(57)【要約】【課題】電極により均等に燃料ガスや酸化ガスを供給するセパレータを提供する。【解決手段】セパレータ２０の表面に流路形成リブ３４，３６，３８により形成される二つのＵ字型の流路の屈曲部に、等間隔のコの字型の複数の溝を形成する屈曲部リブ２４２ａ〜２４２ｄと、屈曲部の直線部に分割した凸部２４３とを形成する。この屈曲部リブ２４２ａ〜２４２ｄ及び凸部２４３により、燃料ガスや酸化ガスが屈曲部の内周側に片寄って流れるのを防止し、外周側にも十分に流れるようにすることができる。この結果、燃料電池スタックを構成した際には、燃料ガスや酸化ガスを電極により均等に供給することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、
前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、間欠形成されている凸部を有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用のセパレータであって、前記凸部は前記部位の外周方向に向かって複数形成され、
前記間欠形成されている凸部の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線上で隣り合う前記間欠形成されている凸部は、互いにずれるように配置されることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用のセパレータであって、前記間欠形成されている凸部は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、
前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、前記凸部の内周と外周との間を流体が流通する流通路を有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池用のセパレータであって、前記凸部は前記部位の外周方向に向かって複数形成され、
前記流通路の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線上で隣り合う前記流通路は、互いにずれるように配置されることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池用のセパレータであって、前記流通路は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、詳しくは、電極や他の部材と共に燃料ガスや酸化ガスまたは冷却媒体等の流体の流路を形成する複数の凸部を有し、この電極等と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池用のセパレータとしては、図６の従来例のセパレータ３２０として示されるように、ガス拡散電極（図示せず）とにより形成される燃料ガスや酸化ガスの流路を、流路形成リブ３３４，３３６，３３８により全体としては二つのＵ字型状とし、その直線部分については複数の直線リブ３４０により流路をガイドし、流向の変化する部位（すなわち、Ｕ字型の流路の屈曲部）については断面が略正方形の複数の凸部３４２，３４４によりガスの方向性に対する自由度を大きくして燃料ガスや酸化ガスの流向を変化させるものが提案されている（例えば、特開平１０−１０６５９４号公報など）。この従来例のセパレータ３２０によれば、このように燃料ガスや酸化ガスの流路を二つのＵ字型状とすることにより、ガス拡散電極全体に燃料ガスや酸化ガスをより均等に供給することができるとされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この従来例のセパレータ３２０では、燃料ガスや酸化ガスの流向が変化する部位において、ガスは、流向の変化の内周側を多く流れ、その外周側についてはあまり流れないといった問題が生じていた。この問題は燃料ガスや酸化ガスのガス拡散電極への均等な供給を阻害するものであるから、燃料電池の性能を十分に発揮させることができないという問題をも生じさせる。
【０００４】
こうした問題は、同様のセパレータを用いて冷却媒体の流路を形成した場合には、冷却媒体がセパレータ内に均等に流れないことによって生じるセパレータの温度分布の問題、すなわち、温度分布を生じることによる燃料電池の性能の低下の問題として把握される。
【０００５】
本発明の燃料電池用のセパレータは、こうした問題を解決し、燃料ガスや酸化ガスをより均等に電極に供給すること又は冷却媒体をセパレータ内により均等に流すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池用のセパレータは、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池用のセパレータは、流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、間欠形成されている凸部を有する。
【０００８】
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記凸部は、前記部位の外周方向に向かって複数形成され、前記間欠形成されている凸部の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線状で隣り合う前記間欠形成されている凸部は、互いにずれるように配置されることが好ましい。
【０００９】
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記間欠形成されている凸部は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の燃料電池用のセパレータは、流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、前記凸部の内周と外周との間を流体が流通する流通路を有する。
【００１１】
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記凸部は、前記部位の外周方向に向かって複数形成され、前記流通路の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線上で隣り合う前記流通路は、互いにずれるように配置されることが好ましい。
【００１２】
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記連通路は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池用のセパレータ２０の概略構成を示す構成図である。なお、図１に示す屈曲部リブ４２ａ〜４２ｄ，４４ａ〜４４ｃは参考例である。このセパレータ２０は、ガス不透過の緻密性カーボンにより形成されている。図示するように、セパレータ２０の各辺の近くには、燃料ガス（例えば、水素を含有する水素リッチガス等）をセパレータ２０の表面に導入するための燃料ガス導入孔２２と、燃料ガスを他の単位セルと連絡するための燃料ガス連絡孔２３と、燃料ガスをセパレータ２０から排出するための燃料ガス排出孔２４と、酸化ガス（例えば、酸素を含有する空気等）を図示しないセパレータ２０の裏面に導入するための酸化ガス導入孔２６と、酸化ガスを他の単位セルと連絡するための酸化ガス連絡孔２７と、この酸化ガスをセパレータ２０から排出するための酸化ガス排出孔２８と、冷却水の水路を形成する冷却水孔３０および３２とが形成されている。これらの各孔は、図示しないが、積層して燃料電池スタックを形成した際には、燃料電池スタック内に積層方向の燃料ガスや酸化ガスあるいは冷却水の流入または排出のための流路が形成され、燃料電池スタック内の各セルに燃料ガスや酸化ガスが供給され、燃料電池スタックを冷却するために規則的に積層された各冷却部材に冷却水が供給されるようになっている。
【００１４】
セパレータ２０の表面には、燃料ガス導入孔２２から導入された燃料ガスが全体としてＵ字型に流れて燃料ガス連絡孔２３に至り、この燃料ガス連絡孔２３から同様にＵ字型に流れて燃料ガス排出孔２４へ排出される流路を形成する３本の流路形成リブ３４，３６，３８が形成されている。この３本の流路形成リブ３４，３６，３８により形成された二つのＵ字型の流路の直線部分には断面が正方形の複数の凸部４０が形成されており、燃料ガスの電極への効率的な拡散と電極との十分な接触を確保している。二つのＵ字型の流路における屈曲部には、等間隔の複数の溝を形成するコの字型の屈曲部リブ４２ａ〜４２ｄ（参考例），４４ａ〜４４ｃ（参考例）が形成されており、燃料ガスが屈曲部の内周側に片寄って流れるのを防止し、外周側にも燃料ガスが均等に流れるようにされている。なお、屈曲部において、外周側になるほど外周側の屈曲部リブ（例えば屈曲部リブ４２ｄや４４ｃ）の上流側の端部を内周側の屈曲部リブ（例えば屈曲部リブ４２ａや４４ａ）のそれより下流側になるよう形成しているのは、燃料ガスが外周部ほど流れ込みやすいようにするためである。これは、各屈曲部リブにより形成される各溝の長さや各溝から電極に供給される燃料ガスの量、更に流体力学的な燃料ガスの流れやすさを勘案すると、外周側の溝ほど燃料ガスをより多く流す必要があるからである。
【００１５】
セパレータ２０の裏面には、図示しないが、酸化ガス導入孔２６から導入された酸化ガスが酸化ガス連絡孔２７を経由して酸化ガス排出孔２８へ排出される二つのＵ字型の流路が、図１に例示するセパレータ２０の表示面における燃料ガスの二つのＵ字型の流路と同様に形成されている。したがって、セパレータ２０の裏面の構成については説明が重複するので省略する。
【００１６】
こうして構成された実施例のセパレータ２０は、図２に固体高分子型燃料電池の単位セルの構成図として例示するセルを構成する電解質膜５０と燃料ガス側の電極５２と酸化ガス側の電極５４と共に積層されて燃料電池スタック（図示せず）を構成する。なお、図２に例示する単位セルは、電解質膜５０はフッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体により形成されており、電極５２および５４は白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成されている。
【００１７】
図３は、実施例のセパレータ２０と図６に例示する従来例のセパレータ３２０とを用いて図２に例示する燃料電池スタックの単位セルを構成したときの各単位セルの性能を単位セルの電流密度と電圧との関係で示すグラフである。曲線Ａは実施例のセパレータ２０を用いた単位セルの性能を表し、曲線Ｃは従来例のセパレータ３２０を用いた単位セルの性能を表す。図示するように、実施例のセパレータ２０を用いた単位セルは、電流密度の全般で従来例のセパレータ３２０を用いた単位セルより良い性能を示し、特に電流密度の高い領域において顕著な性能の向上が見られる。
【００１８】
以上説明した実施例のセパレータ２０によれば、二つのＵ字型の流路における屈曲部にコの字型の屈曲部リブ４２ａ〜４２ｄ（参考例），４４ａ〜４４ｃ（参考例）を形成することにより、燃料ガスや酸化ガスが屈曲部の内周側に片寄って流れるのを防止し、外周側にも十分に流れるようにすることができる。この結果、燃料電池スタックを構成した際には、燃料ガスや酸化ガスを電極５２や５４により均等に供給することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。また、屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれより下流側になるよう形成することにより、燃料ガスや酸化ガスを外周部ほど流れ込みやすくすることができる。この結果、外周部に必要な量の燃料ガスや酸化ガスを供給することができ、燃料電池の性能を更に向上させることができる。
【００１９】
実施例のセパレータ２０では、二つのＵ字型の流路の屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれより下流側になるよう形成したが、図４の参考例の屈曲部リブ１４２ａ〜１４２ｄ（参考例）に例示するように、屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれと同じ位置となるよう形成しても差し支えない。この変形例のセパレータを用いて単位セルを構成した際の単位セルの性能を図３の曲線Ｂとして示す。図示するように、変形例のセパレータを用いた単位セルは、実施例のセパレータ２０ほどではないが、従来例のセパレータ３２０を用いた単位セルに比して著しい性能の向上が見られる。
【００２０】
実施例のセパレータ２０では、二つのＵ字型の流路における屈曲部に等間隔のコの字型の複数の溝を形成するようコの字型の屈曲部リブ４２ａ〜４２ｄ（参考例），４４ａ〜４４ｃ（参考例）を形成したが、屈曲部の外周側に形成される直線部については一体の連続したリブによってコの字型に形成する必要はなく、図５の実施例の屈曲部リブ２４２ａ〜２４２ｄに例示するように、コの字型の直線部においては複数の凸部２４３を形成するものとしてもかまわない。
【００２１】
実施例では、燃料ガスや酸化ガスを電極に供給するための流路について本発明を適用したが、燃料電池スタックを冷却するためにスタック内に規則的に積層される冷却部材における冷却媒体（例えば、水）の流路について適用するものとしても良い。こうすれば、冷却部材内を冷却媒体がより均等に流れることにより冷却部材の温度分布を小さくすることができ、この結果、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００２２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池用のセパレータ２０の概略構成を示す構成図である。
【図２】実施例のセパレータ２０を用いて固体高分子型燃料電池を構成した際の単位セルの概略構成を例示する構成図である。
【図３】実施例と従来例のセパレータを用いて構成された燃料電池スタックの単位セルの電流密度と電圧との関係で示すグラフである。
【図４】参考例の屈曲部リブ１４２ａ〜１４２ｄを示す説明図である。
【図５】実施例の屈曲部リブ２４２ａ〜２４２ｄを示す説明図である。
【図６】従来例のセパレータ３２０の構成を例示する構成図である。
【符号の説明】
【００２４】
２０  セパレータ、２２  燃料ガス導入孔、２３  燃料ガス連絡孔、２４  燃料ガス排出孔、２６  酸化ガス導入孔、２７  酸化ガス連絡孔、２８  酸化ガス排出孔、３０，３２  冷却水孔、３４，３６，３８  流路形成リブ、４０  凸部、４２ａ〜４２ｄ  屈曲部リブ、４４ａ〜４４ｃ  屈曲部リブ、５０  電解質膜、５２，５４  電極、１４２ａ〜１４２ｄ  屈曲部リブ、２４２ａ〜２４２ｄ  屈曲部リブ、２４３  凸部、３２０  従来例のセパレータ、３３４，３３６，３３８  流路形成リブ、３４０  直線リブ、３４２，３４４  凸部。
【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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