JP2009129813A - 燃料電池および燃料電池用ガスセパレータ - Google Patents

燃料電池および燃料電池用ガスセパレータ Download PDF

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Abstract

【課題】表裏の凹凸形状が反転するセパレータが形成する流体流路において、流体の流量分布を均一化する。
【解決手段】セパレータ１５における少なくとも一方の配流部３５において、中央部（分割領域３２ａ〜３２ｃ）の中で相対的に第１の流体（冷媒）の流体の流量が多くなる第１の領域（分割領域３２ａ，３２ｃ）と対向する領域に形成される複数の第１の突起部４６は、上記中央部の中で相対的に第１の流体の流量が少なくなる第２の領域（分割領域３２ｂ）と対向する領域に形成される複数の第１の突起部４６よりも、横断面の径が大きく形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。
燃料電池に用いるセパレータとしては、表裏それぞれの面上に異なる流体の流路が形成され、表裏の凹凸形状が互いに反転した形状に形成されたセパレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなセパレータの外周近傍には、一般に、セパレータの各々の面に対して流体を供給および排出するためのマニホールドを形成する穴部が設けられている。そのため、セパレータ上の各面に形成される流路は、流体の供給マニホールドおよび排出マニホールドと連通して、セパレータの各々の面上で流体を導く形状を有している。
特開２００３−１４２１２６ 特願２００６−５１９７１５号（国際公開第０６／０７５７８６ 号） 特開２００５−１０８５０５
一般に、各流体の供給マニホールドおよび排出マニホールドの配置は、種々の要因によって決定されるものであるが、このようなマニホールドの配置によっては、セパレータ面上に形成される流体流路において、流体流量の分布が不均一となる場合があった。ここで、上記のように表裏の凹凸形状が互いに反転した形状に形成されるセパレータでは、各々の表面に形成される流体流路の形状は、他方の面上の流路を形成する凹凸形状によって制約される。そのため、流路を形成する凹凸形状によって、上記マニホールドの配置に起因する流体流量の分布の不均一を改善しようとしても、表裏の凹凸形状が互いに制約し合うことによる困難が伴い、表裏の凹凸形状が反転するセパレータにおいては、流体流量の分布のさらなる均一化が望まれていた。
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、表裏の凹凸形状が反転するセパレータが形成する流体流路において、流体の流量分布を均一化することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様としての燃料電池用ガスセパレータは、表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられると共に、前記第１の面において前記第１の流体の流れの向きとの関係で前記第１の流体の流量分布に不均一を生じる中央部と、
前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
を備え、
少なくとも一方の前記配流部において、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が多くなる第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が少なくなる第２の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている。
以上のように構成された本発明の第１の態様としての燃料電池用ガスセパレータによれば、横断面の径が大きく形成された複数の第１の突起部を形成することで、第１の領域と対向する配流部内の領域において、流路抵抗が増大する。そのため、横断面の径が大きく形成された複数の第１の突起部を備える領域における第１の流体の流量、および、横断面の径が大きく形成された複数の第１の突起部を備える領域を介した第１の領域に対する第１の流体の給排量が抑制される。また、これによって、横断面の径が小さく形成された複数の第１の突起部を備える領域における第１の流体の流量、および、横断面の径が小さく形成された複数の第１の突起部を備える領域を介した第２の領域に対する第１の流体の給排量が、相対的に増加する。その結果、配流部および中央部を含む第１の流体流路全体において、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。このような本発明の第１の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記第１の面における前記第１の流体の流量分布の不均一は、前記配流部のそれぞれに対して前記第１の流体を供給または排出する給排口と、前記第１の流体の流路と、の位置関係によって定まることとすることができる。
本発明の第１の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍に向かって流れ、前記一方の配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の前記他方の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されており、前記他方の配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の前記一方の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大き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、第１の流体の流れの向きとの関係で、第１の流体の流量が相対的に多くなる第１の領域は、中央部のうち、第１の方向に垂直な方向の両端部の領域となる。このような第１の領域に対する第１の流体の給排量が、横断面の径が大きく形成される複数の第１の突起部が形成された配流部内の領域において抑制されるため、第１の流体流路全体において、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。
あるいは、本発明の第１の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍に向かって流れ、各々の前記配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１の方向に垂直な方向の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大き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、第１の流体の流れの向きとの関係で、第１の流体の流量が相対的に多くなる第１の領域は、中央部のうち、第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域となる。このような第１の領域に対する第１の流体の給排量が、横断面の径が大きく形成される複数の第１の突起部が形成された配流部内の領域において抑制されるため、第１の流体流路全体において、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。
本発明の第２の態様としての燃料電池用ガスセパレータは、表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられた中央部と、
前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍において、前記一方の配流部と連通する第１の給排口と、
他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍において、前記他方の配流部と連通する第２の給排口と、
を備え、
各々の前記配流部では、前記第１または第２の給排口から遠い領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１または第２の給排口に近い領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている。
以上のように構成された本発明の第２の態様としての燃料電池用ガスセパレータによれば、横断面の径が大きく形成された複数の第１の突起部を形成することで、配流部内の、第１の方向に垂直な方向の両端部の領域において、流路抵抗が増大する。そのため、流路抵抗が増大した配流部内の領域における第１の流体の流量、および、このような配流部内の領域を介した、中央部のうち第１の方向に垂直な方向の両端部の領域に対する第１の流体の給排量が抑制される。また、これによって、横断面の径が小さく形成された複数の第１の突起部を備える配流部内の領域における第１の流体の流量、および、このような配流部内の領域を介した、中央部のうち第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域に対する第１の流体の給排量が、相対的に増加する。その結果、配流部および中央部を含む第１の流体流路全体において、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。
本発明の第３の態様としての燃料電池用ガスセパレータは、表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられた中央部と、
前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍において、前記一方の配流部と連通する第１の給排口と、
他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍において、前記他方の配流部と連通する第２の給排口と、
を備え、
各々の前記配流部では、前記第１または第２の給排口に近い領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１または第２の給排口から遠い領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている。
以上のように構成された本発明の第３の態様としての燃料電池用ガスセパレータによれば、横断面の径が大きく形成された複数の第１の突起部を形成することで、配流部内の、第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域において、流路抵抗が増大する。そのため、流路抵抗が増大した配流部内の領域における第１の流体の流量、および、このような配流部内の領域を介した、中央部のうち第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域に対する第１の流体の給排量が抑制される。また、これによって、横断面の径が小さく形成された複数の第１の突起部を備える配流部内の領域における第１の流体の流量、および、このような配流部内の領域を介した、中央部のうち第１の方向に垂直な方向の両端部の領域に対する第１の流体の給排量が、相対的に増加する。その結果、配流部および中央部を含む第１の流体流路全体において、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。
本発明の第４の態様としての燃料電池用ガスセパレータは、表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられると共に、前記第１の面において、前記第１の流体の流れの向きとの関係で、前記第１の流体の流量分布に不均一を生じる中央部と、
前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
を備え、
前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍に向かって流れ、
少なくとも一方の前記配流部において、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が多くなる第１の領域と対向する領域の方が、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が少なくなる第２の領域と対向する領域よりも、複数の前記第１の突起部によって形成される前記第１の流体の流路の前記第１の方向の断面積が小さい。
以上のように構成された本発明の第４の態様としての燃料電池用ガスセパレータによれば、第１の流体の流れの向きとの関係で、第１の流体の流量が相対的に多くなる第１の領域は、中央部のうち、第１の方向に垂直な方向の両端部の領域となる。ここで、配流領域では、第１の領域と対向する領域における第１の方向の断面積がより小さいため、上記第１の領域へと給配される第１の流体流量が抑制される。また、これによって、第１の方向の断面積が大きい領域を介して第２の領域へと給排される第１の流体流量が、相対的に増加する。その結果、配流部および中央部を含む第１の流体流路全体において、第１の流体の流量分布を均一化することができる。
本発明の第４の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記一方の配流部に形成された複数の前記第１の突起部は、前記第１の方向に垂直な方向の前記他方の端部近傍の領域の方が、他の領域よりも、前記第１の方向の流路断面積が小さくなる形状に形成されており、前記他方の配流部に形成された複数の前記第１の突起部は、前記第１の方向に垂直な方向の前記一方の端部近傍の領域の方が、他の領域よりも、前記第１の方向の流路断面積が小さくなる形状に形成されていることとしても良い。
このような構成では、第１の流体の流れの向きとの関係で第１の流体の流量が相対的に多くなる第１の領域は、中央部のうち、第１の方向に垂直な方向の両端部の領域となる。そのため、上記構成とすることにより、第２の領域に対する第１の流体の給排を妨げることなく、第１の領域に対する第１の流体の給排を抑制し、第１の流体の流路全体において、第１の流体の流量の分布を効率良く均一化することができる。
本発明の第４の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、複数の前記第１の突起部は、横断面が略円形状に形成されると共に、一定の間隔で互いに離間して設けられ、前記配流部において、前記第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大き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、複数の第１の突起部の全体の配置を変更することなく、一部の第１の突起部の径を大きく形成するという簡素な構成により、容易に、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。
あるいは、本発明の第２の態様としての燃料電池用ガスセパレータにおいて、複数の前記第１の突起部および前記第２の突起部は、規則性を有する間隔で配置され、前記配流部において、前記第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、前記第２の突起部が形成される位置を避けつつ、前記規則性に従うと前記第１の突起部が形成されるべき複数の位置を繋いだ形状を有することとしても良い。このような構成とすれば、第１の領域と対向する領域以外の領域に形成される複数の第１の突起部の配置を変更することなく、また、複数の第２の突起部の全体の配置を変更することなく、第１の流体の流量の分布を均一化することができる。また、このとき、第２の流体の流れに対する影響を抑制することができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用ガスセパレータを備える燃料電池などの形態で実現することが可能である。
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。また、図２は、第１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、複数の単セル１０を積層したスタック構造を有しており、図１は、一組の単セルについての分解斜視図である。単セル１０は、発電部１２と、発電部１２を外周部において両側から挟持する一組の樹脂フレーム１３，１４と、樹脂フレーム１３，１４によって支持される発電部１２を両側から挟持する一組のセパレータ１５，１６と、を備えている。
発電部１２は、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極とを備えている。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜は、固体高分子材料、例えば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によって構成されている。電極であるアノードおよびカソードは、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。より具体的には、アノードおよびカソードは、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜上に塗布することにより形成されている。なお、本実施例の発電部１２は、電極上に配置され、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体によって構成されるガス拡散層を、さらに備えている。
樹脂フレーム１３，１４は、発電部１２とセパレータ１５，１６との間に配置されて、発電部１２とセパレータ１５，１６との間に形成されるガス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。
セパレータ１５，１６は、発電部１２との間に反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路を形成する部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。本実施例のセパレータ１５，１６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上記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。このように、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セパレータ１５，１６では、一方の面に形成される凹凸部と、他方の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。すなわち、セパレータ１５，１６が有する凹凸形状は、表裏で凹凸が反転する形状となっている。このような凹凸形状によって、セパレータ１５と発電部１２との間には、燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路が形成される。図２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１６と発電部１２との間には、酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路が形成される。図２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。なお、隣接する単セル１０間では、一方の単セルが備えるセパレータ１５の上記凹凸形状と、他方の単セルが備えるセパレータ１６の上記凹凸形状とによって、冷媒の流路であるセル間冷媒流路が形成される。図２では、セル間冷媒流路となる空間に、「冷媒」と記している。
図３は、セパレータ１５の構成を表わす平面図である。図３（Ａ）は、発電部１２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３（Ｂ）は、隣接する単セル１０が備えるセパレータ１６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３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１５は、その外周部に、６つの穴部を備えている。具体的には、図３（Ａ）に示す鉛直方向の辺２０に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２２，２３，２４が形成されており、辺２０に対向する辺２１に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２５，２６，２７が形成されている。これらの穴部２２〜２７は、後述するように、セパレータ１６および樹脂フレーム１３，１４においても同様に形成されている。そして、セパレータ１５，１６および樹脂フレーム１３，１４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２２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３〜６においてＨ2 in と表す）、穴部２７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３〜６においてＨ2 out と表す）。また、穴部２３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３〜６においてＯ2 in と表す）、穴部２６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３〜６においてＯ2 out と表す）。また、穴部２４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３〜６においてRef in と表す）、穴部２５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３〜６においてRef out と表す）。
また、セパレータ１５のガス流路面には、発電部１２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３０と呼ぶ。図３（Ａ）では、発電領域３０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、２つの分割線状凸部４０と、多数の分割領域内線状凸部４１と、多数の突起部４２と、を備えている。
分割線状凸部４０は、発電領域３０内を略水平方向に伸長している線状の凸部である。一方の分割線状凸部４０は、発電領域外周における辺２０の近傍の辺に達する一端と、辺２０に対向する辺２１の近傍の辺から離間した他端と、を有する。また、他方の分割線状凸部４０は、発電領域外周における辺２１の近傍の辺に達する一端と、辺２１に対向する辺２０の近傍の辺から離間した他端と、を有する。
分割領域内線状凸部４１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５つ）の分割領域内線状凸部４１がまとまって、分割線状凸部４０間、あるいは分割線状凸部４０と発電領域３０の外周との間に配置されている。この分割領域内線状凸部４１は、分割線状凸部４０よりも、幅が短く形成されている。分割線状凸部４０によって区画され、分割領域内線状凸部４１がまとまって配置される領域を、以下、分割領域３２と呼ぶ。本実施例では、２つの分割線状凸部４０によって、３つの分割領域３２が形成されている。分割領域３２を、図３（Ａ）において、一点破線で囲んで示す。なお、以下の説明では、鉛直方向上端に形成される分割領域を分割領域３２ａ、鉛直方向下端に形成される分割領域を分割領域３２ｃ、分割領域３２ａと３２ｃとの間に形成される分割領域を分割領域３２ｂと呼ぶ。
突起部４２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域に、一定の間隔で配置されている。突起部４２が設けられたこのような領域としては、流出入領域３３および接続領域３４がある。流出入領域３３は、穴部２２の近傍、および、穴部２７の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図３（Ａ）において、一点破線で囲んで示す。なお、本実施例では、突起部４２は、断面円形状の突起として形成されている。また、流出入領域３３および接続領域３４には、上記一定の間隔で配置された突起部４２間において、同じく一定の間隔で配置されて、断面円形状に形成された多数の凹部４３が設けられている。具体的には、突起部４２と凹部４３とは、分割線状凸部４０に平行な方向および垂直な方向に、一定の間隔で交互に形成されている。ここで、突起部４２は、いずれもほぼ同じ大きさに形成されているが、凹部４３は、形成される場所によって大きさが異なっている。凹部４３およびその裏返し形状である突起部の大きさについては、後に説明する。
本実施例では、発電領域外周における辺２０近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０と、辺２１近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０とが１つずつ設けられており、各々の分割線状凸部４０における上記他端の近傍には、上記接続領域３４が形成されている。これにより、本実施例では、３つの分割領域３２が、接続領域３４を介して、全体として直列に接続されている。
セパレータ１５の冷媒流路面には、発電領域３０の裏面領域（以下の説明では、裏面領域も発電領域３０と呼ぶ）において、対向するセパレータ１６の表面と共にセル間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４５と、多数の突起部４６と、配流凸部４７と、を備えている（図３（Ｂ）参照）。
冷媒流線状凸部４５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３０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４５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部４１間、あるいは、分割領域内線状凸部４１と分割線状凸部４０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。すなわち、冷媒流線状凸部４５は、セパレータ１５の中央部であって、分割領域３２ａ〜３２ｃを含む裏面領域（以下の説明では、裏面領域も分割領域３２ａ〜３２ｃと呼ぶ）にわたって形成されている。突起部４６は、冷媒流線状凸部４５の各々の端部に隣接する領域であって、ガス流路面における流出入領域３３と接続領域３４とを合わせた領域に対応する領域（以下の説明では、配流領域３５と呼ぶ）において、ガス流路面に形成された既述した凹部４３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４２の裏返し形状として、凹部４８が形成されている。
既述したように、突起部４６は、形成される場所によって、大きさ、すなわち、円形状である断面の径が異なっている。具体的には、冷媒供給マニホールドを形成する穴部２４および冷媒排出マニホールドを形成する穴部２５の近傍では、より小さく形成されており、穴部２４，２５から離れた穴部２２，２７の近傍では、より大きく形成されている。このように、突起部４６の大きさが異なることで、冷媒が流れる際の流路断面の大きさ、すなわち流路抵抗が、場所によって異なる。突起部４６の形状と、冷媒流れの関係については、後に説明する。
配流凸部４７は、各々の配流領域３５において、発電領域外周の辺から離間した分割線状凸部４０の既述した多端の近傍に形成されている。この配流凸部４７は、分割線状凸部４０の裏返し形状としての凹部を流れる冷媒流量を調節するための構造である。
図４は、セパレータ１６の構成を表わす平面図である。図４（Ａ）は、発電部１２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４（Ｂ）は、隣接する単セルが備えるセパレータ１５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１６は、セパレータ１５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１５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１６のガス流路面には、発電部１２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３０と呼び、図４（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、２つの分割線状凸部６０と、多数の分割領域内線状凸部６１と、多数の突起部６２と、を備えている。
分割領域内線状凸部６１は、セパレータ１５のガス流路面に形成された分割領域内線状凸部４１と同様に、略水平方向に形成され、その両端が発電領域３０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６１は、複数（本実施例では５つ）がまとまって分割線状凸部６０と発電領域外周との間に配置され、分割領域３２を形成する。分割線状凸部６０は、セパレータ１５のガス流路面に形成された分割線状凸部４０と同様に、発電領域３０の外周上に達する一端と、発電領域３０の外周から離間した他端と、を有している。この分割線状凸部６０は、上記分割領域３２の間に設けられ、分割領域内線状凸部６１と同様の長さであって発電領域３０内を略水平方向に伸長する水平部と、水平方向に対して傾斜して設けられて発電領域３０の外周に達する傾斜部とを備えている。本実施例では、２つの分割線状凸部６０によって、３つの分割領域３２（３２ａ〜３２ｃ）が形成されている。
また、突起部６２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域、すなわち、流出入領域３３および接続領域３４に、一定の間隔で配置されている。流出入領域３３は、穴部２５，２６の近傍、および、穴部２３，２４の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部６０の上記傾斜部によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の上記傾斜部とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図４（Ａ）において、一点破線で囲んで示す。なお、突起部６２は、突起部４２と同様に、断面円形状の突起として形成されている。また、流出入領域３３および接続領域３４には、上記一定の間隔で配置された突起部６２間において、同じく一定の間隔で配置されて、断面円形状に形成された多数の凹部６３が形成されている。凹部６３は、凹部４３と同様に、形成される場所によって大きさが異なっている。セパレータ１６では、このように、２つの分割線状凸部６０が形成されることで、２つの接続領域３４を介して３つの分割領域３２が直列に接続されている。
セパレータ１６の冷媒流路面には、発電領域３０において、対向するセパレータ１５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６５と、多数の突起部６６と、を備えている。
冷媒流線状凸部６５は、セパレータ１５に形成された冷媒流線状凸部４５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３０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６５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部６１間、あるいは、分割領域内線状凸部６１と分割線状凸部６０との間に形成される凹部の裏返し形状として、分割領域３２ａ〜３２ｃにわたって形成されている。突起部６６は、ガス流路面に形成された既述した凹部６３の裏返し形状として、配流領域３５に形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部６２の裏返し形状として、凹部６８が形成されている。ここで、突起部６６は、突起部４６と同様に、穴部２４および穴部２５の近傍では、より小さく形成されており、穴部２４，２５から離れた穴部２２，２７の近傍では、より大きく形成されている。
図５は、樹脂フレーム１３の概略構成を表わす平面図である。図５では、樹脂フレーム１３におけるセパレータ１５のガス流路面と接する側の面を表わしている。樹脂フレーム１３には、中央部に、穴部５０が形成されている。穴部５０は、略四角形状であって、発電部１２よりも若干小さく形成されている。また、樹脂フレーム１３では、穴部２２と穴部５０とを連通させる凹部５１と、穴部２７と穴部５０とを連通させる凹部５２とが形成されている。凹部５１は、セパレータ１５との間で、穴部２２により形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５２は、セパレータ１５との間で、穴部２７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６は、樹脂フレーム１４の概略構成を表わす平面図である。図６では、樹脂フレーム１４におけるセパレータ１６のガス流路面と接する側の面を表わしている。樹脂フレーム１４には、中央部に、樹脂フレーム１３の穴部５０と重なる同様の形状の穴部５３が形成されている。また、樹脂フレーム１４では、穴部２６と穴部５３とを連通させる凹部５４と、穴部２３と穴部５３とを連通させる凹部５５とが形成されている。凹部５４は、セパレータ１６との間で、穴部２６により形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５５は、セパレータ１６との間で、穴部２３に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１３および１４は、絶縁性の樹脂によって形成されており、樹脂フレーム１３、１４によって発電部１２を狭持することで、発電部１２の両面間で、絶縁性が確保されている。また、樹脂フレーム１３，１４は、所定の高さの凹凸を有するセパレータ１５，１６と発電部１２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１５，１６と発電部１２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１５と樹脂フレーム１３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１６と樹脂フレーム１４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、発電部１２を、樹脂フレーム１３、１４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。発電部１２と樹脂フレーム１３、１４とを貼り合わせる際には、樹脂フレーム１３の穴部５０および樹脂フレーム１４の穴部５３を、発電部１２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１７（図２参照）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。
また、このように各部材を積層して燃料電池を組み立てたときには、セパレータ１５の分割線状凸部４０と、セパレータ１６の分割線状凸部６０の水平部とは、発電部１２を間に介して互いに対向する。同様に、セパレータ１５の分割領域内線状凸部４１は、セパレータ１６の分割領域内線状凸部６１と対向し、セパレータ１５の突起部４２は、セパレータ１６の突起部６２と対向する。また、セパレータ１５の突起部４６の頭頂部は、隣接するセパレータ１６の突起部６６の頭頂部と当接する。このように、対応する凸部が積層方向で互いに支持し合うことにより、燃料電池における積層体全体の剛性が確保されている。なお、図２に示す断面は、各線状凸部の長手方向に垂直な方向の断面であり、図２に示す断面図の位置は、図３（Ａ）において、２−２断面として示している。図２では特に、樹脂フレーム１３，１４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。
燃料電池において、穴部２２が形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３（Ａ）に矢印で示すように、分割領域３２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２７が形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２３が形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４（Ａ）に矢印で示すように、分割領域３２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２６が形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２４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１５とセパレータ１６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いて、冷媒は、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に矢印で示すように、穴部２４から穴部２５に向かって流れる。このとき、冷媒供給マニホールドから流入した冷媒は、突起部４６あるいは突起部６６が形成される領域、すなわち、配流領域３５において拡散する。拡散した冷媒は、冷媒流線状凸部４５，６５に導かれて、冷媒流線状凸部４５，６５が形成する流路内を直進する。直進した冷媒は、穴部２５側に設けられた配流領域３５に集合する。集合した冷媒は、穴部２５が形成する冷媒排出マニホールドへと排出される。
なお、本実施例のセパレータ１５，１６では、マニホールドを形成する穴部２２〜２７の近傍に、各面に突出する複数の突起部４２，４６，６２，６６を形成した領域（流出入領域３３および接続領域３４、配流領域３５）を設けているため、表裏で互いに反転する形状でありながら、折れ曲がり部を有するガス流路と、一方向に直進する冷媒流路とを、表裏で両立させることができる。すなわち、互いに離間した複数の突起部を両面に設けることで、一方の面では、冷媒を一方向に導くと共に、他方の面では、ガス流れを反転させている。
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、各セパレータ１５，１６の冷媒流路面側に設けた突起部４６，６６の大きさを、場所によって異ならせることによって、セル間冷媒流路を流れる冷媒の、流量分布状態を均一化することができる。このように、冷媒流量の分布が均一化することにより、冷媒による燃料電池の冷媒効率が向上する。また、発電が進行する面内における局所的な高温化や低温化が抑制されることにより、電気化学反応の進行状態を面内で均一化して、発電状態を安定化することが可能になる。
ここで、実施例の燃料電池では、突起部４６，６６の配置を全体で均一に形成した場合には、分割領域３２ａおよび３２ｃにおける冷媒流量が、分割領域３２ｂにおける冷媒流量よりも多くなる。具体的には、本実施例では、発電領域３０の中央部を含む領域（分割領域３２ａ〜３２ｃ）において冷媒を直進するように流し、その両端に冷媒を分配のための配流領域３５を設け、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを、発電領域３０の対角線上、すなわち、対向する辺の鉛直方向下端隅と上端隅とに設けている。そのため、突起部４６，６６の大きさ、および、突起部４６，６６間の距離を全体で均一にすると、冷媒は、穴部２４から分割領域３２ｃへと直進、あるいは、配流領域３５を鉛直方向上方へと直進し易い。配流領域３５を鉛直方向上方へと直進した冷媒は、発電領域３０の外周部で樹脂フレーム１３，１４に当接し、その多くは分割領域３２ａへと流れ込む。そのため、分割領域３２ａおよび３２ｃにおける冷媒流量が多くなり、分割領域３２ｂにおける冷媒流量が相対的に少なくなる。すなわち、分割領域３２ａおよび３２ｃは、マニホールドとの位置関係によって、冷媒流量が相対的に多くなる領域（冷媒流量増大領域）であるといえる。
本実施例では、配流領域３５のうち、上記冷媒流量増大領域に対して冷媒を給排する領域、すなわち、上記冷媒流量増大領域と対向する領域（鉛直方向の相対的な位置が冷媒流量増大領域と同じである領域）において、突起部４６，６６の横断面の径を、より大きく形成している。このように突起部４６，６６を大きく形成した領域では、流路断面積が小さくなるため、冷媒が流れる際の流路抵抗が、より大きくなる。
具体的には、穴部２４側（上流側）の配流領域３５では、穴部２４から離れた鉛直方向上方の領域に、より大きな突起部４６，６６が形成されているため、鉛直方向上方領域では流路抵抗が大きくなる。そのため、上流側の配流領域３５を上方へと流れる冷媒流量が抑えられて、分割領域３２ａへの冷媒の流入が抑制される。また、穴部２５側（下流側）の配流領域３５では、穴部２５から離れた鉛直方向下方の領域に、より大きな突起部４６，６６が形成されているため、鉛直方向下方領域では流路抵抗が大きくなる。そのため、下流側配流領域３５において、鉛直方向下端近傍の領域から鉛直方向上方への冷媒流れが抑制される、すなわち、分割領域３２ｃから下流側配流領域３５へと排出された冷媒の流れが抑制されることによって、分割領域３２ｃへの冷媒の流入が抑制される。また、下流側配流領域３５の鉛直方向下端近傍領域において突起部４６，６６を大きく形成することにより、鉛直方向上方へのガス流れが抑制されるだけでなく、分割領域３２ｃから下流側配流領域３５へと冷媒が排出される際の流路抵抗が大きくなるため、分割領域３２ｃへの冷媒の流入がさらに抑制される。その結果、中央部の分割領域３２ｂに対する冷媒の流入量が増加して、全体として、分割領域３２ａ〜３２ｃの各々に流入する冷媒量が均一化されると共に、配流領域３５を流れる冷媒の流量分布を均一化することができる。そのため、分割領域３２ａ〜３２ｃおよび２つの配流領域３５から成る発電領域３０全体で、冷媒の流量を均一化することができる。
特に、本実施例では、突起部４２，４６，６２，６６は、一定の間隔で配置されている。具体的には、隣り合う突起部間で、円形状の断面の中心間の距離が、鉛直方向および水平方向で一定値となるように配置されている。このように、一定の間隔で配置された複数の突起部のうち、冷媒流路面側の一部の領域内の突起部だけを大きく形成しているため、全体的な突起部の配置のパターンを変更する必要が無い。そのため、ガス流路におけるガス流れに対する影響を抑制することができる。
なお、本実施例では、分割線状凸部４０の裏返し形状である凹部の近傍に設けた配流凸部４７によって、冷媒流れの面内分布のさらなる均一化が図られている。既述したように、分割線状凸部４０は、分割領域内線状凸部４１よりも幅が広く形成されているため、冷媒流路面では、分割領域内線状凸部４１が形成された分割領域３２ａ〜３２ｃよりも、分割線状凸部４０の裏返し形状である線状の凹部の方が冷媒流量が多くなり、結果的に冷媒流量の分布が面内で不均一になる。本実施例のように、分割線状凸部４０の端部の近傍に配流凸部４７を設けることにより、分割線状凸部４０の裏返し形状である線状の凹部への冷媒の流入あるいは冷媒の流出を抑制し、この線状の凹部における冷媒流量を抑制することによって、全体の流量分布を均一化できる。上記線状の凹部を流れる冷媒流量は、上記線状の凹部の端部と配流凸部４７との距離によって調節することができる。そのため、配流凸部４７を設けることにより、単に冷媒流れを均一化するのではなく、例えば面内で生じる熱の分布が不均一である場合には、上記距離によって流量を調節することで、冷媒流量の面内分布状態を、所望の分布状態に近づけることが可能になる。なお、実施例では、配流凸部４７をセパレータ１５だけに設けたが、セパレータ１５に加えて、あるいはセパレータ１５に代えて、セパレータ１６の冷媒流路面においても同様の配流凸部を設けることができる。
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、セパレータ面において、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドを、四角形状の発電領域における対角線上に配置したが、異なる構成としても良い。マニホールドの配置を異ならせた構成の一例を、第２実施例として以下に説明する。第２実施例の燃料電池は、セパレータ１５，１６に代えてセパレータ１１５，１１６を備えると共に、樹脂フレーム１４において穴部２４，２５に近接して凹部５４，５５が設けられている（図示せず）以外は、第１実施例と同様の構成を有しており、共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
図７は、第２実施例の燃料電池が備えるセパレータ１１５の構成を表わす平面図であり、図８は、第２実施例の燃料電池が備えるセパレータ１１６の構成を表す平面図である。図７（Ａ）、図８（Ａ）は、ガス流路面を表わし、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）は、冷媒流路面を表わす。第２実施例では、セパレータの辺２０の中央部に設けた穴部２３によって冷媒供給マニホールドを形成しており、辺２１の中央部に設けた穴部２６によって冷媒排出マニホールドを形成している。また、セパレータの辺２０の鉛直方向下端に設けた穴部２４によって酸化ガス供給マニホールドを形成しており、辺２１の鉛直方向上端に設けた穴部２５によって酸化ガス排出マニホールドを形成している。このような第２実施例のセパレータ１１５、１１６の冷媒流路面では、配流領域３５において、冷媒のマニホールドを形成する穴部２３，２５の近傍である鉛直方向中ほどの領域に、断面の径の大きな複数の突起部４６，６６が形成されている。
第２実施例のように、穴部２３，２６によって冷媒のマニホールドを形成し、配流領域３５に対して、鉛直方向中ほどの位置で冷媒の給排を行なうと、突起部４６，６６の大きさおよび配置を全体で均一にした場合には、分割領域３２ｂにおける冷媒流量が、分割領域３２ａ，３２ｃにおける冷媒流量よりも多くなる。すなわち、穴部２３から上流側配流領域３５へと流れる冷媒の多くは、そのまま直進して分割領域３２ｂへと流入し、下流側配流領域３５を介して穴部２６へと流れる。したがって、分割領域３２ｂは、マニホールドとの位置関係によって、冷媒流量が相対的に多くなる領域（冷媒流量増大領域）であるといえる。
本実施例では、配流領域３５のうち、上記冷媒流量増大領域に対して冷媒を給排する領域、すなわち、冷媒流量増大領域と対向する領域（鉛直方向の相対的な位置が冷媒流量増大領域と同じになる領域）において、突起部４６，６６の横断面の径を、より大きく形成している。このように突起部４６，６６を大きく形成した領域では、流路断面積が小さくなるため、冷媒が流れる際の流路抵抗が、より大きくなる。
具体的には、穴部２３側（上流側）の配流領域３５では、穴部２３と分割領域３２ｂとの間の領域に、より大きな突起部４６，６６が形成されて、流路抵抗が大きくなっている。そのため、穴部２３から分割領域３２ｂへの冷媒の流入が抑えられ、上流側分配領域３５において、鉛直方向上方および鉛直方向下方へと流れる冷媒の流量が増加する。また、穴部２６側（下流側）の配流領域３５では、穴部２６と分割領域３２ｂとの間の領域に、より大きな突起部４６，６６が形成されて、流路抵抗が大きくなっている。そのため、下流側配流領域３５における鉛直方向上端近傍領域から鉛直方向下方へと冷媒が流れる際の流路抵抗と、下流側配流領域３５における鉛直方向下端近傍領域から鉛直方向上方へと冷媒が流れる際の流路抵抗とが、相対的に小さくなり、このように下流の流路抵抗が小さくなることにより、分割領域３２ａ，３２ｃに対しては、冷媒が流入し易くなる。さらに、分割領域３２ｂから下流側配流領域３５へと冷媒が排出される際の流路抵抗が大きくなることによって、分割領域３２ｂへの冷媒の流入が抑制される。その結果、全体として、分割領域３２ａ〜３２ｃの各々に流入する冷媒量が均一化されると共に、分割領域３２ａ〜３２ｃおよび２つの配流領域３５から成る発電領域３０全体で、冷媒の流量を均一化することができる。
なお、第２実施例では、上流側配流領域３５における穴部２３の近傍領域と、下流側配流領域３５における穴部２６の近傍領域の両方において、径の大きな突起部４６，６６を設けたが、いずれか一方の穴部の近傍領域だけに、上記径の大きな突起部４６，６６を設けることとしても良い。このような構成としても、冷媒の流量分布を均一化する同様の効果が得られる。
Ｃ．第３実施例：
第１実施例では、配流領域３５において、突起部４６，６６の横断面の径を異ならせているが、異なる構成によって、鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を場所によって異ならせても良い。配流領域３５における鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を場所によって異ならせた他の例を、第３実施例として以下に説明する。第３実施例の燃料電池は、セパレータ１５，１６に代えてセパレータ２１５，２１６を備える以外は、第１実施例と同様の構成を有しており、共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
図９は、第３実施例の燃料電池が備えるセパレータ２１５の構成を表わす平面図であり、図１０は、第３実施例の燃料電池が備えるセパレータ２１６の構成を表す平面図である。図９（Ａ）、図１０（Ａ）は、ガス流路面を表わし、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）は、冷媒流路面を表わす。第３実施例では、各流体のマニホールドの配置と、ガス流路面側に設けられた凸部の形状およびガス流路面における燃料ガスおよび酸化ガスの引き回しの方向は、第１実施例と同じである。
第３実施例のセパレータ２１５，２１６において、配流領域３５（流出入領域３３および接続領域３４）に形成された突起部４２，４６，６２，６６は、第１実施例と同様に一定の間隔で設けられた断面円形状の突起部と共に、第１実施例における横断面の径が大きな突起部に代えて、上記断面円形の突起部の複数を繋いだ形状の突起部を備えている。ここで、第３実施例では、上記一定の間隔で突起部が設けられる際の配置が、第１実施例とは異なっている。図９および図１０に示すように、突起部４２，４６，６２，６６の各々は、水平方向および鉛直方向の間隔が等間隔となるように格子状に配列されている。また、一方の面側に形成される突起部と、他方の面側に形成される突起部とは、互いに、上記水平方向および鉛直方向に配置される列に干渉しない位置に設けられている。冷媒流路面側に突出する突起部４６，６６において、第１実施例の横断面の径が大きな突起部４６，６６に代えて設けられた突起部は、上記格子状に配列される規則性に従うと、断面円形の突起部４６，６６が形成されるべき位置であって、水平方向に隣接する突起部が形成されるべき位置を２つずつ繋いだ形状に形成されている（図９（Ｂ）および図１０（Ｂ）参照）。
第３実施例では、第１実施例と同様に、上流側配流領域３５の鉛直方向下端近傍に配置された穴部２４によって冷媒供給マニホールドを形成すると共に、下流側配流領域３５の鉛直方向上端近傍に配置された穴部２５によって冷媒排出マニホールドを形成している。そのため、第１実施例と同様に、分割領域３２ａおよび３２ｃは、マニホールドとの位置関係によって冷媒流量が相対的に多くなる領域（冷媒流量増大領域）となる。
本実施例では、配流領域３５のうち、上記冷媒流量増大領域に対して冷媒を給排する領域、すなわち、冷媒流量増大領域と対向する領域（鉛直方向の相対的な位置が冷媒流量増大領域と同じになる領域）において、突起部４６，６６を、水平方向に平行な長手方向を有する形状（扁平形状）に形成している。このように扁平形状の突起部４６，６６を設けた領域では、水平方向の流路断面積が小さくなるため、鉛直方向に冷媒が流れる際の流路抵抗が、より大きくなる。
具体的には、穴部２４側（上流側）の配流領域３５では、穴部２４から離れた鉛直方向上方の領域に、扁平形状の突起部４６，６６が形成されているため、鉛直方向上方領域では、冷媒が鉛直方向に流れる際の流路抵抗が大きくなる。そのため、上流側の配流領域３５を鉛直方向上方へと流れる冷媒流量が抑えられて、分割領域３２ａへの冷媒の流入が抑制される。また、穴部２５側（下流側）の配流領域３５では、穴部２５から離れた鉛直方向下方の領域に、扁平形状の突起部４６，６６が形成されているため、鉛直方向下方領域では、冷媒が鉛直方向に流れる際の流路抵抗が大きくなる。そのため、下流側配流領域３５において、鉛直方向下端近傍の領域から鉛直方向上方への冷媒流れが抑制される、すなわち、分割領域３２ｃから下流側配流領域３５へと排出された冷媒の流れが抑制されることによって、分割領域３２ｃへの冷媒の流入が抑制される。その結果、中央部の分割領域３２ｂに対する冷媒の流入量が増加して、全体として、分割領域３２ａ〜３２ｃの各々に流入する冷媒量が均一化されると共に、配流領域３５を流れる冷媒の流量分布を均一化することができる。そのため、分割領域３２ａ〜３２ｃおよび２つの配流領域３５から成る発電領域３０全体で、冷媒の流量を均一化することができる。
なお、本実施例では、上記扁平形状の突起部４６，６６は、ガス流路側の突起部４２，６２の位置を避けつつ、格子状に配列される規則性に従うと断面円形の突起部４６，６６が形成されるべき位置を繋いだ形状に形成されているため、ガス流路面側の突起部４２，６２の形状、配置や、ガス流れに対する影響を抑えることができる。
また、本実施例では、扁平形状の突起部４６，６６は、格子状に配列される規則性に従うと断面円形の突起部４６，６６が形成されるべき位置を２つ繋いだ形状としているが、３つ以上の突起部を繋いだ形状としても良い。あるいは、規則性に従うと断面円形の突起部４６，６６が形成されるべき位置を繋ぐ際に、水平方向とは異なる方向に隣接する位置を繋いで、扁平形状の突起部４６，６６を形成しても良い。例えば、一定の間隔で設けられた突起部４６，６６の配置が、第１実施例と同様の配置の場合、凹部４３，６３を避けつつ突起部が形成されるべき位置を繋ぐと、水平方向に対して約４５°の角度を成す突起部となる。一定の間隔で配置される突起部４６，６６が形成されるべき複数の位置を繋いだ形状の突起部は、配流領域３５における鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗が増加する形状であれば良く、凹部４３，６３を避けて形成するならば、ガス流路面への影響を抑制することができる。
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｄ１．変形例１：
第１ないし第３実施例では、配流領域３５内で場所によって流路抵抗を異ならせるために、２種類の形状の突起部４６，６６を用いたが、３種類以上の形状の異なる突起部を用いて配流領域３５を構成し、流路抵抗を調節しても良い。例えば、冷媒流量増大領域に向かって、徐々に突起部４６，６６を大型化しても良い。また、実施例のように配流領域３５内の領域ごとに段階的に突起部４６，６６の大きさを異ならせる場合にも、冷媒流量増大領域を、個々の分割領域３２ａ〜３２ｃよりも広く、あるいは狭く捕らえてもよい。すなわち、冷媒流路面では、冷媒は、全体として水平方向に平行に直進し、各分割領域３２間は仕切られていないため、各分割領域３２間で冷媒流量が段階的に変化するわけではない。そのため、配流領域３５において、鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を増大させる形状の突起部を設ける領域の境界は、分割領域３２間の境界に対応している必要はない。
Ｄ２．変形例２：
第１ないし第３実施例では、一定の間隔で設けられた突起部４６，６６の配置のパターンを維持した上で、流路抵抗を増大させる形状の突起部を部分的に形成したが、異なる構成としても良い。例えば、突起部４６，６６の密度を他の領域よりも高めることによって、冷媒流れに対する抵抗を部分的に増加させても良い。このような場合にも、規則的に配置される凹部４３，６３の位置を避けて突起部４６，６６を設けるならば、ガス流路面への影響を抑制しつつ、冷媒の流量分布を均一化できる。
Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、突起部４６，６６は、断面円形となる形状としたが、断面形状は、必ずしも厳密に円形でなくても良い。例えば、突起部の断面を、鉛直方向の長さおよび水平方向の長さがほぼ等しい多角形とするなど、異なる形状とすることができる。この場合には、突起部の断面の径として、突起部断面の鉛直方向あるいは水平方向の長さ（突起部の断面を四角形とする場合には、四角形状をした断面の一辺の長さ、あるいは対角線の長さ）を、第１および第２実施例のように、場所によって異ならせて、配流領域を鉛直方向に流れる冷媒に対する流路抵抗を異ならせれば良い。
Ｄ４．変形例４：
第１および第３実施例では、配流領域３５において、鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を高める突起部４２，４６を設けた領域を、穴部２２および穴部２７の近傍領域とした。ここで、配流領域３５において、冷媒流量増大領域（分割領域３２ａ，３２ｃ）と対向する領域としては、穴部２４および穴部２５の近傍領域（図３において、それぞれ、領域３６および領域３７と示す）も挙げられる。これら領域３６，３７に、第１実施例と同様の径の大きな突起部４６，６６を設けた場合にも、冷媒流量増大領域である分割領域３２ａ，３２ｃを流れる冷媒流量を抑制することができる。しかしながら、冷媒のマニホールドの近傍において流路抵抗を高めると、冷媒を流す際の圧力損失が増大すると共に、マニホールドとの位置関係によって冷媒流量が相対的に少なくなる領域（冷媒流量減少領域）である分割領域３２ｂに対する冷媒流れも抑制され、冷媒流量の分布状態の効果的な均一化が困難となり得る。そのため、発電領域３０の対角線上、すなわち、対向する辺の鉛直方向下端隅と上端隅とに冷媒マニホールドを設ける場合には、鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を増大させる複数の突起部を配置する領域は、冷媒流量減少領域への冷媒流れを妨げない位置が望ましい。したがって、第１および第３実施例のように、配流領域３５における冷媒マニホールドから離れた領域において、鉛直方向の冷媒流れに対する抵抗を増大させる複数の突起部を設けることが望ましい。
Ｄ５．変形例５：
第１ないし第３実施例では、ガス流路面に形成されるガス流路は、接続領域３４でガス流れ方向が反転する形状としたが、冷媒流路と同様に、一方向にガスが直進する形状としても良い。ガス流路を、ガスが一方向に直進する形状とする場合であっても、セパレータのそれぞれの面において、流路の直進領域に対して、セパレータ外周近傍の異なる位置に設けられるマニホールドとの間で流体を給排する必要がある。そのため、表裏で凹凸が反転する形状のセパレータでは、ガスが一方向に直進するガス流路とする場合であっても、マニホールドを形成する穴部の近傍において、複数の突起部が両面に形成された配流領域を形成することが重要であり、このような配流領域において、本発明を適用することができる。ガス流路を、ガスが一方向に直進する形状にする場合には、ガス流路面側において、配流領域に形成する突起部の形状を実施例と同様の形状にして、ガス流量の分布を面内で均一化しても良い。
第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。 第１実施例の燃料電池の構成を表す断面模式図である。 セパレータ１５の構成を表わす平面図である。 セパレータ１６の構成を表わす平面図である。 樹脂フレーム１３の概略構成を表わす平面図である。 樹脂フレーム１４の概略構成を表わす平面図である。 セパレータ１１５の構成を表わす平面図である。 セパレータ１１６の構成を表わす平面図である。 セパレータ２１５の構成を表わす平面図である。 セパレータ２１６の構成を表わす平面図である。
符号の説明
１０…単セル
１２…発電部
１３，１４…樹脂フレーム
１５，１６，１１５，１１６，２１５，２１６…セパレータ
１７…シール材
２０，２１…辺
２２〜２７…穴部
３２ａ〜３２ｃ…分割領域
３３…流出入領域
３４…接続領域
３５…配流領域
３６，３７…領域
４０，６０…分割線状凸部
４１，６１…分割領域内線状凸部
４２，４６，６２，６６…突起部
４３，６３，６８…凹部
４５，６５…冷媒流線状凸部
４７…配流凸部
４８…凹部
５０，５３…穴部
５１，５２，５４，５５…凹部

Claims (11)

  1. 表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
    第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられると共に、前記第１の面において前記第１の流体の流れの向きとの関係で前記第１の流体の流量分布に不均一を生じる中央部と、
    前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
    を備え、
    少なくとも一方の前記配流部において、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が多くなる第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が少なくなる第２の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  2. 請求項１記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    前記第１の面における前記第１の流体の流量分布の不均一は、前記配流部のそれぞれに対して前記第１の流体を供給または排出する給排口と、前記第１の流体の流路と、の位置関係によって定まる
    燃料電池用ガスセパレータ。
  3. 請求項１または２記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍に向かって流れ、
    前記一方の配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の前記他方の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されており、
    前記他方の配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の前記一方の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  4. 請求項１または２記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍に向かって流れ、
    各々の前記配流部では、前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１の方向に垂直な方向の端部近傍の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  5. 表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
    第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられた中央部と、
    前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
    一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍において、前記一方の配流部と連通する第１の給排口と、
    他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍において、前記他方の配流部と連通する第２の給排口と、
    を備え、
    各々の前記配流部では、前記第１または第２の給排口から遠い領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１または第２の給排口に近い領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  6. 表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
    第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられた中央部と、
    前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して一定の間隔で互いに離間して設けられ、横断面が略円形状に形成された複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
    一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍において、前記一方の配流部と連通する第１の給排口と、
    他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の中央部近傍において、前記他方の配流部と連通する第２の給排口と、
    を備え、
    各々の前記配流部では、前記第１または第２の給排口に近い領域に形成される複数の前記第１の突起部の方が、前記第１または第２の給排口から遠い領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  7. 表裏で凹凸が反転する形状に形成されて、第１の面で第１の流体の流路を形成すると共に、第２の面で第２の流体の流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
    第１の方向に延伸して各々の面で前記第１および第２の流体を前記第１の方向に導くように形成された線状凸部であって、少なくとも前記第１の面では前記第１の流体を一定の向きに導く線分状の複数の線状凸部が、設けられると共に、前記第１の面において、前記第１の流体の流れの向きとの関係で、前記第１の流体の流量分布に不均一を生じる中央部と、
    前記中央部に隣接して前記線状凸部の両方の端部側のそれぞれに設けられると共に、前記第１の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第１の突起部と、前記第２の面に突出して互いに離間して設けられた複数の第２の突起部と、が形成され、前記第１の面において、前記中央部が形成する前記第１の流体の流路に対して供給または排出される前記第１の流体が流れる配流部と、
    を備え、
    前記第１の流体は、前記第１の面において、一方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の一方の端部近傍から、他方の前記配流部における前記第１の方向に垂直な方向の他方の端部近傍に向かって流れ、
    少なくとも一方の前記配流部において、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が多くなる第１の領域と対向する領域の方が、前記中央部の中で相対的に前記第１の流体の流量が少なくなる第２の領域と対向する領域よりも、複数の前記第１の突起部によって形成される前記第１の流体の流路の前記第１の方向の断面積が小さい
    燃料電池用ガスセパレータ。
  8. 請求項７記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    前記一方の配流部に形成された複数の前記第１の突起部は、前記第１の方向に垂直な方向の前記他方の端部近傍の領域の方が、他の領域よりも、前記第１の方向の流路断面積が小さくなる形状に形成されており、
    前記他方の配流部に形成された複数の前記第１の突起部は、前記第１の方向に垂直な方向の前記一方の端部近傍の領域の方が、他の領域よりも、前記第１の方向の流路断面積が小さくなる形状に形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  9. 請求項７または８記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    複数の前記第１の突起部は、横断面が略円形状に形成されると共に、一定の間隔で互いに離間して設けられ、
    前記配流部において、前記第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、他の領域に形成される複数の前記第１の突起部よりも、前記横断面の径が大きく形成されている
    燃料電池用ガスセパレータ。
  10. 請求項７または８記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
    複数の前記第１の突起部および前記第２の突起部は、規則性を有する間隔で配置され、
    前記配流部において、前記第１の領域と対向する領域に形成される複数の前記第１の突起部は、前記第２の突起部が形成される位置を避けつつ、前記規則性に従うと前記第１の突起部が形成されるべき複数の位置を繋いだ形状を有する
    燃料電池用ガスセパレータ。
  11. 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発電部と、
    前記発電部を狭持するように配置され、前記発電部との間で反応ガスの流路を形成する請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータと
    を備える燃料電池。
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