(57)【要約】【課題】  ガスケットとガス拡散層との間の隙間に反応ガスが流れ込んだとしても、当該反応ガスが電極を通らずに出口へ流れ出して発電効率が低下することを防止する。【解決手段】  ガスケットと膜電極接合体との間に形成される隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、隙間の少なくとも一部において凝縮して上記隙間を閉塞するように、セパレータにおけるガス流路の下流部分を、隙間の近傍に対応する領域に設ける。【選択図】図１
2006190494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソード並びに前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方における前記ガス流路の下流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記高分子電解質膜の主面の大きさが、前記アノードの主面の大きさ及び前記カソードの主面の大きさのいずれよりも大きく、かつ、前記高分子電解質膜の主面の全外縁部が前記アノードの主面の外縁部及び前記カソードの主面の外縁部のいずれよりも外側に突出しており、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットが、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間において、互いに対向して前記高分子電解質膜の前記全外縁部を挟持するようにして配置されており、
前記アノード側隙間が、少なくとも前記高分子電解質膜、前記アノード側ガスケット、前記アノード側セパレータ及び前記アノードの端面によって規定される空間からなり、
前記カソード側隙間が、少なくとも前記高分子電解質膜、前記カソード側ガスケット、前記カソード側セパレータ及び前記カソードの端面によって規定される空間からなること、
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータにおける前記ガス流路の下流部分が、前記アノード側隙間の近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の両方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの両方における前記ガス流路の下流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットが連続環状体であり、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおいて、前記ガス流路に連通する反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットの外側に設けられ、
前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間が、それぞれ第１のルート及び前記第１のルートより長い第２のルートを有すること、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくとも一方における前記ガス流路の下流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の前記第１のルートの近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくとも一方における前記ガス流路の下流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の前記第２のルートの近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノード側セパレータ及び前記カソードガス側セパレータにおいて、前記反応ガス供給用マニホールド孔及び前記反応ガス排出用マニホールド孔に連通する前記ガス流路が複数本の溝からなり、
前記溝のうち、前記反応ガス供給用マニホールド孔から前記反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が長い方の溝の断面積が、前記反応ガス供給用マニホールド孔から前記反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が短い方の溝の断面積よりも大きいこと、
を特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方における前記ガス流路の下流部分と、前記冷却流体流路の上流部分とが、対応するように構成されていること、を特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方において、前記ガス流路の内部領域を流れる前記反応ガスの上流から下流への流れ方向と、前記冷却流体流路の内部領域を流れる前記冷却流体の上流から下流への流れ方向とが、略一致するように構成されていること、を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図１６に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成を示す。燃料電池１００は、図１６に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池（セル）を少なくとも１つ具備する。
【０００３】
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
【０００４】
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
【０００５】
ここで、図１６に示すように、ＭＥＡ１０５においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図１６中のＰ）。
【０００６】
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０４を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０５の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。
【０００７】
更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【０００８】
ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
【０００９】
また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【００１０】
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
【００１１】
更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。
【００１２】
これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。
【００１３】
このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００１４】
ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１６に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。
【００１５】
このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題がある。
【００１６】
これに対し、例えば特許文献１においては、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに、上記アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとは別のシール材を更に配置することによって、当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを塞ぎ、上述のような問題を解決することを意図した技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１１９１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。
【００１８】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記の目的を達成するために、
アノード及びカソード並びにアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方におけるガス流路の下流部分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の近傍に対応する領域に設けられていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
【００２０】
本発明において、「アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの少なくとも一方におけるガス流路の下流部分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の近傍に対応する領域に設けられている」状態とは、ガス流路の下流部を構成する溝が、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおいて「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」ではなく、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおいて「アノード側隙間及びカソード側隙間の近傍に対応する領域｛即ち、アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域の近傍｝」に形成されている状態をいう。
【００２１】
なお、「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」とは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの主面の法線方向から当該「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」、並びにアノード側セパレータ及びカソード側セパレータからＭＥＡの側の内部に存在する「アノード側隙間及びカソード側隙間」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示す図形（投影された結果、「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、すなわち「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（後述する図１のＡ1を参照）。
【００２２】
また、「アノード側隙間及びカソード側隙間の近傍に対応する領域」とは、アノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を凝縮させ、当該アノード側隙間及びカソード側隙間を凝縮水により閉塞させることが可能な範囲にある、上述の「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」の内側の領域（特定範囲の領域）における「周囲の領域」をいう（後述する図１のＡ2を参照）。この「その近傍に対応する領域」とは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの熱伝導率（構成材料）、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。
【００２３】
ここで、従来の燃料電池のガス流路も、ガス漏れを防ぐ観点から、セパレータの「隙間に対応する領域」を外れた部分に形成されていた。しかし、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、このようにセパレータの「隙間に対応する領域」を外れた部分にガス流路を形成しても、隙間を通じたガス漏れが起こっており、これにより発電効率が低下していることを見出した。そして、本発明者らは、その「漏れ」を逆に積極的に利用し、セパレータにおけるガス流路の下流部分を「隙間の近傍に対応する領域」に設けるとともに、ガスケットと膜電極接合体との間に形成される隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を、隙間の少なくとも一部において凝縮させ、かつ隙間の少なくとも一方を凝縮水により閉塞させることが、上記目的を達成する上で有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２４】
そして、本発明の構成を有していれば、例えば燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件｛ガス流路の断面（ガスの流れ方向に略垂直な断面）形状、ガス流路の断面の周囲長、ガス流路の溝幅（セパレータの各リブ間の距離）、ガス流路の溝深さ（セパレータの各リブの高さ）、ガス流路の長さ（ガス流路の、反応ガス供給用マニホールド孔に接続された一端から反応ガス排出用マニホールド孔に接続された他端までの長さ）｝等のうちの少なくとも１つを調整することにより、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２５】
即ち、例えば、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（ＰH2O）、（ii）冷却流体の温度及び流量並びに（iii）反応ガスの利用率等、更には、（iv）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等の燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件等を適宜調整することによって、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。
【００２６】
より具体的には、発電によってガス流路の下流部分において水蒸気をより多く含む反応ガスが、上記下流部分において、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの一方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。その結果、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード又はカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２７】
更に、上記反応ガスが、上記アノード側隙間及びカソード側隙間の両方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞するため、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内の両方に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２８】
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、ガス流路の下流部分において、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちのいずれかに流れるため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。この結果、反応ガスが上記隙間を流れることがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができ、上記反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００３０】
更に、本発明によれば、膜電極接合体とガスケットとの間に形成される隙間の相対湿度を上げる構造のガス流路を設けたセパレータを用いるため、反応ガスが、アノード及びカソードを通ることなく上記隙間を通って反応ガス供給側マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔へ流れ出ることを抑制し、上記反応ガスをすべて発電に利用でき、高い発電効率を得ることができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【００３２】
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるＮａｆｉｏｎ１１２膜（商品名））が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。
【００３３】
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。また、触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
【００３４】
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。
【００３５】
ＭＥＡ５には、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（図１中のＰ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、上述したように、これらのアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出した高分子電解質膜１の外縁部Ｐを「はみ出し部」ともいう。
【００３６】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するものであり、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。なお、ガス流路７ａ、７ｂの構成の詳細については後述する。
【００３７】
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【００３８】
ガス流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に溝を設けて形成されている。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。
【００３９】
本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、供給される反応ガス及び冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールドが設けられる。
【００４０】
ここで、図２は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。また、図３は、カソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。図２及び図３に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の燃料電池１０は「内部マニホールド型」である。
【００４１】
燃料電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。
【００４２】
ここで、図４は、図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図である。
【００４３】
図１及び図４に示すように、本発明の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１の外縁部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。
【００４４】
これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込んでいる。そして、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及びアノード側ガスケット９ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及びカソード側ガスケット９ｂにより、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００４５】
ここで、上述のように、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと、アノード４ａ及びカソード４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１に示すように、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂとアノード４ａ及びカソード４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ）が形成され易い。
【００４６】
即ち、高分子電解質膜１、アノード側ガスケット９ａ、アノード側セパレータ６ａ及びアノード４ａの端面によって規定される空間からなるアノード側隙間１０ａ、並びに、高分子電解質膜１、カソード側ガスケット９ｂ、カソード側セパレータ６ｂ及びカソード４ｂの端面によって規定される空間からなるカソード側隙間１０ｂが形成され易い。
【００４７】
上記のようなアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れて回り込む場合があり、また、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが困難になるという問題があるところ、従来の技術ではこのような問題を充分に解決することはできなかった。
【００４８】
そこで、本発明の第一実施形態においては、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａの下流部分２０が、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１のＡ2及び図２参照）。なお、図２において、アノード側隙間１０ａに対応する部分は一点鎖線で示されている。
【００４９】
更に、カソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、カソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、カソード側隙間１０ｂが凝縮水により閉塞するように、カソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂの下流部分２１が、カソード側隙間１０ｂの近傍に対応する領域に設けられている（図１のＡ2及び図３参照）。なお、図３において、カソード側隙間１０ｂに対応する部分は一点鎖線で示されている。
【００５０】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、発電によってガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０、２１において、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちのいずれかに流れ込む。
【００５１】
ところで、一般的にガスの露点が周囲温度を上回ると、当該ガスに含まれる水が凝縮を始め、後述するように、ガス流路７ａ、７ｂの上流から下流にかけて反応ガスの露点が上昇し、かつガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１において反応ガスの露点が最も上昇する。そのため、下流部分２０、２１をそれぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの近傍に対応する領域に設けると、反応ガスが、少なくともアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれ当該下流部分２０、２１に対応する部分に流れ込み、反応ガスに含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、これら隙間を凝縮水により閉塞することができる。
【００５２】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００５３】
本実施形態において、図２に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。また、電極部の右側（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び冷却流体供給用マニホールド孔１６が設けられている部分側）において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１０本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する９個のターン部７７ｂとを有し、そこから電極部の左側（図２のアノード側セパレータ６ａにおいてマニホールド孔１８及び冷却流体供給用マニホールド孔１６が設けられている部分側）に延びて垂直方向に延びる２本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１個のターン部とを有する。
【００５４】
そして、最下流の直線部（垂直方向に延びる直線部）がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている下流部分２０に相当する。また、最下流の直線部だかでなく、水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図２において点Ｐ4から点Ｐ2へと続く部分）。
【００５５】
一方、図３に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。また、電極部において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図３のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１１本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１０個のターン部７７ｂとを有し、最下流の直線部からなる下流部分２１はカソード側隙間１０ｂの近傍に対応する領域に設けられている。
【００５６】
また、アノード側セパレータ６ａにおいて、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられている。換言すると、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上の端縁部に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの同じ辺上における別の端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図２において点Ｐ1から点Ｐ2へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図２において点Ｐ1から点Ｐ3を経由して点Ｐ4へと続く部分）を有する。
【００５７】
一方、カソード側セパレータ６ｂにおいては、ガス流路７ｂに連通する酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が、カソード側ガスケット９ｂの外側に設けられている。換言すると、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８はカソード側セパレータ６ｂの１つ辺上の端縁部に設けられ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９がカソード側セパレータ６ｂの対向する辺上であって略対角線上に位置する端縁部に設けられている。そして、カソード側隙間１０ｂは、第１のルート（図２において点Ｑ1から点Ｑ2を経由して点Ｑ3へと続く部分）及び前記第１のルートより長い第２のルート（図２において点Ｑ1から点Ｑ4を経由して点Ｑ3へと続く部分）を有する。
【００５８】
特に本実施形態においては、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれの第１のルートの近傍に対応する領域に設けられている。このような構成によれば、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いため、第１のルートにおいて優先的に水を凝縮させて閉塞することで、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。
【００５９】
また、アノード側セパレータ６ａにおいては、第２のルートの一部（図２において点Ｐ4から点Ｐ2へと続く部分）においても、ガス流路７ａの直線部がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられているため、上記第１のルートに加えて当該第２のルートにおいても水を凝縮させる効果が得られる。
【００６０】
ここで、図５に、本発明の燃料電池１０の概略断面図であって、図２におけるＹ−Ｙ線断面に相当する概略断面図を示す。図５に示すように、アノード側セパレータ６ａの燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを経て電極部に到達する部分において、燃料ガスが直接アノード側隙間１０ａに流れ込まないように、遮断板２３を配置する。この遮断板２３の寸法及び形状は、ガス流路７ａを通る燃料ガスがアノード側隙間１０ａに入り込むことを有効に防止するように、当該部分においてアノード側隙間１０ａを閉塞し、かつ本発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。
【００６１】
従って、図示していないが、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９からのガス流路が、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂと交差する部分にも、同様に遮断板を配置するのが好ましい。なお、遮断板の材質としては、反応ガスを透過させにくく、かつ反応ガスによって腐食しにくい材料であれば特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択すればよい。
【００６２】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の面積を１００ｃｍ2に設定し、図２に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ６ａ、及び図３に示す酸化剤ガス用のガス流路７ｂを有するカソード側セパレータ６ｂを用いる。
【００６３】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの背面には、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７に連通する冷却流体用流路８ａ、８ｂを設け、冷却流体流路８ａ、８ｂの形状は、酸化剤ガス用のガス流路７ｂと同様のサーペンタイン形状とする。具体的には、冷却流体流路８ａ、８ｂは、水平方向に延びる１３本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１２個のターン部とを有するサーペンタイン形状とする。
【００６４】
冷却流体流路８ａに循環させる冷却水の流量を、７０℃の冷却水が冷却流体供給用マニホールド１６から供給し、７４℃の冷却水が冷却流体排出用マニホールド１７から排出されるように設定する。また、燃料ガスとして体積比が８：２の水素と二酸化炭素の混合ガスを用い、燃料ガス利用率が７０％となり、燃料ガスの露点が７０℃となるように、当該燃料ガスを加湿して燃料ガス供給用マニホールド孔１４に供給する。同様に、酸化剤ガスとして空気を用い、酸化剤ガス利用率が４５％となり、酸化剤ガスの露点が６８℃となるように、当該酸化剤ガスを加湿して酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８に供給する。なお、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９は大気中（常圧）に開放し、集電板を通じて０．３ Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電を行う。
【００６５】
上記のように設定した電流密度と電極面積とから、１秒間に生成される生成水の量は理論的に１．５５×１０-4 ｍｏｌ／ｓとなる。生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動しないと仮定すると、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から出てくる水蒸気の量は、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から供給された、加湿された燃料ガスに含まれた水の量となる。
【００６６】
このとき、燃料ガス供給用マニホールド孔１４における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８における酸化剤ガスの露点が、それぞれアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの一番低い温度に対して、−４℃〜＋４℃の間となるように加湿条件を設定して計算を行った。また、生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動すると仮定しても同様の結果が得られる。
【００６７】
また、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から排出されたガスの組成は、供給された燃料ガスから発電のために消費された水素を引いたものとなり、水蒸気分圧は２９６．８ｍｍＨｇである。このとき排出されたガスの露点は７５．６℃であり、燃料ガス用のガス流路７ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５にかけて、燃料ガスの露点が７０℃から７５．６℃まで徐々に変化する。なお、上記の運転条件では冷却水の温度がＭＥＡ５の温度よりも約２℃低く、ＭＥＡ５そのものの温度は、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７にかけて、７２℃から７６℃まで徐々に変化する。
【００６８】
ここで、ガス流路７ａを流れる燃料ガスの露点が、ＭＥＡ５の温度よりも上回ると、燃料ガスに含まれる水が凝縮することとなる。上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、ガス流路７ａの垂直方向の２本の直線部において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、下流部分２０がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けたため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【００６９】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００７０】
［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００７１】
以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図６は、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図６は、第二実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ２６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【００７２】
本実施形態におけるアノード側セパレータ２６ａにおいて、ガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。また、電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図６のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１０本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する９個のターン部７７ｂとを有し、そこから電極部の左側に延びて垂直方向に延びる２本の直線部７７ｃと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄとを有する。
【００７３】
また、最下流の直線部（水平方向に延びる直線部）からなる下流部分２０が、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図６において点Ｐ2から点Ｐ4へと続く部分）。
【００７４】
更に、最下流の直線部だけでなく、電極部の左側において垂直方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部もアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図６において点Ｐ1から点Ｐ2へと続く部分）。
【００７５】
本実施形態のアノード側セパレータ２６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの端縁部に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの略対角線上の別の端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図６において点Ｐ1から点Ｐ2を経由して点Ｐ4へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図６において点Ｐ1から点Ｐ3を経由して点Ｐ4へと続く部分）を有する。
【００７６】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【００７７】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００７８】
特に、アノード側セパレータ２６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれの第１のルートの近傍に対応する領域に設けられているため、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いことから、第１のルートにおいて優先的に水を閉塞させることで、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。
【００７９】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図６に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ２６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【００８０】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、ガス流路７ａの垂直方向の２本の直線部において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【００８１】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００８２】
［第三実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００８３】
以下、第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図７は、第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図７は、第三実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ３６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【００８４】
本実施形態におけるアノード側セパレータ３６ａにおいて、ガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。また、電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図７のアノード側セパレータ３６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部７７ｂとを有し、そこから電極部の左側に位置する１本の垂直方向に延びる直線部７７ｃを経て、更に電極部の上側において、水平方向に延びる２本の直線部７７ｅと、これら２本の直線部の端を上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄとを有する。
【００８５】
また、最下流の直線部（水平方向に延びる直線部）からなる下流部分２０が、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図７において点Ｒ2から点Ｒ3へと続く部分）。
【００８６】
更に、最下流の直線部だけでなく、電極部の左側において垂直方向に延びる直線部、及び電極部の下側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図７において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）。
【００８７】
本実施形態のアノード側セパレータ３６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの対向する辺上の１つの端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図７において点Ｒ1から点Ｒ2を経由して点Ｒ3へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図７において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）を有する。
【００８８】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【００８９】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００９０】
特に、アノード側セパレータ３６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれの第１のルートの近傍に対応する領域に設けられているため、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いことから、第１のルートにおいて優先的に水を閉塞させることで、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。
【００９１】
また、アノード側セパレータ６ａにおいては、第２のルートの一部（図７において点Ｒ4から点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）においても、ガス流路７ａの直線部がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられているため、上記第１のルートに加えて当該第２のルートにおいても水を凝縮させる効果が得られる。
【００９２】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図７に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ３６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【００９３】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、ガス流路７ａの垂直方向に延びる１本の直線部及び最下流の水平方向に延びる２本の直線部において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【００９４】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００９５】
［第四実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第三実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は第三実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００９６】
以下、第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータに代表させて説明する。図８は、第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図８は、第四実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ４６ａの、冷却流体流路８ａ側の正面図である。
【００９７】
本実施形態におけるアノード側セパレータ４６ａにおいて、冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から最短距離でアノード側隙間１０ａを交差して、アノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、水平方向（図８のアノード側セパレータ４６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１本の直線部７７ａ及び垂直方向に延びる１本の直線部７７ｃを経て、水平方向に延びる１１本の直線部７７ｅと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１０個のターン部７７ｂとを有するサーペンタイン形状を有する。
【００９８】
ただし、裏面の燃料ガス用のガス流路７ａの形状は第三実施形態と同様の形状である。従って、本実施形態におけるアノード側セパレータ４６ａの燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図は、図７において、冷却流体供給用マニホールド孔１６及び冷却流体排出用マニホールド孔１７の位置を、図８における冷却流体供給用マニホールド孔１６及び冷却流体排出用マニホールド孔１７の位置に対応させて得られる図となる（図９参照）。
【００９９】
また、アノード側セパレータ４６ａとカソード側セパレータとの間において、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１５、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１６、冷却流体供給用マニホールド孔１７及び冷却流体排出用マニホールド孔１７の位置を合わせることが必要であるため、カソード側セパレータにおいては、図示しないが、酸化剤ガス用のガス流路７ｂの形状を、図７に示す燃料ガス用のガス流路７ａの形状と同様の形状とし、冷却流体流路の形状を、図８に示す冷却流体流路８ａの形状と同様の形状とする。
【０１００】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間部１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１０１】
特に、冷却流体流路８ａのうち、供給直後で最も温度が低い冷却水が流れる部分、即ち冷却流体供給用マニホールド孔１６から水平方向に延びる１本の直線部、垂直方向に延びる１本の直線部、及び水平方向に延びる１１本の直線部において、アノード側隙間１０ａが当該冷却水によって冷却されるため、図８において点Ｒ4から点Ｒ5及び点Ｒ3へを経て点Ｒ2と続く部分でより水を凝縮させ易いという効果が得られる。カソード側隙間部１０ｂでも同様の効果が得られる。
【０１０２】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１０３】
また、本実施形態における燃料電池は、図７のアノード側セパレータ４６ａにおけるガス流路７ａの下流部分２０と、図８の冷却流体流路８ａの上流の直線部７７ｅからなる上流部分２２ａとが、対応するように構成されている。本構成によって、より効率よく凝縮水を生成させることができる。
【０１０４】
ここで、「ガス流路の下流部分と冷却流体流路の上流部分とが対応している」状態とは、アノード側セパレータ４６ａにおいてガス流路７ａの下流部分２０を構成する溝が、冷却流体流路８ａの上流部分２２を構成する溝に対応する領域又は当該領域の近傍に形成されている状態をいう。換言すると、冷却流体流路の上流部分を構成する溝が、ガス流路の下流部分を構成する溝に対応する領域に形成されている状態をいう。好ましくは、ガス流路７ａの下流部分２０を構成する溝が、冷却流体流路８ａの上流部分２２を構成する溝に対応する領域に形成されている。
【０１０５】
そして、「冷却流体流路の上流部分を構成する溝に対応する領域」とは、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向から当該「冷却流体流路の上流部分を構成する溝」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「冷却流体流路の上流部分を構成する溝」を示す図形（投影された結果、「冷却流体流路の上流部分を構成する溝」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、即ち、「冷却流体流路の上流部分を構成する溝」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう。
【０１０６】
更に、本実施形態においては、アノード側セパレータ４６ａにおいて、ガス流路７ａの内部領域を流れる燃料ガスの上流から下流への流れ方向と、冷却流体流路８ａの内部領域を流れる冷却流体の上流から下流への流れ方向とが、略一致するように構成されている。図９は、本実施形態のアノード側セパレータ４６ａのガス流路７ａ側を概略的に示す正面図であり、図１０は、上記アノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａ側を概略的に示す正面図である。
【０１０７】
図９及び図１０に示すように、本実施形態においては、ガス流路７ａの内部領域を流れる燃料ガスの上流から下流への流れ方向Ｄ1と、冷却流体流路８ａの内部領域を流れる冷却流体の上流から下流への流れ方向Ｄ2とが、略一致するように構成されている。本構成によれば、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い下流部分に、冷却水の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するため、反応ガスの流れの下流側において飽和水蒸気圧（Ｐ0H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減され、電極面の状態を良好に保ちフラッディングをより確実に抑制することができる。また、反応ガスの流れの上流側において、高分子電解質膜の乾燥をより確実に防止することができる。更に、反応ガスの流れにおいて反応熱の大きい上流部分に、冷却水の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、より効率的に単電池を冷却することができる。
【０１０８】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図７に示す燃料ガス用のガス流路７ａ及び図８に示す冷却流体流路８ａを有するアノード側セパレータ４６ａと、図７に示す燃料ガス用のガス流路７ａの形状と同様の形状を有する酸化剤ガス用のガス流路７ｂ及び図８に示す冷却流体流路８ａの形状と同様の形状を有する冷却流体流路８ｂを持つカソード側セパレータ４６ｂを用いる他は、上記の第三実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１０９】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、ガス流路７ａの１本の垂直方向に延びる１本の直線部及び最下流の２本の水平方向に延びる直線部において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。
【０１１０】
また、冷却流体流路８ａのうち、供給直後で最も温度が低い冷却水が流れる部分、即ち冷却流体供給用マニホールド孔１６から水平方向に延びる１本の直線部、垂直方向に延びる１本の直線部、及び水平方向に延びる１１本の直線部において、アノード側隙間１０ａが当該冷却水によって冷却され、図８において点Ｒ4から点Ｒ5及び点Ｒ3へを経て点Ｒ2と続く部分においても水が凝縮する。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１１１】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１１２】
［第五実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第五実施形態について説明する。この第五実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【０１１３】
以下、第五実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図１１は、第五実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ５６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図１１は、第五実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ５６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【０１１４】
本実施形態におけるアノード側セパレータ５６ａにおいて、ガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、電極部の中央部から下側にかけて、水平方向（図１１のアノード側セパレータ５６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる８本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する７個のターン部７７ｂとを有する。
【０１１５】
ガス流路７ａは、そこから電極部の右側（図１１のアノード側セパレータ５６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び冷却流体供給用マニホールド孔１６が設けられている部分側）に位置する垂直方向に延びる２本の直線部７７ｃと、これらを上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄとを経て、更に電極部の下側（図１１のアノード側セパレータ５６ａにおいて、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側）において水平方向に延びる１本の直線部７７ｅと、電極部の左側（図１１のアノード側セパレータ５６ａにおいて、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び冷却流体排出用マニホールド孔１７が設けられている部分側）において垂直方向に延びる１本の直線部７７ｆとを経て、電極部の上側（図１１のアノード側セパレータ５６ａにおいて、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側）において水平方向に延びる２本の直線部７７ｇと、これら２本の直線部の端を上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｈとを有する。
【０１１６】
最下流の直線部（水平方向に延びる直線部）からなる下流部分２０は、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１１において点Ｒ1から点Ｒ2へと続く部分）。
【０１１７】
更に、最下流の直線部だけでなく、電極部の左側において垂直方向に延びる直線部、電極部の下側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部、及び電極部の右側において垂直方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１１において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）。
【０１１８】
本実施形態のアノード側セパレータ５６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ５６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの対向する辺上の端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図１１において点Ｒ1から点Ｒ2を経由して点Ｒ3へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図１１において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）を有する。
【０１１９】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１２０】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１２１】
特に、アノード側セパレータ５６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれの第１のルートの近傍に対応する領域に設けられているため、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いことから、第１のルートにおいて優先的に水を閉塞させることで、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。
【０１２２】
また、アノード側セパレータ６ａにおいては、第２のルートの一部（図１１において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）においても、ガス流路７ａの直線部がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられているため、上記第１のルートに加えて当該第２のルートにおいても水を凝縮させる効果が得られる。
【０１２３】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図９に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ５６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１２４】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、電極部の左側において垂直方向に延びる１本の直線部及び最下流の水平方向に延びる２本の直線部において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１２５】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１２６】
［第六実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第六実施形態について説明する。この第六実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【０１２７】
以下、第六実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図１２は、第六実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ６６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図１２は、第六実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ６６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【０１２８】
本実施形態におけるアノード側セパレータ６６ａにおいて、ガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを斜めに交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部の中央部において、中央線Ｌに沿って垂直方向に延びる１本の直線部７７ａを経て、上記中央線Ｌから左右対称に分岐している。分岐したガス流路７ａはサーペンタイン形状を有する。
【０１２９】
分岐後、電極部の中央部から右側（図１２のアノード側セパレータ６６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び冷却流体供給用マニホールド孔１６が設けられている部分側）にかけて、垂直方向（図１２のアノード側セパレータ６６ａにおいて中心線Ｌに略平行な方向）に延びる５本の直線部７７ｃと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する４個のターン部７７ｂとを有する。そして、電極部の上側（図１２のアノード側セパレータ６６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４が設けられている部分側）において、水平方向に延びる２本の直線部７７ｅと、これらを上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄと、更に、電極部の右端において、垂直方向に延びる１本の直線部７７ｆとを経て、最下流の直線部７７ｇからなる下流部分２０ａは、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。
【０１３０】
そして、分岐後、電極部の中央部から左側（図１２のアノード側セパレータ６６ａにおいて、冷却流体排出用マニホールド孔１７が設けられている部分側）においても、同様に、垂直方向に延びる５本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する４個のターン部とを有する。そして、電極部の上側において、水平方向に延びる２本の直線部と、これらを上流側から下流側へ連結する１個のターン部と、更に、電極部の左端において、垂直方向に延びる１本の直線部とを経て、最下流の直線部からなる下流部分２０ｂは、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。
【０１３１】
アノード側セパレータ６６ａにおけるガス流路７ａの下流部分２０ａ、２０ｂは、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。
【０１３２】
更に、最下流の水平方向に延びる直線部からなる下流部分２０ａ、２０ｂだけでなく、電極部の右側及び左側において垂直方向に延びる直線部、並びに電極部の上側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、アノード側隙間１０ａを構成する四辺すべての近傍に対応する領域に、ガス流路の下流部分が設けられているといえる。
【０１３３】
なお、本実施形態のアノード側セパレータ６６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの対向する辺上（側縁部）に設けられている。
【０１３４】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１３５】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１３６】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図１２に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ６６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１３７】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、電極部の上側にて水平方向に延びる４本の直線部と、電極部の左端及び右端において垂直方向に延びる２本の直線部と、において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０ａ、２０ｂにおいて燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０ａ、２０ｂをアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１３８】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１３９】
［第七実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第七実施形態について説明する。この第七実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【０１４０】
以下、第七実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図１３は、第七実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ７６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図１３は、第七実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ７６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【０１４１】
本実施形態におけるアノード側セパレータ７６ａにおいて、ガス流路７ａは並行する３本の溝２７ａ、２７ｂ及び２７ｃからなり、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、溝２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、それぞれ水平方向（図１３のアノード側セパレータ７６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部７７ｂとを有する。そして、電極部の左側（図１３のアノード側セパレータ７６ａにおいて、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び冷却流体排出用マニホールド孔１７が設けられている部分側）において垂直方向に延びる１本の直線部７７ｃを経て、電極部の上側（図１３のアノード側セパレータ７６ａにおいて、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側）において、水平方向に延びる２本の直線部７７ｅと、これらを上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄと、を有する。
【０１４２】
最下流の直線部からなる下流部分２０は、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１３において点Ｒ2から点Ｒ3まで続く部分）。
【０１４３】
更に、最下流の直線部からなる下流部分２０だけでなく、電極部の左側において垂直方向に延びる直線部（３本の溝）、及び電極部の下側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部（３本の溝）も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１３において点Ｒ4から点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）。
【０１４４】
本実施形態のアノード側セパレータ７６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの対向する辺上の端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図１３において点Ｒ1から点Ｒ2を経由して点Ｒ3へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図１３において点Ｒ1から点Ｒ4及び点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）を有する。
【０１４５】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１４６】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１４７】
特に、アノード側セパレータ７６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ａ、７ｂの下流部分２０、２１が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのそれぞれの第１のルートの近傍に対応する領域に設けられているため、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いことから、第１のルートにおいて優先的に水を閉塞させることで、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。
【０１４８】
また、アノード側セパレータ６ａにおいては、第２のルートの一部においても、ガス流路７ａの直線部がアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられているため、上記第１のルートに加えて当該第２のルートにおいても水を凝縮させる効果が得られる（図１３において点Ｒ4から点Ｒ5を経由して点Ｒ3へと続く部分）。
【０１４９】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図１３に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ７６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１５０】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、電極部の左側において垂直方向に延びる直線部（３本の溝）と、上側にて水平方向に延びる直線部（６本の溝）と、において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１５１】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１５２】
［第八実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第八実施形態について説明する。この第八実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【０１５３】
以下、第八実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図１４は、第八実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ８６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図１４は、第八実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ８６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【０１５４】
本実施形態におけるアノード側セパレータ８６ａにおいて、ガス流路７ａは並行する３本の溝２７ａ、２７ｂ及び２７ｃからなり、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、溝２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、それぞれ水平方向（図１４のアノード側セパレータ８６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる７本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する６個のターン部７７ｂとを有する。そして、電極部の右側（図１４のアノード側セパレータ８６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び冷却流体供給用マニホールド孔１６が設けられている部分側）において垂直方向に延びる１本の直線部７７ｃを経て、電極部の上側（図１４のアノード側セパレータ８６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、水平方向に延びる１本の直線部７７ｅを有する。
【０１５５】
最下流の直線部からなる下流部分２０は、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１４において点Ｓ4から点Ｓ5まで続く部分）。
【０１５６】
更に、最下流の直線部からなる下流部分２０だけでなく、電極部の右側において垂直方向に延びる直線部（３本の溝）、及び電極部の下側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部（３本の溝）も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１４において点Ｓ2から点Ｓ3を経て点Ｓ4へと続く部分）。
【０１５７】
本実施形態のアノード側セパレータ８６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの同じ辺上（側縁部）において近接して設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図１４において点Ｓ1から点Ｓ5へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図１４において点Ｓ1から点Ｓ2、点Ｓ3及び点Ｓ4を経て点Ｓ5まで続く部分）を有する。
【０１５８】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１５９】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１６０】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図１４に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ８６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１６１】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、電極部の左側において水平方向に延びる直線部（３本の溝）のうちの最下流の直線部、及び垂直方向に延びる直線部（３本の溝）において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１６２】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１６３】
［第九実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第九実施形態について説明する。この第九実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【０１６４】
以下、第九実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図１５は、第九実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ９６ａの要部拡大図である。より詳しくは、図１５は、第九実施形態の燃料電池のアノード側セパレータ９６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【０１６５】
本実施形態におけるアノード側セパレータ９６ａにおいて、ガス流路７ａは、並行する３本の溝２７ａ、２７ｂ及び２７ｃからなり、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、溝２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、それぞれ水平方向（図１５のアノード側セパレータ９６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる８本の直線部７７ａと、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する７個のターン部７７ｂとを有する。そして、電極部の上側（図１５のアノード側セパレータ９６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において垂直方向に延びる１本の直線部７７ｃが下流部分２０に相当する。
【０１６６】
最下流の直線部からなる下流部分２０は、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている。即ち、下流部分２０は、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１５において点Ｓ4から点Ｓ5まで続く部分）。
【０１６７】
更に、最下流の直線部からなる下流部分２０だけでなく、電極部の右側において垂直方向に延びる直線部（３本の溝）、及び電極部の下側において水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部（３本の溝）も、アノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けられている（図１５において点Ｓ2から点Ｓ3を経て点Ｓ4まで続く部分）。
【０１６８】
本実施形態のアノード側セパレータ９６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上（側縁部）に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの同じ辺上（側縁部）において距離をおいて設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、第１のルート（図１５において点Ｓ1から点Ｓ5へと続く部分）及び当該第１のルートより長い第２のルート（図１５において点Ｓ1から点Ｓ2、点Ｓ3及び点Ｓ4を経て点Ｓ5まで続く部分）を有する。
【０１６９】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池によれば、発電によってガス流路７ａの下流部分２０において水蒸気をより多く含む反応ガスが、当該下流部分２０において、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。そのため、反応ガス中に含まれる水蒸気成分がアノード側隙間１０ａの少なくとも一部の領域において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞する。カソード側隙間１０ｂも同様に凝縮水により閉塞する。
【０１７０】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１７１】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。ここでは、図１５に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ９６ａを用いる他は、上記の第一実施形態と同様にして本実施形態の燃料電池を作製して計算を行う。
【０１７２】
その結果、上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、電極部の上側において水平方向に延びる最下流の直線部（３本の溝）、及び垂直方向に延びる最下流の直線部（３本の溝）において水の凝縮が始まる。そして、ガス流路７ａの下流部分２０において燃料ガスの露点が最も上昇することから、また、下流部分２０をアノード側隙間１０ａの近傍に対応する領域に設けるため、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ確実に水が凝縮する。なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【０１７３】
上記のように水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１７４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
【０１７５】
例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。そのため、燃料ガス用のガス流路は、酸化剤ガス用のガス流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、アノード側のガス流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、カソード側のガス流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側隙間に対して閉塞させる構造をとることが、より有効である。
【０１７６】
しかし、本発明の思想においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのいずれか一方又は両方におけるガス流路の下流部分を、アノード側隙間及びカソード側隙間の近傍に対応する領域に設ければよい。そうすると、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間のいずれかを必ず凝縮水により閉塞させることができる。
【０１７７】
また、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方が、それぞれ第１のルート及び当該第１のルートより長い第２のルートを有する場合、上述のように、より反応ガスが入り込み易い短い第１のルートの近傍に対応する領域にガス流路の下流部分を配置するのが好ましい。しかしながら、上記ガス流路の下流部分は、第１のルート及び第２のルートのいずれか一方又は両方の近傍に対応する領域に設けてもよい。第２のルートにも反応ガスは流入し得るし、更に第１のルート及び第２のルートの両方の近傍に対応する領域に上記ガス流路の下流部分を設ければ、より確実に反応ガスの回り込みを防止することができる。
【０１７８】
また、例えば、上記第七実施形態〜第九実施形態のように、ガス流路が複数本の溝からなる場合、複数本の溝間で屈曲方向の数の違いより流路長（行路長）に差が生じる。この場合、複数本の溝のうち、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が長い方の溝の断面積を、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が短い方の溝の断面積よりも大きくするのが好ましい。この構成によれば、流路長の異なる溝間における圧損差をなくすことができ、反応ガスの流れを安定させることができる。
【０１７９】
また、上流側のガス流路と下流側のガス流路とが隣接する領域においては、ガス流路間の幅（即ちリブ部の幅）を太くすることが好ましい。これにより、上流側のガス流路から下流側のガス流路へと反応ガスが直接流れ込むことを防止することができる。
【０１８０】
また、燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを防止するとともに、両者がガス流路の部分を流れることを有効に防止するという観点から、アノード側セパレータ６ａにおいては、図２に示すように燃料ガス供給用マニホールド孔１４の位置と燃料ガス排出用マニホールド孔１５の位置とを離し、カソード側セパレータ６ｂにおいては、図３に示すように酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８の位置と酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９の位置とを離しておくのが好ましい。仮にマニホールド孔同士を近接させる場合には、マニホールド孔近辺において当該マニホールド孔に連通するガス流路間のリブ部の幅を厚めに設定するのが好ましい。
【０１８１】
本発明においては、アノード側セパレータにおけるガス流路の構成と、カソード側セパレータにおけるガス流路の構成とを互いに入れかえてもよく、両者の構成を同じ構成としても構わない。また、上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【０１８２】
加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状としては、特に限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。
【０１８３】
更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図２】図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路７ａ側からみた正面図である。
【図３】図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路７ａ側から見た正面図である。
【図４】図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図である。
【図５】図２におけるＹ−Ｙ線断面に相当する概略断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図７】本発明の第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図８】本発明の第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａ側の正面図である。
【図９】本発明の第四実施形態のアノード側セパレータ４６ａのガス流路７ａ側を概略的に示す正面図である。
【図１０】本発明の第四実施形態のアノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａ側を概略的に示す正面図である。
【図１１】本発明の第五実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ５６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図１２】本発明の第六実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ６６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図１３】本発明の第七実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ７６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図１４】本発明の第八実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ８６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図１５】本発明の第九実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ９６ａのガス流路７ａ側の正面図である。
【図１６】従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１８６】
１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ・・・触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・ＭＥＡ、６ａ、２６ａ、３６ａ、４６ａ、５６ａ、６６ａ、７６ａ、８６ａ、９６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、１０７ａ・・・燃料ガス用のガス流路、７ｂ、１０７ｂ・・・酸化剤ガス用のガス流路、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ・・・ガスケット、１０ａ、１１０ａ・・・アノード側隙間、１０ｂ、１１０ｂ・・・カソード側隙間、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、２０、２１・・・下流部分、２３・・・遮断板、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ・・・溝
【図１】
2006190494.tif 000003
【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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