(57)【要約】【課題】端部セルに水が滞留して、端部セルに供給されるガス量が減少することを抑制することができる燃料電池積層体を提供することにある。【解決手段】本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体であって、前記燃料電池積層体は、積層方向端部に配置される端部セル及び積層方向端部以外に配置される主セルを有し、前記端部セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口側へ排出させる直進型流路が形成され、前記端部セルの燃料電池用セパレータは、前記主セルの燃料電池用セパレータより排水性が高い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体であって、
前記燃料電池セルには、積層方向端部に配置される端部セル及び積層方向端部以外に配置される主セルがあり、
前記端部セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口側へ排出させる直進型流路が形成され、
前記端部セルの燃料電池用セパレータは、前記主セルの燃料電池用セパレータより排水性が高いことを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池積層体であって、前記主セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側からガス出口側に向かってガスを蛇行させるサーペンタイン型流路が形成されることを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池積層体であって、前記直進型流路は、ガスを垂直上方から垂直下方に直進させる複数のメイン流路部と、前記複数のメイン流路部の上流部と連結する配流部と、前記複数のメイン流路部の下流部と連結する合流部と、を有し、
前記サーペンタイン型流路は、ガスを直進させる複数の直進流路部と前記直進するガスをターンさせるターン部とを有することを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池積層体であって、前記端部セル及び前記主セルの一対の燃料電池用セパレータは、アノード極セパレータ及びカソード極セパレータであり、
前記端部セルのアノード極セパレータは、前記主セルのアノード極セパレータよりガス圧の損失が小さく、前記端部セルのカソード極セパレータは、前記主セルのカソード極セパレータよりガス圧の損失が高いことを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池積層体であって、前記端部セルのカソード極セパレータの直進型流路には、ガス圧の損失を高くする絞り込み構造が設けられることを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池積層体であって、前記絞り込み構造は、前記ガスを上方から下方に直進させる部分に設けられることを特徴とする燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池積層体に関するものであり、特に、燃料電池積層体の排水の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池積層体は、燃料電池セルを複数積層して構成される。また、燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素ガスが水素イオン及び電子に分解され、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
燃料電池積層体において、積層方向端部に配置される端部セルは、積層方向中央に配置されるセル（すなわち、端部以外に配置される主セル）より放熱量が多く、温度が低下し易いため、端部セルでは、凝縮水が発生し易い。凝縮水が端部セルに滞留すると、端部セルに供給されるガスの量は減少し、発電性能が低下する場合がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、端部セルに供給されるガス量の減少を抑制するために、端部セル内のガス圧の損失を主セル内のガス圧の損失より小さくした燃料電池積層体が提案されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献２には、端部セルの凍結を防止するために、端部セル内のガス圧の損失を主セル内のガス圧の損失より大きくした燃料電池積層体が提案されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、端部セルに流れるガス量の減少を抑制するために、端部セルに設けられるカソード極セパレータのガス圧の損失を主セルに設けられるカソード極セパレータのガス圧の損失より小さくした燃料電池積層体が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７９０６１号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７１６２号公報
【特許文献３】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１〜３の燃料電池積層体では、端部セルに滞留した水を積極的に排水させることは困難である。
【０００９】
本発明の目的は、端部セルに水が滞留して、端部セルに供給されるガス量が減少することを抑制することができる燃料電池積層体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体であって、前記燃料電池セルには、積層方向端部に配置される端部セル及び積層方向端部以外に配置される主セルがあり、前記端部セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口側へ排出させる直進型流路が形成され、前記端部セルの燃料電池用セパレータは、前記主セルの燃料電池用セパレータより排水性が高い。
【００１１】
また、前記燃料電池積層体において、前記主セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側からガス出口側に向かってガスを蛇行させるサーペンタイン型流路が形成される。
【００１２】
また、前記燃料電池積層体において、前記直進型流路は、ガスを垂直上方から垂直下方に直進させる複数のメイン流路部と、前記複数のメイン流路部の上流部と連結する配流部と、前記複数のメイン流路部の下流部と連結する合流部と、を有する直進型流路が形成され、前記サーペンタイン型流路は、ガスを直進させる複数の直進流路部と前記直進するガスをターンさせるターン部とを有することが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池積層体において、前記端部セル及び前記主セルの一対の燃料電池用セパレータは、アノード極セパレータ及びカソード極セパレータであり、前記端部セルのアノード極セパレータは、前記主セルのアノード極セパレータよりガス圧の損失が小さく、前記端部セルのカソード極セパレータは、前記主セルのカソード極セパレータよりガス圧の損失が高いことが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池積層体において、前記端部セルのカソード極セパレータの直進型流路には、ガス圧の損失を高くする絞り込み構造が設けられることが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池積層体において、前記絞り込み構造は、前記ガスを上方から下方に直進させる部分に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、端部セルの燃料電池用セパレータの面内には、ガス入口側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口側へ排出させる直進型流路が形成され、主セルの燃料電池用セパレータより排水性の高い燃料電池用セパレータを端部セルに用いることによって、端部セルに水が滞留して、端部セルに供給されるガス量が減少することを抑制することができる燃料電池積層体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】
【００１７】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式側面図である。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部模式斜視図である。図１，２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池セル（端部セル１０、主セル１２）が複数積層された燃料電池積層体１４と、燃料電池積層体１４の積層方向両端に設けられる金属板１６と、絶縁板１８と、カソードガス導入管２０と、カソードガス排出管２２と、アノードガス導入管２４と、アノードガス排出管２６と、締め付け具２８とを有する。
【００１９】
金属板１６は、プレッシャープレートであれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミ板、ステンレス板等が用いられる。絶縁板１８は、金属板１６と燃料電池積層体１４との間に設けられ、例えば、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂板等が用いられる。
【００２０】
締め付け具２８は、締め付けボルト３０、固定台３２を備える。固定台３２に燃料電池積層体１４を設置し、締め付けボルト３０の締め付けにより、燃料電池積層体１４に所定の締め付け圧が掛かり、各燃料電池セル（端部セル１０、主セル１２）が固定される。
【００２１】
カソードガス導入管２０、カソードガス排出管２２、アノードガス導入管２４及びアノードガス排出管２６は、一方の金属板１６及び絶縁板１８を介して燃料電池積層体１４に接続されている。また、カソードガス導入管２０は、後述する燃料電池積層体１４のカソードガス入口マニホールドと連通し、カソードガス排出管２２は、燃料電池積層体１４のカソードガス出口マニホールドと連通し、アノードガス導入管２４は、燃料電池積層体１４のアノードガス入口マニホールドと連通し、アノードガス排出管２６は、後述する燃料電池積層体１４のアノードガス出口マニホールドと連通している。各導入管は、燃料電池積層体１４に供給されるガス（アノードガス、カソードガス）が通過するものであり、各排出管は、燃料電池積層体１４から排出されるガスが通過するものである。各導入管及び各排出管の配置は、特に制限されるものではなく、例えば、燃料電池積層体１４の積層方向端部の一方に各導入管が接続され、一方の積層方向端部と反対側の端部に各排出管が接続されるものであってもよい。
【００２２】
燃料電池積層体１４は、積層方向端部に配置される端部セル１０と積層方向端部以外に配置される主セル１２（端部セル１０間に配置されるセル又は端部セル１０より燃料電池積層体の内側に配置されるセル）とを有するものである。本実施形態では、主セル１２を１８層積層し、その両端部に端部セル１０を１層配置したものを例として以下説明するが、端部セル１０及び主セル１２の積層数はこれに限定されるものではない。
【００２３】
本実施形態に用いられる端部セル１０は、燃料電池積層体１４の積層方向両端に配置されることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、積層方向両端部のうち少なくともどちらか一方の端部に配置されていればよい。また、ガスを燃料電池積層体１４に導入するカソードガス導入管２０及びアノードガス導入管２４より遠い燃料電池セルほど、燃料電池積層体１４を流れるガスの圧損（ガス圧の損失）の影響を受けて、燃料電池セルの排水性が低下する場合がある。そのため、排水性の高い本実施形態の端部セル１０は、カソードガス導入管２０及びアノードガス導入管２４が配置される燃料電池積層体１４の端部と反対側の端部に少なくとも設けられることが好ましい。
【００２４】
図３（イ）は、本発明の実施形態に用いられる端部セルの構成の一例を示す模式断面図であり、図３（ロ）は、本発明の実施形態に用いられる主セルの構成の一例を示す模式断面図である。図３（イ）に示すように、端部セル１０は、膜−電極アッセンブリ３４と、膜−電極アッセンブリ３４を挟持するアノード極セパレータ３６ａ及びカソード極セパレータ３６ｂと、接着部４０とを備え、図３（ロ）に示すように、主セル１２は、膜−電極アッセンブリ３４と、膜−電極アッセンブリ３４を挟持するアノード極セパレータ３８ａ及びカソード極セパレータ３８ｂと、接着部４０とを備える。
【００２５】
本実施形態に用いられる端部セル１０及び主セル１２の膜−電極アッセンブリ３４は、電解質膜４２と、電解質膜４２を介して配置されるアノード極４４及びカソード極４６とを備えるものである。アノード極セパレータ３６ａ，３８ａ及びカソード極セパレータ３６ｂ，３８ｂの空洞部は、ガス流路４８，５０である。
【００２６】
図４（イ）は、本実施形態の端部セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式平面図であり、図４（ロ）は、本実施形態の主セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。
【００２７】
図４（イ），（ロ）に示すように、端部セル１０に用いられる燃料電池用セパレータ３６（アノード極セパレータ３６ａ、カソード極セパレータ３６ｂ）及び主セル１２に用いられる燃料電池用セパレータ３８（アノード極セパレータ３８ａ、カソード極セパレータ３８ｂ）はそれぞれ、ガス流路４８又は５０、カソードガス入口５２、カソードガス出口５４、アノードガス入口５６、アノードガス出口５８、冷却水入口６０、冷却水出口６２、を備える。
【００２８】
燃料電池用セパレータ（３６，３８）をカソード極セパレータとして用いた場合、カソードガス入口５２及びガス流路（４８又は５０）、カソードガス出口５４及びガス流路（４８又は５０）を連通する連通路（不図示）が設けられ、カソードガス入口５２からガス流路（４８又は５０）へ、ガス流路（４８又は５０）からカソードガス出口５４へカソードガスが流れる。また、燃料電池用セパレータ（３６，３８）をアノード極セパレータとして用いた場合、アノードガス入口５６及びガス流路（４８又は５０）、アノードガス出口５８及びガス流路（４８又は５０）を連通する連通路（不図示）が設けられ、アノードガス入口５６からガス流路（４８又は５０）へ、ガス流路（４８又は５０）からアノードガス出口５８へアノードガスが流れる。
【００２９】
端部セル１０及び主セル１２を積層させると、各燃料電池用セパレータ（３６，３８）のカソードガス入口５２、カソードガス出口５４、アノードガス入口５６及びアノードガス出口５８がそれぞれ積層方向に連通したカソードガス入口マニホールド（不図示）、カソードガス出口マニホールド（不図示）、アノードガス入口マニホールド（不図示）、アノードガス出口マニホールド（不図示）が形成される。
【００３０】
図４（イ）に示すように、端部セル１０に用いられる燃料電池用セパレータ３６のガス流路４８は、ガスを垂直上方から垂直下方に直進させる複数のメイン流路部６４と、複数のメイン流路部６４の上流部（ガスの風上側）と連結する配流部６６と、複数のメイン流路部６４の下流部（ガスの風下側）と連結する合流部６８と、を有する直進型流路である。本実施形態のメイン流路部６４は、図４（イ）に示す垂直方向下方にガスを直進させるものだけでなく、略垂直方向下方にガスを直進させるもの、すなわち垂直方向に対して所定の角度で直進するもの、例えば傾斜しているもの等も含まれる。メイン流路部６４は、ガス流路４８内に設けられるリブ７０（垂直方向に延在するリブ）によって複数に分割されている。また、メイン流路部６４、配流部６６及び合流部６８は、ガスが通過できるような溝状になっている。
【００３１】
ガス入口（５２又は５６）側から供給されるガスは、配流部６６により各メイン流路部６４に分配され、各メイン流路部６４を通過したガスは、合流部６８により集合され、ガス出口（５４又は５８）側へ排出される。また、ガス流路４８の直進型流路は、ガス入口（５２又は５６）側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口（５４又は５８）側へ排出するものであれば、その構成については特に制限されるものではない。例えば、配流部６６又は合流部６８を設けずに、メイン流路部６４が、ガス入口及びガス出口に直接接続されているようなものであってもよい。また、メイン流路部６４、配流部６６又は合流部６８内に間欠形成された凸部等が設けられていてもよい。さらに、メイン流路部６４、配流部６６又は合流部６８の一部が蛇行していてもよい。
【００３２】
図４（ロ）に示すように、主セル１２に用いられる燃料電池用セパレータ３８のガス流路５０は、ガスを直進させる複数の直進流路部７２と、直進流路部７２を直進するガスをターンさせるターン部７４とを有するサーペンタイン型流路である。直進流路部７２は、ガス流路５０内に設けられるリブ７０によって複数に分割されている。また、直進流路部７２及びターン部７４は、ガスが通過できるような溝状になっている。
【００３３】
ガス流路５０のサーペンタイン型流路は、ガス流路内のガスをガス入口（５２又は５６）からガス出口（５４又は５８）に向かって蛇行するように流すものである。すなわち、図４（ロ）に示すようなガス流路５０が、ガスを水平方向（略水平方向も含む）に直進させる直進流路部と水平方向に直進するガスをターンさせるターン部とを有するサーペンタイン型流路に制限されるものではなく、例えば、垂直方向（略垂直方向も含む）に直進させる直進流路部と、垂直方向に直進するガスをターンさせるターン部とを有するサーペンタイン型流路であってもよい。直進流路部内及びターン部内の構造は特に制限されるものではなく、例えば、直進流路部内及びターン部内に間欠形成された凸部等を設けてもよい。
【００３４】
上記でも説明したように端部セル１０の温度は低下し易いため、低温環境下では、端部セル１０内に凝縮水が発生する。本実施形態における端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６は、ガス入口（５２又は５６）側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に流す直進型流路が形成されているため、凝縮水は重力により、ガス出口（５４又は５８）側に排水され易い。そのため、凝縮水が端部セル１０内に滞留することを抑制することができ、端部セル１０に供給されるガスの流量の減少を抑制することができる。
【００３５】
しかし、主セル１２の燃料電池用セパレータ３８も端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６と同様の直進型流路にして、主セル１２の排水性を端部セル１０と同等以上にすると、主セル１２から排水される水も多くなる。主セル１２の排水量が多くなると、端部セル１０側へ流れる水も多くなるため、端部セル１０に水が滞留し易くなる。上記説明した主セル１２に用いられるサーペンタイン型のガス流路５０内の水は、主にガス流路５０を通るガスの圧力により移動し、端部セル１２に用いられる直進型流路のガス流路４８のように重力により移動することはほとんどないため、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６より排水性が低くなる。すなわち、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６の方が、主セル１２の燃料電池用セパレータより排水性が高いため、主セル１２から排水される水が端部セル１０に滞留することはほとんどない。
【００３６】
主セル１２に用いられる燃料電池用セパレータ３８は、上記説明したサーペンタイン型流路に制限されるものではない。図５（イ），（ロ）は、主セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の他の一例を示す模式平面図である。例えば、図５（イ）に示す燃料電池用セパレータのように、ガス入口（５２又は５６）側から流れるガスを水平方向に直進させ（例えば、カソード極セパレータであれば図５（イ）に示す矢印Ａ、アノード極セパレータであれば図５（イ）に示す矢印Ｂ）、ガス出口（５４又は５８）側へ排出させるガス流路５０を有する燃料電池用セパレータ３８を主セル１２に用いてもよい。上記構成では、水が重力によりガス入口（５２又は５６）又は出口（５４又は５８）側に移動することはほとんどないため、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６より排水性が低くなる。すなわち、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６の方が、主セル１２の燃料電池用セパレータより排水性が高い。また、図５（ロ）に示すようにガス入口（５２又は５６）側から流れるガスを下方から上方（垂直方向上方）に直進させ、ガス出口（５４又は５８）側に排出させるガス流路５０を有する燃料電池用セパレータ３８を主セル１２に用いてもよい。上記構成では、水が重力により移動する方向と、ガス流路５０内のガスの移動方向が逆であるため、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６より排水性が低くなる。すなわち、端部セル１０の燃料電池用セパレータ３６の方が、主セル１２の燃料電池用セパレータより排水性が高い。本実施形態では、端部セル１０のガス圧の損失を主セル１２のガス圧の損失より小さくし、端部セル１０に供給されるガス量の減少を抑制することができる点で、上記説明したサーペンタイン型流路であることが好ましい。
【００３７】
次に、燃料電池システム１の反応ガスの流れについて説明する。ここで、主セル１２の燃料電池用セパレータ３８は、図４（ロ）に示す燃料電池用セパレータ３８を例とする。カソードガスは、図２に示すカソードガス導入管２０を通り、金属板１６、絶縁板１８を介して、各燃料電池セル（端部セル１０、主セル１２）に供給される。端部セル１０に供給されたカソードガスは、図４（イ）に示すカソードガス入口５２を介して配流部６６を通り、各メイン流路部６４に分配される。アノードガスはメイン流路部６４から合流部６８に流れ、カソードガス出口５４を介して図２に示すカソードガス排出管２２を通り、燃料電池積層体１４外へ排出される。また、主セル１２に供給されたカソードガスは、図４（ロ）に示すカソードガス入口５２から直進流路部７２及びターン部７４を通り、カソードガス出口５４を介して、図２に示すカソードガス排出管２２を通り、燃料電池積層体１４外へ排出される。
【００３８】
アノードガスは、図２に示すアノードガス導入管２４を通り、金属板１６、絶縁板１８を介して、各燃料電池セル（端部セル１０、主セル１２）に供給される。端部セル１０に供給されたアノードガスは、図４（イ）に示すアノードガス入口５６を介して配流部６６を通り、各メイン流路部６４に分配される。アノードガスはメイン流路部６４から合流部６８に流れ、アノードガス出口５８を介して図２に示すアノードガス排出管２６を通り、燃料電池積層体１４外へ排出される。また、主セル１２に供給されたアノードガスは、図４（ロ）に示すアノードガス入口５６から直進流路部７２及びターン部７４を通り、アノードガス出口５８を介して図２に示すアノードガス排出管２６を通り、燃料電池積層体１４外へ排出される。
【００３９】
低温環境下において、端部セル１０は、外気への放熱と主セル１２の発電による熱との影響により、端部セル１０のアノード極４４及びカソード極４６の温度差が大きくなり易い。アノード極４４とカソード極４６との温度差が大きくなると、飽和蒸気分圧差により、アノード極４４とカソード極４６との間で水の移動が起こる場合がある。そうすると、どちらか一方の極では過剰の水が存在し、端部セル１０の発電性能が低下する場合がある。
【００４０】
例えば、総マイナス側の端部セル（積層方向の最端部がアノード極となる端部セル）では、カソード極からアノード極へ水が移動し、アノード極に過剰の水が存在し易い。しかし、通常の燃料電池の運転の際に供給するガスの流量は、カソードガスに比べてアノードガスの方が少ないため、アノードガスによりアノード極側の過剰の水を排水させることができず、総マイナス側の端部セルに水が滞留し、端部セルの発電性能が低下し易い。
【００４１】
本実施形態では、低温環境下における端部セル１０の極間温度差の増大を抑制することができる点で、上記説明した端部セル１０のアノード極セパレータ３６ａに流れるガスの圧損（ガス圧の損失）を主セル１２のアノード極セパレータ３８ａに流れるガスの圧損（ガス圧の損失）より小さくし、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂに流れるガスの圧損（ガス圧の損失）を主セル１２のカソード極セパレータ３８ｂに流れるガスの圧損より（ガス圧の損失）大きくすることが好ましい。特に、総マイナス側の端部セルを上記構成にすることが好ましい。
【００４２】
上記構成によって、端部セル１０のカソードガスストイキ比は主セル１２のカソードガスストイキ比より小さくなる。ここで、カソードガスストイキ比とは、カソードガス余剰率をいい、過不足無く反応するのに必要なカソードガスに対して供給されるカソードガスがどれだけ余剰であるかを示すものである。
【００４３】
そして、端部セル１０のカソードガスストイキ比を小さく（好ましくは、１．０未満）した状態で発電させると、アノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、酸素ガス）との反応によって取り出せるエネルギのうち、電力損失分（すなわち、熱損失分）が増大し、端部セル１０を発熱させることができる。そのため、低温環境下における端部セル１０の極間温度差の増大を抑制することができ、端部セル１０のアノード極４４とカソード極４６との間での水の移動を抑えることができる。また、端部セル１０の発熱により、アノード極４４及びカソード極４６の触媒活性を向上させることができる。その結果、低温環境下における、端部セル１０又は燃料電池積層体１４の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４４】
図４（イ）に示すような直進型流路を有する燃料電池用セパレータ３６と図４（ロ）に示すようなサーペンタイン型流路を有する燃料電池用セパレータ３８とでは、流路幅、流路長さ（流路の全長さ）、及び流路溝の深さが同程度であれば、直進型流路を有する燃料電池用セパレータ３６の方が、ガス圧の損失は小さい。すなわち、端部セル１０のアノード極セパレータ３６ａに流れるガスの圧損は、主セル１２のアノード極セパレータ３８ａに流れるガスの圧損より小さく、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂに流れるガスの圧損も主セル１２のカソード極セパレータ３８ｂに流れるガスの圧損より小さい。
【００４５】
このような場合には、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂのガス流路４８（直進型流路）の流路幅、流路長さ又は流路溝の深さを小さくすること等によって、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂに流れるガスの圧損を主セル１２のカソード極セパレータ３８ｂに流れるガスの圧損より大きくする必要がある。
【００４６】
図６は、本実施形態に用いられる端部セルのカソード極セパレータの構成の他の一例を示す模式平面図である。なお、図６に示すカソード極セパレータ３６ｂにおいて、図４（イ）に示す燃料電池用セパレータ３６と同様の構成については同一の符合を付してある。主セル１２に用いられるカソード極セパレータ３８ｂよりガス圧の損失を大きくする場合には、図６に示すように、端部セル１０に用いられるカソード極セパレータ３６ｂの直進型流路（ガス流路４８）に、絞り込み構造を設けることが好ましい。
【００４７】
絞り込み構造とは、直進型流路であるガス流路４８の一部に、上流側のガス流路より流路の幅、流路溝のうち少なくともいずれか１つを小さくする絞り込み部７６を設けるものである。絞り込み構造（絞り込み部７６）は、メイン流路部６４に流れるガスの流速を高め、排水性を向上させることができる点で、直進型流路であるガス流路４８のメイン流路部６４に設けることが好ましい。また、絞り込み構造により高められたガスの流速をより長く保持させることができる点で、絞り込み構造（絞り込み部７６）はメイン流路部６４の上流側に設けることがより好ましい。
【００４８】
また、図４（イ）に示すような直進型流路を有する燃料電池用セパレータ３６と図５（イ）又は（ロ）に示すようなガス流路を有する燃料電池用セパレータ３８とでは、流路幅、流路長さ（流路の全長さ）、及び流路溝の深さが同程度であれば、ガス圧の損失も同程度である。このような場合には、端部セル１０のアノード極セパレータ３６ａのガス流路４８（直進型流路）の流路幅、流路長さ又は流路溝の深さを大きくすること等によって、端部セル１０のアノード極セパレータ３６ａに流れるガスの圧損を主セル１２のアノード極セパレータ３８ａに流れるガスの圧損より小さくし、また、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂのガス流路４８（直進型流路）の流路幅、流路長さ又は流路溝の深さを小さくすること等によって、端部セル１０のカソード極セパレータ３６ｂに流れるガスの圧損を主セル１２のカソード極セパレータ３８ｂに流れるガスの圧損より大きくする必要がある。
【００４９】
本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ３６ａ，３８ａ、カソード極セパレータ３６ｂ，３８ｂ）は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。
【００５０】
本実施形態に用いられる電解質膜４２は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。
【００５１】
また、アノード極４４及びカソード極４６はそれぞれ、触媒層と拡散層とを備える。拡散層は反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層、又は電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。
【００５２】
このように、本実施形態に係る燃料電池積層体は、ガス入口側から流れるガスを垂直上方から垂直下方に直進させ、ガス出口側へ排出させる直進型流路が形成された燃料電池用セパレータを端部セルに用い、ガス入口側からガス出口側に向かってガスを蛇行させるサーペンタイン型流路が形成された燃料電池用セパレータを主セルに用いることによって、端部セルの排水性を向上させ、端部セルに供給されるガス量の減少を抑制することができる。また、主セルのアノード極セパレータよりガス圧の損失が小さいアノード極セパレータ及び主セルのカソード極セパレータよりガス圧の損失が高いカソード極セパレータを端部セルに用いることによって、端部セルのカソードガスストイキ比を小さくさせ、端部セルを発熱させることができる。その結果、アノード極とカソード極との間での水の移動を抑制することができ、また、低温による触媒活性の低下を抑制することができるため、端部セル及び燃料電池積層体の発電性の低下を抑制することができる。
【００５３】
上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部模式斜視図である。
【図３】（イ）は、本発明の実施形態に用いられる端部セルの構成の一例を示す模式断面図であり、（ロ）は、本発明の実施形態に用いられる主セルの構成の一例を示す模式断面図である。
【図４】（イ）本実施形態の端部セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式平面図であり、（ロ）は、本実施形態の主セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。
【図５】主セルに用いられる燃料電池用セパレータの構成の他の一例を示す模式平面図である。
【図６】本実施形態に用いられる端部セルのカソード極セパレータの構成の他の一例を示す模式平面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  燃料電池システム、１０  端部セル、１２  主セル、１４  燃料電池積層体、１６  金属板、１８  絶縁板、２０  カソードガス導入管、２２  カソードガス排出管、２４  アノードガス導入管、２６       アノードガス排出管、２８  締め付け具、３０  締め付けボルト、３２  固定台、３４  膜−電極アッセンブリ、３６，３８  燃料電池用セパレータ、３６ａ，３８ａ  アノード極セパレータ、３６ｂ，３８ｂ  カソード極セパレータ、４０  接着部、４２  電解質膜、４４  アノード極、４６  カソード極、４８，５０  ガス流路、５２  カソードガス入口、５４  カソードガス出口、５６  アノードガス入口、５８  アノードガス出口、６０  冷却水入口、６２  冷却水出口、６４  メイン流路部、６６  配流部、６８  合流部、７０  リブ、７２  直進流路部、７４  ターン部、７６  絞り込み部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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