(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却水流路が形成されており、冷却水流路は、セパレータの面内の中央部に形成された複数の主流路と、セパレータの面内の外周部に形成された１つまたは複数の副流路とからなり、主流路の平面形状と副流路の平面形状とは異なり、主流路はセパレータの面内の中央部を屈曲しながら延びており、副流路はセパレータの外周部の辺にほぼ平行に延びており、主流路の１本の長さは、副流路の１本の長さより長く、主流路の流れ抵抗は副流路の流れ抵抗より大である燃料電池用セパレータであって、
副流路側にセパレータ面内方向に屈曲または湾曲する屈曲部が形成されており、屈曲部が局部的に副流路の流れ抵抗を増大させて、副流路の流れ抵抗が、主流路の流れ抵抗に近づけられている燃料電池用セパレータ。
【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、とくに燃料電池のセパレータに関する。
【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）を供給するための流体通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、スタックをスタックの外側でセル積層体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）にて締め付け、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
カソードでの水生成反応では熱が出るので、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、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開昭６２−１６３２６４号公報は、セパレータ面内に冷却水流路を複数有するセパレータを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のセパレータでは、セパレータ全体の形状やマニホールド（セパレータにガスや冷却水を流すマニホールド）の位置等により冷却水流路の配置、形状に制限を受ける範囲内で、複数の冷却水流路の形状を同一とすることができない場合がある。この場合、各流路の形状が均一でないため、各流路での流れが均一でなくなり、セパレータ面内で温度分布が生じる。これによって、触媒層での電気化学反応が不均一になって性能低下が生じること、温度分布によってはガス側の湿度コントロールがうまくいかなくなって、ドライアップや水分凝縮と詰まりが生じること、等の問題が生じる可能性がある。
本発明の目的は、セパレータ面内での冷却水流れを均一化した燃料電池のセパレータ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）  複数の冷却水流路が形成されており、冷却水流路は、セパレータの面内の中央部に形成された複数の主流路と、セパレータの面内の外周部に形成された１つまたは複数の副流路とからなり、主流路の平面形状と副流路の平面形状とは異なり、主流路はセパレータの面内の中央部を屈曲しながら延びており、副流路はセパレータの外周部の辺にほぼ平行に延びており、主流路の１本の長さは、副流路の１本の長さより長く、主流路の流れ抵抗は副流路の流れ抵抗より大である燃料電池用セパレータであって、
副流路側にセパレータ面内方向に屈曲または湾曲する屈曲部が形成されており、屈曲部が局部的に副流路の流れ抵抗を増大させて、副流路の流れ抵抗が、主流路の流れ抵抗に近づけられている燃料電池用セパレータ。
【０００５】
上記（１）の燃料電池用セパレータでは、副流路に屈曲部が形成されているので、屈曲部が形成されていなかった場合には主流路に比べて流れ抵抗が小さかった副流路の流れ抵抗が増大して、主流路と副流路との流れ抵抗がほぼ同じになり、主流路と副流路の流れが均一になる。その結果、セパレータ面内で温度分布が均一化される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池用セパレータを図１〜図５を参照して、説明する。本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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１、図２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）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）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を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体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】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、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形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷却水流路２６が設けられる。
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、の何れかからなる。
【０００９】
図３は、セパレータ１８の一面の一部を示しており、セパレータ１８には複数の冷却水流路２６が形成されている。冷却水流路２６は、セパレータ１８の面内の中央部（外周部でない領域）領域に形成された複数の主流路２６ａと、セパレータ１８の面内の外周部領域に形成された副流路２６ｂとからなる。主流路２６ａは、図４に示すように、複数の流路からなり、副流路２６ｂは、図５に示すように、１つまたは複数（主流路の数よりは少ない複数）の流路からなる。主流路２６ａの平面形状と副流路２６ｂの平面形状とは異なり、たとえば、主流路２６ａはセパレータ１８の面内の中央部を屈曲しながら延びており、副流路２６ｂは外周部の辺にほぼ平行に延びている。主流路２６ａの１本の長さは、副流路２６ｂの１本の長さより長く、したがって、主流路２６ａの流れ抵抗は副流路２６ｂの流れ抵抗より大である。
冷却水流路２６は冷却水マニホルド２８に接続されており、ガス流路２７はガスマニホルド２９に接続されている。マニホルド２８、２９は、セパレータ１８の面内で、副流路２６ｂよりさらに外周側に位置している。
【００１０】
主流路２６ａと副流路２６ｂとは、圧力損失が均一になるように、冷却水流路形状が設定されている。
主流路２６ａと副流路２６ｂとの何れかに主流路２６ａと副流路２６ｂとの流れ抵抗をほぼ等しくする流れ抵抗均一化手段が設けられている。本発明実施例では、流れ抵抗の低い副流路２６ｂ側に流れ抵抗増大手段（流れ抵抗均一化手段）が設けられている。さらに詳しくは、副流路２６ｂには、図３に示すように、流れ抵抗を増大するための、絞りまたは屈曲部（面内方向に屈曲または湾曲する屈曲部）３０が形成されている。絞りは副流路２６ｂの流路幅または深さを他の部分より小さくすることによって形成される。絞りまたは屈曲部は局部的に流れ抵抗を増大させる流れ抵抗増大手段（絞りまたは屈曲部と同じもののため、符号を３０とする）を構成する。
絞りまたは屈曲部３０の形成により、副流路２６ｂの流れ抵抗は、主流路２６ａの流れ抵抗に近づけられて、主流路２６ａの流れ抵抗とほぼ同じ（全く同一の場合を含む）とされている。
流れ抵抗均一化手段としては、各流路の断面積（幅×深さ）や流路内形状や流路形状を変えることで形成可能である。
【００１１】
つぎに、本発明の作用を説明する。
互いに形状が異なる複数の冷却水流路２６は、圧力損失が均一になるように、形状が選定され設定されているので、１本当りの流路を流れる冷却水量は均一化される。したがって、冷却水流路２６をセパレータ面内にほぼ均一に配置しておくことにより、セパレータ面内温度分布は均一化される。
さらに、副流路２６ｂに絞りまたは屈曲部３０が形成されて、主流路２６ａと副流路２６ｂとは流れ抵抗が均一化されるので、主流路２６ａと副流路２６ｂの１本当りの流路を流れる冷却水量は均一化される。このため、セパレータ面内温度分布は均一化される。
その結果、電極における電気化学反応が安定し均一化され、全域において良好な電気化学反応が行われ、燃料電池の出力が向上する。また、温度が均一になって安定化することにより、酸化ガス流路、燃料ガス流路における水分コントロールが良好に行われ、電解質膜のドライアップや凝縮生成された水滴による流路の閉塞などが防止される。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池用セパレータによれば、副流路に屈曲部が形成されているので、屈曲部が形成されていなかった場合には主流路に比べて流れ抵抗が小さかった副流路の流れ抵抗が増大して、主流路と副流路との流れ抵抗がほぼ同じになり、主流路と副流路の流れが均一になる。その結果、セパレータ面内で温度分布が均一化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のセパレータを備えた燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明実施例のセパレータを備えた燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】本発明実施例の燃料電池用セパレータの一部正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ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
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  冷却水流路
２６ａ  主流路
２６ｂ  副流路
２７  ガス流路
２８  冷却水マニホルド
２９  ガスマニホルド
３０  絞りまたは屈曲部（流れ抵抗増大手段）
【図１】
0004032617.tif 000002
【図２】
0004032617.tif 000003
【図３】
0004032617.tif 000004
【図４】
0004032617.tif 000005
【図５】
0004032617.tif 000006