(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】本発明は、膜電極接合体との当接面にガス流路１１１が形成される燃料電池用セパレータ１００であって、ガス流路１１１を、ガス流れの上流側から下流側へと並んで設けられた複数の独立したガス流路領域１１０に形成し、各ガス流路領域１１０のガス流路１１１は、上流側から反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の並列な上流流路１１１ａと、その上流流路１１１ａの間に上流端が閉塞されて形成され、反応ガスを下流側へ排出する複数の並列な下流流路１１１ｂと、を含み、上流流路１１１ａを流れる反応ガスは、その上流流路１１１ａに当接する膜電極接合体のガス拡散層を通ってその上流流路１１１ａに隣接する下流流路１１１ｂへと流れ込むことを特徴とする。【選択図】図３
2009110838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体との当接面にガス流路が形成される燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路を、ガス流れの上流側から下流側へと並んで設けられた複数の独立したガス流路領域に形成し、
前記各ガス流路領域のガス流路は、
上流側から反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の並列な上流流路と、
その上流流路の間に上流端が閉塞されて形成され、反応ガスを下流側へ排出する複数の並列な下流流路と、を含み、
前記上流流路を流れる反応ガスは、その上流流路に当接する前記膜電極接合体のガス拡散層を通ってその上流流路から隣接する前記下流流路へと流れ込む
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記各ガス流路領域は、
前記上流流路と前記下流流路とを仕切るガス流れ方向と平行に形成された第１隔壁と、
前記上流流路の下流端を閉塞する第２隔壁と、
前記下流流路の上流端を閉塞する第３隔壁と、を含み、
前記第１隔壁、第２隔壁及び第３隔壁の長さを足し合わせた隔壁の総延長を、下流側に形成されたガス流路領域のものほど短くした
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記上流流路及び前記下流流路の長さを、下流側に形成されたガス流路領域のものほど短くして、前記隔壁の総延長が下流側に形成されたガス流路領域のものほど短くなるようにした
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記上流流路及び前記下流流路の本数を、下流側に形成されたガス流路領域のものほど少なくして、前記隔壁の総延長が下流側に形成されたガス流路領域のものほど短くなるようにした
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記第１隔壁の幅を、下流側に形成されたガス流路領域のものほど広くして、下流側に形成されたガス流路領域の上流流路及び下流流路の本数を少なくした
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記ガス流路領域の全幅を、下流側に形成されたガス流路領域のものほど狭くして、下流側に形成されたガス流路領域の上流流路及び下流流路の本数を少なくした
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池用セパレータは、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して、ガス供給用流路の全ての反応ガスを、ガス拡散層や触媒層をくぐらせてからガス排出用流路へ排出していた。これにより、電極反応面に均一に反応ガスを分配でき、燃料電池の発電効率を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池用セパレータは、ガス供給用流路からガス排出用流路へと拡散するガスの流速が遅く、特に反応ガス濃度が薄くなる下流部において濃度分極が増大して発電効率が低下するという問題点があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、濃度分極を低減して燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、膜電極接合体（１２）との当接面にガス流路（１１１）が形成される燃料電池用セパレータ（１００）であって、前記ガス流路（１１１）を、ガス流れの上流側から下流側へと並んで設けられた複数の独立したガス流路領域（１１０）に形成し、前記各ガス流路領域（１１０）のガス流路（１１１）は、上流側から反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の並列な上流流路（１１１ａ）と、その上流流路（１１１ａ）の間に上流端が閉塞されて形成され、反応ガスを下流側へ排出する複数の並列な下流流路（１１１ｂ）と、を含み、前記上流流路（１１１ａ）を流れる反応ガスは、その上流流路（１１１ａ）に当接する前記膜電極接合体（１２）のガス拡散層（１７）を通ってその上流流路（１１１ａ）に隣接する前記下流流路（１１１ｂ）へと流れ込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の上流流路と、その上流流路の間に形成され、上流流路を流れた反応ガスがリブ下ガス拡散層を通って流れ込む下流流路と、を含むガス流路領域を、反応ガスの流れ方向の上流側から下流側に複数並んで設けた。そのたえめ、単一の長いガス流路で構成されたガス流路領域に比較し、各ガス流路領域の流路長が短くなる。これにより、下流側においても上流流路から下流流路へ流れ込む反応ガスの流速が速くなるので、反応ガス濃度が薄くなる下流部において濃度分極を低減して発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１０】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１１】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス経路２０と、カソードガス経路３０とを備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、アノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）の両面にセパレータを配置させた単セルを、複数積層して構成される。単セルの詳細については、図２を参照して後述する。
【００１５】
アノードガス経路２０は、燃料電池スタック１０の上流側に、燃料タンク２１と調圧弁２２とを備え、燃料電池スタック１０の下流側に、循環ポンプ２３とパージ弁２４とを備える。
【００１６】
燃料タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスを高圧状態で貯蔵する。
【００１７】
調圧弁２２は、燃料タンク１１の圧力を適当な圧力に減圧調整する。
【００１８】
循環ポンプ２３は、アノードガスを循環させる。循環ポンプ２３の下流には循環流路２５が設けられて、燃料電池スタック１０から排出された未反応の反応ガスを再度燃料電池スタック１０に供給する。
【００１９】
パージ弁２４は、アノードガス経路中に存在する窒素などの不純ガスや液水を系外へパージする。
【００２０】
カソードガス経路３０は、燃料電池スタック１０の上流側に、コンプレッサ３１を備え、燃料電池スタックの下流側に、圧力調整弁３２を備える。
【００２１】
コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０に空気(カソードガス)を圧送して供給する。
【００２２】
圧力調整弁３２は、燃料電池スタック１０に供給する空気(カソードガス)の供給圧を調整する。
【００２３】
以下では、図２を参照して、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１について詳しく説明する。
【００２４】
図２は、単セル１１の断面の一部を示す図である。
【００２５】
単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１２の表裏両面にそれぞれセパレータ１００が配置されて構成される。
【００２６】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３と、アノード電極１４と、カソード電極１５とを備える。ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３の一方の面にアノード電極１４を有し、他方の面にカソード電極１５を有する。
【００２７】
固体高分子電解質膜１３は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜１３は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２８】
アノード電極１４は、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００２９】
触媒層１６は、固体高分子電解質膜１３と接する。触媒層１６は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３０】
ガス拡散層１７は、触媒層１６の外側（電解質膜１３の反対側）に設けられ、セパレータ１００と接する。ガス拡散層１７は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。なお、以下では特に、図３を参照して後述するセパレータ１００のリブ（隔壁）１１２に直接接するガス拡散層１７を「リブ下ガス拡散層１７ａ」という。これに対して、同じく図３を参照して後述するセパレータ１００のガス流路１１１に接するガス拡散層１７を「流路下ガス拡散層１７ｂ」という。
【００３１】
カソード電極１５もアノード電極１４と同様に、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００３２】
セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する。セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する側にアノード電極１４及びカソード電極１１３に反応ガスを供給するための複数のガス流路１１１を有する。ガス流路１１１は、ガス拡散層１７と直接接するリブ１１２の間に形成される流路である。なお、セパレータ１００は、ガス流路１１１を流れるアノードガスが、隣接するガス流路１１１に透過しないように緻密性カーボン材等で構成される。カソードセパレータも同様に緻密性カーボン材等で構成される。
【００３３】
次に、本発明の理解を容易にするため、本実施形態によるセパレータ１００の説明をする前に、まず従来例によるセパレータ２００とその問題点について図９から図１１を参照して説明する。
【００３４】
図９は、従来例によるセパレータ２００の平面図である。図１０は、従来例によるセパレータ２００を用いた単セル１１の断面の一部を示す図である。
【００３５】
図９に示すように、従来例によるセパレータ２００は、ガス流路２０４の端部を交互に閉塞させていた。このように、従来例によるセパレータ２００は、ガス流路２０４を、リブ２１１によってガス入口孔２０２ａと連通するガス供給流路２０４ａと、ガス出口孔２０２ｂと連通するガス排出流路２０４ｂとに分離していた。
【００３６】
これにより、図１０に示すように、リブ下ガス拡散層１７ａを強制的に通過させて、反応ガスをガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散させていた。これにより、反応ガス濃度が低下しがちなリブ下の触媒層にも強制的に反応ガスを供給して、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制していた。なお、図１０の図中の矢印は、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの流れを示す矢印である。
【００３７】
しかしながら、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの流速（流量）については全く考慮されていなかった。
【００３８】
図１１は、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへとガス流れ方向と鉛直方向に流れて拡散する反応ガスの流量と、所定セル電圧における電流密度との関係を示した図である。なお、ここでいう反応ガスの流量は、単位時間当りに単位長さのリブ下ガス拡散層１７ａを通過するガス流量であり、ガス流量が多いほどガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの流速も速くなる。
【００３９】
図１１に実線で示すように、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの濃度が高いときは、反応ガスの流量が少なくても電流密度の低下は少ない。
【００４０】
しかしながら、図１１に破線で示すように、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの濃度が低いときは、反応ガスの流量が少ないと電流密度が極端に低下する。
【００４１】
このように、発明者らは、リブ下ガス拡散層１７ａを通ってガス供給流路２０４ａからガス排出流路２０４ｂへと拡散する反応ガスの濃度が低いときは、拡散する反応ガスの流量が少ないと、顕著に濃度分極が増大して燃料電池の性能が低下することを見出した。
【００４２】
ガス供給流路２０４ａを流れる反応ガスは、下流に行くに従って電極反応によって消費されて流量が低下し、濃度も低下していく。そのため、従来例によるセパレータ２００では、反応ガスの流量及び濃度の低くなる下流部で濃度分極が増大するという問題点があった。
【００４３】
そこで、本実施形態によるセパレータ１００では、ガス流路を第１流路部から第３流路部までの３つの流路に分割した。これにより、従来例によるセパレータ２００よりも、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を速くした。以下では、図３を参照して本実施形態によるセパレータ１００について詳しく説明する。
【００４４】
図３は、本実施形態によるセパレータ１００を電極側から見た平面図である。
【００４５】
図３に示すように、セパレータ１００の一端（図中左側）には、上から順に、第２反応ガス（アノードガス）出口孔１０３ｂ、冷却水出口孔１０１ｂ、第１反応ガス（カソードガス）入口孔１０２ａが形成される。一方、セパレータ１００の他端（図中右側）には、上から順に、第１反応ガス出口孔１０２ｂ、冷却水入口孔１０１ａ、第２反応ガス入口孔１０３ａが形成される。
【００４６】
セパレータ１００の外周部と、冷却水入口孔１０１ａ及び出口孔１０１ｂの周辺部と、第２反応ガス入口孔１０３ａ及び出口孔１０３ｂの周辺部とには、帯状のシール材１０４が設けられる。シール材１０４は、反応ガスの外部へのリークや、反応ガスと冷却水とが混合することを防止する。
【００４７】
セパレータ１００の表面には、複数の溝状のガス流路１１１が形成される独立したガス流路領域１１０が、ガス流れ方向に沿って、上流側から下流側へと３箇所形成される。以下では、この３箇所に形成された各ガス流路領域１１０を特に区別する必要があるときは、上流に形成されたものから順に第１ガス流路領域１１０ａ、第２ガス流路領域１１０ｂ、第３ガス流路領域１１０ｃとする。
【００４８】
各ガス流路領域１１０に形成されるガス流路１１１は、ガス流れ方向と平行な複数のリブ１１２の間に形成される流路である。このリブ１１２は、ガス流路１１１の底面からＭＥＡ側へ突出しており、ＭＥＡ１２と接している。
【００４９】
また、ガス流路１１１は、セパレータ１００の幅方向に形成されて下流端を閉塞するリブ１１３と、同様に上流端を閉塞するリブ１１４とによって、下流端が閉塞されたガス供給流路１１１ａと、上流端が閉塞されたガス排出流路１１１ｂとに分離される。ガス供給流路１１１ａとガス排出流路１１１ｂとはそれぞれ交互に並列的に配置される。リブ１１３，１１４もリブ１１２と同様にガス流路１１１の底面からＭＥＡ側へ突出しており、ＭＥＡ１２と接している。
【００５０】
第１反応ガス入口孔１０２ａと、第１ガス流路領域１１０ａとの間には、ガス拡散領域１２０が形成される。ガス拡散領域１２０は、第１反応ガス入口孔１０２ａから供給される反応ガスを拡散させて、反応ガスを第１ガス流路領域１１０ａの各ガス供給流路１１１ａへと均一に分配する。
【００５１】
各ガス流路領域１１０の間には、ガス合流部１３０が形成される。ガス合流部１３０は、上流側のガス流路領域１１０のガス排出流路１１１ｂを流れてきた反応ガスを合流させ、下流側のガス流路領域１１０のガス供給流路１１１ａへ供給する。
【００５２】
第３ガス流路領域１１０ｃと、第１反応ガス出口孔１０２ｂとの間には、ガス収束領域１４０が形成される。ガス収束領域１４０は、第３ガス流路領域１１０ｃのガス排出流路１１１ｂを流れてきた反応ガスを収束させて、反応ガスを第１反応ガス出口孔１０２ｂから排出する。
【００５３】
各ガス流路領域１１０は、上流のものほどガス流れ方向の長さ（＝リブ１１２の長さ）Ｗが長くなるように形成される。つまり、第１ガス流路領域１１０ａ、第２ガス流路領域１１０ｂ及び第３ガス流路領域１１０ｃのガス流れ方向のガス流れ方向の長さをそれぞれＷ１、Ｗ２、Ｗ３とすると、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３となるように形成される。
【００５４】
セパレータ１００は幅方向が一定のセパレータであり、また各ガス流路領域１１０の流路本数は同じなので、幅方向に形成されたリブ１１３とリブ１１４とを足し合わせた長さは、全て等しい。したがって、各ガス流路領域１１０における、ガス流れ方向に形成されたリブ１１２と、幅方向に形成されたリブ１１３，１１４とを足し合わせた長さ（以下「リブの総延長」という）Ｌは、ガス流れ方向の長さＷが長いほど長くなる。つまり、第１ガス流路領域１１０ａ、第２ガス流路領域１１０ｂ及び第３ガス流路領域１１０ｃの各ガス流路領域のリブの総延長をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とするとＬ１＞Ｌ２＞Ｌ３となる。
【００５５】
続いて、図２及び図４を参照してセパレータ１００の作用及び効果について説明する。
【００５６】
図４（Ａ）は、セパレータ１００のガス流れの様子を示した図である。図４（Ｂ）は、セパレータ１００のリブ１１２のリブ下ガス拡散層１７ａを通って、ガス供給流路１１１ａからガス排出流路１１１ｂへとガス流れ方向と鉛直方向に流れて拡散する反応ガスの流速を示した図である。
【００５７】
図４（Ａ）に示すように、第１反応ガス入口孔１０２ａから供給された反応ガスは、ガス拡散領域１２０で拡散して、第１ガス流路領域１１０ａの各ガス供給流路１１１ａに流れ込む。反応ガスは、第１ガス流路領域１１０ａのガス供給流路１１１ａを下流に向けて流れながら、そのガス供給流路１１１ａに面している流路下ガス拡散層１７ｂへと拡散する。ガス供給流路１１１ａの下流端は、リブ１１３によって閉塞されている。したがって、流路下ガス拡散層１７ｂへと拡散して電極反応に使用されなかった反応ガスは、リブ下ガス拡散層１７ａを通って隣接するガス排出流路１１１ｂへと拡散する。
【００５８】
第１ガス流路領域１１０ａのガス排出流路１１１ｂへと拡散した反応ガスは、ガス排出流路１１１ｂを下流に向けて流れながら、その一部が流路下ガス拡散層１７ｂへと拡散して電極反応に使用される。そして、残りの反応ガスが第１ガス流路領域１１０ａと第２ガス流路領域１１０ｂとの間に形成されるガス合流領域１３０へと流れ込む。
【００５９】
第１ガス流路領域１１０ａと第２ガス流路領域１１０ｂとの間に形成されるガス合流領域１３０へと流れ込んだ反応ガスは、第２ガス流路領域１１０ｂのガス供給流路１１１ａに流れ込む。この反応ガスは、前述した第１ガス流路領域１１０ａのガス供給流路１１１ａに流れ込んだ反応ガスと同様に、リブ下ガス拡散層１７ａを通って、第２ガス流路領域１１０ｂのガス排出流路１１１ｂへと拡散する。その後、第２ガス流路領域１１０ｂと第３ガス流路領域１１０ｃとの間に形成されるガス合流領域１３０へと流れ込む。そして、第３ガス流路領域のガス供給流路１１１ａ→リブ下ガス拡散層１７ａ→ガス排出流路１１１ｂ→ガス収束領域１４０と流れて第１反応ガス出口孔１０２ｂから排出される。
【００６０】
ここで、リブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速は、反応ガスの流路となるリブ下ガス拡散層１７ａの断面積が小さくなるほど速くなる。なお、リブ下ガス拡散層１７ａの断面積とは、ガス流れ方向に形成されたリブ１１２の長さ（＝ガス流路領域の長さＷ）に、ガス拡散層の厚さを乗じたものである。本実施形態において、ガス拡散層１７の厚さはガス流れ方向で一定である。したがって、リブ１１２の長さを短くするほど、リブ下ガス拡散層１７ａの断面積が小さくなり、リブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速は速くなる。
【００６１】
そのため図４（Ｂ）に示すように、リブ１１２の長さが最も短い第３流路領域のガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速が、最も速くなる。一方で、リブ１１２の長さが最も長い第１流路領域のガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速が、最も遅くなる。
【００６２】
このように、本実施形態によるセパレータ１００によれば、電極反応によって消費されて流量が低下し、濃度も低下する下流部のリブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を、上流部の流速よりも速くすることができる。したがって、下流部で生じやすい反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制することができる。
【００６３】
なお、リブ１１２の長さは、各ガス流路領域１１０のガス流路１１１を流れる反応ガスの濃度に応じて、所定の電流密度を得るために必要なリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流量を予め求めておき、以下の式によって定める。
【００６４】
【数１】
2009110838.tif 000003
【００６５】
以上説明した本実施形態によれば、複数の溝状のガス流路１１１が形成される独立したガス流路領域１１０を、ガス流れ方向に沿って、上流側から下流側へと複数に分割して形成した。
【００６６】
これにより、ガス供給量に応じて各ガス流路領域のガス流れ方向の長さを調節することで、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を調節することができる。
【００６７】
すなわち、第１反応ガス入口孔１０２ａから供給される反応ガス量に応じて、第１ガス流路領域１１０ａのリブ１１２の長さを調節し、合流部１３０に流れ込む反応ガス量に応じて、第２、第３ガス流路領域１１０ｂ，１１０ｃのリブ１１２の長さを調節する。これにより、下流部のリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速の低下を抑制できるので、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制することができる。したがって、電極反応面の電流密度を上流部から下流部にかけて均一にすることができ、単セル１１の出力の向上が図れる。
【００６８】
また、本実施形態では特に、下流に形成されたガス流路領域のリブ１１２ほど、その長さが短くなるようにしたので、特に反応ガス濃度が低下しがちな、下流部のリブ下の触媒層にも十分な反応ガスを供給できる。したがって、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生をより抑制することができる。
【００６９】
また、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を速くすることで、発電によって生成された凝縮水をガス拡散層内から速やかに排出することができるので、フラッディングを防止することができる。
【００７０】
さらに、反応ガス濃度に応じてガス流速を定めているので、反応ガス濃度の高い部分は流速を小さく(＝圧力損失を小さく、濃度分極も小さい)できる。一方で、反応ガス濃度の低い部分は流速を大きく(＝圧力損失は大きくなるが、濃度分極を大幅に低減できる)できる。これにより、過大なコンプレッサ３１の消費電力を上げることなく発電効率の向上が図れる。
【００７１】
（第２実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態によるセパレータ１００について説明する。本実施形態は、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのガス流れ方向の長さＷ１，Ｗ２，Ｗ３をすべて同じにし、下流に形成されたガス流路領域ほどガス流路１１１の本数を減少させた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７２】
図５は、本実施形態によるセパレータ１００を電極側から見た平面図である。
【００７３】
図５に示すように、本実施形態によるセパレータ１００は、ガス流路１１１の流路幅は同じだが、下流に形成されるガス流路領域のリブ１１２の幅が、上流に形成されるガス流路領域のリブ１１２よりも広い。これにより、下流のガス流路領域ほど、ガス流路１１１の本数ｎが少なくなるようにした。つまり、第１ガス流路領域１１０ａよりも下流にある第２ガス流路領域１１０ｂのガス流路１１１の本数ｎ２が、第１ガス流路領域１１０ａのガス流路１１１の本数ｎ１よりも少なくなるようにした。そして、第２ガス流路領域１１０ｂよりも下流にある第３ガス流路領域１１０ｃのガス流路１１１の本数ｎ３が、第２ガス流路領域１１０ｂのガス流路１１１の本数ｎ２よりも少なくなるようにした。
【００７４】
セパレータ１００は、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのガス流れ方向の長さＷ１，Ｗ２，Ｗ３が略同一となるように形成されているので、ガス流路１０４の本数ｎが少ないほどリブの総延長Ｌも短くなる。したがって、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃリブ総延長Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３を比較すると、ガス流路１１１の本数ｎがｎ１＞ｎ２＞ｎ３の関係にあるので、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３となる。
【００７５】
これにより、第１実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域１１０ｃのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域１１０ａのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
（第３実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態によるセパレータ１００について説明する。本実施形態は、セパレータ１００の形状を変更するとともに、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのガス流れ方向の長さＷ１，Ｗ２，Ｗ３をすべて同じにした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００７７】
図６は、本実施形態によるセパレータ１００を電極側から見た平面図である。
【００７８】
図６に示すように、セパレータ１００は、第１反応ガス入口孔１０２ａから第１反応ガス出口孔１０２ｂにかけて、その全幅が徐々に狭くなるように形成される。また、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのガス流れ方向の長さＷ１，Ｗ２，Ｗ３が略同一となるように形成される。
【００７９】
そうすると、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのガス流路１１１の流路幅及びリブ１１２の幅は略同一となるように形成されているので、下流のガス流路領域ほど、ガス流路１１１の本数ｎが少なくなる。したがって、各ガス流路領域１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのリブ総延長Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３を比較すると、ガス流路１１１の本数ｎがｎ１＞ｎ２＞ｎ３の関係にあるので、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３となる。
【００８０】
これにより、第１実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域１１０ｃのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域１１０ａのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
（第４実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第４実施形態によるセパレータ１００について説明する。本実施形態は、ガス流路１０４が途中で折り返されている点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００８２】
図７は、本実施形態によるセパレータ１００を電極側から見た平面図である。
【００８３】
図７に示すように、セパレータ１００の一端（図中左側）には、上から順に、冷却水出口孔１０１ｂ、第１反応ガス入口孔１０２ａ、第１反応ガス出口孔１０２ｂが形成される。一方、セパレータ１００の他端（図中右側）には、上から順に、冷却水入口孔１０１ａ、第２反応ガス入口孔１０３ａ、第２反応ガス出口孔１０３ｂが形成される。
【００８４】
このように、本実施形態によるセパレータ１００は、第１反応ガス入口孔１０２ａと出口孔１０２ｂとが、セパレータ１００の同じ側の端部に形成される。そして、第１反応ガス入口孔１０２ａと直列に、図中左から右へとガス拡散領域１２０、第１ガス流路領域１１０ａ、ガス合流部１３０が形成される。また、このガス合流部１３０で折り返すようにして図中右から左へと、第２ガス流路領域１１０ｂ及びガス収束領域１４０が、第１反応ガス出口孔１０２ｂと直列に形成される。第１ガス流路領域１１０ａと、第２ガス流路領域１１０ｂとは、ガス流路１１１と平行に延びるシール材１０４ａによって図中上下に区画されている。
【００８５】
これにより、第１反応ガス入口孔１０２ａから供給され、図中左から右へと第１ガス流路領域１１０ａを流れた反応ガスが、ガス合流部１３０でＵターンして、今度は反対向きに第２ガス流路領域１１０ｂを流れて第１反応ガス出口孔１０２ｂから排出される。
【００８６】
ここで、ガス合流部１３０より上流側の第１ガス流路領域１１０ａのガス流路１１１の本数ｎ１は、下流側の第２ガス流路領域１１０ｂのガス流路１１１の本数ｎ２よりも多くなるように形成されている。すなわち、第１ガス流路領域１１１ａの幅が、第２ガス流路領域１１０ｂの幅よりも広くなるように形成されている。第１ガス流路領域１１０ａ及び第２ガス流路領域１１０ｂのガス流れ方向の長さ（＝リブ１１２の長さ）である流路長は同じなので、リブの総延長Ｌを比較すると、流路本数１１１が多い第１ガス流路領域１１０ａのリブの総延長Ｌ１のほうが、第２ガス流路領域１１０ｂのリブの総延長Ｌ２より長くなる。すなわち、Ｌ１＞Ｌ２となる。
【００８７】
したがって、第１実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域１１０ｃのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域１１０ａのリブ下ガス拡散層１７ａを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００８９】
例えば、第１実施形態では、ガス流路領域１１０を３箇所形成したが、少なくとも２つあれば良い。
【００９０】
また、第４実施形態では、第２ガス流路領域１１０ｂのすぐ後ろにガス収束領域１４０を形成したが、図８に示すように、第２ガス流路領域１１０ｂの下流にガス合流部１３０と第３ガス拡散領域１１０ｃを形成してからガス収束領域１４０を形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態によるセパレータを電極側から見た平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるセパレータのリブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるセパレータを電極側から見た平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるセパレータを電極側から見た平面図である。
【図７】本発明の第４実施形態によるセパレータを電極側から見た平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態によるセパレータを電極側から見た平面図である。
【図９】従来例によるセパレータの平面図である。
【図１０】従来例によるセパレータを用いた単セルの断面の一部を示す図である。
【図１１】リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流量と、所定セル電圧における電流密度との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９２】
１１    燃料電池
１２    膜電極接合体
１００    セパレータ
１１０    ガス流路領域
１１１    ガス流路
１１１ａ  ガス供給流路（上流流路）
１１１ｂ  ガス排出流路（下流流路）
１１２    リブ（第１隔壁）
１１３    リブ（第２隔壁）
１１４    リブ（第３隔壁）
【図１】
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【図２】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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