燃料電池用セパレータと燃料電池
【課題】燃料ガス流路の流路閉塞を防止しつつ、燃料電池における冷却能力を高める。
【解決手段】波部の高さが大きい第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに、波部の高さが低い第２セパレータ板１５の二つの凸部２３ａを収容して両セパレータ板１３，１５を重ね合わせる。第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに収容された二つの凸部２３ａは、それぞれ二つある傾斜部２４ａ，２４ｂのうちの一方のみを第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに接触し、他方の傾斜部は第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに非接触とする。第１セパレータ板１３の凹部１９ｂと第２セパレータ板１５の凸部２３ａとの間の空間で冷却液流路２５を形成し、第１セパレータ板１３の凹部１９ｂと膜電極構造体５のカソード電極１１との間の空間で酸化剤ガス流路２７を形成し、第２セパレータ板１５の凹部２３ｂとアノード電極９との間に形成される空間で燃料ガス流路２９を形成する。
【解決手段】波部の高さが大きい第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに、波部の高さが低い第２セパレータ板１５の二つの凸部２３ａを収容して両セパレータ板１３，１５を重ね合わせる。第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに収容された二つの凸部２３ａは、それぞれ二つある傾斜部２４ａ，２４ｂのうちの一方のみを第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに接触し、他方の傾斜部は第１セパレータ板１３の凹部１９ｂに非接触とする。第１セパレータ板１３の凹部１９ｂと第２セパレータ板１５の凸部２３ａとの間の空間で冷却液流路２５を形成し、第１セパレータ板１３の凹部１９ｂと膜電極構造体５のカソード電極１１との間の空間で酸化剤ガス流路２７を形成し、第２セパレータ板１５の凹部２３ｂとアノード電極９との間に形成される空間で燃料ガス流路２９を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成された膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成されたものがある。
また、近年では、コンパクト化の要求から、金属製の波板を重ね合わせて構成したセパレータが多く用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
金属製波板を重ね合わせてなる従来の一般的なセパレータを、図８の燃料電池の断面図を参照して説明すると、セパレータ１００は、波部の高さが異なり波部のピッチが同じである金属製波板からなる第１セパレータ１０１と第２セパレータ１０２とを備え、波部の高さが高い第１セパレータ１０１の一方の面に形成される凹部１０１ａに、波部の高さが低い第２セパレータ１０２の一方の面に形成される凸部１０２ａを収容した状態に重ね合わせて構成されている。
【０００４】
そして、このセパレータ１００と、固体高分子電解質膜１１１の両側にアノード電極１１２、カソード電極１１３を有してなる膜電極構造体１１０とを交互に積層し、第１セパレータ１０１の他方の面に形成される凸部１０１ｂがカソード電極１１３に当接し、第２セパレータ１０２の他方の面に形成される凸部１０２ｂがアノード電極１１２に当接するように配置して、燃料電池２００が構成される。
【０００５】
この燃料電池２００では、第１セパレータ１０１の一方の面に形成される凹部１０１ａと第２セパレータ１０２の一方の面に形成される凸部１０２ａとの間に形成される空間が、燃料電池冷却用の冷却液を流通させるための冷却液流路１０３となり、第１セパレータの他方の面に形成される凹部１０１ｃとカソード電極１１３との間に形成される空間が、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路１０４となり、第２セパレータ１０２の他方の面に形成される凹部１０２ｃとアノード電極１１２との間に形成される空間が、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路１０５となっている。また、膜電極構造体１１０を間に挟んで酸化剤ガス流路１０４と燃料ガス流路１０５とが相対して位置するように、隣接する二つのセパレータ１００，１００同士を半ピッチずつずらして配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２２８４８３号公報
【特許文献２】特許第４４７６４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この種の燃料電池では発電に伴って発熱をするため、冷却が極めて重要である。
ところで、燃料ガスとして用いる水素は、分子量も小さく、拡散性が高いので、燃料ガス流路１０５の流路断面積は小さくても構わない。一方、冷却液は、液体であり、粘度も高いので、冷却液流路１０３の流路断面積は大きい方が望ましい。
前記従来のセパレータ１００において、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くすると、燃料ガス流路１０５の流路断面積は小さくなるが、冷却液流路１０３の流路断面積が大きくなるので、冷却性能を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くし過ぎると、第２セパレータ１０２の内面とアノード電極１１２との隙間が狭くなり、アノード電極１１２側の拡散層が変形した場合に燃料ガス流路１０５が閉塞する虞がある。そのため、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くするにも限界があり、この手法による冷却効果の向上にも限界がある。
また、単純に、燃料ガス流路１０５の流路断面積を小さくし冷却液流路１０３の流路断面積を大きくすることで冷却能力を高めると、燃料ガス流路１０５が過冷状態となり、アノード側に結露水が発生して燃料ガス流路１０５を閉塞させる虞もある。一般に、燃料電池において発電による発熱は、アノード側よりもカソード側の方が大きいことが知られており、冷却効果の向上を求められているのはカソード側である。
【０００９】
そこで、この発明は、燃料ガス流路の流路断面積を確保し、流路閉塞を防止しつつ、冷却性能の向上を図ることができる燃料電池用セパレータと燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る燃料電池用セパレータでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、波部（例えば、後述する実施例における波部１９，２３）の高さが異なる一対の金属製波板（例えば、後述する実施例における第１セパレータ板１３、第２セパレータ板１５）を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板（例えば、後述する実施例における第１セパレータ板１３）の凹部（例えば、後述する実施例における凹部１９ｂ）に、波部の高さが低い他方の金属製波板（例えば、後述する実施例における第２セパレータ板１５）の凸部（例えば、後述する実施例における凸部２３ａ）を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路（例えば、後述する実施例における冷却液流路２５）を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施例における凹部１９ｂ）で酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施例における酸化剤ガス流路２７）を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施例における凹部２３ｂ）で燃料ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料ガス流路２９）を形成する燃料電池用セパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３）において、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部（例えば、後述する実施例における傾斜部２４ａまたは２４ｂ）のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、他方の傾斜部（例えば、後述する実施例における傾斜部２４ａまたは２４ｂ）は、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に非接触であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の各凹部に、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の複数の凸部を収容したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、波部の高さが低い前記他方の金属製波板は、隣接する二つの凸部間に平坦部（例えば、後述する実施例における平坦部２６）を有することを特徴とする。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜７）をアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極９）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極１１）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５）と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３）とを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１から請求項３に係る発明によれば、燃料ガス流路の高さを流路閉塞が起こらない最低高さ以上に確保しつつ、燃料ガス流路の流路断面積を所望に確保し、且つ、冷却液流路の流路断面積を大きくすることができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池における燃料ガス流路の流路閉塞を防止しつつ、燃料電池における冷却液による冷却性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に係る燃料電池用セパレータおよび燃料電池の実施例１における縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１におけるＡ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図４】図１におけるＢ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図５】図１におけるＣ方向から見た第２セパレータ板の正面図である。
【図６】図１におけるＤ方向から見た膜電極構造体の正面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池用セパレータおよび燃料電池の実施例２における要部拡大断面図である。
【図８】従来の金属製波板で構成された燃料電池用セパレータと、それを用いた燃料電池の一例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。
初めに、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の実施例１を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池１の縦断面図であり、燃料電池１は、燃料電池用セパレータ（以下、セパレータという）３と膜電極構造体５とが交互に積層して構成されている。
【００１７】
膜電極構造体５は、固体高分子電解質膜７と、この固体高分子電解質膜７を間に挟んで配設されたアノード電極９とカソード電極１１とから構成されている。なお、固体高分子電解質膜７は例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーで構成されており、アノード電極９およびカソード電極１１はＰｔを主体とする触媒により構成されている。固体高分子電解質膜７には、これを挟んで配設されるアノード電極９およびカソード電極１１の外周から外方へ張り出す延長部７ａが設けられている。
【００１８】
セパレータ３は、板厚０．１〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス成形されてなる第１セパレータ板（金属製波板）１３と第２セパレータ板（金属製波板）１５とを重ね合わせて構成されている。図３は第１セパレータ板１３を図１においてＡ方向から見た全体正面図であり、図４は第１セパレータ板１３を図１においてＢ方向から見た全体正面図であり、図５は第２セパレータ板１５を図１においてＣ方向から見た全体正面図である。なお、以下の説明では、図３から図５において図中左右方向を水平方向、図中上下方向を垂直方向とする。
【００１９】
第１セパレータ板１３の中央部には波板部１７が設けられており、この波板部１７には、一定の高さｈ1を有して水平方向に延びる波部１９が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。第２セパレータ板１５の中央部にも波板部２１が設けられており、波板部２１には、一定の高さｈ2を有して水平方向に延びる波部２３が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。なお、ピッチとは波の頂部から隣の頂部までの距離をいう。この実施例では、第１セパレータ板１３の波部１９および第２セパレータ板１５の波部２３は、いずれも断面略三角波形状をなし、波形の頂部には滑らかなアールが形成されている。
第２セパレータ板１５の波部２３のピッチは、第１セパレータ板１３の波部１９のピッチの半分に設定されており、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1は、第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高く設定されている（ｈ1＞ｈ2）。
【００２０】
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５において隣り合う二つの波部２３の凸部２３ａが収容され、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂにはその一つおきに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層され、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は重ね合わされ一体化されている。このように重ね合わせることにより、図２に示すように、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうちいずれか一方の傾斜部だけを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、他方の傾斜部は第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触な状態に配置されることとなる。
【００２１】
また、このように重ね合わせる結果、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂと第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａとの間に空間が形成され、この空間が、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却液を流通させるための冷却液流路２５とされる。
【００２２】
第１セパレータ板１３の波板部１７および第２セパレータ板１５の波板部２１は、膜電極構造体５のアノード電極９およびカソード電極１１に対向配置される範囲に形成されている。
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凸部１９ａにおいてカソード電極１１に接近する方向に突出する凸部１９ａがカソード電極１１に密接し、第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａにおいてアノード電極９に接近する方向に突出する凸部２３ａがアノード電極９に密接するように配置されている。
さらに、膜電極構造体５を間に挟んで両側に配置されたセパレータ３，３はいずれも同位相に配置されている。
【００２３】
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂとカソード電極１１との間に形成される空間は、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２７とされ、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂとアノード電極９との間に形成される空間は、水素含有ガス等の燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２９とされる。換言すると、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５を重ね合わせてなるセパレータ３の両外側の凹部のうちの一方の側の凹部１９ｂで酸化剤ガス流路２７を形成し、他方の側の凹部２３ｂで燃料ガス流路２９を形成することになる。
なお、第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2は、アノード電極９側の拡散層が変形した場合にも燃料ガス流路２９が閉塞されない高さに設定されている。
【００２４】
また、膜電極構造体５とその両側のセパレータ３，３とを前述の如く配置する結果、膜電極構造体５を挟んで酸化剤ガス流路２７と燃料ガス流路２９とが対向して配置されることになる。
ところで、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1が第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高いため、酸化剤ガス流路２７の流路断面積の方が燃料ガス流路２９の流路断面積よりも大きくなる。これは、この実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いており、空気の場合には、例えば純水素を用いた燃料ガスよりも多く流す必要があることによる。
【００２５】
第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５において波板部１７，２１よりも垂直方向外側に位置する端部には、図１に示すように、互いに面接触する平面部３１，３３が設けられており、第１セパレータ板１３の平面部３１と膜電極構造体５における固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間にシール材３５が挟装され、第２セパレータ板１５の平面部３３と延長部７ａとの間にシール材３７が挟装されている。これにより、各膜電極構造体５はその両側から一対のセパレータ３によって水密状態に挟持されることになる。
【００２６】
また、第１セパレータ板１３において平面部３１よりも外側と、第２セパレータ板１５において平面部３３よりも外側との間にはシール材３６が挟装されており、このシール材３６によって第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間も水密にシールされている。なお、シール材３６は第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の外周縁部を一周するように設けられている。
なお、１つのセパレータ３において第１セパレータ板１３の平面部３１と第２セパレータ板１５の平面部３３を、溶接またはロウ付け等のシール性を有する接合手段によって接合することにより、前記シール材３６を不要にし部品点数の削減を図ることも可能である。
【００２７】
図３および図４に示すように、第１セパレータ板１３において波板部１７よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部３９と右平坦部４１になっており、図５に示すように、第２セパレータ板１５において波板部２１よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部４３と右平坦部４５になっていて、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３が所定寸法の隙間を有して対向配置され、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５が所定寸法の隙間を有して対向配置されている。なお、図３では第１セパレータ板１３の左平坦部３９が図中左側に位置し右平坦部４１が図中右側に位置しており、図４では左平坦部３９が図中右側に位置し右平坦部４１が図中左側に位置しているのは、図３と図４は第１セパレータ板１３の表裏の関係にあるからである。また、図５において第２セパレータ板１５の左平坦部４３が図中右側に位置し右平坦部４５が図中左側に位置しているのも、図５が図３とは逆の方向から見ているからである。
【００２８】
そして、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３の外周縁部が前記したシール材３６によってシールされているので、両左平坦部３９，４３は袋状に連結されていることになる。同様に、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５の外周縁部も前記シール材３６によってシールされているので、両右平坦部４１，４５は袋状に連結されていることになる。
【００２９】
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の上部には燃料ガスを流通させるための入口側燃料ガス連通孔４７ａが設けられ、右平坦部４１の上部には酸化剤ガスを流通させるための入口側酸化剤ガス連通孔４９ａが設けられ、右平坦部４１の下部には燃料ガスを流通させるための出口側燃料ガス連通孔４７ｂが設けられ、左平坦部３９の下部には酸化剤ガスを流通させるための出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂが設けられている。したがって、入口側燃料ガス連通孔４７ａと出口側燃料ガス連通孔４７ｂは対角位置に位置しており、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａと出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂは対角位置に位置している。
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の略中央部には冷却液を流通させるための入口側冷却液連通孔５１ａが設けられ、右平坦部４１の略中央部には使用後の前記冷却液を流通させるための出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３０】
また、図５に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３および右平坦部４５にも、第１セパレータ板１３と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却液連通孔５１ａ、出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３１】
一方、図６に示すように、膜電極構造体５の固体高分子電解質膜７は、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の左右平坦部３９，４１，４３，４５にほぼ対応する部位に、アノード電極９およびカソード電極１１よりも水平方向外側に張り出す延長部１０，１２を有しており、この延長部１０，１２に、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却液連通孔５１ａ、出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３２】
第１セパレータ板１３の平面部３１と固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間に挟装された前記シール材３５は、図３に示すように、第１セパレータ板１３の左平坦部３９において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４１において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一周する部位であって波板部１７に近い側においては、図示するように、シール材３５は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３５が設けられていない部分が酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路５３ａ，５３ｂにされている。
【００３３】
また、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５が配置される面には、入口側冷却液連通孔５１ａおよび出口側冷却液連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５５が配置されている。このシール材５５は第１セパレータ板１３の左右平坦部３９，４１と固体高分子電解質膜７の延長部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
【００３４】
一方、第２セパレータ板１５の平面部３３と固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間に挟装された前記シール材３７は、図５に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４５において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一周する部位であって波板部２１に近い側においては、図示するように、シール材３７は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３７が設けられていない部分が燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路５７ａ，５７ｂにされている。
【００３５】
また、第２セパレータ板１５における左右平坦部４３，４５であってシール材３７が配置される面には、入口側冷却液連通孔５１ａおよび出口側冷却液連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５９が配置されている。このシール材５９は第２セパレータ板１５の左右平坦部４３，４５と固体高分子電解質膜７の延長部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
なお、シール材３５とシール材３７、および、シール材５５とシール材５９は固体高分子電解質膜７を挟んで対向して配置されており、これによって、第１セパレータ板１３と固体高分子電解質膜７との間がシール材３５およびシール材５５によって水密にシールされ、第２セパレータ板１５と固体高分子電解質膜７との間がシール材３７およびシール材５９によって水密にシールされるようになっている。
【００３６】
図４に示すように、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５，５５が配置されない面（換言すれば、第１セパレータ板１３が第２セパレータ板１５に対向する側の面）には、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂをそれぞれ一周するシール材６１，６２，６３，６４が設けられている。これらシール材６１〜６４は１つのセパレータ３における第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間に挟装されて両者を水密にシールしている。第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は左平坦部３９，４３の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、右平坦部４１，４５の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、それぞれ袋状の内部を冷却液流路６７ａ，６７ｂにするのであるが、シール材６１は冷却液流路６７ａから水密に離隔して入口側燃料ガス流路７１を形成するためのものであり、シール材６２は冷却液流路６７ｂから水密に離隔して出口側燃料ガス流路７３を形成するためのものであり、シール材６３は冷却液流路６７ｂから水密に離隔して入口側酸化剤ガス流路７５を形成するためのものであり、シール材６４は冷却液流路６７ａから水密に離隔して出口側酸化剤ガス流路７７を形成するためのものである。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池１においては、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側燃料ガス連通孔４７ａを一直線上に接続してなる入口側燃料ガス流路７１と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側燃料ガス連通孔４７ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一直線上に接続してなる出口側燃料ガス流路７３と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａを一直線上に接続してなる入口側酸化剤ガス流路７５と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一直線上に接続してなる出口側酸化剤ガス流路７７と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側冷却液連通孔５１ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側冷却液連通孔５１ａを一直線上に接続してなる入口側冷却液流路７９と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側冷却液連通孔５１ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側冷却液連通孔５１ｂを一直線上に接続してなる出口側冷却液流路８１と、を備えることになる。
【００３８】
この燃料電池１においては、１つの膜電極構造体５と、その両側に配置された一対のセパレータ３，３のうち前記膜電極構造体５のカソード電極１１に対向配置された１つの第１セパレータ板１３と、前記膜電極構造体５のアノード電極９に対向配置された１つの第２セパレータ板１５とによって単位燃料電池８３が構成される。
【００３９】
次に、単位燃料電池８３の動作について以下に説明する。
単位燃料電池８３には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスまたは純水素が供給されるとともに酸化剤ガスとして酸素含有ガス（以下、例えば空気）が供給され、さらに、その発電面を冷却するために、冷却液が供給される。
燃料ガスは、入口側燃料ガス流路７１に供給され、入口側燃料ガス連通孔４７ａから燃料ガス流路５７ａを通って、各燃料ガス流路２９へと移動する。各燃料ガス流路２９に供給された燃料ガスは、アノード電極９に沿って水平方向に移動し、その際に、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極９に供給される。そして、未使用の燃料ガスは燃料ガス流路２９を移動しながらアノード電極９に供給されるとともに、燃料ガス流路２９の終端から第２セパレータ板１５の右平坦部４５と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに燃料ガス流路５７ｂを通って、出口側燃料ガス連通孔４７ｂから出口側燃料ガス流路７３に排出される。
【００４０】
また、空気は、入口側酸化剤ガス流路７５に供給され、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａから酸化剤ガス流路５３ａを通って、各酸化剤ガス流路２７へと移動する。そして、各酸化剤ガス流路２７に供給された空気は、カソード電極１１に沿って水平方向に移動し、その際に、空気中の酸素ガスがカソード電極１１に供給される。そして、未使用の空気は酸化剤ガス流路２７を移動しながらカソード電極１１に供給されるとともに、酸化剤ガス流路２７の終端から第１セパレータ板１３の左平坦部３９と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに酸化剤ガス流路５３ｂを通って、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂから出口側酸化剤ガス流路７７に排出される。これにより、単位燃料電池８３で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００４１】
さらにまた、冷却液は、入口側冷却液流路７９に供給され、入口側冷却液連通孔５１ａから冷却液流路６７ａに移動し、ここから各冷却液流路２５へと供給される。冷却液流路２５に供給された冷却液は冷却液流路２５を水平方向に移動する間に発電面を冷却し、冷却後の冷却液は冷却液流路２５の終端から冷却液流路６７ｂに移動し、さらに出口側冷却液連通孔５１ｂから出口側冷却液流路８１に排出される。
【００４２】
以上のように構成されたセパレータ３においては、燃料ガス流路２９の高さを流路閉塞が起こらない最低高さ以上に確保しつつ、燃料ガス流路２９の流路断面積を比較的に大きく確保することができ、しかも、冷却液流路２５の流路断面積を大きくすることができる。
このように、燃料ガス流路２９の流路断面積を大きく確保することができるので発電性能を高めることができる。
【００４３】
また、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうちいずれか一方の傾斜部を、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させているので、前記一方の傾斜部は冷却液流路２５に接していない。換言すると、燃料ガス流路２９は前記一方の傾斜部が存在する部分では燃料ガス流路２９と冷却液流路２５とが対向していない。したがって、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂが両方とも冷却液流路２５に接触させた場合に比較して、燃料ガス流路２９を流通する燃料ガスに対する冷却を抑制することができる。これにより、燃料ガス流路２９内での結露水の発生を抑制することができ、結露水による燃料ガス流路２９の流路閉塞を防止することができる。
一方、酸化剤ガス流路２７と冷却液流路２５は第１セパレータ板１３を介して十分に大きな面積を確保して対向しているので、酸化剤ガス流路２７を流通する酸化剤ガスに対する冷却能力を十分に大きくすることができる。その結果、燃料電池１における冷却液による冷却性能を向上することができる。
【００４４】
また、図１および図２から明らかなように、全てのセパレータ３を同位相で配置することができるので、セパレータ３が一種類で済み、管理が容易になり、またコストダウンを図ることができる。
【００４５】
また、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層されているので、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の接触面積を大きくすることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
【００４６】
図７は、実施例２におけるセパレータ３の図面である。
この実施例２におけるセパレータ３においては、第１セパレータ板１３は前述した実施例１のものと同じであるが、第２セパレータ板１５が前述した実施例１のものと異なる。以下、実施例１との相違点を説明し、実施例１と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４７】
この実施例２のセパレータ３では、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａが一つだけ収容されており、第２セパレータ板１５は隣り合う二つの波部２３，２３が平面状の平坦部２６によって接続されて構成されている。そして、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層され、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうち一方の傾斜部２４ａだけを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、他方の傾斜部２４ｂは第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触な状態に配置されている。また、膜電極構造体５を介して隣り合う第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５においては、第１セパレータ板１３の凸部１９ａの頂部は膜電極構造体５を介して第２セパレータ板１５の平坦部２６に対向している。
【００４８】
このように構成された実施例２のセパレータ３では、燃料ガス流路２９の数が前述した実施例１のセパレータ３に比べて半減するが、その分、冷却液流路２５の流路断面積を増大させることができるので、酸化剤ガス流路２７を流通する酸化剤ガスに対する冷却能力をさらに大きくすることができる。
【００４９】
また、この実施例２においても、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａにおいて一方の傾斜部２４ａを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させており、この傾斜部２４ａを冷却液流路２５に接触させていないので、燃料ガス流路２９を流通する燃料ガスに対する冷却を抑制することができる。その結果、燃料ガス流路２９内での結露水の発生を抑制することができ、結露水による燃料ガス流路２９の流路閉塞を防止することができる。
【００５０】
また、この実施例２においても、図７から明らかなように、全てのセパレータ３を同位相で配置することができるので、セパレータ３が一種類で済み、管理が容易になり、またコストダウンを図ることができる。
【００５１】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、前述した実施例１では、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５において隣り合う二つの波部２３の凸部２３ａを収容したが、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに収容する第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａの数は三つ以上であってもよい。その場合には、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに収容された第２セパレータ板１５の三つ以上の凸部２３ａのうち、最外側に配置された凸部２３ａの各一方の傾斜部のみを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、最外側に配置される以外の凸部２３ａは両方の傾斜部２４ａ，２４ｂが第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触となる。
【００５２】
また、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の波部１９，２３の断面形状は実施例のものに限られるものではなく、矩形波状や正弦波状であってもよい。
さらに、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の材質はステンレス鋼に限るものではなく、防食性を有する他の金属で構成してもよいし、あるいは、導電性に優れた防錆被膜で被覆された金属板で構成してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料電池
３ 燃料電池用セパレータ
５ 膜電極構造体
７ 固体高分子電解質膜
９ アノード電極
１１ カソード電極
１３ 第１セパレータ板（一方の金属製波板）
１５ 第２セパレータ板（他方の金属製波板）
１９ 波部
１９ｂ 凹部
２３ 波部
２３ａ 凸部
２４ａ，２４ｂ 傾斜部
２５ 冷却液流路
２６ 平坦部
２７ 酸化剤ガス流路
２９ 燃料ガス流路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成された膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成されたものがある。
また、近年では、コンパクト化の要求から、金属製の波板を重ね合わせて構成したセパレータが多く用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
金属製波板を重ね合わせてなる従来の一般的なセパレータを、図８の燃料電池の断面図を参照して説明すると、セパレータ１００は、波部の高さが異なり波部のピッチが同じである金属製波板からなる第１セパレータ１０１と第２セパレータ１０２とを備え、波部の高さが高い第１セパレータ１０１の一方の面に形成される凹部１０１ａに、波部の高さが低い第２セパレータ１０２の一方の面に形成される凸部１０２ａを収容した状態に重ね合わせて構成されている。
【０００４】
そして、このセパレータ１００と、固体高分子電解質膜１１１の両側にアノード電極１１２、カソード電極１１３を有してなる膜電極構造体１１０とを交互に積層し、第１セパレータ１０１の他方の面に形成される凸部１０１ｂがカソード電極１１３に当接し、第２セパレータ１０２の他方の面に形成される凸部１０２ｂがアノード電極１１２に当接するように配置して、燃料電池２００が構成される。
【０００５】
この燃料電池２００では、第１セパレータ１０１の一方の面に形成される凹部１０１ａと第２セパレータ１０２の一方の面に形成される凸部１０２ａとの間に形成される空間が、燃料電池冷却用の冷却液を流通させるための冷却液流路１０３となり、第１セパレータの他方の面に形成される凹部１０１ｃとカソード電極１１３との間に形成される空間が、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路１０４となり、第２セパレータ１０２の他方の面に形成される凹部１０２ｃとアノード電極１１２との間に形成される空間が、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路１０５となっている。また、膜電極構造体１１０を間に挟んで酸化剤ガス流路１０４と燃料ガス流路１０５とが相対して位置するように、隣接する二つのセパレータ１００，１００同士を半ピッチずつずらして配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２２８４８３号公報
【特許文献２】特許第４４７６４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この種の燃料電池では発電に伴って発熱をするため、冷却が極めて重要である。
ところで、燃料ガスとして用いる水素は、分子量も小さく、拡散性が高いので、燃料ガス流路１０５の流路断面積は小さくても構わない。一方、冷却液は、液体であり、粘度も高いので、冷却液流路１０３の流路断面積は大きい方が望ましい。
前記従来のセパレータ１００において、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くすると、燃料ガス流路１０５の流路断面積は小さくなるが、冷却液流路１０３の流路断面積が大きくなるので、冷却性能を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くし過ぎると、第２セパレータ１０２の内面とアノード電極１１２との隙間が狭くなり、アノード電極１１２側の拡散層が変形した場合に燃料ガス流路１０５が閉塞する虞がある。そのため、第２セパレータ１０２の波部の高さを低くするにも限界があり、この手法による冷却効果の向上にも限界がある。
また、単純に、燃料ガス流路１０５の流路断面積を小さくし冷却液流路１０３の流路断面積を大きくすることで冷却能力を高めると、燃料ガス流路１０５が過冷状態となり、アノード側に結露水が発生して燃料ガス流路１０５を閉塞させる虞もある。一般に、燃料電池において発電による発熱は、アノード側よりもカソード側の方が大きいことが知られており、冷却効果の向上を求められているのはカソード側である。
【０００９】
そこで、この発明は、燃料ガス流路の流路断面積を確保し、流路閉塞を防止しつつ、冷却性能の向上を図ることができる燃料電池用セパレータと燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る燃料電池用セパレータでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、波部（例えば、後述する実施例における波部１９，２３）の高さが異なる一対の金属製波板（例えば、後述する実施例における第１セパレータ板１３、第２セパレータ板１５）を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板（例えば、後述する実施例における第１セパレータ板１３）の凹部（例えば、後述する実施例における凹部１９ｂ）に、波部の高さが低い他方の金属製波板（例えば、後述する実施例における第２セパレータ板１５）の凸部（例えば、後述する実施例における凸部２３ａ）を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路（例えば、後述する実施例における冷却液流路２５）を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施例における凹部１９ｂ）で酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施例における酸化剤ガス流路２７）を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施例における凹部２３ｂ）で燃料ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料ガス流路２９）を形成する燃料電池用セパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３）において、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部（例えば、後述する実施例における傾斜部２４ａまたは２４ｂ）のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、他方の傾斜部（例えば、後述する実施例における傾斜部２４ａまたは２４ｂ）は、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に非接触であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の各凹部に、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の複数の凸部を収容したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、波部の高さが低い前記他方の金属製波板は、隣接する二つの凸部間に平坦部（例えば、後述する実施例における平坦部２６）を有することを特徴とする。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜７）をアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極９）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極１１）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５）と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３）とを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１から請求項３に係る発明によれば、燃料ガス流路の高さを流路閉塞が起こらない最低高さ以上に確保しつつ、燃料ガス流路の流路断面積を所望に確保し、且つ、冷却液流路の流路断面積を大きくすることができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池における燃料ガス流路の流路閉塞を防止しつつ、燃料電池における冷却液による冷却性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に係る燃料電池用セパレータおよび燃料電池の実施例１における縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１におけるＡ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図４】図１におけるＢ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図５】図１におけるＣ方向から見た第２セパレータ板の正面図である。
【図６】図１におけるＤ方向から見た膜電極構造体の正面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池用セパレータおよび燃料電池の実施例２における要部拡大断面図である。
【図８】従来の金属製波板で構成された燃料電池用セパレータと、それを用いた燃料電池の一例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。
初めに、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の実施例１を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池１の縦断面図であり、燃料電池１は、燃料電池用セパレータ（以下、セパレータという）３と膜電極構造体５とが交互に積層して構成されている。
【００１７】
膜電極構造体５は、固体高分子電解質膜７と、この固体高分子電解質膜７を間に挟んで配設されたアノード電極９とカソード電極１１とから構成されている。なお、固体高分子電解質膜７は例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーで構成されており、アノード電極９およびカソード電極１１はＰｔを主体とする触媒により構成されている。固体高分子電解質膜７には、これを挟んで配設されるアノード電極９およびカソード電極１１の外周から外方へ張り出す延長部７ａが設けられている。
【００１８】
セパレータ３は、板厚０．１〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス成形されてなる第１セパレータ板（金属製波板）１３と第２セパレータ板（金属製波板）１５とを重ね合わせて構成されている。図３は第１セパレータ板１３を図１においてＡ方向から見た全体正面図であり、図４は第１セパレータ板１３を図１においてＢ方向から見た全体正面図であり、図５は第２セパレータ板１５を図１においてＣ方向から見た全体正面図である。なお、以下の説明では、図３から図５において図中左右方向を水平方向、図中上下方向を垂直方向とする。
【００１９】
第１セパレータ板１３の中央部には波板部１７が設けられており、この波板部１７には、一定の高さｈ1を有して水平方向に延びる波部１９が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。第２セパレータ板１５の中央部にも波板部２１が設けられており、波板部２１には、一定の高さｈ2を有して水平方向に延びる波部２３が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。なお、ピッチとは波の頂部から隣の頂部までの距離をいう。この実施例では、第１セパレータ板１３の波部１９および第２セパレータ板１５の波部２３は、いずれも断面略三角波形状をなし、波形の頂部には滑らかなアールが形成されている。
第２セパレータ板１５の波部２３のピッチは、第１セパレータ板１３の波部１９のピッチの半分に設定されており、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1は、第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高く設定されている（ｈ1＞ｈ2）。
【００２０】
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５において隣り合う二つの波部２３の凸部２３ａが収容され、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂにはその一つおきに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層され、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は重ね合わされ一体化されている。このように重ね合わせることにより、図２に示すように、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうちいずれか一方の傾斜部だけを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、他方の傾斜部は第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触な状態に配置されることとなる。
【００２１】
また、このように重ね合わせる結果、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂと第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａとの間に空間が形成され、この空間が、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却液を流通させるための冷却液流路２５とされる。
【００２２】
第１セパレータ板１３の波板部１７および第２セパレータ板１５の波板部２１は、膜電極構造体５のアノード電極９およびカソード電極１１に対向配置される範囲に形成されている。
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凸部１９ａにおいてカソード電極１１に接近する方向に突出する凸部１９ａがカソード電極１１に密接し、第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａにおいてアノード電極９に接近する方向に突出する凸部２３ａがアノード電極９に密接するように配置されている。
さらに、膜電極構造体５を間に挟んで両側に配置されたセパレータ３，３はいずれも同位相に配置されている。
【００２３】
そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂとカソード電極１１との間に形成される空間は、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２７とされ、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂとアノード電極９との間に形成される空間は、水素含有ガス等の燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２９とされる。換言すると、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５を重ね合わせてなるセパレータ３の両外側の凹部のうちの一方の側の凹部１９ｂで酸化剤ガス流路２７を形成し、他方の側の凹部２３ｂで燃料ガス流路２９を形成することになる。
なお、第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2は、アノード電極９側の拡散層が変形した場合にも燃料ガス流路２９が閉塞されない高さに設定されている。
【００２４】
また、膜電極構造体５とその両側のセパレータ３，３とを前述の如く配置する結果、膜電極構造体５を挟んで酸化剤ガス流路２７と燃料ガス流路２９とが対向して配置されることになる。
ところで、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1が第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高いため、酸化剤ガス流路２７の流路断面積の方が燃料ガス流路２９の流路断面積よりも大きくなる。これは、この実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いており、空気の場合には、例えば純水素を用いた燃料ガスよりも多く流す必要があることによる。
【００２５】
第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５において波板部１７，２１よりも垂直方向外側に位置する端部には、図１に示すように、互いに面接触する平面部３１，３３が設けられており、第１セパレータ板１３の平面部３１と膜電極構造体５における固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間にシール材３５が挟装され、第２セパレータ板１５の平面部３３と延長部７ａとの間にシール材３７が挟装されている。これにより、各膜電極構造体５はその両側から一対のセパレータ３によって水密状態に挟持されることになる。
【００２６】
また、第１セパレータ板１３において平面部３１よりも外側と、第２セパレータ板１５において平面部３３よりも外側との間にはシール材３６が挟装されており、このシール材３６によって第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間も水密にシールされている。なお、シール材３６は第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の外周縁部を一周するように設けられている。
なお、１つのセパレータ３において第１セパレータ板１３の平面部３１と第２セパレータ板１５の平面部３３を、溶接またはロウ付け等のシール性を有する接合手段によって接合することにより、前記シール材３６を不要にし部品点数の削減を図ることも可能である。
【００２７】
図３および図４に示すように、第１セパレータ板１３において波板部１７よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部３９と右平坦部４１になっており、図５に示すように、第２セパレータ板１５において波板部２１よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部４３と右平坦部４５になっていて、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３が所定寸法の隙間を有して対向配置され、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５が所定寸法の隙間を有して対向配置されている。なお、図３では第１セパレータ板１３の左平坦部３９が図中左側に位置し右平坦部４１が図中右側に位置しており、図４では左平坦部３９が図中右側に位置し右平坦部４１が図中左側に位置しているのは、図３と図４は第１セパレータ板１３の表裏の関係にあるからである。また、図５において第２セパレータ板１５の左平坦部４３が図中右側に位置し右平坦部４５が図中左側に位置しているのも、図５が図３とは逆の方向から見ているからである。
【００２８】
そして、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３の外周縁部が前記したシール材３６によってシールされているので、両左平坦部３９，４３は袋状に連結されていることになる。同様に、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５の外周縁部も前記シール材３６によってシールされているので、両右平坦部４１，４５は袋状に連結されていることになる。
【００２９】
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の上部には燃料ガスを流通させるための入口側燃料ガス連通孔４７ａが設けられ、右平坦部４１の上部には酸化剤ガスを流通させるための入口側酸化剤ガス連通孔４９ａが設けられ、右平坦部４１の下部には燃料ガスを流通させるための出口側燃料ガス連通孔４７ｂが設けられ、左平坦部３９の下部には酸化剤ガスを流通させるための出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂが設けられている。したがって、入口側燃料ガス連通孔４７ａと出口側燃料ガス連通孔４７ｂは対角位置に位置しており、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａと出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂは対角位置に位置している。
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の略中央部には冷却液を流通させるための入口側冷却液連通孔５１ａが設けられ、右平坦部４１の略中央部には使用後の前記冷却液を流通させるための出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３０】
また、図５に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３および右平坦部４５にも、第１セパレータ板１３と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却液連通孔５１ａ、出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３１】
一方、図６に示すように、膜電極構造体５の固体高分子電解質膜７は、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の左右平坦部３９，４１，４３，４５にほぼ対応する部位に、アノード電極９およびカソード電極１１よりも水平方向外側に張り出す延長部１０，１２を有しており、この延長部１０，１２に、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却液連通孔５１ａ、出口側冷却液連通孔５１ｂが設けられている。
【００３２】
第１セパレータ板１３の平面部３１と固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間に挟装された前記シール材３５は、図３に示すように、第１セパレータ板１３の左平坦部３９において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４１において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一周する部位であって波板部１７に近い側においては、図示するように、シール材３５は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３５が設けられていない部分が酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路５３ａ，５３ｂにされている。
【００３３】
また、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５が配置される面には、入口側冷却液連通孔５１ａおよび出口側冷却液連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５５が配置されている。このシール材５５は第１セパレータ板１３の左右平坦部３９，４１と固体高分子電解質膜７の延長部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
【００３４】
一方、第２セパレータ板１５の平面部３３と固体高分子電解質膜７の延長部７ａとの間に挟装された前記シール材３７は、図５に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４５において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一周する部位であって波板部２１に近い側においては、図示するように、シール材３７は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３７が設けられていない部分が燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路５７ａ，５７ｂにされている。
【００３５】
また、第２セパレータ板１５における左右平坦部４３，４５であってシール材３７が配置される面には、入口側冷却液連通孔５１ａおよび出口側冷却液連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５９が配置されている。このシール材５９は第２セパレータ板１５の左右平坦部４３，４５と固体高分子電解質膜７の延長部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
なお、シール材３５とシール材３７、および、シール材５５とシール材５９は固体高分子電解質膜７を挟んで対向して配置されており、これによって、第１セパレータ板１３と固体高分子電解質膜７との間がシール材３５およびシール材５５によって水密にシールされ、第２セパレータ板１５と固体高分子電解質膜７との間がシール材３７およびシール材５９によって水密にシールされるようになっている。
【００３６】
図４に示すように、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５，５５が配置されない面（換言すれば、第１セパレータ板１３が第２セパレータ板１５に対向する側の面）には、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂをそれぞれ一周するシール材６１，６２，６３，６４が設けられている。これらシール材６１〜６４は１つのセパレータ３における第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間に挟装されて両者を水密にシールしている。第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は左平坦部３９，４３の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、右平坦部４１，４５の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、それぞれ袋状の内部を冷却液流路６７ａ，６７ｂにするのであるが、シール材６１は冷却液流路６７ａから水密に離隔して入口側燃料ガス流路７１を形成するためのものであり、シール材６２は冷却液流路６７ｂから水密に離隔して出口側燃料ガス流路７３を形成するためのものであり、シール材６３は冷却液流路６７ｂから水密に離隔して入口側酸化剤ガス流路７５を形成するためのものであり、シール材６４は冷却液流路６７ａから水密に離隔して出口側酸化剤ガス流路７７を形成するためのものである。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池１においては、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側燃料ガス連通孔４７ａを一直線上に接続してなる入口側燃料ガス流路７１と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側燃料ガス連通孔４７ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一直線上に接続してなる出口側燃料ガス流路７３と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａを一直線上に接続してなる入口側酸化剤ガス流路７５と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一直線上に接続してなる出口側酸化剤ガス流路７７と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側冷却液連通孔５１ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側冷却液連通孔５１ａを一直線上に接続してなる入口側冷却液流路７９と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側冷却液連通孔５１ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側冷却液連通孔５１ｂを一直線上に接続してなる出口側冷却液流路８１と、を備えることになる。
【００３８】
この燃料電池１においては、１つの膜電極構造体５と、その両側に配置された一対のセパレータ３，３のうち前記膜電極構造体５のカソード電極１１に対向配置された１つの第１セパレータ板１３と、前記膜電極構造体５のアノード電極９に対向配置された１つの第２セパレータ板１５とによって単位燃料電池８３が構成される。
【００３９】
次に、単位燃料電池８３の動作について以下に説明する。
単位燃料電池８３には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスまたは純水素が供給されるとともに酸化剤ガスとして酸素含有ガス（以下、例えば空気）が供給され、さらに、その発電面を冷却するために、冷却液が供給される。
燃料ガスは、入口側燃料ガス流路７１に供給され、入口側燃料ガス連通孔４７ａから燃料ガス流路５７ａを通って、各燃料ガス流路２９へと移動する。各燃料ガス流路２９に供給された燃料ガスは、アノード電極９に沿って水平方向に移動し、その際に、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極９に供給される。そして、未使用の燃料ガスは燃料ガス流路２９を移動しながらアノード電極９に供給されるとともに、燃料ガス流路２９の終端から第２セパレータ板１５の右平坦部４５と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに燃料ガス流路５７ｂを通って、出口側燃料ガス連通孔４７ｂから出口側燃料ガス流路７３に排出される。
【００４０】
また、空気は、入口側酸化剤ガス流路７５に供給され、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａから酸化剤ガス流路５３ａを通って、各酸化剤ガス流路２７へと移動する。そして、各酸化剤ガス流路２７に供給された空気は、カソード電極１１に沿って水平方向に移動し、その際に、空気中の酸素ガスがカソード電極１１に供給される。そして、未使用の空気は酸化剤ガス流路２７を移動しながらカソード電極１１に供給されるとともに、酸化剤ガス流路２７の終端から第１セパレータ板１３の左平坦部３９と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに酸化剤ガス流路５３ｂを通って、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂから出口側酸化剤ガス流路７７に排出される。これにより、単位燃料電池８３で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００４１】
さらにまた、冷却液は、入口側冷却液流路７９に供給され、入口側冷却液連通孔５１ａから冷却液流路６７ａに移動し、ここから各冷却液流路２５へと供給される。冷却液流路２５に供給された冷却液は冷却液流路２５を水平方向に移動する間に発電面を冷却し、冷却後の冷却液は冷却液流路２５の終端から冷却液流路６７ｂに移動し、さらに出口側冷却液連通孔５１ｂから出口側冷却液流路８１に排出される。
【００４２】
以上のように構成されたセパレータ３においては、燃料ガス流路２９の高さを流路閉塞が起こらない最低高さ以上に確保しつつ、燃料ガス流路２９の流路断面積を比較的に大きく確保することができ、しかも、冷却液流路２５の流路断面積を大きくすることができる。
このように、燃料ガス流路２９の流路断面積を大きく確保することができるので発電性能を高めることができる。
【００４３】
また、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうちいずれか一方の傾斜部を、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させているので、前記一方の傾斜部は冷却液流路２５に接していない。換言すると、燃料ガス流路２９は前記一方の傾斜部が存在する部分では燃料ガス流路２９と冷却液流路２５とが対向していない。したがって、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂが両方とも冷却液流路２５に接触させた場合に比較して、燃料ガス流路２９を流通する燃料ガスに対する冷却を抑制することができる。これにより、燃料ガス流路２９内での結露水の発生を抑制することができ、結露水による燃料ガス流路２９の流路閉塞を防止することができる。
一方、酸化剤ガス流路２７と冷却液流路２５は第１セパレータ板１３を介して十分に大きな面積を確保して対向しているので、酸化剤ガス流路２７を流通する酸化剤ガスに対する冷却能力を十分に大きくすることができる。その結果、燃料電池１における冷却液による冷却性能を向上することができる。
【００４４】
また、図１および図２から明らかなように、全てのセパレータ３を同位相で配置することができるので、セパレータ３が一種類で済み、管理が容易になり、またコストダウンを図ることができる。
【００４５】
また、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層されているので、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の接触面積を大きくすることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
【００４６】
図７は、実施例２におけるセパレータ３の図面である。
この実施例２におけるセパレータ３においては、第１セパレータ板１３は前述した実施例１のものと同じであるが、第２セパレータ板１５が前述した実施例１のものと異なる。以下、実施例１との相違点を説明し、実施例１と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４７】
この実施例２のセパレータ３では、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａが一つだけ収容されており、第２セパレータ板１５は隣り合う二つの波部２３，２３が平面状の平坦部２６によって接続されて構成されている。そして、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂに第１セパレータ板１３の波部１９における凸部１９ｂの先部が密接して積層され、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａは、凸部２３ａの頂部に連なる両側の傾斜部２４ａ，２４ｂのうち一方の傾斜部２４ａだけを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、他方の傾斜部２４ｂは第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触な状態に配置されている。また、膜電極構造体５を介して隣り合う第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５においては、第１セパレータ板１３の凸部１９ａの頂部は膜電極構造体５を介して第２セパレータ板１５の平坦部２６に対向している。
【００４８】
このように構成された実施例２のセパレータ３では、燃料ガス流路２９の数が前述した実施例１のセパレータ３に比べて半減するが、その分、冷却液流路２５の流路断面積を増大させることができるので、酸化剤ガス流路２７を流通する酸化剤ガスに対する冷却能力をさらに大きくすることができる。
【００４９】
また、この実施例２においても、第２セパレータ板１５の各波部２３の凸部２３ａにおいて一方の傾斜部２４ａを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させており、この傾斜部２４ａを冷却液流路２５に接触させていないので、燃料ガス流路２９を流通する燃料ガスに対する冷却を抑制することができる。その結果、燃料ガス流路２９内での結露水の発生を抑制することができ、結露水による燃料ガス流路２９の流路閉塞を防止することができる。
【００５０】
また、この実施例２においても、図７から明らかなように、全てのセパレータ３を同位相で配置することができるので、セパレータ３が一種類で済み、管理が容易になり、またコストダウンを図ることができる。
【００５１】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、前述した実施例１では、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに、第２セパレータ板１５において隣り合う二つの波部２３の凸部２３ａを収容したが、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに収容する第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａの数は三つ以上であってもよい。その場合には、第１セパレータ板１３の波部１９の各凹部１９ｂに収容された第２セパレータ板１５の三つ以上の凸部２３ａのうち、最外側に配置された凸部２３ａの各一方の傾斜部のみを第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに接触させ、最外側に配置される以外の凸部２３ａは両方の傾斜部２４ａ，２４ｂが第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに非接触となる。
【００５２】
また、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の波部１９，２３の断面形状は実施例のものに限られるものではなく、矩形波状や正弦波状であってもよい。
さらに、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の材質はステンレス鋼に限るものではなく、防食性を有する他の金属で構成してもよいし、あるいは、導電性に優れた防錆被膜で被覆された金属板で構成してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料電池
３ 燃料電池用セパレータ
５ 膜電極構造体
７ 固体高分子電解質膜
９ アノード電極
１１ カソード電極
１３ 第１セパレータ板（一方の金属製波板）
１５ 第２セパレータ板（他方の金属製波板）
１９ 波部
１９ｂ 凹部
２３ 波部
２３ａ 凸部
２４ａ，２４ｂ 傾斜部
２５ 冷却液流路
２６ 平坦部
２７ 酸化剤ガス流路
２９ 燃料ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波部の高さが異なる一対の金属製波板を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、他方の傾斜部は、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に非接触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】
波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の各凹部に、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の複数の凸部を収容した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】
波部の高さが低い前記他方の金属製波板は、隣接する二つの凸部間に平坦部を有す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４】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成された電極膜構造体と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータとを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
波部の高さが異なる一対の金属製波板を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、他方の傾斜部は、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に非接触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】
波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の各凹部に、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の複数の凸部を収容した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】
波部の高さが低い前記他方の金属製波板は、隣接する二つの凸部間に平坦部を有す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４】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成された電極膜構造体と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータとを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２５６４７９（Ｐ２０１２−２５６４７９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８２０３（Ｐ２０１１−１２８２０３）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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