(57)【要約】【課題】分離板のチャンネル内面に渦流発生構造を形成して、チャンネル内を流れる流体の渦流れを誘導することで、電極への反応ガスの供給及びガス拡散層（ＧＤＬ）内の液滴除去が容易に行われるようにした燃料電池用分離板の提供。【解決手段】燃料電池スタックのガス拡散層と接合されるランドと、該ランドに気体拡散層に接するように形成されて反応ガス（水素、空気）の通路となるチャンネルと、を有する燃料電池用分離板において、チャンネルの内部表面に反応ガスの渦流れを誘導することができる渦流発生用構造体を形成してなる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのガス拡散層と接合されるランドと、該ランドに気体拡散層に接するように形成されて反応ガスの通路となるチャンネルを有する燃料電池用分離板において、
前記チャンネルの内部表面に反応ガスの渦流れを誘導することができる渦流発生用構造体を形成してなることを特徴とする燃料電池用分離板。
【請求項２】
前記渦流発生用構造体は、チャンネルの内部表面の全体又は局部に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用分離板。
【請求項３】
前記渦流発生用構造体は、チャンネルの内部表面に直接加工されて形成されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用分離板。
【請求項４】
前記渦流発生用構造体は、チャンネルの内部表面に接着させることができるように予め加工されて具備されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用分離板。
【請求項５】
前記渦流発生用構造体は、反応ガスの流れ方向に沿って半円または楕円曲面を有する複数の螺旋形突起と螺旋形溝とが反復形成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用分離板。
【請求項６】
前記渦流発生用構造体は、前記螺旋形突起と螺旋形溝の螺旋回転の数及び回転半径、長さを調節することで、反応ガスの渦流発生強度を調節できるようにしたことを特徴とする、請求項５記載の燃料電池用分離板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用分離板に関し、更に詳しくは、電極に対する反応ガスの供給及びガス拡散層（ＧＤＬ）内の液滴除去が容易に行われるようにした燃料電池用分離板に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、環境に優しい未来型の自動車として、水素燃料電池自動車の研究、開発が盛んに行われている。このような水素燃料電池自動車に用いられる燃料電池システムの構成は、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水の管理システムに大別される。
【０００３】
図７及び図８は、燃料電池スタックの単位セルの構成を示したものである。
単位セルの中央には、水素陽イオンが移動する高分子電解質膜１０を挟んで、その両側に水素と酸素が反応できるように塗布された触媒層である空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１２と燃料極（ａｎｏｄｅ）１４が配置された電極膜接合体（ＭＥＡ）が位置する。
【０００４】
空気極１２と燃料極１４の外側には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６及びガスケット１８が順に配置され、更に、ガスケット１８の外側には、燃料を供給して反応により発生した水を排出するための流路が形成された分離板２０が位置して単位セルが構成されている。そして、単位セルの集合体である燃料電池スタックの最外郭には、単位セル群を支持固定するエンドプレート３０が配置されている。
【０００５】
燃料電池スタックの燃料極１４では、水素の酸化反応の進行により水素イオンと電子が発生し、発生した水素イオンと電子は、電解質膜１０を通り空気極１２に移動し、空気極１２において、燃料極１４から移動した水素イオンと電子及び空気中の酸素が関与して、電気化学反応により水が生成される。このような電子の流れにより生成した電気エネルギーは、エンドプレート３０の集電板（図示しない）を通して、電気エネルギーの要求元に供給される。
【０００６】
図７に示したように、分離板２０は、ガス拡散層１６と接合する平滑なランド２２と、そのランド２２にガス拡散層１６と接するように形成された空間であり、燃料である水素と空気（酸素）の通路となるチャンネル２４とで構成されている。
分離板２０は、また、水素や空気などの反応ガスを供給する通路であるばかりでなく、空気極のガス拡散層側で生成する水の除去のための通路でもあり、さらに外部回路に電気を流す役割も果たしている。
【０００７】
このような機能を有する分離板は、機械加工で製作される黒鉛分離板や、スタンピング加工で製作される金属分離板に分けられ、分離板のチャンネルの断面は、図７（ａ）に示す直角や、図７（ｂ）に示す台形の形状で形成されている。
そして、分離板のチャンネルの表面は、滑らかな面となっているため、チャンネル内を通過する反応ガスの流れは、乱流特性を示す。
【０００８】
チャンネル内の流体が乱流特性を示すということは、流路の中心部に比べ壁面部の流速が遅いため、壁面に存在する液滴を流路を通過する流れに誘導しにくくなるという特徴がある。従って、チャンネル内の流体が乱流であることは、ガス拡散層の開気孔に閉じ込められた水の除去という点では不利であった。
【０００９】
このような点を解決するために、チャンネル表面を撥水性素材でコーティングして、水滴をガスの流れに誘導する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、スタックを長時間運転したときに、反応ガスの流れによってコーティング膜の摩滅や分離が発生し、チャンネル表面の撥水性が低下して水除去性能が低下してしまうことがあった。チャンネルにおける水除去性能の低下は、スタックの各セルにフラッディングなどの現象を引き起こして発電量の減少を招くばかりでなく、電極や電解質膜などの劣化を促進させるという問題点があった。
【００１０】
また、別の従来技術として、チャンネル構造の代りに反応ガスの円形流れを誘導し、かつ、集電機能を行うことができるカラム形態の突起を有する分離板がある。しかしながら、このような分離板では、反応ガスの流れを精密に誘導することが困難なため、スタックの各セルの作動条件によって不均一な流動が発生してしまい、電極や電解質膜に局部損傷をもたらすため、ガス拡散層内の開気孔に閉じ込められた水を除去するには不利であった。
【００１１】
さらに、他の従来技術として、分離板のチャンネルに曲がりくねったパターンや波列パターンなどを設けて、水除去を容易にする方法があるが、この方法においても寄生電力が増加する現象が表れるという問題があった。
【００１２】
このように従来技術による分離板では、チャンネル内を流れる液滴をチャンネルの壁面を通して除去する方法や、反応ガスと共に２相流動させて除去する方法が採られているが、実際のチャンネル内の反応ガスの流動は乱流であるため、どうしてもガス拡散層内の開気孔に凝縮された水滴を十分に除去できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−５２８１１２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４１３４号公報
【特許文献３】特開２００８−０４７５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ガス拡散層に閉じ込められた液滴が分離板のチャンネル内を容易に移動できるようにして、液滴の除去を容易にした燃料電池用分離板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用分離板は、ガス拡散層と接合するランドと、該ランドにガス拡散層と接するように形成されて反応ガスの通路となるチャンネルを有する分離板において、チャンネルの内部表面に反応ガスの渦流れを誘導することができる渦流発生用構造体を形成してなることを特徴とする。
【００１６】
渦流発生用構造体は、チャンネル表面の全体又は局部に形成されていることを特徴とし、チャンネル表面に直接加工されて形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、渦流発生用構造体は、チャンネル表面に接着可能に予め加工されて、チャンネル表面に備えられていることが好ましく、反応ガスの流れ方向に沿って半円曲面又は楕円曲面を有する複数の螺旋形突起と螺旋形溝が反復形成されている形状であることが好ましい。
【００１８】
また、渦流発生用構造体は、反復形成されている螺旋形突起と螺旋形溝の、螺旋回転の数、回転半径、長さを調節することで、反応ガスの渦流発生強度を調節できるようにすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池用分離板によると、分離板のチャンネル表面に反応ガスの渦流れを誘導する渦流発生用構造体を形成することによって、チャンネルに対面するガス拡散層に閉じ込められた液滴が、ガス拡散層の表面に出てくると同時に、反応ガスの流れ方向に移動することになり、十分な液滴の除去が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池用分離板を表す図面である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る燃料電池用分離板を表す図面である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る燃料電池用分離板を表す図面である。
【図４】本発明に係る燃料電池用分離板の底面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池用分離板において、反応ガスの渦流発生によりガス拡散層の液滴が除去される状態を示す図面である。
【図６】従来技術の分離板において、反応ガスが乱流流れとなっていることを示す図面である。
【図７】従来技術の分離板の構造を示す図面である。
【図８】燃料電池スタックの構成を示す図面である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して詳述する。
【００２２】
本発明は、燃料電池スタックを構成する分離板のチャンネル構造を、反応ガスが渦流流れとなるようにすることができる構造にすることで、ガス拡散層内に閉じ込められた液滴を容易に除去できるようにしたものである。
【００２３】
図１〜図３に示すように、本発明好ましい実施形態は、分離板２０のチャンネル２４の内部表面の全体又は局部に、反応ガスの渦流を発生させるための渦流発生用構造体４０が一体に形成されているものである。
【００２４】
分離板２０は、ガス拡散層１６と接合するランド２２と、そのランド２２にガス拡散層１６と接するように形成され、反応ガスの通路となるチャンネルと、からなる構造であり、チャンネル２４の内部表面に反応ガスの渦流流れを誘導することができる渦流発生用構造体４０がチャンネルと一体に形成されている。
【００２５】
図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る分離板に設けられた渦流発生用構造体４０は、断面が半円状のチャンネル２４の内部表面に形成され、半円曲面を有する複数の螺旋形突起４２と螺旋形溝４４が反応ガスの流れ方向に反復して形成された構造である。
【００２６】
図２に示すように、本発明の第２の実施例に係る分離板の渦流発生用構造体４０は、断面が楕円状のチャンネル２４の内部表面に形成され、楕円曲面を有する複数の螺旋形突起４２と螺旋形溝４４が反応ガスの流れ方向に反復して形成された構造である。
【００２７】
図３に示すように、本発明の第３の実施例に係る分離板の渦流発生用構造体４０は、断面が台形状のチャンネル２４の内部表面に形成され、楕円曲面を有する複数の螺旋形突起４２と螺旋形溝４４が反応ガスの流れ方向に反復して形成された構造である。
【００２８】
このような渦流発生用構造体４０の構造によって、チャンネル２４内を流れる反応ガスは容易に渦流れとなり、直進性が付与され、そのことによって、チャンネル２４と向かい合うガス拡散層１６の開気孔から出てくる液滴は、ガス拡散層１６の表面が疎水性のために液滴のサイズが大きくなっていても容易に反応ガスの流れにとりこまれる。また、ガス拡散層１６の表面の液滴が除かれることにより、ガス拡散層１６の開気孔内の小さな液滴も表面に上がってくるので、容易に除去することができる。
【００２９】
ガス拡散層１６から流出される液滴発生量は、スタックのサイズ及び種類によって異なるので、チャンネル２４の内部表面に形成される渦流発生用構造体４０は、チャンネル２４の内部表面全体に形成してもよく、局部的に形成してもよい。
【００３０】
図４には、渦流活性用構造体４０の螺旋形突起４２及び螺旋形溝４４が示してある。
渦流活性用構造体４０の構造は、螺旋形突起４２と螺旋形溝４４の回転数及び回転半径、長さを調節することにより、チャンネル内を流れる反応ガスの渦流発生強度を調節することができるので、ガス拡散層１６からの液滴の除去効率を調節することができる。
【００３１】
チャンネルの内部表面に形成される渦流発生用構造体４０は、機械加工やスタンピング加工によりチャンネル２４の表面に直接形成してもよく、渦流発生用構造体４０を別途に作製し、チャンネル２４の内部表面に接着することで形成してもよい。
【００３２】
本発明に係る分離板２０のチャンネル２４に、反応ガス（水素、空気中の酸素）が流れると、チャンネル２４の表面に形成された渦流発生用構造体４０の螺旋形突起４２と螺旋形溝４４によって、ガス拡散層１６側に向かう反応ガスの流れが発生し、チャンネル２４内を通過する反応ガスに渦流れが発生する。
【００３３】
従来の分離板のチャンネルを流れる反応ガスの流れが乱流であるのに対し、本発明の分離板においては、チャンネル２４内を流れる反応ガスは渦流れを有するため、ガス拡散層１６を通して電極、即ち、燃料極または空気極への反応ガスの供給がスムーズになる。
【００３４】
特に、ガス拡散層１６に向かう反応ガスの流れにより、ガス拡散層１６の気孔に閉じ込められた小さな液滴がチャンネル２４側に跳ね上がって移動することで、ガス拡散層に対する水除去効率が増大し、同時にガス拡散層内の液滴除去により電極に向かう反応ガスの供給経路が増大して反応ガスの供給効率も向上させることができる。
【００３５】
このように、本発明によれば、分離板のチャンネル表面に反応ガスの流れ方向に沿って螺旋形に形成された簡単な構造の渦流発生経路を形成することで、反応ガスに渦流を発生させ、ガス拡散層内の液滴除去が容易に行われるようになり、水除去不足によるガス拡散層及び電極でのフラッディング現象を防止することができ、フラッディング現象によるスタックの性能低下を防止することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  高分子電解質膜
１２  空気極
１４  燃料極
１６  ガス拡散層
１８  ガスケット
２０  分離板
２２  ランド
２４  チャンネル
３０  エンドプレート
４０  渦流発生用構造体
４２  螺旋形突起
４４  螺旋形溝
【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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【図８】
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