JP2009076294A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を向上させる。
【解決手段】本発明は、反応ガスを膜電極接合体に供給して発電する燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータ２０であって、膜電極接合体との対向面に形成され、反応ガスが流れる複数の溝状の反応ガス流路２４と、反応ガス流路２４を流れた反応ガスを外部へ排出する反応ガス出口孔４２ｂと、反応ガス流路２４と反応ガス出口孔４２ｂとの間に形成され、その反応ガス流路２４を流れた反応ガスをその反応ガス出口孔４２ｂへと導く反応ガス合流部２７）と、反応ガス流路２４に連続するように反応ガス合流部２７に形成され、反応ガス出口孔４２ｂへ近づくほど流路幅が狭くなる複数の反応ガス合流流路２９と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池用セパレータに関する。

従来の燃料電池用セパレータは、燃料電池の積層方向を水平方向としていた。そして、カソードガス入口孔をセパレータの一端部上側に配置して、カソードガス入口孔からガス流路へ向かって流路幅が広がっていくバッファ部を設けていた。また、カソードガスで出口孔をセパレータの他端部下側に配置して、ガス流路からカソードガス出口孔へ向かって流路幅が狭くなっていくバッファ部を設けていた。これにより、カソードガス入口孔から出口孔までの間をカソードガスが円滑に流れるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２３６６１２号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池セパレータは、燃料電池の積層方向を鉛直方向にした場合や、ガス流量が少なくなると、発電反応によって生じた水がバッファ部に滞留しやすかった。そのため、この滞留した水が円滑なガス流れを妨げて、カソードガスをガス流路に均一に分配して流すことができず、燃料電池の発電効率が低下するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、反応ガスを膜電極接合体（１１）に供給して発電する燃料電池（１）に用いられる燃料電池用セパレータ（２０，３０）であって、前記膜電極接合体（１１）との対向面に形成され、反応ガスが流れる複数の溝状の反応ガス流路（２４，３４）と、前記反応ガス流路（２４，３４）を流れた反応ガスを外部へ排出する反応ガス出口孔（４２ｂ，４３ｂ）と、前記反応ガス流路（２４，３４）と前記反応ガス出口孔（４２ｂ，４３ｂ）との間に形成され、その反応ガス流路（２４，３４）を流れた反応ガスをその反応ガス出口孔へと導く反応ガス合流部（２７，３７）と、前記反応ガス流路（２４，３４）に連続するように前記反応ガス合流部（２７，３７）に形成され、前記反応ガス出口孔（４２ｂ，４３ｂ）へ近づくほど流路幅が狭くなる複数の反応ガス合流流路（２９，３９）と、を備えたことを特徴とする。

反応ガス流路と反応ガス出口孔との圧力差を大きくすることができるので、圧力の高い反応ガス流路から圧力の低い反応ガス出口孔へ生成水が流れ、反応ガス合流部の生成水を反応ガス出口孔から排出することができる。そのため、生成水によってガス流れが妨げられず、反応ガスを反応ガス流路に均一に分配して流すことができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。

燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。

単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については後述する。

一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。

ここで、アノードガス入口孔４２ａに燃料ガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。

ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。

以下では、図２を参照して、単セル１の構成の詳細について説明する。

図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。

単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。

電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１ａの性能を引き出して発電効率を向上させるためには、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０に導入するアノードガスやカソードガスを加湿している。なお、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池スタック１０に導入した場合には電解質膜１１ａに不純物が蓄積し、発電効率が低下するためである。

アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。

アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。

カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。

なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６，３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６，３６によって１つの冷却水流路５１が形成される。

また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。

アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンを材料としたセパレータである。

次に図３〜図５を参照して、本実施形態によるアノードセパレータ２０について詳しく説明する。図３は、本実施形態によるアノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。図４は、後述するアノードガス拡散部２１の拡大図である。図５は、後述するアノードガス合流部２７の拡大図である。

図３に示すように、アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。

また、アノードセパレータ２０の表面には、複数の溝状のガス流路２４と、アノードガス拡散部２１と、アノードガス合流部２７とが形成される。

ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５の間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路２４を流れるガス及び冷却水流路２６を流れる冷却水の余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。

図３及び図４に示すように、アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａからガス流路２４へ向かって幅が広がっていくガス流路である。

アノードガス拡散部２１には、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の拡散リブ２２が形成される。アノードガス拡散部２１は、この拡散リブ２２によって複数の領域２３に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２３を「ガス拡散流路２３」という。

拡散リブ２２は、アノードガス入口孔４２ａから流路リブ２５の始端へ向かって形成される。拡散リブ２２は、各ガス拡散流路２３を流れるアノードガスの流量が略同一となるように形成される。これにより、アノードガス入口孔４２ａから各ガス流路２４に流れ込むアノードガスの流量が略同一となるようにしている。拡散リブ２２には、流路リブ２５の始端に達する直前の部分に、各ガス拡散流路２３を連通する連通路２３ａが形成される。拡散リブ２２の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。

図３及び図５に示すように、アノードガス合流部２７は、ガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、ガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。

アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域２９に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２９を「ガス合流流路２９」という。

合流リブ２８は、ガス流路終端２４ｃからアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。

続いて、図６を参照して本実施形態によるカソードセパレータ３０について詳しく説明する。図６は、本実施形態によるカソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。

カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成を有しており、ガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス拡散部３１と、カソードガス合流部３７とを有する。

カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２が設けられ、ガス拡散流路３３が形成される。拡散リブ３２には、各ガス拡散流路３３を連通する連通路３３ａが形成される。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。

カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３の右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３の左側）となる。

したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）に、アノードセパレータ２０の他端側に形成されていたアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）に、アノードセパレータ２０の一端側に形成されていたカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。

次に、本実施形態によるアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０の作用について、図１〜図６を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、冷却水は、冷却水入口孔４１ａから燃料電池スタック内へ流れ込み、冷却水流路２６、３６で形成される冷却水流路５１を流れる。この冷却水は冷却水流路５１を流れながら、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０の熱を吸収する。熱を吸収した冷却水は冷却水出口孔４１ｂから外部へ排出される。

図１〜図３に示すように、アノードガスは、アノードガス入口孔４２ａから燃料電池スタック内へ流れ込む。アノードガス入口孔４２ａから流れ込んだアノードガスは、アノードガス拡散部２１で拡散してガス流路２４に流れ込む。アノードガスはガス流路２４を流れながらアノード電極１１ｂと接する。これにより、アノード電極１１ｂでは、上記した式（１）の反応が生じる。ガス流路２４を流れ、反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス合流部２７を通って、アノードガス出口孔４２ｂから外部へ排出される。

一方、図１、図２及び図６に示すように、カソードガスは、カソードガス入口孔４３ａから燃料電池スタック内へ流れ込む。カソードガス入口孔４３ａから流れ込んだカソードガスは、カソードガス拡散部３１で拡散してガス流路３４に流れ込む。カソードガスはガス流路３４を流れながらカソード電極１１ｃと接する。カソード電極１１ｃでは、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ⁺、電子ｅ^-とから、式（２）の反応が生じる。

カソード反応によって生じた水は、反応に利用されなかった余剰のカソードガスとともにガス流路３４を流れ、カソードガス合流部３７を通ってカソードガス出口孔４３ｂから外部へ排出される。そのため、ガス流路３４からカソードガス合流部３７へ流れ込む生成水の量が多い場合やガス流路３４を流れるガス量が少ない場合には、生成水をカソードガス出口孔４３ｂから排出できず、カソードガス合流部３７に生成水が滞留することがある。そうすると、ガス流路３４におけるカソードガスの流れが阻害されて、カソード電極１１ｃへのカソードガスの供給量が不十分となる。その結果、濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。

また、カソード反応で発生した水は、ＭＥＡ１１を通じて、アノードセパレータ２０に形成されたガス流路２４にも拡散していくので、アノード側でもフラッディングが起きて発電効率が低下する。

そこで、本実施形態では図６に示すように、カソードセパレータ３０のカソードガス合流部３７に、ガス流路終端３４ｃからカソードガス出口孔４３ｂへ向かって形成される複数の合流リブ３８を設けた。そして、この合流リブ３８は、カソードガス出口孔４３ｂへ行くほどカソードガス合流流路３９の幅が狭くなるように設けられている。

そのため、カソードガス出口孔４３ｂの近傍のガス合流流路３９ａの圧力が高まり、それに伴ってガス流路終端３４ｃの圧力も高まる。したがって、ガス流路終端３４ｃとカソードガス出口孔４３ｂとの圧力差を大きくすることができる。

このように、ガス流路終端３４ｃとカソードガス出口孔４３ｂとの圧力差を大きくすることで、その圧力差を利用して、ガス流路３４を流れるガス量が少ない場合であってもガス合流部３７の生成水をカソードガス出口孔４３ｂから排出することができる。その結果、ガス流路３４を流れるガスの流れが阻害されず、フラッディングを防止できるので単セル１の発電効率を向上させることができる。

また、圧力差を利用してガス合流部３７の生成水をカソードガス出口孔４３ｂから排出するので、単セル１の積層方向が水平方向であるか鉛直方向であるかを問わず、ガス合流部３７の生成水をカソードガス出口孔４３ｂから排出することができる。したがって、車両に燃料電池スタック１０を搭載するときの配置の自由度を向上させることができる。

また、圧力差を利用してガス合流部３７の生成水をカソードガス出口孔４３ｂから排出するので、ガス合流部３７に滞留した生成水を排出するために、カソードガス流量を増加させる必要がない。そのため、反応に必要な量だけカソードガスを燃料電池スタック１０に供給すればよいので、カソードガスを燃料電池スタック１０へ圧送するコンプレッサ等の負担が減り、燃料電池システム全体としての発電効率を向上させることができる。

また、カソードガス出口孔４３ｂへ行くほどガス合流流路３９の幅が狭くなっているので、ガス流路終端３４ｃからカソードガス出口孔４３ｂに向かうにつれてガス流速が増加する。これにより、ガス合流部３７の生成水を吹き飛ばすことができるので、ガス合流部３７に生成水が滞留することを防止できる。したがって、ガス流路３４を流れるガスの流れが阻害されず、フラッディングを防止できるので単セル１の発電効率を向上させることができる。

また、隣接するガス合流流路３９の幅がガス流路３４の幅と略同一になるように、一部の流路リブ３８の終端を延長したので、より流速を速めることができる。

また、ガス合流部３７に合流リブ３８がない場合、ガス合流部３７においてＭＥＡ１１を保持するものがないので、ＭＥＡ１１がカソードセパレータ側にたわむことがある。ＭＥＡ１１がたわむと、ガス合流部３７の流路断面積が低下するので、ガス流れが阻害される。これにより、ガス流路間でガスの分配がばらつき、反応面における発電分布がばらつく。そのため、発電効率が低下するとともに、単セル１が局所的に劣化することがある。しかし、本実施形態によるカソードセパレータ３０は、ガス合流部３７に合流リブ３８を設けたので、ガス合流部３７におけるＭＥＡ１１のたわみを防止することができる。そのため、ガス流れが阻害されず、単セル１の発電効率を向上させることができる。また、単セル１の局所的な劣化を抑制でき、単セル１の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

また、合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように所定の間隔で均等に配置されているので、ガス合流部３７におけるＭＥＡ１１のたわみを効果的に防止することができる。

なお、ガス流路の本数上、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量を略同一にすることが困難な場合がある。その場合、合流リブ２８は、ガス合流流路２９のうち長さの長いガス合流流路２９を流れる流量が少なくなるように形成される。これにより、圧損の大きい流路長さの長いガス合流流路２９を流れるガス流量が少なくなるので、各ガス合流流路２９の圧損を均一にすることができる。

次に、例えば外気温が低く、車両がアイドル状態で保持されている場合などには、カソードガス入口孔４３ａから供給されるカソードガスが加湿されすぎていることがある。このような場合、カソードガス中の水分が凝縮してガス拡散部３１に滞留してしまうことがある。そうすると、ガス拡散部３１に滞留した凝縮水によってカソードガスの拡散が阻害され、ガス流路３４へのガスの供給が不足する。また、各ガス流路３４を流れるガス量が不均一となる。その結果、反応面における発電分布が不均一となり、発電効率が低下する。

そこで、本実施形態では、カソードセパレータ３０のカソードガス拡散部３１に、カソードガス入口孔４３ａから流路リブ３５の始端へ向かって形成される複数の拡散リブ３２を設けた。そして、この拡散リブ３２は、アノードガス入口孔４２ａからガス流路２４へ行くほどガス拡散流路３９の流路幅が広くなるように設けられている。

そのため、カソードガス入口孔４３ａの近傍のガス拡散流路３３とガス流路始端３４ｂとの圧力差が大きくなり、凝縮水をカソードガス拡散部３１に滞留させることなく、ガス流路３４を流してカソードガス出口孔４３ｂから凝縮水を排出することができる。

また、拡散リブ３２には、流路リブ３５の始端に達する直前の部分に、各ガス拡散流路３３を連通する連通路３３ａが形成されている。そのため、凝縮水が均一にガス流路３４を流れてカソードガス出口孔４３ｂから排出される。

これらにより、ガス流路３４へのガスの供給不足を防止し、各ガス流路３４を流れるガス量を均一にできるので、反応面における発電分布を均一にでき、発電効率を向上させることができる。

また、カソードガス合流部３７と同様に、カソードガス拡散部３１に拡散リブ３２を設けることによって、ＭＥＡ１１のたわみを防止することができる。これにより、円滑にガス流路３４へカソードガスを拡散させることができる。

一方、図３に示すように、アノードセパレータ２０にも同様に、流路リブ２５の終端からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される複数の合流リブ２８を設けた。また、アノードガス入口孔４２ａから流路リブ２５の始端へ向かって形成される複数に拡散リブを設けた。これにより、アノードセパレータ２０においても、前述したカソードセパレータ３０と同様の効果を得ることができる。

上記した式（１）（２）からも分かるように、電極反応で使用されるアノードガス量は、カソードガス量よりも少ない。また、カソードガスとして通常使用される空気は、電極反応に使用されない窒素を含有している。しかし、アノードガスとして通常使用される水素は、全て電極反応に使用される。

そのため、カソードガス合流部に流れ込むガス（未反応の酸素と窒素）の流量に対して、アノードガス合流部に流れ込むガス（未反応の水素）の流量は非常に少ない。

したがって、ガス流路終端２４ｃとアノードガス出口孔４２ｂとの圧力差を大きくして、その圧力差を利用することでガス合流部２７の生成水をアノードガス出口孔４２ｂから排出する効果は非常に大きくなる。

以上説明した本実施形態によれば、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０のそれぞれのガス合流部２７，３７に、ガス出口孔４２ｂ、４３ｂへ行くほど流路幅が狭くなる複数のガス合流流路２９，３９を形成した。

これにより、ガス流路２４，３４とガス出口孔４２ｂ，４３ｂとの圧力差を大きくすることができる。そのため、圧力の高いガス流路２４，３４から圧力の低いガス出口孔４２ｂ，４３ｂへ生成水が流れ、ガス合流部２７，３７の生成水をガス出口孔４２ｂ，４３ｂから排出することができる。その結果、ガス流路２４，３４を流れるガスの流れが阻害されず、フラッディングを防止できるので単セル１の発電効率を向上させることができる。

また、圧力差を利用してガス合流部２７，３７の生成水をガス出口孔４２ｂ，４３ｂから排出するので、生成水を排出するためにガス流量を増加させる必要がない。そのため、反応に必要な量だけ反応ガスを燃料電池スタック１０に供給すればよいので、反応ガスを燃料電池スタック１０へ圧送するコンプレッサ等に供給する電力量を減らすことができる。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率を向上させることができる。

また、圧力差を利用してガス合流部２７，３７の生成水をガス出口孔４２ｂ，４３ｂから排出するので、単セル１の積層方向が水平方向であるか鉛直方向であるかを問わず、ガス合流部２７，３７の生成水をガス出口孔４２ｂ，４３ｂから排出することができる。したがって、車両に燃料電池スタック１０を搭載するときの配置の自由度を向上させることができる。

また、ガス出口孔４２ｂ，４３ｂへ行くほどガス合流流路２９，３９の幅が狭くなっているので、ガス流路２４，３４からガス出口孔４２ｂ，４３ｂに向かうにつれてガス流速が増加する。これにより、ガス合流部２７，３７の生成水を吹き飛ばすことができるので、ガス合流部２７，３７に生成水が滞留することを防止できる。したがって、ガス流路２４，３４を流れるガスの流れが阻害されず、フラッディングを防止できるので単セル１の発電効率を向上させることができる。

また、隣接するガス合流流路２９，３９の幅がガス流路２４，３４の幅と略同一になるように、一部の流路リブ２５，３５の終端を延長したので、より流速を速めることができる。

また、ガス合流部２７，３７に合流リブ２８，３８を設けることで、ＭＥＡ１１とリブとの接触面積が増加するので、アノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃとの極間差圧によるＭＥＡ１１のたわみを抑制することができる。これにより、ガス流れが阻害されず、各ガス流路を流れるガス流量を均一にできるので、単セル１の発電効率を向上させることができる。また、単セル１の局所的な劣化を抑制できるので、単セル１の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

さらに本実施形態によれば、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０のそれぞれのガス拡散部２１，３１に、ガス入口孔４２ａ，４３ａからガス流路４２，３４に行くほど流路幅が広くなるガス拡散流路２３，３３を形成した。

これにより、ガス入口孔４２ａ，４３ａの近傍のガス拡散流路２９，３９とガス流路始端２４ｂ，３４ｂとの圧力差によって、低温時などに反応ガス中の水分が凝縮して生じた凝縮水をガス拡散部２１，３１に滞留させることなく排出することができる。

また、拡散リブ２２，３２には、流路リブ２５，３５の始端に達する直前の部分に、各ガス拡散流路２３，３３を連通する連通路２３ａ，３３ａを形成したので、凝縮水が均一にガス流路２４，３４を流れてガス出口孔４２ｂ，４３ｂから排出される。

これらにより、ガス流路２４，３４への反応ガスの供給不足を防止し、各ガス流路２４，３４を流れるガス量を均一にできるので、反応面における発電分布を均一にでき、発電効率を向上させることができる。

また、ガス拡散部２１，３１に拡散リブ２２，３２を設けることによって、リブとＭＥＡ１１との接触面積が拡大する。これにより、アノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃとの極間差圧によるＭＥＡ１１のたわみを防止することができる。

このように、反応ガス流路と反応ガス出口孔との間を上述したガス合流流路の構成とし、反応ガス入口孔と反応ガス流路との間を上述したガス拡散流路の構成とする組み合わせとしたことで、セパレータの入口孔から出口孔にかけてガス量を均一にできるので、単セル全体での発電効率をさらに向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態によるアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０について説明する。本実施形態は、アノードガス拡散部２１及びカソードガス拡散部３１にドット状のリブを設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。また、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は同様の構成なので、発明の理解を容易にするためアノードセパレータ２０によって説明する。

図７は、本実施形態によるアノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。

図７に示すように、本実施形態では、アノードセパレータ２０のアノードガス拡散部２１に、複数の突起上のリブ２２２を格子状に設けた。これにより、アノードガス拡散部２１における圧損分布が均一になり、アノードガス入口孔４２ａから供給されるアノードガスを各ガス流路２４へ均等に分配することができる。

したがって、反応面における発電分布を均一にできるため、反応ガスの欠乏による単セル１の局所的な劣化を抑制できる。

なお、アノードガス入口孔４２ａの近傍には、セパレータ同士をシール材によって張り合わせてガス漏れをなくすときに、シール反力が最も大きくかかる。したがって、アノードガス入口孔４２ａの近傍には、突起状にリブ２２２ではなく矩形状のリブ２２を設けて、シール反力によるＭＥＡ１１のたわみを防止している。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第１実施形態では、アノード拡散部２１及びカソードガス拡散部３１に連通路２３ａ，３３ａを１本設けたが、図８に示すように複数設けても良い。これにより、ガス入口孔４２ａ．４３ａから供給される反応ガスを各ガス流路２４，３４へ均等に分配することができる。

また、本実施形態では、ガス流路２４，３４をストレート流路としたが、サーペンタイン流路であっても良い。また、流路リブ２５，３５の側面を所定の傾斜角を持ったテーパ状としたが、傾斜角のない側面であってもよい。

本実施形態による燃料電池スタック１０の斜視図である。 単セルの断面の一部を示す図である。 第１実施形態によるアノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。 第１実施形態によるアノードセパレータのアノードガス拡散部の拡大図である。 第１実施形態によるアノードセパレータのアノードガス合流部の拡大図である。 第１実施形態によるカソードセパレータをカソード電極側から見た平面図である。 第２実施形態によるアノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。 複数の連通路を設けたセパレータを示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１１ 膜電極接合体
２０ アノードセパレータ（燃料電池用セパレータ）
２１ ガス拡散部（反応ガス拡散部）
２３ ガス拡散流路（反応ガス拡散流路）
２３ａ 連通路
２４ ガス流路（反応ガス流路）
２５ 流路リブ（リブ）
２７ ガス合流部（反応ガス合流部）
２９ ガス合流流路（反応ガス合流流路）
３０ カソードセパレータ（燃料電池用セパレータ）
３１ ガス拡散部（反応ガス拡散部）
３３ ガス拡散流路（反応ガス拡散流路）
３３ａ 連通路
３４ ガス流路（反応ガス流路）
３５ 流路リブ（リブ）
３７ ガス合流部（反応ガス合流部）
３９ ガス合流流路（反応ガス合流流路）
４２ａ アノードガス入口孔（反応ガス入口孔）
４２ｂ アノードガス出口孔（反応ガス出口孔）
４３ａ カソードガス入口孔（反応ガス入口孔）
４３ｂ カソードガス出口孔（反応ガス出口孔）

Claims (12)

1. 反応ガスを膜電極接合体に供給して発電する燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータであって、
   前記膜電極接合体との対向面に形成され、反応ガスが流れる複数の溝状の反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路を流れた反応ガスを外部へ排出する反応ガス出口孔と、
   前記反応ガス流路と前記反応ガス出口孔との間に形成され、その反応ガス流路を流れた反応ガスをその反応ガス出口孔へと導く反応ガス合流部と、
   前記反応ガス流路に連続するように前記反応ガス合流部に形成され、前記反応ガス出口孔へ近づくほど流路幅が狭くなる複数の反応ガス合流流路と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記反応ガス合流流路の本数は、前記反応ガス流路の本数よりも少ない
   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。
3. 前記反応ガス流路から各反応ガス合流流路へ流れ込む反応ガス量は、略同一である
   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。
4. 前記反応ガス流路から各反応ガス合流流路へ流れ込む反応ガス量は、流路長さの長い反応ガス合流流路ほど少ない
   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。
5. 前記反応ガス合流流路の流路幅が前記反応ガス流路の流路幅より広い部位に、その反応ガス合流流路の流路幅を反応ガス流路の流路幅と略同一にするリブを設けた
   ことを特徴とする請求項２から４までのいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス入口孔と、
   前記反応ガス入口孔と前記反応ガス流路との間に形成され、その反応ガス入口孔から供給された反応ガスをその反応ガス流路へと導く反応ガス拡散部と、
   前記反応ガス流路に連続するように前記反応ガス拡散部に形成され、前記反応ガス入口孔へ近づくほど流路幅が狭くなる複数の反応ガス拡散流路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から５までいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記反応ガス拡散流路の本数は、前記反応ガス流路の本数よりも少ない
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータ。
8. 各反応ガス拡散流路から前記反応ガス合流流路へ流れ込む反応ガス量は、略同一である
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
9. 各反応ガス拡散流路から前記反応ガス合流流路へ流れ込む反応ガス量は、流路長さの長い反応ガス合流流路ほど少ない
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
10. 隣り合う前記反応ガス拡散流路同士を連通する連通路を設けた
    ことを特徴とする請求項６から９までのいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
11. 前記連通路は、前記反応ガス拡散流路の後半に設けられる
    ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用セパレータ。
12. 反応ガスを膜電極接合体に供給して発電する燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータにおいて、
    前記膜電極接合体との対向面に、反応ガスが流れる複数の溝状の反応ガス流路を形成し、
    前記反応ガス流路を流れた反応ガスを反応ガス出口孔から外部へ排出し、
    前記反応ガス流路と前記反応ガス出口孔との間に、その反応ガス流路を流れた反応ガスをその反応ガス出口孔へと導く反応ガス合流部を形成し、
    前記反応ガス流路に連続するように、前記反応ガス出口孔へ近づくほど流路幅が狭くなる複数の反応ガス合流流路を前記反応ガス合流部に形成した
    ことを特徴とする燃料電池用セパレータの反応ガス流路形成方法。

Images