(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第１の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第２の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第１の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速を、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速に比べて低下させる流速低下部を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記流速低下部は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路の流路断面よりも流路断面が大きく形成された前記多孔質領域における前記反応ガス流路である
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記ガスセパレータは、前記第１の面に、前記緻密領域および前記多孔質領域にわたって、前記ガス流路を形成するための凹部を有し、
前記流速低下部は、前記緻密領域に設けられた前記凹部に比べて深く形成されている前記多孔質領域に設けられた前記凹部によって形成される前記反応ガス流路である
燃料電池。
【請求項４】
燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第１の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第２の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第１の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、所定方向に向かう前記反応ガスの流れを、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において妨げるガス流妨害部を備える燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記ガスセパレータは、前記第１の面において、前記緻密領域に、前記反応ガス流路を形成するための凹部を形成すると共に、前記多孔質領域に、前記反応ガス流路を形成して内部を前記反応ガスが通過する多孔質部を有し、
前記ガス流妨害部は、前記凹部に連続して設けられた前記多孔質部である
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは、酸素を含有する酸化ガスである
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池であって、
前記多孔質領域は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、下流側の前記反応ガス流路を形成する
燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池は、さらに、
前記多孔質領域における前記冷却ガス流路の下流側に対応する領域に、前記反応ガス流路内での水分の滞留を防止する水分滞留防止部として、前記冷却ガス流路の上流側に対応する領域に形成された前記反応ガス流路に比べて流路断面積が小さく形成された前記反応ガス流路を備える
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流速調整部を備える
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流速調整部は、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において、前記冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞る流路面積絞り部である
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の下流側を形成する領域の方が上流側を形成する領域に比べて、気孔径および／または気孔率が大きい前記多孔質領域を備える
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記ガスセパレータの前記第２の面において前記冷却ガス流路を形成する構造であって、上流側よりも下流側における流路表面積が大きくなる前記冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部を備える
燃料電池。
【請求項１４】
第１の面および第２の面を有し、電解質層および電極を形成する部材と共に積層されて燃料電池を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密部と、
前記第１の面および第２の面の間で水分の移動を許容するように配設された多孔質部と、
前記緻密部と前記多孔質部にわたって前記第１の面上に前記電極との間で流体流路を形成すると共に、前記多孔質部に形成される前記流体流路の流路断面積が、前記緻密部に形成される前記流体流路の流路断面積よりも大きくなる形状を有する流路形成部と
を備えるセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じ、生じた生成水はカソードに給排される酸化ガス中に気化する。そのため、酸化ガスの流路においては、生成水が凝縮して酸化ガスの流れを妨げるなどの不都合が生じるのを防止するために、生じた生成水を酸化ガスの流路から積極的に除去する構成を設けることが望ましい。なお、凝縮水の問題は、酸化ガスの流路においてのみ生じるわけではなく、アノードに供給される燃料ガスの流路においても、電解質層を介して酸化ガス流路側から混入する水蒸気や、予め燃料ガスが含有する水蒸気などに起因して生じ得る問題である。このように、凝縮水の問題は、電気化学反応に供する反応ガスの流路に共通する問題であった。
【０００３】
特許文献１では、積層された単セル間に配設されたガスセパレータを貫通する貫通孔を透水性の樹脂で封孔し、ガスセパレータと電極間に形成される流路を酸化ガス流路とすることで、透水性樹脂を介して酸化ガスからの水の排出を可能にする構成が開示されている。上記ガスセパレータを介して酸化ガス流路に隣接するガス流路が、燃料ガス流路であれば、酸化ガス中の水分を利用して燃料ガスの加湿が可能となる。また、上記ガスセパレータを介して酸化ガス流路に隣接するガス流路が、酸化ガス流路に導入する前の酸化ガスが流れる流路であれば、酸化ガス中の水分を利用して、酸化ガス流路に導入する前の酸化ガスを加湿することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８３１５７号公報
【特許文献２】特表平１１−５０８７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の構成によれば、カソードで生じた生成水を透水性樹脂を介して冷却水流路側に排出する効率は、燃料電池に供給される酸化ガスの流速等の影響を受けるため、水の排出効率が不十分となる場合があった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、ガスセパレータを介してガス流路中の水分を排出させる際に、水分排出の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第１の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第２の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第１の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速を、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速に比べて低下させる流速低下部を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池によれば、多孔質領域に形成される反応ガス流路において、緻密領域に形成される反応ガス流路に比べて、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられるため、多孔質領域では反応ガス流路内に水分が留まりやすくなる。したがって、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分の移動効率を向上させることができる。このとき、反応ガス流路における反応ガスの流速を、多孔質領域では緻密領域に比べて低下させることで、多孔質領域において、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を緻密領域に比べて抑えることができる。
【００１３】
このような本発明の第１の燃料電池において、前記流速低下部は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路の流路断面よりも流路断面が大きく形成された前記多孔質領域における前記反応ガス流路であることとしても良い。
【００１４】
このように、多孔質領域の反応ガス流路を、緻密領域の反応ガス流路に比べて流路断面積を大きく形成することで、多孔質領域において、反応ガスの流速を緻密領域に比べて低下させることができる。
【００１５】
このような本発明の第１の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記第１の面に、前記緻密領域および前記多孔質領域にわたって、前記ガス流路を形成するための凹部を有し、
前記流速低下部は、前記緻密領域に設けられた前記凹部に比べて深く形成されている前記多孔質領域に設けられた前記凹部によって形成される前記反応ガス流路であることとしても良い。
【００１６】
このような構成によれば、多孔質領域に形成される反応ガス流路が、緻密領域に形成される反応ガス流路に比べて流路断面積が大きい構成を、容易に実現することができる。
【００１７】
本発明の第２の燃料電池は、
燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第１の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第２の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第１の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、所定方向に向かう前記反応ガスの流れを、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において妨げるガス流妨害部を備えることを要旨とする。
【００１８】
このような構成とすれば、所定方向に向かう反応ガスの流れを妨げることで、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を妨げ、反応ガス流路からの水分の排出を抑えることができる。また、所定方向に向かう反応ガスの流れを妨げることで、反応ガス流路内で反応ガスの流れを攪拌することができ、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。
【００１９】
このような本発明の第２の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記第１の面において、前記緻密領域に、前記反応ガス流路を形成するための凹部を形成すると共に、前記多孔質領域に、前記反応ガス流路を形成して内部を前記反応ガスが通過する多孔質部を有し、
前記ガス流妨害部は、前記凹部に連続して設けられた前記多孔質部であることとしても良い。
【００２０】
このような場合には、凹部によって形成される反応ガス流路を通過した反応ガスが多孔質部内を流れることで、反応ガスの流れが妨げられ、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられる。
【００２１】
本発明の第１または第２の燃料電池において、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備えることとしても良い。
【００２２】
このような構成とすれば、反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることになるため、多孔質領域を介して反応ガスと冷却ガスとが混じり合うことがあっても、異種のガスが混入することに起因する不都合が生じることがない。また、上記構成によれば、予め冷却ガス流路を通過させることによって、電気化学反応に供する反応ガスを加湿することができる。したがって、本発明を固体高分子型燃料電池に適用する場合には、反応ガスが流入する流入部付近の領域において、電解質膜が乾燥するのを防止することができる。これにより、燃料電池に供給する反応ガスを加湿するための装置を不要としたり、加湿装置を小型化することが可能となる。
【００２３】
本発明の第１または第２の燃料電池において、前記反応ガスは、酸素を含有する酸化ガスであることとしても良い。このような構成とすれば、カソードで生じた生成水を含有する酸化ガスが流れる流路から、多孔質領域を介して、効率良く水分を排出することができる。
【００２４】
本発明の第１または第２の燃料電池において、前記多孔質領域は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、下流側の前記反応ガス流路を形成することとしても良い。反応ガス流路を流れる反応ガス中に水が気化することにより、反応ガス流路の下流ほど、反応ガス流路中の水分量が多くなる。したがって、含有水分量が多くなる領域に多孔質領域を設けることで、反応ガス流路からの多孔質領域を介した排水の効率を向上させることができる。
【００２５】
本発明の第１または第２の燃料電池は、さらに、
前記多孔質領域における前記冷却ガス流路の下流側に対応する領域に、前記反応ガス流路内での水分の滞留を防止する水分滞留防止部として、前記冷却ガス流路の上流側に対応する領域に形成された前記反応ガス流路に比べて流路断面積が小さく形成された前記反応ガス流路を備えることとしても良い。
【００２６】
冷却ガス流路では多孔質領域を介して反応ガス流路側から水分が供給されるため、下流側ほど冷却ガスが含有する水分量が多くなり、冷却ガス流路の下流側ほど、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分移動の効率が低下する。したがって、上記構成とすることで、反応ガス流路において、水分移動の効率が悪い冷却ガス流路の下流側に対応する領域で水分が滞留することに起因する不都合を防止可能となる。
【００２８】
このとき、上記構成では、冷却ガス流路の下流側に対応する領域では、冷却ガス流路の上流側に対応する領域に比べて反応ガスの流速が速くなるため、反応ガス流路内での水分の滞留を防止することができる。
【００２９】
本発明の第１または第２の燃料電池において、
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流速調整部を備えることとしても良い。
【００３０】
このような構成とすれば、冷却ガスが含有する水分量が多くなり、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分移動効率が低下する冷却ガス流路下流側において、水分移動が促進されるため、多孔質領域全体で、水分移動の効率を向上させることができる。
【００３１】
また、冷却ガス流路の下流側において上流側よりも冷却ガスの流速を速くすることで、境界層がより薄くなるため、多孔質体から冷却ガス流路への水分の気化を促進し、水分移動の効率を向上させることができる。このような冷却ガス流速調整部は、例えば、冷却ガス流路の上流側よりも下流側で、前記冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞ることで実現可能である。
【００３２】
あるいは、上記本発明の第１または第２の燃料電池において、前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、前記燃料電池は、前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の下流側を形成する領域の方が上流側を形成する領域に比べて、気孔径および／または気孔率が大きい多孔質領域を、前記多孔質領域として備えることとしても良い。このような構成としても、冷却ガス流路下流側において、水分移動を促進することができる。
【００３３】
あるいは、上記本発明の第１または第２の燃料電池において、前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第２の面において、前記多孔質領域内に形成されており、前記燃料電池は、さらに、前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記ガスセパレータの前記第２の面において前記冷却ガス流路を形成する構造であって、上流側よりも下流側における流路表面積が大きくなる前記冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部を備えることとしても良い。このように、下流側において、冷却ガス流路の流路表面積を大きくすることによっても、冷却ガス流路下流側における水分移動を促進することができる。
【００３４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用ガスセパレータや、燃料電池における反応ガスの加湿方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、発電の本体である燃料電池スタック６０と、燃料ガス供給部６２と、ブロワ６４と、冷却液循環部６１と、制御部６８と、を備えている。本実施例の燃料電池は、燃料電池スタック６０の内部構成に特徴があるが、最初に図１に基づいて全体構成について説明する。
【００３６】
燃料電池スタック６０（以下、スタック６０と呼ぶ）は、固体高分子型燃料電池であり、積層された複数の単セルによって構成されている。スタック６０内部には、複数の流体流路が設けられている。具体的には、スタック６０内部には、水素を含有する燃料ガスの流路である燃料ガス流路７０と、酸素を含有する酸化ガスの流路である酸化ガス流路７２と、冷却ガスの流路である冷却ガス流路７４と、冷却液の流路である冷却液流路７６と、が設けられている。
【００３７】
燃料ガス供給部６２は、スタック６０の燃料ガス流路７０に燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部６２には、例えば水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベを設けることができ、この場合には、純度の高い水素ガスを燃料ガスとしてスタック６０に供給することができる。あるいは、燃料ガス供給部６２として、改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとしてスタック６０に供給することとしても良い。スタック６０に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路７０を通過しつつ電気化学反応に供され、残余のアノードオフガスはスタック６０外部へと排出される。
【００３８】
ブロワ６４は、スタック６０の冷却ガス流路７４および酸化ガス流路７２に空気を供給するための装置である。すなわち、本実施例の燃料電池では、ブロワ６４から供給される空気を、スタック６０を冷却する冷却ガスとして用いると共に、酸化ガスとして用いている。ブロワ６４とスタック６０とを接続して空気流路８０が設けられており、空気流路８０を介してスタック６０に供給された空気は、まず冷却ガス流路７４を通過しつつスタック６０を冷却する。冷却ガス流路７４と酸化ガス流路７２とを接続して接続流路８２が設けられており、冷却ガス流路７４を通過した空気は、接続流路８２を介して酸化ガス流路７２に導かれて、電気化学反応に供される。残余のカソードオフガスは、スタック６０外部へと排出される。なお、空気流路８０から分岐して分岐流路８４が設けられており、分岐流路８４によって、冷却ガス流路７４を経由することなく接続流路８２へと空気が導かれる。分岐流路８４には、分岐流路８４を通過する空気量を調節するための流量調整弁６３が設けられている。したがって、ブロワ６４および流量調整弁６３を制御することで、冷却ガス流路７４を通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。
【００３９】
冷却液循環部６１は、循環ポンプ６５と熱交換器６６とを備えている。循環ポンプ６５は、スタック６０内部の冷却液流路７６と熱交換器６６との間で、スタック６０を冷却するための冷却液を循環させる。冷却液は、冷却液流路７６を通過しつつスタック６０との間で熱交換を行なって昇温し、昇温した冷却液は熱交換器６６を通過することで降温する。
【００４０】
制御部６８は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部６８は、燃料電池で発電すべき発電量に関わる情報を取得すると共に、燃料電池各部の状態に関する情報を取得する。また、制御部６８は、取得した情報に基づいて、燃料ガス供給部６２やブロワ６４、循環ポンプ６５、流量調整弁６３等、燃料電池の各部に駆動信号を出力する。
【００４１】
Ａ−２．スタック６０の構成：
図２は、本実施例の燃料電池を構成する単セル１０の構成を表わす分解斜視図である。また、図３は、単セル１０を構成するセパレータ２０の様子を表わす平面図である。
【００４２】
単セル１０は、図２に示すように、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を、ガス拡散層１３，１４で挟持し、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３，１４をさらに両側からセパレータ２０、２２によって挟持することによって構成されている（図２では、ガス拡散層１３は図示せず。図５〜７参照）。
【００４３】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。また、ガス拡散層１３，１４は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパ、あるいは発泡金属や金属メッシュなどによって形成することができる。
【００４４】
セパレータ２０，２２と、上記ガス拡散層に挟持されたＭＥＡ１２との間には、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、セパレータ２０と、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路が形成される。また、セパレータ２２と、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路が形成される。さらに、一つの単セル１０を構成するセパレータ２０と、隣接する単セル１０を構成するセパレータ２２との間には、冷却液が通過するセル間冷却液流路と、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路とが形成される。このように本実施例の燃料電池では、セル間冷却液流路およびセル間冷却ガス流路が、隣り合うすべての単セル間に形成されているが、これらの冷媒流路は、複数のセル毎に形成されることとしても良い。セパレータ２０，２２は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、ガスおよび水分が透過しない緻密体と、水分（液水あるいは水蒸気）の透過を許容する多孔質体とから成る。この多孔質体の配置および構成は、本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。
【００４５】
図３（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２０を２つの面の各々から見た様子を表わす平面図である。図３（Ａ）は、図２に示すセパレータ２０において手前側に見えている面を表わす。図３に示すように、セパレータ２０は、その外周近くに８個の孔を備えている。具体的には、孔部２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂを備えている。図２に示すように、上記８個の孔部と同様の孔部は、セパレータ２２の対応する位置にも設けられており、対応する位置に設けられた孔部は、スタック６０内で重なり合って、スタック６０内部を単セル１０の積層方向に貫通する流体流路（マニホールド）を形成する。
【００４６】
セパレータ２０の一方の面には、孔部２２ａと孔部２２ｂとを連絡すると共に、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路形成部３０が設けられている（図３（Ａ）参照）。さらに、セパレータ２０の他方の面には、孔部２６ａと孔部２６ｂとを連絡すると共に、セパレータ２０と隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却液流路を形成する冷却液流路形成部３２が設けられている。上記他方の面には、さらに、孔部２８ａと孔部２８ｂとを連絡すると共に、セパレータ２０と隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部３４が設けられている（図３（Ｂ）参照）。
【００４７】
接続流路８２を経由した空気は、酸化ガス供給マニホールド（孔部２２ａ）を介して、各単セル１０内の単セル内酸化ガス流路に分配され、カソードオフガスは、酸化ガス排出マニホールド（孔部２２ｂ）に集合して、スタック６０外部に導かれる。スタック６０に供給された冷却液は、冷却液供給マニホールド（孔部２６ａ）を介して、各セル間冷却液流路に分配され、冷却液排出マニホールド（孔部２６ｂ）に集合して、スタック６０外部に導かれる。スタック６０に供給された空気は、冷却ガス供給マニホールド（孔部２８ａ）を介して、各セル間冷却ガス流路に分配され、冷却ガス排出マニホールド（孔部２８ｂ）に集合して、接続流路８２に導かれる。図３には、各流体の流れの方向を矢印で示している。
【００４８】
セパレータ２２には、セパレータ２０と接する一方の面において、冷却液流路形成部３２に対応する形状の冷却液流路形成部３３と、冷却ガス流路形成部３４に対応する形状の冷却ガス流路形成部３５とが形成されている（図２参照）。冷却液流路形成部３３は、隣り合う冷却液流路形成部３２と共にセル間冷却液流路を形成し、冷却ガス流路形成部３５は、隣り合う冷却ガス流路形成部３４と共にセル間冷却ガス流路を形成する。また、セパレータ２２の他方の面には、孔部２４ａと孔部２４ｂとを連絡すると共に、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内燃料ガス流路を形成する燃料ガス流路形成部が設けられている（図示せず）。スタック６０に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド（孔部２４ａ）を介して、各単セル１０内に形成される単セル内燃料ガス流路に分配され、アノードオフガスは、燃料ガス排出マニホールド（孔部２４ｂ）に集合して、スタック６０外部に導かれる。
【００４９】
なお、図１では、スタック６０内にマニホールドを含んで連続して形成される流路全体を、酸化ガス流路７２、冷却液流路７６、ガス流路７４あるいは燃料ガス流路７０と表わしている。
【００５０】
ここで、図２および図３では、酸化ガス流路形成部３０は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、所定の凹凸形状を有していても良い。本実施例の酸化ガス流路形成部３０は、図４に示すように、略平行な細長い複数の凸部３６を有し、単セル内酸化ガス流路として、略平行な複数の溝状流路群を形成している。あるいは、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしたり、平坦な底面をもつ凹部として形成し、この凹部内にガス拡散層をはめ込むことによって、ガス流路を形成することとしても良い。なお、冷却ガス流路形成部３４においても同様に、所定の凹凸形状を設けることとすれば良い。
【００５１】
図５および図６は、単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。図５は、図４に示したセパレータ２０における５−５断面に対応する断面の様子を示し、図６は、図４に示したセパレータ２０における６−６断面に対応する断面の様子を示している。図５、図６のいずれも、凸部３６に平行であって、凸部３６を含まない断面を表わしている。
【００５２】
セパレータ２０は、多孔質体によって形成される多孔質部５２を備えている。この多孔質部５２は、単セル内酸化ガス流路と冷却ガス流路とを連絡するように、セパレータ２０を貫通して設けられている。セパレータ２０において、多孔質部５２以外の部分（以下、セパレータ基部という）は、水分およびガスが不透過な緻密部材により形成されている。例えば、セパレータ基部は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形した緻密質カーボンや、プレス成形した金属板により形成することができる。多孔質部５２は、上記セパレータ基部を構成する部材と同種の材料により形成することが好ましい。例えば、セパレータ基部がカーボン製である場合には、多孔質部５２もカーボン製とすることが望ましい。カーボン多孔質体は、用いるカーボン粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定することにより、所望の気孔率にすることができる。また、セパレータ基部が金属製である場合には、多孔質部５２は、焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体により形成すればよい。セパレータ基部と、多孔質部５２とは、一体形成しても良いし、別体で形成した後に両者を結合させることとしても良い。
【００５３】
セパレータ２０では、多孔質体によって形成される多孔質部５２は、冷却ガス流路形成部３４が形成される領域全体に配設されている。ここで、図５および図６では、冷却ガス流路形成部３４が、幅の等しい複数の平行な溝を備える凹凸形状を有する様子を表わしている。セパレータ２０において多孔質部５２が配設される領域は、図２および図３では、多孔質領域５３として、破線で囲んで示している。以下の説明では、セパレータ２０において多孔質部５２が配設される領域だけでなく、スタック６０全体で、多孔質部５２が配設される領域に対応する領域を多孔質領域５３と呼ぶ。また、スタック６０において、セパレータ基部が配設される領域に対応する領域であって、多孔質領域５３以外の領域を、緻密領域と呼ぶ。
【００５４】
図５および図６では、酸化ガス流路形成部３０において、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２と、セパレータ２０表面との間に、単セル内酸化ガス流路４０が形成される様子が示されている。また、図５および図６では、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ａによって酸化ガス供給マニホールド４４が形成され、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ｂによって酸化ガス排出マニホールド４６が形成され、これらのマニホールドが単セル内酸化ガス流路４０と連通している様子が示されている。多孔質部５２が配設された多孔質領域５３は、単セル内酸化ガス流路４０における下流側領域、すなわち、単セル内酸化ガス流路４０における酸化ガス排出マニホールド４６との接続部の近傍領域となっている。
【００５５】
図５および図６に示すように、単セル１０においては、酸化ガス流れの下流領域である多孔質領域５３と、上流領域である緻密領域とで、単セル内酸化ガス流路４０の深さ（凸部３６間に形成される溝の深さ）が異なっている。図５および図６では、緻密領域における単セル内酸化ガス流路４０の深さを「ａ」、多孔質領域５３における単セル内酸化ガス流路４０の深さを「ｂ」あるいは「ｃ」と表わしているが、ａ＜ｂ、ａ＜ｃが成り立つ。さらに、多孔質領域５３においても、単セル内酸化ガス流路４０の深さが場所によって異なっており、ｂ＞ｃが成り立つ。すなわち、セパレータ２０の多孔質領域５３には、より深い単セル内酸化ガス流路を形成する領域と、より浅い単セル内酸化ガス流路を形成する領域とが設けられている。より深い単セル内酸化ガス流路４０を形成する領域は、多孔質領域５３において孔部２８ａ（冷却ガス供給マニホールド）よりの半分の領域であり、以下、冷却ガス上流領域５０と呼ぶ。また、より浅い単セル内酸化ガス流路４０を形成する領域は、多孔質領域５３において孔部２８ｂ（冷却ガス排出マニホールド）よりの半分の領域であり、以下、冷却ガス下流領域５４と呼ぶ（図３（Ａ）参照）。なお、図３（Ａ）では、多孔質領域５３を二等分して、冷却ガス上流領域５０と冷却ガス下流領域５４とを設けたが、本実施例および後述する実施例において、冷却ガス上流領域５０と冷却ガス下流領域５４とは、必ずしも等しい大きさとする必要はない。図４に示すように、セパレータ２０が形成する単セル内酸化ガス流路４０は、互いに幅の等しい平行な溝状流路であるため、深い流路が形成される領域ほど、流路断面積が大きく（単位流路断面積当たりのガス流量が少なく）なる。すなわち、緻密領域よりも多孔質領域５３の方が単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きく、多孔質領域５３内では、冷却ガス上流領域５０の方が、冷却ガス下流領域５４よりも単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きい。
【００５６】
図７は、図４に示した５−５断面および６−６断面に平行であって、凸部３６を含む断面を表わしている。このように、凸部３６を含む断面では、冷却ガス上流領域５０であるか冷却ガス下流領域５４であるかに関わらず、共通する構造を示す。すなわち、ガス拡散層１３に接する凸部３６を、緻密領域ではセパレータ基部が形成し、多孔質領域５３では多孔質部５２が形成する。
【００５７】
なお、図５および図６では、セパレータ２２の燃料ガス流路形成部において、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２と、セパレータ２２表面との間に、単セル内燃料ガス流路４２が形成される様子が示されている。セパレータ２２において、ＭＥＡ１２と対向する面と反対側の面には、セパレータ２０と同様に、冷却ガス流路形成部３５と冷却液流路形成部３３の形状に対応する所定の凹凸形状が設けられている。本実施例のセパレータ２２は、全体が、セパレータ２０のセパレータ基部と同様の緻密部材によって形成されている。なお、図５および図６に示すように、セパレータ２０のセパレータ基部では、冷却ガス流路形成部３４および冷却液流路形成部３２の周りにおいて、Ｏリングなどのシール部材３８が配設されており、セル間冷却ガス流路およびセル間冷却液流路をシールしている。
【００５８】
Ａ−３．水分授受の動作：
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。本実施例の燃料電池では、セパレータ２０において、単セル内酸化ガス流路４０の下流側に相当する領域に多孔質部５２を設けることで、多孔質部５２を介して、単セル内酸化ガス流路４０内の水分をセル間冷却ガス流路へと排出可能にしている。ここで、単セル内酸化ガス流路４０内を通過する酸化ガス中の水分量が飽和蒸気圧を下回っているときには、単セル内酸化ガス流路４０から多孔質部５２を介して冷却ガス流路へと移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水が多孔質部５２に一旦吸収された後に、この多孔質部５２から冷却ガス流路内に気化することによって、水分授受が行なわれる。
【００５９】
本実施例の燃料電池において、単セル内酸化ガス流路４０内の凝縮水は、多孔質部５２において、毛管吸引力によって容易に内部に取り込まれ、セル間冷却ガス流路側に移動する。また、このように凝縮水が多孔質部５２に吸収される場合には、多孔質部５２が凝縮水を吸収することによってガスシールされ、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路との間でガスが混じり合うのが抑えられる。なお、このような酸化ガスからの水分の取り込みおよびセル間冷却ガス流路側への水分移動を促進するために、多孔質部５２は、親水処理を施して親水性を高めることが望ましい。例えば、多孔質部５２をカーボン製の多孔質体によって形成する場合には、このカーボン多孔質体を過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することにより、容易に親水性を付与することができる。
【００６０】
本実施例の燃料電池では、多孔質領域５３に形成される単セル内酸化ガス流路４０の流路断面積が、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路４０の流路断面積よりも大きくなるように、セパレータ２０の酸化ガス流路形成部３０が形成されている。これにより、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガスは、下流側である多孔質領域５３を通過するときの方が、上流側である緻密領域を通過するときよりも流速が遅くなる。酸化ガスの流速が遅いほど、酸化ガスの流れによって単セル内酸化ガス流路４０内の液水が外部に排出される動作が抑えられる。また、酸化ガスの流速が遅いほど、カソードで生じた生成水が酸化ガス中に気化する効率が低くなる。したがって、酸化ガスの流速が遅いほど、単セル内酸化ガス流路４０内に水分が留まり易くなる。このように、緻密領域に形成された単セル内酸化ガス流路よりも深く形成された多孔質領域５３内の単セル内酸化ガス流路は、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を、単セル内酸化ガス流路の形状によって抑える水分排出抑制部として機能する。
【００６１】
上記のように、本実施例の燃料電池によれば、多孔質領域５３では、緻密領域に比べて、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられる。したがって、多孔質領域５３では、単セル内酸化ガス流路４０内に水分がより多く留まるようになり、単セル内酸化ガス流路４０内の水分のより多くが、多孔質部５２を介して冷却ガス流路側へと移動可能となる。そのため、多孔質部５２を介した単セル内酸化ガス流路４０から冷却ガス流路側への水分移動効率を向上させることができる。特に本実施例では、セル間冷却ガス流路を通過した冷却ガスを酸化ガスとして用いているため、単セル内酸化ガス流路４０から冷却ガス流路への水分移動効率を向上させることで、単セル内酸化ガス流路４０に供給する酸化ガスの湿度をより高くすることが可能となる。したがって、電解質膜の水分不足を防止可能となる。
【００６２】
また、本実施例の燃料電池では、多孔質領域５３において、冷却ガス下流領域５４に形成される単セル内酸化ガス流路４０の方が、冷却ガス上流領域５０に形成される単セル内酸化ガス流路４０に比べて、流路断面積が小さくなるように形成されている。これにより、冷却ガス下流領域５４を通過する酸化ガスの方が、冷却ガス上流領域５０を通過する酸化ガスに比べて、流速が速くなる。酸化ガスの流速をより速くすることで、単セル内酸化ガス流路内の冷却ガス下流領域では、冷却ガス上流領域に比べて、酸化ガスの流れによってガスの流れ方向へ水分が移動する効率が向上する。このように、本実施例では、冷却ガス上流領域よりも浅く形成された冷却ガス下流領域の単セル内酸化ガス流路は、酸化ガスの流れによって水分を移動させ、水分が滞留するのを防止する水分滞留防止部として機能する。ここで、セル間冷却ガス流路を通過する冷却ガスは、多孔質部５２を介して単セル内酸化ガス流路４０から供給される水分によって加湿されるため、セル間冷却ガス流路の下流側ほど冷却ガスの湿度は高くなる。冷却ガスの湿度が高いほど、多孔質部５２を介した単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への水分の移動効率は低くなる。流路断面積を小さくして酸化ガスの流速をより速くした冷却ガス下流領域５４は、このように、多孔質部５２を介した水分の移動効率が低い領域である。
【００６３】
上記のように本実施例の燃料電池によれば、多孔質領域５３全体としては、多孔質部５２を介した水分移動の効率を向上させると共に、多孔質領域５３内で水分移動の効率が比較的悪くなる一部の領域においてフラッディングが生じることによる電池性能の低下を防止できる。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、多孔質領域５３では緻密領域に比べて流路が深く形成された単セル内酸化ガス流路４０を設けたが、異なる構成としても良い。以下に、第２実施例として、多孔質領域５３では緻密領域に比べて流路断面積が大きくなると共に、第１実施例とは異なる形状の単セル内酸化ガス流路を備える燃料電池について説明する。第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。
【００６５】
図８は、第２実施例の燃料電池が備えるセパレータ１２０の構成を表わす平面図である。セパレータ１２０は、第１実施例のセパレータ２０に代えて用いられ、ＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部１３０が設けられている。酸化ガス流路形成部１３０は、緻密領域においては、第１実施例の凸部３６と同様に略平行な複数の溝状流路群を形成するための細長い複数の凸部１３６を有している。また、酸化ガス流路形成部１３０は、多孔質領域５３においては、断面四角形の凸部であって、四角形の幅（一辺の長さ）が上記凸部１３６の幅と同様の長さである複数の凸部１３７が設けられている。複数の凸部１３７は、格子状に配設されており、格子を構成する列のそれぞれが、各凸部１３６の延長線上に配置するように設けられている。
【００６６】
このような場合にも、単セル内酸化ガス流路４０の流路断面積を、多孔質領域５３では緻密領域よりも大きくすることができるため、多孔質領域５３における酸化ガスの流速をより遅くし、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例の燃料電池が備えるセパレータ２２０の構成を表わす平面図である。第３実施例の燃料電池は、第１および第２実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。セパレータ２２０は、第１実施例のセパレータ２０に代えて用いられ、ＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部２３０が設けられている。酸化ガス流路形成部２３０は、緻密領域においては、第２実施例と同様の複数の凸部１３６を有している。また、酸化ガス流路形成部２３０は、多孔質領域５３においては、第２実施例の凸部１３７と同様の形状の凸部を略９０度回転させた向きの複数の凸部２３７を、凸部１３６が形成する流路から流れてきた酸化ガスの流れ（図９中に矢印で示す）を妨げる位置に、規則的に設けた形状を有している。このように複数の凸部２３７を配設することで、単セル内酸化ガス流路４０の流路断面積を、多孔質領域５３において緻密領域よりも大きくしている。
【００６８】
このような構成としても、単セル内酸化ガス流路の流路断面積を、多孔質領域５３では緻密領域よりも大きくすることにより、多孔質領域５３における酸化ガスの流速をより遅くし、第１実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第３実施例の燃料電池では、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを、多孔質体によって形成した凸部２３７によって妨げるため、酸化ガスが運ぶ水分（特に液水）を、多孔質体によって形成する凸部２３７によって捉えることが可能となる。したがって、単セル内酸化ガス流路内で、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える効果を高めることができる。また、第３実施例の燃料電池によれば、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを凸部２３７によって妨げるため、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れを攪拌することができ、カソードへの酸素の供給が促進され、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。
【００６９】
Ｄ．第４実施例：
図１０は、第４実施例の燃料電池が備えるセパレータ３２０の構成を表わす平面図である。また、図１１は、セパレータ３２０を備える単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。第４実施例の燃料電池は、第１および第２実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。セパレータ３２０は、第１実施例のセパレータ２０に代えて用いられ、ＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部３３０が設けられている。酸化ガス流路形成部３３０は、緻密領域においては、第２実施例と同様の複数の凸部１３６を有している。また、酸化ガス流路形成部３３０は、多孔質領域５３においては、流路を形成するための凹部構造を有しておらず、凹凸形状を有しない多孔質体から成る多孔流路部３３７を備えている。この多孔流路部３３７を構成する多孔質体は、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路の流路断面積よりも、実質的な流路断面積が大きくなる（単位断面積当たりの流量が少なくなる）ような、充分に大きな多孔率および細孔径を有している。また、セパレータ３２０は、多孔質領域５３において、セル間冷却ガス流路側には、第１実施例と同様の多孔質部５２を備えている。本実施例のセパレータ３２０では、多孔流路部３３７を構成する多孔質体は、多孔質部５２を構成する多孔質体よりも大きな多孔率および細孔径を有している。
【００７０】
第４実施例の燃料電池においても、単セル内酸化ガス流路の流路断面積を、多孔質領域５３において緻密領域全体よりも大きくすることにより、多孔質領域５３における酸化ガスの流速をより遅くし、第１実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第４実施例の燃料電池では、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを、多孔質体によって形成した多孔流路部３３７によって妨げるため、酸化ガスが運ぶ水分（特に液水）を、多孔流路部３３７によって捉えることが可能となる。したがって、単セル内酸化ガス流路において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える効果を高めることができる。また、第４実施例の燃料電池によれば、緻密領域から所定の向きに流れてきた酸化ガスの流れを多孔流路部３３７によって妨げるため、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れを攪拌することができ、カソードへの酸素の供給が促進されるため、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。
【００７１】
なお、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路の形状は、略平行な複数の溝状流路群以外の形状でも良い。また、セパレータ３２０において、単セル内酸化ガス流路を形成する多孔流路部３３７と多孔質部５２とでは多孔率および細孔径を異ならせることとしたが、同様の多孔質によって多孔流路部３３７と多孔質部５２とを形成することとしても良い。少なくとも単セル内酸化ガス流路を形成する側において、緻密領域よりも多孔質領域５３で単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きくなるような多孔率および／または細孔径を、多孔流路部３３７が有していればよい。ただし、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路とを隔てる多孔質部５２の多孔率および／または細孔径を充分に小さくして、単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路へと酸化ガスが移動することに起因する酸化ガス利用率の低下を抑えることが望ましい。
【００７２】
Ｅ．第５実施例：
図１２，１３は、第５実施例の燃料電池が備える単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。第５実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。第５実施例の燃料電池は、セパレータ２０に代えてセパレータ４２０を備えている。セパレータ４２０は、セパレータ２０における多孔質部５２に代えて、多孔質部４５２を備えている。また、セパレータ４２０は、セパレータ２０と同様に、幅が等しく略平行な複数の溝状流路群を形成する凹凸形状として、複数の凸部３６を備えている。図１２は、図５に対応する断面における様子を表わし、図１３は、図６に対応する断面における様子を表わす。すなわち、図１２は、凸部３６に平行であり凸部３６を含まない断面であって、冷却ガス上流領域５０を通過する断面の様子を表わす。また、図１３は、同じく凸部３６に平行であり凸部３６を含まない断面であって、冷却ガス下流領域５４を通過する断面の様子を表わす（図３（Ａ）および図４参照）。
【００７３】
本実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、単セル内酸化ガス流路４０の深さが、緻密領域に比べて多孔質領域５３の方が深く形成されている。すなわち、緻密領域の単セル内酸化ガス流路４０の深さが「ａ」であり、多孔質領域５３の単セル内酸化ガス流路４０の深さが「ｄ」とすると、ａ＜ｄが成り立つ。これにより、緻密領域よりも多孔質領域５３において酸化ガスの流速が遅くなる。したがって、第１実施例と同様に、多孔質領域５３において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分移動を抑え、多孔質部５２を介した単セル内酸化ガス流路４０から冷却ガス流路側への水分移動効率を向上させることができる。なお、第５実施例では、単セル内酸化ガス流路４０の深さを、多孔質領域５３で均一としているが、第１実施例と同様に、冷却ガス上流領域５０と冷却ガス下流領域５４とで異ならせてもよい。
【００７４】
さらに、本実施例の燃料電池では、セル間冷却ガス流路の深さが、冷却ガス上流領域５０に比べて冷却ガス下流領域５４の方が浅く形成されている。すなわち、冷却ガス上流領域５０においてセル間冷却ガス流路を形成する溝深さを「ｅ」、冷却ガス下流領域５４においてセル間冷却ガス流路を形成する溝深さを「ｆ」とすると、ｅ＞ｆが成り立つ。ここで、多孔質部４５２に形成される冷却ガス流路形成部は、第１実施例と同様に、幅の等しい複数の平行な溝を備える凹凸形状を有するため、浅い流路が形成される領域ほど、流路断面積が小さく（単位流路断面積当たりのガス流量が多く）なる。このように、冷却ガス上流領域５０よりも冷却ガス下流領域５４の方が、セル間冷却ガス流路の流路断面積が小さいため、冷却ガス下流領域５４の方が冷却ガスの流速が速くなる。したがって、冷却ガス下流領域５４におけるセル間冷却ガス流路では、冷却ガスの流速を速くすることで境界層をより薄くして、多孔質部４５２内からセル間冷却ガス流路への水分の気化を促進することができる。既述したように、冷却ガスは下流側ほど湿度が高く、冷却ガス下流領域５４では冷却ガス上流領域５０よりも多孔質部４５２から冷却ガス中に水が気化する効率が低下する。本実施例では冷却ガス下流領域５４において多孔質部４５２から冷却ガス中への水の気化を促進することで、多孔質部４５２から冷却ガス中への水の気化効率を、多孔質部４５２全体で確保可能としている。このように、セル間冷却ガス流路は、上流側よりも下流側で冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞る流路面積絞り部として働くことで、上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流量調整部として働く。これにより、セル間冷却ガス流路は、上流側よりも下流側で単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として機能する。
【００７５】
なお、本実施例では、多孔質部４５２表面に設けた凹凸形状によって、冷却ガス上流領域５０と冷却ガス下流領域５４との間で冷却ガスの流速を異ならせたが、異なる構成としても良い。例えば、セパレータ４２０に隣接してセパレータ４２０との間にセル間冷却ガス流路を形成するセパレータ２２において、セル間冷却ガス流路を形成するための凹凸形状を、冷却ガス上流領域５０と冷却ガス下流領域５４とで異ならせて、流速を変化させることとしても良い。
【００７６】
Ｆ．第６実施例：
セル間冷却ガス流路の上流側よりも下流側の領域で、単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進するために、第５実施例とは異なる構成の水分移動促進部を設けることもできる。一例である第６実施例として、冷却ガス上流領域５０よりも冷却ガス下流領域５４の方が、多孔率および／または細孔径が大きく形成された多孔質部を備えるセパレータを、第１実施例のセパレータ２０に代えて用いることができる。これにより、冷却ガス下流領域５４では、冷却ガス上流領域５０よりも、多孔質部を介した単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への水分移動が促進され、第５実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
Ｇ．第７実施例：
上流側よりも下流側で単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進するために、さらに異なる水分移動促進部を設けた構成を、第７実施例として以下に説明する。第７実施例の燃料電池において、第１実施例のセパレータ２０に代えて用いるセパレータが備える多孔質部は、冷却ガス上流領域５０よりも、冷却ガス下流領域５４の方が、セル間冷却ガス流路を形成する側の表面積が大きく形成されている。これにより、冷却ガス下流領域５４では、冷却ガス上流領域５０よりも、多孔質部からセル間冷却ガス流路への水分の気化が促進され、第５実施例と同様の効果を得ることができる。ここで、セパレータが備える多孔質部において、セル間冷却ガス流路を形成する側の表面積を調節するには、例えば多孔質部をプレス成形する場合には、プレスに用いる金型に凹凸形状を形成することで、プレスと同時に所望の表面積を有する凹凸形状に表面を加工することができる。あるいは、多孔質部を成形後に、機械加工によって所望の表面積を有する凹凸形状に加工することとしても良い。
【００７８】
なお、セパレータの多孔質領域を構成する多孔質部において、第５ないし第７実施例に示したそれぞれの水分移動促進部の構成を、複数組み合わせて設け、冷却ガス下流領域５４において多孔質部を介したセル間冷却ガス流路への水分移動をさらに促進しても良い。
【００７９】
Ｅ．変形例：
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。
【００８０】
Ｅ１．変形例１（多孔質体の配置に関する変形例）：
第１ないし第７実施例では、多孔質部を備える多孔質領域５３は、単セル内酸化ガス流路４０の下流側領域に設けているが、他の領域であっても良い。酸化ガスは、単セル内酸化ガス流路４０を通過しつつ生成水の含有量を次第に増やすため、含水量の多い酸化ガスが流れる下流に多孔質領域を設けることで、単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路への多孔質部を介した水分移動を効果的に行なわせることができる。しかしながら、他の領域に多孔質領域を設けても良く、本発明を適用することで、多孔質領域において単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路へと多孔質体を介して水分移動させる効率を向上させることができる。
【００８１】
第１ないし第７実施例の燃料電池では、緻密領域は、ガス不透過なセパレータ基部によって構成したが、緻密領域を構成するセパレータ基部上であって、単セル内酸化ガス流路４０を形成する表面に、多孔質体を配設することとしても良い。単セル内酸化ガス流路４０を形成する表面に多孔質体を配設すれば、単セル内酸化ガス流路４０内の水分は、表面に配設した多孔質体に容易に取り込まれて流路内の特定箇所に留まることなく単セル内酸化ガス流路４０内に広がる。そのため、生成水によって単セル内酸化ガス流路４０が塞がれるのを防止することができる。セパレータ基部が、単セル内酸化ガス流路４０を形成する表面に多孔質体を備えていても、多孔質領域においてのみ、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路とが多孔質体を介して連絡されていればよい。単セル内酸化ガス流路４０内の多孔質領域において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を、緻密領域に比べて抑える水分排出抑制部を備えるならば、実施例と同様の効果が得られる。
【００８２】
第１ないし第７実施例では、多孔質領域全体を多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、単セル内酸化ガス流路４０を形成するための複数の凸部３６（図４参照）は緻密質で形成し、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路とを隔てる部分だけを多孔質体によって形成することとしても良い。多孔質領域５３において、凸部３６も多孔質体で形成することにより、単セル内酸化ガス流路４０内に水分を留める効率を向上させることができて望ましいが、上記のように多孔質領域の一部を緻密質により形成することも可能である。
【００８３】
Ｅ２．変形例２（冷却ガスに関する変形例）：
第１ないし第７実施例では、セル間冷却ガス流路を通過した冷却ガスを酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路４０に供給しているが、セル間冷却ガス流路と単セル内酸化ガス流路とには、独立して空気が供給されることとしても良い。あるいは、多孔質部を介してセル間冷却ガス流路側へと水分を移動させる水分源となる酸化ガス（電気化学反応に供する反応ガス）と同種のガスを冷却ガスとして用いる代わりに、異種のガスを冷却ガスとして用いても良い。この場合には、反応ガスに混入しても電気化学反応に影響を与えないガスを冷却ガスとして選択することが望ましい。また、冷却ガス圧を反応ガス圧よりも低くするならば、冷却ガスが反応ガスに混入するのを効果的に防止できる。
【００８４】
また、第１ないし第７実施例では、多孔質領域には冷却ガスを流し、緻密領域には冷却液を流して燃料電池の冷却を行なっているが、多孔質領域に冷却ガスが流れ、反応ガス流路から冷却ガス流路へと多孔質部を介して水分が移動可能であれば異なる構成としても良い。実施例の構成では、酸化ガス中の酸素濃度が高く電気化学反応がより活発に進行する上流領域である緻密領域を、液体を用いて冷却することによって、冷却効率を向上させているが、冷媒として冷却ガスだけを用いることとしても良い。
【００８５】
Ｅ３．変形例３（発明を適用するガス流路に関する変形例）：
第１ないし第７実施例では、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路との間に配設されるガスセパレータに多孔質部を配設しているが、単セル内燃料ガス流路４２とセル間冷却ガス流路との間に配設されるガスセパレータに、同様の多孔質部を配設しても良い。電気化学反応で利用する反応ガスである燃料ガスの流路において本発明を適用すれば、単セル内燃料ガス流路内の水分を冷却ガス流路側に排出する際に、単セル内燃料ガス流路内の水分を多孔質部を介して冷却ガス流路側に移動させる効率を向上させることができる。なお、この場合には、冷却ガスとしては、単セル内燃料ガス流路に供給する前の燃料ガスを用いることが望ましい。すなわち、排水の対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることが望ましい。
【００８６】
あるいは、セパレータ２０とセパレータ２２との両方に、実施例の多孔質部と同様の多孔質部を設けることとしても良い。このような構成とすれば、単セル内酸化ガス流路４０と単セル内燃料ガス流路４２の両方において、多孔質部を介して冷却ガスに水分を移動させる効率を向上させる同様の効果を得ることができる。このとき、冷却ガス圧を、燃料ガス圧および酸化ガス圧よりも充分に低くすれば、燃料ガスと酸化ガスとが混じり合うことを防止可能となる。
【００８７】
Ｅ４．変形例４：
第１ないし第７実施例では、セル間冷却ガス流路と単セル内酸化ガス流路４０とを接続する接続流路８２を設けているが、この接続流路８２は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガス排出マニホールド端部と酸化ガス供給マニホールド端部とを接続して形成することができる。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路８２を設けることも可能である。
【００８８】
Ｅ５．変形例５：
第１ないし第７実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であって、発電中に反応ガス流路中の水分量が増加し、燃料電池を冷却するために冷却ガスを用いる燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。特に、多孔質部を介して供給された水分を含有した冷却ガスを反応ガスとして用いる構成を、湿潤状態で用いる電解質層を備える燃料電池に適用する場合には、電解質層の水分不足を防止する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１実施例における燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】単セル１０の構成を表わす分解斜視図である。
【図３】セパレータ２０の様子を表わす平面図である。
【図４】略平行な複数の溝状流路群を形成するセパレータ２０を表わす平面図である。
【図５】単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図６】単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図７】単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図８】セパレータ１２０の構成を表わす平面図である。
【図９】セパレータ２２０の構成を表わす平面図である。
【図１０】セパレータ３２０の構成を表わす平面図である。
【図１１】第４実施例の単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図１２】第５実施例の単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図１３】第５実施例の単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０…単セル
１２…ＭＥＡ
１３，１４…ガス拡散層
２０，２２，１２０，２２０，３２０，４２０…セパレータ
２２ａ，２２ｂ…孔部
２４ａ，２４ｂ…孔部
２６ａ，２６ｂ…孔部
２８ａ，２８ｂ…孔部
３０，１３０，２３０，３３０…酸化ガス流路形成部
３２，３３…冷却液流路形成部
３４，３５…冷却ガス流路形成部
３６…凸部
３８…シール部材
４０…単セル内酸化ガス流路
４２…単セル内燃料ガス流路
４４…酸化ガス供給マニホールド
４６…酸化ガス排出マニホールド
５０…冷却ガス上流領域
５２，４５２…多孔質部
５３…多孔質領域
５４…冷却ガス下流領域
６０…燃料電池スタック
６１…冷却液循環部
６２…燃料ガス供給部
６３…流量調整弁
６４…ブロワ
６５…循環ポンプ
６６…熱交換器
６８…制御部
７０…燃料ガス流路
７２…酸化ガス流路
７４…冷却ガス流路
７６…冷却液流路
８０…空気流路
８２…接続流路
８４…分岐流路
１３６，１３７，２３７…凸部
３３７…多孔流路部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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