JP4967518B2

JP4967518B2 - 燃料電池セパレータ

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Publication number: JP4967518B2
Application number: JP2006218385A
Authority: JP
Inventors: 貞雄池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2008041617A

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池のセルを形成するセパレータの構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質膜をセパレータで挟んだセル（発電セル）を複数積層することによって構成されている。セパレータには、各反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れる領域を仕切るようにして流路を形成するリブが例えば互いに平行となるように設けられている。

従来、このような燃料電池用のセパレータとして、流路が途中で蛇行するように曲がったいわゆるサーペンタイン流路をもつもの（サーペンタイン型のセパレータ）が知られている。サーペンタイン型の流路としては、例えば略直角の２箇所の折れ曲がりによりＵターンするような流路（Ｕターン部）などにより、途中でガス流を反転させるようにした構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８６１３８号公報

しかしながら、Ｕターン部における反応ガス等の流れがスムーズでないという点で不十分であった。

そこで、本発明は、サーペンタイン型流路のうち特にＵターン部における流体の流れをよりスムーズにすることを可能とする燃料電池セパレータを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。サーペンタイン型の流体流路、特に流れを反転させるためのＵターン部における流れをよりスムーズにするという観点からすれば、流路における圧損（差圧）をより均質化しうる構造に着目した。さらに、Ｕターン部における流れをスムーズとしつつ、より効率的に発電させるという観点からすれば、発電セル面内での発電条件についても均質化することが好ましいと考えた。以上の点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスまたは冷却水を流通させるためのサーペンタイン型の流体流路を備えた燃料電池セパレータにおいて、前記流体流路のうち、前記反応ガスまたは冷却水の流れの向きを変えるためのＵターン部が略一定の曲率をもって連続的に曲がった形状であり、前記流体流路の端部である流体導入端または流体排出端が、隣接する前記Ｕターン部に沿って曲がった配置とされていることを特徴とするものである。

このような構成の燃料電池セパレータの場合、略一定の曲率をもって連続的に曲がった形状のＵターン部が形成されていることから、当該Ｕターン部における流路における圧損（差圧）がより均質化したものとなる。しかも、流体流路の端部である流体導入端または流体排出端（の少なくとも一方）が、隣接するＵターン部に沿って曲がった配置（例示すれば、Ｕターン部の外周の接線上に端部が並ぶような配置など）とされていることから、これら流体導入端や流体排出端と隣接するＵターン部との隙間が減少した構造とすることが可能である。これによれば、各反応ガスの拡散、および当該反応ガスのＭＥＡへの導通についてもより均質化したものとなる。したがって、このような燃料電池セパレータによれば、サーペンタイン型流路のＵターン部における流体の流れをよりスムーズにすることが可能となる。

また、本発明においては、流路端部を、隣接するＵターン部に沿って曲がった配置としていることから、流路とＭＥＡとの接触領域（発電領域）を改善し、セル中における導通性を向上させることが可能である。つまり、流路の端部（流体導入端や流体排出端）が隣接するＵターン部に沿って曲がった配置とはなっていない場合（例えば、流路端部がＵターン部に沿っていない直線形状となっているような場合）には、流路とＭＥＡとの接触領域（あるいは発電領域）が改善され得ないことがある。この点、本発明の場合には、流路端部をＵターン部に沿って曲がった配置としているため、流路とＭＥＡとの接触領域（発電領域）を改善してセル中における導通性を向上させることが可能となっている。

この燃料電池セパレータにおいて、前記サーペンタイン型の流体流路は、互いに独立である複数の流路を有し、各流路の長さが等しくなるように前記流体導入端または流体排出端が設けられていることが好ましい。例えば複数の流路が並行するように形成されている場合、途中で曲率の異なる各流路では途中での圧損が異なりうるが、このように各流路の長さが等しい場合には流路ごとの平均流速がより均一化したものとなる。前記複数の流路は、例えば当該セパレータの面に筋状に形成された複数の凹溝で構成されている。

さらに、前記複数の流路のそれぞれのうち前記Ｕターン部を構成する部分は、同心円に沿って曲がっていることがなお好ましい。各流路の長さが等しく、しかもそれぞれのＵターン部が同心円状に形成されることにより、流路ごとの流体の平均流速がさらに均一化したものとなりうる。これによれば、サーペンタイン型流路のうち特にＵターン部における流体の流れをさらにスムーズなものとすることが可能となる。

また、本発明にかかる燃料電池セパレータの場合、前記Ｕターン部の個数は２個であることが好ましい。現状、セパレータにおいてＵターン部が３個以上形成されていると、これらＵターン部どうしが隣接する箇所が生じ、これらＵターン部に隙間が生じる結果、発電効率などの面で非効率となることがある。この点、一例として車載用の固体高分子形燃料電池などであれば、実用上のサイズや用途などからして、一つのセパレータにはＵターン部が２個形成されていることが好ましい。

さらに、前記流体流路に前記反応ガスを供給し、または前記流体流路から前記反応ガスを排出するためのマニホールドが、当該セパレータの一辺の中央に配置されていることも好ましい。

本発明によれば、燃料電池セパレータにおいて、サーペンタイン型流路のうち特にＵターン部における流体の流れをよりスムーズにすることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図８に本発明にかかる燃料電池セパレータの実施形態を示す。本発明の燃料電池セパレータ２０は、反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）または冷却水を流通させるためのサーペンタイン型の流体流路３４〜３６を備えたものである。本実施形態においては、このような流体流路３４〜３６のうち、反応ガスまたは冷却水の流れの向きを変えるためのＵターン部１０が略一定の曲率をもって連続的に曲がった形状であり、流体流路３４〜３６の端部である流体導入端１９ａまたは流体排出端１９ｂが、隣接するＵターン部１０に沿って曲がった配置となっている。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電セル）２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、燃料電池セパレータ（本明細書では単にセパレータともいう）２０の流体流路３４〜３６等の構成について説明する。なお、図１においてはセパレータ２０に形成されている水素ガスのガス流路３５や冷却水流路３６の詳しい形状について図示を省略し、図３等においてガス流路３５の一例を図示することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。

なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図２においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を有し、当該セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。また、セル積層体３等を積層状態で拘束するテンションプレート９は、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該スタックの両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート９は、各エンドプレート８，８に接続され、セル積層体３の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレート９の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレート９の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。なお、符号１２は、燃料電池スタックに締結力（圧縮荷重）を作用させる例えばコイルスプリング等からなる弾性モジュールを挟持するための一対の板状部材である（図２参照）。

続いて、燃料電池セパレータ（本明細書では単にセパレータともいう）２０の流体流路３４〜３６等の構成について詳細に説明する（図３等参照）。

本実施形態の燃料電池１を構成している各セパレータ２０は、反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）または冷却水を流通させるための流路がいわゆるサーペンタイン型となっているものである。各流体流路（酸化ガスのガス流路３４、水素ガスのガス流路３５、冷却水流路３６）の一端はそれぞれの流体を導入するための流体導入端１９ａであり、他端はそれぞれの流体を排出するための流体排出端１９ｂとなっている。また、本実施形態の場合、酸化ガスのガス流路３４、水素ガスのガス流路３５、冷却水流路３６は、それぞれ、互いに独立した複数の並行する凹溝（流路）によって形成されており、各凹溝は、流体導入端１９ａから流体排出端１９ｂまで連続するように形成されている。

また、本実施形態の場合、各流体流路（酸化ガスのガス流路３４、水素ガスのガス流路３５、冷却水流路３６）において流れを反転させるためのＵターン部１０は、それぞれ２個ずつとなっている（図３等参照）。また、このＵターン部１０においては、各凹溝がそれぞれ略一定の曲率で連続的に曲がった形状に形成されている。つまり、並行する複数の凹溝はこのＵターン部１０においてほぼ同心円状になっており、それぞれの凹溝がおよそ半円ないしはこれに近似した形状に形成されている（図３等参照）。このようにＵターン部１０（またはこれを構成する部分）が同心円状となっている場合、凹溝（流路）ごとの流体の平均速度をより均一化したものとすることが可能である。したがって、サーペンタイン型の流体流路３４（３５，３６）のうち特にＵターン部１０における流体の流れをさらにスムーズなものとすることが可能となる。

さらに、流体流路３４（３５，３６）の流体導入端１９ａおよび流体排出端１９ｂは、上述したＵターン部１０に沿って曲がった配置となっている。Ｕターン部１０に沿って曲がった配置としては種々あるが、例示すれば、本実施形態の場合には、２個あるＵターン部１０のうち、当該流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）に隣接するＵターン部１０の外周接線上に並ぶようにこれら流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）が配置されている（図３参照）。この場合の外周接線は、セパレータ２０の外縁に対して傾斜しているものであり、流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）はこの接線に沿って曲がった配置となっている（図３参照）。こうした場合、流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）と当該Ｕターン部１０との隙間を減少させることが可能である。すなわち、例えば流体流路３４（３５，３６）の端部（流体導入端１９ａや流体排出端１９ｂ）がＵターン部１０とは関係なく直線状に配置されているような場合、当該流体流路３４（３５，３６）とＭＥＡ３０との接触領域（発電領域）に改善の余地が残る場合がある。この点、本実施形態のセパレータ２０においては、上述のように端部（流体導入端１９ａや流体排出端１９ｂ）をＵターン部１０に沿った形とし、流体流路３４（３５、３６）をより密に配置することを可能としているため、当該流体流路３４（３５，３６）とＭＥＡ３０との接触領域（あるいは発電領域）をその分だけ増やしてセル２中における導通性を向上させることが可能である。また、こうすることにより、各反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の拡散、および当該反応ガスのＭＥＡ３０への導通をより均質化させることが可能である。

また、上述した流体導入端１９ａおよび流体排出端１９ｂは、流体流路３４（３５，３６）を構成している各凹溝（各流路）の長さ（凹溝の全長）が等しくなるように設けられている（図３等参照）。本実施形態のように複数の独立した凹溝（流路）が並行するように形成され、尚かつ凹溝によって途中の曲率が異なっている場合、このように各凹溝の長さを揃えることによって凹溝（流路）ごとの流体の平均流速をより均一なものとすることが可能である。

続いて、以下においては具体例を挙げつつセパレータ２０の詳細な構造について説明する（図３〜図８参照）。

図３では、酸化ガスのガス流路３４（ないしは水素ガスのガス流路３５）の側からみたセパレータ２０の構造の一例を示している。図では、凸形状となっている凸リブに符合１８、凹形状となっている凹溝に符合１９を付して表す（図７等参照）。なお、図中にて凸形状部分と凹形状部分とが解りやすく区別できるよう、凸形状部分にハッチングを付している。

このようなセパレータ２０において、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａから流入した酸化ガス（または水素ガスの入口側マニホールド１６ａから流入した水素ガス）は、分配部２１を流れ、酸化ガスのガス流路３４（または水素ガスのガス流路３５）を流れ、さらに反対側の分配部２１を流れ、出口側マニホールド１５ｂ（または出口側マニホールド１６ｂ）から流出する。なお、当該セパレータ２０において酸化ガスと水素ガスのいずれを流すかは、シール部材１３ａ，１３ｂや樹脂フレーム４０の形状によって適宜設定することができる。

分配部２１は、マニホールド１５ａ等とガス流路３４，３５（あるいは冷却水流路３６）との間に形成されているもので、マニホールド１５ａ等から流入した流体をガス流路３４，３５（あるいは冷却水流路３６）を構成する各凹溝１９へと分配し、または各凹溝１９から流れ出た流体を合流させてマニホールド１５ｂ等から流出させる。本実施形態の分配部２１は、セパレータ２０に形成される凸部２２と、当該凸部２２の裏側に形成されるディンプル状の凹部２３とを備えた構造となっている（図３、図８参照）。例えば、図中符合２２ａで示す凸部は冷却水流路３６（あるいは入口側連絡通路６５、出口側連絡通路６６）に向かって突出しているものであり、その裏面側に形成される凹部２３を反応ガス（酸化ガスまたは水素ガス）が流れるようになっている。なお、図中では反応ガスが流れる領域をハッチングを付して示している。また、図中符合２２ｂで示す凸部はガス流路３４またはガス流路３５に向かって突出しているものであり、その裏面側に形成される凹部２３を冷却水が流れるようになっている。なお、図中では冷却水が流れる領域をクロスハッチングを付して示している（図８参照）。なお、上述のようにハッチングおよびクロスハッチングを付している関係上、セパレータ２０の断面にはハッチングを付していない。これら凸部２２は、隣接するセパレータ２０の凸部と互いに接触し合う高さに形成されており、セル積層時、各セパレータ２０に作用する締結荷重を受け持つ働きもする。さらに、分配部２１は、セパレータ２０の厚みの中間ほどに形成された段部２６を備えている（図８参照）。この段部２６の表裏両面には、反応ガスと冷却水の両方が流れうる空間がそれぞれ形成されている。

なお、本実施形態では、冷却水流路３６の最大溝深さＨ_W1（セパレータ２０の全体厚さＨ₀からプレート厚さを引いた値）の値が、段部２６におけるガス流路の溝深さＨ_G2の値よりも大きくなるようにしている（Ｈ_W1＞Ｈ_G2）。また、この段部２６におけるガス流路の溝深さＨ_G2の値については、同じ段部２６における冷却水流路の溝深さＨ_W2の値よりも大きくなるようにしている（Ｈ_G2＞Ｈ_W2）。なお、分配部２１の段部２６におけるガス流路の溝深さＨ_G2の値は、ガス流路３４（３５）を形成する各凹溝１９の溝深さＨ_G1の値よりも小さいものとなっている（図７、図８参照）。

また、上述の分配部２１と、ガス流路３４（３５）の流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）との境界部分は以下のようになっている（図６参照）。上述したように、凹溝１９の流体導入端１９ａ（または流体排出端１９ｂ）は、隣接するＵターン部１０の外周接線上に並ぶように配置されている（図３、図６等参照）。また、凹溝１９の最外周側には、各凹溝１９よりも幅広のガス遮蔽用凸部２７が形成され、さらにその外周側にはこのガス遮蔽用凸部２７に沿った形状の凹溝２４が設けられている。ただし、ガス遮蔽用凸部２７の端部は先細り形状であり、当該先細り部分の幅Ｍ_MBは、冷却水流量が均等になるように、凸リブ１８部分の幅Ｍ_MAよりも僅かに小さくなっている（Ｍ_MA＞Ｍ_MB）。

次に、Ｕターン部１０の構造について示す（図５参照）。例えば本実施形態の場合、Ｕターン部１０における凹溝１９の溝幅Ｍ_KBを、ストレート部（流体流路のうちの直線部分）における凹溝１９の溝幅Ｍ_SBと等しくなるようにしている（Ｍ_KB≒Ｍ_SB）。一方、Ｕターン部１０における凸リブ１８の幅Ｍ_KAについては、ストレート部における凸リブ１８の幅Ｍ_SAよりも幅広となるようにしている（Ｍ_KA＞Ｍ_SA）。これによれば、流体導入端１９ａから流体排出端１９ｂに至るまでの凹溝１９における圧損（差圧）および当該流体の流速を一定にしやすいという利点がある。なお、図５中のＭ_Cはガス遮蔽用凸部２８の幅である。

また、上述したように本実施形態のＵターン部１０においては、並行する複数の凹溝１９がほぼ同心円状に形成されている。このため、本実施形態のセパレータ２０の場合、Ｕターン部１０における各凹溝１９および各凸リブ１８の曲率中心が、例えばガス遮蔽用凸部２８の端部にほぼ一致した形状となっている（図５参照）。

さらに、このガス遮蔽用凸部２８の端部には冷却水を導通させるための冷却水導通部２９が形成されている（図５、図７参照）。すなわち、ガス遮蔽用凸部２８の裏面側は冷却水流路３６の一部であるが、袋小路のようになっていていわば冷却水のデッドエンドとなってしまうので、本実施形態では冷却水導通部２９を形成して冷却水が流れるようにしている。この冷却水導通部２９は冷却水を十分に導通させうるものであればよく、例えば、流路高さＨ_W3（図７参照）が段部２６における冷却水流路高さＨ_W2（図８参照）より低く（Ｈ_W3＜Ｈ_W2）、流路断面が狭くなっているものであっても構わない。本実施形態では、ガス遮蔽用凸部２８の端部から隣の冷却水用凹溝１９へと連通する略扇状のガス遮蔽用凸部２８を形成している（図５参照）。

なお、セル積層体３の断面形状について図４に簡単に示しておく。本実施形態のセパレータ２０は断面が波形状となるようにプレス成形されており、凸リブ１８の裏が凹溝１９となるようにしてガス流路３４（３５）と冷却水流路３６とが表裏一体とに形成されている。このようなセパレータ２０表裏を流れる流体は、例えばセパレータ２０どうしが向かい合わせになる面においては冷却水であり、ＭＥＡ３０と向かい合わせになる面においては反応ガス（酸化ガスまたは水素ガス）である。

ここまで説明したように、本実施形態のセパレータ（燃料電池セパレータ）２０は、流体流路３４〜３６の端部である流体導入端１９ａと流体排出端１９ｂが隣接するＵターン部１０に沿って曲がった配置となっており、特にガス流路３４，３５とＭＥＡ３０との接触領域（発電領域）が増えるように改善する。したがって、セル２中における導通性をより向上させることが可能となっている。

また、流体流路３４〜３６を構成している各凹溝１９（および凸リブ１８）の全長が等しく、しかもそれぞれのターン部が同心円状に形成されているため、流路ごとの流体の平均流速がさらに均一化したものとなっている。これによれば、サーペンタイン型流路のうち特にＵターン部１０における流体の流れをさらにスムーズなものとすることが可能である。

加えて、本実施形態のセパレータ２０のさらなる利点として以下を挙げることができる。

（１）例えば従前のセパレータの一部にあるように、ガス流路や冷却水流路が不連続で流路長さが異なっていると流量や圧損（差圧）を均一化することが難しく、特にＵターン部１０では反応ガス、冷却水とも、インコース側の流路や短い流路の流量が多くなるという現象がある。また、凹溝１９および凸リブ１８からなるＵターン部１０では流速の変動や圧損のむらが生じやすく、これに起因して発電状態の差異や発電性能差が生じ、場合によってセパレータ全体の出力密度の低下を招くこともある。

この点、上述した本実施形態のセパレータ２０によれば、こういった問題を解消して発電性能を向上させることが可能である。すなわち、電解質の両側に電極を設けたＭＥＡ３０をメタルセパレータ２０で挟持するという構造に関し、セパレータ面内の分配部２１から複数の独立した凹溝１９（ガス流路）を形成し、これら凹溝１９の形状や長さを均一にし、流体（反応ガス、冷却水）が均一に流れるようにし、さらに流路圧損も均一化している。尚かつ、ＭＥＡ３０の挟持間隔を均一化し、均一に冷却できるようにしていることから、冷却水をＭＥＡ３０との反応面に沿って均一に流すための構造（例えば、中間のセパレータなどを備えた構造）としなくて済み、大型化やコスト高を抑制できるという利点もある。

（２）サーペンタイン型のセパレータにおいて、冷却水流路３６等の出入り部分にバッファ部（冷却水が流れやすい部位に対応して設けられ、流れを規制することにより流路全体にわたって流れを均一にさせるための凸部などのこと。例えば特開２００５−１０９７９５号公報参照）を設け、流れを適度に規制して冷却水をより均一に流そうとする場合がある。しかし、実際には、当該バッファ部からの冷却水流路が、ガス流路３４，３５のＵターン部１０の裏側の流路に直角に導通したり、同一流路部に複数導通した場合に流路圧損や流量制御が複雑となったりする結果、相当の解析技術が必要になり流れの均一化やこれによる温度の均一化が困難な場合がある。また、ガス分配部や上述のバッファ部の領域が大きくなると、これに伴って発電領域が狭まり、高出力密度が得られなくなるおそれもある。さらには、発電に伴う生成水量が増大したとき、あるいはガス流路３４，３５内の閉塞が生じたときには流路内のバランスが崩れ、排水性が極端に悪化して発電効率が低下するとともに低温始動性も劣ることとなる。

この点、上述した本実施形態のセパレータ２０においては、上述のようなバッファ構造を採らないため流路圧損や流量制御が相当以上に複雑になるようなことがない。上述したように、本実施形態のセパレータ２０によれば特有の構造に基づいて流れの均一化を図ることが可能である。

（３）上述したバッファ部の流路本数や導通部位が異なると、流体の出入りする部分や流体流路の形状に基づく制御が困難であり、例えば移動体の走行条件などに応じて発電効率が低下することがある。この点、本実施形態のセパレータ２０においては、バッファ構造と採らずに、特有の構造に基づいて流れの制御を図ることが可能である。

（４）また、例えば２以上のバッファ部を設け、冷却水流路と直線で連通する流路が形成されているような場合にも、上述の場合と同様、流体流路等の形状に基づく制御が困難である。この場合、例えば移動体の走行条件や発電状況に応じて温度、流量、圧損が異なるため、複雑な構造の流路では制御が複雑となり、高出力密度が得られにくくなることがある。この点、本実施形態のセパレータ２０においては、特有の構造に基づいて流れの制御を図ることが可能である。

（５）冷却水流路の最外周寄り凹溝の面積を他の凹溝の面積と同等なものにするべく、最外周部に閉塞シールを設けるという工夫が施される場合がある。ところが、この場合、締め代に応じて閉塞シールの形状が変わり、これに伴って流路幅や形状が変わり、冷却水の流れを均一化することが難しい場合がある。つまり、片側が弾性体シール部材となっている流体流路においては、スタック化の際に起こる弾性変形の影響で溝形状が変わり、また、シール部材の成形ばらつきも加わり、流路における流量や圧損が異なり安定化が困難となる場合がある。この点、本実施形態のセパレータ２０によれば、特有の構造に基づいて流れの均一化を図り、流量や圧損を安定化させることが可能である。

（６）流体流路のターン部（Ｕターン部）の中央にある凸リブ部分が、ガスリークを抑えるべく他の凸リブよりも高く形成される場合がある。ところが、この場合、ガスリーク防止部の締め代が大きくなり、他の部分によりも亀裂が生じやすいなど耐久性が劣り、また、高出力を実現するためのＭＥＡの挟持範囲が制約され、ＭＥＡの耐久性も劣ることがある。すなわち、ＭＥＡの閉め代が大になると、他の部分との間の変形代が溝方向、幅方向で異なり、その弾性も異なるため、当該部位の反発力（締付力）が変わり、スタック化すると当該部分の厚みが大きくなる場合がある。そうすると、その周囲部分におけるＭＥＡのガス透過性が劣り、性能低下や耐久性劣化が著しくなることがある。また、全体の反りを抑えたりサイズを安定化させたりするための手段として高剛性のエンドプレートや高い締結力を必要とする場合があり、スタック全体の大型化に繋がるという問題もある。この点、本実施形態のセパレータ２０によれば、特有の構造に基づき、スタック全体の大型化を抑えつつ流れの均一化を図り、流量や圧損を安定させることが可能である。

（７）上述のバッファ部が略三角形状となっている場合があるが、このような略三角形状からの流路は必ずしも必要なものではない。この点、本実施形態のセパレータ２０によれば、流体流路の長さ、断面形状や流体導入部の形状、角度などによって流量や圧損を定めており、特有の構造に基づいて流れの均一化を図り、よりスムーズに流れるようにしている。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、酸化ガスのマニホールド１５ａ，１５ｂを当該セパレータ２０の一辺の中央に配置した場合について示したがこれは一例に過ぎず、この他、水素ガスのマニホールド１６ａ，１６ｂや冷却水のマニホールド１７ａ，１７ｂを中央に配置することも可能である。ちなみに、各図において示した各流体（酸化ガス、水素ガス、冷却水）の流れ方向は一例に過ぎず、これら流れ方向は適宜変えることが可能なものである。

また、各凸リブ１８、ガス遮蔽用凸部２７，２８に凹凸を設けることも好ましい。こうした場合には、当該セパレータ２０の成形時に生じうる歪を低減させ、皺が生じるのを抑制することが可能になる。凹凸は、例えば複数の細かな円形凹部などとすることができる。また、隣接するセパレータ２０間においてこのような凹部どうしが接触し合う構造とすれば、これら凹部どうしがガス遮蔽用凸部２７などの変形を抑止する結果、ＭＥＡ３０をより安定した状態で挟持することが可能になるという利点もある。

また、上述した分配部２１に関し、例えば、ＭＥＡ３０との接触領域を少なくした構造とすることも可能である（図９参照）。すなわち、上述した実施形態において、冷却水用のマニホールド１７ａ、１７ｂの直近に設けられている対角線上の一対の分配部（図３において符合２１’で示している）は、反応ガス（酸化ガス、水素ガス）側に凸の形状となっているものであったが（図３参照）、この分配部２１’を、例えば上述した段部２６のようにセパレータ２０の厚みの中間ほどに形成してもよい（図８参照）。こうした場合、当該分配部２１’とＭＥＡ３０とが接触し合う領域が上述した実施形態の場合よりも少なくなる。なお、分配部２１’における冷却水側の溝深さをＨ_W10とすると、図９に示したセパレータ２０の場合、冷却水流路３６の最大溝深さＨ_W1、段部２６における冷却水流路の溝深さＨ_W2、段部２６におけるガス流路の溝深さＨ_G2の各値の関係は、
Ｈ_W2＜Ｈ_G2＜Ｈ_W10＜Ｈ_W1
となっている（図８等参照）。

燃料電池を構成する発電セルの構造例を示す分解斜視図である。燃料電池スタックの構造例を概略的に示す斜視図である。本発明にかかる燃料電池セパレータの構造例を示す図で、反応ガス流路側からみたものである。セル積層体の断面形状を示す断面図である。燃料電池セパレータにおけるＵターン部の構造を概略的に示す拡大図である。ガス流路の流体導入端（または流体排出端）との境界部分を拡大して示す図である。図５中のVII-VII線における断面形状を示す図である。図３の燃料電池セパレータ中、楕円で示した部分の断面形状を示す図である。本発明の別の実施形態にかかる燃料電池セパレータを示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、１０…Ｕターン部、１５ａ…酸化ガスの入口側のマニホールド（流体流路に反応ガスを供給するためのマニホールド）、１５ｂ…酸化ガスの出口側のマニホールド（流体流路から反応ガスを排出するためのマニホールド）、１９…凹溝（複数の流路）、１９ａ…流体導入端、１９ｂ…流体排出端、２０…セパレータ（燃料電池セパレータ）、３４…酸化ガスのガス流路（流体流路）、３５…水素ガスのガス流路（流体流路）、３６…冷却水流路（流体流路）

Claims

反応ガスまたは冷却水を流通させるためのサーペンタイン型の流体流路を備えた燃料電池セパレータにおいて、
前記流体流路のうち、前記反応ガスまたは冷却水の流れの向きを変えるためのＵターン部が略一定の曲率をもって連続的に曲がった形状であり、
前記流体流路の端部である流体導入端または流体排出端が、隣接する前記Ｕターン部に沿って曲がった配置とされ、このＵターン部に沿って曲がった流体流路と当該Ｕターン部との隙間がないか又は隙間幅が一定となっている
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
前記サーペンタイン型の流体流路は、互いに独立である複数の流路を有し、各流路の長さが等しくなるように前記流体導入端または流体排出端が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
前記複数の流路は、当該セパレータの面に筋状に形成された複数の凹溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
前記複数の流路のそれぞれのうち前記Ｕターン部を構成する部分は、同心円に沿って曲がっていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池セパレータ。
前記Ｕターン部の個数は２個であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
前記流体流路に前記反応ガスを供給し、または前記流体流路から前記反応ガスを排出するためのマニホールドが、当該セパレータの一辺の中央に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。