(57)【要約】  本発明の燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、反応ガス供給マニホールド孔と反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有し、ガス入口分配部は、ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、拡散スペースの断面面積は、第１分配リブが有するスリットの断面面積よりも大きい。
2011033745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、
前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、
前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、
前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、
前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、
前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、
前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、
前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、請求項１に記載の固体高分子燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、
前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、請求項８に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、
いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大きい、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、
前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、
前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
前記セパレータは、前記反応ガスが形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、
前記外周部は、平板である、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、ポータブル電源、電気自動車用電源等に使用される燃料電池、特に高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、基本的に、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の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、空気極に酸素を含む酸化ガスを供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。また、高分子電解質膜が、イオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要である。【０００４】
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併せ持つガス拡散層とから構成される。触媒層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする。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。【０００５】
ＭＥＡを機械的に固定し、かつＭＥＡに供給される燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、燃料電池はＭＥＡを挟むセパレータを有する。【０００６】
反応ガスをＭＥＡに供給するための反応ガス流路は、ガス拡散層などに形成されることもあるが、通常は、セパレータの表面のうちＭＥＡに接する面に形成される。反応ガス流路は、セパレータに設けられたマニホールド孔と接続している。マニホールド孔と接続した反応ガス流路を通じて、触媒電極に反応ガスを供給したり、未反応の余剰ガスを排出することができる。また、反応ガス流路に供給される反応ガスは予め加湿されていてもよい。【０００７】
このようにＭＥＡおよび一対のセパレータからなる燃料電池単セルを積層し、集電板、絶縁板および端板で挟むことで燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは通常、締結ロッドで固定されている。【０００８】
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を得ることができる。【０００９】
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、ＭＥＡに接触したセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。燃料極から空気極へ移動する電子は、電気エネルギ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、セパレータを通っ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。発電時に生成された水は、ＭＥＡを保湿するために用いられ、乾燥によるＭＥＡの膜劣化を防止する。【００１０】
また、上述した反応では熱が発生することから、燃料電池は発電中に発熱する。このため燃料電池の温度状態を良好な条件に維持するために、燃料電池を冷媒等で冷却する必要がある。燃料電池セルを積層した燃料電池スタックでは、通常、１〜３セルごとに、冷媒を流すための冷媒流路が設けられる。【００１１】
燃料電池の発電性能を向上させるには、各反応ガス流路に供給される反応ガスの流量を均一にすることが必要になる。各反応ガス流路に均一量の反応ガスを供給することで、触媒電極での反応が均一になり、電流分布が生じにくくなり、発電性能が向上する。【００１２】
各反応ガス流路に反応ガスを均一に供給するために、セパレータが反応ガスマニホールド孔と反応ガス流路とを接続するガス分配部を有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１〜６参照）。【００１３】
図１は、特許文献１に開示された燃料電池が有するセパレータのガス分配部３２の斜視図である。図１に示されるように、特許文献１のセパレータは、反応ガス供給マニホールド孔２０と反応ガス流路が形成された領域１１とを接続するガス分配部３２を有する。ガス分配部３２は、複数の凸部３１を有する。【００１４】
このように、反応ガス供給マニホールド孔２０と反応ガス流路が形成された領域１１とを接続するガス分配部３２が、複数の突起を有すると、反応ガス供給マニホールド孔２０からガス分配部に流入した反応ガスが突起によって分散され、各反応ガスに均一に分配されうる。【００１５】
また、ＭＥＡに外周を覆う枠体を設け、ガス分配部がＭＥＡの触媒電極に重ならないように、ガス分配部を枠体とセパレータとの間にのみ形成する技術が知られている（例えば特許文献７および８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１４１５３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４０７０４号公報
【特許文献３】特開２００９−０５９６８５号公報
【特許文献４】特開２００９−０５９５１３号公報
【特許文献５】特開２００８−１２３７５０号公報
【特許文献６】特開２００９−００４２３０号公報
【特許文献７】特開２００７−３１７５２０号公報
【特許文献８】特開２００７−２００８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示されたようなガス分配部では、反応ガスを反応ガス供給マニホールドから離れた反応ガス流路にまで分配されることができなかった。このため、特許文献１に記載されたような燃料電池では、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量にばらつきが生じる。これにより、セル内で電流分布のばらつきが拡大し発電性能が低下することがあった。【００１８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マニホールド孔から各反応ガス流路に均等にガスを分配することを可能とした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】
本発明は以下に示す燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
［２］前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、［１］に記載の固体高分子型燃料電池。
［３］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、［１］または［２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［４］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［５］前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、［４］に記載の固体高分子型燃料電池。
［６］前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の固体高分子燃料電池。
［７］前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［８］前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［９］前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、［８］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１０］前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１１］前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大きい、［１］〜［１０］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１２］前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、［１］〜［１１］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１３］前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、［１２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１４］前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、［１］〜［１３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１５］前記セパレータは、前記反応ガスが形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、前記外周部は、平板である、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池によれば、反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスを、まず反応ガス流路に対して垂直方向に伸びた拡散スペースに充満させ、その後、それぞれの反応ガス流路に均等に分配することができる。このため、本発明によれば、セル内での電流分布のばらつきを抑えることができ、発電性能の高い燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１に開示された従来の燃料電池のセパレータの斜視図
【図２】実施の形態１の燃料電池の分解斜視図
【図３】実施の形態１の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図４】実施の形態１の燃料ガス入口分配部のパターンを示す図
【図５】実施の形態１の冷媒入口分配部のパターンを示す図
【図６】実施の形態１の燃料電池の断面図
【図７】実施の形態２の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図８】実施の形態２の燃料電池の断面図
【図９】分配リブと枠体との接触領域を示す図
【図１０】実施の形態３の燃料電池の断面図
【図１１】実施の形態４の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１２】実施の形態５の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１３】実施の形態５の燃料ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１４】実施の形態６の燃料電池の断面図
【図１５】実施の形態７の燃料電池の断面図
【図１６】実施の形態８の燃料電池の分解斜視図
【図１７】実施の形態８の燃料電池の断面図
【図１８】実験例１および比較例１のシミュレーション結果を示すグラフ（空気極側）
【図１９】実験例１および比較例１のシミュレーション結果を示すグラフ（燃料極側）
【図２０】実験例２および比較例２のシミュレーション結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の固体高分子型燃料電池（以下単に「燃料電池」とも称する）は、（１）膜電極接合体と、（２）膜電極接合体を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータおよび空気極セパレータ）と、（３）分配部とを有する。以下それぞれの構成要素について説明する。
【００２３】
（１）膜電極接合体
膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」とも称する）は、高分子電解質膜および一対の触媒電極を有する。高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロト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。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。
【００２４】
一対の触媒電極は、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる。空気極は、高分子電解質膜に接する空気極触媒層と、空気極触媒層に積層される空気極ガス拡散層とを有することが好ましい。同様に、燃料極は、高分子電解質膜に接する燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層される燃料極ガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２５】
空気極触媒層は、水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。空気極触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。
【００２６】
燃料極触媒層は、水素の酸化反応を促進する触媒を含む層である。燃料極触媒層は、導電性を有し、かつ水素の酸化反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。燃料極触媒層は、例えば、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
空気極触媒層および燃料極触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene  ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層（空気極ガス拡散層および燃料極ガス拡散層）は、膜電極接合体の最も外側に配置される（セパレータに接する）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。
【００２９】
ガス拡散層は、例えば、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を付帯させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパーなどを触媒層表面に熱圧着して、作製されてもよい。また、ガス拡散層には、後述する反応ガス流路が形成されていてもよい（実施の形態７、図１６参照）。
【００３０】
膜電極接合体は枠体によって保持されてもよい。枠体は、膜電極接合体の縁を囲むことで、膜電極接合体を補強する（図２参照）。枠体の材料には、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）やガラス入りポリプロピレン（ＰＰ−Ｇ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーン（ＳＩ）などが含まれる。枠体の材料としては、耐熱温度、コスト、耐久性の観点からＰＰＳおよびＰＰ−Ｇが望ましい。枠体によって保持された膜電極接合体を以下、「枠体一体型ＭＥＡ」とも称する。
【００３１】
（２）セパレータ
セパレータは、反応ガスの混合を防止し、ＭＥＡと電気的に接続した部材である。燃料電池の発電中、電子はセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。セパレータは、リブによって規定された直線状の複数の反応ガス流路が形成された中央部と、中央部を囲む外周部とを有する。反応ガス流路を規定するリブを以下「流路リブ」とも称する。反応ガス流路の幅は、０．５〜１．５ｍｍであり、深さは、０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。また、反応ガス流路は、セパレータではなく、上述したＭＥＡのガス拡散層に形成される場合もある（実施の形態８参照、図１７参照）。
【００３２】
燃料電池の発電中、電子はセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。このため、セパレータがＭＥＡに接触し、ＭＥＡと電気的に接続しなければ、電子が移動することができず、電気エネルギを取り出すことができない。このため、セパレータは、ＭＥＡに確実に接触し、ＭＥＡと電気的に接続することが求められる。より具体的には、セパレータが有する流路リブの頂面がＭＥＡに接触することが求められる。
【００３３】
セパレータの外周部は、反応ガス供給マニホールド孔、反応ガス排出マニホールド孔を有する。反応ガス供給マニホールド孔は、反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ反応ガス供給マニホールド孔の位置と、反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい（図２参照）。反応ガス供給マニホールド孔が、反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、セパレータの中心点に関して点対称であると、反応ガスがいずれの反応ガス流路を流れる場合であっても、反応ガス供給マニホールド孔から反応ガス排出マニホールド孔まで反応ガスが移動する距離が同じになるので、反応ガス流路の圧力損失を均一にすることができるからである。
【００３４】
セパレータの外周部は、さらに冷媒供給マニホールド孔、冷媒排出マニホールド孔を有していてもよい。冷媒供給マニホールド孔は、反応ガス供給マニホールド孔に隣接することが好ましい。反応ガスの露点が燃料電池の発電時の温度よりも低い場合、反応ガス供給マニホールド孔付近の高分子電解質膜が乾燥し、膜抵抗が上昇し、燃料電池の出力密度が下がったり、高分子電解質膜が劣化したりする。しかし冷媒供給マニホールド孔を、反応ガス供給マニホールド孔に隣接させることで、反応ガス供給マニホールド孔付近の反応ガスの相対湿度を上げることができ、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、発電性能の低下や高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【００３５】
また、セパレータは反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路を有していてもよい（実施の形態３参照）。冷媒流路の幅は、０．３〜１．５ｍｍであり、深さは、０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。
【００３６】
セパレータの材料は、導電性を有し、かつ燃料電池スタックにおける締結圧に耐えうる部材であれば、カーボンであっても金属であってもよい。金属製のセパレータ（以下単に「金属セパレータ」とも称する）の材料の例には、耐食性や接触抵抗低減のための金メッキなどの表面処理が施されたステンレス鋼板材やチタン板材、アルミ板材などが含まれる。このような金属プレートをプレス加工することによって反応ガス流路を形成してもよい。
【００３７】
（３）分配部
分配部は、ＭＥＡとセパレータとの間に形成され、マニホールド孔と反応ガス流路とを接続する空間である。分配部は、分配部を複数のスペースに区切り、直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有するｎ個の分配リブを有する。ここでｎとは２以上の整数を意味する。分配部の反応ガス流路の長軸に垂直方向の長さは、反応ガス形成されたセパレータの中央部の幅（反応ガス流路の長軸に垂直方向の長さ）以上であることが好ましい（図２および図３参照）。
【００３８】
分配部はセパレータと触媒電極との間に設けられてもよいが、セパレータと枠体との間にのみ設けられることが好ましい。分配部がセパレータと触媒電極との間に設けられると分配部において高分子電解質膜が乾燥し、高分子電解質膜が劣化しやすいからである。
【００３９】
一方、分配部をセパレータと枠体との間にのみ設けた場合、枠体が厚過ぎたり、分配リブが高すぎたりすると、流路リブと触媒電極とが接触しない場合が発生する（図８Ｃ参照）。上述のように、燃料電池の発電中、電子はセパレータの流路リブと触媒電極との接触面を通って、燃料極から空気極に移動する。このため、流路リブと触媒電極とが接触しないと、電子が移動することができず、電気エネルギを取り出すことができない。このため分配部がセパレータと枠体との間にのみ設けられる場合、流路リブが触媒電極に確実に接触するように、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和以上としたり（実施の形態２参照）、分配リブの頂面を弾性部材としたりすることが好ましい（実施の形態３参照）。
【００４０】
本発明の燃料電池は、少なくとも反応ガス供給マニホールド孔と、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部とを接続するガス入口分配部を有するが、反応ガス排出マニホールド孔と反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部とを接続するガス出口分配部を有していてもよい。
【００４１】
分配リブは、セパレータの外周部に形成されてもよいし（実施の形態１〜４参照）、枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成されてもよい（実施の形態６、実施の形態７参照）。また、分配リブは、シール材などの弾性部材から構成されていてもよい（実施の形態３参照）。弾性部材の例には、リコーンやエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、サントプレーンゴムなどが含まれる。
【００４２】
分配リブは、セパレータ自体または枠体自体を加工形成することで形成されてもよいし、セパレータまたは枠体にシール部材などの弾性部材を配置することで形成されてもよい。分配リブをシール部材で形成した場合、分配リブの頂面は、弾性部材となる。
【００４３】
例えばセパレータが金属セパレータである場合、金属セパレータの外周部をプレス加工したり；金属セパレータの外周部にシール部材を配置することで金属セパレータに分配リブを形成することができる。
【００４４】
金属セパレータをプレス加工することによって、分配リブを形成する場合、分配リブと金属セパレータとは一体的に形成されるので、簡素に分配リブを形成することができる。
【００４５】
しかし、金属セパレータをプレス加工することによって、分配リブを形成する場合、金属セパレータに形成される凹凸パターンが複雑になり、金属セパレータが歪む場合がある。金属セパレータが歪むと金属セパレータとＭＥＡとのシール性が低下し、後述する拡散スペースおよび分配スペースを高精度でパターニングすることができず、ガスの分配性が低下する場合がある。
【００４６】
一方で、金属セパレータの外周部にシール部材を配置することで、分配リブする場合や、枠体に分配リブを形成する場合は、金属セパレータの外周部は平板になるので、金属セパレータが歪むことを防止することができる。このため後述する拡散スペースおよび分配スペースを高精度でパターニングすることができ、ガスの分配性の低下を抑制することができる。
【００４７】
本発明の燃料電池は分配部の構造に特徴を有する。以下ｉ）ガス入口分配部とii）出口分配部に分けてガス分配部の構造について説明する。
【００４８】
ｉ）ガス入口分配部について
ガス入口分配部は、反応ガス供給マニホールド孔と、反応ガス流路とを接続し、反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスを直線状の反応ガス流路それぞれに均等に分配する機能を有する。
【００４９】
ガス入口分配部は、分配部を複数のスペースに区切るｎ個の分配リブを有する。ここでｎとは２以上の整数を意味する。分配リブは、直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有する。したがって、分配リブによって規定された複数のスペースも直線状の反応ガス流路の長軸に垂直な長軸を有する。
【００５０】
それぞれの分配リブは、直線状の反応ガス流路の長軸に平行なスリットを有する。分配リブに設けられたスリットは、分配リブによって規定されるスペースを接続する。１つの分配リブが有するスリットの寸法（幅および深さ）は同一であることが好ましい。また、１つの分配リブ内ではスリットは等間隔に配置されることが好ましい。
【００５１】
本発明では、分配リブのうち、最も反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブと称し；最も反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブと称する。したがって分配部は、反応ガス供給マニホールド孔側から反応ガス流路側に向かって、第１分配リブ、第２分配リブ・・・第ｎ−１分配リブ、第ｎ分配リブを有する。
【００５２】
また、本発明では、また、ガス入口分配部のうち第１分配リブよりも反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを「拡散スペース」と称し；拡散スペース以外の、分配リブによって規定されたスペースを「分配スペース」と称する。すなわち、分配スペースは第１分配リブよりも反応ガス流路側のスペースを意味する。さらに分配スペースのうち、第１分配リブと第２分配リブとの間のスペースを「第１分配スペース」と称し、第ｎ分配リブよりも反応ガス流路側のスペースを「第ｎ分配スペース」と称する。
【００５３】
したがって分配部は、反応ガス供給マニホールド孔側から反応ガス流路側に向かって、拡散スペース、第１分配スペース、第２分配スペース・・・第ｎ−１分配スペース、第ｎ分配スペースを有する。
【００５４】
「拡散スペース」とは、ガス入口分配部に流入した反応ガスを、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部の幅方向に拡散させるための空間であり、「分配スペース」とは、拡散スペースでセパレータの中央部の幅方向に拡散した反応ガスを各反応ガス流路に均等に分配するためのスペースである。
【００５５】
各分配リブの高さは異なっていてもよい。例えば分配リブのうち第１分配リブが最も高いことが好ましい。さらに、分配リブの高さは、第１分配リブから第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少することが好ましい（実施の形態２参照）。
【００５６】
また、第ｍ分配リブが有するスリットの位置は、第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する。より具体的には、第ｍ分配リブが有するスリットの位置は、第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間の中央に位置する。ここで「ｍ」とは１〜ｎ−１までの任意の整数を意味する。また、第ｎ分配リブが有するスリットの位置は、２つの隣接する反応ガス流路の間に位置することが好ましい。
【００５７】
第ｍ分配リブが有するスリットの数は、第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない。したがって、分配リブのうち、第１分配リブが有するスリットの数が最も少ない。第１分配リブが有するスリットの数は、６以下であることが好ましい。また、第ｍ分配リブが有するスリットの数は、第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２であることが好ましい。さらに第ｎ分配リブが有するスリットの数は、セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２であることが好ましい。
【００５８】
本発明では、拡散スペースおよび分配スペースの構造に特徴を有する。以下拡散スペースおよび分配スペースの構造について説明する。
【００５９】
拡散スペースは、反応ガス流路の長軸に垂直の長軸を有する。拡散スペースの数は１つである。拡散スペースの断面積は、第１分配リブのそれぞれのスリットの断面積よりも大きい。ここで「拡散スペースの断面積」とは、反応ガス流路の長軸に平行で、かつセパレータの面方向に垂直な拡散スペースの断面の平均面積を意味する。また「スリットの断面積」とは、分配リブの長軸に平行で、かつセパレータの面方向に垂直なスリットの断面の面積を意味する。
【００６０】
具体的には、拡散スペースの断面積は、第１分配リブが有するスリットの断面積の３〜１０倍であることが好ましい。また、拡散スペースの断面積は、第１分配リブが有するスリットの断面積の総和の０．９倍以上であることが好ましく、１倍以上であることがさらに好ましい。
【００６１】
また、拡散スペースは、反応ガス供給マニホールド孔と反対側の長軸方向の端部（以下「端部Ａ」とも称する）から、反応ガス供給マニホールド孔側の長軸方向の端部（以下「端部Ｂ」とも称する）に向かって、広くなってもよい。拡散スペースを端部Ａから端部Ｂに向かって広くするには、端部Ａから端部Ｂに向かって拡散スペースの幅（拡張スペースの反応ガス流路の長軸方向の長さ）を広くしてもよいし（実施の形態４参照）、拡散スペースの深さを深くしてもよい。
【００６２】
また、拡散スペースには、最も多くの反応ガスが流入するので、拡散スペースの断面積を、分配スペースの断面積よりも大きくして、拡散スペースの圧力損失を分配スペースの圧力損失よりも低くすることが好ましい。
【００６３】
「分配スペース」は、拡散スペースで反応ガス流路の長軸に垂直方向に拡散した反応ガスを各反応ガス流路に均等に分配するためのスペースである。したがって、反応ガスの分配性という観点からは、ガス入口分配部が有する分配スペースの数は多いことが好ましい。一方で分配スペースの（リブの）数が増加するとセル全体の圧力損失が増大する。このため分配スペースの数は、反応ガスの分配性と圧力損失とのバランスを鑑みながら決定される。例えば、触媒電極のサイズが縦２００ｍｍ×１２０ｍｍの燃料電池では、分配スペースの数は、２〜５（すなわちｎは２〜５）である。
【００６４】
また、第ｎ分配スペースの断面積は、第１〜第ｎ−１分配スペースの断面積よりも大きいことが好ましい。
【００６５】
次に本発明の燃料電池における反応ガス供給マニホールド孔から反応ガス流路へのガスの流れについて説明する。
【００６６】
反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスは、まずガス入口分配部の拡散スペース内に流入する。上述のように拡散スペースの断面積は、第１分配リブの各スリットの断面積よりも大きく、さらに、好ましくは第１分配リブのスリットの断面積の総和よりも大きい。このため、拡散スペースの圧力損失は第１分配リブのスリットの圧力損失よりも小さく、拡散スペース内に流入した反応ガスは、第１分配リブのスリットに流入する前に、拡散スペース全体に拡散する。このため、反応ガスは、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部の幅方向にまず拡散する。
【００６７】
また、反応ガス供給マニホールド孔から供給された拡散スペースに供給された反応ガスは、拡散スペースに拡散する前に僅かながらも第１分配リブの反応ガス供給マニホールド孔付近のスリットから漏れ出すことがある。しかし上述したように、拡散スペースを端部Ａから端部Ｂに向かって広くすることで、反応ガス供給マニホールド孔（端部Ａ）近傍の拡散スペースの圧力損失をさらに下げることができる。これにより、反応ガスが拡散スペースを満たす前に第１分配リブのスリットから漏れ出すことを防止することができる。
【００６８】
反応ガスが充満した拡散スペース内にさらに反応ガスが拡散スペースに流入すると、拡散スペース内の反応ガスの圧力が高まり、反応ガスは、第１分配リブのスリットを通って、第１分配スペースに流入する。上述のように、一つの分配リブが有するスリットは同じ寸法を有することから、１つの分配リブが有するスリットの圧力損失は均一である。このため、それぞれのスリットに流入する反応ガスの流量も均一になる。
【００６９】
上述のように第１分配リブが有するスリットの位置は、第２分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置するので、第１分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第２リブに衝突した後に２等分され；２等分された反応ガスは、それぞれ隣接するスリットから第２分配スペースに流入する。
【００７０】
このように、第ｍ分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第ｍ分配スペースで２等分され、それぞれ第ｍ＋１分配リブのスリットをさらに通過する。このため、反応ガスは分配スペースを通過するにつれて、セパレータの中央部の幅方向（反応ガスの長軸に垂直方向）に均等に分配される。最後に、反応ガスは、第ｎ分配リブのスリットを通過し、第ｎ分配スペースに到達する。
【００７１】
このように、第１分配リブのそれぞれのスリットから流出する反応ガスの流量を均一にし、第１分配リブのそれぞれのスリットから流出した反応ガスをさらに均等に分配することで、第ｎ分配スペースでは、反応ガスの流量は、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部の幅方向に均等になる。
【００７２】
第ｎ分配スペースに到達した反応ガスは、それぞれ反応ガス流路に均等に流入する。上述のように、第ｎ分配リブのスリットの位置は、２つの隣接する反応ガス流路の間に位置するので、第ｎ分配リブのスリットから流出した反応ガスは、さらに２等分されて、それぞれの反応ガス流路に流入する。
【００７３】
また、上述のように第ｎ分配スペースの断面積は大きいので、第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係がずれたとしても、各反応ガス流路にガスが均等に分配される。例えば、反応ガス流路がＭＥＡのガス拡散層に形成される場合（実施の形態８参照）、燃料電池の組み立て時に第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置がずれる場合がある。このように第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係がずれると、各反応ガス流路に流入する反応ガスの流量がばらつく。しかし、本発明のように、断面積が大きい第ｎ分配スペースを設けると、第ｎ分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第ｎ分配スペースで拡散することができ、第ｎ分配スペース内では、反応ガスの流量が均一になる。これにより、第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係のずれによって生じる反応ガスの流量のバラツキが補正される。
【００７４】
ii）ガス出口分配部について
上述のように、本発明の燃料電池は、反応ガス流路と反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部を有していてもよい。ガス入口分配部の位置および構造と、ガス出口分配部の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい。
【００７５】
反応ガス供給マニホールド孔を、反応ガス排出マニホールド孔の対角に配置し、かつ反応ガス供給マニホールド孔の位置と、反応ガス排出マニホールド孔の位置とを、セパレータの中心点に関して点対称とし、ガス入口分配部の位置および構造と、ガス出口分配部の位置および構造とを、セパレータの中心点に関して点対称にすることで、各反応ガス流路の圧力損失を均一にすることができ、各反応ガス流路内の反応ガスの流量を、さらに均一にすることができる。
【００７６】
このように本発明によれば、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量を均一にすることができる。
【００７７】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の実施の形態は本発明の範囲を限定するものではない。
【００７８】
［実施の形態１］
実施の形態１では、セパレータが金属セパレータである形態について説明する。また、実施の形態１では、金属セパレータの外周部をプレス加工することによってセパレータに分配リブを形成した形態について説明する。
【００７９】
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池の分解斜視図である。図２に示されるように燃料電池１は、枠体一体型ＭＥＡ１００と、枠体一体型ＭＥＡ１００を挟む一対のセパレータ（空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００）を有する。
【００８０】
本実施の形態では枠体一体型ＭＥＡ１００は、ＭＥＡ１０１と、ＭＥＡ１０１を保持する枠体１０５とを有する。ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極とを有する（不図示）。
【００８１】
枠体１０５は、燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス排出マニホールド孔１４０、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス排出マニホールド孔１６０、冷媒供給マニホールド孔１２０および冷媒排出マニホールド孔１５０を備える。
【００８２】
空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００も、外周部に燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス排出マニホールド孔１４０、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス排出マニホールド孔１６０、冷媒供給マニホールド孔１２０および冷媒排出マニホールド孔１５０を備える。
【００８３】
空気極セパレータ２００の外周部は、さらに酸化ガス入口分配部２１０、酸化ガス出口分配部２６０を有する。酸化ガス入口分配部２１０および酸化ガス出口分配部２６０は、枠体１０５にのみ重なり、触媒電極１０１に重ならない。空気極セパレータ２００の中央部は、流路リブ２３１によって規定された酸化ガス流路２３０を有する。
【００８４】
燃料極セパレータ３００の外周部も、空気極セパレータ２００と同様に、燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス出口分配部３６０（不図示）を有する（図４参照）。燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス出口分配部３６０は、枠体１０５のみに重なり、触媒電極１０１に重ならない。燃料極セパレータ３００の中央部は、流路リブ３３１によって規定された燃料ガス流路３３０を有する（図４参照）。
【００８５】
燃料ガス供給マニホールド孔１１０および酸化ガス供給マニホールド孔１３０は、冷媒供給マニホールド孔１２０に隣接している。また、燃料ガス供給マニホールド孔１１０は、燃料ガス排出マニホールド孔１４０の対角に位置し、かつセパレータ（またはＭＥＡ）の中心点に関して点対称である。同様に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０は、酸化ガス排出マニホールド孔１６０の対角に位置し、かつセパレータ（またはＭＥＡ）の中心点に関して点対称である。一方で冷媒供給マニホールド孔１２０と、冷媒排出マニホールド孔１５０とは、セパレータの同一中心線上に位置している。
【００８６】
ガス入口分配部の位置および構造と、ガス出口分配部の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称である。
【００８７】
また、空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００は、ＭＥＡ１００と接する面の裏面に、冷媒入口分配部４１０、冷媒流路４３０および冷媒出口分配部４６０を有する。冷媒入口分配部４１０の位置および構造と、冷媒出口分配部４６０の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい。
【００８８】
１）空気極セパレータ２００の酸化ガス入口分配部２１０の構造について
図３は、空気極セパレータ２００の枠体一体型ＭＥＡ１００に接する面に形成された酸化ガス入口分配部２１０および酸化ガス流路２３０のパターンを示す図である。図３に示されるように、空気極セパレータ２００は、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス入口分配部２１０、酸化ガス流路２３０を取り囲むシール部材２５０を有する。
【００８９】
また、図３に示されるように酸化ガス入口分配部２１０は酸化ガス供給マニホールド孔１３０と直線状の酸化ガス流路２３０とを接続する。酸化ガス供給マニホールド孔１３０と酸化ガス入口分配部２１０とは流路受け部２４０を介して連結されている。
【００９０】
酸化ガス入口分配部２１０は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの拡散スペース２１１と、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する３つの分配スペース（第１分配スペース２１２、第２分配スペース２１３および第３分配スペース２１４）と、拡散スペース２１１および分配スペースを規定する３つの分配リブ（第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２、第３分配リブ２２３）とを有する。それぞれの分配リブは分配スペース同士を接続するスリット２２５を有する。
【００９１】
第１分配リブ２２１は、等間隔に配置された同一の寸法の６個のスリット２２５を有し；第２分配リブ２２２は、等間隔に配置された同一の寸法の１２個のスリット２２５を有し；第３分配リブ２２３は等間隔に配置された同一の寸法の２４個のスリット２２５を有する。また、酸化ガス流路２３０の数は４８本である。
【００９２】
拡散スペース２１１の断面積は、第１分配リブ２２１が有するスリット２２５の断面積よりも大きい。例えば、拡散スペース２１１の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；第１分配リブ２２１が有するスリット２２５の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は０．５〜３．０ｍｍである。
【００９３】
第１分配スペース２１２および第２分配スペース２１３の深さは０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅は、１．０〜１．５ｍｍであることが好ましい。また、第３分配スペース２１４の深さは０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅は、１．０〜３．５ｍｍであることが好ましい。
【００９４】
第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が有するスリットの深さは、０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅が０．２〜１．５ｍｍであることが好ましい。また、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が有するスリットの寸法（深さおよび幅）は同一であってもよい。
【００９５】
また、図３に示されるように第１分配リブ２２１が有するスリット２２５は、第２分配リブ２２２が有する隣接するスリット２２５の間の中央に位置し；第２分配リブ２２２が有するスリット２２５は、第３分配リブ２２３が有する隣接するスリット２２５の間の中央に位置する。
【００９６】
次に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から酸化ガス流路２３０への酸化ガスの流れについて説明する。図３に示された矢印は酸化ガスの動きを示す。
【００９７】
図３に示されるように、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から供給された酸化ガスは、まず酸化ガス入口分配部２１０の拡散スペース２１１内に流入する。上述のように拡散スペース２１１の断面積は、第１リブ２２１のスリット２２５の断面積よりも大きいので、拡散スペース２１１の圧力損失は第１リブ２２１のスリット２２５の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース２１１内に流入した酸化ガスは、第１リブ２２１のスリット２２５に流入する前に、まず拡散スペース２１１全体に拡散する。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【００９８】
全体に酸化ガスが拡散した拡散スペース２１１内にさらに酸化ガスが流入すると、拡散スペース２１１内の酸化ガスの圧力が高まり、酸化ガスは、第１リブ２２１のスリット２２５を通って、第１分配スペース２１２に流入する。上述のように、第１リブ２２１が有するスリット２２５の寸法は同じであり、圧力損失が同じであることから第１リブ２２１のスリット２２５に流入する酸化ガスの流量も均一である。
【００９９】
第１リブ２２１のスリット２２５を通って、第１分配スペース２１２に流入した酸化ガスは、矢印に示すように２等分され、それぞれ第２リブ２２２の隣接するスリット２２５に流入し、第２分配スペース２１３に流入する。第２分配スペース２１３に流入した酸化ガスは、矢印に示すように２等分され、それぞれ第３リブ２２３のスリット２２５に流入し、第３分配スペース２１４に流入する。
このように、第１リブ２２１のそれぞれのスリット２２５から流出する酸化ガスの流量を均一にし、第１リブ２２１のそれぞれのスリット２２５から流出した酸化ガスをさらに均等に分配することで、第３分配スペース２１４では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になる。
【０１００】
最後に第３分配スペース２１４の酸化ガスが各酸化ガス流路２３０に流入する。上述のように、第３分配スペース２１４では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になるので、各酸化ガス流路２３０内の酸化ガスの流量を均一にすることができる。
【０１０１】
２）燃料極セパレータ３００の燃料ガス入口分配部３１０の構造について
図４は、燃料極セパレータ３００の枠体一体型ＭＥＡ１００に接する面に形成された燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス流路３３０のパターンを示す図である。図４に示されるように、燃料極セパレータ３００は、燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス入口分配部３１０、燃料ガス流路３３０を取り囲むシール部材３５０を有する。
【０１０２】
また、図４に示されるように燃料ガス入口分配部３１０は燃料ガス供給マニホールド孔１１０と直線状の燃料ガス流路３３０とを接続する。燃料ガス供給マニホールド孔１１０と燃料ガス入口分配部３１０とは流路受け部３４０を介して連結されている。
【０１０３】
燃料ガス入口分配部３１０は、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの拡散スペース３１１と、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する３つの分配スペース（第１分配スペース３１２、第２分配スペース３１３および第３分配スペース３１４）と、拡散スペース３１１および分配スペースを規定する３つの分配リブ（第１分配リブ３２１、第２分配リブ３２２、第３分配リブ３２３）とを有する。それぞれの分配リブは分配スペース同士を接続するスリット３２５を有する。
【０１０４】
図４に示されるように、燃料入口分配部３１０の構造は、図３に示された酸化ガス入口分配部２１０の構造と同様であることから、詳細な説明を省略する。
【０１０５】
３）冷媒入口分配部４１０の構造について
図５は、燃料電池スタックにおいて隣接する空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって形成された、冷媒入口分配部４１０および直線状の冷媒流路４３０のパターンを示す図である。図５に示されるように、冷媒供給マニホールド孔１２０、冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０は、シール部材４５０によって取り囲まれる。
【０１０６】
また、図５に示されるように冷媒入口分配部４１０は、冷媒供給マニホールド孔１２０と直線状の冷媒流路４３０とを接続する。冷媒供給マニホールド孔１２０と冷媒入口分配部４１０とは流路受け部４４０を介して連結されている。
【０１０７】
冷媒入口分配部４１０は、冷媒入口分配部４１０を複数のスペースに区切るｎ個の分配リブ（第１分配リブ４２１、第２分配リブ４２２、第３分配リブ４２３）を有する。分配リブは、直線状の冷媒流路４３０の長軸に垂直な長軸を有し、直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリット４２５を有する。
【０１０８】
また、冷媒入口分配部４１０は、分配リブによって規定され、冷媒流路４３０の長軸に垂直な長軸を有する３以上の冷媒分配スペース（第１冷媒分配スペース４１１、第２冷媒分配スペース４１２、第３冷媒分配スペース４１３および第４冷媒分配スペース４１４）を有する。隣接する冷媒分配スペースは、分配リブのスリット４２５によって接続される。
【０１０９】
第１分配リブ４２１は、４個のスリット４２５を有し；第２分配リブ４２２は、等間隔に配置された同一の寸法の１２個のスリット４２５を有し；第３分配リブ４２３は等間隔に配置された同一の寸法の２４個のスリット４２５を有する。また、冷媒流路４３０の数は４９本である。後述するように、冷媒流路４３０と反応ガス流路（２３０、３３０）とは表裏一体の関係にあるので、冷媒流路４３０の本数（４９本）は、反応ガス流路の本数（４８本）よりも多くなる。
【０１１０】
第１冷媒分配スペース４１１の断面積は、第１分配リブ４２１が有するスリット４２５の断面積よりも大きい。例えば、第１冷媒分配スペース４１１の深さは０．５０〜１．０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；例えば第１分配リブ４２１が有するスリット４２５の深さは０．２５〜１．０ｍｍであり、幅は０．２〜１０ｍｍである。
【０１１１】
また、図５に示されるように第１分配リブ４２１は、中央部にはスリット４２５を有さない。さらに、第１分配リブ４２１が有する４つのスリット４２５のうち、中央部側のスリット４２５の断面積は、端部側のスリット４２５の断面積よりも大きいことが好ましい。例えば、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５の深さは約０．２５ｍｍであり、幅が約２．０ｍｍであり；中央側のスリット４２５の深さが約０．２５ｍｍであり、幅が約３．０ｍｍである。
【０１１２】
また、図５に示されるように第１分配リブ４２１が有するスリット４２５は、第２分配リブ４２２が有する隣接するスリット４２５の間の中央に位置し；第２分配リブ４２２が有するスリット４２５は、第３分配リブ４２３が有する隣接するスリット４２５の間の中央に位置する。
【０１１３】
次に、冷媒供給マニホールド孔１２０から冷媒流路４３０への冷媒の流れについて説明する。図５に示された矢印は冷媒の動きを示す。
【０１１４】
図５に示されるように、冷媒供給マニホールド孔１２０から供給された冷媒は、まず冷媒入口分配部４１０の第１冷媒分配スペース４１１内に流入する。上述のように第１冷媒分配スペース４１１の断面積は、第１分配リブ４２１のスリット４２５の断面積よりも大きいので、拡散スペース４１１の圧力損失は第１分配リブ４２１のスリット４２５の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース４１１内に流入した冷媒は、第１分配リブ４２１のスリット４２５に流入する前に、まず第１冷媒分配スペース４１１全体に拡散する。このため、冷媒は、冷媒流路４３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【０１１５】
その後、冷媒は、第１分配リブ４２１のスリット４２５を通って、第２冷媒分配スペース４１２に流入する。第２冷媒スペース４１２に流入した冷媒は、矢印に示すように分割され、それぞれ第２分配リブ４２２のスリット４２５に流入し、第３冷媒スペース４１３に流入する。第３冷媒スペース４１３に流入した冷媒は、矢印に示すように２等分され、それぞれ第３分配リブ４２３のスリット４２５に流入し、第４冷媒分配スペース４１４に流入する。このように、分配リブに設けられたスリットで冷媒を分配することで、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量を均一にすることができる。
【０１１６】
また、上述のように第１分配リブ４２１の中央部にスリット４２５を形成しないことで、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量をより均一にすることができる。上述のように冷媒供給マニホールド孔１２０と、冷媒排出マニホールド孔１５０とは、セパレータの同一中心線を通るので（図２参照）、冷媒はセパレータの中央部の冷媒流路４３０を流れやすい。このため、ガス入口分配部（２１０、３１０）の第１分配リブのように、中央部にも、スリットが形成した場合、冷媒が中央部の冷媒流路４３０のみを流れて、端部側の冷媒流路４３０を流れない恐れがある。
【０１１７】
一方、図５に示されるように第１分配リブ４２１が両端部にのみスリット４２５を有すると、冷媒が両端部の冷媒流路４３０のみを流れるおそれがある。しかし、本実施の形態では上述のように、第１分配リブ４２１の中央部側のスリット４２５の断面積は、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５の断面積よりも大きいことから、第１分配リブ４２１の中央部側のスリット４２５を通る冷媒の流量は、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５を通る冷媒の流量よりも多くなり、中央部の冷媒流路４３０にも十分な冷媒を供給することができる。このため、本実施の形態では、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量も均一にすることができる。
【０１１８】
一方、冷媒の機能は、燃料電池から発生する熱を奪い、発電中の燃料電池の温度を均一化することである。このため冷媒には、反応ガスほどの均一な分配性は求められない。
【０１１９】
４）燃料極セパレータ３００および空気極セパレータ２００の形状について
上述のように、本実施の形態ではセパレータ（２００、３００）は、プレス加工によって形成された、金属セパレータである。このため、セパレータは、表面と裏面とに表裏一体の凹凸パターンを有し、厚さが一定で波形の断面形状を有する。すなわち、セパレータの表面の凸部は、セパレータの裏面の凹部に対応する。また、上述のように分配部は全て金属セパレータの外周部をプレス加工することによって形成される。
【０１２０】
また、上述したように、本実施の形態では、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０が形成される。以下、貼り合わせることによって、冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０を形成できる金属セパレータの形状について説明する。
【０１２１】
図６Ａは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＡＡ線による断面図であり；図６Ｂは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＢＢ線による断面図であり；図６Ｃは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＣＣ線による断面図であり；図６Ｄは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＤＤ線による断面図である。
【０１２２】
図６Ａ〜図６Ｂに示されるように、ガス入口分配部（２１０、３１０）のリブは、裏面の冷媒入口分配部４１０の分配スペースに対応し、ガス入口分配部の分配スペースは、裏面の冷媒入口分配部４１０のリブに対応している。一方で、セパレータ（２００、３００）はそれぞれ、中間程度の（リブの頂点よりも低く、分配スペースの底面よりも高い）高さの面Ｍ（以下単に「中間面」とも称する）を有する。例えば、図６Ｂに示されるように、中間面Ｍの深さＤは、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースの深さ３１０ｄの半分程度でよい。より具体的には、中間面Ｍの深さＤは約０．２５ｍｍであり、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースの深さ３１０ｄは、約０．５ｍｍである。
【０１２３】
図６Ｂ〜図６Ｃに示されるように、冷媒入口分配部４１０のリブが有するスリット４２５は、中間面Ｍによって形成されている。中間面Ｍの領域では、酸化ガス入口分配部２１０の分配スペース、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースは閉塞されない。
【０１２４】
このように空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０を形成することができる。また、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００が中間面Ｍを有することで、ガス分配部と、冷媒分配部とのパターンを違えることができる。
【０１２５】
（実施の形態２）
実施の形態２では、流路リブと触媒電極との接触を確実にするために、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和よりも大きくした形態について説明する。また、本実施の形態では、分配リブは、カーボンセパレータの外周部を切削加工することでセパレータに形成される。
【０１２６】
図７は、実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２００の平面の一部拡大図である。実施の形態１の燃料電池１と、同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。図７に示されるように実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２００は、実施の形態１と同様のパターンの酸化ガス入口分配部２１０を有する。
【０１２７】
図８Ａは、図７に示されたＡＡ線による本実施の形態の燃料電池２の断面図である。図８Ａに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さ１０１ｔと流路リブ２３１の高さ２３１ｈとの和（以下「Ｓ１」とも称する）は、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈの和（以下「Ｓ２」とも称する）よりも大きい。このように、Ｓ１を、Ｓ２よりも大きくすることで、流路リブ２３１とＭＥＡ１０１の触媒電極とが確実に接触する。一方、Ｓ１がＳ２よりも大きすぎると、分配リブと枠体１０５との間に隙間Ｇが大きくなり、分配スペースの密閉性が保てなくなるので好ましくない。Ｓ１とＳ２との差は、２００μｍ以下であることが好ましい。
【０１２８】
また、本実施の形態では、図８Ｂに示されるように第１分配リブ２２１の高さは、他の分配リブ（第２分配リブ２２２、第３分配リブ２２３）の高さよりも高い。図８Ｂは、図８Ａに示された、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３の拡大図である。
【０１２９】
さらに本実施の形態では、分配リブの高さは、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くなることが好ましい。具体的には、第２分配リブ２２２は第１分配リブ２２１よりも１０〜４０μｍ低いことが好ましく、第３分配リブ２２３は第２分配リブ２２２よりも４０〜８６μｍ低いことが好ましい。
【０１３０】
このように分配リブの高さを調整する理由については、後述する「分配スペースの密閉性について」で詳細に説明する。
【０１３１】
上述のように、本実施の形態では、図８Ａに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さと流路リブ２３１の高さ２３１ｈとの和Ｓ１を、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２よりも大きくすることで、ＭＥＡ１０１と流路リブと接触を確実にしている。
【０１３２】
一方、図８Ｃに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１が、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２よりも小さかった場合、流路リブ２３１と、ＭＥＡ１０１との間に隙間Ｇが形成され、流路リブ２３１が、ＭＥＡ１０１に接触することができない。流路リブ２３１が、ＭＥＡ１０１に接触することができないと、電子が空気極から燃料極に移動することができなくなり、電気エネルギを取り出せなくなる。
【０１３３】
図８Ａ〜図８Ｃでは、空気極セパレータ２００についてのみ説明したが、燃料極セパレータ３００も、空気極セパレータ２００と同様の形状を有する。
【０１３４】
分配スペースの密閉性について
上述のように、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和Ｓ１を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和Ｓ２よりも大きくすることで、流路リブとＭＥＡとの接触は確実になるが、分配リブと枠体との間に隙間が形成されるおそれがある（図８Ａ参照）。
【０１３５】
このように、分配リブと枠体との間に隙間が形成されてしまうと、燃料電池に締結圧が加えられた場合であっても、分配スペースが密閉されない場合がある。分配スペースが密閉されないと、分配部のガス分配機能が低下する。特に、第１分配リブが枠体１０５に接触せず、拡散スペースが密閉されなかった場合、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１３６】
しかし、本実施の形態では、図８Ｂに示されるように、第１分配リブの高さを他の分配リブの高さよりも高くすることで、第１分配リブと、枠体１０５との接触を確実にしている。
【０１３７】
図９Ａは、締結圧（１２４ＭＰａ）が加えられた本実施の形態の燃料電池における、分配リブ（２２１、２２２、２２３）と枠体との接触領域を示す図である。分配リブの頂面における白くなった領域Ｙが枠体との接触領域を示す。
【０１３８】
図９Ａに示された酸化ガス入口分配部２１０では、図８Ｂに示されたように分配リブの高さを、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くしている。具体的には、第１分配リブの高は０．２５ｍｍであり、第２分配リブの高さは、０．２４ｍｍであり、第３分配リブの高さは０．２１ｍｍである。
【０１３９】
図９Ａに示されるように、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くすると、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３全てが枠体に接触する。したがって、本実施の形態によれば、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が全て枠体に接触する。これにより分配スペースが密閉され、分配部のガス分配機能が確保される。
【０１４０】
一方、図９Ｂは、分配リブ（２２１、２２２、２２３）の高さが全て同じであった場合の、分配リブと枠体１０５との接触領域を示す図である。図９Ｂに示されるように、全ての分配リブの高さが同じであった場合、第３分配リブ２２３のみが枠体に接触し、拡散スペース２１１が密閉されない。このため、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１４１】
また、図９Ｃは、第１分配リブ２２１の高さと第２分配リブ２２２の高さが同じであった場合の、分配リブと枠体１０５との接触領域を示す図である。図９Ｃに示された分配部２１０では、第１分配リブの高が０．２５ｍｍであり、第２分配リブの高さが、０．２５ｍｍであり、第３分配リブの高さが０．２１ｍｍである。
【０１４２】
図９Ｃに示されるように、第１分配リブ２２１の高さと第２分配リブ２２２の高さが同じであった場合、第２分配リブ２２２のみが枠体に接触し、拡散スペース２１１が密閉されない。このため、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１４３】
このように、第１分配リブの高さを、他の分配リブの高さよりも高くすれば、第１分配リブと枠体との接触を確保することができ、分配部のガス分配機能が確保される。
【０１４４】
（実施の形態３）
実施の形態２では、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和よりも大きくすることで、流路リブとＭＥＡとの接触を確実にした形態について説明した。実施の形態３では分配リブの頂面を弾性部材とすることで、流路リブとＭＥＡとの接触を確実にした形態について説明する。
【０１４５】
図１０Ａは、実施の形態３の燃料電池３の分解断面図を示す。図１０Ａに示された燃料電池３は、分配リブの構造が異なる以外は、図８Ａに示された実施の形態２の燃料電池２と同じである。実施の形態２の燃料電池２と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１４６】
図１０Ａに示されるように、実施の形態３の燃料電池３では、分配リブの頂面が弾性部材１７０からなる。また、本実施の形態では、実施の形態２と異なり、ＭＥＡの厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１は、枠体の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２以下であってもよい。さらに全ての分配リブの高さは同じであってよい。
【０１４７】
図１０Ｂは、図１０Ａに示された燃料電池２に締結圧を加えた様子を示す。図１０Ｂに示されるように、燃料電池２に矢印Ｘ方向からの締結圧が加わると、弾性部材１７０が枠体に接触し、弾性部材１７０が潰れる。弾性部材１７０が潰れると、分配リブの高さ２２０ｈが低くなり、ＭＥＡの厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１が、枠体１０５ｔの厚さと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２以上になる。これにより、ＭＥＡ１０１と流路リブ２３１とが接触することができる。また、分配リブも枠体１０５に確実に接触することができるので、分配スペースの密封性も確保される。
【０１４８】
また、図１０Ａおよび図１０Ｂでは、分配リブが、セパレータを加工成形することで形成された突起と、突起の頂面に配置された弾性部材からなる例について説明したが、本実施の形態では、分配リブは、図１０Ｃに示されるようにセパレータに配置された弾性部材１７０のみから構成されてもよい。
【０１４９】
（実施の形態４）
実施の形態４では、拡散スペースの長軸に沿って拡散スペースの幅が変動する形態について説明する。
【０１５０】
図１１は、実施の形態４の燃料電池４の空気極セパレータ２００の平面の一部拡大図である。実施の形態１の燃料電池１と、同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１５１】
図１１に示されるように、本実施の形態では、拡散スペース２１１の幅は、酸化ガス供給マニホールド孔２１０と反対側の長軸方向の端部Ａから、酸化ガス供給マニホールド孔２１０側の長軸方向の端部Ｂに向かって、徐々に広くなる。したがって、拡散スペース２１１の端部Ｂ近傍の幅Ｗ２は、端部Ａ近傍の幅Ｗ１よりも広い。
【０１５２】
このように、拡散スペースの幅を、端部Ａから端部Ｂに向かって広くすることで反応ガス供給マニホールド孔近傍の拡散スペースの圧力損失をさらに下げることができ、反応ガスが、拡散スペースを満たす前に第１分配リブのスリットから漏れ出すことを防止することができる。
【０１５３】
（実施の形態５）
実施の形態１〜４では、ガス分配部が３以上の分配スペースおよび２以上の分配リブを有する形態について説明した。実施の形態５では、ガス分配部が１つの分配リブを有する形態について説明する。
【０１５４】
実施の形態５の燃料電池は、ガス分配部のパターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料電池１と同じである。したがって、実施の形態５では、ガス分配部のパターンについてのみ説明する。
【０１５５】
１）空気極セパレータ２００ａの酸化ガス入口分配部２１０ａの構造について
図１２は、空気極セパレータ２００ａのＭＥＡに接する面に形成された酸化ガス入口分配部２１０ａおよび酸化ガス流路２３０のパターンを示す図である。実施の形態１の空気極セパレータと同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１５６】
図１２に示されるように酸化ガス入口分配部２１０ａは酸化ガス供給マニホールド孔１３０と直線状の酸化ガス流路２３０とを接続する。酸化ガス供給マニホールド孔１３０と酸化ガス入口分配部２１０ａとは流路受け部２４０を介して連結されている。
【０１５７】
酸化ガス入口分配部２１０ａは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの分配リブ２２１ａを有する。分配リブ２２１ａは、酸化ガス入口分配部２１０ａを、酸化ガス供給マニホールド孔１３０側の拡散スペース２１１と、酸化ガス流路２３０側の分配スペース２１２とに区切る。
【０１５８】
分配リブ２２１ａは、拡散スペース２１１と分配スペース２１２とを接続する２以上（６個）の分配流路２２７を有する。分配流路２２７は、酸化ガス供給マニホールド孔１３０側から酸化ガス流路２３０側にトーナメント表状に分岐している。分配流路２２７は全て同じ寸法を有することが好ましい。
【０１５９】
拡散スペース２１１の断面積は、分配流路２２７の断面積よりも大きい。例えば、拡散スペース２１１の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；第１分配リブ２２１ａが有する分配流路２２７の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は０．５〜３．０ｍｍである。
【０１６０】
次に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から酸化ガス流路２３０への酸化ガスの流れについて説明する。図１２に示された矢印は酸化ガスの動きを示す。
【０１６１】
図１２に示されるように、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から供給された酸化ガスは、まず酸化ガス入口分配部２１０ａの拡散スペース２１１内に流入する。上述のように拡散スペース２１１の断面積は、分配流路２２７の断面積よりも大きいので、拡散スペース２１１の圧力損失は分配流路２２７の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース２１１内に流入した酸化ガスは、分配流路２２７に流入する前に、まず拡散スペース２１１全体に拡散する。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【０１６２】
全体に酸化ガスが拡散した拡散スペース２１１内にさらに酸化ガスが流入すると、拡散スペース２１１内の酸化ガスの圧力が高まり、酸化ガスは、分配流路２２７に流入する。上述のように、６つの分配流路２２７の寸法は同じであり、圧力損失が同じであることから各分配流路２２７に流入する酸化ガスの流量も均一である。
【０１６３】
各分配流路２２７に流入する酸化ガスは、トーナメント表状に分岐した分配流路によって、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等に分配され分配スペース２１２に流入する。
【０１６４】
このように、各分配流路２２７に流入する酸化ガスの流量を均一にし、各分配流路２２７で酸化ガスをさらに均等に分配することで、第１分配スペース２１２では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になる。
【０１６５】
そして第１分配スペース２１２の酸化ガスが各酸化ガス流路２３０に流入する。上述のように、第１分配スペース２１２では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になるので、各酸化ガス流路２３０内の酸化ガスの流量を均一にすることができる。
【０１６６】
２）燃料極セパレータ３００ａの燃料ガス入口分配部３１０ａの構造について
図１３は、燃料極セパレータ３００ａのＭＥＡに接する面に形成された燃料ガス入口分配部３１０ａおよび酸化ガス流路３３０のパターンを示す図である。実施の形態１の燃料極セパレータと同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１６７】
図１３に示されるように燃料ガス入口分配部３１０ａは燃料ガス供給マニホールド孔１１０と直線状の燃料ガス流路３３０とを接続する。燃料ガス供給マニホールド孔１１０と燃料ガス入口分配部３１０ａとは流路受け部３４０を介して連結されている。
【０１６８】
燃料ガス入口分配部３１０ａは、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの分配リブ３２１ａを有する。分配リブ３２１ａは、燃料ガス入口分配部３１０ａを、燃料ガス供給マニホールド孔１１０側の拡散スペース３１１と、燃料ガス流路３３０側の分配スペース３１２とに区切る。
【０１６９】
分配リブ３２１ａは、拡散スペース３１１と分配スペース３１２とを接続する２以上（６個）の分配流路３２７を有する。分配流路３２７は、燃料ガス供給マニホールド孔１１０側から燃料ガス流路３３０側にトーナメント表状に分岐している。分配流路３２７は全て同じ寸法を有することが好ましい。
【０１７０】
図１３に示されるように、燃料入口分配部３１０ａの構造は、図１１に示された酸化ガス入口分配部２１０ａの構造と同様であることから説明を省略する。
【０１７１】
（実施の形態６）
実施の形態６では、燃料ガス分配部の分配リブがＭＥＡの枠体に形成される形態について説明する。
【０１７２】
図１４は、実施の形態６の燃料電池スタック６の断面図を示す。実施の形態１と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１７３】
図１４に示されるように、本実施の形態では、燃料ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ３２１ｂ、第２分配リブ３２２ｂおよび第３分配リブ３２３ｂ）は、枠体一体型ＭＥＡ１００の枠体１０５に形成される。したがって、燃料極セパレータ３００ｂの外周部は、凹凸形状を有さず平板である。
【０１７４】
一方で、酸化ガス入口分配部の分配リブは、実施の形態３と同様に金属セパレータである空気極セパレータ２００の外周部をプレス加工することによって形成される。また、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００ｂとを貼り合わせることで、冷媒入口分配部が形成される。
【０１７５】
このように、燃料ガス入口分配部の分配リブをＭＥＡの枠体に形成することで、燃料極セパレータの外周部が平板になり、燃料セパレータの凹凸形状を単純にすることができる。これにより、燃料極セパレータの歪みを防止することができる。
【０１７６】
（実施の形態７）
実施の形態７では、酸化ガス分配部および燃料ガス分配部の分配リブが枠体に形成される形態について説明する。
【０１７７】
図１５は、実施の形態７の燃料電池スタック７の断面図を示す。実施の形態６と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１７８】
図１５に示されるように、本実施の形態では、酸化ガス入口分配部および燃料ガス入口分配部の分配リブは、枠体一体型ＭＥＡ１００の枠体１０５に形成される。具体的には、酸化ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ２２１ｃ、第２分配リブ２２２ｃおよび第３分配リブ２２３ｃ）が枠体１０５に形成され；同様に燃料ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ３２１ｃ、第２分配リブ３２２ｃおよび第３分配リブ３２３ｃ）が枠体１０５に形成される。したがって、セパレータ（２００ｃ、３００ｃ）の外周部は、凹凸形状を有さず平板である。
【０１７９】
セパレータ（２００ｃ、３００ｃ）の外周部が平板であると、空気極セパレータ２００ｃおよび燃料極セパレータ３００ｃを貼り合わせただけでは、実施の形態１のように冷媒分配部を形成することができない（図６Ａ〜Ｄ参照）。このため、本実施の形態では、冷媒入口分配部の分配リブ（第１分配リブ４２１ｃ、第２分配リブ４２２ｃおよび第３分配リブ４２３ｃ）は、セパレータの外周部（平板）に配置されたシール部材である。
【０１８０】
このように、燃料ガス入口分配部および酸化ガス入口分配部の分配リブを枠体に形成することで、空気極セパレータおよび燃料極セパレータ両方の凹凸形状を単純にすることができる。このため、本実施の形態によれば、空気極セパレータおよび燃料極セパレータ両方の歪みを防止する効果が高い。
【０１８１】
（実施の形態８）
実施の形態８では、反応ガス流路がガス拡散層に形成されている例について説明する。
【０１８２】
図１６は、本発明の実施の形態８の燃料電池の分解斜視図である。実施の形態１と同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。図１６に示されるように、燃料極セパレータ３００ｄは、燃料ガス流路を有さない。
【０１８３】
図１７は、図１６に示された燃料電池５のＡＡ線による断面の一部拡大図である。実施の形態１と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１８４】
図１７に示されるように、燃料ガス流路３３０ｄは、ＭＥＡ１０１のガス拡散層１０４に形成されている。このため燃料極セパレータ３００ｄの中央部は凹凸形状を有さず平板である。
【０１８５】
（実験例１）
本発明によって反応ガスの分配性が向上することを示すためシミュレーション実験を行った。具体的には、ＡＮＳＹＳ社のＦＬＵＥＮＴのＰＥＭモジュールを用いて、実施の形態１の燃料電池の発電状態におけるガスの流れ方を解析した。
【０１８６】
次にシミュレーションにおける各種パラメータについて説明する。触媒電極のサイズは横１２０ｍｍ、縦２００ｍｍとした。
酸化ガス流路２３０の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．３ｍｍとし、本数を４８本とした。流路を規定する分配リブの幅を１．５ｍｍとし、流路間のピッチを２．５ｍｍとした。燃料ガス流路３３０の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとし、本数を４８本とした。流路を規定する分配リブの幅を１．５ｍｍとし、流路間のピッチを２．５ｍｍとした。酸化ガス流路と燃料ガス流路とは対向するように配置した。
【０１８７】
酸化ガス入口分配部２１０は、４つ分配スペースおよび３つの分配リブを有するように設定した。拡散スペース２１１の幅を１０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。第１分配スペース２１２および第２分配スペース２１３の幅を１ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。第３分配スペース２１４の幅を３．５ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。
分配リブの幅は全て１．５ｍｍとした。第１分配リブ２２１のスリットの幅を３ｍｍとした。第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３のスリットの幅を１．５ｍｍとした。
【０１８８】
燃料ガス入口分配部３１０では、分配スペースの深さを０．２５ｍｍとした以外は、酸化ガス分配部と同じ寸法にした。
【０１８９】
１セルあたりの酸化ガスの標準状態の流量を１．７３７Ｌ／ｍｉｎとし、燃料ガスの標準状態の流量を０．７１３Ｌ／ｍｉｎとした。酸化ガスの露点を６５℃とし、燃料ガスの露点を６５℃とし、セル温度を８０℃とした。酸化ガスを空気とし、燃料ガスを水素に、二酸化炭素を体積比率にして２５％混入させたガスとした。発電時における電流密度を、０．２４Ａ／ｃｍ２とした。
【０１９０】
（比較例１）
比較例として分配部が分配スペースおよび分配リブを有さないように設定した以外は、実験例と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０１９１】
（解析結果）
実験例の解析結果を図１８および図１９に示す。図１８は、酸化ガス流路における解析結果を示し、図１９は燃料ガス流路における解析結果を示す。図１８および図１９では縦軸は、平均流量に対する割合を％で示し、横軸は流路番号を示す。
【０１９２】
平均流量とは、供給したガスの流量を反応ガス流路の数で割った値である。平均流量に対する割合が１００％である場合、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量と同じであることを意味し；１００％超であると、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量よりも多いことを意味し；１００％未満であると、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量よりも少ないことを意味する。
【０１９３】
図１８に示されるように、分配部が分配スペースおよび分配リブを有する実験例では、各酸化ガス流路の酸化ガスの流量のばらつきを５％以内に抑えることができた。一方比較例では、各酸化ガス流路の酸化ガスの流量のばらつきは３０％以上であった。また、図１９に示されるように、分配部が分配スペースおよび分配リブを有する実験例では、各燃料ガス流路の燃料ガスの流量のばらつきは１％以内に抑えることができた。一方比較例では、燃料ガス流路間の燃料ガスの流量のばらつきは１０％以上であった。
【０１９４】
また、燃料極のほうが酸化極よりもガスの流量のバラツキが小さかったのは、燃料ガスの方が酸化ガスよりも粘性が小さいことに起因すると考えられる。
【０１９５】
これらの結果は本発明によって反応ガス流路内のガスの流量を一定にすることができることを示唆する。また、比較例で示されたように分配部が分配スペースを有しない場合、分配部に流入した反応ガスは、均等に分配されることなく反応ガス流路に流入するので、反応ガス流路間の反応ガスの流量がばらつく。
【０１９６】
定置型の家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックでは、発電効率が高いことが求められる。このため、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックでは、反応ガスの利用率を上げて、発電効率を高めるために、燃料電池に供給する反応ガスの流量を少なくしている。具体的には、触媒電極の面積が２４０ｃｍ２の燃料電池単セルあたり、酸化ガスを０．１Ｌ／ｍｉｎ〜３Ｌ／ｍｉｎ、燃料ガスを０．０５Ｌ／ｍｉｎ〜１．２Ｌ／ｍｉｎ程度供給する。これにより、酸化ガスの酸素利用率（限界利用率）を最高８０％まで、燃料ガスの水素利用率（限界利用率）を最高９５％まで向上させることができる。また、このような条件下で家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックを運転すると電流密度は、０．０２Ａ／ｃｍ２〜０．４Ａ／ｃｍ２になる。
【０１９７】
上述のように本発明の燃料電池によれば、２Ｌ／ｍｉｎ以下の反応ガスの流量では、反応ガスの流量のバラツキ５％以下に抑えることができる。このため、本発明の燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池として特に適している。
【０１９８】
また、上述したように、酸素の限界利用率が８０％で、水素の限界利用率が９５％であれば、反応ガスの流量が酸化ガス流路で５％、燃料ガス流路で１％の範囲でバラついたとしても、電極の電流分布が均一に安定する。
【０１９９】
（実験例２）
反応ガスの流量と反応ガスの分配性との関係を示すためシミュレーション実験を行った。実験例２では、反応ガスの流量を変数とした以外は、実験例１と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０２００】
（比較例２）
比較例２では、分配部が分配スペースおよび分配リブを有さないように設定した以外は、実験例２と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０２０１】
（解析結果）
実験例２および比較例２の解析結果を図２０に示す。図２０のグラフでは、縦軸は、流量のバラツキを％で示し、反応ガスの流量を示す。流量のバラツキとは、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量の最大値と最小値との差を、反応ガス流路に流れる反応ガスの平均流量で割った値を示したものである。
【０２０２】
図２０のグラフに示されるように、実験例２および比較例２では、反応ガスの流量が増加するとともに、反応ガスの流量のバラツキも増加した。しかしながら、実験例２における反応ガスの流量のバラツキは、比較例２における反応ガスの流量のバラツキよりも常に低かった。
具体的には、酸化ガス流路では、酸化ガスの流量が３Ｌ／ｍｉｎであっても、酸化ガスの流量のバラツキを５％以内に抑えることができた。また、燃料ガス流路では、燃料ガスの流量が１．２Ｌ／ｍｉｎであっても、燃料ガスの流量のバラツキを１％以内に抑えることができた。
一方、分配部が分配スペースを有さない比較例２では、反応ガスのバラツキは最小でも６％以上であった。
【０２０３】
このように本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が増加した場合であっても、高い反応ガスの分配性を示す。したがって本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が多い自動車用燃料電池としても適している。
【０２０４】
自動車用燃料電池では、通常の発電における電流密度は０．５Ａ／ｃｍ２〜２Ａ／ｃｍ２である。この電流密度を達成するため、自動車用燃料電池では、触媒電極の面積が２４０ｃｍ２の燃料電池単セルあたり、酸化ガスを３．５Ｌ／ｍｉｎ〜８Ｌ／ｍｉｎ、燃料ガスを１．４Ｌ／ｍｉｎ〜６Ｌ／ｍｉｎを供給する。
【０２０５】
本出願は、２００９年９月１６日出願の特願２００９−２１４６９３および２０１０年２月１７日出願の特願２０１０−３２６１９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】
【０２０６】
本発明の燃料電池は、高い反応ガスの分配性を有するので、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックとして適している。また、本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が多くても場合でも高い反応ガスの分配性を有する。このため本発明の燃料電池は、電気自動車用燃料電池、モバイル用燃料電池としても、高い発電性能を発揮することができる。
【符号の説明】
【０２０７】
１、２、３、５、６、７  燃料電池
１００  枠体一体型ＭＥＡ
１０１  ＭＥＡ
１０５  枠体
１０２  電解質膜
１０３  触媒層
１０４  ガス拡散層
１１０  燃料ガス供給マニホールド孔
１２０  冷媒供給マニホールド孔
１３０  酸化ガス供給マニホールド孔
１４０  燃料ガス排出マニホールド孔
１５０  冷媒排出マニホールド孔
１６０  酸化ガス排出マニホールド孔
１７０  弾性部材
２００  空気極セパレータ
２１０  酸化ガス入口分配部
２１１  拡散スペース
２１２、２１３、２１４  分配スペース
２２１、２２２、２２３  分配リブ
２２５、３２５、４２５  スリット
２２７、３２７  分配流路
２３０  酸化ガス流路
２３１  流路リブ
２４０、３４０、４４０  流路受け部
２５０、３５０、４５０  シール部材
２６０  酸化ガス出口分配部
３００  燃料極セパレータ
３１０  燃料ガス入口分配部
３１１  拡散スペース
３１２、３１３、３１４  分配スペース
３２１、３２２、３２３  分配リブ
３３０  燃料ガス流路
３３１  流路リブ
３６０  燃料ガス出口分配部
４１０  冷媒入口分配部
４１１、４１２、４１３、４１４  分配スペース
４２１、４２２、４２３  分配リブ
４３０  冷媒流路
４３１  流路リブ
４６０  冷媒出口分配部
【図１】
2011033745.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】
2011033745.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2011033745.tif 000021
【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月15日(2010.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、ポータブル電源、電気自動車用電源等に使用される燃料電池、特に高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、基本的に、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の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、空気極に酸素を含む酸化ガスを供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。
【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。また、高分子電解質膜が、イオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要である。
【０００４】
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併せ持つガス拡散層とから構成される。触媒層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする。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。
【０００５】
ＭＥＡを機械的に固定し、かつＭＥＡに供給される燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、燃料電池はＭＥＡを挟むセパレータを有する。
【０００６】
反応ガスをＭＥＡに供給するための反応ガス流路は、ガス拡散層などに形成されることもあるが、通常は、セパレータの表面のうちＭＥＡに接する面に形成される。反応ガス流路は、セパレータに設けられたマニホールド孔と接続している。マニホールド孔と接続した反応ガス流路を通じて、触媒電極に反応ガスを供給したり、未反応の余剰ガスを排出することができる。また、反応ガス流路に供給される反応ガスは予め加湿されていてもよい。
【０００７】
このようにＭＥＡおよび一対のセパレータからなる燃料電池単セルを積層し、集電板、絶縁板および端板で挟むことで燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは通常、締結ロッドで固定されている。
【０００８】
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を得ることができる。
【０００９】
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、ＭＥＡに接触したセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。燃料極から空気極へ移動する電子は、電気エネルギ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、セ
パレータを通っ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。発電時に生成された水は、ＭＥＡを保湿するために用いられ、乾燥によるＭＥＡの膜劣化を防止する。
【００１０】
また、上述した反応では熱が発生することから、燃料電池は発電中に発熱する。このため燃料電池の温度状態を良好な条件に維持するために、燃料電池を冷媒等で冷却する必要がある。燃料電池セルを積層した燃料電池スタックでは、通常、１〜３セルごとに、冷媒を流すための冷媒流路が設けられる。
【００１１】
燃料電池の発電性能を向上させるには、各反応ガス流路に供給される反応ガスの流量を均一にすることが必要になる。各反応ガス流路に均一量の反応ガスを供給することで、触媒電極での反応が均一になり、電流分布が生じにくくなり、発電性能が向上する。
【００１２】
各反応ガス流路に反応ガスを均一に供給するために、セパレータが反応ガスマニホールド孔と反応ガス流路とを接続するガス分配部を有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【００１３】
図１は、特許文献１に開示された燃料電池が有するセパレータのガス分配部３２の斜視図である。図１に示されるように、特許文献１のセパレータは、反応ガス供給マニホールド孔２０と反応ガス流路が形成された領域１１とを接続するガス分配部３２を有する。ガス分配部３２は、複数の凸部３１を有する。
【００１４】
このように、反応ガス供給マニホールド孔２０と反応ガス流路が形成された領域１１とを接続するガス分配部３２が、複数の突起を有すると、反応ガス供給マニホールド孔２０からガス分配部に流入した反応ガスが突起によって分散され、各反応ガスに均一に分配されうる。
【００１５】
また、ＭＥＡに外周を覆う枠体を設け、ガス分配部がＭＥＡの触媒電極に重ならないように、ガス分配部を枠体とセパレータとの間にのみ形成する技術が知られている（例えば特許文献７および８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１４１５３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４０７０４号公報
【特許文献３】特開２００９−０５９６８５号公報
【特許文献４】特開２００９−０５９５１３号公報
【特許文献５】特開２００８−１２３７５０号公報
【特許文献６】特開２００９−００４２３０号公報
【特許文献７】特開２００７−３１７５２０号公報
【特許文献８】特開２００７−２００８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示されたようなガス分配部では、反応ガスを反応ガス供給マニホールドから離れた反応ガス流路にまで分配されることができなかった。このため、特許文献１に記載されたような燃料電池では、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量にばらつきが生じる。これにより、セル内で電流分布のばらつきが拡大し発電性能が低下することがあった。
【００１８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マニホールド孔から各反応ガス流路に均等にガスを分配することを可能とした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】
本発明は以下に示す燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
［２］前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、［１］に記載の固体高分子型燃料電池。
［３］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、［１］または［２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［４］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［５］前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、［４］に記載の固体高分子型燃料電池。
［６］前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の固体高分子燃料電池。
［７］前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［８］前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［９］前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、［８］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１０］前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１１］前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大き
い、［１］〜［１０］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１２］前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、［１］〜［１１］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１３］前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、［１２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１４］前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、［１］〜［１３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１５］前記セパレータは、前記反応ガスが形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、前記外周部は、平板である、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池によれば、反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスを、まず反応ガス流路に対して垂直方向に伸びた拡散スペースに充満させ、その後、それぞれの反応ガス流路に均等に分配することができる。このため、本発明によれば、セル内での電流分布のばらつきを抑えることができ、発電性能の高い燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１に開示された従来の燃料電池のセパレータの斜視図
【図２】実施の形態１の燃料電池の分解斜視図
【図３】実施の形態１の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図４】実施の形態１の燃料ガス入口分配部のパターンを示す図
【図５】実施の形態１の冷媒入口分配部のパターンを示す図
【図６】実施の形態１の燃料電池の断面図
【図７】実施の形態２の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図８】実施の形態２の燃料電池の断面図
【図９】分配リブと枠体との接触領域を示す図
【図１０】実施の形態３の燃料電池の断面図
【図１１】実施の形態４の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１２】実施の形態５の酸化ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１３】実施の形態５の燃料ガス入口分配部のパターンを示す図
【図１４】実施の形態６の燃料電池の断面図
【図１５】実施の形態７の燃料電池の断面図
【図１６】実施の形態８の燃料電池の分解斜視図
【図１７】実施の形態８の燃料電池の断面図
【図１８】実験例１および比較例１のシミュレーション結果を示すグラフ（空気極側）
【図１９】実験例１および比較例１のシミュレーション結果を示すグラフ（燃料極側）
【図２０】実験例２および比較例２のシミュレーション結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の固体高分子型燃料電池（以下単に「燃料電池」とも称する）は、（１）膜電極接合体と、（２）膜電極接合体を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータおよび空気極セパレータ）と、（３）分配部とを有する。以下それぞれの構成要素について説明する。
【００２３】
（１）膜電極接合体
膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」とも称する）は、高分子電解質膜および一対の触媒電極を有する。高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロト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。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。
【００２４】
一対の触媒電極は、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる。空気極は、高分子電解質膜に接する空気極触媒層と、空気極触媒層に積層される空気極ガス拡散層とを有することが好ましい。同様に、燃料極は、高分子電解質膜に接する燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層される燃料極ガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２５】
空気極触媒層は、水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。空気極触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。
【００２６】
燃料極触媒層は、水素の酸化反応を促進する触媒を含む層である。燃料極触媒層は、導電性を有し、かつ水素の酸化反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。燃料極触媒層は、例えば、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
空気極触媒層および燃料極触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene  ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層（空気極ガス拡散層および燃料極ガス拡散層）は、膜電極接合体の最も外側に配置される（セパレータに接する）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。
【００２９】
ガス拡散層は、例えば、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を付帯させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパーなどを触媒層表面に熱圧着して、作製されてもよい。また、ガス拡散層には、後述する反応ガス流路が形成されていてもよい（実施の形態７、図１６参照）。
【００３０】
膜電極接合体は枠体によって保持されてもよい。枠体は、膜電極接合体の縁を囲むことで、膜電極接合体を補強する（図２参照）。枠体の材料には、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）やガラス入りポリプロピレン（ＰＰ−Ｇ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーン（ＳＩ）などが含まれる。枠体の材料としては、耐熱温度、コスト、耐久性の観点からＰＰＳおよびＰＰ−Ｇが望ましい。枠体によって保持された膜電極接合体を以下、「枠体一体型ＭＥＡ」とも称する。
【００３１】
（２）セパレータ
セパレータは、反応ガスの混合を防止し、ＭＥＡと電気的に接続した部材である。燃料
電池の発電中、電子はセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。セパレータは、リブによって規定された直線状の複数の反応ガス流路が形成された中央部と、中央部を囲む外周部とを有する。反応ガス流路を規定するリブを以下「流路リブ」とも称する。反応ガス流路の幅は、０．５〜１．５ｍｍであり、深さは、０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。また、反応ガス流路は、セパレータではなく、上述したＭＥＡのガス拡散層に形成される場合もある（実施の形態８参照、図１７参照）。
【００３２】
燃料電池の発電中、電子はセパレータを通って燃料極から空気極に移動する。このため、セパレータがＭＥＡに接触し、ＭＥＡと電気的に接続しなければ、電子が移動することができず、電気エネルギを取り出すことができない。このため、セパレータは、ＭＥＡに確実に接触し、ＭＥＡと電気的に接続することが求められる。より具体的には、セパレータが有する流路リブの頂面がＭＥＡに接触することが求められる。
【００３３】
セパレータの外周部は、反応ガス供給マニホールド孔、反応ガス排出マニホールド孔を有する。反応ガス供給マニホールド孔は、反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ反応ガス供給マニホールド孔の位置と、反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい（図２参照）。反応ガス供給マニホールド孔が、反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、セパレータの中心点に関して点対称であると、反応ガスがいずれの反応ガス流路を流れる場合であっても、反応ガス供給マニホールド孔から反応ガス排出マニホールド孔まで反応ガスが移動する距離が同じになるので、反応ガス流路の圧力損失を均一にすることができるからである。
【００３４】
セパレータの外周部は、さらに冷媒供給マニホールド孔、冷媒排出マニホールド孔を有していてもよい。冷媒供給マニホールド孔は、反応ガス供給マニホールド孔に隣接することが好ましい。反応ガスの露点が燃料電池の発電時の温度よりも低い場合、反応ガス供給マニホールド孔付近の高分子電解質膜が乾燥し、膜抵抗が上昇し、燃料電池の出力密度が下がったり、高分子電解質膜が劣化したりする。しかし冷媒供給マニホールド孔を、反応ガス供給マニホールド孔に隣接させることで、反応ガス供給マニホールド孔付近の反応ガスの相対湿度を上げることができ、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、発電性能の低下や高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【００３５】
また、セパレータは反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路を有していてもよい（実施の形態３参照）。冷媒流路の幅は、０．３〜１．５ｍｍであり、深さは、０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。
【００３６】
セパレータの材料は、導電性を有し、かつ燃料電池スタックにおける締結圧に耐えうる部材であれば、カーボンであっても金属であってもよい。金属製のセパレータ（以下単に「金属セパレータ」とも称する）の材料の例には、耐食性や接触抵抗低減のための金メッキなどの表面処理が施されたステンレス鋼板材やチタン板材、アルミ板材などが含まれる。このような金属プレートをプレス加工することによって反応ガス流路を形成してもよい。
【００３７】
（３）分配部
分配部は、ＭＥＡとセパレータとの間に形成され、マニホールド孔と反応ガス流路とを接続する空間である。分配部は、分配部を複数のスペースに区切り、直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有するｎ個の分配リブを有する。ここでｎとは２以上の整数を意味する。分配部の反応ガス流路の長軸に垂直方向の長さは、反応ガス形成されたセパレータの中央部の幅（反応ガス流路の長軸に垂直方向の長さ）以上であることが好ましい（図２および図３参照）。
【００３８】
分配部はセパレータと触媒電極との間に設けられてもよいが、セパレータと枠体との間にのみ設けられることが好ましい。分配部がセパレータと触媒電極との間に設けられると分配部において高分子電解質膜が乾燥し、高分子電解質膜が劣化しやすいからである。
【００３９】
一方、分配部をセパレータと枠体との間にのみ設けた場合、枠体が厚過ぎたり、分配リブが高すぎたりすると、流路リブと触媒電極とが接触しない場合が発生する（図８Ｃ参照）。上述のように、燃料電池の発電中、電子はセパレータの流路リブと触媒電極との接触面を通って、燃料極から空気極に移動する。このため、流路リブと触媒電極とが接触しないと、電子が移動することができず、電気エネルギを取り出すことができない。このため分配部がセパレータと枠体との間にのみ設けられる場合、流路リブが触媒電極に確実に接触するように、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和以上としたり（実施の形態２参照）、分配リブの頂面を弾性部材としたりすることが好ましい（実施の形態３参照）。
【００４０】
本発明の燃料電池は、少なくとも反応ガス供給マニホールド孔と、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部とを接続するガス入口分配部を有するが、反応ガス排出マニホールド孔と反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部とを接続するガス出口分配部を有していてもよい。
【００４１】
分配リブは、セパレータの外周部に形成されてもよいし（実施の形態１〜４参照）、枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成されてもよい（実施の形態６、実施の形態７参照）。また、分配リブは、シール材などの弾性部材から構成されていてもよい（実施の形態３参照）。弾性部材の例には、リコーンやエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、サントプレーンゴムなどが含まれる。
【００４２】
分配リブは、セパレータ自体または枠体自体を加工形成することで形成されてもよいし、セパレータまたは枠体にシール部材などの弾性部材を配置することで形成されてもよい。分配リブをシール部材で形成した場合、分配リブの頂面は、弾性部材となる。
【００４３】
例えばセパレータが金属セパレータである場合、金属セパレータの外周部をプレス加工したり；金属セパレータの外周部にシール部材を配置することで金属セパレータに分配リブを形成することができる。
【００４４】
金属セパレータをプレス加工することによって、分配リブを形成する場合、分配リブと金属セパレータとは一体的に形成されるので、簡素に分配リブを形成することができる。
【００４５】
しかし、金属セパレータをプレス加工することによって、分配リブを形成する場合、金属セパレータに形成される凹凸パターンが複雑になり、金属セパレータが歪む場合がある。金属セパレータが歪むと金属セパレータとＭＥＡとのシール性が低下し、後述する拡散スペースおよび分配スペースを高精度でパターニングすることができず、ガスの分配性が低下する場合がある。
【００４６】
一方で、金属セパレータの外周部にシール部材を配置することで、分配リブする場合や、枠体に分配リブを形成する場合は、金属セパレータの外周部は平板になるので、金属セパレータが歪むことを防止することができる。このため後述する拡散スペースおよび分配スペースを高精度でパターニングすることができ、ガスの分配性の低下を抑制することができる。
【００４７】
本発明の燃料電池は分配部の構造に特徴を有する。以下ｉ）ガス入口分配部とii）出口分配部に分けてガス分配部の構造について説明する。
【００４８】
ｉ）ガス入口分配部について
ガス入口分配部は、反応ガス供給マニホールド孔と、反応ガス流路とを接続し、反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスを直線状の反応ガス流路それぞれに均等に分配する機能を有する。
【００４９】
ガス入口分配部は、分配部を複数のスペースに区切るｎ個の分配リブを有する。ここでｎとは２以上の整数を意味する。分配リブは、直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有する。したがって、分配リブによって規定された複数のスペースも直線状の反応ガス流路の長軸に垂直な長軸を有する。
【００５０】
それぞれの分配リブは、直線状の反応ガス流路の長軸に平行なスリットを有する。分配リブに設けられたスリットは、分配リブによって規定されるスペースを接続する。１つの分配リブが有するスリットの寸法（幅および深さ）は同一であることが好ましい。また、１つの分配リブ内ではスリットは等間隔に配置されることが好ましい。
【００５１】
本発明では、分配リブのうち、最も反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブと称し；最も反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブと称する。したがって分配部は、反応ガス供給マニホールド孔側から反応ガス流路側に向かって、第１分配リブ、第２分配リブ・・・第ｎ−１分配リブ、第ｎ分配リブを有する。
【００５２】
また、本発明では、また、ガス入口分配部のうち第１分配リブよりも反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを「拡散スペース」と称し；拡散スペース以外の、分配リブによって規定されたスペースを「分配スペース」と称する。すなわち、分配スペースは第１分配リブよりも反応ガス流路側のスペースを意味する。さらに分配スペースのうち、第１分配リブと第２分配リブとの間のスペースを「第１分配スペース」と称し、第ｎ分配リブよりも反応ガス流路側のスペースを「第ｎ分配スペース」と称する。
【００５３】
したがって分配部は、反応ガス供給マニホールド孔側から反応ガス流路側に向かって、拡散スペース、第１分配スペース、第２分配スペース・・・第ｎ−１分配スペース、第ｎ分配スペースを有する。
【００５４】
「拡散スペース」とは、ガス入口分配部に流入した反応ガスを、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部の幅方向に拡散させるための空間であり、「分配スペース」とは、拡散スペースでセパレータの中央部の幅方向に拡散した反応ガスを各反応ガス流路に均等に分配するためのスペースである。
【００５５】
各分配リブの高さは異なっていてもよい。例えば分配リブのうち第１分配リブが最も高いことが好ましい。さらに、分配リブの高さは、第１分配リブから第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少することが好ましい（実施の形態２参照）。
【００５６】
また、第ｍ分配リブが有するスリットの位置は、第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する。より具体的には、第ｍ分配リブが有するスリットの位置は、第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間の中央に位置する。ここで「ｍ」とは１〜ｎ−１までの任意の整数を意味する。また、第ｎ分配リブが有するスリットの位置は、２つの隣接する反応ガス流路の間に位置することが好ましい。
【００５７】
第ｍ分配リブが有するスリットの数は、第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない。したがって、分配リブのうち、第１分配リブが有するスリットの数が最も少ない。第１分配リブが有するスリットの数は、６以下であることが好ましい。また、第ｍ分配
リブが有するスリットの数は、第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２であることが好ましい。さらに第ｎ分配リブが有するスリットの数は、セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２であることが好ましい。
【００５８】
本発明では、拡散スペースおよび分配スペースの構造に特徴を有する。以下拡散スペースおよび分配スペースの構造について説明する。
【００５９】
拡散スペースは、反応ガス流路の長軸に垂直の長軸を有する。拡散スペースの数は１つである。拡散スペースの断面積は、第１分配リブのそれぞれのスリットの断面積よりも大きい。ここで「拡散スペースの断面積」とは、反応ガス流路の長軸に平行で、かつセパレータの面方向に垂直な拡散スペースの断面の平均面積を意味する。また「スリットの断面積」とは、分配リブの長軸に平行で、かつセパレータの面方向に垂直なスリットの断面の面積を意味する。
【００６０】
具体的には、拡散スペースの断面積は、第１分配リブが有するスリットの断面積の３〜１０倍であることが好ましい。また、拡散スペースの断面積は、第１分配リブが有するスリットの断面積の総和の０．９倍以上であることが好ましく、１倍以上であることがさらに好ましい。
【００６１】
また、拡散スペースは、反応ガス供給マニホールド孔と反対側の長軸方向の端部（以下「端部Ａ」とも称する）から、反応ガス供給マニホールド孔側の長軸方向の端部（以下「端部Ｂ」とも称する）に向かって、広くなってもよい。拡散スペースを端部Ａから端部Ｂに向かって広くするには、端部Ａから端部Ｂに向かって拡散スペースの幅（拡張スペースの反応ガス流路の長軸方向の長さ）を広くしてもよいし（実施の形態４参照）、拡散スペースの深さを深くしてもよい。
【００６２】
また、拡散スペースには、最も多くの反応ガスが流入するので、拡散スペースの断面積を、分配スペースの断面積よりも大きくして、拡散スペースの圧力損失を分配スペースの圧力損失よりも低くすることが好ましい。
【００６３】
「分配スペース」は、拡散スペースで反応ガス流路の長軸に垂直方向に拡散した反応ガスを各反応ガス流路に均等に分配するためのスペースである。したがって、反応ガスの分配性という観点からは、ガス入口分配部が有する分配スペースの数は多いことが好ましい。一方で分配スペースの（リブの）数が増加するとセル全体の圧力損失が増大する。このため分配スペースの数は、反応ガスの分配性と圧力損失とのバランスを鑑みながら決定される。例えば、触媒電極のサイズが縦２００ｍｍ×１２０ｍｍの燃料電池では、分配スペースの数は、２〜５（すなわちｎは２〜５）である。
【００６４】
また、第ｎ分配スペースの断面積は、第１〜第ｎ−１分配スペースの断面積よりも大きいことが好ましい。
【００６５】
次に本発明の燃料電池における反応ガス供給マニホールド孔から反応ガス流路へのガスの流れについて説明する。
【００６６】
反応ガス供給マニホールド孔から供給された反応ガスは、まずガス入口分配部の拡散スペース内に流入する。上述のように拡散スペースの断面積は、第１分配リブの各スリットの断面積よりも大きく、さらに、好ましくは第１分配リブのスリットの断面積の総和よりも大きい。このため、拡散スペースの圧力損失は第１分配リブのスリットの圧力損失よりも小さく、拡散スペース内に流入した反応ガスは、第１分配リブのスリットに流入する前に、拡散スペース全体に拡散する。このため、反応ガスは、反応ガス流路が形成されたセ
パレータの中央部の幅方向にまず拡散する。
【００６７】
また、反応ガス供給マニホールド孔から供給された拡散スペースに供給された反応ガスは、拡散スペースに拡散する前に僅かながらも第１分配リブの反応ガス供給マニホールド孔付近のスリットから漏れ出すことがある。しかし上述したように、拡散スペースを端部Ａから端部Ｂに向かって広くすることで、反応ガス供給マニホールド孔（端部Ａ）近傍の拡散スペースの圧力損失をさらに下げることができる。これにより、反応ガスが拡散スペースを満たす前に第１分配リブのスリットから漏れ出すことを防止することができる。
【００６８】
反応ガスが充満した拡散スペース内にさらに反応ガスが拡散スペースに流入すると、拡散スペース内の反応ガスの圧力が高まり、反応ガスは、第１分配リブのスリットを通って、第１分配スペースに流入する。上述のように、一つの分配リブが有するスリットは同じ寸法を有することから、１つの分配リブが有するスリットの圧力損失は均一である。このため、それぞれのスリットに流入する反応ガスの流量も均一になる。
【００６９】
上述のように第１分配リブが有するスリットの位置は、第２分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置するので、第１分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第２リブに衝突した後に２等分され；２等分された反応ガスは、それぞれ隣接するスリットから第２分配スペースに流入する。
【００７０】
このように、第ｍ分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第ｍ分配スペースで２等分され、それぞれ第ｍ＋１分配リブのスリットをさらに通過する。このため、反応ガスは分配スペースを通過するにつれて、セパレータの中央部の幅方向（反応ガスの長軸に垂直方向）に均等に分配される。最後に、反応ガスは、第ｎ分配リブのスリットを通過し、第ｎ分配スペースに到達する。
【００７１】
このように、第１分配リブのそれぞれのスリットから流出する反応ガスの流量を均一にし、第１分配リブのそれぞれのスリットから流出した反応ガスをさらに均等に分配することで、第ｎ分配スペースでは、反応ガスの流量は、反応ガス流路が形成されたセパレータの中央部の幅方向に均等になる。
【００７２】
第ｎ分配スペースに到達した反応ガスは、それぞれ反応ガス流路に均等に流入する。上述のように、第ｎ分配リブのスリットの位置は、２つの隣接する反応ガス流路の間に位置するので、第ｎ分配リブのスリットから流出した反応ガスは、さらに２等分されて、それぞれの反応ガス流路に流入する。
【００７３】
また、上述のように第ｎ分配スペースの断面積は大きいので、第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係がずれたとしても、各反応ガス流路にガスが均等に分配される。例えば、反応ガス流路がＭＥＡのガス拡散層に形成される場合（実施の形態８参照）、燃料電池の組み立て時に第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置がずれる場合がある。このように第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係がずれると、各反応ガス流路に流入する反応ガスの流量がばらつく。しかし、本発明のように、断面積が大きい第ｎ分配スペースを設けると、第ｎ分配リブのスリットを通過した反応ガスは、第ｎ分配スペースで拡散することができ、第ｎ分配スペース内では、反応ガスの流量が均一になる。これにより、第ｎ分配リブのスリットと反応ガス流路との位置関係のずれによって生じる反応ガスの流量のバラツキが補正される。
【００７４】
ii）ガス出口分配部について
上述のように、本発明の燃料電池は、反応ガス流路と反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部を有していてもよい。ガス入口分配部の位置および構造と、ガス
出口分配部の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい。
【００７５】
反応ガス供給マニホールド孔を、反応ガス排出マニホールド孔の対角に配置し、かつ反応ガス供給マニホールド孔の位置と、反応ガス排出マニホールド孔の位置とを、セパレータの中心点に関して点対称とし、ガス入口分配部の位置および構造と、ガス出口分配部の位置および構造とを、セパレータの中心点に関して点対称にすることで、各反応ガス流路の圧力損失を均一にすることができ、各反応ガス流路内の反応ガスの流量を、さらに均一にすることができる。
【００７６】
このように本発明によれば、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量を均一にすることができる。
【００７７】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の実施の形態は本発明の範囲を限定するものではない。
【００７８】
［実施の形態１］
実施の形態１では、セパレータが金属セパレータである形態について説明する。また、実施の形態１では、金属セパレータの外周部をプレス加工することによってセパレータに分配リブを形成した形態について説明する。
【００７９】
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池の分解斜視図である。図２に示されるように燃料電池１は、枠体一体型ＭＥＡ１００と、枠体一体型ＭＥＡ１００を挟む一対のセパレータ（空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００）を有する。
【００８０】
本実施の形態では枠体一体型ＭＥＡ１００は、ＭＥＡ１０１と、ＭＥＡ１０１を保持する枠体１０５とを有する。ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極とを有する（不図示）。
【００８１】
枠体１０５は、燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス排出マニホールド孔１４０、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス排出マニホールド孔１６０、冷媒供給マニホールド孔１２０および冷媒排出マニホールド孔１５０を備える。
【００８２】
空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００も、外周部に燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス排出マニホールド孔１４０、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス排出マニホールド孔１６０、冷媒供給マニホールド孔１２０および冷媒排出マニホールド孔１５０を備える。
【００８３】
空気極セパレータ２００の外周部は、さらに酸化ガス入口分配部２１０、酸化ガス出口分配部２６０を有する。酸化ガス入口分配部２１０および酸化ガス出口分配部２６０は、枠体１０５にのみ重なり、触媒電極１０１に重ならない。空気極セパレータ２００の中央部は、流路リブ２３１によって規定された酸化ガス流路２３０を有する。
【００８４】
燃料極セパレータ３００の外周部も、空気極セパレータ２００と同様に、燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス出口分配部３６０（不図示）を有する（図４参照）。燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス出口分配部３６０は、枠体１０５のみに重なり、触媒電極１０１に重ならない。燃料極セパレータ３００の中央部は、流路リブ３３１によって規定された燃料ガス流路３３０を有する（図４参照）。
【００８５】
燃料ガス供給マニホールド孔１１０および酸化ガス供給マニホールド孔１３０は、冷媒
供給マニホールド孔１２０に隣接している。また、燃料ガス供給マニホールド孔１１０は、燃料ガス排出マニホールド孔１４０の対角に位置し、かつセパレータ（またはＭＥＡ）の中心点に関して点対称である。同様に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０は、酸化ガス排出マニホールド孔１６０の対角に位置し、かつセパレータ（またはＭＥＡ）の中心点に関して点対称である。一方で冷媒供給マニホールド孔１２０と、冷媒排出マニホールド孔１５０とは、セパレータの同一中心線上に位置している。
【００８６】
ガス入口分配部の位置および構造と、ガス出口分配部の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称である。
【００８７】
また、空気極セパレータ２００および燃料極セパレータ３００は、ＭＥＡ１００と接する面の裏面に、冷媒入口分配部４１０、冷媒流路４３０および冷媒出口分配部４６０を有する。冷媒入口分配部４１０の位置および構造と、冷媒出口分配部４６０の位置および構造とは、セパレータの中心点に関して点対称であることが好ましい。
【００８８】
１）空気極セパレータ２００の酸化ガス入口分配部２１０の構造について
図３は、空気極セパレータ２００の枠体一体型ＭＥＡ１００に接する面に形成された酸化ガス入口分配部２１０および酸化ガス流路２３０のパターンを示す図である。図３に示されるように、空気極セパレータ２００は、酸化ガス供給マニホールド孔１３０、酸化ガス入口分配部２１０、酸化ガス流路２３０を取り囲むシール部材２５０を有する。
【００８９】
また、図３に示されるように酸化ガス入口分配部２１０は酸化ガス供給マニホールド孔１３０と直線状の酸化ガス流路２３０とを接続する。酸化ガス供給マニホールド孔１３０と酸化ガス入口分配部２１０とは流路受け部２４０を介して連結されている。
【００９０】
酸化ガス入口分配部２１０は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの拡散スペース２１１と、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する３つの分配スペース（第１分配スペース２１２、第２分配スペース２１３および第３分配スペース２１４）と、拡散スペース２１１および分配スペースを規定する３つの分配リブ（第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２、第３分配リブ２２３）とを有する。それぞれの分配リブは分配スペース同士を接続するスリット２２５を有する。
【００９１】
第１分配リブ２２１は、等間隔に配置された同一の寸法の６個のスリット２２５を有し；第２分配リブ２２２は、等間隔に配置された同一の寸法の１２個のスリット２２５を有し；第３分配リブ２２３は等間隔に配置された同一の寸法の２４個のスリット２２５を有する。また、酸化ガス流路２３０の数は４８本である。
【００９２】
拡散スペース２１１の断面積は、第１分配リブ２２１が有するスリット２２５の断面積よりも大きい。例えば、拡散スペース２１１の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；第１分配リブ２２１が有するスリット２２５の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は０．５〜３．０ｍｍである。
【００９３】
第１分配スペース２１２および第２分配スペース２１３の深さは０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅は、１．０〜１．５ｍｍであることが好ましい。また、第３分配スペース２１４の深さは０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅は、１．０〜３．５ｍｍであることが好ましい。
【００９４】
第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が有するスリットの深さは、０．２０〜０．５０ｍｍであり、幅が０．２〜１．５ｍｍであることが好ましい。また、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が有するスリットの寸法（深さ
および幅）は同一であってもよい。
【００９５】
また、図３に示されるように第１分配リブ２２１が有するスリット２２５は、第２分配リブ２２２が有する隣接するスリット２２５の間の中央に位置し；第２分配リブ２２２が有するスリット２２５は、第３分配リブ２２３が有する隣接するスリット２２５の間の中央に位置する。
【００９６】
次に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から酸化ガス流路２３０への酸化ガスの流れについて説明する。図３に示された矢印は酸化ガスの動きを示す。
【００９７】
図３に示されるように、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から供給された酸化ガスは、まず酸化ガス入口分配部２１０の拡散スペース２１１内に流入する。上述のように拡散スペース２１１の断面積は、第１リブ２２１のスリット２２５の断面積よりも大きいので、拡散スペース２１１の圧力損失は第１リブ２２１のスリット２２５の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース２１１内に流入した酸化ガスは、第１リブ２２１のスリット２２５に流入する前に、まず拡散スペース２１１全体に拡散する。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【００９８】
全体に酸化ガスが拡散した拡散スペース２１１内にさらに酸化ガスが流入すると、拡散スペース２１１内の酸化ガスの圧力が高まり、酸化ガスは、第１リブ２２１のスリット２２５を通って、第１分配スペース２１２に流入する。上述のように、第１リブ２２１が有するスリット２２５の寸法は同じであり、圧力損失が同じであることから第１リブ２２１のスリット２２５に流入する酸化ガスの流量も均一である。
【００９９】
第１リブ２２１のスリット２２５を通って、第１分配スペース２１２に流入した酸化ガスは、矢印に示すように２等分され、それぞれ第２リブ２２２の隣接するスリット２２５に流入し、第２分配スペース２１３に流入する。第２分配スペース２１３に流入した酸化ガスは、矢印に示すように２等分され、それぞれ第３リブ２２３のスリット２２５に流入し、第３分配スペース２１４に流入する。
このように、第１リブ２２１のそれぞれのスリット２２５から流出する酸化ガスの流量を均一にし、第１リブ２２１のそれぞれのスリット２２５から流出した酸化ガスをさらに均等に分配することで、第３分配スペース２１４では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になる。
【０１００】
最後に第３分配スペース２１４の酸化ガスが各酸化ガス流路２３０に流入する。上述のように、第３分配スペース２１４では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になるので、各酸化ガス流路２３０内の酸化ガスの流量を均一にすることができる。
【０１０１】
２）燃料極セパレータ３００の燃料ガス入口分配部３１０の構造について
図４は、燃料極セパレータ３００の枠体一体型ＭＥＡ１００に接する面に形成された燃料ガス入口分配部３１０および燃料ガス流路３３０のパターンを示す図である。図４に示されるように、燃料極セパレータ３００は、燃料ガス供給マニホールド孔１１０、燃料ガス入口分配部３１０、燃料ガス流路３３０を取り囲むシール部材３５０を有する。
【０１０２】
また、図４に示されるように燃料ガス入口分配部３１０は燃料ガス供給マニホールド孔１１０と直線状の燃料ガス流路３３０とを接続する。燃料ガス供給マニホールド孔１１０と燃料ガス入口分配部３１０とは流路受け部３４０を介して連結されている。
【０１０３】
燃料ガス入口分配部３１０は、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの
拡散スペース３１１と、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する３つの分配スペース（第１分配スペース３１２、第２分配スペース３１３および第３分配スペース３１４）と、拡散スペース３１１および分配スペースを規定する３つの分配リブ（第１分配リブ３２１、第２分配リブ３２２、第３分配リブ３２３）とを有する。それぞれの分配リブは分配スペース同士を接続するスリット３２５を有する。
【０１０４】
図４に示されるように、燃料入口分配部３１０の構造は、図３に示された酸化ガス入口分配部２１０の構造と同様であることから、詳細な説明を省略する。
【０１０５】
３）冷媒入口分配部４１０の構造について
図５は、燃料電池スタックにおいて隣接する空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって形成された、冷媒入口分配部４１０および直線状の冷媒流路４３０のパターンを示す図である。図５に示されるように、冷媒供給マニホールド孔１２０、冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０は、シール部材４５０によって取り囲まれる。
【０１０６】
また、図５に示されるように冷媒入口分配部４１０は、冷媒供給マニホールド孔１２０と直線状の冷媒流路４３０とを接続する。冷媒供給マニホールド孔１２０と冷媒入口分配部４１０とは流路受け部４４０を介して連結されている。
【０１０７】
冷媒入口分配部４１０は、冷媒入口分配部４１０を複数のスペースに区切るｎ個の分配リブ（第１分配リブ４２１、第２分配リブ４２２、第３分配リブ４２３）を有する。分配リブは、直線状の冷媒流路４３０の長軸に垂直な長軸を有し、直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリット４２５を有する。
【０１０８】
また、冷媒入口分配部４１０は、分配リブによって規定され、冷媒流路４３０の長軸に垂直な長軸を有する３以上の冷媒分配スペース（第１冷媒分配スペース４１１、第２冷媒分配スペース４１２、第３冷媒分配スペース４１３および第４冷媒分配スペース４１４）を有する。隣接する冷媒分配スペースは、分配リブのスリット４２５によって接続される。
【０１０９】
第１分配リブ４２１は、４個のスリット４２５を有し；第２分配リブ４２２は、等間隔に配置された同一の寸法の１２個のスリット４２５を有し；第３分配リブ４２３は等間隔に配置された同一の寸法の２４個のスリット４２５を有する。また、冷媒流路４３０の数は４９本である。後述するように、冷媒流路４３０と反応ガス流路（２３０、３３０）とは表裏一体の関係にあるので、冷媒流路４３０の本数（４９本）は、反応ガス流路の本数（４８本）よりも多くなる。
【０１１０】
第１冷媒分配スペース４１１の断面積は、第１分配リブ４２１が有するスリット４２５の断面積よりも大きい。例えば、第１冷媒分配スペース４１１の深さは０．５０〜１．０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；例えば第１分配リブ４２１が有するスリット４２５の深さは０．２５〜１．０ｍｍであり、幅は０．２〜１０ｍｍである。
【０１１１】
また、図５に示されるように第１分配リブ４２１は、中央部にはスリット４２５を有さない。さらに、第１分配リブ４２１が有する４つのスリット４２５のうち、中央部側のスリット４２５の断面積は、端部側のスリット４２５の断面積よりも大きいことが好ましい。例えば、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５の深さは約０．２５ｍｍであり、幅が約２．０ｍｍであり；中央側のスリット４２５の深さが約０．２５ｍｍであり、幅が約３．０ｍｍである。
【０１１２】
また、図５に示されるように第１分配リブ４２１が有するスリット４２５は、第２分配リブ４２２が有する隣接するスリット４２５の間の中央に位置し；第２分配リブ４２２が有するスリット４２５は、第３分配リブ４２３が有する隣接するスリット４２５の間の中央に位置する。
【０１１３】
次に、冷媒供給マニホールド孔１２０から冷媒流路４３０への冷媒の流れについて説明する。図５に示された矢印は冷媒の動きを示す。
【０１１４】
図５に示されるように、冷媒供給マニホールド孔１２０から供給された冷媒は、まず冷媒入口分配部４１０の第１冷媒分配スペース４１１内に流入する。上述のように第１冷媒分配スペース４１１の断面積は、第１分配リブ４２１のスリット４２５の断面積よりも大きいので、拡散スペース４１１の圧力損失は第１分配リブ４２１のスリット４２５の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース４１１内に流入した冷媒は、第１分配リブ４２１のスリット４２５に流入する前に、まず第１冷媒分配スペース４１１全体に拡散する。このため、冷媒は、冷媒流路４３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【０１１５】
その後、冷媒は、第１分配リブ４２１のスリット４２５を通って、第２冷媒分配スペース４１２に流入する。第２冷媒スペース４１２に流入した冷媒は、矢印に示すように分割され、それぞれ第２分配リブ４２２のスリット４２５に流入し、第３冷媒スペース４１３に流入する。第３冷媒スペース４１３に流入した冷媒は、矢印に示すように２等分され、それぞれ第３分配リブ４２３のスリット４２５に流入し、第４冷媒分配スペース４１４に流入する。このように、分配リブに設けられたスリットで冷媒を分配することで、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量を均一にすることができる。
【０１１６】
また、上述のように第１分配リブ４２１の中央部にスリット４２５を形成しないことで、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量をより均一にすることができる。上述のように冷媒供給マニホールド孔１２０と、冷媒排出マニホールド孔１５０とは、セパレータの同一中心線を通るので（図２参照）、冷媒はセパレータの中央部の冷媒流路４３０を流れやすい。このため、ガス入口分配部（２１０、３１０）の第１分配リブのように、中央部にも、スリットが形成した場合、冷媒が中央部の冷媒流路４３０のみを流れて、端部側の冷媒流路４３０を流れない恐れがある。
【０１１７】
一方、図５に示されるように第１分配リブ４２１が両端部にのみスリット４２５を有すると、冷媒が両端部の冷媒流路４３０のみを流れるおそれがある。しかし、本実施の形態では上述のように、第１分配リブ４２１の中央部側のスリット４２５の断面積は、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５の断面積よりも大きいことから、第１分配リブ４２１の中央部側のスリット４２５を通る冷媒の流量は、第１分配リブ４２１の端部側のスリット４２５を通る冷媒の流量よりも多くなり、中央部の冷媒流路４３０にも十分な冷媒を供給することができる。このため、本実施の形態では、各冷媒流路４３０内の冷媒の流量も均一にすることができる。
【０１１８】
一方、冷媒の機能は、燃料電池から発生する熱を奪い、発電中の燃料電池の温度を均一化することである。このため冷媒には、反応ガスほどの均一な分配性は求められない。
【０１１９】
４）燃料極セパレータ３００および空気極セパレータ２００の形状について
上述のように、本実施の形態ではセパレータ（２００、３００）は、プレス加工によって形成された、金属セパレータである。このため、セパレータは、表面と裏面とに表裏一体の凹凸パターンを有し、厚さが一定で波形の断面形状を有する。すなわち、セパレータの表面の凸部は、セパレータの裏面の凹部に対応する。また、上述のように分配部は全て金属セパレータの外周部をプレス加工することによって形成される。
【０１２０】
また、上述したように、本実施の形態では、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０が形成される。以下、貼り合わせることによって、冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０を形成できる金属セパレータの形状について説明する。
【０１２１】
図６Ａは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＡＡ線による断面図であり；図６Ｂは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＢＢ線による断面図であり；図６Ｃは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＣＣ線による断面図であり；図６Ｄは、図５に示された冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０のＤＤ線による断面図である。
【０１２２】
図６Ａ〜図６Ｂに示されるように、ガス入口分配部（２１０、３１０）のリブは、裏面の冷媒入口分配部４１０の分配スペースに対応し、ガス入口分配部の分配スペースは、裏面の冷媒入口分配部４１０のリブに対応している。一方で、セパレータ（２００、３００）はそれぞれ、中間程度の（リブの頂点よりも低く、分配スペースの底面よりも高い）高さの面Ｍ（以下単に「中間面」とも称する）を有する。例えば、図６Ｂに示されるように、中間面Ｍの深さＤは、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースの深さ３１０ｄの半分程度でよい。より具体的には、中間面Ｍの深さＤは約０．２５ｍｍであり、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースの深さ３１０ｄは、約０．５ｍｍである。
【０１２３】
図６Ｂ〜図６Ｃに示されるように、冷媒入口分配部４１０のリブが有するスリット４２５は、中間面Ｍによって形成されている。中間面Ｍの領域では、酸化ガス入口分配部２１０の分配スペース、燃料ガス入口分配部３１０の分配スペースは閉塞されない。
【０１２４】
このように空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００とを貼り合わせることによって冷媒入口分配部４１０および冷媒流路４３０を形成することができる。また、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００が中間面Ｍを有することで、ガス分配部と、冷媒分配部とのパターンを違えることができる。
【０１２５】
（実施の形態２）
実施の形態２では、流路リブと触媒電極との接触を確実にするために、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和よりも大きくした形態について説明する。また、本実施の形態では、分配リブは、カーボンセパレータの外周部を切削加工することでセパレータに形成される。
【０１２６】
図７は、実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２００の平面の一部拡大図である。実施の形態１の燃料電池１と、同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。図７に示されるように実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２００は、実施の形態１と同様のパターンの酸化ガス入口分配部２１０を有する。
【０１２７】
図８Ａは、図７に示されたＡＡ線による本実施の形態の燃料電池２の断面図である。図８Ａに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さ１０１ｔと流路リブ２３１の高さ２３１ｈとの和（以下「Ｓ１」とも称する）は、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈの和（以下「Ｓ２」とも称する）よりも大きい。このように、Ｓ１を、Ｓ２よりも大きくすることで、流路リブ２３１とＭＥＡ１０１の触媒電極とが確実に接触する。一方、Ｓ１がＳ２よりも大きすぎると、分配リブと枠体１０５との間に隙間Ｇが大きくなり、分配スペースの密閉性が保てなくなるので好ましくない。Ｓ１とＳ２との差は、２００μｍ以下であることが好ましい。
【０１２８】
また、本実施の形態では、図８Ｂに示されるように第１分配リブ２２１の高さは、他の分配リブ（第２分配リブ２２２、第３分配リブ２２３）の高さよりも高い。図８Ｂは、図８Ａに示された、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３の拡大図である。
【０１２９】
さらに本実施の形態では、分配リブの高さは、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くなることが好ましい。具体的には、第２分配リブ２２２は第１分配リブ２２１よりも１０〜４０μｍ低いことが好ましく、第３分配リブ２２３は第２分配リブ２２２よりも４０〜８６μｍ低いことが好ましい。
【０１３０】
このように分配リブの高さを調整する理由については、後述する「分配スペースの密閉性について」で詳細に説明する。
【０１３１】
上述のように、本実施の形態では、図８Ａに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さと流路リブ２３１の高さ２３１ｈとの和Ｓ１を、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２よりも大きくすることで、ＭＥＡ１０１と流路リブと接触を確実にしている。
【０１３２】
一方、図８Ｃに示されるように、ＭＥＡ１０１の厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１が、枠体１０５の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２よりも小さかった場合、流路リブ２３１と、ＭＥＡ１０１との間に隙間Ｇが形成され、流路リブ２３１が、ＭＥＡ１０１に接触することができない。流路リブ２３１が、ＭＥＡ１０１に接触することができないと、電子が空気極から燃料極に移動することができなくなり、電気エネルギを取り出せなくなる。
【０１３３】
図８Ａ〜図８Ｃでは、空気極セパレータ２００についてのみ説明したが、燃料極セパレータ３００も、空気極セパレータ２００と同様の形状を有する。
【０１３４】
分配スペースの密閉性について
上述のように、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和Ｓ１を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和Ｓ２よりも大きくすることで、流路リブとＭＥＡとの接触は確実になるが、分配リブと枠体との間に隙間が形成されるおそれがある（図８Ａ参照）。
【０１３５】
このように、分配リブと枠体との間に隙間が形成されてしまうと、燃料電池に締結圧が加えられた場合であっても、分配スペースが密閉されない場合がある。分配スペースが密閉されないと、分配部のガス分配機能が低下する。特に、第１分配リブが枠体１０５に接触せず、拡散スペースが密閉されなかった場合、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１３６】
しかし、本実施の形態では、図８Ｂに示されるように、第１分配リブの高さを他の分配リブの高さよりも高くすることで、第１分配リブと、枠体１０５との接触を確実にしている。
【０１３７】
図９Ａは、締結圧（１２４ＭＰａ）が加えられた本実施の形態の燃料電池における、分配リブ（２２１、２２２、２２３）と枠体との接触領域を示す図である。分配リブの頂面における白くなった領域Ｙが枠体との接触領域を示す。
【０１３８】
図９Ａに示された酸化ガス入口分配部２１０では、図８Ｂに示されたように分配リブの高さを、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くしている。具体的には、第１分配リブの高は０．２５ｍｍであり、第２分配リブの高さは、０．２４ｍ
ｍであり、第３分配リブの高さは０．２１ｍｍである。
【０１３９】
図９Ａに示されるように、第１分配リブ２２１から第３分配リブ２２３に向かって徐々に低くすると、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３全てが枠体に接触する。したがって、本実施の形態によれば、第１分配リブ２２１、第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３が全て枠体に接触する。これにより分配スペースが密閉され、分配部のガス分配機能が確保される。
【０１４０】
一方、図９Ｂは、分配リブ（２２１、２２２、２２３）の高さが全て同じであった場合の、分配リブと枠体１０５との接触領域を示す図である。図９Ｂに示されるように、全ての分配リブの高さが同じであった場合、第３分配リブ２２３のみが枠体に接触し、拡散スペース２１１が密閉されない。このため、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１４１】
また、図９Ｃは、第１分配リブ２２１の高さと第２分配リブ２２２の高さが同じであった場合の、分配リブと枠体１０５との接触領域を示す図である。図９Ｃに示された分配部２１０では、第１分配リブの高が０．２５ｍｍであり、第２分配リブの高さが、０．２５ｍｍであり、第３分配リブの高さが０．２１ｍｍである。
【０１４２】
図９Ｃに示されるように、第１分配リブ２２１の高さと第２分配リブ２２２の高さが同じであった場合、第２分配リブ２２２のみが枠体に接触し、拡散スペース２１１が密閉されない。このため、分配部のガス分配機能が著しく低下する。
【０１４３】
このように、第１分配リブの高さを、他の分配リブの高さよりも高くすれば、第１分配リブと枠体との接触を確保することができ、分配部のガス分配機能が確保される。
【０１４４】
（実施の形態３）
実施の形態２では、ＭＥＡの厚さと流路リブの高さとの和を、枠体の厚さと分配リブの高さとの和よりも大きくすることで、流路リブとＭＥＡとの接触を確実にした形態について説明した。実施の形態３では分配リブの頂面を弾性部材とすることで、流路リブとＭＥＡとの接触を確実にした形態について説明する。
【０１４５】
図１０Ａは、実施の形態３の燃料電池３の分解断面図を示す。図１０Ａに示された燃料電池３は、分配リブの構造が異なる以外は、図８Ａに示された実施の形態２の燃料電池２と同じである。実施の形態２の燃料電池２と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１４６】
図１０Ａに示されるように、実施の形態３の燃料電池３では、分配リブの頂面が弾性部材１７０からなる。また、本実施の形態では、実施の形態２と異なり、ＭＥＡの厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１は、枠体の厚さ１０５ｔと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２以下であってもよい。さらに全ての分配リブの高さは同じであってよい。
【０１４７】
図１０Ｂは、図１０Ａに示された燃料電池２に締結圧を加えた様子を示す。図１０Ｂに示されるように、燃料電池２に矢印Ｘ方向からの締結圧が加わると、弾性部材１７０が枠体に接触し、弾性部材１７０が潰れる。弾性部材１７０が潰れると、分配リブの高さ２２０ｈが低くなり、ＭＥＡの厚さ１０１ｔと流路リブの高さ２３１ｈとの和Ｓ１が、枠体１０５ｔの厚さと分配リブの高さ２２０ｈとの和Ｓ２以上になる。これにより、ＭＥＡ１０１と流路リブ２３１とが接触することができる。また、分配リブも枠体１０５に確実に接触することができるので、分配スペースの密封性も確保される。
【０１４８】
また、図１０Ａおよび図１０Ｂでは、分配リブが、セパレータを加工成形することで形
成された突起と、突起の頂面に配置された弾性部材からなる例について説明したが、本実施の形態では、分配リブは、図１０Ｃに示されるようにセパレータに配置された弾性部材１７０のみから構成されてもよい。
【０１４９】
（実施の形態４）
実施の形態４では、拡散スペースの長軸に沿って拡散スペースの幅が変動する形態について説明する。
【０１５０】
図１１は、実施の形態４の燃料電池４の空気極セパレータ２００の平面の一部拡大図である。実施の形態１の燃料電池１と、同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１５１】
図１１に示されるように、本実施の形態では、拡散スペース２１１の幅は、酸化ガス供給マニホールド孔２１０と反対側の長軸方向の端部Ａから、酸化ガス供給マニホールド孔２１０側の長軸方向の端部Ｂに向かって、徐々に広くなる。したがって、拡散スペース２１１の端部Ｂ近傍の幅Ｗ２は、端部Ａ近傍の幅Ｗ１よりも広い。
【０１５２】
このように、拡散スペースの幅を、端部Ａから端部Ｂに向かって広くすることで反応ガス供給マニホールド孔近傍の拡散スペースの圧力損失をさらに下げることができ、反応ガスが、拡散スペースを満たす前に第１分配リブのスリットから漏れ出すことを防止することができる。
【０１５３】
（実施の形態５）
実施の形態１〜４では、ガス分配部が３以上の分配スペースおよび２以上の分配リブを有する形態について説明した。実施の形態５では、ガス分配部が１つの分配リブを有する形態について説明する。
【０１５４】
実施の形態５の燃料電池は、ガス分配部のパターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料電池１と同じである。したがって、実施の形態５では、ガス分配部のパターンについてのみ説明する。
【０１５５】
１）空気極セパレータ２００ａの酸化ガス入口分配部２１０ａの構造について
図１２は、空気極セパレータ２００ａのＭＥＡに接する面に形成された酸化ガス入口分配部２１０ａおよび酸化ガス流路２３０のパターンを示す図である。実施の形態１の空気極セパレータと同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１５６】
図１２に示されるように酸化ガス入口分配部２１０ａは酸化ガス供給マニホールド孔１３０と直線状の酸化ガス流路２３０とを接続する。酸化ガス供給マニホールド孔１３０と酸化ガス入口分配部２１０ａとは流路受け部２４０を介して連結されている。
【０１５７】
酸化ガス入口分配部２１０ａは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの分配リブ２２１ａを有する。分配リブ２２１ａは、酸化ガス入口分配部２１０ａを、酸化ガス供給マニホールド孔１３０側の拡散スペース２１１と、酸化ガス流路２３０側の分配スペース２１２とに区切る。
【０１５８】
分配リブ２２１ａは、拡散スペース２１１と分配スペース２１２とを接続する２以上（６個）の分配流路２２７を有する。分配流路２２７は、酸化ガス供給マニホールド孔１３０側から酸化ガス流路２３０側にトーナメント表状に分岐している。分配流路２２７は全て同じ寸法を有することが好ましい。
【０１５９】
拡散スペース２１１の断面積は、分配流路２２７の断面積よりも大きい。例えば、拡散スペース２１１の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は１．０〜１０．０ｍｍであり；第１分配リブ２２１ａが有する分配流路２２７の深さは０．２５〜０．５０ｍｍであり、幅は０．５〜３．０ｍｍである。
【０１６０】
次に、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から酸化ガス流路２３０への酸化ガスの流れについて説明する。図１２に示された矢印は酸化ガスの動きを示す。
【０１６１】
図１２に示されるように、酸化ガス供給マニホールド孔１３０から供給された酸化ガスは、まず酸化ガス入口分配部２１０ａの拡散スペース２１１内に流入する。上述のように拡散スペース２１１の断面積は、分配流路２２７の断面積よりも大きいので、拡散スペース２１１の圧力損失は分配流路２２７の圧力損失よりも小さい。このため、拡散スペース２１１内に流入した酸化ガスは、分配流路２２７に流入する前に、まず拡散スペース２１１全体に拡散する。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向にまず拡散する。
【０１６２】
全体に酸化ガスが拡散した拡散スペース２１１内にさらに酸化ガスが流入すると、拡散スペース２１１内の酸化ガスの圧力が高まり、酸化ガスは、分配流路２２７に流入する。上述のように、６つの分配流路２２７の寸法は同じであり、圧力損失が同じであることから各分配流路２２７に流入する酸化ガスの流量も均一である。
【０１６３】
各分配流路２２７に流入する酸化ガスは、トーナメント表状に分岐した分配流路によって、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等に分配され分配スペース２１２に流入する。
【０１６４】
このように、各分配流路２２７に流入する酸化ガスの流量を均一にし、各分配流路２２７で酸化ガスをさらに均等に分配することで、第１分配スペース２１２では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になる。
【０１６５】
そして第１分配スペース２１２の酸化ガスが各酸化ガス流路２３０に流入する。上述のように、第１分配スペース２１２では、酸化ガスの流量は、酸化ガス流路２３０の長軸に垂直方向に均等になるので、各酸化ガス流路２３０内の酸化ガスの流量を均一にすることができる。
【０１６６】
２）燃料極セパレータ３００ａの燃料ガス入口分配部３１０ａの構造について
図１３は、燃料極セパレータ３００ａのＭＥＡに接する面に形成された燃料ガス入口分配部３１０ａおよび酸化ガス流路３３０のパターンを示す図である。実施の形態１の燃料極セパレータと同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１６７】
図１３に示されるように燃料ガス入口分配部３１０ａは燃料ガス供給マニホールド孔１１０と直線状の燃料ガス流路３３０とを接続する。燃料ガス供給マニホールド孔１１０と燃料ガス入口分配部３１０ａとは流路受け部３４０を介して連結されている。
【０１６８】
燃料ガス入口分配部３１０ａは、燃料ガス流路３３０の長軸に垂直な長軸を有する１つの分配リブ３２１ａを有する。分配リブ３２１ａは、燃料ガス入口分配部３１０ａを、燃料ガス供給マニホールド孔１１０側の拡散スペース３１１と、燃料ガス流路３３０側の分配スペース３１２とに区切る。
【０１６９】
分配リブ３２１ａは、拡散スペース３１１と分配スペース３１２とを接続する２以上（６個）の分配流路３２７を有する。分配流路３２７は、燃料ガス供給マニホールド孔１１
０側から燃料ガス流路３３０側にトーナメント表状に分岐している。分配流路３２７は全て同じ寸法を有することが好ましい。
【０１７０】
図１３に示されるように、燃料入口分配部３１０ａの構造は、図１１に示された酸化ガス入口分配部２１０ａの構造と同様であることから説明を省略する。
【０１７１】
（実施の形態６）
実施の形態６では、燃料ガス分配部の分配リブがＭＥＡの枠体に形成される形態について説明する。
【０１７２】
図１４は、実施の形態６の燃料電池スタック６の断面図を示す。実施の形態１と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１７３】
図１４に示されるように、本実施の形態では、燃料ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ３２１ｂ、第２分配リブ３２２ｂおよび第３分配リブ３２３ｂ）は、枠体一体型ＭＥＡ１００の枠体１０５に形成される。したがって、燃料極セパレータ３００ｂの外周部は、凹凸形状を有さず平板である。
【０１７４】
一方で、酸化ガス入口分配部の分配リブは、実施の形態３と同様に金属セパレータである空気極セパレータ２００の外周部をプレス加工することによって形成される。また、空気極セパレータ２００と燃料極セパレータ３００ｂとを貼り合わせることで、冷媒入口分配部が形成される。
【０１７５】
このように、燃料ガス入口分配部の分配リブをＭＥＡの枠体に形成することで、燃料極セパレータの外周部が平板になり、燃料セパレータの凹凸形状を単純にすることができる。これにより、燃料極セパレータの歪みを防止することができる。
【０１７６】
（実施の形態７）
実施の形態７では、酸化ガス分配部および燃料ガス分配部の分配リブが枠体に形成される形態について説明する。
【０１７７】
図１５は、実施の形態７の燃料電池スタック７の断面図を示す。実施の形態６と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１７８】
図１５に示されるように、本実施の形態では、酸化ガス入口分配部および燃料ガス入口分配部の分配リブは、枠体一体型ＭＥＡ１００の枠体１０５に形成される。具体的には、酸化ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ２２１ｃ、第２分配リブ２２２ｃおよび第３分配リブ２２３ｃ）が枠体１０５に形成され；同様に燃料ガス入口分配部の分配リブ（第１分配リブ３２１ｃ、第２分配リブ３２２ｃおよび第３分配リブ３２３ｃ）が枠体１０５に形成される。したがって、セパレータ（２００ｃ、３００ｃ）の外周部は、凹凸形状を有さず平板である。
【０１７９】
セパレータ（２００ｃ、３００ｃ）の外周部が平板であると、空気極セパレータ２００ｃおよび燃料極セパレータ３００ｃを貼り合わせただけでは、実施の形態１のように冷媒分配部を形成することができない（図６Ａ〜Ｄ参照）。このため、本実施の形態では、冷媒入口分配部の分配リブ（第１分配リブ４２１ｃ、第２分配リブ４２２ｃおよび第３分配リブ４２３ｃ）は、セパレータの外周部（平板）に配置されたシール部材である。
【０１８０】
このように、燃料ガス入口分配部および酸化ガス入口分配部の分配リブを枠体に形成することで、空気極セパレータおよび燃料極セパレータ両方の凹凸形状を単純にすることが
できる。このため、本実施の形態によれば、空気極セパレータおよび燃料極セパレータ両方の歪みを防止する効果が高い。
【０１８１】
（実施の形態８）
実施の形態８では、反応ガス流路がガス拡散層に形成されている例について説明する。
【０１８２】
図１６は、本発明の実施の形態８の燃料電池の分解斜視図である。実施の形態１と同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。図１６に示されるように、燃料極セパレータ３００ｄは、燃料ガス流路を有さない。
【０１８３】
図１７は、図１６に示された燃料電池５のＡＡ線による断面の一部拡大図である。実施の形態１と同一の構成要件については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１８４】
図１７に示されるように、燃料ガス流路３３０ｄは、ＭＥＡ１０１のガス拡散層１０４に形成されている。このため燃料極セパレータ３００ｄの中央部は凹凸形状を有さず平板である。
【０１８５】
（実験例１）
本発明によって反応ガスの分配性が向上することを示すためシミュレーション実験を行った。具体的には、ＡＮＳＹＳ社のＦＬＵＥＮＴのＰＥＭモジュールを用いて、実施の形態１の燃料電池の発電状態におけるガスの流れ方を解析した。
【０１８６】
次にシミュレーションにおける各種パラメータについて説明する。触媒電極のサイズは横１２０ｍｍ、縦２００ｍｍとした。
酸化ガス流路２３０の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．３ｍｍとし、本数を４８本とした。流路を規定する分配リブの幅を１．５ｍｍとし、流路間のピッチを２．５ｍｍとした。燃料ガス流路３３０の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとし、本数を４８本とした。流路を規定する分配リブの幅を１．５ｍｍとし、流路間のピッチを２．５ｍｍとした。酸化ガス流路と燃料ガス流路とは対向するように配置した。
【０１８７】
酸化ガス入口分配部２１０は、４つ分配スペースおよび３つの分配リブを有するように設定した。拡散スペース２１１の幅を１０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。第１分配スペース２１２および第２分配スペース２１３の幅を１ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。第３分配スペース２１４の幅を３．５ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。
分配リブの幅は全て１．５ｍｍとした。第１分配リブ２２１のスリットの幅を３ｍｍとした。第２分配リブ２２２および第３分配リブ２２３のスリットの幅を１．５ｍｍとした。
【０１８８】
燃料ガス入口分配部３１０では、分配スペースの深さを０．２５ｍｍとした以外は、酸化ガス分配部と同じ寸法にした。
【０１８９】
１セルあたりの酸化ガスの標準状態の流量を１．７３７Ｌ／ｍｉｎとし、燃料ガスの標準状態の流量を０．７１３Ｌ／ｍｉｎとした。酸化ガスの露点を６５℃とし、燃料ガスの露点を６５℃とし、セル温度を８０℃とした。酸化ガスを空気とし、燃料ガスを水素に、二酸化炭素を体積比率にして２５％混入させたガスとした。発電時における電流密度を、０．２４Ａ／ｃｍ２とした。
【０１９０】
（比較例１）
比較例として分配部が分配スペースおよび分配リブを有さないように設定した以外は、実験例と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０１９１】
（解析結果）
実験例の解析結果を図１８および図１９に示す。図１８は、酸化ガス流路における解析結果を示し、図１９は燃料ガス流路における解析結果を示す。図１８および図１９では縦軸は、平均流量に対する割合を％で示し、横軸は流路番号を示す。
【０１９２】
平均流量とは、供給したガスの流量を反応ガス流路の数で割った値である。平均流量に対する割合が１００％である場合、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量と同じであることを意味し；１００％超であると、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量よりも多いことを意味し；１００％未満であると、その反応ガス流路に流れる反応ガスの流量が平均流量よりも少ないことを意味する。
【０１９３】
図１８に示されるように、分配部が分配スペースおよび分配リブを有する実験例では、各酸化ガス流路の酸化ガスの流量のばらつきを５％以内に抑えることができた。一方比較例では、各酸化ガス流路の酸化ガスの流量のばらつきは３０％以上であった。また、図１９に示されるように、分配部が分配スペースおよび分配リブを有する実験例では、各燃料ガス流路の燃料ガスの流量のばらつきは１％以内に抑えることができた。一方比較例では、燃料ガス流路間の燃料ガスの流量のばらつきは１０％以上であった。
【０１９４】
また、燃料極のほうが酸化極よりもガスの流量のバラツキが小さかったのは、燃料ガスの方が酸化ガスよりも粘性が小さいことに起因すると考えられる。
【０１９５】
これらの結果は本発明によって反応ガス流路内のガスの流量を一定にすることができることを示唆する。また、比較例で示されたように分配部が分配スペースを有しない場合、分配部に流入した反応ガスは、均等に分配されることなく反応ガス流路に流入するので、反応ガス流路間の反応ガスの流量がばらつく。
【０１９６】
定置型の家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックでは、発電効率が高いことが求められる。このため、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックでは、反応ガスの利用率を上げて、発電効率を高めるために、燃料電池に供給する反応ガスの流量を少なくしている。具体的には、触媒電極の面積が２４０ｃｍ２の燃料電池単セルあたり、酸化ガスを０．１Ｌ／ｍｉｎ〜３Ｌ／ｍｉｎ、燃料ガスを０．０５Ｌ／ｍｉｎ〜１．２Ｌ／ｍｉｎ程度供給する。これにより、酸化ガスの酸素利用率（限界利用率）を最高８０％まで、燃料ガスの水素利用率（限界利用率）を最高９５％まで向上させることができる。また、このような条件下で家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックを運転すると電流密度は、０．０２Ａ／ｃｍ２〜０．４Ａ／ｃｍ２になる。
【０１９７】
上述のように本発明の燃料電池によれば、２Ｌ／ｍｉｎ以下の反応ガスの流量では、反応ガスの流量のバラツキ５％以下に抑えることができる。このため、本発明の燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池として特に適している。
【０１９８】
また、上述したように、酸素の限界利用率が８０％で、水素の限界利用率が９５％であれば、反応ガスの流量が酸化ガス流路で５％、燃料ガス流路で１％の範囲でバラついたとしても、電極の電流分布が均一に安定する。
【０１９９】
（実験例２）
反応ガスの流量と反応ガスの分配性との関係を示すためシミュレーション実験を行った。実験例２では、反応ガスの流量を変数とした以外は、実験例１と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０２００】
（比較例２）
比較例２では、分配部が分配スペースおよび分配リブを有さないように設定した以外は、実験例２と同じ条件でシミュレーションを行った。
【０２０１】
（解析結果）
実験例２および比較例２の解析結果を図２０に示す。図２０のグラフでは、縦軸は、流量のバラツキを％で示し、反応ガスの流量を示す。流量のバラツキとは、各反応ガス流路に流れる反応ガスの流量の最大値と最小値との差を、反応ガス流路に流れる反応ガスの平均流量で割った値を示したものである。
【０２０２】
図２０のグラフに示されるように、実験例２および比較例２では、反応ガスの流量が増加するとともに、反応ガスの流量のバラツキも増加した。しかしながら、実験例２における反応ガスの流量のバラツキは、比較例２における反応ガスの流量のバラツキよりも常に低かった。
具体的には、酸化ガス流路では、酸化ガスの流量が３Ｌ／ｍｉｎであっても、酸化ガスの流量のバラツキを５％以内に抑えることができた。また、燃料ガス流路では、燃料ガスの流量が１．２Ｌ／ｍｉｎであっても、燃料ガスの流量のバラツキを１％以内に抑えることができた。
一方、分配部が分配スペースを有さない比較例２では、反応ガスのバラツキは最小でも６％以上であった。
【０２０３】
このように本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が増加した場合であっても、高い反応ガスの分配性を示す。したがって本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が多い自動車用燃料電池としても適している。
【０２０４】
自動車用燃料電池では、通常の発電における電流密度は０．５Ａ／ｃｍ２〜２Ａ／ｃｍ２である。この電流密度を達成するため、自動車用燃料電池では、触媒電極の面積が２４０ｃｍ２の燃料電池単セルあたり、酸化ガスを３．５Ｌ／ｍｉｎ〜８Ｌ／ｍｉｎ、燃料ガスを１．４Ｌ／ｍｉｎ〜６Ｌ／ｍｉｎを供給する。
【０２０５】
本出願は、２００９年９月１６日出願の特願２００９−２１４６９３および２０１０年２月１７日出願の特願２０１０−３２６１９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】
【０２０６】
本発明の燃料電池は、高い反応ガスの分配性を有するので、家庭用コージェネレーションシステム用燃料電池スタックとして適している。また、本発明の燃料電池は、反応ガスの流量が多くても場合でも高い反応ガスの分配性を有する。このため本発明の燃料電池は、電気自動車用燃料電池、モバイル用燃料電池としても、高い発電性能を発揮することができる。
【符号の説明】
【０２０７】
１、２、３、５、６、７  燃料電池
１００  枠体一体型ＭＥＡ
１０１  ＭＥＡ
１０５  枠体
１０２  電解質膜
１０３  触媒層
１０４  ガス拡散層
１１０  燃料ガス供給マニホールド孔
１２０  冷媒供給マニホールド孔
１３０  酸化ガス供給マニホールド孔
１４０  燃料ガス排出マニホールド孔
１５０  冷媒排出マニホールド孔
１６０  酸化ガス排出マニホールド孔
１７０  弾性部材
２００  空気極セパレータ
２１０  酸化ガス入口分配部
２１１  拡散スペース
２１２、２１３、２１４  分配スペース
２２１、２２２、２２３  分配リブ
２２５、３２５、４２５  スリット
２２７、３２７  分配流路
２３０  酸化ガス流路
２３１  流路リブ
２４０、３４０、４４０  流路受け部
２５０、３５０、４５０  シール部材
２６０  酸化ガス出口分配部
３００  燃料極セパレータ
３１０  燃料ガス入口分配部
３１１  拡散スペース
３１２、３１３、３１４  分配スペース
３２１、３２２、３２３  分配リブ
３３０  燃料ガス流路
３３１  流路リブ
３６０  燃料ガス出口分配部
４１０  冷媒入口分配部
４１１、４１２、４１３、４１４  分配スペース
４２１、４２２、４２３  分配リブ
４３０  冷媒流路
４３１  流路リブ
４６０  冷媒出口分配部
【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】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、
前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、
前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、
前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、
前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、
前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、
前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、
前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、請求項１に記載の固体高分子燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、
前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、請求項
７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、請求項８に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、
いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大きい、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、
前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、
前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
前記セパレータは、前記反応ガスが形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、
前記外周部は、平板である、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011033745.tif 000023
【図２】
2011033745.tif 000024
【図３】
2011033745.tif 000025
【図４】
2011033745.tif 000026
【図５】
2011033745.tif 000027
【図６】
2011033745.tif 000028
【図７】
2011033745.tif 000029
【図８】
2011033745.tif 000030
【図１０】
2011033745.tif 000031
【図１１】
2011033745.tif 000032
【図１２】
2011033745.tif 000033
【図１３】
2011033745.tif 000034
【図１４】
2011033745.tif 000035
【図１５】
2011033745.tif 000036
【図１６】
2011033745.tif 000037
【図１７】
2011033745.tif 000038
【図１８】
2011033745.tif 000039
【図１９】
2011033745.tif 000040
【図２０】
2011033745.tif 000041
【図９】
2011033745.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月25日(2011.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明は以下に示す燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
［２］前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、［１］に記載の固体高分子型燃料電池。
［３］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、［１］または［２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［４］前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［５］前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、［４］に記載の固体高分子型燃料電池。
［６］前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の固体高分子燃料電池。
［７］前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［８］前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［９］前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、［８］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１０］前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１１］前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大きい、［１］〜［１０］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１２］前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、［１］〜［１１］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１３］前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、［１２］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１４］前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、［１］〜［１３］のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
［１５］前記セパレータは、前記反応ガス流路が形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、前記外周部は、平板である、［７］に記載の固体高分子型燃料電池。
【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】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟み、直線状の流路リブによって規定された直線状の反応ガス流路、反応ガス供給マニホールド孔および反応ガス排出マニホールド孔を有する一対のセパレータと、
前記反応ガス供給マニホールド孔と前記反応ガス流路とを接続するガス入口分配部と、を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記ガス入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状のガス流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状のガス流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有し、
前記リブのうち、最も前記反応ガス供給マニホールド孔側の分配リブを第１分配リブとし、最も前記反応ガス流路側の分配リブを第ｎ分配リブとし、前記スペースのうち前記第１分配リブよりも前記反応ガス供給マニホールド孔側のスペースを拡散スペースとしたとき、
前記拡散スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの、前記分配リブの長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の面積よりも大きく、
前記第ｍ［ｍは１〜ｎ−１までの任意の整数である］分配リブが有するスリットの位置は、前記第ｍ＋１分配リブが有する２つの隣接するスリットの間に位置する、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記拡散スペースの断面の平均面積は、前記第１分配リブが有するスリットの断面の面積の総和の０．９倍以上である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数よりも少ない、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第ｍ分配リブが有するスリットの数は、前記第ｍ＋１分配リブが有するスリットの数の１／２である、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第ｎ分配リブが有するスリットの数は、
前記セパレータが有する反応ガス流路の本数の１／２である、請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記反応ガス流路と前記反応ガス排出マニホールド孔とを接続するガス出口分配部をさらに有し、
前記反応ガス供給マニホールド孔は、前記反応ガス排出マニホールド孔の対角に位置し、かつ前記反応ガス供給マニホールド孔の位置と前記反応ガス排出マニホールド孔の位置とは、前記セパレータの中心点に関して点対称であり、
前記ガス入口分配部の位置および形状と、前記ガス出口分配部の位置および形状とは、前記セパレータの中心点に関して点対称である、請求項１に記載の固体高分子燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体を保持する枠体をさらに有し、
前記ガス入口分配部は、前記セパレータと前記枠体との間に設けられる、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記流路リブの高さと、前記膜電極接合体の厚さとの和は、前記分配リブの高さと前記枠体の厚さとの和以上であり、前記分配リブのうち前記第１分配リブが最も高い、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記分配リブの高さは、前記第１分配リブから前記第ｎ分配リブに向かって、徐々に減少する、請求項８に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記分配リブの頂面は、弾性部材からなる、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記スペースのうち、前記拡散スペース以外のスペースを分配スペースとしたとき、前記拡散スペースの断面の平均面積は、
いずれの前記分配スペースの、前記反応ガス流路の長軸に平行で、かつ前記セパレータの面方向に垂直な断面の平均面積よりも大きい、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記セパレータは、冷媒供給マニホールド孔と、前記反応ガス流路が形成された面の裏面に直線状の冷媒流路と、をさらに有し、
前記冷媒供給マニホールド孔は、前記反応ガス供給マニホールド孔に隣接する、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記冷媒供給マニホールド孔と、前記冷媒流路とを接続する冷媒入口分配部をさらに有し、
前記冷媒入口分配部は、前記ガス入口分配部を複数のスペースに区切り、前記直線状の冷媒流路の長軸に垂直な長軸を有し、かつ前記直線状の冷媒流路の長軸に平行な２以上のスリットを有するｎ個［ｎは２以上の整数である］の分配リブを有する、請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記セパレータに形成される、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
前記セパレータは、前記反応ガス流路が形成された中央部と、前記中央部を囲む外周部とを有し、
前記ガス入口分配部の分配リブは、前記枠体に形成され、
前記外周部は、平板である、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【国際調査報告】
2011033745.tif 000043
2011033745.tif 000044
2011033745.tif 000045
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