(57)【要約】【課題】燃料電池において、燃料利用率または酸化剤利用率が高い領域においても、セル性能が低下しないようにする。【解決手段】燃料電池に用いられ、その表面に燃料または酸化剤を流すための流路となる１本の溝２が形成されたセパレータ１であって、このセパレータ１を２枚その表面が互いに接するように重ね合わせた時に、両表面の溝２のうち、セルの電極部分に対応する溝の位置が鏡面対称となって一致するように、それぞれの溝２を形成する。上記溝２の始端部分および終端部分がセパレータ１内部を通るトンネル状にすることがこのましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられ、その表面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための流路となる１本の溝が形成されたセパレータであって、
このセパレータを２枚膜電極アセンブリを介して重ね合わせた時に、アノード側とカソード側の溝のうち、セルの電極部分に対応する部分の溝の位置が鏡面対称となって一致するように、それぞれの溝を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
燃料電池に用いられ、その表面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための流路となる２本以上の溝が並行して形成されたセパレータであって、
このセパレータを２枚膜電極アセンブリを介して重ね合わせた時に、アノード側とカソード側の並行溝のうち、外側に存在する溝の部分でのセルの電極部分に対応する部分の溝の位置が鏡面対称となって一致するように、それぞれの溝を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
上記溝の始端部分および終端部分がセパレータ内部を通るトンネル状になっていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のセパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に用いられるセパレータに関し、特にセパレータの表面に形成されている燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる流路となる溝の形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、通常高分子電解質膜などの電解質膜をアノードとカソードとで挟み込んで膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とし、この膜電極アセンブリの両側にこれに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路となる溝が形成された導電性のセパレータをそれぞれ配置することで、１個のユニットが構成されている。
【０００３】
図９は、従来のセパレータを示す平面図で、（ａ）はアノード側を示すもので、（ｂ）は、カソード側を示すものである。
このセパレータ１は、カーボン（黒鉛）、チタン、タンタルなどの金属製の平らな四角形の板体であって、その表面には水素、メタノールなどの燃料ガスまたは酸素、空気などの酸化剤ガスを流すための流路となる１本の溝２がそれぞれ形成されている。
【０００４】
この溝２は、図示のように、セパレータ１の一方の辺に平行となるように形成された多数の直線部分２ｄ、２ｄ・・と、平面形状がコ字状となった多数の折り返し部２ｃ、２ｃ・・とで構成され、全体として蛇行し、つづら折り状に形成されており、その始端部分２ａは、ほぼ直角に折れ曲がって第１貫通孔３に、また終端部分２ｂも、ほぼ直角に折れ曲がって第２貫通孔４にそれぞれ連通している。
なお、図面では、溝２の直線部分２ｄ２ｄ・・と折り返し部分２ｃ、２ｃ・・とは、簡略化して描いてあり、実物のセパレータでは、これらの部分の数は、図示のものよりも大幅に多くなっている。
【０００５】
そして、このセパレータ１のアノード側では、第１貫通孔３から燃料ガスが溝２を第２貫通孔４に向かって流れ、この流れの途中において、燃料ガスが膜電極アセンブリ側に浸透してゆき、反応に供されるようになっている。
また、セパレータ１のカソード側では、第３貫通孔５から酸化剤ガスが溝２を第４貫通孔６向かって流れ、この流れの途中において、酸化剤ガスが膜電極アセンブリ側に浸透してゆき、反応に供されるようになっている。
【０００６】
このセパレータ１の溝２の平面形状（以下、パターンと言うことがある。）は、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、アノード側もカソード側もパターンが同一（幾何学的に合同）となっている。
そして、積層型の燃料電池にあっては、このようなセパレータと膜電極アセンブリとからなるユニットを複数個重ねて積層した構造となっており、１枚のセパレータは、一方の面にアノード側の溝が、他方の面にカソード側の溝が形成され、隣接するユニットに兼用されるものとなる。
【０００７】
ところで、このようなセパレータ１を用いた燃料電池においては、燃料利用率または酸化剤利用率が７０％以上の高い利用率の領域においては、ユニット当たりのセル電圧、セル電流などのセル性能が低下する傾向があり、その改善が求められていた。
【特許文献１】特開２００５−４４７７４号公報
【非特許文献１】「燃料電池の技術」  電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会  編  オーム社、平成１４年５月３０日発行  第６２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本発明における課題は、燃料電池において、燃料利用率または酸化剤利用率が高い領域においても、セル性能が低下しないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、燃料電池に用いられ、その表面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための流路となる１本の溝が形成されたセパレータであって、
このセパレータを２枚膜電極アセンブリを介して重ね合わせた時に、アノード側とカソード側の溝のうち、セルの電極部分に対応する部分の溝の位置が鏡面対称となって一致するように、それぞれの溝を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１０】
請求項２にかかる発明は、燃料電池に用いられ、その表面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための流路となる２本以上の溝が並行して形成されたセパレータであって、
このセパレータを２枚膜電極アセンブリを介して重ね合わせた時に、アノード側とカソード側の並行溝のうち、外側に存在する溝の部分でのセルの電極部分に対応する部分の溝の位置が鏡面対称となって一致するように、それぞれの溝を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１１】
請求項３にかかる発明は、上記溝の始端部分および終端部分がセパレータ内部を通るトンネル状になっていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータである。
請求項４にかかる発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のセパレータを用いたことを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、２枚のセパレータを膜電極アセンブリを介して重ね合わせた際に、２枚のセパレータの重ね合わせた部分での溝のうち、セルの電極部分に対応する溝の位置が一致するので、この部分に短絡部分が生じることがなくなる。このため、高燃料利用率あるいは高酸化剤利用率におけるセル電圧などのセル性能の低下がなくなる。
また、セパレータと膜電極アセンブリとの界面全体が十分な面圧で圧縮されるので、この間の接触抵抗が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者は、この種の燃料電池における上述の高燃料利用率あるいは高酸化剤利用率におけるセル性能の低下の原因を探求したところ、セパレータの表面に形成されている溝のパターンにあることを知見した。
以下、この原因について説明する。
【００１４】
セパレータの使用形態は、例えば図９に示したセパレータ１のアノード側とカソード側とを重ね合わせたものとなるので、その重ね合わせた状態を考えてみると、図１０に示すように重ね合わされる面に形成された溝２のパターンには、重ね合わせた状態で一致しない部分が生じる。図１０において、斜線を付した部分がカソード側の溝を示す。すなわち、溝２の始端部分２ａおよび終端部分２ｂ、さらには溝２の折り返し部分２ｃ、２ｃ・・・において、重ならない部分が生じる。
【００１５】
このような重ならない部分では、両方の溝が一致しないので、図１１に示すように、２枚のセパレータ１、１の間に膜電極アセンブリ７を挟んだ際に、膜電極アセンブリ７の表裏面の対応する位置がセパレータ１の溝２で押されることがなくなり、図１１にあるように短絡した流路８が生じてしまう。
【００１６】
このような短絡流路８が生じると、本来の流路である溝２内に沿って上流側から下流側に向かって、燃料ガスまたは酸化剤ガスが膜電極アセンブリ７全体に均一に流れることが妨げられ、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの利用率が低下し、セル電圧などのセル性能が低下することが判明したのである。
【００１７】
以下、本発明のセパレータについて詳しく説明する。
図１は、本発明の燃料電池用セパレータの第１の例を示すもので、図１（ａ）は、セパレータ１のアノード側となる溝２のパターンＡを示し、図１（ｂ）は、同じセパレータ１のカソード側となる溝２のパターンＢを示す。
なお、図８に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００１８】
このパターンＡとパターンＢとを対比すると、これらの２つのパターンＡ、Ｂでは、溝２のうち、その直線部分２ｄ、２ｄ・・と折り返し部分２ｃ、２ｃ・・とは互いに鏡面対称となっており、第１ないし第４貫通孔３、４、５、６も互いに鏡面対称となっている。しかし、溝２の始端部分２ａおよび終端部分２ｂは、鏡面対称とはなっていない。
この溝２の鏡面対称となる直線部分２ｄと折り返し部２ｃとは、２枚のセパレータ１、１で膜電極アセンブリを挟んてユニットとしたときの膜電極アセンブリの電極部分に対応する部分となっている。
【００１９】
このようなパターンＡ、Ｂが形成されたセパレータ１を重ね合わせた場合には、この重ね合わされた２つの表面の溝２、２のうち、始端部分２ａおよび終端部分２ｂ以外の部分では溝の位置が完全に一致することなる。
図２は、このセパレータ１を重ねた時のカソード側の溝を斜線で示したものである。
このように、溝２の位置が一致した部分では、溝２は完全に重なり合うことから、溝２に上述のような短絡流路が発生することがなくなる。
さらに、始端部分２ａおよび終端部分２ｂでは、溝は一致しないが、これに対応する相手方のセパレータには凹部が存在しないので、この部分で短絡流路が生じることがない。
【００２０】
図３は、この発明のセパレータの第２の例を示すもので、図１に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例では、第１ないし第４貫通孔３、４、５，６を燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管あるいは帰還配管の位置に合わせるため、それぞれセパレータ１の四隅付近に配置してある。
【００２１】
このため、図３（ｂ）に示すパターンＢでの溝２の直線部分２ｄと折り返し部２ｃの数を減少させている。すなわち、パターンＢでは、第３貫通孔５側および第４貫通孔６側の直線部分２ｄがそれぞれ１本つづ少なくなっている。
したがって、図３（ａ）に示すパターンＡでの第１貫通孔３と第２貫通孔４側のそれぞれ１本の直線部分２ｄ、２ｄがパターンＢでの溝と重なることはない。
【００２２】
図４は、この発明のセパレータの第３の例を示すもので、図３に示した第２の例の変形例に相当するものであり、図３のものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例では、図４（ａ）に示したパターンＡでは、第２貫通孔４側の直線部分２ｄが、図４（ｂ）に示したパターンＢに比較して一本減少しており、かつパターンＢでは、第３貫通孔５側の直線部分２ｄがパターンＡに比較して減少しており、これらの部分において、両者の溝が重ならないものとなっている。
【００２３】
また、大型の燃料電池では、多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する必要があるため、図５に示すように、セパレータ１に２本以上の溝２、２・・を並行して形成したものがある。
このようなセパレータにあっても、先の例と同様に、アノード側に形成された溝２のうち、電極部分に対応する溝と、カソード側に形成された溝２のうち、電極部分に対応する溝とが互いに鏡面対称となるように、その溝２のパターンを形成すればよい。
【００２４】
ただし、この２本以上の溝２、２・・が並行して形成されたものでは、並行して形成された溝２と溝２との間の仕切部分は、個々の溝２を流れるガスの溝外部への溢流を阻止するための機能を必ずしも持つ必要がないので、この仕切部分については必ずしも鏡面対称とする必要はない。
このため、並行して形成された２本以上の溝２、２・・のうち、外側に位置する２本溝２、２についてのみ、鏡面対称であればよい。
【００２５】
また、このようなセパレータでは、これを膜電極アセンブリを介して重ね合わせたときに、一方のセパレータ１の溝２の始端部分２ａまたは終端部分２ｂの位置の一部と、他方のセパレータ１の溝２の一部が重なることになる。
このような場合には、図６（ａ）に示しように、溝２から貫通孔３までは始端部分２ａ（または終端部分２ｂ）の溝のみが存在することになって、貫通孔３から溝２までの間で膜電極アセンブリ７が両方のセパレータ１、１で押さえられないことになり、貫通孔３と溝２の間で膜電極アセンブリ７とセパレータ１に隙間９が生じ、燃料ガスあるいは酸化剤ガスがリークして部分的に互いに混入する可能性が生じる。
【００２６】
この不具合を避けるため、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、溝２の始端部分２ａと終端部分２ｂとを、セパレータ１内に形成したトンネル状として、セパレータ１の表面には露出しないようにし、第１貫通孔３または第２貫通孔４にセパレータ１の内部で連通させる構造を採用することが好ましい。
この構造を採用することで、図６（ｂ）に示すように、貫通孔３と溝２との間に存在する膜電極アセンブリ７が両方のセパレータ１、１で押さえられ、貫通孔３の周囲の部分が両方のセパレータ１、１によって押さえられ、先に述べたリークが生じることがない。
【００２７】
このようなセパレータ１を用いることにより、溝２にガスが流れる短絡流路が生じることがなくなり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが十分に膜電極アセンブリに行き渡り、高燃料利用率または高酸化剤利用率におけるセル電圧などのセル性能の低下が抑えられる。
【００２８】
図８は、本発明によるセパレータを用いた場合および従来のセパレータを用いた場合について、燃料利用率とセル電圧との関係を示したグラフである。このグラフから、本発明のセパレータを用いることにより、燃料利用率が８０〜９５％の範囲で、セル電圧の低下が抑えられていることがわかる。
【００２９】
なお、この図８に示したデータは、セパレータの材質、寸法、溝の長さ、幅、深さが本発明のセパレータと従来のセパレータとで同一であり、溝のパターンが鏡面対称としたものとそうでないものとを比較して得られたもので、いずれも１個のユニットセルでのセル電圧の値である。
【００３０】
本発明の燃料電池は、上述のセパレータを用いて構成したもので、先の述べた通りの作用効果を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のセパレータの第１の例を示す平面図である。
【図２】第１の例のセパレータを２枚重ね合わた際の溝の重なり状態を示す平面図である。
【図３】本発明のセパレータの第２の例を示す平面図である。
【図４】本発明のセパレータの第３の例を示す平面図である。
【図５】本発明のセパレータの他の例を示す部分平面図である。
【図６】本発明のセパレータの第１の例での改良点を示す概略断面図である。
【図７】本発明のセパレータの他の例をしめす平面図である。
【図８】本発明における効果を示すグラフである。
【図９】従来のセパレータを示す平面図である。
【図１０】従来のセパレータを２枚重ね合わせた際の溝の重なり状態を示す平面図である。
【図１１】従来のセパレータを２枚膜電極アセンブリを介して挟んだ際に生じる短絡流路を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１・・セパレータ、２・・溝、２ａ・・始端部分、２ｂ・・終端部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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