(57)【要約】【課題】燃料電池において、サーペンタイン形状セパレータの仕切部の剛性を高めることである。【解決手段】燃料電池用のセパレータ６０は、相互に流れの方向が異なる直線的流路部７０，７１，７２と、流体の流れ方向が異なり隣接する直線的流路部のそれぞれの端部を接続し、一方側の直線的流路部の流れを他方側の直線的流路部に流れの方向を変えて導く接続部７６，７７と、流体の流れ方向が異なり隣接する２つの直線的流路部の間に延伸して設けられる仕切部８０，８１とを備える。仕切部８１は、流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部と、リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部８２とを含む。【選択図】図３
2009170286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の流体である燃料ガスあるいは酸化ガスあるいは冷却媒体のいずれか１を流す流路である流体流路を有する燃料電池用セパレータを含む燃料電池であって、
燃料電池用セパレータは、
燃料電池用の流体が供給される供給口と、
燃料電池用の流体が排出される排出口と、
供給口と排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の直線的流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の直線的流路部の流れを他方側の直線的流路部に流れの方向を変えて導く折り返し流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する２つの直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、折り返し流路において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これら２つの直線的流路に隣接する別の直線的流路に対し堰き止める方向に延びる仕切部と、
を備え、
仕切部は、
流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部と、
リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
膜電極アセンブリと、
膜電極アセンブリの一方側の面に対向して配置される第１セパレータ板であって、膜電極アセンブリに向かい合う他方側の面に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有し一方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する第１セパレータ板と、
膜電極アセンブリの他方側の面に対向して配置される第２セパレータ板であって、膜電極アセンブリに向かい合う一方側の面に酸化ガスを流す酸化ガス流路を有し、他方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する第２セパレータ板と、
を備え、
第１セパレータ板は、
燃料ガスが供給される第１供給口と、
燃料ガスが排出される第１排出口と、
第１供給口と第１排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の第１直線的流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する第１直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の第１直線的流路部の流れを他方側の第１直線的流路部に流れの方向を変えて導く第１折り返し流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する２つの第１直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、第１折り返し流路において第１直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これらの２つの第１直線的流路に隣接する別の第１直線的流路に対し堰き止める方向に延びる第１仕切部と、
を備え、
第１仕切部は、
燃料ガス流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有する第１リブ部と、
第１リブ部の凸部から燃料ガス流路の底面側に向かって突き出し、その先端部が、燃料ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第２セパレータに当接する突起状の第１ディンプル部と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
第２セパレータ板は、
酸化ガスが供給される第２供給口と、
酸化ガスが排出される第２排出口と、
第２供給口と第２排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の第２直線的流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する第２直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の第２直線的流路部の流れを他方側の第２直線的流路部に流れの方向を変えて導く第２折り返し流路部と、
流体の流れ方向が異なり隣接する２つの第２直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、第２折り返し流路において第２直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これら２つの第２直線的流路に隣接する別の第２直線的流路に対し堰き止める方向に延びる第２仕切部と、
を備え、
第２仕切部は、
酸化ガス流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有する第２リブ部と、
第２リブ部の凸部から酸化ガス流路の底面側に向かって突き出し、その先端部が、酸化ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第１セパレータに当接する突起状の第２ディンプル部と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、
ディンプル部は、
リブ部のうちで、折り返し流路において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを堰き止める方向に延びる部分に少なくとも設けられ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、燃料電池に係り、燃料電池用セパレータを含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックを構成する単位セルのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒が流される。
【０００３】
燃料電池スタックを構成する単位セルは、電解質膜とその両側に配置されるアノード側電極とカソード側電極とを有する膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持する１組のセパレータを含んで構成されるが、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体は、このセパレータにそれぞれ流路が設けて流される。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池のセパレータにおいて、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路が折り返し部によって折り返すサーペンタイン形状を有し、かつ入口側及び出口側の両方においてマニホールド連通部を介してマニホールドに接続される構造が述べられている。ここでは、仕切部によってサーペンタイン形状とされ、その直線部には断面が波形形状を有するストライプ状の複数の溝部が形成され、折り返し部には、格子状に複数の突起部が形成されていることが開示されている。なお、同様の構成で燃料ガス流路及び冷却媒体流路を有するセパレータについても述べられている。
【０００５】
また、特許文献２には、燃料電池の冷却用セパレータにおいて、その剛性を向上させるため、凹凸が形成され外面にガス流路を形成する２枚の金属板と、この２枚の金属板の間に挟まれ、凹凸が形成され、表裏に冷却水流路を形成される中間金属板の３枚金属板構成が開示されている。ここでは、中間金属板の凹凸は連続した溝状の凹凸で、他の２枚の金属板の凹凸は断面が円錐台形で各凹凸が非連続であるディンプルである例が述べられている。
【０００６】
また、特許文献３には、燃料電池用セパレータとして、カーボン板の一方の面に、複数の矩形状の突起部が碁盤目状に設けられ、これらの突起部との間に幅広の縦溝流体流路と縦溝より幅狭の横溝流体流路がそれぞれに形成される構造が開示されている。ここでは特許文献１に開示されている仕切部は設けられていない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−７３１９２号公報
【特許文献２】特開２００２−７５３９５号公報
【特許文献３】特開２０００−１０６１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、特許文献２には、断面が波形形状、すなわち断面が凹凸形状である溝が形成され、この溝が燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体が流される流路となるセパレータが述べられている。そして、特許文献１に述べられるように、サーペンタイン形状の流路とする
場合には、仕切部が設けられる。この仕切部は、サーペンタイン形状の流路において、流路が折り返されるときに、流れる方向の異なる流路を仕切るためのもので、流路の底部から凸形状に突き出し、これが流れの方向に沿って細長く延びるリブとして形成することができる。そして、この細長いリブの凸形状の頂部がＭＥＡと密着することで、リブの延びる方向と異なる方向の流れに対し堰の機能を果たし、リブの一方側の流れが他方側に流れることを防ぐ。
【０００９】
このように、リブはセパレータの底部から凸形状に突き出し、細長く延びるので、形状的に剛性が余りなく、凹凸形状を形成するプレス成形時で変形が生じ、あるいは、セパレータとして燃料電池に組み込まれて流体が流されたときの流体圧で変形が生じえる。この変形によって、リブの堰としての機能が低下し、リブの一方側の流れが他方側に流れやすくなる。
【００１０】
本発明の目的は、サーペンタイン形状セパレータにおける仕切部の剛性を高めることができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池は、燃料電池用の流体である燃料ガスあるいは酸化ガスあるいは冷却媒体のいずれか１を流す流路である流体流路を有する燃料電池用セパレータを含む燃料電池であって、燃料電池用セパレータは、燃料電池用の流体が供給される供給口と、燃料電池用の流体が排出される排出口と、供給口と排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の直線的流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の直線的流路部の流れを他方側の直線的流路部に流れの方向を変えて導く折り返し流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する２つの直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、折り返し流路において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これら２つの直線的流路に隣接する別の直線的流路に対し堰き止める方向に延びる仕切部と、を備え、仕切部は、流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部と、リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池は、膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリの一方側の面に対向して配置される第１セパレータ板であって、膜電極アセンブリに向かい合う他方側の面に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有し一方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する第１セパレータ板と、膜電極アセンブリの他方側の面に対向して配置される第２セパレータ板であって、膜電極アセンブリに向かい合う一方側の面に酸化ガスを流す酸化ガス流路を有し、他方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する第２セパレータ板と、を備え、第１セパレータ板は、燃料ガスが供給される第１供給口と、燃料ガスが排出される第１排出口と、第１供給口と第１排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の第１直線的流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する第１直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の第１直線的流路部の流れを他方側の第１直線的流路部に流れの方向を変えて導く第１折り返し流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する２つの第１直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、第１折り返し流路において第１直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これらの２つの第１直線的流路に隣接する別の第１直線的流路に対し堰き止める方向に延びる第１仕切部と、を備え、第１仕切部は、燃料ガス流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有する第１リブ部と、第１リブ部の凸部から燃料ガス流路の底面側に向かって突き出し、その先端部が、燃料ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第２セパレータに当接する突起状の第１ディンプル部と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池において、第２セパレータ板は、酸化ガスが供給される第２供給口と、酸化ガスが排出される第２排出口と、第２供給口と第２排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の第２直線的流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する第２直線的流路部のそれぞれの端部を接続して設けられ、一方側の第２直線的流路部の流れを他方側の第２直線的流路部に流れの方向を変えて導く第２折り返し流路部と、流体の流れ方向が異なり隣接する２つの第２直線的流路部の間に延伸して設けられ、さらに、第２折り返し流路において第２直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを、これら２つの第２直線的流路に隣接する別の第２直線的流路に対し堰き止める方向に延びる第２仕切部と、を備え、第２仕切部は、酸化ガス流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有する第２リブ部と、第２リブ部の凸部から酸化ガス流路の底面側に向かって突き出し、その先端部が、酸化ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第１セパレータに当接する突起状の第２ディンプル部と、を含むことが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池において、ディンプル部は、リブ部のうちで、折り返し流路において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを堰き止める方向に延びる部分に少なくとも設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池に含まれる燃料電池用セパレータは、供給口と、排出口と、供給口と排出口との間に設けられる流体流路のうち、直線的に延び、相互に流れの方向が異なる複数の直線的流路部と、隣接する直線的流路部の端部で流れの方向を変えて導く折り返し流路部と、隣接する２つの直線的流路部の間に延伸して設けられ仕切部とを備えるいわゆるサーペンタイン形状を有する。そして、仕切部は、流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部と、リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部とを含む。このディンプル部をリブ部に対し、荷重を受けるものとして利用することで、リブ部の剛性を向上させることができる。
【００１６】
また、上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池に含まれる燃料電池セパレータは、第１セパレータ板と第２セパレータ板とを備える。第１セパレータは、ＭＥＡに向かい合う他方側の面に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有し、その裏側の一方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する。第２セパレータは、ＭＥＡに向かい合う一方側の面に酸化ガスを流す酸化ガス流路を有し、その裏側の他方側の面に冷却媒体を流す冷媒流路を有する。第１セパレータの燃料ガス流路は、いわゆるサーペンタイン形状を有し、その仕切部である第１仕切部は、流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部である第１リブ部と、第１リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部である第１ディンプル部とを含む。そして、第１ディンプル部の先端部は、燃料ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第２セパレータに当接する。したがって、第１ディンプル部は、その先端部が第２セパレータに当接することで、第１リブ部に対し、荷重を受けるものとして機能し、第１リブ部の剛性を向上させることができる。
【００１７】
また、燃料電池に含まれる燃料電池セパレータにおける第２セパレータ板の酸化ガス流路は、いわゆるサーペンタイン形状を有し、その仕切部である第２仕切部は、流体流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部である第２リブ部と、第２リブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出す突起状のディンプル部である第２ディンプル部とを含む。そして、第２ディンプル部の先端部は、酸化ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第１セパレータに当接する。したがって、第２ディンプル部は、その先端部が第１セパレータに当接することで、第２リブ部に対し、荷重を受けるものとして機能し、第２リブ部の剛性を向上させることができる。
【００１８】
また、燃料電池において、ディンプル部は、リブ部のうちで、折り返し流路において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを堰き止める方向に延びる部分に少なくとも設けられる。これにより、リブ部を挟む２つの流体流路の一方側の流れが他方側に流れやすくなることを効果的に防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、燃料電池１０の構成を示す図である。燃料電池１０は、単位セルとも呼ばれる燃料電池セル２０を複数組み合わせて、約２００Ｖから約３００Ｖ程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池で、燃料電池スタックとも呼ばれる。ここで、各燃料電池セル２０は、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。
【００２０】
電気化学反応は発熱を伴い、また反応の適温があるので、燃料電池１０には、冷却用冷媒として冷却水が流される。燃料電池セル２０は複数個が積層されるが、その両端には結束用の端末部材１２，１４が設けられる。また積層の両端には、発電された電力を取り出す端子１３，１５が取り付けられる。また、端末部材１２には、燃料ガス、酸化ガス、冷却水を供給し、排出するマニフォールド部が設けられる。図１には、手前側に示される端末部材１２に、複数の開口部１６が示されているが、これらが燃料ガスの供給口と排出口、酸化ガスの供給口と排出口、冷却水の供給口と排出口に相当する。開口部１６の数は最低６つ必要であるが、図１に示すように、８つの開口部１６を設けて、例えば冷却水の流量を多くすること等ができる。
【００２１】
図２は、燃料電池セル２０の基本構成を分解して示す図である。なお、以下では図１の符号を用いて説明する。燃料電池セル２０は、電解質膜とその両側に配置されるアノード側電極とカソード側電極とを有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２２と、ＭＥＡ２２を挟持する１組のセパレータ４０，６０を含んで構成される。
【００２２】
ここで、１組のセパレータ４０，６０のそれぞれを区別して、酸化ガス用の第２のセパレータ４０、燃料ガス用の第１のセパレータ６０と呼ぶことにすると、燃料電池１０は、図２の例では図の下側から上側に向かって、第１のセパレータ６０、ＭＥＡ２２、第２のセパレータ４０、ＭＥＡ２２、第１のセパレータ６０、ＭＥＡ２２、第２のセパレータ４０・・といった順序に順次積層されて構成される。図２ではその中の第１のセパレータ６０とＭＥＡ２２と第２のセパレータ４０とが積層される一組の部分が示されている。
【００２３】
図２に示されるＭＥＡ２２は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ設けられた触媒層及び拡散電極層の積層体である。固体高分子電解質膜を挟んで、一方側の触媒層と拡散電極層が例えばアノード側電極となり、他方側の触媒層と拡散電極層がカソード側電極となる。実際には、ＭＥＡ２２は、この積層体を配置して支持する部材として構成される。例えば、図２に示されるように、積層体を支持して配置する板材として構成し、その積層体の配置の両端部には、燃料ガス、酸化ガス、冷却水が通る穴がそれぞれ４つずつ配置される。
【００２４】
セパレータ４０，６０は、ＭＥＡ２２のアノード側電極、あるいはカソード側電極に電気的に接触し、燃料電池の電気化学反応によって発電された電力を取り出す機能を有する導電板である。したがって、セパレータ４０，６０をセパレータ板と呼ぶこともできる。セパレータ４０，６０は、燃料電池セル２０ごとにＭＥＡ２２の両側にそれぞれ配置されるので、２つのセパレータ４０，６０の間には、１つの燃料電池セル２０の起電力に相当する電圧、例えば約１Ｖから約１．５Ｖの電圧がかかることになる。
【００２５】
セパレータ４０，６０のもう１つの機能は、ＭＥＡ２２を両端から機械的に保持することである。そのために、セパレータ４０，６０は、適当な機械的強度のための適当な厚みを有する金属板材で構成される。また、セパレータ４０，６０は、ＭＥＡ２２に対し、アノード電極側に燃料ガスを供給し、カソード側電極に酸化ガスを供給し、また、冷却用媒体を流す機能を有する。
【００２６】
そのために、セパレータ４０，６０は、金属板を両側から、あるいは片側から、プレス加工等によって凹凸あるいは波形形状に形成されたものが用いられる。例えば、凹凸形状を形成すると、一方側の面においては凸部と凸部との間が凹部、すなわち溝部となる。他方側の面では、一方側の面の形状の裏返しとなるので、一方側の面の凹部が他方側の凸部となり、この凸部と凸部との間が溝部となる。つまり、１枚の板に凹凸形状あるいは波形形状を形成することで、その凹凸形状を表裏に挟んでそれぞれ溝部を作ることができる。この表裏に形成された溝部に燃料ガス、または酸化ガス、または冷却水を流すことができる。
【００２７】
また、図１に示されるように、ＭＥＡ２２を挟んで、セパレータ４０，６０を配置する際には、セパレータ４０の酸化ガスを流す溝を形成する凸部をＭＥＡ２２の他方側の面に当て、セパレータ６０の燃料ガスを流す溝を形成する凸部をＭＥＡ２２の一方側の面に当てる。このようにすることで、セパレータ４０，６０によって、ＭＥＡ２２を両端から機械的に保持することができる。
【００２８】
図２では、その分解の仕方のために、第２のセパレータ４０は、ＭＥＡ２２に向かい合う面４２が下側になって図示しにくいので、約９０度回転させてＭＥＡ２２に向かい合う面４２が見えるような姿勢の図を参考のために示してある。第１のセパレータ６０は、ＭＥＡ２２に向かい合う面６２がそのまま図示されている。セパレータ４０，６０に形成される凹凸形状はここでは模式的に示されているが、その詳細な構造については後述する。
【００２９】
ここで、上記のように、セパレータ４０，６０において、ＭＥＡ２２に向かい合う面４２，６２には、酸化ガス、燃料ガスが流れる流体流路が形成される。そして、セパレータ４０，６０において、ＭＥＡ２２に向かい合う面４２，６２の裏側の面４４，６４には、冷却水が流れる流体流路が形成される。図２において、Ｏ2、Ｈ2、Ｗとして示されているのは、図１で説明したマニフォールド部から供給される酸化ガス、燃料ガス、冷却水の流れ、及びマニフォールド部へ戻される酸化ガス、燃料ガス、冷却水の流れである。図２の例では、セパレータ４０，６０の両端部にそれぞれ３つずつ設けられた開口を利用して、セパレータ４０の面４２に酸化ガス、面４４に冷却水、セパレータ６０の面６２に燃料ガス、面６４に冷却水がそれぞれ流される。
【００３０】
以下では、セパレータ４０，６０の両側の面を区別するため、図２において白抜き矢印で示されるマニフォールド部の開口部１６に向かい合う側の面を一方側の面、その反対側の面を他方側の面と呼ぶことにする。
【００３１】
すなわち、図２の例では、第２のセパレータ４０は、ＭＥＡ２２に向かい合う一方側の面である面４２には酸化ガスを流す酸化ガス流路が形成され、その他方側の面である面４４には冷却媒体である冷却水を流す冷却媒体流路が形成される。また、第１のセパレータ６０は、第１セパレータ板で、ＭＥＡ２２に向かい合う他方側の面である面６２には燃料ガスを流す燃料ガス流路が形成され、その一方側の面である面６４には冷却媒体である冷却水を流す冷却媒体流路が形成される。
【００３２】
次に、セパレータ４０，６０の詳細な構造を説明する。第１のセパレータ６０における他方側の面である面６２の構造と、第２のセパレータ４０における一方側の面である面４２の構造とは、流される流体が燃料ガスと酸化ガスの相違があり、したがって、その供給口と排出口の配置が異なっていることを除けば、ほぼ同様である。そこで、図３において、代表的に、第１のセパレータ６０の他方側の面である面６２における構造を示し、これを用いて、セパレータの詳細な構造を説明する。以下では、図１、図２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では図１、図２の符号を用いて説明する。
【００３３】
第１のセパレータ６０において、その両端側にはそれぞれ３つの開口部が示されている。図３における左側の３つの開口部は、燃料ガス供給口２４、冷却水供給口３２、酸化ガス排出口３０である。また、図３における右側の３つの開口部は、酸化ガス供給口２８、冷却水排出口３４、燃料ガス排出口２６である。
【００３４】
第１のセパレータ６０の面６２は、ＭＥＡ２２に向かい合う面であり、この面内に燃料ガスを流す流路である燃料ガス流路が形成される。そのために、上記のように、金属板に凹凸形状の加工が行われる。まず燃料ガスが外周側に漏れないように、また、酸化ガス供給口２８、酸化ガス排出口３０からの酸化ガスと混じらないように、また、冷却水供給口３２、冷却水排出口３４からの冷却水と混じらないように、分離用の凸部である外周壁６３が形成される。この外周壁６３の内部には、燃料ガス供給口２４と燃料ガス排出口２６が含まれ、その間を燃料ガスが蛇行して流れるように、さらに凹凸形状が形成される。
【００３５】
すなわち、燃料ガス供給口２４と燃料ガス排出口２６との間に設けられる流体流路は、３通りの直線的流路部７０，７１，７２が仕切部８０，８１によって形成される。仕切部８０，８１は、細長く延びる凸部壁で、一方端は外周壁６３に接続されている。そして他方端のところで、直線的流路部７０と直線的流路部７１が接続される接続部７６と、直線的流路部７１と直線的流路部７２とが接続される接続部７７が設けられる。
【００３６】
それぞれの直線的流路部７０，７１，７２は、直線状に延びる複数の凸部７４の間に形成される複数の溝である。この溝の延伸する方向に沿って燃料ガスが流されることになる。図３では、斜線を付した矢印で、燃料ガスの流れる方向が示されている。すなわち、図３において直線的流路部７０は、燃料ガス供給口２４から右側に流れ、接続部７６において流れる方向が変えられ、直線的流路部７１に接続される。直線的流路部７１においては右側から左側に燃料ガスが流れ、接続部７７において流れる方向が変えられ、直線的流路部７２に接続される。そして直線的流路部７２において燃料ガスは再び左側から右側に流れ、燃料ガス排出口２６に導かれる。
【００３７】
仕切部８０，８１は、上記のように、隣接する２つの直線的流路部を仕切る凸部である。その機能は、特に仕切部８１に特徴的に現れる。すなわち仕切部８１は、流体の流れ方向が異なり隣接する２つの直線的流路部７１，７２の間に延伸して設けられ、さらに、接続部７６において直線的流路部７１，７２に直交する方向に流れる流体の流れを、これらの２つの直線的流路部７１，７２に隣接する別の第１直線的流路部７２に対し堰き止める方向に延びる。このように、仕切部８０，８１は、流れの方向を案内する機能と、その流れ方向と異なる方向に流れる流れを堰き止める機能とを有する。
【００３８】
接続部７６，７７は、上記のように、隣接する直線的流路のそれぞれの端部を接続し、直線的流れの方向を１８０度反転させるために設けられるもので、いわば、折り返し流路部とも言うべきものである。接続部７６，７７には、燃料ガスの流れが変換しやすいように、複数の孤立した突起部７８が形成される。
【００３９】
このようにして、第１のセパレータ６０のＭＥＡ２２に向かい合う面６２に、サーペンタイン形状の流路が燃料ガスのために形成される。図２、図３を参照して分かるように、酸化ガス供給口２８、酸化ガス排出口３０は、燃料ガス供給口２４、燃料ガス排出口２６と同様に、セパレータの両端部の上下にそれぞれ配置されている。したがって、第２のセパレータ４０のＭＥＡ２２に向かい合う面４２における酸化ガスのためのサーペンタイン形状の流路も、図３で説明した構造と同様のものとできる。
【００４０】
これに対し、冷却水供給口３２、冷却水排出口３４は、セパレータの両端部の中央にそれぞれ配置されているので、図３とは異なる流路構造となる。図２には、第２のセパレータ４０の面４４が示されているが、この面４４に形成されるのは冷却水流路であり、図３の構造と比較すると、仕切部の形状が異なっていることが分かる。したがって、第１のセパレータ６０、第２のセパレータ４０において、表裏の流路構造は異なっており、特に仕切部の位置が表裏で異なっている。このことが、例えば第１のセパレータ６０の場合でいえば、仕切部８０，８１を反対側から支えることを困難とし、細長く延びるリブ形状の仕切部８０，８１の剛性を弱くする１つの原因ともなっているのである。
【００４１】
次に、セパレータにおける仕切部の剛性を向上させる構造について、図３のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図を用いて説明する。その前に、図３におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図として図４を用いて、直線的流路の断面構造を説明する。そして、その比較でもって、図５にＡ−Ａ線に沿った断面図、図６にＢ−Ｂ線に沿った断面図について、仕切部の剛性向上のための構造を説明する。以下では、図１から図３と同様の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４２】
図４は、上記のように、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図で、直線的流路における構造を説明するためのものである。ここでは、燃料電池１０の積層構造の一部が断面図で示され、図４の下側から上側に向かって、ＭＥＡ２２−第２のセパレータ４０−第１のセパレータ６０−ＭＥＡ２２−第２のセパレータ４０−第１のセパレータ６０−ＭＥＡ２２の順に積層されている。
【００４３】
図４に示されるように、第１のセパレータ６０は、他方側の面６２がＭＥＡ２２に向かい合い、第２のセパレータ４０は一方側の面４２がＭＥＡ２２に向かい合う。そして、第１のセパレータ６０の一方側の面６４と、第２のセパレータ４０の他方側の面４４とが互いに向かい合う。
【００４４】
そして、第１のセパレータ６０の他方側の面６２における凸部が、ＭＥＡ２２に当てられ、その隣接する凸部の間の凹部が、燃料ガスの流れる溝部となる。同様に、第２のセパレータ４０の一方側の面４２における凸部が、ＭＥＡ２２に当てられ、その隣接する凸部の間の凹部が、酸化ガスの流れる溝部となる。また、第１のセパレータ６０の一方側の面６４における凸部が、第２のセパレータ４０の他方側の面４４における凸部と互いに向かい合い、これによって隣接する凸部の間に形成される空間が冷却水の流れる流路となる。図４では、燃料ガスの流れる流路をＨ2、酸化ガスの流れる流路をＯ2、冷却水の流れる流路をＷとして示されている。
【００４５】
このようにして、直線的流路部においては、ＭＥＡ２２に向かいあう面４２，６２にそれぞれ酸化ガスと燃料ガスとが流される流路が形成され、その流路を形成する凹凸部の裏側に冷却水が流される流路が形成される。
【００４６】
次に、図５、図６を用いて、仕切部８１の構造、特に、折り返し流路である接続部７６において直線的流路に直交する方向に流れる流体の流れを堰き止める方向に延びる部分の構造について説明する。
【００４７】
上記のように、仕切部８１は、燃料ガスの流れ方向が互いに異なる直線的流路部７１，７２の間に延伸する細長い凸部で、いわゆるリブ形状をなしている。つまり、仕切部８１は、燃料ガス流路の底面よりも高い凸部を含む波形形状の断面を有するリブ部である。このリブ部の裏側は、冷却水が流れる流路となっているわけだが、上記のように、冷却水流路のための仕切部は、必ずしも燃料ガス流路のための仕切部８１と同じような位置に配置されない。そのために、仕切部８１は、細長い形状の凸部であり、その凸部の頂部でＭＥＡ２２からの荷重をうけるが、その荷重を受け止める部分が裏側になく、いわば空間に浮いた状態となることがある。
【００４８】
そこで、図３に示されるように、このリブ部の凸部から燃料ガス流路の底面側に向かって突き出し、その先端部が、燃料ガス流路の裏側に設けられる冷却媒体流路を介して隣接する第２のセパレータ４０に当接する突起状のディンプル部８２が設けられる。
【００４９】
図５、図６において斜線で示されているのが、ディンプル部８２である。このように、ディンプル部８２は、ＭＥＡ２２に当接する仕切部８１の凸部の頂部から、離散的な突起として、下方、すなわちＭＥＡ２２から離れる方向に突き出すくぼみである。このディンプル部８２の突き出した頂部は、第２のセパレータ４０の適当な部位に突き当てられる。図５、図６の例では、第２のセパレータ４０の他方側の面４４に冷却水流路のために設けられる凸部に突き当てられているが、それ以外に適当な突き当て用の凸部を第２のセパレータ４０に設けるものとしてもよい。
【００５０】
上記では、第１のセパレータ６０における仕切部８１について説明したが、仕切部８０にも同様のディンプル部を設けるものとできる。また、第２のセパレータ４０においても、同様に、その仕切部にディンプル部を設け、その突き出した頂部を隣接する第１のセパレータ６０の適当な部位に突き当てるものとすることができる。
【００５１】
このようにして、仕切部を構成するリブ部の凸部から流体流路の底面側に向かって突き出しディンプル部を設け、ディンプル部の先端部が、隣接する他のセパレータに当接するようにすることで、仕切部の剛性を高めることができる。これによって、仕切部を横切って、他の流体流路に流体が流れてしまうことを抑制できる。また、ディンプル部を離散的突起とすることで、裏側の流体の流れ、例えば、冷却水の流れを妨げることを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る実施の形態において、燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、燃料電池セルの基本構成を分解して示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、第１のセパレータの他方側の面における構造を示す図である。
【図４】図３におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図５】図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図６】図３におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  燃料電池、１２，１４  端末部材、１３，１５  端子、１６  開口部、２０  燃料電池セル、２２  ＭＥＡ、２４  燃料ガス供給口、２６  燃料ガス排出口、２８  酸化ガス供給口、３０  酸化ガス排出口、３２  冷却水供給口、３４  冷却水排出口、４０，６０  セパレータ、４２，４４，６２，６４  面、６３  外周壁、７０，７１，７２  直線的流路部、７４  凸部、７６，７７  接続部、７８  突起部、８０，８１  仕切部、８２  ディンプル部。
【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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