(57)【要約】【課題】冷却流体による冷却効率を全体として低下させず、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池において、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうちの少なくとも一方の、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が形成されている主面と反対側の主面に、ガス流路用溝と異なる本数の冷却流体流路用溝で構成された冷却流体流路を設け、冷却流体流路用溝のうちの少なくとも一部に、ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置に、リブの内部に達する第２の冷却流体流路用溝を設け、かつ第２の冷却流体流路用溝を、少なくとも燃料ガス流路または酸化剤ガス流路の上流領域に対応する位置に形成する。【選択図】図２
2008159319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、
前記アノードに面する主面に前記アノードに燃料ガスを供給および排出するための複数本のガス流路用溝からなる燃料ガス流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに面する主面に前記カソードに酸化剤ガスを供給および排出するための複数本のガス流路用溝からなる酸化剤ガス流路が形成されている導電性を有するカソード側セパレータと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側セパレータおよび前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方が、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が形成されている前記主面と反対側の主面に、前記ガス流路用溝と異なる本数の冷却流体流路用溝で構成された冷却流体流路を有し、
前記冷却流体流路用溝のうちの少なくとも一部が、前記ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置において、前記リブの内部に達する第２の冷却流体流路用溝を有し、かつ、前記第２の冷却流体流路用溝が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路うちの少なくとも一方の上流領域に対応する位置に形成されていること、
を特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源及び家庭内コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質を用いた従来の高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。図７は、従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図８は、図７に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【０００３】
図７に示すように、従来の高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体２００においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜２０１の両面に、電極触媒（例えば白金金属）を担持した炭素粉末で構成された触媒体と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層２０２ａ、２０２ｂが形成されている。
触媒層２０２ａ、２０２ｂの外側には、ガス拡散層２０３ａ、２０３ｂが配置されており、触媒層２０２ａとガス拡散層２０３ａとがアノード２０４ａを構成し、触媒層２０２ｂとガス拡散層２０３ｂとがカソード２０４ｂを構成している。そして、アノード２０４ａの触媒層２０２ａでは、式（１）：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- で示される反応によってプロトンが生じ、カソード２０４ｂの触媒層２０２ｂでは、酸素とアノード２０４ａから移動してきたプロトンとが、式（２）：１／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏで示される反応によって水が生成する。
【０００４】
図８に示すように、図７に示すＭＥＡ２００を用いた単電池２１０においては、アノード２０４ａおよびカソード２０４ｂに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や、前記２種類のガスの混合防止のため、アノード２０４ａおよびカソード２０４ｂの周囲に、高分子電解質膜２０１を挟んでガスケット２０６ａ、２０６ｂが配置されている。なお、ガスケット２０６ａ、２０６ｂは、アノード２０４ａおよびカソード２０４ｂならびに高分子電解質膜２０１と一体化してあらかじめ組み立てられ、これらを一体化して得られた構造体をＭＥＡと呼ぶこともある。
【０００５】
また、単電池２１０は、隣接する単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続するための、導電性を有する板状のセパレータ２０５ａ、２０５ｂを有する。そして、セパレータ２０５ａ、２０５ｂがアノード２０４ａおよびカソード２０４ｂに接触する部分には、それぞれアノード２０４ａまたはカソード２０４ｂに反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路２０７ａおよび２０７ｂが形成されている。
【０００６】
更に、発電が行われるとＭＥＡ２００は発熱するため、ＭＥＡ２００の温度を許容される動作温度に維持するために、冷却水等の冷却流体を流通させて余剰熱を取り除くことが行われる。一般的には、セパレータ２０５ａおよびセパレータ２０５ｂの少なくとも一方において、ガス流路２０７ａ、２０７ｂが形成された面の反対側の面に、冷却水流路２０８ａ、２０８ｂを設け、ここに冷却水などの冷却流体を流通させている。
そして、冷却水流路２０８ａ、２０８ｂとしては、複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝と、からなるサーペンタイン形の冷却水流路が良く用いられ、各溝は等間隔で形成されているのが一般的である。また、冷却水流路２０８ａ、２０８ｂは、略平行な複数の直線状の溝によって構成されることもあるが、この場合も各溝は等間隔に形成されているのが一般的である。
【０００７】
ここで、上述のような単電池２１０の面内においては、供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口部分、即ちガス流路２０７ａ、２０７ｂの上流側で発電および発熱が集中することが経験的に認められることから、その結果、ＭＥＡ２００およびセパレータ２０５ａ、２０５ｂにおいて当該入口部分に相当する部分の温度が上昇してしまうという問題がある。当該入口部分の温度上昇をより効果的に抑えるためには冷却水流量を大きくすることが必要であり、冷却水供給のためのポンプの仕事量が増加する。また、高分子電解質形燃料電池の耐久性の観点から、電極（アノードおよびカソード）部分での反応ガスの相対湿度を全域にわたって１００％以上、即ち過飽和状態にすることによって電池性能の劣化が抑制されることが知られている。
【０００８】
そこで、例えば特許文献１においては、冷却水流路の構成を工夫して、単電池の面内での温度勾配を制御することによって、電池性能向上を図る取り組みが行われている。具体的には、冷却流体の冷却能力を酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路の入口側よりも出口側の方がより低くなるように構成し、発熱量過多の入口側の領域でより多くの熱量を除去するとともに、出口側における反応ガスの温度上昇によって飽和水蒸気量を上昇させて水の排出性を高めることを意図した方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３９５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載された方法では、燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路の出口側よりも入口側における冷却効果を高めて単電池の面内で所定の温度分布を形成することが可能であるものの、部分的にではあるが出口側での冷却流体の冷却能力を低下させ、全体としては冷却効率が低下してしまうという可能性がある。
【００１０】
また、上記特許文献１に記載の発明においては、セパレータの冷却水流路のうち冷却能力を低下させている下流側の領域において、溝を隔てるリブ部の数が減らされることによって溝の数が減らされ、溝の幅｛即ち流路間のピッチ｝が極端に広く構成されている。そのため、下流側の冷却水流路の断面積が大きくなり、下流側ないし出口側で冷却水が単位面積当たりに流れるスピードが低下し、熱交換が不十分となってしまう可能性がある。したがって、単電池の面内で所定の除去熱量を達成するために余剰の冷却水を流す必要があり、冷却水を供給するポンプの仕事量が増加してしまい、等間隔で冷却水流路を設けた場合と同様に、燃料電池をシステム化した場合にシステム全体の総合効率を低下させてしまうことにつながる。
【００１１】
更にまた、上記特許文献１に記載のセパレータは、上述のように、下流側の領域において、溝を隔てるリブ部の数が減らされることによって溝の数が減らされていることから、機械的強度に劣り、当該セパレータを用いた単電池を積層して燃料電池用のスタックを作製して締結した際に、セパレータの機械的疲労による割れやクラック発生が懸念されるとう問題や、また、セパレータとアノードまたはカソードとの接触面積が少なく、電気的抵抗の増大によって効率低下を招くという問題も想定される。
【００１２】
そこで、本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布の実現を可能とし、更に、冷却効率を高めることによって不必要に冷却水を供給する必要がなくなるために、ポンプの消費電力量を増大させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。更には、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるセパレータを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記のような目的を達成すべく鋭意検討したところ、ガス流路とは異なる本数の溝で構成された冷却流体流路のうちの、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路のリブ部に対向する部分に、上記リブの内部に達する第２の溝を設け、かつこの溝が少なくともガス流路の上流側に位置する部分に形成する構成をとることによって、先に述べた問題を解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、上記課題を解決すべく、本発明者は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、
高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、
アノードに面する主面にアノードに燃料ガスを供給および排出するための複数本のガス流路用溝からなる燃料ガス流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
カソードに面する主面に前記カソードに酸化剤ガスを供給および排出するための複数本のガス流路用溝からなる酸化剤ガス流路が形成されている導電性を有するカソード側セパレータと、
を具備する単電池を含んでおり、
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうちの少なくとも一方が、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が形成されている主面と反対側の主面に、ガス流路用溝と異なる本数の冷却流体流路用溝で構成された冷却流体流路を有し、
冷却流体流路用溝のうちの少なくとも一部が、ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置において、リブの内部に達する第２の冷却流体流路用溝を有し、かつ、第２の冷却流体流路用溝が、燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路うちの少なくとも一方の上流領域に対応する位置に形成されていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
【００１５】
ここで、燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路うちの少なくとも一方の「上流領域」とは、燃料ガス流路の「上流領域」の場合、アノード側セパレータの主面の法線方向から燃料ガス流路を構成するガス流路用溝を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「燃料ガス流路の上流部分を構成するガス流路用溝」を示す図形（投影された結果、「燃料ガス流路の上流部分を構成するガス流路用溝」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域をいう。また、酸化剤ガス流路の「上流領域」の場合、カソード側セパレータの主面の法線方向から酸化剤ガス流路を構成するガス流路用溝を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「酸化剤ガス流路の上流部分を構成するガス流路用溝」を示す図形（投影された結果、「酸化剤ガス流路の上流部分を構成するガス流路用溝」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域をいう。
【００１６】
上記「燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路うちの少なくとも一方の上流部分」とは、燃料ガス流路の「上流領域」の場合、燃料ガス流路の全流路長のうちの前半部分（１／２の部分）をいう。より具体的には、上記「燃料ガス流路の上流部分」とは、アノードに対応する部分（電極部）に位置する燃料ガス流路の全流路長のうちの、上流側から下流側にかけての前半部分（１／２の部分）をいう。そして、上記「アノードに対応する部分（電極部）」とは、アノード側セパレータの主面の法線方向から「アノード（特に触媒層）」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、上記「アノード（特に触媒層）」を示す図形（投影された結果、「アノード（特に触媒層）」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる部分、即ち、「アノード（特に触媒層）」を示す図形に一致した状態で重なる部分をいう。
また、前記酸化剤ガス流路の「上流領域」の場合、酸化剤ガス流路の全流路長のうちの前半部分（１／２の部分）をいう。より具体的には、上記「酸化剤ガス流路の上流部分」とは、カソードに対応する部分（電極部）に位置する酸化剤ガス流路の全流路長のうちの、上流側から下流側にかけての前半部分（１／２の部分）をいう。そして、上記「カソードに対応する部分（電極部）」とは、カソード側セパレータの主面の法線方向から「カソード（特に触媒層）」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、上記「カソード（特に触媒層）」を示す図形（投影された結果、「カソード（特に触媒層）」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる部分、即ち、「カソード（特に触媒層）」を示す図形に一致した状態で重なる部分をいう。
【００１７】
また、冷却流体流路用溝のうちの「ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置」とは、アノード側セパレータまたはカソード側セパレータの主面の法線方向から「燃料ガス流路または酸化剤ガス流路（ないしはガス流路用溝）」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、冷却流体流路または冷却流体流路用溝において、上記「ガス流路用溝同士の間のリブ」を示す図形（投影された結果、「ガス流路用溝同士の間のリブ」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる位置、即ち「ガス流路用溝同士の間のリブ」を示す図形に一致した状態で重なる位置をいう。
【００１８】
上記のような構成をとることによって、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することができる。また、ガス流路を形成するリブ部下に冷却用流体が流れるため、発電によりＭＥＡで発生する熱をより効果的に除去することが可能となる。更に、冷却流体の圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するために、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
【００１９】
なお、上記のような本発明の構成は上記特許文献１においては開示も示唆もされておらず、上記特許文献１に記載の構成によっては、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の出口よりも入口における冷却効果を高めて単電池の面内で温度分布を形成することは可能であるものの、燃料電池全体における冷却効率の低下、圧力損失の増大、仕事量（ポンプ効率）の低減、及びセパレータ強度の低下や電気的抵抗の増大を防止することは困難であった。高分子電解質形燃料電池をオンサイト型のコージェネレーションシステムに用いる場合を想定すると、熱回収が非常に重要なファクタになるが、かかる観点から見ても、上記特許文献１に記載の高分子電解質形燃料電池は問題があった。また、自動車用途に適応する場合には、単位面積あたりの発電量がさらに大きくなることから、より冷却効率の高い燃料電池が必要とされており、この観点からも特許文献１に記載の高分子電解質形燃料電池では不十分であった。
【００２０】
本発明は、このような従来の問題を解消し、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するために、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とするものである。
【００２１】
更にまた、本発明は、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するため、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、耐久性および熱回収能に優れた高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできる、機械的疲労や電気的抵抗の増大を起こしにくいセパレータを提供することを目的とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、上記のような構成をとることにより、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するために、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することができる。更にまた、本発明によれば、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできる、機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくいセパレータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の高分子電解質形燃料電池のＭＥＡ１００においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば米国デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（商品名））１の両面に、電極触媒（例えば白金などの貴金属）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層２ａ、２ｂが形成されている。この触媒層２ａ、２ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
【００２５】
触媒層２ａ、２ｂの外側には、ガス拡散層３ａ、３ｂが配置されており、触媒層２ａとガス拡散層３ａとがアノード４ａを構成し、触媒層２ｂとガス拡散層３ｂとがカソード４ｂを構成している。ガス拡散層３ａ、３ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができる。例えばカーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理が施された構成を有していても構わない。
ＭＥＡ１００も、上記のような高分子電解質膜１、触媒層２ａ、２ｂおよびガス拡散層３ａ、３ｂから、当該分野で公知の技術によって作製することができる。
【００２６】
次に、図２に示すように、図１に示すＭＥＡ１００を用いた単電池１１０には、アノード４ａおよびカソード４ｂに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や、前記２種類のガスの混合防止のため、アノード４ａおよびカソード４ｂの周囲に、高分子電解質膜１を挟んでガスケット６ａ、６ｂが配置される。当該ガスケット６ａ、６ｂとしても従来公知のものを用いることができる。
【００２７】
本発明の高分子電解質形燃料電池は、上記のような単電池１１０を１個または複数個を具備して構成される。単電池１１０の両側には、導電性を有する板状のセパレータ５ａ、５ｂが配置されている。そして、セパレータ５ａ、５ｂがアノード４ａおよびカソード４ｂに接触する部分には、それぞれアノード４ａまたはカソード４ｂに反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路７ａおよび７ｂが形成されている。このようなセパレータ５ａ、５ｂは、２個以上の単電池１１０を積層して用いる場合に、隣接する単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続する。
【００２８】
また、高分子電解質形燃料電池において発電が行われるとＭＥＡ１００が発熱するため、ＭＥＡ１００の温度を許容される動作温度に維持するために、冷却水等の冷却流体を流通させて余剰熱を取り除くこと、即ち熱回収が行われる。そのため、本実施形態におけるセパレータ５ａ、５ｂの両方においては、ガス流路７ａ、７ｂが形成された面の反対側の面に、冷却水流路８ａ、８ｂが設けられており、ここに冷却水などの冷却流体が流通される。
【００２９】
図２においては、単電池１１０の両側に冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されているが、単電池１１０を２個以上積層してスタックとして用いる場合には、単電池２〜３個毎に冷却流体流路を配置してもよい。単電池間に冷却流体流路を形成しない場合は、一方の面に燃料ガスの流路を設け、他方の面に酸化剤ガスの流路を設けた、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータを使用することも可能である。
また、セパレータ板の材質としては、金属製、カーボン製、黒鉛と樹脂を混合した熱伝導性および電導性に優れた材料などがあり、これらを幅広く使用することができる。例えばカーボン粉末とバインダーとの混合物を射出成形して得られるセパレータ板や、チタンやステンレス鋼製セパレータ板の表面に金メッキを施したものなども使用することができる。
【００３０】
ここで、上述のように、従来の高分子電解質形燃料電池においては、セパレータにおける冷却流体流路の形状に起因して、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の出口よりも入口における冷却効果を高めて単電池の面内で温度分布を形成することは可能であるものの、燃料電池全体における冷却効率の低下、仕事量（ポンプ効率）の低減、及びセパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大という問題があった。本発明においては、かかる問題を解消するため、従来と異なる形状を有する冷却流体流路を用い、全く新しい構成を有するセパレータを用いる。
【００３１】
以下においては、本発明の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池１１０に用いられるセパレータ（本発明のセパレータの実施形態）について図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
図２に示されるセパレータ５ａ、５ｂにおいて、アノード４ａおよびカソード４ｂと接するリブ（即ち、アノード４ａおよびカソード４ｂを構成するガス流路用溝同士の間のリブ）に対向する位置において、冷却流体流路８ａ、８ｂ（即ち、冷却流体流路用溝）には、第２の冷却流体用溝９ａ、９ｂが形成されている。これにより発電によるＭＥＡの発熱を効果的に除去することが可能となる。
【００３２】
図３は、図２に示した単電池１１０におけるアノード４ａ側のセパレータ５ａの燃料ガス流路７ａ側から見た正面図である。冷却流体流路８ａ側から見た正面図である。また、図４は、図３に示した単電池１１０におけるアノード４ａ側のセパレータ５ａの背面図、即ち冷却流体流路８ａ側から見た正面図である。
アノード４ａ側のセパレータ５ａは、図３および図４に示すように、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２および酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３、燃料ガスの入口側マニホールド孔１０および燃料ガスの出口側マニホールド孔１１、冷却流体の入口側マニホールド孔１４および冷却流体の出口側マニホールド孔１５を有する。
また、セパレータ５ａは、アノード４ａと対向する面に、燃料ガスのマニホールド孔１０と１１をつなぐ燃料ガス流路７ａを有し、背面には、冷却流体のマニホールド孔１４と１５をつなぐ冷却流体流路８ａを有する。
【００３３】
図３および図４において、破線１６で囲まれた領域は、それぞれＭＥＡ１００のアノード４ａに対応する部分（電極部）を示している。そして、図４に示すように、冷却流体流路８ａは、サーペンタイン状の溝により構成され、各溝は５本の水平方向に伸びる直線部（長い溝）と、隣接する直線部をつなぐ４個のターン部（短い溝）から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、図４における冷却流体流路８ａは１本の冷却流体流路用溝で構成されているが、並行する複数の冷却流体流路用溝でを並行させるように構成しても構わない。冷却流体流路８ａを構成する冷却流体流路用溝の一部には、燃料ガス流路７ａの上流領域のリブに対向する位置において、リブ内部に達する第２の冷却流体流路用溝９ａが形成されている（図２参照）。
【００３４】
また、図３に示すように、燃料ガス流路７ａは、９本の水平方向に伸びる直線部（長い溝）と、隣接する直線部をつなぐ８個のターン部（短い溝）から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、燃料ガス流路７ａは１本のガス流路用溝で構成されているが、複数のガス流路用溝を並行させるように構成しても構わない。
【００３５】
一方、図５は、図２に示した単電池１１０におけるカソード４ｂ側のセパレータ５ｂの酸化剤ガス流路７ｂ側から見た正面図である。また、図６は、図５に示した単電池１１０におけるカソード４ｂ側のセパレータ５ｂの背面図、即ち冷却流体流路８ｂ側から見た正面図である。
カソード４ｂ側のセパレータ５ｂは、図５および図６に示すように、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２および酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３、燃料ガスの入口側マニホールド孔１０および燃料ガスの出口側マニホールド孔１１、冷却流体の入口側マニホールド孔１４および冷却流体の出口側マニホールド孔１５を有する。
また、セパレータ５ｂは、カソード４ｂと対向する面に、酸化剤ガスのマニホールド孔１２と１３をつなぐ酸化剤ガス流路７ｂを有し、背面には、冷却流体のマニホールド孔１４と１５をつなぐ冷却流体流路８ｂを有する。
【００３６】
図５および図６において、破線１６で囲まれた領域は、それぞれＭＥＡ１００のカソード４ｂに対応する部分（電極部）を示している。
そして、図６に示すように、冷却流体流路８ｂは、サーペンタイン状の溝により構成され、各溝は５本の水平方向に伸びる直線部（長い溝）と、隣接する直線部をつなぐ４個のターン部（短い溝）から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、図６における冷却流体流路８ｂは１本の冷却流体流路用溝で構成されているが、複数の冷却流体流路用溝を並行させるように構成しても構わない。また、冷却流体流路８ｂを構成する冷却流体流路用溝の一部には、酸化剤ガス流路７ｂの上流領域のリブに対向する位置において、リブ内部に達する第２の冷却流体流路用溝９ｂが形成されている（図２参照）。
【００３７】
また、図５に示すように酸化剤ガス流路７ｂは、９本の水平方向に伸びる直線部（長い溝）と、隣接する直線部をつなぐ８個のターン部（短い溝）から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。酸化剤ガス流路７ｂは１本のガス流路用溝で構成されているが、複数のガス流路用溝を並行させるように構成しても構わない。
【００３８】
上記に説明したように、本実施形態のセパレータ５ａ、５ｂにおいては、冷却流体流路８ａ、８ｂを構成する冷却流体流路用溝の一部が、上記アノードガス流路７ａおよび上記カソードガス流路７ｂを構成するガス流路用溝同士の間のリブ７ａ１、７ｂ１に対向する位置において、上記リブ７ａ１、７ｂ１の内部に達する第２の冷却流体流路用溝９ａ、９ｂを有し、上記第２の冷却流体流路用溝９ａ、９ｂが、それぞれ燃料ガス流路８ａおよび酸化剤ガス流路８ｂの上流領域に対応する位置に形成されている。
【００３９】
このような構成を有することによって、本発明におけるセパレータ５ａ、５ｂにおける反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の流路の入口（燃料ガスの入口側マニホールド孔１０および酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２）側、即ち上流側においては、セパレータ５ａ、５ｂの単位容積当たりで、熱交換に寄与する冷却流体の量が多くなる。一方、セパレータ５ａ、５ｂにおける反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の流路の出口（燃料ガスの出口側マニホールド孔１１および酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３）側、即ち下流側においては、セパレータ５ａ、５ｂの単位容積当たりで、熱交換に寄与する冷却流体の量が少なくなる。そのため、より発熱量の多い上流側でより高い冷却効果を発揮することができる。また、冷却流体流路８ａ、８ｂの溝形状がセパレータ５ａ、５ｂの面内で同一であるため、冷却流体そのものの冷却能力が低下することもない。
【００４０】
また、セパレータ５ａ、５ｂにおいて、それぞれアノード４ａおよびカソード４ｂと接するリブ７ａ１、７ｂ１に対向する冷却流体流路８ａ、８ｂには、第２の冷却流体用溝９ａ、９ｂが形成されており、発電によるＭＥＡの発熱をより効果的に除去することが可能となる。さらに、冷却流体流路８ａ、８ｂを構成する溝の本数を変化させないため、溝の本数を増やした場合の冷却流体の分配性の低下といった問題も生じることはない。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布の実現が可能となる。また、圧力損失を増大させることなくそのような好適な温度分布を実現するために、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することができる。更に本発明によれば、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるセパレータを提供することができる。
【００４２】
ここで、水の排出性を低減させずにフラッディングを防止するという観点から、燃料ガスの入口側マニホールド孔１０および燃料ガスの出口側マニホールド孔１１、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２および酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３、ならびに冷却体の入口側マニホールド孔１４および冷却流体の出口側マニホールド孔１５は、図３〜６に示した位置に設けるのが好ましい。
【００４３】
即ち、図４に示すように、セパレータ５ａの主面を垂直に設置した場合に、上半分の位置に燃料ガスの入口側マニホールド孔１０、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２および冷却流体の入口側マニホールド孔１４を設け、下半分の位置に燃料ガスの出口側マニホールド孔１１、酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３および冷却流体の出口側マニホールド孔１５を設けるのが好ましい。これによれば、冷却流体流路８ａ、８ｂの流れに沿って上流側に燃料ガスの入口側マニホールド孔１０および酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２が存在し、下流側に燃料ガスの出口側マニホールド孔１１および酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３が存在し、フラッディングが発生しにくい。
【００４４】
また、電池の耐久性向上という観点から、上半分の位置においては、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１２、また燃料ガスの入口側マニホールド孔１０と冷却流体の入口側マニホールド孔１４とは近くに設けるのが好ましく、酸化剤ガスの入口マニホールド孔１２を近くに設けるのがより効果的である。下半分の位置においては、燃料ガスの出口側マニホールド孔１１、酸化剤ガスの出口側マニホールド孔１３および冷却流体の出口側マニホールド孔１５は、下半分の位置にあれば、互いに近くに設けられていても離して設けられていても構わない。
【００４５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態においては、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの両方に冷却流体流路を設けたが、本発明においてはアノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方に設けられていればよい。
また、複数の単電池を積層して用いる場合には、例えば単電池２〜３個に１つの割合で上記冷却流体流路を設けてもよく、冷却流体流路をカソード側セパレータとアノード側セパレータの双方に溝を設けて１組の流路を形成したり、一方のセパレータのみに溝を設けこれによって両セパレータ間に冷却流体流路を形成してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態のように、冷却流体流路用溝のうちの少なくとも一部が、前記ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置において、前記リブの内部に達する第２の冷却流体流路用溝を有し、かつ第２の冷却流体流路用溝が、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路の上流領域に対応する位置に形成されていればよいが、上記電極部に対応する部分全体にわたって、上記冷却流体流路用溝が、ガス流路用溝同士の間のリブに対向する位置において、リブの内部に達する第２の冷却流体流路用溝を有し、かつ第２の冷却流体流路用溝が、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路の全領域に対応する位置に形成されていてもよい。
なお、セパレータ板の構造以外の構成要素については、特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明によれば、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するために、仕事量（ポンプ効率）を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
【００４８】
したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池は、ポータブル用燃料電池、自動車用燃料電池およびコージェネレーションシステム用の燃料電池として好適である。また、本発明の高分子電解質形燃料電池においては、冷却流体の冷却効果に優れることから、冷却流体を用いて反応熱を除去することなどによって温度を一定に制御する必要のあるタイプの燃料電池、例えばダイレクトメタノール型燃料電池などにも好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示した単電池１１０におけるアノード４ａ側のセパレータ５ａの燃料ガス流路７ａ側から見た正面図である。
【図４】図３に示した単電池１１０におけるアノード４ａ側のセパレータ５ａの背面図、即ち冷却流体流路８ａ側から見た正面図である。
【図５】図２に示した単電池１１０におけるカソード４ｂ側のセパレータ５ｂの酸化剤ガス流路７ｂ側から見た正面図である。
【図６】図５に示した単電池１１０におけるカソード４ｂ側のセパレータ５ｂの背面図、即ち冷却流体流路８ｂ側から見た正面図である。
【図７】従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【図８】図７に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１、２０１・・・高分子電解質膜、２ａ、２ｂ、２０２ａ、２０２ｂ・・・触媒層、３ａ、３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、２０４ａ・・・アノード、４ｂ、２０４ｂ・・・カソード、５ａ、２０５ａ・・・アノード側セパレータ、５ｂ、２０５ｂ・・・カソード側セパレータ、６ａ、６ｂ、２０６ａ、２０６ｂ・・・ガスケット、７ａ、２０７ａ・・・燃料ガス流路、７ｂ、２０７ｂ・・・酸化剤ガス流路、７ａ１、７ｂ・・・リブ、１８ａ、８ｂ、２０８ａ、２０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、９ｂ・・・第２の冷却流体流路用溝、１０・・・燃料ガスの入口側マニホールド孔、１１・・・燃料ガスの出口側マニホールド孔、１２・・・酸化剤ガスの入口側マニホールド孔、１３・・・酸化剤ガスの出口側マニホールド孔、１４・・・冷却流体の入口側マニホールド孔、１５・・・冷却流体の出口側マニホールド孔、１００、２００・・・ＭＥＡ、１１０、２１０・・・単電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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