレートの２つの前記第３の凸部の間に形成される凹部の底と接し、前記第３の反応ガス流路は、交互に前記第３、第４のマニホールドと接続され、前記第３の反応ガス流路の前記第３、第４のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されており、前記第４の反応ガス流路は、交互に前記第１、第２のマニホールドと接続され、前記第４の反応ガス流路の前記第１、第２のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞され、前記第３の凸部と前記第２の凸部とが前記膜電極接合体を挟んで対向し、前記第４の凸部と、前記第１の凸部と、が前記膜電極接合体を挟んで対向していてもよい。この形態の燃料電池用セパレータによれば、第３の凸部と第２の凸部とが対向し、第４の凸部と第１の凸部とが対向しているので、セパレータの強度を向上させることが可能となる。
（４）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この形態の燃料電池は、上記形態のいずれかに記載の燃料電用セパレータと、膜電極接合体と、を備えてもよい。

本発明の第１の適用例は、燃料電池用セパレータであって、第１のプレートと、第２のプレートを備え、前記第１のプレートは、反応ガス流路を形成するための、前記第２のプレート側に突き出る複数の第１の凸部を有し、前記第２のプレートは、反応ガス流路を形成するための、前記第１のプレート側に突き出る複数の第２の凸部を有し、前記第１の凸部の頂部は、前記第２のプレートの２つの前記第２の凸部の間と接し、前記第２の凸部の頂部は、前記第１のプレートの２つの前記第１の凸部の間と接している。

この適用例によれば、燃料電池を積層方向の厚さを厚くすることなく、第１の凸部のピッチや、第２の凸部のピッチを広くすることが可能となる。２つの凸部の間は、燃料電池の電気化学反応により生じた水が反応ガスの流れにより除去されやすいので、フラッディングが発生し難く、燃料電池の発電効率が高い。このように凸部のピッチを広くすることにより、燃料電池の発電効率が高い部分の割合を多くして燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。

本発明の第２の適用例は、適用例１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１の凸部の一方の側面と、前記第２の凸部の一方の側面とが接している。

この適用例によれば、第１のプレートと第２のプレートとの接触面積を広くすることが出来るので、第１のプレートと第２のプレートとの接触抵抗を低くすることが可能となる。その結果、接触抵抗による電圧の低下を抑制することが可能となる。

本発明の第３の適用例は、適用例１または適用例２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、さらに、前記第１、第２のプレートと、膜電極接合体を挟んで反対側に配置される第３、第４のプレートを備え、前記第３のプレートは、反応ガス流路を形成するための、前記第４のプレート側に突き出る複数の第３の凸部を有し、前記第４のプレートは、反応ガス流路を形成するための、前記第３のプレート側に突き出る複数の第４の凸部を有し、前記第３の凸部と前記第２の凸部とが前記膜電極接合体を挟んで対向し、前記第４の凸部と、前記第１凸部と、が前記膜電極接合体を挟んで対向している。

この適用例によれば、第３の凸部と第２の凸部とが対向し、第４の凸部と第１の凸部とが対向しているので、セパレータの強度を向上させることが可能となる。

本発明の第４の適用例は、適用例１から適用例３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、さらに、反応ガス供給用の第１のマニホールドと、反応ガス排出用の第２のマニホールドと、を備え、前記凸部は帯状に複数形成されており、前記凸部により形成される反応ガス流路は、交互に前記第１、第２のマニホールドと接続され、前記凸部により形成される前記反応ガス流路の前記第１，第２のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されている。

この適用例によれば、反応ガスを効率的に膜電極接合体に供給することが可能となる。

本発明の第５の適用例は、燃料電池であって、適用例１から適用例４のいずれかに記載の燃料電用セパレータと、膜電極接合体と、を備える。

本発明の形態は、燃料電池セパレータに限るものではなく、燃料電池セパレータを有する燃料電池等、他の形態に適用することもできる。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の第１の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 アノード側プレートの平面図である。 カソード側プレートの平面図である。 従来の燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 本発明の第２の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 本発明の第３の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 本発明の第４の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。

図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。燃料電池１０は、セパレータ１１と、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、を備える。セパレータ１１は、アノード側セパレータプレート２００（以下「アノード側プレート２００」と呼ぶ。）と、カソード側セパレータプレート３００（以下「カソード側プレート３００」と呼ぶ。）と、を備える。図１では、見やすくするために、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、アノード側プレート２００と、カソード側プレート３００の間隔を少し開けて描画しているが、実際には、これらは互いに接触した状態にある。

膜電極・ガス拡散層接合体１００は、電解質膜１１０と、触媒層１１２、１１４と、ガス拡散層１１６、１１８とを備える。電解質膜１１０は、アノード側で生成されたプロトンを、カソード側に移動させるための膜である。電解質膜１１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。

触媒層１１２、１１４は、それぞれ、電解質膜１１０の表面に形成されている。触媒層１１２、１１４の触媒として、例えば、白金触媒や、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。触媒は、例えばカーボン粒子上に担持され、電解質膜１１０の表面に塗布されて、触媒層１１２、１１４を形成している。なお、電解質膜１１０と触媒層１１２、１１４とを合わせて、「膜電極接合体１１５」と呼ぶ。

ガス拡散層１１６、１１８は、それぞれ、触媒層１１２、１１４の外側に配置されている。ガス拡散層１１６、１１８として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。また、ガス拡散層１１６、１１８として、金属製や樹脂製の多孔体を用いることも可能である。

図２は、アノード側プレートの平面図である。図２は、図１に示すカソード側プレート３００側からアノード側プレート２００を見た状態を示している。アノード側プレート２００は、例えば、金属で形成された、略四角形形状の部材である。アノード側プレート２００は、外縁部に開口部２０１〜２０６を備える。これらの開口部２０１〜２０６は、反応ガスや冷媒を供給、排出するためのマニホールド１０１〜１０６を形成する。

アノード側プレート２００は、中央部に複数の凸部２１０を備える。凸部２１０は、帯状形状を有しており、図２の手前側（図１に示すカソード側プレート３００側）に突き出ている。各凸部２１０は、ほぼ平行に形成されている。凸部２１０の膜電極・ガス拡散層接合体１００側に、燃料ガス流路４１１、４１２（図１）が形成されている。図２に示すように、燃料ガス流路４１１の一方の端は、マニホールド１０１に接続され、他方の端部４１３は閉塞されている。マニホールド１０１は、燃料ガス供給用のマニホールドとして機能し、燃料ガス流路４１１は、燃料ガス供給用のガス流路として機能する。燃料ガス流路４１２の一方の端は、マニホールド１０２に接続され、他方の端部４１４は閉塞されている。マニホールド１０２は、燃料ガス排出用のマニホールドとして機能し、燃料ガス流路４１２は、燃料ガス排出用のガス流路として機能する。燃料ガス流路４１１、４１２は、櫛歯形状が噛み合うように、交互に設けられている。凸部２１０から見て、膜電極・ガス拡散層接合体１００側に凹んだ部分を凹部２１５と呼ぶ。

図３は、カソード側プレートの平面図である。３２は、図１に示すアノード側プレート２００側からカソード側プレート３００側を見た状態を示している。カソード側プレート３００は、例えば、金属で形成された、略四角形形状の部材である。カソード側プレート３００は、外縁部に開口部３０１〜３０６を備える。これらの開口部３０１〜３０６は、反応ガスや冷媒を供給、排出するためのマニホールド１０１〜１０６を形成する。

カソード側プレート３００は、中央部に複数の凸部３１０を備える。凸部３１０は、帯状形状を有しており、図３の手前側（図１に示すアノード側プレート２００側）に突き出ている。各凸部３１０は、ほぼ平行に形成されている。凸部３１０の膜電極・ガス拡散層接合体１００側に酸化ガス流路４２１、４２２（図１）が形成されている。図３に示すように、酸化ガス流路４２１の一方の端は、マニホールド１０３に接続され、他方の端部４２３は閉塞されている。マニホールド１０３は、酸化ガス供給用のマニホールドとして機能し、酸化ガス流路４２１は、酸化ガス供給用のガス流路として機能する。酸化ガス流路４２２の一方の端は、マニホールド１０４に接続され、他方の端部４２４は閉塞されている。マニホールド１０４は、酸化ガス排出用のマニホールドとして機能し、酸化ガス流路４２２は、酸化ガス排出用のガス流路として機能する。酸化ガス流路４２１、４２２は、櫛歯形状が噛み合うように、交互に設けられている。凸部３１０から見て、膜電極・ガス拡散層接合体１００側に凹んだ部分を凹部３１５と呼ぶ。

図１に示すように、アノード側プレート２００の凸部２１０は、カソード側プレート３００の凹部３１５と接し、カソード側プレート３００の凸部３１０は、アノード側プレート２００の凹部２１５と接している。凹部２１５と凹部３１５の間に冷媒流路４３０が形成されている。

図２に示すように、アノード側プレート２００のカソード側プレート３００側には、ガスケット５１０が配置されている。なお、図２においては、図示の便宜上、ガスケット５１０のシール用リブの位置のみが一点鎖線で描かれている。ガスケット５１０は、開口部２０１〜２０６と凸部２１０全体とを囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５１０は、アノード側プレート２００の面方向への冷媒の漏れを抑制する。また、ガスケット５１０は、開口部２０１〜２０４をそれぞれ囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５１０は、アノード側プレート２００の面方向への燃料ガスや酸化ガスの漏れを抑制する。

アノード側プレート２００の膜電極・ガス拡散層接合体１００側には、ガスケット５２０（破線で示す）が配置されている。ガスケット５２０は、開口部２０１〜２０６と凸部２１０全体とを囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５２０は、アノード側プレート２００の面方向への燃料ガスの漏れを抑制する。また、ガスケット５２０は、開口部２０３〜２０６をそれぞれ囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５２０は、アノード側プレート２００の面方向への酸化ガスや冷媒の漏れを抑制する。

図３に示すように、カソード側プレート３００の膜電極・ガス拡散層接合体１００側には、ガスケット５３０（シール用リブの位置を破線で示す）が配置されている。ガスケット５３０は、開口部３０１〜３０６と凸部３１０全体とを囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５２０は、カソード側プレート３００の面方向への酸化ガスの漏れを抑制する。また、ガスケット５３０は、開口部３０１、３０２、３０５、３０６をそれぞれ囲うシール用リブを有している。このシール用リブにより、ガスケット５３０は、カソード側プレート３００の面方向への燃料ガスや冷媒の漏れを抑制する。

なお、図３においては、ガスケット５１０のシール用リブの位置が一点鎖線で描かれている。このガスケット５１０は、図２に示す、アノード側プレート２００のカソード側プレート３００側に配置されているガスケット５１０と同一のものである。すなわち、ガスケット５１０は、アノード側プレート２００とカソード側プレート３００との間に配置されている。
図４は、従来の燃料電池の断面の一部を示す説明図である。従来の燃料電池２０（以下「従来例」と呼ぶ）は、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、アノード側プレート２８０と、カソード側プレート３８０とを備える。アノード側プレート２８０は、カソード側プレート３８０側が凸となる凸部２８５を備え、カソード側プレート３８０は、アノード側プレート２８０側が凸となる凸部３８５を備えている。

従来例と、第１の実施例との違いは、凸部２８５と凸部３８５の位置や大きさにある。従来例では、凸部２８５と凸部３８５とが対向し、凸部２８５の頂部と凸部３８５の頂部とが接している。また、従来例では、凸部２８５、３８５のピッチＹ２や高さＨ２（図４）が、第１の実施例における凸部２１０、３１０のピッチＹ１や高さＨ１（図１）と異なっている。具体的には、第１の実施例のピッチＹ１（図１）は、従来例の凸部２８５、３８５のピッチＹ２（図４）の２倍である。また、第１の実施例の凸部２１０、３１０の高さＨ１（図１）は、従来例の凸部２８５、３８５の高さＨ２（図４）の２倍である。
図１に示す第１の実施例は、凸部２１０、３１０のピッチをＹ１（＝２＊Ｙ２）、高さをＨ１（＝２＊Ｈ２）とすることにより、従来例と、反応ガス流路の断面積を同じにすることができ、同量の反応ガスを供給することが可能である。

次に、ガス拡散層１１８における酸化ガスの流れについて検討する。第１の実施例と従来例において、ガス拡散層１１８とカソード側プレート３００、３８０とが接しない非接触部分１１８ａ、１１８ｃの幅は、いずれもＸ１であり、同じ幅である（図１、図４）。しかし、第１の実施例におけるガス拡散層１１８とカソード側プレート３００とが接する接触部分１１８ｂの幅は、Ｘ２（図１）であり、従来例におけるガス拡散層１１８とカソード側プレート３８０とが接する接触部分１１８ｄの幅は、Ｘ３（図４）であり、両者は、異なっている。ここで、Ｘ２＞Ｘ３である。

ガス拡散層１１８とカソード側プレート３００、３８０とが接しない非接触部分１１８ａ、１１８ｃでは、酸化ガスが移動し難いため、燃料電池の電気化学反応により生成した水が除去され難く、フラッディングが発生しやすい。そのため、燃料電池の運転を開始してしばらくすると、フラッディングにより酸素の供給が妨げられるので、燃料電池の発電効率が落ちる。一方、ガス拡散層１１８とカソード側プレート３００、３８０とが接する接触部分１１８ｂ、１１８ｄでは、酸化ガス流路４２１に供給された酸化ガスは、ガス拡散層１１８の接触部分１１８ｂや１１８ｄを通り、酸化ガス流路４２２に流れる。このとき、接触部分１１８ｂや１１８ｄにたまっていた生成水を、酸化ガスの流れにより取り除くことが可能である。すなわち、接触部分１１８ｂ、１１８ｄでは、フラッディングが発生し難く、燃料電池の発電効率を高くすることが可能である。

ここで、第１の実施例において、非接触部分１１８ａの幅に対して接触部分１１８ｂの幅が占める割合は、従来例において、非接触部分１１８ｃの幅に対して接触部分１１８ｄの幅が占める割合よりも大きい。したがって、従来例よりも燃料電池の発電効率が高い接触部分１１８ｂの割合が高いので、第１の実施例の方が、従来例よりも燃料電池１０の発電効率を高めることが可能である。

また、第１の実施例では、図２、図３に示したように、燃料ガス流路４１１、４１２や酸化ガス流路４２１、４２２は交互に配置され、一方の端部が閉塞されている。そのため、燃料ガス流路４１１に供給された燃料ガスは、ガス拡散層１１６を通って燃料ガス流路４１２に流れる。また、酸化ガス流路４２１に供給された酸化ガスは、ガス拡散層１１８を通って酸化ガス流路４２２に流れる。すなわち、燃料ガスや、酸化ガスは、必ずガス拡散層１１６や１１８（接触部分１１８ｂ）を通過するので、効率的に膜電極接合体１１５に燃料ガスや、酸化ガスを供給することが可能となる。

なお、従来例の構造でも、凸部３８５のピッチを２倍にすれば、接触部分１１８ｄの幅を広げ、第１の実施例と同じように燃料電池５０の発電効率を高めることが可能である。しかし、従来例の構造を採用した場合、酸化ガスの供給量を同じにするためには、凸部３８５の高さを２倍にする必要がある。そうすると、燃料電池５０の積層方向の大きさが大きくなるという問題が発生する。すなわち、第１の実施例によれば、燃料電池１０の積層方向の大きさを変えることなく、燃料電池１０の発電効率を向上させることが可能である。

図５は、本発明の第２の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。第２の実施例に係る燃料電池２０は、セパレータ２１と、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、を備える。セパレータ２１は、アノード側プレート２２０と、カソード側プレート３２０と、を備える。第２の実施例のアノード側プレート２２０と、カソード側プレート３２０は、第１の実施例のアノード側プレート２００と、カソード側プレート３００と比較すると、凸部２２５、３２５の位置が異なっている。すなわち、第２の実施例では、アノード側プレート２２０、カソード側プレート３２０の凸部２２５、３２５の位置を凸部２２５、３２５の並び方向にシフトさせ、凸部２２５の側面２２２と、凸部３２５の側面３２２とを接触させている。これにより、アノード側プレート２２０とカソード側プレート３２０の間の接触抵抗を小さくすることが可能となる。すなわち、第２の実施例によれば、アノード側プレート２２０とカソード側プレート３２０の間の接触抵抗による損失（接触抵抗による電圧の低下）を低減することが可能となり、従来例に比べ、燃料電池２０の発電効率を向上させることが可能となる。また、第２の実施例では、断面積に比べて周囲長が短いので、冷媒流路４３０の圧力損失を低減することが可能となる。

図６は、本発明の第３の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。第３の実施例に係る燃料電池３０は、セパレータ１１、３１と、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、を備える。セパレータ１１は、アノード側プレート２００とカソード側プレート３００と、を備え、セパレータ３１は、アノード側プレート２４０と、カソード側プレート３００、３４０と、を備える。膜電極・ガス拡散層接合体１００とセパレータ１１（第１のアノード側プレート２００と第１のカソード側プレート３００）の構成は第１の実施例の構成と同じである。

第２のアノード側プレート２４０と第２のカソード側プレート３４０は、膜電極・ガス拡散層接合体１００を間に挟んで、第１のアノード側プレート２００と第１のカソード側プレート３００の隣に配置されている。第２のアノード側プレート２４０は、凸部２４５と凹部２５０を備え、第２のカソード側プレート３４０は、凸部３４５と凹部３５０を備える。ここで、第２のアノード側プレート２４０における凸部２４５と凹部２５０は、第１のアノード側プレート２００における凸部２１０と凹部２１５に対応し、第２のカソード側プレート３４０における凸部３４５と凹部３５０は、第１のカソード側プレート３００における凸部３１０と凹部３１５に対応するものである。

第１のアノード側プレート２００と第２のカソード側プレート３４０とは、凸部２１０と凸部３４５とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置され、凹部２１５と凹部３５０とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置されている。また、第２のアノード側プレート２４０と第１のカソード側プレート３００とは、凸部３１０と凸部２４５とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置され、凹部３１５と凹部２５０とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置されている。この様に配置すると、凸部２１０の頂部と凸部３４５の頂部同士、凸部２４５と凸部３１０頂部同士、あるいは、凹部２１５と凹部３５０の底同士、凹部２５０と凹部３１５の底同士が、膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するので、アノード側プレート２００、２４０、カソード側プレート３００、３４０を折り曲げる力は、相殺されるため、掛からない。その結果、燃料電池３０の強度を向上させることが可能となる。そのため、例えば、アノード側プレート２００、２４０、カソード側プレート３００、３４０の厚さを薄くすることも可能であり、燃料電池の軽量化を実現することが可能となる。

また、第３の実施例によれば、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向が対向している。ここで、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向を同じにすると、燃料ガスや酸化ガスの供給側（上流側）では、燃料電池の反応性が高く、生成する水が多いが、下流側では、生成する水の量が相対的に少ない。従って、生成する水のバランスが悪い。一方、第３の実施例のように、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向が対向させると、反応ガスの流れの上流、中流、下流における燃料電池の反応性をほぼ同等にできるので、生成する水のバランスを良くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。

図７は、本発明の第４の実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。第４の実施例に係る燃料電池４０は、セパレータ２１、４１と、膜電極・ガス拡散層接合体１００と、を備える。セパレータ２１は、アノード側プレート２２０と、カソード側プレート３２０とを備え、セパレータ４１は、アノード側プレート２６０と、カソード側プレート３６０と、を備える。膜電極・ガス拡散層接合体１００とセパレータ２１（第１のアノード側プレート２２０と第１のカソード側プレート３２０）の構成は第２の実施例の構成と同じである。

第４の実施例は、第３の実施例と、凸部２２５、２６５、３２５、３６５の位置が異なっている。具体的には、第１の実施例に対する第２の実施例のように、凸部２２５、２６５、３２５、３６５を、凸部２２５、２６５、３２５、３６５の並び方向にシフトさせ、凸部２２５の側面２２２と、凸部３２５の側面３２２とを接触させ、凸部２６５の側面２６２と、凸部３６５の側面３６２とを接触させている。これにより、アノード側プレート２２０とカソード側プレート３２０の間の接触抵抗、及びアノード側プレート２６０とカソード側プレート３６０の間の接触抵抗を小さくすることが可能となる。よって、接触抵抗による損失（接触抵抗による電圧の低下）を低減することが可能となり、従来例に比べ、燃料電池２０の発電効率を向上させることが可能となる。

また、第１のアノード側プレート２２０と第２のカソード側プレート３６０とは、凸部２２５と凸部３６５とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置され、凹部２３０と凹部３７０とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置されている。また、第２のアノード側プレート２６０と第１のカソード側３２０とは、凸部２６５と凸部３２５とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置され、凹部２７０と凹部３３０とが膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するように配置されている。この様に配置すると、凸部２２５の頂部と凸部３６５の頂部同士、凸部２６５と凸部３２５頂部同士、あるいは、凹部２３０と凹部３７０の底同士、凹部２７０と凹部３３０の底同士が、膜電極・ガス拡散層接合体１００を挟んで対向するので、アノード側プレート２２０、２６０、カソード側プレート３２０、３６０を折り曲げる力は、相殺されるため、掛からない。その結果、燃料電池４０の強度を向上させることが可能となる。このように、第４の実施例によれば、接触抵抗低減による発電効率の向上と、燃料電池４０の強度の向上の両立が可能となる。また、第４の実施例によれば、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向が対向するので、電気化学反応により生成する水のバランスを良くすることができ、発電効率を向上させることが可能となる。さらに、第４の実施例では、断面積に比べて周囲長が短いので、冷媒流路４３０の圧力損失を低減することが可能となる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０、２０、３０、４０、５０…燃料電池
１１、２１、３１、４１…セパレータ
１００…ガス拡散層接合体
１０１、１０２、１０３、１０４…マニホールド
１１０…電解質膜
１１２…触媒層
１１５…膜電極接合体
１１６、１１８…ガス拡散層
１１８ａ、１１８ｃ…非接触部分
１１８ｂ、１１８ｄ…接触部分
２００…アノード側プレート（アノード側セパレータプレート）
２０１、２０３…開口部
２１０、２２５、２４５、２６５、２８５…凸部
２１５、２３０、２５０、２７０…凹部
２２０、２４０、２６０、２８０…アノード側プレート
２２２、２６２…側面
３００…カソード側プレート（カソード側セパレータプレート）
３０１…開口部
３１０、３２５、３４５、３６５、３８５…凸部
３１５、３３０、３５０、３７０…凹部
３２０、３４０、３６０、３８０…カソード側プレート
３２２、３６２…側面
３８５…凸部
４１１、４１２…燃料ガス流路
４１３、４１４…端部
４２１、４２２…酸化ガス流路
４２３、４２４…端部
４３０…冷媒流路
５１０、５２０、５３０…ガスケット
Ｙ１、Ｙ２…ピッチ

Claims (4)

1. 燃料電池用セパレータであって、
   第１のプレートと、
   第２のプレートと、
   前記第１、第２のプレートの外縁部に形成された第１の反応ガス供給用の第１のマニホールドと、
   前記外縁部に形成された第１の反応ガス排出用の第２のマニホールドと、
   前記外縁部に形成された第２の反応ガス供給用の第３のマニホールドと、
   前記外縁部に形成された第２の反応ガス排出用の第４のマニホールドと、
   を備え、
   前記第１のプレートは、複数の第１の反応ガス流路を形成するための、前記第２のプレート側に突き出る帯状の複数の第１の凸部を有し、
   前記第２のプレートは、複数の第２の反応ガス流路を形成するための、前記第１のプレート側に突き出る帯状の複数の第２の凸部を有し、
   前記第１の凸部の頂部は、前記第２のプレートの２つの前記第２の凸部の間に形成される凹部の底と接し、
   前記第２の凸部の頂部は、前記第１のプレートの２つの前記第１の凸部の間に形成される凹部の底と接し、
   前記第１の反応ガス流路は、交互に前記第１、第２のマニホールドと接続され、
   前記第１の反応ガス流路の前記第１、第２のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されており、
   前記第２の反応ガス流路は、交互に前記第３、第４のマニホールドと接続され、
   前記第２の反応ガス流路の前記第３、第４のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されている、燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記第１の凸部の一方の側面と、前記第２の凸部の一方の側面とが接している、燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、さらに、
   前記第１、第２のプレートと、膜電極接合体を挟んで反対側に配置される第３、第４のプレートを備え、
   前記第３のプレートは、複数の第３の反応ガス流路を形成するための、前記第４のプレート側に突き出る帯状の複数の第３の凸部を有し、
   前記第４のプレートは、複数の第４の反応ガス流路を形成するための、前記第３のプレート側に突き出る帯状の複数の第４の凸部を有し、
   前記第３の凸部の頂部は、前記第４のプレートの２つの前記第４の凸部の間に形成される凹部の底と接し、
   前記第４の凸部の頂部は、前記第３のプレートの２つの前記第３の凸部の間に形成される凹部の底と接し、
   前記第３の反応ガス流路は、交互に前記第３、第４のマニホールドと接続され、
   前記第３の反応ガス流路の前記第３、第４のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞されており、
   前記第４の反応ガス流路は、交互に前記第１、第２のマニホールドと接続され、
   前記第４の反応ガス流路の前記第１、第２のマニホールドと接続される側と反対側の端部が閉塞され、
   前記第３の凸部と前記第２の凸部とが前記膜電極接合体を挟んで対向し、前記第４の凸部と、前記第１の凸部と、が前記膜電極接合体を挟んで対向している、燃料電池用セパレータ。
4. 燃料電池であって、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電用セパレータと、
   膜電極接合体と、
   を備える燃料電池。

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