(57)【要約】【課題】酸化剤極に当接する酸化剤極側セパレータの凸部または燃料極に当接する燃料極側セパレータの凸部を跨ぐガスの通過を回避または軽減する。【解決手段】セパレータは、酸化剤極１２に当接して酸化剤ガス流路を画定する凸部２２ａを有する酸化剤極側セパレータ２２と、当該酸化剤極側セパレータ２２に隣接して配置され、燃料極１３に当接して燃料ガス流路を画定する凸部２３ａを有する燃料極側セパレータ２３と、凸部２２ａと燃料極側セパレータ２３との間の空間または凸部２３ａと酸化剤極側セパレータ２２との間の空間を埋める部材２４（または２５）とを備える。【選択図】図３
2009170270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤極の表面に沿って酸化剤ガス流路を形成する板状の酸化剤極側セパレータであって、前記酸化剤極に当接して前記酸化剤ガス流路を画定する凸部を有する酸化剤極側セパレータと、
前記酸化剤極側セパレータに隣接して配置され、燃料極の表面に沿って燃料ガス流路を形成する板状の燃料極側セパレータであって、前記燃料極に当接して前記燃料ガス流路を画定する凸部を有する燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側セパレータの凸部と前記燃料極側セパレータとの間の空間または前記燃料極側セパレータの凸部と前記酸化剤極側セパレータとの間の空間を埋める部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の一方側に設けられる酸化剤極と、前記電解質膜の他方側に設けられる燃料極とを有する複数の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体同士の間に設けられるセパレータと、
を有し、
前記セパレータは、
前記酸化剤極の表面に沿って酸化剤ガス流路を形成する板状の酸化剤極側セパレータであって、前記酸化剤極に当接して前記酸化剤ガス流路を画定する凸部を有する酸化剤極側セパレータと、
前記酸化剤極側セパレータに隣接して配置され、前記燃料極の表面に沿って燃料ガス流路を形成する板状の燃料極側セパレータであって、前記燃料極に当接して前記燃料ガス流路を画定する凸部を有する燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側セパレータの凸部と前記燃料極側セパレータとの間の空間または前記燃料極側セパレータの凸部と前記酸化剤極側セパレータとの間の空間を埋める部材と、
を備える、
ことを特徴とする燃料電池。
【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および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜が酸化剤極および燃料極で挟まれてなる膜電極接合体と、セパレータとが交互に積層される燃料電池がある（例えば特許文献１，２を参照）。
【０００３】
当該燃料電池において、酸化剤極の表面に沿って酸化剤ガス流路を形成する板状の酸化剤極側セパレータと、燃料極の表面に沿って燃料ガス流路を形成する板状の燃料極側セパレータとが互いに隣接する構造を有するセパレータが知られている。
【０００４】
当該セパレータにおいて、酸化剤極側セパレータは、酸化剤極に当接して酸化剤ガス流路を画定する凸部を有し、燃料極側セパレータは、燃料極に当接して燃料ガス流路を画定する凸部を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４７２５８号公報
【特許文献２】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】
【０００６】
上記セパレータでは、酸化剤極側セパレータの凸部は、当該酸化剤極側セパレータに隣接する燃料極側セパレータと接しない。すなわち、酸化剤極側セパレータの凸部の裏側（酸化剤極に当接する側の反対側）は、空間的に浮いた状態となる。このため、凸部の酸化剤極表面に対する面圧が不足し、凸部と酸化剤極との間に隙間が生じ、凸部を跨いで酸化剤ガスが通過する現象（いわゆるパスカット）が発生する可能性がある。同様に、燃料極側セパレータの凸部は、当該燃料極側セパレータに隣接する酸化剤極側セパレータと接しないため、当該凸部を跨いで燃料ガスが通過する現象が発生する可能性がある。
【０００７】
特に、複数の流路にガスを分配するための分配部では、凸部の幅が広いため、面圧が不足しがちであり、パスカットが発生する可能性が高い。
【０００８】
そこで、本発明は、酸化剤極に当接する酸化剤極側セパレータの凸部または燃料極に当接する燃料極側セパレータの凸部を跨ぐガスの通過を回避または軽減することが可能な燃料電池用のセパレータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用のセパレータは、酸化剤極の表面に沿って酸化剤ガス流路を形成する板状の酸化剤極側セパレータであって、前記酸化剤極に当接して前記酸化剤ガス流路を画定する凸部を有する酸化剤極側セパレータと、前記酸化剤極側セパレータに隣接して配置され、燃料極の表面に沿って燃料ガス流路を形成する板状の燃料極側セパレータであって、前記燃料極に当接して前記燃料ガス流路を画定する凸部を有する燃料極側セパレータと、前記酸化剤極側セパレータの凸部と前記燃料極側セパレータとの間の空間または前記燃料極側セパレータの凸部と前記酸化剤極側セパレータとの間の空間を埋める部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方側に設けられる酸化剤極と、前記電解質膜の他方側に設けられる燃料極とを有する複数の膜電極接合体と、前記膜電極接合体同士の間に設けられるセパレータと、を有し、前記セパレータは、前記酸化剤極の表面に沿って酸化剤ガス流路を形成する板状の酸化剤極側セパレータであって、前記酸化剤極に当接して前記酸化剤ガス流路を画定する凸部を有する酸化剤極側セパレータと、前記酸化剤極側セパレータに隣接して配置され、前記燃料極の表面に沿って燃料ガス流路を形成する板状の燃料極側セパレータであって、前記燃料極に当接して前記燃料ガス流路を画定する凸部を有する燃料極側セパレータと、前記酸化剤極側セパレータの凸部と前記燃料極側セパレータとの間の空間または前記燃料極側セパレータの凸部と前記酸化剤極側セパレータとの間の空間を埋める部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、酸化剤極に当接する酸化剤極側セパレータの凸部または燃料極に当接する燃料極側セパレータの凸部を跨ぐガスの通過を回避または軽減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池１の構成を示す概略断面図である。図１において、燃料電池１は、複数の膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）１０と、当該膜電極接合体１０同士の間に設けられるセパレータ２０とを有する。具体的には、燃料電池１は、膜電極接合体１０とセパレータ２０とが交互に積層される構造を有する。
【００１４】
膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方側に設けられる酸化剤極（カソードとも呼ばれる）１２と、電解質膜１１の他方側に設けられる燃料極（アノードとも呼ばれる）１３とを有する。酸化剤極１２は、電解質膜１１上に設けられる触媒層１２ａと、当該触媒層１２ａ上に積層される拡散層１２ｂとを含む。また、燃料極１３は、電解質膜１１上に設けられる触媒層１３ａと、当該触媒層１３ａ上に積層される拡散層１３ｂとを含む。
【００１５】
セパレータ２０は、酸化剤極１２に対向して配置される酸化剤極側セパレータ（カソード側セパレータとも呼ばれる）２２と、燃料極１３に対向して配置される燃料極側セパレータ（アノード側セパレータとも呼ばれる）２３とを有する。酸化剤極側セパレータ２２および燃料極側セパレータ２３は、導電性の板状の部材であり、例えば金属板をプレスして成形されたプレスメタルセパレータである。
【００１６】
酸化剤極側セパレータ２２は、凹凸形状を有し、酸化剤極１２の表面に沿って酸化剤ガス（例えば空気）を流通させるための酸化剤ガス流路３２を形成する。具体的には、酸化剤極側セパレータ２２は、酸化剤極１２に当接して酸化剤ガス流路３２を画定する凸部（リブ部とも呼ばれる）２２ａを有する。当該凸部２２ａは互いに隣接する酸化剤ガス流路３２同士を仕切り、互いに隣接する凸部２２ａ間に酸化剤ガス流路３２が形成される。
【００１７】
燃料極側セパレータ２３は、凹凸形状を有し、燃料極１３の表面に沿って燃料ガス（例えば水素）を流通させるための燃料ガス流路３３を形成する。具体的には、燃料極側セパレータ２３は、燃料極１３に当接して燃料ガス流路３３を画定する凸部（リブ部とも呼ばれる）２３ａを有する。当該凸部２３ａは互いに隣接する燃料ガス流路３３同士を仕切り、互いに隣接する凸部２３ａ間に燃料ガス流路３３が形成される。
【００１８】
酸化剤極側セパレータ２２と燃料極側セパレータ２３とは互いに隣接して配置され、両セパレータ２２，２３間には、燃料電池１を冷却するための冷却水等の冷媒を流通させるための冷媒流路３４が形成される。すなわち、酸化剤極側セパレータ２２および燃料極側セパレータ２３は、一方面側にガス流路が形成され他方面側に冷媒流路が形成される表裏一体構造を有する。
【００１９】
なお、図１では、酸化剤極側セパレータ２２および燃料極側セパレータ２３の形状は、説明の都合上、模式的に表現されている。
【００２０】
ここで、燃料電池１の発電作用について簡単に説明する。酸化剤ガス流路３２には酸化剤ガスが供給され、これにより酸化剤極１２に酸化剤ガスが供給される。一方、燃料ガス流路３３には燃料ガスが供給され、これにより燃料極１３に燃料ガスが供給される。燃料電池１は、酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスと燃料極１３に供給される燃料ガスとを用いて発電を行う。具体的には、白金の触媒作用などにより、燃料極１３側では下記式（１）に示される反応が起こり、酸化剤極１２側では下記式（２）に示される反応が起こり、全体としては下記式（３）に示される起電反応が起こる。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（１）
２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ・・・（３）
【００２１】
図２は、セパレータ２０の構成を示す概略平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’断面図である。以下、図２，３を参照して、セパレータ２０の構成について説明する。なお、図２，３には、セパレータ２０のうち、複数の流路にガスを分配するための分配部が部分的に示されている。
【００２２】
セパレータ２０では、酸化剤極側セパレータ２２の凸部２２ａは、当該酸化剤極側セパレータ２２に隣接する燃料極側セパレータ２３と接しない。すなわち、凸部２２ａの裏側（酸化剤極１２に接する側の反対側）は、空間的に浮いた状態となる。このため、凸部２２ａの酸化剤極表面に対する面圧が不足し、凸部２２ａと酸化剤極１２との間に隙間が生じ、凸部２２ａを跨いで酸化剤ガスが通過する現象（いわゆるパスカット）が発生する可能性がある。同様に、燃料極側セパレータ２３の凸部２３ａは、当該燃料極側セパレータ２３に隣接する酸化剤極側セパレータ２２と接しないため、凸部２３ａの燃料極表面に対する面圧が不足し、当該凸部２３ａを跨いで燃料ガスが通過する現象が発生する可能性がある。
【００２３】
特に、図２，３に示されるように、複数の流路にガスを分配するための分配部では、分割リブ部である凸部２２ａ，２３ａの幅が広いため、面圧が不足しがちであり、パスカットが発生する可能性が高い。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、上記のパスカットを回避または軽減する観点より、酸化剤極側セパレータ２２の凸部２２ａと燃料極側セパレータ２３との間の空間を埋める部材２４と、燃料極側セパレータ２３の凸部２３ａと酸化剤極側セパレータ２２との間の空間を埋める部材２５とが設けられる。
【００２５】
一つの態様では、分配部でパスカットが発生し易いことに鑑み、部材２４，２５は、分配部の凸部（幅の広い分割リブ）２２ａ，２３ａの裏面の一部（特に根元のポッティング部）または全部に設けられる。すなわち、部材２４，２５は、分配部領域の幅の広い分割リブの裏の凹部に付与される。ただし、部材２４，２５は、分配部領域以外の領域にある凸部２２ａ，２３ａの裏面に設けられてもよい。
【００２６】
部材２４は、当該部材２４が設けられない場合と比較して、凸部２２ａの酸化剤極１２に対する面圧が増大するように配置されればよい。一つの態様では、部材２４の一方の面は凸部２２ａの裏面に接し、部材２４の他方の面は燃料極側セパレータ２３の裏面に接し、凸部２２ａは部材２４を介して燃料極側セパレータ２３により押さえられる。同様に、部材２５は、当該部材２５が設けられない場合と比較して、凸部２３ａの燃料極１３に対する面圧が増大するように配置されればよい。一つの態様では、部材２５の一方の面は凸部２３ａの裏面に接し、部材２５の他方の面は酸化剤極側セパレータ２２の裏面に接し、凸部２３ａは部材２５を介して酸化剤極側セパレータ２２により押さえられる。
【００２７】
部材２４，２５は、ガスケットやゴム材等である。また、部材２４，２５は、適宜の材料で構成されればよいが、一つの態様では、面圧を確保する観点より、ゴム等の弾性部材である。
【００２８】
なお、上記の例では、部材２４，２５の両方が設けられているが、部材２４，２５のいずれか一方だけが設けられてもよい。
【００２９】
以上のとおり、本実施の形態では、酸化剤極に当接して酸化剤ガス流路を画定する凸部を有する酸化剤極側セパレータと、燃料極に当接して燃料ガス流路を画定する凸部を有する燃料極側セパレータとが互いに隣接するセパレータにおいて、酸化剤極側セパレータの凸部と燃料極側セパレータとの間の空間または燃料極側セパレータの凸部と酸化剤極側セパレータとの間の空間を埋める部材が設けられる。このため、本実施の形態によれば、上記空間を埋める部材により、凸部の酸化剤極または燃料極に対する面圧を確保して、凸部を跨ぐ酸化剤ガスまたは燃料ガスの通過を回避または軽減することが可能となる。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施の形態に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で種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】セパレータの構成を示す概略平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池、１０  膜電極接合体、１１  電解質膜、１２  酸化剤極、１３  燃料極、２０  セパレータ、２２  酸化剤極側セパレータ、２２ａ  凸部、２３  燃料極側セパレータ、２３ａ  凸部、２４，２５  空間を埋める部材、３２  酸化剤ガス流路、３３  燃料ガス流路、３４  冷媒流路。
【図１】
2009170270.tif 000003
【図２】
2009170270.tif 000004
【図３】
2009170270.tif 000005