(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形の電解質膜の両面にアノードおよびカソードの略矩形の電極層を備える膜電極接合体と略矩形のセパレータとを積層して形成されるセル積層体であって、内部に、アノード流路、カソード流路、および冷却流体流路を備えるセル積層体と、
前記セル積層体の外部に設けられ、前記セル積層体に対してアノードガス、カソードガスおよび冷却流体のそれぞれの流体を供給または排出する外部マニホールドと、を有し、
前記セル積層体は、少なくとも前記アノード流路および前記カソード流路が複数の線状リブから構成され、アノード流路の方向とカソード流路の方向とが同じであり、前記アノード流路または前記カソード流路の方向に沿う前記電極層の長さ（Ｌ）と、前記アノード流路または前記カソード流路の方向に対して直交する幅方向の前記電極層の幅（Ｗ）との比であるアスペクト比Ｒ（Ｌ／Ｗ）が１未満であり、かつ、前記アノード流路および前記カソード流路における両端の流路開口部がそれぞれ２個以上設けられ、前記流路開口部が積層されて流体供給用の内部マニホールドと流体排出用の内部マニホールドとをアノードガスおよびカソードガスごとに２以上構成し、
アノードガス用の前記外部マニホールドおよびカソードガス用の前記外部マニホールドは、前記流体供給用の内部マニホールドに供給側連通部を介して接続する流体供給用の外部マニホールドと、前記流体排出用の内部マニホールドに排出側連通部を介して接続する流体排出用の外部マニホールドとを有し、
前記流体供給用および前記流体排出用の外部マニホールドのそれぞれが、前記セル積層体の幅方向に伸びて略平行に配置され、
アノードガスおよびカソードガスの少なくとも１つの流体に関して、前記供給側連通部および前記排出側連通部は、前記内部マニホールドに接続される第１の補助マニホールドと、前記外部マニホールドの中心線および前記第１の補助マニホールドの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ前記外部マニホールドに接続される第２の補助マニホールドとを有している、燃料電池。
【請求項２】
アノードガスおよびカソードガスの少なくとも１つの流体に関して、前記流体供給用の外部マニホールドの端部に開口した供給口、および前記流体排出用の外部マニホールドの端部に開口した排出口は、前記セル積層体における積層方向の一方の端部側に位置し、かつ、同じ方向に開口している、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記外部マニホールドの中心線が、前記内部マニホールドの中心線よりも内側にオフセットされている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
カソードの前記外部マニホールドと、アノードの前記外部マニホールドとが重なり合って配置され、かつ、カソードの前記外部マニホールドがアノードの前記外部マニホールドよりも前記セル積層体に近い位置に配置されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項５】
カソードの前記外部マニホールドと、アノードの前記外部マニホールドとが重なり合って配置され、かつ、カソードの前記外部マニホールドがアノードの前記外部マニホールドよりも前記セル積層体に遠い位置に配置されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項６】
少なくともカソードにおいて、前記内部マニホールドが鉛直方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールドに接続する前記外部マニホールドが前記セル積層体の下方位置に配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項７】
少なくともカソードにおいて、前記内部マニホールドが水平方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールドに接続する前記外部マニホールドが、前記内部マニホールドよりも下方位置に配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項８】
アノードガスおよびカソードガスの２つの流体に関して、流体供給用の前記外部マニホールド、前記供給側連通部における前記第１と第２の補助マニホールド、前記排出側連通部における前記第１と第２の補助マニホールド、および流体排出用の前記外部マニホールドがエンドプレート内に設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
冷却流体および空気を用いるカソードにおける前記外部マニホールドの排出側の断面積が供給側の断面積よりも大きい、請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池に用いられ、アノード、カソード、および冷却流体のうち少なくとも２つの流体を配流する、燃料電池の配流装置であって、
第１と第２のそれぞれの流体に関して、流体供給用の前記外部マニホールド、および流体排出用の前記外部マニホールドが形成され、エンドプレートを構成するブロック体を有し、
前記ブロック体において前記セル積層体が配置される側の面を一の面とすると、前記ブロック体の一の面の側から見て、前記一の面に近い側を流れる第１の流体用の前記外部マニホールドと、前記一の面から遠い側を流れる第２の流体用の前記外部マニホールドとが一部重なり合って配置され、かつ、前記ブロック体の一の面の側から見て、前記第２流体用の前記外部マニホールドが前記第１流体用の前記外部マニホールドに重なり合わない延長部位を含み、
前記一の面の側から、前記第１流体用の前記外部マニホールドにのみ連通する第１の孔部を形成することによって、前記第１流体用の連通部が形成され、
前記一の面の側から、前記延長部位において前記第２流体用の前記外部マニホールドにのみ連通する第２の孔部を形成することによって、前記第２流体用の連通部が形成されている、燃料電池の配流装置。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料電池を備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池の配流装置、および燃料電池を備えた車両に関する。より詳しくは、小型高出力の燃料電池、その配流装置、および燃料電池を備えた車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することによって電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、用いる電解質の種類によってリン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形および固体高分子電解質形等に分類される。【０００３】
このうち固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。そして、膜電極接合体の片面に水素（燃料ガス）、他方に酸素（酸化ガス）を供給することによって発電する。このようなＰＥＦＣは、内燃機関と同等の容積出力密度が得られることから、電気自動車等の電源として実用化の研究が進められている（例えば、特許文献１および２を参照）。【０００４】
ここで、膜電極接合体のパッケージング方法としては、スタック型、プリーツ型、中空糸型など、様々なタイプが提案されている。このうち、シート状の膜電極接合体をシート状のセパレータで隔離しながら積み重ねることによって構成されるスタック型燃料電池が広く用いられている。【０００５】
燃料電池の出力は、膜面積に比例し、燃料電池容積には比例しない。このため、スタック型燃料電池において小型高出力化を図るためには、セルピッチを低減することが有効である。しかしながら、単純にセルピッチのみを低減すると、空気・水素・冷却水等の流体がセル内面を通過する際の圧力損失が過大となる。過大な圧力損失は、補機動力の低減の要請に反する結果となり、好ましくない。【０００６】
このため、略矩形の燃料電池セルの流路方向の長さよりも、流路方向と直交する幅方向の長さの方が長い低アスペクト構造を有する燃料電池が本発明者らによって提案されている（特許文献３を参照）。【０００７】
燃料電池に供給される流体は、コンプレッサ、イジェクタ、ブロア、ポンプなどの種々の流体機械を経て、さらに配管を経由して供給される。例えば自動車用途の燃料電池にあっては、各流体は、直径５０ｍｍ程度の配管を経由して供給されている。このため、幅方向の長さがこうした配管の大きさ（直径）に比べて顕著に広いときは、流体を幅方向の全体にわたって均等に供給することは困難である。よって、低アスペクト構造を有する燃料電池にあっては、流体が流れる幅を、配管の大きさ（直径）から、低アスペクト構造燃料電池の幅方向の大きさまで広げるための配流機構が必要となる。しかしながら、複数の配管の組み合わせによって構成される従来の配流機構は、大きくてかさばり、その結果、燃料電池全体の小型化が阻害されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１９０９４６号公報
【特許文献２】特開２００７−２８７６５９号公報
【特許文献３】国際公開第２０１１／０５９０８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の目的は、電極層の幅方向に広い低アスペクト構造を有する燃料電池であって、燃料電池に必要な各種流体を幅方向および積層方向に均等に供給もしくは排出できる燃料電池を提供することにあり、さらに、そのような燃料電池に好適に適用し得る配流装置、および燃料電池を備えた車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意研究を行ったところ、特定構造を持つセル積層体の内部に備えられた内部マニホールドと、セル積層体の外部に備えられた外部マニホールドとを備える配流機構を設けることによって前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１１】
すなわち、上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、略矩形の電解質膜の両面にアノードおよびカソードの略矩形の電極層を備える膜電極接合体と略矩形のセパレータとを積層して形成されるセル積層体であって、内部に、アノード流路、カソード流路、および冷却流体流路を備えるセル積層体と、前記セル積層体の外部に設けられ、前記セル積層体に対してアノードガス、カソードガスおよび冷却流体のそれぞれの流体を供給または排出する外部マニホールドと、を有している。前記セル積層体は、少なくとも前記アノード流路および前記カソード流路が複数の線状リブから構成され、アノード流路の方向とカソード流路の方向とが同じであり、前記アノード流路または前記カソード流路の方向に沿う前記電極層の長さ（Ｌ）と、前記アノード流路または前記カソード流路の方向に対して直交する幅方向の前記電極層の幅（Ｗ）との比であるアスペクト比Ｒ（Ｌ／Ｗ）が１未満であり、かつ、前記アノード流路および前記カソード流路における両端の流路開口部がそれぞれ２個以上設けられ、前記流路開口部が積層されて流体供給用の内部マニホールドと流体排出用の内部マニホールドとをアノードガスおよびカソードガスごとに２以上構成している。【００１２】
アノードガス用の前記外部マニホールドおよびカソードガス用の前記外部マニホールドは、前記流体供給用の内部マニホールドに供給側連通部を介して接続する流体供給用の外部マニホールドと、前記流体排出用の内部マニホールドに排出側連通部を介して接続する流体排出用の外部マニホールドとを有している。前記流体供給用および前記流体排出用の外部マニホールドのそれぞれが、前記セル積層体の幅方向に伸びて略平行に配置されている。
アノードガスおよびカソードガスの少なくとも１つの流体に関して、前記供給側連通部および前記排出側連通部は、前記内部マニホールドに接続される第１の補助マニホールドと、前記外部マニホールドの中心線および前記第１の補助マニホールドの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ前記外部マニホールドに接続される第２の補助マニホールドとを有している。【００１３】
この場合において、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも１つの流体に関して、前記流体供給用の外部マニホールドの端部に開口した供給口、および前記流体排出用の外部マニホールドの端部に開口した排出口は、前記セル積層体における積層方向の一方の端部側に位置し、かつ、同じ方向に開口している。【００１７】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池の配流装置は、上述の燃料電池に用いられ、アノード、カソード、および冷却流体のうち少なくとも２つの流体を配流するものであり、第１と第２のそれぞれの流体に関して、流体供給用の前記外部マニホールド、および流体排出用の前記外部マニホールドが形成され、エンドプレートを構成するブロック体を有している。【００１８】
ここで、前記ブロック体において前記セル積層体が配置される側の面を一の面とすると、前記ブロック体の一の面の側から見て、前記一の面に近い側を流れる第１の流体用の前記外部マニホールドと、前記一の面から遠い側を流れる第２の流体用の前記外部マニホールドとが一部重なり合って配置されている。かつ、前記ブロック体の一の面の側から見て、前記第２流体用の前記外部マニホールドが前記第１流体用の前記外部マニホールドに重なり合わない延長部位を含んでいる。そして、前記一の面の側から、前記第１流体用の前記外部マニホールドにのみ連通する第１の孔部を形成することによって、前記第１流体用の連通部が形成され、前記一の面の側から、前記延長部位において前記第２流体用の前記外部マニホールドにのみ連通する第２の孔部を形成することによって、前記第２流体用の連通部が形成されている。【００１９】
上記目的を達成する本発明に係る車両は、前述の燃料電池を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図２は、セル積層体を示す斜視図である。
【図３】図３は、セル積層体を構成する単セルを示し、図３（Ａ）は、セパレータの平面図、図３（Ｂ）は、シール材を取り付けたときの膜電極接合体の平面図、図３（Ｃ）は、膜電極接合体の両側にセパレータを配置した図である。
【図４】図４は、膜電極接合体の分解図である。
【図５】図５（Ａ）は、膜電極接合体を示す平面図、図５（Ｂ）は、シール材を取り付けたときの膜電極接合体を示す平面図、図５（Ｃ）は、内部マニホールド用の流路開口部と触媒層との間に形成された拡幅部の要部を拡大して示す平面図である。
【図６】図６（Ａ）は、ガス流路が形成されたセパレータを示す斜視図、図６（Ｂ）は、ガス流路を拡大して示す斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は、高アスペクト比のセパレータを示す図、図７（Ｂ）は、低アスペクト比のセパレータを示す図、図７（Ｃ）は、低アスペクト比、かつ、低流路高さのセパレータを示す図である。
【図８】図８は、配流装置を組み込んだエンドプレートを示す平面図である。
【図９】図９（Ａ）は、配流装置を組み込んだエンドプレートの要部を断面で示す斜視図、図９（Ｂ）は、外部マニホールドが設けられたエンドプレートを示す断面図である。
【図１０】図１０は、流体供給側を例に挙げて、外部マニホールドと内部マニホールドとを接続する連通部が有する第１と第２の補助マニホールドを説明するための説明図である。
【図１１】図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、エンドプレートを構成するブロック体に、それぞれの流体ごとに、供給側連通部における第１と第２の補助マニホールド、および排出側連通部における第１と第２の補助マニホールドが形成された様子を示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）（Ｂ）は、燃料電池を搭載した車両の例を示す図である。
【図１３（Ａ）】図１３（Ａ）は、セル積層体および外部マニホールドのレイアウトの例を模式的に示す図である。
【図１３（Ｂ）】図１３（Ｂ）は、セル積層体および外部マニホールドのレイアウトの例を模式的に示す図である。
【図１３（Ｃ）】図１３（Ｃ）は、セル積層体および外部マニホールドのレイアウトの例を模式的に示す図である。
【図１４】図１４（Ａ）（Ｂ）は、第２の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図、および正面図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、第２の実施形態に係る配流装置を組み込んだ下側エンドプレートの要部を断面で示す斜視図、図１５（Ｂ）は、外部マニホールドが設けられた下側エンドプレートを示す断面図である。
【図１６】図１６（Ａ）（Ｂ）は、下側エンドプレートを構成するブロック体に、それぞれの流体ごとに、供給側連通部における第１と第２の補助マニホールド、および排出側連通部における第１と第２の補助マニホールドが形成された様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１〜図３に示すように、第１の実施形態の燃料電池１は、スタック型燃料電池であり、一組のシート状のセパレータ２と、シート状の膜電極接合体３とを積層した燃料電池の一単位である単セル４が、複数積層されたセル積層体２０を有している。単セル４の積層数は、特に限定されず、単一の単セル４のみであっても、単セル４を複数積層したものであっても、本発明に係る燃料電池に含まれる。セル積層体２０は、単セル積層方向の両端に集電板（図示せず）が配置されている。集電板は、セル積層体２０において生じた起電力を取り出す出力端子を備えている。セル積層体２０の両端は、集電板の外側に配置した一対のエンドプレート３１、３２によって挟み込まれる。これによって燃料電池スタックが構成される。セル積層体２０の好ましくは外部下方に配流装置１００が接続されている。
【００２３】
図１、図８〜図１１に示すように、配流装置１００には、燃料電池１に必要な各種流体をセル積層体２０に対して供給または排出する外部マニホールド４２、４３、４４が設けられている。第１の実施形態にあっては、エンドプレート３１、３２のうち一方のエンドプレート３２の内部に、すべての流体の外部マニホールド４２、４３、４４を設けている。なお、外部マニホールド４２、４３、４４を総称して、「外部マニホールド４１」ともいう。以下、第１の実施形態の燃料電池１について詳述する。
【００２４】
［膜電極接合体］
膜電極接合体３は、図４に示すように、順次奥から手前に向かって、ガス拡散層５ａ−触媒層６ａ−電解質膜７−触媒層６ｂ−ガス拡散層５ｂの５層からなる接合体である。膜電極接合体３は、平面視略矩形状とされている。膜電極接合体３は、同じく略矩形状のセパレータ２と組み合わせ、酸素（酸化ガス）および水素（燃料ガス）を供給もしくは排出することによって、燃料電池を構成する機能を有している。
【００２５】
膜電極接合体３において、水素側の触媒層６ａを備える面をアノード、酸素側の触媒層６ｂを備える面をカソードと呼ぶ。膜電極接合体３は、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層５は、ＧＤＬ（ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌｙａｅｒ）と呼ぶことがある。
【００２６】
また、触媒層６ａ−電解質膜７−触媒層６ｂの３層を、ＣＣＭ（ｃａｔａｌｙｓｔ  ｃｏａｔｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）、触媒層６（６ａ、６ｂを総じて６と称する場合がある。）−ガス拡散層５（５ａ、５ｂを総じて５と称する場合がある。）の２層を、ガス拡散電極もしくはＧＤＥ（ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と呼ぶことがある。また、触媒層６およびガス拡散層５からなる層を電極層と呼ぶことがあり、ガス拡散電極を単に電極と呼ぶことがある。
【００２７】
なお、上記膜電極接合体３およびセパレータ２は完全な矩形状でなくても良く、後述する流路長Ｌおよび流路幅Ｗが特定できるならば、略矩形状であっても良い。つまり、これらは、矩形の角部が面取りされていても良く、さらに楕円形状であっても良い。
【００２８】
［ガス拡散層］
ガス拡散層５ａ、５ｂは、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスを触媒層６ａ、６ｂへ供給する機能、および触媒層６ａ、６ｂとセパレータ２との間で電子を授受する機能を有する。ガス拡散層５ａ、５ｂは、本発明の目的を損なわない範囲で、表層もしくは内部もしくはその両方に他の部材（層）をさらに含んでもよい。例えば、ガス拡散層５ａ、５ｂの触媒層６ａ、６ｂ側に、カーボン粒子を含むカーボン粒子層を設けてもよい。
【００２９】
ガス拡散層５ａ、５ｂは、導電性を有する材料から構成された多孔質体であることが好ましく、紙、不織布、織布、編布もしくは網を含む、繊維材料であることがより好ましい。導電性を有する材料としては、例えば炭素材料や金属材料が挙げられる。
【００３０】
ガス拡散層５が繊維材料によって構成される場合は、表面における平均繊維間距離の半値ｒは、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以下が更に好ましく、１５μｍ以下がより更に好ましく、１０μｍ以下が特に好ましく、５μｍ以下が最も好ましい。ここで定義する平均繊維間距離の半値ｒとは、平均繊維間距離の半分の距離をいう。つまり、ガス拡散層が縦線と横線からなる平織の繊維材料からなる場合、隣接する２本の縦線又は横線の間の距離の半分を指す。
【００３１】
なお、図４では、上記ガス拡散層５ａ、５ｂおよび触媒層６ａ、６ｂは、別個の層となっている。しかし、ガス拡散層と触媒層とは一体化され、単一の層となっていてもよい。
【００３２】
［アスペクト比］
燃料電池１は、上述したように、略矩形の電解質膜７の両面にアノードおよびカソードの略矩形の電極層（触媒層６およびガス拡散層５）を備える膜電極接合体３と略矩形のセパレータ２とを積層して形成されるセル積層体２０を有している。
【００３３】
セル積層体２０の内部には、アノード流路、カソード流路、および冷却流体流路を備えている。これら３つの流路のうち、少なくともアノード流路およびカソード流路は複数の線状リブから構成されている。それぞれの流路は、対向する二辺の間に形成され、その一方から燃料ガス（アノードガス）、酸化ガス（カソードガス）、および冷却流体等を導入し、他の一辺から排出する構造を有する。
【００３４】
本実施形態の燃料電池にあっては、流路の方向に沿う電極層の長さ（Ｌ）と、流路の方向に対して直交する幅方向の電極層の幅（Ｗ）との比であるアスペクト比Ｒ（Ｌ／Ｗ）が１未満である。
【００３５】
具体的には、略矩形をなしている膜電極接合体３の電極層において、図５（Ｂ）に示すように、酸化ガスの流れる方向（矢印Ｍ１で示す方向）を短辺、酸化ガスの流れる方向に対して直交する方向（矢印Ｍ２で示す方向）を長辺としたとき、アスペクト比Ｒは、Ｒ＝短辺／長辺＝Ｌ／Ｗで定義される。膜電極接合体３のアスペクト比Ｒは、厳密にいうと、発電が起こるアクティブエリアに設けられた触媒層６ａ、６ｂの幅（Ｗ）に対する長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｗ）である。なお、この実施形態では、膜電極接合体３は触媒層６ａ、６ｂを含む概念であるため、便宜上、以下、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒと表現する。
【００３６】
なお、上述では、酸化ガスの流れる方向を短辺、酸化ガスの流れる方向に対して直交する方向を長辺とし、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒを、Ｒ＝短辺／長辺＝Ｌ／Ｗと定義した。しかしながら、アノード側における燃料ガスの流れる方向もしくは冷却層における冷却流体の流れる方向を短辺、燃料ガスの流れる方向に対して直交する方向もしくは冷却層における冷却流体の流れる方向に対して直交する方向を長辺とし、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒを定義してもよい。
【００３７】
膜電極接合体３のアスペクト比Ｒは０．０１以上１未満である。アスペクト比の下限値は、０．０５以上が好ましく、０．１以上がより好ましく、０．２以上が更に好ましい。一方、アスペクト比の上限値は、０．９未満が好ましく、０．８未満がより好ましく、０．７未満が更に好ましく、０．６未満が最も好ましい。アスペクト比Ｒが０．０１未満の場合、燃料電池の外形が細長くなりすぎるため、車載等を考慮する際に支障が生じる可能性がある。
【００３８】
より詳細に説明すると、図３に示すように、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒが０．０１以上１未満の矩形状の場合、セパレータ２の形状も膜電極接合体３に合わせるように矩形状にする。そして、例えば、図７（Ａ）に示すように、セパレータ２Ａが高アスペクト比（Ｒが１以上）である場合、流路長も長くなるため、圧力損失が増大する。これに対し、図７（Ｂ）に示すように、セパレータ２Ｂが低アスペクト比（Ｒが０．０１以上１未満）である場合、流路長が短くなるため、セパレータ２Ａに比べて、圧力損失が減少する。つまり、セパレータ２Ａと面積が同じで、かつ、流路への流量が同じ場合でも、セパレータ２Ｂのようにアスペクト比Ｒを下げることによって、圧力損失を小さくすることができる。そのため、図７（Ｃ）のように、アスペクト比Ｒを小さくし、かつ、流路の高さを低くした場合でも、セパレータ２Ａと同等の圧力損失を維持することができるとともに、セパレータ２自体の高さを低くすることができる。
【００３９】
また、流路の断面積は、セパレータ２Ｂの流路よりもセパレータ２Ｃの流路の方が小さくなるため、反応ガスの流速は、セパレータ２Ｂの流路よりもセパレータ２Ｃの流路の方が早くなる。その結果、流路内に存在する生成水を、反応ガスにより吹き飛ばすことができるため、フラッディングを抑制することができる。特に、セパレータ２Ｃのような構成は、生成水が滞留しやすいカソード側に適用することが好ましいが、アノード側に適用した場合、もしくは冷却流体に適用した場合でも、燃料電池の小型化に寄与することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態の燃料電池においては、燃料ガスの流れる方向が酸化ガスの流れる方向と平行であることが好ましい。しかし、燃料ガスの流れる方向が酸化ガスの流れる方向と垂直（クロスフロー）にすることも可能である。平行である場合、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向が同方向（コフロー）、逆方向（カウンターフロー）のいずれも可能であるが、カウンターフローが好ましい。
【００４１】
また、本実施形態においては、冷却流体の流れる方向が酸化ガスの流れる方向と平行であることが好ましいが、垂直（クロスフロー）とすることも可能である。平行である場合、冷却流体の流れる方向と酸化ガスの流れる方向が同方向（コフロー）、逆方向（カウンターフロー）のいずれも可能であるが、コフローの好ましい。
【００４２】
［流路開口部］
本実施形態において、それぞれの流路（アノード流路、カソード流路、および冷却流体流路）における両端のそれぞれに流路開口部が２個以上設けられている。２個以上の流路開口部を設けることによって、幅方向に広い本実施形態の燃料電池においても、ガスおよび冷却流体を幅方向に均等に供給することが容易となる。
【００４３】
図５（Ｂ）に示すように、膜電極接合体３の対向する二辺（長辺）の外周部に、流路開口部として、複数の燃料ガス流路開口部９、冷却水流路開口部１０、および酸化ガス流路開口部１１が設けられている。燃料ガス流路開口部９と酸化ガス流路開口部１１との間に、冷却水流路開口部１０を挟んで設けられている。必要に応じて、冷却水流路開口部１０は、膜電極接合体３の外周部短辺に配置されていてもかまわない。図５（Ｃ）の符号「８」は拡幅部を表し、符号「１２」はシール材を表している。
【００４４】
図４、および図５（Ａ）に示すように、電解質膜７の対向する二辺（長辺）の外周部にも、流路開口部として、複数の燃料ガス流路開口部９、冷却水流路開口部１０、および酸化ガス流路開口部１１が設けられている。しかし、流路開口部は必ずしも電解質膜７に設ける必要はない。例えば、触媒層と同じ平面形状を有する電解質膜の外縁に沿って、流路開口部が設けられた樹脂製のキャリアシートを配置する。そして、電解質膜の外縁とキャリアシートの内縁を気密的に密着させる。これによって、図４の膜電極接合体３と同じ機能を発現させることが可能となる。
【００４５】
また、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）に示すように、膜電極接合体３のカソード側およびアノード側となる面の外周縁には、シール材１２がそれぞれ設けられている。具体的には、電解質膜７のカソード側となる面の外周縁には、全外周を取り囲むと共に燃料ガス流路開口部９と冷却水流路開口部１０の回りを取り囲むようにしてシール材１２が設けられている。但し、酸化ガス流路開口部１１の回りにはシール材１２は設けられていない。一方、電解質膜７のアノード側となる面の外周縁には、図示は省略するが、全外周を取り囲むとともに酸化ガス流路開口部１１と冷却水流路開口部１０の回りを取り囲むようにしてシール材１２が設けられている。但し、燃料ガス流路開口部９の回りにはシール材１２は設けられていない。
【００４６】
シール材１２は、どの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却流体）を膜電極接合体３に流通させるかを選択するスイッチング機能を有する。例えば、図５（Ｂ）では、酸化ガス流路開口部１１の前面においてシール材１２が開いていることから、膜電極接合体３のカソード側を示していることが分かる。
【００４７】
図５（Ａ）に示すように、酸化ガス流路開口部１１の断面積の和ＡＯｘが、カソード触媒層６ｂの触媒面積Ａｃａｔの５％以上２０％以下であることが好ましい。ＡＯｘが５％未満の場合は、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２および積層方向への酸化ガス配流性が低下するとともに、酸化ガス流路開口部１１内の通気圧力損失が増加する可能性がある。逆に、ＡＯｘが２０％を超える場合は、燃料電池の容積が大きくなるため好ましくない。
【００４８】
燃料ガス流路開口部９の断面積の和ＡＲｅが、アノード触媒層６ａの触媒面積Ａｃａｔの５％以上２０％以下であることが好ましい。ＡＲｅが５％未満の場合は、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２への燃料ガス配流性が低下するとともに、燃料ガス流路開口部９内の通気圧力損失が増加する可能性がある。逆に、ＡＲｅが２０％を超える場合は、燃料電池の容積が大きくなるため好ましくない。
【００４９】
酸化ガス流路開口部１１の数が１つのアクティブエリア（触媒層６ａ、６ｂが存在する領域）に対して複数に分割されていることが好ましい。この酸化ガスの流路開口部分割数ＮＯｘの下限は、２以上が好ましく、５以上がより好ましく、１０以上が更に好ましく、１５以上がより更に好ましい。ＮＯｘを２以上とすることによって、酸化ガスを膜電極接合体３により一層容易かつ均一に導入することができる。ＮＯｘの上限は、１００以下が好ましく、５０以下がより好ましく、３０以下が更に好ましく、２０以下がより更に好ましい。ＮＯｘが１００を超える場合、燃料電池が非常に大型である場合には支障は少ないが、酸化ガス流路開口部１１毎に必要なシール材の面積が大きくなる。そのため、本願の目的である小型化を達成することが難しい可能性がある。図５（Ａ）（Ｂ）では、膜電極接合体３の長辺（幅Ｗ）の一方において、酸化ガス流路開口部１１が４つに分割されている。
【００５０】
酸化ガス流路開口部１１の場合と同様に、燃料ガスの流路開口部分割数ＮＲｅの下限は、２以上が好ましく、５以上がより好ましく、１０以上が更に好ましく、１５以上がより更に好ましい。ＮＲｅの上限は、１００以下が好ましく、５０以下がより好ましく、３０以下が更に好ましく、２０以下がより更に好ましい。図５（Ａ）（Ｂ）では、膜電極接合体３の長辺（幅Ｗ）の一方において、燃料ガス流路開口部９が４つに分割されている。
【００５１】
［拡幅部］
拡幅部８は、隣接する異種流体用の流路開口部の前面に配置される触媒層に酸化ガスもしくは燃料ガスを供給するために設けられる流路である。例えば、図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように、各流路開口部９、１０、１１と触媒層６ａ、６ｂとの間に一定の隙間（距離）Ｌ’を設けることによって、この隙間を拡幅部とすることができる。より具体的には、例えば、酸化ガスにおける拡幅部８は、燃料ガス流路開口部９および冷却水流路開口部１０の周囲を取り囲むシール材１２と触媒層６ａ、６ｂ（実際には、触媒層６ａ、６ｂ上に設けられたガス拡散層５ａ、５ｂ）との間の部位に相当する。
【００５２】
このような拡幅部８を設けることによって、図５（Ｃ）に示すように、酸化ガス流路開口部１１から流出した酸化ガスが拡幅部８を通じて膜電極接合体３の幅方向Ｍ２に拡散する。その後、拡散した酸化ガスがガス拡散層５ｂおよび触媒層６ｂに均等に供給される。そのため、ＭＥＡアクティブエリア全体で効率的に発電を行うことが可能となる。
【００５３】
拡幅部８の長さＬ’は、触媒層６ａ、６ｂ（ガス拡散層５ａ、５ｂも含む）のガス流れ方向Ｍ１における流路長Ｌの５％以上２０％以下であることが好ましい。拡幅部８の長さＬ’が流路長の５％以下の場合は隣接する異種流路開口部前面に酸化ガスもしくは燃料ガスを供給するための圧力損失が大となるため好ましくない。また、流路長の２０％を超える場合は、燃料電池の小型化が困難になるため好ましくない。
【００５４】
本実施形態においては、拡幅部８は流路開口部９、１０、１１の分割数に応じて分割されるようにしても良い。例えば、図５（Ｃ）において、拡幅部８は、シール材１２の一部をガス拡散層５ａ、５ｂに向けて突出させた拡幅部分割部１４によって、膜電極接合体３の流路方向Ｍ１と平行に分割されている。この拡幅部８の分割数は、流路開口部分割数ＮＯｘと合わせることが好ましい。そして、図５では、拡幅部の分割数を、酸化ガスの流路開口部分割数と合わせ、４としている。このような拡幅部８の分割によって、個々の流路開口部からの流体の供給を特定の流路幅に制限することが可能となる。その結果、流体の供給に予想以上の変動があった場合でも、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２に対して均等に流体を供給することができる。
【００５５】
［セパレータ］
単セル４におけるセパレータ２は、アノード側の触媒層６ａからガス拡散層５ａへ取り出された電子を集電して外部負荷回路へ送り出す機能、もしくは、外部負荷回路から戻ってきた電子をガス拡散層５ｂへ配電してカソード側の触媒層６ｂへ伝える機能を有する。更に、単セル４におけるセパレータ２は、ガス拡散層５の触媒層６側と反対側面にガス遮断機能がない場合に、ガス拡散層５と密着することによって、ガス遮断機能を担う。さらに、セパレータ２は、必要に応じて冷却層（冷却流体流路）を構成することによって、燃料電池の温度調整機能（冷却機能）を担う。
【００５６】
セパレータ２は、セパレータ２の表裏の間に導電性を有する非多孔質体が好ましく、アルミ箔、金箔、ニッケル箔、銅箔、およびステンレス箔などの金属箔、もしくは天然黒鉛等の炭素材料から構成されるカーボンホイルがより好ましい。貴金属以外の金属材料から構成される場合は表面に酸化皮膜が形成されて電気抵抗が増大することがある。これを避けるために、金属材料の表面に当業者に公知の技術によって金・白金・パラジウム等の貴金属、導電性炭素材料、導電性セラミックス、導電性プラスチックのいずれかからなる表面層を備えることが好ましい。たとえば、貴金属の表面層はめっきやスパッタ等の公知の手段によって形成することが可能である。また、炭素材料の表面層はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）と呼称される公知技術のうち、特にＳＰ２リッチでグラファイト構造に近く導電性の高いものが広く用いられている。さらに、これらの表面層を安定化する等の目的でクロム等による下地層を設けることが知られている。
【００５７】
図３において、セパレータ２の対向する二辺の外周部には複数の流路開口部が設けられているが、流路開口部は必ずしもセパレータに設ける必要はない。例えば、触媒層６と同じ平面形状を有するセパレータの外縁に沿って、流路開口部が設けられた樹脂製のキャリアシートを配置する。そして、セパレータの外縁とキャリアシートの内縁を気密的に密着する。これによって、図３のセパレータと同じ機能を発現させることが可能である。なお、セパレータ２の流路開口部の機能は、膜電極接合体３の流路開口部の機能と等価である。
【００５８】
［流路］
セパレータ２には、図６（Ａ）に示すように、その表面に酸化ガスまたは燃料ガスを流通させるための流路１３を形成することができる。また、セパレータ２には、必要に応じて、その内部に冷却媒体を流通させるための流路（図示せず）を形成することができる。
【００５９】
セパレータ２に設けられた流路の断面形状は、リブと呼ばれる凸部と、チャネルと呼ばれる凹部とからなる。このうち、リブがガス拡散層と接触することによって、触媒層において発生した電子を集電する。図６（Ｂ）において、符号「ａ」「ｂ」および「ｃ」は、それぞれ、流路１３の流路高（リブの高さ）、流路１３のチャネル幅、および流路１３のリブ幅を示している。
【００６０】
セル積層体２０の内部に備えられる流路において、リブ幅ｃは、リブ上端の幅およびリブ下端の幅の算術平均で定義される。リブ幅ｃの下限は、１０μ以上が好ましく、５０μ以上がより好ましく、１００μ以上が更に好ましく、２００μ以上がより更に好ましい。リブ幅ｃの上限は、１０００μ以下が好ましく、５００μ以下がより好ましく、４００μ以下が更に好ましく、３００μ以下がより更に好ましい。リブ幅ｃが１０μより狭くても本発明の目的を達成するために大きな支障は生じないが加工手段が限定されることがある。リブ幅ｃが１０００μを超える場合は、触媒層表面のうちガス拡散層を介してリブと接触する部分に十分な酸化ガスもしくは燃料ガスを供給しにくいことがある。リブの高さａの下限は、１０μ以上が好ましく、５０μ以上がより好ましく、１００μ以上が更に好ましく、１２５μ以上がより更に好ましく、１５０μ以上が特に好ましい。リブの高さａの上限は、１０００μ以下が好ましく、５００μ以下がより好ましく、３００μ以下が更に好ましく、２００μ以下がより更に好ましく、１８０μ以下が特に好ましい。リブの高さａが１０μより低いと流路断面積が小さくなって圧力損失が増大しすぎる場合がある。リブの高さａが１０００μより高いと、流路断面積が大きくなって圧力損失が減少しすぎる場合がある。運転に伴い反応水が生成する燃料電池においては、流路内に所定の圧力損失を付与することで流路中に生成水が滞留しないよう酸化ガスや燃料ガスで常時排出する操作が一般に行われている。
【００６１】
セル積層体２０の内部に備えられる流路において、チャネルとは、リブとリブとに挟まれた空間をいう。チャネル幅ｂは、チャネル上端の幅およびチャネル下端の幅の算術平均で定義される。チャネル幅ｂの下限は、１０μ以上が好ましく、５０μ以上がより好ましく、１００μ以上が更に好ましく、２００μ以上がより更に好ましい。チャネル幅ｂの上限は、１０００μ以下が好ましく、５００μ以下がより好ましく、４００μ以下が更に好ましく、３００μ以下がより更に好ましい。ガス流量およびリブとチャネルとの幅の比率が同じであっても、チャネル幅ｂが１０μより狭いとリブの表面摩擦の影響が大きくなるため圧力損失が増大しすぎる場合がある。チャネル幅ｂが１０００μより大きいと、膜電極接合体３の両面に圧力差が生じた場合に流路面積が拡大もしくは縮小しすぎる場合がある。
【００６２】
流路１３の水平形状は、概略矩形の触媒層の対向する二辺を最短距離で結ぶ直線形状に形成することが好ましい。この場合、例えば、図５（Ｂ）に示すように、上方側に設けられた酸化ガス流路開口部１１から酸化ガスが供給された場合、上方側の拡幅部８を通じて幅方向Ｍ２へ酸化ガスが拡散し、その後ガス流れ方向Ｍ１と平行である流路１３を通じて下方側に流れる。そして、下方側の拡幅部８を通じて、下方側に設けられた酸化ガス流路開口部１１から排出される。そのため、酸化ガスを効率良くガス拡散層５ｂおよびカソード触媒層６ｂに分散させることができる。
【００６３】
なお、本発明の目的を損なわない範囲で、流路１３を最短距離以上の直線または曲線とすることもできる。この場合、ガス拡散層を介して触媒層の全面に燃料電池反応に必要な燃料ガスと酸化ガスを均等に分配するため、触媒層全面をカバーすることができる。
【００６４】
流路１３の製造方法としては、プレス加工や切削加工などの公知の手段を用いることができる。
【００６５】
反応ガスが流通する流路１３は、上述のように、セパレータ２の表面に設けられたリブとチャネルにより形成することができる。しかし、これに限らず、膜電極接合体３のガス拡散層５ａ、５ｂに、流路１３と同等の機能を付与することが可能である。例えば、ガス拡散層５ａ、５ｂに、流路１３と同等の機能を発揮する溝を形成することができる。この場合、セパレータ２の表面に上記リブとチャネルからなる流路１３を形成する必要は無いため、セパレータを平滑にすることができる。ガス拡散層５ａ、５ｂとセパレータ２との両方に上記流路を設けても良い。
【００６６】
［電解質膜］
電解質膜７は、プロトンを輸送し、電子を絶縁する機能を有する一種の選択透過膜である。電解質膜７は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系電解質膜と炭化水素系電解質膜とに大別される。これらのうち、フッ素系電解質膜は、Ｃ−Ｆ結合を有しているために耐熱性や化学的安定性に優れる。例えば、電解質膜７には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜が広く使用されている。
【００６７】
［触媒層］
カソード触媒層６ｂは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。電極触媒は、プロトンと電子と酸素とから水を生成する反応（酸素還元反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。
【００６８】
アノード触媒層６ａは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。電極触媒は、水素をプロトンおよび電子に解離する反応（水素酸化反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。
【００６９】
［内部マニホールド］
膜電極接合体３またはセパレータ２の外周部長辺に設けられた燃料ガス流路開口部９、冷却水流路開口部１０、酸化ガス流路開口部１１は、単セル４の積層にともなって、隣接する単セル４に含まれる流路開口部９、１０、１１と相互に連結される。これにより、図２に示すように、流体ごとに、セル積層体２０と同じ長さの複数の内部マニホールド２１（２２、２３、２４の総称）を構成する。符号「２２」は、燃料ガス流路開口部９が積層されて形成される燃料ガス用の内部マニホールドを示し、符号「２３」は、冷却水流路開口部１０が積層されて形成される冷却水用の内部マニホールドを示し、符号「２４」は、酸化ガス流路開口部１１が積層されて形成される酸化ガス用の内部マニホールドを示している。内部マニホールド２２、２３、２４のそれぞれには、流体供給用の内部マニホールド２１と、流体排出用の内部マニホールド２１とが含まれる。
【００７０】
内部マニホールド２１に関して、流体供給用と流体排出用とを区別して説明するときには、流体供給用については符号に添え字「ａ」を付して、流体供給用の内部マニホールド２２ａ、２３ａ、２４ａという。また、流体排出用については符号に添え字「ｂ」を付して、流体排出用の内部マニホールド２２ｂ、２３ｂ、２４ｂという。
【００７１】
燃料ガス流路開口部９は燃料ガスの流路における両端のそれぞれに２個以上設けられ、酸化ガス流路開口部１１は酸化ガスの流路における両端のそれぞれに２個以上設けられる。冷却水流路開口部１０も冷却流体流路における両端のそれぞれに２個以上設けられる。このため、セル積層体２０には、流体供給用の内部マニホールド２１および流体排出用の内部マニホールド２１が、それぞれの流体ごとに２以上構成される。
【００７２】
流路開口部９、１０、１１および内部マニホールド２２、２３、２４の数は、アスペクト比Ｒに応じて増やすことができる。つまり、流体供給用の内部マニホールド２１と流体排出用の内部マニホールド２１とを、それぞれの流体ごとに、３以上設けてもよい。アスペクト比Ｒに応じて数を増やすことによって配流性を向上させることができるからである。
【００７３】
［外部マニホールド］
図１に示したように、セル積層体２０の外部には、セル積層体２０に対してそれぞれの流体を供給または排出する外部マニホールド４１（４２、４３、４４の総称）が設けられている。符号「４２」は、燃料ガス用の外部マニホールドを示し、符号「４３」は、冷却水用の外部マニホールドを示し、符号「４４」は、酸化ガス用の外部マニホールドを示している。図９〜図１１に示すように、外部マニホールド４２、４３、４４は、それぞれの流体ごとに、流体供給用の内部マニホールド２１に供給側連通部５０ａを介して接続する流体供給用の外部マニホールド４１と、流体排出用の内部マニホールド２１に排出側連通部５０ｂを介して接続する流体排出用の外部マニホールド４１とが含まれる。
【００７４】
外部マニホールド４１に関して、流体供給用と流体排出用とを区別して説明するときには、流体供給用については符号に添え字「ａ」を付して、流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａ、４４ａという。また、流体排出用については符号に添え字「ｂ」を付して、流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂ、４４ｂという。
【００７５】
内部マニホールド２１に接続して燃料電池に必要な流体を供給もしくは排出するため、セル積層体２０の外部に、流体ごとに、外部マニホールド４１が設けられる。外部マニホールド４１は、複数の内部マニホールド２１と接続するための複数の供給側連通部５０ａ、排出側連通部５０ｂを備えている。外部マニホールド４１はさらに、燃料電池スタックの外部の流体装置と接続して流体を供給および排出するための供給口および排出口を備えている。
【００７６】
図１０に模式的に示すように、流体供給用の外部マニホールド４２ａ（４３ａ、４４ａ）、および流体排出用の外部マニホールド４２ｂ（４３ｂ、４４ｂ）のそれぞれは、セル積層体２０の幅方向に伸びて略平行に配置している。流体供給用および流体排出用の外部マニホールド４１（４２、４３、４４）において、供給口および排出口を同一面に開口することが好ましい。「平行」には、中心線同士が完全に平行である場合のほか、本発明の目的である配流性の向上を達成し得る限度において、平行状態から傾斜して中心線の延長線が交わるような場合も含まれる、と解釈されなければならない。
【００７７】
図９〜図１１に示すように、供給側連通部５０ａは、流体供給用の内部マニホールド２２ａ、２３ａ、２４ａに接続される第１の補助マニホールド５１ａと、流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａ、４４ａの中心線および第１の補助マニホールド５１ａの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａ、４４ａに接続される第２の補助マニホールド５２ａとを少なくとも有している。同様に、排出側連通部５０ｂは、流体排出用の内部マニホールド２２ｂ、２３ｂ、２４ｂに接続される第１の補助マニホールド５１ｂと、流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂ、４４ｂの中心線および第１の補助マニホールド５１ｂの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂ、４４ｂに接続される第２の補助マニホールド５２ｂとを少なくとも有している。なお、供給側連通部５０ａおよび排出側連通部５０ｂを総称して、「連通部５０」ともいい、第１の補助マニホールド５１ａ、５１ｂを総称して、「第１の補助マニホールド５１」ともいい、第２の補助マニホールド５２ａ、５２ｂを総称して、「第２の補助マニホールド５２」ともいう。
【００７８】
図１０に示したように、連通部５０の第２の補助マニホールド５２は、その中心線が、外部マニホールド４１の中心線に対して交差し、かつ、内部マニホールド２１に接続される第１の補助マニホールド５１の中心線に対して交差する。「交差」には、中心線同士が直交する場合のほか、本発明の目的である配流性の向上を達成し得る限度において、直交状態から傾斜して交わる場合も含まれる、と解釈されなければならない。
【００７９】
上記の構成は、外部マニホールド４１と内部マニホールド２１との間の連通部５０において、各流体を実質的に２回以上交差させて流すことを特徴とするものである。ここにおいて、「実質的に２回以上交差する」とは、外部マニホールド４１と内部マニホールド２１という２本の管において、連通部５０を介して互いの管と管との間を流体が流通するに際し、実質に２度にわたって中心流線の交差が直接または間接に観測されることを意味する。ここで、「直接または間接に観測される」とは、流体の流れを実験によって確認してもよいし、流体の流れをシミュレーションによって確認してもよいことを意味する。
【００８０】
但し、たとえば、次のような接続形態については、「実質的に２回以上交差する」とはみなされない。つまり、２本の管を直交するように接触させ、一方の中心線が他方の管内に含まれるようになるまで接触部を切除して、互いに深く噛み合う形で流通部としての貫通口を設けた場合である。この接続形態にあっては、中心流線は実質的に２度にわたって屈曲するものの、斜行しているのみであり、配流性の向上を達成し得ないことから交差しているとはみなされない。
【００８１】
低アスペクト構造を有し、流体供給用の内部マニホールド２１と流体排出用の内部マニホールド２１とをそれぞれの流体ごとに２以上有する燃料電池において、外部マニホールド４１と内部マニホールド２１との間において各流体を実質的に２回以上交差させて流す配流機構を設けることによって、燃料電池に必要な各種流体を、偏流を抑えて、単セル４の幅方向および積層方向に均等に供給もしくは排出することができる。この結果、効率的に発電を行うことが可能となり、小型高出力の燃料電池を提供することが可能となる。
【００８２】
外部マニホールド４１は、その中心線が内部マニホールド２１の中心線よりも内側にオフセットされるように、配置するのが好ましい（図８〜図１０を参照）。単セル４を積層する方向から見てセル積層体２０の外側に外部マニホールド４１を配置する場合に比べて、燃料電池が占める容積を小さくでき、車載レイアウトの自由度を高めることができるからである。
【００８３】
酸化ガスの外部マニホールド４４と、冷却水の外部マニホールド４３と、燃料ガスの外部マニホールド４２とが、セル積層体２０における単セル４の積層方向に、重なり合って配置される場合には、冷却水の外部マニホールド４３を酸化ガスの外部マニホールド４４と燃料ガスの外部マニホールド４２との間に配置すると、酸化ガスおよび燃料ガスの温調が容易になるため好ましい。一般的に、外部マニホールド４１（４２、４３、４４）がセル積層体２０に近く配置されるほど、当該外部マニホールド４１を流れる流体がセル積層体２０に対して流入もしくは流出するまでの助走距離、すなわち連通部５０の距離、特に第１の補助マニホールド５１の距離を長く取ることができるために当該流体の流れが安定化し、内部マニホールド２１（２２、２３、２４）における流体の偏流を低減することができる。内部マニホールド２１における流体の偏流が低減されると、各単セル４に各流体が均等に分配されるため燃料電池１の効率が向上するため好ましい。ここで、内部マニホールド２１における偏流は助走距離と同時に流体の速度が遅いほど低減されるため、助走距離が短い場合においても第１の補助マニホールド５１もしくは内部マニホールド２１の断面積が大きい場合は偏流を低減することが可能である。当業者であれば、前記助走距離と前記断面積の関係から適切に外部マニホールド４２、４３、４４の配置を決定することが可能である。
【００８４】
外部マニホールド４１は、燃料ガス、冷却水、酸化ガスのそれぞれに設けることが可能である。それぞれの流体において、外部マニホールド４１（４２、４３、４４）、および連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２を、エンドプレート３２（または３１）内に設けることが好ましい。外部マニホールド４１および連通部５０をエンドプレート３２（または３１）に一体化することによって、燃料電池の小型化を図ることができるからである。
【００８５】
燃料ガス、冷却水、酸化ガスのすべての外部マニホールド４１、およびすべての連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２を一方のエンドプレート３２（または３１）内に構成することによって、配流装置の容積を最小にすることも可能である。この場合、セル積層体２０に最も近い層に酸化ガス用外部マニホールド４４を、最も遠い層に燃料ガス用外部マニホールド４２を、その中間に冷却水用外部マニホールド４３を配置することが好ましい。３層の外部マニホールド４２、４３、４４を備えたエンドプレート３２（３段モノコックエンドプレート３２）を構成した場合、冷却水が燃料ガスと酸化ガスの間に流通するため、各燃料電池用流体の温度が保持しやすくなり好ましいからである。
【００８６】
外部マニホールド４１の排出側の管の断面積と供給側の管の断面積との比率は、目的に応じて同じでも異なっていてもかまわない。但し、冷却水および空気を用いるカソードにおいて、外部マニホールド４３、４４の排出側の断面積は、供給側の断面積よりも大きいことが好ましい。燃料電池に供給される流体のうち、冷却水は、発電時において消費されない。また、酸化ガスとして空気を用いる場合は、酸素は消費されるものの、窒素は消費されないことから、アノードにおける燃料ガスに比べると、減少する量は少ない。このように流れの途中において流量が変化しない、もしくは減少量が少ない流体にあっては、排出側の断面積を、供給側の断面積よりも大きくすることによって、排出側における圧力損失を低減し、配流性を向上できるからである。
【００８７】
なお、流れの途中において消費される燃料ガスにあっては、排出側と供給側との断面積の大小関係を設定することは一概にできないが、排出側と供給側における実際の流量変化に基づき当業者においては上記観点から適切に求めることが可能である。また、酸化ガスとして空気ではなく酸素を用いる場合にも、燃料ガスの場合と同様である。
【００８８】
外部マニホールド４２、４３、４４の各開口部は、各流体に対して同じ燃料電池スタック側面に開口していてもかまわないし、燃料電池スタックの反対側面に開口していてもかまわない。ただし、外部マニホールド４２、４３、４４の各供給口および排出口は同一面に開口することが好ましい。本発明において、供給口および排出口を同一面に開口することをアルファベットの形状に似せてＵフロー、供給口および排出口を反対側面に開口することをＺフローと呼称する。本発明においてはＵフローが好ましく、Ｚフローを用いる場合は、各内部マニホールドおよび各流路において、前記セル積層体の幅方向に流量むらが発生しやすい場合がある。第１の実施形態では、燃料ガス、冷却水、酸化ガスのすべての流体の外部マニホールド４２、４３、４４および連通部５０を同じエンドプレート３２の中に設けてある。図１に示すように、エンドプレート３２の対向する側面のうち、第１の側面（図中左手前の側面）に、燃料ガス用外部マニホールド４２の供給口および排出口を開口し、同じ第１の側面に、酸化ガス用外部マニホールド４４の供給口および排出口を開口している。反対側の第２の側面に、冷却水用外部マニホールド４３の供給口および排出口を開口している。外部マニホールド４１は、エンドプレート３２における第１の側面から第２の側面まで貫通する貫通孔から形成されている。燃料ガス用の外部マニホールド４２および酸化ガス用の外部マニホールド４４については、貫通孔を形成した後に、第２の側面の開口を塞ぎ板によって封止している。一方、冷却水用の外部マニホールド４３については、貫通孔を形成した後に、第１の側面の開口を塞ぎ板３３によって封止している。
【００８９】
本実施形態の燃料電池１は、容積出力密度が高いことに加えて、燃料電池１に必要な流体を供給もしくは排出する出入口の配置に自由度が高いため、良好な車載性またはレイアウト性を提供することができる。
【００９０】
［エンドプレート］
膜電極接合体３およびセパレータ２を交互に積層されて得られたセル積層体２０は、積層方向の両端からエンドプレート３１、３２によって挟み込まれる。これによって燃料電池スタックが構成される。図８、および図９（Ａ）に示すように、エンドプレート３２におけるセル積層体２０との接触面には複数の接続口３４、３５、３６が形成されている。この接続口３４、３５、３６を介して、エンドプレート３２と内部マニホールド２１との間において燃料電池１に必要な各種流体を供給もしくは排出する。符号「３４」は、燃料ガス用の接続口を示し、符号「３５」は、冷却水用の接続口を示し、符号「３６」は、酸化ガス用の接続口を示している。
【００９１】
［変位吸収機構］
電解質膜の含水乾燥による膨潤収縮等、セル積層体２０の積層方向の寸法変化を吸収してセル積層体内部の圧力分布を均一にするため、燃料電池１の内部に変位吸収機構を設けることができる。変位吸収機構としては皿バネやゴムなどの弾性体から構成された当業者に公知の変異吸収機構を用いることができる。変位吸収機構は、エンドプレート３１、３２の少なくとも一方、かつ、エンドプレート３１、３２の内部か表面に備えられることが好ましい。
【００９２】
前述したように、それぞれの流体において、外部マニホールド４２、４３、４４、および連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２を、エンドプレート３２（または３１）内に設けることが好ましい。
【００９３】
［配流装置］
図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１の実施形態の配流装置１００は、それぞれの流体において、外部マニホールド４１（４２、４３、４４）と、連通部５０（５０ａ、５０ｂ）の第１と第２の補助マニホールド５１（５１ａ、５１ｂ）、５２（５２ａ、５２ｂ）とが形成されたブロック体６０を有している。ブロック体６０は、一方のエンドプレート３２を構成している。
【００９４】
ブロック体６０においてセル積層体２０が配置される側の面を一の面６２とすると、矢印６１によって示されるようにブロック体６０の一の面６２の側から見て、一の面６２に近い側を流れる第１の流体用の外部マニホールド４４と、一の面６２から遠い側を流れる第２の流体用の外部マニホールド４２と、第１と第２の流体の間を流れる第３の流体用の外部マニホールド４３とが一部重なり合って配置されている。さらに、ブロック体６０の一の面６２の側から見て、第３流体用の外部マニホールド４３が第１流体用の外部マニホールド４４に重なり合わない延長部位６３を含み、第２流体用の外部マニホールド４２が第３流体用の外部マニホールド４３に重なり合わない延長部位６４を含んでいる。ブロック体６０の一の面６２がセル積層体２０の端面に接続される。第１の実施形態の場合、上述したように、第１の流体は酸化ガス、第２の流体は燃料ガス、第３の流体は冷却水である。
【００９５】
連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２は次のようにして形成される。
【００９６】
第１流体（酸化ガス）用の供給側連通部５０ａについては、図１１（Ｃ）に示すように、一の面６２の側から、第１流体用の外部マニホールド４４ａにのみ連通する第１の孔部７１を形成する。第１の孔部７１によって、第１流体用の外部マニホールド４４ａを区画形成する側壁部の一部が切除され、第１流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａが形成される。
【００９７】
第１流体用の排出側連通部５０ｂについては、図１１（Ａ）に示すように、一の面６２の側から、第１流体用の外部マニホールド４４ｂにのみ連通する第１の孔部７１を形成する。第１の孔部７１によって、第１流体用の外部マニホールド４４ｂを区画形成する側壁部の一部が切除され、第１流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成される。
【００９８】
第２流体（燃料ガス）用の供給側連通部５０ａについては、図１１（Ｃ）に示すように、一の面６２の側から、延長部位６４（図９（Ｂ）を参照）において第２流体用の外部マニホールド４２ａにのみ連通する第２の孔部７２を形成する。第２の孔部７２によって、第２流体用の外部マニホールド４２ａを区画形成する側壁部の一部が切除され、第２流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａが形成される。
【００９９】
第２流体用の排出側連通部５０ｂについては、図１１（Ａ）に示すように、一の面６２の側から、第２流体用の外部マニホールド４２ｂにのみ連通する第２の孔部７２を形成する。第２の孔部７２によって、第２流体用の外部マニホールド４２ｂを区画形成する側壁部の一部が切除され、第２流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成される。
【０１００】
第３流体（冷却水）用の供給側連通部５０ａについては、図１１（Ｂ）に示すように、一の面６２の側から、延長部位６３（図９（Ｂ）を参照）において第３流体用の外部マニホールド４３ａにのみ連通する第３の孔部７３を形成する。第３の孔部７３によって、第３流体用の外部マニホールド４３ａを区画形成する側壁部の一部が切除され、第３流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａが形成される。
【０１０１】
第３流体用の排出側連通部５０ｂについては、図１１（Ｂ）に示すように、一の面６２の側から、延長部位６３において第３流体用の外部マニホールド４３ｂにのみ連通する第３の孔部７３を形成する。第３の孔部７３によって、第３流体用の外部マニホールド４３ｂを区画形成する側壁部の一部が切除され、第３流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成される。
【０１０２】
第２の孔部７２、および第３の孔部７３の上部には、一の面６２から孔部７２、７３に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。これによって、燃料ガス用の接続口３４、および冷却水用の接続口３５に関して、図１１において左右方向の大きさを、酸化ガス用の接続口３６の大きさと同じになるようにしている。
【０１０３】
配流装置１００は、外部マニホールド４１および連通部５０を、エンドプレート３２を構成するブロック体６０に形成しているため、燃料電池１の小型化を図ることができる。さらに、外部マニホールド４１、および連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２を切削加工によって形成できることから、配流装置１００の製造を簡素にでき、多数の部品を溶接接合して組み立てる場合などに比較して安価に製造することができる。
【０１０４】
［燃料電池のメカニズム］
燃料電池１のメカニズムは以下のとおりである。すなわち、アノード触媒層６ａに供給された水素からプロトンと電子が生成される。アノードで生成されたプロトンは、電解質膜７内部を移動してカソード触媒層６ｂに達する。一方、アノードで生成された電子は、導線（導体）を伝って燃料電池から取り出される。そして、上記電子は、外部負荷回路で電気エネルギーを消費した後、導線（導体）を伝ってカソードに戻り、カソード触媒層６ｂに供給された酸素と反応して水を生成する。
【０１０５】
［燃料電池の作動］
燃料電池１の作動は、一方の電極（アノード）に水素を、他方の電極（カソード）に酸素または空気を供給することによって行われる。燃料電池の作動温度は高温であるほど触媒活性が上がるために好ましいが、通常は水分管理が容易な５０℃〜１００℃で作動させることが多い。
【０１０６】
［燃料電池を搭載した車両］
図１２（Ａ）（Ｂ）には、本実施形態の燃料電池を搭載した車両の一例を示す。図１２（Ａ）に示す車両１８は、駆動源としての本実施形態の燃料電池１をエンジンルームに搭載している。図１２（Ｂ）に示す車両１８は、駆動源としての本実施形態の燃料電池１をフロア下に搭載している。本発明を適用した例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やスタック型燃料電池は、出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。
【０１０７】
［セル積層体２０および外部マニホールド４１のレイアウト］
図１３（Ａ）、１３（Ｂ）、１３（Ｃ）は、セル積層体２０および外部マニホールド４１のレイアウトの例を模式的に示す図である。
【０１０８】
図１３（Ａ）に示される燃料電池は、少なくともカソードにおいて、内部マニホールド２４が鉛直方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールド２４に接続する外部マニホールド４４がセル積層体２０の下方位置に配置されている。セル積層体２０は、単セル４が水平方向に沿うように配置されている。このようなレイアウトによれば、生成水を重力によって確実に排水することができ、耐フラッディング性を維持した燃料電池を提供できる。
【０１０９】
図１３（Ｂ）に示される燃料電池は、少なくともカソードにおいて、内部マニホールド２４が水平方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールド２４に接続する外部マニホールド４４が、内部マニホールド２４よりも下方位置に配置されている。セル積層体２０は、単セル４が鉛直方向に沿うように配置されている。このようなレイアウトによっても、生成水を重力によって確実に排水することができ、耐フラッディング性を維持した燃料電池を提供できる。
【０１１０】
図１３（Ｃ）に示される燃料電池は、少なくともカソードにおいて、外部マニホールド４４が鉛直方向に設けられ、かつ、当該外部マニホールド４４に接続する内部マニホールド２４が水平方向に設けられている。セル積層体２０は、単セル４が鉛直方向に沿うように配置されている。
【０１１１】
燃料電池スタックにおいて、燃料電池反応に伴う生成水を流路を経由して燃料電池スタックの外に円滑に除去することは安定的な発電を維持するにあたって常に考慮すべき問題である。図１３において、（Ａ）または（Ｃ）では流路方向が水平方向であるため酸化ガスと水素ガスとが互いに平行流であっても対向流であっても生成水を流路を経由して燃料電池スタックの外に円滑に排出することができる。一方、（Ｂ）では流路方向が垂直方向であるため酸化ガスと水素ガスが互いに対向流のときは必ずどちらか一方のガスの流れが鉛直方向に下から上に流れることになり、ガスの流速が遅いときには生成水を流路を経由して燃料電池スタックの外に円滑に排出できない場合がある。この場合は酸化ガスと水素ガスの双方を鉛直方向に上から下に流れる平行流とすることで生成水を円滑に排出することができる。一般に、燃料電池反応においては酸化ガスと水素ガスは互いに対向流であることが好ましいため、（Ｂ）より（Ａ）または（Ｃ）が好ましい。
【０１１２】
次に、（Ａ）と（Ｃ）を比較すると、（Ａ）では内部マニホールド２４が鉛直方向に設けられるのに対して（Ｃ）では内部マニホールド２４が水平方向に設けられる。一般的に重力を利用できる鉛直方向に設けられた内部マニホールド２４のほうが排水性に優れるため、（Ｃ）より（Ａ）が好ましい。ただし、排水性は重力以外にもガスの流速や表面処理など様々な手段によって改善できるため、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のレイアウトについては排水性だけではなく総合的に判断して選択することが望ましい。たとえば、単セル４の幅方向（長手方向）よりも燃料電池スタックの積層方向が長い場合は（Ｃ）のレイアウトを採用することで車両に搭載した場合の燃料電池スタックの高さを低く抑えることができる。これは、多くの場合において車両デザイン上好ましい。また（Ａ）のレイアウトを採用して単セル４の幅方向と車両の幅方向を同じ向きにレイアウトすると、車両における燃料電池スタックの前後方向を短縮できるため、衝突時のクラッシュゾーン容積を大きくとることができる。
【０１１３】
［本実施形態の効果］
以上説明したように、第１の実施形態の燃料電池１は、低アスペクト構造を有し、燃料電池に必要な流体を輸送する際の圧力損失が、同じセルピッチを有する高アスペクト構造を有する燃料電池よりも物理的に低くなる。このため、一定圧力損失で輸送する際には、より小さなセルピッチを用いることによって燃料電池の小型化を実現することが可能である。本発明に係る燃料電池１は、流体供給用の内部マニホールド２１と流体排出用の内部マニホールド２１とをそれぞれの流体ごとに２以上有している。このため、燃料電池１に必要な各種流体を、単セル４の幅方向に均等に供給もしくは排出することが可能であり、その効果は前記内部マニホールド２１の数に比例する。
【０１１４】
そして、流体供給用の内部マニホールド２２ａ（２３ａ、２４ａ）に供給側連通部５０ａを介して接続する流体供給用の外部マニホールド４２ａ（４３ａ、４４ａ）と、流体排出用の内部マニホールド２２ｂ（２３ｂ、２４ｂ）に排出側連通部５０ｂを介して接続する流体排出用の外部マニホールド４２ｂ（４３ｂ、４４ｂ）とを、セル積層体２０の外部にセル積層体２０の幅方向に伸びて略平行に配置している。これによって、燃料電池１全体をコンパクトに構成することができる。この結果、小型高出力の燃料電池１を提供することが可能となる。
【０１１５】
流体供給用および流体排出用の外部マニホールド４１（４２、４３、４４）において、同方向の端部に開口部を有している。外部マニホールド４１における供給口をなす開口部と、排出口をなす開口部とが同一面に開口する。供給口および排出口を反対側面に開口する場合に比べて、内部マニホールド２１（２２、２３、２４）および流路において、セル積層体２０の幅方向に流量むらが発生することを抑えることができる。
【０１１６】
外部マニホールド４１と内部マニホールド２１との間において各流体を実質的に２回以上交差させて流す配流機構を設けている。このため、燃料電池１に必要な各種流体を、内部マニホールド内の積層方向の偏流を抑えて、単セル４の幅方向および積層方向に均等に供給もしくは排出することができる。この結果、効率的に発電を行うことが可能となり、この観点からも、小型高出力の燃料電池を提供することが可能となる。
【０１１７】
外部マニホールド４１の中心線が、内部マニホールド２１の中心線よりも内側にオフセットされている。このため、単セル４を積層する方向から見てセル積層体２０の外側に外部マニホールド４１を配置する場合に比べて、燃料電池が占める容積を小さくでき、レイアウトの自由度を高めることができる。
【０１１８】
内部マニホールド２２、２３、２４内の積層方向の偏流は、外部マニホールドから連通部５０を経て内部マニホールドに接続した直後の配流装置１００に近い部分で生じやすいが、この偏流は、第１と第２の補助マニホールド５１、５２、内部マニホールド２１の断面積が小さいほど、かつ、流量が大きいほど顕著になる。カソードの外部マニホールド４４とアノードの外部マニホールド４２のいずれをセル積層体２０に近い位置に配置するかは一概に定められないが、第１と第２の補助マニホールド５１、５２および内部マニホールド２１の断面積、および、流量に基づき、当業者においては上記観点から適切に定めることが可能である。
【０１１９】
例えば、カソードの外部マニホールド４４と、アノードの外部マニホールド４２とが重なり合って配置され、かつ、カソードの外部マニホールド４４がアノードの外部マニホールド４２よりもセル積層体２０に近い位置に配置することができる。この配置の場合には、外部マニホールド４２、４４と内部マニホールド２２、２４との間の距離に関して、燃料ガスが流れる距離を、酸化ガスが流れる距離に比べて大きく取ることができる。この結果、燃料ガスの助走距離を大きく取ることができ、内部マニホールド２２、２４内の積層方向の偏流を抑えることによって、単セル４の幅方向および積層方向により一層均等に供給もしくは排出することができる。
【０１２０】
図示した実施形態とは逆の配置、すなわち、カソードの外部マニホールドと、アノードの外部マニホールドとが重なり合って配置され、かつ、カソードの外部マニホールドがアノードの外部マニホールドよりもセル積層体２０に遠い位置に配置することもできる。
【０１２１】
少なくともカソードにおいて、内部マニホールド２４が鉛直方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールド２４に接続する外部マニホールド４４がセル積層体２０の下方位置に配置されている。あるいは、少なくともカソードにおいて、内部マニホールド２４が水平方向に設けられ、かつ、当該内部マニホールド２４に接続する外部マニホールド４４が、内部マニホールド２４よりも下方位置に配置されている。このようなレイアウトによれば、生成水を重力によって確実に排水することができ、耐フラッディング性を維持した燃料電池を提供できる。
【０１２２】
それぞれの流体において、外部マニホールド４１、および連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２がエンドプレート３２内に設けられている。外部マニホールド４１および連通部５０をエンドプレート３２に一体化することによって、燃料電池１の小型化を図ることができる。
【０１２３】
冷却流体および空気を用いるカソードにおいて、外部マニホールド４３、４４の排出側の断面積を供給側の断面積よりも大きく設定してある。流れの途中において流量が変化しない、もしくは減少量が少ない流体にあっては、排出側の断面積を、供給側の断面積よりも大きくすることによって、排出側における圧力損失を低減し、良好な配流性を実現することができる。
【０１２４】
流体供給用の内部マニホールド２１と流体排出用の内部マニホールド２１とを、それぞれの流体ごとに、３以上設けてもよい。アスペクト比Ｒに応じて数を増やすことによって配流性を向上させることができる。
【０１２５】
第１の実施形態の燃料電池１の配流装置１００によれば、流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａ、４４ａおよび流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂ、４４ｂを、エンドプレート３２を構成するブロック体６０に形成しているため、燃料電池１の小型化を図ることができる。さらに、外部マニホールド４２ａ、４３ａ、４４ａ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂに隣接する連通部５０ａ、５０ｂの構成が単純であり切削加工等の手段によって容易に形成できることから、配流装置１００の製造を簡素にでき、多数の部品を溶接接合して組み立てる場合などに比較して安価に製造することができる。
【０１２６】
本実施形態の車両１８は、小型化された燃料電池を備えるため、車載性、生産性、およびコストに優れた車両となる。
【０１２７】
（第２の実施形態）
図１４（Ａ）（Ｂ）は、第２の実施形態に係る燃料電池８０を示す斜視図、および正面図、図１５（Ａ）は、第２の実施形態に係る配流装置１０１を組み込んだ下側エンドプレート８２の要部を断面で示す斜視図、図１５（Ｂ）は、外部マニホールド４１が設けられた下側エンドプレート８２を示す断面図である。図１６（Ａ）（Ｂ）は、下側エンドプレート８２を構成するブロック体９０に、それぞれの流体ごとに、供給側連通部５０ａにおける第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａ、および排出側連通部５０ｂにおける第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成された様子を示す断面図である。なお、図１〜１３に示される部材と共通する部材には同一の符号を付して、その説明は一部省略する。
【０１２８】
第２の実施形態は、燃料ガス、冷却水、酸化ガスのうち、２つの流体の外部マニホールド４２、４３および連通部５０を同じ下側エンドプレート８２の中に設けている。この点において、３つのすべての流体の外部マニホールド４２、４３、４４および連通部５０を同じエンドプレート３２の中に設けた第１の実施形態と相違している。
【０１２９】
第２の実施形態では、図中下側に示される下側エンドプレート８２の中に、燃料ガスおよび冷却水の外部マニホールド４２、４３および連通部５０を設け、図中上側に示される上側エンドプレート８１の中に、酸化ガスの外部マニホールド４４および連通部５０を設けている。図１４に示すように、下側エンドプレート８２の対向する側面のうち、第１の側面（図中左手前の側面）に、冷却水用外部マニホールド４３の供給口および排出口を開口し、反対側の第２の側面に、燃料ガス用外部マニホールド４２の供給口および排出口を開口している。上側エンドプレート８１の第１の側面に、酸化ガス用外部マニホールド４４の供給口および排出口を開口している。外部マニホールド４１は、エンドプレート８１、８２における第１の側面から第２の側面まで貫通する貫通孔から形成されている。冷却水用の外部マニホールド４３および酸化ガス用の外部マニホールド４４については、貫通孔を形成した後に、第２の側面の開口を塞ぎ板によって封止している。一方、燃料ガス用の外部マニホールド４２については、貫通孔を形成した後に、第１の側面の開口を塞ぎ板８３によって封止している。
【０１３０】
下側エンドプレート８２に関して、図１５、図１６に示すように、供給側連通部５０ａは、流体供給用の内部マニホールド２２ａ、２３ａに接続される第１の補助マニホールド５１ａと、流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａの中心線および第１の補助マニホールド５１ａの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４３ａに接続される第２の補助マニホールド５２ａとを少なくとも有している。同様に、排出側連通部５０ｂは、流体排出用の内部マニホールド２２ｂ、２３ｂに接続される第１の補助マニホールド５１ｂと、流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂの中心線および第１の補助マニホールド５１ｂの中心線のそれぞれに対して交差する中心線を備えかつ流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４３ｂに接続される第２の補助マニホールド５２ｂとを少なくとも有している。
【０１３１】
上側エンドプレート８１に関しては、図示省略するが、連通部５０の第２の補助マニホールド５２は、その中心線が、外部マニホールド４４の中心線に対して交差し、かつ、内部マニホールド２４に接続される第１の補助マニホールド５１の中心線に対して交差する。
【０１３２】
第２の実施形態においても、低アスペクト構造を有し、流体供給用の内部マニホールド２１と流体排出用の内部マニホールド２１とをそれぞれの流体ごとに２以上有する燃料電池において、外部マニホールド４１と内部マニホールド２１との間において各流体を実質的に２回以上交差させて流す配流機構を設けることによって、燃料電池８０に必要な各種流体を、単セル４の幅方向および積層方向に均等に供給もしくは排出することができる。この結果、効率的に発電を行うことが可能となり、小型高出力の燃料電池を提供することが可能となる。
【０１３３】
図１５に示すように、第２の実施形態の配流装置１０１は、燃料ガスおよび冷却水において、外部マニホールド４２、４３と、連通部５０（５０ａ、５０ｂ）の第１と第２の補助マニホールド５１（５１ａ、５１ｂ）、５２（５２ａ、５２ｂ）が形成されたブロック体９０を有している。ブロック体９０は、下側エンドプレート８２を構成している。
【０１３４】
ブロック体９０においてセル積層体２０が配置される側の面を一の面９２とすると、矢印９１によって示されるようにブロック体９０の一の面９２の側から見て、一の面９２に近い側を流れる第１の流体用の外部マニホールド４２と、一の面９２から遠い側を流れる第２の流体用の外部マニホールド４３とが一部重なり合って配置されている。さらに、ブロック体９０の一の面９２の側から見て、第２流体用の外部マニホールド４３が第１流体用の外部マニホールド４２に重なり合わない延長部位９３を含んでいる。ブロック体９０の一の面９２がセル積層体２０の下面に接続される。第２の実施形態の場合、第１の流体は燃料ガス、第２の流体は冷却水である。すなわち、酸化ガス外部マニホールド４４は上側エンドプレート８１に配置されるため、燃料電池の反応によって生成される液水が酸化ガス内部マニホールド２４の下部に溜ることがある。この場合、内部マニホールド２４の下部からブロック体９０の外部に向けた排水孔を形成してもかまわない。
【０１３５】
一方、第２の実施形態の変形例として、ブロック体９０の第１の流体を燃料ガス、第２の流体を酸化ガスとすることも可能である。この場合、冷却水の外部マニホールド４４は上側エンドプレート８１に配置されるが、全てのマニホールドと流路は冷却水で常に充填されているため、前記排水孔を形成する必要はない。ただし、燃料ガス外部マニホールドを冷却水外部マニホールドで直接温度調整することができないため、燃料ガスを温度調整するための装置を別途必要とする場合がある。
【０１３６】
各流体の連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２は次のようにして形成される。
【０１３７】
第１流体（燃料ガス）用の供給側連通部５０ａについては、図１６（Ａ）に示すように、一の面９２の側から、第１流体用の外部マニホールド４２ａにのみ連通する第１の孔部９４を形成する。第１の孔部９４によって、第１流体用の外部マニホールド４２ａを区画形成する側壁部の一部が切除され、第１流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａが形成される。
【０１３８】
第１流体用の排出側連通部５０ｂについては、図１６（Ａ）に示すように、一の面９２の側から、第１流体用の外部マニホールド４２ｂにのみ連通する第１の孔部９４を形成する。第１の孔部９４によって、第１流体用の外部マニホールド４２ｂを区画形成する側壁部の一部が切除され、第１流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成される。
【０１３９】
第２流体（冷却水）用の供給側連通部５０ａについては、図１６（Ｂ）に示すように、一の面９２の側から、延長部位９３（図１５（Ｂ）を参照）において第２流体用の外部マニホールド４３ａにのみ連通する第２の孔部９５を形成する。第２の孔部９５によって、第２流体用の外部マニホールド４３ａを区画形成する側壁部の一部が切除され、第２流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ａ、５２ａが形成される。
【０１４０】
第２流体用の排出側連通部５０ｂについては、図１６（Ｂ）に示すように、一の面９２の側から、延長部位９３において第２流体用の外部マニホールド４３ｂにのみ連通する第２の孔部９５を形成する。第２の孔部９５によって、第２流体用の外部マニホールド４３ｂを区画形成する側壁部の一部が切除され、第２流体用の第１と第２の補助マニホールド５１ｂ、５２ｂが形成される。
【０１４１】
第２の孔部９５の上部には、一の面９２から孔部９５に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。これによって、冷却水用の接続口３５に関して、図１６において左右方向の大きさを、燃料ガス用の接続口３４の大きさと同じになるようにしている。
【０１４２】
第２の実施形態の燃料電池８０の配流装置１０１によれば、外部マニホールド４４および連通部５０を上側エンドプレート８１を構成するブロック体に形成し、外部マニホールド４２、４３および連通部５０を下側エンドプレート８２を構成するブロック体９０に形成しているため、燃料電池８０の小型化を図ることができる。さらに、外部マニホールド４１、および連通部５０における第１と第２の補助マニホールド５１、５２を切削加工によって形成できることから、配流装置１０１の製造を簡素にでき、多数の部品を溶接接合して組み立てる場合などに比較して安価に製造することができる。
【０１４３】
前記ブロック体９０に第３の流体用の第１と第２の補助マニホールドを形成する場合は、前記第１と第２の流体用の補助マニホールド構成に準じて適切に配置することが可能である。
【０１４４】
（他の変形例）
第１の実施形態にあっては、アノード流路における両端の流路開口部９をそれぞれ２個以上設け、一端側を供給流路、他端側を排出流路として形成し、カソード流路における両端の流路開口部１１をそれぞれ２個以上設け、一端側を供給流路、他端側を排出流路として形成している。アノード流路における流路開口部９が積層されて、２個以上の流体供給用の内部マニホールド２２ａと、２個以上の流体排出用の内部マニホールド２２ｂとを構成している。カソード流路における流路開口部１１が積層されて、２個以上の流体供給用の内部マニホールド２４ａと、２個以上の流体排出用の内部マニホールド２４ｂとを構成している。
【０１４５】
各種流体を単セル４の幅方向に均等に供給もしくは排出する構成は、それぞれの流路における両端の流路開口部９、１０、１１をそれぞれ２個以上設ける構成に限定されるものではない。
【０１４６】
すなわち、セル積層体２０は、アスペクト比Ｒ（Ｌ／Ｗ）が１未満であり、かつ、アノード流路における両端の流路開口部９のうち少なくとも一方が２個以上設けられ、一端側が供給流路、他端側が排出流路として形成され、カソード流路における両端の流路開口部１１のうち少なくとも一方が２個以上設けられ、一端側が供給流路、他端側が排出流路として形成されていてもよい。アノード流路における流路開口部９が積層されて流体供給用の内部マニホールド２２ａと流体排出用の内部マニホールド２２ｂとを構成し、カソード流路における流路開口部１１が積層されて流体供給用の内部マニホールド２４ａと流体排出用の内部マニホールド２４ｂとを構成している。そして、内部マニホールド２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと接続される外部マニホールド４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂは、内部マニホールド２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと交差する方向に伸びている。
【０１４７】
このような構成の燃料電池においても、各種流体を単セル４の幅方向に均等に供給もしくは排出することができる。
【０１４８】
この場合において、流体供給用の内部マニホールド２２ａ、２４ａと接続される流体供給用の外部マニホールド４２ａ、４４ａ、および流体排出用の内部マニホールド２２ｂ、２４ｂと接続される流体排出用の外部マニホールド４２ｂ、４４ｂのそれぞれを、セル積層体２０の幅方向に伸びて配置するのがよい。これによって、燃料電池全体をコンパクトに構成することができる。この結果、小型高出力の燃料電池を提供することが可能となる。
【０１４９】
第１と第２の実施形態にあっては、エンドプレート３２、８２を構成するブロック体６０、９０に外部マニホールド４１、および第１と第２の補助マニホールド５１、５２を形成したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、集電板をブロック体から構成し、このブロック体に、外部マニホールド４１、および第１と第２の補助マニホールド５１、５２を形成してもよい。また、エンドプレートや集電板の他に、配流装置１００、１０１を設けた専用のブロック体を用いることもできる。
【０１５０】
さらに、第１と第２の実施形態にあっては、ブロック体を切削加工することによって外部マニホールド４１、および第１と第２の補助マニホールド５１、５２を形成したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、鋳造や３Ｄプリンタ等の公知の技術を用いて同様の構造を形成することができる。また、切削加工の場合にくらべると配流装置１００、１０１の製造がやや煩雑になるものの、パイプ部材を連結することによって外部マニホールド、および第１と第２の補助マニホールドを形成してもよい。
【０１５１】
本出願は、２０１３年３月８日に出願された日本特許出願番号２０１３−０４６９８４号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
【符号の説明】
【０１５２】
１      燃料電池、
２      セパレータ、
３      膜電極接合体、
４      単セル、
５（５ａ、５ｂ）    ガス拡散層、
６（６ａ、６ｂ）    触媒層、
７      電解質膜、
９      燃料ガス流路開口部（流路開口部）、
１０    冷却水流路開口部（流路開口部）、
１１    酸化ガス流路開口部（流路開口部）、
１８    車両、
２０    セル積層体、
２１    内部マニホールド、
２２    燃料ガス用の内部マニホールド、
２３    冷却水用の内部マニホールド、
２４    酸化ガス用の内部マニホールド、
２２ａ、２３ａ、２４ａ    流体供給用の内部マニホールド、
２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ    流体排出用の内部マニホールド、
３１    エンドプレート、
３２    エンドプレート、
３３    塞ぎ板、
３４    燃料ガス用の接続口、
３５    冷却水用の接続口、
３６    酸化ガス用の接続口、
４１    外部マニホールド、
４２    燃料ガス用の外部マニホールド、
４３    冷却水用の外部マニホールド、
４４    酸化ガス用の外部マニホールド、
４２ａ、４３ａ、４４ａ    流体供給用の外部マニホールド、
４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ    流体排出用の外部マニホールド、
５０    連通部、
５０ａ  供給側連通部、
５０ｂ  排出側連通部、
５１（５１ａ、５１ｂ）    第１の補助マニホールド、
５２（５２ａ、５２ｂ）    第２の補助マニホールド、
６０    ブロック体、
６２    ブロック体の一の面、
６３、６４    延長部位、
８０    燃料電池、
８１    上側エンドプレート、
８２    下側エンドプレート、
８３    塞ぎ板、
９０    ブロック体、
９２    ブロック体の一の面、
９３    延長部位、
１００、１０１    配流装置、
Ｌ      電極層の長さ、
Ｗ      電極層の幅。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３（Ａ）】
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【図１３（Ｂ）】
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【図１３（Ｃ）】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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