(57)【要約】【課題】  生成水を効率的に排出することができる燃料電池用セパレータと燃料電池を提供すること。【解決手段】  屈曲部６０ａ，６０ｂを有するガス流路３１ａを面内に備えた燃料電池用セパレータ７２ａであって、屈曲部６０ａ，６０ｂには、その外側を通る第２ガス流路７５ａ，７５ｂが分岐して設けられている。また、屈曲部６０ａ，６０ｂには、当該屈曲部６０ａ，６０ｂにおける流路断面高さよりも低いリブ７３が当該屈曲部６０ａ，６０ｂを横断して設けられている。リブ７３の直上流側には、ショットブラスト加工やプラズマ処理によって形成された、あるいは酸化チタン皮膜よりなる親水部が設けられている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの屈曲部を有する主反応ガス流路を面内に備えた燃料電池用セパレータであって、
前記少なくとも１つの屈曲部には、その途中から当該屈曲部を流れる反応ガスの流れ方向に対して接線方向に延びるバイパス路が分岐して設けられ、該バイパス路は前記主反応ガス流路の下流端に連通していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
少なくとも１つの屈曲部を有する主反応ガス流路を面内に備えた燃料電池用セパレータであって、
前記少なくとも１つの屈曲部には、その外側を通る第２の反応ガス流路が分岐して設けられていると共に、当該屈曲部の流路断面高さよりも低いリブが当該屈曲部の内周側から前記第２の反応ガス流路の分岐元に向かって延在していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記リブの直上流側には、親水部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記親水部は、ショットブラスト加工により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記親水部は、プラズマ処理によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記親水部は、酸化チタン皮膜であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備えてな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、少なくとも１つの屈曲部を有する反応ガス流路を面内に備えた燃料電池用セパレータと、該燃料電池用セパレータを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを重ねて構成される。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）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）とからなる。
【０００３】
ＭＥＡのアノード側では、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、または、セル積層体の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セル積層体の他端のセルのカソードにくる）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→Ｈ2Ｏ
【特許文献１】特開２００２−２１６８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記反応によって生成する水の量は発電量が増すほど多くなり、反応ガスの流路を塞いでしまう。これによってガスの分配が悪化し、電圧低下、不安定化（フラッディング現象）となる。このように、セパレータは、反応ガスの分配と生成水の排出とを同じ面内で行わなければならず、かかる２つの機能を両立させるには、燃費を犠牲にして反応ガスの流量、流速を上げることにより、生成水を押し出す必要がある。
【０００５】
特許文献１等には、生成水を排出する水抜き孔等が設けられた技術が開示されているが、より効率的に生成水を排出できる技術の開発が望まれている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、主反応ガス流路に水分が存在する場合においても、該水分を効率的に排出することができる燃料電池セパレータと燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの屈曲部を有する主反応ガス流路を面内に備えた燃料電池用セパレータであって、前記少なくとも１つの屈曲部には、その途中から当該屈曲部を流れる反応ガスの流れ方向に対して接線方向に延びるバイパス路が分岐して設けられ、該バイパス路は前記主反応ガス流路の下流端に連通していることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、主反応ガス流路に生成水等の水分が存在する場合でも、反応ガスが屈曲部をターンする際に、反応ガスよりも比重の重い水分は、遠心力によって屈曲部の接線方向に分離されて（案内されて）、バイパス路に流入する。バイパス路に流入した水分は、主反応ガス流路の下流端より排出される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、少なくとも１つの屈曲部を有する主反応ガス流路を面内に備えた燃料電池用セパレータであって、前記少なくとも１つの屈曲部には、その外側を通る第２の反応ガス流路が分岐して設けられていると共に、当該屈曲部の流路断面高さよりも低いリブが当該屈曲部の内周側から前記第２の反応ガス流路の分岐元に向かって延在していることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、主反応ガス流路に生成水等の水分が存在する場合には、反応ガス自体はリブを乗り越えて主反応ガス流路をそのまま流通することができる一方で、主反応ガス流路内の水分はリブに堰き止められる。リブに堰き止められた水分は、第２の反応ガス流路を介して主反応ガス流路の下流側にバイパスさせる、または主反応ガス流路の下流端より排出させることが可能である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用セパレータにおいて前記リブの直上流側には、親水部が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、親水部において水分が液膜形状となり、より効率的に水分を第２の反応ガス流路へ流すことができる。
【００１３】
親水部を形成する処理方法として、ショットブラスト加工により親水処理を施す、プラズマ処理によって親水皮膜を形成する、または、ＴｉＯ2（酸化チタン）皮膜を形成する等の方法を採用することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備えてなることを特徴とする燃料電池である。
【００１５】
本発明によれば、主反応ガス流路内に生成水等の水分が存在する場合においても、該水分を効率的に排出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、主反応ガス流路内に生成水等の水分が存在していても、該水分を燃料電池から効率的に排出することが可能となり、電圧低下、発電不安定化を防止できるとともに、燃費の向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下においては一例として固体高分子電解質膜型の燃料電池を用いて説明するが、下記の例に限定されるものではない。また、本発明は、酸化ガス流路だけでなく、燃料ガス流路にも適用可能である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１は、複数の単セル２を積層したスタック本体３を有し、スタック本体３の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられた図外のテンションプレートが各エンドプレート８，８にボルト固定されることで、単セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００１９】
図２に示すように、単セル２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、ＭＥＡ１１の外形は、各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ，１３ｂによりシールされる。
【００２０】
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成され、全体として積層形態を有している。電解質膜２１は、各電極２２ａ，２２ｂよりもサイズを僅かに大きく形成されている。電解質膜２１には、その周縁部２４を残した状態で各電極２２ａ，２２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２１】
電極２２ａ，２２ｂは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単セル２は起電力を得る。
【００２２】
各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。
【００２３】
セパレータ１２ａ，１２ｂには、電極２２ａ，２２ｂに面する部分をプレス成形されることで表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部および凹部は、それぞれ一方向に延在しており、酸化ガスのガス流路（主反応ガス流路）３１ａまたは水素ガスのガス流路３１ｂや、冷却水流路（発電領域冷却部）３２を画定している。
【００２４】
具体的には、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、酸化ガスのガス流路３１ａが形成され、その反対側の外側の面には、冷却水流路３２が形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、水素ガスのガス流路３１ｂが形成され、その反対側の外側の面には、冷却水流路３２が形成されている。
【００２５】
隣接する二つの単セル２，２においては、一方の単セル２のセパレータ１２ａの外面と、その隣の単セル２のセパレータ１２ｂの外面とが枠状の第２シール部材１３ｃを挟んで付き合わされる。
【００２６】
セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水（熱交換媒体）の入口側のマニホールド４３が矩形状に貫通形成されている。セパレータ１２ａ，１２ｂの他方の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が矩形状に貫通形成されている。
【００２７】
セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１とマニホールド５１とは、酸化ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用のマニホールド４２とマニホールド５２とは、水素ガスのガス流路３１ｂに連通している。また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３とマニホールド５３とは、冷却水流路３２に連通している。
【００２８】
このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、単セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が適切に供されるようになっている。例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１からガス流路３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、マニホールド５１に導出される。酸化ガスは、セパレータ１２ｂのマニホールド４１およびマニホールド５１を通流するが、セパレータ１２ｂの内方向には導入されない。
【００２９】
次に、セパレータ１２ａの構成について詳細に説明する。図３に示したように、ガス流路３１ａは屈曲したサーペンタイン流路であり、１８０°屈曲する二つの屈曲部のうち上流側の屈曲部６０には、その途中からカーブ外周側に、当該屈曲部６０を流れる酸化ガスの流れ方向に対して接線方向に延びるバイパス路６１が分岐している。バイパス路６１の終端はガス流路３１ａの下流端（主反応ガス流路の出口側）に合流している。
【００３０】
このように構成されたセパレータ１２ａにおいては、屈曲部６０では、酸化ガスが実線のように曲がる際、酸化ガスよりも比重の重い生成水（水分）が遠心力によって分離されて当該屈曲部６０の外周側に移動する（生成水の流れを破線で示した）。屈曲部６０のカーブ外周側には、接線方向にバイパス路６１が分岐していることで、分離した生成水がバイパス路６１に流入し、ガス流路３１ａの下流側にバイパスされてマニホールド５１よりセパレータ１２ａから排出される。
【００３１】
以上のように、本実施形態のセパレータにおいては、遠心力によって生成水が酸化ガスから分離され、バイパス路６１を通じて排出される。すなわち、酸化ガスの流量や流速を必要以上に増やすことなく、生成水を効率的にセルから排出することができ、電圧低下、発電不安定化を防止できるとともに、燃費の向上を実現することができる。
【００３２】
なお、バイパス路６１は上流側の屈曲部６０にのみ設けたが、下流側の屈曲部に対しても設けることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００３４】
図４は上記実施形態におけるセパレータ１２ａに替えて用いられるセパレータ７２ａである。セパレータ７２ａに設けられたガス流路３１ａは屈曲したサーペンタイン流路であり、１８０°屈曲する二つの屈曲部６０ａ，６０ｂには、ガス流路３１ａを横断してリブ７３、７３が設けられている。
【００３５】
図５に図４のＡ−Ａ線に沿った断面図を示した。生成水はリブ７３に堰き止められ、酸化ガスはリブ７３を乗り越えることでガス流路３１ａを流動する。リブ７３の高さｈは、生成水を堰き止めることができ、かつ、酸化ガスの流れを妨げない高さであることが好ましい。例えばガス流路３１ａの断面高さ（深さ）、すなわち底面からＭＥＡ１１までの距離Ｈと比較して１／８以下１／１０以上であることが好ましい。
【００３６】
リブ７３は、ガス流路３１ａの流れ方向に対して斜め方向を向いて設けられ、リブ７３によって導かれた生成水は、ガス流路３１ａの下流側のリブ先端においてガス流路３１ａから分岐する第２ガス流路７５ａ，７５ｂに導入される。つまり、リブ７３は、屈曲部６０ａ，６０ｂの内周側から第２ガス流路７５ａ，７５ｂの分岐元に向かって延在し、堰き止めた生成水を第２ガス流路７ａ，７５ｂに案内する。
【００３７】
第２ガス流路７５ａの終端は、ガス流路３１ａの下流端でガス流路３１ａと合流し、第２ガス流路７５ｂの終端は、ガス流路３１ａの途中において合流している。
【００３８】
さらに、本実施形態においては、リブ７３の上流側に隣接した流路底面に、親水処理が施された親水部８０を有する。親水部８０においては、生成水の接触角が５０°以下とすることが好ましく、処理方法として、ショットブラスト加工により親水処理を施す、プラズマ処理によって親水皮膜を形成する、または、ＴｉＯ2（酸化チタン）皮膜を形成する等の方法を採用することができる。
【００３９】
また、親水部８０は少なくともリブ７３の上流側に隣接して設ければよいが、図４のようにリブ７３の上流側から第２ガス流路７５ａ，７５ｂの入口部にかけて設けることにより、第２ガス流路７５ａ，７５ｂに対して生成水が導入されやすくなる。
【００４０】
このように構成されたセパレータ７２ａにおいては、生成水が酸化ガスと共に屈曲部６０ａ，６０ｂを通過する際に、リブ７３によって生成水が堰き止められる。酸化ガスはリブ７３を乗り越えることにより、ガス流路３１ａを流動する。堰き止められた生成水８５は、親水処理によって液膜状に広がり、リブ７３によって第２ガス流路７５ａ，７５ｂに導かれる。生成水は第２ガス流路７５ａ，７５ｂからガス流路３１ａの下流側にバイパスされてマニホールド５１よりセパレータ１２ａから排出される。
【００４１】
以上のように、本実施形態のセパレータにおいては、リブ７３によって生成水が酸化ガスから分離され、第２ガス流路７５ａ，７５ｂを通じて排出される。すなわち、生成水を効率的にセルから排出することができ、電圧低下、発電不安定化を防止できるとともに、燃費の向上を実現することができる。
【００４２】
特に、リブ７３の上流側に親水部８０が設けられているため、生成水が液膜形状となり、より効率的に生成水を第２ガス流路へ流すことができる。
【００４３】
なお、本実施形態においてはリブ７３を屈曲部６０ａ，６０ｂに設けたが、リブ７３を設ける位置はこれに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池の斜視図である。
【図２】同燃料電池の単セルを分解して示す分解斜視図である。
【図３】同単セルが備えるセパレータを示す斜視図である。
【図４】第２実施形態としてのセパレータを示す斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａに沿った断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池、２…単セル、１２ａ，１２ｂ，７２ａ…セパレータ、３１ａ，３１ｂ…ガス流路（主反応ガス流路）、４１，４２，４３…マニホールド、５１，５２，５３…マニホールド、６０，６０ａ，６０ｂ…屈曲部、６１，７５ａ，７５ｂ…第２ガス流路（第２の反応ガス流路）、７３…リブ、８０…親水部
【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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