JP2009252470A - セパレータ及びそれを用いた固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
薄型セパレータの断面積を減少させないで、流路パターンを変更可能にする。
【解決手段】
マニホールド近傍に設けた流路連絡部における流路と電極に対面する流路の断面積がほぼ同じであって、流路連絡部の溝幅が電極に対面する溝幅よりも大きく、かつ、流路連絡部の溝深さが電極に対面する溝深さよりも小さくした流路連絡部を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、セパレータに係り、特に、コンパクトな固体高分子形燃料電池に有効なセパレータに関する。

固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称する。）は、出力密度が高い、発電効率が高い、運転温度が低い（約７０〜８０℃）ので起動時間が短いなどの特徴を有する。このため、電気自動車用電源，業務用及び家庭用の分散電源等の幅広い用途が期待されている。

これらの用途の中で、ＰＥＦＣを搭載した分散電源（例えば、コジェネレーション発電システム）は、ＰＥＦＣより電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効に活用しようとするシステムである。

このような分散電源は使用期間として、５０,０００〜１００,０００時間の長期寿命が要求され、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと略記する。），セル構成，発電条件等の改良が進められている。

また、この燃料電池を移動体用途の電源として用いる場合、電池の小型化が重視されている。

一方、メタノールを燃料に用いる直接メタノール形燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する。）は、セル電圧がＰＥＦＣよりも低いが、燃料の可搬性，取扱容易性の点で、モバイル用途やポータブル電源として注目されている。

このような液体燃料を用いた燃料電池の場合も、電池を持ち運ぶ頻度が多いため、電池のサイズが非常に重要となる。

以上のようなニーズに対し、燃料電池を構成するセパレータの厚さが電池サイズを決定する主要因子となる。すなわち、セル数に応じてセパレータ枚数が決り、その枚数とセパレータ厚さとの積が電池長さを主に決定付けることになる。また、セパレータ全体の厚さは、燃料と酸化剤の流路深さの他に、表裏に形成した燃料と酸化剤の流路底の間隔で規定される最小肉厚も含んでおり、この最小肉厚も重要なパラメータである。

そこで、電池サイズを小さくするために黒鉛や金属等の種々の材料を用いた薄型セパレータの開発が進められ、０.２mmから０.１mm未満となる最小肉厚のセパレータが実現されつつある。

しかし、セパレータの最小肉厚を極限まで小さくすると、燃料と酸化剤が流れる流路が表裏一体となり、それぞれの面に形成した流路パターンを自由に変更できないという制限が生じ、以下のような問題点をもたらす。

まず、流路パターンが表裏一体であることは、燃料と酸化剤との流路が同じパターンでＭＥＡを介して対面することになる。この対面した流路での燃料と酸化剤の流通方向を同じにすると、燃料等の反応物質が供給マニホールドでは高濃度となり反応速度は大きく、流路に沿って徐々に濃度が低下し、排出マニホールドで最低の濃度となって反応速度が低下することを意味する。

このような状況下において、ＭＥＡの電極を微小のサイズに分割してそれぞれに流れる電流を考えると、反応物質の高濃度のところでは電流が大きく、流路に沿って下流になるほど電流が減少し、反応物質の低濃度のところでは最小の電流となってしまう。このような不均一な電流分布は、セル全体では反応抵抗の増加となり、電池の出力が低下していしまう。これが第一の問題点である。

第二の問題点として、表裏の流路が分離されないことは、燃料と酸化剤を別々のマニホールドに取り出せないという電池構造上の課題がある。

例えば、セパレータの一方の面で燃料の酸化，反対の面で酸化剤の還元を起こすバイポーラ型セパレータを考えた場合、一方の流路の進行方向が裏面の流路を追随させるので、両方の流路が同一のマニホールドに連結されてしまう。これは、反応ガスの混合を意味し、発電不能となってしまう。

したがって、セパレータの表裏における流路パターンを自由に変更可能とする構造が、セパレータの最小肉厚の減少とともに重要な技術となる。

従来の技術（特許文献１〜３）によると、肉厚の小さな波形流路形状を有するセパレータにおいて、反応ガスを表裏で分離させ、最適な流路パターンをセパレータ面内に形成する技術が開示されている。

これらの文献に記載された発明によると、ノズルプレートと流路を接合させた構造（特許文献１）、ガス導入部をフレームで形成させた構造（特許文献２）、あるいは、島状凸部とフレームを組み合せた構造（特許文献３）により、薄型セパレータの流路パターンを変更し、あるいは、反応ガスをそれぞれ別々のマニホールドに連絡させている。

さらに、セパレータ表裏の流路パターンを変更し、流路断面積をセパレータ面内にて変更したものが特許文献４、５、６に開示されている。

特開２００４−１７１８８７号公報 特開２００５−１２９３４３号公報 特開２００７−１５７６６７号公報 特開２００１−０４３８６８号公報 特開２００４−１９２９８５号公報 特開２００５−２６８１１０号公報

このような従来の技術では、セパレータの薄型化をしても追加の部品が必要となり、部品コストの上昇や製造工程の複雑化などの弊害を避けられない（特許文献１〜３）。

また、従来の技術では、単に流路断面積を変更し得ることを示しただけで、表裏の流路パターンを独立に変更可能にし、反応ガスをそれぞれ別個のマニホールドに分離することを示唆するものではない（特許文献４〜６）。

そこで、本発明では、最小肉厚を小さくしたセパレータにおいて、セパレータの全体の厚さを増加させずに、表裏の流路パターンを自由に変更可能としたセパレータ構造を実現することを目的とした。これによって、従来の問題点を解決しようとするものである。

本発明の目的は、薄型のセパレータの表裏にある流路パターンを自由に変更可能とし、かつ、表裏のそれぞれの流路を別々のマニホールドに連絡させる構造を提供することである。本発明のセパレータを用いることにより、発電するセルのみならず、電池の冷却を目的とするセルも小形にし、燃料電池全体をコンパクトにすることを目指す。

さらに、このようなセパレータを適用したＰＥＦＣ，ＤＭＦＣ等の燃料電池、ならびにそれらを搭載した発電システムを提供することである。

本発明のセパレータは、マニホールド近傍に設けた流路連絡部における流路と当該流路とを連通しかつ電極に対面する流路とを有するセパレータであって、前記流路連絡部の流路幅が、前記電極に対面する流路幅よりも大きく、前記流路連絡部の流路深さが、前記電極に対面する流路深さよりも小さくした流路連絡部を設けたことを特徴とする。

また、前記流路連絡部における流路と電極に対面する流路との断面積（流れ方向に直角の断面積）がほぼ同等であることが好ましい。

また、前記流路連絡部に、凸形状のリブからなる流路分離部を形成してもよい。

また、前記流路連絡部に、表面または裏面の少なくとも一方の面に流路に形成される複数の流路を連結する合流部分を設けてもよい。

また、電極に対面する流路の途中に、ガス流路の方向を変える流路折り曲がり部を有することが好ましい。

また、前記流路連絡部において、流路の間に島状凸部を設けてもよい。

また、これらセパレータは、燃料と酸化剤を用いる燃料電池一般（冷媒を使うか否かは問わない。）、特にＰＥＦＣとＤＭＦＣに好適である。

また、前記セパレータの一方の面は電極に対面する流路を有する面として利用し、他方の面は燃料や酸化剤のマニホールドと異なる位置に設けた２つの冷却水マニホールドが流路連絡部を介した流路により連絡された冷却水流路面として利用し、当該冷却水流路面を有する２つセパレータを当該冷却水流路面同士の対向により形成した冷却セルを具備させた固体高分子形燃料電池を製造することもできる。

また、これら構造を有する１枚のセパレータと平板とを対面させた冷却セルを有し、固体高分子形燃料電池を形成することもできる。

このように、本発明においては、セパレータ表裏の流路パターンを自由に変更可能とする方法を提示するものである。つまり、本発明は流路の寸法を変化させるものである。なお、本明細書にて用いる「流路パターン」とは、流路に沿って燃料や酸化剤が流れる進行方向の意味も包含する。

本発明により、薄型のセパレータの表裏にある流路パターンを自由に変更可能となり、かつ、表裏のそれぞれの流路を別々のマニホールドに連絡させる構造を提供することができる。

本形態の単セル構造を図１に示す。

図１において、本形態の薄型セパレータ１０１は、燃料流路１１０を有する。燃料流路１１０はセパレータ１０１の下面にあり、触媒層とガス拡散層からなるアノード１０３に接している。ここで、触媒層はアノード１０３に含まれ、電解質膜１０２の表面に接着されている。触媒層は、白金微粒子を黒鉛粉体に担持させ、あるいは、燃料酸化の過程で生じる一酸化炭素を酸化除去する機能を有するルニテウム等の助触媒と白金を合金にした微粒子を黒鉛粉体に担持させ、さらに電解質バインダーで結合させたものである。他の触媒を用いても良い。この触媒層の上にガス拡散層を設ける。なお、以下では「流路」と「溝」を同義として用いる。

電解質膜１０２は、アノード１０３で生じた水素イオン（Ｈ⁺）をカソード１０４へ輸送する媒体として働く。

水素やメタノール等の燃料から水素イオンが生成する際に、電子も引き抜かれる。この電子は、セパレータ１０１に受け渡され、外部回路を経由した後にセパレータ１０７に伝達され、最終的にアノード１０３で生じた同数の電子がカソード１０４に送られる。

セパレータ１０７には、酸化剤流路１１１が形成され、その流路１１１はカソード１０４に接している。酸化剤（酸素）は、流路１１１からカソード１０４に供給され、電解質膜１０２を透過した水素イオンと反応し、生成水を生じさせる。

カソード１０４は、触媒層とガス拡散層から構成される。触媒層はカソード１０４に含まれ、電解質膜１０２の表面に固定されている。触媒層は白金微粒子を黒鉛粉体に担持させたものが一般的であるが、他の触媒を用いても良い。この触媒層の上にガス拡散層を設ける。

電解質膜１０２の両面にアノード１０３とカソード１０４を接合したものを、本形態では膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと称する。）と称する。ガス拡散機能を有するもの、例えばガス拡散層は、アノード１０３やカソード１０４に含まれるものとする。

このようにＰＥＦＣによる発電反応では、水素２分子につき、酸素１分子が反応し、水２分子が生成する。また、ＤＭＦＣの場合は、メタノール１分子につき、酸素１.５分子が反応し、二酸化炭素１分子と水２分子が生成する。

本形態では、図１に示す発電の最小単位を、単セルと定義する。単セルは複数個、直列に接続すると、電圧が増大し、必要な出力が得られるようになる。このような単セルを直列に積層したものをセルスタックと称する。

燃料と酸化剤は、ＭＥＡとセパレータにより分離され、直接、化学反応が起こらないようにしている。また、これらの反応物質は、ガスケット１０５，１１２，１１３によって外部へ漏れないようにしている。

各単セルに燃料を供給するために、燃料供給マニホールド１０８をセパレータ１０１，１０７の一部を貫通するように設けている。このマニホールド１０８からそれぞれの単セルに供給され、アノード１０３にて酸化された後に、燃料排出マニホールド１０９を経由して、電池の外部に排出される。ガスケット１０５，１１２，１１３はセパレータ１０１、１０７と電解質膜１０２の間に挿入され、燃料，酸化剤あるいは冷却水の漏洩を防止している。

なお、燃料供給マニホールド１０８から流路１１０にまでを連通する通路は、セパレータ１０１の面内に形成されている。しかし、それを平面図に示すと、図１の左側にあるガスケット１１２の一部と重なるように見えるため、図１では省略した。

また、流路１１０から燃料排出マニホールド１０９に至るまでの流路も、セパレータ１０１の面内に形成されているが、平面図に描くとガスケット１１３の一部と重なったように見えるため、同様に省略した。

カソードの供給マニホールドと排出マニホールド、および冷却水の供給マニホールドと排出マニホールドは、図１の単セル断面に図示するとアノードのマニホールド１０８、１０９と重なり合うために、省略した。カソードのマニホールドおよび冷却水のマニホールドの配置は、図２にて説明する。

次に、本形態の薄型セパレータ１０１，１０７の流路構造について詳細に説明する。

図２は、アノード流路面を有するセパレータ２０１の上面図である。本図面は図１のセパレータ１０１に相当し、図２のＹ軸の負方向から正方向に見た断面が図１となる。また、図２の燃料マニホールド２０８と２０９は、図１のマニホールド１０８と１０９にそれぞれ対応している。

これらのマニホールドの位置を基準に、その周囲のリブや流路の位置関係を比較すると、流路が左右，上下ともに非対称となっていることがわかる。例えば、燃料供給マニホールド２０８に注目すると、セパレータ２０１の外縁に近い位置にある流路連絡部２０２の流路２０３あるいは発電面２１８の流路２１９は、このマニホールドの外側エッジと一致している。これに対し、燃料排出マニホールド２０９付近の流路連絡部２１６では、流路の外側エッジ位置を基準に、ほぼ溝幅一つ分相当だけ内側にずれている。このような非対称な構造としたのは、ＭＥＡの性能を確保しつつ、表裏の流路断面積を同じとして、セル間の反応物質の流量ばらつき（以下では、流配と称する。）をできるだけ小さくするためである。理由を以下で説明する。

ＭＥＡを介して隣接する他のセパレータと重ね合わせるときには、流路２１９のリブ同士が対向するようにセパレータの上下，左右の位置を揃えることが必要である。すなわち、２枚のセパレータの間に形成された流路において、セパレータのリブ２０６同士がＭＥＡを挟持するように対向しないと、ＭＥＡを適切な圧力を印加することができなくなり、発電不良になるからである。

例えば、一方のセパレータのリブ２０６が、他方のセパレータの発電面における流路２１９と対面させると、リブ２０６と流路２１９とがかみ合った部分が多くなり、ＭＥＡに与える圧力が減少してしまう。その結果、ＭＥＡとセパレータ間の接触抵抗が増大し、電池の出力が低下する。

ただし、対面するセパレータの全てのリブ位置が互いに一致する必要はなく、一部のリブが一致していなくても良い。一部のリブがＭＥＡを介して対向していなくても、セル電圧に実質的に影響を与えない場合があるためである。特に、高圧（数百キロパスカル以上）で反応物質を供給するためガスの供給が均一に行われる場合、あるいは低電流密度の発電であるためにリブとＭＥＡとの間の接触抵抗が無視できる場合は、一部のリブが対向していなくても、ＭＥＡ全体で均一な電流分布になるため、実質的にセル電圧への影響が認められない。

したがって、マニホールドに対し対称な凹凸構造（凹は溝、凸はリブを意味する。）のセパレータとし、ＭＥＡを介してリブは対向するが、表裏の流路パターンが厳密に同一でなくても良い。

以上の理由により、非対称なセパレータであっても本発明を適用できる。そこで、セルスタックに組み込んだときの位置関係を明示するために、本発明のセパレータにＸ軸，Ｙ軸を表記することにした（図２）。以下の説明では、Ｙ軸を重力に対向する方向（重力の逆方向）、Ｘ軸を電池の側面方向とし、流路面を立てた状態でセパレータを電池に組み込むものとする。

ただし、セパレータの流路面は鉛直（重力）方向でも、水平方向（重力に直角）であっても良いし、さらに任意の方向であっても、本発明で得られる効果に本質的な影響を与えない。

燃料は、アノード供給マニホールド２０８より供給され、点線で囲われた流路連絡部２０２を経由する。この流路連絡部２０２には、幅の広い２つの流路２０３と１つの凸状部分（流路分離部２０４とする。）が形成され、さらにその外側には、流路分離部２０４の上面と同一平面内に、セパレータの外周部（平坦部分）２０５がある。ここで、幅広い流路２０３は、後に複数の溝に分割された流路２１９に連通されるので、流路の合流部分と称する。

燃料は、２つの流路２０３を通過した後、リブ２０６によって分割された流路２１９に導かれて、セパレータの内部方向（Ｘ軸の負方向）に移動する。折れ曲がり部２１４にて燃料の流れは反転される。この折れ曲がり部２１４では、流路分離部２０４のみ延ばし、両脇のリブをなくした。流路分離部のリブ幅は、折れ曲がり部２１４の流路の断面積を実質的に減少させない範囲で設定することができる。

図２に示した流路分離部２０２，折れ曲がり部２１４では、溝本数を４から２に減少させて、流路断面積が顕著に減少しないようにする。

燃料の流れ方向が反転した後、図２の上方（Ｘ軸の正方向）に燃料が流れ、折れ曲がり部２１５に到達する。同様に、折れ曲がり部２１５では燃料の流れ方向が反転し、排出マニホールド２０９に向かって流れる。燃料排出マニホールド２０９の近傍では、前記流路連絡部２０２と同じような形状にて、流路連絡部２１６を設けた。燃料の出口側においても、流路２１９を通過した燃料が幅広い流路２２０（合流部分と称する。）にて合流する。

流路折り返し部では、中央のリブ幅を発電面２１８のリブ２０６の幅よりも小さくした。流路折り返し部では、流路連絡部２０２と同様に、溝深さがより浅くなる（図７にて詳述する。）。そのため、流路折り返し部において流路断面積を実質的に小さくしないことが必要である。中央のリブ幅は、燃料の流れ方向の変更に伴う圧損増加分を補償するために、リブ２０６の幅の１／４から３／４の範囲にすることが望ましい。また、黒鉛あるいはそれに同等の電気伝導性を有する材料を用いる場合は、中央のリブ幅をリブ２０６の幅に対して１／４から１／２の小さな範囲にしても良い。また、流路折れ曲がり部の流路断面積に余裕がある場合には、発電面のリブ２０６をそのまま延長し、流路折れ曲がり部２１４を通過後に、流れ方向の反転した発電面のリブ２０６（図２の中央に位置するリブ）につなげても良い。この場合も、中央のリブと同じように幅を狭くすれば、実質的に流路断面積を減少させることなく、流れ方向の異なる２つの発電面の流路２１９を連結させることができる。

なお、流路の進行方向に従って、反応物質が減少するので、流路の下流の流路連絡部２１６では、溝本数を変更しないで、流路断面積が実質的に減少しても許容される場合がある。特に、燃料に純水素（濃度１００％）あるいは７０％以上の高い濃度の水素を含む改質ガスを用いた燃料電池の場合には、燃料利用率が７０％以上の高い値に設定されるのが通常であるため、流路の下流でのガス量が著しく減少する。このため、流路連絡部２１６では、流路断面積の和を発電面２１６の流路断面積の和よりも小さくしても良い場合がある。

すなわち、下流の流路連絡部２１６の溝深さを浅くし、裏面の流路パターンに無関係に表面の流路の向きを変更できるようにする必要はあるが（図７にて詳述する。）、発電面２１８の溝本数を減少させないで、流路連絡部２１６に溝を延長することができる。このようにすると、流路連絡部２１６にてリブを連続的にマニホールド２０９近傍まで延長されるので、島状突起部２１７を省略することができ、かつ、ＭＥＡやガスケットへの荷重を均一にすることができる点で有利になる。

酸化剤は、供給マニホールド２１０から裏面の流路（後述の図５）に供給され、対角方向に配置されている排出マニホールド２１１に導かれている。冷却水は、供給マニホールド２１２から供給され、冷却水流路（後述の図１２）を通過した後、排出マニホールド２１３に排出される。

島状突起部２１７は、流路連絡部２０２と２１６の領域内であって、マニホールド２０８と２０９の近傍に設けた。この島状突起部２１７を含み、流路連絡部の流路２０３の流れ方向に直角に切り出した断面構造は、図７にて説明するが、ここでは、島状突起部２１７の機能についてのみ説明する。

島状突起部２１７は、その上にガスケットが装着され、さらにその上に電解質膜がある。セパレータ２０１に対面する他方のセパレータの平坦部分上にもガスケットがあるので、島状突起部２１７の上には、島状部分／ガスケット／電解質膜／ガスケット／平坦部分（他方のセパレータ）という構成になる。このように、２つのセパレータの間に、ガスケットと電解質膜の積層構造（サンドイッチ構造）にすることで、セル内部での燃料等の反応物質の移動（後述の内部リークという現象を言う。）を防止することができる。

なお、島状突起部２１７を発電面２１８のリブ２０６とを、連続した凸状形状になるように連結し、凸部をリブ２０４とほぼ同じ長さに延長しても良い。この場合、流路連絡部２０２の凸部の幅は、リブ２０６の幅の１／４から３／４まで狭くして、流路連絡部２０２の溝断面積の和を、発電部の流路断面積の和より実質的に減少させずセパレータの圧損を増加させないこと、あるいは、燃料や酸化剤を供給するポンプ等がセパレータに燃料等を供給可能な圧損範囲に抑えることが可能となる。このような連続した凸部を、流路連絡部２０２あるいは流路連絡部２１６に設けると、ガス拡散層の垂れ込みを抑制し、内部リークを防止する効果が得られる。以下では、上述のような流路連絡部あるいは流路折り返し部に設けて、発電面のリブと連絡した連続凸部を、細リブを記す。

内部リークを抑制するメカニズムは、以下のように推定している。前記積層構造（サンドイッチ構造）の曲げ強度が小さく、折れ曲がりやすいときには、島状突起部２１７または細リブを省いたときに、流路連絡部の流路２０３の方にガスケットや電解質膜が垂れ込む場合がある。このような変形が生じると、燃料が酸化剤流路側へ漏れ出る。逆に酸化剤が燃料流路側に漏洩する現象（内部リーク）による発電不良が起こる。あるいは、ガスケット等の垂れ込みにより流路連絡部の流路２０３の断面積が減少することによって、燃料や酸化剤の流通を阻害し、補機動力の損失をもたらす場合もある。

そこで、流路連絡部の流路２０３，２１６において、流路から電解質膜に向かってガスケットを支持する目的で島状突起部２１７または細リブを用いると、前記のような不具合を回避することができる。

島状突起部２１７または細リブは、流路連絡部２０２，２１６の流路の断面積を過度に減少させないようにする。すなわち、燃料の流れ方向に垂直で島状突起部２１７を横断するように切り出した突起部の断面積は、島状部分を設けないときの断面積に対し５０％以下、望ましくは３０％以下にする（後出の図７）。このようにすれば、流路連絡部での流体の流れを乱さずに、大きな圧力損失を生じないようにすることが可能となる。

島状突起部の設置による流路断面積の減少量が大きい場合は、島状突起部の長さを短くすれば、圧力損失を緩和することができる。逆に、当該減少量が比較的小さい場合には、島状突起部の長さを長くすることができ、ガスケットとの密着性を高める上で有利となる。細リブを用いる場合は、リブ幅を狭くして、実質的に圧力損失を低減することができる。

いずれにせよ、溝の形状や断面積および長さ等の流路パラメータ、あるいは反応物質の利用率（換言すると、流路下流の反応物質の残量）などに応じて、いずれかの設計方法を選択することができる。

島状突起部２１７は、必要がなければ省略することが望ましい。例えば、ＭＥＡの電解質膜とガスケットが圧着される部分に樹脂製フレーム部品が挿入され、電解質膜等の垂れ込みを防止する構造になっていれば、島状突起部２１７は不要である。ＭＥＡ，ガスケットの構造や強度に応じて、島状突起部２１７の有無を決める。

先に述べたように、上述の島状突起部２１７を細リブで代用すると、発電面２１８の溝本数を変えないで、流路連絡部２１６を通過し、排出マニホールド２０９まで燃料を流すことも可能になる。この際、燃料消費量を考慮し、流路連絡部２１６を通過する燃料の圧力が増加しないように細リブの形状を選択する。

さらに、流路折れ曲がり部２１４，２１５の溝の中に、島状突起部または細リブを設けても良い。この場合は、島状突起部がＭＥＡとセパレータの間の接触抵抗をさらに低減する働きがある。また、流路折れ曲がり部をはさんで前後にある２つの発電面を、前記発電面のリブと細リブを連結させて、島状突起部の代用とすることができる。この方法は、連続したリブにより、ＭＥＡを支持し、均等な圧力を加えることができるので、電池出力の向上に有効である。

つぎに、図２のセパレータとＭＥＡとの組立状態を説明する（図３）。ＭＥＡのアノードは、図１のセパレータの流路面に接するように、セパレータ３０１の上に設置される（図３）。ここで、セパレータ３０１は図２のセパレータ２０１と同一面を意味する。すなわち、図３は燃料流路面を示している。図２の島状突起部２１７に相当する突起部３１７が図示されているが、これらは対面するセパレータとの間にガスケットと電解質膜を挟持し、サンドイッチ構造を形成するためのものである。

また、図３には、電極３０２の外縁とセパレータ３０１の流路との位置関係がわかるように、電極３０２の外縁を破線で示している。電解質膜は図３にて省略しているが、それはセパレータ３０１の外形寸法と同じであって、マニホールド３０８，３０９，３１０，３１１，３１２，３１３と同じ位置，大きさにて貫通孔を形成したものである。

この電極３０２の上には、図１の断面構造図に示すように、電解質膜が存在し、さらにその上にカソード（図１のカソード１０４に相当する。）が存在する。このカソードに接するように、別のセパレータの酸化剤流路面（図１の流路１１１）が対向している。なお、流路連絡部（図２の２０２，２１６に相当する部分。）の一部であって、その上方にもＭＥＡが存在する。発電の際に授受される電子は、流路分離部を介して伝達される。したがって、流路連絡部の一部でも発電が起こるようになっている。以下では、アノードまたはカソードのいずれかに接している流路が存在するセパレータの領域を発電面と称する。

さらに、この別のセパレータにおける酸化剤流路面の裏面には、燃料流路が形成される。さらにその上に、ＭＥＡ，酸化剤流路面を有するセパレータを次々と積層していく。このようにセパレータとＭＥＡを交互に積層することで、複数のセルを有するセルスタックを組み立てることができる。

本発明のセパレータ（発電面）の流路構造には、波形形状がある。図４に、図２のＣ−Ｃ断面における波型形状を示した。図４にて、上方に開き、下方にへこんだ溝には、燃料が流れる。その裏面にて、下方に開き、上方にへこんだ溝には、酸化剤が流れる。

このように、燃料と酸化剤の流れをセパレータ材料で分離し、それぞれの流路が互いに反対側の面へ入り込んだジグザグ構造にすると、セパレータ全体の厚さを薄くする上で有利となる。

図２の裏面に相当し、酸化剤を流す流路５１９を有するセパレータ５０１を、図５に示した。流路断面形状は図４に示したものとする。

本形態のセパレータ構造は、セパレータの上方（重力に反対の方向）を左側に反転し、図２の裏面としている。本図面の酸化剤供給マニホールド５１０，酸化剤排出マニホールド５１１は、図２のマニホールド２１０，２１１にそれぞれ該当する。

冷却水の供給マニホールド５１２と排出マニホールド５１３は、図２の冷却水の供給マニホールド２１２と排出マニホールド１３にそれぞれ一致する。さらに、燃料の供給マニホールド５０８と排出マニホールド５０９は、それぞれ図２の供給マニホールド２０８と排出マニホールド２０９と同じである。

流路は図４のように波形にしたため、マニホールドに対する流路の位置が図２より溝幅一個分相当ずれている。セパレータの断面位置を指示するＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面も、図５では図２の左右反対の位置に移して表示した。

酸化剤は、供給マニホールド５１０から供給され、流路連絡部５０２の流路５０３を経由し、発電面５１８の流路５１９に流れる。その後、２つの折れ曲がり部５１４と５１５、流路連絡部５１６を経由した後、酸化剤排出マニホールド５１１から反応後の酸化剤が排出される。

流路連絡部５０２と５１６には、燃料流路面と同様に（図２参照）、島状突起部５１７を設けた。

発電に係る流路構造は、Ｃ−Ｃ断面を見れば判り、その形状は図４の斜視図に示した通りである。図６にその詳細な構造を示した。

図６の上の面には燃料が流れる流路が形成され、溝開口幅６０２，溝底の幅６０３により形状が規定される。下方の面は酸化剤流路があり、溝開口幅６０５と溝底幅６０６により形状が規定される。セパレータの肉厚は６０１に示した。

なお、図６での流路断面形状は台形状であるが、半円状，四角状その他の形状にしても良い。

発電面５１８の流路５１９の幅には、ＭＥＡに用いたガス拡散層の種類に応じた適切な範囲がある。通常は、数ミリの幅（０.５〜５mm）で、溝と凸部（リブ）を設けるのが一般である。常圧で作動させる燃料電池の場合は、１〜２mmの範囲で溝幅，リブ幅を設ければ、低圧力で反応物質を容易に流通させつつ、電子抵抗を低減することができる。その結果、高出力の電池を得ることができる。

また、ガス拡散層の曲げ強度に対し比較的強く依存し、ペーパー状の硬い材料であれば、溝断面が閉塞しにくいため、２mm以上に溝幅を広くすることができる。これに対し、クロス状の柔軟な材料であれば、溝側にガス拡散層が垂れ込みやすいので、溝幅を狭くする工夫が必要である。すなわち、０.５から２mmであって、特に１.０から１.５mmの範囲が好適である。電池出力の向上の観点では、島状突起部よりも細リブの方がより望ましい結果が得られる。細リブは連続した凸形状となっているので、ＭＥＡに均一な圧力を加えてより均一な電流密度を得ることができるからである。細リブの間にある溝にさらに微細なリブや島状突起部を追加し、溝を細分化してガス拡散層の垂れ込みを防止すると、流路の圧損を減少させ、さらに望ましい性能が得られる。

次に、図２の流路連絡部２０２と２１６の断面構造を詳細に説明する。裏面は図５の形状とする。なお、酸化剤の流路における流路連絡部５０２と５１６も、同じ設計指針に従う。

図２の流路連絡部２０２におけるＢ−Ｂ断面（図５のＢ−Ｂ断面と同じ。）を、図７に示した。図７の右方向を図２のＹ軸の正方向（重力の方向）に一致させた。上を図２の燃料流路面、下を図５の酸化剤流路面とする。図２の流路連絡部２０２の流路２０３は、図７に示した燃料流路７０３である。流路分離部２０４は、図７の流路分離部７０４である。図７の酸化剤流路７０６は、図５の流路折れ曲がり部５１５の流路に一致する。

図７の構造にすると、セパレータ断面における中央分離線（一点破線で示した。）を基準に、上下の溝底が干渉し合わなくなる。その結果、表裏の流路の方向を自由に転回できるようになる。図６のＣ−Ｃ断面では、燃料流路の方向を変えれば、裏面の酸化剤流路も追随してしまうので、表裏の流路方向を独立に変更することができない。このことから、流路連絡部を図７の構造にした有効性は明瞭である。

表裏の流路を任意の方向に転回したい部分に本発明の流路連絡部を適用すれば、セパレータ全体の厚さを変更せず、かつ、圧損を実質的に増大させない、コンパクトなセパレータを提供することができる。同様の方法は、流路折れ曲がり部（例えば、図２の流路折れ曲がり部２１４、図５の流路折れ曲がり部５１４）にも適用することができる。

図２のＡ−Ａ断面は、流路連絡部２０２の島状突起部２１７を通過し、流路連絡部の流路２０３の進行方向に対し垂直に切り出した断面となる。その構造を、図８に示した。図８の島状部分８１７は、図２の島状突起部２１７である。図２の流路分離部２０４，流路連絡部の流路２０３，平坦部分２０５は、それぞれ図８の流路分離部８０４，流路８０３、平坦部分８０５にそれぞれ対応する。裏面には酸化剤の流路が形成されていないため、セパレータの中央分離線（一点破線で示した。）より下半分のセパレータの厚さが大きく表示されている。

本形態の流路連絡部あるいは流路折れ曲がり部における流路断面積は、図７あるいは図８の断面構造の寸法から見積もることができる。また、発電領域の流路断面積は、図６の断面構造より計算することができる。

図７と図６に着目し、本発明の流路連絡部等の適用によって、流路断面積を確保する方法を説明する。図７の流路連絡部における流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における燃料流路７０３の断面積は、３つの凸部７０５，７０４，７０５の上面を仮想線でつなぎ、その線と２つの燃料流路７０３の側面と底面により囲まれた領域の総面積である。図６の発電する領域での流路断面積も、凸部の上面を仮想線でつなぎ、その線と溝の側面と燃料流路（溝）の底幅６０３により囲まれた領域の面積である。この領域の面積から、図２の発電面２１８における流路２１９の５本分の断面積を積算する。

そして、流路連絡部の流路の断面積（図７）と、発電面の流路断面積（図６）がほぼ同じになれば、反応物質の流通に必要な圧力が実質的に同じにすることができる。このような要求を満足させるために、図７の流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における燃料流路７０３の幅と深さ、流路分離部７０４の幅と深さは以下のように決められる。

まず、溝の断面積は、通常、前者（流路連絡部の流路断面積）が後者（発電面の流路断面積）に対し、同等以上であることが望ましい。しかし、セパレータの肉厚（図６の６０１）の薄型化にも限界があるので、実際は前者が後者よりも小さくなることが多い。

そこで、前者の流路長は後者の流路長よりも著しく短くなることに着目し、前者の流路断面積は、後者の５０％以上にすることを条件とする。これは、前者が後者の２０倍以上あるときに、大きめで５ｋＰａ以下の圧損の増加、もしくは実質的に圧損の増加を抑制することができる。

流路連絡部での圧力増加を１０キロパスカル未満の小さな圧力増加の範囲に抑えるためには、前者の流路断面積を後者の７０％以上にすることが望ましい。このように実質的に圧力増加を押さえる必要性のあるシステムとしては、常圧でガスを供給するシステム（家庭用コージェネレーションシステム，可搬式メタノール燃料電池など）がある。

図２の流路連絡部２０２のＢ−Ｂ断面を、図７に示した構造にすることができれば、セパレータの中央分離線（一点破線で示した。）を基準に、上方の流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における燃料流路７０３と下方の流路７０６を自由に転回することができる。その結果、図２の流路連絡部２０２，２１６の裏面に、図５の折れ曲がり部５１５，５１４をそれぞれ形成することができるようになる。

図２の流路折れ曲がり部２１４，２１５の裏面には、図５の流路連絡部５０２，５１６がそれぞれ形成される。同様に本発明の構造を適用すれば、表裏の流路を任意の方向に転回することができ、２つの発電流路の間あるいは発電流路とマニホールドの間をつなぐことが可能となる。さらに、各流路連絡部を図７の構造にすれば、流路断面積の和を実質的に減少させることなく、発電領域での流路断面積の和に近づけることができる。その結果、燃料流路および酸化剤流路の圧損を実質的に増加させることがない。

図９は、図２の燃料流路面に対向する酸化剤流路面を有する図２の燃料流路面に対面する酸化剤流路面を有するセパレータ９０１の例である。酸化剤供給マニホールド９１０に対する流路連絡部の流路９０３の位置は、Ｙ軸の正方向に溝幅相当分だけ移動している。同様に、酸化剤排出マニホールド９１１に対する流路の位置も、Ｙ軸の正方向に溝幅相当分だけ移動している。図５と比較すると、溝位置が溝幅相当分ずれていることがわかる。

図２と図９の流路面を有する２つのセパレータの間にＭＥＡを挿入させ、各セパレータのＹ軸が揃うように対面させると、図２のリブ２０６と図９のリブ９０６が一致し、ＭＥＡに均等な圧力を加えることができる。

図１０は、図５の酸化剤路面に対面できるように燃料流路面を形成したセパレータである。図２と比較すると、燃料供給マニホールド１００８に対する流路１００３の位置は、Ｙ軸の負方向に溝幅相当分だけ移動している。同様に、燃料排出マニホールド１００９に対する流路も、同一方向に溝幅相当分だけ移動している。図２と比較すると、燃料の流路全体が溝幅相当分ずれていることがわかる。

発電する領域（発電面）での流路形状を図６の構造としたときに、図９と図１０は表裏の関係にすることができる。

以上で説明した図６の波形流路を採用すると、図２と図５、図９と図１０の流路形状を有する二種類のバイポーラ型セパレータが得られる。また、複数の単セルの配列関係に応じて、いずれかのセパレータを選択することができる。

ただし、図２において、セパレータ中心を基準に点対称となる流路形状にすれば、両面の溝の本数は１本分異なるものの、一種類のセパレータで単セルを構成することは可能である。この場合、流路本数が一本だけ多い単セルと少ない単セルが交互に積層されることになる。高圧で燃料を供給する燃料電池あるいは燃料利用率がほぼ１００％に近い発電をする燃料電池の場合は、流路本数の影響を受けにくくなるので、そのような特殊な燃料電池に対し、点対称のセパレータを用いることができる。その結果、部品点数を削減する利点が得られる。

図１１は、図１０の裏面に形成した冷却水流路面の構造を示す。本流路構造は、Ｙ軸の負方向に溝幅一つ分下がっている面を裏面として組み合せることが可能である。冷却水は、供給マニホールド１１１２から供給し、流路連絡部１１０２，流路折れ曲がり部１１１４，１１１５，流路連絡部１１１６を経由して、排出マニホールド１１１３に排出される。マニホールド１１１２と流路連絡部１１０２，流路連絡部１１１６からマニホールド１１１３の間の裏面には、図１０の流路折れ曲がり部１０１５と流路連絡部１００２、または流路折れ曲がり部１０１４と流路連絡部１０１６がそれぞれ形成されている。このように、表裏の流路が任意の方向に転回できるようなっている。

図１２は、図２の裏面に形成した冷却水流路面である。図１１と比較し、Ｙ軸の負方向に溝幅一つ相当、移動している点が異なる。冷却水は、供給マニホールド１２１２から供給され、途中、幅の広い溝を通過した後、流路連絡部１２０２，流路折れ曲がり部１２１４，１２１５，流路連絡部１２１６を経由して、排出マニホールド１２１３に排出される。

図１２の冷却水流路面に対し、流路のリブ位置が一致するのように二枚の冷却水流路面を対面させると、図１２の冷却水流路の溝深さが二倍となった冷却水流路（拡張チャンネル）を形成することができる。図１２に対向させることのできる冷却水流路を、図１３に示した。これは、図１２に表示したセパレータの表裏の関係を反対にした構造である。それを明らかにするために、Ｙ軸の向きを反転させた。

このように冷却水流路を形成したものを冷却セルとして用いる場合、冷却水流路を形成した面の反対側に、燃料流路または酸化剤流路のいずれかがあるので、二個の発電セル（単セル）の間に冷却セルを挿入する場合に、特に有効である。すなわち、この冷却セルを用いれば、電池の長さを大きくしないで、大きな冷却水流量を確保することができる。図１３のセパレータの裏面には、図２または図９の流路を形成することができる。

また、図１１，図１２，図１３または図１４の冷却水流路面に、黒鉛製、あるいは金属製の平板と対面させると、各図に示した溝深さと同一の深さを有する冷却セルを構成することができる。冷却水流路面に対面させる平板の材質は、導電性であれば上述の材料に限定されない。このような構成の冷却セルの流路断面積は、上述の拡張チャンネルの１／２となるので、流量は１／２に低減される。前記平板は燃料電池の集電板に接するように使うことができるので、この冷却セルは集電板に隣接する位置に設置し、端部のセルを冷却しすぎないようにするときに、特に有効である。

図１４は、図５の酸化剤流路の裏面に冷却水流路面形成したときの構造を示す。図１３と比較すると、Ｙ軸の正方向に溝一つ分相当ずれている。この流路面は図１１の流路と対面させると、冷却水流路を二倍に拡張した冷却水流路（拡張チャンネル）を形成することができる。

最後に、図２の流路連絡部２０２，２１６の構造（図７）に関して、別のバリエーションを説明する。図１５と図１６は、その一例である。

図１５は、図７と比較すると、中央の流路分離部１５０４，１５０７の位置が異なる。すなわち、図７の流路分離部７０４と７０７の中心位置は横方向（セパレータの面内方向）で一致しているが、図１５の流路分離部１５０４と１５０７の中心は左右にずれている。このような構造をとっても、セパレータ断面の中央分離線（一点破線で示した。）を基準に表裏の流路が分かれているので、それぞれの流路を自由に転回することができる。

図１５に示した構造は、図７と比較して圧損増加の抑制に効果がある。図７は、同一面内の複数溝の末端にある溝を他方の面にある末端の溝の下に完全に移動させ、表裏の溝の端部を揃えている。しかし、図１５では、他方の面における末端流路の下まで移動させていない。このように、図１５は溝の移動を部分的に省略しているため、溝の屈曲部を少なくし、流路連絡部での圧力増加を抑制することができる。

流路折れ曲がり部の中央のリブ位置についても、上述のように、表裏でずらした構造を採ることができる。その結果、流路連絡部と同様の圧損低減効果が得られる。また、図２に示した流路折れ曲がり部２１４，２１５に適用すると、同様な効果が得られる。

図１６の上図は、流路分離部１６０４，１６０７や流路端部の凸部１６０５，１６０６をＳ字形に形成した構造例を示している。このような構造は、薄型の基材、例えば金属板を金型でプレス加工した金属セパレータに有効である。薄型基材をプレス加工すると、図７や図１５の流路分離部７０４，７０７，１５０４，１５０７のように、セパレータの両面に厚さ方向への盛り上げ（凸状突起部の形成）ことは極めて困難である。そのような場合に、図１６の構造にすれば、表裏に流路分離部１６０４，１６０７を形成することができる。この状態から、表裏のＳ字の凸部のみが互いに別々に移動することにより、表裏の溝の方向を任意に転回することができる（図１６の下図）。

表面の流路１６０３はＳ字形の凸部１６０５，流路分離部１６０４により形成されている。同様に、裏面の流路１６０８は凸部１６０６，流路分離部１６０７により形成されている。これらの流路は中央の流路分離部１６０４と１６０７により分割されている。端部は凸状に加工した部分１６０５または１６０６を形成する。このように凸状に加工した部分１６０５，１６０６がガスケットを挟んだ状態で、他方のセパレータに圧着すると、反応物質は流路外に漏れることなく、シール性が確保される。

本形態のセパレータ構造を採ると、セパレータの流路が波状となっても、表裏の流路の向きを変更することが可能になり、表裏の流路を流れる反応物質をそれぞれ別々のマニホールドに連絡させることが可能となる。その結果、セパレータを薄くしコンパクトな燃料電池を提供することができる。

本発明の典型的な実施形態として、図１７に、本発明の発電セル用セパレータ１７０４と冷却セル１７０８，１７２２を用いたセルスタックを示した。

発電用セパレータ１７０４には、片面（図１７では左方向の面）に燃料流路、反対面（図１７では右方向の面）に酸化剤流路を形成するバイポーラ型セパレータを主に用いた。
このバイポーラ形セパレータは、図２に示した燃料流路面とその裏面に図５の酸化剤流路面を有するセパレータ（以下、アルファ式と記す。）と、図１０の燃料流路面とその裏面に図９の酸化剤流路面を有するセパレータ（以下、ベータ式と記す。）の二種類を準備した。表裏の流路の断面は、図６に示した台形の波形形状とした。

このように二種類のセパレータを準備した理由は、冷却セルの間隔を自由に変更しても、単セルを構成するセパレータのリブ同士がＭＥＡを介して対面することができるようにするためである。なお、単セル２個につき、冷却セル１個を挿入する場合には、後述のように、バイポーラ型セパレータにはアルファ式、ベータ式のいずれか一方で足り、本実施例ではベータ式のみを用いた。

セパレータを製作するための原料は、膨張黒鉛とフェノール樹脂系熱硬化性バインダーであり、これらの混合物の金型によってセパレータを成形した。バインダー含有量は、黒鉛重量に対し２０重量％とした。

また、図６の断面形状において上方を燃料流路面、下方を酸化剤流路面とすると、燃料流路の開口幅６０２は１mm、燃料流路（溝）の底幅６０３は０.８mm、溝深さ６０４は０.６mmとした。酸化剤流路の開口幅６０５は１mm、底幅６０６は０.８mm、溝深さ６０７は０.６mmとした。肉厚６０１は全面において０.３mmとした。したがって、セパレータの全体の厚さは、溝深さ（０.６mm）と肉厚（０.３mm）の合計、すなわち０.９mmとなる。

図６の断面形状において、溝の開口幅，底幅を固定にすると、溝底の肉厚を変えない限り、表裏の溝深さは同一となる。本実施例では、溝底の肉厚は表裏とも（すなわち、燃料と酸化剤の流路における溝底肉厚の両方とも）同じ値にしたので、溝深さも同じになった。

このように、セパレータの流路形状（溝幅，深さなどからなる寸法を意味する。）を厚さ方向に対称とし、かつ、マニホールド位置をセパレータ面内で点対称としたので、アルファ式セパレータの流路面（例えば図２）を１８０°回転させると、ベータ式セパレータの図９の流路面に一致する。図９は本来、酸化剤流路面として利用されるが、流路形状が厚さ方向に対称なので、燃料流路面としても使用可能である。よって、セパレータの回転によって対面するセパレータのリブ位置を合わせ、少ない種類のバイポーラ型セパレータでセルスタックを組み立てることができる。もし、流路形状あるいはマニホールド位置が対称的でない場合は、回転によるリブ位置合わせができなくなるので、複数のバイポーラ型セパレータを準備する必要がある。

そこで、本実施例ではベータ式のみ用い、ＭＥＡを介して流路面のリブ（凸部）を対面させた。その二枚のセパレータの間に、膜−電極接合体（ＭＥＡ）１７０２とエチレン・プロピレンゴムからなるガスケット１７０５をセパレータの外縁部に設置し、単セル１７０１を組み立てた。次いで、冷却水流路面（図１４）＋酸化剤流路面（図５）／ＭＥＡ／燃料流路面（図１０）＋酸化剤流路面（図９）／ＭＥＡ／燃料流路面（図２）＋冷却水流路面（図１２）からなる２セルを基本ユニットＵ１とする。ここで、“／”は対面していることを意味し、“＋”は表裏に流路を形成したセパレータを表す。すなわち、上記の配列において、“冷却水流路面（図１４）＋酸化剤流路面（図５）”は、図１４と図５の流路を表裏に組み合せたセパレータ、“燃料流路面（図１０）＋酸化剤流路面（図９）”はベータ式セパレータ、“燃料流路面（図２）＋冷却水流路面（図１２）”は図２と図１２を表裏に組み合せたセパレータに相当する。

ここで、Ｕ１右端にある冷却水流路面（図１２）の右側につぎの基本ユニットを連結するために、Ｕ１の上下を反転したユニットＵ２を用意する。このようにすると、基本ユニットＵ２の左端にある冷却水流路面（図１４）の上下方向が逆転した状態になり、図１３と同一面になる。この面は図１２と対面させて、冷却水流路（拡張チャンネル）を形成することができる。これに伴い、Ｕ２の右端の冷却水流路（図１２）も、Ｕ１右端の図１２のＹ軸方向が反転した配置になるので、図１１と同一面となる。この面は、Ｙ軸の正負を反転させずにＵ１の冷却水流路面（図１４）をそのまま連結することができる。以下同様に、Ｕ１、Ｕ２を交互に連結させて、集電板に隣接する冷却セル以外の積層体を製作した。

図１７の左端の集電板１７１３に隣接する冷却セルは、ガスと冷却水のマニホールドを形成した黒鉛製平板を、前記積層体の左端にある冷却水流路面（図１４）に対向するように接着させてから、平板側を集電板１７１３に密着させた。接着した樹脂シール１７０６は、セパレータの外縁部と冷却水マニホールドの周囲とし、冷却水の漏洩を防止した。反対側の集電板１７１４に隣接する冷却セルは、前記積層体の右端にある冷却水流路面（図１２またはそれを１８０°回転させた図。）に黒鉛平板を接着させ（接着部位を樹脂シール１７０６に示した。）、平板側を集電板１７１４に圧着した。これにより、冷却水流路を拡張せず、少ない水量で冷却するので、過冷却を回避して端部のセル電圧の安定化させることができる。

樹脂シール１７０６には、耐水性のエポキシ樹脂を接着剤として用いた。なお、シリコンゴム，フッ素ゴム，エチレン・プロピレンゴムなどの弾性体を用いても良い。

端部以外のセルでは、上述の基本ユニットＵ１，Ｕ２の繰り返し構造によって、各図面の二倍の深さを有する冷却水流路（拡張チャンネル）が形成される。この方法によって、電池の内側のセルについては、二倍の冷却水流量によって、効率的に電池を冷却することができ、先の端部セルの冷却状態を含め、電池全体を均等な温度を維持することが可能となる。

上述の単セルの２つごとに、冷却セルを配置させた。なお、冷却セルを挿入する単セル間隔は１ないし３セルであっても良い。ＭＥＡに流れる電流密度が小さければ、単セル当りの発熱量が小さくなるので、冷却セルを挿入する単セル間隔を多くし、冷却セル数を削減することができる。

このような部品構成にて、単セル２個に冷却セルを１個ずつ挿入した４０セルスタックを製作した。この燃料電池をＣＳ１とする。

燃料は、図１７に示す端板１７０９に設けた供給用コネクター１７１０から供給し、各単セル１７０１を通過して、燃料がＭＥＡのアノード上にて酸化された後に、反対の端板１７０９に設けた燃料ガス配管用コネクター１７２２から排出される。ここで、燃料は、純水素あるいは天然ガス，灯油等の化石燃料を改質して得られた水素を用いることができる。さらに、メタノールまたはメタノール水溶液などの液体燃料を用いることも可能である。

同様に、酸化剤は、左側の端板１７０９に設けた酸化剤ガス配管用コネクター１７１１から供給され、右端の端板１７０９の酸化剤ガス配管用コネクター１７２３から排出される。空気は市販の空気ブロアから供給した。

冷却水はコネクター１７１２から供給し、また、冷却水は冷却セル１７０８を通過した後、右側に設けた端板のコネクター１７２４から排出される。

単セル１７０１は、図１７に示すように複数個直列に連結され、積層体を構成した。その外側に集電板１７１３，１７１４を設け、絶縁板１７０７を介して端板１７０９，絶縁板１７０７で挟み込んだ。両端板は、ボルト１７１６とバネ１７１７，ナット１７１８を用いて、所定の荷重を印加した状態で、積層体を保持した。ガスシール１７０５は燃料ガス流路面，酸化剤ガス流路面の両方、および冷却水セルを構成する２つのセパレータの間に設置した。

このようなセルスタックに燃料として純水素を供給し、酸化剤として空気を供給した。開回路時の電圧が０.９〜１Ｖに達したことを確認した後、電流密度０.３Ａ／cm²にて発電を開始し、８時間の連続発電試験を実施した。０.６８〜０.７０Ｖの範囲で安定した電圧を得た。この試験中の電池入口における空気圧力は、９±０.３ｋＰａであった。なお、燃料利用率は８０％、酸化剤利用率は６０％とした。また、ガスの露点は、燃料ガス，酸化剤ガスともに６０℃とした。

次に、本実施形態におけるセルスタックとの大きさを比較するために、図６の波形セパレータを用いず、セパレータの厚さ中心を通る境界面を基準に、その境界面の表裏に燃料流路と酸化剤流路を設けたセパレータ（厚型セパレータ）を製作した。すなわち、図６のように、表裏の流路がかみ合った形状でなく、燃料流路（深さ０.６mm）と酸化剤流路（深さ０.６mm）が黒鉛製平板（肉厚０.３mm）を境界に分離され、全体が一体に形成されたセパレータとした。このようなセパレータの厚さは、肉厚と表裏の溝深さの合計となり、セパレータ全体の厚さは１.５mmに達する。

セパレータ以外の部品（端板１７０９，集電板１７１３，１７１４，絶縁板１７０７など）は、上述のセルスタックに用いたものと同じとし、４０セルからなるセルスタックを製作した。この燃料電池をＣＳ２とする。

本実施例の燃料電池ＣＳ１と従来のセパレータを用いた燃料電池ＣＳ２について、電池の長さを比較すると、３５％のサイズの短縮を図ることができた。

すなわち、図６を参考にすると、本実施例の燃料と酸化剤の流路深さは０.６mm共通とし、肉厚は０.３mmとした。よって、セパレータ厚さは０.９mmとなる。ガスケットの厚さを含むＭＥＡの厚さは０.５mmとしたので、ＣＳ１の単セルの厚さは（０.９×２＋０.５）÷２＝１.１５mmとなる。なお、式中で、２で割り付けた理由は、両面に流路を設けているので、ＭＥＡに対面していない流路相当のセパレータ厚さを除外するためである。

これに対し、従来の厚型セパレータを用いた場合は、最小肉厚を０.３mmとしても、セパレータ自体の厚さが１.５mmに達する。その結果、従来のセパレータを用いたときの単セル相当の厚さは、（１.５×２＋０.５）÷２＝１.７５mmとなる。なお、式中の０.５は、ＭＥＡの厚さ（０.５mm）を意味する。

したがって、本発明のセパレータを用いれば、従来のセパレータを用いた場合に対し、単セルの寸法を約３５％も小さくすることが可能となった。

第一の実施形態は、表裏の流路断面積が同じであった。表裏の流路断面積を変更する手段の一つに、溝の開口幅と溝幅の調整して表裏の溝ピッチを変更する方法がある。この方法によると、肉厚を全領域で一定、すなわち表裏の溝底の厚さを異なるものにしなくても、表裏の流路断面積を変えることが可能になる。

そこで、第二の実施形態として、第一の実施形態と同じ組成でセパレータを製作し、溝形状を変更した。図６の断面形状において上方を燃料流路面、下方を酸化剤流路面とし、燃料流路の開口幅６０２は１mm、燃料流路（溝）の底幅６０３は０.８mm、溝深さ６０４は０.６mmとした。酸化剤流路の開口幅６０５は１.３mm、底幅６０６は１.１mm、溝深さ６０７は０.６mmとした。肉厚６０１は全面において０.３mmとした。このような流路形状にすると、燃料流路一つ当りの断面積は台形近似にて０.５４mm²、酸化剤流路一つ当りの断面積は０.７２mm²となり、酸化剤側の流路断面積を燃料側に対し３０％以上も拡大することが可能となる。その結果、酸化剤利用率が低い運転の場合には、流路での圧力増加を抑制し、補機の電力損失を低減することが可能となる。

第二の実施形態は、酸化剤ガスの流量が燃料ガス流量よりも大きいガス供給条件のとき、あるいは、純水素を利用しほぼ１００％の水素を消費するガス条件のときに、特に有効である。これによって、酸化剤の圧損を低減することができる。

冷却水流路は、第一の実施形態と同じとし、ＭＥＡ，ガスケット，集電板等のセパレータ以外の部品は全て同じものを用い、セルスタックを製作した。このセルスタックに燃料として純水素を供給し、酸化剤として空気を供給した。開回路時の電圧が０.９〜１Ｖに達したことを確認した後、電流密度０.３Ａ／cm²にて発電を開始し、８時間の連続発電試験を実施した。０.６８〜０.７０Ｖの範囲で安定した電圧を得た。電池電圧，出力はほぼ同じで差異は認められなかったが、電池の入口の空気圧力が９±０.３ｋＰａから６±０.２ｋＰａにまで減少し、その結果、空気を供給するブロアの電力を２０％低減することができた。

なお、本実施例では、燃料利用率は８０％、酸化剤利用率は６０％とした。また、ガスの露点は、燃料ガス，酸化剤ガスともに６０℃とした。

さらに、別の実施形態として、酸化剤流路の溝底の肉厚を燃料流路の溝底の肉厚よりも小さくすると、相対的に酸化剤流路の断面積を燃料流路断面積よりも拡張した。このようにすれば、酸化剤流路では、断面積が拡大されるので、圧損を低減することができ、その結果、ブロア等の空気供給機器やその他の補機の電力損失を小さくすることが可能となる。

また、逆の観点により燃料流路の断面積を相対的に小さくすると、補機電力の損失の点では不利であるが、ガス線速が高まり排水性が向上する。燃料の利用率を高くする発電条件の場合は、流路出口側においてガス流量が減少するので、流路断面積を小さくしても圧損増加の影響を受けにくくなる。このような場合に、燃料流路の断面積を小さくすれば、圧損増加を回避しつつ排水性を改善させることができる。

本発明のセパレータは、コンパクトな固体高分子形燃料電池に利用可能である。

本発明の単セルの断面構造を示す。 本発明の燃料流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明のセパレータに電極およびＭＥＡが積層された状態を示す。 本発明のセパレータにおける発電流路面の斜視図を示す。 本発明の酸化剤流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明のセパレータにおける発電流路面の断面を示す。 本発明のセパレータにおける流路連絡部の断面を示す。 本発明のセパレータにおける流路連絡部の断面を示す。 本発明の酸化剤流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明の燃料流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明の冷却水流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明の冷却水流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明の冷却水流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明の冷却水流路面を有するセパレータ構造を示す。 本発明のセパレータにおける流路連絡部の断面を示す。 本発明のセパレータにおける流路連絡部の断面を示す。 本発明のセパレータを用いたセルスタックを示す。

符号の説明

１０１，３０１ 燃料流路を有するセパレータ
１０２ 電解質膜
１０３ 電極（アノード）
１０４ 電極（カソード）
１０５，１１２，１１３ ガスケット（シール材）
１０７，５０１ 酸化剤流路面を有するセパレータ
１０８，２０８，３０８，５０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８，１３０８，１４０８ 燃料供給マニホールド
１０９，２０９，３０９，５０９，９０９，１００９，１１０９，１２０９，１３０９，１４０９ 燃料排出マニホールド
１１０ 燃料流路
１１１ 酸化剤流路
２０１ 燃料流路面を有するセパレータ
２０２，２１６，２２０，５０２，５１６，９０２，９１６，１００２，１０１６，１１０２，１１０６，１２０２，１２０６，１３０２，１３０６，１４０２，１４０６ 流路連絡部
２０３，５０３，９０３，１００３ 流路連絡部の流路（合流部分）
２０４，５０４，９０４，１００４，１５０４，１５０７，１６０４，１６０７ 流路分離部
２０５，５０５，９０５，１００５，１５０５，１５０６ 流路連絡部のセパレータ平坦部
２０６，５０６，９０６，１００６ 発電面に形成したリブ
２１０，３１０，５１０，９１０，１０１０，１１１０，１２１０，１３１０，１４１０ 酸化剤供給マニホールド
２１１，３１１，５１１，９１１，１０１１，１１１１，１２１１，１３１１，１４１１ 酸化剤排出マニホールド
２１２，３１２，５１２，９１２，１０１２，１１１２，１２１２，１３１２，１４１２ 冷却水供給マニホールド
２１３，３１３，５１３，９１３，１０１３，１１１３，１２１３，１３１３，１４１３ 冷却水排出マニホールド
２１４，２１５，５１４，５１５，９１４，９１５，１０１４，１０１５，１１０４，１１０５，１２０４，１２０５，１３０４，１３０５，１４０４，１４０５ 流路折れ曲がり部
２１７，５１７，９１７，１０１７ 島状突起部
２１８，５１８，９１８，１０１８ 発電面の一部
２１９，５１９，９１９，１０１９ 発電面における流路
３０２ 電極（投影した状態を示す。）
６０１ 波型セパレータの肉厚
６０２ 燃料流路（溝）の開口幅
６０３ 燃料流路（溝）の底幅
６０４ 燃料流路（溝）の溝深さ
６０５ 酸化剤流路（溝）の開口幅
６０６ 酸化剤流路（溝）の底幅
６０７ 酸化剤流路（溝）の溝深さ
７０３ 流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における燃料流路
７０４，７０７，８０４ 流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における流路分離部
７０５，８０５ 流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における平坦部
７０６ 流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における酸化剤流路
８０３ 流路連絡部（図２のＣ−Ｃ断面）における燃料流路
８１７ 流路連絡部（図２のＢ−Ｂ断面）における島状突起部
９０１ 図２の燃料流路面に対面する酸化剤流路面を有するセパレータ
１００１ 図５の酸化剤流路面に対面する燃料流路面を有するセパレータ
１１０１，１２０１，１３０１，１４０１ 冷却水流路を有するセパレータ
１５０３，１６０３ 流路連絡部の燃料流路
１５０８，１６０８ 流路連絡部の酸化剤流路
１６０５，１６０６ 流路連絡部のセパレータ平坦部に相当する凸部
１７０１ 単セル
１７０２ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１７０３ 冷却水流路に対面する平板部品
１７０４ 本発明のセパレータ（単セル用）
１７０５ ガスケット（シール）
１７０６ 樹脂シール（接着剤）
１７０７ 絶縁板
１７０８ 拡張チャンネルを有する冷却セル（右側は酸化剤流路面、左側は燃料流路面）
１７０９ 端板
１７１０，１７２２ 燃料ガス配管用コネクター
１７１１，１７２３ 酸化剤ガス配管用コネクター
１７１２，１７２４ 冷却水配管用コネクター
１７１３，１７１４ 集電板
１７１６ ボルト
１７１７ バネ
１７１８ ナット
１７１９ 外部電力線
１７２０ ＤＣ−ＤＣコンバータまたはインバータ
１７２１ 外部に設置した負荷
１７２２ 冷却水流路と平板部品からなる冷却セル

Claims (8)

1. 燃料または酸化剤のマニホールドと、前記マニホールドの近傍に設けた流路連絡部と、前記流路連絡部に連通しかつ電極に対面する流路とを有するセパレータであって、
   前記流路連絡部の流路の幅が、前記電極に対面する流路の幅よりも大きく、前記流路連絡部の流路の深さが、前記電極に対面する流路の深さよりも小さくした流路連絡部を設けたことを特徴とするセパレータ。
2. 前記流路連絡部における流路と電極に対面する流路との断面積（流れ方向に直角の断面積）がほぼ同等であることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
3. 前記流路連絡部に、凸形状のリブをからなる流路分離部を形成したことを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
4. 前記流路連絡部にセパレータの表面または裏面の少なくとも一方の面に形成された複数の流路を連結する合流部分を設けたことを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
5. 電極に対面する流路の途中に、ガス流路の方向を変える流路折り曲がり部を有することを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
6. 前記流路連絡部の合流部部分において島状の凸部を設けたことを特徴とする請求項４記載のセパレータ。
7. 請求項１記載の構造を有するセパレータの一方の面は電極に対面する流路を有する面として利用し、他方の面は請求項１記載のマニホールドと異なる位置に設けた２つの冷却水マニホールドが流路連絡部を介して連通された冷却水流路面として利用し、当該冷却水流路面を有する２つセパレータを当該冷却水流路面同士の対面によって形成した冷却セルを具備させたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池。
8. 請求項７記載の構造を有する１枚のセパレータと平板との対面によって形成した冷却セルを有すること特徴とする固体高分子形燃料電池。

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