(57)【要約】【課題】セパレータ内の燃料濃度分布及び温度分布の均一化を図ることにより高出力化を図ることのできるセパレータ及び燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池における単セル５１と交互に積層するセパレータ１であって、当該セパレータ１の表面側３Ａに形成した複数の燃料流路５Ａ，５Ｂは線対称形に形成してあり、また前記セパレータ１の裏面側３Ｂに形成した複数の空気流路７Ａ，７Ｂは線対称形に形成してあり、前記燃料流路５Ａ，５Ｂと空気流路７Ａ，７Ｂは表裏でほぼ対称形に形成してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池における単セルと交互に積層するセパレータであって、当該セパレータの前記単セルの燃料極に対向する主面側に形成した複数の燃料流路は互いに線対称形に形成してあり、また前記セパレータの前記単セルの酸化剤極に対応する主面側に形成した複数の酸化剤流路は線対称形に形成してあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路と酸化剤流路は表裏でほぼ対称形に形成してあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路の入口は、前記セパレータの長手方向の一端側で幅方向のほぼ中央部に設けてあって、出口は前記セパレータの長手方向の他端側で幅方向の両端側に設けてあり、前記酸化剤流路の入口は、前記セパレータの長手方向の前記他端側で幅方向のほぼ中央部に設けてあって、出口は前記セパレータの長手方向の前記一端側で幅方向の両端側に設けてあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項４】
請求項１，２又は３に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路の入口と該燃料流路との接続部及び前記酸化剤流路の入口と該酸化剤流路との接続部にはそれぞれ絞りが形成してあり、上記各絞りと前記燃料流路，前記酸化剤流路との接続部に、流路幅に次第に拡がる拡がり部が形成してあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記拡がり部の拡がり角が約２０°〜４５°であることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項６】
単セルとセパレータとを交互に積層した構成の燃料電池において、前記セパレータは、前記請求項１〜５のいずれかの構成である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】
本発明は燃料電池におけるセパレータ及び燃料電池に係り、さらに詳細には、セパレータ内の燃料の濃度分布及び温度分布の均一化を図ることにより高出力化を図ることのできる燃料電池セパレータ及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質板，高分子電解質膜，固体高分子電解質膜等の電解質層を、燃料極と酸化剤極との間に配置した構成の単セルと、表裏両面に反応ガスの流路としての溝を形成したセパレータとを交互に積層したスタック構成を有しているのが普通である。
【０００３】
図３に示すように、燃料電池として一般的なＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール型燃料電池）における単セル５１は、高分子電解質膜５３の両面に、触媒層とカーボンペーパで構成された燃料極５５Ａと酸化剤極５５Ｂを一体化してＭＥＡ（膜・電極接合体）５７に構成してあり、このＭＥＡを囲繞してパッキン５９を備えた構成である。
【０００４】
そして、単セルの燃料極に対向する主面側に燃料流路６１を備え、単セルの酸化剤極に対応する主面側に空気流路６３を備えた構成のセパレータ６５と前記単セル５１とを交互に積層し、かつ上部には上部エンドプレート６７を、下部には下部エンドプレート６９を積層して、締付ねじ等のごとき締付具（図示省略）によって全体を一体化することにより、燃料電池スタック７１が構成されている。
【０００５】
前記セパレータ６５における表裏の燃料流路６１及び酸化剤流路６３は、セパレータ６５の長手方向の一端側及び他端側の幅方向の一側から他側へ蛇行するようにそれぞれ形成してあり、かつ表裏において対称形に形成してある。そして、前記燃料流路６１の一端側は、前記セパレータ６５の長手方向の一端側の幅方向の一側に備えた流入側マニホールド７３Ａに接続してあり、かつ燃料流路６１の他端側はセパレータ６５の長手方向の一端側の幅方向の他側に備えた流出側マニホールド７３Ｂに接続してある。さらに、前記酸化剤流路６３の一端側は、前記セパレータ６５の長手方向の他端側の幅方向の他側に備えた流入側マニホールド７５Ａに接続してあり、この酸化剤流路６３の他端側はセパレータ６５の長手方向の他端側の幅方向の一側に備えた流出側マニホールド７５Ｂに接続してある。
【０００６】
なお、本発明に関係あると思われる先行例としては、例えば特開平１０−１９９５５２号公報がある。
【特許文献１】特開平１０−１９９５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のごとき従来の構成においては、燃料流路，酸化剤流路が流入側マニホールドから流出側マニホールドに至る流路長が長く、流路内での圧損が大きいという問題があると共に、燃料流路の入口側と流出側においての燃料濃度分布及び温度分布は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように不均一であり、出力向上を図る上において問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述したごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、燃料電池における単セルと交互に積層するセパレータであって、当該セパレータの表面側に形成した複数の燃料流路は線対称形に形成してあり、また前記セパレータの裏面側に形成した複数の空気流路は線対称形に形成してある。
【０００９】
また、本発明は、上記燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路と空気流路は表裏でほぼ対称形に形成してある。
【００１０】
また、本発明は、上記燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路の入口は、前記セパレータの一端側で幅方向のほぼ中央部に設けてあって、出口は前記セパレータの他端側で幅方向の両側に設けてあり、前記空気流路の入口は、前記セパレータの他端側で幅方向のほぼ中央部に設けてあって、出口は前記セパレータの一端側で幅方向の両側に設けてある。
【００１１】
また、本発明は、上記燃料電池セパレータにおいて、前記燃料流路の入口と燃料流路との接続部及び前記空気流路の入口と空気流路との接続部にはそれぞれ絞りが形成してあり、上記各絞りと前記燃料流路，空気流路との接続部に、流路幅に次第に拡がる拡がり部が形成してある。
【００１２】
また、本発明は、上記燃料電池セパレータにおいて、前記拡がり部の拡がり角が約２０°〜４５°である。
【００１３】
また、本発明は、単セルとセパレータとを交互に積層した構成の燃料電池において、前記セパレータは、前述した構成である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池セパレータの燃料流路内及び酸化剤流路内での圧損を抑制でき、また燃料濃度分布および温度分布の均一化を図ることができると共に出力向上を図ることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、本発明の実施形態に係るセパレータ１の単セルの燃料極に対向する主面側３Ａには、Ｓ字形状に蛇行して形成した複数の燃料流路５Ａ，５Ｂが線対称形に形成してあり、上記セパレータ１の単セルの酸化剤極に対向する主面側３Ｂには、同様にＳ字形状に蛇行して形成した複数の酸化剤流路７Ａ，７Ｂが線対称形に形成してある。
【００１６】
すなわち、前記燃料流路５Ａ，５Ｂは、前記セパレータ１の幅方向（図１においての上下方向）の中心線ＣＬを中心として線対称形に形成してあり、また前記空気流路７Ａ，７Ｂも中心線ＣＬを中心として線対称形に形成してある。そして、前記燃料流路５Ａ，５Ｂの入口９は、前記セパレータ１の長手方向の一端側で前記幅方向のほぼ中央部に設けてあり、前記燃料流路５Ａ，５Ｂの出口１１Ａ，１１Ｂは、前記セパレータ１の長手方向の他端側で幅方向の両側に設けてある。同様に、前記空気流路７Ａ，７Ｂの入口１３は、前記セパレータ１の長手方向の前記他端側で前記幅方向のほぼ中央部に設けてあり、その出口１５Ａ，１５Ｂは、前記セパレータ１の長手方向の前記一端側で幅方向の両側に設けてある。
【００１７】
より詳細には、前記燃料流路５Ａ，５Ｂの入口９と前記酸化剤流路７Ａ，７Ｂの入口１３は、前記セパレータ１の長手方向（図１においての左右方向）の中心線Ｌを中心として対称位置に形成してある。また、前記燃料流路５Ａ，５Ｂの出口１１Ａ，１１Ｂと前記酸化剤流路７Ａ，７Ｂの出口１５Ａ，１５Ｂは前記中心線Ｌを中心として対称位置に設けてある。
【００１８】
そして、前記燃料流路５Ａ，５Ｂと前記酸化剤流路７Ａ，７Ｂは、前記セパレータ１の表裏においてほぼ対称形に形成してある。したがって、前記各燃料流路５Ａ，５Ｂの幅，深さ及び流路長と各酸化剤流路７Ａ，７Ｂの幅，深さ及び流路長はほぼ等しいものである。したがって、各燃料流路５Ａ，５Ｂ及び各酸化剤流路７Ａ，７Ｂの流路長は、セパレータ１の表面に１本の流路によって燃料流路，酸化剤流路を形成した場合の流路長に比較して約１／２になるものであり、流路内での圧損を抑制することができるものである。
【００１９】
前記入口９と前記各燃料流路５Ａ，５Ｂとの接続部には、各燃料流路５Ａ，５Ｂへ流入する燃料の均等化を図るために、図２に拡大して示すように、細い溝状の絞り１７Ａ，１７Ｂが形成してあり、この絞り１７Ａ，１７Ｂと前記各燃料流路５Ａ，５Ｂとの接続部には、各燃料流路５Ａ，５Ｂの流路幅に次第に拡がる拡がり部１９Ａ，１９Ｂが形成してある。上記拡がり部１９Ａ，１９Ｂの拡がり角θは約２０°〜４５°であることが望ましい。
【００２０】
すなわち、前記絞り１７Ａ，１７Ｂから燃料流路５Ａ，５Ｂに流入した燃料（例えばメタノール水溶液）に気泡が生じた場合又は気泡が含まれている場合、前記拡がり角θが４５°以上になると、上記気泡が流出されることなく拡がり部１９Ａ，１９Ｂに滞留する傾向を生じることがあり望ましいものではない。また、前記拡がり角θが２０°以下になると、拡がり部１９Ａ，１９Ｂからの、気泡の流出性（排出性）は向上するものの、絞り１７Ａ，１７Ｂから燃料流路５Ａ，５Ｂに至る拡がり部１９Ａ，１９Ｂが長くなり、有効面積を小さくするので望ましいものではない。
【００２１】
なお、前記拡がり部１９Ａ，１９Ｂは、燃料流路５Ａ，５Ｂ側が次第に拡がる形状であれば、その壁面が直線状でも凹状又は凸状の曲線を呈する構成でも良いものである。
【００２２】
前記酸化剤流路７Ａ，７Ｂの入口１３と酸化剤流路７Ａ，７Ｂとの接続構成は、前述した入口９と燃料流路５Ａ，５Ｂの接続構成と同一構成であるから、前記入口１３と酸化剤流路７Ａ，７Ｂとの接続構成についての説明は省略する。
【００２３】
前記セパレータ１における外周付近には、前述したＭＥＡ５７とセパレータ１とを交互に積層して燃料電池スタックを構成したとき、タイロッドや締付ねじなどのごとき締付具を挿通するための複数の挿通孔２１が設けられている。前記挿通孔２１は、四角形状の前記セパレータ１の各角部，前記入口９と出口１５Ａ，１５Ｂとの間及び入口１３と出口１１Ａ，１１Ｂとの間に設けられており、かつ各挿通孔２１の間隔はほぼ等間隔に設けてある。
【００２４】
さらに、前記挿通孔２１は、前記中心線ＣＬを中心とする対称位置に設けてあると共に、中心線Ｌを中心とする対称位置に設けてある。すなわち、セパレータ１の表面３Ａを示す図１（Ａ）の図を、時計回り方向に１８０°回転すると、図１（Ｂ）と同一の図となるものである。
【００２５】
したがって、ＭＥＡ５７とセパレータ１とを交互に積層して燃料電池スタックを構成するとき、セパレータ１の表裏を気にすることなく積層することができるものである。また、締付具用の挿通孔２１がほぼ等間隔に設けてあるので、各挿通孔２１にタイロッド，ボルトなどのごとき締付具を挿通して締付けると、燃料電池スタックは全体においてほぼ均等圧でもって締付け固定することができるものである。
【００２６】
既に理解されるように、燃料電池スタックを構成するには、図３に示す構成において、前述した従来のセパレータ６５とセパレータ１とを入れ替えた態様となるものである。
【００２７】
以上のごとき構成において、燃料電池スタック構成において、入口９からセパレータ１の燃料流路５Ａ，５Ｂに燃料（例えばメタノール水溶液）を供給し、入口１３から酸化剤流路７Ａ，７Ｂに空気を供給することにより、燃料と酸化剤としての酸素との反応により電気エネルギーとして電力を取り出すことができるものである。
【００２８】
前述のごとく入口９から燃料流路５Ａ，５Ｂに燃料を流入すると、前述したように、拡がり部１９Ａ，１９Ｂにおいて気泡を生じたような場合、または燃料に気泡が混入していた場合であっても、拡がり部１９Ａ，１９Ｂに気泡の滞留を生じることなく流出することができるものである。また、セパレータ１の表面側３Ａには複数の燃料流路５Ａ，５Ｂが線対称形に設けられており、裏面側３Ｂには複数の酸化剤流路７Ａ，７Ｂが線対称形に設けられているので、前記各燃料流路５Ａ，５Ｂ及び空気流路７Ａ，７Ｂは一本の流路の場合に比較して流路長が短くなるので、圧損が少なくなると共に、燃料の濃度分布の均一化を図ることができるものである。
【００２９】
そして、各燃料流路５Ａ，５Ｂに対する燃料の供給及び各酸化剤流路７Ａ，７Ｂに対する空気の供給はセパレータ１の幅方向の中央部において行われ、中央部から両側方向へＳ字形状に蛇行するように流れるものであるから、温度分布の均一化を図ることができ、燃料濃度分布の均一化と相俟って出力の向上，安定化を図ることができるものである。
【００３０】
また、各燃料流路５Ａ，５Ｂに対する燃料の入口９と各酸化剤流路７Ａ，７Ｂに対する空気の入口１３はそれぞれ反対側に設けてあり、前記燃料の入口９は各酸化剤流路７Ａ，７Ｂの出口１５Ａ，１５Ｂの間に位置し、また空気の入口１３は各燃料流路５Ａ，５Ｂの出口１１Ａ，１１Ｂの間に位置するものであるから、流入する流体と流出する流体との間において伝熱により熱交換が行われることとなり、出力向上を図ることができるものである。
【００３１】
既に理解されるように、前述のごとき構成によれば、セパレータ内の燃料の濃度分布及び温度分布の均一化を図ることにより、燃料電池の高出力化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るセパレータの説明図である。
【図２】図１に示した主要部分の拡大説明図である。
【図３】従来のセパレータ及び燃料電池スタックの説明図である。
【図４】従来の濃度分布，温度分布の説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    セパレータ
３Ａ    表面側
３Ｂ    裏面側
５Ａ，５Ｂ    燃料流路
７Ａ，７Ｂ    酸化剤流路
９，１３    入口
１１Ａ，１１Ｂ；１５Ａ，１５Ｂ    出口
１７Ａ，１７Ｂ    絞り
１９Ａ，１９Ｂ    拡がり部
２１    挿通孔
５１    単セル
５３    高分子電解質膜
５７    ＭＥＡ
６７    上部エンドプレート
６９    下部エンドプレート
７１    燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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