(57)【要約】      （修正有）【課題】従来に比べてより簡単な構造でフラッディング現象を十分に防止でき、より安定に運転できる燃料電池を提供する。【解決手段】カソード側ガス流路の上流側に設けられており、ガスの流れを２以上の流路２４，２６に分岐するための上流側分岐部２１と、上流側分岐部２１の下流側であって上流側分岐部２１により分岐された流路２４，２６に設けられており、上流側分岐部２１により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための第１の下流側分岐部２２及び第２の下流側分岐部２３とを備え、下流側分岐部により分岐された流路には、上流側分岐部２１に接続されるフィードバック経路となる流路２５，２７、さらに下流側へのびる流路２８，２９が含まれている。【選択図】図２
2007207680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜とを含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの前記アノードと対向する面に設けられており、前記アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記一対のセパレータの前記カソードと対向する面に設けられており、前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路及び前記カソード側ガス流路のうちの少なくとも一方の上流側に設けられており、ガスの流れを２以上の経路に分岐するための上流側分岐部と、
前記上流側分岐部の下流側であって前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための下流側分岐部と、
を備え、
前記下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記上流側分岐部に接続されるフィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも１つ、含まれていること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路毎に前記下流側分岐部が設けられていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が、前記カソード側に配置される前記セパレータの前記ガス流路に設けられており、
前記上流側分岐部はガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有しており、
前記下流側分岐部は、前記上流側分岐部により分岐された前記２つの経路毎に設けられており、かつ、それぞれが、ガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有していること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
２つの前記下流側分岐部同士、２つの前記フィードバック経路同士、及び、前記上流側分岐部により分岐される前記２つの経路同士は、それぞれ互いに、前記上流側分岐部を通る仮想の直線を基準として線対称となるように配置されていること、を特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記下流側分岐部から下流側にのびる前記経路には、
前記下流側分岐部からのガスの流れを２以上の経路に分岐するための第２上流側分岐部と、
前記第２上流側分岐部の下流側であって前記第２上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記第２上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための第２下流側分岐部と、
が設けられており、
前記第２下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記第２上流側分岐部に接続される第２フィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも一つ、含まれていること、
を特徴とする請求項１〜４のうちの何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記膜電極接合体が前記セパレータを介して２以上積層される構成を有しており、
前記２以上の膜電極接合体の間に配置される前記セパレータのうちの少なくとも１つに前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が形成されており、
前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有するガス流路のうちの前記下流側分岐部から下流側にのびる経路の出口と、前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有しない別のガス流路の入口とが連通するように接続されていること、
を特徴とする請求項１〜４のうちの何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
アノードとカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜とを含む膜電極接合体を挟持するように配置される燃料電池用セパレータであって、
前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一方と対向するべき面に設けられており、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方を前記膜電極接合体に供給するためのガス流路と、
前記ガス流路の上流側に設けられており、ガスの流れを２以上の経路に分岐するための上流側分岐部と、
前記上流側分岐部の下流側であって前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための下流側分岐部とを備え、
前記下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記上流側分岐部に接続されるフィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも１つ、含まれていること、
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路毎に前記下流側分岐部が設けられていること、を特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が、前記カソード側の前記ガス流路に設けられており、
前記上流側分岐部はガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有しており、
前記下流側分岐部は、前記上流側分岐部により分岐された前記２つの経路毎に設けられており、かつ、それぞれが、ガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有していること、を特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
２つの前記下流側分岐部同士、２つの前記フィードバック経路同士、及び、前記上流側分岐部により分岐される前記２つの経路同士は、それぞれ互いに、前記上流側分岐部を通る仮想の直線を基準として線対称となるように配置されていること、を特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
前記下流側分岐部から下流側にのびる前記経路には、
前記下流側分岐部からのガスの流れを２以上の経路に分岐するための第２上流側分岐部と、
前記第２上流側分岐部の下流側であって前記第２上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記第２上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための第２下流側分岐部と、
が設けられており、
前記第２下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記第２上流側分岐部に接続される第２フィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも一つ、含まれていること、
を特徴とする請求項７〜１０のうちの何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有するガス流路のうちの前記下流側分岐部から下流側にのびる経路の出口を、隣接されるべき別の燃料電池用セパレータのガス流路の入口と連通させるためのマニホールドが設けられていること、
を特徴とする請求項７〜１０のうちの何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器用電源、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用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、特に高分子電解質形燃料電池のセパレータの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させるものである。
【０００３】
図１２は、従来の高分子電解質形燃料電池のセパレータの基本構成を示す概略正面図であり、高分子電解質形燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。また、図１１は、従来の高分子電解質形燃料電池の構成を示す、図１２のｃｄ断面による概略断面図である。
【０００４】
この高分子電解質形燃料電池１１１は、基本的には陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１、および高分子電解質膜１０１の両面に配置された一対の電極（アノードおよびカソード）１０４からなる。電極１０４は、電極触媒（例えば白金金属など）を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、触媒層の外面に形成され通気性および導電性を兼ね備えたガス拡散層とからなる。
【０００５】
高分子電解質膜１０１および電極１０４で構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０の外側には、当該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ１１０を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極１０４に燃料ガスまたは酸化剤ガス（反応ガス）を供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路を有するセパレータ１２０、１３０が配置される。また、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極１０４の周囲には高分子電解質膜１０１を挟んでガスシール材１０６が配置される。
【０００６】
ガス流路１２２、１３２は、セパレータ１２０、１３０と別に設けることもできるが、図１１に示すように、セパレータ１２０、１３０の表面に溝を設けてガス流路１２２、１３２とする方式が一般的である。
【０００７】
セパレータ１２０、１３０の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却水の流路１２３、１３３が設けられる。冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用することができる。
【０００８】
この種の燃料電池においては、特にカソード側で電池反応によって生成する水がセパレータ１２０の両端にて入口マニホールド孔１２３、出口マニホールド孔１２４と連通するガス流路１２２に滞留しやすく、生成水の量が甚だしい場合は完全にガス流路１２２を塞いでしまう。これをフラッディング現象という。フラッディング現象は、生成水によるものだけでなく、供給ガスが過剰に加湿されている場合にも発生し得る。そして、いったんフラッディング現象が発生すると、その部分にはガスが流れなくなり、電池性能が急激に低下して、電池として機能しなくなる可能性がある。
【０００９】
このような問題に対して、例えば特許文献１には、燃料電池スタック内に可動できるスリットを設け、セルに供給する流路の一部を一時的に遮断することで、他のセルに供給するガス量を一時的に増やし、増えたガスの勢いを利用して、燃料電池内部の残留水を燃料電池外に排出することを意図した方法が開示されている（特許文献１参照）。
【００１０】
また、例えば特許文献２では、複数の燃料電池スタックに供給するガスを分配するガス分配装置がロータリーシャッターを備えており、スタックに供給する流路の一部を一時的に遮断することで、他のスタックに供給するガス量を一時的に増やし、燃料電池内部の残留水を燃料電池外に排出することを意図した方法が開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−３１２１６８号公報
【特許文献２】特開平１１−６７２６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１の燃料電池装置のように、スタック内に可動構造を作り込むことは、スタックの構造の複雑化、スタックの大型化、コストアップになり未だ改善の余地があった。
【００１２】
また、上記特許文献１の燃料電池装置の場合、シャッター部材がセパレータ部材と擦れ合う構造にならざるを得ないため、摩擦によるエネルギーロスが発生することや、摩擦部での部材の磨耗によって、摩擦部の耐久性が劣ることや、摩擦によって発生した削りカスが燃料電池内部に進入して発電性能に悪影響を与える場合があり未だ改善の余地があった。特にセパレータ部材はカーボンを主成分とする耐摩耗性に劣る部材が使われるのが一般的であるため、この場合には磨耗の進行や削りカスの発生がより顕著になる。
【００１３】
更に、上記特許文献２の燃料電池装置の場合、スタック毎に供給するガス量を増減させるため、スタック内に並列にガス供給されているセルの水滴を排出するためには増減量を大きくしないと排出できなくなる恐れがあり未だ改善の余地があった。
【００１４】
また、特許文献２の燃料電池装置は特許文献１の燃料電池装置の様にスタック内のセルに供給するガス量を増減する構成とは異なり、スタック毎にガス量を増減させているため、ガス量の減ったスタックの発電量が一時的に大きく低下する等、不安定な運転が生じる恐れもあり未だ改善の余地があった。
【００１５】
以上のような従来の燃料電池装置の上記課題に鑑み、本発明は、従来に比べてより簡単な構造でフラッディング現象を十分に防止することができ、しかも、より安定した運転を実現できる燃料電池、及び、上記本発明の燃料電池を容易に実現可能な燃料電池用セパレータ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】
【００１６】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、アノードとカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜とを含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの前記アノードと対向する面に設けられており、前記アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記一対のセパレータの前記カソードと対向する面に設けられており、前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路及び前記カソード側ガス流路のうちの少なくとも一方の上流側に設けられており、ガスの流れを２以上の経路に分岐するための上流側分岐部と、
前記上流側分岐部の下流側であって前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための下流側分岐部と、
を備え、
前記下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記上流側分岐部に接続されるフィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも１つ、含まれていること、
を特徴とする燃料電池である。
【００１７】
ここで、「フィードバック」とは、下流側分岐部で分流されたガスの流れの一部を上流側分岐部に戻すことをいう。このようなフィードバックにより、上流側分岐部で分岐されるガスの流量は、分岐後の各経路毎に、自立的に変動するようになる。これにより下流側分岐部より下流の経路のガス流量を所定周期で変動させ、経路内で液滴となった水をスムーズに移動させて燃料電池の外に排出することができ、フラッディング現象を十分に防止することができる。
【００１８】
また、第２の本発明は、前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路毎に前記下流側分岐部が設けられていること、を特徴とする第１の本発明の燃料電池である。
【００１９】
このような構成としたことにより、上流側分岐部より分岐された経路が全て上記フィードバックの機能を備えることができる。したがって上流側分岐部より下流の全ての経路を通過するガス流量の変動を大きくとることができ、各経路内における水の排出を容易に行うことができ、フラッディング現象の防止の効果をさらに高めることができる。
【００２０】
また、第３の本発明は、前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が、前記カソード側に配置される前記セパレータの前記ガス流路に設けられており、
前記上流側分岐部はガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有しており、
前記下流側分岐部は、前記上流側分岐部により分岐された前記２つの経路毎に設けられており、かつ、それぞれが、ガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有していること、を特徴とする第２の本発明の燃料電池である。
【００２１】
このような構成としたことにより、上記第１，第２の本発明の効果に加えて、電池反応によって生成する水により、特にカソード側でより顕著となるフラッディング現象をより効果的に防止することができる。
【００２２】
また、第４の本発明は、２つの前記下流側分岐部同士、２つの前記フィードバック経路同士、及び、前記上流側分岐部により分岐される前記２つの経路同士は、それぞれ互いに、前記上流側分岐部を通る仮想の直線を基準として線対称となるように配置されていること、を特徴とする第３の本発明の燃料電池である。
【００２３】
このような構成としたことにより、上記第１〜第３の本発明の効果に加えて、上流側分岐部より下流におけるガス流量の変動の大きさ、周期を、下流の各経路毎に平均化して、燃料電池内の反応ムラを低減できる効果がある。
【００２４】
また、第５の本発明は、前記下流側分岐部から下流側にのびる前記経路には、前記下流側分岐部からのガスの流れを２以上の経路に分岐するための第２上流側分岐部と、
前記第２上流側分岐部の下流側であって前記第２上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記第２上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための第２下流側分岐部と、
が設けられており、
前記第２下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記第２上流側分岐部に接続される第２フィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも一つ、含まれていること、
を特徴とする第１〜第４のいずれかの本発明の燃料電池である。
【００２５】
このような構成としたことにより、上記第１〜第４の本発明の効果に加えて、経路全体の圧力損失を小さくして、燃料電池にガスを供給するための補機の消費エネルギーを小さくできる。また燃料電池の電圧の変動を小さくできる。
【００２６】
また、第６の本発明は、前記膜電極接合体が前記セパレータを介して２以上積層される構成を有しており、
前記２以上の膜電極接合体の間に配置される前記セパレータのうちの少なくとも１つに前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が形成されており、
前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有するガス流路のうちの前記下流側分岐部から下流側にのびる経路の出口と、前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有しない別のガス流路の入口とが連通するように接続されていること、
を特徴とする第１〜第４のいずれかの本発明の燃料電池である。
【００２７】
このような構成としたことにより、経路内のガス流量の変動を、燃料電池を構成するセル単位で行わせることができ、一つのセルにおけるセパレータに必要な経路の本数が制限されることなく、自由にセルの圧力損失を設計できるという格別の効果がある。特に各セルの本数を１本に削減して、燃料電池を小型化したい際には有効である。
【００２８】
また、第７の本発明は、アノードとカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜とを含む膜電極接合体を挟持するように配置される燃料電池用セパレータであって、
前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一方と対向するべき面に設けられており、燃料ガス及び酸化剤ガスうちの少なくとも一方を前記膜電極接合体に供給するためのガス流路と、
前記ガス流路の上流側に設けられており、ガスの流れを２以上の経路に分岐するための上流側分岐部と、
前記上流側分岐部の下流側であって前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための下流側分岐部とを備え、
前記下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記上流側分岐部に接続されるフィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも１つ、含まれていること、
を特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００２９】
このような構成としたことにより、上記第１の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【００３０】
また、第８の本発明は、前記上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路毎に前記下流側分岐部が設けられていること、を特徴とする第７の本発明の燃料電池用セパレータである。
【００３１】
このような構成としたことにより、上記第２の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【００３２】
また、第９の本発明は、前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部が、前記カソード側の前記ガス流路に設けられており、
前記上流側分岐部はガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有しており、
前記下流側分岐部は、前記上流側分岐部により分岐された前記２つの経路毎に設けられており、かつ、それぞれが、ガスの流れを２つの経路に分岐する構成を有していること、を特徴とする第８の本発明の燃料電池用セパレータである。
【００３３】
このような構成としたことにより、上記第３の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【００３４】
また、第１０の本発明は、２つの前記下流側分岐部同士、２つの前記フィードバック経路同士、及び、前記上流側分岐部により分岐される前記２つの経路同士は、それぞれ互いに、前記上流側分岐部を通る仮想の直線を基準として線対称となるように配置されていること、を特徴とする第９の本発明の燃料電池用セパレータである。
【００３５】
このような構成としたことにより、上記第４の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【００３６】
また、第１１の本発明は、前記下流側分岐部から下流側にのびる前記経路には、
前記下流側分岐部からのガスの流れを２以上の経路に分岐するための第２上流側分岐部と、
前記第２上流側分岐部の下流側であって前記第２上流側分岐部により分岐された前記２以上の経路のうちの少なくとも１つの経路に設けられており、前記第２上流側分岐部により分岐されたガスの流れを更に２以上の経路に分岐するための第２下流側分岐部と、
が設けられており、
前記第２下流側分岐部により分岐された前記２以上の経路には、
前記第２上流側分岐部に接続される第２フィードバック経路が少なくとも１つ、
さらに下流側へのびる経路が少なくとも一つ、含まれていること、
を特徴とする第７〜第１０のいずれかの本発明の燃料電池用セパレータである。
【００３７】
このような構成としたことにより、上記第５の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【００３８】
また、第１２の本発明は、前記上流側分岐部及び前記下流側分岐部を有するガス流路のうちの前記下流側分岐部から下流側にのびる経路の出口を、隣接されるべき別の燃料電池用セパレータのガス流路の入口と連通させるためのマニホールドが設けられていること、
を特徴とする第７〜第１０のいずれかの本発明の燃料電池用セパレータである。
【００３９】
このような構成としたことにより、上記第６の本発明の燃料電池を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、従来に比べてより簡単な構造でフラッディング現象を十分に防止することができ、しかも、より安定した運転を実現できる燃料電池、及び、上記本発明の燃料電池を容易に実現可能な燃料電池用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】
【００４１】
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。
（第１実施形態）
図１〜図４を参照しながら、本発明の燃料電池用セパレータに係る一実施の形態の構成を説明するとともに、本発明の燃料電池に係る一実施の形態についても同時に述べる。
【００４２】
図１は、本発明の燃料電池の第１実施形態に搭載されるセパレータの基本構成を示す概略正面図であり、高分子電解質燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。
【００４３】
また図３、図４は、それぞれ本発明の燃料電池の第１実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図３は、図１のセパレータを用いて構成した燃料電池１００のセルスタックを図１のｃｄ断面で見たものであり、図４は、図１のａｂ断面で見たものである。
【００４４】
図１に示すように、セパレータ２１１には、その燃料電池の電極にガスを供給するガス流路２１２が設けられている。また、ガスをガス流路２１２に供給するための入口マニホールド孔２１６、及びガス流路２１２からガスを外部へ排出するための出口マニホールド孔２１７が、セパレータ２１１を貫通する円筒状の孔として形成されている。ガス流路２１２の途中には、後述するフィードバック機構を有するガス分岐部２１３が形成されており、このガス分岐部２１３によってガス入口マニホールド孔２１６から導入されたガス流は２本に分流され、互いに平行に進みながら出口マニホールド孔２１７から排出される。
【００４５】
また、図３，４に示すように、燃料電池１００は複数のセル３００をスタックして構成する（図中には２個として例示）。個々のセル３００は、一対の電極３４により高分子電解質膜３１を挟み込んで構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）３０と、ＭＥＡ３０の両側に配置されたセパレータ２１１，３５とを備えている。セパレータ２１１，３５は、ＭＥＡ３０を両面から挟み込んで機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ３０を互いに電気的に直列に接続する役割を有する。ここで図１に示す破線で示す領域２１４は、電極３４と対向し、セパレータ上のガス流路との接触する領域を示す。
【００４６】
以下、セパレータ２１１をカソード側のセパレータとし、セパレータ３５をアノード側のセパレータとする。これにより、アノード側セパレータ３５に形成されたガス流路は、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガスの流路３２となり、カソード側セパレータ２１１に形成されたガス流路は、カソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスの流路２１２となる。
【００４７】
また、各セパレータのガス流路が設けられた側と反対側の面には、冷却水の流路が設けられる。カソード側セパレータ２１１は冷却水の流路１５を有し、アノード側セパレータ３５は冷却水の流路３３を有する。隣接する単セルのアノード側セパレータ３５とカソード側セパレータ２１１との間には、流路１５と流路３３とにより形成される１組の冷却水の流路が形成される。この流路に冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーを温水などの形で利用することができる。
【００４８】
また、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極３４の周囲には高分子電解質膜３１を挟んでガスシール材３６が配置される。
【００４９】
また、図４に示すように、アノード側のセパレータ３５とカソード側セパレータ２１１とを複数重ねてセルスタックを構成する際には、それぞれのセパレータ２１１に形成されている入口マニホールド孔２１６（及びアノード側のセパレータ３５に形成されている対応するマニホールド孔）は、隣り合うもの同士が連結されることによりトンネル状のガス流路１６（入口マニホールド１６）を形成する。そして、このガス流路を通って供給されたガスがガス流路２１２に分配される。また図４には示さないが、出口マニホールド孔２１７も同様に重なって連続したトンネル状のガス流路（出口マニホールド）となり、発電の残りのガスや発電に伴って生成する水が排出される。
【００５０】
また図１、図４には示さないが、アノード側セパレータ３５にも同様に入口マニホールド孔と出口マニホールド孔が形成されており、ガス流路３２にガスを給排出している。
【００５１】
なお、ガスシール材３６，高分子電解質膜３１にも各マニホールドに対応した貫通孔が形成されている。
【００５２】
なお、上記の構成において、電極３４はガス拡散層と触媒層からなる。ガス拡散層を構成する材料としては、特に限定されることなく、その作製には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。触媒層の作製は、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質および分散媒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。
【００５３】
さらに、ＭＥＡ３０も、上記のような高分子電解質膜３１、電極３４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。
【００５４】
また、セパレータ２１１，３５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材料などがあり、これら材料を幅広く使用して作製することができる。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や、チタンやステンレス鋼製セパレータ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。
【００５５】
なお、上記の構成において、ＭＥＡ３０及びＭＥＡ３０を挟持するアノード側セパレータ３５とカソード側セパレータ２１１からなるセルは本発明の燃料電池に相当し、セパレータ２１１は本発明のセパレータに相当する。
【００５６】
以上のような構成を有する本発明の第１実施形態の燃料電池及びセパレータは、カソード側セパレータ２１１として、図１に示すガス分岐部２１３を有することを特徴とする。これは特にカソード側で電池反応によって生成する水が、セパレータ２１１のガス流路２１２に滞留しやすく、フラッディング現象が起こりやすいためである。
【００５７】
以下においては、燃料電池１００に搭載されるカソード側セパレータ２１１について図面を参照しながら、本発明の一実施例の構成及び動作についてさらに詳しく説明する。
【００５８】
図２は、図１に示した燃料電池１００のカソード側セパレータ２１１に形成されたガス分岐部２１３の拡大図である。
【００５９】
ガス分岐部２１３において、入口マニホールド孔２１６から伸びたガス流路２１２の上流流路２０は、上流側分岐部２１で流路２４及び流路２６の二つの流路に分岐される。
【００６０】
上流側分岐部２１で分岐された一方の流路２４は、第１の下流側分岐部２２でさらに流路２５及び流路２８に分岐される。
【００６１】
また、上流側分岐部２１で分岐された他方の流路２６は、第２の下流側分岐部２３でさらに流路２７及び流路２９に分岐される。
【００６２】
流路２８及び２９は、さらに下流に延伸して、図１に示す一対のガス流路２１２として出口マニホールド２１７と連通する。
【００６３】
一方、流路２５及び流路２７は、いずれも上流側へ延伸し、上流側分岐部２１の上流側まで回り込んでから、上流流路２０の両側から上流側分岐部２１にそれぞれ合流する。
【００６４】
ここで、上流側分岐部２１における流路２５及び流路２７の接続は、分岐後の流路２４及び２６のそれぞれに対してではなく、分岐が生ずる位置よりも上流側、かつ上流流路２０の下流端までの位置においてなされるようにする。
【００６５】
また、第１の下流側分岐部２２と第２の下流側分岐部２３、流路２５と流路２７，流路２８と流路２９との配置は、図２に示す、ガス流路２１２から上流側分岐部２１を通過する一点鎖線による仮想の直線Ｌを基準とした線対称となるようにする。このとき、流路２８及び２９の延伸方向は、所定長までは仮想の直線Ｌと略平行となるようにする。このとき、「所定長」とは、ガス流路がセパレータの外形に沿って屈曲するまでの長さであって、ガス流Ｆ２＆Ｆ３，Ｆ６＆Ｆ７がガス流通当初の平衡を維持できる程度の長さとして定義される。
【００６６】
なお、以上のガス分岐部２１３の構成において、上流側分岐部２１は本発明の上流側分岐部に相当する。また、第１の下流側分岐部２２及び第２の下流側分岐部２３は本発明の下流側分岐部にそれぞれ相当する。
【００６７】
また、流路２４及び２６は、本発明の上流側分岐部により分岐された２以上の経路に相当し、流路２８及び２９は、本発明の下流側分岐部により分岐された２以上の経路であって、さらに下流側へのびる経路に相当する。また流路２５及び２７は、本発明のフィードバック経路に相当する。
【００６８】
次に、本実施の形態の動作を説明する。上記のような構成によって、まず、上流流路２０から供給されたガスは流路２４を流れるガス流Ｆ１と流路２６を流れるガス流Ｆ２とに分配される。
【００６９】
ここで、上流側分岐部２１は上述のように図中仮想の直線Ｌに対して線対称に形成されているため、流路２４および流路２６に初期に流れ込むガス量は同じになる。
【００７０】
このとき、ガス流Ｆ１とＦ５は平均化すると同じ流速で流れるが、微小な時間毎に見ると、ガス流の揺らぎによってどちらかの流れが優勢になる。この様な動作については、既に流体力学において確立されている。
【００７１】
仮にガス流Ｆ５よりガス流Ｆ１の流れが優勢（ガス流Ｆ１の流量が多い）とすると第１の下流側分岐部２２に到達するガス量も多くなる。第１の下流側分岐部２２ではガス流Ｆ１がガス流Ｆ２とガス流Ｆ３に分配され、ガス流Ｆ２は、一対のガス流路２１２の一方を介して燃料電池の電極に供給される。
【００７２】
一方、ガス流Ｆ３は流路２５を通って遡行し、ガス流Ｆ４として上流側分岐部２１に合流（フィードバック）される。
【００７３】
このとき、ガス流Ｆ８よりもガス流Ｆ４の方が優勢（流量が多い）なため、上流側分岐部２１において、ガス流Ｆ４はガス流Ｆ１をガス流Ｆ５の方向に押す。これによってそれまで優勢であったガス流Ｆ１が劣勢となり、代わってガス流Ｆ５が優勢となる（ガス流Ｆ５の流量が多くなる）。この様な現象は、上流側分岐部２１で生じた微少なガス流の揺らぎが、ガス流Ｆ３のフィードバックにより増幅されたことに起因している。
【００７４】
ガス流Ｆ５が優勢になると第２の下流側分岐部２３に到達するガス量も多くなり、第２の下流側分岐部２３で分配されたガス流Ｆ６も多くなる。ガス流Ｆ６は、一対のガス流路２１２の他方を介して燃料電池の電極に供給される。
【００７５】
一方、第２の下流側分岐部２３で分配されたガス流Ｆ７は流路２７を通って遡行し、ガス流Ｆ８として上流側分岐部２１に合流（フィードバック）される。
【００７６】
このフィードバックにより、ガス流Ｆ４よりもガス流Ｆ８の方が優勢（流量が多い）になると、上流側分岐部２１において、ガス流Ｆ８は、ガス流Ｆ５をガス流Ｆ１の方向に押すことになる。これにより、上流側分岐部２１においては再びガス流Ｆ５に代わってガス流Ｆ１が優勢となる。
【００７７】
このように、上流側分岐部２１にて分配される流路２４を流れるガス流Ｆ１と流路２６を流れるガス流Ｆ５との流量差を、ガス流Ｆ４及びＦ８のフィードバックによって大きくすることにより、流路２８を流れるガス流Ｆ２と流路２９を流れるガス流Ｆ６の流量は、交互に自立的に増減する。
【００７８】
このような自立的なガス流の増減があると、ガス流が一定である場合に比べて流路中に結露した水滴がスムーズに移動するため、燃料電池のセパレータ内のフラッディングを防止できる。
【００７９】
次に、ガス流が増減する時定数について説明する。
【００８０】
即ち、ガス流が増減する時定数とは、上流側分岐部２１で発生したガス圧力がフィードバックされて再び上流側分岐部２１に戻って来るのに要する時間である。
これは流路２４と流路２５の長さの合計を音速で除した時間に等しい。ガス流はこの時定数で自立的に増減を繰り返す。第１実施形態においては、流路２４と流路２５の長さの合計は、２５ｃｍ程度であり、音速は６０℃程度の気体では３６７ｍ／ｓであるため、時定数は、計算上０．６８ｍｓとなる。
【００８１】
実際には、供給ガスには飽和に近い水蒸気が含まれていることが多く、流路２４と流路２５の中で結露して水滴の形で移動する。この場合には、流路２５を流れるガス流Ｆ３は著しく制限され、長い時間かかって上流側分岐部２１に（ガス流Ｆ４として）フィードバックされるため、時定数は計算よりもはるかに長くなる。実際の時定数は供給ガスの湿度や流路の形状によって異なるため一概に規定できないが、概ね数秒から数十秒の単位であることが多い。
【００８２】
時定数を長くするためには、フィードバックに要する距離を長くすればいい。すなわち流路２４と流路２５の長さを長くすればいい。
【００８３】
以上の説明から分かるように、一般の流体力学の理論計算上からは時定数が短すぎて利用不可能との結論になるところ、本実施の形態においては、上記理論計算からは予測できない水滴などのガス流を妨げるファクターの存在に着目して、これらをうまく利用することにより、ガス流の時定数が、ガス流の増減を適度な間隔で生じさせる程度の値に調整することが出来る様にした点に大きな意義がある。
【００８４】
第１実施形態においては、ガス分岐部２１３は、図１に示すように、セパレータ２１１において電極３４と対向する領域２１４よりも上流側に設けられており、また図３に示すように、電極３４とは対向していない。これは、第１に、電極３４よりも上流でガス流を制御した方が電極３４で発生した水滴を効率よく排出できるためである。第２に、ガス分岐部２１３の流路２５、２７は他の流路に比べてガスの流れが少ないため、発電に寄与しにくいためである。即ち、ガスの流れが少ない場所にも電極３４を設けることは勿論可能ではあるが、発電に寄与しにくい部分に白金などを含む高価な電極を配置することは、コストアップになる割には発電効率が上がらないという点で費用対効果の面でメリットがないからである。
【００８５】
従って、多少コストアップになっても発電量を増やしたいとか、その他の条件しだいでは、もちろんこのようなガス分岐部２１３をガス流路２１２の中流部分に置いてもいいし、電極３４と対向する領域２１４に置いても構わない。
【００８６】
なお、上記の構成は、ガス分岐部２１３を有するセパレータ２１１をカソード側セパレータに用いるものとして説明を行ったが、アノード側セパレータ３５に用いるものとしてもよい。フラッディング現象は、生成水によるものだけでなく、供給ガスが過剰に加湿されている場合にも発生し得るため、供給ガスの加湿度によってはアノード側でもフラッディング現象が起こるからである。
【００８７】
また、上記の構成においては、ガス分岐部２１３は、図２に示す仮想の直線Ｌに対して線対称となるように、上流側分岐部２１３、第１の下流側分岐部２２と第２の下流側分岐部２３、流路２５と流路２７，流路２８と流路２９を配置した構成としたが、本発明における「線対称」とは、幾何学的な用語の意味に限定されるものではなく、上述のようなフィードバック機構により、流路２８及び流路２９を流れるガス流の流量を自立的に増減される現象が実現できる程度の位置関係を意味する。
【００８８】
したがって、例えば上流側分岐部２１３への接続部における、仮想の直線Ｌと流路２５又は流路２７のなす角は多少異なっていてもよい。また、仮想の直線Ｌに対する流路２４と流路２６とのなす角も多少異なっていてもよい。また、第１の下流側分岐部２２における流路２５及び流路２８のなす分岐角と、第２の下流側分岐部２２における流路２７及び流路２９のなす分岐角とは、多少異なっていてもよい。
【００８９】
また、上述した各流路の角度の関係の他、線対称位置にある各流路の長さも、多少異なっていてもよい。
【００９０】
さらに、線対称を崩す他の例として、ガス分岐部２１３は、上流側分岐部２１から分岐した下流側の流路２４及び２６の両方に、第１の下流側分岐部２２，第２の下流側分岐部２３をそれぞれ備え、いずれも本発明のフィードバック経路としての流路２５，２７を有する構成としたが、流路２５又は２７のいずれかを省略した構成としてもよい。すなわち、本発明は、上流側分岐部により分岐された下流側分岐部が、少なくとも一つのフィードバック経路を有する構成であれば、上流側分岐部により分岐された各経路のガス流量の増減を自立的に変動させることができる。ただし、第１実施形態のように、全ての下流側分岐部がフィードバック経路を備えた構成とするほうが、増減の差分を大きくとることができるため、スムーズな水滴の移動のためには望ましい。
【００９１】
さらに、ガス流路分岐部２１３は、上流側分岐部２１が上流流路２０を下流側の流路２４及び２６の２つの流路に分岐する構成としたが、本発明の上流側分岐部は、３本以上の流路に分岐する構成としてもよい。分岐されたいずれかの少なくとも一つの流路に、フィードバック経路として上流側分岐部２１に接続する経路を有する下流側分岐部が備えられていれば、本発明の燃料電池及び燃料電池用セパレータを実現することができる。
【００９２】
また、図３に示す構成においては、各セパレータの一方の面にガス流路、他方の面に冷却水の流路を設けることにより、各セル間に冷却水の流路１５，３３を一体化してなる流路が形成されているものとしたが、この流路はセル２〜３個毎に設ける構成としてもよい。
【００９３】
このような構成を実現するには、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とカソード側セパレータとを兼ねるセパレータを用いてセルを作成し、上述した冷却水流路を有するセパレータを用いたセルとスタックさせればよい。なお、この両面にガス流路を有するセパレータも、いずれかの面にガス分岐部２１３と同等の構成を含む限り、本発明のセパレータに含まれる。
【００９４】
以上のように、本実施形態の燃料電池用セパレータ及び燃料電池によれば、従来に比べてより簡単な構造でフラッディング現象を十分に防止することができ、しかも、より安定した運転を実現することができる。
【００９５】
（第２実施形態）
次に、本発明の燃料電池用セパレータおよび、それを用いた燃料電池の第２実施形態について説明する。
【００９６】
この第２実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第１実施形態のセパレータ２１１を異なる構成に代えたものであり、セパレータ２１１以外の構成は第１実施形態の燃料電池１００と同様である。
【００９７】
以下、第２実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ（本発明の燃料電池用セパレータの第２実施形態）について説明する。
【００９８】
図５は、第２実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの基本構成を示す概略図であり、高分子電解質燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。
【００９９】
セパレータ５１には燃料電池の電極にガスを供給するガス流路５２が形成されており、図中破線で示す領域５４にて電極と接触する。また、ガス流路５２の両端には、セパレータ２１１同様、それぞれ入口マニホールド孔２１６及び出口マニホールド孔２１７がそれぞれ開孔されている。
【０１００】
ガス流路５２の途中には、第１実施形態のガス分岐部２１３と同様のフィードバック機構を有するガス分岐部５３が形成されており、このガス分岐部５３によってガス入口から導入されたガス流は２本に分流される。２本に分流されたガス流路はガス分岐部５３の出口付近でさらに２本づつに分流される。これら４本に分流されたガス流路は、互いに平行に進みながら出口から排出される。
【０１０１】
第１実施形態と同様にガス分岐部５３によって２本に分流されたガス流は交互に自立的に増減を繰り返す。第２実施形態においては、ガス分岐部５３によって２本に分流されたガス流がさらに２本づつに分流される。これによって４本のガス流路５２を流れるガスのうちの２本づつが交互に増減を繰り返し、第１実施形態と同様、流路中に結露した水滴がスムーズに移動するため、フラッディングを防止できる。
【０１０２】
第２実施形態においては、第１実施形態と同様の効果に加えて、燃料電池の電極部分の領域５４へは４本のガス流として供給されるため、流路全体の圧力損失を小さくすることができる。このため、ガスを供給するための供給装置の消費エネルギーを小さくできる。
【０１０３】
第２実施形態においては、燃料電池の電極３４と対向する領域５４に４本のガス流として供給する例を示したが、ガス流が３本、５本、６本などの場合には、ガス分岐部５３の後で適宜分流することにより任意の本数でガス供給をすることができる。
【０１０４】
（第３実施形態）
次に、本発明の燃料電池用セパレータ、及びそれを用いた燃料電池の第３実施形態について説明する。
【０１０５】
この第３実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第１実施形態のセパレータ２１１を異なる構成に代えたものであり、セパレータ２１１以外の構成は第１実施形態の燃料電池１００と同様である。
【０１０６】
以下、第３実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ（本発明の燃料電池用セパレータの第３実施形態）について説明する。
【０１０７】
図６は、第３実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの基本構成を示す概略図であり、高分子電解質燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。
【０１０８】
セパレータ６１には燃料電池の電極にガスを供給するガス流路６２が形成されており、燃料電池においては図中破線で示す領域６４にて電極と接触する。
【０１０９】
ガス流路６２の途中には、第１実施形態のガス分岐部２１３と同様のフィードバック機構を有する第１のガス分岐部６３が形成されており、この第１のガス分岐部６３によって入口マニホールド孔２１６から導入されたガス流は２本の流路に分流される。即ち、図６に示すように、第一のガス分岐部６３は、上流側分岐部６３ａと、第１の下流側分岐部６３ａ１、第２の下流側６３ａ２とを有している。なお、上流側分岐部６３ａは第１実施形態の上流側分岐部２１と同等であり、本発明の上流側分岐部に相当する。また第１の下流側分岐部６３ａ１、第２の下流側分岐部６３ａ２はそれぞれ第１実施形態の下流側分岐部２２，２３と同等であり、本発明の下流側分岐部に相当する。
【０１１０】
本実施形態においては、さらに第１のガス分岐部６３によって分岐された２本のガス流路のそれぞれに接続する、一対の第２のガス分岐部６５及び６６を備えたことを特徴とする。
【０１１１】
第２のガス分岐部６５及び６６は、いずれも第１のガス分岐部６３と同等の構成を有する。すなわち、第２のガス分岐部６５は、第１のガス分岐部６３の上流側分岐部６３ａに対応する上流側分岐部６５ａ、第１の下流側分岐部６３ａ１に対応する第１の下流側分岐部６５ａ１、第２の下流側分岐部６３ａ２に対応する第１の下流側分岐部６５ａ２を備え、出口マニホールド孔２１７へ連通する２本の分岐経路が延伸する。同様に、第２のガス分岐部６６は、第１のガス分岐部６３の上流側分岐部６３ａに対応する上流側分岐部６６ａ、第１の下流側分岐部６３ａ１に対応する第１の下流側分岐部６６ａ１、第２の下流側分岐部６３ａ２に対応する第１の下流側分岐部６６ａ２を備え、出口マニホールド孔２１７へ連通する２本の分岐経路が延伸する。
【０１１２】
したがって、入口マニホールド孔２１６から伸びたガス流路は、第１のガス分岐部６３と第２のガス分岐部６５又は６６の２段のガス分岐部を経由することにより、４本のガス流路６２として、電極と対向する領域６４内を通過する。
【０１１３】
ここで、上流側分岐部６５ａ、６６ａはそれぞれ本発明の第２上流側分岐部に相当し、第１の下流側分岐部６５ａ１，６６ａ１，第２の下流側分岐部６５ａ２，６６ａ２は、それぞれ本発明の第２下流側分岐部に相当する。
【０１１４】
以上のような構成を有する本実施形態の動作は以下の通りである。すなわち、第一のガス分岐部６３によって一対の経路に分流されたガス流は、第１実施形態と同様に経路で交互に自立的に増減を繰り返す。
【０１１５】
さらに、上記一対の経路はそれぞれ第２のガス分岐部６５及び６６によってさらに一対の経路に分流されるが、ここでも第１実施形態と同様に、各ガス分岐部において一対の経路を流れるガス流は交互に自立的に増減を繰り返す。
【０１１６】
このように、２段のガス分岐部を経由して４本のガス経路６２に分流されたガス流はそれぞれ増減を繰り返し、第１実施形態と同様、流路中に結露した水滴がスムーズに移動するため、フラッディングを防止できる。
【０１１７】
第３実施形態においては、第２実施形態同様、燃料電池の電極と対向する領域６４へは４本のガス流路６２からガスが供給されるため、流路全体の圧力損失を小さくすることができる。このため、ガスを供給するための補機の消費エネルギーを小さくできる。
【０１１８】
第２実施形態においても４本のガス流路５２によりガスを供給することとしたが、ガス流の増減は２本づつ同期していた。これに対し、第３実施形態ではガス流路６２の４本の流路のガス流は、それぞれ独自に増減を繰り返すため、セル全体の発電電圧の変動をさらに小さくできる優れた効果を有する。
【０１１９】
なお、第３実施形態においては、燃料電池の電極と対向する領域６４に４本のガス流路６２からガス流を供給する例を示したが、ガス流路６２を構成する各ガス流路に、さらに第１のガス分岐部６３と同等の構成を有するガス分岐部を設けてもよい。これにより領域６４に接するガス流路の数を増加させることができ、また増加した各ガス流路についても、ガス流の増減を自立的に変動させ、セル全体の発電電圧の変動を抑えることが可能となる。
【０１２０】
また、第３実施形態においては、第１のガス分岐部６３によって分岐された２本のガス流路のそれぞれに接続する、一対の第２のガス分岐部６５及び６６を備えた構成としたが、第２のガス分岐部はいずれか一方のみ備えた構成としてもよい。
【０１２１】
（第４実施形態）
次に、本発明の燃料電池用セパレータ、及びそれを用いた燃料電池の第４実施形態について説明する。第４実施形態においては、異なる二組のセルを組み合わせて燃料電池３１０を構成している。
【０１２２】
まず、第４実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ（本発明の燃料電池用セパレータの第４実施形態）について説明する。
【０１２３】
図７は、第４実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの基本構成を示す概略図であり、高分子電解質燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。
【０１２４】
セパレータ７１には、入口マニホールド孔２７６と、入口マニホールド孔２７６を始点とし、出口マニホールド孔２７７を終点とするガス流路７２が形成されている。ガス流路７２は燃料電池の電極にガスを供給する流路で、図中破線で示す領域７４で図示しない電極と接触する。
【０１２５】
ガス流路７２の途中には、第１実施形態のガス分岐部２１３と同様のフィードバック機構を有するガス分岐部７３が形成されており、このガス分岐部７３によって入口マニホールド孔２７６から連通するガス流路は２本に分岐される。分岐された一方のガス流路７３ａは、ガス流路７２として電極と接触する領域７４に導かれ出口マニホールド孔２７７へ接続する。一方、分流された他方のガス流路７３ｂは、ガス分岐部７３の直後に設けられた連結マニホールド孔２７８に接続される。
【０１２６】
図８は、セパレータ７１と共に第４実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ８１の基本構成を示す概略図であり、高分子電解質燃料電池の電極（アノードまたはカソード）に対向する面を示したものである。
【０１２７】
セパレータ８１には、セパレータ７１の連結マニホールド孔２７８と対応する位置に連結マニホールド凹部２８８が、他に流路を有さないセパレータ上の凹みとして設けられている。また、連結マニホールド凹部２８８を始点とし、出口マニホールド孔２８７を終点とするガス流路８２が形成されている。ガス流路８２は燃料電池の電極にガスを供給する流路であり、図中破線で示す領域８４にて図示しない電極と接触する。またセパレータ８１にはセパレータ７１の入口マニホールド孔２７６と対応する位置に入口マニホールド孔２８６が貫通孔として設けられている。
【０１２８】
図９は、本発明の燃料電池の第４実施形態の基本構成を示す概略断面図であり、図７のセパレータ７１および図８のセパレータ８１を用いて燃料電池を構成したものを図７および図８のｃｄ断面で見たものである。
【０１２９】
また図１０は、本発明の燃料電池の第４実施形態の基本構成を示す概略断面図であり、図７および図８のセパレータを用いて燃料電池を構成したものを図７および図８のａｂ断面で見たものである。
【０１３０】
図９，１０に示すように、燃料電池３１０は二つのセル３０１、３０２をスタックして一単位の燃料電池を構成する。個々のセル３０１、３０２は、セパレータ８１，７１，セパレータ９５を除いて同一の構成を有する。すなわち、一対の電極９４により高分子電解質膜９１を挟み込んで構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）９０と、ＭＥＡ９０の側面に配置されたセパレータ９５を備えている。セパレータ７１及び９５，又はセパレータ８１及び９５は、それぞれのＭＥＡ３０を両面から挟み込んで機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ３０を互いに電気的に直列に接続する役割を有する。
【０１３１】
以下、セパレータ７１，８１をカソード側のセパレータとし、セパレータ９５をアノード側のセパレータとする。これにより、アノード側セパレータ９５に形成されたガス流路は、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガスの流路９２となり、カソード側セパレータ７１，８１にそれぞれ形成されたガス流路７２，８２は、カソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスの流路となる。
【０１３２】
また、各セパレータのガス流路が設けられた側と反対側の面には、冷却水の流路が設けられる。カソード側セパレータ７１，８１は冷却水の流路９７を有し、アノード側セパレータ９５は冷却水の流路９３を有し、隣接する２つのセパレータの間には、流路９３及び９７より形成される１組の冷却水の流路が形成される。
【０１３３】
また、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極９４の周囲には高分子電解質膜９１を挟んでガスシール材９６が配置される。
【０１３４】
また、図１０に示すように、アノード側のセパレータ９５とカソード側セパレータ７１，８１を重ねてセルスタックを構成した際には、それぞれのセパレータに形成されている入口マニホールド孔２８６，２７６は重なって連続したトンネル状の入口マニホールド８６を形成する。また図１０には示さないが、出口マニホールド孔２７７，２８７も同様に重なって連続したトンネル状の出口マニホールドとなり、発電の残りのガスや発電に伴って生成する水が排出される。
【０１３５】
さらに、本実施形態においては、カソード側セパレータ７１の入口マニホールド孔２７６と、ガス流路７２と、連結マニホールド孔２７８，カソード側セパレータ７１と８１との間に配置されるアノード側セパレータ９５に開口された連結マニホールド孔２９８、及び連結マニホールド凹部２８８からなるマニホールドとで、アノード側セパレータ９５を跨いでカソード側セパレータ７１，８１を連通するトンネル状の、カソード側のマニホールド８８が形成されている。
【０１３６】
以上のような構成を有する燃料電池３１０の動作は、以下のようなものである。すなわち、カソード側セパレータ７１の入口マニホールド孔２７６から供給された酸化剤ガスは、ガス分岐部７３によりガス流路７３ａ及びガス流路７３ｂへ分岐する。
【０１３７】
ガス流路７３ａに分岐したガス流は、ガス流路７２を経由して領域７４にて電極に供給され、出口マニホールド孔２７７へ排出される。すなわちセル３０２の発電に用いられる。
【０１３８】
一方ガス流路７３ｂに分岐したガス流は、連結マニホールド７８、９８，８８を経由して、カソード側セパレータ８１のガス流路８２へ流入し、領域８４にて電極に供給され、出口マニホールド孔２８７へ排出される。すなわちセル３０１の発電に用いられる。
【０１３９】
以上の動作においても第１実施形態と同様に、セル３０２においてガス分岐部７３によって２本に分流されたガス流は交互に自立的に増減を繰り返す。第４実施形態においては、ガス分岐部７３によって２本に分流されたガス流の一方は、隣接するセル３０１に供給されるため、ガス流の増減は、同一セル３０２内のガス流路ではなく、隣接するセル３０２−３０１間で交互に増減することになる。これによっても、第１実施形態と同様、各セルのガス流路中に結露した水滴は、流量の変化に基づきスムーズに移動するため、フラッディングを防止できることができる。
【０１４０】
なお、第４実施形態においては、各セパレータ上に設けられたガス流路７２，８２はいずれも１本のガス流路として例示したが、この部分のガス流路の本数は任意で良く、従って求められる圧力損失に合わせて流路の本数を自由に設計できる。即ち、第１の実施の形態の構成では、ガス分岐部２１３により分岐されたガス流路は同じセパレータ内に設けられるため、ガス流路は少なくとも一対必要である。これに対して、本実施の形態の構成によれば、ガス分岐部７３により二つに分岐された一方のガス流路７３ｂが、隣接するセルの対応するセパレータ８１へと接続されることにより、同じセルのセパレータを流れるガス流路は最低１本に削減できる。従ってその分、セパレータの小型化、また圧力損失に合わせて経路の本数を自由に設計できるという格別の効果がある。
【０１４１】
なお、発電時の電圧変動に関しては、本実施の形態の構成に比べて、第１の実施の形態のように、同一セル内でガス流路を形成する構成の方が、同一セル内を流れるトータルガス量を常に一定に保てる点で、安定性に優れている。
【０１４２】
なお、上記の各実施の形態においては、燃料電池として、一対のセパレータ及びそれに挟持されるＭＥＡから構成されるセルを２つスタックしてなる燃料電池１００（第１実施形態）、又は一対のセパレータ及びそれに挟持されるＭＥＡから構成されるセルを一対組み合わせて一つの燃料電池１０１（第４実施形態）を中心に説明したが、本発明の燃料電池は、例えば第１実施形態のセル３００のような唯一のＭＥＡを有する単一のセルとして実現してもよいし、燃料電池１００，１０１のように複数のＭＥＡを有する積層した複数のセルスタックとして実現してもよい。要するに、本発明の燃料電池は、セルの具体的構成、セルスタックにおけるセルの積層の構成によって限定されるものではない。
【０１４３】
以上のように、本発明によれば、燃料電池セパレータのガス流路の途中にフィードバック構造を持つガス分岐部を設けることで、可動部材を用いることなく自立的にガス流量の増減を起こし、従来に比べてフラッディング現象を確実に防止し得、安定した運転が行える信頼性の高い燃料電池を提供することができる。また、本発明によれば、上記本発明の燃料電池を容易且つ確実に構成することのできる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明の燃料電池、及び燃料電池用セパレータは、従来に比べてより簡単な構造でフラッディング現象を十分に防止することができ、しかも、より安定した運転を実現することができるという効果を有し、携帯機器用の電源やポータブル機器用電源、電気自動車用あるいは家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の燃料電池の第１実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの概略正面図
【図２】図１に示したセパレータ２１１の要部拡大図である。
【図３】本発明の燃料電池の第１実施形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の第１実施形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の第２実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの概略図である。
【図６】本発明の燃料電池の第３実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの概略図である。
【図７】本発明の燃料電池の第４実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの概略図である。
【図８】本発明の燃料電池の第４実施形態の燃料電池に備えられるセパレータの概略図である。
【図９】本発明の燃料電池の第４実施形態の基本構成を示す概略縦断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池の第４実施形態の基本構成を示す概略縦断面図である。
【図１１】従来の燃料電池の基本構成を示す概略正面図である。
【図１２】従来の燃料電池に備えられるセパレータの概略断面図である。
【符号の説明】
【０１４６】
３１、９１、１０１  高分子電解質膜
３０、９０、１１０  ＭＥＡ
１１、５１、６１、７１、８１、１２０  カソード側セパレータ
３５、９５、１３０  アノード側セパレータ
３２、５２、６２、７２、８２、９２、１２２、１３２  ガス流路
１５、３３、９３、９７、１２３、１３３  冷却水の流路
２０  上流流路
２１  上流側分岐部
２２  第１の下流側分岐部
２３  第２の下流側分岐部
２４，２５，２６，２７，２８，２９  流路
２１１  セパレータ
２１２  ガス流路
２１３  ガス分岐部
２１４  領域
２１６  入口マニホールド
２１７  出口マニホールド
【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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