(57)【要約】      （修正有）【課題】高分子電解質の面内方向の水分分布を均一にし、かつ空気極触媒層に効率的に酸化ガスを供給することができる燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するためのガス流路を有する燃料極セパレータまたは空気極セパレータ７０４と、を備え、前記空気極のガス流路７１４ａ、７１４ｂは、蛇行状または渦巻状に形成され、前記ガス流路７１４ａ、７１４ｂの上流流路は、前記ガス流路７１４ａ、７１４ｂの下流流路に隣接し、前記上流流路に流れる前記ガスの流れは、前記下流流路に流れる前記ガスの流れに対向し、前記ガス流路７１４ａ、７１４ｂの壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さず、前記上流流路の断面積は、前記下流流路の断面積よりも大きい。なお、燃料極セパレータも同様。【選択図】図１０
2010045035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有する膜電極接合体；前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するためのガス流路、ガス供給マニホールドと連通する前記ガス流路の入口、およびガス排出マニホールドと連結する前記ガス流路の出口を有するセパレータと、を備え、
前記ガス流路は、蛇行状または渦巻状に形成され、
前記ガス流路における前記入口近傍の上流流路は、前記ガス流路の前記出口近傍の下流流路に隣接し、前記上流流路に流れる前記ガスの流れは、前記下流流路に流れる前記ガスの流れに対向し、
前記ガス流路の壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さず、
前記上流流路の断面積は、前記下流流路の断面積よりも大きい燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、高分子電解質膜を有する固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、ならびに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）から構成される。上記構成を有する燃料電池は、燃料極（アノード）に供給される燃料ガス（水素を含む）、および空気極（カソード）に供給される酸化ガス（酸素を含む）を用いて、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。
【０００３】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。これら高分子電解質膜および一対の触媒電極（触媒層、カーボンコート層およびガス拡散基材層）を一体化したものは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」という）と呼ばれる。
【０００４】
ＭＥＡは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化ガスとを混ざらないようにするため、および各ＭＥＡを電気的に直列に接続するために、導電性を有するセパレータが各ＭＥＡの間に配置される。ＭＥＡを一対のセパレータで挟持したものは「燃料電池セル」または単に「セル」と呼ばれ、複数の燃料電池セルの積層体は「燃料電池スタック」または単に「スタック」と呼ばれる。
【０００５】
燃料電池セルにおいて、セパレータの触媒電極と接する面には、触媒電極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）を提供するため、ならびに余剰ガスおよび余剰水分を排出するためのガス流路が形成されている。セパレータ内のガス流路は、通常、直線状の複数の並行流路であり、マニホールドと呼ばれる燃料電池スタックを貫く管に連通している。マニホールドは、燃料電池スタック内のすべての燃料電池セルについて、ガス流路への反応ガスの供給、ならびにガス流路からの余剰ガスおよび余剰水分の排出を行う。
【０００６】
通常、セルまたはスタックは、集電板、絶縁板、および端板によって挟持され、一般的に用いられる形の燃料電池となる。
【０００７】
上記構成を有する燃料電池において、燃料極に水素を含む燃料ガスを、空気極に酸素を含む酸化ガスを供給すると、以下の反応により電気エネルギーを得ることができる。
【０００８】
まず、燃料極に供給された水素は、燃料極のガス拡散層を拡散し触媒層に達する。触媒層において、水素は、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、保水状態の高分子電解質膜を通して空気極に移動する。電子は、外部回路を通して空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギーとして利用されうる。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。
【０００９】
燃料電池は、上記の通り、発電反応に伴い水を生成する。燃料電池は、セル内部が湿潤過多になると発電効率が落ちてしまうため、発電時に生成された水は、セパレータのガス流路を流れるガスにより外部に排出される。
【００１０】
水素イオンが移動する高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸系の材料が用いられることが多い。この高分子電解質膜は、十分に保水しているとイオン伝導性を有するが、乾燥してしまうとイオン伝導性を失ってしまう。したがって、燃料電池セルの全面において発電反応を効率的に生じさせるためには、セル内部の乾燥を防ぎ、かつセル内部の面内方向の水分分布を均一にすることが必要である。
【００１１】
従来、セル内部の乾燥を防ぎ、かつセル内部の面内方向の水分分布を均一にするために、外部からセル内部を加湿する外部加湿方式がとられてきた。外部加湿方式では、外部加湿器は、露点温度が燃料電池セル内部の温度よりも高い反応ガスをセル内部に供給することで、セル内部を過湿状態にする。しかし、この方式では、ガス拡散層内部に水滴が生じてしまい、触媒層への反応ガスの供給が阻害されてしまうフラッディング現象が生じやすいという問題がある。また、外部加湿器が必要であるため、燃料電池システムの低コスト化が困難であるという問題もある。さらに、燃料電池セル内部の温度を外部加湿器で実現できる反応ガスの露点温度よりも低くしなければならないため、発電効率の高い高温での運転ができないという問題もある。
【００１２】
上記外部加湿方式の問題点を解決する方式として、発電反応によって生じる水をセル内部に拡散させることでセル内部を加湿する内部加湿方式がある。しかし、内部加湿方式では、外部から供給される反応ガスは乾燥しているため、反応ガスの入口側の高分子電解質膜は乾燥しやすい。一方、ガス流路を通過した反応ガスは発電反応により生成された水分を含むため、反応ガスの出口側の高分子電解質膜は湿潤過多になることが多い。このように、内部加湿方式では、セル内部の面内方向の水分分布に偏りが生じるため、発電反応は主に反応ガス出口側で生じるようになり、全体としての発電効率が低下してしまうという問題がある。
【００１３】
上記内部加湿方式の問題点を解決する方式として、反応ガス供給マニホールドと反応ガス排出マニホールドとを隣接させる方式がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
図１は、特許文献１の燃料電池セルの正面図（透視図）である。燃料極側のセパレータの構造は実線で示されており、空気極側のセパレータの構造は破線で示されている。図１において、燃料ガス供給マニホールド１０および燃料ガス排出マニホールド１２は、互いに隣接するように配置されており、矩形状の燃料ガス流路１４によって互いに連通されている。同様に、酸化ガス供給マニホールド２０および酸化ガス排出マニホールド２２は、互いに隣接するように配置されており、矩形状の酸化ガス流路２４によって互いに連通されている。上記構成をとることにより、反応ガスの出口側（排出マニホールド側）の水分が、電解質膜を通って反応ガスの入口側（供給マニホールド側）に移行する。これにより、ガス出口側における湿潤過多の抑制、およびガス入口側における乾燥の抑制を実現することができる。
【００１５】
このように、反応ガス供給マニホールドと反応ガス排出マニホールドとを隣接させることにより、水分を電解質膜を通して面内方向に移行させることができ、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができる。
【００１６】
しかしながら、特許文献１の燃料電池では、セルの面積を大きくするには、セルおよびスタック内の構造を複雑にしなければならないという問題がある。すなわち、特許文献１の燃料電池は、矩形状のガス流路それぞれについて、反応ガス供給マニホールドと反応ガス排出マニホールドとを隣接させる構造のため、セルの１辺の長さが長くなるにつれて、マニホールドおよびそれに付随する構造物の数を増加させなければならない（図１参照）。したがって、セルの面積を大きくすると、セルおよびスタック内の構造が複雑になり、その製造コストが高くなってしまうのである。
【００１７】
また、特許文献１の燃料電池には、面内方向の水分移行能力が低いという問題もある。すなわち、反応ガスの出口側と入口側との間の水分移行は、それぞれが有する水分量の差が大きいほどより効率的に行われる。出口側の反応ガスの水分量を多くするには、反応ガス流路の長さを長くすればよい。しかし、特許文献１の燃料電池は、ガス流路が矩形状のため、ガス流路の長さはセルの辺の長さおよびマニホールド間の距離によって制限されてしまう（図１参照）。したがって、特許文献１の燃料電池は、面内方向の水分移行能力が低いのである。
【００１８】
上記問題点を解決する技術として、例えば特許文献２に示されているものがある。
【００１９】
図２は、特許文献２の燃料電池セルの空気極側のセパレータの正面図である。図２において酸化ガス供給マニホールド１ａおよび酸化ガス排出マニホールド１ｂは、互いに隣接するように配置されている。さらに、流路２５は蛇行状の往復流路であり往路と復路は隣接している。この構造をとることにより、マニホールドの数を減少させることができる。これにより、燃料電池セルの面積を大きくしてもセルおよびスタックの構造が複雑になることはない。流路の輪郭を決定するリブは多孔質であり、往路と復路を結ぶ毛細管を備えている。この構造をとることにより、反応ガスの出口側（排出マニホールド側）の水分が、反応ガスの入口側（供給マニホールド側）に移動する。これにより、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができる。
【００２０】
反応ガス入口（反応ガス供給マニホールド）側の反応ガス分圧と反応ガス出口（反応ガス排出マニホールド）側のガス分圧とを均一にするために、反応ガス流路の断面積を上流側から下流側に向かって定められた割合で減少するようにする方式がある（例えば、特許文献３参照）。特許文献３では、複数並列接続された反応ガス流路において、下流部の並列数を上流部の並列数より少なくすることで、下流部の断面積を上流部の断面積に比べて小さくしている。また、特許文献３では、マニホールドの数を減少させるために、ガス流路を蛇行させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００２−１５１１０５号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９６２０号公報
【特許文献３】特開昭５６−１３４４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献２の燃料電池は、往路と復路を結ぶ毛細管を通って、流路の上流側から流路の下流側へ水分だけでなく、反応ガスも移動する。したがって、特許文献２の燃料電池セルには、流路の上流側から流路の下流側へ反応ガスが移動し、流路の上流側と流路の下流側との間で反応ガスが循環するため、充分な量の反応ガスがセル全体に行き届かないという問題がある。
【００２３】
本発明の目的は、高分子電解質の面内方向の水分分布を均一にし、かつ空気極触媒層に効率的に酸化ガスを供給することができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有する膜電極接合体；前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するためのガス流路、ガス供給マニホールドと連通する前記ガス流路の入口、およびガス排出マニホールドと連結する前記ガス流路の出口を有するセパレータと、を備え、
前記ガス流路は、蛇行状または渦巻状に形成され、
前記ガス流路における前記入口近傍の上流流路は、前記ガス流路の前記出口近傍の下流流路に隣接し、前記上流流路に流れる前記ガスの流れは、前記下流流路に流れる前記ガスの流れに対向し、
前記ガス流路の壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さず、
前記上流流路の断面積は、前記下流流路の断面積よりも大きい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができる。特に、高温低加湿または高温無加湿で運転しても、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができるため、高温低加湿または高温無加湿運転の燃料電池を提供することができる。さらに流路間の酸化ガスの移動を抑制することができるため、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の燃料電池のセパレータの正面図
【図２】他の従来の燃料電池のセパレータの正面図
【図３】本発明の反応ガス流路の流路構造の例を示すためのセパレータの正面図
【図４】本発明の実施の形態１〜８における燃料電池セルの断面図
【図５】本発明の実施の形態１（参考例）における燃料極セパレータの正面図
【図６】本発明の実施の形態１（参考例）における空気極セパレータの正面図
【図７】本発明の実施の形態２（参考例）における燃料電池セルの断面図
【図８】本発明の実施の形態２（参考例）における燃料電池スタックの断面図
【図９】本発明の実施の形態３（参考例）における空気極セパレータの正面図
【図１０】本発明の実施の形態４における空気極セパレータの正面図
【図１１】本発明の実施の形態５（参考例）における空気極セパレータの正面図
【図１２】本発明の実施の形態７（参考例）における燃料電池セルの断面図
【図１３】本発明の実施の形態８（参考例）における空気極セパレータの正面図
【図１４】実験例１の結果を示すグラフ
【図１５】実験例２の結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の燃料電池は、少なくとも一つの燃料電池セルを備える。すなわち、本発明の燃料電池は、燃料電池セル単体であってもよく、複数のセルを有する燃料電池スタックであってもよい。通常、燃料電池セルまたはスタックは、集電板、絶縁板および端板によって挟持され、さらに締結ロッドにより固定される。
【００２８】
燃料電池セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）と、ＭＥＡ（高分子電解質膜および触媒電極の集合体）を挟持するセパレータとを備える。触媒電極は、高分子電解質膜側に位置する触媒層と、セパレータ側に位置するガス拡散層とから構成される。
【００２９】
高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。
【００３０】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。
【００３１】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００３２】
セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の板である。セパレータの材質の例にはカーボンや金属などが含まれる。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
【００３３】
セパレータはカーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成されたもの（以下「カーボンセパレータ」という）でもよい。カーボンセパレータは、例えば特開２０００−２４３４０９号公報に記載されている。
【００３４】
また、セパレータは、金属プレートからなるもの（以下「金属セパレータ」という）であってもよい。金属セパレータは、例えば特開２００３−２０３６４４号公報、特開２００５−２７６６３７号公報に記載されている。
【００３５】
金属セパレータを構成する金属プレートは、表面および裏面を有する。金属プレートでは、表面の凹部が当該箇所の裏面の凸部に対応するもので、かつ表面の凸部が当該箇所の裏面の凹部に対応するものであってもよい。金属プレートに反応ガス流路を形成する方法は特に限定されない。例えば、金属プレートに反応ガス流路を形成する方法はプレス加工である。
【００３６】
金属プレートの材質は、導電性および耐食性に優れたものであれば特に限定されない。金属プレートの材質の例には、ステンレス鋼が含まれる。金属プレートの厚さは、セパレータを形成する強度があれば特に限定されない。例えば、金属プレートの厚さは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。金属セパレータの大きさはＭＥＡを挟持できるのであれば特に限定されず、適宜設定されればよい。
【００３７】
金属セパレータを用いることで、セパレータの厚さが１ｍｍ以下であっても十分な強度がえられる。これによりセルおよびスタックの小型化および軽量化が可能となる。また金属セパレータはプレス加工などにより容易に製造されうることから、コスト削減および大量生産が可能となる。
【００３８】
セパレータ内の反応ガス流路は、ガス流路の入口近傍の流路（以下「上流流路」という）とガス流路の出口近傍の流路（以下「下流流路」という）とが同一面内で隣接するように形成されており、かつ触媒電極の全面に反応ガスを供給できるように形成されている。さらに反応ガス流路の壁は、反応ガスの透過性を有さないように形成されている。ここで「反応ガス流路の壁」とは、隣接する２本の反応ガス流路の間に位置するセパレータの凸部を意味する。触媒電極の全面に反応ガスを供給するには、例えば、反応ガス流路を蛇行状または渦巻状に形成すればよい。なお、同一のガス流路の上流流路と下流流路とが隣接する必要はなく、第一のガス流路の上流流路と第二のガス流路の下流流路とが隣接するようにしてもよい。ガス拡散相の厚さが２００μｍ〜３００μｍ、そして流路の幅が１．１ｍｍ、流路の深さが１．１ｍｍの場合、上流流路と下流流路との間隔は、２．２ｍｍ〜３．３ｍｍであるとき、燃料電池セルの発電効率は、最も高くなる。したがって、ガス拡散相の厚さが２００〜３００μｍ、そして流路の幅が１．１ｍｍ、流路の深さが１．１ｍｍの場合、上流流路と下流流路との間隔は、２．２ｍｍ〜３．３ｍｍであることが好ましい。反応ガス流路の流路構造の例が、図３に示される。
【００３９】
図３Ａに示される例では、セパレータ１００に形成された反応ガス流路１０２は、往復路折り返し部１１２より流路入口１０８側の反応ガス往路１０４と流路出口１１０側の反応ガス復路１０６とが流路全体に渡って対向するように形成された往復流路であり、かつ往路１０４と復路１０６とが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。ここで「対向する」とは、２本の流路が隣接しており、かつ２本の流路の反応ガスの流れる向きが逆方向であることを意味する。このように、反応ガス流路は、反応ガス流路出入口近傍の流路（上流流路および下流流路）だけでなく、流路全体に渡って対向するように形成されるのが好ましい。また、流路入口１０８および流路出口１１０は、互いに隣接しているのが好ましい。
【００４０】
図３Ｂに示される例では、反応ガス流路１０２は、図３Ａに示される例と同様の往復流路であり、かつ反応ガス往路１０４と反応ガス復路１０６とが隣接された状態を維持しながら渦巻状にされている。
【００４１】
図３Ｃに示される例は、セパレータ１００内に２本の反応ガス流路１０２ａ，１０２ｂが形成されている例である。反応ガス流路１０２ａと反応ガス流路１０２ｂとは、流路全体に渡って対向しており、かつ反応ガス流路１０２ａと反応ガス流路１０２ｂとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。
【００４２】
本発明の燃料電池において、セパレータ内の燃料ガス流路に水素ガスを含む燃料ガスを、酸化ガス流路に酸素ガスを含む酸化ガスを供給すると、以下の反応により電気エネルギーを得ることができる。
【００４３】
まず、燃料極に供給された水素分子は、燃料極のガス拡散層を拡散し触媒層に達する。触媒層において、水素分子は、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極に移動する。電子は、外部回路を通して空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギーとして利用されうる。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。
【００４４】
本発明の燃料電池では、反応ガス流路の上流流路と下流流路とを隣接するように形成することで、燃料電池セル内部で面内方向の水分移行が行われる。以下、空気極側における面内方向の水分移行について説明する。
【００４５】
発電時の燃料電池セルは高温のため、発電時に空気極の触媒層で生成した水は水蒸気となる。この水蒸気は、空気極のガス拡散層内を拡散移動し、酸化ガス流路内の酸化ガスを加湿する。酸化ガス流路を流れる酸化ガスは、入口から出口に向かって進むにつれて、その水蒸気分圧が高められる。すなわち、酸化ガス流路の下流流路を流れる酸化ガスの水蒸気分圧は、隣接する上流流路を流れる酸化ガスの水蒸気分圧よりも高くなる。この水蒸気分圧の差により、下流流路を流れる水蒸気の一部は、ガス拡散層を介して、隣接する上流流路に移動する。結果として、下流流路から上流流路に面内方向に水分移行が行われる。
【００４６】
このように、本発明の燃料電池では、上流流路と下流流路とを隣接させることにより、上流流路を流れる反応ガス内の水分量と下流流路を流れる反応ガスの水分量との差を減少させることができる。これにより、下流流路に近接する部位における高分子電解質膜の湿潤過多を抑制すること、および上流流路に近接する部位における高分子電解質膜の乾燥を抑制することが実現できる。すなわち、本発明の燃料電池を無加湿（内部加湿方式）で用いても、セル内部の面内方向の水分分布を均一にすることができる。
【００４７】
また、本発明の燃料電池では、反応ガス流路は、上流流路と下流流路との隣接した状態を維持しつつ、蛇行状または渦巻状に形成される。これにより、マニホールドやそれに付随する構造物の数を減らすことができるため、燃料電池セルおよび燃料電池スタックの構造を単純にすることができる。また、ガス流路を蛇行状または渦巻状にすることでガス流路を長くすることができるため、上流流路と下流流路との水蒸気分圧の差が大きくなり、面内方向の水分移行が従来技術と比較してより効率的に行われる。
【００４８】
さらに、本発明の燃料電池では、反応ガス流路の壁を反応ガスの透過性を有さないようにすることで、流路間の反応ガスの循環を抑制することができる。これにより触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００５０】
（参考例：実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池セルの断面図である。
【００５１】
図４において燃料電池セルは、高分子電解質膜２００と、高分子電解質膜２００を挟持する一対の触媒電極（燃料極３００および空気極４００）と、ＭＥＡ５００（高分子電解質膜２００および触媒電極３００，４００の集合体）を挟持する一対のセパレータ（燃料極セパレータ６００および空気極セパレータ７００）とを備える。セパレータ６００，７００の材質は例えばカーボンである。燃料極セパレータ６００は燃料ガス流路６１４を備える。空気極セパレータ７００は酸化ガス流路７１４を備える。燃料極３００は、高分子電解質膜側に位置する燃料極触媒層３１０、および燃料極セパレータ側に位置する燃料極ガス拡散層３２０から構成される。同様に、空気極４００は、高分子電解質膜側に位置する空気極触媒層４１０、および空気極セパレータ側に位置する空気極ガス拡散層４２０から構成される。さらに、燃料極ガス拡散層３２０は、燃料極触媒層側に位置する燃料極カーボンコート層３３０、および燃料極セパレータ側に位置する燃料極ガス拡散基材層３４０から構成される。同様に、空気極ガス拡散層４２０は、空気極触媒層側に位置する空気極カーボンコート層４３０、および空気極セパレータ側に位置する空気極ガス拡散基材層４４０から構成される。
【００５２】
高分子電解質膜２００、燃料極触媒層３１０、燃料極カーボンコート層３３０、燃料極ガス拡散基材層３４０、空気極触媒層４１０、空気極カーボンコート層４３０、および空気極ガス拡散基材層４４０は、前述のものを用いればよい。
【００５３】
図５は、図４に示される燃料極セパレータ６００の燃料極側の面の正面図である。
【００５４】
図５において、燃料極セパレータ６００は、燃料ガス供給マニホールド６１０、燃料ガス排出マニホールド６１２、燃料ガス流路６１４、酸化ガス供給マニホールド６３０、酸化ガス排出マニホールド６３２、冷却水供給マニホールド６４０、および冷却水排出マニホールド６４２を有する。燃料ガス流路６１４は、燃料ガス供給マニホールド６１０から往復路折り返し部６１６までの燃料ガス往路６１８と、往復路折り返し部６１６から燃料ガス排出マニホールド６１２までの燃料ガス復路６２０とからなる。
【００５５】
燃料ガス供給マニホールド６１０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための孔であり、燃料ガス流路６１４に燃料ガスを供給する。
【００５６】
燃料ガス排出マニホールド６１２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから燃料ガスを排出するための孔であり、燃料ガス流路６１４から燃料ガスを排出する。
【００５７】
燃料ガス流路６１４は、燃料ガス供給マニホールド６１０から供給された燃料ガスを、燃料極３００の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、燃料ガス往路６１８および燃料ガス復路６２０は、互いに対向するように形成されている。燃料ガス流路６１４の壁は燃料ガスの透過性を有さないように形成されている。
【００５８】
酸化ガス供給マニホールド６３０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化ガスを供給するための孔である。また、酸化ガス排出マニホールド６３２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔である。
【００５９】
冷却水供給マニホールド６４０は、燃料電池スタック内に冷却水を供給するための孔である。また、冷却水排出マニホールド６４２は、燃料電池スタック内から冷却水を排出するための孔である。図示しない冷却水流路は、冷却水供給マニホールド６４０と冷却水排出マニホールド６４２とを連通する流路であり、例えば、燃料極セパレータ６００または空気極セパレータ７００に形成される。冷却水流路は、例えば、燃料電池スタック内において、燃料極セパレータ６００と空気極セパレータ７００との間に位置するように、燃料極セパレータ６００または空気極セパレータ７００の反応ガス流路が形成されていない面に形成されればよい。このとき、セルごとに冷却水流路を形成してもよいし、数セルごとに冷却水流路を形成してもよい。また、冷却水の流路構造は、特に限定されず、直線状の複数の並行流路であってもよいし、蛇行状または渦巻状であってもよい。
【００６０】
図６は、図４に示される空気極セパレータ７００の空気極側の面の正面図である。
【００６１】
図６において、空気極セパレータ７００は、酸化ガス供給マニホールド７１０、酸化ガス排出マニホールド７１２、酸化ガス流路７１４、燃料ガス供給マニホールド７３０、燃料ガス排出マニホールド７３２、冷却水供給マニホールド７４０、および冷却水排出マニホールド７４２を有する。酸化ガス流路７１４は、酸化ガス供給マニホールド７１０から往復路折り返し部７１６までの酸化ガス往路７１８と、往復路折り返し部７１６から酸化ガス排出マニホールド７１２までの酸化ガス復路７２０とからなる。
【００６２】
酸化ガス供給マニホールド７１０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化ガスを供給するための孔であり、酸化ガス流路７１４に酸化ガスを供給する。酸化ガス供給マニホールド７１０は、図５に示される酸化ガス供給マニホールド６３０と連通している。
【００６３】
酸化ガス排出マニホールド７１２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔であり、酸化ガス流路７１４から酸化ガスを排出する。酸化ガス排出マニホールド７１２は、図５に示される酸化ガス排出マニホールド６３２と連通している。
【００６４】
酸化ガス流路７１４は、酸化ガス供給マニホールド７１０から供給された酸化ガスを、空気極４００の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、酸化ガス往路７１８および酸化ガス復路７２０は、互いに対向するように形成されている。酸化ガス流路７１４の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。また、酸化ガス流路の幅は１．１ｍｍ、深さは１．１ｍｍであることが好ましい。さらに、下流流路（酸化ガス排出マニホールド７１２近傍の酸化ガス流路７１４）と上流流路（酸化ガス供給マニホールド７１０近傍の酸化ガス流路７１４）との間隔は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍであることが好ましい。つまり上流流路と下流流路との間隔は酸化ガス流路７１４の幅の２倍〜３倍が好ましい。
【００６５】
燃料ガス供給マニホールド７３０は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための孔である。燃料ガス供給マニホールド７３０は、図５に示される燃料ガス供給マニホールド６１０と連通している。
【００６６】
燃料ガス排出マニホールド７３２は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから燃料ガスを排出するための孔である。燃料ガス排出マニホールド７３２は、図５に示される燃料ガス排出マニホールド６１２と連通している。
【００６７】
冷却水供給マニホールド７４０は、燃料電池スタック内に冷却水を供給するための孔である。冷却水供給マニホールド７４０は、図５に示される冷却水供給マニホールド６４０と連通している。また、冷却水排出マニホールド７４２は、燃料電池スタック内から冷却水を排出するための孔である。冷却水排出マニホールド７４２は、図５に示される冷却水排出マニホールド６４２と連通している。
【００６８】
以下、上記のように構成された燃料電池セルにおける、運転時の発電のメカニズムについて説明する。
【００６９】
燃料電池セルの燃料ガス供給マニホールド６１０，７３０に供給された燃料ガスは、燃料極セパレータ６００内部の燃料ガス流路６１４に供給される。燃料ガス流路６１４内の酸化ガスは、燃料極ガス拡散層３２０を通って燃料極触媒層３１０に拡散移動する。
【００７０】
一方、燃料電池セルの酸化ガス供給マニホールド６３０，７１０に供給された酸化ガスは、空気極セパレータ７００内部の酸化ガス流路７１４に供給される。酸化ガス流路７１４内の酸化ガスは、空気極拡散層４２０を通って空気極触媒層４１０に拡散移動する。
【００７１】
燃料極触媒層３１０では、燃料ガス流路６１４から移動してきた燃料ガスに含まれる水素分子が、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、保水された高分子電解質膜２００を通って空気極触媒層４１０に拡散移動する。一方、電子は、図示しない外部回路を通って空気極触媒層４１０に移動する。
【００７２】
空気極触媒層４１０では、高分子電解質膜２００を通って移動してきた水素イオン、外部回路を通って移動してきた電子、および酸化ガス流路７１４から移動してきた酸素が反応し、水が生成される。
【００７３】
発電時の燃料電池セルは高温のため、生成した水は、水蒸気となり、空気極ガス拡散層４２０を通って酸化ガス流路７１４に拡散移動し、酸化ガス流路７１４内の酸化ガスを加湿する。酸化ガスは、酸化ガス流路７１４内を進むにつれて加湿量が増加していく。したがって、酸化ガス復路７２０を流れる酸化ガス内の水蒸気の分圧は、対向する酸化ガス往路７１８を流れる酸化ガス内の水蒸気の分圧に比べて高くなる。この水蒸気の分圧差は、特に、下流流路と上流流路との間で顕著になる。この水蒸気の分圧差により、酸化ガス復路７２０内の水蒸気は、空気極ガス拡散層４２０を通って対向する酸化ガス往路７１８内に面内方向に移動する。これにより、酸化ガス流路７１４内の水蒸気の分圧分布が均一になる。
【００７４】
燃料極側でも同様の作用により、燃料ガス復路６２０内の水蒸気は、燃料極ガス拡散層３２０を通って対向する燃料ガス往路６１８内に面内方向に移動する。
【００７５】
以上のように、本実施の形態によれば、反応ガス流路の往路と復路とが流路全体に渡って対向するように形成されているため、反応ガス流路内における水蒸気の分圧分布を均一にすることができる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池セルの全面を効率的に利用することができ、高い発電性能と発電安定性を得ることができる。
【００７６】
また、反応ガス流路の壁を反応ガスの透過性を有さないようにすることで、流路間の反応ガスの循環を抑制することができる。これにより触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。
【００７７】
さらに、本実施の形態によれば、反応ガス流路は蛇行状に形成されているため、反応ガス流路および各種マニホールドの数が少数であっても、燃料電池セル全面に対して反応ガスを供給することができる。したがって、本実施の形態によれば、セルの面積を大きくしてもセルおよびスタックの構造を複雑にすることなく、高い発電性能と発電安定性を得ることができる。
【００７８】
なお、本実施の形態では、反応ガス流路の往路と復路とが同一面内で対向するように形成されたセパレータを、燃料極側と空気極側の両方に適用したが、水蒸気が生成される空気極側のみに適用するようにしてもよい。
【００７９】
また、本実施の形態では、一対のマニホールド間を連通するガス流路の数を２本としたが、ガス流路の数は１本でも、３本以上でもよい。
【００８０】
（参考例：実施の形態２）
実施の形態２では、セパレータの素材に金属を用いた例を示す。
【００８１】
実施の形態２の燃料電池セルは、図４に示される実施の形態１の燃料電池セルにおける空気極セパレータ７００を空気極セパレータ９００に、燃料極セパレータ６００を燃料極セパレータ８００に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ９００および燃料極セパレータ８００以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池セルの断面図である。実施の形態１の空気極セパレータ７００および燃料極セパレータ６００と同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【００８３】
図７において金属セパレータは金属プレートから構成される。燃料極セパレータは燃料ガス流路８１４を備える。空気極セパレータ９００は酸化ガス流路９１４を備える。
【００８４】
酸化ガス流路９１４および燃料ガス流路８１４の形状は酸化ガス流路７１４と同じであってよい。すなわち、酸化ガス流路９１４は、酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスを、空気極４００の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。酸化ガス往路および酸化ガス復路は、互いに対向するように形成されている。また、燃料ガス流路８１４は、燃料ガス供給マニホールドから供給されたガスを、燃料極３００の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。燃料ガス往路および燃料ガス復路は、互いに対向するように形成されている。
【００８５】
図８は、図７の燃料電池セルが積層されることによって構成された燃料電池スタックの断面図である。
【００８６】
図８において燃料電池スタックは、ＭＥＡ５００と金属セパレータ８００および金属セパレータ９００から構成される複合金属セパレータ１０００とが交互に積層されることで構成される。複合金属セパレータ１０００の燃料ガス拡散層側は、燃料ガス流路８１４を形成し、複合金属セパレータ１０００の酸化ガス拡散層側は酸化ガス流路９１４を形成する。金属セパレータ１０００内の空間は冷却水流路を形成する。
【００８７】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態１の燃料電池セルと同様に、酸化ガス流路内の水蒸気の分圧分布が均一になる。
【００８８】
また、金属プレートは反応ガスを透過性を有さないことから、金属セパレータを用いることで流路間の反応ガスの循環をより抑制することができる。これにより空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。
【００８９】
さらに、金属セパレータは厚さが１ｍｍ以下であっても十分な強度を示す。これによりセル及びスタックの小型化および軽量化が可能となる。また金属セパレータはプレス加工などにより容易に製造されうることから、コスト削減および大量生産が可能となる。
【００９０】
（参考例：実施の形態３）
実施の形態１では、一つの流路の往路と復路を対向させる例を示した。実施の形態３は、二つの異なる流路を互いに対向させる例を示す。
【００９１】
実施の形態３の燃料電池セルは、図４に示される実施の形態１の燃料電池セルにおける空気極セパレータ７００を空気極セパレータ７０２に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ７０２以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００９２】
図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の空気極セパレータの空気極側の面の正面図である。実施の形態１の空気極セパレータ７００と同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【００９３】
図９において、空気極セパレータ７０２は、第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａ、第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂ、第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａ、第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂ、第一の酸化ガス流路７１４ａ、第二の酸化ガス流路７１４ｂ、第一の燃料ガス供給マニホールド７３０ａ、第二の燃料ガス供給マニホールド７３０ｂ、第一の燃料ガス排出マニホールド７３２ａ、第二の燃料ガス排出マニホールド７３２ｂ、冷却水供給マニホールド７４０、および冷却水排出マニホールド７４２を有する。
【００９４】
第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａおよび第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化ガスを供給するための孔である。第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａは、第一の酸化ガス流路７１４ａに酸化ガスを提供する。同様に、第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂは、第二の酸化ガス流路７１４ｂに酸化ガスを供給する。
【００９５】
第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａおよび第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔である。第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａは、第一の酸化ガス流路７１４ａから酸化ガスを排出する。同様に、第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂは、第二の酸化ガス流路７１４ｂから酸化ガスを排出する。
【００９６】
第一の酸化ガス流路７１４ａおよび第二の酸化ガス流路７１４ｂは、第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａまたは第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂから供給された酸化ガスを、空気極４００全面に供給するための流路である。第一の酸化ガス流路７１４ａは、第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａおよび第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａと連通している。同様に、第二の酸化ガス流路７１４ｂは、第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂおよび第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂと連通している。第一の酸化ガス流路７１４ａと第二の酸化ガス流路７１４ｂとは、全体に渡って対向しており、かつ第一の酸化ガス流路７１４ａと第二の酸化ガス流路７１４ｂとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。酸化ガス流路（７１４ａ、７１４ｂ）の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。第一の酸化ガス流路７１４ａの上流流路と第二の酸化ガス流路７１４ｂの下流流路との間隔または第一の酸化ガス流路７１４ａの下流流路と第二の酸化ガス流路７１４ｂの上流流路との間隔は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍが好ましい。
【００９７】
第一の燃料ガス供給マニホールド７３０ａおよび第二の燃料ガス供給マニホールド７３０ｂは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための孔である。また、第一の燃料ガスの排出マニホールド７３２ａおよび第二の燃料ガス供給マニホールド７３２ｂは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから燃料ガスを排出するための孔である。
【００９８】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態１の燃料電池セルと同様に、酸化ガス流路内の水蒸気の分圧分布が均一になる。すなわち、第一の酸化ガス流路７１４ａの下流流路内の水蒸気は、対向する第二の酸化ガス流路７１４ｂの上流流路内に面内方向に移動する。同様に、第二の酸化ガス流路７１４ｂの下流流路内の水蒸気は、対向する第一の酸化ガス流路７１４ａの上流流路内に面内方向に移動する。
【００９９】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、酸化ガス流路を燃料電池セル面内に対照的に形成することができるため、酸化ガス流路内における水蒸気の分圧分布をより均一にすることができる。したがって、燃料電池セルの全面をより効率的に利用することができ、より高い発電性能と発電安定性を得ることができる。
【０１００】
また、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、酸化ガス流路の長さを短くすることができるため、酸化ガス供給マニホールド内における反応ガスの圧力を下げることができる。したがって、酸化ガスを供給するブロワに対する負荷を下げることができるので、発電システム全体の発電効率をより向上させることができる。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明したが、燃料極側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料極側においても、面内方向の水分分布の分圧分布をより均一にすることができる。
【０１０２】
（実施の形態４）
実施の形態１〜３では、反応ガス流路の断面積が上流流路と下流流路とで同じ例を示した。実施の形態４は、反応ガス流路の断面積が上流流路と下流流路とで異なる例を示す。
【０１０３】
実施の形態４の燃料電池は、図４に示される実施の形態１の燃料電池における空気極セパレータ７００を空気極セパレータ７０４に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ７０４以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１０４】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池セルの空気極セパレータの空気極側の面の正面図である。実施の形態３の空気極セパレータ７０２と同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１０５】
図１０において、空気極セパレータ７０４は、第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａ、第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂ、第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａ、第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂ、第一の酸化ガス流路７１４ａ、第二の酸化ガス流路７１４ｂ、第一の燃料ガス供給マニホールド７３０ａ、第二の燃料ガス供給マニホールド７３０ｂ、第一の燃料ガス排出マニホールド７３２ａ、第二の燃料ガス排出マニホールド７３２ｂ、冷却水供給マニホールド７４０、および冷却水排出マニホールド７４２を有する。
【０１０６】
第一の酸化ガス流路７１４ａおよび第二の酸化ガス流路７１４ｂは、実施の形態３と同様に、全体に渡って対向しており、かつ第一の酸化ガス流路７１４ａと第二の酸化ガス流路７１４ｂとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。さらに、第一の酸化ガス流路７１４ａおよび第二の酸化ガス流路７１４ｂは、下流流路の幅が上流流路の幅に比べて狭くなるように形成されている。前記幅は、上流流路から下流流路にいくにしたがって、段階的または徐々に小さくされてよい。さらに、酸化ガス流路（７１４ａ、７１４ｂ）の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。
【０１０７】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態３の燃料電池セルと同様に、酸化ガス流路７１４ａ，７１４ｂ内の水蒸気の分圧分布が均一になる。また、酸化ガス流路７１４ａ，７１４ｂの下流流路の断面積が上流流路の断面積に比べて小さいため、酸化ガスの消費に伴う酸化ガス分圧の減少が抑制される。これにより、酸化ガスが面内方向に移動することなく、酸化ガス流路７１４ａ，７１４ｂ内の酸化ガスの分圧分布が均一になる。
【０１０８】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１〜３の効果に加え、酸化ガス流路上流流路の酸化ガス分圧を下流流路の酸化ガス分圧に比べて低くすることができるため、上流流路の酸化ガスが下流流路へ空気極ガス拡散層を通して移動することを防止することができる。これにより、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができるので、発電効率をより向上させることができる。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、反応ガス流路の幅を変えることにより反応ガス流路の断面積を調整しているが、ガス流路の断面積は、流路の深さを変えることにより調整してもよい。
【０１１０】
また、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明したが、燃料極側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料極側においても、面内方向の水分分布および燃料ガスの分圧分布をより均一にすることができる。
【０１１１】
（参考例：実施の形態５）
実施の形態１〜４では、一対のマニホールドを連通する反応ガス流路の本数が上流流路と下流流路とで同じ例を示した。実施の形態５は、一対のマニホールドを連通する反応ガス流路の本数が上流流路と下流流路とで異なる例を示す。
【０１１２】
実施の形態５の燃料電池セルは、図４に示される実施の形態１の燃料電池における空気極セパレータ７００を空気極セパレータ７０６に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ７０６以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１３】
図１１は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池の空気極セパレータの空気極側の面の正面図である。実施の形態３の空気極セパレータ７０２と同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１１４】
図１１において、空気極セパレータ７０６は、第一の酸化ガス供給マニホールド７１０ａ、第二の酸化ガス供給マニホールド７１０ｂ、第一の酸化ガス排出マニホールド７１２ａ、第二の酸化ガス排出マニホールド７１２ｂ、第一の酸化ガス流路７１４ａ、第二の酸化ガス流路７１４ｂ、第一の燃料ガス供給マニホールド７３０ａ、第二の燃料ガス供給マニホールド７３０ｂ、第一の燃料ガス排出マニホールド７３２ａ、第二の燃料ガス排出マニホールド７３２ｂ、冷却水供給マニホールド７４０、および冷却水排出マニホールド７４２を有する。
【０１１５】
第一の酸化ガス流路７１４ａおよび第二の酸化ガス流路７１４ｂは、実施の形態３と同様に、流路全体に渡って対向しており、かつ第一の酸化ガス流路７１４ａと第二の酸化ガス流路７１４ｂとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。さらに、第一の酸化ガス流路７１４ａおよび第二の酸化ガス流路７１４ｂは、下流流路の流路数が上流流路の流路数に比べて少なくなるように形成されている。さらに、酸化ガス流路（７１４ａ、７１４ｂ）の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。
【０１１６】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態４の燃料電池セルと同様に、酸化ガス流路７１４ａ，７１４ｂ内の水蒸気および酸化ガスの分圧分布が均一になる。また、流路の幅や深さが流路全体を通して一定のため、実施の形態４の燃料電池セルに比べて、セパレータとＭＥＡとの接触抵抗が流路全体を通して均一になる。
【０１１７】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１〜４の効果に加え、空気極セパレータとＭＥＡとの接触性を均一にしつつ、上流流路の酸化ガス分圧を下流流路の酸化ガス分圧に比べて低くすることができる。これにより、接触抵抗による発熱分布のばらつきを抑えることができるので、発電反応分布をより均一化でき、発電効率をより向上させることができる。
【０１１８】
なお、本実施の形態では、酸化ガス流路のターン部において酸化ガス流路の本数を減少させているが、酸化ガス流路の直線部で酸化ガス流路の本数を減少させてもよい。
【０１１９】
また、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明したが、燃料極側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料極側においても、面内方向の水分分布および燃料ガスの分圧分布をより均一にすることができる。
【０１２０】
（参考例：実施の形態６）
実施の形態６は、空気極ガス拡散基材層の水蒸気透過性および反応ガス透過性（以下「水蒸気等透過性」という）を、空気極カーボンコート層の水蒸気等透過性よりも低くする例を示す。
【０１２１】
実施の形態６の燃料電池セルは、図４に示される実施の形態１の燃料電池セルにおいて、空気極ガス拡散基材層４４０の水蒸気等透過性を、空気極カーボンコート層４３０の水蒸気等透過性より低くしたものである。したがって、空気極ガス拡散基材層４４０および空気極カーボンコート層４３０以外の重複する構成要素については、説明を省略する。
【０１２２】
上記の通り、空気極ガス拡散基材層４４０は、その水蒸気等透過性を空気極カーボンコート層４３０の水蒸気等透過性より低くなるように形成されている。このためには、空気極ガス拡散基材層４４０の水蒸気等透過性を低くするか、または空気極カーボンコート層４３０の水蒸気等透過性を高くすればよい。
【０１２３】
空気極ガス拡散基材層４４０の水蒸気等透過性を低くする方法は、特に限定されないが、例えば、カーボン繊維により形成される細孔径を小さくする、空気極ガス拡散基材層４４０を厚くする、空気極ガス拡散基材層４４０に撥水化処理を施す、など行えばよい。一方、空気極カーボンコート層４３０の水蒸気等透過性を高くする方法は、空気極カーボンコート層４３０を薄くする、空気極カーボンコート層４３０に親水化処理を施す、などを行えばよい。
【０１２４】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、空気極触媒層４１０で生成される水蒸気が、酸化ガス流路に排出されることが防止され、カーボンコート層内部で面内方向に移動するようになる。
【０１２５】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、空気極触媒層で生成された水が水蒸気となり酸化ガス流路に排出されることを防止することができるため、触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができる。また、カーボンコート層内部に滞留する水蒸気を面内方向に移動しやすくすることができる。これにより、燃料電池セル内の水分量をより均一化することができるので、発電反応分布をより均一化し、発電効率をより向上させることができる。本実施の形態に係る燃料電池は、高温無加湿で動作させても触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を均一に保持させることができるため、高温無加湿運転の燃料電池に特に好適である。
【０１２６】
なお、本実施の形態では、水蒸気およびガス両方の透過性について調整する例について説明したが、水蒸気透過性のみを調整するようにしてもよい。
【０１２７】
また、本実施の形態では、空気極側における調整例について説明したが、燃料極側においても同様の調整を行ってもよい。この場合、燃料極側においても、触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができ、また、面内方向の水分分布をより均一にすることができる。
【０１２８】
（参考例：実施の形態７）
実施の形態６では、ガス拡散基材層が単一の層から構成される例を示した。実施の形態７は、ガス拡散基材層が複数の層から構成されており、外側の層ほど水蒸気透過性および反応ガス透過性（水蒸気等透過性）を低くする例を示す。
【０１２９】
図１２は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池セルの断面図である。実施の形態１の燃料電池セルと同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１３０】
図１２において、燃料電池セルは、高分子電解質膜２００、一対の触媒電極（燃料極３００および空気極４００）、ならびに一対のセパレータ（燃料極セパレータ６００および空気極セパレータ７００）を備える。燃料極３００は、高分子電解質膜２００側に位置する燃料極触媒層３１０と、燃料極セパレータ６００側に位置する燃料極ガス拡散層３２０から構成される。同様に、空気極４００は、高分子電解質膜２００側に位置する空気極触媒層４１０と、空気極セパレータ７００側に位置する空気極ガス拡散層４２０とから構成される。さらに、燃料極ガス拡散層３２０は、燃料極触媒層３１０側から、燃料極カーボンコート層３３０、第一の燃料極ガス拡散基材層３４２、第二の燃料極ガス拡散基材層３４４および第三の燃料極ガス拡散基材層３４６の順に積層されて構成される。同様に、空気極ガス拡散層４２０は、空気極触媒層４１０側から、空気極カーボンコート層４３０、第一の空気極ガス拡散基材層４４２、第二の空気極ガス拡散基材層４４４および第三の空気極ガス拡散基材層４４６の順に積層されて構成される。
【０１３１】
燃料極ガス拡散層３２０を構成する、燃料極カーボンコート層３３０、第一の燃料極ガス拡散基材層３４２、第二の燃料極ガス拡散基材層３４４および第三の燃料極ガス拡散基材層３４６は、それぞれ異なる水蒸気等透過性を有する。燃料極触媒層３１０に最も近い燃料極カーボンコート層３３０は、最も高い水蒸気等透過性を有する。以降、燃料極セパレータ６００に近づくにつれて水蒸気等透過性が低くなる。すなわち、最も燃料極セパレータ６００に近い第三の燃料極ガス拡散基材層３４６は、最も低い水蒸気透過性を有する。
【０１３２】
同様に、空気極ガス拡散層４２０を構成する、空気極カーボンコート層４３０、第一の空気極ガス拡散基材層４４２、第二の空気極ガス拡散基材層４４４および第三の空気極ガス拡散基材層４４６は、それぞれ異なる水蒸気等透過性を有する。空気極触媒層４１０に最も近い空気極カーボンコート層４３０は、最も高い水蒸気等透過性を有する。以降、空気極セパレータ７００に近づくにつれて水蒸気等透過性が低くなる。すなわち、最も空気極セパレータ７００に近い第三の空気極ガス拡散基材層４４６は、最も低い水蒸気透過性を有する。
【０１３３】
上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、空気極触媒層４１０で生成される水蒸気が、反応ガス流路に排出されることが防止され、カーボンコート層内部で面内方向に移動するようになる。
【０１３４】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、空気極触媒層で生成された水が水蒸気となり酸化ガス流路に排出されることを防止することができるため、触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができる。また、カーボンコート層内部に滞留する水蒸気を面内方向に移動しやすくすることができる。これにより、燃料電池セル内の水分量をより均一化することができるので、発電反応分布をより均一化し、発電効率をより向上させることができる。本実施の形態に係る燃料電池は、高温無加湿で動作させても触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を均一に保持させることができるため、高温無加湿運転の燃料電池に特に好適である。
【０１３５】
なお、本実施の形態では、水蒸気およびガス両方の透過性について調整する例について説明したが、水蒸気透過性のみを調整するようにしてもよい。
【０１３６】
なお、本実施の形態では、複数のガス拡散基材層を積層した構造について説明したが、単一のガス拡散基材層に水蒸気透過性およびガス透過性の傾斜を持たせるようにしてもよい。
【０１３７】
（参考例：実施の形態８）
実施の形態１〜７では、反応ガス流路の往路と復路との間隔が一定である例を示した。実施の形態８では反応ガス流路の往路と復路との間隔が変化する例を示す。
【０１３８】
実施の形態８の燃料電池セルは、図４に示される実施の形態１の燃料電池における空気極セパレータ７００を空気極セパレータ９０２に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ９０２以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１３９】
図１３は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池セルの空気極セパレータの空気極側の面の正面図である。実施の形態１の空気極セパレータ７００と同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１４０】
図１３において、空気極セパレータ９０２は酸化ガス供給マニホールド９１０、酸化ガス排出マニホールド９１２、酸化ガス流路９１４、燃料ガス供給マニホールド９３０、燃料ガス排出マニホールド９３２、冷却水供給マニホールド７４０および冷却水排出マニホールド７４２を有する。
【０１４１】
酸化ガス流路９１４は、酸化ガス供給マニホールド９１０から供給された酸化ガスを、空気極４００の全体に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、酸化ガス往路９１８および酸化ガス復路９２０は、互いに対向するように形成されている。さらに、往路９１８と復路９２０の間隔は、Ａ部（酸化ガス供給マニホールド９１０および酸化ガス排出マニホールド９１２付近）では大きく、Ｂ部（往復路折り返し部９１６付近）では小さくされている。前記間隔は、Ａ部からＢ部にいくにしたがって、段階的または徐々に小さくされてよい。また、Ａ部における前記間隔は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍが好ましい。さらに、酸化ガス流路９１４の壁は酸化ガスの透過性を有さないにように形成される。
【０１４２】
上記のように構成された燃料電池セルを作動させると、実施の形態１の燃料電池セルと同様に、酸化ガス流路９１４内の水蒸気の分圧分布が均一になる。また、上流流路と下流流路との間隔は、往復路折り返し部９１６の往路９１８と復路９２０との間隔と比較して大きいため上流流路の酸化ガスが空気極ガス拡散層を通して下流流路へ移動することが抑制される。
【０１４３】
以上のように、本実施の形態によれば、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができるので、発電効率をより向上させることができる。
【０１４４】
なお、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明したが、燃料極側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料極側においても、面内方向の水分分布の分圧分布をより均一にすることができる。
【０１４５】
以下、上流流路と下流流路との間隔を導き出した実験例について説明する。
【０１４６】
（実験例１）
本実験例では、流路と流路との最適な間隔を導き出したコンピューターシミュレーションを用いた実験について説明する。
【０１４７】
用いたプログラム
本実験例で用いたプログラムは、ＦＬＵＥＮＴ社のＦＬＵＥＮＴ（固体高分子形燃料電池(PEM)モジュール）の電気化学サブモデルである。このプログラムは、各パラメータを設定することで、当該燃料電池セルを動作させた場合の発生電圧を予測するためのものである。
【０１４８】
解析条件
以下のパラメータの条件下でシミュレーションを行った。
膜厚：３０μｍ
触媒厚：１０μｍ
ＧＤＬ（ガス拡散層）厚：３００μｍ
カソード流路深さ：１．１ｍｍ
カソード流路幅：１．１ｍｍ
アノード流路深さ：１ｍｍ
アノード流路幅：１．１ｍｍ
セル温度：９０℃
アノード露点温度：６５℃
カソード露点温度：３５℃
電極面積：６．１４６８ｃｍ２
水素利用率：１０％
酸素利用率：５０〜９０％
ＧＤＬ空隙率：０．７５
電流密度：０．１６／ｃｍ２
【０１４９】
表１は、上記条件下において、流路と流路との間隔（以下「リブ幅」という）および酸素利用率と電圧（ｍＶ）との関係を示したものである。
【０１５０】
【表１】
2010045035.tif 000003
【０１５１】
表２は、リブ幅と接触抵抗および抵抗損（電圧低下量）との関係を示したものである。表２から、リブ幅が大きくなるに伴い、接触抵抗および抵抗損も増加していることが分かる。この理由は以下のとおりである。リブ幅が大きくなると、セパレータとＧＤＬとの接触面積が増大する。セパレータとＧＤＬとの接触面積が増加すると、セルに同じ締結力を加えた場合、単位面積当たりの荷重が低下する。そして、接触抵抗は、単位面積あたりの荷重が低下することで、累乗的に増加する。このため、リブ幅が増大することで、接触抵抗が増加し、抵抗損が大きくなる。
【０１５２】
【表２】
2010045035.tif 000004
【０１５３】
表３は、表１の結果から表２の抵抗損を差し引いた結果である。表３は、想定される抵抗損を考慮したことから、表１と比較してより実際の値に近い値を示す。
【０１５４】
【表３】
2010045035.tif 000005
【０１５５】
図１４は、表３における酸素利用率８０％でのリブ幅と電圧との関係をグラフで示したものである。
【０１５６】
図１４のグラフにおいては、縦軸が電圧、横軸がリブ幅である。リブ幅が１．１ｍｍから３．３ｍｍまでの領域では、リブ幅の増大に伴い、電圧も増加する。電圧はリブ幅が３．３ｍｍのときにピークを有する。リブ幅が４．４ｍｍのときの電圧は、リブ幅が３．３ｍｍのときの電圧およびリブ幅が２．２ｍｍのときの電圧と比較して、小さい。
【０１５７】
以上の結果から、上記解析条件において、高い電圧を維持するために最適なリブ幅は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍであるということが明らかとなった。
【０１５８】
（実験例２）
本実験例では実験例１と同一のプログラムを用いて、最適な流路と流路との間隔を導き出した実験について説明する。本実験例では実験例１とは異なりＧＤＬ厚のパラメータを２００μｍとした。ＧＤＬ膜以外の解析条件は、実験例１と同じである。
【０１５９】
表４は、上記条件下において、リブ幅および酸素利用率と電圧（ｍＶ）との関係を示したものである。
【０１６０】
【表４】
2010045035.tif 000006
【０１６１】
表５は、表４の結果から表２の抵抗損を差し引いた結果である。表５は、想定される抵抗損を考慮したことから、表４と比較してより実際の値に近い値を示す。
【０１６２】
【表５】
2010045035.tif 000007
【０１６３】
図１５は、表５における酸素利用率８０％でのリブ幅と電圧との関係をグラフで示したものである。
【０１６４】
図１５のグラフにおいては、縦軸が電圧、横軸がリブ幅となっている。リブ幅が１．１ｍｍから２．２ｍｍまでの領域では、リブ幅の増大に伴い、電圧も増加する。電圧は、リブ幅が２．２ｍｍのときにピークを有する。リブ幅が２．２ｍｍから４．４ｍｍまでの領域では、リブ幅の増大に伴い、電圧は減少する。リブ幅が４．４ｍｍのときの電圧は、リブ幅が２．２ｍｍのときの電圧およびリブ幅が３．３ｍｍのときの電圧と比較して顕著に小さい。
【０１６５】
以上の結果から、上記解析条件において、高い電圧を維持するために最適なリブ幅は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍであるということが明らかとなった。
【０１６６】
実験例１および実験例２の結果から、ＧＤＬ厚が２００μｍ〜３００μｍ、そして流路幅が１．１ｍｍ、流路の深さが１．１ｍｍの場合、リブ幅は２．２ｍｍ〜３．３ｍｍ、つまりリブ幅は流路幅の２倍から３倍であると、燃料電池セルは最も効率的に発電できることが明らかとなった。
【０１６７】
本出願は、２００６年６月２１日出願の特願２００６−１７１９９５に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明に係る燃料電池セルおよび燃料電池セルスタックは、高温低加湿または高温無加湿運転の固体高分子形燃料電池などにおいて有用である。
【図１】
2010045035.tif 000008
【図２】
2010045035.tif 000009
【図３】
2010045035.tif 000010
【図４】
2010045035.tif 000011
【図５】
2010045035.tif 000012
【図６】
2010045035.tif 000013
【図７】
2010045035.tif 000014
【図８】
2010045035.tif 000015
【図９】
2010045035.tif 000016
【図１０】
2010045035.tif 000017
【図１１】
2010045035.tif 000018
【図１２】
2010045035.tif 000019
【図１３】
2010045035.tif 000020
【図１４】
2010045035.tif 000021
【図１５】
2010045035.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月29日(2009.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有する膜電極接合体；前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するためのガス流路、ガス供給マニホールドと連通する前記ガス流路の入口、およびガス排出マニホールドと連結する前記ガス流路の出口を有するセパレータと、を備え、
前記ガス流路は、第一ガス流路と第二ガス流路とで構成され、
前記第一ガス流路と前記第二ガス流路とは、互いに隣接した状態を維持しながら蛇行状または渦巻状に形成され、
前記互いに隣接する第一ガス流路に流れるガスの流れと、前記第二ガス流路に流れるガスの流れは、全体にわたって互いに対向し、
前記ガス流路の壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さず、
前記第一ガス流路の入口近傍の流路の断面積は、前記第二ガス流路の出口近傍の流路の断面積よりも大きく、
前記第二ガス流路の入口近傍の流路の断面積は、前記第一ガス流路の出口近傍の流路の断面積よりも大きい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有する膜電極接合体；前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するためのガス流路、ガス供給マニホールドと連通する前記ガス流路の入口、およびガス排出マニホールドと連結する前記ガス流路の出口を有するセパレータと、を備え、
前記ガス流路は、第一ガス流路と第二ガス流路とで構成され、
前記第一ガス流路と前記第二ガス流路とは、互いに隣接した状態を維持しながら蛇行状または渦巻状に形成され、
前記互いに隣接する第一ガス流路に流れるガスの流れと、前記第二ガス流路に流れるガスの流れは、全体にわたって互いに対向し、
前記ガス流路の壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さず、
前記第一ガス流路の入口近傍の流路の断面積は、前記第二ガス流路の出口近傍の流路の断面積よりも大きく、
前記第二ガス流路の入口近傍の流路の断面積は、前記第一ガス流路の出口近傍の流路の断面積よりも大きい、燃料電池。