JP4899339B2 - 燃料電池のセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセパレータに関し、特に冷却媒体の分配構造に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（酸素極と燃料極）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、電気化学反応が行なわれ、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）およびセパレータを積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが開発されている。

ところで、燃料電池は、上述の電気化学反応において発生した熱エネルギーや構成材料の電気抵抗によって発熱する。発熱による温度上昇は、燃料電池の性能を低下させる場合がある。例えば、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜に含まれる水分量が温度上昇と共に減少し、ドライアップと呼ばれる不具合を招く場合がある。このため、燃料電池の性能向上のために、燃料電池を効率良く冷却することが求められる。

ここで、燃料電池のセパレータとして、アノード側のプレートと、カソード側のプレートと、両プレートに挟まれた中間プレートとから構成された３層構造を有するものが知られている（特許文献１）。この３層構造のセパレータでは、４角形のセパレータの２つの対角部分にセパレータを貫通する冷却媒体供給マニホールドと排出マニホールドを設けている。そして、中間プレートに燃料電池の発電領域を蛇行すると共に、両端が供給マニホールドおよび排出マニホールドにそれぞれ連通する一本の冷却媒体流路を設けている。

特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、中間プレートを打ち抜き加工することにより冷却媒体流路を形成し、冷却媒体を分配しているため、冷却媒体流路の配置の自由度が低くなり、効率良く冷却媒体を分配できないおそれがあった。具体的に言うと、上記従来技術では、マニホールド面積が狭いため、一本の冷却媒体を蛇行させており、冷却媒体の圧力損失が増大し冷却効率が悪化するおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のセパレータにおいて、冷却媒体を効率良く分配することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の態様は、膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータを提供する。本発明の態様に係るセパレータは、膜電極接合体のカソード側と当接するカソードプレートと、膜電極接合体のアノード側と当接するアノードプレートと、前記カソードプレートと前記アノードプレートとに挟持される中間プレートであって、前記膜電極接合体に前記積層の方向からみて重なる領域の少なくとも一部に、厚さ方向に貫通すると共に冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、前記冷却媒体流動部に配置されると共に前記中間プレートとは別体の非多孔体により形成される分配部であって、前記中間プレートと平行な基板と、前記基板の両側または片側に配置されると共に、前記積層の方向に弾性変形する複数の弾性部とを有する分配部とを備え、前記分配部は、前記冷却媒体流動部において前記冷却媒体を前記セパレータの面方向に分配し、前記分配部の前記積層の方向の巾は、前記中間プレートの厚さよりも大きいことを特徴とする。

本発明の態様に係るセパレータは、中間プレートを挟持する２枚のプレートの間に冷却媒体流動部を有している。そして、冷却媒体流動部に、中間プレートとは別体の非多孔体により形成される分配部を配置することによって、冷却媒体を冷却媒体流動部においてセパレータの面方向に分配している。この結果、前記中間プレートに打ち抜き加工により設けられた冷却媒体流路により冷却媒体を分配するよりも、分配構造の配置の自由度が高く、効率良く燃料電池を冷却することができる。また、分配部とカソードプレートおよび分配部とアノードプレートが確実に接触するので、セパレータ内部の接触抵抗を低減できる。さらに、複数の弾性部によって冷却媒体の分配が図られるとともに、弾性部によって分配部とカソードプレートとの間および分配部とアノードプレートとの間の接触が強められる。この結果、冷却媒体の分配とセパレータ内部の接触抵抗の低減を両立できる。

本発明の態様に係る燃料電池は、さらに、前記セパレータを厚さ方向に貫通する冷却媒体供給マニホールドと、前記セパレータを厚さ方向に貫通する冷却媒体排出マニホールドと、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体流動部を連通する冷却媒体供給流路と、前記冷却媒体排出マニホールドと前記冷却媒体流動部を連通する冷却媒体排出流路と、を備えても良い。冷却媒体供給／排出マニホールドを介して、冷却媒体流動部を流動する冷却媒体を供給／排出できる。

本発明の態様に係るセパレータにおいて、複数の前記弾性部は、前記冷却媒体流動部の全体に分布するように配置されても良い。こうすれば、弾性部によって冷却媒体が冷却媒体流動部の全体に分配されるので、効率良く燃料電池を冷却することができる。

本発明の態様に係るセパレータにおいて、前記弾性部は、前記基板から所定角度で延びると共に端部が前記カソードプレートに接触する複数の第１の板状部材と、前記基板から所定角度で延びると共に端部が前記アノードプレートに接触する複数の第２の板状部材であっても良い。かかる場合には、前記第１の板状部材および前記第２の板状部材が板バネとして機能することによって、上述した分配部とカソードプレートとの間および分配部とアノードプレートとの間の接触を強める力が生じる。さらに、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材が冷却媒体流動部内の冷却媒体を拡散させるので、燃料電池の冷却性能を向上できる。

本発明の態様に係るセパレータにおいて、前記第１および前記第２の板状部材の端部は、前記基板と平行に曲げられていても良く、前記第１および前記第２の板状部材の端部は、前記基板と垂直に曲げられていても良い。カソードプレートおよびアノードプレートと接触する端部の形状を調整することによって、分配部とカソードプレートとの間および分配部とアノードプレートとの間の接触を強める圧力の大きさを調整することができる。

本発明の態様に係るセパレータにおいて、前記基板と前記カソードプレートとの間隔は、前記基板と前記アノードプレートとの間隔よりも大きくても良い。こうすれば、冷却媒体流動部において、アノードプレート側よりカソードプレート側の流動量を大きくするので、発熱量の大きいカソードプレート側を効率良く冷却することができる。

本発明の態様に係るセパレータにおいて、前記分配部は、前記中間プレートより薄い板材を塑性加工することによって作製されても良い。こうすれば、分配部は、容易に作製されることができる。

以下、本発明に係るセパレータについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
図１〜図２を参照して、本発明の第１実施例に係るセパレータを含む燃料電池スタックの概略構成について説明する。図１は、第１実施例における燃料電池スタックの構成を示す説明図である。図２は、燃料電池スタックの積層の単位２００の構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、積層の単位２００を、複数個積層することにより構成されている。燃料電池スタック１００には、酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。

図２に示すように、積層の単位２００は、セパレータ１０００とシール一体型膜電極接合体２０００から成る。

セパレータ１０００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００と、分配部材６００とを備えている。中間プレート５００は、略中央部には破線で示すように中間プレート５００を厚さ方向に貫通する貫通部５５０が設けられている。分配部材６００は、中間プレート５００の貫通部５５０に配置される。アノードプレート３００およびカソードプレート４００は、中間プレート５００を挟持するように、中間プレート５００の両側にそれぞれ接合されている。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。なお、図２における矢印Ｒで示す方向は、燃料電池スタック１００において積層の単位２００が積層される方向であり、また、セパレータ１０００において３つのプレート３００、４００、５００が積層される方向でもある。以下、矢印Ｒで示す方向を積層方向という。

シール一体型膜電極接合体２０００は、シール部材７００と、膜電極接合体８００とを備えている。シール部材７００は、シリコーンゴムなどのガス不透性と弾力性と耐熱性とを有する材料で形成されている。シール部材７００の中心部には、破線で示すように、膜電極接合体８００を配置するための孔７５０が設けられている。膜電極接合体８００は、電解質膜８２０と、アノード８４０と、カソード８６０と、を備えている。電解質膜８２０は、ナフィオン（デュポン社の商標）などのフッ素系樹脂材料で形成された湿潤状態において良好な導電性を有するイオン交換膜である。アノード８４０とカソード８６０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。このアノード８４０とカソード８６０には、白金や白金と他の金属からなる合金などが燃料電池反応の触媒として担持されている。

図３および図４を参照して、セパレータ１０００の構成について、さらに説明する。図３は、本実施例におけるアノードプレート、カソードプレート、中間プレートの正面図である。図４は、第１実施例における分配部材の構造を示す説明図である。図４（ａ）は、分配部材６００の正面図を示す。図４（ｂ）は、分配部材６００の底面図を示す。図４（ｅ）は、分配部材６００の側面図を示す。図４（ｃ）および図４（ｄ）は、それぞれ図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面を示す。図３において、各プレート４００、３００、５００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、燃料電池スタック１００を形成する際に、上述した膜電極接合体８００と積層方向Ｒからみて重なる領域（以下、発電領域ＤＡという。）である。

カソードプレート４００は、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、６個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、複数の酸化ガス供給孔４４０と、複数の酸化ガス排出孔４４４を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池スタック１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成する貫通孔であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。複数の酸化ガス供給孔４４０は、発電領域ＤＡの上端部に、並んで配置されている。複数の酸化ガス排出孔４４４は、発電領域ＤＡの下端部に、並んで配置されている。

アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、ステンレス鋼で形成され、６個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、複数の燃料ガス供給孔３５０と、複数の燃料ガス排出孔３５４を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池スタック１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成する貫通孔であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。複数の燃料ガス供給孔３５０は、発電領域ＤＡの右端部に、並んで配置されている。複数の燃料ガス排出孔３５４は、発電領域ＤＡの左端部に、並んで配置されている。

中間プレート５００は、耐熱性樹脂で形成されている。耐熱性樹脂を用いる場合には、３つのプレートを接合する際（例えば、熱圧着）の温度を、金属材料を用いる場合よりも低く抑えることができるため、セパレータ１０００の熱変形を抑制できる利点がある。中間プレート５００は、上述した貫通部５５０に加えて、６個のマニホールド形成部５２２〜５３２と、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出するための供給流路形成部５４２、５４６および排出流路形成部５４４、５４８と、複数の冷却媒体供給流路５３４と、複数の冷却媒体排出流路５３６とを備えている。

貫通部５５０は、発電領域ＤＡの大部分に亘って形成されている。貫通部５５０によって、３つのプレートを接合した際にアノードプレート３００とカソードプレート４００との間に冷却媒体が流動する空間が形成される。このため、以下では、貫通部５５０を冷却媒体流動部５５０という。冷却媒体流動部５５０には、上述のとおり分配部材６００が配置される。

マニホールド形成部５２２〜５３２は、燃料電池スタック１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成する貫通孔であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。

冷却媒体供給流路５３４は、冷却媒体流動部５５０と冷却媒体供給マニホールド形成部５３０とを連通している。冷却媒体排出流路５３６は、冷却媒体流動部５５０と冷却媒体排出マニホールド形成部５３２とを連通している。これらの流路５３４，５３６は、中間プレート５００の内部を面方向に貫通している。

酸化ガスおよび燃料ガスの供給流路形成部５４２、５４６と、排出流路形成部５４４、５４８は、それぞれ対応するマニホールド形成部５２２〜５３２と一端が連通している。これらの流路形成部５４２〜５４８の他端は、３つのプレートを接合した際に、それぞれ対応するガス供給／排出孔３５０、３５４，４４０、４４４と連通する。

分配部材６００は、図２から明らかなように、３枚のプレート３００、４００、５００とは別体の部材であり、図４に示すように、基板６５０と、複数の第１の板状部材６１０と、複数の第２の板状部材６２０とを備えている。分配部材６００は、一枚の板材（以下、母材という。）を塑性加工（例えば、プレス加工）することによって、基板６５０と第１の板状部材６１０と第２の板状部材６２０とを成型することによって作製される。母材は、中間プレート５００より薄い板材であり、本実施例では、多孔体ではない緻密なステンレス鋼が用いられている。

第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０は、図４（ａ）の左下の第２の板状部材６２０について例示するように、プレス成形において、母材を略コの字状の切断線ＮＬで切断した後、略コの字状の部分を２本の曲げ線ＶＬ１およびＶＬ２で曲げることによって形成される。曲げ線ＶＬ１で曲げられた略コの字状の部分が、第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０に相当する。そして、略コの字状部分以外の未加工の部分が基板６５０に相当する。さらに具体的に説明すると、これらの板状部材６１０、６２０は、曲げ線ＶＬ１において所定の角度αで曲げられ、基板６５０に対して所定の角度αを有して延びている。所定の角度αは、形成すべき分配部材６００の積層方向の巾や、必要な反発力（後述）の大きさ等に応じて決定されるが、プレス加工により容易に成形できるように、負角が生じない９０°以下であることが好ましい。

そして、第１の板状部材６１０は、端部（前記曲げ線ＶＬ２より先端部分）が基板６５０と平行になるように、曲げ線ＶＬ２で曲げられている。第１の板状部材６１０は、３つのプレート３００、４００，５００と共に組み付けられセパレータ１０００を構成した際（以下、組み付け時という。）に、基板６５０からみてアノードプレート３００側（図４（ｂ）における下側）に形成される。一方、第２の板状部材６２０は、組み付け時に、基板６５０からみてカソードプレート４００側（図４（ｂ）における上側）に形成される。

第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０は、図４に示すように一般的な板バネの形状を有しているため、組み付け時に積層方向Ｒに弾性変形する。すなわち、図４における上下方向に圧縮されると、図４における矢印Ｒ方向に、形状を回復しようとする反発力を生じる。

分配部材６００の積層方向の巾は、中間プレート５００の厚さｔより大きい（ｔ＋ａ）である。従って、分配部材６００は、組み付け時に、アノードプレート３００およびカソードプレート４００と接触し、積層方向に圧縮される。従って、組み付け時において、上述した圧縮に対する反発力によって、分配部材６００とアノードプレート３００との間の接触および分配部材６００とカソードプレート４００との間の接触が強められる。図４（ａ）において、第１の板状部材６１０のクロスハッチングされている部分Ｓ１は、組み付け時に、アノードプレート３００と接触する部分を示している。また、第２の板状部材６２０の破線によりハッチングされている部分Ｓ２は、組み付け時に、カソードプレート４００と接触する部分を示している。

第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０は、図４（ａ）に示すように、それぞれが複数個形成されている。複数の第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０は、分配部材６００の全体に亘って、規則正しく配置されている。図４に示す例では、第１の板状部材６１０が配置されている列（図４（ａ）におけるＣ−Ｃ列）と、第２の板状部材６２０が配置されている列（図４（ａ）におけるＤ−Ｄ列）とが、交互に図４（ａ）における上下方向に配列されている。

図５を参照して、本実施例における反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）、冷却媒体の流れについて説明する。図５は、本実施例における燃料電池スタック１００の反応ガスおよび冷却媒体の流れを示す説明図である。図５（ａ）は、セパレータ１０００の正面図を示す。図５（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図５（ａ）における線Ｂ−Ｂおよび線Ｃ−Ｃに対応する燃料電池スタック１００の断面図を示す。

反応ガスの流れについて、燃料ガスの流れを例に説明する。燃料ガスは、図５（ｂ）に破線の矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス供給流路９３０を通ってアノード８４０に供給される。燃料ガス供給流路９３０は、組み付け時に、中間プレート５００の燃料ガス供給流路形成部５４６とアノードプレート３００の燃料ガス供給孔３５０によって形成される。アノード８４０に供給された燃料ガスは、多孔質のアノード８４０中を流れる間に燃料電池反応で使用される。そして、使用済みの燃料ガスは、図５（ｃ）に破線の矢印で示すように、アノード８４０から燃料ガス排出流路９４０を介して燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。燃料ガス排出流路９４０は、組み付け時に、中間プレート５００の燃料ガス排出流路形成部５４８とアノードプレート３００の燃料ガス排出孔３５４によって形成される。図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面には、上述の燃料ガス供給流路９３０および燃料ガス排出流路９４０と同様の構造にて、酸化ガス供給流路９５０と酸化ガス排出流路９６０とが形成される。酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス供給流路９５０を通って、カソード８６０に供給され、酸化ガス排出流路９６０を通って酸化ガス排出マニホールド１２０に排出される。

冷却媒体は、図５（ｂ）において実線の矢印で示すように、冷却媒体供給マニホールド１５０から、中間プレート５００の冷却媒体供給流路５３４を通って、上述した冷却媒体流動部５５０に供給される。冷却媒体流動部５５０に供給された冷却媒体は、上述した分配部材６００によって、セパレータ１０００の面方向（積層方向Ｒと垂直な方向）に拡散され、冷却媒体流動部５５０全体に分配される。冷却媒体流動部５５０内を流動した後、冷却媒体は、図５（ｃ）において実線の矢印で示すように、中間プレート５００の冷却媒体排出流路５３６を通って、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。冷却媒体は、主に冷却媒体流動部５５０を流動中に、燃料電池スタック１００の熱エネルギーを吸収して燃料電池スタック１００を冷却する。

以上説明した第１実施例に係るセパレータによれば、冷却媒体流動部５５０に配置された分配部材６００によって冷却媒体を分配するので、燃料電池スタック１００を効率良く冷却することができる。

また、分配部材６００の第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０は、上述のとおり端部においてアノードプレート３００およびカソードプレート４００と接触するので、セパレータ１０００内の電気伝導性が確保される。分配部材６００とアノードプレート３００およびカソードプレート４００との接触面積は、第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０の端部の形状によって調節できる。すなわち、従来のセパレータでは、中間プレートを打ち抜き加工して冷却媒体流路を形成していたので、接触面積を大きくすると冷却媒体流路が狭くなるという問題があったが、本実施例に係るセパレータ１０００は、冷却媒体が流動する空間を確保しつつ、接触面積も比較的自由に大きくできる。従って、冷却性能と電気伝導性の両立を実現できる。

さらに、分配部材６００の積層方向の巾は中間プレート５００の巾より大きくされているので、組み付け時に、分配部材６００は、アノードプレート３００およびカソードプレート４００と確実に接触することができる。

さらに、分配部材６００は、組み付け時の圧縮に対する反発力によって、アノードプレート３００およびカソードプレート４００に押しつけられるので、分配部材６００とアノードプレート３００との間、および、分配部材６００とカソードプレート４００との間の接触抵抗を低減し、セパレータ１０００内の電気伝導性を高めることができる。

また、分配部材６００が配置されることによってセパレータ１０００の剛性が向上する。

また、分配部材６００は、一枚の母材をプレス加工することにより作製されるので、容易に作製することができる。

・第１実施例の変形例：
・変形例１：
図６を参照して第１実施例の変形例１に係るセパレータ１０００について説明する。図６は、本変形例における分配部材の構造を示す説明図である。本変形例および後述する変形例２において、第１実施例と異なる点は、分配部材における第１の板状部材および第２の板状部材の形状である。その他の構成は第１実施例と同様であるので、その説明を省略する。

本変形例における分配部材６００ａにおいて、第１の板状部材６１０ａおよび第２の板状部材６２０ａの端部は、図６ａに示す曲げ線ＶＬで基板６５０ａと垂直（積層方向Ｒと平行）になるように曲げられている。つまり、第１の板状部材６１０ａおよび第２の板状部材６２０ａが形成される際に、母材から切断された切断面が組み付け時にアノードプレート３００およびカソードプレート４００と接触することになる。従って、第１の板状部材６１０ａは、組み付け時において、第１実施例における分配部材６００よりも狭い面積（図６におけるＳ１およびＳ２）で、アノードプレート３００およびカソードプレート４００と接触する。

本変形例に係るセパレータ１０００によれば、第１の板状部材６１０ａとアノードプレート３００との接触面積を小さくなる。この結果、第１の板状部材６１０ａとアノードプレート３００との接触圧力が大きくなる。従って、第１の板状部材６１０ａの端部によって、アノードプレート３００の表面に形成された酸化被膜を突き破る効果が高まり、接触抵抗をより低減することができる。第２の板状部材６２０ａとカソードプレート４００との間の接触についても同様の効果が得られる。

・変形例２
図７を参照して、第１実施例の変形例２に係るセパレータ１０００について説明する。図７は、本変形例における分配部材の構造を示す説明図である。

本変形例における分配部材６００ｂにおいて、第１の板状部材６１０ｂと第２の板状部材６２０ｂとは、異なる形状を有している。具体的には、第２の板状部材６２０ｂの端部から基板６５０までの距離ｈｃは、第１の板状部材６１０ｂの端部から基板６５０までの距離ｈａよりも大きくされている。この結果、組み付け時において、分配部材６００の基板６５０とカソードプレート４００との間隔は、分配部材６００の基板６５０とアノードプレート３００との間隔よりも大きくなる。

本変形例に係るセパレータ１０００において、冷却媒体流動部５５０における冷却媒体の流量は、基板６５０のカソードプレート４００側において基板６５０のアノードプレート３００側より多くなる。この結果、発熱量の多いカソード８６０を効率的に冷却することができる。

Ｂ．第２実施例：
図８を参照して、第２実施例に係るセパレータ１０００について説明する。図８は、第２実施例における分配部材の構造を示す説明図である。図８（ｂ）は、分配部材６００ｃの正面図を示す。図８（ａ）は、分配部材６００ｃの左側面図（図８（ｂ）の左側からみた図）を示す。図８（ｃ）は、分配部材６００ｃの右側面図（図８（ｂ）の右側からみた図）を示す。図８（ｄ）は、分配部材６００ｃの断面図（図８（ｂ）におけるＤ−Ｄ断面）を示す。第２実施例において、第１実施例と異なる点は、第１実施例に係る分配部材６００に代えて、第２実施例では図８に示す分配部材６００ｃを用いている点である。その他の構成は第１実施例と同様であるので、その説明を省略する。

分配部材６００ｃは、中間プレート５００より薄い板材をプレス加工することによって作製される。分配部材６００ｃは、第１実施例における分配部材６００と同様に、伝導性を有する材料、例えば、ステンレス鋼やチタンなどの金属材料が用いられる。

左側面図（図８（ａ））に破線で示す部分ＩＮは、組み付け時において中間プレート５００の冷却媒体供給流路５３４と隣接する部分（以下、入口部という。）である。右側面図（図８（ｃ））に破線で示す部分ＯＴは、組み付け時において中間プレート５００の冷却媒体排出流路５３６と隣接する部分（以下、出口部という。）である。

分配部材６００は、図８（ｄ）に示すように断面が連続する波型形状を有している。この波型形状によって、分配部材６００の両面には、組み付け時に冷却媒体流路を形成する複数の溝が形成されている。これらの複数の溝は、図８（ｂ）に示すように、途中破線Ｌ１〜Ｌ４で示す部分で曲折しつつ、入口部ＩＮから出口部ＯＴに至っている。図８（ｂ）における実線ＥＬは、分配部材６００の一方の面に形成された複数の溝が隣接しあう稜線（図８（ａ）（ｃ）（ｄ）における点ＥＬが対応する）を示している。図８（ｂ）における破線ＢＬは、分配部材６００の一方の面に形成された複数の溝の底部（図８（ａ）（ｃ）（ｄ）における点ＢＬが対応する）を示している。なお、分配部材６００の他方の面側に形成される溝において、上述した稜線ＥＬの裏側が溝の底部に対応し、上述した底部ＢＬの裏側が稜線に対応する。

組み付け時において、分配部材６００ｃは、冷却媒体流動部５５０を複数の冷却媒体流路に分割する。すなわち、図８（ｄ）に示すように、分配部材６００とアノードプレート３００との間に複数のアノード側冷却媒体流路６０１が形成され、分配部材６００とカソードプレート４００との間に複数のカソード側冷却媒体流路６０２が形成される。なお、図８（ｄ）では、説明の便宜のため、分配部材６００と共に、組み付けられたアノードプレート３００およびカソードプレート４００の一部も図示している。

冷却媒体供給流路５３４から冷却媒体流動部５５０に流入した冷却媒体は、上述した入口部ＩＮから各冷却媒体流路６０１、６０２を通って、セパレータ１０００の面方向に流動し、冷却媒体流動部５５０全体に分配される。分配された冷却媒体は、上述した出口部ＯＴに導かれ、冷却媒体排出流路５３６から冷却媒体排出マニホールド１６０へ排出される。

また、分配部材６００の積層方向の巾は、中間プレート５００の厚さｔより大きい値（ｔ＋ａ）である。したがって、組付け時において、分配部材６００ｃと各プレート３００、４００は、上述した６００ｃの稜線ＥＬにおいて確実に接触する。例えば、組み付け時に分配部材６００ｃの稜線ＥＬ部分が少し潰され、これによって接触面積が確保されるようにしても良い。あるいは、分配部材６００ｃを弾性の高い材料で作製して、第１実施例と同様に分配部材６００ｃの反発力によって、分配部材６００ｃと各プレート３００、４００の接触を強めても良い。

以上説明したように、第２実施例に係るセパレータ１０００によれば、分配部材６００ｃと各プレート３００、４００との接触を確保しつつ、冷却媒体流路を冷却媒体流動部５５０全体に亘って配置できる。従って、第１実施例に係るセパレータ１０００と同様に、冷却性能と電気伝導性の両立を実現できる。

・第２実施例の変形例：
図９を参照して第２実施例の変形例に係るセパレータ１０００について説明する。図９は、本変形例における分配部材の構造を示す説明図である。図９は、図８（ａ）におけるＤ−Ｄ断面に対応している。

本変形例における分配部材６００ｄは、断面の波形形状が、上述した第２実施例における分配部材６００ｃと異なっている。他の部分については、第２実施例と同様であるのでその説明を省略する。

本変形例における分配部材６００ｄでは、図９に示すように、断面の波形形状が歪んでいることによって、アノード側冷却媒体流路６０１の断面積とカソード側冷却媒体流路６０２の断面積が異なっている。具体的には、分配部材６００ｄのカソードプレート４００側に形成されるカソード側冷却媒体流路６０２の断面積が、分配部材６００ｄのアノードプレート３００側に形成されるアノード側冷却媒体流路６０１の断面積より大きくなっている。

こうすることにより、アノード側冷却媒体流路６０１を流れる冷却媒体の流量より、カソード側冷却媒体流路６０２を流れる冷却媒体の流量が多くなる。この結果、第１実施例の変形例２と同様に、発熱量の多いカソード８６０を効率的に冷却することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１０および図１１を参照して、第３実施例に係るセパレータについて説明する。図１０は、第３実施例におけるセパレータの構成を示す説明図である。図１１は、第３実施例におけるアノードプレートの構造を示す説明図である。図１１（ａ）は、アノードプレート３００ｅの正面図を示す。図１１（ｂ）（ｃ）は、図１１（ａ）における線Ｂ−Ｂおよび線Ｃ−Ｃに対応するセパレータ１０００ｅの断面図である。

本実施例に係るセパレータ１０００ｅは、第１実施例と同様に、アノードプレート３００ｅと、カソードプレート４００ｅと、中間プレート５００ｅとを備えている。ただし、第１実施例と異なり、別体の分配部材を備えていない。

カソードプレート４００ｅおよび中間プレート５００ｅは、第１実施例におけるカソードプレート４００および中間プレート５００と同一の構成であるのでその説明を省略する。

アノードプレート３００ｅは、図１１（ａ）に示すように略中央部において、複数の凸状部３９０を備えている点が、第１実施例と異なっている。アノードプレート３００ｅのその他の構成は、図３（ｂ）を参照して説明した第１実施例におけるアノードプレート３００と同一であるので、図１１において図３（ｂ）と同一の符号を付しその説明を省略する。

複数の凸状部３９０は、組み付け時に、中間プレート５００ｅの冷却媒体流動部５５０に収まる範囲の全体に分布するように規則正しく配置されている。従って、組み付け時において、各凸状部３９０は、中間プレート５００の冷却媒体流動部５５０に位置すると共に、冷却媒体流動部５５０の全体に亘って凸状部３９０が規則正しく配置されることになる。図１１（ａ）に示す例では、図１１（ａ）における左右方向および上下方向に等間隔で配置されている。これらの凸状部３９０は、プレス加工を用いて、一枚の板材を、膜電極接合体８００と当接する側から中間プレート５００ｅ側に向けて突き出させて窪ませることによって成形される。

また、複数の凸状部３９０は、図１０に示すように、アノードプレート３００ｅの他の部分から中間プレート５００ｅ側に、中間プレート５００ｅの厚さＴより大きい（Ｔ＋ａ）だけ突出している。したがって、組付け時において、凸状部３９０とカソードプレート４００ｅは、凸状部３９０の頂上部Ｐにおいて確実に接触する。例えば、組み付け時に凸状部３９０の頂上部Ｐが少し潰され、これによって接触面積が確保されるようにしても良い。あるいは、カソードプレート４００ｅを弾性の高い材料で作製して、凸状部３９０の反発力によって、凸状部３９０とカソードプレート４００ｅとの接触を強めても良い。

冷却媒体供給流路５３４から冷却媒体流動部５５０に流入した冷却媒体は、凸状部３９０により、セパレータ１０００の面方向に拡散され、冷却媒体流動部５５０全体に分配される。分配された冷却媒体は、冷却媒体排出流路５３６から冷却媒体排出マニホールド１６０へ排出される。図１１（ｂ）（ｃ）において記号３０１で示される空間を冷却媒体が流動する。

以上説明したように、弟３実施例に係るセパレータ１０００ｅによれば、第１実施例および第２実施例と同様に、冷却性能と電気伝導性の両立を実現できる。

さらに、第３実施例に係るセパレータ１０００ｅでは、別体の分配部材が必要ないので、部品点数が増加することもない。

さらに、凸状部３９０はアノードプレート３００に設けられており、カソードプレート４００の発電領域ＤＡは、フラットである。従って、図１１（ｂ）（ｃ）に記号３０１で示すように、冷却媒体が流れる空間はカソード８６０側に近い部分の体積がより大きくなる。この結果、第１実施例の変形例２と同様に、発熱量の多いカソード８６０を効率的に冷却することができる。

さらに、カソードプレート４００がフラットであることにより、カソード８６０に対する接触圧力が均一になるため、カソード８６０側の電気反応のムラが生じにくい。燃料電池の電気化学反応は、酸素分子の拡散速度が遅いため、一般的に、カソード側の３相界面における反応（２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）に律速される。このため、カソード８６０側の電気反応を重視して、凸状部３９０は、アノードプレート３００に設けられている。

Ｄ．その他の変形例：
上述の実施例では、カソードプレート４００、アノードプレート３００および分配部材６００にステンレス鋼を用いているが、他の材料を用いても良い。カソードプレート４００およびアノードプレート３００には、ガス不透性と導電性とを有する種々の材料、例えば、チタン、チタン合金が用いられ得る。分配部材６００には、伝導性とある程度の弾性を有する種々の材料、例えば、チタン、チタン合金などの金属材料が用いられ得る。また、カソードプレート４００およびアノードプレート３００および分配部材６００は、接触抵抗の低減や、耐食性の向上のために表面処理（例えば、耐食性のメッキ）を施しても良い。

また、上記実施例においては、熱変形を抑制するため接合温度を低く抑制できる耐熱性樹脂を中間プレート５００に用いているが、これに代えて金属材料、例えば、ステンレス、チタンを用いることもできる。

また、上記実施例において、分配部材とアノードプレートおよびカソードプレートとの接触部分を必要に応じて溶接等の接合処理を施しても良い。こうすことで、セパレータ１０００の強度や伝導性を高めることができる。

また、第１実施例における分配部材６００における第１の板状部材６１０および第２の板状部材６２０をはじめとする各実施例、変形例における冷却媒体を分配するための構造の配置は、実施例に限られず種々の配置を採用することができる。例えば、第３実施例における凸状部３９０は、カソードプレート４００上において千鳥状に配置しても良い。

また、上記実施例、変形例として示した分配部材６００〜６００ｄ以外にも種々の構造を有する分配部材が用いられ得る。具体的には、第１実施例における分配部材６００のように、積層方向の巾が中間プレート５００の厚さより厚く、積層の方向に弾性を有していれば、第１実施例と同様の作用・効果が得られる。また、分配部材は、積層方向に負角を有しておらず、一枚板をプレス加工することにより容易に作製できる形状であることが好ましい。例えば、上述の分配部材６００は、基板６５０の両側にそれぞれ板状部材６１０、６２０を配置しているが、片側だけに板状部材を配置する構造であっても良い。係る場合は、片側の板状部材と基板のみで、積層方向の巾が中間プレート５００より大きくなるようにする。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

第１実施例における燃料電池スタックの構成を示す説明図。 燃料電池スタックの積層の単位の構成を示す説明図。 第１実施例における各種プレートの正面図。 第１実施例における分配部材の構造を示す説明図。 第１実施例における燃料電池スタックの反応ガスおよび冷却媒体の流れを示す説明図。 第１実施例の変形例１における分配部材の構造を示す説明図。 第１実施例の変形例２における分配部材の構造を示す説明図である。 第２実施例における分配部材の構造を示す説明図。 第２実施例の変形例における分配部材の構造を示す説明図。 第３実施例におけるセパレータの構成を示す説明図。 第３実施例におけるアノードプレートの構造を示す説明図。

符号の説明

１００...燃料電池スタック
１１０...酸化ガス供給マニホールド
１２０...酸化ガス排出マニホールド
１３０...燃料ガス供給マニホールド
１４０...燃料ガス排出マニホールド
１５０...冷却媒体供給マニホールド
１６０...冷却媒体排出マニホールド
２００...積層の単位
３００、３００ｅ...アノードプレート
３２２、３２４，３２６，３２８、３３０、３３２...マニホールド形成部
３５０...燃料ガス供給孔
３５４...燃料ガス排出孔
３９０...凸状部
４００、４００ｅ...カソードプレート
４２２、４２４，４２６，４２８、４３０、４３２...マニホールド形成部
４４０...酸化ガス供給孔
４４４...酸化ガス排出孔
５００、５００ｅ...中間プレート
５２２、５２４，５２６，５２８、５３０、５３２...マニホールド形成部
５３４...冷却媒体供給流路
５３６...冷却媒体排出流路
５４２、５４６...反応ガス供給流路形成部
５４４、５４８...反応ガス排出流路形成部
５５０...冷却媒体流動部
６００、６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄ...分配部材
６０１、６０２...冷却媒体流路
６１０、６１０ａ、６１０ｂ...第１の板状部材
６２０、６２０ａ、６２０ｂ...第２の板状部材
６５０...基板
７００...シール部材
８００...膜電極接合体
８２０...電解質膜
８４０...アノード
８６０...カソード
９３０...燃料ガス供給流路
９４０...燃料ガス排出流路
９５０...酸化ガス供給流路
９６０...酸化ガス排出流路
１０００、１０００ｅ...セパレータ
２０００...シール一体型膜電極接合体

Claims (8)

1. 膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータであって、
   膜電極接合体のカソード側と当接するカソードプレートと、
   膜電極接合体のアノード側と当接するアノードプレートと、
   前記カソードプレートと前記アノードプレートとに挟持される中間プレートであって、前記膜電極接合体に前記積層の方向からみて重なる領域の少なくとも一部に、厚さ方向に貫通すると共に冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、
   前記冷却媒体流動部に配置されると共に前記中間プレートとは別体の非多孔体により形成される分配部であって、前記中間プレートと平行な基板と、前記基板の両側または片側に配置されると共に、前記積層の方向に弾性変形する複数の弾性部とを有する分配部とを備え、
   前記分配部は、前記冷却媒体流動部において前記冷却媒体を前記セパレータの面方向に分配し、
   前記分配部の前記積層の方向の巾は、前記中間プレートの厚さよりも大きい、
   セパレータ。
2. 請求項１に記載のセパレータは、さらに、
   前記セパレータを厚さ方向に貫通する冷却媒体供給マニホールドと、
   前記セパレータを厚さ方向に貫通する冷却媒体排出マニホールドと、
   前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体流動部を連通する冷却媒体供給流路と、
   前記冷却媒体排出マニホールドと前記冷却媒体流動部を連通する冷却媒体排出流路と、を備えるセパレータ。
3. 請求項１に記載のセパレータにおいて、
   複数の前記弾性部は、前記冷却媒体流動部の全体に分布するように配置されるセパレータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセパレータにおいて、
   前記弾性部は、
   前記基板から所定角度で延びると共に端部が前記カソードプレートに接触する複数の第１の板状部材と、
   前記基板から所定角度で延びると共に端部が前記アノードプレートに接触する複数の第２の板状部材であるセパレータ。
5. 請求項４に記載のセパレータにおいて、
   前記第１および前記第２の板状部材の端部は、前記基板と平行に曲げられているセパレータ。
6. 請求項４に記載のセパレータにおいて、
   前記第１および前記第２の板状部材の端部は、前記基板と垂直に曲げられているセパレータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のセパレータにおいて、
   前記基板と前記カソードプレートとの間隔は、前記基板と前記アノードプレートとの間隔よりも大きいセパレータ。
8. 請求項４から請求項７のいずれか一項に記載のセパレータにおいて、
   前記分配部は、前記中間プレートより薄い板材を塑性加工することによって作製されるセパレータ。

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