(57)【要約】【課題】突起サイズを小さくして圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかるとともに、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制することができる、燃料電池のセパレータの提供。【解決手段】（１）アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大とした燃料電池のセパレータ。（２）アノード側ガス流路用突起３２のサイズをカソード側ガス流路用突起３３のサイズより小とした燃料電池のセパレータ。（３）マニホールド間アノード側ガス流路圧損を小とした燃料電池のセパレータ。（４）燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である。（５）アノード側ガス流路用突起３２とカソード側ガス流路用突起３３とは相対向する位置に設けられる。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大とした燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小とした燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
燃料電池のセパレータであって、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小とした燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
前記燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である請求項１ないし請求項３の何れか一項記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項５】
アノード側ガス流路用突起とカソード側ガス流路用突起とは相対向する位置に設けられる請求項１ないし請求項３の何れか一項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】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）の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、またはスタックの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スタックの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
【０００３】
上記反応が正常に行われるには、電解質膜が適当に湿潤していること、反応ガスが電極に十分拡散、供給されること、過度の水滴は反応ガス流路から除去されることが、必要がある。
特開２００１−１４３７２５号公報は、燃料電池のセパレータに多数の突起を設けて反応ガスの電極へのガス拡散性、供給性をよくするとともに、排水性も向上させた燃料電池を開示している。
従来の燃料電池のセパレータでは、ＭＥＡを挟んで対向するアノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起とが、互いに同じサイズで同じピッチの突起であるため、圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上等を狙って突起のサイズ（突起高さ方向と直交する方向のサイズ）を小にする場合、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起とを同時に小さくしていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１４３７２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上等のために、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起のサイズを小さくすると、当然に突起の拡散層に押圧接触される面積が小さくなり、接触抵抗の増加、発電性能の低下を招く。
とくに、小さくしたアノード側セパレータの突起と同量小さくしたカソード側セパレータの突起が、製造誤差などにより互いに対向する位置からずれると、突起の拡散層に押圧接触される面積が、上記の突起サイズの低減によって当然に縮小される押圧接触面積よりも、さらに小さくなり、結果として、さらなる接触抵抗の増加、発電性能の低下を招く。
本発明の目的は、突起サイズを小さくして圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかるとともに、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起が、製造誤差などによって、互いに対向する位置からずれることにより、さらなる接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制することができる、燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００６】
【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）  燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大とした燃料電池のセパレータ。
（２）  燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小とした燃料電池のセパレータ。
（３）  燃料電池のセパレータであって、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小とした燃料電池のセパレータ。
（４）  前記燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である（１）ないし（３）の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
（５）  アノード側ガス流路用突起とカソード側ガス流路用突起とは相対向する位置に設けられる（１）ないし（３）の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
【０００７】
上記（１）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起が狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
上記（２）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
上記（３）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図７を参照して説明する。ただし、図７は比較例であり、本発明には含まれない。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば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。
【０００９】
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。図２は２セルで１モジュールを構成した場合を示しているが、これに限るものではなく、１セルで１モジュールを構成してもよいし、または、３以上のセルで１モジュールを構成してもよい。また、セルの「積層」の方向は、上下方向でもよいし、水平方向でもよいし、あるいは斜め方向でもよい。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、または導電性樹脂、またはメタルと樹脂フレーム、の何れかまたはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
【００１１】
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。燃料ガスも酸化ガスも、反応ガスである。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１以上のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１２】
セパレータ１８に形成される燃料ガス流路２７は、セパレータ１８の拡散層に接触する側の面に形成された突起３２の間に形成される。セパレータ１８に形成される酸化ガス流路２８は、セパレータ１８の拡散層に接触する側の面に形成された突起３３の間に形成される。突起３２、３３の先端面は、拡散層１３、１６を押圧し、拡散層１３、１６と接触している。突起３２、３３は、ガス流れ方向に、連続した突起（リブ状の突起）であってもよいし、あるいは非連続の突起であってもよい。また、非連続の突起の場合、突起３２、３３の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状は、正方形、矩形などであってもよいし、円形であってもよいし、あるいはその他の形状（楕円形、台形、菱形、三角形、多角形など）であってもよい。
【００１３】
図３に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が設けられる。
燃料電池の発電領域のガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）とガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）とは、接続され、互いに連通されている。燃料電池の発電領域とは、電解質膜１１と燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が存在する領域で、発電が実行される領域である。
【００１４】
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
各種マニホールドは、入側、出側マニホールドの各々において、１つのマニホールドから構成されてもよいし、あるいは、複数の同種マニホールドから構成されていてもよい。
【００１５】
図４に示すように、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）の幅Ｗ１  は、カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）の幅Ｗ２  より大としてある。
上記のアノード流路＞カソード流路は、寸法公差を管理することによりアノード流路＞カソード流路となるものを含む。
【００１６】
また、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）用突起３２のサイズ（セパレータ面に平行な方向のサイズ）Ｄ１  は、カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）用突起３３のサイズ（セパレータ面に平行な方向のサイズ）Ｄ２  より小としてある。
上記の突起サイズの大小関係は、突起寸法の公差を管理してＤ１  ＜Ｄ２  となっているものを含む。
【００１７】
また、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、マニホールド３０ａ、３０ｂ間アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）圧損対マニホールド３１ａ、３１ｂ間カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）圧損の値は、従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としてある。たとえば、酸化ガス流路２８圧損を従来のままとし、燃料ガス流路２７の圧損を従来より小として、燃料ガス流路２７の圧損／酸化ガス流路２８圧損の比の値を、従来セパレータの燃料ガス流路の圧損／酸化ガス流路の圧損の比の値より小としてある。
【００１８】
また、アノード側ガス流路用突起３２とカソード側ガス流路用突起３３とは、ＭＥＡを挟んで、相対向する位置に設けられている。図５、図６に示すように、アノード側ガス流路用突起３２の先端面全域が、カソード側ガス流路用突起３３の先端面の対向範囲内に位置するようにしてある。望ましくは、アノード側ガス流路用突起３２の中心と、アノード側ガス流路用突起３２より大きなサイズのカソード側ガス流路用突起３３の中心とは一致しているが、製造誤差などによりずれて、アノード側ガス流路用突起３２の中心とカソード側ガス流路用突起３３の中心とがずれても、アノード側ガス流路用突起３２の先端面全域が、カソード側ガス流路用突起３３の先端面の対向範囲内に位置するようにしてある。
【００１９】
つぎに、本発明の燃料電池のセパレータの作用を説明する。
図７は、アノード側ガス流路用突起３２’とカソード側ガス流路用突起３３’とが同じ形状で同じ面積を有する比較例を示している。図７の例で、アノード側ガス流路用突起の中心とカソード側ガス流路用突起の中心が製造誤差などによりずれると、突起先端のうち拡散層を押圧する部分（対向する突起がＭＥＡを挟持し押圧して接触電気抵抗小が得られる部分、図７において斜線を施した部分）の面積が突起先端面積に比べて大幅に減少し、接触抵抗増加、燃料電池出力低下を生じるおそれがあることを示している。
これに対し、図６は本発明を示し、アノード側ガス流路用突起３２の先端面の面積を小さくすることにより突起３２の先端の拡散層１３押圧面積低下は当然生じるが、突起３２先端が突起３３先端の対向領域から外れることがないため、突起３２の先端は全域で突起３３先端との間に拡散層を押圧し、図７のような突起３２の先端が突起３３先端からずれることによる、突起３２の拡散層押圧面積の低下と、それによる接触抵抗増加、燃料電池出力低下が生じないことを示している。
【００２０】
アノード側ガス流路幅Ｗ１  をカソード側ガス流路幅Ｗ２  より大としたので、アノード側ガス流路２７における圧力損失の低減、アノードへの燃料ガス拡散性、供給性、アノード側ガス流路２７からの排水性の向上がはかられる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２１】
また、アノード側ガス流路用突起３２のサイズＤ１  をカソード側ガス流路用突起３３のサイズＤ２  より小としたので、アノード側ガス流路２７における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２２】
また、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路２７におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１、４、５の燃料電池のセパレータによれば、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起が狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
請求項２、４、５の燃料電池のセパレータによれば、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
請求項３、４、５の燃料電池のセパレータによれば、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータを含む燃料電池スタックの側面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図３】図１のうちセパレータの正面図である。
【図４】図１の燃料電池のセパレータの一部の拡大断面図である。
【図５】図４でセパレータの流路用突起がアノード側とカソード側とでずれた場合の断面図である。
【図６】図５の正面図である。
【図７】従来のセパレータの流路用突起がアノード側とカソード側とでずれた場合の正面図である。
【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（アノード側ガス流路）
２８  酸化ガス流路（カソード側ガス流路）
２９  冷媒マニホールド
２９ａ  入側
２９ｂ  出側
３０  燃料ガスマニホールド
３０ａ  入側
３０ｂ  出側
３１  酸化ガスマニホールド
３１ａ  入側
３１ｂ  出側
３２  突起（アノード側ガス流路用突起）
３３  突起（カソード側ガス流路用突起）
【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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