JP2010055770A - 燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でセパレータによる燃料電池の流体の配流性を向上するとともに、流体のシール性を向上できる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池用のセパレータ２００は、２枚のプレート２１０，２２０と、中間プレート２３０とを備える。中間プレート２３０には、酸素のための流路と冷媒のための流路とが設けられている。また、アノードプレート２２０の外表面には、プレス加工により形成された２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂ及びディンプル２２６により水素のための流路が形成されている。直線流路溝２２１ａ，２２１ｂはそれぞれ、発電領域ＥＡの上流側と下流側とに設けられており、発電領域ＥＡにおいて水素が流れる方向と交わる方向に沿って直線状に延びている。
【選択図】図８

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備え、膜電極接合体は、セパレータによって挟持される。セパレータは、導電性を有する板状部材で構成され、反応ガスや冷媒のための流体流路を有する（特許文献１等）。

特開平７−２６３００３号公報 特開２００６−３１８８６３号公報 特開２００６−２３６５９７号公報

セパレータにおいては、流体流路によって、発電に供される発電領域における反応ガスや冷媒の配流性が向上されることが望まれるとともに、流体流路における流体のシール性が確保されることが望まれている。一方、燃料電池は、車両などの限られた空間に設置するために小型化・軽量化されることが要求されていうため、セパレータも、その構成がより簡易化され、小型化・軽量化されることが好ましい。しかし、これまでこうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、簡易な構成でセパレータによる燃料電池の流体の配流性を向上するとともに、流体のシール性を向上できる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池の発電体を挟持するための燃料電池用セパレータであって、２枚のプレートと、前記２枚のプレートに挟持される中間層形成部材とを備え、前記中間層形成部材には、少なくとも冷媒のための中間層流路が設けられ、前記２枚のプレートのうち少なくとも一方のプレートの外表面には、凹部として形成された反応ガスのためのプレート表面流路が設けられ、前記プレート表面流路は、前記発電体の発電部における前記反応ガスための流路である発電部ガス流路に接続するとともに、前記発電部ガス流路における前記反応ガスの流れ方向と交わる方向に沿って直線状に延びる直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、直線流路溝によって直線流路溝が延びる方向に渡る反応ガスの配流性を向上するとともに、中間層流路とプレート表面流路との間のシール性を向上できる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池用セパレータであって、前記直線流路溝は、前記プレートをプレス加工することにより前記中間層形成部材側に突出させて形成されている、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、直線流路溝をプレス加工により容易に形成することが可能である。

［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池用セパレータであって、前記反応ガスは、燃料ガスを含み、前記直線流路溝は、前記燃料ガスのための燃料ガス用直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、燃料電池における燃料ガスの配流性及びシール性を容易に向上させることができる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、前記直線流路溝は、前記発電部ガス流路の上流側に設けられた前記反応ガスの供給のための供給用直線流路溝と、前記発電部ガス流路の下流側に設けられた前記反応ガスの排出のための排出用直線流路溝とを含み、前記プレート表面流路は、前記供給用直線流路溝と前記排出用直線流路溝との間において、前記中間層流路側に突出するように設けられた発電部プレート表面流路を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、供給用及び排出用の直線流路溝により、直線流路溝の流路方向に渡る反応ガスの配流性を向上できる。また、発電部プレート表面流路により、発電部における反応ガスの配流性が向上する。さらに、発電部プレート表面流路を、中間層流路側へ突出させて中間層流路の一部を構成させることにより、中間層流路における流体の配流性を向上させることができる。

［適用例５］
適用例４記載の燃料電池用セパレータであって、前記発電部プレート表面流路は、ディンプル形状である、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、ディンプルの配置構成により、より容易に流体の配流性を向上することができる。

［適用例６］
燃料電池であって、適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備える、燃料電池。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１０００は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池１０００は、複数の膜電極接合体１００と、セパレータ２００とが交互に積層されたスタック構造を有する。セパレータ２００は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０と、２つのプレート２１０，２２０に挟持される中間プレート２３０とで構成される。膜電極接合体１００及びセパレータ２００の積層体は、その積層方向から２枚のエンドプレート４０１，４０２によって挟持され、締結部材４０３によって２枚のエンドプレート４０１，４０２を介して積層方向に荷重を受けて締結される。

図２（Ａ）は、膜電極接合体１００の構成を示す概略図であり、カソード側の面を示している。なお、膜電極接合体１００のアノード側の面の構成はカソード側の面と同様であるため、図示及び説明は省略する。膜電極接合体１００は、略長変形の部材であり、発電に供される発電部１１０と発電部１１０の外周に成形された流体の漏洩を防止するためのシールガスケット１２０とを有する。

シールガスケット１２０には、反応ガス及び冷媒のための８個のマニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６が貫通孔として設けられている。具体的には以下の構成となる。水素供給用のマニホールド孔Ｍ１と水素排出用のマニホールド孔Ｍ２とはそれぞれ、発電部１１０を挟んで膜電極接合体１００の対角する位置に設けられている。冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５と冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６とはそれぞれ、発電部１１０を挟んで対向する各短辺に沿って設けられている。また、２つの酸素供給用マニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂと、２つの酸素排出用マニホールド孔Ｍ４ａ，Ｍ４ｂとは、発電部１１０を挟んで対向する各長辺に沿って２つずつ並列に設けられている。なお、水素供給用のマニホールド孔Ｍ１と酸素排出用のマニホールド孔Ｍ４ａ，Ｍ４ｂとが同じ長辺の側に設けられており、水素排出用のマニホールド孔Ｍ２と酸素供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂとが同じ長辺の側に設けられている。

さらに、シールガスケット１２０の外表面には、流体の漏洩を防止するためのシールラインＳＬ（図中に二条線で図示）が設けられている。具体的には、シールラインＳＬは、各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６と発電部１１０とを囲むように設けられている。なお、各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６及びシールラインＳＬの構成は他の構成であっても良い。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における膜電極接合体１００の断面図である。発電部１１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である電解質膜１０を有する。電解質膜１０の外表面にはそれぞれ電極２１，２２（カソード２１及びアノード２２）が配置されている。各電極２１，２２の電解質膜１０と接する面側には燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金）が担持された触媒層（図示せず）が形成されている。一方、各電極２１，２２の電解質膜１０と接しない面側には、反応ガスを電極面の全体に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）が形成されている。２つの電極２１，２２は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。

電解質膜１０の外周端部１０ｅは、２つの電極２１，２２の外周端部２１ｅ，２２ｅより突出しており、シールガスケット１２０は、各外周端部１０ｅ，２１ｅ，２２ｅを被覆するように成形されている。この構成により、電極端部２１ｅ，２２ｅにおいて、反応ガスが供給された電極とは反対側の電極へと燃料電池反応に供されることなく移動してしまうクロスリークの発生が抑制される。なお、シールガスケット１２０の外表面に設けられたシールラインＳＬは、シールガスケット１２０の外表面の突起部１２１（リップ１２１）として形成されている。

図３（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２００のカソードプレート２１０の構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、アノードプレート２２０と接する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示しており、図３（Ｂ）は、膜電極接合体１００のカソード２１と対向する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）を示している。なお、図３（Ａ），（Ｂ）には、燃料電池１０００を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１００の発電部１１０（図２（Ａ））と重なる領域を一点破線で図示してある。以後、この領域を「発電領域ＥＡ」と呼ぶ。また、図３（Ｂ）には、燃料電池１０００として組み付けられたときに、カソード面上に形成されるシールラインＳＬを破線で図示してある。

カソードプレート２１０は、膜電極接合体１００とほぼ同サイズの略長辺形の導電性を有する板状部材である。カソードプレート２１０は、例えば金属薄板によって構成できる。カソードプレート２１０には、膜電極接合体１００と同様にマニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６が形成されている。

カソードプレート２１０の酸素用の各マニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂの近傍には、複数の貫通孔が一列に配列された２つの貫通孔列Ｐ１，Ｐ２が設けられている。第１の貫通孔列Ｐ１は、酸素供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂと発電領域ＥＡとの間に設けられており、第２の貫通孔列Ｐ２は、酸素排出用のマニホールド孔Ｍ４ａ，Ｍ４ｂと発電領域ＥＡとの間に設けられている。なお、各貫通孔列Ｐ１，Ｐ２は、燃料電池１０００として組み付けられたときに、膜電極接合体１００のシールガスケット１２０に設けられたシールラインＳＬによって囲まれる領域であって、発電部１１０が配置される領域と同じ領域内に配置される。

図４は、セパレータ２００のアノードプレート２２０の構成を示す概略図である。図４（Ａ）は、膜電極接合体１００のアノード２２と対向する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示しており、図４（Ｂ）は、カソードプレート２１０と接する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）を示している。図４（Ａ），（Ｂ）は、貫通孔列Ｐ１，Ｐ２に換えて２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂが設けられている点と、発電領域ＥＡ内にディンプル２２６が設けられている点以外は図３（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。なお、図４（Ａ），（Ｂ）には、燃料電池１０００を積層方向に沿って見たときにカソードプレート２１０の貫通孔列Ｐ１，Ｐ２と重なる領域（以後、「貫通孔列Ｐ１，Ｐ２の形成領域」と呼ぶ）を破線で図示してある。また、図４（Ｂ）には、燃料電池１０００として組み付けられたときに、アノード面上に形成されるシールラインＳＬを破線で図示してある。

２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂは、アノードプレート２２０をプレス加工によってカソード面側に突出させることにより設けられた直線上の溝である。第１の直線流路溝２２１ａは、第１の貫通孔列Ｐ１よりプレート中央側において発電領域ＥＡの長辺方向に渡って延びており、その一端が水素供給用マニホールド孔Ｍ１と連結している。一方、第２の直線流路溝２２１ｂは、第２の貫通孔列Ｐ２よりプレート中央側において発電領域ＥＡの長辺方向に渡って延びており、その一端が水素排出用マニホールド孔Ｍ２と連結している。

２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの間には、ディンプル２２６が、２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂと同様に、アノードプレート２２０をプレス加工によってカソード面側に突出させることにより設けられている。ここで、本明細書中では、基準となる平面に連続して配列された複数の凸部又は凹部を「ディンプル」と呼ぶ。特に、凸部により構成されるディンプルを「凸ディンプル」と呼び、凹部により構成されるディンプルを「凹ディンプル」と呼ぶ。即ち、ディンプル２２６は、アノード面側から見たときには（図４（Ａ））、凹ディンプルを構成し、カソード面側から見たときには（図４（Ｂ））、凸ディンプルを構成する。なお、図４（Ａ），（Ｂ）では、ディンプル２２６は、アノードプレート２２０の面に対して垂直な方向から見たときに略円形状を有する複数の凸部（凹部）を発電領域ＥＡ内において四方に略等間隔に配列することにより形成されている。

図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示すＣ−Ｃ切断におけるアノードプレート２２０の断面を示す概略図である。図４（Ｃ）には、セパレータ２００を構成したときに配置されるカソードプレート２１０を破線で図示してある。このように、ディンプル２２６の各凹部の底面と２つの流路溝２２１ａ，２２１ｂの底面とはカソードプレート２１０のアノード面と直接的に接する。

図５は、中間プレート２３０の構成を示す概略図である。図５は、アノードプレート２２０と当接する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示している。図５には、セパレータ２００を構成したときに、カソードプレート２１０の貫通孔列Ｐ１，Ｐ２及びアノードプレート２２０のディンプル２２６が配置される領域を破線で図示してある。なお、中間プレート２３０のカソードプレート２１０と当接する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）の構成は、アノード面と同様であるため、図示及び説明は省略する。

中間プレート２３０は、上述の２つのプレート２１０，２２０とほぼ同サイズを有する略長辺形の樹脂部材であり、２つのプレート２１０，２２０と同様に各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６が設けられている。中間プレート２３０は、例えばラミネートフィルムによって構成することができる。なお、中間プレート２３０は、樹脂部材以外の部材、例えば、金属薄板によって構成することもできる。

中間プレート２３０には、酸素用の各マニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂから発電領域ＥＡに向かって延びる複数の並列な櫛歯状の貫通溝である酸素用連結流路２３１ａ，２３１ｂが設けられている。酸素用連結流路２３１ａは、セパレータ２００を構成したときに、カソードプレート２１０に設けられた貫通孔列Ｐ１の各貫通孔と連結して酸素の供給用流路を構成する。酸素用連結流路２３１ｂは、セパレータ２００を構成したときに、カソードプレート２１０に設けられた貫通孔列Ｐ２の各貫通孔と連結して酸素の排出用流路を構成する。

また、中間プレート２３０には、セパレータ２００を構成したときに、アノードプレート２２０の２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂをそれぞれ収容するための貫通溝２３３ａ，２３３ｂが設けられている。以後、この貫通溝２３３ａ，２３３ｂを「水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂ」と呼ぶ。さらに、中間プレート２３０には、冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５と冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６とを連結する貫通窓部２３５が形成されている。貫通窓部２３５は、セパレータ２００を構成したときにアノードプレート２２０のディンプル２２６が収容される。

図６は、燃料電池１０００の組み付け工程を示す模式図である。図６には、各プレート２１０，２２０，２３０と、膜電極接合体１００と、ガス流路部材５００のそれぞれについて、図５に示すＡ−Ａ切断に相当する切断面における概略断面図が示されている。

カソードプレート２１０及びアノードプレート２２０によって中間プレート２３０が挟持されてセパレータ２００が構成される。このとき、アノードプレート２２０の２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂは中間プレート２３０の水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂに嵌合し、アノードプレート２２０の凸ディンプル２２６は、中間プレート２３０の貫通窓部２３５に収容される。

また、膜電極接合体１００は、セパレータ２００によって挟持されるが、この際に、各電極２１，２２とセパレータ２００との間には、ガス流路部材５００が配置される。このガス流路部材５００は、発電領域ＥＡに供給された反応ガスを各電極２１，２２の全面に行き渡らせるためのガス流路として機能する部材である。ガス流路部材５００は、導電性を有しており、カソード２１とカソードプレート２１０との間の導電パスとしても機能する。ガス流路部材５００は、焼結金属などの導電性多孔質部材によって構成することもできるし、例えば、いわゆるメッシュやエキスパンドメタル、パンチングメタルなどの金属加工部材によって構成することもできる。

図７（Ａ）は、図５に示すＡ−Ａ切断に相当する切断面における燃料電池１０００の一部概略断面図を示しており、酸素の流れを矢印で示してある。酸素供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ，Ｍ３ｂから供給された酸素の一部は、中間プレート２３０の酸素用連結流路２３１ａへと流入する。酸素用連結流路２３１ａに流入した酸素は、カソードプレート２１０の貫通孔列Ｐ１の各貫通孔を介して、膜電極接合体１００のカソード側に配置されたガス流路部材５００へと流入する。酸素は、ガス流路部材５００及びカソード２１のガス拡散層（図示せず）によってカソード２１の全面に行き渡り、燃料電池反応に供される。燃料電池反応に供されることのなかった酸素及び燃料電池反応によって生成された水分を含むカソード排ガスは、ガス流路部材５００からカソードプレート２１０の貫通孔列Ｐ２の各貫通孔を介して中間プレート２３０の酸素用連結流路２３１ｂへと流れる。その後、カソード排ガスは、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４ａ，Ｍ４ｂへと流出し、燃料電池１０００の外部へと排出される。

図７（Ｂ）は、図５に示すＢ−Ｂ切断に相当する切断面における燃料電池１０００の一部概略断面図を示している。図７（Ｂ）には、冷媒の流れを矢印で示してある。冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５から供給された冷媒の一部は、中間プレート２３０の貫通窓部２３５へと流入し、発電領域ＥＡへと流れる。冷媒は、発電領域ＥＡにおいて、ディンプル２２６を構成する各凸部の間をすり抜けて、燃料電池反応によって生じた熱を伴って、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと流出し、燃料電池１０００の外部へと排出される。即ち、アノードプレート２２０のディンプル２２６は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０との間のスペーサとして機能するとともに、発電領域ＥＡにおける冷媒の流路として機能する。また、ディンプル２２６は、発電電気の導電パスとしても機能している。

図８（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１０００における水素の流れを説明するための模式図である。図８（Ａ）は、膜電極接合体１００のアノード面側を示す図２（Ａ）と同様な概略図である。図８（Ａ）には、燃料電池１０００の積層方向に沿って見たときに、セパレータ２００の直線流路溝２２１ａ，２２１ｂと重なる領域を破線で示してあり、電極面に沿った方向における水素の流れを矢印で図示してある。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における燃料電池１０００の概略断面図であり、酸素の流れを示す矢印に換えて水素の流れを示す矢印が示されている点以外は、図７（Ａ）とほぼ同じである。

水素供給用のマニホールド孔Ｍ１から供給された水素の一部は、アノードプレート２２０の直線流路溝２２１ａを介してシールラインＳＬを跨いで発電領域ＥＡ（発電部１１０）へと流入する。直線流路溝２２１ａにおいて水素は発電領域ＥＡの長辺方向に渡って行き渡る（図８（Ａ））。直線流路溝２２１ａの水素は、膜電極接合体１００のアノード側に配置されたガス流路部材５００へと流入し、ガス流路部材５００やディンプル２２６、アノード２２のガス拡散層（図示せず）によってアノード２２の全面に行き渡り、燃料電池反応に供される（図８（Ｂ））。燃料電池反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、ガス流路部材５００から排出側の直線流路溝２２１ｂを介して水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池１０００の外部へと排出される。

ここで、通常、発電領域における反応ガスの供給量は、供給用のマニホールド孔に近い領域ほど多くなる傾向にある。しかし、この燃料電池１０００では、発電領域ＥＡの上流側及び下流側にそれぞれ、アノード側の発電部１１０に配置されたガス流路部材５００に接続する２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂが設けられている。２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂはそれぞれ、発電領域の長辺方向（即ち、各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２のそれぞれから、発電領域ＥＡを挟んで対向する側へ向かう方向）に渡って延びており、ガス流路部材５００より流路抵抗が小さい。そのため、水素は、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂにより発電領域ＥＡの長辺方向に行き渡るとともに、ガス流路部材５００及びアノード２２のガス拡散層に流入する。ガス流路部材５００及びアノード２２のガス拡散層においては、水素は全体として、発電領域ＥＡの短辺方向に沿った方向に流れる。即ち、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂによって発電領域ＥＡの長辺方向における水素の流量分布は不均一となることが抑制され、水素の配流性が向上する。なお、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂにおける水素の流れ方向は、発電領域ＥＡにおける水素の全体の流れ方向と交わる方向である。

図９（Ａ）は、図８（Ｂ）の酸素排出用マニホールド孔Ｍ４ａ，Ｍ４ｂの近傍を拡大して示す概略断面図である。図９（Ｂ）は、本発明の比較例としての燃料電池１０００ａを示しており、図９（Ａ）に示される切断部位に相当する比較例の燃料電池１０００ａの切断部位を示す一部概略断面図である。この比較例の燃料電池１０００ａは、アノードプレート２２０ａの構成が異なる点以外は、本実施例の燃料電池１０００と同様である。

比較例のアノードプレート２２０ａには、２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂ（図８（Ｂ））に換えて貫通孔２２２ａ，２２２ｂが設けられている（なお、貫通孔２２２ｂについては図示が省略されている）。このような構成であっても、水素用のマニホールド孔Ｍ１，Ｍ２はそれぞれ、中間プレート２３０の水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂ及びアノードプレート２２０ａの貫通孔２２２ａ，２２２ｂを介して発電領域ＥＡのアノード２２と連通する。従って、本実施例の燃料電池１０００と同様な水素の経路が構成される。

ところで、流体流路が形成されるセパレータでは、一般に、流体に対するシール性が確保されることが好ましい。しかし、比較例の燃料電池１０００ａでは、水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの周辺においては、カソードプレート２１０及びアノードプレート２２０と中間プレート２３０との間の接触面ＣＳにより各流体がシールされているのみである（図９（Ｂ））。一方、本実施例の燃料電池１０００では、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの流路壁が、アノードプレート２２０のプレート面によって構成されている。即ち、本実施例のセパレータ２００の方が、比較例のセパレータ２００ａより、各流体間のシール性が向上している。

また、流体流路を有するセパレータは、一般に、流体の配流性の低下を抑制するために、製造誤差などによる流体流路の変形が抑制されることが好ましい。さらに、セパレータは、燃料電池を小型化・軽量化するために、より簡易な構成で、小型化・軽量化されることが好ましい。

ここで、比較例の燃料電池１０００ａでは、水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂを構成する溝壁面は中間プレート２３０を構成する樹脂部材である（図９（Ｂ））。従って、比較例のセパレータ２００ａにおいて、水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの変形を抑制するためには、水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの溝壁面の厚みＴ１，Ｔ２を増大させることにより、その剛性を増大させることが好ましい。しかし、水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの溝壁面の厚みＴ１，Ｔ２を増大させると、セパレータ２００ａ自体の大型化につながる可能性がある。また、中間プレート２３０を金属などの剛性が高い部材で構成した場合には、セパレータの重量が増加してしまう可能性がある。

一方、本実施例の燃料電池１０００では、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの流路壁面が、アノードプレート２２０のプレート面によって構成されている。従って、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの流路壁面は、比較例の水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの溝壁面より剛性が高く、流体流路の変形がより抑制されている。また、本実施例のセパレータ２００の構成によれば、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの流路壁面の剛性を維持しつつ、比較例より水素流路用貫通溝２３３ａ，２３３ｂの溝壁面の厚みＴ１，Ｔ２を減少させることも可能である。従って、セパレータ２００を比較例のセパレータ２００ａより小型化することが可能であり、これを用いた燃料電池を小型化することが可能となる。

このように、本実施例のセパレータ２００によれば、より簡易な構成で、セパレータによる燃料電池内の流体の配流性を向上させることができるとともに、当該流体に対するシール性を向上することができる。

B．第２実施例：
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施例としてのセパレータ２００Ｂを構成するアノードプレート２２０Ｂの構成を示す概略図である。図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、外周凸部２２８が追加されている点と、外周凸部２２８の追加に伴い外周が拡大している点以外は、図４（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。なお、本実施例のセパレータ２００Ｂを用いた燃料電池の他の構成は第１実施例と同様である（図１）。

外周凸部２２８は、プレス加工によってカソード面側に突出させることによって設けられた凸部である。外周凸部２２８は、アノードプレート２２０Ｂの外周縁部に設けられており、各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６を囲むように周状に形成されている。外周凸部２２８は、他のカソード面側に突出している直線流路溝２２１ａ，２２１ｂ及びディンプル２２６と同程度に突出している。

図１１は、第２実施例のセパレータ２００Ｂを用いた燃料電池１０００Ｂを示す概略図であり、図９（Ａ）と同様な一部概略断面図である。セパレータ２００Ｂのカソードプレート２１０Ｂは、アノードプレート２２０Ｂと同様に外周が拡大されている点以外は、第１実施例のカソードプレート２１０（図３）と同じである。また、セパレータ２００Ｂの中間プレート２３０Ｂは、アノードプレート２２０Ｂの外周凸部２２８の内周に収容されるように、その外周が縮小されている点以外は、第１実施例の中間プレート２３０（図５）と同じである。なお、カソードプレート２１０Ｂとアノードプレート２２０Ｂとは、外周凸部２２８においてロウ付け接合されることにより一体化されることが好ましい。

このように、第２実施例の燃料電池１０００Ｂによれば、セパレータ２００Ｂの外周縁に設けられた外周凸部２２８によって、セパレータ２００Ｂから燃料電池１０００Ｂの外部に流体が漏洩することを抑制できる。また、外周凸部２２８によってアノードプレート２２０Ｂの剛性を向上させることができ、その歪みを抑制できる。従って、アノードプレート２２０Ｂの変形により、燃料電池１０００Ｂにおける流体に対するシール性が低下することを抑制できる。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C1．変形例１：
上記実施例において、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂは、セパレータの長辺方向、即ち、発電領域ＥＡにおける反応ガスの流れ方向に対してほぼ垂直な方向に延びていた。しかし、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂの流路方向は、他の方向であるとしても良く、発電領域ＥＡにおける反応ガスの流れ方向と交わる方向であれば良い。

また、２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂはそれぞれ、発電領域ＥＡの上流側と下流側とに設けられていた。しかし、２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂは少なくともいずれか一方が設けられていれば良い。但し、供給用と排出用の２つの直線流路溝２２１ａ，２２１ｂを両方設けることにより、より流体の配流性を向上させることが可能である。

C2．変形例２：
上記実施例において、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂや、ディンプル２２６により形成されるアノードプレート２２０の外表面に形成される水素流路は、アノードプレート２２０をプレス加工することにより設けられていた。しかし、アノードプレート２２０をプレス加工することなく、アノードプレート２２０の外表面にエッチング加工などを施すことにより、アノードプレート２２０の外表面に水素流路を薄肉溝として形成するものとしても良い。

C3．変形例３：
上記実施例において、アノードプレート２２０，２２０Ｂにはディンプル２２６が設けられていたが、ディンプル２２６は省略されるものとしても良い。この場合には、中間プレート２３０，２３０Ｂの貫通窓部２３５に冷媒流路及び導電パスを構成するための冷媒流路部材が配置されることが好ましい。なお、ディンプル２２６を上記実施例のようにアノードプレート２２０，２２０Ｂに形成すれば、冷媒の配流性を向上させることができ、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。また、カソードプレート２１０，２１０Ｂとアノードプレート２２０，２２０Ｂとの間で直接的に発電電気を導電させることができるためセパレータによる集電効率を向上させることができる。さらに、冷媒流路部材を省略可能であるため、セパレータの軽量化や、その製造コスト増大の抑制が可能である。

なお、ディンプル２２６は、他の配置構成を有する凸部や、他の形状を有する凸部により形成されていても良い。例えば、複数の凸部が千鳥状に配置されていても良いし、凸部が流体の流れ方向に並列に設けられた流路壁（流路溝）として形成されるものとしても良い。上記実施例のセパレータ２００，２００Ｂによれば、ディンプル２２６の形状や配置を変更することにより容易に水素や冷媒の配流性を向上させることが可能である。

C4．変形例４：
上記実施例において、直線流路溝２２１ａ，２２１ｂ及びディンプル２２６はアノードプレート２２０，２２０Ｂに設けられていたが、カソードプレートに設けられるものとしても良い。

C5．変形例５：
上記実施例において、ガス流路部材５００や電極２１，２２におけるガス拡散層は省略されるものとしても良い。この場合には、セパレータ２００のディンプル２２６が形成された部位を電極側に突出させ、電極とディンプル２２６の形成部位とを直接的に接触させて反応ガスのための流路及び発電電気の導電パスを形成するものとしても良い。

C6．変形例６：
上記第２実施例において外周凸部２２８は、周状の凸部として形成されていたが、ディンプルとして形成されるものとしても良い。また、外周凸部２２８は、カソードプレート２１０に設けられるものとしても良い。

第１実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例の膜電極接合体の構成を示す概略図。 第１実施例のカソードプレートの構成を示す概略図。 第１実施例のアノードプレートの構成を示す概略図。 第１実施例の中間プレートの構成を示す概略図。 第１実施例における燃料電池の組み付け工程を示す模式図。 第１実施例の燃料電池内部における酸素及び冷媒の流れを説明するための説明図。 第１実施例の燃料電池内部における水素の流れを説明するための説明図。 第１実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図と比較例の燃料電池の構成を示す概略断面図。 第２実施例のアノードプレートの構成を示す概略図。 第２実施例の燃料電池の構成を示す一部概略断面図。

符号の説明

１０…電解質膜
１０ｅ…外周端部
２１，２２…電極
２１ｅ，２２ｅ…電極端部
１００…膜電極接合体
１１０…発電部
１２０…シールガスケット
１２１…リップ
２００，２００ａ，２００Ｂ…セパレータ
２１０，２１０Ｂ…カソードプレート
２２０，２２０ａ，２２０Ｂ…アノードプレート
２２１ａ，２２１ｂ…直線流路溝
２２２ａ，２２２ｂ…貫通孔
２２６…ディンプル
２２８…外周凸部
２３０，２３０Ｂ…中間プレート
２３１ａ，２３１ｂ…酸素用連結流路
２３３ａ，２３３ｂ…水素流路用貫通溝
２３５…貫通窓部
４０１，４０２…エンドプレート
４０３…締結部材
５００…ガス流路部材
１０００，１０００ａ，１０００Ｂ…燃料電池
ＣＳ…接触面
ＥＡ…発電領域
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５，Ｍ６…マニホールド孔
Ｐ１，Ｐ２…貫通孔列
ＳＬ…シールライン

Claims (6)

1. 燃料電池の発電体を挟持するための燃料電池用セパレータであって、
   ２枚のプレートと、
   前記２枚のプレートに挟持される中間層形成部材とを備え、
   前記中間層形成部材には、少なくとも冷媒のための中間層流路が設けられ、
   前記２枚のプレートのうち少なくとも一方のプレートの外表面には、凹部として形成された反応ガスのためのプレート表面流路が設けられ、
   前記プレート表面流路は、前記発電体の発電部における前記反応ガスための流路である発電部ガス流路に接続するとともに、前記発電部ガス流路における前記反応ガスの流れ方向と交わる方向に沿って直線状に延びる直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記直線流路溝は、前記プレートをプレス加工することにより前記中間層形成部材側に突出させて形成されている、燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記反応ガスは、燃料ガスを含み、
   前記直線流路溝は、前記燃料ガスのための燃料ガス用直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記直線流路溝は、前記発電部ガス流路の上流側に設けられた前記反応ガスの供給のための供給用直線流路溝と、前記発電部ガス流路の下流側に設けられた前記反応ガスの排出のための排出用直線流路溝とを含み、
   前記プレート表面流路は、前記供給用直線流路溝と前記排出用直線流路溝との間において、前記中間層流路側に突出するように設けられた発電部プレート表面流路を含む、燃料電池用セパレータ。
5. 請求項４記載の燃料電池用セパレータであって、前記発電部プレート表面流路は、ディンプル形状である、燃料電池用セパレータ。
6. 燃料電池であって、
   請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備える、燃料電池。

Images