JPH11283639A - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス流路におけるガス分圧を一様化すること
で、より優れた電池性能を実現する。 【解決手段】 セパレータ２４は、蛇行状に屈曲した流
路溝４１を備える。流路溝４１は、上流側の約半分（前
半部分と呼ぶ）で、長さＬ毎にコの字状に屈曲し、下流
側の約半分（流路長の約半分で、以下、後半部分と呼
ぶ）で、その長さＬより短い長さＭ（例えば、Ｍ＝約１
／３Ｌ）毎にコの字状に屈曲している。この構成によっ
て、燃料ガス流路の後半部分における燃料ガスの拡散性
を高めることができ、燃料ガスの分圧低下を防ぐことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電解質膜を挟持
する一対の電極に接触する燃料電池用セパレータと、燃
料電池用セパレータを備える燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。

【０００３】ところで、こうした燃料電池では、電極表
面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの
流路と集電極とを兼ねるセパレータと呼ばれる部材で行
なっている。このセパレータとしては、直線状の流路溝
を複数備えたストレート型のものが一般的である。ま
た、一本の流路溝を屈曲させたサーペンタイン型のもの
（特開平７−２６３００３号公報）、あるいは、複数の
凸部を設け、その凸部間の隙間により流路を構成した格
子型のものが知られている。

【０００４】サーペンタイン型のセパレータは、ガスの
入口が狭くガス流路長が大きくなっていることから、ガ
ス流速を高めることができ、ガスの拡散性に優れてい
る。格子型のセパレータは、水分が凝縮するいわゆるフ
ラッディング等により一つの流路が閉塞されても、ガス
や生成水は、他の流路に回り込むことが可能であること
から、ガスの拡散性に加えて生成水の排水性にも優れて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のセパレータでは、ガス流路におけるガス分圧は必ず
しも一様ではなく、このために、濃度分極が起こり、燃
料電池の電池性能の低下をもたらすといった問題があっ
た。

【０００６】本発明は、ガス流路におけるガス分圧を一
様化することで、より優れた電池性能を実現することを
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】こ
の発明の第１の燃料電池用セパレータは、電解質膜を挟
持する一対の電極に接触して、前記電極側にガス供給用
のガス流路を形成する燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路は、複数箇所にわたって屈曲するととも
に、当該ガス流路の後半部分における屈曲部の出現度数
を、前半部分における屈曲部の出現度数より大きくした
ものである、ことを要旨としている。

【０００８】こうした構成の第１の燃料電池用セパレー
タでは、供給ガスが前半部分に比較して後半部分におい
てより多い回数だけ屈曲することになる。このため、こ
の燃料電池用セパレータでは、ガス流路の前半部分に比
較して後半部分においてガスの拡散性が向上する。一般
に、燃料電池のガス流路においては、一様に供給ガスが
消費されることから、ガス出口部に向かうほど供給ガス
の分圧は低下する。これに対して、この燃料電池用セパ
レータでは、ガス流路の後半部分においてガスの拡散性
が向上することから、上記ガス出口部に向かうガス分圧
の低下を補うように働く。

【０００９】したがって、この燃料電池用セパレータを
用いた燃料電池では、ガス流路に沿った電極面の全域に
おいて電極反応を活発化することができることから、電
池性能を高めることができる。

【００１０】上記第１の燃料電池用セパレータにおい
て、前記ガス流路は、流路の途中に入口部もしくは出口
部のうちの一方を設け、流路の両端に、上記入口部もし
くは出口部のうちの他方をそれぞれ設けたものであるも
のとしてもよい。

【００１１】この発明の第２の燃料電池用セパレータ
は、電解質膜を挟持する一対の電極に接触して、前記電
極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料電池用セパ
レータであって、前記ガス流路は、流路の途中に入口部
もしくは出口部のうちの一方を設け、流路の両端に、上
記入口部もしくは出口部のうちの他方をそれぞれ設けた
ものであることを要旨としている。

【００１２】この構成の燃料電池用セパレータによれ
ば、流路の途中に入口部もしく出口部のうちの一方を設
けていることから、供給ガスの流れを両端方向の２方向
に分けることができる。このため、流路の両端に設けた
入口部もしくは出口部までの他方の距離を、両端に入口
部と出口部を設けた従来の構成に較べて同じ流路長であ
りながら短くすることができる。したがって、出口部に
近づくほど大きくなる供給ガスの分圧低下を軽減するこ
とができる。

【００１３】この結果、この第２の燃料電池用セパレー
タを用いた燃料電池では、ガス流路に沿った電極面の全
域において電極反応を活発化することができることか
ら、電池性能を高めることができる。

【００１４】この発明の第３の燃料電池用セパレータ
は、電解質膜を挟持する一対の電極に接触して、前記電
極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料電池用セパ
レータであって、前記ガス流路は、渦巻き形状であり、
前記渦巻き形状の外側に入口部が、前記渦巻き形状の中
心に出口部がそれぞれ設けられた、ことを要旨としてい
る。

【００１５】一般に、渦巻き形状のガス流路において
は、ガス流路の中心側の方が流路の曲率が大きい。この
第３の燃料電池用セパレータでは、渦巻き形状のガス流
路の外側に入口部が、中心に出口部が設けられているこ
とから、出口側に近づくほど流路の曲率が大きいことに
なる。このため、出口側に近づくほどガスの拡散性が向
上することから、出口部に近づくほど大きくなる供給ガ
スの分圧低下を補うように働く。

【００１６】したがって、この第３の燃料電池用セパレ
ータを用いた燃料電池では、ガス流路に沿った電極面の
全域において電極反応を活発化することができることか
ら、電池性能を高めることができる。

【００１７】この発明の第４の燃料電池用セパレータ
は、電解質膜を挟持する一対の電極に接触して、前記電
極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料電池用セパ
レータであって、前記ガス流路は、少なくとも１箇所に
おいて屈曲する線条の溝から形成され、該屈曲した部分
は、前記溝の外側壁面を半円状としたものである、こと
を要旨としている。

【００１８】一本の流路溝を屈曲させた従来のサーペン
タイン型のセパレータでは、その屈曲部分は、図２７に
示すように、鍵状に直角に曲げられていた。こうした流
路溝においては、供給ガスの流れは、流路溝に沿って完
全に直角に曲がらず、その曲がり部分の外側と内側には
供給ガスがよどんで流れない、いわゆる死水領域（外側
死水領域Ａ１および内側死水領域Ａ２）が発生する。こ
れに対して、上記構成の第４の燃料電池用セパレータで
は、溝の外側壁面が半円状となっていることから、供給
ガスはこの外側壁面に沿って流れ、外側死水領域Ａ１を
なくすことができる。また、半円状の外側壁面に沿った
供給ガスの流れの内側では流れの剥離を遅らせることが
できることから、内側死水領域Ａ２を減少することもで
きる。これらの結果、供給ガスのよどみ量を減少するこ
とができる。

【００１９】したがって、この第４の燃料電池用セパレ
ータを用いた燃料電池では、ガス流路における供給ガス
のよどみの発生量を減らして、電極面の全域において電
極反応を活発化することができる。この結果、電池性能
を高めることができる。

【００２０】この発明の第５の燃料電池用セパレータ
は、電解質膜を挟持する一対の電極に接触して、前記電
極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料電池用セパ
レータであって、前記ガス流路は、少なくとも１箇所に
おいて半円状に屈曲する線状の溝から形成され、該半円
状に曲げられた部分の内側壁面に、当該流路の内側に入
り込む湾入部を備えたものである、ことを要旨としてい
る。

【００２１】こうした構成の第５の燃料電池用セパレー
タによれば、図２７に示した内側死水領域Ａ２を上記湾
入部により減少することができる。このため、そこによ
どむ供給ガスを減らすことができる。したがって、この
第５の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、ガ
ス流路における供給ガスのよどみの発生量を減らして、
電極面の全域において電極反応を活発化することができ
ることから、燃料電池の電池性能を高めることができ
る。

【００２２】この発明の第１の燃料電池は、電解質膜を
一対の矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電極
面に接触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成す
るセパレータとを備えた燃料電池において、前記セパレ
ータは、前記電極面に対向する流路底面と、該流路底面
から突出して前記電極面に達することにより、前記ガス
流路を形成する複数の凸部と、前記電極における対角線
上の角部に対応する位置に設けられ、前記ガス流路に供
給ガスを給排するガス供給口とガス排出口とを備え、さ
らに、前記複数の凸部は、隣接する凸部との間隙が、前
記ガス供給口とガス排出口とを結ぶ対角線付近に比べて
その対角線から離れた外側において大きくなるように配
列したこと、を要旨としている。

【００２３】こうした構成の第１の燃料電池によれば、
セパレータに設けられるガス供給口とガス排出口が、電
極における対角線上の角部に対応する位置に設けられて
いることから、電極における辺の部分に対応する位置に
ガス供給口とガス排出口を設けた従来例に比較して、セ
パレータの小型化を図ることができる。したがって、燃
料電池の体積効率の向上を図ることができる。しかも、
この構成では、ガス供給口とガス排出口を結ぶ対角線の
外側ではガスが流れにくくよどみ易くなるところを、凸
部間の間隙が、対角線から離れた外側で大きくなるよう
なされているため、対角線から離れたその外側部分でも
ガスを流れやすくすることができる。このため、対角線
から離れた外側部分におけるガス分圧の低下を補うよう
に働く。

【００２４】したがって、この第１の燃料電池によれ
ば、体積効率に優れ、しかも、ガス流路に沿った電極面
の全域において電極反応を活発化することができること
から、電池性能にも優れたものとなる。

【００２５】この発明の第２の燃料電池は、電解質膜を
一対の矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電極
面に接触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成す
るセパレータとを備え、前記ガス流路の入口部から出口
部までの範囲において、当該ガス流路における供給ガス
と前記接合体により生成されて前記ガス流路に発散する
水蒸気との総ガス量が増加、極大、減少と順に変化する
燃料電池において、前記セパレータにより形成されるガ
ス流路は、流路断面積が、当該ガス流路における各位置
の前記総ガス量に応じた大きさとなるような形状を有す
ることを要旨としている。

【００２６】一般に、燃料電池のガス流路においては、
供給ガスは電極面に沿って進むにつれて次第に消費され
ていくことから、出口部に向かうほど供給ガスの分圧は
低下していく。これに対して、燃料電池の種類によって
はその運転温度の関係から、必ずしもガス分圧は単調に
低下せず入口部から出口部までの流路途中においてガス
分圧が極大となることもある。これは、燃料電池が例え
ば固体高分子型のものである場合、その運転温度が約８
０［℃］というように水の沸点以下の比較的低い温度で
あることから、カソード電極面で生成された水が直ちに
水蒸気として蒸発して燃料電池の外に排気されることが
ないからである。この場合、水蒸気は供給ガス中に含有
されて、流路途中において供給ガスが飽和水蒸気量に達
する。

【００２７】上記構成の第２の燃料電池は、流路断面積
が、こうしたガス流路における各位置の前記総ガス量に
応じた大きさとなるような形状を有している。このた
め、ガス流路における各位置の前記総ガス量が変化した
としても、その総ガス量に応じて流路断面積が定められ
ていることから、ガス流路におけるガス分圧を均一化す
ることができる。

【００２８】したがって、この第２の燃料電池では、ガ
ス流路に沿った電極面の全域において電極反応を活発化
することができることから、電池性能を高めることがで
きる。

【００２９】上記第２の燃料電池において、前記ガス流
路の流路断面積は、前記総ガス量が極大となる部位にお
いて最大となる構成とすることができる。

【００３０】この構成によれば、ガス流路途中において
供給ガスと、接合体により生成されてガス流路に発散す
る水蒸気との総ガス量が極大となっても、その総ガス量
に応じて流路断面積が最大となっていることから、ガス
流路におけるガス分圧は不均一とならない。

【００３１】この発明の第３の燃料電池は、電解質膜を
一対の矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電極
面に接触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成す
るセパレータとを備え、前記ガス流路の入口部から出口
部までの範囲において、当該ガス流路における供給ガス
と前記接合体により生成されて前記ガス流路に発散する
水蒸気との総ガス量が増加、極大、減少と順に変化する
燃料電池において、前記セパレータにより形成されるガ
ス流路は、前記極大となる部位より下流側の流路表面
に、親水処理が施された親水層を備えるものであるこ
と、を要旨としている。

【００３２】こうした構成の第３の燃料電池では、ガス
流路途中において総ガス量が極大となる部位がある。一
般に、酸素含有ガス流路においては、トータルガス量が
極大となった部位より下流側で液体水が生成されるが、
この第３の燃料電池では、その極大となった部位以降に
親水処理が施されていることから、少ない親水性物質で
有効に生成水を排水することができる。

【００３３】この発明の第４の燃料電池では、電解質膜
を一対の矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電
極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成
するセパレータとを備え、前記ガス流路の入口部におい
て、当該ガス流路における供給ガスと前記接合体により
生成されて前記ガス流路に発散する水蒸気との総量が最
大となる燃料電池において、前記セパレータは、前記電
極面に対向する流路底面から突出して前記電極面に達す
ることにより、前記ガス流路を形成する複数の凸部を備
えるとともに、前記複数の凸部は、前記ガス流路の入口
部において、前記ガス流路の流れ方向に対して垂直方向
の流路断面積が最大となるように配列されたことを、要
旨としている。

【００３４】こうした構成の第４の燃料電池では、ガス
流路における供給ガスと接合体により生成されて前記ガ
ス流路に発散するその供給ガスに含まれる水蒸気との総
量がガス流路の入口部で最大となる。そして、その入口
部で、セパレータにより形成される凸部間の流路断面積
が最大となっている。このため、入口部において供給ガ
スと含まれる水蒸気との総量が最大となっても、流路断
面積が最大であることから、ガス流路におけるガス分圧
は不均一とならない。

【００３５】したがって、この第４の燃料電池では、ガ
ス流路に沿った電極面の全域において電極反応を活発化
することができることから、電池性能を高めることがで
きる。

【００３６】この発明の第５の燃料電池は、電解質膜を
一対の矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電極
面に接触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成す
るセパレータとを備え、前記ガス流路の出口部におい
て、当該ガス流路における供給ガスと前記接合体により
生成されて前記ガス流路に発散する水蒸気との総量が最
大となる燃料電池において、前記セパレータは、前記電
極面に対向する流路底面から突出して前記電極面に達す
ることにより、前記ガス流路を形成する複数の凸部を備
えるとともに、前記複数の凸部は、前記ガス流路の出口
部において、前記ガス流路の流れ方向に対して垂直方向
の流路断面積が最大となるように配列されたことを、要
旨としている。

【００３７】こうした構成の第５の燃料電池では、ガス
流路における総ガス量がガス流路の出口部で最大とな
る。そして、その出口部で、セパレータにより形成され
る凸部間の流路断面積が最大となっている。このため、
出口部において供給ガスと含まれる水蒸気との総量が最
大となっても、流路断面積が最大であることから、ガス
流路におけるガス分圧は不均一とならない。

【００３８】したがって、この第５の燃料電池では、ガ
ス流路に沿った電極面の全域において電極反応を活発化
することができることから、電池性能を高めることがで
きる。

【００３９】この発明の第６の燃料電池は、電解質膜を
一対の矩形の電極で挟持する接合体と、請求項６記載の
燃料電池用セパレータとを備える燃料電池において、前
記ガス流路に備えられる湾入部は、前記ガス流路におけ
る供給ガスと該供給ガスに含有された水蒸気との総量の
変化に対応して、当該ガス流路の部位によって相違する
大きさを備えることを要旨としている。

【００４０】こうした構成の第６の燃料電池では、ガス
流路における供給ガスの流速に応じて湾入部の大きさが
変化している。一般に、先に説明した死水領域の大きさ
はガス流路におけるガス流速によって変化するが、上記
構成により、その変化する内側死水領域にあわせて湾入
部の大きさを変えることができる。これによって、ガス
流路における供給ガスの生成水からの水蒸気を含めた総
量がどのように変化しても、内側死水領域を減らすこと
ができる。

【００４１】したがって、この第６の燃料電池では、ガ
ス流路における供給ガスのよどみの発生量を減らして、
電極面の全域において電極反応を活発化することができ
ることから、燃料電池の電池性能を高めることができ
る。

【００４２】

【発明の他の形態】本発明は、以下のような他の態様を
とることも可能である。この態様は、電解質膜を一対の
矩形の電極で挟持する接合体と、該接合体の電極面に接
触し該電極面とで供給ガス用のガス流路を形成するセパ
レータとを備えた燃料電池において、前記セパレータ
は、前記電極面に対向する流路底面と、該流路底面から
突出して、前記電極面に達する複数の凸部と、前記電極
における対角線上の角部に対応する位置に設けられ、前
記ガス流路に供給ガスを供排するガス供給口とガス排出
口とを備えることを特徴とする燃料電池である。

【００４３】この態様の燃料電池によれば、セパレータ
に設けられるガス供給口と排出口が、電極における対角
線上の角部に対応する位置に設けられていることから、
電極における辺の部分に対応する位置にガス供給口とガ
ス排出口を設けた従来例に比較して、セパレータの小型
化を図ることができる。したがって、燃料電池の体積効
率の向上を図ることができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。本発明の好適な第１実施例で
ある固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と呼
ぶ）１０は、接合体としての単セル２０を基本単位とし
ており、単セル２０を積層したスタック構造を有してい
る。図１は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説
明図である。燃料電池１０の単セル２０は、電解質膜２
１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ
２４、２５とから構成されている。

【００４５】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサ
ンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２
２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸素含
有ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２
４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カ
ソード２３とセパレータ２５との間には酸素含有ガス流
路２５Ｐが形成されている。

【００４６】セパレータ２４，２５は、実際にはその両
面に流路が形成されており、隣接する単セルのセパレー
タとしても機能している。すなわち、セパレータ２４，
２５は、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４
Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２
３との間で酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。このよ
うに、セパレータ２４、２５は、ガス拡散電極との間で
ガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料
ガスと酸素含有ガスの流れを分離する役割を果たしてい
る。もとより、単セル２０を積層してスタック構造を形
成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレ
ータは、ガス拡散電極と接する片面にだけ流路が形成さ
れている。

【００４７】ここで、電解質膜２１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
性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性
を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）
を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されてい
る。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他
の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、こ
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜
２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。

【００４８】アノード２２およびカソード２３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されている。なお、カーボンクロスに替えて、炭素繊
維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトによ
り形成する構成も好適である。

【００４９】上記電解質膜２１とアノード２２およびカ
ソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわ
ち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード
２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に
加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノー
ド２２およびカソード２３とを一体化する方法として
は、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよ
い。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を
挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導
電性固体高分子溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用
いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化
する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１と
が固着される。

【００５０】セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２
４，２５はその両面に、既述したように、アノード２２
の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セ
ルのカソード２３の表面とで酸素含有ガス流路２５Ｐを
形成する。

【００５１】こうしたセパレータ２４，２５の形状は次
のようなものである。セパレータ２４，２５は同一の形
状であることから、ここでは、セパレータ２４を例にあ
げて説明する。図２は、セパレータ２４の平面図、図３
は、図２におけるＡ−Ａ′線で破断した断面図である。
これら図に示すように、セパレータ２４は、４角形の板
状部材として形成されており、対向する２つの辺の縁付
近には、大口径の孔３１（３３）がそれぞれ設けられ、
他の２つの辺の縁付近には、小口径の２つの孔３５，３
６（３７，３８）がそれぞれ設けられている。

【００５２】大口径の孔３１，３３は、積層した際、燃
料電池１０を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路
を形成する。対角線に対向する２つの小口径の孔３５，
３８は、積層した際、固体高分子型燃料電池１０を積層
方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の
小口径の孔３６，３７は、同じく積層方向に貫通する２
つの酸素含有ガス給排流路を形成する。

【００５３】セパレータ２４のこれら孔３１，３３，３
５，３６，３７，３８が設けられた外縁より内側の表面
には、断面凹形状の流路溝４１が形成されている。この
流路溝４１は、１本の流路を蛇行状に形成したもので、
その流路溝４１の両端は、対角線に配置された孔３５，
孔３８のある位置に接している。この流路溝４１の端部
と孔３５，３８との間には隔壁はなく、上記蛇行状の流
路溝４１は、孔３５，３８に連結される。この結果、孔
３５，３８からなる燃料ガス給排流路からの燃料ガスが
流路溝４１に供給または排出されることになる。なお、
この実施例では、孔３５が燃料ガス供給用の流路、孔３
８が燃料ガス排出用の流路であり、図２中、矢印に示す
方向に燃料ガスは流れる。

【００５４】上記蛇行状の流路溝４１は、上流側の約半
分（流路長の約半分で、以下、前半部分と呼ぶ）では、
長さＬ毎にコの字状に屈曲しており、下流側の約半分
（流路長の約半分で、以下、後半部分と呼ぶ）では、そ
の長さＬより短い長さＭ（例えば、Ｍ＝約１／３Ｌ）毎
にコの字状に屈曲している。なお、長さＬは、セパレー
タ２４の孔３１，３３，３５，３６，３７，３８が設け
られた外縁より内側の範囲の一辺にほぼ相当する長さで
ある。こうした蛇行状の流路溝４１が図１で示した燃料
ガス流路２４Ｐに相当することになる。

【００５５】なお、図２においては、流路溝４１の前半
部分で３回、流路溝４１の後半部分で６回屈曲するよう
図示しているが、これは、図示の容易化のために前半部
分、後半部分ともに屈曲の回数を減らして示している。
実際は、例えば、前半部分で５回、後半部分で１０回と
いうように図示された回数よりも大きな回数の屈曲部を
備える構成をとるのが通常である。同様に、これ以後の
実施例においても、必要に応じて屈曲の回数等において
図示の簡略化が図られるものとする。

【００５６】一方、セパレータ２５の積層面の他方（図
２の裏面）にも、図３に示すように、流路溝４１と同一
形状の流路溝４３が形成されている。この流路溝４３に
は、上記孔３６，３７により形成される酸素含有ガス給
排流路からの酸素含有ガスが供給または排出される。な
お、この酸素含有ガスの流路が図１で示した酸素含有ガ
ス流路２５Ｐに相当することになる。

【００５７】以上、燃料電池１０の基本構造である単セ
ル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０と
して組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２
２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５をこ
の順序で複数組積層し（本実施例では１００組）、その
両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電
板（図示せず）を配置することによって、スタック構造
を構成する。

【００５８】こうした構成の燃料電池１０は、前述した
ようにして、水素を含む燃料ガスを燃料ガス流路２４Ｐ
に、酸素を含む酸素含有ガスを酸素含有ガス流路２５Ｐ
にそれぞれ流すことにより、アノード２２とカソード２
３とで、次式（１）および（２）に示した電気化学反応
を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換す
る。

【００５９】

【数１】

【００６０】以上詳述したように、この第１実施例の燃
料電池１０では、各セルへの燃料ガスの給排口である孔
３５と孔３８の間に、蛇行状の流路溝４１が形成されて
おり、しかも、この流路溝４１は、後半部分における屈
曲部の出現度数が前半部分におけるそれよりも大きくな
っている。このため、この流路溝４１では、燃料ガスが
前半部分に比較して後半部分においてより多い回数だけ
屈曲することになり、後半部分における燃料ガスの拡散
性が向上する。一般に、燃料電池のガス流路において
は、一様に燃料ガスが消費されていくことから、出口部
に向かうほど燃料ガスの分圧は低下する。これに対し
て、この燃料電池１０のセパレータ２４では、流路溝４
１の後半部分において燃料ガスの拡散性が向上すること
から、出口部に向かうガス分圧の低下を補うように働
く。

【００６１】したがって、燃料ガス流路２４Ｐに沿った
アノード面の全域において電極反応を活発化することが
できる。なお、酸素含有ガス流路においても同様にガス
出口における酸素含有ガスの分圧の低下を補うことがで
きることから、カソード面の全域においても電極反応を
一様化することができる。これらの結果、この燃料電池
１０の電池性能は高いものとなる。

【００６２】なお、この実施例における流路溝４１，４
３は、前半部分と後半部分のそれぞれにおいて、屈曲部
の出現度数を一様なものとしていたが、これに替えて、
ガス流路の入口部から出口部にわたって、屈曲部の出現
度数が徐々に増加する構成としてもよい。一般に、ガス
消費に従うガス分圧の低下は、入口部から出口部に向か
うにつれて徐々に低下量が増えるものであるが、この実
施例によれば、入口部から出口部にわたって屈曲部の出
現度数が徐々に増加する構成であることから、そのガス
分圧の低下量にみあった増加量でもってガス拡散性を高
めることができる。したがって、電極面における電極反
応を極めて一様化することができる。したがって、燃料
電池の電池性能を極めて高いものとすることができる。

【００６３】第２実施例について次に説明する。この第
２実施例は、第１実施例の燃料電池１０と比較して、セ
パレータの構成が相違し、その他の構成については第１
実施例と同じである。

【００６４】図４は、この第２実施例で用いられるセパ
レータ１００の平面図である。図示するように、このセ
パレータ１００は、第１実施例のセパレータ２４と同様
に、４角形の板状部材として形成されており、対向する
２つの辺の縁付近には、大口径の孔１０１（１０３）が
それぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径
の２つの孔１０５，１０６（１０７，１０８）がそれぞ
れ設けられ、中心には、円形の丸孔１０９が設けられて
いる。

【００６５】大口径の孔１０１，１０３は、積層した
際、燃料電池を積層方向に貫通する冷却水供給流路およ
び排出流路を形成する。丸孔１０９は、積層した際、燃
料電池を積層方向に貫通する燃料ガス供給流路を形成す
る。対角線に対向する２つの小口径の孔１０５，１０８
は、積層した際、固体高分子型燃料電池を積層方向に貫
通する２つの燃料ガス排出流路を形成し、他の小口径の
孔１０６，１０７は、同じく積層方向に貫通する酸素含
有ガス供給流路および排出流路を形成する。

【００６６】セパレータ１００の孔１０１，１０３，１
０５〜１０８が設けられた外縁より内側の表面には、断
面凹形状の流路溝１１１が形成されている。この流路溝
１１１は、１本の流路を蛇行状に形成したもので、その
蛇行の進行方向は４角形の板状部材の対角線方向であ
り、その流路溝１１１の両端は、対角線に配置された孔
１０５，孔１０８のある位置に接している。この流路溝
１１１の端部と孔１０５，１０８との間には隔壁はな
く、上記蛇行状の流路溝１１１は、孔１０５，１０８に
連結される。さらには、この流路溝１１１は、その途中
において丸孔１０９と接続されている。この結果、丸孔
１０９からなる燃料ガス供給流路から燃料ガスが流路溝
１１１に２方向に分かれて供給され、流路溝１１１にお
いては、図４中、矢印に示す方向に燃料ガスは流れ、そ
の後、流路溝４１から燃料ガスは孔１０５と孔１０８か
らなる燃料ガス排出流路にそれぞれ排出されることにな
る。

【００６７】上記流路溝１１１は、詳細には、図示する
ように、セパレータ１００の孔１０１，１０３，１０５
〜１０８が設けられた外縁より内側の矩形の全領域を使
って、孔１０５から孔１０８まで順に経路を屈曲させた
形状を備えている。

【００６８】図５は、セパレータ１００の積層面の他方
（図４の裏面）の平面図である。図示するように、セパ
レータ１００の積層面の他方には、流路溝１１１とほぼ
同一形状の流路溝１２１が丸孔１０９を回避しつつ形成
されている。この流路溝４１の両端は、対角線に配置さ
れた酸素含有ガス給排流路を形成する孔１０６，孔１０
７に連結される。この結果、酸素含有ガス供給流路を形
成する孔１０６からの酸素含有ガスが流路溝１２１に供
給され、流路溝１２１では図５中破線の矢印に示す方向
に酸素含有ガスは流れる。その後、流路溝１２１から酸
素含有ガス排出流路を形成する孔１０７に酸素含有ガス
は排出される。

【００６９】こうした構成の第２実施例の燃料電池に備
えられるセパレータ１００では、燃料ガスの流路溝１１
１の途中に入口部としての丸孔１０９が接続されている
ことから、燃料ガスの流れは流路溝１１１の両端方向へ
の２方向に分かれる。このため、流路溝１１１の出口
部、すなわち、流路溝の両端の孔１０５，１０８までの
距離を、両端に入口部と出口部を設けた従来の構成に較
べて同じ流路長でありながら短くすることができる。し
たがって、出口部に近づくほど大きくなる燃料ガスの分
圧低下を軽減することができる。

【００７０】この結果、この実施例の燃料電池に備えら
れるセパレータ１００は、燃料ガスの流路溝１１１に沿
ったアノード面の全域において電極反応を活発化するこ
とができることから、燃料電池の電池性能を高めること
ができる。

【００７１】なお、この第２実施例では、燃料ガスの流
路溝１１１の途中に入口部としての丸孔１０９を、流路
溝１１１の両端に出口部としての孔１０５，１０８をそ
れぞれ設けた構成であったが、これに替えて、流路溝の
途中に出口部を、流路溝の両端に入口部を設けた構成と
してもよい。この構成によっても、第２実施例と同様に
流路長を短くすることができて、燃料ガスの分圧低下を
軽減することができる。

【００７２】第３実施例について次に説明する。この第
３実施例は、第１実施例、第２実施例の燃料電池１０と
比較して、セパレータの構成が相違し、その他の構成に
ついてはこれら実施例と同じである。

【００７３】図６は、この第３実施例で用いられるセパ
レータ２００の平面図である。図示するように、このセ
パレータ２００は、４角形の板状部材として形成されて
おり、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の孔２０
１（２０３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付
近には、小口径の孔２０５（２０７）がそれぞれ設けら
れ、さらに、中心には、２つの丸孔２０９，２１１が設
けられている。

【００７４】大口径の孔２０１，２０３は、積層した
際、燃料電池を積層方向に貫通する冷却水供給流路およ
び排出流路を形成する。小口径の孔２０５，２０７は、
積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する燃料ガス供
給流路および酸素含有ガス供給流路を形成する。丸孔２
０９，２１１は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫
通する燃料ガス排出流路および酸素含有ガス排出流路を
形成する。

【００７５】セパレータ２００の孔２０１，２０３，２
０５，２０７が設けられた外縁より内側の表面には、断
面凹形状の流路溝２２１が形成されている。この流路溝
２２１は、１本の流路を渦巻き状に形成したもので、そ
の外側の端部は、孔２０５のある位置に接しており、そ
の中心側の端部は、丸孔２０９のある位置に接してい
る。この流路溝２２１の両端と孔２０５、丸孔２０９と
の間には隔壁はなく、上記渦巻き状の流路溝２２１は、
孔２０５と丸孔２０９に連結される。なお、丸孔２０９
に隣接する丸孔２１１の周囲には隔壁があり、流路溝２
２１と丸孔２１１との間は隔てられている。この結果、
孔２０５からなる燃料ガス供給流路からの燃料ガスが流
路溝２２１に供給され、流路溝２２１では図６中矢印に
示す方向に燃料ガスは流れる。その後、流路溝２２１か
ら燃料ガス排出流路を形成する丸孔２０９に燃料ガスは
排出される。

【００７６】なお、セパレータ２００の積層面の他方
（図６の裏面）にも、流路溝２２１と同一形状の流路溝
（図示せず）が形成される。この流路溝は酸素含有ガス
の流路を形成する。この酸素含有ガスの流路の両端に
は、孔２０７、丸孔２１１が接続される。この結果、こ
の酸素含有ガスの流路には、孔２０７により形成される
酸素含有ガス供給流路からの酸素含有ガスが供給され、
その酸素含有ガスは、丸孔２１１により形成される酸素
含有ガス排出流路から排出される。

【００７７】以上詳述したように、この第３実施例の燃
料電池に備えられるセパレータ２００では、燃料ガス流
路が渦巻き形状であり、その渦巻き形状の外側の端部に
燃料ガス供給流路を形成する孔２０５が、中心側の端部
に燃料ガス排出流路を形成する丸孔２０９がそれぞれ接
続されている。このため、燃料ガス流路の出口側に近づ
くほど流路の曲率は大きくなることから、流路の出口側
に近づくほど燃料ガスの拡散性を向上させることができ
る。したがって、燃料ガス流路における出口部側の燃料
ガスの分圧低下を補うことができる。

【００７８】したがって、燃料ガスの流路溝２２１に沿
ったアノード面の全域において電極反応を活発化するこ
とができる。なお、酸素含有ガス流路に沿ったカソード
面の全域においても同様の理由により電極反応を活発化
することができる。これらのことから、燃料電池の電池
性能を高めることができる。

【００７９】第４実施例について次に説明する。この第
４実施例は、第１実施例、第２実施例、第３実施例の燃
料電池と比較して、セパレータの構成が相違し、その他
の構成についてはこれら実施例と同じである。

【００８０】図７は、この第４実施例で用いられるセパ
レータ３００の平面図、図８は、セパレータ３００の一
部破断斜視図である。図示するように、このセパレータ
３００は、正四角形の板状部材として形成されており、
対向する２つの辺の縁付近には、大口径の孔３０１（３
０３）がそれぞれ設けられ、角部に近い４隅には、小口
径の孔３０５（３０６，３０７，３０８）がそれぞれ設
けられている。

【００８１】大口径の孔３０１，３０３は、積層した
際、燃料電池を積層方向に貫通する冷却水給排流路を形
成する。対角線に対向する２つの小口径の孔３０５，３
０８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する燃
料ガス給排流路を形成する。他の２のつ小口径の孔３０
６，３０７は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通
する酸素含有ガス給排流路を形成する。

【００８２】セパレータ３００のこれら孔３０１，３０
３，３０５〜３０８が設けられた外縁の平面部より内側
には、該平面部より一段下がった段差面３１１が形成さ
れており、この段差面３１１には、規則正しく格子状に
配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍ
ｍ］の直方体の凸部３１３が複数等ピッチに形成されて
いる。なお、各凸部３１３は、孔３０５から孔３０８に
至る対角線方向Ｘに対してその凸部３１３の一側面３１
３ａが垂直となるように向きが定められている。

【００８３】こうした構成のセパレータ３００は、前述
したように、アノード２２、電解質膜２１およびカソー
ド２３からなるサンドイッチ構造（接合体）を両側から
挟むようにして燃料電池へ組付けられるが、このときの
アノード２２（カソード２３についても同じ）の位置
は、セパレータ３００の段差面３１１を一回り大きく覆
う位置にある。これにより、セパレータ３００における
燃料ガス給排流路としての孔３０５，３０８は、アノー
ド２２における対角線上の角部に対応する位置に配設さ
れることになる。

【００８４】この凸部３１３と段差面３１１およびアノ
ード２２（図１参照）の表面とで、図中、破線の矢印に
示すように、複数方向に分散するガスの流路を形成す
る。孔３０５，３０８は、段差面３１１と同じ高さの面
上にあり、上記ガスの流路に孔３０５，３０８から燃料
ガスを送っている。これらガスの流路が、燃料ガス流路
に相当することになる。

【００８５】また、セパレータ３００積層面の他方（図
７の裏面）にも、上記段差面３１１および凸部３１３と
同一形状の段差面および凸部（図示せず）が形成されて
いる。この段差面および凸部とカソード２３（図１参
照）の表面とでガスの流路を形成する。このガスの流路
には、上記孔３０６，３０７により形成される酸素含有
ガス給排流路からの酸素含有ガスが供給または排出され
る。こうしたガスの流路が酸素含有ガス流路に相当する
ことになる。なお、セパレータ３００における酸素含有
ガス給排流路としての孔３０６，３０７は、カソード２
３における対角線上の角部に対応する位置にある。

【００８６】上記構成のセパレータ３００は、燃料電池
への組付け時には、段差面３１１が縦方向となるように
配置されるが、その向きは、孔３０５，３０６が上側に
孔３０７，３０８が下側に位置するように定める。従っ
て、セパレータ３００が組付けられた燃料電池１０にお
いては、鉛直下方に対して４５度だけ傾いた斜め下方向
に燃料ガスが送られ、一方、酸素含有ガスは、燃料ガス
の流れの方向に対して垂直で、かつ垂直下方に対して４
５度だけ傾いた斜め下方向に送られる。

【００８７】こうした構成の第４実施例の燃料電池で
は、セパレータ３００に設けられる燃料ガス給排用の孔
３０５，３０６が、アノード２２における対角線上の角
部に対応する位置に設けられており、セパレータ３００
に設けられる酸素含有ガス給排用の孔３０７，３０８
が、カソード２３における対角線上の角部に対応する位
置に設けられていることから、電極における辺の部分に
対応する位置にガス給排口を設けた従来のセパレータを
用いた場合に比較して、セパレータ３００の小型化を図
ることができる。したがって、燃料電池の体積効率の向
上を図ることができる。

【００８８】第５実施例について次に説明する。この第
５実施例は、第１ないし第４実施例と比較して、セパレ
ータの構成が相違し、その他の構成についてはこれら実
施例と同じである。また、この第５実施例のセパレータ
についても、第４実施例とよく似たものであり、次のよ
うな構成を備える。

【００８９】図９は、この第５実施例で用いられるセパ
レータ４００の平面図である。図示するように、このセ
パレータ４００は、第４実施例のセパレータ３００と同
様の格子型のものであり、第４実施例と比較して、凸部
の配列位置だけが相違する。すなわち、図示するよう
に、段差面３１１（第４実施例と同一のパーツには第４
実施例の符号をそのまま利用した）上の複数の凸部４０
２は、孔３０５と孔３０８との間の対角線の方向Ｘに
は、隣接する凸部間の距離が等しくなるように形成さ
れ、一方、上記方向Ｘに対して垂直となる方向Ｙには、
隣接する凸部間の距離が、中心側から外側に至るほど大
きくなるように構成されている。

【００９０】具体的には、方向Ｘにおける凸部間の寸法
ｘ１は、２［ｍｍ］であり、方向Ｙにおける凸部間の寸
法ｙ１，ｙ２，ｙ３，…（ｙ１が最も中心側、添え字の
数字が大きくなる程、外側）は、０．８［ｍｍ］，１．
２［ｍｍ］，１．６［ｍｍ］というように、０．４［ｍ
ｍ］ずつ順に大きな値となっている。なお、この凸部４
０２の配列は、セパレータ３００の表面および裏面とも
同じである。

【００９１】この第５実施例の燃料電池や前述した第４
実施例の燃料電池では、電極面の対角線方向にガス流路
を設けているが、こうした構成では、ガス給排口を結ぶ
対角線付近はガスが流れやすく、対角線から離れた外側
はガスが流れにくくよどみ易いといった問題がある。こ
れに対して、この第５実施例では、凸部間の間隙が、対
角線から離れた外側を対角線付近に比べて大きくなるよ
う構成されていることから、対角線から離れたその外側
部分でもガスを流れやすくすることができる。このた
め、対角線から離れた外側部分におけるガス分圧の低下
を補うように働く。

【００９２】したがって、この第５実施例の燃料電池で
は、ガス流路に沿った電極面の全域において電極反応を
活発化することができることから、電池性能に優れたも
のとなる。

【００９３】第６実施例について次に説明する。この第
６実施例は、第１ないし第５実施例の燃料電池と比較し
て、セパレータの構成が相違し、その他の構成について
はこれら実施例と同じである。

【００９４】図１０は、この第６実施例で用いられるセ
パレータ５００の平面図である。図示するように、この
セパレータ５００は、第１実施例のセパレータと比較し
て、流路溝５０１の形状が相違し、その他の構成につい
ては同一である。なお、図中、第１実施例と同じ部分に
は同一の符号を付けた。

【００９５】燃料ガス側の流路溝５０１は、第１実施例
と同様に、セパレータ５００の孔３１，３３，３５〜３
８が設けられた外縁より内側の表面に設けられ、対角線
に配置された孔３５と孔３８との間に連結される。その
形状は、断面凹状で、１本の流路を複数箇所（図におい
ては４ヶ所）にて屈曲させた蛇行状のものである。な
お、この流路溝５０１は、幅ｗ（例えば６［ｍｍ］）、
深さ（例えば１［ｍｍ］）である。

【００９６】図１１は、流路溝５０１の屈曲部付近を拡
大して表わす説明図である。図示するように、この流路
溝５０１の屈曲部は、半円状に湾曲した形状をしてお
り、その曲げの半径は、流路溝５０１の内側壁面の部分
でｒ（例えば２［ｍｍ］）である。なお、流路溝５０１
の外側壁面の曲げの半径は、上記内側壁面の曲げの半径
ｒに、流路溝５０１の幅ｗを加えた大きさとなる。

【００９７】なお、セパレータ５００の積層面の他方
（図１０の裏面）にも、流路溝５０１と同一形状の流路
溝（図示せず）が形成されている。この流路溝は孔３６
と孔３７とに連結されて酸素含有ガスの流路溝を形成す
る。

【００９８】以上詳述したように、この第６実施例の燃
料電池に備えられるセパレータ５００では、流路溝５０
１の外側壁面が半円状となっていることから、燃料ガス
はこの外側壁面に沿って流れ、その流れの内側では流れ
の剥離を遅らせることができる。このため、従来鍵状の
流路溝で発生した内側死水領域Ａ２（図２７参照）は減
少し、また、外側死水領域Ａ１（図２７参照）はなくす
ことができるため、全体として燃料ガスのよどみ量を減
少することができる。また、セパレータ５００の酸素含
有ガス側の流路溝も同様な形状を備えていることから、
酸素含有ガスについてもよどみ量を減少することができ
る。

【００９９】したがって、この第６実施例の燃料電池に
よれば、ガス流路における供給ガスのよどみの発生量を
減らして、電極面の全域において電極反応を活発化する
ことができることから、優れた電池性能を発揮する。

【０１００】特に、酸素含有ガス側の流路溝では、カソ
ード２３側で発生する生成水が水滴としてよどむことが
あると、流路閉塞による電池性能低下をもたらすが、こ
の実施例によれば、水滴のよどみを減らすことができる
ことから、流路閉塞による電池性能の低下を防止するこ
とができる。

【０１０１】次に、第６実施例の変形例を第７実施例と
して説明する。図１２は、この第７実施例で用いられる
セパレータ６００の平面図であり、図１３は、セパレー
タ６００に形成される流路溝６０１の屈曲部付近を拡大
して表わす説明図である。第６実施例のセパレータ５０
０では、流路溝５０１の屈曲部において、内側壁面およ
び外側壁面共に半円形状となっていたが、これに替え
て、この第７実施例のセパレータ６００は、図示するよ
うに、半円形状の内側壁面に湾入部６０３を形成した構
成となっている。

【０１０２】湾入部６０３は、第６実施例のセパレータ
５００の内側壁面と同じ半円状の壁面において、流路溝
の内側に入り込んだ凹み形状を有している。なお、この
湾入部６０３の形状は、同一サイズの流路溝を図２７の
ように鍵状に折り返したときに所望の流量で発生するだ
ろう内側死水領域を予め試験的に求めて、その内側死水
領域の形状と一致するように設計されている。

【０１０３】この流路溝５０１は燃料ガス用の流路溝で
あるが、セパレータ６００の積層面の他方に形成される
流路溝についても流路溝５０１と同じ形状である。

【０１０４】こうした構成の第７実施例のセパレータに
よれば、屈曲部に生じる外側死水領域と内側死水領域と
を、半円形状とした外側壁面と湾入部５０３を備える内
側壁面とによりほぼ無くすことができる。このため、ガ
ス流路によどむ供給ガスを大幅に減らすことができる。
したがって、この第７実施例の燃料電池によれば、電極
面の全域において電極反応をより活発化することができ
ることから、より一層優れた電池性能を発揮する。ま
た、生成水による水滴のよどみも無くすことができるこ
とから流路閉塞による電池性能の低下を完全に防止する
ことができる。

【０１０５】次に、この発明の第８実施例について説明
する。この第８実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料
電池１０と同じ固体高分子型のものではあるが、詳細に
は、燃料電池の設計仕様を変更することにより、酸素含
有ガス流路におけるガス流量の変化のパターンを所望の
ものに変えている。その上で、そのガス流量の変化のパ
ターンに応じて、酸素含有ガス流路の形状に特徴をもた
せた構成となっている。

【０１０６】ここでは、固体高分子型の燃料電池におい
て、酸素含有ガス流路におけるガス流量の変化のとり得
るパターンについてまず説明する。酸素含有ガス流路に
おけるガス流量とは、酸素含有ガス流路の入口部から出
口部にかけての各部位における、酸素含有ガスとカソー
ド２３側で発生する生成水からの水蒸気との総和のガス
量（以下、このガス量を「トータルガス量」と呼ぶ）を
いい、その変化のパターンは、図１４に示す３通りがあ
る。

【０１０７】 図１４の（ａ）に示すように、ガス流
路の入口部から出口部にかけて、トータルガス量が単調
に減少するもの。 図１４の（ｂ）に示すように、入口部から出口部ま
でのいずれかの部位にて、トータルガス量が極大となる
もの。即ち、入口部からガス出口部までの範囲で、トー
タルガス量が増加、極大、減少と順に変化するもの。 図１４の（ｃ）に示すように、入口部から出口部に
かけて、トータルガス量が単調に増加するもの。

【０１０８】上記〜に示した変化パターンは、燃料
電池の設計仕様によっていずれに該当するかが決まって
くる。その変化パターンを決定するパラメータについて
次に説明する。

【０１０９】カソード側の入口部を０、ガ出口部を１と
したときの任意の位置を変数ｘ（０≦ｘ≦１）とする
と、ｘでの空気流量ＱA（ｘ） 、加湿水量（カソード入
口の酸素含有ガスに含まれる水分量）ＷH 、０〜ｘでの
生成水量ＷG（ｘ） 、ｘでの飽和水蒸気量ＷS（ｘ）
は、以下のように表わされる。

【０１１０】

【数２】

【０１１１】ここで、ｘでの水分量を考えてみると、加
湿水量ＷH と生成水量ＷG（ｘ） の総量が飽和水蒸気量
ＷS（ｘ） を越えないとき、すなわち、ＷH ＋ＷG
（ｘ） ＜ＷS（ｘ） のとき、ｘでの水蒸気量はＷH ＋
ＷG（ｘ） となり、トータルガス量ＱT（ｘ） は次式
（３）にて表わされる。

【０１１２】

【数３】

【０１１３】一方、ｘでの水分量である加湿水量ＷH と
生成水量ＷG（ｘ） の総量が飽和水蒸気量ＷS（ｘ） 以
上となったとき、すなわち、ＷH ＋ＷG（ｘ） ≧ＷS
（ｘ）のとき、ｘでの水蒸気量はＷS（ｘ） となり、ト
ータルガス量ＱT（ｘ） は次式（４）にて表わされる。

【０１１４】

【数４】

【０１１５】式（３），（４）によれば、加湿水量ＷH
と生成水量ＷG（ｘ） の総量が飽和水蒸気量ＷS（ｘ）
に達すると、トータルガス量ＱT（ｘ） のうちの水分量
が極大に制限されることがわかる。また、詳細には次の
ことがわかる。

【０１１６】（i） カソードに飽和水蒸気相当の水分を
含んだ酸素含有ガスを供給した場合、すなわち、ｘ＝０
で、ＷH ＋ＷG（ｘ） ≧ＷS（ｘ） の場合には、空気流
量ＱA （ｘ）がカソード電極面に沿って消費されていく
ことから、入口から出口にかけてカソードのトータルガ
ス量ＱT（ｘ） は単調に減少する。これが、図１４の
（ａ）に示した前述したの状態に該当する。

【０１１７】（ii）０＜ｘ＜１の範囲で酸素含有ガスが
飽和水蒸気量に達する場合、すなわち、０＜ｘ＜１の範
囲で、ＷH ＋ＷG（ｘ） ＝ＷS（ｘ） なるｘａが存在す
る場合、そのｘａに至るまでは、カソード電極面での生
成水量ＷG（ｘ） と空気流量ＱA（ｘ） の消費分との差
し引き分だけトータルガス量ＱT（ｘ） は単調に増加
し、そのｘａでは、トータルガス量ＱT（ｘ） は極大と
なり、ｘａを越えてからは、生成水量ＷG（ｘ） は空気
流量ＱA（ｘ） の消費分だけの影響を受けてトータルガ
ス量は単調に減少する。これが、図１４の（ｂ）に示し
た前述したの状態に該当する。

【０１１８】（iii） ガス出口でも飽和水蒸気量に達し
ていない場合、即ち、ｘ＝１で、ＷH ＋ＷG（ｘ）＜ＷS
（ｘ） の場合には、カソード電極面での生成水量ＷG
（ｘ）と空気流量ＱA（ｘ） の消費分との差し引き分だ
けガス量は減少して、入口部から出口部にかけて、カソ
ードのトータルガス量ＱT（ｘ） は単調に増加する。こ
れが、図１４の（ｃ）に示した前述したの状態に該当
する。

【０１１９】この第８実施例の燃料電池においては、加
湿水量ＷH を決定する図示しない加湿装置の制御パラメ
ータや、生成水量ＷG（ｘ） を決定する電流密度等のパ
ラメータ等を、予め設計の段階において規定すること
で、酸素含有ガス流路における酸素含有ガスとそれに含
まれた水蒸気とのトータルガス量ＱT（ｘ） が前記の
状態で変化するように構成されている。その上で、この
燃料電池に備えられるセパレータは次のように構成され
ている。

【０１２０】図１５は、この第８実施例の燃料電池に備
えられるセパレータ７００の概略構成を示す説明図であ
る。図示するように、セパレータ７００の表面には、直
線状のリブ列７０１が複数等ピッチに配列されており、
これにより直線状に延びた酸素含有ガス流路７０３が形
成される。

【０１２１】酸素含有ガス流路７０３の流路底面７０５
は、平坦ではなく、入口部ＩＮからガスの流れ方向（図
中、矢印方向）に沿って下り坂となり、入口部ＩＮから
の距離が所定の距離に達した位置で上り坂に変わって出
口部ＯＴに達する。すなわち、この酸素含有ガス流路７
０３においては、入口部ＩＮからガスの流れ方向に沿っ
てその深さは単調に増大しており、入口部ＩＮから所定
の距離だけ侵入した位置で最深部ＰＴとなり、その最深
部ＰＴから出口部ＯＴでその深さは単調に減少してい
る。なお、最深部ＰＴの位置は、酸素含有ガス流路７０
３においてトータルガス量ＱT（ｘ） が極大となる部位
に相当し、その位置と最深部ＰＴの深さを含めた流路の
形状は、先に説明した図１４の（ｂ）に示したトータル
ガス量ＱT（ｘ） の変化曲線に対応したものとなってい
る。すなわち、酸素含有ガス流路７０３は、リブ列７０
１および流路底面７０５から定まる流路断面積をトータ
ルガス量ＱT（ｘ）の変化曲線に比例させるような形状
となっている。

【０１２２】図１５では、セパレータ７００においての
酸素含有ガス流路７０３だけを示しており、裏面側に設
けられる燃料ガス流路はもとより、酸素含有ガス用の給
排口、燃料ガス用の給排口および冷却水用の給排口につ
いては図示を省略してある。

【０１２３】以上詳述したように、この第８実施例の燃
料電池では、酸素含有ガス流路途中においてトータルガ
ス量ＱT（ｘ）が極大となるよう構成されており、その
上で、その酸素含有ガス流路７０３の深さを変えること
で、そのトータルガス量ＱT（ｘ） に比例して流路断面
積が変わるように構成されている。このため、酸素含有
ガス流路７０３におけるガス分圧は均一なものとなる。

【０１２４】したがって、この第８実施例の燃料電池で
は、酸素含有ガス流路７０３に沿ったカソード面の全域
において電極反応を活発化することができ、その結果、
電池性能を高めることができる。

【０１２５】次に、この第８実施例のいくつかの変形例
について説明する。第８実施例の燃料電池では、ストレ
ート型の酸素含有ガス流路を採用していたが、この第１
の変形例では、ストレート型のものに換えて、サーペン
タイン型の酸素含有ガス流路を採用している。図１６
は、この第１の変形例の燃料電池に備えられるセパレー
タ８００の概略構成を示す説明図である。図示するよう
に、セパレータ８００の表面には、鍵状のリブ列８０１
が複数配列されており、これにより、一定の溝幅をもつ
蛇行状の酸素含有ガス流路８０３が形成されている。

【０１２６】上記酸素含有ガス流路８０３は、入口部Ｉ
Ｎからガスの流れ方向（図中、矢印方向）に沿ってその
深さは単調に増大しており、入口部ＩＮから所定の距離
だけ侵入した位置で最深部ＰＴとなり、その最深部ＰＴ
からガス出口ＯＴまでその深さは単調に減少している。
なお、最深部ＰＴの深さと位置を含めた流路の形状は、
先に説明した図１４の（ｂ）に示したトータルガス量Ｑ
T（ｘ） の変化曲線に対応したものとなっている。すな
わち、リブ列８０１とその流路底面から定まる流路断面
積をトータルガス量ＱT（ｘ） の変化曲線に比例させる
ような形状となっている。なお、酸素含有ガス流路以外
のその他の構成については第８実施例と同一である。

【０１２７】以上詳述したように、この第１の変形例の
燃料電池では、サーペンタイン型の酸素含有ガス流路の
途中においてトータルガス量が極大となるよう構成され
ており、その上で、その酸素含有ガス流路８０３の深さ
を変えることで、そのトータルガス量ＱT（ｘ）に比例
して流路断面積が変わるように構成されている。このた
め、酸素含有ガス流路におけるガス分圧は均一なものと
なる。

【０１２８】したがって、この第１の変形例の燃料電池
では、第８実施例と同様に、酸素含有ガス流路８０３に
沿ったカソード面の全域において電極反応を活発化する
ことができることから、電池性能を高めることができ
る。

【０１２９】次に、第８実施例の第２の変形例について
説明する。この第２の変形例の燃料電池は、第１の変形
例と比較して、酸素含有ガス流路の形状が相違し、その
他の構成については同一である。第１の変形例では、サ
ーペンタイン型の酸素含有ガスにおいて深さに変化を持
たせることにより、流路断面積を変えていたが、これに
替えて、この第２の変形例では、同じくサーペンタイン
型の酸素含有ガスにおいて流路幅に変化を待たせること
により、流路断面積を変える構成としている。

【０１３０】図１７は、この第２の変形例の燃料電池に
備えられるセパレータ９００の概略構成を示す説明図で
ある。図示するように、セパレータ９００の表面に形成
された酸素含有ガス流路９０３は、一定の深さをもつ蛇
行状のもので、入口部ＩＮから所定の距離だけ進んだ位
置ＰＴ（図中、×で示した部位）を含む直線部分が最も
広い流路幅を備え、その部分から離れた直線部分ほど狭
い流路幅を備える。なお、この第２の変形例の燃料電池
では、第１の変形例と同様に、酸素含有ガス流路の途中
においてトータルガス量ＱT（ｘ） が極大となるように
構成されており、しかも、その極大となる点が上記位置
Ｐに相当している。

【０１３１】こうした構成の第２の変形例では、サーペ
ンタイン型の酸素含有ガス流路途中においてトータルガ
ス量ＱT（ｘ） が極大となるよう構成されており、その
上で、その極大となる部位を少なくとも含む所定の流路
範囲において、流路幅が最大となるように構成されてい
る。このため、酸素含有ガス流路途中において酸素含有
ガスと該酸素含有ガスに含まれる水蒸気との総量が極大
となっても、その総量に応じて流路断面積が最大となっ
ていることから、ガス流路におけるガス分圧は不均一と
ならない。

【０１３２】したがって、この第２の変形例の燃料電池
では、酸素含有ガス流路８０３に沿ったカソード面にお
いて電極反応を活発化することができることから、電池
性能を高めることができる。

【０１３３】なお、この第２の変形例では、サーペンタ
イン型の流路の直線となった部分を単位として流路幅の
変更を行なっていたが、これに替えて、第１の変形例の
流路の深さと同様に、流路幅を酸素含有ガス流路の入口
部ＩＮからの距離が離れるにつれて流路幅が徐々に増大
し、位置ＰＴで極大をとり、その後、流路幅が徐々に減
少する構成としてもよい。この構成によれば、トータル
ガス量ＱT（ｘ） の変化に比例して流路幅を変えること
ができることから、酸素含有ガス有路におけるガス分圧
をより一層均一化することができる。

【０１３４】この第２の変形例では、酸素含有ガス流路
におけるトータルガス量ＱT （ｘ）が極大となる位置Ｐ
Ｔにおいて、流路幅が最大となるように構成されている
が、これに替えて、第３の変形例として次のような構成
としてもよい。この第３の変形例のセパレータ１０００
は、図１８に示すように、流路幅は一定の状態で（流路
の深さも一定）、その位置ＰＴを含む直線部分において
流路の本数が最大となり（図においては、３本）、その
位置ＰＴから離れる直線部分ほど流路の本数が少なくな
る（２本、１本と順に少なくなる）ように構成されてい
る。

【０１３５】この第３の変形例によっても、上述した第
８実施例および各種変形例と同様に、酸素含有ガス流路
に沿ったカソード面の全域において電極反応を活発化す
ることができることから、電池性能を高めることができ
る。

【０１３６】次に、第８実施例の第４の変形例について
説明する。図１９は、第４の変形例の燃料電池に備えら
れるセパレータ１１００の概略構成を示す説明図であ
る。図示するように、このセパレータ１１００は、複数
の凸部１１０１を備え、その凸部間の隙間により酸素含
有ガス流路１１０３を構成した、いわゆる格子型タイプ
のものである。このセパレータ１１００は、カソードに
おける対向する１組の辺の部分に対応する位置に酸素含
有ガスの給排口（図示せず）が設けられており、図中、
矢印の方向に酸素含有ガスを流している。

【０１３７】酸素含有ガス流路１１０３の流路底面１１
０５は、入口部ＩＮからガスの流れ方向に沿って下り坂
となり、入口部ＩＮからの距離が所定の距離に達した位
置で上り坂に変わって出口部ＯＴに達する。すなわち、
この酸素含有ガス流路１１０３においては、入口部ＩＮ
からガスの流れ方向に沿ってその深さは単調に増大して
おり、入口部ＩＮから所定の距離だけ侵入した位置で最
深部ＰＴとなり、その最深部ＰＴから出口部ＯＴまでそ
の深さは単調に減少している。なお、この最深部ＰＴの
位置は、酸素含有ガス流路１１０３においてトータルガ
ス量ＱT（ｘ）が極大となる部位に相当し、その流路底
面１１０５の形状は、先に説明した図１４の（ｂ）に示
したトータルガス量ＱT（ｘ） の変化曲線に対応したも
のとなっている。

【０１３８】こうして構成された第４の変形例のセパレ
ータ１１００では、複数の凸部の配列により形成した酸
素含有ガス流路１１０３の途中において、トータルガス
量ＱT（ｘ） が極大となるよう構成されており、その上
で、その酸素含有ガス流路８０３の深さを変えること
で、そのトータルガス量ＱT（ｘ） に比例して流路断面
積が変わるように構成されている。このため、酸素含有
ガス流路におけるガス分圧は均一なものとなる。

【０１３９】したがって、この第４の変形例の燃料電池
では、上述した第８実施例および各種変形例と同様に、
酸素含有ガス流路８０３に沿ったカソード面の全域にお
いて電極反応を活発化することができることから、電池
性能を高めることができる。

【０１４０】次に、第８実施例の第５の変形例について
説明する。図２０は、第５の変形例の燃料電池に備えら
れるセパレータ１２００の概略的な平面を示す説明図で
ある。図示するように、このセパレータ１２００は、凸
部１２０１を複数配列した格子型のもので、前述した第
４実施例と同様に、矩形の流路底面１２０３の対角線上
の角部に酸素含有ガス給排口１２０５，１２０７を備え
ることで、流路底面の対角線方向に酸素含有ガスが流れ
るように構成されている。その上で、この第５の変形例
のセパレータ１２００は、凸部１２０１の一辺の寸法ｓ
および隣接する凸部間の距離ｄが、第４実施例のように
一定ではなく、酸素含有ガスの流れ方向の位置によって
は異なる大きさをとるように構成されている。

【０１４１】この第５の変形例では、凸部１２０１の一
辺の寸法ｓおよび凸部間の距離ｄが酸素含有ガスの流れ
方向の位置に応じた所望の大きさに規定されており、そ
の結果、上記酸素含有ガスの流れ方向に対して垂直な方
向ｖの流路断面積（ｖ方向の一直線状に並ぶ複数の凸部
間の距離ｄの総和）が、入口部ＩＮ側からス出口部ＯＴ
に至る範囲において、増加、最大、減少と順に変化する
構成となっている。なお、この流路断面積が最大となる
位置は、前述したトータルガス量ＱT（ｘ） が極大とな
る部位に相当し、さらには、流路断面積の増加、減少の
変化率は、先に説明した図１４の（ｂ）に示したトータ
ルガス量ＱT （ｘ）の変化曲線に対応したものとなって
いる。

【０１４２】こうした構成の第５の変形例のセパレータ
１１００では、前述した第４の変形例と同様に、トータ
ルガス量ＱT（ｘ） に比例して流路断面積が変わる。こ
のため、酸素含有ガス流路におけるガス分圧は均一なも
のとなる。したがって、この第４の変形例の燃料電池で
は、上述した第８実施例および各種変形例と同様に、酸
素含有ガス流路８０３に沿ったカソード面の全域におい
て電極反応を活発化することができることから、電池性
能を高めることができる。

【０１４３】次に、第９実施例について説明する。図２
１は、この第９実施例の燃料電池に備えられるセパレー
タ１３００の概略構成を示す説明図である。図示するよ
うに、この第９実施例の燃料電池は、第８実施例の第２
の変形例とほぼ同一の構成を備え、次の点のみが相違す
る。この第９実施例では、酸素含有ガス流路１３０３に
おいて、トータルガス量ＱT（ｘ） が極大となる部位Ｐ
Ｔ（第８実施例の第２の変形例で既に説明済み）より下
流側の溝凹部表面（図中ハッチング部分）に親水処理が
施されている。

【０１４４】具体的には、この溝凹部表面を親水処理す
る方法としては、溝凹部表面に親水性物質（例えばポリ
アクリルアミド等）を塗布するという方法が採用されて
いる。このようにして親水化した部分では、生成水は親
水性の表面を伝ってガス流路から排出され易くなる。一
般に、酸素含有ガス流路においては、トータルガス量Ｑ
T（ｘ） が極大となった部位以降で液体水が生成される
が、この実施例では、その極大となった部位ＰＴ以降に
親水処理が施されていることから、少ない親水性物質で
有効に生成水を排水することができる。

【０１４５】次に、この発明の第１０実施例について説
明する。前述してきた第８実施例、第８実施例の変形例
および第９実施例では、酸素含有ガス流路途中において
トータルガス量ＱT（ｘ） が極大となるよう構成されて
いたが、これに対して、この第１０実施例では、燃料電
池の設計仕様を所定のものに規定することで、酸素含有
ガス流路の入口部において、トータルガス量ＱT（ｘ）
が最大となるよう構成されている。その上で、酸素含有
ガス流路が次のように構成されている。

【０１４６】図２２は、第１０実施例の燃料電池に備え
られるセパレータ１４００の概略的な平面を示す説明図
である。図示するように、このセパレータ１４００は、
第８実施例の第５の変形例（図２０）のセパレータ１２
００と同様に、複数の凸部１４０１を備えつつ、酸素含
有ガス給排口１４０５，１４０７によって流路底面１４
０３の対角線方向に酸素含有ガスが流れるように構成さ
れている。その上で、このセパレータ１４００は、凸部
１４０１の一辺の寸法ｓおよび隣接する凸部間の距離ｄ
が、酸素含有ガスの流れ方向の位置によって異なる大き
さをとるように構成されている。

【０１４７】この第１０実施例では、凸部１４０１の一
辺の寸法ｓおよび凸部間の距離ｄが酸素含有ガスの流れ
方向の位置に応じた所望の大きさに規定されており、そ
の結果、上記酸素含有ガスの流れ方向に対して垂直な方
向ｖの流路断面積（ｖ方向の一直線状に並ぶ複数の凸部
間の距離ｄの総和）が、入口部ＩＮにおいて最大となる
構成となっている。なお、この流路断面積は、入口部Ｉ
Ｎから出口部ＯＴに向かって単調に減少しており、その
減少率は、先に説明した図１４の（ａ）に示したトータ
ルガス量ＱT （ｘ）の変化曲線に対応したものとなって
いる。

【０１４８】したがって、こうした構成の第１０実施例
のセパレータ１４００では、酸素含有ガス流路におい
て、トータルガス量ＱT（ｘ） の減少に比例して流路断
面積は、入口部ＩＮから出口部ＯＴに向かって単調に減
少する。このため、酸素含有ガス流路におけるガス分圧
は均一なものとなる。したがって、この第１０実施例の
燃料電池では、酸素含有ガス流路に沿ったカソード面の
全域において電極反応を活発化することができることか
ら、電池性能を高めることができる。

【０１４９】次に、この発明の第１１実施例について説
明する。前述してきた第１０実施例では、酸素含有ガス
流路におけるトータルガス量ＱT（ｘ） が入口部から出
口部に向かって単調に減少する燃料電池の構成であった
が、この第１１実施例では、燃料電池の設計仕様を所定
のものに規定することで、トータルガス量ＱT （ｘ）が
入口部から出口部に向かって単調に増加して、酸素含有
ガス流路の出口部において最大となるよう構成されてい
る。その上で、酸素含有ガス流路が次のように構成され
ている。

【０１５０】図２３は、第１１実施例の燃料電池に備え
られるセパレータ１５００の概略的な平面を示す説明図
である。図示するように、このセパレータ１５００は、
第１０実施例のセパレータ１４００と同様に、複数の凸
部１５０１を備えつつ、酸素含有ガス給排口１５０５，
１５０７によって流路底面１５０３の対角線方向に酸素
含有ガスが流れるように構成されている。その上で、こ
のセパレータ１５００は、凸部１５０１の一辺の寸法ｓ
および隣接する凸部間の距離ｄが、酸素含有ガスの流れ
方向の位置によって異なる大きさをとるように構成され
ている。

【０１５１】この第１１実施例では、凸部１５０１の一
辺の寸法ｓおよび凸部間の距離ｄが酸素含有ガスの流れ
方向の位置に応じた所望の大きさに規定されており、そ
の結果、上記酸素含有ガスの流れ方向に対して垂直な方
向ｖの流路断面積（ｖ方向の一直線状に並ぶ複数の凸部
間の距離ｄの総和）が、ガス出口ＯＴにおいて最大とな
る構成となっている。なお、この流路断面積は、ガス入
口ＩＮからガス出口ＯＴに向かって単調に増大してお
り、その増大少率は、先に説明した図１４の（ｃ）に示
したトータルガス量ＱT （ｘ）の変化曲線に対応したも
のとなっている。

【０１５２】したがって、こうした構成の第１１実施例
のセパレータ１５００では、酸素含有ガス流路におい
て、トータルガス量ＱT（ｘ） の変化に比例して流路断
面積は、入口部ＩＮから出口部ＯＴに向かって単調に減
少する。このため、酸素含有ガス流路におけるガス分圧
は均一なものとなる。したがって、この第１１実施例の
燃料電池では、第１０実施例と同様に酸素含有ガス流路
に沿ったカソード面の全域において電極反応を活発化す
ることができることから、電池性能を高めることができ
る。

【０１５３】次に、この発明の第１２実施例について説
明する。この第１２実施例の燃料電池に用いられるセパ
レータは、第７実施例と同様な屈曲部の形状を備えるサ
ーペンタイン型のものである。図２４は、第１２実施例
で用いられるセパレータ１６００の概略的な平面を示す
説明図である。図示するように、セパレータ１６００に
は、酸素含有ガス給排用の孔１６０１，１６０２の間に
接続された断面凹状の１本の酸素含有ガス流路１６０３
が形成されている。

【０１５４】この酸素含有ガス流路１６０３は、複数箇
所（図においては３ヶ所）で屈曲する蛇行形状を有して
おり、その屈曲部１６０５は、第７実施例と同じ形状の
湾入部１６０７が形成されている。その上で、この実施
例では、湾入部１６０７（１６０７ａ〜１６０７ｃ）の
大きさが、酸素含有ガス流路１６０３の部位によって異
なるように構成されている。

【０１５５】燃料電池は、その設計仕様によって、酸素
含有ガス流路におけるトータルガス量ＱT （Ｘ）の変化
パターンが変わることは先に説明したが、この実施例の
燃料電池は、酸素含有ガス流路１６０３において、入口
部ＩＮから出口部ＯＴに向かってトータルガス量ＱT
（Ｘ）が単調減少する（図１４（ａ）参照）ような仕様
となっている。翻って、このセパレータ１６００では、
そのトータルガス量ＱT（Ｘ）の減少に比例して、湾入
部１６０７の大きさが、入口部ＩＮから出口部ＯＴに至
るにつれて次第に小さなものとなっている。すなわち、
入口部ＩＮに最も近い側の屈曲部１６０５にある湾入部
１６０７ａが最も大きく、入口部ＩＮと出口部ＯＴとの
中間にある屈曲部１６０５にある湾入部１６０７ｂが弱
冠小さく、出口部ＯＴに最も近い側の屈曲部１６０５に
ある湾入部１６０７ｃが最も小さなものとなっている。

【０１５６】一般に、ガス流路において、ガス流速が小
さくなると、先に説明した死水領域の大きさが小さくな
るが、上記構成の第１２実施例のセパレータ１６００で
は、トータルガス量ＱT （Ｘ）の減少に比例して湾入部
１６０７の大きさが小さくなっていることから、ガス流
速から発生するだろう死水領域の大きさに湾入部１６０
７の大きさが合わされることになる。

【０１５７】したがって、この第１２実施例の燃料電池
では、サーペンタイン型の酸素含有ガス流路１６０３に
おける酸素含有ガスのよどみの発生量を減らして、カソ
ード面の全域において電極反応を活発化することができ
ることから、燃料電池の電池性能を高めることができ
る。

【０１５８】次に、この発明の第１３実施例について説
明する。図２５は、第１３実施例で用いられるセパレー
タ１７００の概略的な平面を示す説明図である。上述し
た第１２実施例のセパレータ１６００では、酸素含有ガ
ス流路１６０３の屈曲部１６０５に形成される湾入部１
６０７の大きさが、酸素含有ガス流路１６０３の入口部
ＩＮから出口部ＯＴにかけて次第に大きくなるように構
成されていたが、これに替えて、この第１３実施例のセ
パレータ１７００では、酸素含有ガス流路１７０３の屈
曲部１７０５に形成される湾入部１７０７（１７０７ａ
〜１７０７ｃ）の大きさが、入口部ＩＮから出口部ＯＴ
までの範囲の途中、この実施例では、第２番目の屈曲部
１７０７ｂにおいて極大となるように構成されている。

【０１５９】一方、この第１３実施例の燃料電池では、
設計仕様を所定のものに規定することで、酸素含有ガス
流路１７０３の入口部ＩＮから出口部ＯＴまでの範囲に
おいて、トータルガス量ＱT （Ｘ）が増加、極大、減少
と順に変化する（図１４（ｃ）参照）ように構成されて
いる。上記酸素含有ガス流路１７０３における各湾入部
１７０７の大きさは、酸素含有ガス流路１７０３におけ
る各位置のトータルガス量ＱT （Ｘ）の大きさに比例す
るものとなっている。

【０１６０】したがって、この第１３実施例のセパレー
タ１７００では、酸素含有ガス流路における各位置のト
ータルガス量ＱT （Ｘ）が、増加、極大、減少と順に変
化するような燃料電池において、そのトータルガス量Ｑ
T （Ｘ）の変化に比例して湾入部１７０７の大きさが変
えられていることから、ガス流速の強さに比例して発生
するだろう死水領域の大きさに湾入部１７０７の大きさ
が合わされる。

【０１６１】この結果、この第１３実施例では、酸素含
有ガス流路１７０３の中途でトータルガス量ＱT （Ｘ）
が極大となるように設計された燃料電池において、その
酸素含有ガス流路１７０３における酸素含有ガスのよど
みの発生量を減らして、カソード面の全域において電極
反応を活発化することができることから、燃料電池の電
池性能を高めることができる。

【０１６２】次に、この発明の第１４実施例について説
明する。図２６は、第１４実施例で用いられるセパレー
タ１８００の概略的な平面を示す説明図である。上述し
た第１２実施例のセパレータ１６００では、酸素含有ガ
ス流路１６０３の屈曲部１６０５に形成される湾入部１
６０７の大きさが、酸素含有ガス流路１６０３の入口部
ＩＮから出口部ＯＴにかけて次第に大きくなるように構
成されていたが、これに替えて、この第１４実施例のセ
パレータ１８００では、酸素含有ガス流路１８０３の屈
曲部１８０５に形成される湾入部１８０７（１８０７ａ
〜１８０７ｃ）の大きさが、入口部ＩＮから出口部ＯＴ
にかけて次第に小さくなるように構成されている。すな
わち、入口部ＩＮに最も近い側の屈曲部１８０５にある
湾入部１８０７ａが最も小さく、入口部ＩＮと出口部Ｏ
Ｔとの中間にある屈曲部１８０５にある湾入部１８０７
ｂが弱冠大きく、出口部ＯＴに最も近い側の屈曲部１８
０５にある湾入部１８０７ｃが最も大きなものとなって
いる。

【０１６３】一方、この第１４実施例の燃料電池では、
設計仕様を所定のものに規定することで、酸素含有ガス
流路１８０３の入口部ＩＮから出口部ＯＴに向かってト
ータルガス量ＱT （Ｘ）が単調増加する（図１４（ｃ）
参照）ように構成されている。この上記酸素含有ガス流
路１８０３における各湾入部１８０７の大きさは、酸素
含有ガス流路１８０３における各位置のトータルガス量
ＱT （Ｘ）の大きさに比例するものとなっている。

【０１６４】したがって、この第１４実施例のセパレー
タ１８００では、酸素含有ガス流路における各位置のト
ータルガス量ＱT （Ｘ）が単調増加するような燃料電池
において、そのトータルガス量ＱT （Ｘ）の変化に比例
して湾入部１８０７の大きさが変えられていることか
ら、ガス流速の強さに比例して発生するだろう死水領域
の大きさに湾入部１８０７の大きさが合わされる。

【０１６５】この結果、この第１４実施例では、酸素含
有ガス流路１８０における各位置のトータルガス量ＱT
（Ｘ）が単調増加するように設計された燃料電池におい
て、その酸素含有ガス流路１８０３における酸素含有ガ
スのよどみの発生量を減らして、カソード面の全域にお
いて電極反応を活発化することができることから、燃料
電池の電池性能を高めることができる。

【０１６６】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である燃料電池１０を構成
する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図である。

【図２】燃料電池１０で用いられるセパレータ２４の平
面図である。

【図３】セパレータ２４における図２のＡ−Ａ′線で破
断した断面図である。

【図４】第２実施例で用いられるセパレータ１００の平
面図である。

【図５】セパレータ１００の積層面の他方（図４の裏
面）の平面図である。

【図６】第３実施例で用いられるセパレータ２００の平
面図である。

【図７】第４実施例で用いられるセパレータ３００の平
面図である。

【図８】セパレータ３００の一部破断斜視図である。

【図９】第５実施例で用いられるセパレータ４００の平
面図である。

【図１０】第６実施例で用いられるセパレータ５００の
平面図である。

【図１１】セパレータ５００に形成される流路溝５０１
の屈曲部付近を拡大して表わす説明図である。

【図１２】第７実施例で用いられるセパレータ６００の
平面図である。

【図１３】セパレータ６００に形成される流路溝６０１
の屈曲部付近を拡大して表わす説明図である。

【図１４】酸素含有ガス流路の入口部から出口部にかけ
てのトータルガス量の変化を３通りのパターンにて示す
説明図である。

【図１５】第８実施例の燃料電池に備えられるセパレー
タ７００の概略構成を示す説明図である。

【図１６】第８実施例の第１の変形例の燃料電池に備え
られるセパレータ８００の概略構成を示す説明図であ
る。

【図１７】第８実施例の第２の変形例の燃料電池に備え
られるセパレータ９００の概略構成を示す説明図であ
る。

【図１８】第８実施例の第３の変形例の燃料電池に備え
られるセパレータ１０００の概略的な平面を示す説明図
である。

【図１９】第８実施例の第４の変形例の燃料電池に備え
られるセパレータ１１００の概略構成を示す説明図であ
る。

【図２０】第８実施例の第５の変形例の燃料電池に備え
られるセパレータ１２００の概略的な平面を示す説明図
である。

【図２１】第９実施例の燃料電池に備えられるセパレー
タ１３００の概略構成を示す斜視図である。

【図２２】第１０実施例の燃料電池に備えられるセパレ
ータ１４００の概略的な平面を示す説明図である。

【図２３】第１１実施例の燃料電池に備えられるセパレ
ータ１５００のの概略的な平面を示す説明図である。

【図２４】第１２実施例で用いられるセパレータ１６０
０の概略的な平面を示す説明図である。

【図２５】第１３実施例で用いられるセパレータ１７０
０の概略的な平面を示す説明図である。

【図２６】第１４実施例で用いられるセパレータ１８０
０の概略的な平面を示す説明図である。

【図２７】サーペンタイン型のセパレータにおける死水
領域を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…固体高分子型燃料電池 ２０…単セル ２１…電解質膜 ２２…アノード ２３…カソード ２４，２５…セパレータ ２４Ｐ…燃料ガス流路 ２５Ｐ…酸素含有ガス流路 ３１，３３，３５，３６，３７，３８…孔 ４１，４３…流路溝 １００…セパレータ １０１，１０３，１０５〜１０８…孔 １０９…丸孔 ２００…セパレータ ２０１，２０３，２０５，２０７…孔 ２０９，２１１…丸孔 ２２１…流路溝 ３００…セパレータ ３０１，３０３，３０５〜３０８…孔 ３０５…セパレータ ３１１…段差面 ３１３…凸部 ４００…セパレータ ４０２…凸部 ５００…セパレータ ５０１…流路溝 ５０３…湾入部 ６００…セパレータ ６０１…流路溝 ６０３…湾入部 ７００…セパレータ ７０１…リブ列 ７０３…酸素含有ガス流路 ７０５…流路底面 ８００…セパレータ ８０１…リブ列 ８０３…酸素含有ガス流路 ９００…セパレータ ９０３…酸素含有ガス流路 １０００…セパレータ １１００…セパレータ １１０１…凸部 １１０３…酸素含有ガス流路 １１０５…流路底面 １２００…セパレータ １２０１…凸部 １２０３…流路底面 １２０５，１２０７…酸素含有ガス給排口 １３００…セパレータ １３０３…酸素含有ガス流路 １４００…セパレータ １４０１…凸部 １４０３…流路底面 １４０５，１４０７…酸素含有ガス給排口 １５００…セパレータ １５０１…凸部 １５０３…流路底面 １５０５，１５０７…酸素含有ガス給排口 １６００…セパレータ １６０１，１６０２…孔 １６０３…酸素含有ガス流路 １６０５…屈曲部 １６０７…湾入部 １７００…セパレータ １７０３…酸素含有ガス流路 １７０５…屈曲部 １７０７…湾入部 １８００…セパレータ １８０３…酸素含有ガス流路 １８０５…屈曲部 １８０７…湾入部

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質膜を挟持する一対の電極に接触し
   て、前記電極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料
   電池用セパレータであって、 前記ガス流路は、 複数箇所にわたって屈曲するとともに、 当該ガス流路の後半部分における屈曲部の出現度数を、
   前半部分における屈曲部の出現度数より大きくしたもの
   である、燃料電池用セパレータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池用セパレータ
   であって、 前記ガス流路は、 流路の途中に入口部もしくは出口部のうちの一方を設
   け、流路の両端に、上記入口部もしくは出口部のうちの
   他方をそれぞれ設けたものである、燃料電池用セパレー
   タ。
3. 【請求項３】 電解質膜を挟持する一対の電極に接触し
   て、前記電極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料
   電池用セパレータであって、 前記ガス流路は、 流路の途中に入口部もしくは出口部のうちの一方を設
   け、流路の両端に、上記入口部もしくは出口部のうちの
   他方をそれぞれ設けたものである、燃料電池用セパレー
   タ。
4. 【請求項４】 電解質膜を挟持する一対の電極に接触し
   て、前記電極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料
   電池用セパレータであって、 前記ガス流路は、 渦巻き形状であり、前記渦巻き形状の外側に入口部が、
   前記渦巻き形状の中心に出口部がそれぞれ設けられた、
   燃料電池用セパレータ。
5. 【請求項５】 電解質膜を挟持する一対の電極に接触し
   て、前記電極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料
   電池用セパレータであって、 前記ガス流路は、 少なくとも１箇所において屈曲する線条の溝から形成さ
   れ、 該屈曲した部分は、 前記溝の外側壁面を半円状としたものである、燃料電池
   用セパレータ。
6. 【請求項６】 電解質膜を挟持する一対の電極に接触し
   て、前記電極側にガス供給用のガス流路を形成する燃料
   電池用セパレータであって、 前記ガス流路は、 少なくとも１箇所において半円状に屈曲する線状の溝か
   ら形成され、 該半円状に曲げられた部分の内側壁面に、当該流路の内
   側に入り込む湾入部を備えたものである、燃料電池用セ
   パレータ。
7. 【請求項７】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持する
   接合体と、 該接合体の電極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガ
   ス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池におい
   て、 前記セパレータは、 前記電極面に対向する流路底面と、 該流路底面から突出して前記電極面に達することによ
   り、前記ガス流路を形成する複数の凸部と、 前記電極における対角線上の角部に対応する位置に設け
   られ、前記ガス流路に供給ガスを給排するガス供給口と
   ガス排出口とを備え、さらに、 前記複数の凸部は、 隣接する凸部との間隙が、前記ガス供給口とガス排出口
   とを結ぶ対角線付近に比べてその対角線から離れた外側
   において大きくなるように配列したことを特徴とする燃
   料電池。
8. 【請求項８】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持する
   接合体と、 該接合体の電極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガ
   ス流路を形成するセパレータとを備え、 前記ガス流路の入口部から出口部までの範囲において、
   当該ガス流路における供給ガスと前記接合体により生成
   されて前記ガス流路に発散する水蒸気との総ガス量が増
   加、極大、減少と順に変化する燃料電池において、 前記セパレータにより形成されるガス流路は、 流路断面積が、当該ガス流路における各位置の前記総ガ
   ス量に応じた大きさとなるような形状を有することを特
   徴とする燃料電池。
9. 【請求項９】 前記ガス流路の流路断面積は、前記総ガ
   ス量が極大となる部位において最大となる請求項８に記
   載の燃料電池。
10. 【請求項１０】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持す
    る接合体と、 該接合体の電極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガ
    ス流路を形成するセパレータとを備え、 前記ガス流路の入口部から出口部までの範囲において、
    当該ガス流路における供給ガスと前記接合体により生成
    されて前記ガス流路に発散する水蒸気との総ガス量が増
    加、極大、減少と順に変化する燃料電池において、 前記セパレータにより形成されるガス流路は、 前記極大となる部位より下流側の流路表面に、親水処理
    が施された親水層を備えるものであることを特徴とする
    燃料電池。
11. 【請求項１１】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持す
    る接合体と、 該接合体の電極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガ
    ス流路を形成するセパレータとを備え、 前記ガス流路の入口部において、当該ガス流路における
    供給ガスと前記接合体により生成されて前記ガス流路に
    発散する水蒸気との総量が最大となる燃料電池におい
    て、 前記セパレータは、 前記電極面に対向する流路底面から突出して前記電極面
    に達することにより、前記ガス流路を形成する複数の凸
    部を備えるとともに、 前記複数の凸部は、 前記ガス流路の入口部において、該凸部により形成され
    た前記ガス流路の流路断面積が最大となるように配列さ
    れた、燃料電池。
12. 【請求項１２】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持す
    る接合体と、 該接合体の電極面に接触し該電極面とで供給ガス用のガ
    ス流路を形成するセパレータとを備え、 前記ガス流路の出口部において、当該ガス流路における
    供給ガスと前記接合体により生成されて前記ガス流路に
    発散する水蒸気との総量が最大となる燃料電池におい
    て、 前記セパレータは、 前記電極面に対向する流路底面から突出して前記電極面
    に達することにより、前記ガス流路を形成する複数の凸
    部を備えるとともに、 前記複数の凸部は、 前記ガス流路の出口部において、該凸部により形成され
    た前記ガス流路の流路断面積が最大となるように配列さ
    れた、燃料電池。
13. 【請求項１３】 電解質膜を一対の矩形の電極で挟持す
    る接合体と、 請求項６記載の燃料電池用セパレータと を備える燃料電池において、 前記ガス流路に備えられる湾入部は、 前記ガス流路における供給ガスと前記接合体により生成
    されて前記ガス流路に発散する水蒸気との総量の変化に
    対応して、当該ガス流路の部位によって相違する大きさ
    であることを特徴とする燃料電池。