(57)【要約】【課題】給排される反応ガスの温度変動を抑える。セル面内における温度をより均一に保つ。【解決手段】セル積層体３を当該セル積層方向に貫通する酸化ガスマニホールド１５、燃料ガスマニホールド１６、および冷媒マニホールド１７を備えるとともに、冷媒マニホールド１７はセル積層体３の第１の側部３ａおよび該第１の側部３ａに対向する位置にある第２の側部３ｂの近傍であって各側部３ａ，３ｂに沿うように形成されるとともに、酸化ガスマニホールド１５および燃料ガスマニホールド１６は、冷媒マニホールド１７よりもセル積層体３の内側に形成されている。酸化ガスマニホールド１５および燃料ガスマニホールド１６は、その周囲を冷媒流路３６によって囲繞される位置に形成されていることが好ましい。【選択図】図２
2008091078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガス電極と燃料ガス電極とがそれぞれ接合される電解質と、該電解質を挟持したセパレータと、前記電解質と前記セパレータの間に形成された酸化ガス流路および燃料ガス流路を備えたセルと、該セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル間に形成された冷媒流路と、を備えた燃料電池において、
前記セル積層体を当該セル積層方向に貫通する酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、および冷媒マニホールドを備えるとともに、前記冷媒マニホールドは前記セル積層体の第１の側部および該第１の側部に対向する位置にある第２の側部の近傍であって各側部に沿うように形成されるとともに、前記酸化ガスマニホールドおよび前記燃料ガスマニホールドは、前記冷媒マニホールドよりも前記セル積層体の内側に形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸化ガスマニホールドおよび前記燃料ガスマニホールドは、その周囲を前記冷媒流路によって囲繞される位置に形成されてい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】
前記酸化ガスおよび燃料ガスの前記セル面内への導入口におけるシール部材が二重構造となっていることを特徴とする請求項１または２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、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成するセルの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、各セルには、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）や冷媒（冷却水）を給排するためのマニホールドが、セル積層時にセル積層方向へ連なるような形で形成されている。このような構造の燃料電池としては、例えば、冷媒用のマニホールドが空気用（酸化ガス用）のマニホールドよりもセルの周縁側（セル積層体の側面寄り）に配置されたものなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料ガスマニホールドが、これら冷媒マニホールドや空気マニホールド（酸化ガスマニホールド）の配置された位置とは異なる方向の周縁側（例えば、燃料ガスの流路が酸化ガスの流路と垂直になるような位置）に配置されていることがあり、このような場合には、急激な昇温や冷却を行うと反応ガスに温度変動を来たしやすく、さらにはセル面内にて大きな温度差が生じることがあるという点で問題である。
【０００４】
そこで、本発明は、給排される反応ガスの温度変動を抑えることができ、さらにはセル面内における温度をより均一に保つことも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】
【０００５】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。一般に、燃料電池において急激な昇温や冷却を行うとセル面内の温度分布に差が生じてしまい、熱膨張差によりセパレータやセル積層体が変形し、場合によっては局所的な荷重抜けやシール不良が生じることもある。しかも、反応ガスの入口（供給口）と出口（排出口）とを結ぶラインから冷媒の流れが離れているほど温度差が生じやすい。また、メタルセパレータの場合には接着層が多く厚いことから熱膨張差がさらに生じやすいということもある。本発明者は、燃料ガスマニホールドが例えば上記特許文献１に記載の燃料電池のように酸化ガスマニホールドや冷媒マニホールドとは異なる方向のセル周縁側に配置されていると、これら流路が垂直に交差したような構造となり、冷媒用のマニホールドによる十分な保温効果を得ることが難しくなるという点に着目し、さらに検討を重ねた結果、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。
【０００６】
本発明はかかる着想に基づくものであり、酸化ガス電極と燃料ガス電極とがそれぞれ接合される電解質と、該電解質を挟持したセパレータと、前記電解質と前記セパレータの間に形成された酸化ガス流路および燃料ガス流路を備えたセルと、該セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル間に形成された冷媒流路と、を備えた燃料電池において、前記セル積層体を当該セル積層方向に貫通する酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、および冷媒マニホールドを備えるとともに、前記冷媒マニホールドは前記セル積層体の第１の側部および該第１の側部に対向する位置にある第２の側部の近傍であって各側部に沿うように形成されるとともに、前記酸化ガスマニホールドおよび前記燃料ガスマニホールドは、前記冷媒マニホールドよりも前記セル積層体の内側に形成されていることを特徴としている。前記酸化ガスマニホールドおよび前記燃料ガスマニホールドは、その周囲を前記冷媒流路によって囲繞される位置に形成されていることが好ましい。
【０００７】
このような燃料電池の場合、酸化ガスマニホールドや燃料ガスマニホールドよりも外側（外気側）に冷媒マニホールドが位置した構造となっているため、酸化ガスマニホールドや燃料ガスマニホールドの周囲に沿って冷媒を流通させることが可能である。こうした場合、冷媒の作用により、給排される各反応ガスの温度が大きく変動するのを抑えやすい。加えて、本発明における冷媒マニホールドは、セル積層体（セル）の側部に沿った形状（例えば、側辺に沿うように連なった細長形状）に形成されていることから、冷媒の供給口（入口）や排出口（出口）を幅広としやすい。こうした場合には、セル面内における冷媒をより均一な状態で流通させることが可能となるから、セル面内における温度をもより均一な状態に保つことができるという利点もある。
【０００８】
また、本発明によれば燃料電池内における結露を抑えやすいという利点もある。すなわち、この燃料電池の場合には各セルにおけるガス流路（各ガスマニホールド）を囲む構造としていることから、加湿された状態の反応ガスがセル内にて結露するのを抑制することができる。
【０００９】
さらに、前記酸化ガスおよび燃料ガスの前記セル面内への導入口におけるシール部材が二重構造となっていることも好ましい。これによれば当該箇所におけるシール性能を確保しやすい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、酸化ガスマニホールドや燃料ガスマニホールドよりも外側に冷媒マニホールドが位置する構造となっているため、当該燃料電池に対して給排される反応ガスの温度の変動を抑えることができる。また、セルの側部に沿った出入り口から冷媒を万遍なく給排することも可能であり、これによればセル面内における温度をより均一に保つこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図３に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１は、酸化ガス電極３２ｂと燃料ガス電極３２ａとがそれぞれ接合される電解質３０と、該電解質３０を挟持したセパレータ２０と、電解質３０とセパレータ２０の間に形成された酸化ガス流路３４および燃料ガス流路３５を備えたセル２と、該セル２が複数積層されてなるセル積層体３と、セル２間に形成された冷却水流路（冷媒流路）３６と、を備えているものである。
【００１３】
なお、このように構成されている本実施形態の燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１４】
図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成、図２に複数のセル２が順次積層されて構成されるセル積層体３を示す。図示するように、この燃料電池１にはセル積層体３を当該セル積層方向に貫通するように、酸化ガスマニホールド１５、水素ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド）１６、および冷却水マニホールド（冷媒マニホールド）１７がそれぞれ設けられている。冷却水マニホールド１７は、入口側のマニホールド１７ａおよび出口側マニホールド１７ｂからなり、それぞれが、セル積層体３の第１の側部３ａおよびこの第１の側部３ａに対向する位置にある第２の側部３ｂの近傍に配置されている。例えば本実施形態の場合、図示するようにセル２は略矩形であり、短辺に沿った一対の側部がそれぞれ第１の側部３ａ、第２の側部３ｂとなっている。また、各冷却水マニホールド１７は、セル積層体３の各側部３ａ，３ｂに沿うような形状、例えば本実施形態の場合であれば各側部３ａ，３ｂに沿った細長形状に形成されている（図１等参照）。
【００１５】
酸化ガスマニホールド１５および水素ガスマニホールド１６は、冷却水マニホールド１７よりもセル積層体３の内側に形成されている（図１、図２参照）。また、これら酸化ガスマニホールド１５および水素ガスマニホールド１６は、その周囲を冷却水によって囲繞される位置に形成されている。より具体的には、入口側の酸化ガスマニホールド１５ａ、出口側の酸化ガスマニホールド１５ｂ、入口側の水素ガスマニホールド１６ａ、そして出口側の水素ガスマニホールド１６ｂのそれぞれが、細長形状の冷却水マニホールド１７よりも内側であって冷却水流路３６に囲繞される位置に形成されている（図１、図２参照）。
【００１６】
また、入口側の酸化ガスマニホールド１５ａ、出口側の酸化ガスマニホールド１５ｂ、入口側の水素ガスマニホールド１６ａ、そして出口側の水素ガスマニホールド１６ｂの周囲には、流体をシールするためのシール部材１３が設けられている。このシール部材１３は隣接するセル２，２のセパレータ２０とセパレータ２０との間に設けられるもので、各反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が冷却水流路３６に流れ出ないようにシールしている。さらに、セル２，２のセパレータ２０とセパレータ２０との間であって冷却水流路３６の周囲には別のシール部材１３がさらに設けられている（図１参照）。これらシール部材１３は、例えば当該箇所におけるシール性能を確保しやすくするため二重構造としたガスケットなどからなる。
【００１７】
上述のように、本実施形態の燃料電池１は、酸化ガスマニホールド１５（１５ａ，１５ｂ）や水素ガスマニホールド１６（１６ａ，１６ｂ）よりも外側（セル積層体３の外周側）に冷却水マニホールド１７が位置した構造となっていることから、酸化ガスマニホールド１５や水素ガスマニホールド１６の周囲に冷却水を流通させることが可能であり、給排される各反応ガス（水素ガス、燃料ガス）の温度が大きく変動するのを当該冷却水の作用によって抑えることができる。このため、仮に急激な昇温や冷却を行ったとしても反応ガスに大きな温度変動が生じるのを抑え、セル面内における温度のばらつきを小さくしてより均一に保つことが可能である。また、このように温度変動を抑えることにより、例えば熱膨張差によってセル２等が変形したり、局所的な荷重抜けやシール不良が生じたりするのを抑えることもできる。
【００１８】
しかも、本実施形態では各反応ガスの流路（酸化ガスマニホールド１５、水素ガスマニホールド１６）を冷却水流路３６で囲繞した構造としているため、例えば外気温などの影響によってこれらガスマニホールド１５，１６内で結露が生じるのを抑制することもできる。また、例えば燃料電池１の始動時においては冷却水によって反応ガス（水素ガス、酸化ガス）を加温しあるいは保温することができるという利点もある。
【００１９】
さらに、本実施形態の燃料電池１の場合、各冷却水マニホールド１７が、セル積層体３の各側部３ａ，３ｂに沿った細長形状に形成されているため、冷却水の供給口（入口）や排出口（出口）を幅広とすることができる。これによれば、セル面内において冷却水をより均一ないしは一様な状態で流通させることが可能となるから、セル面内における温度をさらに均一な状態に保つことも可能である。
【００２０】
ここで、まず一般的な構造（酸化ガスマニホールド１５や水素ガスマニホールド１６の周囲を冷却水が流れない構造）のセル２’からなる燃料電池１’について概略を説明しておき（図６、図７参照）、その後、本実施形態の燃料電池１において温度変動がどの程度抑えられるかをこの一般的な燃料電池１’を比較例として挙げつつ説明することにする（図４、図５等参照）。以下に説明する一般的な構造の燃料電池１’は、特にマニホールド１５〜１７等の部分が本実施形態のものとは異なるがその他の部分において共通するものがある。
【００２１】
セル２’は、膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図６においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図６参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００２２】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図６参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２３】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２’の起電力が得られるようになっている。
【００２４】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。このセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２５】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されているセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図６参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図６参照）。例えばここでは、隣接する２つのセル２’，２’に関し、一方のセル２’のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２’のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
【００２６】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
【００２７】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（図６中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは例えば各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図６参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図６参照）。なお、図７等においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
【００２８】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガスの入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガスの入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図６参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２’には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２’が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００２９】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図６参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００３０】
さらに、隣接するセル２’，２’のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図６参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
【００３１】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えばここでは各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
【００３２】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えばここでは、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００３３】
次に、燃料電池１’の構成について簡単に説明する（図７参照）。図７に示す燃料電池１’は、複数のセル２’を積層してなるセル積層体３を有し、当該セル積層体３の両端に位置するセル２’，２’の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図７参照）。また、セル積層体３等を積層状態で拘束するテンションプレート９は、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該スタックの両側に対向するように配置される（図７参照）。テンションプレート９は、各エンドプレート８，８に接続され、セル積層体３の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレート９の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレート９の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。なお、符号１２は、燃料電池スタックに締結力（圧縮荷重）を作用させる例えばコイルスプリング等からなる弾性モジュールを挟持するための一対の板状部材である（図７参照）。
【００３４】
以上が一般的な構造（酸化ガスマニホールド１５や水素ガスマニホールド１６の周囲を冷却水が流れない構造）のセル２’からなる燃料電池１’の説明である。続いて、本実施形態の燃料電池１において温度変動がどの程度抑えられるかをこの一般的な燃料電池１’を比較例として挙げつつ説明する（図２〜図５参照）。ここでは、セル面内における四隅付近の４箇所のポイントをそれぞれＡ〜Ｄとし（図２、図４参照）、これら４箇所のポイントＡ〜Ｄにおける温度変化および変位について図示して説明する。
【００３５】
まず、一般的な構造の燃料電池１’の場合について説明する（図４、図５参照）。燃料電池１’を起動すると、まず入口側の冷却水温度および入口側マニホールド１７ａの温度が上昇し（図５中のIn参照）、その後、一定時間をおいて出口側の冷却水温度および出口側マニホールド１７ｂの温度が上昇しはじめる（図５中のOut参照）。入口側および出口側にて冷却水温度やマニホールド１７の温度がこのように変化（上昇）した場合に、燃料電池の１’の各ポイントＡ〜Ｄにおける温度変化および変位（変形）の一例を示すと以下のとおりである。すなわち、入口側の冷却水温度が上昇すると、まず水素ガスの入口側マニホールド１６ａ付近にあるポイントＡの温度がいち早く上昇して変形しはじめ、その後、一定時間をおいて酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ付近にあるポイントＢの温度が上昇して変形しはじめる。また、出口側の冷却水温度が上昇すると、まず水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ付近にあるポイントＤの温度がいち早く上昇して変形しはじめ、その後、一定時間をおいて酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ付近にあるポイントＣの温度が上昇して変形しはじめる。しかも、酸化ガスのマニホールド１５（１５ａ，１５ｂ）と水素ガスのマニホールド１６（１６ａ，１６ｂ）とには容量差があること等の影響により、図５から明らかなように、容量の大きい酸化ガスマニホールド１５ａ，１５ｂの付近にあるポイントＢ，Ｃの変形の度合いはポイントＡ，Ｄのものよりも鈍い。
【００３６】
一方、本実施形態の燃料電池１の場合は以下のとおりである（図２、図３参照）。すなわち、燃料電池１の起動後、入口側の冷却水温度および入口側マニホールド１７ａの温度が上昇すると（図３中のIn参照）、水素ガスの入口側マニホールド１６ａ付近にあるポイントＡと酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ付近にあるポイントＢとはほぼ同時に変形しはじめ、同様の変形カーブを描く。また、出口側の冷却水温度および出口側マニホールド１７ｂの温度が上昇すると（図３中のOut参照）、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ付近にあるポイントＤと酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ付近にあるポイントＣとがほぼ同時に変形しはじめ、同様の変形カーブを描く。
【００３７】
以上から明らかなように、一般的な構造の燃料電池１’の場合には、４箇所のポイントＡ〜Ｄにおける温度上昇つまりは変形のタイミングがすべて異なり、しかも変形の度合いを表すカーブが一様とはなっていない。このため、セル２’の各箇所における温度のばらつきが大きく、熱膨張差に起因してセル２’やセル積層体３が変形し、場合によっては局所的な荷重抜けやシール不良が生じることがある。
【００３８】
一方、本実施形態の燃料電池１の場合には、水素ガスの入口側マニホールド１６ａ付近（ポイントＡ）と酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ付近（ポイントＢ）とで温度変化や変形のタイミングおよび変化の度合いを表すカーブがほぼ等しく、また、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ付近（ポイントＤ）と酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ付近（ポイントＣ）とで温度変化や変形のタイミングおよび変化の度合いを表すカーブがほぼ等しい。つまり、本実施形態の燃料電池１においては、酸化ガスマニホールド１５や水素ガスマニホールド１６の周囲に沿って冷却水を流通させることが可能な構造となっていることから、給排される各反応ガスの温度が大きく変動すること、さらにはセル２の各箇所の温度差が大きくなることを抑えやすい。このため、温度差に起因する変形を抑制しやすいという利点がある。
【００３９】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、セル積層体３の各側部３ａ，３ｂに沿うような形状の冷却水マニホールド１７として細長形状のものを例示したが（図１、図２参照）、これは一例に過ぎず適宜変更して構わない。また、この冷却水マニホールド１７の形状をセパレータ２の形状に応じて適宜変えることも可能である。例示すれば、本実施形態では冷却水マニホールド１７の幅を一定としたが、この幅が連続的あるいは段階的に変わるようなマニホールド形状として、セル面内における流量分布に変化をつけるようにしてもよい。
【００４０】
また、酸化ガスマニホールド１５や水素ガスマニホールド１６についても、図１や図２に例示した形状にかかわらず適宜変更して構わない。例えば、図１に例示したような矩形とする代わりに、流線形のようなマニホールド形状とてその周囲を冷却水がより流れやすくなるようにしてもよい。あるいは、切込みの入った形や楕円のような形のマニホールド形状としてその周囲を流れる冷却水との接触領域を増やし、温度変化がさらに速やかになるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかる燃料電池の構成例を示すセパレータの図である。
【図２】図１に示したセパレータからなるセルを積層したセル積層体の斜視図である。
【図３】入口側および出口側の冷却水温度の変化とこれに伴うセルの各ポイントの変位とを時間に沿って示すグラフで、本発明にかかる燃料電池の場合を示したものである。
【図４】一般的な構造のセルを積層したセル積層体の斜視図である。
【図５】入口側および出口側の冷却水温度の変化とこれに伴うセルの各ポイントの変位とを時間に沿って示すグラフで、図４に示した一般的な構造の燃料電池の場合を示したものである。
【図６】一般的な構造のセル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。
【図７】セル積層体の構造例を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、３ａ…セル積層体の第１の側部、３ｂ…セル積層体の第２の側部、１５ａ…酸化ガスの入口側のマニホールド（酸化ガスマニホールド）、１５ｂ…酸化ガスの出口側のマニホールド（酸化ガスマニホールド）、１６ａ…水素ガスの入口側のマニホールド（燃料ガスマニホールド）、１６ｂ…水素ガスの出口側のマニホールド（燃料ガスマニホールド）、１７ａ…冷却水の入口側のマニホールド（冷媒マニホールド）、１７ｂ…冷却水の出口側のマニホールド（冷媒マニホールド）、２０…セパレータ、３１…電解質膜（電解質）、３２ａ…電極（燃料ガス電極）、３２ｂ…電極（酸化ガス電極）３４…酸化ガス流路、３５…水素ガスの流路（燃料ガス流路）、３６…冷却水流路（冷媒流路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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