(57)【要約】【課題】燃料電池セパレータにおいて、燃料電池面内での発電の不均一を減少させて、効率よく運転を安定して行う。【解決手段】反応ガスの流体用溝は、複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン状の燃料ガス流路３５を形成し、流体下流部の流体用の溝部３６の幅の山部５４の幅に対する比率を流体上流部の流体用の溝部３４幅の山部５２の幅に対する比率よりも大きくする。流体上流部の単位面積当たりの山部５４の面積が流体下流部の山部５２の面積よりも大きくなるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を燃料側電極と酸化剤側電極とで挟んで構成される膜電極アセンブリの前記燃料側電極側に取り付けられ前記燃料側電極に燃料流体を供給する燃料用セパレータと、前記膜電極アセンブリの前記酸化剤側電極側に取り付けられ前記酸化剤側電極側に酸化剤流体を供給する酸化剤用セパレータのうち少なくとも一方の燃料電池セパレータであって、
前記電極に供給される流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ、電極に接触して電流を流す導体路である山部と、を備え、
前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
電解質を燃料側電極と酸化剤側電極とで挟んで構成される膜電極アセンブリの前記燃料側電極側に取り付けられ前記燃料側電極に燃料流体を供給する燃料用セパレータと、前記膜電極アセンブリの前記酸化剤側電極側に取り付けられ前記酸化剤側電極側に酸化剤流体を供給する酸化剤用セパレータのうち少なくとも一方の燃料電池セパレータであって、
前記電極に供給される流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ、電極に接触して電流を流す導体路である山部と、を備え、
前記流体の下流部の流体用溝幅の山幅に対する比率は前記流体の上流部の流体用溝幅の山幅に対する比率よりも大きいこと、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記流体用溝は、複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン流路を形成し、前記流体の下流部における各段の複数の平行流路の合計流路断面積が前記流体の上流部における各段の複数の平行流路の合計流路断面積よりも小さいこと、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記流体の下流部における各段の前記流体用溝の本数は、前記流体の上流部における各段の前記流体用溝の本数よりも少なくなっていること、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記流体の下流部のそれぞれの前記流体用溝の内面に、突起を設けたこと
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記燃料用セパレータは、膜電極アセンブリと反対側の面に、前記セパレータを冷却する流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ電流を流す導体路である山部と、を備え、
前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項７】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記酸化剤用セパレータは、膜電極アセンブリと反対側の面に、前記セパレータを冷却する流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ電流を流す導体路である山部と、を備え、
前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記各流体溝の各流体上流側から下流側に向かって各流路の全長の１／２から２／３の長さの範囲では、前記各流体用溝幅の各山幅に対する比率は０．５以上２．５以下の範囲であり、前記以外の各流路部分においては、前記各流体用溝幅の各山幅に対する比率は２．５より大きく５以下の範囲であること、
を特徴とする燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子型燃料電池の構造と動作について、図６を参照しながら説明する。図６は従来の固体高分子型燃料電池の構造と動作を示す模式図である。図６に示すように、従来の高分子型燃料電池の単セルは、高分子イオン交換膜からなる電解質１０の両側に触媒層１４と燃料側拡散層１５とを有する燃料側電極１２と触媒層１８と酸化剤側拡散層１９とを有する酸化剤側電極１６とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ２０（ＭＥＡ）を燃料用セパレータ３０及び酸化剤用セパレータ３２によって挟持して構成されている。また、それぞれのセパレータと膜電極アセンブリ２０の間にはガスケット２２，２４が挟まれている。
【０００３】
燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気を用いることが多い。燃料となる水素は燃料用セパレータ３０に形成された溝部３４，３６を流れる。一方の酸化剤としての空気は酸化剤用セパレータ３２に形成された溝部３８，４０を流れる。水素は溝部３４，３６から燃料側電極１２の燃料側拡散層１５に供給され、燃料側拡散層１５において燃料電池の面内方向にも拡散し、溝部３４，３６及び山部５２，５４に対向している触媒層１４に供給され、それぞれの部分において触媒層１４の働きで電子を切り離して水素イオンとなる。切り離された電子は燃料側電極１２から燃料用セパレータの山部５２，６０，５４，６２を通って外部に出て行く。一方、水素イオンは電解質１０の内部を通って酸化剤側電極１６に移動し、燃料側電極１２から外部に出て行った電子は導電線６８によって接続された負荷７０を通って酸化剤用セパレータ３２の山部６０，５６，６２，５８を通って酸化剤側電極１６に入ってくる。酸化剤用セパレータ３２の溝部３８，４０に流れている空気中の酸素は、酸化剤側拡散層１９に供給され、酸化剤側拡散層１９において燃料電池の面方向にも拡散し、溝部３８，４０及び山部５６，５８に対向している触媒層１８に供給される。そして、この山部から供給された電子と電解質１０を通ってきた水素イオンと酸素が触媒層１８の働きで反応して、酸化剤側電極１６で水が生成される。生成された水は酸化剤側電極１６から酸化剤用セパレータ３２の溝部３８，４０に流れ、溝部を流れる空気と共に固体高分子電解質型燃料電池の外部に排出される。また、固体高分子電解質型燃料電池が発電反応を起こすと熱を発生することから、燃料電池の温度を適正な温度範囲に保つことが出来るように、燃料用セパレータ３０、及び酸化剤用セパレータ３２共に、燃料、空気が流れる溝の背面側に冷却媒体を流す溝部４２，４４を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料用セパレータ３０、及び酸化剤用セパレータ３２の各電極側の燃料又は空気の流れる溝部は、燃料である水素と酸化剤である空気をそれぞれの拡散層１５，１９に供給する役割を有している。また、それぞれのセパレータの山部は発生した電子を移動させ、電流を流す導電路の役割を有している。
【０００５】
一方、それぞれのセパレータに形成される溝部は固体高分子電解質型燃料電池の効率を高めるため折れ曲がった長い流路を形成している。すると、それぞれのガスの上流部においては、単位面積当たりの燃料となる水素の分子数も酸化剤となる空気中の酸素の分子数も多いことから発電量が多くなり、逆にガスの下流部においては、単位面積当たりの水素分子の数も酸素分子の数も少なくなることから、発電量が少なくなり、燃料電池セルの面内で発電状態の不均一が発生し燃料電池の性能が低下してしまうことがある。そこで特許文献１には、ガス下流部において電極基板の空隙率を上げることによって、発電量の不均一を解決しようという技術が開示されている。
【０００６】
また、図７に示すように、反応ガス入口１０２の反応ガス流路１０５の反応ガス流路溝１１０の数を反応ガス出口１０３に向かって少なくして、単位面積当たりの燃料となる水素分子の数と酸化剤側の酸素分子の数が大きく変化しないようにすると共に、反応ガス流路溝１１０，１２０の数を少なくすることによって流速を上げて生成水の排水を促進しようとするセパレータ１００が提案がされている（例えば、特許文献２，３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特表平１１−５１１２８９号公報
【特許文献２】特開２００１−５２７２３号公報
【特許文献３】特開２０００−３１１６９６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、近年の高燃料利用率、高空気利用率で運転される固体高分子電解質型燃料電池では、ガスの上流側と下流側とで反応ガスの濃度の差が更に大きく、これによる単位面積あたりの発電量の不均一が顕著に現れてくる。つまり、ガス濃度の濃い上流側は単位面積当たりの反応ガスの分子数が多く、単位面積あたりの発電量が多くなる。一方、ガスの下流側では、ガス濃度が薄くなり単位面積当たりの反応ガス分子数が少なく、発電量が少なくなることに加えて、溝部から拡散層の面内方向への拡散傾向が小さくなって来る。このため下流部では全体として反応ガスの分子数の低下以上に単位面積あたりの発電量が低下してくる。この傾向は下流のガスの濃度が低くなってくるほど顕著に現れてくる。
【０００９】
上記の特許文献２又は３に記載された従来技術は、反応ガスの分子密度は平均化することが出来るが、下流側において問題となる、溝部から拡散層の面内方向への拡散傾向が小さくなって来ることによる発電量低下の問題については解決されておらず、ガス下流側における単位面積あたりの発電量の低下の問題が解決されていない。また、上記のように下流側での発電量は反応ガスの分子密度の低下以上に少なくなることから、特許文献２又は３に記載された従来技術では、下流側において山部の幅が発電電流に対して大きすぎて電気抵抗が小さくなり、逆にガスの上流部の抵抗が相対的に大きくなる。これによって全体として電気抵抗のアンバランスが発生し、燃料電池の面内での発電の不均一が大きくなってしまう場合があった。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池面内での発電の不均一をより減少させて、効率よく運転を行える燃料電池セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池セパレータは、電解質を燃料側電極と酸化剤側電極とで挟んで構成される膜電極アセンブリの前記燃料側電極側に取り付けられ前記燃料側電極に燃料流体を供給する燃料用セパレータと、前記膜電極アセンブリの前記酸化剤側電極側に取り付けられ前記酸化剤側電極側に酸化剤流体を供給する酸化剤用セパレータのうち少なくとも一方の燃料電池セパレータであって、前記電極に供給される流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ、電極に接触して電流を流す導体路である山部と、を備え、前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、を特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池セパレータは、電解質を燃料側電極と酸化剤側電極とで挟んで構成される膜電極アセンブリの前記燃料側電極側に取り付けられ前記燃料側電極に燃料流体を供給する燃料用セパレータと、前記膜電極アセンブリの前記酸化剤側電極側に取り付けられ前記酸化剤側電極側に酸化剤流体を供給する酸化剤用セパレータのうち少なくとも一方の燃料電池セパレータであって、前記電極に供給される流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ、電極に接触して電流を流す導体路である山部と、を備え、前記流体の下流部の流体用溝幅の山幅に対する比率は前記流体の上流部の流体用溝幅の山幅に対する比率よりも大きいこと、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃料電池セパレータにおいて、前記流体用溝は、複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン流路を形成し、前記流体の下流部における各段の複数の平行流路の合計流路断面積が前記流体の上流部における各段の複数の平行流路の合計流路断面積よりも小さいこと、としても好適であるし、前記流体の下流部における各段の前記流体用溝の本数は、前記流体の上流部における各段の前記流体用溝の本数よりも少なくなっていること、としても好適であるし、前記流体の下流部のそれぞれの前記流体用溝の内面に、突起を設けたこと、としても好適である。
【００１４】
また、本発明の燃料電池セパレータにおいて、前記燃料用セパレータは、膜電極アセンブリと反対側の面に、前記セパレータを冷却する流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ電流を流す導体路である山部と、を備え、前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、としても好適であるし、前記酸化剤用セパレータは、膜電極アセンブリと反対側の面に、前記セパレータを冷却する流体を流す溝と、前記溝と溝の間に設けられ電流を流す導体路である山部と、を備え、前記流体の上流部は前記流体の下流部よりも、前記膜電極アセンブリ単位面積当たりの山部面積が大きくなっていること、としても好適である。
【００１５】
また、本発明の燃料電池セパレータにおいて、前記各流体溝の各流体上流側から下流側に向かって各流路の全長の１／２から２／３の長さの範囲では、前記各流体用溝幅の各山幅に対する比率は０．５以上２．５以下の範囲であり、前記以外の各流路部分においては、前記各流体用溝幅の各山幅に対する比率は２．５より大きく５以下の範囲であること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、燃料電池面内での発電の不均一をより減少させ、効率よく運転を行えるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について図１〜４を参照しながら説明する。図１は、燃料電池セパレータの燃料用セパレータ３０の燃料ガス流路３５を示す平面図であり、図２は燃料電池セパレータの流路部の断面図であり、図３は燃料電池セパレータの酸化剤用セパレータ３２の酸化剤ガス流路４６を示す平面図であり、図４は燃料電池セパレータの冷媒側の冷媒流路４８を示す平面図である。なお、従来技術と同様の部分には、同様の符号を用いて説明は省略する。
【００１８】
図１に示すように、燃料用セパレータ３０の燃料極側面には、燃料ガスを流す流路を構成する溝部３４，３６と各流路を仕切ると共に電流を流す導電体としての役目をする山部５２，５４が交互に配置され、燃料ガス入口３３から燃料ガス出口３７に向かって複数の平行な燃料ガス流路３５ａ〜３５ｇが形成されている。そして、それぞれの平行な燃料ガス流路３５ａ〜３５ｇ流路はサーペンタイン仕切り部５３ａ〜５３ｆによって、前記の複数の平行な燃料ガス流路が折り返されるよう構成されている。そして、それぞれの流路折返し部分には、ディンプル８０によって形成された流れ方向変更部８１ａ〜８１ｆが配設されている。このように燃料ガス流路は、複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン流路となっている。
【００１９】
図２ａ、図２ｂに前記の燃料ガス流路３５の断面を示す。図２ａは燃料ガス上流部の燃料ガス流路３５ａの断面を示し、図２ｂは燃料ガス下流部の燃料ガス流路３５ｇの断面を示している。ここで、燃料ガスの上流部とは、燃料ガスの入口から下流に向かって、全流路の２／３の範囲を言い、下流部はこれ以外１／３の範囲を言う。図２ａに示すように、燃料ガス上流部は溝部３４の幅はＷ１で山部の幅はＹ１で、溝部３４の数はＮ１である。また、溝部３４の深さはＨである。したがって、燃料ガス上流部の燃料ガス流路３５ａの燃料ガス流路断面積Ａ１はＡ１＝Ｗ１×Ｈ×Ｎ１である。一方、この断面における燃料ガスと燃料側拡散層１５とのガス接触長さＤ１は、Ｄ１＝Ｗ１×Ｎ１である。また、この断面における燃料側拡散層１５と燃料用セパレータ３０とが接触する導電長さＥ１はＥ１＝Ｙ１×Ｎ１となる。ここで、ガス接触長さＤ１、導電長さＥ１は流体の流れ方向に直交する長さとなる。したがって、ガス接触長さＤ１の導電長さＥ１に対する比率はＫ１＝Ｄ１／Ｅ１＝Ｗ１／Ｙ１、すなわち、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率となる。
【００２０】
上流部の山幅は一般的に０．４ｍｍから１．０ｍｍの範囲内にある。これに対して溝幅は０．４ｍｍから２．０ｍｍの範囲にある。１つの例として、山幅Ｙ１を０．８ｍｍ、溝幅Ｗ１を１．６ｍｍとすると溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率は、Ｗ１／Ｙ１＝１．６／０．８＝２．０となる。
【００２１】
一方、図２ｂに示すように、燃料ガス下流部の燃料ガス流路３５ｇにおいては、前記の燃料ガス上流部と同様に、燃料ガス流路断面積Ａ２はＡ２＝Ｗ２×Ｈ×Ｎ２であり、ガス接触長さＤ２は、Ｄ２＝Ｗ２×Ｎ２である。また、この断面における燃料側拡散層１５と燃料用セパレータ３０とが接触する導電長さＥ２はＥ２＝Ｙ２×Ｎ２で、ガス接触長さＤ２の導電長さＥ２に対する比率はＫ２＝Ｄ２／Ｅ２＝Ｗ２／Ｙ２、すなわち、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２となる。ここでも、ガス接触長さＤ２、導電長さＥ２は流体の流れ方向に直交する長さとなる。
【００２２】
上記の燃料ガス上流部の溝幅と山幅の例と同様に燃料ガス下流部の溝幅、山幅の１例を示す。山幅Ｙ２は上記の例と同様の０．８ｍｍとすると、溝幅Ｗ２は山幅Ｙ２の２から３倍となるようにする。溝幅Ｗ２を山幅Ｙ２の３倍とすると、溝幅Ｗ２は２．１ｍｍの幅となる。従って、上記に示した山幅、溝幅の場合、本実施形態では、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２は３．０であり、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１は２．０となり、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２は、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなっている。
【００２３】
燃料ガス上流部においては、燃料となる水素濃度が高く水素分子の密度も高いので、上記のように溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１が２．０程度であっても、燃料側の溝３４から燃料側拡散層１５に供給された燃料ガスは山部に対向している触媒層１４にも拡散していく。つまり燃料電池の面内方向に拡散していく。このため触媒層１４全体において反応が促進され、面内の発電の電圧分布が略均一化される。一方、燃料ガスの下流部では燃料となる水素が発電で消費されていくことから、水素分子の密度がだんだん低くなってくる。したがって、燃料電池面内での単位面積当たりの発電量を均一に保持するために、燃料電池の単位面積あたりの燃料ガスの流路断面積をだんだん小さくして単位断面積当たりの流量を上げていくことが必要となる。このように、流路の断面積を小さくして単位断面積あたりの流量を上げることによって、燃料ガス下流部でも単位流路断面積あたりの水素の分子数を保ち、燃料電池単位面積当たりの発電量を一定に保てるように思える。しかし、実際には、水素の分子数が減ってくると、図２ａのように溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１が２．０程度のままであると、燃料側の溝から燃料側拡散層１５に供給された燃料ガスが山部に対向する部分の触媒層１４にまで拡散していきにくくなっていく。つまり、燃料ガスの燃料電池の面方向への拡散傾向が低くなってくる。このため触媒層１４のうち、燃料ガスに直接接触していない山部に対向する部分の触媒層１４の反応が促進されず、その分だけ発電の電圧分布に不均一が発生してくる。
【００２４】
以上の実施形態では、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１は２．０、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２は３．０として説明したが、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１は、０．５以上２．５以下の範囲であれば発電量に対する山部面積の不足による燃料電池単位面積当たりの発電量の不均一を減少させることができるが、より不均一を低減するには、Ｗ１／Ｙ１は1.０以上２．３以下が望ましい。また、燃料ガス下流側の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２は、２．５よりも大きく５以下であれば、燃料側の溝から燃料側拡散層１５に供給された燃料ガスが山部に対向する部分の触媒層１４にまで拡散していく拡散傾向が高くなる効果を奏するので、燃料電池単位面積当たりの発電量の不均一を低減することができるが、より前記の拡散傾向を高くして燃料電池単位面積当たりの発電量の不均一を低減するには、Ｗ２／Ｙ２は、２．７以上４以下であることが望ましい。
【００２５】
この燃料ガスの燃料側拡散層１５における面内方向の拡散傾向は、燃料ガスが流れている溝部３４，３６と燃料側電極１２と接している山部５２，５４との比率によって変化する。つまり、燃料ガス中の水素分子の数が少なくなってくる燃料ガス下流では、溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が大きいほど、燃料電池の面内方向へのガス拡散傾向が高くなる。従って、同じ流路断面積の流路で、単位流路断面積当たりの水素分子数が同様であっても、溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が大きいほど、面内方向への拡散傾向が高くなって、発電量の低下が少なくなる。このことによって燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一にすることができる。更に、燃料ガスの濃度が低下した燃料ガス下流においても効率的な発電をすることができるという効果を奏する。
【００２６】
一方、図７に示した従来技術のように、溝数のみを少なくし、燃料ガス下流部における溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が、燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１と同等の場合には、下流部において燃料ガス燃料電池の面方向への拡散傾向が低いため、燃料電池単位面積あたりの発電量が上記の実施形態に比較して低くなるのに反して、発電した電気を外部に導電する導電路となる山部の面積が図２ｂに示した実施形態よりも大きくなっているため単位発電電力量に対する電気抵抗がアンバランスとなる。このため、燃料ガス上流部においては導電面積が不足し、燃料ガス下流においては導電面積が過剰となってしまう。しかし、本実施形態の図２ｂに示す流路形状では、燃料ガス下流部においても発電量に応じて導電面積が低減されていることから、単位発電電力量に対する電気抵抗がアンバランスとならず、燃料電池面内での発電量の均一化が図れるという効果を奏する。更に、発電密度が高くなる上流部においては、山部の面積が大きくなっていることから電気抵抗による損失を低減でき、効率的な運転を行うことができるという効果を奏する。
【００２７】
本実施形態のように、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなる形状の場合には、溝部３６の溝幅Ｗ２が大きく溝部３６から燃料側拡散層１５への拡散傾向が高く発電量の低下が少ないことと、山部５４の山幅Ｙ２が発電量に対して過剰になっていないことから、燃料電池単位面積あたりの発電量と導電体の面積のバランスがとれ、燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一化することが可能となるという効果を奏する。また、発電密度が高くなる燃料ガス上流部においては、山部の面積が大きくなっていることから燃料ガス上流部の電気抵抗による損失を低減でき、効率的な運転を行うことができるという効果を奏する。更に、燃料ガスの濃度の低い下流部においても溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が大きく面内方向への拡散傾向が高く、触媒層１４の山部に対向する部分においても反応が促進されるため燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一にすることができるという効果を奏する。更に、燃料ガスの濃度が低下した燃料ガス下流においても効率的な発電をすることができるという効果を奏する。この場合、燃料ガス下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が燃料ガス上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなる（Ｗ２／Ｙ２＞Ｗ１／Ｙ１）の関係が満たされれば、燃料ガス下流側の溝幅Ｗ２のみを広くしてもよいし、燃料ガス下流側の山幅Ｙ２のみを狭くしてもよいし、溝幅Ｗ２を広くすると同時に山幅Ｙ２を狭くしてもよい。
【００２８】
以上、燃料用セパレータ３０の溝部３４，３６と山部５２，５４について説明したが、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスである空気も、燃料ガスと同様に、酸化剤ガス上流部から下流部に向かって、酸化剤である酸素分子の密度が次第に低くなっていく。このことから、酸化剤ガス流路４６についても燃料ガス流路３５と同様の構成として、燃料電池の面内での発電量の均一化を測ることができる。
【００２９】
図３に示すように、酸化剤用セパレータ３２の酸化剤極側面には、酸化剤ガスを流す流路を構成する溝部３８，４０と各流路を仕切ると共に電流を流す導電体としての役目をする山部５６，５８が交互に配置され、酸化剤ガス入口３９から酸化剤ガス出口４１に向かって複数の平行な酸化剤ガス流路４６ａ〜４６ｅが形成されている。そして、それぞれの平行な酸化剤ガス流路４６ａ〜４６ｅ流路はサーペンタイン仕切り部５７ａ〜５７ｄによって、前記の複数の平行な酸化剤ガス流路が折り返されるよう構成され、それぞれの流路折返し部分には、ディンプル８０によって形成された流れ方向変更部８１ａ〜８１ｄが配設されている。このように酸化剤ガス流路４６は、燃料ガス流路３５と同様に複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン流路となっている。そして、酸化剤ガスの上流側の流路形状、酸化剤ガス下流側の流路形状も図２ａ，図２ｂに示した燃料ガス流路の形状と同様の構成となっている。
【００３０】
このように、酸化剤用セパレータ３２の流路と燃料用セパレータ３０の流路形状を同様な形状にすることによって、本実施形態の燃料用セパレータ３０の効果である、燃料電池単位面積あたりの発電量と導電体の面積のバランスがとれ、燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一化することが可能となるという効果と、流体上流部の電気抵抗による損失を低減でき、効率的な運転を行うことができるという効果と、ガスの濃度の低い流体下流部においても溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が大きく面内方向への拡散傾向が高く、触媒層の山部に対向する部分においても反応が促進されるため燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一にすることができるという効果と、ガスの濃度が低下した下流においても効率的な発電をすることができるという効果と、が相乗効果として表れ、より、燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一化と効率化を図ることが出来るという効果を奏する。また、酸化剤用セパレータ３２の場合でも燃料用セパレータ３０と同様、流体下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が流体上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなる（Ｗ２／Ｙ２＞Ｗ１／Ｙ１）の関係が満たされれば、下流側の溝幅Ｗ２のみを広くしてもよいし、下流側の山幅Ｙ２のみを狭くしてもよいし、溝幅Ｗ２を広くすると同時に山幅Ｙ２を狭くしてもよい。
【００３１】
以上の実施形態では、酸化剤用セパレータ３２と燃料用セパレータ３０の流路が共に、流体下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が流体上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなる場合について述べたが、酸化剤用セパレータ３２、燃料用セパレータ３０のいずれか一方の溝がこのような形状となっていても上記のような効果を奏することができる。ただし、酸化剤用セパレータ３２の流路形状を流体下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が流体上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなるようにするほうが、燃料用セパレータ３０の流路形状を流体下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が流体上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなるようにするよりも、燃料電池単位面積あたりの発電量と導電体の面積のバランスがとれ、燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一化ができる等の上記の効果は大きい。また、上記の実施形態では、燃料ガスの入口から下流に向かって、全流路の２／３の範囲を上流部、これ以外の１／３の範囲を下流部として説明したが、燃料ガスの入口から下流に向かって、全流路の１／２から２／３の範囲を上流部とし、下流部はこれ以外の範囲としても上記と同様の効果を奏することができる。
【００３２】
以上、燃料用セパレータ３０、酸化剤用セパレータ３２のそれぞれの電極側に構成された燃料ガス流路３５、酸化剤ガス流路４６の構成について説明したが、本実施形態では、図６に示すように、それぞれのセパレータはそれぞれの電極と反対側の面に冷媒流路４８を有している。この冷媒流路４８については、各電極側の同様の流路形状とすると導電性の向上及び製造上の効率向上が図れることから、図４に示すように、冷媒流路４８を構成する溝部４２，４４と各流路を仕切ると共に電流を流す導電体としての役目をする山部６０，６２が交互に配置され、冷媒入口４３から冷媒出口４５に向かって複数の平行な冷媒流路４８ａ〜４８ｅが形成されている。そして、それぞれの平行な冷媒流路４８ａ〜４８ｅ流路はサーペンタイン仕切り部６１ａ〜６１ｃによって、前記の複数の平行な冷媒流路４８が折り返されるよう構成され、それぞれの流路折返し部分の上流側は平行な流路が形成され、下流側は流れの均一化を図るためにディンプル８０による流れ方向変更部８１を有している。このように冷媒流路４８も、燃料ガス流路３５、酸化剤ガス流路４６と同様に複数の平行流路が多段に折り返されるサーペンタイン流路となっている。なお、膜電極アセンブリ２０と燃料用セパレータ３０、酸化剤用セパレータ３２を重ね合わせて燃料電池スタックを構成する場合には、燃料用セパレータ３０、酸化剤用セパレータ３２の中には冷媒流路４８を有しないものがある場合がある。この場合でも燃料用セパレータ３０あるいは酸化剤用セパレータ３２の流路形状が、流体下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が流体上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなるように形成されていれば、燃料電池単位面積あたりの発電量と導電体の面積のバランスがとれ、燃料電池の単位面積当たりの発電量をより均一化ができる等の上記の効果を奏する。  
【００３３】
冷媒流路４８においても、燃料用セパレータ３０、酸化剤用セパレータ３２と同様に下流部の溝幅Ｗ２の山幅Ｙ２に対する比率Ｗ２／Ｙ２が上流部の溝幅Ｗ１の山幅Ｙ１に対する比率Ｗ１／Ｙ１よりも大きくなる形状となっている。このため、発電量が多く、発熱量も多い上流部では溝幅Ｗ１が狭く、冷媒と冷媒壁の接触面積が大きいことから冷却容量が大きくなり、逆に、発電量の少ない下流部においては、溝幅Ｗ２が広く冷媒と冷媒壁の接触面積が小さくなることから冷却容量が小さくなる。つまり、発熱量の多い上流部においては大きな冷却面積を持ち、発熱量の小さい下流部では小さな冷却面積となることから、燃料電池の面方向に対して温度の均一化を測ることができるという効果を奏する。
【００３４】
図５に本発明の他の実施形態を示す。この本発明の他の実施形態においては、反応ガス下流側の電極とのガス拡散をより大きくするために、下流側の流路中に突起９０を設けている。この突起の数は反応ガス流路の出口に向かうほど数を多くして、拡散効果を高くするようにすることも好適である。また、突起９０の形状は円柱型でも角柱型でも半球型でもどのような形状でも好適である。この場合も、前記の実施形態の効果と同様に燃料電池の発電量の均一化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施形態である燃料電池セパレータの燃料用セパレータの燃料ガス流路を示す平面図である。
【図２ａ】本発明に係る実施形態である燃料電池セパレータの上流部の流路断面図である。
【図２ｂ】本発明に係る実施形態である燃料電池セパレータの下流部の流路断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態である燃料電池セパレータの酸化剤用セパレータの酸化剤ガス流路を示す平面図である。
【図４】本発明に係る実施形態である燃料電池セパレータの冷媒側の冷媒流路を示す平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態の燃料電池セパレータの流路部の拡大図である。
【図６】従来の固体高分子型燃料電池の構造と動作を示す模式図である。
【図７】従来技術の燃料電池セパレータの流路部の平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  電解質、１２  燃料側電極、１４  触媒層、１５  燃料側拡散層、１６  酸化剤側電極、１８  触媒層、１９  酸化剤側拡散層、２０  膜電極アセンブリ、２２，２４  ガスケット、３０  燃料用セパレータ、３２  酸化剤用セパレータ、３３  燃料ガス入口、３４，３６，３８，４０，４２，４４  溝部、３５，３５ａ〜３５ｇ  燃料ガス流路、３７  燃料ガス出口、３９  酸化剤ガス入口、４１  酸化剤ガス出口、４３  冷媒入口、４５  冷媒出口、４６，４６ａ〜４６ｅ  酸化剤ガス流路、４８，４８ａ〜４８ｅ  冷媒流路、５２，５４，５６，５８，６０，６２  山部、５３，５３ａ〜５３ｆ，５７，５７ａ〜５７ｄ，６１，６１ａ〜６１ｃ  サーペンタイン仕切り部、６８  導電線、７０  負荷、８０  ディンプル、８１，８１ａ〜８１ｆ  流れ方向変更部、９０  突起、１００  セパレータ、１０２  反応ガス入口、１０３  反応ガス出口、１０５  反応ガス流路、１１０  反応ガス流路溝、１２０  反応ガス流路溝、Ａ１，Ａ２  燃料ガス流路断面積、Ｄ１，Ｄ２  ガス接触長さ、Ｅ１，Ｅ２  導電長さ、Ｎ１，Ｎ３  溝部の数、Ｈ  溝部高さ、Ｗ１，Ｗ２  溝幅、Ｙ１，Ｙ２  山幅。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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