(57)【要約】      （修正有）【課題】反応ガスのショートカットを抑制することとセパレータの成形性を良くすることが可能な燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】サーペンタイン型の反応ガス流路を形成するための燃料電池用セパレータであって、前記反応ガス流路にＵ字型流路部３０２ａを形成して反応ガスの流れを蛇行させるための、長尺状の蛇行流路形成リブを備え、前記蛇行流路形成リブには、前記蛇行流路形成リブの長手方向に平行な複数の凸部３３０ａ，３３０ｃと、前記複数の凸部の間に形成された凹部３３０ｂ，３３０ｄと、が形成されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーペンタイン型の反応ガス流路を形成するための燃料電池用セパレータであって、
前記反応ガス流路にＵ字型流路部を形成して反応ガスの流れを蛇行させるための長尺状の蛇行流路形成リブを備え、
前記蛇行流路形成リブには、
前記蛇行流路形成リブの長手方向に平行な複数の凸部と、
前記複数の凸部の間に形成された凹部と、が形成されている、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記燃料電池用セパレータの凹凸はプレス加工により形成されており、
前記蛇行流路形成リブは、前記Ｕ字型流路部に面した前記蛇行流路形成リブの先端部と反対側の端部に、前記凹部の両側の凸部を繋ぐ凸部が形成されている、燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセパレータの形状の一つとして、蛇行した反応ガス流路を形成するサーペンタイン型セパレータが知られている。従来のサーペンタイン型セパレータにおいて、反応ガスのショートカットを抑制するために、Ｕ字型の蛇行流路を形成するための凸部を他の凸部よりも幅広にしたものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１９２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、セパレータの凸部を幅広にすると、凸部が撓み易くなり、プレス成型時の成形性が悪くなる（きれいな凸部形状が得られ難い）という問題があった。すなわち、従来のサーペンタイン型セパレータでは、反応ガスのショートカットの抑制することとセパレータの成形性を良くすることとの両立が難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、反応ガスのショートカットを抑制することとセパレータの成形性を良くすることとの両立を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の態様は、サーペンタイン型の反応ガス流路を形成するための燃料電池用セパレータであって、前記反応ガス流路にＵ字型流路部を形成して反応ガスの流れを蛇行させるための長尺状の蛇行流路形成リブを備え、前記蛇行流路形成リブには、前記蛇行流路形成リブの長手方向に平行な複数の凸部と、前記複数の凸部の間に形成された凹部と、が形成されている。この態様によれば、蛇行流路形成リブの幅を広くして反応ガスのショートカットを抑制することと、蛇行流路形成リブに凹部を形成することによるセパレータの成形性を良くすることの両立が可能となる。
【０００８】
本発明の態様において、前記燃料電池用セパレータの凹凸はプレス加工により形成されており、前記蛇行流路形成リブは、前記Ｕ字型流路部に面した前記蛇行流路形成リブの先端部と反対側の端部に、前記凹部の両側の凸部を繋ぐ凸部が形成されていてもよい。一般に、セパレータの反応ガスが流れる側と反対側には冷媒が流れる。この態様によれば、冷媒を拡散あるいは集約させるために、凸部を繋ぐ凸部を通して冷媒を移動させることが可能となる。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用セパレータの他、燃料電池等、様々な形態で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】
【００１０】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、膜電極接合体２００と、セパレータ３００と、エンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、膜電極接合体２００とセパレータ３００は、交互に積層されている。エンドプレート２０２、２０４は、膜電極接合体２００とセパレータ３００の積層方向両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１１２と、酸化ガス供給マニホールド１１４と、酸化ガス排出マニホールド１１６と、冷媒供給マニホールド１１８と、冷媒排出マニホールド１２０とが膜電極接合体２００とセパレータ３００の積層方向に貫通している。
【００１１】
図２は、図１に示す２−２切断線で燃料電池１００を切ったときの断面図である。膜電極接合体２００は、電解質膜２１０と、ガス拡散層２２０、２２５と、シールガスケット２４０とを備える。電解質膜２１０として、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜２１０の両面には、触媒が塗布されている。触媒として、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて、電解質膜２１０上に塗布されている。ガス拡散層２２０、２２５は、それぞれ、電解質膜２１０の両面に配置されている。ガス拡散層２２０、２２５として、カーボン繊維を用いて形成されたカーボン不織布を用いることが可能である。シールガスケット２４０は、電解質膜２１０の外縁を囲うように形成されている。シールガスケット２４０は、たとえば、射出成形により、電解質膜２１０と一体に成形される。
【００１２】
セパレータ３００は、アノードプレート３０２と、カソードプレート３５２と、中間プレート４０２とを備える。アノードプレート３０２はガス拡散層２２０の外側に、カソードプレート３５２はガス拡散層２２５の外側に配置されている。中間プレート４０２は、アノードプレート３０２とカソードプレート３５２の間に配置されている。
【００１３】
図３は、アノードプレート３０２をガス拡散層２２５側から見た平面図である。アノードプレート３０２は、板状部材であり、例えばカーボン製あるいは金属製の板材をプレス成形することにより作成可能である。アノードプレート３０２の外縁部には、開口部３１０〜３２０が形成されている。開口部３１０〜３２０は、図１に示す各種マニホールド１１０〜１２０を形成する。
【００１４】
アノードプレート３０２の中央部には、アノードプレート３０２の長手方向と平行な蛇行流路形成リブ３３０及び整流リブ３３５が形成されている。蛇行流路形成リブ３３０及び整流リブ３３５は、ガス拡散層２２５側が凸となり、反対側が凹となる形状を有している。蛇行流路形成リブ３３０により、開口部３１０から開口部３１２に至る蛇行した反応ガス流路３０２ａ、３０２ｂが形成される。本実施例では、反応ガス流路３０２ａ、３０２ｂのうち、反応ガスが直進する部分を「ストレート流路部３０２ａ」と呼び、反応ガスが転回する部分を「Ｕ字型流路部３０２ｂ」と呼ぶ。蛇行流路形成リブ３３０は、相対する向きに反応ガスが流れる２つのストレート流路部３０２ａの間に位置している。整流リブ３３５は、ストレート流路部３０２ａ内に形成され、ストレート流路部３０２ａを流れる反応ガスを整流する機能を有する。中央部の外縁及び開口部３１０〜３２０の外縁には、シールライン３４５が形成されており、反応ガスの漏れを抑制している。なお、このような形成される反応ガス流路が蛇行路となっているセパレータをサーペンタイン型のセパレータという。
【００１５】
図３に矢印で示すように、反応ガスは、開口部３１０から供給され、ストレート流路部３０２ａを右方向に直進する。その後、Ｕ字型流路部３０２ｂで流れの向きを左に変え、ストレート流路部３０２ａを左方向に直進する。その後、Ｕ字型流路部３０２ｂで流れの向きを右に変え、ストレート流路部３０２ａを右方向に直進し、開口部３１２から排出される。
【００１６】
図４は、アノードプレート３０２をカソードプレート３５２側から見た平面図である。本実施例では、アノードプレート３０２の蛇行流路形成リブ３３０、整流リブ３３５は、プレス加工により形成されている。そのため、ガス拡散層２２０側から見ると凸部に見える蛇行流路形成リブ３３０、整流リブ３３５は、カソードプレート３５２側から見ると凹部に見える。中央部の外縁及び開口部３１０〜３２０の外縁には、シールライン３４７が形成されており、冷媒の漏れを抑制している。
【００１７】
図５は、中間プレート４０２を示す平面図である。中間プレート４０２は、例えば、樹脂製あるいは金属製の板状部材である。中間プレート４０２の外縁部には、開口部４１０〜４２０が形成されている。開口部４１０〜４２０は、図１に示す各種マニホールド１１０〜１２０を形成する。また、中間プレート４０２の中央部には開口部４３０が形成されている。開口部４３０は、開口部４１８、４２０を繋ぎ、冷媒の流路として機能する。なお、本実施例では、開口部４３０を、「冷媒流路４３０」とも呼ぶ。
【００１８】
以下、冷媒の流れについて説明する。図２に示すように、アノードプレート３０２とカソードプレート３５２は、中間プレート３７２を挟んで配置されている。図４に矢印で示すように、開口部３１８から供給された冷媒は、アノードプレート３０２とカソードプレート３５２との間の隙間（冷媒流路４３０（図５））を図４の上下方向に拡散する。冷媒は、ストレート流路部３０２ａの裏に達すると、図４の右方向に流れる。ここで、整流リブ３３５は、カソードプレート３５２側からみると、凹部となっている。そのため、整流リブ３３５は、他の場所に比べてアノードプレート３０２とカソードプレート３５２の間隔が広い。そのため、冷媒は、ストレート流路部３０２ａの裏においては、整流リブ３３５に沿って流れ易い。冷媒は、ストレート流路部３０２ａの裏を通過すると、集約されて、開口部３２０から排出される。
【００１９】
図６は、蛇行流路形成リブ３３０（図３に示すＸの部分）をガス拡散層２２５側から見た拡大図である。この図では、凸となる部分にハッチングを付している。蛇行流路形成リブ３３０は、２つの直線状の凸部３３０ａとその間に形成された凹部３３０ｂとを有している。ここで、凸部３３０ａ、凹部３３０ｂの長手方向は、反応ガスの流れの方向と平行である。凹部３３０ｂは、蛇行流路形成リブ３３０の先端部（図６の左側）において、Ｕ字型流路部３０２ｂと連通している。また、蛇行流路形成リブ３３０の根元側（先端部の反対側）には、２つの直線上の凸部３３０ａを上下に繋ぐ３つの凸部３３０ｃが形成されており、これらの凸部３３０ｃにより凹部３３０ｂが分断されている。また、この分断によって２つの孤立した凹部３３０ｄが形成されている。また、Ｕ字型流路部３０２ｂにはガス拡散層２２５側が凸となる複数の小突起３４０が形成されている。小突起３４０の高さは、蛇行流路形成リブ３３０あるいは、整流リブ３３５の凸部の高さより低く形成されていてもよい。
【００２０】
反応ガスは、Ｕ字型流路部３０２ｂにおいては、小突起３４０の隙間を図６の上から下方向に流れ、蛇行流路形成リブ３３０の凸部３３０ａに当たって図６の左方向に流れの向きを変える。ここで、蛇行流路形成リブ３３０の凸部３３０ａの幅をＬａ、凹部の幅をＬｂとすると、蛇行流路形成リブ３３０全体の幅は、２Ｌａ＋Ｌｂとなる。一般に蛇行流路形成リブ３３０の全体の幅を広くすると、蛇行流路形成リブ３３０部分における反応ガスのショートカットによる漏れを抑制し易い。一方、蛇行流路形成リブ３３０の幅を広くすると、撓み易くなり、プレス成型時の成形性が悪くなる。本実施例では、蛇行流路形成リブ３３０を凸部３３０ａと凹部３３０ｂにより形成しているので、蛇行流路形成リブ全体の幅を広くすることができ、反応ガスのショートカットによる漏れを抑制することとが可能となる。一方、凸部３３０ａ、凹部３３０ｂの幅は単独では狭いので、セパレータプレートの成形性を良くすることが可能となる。すなわち、蛇行流路形成リブ３３０を凸部３３０ａと凹部３３０ｂで構成することにより、反応ガスのショートカットを抑制することとセパレータの成形性を良くすることとの両立が可能となる。
【００２１】
図７は、蛇行流路形成リブ３３０（図３に示すＸの部分）をカソードプレート３５２側から見た拡大図である。この図でも、凸となる部分にハッチングを付している。ガス拡散層２２５側から見て凸となる凸部３３０ｃは、カソードプレート３５２側から見ると、凹となっている。したがって、アノードプレート３０２のカソードプレート３５２側では、冷媒は、蛇行流路形成リブ３３０の根元側にある凸部３３０ｃ（図６）の裏側を通って、図７の上から下に流れることが可能である。
【００２２】
図８は、アノードプレート３０２を図６に示す８−８切断線で切った断面を示す説明図である。この図では、アノードプレート３０２の他、カソードプレート３５２、ガス拡散層２２０、２２５も示してある。また、この図では、矢先、矢羽の記号により、反応ガス及び冷媒の流れの向きが表示してある。矢先の記号の場合は、図面の奥から手前側に媒体（反応ガスあるいは冷媒）が流れる。矢羽の記号の場合は、図面の手前側から奥に媒体が流れる。なお、ガス拡散層２２５と凹部３３０ｂの間は、図６に示すように凸部３３０ｃにより先詰まりとなっているため、反応ガスは流れ難くなっている。
【００２３】
図９は、アノードプレート３０２を図６に示す９−９切断線で切った断面を示す説明図である。この図では、アノードプレートの他、カソードプレート３５２も示してある。また、この図では、矢印の向き、矢羽の記号により、冷媒の流れの向きが表示してある。
【００２４】
上記説明では、アノード側の構成について説明したが、カソード側の構成についても同様である。蛇行流路形成リブ３８０を凸部３８０ａと凹部３８０ｂで構成することにより（図８参照）、反応ガスのショートカットを抑制することとセパレータの成形性を良くすることとの両立が可能となる。
【００２５】
変形例：
図１０は、変形例にかかるアノードプレート３０２の蛇行流路形成リブ３３０をガス拡散層２２５側から見た拡大図である。この図では、凸となる部分にハッチングを付している。上述した実施例では、凹部３３０ｂの端が開放されていたが、この変形例では、凹部３３０ｂの端が閉じている点が異なる。すなわち、上下２つの直線状の凸部３３０ａの先端部が、凸部３３０ｆによって連結されている。蛇行流路形成リブ３３０の先端部をこのように形成しても、反応ガスのショートカットを抑制することとセパレータの成形性を良くすることとの両立が可能である。
【００２６】
なお、上述した実施例では、セパレータ３００は、アノードプレート３０２とカソードプレート３５２と中間プレート４０２との３枚のプレートにより構成されていたが、セパレータ３００を構成するプレートの数については、様々な態様が可能である。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示す２−２切断線で燃料電池１００を切ったときの断面図である。
【図３】アノードプレート３０２をガス拡散層２２５側から見た平面図である。
【図４】アノードプレート３０２をカソードプレート３５２側から見た平面図である。
【図５】中間プレート３７２を示す平面図である。
【図６】蛇行流路形成リブ３３０（図３に示すＸの部分）をガス拡散層２２５側から見た拡大図である。
【図７】蛇行流路形成リブ３３０（図３に示すＸの部分）をカソードプレート３５２側から見た拡大図である。
【図８】アノードプレート３０２を図６の８−８切断線で切った断面を示す説明図である。
【図９】アノードプレート３０２を図６の９−９切断線で切った断面を示す説明図である。
【図１０】変形例にかかるアノードプレート３０２の蛇行流路形成リブ３３０をガス拡散層２２５側から見た拡大図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００…燃料電池
１１０〜１２０…マニホールド
２００…膜電極接合体
２０２…エンドプレート
２１０…電解質膜
２２０、２２５…ガス拡散層
２４０…シールガスケット
３００…セパレータ
３０２…アノードプレート
３０２ａ…ストレート流路部
３０２ｂ…Ｕ字型流路部
３１０〜３２０…開口部
３３０…蛇行流路形成リブ
３３０ａ、３３０ｃ…凸部
３３０ｂ、３３０ｄ…凹部
３３５…整流リブ
３４０…小突起
３４５、３４７…シールライン
３５２…カソードプレート
３８０…蛇行流路形成リブ
３８０ａ…凸部
３８０ｂ…凹部
４０２…中間プレート
４１０〜４２０…開口部
４３０…開口部（冷媒流路）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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