JP2007220686A - 燃料電池及び燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータの両面に表裏一体に流路を形成する技術を提供する。
【解決手段】 本発明は、電解質部と、反応ガスが流れるガス流路が形成されているガス流路面と、冷却媒体が流れる冷媒流路が形成されている冷媒流路面と、が表裏一体に形成されたセパレータと、を備える燃料電池である。ガス流路面は、平行に形成された複数の線状ガス流路と、複数の線状ガス流路を複数の線状ガス流路群に分割するとともに複数の線状ガス流路群の少なくとも一部を直列に接続するガス流路接続部と、を有する。冷媒流路面は、複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路を有し、ガス流路接続部に表裏一体に形成されるとともに複数の線状冷媒流路を並列に接続する冷媒流路接続部と、を有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。

近年、プレス成形によって燃料電池用セパレータを製造することが提案されている。たとえば、特許文献１には、燃料電池用セパレータをプレス成形によって製造するための適切な凹凸形状を設定するための技術が開示されている。

特開２０００−１１３８９７号公報 特開平１０−７４５３０号公報 特開平１０−１０６５９４号公報 特開平１１−３３９８２３号公報 特開２０００−１６４２３０号公報

しかし、燃料電池用セパレータをプレス成形によって製造する場合は、たとえば反応ガス流路が形成される一方の面のみに着目して燃料電池用セパレータの形状が決定され、裏面に表裏一体として形成される形状には着目されていなかった。これは、反応ガス流路と冷媒流路とで要求される流路の特性が異なるからである。このため、プレス成形によって燃料電池用セパレータを製造する場合には、反応ガス流路や冷媒流路といった面毎にセパレータを準備する必要があるとともに、導電性や電熱性を低下させるという問題も生じさせていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池用セパレータの両面に対して表裏一体に流路を形成する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の燃料電池は、
電解質部と、
反応ガスが流れるガス流路が形成されているガス流路面と、冷却媒体が流れる冷媒流路が形成されている冷媒流路面と、が表裏一体に形成されたセパレータと、
を備え、
前記ガス流路面は、平行に形成された複数の線状ガス流路と、前記複数の線状ガス流路を複数の線状ガス流路群に分割するとともに前記複数の線状ガス流路群の少なくとも一部を直列に接続するように構成されたガス流路接続部と、を有し、
前記冷媒流路面は、前記複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路と、前記ガス流路接続部に表裏一体に形成されるとともに前記複数の線状冷媒流路を並列に接続するように構成された冷媒流路接続部と、を有することを特徴とする。

本発明のセパレータには、反応ガスが流れるガス流路が形成されているガス流路面と、冷却媒体が流れる冷媒流路が形成されている冷媒流路面と、が表裏一体に形成されている。このセパレータでは、ガス流路面においては複数の線状ガス流路群が直列に接続される一方、冷媒流路面においては複数の線状冷媒流路が並列に接続されている。

ここで、冷媒流路接続部は、たとえば複数の線状冷媒流路の上流側に冷媒流路分配部を設けるとともに、複数の線状冷媒流路の下流側に冷媒流路合流部を設けることによって実現することができる。冷媒流路分配部は、各線状冷媒流路に冷媒を分配するための流路である。冷媒流路合流部は、各線状冷媒流路からの冷媒を合流させるための流路である。このように、冷媒流路面は、前記複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路と、冷媒の入口側の前記ガス流路接続部に表裏一体に形成されるとともに前記複数の線状冷媒流路へ冷媒を分配する冷媒流路分配部と、冷媒出口側の前記ガス流路接続部に表裏一体に形成されるとともに前記複数の線状冷媒流路からの冷媒を合流させる冷媒流路合流部とを有するように構成しても良い。

これらの構成は、ガス流路面と冷媒流路面とが表裏一体に形成されたセパレータにおいて、長く直列に接続されたガス流路と短く並列に接続された冷媒流路とを実現することができる。これにより、成形性の良い表裏一体型のセパレータにおいて、流速の速いガス流路と圧力損失の小さい冷媒流路とを実現することができる。

なお、「平行して」とは、反応ガスと冷却媒体とが同一あるいは逆方向に流れることを意味し、さらに、反応ガスと冷却媒体とが直線状に平行して流れることを意味するだけでなく、たとえば双方が蛇行するような場合も含む広い意味を有する。

また、表裏一体型のセパレータは、後述する板金のプレス成形だけでなく、たとえばフレキシブルカーボンといった非金属材料のプレス成形でも製造することが可能である。さらに、表裏一体型であれば肉厚が均等となるので、プレス成形に限らず他の加工方法であっても加工性が良くなる。

さらに、本発明は、セパレータにマニホールドが設けられている方式あるいはセパレータの外部にマニホールドが設けられている方式のいずれの方式にも適用可能である。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路と非連続であって、かつ、前記電解質部に接する凹凸形状を有するようにしても良い。

こうすれば、ガス流路接続部における流路断面積を複数の線状ガス流路におけるものに近づけることできるので、流速の急変で生ずる圧力上昇に起因するアノードガスに含まれる水分の凝集を抑制することができるという利点がある。さらに、凹凸形状は、その頂点が電解質部に接するように構成されているので、ガス流路接続部におけるセパレータの強度や剛性、導電性といった性能を高める効果をも奏している。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路群の全てを直列に接続するようにしても良い。こうすれば、ガス流路については独立サーペンタイン構造を実現することができる。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路を分割するガス流路分割梁を有し、
前記ガス流路分割梁は、少なくとも前記ガス流路接続部において、前記複数の線状ガス流路を構成する線状ガス流路梁よりも前記電解質部に接する幅と前記電解質部に接する圧力の少なくとも一方が大きくなるように形成されているようにしても良い。

こうすれば、電解質部が有するガス拡散層を経由して生ずるガスの短絡を抑制することができる。上記圧力を高くするには、例えば、少なくともガス流路接続部において、ガス流路分割梁を、線状ガス流路梁よりも、電解質部およびセパレータの積層方向の高さを高くすればよい。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路を分割するガス流路分割梁を有し、
前記ガス流路分割梁は、少なくとも前記ガス流路接続部において、前記複数の線状ガス流路を構成する線状ガス流路梁よりも前記電解質部に接する幅が大きくなるように形成されており、
前記冷媒流路面は、前記ガス流路分割梁に表裏一体に形成された特定の線状冷媒流路を有し、
前記冷媒流路接続部は、前記特定の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量を抑制して、前記複数の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量に近づけるように形成された流量制御形状を有するようにしても良い。

こうすれば、複数の線状冷媒流路と特定の線状冷媒流路における冷却能力が近くなるので、燃料電池内部で発生する温度ムラを抑制することができる。

上記燃料電池において、前記流量制御形状は、前記特定の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量を抑制するように、前記特定の線状冷媒流路の外側に形成された堰状の構造を有するようにしても良い。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路を分割するガス流路分割梁を有し、
前記ガス流路分割梁は、少なくとも前記ガス流路接続部において、前記複数の線状ガス流路を構成する線状ガス流路梁よりも前記電解質部に接する幅が大きくなるように形成されており、
上記燃料電池において、前記冷媒流路面は、前記ガス流路分割梁に表裏一体に形成された特定の線状冷媒流路を有し、
前記特定の線状冷媒流路は、前記特定の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量を抑制して、前記複数の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量に近づけるように構成されているようにしても良い。

上記燃料電池において、前記セパレータは、前記特定の線状冷媒流路に流れ込む前記冷媒の流量を抑制するように、前記特定の線状冷媒流路の内側に装着された流量抑制部材を備えるようにしても良いし、前記特定の線状冷媒流路の内側に流路抵抗を大きくするような凸部形状を設けても良い。

上記燃料電池において、前記ガス流路接続部は、前記複数の線状ガス流路に流れ込む反応ガスの流速を均一化するように構成された整流構造を有するようにしても良い。

こうすれば、アノードガスの滞留や部分的な圧力上昇に起因する凝集を抑制することができる。さらに、接続領域における流速の均一化は、接続領域における発電効率の向上にも寄与することができるという利点もある。

上記燃料電池において、前記セパレータは金属であるようにしても良い。

上記燃料電池において、前記セパレータは、プレス成形された板金によって形成されているようにしても良い。

本発明の第１の燃料電池用ガスセパレータは、
該燃料電池用ガスセパレータを構成する導電性基板部において、一方の面に、反応ガスが流れる反応ガス流路の内壁面の一部を形成する第１の凹凸部が形成されると共に、他方の面に、冷媒流路の内壁面の一部を形成し、前記第１の凹凸部の裏返し形状である第２の凹凸部が形成され、
前記第１の凹凸部は、
該第１の凹凸部が形成された領域である発電領域の外周上の第１の箇所に達する一端と、前記第１の箇所に対向する前記外周上の第２の箇所から離間した他端とを有し、前記発電領域内を特定方向に伸長している線状凸部であって、該線状凸部によって前記発電領域内で隔てられた複数の分割領域を、前記発電領域の外周と前記他端との間の第１の離間部を含む接続領域を介して、前記発電領域全体として直列に接続させる位置に配置された１以上の分割線状凸部と、
前記分割領域において、前記特定方向に対して略平行に形成され、その両端が、前記発電領域の外周から離間した複数の第１の線分上に配置される分割領域内直進凸部と、
を備え、
前記第２の凹凸部は、前記分割線状凸部および前記分割領域内直進凸部の間に形成される凹部の裏返し形状として形成される凸部であって、前記他方の面において、前記特定方向に対して略平行に形成され、その両端が前記発電領域の裏面領域の外周から離間した第２の線分上に配置される冷媒流直進凸部を備えることを要旨とする。

また、本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータは、
一方の面に、反応ガスが流れる反応ガス流路の内壁面の一部を形成する第１の凹凸部が形成されると共に、他方の面に、冷媒流路の内壁面の一部を形成し、前記第１の凹凸部の裏返し形状である第２の凹凸部が形成される導電性基板部と、
前記導電性基板部とは別体で作製されて、前記導電性基板部の前記一方の面上において、前記第１の凹凸部が形成された領域である発電領域上に配置されて、前記反応ガス流路の内壁面の一部を形成する１以上の分割線状凸部と、
を備え、
前記分割線状凸部は、前記発電領域の外周上の第１の箇所に達する一端と、前記第１の箇所に対向する前記外周上の第２の箇所から離間した他端とを有し、前記発電領域内を特定方向に伸長すると共に、前記分割線状凸部によって前記発電領域内で隔てられた複数の分割領域を、前記発電領域の外周と前記他端との間の第１の離間部を含む接続領域を介して、前記発電領域全体として直列に接続させる位置に配置されており、
前記第１の凹凸部は、前記分割領域に形成される分割領域内凸部として、前記特定方向に対して略平行に形成されると共に、その両端が、前記発電領域の外周から離間した複数の第１の線分上に配置される分割領域内直進凸部を備え、
前記第２の凹凸部は、前記分割領域内直進凸部間に形成される凹部の裏返し形状として形成される凸部であって、前記他方の面において、前記特定方向に対して略平行に形成され、その両端が前記発電領域の裏面領域の外周から離間した第２の線分上に配置される冷媒流直進凸部を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータによれば、表裏互いに裏返し形状となる薄板状部材であるセパレータにおいて、一方の面では、反応ガスが分割線状凸部に平行に流れる複数の分割領域と共に、反応ガスの向きが反転する接続領域を有して、全体として蛇行形状をとりながら複数の分割領域が直列に接続された流路（サーペンタイン型流路）を形成しつつ、他方の面では、上記分割領域に平行に冷媒が流れる流路を形成することができる。これにより、表裏互いに裏返し形状となるセパレータの表と裏とに形成する流路において、流速の速い反応ガスの流路と、圧力損失の小さい冷媒流路とを、両立することができる。なお、裏返し形状とは、一方の面に形成される凸部の形状が、他方の面に形成される凹部の形状に対応し、一方の面に形成される凹部の形状が、他方の面に形成される凸部の形状に対応する関係が、両面間で成立する形状を指す。

ここで、複数の分割線状凸部を設ける場合に、分割線状凸部によって発電領域内で隔てられた複数の分割領域を、接続領域を介して、発電領域全体として直列に接続させる分割線状凸部の配置とは、上記特定方向を長手方向とする互いに平行な複数の分割線状凸部を、発電領域の外周に達する端部の側を交互に入れ替えて、上記特定方向に垂直な方向に順次並べるような配置である。

本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記分割線状凸部は、導電性材料によって構成されることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池の内部抵抗の増大を抑え、電池性能を確保することができる。

本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記分割領域内直進凸部は、前記第１の線分における両端間に連続して形成された分割領域内線状凸部であることとしても良い。

このような構成とすれば、セパレータにおいて隣接部材との間の接触面積をより多く確保することにより、燃料電池の内部抵抗を低減することができる。また、分割領域内直進凸部が壁面の一部を形成する反応ガス流路における排水性を向上させることができる。

このような燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記複数の分割領域内線状凸部の各々は、第１の長さの幅を有する頭頂部を有し、
前記分割領域内においては、前記複数の分割領域内線状凸部は、隣り合う前記分割領域内線状凸部の頭頂部間の距離が第２の長さとなる間隔で形成されており、
前記第１の凹凸部全体では、前記分割線状凸部が設けられることなく、前記第２の長さの間隔で、前記分割領域内線状凸部が規則的に連続して形成された場合と同様の位置に、各々の前記分割領域内線状凸部が形成されていることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池用ガスセパレータを適宜位置合わせしつつ積層して燃料電池を組み立てることで、両極に配置するガスセパレータそれぞれに設けられる分割線状凸部の配置が異なる場合であっても、それぞれのガスセパレータが備える分割領域内線状凸部の頭頂部を、互いに重なる位置に配置させ、互いに支持させることができる。また、ガスセパレータの他方の面同士を接触させてガスセパレータ間に冷媒流路を形成する場合には、それぞれのセパレータにおいて、分割領域内線状流路間の凹部の裏返し形状である冷媒流直進凸部の位置も、重ね合わせることが可能になる。これにより、燃料電池内部において、集電性、強度および剛性を確保することができる。

このような燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記分割線状凸部における前記頭頂部は、前記分割線状凸部を間に介して隣り合う前記分割領域線状凸部間に、前記分割線状凸部が設けられることなく、前記第２の長さの間隔で前記分割領域内線状凸部が規則的に連続して形成される場合の、前記分割線状凸部に代えて設けられることになる分割領域内線状凸部の頭頂部を覆う幅を有することとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池用ガスセパレータを適宜位置合わせしつつ積層して燃料電池を組み立てることで、両極に配置するガスセパレータそれぞれに設けられる分割線状凸部の配置が異なる場合であっても、一方のガスセパレータが備える分割線状凸部の頭頂部と、他方のガスセパレータが備える分割領域内線状凸部の頭頂部とを、互いに重なる位置に配置させ、互いに支持させることができる。

本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記冷媒流直進凸部は、前記第２の線分における両端間に連続して形成された冷媒流線状凸部であることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池において、互いに接するセパレータ間で、冷媒流直進凸部の頭頂部同士の接触面積を、より多く確保することができる。これにより、燃料電池内部において、集電性、強度および剛性を向上させることができる。

また、本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記第１の凹凸部は、前記接続領域であって、前記第１の線分上に形成される前記分割領域内直進凸部の端部と前記発電領域の外周との間の第２の離間部を含む領域に、複数の第１の突起部を備え、
前記第２の凹凸部は、前記接続領域の裏面領域であって、前記第２の線分上に形成される前記冷媒流直進凸部の端部と前記発電領域の裏面領域の外周との間の第３の離間部を含む領域において、前記複数の第１の突起部に干渉されない位置に設けられた複数の第２の突起部を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、表裏互いに裏返し形状となるガスセパレータを用いることで、燃料電池において、ガスセパレータの一方の面上に形成される反応ガス流路に対する配流性（流路全体に流体を分配する際の分配の均一性）、および、ガスセパレータの他方の面上に形成される冷媒流路に対する配流性を向上させることができる。

また、本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記分割線状凸部は、前記第１の凹凸部が備える他の凸部に比べて、前記セパレータの厚み方向の高さが高く形成されていることとしても良い。

この場合には、このようなガスセパレータを用いることで、燃料電池において、ガスセパレータから隣接部材（具体的には、電解質層および電極を備える層）へと加えられる圧力が、分割線状凸部が設けられた領域において特に高くなり、分割領域間でのガスリークを抑えることができる。

本発明の第２の燃料電池は、
電解質層と、該電解質の両面に形成された電極とを含む電解質部と、
前記電解質部を狭持するように配置され、前記電解質部との間で燃料ガスまたは酸化ガスである反応ガスの流路を形成する本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータと、
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第２の燃料電池によれば、本発明の第１または第２の燃料電池用ガスセパレータを備えることによる既述した効果を得ることができる。

本発明の第３の燃料電池は、
電解質層と、該電解質層の両面に形成された電極とを含む電解質部と、
前記電解質部を狭持するように配置され、前記電解質部との間で燃料ガスまたは酸化ガスである反応ガスの流路を形成する請求項２２記載の燃料電池用ガスセパレータと、
を備える単セルを複数積層して成り、
アノード側の前記燃料電池用ガスセパレータに形成された前記第１の突起部と、カソード側の前記燃料電池用ガスセパレータに形成された前記第１の突起部とは、前記電解質部を間に介して互いに重なる位置に設けられており、
隣り合う単セルにおいて、一方の単セルが備えるアノード側の前記燃料電池用ガスセパレータに形成された前記第２の突起部と、他方の単セルに備えられて前記アノード側の前記燃料電池用ガスセパレータに隣接するカソード側の前記燃料電池用ガスセパレータに形成された前記第２の突起部とは、互いに接する位置に設けられていることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第３の燃料電池によれば、第１の突起部および第２の突起部が、隣り合うアノード側ガスセパレータとカソード側ガスセパレータとの間で重なる位置に配置されるため、燃料電池における集電性、強度および剛性を向上させることができる。また、第２の突起部同士が当接することにより、第１及び第２の突起部が設けられた領域において、ガスセパレータ間に形成される冷媒流路の流路断面をより大きく確保して、冷媒流路における圧力損失を低減可能となる。

本発明の第１または第２の燃料電池において、
アノード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータは、カソード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータに比べて、前記分割線状凸部がより多く形成されていることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料ガスの流路において、酸化ガスの流路よりも流路断面積が小さくなるため、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が、酸化ガスの流量よりも少ない場合に、燃料電池内において燃料ガスの流速を速め、電池性能を向上させることができる。

また、本発明の第１または第２の燃料電池において、
アノード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータと、カソード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータとにおいて、前記分割線状凸部は、略水平方向に配置されており、
前記燃料ガスは、前記アノード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータにおける鉛直方向上方に形成される前記分割流路が形成する燃料ガスの流路から、鉛直方向下方に形成される前記分割流路が形成する燃料ガスの流路へと流れ、
前記酸化ガスは、前記カソード側に配置された前記燃料電池用ガスセパレータにおける鉛直方向下方に形成される前記分割流路が形成する酸化ガスの流路から、鉛直方向上方に形成される前記分割流路が形成する酸化ガスの流路へと流れることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が、酸化ガスの流量よりも少ない場合に、流量のより少ない燃料ガス流路においては、重力の力を利用して排水を行うことができるため、燃料電池全体の排水性を向上させ、液水の対流に起因する電池性能の低下を抑制することができる。

また、本発明の第１または第２の燃料電池において、
全体として直列に接続された前記複数の分割領域において、各々の前記分割領域の幅が、前記反応ガスの流れ方向下流側に相当する前記分割領域ほど狭く形成されていることとしても良い。

このような構成とすれば、複数の分割領域によって形成される反応ガスの流路において、下流側ほどガスの流速を速めることができる。したがって、電池反応によって電極活物質（水素または酸素）が消費されて流量が減少する下流側において、流速を確保して電池性能低下を抑制することができる。また、ガス流の水分量が増加する下流側において、流速を確保することにより排水性を高めることができる。

あるいは、本発明の第１または第２の燃料電池において、さらに、
前記電解質部と前記燃料電池用ガスセパレータとの間において、少なくとも前記発電領域の外周の一部に配置されて、前記反応ガスの流路におけるガスシール性を確保するシール部と、
前記燃料電池用ガスセパレータの前記一方の面上において、前記分割線状凸部の前記一端と前記発電領域の外周に配置された前記シール部との間の間隙を塞ぐガス漏れ抑制部と、
を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、上記間隙を介した分割領域間のガスリークを抑制することができる。これにより、第１の凹凸部によって形成されるガス流路において、部分的なガス流量の減少を防止し、ガス流路全体でガス流量を確保することができる。

なお、本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法その他の種々の態様で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｃ．本発明の第３実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｄ．本発明の第４実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．変形例：

Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック２１０を備えた燃料電池システム２００の構成を示す説明図である。燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２１０と、燃料電池スタック２１０に燃料ガス（水素ガス）を供給する高圧水素タンク２３０と、この供給を調整するための燃料ガス供給バルブ２９０と、燃料電池スタック２１０から排出されるアノードオフガスを浄化する浄化器２３４と、燃料電池スタック２１０に酸化ガス（空気）を供給するため空気供給ポンプ２８４と、燃料電池スタック２１０を冷却するための熱交換機２６０と、を備えている。なお、本明細書では、燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方を指して反応ガスと呼んでいる。

燃料電池スタック２１０は、アノード流路２１２と、カソード流路２１４と、冷媒流路２２２と、電力出力端子２１６、２１８とを備えている。アノード流路２１２は、発電時において高圧水素タンク２３０から供給された燃料ガスが供給される流路である。カソード流路２１４は、発電時において外部から供給される空気が酸化ガスとして供給される流路である。冷媒流路２２２は、熱交換機２６０で空気冷却された冷却水ＬＬＣが導入される流路である。

図２は、本発明の第１実施例の燃料電池スタック２１０における燃料電池セル２１５の積層状態を示す説明図である。燃料電池セル２１５は、図示しない電解質と電極とを有する電解質部２５０と、電解質部２５０を挟持する２つのセパレータ２６０Ａ、２６０Ｂとを備えている。セパレータ２６０Ａの一方の面には、電解質部２５０にアノードガスを供給するように流路が形成されている。セパレータ２６０Ｂの一方の面には、電解質部２５０に酸化剤ガス（本実施例では空気）を供給するように流路が形成されている。さらに、２つのセパレータ２６０Ａ、２６０Ｂの他方の面には、相互に接する面で冷却媒体ＬＬＣを流すための冷媒流路が上記反応ガス流路と表裏一体に形成されている。

図３は、燃料電池セル２１５の断面ＸＸにおけるアノードガス流路パターン２１２Ｐを示す説明図である。アノードガス流路パターン２１２Ｐは、アノードガス入口部２１２ｉｎからアノードガス出口部２１２ｏｕｔにつながる独立サーペンタイン流路構造を有している。アノードガス流路パターン２１２Ｐは、本実施例では、多数の直線流路形成梁２１２Ｌと２つのガス流路分割梁２１２Ｂ１、２１２Ｂ２とによって、直線流路領域と、第１接続領域と、第２接続領域とが形成されている。ここで、本図では、ハッチングされた部分は、セパレータ２６０Ａが電解質部２５０に接する部分を示している。なお、黒塗りベタの部分は、本実施例では、樹脂フレームで形成された密閉部材を示している。なお、樹脂フレームとは、電解質部２５０とセパレータ２６０Ａとの間において、図３に示すようにアノードガス流路パターン２１２Ｐが形成される領域の外周部に配置されて、燃料電池セル２１５内の燃料ガスの流路におけるガスシール性を確保するための部材である。

直線ガス流路領域には、直線流路形成梁２１２Ｌによって直線状の流路が複数形成されている。これらの複数の直線ガス流路は、２つのガス流路分割梁２１２Ｂ１、２１２Ｂ２によって、第１直線ガス流路群と、第２直線ガス流路群と、第３直線ガス流路群とに分割されている。第１直線ガス流路群と第２直線ガス流路群は、第１接続領域によって直列に接続されている。第２直線ガス流路群と第３直線ガス流路群は、第２接続領域によって直列に接続されている。

独立サーペンタイン流路構造は以下のように構成されている。
（１）第１接続領域のアノードガス入口部２１２ｉｎから入ったアノードガスは、第１直線ガス流路群に流れ込む。
（２）第１直線ガス流路群に流れ込んだアノードガスは、第１接続領域で反転した後に第２直線ガス流路群に流れ込む。
（３）第２直線ガス流路群に流れ込んだアノードガスは、第２接続領域で反転した後に第３直線ガス流路群を経てアノードガス出口部２１２ｏｕｔから排出される。

図４は、本発明の第１実施例における燃料電池スタック２１０の積層方向の断面図である。この図は、燃料電池スタック２１０の酸化剤ガスや冷却媒体ＬＬＣの流路と、アノードガス流路との間の関係を示している。

本実施例の２つのセパレータ２６０Ａ、２６０Ｂによって形成される３つの流路、すなわち、アノードガス流路、酸化ガス流路、および冷却媒体流路は、相互に有機的な関係を有している。２つのセパレータ２６０Ａ、２６０Ｂは、金属の薄板をプレス加工することによって形成された板金プレス部品なので、表裏一体、すなわち、図４に示すように互いに裏返し形状となる凹凸によって形成される流路が、２つのセパレータ２６０Ａ、２６０Ｂの両面に形成されるからである。

図４（ａ）は、燃料電池スタック２１０の直線ガス流路領域の断面である断面ＡＡを示している。断面ＡＡでは、多数の直線流路形成梁２１２Ｌ（図３、図４では、下端の１つだけ示してある）と２つのガス流路分割梁２１２Ｂ１、２１２Ｂ２とによって第１直線ガス流路群と、第２直線ガス流路群と、第３直線ガス流路群とを含む複数の直線ガス流路が形成されている。一方、冷媒流路パターン２２２Ｐでは、複数の直線ガス流路に表裏一体に複数の直線冷媒流路が形成されている。

図４（ｂ）は、燃料電池スタック２１０の第２接続領域の断面である断面ＢＢを示している。断面ＢＢでは、アノードガス流路パターン２１２Ｐが、ガス流路分割梁２１２Ｂ１によって、アノードガス入口部２１２ｉｎと第１直線ガス流路群とを接続する領域と、第２直線ガス流路群と第３直線ガス流路群とを直列に接続する領域とに分割されている。一方、冷媒流路パターン２２２Ｐは、ガス流路分割梁２１２Ｂ１によって分割されていないので、複数の直線冷媒流路が分割されることなく並列に接続されている。

図４（ｃ）は、燃料電池スタック２１０の第１接続領域の断面である断面ＣＣを示している。断面ＣＣでは、アノードガス流路パターン２１２Ｐが、ガス流路分割梁２１２Ｂ２によって、アノードガス出口部２１２ｏｕｔと第３直線ガス流路群とを接続する領域と、第１直線ガス流路群と第２直線ガス流路群とを直列に接続する領域とに分割されている。一方、冷媒流路パターン２２２Ｐは、ガス流路分割梁２１２Ｂ２によって分割されていないので、複数の直線冷媒流路が分割されることなく並列に接続されている。

さらに、本実施例や後述する各実施例においては、酸化剤流路パターン２１４Ｐは、アノードガス流路パターン２１２Ｐに対称に形成されているので、酸化剤流路パターン２１４Ｐもアノードガス流路パターン２１２Ｐと同様に構成されている。アノードガス流路パターン２１２Ｐと酸化剤流路パターン２１４Ｐとが対称に構成されることにより、図４（ａ）に示すように、セパレータ２６０Ａが備える直線流路形成梁２１２Ｌおよびガス流路分割梁２１２Ｂ１，Ｂ２と、セパレータ２６０Ｂが備える対応する直線流路形成梁およびガス流路分割梁とは、電解質部２５０に対して、電解質部２５０のそれぞれの面から互いに対応する同じ位置で接することになる。また、アノードガス流路パターン２１２Ｐと酸化剤流路パターン２１４Ｐとが対称に構成されることにより、図４（ａ）に示すように、隣り合う燃料電池セル２１５間では、セパレータ２６０Ａおよびセパレータ２６０Ｂにおいて上記ガス流路を形成するパターンの裏返し形状として他方の面に形成される冷媒流路のパターンが、互いに対応する位置で当接することになる。

なお、本実施例における複数の直線流路形成梁２１２Ｌと２つのガス流路分割梁２１２Ｂ１、２１２Ｂ２とによって形成された複数の直線ガス流路は、特許請求の範囲の請求項１ないし１３における「複数の線状ガス流路」の一例に相当する。一方、「第１接続領域およびガス流路分割梁２１２Ｂ２」と「第２接続領域およびガス流路分割梁２１２Ｂ１」の組合せは、特許請求の範囲の請求項１ないし１３における「ガス流路接続部」の一例に相当する。

このように、本発明の第１実施例では、複数の直線ガス流路が３つの部分に分割されるとともに、分割された３つの直線ガス流路群が直列に接続されている。一方、冷媒流路については、複数の直線冷媒流路が分割されることなく並列に接続されている。この構成では、ガス流路面と冷媒流路面とが表裏一体に形成されたセパレータにおいて、長く直列に接続されたガス流路と短く並列に接続された冷媒流路とを実現することができる。これにより、成形性の良い表裏一体型のセパレータにおいて、流速の速いガス流路と圧力損失の小さい冷媒流路とを実現することができる。

Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの構成：
図５は、本発明の第２実施例のセパレータ２６１Ａにおけるアノードガス流路パターン２１３Ｐを示す説明図である。アノードガス流路パターン２１３Ｐは、アノード流路側に突出する複数の突起部２６１Ｃを備える点で第１実施例のアノードガス流路パターン２１２Ｐと異なる。

複数の突起部２６１Ｃは、第１接続領域と第２接続領域におけるアノードガスの凝集に起因する閉塞を抑制するために設けられている。アノードガスの凝集は、これらの接続領域における流速の低下に起因して、アノードガスに含まれる水分が液化することによって生ずる。すなわち、流速の低下は、直線ガス流路群から接続領域に流れ込む際に、水素ガス流の運動エネルギが圧力エネルギに変換されることによって生ずる（ベルヌーイの定理）。このエネルギ変換は、直線ガス流路群よりも第１接続領域や第２接続領域の流路断面積が大きいことによって生ずるので、第１接続領域や第２接続領域の流路断面積を削減することによって抑制することができる。複数の突起部２６１Ｃは、第１接続領域や第２接続領域の流路断面積を削減して流速を維持するために設けられたものである。

このように、第２実施例では、第１接続領域や第２接続領域に流路断面積を削減する複数の突起部２６１Ｃが設けられているので、第１接続領域や第２接続領域におけるアノードガスの凝集に起因する閉塞を抑制することができるという利点がある。

さらに、第２実施例では、複数の突起部２６１Ｃが頂点において電解質部２５０に接するように構成されているので、第１接続領域や第２接続領域におけるセパレータ２６１Ａの強度や剛性を高めるとともに、導電性を良くする効果をも奏している。ここで、図５（ｂ）に示すように、アノード側のセパレータ２６１Ａとカソード側のセパレータ２６１Ｂとは、対称に構成されているため、各々のセパレータに形成された複数の突起部２６１Ｃは、頂点において、電解質部２５０のそれぞれの面から互いに対応する同じ位置で電解質部２５０に接することになる。また、図５（ｂ）に示すように、アノード側のセパレータ２６１Ａとカソード側のセパレータ２６１Ｂとが対称に構成されているため、隣り合う燃料電池セル間では、セパレータ２６１Ａおよびセパレータ２６１Ｂの第１接続領域および第２接続領域における複数の突起部２６１Ｃを備えるガス流路パターンの裏返し形状としての冷媒流路側の複数の突起部が、互いに対応する位置で当接することになる。

アノードガスの入口部や出口部においても、同様の突起が設けられている。これらの突起は、アノードガスの入口部においては、各直線冷媒流路への冷媒のより均一な分配を実現し、アノードガスの出口部においては、アノードガスの凝集の抑制を実現するために設けられたものである。

Ｃ．本発明の第３実施例における燃料電池スタックの構成：
図６は、本発明の第３実施例のセパレータ２６２Ａにおけるアノードガス流路パターン２１４Ｐを示す説明図である。アノードガス流路パターン２１４Ｐは、（１）ガス流路分割梁２６２Ｂの太さが直線流路形成梁２１２Ｌの１．５倍に設定されている点（図６（ａ））と、（２）ガス流路分割梁２６２Ｂに表裏一体に形成された直線冷媒流路の近傍において、冷媒流路側に突出する冷媒抑制堰２６２Ｄを備えている点（図６（ｂ）（ｃ））で前述の各実施例と異なる。

図６（ａ）に示されるように、ガス流路分割梁２６２Ｂの太さが直線流路形成梁２１２Ｌの１．５倍に設定されているのは、たとえば第１直線ガス流路群から第２直線ガス流路群へのガスの短絡を抑制するためである。このガスの短絡は、電解質部２５０が有するガス拡散層を経由して生ずるので、ガス流路分割梁２６２Ｂが電解質部２５０に接する幅を太くすることによって効果的に抑制することができる。さらに、ガス流路分割梁２６２Ｂが電解質部２５０に接する圧力を高くすることによってもガスの短絡を抑制することが可能である。電解質部２５０に接する圧力を高くするのは、ガス流路分割梁２６２Ｂの積層方向の高を高くすればよい。

冷媒抑制堰２６２Ｄは、ガス流路分割梁２６２Ｂに表裏一体に形成された直線冷媒流路における過冷却を抑制するために設けられている。ガス流路分割梁２６２Ｂは、直線流路形成梁２１２Ｌの１．５倍の太さを有しているため、ガス流路分割梁２６２Ｂに表裏一体に形成された直線冷媒流路は、直線流路形成梁２１２Ｌに表裏一体に形成された冷媒流路の１．５倍の広さを持っている（図６（ｂ））。これにより、前述の過冷却が生ずることになる。

冷媒抑制堰２６２Ｄは、ガス流路分割梁２６２Ｂに表裏一体に形成された直線冷媒流路の入り口側の近傍に配置されているので、この直線冷媒流路に流れ込む冷却水ＬＬＣの流量を抑制することができる。本実施例では、さらに、図６（ｂ）に示されるように、冷媒抑制堰２６２Ｄが直線冷媒流路に垂直な方向に長軸を有する楕円形状を有しているので効果的に流量の抑制を実現することができる。

さらに、ガス流路分割梁２６２Ｂに表裏一体に形成された直線冷媒流路における冷却水ＬＬＣの流量を抑制するために、直線冷媒流路内に流量抑制部材２６２Ｅを装備させても良い。あるいは、直線冷媒流路に図示しない断熱性のあるコーティングを行うことによって過冷却を抑制するようにしても良い。ただし、流量を抑制する方法は、全体としての冷却能力をほとんど低下させることがないという利点を有する。

Ｄ．本発明の第４実施例における燃料電池スタックの構成：
図７は、本発明の第４実施例のセパレータ２６３Ａにおけるアノードガス流路パターン２１５Ｐを示す説明図である。第４実施例のアノードガス流路パターン２１５Ｐは、第１接続領域と第２接続領域といった接続領域におけるアノードガスの流れを均一化させるために整流部２６３Ｒを備えている点で前述の各実施例と異なる。

整流部２６３Ｒは、接続領域においてアノードガスの流れを均一化することができるので、アノードガスの滞留や部分的な圧力上昇に起因する凝集を抑制することができる。さらに、接続領域における流速の均一化は、接続領域における発電効率の向上にも寄与することができるという利点もある。

第１ないし第３実施例では、複数の直線ガス流路を３つの直線ガス流路群に分割するとともにの全てを接続して独立サーペンタイン構造を形成しているが、たとえば４つの直線ガス流路群に分割するとともに、２系統のサーペンタイン構造を形成するように構成しても良い。

Ｅ．第５実施例：
図８は、本発明の第５実施例の燃料電池の構成単位である燃料電池セルの概略構成を表わす分解斜視図である。また、図９は、図８の燃料電池セルを複数積層して成る第５実施例の燃料電池の構成を表す断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば、図１に示した燃料電池システム２００において燃料電池スタック２１０に代えて用いることができる。本実施例の燃料電池セルは、第１ないし第４実施例と同様の電解質部２５０と、電解質部２５０を、その外周部において両側から挟持する一組の樹脂フレーム２７０Ａ，２７０Ｂと、樹脂フレーム２７０Ａ，２７０Ｂによって支持される電解質部２５０を、さらに両側から挟持する一組のセパレータ２６４Ａ，２６４Ｂと、を備えている。セパレータ２６４Ａと電解質部２５０との間には、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路が形成される。図９では、単セル内燃料ガス流路となる空間に、Ｈ２と記している。また、セパレータ２６４Ｂと電解質部２５０との間には、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路が形成される。図９では、単セル内酸化ガス流路となる空間に、Ｏ２と記している。さらに、隣接する燃料電池セル間において、一方の燃料電池セルが有するセパレータ２６４Ａと、他方の燃料電池セルが有するセパレータ２６４Ｂとの間には、冷媒が流れるセル間冷媒流路が形成される。図９では、セル間冷媒流路となる空間に、冷媒と記している。

図１０は、セパレータ２６４Ａの構成を表わす平面図である。図１０（Ａ）は、電解質部２５０との間に単セル内燃料ガス流路を形成するガス流路面を表し、図１０（Ｂ）は、隣接する単セルが備えるセパレータ２６４Ｂとの間にセル間冷媒流路を形成する冷媒流路面を表す。なお、図１０では、燃料電池を設置した際の水平方向に対応する方向を矢印Ａで示し、鉛直方向に対応する方向を矢印Ｂで示している。セパレータ２６４Ａは、略四角形の金属製薄板部材であり、プレス成形によって表面に所定の凹凸形状が形成されると共に、所定の位置に穴部が設けられている。金属製薄板をプレス成形することによって凹凸形状を形成しているため、セパレータ２６４Ａのガス流路面に形成される凹凸部と、冷媒流路面に形成される凹凸部とは、互いに裏返し形状となっている。なお、裏返し形状とは、一方の面に形成される凸部の形状が、他方の面に形成される凹部の形状に対応し、一方の面に形成される凹部の形状が、他方の面に形成される凸部の形状に対応する関係が、両面間で成立する形状を指す。

具体的には、図１０（Ａ）に示す鉛直方向の辺３００に沿って、穴部３１０，３１１，３１２が形成されており、辺３００に対向する辺３０５に沿って、穴部３１３，３１４，３１５が形成されている。これらの穴部３１０〜３１５は、後述するように、セパレータ２６４Ｂおよび樹脂フレーム２７０Ａ，２７０Ｂにおいても同様に形成されている。そして、セパレータ２６４Ａ，２６４Ｂおよび樹脂フレーム２７０Ａ，２７０Ｂが積層されて燃料電池が組み立てられたときには、対応する穴部同士が積層方向に重なり合って、燃料電池内部を積層方向に貫通する流体流路を形成する。すなわち、穴部３１３は、燃料電池外から供給されて単セル内燃料ガス流路に分配される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを形成し（図１０〜１３においてＨ２ in と表す）、穴部３１５は、各セルにおける電気化学反応に供された燃料ガスを外部に導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図１０〜１３においてＨ２ out と表す）。また、穴部３１２は、燃料電池外から供給されて単セル内酸化ガス流路に分配される酸化ガスが流れる酸化ガス供給マニホールドを形成し（図１０〜１３においてＯ２ in と表す）、穴部３１０は、各セルにおける電気化学反応に供された酸化ガスを外部に導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図１０〜１３においてＯ２ out と表す）。また、穴部３１４は、燃料電池外から供給されてセル間冷媒流路に分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成し（図１０〜１３においてRef in と表す）、穴部３１１は、各セル間冷媒流路を通過した冷媒を外部に導く冷媒排出マニホールドを形成する（図１０〜１３においてRef out と表す）。

また、セパレータ２６４Ａのガス流路面には、電解質部２５０の表面と共に単セル内燃料ガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に燃料ガスが流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３４０と呼ぶ。図１０（Ａ）では、発電領域３４０を破線で囲んで示している。本実施例では、第１の凹凸部は、略四角形状に形成されており、凸部として、３つの分割線状凸部３４２と、多数の分割領域内線状凸部３４４と、多数の突起部３４６と、を備えている。

分割線状凸部３４２は、発電領域外周における辺３０５（あるいは辺３００）の近傍の辺に達する一端と、辺３０５（あるいは辺３００）に対向する辺３００（あるいは辺３０５）の近傍の辺から離間した他端と、を有し、発電領域内を略水平方向に伸長している線状の凸部である。なお、分割線状凸部３４２は、上記一端近傍に、ガス流路内におけるガス漏れを抑制する構成を有しているが、このガス漏れ抑制部については後に詳しく説明する。

分割領域内線状凸部３４４は、略水平方向に形成され、その両端が発電領域の外周から離間した線状凸部であって、複数（本実施例では３つ）の分割領域内線状凸部３４４がまとまって、分割線状凸部間、あるいは分割線状凸部と発電領域の外周との間に配置されている。分割線状凸部によって区画され、分割領域内線状凸部３４４がまとまって配置される領域を、以下、分割領域３８０と呼ぶ。本実施例では、３つの分割線状凸部によって、４つの分割領域３８０が形成されている。分割領域３８０を、図１０（Ａ）において、一点破線で囲んで示す。

また、突起部３４６は、分割線状凸部３４２の上記他端と発電領域外周との間の離間部である第１の離間部と、上記分割線状凸部３４２を間に挟んで配置される２つの分割領域に形成される分割領域内線状凸部３４４の端部と発電領域外周との間の離間部である第２の離間部と、を含む領域に規則的に配置されている。複数の突起部３４６が規則的に配置されたひとまとまりの領域を、以下、接続領域３８２と呼ぶ。本実施例では、３つの分割線状凸部の各々の上記他端近傍に３つの接続領域３８２が形成されており、この接続領域３８２を、図１０において、二点破線で囲んで示す。さらに、発電領域３４０では、穴部３１３の近傍、および、穴部３１５の近傍にも、分割領域内線状凸部の端部と発電領域外周との離間部を含む領域であって、突起部３４６が規則的に配置された領域がある。この領域を、以下、流出入領域３８４と呼び、図１０（Ａ）において二点破線で囲んで示す。また、接続領域３８２および流出入領域３８４には、上記規則的に配置された突起部３４６間において、同じく規則的に配置された多数の凹部３４８が形成されている。

なお、本実施例では、発電領域外周における辺３０５近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部と、辺３００近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部とが交互に配置されている。このように、発電領域外周における上記一端が達する辺を、対向する辺の間で交互に変更して、分割線状凸部を配置することで、本実施例では、４つの分割領域が、接続領域を介して、発電領域全体として直列に接続されている。

セパレータ２６４Ａの冷媒流路面には、発電領域３４０の裏面領域（以下、裏面領域も合わせて発電領域３４０と呼ぶ）において、対向するセパレータ２６４Ｂの表面と共に冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部３５４と、多数の突起部３５８と、を備えている（図１０（Ｂ）参照）。

冷媒流線状凸部３５４は、水平方向に設けられた線状凸部であって、その両端が、発電領域３４０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部３５４は、ガス流路面における分割領域内線状凸部３４４間、あるいは、分割領域内線状凸部３４４と分割線状凸部３４２との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部３５８は、ガス流路面における接続領域３８２および流出入領域３８４の裏面において、ガス流路面に形成された既述した凹部３４８の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部３４６の裏返し形状として、凹部３５６が形成されている。

図１１は、セパレータ２６４Ｂの構成を表わす平面図である。図１１（Ａ）は、電解質部２５０との間に単セル内酸化ガス流路を形成するガス流路面を表し、図１１（Ｂ）は、隣接する単セルが備えるセパレータ２６４Ａとの間にセル間冷媒流路を形成する冷媒流路面を表す。セパレータ２６４Ｂは、セパレータ２６４Ａと略同一の外周形状を有する金属製薄板部材であり、セパレータ２６４Ａと同様に、プレス成形によって表面に所定の凹凸形状が形成されると共に、所定の位置に穴部が設けられている。

セパレータ２６４Ｂのガス流路面には、電解質部２５０の表面と共に単セル内酸化ガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に燃料ガスが流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３４０と呼び、図１１（Ａ）において破線で囲んで示す。第１の凹凸部は、凸部として、１つの分割線状凸部３６２と、多数の分割領域内線状凸部３６４と、多数の突起部３６６と、を備えている。

分割線状凸部３６２は、分割線状凸部３４２と同様に、発電領域の外周上の第１の箇所に達する一端と、第１の箇所に対向する発電領域外周上の第２の箇所から離間した他端と、を有し、発電領域内を略水平方向に伸長している線状の凸部である。分割領域内線状凸部３７４は、分割領域内線状凸部３４４と同様に、略水平方向に形成され、その両端が発電領域の外周から離間した線状凸部である。これらの分割領域内線状凸部３７４は、複数（本実施例では８つ）がまとまって分割線状凸部３６２と発電領域外周との間に配置され、分割領域３８０を形成する。本実施例では、１つの分割線状凸部３６２によって、２つの分割領域３８０が形成されている。また、突起部３６６は、分割線状凸部の上記他端と発電領域外周との間の第１の離間部と、分割領域内線状凸部と発電領域外周との間の第２の離間部と、を含む領域である接続領域３８２に、規則的に配置されている。本実施例では、１つの分割線状凸部の上記他端近傍に１つの接続領域３８２が形成されている。さらに、発電領域３４０では、セパレータ２６４Ａと同様に、穴部３１０の近傍、および、穴部３１２の近傍である流出入領域３８４にも、突起部３６６および凹部３６８が規則的に配置されている。セパレータ２６４Ｂでは、このように、一つの分割線状凸部３６２が形成されることで、接続領域３８２を介して２つの分割領域３８０が直列に接続されている。

セパレータ２６４Ｂの冷媒流路面には、発電領域３４０において、対向するセパレータ２６４Ａの表面と共に冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部３７４と、多数の突起部３７８と、を備えている。

冷媒流線状凸部３７４は、冷媒線状凸部３５４と同様に、略水平方向に設けられると共に、その両端が発電領域３４０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部３７４は、ガス流路面における分割領域内線状凸部３６４間、あるいは、分割領域内線状凸部３６４と分割線状凸部３６２との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部３７８は、ガス流路面に形成された既述した凹部３６８の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部３６６の裏返し形状として、凹部３７６が形成されている。

図１２は、樹脂フレーム２７０Ａの概略構成を表わす平面図である。図１２では、樹脂フレーム２７０Ａにおけるセパレータ２６４Ａと接する側の面を表わしている。樹脂フレーム２７０Ａは、中央部に、穴部３３０が形成されている。穴部３３０は、略四角形状であって、電解質部２５０よりも若干小さく形成されている。また、樹脂フレーム２７０Ａでは、穴部３１３と穴部３３０とを連通させる凹部３２０と、穴部３１５と穴部３３０とを連通させる凹部３２２とが形成されている。凹部３２０は、セパレータ２６４Ａとの間で、穴部３１３により構成される燃料ガス供給マニホールドと、単セル内燃料ガス流路とを接続する流路を形成する。また、凹部３２２は、セパレータ２６４Ａとの間で、穴部３１５により構成される燃料ガス排出マニホールドと、単セル内燃料ガス流路とを接続する流路を形成する。

図１３は、樹脂フレーム２７０Ｂの概略構成を表わす平面図である。図１３では、樹脂フレーム２７０Ｂにおけるセパレータ２６４Ｂと接する側の面を表わしている。樹脂フレーム２７０Ｂは、中央部に、穴部３３４が形成されている。穴部３３４は、樹脂フレーム２７０Ａの穴部３３０に対応する位置に、穴部３３０と同様の形状に形成されている。また、樹脂フレーム２７０Ｂでは、穴部３１０と穴部３３４とを連通させる凹部３２４と、穴部３１２と穴部３３４とを連通させる凹部３２６とが形成されている。凹部３２４は、セパレータ２６４Ｂとの間で、穴部３１０により構成される酸化ガス排出マニホールドと、単セル内酸化ガス流路とを接続する流路を形成する。また、凹部３２６は、セパレータ２６４Ｂとの間で、穴部３１２二より構成される酸化ガス供給マニホールドと、単セル内酸化ガス流路とを接続する流路を形成する。

これら樹脂フレーム２７０Ａおよび２７０Ｂは、絶縁性の樹脂によって形成されており、樹脂フレーム２７０Ａ、２７０Ｂによって電解質部２５０を狭持することで、電解質部２５０の両面間で、絶縁性が確保されている。また、樹脂フレームは、所定の高さの凹凸を有するセパレータと電解質部２５０の間に配置されて、上記凹凸に対応する距離を、セパレータと電解質部２５０との間で確保するためのスペーサとしての役割を果たしている。

燃料電池を組み立てる際には、セパレータ２６４Ａと樹脂フレーム２７０Ａとを、間に接着剤などから成るシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。また、同様にして、セパレータ２６４Ｂと樹脂フレーム２７０Ｂとを、間に接着剤などから成るシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。その後、電解質部２５０を、樹脂フレーム２７０Ａ、２７０Ｂで挟持して、接着剤などから成るシール材（図示せず）を介して貼り合わせることで、燃料電池セルを完成させる。電解質部２５０と樹脂フレーム２７０Ａ、２７０Ｂとを貼り合わせる際には、樹脂フレーム２７０Ａの穴部３３０および樹脂フレーム２７０Ｂの穴部３３４を、電解質部２５０が覆うように、各部材を配置する。このようにして形成した燃料電池セルを、間に接着剤などから成るシール材３９０（図９参照）を配置しながら所定数積層することにより、燃料電池スタックを作製することができる。上記のように各部材間にシール材を設けることで、単セル内ガス流路およびマニホールドにおけるシール性が確保されている。なお、上記した各部材間に配置するシール材の少なくとも一部は、接着剤以外によって形成しても良く、例えば、シール部３９０を、マニホールド用の穴部および発電領域を囲む形状に成形した樹脂製のガスケットとすることができる。

燃料電池において、穴部３１３が構成する燃料ガス供給マニホールドに対して燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、各単セル内に形成される単セル内燃料ガス流路へと分配される。単セル内燃料ガス流路におけるガス流れは、図１０（Ａ）に矢印で示すように、分割領域３８０では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向下方へと流れる。単セル内燃料ガス流路を流れつつ電気化学反応に供された燃料ガスは、穴部３１５が構成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

また、穴部３１２が構成する酸化ガス供給マニホールドに対して酸化ガスを供給すると、酸化ガスは、各単セル内に形成される単セル内酸化ガス流路へと分配される。単セル内酸化ガス流路におけるガス流れは、図１１（Ａ）に矢印で示すように、分割領域３８０では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向上方へと流れる。単セル内酸化ガス流路を流れつつ電気化学反応に供された酸化ガスは、穴部３１０が構成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。

また、穴部３１４が形成する冷媒供給マニホールドに対して冷媒を供給すると、冷媒は、セパレータ２６４Ａとセパレータ２６４Ｂとの間に形成されるセル間冷媒流路へと分配される。セル間冷媒流路における冷媒の流れは、図１０（Ｂ）および図１１（Ｂ）に矢印で示すように、全体として水平方向に流れる。セル間冷媒流路を流れた冷媒は、穴部３１１が構成する冷媒排出マニホールドへと排出される。

以下に、セパレータに形成された各凸部の形状、および、各セパレータに形成された凸部の燃料電池内における位置関係についてさらに説明する。セパレータ２６４Ａに形成された分割領域内線状凸部３４４、およびセパレータ２６４Ｂに形成された分割領域内線状凸部３６４は、それぞれ、一定の等しい幅を有する略平坦な頭頂部を有している。また、隣接する分割領域内線状凸部の頭頂部間の距離（以下、凸部のピッチと呼ぶ）も、一定の等しい値となっている。図９では、分割領域内線状凸部３４４および分割領域内線状凸部３６４の頭頂部の幅をＷ１と表わしており、分割領域内線状凸部３４４および分割領域内線状凸部３６４におけるピッチをＷ２と表わしている。

さらに、セパレータ２６４Ａ、２６４Ｂでは、分割領域内線状凸部のうち、セパレータ水平方向の辺の一方に最も近い位置に配置される分割領域内線状凸部と、上記一方の辺との距離も、互いに等しい値となっている。ここで、セパレータ２６４Ａにおいては、３つの分割線状凸部３４２が形成され、セパレータ２６４Ｂにおいては１つの分割線状凸部３６２が形成されている。しかしながら、セパレータのガス流路面全体では、分割線状凸部が設けられることなく、上記一定の幅およびピッチで発電領域３４０全体に分割領域内線状凸部が形成される場合と重なるように、全体として一定の規則性をもって、各分割領域内線状凸部が形成されている。したがって、燃料電池全体で、図９に示すように、セパレータ２６４Ａが有する分割領域内線状凸部３４４の頭頂部と、セパレータ２６４Ｂが有する分割領域内線状凸部３６４の頭頂部とが、電解質部２５０を間に介して互いに重なる位置に配置される。なお、図９に示す断面は、各線状凸部に垂直な方向の断面であり、図９に示す断面図の位置は、図１０（Ａ）において、９−９断面として示している。図９では特に、樹脂セパレータを含む燃料電池の外周部近傍の断面の様子を表している。

このとき、セパレータ２６４Ａにおいて分割領域３８０の裏返し形状として形成される冷媒流線状凸部３５４と、セパレータ２６４Ｂにおいて分割領域３８０の裏返し形状として形成される冷媒流線状凸部３７４も、分割領域内線状凸部３４４あるいは分割領域内線状凸部３６４と同様に、一定のピッチで形成されると共に、一定の等しい幅を有する略平坦な頭頂部を有している。図９では、冷媒流線状凸部３５４および冷媒流線状凸部３７４の頭頂部の幅をＷ３と表わしており、冷媒流線状凸部３５４および冷媒流線状凸部３７４におけるピッチをＷ４と表わしている。セパレータ２６４Ａ、２６４Ｂでは、冷媒流線状凸部のうち、セパレータの水平方向の一辺に最も近い位置に配置される冷媒流線状凸部と、上記一辺の辺との距離も、互いに等しい値となっている。したがって、燃料電池全体において、図９に示すように、セパレータ２６４Ａが有する冷媒流線状凸部３５４の頭頂部と、セパレータ２６４Ｂが有する冷媒流線状凸部３７４の頭頂部とが、互いに重なる位置に配置される。

また、本実施例では、セパレータ２６４Ａのガス流路面に形成された３つの分割線状凸部３４２と、セパレータ２６４Ｂのガス流路面に形成された１つの分割線状凸部３６２とは、いずれも、一定の等しい幅を有する略平坦な頭頂部を有しており、この頭頂部の幅は、分割領域内線状凸部３４４，３６４の頭頂部の幅よりも太く形成されている。図１４は、図９と同様の９−９断面であって、セパレータ２６４Ａが備える３つの分割線状凸部３４２のうち、最も鉛直方向上方に配置される分割線状凸部３４２の近傍の断面の様子を表す断面模式図である。図１４では、分割線状凸部３４２の頭頂部の幅をＷ５と表わしている。このＷ５については、以下の（１）式の関係が成立している。

Ｗ５＝Ｗ１×２＋Ｗ２ …（１）

したがって、各単セルにおいては、上記分割線状凸部３４２の頭頂部は、電解質部２５０を間に介して、セパレータ２６４Ｂが有する連続して形成された２つの分割領域内線状凸部３６４の頭頂部と、互いに重なる位置に配置されることになる。なお、３つの分割線状凸部３４２の内、中央に配置される分割線状凸部３４２は、セパレータ２６４Ｂに形成された分割線状凸部３６２と、電解質部２５０を介して互いに重なる位置に配置されることになる。

図１５は、燃料電池における断面であって、セパレータ２６４Ａにおける接続領域３８２の突起部３４６および凹部３４８を含む断面の様子を表す断面模式図である。図１５に示す断面の位置は、図１０（Ａ）において、１５−１５断面として示している。なお、接続領域３８２だけでなく、流出入領域３８４や、セパレータ２６４Ｂにおける接続領域３８２および流出入領域３８４も、同様の凹凸形状を有している。

図１０に示すように、接続領域および流出入領域では、縦横所定の間隔をおいて、略同一形状であって断面円形の突起部３４６と凹部３４８、あるいは突起部３６６と凹部３６８とが、規則的に配置されている。より具体的には、縦横互い違いに、等しい距離をおいて、交互に突起部と凹部とが形成されている。ここで、各セパレータに形成されたこれらの突起部および凹部は、セパレータ２６４Ａとセパレータ２６４Ｂとを用いて燃料電池を組み立てたときに、各セパレータの対向する面同士で、全体として配置のパターンが一致するように形成されている。すなわち、図１５に示すように、セパレータ２６４Ａのガス流路面に形成された突起部３４６の頭頂部は、セパレータ２６４Ｂのガス流路面に形成された突起部３７８の頭頂部と、電解質部２５０を介して互いに重なる位置に配置されている。また、セパレータ２６４Ａの冷媒流路面に形成された突起部３５８の頭頂部と、セパレータ２６４Ｂの冷媒流路面に形成された突起３７８の頭頂部とは、隣接する単セル間において、互いに接している。

次に、本実施例の燃料電池に設けられたガス漏れ抑制部であって、各セパレータのガス流路面において、分割領域が形成するガス流路間におけるガスの漏れ出しを抑制する構成について説明する。具体的には、本実施例の燃料電池が備えるガス漏れ抑制部は、分割線状凸部の一端の近傍において、樹脂プレートとの間の隙間を介した隣接する分割領域間でのガスの漏れ出しを抑制する。

図１６は、図１０（Ａ）において破線で囲んだ領域Ｙの近傍を拡大した様子を模式的に表す説明図である。なお、図１６は、セパレータ２６４Ａ上に樹脂フレーム２７０Ａを貼り合わせた後に、ガス漏れ抑制部３４１を設けた状態を表わしている。

図１６に示すように、セパレータ２６４Ａに形成される分割線状凸部３４２の、発電領域３４０の外周に達する一端と、樹脂フレーム２７０Ａの穴部３３０の内周との間には、隙間が形成されている。これは、燃料電池を組み立てる際に、分割線状凸部３４２の一端上に樹脂フレーム２７０Ａが乗り上げることがないように、製造誤差を考慮して分割線状凸部３４２が若干短く形成されることにより生じるものである。本実施例では、この分割線状凸部３４２の一端において、穴部３３０の内周に沿って延びる伸長部３４３が、長靴状に形成されている。燃料電池を組み立てる際には、分割線状凸部３４２の一端と樹脂フレーム２７０Ａとの間の隙間を埋めるガス漏れ抑制部３４１がさらに設けられる。本実施例では、上記伸長部３４３と樹脂フレーム２７０Ａとの間の隙間に、液状の接着剤を充填・塗布することにより、ガス漏れ抑制部３４１が形成されている。なお、セパレータ２６４Ａが備える他の分割線状凸部３４２や、セパレータ２６４Ｂが備える分割線状凸部３６２の、発電領域外周に達する一端も、同様の形状に形成されると共に、それぞれの近傍においても、同様のガス漏れ抑制部が形成されている。

以上のように構成された本実施例の燃料電池のセパレータによれば、一方の面で、分割線状凸部によって発電領域内で隔てられた複数の分割領域が、接続領域を介して直列に接続されるように分割線状凸部が配置されると共に、分割領域では、分割線状凸部と平行に形成され、その両端が発電領域外周から離間する分割領域内線状凸部が形成されている。また、セパレータの他方の面では、分割線状凸部と分割領域内線状凸部とを備える第１の凹凸部の裏返し形状として、分割線状凸部と平行であって、その両端が発電領域外周から離間した冷媒流線状凸部が形成されている。したがって、例えばプレス成形により形成される表裏互いに裏返し形状となる薄板状部材であるセパレータにおいて、一方の面では、反応ガスが直進する複数の直進部と共に、反応ガスの向きが反転する折り返し部を有して、全体として蛇行形状をとりながら複数の直進部が直列に接続された流路（サーペンタイン型流路）を形成しつつ、他方の面では、上記直進部に平行に冷媒が流れる流路を形成することができる。これにより、流速の速い反応ガスの流路と、圧力損失の小さい冷媒流路とを、セパレータの表裏において両立することができる。

なお、発電領域内に設ける分割線状凸部が１つの場合には、図１１（Ａ）に示すセパレータ２６４Ｂのように、分割線状凸部を１つ設けることにより、結果的に、分割線状凸部の他端と発電領域の外周との間の第１の離間部を含む１つの接続領域を介して、１つの分割線状凸部によって分割領域内で隔てられた２つの分割領域が直列に接続されることになる。これに対して、複数の分割線状凸部を設ける場合に、分割線状凸部によって発電領域内で隔てられた複数の分割領域を、接続領域を介して、発電領域全体として直列に接続させるには、水平方向を長手方向とする互いに平行な複数の分割線状凸部を、発電領域の外周に達する端部の側を交互に入れ替えて、鉛直方向に順次並べて配置すればよい。

また、本実施例の燃料電池によれば、分割領域内線状凸部は、各々の分割領域内において規則的に配置されると共に、第１の凹凸部全体として、分割線状凸部が設けられることなく分割領域内線状凸部が規則的に連続して配置された場合と同様の位置に配置されている。したがって、上記分割領域内線状凸部の位置を対応させてガスセパレータを配置することで、アノード側のセパレータとカソード側のセパレータとで分割線状凸部の配置（分割線状凸部の数および／または位置）が異なる場合であっても、分割領域内線状凸部同士を、電解質部を介して互いに重なり合わせることができる。また、第１の凸部の裏返し形状として冷媒流路面に形成される冷媒流線状凸部同士を、隣接するセル間で互いに重なる位置に配置し、接触させることができる。このように、分割領域内線状凸部同士、および、冷媒流線状凸部同士を、互いに重ね合わせることにより、燃料電池内部の接触抵抗を抑え（集電性を向上させ）、燃料電池の積層方向に加えられる力に対する強度を確保して燃料電池全体で剛性を確保できる。また、冷媒流線状凸部同士を互いに重ね合わせて接触させることで、隣接するセパレータ間に形成されるセル間冷媒流路の流路断面積をより大きく確保することができる。これにより、セル間冷媒流路における圧損を抑え、セル間冷媒流路に冷媒を送り込むためのポンプなどの補機における消費エネルギを低減することができる。

ここで、分割線状凸部は、対向するセパレータのガス流路面における対応する位置に形成される２つの分割領域内線状凸部と、電解質部を介して互いに重なり合っている。したがって、分割線状凸部が配置される位置が、アノード側とカソード側とで異なっていても、分割線状凸部は、電解質部を介して対向する分割領域内線状凸部と互いに支持し合うことができ、燃料電池において、集電性、強度および剛性を確保することができる。また、本実施例では、上記のように、分割線状凸部の幅を、分割領域内線状凸部の幅よりも広く形成しているため、分割線状凸部によって隔てられる分割領域間におけるガスリークを抑制することができる。これにより、ガスリークに起因して単セル内ガス流路の一部においてガス流量が減少することが無く、単セル内ガス流路におけるガス流量を発電領域全体にわたって確保することができ、発電性能の低下を防止することができる。

なお、より幅広く形成する分割線状凸部の幅は、対向する分割領域内線状凸部２本に対応する幅に限るものではなく、１以上の分割領域内線状凸部を覆う幅であれば、対向する線状凸部同士互いに支持し合うことによる同様の効果が得られる。例えば、頭頂部の幅Ｗ５が、対向するｎ個の分割領域内線状凸部の頭頂部を丁度覆う幅である場合には、Ｗ５について、以下の（２）式が成り立つ。

Ｗ５＝Ｗ１×ｎ＋Ｗ２×（ｎ−１） …（２）
ただし、Ｗ１：分割領域内線状凸部の頭頂部の幅、
Ｗ２：分割領域内線状凸部におけるピッチ。

また、このとき、分割線状凸部の幅を、対向する所定数の分割領域内線状凸部を丁度覆う幅に形成する代わりに、より広い幅に形成しても良い。分割線状凸部の幅を広くするほど、分割領域間におけるガスリークを抑制する効果を高めることができる。

なお、分割領域間におけるガスリークを抑制するには、分割線状凸部の積層方向の高さ（セパレータの厚み方向の高さ）を、第１の凹凸部に備えられて電解質部２５０に当接する他の凸部（本実施例では分割領域内線状凸部および突起部）よりも高く形成しても良い。これにより、分割線状凸部において電解質部２５０に接する際の圧力を高めることができ、ガスリーク抑制の効果を高めることができる。

本実施例では分割線状凸部、分割領域内線状凸部、および冷媒流線状凸部は、いずれも、所定の幅を有する平坦な頭頂部を有することとしているため、この頭頂部において、隣接部材との接触面積を確保可能となっている。しかしながら、これらの線状凸部の頭頂部は必ずしも平坦にする必要はない。各線状凸部を規則的に配置して、分割線状凸部および分割領域内線状凸部は、電解質部を介して互いに重なり合い、冷媒流線状凸部は単セル間で直接接するように各セパレータを配置することで、集電性、強度および剛性を確保するある程度の効果を得ることができる。

さらに、本実施例の燃料電池では、アノード側セパレータとカソード側セパレータのガス流路面における接続領域および流出入領域に形成された突起部が、電解質部を介して互いに重なり合う。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの冷媒流路面における上記接続領域および流出入領域の裏面領域に形成された突起部が、単セル間で直接接する。これによっても、燃料電池における集電性、強度および剛性を向上させることができる。また、上記のように、接続領域と流出入領域、およびその裏面領域に突起部を設けることで、これらの領域を流れる反応ガスや冷媒の流れを、分割領域に形成されたガス流路や冷媒流線状凸部によって形成される冷媒流路への流入に先立って攪拌することができる。したがって、単セル内ガス流路全体に対する配流性（流路全体に流体を分配する際の分配の均一性）や、セル間冷媒流路全体に対する冷媒の配流性を向上させ、電池性能を向上させることができる。さらに、冷媒流路面において突起部同士が接触することにより、セル間冷媒流路の流路断面積をより大きく確保して、セル間冷媒流路における圧損を抑え、セル間冷媒流路に冷媒を送り込むためのポンプなどの補機における消費エネルギを低減することができる。

本実施例では、アノード側のセパレータ２６４Ａでは、３つの分割線状凸部によって発電領域が４つに分割されており、カソード側のセパレータ２６４Ｂでは、１つの分割線状凸部によって発電領域が２つに分割されている。このような分割線状凸部の数（発電領域の分割数）は、異なる値としても良い。

ここで、本実施例のように、分割線状凸部に垂直な辺（本実施例では鉛直方向の辺３００，３０５）に沿って反応ガスを給排するマニホールドを形成するための穴部を設ける場合には、燃料電池を上記垂直な辺の方向に小型化することができる。このような場合には、アノード側とカソード側のセパレータに設ける第１の凹凸部において、分割線状凸部の数が奇数であるか偶数であるかを揃えることが望ましい。これにより、燃料ガスの流路と酸化ガスの流路とにおいて、ガス供給マニホールド穴と、ガス排出マニホールド穴とが、同じ辺の近傍に形成されるか、対向する辺の近傍に形成されるかが一致するため、ガスマニホールドを無理なく配置することができる。

また、本実施例の燃料電池では、アノード側のセパレータ２６４Ａの方が、カソード側のセパレータ２６４Ｂよりも多くの分割線状凸部を有しており、分割領域が多く形成されている。ここで、燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用い、酸化ガスとして空気を用いる場合には、燃料電池に供給すべきガス流量は燃料ガスの方が少なくなる。また、水素の方が酸素よりも分子量が小さいことからも、一般に酸化ガスの方が流量が多い。したがって、本実施例のようにアノード側の分割領域の数を増やして流路断面積をより小さくすることで、単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流速を、より速めることができる。このように燃料ガスの流速を速めることで、ガス利用率を高めて燃料電池の性能を向上させることができると共に、単セル内燃料ガス流路における排水性を向上させることができる。

本実施例では、セパレータ面上において、燃料ガスは鉛直方向上方から下方へと流し、酸化ガスは鉛直方向下方から上方へと流しており、双方のガスは対向流となっている。特に、固体高分子型燃料電池の場合には、このようにガス流れを対向流とすることで、燃料電池内部におけるガスの加湿状態を、外部からの加湿なしである程度のレベルに保つことが可能になる。すなわち、単セル内ガス流路では、一般に下流側ほどガス中の水分量が多くなるが、特に発電に伴って水が生じるカソード側では、下流側におけるガス中の水分量が多くなる。ここで、固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側の水蒸気圧差に応じて、膜を介して水が移動する。そのため、対向流とすることで、水蒸気圧差の大きな酸化ガス流路下流と燃料ガス流路上流とが、電解質膜を介して隣接し、酸化ガス流下流から燃料ガス流上流へと、水分を供給することが可能となる。このような場合に、ガス流速がより速い酸化ガス流を鉛直方向下方から上方へと流し、ガス流速がより遅い燃料ガスを鉛直方向上流から下流へと流すことで、ガス流速の遅い燃料ガス流路側においても、重力を利用して排水性を高めることが可能になる。

本実施例では、第２の凹凸部と互いに裏返し形状となる第１の凹凸部は、分割線状凸部と分割領域内線状凸部とを備えることとしたが、第１の凹凸部は分割線状凸部を備えないこととし、分割線状凸部を、第１および第２の凹凸部を備える導電性基板部とは別体で形成することとしても良い。すなわち、分割領域内線状凸部および冷媒流線状凸部が形成された基板を作製し、この基板上の所定の分割領域内線状凸部間に、別体で形成した分割線状凸部を固着させることとしても良い。この場合にも、折れ曲がり部を有して全体として蛇行するサーペンタイン型流路と、直線状の流路とを、表裏互いに裏表形状に形成するセパレータの裏面と表面とで両立する同様の効果が得られる。なお、この場合には、別体で形成する分割線状凸部は、導電性材料により形成することが望ましい。これにより、燃料電池の内部抵抗を低減し、電池性能を向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池では、分割線状凸部における発電領域に達する一端において、この一端と樹脂フレーム内周（発電領域）との間の隙間を埋めるガス漏れ抑制部３４１が設けられているため、上記隙間を介した分割領域間のガスリークを抑制することができる。これにより、部分的なガス流量の減少を防止し、単セル内ガス流路全体でガス流量を確保することができる。特に本実施例では、分割線状凸部の一端において、発電領域の外周に沿って延びる伸長部３４３が設けられて長靴状に形成されており、上記隙間における圧損が高められているため、ガス漏れ抑制部となる接着剤によるガス漏れ抑制の効果を補って、上記隙間を介したガス漏れを抑える効果をさらに高めることができる。

なお、ガス流路面の接続領域においては、突起部および冷媒流路側の突起部の裏返し形状としての凹部が規則的に設けられているが、上記伸長部３４３の近傍であって、接着剤が充填されるべき領域には、これらの突起部および凹部は設けられておらず、接着剤の充填をより容易に行なうことが可能となっている。また、伸長部３４３は、接続領域の周辺部の僅かな部分に設けられる構造であるため、接続領域内に伸長する伸長部３４３を設けても、反応ガスが流れて発電に関わる面積が、実質的に減少することはほとんど無い。

本実施例では、ガス漏れ抑制部を接着剤によって形成したが、接着剤以外によって形成することも可能である。図１７は、異なる構成のガス漏れ抑制部を設けた変形例を示す説明図である。この変形例では、例えばゴムや樹脂などの弾性体によって形成されて、樹脂フレームと略同一の厚さに形成された所定形状のガス漏れ抑制部３４１Ａを、樹脂フレームとは別体で用意している。そして、樹脂フレームにおいては、組み付け時に分割線状凸部の一端の近傍となる部分に、上記ガス漏れ抑制部３４１Ａを嵌め込むための切り欠き部３４１Ｂを設けている。図１７（Ｂ）は、切り欠き部３４１Ｂを形成した樹脂フレーム２７０Ａを表わし、図１７（Ａ）は、切り欠き部３４１Ｂにガス漏れ抑制部３４１Ａが嵌め込まれた樹脂フレーム２７０Ａが、セパレータ２６４Ａのガス流路面上に重ね合わされた様子を表わしている。なお、ガス漏れ抑制部３４１Ａは、導電性材料によって形成しても良いし、絶縁性材料によって形成されても良い。また、ガス漏れ抑制部３４１Ａは、セパレータ上に樹脂フレームを接着した後に、別体で用意したガス漏れ抑制部を組み付けても良いし、セパレータと樹脂フレームの接着に先立って、樹脂フレームにガス漏れ抑制部を予め接合しておいても良い。

このように、ガス漏れ抑制部をはめ込む切り欠き部を樹脂フレームに設ける場合に、この切り欠き部を設ける部位は、本来、ガスシール性を確保しつつ樹脂フレームをセパレータに接着させる接着剤を塗布する位置となる。したがって、燃料電池の組み立ての際には、セパレータにおいて発電領域外周部に接着剤を塗布することで、樹脂フレームの接着とガス漏れ抑制部の接着の動作を一度に行うことができる。また、樹脂フレームとは別体のガス漏れ抑制部を用いる場合には、図１６のように接着剤によりガス漏れ抑制部を構成する場合とは異なり、セパレータ上に接着させた樹脂フレーム上にさらに積層される電解質部とガス漏れ抑制部とが接着することがない。したがって、電解質部が備える電解質層が固体高分子から成り、動作時に膨潤する場合であっても、ガス漏れ抑制部に起因して電解質層に望ましくない応力が発生することが無い。

なお、本実施例のガスセパレータは、樹脂フレームを用いることなく、ガスシール性を確保するためのシール部として、ガスケット用いたり、接着剤のみを用いる燃料電池に適用することもできる。このような場合にも、実施例と同様のガス漏れ抑制部を設けることができる。すなわち、樹脂フレームに限らず、電解質部とセパレータとの間において、少なくとも発電領域の外周の一部に配置されて、反応ガスの流路におけるガスシール性を確保するシール部が設けられている場合に、分割線状凸部の一端と上記シール部との間の間隙を塞ぐガス漏れ抑制部が設けられていれば、同様の効果を得ることができる。

図１０および図１１に示すように、本実施例の燃料電池のセパレータでは、面内に形成される各分割領域３８０は、互いに略等しい幅に形成されている。したがって、単セル内ガス流路では、ガス供給マニホールドとの接続部近傍から、ガス排出マニホールドとの接続部近傍まで、ガス流路の断面積が、略一定となっている。これに対して、分割領域３８０の幅をセパレータ面内で異ならせることとしても良い。一例として、図１８に、図１０と同様のアノード側のセパレータにおいて、下流側に位置する分割領域３８０ほど幅を狭く形成した構成を示す。なお、図１８では、第１の凹凸部として分割線状凸部３４２のみを記載しており、分割領域内線状凸部および突起部の記載は省略している。このように、下流側に位置する分割領域３８０ほど幅を狭く形成することで、単セル内ガス流路において、上流側から下流側へと次第に流路断面積を小さくすることができ、流路を流れる反応ガスの流速を速める効果を高めることができる。反応ガスの流路においては、下流側ほど電池反応によって電極活物質（水素または酸素）が消費されることにより流量が減少するが、上記構成とすることで、下流側においてもガスの流速を確保し、電池性能を維持することができる。また、反応ガスにおいては、通常は下流側ほどガス中の水分量が増加するため、下流の流速を速めることで、下流側における排水性を高め、水の滞留に起因する電池性能の低下を抑制することができる。なお、このように下流側ほど分割領域の幅を狭くする場合には、下流側（本実施例では鉛直方向下方側）に配置される分割線状凸部３４２ほど、発電領域外周から離間する他端と発電領域外周との距離を短くしても良い。すなわち、図１８において、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３としても良い。これにより、単セル内ガス流路全体で、下流側ほど流速を早める効果を高めることができる。

本実施例では、分割領域内には分割領域内線状凸部を設けているが、分割領域内での分割線状凸部に平行な方向へのガス流れを許容する分割領域内直進凸部として、分割領域内線状凸部に代えて、他の形状から成る凸部を設けても良い。例えば、分割領域長手方向の両端にわたって連続して設けられた分割領域内線状凸部に代えて、各分割領域内線状凸部と同様の位置に、分割領域内線状凸部において途中に切れ目を設けた形状の、より短い凸部を、分割領域内直進凸部として設けても良い。このような構成の一例を、図１９（Ａ）に示す。あるいは、各分割領域内線状凸部と同様の位置に、連続して形成される突起部３４６、３６６と同様の突起部から成る分割領域内直進凸部を設けても良い。このような構成の一例を、図１９（Ｂ）に示す。このように、分割領域内直進凸部として、分割線状凸部に平行であって両端が発電領域外周から離間した線分上に形成される凸部を設けるならば、冷媒流路側においても、ガス流路側の凸部と干渉し合わない位置に、ガス流路面の裏返し形状として、分割線状凸部に略平行な冷媒流線状凸部を設けることができる。これらの凸部をセパレータ全体として規則的に配置し、ガス流路側の発電領域においては、電解質部を介して第１の凹凸部が有する凸部同士が当接し、冷媒流路側は、第２の凹凸部が備える凸部同士が直接当接するように、各セパレータを位置合わせして積層すればよい。なお、本実施例のように線分上に連続して分割領域内直進凸部を形成する場合には、セパレータと隣接する部材との間の接触面積をより大きく確保して、燃料電池の内部抵抗を低減する効果が得られる。また、単セル内ガス流路において、液水をガス流れの下流方向へと導き易くなり、流路内の排水性を高めることができる。これに対して、図１９（Ａ）あるいは（Ｂ）に示すように、より短い複数の凸部によって分割領域内直進凸部を形成する場合には、単セル内ガス流路におけるガス拡散性を高めてガス利用率を高める効果が得られる。

同様に、冷媒流路面においても、冷媒流線状凸部に代えて、冷媒流線状凸部と同様の位置に、分割線状凸部に略平行な冷媒の流れを許容する他の形状の冷媒流直進凸部を設けても良い。具体的には、例えば、冷媒流線状凸部に代えて、図１９に示した分割領域内直進凸部と同様の形状の冷媒流直進凸部を設けることができる。

なお、本実施例において、第１実施例のように、接続領域および導出入領域には突起部を形成しないこととしても良い。発電領域に形成される分割領域内線状凸部の端部が、発電領域の外周との間に第２の離間部を有していれば、ガス流路面の導出入領域では、発電領域内に導入されたガスが、分割領域内線状凸部によって形成される流路内に適宜分配可能となり、あるいは分割領域内線状凸部によって形成される流路から排出されるガスを適宜集合させて、発電領域外へと導くことが可能となる。また、ガス流路面の接続領域では、分割領域内線状凸部によって形成される流路を流れるガスが流れの向きを反転させることが可能となる。冷媒流路面においても同様に、突起部を省略することが可能である。

また、本実施例では、各セパレータおよび樹脂フレームに、反応ガスや冷媒流路を給排するためのマニホールドを形成する穴部が形成された内部マニホールド型燃料電池としたが、スタック構造の外部にマニホールドを設ける外部マニホールド型燃料電池においても、同様の凹凸形状を有するガスセパレータを適用することができる。

Ｆ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態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なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｆ−１．上記実施例では、セパレータには、複数の直線ガス流路と複数の直線冷媒流路とが形成されているが、たとえば双方が蛇行するような流路であっても良い。本発明では、一般に、平行に形成された複数の線状ガス流路と、この複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路を有していればよい。

Ｆ−２．上記実施例では、セパレータには、板金プレス部品として製造されているが、たとえばフレキシブルカーボンといった非金属材料のプレス成形でも製造することが可能である。さらに、必ずしもプレス成形で製造される必要はなく、表裏一体型であれば肉厚が均等となって加工性が良くなるという利点がある。

Ｆ−３．第１ないし第５実施例では、各燃料電池セル間にセル間冷媒流路を設けているが、複数のセルを積層するごとにセル間冷媒流路を設けても良い。この場合には、電解質部との対向面の裏面においてセル間冷媒流路を形成すべき位置に配置するセパレータにおいて、本発明を適用すればよい。

本発明の一実施例としての燃料電池スタック２１０を備えた燃料電池システム２００の構成を示す説明図。 本発明の第１実施例の燃料電池スタック２１０における燃料電池セル２１５の積層状態を示す説明図。 燃料電池セル２１５の断面ＸＸにおけるアノードガス流路パターン２１２Ｐを示す説明図。 本発明の第１実施例における燃料電池スタック２１０の積層方向の断面図。 本発明の第２実施例のセパレータ２６１Ａにおけるアノードガス流路パターン２１３Ｐを示す説明図。 本発明の第３実施例のセパレータ２６２Ａにおけるアノードガス流路パターン２１４Ｐを示す説明図。 本発明の第４実施例のセパレータ２６３Ａにおけるアノードガス流路パターン２１５Ｐを示す説明図。 本発明の第５実施例の燃料電池セルの概略構成を表わす分解斜視図。 第５実施例の燃料電池の構成を表す断面模式図。 セパレータ２６４Ａの構成を表わす平面図。 セパレータ２６４Ｂの構成を表わす平面図。 樹脂フレーム２７０Ａの概略構成を表わす平面図。 樹脂フレーム２７０Ｂの概略構成を表わす平面図。 分割線状凸部３４２の近傍の断面の様子を表す断面模式図。 接続領域３８２の突起部３４６および凹部３４８を含む断面の様子を表す断面模式図。 領域Ｙの近傍を拡大した様子を模式的に表す説明図。 異なる構成のガス漏れ抑制部を設けた変形例を示す説明図。 下流側に位置する分割領域３８０ほど幅を狭く形成した構成を示す説明図。 分割領域内線状凸部の変形例を表す説明図。

符号の説明

２００…燃料電池システム
２１０…燃料電池スタック
２１２…アノード流路
２１２Ｂ１、２１２Ｂ２、２６２Ｂ…ガス流路分割梁
２１２Ｌ…直線流路形成梁
２１２Ｐ、２１３Ｐ、２１４Ｐ、２１５Ｐ…アノードガス流路パターン
２１２ｉｎ…アノードガス入口部
２１２ｏｕｔ…アノードガス出口部
２１４…カソード流路
２１４Ｐ…酸化剤流路パターン
２１５…燃料電池セル
２１６…電力出力端子
２２２…冷媒流路
２２２Ｐ…冷媒流路パターン
２３０…高圧水素タンク
２３４…浄化器
２５０…電解質部
２６０…熱交換機
２６０Ａ、２６０Ｂ、２６１Ａ、２６１Ｂ、２６２Ａ、２６３Ａ…セパレータ
２６１Ｃ…突起部
２６２Ｄ…冷媒抑制堰
２６２Ｅ…流量抑制部材
２６４Ａ、２６４Ｂ…セパレータ
２６３Ｒ…整流部
２７０Ａ，２７０Ｂ…樹脂フレーム
２８４…空気供給ポンプ
２９０…燃料ガス供給バルブ
３００、３０５…辺
３１０〜３１５…穴部
３２０、３２２、３２４、３２６…凹部
３３０、３３４…穴部
３４０…発電領域
３４１…抑制部
３４１Ａ…抑制部
３４１Ｂ…切り欠き部
３４２…分割線状凸部
３４３…伸長部
３４４，３６４…分割領域内線状凸部
３４６、３５８、３６６、３７８…突起部
３４８、３５６、３６８、３７６…凹部
３５４…冷媒流線状凸部
３６２…分割線状凸部
３７４…分割領域内線状凸部
３７４…冷媒流線状凸部
３８０…分割領域
３８２…接続領域
３８４…流出入領域
３９０…シール部

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質部と、
   反応ガスが流れるガス流路が形成されているガス流路面と、冷却媒体が流れる冷媒流路が形成されている冷媒流路面と、が表裏一体に形成されたセパレータと、
   を備え、
   前記ガス流路面は、平行に形成された複数の線状ガス流路と、前記複数の線状ガス流路群の少なくとも一部を直列に接続するように構成された接続領域と、前記複数の線状ガス流路を複数の線状ガス流路群に分割するガス流路分割梁と、
   を有し、
   前記冷媒流路面は、前記複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路と、前記接続領域に表裏一体に形成されるとともに前記複数の線状冷媒流路を並列に接続するように構成された冷媒流路接続部と、を有し、
   前記ガス流路分割梁は、前記複数の線状ガス流路を構成する線状ガス流路梁よりも、前記電解質部および前記セパレータの積層方向の高さを高くすることにより、前記電解質部に接する圧力が大きくなることを特徴とする、燃料電池。
2. 電解質部を有する燃料電池用セパレータであって、
   前記電解質部と接すべき面であって、前記電解質部との間に反応ガスが流れるためのガス流路が形成されているガス流路面と、
   前記ガス流路面に表裏一体に形成され、冷却媒体が流れるための冷媒流路が形成されている冷媒流路面と、
   を備え、
   前記ガス流路面は、平行に形成された複数の線状ガス流路と、前記複数の線状ガス流路群の少なくとも一部を直列に接続するように構成された接続領域と、前記複数の線状ガス流路を複数の線状ガス流路群に分割するガス流路分割梁と、
   を有し、
   前記冷媒流路面は、前記複数の線状ガス流路に対して表裏一体に形成された複数の線状冷媒流路と、前記接続領域に表裏一体に形成されるとともに前記複数の線状冷媒流路を並列に接続するように構成された冷媒流路接続部と、を有し、
   前記ガス流路分割梁は、前記複数の線状ガス流路を構成する線状ガス流路梁よりも、前記電解質部および前記セパレータの積層方向の高さを高くすることにより、前記電解質部に接する圧力が大きくなることを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
3. 燃料電池用ガスセパレータであって、
   導電性基板部と、
   前記導電性基板部の一方の面に形成され、反応ガスが流れる反応ガス流路の内壁面の一部を形成する第１の凹凸部と、
   前記導電性基板部の他方の面に前記第１の凹凸部の裏返し形状として形成され、冷媒流路の内壁面の一部を形成する第２の凹凸部と、
   前記導電性基板部の前記一方の面において、前記第１の凹凸部が形成された領域である発電領域の外周上の第１の箇所に達する一端と、前記第１の箇所とは異なる前記外周上の第２の箇所から離間した他端とを有し、前記発電領域内を伸長して前記反応ガス流路の内壁面の一部を形成する線状凸部であって、該線状凸部によって前記発電領域内で隔てられた複数の分割領域を、前記発電領域の外周と前記他端との間の第１の離間部を含む接続領域を介して、前記発電領域全体として直列に接続させる位置に配置された１以上の分割線状凸部と、
   を備え、
   前記第１の凹凸部は、前記分割領域において、前記分割線状凸部に対して略平行に形成され、その両端が、前記発電領域の外周から離間した複数の第１の線分上に配置される分割領域内直進凸部を備え、
   前記第２の凹凸部は、前記分割線状凸部および前記分割領域内直進凸部の間に形成される凹部の裏返し形状として形成される凸部であって、前記他方の面において、前記分割線状凸部に対して略平行に形成され、その両端が前記発電領域の裏面領域の外周から離間した第２の線分上に配置される冷媒流直進凸部を備え、
   前記分割線状凸部は、前記第１の凹凸部が備える他の凸部に比べて、前記セパレータの厚み方向の高さが高く形成されている
   燃料電池用ガスセパレータ。
4. 燃料電池であって、
   電解質層と、該電解質の両面に形成された電極とを含む電解質部と、
   前記電解質部を狭持するように配置され、前記電解質部との間で反応ガスの流路を形成する請求項３記載の燃料電池用ガスセパレータと、
   を備える燃料電池。

Images