JP2009064772A - 燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路における排水性を向上させる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】ガス流路（１６〜２０）を形成するリブ（１２〜１５）である凸部と前記ガス流路（１６〜２０）である凹部とが並列に形成され、前記ガス流路（１６〜２０）の一端にガス入口（２１）、他端にガス出口（２４）を有する燃料電池セパレータにおいて、前記ガス入口側のリブ幅を前記ガス出口側のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池用セパレータ、特に燃料電池における発電性能を向上させるための構成に関する。

一対の各セパレータのガス拡散層と対向する面には、ガス拡散層に当接する直線状リブと、この直線状リブの少なくとも片側にあってガス拡散層から離間することによりガス流路を形成する直線状凹部とを並列に複数配置し、各直線状凹部をガス流路として燃料ガス及び酸化剤ガス（これら各ガスを以下「供給ガス」ともいう。）を流すと共に、各直線状リブを、ガス流れの上流側から下流側に向かってリブ幅が徐々に小さくなるように設定するものがある（特許文献１参照）。
特開２００４−０７９２４５号公報

さて、ガス流路の下流側で水蒸気が液滴となって、ガス流路を塞ぐことがあり、このガス流路に付着した液滴はガス流れによって押し出す必要がある。

しかしながら、上記特許文献１の技術のように、ガス流れの下流に行くほど直線状リブのリブ幅を細くする構造であると、直線状リブに隣接するガス流路が、ガス流れの下流になるほどその流路幅が広くなるため、ガス流れの下流側で供給ガスの流速が遅くなる。これにより、ガス流路に付着した液滴を押し出す力を弱めてしまい、ガス流路における排水性が低下し、燃料電池の発電性能が悪化する可能性がある。

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。

本発明は、ガス流路を形成するリブ（１２〜１５、３２〜３５）である凸部と前記ガス流路（１６〜２０、３６〜４０）である凹部とが並列に形成され、前記ガス流路の一端にガス入口（２１、４１）、他端にガス出口（２４、４４）を有する燃料電池セパレータ（５、６）において、ガス入口（２１、４１）からガス出口（２４、４４）に向かってガス流路（１６〜２０、３６〜４０）の幅をステップ的に拡大する急拡部をガス流路（１６〜２０、３６〜４０）に備える。この急拡部はリブ（１２〜１５、３２〜３５）の幅を変化させることにより形成する。具体的には、ガス入口側のリブ幅（ｗ１、ｗ３）を前記ガス出口側のリブ幅（ｗ２、ｗ４）より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定することにより、リブ（１２〜１５、３２〜３５）の幅を変化させる。

本発明の実施形態の一つとしては、イオン導電体である電解質を挟む２つのガス拡散層と、一方のガス拡散層であるカソード（３）に酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した第１セパレータ（５）と、他方のガス拡散層であるアノード（４）に燃料ガスを供給するためのガス流路を形成した第２セパレータ（６）とを備える燃料電池において、前記第１、第２の各セパレータ（５，６）のガス拡散層と対向する面には、ガス拡散層に当接する直線状リブと、この直線状リブの少なくとも片側にあってガス拡散層から離間することにより前記ガス流路を形成する直線状凹部とを並列に複数配置し、前記第１セパレータ（５）の各直線状凹部をガス流路（１６〜２０）として同じ方向に酸化剤ガスを流すと共に、前記第１セパレータ（５）の各直線状リブ（１２〜１５）を、ガス流れの上流側部分（１２ｂ〜１５ｂ）のリブ幅がガス流れの下流側部分（１２ｃ〜１５ｃ）のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定し、かつ、前記第２セパレータ（６）の各直線状凹部をガス流路（３６〜４０）として同じ方向に燃料ガスを流すと共に、前記第２セパレータ（６）の各直線状リブ（３２〜３５）を、ガス流れの上流側部分（３２ｂ〜３５ｂ）のリブ幅がガス流れの下流側部分（３２ｃ〜３５ｃ）のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する。

本発明によれば、各直線状リブを、ガス流れの上流側部分のリブ幅がガス流れの下流側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する。したがって、電解質がガス流路の上流側部分でガス流路に直接さらされる面積が減少するため、電解質膜が水蒸気で飽和するまでに至らず発電によって生成された水が電解質膜近傍にとどまる量が増大する。また、段差を設けることで、ガス流路が拡張し、段差より下流では上流側に対してガス流速が増加する。

これは、上流側部分においてリブ幅の拡大によりガスに含まれる水分量が従来より減っていて、かつ段差によってガスに駆動力が発生し、これら２つの要因により流路下流側部分でガス流速が従来より早くなるためである。すなわち、流路が拡張すると、流速ガスは低下すると考えられがちであるが、本発明によれば、上記２つの要因によって下流側ではガス流速が上流側より却って増すのである。

これによって、上流側では電解質膜より水の持ち出しを低減でき、下流側では水の排出性を向上できるので、燃料電池の発電性能を向上できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち一方の電極であるアノード（陽極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極であるカソード（陰極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（２）
ここで、アノードに供給する燃料ガスとしての水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法または水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

こうした燃料電池システムにおいて、電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上するためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、酸化剤ガスを加湿することが行われる。そして、電解質膜の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には電解質膜に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。

燃料電池に供給するガスを加湿するために燃料電池に流れるガスの上流側に加湿器を設け、さらに燃料電池の下流側に水回収装置を設けるのでは、システムが複雑化する。システムの簡素化・小型化のためにはセルに供給する加湿量を減らす必要があるが、供給側の加湿量が、燃料電池の運転条件によって決められる一定量を下回ると燃料電池の乾燥により発熱量が増えてより乾燥しやすい状態になり、さらに発熱量が増えるというサイクルになり、ついには発電できなくなってしまう、いわゆるドライアウトと呼ばれる現象が起きる。

この逆に、運転条件によっては供給加湿量が過多となってしまい、上記（２）式のカソード反応によって生成される水によって、酸化剤ガスが燃料電池の中を上流から下流に向かって流れるにつれ水分量が増加するため、燃料電池出口付近では水詰まりによる酸素の触媒層への供給不足がおき、濃度過電圧が上昇してしまう、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が起きる。アノードでもカソードから生成水の逆拡散が起きて水分量が増加し、フラッディングが起きる。この結果、供給ガスの電解質膜への供給が妨げられ、セルの性能が低下する。

そこで本実施形態は、フラッディングやドライアウトによる出力低下を防止し、適切な水マネージメントを実現できる、燃料電池用セパレータを提供するものである。

具体的に説明すると、図１は固体高分子型燃料電池１の断面図、図２は図１の分解図である。図１、図２に示したように、３０μｍ程度の極く薄い高分子電解質膜２を挟んで両側に３００μｍ程度の厚さを有する電極としてのガス拡散層（gas diffusion layer）３，４が、さらにその外側に１ｍｍ程度の薄膜状の第１，第２のセパレータ５，６がそれぞれ配置され、これらが積層されて１セルを構成している。一方のガス拡散層であるカソード３に酸化剤ガスを、他方のガス拡散層であるアノード４に燃料ガスを供給するため、第１，第２の各セパレータ５，６のガス拡散層と対向する面にそれぞれガス流路が形成されている。

図３は第１セパレータ５をカソード３に当接する側から見た正面図、図４は第２セパレータ６をアノード４に当接する側から見た正面図である。ただし、図１、図２は燃料電池の全体を示すモデル図であるため、図３、図４とはシールの点やガス流路の数において相違している。

図３に示したように第１セパレータ５は、カーボンと樹脂とを主体とした材料（または金属）により、全体として横長形状に形成されている。第１セパレータ５には、溝を穿設することにより図３で左手から右手方向へと流れる複数のガス流路１６〜２０が形成されている。詳細には、第１セパレータ５の周縁部１１と、第１セパレータ５の中央にあって５つのガス流路１６〜２０を仕切る４つの直線状リブ１２〜１５とがカソード３に当接し、図３で紙面奥にむけて所定深さに穿設される溝によって５つのガス流路１６〜２０が形成されている。

図３において左右方向に直線状に長く設けられる各直線状リブ１２〜１５では、全長Ｌのうち各上流端１２ａ〜１５ｄから所定パーセント（例えば３０％程度）の部分（以下、各上流端から３０％程度の部分を「第１リブ部」という。）のリブ幅（上下方向幅）ｗ１が、残り７０％程度の部分（以下、残り７０％程度の部分を「第２リブ部」という。）のリブ幅ｗ２より拡大されており、第１リブ部１２ｂ〜１５ｂの設けられる上流側部分ではガス流路と直線状リブの上下方向幅の比が２対３となっている。一方、第２リブ部１２ｃ〜１５ｃの設けられる下流側部分ではガス流路とリブの上下方向幅の比は１対１となっている。

第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１を第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２より大きくするのはドライアウトを防止するためである。

生成水は電解質膜２の触媒層で生成される。触媒層に生成された生成水は蒸発してガスになるか、電解質膜２の内部に水のままとどまる。定常反応状態においては電解質膜２の含水量は一定であり、生成水はすべて蒸発する。電解質膜２の単位面積当たりの水の蒸発量は電解質膜２の含水量が多いほど多い。また、電解質膜の２の水の蒸発量は電解質膜２とガス流路１６〜２０との接触面積が大きいほど多い。従って、定常反応状態において、電解質膜２とガス流路１６〜２０との接触面積を減らせば、同じ蒸発量を得るために電解質膜２の含水量は増加する。逆に、電解質膜２とガス流路１６〜２０との接触面積を増やすと、同じ蒸発量を得るために電解質膜２の含水量は減少する。燃料電池の電気化学反応を維持するには電解質膜２が湿潤でなければならず、電解質膜２の含水量の過度の低下はドライアウトをもたらす。

第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１を第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２より大きくするのは、電解質膜２とガス流路１６〜２０との接触を小さくして電解質膜２の含水量を増やすためである。その結果、酸化剤ガスの湿度を４０〜８０％の範囲で制御したとしても、電解質膜２をより湿潤状態となる。リブ幅ｗ１のこのような設定は、ドライアウトを防止する上で好ましい。

図３で左下隅に位置する入口マニホールド２１と上記５つのガス流路１６〜２０の上流端とを連通するため連絡通路２２が穿設されており、入口マニホールド２１（ガス入口）から供給される酸化剤ガスはこの連絡通路２２に入り、ここから５つのガス流路１６〜２０へと分配され、左手から右手方向に流れる平行流を形成する。また、図３で右上隅に位置する出口マニホールド２４（ガス出口）と上記５つのガス流路１６〜２０の下流端とを連通するためディフューザ部２３が穿設されており、５つのガス流路１６〜２０を出た酸化剤ガスはこのディフューザ部２３で集められ、出口マニホールド２４から燃料電池１の外部へと排出される。

図４に示したように第２セパレータ６も、カーボンと樹脂とを主体とした材料（または金属）により、全体として横長形状に形成されており、第１セパレータ５と同様の構成である。かつ、第２セパレータ６は第１セパレータ５と同一の外径寸法を有している。第２セパレータ６には、溝を穿設することにより図４で右手から左手方向へと流れる複数のガス流路３６〜４０が形成されている。詳細には、第２セパレータ６の周縁部３１と、第２セパレータ６の中央にあって５つのガス流路３６〜４０を仕切る４つの直線状リブ３２〜３５とがアノード４に当接し、図４で紙面奥にむけて所定深さに穿設される溝によって５つのガス流路３６〜４０が形成されている。

図４において左右方向に直線状に長く設けられる各直線状リブ３２〜３５では、全長Ｌのうち各上流端３２ａ〜３５ａから所定パーセント（例えば３０％程度）の部分（以下、各上流端から３０％程度の部分を「第１リブ部」という。）のリブ幅（上下方向幅）ｗ３が、残り７０％程度の部分（以下、残り７０％程度の部分を「第２リブ部」という。）のリブ幅ｗ４より拡大されており、第１リブ部３２ｂ〜３５ｂの設けられる上流側部分ではガス流路とリブの上下方向幅の比が２対３となっている。一方、第２リブ部３２ｃ〜３５ｃの設けられる下流側部分ではガス流路とリブの上下方向幅の比は１対１となっている。

第２セパレータ６の第１リブ部３２ｂ〜３５ｂのリブ幅ｗ３を第２リブ部３２ｃ〜３５ｃのリブ幅ｗ４より拡大する理由は、第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１を第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２より拡大する理由と同様に、ドライアウト対策である。すなわち、直線状リブのうちガス流れの上流側部分である第１リブ部３２ｂ〜３５ｂのリブ幅ｗ３を拡大すると、電解質膜２がガス流路３６〜４０に直接さらされる面積が減少し、電解質膜２が水蒸気で飽和するまでに至らず発電によって生成された水が電解質膜２近傍にとどまる量が増大し、これによって燃料ガスの湿度を一般的に４０〜８０％の範囲で制御したとしても、電解質膜２をより湿潤状態に保つことができるためである。

図４で右上隅に位置する入口マニホールド４１と上記５つのガス流路３６〜４０の上流端とを連通するため連絡通路４２が穿設されており、入口マニホールド４１（ガス入口）から供給される燃料ガスはこの連絡通路４２に入りここから５つのガス流路３６〜４０へと分配され、右手から左手方向に流れる平行流を形成する。また、図４で左下隅に位置する出口マニホールド４４と上記５つのガス流路３６〜４０の下流端とを連通するためディフューザ部４３が穿設されており、５つの複数のガス流路３６〜４０を出た燃料ガスはディフューザ部４３で集められ、出口マニホールド４４（ガス出口）から燃料電池１の外部へと排出される。

このようにして、第１セパレータ５の各ガス流路１６〜２０を流れる酸化剤ガスは、ガス流路１６〜２０上のみならず各直線状リブ１２〜１５と固体高分子電解質膜２の間にも拡散をして、また第２セパレータ６の各ガス流路３６〜４０を流れる燃料ガスは各ガス流路３６〜４０上のみならず各直線状リブ３２〜３５と固体高分子電解質膜２の間にも拡散をして電気化学反応を行う。

上記のように第１セパレータ５の各直線状リブ１２〜１５の上流端１２ａ〜１５ａから３０％程度の部分のリブ幅ｗ１を、また第２セパレータ６の各直線状リブ３２〜３５の上流端３２ａ〜３５ａから３０％程度の部分のリブ幅Ｗ３をそれぞれ拡大したが、３０％程度とした根拠を図５を用いて次に説明する。

図５は、横軸に流路方向距離を採ったときの単セル（燃料電池）に供給する水蒸気の物質量（以下簡単に「投入水量」ともいう。）、単セル内で生成される水の物質量（以下簡単に「生成水量」ともいう。）、ガス流路内の飽和水蒸気の物質量（以下単に「飽和水蒸気量」ともいう。）の各特性を示している。横軸は左端に酸化剤ガス（または燃料ガス）のガス流路入口を、右端にガス流路出口を採り、ガス流路入口で流路方向距離をゼロ、ガス流路出口で流路方向距離を最大値ｘ ｏｕｔとしている。

図５に示したように、飽和水蒸気量は大気の飽和水蒸気量を初期値ｃとしてガス流路入口より下流に向かうほど比例的に増えてゆく。ここでは投入水量が一定値ｂ（＜ａ）であるとすると、生成水量はガス流路入口より下流に向かうほど比例的に増えてゆくため、投入水量及び生成水量の合計は、投入水量を初期値ｂとする右上がりの直線となる。

過飽和、未飽和の判断は安全をみて飽和水蒸気量の１〜１．３倍が基準値として算出される。これは冷却水の温度で算出される飽和水蒸気量と、実際に電気化学反応が行われる触媒近傍の温度分布の差などに起因するものである。すなわち、燃料電池はガス流路１６〜２０とガス流路３６〜４０の外に冷却のための冷却水通路を備える。飽和水蒸気量は冷却水通路の冷却水温度に基づき算出したものであり、実際に電気化学反応が行われる触媒層の温度が冷却水より高いことを考慮し、ここでは冷却水温度から求めた飽和水蒸気量の１．３倍を実際の飽和水蒸気量とみなしている。

図５では、所定値ｄより下流域では投入水量及び生成水量の合計（投入水量＋生成水量）が基準値（＝飽和水蒸気量の１．３倍）を上回るため、水蒸気により飽和していると、これに対して所定値ｄより上流域では投入水量及び生成水量の合計（投入水量＋生成水量）が基準値（＝飽和水蒸気量の１．３倍）を下回るため、水蒸気により飽和していないと判断される。

これより、図５において流路方向距離が所定値ｄより小さい範囲を水蒸気の未飽和域、流路方向距離が所定値ｄより大きい範囲を水蒸気の過飽和域として区分けすることができ、水蒸気の未飽和域で電気化学に必要な水が不足しドライアウトが生じるのであるから、所定値ｄより上流域、つまり水蒸気の未飽和域でリブ幅を拡大させてやればよいこととなる。

図５の特性が、例えば標準大気状態かつ単セルに基準負荷を与えたときの特性であるとすると、基準負荷の状態でも大気状態が標準大気状態と相違すれば飽和水蒸気量の特性が変化し、標準大気状態でも実際の負荷が基準負荷と相違すれば生成水量の特性も変化する（投入水量は燃料電池の仕様が決まれば定まる）。従って、大気圧状態や負荷状態の相違により交点Ａはバラツクことになるので、交点Ａが最も右側にくるとき、つまり水蒸気の未飽和域が最も広くなるときを基準に考え、所定値ｄを決定（適合）したとき、第１セパレータ５の各直線状リブ１２〜１５のうちリブ幅ｗ１を拡大する範囲は、上流端１２ａ〜１５ａから３０％程度、また第２セパレータ６の各直線状リブ３２〜３５のうちリブ幅ｗ３を拡大する範囲は、上流端３２ａ〜３５ａから３０％程度でよいとなったのである。

ここで、単セルに供給する水蒸気の物質量（投入水量）、単セル内で生成される水の物質量（生成水量）、ガス流路内の飽和水蒸気の物質量（飽和水蒸気量）の３つの値は、次のようにして求めることができる。すなわち、単セルに供給する水蒸気の物質量は供給する乾燥ガスの物質量に水蒸気分圧を乗じて全体の圧力で除して算出され、単セル内で生成される水の物質量は負荷電流をファラデー定数で除したものをさらに２で除することで算出され、ガス流路内の飽和水蒸気の物質量は第１セパレータ５の入口マニホールド２１の冷却水温を代表温度として算出される。さらに詳しくは燃料電池の仕様と大気の状態である環境条件とが決まれば以下の式によって算出される。ただし、各物質量は単位時間当たり（１ｓｅｃ当たり）で考えている。

単セルに供給する水蒸気の物質量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
＝供給する乾燥ガスの物質量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
×水蒸気分圧［ｋＰａ］／全体の圧力［ｋＰａ］
…（３）
単セル内で生成される水の物質量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
＝負荷電流［Ｃ／ｓｅｃ］／ファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］／２
…（４）
ガス流路内の飽和水蒸気の物質量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
＝供給する乾燥ガスの物質量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
×入口マニホールド２１の飽和水蒸気分圧［ｋＰａ］／全体の圧力［ｋＰａ］
…（５）
ここで、上記（４）式右辺の２はアノード、カソード反応式から導き出される電流と生成水との等価係数である。（４）式右辺の負荷電流は供給ガス入口側から、供給ガス流れ方向のある距離までの固体高分子電解質膜の反応に有効な面積に流れる電流の積算値である。

次に、単セルに負荷をかけたときに電圧を下げる抵抗の総称である過電圧（over voltage）を下げることがセルの性能を上げるポイントとなる。過電圧に抵抗過電圧（resistance over voltage）と濃度過電圧（concentration over voltage）とがある。このうち、抵抗過電圧は、電池が持っている内部抵抗により電圧が下がる現象のこと、また濃度過電圧は、電極における反応物質及び反応生成物の補給・除去が遅く、電極反応が阻害されるため電圧が下がる現象のことである。特に濃度過電圧に第１セパレータ５の直線状リブ１２〜１５のリブ幅が影響するので、上記のように第１セパレータ５のガス流路の上流側部分である第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１を拡大するにしても、抵抗過電圧と濃度過電圧のバランスをとって好適なリブ幅を設計する必要がある。抵抗過電圧は濃度過電圧に比べるとセル内部でほぼ一定であるのに対し、酸素分圧によって決定される濃度過電圧はガス流路の下流側で酸素分圧が低下することにより、指数関数的に増加する。濃度過電圧の増大に伴うセルの発電停止を防止するため、本実施形態ではガス流路の下流側部分である第２リブ部１２ｃ〜１５ｃに連接するガス流路で濃度過電圧が増大しないようリブ幅を設計している。

これを、図６を参照して説明すると、図６は並列に走る複数のガス流路を仕切るために設けられる、第１セパレータ５の直線状リブについて、そのリブ幅を負荷一定の条件で様々に相違させることによって単セルの濃度過電圧がどのように変化するのかを示している。ただし、ここでの第１セパレータ５に設ける直線状リブは、図７に示したように上流端より下流端まで直線状リブのリブ幅が一定のものを考えている。図６の横軸は左端に酸化剤ガスのガス流路入口を、右端にガス流路出口を採り、ガス流路入口で流路方向距離をゼロ、ガス流路出口で流路方向距離を最大値ｘ ｏｕｔとしている。酸素濃度は、図６に重ねて示しているように、ガス流路入口より下流側に向かうほど比例的に減少してゆく。

ここで、図６に示した特性は次のようにして得たものである。単セルにおいて、酸化剤ガス入口から酸化剤ガス出口にかけて電圧センサ等を所定幅毎に並べて複数設置する。負荷をかけた際の電圧を電圧センサ等により複数箇所で測定する。得られた複数箇所の電圧を複数の各箇所での濃度過電圧として求め、得られたデータを、横軸を流路方向距離、縦軸を濃度過電圧に採ったグラフにプロットする。これを、直線状リブのリブ幅を、ｐ０、ｐ１、ｐ２、ｐ３と相違させて繰り返す。所定値ｐ０、ｐ１、ｐ２、ｐ３の間にはｐ０＜ｐ１＜ｐ２＜ｐ３なる関係がある。

図６に示したように、単セルの濃度過電圧は第１セパレータ５に設ける直線状リブのリブ幅に大きく依存している。直線状リブのリブ幅が最も小さい所定値ｐ０であるときには濃度過電圧はガス流路の下流側まで低い値である所定値ｆを維持し、ガス流路出口近くになってやっと濃度過電圧が少し上昇している（二点鎖線参照）。これに対して、直線状リブのリブ幅を所定値ｐ１から所定値ｐ２へ、さらに所定値ｐ３へと大きくしていくほど濃度過電圧の立ち上がりが早くなっている（立ち上がる位置がガス流路の上流側にずれている）。従って、直線状リブのリブ幅を大きな値である所定値ｐ３としても（太実線参照）、濃度過電圧が増大しないのはＢ点までであることがわかる。

図６ではＢ点の流量方向距離ｇは酸化剤ガス入口から３５％程度であるが、酸化剤ガス入口から５０％までであれば濃度過電圧は許容範囲に収まると本発明者は判断している。

ここで、図６の特性は、直線状リブのリブ幅を図７に示したように上流端より下流端まで一定としている場合の特性であるから、本発明のように、直線状リブのリブ幅をガス流れ方向に２段階に異ならせた第１リブ部１２ｂ〜１５ｂと、第２リブ部１２ｃ〜１５ｃとで構成する場合には、ガス流れの下流側部分である第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２を所定値ｐ０に設定し、ガス流れの上流側部分である第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１を所定値ｐ０より大きな所定値ｐ２か所定値ｐ３に設定し、かつ第１リブ部１２ｂ〜１５ｂとする範囲を酸化剤ガス入口（入口マニホールド２１）から５０％以内に収めてやれば、図３に示したように、直線状リブ１２〜１５のリブ幅を２段階に異ならせた第１リブ部１２ｂ〜１５ｂと、第２リブ部１２ｃ〜１５ｃとで構成していても、特にガス流れの下流側部分で濃度過電圧が増大することはないのである。

このようにして、ガス流れの全域で濃度過電圧が増大しないようにする必要から、第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、第２リブ部１２ｃ〜１５ｃの各リブ幅ｗ１，ｗ２が定まるため、第１セパレータ５の外形寸法が定まればいくつの直線状リブを設ければならないかも決まってくる。また、第２セパレータ６は第１セパレータ５と同一の外形寸法を有しかつ第１セパレータ５と同様の構成となるので、第１セパレータ５について第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、第２リブ部１２ｃ〜１５ｃの各リブ幅ｗ１，ｗ２が定まれば、第２セパレータ６についても第１リブ部３２ｂ〜３５ｂ、第２リブ部３２ｃ〜３５ｃの各リブ幅ｗ３，ｗ４が定まる（簡単には第２セパレータ６の第１リブ部３２ｂ〜３５ｂのリブ幅ｗ３を第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂのリブ幅ｗ１と同じにし、かつ第２セパレータ６の第２リブ部３２ｃ〜３５ｃのリブ幅ｗ４を第１セパレータ５の第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２と同じにすればよい）。図３、図４も図１、図２と同様にモデルであるため、４つの直線状リブしか示していないが、実際にはもっとたくさんの数の直線状リブを有することになる。このように、本実施形態によれば、第１セパレータ５について抵抗過電圧と濃度過電圧のバランスをとって好適な直線状リブのリブ幅を設計しているのであり、濃度過電圧増加のデメリットは無い。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

セルの発電時には分極分の発熱量が必ず発生する。電解質膜２は乾燥しているほど抵抗過電圧が増大して発熱量は増加する。電解質膜２が乾燥して発熱量が増加すると、発熱量が増加することによる温度上昇でさらに乾燥するというサイクルになり、最終的には発電停止してしまう現象をドライアウトというが、このドライアウトを防ぐには供給ガスを水蒸気で飽和した状態とすることが理想的である。しかしながら、例えば移動体の燃料電池で供給ガスを水蒸気で飽和した状態とすることは部品構成のサイズの制限などから現実的でない。そのため、移動体の燃料電池では、通常、ドライアウトしやすい部位は供給ガス入口側となる。

さて、セル内部では生成水が発生するので、水蒸気で飽和していない供給ガスを供給しても、セル内部では生成水によって供給ガスが水蒸気で飽和しあるいは水蒸気が過飽和の状態になる。供給ガスの湿度は一般的に４０〜８０％の範囲で制御されるものの、そのような条件では、供給ガスはセル内部のガス流路の上流で直ぐに水蒸気によって飽和される。生成水は電解質膜の触媒層で生成されるが、生成水がガスに蒸発する経路と電解質膜内に水のままとどまる経路とが有る。電解質膜が水蒸気で飽和している場合には、生成水は全てガスとなって蒸発する。

この場合に、本実施形態によれば、第１、第２のセパレータ５，６の各直線状リブ１２〜１５、３２〜３５を、ガス流れの上流側部分（第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、第２セパレータ６の第１リブ部３２ｂ〜３５ｂ）のリブ幅ｗ１，ｗ３がガス流れの下流側部分（第１セパレータ５の第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ、第２セパレータ６の第２リブ部３２ｃ〜３５ｃ）のリブ幅ｗ２，ｗ４より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定するので、電解質膜２（電解質）がガス流路１６〜２０、３６〜４０の上流側部分でガス流路に直接さらされる面積が減少し、電解質膜２が水蒸気で飽和するまでに至らず発電によって生成された水が電解質膜２近傍にとどまる量が増大し、これによって供給ガスの湿度を一般的に４０〜８０％の範囲で制御したとしても、電解質膜２をより湿潤状態に保つことができ、ドライアウトを防止できる。

本実施形態によれば、第１、第２のセパレータ５，６のガス流れの下流側部分（第１セパレータ５の第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ、第２セパレータ６の第２リブ部３２ｃ〜３５ｃ）のリブ幅ｗ２，ｗ４はガス流れ方向に一定とするので、ガス流れの下流側部分に隣接する第１セパレータ５のガス流路１６〜２０、第２セパレータ６のガス流路３６〜４０はその流路幅がガス流れの方向に一定となる。このため、水蒸気の過飽和によって第１セパレータ５のガス流路１６〜２０の下流側部分で、あるいは第２セパレータ６のガス流路３６〜４０の下流側部分で水蒸気が液滴となり、第１セパレータ５のガス流路や第２セパレータ６のガス流路を塞ぐことがあっても、下流側部分のガス流路を塞いだ液滴は、液滴に対してガス流れ方向上流、下流間の圧力差が駆動力となって押し流され、これによって供給ガス分圧低下によるフラッディングを抑制することができる。このようにして、ガス流路１６〜２０、３６〜４０の下流側部分での排水性を高めつつガス流路１６〜２０、３６〜４０の上流側部分で電解質膜２をより湿潤状態に保つことができる。

これに対して第１、第２のセパレータ５，６のガス流路が直線状でなく、例えばガス流れ横方向に連通路などを有するのではガス流路からの排水性の観点から不利である。また、あまりにガス流路が広いと液滴がガス流路を塞ぎ圧力差で流されるためには、液滴が大きく成長するのを待つ必要がある。大きな液滴がガス流路中に介在することは、燃料ガス、酸化剤ガスの電解質膜への拡散が阻害されるという観点から不利である。

実際のセルで水蒸気により飽和していないのは第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６〜２０、３６〜４０のうち上流側部分である。セルの発電に伴いセル内部に生成水が発生するのに、わざわざ供給ガスを加湿しているのは、第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６〜２０、３６〜４０の上流側部分でも発電させるためである。本実施形態によれば、第１、第２のセパレータ５，６の各直線状リブ１２〜１５、３２〜３５についてガス流れの下流側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定するガス流れの上流側部分（第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、第２セパレータ６の第１リブ部３２ｂ〜３５ｂ）は、供給ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）が生成水により飽和しないガス流路範囲に隣接する部分である、つまり第１、第２のセパレータ５，６の直線状リブ１２〜１５、３２〜３５のうちリブ幅を太くするのは、第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６〜２０、３６〜４０のうち乾燥しがちな上流側部分に隣接する部分であるので、充分な耐ドライアウト性の向上効果が得られる。

本実施形態によれば、酸化剤ガスまたは燃料ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲は、酸化剤ガスまたは燃料ガスのガス入口から、単セルに供給する水蒸気の物質量及び単セル内で生成される水の物質量の合計とガス流路内の飽和水蒸気の物質量の１．３倍とが一致する位置までの範囲であるので、酸化剤ガスまたは燃料ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲を定める際に、予め机上検討を行うことができる。

本実施形態によれば、第１セパレータ５の各直線状リブ１２〜１５についてガス流れの下流側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定するガス流れの上流側部分（第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ）は、入口マニホールド２１（酸化剤ガス入口）より出口マニホールド２４（酸化剤ガス出口）までの間のガス流れの上流側５０％を超えない範囲であるので、濃度過電圧を増加させることなく第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂについて抵抗過電圧と濃度過電圧のバランスをとった好適なリブ幅を設定することができる。

第１、第２のセパレータ５，６の試作を考えると構造的には単純なものが望まれる。耐ドライアウト性、排水性、抵抗過電圧、濃度過電圧全ての要件を考えると、第１セパレータ５の直線状リブ１２〜１５、第２セパレータ６の直線状リブ３２〜３５のリブ幅をガス流れ方向に２段で構成することが最も有効である。これを受けて本実施形態によれば、第１、第２のセパレータ５，６のガス流れの上流側部分（第１セパレータ５の第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、第２セパレータ６の第１リブ部３２ｂ〜３５ｂ）のリブ幅ｗ１，ｗ３と、ガス流れの下流側部分（第１セパレータ５の第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ、第２セパレータ６の第２リブ部３２ｃ〜３５ｃ）のリブ幅ｗ２，ｗ４とを２段階に設定するので、簡単な構成で、第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６〜２０、３６〜４０の下流側部分での排水性を高めつつ第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６〜２０、３６〜４０の上流側部分で電解質膜２をより湿潤状態に保つことができる。

図８は第２実施形態の第１セパレータ５をカソード３に当接する側から見た正面図、図９は第２実施形態の第２セパレータ６をアノード４に当接する側から見た正面図で、それぞれ第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。

第１実施形態では第１セパレータ５についての直線状リブのうちガス流れの下流側部分である第２リブ部１２ｃ〜１５ｃのリブ幅ｗ２、第２セパレータ６についての直線状リブのうちガス流れの下流側部分である第２リブ部３２ｃ〜３５ｃのリブ幅ｗ４をガス流れの方向に一定としていたが、第２実施形態は、第１セパレータ５についての直線状リブ１２’〜１５’のうちガス流れの下流側部分である第２リブ部１２ｃ’〜１５ｃ’のリブ幅、第２セパレータ６についての直線状リブ３２’〜３５’のうちガス流れの下流側部分である第２リブ部３２ｃ’〜３５ｃ’のリブ幅を、ガス流れの下流側になるほど徐々に細くなるようにしたものである。これに伴い第１、第２のセパレータ５，６のガス流路１６’〜２０’、３６’〜４０’の流路幅は、第２リブ部１２ｃ’〜１５ｃ’、３２ｃ’〜３５ｃ’に隣接する部位において下流側ほど広くなっている。なお、第２リブ部１２ｃ’〜１５ｃ’、３２ｃ’〜３５ｃ’のリブ幅を下流側ほど細くしていく割合は必ずしも一定でなくとも良い。

第２実施形態によれば、第１セパレータの各直線状リブを、ガス流れの上流側部分で相対的に太い第１リブ部１２ｂ’〜１５ｂ’、３２ｂ’〜３５ｂ’と、ガス流れの下流側部分で相対的に細い第２リブ部１２ｃ’〜１５ｃ’、３２ｃ’〜３５ｃ’とで設定するので、ガス流れの上流側部分の耐ドライアウト性が向上し生成水過剰で液水が下流部分のガス流路を塞ぐことを低減できる。このようにガス流れの下流側部分で液水によるガス流路塞ぎの懸念が無くなると、下流側部分のガス流路を有る程度狭くしてガス流路を塞いだ液滴を押し流す必要が無くなるため、これに対応して第２実施形態によれば、ガス流れの下流側部分に位置する第２リブ部１２ｃ’〜１５ｃ’、３２ｃ’〜３５ｃ’のリブ幅を、ガス流れの上流から下流に向かって徐々に細くする、つまり酸素分圧の低下にあわせて第２リブ部のリブ幅を徐々に小さくするので、濃度過電圧低減効果が得られる。

図１０は第３実施形態の第２セパレータ６をアノード４に当接する側から見た正面図で、第１実施形態の図４と置き換わるものである。なお、第３実施形態の第１セパレータ５をカソード３に当接する側から見た正面図は第１実施形態の図３と同じである。

第１実施形態の図４では燃料ガスを右手より左手方向に流しているのに対して図１０では燃料ガスを左手より右手方向に流していることからわかるように、第１実施形態が酸化剤ガスと燃料ガスの流れ方向が同じであるに対して、第３実施形態は酸化剤ガスと燃料ガスの流れ方向が逆になるようにしたものである。すなわち、第１実施形態では図４に示したように燃料ガスを右上隅の入口マニホールド４１から導入し、左下隅の出口マニホールド４４から使用済みの燃料ガスを排出するのに対して、第３実施形態では図１０に示したように燃料ガスを左下隅の入口マニホールド４１”から連絡通路４２”を介してガス流路３６”〜４０”に供給し、ディフューザ４３”で集合させた後、右上隅の出口マニホールド４４”から使用済みの燃料ガスを排出するようにしている。

燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに逆向きに流す（「対向流」といわれる）ことで、第２セパレータ６についてのリブ幅が相対的に拡大している燃料ガス入口側（第１リブ部３２ｂ”〜３５ｂ”）には電解質膜２の向こうに、第１セパレータ５についてのリブ幅が相対的に細い酸化剤ガス出口側（第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ）が位置し、また第２セパレータ６のリブ幅が相対的に細い燃料ガス出口側（第２リブ部３２ｃ”〜３５ｃ”）には電解質膜２の向こうに、第１セパレータ５のリブ幅が相対的に拡大している酸化剤ガス入口側（第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ）が位置している。

第１、第２のセパレータ５，６は他の部材と積層された後、図示しないボルトによって積層方向に締結される。ボルト締結後の各セパレータ５，６の反りやたわみを鑑みると、ボルト締結時の応力が集中してガス拡散層３，４の断裂が発生しやすいのは、第１実施形態の場合、リブ幅が細くなっているガス流れの下流側部分、つまり燃料ガス、酸化剤ガスの出口側である。

これに対して第３実施形態によれば、第１セパレータ５のガス流路１６〜２０を流れる酸化剤ガスの流れ方向と、第２セパレータ６のガス流路３６”〜４０”を流れる燃料ガスの流れ方向とが逆であるので、第１セパレータ５についてのリブ幅が小さい下流側部分（第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ）に対しては電解質膜２を挟む２つのガス拡散層３，４の向こうに、第２セパレータ６についてのリブ幅が大きい上流側部分（第１リブ部３２”〜３５”）が、また第２セパレータ６についてのリブ幅が小さい下流側部分（第２リブ部３６”〜４０”）に対しては電解質膜２を挟む２つのガス拡散層３，４の向こうに、第１セパレータ５についてのリブ幅が大きい上流側部分（第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ）がそれぞれ配置されることになり、ガス拡散層３，４の断裂の恐れを無くすことができる。

次に、図１１は第４実施形態の第１セパレータをカソードに当接する側から見た正面図の一部拡大図、図１２は図１１のＸ−Ｘ線沿った概略断面図である。ここで、図３と同一部分には同一の番号を付している。

第４実施形態は、図１１に示したように、第１リブ部（より好ましくは第２リブ部に近接する第１リブ部）においてガス流路方向に向かって突起部（オリフィス）を設けたものである。すなわち、第２リブ部１２ｃ、１３ｃに近接する第１リブ部１２ｂ、１３ｂにガス流路に突出する突起部１２ｄ、１２ｅ、１３ｄ、１３ｅが設けられている。このため、ガス流路１７では突起１２ｅ、１３ｄにより流路が狭められている。なお、図示しない第１リブ部１４ｂ、１５ｂについても同様の構成である。

こうした構成とすることで第４実施形態によれば、オリフィスによりガスに与える駆動力を大きくすることが可能となり突起部下流のガス流速を上げることができ、下流側の排水性を更に向上させることができる。

また、第４実施形態は、図１２に示したように、下流側が上流側に対してガス流路の底面とガス流路の開口端との距離が大きくなるようにガス流路（より好ましくは第１リブ部に近接する第２リブ部間のガス流路）に段差を設けたものである。すなわち、隣り合う２つの第１リブ部１２ｂ、１３ｂに挟まれたガス流路の底面１７ａと、隣り合う２つの第２リブ部１２ｃ、１３ｃに挟まれたガス流路の底面１７ｂとの間に段差部１７ｃが設けられ、段差部下流側の底面１７ｂとガス流路１７の開口端１７ｅ（積層された状態ではカソード３の下端面）との距離Ｈ１が、段差部上流側の底面１７ａとガス流路１７の開口端１７ｅ（積層された状態ではカソード３の下端面）との距離Ｈ２より大きくなるようにされている。なお、図示しない残りのガス流路１６、１８〜２０についても同様の構成である。

こうした構成とすることで第４実施形態によれば、段差部１７ｃでガスに与える駆動力を大きくすることが可能となり段差部１７ｃ下流のガス流速を上げることができ、下流側の排水性を更に向上させることができる。

図１３は第５実施形態で、第４実施形態の図１２と置き換わるものである。ここで、図１２と同一部分には同一の番号を付している。

第５実施形態は、図１３に示したように、第４実施形態に対して、第１リブ部間（より好ましくは第２リブ部に近接する第１リブ部間）におけるガス流路にガス流路の開口端（積層された状態ではカソード３の下端面）に向かって突起部（オリフィス）を設けたものである。すなわち、隣り合う２つの第１リブ部１２ｂ、１３ｂに挟まれたガス流路の底面１７ａの下流端にガス流路にガス流路の開口端（積層された状態ではカソード３の下端面）に向かって突出する突起部１７ｄが設けられている。なお、図示しない残りのガス流路１６、１８〜２０について隣り合う２つの第１リブ部に挟まれたガス流路の底面の下流端についても同様の構成である。

こうした構成とすることで第５実施形態によれば、オリフィスによりガスに与える駆動力を大きくすることが可能となり下流側の排水性を更に向上させることができる。

なお、図１２、図１３の構成は第１実施形態の図３に対しても適用することができる。

第１実施形態（第３実施形態についても）では、第１、第２のセパレータ５，６の各直線状リブを、ガス流れの上流側部分でリブ幅が相対的に太い第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、３２ｂ〜３５ｂと、ガス流れの下流側部分でリブ幅が相対的に細い第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ、３２ｃ〜３５ｃとで設定する、つまりリブ幅を２段階に設定する場合で説明したが、この場合に限られるものでなく、第１リブ部１２ｂ〜１５ｂ、３２ｂ〜３５ｂのリブ幅や第２リブ部１２ｃ〜１５ｃ、３２ｃ〜３５ｃのリブ幅をガス流れ方向にさらに多段階に設定するようにしてもかまわない。

固体高分子型燃料電池の断面図。 図１の分解図。 第１、第３の実施形態の第１セパレータをカソードに当接する側から見た正面図。 第１実施形態の第２セパレータをアノードに当接する側から見た正面図。 流路方向距離に対する投入水量、生成水量、飽和水蒸気量の特性図。 流路方向距離に対する濃度過電圧の特性図。 図６の濃度過電圧特性を得るのに用いた第１セパレータの正面図。 第２実施形態の第１セパレータをカソードに当接する側から見た正面図。 第２実施形態の第２セパレータをアノードに当接する側から見た正面図。 第３実施形態の第２セパレータをアノードに当接する側から見た正面図。 第４実施形態の第１セパレータをカソードに当接する側から見た正面図の一部拡大図。 図１１のＸ−Ｘ線に沿った概略断面図。 第５実施形態のＸ−Ｘ線に沿った概略断面図。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 電解質膜（電解質）
３ カソード（陰極）
４ アノード（陽極）
５ 第１セパレータ
６ 第２セパレータ
１２〜１５ 直線状リブ
１６〜２０ ガス流路（直線状凹部）
１２ｂ〜１５ｂ 第１リブ部
１２ｃ〜１５ｃ 第２リブ部
２１ 入口マニホールド（ガス入口）
２４ 出口マニホールド（ガス出口）
３２〜３５ 直線状リブ
３２ｂ〜３５ｂ 第１リブ部
３２ｃ〜３５ｃ 第２リブ部
３６〜４０ ガス流路（直線状凹部）
４１ 入口マニホールド（ガス入口）
４４ 出口マニホールド（ガス出口）

Claims (25)

1. ガス流路を形成するリブである凸部と前記ガス流路である凹部とが並列に形成され、前記ガス流路の一端にガス入口、他端にガス出口を有する燃料電池セパレータにおいて、
   ガス入口からガス出口に向かってガス流路の幅をステップ的に拡大する急拡部をガス流路に備える
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記急拡部を前記リブの幅を変化させることにより形成する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。
3. 前記ガス入口側のリブ幅を前記ガス出口側のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定することにより、リブの幅を変化させる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。
4. 前記ガス出口側部分のリブ幅は一定とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記リブは直線状に形成され、
   前記ガス出口側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する前記ガス入口側部分は、反応ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲に隣接する部分であることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記反応ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲は、前記ガス入口から、単セルに供給する水蒸気の物質量及び単セル内で生成される水の物質量の合計と前記ガス流路内の飽和水蒸気の物質量の１．３倍とが一致する位置までの範囲であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記リブは直線状に形成され、
   前記ガス出口側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する前記ガス入口側部分は、前記ガス入口より前記ガス出口までの間のガス流れの入口側５０％を超えない範囲であることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータの前記ガス入口側部分のリブ幅と、前記ガス出口側部分のリブ幅とを２段階に設定することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記ガス出口側のリブ幅を前記ガス入口側から出口側に向かって細くすることを特徴とする請求項５から８までのいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
10. 前記ガス入口側のリブにこのリブに隣接するガス流路に向かって突出する突起部を設けることを特徴とする請求項３から９までのいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
11. 前記ガス出口側のガス流路の底面までの距離を、前記ガス入口側のガス流路の底面までの距離より大きくなるように段差を付けて設定することを特徴とする請求項３から９までのいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
12. 前記ガス入口側のガス流路の底面下流端にガス流路の開口端に向かって突出する突起部を設けることを特徴とする請求項３から９までのいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
13. イオン導電体である電解質を挟む２つのガス拡散層と、
    ガス流路を形成するリブである凸部と前記ガス流路である凹部とが並列に形成され、前記ガス流路の一端にガス入口、他端にガス出口を有するセパレータであって、ガス入口からガス出口に向かってガス流路の幅をステップ的に拡大する急拡部をガス流路に備えるセパレータであり、さらに、前記リブは前記ガス拡散層に当接し直線状に形成され、前記ガス流路は前記ガス拡散層から離間し直線状に形成され、前記ガス入口側をガス流れの上流側とし、前記ガス出口側をガス流れの下流側とし、反応ガスが各ガス流路を同一方向に流れるセパレータと
    を有する単セルを備えることを特徴とする燃料電池。
14. 前記急拡部を前記リブの幅を変化させることにより形成することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
15. 前記ガス入口側のリブ幅を前記ガス出口側のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定することにより、リブの幅を変化させることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
16. 前記セパレータの前記ガス出口側部分のリブ幅は一定とすることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
17. 前記リブは直線状に形成され、
    前記ガス出口側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する前記ガス入口側部分は、反応ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲に隣接する部分であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の燃料電池。
18. 前記反応ガスが生成水により飽和しないガス流路範囲は、前記ガス入口から、単セルに供給する水蒸気の物質量及び単セル内で生成される水の物質量の合計と前記ガス流路内の飽和水蒸気の物質量の７割とが一致する位置までの範囲であることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池。
19. 前記リブは直線状に形成され、
    前記ガス出口側部分のリブ幅より大きくなるようにリブ幅に段差を付けて設定する前記ガス入口側部分は、前記ガス入口より前記ガス出口までの間のガス流れの入口側５０％を超えない範囲であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の燃料電池。
20. 前記セパレータの前記ガス入口側部分のリブ幅と、前記ガス出口側部分のリブ幅とを２段階に設定することを特徴とする請求項１５または１６に記載の燃料電池。
21. 前記ガス出口側のリブ幅を前記ガス入口側から出口側に向かって細くすることを特徴とする請求項１７から２０までのいずれか一つに記載の燃料電池。
22. 前記単セルを構成する一方のセパレータのガス流路を流れる反応ガスの流れ方向と、他方のセパレータのガス流路を流れる反応ガスの流れ方向とが逆であることを特徴とする請求項１５から２１までのいずれか一つに記載の燃料電池。
23. 前記ガス入口側のリブにこのリブに隣接するガス流路に向かって突出する突起部を設けることを特徴とする請求項１５から２１までのいずれか一つに記載の燃料電池。
24. 前記ガス出口側のガス流路の底面までの距離を、前記ガス入口側のガス流路の底面までの距離より大きくなるように段差を付けて設定することを特徴とする請求項１５から２１までのいずれか一つに記載の燃料電池。
25. 前記ガス入口側のガス流路の底面下流端にガス流路の開口端に向かって突出する突起部を設けることを特徴とする請求項１５から２１までのいずれか一つに記載の燃料電池。

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