(57)【要約】【課題】ガスと冷媒の流れを両方ともに良好とすることができる燃料電池のセパレータ流路構造の提供。【解決手段】（１）第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されており、冷媒流路２６が冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している燃料電池のセパレータ流路構造。（２）燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれている。（３）燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃの一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している。【選択図】        図３
2004247061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡと、ＭＥＡの一側に配置した、第１のガス流路となる凹溝と背面が第１の冷媒流路となる凸リブを有する第１のセパレータと、ＭＥＡの他側に配置した、第２のガス流路となる凹溝と背面が第２の冷媒流路となる凸リブを有する第２のセパレータとから、単セルが構成されており、一つのセルの第１のセパレータの第１の冷媒流路と隣りのセルの第２のセパレータの第２の冷媒流路がセル積層方向に互いに一致されて一体冷媒流路を形成している燃料電池のセパレータ流路構造であって、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されており、前記一体冷媒流路が該一体冷媒流路の伸長方向の何れの部位においても前記第１の冷媒流路の流路断面積および前記第２の冷媒流路の流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している燃料電池のセパレータ流路構造。
【請求項２】
ＭＥＡと、ＭＥＡの一側に配置した、第１のガス流路となる凹溝と背面が第１の冷媒流路となる凸リブを有する第１のセパレータと、ＭＥＡの他側に配置した、第２のガス流路となる凹溝と背面が第２の冷媒流路となる凸リブを有する第２のセパレータとから、単セルが構成されており、一つのセルの第１のセパレータの第１の冷媒流路と隣りのセルの第２のセパレータの第２の冷媒流路がセル積層方向に互いに一致されて一体冷媒流路を形成している燃料電池のセパレータ流路構造であって、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されており、第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは前記一体冷媒流路の伸長方向に互いに位置がずれている燃料電池のセパレータ流路構造。
【請求項３】
第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは、前記一体冷媒流路の伸長方向に交互に位置しており、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝の一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している請求項１または請求項２記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
【請求項４】
第１のセパレータと第２のセパレータはメタルセパレータであり、第１のセパレータと第２のセパレータに形成される凹溝、凸リブ、クロス溝は何れもプレス成形により形成されている請求項１または請求項２記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
【請求項５】
ガスクロス溝が凸リブの全高にわたって形成されている請求項１または請求項２記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
【請求項６】
凸リブのＭＥＡと接する面積率が２０〜４０％であり、凸リブ幅が０．５〜１．５ｍｍであり、ガスクロス溝ピッチが２〜５０ｍｍであり、ガスクロス溝の凸リブ伸長方向長さが０．５〜３ｍｍであり、ガス凹溝幅が  ０．５〜３ｍｍであり、凸リブ高さが０．３〜０．６ｍｍである請求項１または請求項２記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、セパレータ流路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータの積層体から構成される。ＭＥＡ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。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷媒（通常は冷却水）を流すための流路が形成される。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た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）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオ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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−  
カソード側：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
セパレータには凹溝、凸リブが形成され、セパレータのＭＥＡ対向面の凹溝は燃料ガスまたは酸化ガスが流れるガス流路となり、凸リブは拡散層に接触され導電通路となる。セパレータが金属製のメタルセパレータでは、通常、凹溝、凸リブはプレス成形により形成され、凸リブの背面（ＭＥＡ対向面と反対側の面）は冷媒流路となる。
特開２００１−１９６０７９号公報は、メタルセパレータ面方向に多数の凸部が互いに隔離されて規則正しく配置され、凸部間にガスが流れる、分割凸部構造の燃料電池のセパレータ流路構造を開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９６０７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のセパレータ流路構造には、つぎの問題がある。
▲１▼  ガスと冷媒の流れを両方ともに良好とすることは困難である。
▲２▼  セパレータのセル積層方向の寸法を小さくすることが困難であり、スタックのコンパクト化をはかることが困難である。
これらの問題が生じる理由をメタルセパレータの場合を例にとって説明すると、つぎの通りである。
ガス、冷媒の流れに関しては、セル面内で局部的なフラッディングが生じた時に、ひとつのガス流路が閉塞してもそのガス流路から隣りのガス流路を通してガスが流れることができるようにガス流路間の凸リブにガスクロス溝が形成され、凸リブがガス流路伸長方向に分割されることが望ましい。その場合、凸リブ背面の冷媒流路はガスクロス溝によって深さ方向に狭められるか分断され、冷媒流れに問題が出る。したがって、フラッディング時のガスクロス溝によるガス流れの確保と、凸リブ背面の冷媒流路における冷媒流れの確保の両方を良好とすることは困難である。
セパレータの厚さ方向寸法に関しては、凸リブに形成されるガスクロス溝の深さを浅くしてガスクロス溝底背面に冷媒流路を確保しようとすると、セパレータの厚さがガスクロス溝とその背面の冷媒流路深さの和となり、それらの深さを必要量確保しようとすると、必然的にセパレータの厚さ方向寸法が大きくなる。その結果、スタックをセル積層方向にコンパクト化することが困難となる。
本発明の目的は、ガスと冷媒の流れを両方ともに良好とすることができる燃料電池のセパレータ流路構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、セパレータのセル積層方向の寸法を小に維持できる燃料電池のセパレータ流路構造を提供することにある。
【０００５】
【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）  ＭＥＡと、ＭＥＡの一側に配置した、第１のガス流路（たとえば、燃料ガス流路）となる凹溝と背面が第１の冷媒流路となる凸リブを有する第１のセパレータと、ＭＥＡの他側に配置した、第２のガス流路（たとえば、酸化ガス流路）となる凹溝と背面が第２の冷媒流路となる凸リブを有する第２のセパレータとから、単セルが構成されており、一つのセルの第１のセパレータの第１の冷媒流路と隣りのセルの第２のセパレータの第２の冷媒流路がセル積層方向に互いに一致されて一体冷媒流路を形成している燃料電池のセパレータ流路構造であって、第１のセパレータの凸リブに第１のクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されており、前記一体冷媒流路が該一体冷媒流路の伸長方向の何れの部位においても前記第１の冷媒流路の流路断面積および前記第２の冷媒流路の流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している燃料電池のセパレータ流路構造。
（２）  ＭＥＡと、ＭＥＡの一側に配置した、第１のガス流路（たとえば、燃料ガス流路）となる凹溝と背面が第１の冷媒流路となる凸リブを有する第１のセパレータと、ＭＥＡの他側に配置した、第２のガス流路（たとえば、酸化ガス流路）となる凹溝と背面が第２の冷媒流路となる凸リブを有する第２のセパレータとから、単セルが構成されており、一つのセルの第１のセパレータの第１の冷媒流路と隣りのセルの第２のセパレータの第２の冷媒流路がセル積層方向に互いに一致されて一体冷媒流路を形成している燃料電池のセパレータ流路構造であって、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されており、第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは前記一体冷媒流路の伸長方向に互いに位置がずれている燃料電池のセパレータ流路構造。
（３）  第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは、前記一体冷媒流路の伸長方向に交互に位置しており、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝の一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している（１）または（２）記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
（４）  第１のセパレータと第２のセパレータはメタルセパレータであり、第１のセパレータと第２のセパレータに形成される凹溝、凸リブ、クロス溝は何れもプレス成形により形成されている（１）または（２）記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
（５）  ガスクロス溝が凸リブの全高にわたって形成されている（１）または（２）記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
（６）  凸リブのＭＥＡと接する面積率が２０〜４０％であり、凸リブ幅が０．５〜１．５ｍｍであり、ガスクロス溝ピッチが２〜５０ｍｍであり、ガスクロス溝の凸リブ伸長方向長さが０．５〜３ｍｍであり、ガス凹溝幅が  ０．５〜３ｍｍであり、凸リブ高さが０．３〜０．６ｍｍである（１）または（２）記載の燃料電池のセパレータ流路構造。
【０００６】
上記（１）の燃料電池のセパレータ流路構造では、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのガス流路が閉塞してもガスはガスクロス溝を通って隣りのガス流路に流れることができ、ガスの流れが確保され、一つのガス流路全長にわたって発電不能になることはない。また、一体冷媒流路が、一体冷媒流路の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路の流路断面積および第２の冷媒流路の流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有しているので、ガスクロス溝によって冷媒流路が分断されることがなく、冷媒流路における冷媒流れも良好に維持される。その結果、ガスの流れも冷媒の流れも、両方ともに、良好に保たれる。
上記（２）の燃料電池のセパレータ流路構造では、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝が形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのガス流路が閉塞してもガスはガスクロス溝を通って隣りのガス流路に流れることができ、ガスの流れが確保され、一つのガス流路全長にわたって発電不能になることはない。また、第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは一体冷媒流路の伸長方向に互いに位置がずれているので、ガスクロス溝によって冷媒流路が分断されることがなく、冷媒流路における冷媒流れも良好に維持される。その結果、ガスの流れも冷媒の流れも、両方ともに、良好に保たれる。また、第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とは一体冷媒流路の伸長方向に互いに位置がずれているので、冷媒流れを良好に保つのに、第１、第２のセパレータの冷媒流路深さ、したがって第１、第２のセパレータの厚さを大にする必要がない。したがって、ガスクロス溝を設けたにもかかわらず、スタックをセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトにすることができる。
上記（３）の燃料電池のセパレータ流路構造では、第１のセパレータの第１のガスクロス溝と第２のセパレータの第２のガスクロス溝とが、一体冷媒流路の伸長方向に交互に位置しており、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝の一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置しているので、冷媒流路の流路断面積が、冷媒流路伸長方向に、ほぼ一定に保たれ、冷媒流れが良好に維持される。
上記（４）の燃料電池のセパレータ流路構造では、第１のセパレータと第２のセパレータがメタルセパレータであっても、セパレータにガスクロス溝を形成しそれらを冷媒流路の伸長方向に交互に位置させることにより、ガス流れも、冷媒流れも良好とすることができる。
上記（５）の燃料電池のセパレータ流路構造では、ガスクロス溝が凸リブの全高にわたって形成されており、それに重ねられるセパレータの対応部位にガスクロス溝が形成されないので、冷媒流路の流路断面積を維持したまま、セパレータをセル積層方向にコンパクトにすることができる。
上記（６）の燃料電池のセパレータ流路構造は、形状寸法の一例を示している。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のセパレータ流路構造を図１〜図１２を参照して、説明する。ただし、図１２は比較例（比較例は本発明に含まず）を示す。
本発明の燃料電池のセパレータ流路構造が適用される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。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０の単セル１９は、図１〜図１１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とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）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１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、図３〜図６に示すように、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュールを構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュールを積層してモジュール群とする。図１に示すように、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２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、図３〜図９に示すように、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつ第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成されている。
【００１０】
第１のセパレータ１８Ａ、第１の樹脂フレーム１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１のセパレータ１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第２のセパレータ１８Ｂ、第２の樹脂フレーム１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第１、第２の樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製である。
【００１１】
ＭＥＡはセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９では、図４、図５に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分では、図８、図９に示すように、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１２】
図３〜図６に示すように、単セル１９において、第１のセパレータ１８Ａ、第２のセパレータ１８Ｂには、プレス成形で凹凸（凹溝、凸リブ）が形成される。第１のセパレータ１８Ａには、ＭＥＡ側に第１のガス流路（燃料ガス流路）２７が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。第２のセパレータ１８Ｂには、ＭＥＡ側に第２のガス流路（酸化ガス流路）２８が形成され、ＭＥＡ側と反対側に冷媒流路２６が形成される。燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、たとえば、複数の流路を並列にした流路群からなる。図３は、流路がストレート流路の場合を示しているが、サーペンタイン流路であってもよい。
【００１３】
また、図３に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口と燃料ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口と酸化ガス出口とはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂが設けられ、他方３１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられる。
【００１５】
図７（図７は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部が形成されている。ガス流路連通部には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
【００１６】
図８、図９に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にゴムガスケット３９を配して、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールする。ゴムガスケット３９はＯリング等を用いてもよい。
図７、図８、図９に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷媒マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、酸化ガスマニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図７で斜線を施した部分）が形成されている。
【００１７】
本発明のセパレータ流路構造は、つぎのように構成されている。
図３〜図６に示すように、単セル１９の燃料電池発電部対応部２９において、ＭＥＡの一側に配置した第１のセパレータ１８Ａは、燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇと背面が第１の冷媒流路２６ａとなる凸リブ１８Ａｐを有しており、ＭＥＡの他側に配置した第２のセパレータ１８Ｂは、酸化ガス流路２８となる凹溝１８Ｂｇと背面が第２の冷媒流路２６ｂとなる凸リブ１８Ｂｐを有している。凹溝１８Ａｇと凹溝１８ＢｇとはＭＥＡに向かって開口しており、凸リブ１８Ａｐと凸リブ１８Ｂｐは凸の頂面が拡散層に接触している。
【００１８】
一つのセル１９の第１のセパレータ１８Ａの第１の冷媒流路２６ａと隣りのセル１９の第２のセパレータ１８Ｂの第２の冷媒流路２６ｂはセル積層方向に互いに位置が一致されて一体冷媒流路２６を形成している。すなわちメタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６と、隣りのセルのメタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷媒流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、連通している。
一つのセル１９において、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
【００１９】
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに第１のガスクロス溝（燃料ガスクロス溝）１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに第２のガスクロス溝（酸化ガスクロス溝）１８Ｂｃが形成されている。燃料ガスクロス溝１８Ａｃは凸リブ１８Ａｐの両側の燃料ガス流路２７となる凹溝１８Ａｇを連通している。酸化ガスクロス溝１８Ｂｃは凸リブ１８Ｂｐの両側の凹溝１８Ｂｇを連通している。
一体冷媒流路２６は、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有している。すなわち、冷媒流路２６の流路断面積は、冷媒流路２６ａの流路断面積以上であり、冷媒流路２６ｂの流路断面積以上である。
【００２０】
図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに形成された燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに形成された酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれている（互いにオフセットしている）。
さらに詳しくは、図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは、一体冷媒流路２６の伸長方向に交互に位置しており、燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃの一方のクロス溝は、その両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置している。
【００２１】
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂはメタルセパレータであり、第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂに形成される凹溝、凸リブ、ガスクロス溝は何れもメタルセパレータをプレス成形することにより形成されている。
ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃは、それぞれ、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの全高にわたって形成されている。
【００２２】
凹溝、凸リブ、ガスクロス溝の具体的な形状、寸法の関係は、つぎのように定められることが望ましい。
各凸リブ１８Ａｐ、１８ＢｐのＭＥＡと接する面積率は、リブと電極との接触抵抗を下げ、ガスと電極が接する反応面積を確保し、性能を確保するために、２０〜４０％とされる。その理由は、２０％より小であると接触電気抵抗ロスが大きくなり過ぎ、４０％より大であると拡散層のうちリブで押されている部分へのガスの拡散が悪くなって発電性能が低下するからである。
【００２３】
各凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの幅Ｗｐはリブと電極が接する領域へのガス拡散を確保するために、０．５〜１．５ｍｍとされる。その理由は、０．５ｍｍより小であるとＭＥＡを挟んで対向する凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐがずれた時にＭＥＡを挟めなくなるおそれがあるからであり、１．５ｍｍより大であると拡散層のうちリブで押されている部分へのガスの拡散が悪くなるからである。
各ガスクロス溝１８Ａｃ、１８ＢｃのピッチＰは２〜５０ｍｍとされる。その理由は、２ｍｍよりピッチが小であると凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの拡散層との接触面積が少なくなって接触抵抗ロスが増えるからであり、５０ｍｍより大きいと生成水が生じた時にガス流れが悪い所が増えるからである。
各ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの凸リブ伸長方向長さＬは０．５〜３ｍｍとされる。その理由は、０．５ｍｍより小さいとガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃが水で閉塞されたりして迂回路を構成しににくくなるからであり、３ｍｍより大きいと、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐで押さえないところが長くなり過ぎてその部位で拡散層がＭＥＡから浮き上がる方向に撓むおそれがあるからである。
【００２４】
各ガス凹溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの幅Ｗｇは、ガス拡散反応面積確保と拡散層のバックアップ、電子伝導、熱伝導を考慮して０．５〜３ｍｍとされる。その理由は、０．５ｍｍより小であると、ガス拡散反応面積確保が困難になるからであり、３ｍｍより大きいと拡散層のバックアップが難しくなるからである。
各凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの高さＨはガスの流速、圧損、排水性、プレス成形性を考慮して０．３〜０．６ｍｍとされる。その理由は０．３ｍｍより小であると圧損が大になり過ぎ、０．６ｍｍより大であるとプレスの成形性が悪くなり、スタックが長くなり過ぎるからである。
【００２５】
つぎに、本発明の燃料電池のセパレータ流路構造の作用を説明する。
第１のセパレータ１８Ａの凸リブ１８Ａｐに燃料ガスクロス溝１８Ａｃが形成されており、第２のセパレータ１８Ｂの凸リブ１８Ｂｐに酸化ガスクロス溝１８Ｂｃが形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じて一つのガス流路２７、２８が閉塞してもガスはガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを通って隣りのガス流路２７、２８に流れることができ、ガスの流れが確保され、一つのガス流路２７、２８が全長にわたって発電不能になることはない。フラッディングが生じてもガス流路２７、２８の閉塞が局部的に制限され、ガス流路２７、２８におけるガス流れは、局部的なフラッディング部を除き、良好に維持される。
【００２６】
また、一体冷媒流路２６が、一体冷媒流路２６の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路２６ａの流路断面積および第２の冷媒流路２６ｂの流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有しているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって一体冷媒流路２６が分断されることがなく、一体冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって冷媒流路２６が分断されることがなく、冷媒流路２６における冷媒流れも良好に維持される。
その結果、燃料ガス、酸化ガスの流れも冷媒の流れも、ともに、良好に保たれる。
【００２７】
具体的には、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとは一体冷媒流路２６の伸長方向に互いに位置がずれているので、第１、第２のセパレータ１８Ａ、１８Ｂの何れか一方のセパレータの冷媒流路２６ａ、２６ｂがガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃによって分断されても、他方のセパレータの冷媒流路を通って良好に冷媒が流れることができる。そのため、冷媒流れを良好に保つのに、第１、第２のセパレータの冷媒流路深さ、したがって第１、第２のセパレータの厚さを大にする必要がない。したがって、ガスクロス溝を設けたにもかかわらず、スタック２３をセル積層方向に大きくする必要がなく、コンパクトに維持できる。
図１２の比較例（比較例は本発明に含まず）に示すように、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの位置が冷媒流路２６の伸長方向に一致している場合には、冷媒が流れるようにするには、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの深さを浅くして溝底背面に冷媒流路を残す必要がある。しかし、その場合は冷媒の流れがガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの間で悪くなったり、また流路断面積の大小ができて冷媒中に気泡が生じやすくなったりするという問題が生じる。本発明ではガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの位置が冷媒流路２６の伸長方向に互いにずれているので、図１２の比較例のような問題は生じない。
【００２８】
また、図４に示すように、第１のセパレータ１８Ａの燃料ガスクロス溝１８Ａｃと第２のセパレータ１８Ｂの酸化ガスクロス溝１８Ｂｃとが、一体冷媒流路２６の伸長方向に交互に位置しており、燃料ガスクロス溝１８Ａｃと酸化ガスクロス溝１８Ｂｃの一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置しているので、冷媒流路２６の流路断面積が、冷媒流路２６伸長方向に、ほぼ一定に保たれ、冷媒流れが良好に維持される。
第１のセパレータ１８Ａと第２のセパレータ１８Ｂがメタルセパレータであっても、セパレータ１８にガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを形成しそれらを冷媒流路２６の伸長方向に交互に位置させることにより、ガス流れも、冷媒流れも良好とすることができる。
【００２９】
ガスクロス溝１８Ａｃが凸リブ１８Ａｐの全高にわたって形成されており、ガスクロス溝１８Ｂｃが凸リブ１８Ｂｐの全高にわたって形成されており、それに重ねられるセパレータの対応部位にはガスクロス溝が形成されないことにより、冷媒流路２６の流路断面積を維持したまま、セパレータ１８をセル積層方向にコンパクトにすることができる。もしも、重ねられる２つのセパレータのガスクロス溝の冷媒流路方向の位置が一致すると、ガスクロス溝底背面間に冷媒流路を形成しようとすると凸リブ高さを高くしてガスクロス溝底背面間に冷媒流路が残るようにしなければならないが、凸リブ高さを高くすると、セパレータ１８をセル積層方向にコンパクトにすることができず、スタック長が大となってしまう。
【００３０】
凸リブ１８Ａｐ、１８ＢｐのＭＥＡと接する面積率を２０〜４０％であり、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの幅を０．５〜１．５ｍｍとし、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃのピッチを２〜５０ｍｍとし、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの凸リブ伸長方向長さを０．５〜３ｍｍとし、ガス凹溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの幅を０．５〜３ｍｍとし、凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの高さを０．３〜０．６ｍｍとすることにより、ガス、冷媒の流れが良好で、かつ、セル厚、スタック長が小の燃料電池が得られる。
【００３１】
つぎに、形状寸法を種々に変えて、燃料電池の性能を評価して見た。
図１０は、（イ）ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを冷媒流路２６伸長方向にオフセットさせ（図４）、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを０．５ｍｍにし、凸リブの高さを０．５ｍｍにした場合（本発明）の電圧−電流密度特性と、（ロ）ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを冷媒流路２６伸長方向に同位置とし（図１２）、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃを０．２５ｍｍにし、凸リブの高さを０．５ｍｍにした場合（比較例）の電圧−電流密度特性とを、示している。図１０からわかるように、本発明では、生成水が多く生じる高電流密度域でも、ガス流れが良好で電圧低下が少ないが、比較例では、高電流密度域でフラッディングによりガス流れが阻害され、電圧低下が大になる。
【００３２】
また、図１１は、ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃのピッチを１０ｍｍ分割、５０ｍｍ分割、１００ｍｍ分割、分割なし（ストレートのまま）と種々に変えた時の電池性能の変化を示している。図１１からわかるように、凸リブの分割がある場合（本発明）は、フラッディングによってガス溝が詰まっても、そのガス溝の全長にわたってガス流れが止まることはないので、電圧低下が少ないのに対し、分割なしの場合（従来）は、フラッディングによってガス溝が詰まると、そのガス溝の全長にわたってガス流れが止まるため、電圧低下が大である。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池のセパレータ流路構造によれば、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝（燃料ガスクロス溝）が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝（酸化ガスクロス溝）が形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じてもガスはガスクロス溝を通って隣りのガス流路に流れることができ、ガスの流れが確保される。また、一体冷媒流路が、一体冷媒流路の伸長方向の何れの部位においても、第１の冷媒流路の流路断面積および第２の冷媒流路の流路断面積の何れの流路断面積以上の流路断面積を有しているので、ガスクロス溝によって冷媒流路が分断されることがなく、冷媒流路における冷媒流れも良好に維持される。その結果、ガスの流れも冷媒の流れも、両方ともに、良好に保たれる。
請求項２の燃料電池のセパレータ流路構造によれば、第１のセパレータの凸リブに第１のガスクロス溝（燃料ガスクロス溝）が形成されており、第２のセパレータの凸リブに第２のガスクロス溝（酸化ガスクロス溝）が形成されているため、セル面に局部的フラッディングが生じてもガスはガスクロス溝を通って隣りのガス流路に流れることができ、ガスの流れが確保される。また、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝とは一体冷媒流路の伸長方向に互いに位置がずれているので、ガスクロス溝によって冷媒流路が分断されることがなく、冷媒流路における冷媒流れも良好に維持される。その結果、ガスの流れも冷媒の流れも、両方ともに、良好に保たれる。また、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝とが互いに位置がずれているので、冷媒流れを良好に保つのに、第１、第２のセパレータの厚さを大にする必要がなく、その結果、ガスクロス溝を設けたにもかかわらず、スタックをセル積層方向にコンパクトにすることができる。
請求項３の燃料電池のセパレータ流路構造によれば、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝とが、一体冷媒流路の伸長方向に交互に位置しており、第１のガスクロス溝と第２のガスクロス溝の一方のクロス溝はその両側の他方のクロス溝のほぼ中央に位置しているので、冷媒流路の流路断面積が、冷媒流路伸長方向に、ほぼ一定に保たれ、冷媒流れが良好に維持される。
請求項４の燃料電池のセパレータ流路構造によれば、第１のセパレータと第２のセパレータがメタルセパレータであっても、セパレータにガスクロス溝を形成しそれらを冷媒流路の伸長方向に交互に位置させることにより、ガス流れも、冷媒流れも良好とすることができる。
請求項５の燃料電池のセパレータ流路構造によれば、ガスクロス溝が凸リブの全高にわたって形成されており、それに重ねられるセパレータの対応部位にはガスクロス溝が形成されないので、冷媒流路の流路断面積を維持したまま、セパレータをセル積層方向にコンパクトにすることができる。
請求項６の燃料電池のセパレータ流路構造のように諸寸法を選定すれば、ガス、冷媒の流れが良好で、かつ、セル厚、スタック長が小の燃料電池を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のセパレータ流路構造を具現したセパレータの平面図である。
【図４】本発明の燃料電池のセパレータ流路構造を具現した単セルの一部の断面図であり、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図４の燃料電池のセパレータ流路構造をＣ方向から見た断面図である。
【図６】本発明の燃料電池のセパレータ流路構造の一部の斜視図である。
【図７】本発明が適用される燃料電池の、セパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図８】図３のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】（イ）本発明であるクロス溝オフセットの場合と（ロ）比較例であるクロス溝同位置の場合の、電圧−電流密度特性図である。
【図１１】本発明の凸リブ分割ピッチを１０ｍｍ分割、５０ｍｍ分割、１００ｍｍ分割と変えた場合と、分割なし（従来）の場合の、電圧−電流密度特性図である。
【図１２】比較例（クロス溝同位置）のセパレータ流路構造の一部の断面図である。
【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  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８Ａ  第１のメタルセパレータ
１８Ｂ  第２のメタルセパレータ
１８Ｃ  第１の樹脂フレーム
１８Ｄ  第２の樹脂フレーム
１８Ａｐ  第１のセパレータの凸リブ
１８Ｂｐ  第２のセパレータの凸リブ
１８Ａｇ  第１のセパレータの凹溝
１８Ｂｇ  第２のセパレータの凹溝
１８Ａｃ  第１のガスクロス溝（燃料ガスクロス溝）
１８Ｂｃ  第２のガスクロス溝（酸化ガスクロス溝）
Ｗｐ  凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの幅
Ｐ    ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃのピッチ
Ｌ    各ガスクロス溝１８Ａｃ、１８Ｂｃの凸リブ伸長方向長さ
Ｗｇ  各ガス凹溝１８Ａｇ、１８Ｂｇの幅
Ｈ    各凸リブ１８Ａｐ、１８Ｂｐの高さ
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  ボルトまたはナット
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２６ａ  第１の冷媒流路
２６ｂ  第２の冷媒流路
２７  第１のガス流路（燃料ガス流路）
２８  第２のガス流路（酸化ガス流路）
２９  燃料電池発電部対応部
３０、３１  対向部
３２  冷媒マニホルド
３２ａ  入り側の冷媒マニホルド
３２ｂ  出側の冷媒マニホルド
３３  燃料ガスマニホルド
３３ａ  入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ  出側の燃料ガスマニホルド
３４  酸化ガスマニホルド
３４ａ  入り側の酸化ガスマニホルド
３４ｂ  出側の酸化ガスマニホルド
３５  ガス整流部
３６  ガス整流部
３８  接着剤シール部
３９  ゴムガスケット
【図１】
2004247061.tif 000003
【図２】
2004247061.tif 000004
【図３】
2004247061.tif 000005
【図４】
2004247061.tif 000006
【図５】
2004247061.tif 000007
【図６】
2004247061.tif 000008
【図７】
2004247061.tif 000009
【図８】
2004247061.tif 000010
【図９】
2004247061.tif 000011
【図１０】
2004247061.tif 000012
【図１１】
2004247061.tif 000013
【図１２】
2004247061.tif 000014