(57)【要約】【課題】燃料電池の鉛直方向上側に設けられた積層方向に沿った排出用の反応ガス通路からセパレータと膜電極接合体との間の空間に水が流入するのを抑制する。【解決手段】セパレータには、貫通孔と連通路とが形成されている。貫通孔は、セパレータの鉛直方向下側の端部付近に配置され、複数の膜電極接合体と複数のセパレータとの積層方向に沿った排出用の反応ガス通路の一部を構成する。連通路は、セパレータの内部に配置され、貫通孔と、セパレータの一方の側に配置された膜電極接合体との間に形成される空間と、を連通し、空間内の反応ガスを貫通孔に導く。連通路は、セパレータの鉛直方向上側の端部付近で空間に接続されており、セパレータの鉛直方向下側の端部付近で貫通孔に接続されている。【選択図】図６
2008130505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
複数の膜電極接合体と、
前記複数のセパレータであって、前記各セパレータは前記複数の膜電極接合体のうちの隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置される、前記複数のセパレータと、
を備え、
前記複数のセパレータのうちの特定のセパレータには、
前記特定のセパレータの鉛直方向下側の第１の端部付近に配置され、前記複数の膜電極接合体と前記複数のセパレータとの積層方向に沿った排出用の反応ガス通路の一部を構成する第１の貫通孔と、
前記特定のセパレータの内部に配置され、前記第１の貫通孔と、前記特定のセパレータの一方の側に配置された膜電極接合体との間に形成される空間と、を連通し、前記空間内の反応ガスを前記第１の貫通孔に導く第１の連通路と、
が形成されており、
前記第１の連通路は、前記特定のセパレータの鉛直方向上側の第２の端部付近で前記空間に接続されていると共に、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近で前記第１の貫通孔に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記特定のセパレータは、
前記空間の壁面を構成する第１のプレートと、
前記第１のプレートに隣接する第２のプレートと、
前記第２のプレートに隣接する第３のプレートと、
を含み、
前記第１のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成する第１の孔と、前記第１の連通路の前記空間側の部分を構成する第２の孔と、が形成されており、
前記第２のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成すると共に前記第１の連通路の前記第１の貫通孔側の部分を構成する第３の孔が形成されており、
前記第３のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成する第４の孔が形成されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記特定のセパレータには、さらに、
前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近に配置され、前記積層方向に沿った供給用の反応ガス通路の一部を構成する第２の貫通孔と、
前記特定のセパレータの内部に配置され、前記第２の貫通孔と、前記空間と、を連通し、前記第２の貫通孔内の反応ガスを前記第空間に導く第２の連通路と、
が形成されており、
前記第２の連通路は、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の第１の端部付近で前記第２の貫通孔に接続されていると共に、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近で前記空間に接続されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記特定のセパレータは、５つのプレートで構成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、水を排出するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、膜電極接合体を含む発電ユニットとセパレータとが交互に積層された積層構造を有している。燃料電池内部には、積層方向に沿った反応ガス通路（ユニット間反応ガス通路）が設けられている。また、燃料電池内部には、発電ユニット毎に、膜電極接合体とセパレータとの間に、膜電極接合体に反応ガスを供給するための空間（ユニット内反応ガス通路）が設けられている。反応ガスは、供給用のユニット間反応ガス通路とユニット内反応ガス通路とを通って、膜電極接合体に供給され、電気化学反応に利用される。使用済みの反応ガスは、ユニット内反応ガス通路と排出用のユニット間反応ガス通路とを通って、燃料電池から排出される。
【０００３】
ところで、電気化学反応では、水（水蒸気）が生成される。水蒸気の一部は排出用のユニット間反応ガス通路で凝縮する。凝縮した水がユニット内反応ガス通路に侵入すると発電を阻害する虞がある。このため、水を排出する必要がある。
【０００４】
なお、特許文献１では、燃料電池内部で生成された水（生成水）を排出するために、燃料電池の側方に設けられた出口側の酸化ガスマニホールド（ユニット間酸化ガス通路）の下端部を下方に延長させた延長部を設けることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６６２２５号公報
【特許文献２】特開平８−１３８６９６号公報
【特許文献３】特開２００５−３５３４９２号公報
【特許文献４】特開２００２−４２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来では、燃料電池の鉛直方向上側に積層方向に沿った排出用の反応ガス通路（ユニット間反応ガス通路）が設けられている場合の水の排出については充分に考慮されていなかった。このため、上記の場合には、排出用のユニット間反応ガス通路よりも鉛直方向下側に配置された空間（ユニット内反応ガス通路）に水が侵入する虞があった。空間に侵入した水は、発電を阻害させたり、燃料電池に損傷を与える等の種々の問題を発生させ得る。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の鉛直方向上側に設けられた積層方向に沿った排出用の反応ガス通路からセパレータと膜電極接合体との間の空間に水が流入するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、
複数の膜電極接合体と、
前記複数のセパレータであって、前記各セパレータは前記複数の膜電極接合体のうちの隣り合う２つの膜電極接合体の間に配置される、前記複数のセパレータと、
を備え、
前記複数のセパレータのうちの特定のセパレータには、
前記特定のセパレータの鉛直方向下側の第１の端部付近に配置され、前記複数の膜電極接合体と前記複数のセパレータとの積層方向に沿った排出用の反応ガス通路の一部を構成する第１の貫通孔と、
前記特定のセパレータの内部に配置され、前記第１の貫通孔と、前記特定のセパレータの一方の側に配置された膜電極接合体との間に形成される空間と、を連通し、前記空間内の反応ガスを前記第１の貫通孔に導く第１の連通路と、
が形成されており、
前記第１の連通路は、前記特定のセパレータの鉛直方向上側の第２の端部付近で前記空間に接続されていると共に、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近で前記第１の貫通孔に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
この装置では、第１の連通路と空間とがセパレータの鉛直方向上側の第２の端部付近で接続されており、第１の連通路と第１の貫通孔とがセパレータの鉛直方向下側の第１の端部付近で接続されているため、排出用の反応ガス通路内の水が第１の連通路を介して空間に流入するのを抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記特定のセパレータは、
前記空間の壁面を構成する第１のプレートと、
前記第１のプレートに隣接する第２のプレートと、
前記第２のプレートに隣接する第３のプレートと、
を含み、
前記第１のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成する第１の孔と、前記第１の連通路の前記空間側の部分を構成する第２の孔と、が形成されており、
前記第２のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成すると共に前記第１の連通路の前記第１の貫通孔側の部分を構成する第３の孔が形成されており、
前記第３のプレートには、前記第１の貫通孔の一部を構成する第４の孔が形成されているようにしてもよい。
【００１１】
こうすれば、セパレータの第１の貫通孔と第１の連通路とを容易に作製することができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記特定のセパレータには、さらに、
前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近に配置され、前記積層方向に沿った供給用の反応ガス通路の一部を構成する第２の貫通孔と、
前記特定のセパレータの内部に配置され、前記第２の貫通孔と、前記空間と、を連通し、前記第２の貫通孔内の反応ガスを前記第空間に導く第２の連通路と、
が形成されており、
前記第２の連通路は、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の第１の端部付近で前記第２の貫通孔に接続されていると共に、前記特定のセパレータの鉛直方向下側の前記第１の端部付近で前記空間に接続されていてもよい。
【００１３】
こうすれば、重力を利用して、電気化学反応で生成される水を空間内の上流側（すなわち鉛直方向下方）に移動させることができ、この結果、膜電極接合体に含まれる電解質膜が乾燥状態となるのを抑制することができる。
【００１４】
上記の装置において、
前記特定のセパレータは、５つのプレートで構成されていてもよい。
【００１５】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその製造方法、該燃料電池を含む燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．比較例における問題点：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
【００１７】
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
燃料電池システムは、通常、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却液循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、燃料ガス（水素ガス）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部は、酸化ガス（空気）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、ブロワを含んでいる。冷却液循環部は、スタック内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００１８】
なお、以下で説明する各図の上側は、鉛直方向上側を示し、各図の下側は、鉛直方向下側を示す。
【００１９】
図１は、比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の発電ユニット（単電池）２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの発電ユニット２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００２０】
発電ユニット２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００２１】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。
【００２２】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００２３】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るユニット内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るユニット内酸化ガス通路に設けられている。なお、ユニット内通路は、図１に示すように、各発電ユニット２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００２４】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００２５】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「ユニットアセンブリ」と呼ぶ。
【００２６】
図２は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図である。図示するように、ユニットアセンブリは、略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図２のユニットアセンブリのＡ−Ａ断面が図１に示されている。
【００２７】
ガスケット２６には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、ユニット間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。なお、ユニット間通路は、図１に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の発電ユニット２０の積層方向に沿った通路である。
【００２８】
ガスケット２６は、少なくとも図２に示す一点鎖線ＳＬの部分において、発電ユニット２０の両側に配置される２つのセパレータ５０と接触している。具体的には、ガスケット２６は、各長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲とＭＥＧＡ２２の周囲とにおいて、２つのセパレータ５０と接触する。スタック１００は、通常、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６が一点鎖線ＳＬの部分において２つのセパレータ５０と接触することにより、各ユニット間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各ユニット内通路のシール性が確保される。
【００２９】
なお、ユニットアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００３０】
なお、本実施例における発電ユニット２０に含まれる電解質膜３０と２つの触媒電極層３１ａ，３１ｃとが、本発明における膜電極接合体に相当する。
【００３１】
セパレータ５０（図１）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００３２】
図３は、セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図１に示されている。
【００３３】
カソード側プレート５２（図３（Ａ））には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、ユニット間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、ユニット内酸化ガス通路の入口として機能する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、ユニット内酸化ガス通路の出口として機能する複数の小孔７２ｃが形成されている（図１参照）。
【００３４】
アノード側プレート５６（図３（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、ユニット内燃料ガス通路の入口として機能する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、ユニット内燃料ガス通路の出口として機能する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００３５】
中間プレート５４（図３（Ｂ））には、ユニット間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、ユニット間酸化ガス通路とユニット内酸化ガス通路とを連通する複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、ユニット間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、ユニット間燃料ガス通路とユニット内燃料ガス通路とを連通する複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、ユニット間冷却通路および隣り合う２つの発電ユニット２０間のユニット用冷却液通路を構成する複数の長孔７８ｍが形成されている（図１参照）。
【００３６】
なお、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００３７】
図１に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３８】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３９】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の長孔７８ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００４０】
図１に示すように、比較例では、複数の発電ユニット２０に酸化ガスを供給するための供給用のユニット間酸化ガス通路は、スタック１００の鉛直方向下側に設けられており、複数の発電ユニット２０からの使用済みの酸化ガスを外部に排出するための排出用のユニット間酸化ガス通路は、スタック１００の鉛直方向上側に設けられている。このため、酸化ガスは鉛直方向下側から上側に向かってユニット内酸化ガス通路を流通する。これにより、電解質膜３０が乾燥状態となるのを抑制することができる。
【００４１】
具体的には、電気化学反応により、カソード側では、水（生成水）が生成される。生成水は、気体（水蒸気）または液体（水）の状態で存在し、生成水の一部は、電解質膜３０を湿潤させる。生成水は、ユニット内酸化ガス通路を流通する酸化ガスによって、下流側に導かれる。このため、生成水は、ユニット内酸化ガス通路の下流側には、上流側よりも多く存在する。
【００４２】
仮に、酸化ガスを鉛直方向上側から下側に向かって流通させる場合には、換言すれば、供給用のユニット間酸化ガス通路がスタックの鉛直方向上側に設けられ、排出用のユニット間酸化ガス通路がスタックの鉛直方向下側に設けられる場合には、生成水は、重力によって鉛直方向下方、すなわち、ユニット内酸化ガス通路の下流側に向かう。また、生成水は、酸化ガスによってユニット内酸化ガス通路の下流側に運ばれる。このため、ユニット内酸化ガス通路の上流側では、生成水によって電解質膜を湿潤させることが比較的困難となり、電解質膜が乾燥状態となってしまう。
【００４３】
そこで、比較例では、酸化ガスを鉛直方向下側から上側に向かって流通させることによって、重力を利用して、生成水の一部を鉛直方向下方、すなわち、ユニット内酸化ガス通路の上流側に移動させている。これにより、ユニット内酸化ガス通路の上流側において電解質膜３０を湿潤状態とすることができる。
【００４４】
Ａ−２．比較例における問題点：
水蒸気（生成水）を含む酸化ガスは、ユニット内酸化ガス通路から排出されて排出用のユニット間酸化ガス通路に流入する。排出用のユニット間酸化ガス通路内部の温度は、通常、ユニット内酸化ガス通路内部の温度よりも低い。これは、排出用のユニット間酸化ガス通路はスタック１００の外側に配置されているためである。したがって、排出用のユニット間酸化ガス通路に流入した水蒸気の一部は、凝縮して水に変化する。しかしながら、比較例のスタック１００では、排出用のユニット間酸化ガス通路内部で凝縮した水を排出することが困難である。
【００４５】
図４は、燃料電池スタック１００内部の生成水を示す説明図である。図示するように、排出用のユニット間酸化ガス通路で凝縮した水（生成水）は、中間プレート５４に設けられた複数の連通孔７２ｍに流れ込む。複数の連通孔７２ｍに流れ込んだ水は、さらに、カソード側プレート５２に設けられた複数の小孔７２ｃを通って、多孔質体２４ｃに侵入する。
【００４６】
凝縮した水は、発電を阻害したり、スタックに損傷を与える等の種々の問題を発生させ得る。具体的には、ユニット内酸化ガス通路内部での酸化ガスの流通や拡散が阻害されて酸化ガスが触媒電極層３１ｃに充分に供給されず、発電ユニット２０による充分な発電が困難となる。また、電解質膜３０がフラッディング状態となり、発電ユニット２０による発電が困難となる。さらに、酸化ガス通路内部で水が凍結することによって、スタックの次回の発電を円滑に開始することが困難となったり、スタックに損傷を与えたりする。
【００４７】
そこで、実施例では、排出用のユニット間酸化ガス通路で凝縮した水がユニット内酸化ガス通路に流入しないように工夫している。
【００４８】
Ｂ．第１実施例：
図５，図６は、第１実施例における燃料電池スタック１１０の部分断面図であり、図１に対応する。燃料電池スタック１１０は、複数の発電ユニット１２０と複数のセパレータ１５０とを備えている。
【００４９】
発電ユニット１２０は、比較例の発電ユニット２０と同様であるが、ガスケット１２６の形状が変更されている。
【００５０】
図７は、ＭＥＧＡ２２とガスケット１２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図であり、図２に対応する。なお、図７のユニットアセンブリのＡ−Ａ断面が図５に示されており、Ｂ−Ｂ断面が図６に示されている。
【００５１】
ガスケット１２６には、比較例（図２）のガスケット２６の長孔６１ｇ〜６６ｇに対応して、長孔１６１ｇ〜１６６ｇが形成されている。本実施例では、供給用および排出用のユニット間酸化ガス通路を構成する２つの長孔１６１ｇと２つの長孔１６２ｇとが形成されている。また、本実施例では、長孔１６１ｇ，１６２ｇは、ガスケット１２６の鉛直方向下側の辺付近に設けられている。そして、供給用のユニット間酸化ガス通路を構成する長孔１６１ｇと、排出用のユニット間酸化ガス通路を構成する長孔１６２ｇと、は交互に配列されている。なお、本実施例のガスケット１２６は、各長孔１６１g,１６２ｇの周囲において、両側に配置される２つのセパレータ１５０と接触する。
【００５２】
本実施例（図５，図６）では、セパレータ１５０は５つのプレート１５１〜１５５で構成されている。具体的には、セパレータ１５０は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート１５１と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート１５５と、２つのプレート１５１，１５５に挟まれた３つの中間プレート１５２〜１５４と、を備えている。
【００５３】
図８，図９は、セパレータ１５０を構成する各プレート１５１〜１５５の平面図であり、図３に対応する。なお、図８（Ａ）〜（Ｃ）および図９（Ａ），（Ｂ）に示す各プレート１５１〜１５５のＡ−Ａ断面が図５に示されており、Ｂ−Ｂ断面が図６に示されている。
【００５４】
カソード側プレート１５１（図８（Ａ））には、比較例（図３（Ａ））のカソード側プレート５２の長孔６１ｃ〜６６ｃに対応して、長孔１６１ｃ〜１６６ｃが形成されている。なお、ガスケット１２６に関して説明したのと同様に、本実施例では、供給用および排出用のユニット間酸化ガス通路を構成する２つの長孔１６１ｃおよび２つの長孔１６２ｃは、ガスケット１２６の鉛直方向下側の辺付近に設けられている。
【００５５】
また、カソード側プレート１５１には、比較例（図３（Ａ））のカソード側プレート５２の複数の小孔７１ｃに対応して、ユニット内酸化ガス通路の入口として機能する２組の比較的少数の小孔１７１ｃが形成されている。２組の小孔１７１ｃは、２つの長孔１６１ｃ付近に設けられている。さらに、カソード側プレート１５１には、比較例（図３（Ａ））の複数の小孔７２ｃと同様に、ユニット内酸化ガス通路の出口として機能する複数の小孔１７２ｃが形成されている。
【００５６】
３つの中間プレート１５２〜１５４（図８（Ｂ），図８（Ｃ），図９（Ａ））は、比較例の中間プレート５４に対応する。
【００５７】
第１の中間プレート１５２（図８（Ｂ））には、比較例（図３（Ｂ））の中間プレート５４の長孔６１ｍと複数の連通孔７１ｍとが接続された櫛状の孔に対応して、２つの長孔１６１ｘと２組の比較的少数の連通孔１７１ｘとが接続された２つの櫛状の孔が形成されている。また、第１の中間プレートには、比較例（図３（Ｂ））の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の孔に代えて、２つの長孔１６２ｘと１つの大きな連通孔１７２ｘとが接続された孔が形成されている。連通孔１７２ｘは、略矩形の形状を有しており、カソード側プレート１５１の複数の小孔１７２ｃと、第１の中間プレート１５２の２つの長孔１６１ｘと、を接続するように設けられている。さらに、第１の中間プレート１５２には、カソード側プレート１５１の長孔１６３ｃ〜１６６ｃと同様に、長孔１６３ｘ〜１６６ｘが形成されている。
【００５８】
第２の中間プレート１５３（図８（Ｃ））には、カソード側プレート１５１の長孔１６１ｃ〜１６６ｃと同様に、長孔１６１ｙ〜１６６ｙが形成されている。
【００５９】
第３の中間プレート１５４（図９（Ａ））には、カソード側プレート１５１の長孔１６１ｃ〜１６２ｃと同様に、長孔１６１ｚ〜１６２ｚが形成されている。また、第３の中間プレート１５４には、比較例（図３（Ｂ））の中間プレート５４の長孔６３ｍと複数の連通孔７３ｍとが接続された櫛状の孔と同様に、長孔１６３ｚと複数の連通孔１７３ｚとが接続された櫛状の孔が形成されていると共に、比較例（図３（Ｂ））の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の孔と同様に、長孔１６４ｚと複数の連通孔１７４ｚとが接続された櫛状の孔が形成されている。さらに、第３の中間プレート１５４には、比較例（図３（Ｂ））の中間プレート５４の複数の長孔７８ｍと同様に、複数の長孔１７８ｚが形成されている。
【００６０】
なお、ガスケット１２６に関して説明したのと同様に、各中間プレート１５２〜１５５では、供給用および排出用のユニット間酸化ガス通路を構成する２つの長孔１６１ｘ〜１６１ｚおよび２つの長孔１６２ｘ〜１６２ｚは、各中間プレート１５２〜１５５の鉛直方向下側の辺付近に設けられている。
【００６１】
アノード側プレート１５５（図９（Ｂ））には、比較例（図３（Ｃ））のアノード側プレート５６の長孔６１ａ〜６６ａに対応して、長孔１６１ａ〜１６６ａが形成されている。なお、ガスケット１２６に関して説明したのと同様に、アノード側プレート１５５では、供給用および排出用のユニット間酸化ガス通路を構成する２つの長孔１６１ａおよび２つの長孔１６２ａは、アノード側プレート１５５の鉛直方向下側の辺付近に設けられている。
【００６２】
また、アノード側プレート１５５には、比較例（図３（Ｃ））のアノード側プレート５６の複数の小孔７３ａと同様に、ユニット内燃料ガス通路の入口として機能する複数の小孔１７３ａが形成されている。さらに、アノード側プレート１５５には、比較例（図３（Ｃ））の複数の小孔７４ａと同様に、ユニット内燃料ガス通路の出口として機能する複数の小孔１７４ａが形成されている。
【００６３】
図５，図６に示すように、鉛直方向下側の辺付近に設けられた供給用のユニット間酸化ガス通路は、各ガスケット１２６の長孔１６１ｇと各セパレータ１５０の長孔１６１ｃ，１６１ｘ〜１６１ｚ，１６１ａとで構成されている。また、鉛直方向下側の辺に設けられた排出用のユニット間酸化ガス通路は、各ガスケット１２６の長孔１６２ｇと各セパレータ１５０の長孔１６２ｃ，１６２ｘ〜１６２ｚ，１６２ａとで構成されている。
【００６４】
スタック１００の外部から供給用のユニット間酸化ガス通路に供給された酸化ガスは、第１の中間プレート１５２の２つの長孔１６１ｘおよび２組の複数の連通孔１７１ｘと、カソード側プレート１５１の２組の複数の小孔１７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート１５１の複数の小孔１７２ｃと、第１の中間プレート１５２の連通孔１７２ｘおよび２つの長孔１６２ｘを通って、排出用のユニット間酸化ガス通路に至り、その後、スタック１００の外部に排出される。
【００６５】
ユニット内酸化ガス通路から連通孔１７２ｘを介して排出用のユニット間酸化ガス通路に流入した酸化ガス中の水蒸気（生成水）の一部は、排出用のユニット間酸化ガス通路内で凝縮して水に変化する。また、水蒸気の一部は、連通孔１７２ｘ内で凝縮して水に変化し、水は排出用のユニット間酸化ガス通路内に流入する。ユニット間酸化ガス通路内の水は、使用済みの酸化ガスの流れに伴って、スタック１００の外部に排出される。
【００６６】
以上説明したように、本実施例では、複数の小孔１７２ｃと連通孔１７２ｘとで構成される通路とユニット内酸化ガス通路とは、セパレータ１５０の鉛直方向上側の辺付近で接続されている。また、複数の小孔１７２ｃと連通孔１７２ｘとで構成される通路と排出用のユニット間酸化ガス通路の一部を構成する長孔１６２ｃ，１６２ｘ〜１６２ｚ，１６２ａとは、セパレータ１５０の鉛直方向下側の辺付近で接続されている。このため、ユニット間酸化ガス通路内の水がユニット内酸化ガス通路に流入するのを防止することができ、この結果、発電の阻害やスタックの損傷を防止することができる。
【００６７】
特に、本実施例では、複数の小孔１７１ｃと連通孔１７１ｘとで構成される通路と供給用のユニット間酸化ガス通路の一部を構成する長孔１６１ｃ，１６１ｘ〜１６１ｚ，１６１ａとは、セパレータ１５０の鉛直方向下側の辺付近で接続されている。また、複数の小孔１７１ｃと連通孔１７１ｘとで構成される通路とユニット内酸化ガス通路とは、セパレータ１５０の鉛直方向下側の辺付近で接続されている。このため、重力を利用して、電気化学反応で生成される生成水の一部をユニット内酸化ガス通路の上流側（鉛直方向下方）に移動させることができ、この結果、電解質膜３０が乾燥状態となるのを抑制することができる。
【００６８】
以上の説明から分かるように、本実施例における排出用のユニット間酸化ガス通路と供給用のユニット間酸化ガス通路とがそれぞれ本発明における排出用の反応ガス通路と供給用の反応ガス通路とに相当し、ユニット内酸化ガス通路が本発明における空間に相当する。そして、本実施例におけるセパレータ１５０の長孔１６２ｃ，１６２ｘ〜１６２ｚ，１６２ａが、本発明における第１の貫通孔に相当し、長孔１６１ｃ，１６１ｘ〜１６１ｚ，１６１ａが、本発明における第２の貫通孔に相当する。また、第１の中間プレート１５２に形成された連通孔１７２ｘとカソード側プレート１５１に形成された複数の小孔１７２ｃとで構成される通路が、本発明における第１の連通路に相当し、第１の中間プレート１５２に形成された複数の連通孔１７１ｘとカソード側プレート１５１に形成された複数の小孔１７１ｃとで構成される通路が、本発明における第２の連通路に相当する。
【００６９】
また、本実施例におけるカソード側プレート１５１と第１の中間プレート１５２と第２の中間プレート１５３とがそれぞれ本発明における第１，第２，第３のプレートに相当する。そして、カソード側プレート１５１の長孔１６２ｃが本発明における第１の孔に相当し、複数の小孔１７２ｃが本発明における第２の孔に相当する。また、第１の中間プレート１５２に形成された長孔１６２ｘと連通孔１７２ｘとが接続された孔が本発明における第３の孔に相当する。さらに、第２の中間プレート１５３に形成された長孔１６２ｙが本発明における第３の孔に相当する。
【００７０】
Ｃ．第２実施例：
第２実施例は、第１実施例とほぼ同じであるが、セパレータが変更されている。具体的には、本実施例では、セパレータは第１実施例と同様に５つのプレートで構成されているが、カソード側プレートと第１の中間プレートとが変更されている。第２の中間プレートと第３の中間プレートとアノード側プレートとは第１実施例と同じである。
【００７１】
図１０は、第２実施例のセパレータ１５０Ａに含まれる３つのプレート１５１Ａ，１５２Ａ，１５３の平面図である。なお、図１０（Ｃ）は、図８（Ｃ）と同じである。
【００７２】
カソード側プレート１５１Ａ（図１０（Ａ））は、図８（Ａ）に示すカソード側プレート１５１と同様であるが、カソード側プレート１５１Ａには、複数の小孔１７２ｃに代えて、２組の比較的少数の小孔１７２Ｂｃが形成されている。
【００７３】
第１の中間プレート１５２Ａ（図１０（Ｂ））は、図８（Ｂ）に示す第１の中間プレート１５２と同様であるが、第１の中間プレート１５２Ａには、図８（Ｂ）に示す２つの長孔１６２ｘおよび１つの連通孔１７２ｘが接続された１つの略矩形の孔に代えて、２組の複数の長孔１７７ｘが形成されている。各組の複数の長孔１７７ｘの鉛直方向下側の部分（図中破線で囲まれた部分）は、図８（Ｂ）の長孔１６２ｘと同様に排出用のユニット間酸化ガス通路として機能し、他の部分は、図８（Ｂ）の連通孔１７２ｘと同様に連通路として機能する。
【００７４】
本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、ユニット間酸化ガス通路内の水がユニット内酸化ガス通路に流入するのを抑制することができ、この結果、発電の阻害やスタックの損傷を抑制することができる。
【００７５】
特に、本実施例では、第１実施例と比較して、セパレータ１５０Ａには、セパレータ内部で大きな空間を形成する大きな連通孔１７２ｘが設けられていないため、セパレータ１５０Ａのカソード側プレート１５１Ａとアノード側プレート１５５との間の導電性を高めることができると共に、スタックを積層方向に押圧する際にセパレータ１５０Ａが変形するのを抑制することができる。
【００７６】
Ｄ．第３実施例：
第３実施例は、第１および第２実施例とほぼ同じであるが、セパレータが変更されている。具体的には、本実施例では、セパレータは第１実施例と同様に５つのプレートで構成されているが、本実施例では、カソード側プレートと第１の中間プレートとが変更されている。ただし、カソード側プレートは第２実施例と同じである。また、第２の中間プレートと第３の中間プレートとアノード側プレートとは第１実施例と同じである。
【００７７】
図１１は、第３実施例のセパレータ１５０Ｂに含まれる３つのプレート１５１Ａ，１５２Ｂ，１５３の平面図である。なお、図１１（Ａ）は図１０（Ａ）と同じであり、図１１（Ｃ）は図８（Ｃ），図１０（Ｃ）と同じである。
【００７８】
第１の中間プレート１５２Ｂ（図１１（Ｂ））は、図８（Ｂ）に示す第１の中間プレート１５２と同様であるが、第１の中間プレート１５２Ｂには、２つの長孔１６２ｘおよび１つの連通孔１７２ｘが接続された１つの略矩形の孔に代えて、２つの長孔１６２ｘおよび２組の複数の連通孔１７２Ｂｘが接続された２つの櫛状の孔が形成されている。なお、図１１（Ｂ）と図１０（Ｂ）とを比較して分かるように、第１の中間プレート１５２Ｂは、第２実施例の第１の中間プレート１５２Ａの図中破線で囲まれた部分に、長孔１６２ｘを形成したものに相当する。
【００７９】
本実施例の構成を採用する場合にも、第１および第２実施例と同様に、ユニット間酸化ガス通路内の水がユニット内酸化ガス通路に流入するのを抑制することができ、この結果、発電の阻害やスタックの損傷を抑制することができる。また、第２実施例と同様に、セパレータ１５０Ｂの導電性を高めることができると共に、セパレータ１５０Ｂが変形するのを抑制することができる。
【００８０】
なお、セパレータ１５０Ｂを作製する際に、図１１（Ｂ）に示す第１の中間プレート１５２Ｂを含む５つのプレートを精度良く積層するのは比較的困難である。これは、第１の中間プレート１５２Ｂの長孔１６２ｘ付近では、隣り合う連通孔１７２Ｂｘ間のストライプ状の部分が支持されておらず、第１の中間プレート１５２Ｂの取扱が比較的困難なためである。このため、第２実施例の第１の中間プレート１５２Ａ（図１０（Ｂ））を含む５つのプレートを積層した後に、該第１の中間プレート１５２Ａのストライプ状の部分の端部を切断して、長孔１６２ｘを形成すればよい。こうすれば、５つのプレートが精度良く積層されたセパレータ１５０Ｂを容易に得ることができる。
【００８１】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８２】
（１）上記実施例では、燃料電池の鉛直方向下側に供給用のユニット間酸化ガス通路が設けられているが、ユニット内酸化ガス通路がＵ字状にターンする場合には、燃料電池の鉛直方向上側に供給用のユニット間酸化ガス通路が設けられていてもよい。
【００８３】
また、上記実施例では、排出用のユニット間酸化ガス通路に接続される連通路に関して本発明が適用されているが、排出用のユニット間燃料ガス通路に接続される連通路に関して本発明が適用されてもよい。カソード側で生成された水（生成水）の一部は電解質膜を介してアノード側に到達し得る。したがって、排出用のユニット間燃料ガス通路に接続される連通路に本発明を適用すれば、ユニット間燃料ガス通路内の水がユニット内燃料ガス通路に流入するのを抑制することができる。
【００８４】
（２）第１実施例では、セパレータ１５０には、セパレータ内部で大きな空間を形成する大きな連通孔１７２ｘが形成されているが、該空間には多孔質体が設けられるようにしてもよい。こうすれば、第２および第３実施例と同様に、セパレータの導電性を高めることができると共に、セパレータが変形するのを抑制することができる。
【００８５】
（３）上記実施例では、セパレータは、５つのプレートで構成されているが、これに代えて、より少数のプレートで構成されていてもよいし、より多数のプレートで構成されていてもよい。例えば、第１実施例において、第１の中間プレート１５２の各孔１７１ｘ，１７２ｘに代えて、各孔１７１ｘ，１７２ｘに対応する凹部を、カソード側プレートの一方の面に形成すれば、第１の中間プレート１５２を省略して、セパレータを４つのプレートで構成可能である。ただし、上記実施例のように、セパレータが５つのプレートを含んでいれば、孔を形成するだけで済むため、セパレータの貫通孔と連通路とを容易に作製することができるという利点がある。
【００８６】
（４）上記実施例では、燃料電池スタックに含まれる複数のセパレータのすべてに本発明が適用されているが、複数のセパレータのうちの一部に本発明が適用されるようにしてもよい。
【００８７】
（５）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図２】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図である。
【図３】セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図４】燃料電池スタック１００内部の生成水を示す説明図である。
【図５】第１実施例における燃料電池スタック１１０の部分断面図である。
【図６】第１実施例における燃料電池スタック１１０の部分断面図である。
【図７】ＭＥＧＡ２２とガスケット１２６とを含むユニットアセンブリを示す平面図である。
【図８】セパレータ１５０を構成する各プレート１５１〜１５５の平面図である。
【図９】セパレータ１５０を構成する各プレート１５１〜１５５の平面図である。
【図１０】第２実施例のセパレータ１５０Ａに含まれる３つのプレート１５１Ａ，１５２Ａ，１５３の平面図である。
【図１１】第３実施例のセパレータ１５０Ｂに含まれる３つのプレート１５１Ａ，１５２Ｂ，１５３の平面図である。
【符号の説明】
【００８９】
２０…発電ユニット
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０…セパレータ
５２…カソード側プレート
５４…中間プレート
５６…アノード側プレート
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８ｍ…長孔
１００，１１０…燃料電池スタック
１２０…発電ユニット
１２６…ガスケット
１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ…セパレータ
１５１，１５１Ａ…カソード側プレート
１５２，１５２Ａ，１５２Ｂ…第１の中間プレート
１５３…第２の中間プレート
１５４…第３の中間プレート
１５５…アノード側プレート
１６１ａ〜１６６ａ…長孔
１６１ｃ〜１６６ｃ…長孔
１６１ｇ〜１６６ｇ…長孔
１６１ｘ〜１６６ｘ…長孔
１６１ｙ〜１６６ｙ…長孔
１６１ｚ〜１６４ｚ…長孔
１７１ｃ，１７２ｃ，１７２Ｂｃ…小孔
１７１ｘ，１７２ｘ，１７２Ｂｘ…連通孔
１７３ａ，１７４ａ…小孔
１７３ｚ，１７４ｚ…連通孔
１７７ｘ…長孔
１７８ｚ…長孔
【図１】
2008130505.tif 000003
【図２】
2008130505.tif 000004
【図３】
2008130505.tif 000005
【図４】
2008130505.tif 000006
【図５】
2008130505.tif 000007
【図６】
2008130505.tif 000008
【図７】
2008130505.tif 000009
【図８】
2008130505.tif 000010
【図９】
2008130505.tif 000011
【図１０】
2008130505.tif 000012
【図１１】
2008130505.tif 000013