JP5581206B2 - 燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 - Google Patents

燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池、特に燃料電池用セパレータの構造に関する。
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素が含有された酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成されている。
ところで、セパレータの主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を供給し、排出するためのマニホールドを形成するマニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔と反応ガス排出用マニホールド孔）が設けられており、ガス拡散電極と当接する主面には、反応ガスが通流する溝状の反応ガス流路がこれらのマニホールド孔と連通するように設けられている。
そして、この反応ガス流路を反応ガスが通流する間に、反応ガスがＭＥＡに供給され、ＭＥＡの内部において、電気化学反応により消費される。このため、反応ガス流路の下流部では、ガスが消費されることによって、水素、又は酸素濃度が低下してしまう。その結果、ガス濃度の低い反応ガス流路の下流部領域では、発電量が低下し、セル面内においてガス濃度に応じた発電分布が形成されてしまうという問題があった。
このような問題に対して、ガス流路の形状を工夫して、セル面内でのガス濃度の均一化を図ることによって、発電効率を高めた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。図９は、特許文献１に開示されている燃料電池におけるセパレータの主面の概略構成を示す模式図である。
図９に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池におけるセパレータ２００では、複数本（図９においては、３本）の流体通路２０１〜２０３（反応ガス流路）が、入口（反応ガス供給用マニホールド孔）２１１とその上流端が連通する略Ｌ字状の上流部と、出口（反応ガス排出用マニホールド孔）２１２とその下流端が連通する下流部と、上流部の下流端と下流部の上流端とを接続する中流部と、から構成されており、全体として渦巻状に形成されている。これにより、セパレータ２００の特定の部分に、流体通路の上流部又は下流部が集中することがないため、電極面内における反応ガス濃度が均一化されるとしている。
特開平１０−２８４０９４号公報
しかしながら、特許文献１に開示されているセパレータ２００であっても、複数本の流体通路を通流する反応ガスの利用効率を改善するという観点からは、未だ改善の余地があることを本発明者等は見出した。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、反応ガス流路を通流する反応ガスの利用効率を改善することができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
すなわち、上記特許文献１に開示されている燃料電池におけるセパレータ２００では、流体通路２０１〜２０３における上流部の上流端近傍部分を通流する反応ガスの一部が、該上流部と近接する下流部の上流端近傍部分に短絡し、これにより、流体通路２０１〜２０３を流れる反応ガスのうち、反応に寄与せず排出される反応ガスが生じ、反応ガスの利用効率が低下することを見出した。
具体的に説明すると、流体通路２０１〜２０３は、ガス拡散電極のガス拡散層と隣接するように（ガス拡散層によって、セパレータ２００の開放面（上面）を覆われるように）配設されているため、流体通路２０１〜２０３を通流する反応ガスの一部が、ガス拡散層を通流する（以下、ガス拡散層を通流するガスを伏流ガスという）。このため、３本ある流体通路２０１〜２０３のうち、最も下側にある流体通路２０１の上流部を通流する反応ガスと、流体通路２０１の下流部における、流体通路２０１の上流端部と最も近接する部分２０４を通流する反応ガスと、の圧力差により、流体通路２０１の上流部を通流する反応ガスの一部が、ガス拡散層を経由して、流体通路２０１の下流部に流れ込む（短絡する）。そして、流体通路２０１の下流部に流れ込んだ反応ガスは、そのまま下流部を通流して出口２１２から排出される。このため、流体通路２０１を通流する反応ガスの一部が、反応に寄与せずに排出され、反応ガスの利用効率が低下する。
また、３本ある流体通路２０１〜２０３のうち、最も下側にある流体通路２０１の上流部を通流する反応ガスが短絡するため、残りの２本の流体通路２０２、２０３の上流部を通流する反応ガスと、流体通路２０１の上流部を通流する反応ガスとの間で、圧力差が生じる。この圧力差により、残りの２本の流体通路２０２、２０３の上流部を通流する反応ガスの一部が、流体通路２０１の上流部に流れ込む。そして、流体通路２０１の上流部に流れ込んだ反応ガスの一部が、流体通路２０１の下流部に短絡する。このため、流体通路２０１〜２０３を通流する反応ガスの反応に寄与せずに排出される反応ガスの量がさらに大きくなり、反応ガスの利用効率がさらに低下する。
このような問題に対して、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
すなわち、本発明に係る燃料電池用セパレータは、周縁部に設けられ、厚み方向に貫通する反応ガス供給用マニホールド孔と、前記周縁部に設けられ、厚み方向に貫通する反応ガス排出用マニホールド孔と、少なくとも一方の主面に、折り返し部分を有し、前記周縁部から内方部分に向かい前記折り返し部分で前記周縁部に向かうように渦巻き状に形成され、その上流端が前記反応ガス供給用マニホールド孔に接続され、その下流端が前記反応ガス排出用マニホールド孔に接続された溝状の第１反応ガス流路と、少なくともその上流端が前記反応ガス供給用マニホールド孔に接続され、折り返し部分を有し、前記周縁部から内方部分に向かい前記折り返し部分で前記周縁部に向かうように渦巻き状に、かつ、前記第１反応ガス流路と並走するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、前記セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の前記折り返し部分より下流の部分で、最も前記上流端に近接する部分を上流側最近接部分（第１の部分）と定義し、前記第１反応ガス流路の前記折り返し部分より上流の部分で、最も前記下流端に近接する部分を下流側最近接部分（第２の部分）と定義した場合に、前記第２反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の上流端と前記上流側最近接部分との間に位置しないように、かつ、前記第１反応ガス流路の下流側最近接部分と前記下流端との間に位置するように並走しており、前記第１反応ガス流路の少なくとも前記上流端から連続する部分（以下、第１特定部分）の断面積及び／又は前記第１反応ガス流路の少なくとも前記上流側最近接部分から下流側の部分（以下、第２特定部分）の断面積が前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも１の反応ガス流路（以下、特定第２反応ガス流路）の断面積より小さく形成されている。
この構成によれば、第１反応ガス流路の第１特定部分を流通する反応ガスの流量が小さいため、第１反応ガス流路の上流部から下流部へ短絡する反応ガスの流量も少ない。または、第１反応ガス流路の上流部から下流部（特に、第１の部分）へ反応ガスが短絡しても、第１反応ガス流路の第２特定部分の断面積が小さいため、該第２特定部分の圧力損失が瞬時に増加する。このため、第１酸化剤ガス流路の上流部を通流する酸化剤ガスと、第２特定部分を通流する酸化剤ガスとの圧力差が小さくなり、上流部から下流部に短絡する酸化剤ガスを低減することができる。このため、第１反応ガス流路を通流する反応ガスのうち、反応に寄与せず排出される反応ガスを低減することができ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分及び／又は前記第２特定部分の流路の幅が、前記特定第２反応ガス流路の流路の幅より小さく形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分及び／又は前記第２特定部分の流路の深さが、前記特定第２反応ガス流路の流路の深さよりも浅く形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の断面積が、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の断面積より小さく形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の流路の幅が、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の幅よりも小さく形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の流路の深さが、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の深さよりも浅く形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の断面積が、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の断面積より小さく形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の流路の幅が、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の幅よりも小さく形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の流路の深さが、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の深さよりも浅く形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路は、前記第１特定部分の下流側で前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも最も前記第１反応ガス流路と近設されている反応ガス流路と連通するように形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記第１反応ガス流路は、前記第２特定部分の上流側で前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも最も前記第１反応ガス流路と近設されている反応ガス流路と連通するように形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池は、前記燃料電池用セパレータを含む一対の燃料電池用セパレータと、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、を備え、前記電解質層−電極接合体は、一対の前記燃料電池用セパレータに挟まれている。
この構成によれば、第１反応ガス流路の第１特定部分を流通する反応ガスの流量が小さいため、第１反応ガス流路の上流部から下流部へ短絡する反応ガスの流量も少ない。または、第１反応ガス流路の上流部から下流部（特に、第１の部分）へ反応ガスが短絡しても、第１反応ガス流路の第２特定部分の断面積が小さいため、該第２特定部分の圧力損失が瞬時に増加する。このため、第１酸化剤ガス流路の上流部を通流する酸化剤ガスと、第２特定部分を通流する酸化剤ガスとの圧力差が小さくなり、上流部から下流部に短絡する酸化剤ガスを低減することができる。このため、第１反応ガス流路を通流する反応ガスのうち、反応に寄与せず排出される反応ガスを低減することができ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池によれば、第１反応ガス流路の上流部から下流部に短絡する反応ガスを低減することにより、反応に寄与せず排出される反応ガスを低減することができ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示す燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の参考形態１に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図９は、特許文献１に開示されている燃料電池におけるセパレータの主面の概略構成を示す模式図である。 図１０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１２は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１４は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１５は、本発明の実施の形態１３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１６は、本発明の実施の形態１４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１７は、本発明の参考形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１８は、本発明の実施の形態１６に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図１９は、本発明の参考例の燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図２０は、試験例１の実施例１で用いた燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。 図２１は、試験例１の電池電圧測定結果を示すグラフである。 図２２は、試験例２のシミュレーション解析を行った結果を示す表である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図２乃至図８と図１０乃至図２０においては、セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。
（実施の形態１）
[燃料電池の構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、一部を省略している。
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、単電池（セル）であり、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）５と、ガスケット６と、アノードセパレータ１０と、カソードセパレータ１１と、を備えている。
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層；例えば、米国デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（商品名））１と、アノード４ａと、カソード４ｂと、を有している。
高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード４ａ及びカソード４ｂ（これらをガス拡散電極という）が、それぞれ配設されている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、後述する反応ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている（図示せず）。
アノード４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金等の貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。
なお、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。また、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
また、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対の環状で略矩形のフッ素ゴム製のガスケット６が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット６の周縁部には、後述する反応ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
また、ＭＥＡ５とガスケット６を挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ（燃料電池用セパレータ）１０とカソードセパレータ（燃料電池用セパレータ）１１が配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ１０、１１は、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
アノードセパレータ１０のアノード４ａと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）１４１と、第１燃料ガス流路に並走するように溝状の第２燃料ガス流路（第２反応ガス流路）１４２、１４３が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路９が設けられている。同様に、カソードセパレータ１１のカソード４ｂと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）１３１と、第１酸化剤ガス流路１３１と並走するように第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）１３２、１３３が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路９が設けられている。
これにより、アノード４ａ及びカソード４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路９に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層してセルスタックとして使用してもよい。また、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路９を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路９を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に第１燃料ガス流路１４１及び第２燃料ガス流路１４２、１４３を設け、他方の主面に第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を設けた、アノードセパレータ１０とカソードセパレータ１１を兼ねるセパレータを使用してもよい。
次に、カソードセパレータ１１について、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。なお、アノードセパレータ１０については、カソードセパレータ１１と基本的構成が同じであるため、その詳細な説明は省略する。
[燃料電池用セパレータの構成]
図２は、図１に示す燃料電池１００のカソードセパレータ（本発明の実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ）１１の概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、本実施の形態１に係るカソードセパレータ１１は、板状で、かつ、略矩形に構成されている。カソードセパレータ１１の主面の周縁部には、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が形成されており、これらの貫通孔は、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用マニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔）２１、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出用マニホールド孔（反応ガス排出用マニホールド孔）２２、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用マニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔）２３、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用マニホールド孔（反応ガス排出用マニホールド孔）２４、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給用マニホールド孔２５、及び冷却媒体を排出するための冷却媒体排出用マニホールド孔２６を構成する。
酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１は、カソードセパレータ１１の一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、燃料電池用セパレータの他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の下部に設けられている。また、燃料ガス供給用マニホールド孔２３は、第２の側部の上部に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔２４は、第１の側部の下部に設けられている。さらに、冷却媒体供給用マニホールド孔２５は、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１の上部の第２の側部側に設けられ、冷却媒体排出用マニホールド孔２６は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２の下部の第１の側部側に設けられている。
なお、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド２２、及び燃料ガス供給用マニホールド孔２３と燃料ガス排出用マニホールド２４は、それぞれ、カソードセパレータ１１の中央部を挟んで互いに対向するように設けられている。ここで、カソードセパレータ１１の中央部とは、カソードセパレータ１１の外周に対する中央部分をいう。
そして、カソードセパレータ１１の一方の主面には、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２を連通するように、溝状の第１酸化剤ガス流路１３１と、複数（ここでは、２）の溝状の第２酸化剤ガス流路１３２、１３３が、カソード４ｂの主面の全域に酸化剤ガスが供給されるように配設されている。第１酸化剤ガス流路１３１と、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、互いに並走するように形成されている。ここで、並走するとは、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、複数の酸化剤ガス流路のうち１の酸化剤ガス流路を特定し、該特定した酸化剤ガス流路に沿って、他の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。換言すると、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、複数の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。従って、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。
なお、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、流路を構成する溝の酸化剤ガスの流れに対して垂直方向の断面積（以下、単に流路の断面積という）が、同じになるように形成されており、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３のそれぞれが、特定第２反応ガス流路を構成する（以下、単に第２反応ガス流路１３２、１３３という）。また、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１と同様に構成されているため、以下の説明では、第１酸化剤ガス流路１３１について説明する。
第１酸化剤ガス流路１３１は、その上流端が酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と連通する略Ｕ字状の上流部１３１ａ（図２に示す一点鎖線内の流路）と、その下流端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２と連通する略Ｕ字状の下流部１３１ｃ（図２に示す二点鎖線内の流路）と、上流部１３１ａの下流端とその上流端が接続され、下流部１３１ｃの上流端とその下流端が接続される渦巻状の中流部１３１ｂと、から構成され、上流部１３１ａと下流部１３１ｃで中流部１３１ｂを囲むように形成されている。
ここで、上流部１３１ａは、第１酸化剤ガス流路１３１のうち、一端を第１酸化剤ガス流路１３１の上流端である酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１の接続端とし、他端を式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａの流路長を示し、Ｌ２は、第１酸化剤ガス流路１３１の全流路長を示す。また、上流部１３１ａの他端は、式：Ｌ１≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがより好ましい。
また、下流部１３１ｃは、第１酸化剤ガス流路１３１のうち、一端を第１酸化剤ガス流路１３１の下流端である酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２の接続端とし、他端を式：Ｌ３≦Ｌ２を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ３は、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃの流路長を示す。また、下流部１３１ｃの他端は、式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがより好ましい。
上流部１３１ａは、第１上流直線部３１ａ、第１上流ターン部３１ｂ、第２上流直線部３１ｃ、第２上流ターン部３１ｄ、第３上流直線部３１ｅ、及び第３上流ターン部３１ｆから構成されている。
第１上流直線部３１ａは、その上流端が酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１に連通するように形成されていて、カソードセパレータ１１の第１の側部から第２の側部に向かって延びるように（水平方向に延びるように）形成されている。第１上流ターン部３１ｂは、その上流端が第１上流直線部３１ａの下流端に接続されていて、流路を水平方向からカソードセパレータ１１の上下方向に折れ曲げるように形成されている。第２上流直線部３１ｃは、その上流端が第１上流ターン部３１ｂの下流端に接続され、カソードセパレータ１１の上部から下部に向かって延びるように（垂直方向に延びるように）形成されている。第２上流ターン部３１ｄは、その上流端が第２上流直線部３１ｃの下流端に接続され、流路を垂直方向から水平方向に折れ曲げるように形成されている。第３上流直線部３１ｅは、その上流端が第２上流ターン部３１ｄの下流端に接続されていて、第２の側部から第１の側部に向かって水平方向に延びるように形成されている。また、第３上流ターン部３１ｆは、その上流端が第３上流直線部３１ｅの下流端に接続されていて、流路を水平方向からカソードセパレータ１１の上下方向に折れ曲げるように形成されている。
中流部１３１ｂは、渦巻状に形成されており、具体的には、カソードセパレータ１１の周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、カソードセパレータ１１の中央部で折り返して、カソードセパレータ１１の周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。
より詳しく説明すると、中流部１３１ｂは、上流部１３１ａの第３上流ターン部３１ｆの下流端から、カソードセパレータ１１の下部から上部に向かって（以下、上方向という）垂直にある距離延び、そこから、第１の側部から第２の側部に向かって（以下、第２の側部方向）水平にある距離延び、そこから、カソードセパレータ１１の上部から下部に向かって（以下、下方向）垂直にある距離延び、そこから、第１の側部方向に水平にある距離延び、カソードセパレータ１１の中央部に到る。そして、カソードセパレータ１１の中央部で折り返して、そこから、第２の側部方向に水平にある距離延び、そこから、カソードセパレータ１１の上方向に垂直にある距離延び、そこから、第１の側部方向に水平にある距離延び、そこから、下方向に垂直にある距離延び、そこから、第２の側部方向にある距離水平に延び、そこから、上方向に垂直ある距離延びて、下流部１３１ｃの上流端に到る。
下流部１３１ｃは、第１下流ターン部３１ｇ、第１下流直線部３１ｈ、第２下流ターン部３１ｉ、第２下流直線部３１ｊ、第３下流ターン部３１ｋ、及び第３下流直線部３１ｍから構成されている。
第１下流ターン部３１ｇは、その上流端が中流部１３１ｂの下流端に接続され、流路を垂直方向から水平方向に折り曲げるように形成されている。第１下流直線部３１ｈは、その上流端が第１下流ターン部３１ｇの下流端に接続されていて、第１の側部方向に水平方向に延びように形成されている。第２下流ターン部３１ｉは、その上流端が第１下流直線部３１ｈの下流端に接続されていて、流路を水平方向から垂直方向に折り曲げるように形成されている。第２下流直線部３１ｊは、その上流端が第２下流ターン部３１ｉに接続されていて、下方向に垂直に延びるように形成されている。第２下流ターン部３１ｋは、その上流端が第２下流直線部３１ｊに接続されていて、流路を垂直方向から水平方向に折り曲げるように形成されている。第３下流直線部３１ｍは、その上流端が第２下流ターン部３１ｋの下流端に接続されていて、第２の側部方向に水平に延びるように形成され、その下流端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２と連通するように形成されている。
このように、第１酸化剤ガス流路１３１は、垂直方向、又は水平方向に延びる直線部と、流路を垂直方向から水平方向、又は水平方向から垂直方向に折り曲げるターン部と、から全体として屈曲するように形成されており、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１に並ぶようにして設けられている。また、第１酸化剤ガス流路１３１における後述する第１の部分４１と第１酸化剤ガス流路１３１の上流端の間には、カソードセパレータ１１の主面と平行な方向において、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３が介在しておらず（設けられておらず）、また、第１酸化剤ガス流路１３１における後述する第２の部分５１と第１酸化剤ガス流路１３１の下流端との間には、カソードセパレータ１１の主面と平行な方向において、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３が介在されている（設けられている）。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、第１の部分４１を有しており、上流部１３１ａは、第２の部分５１を有している。第１の部分４１は、第１酸化剤ガス流路１３１における第２の部分５１と下流端との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の上流端に近接する部分である。換言すると、第１の部分４１は、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃのうち、上流部１３１ａとの間の圧力勾配が最も大きい部分（第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａから短絡する反応ガスの量が最も多い部分）である。具体的には、本実施の形態においては、下流部１３１ｃの第２下流ターン部３１ｉのうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と近接する部分が、第１の部分４１を構成する。
そして、第１酸化剤ガス流路１３１は、その上流端から連続する部分である第１特定部分（ここでは、第１上流直線部３１ａ）の流路の断面積が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積よりも小さくなるように形成されている。具体的には、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａの流路の幅が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。なお、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端から連続する部分とは、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端から流路が連続して形成されている（流路を反応ガスが通流することができる）ことをいう。
これにより、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１から第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流端に供給される酸化剤ガスの流量に比べて少ない流量の酸化剤ガスが、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端に供給される。これは、複数本の反応ガス流路が並走する場合において、反応ガス流路の流路の長さが同じであれば、ガス圧力を一定に保つために、流路の断面積に応じた割合で反応ガスが分配されるため、流路の断面積を小さくすれば、それに応じて、そのガス流路に分配されるガス流量を低下させることができるためである。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分（第１上流直線部３１ａ）を通流する酸化剤ガスの流量が少ないので、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃにおける第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚ（第１下流ターン部３１ｇの水平方向に延びる部分と、第１下流直線部３１ｈと、第２下流ターン部３１ｉの水平方向に延びる部分）に流れ込む（短絡する）酸化剤ガスを低減することができ、燃料ガスとの反応に寄与せずに、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２から排出される酸化剤ガスを低減することができる。
さらに、第１酸化剤ガス流路１３１は、第１特定部分である第１上流直線部３１ａの断面積（ここでは、流路の幅）が、該第１上流直線部３１ａ以外の部分の断面積（ここでは、流路の幅）よりも小さくなるように形成されていて、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部以外の部分の断面積は、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積と実質的に同じになるように形成されている。これにより、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａ以外の部分を通流する酸化剤ガスの流量を、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの流量と実質的に同じにすることができ、カソード４ｂに充分な量の酸化剤ガスを供給することができる。
一方、第２の部分５１は、第１酸化剤ガス流路１３１における上流端と第１の部分４１との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分である。換言すると、第２の部分５１は、第１酸化剤ガス流路１３１における上流端と第１の部分４１との間の部分のうち、第１酸化剤ガス流路１３１における上流端から下流端に向かう方向において該上流端から最も遠い部分であり、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａの中で下流部１３１ｃとの圧力勾配が最も大きい部分である。具体的には、本実施の形態においては、上流部１３１ａの第２上流ターン部３１ｄが、第２の部分５１を構成する。
[燃料電池の作用効果]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００の作用効果について、図１及び図２を参照しながら説明する。
上述したように、第１酸化剤ガス流路１３１における上流部１３１ａの第１上流直線部３１ａを通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚを通流する酸化剤ガスとの圧力差により、上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスの一部が、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１）に流れ込む。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスが短絡するため、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスとの間で、圧力差が生じる。この圧力差により、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａに流れ込む。そして、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３から第１酸化剤ガス流路１３１に流れ込んだ酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１）に流れ込み、全体として、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に流れ込む。
このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に短絡することによって、反応に使われないまま酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２に排出され、反応ガスの利用効率が低下する。
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａの流路の断面積が、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａ以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３よりも小さく形成されている。これにより、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａを流通する酸化剤ガス流量が少ないため、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に流れ込む（短絡する）酸化剤ガスを低減することができる。
さらに、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａから流路３１ｚへ短絡する酸化剤ガスを低減することができるため、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスとの間で、生じる圧力差を低減することができ、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部から第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを介して、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚへ短絡する酸化剤ガスを低減することができる。
このため、第１及び第２酸化剤ガス流路１３１〜１３３を通流する酸化剤ガスのうち、燃料ガスとの反応に使用されずに、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２から排出される酸化剤ガスを低減することができ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａ以外の部分の断面積が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積と実質的に同じになるように形成されている。このため、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａ以外の部分を通流する酸化剤ガスの流量は、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの流量と実質的に同じとなり、カソード４ｂに充分な酸化剤ガスを供給することができ、燃料電池１００は、充分に発電を行うことができる。
このように、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、反応ガスの短絡を低減し、反応に寄与せず排出されていた反応ガスを減少させ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の構成が異なる。具体的には、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分は、その上流端が、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端であり、その下流端が、第２の部分５１である。そして、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分は、第１上流直線部３１ａ、第１上流ターン部３１ｂ、及び第２上流直線部３１ｃから構成されている。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図４に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態２に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の下流（ここでは、第３上流直線部３１ｅ）に、所定の間隔で、第１酸化剤ガス流路１３１と、第２酸化剤ガス流路１３２と、第２酸化剤ガス流路１３３と、を互いに連通するように、複数（ここでは、３）の連通用流路６１が配設されている点が異なる。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池では、実施の形態２に係る燃料電池の作用効果と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態３に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池では、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３における第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分と並走する部分を通流した酸化剤ガスが、連通用流路６１を通流する。これにより、酸化剤ガスが、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３にほぼ均一に分流される。このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流端で供給された酸化剤ガスの供給量のバラツキを連通用流路６１によって、低減することができる。そして、第１及び第２酸化剤ガス流路１３１〜１３３を通流する酸化剤ガスのバラツキを低減することにより、酸化剤ガスの利用効率をより改善することができる。
なお、本実施の形態３においては、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通するために、連通用流路６１を設ける構成としたが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通する窪み部を設け、該窪み部の底面から立設された複数の突起を形成するような構成としてもよい。このような構成とすると、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３における第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分と並走する部分を流通した酸化剤ガスが、窪み部で合流される。そして、窪み部で合流した酸化剤ガスは、窪み部に縞状に配置された複数の突起により、その流れが乱され、合流した酸化剤ガスの混合が促進され、混合された酸化剤ガスは、窪み部下流端から第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３にほぼ均一に分流される。このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流端で供給された酸化剤ガスの供給量のバラツキを窪み部で低減することができる。
また、本実施の形態３においては、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通するように、連通用流路６１を設ける構成としたが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２のみを連通するように、連通用流路６１や窪み部を設ける構成としてもよい。
さらに、第２酸化剤ガス流路が３本以上設けられている場合、第１酸化剤ガス流路１３１と、複数の第２酸化剤ガス流路のうち少なくとも第１酸化剤ガス流路１３１と最も近くに設けられている第２酸化剤ガス流路と、を連通するように、連通用流路６１が設けられていれば、連通用流路６１の態様は任意である。例えば、連通用流路６１は、第１酸化剤ガス流路１３１と、複数の第２酸化剤ガス流路のうち最も第１酸化剤ガス流路１３１と離れた位置に設けられた第２酸化剤ガス流路以外の第２酸化剤ガス流路と、を連通するように設けられていてもよい。
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図５においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図５に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２が設けられている位置と第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の下流部の構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、第２の側部の上部に設けられている。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、第１下流ターン部３１ｇ、第１下流直線部３１ｈ、第２下流ターン部３１ｉ、第２下流直線部３１ｊ、第３下流ターン部３１ｋ、第３下流直線部３１ｍ、第４下流ターン部３１ｎ、及び第４下流直線部３１ｐから構成されていて、その上流端から第３下流直線部３１ｍまでは、実施の形態１に係るカソードセパレータ１１の第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃと同じように形成されている。そして、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、第３下流直線部３１ｍの下流端に、流路を水平方向から垂直方向に折り曲げる第４下流ターン部３１ｎの上流端が接続され、その下流端には、上方向に垂直に延びる第４下流直線部３１ｐの上流端が接続され、その下流端が、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２に連通するように形成されている。
なお、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃが上記のように構成されているので、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と第１の部分４１との間の部分のうちで、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分である第２の部分５１は、上流部１３１ａにおける第１上流ターン部３１ｂとなる。
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図６においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図６に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２の配置される位置と、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の下流部の構成と、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の構成と、が異なる。
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、第１の側部の下部に設けられている。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、略Ｌ字状に形成されていて、第１下流ターン部３１ｇ、第１下流直線部３１ｈ、第２下流ターン部３１ｉ及び第２下流直線部３１ｊで構成されている。
さらに、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分は、上流部１３１ａ全体、すなわち、第１上流直線部３１ａ、第１上流ターン部３１ｂ、第２上流直線部３１ｃ、第２上流ターン部３１ｄ、第３上流直線部３１ｅ、及び第３上流ターン部３１ｆで構成されている。
なお、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃが上記のように構成されているので、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と第１の部分４１との間の部分のうちで、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分である第２の部分５１は、上流部１３１ａにおける第３上流ターン部３１ｆとなる。
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（参考形態１）
図７は、本発明の参考形態１に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図７に示すように、本発明の参考形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の中流部がサーペンタイン状に形成されている点が異なる。以下に、第１酸化剤ガス流路１３１の中流部１３１ｂの構成について説明する。
第１酸化剤ガス流路１３１の中流部１３１ｂは、その上流部１３１ａの下流端から、流路を上方向に延びつつ、１８０度ターンさせ、そこから、第２の側部方向に水平方向にある距離延び、そこから、上方向にある距離延び、そこから、第１の側部方向に水平にある距離延びる。そして、この延在パターンを１回繰り返し、そこから、流路を上方向に延びつつ、１８０度ターンさせ、そこから、第２の側部方向に水平方向にある距離延び、そこから、上方向にある距離延びて、下流部１３１ｃの上流端に到る。
このように構成された本参考形態１に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図８においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図８に示すように、本実施の形態７に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、円板状に形成されており、また、その主面には、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路が２本並走して形成されている。酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、カソードセパレータ１１の中心部（中心軸１０１）を挟んで対向するように設けられている。なお、ここでは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２をカソードセパレータ１１の中心軸を挟んで対向するように設けたが、これに限定されず、これらのマニホールド孔は、カソードセパレータ１１の周縁部に配置されていれば、どの位置に設けられてもよい。
第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、全体として、渦巻状に形成されており、具体的には、その上流端からカソードセパレータ１１の中心部に向かって収束するように、時計回りに弧を描くように流路が形成され、カソードセパレータ１１の中央部で折り返して、カソードセパレータ１１の周縁部に向かって発散するように、反時計回りに弧を描くように流路が形成されている。
また、第１酸化剤ガス流路１３１は、第１の部分４１と第２の部分５１を有している。上述したように、第１の部分は、第１酸化剤ガス流路１３１における第２の部分５１と下流端との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の上流端に近接する部分であり、ここでは、第１酸化剤ガス流路１３１における、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と中心軸１０１を結ぶ線と交わる部分のうち、最もセパレータ１１の外周に近い部分が、第１の部分４１を構成する。また、第２の部分５１は、第１酸化剤ガス流路１３１における上流端と第１の部分４１との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分であり、ここでは、第１酸化剤ガス流路１３１における、第１酸化剤ガス流路１３１の下流端と中心軸１０１を結ぶ線と交わる部分のうち、最もセパレータ１１の外周に近い部分が、第２の部分５１を構成する。
そして、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分は、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端から第２の部分５１までで構成されている。
このように構成された本実施の形態７に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態８）
［燃料電池用セパレータの構成］
図１０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１０に示すように、本実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１は、第１の部分４１から下流側の部分である第２特定部分（ここでは、第１の部分４１から下流端までの部分）の流路の断面積が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積よりも小さくなるように形成されている点が異なる。
具体的には、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１から下流端までの流路の幅が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。なお、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分を、第１の部分４１から下流端までの部分としたが、これに限定されず、第１の部分４１のみでもよい。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の中流部１３１ｂは、第３の部分５２を有している。第３の部分５２は、第１酸化剤ガス流路１３１において、カソードセパレータ１１の主面における第２の部分５１より内方に位置する部分のうち、第２の部分５１に最も近接する部分をいう。ここでは、第３の部分５２は、中流部１３１ｂの下流端から下向きに垂直に延びて到達した点である。
これにより、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａから該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚ（第１下流ターン部３１ｇの水平方向に延びる部分と、第１下流直線部３１ｈと、第２下流ターン部３１ｉの水平方向に延びる部分）に、酸化剤ガスが短絡しても、第２特定部分の流路の断面積が小さいために、該第２特定部分の圧力損失が瞬時に増加する。このため、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスと、第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚを通流する酸化剤ガスとの圧力差が小さくなり、第１上流直線部３１ａから短絡する酸化剤ガスを低減することができ、燃料ガスとの反応に寄与せずに、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２から排出される酸化剤ガスを低減することができる。
また、第１酸化剤ガス流路１３１は、第２特定部分である第１の部分４１から下流端までの部分の流路の断面積（ここでは、第２特定部分の流路の幅）が、該第２特定部分以外の部分の断面積（ここでは、第２特定部分以外の流路の幅）よりも小さくなるように形成されていて、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分の断面積は、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積と実質的に同じになるように形成されている。これにより、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分を通流する酸化剤ガスの流量を、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの流量と実質的に同じにすることができ、カソード４ｂに充分な量の酸化剤ガスを供給することができる。
［燃料電池の作用効果］
次に、本実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ１１を有する燃料電池１００（本発明の実施の形態８に係る燃料電池）の作用効果について、図１０を参照しながら説明する。
上述したように、第１酸化剤ガス流路１３１における上流部１３１ａの第１上流直線部３１ａを通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚを通流する酸化剤ガスとの圧力差により、上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスの一部が、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の流路３１ｚ（特に、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１）に流れ込む。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスが短絡するため、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスとの間で、圧力差が生じる。この圧力差により、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａに流れ込む。そして、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３から第１酸化剤ガス流路１３１に流れ込んだ酸化剤ガスの一部が、第１の部分４１に流れ込み、全体として、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に流れ込む。
このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に短絡することによって、反応に使われないまま酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２に排出され、反応ガスの利用効率が低下する。
しかしながら、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１から下流端までの流路（第２特定部分）の幅が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。これにより、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａを流通する酸化剤ガスが、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の第１の部分４１に短絡しても、第２特定部分の流路の断面積が小さいために、該第２特定部分の圧力損失が瞬時に増加する。また、第２特定部分の圧力損失が増加するために、第２特定部分の上流側の流路（ここでは、流路３１ｚの第１の部分４１よりも上流側の流路）の圧力損失も増加する。
このため、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスと、流路３１ｚを通流する酸化剤ガスとの圧力差が小さくなり、第１上流直線部３１ａから流路３１ｚに短絡する酸化剤ガスを低減することができる。
また、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａから流路３１ｚへ短絡する酸化剤ガスを低減することができるため、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部を通流する酸化剤ガスと、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスとの間で、生じる圧力差を低減することができ、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流部から第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａを介して、流路３１ｚへ短絡する酸化剤ガスを低減することができる。
したがって、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、第１及び第２酸化剤ガス流路１３１〜１３３の上流部から第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃに短絡し、燃料ガスとの反応に寄与せずに、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２から排出される酸化剤ガスを低減することができる。
また、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分の断面積が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積と実質的に同じになるように形成されている。このため、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分を通流する酸化剤ガスの流量は、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスの流量と実質的に同じとなり、カソード４ｂに充分な酸化剤ガスを供給することができ、燃料電池１００は、充分に発電を行うことができる。
このように、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、反応ガスの短絡を低減し、反応に寄与せず排出されていた反応ガスを減少させ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
（実施の形態９）
図１１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１１に示すように、本発明の実施の形態９に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の上流端が、第３の部分５２である点が異なる。
このように構成された本実施の形態９に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池であっても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１０）
図１２は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１２に示すように、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分が、その上流端が、第１下流ターン部３１ｇの水平方向に延びる流路の上流側端５３（以下、第４の部分５３という）であり、その下流端が、第３下流ターン部３１ｋの上下方向に延びる流路の下流端で構成されている点が異なる。
このように構成された本実施の形態１０に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池であっても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１１）
図１３は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１３に示すように、本実施の形態１１に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態１０に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の上流に、所定の間隔で、第１酸化剤ガス流路１３１と、第２酸化剤ガス流路１３２と、第２酸化剤ガス流路１３３と、を互いに連通するように、複数（ここでは、３）の連通用流路６１が配設されている点が異なる。
このように構成された本実施の形態１１に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池では、実施の形態１０に係る燃料電池の作用効果と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態１１に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池では、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を通流する酸化剤ガスが、連通用流路６１を通流する。これにより、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流端で供給される酸化剤ガスが、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３にほぼ均一に分流される。このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３への酸化剤ガスの供給量のバラツキを低減することができ、酸化剤ガスの利用効率をより改善することができる。
なお、本実施の形態１１においては、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通するために、連通用流路６１を設ける構成としたが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通する窪み部を設け、該窪み部の底面から立設された複数の突起を形成するような構成としてもよい。このような構成とすると、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を流通する酸化剤ガスが、窪み部で合流される。このため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の上流端で供給された酸化剤ガスの供給量のバラツキを低減することができ、酸化剤ガスの利用効率をより改善することができる。
また、窪み部で合流した酸化剤ガスは、窪み部に縞状に配置された複数の突起により、その流れが乱され、合流した酸化剤ガスの混合が促進され、混合された酸化剤ガスは、窪み部の下流端から第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３のそれぞれに分流される。
また、本実施の形態１１においては、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を互いに連通するように、連通用流路６１を設ける構成としたが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路１３２のみを連通するように、連通用流路６１や窪み部を設ける構成としてもよい。
さらに、第２酸化剤ガス流路が３本以上設けられている場合、第１酸化剤ガス流路１３１と、複数の第２酸化剤ガス流路のうち少なくとも第１酸化剤ガス流路１３１と最も近くに設けられている第２酸化剤ガス流路と、を連通するように、連通用流路６１が設けられていれば、連通用流路６１の態様は任意である。例えば、連通用流路６１は、第１酸化剤ガス流路１３１と、複数の第２酸化剤ガス流路のうち最も第１酸化剤ガス流路１３１と離れた位置に設けられた第２酸化剤ガス流路以外の第２酸化剤ガス流路と、を連通するように設けられていてもよい。
（実施の形態１２）
図１４は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１４においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図１４に示すように、本実施の形態１２に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２が設けられている位置と第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の下流部の構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、第２の側部の上部に設けられている。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、第１下流ターン部３１ｇ、第１下流直線部３１ｈ、第２下流ターン部３１ｉ、第２下流直線部３１ｊ、第３下流ターン部３１ｋ、第３下流直線部３１ｍ、第４下流ターン部３１ｎ、及び第４下流直線部３１ｐから構成されていて、その上流端から第３下流直線部３１ｍまでは、実施の形態１に係るカソードセパレータ１１の第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃと同じように形成されている。そして、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、第３下流直線部３１ｍの下流端に、流路を水平方向から垂直方向に折り曲げる第４下流ターン部３１ｎの上流端が接続され、その下流端には、上方向に垂直に延びる第４下流直線部３１ｐの上流端が接続され、その下流端が、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２に連通するように形成されている。
なお、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃが上記のように構成されているので、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と第１の部分４１との間の部分のうちで、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分である第２の部分５１は、上流部１３１ａにおける第１上流ターン部３１ｂとなる。さらに、カソードセパレータ１１の主面における第２の部分５１より内方に位置する部分のうち、第２の部分５１に最も近接する部分である第３の部分５２は、第１下流ターン部３１ｇの水平方向に延びる流路の上流端となる。
このように構成された本実施の形態１２に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１３）
図１５は、本発明の実施の形態１３に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１５においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図１５に示すように、本実施の形態１３に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２の配置される位置と第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の下流部の構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、第１の側部の下部に設けられている。また、第１酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃは、略Ｌ字状に形成されていて、第１下流ターン部３１ｇ、第１下流直線部３１ｈ、第２下流ターン部３１ｉ、及び第２下流直線部３１ｊで構成されている。
なお、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。また、第１酸化剤ガス流路１３１の上流部１３１ａが上記のように構成されているので、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と第１の部分４１との間の部分のうちで、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分である第２の部分５１は、上流部１３１ａにおける第３上流ターン部３１ｆとなる。さらに、第３の部分５２は、中流部１３１ｂの下流端から下方向に延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向に延びて到達した点である。
このように構成された本実施の形態１３に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１４）
図１６は、本発明の実施の形態１４に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１６に示すように、本実施の形態１４に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１の流路全体が、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積が小さくなるように形成されている点が異なる。具体的には、本実施の形態１４に係る燃料電池用セパレータ１１の第１酸化剤ガス流路１３１は、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分（第１の部分４１から第１酸化剤ガス流路１３１の下流端までの部分）以外の部分も、第２特定部分と実質的に同じ断面積になるように構成されている。
このように構成された本実施の形態１４に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池では、第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａを流通する酸化剤ガス流量が少ないため、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第１酸化剤ガス流路１３１の該第１上流直線部３１ａと最も近接する流路３１ｚ（特に、第１の部分４１）に流れ込む（短絡する）酸化剤ガスを低減することができる。
（参考形態２）
図１７は、本発明の参考形態２に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１７に示すように、本参考形態２に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、実施の形態８に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の中流部がサーペンタイン状に形成されている点が異なる。以下に、第１酸化剤ガス流路１３１の中流部１３１ｂの構成について説明する。
第１酸化剤ガス流路１３１の中流部１３１ｂは、その上流部１３１ａの下流端から、流路を上方向に延びつつ、１８０度ターンさせ、そこから、第２の側部方向に水平方向にある距離延び、そこから、上方向にある距離延び、そこから、第１の側部方向に水平にある距離延びる。そして、この延在パターンを１回繰り返し、そこから、上方向に流路を上方向に延びつつ、１８０度ターンさせ、そこから、第２の側部方向に水平方向にある距離延び、そこから、上方向にある距離延びて、下流部１３１ｃの上流端に到る。
このように構成された本参考形態２に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１６）
図１８は、本発明の実施の形態１６に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１８においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図１８に示すように、本実施の形態１６に係る燃料電池用セパレータ（カソードセパレータ）１１は、円板状に形成されており、また、その主面には、第１酸化剤ガス流路１３１と第２酸化剤ガス流路が２本並走して形成されている。酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２は、カソードセパレータ１１の中心部（中心軸１０１）を挟んで対向するように設けられている。なお、ここでは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２１と酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２をカソードセパレータ１１の中心軸を挟んで対向するように設けたが、これに限定されず、これらのマニホールド孔は、カソードセパレータ１１の周縁部に配置されていれば、どの位置に設けられてもよい。
第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３は、全体として、渦巻状に形成されており、具体的には、その上流端からカソードセパレータ１１の中心部に向かって収束するように、時計回りに弧を描くように流路が形成され、カソードセパレータ１１の中央部で折り返して、カソードセパレータ１１の周縁部に向かって発散するように、反時計回りに弧を描くように流路が形成されている。
また、第１酸化剤ガス流路１３１は、第１の部分４１と第２の部分５１を有している。上述したように、第１の部分は、第１酸化剤ガス流路１３１における第２の部分５１と下流端との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の上流端に近接する部分であり、ここでは、第１酸化剤ガス流路１３１における、第１酸化剤ガス流路１３１の上流端と中心軸１０１を結ぶ線と交わる部分のうち、最もセパレータ１１の外周に近い部分が、第１の部分４１を構成する。また、第２の部分５１は、第１酸化剤ガス流路１３１における上流端と第１の部分４１との間の部分のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１の下流端に近接する部分であり、ここでは、第１酸化剤ガス流路１３１における、第１酸化剤ガス流路１３１の下流端と中心軸１０１を結ぶ線と交わる部分のうち、最もセパレータ１１の外周に近い部分が、第２の部分５１を構成する。さらに、第３の部分５２は、第１酸化剤ガス流路１３１において、カソードセパレータ１１の主面における第２の部分５１より内方に位置する部分のうち、第２の部分５１に最も近接する部分であり、ここでは、第１酸化剤ガス流路１３１における、第１酸化剤ガス流路１３１の下流端と中心軸１０１を結ぶ線と交わる部分のうち、第２の部分５１の内方に位置する部分が、第３の部分５２を構成する。
そして、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分は、第１酸化剤ガス流路１３１の第３の部分５２から第１酸化剤ガス流路１３１の下流端までで構成されている。
このように構成された本実施の形態１６に係る燃料電池用セパレータ１１を備えた燃料電池においても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述した本発明の実施の形態１〜５、及び７においては、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の断面積を第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積よりも小さくするために、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の流路の幅を第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の幅より小さくするように形成したが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の流路の深さを第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の深さより浅くするように形成してもよい。
また、上述した本実施の形態１〜５、及び７においては、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積を同じにする構成としたが、これに限定されず、流路の断面積をそれぞれ異なるように構成してもよい。また、本発明の作用効果が得られる範囲において、特定第２酸化剤ガス流路の一部の断面積が、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の断面積よりも小さくなるように形成されていてもよく、また、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分以外の部分のうちの一部の断面積が、第１特定部分の断面積よりも小さくなるように形成されていてもよい。
さらに、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の一部が、特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも大きくなるように形成されていてもよい。例えば、第１酸化剤ガス流路１３１の第１特定部分の上流端から、燃料電池用セパレータ１１の厚み方向から見て第１特定部分の触媒層（カソード触媒層２ｂ及び／又はアノード触媒層２ａ）の端と重なる部分まで、の流路の断面積を特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも大きくして、第１特定部分の該触媒層の端と重なる部分から、第１特定部分の下流端までの流路の断面積を特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも小さくなるように形成されていてもよい。
また、例えば、上述した本発明の実施の形態８〜１４、及び１６においては、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の断面積を第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積よりも小さくするために、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の流路の幅を第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の幅より小さくするように形成したが、これに限定されず、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の流路の深さを第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の流路の深さより浅くするように形成してもよい。
また、上述した本実施の形態８〜１４、及び１６においては、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３の断面積を同じにする構成としたが、これに限定されず、流路の断面積をそれぞれ異なるように構成してもよい。また、本発明の作用効果が得られる範囲において、特定第２酸化剤ガス流路の一部の断面積が、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の断面積よりも小さくなるように形成されていてもよく、また、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分以外の部分のうちの一部の断面積が、第２特定部分の断面積よりも小さくなるように形成されていてもよい。
さらに、本発明の作用効果が得られる範囲において、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の一部が、特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも大きくなるように形成されていてもよい。例えば、第１酸化剤ガス流路１３１の第２特定部分の上流端から、燃料電池用セパレータ１１の厚み方向から見て第２特定部分の触媒層（カソード触媒層２ｂ及び／又はアノード触媒層２ａ）の端と重なる部分まで、の流路の断面積を特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも小さくして、第２特定部分の該触媒層の端と重なる部分から、第２特定部分の下流端までの流路の断面積を特定第２酸化剤ガス流路の断面積よりも大きくなるように形成されていてもよい。
［参考例］
次に、本発明の参考例について、図１９を参照しながら説明する。
図１９は、本発明の参考例の燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図１９に示すように、本発明の参考例の燃料電池用セパレータ１１は、本発明とは異なり、第２酸化剤ガス流路１３２、１３３のうち、最も第１酸化剤ガス流路１３１から離れた第２酸化剤ガス流路１３３（以下、第３酸化剤ガス流路１３３という）の一部の流路の断面積が、他の流路の断面積よりも小さくなるように構成されている。なお、以下の説明においては、第３酸化剤ガス流路１３３における第１酸化剤ガス流路１３１に相当する部分は同一符号（例えば、第３酸化剤ガス流路１３３における第１酸化剤ガス流路１３１の第１上流直線部３１ａに相当する部分は、第３酸化剤ガス流路１３３における第１上流直線部３１ａとする。）を用いて説明する。
具体的には、第３酸化剤ガス流路１３３は、第１酸化剤ガス流路１３１の第２の部分５１に相当する第５の部分５４を有していて、該第５の部分５４を含む連続する部分（以下、第３特定部分８３）の流路の断面積が、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２の断面積よりも小さくなるように形成されている。より詳しくは、第３特定部分８３は、第３酸化剤ガス流路１３３における第１上流ターン部３１ｂの上下方向に延びる流路、第２上流直線部３１ｃ、第２上流ターン部３１ｄ、第３上流直線部３１ｅ、及び第３上流ターン部３１ｆの水平に延びる流路の断面積が、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２の断面積よりも小さくなるように形成されている。
ところで、第３酸化剤ガス流路１３３における第３特定部分８３（特に、第５の部分５４）を通流する酸化剤ガスと、第３酸化剤ガス流路１３３の下流部１３１ｃにおける第３特定部分８３と最も近接する第３下流直線部３１ｍを通流する酸化剤ガスとの圧力差により、上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスの一部が、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第３酸化剤ガス流路１３３の下流部１３１ｃ（特に、第３下流直線部３１ｍ）に流れ込む。
また、第３酸化剤ガス流路１３３の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスが短絡するため、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２の上流部を通流する酸化剤ガスと、第３酸化剤ガス流路１３３の上流部１３１ａを通流する酸化剤ガスとの間で、圧力差が生じる。この圧力差により、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２の上流部を通流する酸化剤ガスの一部が、第３酸化剤ガス流路１３３の上流部１３１ａに流れ込む。そして、第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２から第３酸化剤ガス流路１３３に流れ込んだ酸化剤ガスの一部が、第３酸化剤ガス流路１３３の第３特定部分８３（特に、第３酸化剤ガス流路１３３の第５の部分５３）に流れ込み、全体として、第１酸化剤ガス流路１３１、第２酸化剤ガス流路１３２、及び第３酸化剤ガス流路１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第３酸化剤ガス流路１３３の下流部１３１ｃ（特に、第３下流直線部３１ｍ）に流れ込む。
このため、第１酸化剤ガス流路１３１、第２酸化剤ガス流路１３２、及び第３酸化剤ガス流路１３３を通流する酸化剤ガスの一部が、第３酸化剤ガス流路１３３の下流部１３１ｃ（特に、第３下流直線部３１ｍ）に短絡することによって、反応に使われないまま酸化剤ガス排出用マニホールド孔２２に排出され、反応ガスの利用効率が低下する。
しかしながら、第３酸化剤ガス流路１３３の第３特定部分８３の流路の断面積が、第３酸化剤ガス流路１３３の該第３特定部分８３以外の部分、第１酸化剤ガス流路１３１、及び第２酸化剤ガス流路１３２よりも小さく形成されている。これにより、第３酸化剤ガス流路１３３の第３特定部分８３を流通する酸化剤ガス流量が少ないため、カソードガス拡散層３ｂを経由して、第３酸化剤ガス流路１３１の下流部１３１ｃ（特に、第３下流直線部３１ｍ）に流れ込む（短絡する）酸化剤ガスを低減することができる。
このため、第１乃至第３酸化剤ガス流路１３１〜１３３を通流する酸化剤ガスのうち、燃料ガスとの反応に使用されずに、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２２から排出される酸化剤ガスを低減することができ、反応ガスの利用効率を改善することができる。
次に、実施例について説明する。
（試験例１）
図２０は、試験例１の実施例１で用いた燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図２０に示すように、実施例１のカソードセパレータ１１は、本発明の実施の形態１の第１酸化剤ガス流路１３１及び５本の第２酸化剤ガス流路１３２と、本発明の参考例の第３酸化剤ガス流路１３３と、を有するように構成した。なお、図２０においては、５本の第２酸化剤ガス流路１３２を、１本の流路として表している。また、実施例２のカソードセパレータ１１は、実施の形態９に係る燃料電池用セパレータ１１の第２酸化剤ガス流路が５本になるように構成し、比較例のカソードセパレータ１１は、図９に示す従来の燃料電池用セパレータの流体通路が７本になるように構成した。また、実施例１、２及び比較例のアノードセパレータ１０は、燃料ガス流路を流路の本数が３本で、いわゆるサーペンタイン状に形成した。そして、これらのセパレータ１０、１１を用いて、単セルを作製して試験例１に用いた。
試験例１では、発電条件を、電流密度０．１６Ａ／ｃｍ２、燃料利用率７５％、燃料ガスには水素７５％、二酸化炭素２５％の混合ガス、酸化剤ガスには空気とし、燃料ガスの露点を６５℃、酸化剤ガスの露点を３５℃、及び電池温度を９０℃として、酸素利用率５５〜９０％に変動して、各セルの電池電圧を測定した。その結果を図２１に示す。
図２１は、試験例１の電池電圧測定結果を示すグラフである。
図２１に示すように、実施例１及び実施例２のセルでは、比較例のセルに比べて電池電圧が高くなり、特に、酸素利用率が８０％のとき、比較例のセルに比べて、実施例１のセルでは１３ｍＶ、実施例２のセルでは５ｍＶも高くなった。
（試験例２）
試験例２では、本発明の燃料電池用セパレータ１１及びそれを備える燃料電池（ここでは、単セル）１００をシミュレーション解析によってその効果を検証した。なお、簡便に評価するために電極面のみを解析対象とした。
実施例３では、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータ１１の第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を用い、実施例４では、実施の形態９に係る燃料電池用セパレータ１１の第１酸化剤ガス流路１３１及び第２酸化剤ガス流路１３２、１３３を用いた。また、比較例では、図９に示す従来の燃料電池用セパレータの流体通路２０１〜２０３を用いた。
解析には、アンシス・ジャパン株式会社のＦＬＵＥＮＴ、ＰＥＭモジュールを使用した。発電条件は、電流密度０．１６Ａ／ｃｍ２、燃料利用率７５％、酸素利用率５５％、燃料ガスには水素７５％、二酸化炭素２５％の混合ガス、酸化剤ガスには空気とし、燃料ガスの露点を６５℃、酸化剤ガスの露点を３５℃、及び電池温度を９０℃とした。この結果を示したのが、図２２である。
図２２は、試験例２のシミュレーション解析を行った結果を示す表である。
図２２に示すように、膜抵抗が、実施例３では１．９４１ｍΩ、実施例４では１．９６９ｍΩ、比較例では１．９８４ｍΩとなった。
これらの結果から、本発明に係る燃料電池用セパレータ１１及びこれを備える燃料電池１００では、反応ガス流路を通流する反応ガスが反応に寄与せず排出されることを低減したことで、セル内の保水性が向上し、膜抵抗が低減したと考えられる。また、反応ガス流路を通流する反応ガスが反応に寄与せず排出されることを低減し、反応ガスの利用効率を改善することで、電池性能の向上を図ることができることが示唆された。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池は、反応ガス流路を通流する反応ガスが反応に寄与せず排出されることを低減し、反応ガスの利用効率を改善することができるので、効率よく発電することができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ アノードガス拡散層
３ｂ カソードガス拡散層
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）
６ ガスケット
９ 冷却媒体流路
１０ アノードセパレータ
１１ カソードセパレータ
２１ 酸化剤ガス供給用マニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔）
２２ 酸化剤ガス排出用マニホールド孔（反応ガス排出用マニホールド孔）
２３ 燃料ガス供給用マニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔）
２４ 燃料ガス排出用マニホールド孔（反応ガス排出用マニホールド孔）
２５ 冷却媒体供給用マニホールド孔
２６ 冷却媒体排出用マニホールド孔
３１ａ 第１上流直線部
３１ｂ 第１上流ターン部
３１ｃ 第２上流直線部
３１ｄ 第２上流ターン部
３１ｅ 第３上流直線部
３１ｆ 第３上流ターン部
３１ｇ 第１下流ターン部
３１ｈ 第１下流直線部
３１ｉ 第２下流ターン部
３１ｊ 第２下流直線部
３１ｋ 第３下流ターン部
３１ｍ 第３下流直線部
３１ｎ 第４下流ターン部
３１ｐ 第４下流直線部
３１ｚ 流路
４１ 第１の部分
５１ 第２の部分
５２ 第３の部分
５３ 第４の部分
５４ 第５の部分
６１ 連通用通路
８３ 第３特定部分
１００ 燃料電池
１３１ 第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）
１３１ａ 上流部
１３１ｂ 中流部
１３１ｃ 下流部
１３２ 第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
１３３ 第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
１４１ 第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
１４２ 第２燃料ガス流路（第２反応ガス流路）
１４３ 第２燃料ガス流路（第２反応ガス流路）
２００ セパレータ
２０１ 流体通路
２０２ 流体通路
２０３ 流体通路
２１１ 入口
２１２ 出口

Claims (12)

  1. 周縁部に設けられ、厚み方向に貫通する反応ガス供給用マニホールド孔と、前記周縁部に設けられ、厚み方向に貫通する反応ガス排出用マニホールド孔と、少なくとも一方の主面に、折り返し部分を有し、前記周縁部から内方部分に向かい前記折り返し部分で前記周縁部に向かうように渦巻き状に形成され、その上流端が前記反応ガス供給用マニホールド孔に接続され、その下流端が前記反応ガス排出用マニホールド孔に接続された溝状の第１反応ガス流路と、少なくともその上流端が前記反応ガス供給用マニホールド孔に接続され、折り返し部分を有し、前記周縁部から内方部分に向かい前記折り返し部分で前記周縁部に向かうように渦巻き状に、かつ、前記第１反応ガス流路と並走するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、を備えた燃料電池用セパレータであって、
    前記セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の前記折り返し部分より下流の部分で、最も前記上流端に近接する部分を上流側最近接部分と定義し、前記第１反応ガス流路の前記折り返し部分より上流の部分で、最も前記下流端に近接する部分を下流側最近接部分と定義した場合に、
    前記第２反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の上流端と前記上流側最近接部分との間に位置しないように、かつ、前記第１反応ガス流路の下流側最近接部分と前記下流端との間に位置するように並走しており、
    前記第１反応ガス流路の少なくとも前記上流端から連続する部分（以下、第１特定部分）の断面積及び／又は前記第１反応ガス流路の少なくとも前記上流側最近接部分から下流側の部分（以下、第２特定部分）の断面積が前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも１の反応ガス流路（以下、特定第２反応ガス流路）の断面積より小さく形成されている、燃料電池用セパレータ。
  2. 前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分及び／又は前記第２特定部分の流路の幅が、前記特定第２反応ガス流路の流路の幅より小さく形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分及び／又は前記第２特定部分の流路の深さが、前記特定第２反応ガス流路の流路の深さよりも浅く形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の断面積が、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の断面積より小さく形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  5. 前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の流路の幅が、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の幅よりも小さく形成されている、請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
  6. 前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分の流路の深さが、前記第１反応ガス流路の該第１特定部分以外の部分の深さよりも浅く形成されている、請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
  7. 前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の断面積が、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の断面積より小さく形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  8. 前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の流路の幅が、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の幅よりも小さく形成されている、請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
  9. 前記第１反応ガス流路の前記第２特定部分の流路の深さが、前記第１反応ガス流路の該第２特定部分以外の部分の深さよりも浅く形成されている、請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
  10. 前記第１反応ガス流路は、前記第１特定部分の下流側で前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも最も前記第１反応ガス流路と近設されている反応ガス流路と連通するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  11. 前記第１反応ガス流路は、前記第２特定部分の上流側で前記１以上の第２反応ガス流路のうち少なくとも最も前記第１反応ガス流路と近設されている反応ガス流路と連通するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  12. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータを含む一対の燃料電池用セパレータと、
    電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、を備え、
    前記電解質層−電極接合体は、一対の前記燃料電池用セパレータに挟まれている、燃料電池。
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