(57)【要約】【課題】  接触抵抗の低減を図り導電性を高めると共に部品点数の大幅な削減を実現することのできるセパレータを提供することを目的とする。【解決手段】  第１の金属板１６と、この第１の金属板１６に対して所定間隔を置いて対向配置された第２の金属板１７と、これら第１の金属板１６と第２の金属板１７との間に複数配置されると共にこれら金属板１６，１７同士を導通させる仕切部材１８とを備える。そして、本発明に係るセパレータ１５は、少なくとも発電に寄与する領域に流路を構成する凹条部２５と凸条部２６を交互に複数形成しており、一方の面に形成された流路を、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２７とし、他方の面に形成された流路を、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２８とし、さらに、前記仕切部材１８によって形成された流路を、冷却水が流通する冷媒流路２９としている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属板と、この第１の金属板に対して所定間隔を置いて対向配置された第２の金属板と、これら第１の金属板と第２の金属板との間に複数配置されると共にこれら金属板同士を導通させる仕切部材とを備え、
少なくとも発電に寄与する領域に流路を構成する凹条部と凸条部を交互に複数形成しており、一方の面に形成された流路を、燃料ガスが流通する燃料ガス流路とし、他方の面に形成された流路を、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路とし、さらに、前記仕切部材によって形成された流路を、冷却水が流通する冷媒流路とした
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のセパレータであって、
前記燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路と交差して前記冷媒流路を設けた
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセパレータであって、
前記仕切部材は、屈曲脆弱部を有した金属板からなる
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のセパレータであって、
前記仕切部材は、お互いに接して配置される金属パイプからなる
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載のセパレータであって、
前記仕切部材は、所定間隔を置いて配置された中実金属棒からなる
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項６】
請求項１に記載のセパレータであって、
前記冷媒流路をハニカム構造とした
ことを特徴とするセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を構成するセパレータに関し、詳細には、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路と交差する方向に冷媒流路を形成した、新規なセパレータに関する。  
【背景技術】
【０００２】
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。
【０００３】
かかる薄板金属セパレータを用いた燃料電池としては、例えば、接合体（固体高分子電解質膜）を挟んでその一方の面に、凹凸形状の流路を形成した第１セパレータを配置し、他方の面に、やはり凹凸形状の流路を形成した２枚のセパレータで板ばねを挟んだ積層構造とした第２セパレータを配置してなる、単セルの複数個を積層した構造としている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６７６６５号公報（第２頁および第３頁、第５図および第図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池では、単セル自体の厚みが厚いため、単位体積当たりの出力が低下する。また、この燃料電池では、単セルの部品点数が多いことから、それら構成部品間の接触抵抗が増大し、導電性の向上が困難である。さらに、かかる燃料電池では、部品点数増加によるコストアップや重量増加の課題が残る。
【０００５】
そこで、本発明は、接触抵抗の低減を図り導電性を高めると共に部品点数の大幅な削減を実現することのできるセパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のセパレータは、第１の金属板と、この第１の金属板に対して所定間隔を置いて対向配置された第２の金属板と、これら第１の金属板と第２の金属板との間に複数配置されると共にこれら金属板同士を導通させる仕切部材とを備える。
【０００７】
そして、本発明に係るセパレータは、少なくとも発電に寄与する領域に流路を構成する凹条部と凸条部を交互に複数形成しており、一方の面に形成された流路を、燃料ガスが流通する燃料ガス流路とし、他方の面に形成された流路を、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路とし、さらに、前記仕切部材によって形成された流路を、冷却水が流通する冷媒流路としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセパレータによれば、第１の金属板と第２の金属板との間に複数配置した仕切板によって形成された流路を、冷却水が流通する冷媒流路としているので、１つのセパレータで燃料ガス流路と酸化剤ガス流路及び冷媒流路を持つことができる。
【０００９】
したがって、本発明のセパレータを高分子電解質膜を挟んで燃料電池単セルを構成し、その燃料電池単セルの複数個を積層すれば、燃料電池単セルの積層ピッチの縮減を図ることができると共に接触抵抗も減らせるので、単位体積当たりの起電力を高めることができ、燃料電池全体としての出力を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【００１２】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１３】
この燃料電池スタック１においては、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータに形成された流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１４】
また、この燃料電池スタック１では、各燃料電池単セル２のセパレータに形成された冷媒流路に冷却水を流通させるための冷却水導入口１２と冷却水排出口（図示は省略する）を、当該燃料電池スタック１の上面及び下面に設けられたタンク部１３に形成している。
【００１５】
燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、燃料電池スタック１の上面に設けられたタンク部１３の冷却水導入口１２より導入された後、各セパレータに形成された冷媒流路を流れ、下面に設けられたタンク部１３の冷却水排出口より排出される。
【００１６】
燃料電池単セル２は、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体の両面にそれぞれ配置されるセパレータとから構成される。膜電極接合体は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００１７】
セパレータ１５は、図２から図４に示すように、第１の金属板１６と、この第１の金属板１６に対して所定間隔を置いて対向配置された第２の金属板１７と、これら第１の金属板１６と第２の金属板１７との間に所定間隔を置いて複数配置されると共にこれら金属板１６、１７同士を通電させる仕切部材１８とからなり、これらが一体的に形成されている。
【００１８】
かかるセパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０及び酸化剤ガス排出口１１と連通するそれぞれのマニホールド１９、２０、２１、２２が形成されている。例えば、図２で示すセパレータ１５の左側下から上へ順次、燃料ガス導入用マニホールド１９、酸化剤ガス導入用マニホールド２０とされている。また、セパレータ１５の右側下から上へ順次、酸化剤ガス排出用マニホールド２１、燃料ガス排出用マニホールド２２とされている。
【００１９】
また、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔２３が形成されている。スタッキング孔２３は、例えばセパレータ１５の四隅に円形孔として形成されている。さらに、このセパレータ１５には、後述する燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させる流路と燃料ガス導入用マニホールド１９及び燃料ガス排出用マニホールド２２をその内部に取り囲むように形成されるシール部材２４が設けられている。かかるシール部材２４は、例えば断面三角形状或いは半円形状をなす凸条とされ、いわゆる一筆書きとして形成されている。
【００２０】
また、セパレータ１５には、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体と接する中央部分の領域）に、流路を構成する凹条部２５と凸条部２６を交互に複数形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。これら凹条部２５及び凸条部２６は、セパレータ１５の長手方向に沿って形成されている。膜電極接合体のアノード側に接して配置されるセパレータ１５の一方の面に形成された凹条部２５は、膜電極接合体との間に燃料ガス（水素Ｈ２）を流通させる燃料ガス流路２７を構成する。また、膜電極接合体のカソード側に接して配置されるセパレータ１５の他方の面に形成された凸条部２６は、膜電極接合体との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ２）を流通させる酸化剤ガス流路２８を構成する。
【００２１】
例えば、燃料ガスＨ２は、図２に示すように、燃料ガス導入用マニホールド１９からセパレータ１５の一方の面のアクティブ領域に形成されたそれぞれの燃料ガス流路２７を流れた後、燃料ガス排出用マニホールド２２へ排出される。酸化剤ガスＯ２は、酸化剤ガス導入用マニホールド２０からセパレータ１５の他方の面のアクティブ領域に形成されたそれぞれの酸化剤ガス流路２８を流れた後、酸化剤ガス排出用マニホールド２１へ排出される。
【００２２】
また、セパレータ１５には、冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路２９が形成されている。冷媒流路２９は、少なくともアクティブ領域と対応する部分に形成されており、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流れる方向と交差（直交）する方向に延在して設けられた各仕切部材１８の間にそれぞれ形成されている。この仕切部材１８で囲まれた空間部からなる冷媒流路２９には、燃料ガスＨ２及び酸化剤ガスＯ２が流れる向きと直交する向きに冷却水ＬＬＣが流れる。
【００２３】
このように構成されたセパレータ１５の凹凸形状は、一定のクリアランスを持たせた金型でプレス加工することにより形成される。そのとき、仕切部材１８が潰れて冷媒流路２９が閉塞されないようにするために、図５に示すように、当該仕切部材１８の一部に肉厚を薄くして屈曲し易くした屈曲脆弱部３０を形成する。かかる屈曲脆弱部３０を形成することで、セパレータ１５を厚み方向にプレス成形して凹凸形状を形成したときに、この屈曲脆弱部３０で座屈し易くなるため、当該仕切部材１８が潰れてしまうことを防止できる。
【００２４】
燃料電池スタック１は、前記構成のセパレータ１５を膜電極接合体の両側に積層することで燃料電池単セル２を構成し、その燃料電池単セル２の複数個をスタックするすることで積層体を構成し、その積層体の両端に集電板４、絶縁板５及びエンドプレート６を配置させタイロッド７で締結し、さらにタンク部１３を取り付けることで構成される。
【００２５】
以上のように、本実施の形態によれば、第１の金属板１６と第２の金属板１７との間に複数配置した仕切板によって形成された流路を、冷却水が流通する冷媒流路２９としているので、１つのセパレータ１５で燃料ガス流路２７と酸化剤ガス流路２８及び冷媒流路２９を持つことができる。したがって、本実施の形態のセパレータ１５を膜電極接合体を挟んで燃料電池単セル２を構成し、その燃料電池単セル２の複数個を積層すれば、燃料電池単セル２の積層ピッチの縮減を図ることができると共に接触抵抗も減らせるので、単位体積当たりの起電力を高めることができ、燃料電池全体としての出力を大幅に向上させることができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、図２に示すように、アクティブ領域の凹条部２５、凸条部２６の長手方向の長さよりも、これと交差する方向の長さが長く形成された縦長形状の例を示したが、車両への搭載性を考慮して、凹条部２５、凸条部２６の長手方向の長さよりも、これと交差する方向の長さが短く形成された横長形状にしてもよい。その場合には、燃料ガス流路２７及び酸化剤ガス流路２８の長さに対し交差する方向の冷却水の流路の長さが短くなることから、流路内での温度上昇が低いまま冷却水排出口に戻して循環させることが可能となり、燃料電池スタックの温度と冷却水の温度差を大きくすることが可能で、そのため冷却水の冷却効率が高くなり、また圧力損失も低く冷却水供給用のポンプも小型化することが可能となる。
【００２７】
また、本実施の形態によれば、仕切部材１８に屈曲脆弱部３０を設けたので、セパレータ１５に燃料ガス流路２７及び酸化剤ガス流路２８をプレス成形したときに、その屈曲脆弱部３０から容易に折れ曲がるため、仕切部材１８が潰れて冷媒流路２９が閉塞されることを防止できる。
【００２８】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００２９】
例えば、図６に示すように、第１の金属板１６と第２の金属板１７の間に、お互いに接するようにして中空状の金属パイプ３１を、仕切部材１８として複数配置するようにしてもよい。金属パイプ３１を使用すれば、そのパイプ内の空間部が冷媒流路２９となり、またその外周壁が仕切壁となる。金属パイプ３１は、例えば第１の金属板１６と第２の金属板１７に対して、ろう付け、溶接、振動溶着等によって接合する。このように接合一体化された金属板をプレス成形すれば、やはり先の実施の形態と同様の効果を奏するセパレータ１５が得られる。
【００３０】
または、図７に示すように、第１の金属板１６と第２の金属板１７の間に、所定間隔を置いて中実金属棒３２を複数配置するようにしてもよい。中実金属棒３２を使用すれば、各中実金属棒３２間の空間部が冷媒流路２９となり、また当該中実金属棒３２自体が仕切壁となる。中実金属棒３２には、例えば金属ワイヤーなどを使用する。なお、この中実金属棒３２と第１の金属板１６及び第２の金属板１７との接合は、先の例と同じくろう付け、溶接、振動溶着による。
【００３１】
または、図８に示すように、第１の金属板１６と第２の金属板１７との間にハニカム構造（いわゆる蜂の巣構造）を構成するように仕切部材３３を設けてもよい。このようにすれば、先の実施の形態のセパレータ１５と同様の効果が得られることに加えて、セパレータ１５の機械的強度をより一層高めることができる。
【００３２】
または、図９に示すように、仕切部材１８を避けた櫛歯形状の凸部３４、３５を有した上型３６と下型３７でプレス成形すれば、仕切部材１８の損傷を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】セパレータの平面図である。
【図３】図２に示したセパレータのＡ−Ａ線における拡大断面斜視図である。
【図４】図２に示したセパレータのＢ−Ｂ線における拡大断面図である。
【図５】仕切部材に屈曲脆弱部が形成されたセパレータの要部拡大断面図である。
【図６】仕切部材として金属パイプを使用したセパレータの拡大断面図である。
【図７】仕切部材として中実金属棒を使用したセパレータの拡大断面図である。
【図８】冷媒流路をハニカム構造としたセパレータの拡大断面図である。
【図９】仕切部材を潰さないようにして燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をプレス成形するための金型を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１５…セパレータ
１６…第１の金属板
１７…第２の金属板
１８、３３…仕切部材
２５…凹条部
２６…凸条部
２７…燃料ガス流路
２８…酸化剤ガス流路
２９…冷媒流路
３０…屈曲脆弱部
３１…金属パイプ
３２…中実金属棒
【図１】
2006164546.tif 000003
【図２】
2006164546.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006164546.tif 000008
【図７】
2006164546.tif 000009
【図８】
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【図９】
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