(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対称に形成された逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを下流部が共通のガス流路部分を有するように合流させたガス流路を、セパレータ面内に配置し、
前記逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とは、それぞれ、ガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部、第２の屈曲部、第３の直線部、ガス流路出口部を、上流側から下流側に順に有し、前記第２の屈曲部で合流し、前記第３の直線部と前記ガス流路出口部が前記共通のガス流路部分を構成しており、
前記逆Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部と、前記Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部とは、前記共通のガス流路部分を間に挟んで、該共通のガス流路部分と直交する方向に、互いに対称に形成されている、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記逆Ｓ字状のガス流路と前記Ｓ字状のガス流路とを合流させた前記ガス流路の前記共通のガス流路部分が、前記逆Ｓ字状のガス流路の前記第２の直線部と前記Ｓ字状のガス流路の前記第２の直線部との間に位置している請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記逆Ｓ字状のガス流路と前記Ｓ字状のガス流路とを合流させた前記ガス流路をセパレータ面内に１本以上形成した請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記ガス流路が酸化ガス流路である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記ガス流路が燃料ガス流路である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記ガス流路が酸化ガス流路と燃料ガス流路のそれぞれである請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記共通のガス流路部分の流路断面積は合流部より上流の非共通のガス流路部分の流路断面積の合計より小さい請求項１記載の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、とくに固体高分子電解質型燃料電池用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、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１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。
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。ＭＥＡとセパレータとの間には、通常、拡散層が設けられる。この拡散層は、触媒層への反応ガスの拡散をよくするためのものである。セパレータは、アノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されるとともに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。
セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体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（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、スタックが形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で、水素を水素イオン（プロトン）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、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 →Ｈ2 Ｏ
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。プロトンが電解質膜中を移動するには、電解質膜が湿潤していることが必要である。電解質膜の適正な湿潤状態を得るために、燃料ガス、酸化ガスの少なくとも一方を加湿してスタックに供給することが行われている。しかし、加湿過剰になると、とくに生成水による加湿によって加湿過剰になりやすい酸化ガス流路下流部でのフラッディングが生じ電池性能低下を引き起こすので、排水対策が必要となる。
特開平７−２６３００３号公報は、Ｓ字状のガス流路を、互いに独立に複数セパレータ面に並列に形成したセパレータを有する燃料電池を開示している。流路がＳ字状に屈曲形成されているため、ストレート流路に比べてガス流路長が長くなり、ガス流速が上がって拡散層へのガスの浸透がよくなり、かつ、ガスのガス流路滞留時間が長くなって、ガス流路上流側での電解質膜加湿上有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｓ字状のガス流路をもつ燃料電池用セパレータには、つぎの問題がある。
（ｉ）  ガスの発電反応への消費により、ガス流路下流にいくにしたがい、ガス流速が低下するので、流路長の長いＳ字状ガス流路の下流部では、かえって、拡散層への水分浸透の悪化、排水性の悪化、フラディングの発生が問題となる。
（ii）  Ｓ字状ガス流路では、流路長の中央部が流路へのガス入口部の隣り部位にくるので、ガス流路下流部の排水性悪化はセパレータ全域の排水性悪化を招く。
(iii) ガス流路と直交する方向に、ガス流路の上流部、下流部、つぎの流路の上流部、下流部と順に位置するので、ガス濃度分布の濃い、薄い部分が交互に位置し、ガス濃度分布が不均一になり、発電性能が低下する。
本発明の目的は、ガス流路下流部の排水性を改善でき、セパレータ全域の排水性を改善でき、ガス濃度分布不均一を改善できる燃料電池用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の燃料電池用セパレータでは、互いに対称に形成された逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを下流部が共通のガス流路部分を有するように合流させたガス流路が、セパレータ面内に配置されている。
また、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とは、それぞれ、ガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部、第２の屈曲部、第３の直線部、ガス流路出口部を、上流側から下流側に順に有し、第２の屈曲部で合流し、第３の直線部とガス流路出口部が共通のガス流路部分を構成している。
また、逆Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部と、Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部とは、前記共通のガス流路部分を間に挟んで、該共通のガス流路部分と直交する方向に、互いに対称に形成されている。
燃料電池用セパレ共通のガス流路部分の流路断面積は合流部より上流の非共通のガス流路部分の流路断面積の合計より小さい。
【０００５】
上記本発明の燃料電池用セパレータでは、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを下流部が共通のガス流路部分を有するように合流させたので、合流部から下流側での流速が合流させない場合に比べて増す。
その結果、下流部での、拡散層への水分浸透が増し、水分吹き飛ばし効果も向上して排水性がよくなり、排水性向上によりフラッディングが抑制される。
また、合流部が流路へのガス入口部の隣り部位にくるので、ガス入口部近傍に湿潤過多が生じても、その湿潤過多部の水分は流速が増大された合流ガス流路によって排水促進され、セパレータ全域が排水悪化となることを防止できる。
また、ガス流路と直交する方向に上流部、合流下流部、上流部の順に位置しており、合流下流部でガス濃度が従来に比べて増大するので、ガス流路と直交する方向のガス濃度が均一化され、発電性能が向上する。
上記はガス流路が、酸化ガス流路でも、燃料ガス流路でも、酸化ガス流路と燃料ガス流路の両方でも、成立する。
【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の望ましい実施例を、図１〜図５を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池は、燃料電池自動車等に搭載される。ただし、自動車以外に搭載されてもよい。
本発明が適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池であり、ＭＥＡとセパレータとの積層からなるスタック構成は、ガス流路構成を除き、従来技術で説明した一般の固体高分子電解質型燃料電池の構成に準じる。
【０００７】
図１は本発明の一実施例のセパレータを組付けた燃料電池スタックの一部であり、セパレータ４６（図４）のガス流路を前面にして示してある。図１のガス流路は、セパレータ面に、図２に示す、ガス流路出口部２８をガス流路入口部２６、２７に対して絞ったガス流路２５を少なくとも１つ（図示例では複数）設けたものを示す。
【０００８】
図２に示すように、ガス流路２５は、互いに対称に形成された逆Ｓ字状のガス流路６６とＳ字状のガス流路６７とを下流部が共通のガス流路部分を有するように合流させたガス流路からなる。このガス流路が、図１に示すように、セパレータ面内に配置されている。
【０００９】
図２に示すように、逆Ｓ字状のガス流路６６とＳ字状のガス流路６７とは、それぞれ、ガス流路入口部２６、２７、第１の直線部６２、６３、第１の屈曲部（第１のターン部）２９、３０、第２の直線部６４、６５、第２の屈曲部（第２のターン部）３１、第３の直線部５８、ガス流路出口部２８を、上流側から下流側に順に有し、第２の屈曲部（第２のターン部）３１で合流し、第３の直線部５８とガス流路出口部２８が共通のガス流路部分を構成している。
逆Ｓ字状のガス流路６６とＳ字状のガス流路６７とを合流させたガス流路２５の共通のガス流路部分３１、５８、２８は、逆Ｓ字状のガス流路６６の第２の直線部６４とＳ字状のガス流路６７の第２の直線部６５との間に位置している。
【００１０】
共通のガス流路部分３１、５８、２８の流路断面積と合流部３１より上流の非共通のガス流路部分６２、２９、６４、６３、３０、６５の流路断面積の合計より小さい。
逆Ｓ字状のガス流路６６とＳ字状のガス流路６７とを合流させたガス流路２５は、図１の例では、１つのセパレータ面内に１本、または複数本形成されている。
【００１１】
図１には、セパレータ４６の、次に積層されるＭＥＡ７も示されている。図４に示すように、このＭＥＡ７が、水素イオンを透過する電解質膜１と、電解質膜１の両面に形成された触媒の働きを担う白金を混合した主として炭素を原料とした電極２、４４（電解質膜１の一面の電極がアノードで他面の電極がカソード）とからなる。ＭＥＡ７の両側には、ＭＥＡ７とセパレータとの間に、拡散層３、４５が配置されている。拡散層３、４５は、ガスの効率的な利用を目的としガスをできるだけ電極面全体にいきわたらせる目的を持つ。ＭＥＡ７には、この他に、酸化ガス８ａ、燃料ガス９ａ、冷却水１０ａを通す孔４ａ、５ａ、６ａが開けられている。
【００１２】
ＭＥＡ７の孔４ａを通った酸化ガス８ａは、ＭＥＡ７に積層され空気流路２５がＭＥＡ７に接するように形成された空気用セパレータ８の、ＭＥＡ７と同様に開けられた供給マニホールド１７に流れ込む。この供給マニホールド１７は、ＭＥＡ７の孔４ａと一体になって、空気用セパレータ８の空気流路２５へ酸化ガス８ａを供給する。以下、燃料ガス９ａ、冷却水１０ａも同様の水素供給マニホールド１９、冷却水供給マニホールド２０を通して、それぞれの流路に導かれる。
【００１３】
空気用セパレータ８の空気流路２５を形成する背面４３は、図３に示されるように、冷却水流路４２が形成されており、次に積層される水素用セパレータ９の冷却水流路面２１に形成された冷却水流路（図示せず）と一体になり、冷却水１０ａの流路を構成する。水素用セパレータ９の冷却水流路面２１の背面（図示せず）は、水素流路（図示せず）となっており、水素ガス９ａからの水素流路（図示せず）が形成され、あらたに積層されるＭＥＡ１０と接している。以上の順序で各セパレータ８、９、１１、１２、１４とＭＥＡ７，１０，１３が積層され、図示しないその他のセパレータとＭＥＡを含めて、燃料電池スタック１５が構成される。
【００１４】
なお、燃料電池スタック１５は、各供給マニホールド１７、１９、２０に対して、対になるマニホールドおよび孔を持つため、酸化ガス８ａ、燃料ガス９ａ、冷却水１０ａは、それぞれのセパレータに形成されたそれぞれの流路を通り、役目を終えた各流体は、酸化ガス８ｂ、燃料ガス９ｂ、冷却水１０ｂとなり、この排気マニホールド５４、５５、５６を通り、燃料電池スタック１５より排気される。
【００１５】
空気用セパレータ８での酸化ガス８ａの流れを、図１、図２、図３を参照して説明する。
空気供給マニホールド１７より供給された空気用セパレータ８へ導入されるべき加湿空気１８は、空気用セパレータ８の空気流路面１６に設けられた導入路４０に導かれる。この導入路４０は、空気流路面１６より一段低く製作されて加湿空気１８を導く通路を形成しており、空気供給マニホールド１７と、後述される入口分配部４１をつなぎ、所定量の加湿空気１８を、同じく空気流路面１６に形成された入口分配部４１よりつながる空気流路２５へ導く。図３において、入口分配部４１は、導入路４０から導かれてきた加湿空気１８を、概ね均等に分配できるように流路２６、２７（図２）とその他の流路入口の合計の総断面積に比べ十分大きな容積をもち、各流路入口へとつながっている。
【００１６】
図４において、空気用セパレータ８と水素用セパレータ４６の２枚のセパレータに挟まれた１枚のＭＥＡ７の拡散層３、４５は、一方の面の拡散層３が空気流路２５に押し当てられ、もう一方の面の拡散層４５が水路流路４７に押し当てられている。よって、流路２５、４７は、セパレータ８、４６により各々３方で、かつ、拡散層３、４５で残り一方を囲まれ形成される略四角状の断面を持つことになる。空気１８および水素４８は、大部分がそれぞれの流路２５、４７を流れるが、一部は拡散層３、４５にも浸透する。この拡散層３、４５への空気浸透５９ａ、５９ｂおよび水素浸透６０ａ、６０ｂは、ガス反応を、より広い面で可能とさせるもので、有効な方法である。なお、空気流路２５と冷却水流路４２を構成する空気用セパレータ８と、水路流路４７と冷却水流路（図示せず）を構成する水素用セパレータ４６とＭＥＡ７の積層順序は限定されたものでなく、理論的に燃料電池として機能する並びであればよい。
【００１７】
従来は、図２に示す流路３２を加湿空気１８は、流路入口３３を通り、流路出口３４へと向かう。この時、加湿空気１８の水分が流路３２全体を湿らせてガス反応を促進する。しかし、拡散層３はガス浸透のみを目的としているため、撥水性を持っており水分を保持する機能は弱い。そのため、図５の左半分で示すように、加湿空気１８の水分は、加湿空気１８と共に拡散層３へわずかに浸透する分４９と流路３２内への若干の付着５１、５２はあるが、ほとんどが圧損の低い流路３２を加湿空気１８と共に通り抜けてしまい、発電のためには水分の効果を発揮できず、結果的に低加湿での発電性能の向上が得られない。なお、図５の右半分には、本発明による、水分浸透が多くなることを示す図が描かれている。多くの水分の浸透分５０を、従来の浸透分４９と比較して図示する。
【００１８】
本発明では１流路につき、出口分配部５７に流路２５からつながる流路出口２８は１箇所であるが、この流路出口２８は２箇所の流路入口２６、２７を共有している。すなわち、入口分配部４１から２箇所の流路入口２６、２７を通って流路２５に流れ込んだ加湿空気１８は、それぞれ第１ターン部２９、３０を通り、第２ターン部３１へ流れる。加湿空気１８は、第２ターン部３１で、第１ターン部２９、３０から移動してきた加湿空気１８が合流して混合し、１本の流路５８で流路出口２８に向かう。
従来は流路３２の１本に対し、入口１箇所３３、出口１箇所３４を持つのが通常であった。さらに性能向上をはかって改良されたものでも、１箇所の流路入口３６から流れ込んだ加湿空気１８は、第１ターン部３８を通り第２ターン部３９で流路出口３７に向かうという屈曲流路３５を持つものであった。
【００１９】
本発明では、１流路につき、２箇所の流路入口２６、２７から流入した加湿空気１８は、１箇所の流路出口２８より排出される。この時、流路２５全体の圧力は、従来の流路３２、３５より高くなる。そのため、本発明における流路２５を流れる加湿空気１８は、流路２５を形成する１面である拡散層３に、従来流路構成の拡散層にくらべ深く浸透し（図５）、圧力上昇のための飽和蒸気圧上昇による水分保有増大によっても水分として凝縮、保持され、かつ、流路２５を流れる加湿空気１８によって容易には持ち去られてしまうことがない。流路圧力が高くなることで、拡散層３への加湿空気１８が深く浸透する作用は、空気流路２５面全体で起こり、その結果、水分５０は、拡散層３全体に深く広く浸透され保持される。
【００２０】
以上の如く、流路入口２箇所２６、２７を１箇所の流路出口２８で共有することにより、絞った作用・効果が発生し、流路２５全体の圧力を高め、加湿空気１８によって流路２５に導かれた水分が拡散層３に留まり、ガス反応に必要とされる水分を十分満たすことになり、燃料電池の低加湿運転が可能になる。
なお、中央の合流流路５６は、２箇所の空気流路入口２６、２７から流入した加湿空気１８が１箇所の出口となることによる流速上昇のため、より水分排出を促進できるため、高加湿時の水分の停滞による性能低下を防止できる。
上記は、空気流路２５を例にとって説明したが、水素流路に適用しても、同様の作用・効果が期待でき、当然、空気流路、水素流路の両方に適用しても同様の作用・効果が期待できる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の本発明の燃料電池用セパレータによれば、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを下流部が共通のガス流路部分を有するように合流させたので、合流部から下流側での流速が合流させない場合に比べて増す。
その結果、下流部での、拡散層への水分浸透が増し、水分吹き飛ばし効果も向上して排水性がよくなり、排水性向上によりフラッディングが抑制される。
【００２２】
請求項１の本発明の燃料電池用セパレータによれば、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とは、それぞれ、ガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部、第２の屈曲部、第３の直線部、ガス流路出口部を、上流側から下流側に順に有し、第２の屈曲部で合流し、第３の直線部と前記ガス流路出口部が共通のガス流路部分を構成しているので、合流部が流路へのガス入口部の隣り部位にきて、ガス入口部近傍に湿潤過多が生じても、その湿潤過多部の水分は流速が増大された合流ガス流路によって排水促進され、セパレータ全域が排水悪化となることを防止できる。
また、請求項１の本発明の燃料電池用セパレータによれば、逆Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部と、Ｓ字状のガス流路のガス流路入口部、第１の直線部、第１の屈曲部、第２の直線部とは、共通のガス流路部分を間に挟んで、該共通のガス流路部分と直交する方向に、互いに対称に形成されているので、ガス流路と直交する方向に上流部、合流下流部、上流部の順に位置しており、合流下流部でガス濃度が従来に比べて増大するため、ガス流路と直交する方向のガス濃度が均一化され、発電性能が向上する。
【００２３】
請求項２の本発明の燃料電池用セパレータによれば、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを合流させたガス流路の共通のガス流路部分が、逆Ｓ字状のガス流路の第２の直線部とＳ字状のガス流路の第２の直線部との間に位置しているので、ガス流路と直交する方向に上流部、合流下流部、上流部の順に位置しており、合流下流部でガス濃度が従来に比べて増大するので、ガス流路と直交する方向のガス濃度が均一化され、発電性能が向上する。
請求項３の本発明の燃料電池用セパレータによれば、逆Ｓ字状のガス流路とＳ字状のガス流路とを合流させたガス流路をセパレータ面内に１本以上形成したので、セパレータ面全域のガス濃度分布を均一にでき、発電性能が向上する。
【００２４】
請求項４、５、６の本発明の燃料電池用セパレータによれば、本発明は酸化ガス流路単独にでも、燃料ガス流路単独にでも、酸化ガス流路と燃料ガス流路の両方にでも適用できる。
請求項７の本発明の燃料電池用セパレータによれば、共通のガス流路部分の流路断面積は合流部より上流の非共通のガス流路部分の流路断面積の合計より小さいので、合流部とそれより下流側でのガス流速を増大でき、請求項１による効果が確実に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃料電池用セパレータを組み込んだ燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】  （イ）は従来のストレートガス流路、（ロ）は従来のＳ字状ガス流路、（ハ）は本発明の燃料電池用セパレータのガス流路の、それぞれの正面図である。
【図３】  （イ）はガス流路入口部近傍のセパレータ正面図であり、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】  ＭＥＡ両側のガス流路の断面図である。
【図５】  本発明と従来のガス流路とを比較した流路断面図である。
【符号の説明】
１  電解質膜
２  電極
３  拡散層
４ａ、５ａ、６ａ  孔
７、１０、１３  ＭＥＡ（ＭＥＡ膜）
８、９、１１、１２、１４  各セパレータ
８ａ、８ｂ  酸化ガス
９ａ、９ｂ  燃料ガス
１０ａ、１０ｂ  冷却水
１５  燃料電池スタック
１６  空気流路面
１７  空気供給マニホールド
１８  加湿空気
１９  水素供給マニホールド
２０  冷却水マニホールド
２１  冷却水流路面
２２、２３、２４  各排気マニホールド
２５  ガス流路（たとえば、空気流路）
２６、２７  ガス流路入口（たとえば、空気流路入口）
２８  ガス流路出口（たとえば、空気流路出口）
２９、３０  第１の屈曲部（第１ターン部）
３１  第２の屈曲部（第２ターン部、または合流部）
４０  導入路
４１  入口分配部
４２  冷却水流路
４３  ガス流路２５を形成する背面
４４  電極
４５  拡散層
４６  図示していない水素用セパレータ
４７  水素流路
４８  加湿水素
４９、５０  浸透分
５１  、５２  流路３２内への若干の付着
５３、５４  流路２５への若干の付着
５５  出口分配部
５６  中央流路
５８  第３の直線部（合流直線流路）
５９ａ、５９ｂ  空気浸透
６０ａ、６０ｂ  水素浸透
６２、６３  第１の直線部
６４、６５  第２の直線部
６６  逆Ｓ字状のガス流路
６７  Ｓ字状のガス流路
【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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