(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記アノード側電極に接するアノード側要素部材と、
前記カソード側電極に接するカソード側要素部材と、
前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材の間に形成される冷却媒体用流路と、
を有するとともに、
前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材は、前記冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に前記冷却媒体との接触面積を拡大するための接触面積拡大部位が設けられ、
前記アノード側要素部材の接触面積拡大部位と前記カソード側要素部材の接触面積拡大部位は、それぞれの接触面積が異なることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記接触面積拡大部位は、凸状部または凹状部からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記接触面積拡大部位は、凸状部および凹状部からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材のそれぞれの接触面積拡大部位は、前記冷却媒体にのみ接することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池において、前記アノード側要素部材は、燃料ガス用整流板を備え、
前記燃料ガス用整流板の一方の面には、水平方向に平行しかつ千鳥状に配設された複数の突部を介して鉛直方向に蛇行する燃料ガス用通路が形成され、
前記燃料ガス用整流板の他方の面には、前記接触面積拡大部位である複数の熱交換用フィンが形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池において、前記カソード側要素部材は、酸化剤ガス用整流板を備え、
前記酸化剤ガス用整流板の一方の面には、水平方向に平行しかつ千鳥状に配設された複数の突部を介して鉛直方向に蛇行する酸化剤ガス用通路が形成され、
前記酸化剤ガス用整流板の他方の面には、前記接触面積拡大部位である複数の熱交換用フィンが形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池において、前記アノード側要素部材および前記カソード側要素部材は、炭素、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、またはこれらを組み合わせた材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池において、前記冷却媒体は、水、メタノール、水とメタノールの混合溶液、燃料電池作動用ガス、または前記燃料電池の作動温度以下の沸点を有する物質であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
電解質膜を挟んでカソード側電極とアノード側電極を対設した燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記カソード側電極と前記アノード側電極にそれぞれ酸化剤ガスと燃料ガスを互いに平行しかつ重力方向に向かって流動させる第１および第２ガス流路と、
前記第１ガス流路に隔壁を介して設けられ、該第１ガス流路と同一の流路構造を有する温調媒体用流路、または、前記第２ガス流路に隔壁を介して設けられ、該第２ガス流路と同一の流路構造を有する温調媒体用流路と、
を設けるとともに、
前記第１ガス流路の開口面積が前記第２ガス流路の開口面積よりも大きく設定され、さらに前記第１または第２ガス流路のガスの流れ方向と、前記温調媒体用流路の温調媒体の流れ方向とが、互いに反対方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池において、前記温調媒体は、水、メタノール、または水とメタノールの混合溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池において、前記第１および第２ガス流路は、酸化剤ガスと燃料ガスを互いに平行しかつ重力方向に向かって蛇行して流動させる流路構造とすることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
電解質膜を挟んでカソード側電極とアノード側電極を対設した燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記カソード側電極と前記アノード側電極にそれぞれ酸化剤ガスと燃料ガスを互いに平行しかつ重力方向に向かって流動させる第１および第２ガス流路と、
前記第１ガス流路に隔壁を介して設けられ、該第１ガス流路と同一の流路構造を有する温調媒体用流路、および、前記第２ガス流路に隔壁を介して設けられ、該第２ガス流路と同一の流路構造を有する温調媒体用流路と、
を設けるとともに、
前記第１ガス流路の開口面積が前記第２ガス流路の開口面積よりも大きく設定され、さらに前記第１および第２ガス流路のガスの流れ方向と、前記温調媒体用流路の温調媒体の流れ方向とが、互いに反対方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池において、前記酸化剤ガスを流動させる前記第１ガス流路の開口断面積および該第１ガス流路に隔壁を介して設けられた前記温調媒体用流路の開口断面積は、前記燃料ガスを流動させる前記第２ガス流路の開口断面積および該第２ガス流路に隔壁を介して設けられた前記温調媒体用流路の開口断面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池において、前記温調媒体は、水、メタノール、または水とメタノールの混合溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１３記載の燃料電池において、前記第１および第２ガス流路は、酸化剤ガスと燃料ガスを互いに平行しかつ重力方向に向かって蛇行して流動させる流路構造とすることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記アノード側電極側を冷却するための第１冷却媒体が導入される第１冷却通路と、
前記カソード側電極側を冷却するための第２冷却媒体が導入される第２冷却通路と、
をそれぞれ独立して有するとともに、
前記第２冷却通路に供給される前記第２冷却媒体の圧力を制御するための圧力制御手段を備え、前記圧力制御手段は、前記第２冷却媒体の温度を制御する温度調整器を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記アノード側電極に接触するアノード側要素部材を備え、
前記アノード側要素部材は、前記第１冷却通路に導入される前記第１冷却媒体である水分を該アノード側電極および燃料ガスに供給するために導電性の水透過性材料で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項１７記載の燃料電池において、前記アノード側要素部材は、多孔質炭素焼結体、導電性多孔質焼結金属、多孔質導電性ゴム、多孔質導電性樹脂等の多孔質体、またはこれらを組み合わせた多孔質材で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池において、前記多孔質炭素焼結体は、気孔率が７０％以下でかつポア径が４０μｍ以下の多孔性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求項１８記載の燃料電池において、前記アノード側要素部材は、撥水化処理された多孔質体で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２１】
請求項１６記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記カソード側電極に接触するカソード側要素部材を備え、
前記カソード側要素部材は、前記第２冷却通路に導入される前記第２冷却媒体の圧力により該カソード側電極に締め付け力を付与するために緻密質材料で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２２】
請求項２１記載の燃料電池において、前記カソード側要素部材は、黒鉛化炭素、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、またはこれらを組み合わせた材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２３】
請求項１６記載の燃料電池において、前記第２冷却媒体は、前記燃料電池の作動温度近傍以下の沸点温度を有する少なくとも一種以上の物質であって、これらの物質は相互の反応および該物質が接する部材との反応を起こさない物質であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２４】
請求項１６記載の燃料電池において、前記圧力制御手段は、前記燃料電池の外部に配設される昇圧ポンプおよび背圧弁を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２５】
請求項１６記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記第１冷却通路と前記第２冷却通路を仕切るための仕切部材を備え、
前記仕切部材は、緻密質かつ導電性を有する黒鉛化炭素、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性の導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、またはこれらを組み合わせた材料で構成され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
本発明は、電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池構造体と前記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを備えた燃料電池に関する。
背景技術
例えば、固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の両側にそれぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極とからなる単位セル（燃料電池構造体）を複数個積層して構成される。この種の燃料電池において、アノード側に供給された水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介して多孔質カーボンからなるカソード電極側へと移動する。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオンと酸素とが反応して水が生成され、一方、その間に生じた電子が、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。特開平６−２０７１３号公報は、この種の燃料電池を開示している。この従来技術では、固体高分子電解質膜に十分に高い発電機能を発揮させるべく、加湿用の水を供給する際、燃料電池の運転条件によって水分がセパレータの表面にドレンとなってしまうことに着目し、セパレータに設けられる燃料ガス供給用溝および酸化剤ガス供給用溝を平行流とするとともに、その流れ方向を重力方向の下方へ指向してドレンとして排出する構造を採用したものである。
すなわち、この種の燃料電池では、作動温度が比較的に低いために、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することによって生成された反応生成水や、電解質膜を加湿するために燃料ガスあるいは酸化剤ガスに加えられる水分によってセパレータの流路内で水の凝集結露が引き起こされ、これが燃料ガス供給流路あるいは酸化剤ガス供給流路を閉塞状態に至らしめ、燃料電池としての性能が低下する傾向があった。
しかも、図３１に示すように、燃料電池セル２を、多数、その重力方向に沿うように積層して燃料電池４を構成すると、加湿された燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流れの方向が変わる部位（例えば、部位６ａまたは６ｂ）で水滴が溜まることになり、この部位６ａ若しくは６ｂを含む燃料電池セル２に隣接する燃料電池セル２の発電性能が他の燃料電池セル２に比べ著しく低下する現象が見られた。
また、他の燃料電池セル２においても、重力方向と直交する方向でかつ平行に燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れるため、凝集した水、若しくは結露によって生じた水がその一部に溜まり易い状態にあり、この結果、各燃料電池セル２間においても発生する電圧にばらつきが生じ、さらに、この種のガス流路中の水が一時的に排水されることによって、燃料電池セル２における電圧の発生にばらつきが生ずるという事態を避けることができなかった。
そこで、前記の特開平６−２０７１３号公報に開示されている燃料電池の構成では、固体高分子電解質膜やアノード側電極、カソード側電極に沿って燃料ガス、酸化剤ガスを重力方向に平行に流し、これに直交して冷却水を流す構成を採用している。ところが、この構成では、水分の凝縮、結露等の発生、消滅という状態で惹起する可能性のある発生電圧の不安定性に起因する欠点は回避することができるものの、燃料電池セルの出口側での温度上昇によって一時的に電流密度が上昇する事態に至ることが確認されている。
すなわち、図３２に示すように、アノード側電極８とカソード側電極１０とによって挟持されている固体高分子電解質膜１２に対して水素ガスの如き燃料ガスと酸素ガスの如き酸化剤ガスとをその冷却水の流れと直交して流したとすると、燃料電池セル２の上流側に対して下流側の温度が大きくなる現象が確認されている。この場合、特に、冷却水の入口側よりも出口側の方が燃料電池セル２の温度分布が高くなる。
一方、例えば、特開平５−１４４４５１号公報に開示されているように、固体高分子電解質膜１２に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをその冷却水の流れ方向と平行に流した場合であっても同様の現象が惹起する。これを図３３に示す。この場合、燃料電池セル２の下部の温度がその上部の温度よりも相当高くなる。このような現象は、カソード側電極１０とアノード側電極８において、発熱反応によって生じた熱がガスと熱交換されるとともに、接触抵抗等に起因する熱がガスと熱交換され、燃料電池セル２の出口側にかけてガス温度が徐々に上昇し、そのガスによって電極自体が加熱されることを示している。この結果、単一の燃料電池セル２においても、ガスの上流側と下流側とでは温度分布が発生することになり、この燃料電池セル２によって得られる電圧にも分布が存在することになる。従って、燃料電池セル２から得られる出力電圧が安定化しなくなり、しかも、燃料電池セル２自体の寿命を短縮するという欠点が露呈する。特に、この種の温度分布が生じる燃料電池セル２からなる燃料電池４を自動車の動力源として用いると、走行の際に制御が複雑となるという欠点があった。
ところで、発電に伴って発生する熱等を除去するために、特開平５−１９０１９３号公報に開示されているように、第１の単セル、燃料ガス供給手段、冷却板、酸化剤ガス供給手段、第２の単セルを順次積層して構成された燃料電池が知られている。この燃料電池では、冷却板がその内部に冷却水流路を有し、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを介して第１および第２の単セルを冷却するとともに、この冷却板の燃料ガス供給手段に接する面の冷却効率がその酸化剤ガス供給手段に接する面の冷却効率よりも高くなるように構成されている。
この場合、上記の従来技術では、アノード側電極とカソード側電極の冷却効率をそれぞれ最適に設定するために、冷却板の冷却水路を燃料ガス供給手段側に近接させたり、燃料ガス供給手段側と酸化剤ガス供給手段側にそれぞれ個別の冷却水路を設けたり、燃料ガス供給手段側と酸化剤ガス供給手段側とで異なった熱伝導率を有する冷却部材を用いたり、あるいは燃料ガス流路部材の厚さを酸化剤ガス流路部材の厚さよりも薄くしたりすることにより対応している。
しかしながら、上記の従来技術では、第１の単セルと第２の単セルの間に介装されるセパレータとして、燃料ガス供給手段、冷却板および酸化剤ガス供給手段が設けられている。このため、セパレータ構成部品の数が多くなるとともに、このセパレータの厚さが大きくなってしまい、燃料電池全体のコンパクト化が図れないという問題が指摘されている。さらに、セパレータ構成部品の数が多くなると、燃料電池全体が重量化してしまうという問題もある。
また、固体高分子電解質膜およびイオン導電成分を、常時一定の湿潤状態に維持するために、例えば、セパレータとして多孔質材を使用して燃料ガスおよび固体高分子電解質膜を直接加湿する方式が提案されている（特開平６−２３１７９３号公報参照）。
ところで、燃料電池構造体内に接触抵抗が存在すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料電池構造体に所望の締め付け力を付与する必要がある。
しかしながら、上記のセパレータでは、構造的に燃料電池構造体に直接締め付け力を付与することができず、専用の締め付け力発生構造を設けなければならない。これにより、部品数が増加するとともに、燃料電池自体が大型化しかつ重量物になるという問題が指摘されている。
本発明は、アノード側電極およびカソード側電極をそれぞれ最適の冷却効率に設定することができるとともに、部品点数が増加することがなく、コンパクト化および軽量化が容易に遂行可能な燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、簡単な構成で、発電部の温度を容易かつ正確に均一化させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
さらにまた、本発明は、電解質膜を直接加湿するとともに、所望の締め付け力を付与することができ、簡単な構成で、しかも多機能な燃料電池を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、セパレータとしてアノード側電極に接するアノード側要素部材とカソード側電極に接するカソード側要素部材とを備えており、これらの間に冷却媒体用流路が直接形成されている。このため、セパレータ構成部品の数が容易に削減される。さらに、アノード側要素部材およびカソード側要素部材の冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に接触面積拡大部位が設けられている。従って、各接触面積拡大部位の形状等を変更するだけで、アノード側電極とカソード側電極に対してそれぞれ最適の冷却効率を設定することができる。
また、本発明は、酸化剤ガスを流動させる第１ガス流路に、隔壁を介してこれと同一の流路構造を有する温調媒体用流路、および／または燃料ガスを流動させる第２ガス流路に、隔壁を介してこれと同一の流路構造を有する温調媒体用流路が設けられるとともに、酸化剤ガスおよび／または燃料ガスの流れ方向と温調媒体の流れ方向とが、互いに反対方向に設定されている。このため、例えば、第１ガス流路を流れる酸化剤ガスと温調媒体用流路を流れる冷却媒体とは、表裏同一の流路を反対方向に流れることになり、この酸化剤ガスとこの冷却媒体の間の熱交換効率が向上し、発電部の温度を均一化することができる。同様に、例えば、第２ガス流路を流れる燃料ガスと温調媒体用流路を流れる冷却媒体とによって、発電部の温度の均一化が可能になる。
さらにまた、本発明は、セパレータに独立して第１および第２冷却通路が設けられており、この第１および第２冷却通路にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極に応じた所望の第１および第２冷却媒体を選択的に導入することができる。このため、例えば、第１冷却媒体として水を使用しアノード側電極および燃料ガスを直接加湿する一方、第２冷却媒体を介してカソード側電極に締め付け力を付与することが可能になる。また、アノード側電極とカソード側電極に最適な冷却効率を別々に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の原理を説明する概略説明図である。
図２は、本発明を実施するための第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
図３は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する固体高分子電解質膜と電極の接合状態を示す正面図である。
図４は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成するガスケットの正面図である。
図５は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する第１マニホールド板の正面図である。
図６は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する第２マニホールド板の正面図である。
図７は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する面圧発生板の正面図である。
図８は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ本体の正面図である。
図９は、前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する第１と第２のマニホールド板に組み込まれる整流板の斜視図である。
図１０は、前記第１の実施形態に係る燃料電池に温度分布がなくなった状態を示す説明図である。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するマニホールド板と整流板とを一体的に形成した状態の斜視説明図である。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
図１３は、前記第３の実施形態に係る燃料電池の一部分解斜視説明図である。
図１４は、前記第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの縦断説明図である。
図１５は、図１２中、ＸＶ−ＸＶ線断面図である。
図１６は、本発明の第４の実施態様に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
図１７は、前記第４の実施形態に係る燃料電池の一部分解斜視説明図である。
図１８は、前記第４の実施形態に係る燃料電池の縦断面図である。
図１９は、前記第４の実施形態に係る燃料電池を構成する酸化剤ガス用整流板のガス流路および冷却媒体用流路の説明図である。
図２０は、前記第４の実施形態に係る燃料電池を構成する燃料ガス用整流板のガス流路および冷却媒体用流路の説明図である。
図２１は、前記第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの縦断説明図である。
図２２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
図２３は、前記第５の実施形態に係る燃料電池の一部分解斜視説明図である。
図２４は、図２２中、ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。
図２５は、第１冷却媒体の供給手段の概略説明図である。
図２６は、第２冷却媒体の圧力制御手段の説明図である。
図２７は、前記第２冷却媒体の別の圧力制御手段の構成図である。
図２８は、図２２中、ＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩ線断面図である。
図２９は、図２２中、ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。
図３０は、図２２中、ＸＸＸ−ＸＸＸ線断面図である。
図３１は、従来技術に係る燃料電池セルの積層状態を示す概略説明図である。
図３２は、従来技術に係る燃料電池セルの配置状態と温度分布との関係を示す斜視説明図である。
図３３は、従来技術に係る燃料電池セルの配置状態と温度分布との関係を示す斜視説明図である。
発明を実施するための最良の形態
図１および図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池は、基本的には、燃料電池セル２０を水平方向に多数積層して構成される。該燃料電池セル２０は、固体高分子電解質膜２２を挟んでアノード側電極２６とカソード側電極２４とから構成される燃料電池構造体２８を含む。燃料電池構造体２８の構成については、例えば、国際公表公報Ｗ０９４−１５３７７号に詳細な記載があり、本発明では、これを援用する。この場合、図１では、固体高分子電解質膜２２とアノード側電極２６とカソード側電極２４とがそれぞれ分離構成されているが、これらを一体構成としてもよいことは言うまでもない。
図３に示すように、前記電解質膜２２には、水素等の燃料ガスを１つの方向へと通過させるための長円状の孔部２２ａと、冷却水を通過させるための孔部２２ｂと、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスを通過させるための孔部２２ｃとがその上部側に設けられ、一方、前記電解質膜２２の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部２２ｄと、冷却水を通過させるための孔部２２ｅと、酸化剤ガスを通過させるための孔部２２ｆとが設けられている。
燃料電池構造体２８の両側に、第１ガスケット３０と第２ガスケット３２とが設けられる。第１ガスケット３０は、カソード側電極２４を収納するための大きな開口部３４を有し、第２ガスケット３２にはアノード側電極２６を収納するための開口部３６が画成されている。第１ガスケット３０、第２ガスケット３２にも同様に、燃料ガスを通過させるための孔部３０ａ、３０ｄ、３２ａ、３２ｄ、冷却水を通過させるための孔部３０ｂ、３０ｅ、３２ｂ、３２ｅ、酸化剤ガスを通過させるための孔部３０ｃ、３０ｆ、３２ｃ、３２ｆがそれぞれ上端部と下端部に設けられている（図４参照）。なお、第１と第２のガスケット３０、３２の側部に設けられている長円は、ガスケット３０、３２の重量を低減させるための孔部である。
次に、前記第１ガスケット３０、第２ガスケット３２が当接するとともに、その一部にアノード側電極２６、カソード側電極２４を収納する孔部が画成されたセパレータ４０について説明する。
セパレータ４０は、基本的には、第１マニホールド板４２と、この第１マニホールド板４２に当接する第１面圧発生板４４と、第２面圧発生板４６と、前記第１面圧発生板４４と前記第２面圧発生板４６との間で挟持されるセパレータ本体４８と、前記第２面圧発生板４６に当接する第２マニホールド板５０とから構成される。
図５に示すように、前記第１マニホールド板４２は、矩形状の平板で構成され、その右上隅角部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用凹部４２ａが設けられ、それに隣接して冷却水を排出するための冷却水排出用孔部４２ｂが設けられている。第１マニホールド板４２の左上隅角部には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用孔部４２ｃが設けられる。この第１マニホールド板４２の左下隅角部には、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用凹部４２ｄが設けられ、この燃料ガス排出用凹部４２ｄに隣接して冷却水供給用孔部４２ｅが設けられる。第１マニホールド板４２の右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部４２ｆが設けられる。燃料ガス供給用凹部４２ａと燃料ガス排出用凹部４２ｄとは、開口部４３によって連通状態にある。第１マニホールド板４２の両側部にあって垂直方向へ延在する長円状の孔部は、該第１マニホールド板４２の重量軽減用のものであり、真円状の孔部は、積層時にスタッド等を挿通するために用いられる。
図６に示すように、第１マニホールド板４２と第２マニホールド板５０とは、基本的に対称に構成されている。従って、第２マニホールド板５０についてはその詳細な説明を省略するが、この第２マニホールド板５０は、燃料ガス供給用孔部５０ａと、冷却水排出用孔部５０ｂと、酸化剤ガス供給用凹部５０ｃと、燃料ガス排出用孔部５０ｄと、冷却水供給用孔部５０ｅと、酸化剤ガス排出用凹部５０ｆとを有している。酸化剤ガス供給用凹部５０ｃと酸化剤ガス排出用凹部５０ｆとは、開口部５２によって連通状態にある。
第１マニホールド板４２に当接する第１面圧発生板４４について、図７を参照しながら説明する。なお、第２面圧発生板４６はこの第１面圧発生板４４と実質的に同一であることから、その詳細な説明を省略する。
この第１面圧発生板４４は、カーボンや金属等の導電性材料で構成された平板からなり、その右上隅角部には燃料ガス供給用凹部４２ａと連通する燃料ガス供給用連通孔４４ａが設けられ、これに隣接して冷却水排出用孔部４２ｂと連通する冷却水排出用連通孔４４ｂが画成されている。この第１面圧発生板４４の左上隅角部には、酸化剤ガス供給用孔部４２ｃに連通する酸化剤ガス供給用連通孔４４ｃが設けられ、前記第１面圧発生板４４の左下隅角部には、第１マニホールド板４２の燃料ガス排出用凹部４２ｄと連通する燃料ガス排出用連通孔４４ｄが、この連通孔４４ｄに近接して冷却水供給用孔部４２ｅに連通する冷却水供給用連通孔４４ｅが設けられている。第１マニホールド板４２の右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部４２ｆに連通する酸化剤ガス排出用連通孔４４ｆが設けられている。前記第１面圧発生板４４に画成されている残余の長円状の孔部は、その重量軽減のためのものであり、また、真円状の孔部は、燃料電池セル２０を積層緊締する際のスタッド挿通用として用いられる。
図８には、第３のマニホールド板、すなわち、セパレータ本体４８が示されている。このセパレータ本体４８は、冷却水を供給して、燃料電池構造体２８を冷却するためのものである。比較的厚めのセパレータ本体４８は、カーボン材や金属板等の導電性材料で構成され、凹部４２ａ、連通孔４４ａと連通する燃料ガス供給用孔部４８ａをその右上隅角部に有する。冷却水排出用孔部４２ｂ、連通孔４４ｂに連通する冷却水排出用凹部４８ｂが前記孔部４８ａに隣接し、かつこのセパレータ本体４８の略中央上部に設けられるとともに、左上隅角部には酸化剤ガス供給用孔部４２ｃ、連通孔４４ｃに連通する酸化剤供給用孔部４８ｃが設けられる。左下隅角部には燃料ガス排出用凹部４２ｄ、連通孔４４ｄに連通する孔部４８ｄが設けられ、図８において、冷却水排出用凹部４８ｂの直下に冷却水供給用凹部４８ｅが設けられている。右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部４８ｆが設けられる。なお、凹部４８ｂと凹部４８ｅは大きく画成された開口部６２によって連通状態にある。
セパレータ本体４８の開口部６２には、冷却水整流板７０、７２が嵌合固定される。冷却水整流板７０、７２を合わせると前記セパレータ本体４８の厚さと略同じ厚さになる。冷却水整流板７０は、図２において、垂直方向へと延在する複数本の並列な溝７０ａを有し、同様に、冷却水整流板７２も平行な溝７２ａを複数本並設して有している。冷却水整流板７０、７２を合わせると、その溝７０ａ、７２ａはそれぞれ大きな冷却水整流用通路を互いに画成することになり、それぞれの冷却水整流用通路は前記凹部４８ｂ、４８ｅと連通状態を確保する。
図１、図２および図９から諒解されるように、第１マニホールド板４２の開口部４３に燃料ガス用整流板８０が嵌合される。前記燃料ガス用整流板８０の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝８０ａが画成されている。この平行な溝８０ａによって燃料ガス供給用凹部４２ａと燃料ガス排出用凹部４２ｄが連通する。一方、第２マニホールド板５０の開口部５２に酸化剤ガス用整流板８２が嵌合される。前記酸化剤ガス用整流板８２の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝８２ａを画成している。この平行な溝８２ａによって酸化剤ガス供給用凹部５０ｃと酸化剤ガス排出用凹部５０ｆとが連通する。なお、第１マニホールド板４２と燃料ガス用整流板８０、第２マニホールド板５０と酸化剤ガス用整流板８２の厚さは、実質的に同一である。
このように構成されたセパレータ本体４８が第１面圧発生板４４、第２面圧発生板４６で挟持され、さらにこれらが第１マニホールド板４２、第２マニホールド板５０で挟持される。第１マニホールド板４２に第２ガスケット３２が当接し、第２マニホールド板５０に第１ガスケット３０が当接し、それぞれのガスケット３０、３２の間に、前記のように、燃料電池構造体２８が挟持され、積層された燃料電池セル２０が構成される。この時、燃料電池構造体２８を構成する固体高分子電解質膜２２の燃料ガス供給用孔部２２ａと第１ガスケット３０の孔部３０ａ、第２ガスケット３２の孔部３２ａ、第１マニホールド板４２の凹部４２ａ、セパレータ本体４８の孔部４８ａおよび第２マニホールド板５０の孔部５０ａは、それぞれ連通状態を確保し、以下、燃料ガス排出用孔部、冷却水排出用孔部、冷却水供給用孔部、酸化剤ガス供給用孔部、酸化剤ガス排出用孔部もそれぞれ同様に連通状態を確保する。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池は、以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
基本的に、多数の燃料電池セル２０は、互いに積層されて燃料電池を構成するわけであるが、第１の実施形態においては、積層された燃料電池セル２０は水平方向へと配置される。そして、その起動にあたっては、好ましくは、水素ガスが燃料ガスとして第１マニホールド板４２の凹部４２ａ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ａ、セパレータ本体４８の孔部４８ａ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ａ、第２マニホールド板５０の孔部５０ａ、第１ガスケット３０の孔部３０ａ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ａ、第２ガスケット３２の孔部３２ａ、次段の第１マニホールド板４２の凹部４２ａの如く通過する。
その際、第１マニホールド板４２では、燃料ガスが凹部４２ａから整流板８０の溝８０ａを通り、凹部４２ｄに到達する。この間に、整流板８０の溝８０ａを通過する燃料ガスは、アノード側電極２６に到達する。前記凹部４２ｄの未反応ガスは、第１マニホールド板４２の凹部４２ｄ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｄ、セパレータ本体４８の孔部４８ｄ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ｄ、第２マニホールド板５０の孔部５０ｄ、第１ガスケット３０の孔部３０ｄ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ｄ、第２ガスケット３２の孔部３２ｄ、次段の第１マニホールド板４２の凹部４２ｄの如く通過する。
一方、酸化剤ガスは、第１マニホールド板４２の孔部４２ｃ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｃ、セパレータ本体４８の孔部４８ｃ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ｃ、第２マニホールド板５０の凹部５０ｃ、第１ガスケット３０の孔部３０ｃ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ｃ、第２ガスケット３２の孔部３２ｃ、次段の第１マニホールド板４２の孔部４２ｃの如く通過する。
その際、第２マニホールド板５０では、酸化剤ガスが凹部５０ｃから整流板８２の溝８２ａを通り、凹部５０ｆに到達する。この間に、整流板８２の溝８２ａを通過する酸化剤ガスはカソード側電極２４に到達する。前記凹部５０ｆの酸化剤ガスは、第１マニホールド板４２の孔部４２ｆ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｆ、セパレータ本体４８の孔部４８ｆ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ｆ、第２マニホールド板５０の凹部５０ｆ、第１ガスケット３０の孔部３０ｆ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ｆ、第２ガスケット３２の孔部３２ｆ、次段の第１マニホールド板４２の孔部４２ｆの如く通過する。
これに対して、冷却水は、燃料ガス、酸化剤ガスとは反対方向から供給される。すなわち、第１マニホールド板４２の孔部４２ｅを通過した冷却水は、第２ガスケット３２の孔部３２ｅ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ｅ、第１ガスケット３０の孔部３０ｅ、第２マニホールド板５０の孔部５０ｅ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ｅ、セパレータ本体４８の凹部４８ｅ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｅ、第１マニホールド板４２の孔部４２ｅの如く通過する。この間に、整流板７０と７２とが互いに接合されることによって画成される冷却水整流用通路を下方から上方へと通過する冷却水は、セパレータ本体４８の凹部４８ｂに至る。このように、上昇して前記凹部４８ｂに至った冷却水は、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｂ、第１マニホールド板４２の孔部４２ｂ、第２ガスケット３２の孔部３２ｂ、固体高分子電解質膜２２の孔部２２ｂ、第１ガスケット３０の孔部３０ｂ、第２マニホールド板５０の孔部５０ｂ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ｂの如く流れる。
すなわち、第１の実施形態では、燃料ガスと酸化剤ガスとが重力方向に沿って上から下へとそれぞれ流れる一方、冷却水がセパレータ本体４８を下から上へと流れるに至る。結局、図１０に示すように、最も低い温度の冷却水で燃料電池セル２０の最も温度の高くなる部位を冷却する原理を採用し、冷却水は、そのセパレータ本体４８に導入する際に十分な冷却能力を有している地点で、通常、温度勾配が高くなる電解質膜２２の下部を強制的に冷却する。従って、全体として温度分布のない状態で燃料電池セル２０が稼働されることになる。この結果、全体的にセル面内の温度は下がり、冷却水の入口付近に比べて出口付近での熱が取り去られ、その温度は低下するに至るが、ガス出口側付近の熱で温められた冷却水によってガス入口付近の燃料電池セル２０の温度が上昇し、ガスの入口側と出口側付近の燃料電池セル２０における温度差は実質的に小さくなる。よって、温度分布が少ない状態で燃料電池セル２０の作動が可能となる。
図１１に、本発明を実施する第２の実施形態示す。前記第１の実施形態では、第１マニホールド板４２と整流板８０とが分離構成され、同様に、第２マニホールド板５０と整流板８２とが分離構成されている。しかしながら、この第２の実施形態では、前記第１マニホールド板４２と整流板８０、第２マニホールド板５０と整流板８２とを一体形成して整流機構付マニホールド板９０としているため、製造が容易になり、かつ部品点数が少なくなる利点がある。
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池について説明する。
図１２および図１３において、参照数字１１０は、第３の実施形態に係る燃料電池を示す。この燃料電池１１０は、固体高分子電解質膜１１２を挟んでカソード側電極１１４とアノード側電極１１６を対設した燃料電池構造体１１８と、３組の前記燃料電池構造体１１８を挟持するセパレータ１２０とを備える。燃料電池構造体１１８とセパレータ１２０は、一対のエンドプレート１２２ａ、１２２ｂおよびタイロッド１２４により一体的に固定される（図１２参照）。
図１３に示すように、電解質膜１１２の上部側には、燃料ガス導入用孔部１１２ａと冷却媒体排出用孔部１１２ｂと酸化剤ガス導入用孔部１１２ｃとが設けられる一方、この電解質膜１１２の下部側には、燃料ガス排出用孔部１１２ｄと冷却媒体導入用孔部１１２ｅと酸化剤ガス排出用孔部１１２ｆとが設けられる。
燃料電池構造体１１８の両側には、第１および第２ガスケット１３０、１３２が配設される。第１ガスケット１３０は、カソード側電極１１４を収容するための大きな開口部１３４を有し、第２ガスケット１３２は、アノード側電極１１６を収容するための大きな開口部１３６を有する。第１および第２ガスケット１３０、１３２は、燃料ガス導入用孔部１３０ａ、１３２ａと冷却媒体排出用孔部１３０ｂ、１３２ｂと酸化剤ガス導入用孔部１３０ｃ、１３２ｃとをそれぞれ上部側に設けるとともに、燃料ガス排出用孔部１３０ｄ、１３２ｄと冷却媒体導入用孔部１３０ｅ、１３２ｅと酸化剤ガス排出用孔部１３０ｆ、１３２ｆとをそれぞれ下部側に設ける。
セパレータ１２０は、第１セパレータ部（カソード側要素部材）１４０と第２セパレータ部（アノード側要素部材）１４２とを備える。
第１セパレータ部１４０を構成する第１マニホールド板１４６は、矩形状の平板で構成され、その中央部に大きな開口部１４８を有する。第１マニホールド板１４６の上部側には、燃料ガス導入用孔部１４６ａと冷却媒体排出用孔部１４６ｂと酸化剤ガス導入用孔部１４６ｃとが設けられ、その下部側には、燃料ガス排出用孔部１４６ｄと冷却媒体導入用孔部１４６ｅと酸化剤ガス排出用孔部１４６ｆとが設けられる。孔部１４６ｃ、１４６ｆは、第１マニホールド板１４６の一方の面部（カソード側電極１１４側）に互いに対角の位置に対応して設けられた凹部１４７ａ、１４７ｂを介して開口部１４８に連通する。
第１マニホールド板１４６の開口部１４８に酸化剤ガス用整流板１５０が嵌合される。酸化剤ガス用整流板１５０は、図１３および図１４に示すように、その一面側（カソード側電極１１４側）に水平方向に複数の突起１５０ａが互いに平行しかつ千鳥状に設けられ、これにより、鉛直方向に向かって蛇行する酸化剤ガス用通路１５０ｂが形成される。この酸化剤ガス用整流板１５０の他方の面部（後述する冷却媒体用流路を形成する面部）には、冷却媒体との接触面積を拡大するための複数、例えば、１１個の熱交換用フィン（接触面積拡大部位）１５０ｃが水平方向に互いに平行に突出形成される。
第２セパレータ部１４２は、上記第１セパレータ部１４０と同様に構成されており、第２マニホールド板１５２とこの第２マニホールド板１５２の開口部１５４に嵌合する燃料ガス用整流板１５６とを備える。
第２マニホールド板１５２は、その上部側に燃料ガス導入用孔部１５２ａと冷却媒体排出用孔部１５２ｂと酸化剤ガス導入用孔部１５２ｃとが設けられる一方、その下部側に燃料ガス排出用孔部１５２ｄと冷却媒体導入用孔部１５２ｅと酸化剤ガス排出用孔部１５２ｆとが設けられる。孔部１５２ａ、１５２ｄは、第２マニホールド板１５２の一方の面部（第１セパレータ部１４０と反対側の面部）に設けられた凹部１５３ａ、１５３ｂを介して開口部１５４に連通する。孔部１５２ｂ、１５２ｅは、第２マニホールド板１５２の他方の面部（第１セパレータ部１４０側の面部）に設けられた切欠１５２ｇ、１５２ｈを介して開口部１５４に開放される。
燃料ガス用整流板１５６は、図１３および図１４に示すように、一方の面に水平方向に平行しかつ千鳥状に配設された複数の突起１５６ａを介して鉛直方向に蛇行する燃料ガス用通路１５６ｂが形成されるとともに、その反対側の面部（後述する冷却媒体用流路側の面部）には、冷却媒体との接触面積を拡大するための複数、例えば、３個の熱交換用フィン（接触面積拡大部位）１５６ｃが突出形成される。
酸化剤ガス用整流板１５０および燃料ガス用整流板１５６は、炭素、ステンレス鋼またはインコネル（商標名）等のニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂等、またはこれらを組み合わせた材料で構成される。
セパレータ１２０は、図１４に示すように、第１および第２セパレータ部１４０、１４２が一体的に組み付けられる際、酸化剤ガス用整流板１５０と燃料ガス用整流板１５６の間に冷却媒体用流路１５８が形成される。この流路１５８は、第２マニホールド板１５２に設けられた切欠１５２ｇ、１５２ｈを介し孔部１５２ｂ、１５２ｅに連通する（図１５参照）。
なお、第２マニホールド板１５２に切欠１５２ｇ、１５２ｈを設ける代わりに、第１マニホールド板１４６に孔部１４６ｂ、１４６ｅを互いに連通する切欠を設けてもよく、また、この第１および第２マニホールド板１４６、１５２の双方に切欠を設けてもよい。
このように構成される燃料電池１１０の動作について、以下に説明する。
燃料ガス（水素ガス）が燃料電池１１０に供給されると、この燃料ガスは、第１セパレータ部１４０を構成する第１マニホールド板１４６の孔部１４６ａおよび第２セパレータ部１４２を構成する第２マニホールド板１５２の孔部１５２ａに導入され、その一部がこの孔部１５２ａから燃料ガス用整流板１５６の通路１５６ｂに供給される。
燃料電池１１０に供給される酸化剤ガス（空気）は、第１マニホールド板１４６の孔部１４６ｃおよび第２マニホールド板１５２の孔部１５２ｃに導入され、その一部がこの孔部１４６ｃから酸化剤ガス用整流板１５０の通路１５０ｂに供給される。これにより、燃料電池構造体１１８を構成するアノード側電極１１６側に燃料ガスが供給されるとともに、カソード側電極１１４側に酸化剤ガスが供給され、この燃料電池構造体１１８に電気エネルギが生成される。
一方、図１５に示すように、燃料電池１１０の下部側に冷却媒体が供給される。この冷却媒体としては、水、メタノール、水とメタノールの混合溶液、燃料電池作動用ガス（使用前または使用後）、または燃料電池１１０の作動温度以下の沸点を有する物質である。
具体的には、無機化合物である水（１００℃）、アンモニア（−３３．４３℃）、二酸化炭素（−７８．５℃）、アルゴン（−１８５．８６９℃）および窒素（−１９５．８℃）と、有機化合物であるメタノール（６４．５１℃）、エタノール（７８．３℃）およびイソプロパノール（８２．３３℃）等のアルコール類と、アセトアルデヒド（２０．４℃）、アセトン（５６．１２℃）、エチルメチルケトン（７９．５９℃）およびホルムアルデヒド（−１９．１℃）等のアルデヒド・ケトン類と、エチルプロピルエーテル（６３．８６℃）、エチルメチルエーテル（７．３５℃）、ジエチルエーテル（３４．５５℃）、ジメチルエーテル（−２４．８４℃）およびジイソプロピルエーテル（６８．２７℃）等のエーテル類と、メタン（−１６１．４９℃）、エタン（−８８．６３℃）、プロパン（−４２．０７℃）、ブタン（−０．５℃）、ペンタン（３６．０７℃）、イソペンタン（２７．８５℃）、ヘキサン（６８．７４℃）およびイソヘキサン（６０．２７℃）等の飽和炭化水素と、蟻酸メチル（３１．７６℃）、蟻酸エチル（５７℃）、酢酸エチル（７７．１７℃）、酢酸ビニル（７２．９２℃）および酢酸メチル（５７℃）等のエステルと、シクロブタン（１２．５１℃）、シクロプロパン（−３２．８７℃）、シクロヘキサン（８０．７４℃）、シクロペンタン（４９．２６℃）、ヘキサフルオロベンゼン（８０．２６℃）およびベルフルホロシクロヘキサン（５２．５２℃）等の環状化合物とが使用される。なお、上記（）内は、それぞれの物質の常圧下における沸点を示す。
燃料電池１１０の下部側に供給された冷却媒体は、第２マニホールド板１５２の孔部１５２ｅ、切欠１５２ｈを介して燃料ガス用整流板１５６と酸化剤ガス用整流板１５０の間に形成された流路１５８に導入され、この流路１５８を下方から上方に向かって流動する。そして、この冷却媒体は、第２マニホールド板１５２の上部側に設けられた孔部１５２ｂおよび第１マニホールド板１４６の孔部１４６ｂ等を通って燃料電池１１０から排出される。
この場合、第３の実施形態では、第１および第２セパレータ部１４０、１４２によりセパレータ１２０が構成され、一面に酸化剤ガス用通路１５０ｂが設けられた酸化剤ガス用整流板１５０と一面に燃料ガス用通路１５６ｂが設けられた燃料ガス用整流板１５６との間に、冷却媒体用流路１５８が直接形成されている。このため、冷却媒体を流通させるために専用の冷却板を用いるものに比べ、部品数が一挙に削減されてセパレータ１２０全体の軽量化およびコンパクト化が容易に達成されるという効果が得られる。
さらに、第３の実施形態では、酸化剤ガス用整流板１５０に流路１５８側に突出して複数のフィン１５０ｃが設けられる一方、燃料ガス用整流板１５６にこの流路１５８側に突出して複数のフィン１５６ｃが設けられており、カソード側電極１１４およびアノード側電極１１６の冷却効率を容易に向上させることができる。
しかも、フィン１５０ｃ、１５６ｃの形状、寸法および数等をそれぞれ個別に設定することができ、これによってカソード側電極１１４およびアノード側電極１１６の機能等に応じてこのカソード側電極１１４およびこのアノード側電極１１６に最適な冷却効率を確実に選択することができる。
すなわち、カソード側電極１１４側では、燃料電池１１０の反応によりこのカソード側電極１１４側で発生する熱を除去して該カソード側電極１１４中のイオン導電成分の乾燥および電解質膜１１２のカソード側電極１１４側の乾燥を防ぐとともに、酸化剤ガスを加湿する場合に前記カソード側電極１１４中のイオン導電成分および電解質膜１１２のカソード側電極１１４側へ水が入り易いようにカソード側電極１１４側の冷却効率が設定される。一方、アノード側電極１１６側では、燃料ガスを加湿する場合にアノード側電極１１６中のイオン導電成分および電解質膜１１２のアノード側電極１１６側へ水が入り易いように該アノード側電極１１６側の冷却効率が設定される。
従って、カソード側電極１１４とアノード側電極１１６では、それぞれの冷却効率が異なる場合が多く、これらの冷却効率の違いに対応してフィン１５０ｃとフィン１５６ｃの形状、寸法および数を異ならせている。これにより、カソード側電極１１４およびアノード側電極１１６において、それぞれの冷却効率を個別にかつ最適な状態に設定することが可能になるという効果が得られる。
さらに、第３の実施形態では、酸化剤ガス用整流板１５０のフィン１５０ｃおよび燃料ガス用整流板１５６のフィン１５６ｃが冷却媒体にのみ接しており、カソード側電極１１４−アノード側電極１１６間の熱伝導が固体高分子電解質膜１２を介してのみ行われる。従って、セパレータ２０を介した熱伝導が遮断されるため、選択的冷却効率はさらに高まる。
なお、第３の実施形態では、接触面積拡大部位としてフィン１５０ｃ、１５６ｃを用いたが、これに限定されるものではなく、冷却媒体との接触面積を拡大し得る構造であれば、凹状部や種々の変形面等を採用することが可能である。
次に、本発明の第４の実施態様に係る燃料電池について説明する。
図１６〜図１８において、参照数字２１０は、第４の実施形態に係る燃料電池を示す。この燃料電池２１０は、固体高分子電解質膜２１２を挟んでカソード側電極２１４とアノード側電極２１６を対設した燃料電池構造体２１８と、この燃料電池構造体２１８を挟持するセパレータ２２０とを備える。燃料電池構造体２１８とセパレータ２２０は、一対のエンドプレート２２２ａ、２２２ｂおよびタイロッド２２４により一体的に固定される。
燃料電池構造体２１８を構成する固体高分子電解質膜２１２の上部側には、冷却媒体（温調媒体）排出用孔部２１２ａと酸化剤ガス導入用孔部２１２ｂと燃料ガス導入用孔部２１２ｃとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部２１２ｄと酸化剤ガス排出用孔部２１２ｅと冷却媒体導入用孔部２１２ｆとが設けられる。
電解質膜２１２の両側には、第１および第２ガスケット２３０、２３２が設けられる。第１ガスケット２３０は、カソード側電極２１４を収容するための大きな開口部２３４を有し、第２ガスケット２３２は、アノード側電極２１６を収容するための大きな開口部２３６を有する。第１および第２ガスケット２３０、２３２の上部側には、冷却媒体排出用孔部２３０ａ、２３２ａと酸化剤ガス導入用孔部２３０ｂ、２３２ｂと燃料ガス導入用孔部２３０ｃ、２３２ｃとが設けられる一方、これらの下部側には、燃料ガス排出用孔部２３０ｄ、２３２ｄと酸化剤ガス排出用孔部２３０ｅ、２３２ｅと冷却媒体導入用孔部２３０ｆ、２３２ｆとが設けられる。
セパレータ２２０は、カソード側電極２１４側に当接する第１セパレータ部２４０と、アノード側電極２１６側に当接する第２セパレータ部２４２と、この第１および第２セパレータ部２４０、２４２に挟持される仕切板（隔壁）２４４とを備える。
第１セパレータ部２４０は、第１マニホールド板２４６とこの第１マニホールド板２４６に形成された比較的大きな開口部２４８に嵌合する酸化剤ガス用整流板２５０とを有する。
第１マニホールド板２４６は、緻密質カーボンで形成された矩形状平板であり、その上部側には、冷却媒体排出用孔部２４６ａと酸化剤ガス導入用孔部２４６ｂと燃料ガス導入用孔部２４６ｃとが設けられる。第１マニホールド板２４６の下部側には、燃料ガス排出用孔部２４６ｄと酸化剤ガス排出用孔部２４６ｅと冷却媒体導入用孔部２４６ｆとが設けられる。
孔部２４６ｂ、２４６ｅは、第１マニホールド板２４６の一方（カソード側電極２１４側）の面部に形成された切欠２４７ａ、２４７ｂを介して開口部２４８に連通する一方、孔部２４６ａ、２４６ｆは、この第１マニホールド板２４６の他方の面部に形成された切欠２４７ｃ、２４７ｄを介して前記開口部２４８に連通する（図１７および図１９参照）。
酸化剤ガス用整流板２５０は、炭素、ステンレス鋼、またはインコネル（商標名）等のニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴムまたは導電性樹脂およびそれらを組み合わせた材料で構成される。酸化剤ガス用整流板２５０の一面部には、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部２５０ａが設けられ、これらの突起部２５０ａによって鉛直方向に向かって蛇行する第１ガス流路２５０ｂが形成される（図１９参照）。この酸化剤ガス用整流板２５０の他方の面部には、同様に、複数の突起部２５０ｃが水平方向に対して互いに平行しかつ千鳥状に設けられることにより、第１ガス流路２５０ｂと同一の流路構造を有する第１冷却媒体用流路（温調媒体用流路）２５０ｄが形成される。
第２セパレータ部２４２は、第２マニホールド板２５２とこの第２マニホールド板２５２の中央に形成された比較的大きな開口部２５４に嵌合する燃料ガス用整流板２５６とを有する。第２マニホールド板２５２は、第１マニホールド板２４６と同様に構成されており、その上部側には、冷却媒体排出用孔部２５２ａと酸化剤ガス導入用孔部２５２ｂと燃料ガス導入用孔部２５２ｃとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部２５２ｄと酸化剤ガス排出用孔部２５２ｅと冷却媒体導入用孔部２５２ｆとが設けられる。
孔部２５２ａ、２５２ｆは、第２マニホールド板２５２の一方（第１セパレータ部２４０側）の面部に形成された切欠２５８ａ、２５８ｂを介して開口部２５４に連通し、孔部２５２ｃ、２５２ｄは、この第２マニホールド板２５２の他方の面部に形成された切欠２５８ｃ、２５８ｄを介して前記開口部２５４に連通する（図１７および図２０参照）。
燃料ガス用整流板２５６は、水透過性カーボン材で形成されている。この燃料ガス用整流板２５６の一方の面部には、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部２５６ａにより第２ガス流路２５６ｂが形成される。この燃料ガス用整流板２５６の他方の面部には、同様に、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部２５６ｃを介して第２冷却媒体用流路（温調媒体用流路）２５６ｄが形成される。第２ガス流路２５６ｂと第２冷却媒体用流路２５６ｄは、互いに同一の流路構造を有するとともに、互いに反対方向の流れ方向に設定されている（図２０参照）。
図２１に示すように、第１ガス流路２５０ｂの開口断面積および第１冷却媒体用流路２５０ｄの開口断面積は、第２ガス流路２５６ｂの開口断面積および第２冷却媒体用流路２５６ｄの開口断面積よりも大きく設定されている。
仕切板２４４は、緻密質カーボン材で形成された板状を有しており、その上部側には、冷却媒体排出用孔部２４４ａと酸化剤ガス導入用孔部２４４ｂと燃料ガス導入用孔部２４４ｃとが設けられる。この仕切板２４４の下部側には、燃料ガス排出用孔部２４４ｄと酸化剤ガス排出用孔部２４４ｅと冷却媒体導入用孔部２４４ｆとが設けられる。
このように構成される燃料電池２１０の動作について、以下に説明する。
燃料ガス（水素ガス）が燃料電池２１０に供給されると、この燃料ガスは、第１セパレータ部２４０を構成する第１マニホールド板２４６の孔部２４６ｃ、仕切板２４４の孔部２４４ｃおよび第２セパレータ部２４２を構成する第２マニホールド板２５２の孔部２５２ｃに供給されるとともに、この孔部２５２ｃの切欠２５８ｃから燃料ガス用整流板２５６の第２ガス流路２５６ｂに導入される（図２０参照）。このため、燃料ガスは、第２ガス流路２５６ｂに沿って蛇行するように重力方向に流れ、切欠２５８ｄから孔部２５２ｄに排出される。
酸化剤ガスが燃料電池２１０に供給されると、この酸化剤ガスは、第１マニホールド板２４６の孔部２４６ｂ、仕切板２４４の孔部２４４ｂおよび第２マニホールド板２５２の孔部２５２ｂに供給されるとともに、この孔部２４６ｂに連通する切欠２４７ａを介して酸化剤ガス用整流板２５０の第１ガス流路２５０ｂに導入される。従って、酸化剤ガスは、図１９に示すように、第１ガス流路２５０ｂに沿って蛇行するように重力方向に流れ、孔部２４６ｅから排出される。これにより、燃料電池構造体２１８を構成するアノード側電極２１６に燃料ガスが供給されるとともに、カソード側電極２１４に酸化剤ガスが供給される。
一方、燃料電池２１０に供給される冷却媒体は、水、メタノール、または水とメタノールの混合溶液であり、この冷却媒体が第１マニホールド板２４６の孔部２４６ｆに供給されると、その一部が切欠２４７ｄから酸化剤ガス用整流板２５０の第１冷却媒体用流路２５０ｄに導入される。このため、冷却媒体は、図１９に示すように、酸化剤ガス用整流板２５０の第１冷却媒体用流路２５０ｄに沿って蛇行するように重力方向とは逆方向に流れ、第１マニホールド板２４６の孔部２４６ａに排出される。
また、第２マニホールド板２５２の孔部２５２ｆに導入された冷却媒体の一部は、切欠２５８ｂから燃料ガス用整流板２５６の第２冷却媒体用流路２５６ｄに導入される。従って、図２０に示すように、冷却媒体は、燃料ガス用整流板２５６の第２冷却媒体用流路２５６ｄに沿って蛇行するように重力方向とは逆方向に流れ、第２マニホールド板２５２の孔部２５２ａに排出される。
この場合、第４の実施形態では、図１９に示すように、酸化剤ガス用整流板２５０の一方の面部に酸化剤ガスを重力方向に向かって蛇行するように流動させる第１ガス流路２５０ｂが設けられるとともに、この酸化剤ガス用整流板２５０の他方の面部には、前記第１ガス流路２５０ｂと表裏同一の流路構造でかつ冷却媒体を重力方向とは逆方向に流動させる第１冷却媒体用流路２５０ｄが設けられている。
すなわち、酸化剤ガスは、第１ガス流路２５０ｂの入口側（孔部２４６ｂ側）に比べ出口側（孔部２４６ｅ側）が最も高温となっている。このため、酸化剤ガスの温度が高温になる孔部２４６ｅ側に対応する孔部２４６ｆ側から冷却媒体が導入されることにより、前記冷却媒体と前記酸化剤ガスの間の熱交換効率が一挙に向上し、該酸化剤ガスは、第１ガス流路２５０ｂの入口側から出口側にわたり全体的に温度差のない状態に確実に温度調整され、発電部の温度均一化が容易に遂行されるという効果が得られる。
一方、燃料ガス用整流板２５６においても同様に、図２０に示すように、第２ガス流路２５６ｂに沿って重力方向に流れる燃料ガスと、第２冷却媒体用流路２５６ｄに沿って重力方向と反対方向に流れる冷却媒体とは、表裏同一の流路を互いに反対方向に流れている。従って、燃料ガスが入口側から出口側に至る間の温度差を少なくし、発電部の温度均一化が図られるという利点が得られる。
さらに、第４の実施形態では、第１ガス流路２５０ｂおよび第１冷却媒体用流路２５０ｄの開口面積が、第２ガス流路２５６ｂおよび第２冷却媒体用流路２５６ｄの開口断面積よりも大きく設定されている。すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスは、例えば、メタノールの改質ガスと空気、水素ガスと空気、または水素ガスと酸素ガスの組み合わせからなるため、それぞれの粘性が異なる。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとを同一のガス流路断面積に対し同一流量ずつ流すと、酸化剤ガス側で燃料ガス側より高いヘッド圧が発生してしまう。これにより、極間差圧が生じて固体高分子電解質膜２１２が破損したり、酸化剤ガス供給源の負荷が大きくなってしまうという問題が生じる。
また、燃料ガスおよび酸化剤ガスとして改質ガスおよび空気を使用する場合、燃料利用率と空気利用率に起因して燃料ガスと空気の流量減少に差異が発生し、空気の流量減少が前記燃料ガスの流量減少に比べて小さいものとなる。
この結果、酸化剤ガス側の第１ガス流路２５０ｂの開口断面積を燃料ガス側の第２ガス流路２５６ｂ側の開口断面積よりも大きくする必要がある。
さらにまた、カソード側電極２１４側では、反応生成水が酸化剤ガス用整流板２５０の壁面に凝集結露する場合がある。このため、第１ガス流路２５０ｂの開口断面積が第２ガス流路２５６ｂの開口断面積よりも大きく設定されることにより、結露した凝縮水によるガス流路閉塞、およびそれに起因する脈動流（スラグ流等）を防ぎ、酸化剤ガスが流れ易くなってガス排気効率が保たれる。
なお、第４の実施形態では、温調媒体として冷却媒体を使用し、酸化剤ガスおよび燃料ガスを均一に冷却する場合について説明したが、これとは逆に、加熱媒体を用いて前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスを全体として均一な温度に加熱することも可能である。
次いで、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池について説明する。
図２２〜図２４において、参照数字３１０は、第５の実施形態に係る燃料電池を示す。この燃料電池３１０は、固体高分子電解質膜３１２を挟んでカソード側電極３１４とアノード側電極３１６を対設した燃料電池構造体３１８と、３組の前記燃料電池構造体３１８を挟持するセパレータ３２０とを備える。燃料電池構造体３１８とセパレータ３２０は、一対のエンドプレート３２２ａ、３２２ｂおよび４本のタイロッド３２４により一体的に固定される。
図２３に示すように、電解質膜３１２の上部側には、燃料ガス導入用孔部３１２ａとカソード側電極冷却媒体（第２冷却媒体）排出用孔部３１２ｂと冷却水（第１冷却媒体）排出用孔部３１２ｃと酸化剤ガス導入用孔部３１２ｄとが設けられる。電解質膜３１２の下部側には、燃料ガス排出用孔部３１２ｅとカソード側電極冷却媒体導入用孔部３１２ｆと冷却水導入用孔部３１２ｇと酸化剤ガス排出用孔部３１２ｈとが設けられる。
燃料電池構造体３１８の両側には、第１ガスケット３３０と第２ガスケット３３２とが配設される。第１ガスケット３３０は、カソード側電極３１４を収容するための大きな開口部３３４を有し、第２ガスケット３３２は、アノード側電極３１６を収容するための大きな開口部３３６を有する。第１および第２ガスケット３３０、３３２は、燃料ガス導入用孔部３３０ａ、３３２ａとカソード側電極冷却媒体排出用孔部３３０ｂ、３３２ｂと冷却水排出用孔部３３０ｃ、３３２ｃと酸化剤ガス導入用孔部３３０ｄ、３３２ｄとをそれぞれ上部側に設けるとともに、燃料ガス排出用孔部３３０ｅ、３３２ｅとカソード側電極冷却媒体導入用孔部３３０ｆ、３３２ｆと冷却水導入用孔部３３０ｇ、３３２ｇと酸化剤ガス排出用孔部３３０ｈ、３３２ｈとをそれぞれ下部側に設ける。
セパレータ３２０は、第１セパレータ部３４０と、第２セパレータ部３４２と、この第１および第２セパレータ部３４０、３４２に挟持される仕切板３４４とを備える。
第１セパレータ部３４０を構成する第１マニホールド板３４６は、矩形状の平板で構成され、その中央部に大きな開口部３４８を有する。第１マニホールド板３４６の上部側には、燃料ガス導入用孔部３４６ａとカソード側電極冷却媒体排出用孔部３４６ｂと冷却水排出用孔部３４６ｃと酸化剤ガス導入用孔部３４６ｄとが設けられる。第１マニホールド板３４６の下部側には、燃料ガス排出用孔部３４６ｅとカソード側電極冷却媒体導入用孔部３４６ｆと冷却水導入用孔部３４６ｇと酸化剤ガス排出用孔部３４６ｈとが設けられる。互いに対向角の位置に設けられた孔部３４６ｄと孔部３４６ｈには、カソード側電極３１４側に偏位して第１マニホールド板３４６に設けられた凹部３４７ａ、３４７ｂが連通し、この凹部３４７ａ、３４７ｂが開口部３４８を介して連通状態にある（図２３、図２４および図２８参照）。
第１マニホールド板３４６の開口部３４８に酸化剤ガス用整流板（カソード側要素部材）３５０が嵌合される。酸化剤ガス用整流板３５０は、その一面が平坦でかつ他面が鉛直方向に向かって蛇行する通路３５０ａが形成され、この通路３５０ａに孔部３４６ｄと孔部３４６ｈが連通する。酸化剤ガス用整流板３５０は、緻密質材料、具体的には、黒鉛化炭素、ステンレス鋼、またはインコネル（商標名）等のニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴム、または導電性樹脂で構成されている。
第１マニホールド板３４６の孔部３４６ｂ、３４６ｆは、第２セパレータ部３４２側に偏位して設けられた凹部３４９ａ、３４９ｂおよび開口部３４８を介して互いに連通する（図２３、図２９および図３０参照）。
第２セパレータ部３４２は、上記第１セパレータ部３４０と同様に構成されており、第２マニホールド板３５２と、この第２マニホールド板３５２の開口部３５４に嵌合する燃料ガス用整流板（アノード側要素部材）３５６とを有する。
第２マニホールド板３５２の上部側には、燃料ガス導入用孔部３５２ａとカソード側電極冷却媒体排出用孔部３５２ｂと冷却水排出用孔部３５２ｃと酸化剤ガス導入用孔部３５２ｄとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部３５２ｅとカソード側電極冷却媒体導入用孔部３５２ｆと冷却水導入用孔部３５２ｇと酸化剤ガス排出用孔部３５２ｈとが設けられる。孔部３５２ａ、３５２ｅは、凹部３５８ａ、３５８ｂを介して開口部３５４に連通するとともに（図２３、図２４および図２８参照）、孔部３５２ｃ、３５２ｇは、凹部３５８ｃ、３５８ｄを介して前記開口部３５４に連通する（図２３、図２９および図３０参照）。
燃料ガス用整流板３５６は、その一面が平坦でかつ他面が鉛直方向に向かって蛇行する通路３５６ａが形成される。この燃料ガス用整流板３５６は、その平坦面側に供給される水分（第１冷却媒体）をアノード側電極３１６側に供給するために、導電性の水透過性材料で形成され、具体的には、多孔質炭素焼結体、導電性多孔質焼結金属、多孔質導電性ゴム、多孔質導電性樹脂等の多孔質体、またはこれらを組み合わせた材料で構成される。燃料ガス用整流板３５６が多孔質炭素焼結体で形成される際、水の滴下を阻止すべくその気孔率が７０％以下でかつポア径が４０μｍ以下の多孔性を有することが望ましい。
なお、燃料ガス用整流板３５６は、好適には、耐久性を向上させるために撥水化処理された多孔質体で構成される。この場合、燃料ガス用整流板３５６は、所定濃度に調整されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の分散液に浸漬した後、室温で乾燥させ、次いで、３００〜３５０℃で焼成することにより、撥水化処理が行われる。
仕切板３４４は、緻密質かつ導電性を有する黒鉛化炭化、ステンレス鋼、またはニッケル系合金等の耐蝕性の導電性金属、導電性ゴム、導電性樹脂、またはこれらを組み合わせた材料で構成される。この仕切板３４４の上部側には、燃料ガス導入用孔部３４４ａとカソード側電極冷却媒体排出用孔部３４４ｂと冷却水排出用孔部３４４ｃと酸化剤ガス導入用孔部３４４ｄとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部３４４ｅとカソード側電極冷却媒体導入用孔部３４４ｆと冷却水導入用孔部３４４ｇと酸化剤ガス排出用孔部３４４ｈとが設けられる。
図２４に示すように、セパレータ３２０は、燃料ガス用整流板３５６と仕切板３４４の間にアノード側電極３１６側を冷却するための冷却水が導入される第１冷却通路３６０を有するとともに、酸化剤ガス用整流板３５０と前記仕切板３４４の間にカソード側電極３１４側を冷却するための第２冷却媒体が導入される第２冷却通路３６２を設ける。
第１および第２冷却通路３６０、３６２は、それぞれ独立しており、この第１冷却通路３６０に第１冷却媒体である水が供給される。一方、第２冷却通路３６２には、燃料電池３１０の作動温度近傍以下の沸点温度を有する少なくとも一種以上の物質であって、これらの物質は相互の反応および該物質が接する酸化剤ガス用整流板３５０および仕切板３４４との反応を起こさない物質である第２冷却媒体が供給される。
具体的には、無機化合物である水（１００℃）、アンモニア（−３３．４３℃）、二酸化炭素（−７８．５℃）、アルゴン（−１８５．８６９℃）および窒素（−１９５．８℃）と、有機化合物であるメタノール（６４．５１℃）、エタノール（７８．３℃）およびイソプロパノール（８２．３３℃）等のアルコール類と、アセトアルデヒド（２０．４℃）、アセトン（５６．１２℃）、エチルメチルケトン（７９．５９℃）およびホルムアルデヒド（−１９．１℃）等のアルデヒド・ケトン類と、エチルプロピルエーテル（６３．８６℃）、エチルメチルエーテル（７．３５℃）、ジエチルエーテル（３４．５５℃）、ジメチルエーテル（−２４．８４℃）およびジイソプロピルエーテル（６８．２７℃）等のエーテル類と、メタン（−１６１．４９℃）、エタン（−８８．６３℃）、プロパン（−４２．０７℃）、ブタン（−０．５℃）、ペンタン（３６．０７℃）、イソペンタン（２７．８５℃）、ヘキサン（６８．７４℃）およびイソヘキサン（６０．２７℃）等の飽和炭化水素と、蟻酸メチル（３１．７６℃）、蟻酸エチル（５７℃）、酢酸エチル（７７．１７℃）、酢酸ビニル（７２．９２℃）および酢酸メチル（５７℃）等のエステルと、シクロブタン（１２．５１℃）、シクロプロパン（−３２．８７℃）、シクロヘキサン（８０．７４℃）、シクロペンタン（４９．２６℃）、ヘキサフルオロベンゼン（８０．２６℃）およびベルフルホロシクロヘキサン（５２．５２℃）等の環状化合物とが使用される。なお、上記（）内は、それぞれの物質の常圧下における沸点温度を示す。
第１冷却通路３６０に水を供給するための水供給構造が、図２５に示されている。この水供給構造は、水タンク３７０を備え、この水タンク３７０と燃料電池３１０が循環路３７２により連通している。この循環路３７２上には、水タンク３７０から燃料電池３１０に水を供給するための水供給循環用ポンプ３７４が配設されるとともに、この燃料電池３１０の排出側には背圧弁３７６、ラジエータ３７５、冷却フアン３７７およびイオン交換樹脂３７８が配設されている。
第２冷却通路３６２に供給される第２冷却媒体による締め付け圧を制御するために、図２６に示す圧力制御手段３８０と、図２７に示す圧力制御手段３９０とが、選択的に設けられている。圧力制御手段３８０は、第２冷却通路３６２に導入される第２冷却媒体の沸点温度が燃料電池３１０の作動温度に近く、かつこの第２冷却媒体による蒸気圧が不足する場合に使用されるものであり、前記燃料電池３１０と循環路３８２を介して連通する冷媒タンク３８４を備えるとともに、この循環路３８２に昇圧ポンプ３８６と背圧弁３８８が配設されている。
圧力制御手段３９０は、第２冷却通路３６２に導入される第２冷却媒体の沸点が燃料電池３１０の作動温度よりも低く、かつこの第２冷却媒体の蒸気圧が十分に得られる場合に採用されるものであり、前記燃料電池３１０の外部に設けられた循環路３９２に配設され、前記冷却媒体を加熱または冷却するための温度調整器３９４を備えている。
このように構成される燃料電池３１０の動作について、以下に説明する。
図２４に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池３１０に供給されると、この燃料ガスは第１セパレータ部３４０を構成する第１マニホールド板３４６の孔部３４６ａ、燃料電池構造体３１８の孔部３３０ａ、３１２ａおよび３３２ａを通って第２セパレータ部３４２を構成する第２マニホールド板３５２の孔部３５２ａに至る。燃料ガスは、孔部３５２ａおよび凹部３５８ａから燃料ガス用整流板３５６の通路３５６ａを通って燃料電池構造体３１８を構成するアノード側電極３１６に供給され、凹部３５８ｂに排出される。
図２８に示すように、酸化剤ガスは、第１マニホールド板３４６の孔部３４６ｄに供給され、この孔部３４６ｄおよび凹部３４７ａから酸化剤ガス用整流板３５０の通路３５０ａに導入され、燃料電池構造体３１８を構成するカソード側電極３１４に供給される。なお、未使用の酸化剤ガスは、図２４に示すように、第１マニホールド板３４６の孔部３４６ｈ等を介して外部に排出され、未使用の燃料ガスは、図２８に示すように、第２マニホールド板３５２の孔部３５２ｅ等を介して外部に排出される。
一方、第１冷却媒体である水は、図２５に示すように、ポンプ３７４の作用下に水タンク３７０から循環路３７２を介して燃料電池３１０内に供給される。この水は、図３０に示すように、第１セパレータ部３４０の孔部３４６ｇ、燃料電池構造体３１８の孔部３３０ｇ、３１２ｇおよび３３２ｇから第２セパレータ部３４２の孔部３５２ｇに至り、この孔部３５２ｇに連通する凹部３５８ｄから仕切板３４４と燃料ガス用整流板３５６の間、すなわち、第１冷却通路３６０に導入され、この第１冷却通路３６０を下方から上方に向かって流動する。
その際、燃料ガス用整流板３５６は、水透過性材料（多孔質体）で形成されており、第１冷却通路３６０に導入された水は、燃料ガス用整流板３５６を透過して通路３５６ａに供給された燃料ガスおよびアノード側電極３１６を直接加湿することができる。
また、第２冷却媒体は、圧力制御手段３８０または圧力制御手段３９０を介して燃料電池３１０に供給される。この第２冷却媒体は、図２９に示すように、第１セパレータ部３４０の孔部３４６ｆに供給されると、これに連通する凹部３４９ｂからセパレータ３２０の第２冷却通路３６２に下方から上方に向かって導入される。
この第２冷却通路３６２を構成する酸化剤ガス用整流板３５０は、緻密質材料で形成されており、さらに前記第２冷却通路３６２と第１冷却通路３６０が仕切板３４４により完全に独立している。従って、第２冷却通路３６２に導入された第２冷却媒体の蒸気圧あるいはこの第２冷却媒体自体の圧力により、酸化剤ガス用整流板３５０がカソード側電極３１４側に押圧され、燃料電池構造体３１８に所望の締め付け力が発生する。これにより、燃料電池構造体３１８内での接触抵抗が低減され、端子電圧の低下を確実に防止することが可能になる。
この際、異なった沸点を有する複数の冷却媒体を導入し、その割合と量を調整することにより、作動温度における押圧力を自在に設定することができる。
このように、第５の実施形態では、セパレータ３２０が第１および第２セパレータ部３４０、３４２とこれらの間に介装される仕切板３４４とを備えるとともに、この仕切板３４４を挟んで第１および第２冷却通路３６０、３６２が独立して形成される。このため、第１および第２冷却通路３６０、３６２には、それぞれアノード側電極３１６およびカソード側電極３１４に対応した所望の第１および第２冷却媒体を選択的に供給することができる。
特に、水透過性材料で形成された燃料ガス用整流板３５６の第１冷却通路３６０に第１冷却媒体として水が供給される一方、緻密質材料で形成された酸化剤ガス用整流板３５０の第２冷却通路３６２に所望の圧力を発生させ得る第２冷却媒体が供給される。これにより、第１冷却通路３６０に導入された水により燃料ガスおよびアノード側電極３１６側を直接加湿するとともに、第２冷却通路３６２に導入された第２冷却媒体により燃料電池構造体３１８に所定の締め付け力を付与することが可能になる。
従って、セパレータ３２０は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離供給する機能と燃料電池構造体３１８の内部抵抗による熱を除去する機能の他に、燃料ガスが供給されるアノード側電極３１６を直接加湿する機能とカソード側電極３１４を押圧して所望の締め付け力を付与する機能をも有する。これにより、セパレータ３２０は、簡単な構造で多機能を有し、しかも燃料電池３１０全体を容易に小型化かつ軽量化することが可能になるという効果が得られる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、アノード側電極に接するアノード側要素部材とカソード側電極に接するカソード側要素部材とを備え、これらの間に冷却媒体用流路が直接形成されるため、セパレータ構成部品の数が容易に削減される。さらに、アノード側要素部材およびカソード側要素部材の冷却媒体用流路を形成するそれぞれの面部に接触面積拡大部位が設けられており、この接触面積拡大部位の形状等を変更するだけで、アノード側電極とカソード側電極に対しそれぞれ最適の冷却効率を設定することができる。
また、本発明によれば、酸化剤ガスを流動させる第１ガス流路および／または燃料ガスを流動させる第２ガス流路と同一の流路構造を有する温調媒体用流路が設けられるとともに、ガスの流れ方向と温調媒体の流れ方向とが互いに反対方向に設定されている。このため、例えば、第１ガス流路を流れる酸化剤ガスと温調媒体用流路を流れる冷却媒体とは、表裏同一の流路を反対方向に流れることになり、この酸化剤ガスとこの冷却媒体の間の熱交換効率が向上し、発電部の温度を均一化することができる。同様に、例えば、第２ガス流路を流れる燃料ガスと温調媒体用流路を流れる冷却媒体とによって、発電部の温度均一化が可能になる。
さらにまた、本発明によれば、セパレータにそれぞれ独立して設けられた第１および第２冷却通路に対し、アノード側電極およびカソード側電極に応じた所望の第１および第２冷却媒体を選択的に導入することができる。これによって、簡単な構成で、例えば、燃料電池構造体の除熱、燃料ガスの加湿および締め付け力の付与等、種々の用途に適用することが可能になるとともに、燃料電池全体の小型化および軽量化が容易に遂行される。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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