(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路が形成されたセパレータを有し、流体流れ方向における前記流体流路の少なくとも一部で、流体流路の溝底面と該溝底面の両側の溝側面のうち少なくとも一方の溝側面とが湾曲面または斜面からなる連結面で連結されている燃料電池であって、セパレータ面圧に応じて前記流体流路の前記連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大とした燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータはカーボンを主成分とする材料から構成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より前記連結面のサイズを大きくした請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの割れ防止構造に関する。
【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および拡散層からなる電極（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および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、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）を供給するための反応ガス流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群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てスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて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）にて固定したものからなる。
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
燃料電池で発生するジュール熱およびカソードでの水生成反応で出る熱を冷却するために、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、そこに冷媒が流されて燃料電池を冷却している。
通常は、反応ガス流路の横断面形状は矩形状であるが、スタック締結時またはスタック締結後の燃料電池運転時に、反応ガス流路の溝の横断面のコーナ部からカーボンセパレータに亀裂が入ってセパレータが割れ、反応ガスのもれが生じることがある。それを防止するために、特開平６−９６７８１号公報は、セパレータの反応ガス流路の横断面形状を、溝底面で一律に同じ曲率の円弧状に形成して溝断面のコーナ部の応力集中を緩和し、セパレータの割れを抑制し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、セパレータには、接触する相手（隣接セパレータ、ＭＥＡ、等）の固さ、スタック締結荷重、運転時の熱膨張、等によって面圧が大きい領域と低い領域とがあり、反応ガス流路の断面形状を、ガス流れ方向に一律に同じ曲率の円弧状底壁をもつ形状に形成すると、円弧形状によりセパレータの割れが抑制できても、円弧形状により流路断面積が減少して反応ガス流れ抵抗が増加してしまい、割れ防止とガス流れの両方にとって最適化になっているとはいえない。
本発明の目的は、セパレータの割れを防止でき、かつ反応ガスの流れ抵抗の増加も抑制できる、燃料電池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）  流体流路が形成されたセパレータを有し、流体流れ方向における前記流体流路の少なくとも一部で、流体流路の溝底面と該溝底面の両側の溝側面のうち少なくとも一方の溝側面とが湾曲面または斜面からなる連結面で連結されている燃料電池であって、セパレータ面圧に応じて前記流体流路の前記連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大とした燃料電池。
（２）  前記セパレータはカーボンを主成分とする材料から構成されている（１）記載の燃料電池。
（３）  セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より前記連結面のサイズを大きくした（１）記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）の燃料電池では、セパレータ面圧に応じて、湾曲面または斜面からなる連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大としたので、セパレータ面圧が大の領域で流体流路の溝からセパレータに亀裂が発生することを抑制できるとともに、他の領域では流体流路断面形状を従来通り（連結面のサイズを大としないか連結面を設けない形状）とすることにより、連結面のサイズを大とすることによる流体流路の断面積の減少とそれにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
上記（２）の燃料電池では、セパレータがカーボンセパレータからなる場合に、特に、流体流路の溝のコーナ部からのセパレータの亀裂発生が問題になるが、セパレータを上記（１）のように構成することによって、効果的にセパレータの割れを抑制できる。
上記（３）の燃料電池では、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より連結面のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図５を参照して、説明する。
本発明の燃料電池用セパレータが組み付けられる燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。固体高分子電解質型燃料電池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４、図５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および拡散層１３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および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、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流路２７、２８（燃料ガス流路２７および酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６の少なくとも一つが形成されたセパレータ１８とを重ねてセル（単電池２９）を形成し、該セルを少なくとも１層積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してセル積層体を構成し、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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３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）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】
冷媒流路２６は、セル毎に、または複数のセル毎（たとえば、モジュール毎）に、設けられる。たとえば、図５では、２つのセルが１モジュールを形成し、モジュール毎に１つの冷媒流路２６が設けられている。
セパレータ１８は、冷媒流路２６を有するセパレータ１８Ａと、冷媒流路２６を有さないセパレータ１８Ｂを含む。ただし、全セパレータ１８に冷媒流路２６を設ける場合はセパレータ１８Ｂはない。セパレータ１８Ｂは、燃料ガスと酸化ガスを区画する。セパレータ１８Ａは、燃料ガスと酸化ガスを区画するとともに、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画する。
セパレータ１８は、また、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路をも形成している。
【０００９】
セパレータ１８は、カーボン板（カーボン粒子（粉末でもよい）を樹脂バインダで固めて成形したもの）に、または導電性粒子（たとえば、カーボン粒子）を混入して導電性をもたせた樹脂板に、冷媒流路２６および／または反応ガス流路２７、２８を形成したものからなり、一体成形により形成されている。
反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７および酸化ガス流路２８）および冷媒流路２６は、流体流路を構成する。
流体流路、たとえば反応ガス流路２７、２８および冷媒流路２６の、少なくとも一部は、通常、セパレータ１８に形成された溝からなっていてもよい。流体流路、たとえば反応ガス流路２７、２８および冷媒流路２６の、溝からなる部分は、セパレータ面と平行に延びる少なくとも一つの溝、たとえば、互いに並列な複数の溝、からなっていてもよい。
流体流路が並列な複数の溝からなる溝群である場合、流体流路群は、セパレータ面内で屈曲して（たとえば、蛇行して）延びてもよい。その場合、屈曲部は、溝に代えて、セパレータに形成した多数の突起によって該セパレータと突起の先端面が接触する相手部材との間に形成された隙間からなっていてもよい。そうすることによって、流体流路群の並列な溝の本数を屈曲部の前後で容易に変えることができる。
【００１０】
図２、図３に示すように、流体流路２７、２８、２６の少なくとも１種の流路の、流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）流れ方向に沿って見た、少なくとも一部は、流体流路の溝底面３０と溝底面３０の両側の溝側面３１、３２のうち少なくとも一方の溝側面３１とが、湾曲面３３Ａ（図２）または斜面３３Ｂ（図３）からなる連結面３３で連結された横断面（溝横断面）を有している。湾曲面３３Ａは、たとえば、円弧面または楕円面からなる。連結面３３はセパレータ成形時に型にて成形される
流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズは、零（連結面無しで溝底面と溝側面とが角を介して連結している場合）からフルサイズ（湾曲面３３Ａが円弧である場合に円弧の半径が溝深さに等しい場合、斜面３３Ｂの溝深さ方向の高さが溝の深さに等しい場合）までの範囲で変えてよい。
そして、流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズ（連結面が円弧である場合は円弧の半径、連結面が斜面である場合は斜面の溝深さ方向の高さ）は、セパレータ面圧に応じて変えられている。セパレータ面圧が大の部分では連結面３３のサイズは大（ほぼフルサイズ）とされ、セパレータ面圧が小の部分では連結面３３のサイズは小かまたは零（連結面無し）とされている。
【００１１】
セパレータ面圧は、セパレータ面にかかる圧力であり、スタック締結力、燃料電池運転時の熱膨張・収縮、流体圧力などによって変化し、かつ、セパレータ面が接触する相手物の面によって変わる。たとえば、セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４（流体流路群が蛇行している場合、１本の流体流路であっても、ある部分ではセパレータ面の最外周に位置し、それ以外の部分ではセパレータ面の最外周に位置しない場合が生じるが、１本の流体流路であっても、そのうちのセパレータ面の最外周に位置する部分）およびその直近部位では、セパレータは隣接するセパレータに圧接されるので、セパレータ面圧は大であり、それより内側の流体流路部分ではセパレータはセパレータに比べて柔らかく緩衝性のあるＭＥＡに圧接されるので、セパレータ面圧は外周部に比べて小である。
したがって、流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズは、セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４において、大とされ、それより内側の流体流路部分において、小（最外周に位置する流体流路の連結面３３に比べて小）かまたは零（連結面無し）とされている。
【００１２】
セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４において、流体流路２７、２８、２６の溝に連結面３３が設けられる場合は、連結面３３は、底壁面３０と外側の側壁面３１との間に設けられる。ただし、連結面３３が、底壁面３０と外側の側壁面３１との間に設けられる他、底壁面３０と内側の側壁面３２との間にも設けられてもよい。
流体流路２７、２８、２６の流路断面積が連結面３３を設けることによって減少する場合は、減少したままにしてもよいし、あるいは流路幅を拡げて流路断面積が縮小しないようにしてもよい。
連結面３３が設けられるのは、とくに反応ガス流路２７、２８に対してであり、冷媒流路２６に対しては連結面３３は設けられなくてもよい（ただし、設けてもよい）。冷媒流路２６に連結面３３が無くてもよい理由は、冷媒流路２６が設けられるセパレータ面には柔らかいＭＥＡがない（外周部に荷重が集中しない）ためである。ただし、シールや接着材などの存在によっては、冷媒流路２６に連結面３３を設ける方が有利な場合もある。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
まず、本発明の燃料電池では、セパレータ面圧に応じて、湾曲面３３Ａまたは斜面３３Ｂからなる連結面３３のサイズを変えたので、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面３３のサイズを大とすることにより、セパレータ面圧が大の領域で流体流路２７、２８、２６の溝からセパレータ１８に亀裂が発生することを抑制できる。また、他の領域では流体流路断面形状を従来通り（連結面３３のサイズを大としないか連結面３３を設けない形状）とすることにより、連結面のサイズを大とすることによる流体流路１８の流路断面積の減少とそれにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
これによって、セパレータ１８の割れ防止からも、流体流路の流れ抵抗減少からも、流体流路２７、２８、２６を最適化することができる。
連結面３３のサイズを大とすると、流体流路の溝断面のコーナ部が無くなって、コーナ部に応力が集中することがなくなり、かつコーナ部の厚さが厚くなって強度が上がるため、割れが発生しなくなる。
【００１４】
セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合、従来は、流体流路の溝の外側コーナ部からセパレータに亀裂が発生することがあったが、流体流路２７、２８、２６を上記のように構成することによって、カーボンセパレータであっても流体流路２７、２８、２６からの割れを無くすことができる。
また、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より連結面３３のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータ面圧に応じて、連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大としたので、流体流路の溝からセパレータに亀裂が発生することを抑制できるとともに、他の領域で流体流路断面形状を従来通りとすることにより、反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
請求項２の燃料電池によれば、セパレータがカーボンセパレータからなる場合に、効果的にセパレータの割れを抑制できる。
請求項３の燃料電池によれば、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で連結面のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が円弧の場合の、断面図である。
【図３】  図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が斜面の場合の、断面図である。
【図４】  本発明実施例の燃料電池の正面図である。
【図５】  本発明実施例の燃料電池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  冷媒流路を有するセパレータ
１８Ｂ  冷媒流路を有さないセパレータ
１９  モジュール
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  テンションプレート
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路（反応ガス流路）
２８  酸化ガス流路（反応ガス流路）
２９  単電池
３０  溝底面
３１  溝側面（外側）
３２  溝側面（内側）
３３  連結面
３３Ａ  湾曲面
３３Ｂ  斜面
３４  最外周の流体流路部分
【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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