(57)【要約】【課題】  多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いること。【解決手段】カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２２７を備えている。冷却ガス流路形成部２２７には、冷却ガス流路５５を、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃを含む第１の領域と、第１の領域以外の第２の領域とに区分し、冷却ガス流路５５を流れる冷却ガスのうち、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスを冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃに導くためのガイド部６５が形成されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータと、
を備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置されるシール材と、
前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスを前記燃料電池外部へ排出する排出手段とを備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスの前記燃料電池外部への排出は、所定条件時に実行される燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記排出手段は、
前記冷却ガス流路と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする冷却ガス排出  部と、
前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガ  スを前記冷却ガス排出部へと導く誘導部と、
所定条件時に、前記冷却ガス流路と前記燃料電池外部とを連通するよう前記冷却ガス排出部制御手段とを備える燃料電池。
【請求項４】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータと、
前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置される少なくとも２つのシール材と、
前記少なくとも２つのシール材によって区画形成される緩衝領域と、
前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする連通手段とを備える燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記連通手段は、所定条件時に前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通状態とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成される燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通している燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、
前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、
前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気である燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
前記不凍液はエチレングリコール水溶液である燃料電池。
【請求項１０】
少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池であって、
前記各単電池の隣接部において、
前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、
前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、
前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離するシール材と、
前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスを前記燃料電池外部へ排出する排出手段とを備える燃料電池。
【請求項１１】
少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池であって、
前記各単電池の隣接部において、
前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、
前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、
前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離する少なくとも２つのシール材と、
前記少なくとも２つのシール材によって区画形成される緩衝領域と、
前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする連通手段とを備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質膜型の燃料電池においては、起電反応に伴いカソード側に生成される水分（生成水）による発電効率の低下が問題となっている。そこで、生成水を除去するための技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータの素材に多孔質体（ポーラス）を用いることで、生成水をセパレータに吸い上げる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術では、燃料電池を冷却する冷却液として不凍液を用いた場合に、セパレータ上を流れる不凍液成分が多孔質体を介して電解質膜に到達し、電解質膜に損傷を与えてしまうおそれがあった。一方、冷却液として純水を使用すれば、氷点下以下の環境下で凍結してしまうため現実的でない。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、
膜電極接合体と、
液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータとを備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置されるシール材と、
前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスを前記燃料電池外部へ排出する排出手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、冷却ガス流路を流れる冷却ガスのうちシール材近傍を流れる冷却ガスを燃料電池外部へ排出する排出手段を備えるので、冷却液がシール材を超えて冷却液流路から冷却ガス流路に漏れ出たとしても、燃料電池外部へ排出することができる。したがって、不凍液を含む冷却液が、第１のセパレータの多孔質部を介して膜電極接合体へと及ぶ事態を防止することが可能となり、不凍液成分による膜電極接合体の損傷を防止することができる。よって、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において冷却効果の大きな不凍液を冷却液として用いることができる。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスの前記燃料電池外部への排出は、所定条件時に実行されても良い。かかる場合には、不必要な、燃料電池外部への冷却ガスの排出を抑制することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、
前記排出手段は、
前記冷却ガス流路と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする冷却ガス排出部と、前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスを前記冷却ガス排出部へと導く誘導部と、所定条件時に、前記冷却ガス流路と前記燃料電池外部とを連通するよう前記冷却ガス排出部制御手段とを備えても良い。かかる場合には、冷却ガス流路を流れる冷却ガスのうちシール材近傍を流れる冷却ガスが誘導部によって冷却ガス排出部へと誘導されるので、冷却液流路から漏れ出た冷却液は燃料電池外部へと排出される。したがって、不凍液を含む冷却液が、第１のセパレータの多孔質部を介して膜電極接合体へと及ぶ事態を、さらに適切に防止することが可能となり、不凍液成分による膜電極接合体の損傷をさらに効果的に防止することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体と、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータと、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置される少なくとも２つのシール材と、前記少なくとも２つのシール材によって区画形成される緩衝領域と、前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする連通手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、少なくとも２つのシール材によって区画形成される緩衝領域と、緩衝領域と燃料電池外部とを連通または非連通状態とする連通手段とを備えるので、シール材を超えて冷却液流路から漏れ出た冷却液を緩衝領域に留め、さらに、燃料電池外部へ排出することができる。したがって、不凍液を含む冷却液が、第１のセパレータの多孔質部を介して膜電極接合体へと及ぶ事態を防止することが可能となり、不凍液成分による膜電極接合体の損傷を防止することができる。よって、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において冷却効果の大きな不凍液を冷却液として用いることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記連通手段は、所定条件時に前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通状態としても良い。かかる場合には、不必要な、燃料電池外部への冷却ガスの排出を抑制することができる。
【００１３】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成されても良い。かかる場合には、多孔質部から生成水等の液体を排出することができる。
【００１４】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通していても良い。かかる場合には、多孔質部によって加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることができるので、反応ガスを加湿するための加湿器が不要、あるいは加湿器の小型化を図ることができる。
【００１５】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、
前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気であっても良い。かかる場合には、冷却ガスを反応ガスとしての酸化ガスとして用いることができる。
【００１６】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記不凍液はエチレングリコール水溶液であっても良い。
【００１７】
本発明の第３の態様は、少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池を提供する。本発明の第３の態様に係る燃料電池は、前記各単電池の隣接部において、前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離するシール材と、前記冷却ガス流路を流れる前記冷却ガスのうち前記シール材近傍を流れる前記冷却ガスを前記燃料電池外部へ排出する排出手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第３の態様に係る燃料電池は、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００１９】
本発明の第４の態様は、少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池を提供する。本発明の第４の態様に係る燃料電池は、前記各単電池の隣接部において、前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離する少なくとも２つのシール材と、前記少なくとも２つのシール材によって区画形成される緩衝領域と、前記緩衝領域と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする連通手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第４の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第４の態様に係る燃料電池は、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、いくつかの実施例に基づいて説明する。
【００２２】
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。図２は第１の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。図３は第１の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。図４は第１の実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。
【００２３】
第１の実施例に係る燃料電池１０は、複数の単セル２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１を備えている。複数の単セル２０は、２枚のエンドプレート３０によって挟まれ、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック状の燃料電池１０を形成する。
【００２４】
単セル２０は、膜電極接合体２１、カソードセパレータ２２、アノードセパレータ２３とによって構成されている。単セル２０は、カソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とが接するようにして複数個積層される。
【００２５】
膜電極接合体２１は、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、アノード電極）、および電解質膜の他方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、カソード電極）とを備えている。
【００２６】
カソードセパレータ２２は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ２２は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図２および図３における下側中央領域には多孔質部４０にて形成されている。多孔質部４０は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、燒結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部４０は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。
【００２７】
カソードセパレータ２２は、膜電極接合体２１（カソード電極）との接触面である第１の面２２ａと冷却流路が形成されている第２の面２２ｂとを備えている。カソードセパレータ２２は、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２２２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２２２ｂを備えている。これら各形成部２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。
【００２８】
カソードセパレータ２２は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂ、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃを備えている。これら各形成部２２３ａ、２２３ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、冷却ガス排気マニホールド、および冷却ガス外部排出マニホールドをそれぞれ形成する。これら冷却液および冷却ガスは、燃料電池１０を冷却するために用いられる。冷却液としては、氷点下環境下における凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールを成分に含む不凍液が用いられている。冷却ガスとしては、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。各マニホールド形成部の周囲には、各流体の混合を防止するためにシール材６０が配置されている。
【００２９】
カソードセパレータ２２の第１の面２２ａについて、図２を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第１の面２２ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより酸化ガス流路（反応ガス流路）を形成する酸化ガス（反応ガス）流路形成部２２５が形成されている。酸化ガス流路形成部２２５は、直線状の流路、サーペンタイン流路、溝状（リブ状）流路のいずれの形状であっても良い。さらに、酸化ガス流路形成部２２５は、筋状および溝状の流路に代えて、複数の突起を備えていても良い。
【００３０】
酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａから酸化ガス流路形成部２２５に導入された酸化ガスは、例えば、図２に示すように流動して、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂからセパレータ外（酸化ガス排気マニホールド）へ排出される。
【００３１】
一般的に、燃料電池１０のカソード側では、起電反応に伴い水（生成水）が生成されるため、酸化ガス流路形成部２２５の領域のうち、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａに近い領域ＤＡは比較的乾燥している一方で、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂに近い領域ＷＡは湿潤傾向となりやすい。これに対して、本実施例では、カソードセパレータ２２の下部は、多孔質部４０から構成されているので、生成された水は多孔質部４０に吸収され、後述する冷却ガス流路５５に排出されるので、いわゆるフラッディングが防止される。
【００３２】
カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂについて、図３を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２２７を備えている。冷却液流路形成部２２６および冷却ガス流路形成部２２７は、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ２３の第２の面２３ｂとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路５０および冷却ガス流路５５を形成する。
【００３３】
冷却液流路形成部２２６は、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａおよび冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路形成部２２７は、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａ、並びに冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂおよび冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。
【００３４】
冷却液流路５０（冷却液流路形成部２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間には、中間シール材６１が配置されている。中間シール材６１は冷却液流路５０から冷却ガス流路５５への冷却液の移動を防止する。なお、中間シール材６１と他のシール材６０とは同一の材料にて形成されている。
【００３５】
本実施例における冷却ガス流路形成部２２７には、冷却ガス流路形成部２２７（冷却ガス流路５５）を、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃを含む第１の領域と、第１の領域以外の第２の領域とに区分し、冷却ガス流路５５を流れる冷却ガスのうち、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスを冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃに導くためのガイド部６５が形成されている。
【００３６】
ガイド部６５は、シール材６０、６１よりは高さの低いリブ形状、シール材６０、６１と同等の高さのシール形状のいずれの形状を有していても良い。すなわち、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスを冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃへと導くことができればその形状は問わない。ガイド部６５は、図３に示すように、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａから冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂと冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃとの間を通ってシール材６０まで延伸していることが好ましい。かかる場合には、冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）が、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃを含む第１の領域と、第１の領域以外の第２の領域とに実質的に区分されるので、中間シール材６１近傍の冷却ガスが多孔質部４０に到達する事態をより効果的に防止することができる。
【００３７】
冷却ガス流路形成部２２７における多孔質部４０には、ガイド部６５の他にも、冷却ガスの流れ方向に、流路を細分化するための複数のリブ状部６７が形成されている。
【００３８】
冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃ（冷却ガス外部排出マニホールド）の下流部には、冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７の第１の領域）と燃料電池１０外部とを連通または非連通状態に切り換える切り換えバルブ７０が配置されている。切り換えバルブ７０は、図示しない制御ユニットにより、例えば、所定時間間隔毎に、あるいは、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと漏れ出た冷却液量が所定量以上となった場合に、連通状態とされる。冷却ガス流路５５への冷却液の漏れ量は、例えば、冷却液流路５０を流れる冷却液量を計測することにより、あるいは、冷却ガス流路５５に液量センサを備えることにより検出することができる。
【００３９】
冷却ガス流路形成部２２７を通過する冷却ガスは、多孔質部４０を通過する際に加湿される。多孔質部４０は、既述のように生成水を含んでいるので、乾いた冷却ガスが通過（接触）すると、毛細管現象、気化現象によって含有している水分が冷却ガスによって奪われる、すなわち、冷却ガスが加湿される。したがって、冷却ガス排気マニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとを連通することによって、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。
【００４０】
アノードセパレータ２３は、カソードセパレータ２２と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。本実施例におけるアノードセパレータ２３は、緻密質部のみで形成されている。アノードセパレータ２３は、膜電極接合体２１（アノード電極）との接触面である第１の面２３ａと冷却流路が形成されている第２の面２３ｂとを備えている。
【００４１】
アノードセパレータ２３は、酸化ガス供給マニホールド形成部２３１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２３１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂを備えている。これら各形成部２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。
【００４２】
アノードセパレータ２３は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２３３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２３３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２３４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２３４ｂ、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２３４ｃを備えている。これら各形成部２３３ａ、２３３ｂ、２３４ａ、２３４ｂ、２３４ｃは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、冷却ガス排気マニホールド、および冷却ガス外部排出マニホールドをそれぞれ形成する。
【００４３】
アノードセパレータ２３の第１の面２３ａについて、図４を参照して詳述する。アノードセパレータ２３の第１の面２３ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより燃料ガス流路（反応ガス流路）を形成する燃料ガス（反応ガス）流路形成部２３５が形成されている。燃料ガス流路形成部２３５は、サーペンタイン流路、直線状の流路、溝状（リブ状）流路のいずれの形状であっても良い。さらに、燃料ガス流路形成部２３５は、筋状および溝状の流路に代えて、複数の突起を備えていても良い。
【００４４】
燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａから燃料ガス流路形成部２３５に導入された燃料ガスは、例えば、図４中矢印にて示すように流動して、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂからセパレータ外へ排出される。
【００４５】
アノードセパレータ２３の第２の面２３ｂの構成は、多孔質部４０を備えていない点を除いて、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと同様であるから、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池１０は、冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）に、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスを冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃへと導くガイド部６５を備えている。また、ガイド部６５は、図３に示すように、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａから冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂと冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃとの間を通ってシール材６０まで延伸している。この結果、ガイド部６５は、冷却ガス流路５５を、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃを含む第１の領域と、第１の領域以外の第２の領域とに実質的に区分する。したがって、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと冷却液Ｌ１が漏れ出た（移動した）としても、漏れ出た冷却液Ｌ１は、第１の領域に留められ、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスと共に冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃへと導かれる。この結果、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと漏れ出た冷却液Ｌ１は、冷却ガス流路５５からすぐさま取り除かれるので、冷却液Ｌ１が多孔質部４０を介して膜電極接合体２１に到達する事態を防止することができる。よって、エチレングリコールに含まれるアルコール成分による、電解質膜の溶解を防止することができる。
【００４７】
また、本実施例に係る燃料電池１０は、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃ（冷却ガス外部排出マニホールド）の下流部に、所定時間間隔毎に、あるいは、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと漏れ出た冷却液量が所定量以上となった場合に、連通状態とされる切り換えバルブ７０を備えている。したがって、冷却ガスが不必要に燃料電池１０の外部へ排出されることを防止することができると共に、冷却ガス流路５５から冷却ガス外部排出マニホールドへと排出された冷却液Ｌ１を必要に応じて燃料電池１０の外部に排出することができる。この結果、冷却ガス外部排出マニホールドから冷却ガス流路への冷却液Ｌ１の逆戻りを防止し、冷却液Ｌ１による膜電極接合体２１の破損を確実に防止することができる。
【００４８】
さらに、本実施例では、冷却ガスマニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとが連通されているので、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。したがって、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、若しくは加湿器を小型化することができる。
【００４９】
・第２の実施例：
第２の実施例に係る燃料電池１１について、図５を参照して第２の実施例の特徴を示すカソードセパレータの第２の面の構成を中心に説明する。図５は第２の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。
【００５０】
第２の実施例におけるカソードセパレータ２４は、冷却液流路５０と冷却ガス流路５５との間に、中間シール材６６によって区画形成された緩衝領域８０を備える点で第１の実施例におけるカソードセパレータ２２と異なる。これに伴い第２の実施例におけるカソードセパレータ２４は、冷却ガス外部排出マニホールド形成部２２４ｃに代えて、冷却液外部排出マニホールド形成部２４８を備えている。アノードセパレータについては、冷却ガス外部排出マニホールド形成部が緩衝領域８０に対応して形成されている点を除き第１の実施例におけるアノードセパレータ２３同一であるから、第１の実施例におけるアノードセパレータ２３に用いた符号を用いることで、その説明を省略する。また、カソードセパレータ２４の第１の面の構成は、冷却ガス外部排出マニホールド形成部が緩衝領域８０に対応して形成されている点を除き第１の実施例におけるカソードセパレータ２２の第１の面２２ａと同一であるから、必要に応じて同一の符号を用いることで、その説明を省略する。
【００５１】
カソードセパレータ２４は、膜電極接合体２１（カソード電極）との接触面である第１の面（図示せず）と冷却流路が形成されている第２の面２４ｂとを備えている。カソードセパレータ２４は、酸化ガス供給マニホールド形成部２４１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２４１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２４２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２４２ｂを備えている。これら各形成部２４１ａ、２４１ｂ、２４２ａ、２４２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。
【００５２】
カソードセパレータ２２は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２４３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２４３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２４４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２４４ｂ、冷却液外部排出マニホールド形成部２４８を備えている。これら各形成部２４３ａ、２４３ｂ、２４４ａ、２４４ｂ、２４８は、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、冷却ガス排気マニホールド、および冷却液外部排出マニホールドをそれぞれ形成する。これら冷却液および冷却ガスは、燃料電池１０を冷却するために用いられる。冷却液としては、氷点下環境下における凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールを成分に含む不凍液が用いられている。冷却ガスとしては、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。各マニホールド形成部の周囲には、各流体の混合を防止するためにシール材６０が配置されている。
【００５３】
カソードセパレータ２４の第２の面２４ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２４６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２４７を備えている。冷却液流路形成部２４６および冷却ガス流路形成部２４７は、カソードセパレータ２４の第２の面２４ｂと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ２３の第２の面２３ｂとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路５０および冷却ガス流路５５を形成する。
【００５４】
冷却液流路形成部２４６は、冷却液供給マニホールド形成部２４３ａおよび冷却液排出マニホールド形成部２４３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路形成部２４７は、冷却ガス供給マニホールド形成部２４４ａおよび冷却ガス排気マニホールド形成部２４４ｂと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。
【００５５】
冷却液流路５０（冷却液流路形成部２４６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２４７）との間には、少なくとも２本の中間シール材６６が配置されている。中間シール材６６は、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５への冷却液の移動を防止する。中間シール材６６は、さらに、冷却液Ｌ１を留めると共にその移動を遅らせる緩衝領域８０を区画形成する。なお、中間シール材６６と他のシール材６０とは同一の材料にて形成されている。
【００５６】
緩衝領域８０には、冷却液流路５０から緩衝領域８０内へと移動してきた冷却液Ｌ１を燃料電池１０の外部へ排出するための冷却液外部排出マニホールド形成部２４８が配置されている。したがって、冷却液流路５０から緩衝領域８０へと漏れ出た冷却液Ｌ１は、冷却液外部排出マニホールド形成部２４８および冷却液外部排出マニホールドを介して、燃料電池１０の外部へと排出される。
【００５７】
冷却液外部排出マニホールド形成部２４８（冷却液外部排出マニホールド）の下流部には、緩衝領域８０と燃料電池１０外部とを連通または非連通状態に切り換える切り換えバルブ７０が配置されている。切り換えバルブ７０は、図示しない制御ユニットにより、例えば、所定時間間隔毎に、あるいは、冷却液流路５０から緩衝領域８０へと漏れ出た冷却液量が所定量以上となった場合に、連通状態とされる。緩衝領域８０への冷却液の漏れ量は、例えば、冷却液流路５０を流れる冷却液量を計測することにより、あるいは、緩衝領域８０に液量センサを備えることにより検出することができる。
【００５８】
冷却ガス流路形成部２２７における多孔質部４０には、ガイド部６５に加えて、冷却ガスの流れ方向に、流路を細分化するための複数のリブ状部６７がさらに形成されている。
【００５９】
以上説明したように、第２の実施例に係る燃料電池１０は、冷却液流路５０（冷却液流路形成部２４６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２４７）との間に、少なくとも２つの中間シール材６６によって区画形成された緩衝領域８０を備えている。したがって、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと向かって冷却液Ｌ１が移動したとしても、冷却液流路５０から漏れ出た冷却液Ｌ１は、緩衝領域８０に留められ、冷却液外部排出マニホールド形成部２４８へと導かれる。この結果、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へ向かって冷却液Ｌ１が漏れ出たとしても、緩衝領域８０によって、冷却液Ｌ１の移動を停止または移動量を低減させることができる。また、緩衝領域８０は、冷却ガス流路５５外に形成されているので、緩衝領域８０に存在する冷却液Ｌ１が多孔質部４０を介して膜電極接合体２１に到達する事態を防止することができる。よって、エチレングリコールに含まれるアルコール成分による、電解質膜の溶解を防止することができる。
【００６０】
また、本実施例に係る燃料電池１０は、冷却液外部排出マニホールド形成部２４８（冷却液外部排出マニホールド）の下流部に、所定時間間隔毎に、あるいは、冷却液流路５０から冷却ガス流路５５へと漏れ出た冷却液量が所定量以上となった場合に、連通状態とされる切り換えバルブ７０を備えている。したがって、冷却液が不必要に燃料電池１０の外部へ排出されることを防止することができると共に、緩衝領域８０に留まっている冷却液Ｌ１を必要に応じて燃料電池１０の外部に排出することができる。この結果、冷却液外部排出マニホールドから緩衝領域８０への冷却液Ｌ１の逆戻りを防止し、冷却液Ｌ１による膜電極接合体２１の破損を確実に防止することができる。
【００６１】
・その他の実施例：
ガイド部６５は、多孔質部４０のみに形成されていても良く、あるいは、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａから冷却ガス外部排出マニホールド２２４ｃ近傍に至るまで形成されていても良い。かかる場合にも、ガイド部６５を備えない場合と比較して、中間シール材６１近傍を流れる冷却ガスを、冷却ガス外部排出マニホールド２２４ｃまで十分に導くことができる。
【００６２】
上記実施例では、制御ユニットにより、所定条件下にて連通または非連通状態に切り換えられる切り換えバルブ７０が用いられているが、冷却ガス外部排出マニホールドまたは冷却液外部排出マニホールド内の圧力を受動的に一定圧力に保つ圧力調整バルブ（例えば、背圧調整バルブ）が用いられても良い。かかる場合には、冷却ガス外部排出マニホールドまたは冷却液外部排出マニホールド内の圧力が一定圧力を超えるたびに、冷却ガス外部排出マニホールドまたは冷却液外部排出マニホールドと燃料電池外部とが連通状態とされ、適宜、冷却ガスまたは冷却液を燃料電池外部に排出することができる。また、中間シール材６１、６６によるシールが壊れた場合には、冷却ガス外部排出マニホールドまたは冷却液外部排出マニホールド内の圧力が上昇するため、冷却ガス流路５５における冷却ガスまたは緩衝領域８０における冷却液は、燃料電池外部へと適切に排出される。
【００６３】
上記実施例では、カソードセパレータ２２のみが多孔質部４０を備えているが、アノードセパレータ２３に多孔質部４０を備えても良い。アノード側においても逆浸透等により水分が出現することがあり、多孔質部４０を備えることにより、出現した水分を容易に除去することができる。
【００６４】
上記実施例では、冷却ガスとして空気を用いているが、水素等の燃料ガスを用いても良い。かかる場合には、乾燥しがちなアノード側に対して、別体の加湿装置を備えることなく加湿された水素を供給することができる。
【００６５】
上記実施例において、冷却液濃度を検出または監視する冷却液濃度検出器を備えていても良い。冷却液中の水分が減少した場合に適切に水分を補給することができる。
【００６６】
上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。
【００６７】
以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】第１の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。
【図４】第１の実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】第２の実施例に係る燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池
２０…単セル
２１…膜電極接合体
２２…カソードセパレータ
２２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２２２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２２３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２２３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２２４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２２４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２２４ｃ…冷却ガス外部排出マニホールド形成部
２２５…酸化ガス流路形成部
２２６…冷却液流路形成部
２２７…冷却ガス流路形成部
２２ａ…第１の面
２２ｂ…第２の面
２３…アノードセパレータ
２３１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２３２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２３３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２３３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２３４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２３４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２３ａ…第１の面
２３ｂ…第２の面
２３５…燃料ガス流路形成部
２４…カソードセパレータ
２４１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２４１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２４２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２４２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２４３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２４３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２４４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２４４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２４６…冷却液流路形成部
２４７…冷却ガス流路形成部
２４８…冷却液外部排出マニホールド形成部
２４ｂ…第２の面
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
４０…多孔質部
５０…冷却液流路
５５…冷却ガス流路
６０…シール材
６１、６６…中間シール材
７０…切り換えバルブ
８０…緩衝領域
【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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