(57)【要約】【課題】ガス流路の下流側でのガス濃度低下を抑制できる燃料電池用セパレータの提供。【解決手段】（イ）ガス入口２７ａ、２８ａとガス出口２７ｂ、２８ｂがセパレータの同じ側に位置し、ガス流路２７、２８が複数の折り返し部２７ｃ、２８ｃを有する燃料電池用セパレータであって、最上流側の折り返し部と最下流側の折り返し部とを連通するバイパス通路３２を設けた燃料電池用セパレータ。（ロ）セパレータ１８は重力方向に平行に配置され、ガス入口２７ａ、２８ａがセパレータの下部に、ガス出口２７ｂ、２８ｂがセパレータの上部に位置する。【選択図】　　　　図３
2004055481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
折り返し部で連通された複数の段をもつガス流路を有する燃料電池用セパレータであって、上流側の段からそれより下流側の段に連通するバイパス通路を設け下流側の段を通した後ガスをガス出口から流出させるようにした燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
ガス入口とガス出口がセパレータの同じ側に位置し、ガス流路が複数の折り返し部を有する燃料電池用セパレータであって、最上流側の折り返し部と最下流側の折り返し部とを連通するバイパス通路を設けた燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記セパレータは重力方向に平行に配置され、ガス入口がセパレータの下部に、ガス出口がセパレータの上部に位置する請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ−　
カソード側：２Ｈ＋　＋２ｅ−　＋（１／２）Ｏ２　→Ｈ２　Ｏ
図４にモデル化して示すように、たとえば特開２０００−８２４８２は、ガス入口（たとえば、酸化ガス入口２８ａ）とガス出口（たとえば、酸化ガス出口２８ｂ）がセパレータ１８の同じ側（矩形状セパレータの同じ辺側）に位置し、ガス流路（たとえば、酸化ガス流路２８）が複数の折り返し部（たとえば、酸化ガス流路の折り返し部２８ｃ）を有するサーペンタイン流路から構成された燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のサーペンタインガス流路を有する燃料電池には、つぎの課題がある。
▲１▼　ガス流路が長いため、ガス入口とガス出口間のガス濃度差が大きく、下流側でガス濃度が低下し発電状態が低下する。特開２０００−８２４８２では、これを中間マニホールドを設けることにより解決しているが、中間マニホールドを設けると燃料電池をコンパクト化できない。
▲２▼　高電流密度域で燃料電池のＩＶ特性（電流−電圧特性）が急激に低下する。その原因は、水の大量生成によるフラッディングとガス供給不足と考えられている。
本発明の目的は、サーペンタインガス流路を有する燃料電池における、ガス流路の下流側でのガス濃度低下を抑制できる燃料電池用セパレータを提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、燃料電池における、高電流密度域で大量に生成される水を速やかに系外に排出できる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）　折り返し部で連通された複数の段をもつガス流路を有する燃料電池用セパレータであって、上流側の段からそれより下流側の段に連通するバイパス通路を設け下流側の段を通した後ガスをガス出口から流出させるようにした燃料電池用セパレータ。
（２）　ガス入口とガス出口がセパレータの同じ側に位置し、ガス流路が複数の折り返し部を有する燃料電池用セパレータであって、最上流側の折り返し部と最下流側の折り返し部とを連通するバイパス通路を設けた燃料電池用セパレータ。
（３）　前記セパレータは重力方向に平行に配置され、ガス入口がセパレータの下部に、ガス出口がセパレータの上部に位置する（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータ。
【０００５】
上記（１）、（２）の燃料電池用セパレータでは、バイパス通路を設けたので、上流側の濃度の高いガスがバイパス通路を通して下流側に導かれ、下流側のガス濃度低下が抑制されて発電状態が向上する。
また、高電流密度時に、水生成の多い上流側で生成された水がバイパス通路を通して下流側に流れるので速やかに系外に排出され、従来の、生成水がセル内部を通過する場合のように生成水が電極へのガスの供給を阻害して発電性能を低下させることを防止することができる。
上記（２）の燃料電池用セパレータでは、ガス入口とガス出口がセパレータの同じ側に位置するので、最上流側の折り返し部と最下流側の折り返し部もセパレータの同じ側でガス入口とガス出口と反対側に位置する。その結果、バイパス通路を、発電領域の縁部に、ガス流路領域および発電領域をほとんど狭めないように、配置することができ、燃料電池の発電性能をほとんど低下させずに、かつ、燃料電池のコンパクト化をほとんど妨げずに、配置することができる。
上記（３）の燃料電池用セパレータでは、セパレータは重力方向に平行に配置され、ガス入口が下、ガス出口が上に位置する場合、上流側で生成した水はバイパス通路を通して、ガス流で、下流側に流される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図３を参照して説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
ガス流路２７、２８を流れるガスは、発電により消費されるので下流側ほど濃度が薄くなるが、流速を維持するために、下流側ほどガス流路２７、２８の幅は段階状に小さくしてある。
【０００９】
図３に示すように、燃料ガス流路２７は、ガス入口２７ａと、ガス出口２７ｂと、１以上の折り返し部２７ｃと、折り返し部２７ｃ同士または折り返し部２７ｃとガス入口２７ａまたはガス出口２７ｂを結ぶ複数の（直線状流路部である）段２７ｄを有する。同様に、酸化ガス流路２８は、ガス入口２８ａと、ガス出口２８ｂと、１以上の折り返し部２８ｃと、折り返し部２８ｃ同士または折り返し部２８ｃとガス入口２８ａまたはガス出口２８ｂを結ぶ複数の（直線状流路部である）段２８ｄを有する。
【００１０】
セパレータ１８には、入口側および出口側の冷媒マニホールド２９ａ、２９ｂ、入口側および出口側の燃料ガスマニホールド３０ａ、３０ｂ、入口側および出口側の酸化ガスマニホールド３１ａ、３１ｂが形成されている。入口側冷媒マニホールド２９ａは冷媒流路２６の冷媒入口に連通しており、出口側冷媒マニホールド２９ｂは冷媒流路２６の冷媒出口に連通している。
入口側燃料ガスマニホールド３０ａは燃料ガス流路２７の燃料ガス入口２７ａに連通しており、出口側燃料ガスマニホールド３０ｂは燃料ガス流路２７の燃料ガス出口２７ｂに連通している。
入口側酸化ガスマニホールド３１ａは酸化ガス流路２８の酸化ガス入口２８ａに連通しており、出口側酸化ガスマニホールド３１ｂは酸化ガス流路２８の酸化ガス出口２８ｂに連通している。
【００１１】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。ガス流路２７、２８は、セパレータ１８に形成された溝、凹部、縞状凸部間のスペースなどの何れかからなり、通常、段２７ｄ、２８ｄは複数の流路群からなる。そして、サーペンタイン流路の場合、段２７ｄ、２８ｄと段２７ｄ、２８ｄとの間にはガスの仕切線となるリブ２７ｅ、２８ｅが設けられている。このリブ２７ｅ、２８ｅはセパレータの発電領域の一辺から対向辺に向かって対向辺近傍まで延びており、対向辺とリブ２７ｅ、２８ｅ先端との間は流路の折り返し部の流路幅を構成している。
【００１２】
燃料ガス流路２７および酸化ガス流路２８の少なくとも一方のガス流路２７、２８（たとえば、図３では、酸化ガス流路２８）には、上流側の段２７ｄ、２８ｄからそれより下流側の段２７ｄ、２８ｄとの間にわたって延びるバイパス通路３２が設けられており、バイパス通路３２を通ったガスはその下流側の段２７ｄ、２８ｄを通過した後、ガス出口２７ｂ、２８ｂから流出するようになっている。図３の例では、上流側の段２７ｄ、２８ｄは、最上流の段であり、それより下流側の段２７ｄ、２８ｄは、最下流の段である。ただし、上流側の段２７ｄ、２８ｄは、最上流の段でなくてもよいし、それより下流側の段２７ｄ、２８ｄは、最下流の段でなくてもよい。
【００１３】
バイパス通路３２は、セパレータ１８に形成されており、セルの発電領域（電解質膜１１とガス供給流路があって発電をする領域）にある。
バイパス通路３２の入口３２ａは、上流側の段２７ｄ、２８ｄのうち最も生成水が溜まりやすい部位（セパレータ面が重力方向と平行である時は、段の下に重力で水が溜まりやすいので、段の下部）に開口している。
バイパス通路３２の出口３２ｂは、下流側の段２７ｄ、２８ｄのうち上流端近傍にあって、バイパス通路３２から流出した水が下流側の段２７ｄ、２８ｄ（およびそれより下流側の段がある場合はその段も含む）を通過しその段２７ｄ、２８ｄをガスリッチにし発電状態を向上させ、その後ガス出口２７ｂ、２８ｂから排出されるようになっている。また、バイパス通路３２の出口３２ｂは、セパレータ面が重力方向と平行である時は、バイパス通路３２の出口３２ｂから垂れた水が下流側の段２７ｄ、２８ｄの仕切リブ２７ｅ、２８ｅで受けられるように、仕切リブ２７ｅ、２８ｅ先端より下流側にあることが望ましい。
【００１４】
図３の例では、ガス流路２７、２８の少なくとも一方のガス流路（たとえば、酸化ガス流路２８）において、ガス入口２７ａ、２８ａとガス出口２７ｂ、２８ｂがセパレータ１８の同じ側（同じ辺側）に位置している。ただし、ガス入口２７ａ、２８ａとガス出口２７ｂ、２８ｂがセパレータ１８の同じ側に位置していなくてもよい。
図３に示すように、ガス入口２７ａ、２８ａとガス出口２７ｂ、２８ｂがセパレータ１８の同じ側に位置する場合、最上流側の折り返し部２７ｃ、２８ｃと最下流側の折り返し部２７ｃ、２８ｃもセパレータ１８の同じ側でガス入口とガス出口と反対側に位置する。その結果、バイパス通路３２を、発電領域（発電領域内であってもよいし、発電領域外の発電領域に沿った位置でもよい）の縁部に、ガス流路領域および発電領域を狭めないかまたはほとんど狭めないように、配置することができ、燃料電池の発電性能をほとんど低下させずに、かつ、燃料電池のコンパクト化をほとんど妨げずに、配置することができる。
【００１５】
セパレータ１８は重力方向に平行に配置されてもよいし、あるいは重力方向に直交方向（水平方向）に配置されてもよい。
セパレータ１８が重力方向に平行に配置される場合は、上下関係が生じるが、図３の例では、ガス入口２８ａがセパレータの下部、ガス出口２８ｂがセパレータの上部に位置している。セパレータ１８が重力方向に平行に配置される場合でガス出口が上にある場合は、ガス流で、バイパス通路３２を通して重力に抗して下流側の段に流すようにする。バイパス通路３２は発電領域の縁部にあって、ガス流路に比べて通路幅が狭く、ガス流速が大きいので、ガス流で、重力に抗して、水を下流側に流すことができる。
【００１６】
つぎに、本発明の作用を説明する。
ガス流路２７、２８の上流側の段２７ｄ、２８ｄからそれより下流側の段２７ｄ、２８ｄに連通するバイパス通路３２を設けたので、上流側の段のガス濃度（燃料ガスの場合は水素濃度、酸化ガスの場合は酸素濃度）の高いガスがバイパス通路３２を通して下流側の段２７ｄ、２８ｄに流れ、下流側の段２７ｄ、２８ｄを通った後、ガス出口２７ｂ、２８ｂから排出され、下流側の段２７ｄ、２８ｄのガス濃度低下が抑制される。その結果、従来は濃度低下により低下していた下流側の段２７ｄ、２８ｄの発電状態が上がり、全体としての発電特性が向上する。
【００１７】
また、高電流密度域には、ガス濃度の高い上流側の段２７ｄ、２８ｄで水が比較的大量に生成されるが、その水は、バイパス通路３２を通して下流側の段２７ｄ、２８ｄに流れ、速やかに系外に排出される。最上流段が最も生成水が多く水が溜まりやすいので、それをバイパス通路３２を通して下流側の段２７ｄ、２８ｄに流し、速やかに系外に排出することは、生成水による発電阻害の防止する上において、効果が大きい。従来のように上流側の段で生成された水が内部の流路（サーペンタインガス流路の、バイパス通路と並列な部分）を通過すれば水が存在する部分は発電に寄与できないため、発電性能が低下してしまうが、本発明ではそれを抑制、または防止できる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１、請求項２の燃料電池用セパレータによれば、バイパス通路を設けたので、上流側の濃度の高いガスがバイパス通路を通して下流側に流れ、下流側のガス濃度低下を抑制でき、発電状態を向上できる。
また、高電流密度時に、水生成の多い上流側で生成された水がバイパス通路を通して下流側に流れるので速やかに系外に排出でき、生成水が電極へのガスの供給を阻害することを防止でき、発電性能の低下を抑制することができる。
請求項２の燃料電池用セパレータによれば、ガス入口とガス出口がセパレータの同じ側に位置するので、最上流側の折り返し部と最下流側の折り返し部もセパレータの同じ側でガス入口とガス出口と反対側に位置することとなり、バイパス通路を、発電領域の縁部に、ガス流路領域および発電領域をほとんど狭めないように、配置することができ、燃料電池の発電性能をほとんど低下させずに、かつ、燃料電池のコンパクト化をほとんど妨げずに、配置することができる。
請求項３の燃料電池用セパレータによれば、セパレータが重力方向に平行に配置され、ガス入口が下、ガス出口が上に位置する場合でも、上流側で生成した水をバイパス通路を通して、ガス流で、下流側に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池のスタックの一例の側面図である。
【図２】図１の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用セパレータの正面図である。
【図４】従来の燃料電池用セパレータの正面図である。
【符号の説明】
１０　（固体高分子電解質型）燃料電池
１１　電解質膜
１２、１５　触媒層
１３、１６　拡散層
１４　電極（アノード、燃料極）
１７　電極（カソード、空気極）
１８　セパレータ
１９　セル
２０　ターミナル
２１　インシュレータ
２２　エンドプレート
２３　スタック
２４　締結部材（テンションプレート）
２５　ボルト
２６　冷媒流路（冷却水流路）
２７　燃料ガス流路
２７ａ　ガス入口
２７ｂ　ガス出口
２７ｃ　折り返し部
２７ｄ　段部
２７ｅ　仕切リブ
２８　酸化ガス流路
２８ａ　ガス入口
２８ｂ　ガス出口
２８ｃ　折り返し部
２８ｄ　段部
２８ｅ　仕切リブ
２９ａ　入口側冷媒マニホールド
２９ｂ　出口側冷媒マニホールド
３０ａ　入口側燃料ガスマニホールド
３０ｂ　出口側燃料ガスマニホールド
３１ａ　入口側酸化ガスマニホールド
３１ｂ　出口側酸化ガスマニホールド
３２　バイパス通路
３２ａ　バイパス通路入口
３２ｂ　バイパス通路出口
【図１】
2004055481.tif 000003
【図２】
2004055481.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004055481.tif 000006