(57)【要約】【課題】燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制し、燃料電池全体の発電性能の低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池であって、触媒電極層の外側に積層され、反応ガスを触媒電極層に供給するための反応ガス流路を成すガス拡散層と、ガス拡散層の外側に積層されるセパレータと、ガス拡散層の外周部に配設されるシール部と、反応ガス流路へ反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給流路と、反応ガス排出マニホールドへ反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出流路と備える。ガス拡散層とシール部は、第１および第２の隙間が生じるように配置され、第１の隙間を、反応ガスを第１の反応ガス供給流路から反応ガス流路へ供給する第２の反応ガス供給流路として、第２の隙間を、反応ガス流路から排出される反応ガスを第１の反応ガス排出流路へ排出する第２の反応ガス排出流路として形成する。【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、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に形成される触媒電極層と、
導電性多孔質部材によって形成され、前記触媒電極層の外側に積層され、電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極層に供給するための反応ガス流路を成すガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に積層されるセパレータと、
前記ガス拡散層の外周部に配設され、前記反応ガス流路から該反応ガス流路の外部への前記反応ガスの漏洩を抑制するためのシール部と、
前記反応ガスを前記燃料電池内部に供給するための反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドと連通し、前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス流路へ前記反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給流路と、
前記反応ガスを前記燃料電池外部へ排出するための反応ガス排出マニホールドと、
前記反応ガス排出マニホールドと連通し、前記反応ガス流路から前記反応ガス排出マニホールドへ前記反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出流路と、
を備え、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記ガス拡散層の外周の一部分である第１の外周部と前記シール部との間に、第１の隙間が生じるように配置され、該第１の隙間を、前記第１の反応ガス供給流路と連通させるようにして、前記第１の反応ガス供給流路から供給される前記反応ガスを前記反応ガス流路へ供給する第２の反応ガス供給流路を形成すると共に、
前記ガス拡散層の外周の一部分であり、前記第１の外周部とは異なる第２の外周部と前記シール部との間に、第２の隙間が生じるように配置され、該第２の隙間を、前記第１の反応ガス排出流路と連通させるようにして、前記反応ガス流路から排出される前記反応ガスを前記第１の反応ガス排出流路へ排出する第２の反応ガス排出流路を形成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記第２の反応ガス供給流路と前記第２の反応ガス排出流路とが連通しないように配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層は、積層面において、矩形状であり、
前記ガス拡散層の前記第１の外周部は、前記ガス拡散層の第１の辺に含まれ、
前記ガス拡散層の前記第２の外周部は、前記ガス拡散層の前記第１の辺と向かい合う第２の辺に含まれ、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記ガス拡散層の前記第１の辺と前記シール部との間に前記第２の反応ガス供給流路を形成し、
前記ガス拡散層の前記第２の辺と前記シール部との間に前記第２の反応ガス排出流路を形成し、
前記ガス拡散層における前記第１の辺および前記第２の辺以外の辺と、前記シール部との間が閉塞されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記セパレータは、
前記ガス拡散層の外側において前記ガス拡散層と対向して接する第１のプレートと、
第２のプレートと、
前記第１および第２のプレートによって挟持される中間プレートと、
から形成され、
前記反応ガス供給マニホールド、および、前記反応ガス排出マニホールドは、前記セパレータを該セパレータの厚さ方向に貫通して形成され、
前記中間プレートは、
前記第１の反応ガス供給流路に対応する位置に、前記厚さ方向に貫通する第１の貫通口と、
前記第１の反応ガス排出流路に対応する位置に、前記厚さ方向に貫通する第２の貫通口と、を備え、さらに、
前記第１および第２のプレートに挟持されることによって、前記第１の貫通口が形成する空間を前記第１の反応ガス供給流路として形成し、
前記第１および第２のプレートに挟持されることによって、前記第２の貫通口が形成する空間を前記第１の反応ガス排出流路として形成し、
前記第１のプレートは、
前記厚さ方向に貫通し、前記第１の反応ガス供給流路から前記第２の反応ガス供給流路へ前記反応ガスを受け渡すための第３の貫通口と、
前記厚さ方向に貫通し、前記第２の反応ガス排出流路から前記第１の反応ガス排出流路へ前記反応ガスを受け渡すための第４の貫通口と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記中間プレートにおいて、
前記第１の貫通口は、前記第１の反応ガス供給流路に沿って一つの孔部で形成され、
前記第２の貫通口は、前記第２の反応ガス排出流路に沿って一つの孔部で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記第１の貫通口が形成する前記第１の反応ガス供給流路は、該第１の反応ガス供給流路を前記反応ガス供給マニホールドから供給される前記反応ガスが流れる方向において、上流側ほど、流路断面積が大きく形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記第２の貫通口が形成する前記第１の反応ガス排出流路は、該第１の反応ガス排出流路を前記反応ガス排出マニホールドに排出される前記反応ガスが流れる方向において、下流側ほど、流路断面積が大きく形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
前記セパレータの面方向において、前記第１のプレートにおける前記第３の貫通口の形状と、前記中間プレートにおける前記第１の貫通口の形状とは同形状であり、
前記セパレータの面方向において、前記第１のプレートにおける前記第４の貫通口の形状と、前記中間プレートにおける前記第２の貫通口の形状とは同形状であ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、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池としては、一般に、電解質膜と、電解質膜上に設けられる触媒電極層と、さらに、触媒電極層上に設けられるガス拡散層とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このガス拡散層は、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）を触媒電極層に供給するための反応ガス流路を形成し、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために多孔質な導電性部材から構成される。
【０００３】
このような燃料電池では、ガス拡散層において、ガス拡散層の所定の位置から反応ガスを供給し、また、電気化学反応に供された後の反応ガスを、ガス拡散層の所定の位置から排出する。この場合、ガス拡散層において、反応ガスが供給される場所を、以下では、ガス供給地点とも呼び、反応ガスが排出される場所を、以下では、ガス排出地点とも呼ぶ。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３２０７５３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、上述した燃料電池では、ガス拡散層において、ガス供給地点やガス排出地点付近では、反応ガスが勢いよく流れ、反応ガスの流量が多い反面、ガス供給地点やガス排出地点から遠い部分では、反応ガスの流量が抑制されるおそれがあった。このように、ガス拡散層において、反応ガスの流量が抑制される部分が生じると、その部分では、発電が抑制されるので、その結果、燃料電池全体の発電性能が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制し、燃料電池全体の発電性能の低下を抑制する技術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】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に形成される触媒電極層と、
導電性多孔質部材によって形成され、前記触媒電極層の外側に積層され、電気化学反応に供される反応ガスを前記触媒電極層に供給するための反応ガス流路を成すガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に積層されるセパレータと、
前記ガス拡散層の外周部に配設され、前記反応ガス流路から該反応ガス流路の外部への前記反応ガスの漏洩を抑制するためのシール部と、
前記反応ガスを前記燃料電池内部に供給するための反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドと連通し、前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス流路へ前記反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給流路と、
前記反応ガスを前記燃料電池外部へ排出するための反応ガス排出マニホールドと、
前記反応ガス排出マニホールドと連通し、前記反応ガス流路から前記反応ガス排出マニホールドへ前記反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出流路と、
を備え、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記ガス拡散層の外周の一部分である第１の外周部と前記シール部との間に、第１の隙間が生じるように配置され、該第１の隙間を、前記第１の反応ガス供給流路と連通させるようにして、前記第１の反応ガス供給流路から供給される前記反応ガスを前記反応ガス流路へ供給する第２の反応ガス供給流路を形成すると共に、
前記ガス拡散層の外周の一部分であり、前記第１の外周部とは異なる第２の外周部と前記シール部との間に、第２の隙間が生じるように配置され、該第２の隙間を、前記第１の反応ガス排出流路と連通させるようにして、前記反応ガス流路から排出される前記反応ガスを前記第１の反応ガス排出流路へ排出する第２の反応ガス排出流路を形成することを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池では、反応ガス供給マニホールドから供給された反応ガスは、第１の反応ガス供給流路を介して、第２の反応ガス供給流路を流れつつ、ガス拡散層の反応ガス流路に供給され、また、その反応ガス流路を流れた反応ガスは、第２の反応ガス排出流路を流れつつ、第１の反応ガス排出流路を介して反応ガス排出マニホールドから排出される。このように上記構成の燃料電池では、反応ガス供給マニホールドから供給された反応ガスは、第２の反応ガス供給流路から、ガス拡散層の反応ガス流路に配流され、また、その反応ガス流路を流れた反応ガスは、ガス拡散層の反応ガス流路から第２の反応ガス排出流路に配流されて排出される。従って、燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制することが可能であり、その結果、燃料電池全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記第２の反応ガス供給流路と前記第２の反応ガス排出流路とが連通しないように配置されるようにしてもよい。
【００１０】
このようにすれば、第１の反応ガス供給流路から第１の反応ガス排出流路へ反応ガスが直接ながれることがないので、反応ガスのガス拡散層の反応ガス流路に対する配流性を向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池において、
前記ガス拡散層は、積層面において、矩形状であり、
前記ガス拡散層の前記第１の外周部は、前記ガス拡散層の第１の辺に含まれ、
前記ガス拡散層の前記第２の外周部は、前記ガス拡散層の前記第１の辺と向かい合う第２の辺に含まれ、
前記ガス拡散層と前記シール部は、
前記ガス拡散層の前記第１の辺と前記シール部との間に前記第２の反応ガス供給流路を形成し、
前記ガス拡散層の前記第２の辺と前記シール部との間に前記第２の反応ガス排出流路を形成し、
前記ガス拡散層における前記第１の辺および前記第２の辺以外の辺と、前記シール部との間が閉塞されるようにしてもよい。
【００１２】
このように、ガス拡散層は、積層面において矩形状であるので、第２の反応ガス供給流路および第２反応ガス排出流路は、ガス拡散層を挟んで平行に対向して形成される。また、ガス拡散層において、これらの流路が形成された辺以外の辺とシール部との間は、閉塞されており、従って、第２の反応ガス供給流路に供給された反応ガスは、主に、ガス拡散層の反応ガス流路をより短い経路を通り第２の反応ガス排出流路に排出される。これにより、燃料電池のガス拡散層において、圧力損失増加が抑制される。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記セパレータは、
前記ガス拡散層の外側において前記ガス拡散層と対向して接する第１のプレートと、
第２のプレートと、
前記第１および第２のプレートによって挟持される中間プレートと、
から形成され、
前記反応ガス供給マニホールド、および、前記反応ガス排出マニホールドは、前記セパレータを該セパレータの厚さ方向に貫通して形成され、
前記中間プレートは、
前記第１の反応ガス供給流路に対応する位置に、前記厚さ方向に貫通する第１の貫通口と、
前記第１の反応ガス排出流路に対応する位置に、前記厚さ方向に貫通する第２の貫通口と、を備え、さらに、
前記第１および第２のプレートに挟持されることによって、前記第１の貫通口が形成する空間を前記第１の反応ガス供給流路として形成し、
前記第１および第２のプレートに挟持されることによって、前記第２の貫通口が形成する空間を前記第１の反応ガス排出流路として形成し、
前記第１のプレートは、
前記厚さ方向に貫通し、前記第１の反応ガス供給流路から前記第２の反応ガス供給流路へ前記反応ガスを受け渡すための第３の貫通口と、
前記厚さ方向に貫通し、前記第２の反応ガス排出流路から前記第１の反応ガス排出流路へ前記反応ガスを受け渡すための第４の貫通口と、を備えるようにしてもよい。
【００１４】
上記構成の燃料電池によれば、第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートを組み合わせることにより、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールド、第１の反応ガス供給流路、第１の反応ガス排出流路等を形成することが可能である。
【００１５】
また、上記構成の燃料電池によれば、
反応ガス供給マニホールドから供給された反応ガスは、第１の貫通口が形成する空間から成る第１の反応ガス供給流路を介して、第２の反応ガス供給流路を流れつつ、ガス拡散層の反応ガス流路に供給され、また、その反応ガス流路を流れた反応ガスは、第２の反応ガス排出流路を流れつつ、第２の貫通口が形成する空間から成る第１の反応ガス排出流路を介して反応ガス排出マニホールドから排出される。このように上記構成の燃料電池では、反応ガス供給マニホールドから供給された反応ガスは、第２の反応ガス供給流路から、ガス拡散層の反応ガス流路に配流され、また、その反応ガス流路を流れた反応ガスは、ガス拡散層の反応ガス流路から第２の反応ガス排出流路に配流されて排出される。従って、燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制することが可能であり、その結果、燃料電池全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１６】
上記燃料電池において、
前記第１の貫通口は、前記第１の反応ガス供給流路に沿って一つの孔部で形成され、
前記第２の貫通口は、前記第２の反応ガス排出流路に沿って一つの孔部で形成されるようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、第１の反応ガス供給流路、第１の反応ガス排出流路は連続して形成される。
【００１８】
上記燃料電池において、
前記第１の貫通口が形成する前記第１の反応ガス供給流路は、該第１の反応ガス供給流路を前記反応ガス供給マニホールドから供給される前記反応ガスが流れる方向において、上流側ほど、流路断面積が大きく形成されるようにしてもよい。
【００１９】
このようにすれば、第２の反応ガス供給流路において、上流側付近で、供給される反応ガスの圧力損失を軽減することが可能となり、第２の反応ガス供給流路の下流側に、反応ガスを多く供給することが可能となる。その結果、燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制することが可能となる。
【００２０】
上記燃料電池において、
前記第２の貫通口が形成する前記第１の反応ガス排出流路は、該第１の反応ガス排出流路を前記反応ガス排出マニホールドに排出される前記反応ガスが流れる方向において、下流側ほど、流路断面積が大きく形成されるようにしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、第２の反応ガス排出流路において、下流側付近で、排出される反応ガスの圧力損失を軽減することが可能となり、第２の反応ガス排出流路の上流側の反応ガスを、多く排出することが可能となる。その結果、燃料電池のガス拡散層において、反応ガスの流量が部分的に不均一になることを抑制することが可能となる。
【００２２】
上記燃料電池において、
前記セパレータの面方向において、前記第１のプレートにおける前記第３の貫通口の形状と、前記中間プレートにおける前記第１の貫通口の形状とは同形状であり、
前記セパレータの面方向において、前記第１のプレートにおける前記第４の貫通口の形状と、前記中間プレートにおける前記第２の貫通口の形状とは同形状としてもよい。
【００２３】
このようにすれば、反応ガス供給マニホールドから供給される反応ガスが第１の反応ガス供給流路から、第２の反応ガス供給流路に行き渡るので、反応ガスをガス拡散層の反応ガス流路に素早く分配することが可能となる。また、反応ガス流路を流れた反応ガスを、第２の反応ガス排出流路から、第１の反応ガス排出流路へ素早く排出することが可能となる。その結果、反応ガス流路からの反応ガスの配流性を確保することが可能となる。
【００２４】
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、上記燃料電池に用いられるセパレータや、上記燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。また、このような装置発明に限られず、燃料電池の製造方法などの方法発明の形態で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．セパレータ３０の構成：
Ａ３．単セル１０の構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、モジュール２００と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。モジュール２００は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、モジュール２００が、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、各モジュール２００を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
【００２７】
燃料電池１００には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１００を冷却する冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。燃料電池１００のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク４００から、配管４１５を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク４００の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管４１５には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ４１０および調圧バルブ（図示せず）が配置されている。また、燃料電池１００には、後述する燃料ガス排出マニホールドと接続され、アノードから電気化学反応に供されなかった燃料ガス（以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。）を燃料電池１００外部へ排出するための配管４１７が配置されている。
【００２８】
燃料電池１００のカソードには、エアポンプ４４０から、配管４４４を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００のカソードから排出された空気は、配管４４６を介して大気中に放出される。この排ガスを、酸化排ガスとも呼ぶ。
【００２９】
燃料電池１００には、さらに、ラジエータ４５０から、配管４５５を介して、冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管４５５を介して、ラジエータ４５０に送られ、再び燃料電池１００に循環される。配管４５５上には、循環のための循環ポンプ４６０が配置されている。
【００３０】
モジュール２００は、セパレータと単セルとを交互に積層して構成される。なお、以下では、セパレータと単セルとを積層する方向を積層方向（ｘ方向に該当）とも呼び、単セル面に平行な方向を面方向とも呼ぶ。
【００３１】
Ａ２．セパレータ３０の構成：
図２は、セパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。図２（ａ）は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図２（ｂ）は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図２（ｃ）は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。まず、本実施例の燃料電池１００に用いられるセパレータ３０を説明する。セパレータ３０は、積層方向に沿って見た外郭形状が同じである３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ３０は、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばチタン（Ｔｉ）といった金属によって形成される薄板状部材であり、重ね合わせて拡散接合等により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
【００３２】
アノード側プレート３２およびカソード側プレート３１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、モジュール２００を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。
【００３３】
穴部４０は、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。
【００３４】
穴部４２は、燃料電池１００に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。
【００３５】
さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、冷 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷却媒体を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、冷 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図２（ｃ））は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。
【００３６】
カソード側プレート３１は、図２（ａ）に示すように、穴部４０の近傍に、穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。
【００３７】
アノード側プレート３２は、図２（ｂ）に示すように、穴部４２の近傍に穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。
【００３８】
中間プレート３３は、図２（ｃ）に示すように、穴部４０，４１に加えて、穴部４０，４１に連通するコモンレール部６０，６１を備えている。
【００３９】
このコモンレール部６０，６１は、中間プレート３３の面方向であって、穴部４０，４１に平行な方向にレール状に形成される穴部である。このコモンレール部６０，６１は、カソード側プレート３１と中間プレート３３とが積層された際に、連通孔５０，５１と重なり合って、連通孔５０とコモンレール部６０、連通孔５１とコモンレール部６１とが、それぞれ連通するように、各連通孔５０，５１と対応して設けられている。以下では、コモンレール部６０が、穴部４０からレール状に伸びる方向、および、コモンレール部６１が、穴部４１に向かってレール状に伸びる方向をレール方向とも呼ぶ。
【００４０】
また、中間プレート３３は、図２（ｃ）に示すように、穴部４２，４３の形状は、他のプレートとは異なっており、突出する複数の突出部である連通部６６，６７を備える形状となっている。この連通部６６，６７は、中間プレート３３とアノード側プレート３２とが積層されたときに連通孔５２，５３と重なり合って、燃料ガス供給マニホールドと連通孔５２、燃料ガス排出マニホールドと連通孔５３とが、それぞれ連通するように、各連通孔５２，５３に対応して設けられている。
【００４１】
さらに、中間プレート３３は、細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３をカソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷却媒体が流れるための単セル間の冷却媒体流路（図３参照）をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池１００の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷却媒体は、上記冷媒孔５８によって形成される単セル間の冷却媒体流路に分配され、この冷却媒体流路から排出される冷却媒体は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００４２】
Ａ３．単セル１０の構成：
図３は、第１実施例としての燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。なお、上述した図２（ａ）、図２（ｂ）、および、図２（ｃ）にそれぞれ示すカソード側プレート３１、アノード側プレート３２、および、中間プレート３３におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の形状は、この図３（ａ）、（ｂ）におけるカソード側プレート３１、アノード側プレート３２、および、中間プレート３３の断面形状に該当する。
【００４３】
図３に示すように、単セル１０は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）と、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５と、シール部１６とを備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、これら触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。
【００４４】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第１ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。
【００４５】
第２ガス拡散層１４，１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成される。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。この場合、特に、第２ガス拡散層１４には、酸化ガスが供給され、酸化ガスが流れるので、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。また、第２ガス拡散層１５には、燃料ガスが供給され、燃料ガスが流れるので、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。この単セル内ガス流路についての詳細は、後述する。
【００４６】
シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡおよび第２ガス拡散層１４，１５の外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。このようなシール部１６は、例えば、金型のキャビティ内にＭＥＡの外周部が収まるようにＭＥＡを配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、樹脂材料が多孔質部材である第１ガス拡散層内に含浸されて、ＭＥＡとシール部１６とが隙間なく接合され、ＭＥＡの両面間のガスシール性を確保することができる。なお、シール部１６は、触媒電極を備える電解質膜２０を保持する保持部としても機能している。
【００４７】
図４は、図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。図４に示すように、シール部１６は、矩形状の薄板状部材であり、外周部に設けられ、各マニホールドを形成する６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡおよび第２ガス拡散層１４，１５（クロスハッチ部分）が組み込まれている矩形状の穴部とを有している。なお、図４の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図３に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池１００内では、上記各マニホールドを形成する６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図３において一点鎖線で示す）を、図４の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬの位置において、ガスシール性を実現している。
【００４８】
なお、図４に示すシール部１６および第２ガス拡散層１４のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の形状は、それぞれ、図３（ａ）、（ｂ）のシール部１６および第２ガス拡散層１４の断面形状に該当する。
【００４９】
ここで、シール部１６の中央部における穴部の内縁に沿った線を、シール部内枠ラインＱと呼び、第２ガス拡散層１４の外周に沿った線を、ガス拡散層外周ラインＲと呼ぶ。さらに、シール部内枠ラインＱのうち、穴部４０（酸化ガス供給マニホールド）に近い辺を、シール部内枠ラインＱ１とも呼び、シール部内枠ラインＱ１に対向し、穴部４１（酸化ガス排出マニホールド）に近い辺を、シール部内枠ラインＱ２とも呼ぶ。また、ガス拡散層外周ラインＲのうち、穴部４０（酸化ガス供給マニホールド）に近い辺を、ガス拡散層外周ラインＲ１とも呼び、ガス拡散層外周ラインＲ１に対向し、穴部４１（酸化ガス排出マニホールド）に近い辺を、ガス拡散層外周ラインＲ２とも呼ぶ。
【００５０】
本実施例の燃料電池１００では、図４に示すように、ガス拡散層外周ラインＲ１とシール部内枠ラインＱ１との間には、隙間部Ｕ１が形成されている。単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合において、上述したカソード側プレート３１の連通孔５０は、この隙間部Ｕ１と対応する位置に配置されるようになっている。また、ガス拡散層外周ラインＲ２とシール部内枠ラインＱ２との間には、隙間部Ｕ２が形成されている。単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合において、連通孔５１は、この隙間部Ｕ２と対応する位置に配置される。この場合、隙間部Ｕ１，Ｕ２の幅は、連通孔５０，５１の直径と同程度な幅となっている。なお、ガス拡散層外周ラインＲのうちガス拡散層外周ラインＲ１、Ｒ２以外の辺と、シール部内枠ラインＱのうちシール部内枠ラインＱ１、Ｑ２以外の辺とは、隙間が形成されず密着して形成されている。
【００５１】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３のコモンレール部６０が形成する空間に流入し、その酸化ガスは、コモンレール部６０が形成する空間をレール方向に流れつつ、カソード側プレート３１の各連通孔５０を介して、隙間部Ｕ１に積層方向から流入する。隙間部Ｕ１に流入した酸化ガスは、図４に示すように、レール方向に流れつつ、ガス拡散層外周ラインＲ１から第２ガス拡散層１４の内部に向かって流入する。この酸化ガスは、第２ガス拡散層１４内の酸化ガス流路を面方向に流れると共に、積層方向へさらに拡散し、第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、ガス拡散層外周ラインＲ２を介して、隙間部Ｕ２に流入し、レール方向に流れつつ、各連通孔５１を介して、コモンレール部６１が形成する空間に流入し、レール方向に流れて、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドに排出される。
【００５２】
このように、酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスは、コモンレール部６０が形成する空間、および、隙間部Ｕ１をレール方向に流れつつ、第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ１に流入するので、酸化ガスをガス拡散層外周ラインＲ１に対して略均一に分配することが可能となる。また、第２ガス拡散層１４の酸化ガス流路において、電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、ガス拡散層外周ラインＲ２から隙間部Ｕ２に流入し、隙間部Ｕ２、および、コモンレール部６１が形成する空間をレール方向に流れつつ、酸化ガス排出マニホールドに排出されるので、酸化ガスを第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ２から略均一に排出することが可能となる。従って、第２ガス拡散層１４の酸化ガス流路では、図４に示すように、酸化ガスが、部分的に不均一に流れることを抑制することが可能である。その結果、燃料電池１００全体の発電性能の低下を抑制することができる。また、この場合、第２ガス拡散層１４は矩形であるので、酸化ガスは、ガス拡散層外周ラインＲ１からガス拡散層外周ラインＲ２へ略最短の流路を流れることが可能であり、第２ガス拡散層１４内の圧力損失増加が抑制される。その結果、エアポンプ４４０による電力の消耗を抑制することが可能となる。
【００５３】
酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスは、コモンレール部６０が形成する空間に加えて、隙間部Ｕ１をレール方向に流れて、第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ１に配流される。従って、コモンレール部６０が形成する空間を小さくしても、すなわち、レール方向におけるコモンレール部６０の断面積を小さくしても、酸化ガスは、隙間部Ｕ１を流れてレール方向に流れることが可能なので、ガス拡散層外周ラインＲ１に対する配流性の確保が容易となる。
【００５４】
なお、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部６６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部６７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００５５】
第２ガス拡散層１４は、請求項におけるガス拡散層に該当する。コモンレール部６０，６１は、それぞれ第１の貫通口、第２の貫通口に該当する。隙間部Ｕ１，Ｕ２は、それぞれ、請求項における第１の隙間、第２の隙間に該当する。連通孔５０，５１は、それぞれ、請求項における第３の貫通口、第４の貫通口に該当する。カソード側プレート３１、アノード側プレート３２は、それぞれ、請求項における第１のプレート、第２のプレートに該当する。穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールド、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドは、それぞれ請求項における反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドに該当する。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例におけるカソード側プレート３１の形状示す説明図である。図６は、第２実施例におけるシール部１６および第２ガス拡散層１４の概略断面構成を表わす平面図である。第２実施例の燃料電池１００ａは、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、カソード側プレートの一部分のみが異なっているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。なお、図５は、第１実施例の図２（ａ）に対応するカソード側プレート３１ａの平面図である。図６は、第１実施例の図４に対応するＣ−Ｃ断面図である。
【００５７】
本実施例の燃料電池１００ａにおけるカソード側プレート３１ａは、第１実施例の連通孔５０，５１（図２（ａ））に代えて、連通レール孔５０ａ，５１ａを備えている。この連通レール孔５０ａ、５１ａは、穴部４０，４１に平行に、レール状であり、コモンレール部６０，６１と同形状に形成される穴部であり、連通孔５０，５１と同様の位置に設けられる。これにより、この連通レール孔５０ａは、カソード側プレート３１ａと中間プレート３３が積層された際に、中間プレート３３のコモンレール部６０と連通し、一つのレール状の空間（以下では、供給側コモンレール空間部とも呼ぶ。）を形成する。同様に、連通レール孔５１ａは、カソード側プレート３１ａと中間プレート３３が積層された際に、中間プレート３３のコモンレール部６１と連通し、排出側コモンレール空間部を形成する。
【００５８】
本実施例の燃料電池１００ａにおいて、酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスは、図６に示すように、供給側コモンレール空間部、および、隙間部Ｕ１をレール方向に流れつつ、第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ１に流入するので、酸化ガスをガス拡散層外周ラインＲ１に対して略均一に分配することが可能となる。また、第２ガス拡散層１４の酸化ガス流路において、電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、ガス拡散層外周ラインＲ２から隙間部Ｕ２に流入し、隙間部Ｕ２、および、排出側コモンレール空間部をレール方向に流れつつ、酸化ガス排出マニホールドに排出されるので、酸化ガスを第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ２から略均一に排出することが可能となる。従って、第２ガス拡散層１４の酸化ガス流路では、図６に示すように、酸化ガスが、部分的に不均一に流れることを抑制することが可能である。その結果、燃料電池１００ａ全体の発電性能の低下を抑制することができる。また、この場合、第２ガス拡散層１４は矩形であるので、酸化ガスは、ガス拡散層外周ラインＲ１からガス拡散層外周ラインＲ２へ略最短の流路を流れることが可能であり、第２ガス拡散層１４内の圧力損失増加が抑制される。その結果、エアポンプ４４０による電力の消耗を抑制することが可能となる。
【００５９】
Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例としての燃料電池１００ｂを構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。図８は、第３実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。図８（ａ）は、カソード側プレート３１ａの形状を示す説明図である。図８（ｂ）は、アノード側プレート３２ａの形状を示す説明図である。図８（ｃ）は、中間プレート３３ａの形状を示す説明図である。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）、および、図８（ｃ）にそれぞれ示すカソード側プレート３１ａ、アノード側プレート３２ａ、および、中間プレート３３ａのＤ−Ｄ断面の形状は、それぞれ、図７（ａ）に示すカソード側プレート３１ａ、アノード側プレート３２ａ、および、中間プレート３３ａの断面形状に該当する。同様に、図８（ａ）、図８（ｂ）、および、図８（ｃ）にそれぞれ示すカソード側プレート３１ａ、アノード側プレート３２ａ、および、中間プレート３３ａのＥ−Ｅ断面の形状は、それぞれ、図７（ｂ）に示すカソード側プレート３１ａ、アノード側プレート３２ａ、および、中間プレート３３ａの断面形状に該当する。図９は、図７（ａ）（ｂ）のＧ−Ｇ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。図９に示すシール部１６および第２ガス拡散層１５のＤ−Ｄ断面、Ｅ−Ｅ断面の形状は、それぞれ、図７（ａ）、（ｂ）のシール部１６および第２ガス拡散層１４の断面形状に該当する。
【００６０】
本実施例の燃料電池１００ｂは、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。本実施例におけるカソード側プレート３１ａは、図８（ａ）に示すように、第２実施例のカソード側プレート３１ａと同様の構成となっているので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
アノード側プレート３２ａは、第１実施例の連通孔５２，５３（図２（ｂ））に代えて、連通レール孔５２ａ，５３ａを備えている。この連通レール孔５２ａ、５３ａは、図８（ｂ）に示すように、連通レール孔５０ａ，５１ａと同様に、レール方向にレール状に形成されている。また、この連通レール孔５２ａは、一端が、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドの上部に位置するように設けられ、連通レール孔５３ａは、一端が、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドの下部に位置するように設けられる。
【００６２】
中間プレート３３ａは、第１実施例の連通部６６，６７に代えて、穴部４２，４３に連通するコモンレール部７０ａ，７１ａとを備えている。
【００６３】
このコモンレール部７０ａ，７１ａは、それぞれ、連通レール孔５２ａ，５３ａと同形状である。そして、コモンレール部７０ａ，７１ａは、アノード側プレート３２ａと中間プレート３３ａとが積層された際に、連通レール孔５２ａ，５３ａと重なり合って、連通レール孔５２ａとコモンレール部７０ａ、連通レール孔５３ａとコモンレール部７１ａとが、それぞれ連通するように、連通レール孔５２ａ，５３ａと対応して設けられている。
【００６４】
本実施例において、カソード側の単セル１０の構成は、第１実施例と同様となっており、すなわち、図７のＦ−Ｆ断面に沿った単セル１０の断面構成は、第１実施例におけるＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成（図４）と同様となっているので、詳細な説明は省略する。
【００６５】
図９に示すように、Ｇ−Ｇ断面に沿った単セル１０の断面構成（アノード側の単セル１０の断面構成）において、シール部内枠ラインＱのうち、穴部４０（酸化ガス供給マニホールド）に近い辺を、シール部内枠ラインＱａ１とも呼び、シール部内枠ラインＱａ１に対向し、穴部４１（酸化ガス排出マニホールド）に近い辺を、シール部内枠ラインＱａ２とも呼ぶ。また、ガス拡散層外周ラインＲのうち、穴部４０（酸化ガス供給マニホールド）に近い辺を、ガス拡散層外周ラインＲａ１とも呼び、ガス拡散層外周ラインＲａ１に対向し、穴部４１（酸化ガス排出マニホールド）に近い辺を、ガス拡散層外周ラインＲａ２とも呼ぶ。
【００６６】
本実施例の燃料電池１００ｂでは、図７または図９に示すように、ガス拡散層外周ラインＲａ１とシール部内枠ラインＱ１との間には、隙間部Ｖ１が形成されている。単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合において、上述したアノード側プレート３２ａの連通レール孔５２ａは、この隙間部Ｖ１と対応する位置に配置されるようになっている。また、ガス拡散層外周ラインＲａ２とシール部内枠ラインＱａ２との間には、隙間部Ｖ２が形成されている。単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合において、連通レール孔５３ａは、この隙間部Ｖ２と対応する位置に配置される。この場合、隙間部Ｖ１，Ｖ２において、レール方向と垂直な方向な幅は、連通レール孔５２ａ，５３ａのレール幅と同程度となっている（図７参照）。なお、ガス拡散層外周ラインＲのうちガス拡散層外周ラインＲａ１、Ｒａ２以外の辺と、シール部内枠ラインＱのうちシール部内枠ラインＱａ１、Ｑａ２以外の辺とは、密着して形成されている。
【００６７】
燃料電池１００ｂの内部において、各プレートの穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、コモンレール部７０ａが形成する空間（図７）、または、連通レール孔５２ａ（図７）を介して、隙間部Ｖ１に流入し、その燃料ガスは、この空間や隙間部Ｖ１をレール方向とは逆の方向（以下では、レール逆方向とも呼ぶ。）に流れつつ、ガス拡散層外周ラインＲａ１から第２ガス拡散層１５の内部に向かって流入する。この燃料ガスは、第２ガス拡散層１５内の燃料ガス流路を面方向に流れると共に、積層方向へさらに拡散し、第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった燃料ガスは、ガス拡散層外周ラインＲａ２を介して、隙間部Ｖ２に流入し、レール逆方向に流れつつ、連通レール孔５３ａ（図７）を介して、コモンレール部７１ａが形成する空間（図７）に流入し、レール逆方向に流れて、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドに排出される。
【００６８】
以上のようにすれば、カソード側の第２ガス拡散層１４に加えて、アノード側の第２ガス拡散層１５においてもガスの配流性を向上させることができる。すなわち、以上のように、燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスは、コモンレール部７０ａが形成する空間、および、隙間部Ｖ１をレール逆方向に流れつつ、第２ガス拡散層１５のガス拡散層外周ラインＲａ１に流入するので、燃料ガスをガス拡散層外周ラインＲａ１に対して略均一に分配することが可能となる。また、第２ガス拡散層１５の燃料ガス流路において、電気化学反応に供されなかった燃料ガスは、ガス拡散層外周ラインＲａ２から隙間部Ｖ２に流入し、隙間部Ｖ２、および、コモンレール部７１ａが形成する空間をレール逆方向に流れつつ、燃料ガス排出マニホールドに排出されるので、燃料ガスを第２ガス拡散層１５のガス拡散層外周ラインＲａ２から略均一に排出することが可能となる。従って、第２ガス拡散層１５の燃料ガス流路では、図９に示すように、燃料ガスが、部分的に不均一に流れることを抑制することが可能である。その結果、燃料電池１００ｂ全体の発電性能の低下を抑制することができる。また、この場合、第２ガス拡散層１５は矩形であるので、燃料ガスは、ガス拡散層外周ラインＲａ１からガス拡散層外周ラインＲａ２へ略最短の流路を流れることが可能であり、第２ガス拡散層１５内の圧力損失増加が抑制される。その結果、エアポンプ４４０による電力の消耗を抑制することが可能となる。
【００６９】
Ｄ．第４実施例：
図１０は、第４実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００ｃは、第３実施例の燃料電池１００ｂと類似する構成を有し、セパレータ３０における各プレートの一部のみが異なっているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００７０】
本実施例の燃料電池１００ｃにおけるカソード側プレート３１ｂは、第３実施例の連通レール孔５０ａ，５１ａ（図８）に代えて、連通レール孔５０ｂ，５１ｂを備える。この連通レール孔５０ｂは、図１０に示すように、連通レール孔５０ａと同様の位置において、連通レール孔５０ａと同様にレール状に形成され、レール方向に徐々に断面積が縮小されていく構成となっている。連通レール孔５１ｂは、連通レール孔５１ａと同様の位置において、連通レール孔５１ａと同様にレール状に形成され、レール逆方向に徐々に断面積が縮小されていく構成となっている。
【００７１】
アノード側プレート３２ｂは、第３実施例の連通レール孔５２ａ，５３ａ（図８）に代えて、連通レール孔５２ｂ，５３ｂを備える。この連通レール孔５２ｂは、連通レール孔５２ａと同様の位置において、連通レール孔５２ａと同様にレール状に形成され、レール方向に徐々に断面積が縮小されていく構成となっている。連通レール孔５３ｂは、連通レール孔５３ａと同様の位置において、連通レール孔５３ａと同様にレール状に形成され、レール逆方向に徐々に断面積が縮小されていく構成となっている。
【００７２】
中間プレート３３ｂは、第３実施例のコモンレール部６０，６１，７０ａ，７１ａ（図８）に代えて、コモンレール部６０ｂ，６１ｂ，７０ｂ，７１ｂを備える。このコモンレール部６０ｂ，６１ｂ，７０ｂ，７１ｂは、それぞれ、連通レール孔５０ａ，５１ａ，５２ｂ，５３ｂに対応する位置に設けられ、それらと同形状になっている。
【００７３】
また、カソード側プレート３１ｂにおける連通レール孔５０ｂの位置、および、アノード側プレート３２ｂにおける連通レール孔５２ｂの位置は、図１０に示すように、各プレートを積層した状態で積層方向から見た場合に、カソード側プレート３１ｂにおける連通レール孔５０ｂの斜面部（図１０（ａ））と、アノード側プレート３２ｂにおける連通レール孔５２ｂの斜面部（図１０（ｂ））とが、向かい合う位置に配置される。同様に、連通レール孔５１ｂの位置、および、連通レール孔５３ｂの位置は、図１０に示すように、各プレートを積層した状態で積層方向から見た場合に、連通レール孔５１ｂの斜面部（図１０（ａ））と、連通レール孔５３ｂの斜面部（図１０（ｂ））とが、向かい合う位置に配置される。従って、図１０（ｃ）に示すように、中間プレート３３ｂにおいて、コモンレール部６０ｂとコモンレール部７０ｂ、または、コモンレール部６１ｂとコモンレール部７１ｂは、それぞれレール方向に同一ラインに形成される。このようにすれば、これらの各プレートから形成されるセパレータ３０を小型化することが可能となる。また、このようにすれば、各プレートにおいて、スペースを確保することが可能であり、そのスペースを他の用途に用いるためのスペース（例えば、冷却流路等に対応するスペース）に割り当てたりすることが可能となる。
【００７４】
Ｅ．第５実施例：
図１１は、第５実施例としての燃料電池１００ｄを構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。図１２は、第５実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。図１２（ａ）は、カソード側プレート３１ｃの形状示す説明図である。図１２（ｂ）は、アノード側プレート３２ｃの形状を示す説明図である。図１２（ｃ）は、中間プレート３３ｃの形状を示す説明図である。なお、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、および、図１２（ｃ）にそれぞれ示すカソード側プレート３１ｃ、アノード側プレート３２ｃ、および、中間プレート３３ｃのＨ−Ｈ断面の形状は、それぞれ、図１１（ａ）に示すカソード側プレート３１ｃ、アノード側プレート３２ｃ、および、中間プレート３３ｃの断面形状に該当する。同様に、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、および、図１２（ｃ）にそれぞれ示すカソード側プレート３１ｃ、アノード側プレート３２ｃ、および、中間プレート３３ｃのＩ−Ｉ断面の形状は、それぞれ、図１１（ｂ）に示すカソード側プレート３１ｃ、アノード側プレート３２ｃ、および、中間プレート３３ｃの断面形状に該当する。
【００７５】
本実施例の燃料電池１００ｄは、第３実施例の燃料電池１００ｃと類似する構成を有し、セパレータ３０における各プレートの一部のみが異なっているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００７６】
本実施例の燃料電池１００ｄにおけるカソード側プレート３１ｃは、第３実施例の連通レール孔５０ａ，５１ａ（図８）に代えて、連通レール孔５０ｃ，５１ｃを備える。この連通レール孔５０ｃは、図１１、図１２に示すように、連通レール孔５０ａと同様の位置において、レール方向に対し連通レール孔５０ａの半分の長さに形成されている。連通レール孔５１ｂは、連通レール孔５１ａと同様の位置において、レール方向に対し連通レール孔５１ａの半分の長さに形成されている。
【００７７】
アノード側プレート３２ｃは、第３実施例の連通レール孔５２ａ，５３ａ（図８）に代えて、連通レール孔５２ｃ，５３ｃを備える。この連通レール孔５２ｃは、図１１、１２に示すように、連通レール孔５２ａと同様の位置において、レール方向に対し連通レール孔５２ａの半分の長さに形成されている。連通レール孔５３ｃは、連通レール孔５３ａと同様の位置において、レール方向に対し連通レール孔５３ａの半分の長さに形成されている。
【００７８】
中間プレート３３ｃは、第３実施例のコモンレール部６０，６１，７０ａ，７１ａ（図８）に代えて、コモンレール部６０ｃ，６１ｃ，７０ｃ，７１ｃを備える。このコモンレール部６０ｃ，６１ｃ，７０ｃ，７１ｃは、図１１、図１２に示すように、それぞれ、連通レール孔５０ｃ，５１ｃ，５２ｃ，５３ｃに対応する位置に設けられ、それらと同形状になっている。
【００７９】
また、カソード側プレート３１ｃにおける連通レール孔５０ｃの位置、および、アノード側プレート３２ｃにおける連通レール孔５２ｃの位置は、図１２に示すように、各プレートを積層した状態で積層方向から見た場合に、レール方向において、同一ラインに形成される。同様に、連通レール孔５１ｃの位置、および、連通レール孔５３ｃの位置は、図１２に示すように、各プレートを積層した状態で積層方向から見た場合に、レール方向において、同一ラインに形成される。従って、図１２（ｃ）に示すように、中間プレート３３ｃにおいて、コモンレール部６０ｃとコモンレール部７０ｃ、または、コモンレール部６１ｃとコモンレール部７１ｃは、それぞれレール方向に同一ラインに形成される。このようにすれば、これらの各プレートから形成されるセパレータ３０を小型化することが可能となる。また、このようにすれば、各プレートにおいて、スペースを確保することが可能であり、そのスペースを他の用途に用いるためのスペース（例えば、冷却流路等に対応するスペース）に割り当てたりすることが可能となる。
【００８０】
Ｆ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００８１】
Ｆ１．変形例１：
図１３は、変形例１におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。上記第５実施例の１００ｄでは、カソード側プレート３１ｃの連通レール孔５０ｃと、アノード側プレート３２ｃの連通レール孔５２ｃとが、レール方向において、同一ラインに形成されていればよく、例えば、図１３に示すように、連通レール孔５０ｃが、連通レール孔５２ｃより、レール方向に長く形成されていてもよく、逆に、連通レール孔５２ｃが、連通レール孔５０ｃより、レール方向に長く形成されていてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。なお、この場合、中間プレート３３ｃのコモンレール部６０ｃ，７０ｃは、それぞれ、連通レール孔５０ｃ，５２ｃの形状に対応して形成される。
【００８２】
Ｆ２．変形例２：
図１４は、変形例１におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。上記第５実施例の１００ｄでは、カソード側プレート３１ｃの連通レール孔５１ｃと、アノード側プレート３２ｃの連通レール孔５３ｃとが、レール方向において、同一ラインに形成されていればよく、例えば、図１４に示すように、連通レール孔５１ｃが、連通レール孔５３ｃより、レール方向に長く形成されていてもよく、逆に、連通レール孔５３ｃが、連通レール孔５１ｃより、レール方向に長く形成されていてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。なお、この場合、中間プレート３３ｃのコモンレール部６１ｃ，７１ｃは、それぞれ、連通レール孔５１ｃ，５３ｃの形状に対応して形成される。
【００８３】
Ｆ３．変形例３：
図１５は、変形例３における図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。上記第１実施例の燃料電池１００において、図４に示すように、隙間部Ｕ１における隙間の幅（ｚ方向の幅）と、隙間部Ｕ２のおける隙間の幅とは、同程度となっているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図１５に示すように、隙間部Ｕ２における隙間の幅が、隙間部Ｕ１における隙間の幅より大きいようにしてもよい。また、これに伴い、隙間部Ｕ１、および、隙間部Ｕ２に対応させて、連通孔５０、および、連通孔５１の大きさを変更するようにしてもよい。さらに、隙間部Ｕ１、隙間部Ｕ２の隙間の幅の変更に対応させて、コモンレール部６０、コモンレール部６１の大きさを変更するようにしてもよい。このようにすれば、隙間部Ｕ２の隙間の幅を増大することにより、第２ガス拡散層１４に対する配流性を確保することが可能となる。また、隙間部Ｕ２における隙間の幅を増大しても、隙間部Ｕ１の隙間の幅を小さく抑制しているので、燃料電池１００の大型化を抑制することが可能となる。
【００８４】
Ｆ４．変形例４：
図１６は、変形例４における図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。上記第１実施例の燃料電池１００において、図４に示すように、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドは、第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ１の一端周辺に位置しているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図１６に示すように、穴部４０をガス拡散層外周ラインＲ１の中央に配置するようにしてもよい。このようにすれば、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから供給される酸化ガスは、コモンレール部６０が形成する空間、および、隙間部Ｕ１を、レール方向またはレール逆方向に分配されるので、この酸化ガスがこれらの空間を流れる流路長を短くすることが可能となる。これに伴い、酸化ガスがこれらの空間を流れる際の圧力損失を軽減することが可能となる。従って、このようにすれば、第１実施例の場合と比較して、コモンレール部６０におけるレール幅、隙間部Ｕ１の隙間幅を小さくしても、酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスは、コモンレール部６０が形成する空間、および、隙間部Ｕ１を比較的スムーズに流れることが可能であり、そのため、酸化ガスをガス拡散層外周ラインＲ１に対して略均一に分配することが可能となる。
【００８５】
また、上記第１実施例の燃料電池１００において、図４に示すように、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドは、第２ガス拡散層１４のガス拡散層外周ラインＲ２の一端周辺に位置しているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図１６に示すように、穴部４１をガス拡散層外周ラインＲ２の中央に配置するようにしてもよい。このようにすれば、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドから供給される酸化ガスは、コモンレール部６１が形成する空間、および、隙間部Ｕ２を、レール方向またはレール逆方向に分配されるので、この酸化ガスがこれらの空間を流れる流路長を短くすることが可能となる。これに伴い、酸化ガスがこれらの空間を流れる際の圧力損失を軽減することが可能となる。従って、このようにすれば、第１実施例の場合と比較して、コモンレール部６０におけるレール幅、隙間部Ｕ１の隙間幅を小さくしても、酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガスは、コモンレール部６１が形成する空間、および、隙間部Ｕ２を比較的スムーズに流れることが可能であり、そのため、酸化ガスをガス拡散層外周ラインＲ２に対して略均一に分配することが可能となる。
【００８６】
Ｆ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池では、セパレータとして、三層積層型セパレータを用いているが、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、所定のフラットセパレータや、凹凸状のセパレータなど種々の形状のセパレータを適用可能である。
【００８７】
Ｆ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池において、シール部１６と第２ガス拡散層１４との間に形成される隙間部Ｕ１は、シール部１６の一辺（シール部内枠ラインＱ１）と第２ガス拡散層１４の一辺（ガス拡散層外周ラインＲ１）との間に形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、シール部１６の少なくとも一部分と、それに対応する第２ガス拡散層１４の一部分との間に形成されてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】セパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図３】第１実施例としての燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。
【図４】図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。
【図５】第２実施例におけるカソード側プレート３１の形状示す説明図である。
【図６】第２実施例におけるシール部１６および第２ガス拡散層１４の概略断面構成を表わす平面図である。
【図７】第３実施例としての燃料電池１００ｂを構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。
【図８】第３実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図９】図７（ａ）（ｂ）のＧ−Ｇ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。
【図１０】第４実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図１１】第５実施例としての燃料電池１００ｄを構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第５実施例におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図１３】変形例１におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図１４】変形例１におけるセパレータ３０の各プレートの形状を示す説明図である。
【図１５】変形例３における図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。
【図１６】変形例４における図３（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…単セル
１４，１５…第２ガス拡散層
１６…シール部
２０…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６．２８…第１ガス拡散層
３０…セパレータ
３１…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０〜５３…連通孔
５６，５７…連通部
５８…冷媒孔
６０，６１…コモンレール部
６６，６７…連通部
７０ａ…コモンレール部
７１ａ…コモンレール部
１００…燃料電池
２００…モジュール
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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