(57)【要約】【課題】燃料電池の電解質膜への水素供給を確保しつつ、電解質膜の冷却性を効果的に向上させる。【解決手段】電解質膜１０の水素極側に配置された拡散層１１に接するように配置され、水素が通過可能な水素通路が形成されている燃料電池用セパレータにおいて、拡散層１１に接する面に、拡散層１１に水素を供給するための複数の貫通孔１３ａを形成するとともに、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄが拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下とし、かつ、貫通孔１３ａの開口径Ｄｈが拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下とする。燃料電池用セパレータを積層された複数の平板部材１３〜１６から構成し、拡散層１１に接する平板部材１３に貫通孔１３ａが形成されているようにする。さらに、複数の平板部材１３〜１６を金属材料から構成し、互いに接合されているようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（１０）の水素極側に配置された拡散層（１１）に接するように配置され、水素が通過可能な水素通路が形成されている燃料電池用セパレータであって、
前記拡散層（１１）に接する面に、前記拡散層（１１）に水素を供給するための複数の貫通孔（１３ａ）が形成されており、
隣り合う前記貫通孔（１３ａ）の間隔Ｄｄが前記拡散層（１１）の厚みＤｇの２倍以下であり、かつ、前記貫通孔（１３ａ）の開口径Ｄｈが前記拡散層（１１）の厚みＤｇの２倍以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
積層された複数の平板部材（１３〜１６）を備え、
前記拡散層（１１）に接する前記平板部材（１３）には、前記複数の貫通孔（１３ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記複数の平板部材（１３〜１６）は金属材料から構成され、互いに接合されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ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、燃料電池の水素極側に設けられる燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電解質膜への反応ガス供給を確保しつつ電解質膜の放熱性を向上させるために、セパレータに単セルの電極に当接する多孔の放熱板を設け、放熱板の空孔率を２５％以上にすることが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３４０１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、セパレータが凹凸形状でかつ空孔率が２５％以上であるので、電解質膜とセパレータとの実質的な接触面積比は６０％程度にしかならず、放熱性向上の効果が低いという問題がある。さらに、上記特許文献１の構成では、放熱板をエキスパンドメタルやパンチングメタルを凹凸溝状にプレス成形しているので、セパレータの構成が複雑になり、製造コストが高くなるという問題もある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の電解質膜への水素供給を確保しつつ、電解質膜の冷却性を効果的に向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、電解質膜（１０）の水素極側に配置された拡散層（１１）に接するように配置され、水素が通過可能な水素通路が形成されている燃料電池用セパレータであって、前記拡散層（１１）に接する面に、前記拡散層（１１）に水素を供給するための複数の貫通孔（１３ａ）が形成されており、隣り合う前記貫通孔（１３ａ）の間隔Ｄｄが前記拡散層（１１）の厚みＤｇの２倍以下であり、かつ、前記貫通孔（１３ａ）の開口径Ｄｈが前記拡散層（１１）の厚みＤｇの２倍以下であることを特徴としている。
【０００６】
これにより、電解質膜（１０）に対する水素供給を充分確保しつつ、拡散層（１１）とセパレータとの接触面積を確保して放熱性を向上させ、電解質膜（１０）の冷却性を効果的に向上させることができる。
【０００７】
また、積層された複数の平板部材（１３〜１６）を備え、前記拡散層（１１）に接する前記平板部材（１３）には、前記複数の貫通孔（１３ａ）が形成されているように構成できる。これにより、セパレータを複数の平板部材（１３〜１６）を積層した簡易な構成とすることができ、この結果、製造コストを低減することができる。
【０００８】
また、前記複数の平板部材（１３〜１６）は金属材料から構成され、互いに接合されているようにすることで、平板部材（１３〜１６）間の伝熱性を向上させ、放熱性を向上させることができる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態の燃料電池１における主要部の断面構成を示している。なお、図１では、電解質膜１０の右側が燃料としての水素が供給される水素極側を示し、左側が酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給される空気極側を示している。図１では、拡散層１１、セパレータ１２については、水素極側のみを図示し、空気極側の図示を省略している。図１に示す燃料電池１は、燃料電池スタックの一部を構成する単セルである。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０、拡散層１１、セパレータ１２を備えている。電解質膜１０は、固体高分子型電解質膜を用いている。電解質膜１０の両面には触媒が担持されている。電解質膜１０の水素極側には拡散層１１が設けられ、電解質膜１０の空気極側にも同様の構成の拡散層（図示せず）が設けられている。拡散層１１は、反応ガスおよび反応生成ガスや液体の透過能力と導電性を兼ね備えた布状または紙状の材料から構成されている。拡散層１１は、電極としての機能も有している。
【００１３】
水素極側の拡散層１１の外側には、セパレータ１２が設けられ、図示しない空気極側の拡散層の外側にもセパレータ（図示せず）が設けられている。空気極側のセパレータは、一般的な構成を有しており、電解質膜１０に供給される空気が通過する空気通路が形成されている。
【００１４】
水素極側のセパレータ１２は、４枚の平板部材１３〜１６から構成されている。これらの平板部材１３〜１６は、水素を通過させるための貫通孔が形成された３枚の第１〜第３平板部材１３〜１５と、貫通孔が形成されていない１枚の第４平板部材１６とからなる。第１〜第３平板部材１３〜１５の貫通孔と第４平板部材１６の板面によって形成される空間が、拡散層１１を介して電解質膜１０に供給される水素が通過する水素通路を構成している。図１では、水素が上下方向に流れるようになっている。
【００１５】
これらの平板部材１３〜１６は、導電性を有する金属材料やカーボンから構成することができ、伝熱性の面で金属材料を用いることが好ましい。本実施形態では、平板部材１３〜１６をステンレスから構成しており、貫通孔が形成された平板部材１３〜１５はパンチングメタルから構成されている。これらの平板部材１３〜１６は、板面がクラッド接合され、金属的に接合している。
【００１６】
図２は、第１平板部材１３、第２平面部材１４、第３平面部材１５の平面図である。図２における上下方向が水素流れ方向となっている。図２（ａ）に示すように、第１平板部材１３は、多数の貫通孔１３ａが碁盤の目状に形成されている。図２（ａ）に示す例では、第１平板部材１３の貫通孔１３ａは正方形状に形成されている。第１平板部材１３の板面は、拡散層１１に面接触するように配置され、貫通孔１３ａを介して水素が拡散層１１に供給される。このように、セパレータ１２における拡散層１１に接する面には、水素通路から拡散層１１に供給される水素が通過する貫通孔１３ａが形成されることになる。
【００１７】
図２（ｂ）に示すように、第２平板部材１４には長方形の貫通孔１４ａが形成されており、長手方向が水素流れ方向と一致するようになっている。第１平板部材１３と第２平板部材１４とを重ねた場合に、第１平板部材１３の貫通孔１３ａと第２平板部材１４の貫通孔１４ａが部分的に重なり合うようになっており、これらの貫通孔１３ａ、１４ａとの間で水素の流通を可能としている。
【００１８】
図２（ｃ）に示すように、第３平板部材１５は、水素流れ方向の両端に切り欠き部１５ａが形成され、面内には長方形の貫通孔１５ｂが形成されており、これらの長手方向は水素流れ方向と一致するようになっている。第２平板部材１４と第３平板部材１５とを重ねた場合に、第２平板部材１４の貫通孔１４ａと第３平板部材１５の切り欠き部１５ａ、貫通孔１５ｂが部分的に重なり合うようになっており、これらの貫通孔１４ａ、１５ｂ、切り欠き部１５ａとの間で水素の流通を可能としている。
【００１９】
次に、第１平板部材１３の隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄと拡散層１１の厚みＤｇとの関係を図３、図４に基づいて説明する。
【００２０】
図３は、電解質膜１０、拡散層１１、第１平板部材１３の断面図であり、右側に破線で囲んだ部分の部分拡大図を示している。図３に示すように、第１平板部材１３の貫通孔１３ａを介して拡散層１１に供給される水素は、拡散層１１内部を拡散して電解質膜１０に到達する。このとき、拡散層１１における第１平板部材１３の貫通孔１３ａに対応する部位では、貫通孔１３ａを通過した水素が最短距離で供給されるのに対し、拡散層１１における第１平板部材１３の板面に対応する部位では、水素が回り込んで供給されるため到達距離が長くなる。拡散層１１内では、水素は同一の拡散距離では同一の抵抗で拡散するため、第１平板部材１３における隣り合う貫通孔１３ａの距離が長くなるほど、拡散層１１に水素が到達しにくくなる。そこで、本実施形態では、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｄ≦２×Ｄｇ）となるように設定している。
【００２１】
図４は、電解質膜１０と拡散層１１との接触面における水素分圧を示している。図４は、第１平板部材１３の板面に対応する部位の水素分圧を示しており、第１平板部材１３の板面端部に対応する部位Ａ、Ｃの水素分圧を１００％としている。図４に示すように、第１平板部材１３の板面中央に対応する部位Ｂに向かって水素分圧が徐々に低下する。そして、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄの拡散層１１の厚みＤｇに対する比（Ｄｄ／Ｄｇ）が２以下の場合には、電解質膜１０と拡散層１１との接触面での水素分圧比が、第１平板部材１３の板面に対応する全領域で９０％以上を確保できている。このため、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｄ≦２×Ｄｇ）とすることで、電解質膜１０の全域において水素を充分に供給することができる。
【００２２】
次に、第１平板部材１３の個々の貫通孔１３ａの開口径Ｄｈと拡散層１１の厚みＤｇとの関係を図５、図６に基づいて説明する。本実施形態では、貫通孔１３ａの開口径Ｄｈは、正方形の貫通孔１３ａの一辺の長さと等しい。
【００２３】
図５は、電解質膜１０、拡散層１１、第１平板部材１３の断面図であり、右側に破線で囲んだ部分の部分拡大図を示している。燃料電池１では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生し、この電気化学反応に伴って電解質膜１０が発熱する。電解質膜１０で発生した熱は、拡散層１１を介して第１平板部材１３に伝わり、セパレータ１２にて放熱される。このとき、拡散層１１における第１平板部材１３の板面に対応する部位では、電解質膜１０で発生した熱が最短距離で第１平板部材１３に伝わるのに対し、拡散層１１における第１平板部材１３の貫通孔１３ａに対応する部位では、電解質膜１０で発生した熱が第１平板部材１３に到達するまでの距離が長くなる。このため、第１平板部材１３における貫通孔１３ａの径が大きくなるほど（第１平板部材１３の板面の面積が小さくなるほど）、拡散層１１と第１平板部材１３との接触面積が小さくなり、電解質膜１０で発生した熱が拡散層１１を介して第１平板部材１３の板面に到達しにくくなる。そこで、本実施形態では、貫通孔１３ａの開口径Ｄｈを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｈ≦２×Ｄｇ）となるように設定している。
【００２４】
図６は、第１平板部材１３に到達する熱量を示している。図６では、電解質膜１０と拡散層１１との接触面における第１平板部材１３の貫通孔１３ａ端部に対応する部位Ｃ、Ｅから第１平板部材１３に到達する熱量を１００％としている。図６に示すように、第１平板部材１３の貫通孔１３ａ中央に対応する部位Ｄに向かって、第１平板部材１３に到達する熱量が徐々に低下する。そして、貫通孔１３ａの開口径Ｄｈの拡散層１１の厚みＤｇに対する比（Ｄｈ／Ｄｇ）が２以下の場合には、第１平板部材１３に到達する熱量が第１平板部材１３の貫通孔１３ｂに対応する全領域で９０％以上を確保できている。このため、個々の貫通孔１３ａの開口径Ｄｈを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｈ≦２×Ｄｇ）とすることで、拡散層１１と第１平板部材１３との接触面積を充分確保でき、電解質膜１０で発生した熱の第１平板部材１３への伝熱性を充分に確保し、放熱性を確保することができる。
【００２５】
以上説明したように、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｄ≦２×Ｄｇ）にすることで、電解質膜１０に対する水素供給を充分確保することができ、個々の貫通孔１３ａの開口径Ｄｈを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下（Ｄｈ≦２×Ｄｇ）にすることで、拡散層１１と第１平板部材１３との接触面積を確保して放熱性を向上させ、電解質膜１０の冷却性を効果的に向上させることができる。また、本実施形態では、セパレータ１２を複数の平板部材１３〜１６を積層した簡易な構成としているので、製造コストを低減することができる。さらに、複数の平板部材１３〜１６をクラッド接合しているので、平板部材１３〜１６間の伝熱性を確保し、放熱性を向上させることができる。
【００２６】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、セパレータ１２を構成する複数の平板部材１３〜１６をクラッド接合したが、溶接や焼結により接合してもよく、このような構成によっても平板部材１３〜１６間の伝熱性を確保することができる。
【００２７】
また、セパレータ１２を構成する複数の平板部材１３〜１６を接合せず単に積層させてもよく、このような構成によっても電解質膜１０に対する水素供給を充分確保しつつ、拡散層１１と第１平板部材１３との接触面積を確保して放熱性を向上させることができる。
【００２８】
また、上記実施形態では、セパレータ１２を４枚の平板部材１３〜１６から構成したが、これに限らず、第２平板部材１４または第３平板部材１５を省略し、３枚の平板部材から構成してもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、第１平板部材１３の貫通孔１３ａを正方形とし、かつ、碁盤の目状に配置したが、第１平板部材１３の貫通孔１３ａは、隣り合う貫通孔１３ａの間隔Ｄｄを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下であり、かつ、個々の貫通孔１３ａの開口径Ｄｈを拡散層１１の厚みＤｇの２倍以下であればよく、貫通孔１３ａの形状および配置は上記実施形態の構成に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】上記実施形態の燃料電池における主要部の断面図である。
【図２】第１平板部材、第２平面部材、第３平面部材の平面図である。
【図３】電解質膜、拡散層、第１平板部材の断面図である。
【図４】電解質膜と拡散層との接触面における水素分圧を示す図である。
【図５】電解質膜、拡散層、第１平板部材の断面図である。
【図６】電解質膜と拡散層との接触面における熱量のうち第１平板部材に到達する熱量の割合を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池、１０…電解質膜、１１…拡散層、１２…セパレータ、１３…第１平板部材、１３ａ…貫通孔、１４…第２平板部材、１４ａ…貫通孔、１５…第３平板部材、１５ａ…切り欠き部、１５ｂ…貫通孔、１６…第４平板部材、Ｄｄ…隣り合う貫通孔１３ａの間隔、Ｄｈ…貫通孔１３ａの開口径、Ｄｇ…拡散層１１の厚み。
【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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