(57)【要約】【課題】本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータに関するものであり、入口側流路溝部での反応集中を防止して、電解質膜やガス拡散電極の劣化による耐久性と電気変換エネルギー効率の向上と、完全にフラッディングの防止を図る。【解決手段】セパレータ１の流路溝２は、主流路溝部１３と副流路溝部１４とからなり、副流路溝部１４の流路断面積は主流路溝部１３の流路断面積よりも小さく構成することにより、ガスはガス拡散層２を通り副流路溝部１４に流れ、主流路溝部１３の流れが完全に止まることを防止でき、閉塞した主流路溝部１３は生成水量が少なくなり再度開通して、正常の動作に復帰できフラッディングを防止することが可能となる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、少なくとも一方の前記セパレータの前記流路溝は、主流路溝部と副流路溝部とからなり、前記副流路溝部の流路断面積は前記主流路溝部の流路断面積よりも小さく構成したことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
副流路溝部は主流路溝部よりも溝深さを大きく構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
副流路溝部は蛇行せず、主流路溝部は蛇行して構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
主流路溝部と副流路溝部の少なくとも一部を連通して構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項５】
主流路溝部と副流路溝部を交互に配置して構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項６】
副流路溝部は入口マニホールドと流路絞部を介して連通したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項７】
副流路溝部は出口マニホールドと連通したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【０００３】
しかし、ガス拡散電極の全面に供給ガスが供給されるようにすると、セパレータとガス拡散電極との接触面積が無くなり、発生した電流の効率的な集電やガス拡散電極で発生する熱の除去が難しくなる。このため、セパレータとガス拡散電極の境界部分に、供給ガスの通流方向を規制する流路溝が設けられ、セパレータとガス拡散電極とをある割合に接触面積を保っている。セパレータ側に形成したこの流路溝部は、蛇行したサーペンタイン構成、あるいは複数本構成が記載されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
そして、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維持するためには、供給するガスを加湿して供給ガス中の水蒸気濃度を高める必要があり、さらに、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するものであるため、カソード側において水が生成する。
【０００５】
このため、供給ガスの流路溝には、反応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有し、液体状態となってガス流路溝を塞いでしまうおそれがある（この現象をフラッディングという）。このフラッディングを防止する技術がある。図７は従来の固体高分子電解質型燃料電池の酸化ガスセパレータを示す。セパレータ１の溝部材２は、ガス拡散電極に対応した方形状でガス不透過性と導電性をして構成される。入口マニホールド３から酸化ガスが流入され、流路溝材２の溝を経た酸化ガスを出口マニホールド４より導出する。燃料ガスのセパレータはセパレータ１の裏面に構成され酸化ガスの入口マニホールド３および出口マニホールド４と互違いの位置に形成された入口マニホールド５及び出力マニホールド６より燃料ガスの流入と導出が行われる。流路溝材２の溝は、入口マニホールド３に直接に連通した入口側流路溝７と、上記出口マニホールド４に直接に連通した出口側流路溝８と、上記入口側流路溝７及び出口側流路溝８とを連通した中間流路溝９とから構成されている。入口側流路溝７と出口側流路溝８とは格子状に形成され、中間流路溝９は、複数回折返した曲折形態に形成され、複数本の直線状に延びる独立流路群９Ａ〜９Ｅと、折返し部に形成された格子状溝１０Ａ〜１０Ｄとから構成されている。すなわち、入口側流路溝７と出口側流路溝８は、縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり、独立流路群９Ａ〜９Ｅは長延突起ｂ以外の領域がガス流路溝である。また、折返し部の格子状溝１０Ａ〜１０Ｄは、孤立突起ｃ以外の領域がガス流路溝である。
【０００６】
反応生成水によるフラッディングにより供給ガスの停滞を防止するため、過去より種々のガス流路溝が工夫され、ガス流路が格子状となるタイプと、入口から出口まで１本の流路とするタイプがあるが、格子状タイプは、フラッディングに達するような水溜まりは生じないが、全体に均一となるガス拡散性能、一部が閉塞するなど排水性能に劣る。また、１本流路タイプは、拡散性が良いが、流れ抵抗が増えてガス供給装置側の元圧を高くする必要を生じ補機動力が増加してシステム効率が低下する。
【０００７】
そして、図７に示す従来例に記載されたものは、供給ガスの入口側流路溝部７及び出口側流路溝部８が縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり格子状をなすため、電極へのガスの接触面積が広くなると共に、ガスが自由に移動でき、時間的に速く電極と接触する。従って、入口側流路溝部７では供給ガスと電極との接触効率（面積的に広く及び時間的に速く接触）が高く入口側におけるガス拡散性の損失を回避し得る。また、出口側流路溝部８では、入口側と同様のガス拡散性の損失を回避し、かつ流路断面積が広くなるため排水性を確保してフラッディングを防止することができると記述してある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭５０−８７７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２６３００３号公報
【特許文献３】
特開平１０−１０６５９４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの従来構成においては、入口側流路溝部ではガス拡散性を高め、この部分の反応を促進して全体の電気変換エネルギー効率を高めたため、入口側流路溝部での反応が集中し固体高分子電解質膜やガス拡散電極の触媒層の劣化が進み耐久性に課題が残った。また、出口側流路溝部では、流路断面積が広くして排水性を確保してフラッディングを防止してあるが、流路断面積が広いためガスの流れが偏在し一様でなく、流速の遅い部分では生成水が流路溝の一部を閉塞した状態を発生し、この部分にはガスが供給できなく完全にフラッディングを防止できなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、通路の一部が発生水で閉塞したときも入り口から出口に至る全体として反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつフラッディングを防止して信頼性を高めた燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池のセパレータは、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記セパレータの前記流路溝は、主流路溝部と副流路溝部とからなり、前記副流路溝部の流路断面積は前記主流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してある。
【００１２】
これによって、主流路溝部の流路断面積は副流路溝部の流路断面積よりも大きく構成してあるため、燃料ガスと酸化ガスの大部分の流量は主流路溝部を流れる。発生した生成水により主流路溝部が閉塞した時は、主流路溝部のガスの圧力が上昇し、ガスはガス拡散層を通り副流路溝部に流れる。そのため、主流路溝部の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部は運転を継続しながら主流路溝部に少ない流量のガスが流れるため、発生する生成水量が少なくなり開通して、正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。
【００１３】
また、主流路溝部と副流路溝部は、ガス拡散層を介して連通しているため、一部に電流密度が高くなると生成水の発生量が増加して流れ抵抗が増加するため、逐次、主流路溝部あるいは副流路溝部にガス拡散層を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記セパレータの前記流路溝は、主流路溝部と副流路溝部とからなり、前記副流路溝部の流路断面積は前記主流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してある。
【００１５】
これによって、主流路溝部の流路断面積は副流路溝部の流路断面積よりも大きく構成してあるため、燃料ガスと酸化ガスの大部分の流量は主流路溝部を流れる。発生した生成水により主流路溝部が閉塞した時は、主流路溝部のガスの圧力が上昇し、ガスはガス拡散層を通り副流路溝部に流れる。そのため、主流路溝部の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部は運転を継続しながら主流路溝部に少ない流量のガスが流れるため、発生する生成水量が少なくなり開通して、正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、一般的にはフラッディングを防止するために高流速で水を吹き飛ばす設定となっていたが、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００１６】
また、主流路溝部と副流路溝部は、ガス拡散層を介して連通しているため、一部に電流密度が高くなると生成水の発生量が増加して流れ抵抗が増加するため、逐次、主流路溝部あるいは副流路溝部にガス拡散層を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、特に請求項１の燃料電池のセパレータを副流路溝部は主流路溝部よりも溝深さを大きく構成したことにより、副流路溝部の通路断面積に対するガス拡散層の面積を小さくし、生成水によって副流路溝部が閉塞しにくくできる。このため、主流路溝部が発生した生成水量によって閉塞した場合もガスはガス拡散層を通り副流路溝部に流れる。
【００１８】
すなわち、流路に面したガス拡散層の面積で決まる生成水の発生量と、通路の断面積で決まる生成水で通路の閉塞の相関でフラッディングの発生タイミングが決まる。副流路溝部は主流路溝部よりも溝深さを大きく構成したことにより、常に、フラッディングは副流路溝部が遅く発生する為、主流路溝部のフラッデングは副流路溝部に流れ、正常に復帰でき、さらに運転条件を広範囲にしても流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。
【００１９】
請求項３記載の発明は、特に請求項１の燃料電池のセパレータを副流路溝部は蛇行せず、主流路溝部は蛇行して構成したことにより、副流路溝は主流路溝部に比較して、曲がりによる流れ抵抗が無く流路長が短く出来るため全圧力損失が小さくできる為、流量が増加し流速が大きくなる。また、発生した生成水は、曲がりが無く流路長が短いため、ガスの流れに乗って排出される。すなわち、常にフラッディングは副流路溝部が遅く発生する為、主流路溝部のフラッディングは副流路溝部に流れ、正常に復帰でき、さらに運転条件を広範囲にしても流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、特に請求項１〜３の燃料電池の主流路溝部と副流路溝部の少なくとも一部を連通して構成したことにより、発生した生成水により主流路溝部が閉塞した時は、この連通部を通り主流路溝部から副流路溝部にガスは流れる。また、閉塞した主流路溝部の後部では逆に副流路溝部から主流路溝部に連通部からガスが流れる。そのため、主流路溝部の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部は運転を継続しながら主流路溝部の多くの部分に少ない流量のガスが流れるため、早く正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００２１】
また、主流路溝部と副流路溝部は連通しているため、一部に電流密度が高くなると生成水の発生量が増加して流れ抵抗が増加するため、逐次、主流路溝部あるいは副流路溝部に連通箇所を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、特に請求項１〜４の燃料電池の主流路溝部と副流路溝部を交互に配置して構成したことにより、主流路溝部と副流路溝部はガス拡散層を介して全域で接する構成となる。そのため、発生した生成水により主流路溝部が閉塞した時は、主流路溝部の閉塞した場所の直前からガスはガス拡散層を通り副流路溝部に流れ、また、主流路溝部の閉塞した場所の直後にガスはガス拡散層を通り副流路溝部から主流路溝部に流れる。そのため、主流路溝部の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部は運転を継続しながら主流路溝部に少ない流量のガスが流れるため、発生する生成水量が少なくなり開通して、正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。
【００２３】
また、主流路溝部と副流路溝部は、ガス拡散層を介して全域で連通しているため、逐次、主流路溝部あるいは副流路溝部にガス拡散層を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、特に請求項１の燃料電池のセパレータを副流路溝部は入口マニホールドと流路絞部を介して連通したことにより、副流路溝部を流れるガス量を流路絞部で低減できる。これにより、副流路溝部のガス量が低下し発電反応による生成水の量を少なくして、常に、フラッディングは副流路溝部が遅く発生させることが可能となり、全体のフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、ガス量を流路絞部で自由に設定できるため、実使用条件に合わせて最適に調節が可能であり、システムの信頼性が向上するものである。
【００２５】
請求項７記載の発明は、燃料電池のセパレータを副流路溝部は出口マニホールドと連通したことにより、副流路溝部を流れるガス量は主流路溝部からガス拡散層を介して流れるのみとなり大幅に少ない。そのため、副流路溝部はフラッディングすることが無く、確実に通路連通を確保できる。そのため、全体のフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【００２６】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成図、図２は燃料電池全体の断面図を示す。図２において、固体高分子型の燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ１を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極１２に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜１１でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極１２間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ１を介して外部回路（図示せず）に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極１２の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【００２８】
図１に示すセパレータ１は、セパレータ１の流路溝２は、ガス拡散電極１２に対応した形状としガス不透過性と導電性有するカーボン、表面処理をした金属を用いて構成する。入口マニホールド３から燃料または酸化ガスが流入され、流路溝２の溝を経た前記ガスを出口マニホールド４より流出する。他方酸化ガスまたは燃料ガスのセパレータ１はこのセパレータ１の背面側に同様の流れる構成を設け入口マニホールド５及び出力マニホールド６よりガスの流入と導出が行われる。これにより、固体高分子電解質膜１１を挟持する一対のガス拡散電極１２のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝２を形成したセパレータ１を構成している。
【００２９】
そして、流路溝材２の溝は、主流路溝部１３と副流路溝部１４とからなり、副流路溝部１４の流路断面積は主流路溝部１３の流路断面積よりも小さく構成してある。主流路溝部１３と副流路溝部１４は、複数の溝で構成し入口マニホールド３に直接に連通し蛇行しなから出口マニホールド４に至る。
【００３０】
以上のように構成された燃料電池のセパレータについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３１】
まず、入口マニホールド３から主流路溝部１３に入った燃料ガスおよび酸化ガスは、主流路溝部１３と副流路溝部１４を流れる時、ガス拡散電極に拡散して電気化学反応を行い、水となり順次質量を減じながら出口マニホールド４に至り排出される。
【００３２】
これによって、主流路溝部１３の流路断面積は副流路溝部１４の流路断面積よりも大きく構成してあるため、燃料ガスと酸化ガスの大部分の流量は主流路溝部を流れ、そのため、電気化学反応により発生する生成水の大部分は主流路溝部１３にて起こる。発生した生成水により主流路溝部１３が閉塞した時は、主流路溝部１３のガスの圧力が上昇し、燃料ガスおよび酸化ガスの一部はガス拡散層１２を通り副流路溝部１４に流れる。そのため、主流路溝部１３の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜１１の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部１３は運転を継続しながら主流路溝部１３に少ない流量のガスが流れるため、発生する生成水量が少なくなり開通して、正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、一般的にはフラッディングを防止するために高流速で水を吹き飛ばす設定となっていたが、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００３３】
また、主流路溝部１３と副流路溝部１４は、ガス拡散層１２を介して連通しているため、一部に電流密度が高くなると生成水の発生量が増加して流れ抵抗が増加するため、逐次、主流路溝部１３あるいは副流路溝部１４にガス拡散層を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る電気化学反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、発電する電気量は、実使用実態に合わせて増減コントロールする必要がある。そのため、負荷に応じて燃料ガスおよび酸化ガスのガス量を増減して調整する必要がある。電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものであり、特に、負荷に合わせて供給するガス流量を変化した場合も、この均一性は維持できるため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００３４】
そして、副流路溝部１４は主流路溝部１３よりも溝深さを大きく構成したことにより、副流路溝部１４の通路断面積に対するガス拡散層１２の面積を小さくし、生成水によって副流路溝部１４が閉塞しにくくできる。このため、主流路溝部１３が発生した生成水量によって閉塞した場合もガスはガス拡散層１２を通り副流路溝部１４に流れる。
【００３５】
すなわち、流路に面したガス拡散層１２の面積で決まる生成水の発生量と、通路の断面積で決まる生成水で通路の閉塞の相関でフラッディングの発生タイミングが決まる。副流路溝部１４は主流路溝部１３よりも溝深さを大きく構成したことにより、常に、フラッディングは副流路溝部１４が遅く発生する為、主流路溝部１３のフラッデングした時ガスは副流路溝部１４に流れ、正常に復帰でき、さらに運転条件を広範囲にしても流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、良好な運転範囲が拡大し安定性が向上しシステムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。
【００３６】
そして、フラッデングしにくいことは流れ抵抗を小さく設定できるため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。また、このことにより、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。また、電気変換エネルギー効率が高いことは、セパレータを小さくできコンパクト化が可能となる。
【００３７】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例１と異なるところは、セパレータ１を副流路溝部１４は蛇行せず、主流路溝部１３は蛇行して構成してある。このことにより、副流路溝１４は主流路溝部１３に比較して、曲がりによる流れ抵抗が無く流路長が短く出来るため全圧力損失が小さくできる為、流量が増加し流速が大きくなる。また、発生した生成水は、曲がりが無く流路長が短いため、ガスの流れに乗って排出される。すなわち、常にフラッディングは副流路溝部１４が遅く発生する為、主流路溝部１３のフラッディングした時ガスは副流路溝部１４に流れ、正常に復帰でき、さらに運転条件を広範囲にしても流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００３８】
（実施例３）
図４は、本発明の第３の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例１と異なるところは、燃料電池のセパレータ１を主流路溝部１３と副流路溝部１４の少なくとも一部を連通部１５で連通して構成してある。このことにより、発生した生成水により主流路溝部１３が閉塞した時は、この連通部１５を通り主流路溝部１３から副流路溝部１４にガスは流れる。また、閉塞した主流路溝部１３の後部では逆に副流路溝部１４から主流路溝部１３に連通部１５からガスが流れる。そのため、主流路溝部１３の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部１３は運転を継続しながら主流路溝部１３の多くの部分に少ない流量のガスが流れるため、早く正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００３９】
また、主流路溝部１３と副流路溝部１４は連通しているため、一部に電流密度が高くなると生成水の発生量が増加して流れ抵抗が増加するため、逐次、主流路溝部１３あるいは副流路溝部１４に連通箇所を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００４０】
また、燃料電池のセパレータの主流路溝部１３と副流路溝部１４を交互に配置して構成したことにより、主流路溝部１３と副流路溝部１４はガス拡散層１２を介して全域で接する構成となる。そのため、発生した生成水により主流路溝部１３が閉塞した時は、主流路溝部１３の閉塞した場所の直前からガスはガス拡散層１２を通り副流路溝部１４に流れ、また、主流路溝部１３の閉塞した場所の直後にガスはガス拡散層１２を通り副流路溝部１４から主流路溝部１３に流れる。そのため、主流路溝部１３の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部１３は運転を継続しながら主流路溝部１３に少ない流量のガスが流れるため、発生する生成水量が少なくなり開通して、正常の動作に復帰でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。
【００４１】
そして、主流路溝部１３と副流路溝部１４は、ガス拡散層１２を介して全域で連通しているため、逐次、主流路溝部１３あるいは副流路溝部１４にガス拡散層１２を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００４２】
（実施例４）
図５は、本発明の第４の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例１と異なるところは、燃料電池のセパレータ１を副流路溝部１４は入口マニホールド３と流路絞部１６を介して連通してある。このことにより、副流路溝部１４を流れるガス量を流路絞部１６で低減できる。このために、副流路溝部１４を流れるガス量が低下し発電反応による生成水の量を少なくできる。このため、常に、フラッディングは副流路溝部１４が遅く発生させることが可能となり、全体のフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、流れるガス量を流路絞部１４で自由に設定できるため、実使用条件に合わせて最適に調節が可能であり、システムの信頼性が向上するものである。
【００４３】
（実施例５）
図６は、本発明の第５の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例１と異なるところは、燃料電池のセパレータ１を副流路溝部１４は出口マニホールド４と連通してある。（このため、副流路溝部１４は入口マニホールド３とは連通していない）、このことにより、副流路溝部１４を流れるガス量は主流路溝部１３からガス拡散層１２を介して流れるのみとなり大幅に少なくできる。そのため、副流路溝部１４はフラッディングすることが無く、確実に通路連通を確保できる。そのため、全体のフラッディングを防止することが可能となり、システムとしての信頼性向上と耐久信頼性の向上、全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータにおいて、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記セパレータの前記流路溝は、主流路溝部と副流路溝部とからなり、前記副流路溝部の流路断面積は前記主流路溝部の流路断面積よりも小さく構成することにより、生成水により主流路溝部が閉塞した時は、主流路溝部のガスの圧力が上昇し、ガスはガス拡散層を通り副流路溝部に流れ、主流路溝部の流れが完全に止まることを防止でき、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質の破損を防止できる。また、生成水で閉塞した主流路溝部は生成水量が少なくなり再度開通して、正常の動作に復帰できフラッディングを防止することが可能となる。そして、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。また、主流路溝部と副流路溝部は、逐次、主流路溝部あるいは副流路溝部にガス拡散層を介して迂回流れが生じ全体として電流密度を均一化できる。このため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図２】本発明の第１の実施例における燃料電池全体の断面図
【図３】本発明の第２の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図４】本発明の第３の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図５】本発明の第４の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図６】本発明の第５の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図７】従来の燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【符号の説明】
１　セパレータ
２　流路溝
３　入口マニホールド
４　出口マニホールド
１１　固体高分子電解質膜
１２　ガス拡散電極
１３　主流路溝部
１４　副流路溝部
１５　連通部
１６　流路絞部
【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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