(57)【要約】【課題】反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域における凝縮水の生成を抑制できる燃料電池用セパレータおよび燃料電池システムを提供する。【解決手段】セパレータ４は、一方の表面４ａおよび他方の表面４ｃのうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路５０と、一方の表面４ａおよび他方の表面４ｃのうちの他方に形成され反応流体が流れる反応流体流路６０と、厚み方向に貫通する反応流体導入孔６５と、厚み方向に貫通する反応流体導出孔６７と、厚み方向に貫通する冷媒導入孔５５と、厚み方向に貫通する冷媒導出孔５７とを備える。冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７付近の下流領域は、反応ガス流路６０のうち反応ガス導入孔６５付近の上流領域にセパレータ４を挟んで対向している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに背向する一方の表面および他方の表面と、前記一方の表面および前記他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、前記一方の表面および前記他方の表面のうちの他方に反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータにおいて、
前記冷媒流路のうち前記冷媒導出孔付近の下流領域は、前記反応流体流路のうち前記反応流体導入孔付近の上流領域に前記セパレータを挟んで対向していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記反応流体は酸化剤流体または燃料流体であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記セパレータにおいて、前記冷媒導出孔と前記反応流体導入孔とは互いに隣設していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記冷媒導出孔に連通し且つ前記冷媒導出孔から吐出される冷媒を排出する冷媒導出配管を具備しており、
前記冷媒導出配管は、前記冷媒導出孔のうち高さ方向の上部に連通していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記反応流体導入孔および前記反応流体導出孔のうちの少なくとも一方と前記冷媒導入孔との間には、断熱要素が設けら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６】
請求項５において、前記断熱要素は断熱空間で形成さ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７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記冷媒導入孔の開口断面積をＳciとし、前記冷媒導出孔の開口断面積をＳcoとすると、ＳcoはＳciよりも大きく設定されている（Ｓcｏ＞Ｓcｉ）ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの一項において、前記セパレータには部分的に突出する突出部が形成されており、前記冷媒導出孔の少なくとも一部が前記突出部に延設さ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９】
請求項１〜８のうちの一項において、前記冷媒導出孔は、前記反応流体導入孔および前記反応流体導出孔のうちの少なくとも一方の全周のうち１／２以上を包囲していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
（ｉ）膜電極接合体と、前記膜電極接合体の厚み方向の一方に配置された第１セパレータと、前記膜電極接合体の厚み方向の他方に配置された第２セパレータと、前駆膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し反応流体を導入する反応流体導入マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し前記反応流体を導出する反応流体導出マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導入する冷媒導入マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導出する冷媒導出マニホルドとを備える燃料電池スタックを、
具備する燃料電池システムにおいて、
（ｉｉ）前記第１セパレータの厚み方向において互いに対向する一方面および他方面のうちの一方側に形成され、前記冷媒導入マニホルドから導入され前記冷媒導出マニホルドに導出される冷媒が流れる冷媒流路と、
（ｉｉｉ）前記第１セパレータの厚み方向において互いに対向する前記一方面および前記他方面のうちの他方側に形成され、前記反応流体導入マニホルドから導入され前記反応流体導出マニホルドに導出される前記反応流体が流れる反応流体流路とを具備しており、
（ｉｖ）前記冷媒流路のうち前記冷媒導出マニホルド付近の下流領域は、前記反応流体流路のうち前記反応流体導入マニホルド付近の上流領域に前記１セパレータを挟んで対向していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０において、前記反応流体導入マニホルドの上流には、前記反応流体を加湿する加湿器が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却用の冷媒を流す方式の燃料電池用セパレータおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータは、一方の表面に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、他方の表面に形成され反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを備えている（特許文献１〜３等）。
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０８５０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池に導入される前の反応流体は、湿分を有することがある。このため反応流体に含まれる湿分は、燃料電池の内部で過剰に冷却されると、凝縮水を生成するおそれがある。このように凝縮水が生成されて滞留されると、フラッディングが発生するおそれがある。フラッディングは反応流体の流路が水で閉鎖されることをいう。この場合、反応流体の円滑な流れが阻害され、燃料電池の発電性能を低下させるおそれがある。殊に、セパレータの反応流体流路のうち反応流体導出孔付近の下流領域ばかりでなく、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域においても、反応流体が急激に冷却されると、凝縮水が生成されて滞留するおそれがある。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域において凝縮水の生成を抑制することができる燃料電池用セパレータおよび燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明は上記した課題のもとに鋭意開発を進めている。そして、冷却水等の冷媒はセパレータの冷媒導入孔から冷媒流路に沿って流れ、冷媒導出孔から導出される。このように冷媒が流れるとき、燃料電池スタックの内部の熱を奪う。このため冷媒の温度は冷媒導入孔から冷媒導出孔に向かうにつれて次第に高温となる。従って冷媒導出孔の冷媒の温度は、冷媒導入孔の冷媒の温度よりも相対的に高温である。このことに本発明者は着目した。このため、冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域と、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域とを、セパレータを挟んで対向させれば、反応流体導入孔付近の反応流体が冷却されることが抑制され、反応流体に含まれる湿分が凝縮されることが抑制され、凝縮水の生成が抑制されることを知見し、かかる知見に基づいて本発明を開発した。
【０００６】
（２）様相１に係る燃料電池セパレータは、互いに背向する一方の表面および他方の表面と、一方の表面および他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、一方の表面および他方の表面のうちの他方に反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータにおいて、
冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域は、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域にセパレータを挟んで対向していることを特徴とする。
【０００７】
（３）様相２に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、膜電極接合体の厚み方向の一方に配置された第１セパレータと、膜電極接合体の厚み方向の他方に配置された第２セパレータと、膜電極接合体と第１セパレータと第２セパレータとを厚み方向に貫通し反応流体を導入する反応流体導入マニホルドと、膜電極接合体と第１セパレータと第２セパレータとを厚み方向に貫通し反応流体を導出する反応流体導出マニホルドと、膜電極接合体と前記第１セパレータと第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導入する冷媒導入マニホルドと、膜電極接合体と第１セパレータと第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導出する冷媒導出マニホルドとを備える燃料電池スタックを、具備する燃料電池システムにおいて、第１セパレータの厚み方向において互いに対向する一方面および他方面のうちの一方側に形成され、冷媒導入マニホルドから導入され冷媒導出マニホルドに導出される冷媒が流れる冷媒流路と、第１セパレータの厚み方向において互いに対向する一方面および前記他方面のうちの他方側に形成され、反応流体導入マニホルドから導入され反応流体導出マニホルドに導出される反応流体が流れる反応流体流路とを具備しており、冷媒流路のうち冷媒導出マニホルド付近の下流領域は、反応流体流路のうち反応流体導入マニホルド付近の上流領域に第１セパレータを挟んで対向していることを特徴とする。
【０００８】
燃料電池の組み付けにあたり、膜電極接合体、第１セパレータ、第２セパレータが積層される。反応流体導入マニホルドは反応流体導入孔により形成される。反応流体導出マニホルドは反応流体導出孔により形成される。冷媒導入マニホルドは冷媒導入孔により形成される。冷媒導出マニホルドは冷媒導出孔により形成される。反応流体流路および冷媒流路は同一のセパレータに形成されていても良い。あるいは、反応流体流路を第１セパレータのうち膜電極接合体に対面する側の表面に形成し、隣接するセルの第２セパレータのうち第１セパレータに対面する表面に冷媒流路を形成しても良い。
【０００９】
（４）反応流体は、セパレータの反応流体導入孔から反応流体流路に流れて発電反応を発生させ、その後、セパレータの反応流体導出孔から吐出される。燃料電池の発電反応は熱を発生させる。燃料電池の内部で蓄熱されると、発電性能が低下するため、燃料電池が冷却される必要がある。そこで燃料電池を構成するセパレータの冷媒流路に冷媒を流すことにしている。
【００１０】
冷媒は、セパレータの冷媒導入孔から冷媒流路に流れて燃料電池の内部を冷却させ、その後、セパレータの冷媒導出孔から吐出される。このように冷媒は燃料電池の内部から受熱する。このため、冷媒は下流に向かうに従って高温となる。冷媒の温度は、冷媒導入孔側よりも冷媒導出孔側の方が相対的に高い。従って、冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域の冷媒温度をＴｏとし、冷媒流路のうち冷媒導入孔付近の上流領域の冷媒温度をＴｉとすると、温度Ｔｏは温度Ｔｉよりも相対的に高温である（Ｔｏ＞Ｔｉ）。このため反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域を暖めることができる。即ち、反応流体流路のうち反応ガス導入孔付近の上流領域の温度を暖めることができる。この結果、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域において、反応流体が凝縮を引き起こすことが抑制され、フラッディングが抑制される。
【００１１】
ここで、セパレータは、互いに背向する一方の表面および他方の表面をもつ。背向するとは、セパレータの厚みを挟んで対向するという意味である。冷媒が流れる冷媒流路は、セパレータの一方の表面に形成されている。反応流体が流れる反応流体流路は、セパレータの他方の表面に形成されている。反応流体導入孔は、セパレータの厚み方向に貫通しており、且つ、反応流体流路に反応流体を導入する。反応流体導出孔は、セパレータの厚み方向に貫通しており、且つ、反応流体流路の反応流体を導出する。反応流体は、発電反応に使用される燃料流体または酸化剤流体である。燃料流体としては燃料極の活物質を含む流体であり、水素含有ガス、水素ガス等の燃料ガス（一方の反応ガス）が例示される。酸化剤流体としては酸化剤極の活物質を含む流体であり、空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガス等の酸化剤ガス（他方の反応ガス）が例示される。冷媒導入孔は、セパレータの厚み方向に貫通しており、且つ、セパレータの表面に形成されている冷媒流路に冷媒を導入する。冷媒導出孔は、セパレータの厚み方向に貫通しており、且つ、冷媒流路の冷媒を導出する。冷媒とは、冷却水、冷却ミスト、冷却ガス（冷却空気等）が例示される。
【００１２】
ここで、冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域は、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域にセパレータを挟んで対向している。『冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域』とは、冷媒流路の流路距離を１００と相対表示するとき、冷媒流路のうち冷媒導出孔の中心を起点として、流路距離が３０（または２０）以下で相対表示される下流領域を意味する。また、『反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域』とは、反応流体流路の流路距離を１００と相対表示するとき、反応流体流路のうち反応流体導入孔の中心を起点として、流路距離が３０（または２０）以下で相対表示される上流領域を意味する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近（反応流体導入マニホルド付近）の上流領域の温度をできるだけ高く維持することができる。この結果、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近（反応流体導入マニホルド付近）の上流領域において、反応流体の湿分が凝縮を引き起こすことが抑制され、フラッディングが抑制される。この結果、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域における凝縮水の生成、滞留を抑制することができる。従って燃料電池の発電性能の信頼性を高めるのに有利となる。
【００１４】
更に、反応流体導入孔（反応流体導入マニホルド）を流れる反応流体が反応流体導入孔（反応流体導入マニホルド）において過剰冷却されることが抑制される。この結果、反応流体導入孔において反応流体が凝縮を引き起こすことが抑制され、フラッディングが一層抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次の実施形態が例示される。
【００１６】
・セパレータにおいて、冷媒導出孔と反応流体導入孔とは互いに隣設している形態が例示される。隣設しているとは、互いに隣りに配置されているという意味である。冷媒導出孔と反応流体導入孔とはできるだけ接近して隣設している形態が例示される。ここで、冷媒導出孔の冷媒は前述したように燃料電池の内部を流れるとき燃料電池から受熱して暖められ、冷媒導入孔の冷媒に比較して相対的に高温である。このため反応流体導入孔を流れる反応流体が過剰に冷却されることが抑制され、反応流体の湿分が凝縮することが抑制され、フラッディングの抑制に有利である。セパレータはカーボン系でも、金属系でも良い。
【００１７】
・冷媒導出孔に連通し且つ冷媒導出孔から吐出される冷媒を排出する冷媒導出配管が設けられている形態が例示される。この場合、冷媒導出配管は、冷媒導出孔のうち高さ方向の上部（特に上端部）に連通している。前述したように相対的に高温の冷媒が冷媒導出孔に溜まり易くなる。このためセパレータのうち冷媒導出孔付近の温度を相対的に高くできる。この結果、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域の温度を相対的に高くすることができる。従って、反応流体流路のうち反応流体導入孔付近の上流領域における凝縮水の生成、滞留が抑制され易くなる。
【００１８】
・反応流体導入孔および反応流体導出孔のうちの少なくとも一方と冷媒導入孔との間には、断熱要素が設けられている形態が例示される。断熱要素は断熱空間で形成することができる。断熱空間は、セパレータを厚み方向に貫通する貫通孔または開口で形成できる。断熱要素は、セパレータの母材よりも高い断熱性をもつ材料で形成しても良い。セパレータの母材としてはカーボン、金属（ステンレス等の合金を含む）、セラミックス、硬質樹脂が例示される。
【００１９】
・反応流体導入孔の上流には、反応流体を加湿する加湿器が設けられている形態が例示される。加湿される反応流体としては、酸化剤流体および／または燃料流体が挙げられる。反応流体が加湿されて高い湿度とされていると、反応流体が燃料電池の内部に供給されるとき、反応流体の湿分は凝縮を引き起こし易くなる。
【００２０】
・冷媒導入孔の開口断面積をＳciとし、冷媒導出孔の開口断面積をＳcoとすると、ＳcoはＳciよりも大きく設定されている（Ｓcｏ＞Ｓcｉ）形態が例示される。この場合、燃料電池から受熱して暖められた冷媒を冷媒導出孔に貯留させるのに有利となる。よって冷媒導出孔付近の温度をできるだけ高く維持できる。従って反応流体導入孔付近の温度をできるだけ高く維持できる。
【００２１】
・セパレータには部分的に突出する突出部が形成されており、冷媒導出孔の少なくとも一部が突出部に延設されている形態が例示される。冷媒導出孔の開口断面積を増加できる。よって、暖かい冷媒を冷媒導出孔に貯留させる量を増加できる。このため冷媒導出孔付近の保温性が高まり、冷媒導出孔付近に形成されている反応流体導入孔等の保温性が高まる。
【００２２】
・冷媒導出孔は、反応流体導入孔および反応流体導出孔のうちの少なくとも一方の全周のうち１／２以上（または２／３以上）を包囲している形態が例示される。当該一方の保温性を高めることができる。冷媒導出孔は複数個に分割された孔で形成されている形態が例示される。この場合、反応流体導入孔および反応流体導出孔のうちの少なくとも一方は、複数個の冷媒導出孔で挟まれるように配置されている形態が例示される。当該一方の保温性を高めることができる。
【実施例１】
【００２３】
図１〜図６は実施例１の概念を示す。本実施例は、第１反応流体である燃料ガスに含まれている湿分の凝縮を抑えることを主眼とする。図１は燃料電池スタック１の概念を示す。燃料電池スタック１は、燃料電池セルを厚み方向（水平方向）に沿って積層して形成されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の終端に配置されたエンドプレート１ｅ，１ｆとを備えている。燃料電池セルは、膜電極接合体２（ＭＥＡ）と、膜電極接合体２の厚み方向の一方に配置された第１セパレータ４と、膜電極接合体２の厚み方向の他方に配置された第２セパレータ８とを備えている。
【００２４】
図１に示すように、膜電極接合体２は、燃料極２０、固体高分子型のイオン伝導膜２８（プロトン伝導膜，ポリマー電解質膜）、酸化剤極２５とを厚み方向に積層して形成されている。燃料極２０は、イオン伝導膜２８側に接触する燃料用触媒層２１と、イオン伝導膜２８に背向する側の燃料用拡散層２２とを備えている。酸化剤極２５は、イオン伝導膜２８側に接触する酸化剤ガス用触媒層２６と、イオン伝導膜２８に背向する側の酸化剤ガス用拡散層２７とを備えている。
【００２５】
第１セパレータ４は燃料ガス（第１反応流体）および冷媒を表裏の関係で流すセパレータである。第１セパレータ４は、一方の表面４ａおよび他方の表面４ｃと、互いに対向する上辺４ｕおよび下辺４ｄ、互いに対向する第１側辺４ｆおよび第２側辺４ｓを有する。第２セパレータ８は酸化剤ガス（空気，第２反応流体）および冷媒を表裏の関係で流すセパレータである。第２セパレータ８は鉛直方向（矢印Ｐ方向）に沿って配置されており、一方の表面８ａおよび他方の表面８ｃと、互いに対向する上辺８ｕおよび下辺８ｄ、互いに対向する第１側辺８ｆおよび第２側面８ｓを有する。『鉛直方向に沿って』とは、鉛直方向と平行な場合と、鉛直方向に対して多少傾斜している場合とを含む。
【００２６】
図１に示すように、第１セパレータ４は、冷媒（一般的には、水や不凍液等の液状冷媒）が流れる冷媒流路５０と、燃料ガス（第１反応流体）が流れる燃料ガス流路６０（第１反応流体流路）とを表裏の関係で備えている。燃料ガスとしては一般的には水素含有ガス、水素ガスが使用される。第２セパレータ８は、冷媒が流れる冷媒流路５０と、酸化剤ガス（第２反応流体）が流れる酸化剤ガス流路７０（第２反応流体流路）とを表裏の関係で備えている。酸化剤ガスとしては一般的には空気等の酸素含有ガスが使用される。
【００２７】
図１に示すように、冷媒導入孔５５に連通する冷媒導入配管５６が燃料電池スタック１に設けられている。冷媒導出孔５７に連通する冷媒導出配管５８が燃料電池スタック１に設けられている。図略の冷媒循環ポンプ（冷媒搬送源）により冷媒が燃料電池スタック１の内部を流れる。このとき、冷媒導入配管５６および冷媒導入孔５５を流れる冷媒の温度は相対的に低温である。燃料電池スタック１により冷媒が暖められる度合が少ないか、無いためである。
【００２８】
しかし冷媒導出孔５７および冷媒導出配管５８を流れる冷媒の温度は、冷媒導入孔５５および冷媒導入配管５６を流れる冷媒の温度よりも、相対的に高温である。冷媒が燃料電池スタック１の内部を流れるとき、受熱されるためである。ここで、冷媒導出孔５７の冷媒温度をＴＣｏとし、冷媒導入孔５５の冷媒温度をＴＣｉとすると、温度ＴＣｏは温度ＴＣｉよりも相対的に高温である（ＴＣｏ＞ＴＣｉ）。例えばＴＣｏは５０〜８５℃程度（これに限定されない）であり、ＴＣｉは４０〜７５℃（ＴＣｏ＞ＴＣｉ）である。
【００２９】
図１および図２に示すように、第１セパレータ４および第２セパレータ８は、厚み方向に貫通する燃料ガス導入孔６５（第１反応流体導入孔）と、厚み方向に貫通する燃料ガス導出孔６７（第１反応流体導出孔）と、厚み方向に貫通する酸化剤ガス導入孔７５（第２反応流体導入孔）と、厚み方向に貫通する酸化剤ガス導出孔７７（第２反応流体導出孔）と、厚み方向に貫通する冷媒導入孔５５と、厚み方向に貫通する冷媒導出孔５７とを備えている。燃料ガス導入孔６５の上流には燃料源２００（例えば改質装置または燃料ガスタンク）が配置されている。
【００３０】
膜電極接合体２、第１セパレータ４および第２セパレータ８が積層されて燃料電池スタック１が形成されるとき、燃料ガス導入孔６５同士は重複して連通して燃料ガス導入マニホルド６５ｍを形成する。燃料ガス導出孔６７同士は重複して連通して燃料ガス導出マニホルド６７ｍを形成する。酸化剤ガス導入孔７５同士が重複して連通して酸化剤ガス導入マニホルド７５ｍを形成する。酸化剤ガス導出孔７７同士が重複して連通して酸化剤ガス導出マニホルド７７ｍを形成する。冷媒導入孔５５同士が重複して連通して冷媒導入マニホルド５５ｍを形成する。冷媒導出孔５７同士が重複して連通して冷媒導出マニホルド５７ｍを形成する。
【００３１】
更に説明を加える。図２は、第１セパレータ４において冷媒流路５０が形成されている一方の表面４ａを矢印Ｅ１方向（図１参照）から視認して示す。図２は、第１セパレータ４の冷媒流路５０の流れ方向をモデル化して示す。このような冷媒流路５０の流れ方向を確保するためには、図示しないものの、冷媒が酸化剤ガス導入孔７５、酸化剤ガス導出孔７７、燃料ガス導入孔６５、燃料ガス導出孔６７に流入しないようにシール材が配置されており、且つ、図示しないものの、第１セパレータ４の一方の表面４ａには冷媒の流れを案内する案内突起が形成されている。図２に示すように、燃料ガス導入孔６５は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆの上端部に形成されており、縦長のほぼ長方形状（方形状）をなしており、開口長さＬfiおよび開口幅Ｗｆiをもつ。燃料ガス導出孔６７は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆの下端部に形成されており、縦長のほぼ長方形状（方形状）をなしている。
【００３２】
このように燃料ガス導入孔６５および燃料ガス導出孔６７は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆに形成されている。図２に示すように、燃料ガス導入孔６５は燃料ガス導出孔６７よりも重力方向の上側に配置されている。燃料ガス導出孔６７は燃料ガス導入孔６５よりも重力方向の下側に配置されている。この結果、重力を利用して燃料ガスの流れをアシストできる。更に、仮に、燃料ガスに含まれる湿分が凝縮して凝縮水が生成されるときであっても、凝縮水を重力を利用して燃料ガス導出孔６７から排出させるのに貢献できる。図２に示すように、燃料ガス導入孔６５および燃料ガス導出孔６７は、冷媒導出孔５７を挟んでいる。なお、燃料ガス導入孔６５の開口断面積よりも燃料ガス導出孔６７の開口断面積は、小さく設定されている。発電反応により燃料に含まれている活物質が消費されるためである。
【００３３】
図２に示すように、酸化剤ガス導入孔７５は、第１セパレータ４の第２側辺４ｓの上端部に形成されており、縦長のほぼ長方形状（方形状）をなしている。酸化剤ガス導入孔７５の上流には加湿器１００が配置されている。加湿器１００で加湿された酸化剤ガスが酸化剤ガス導入孔７５に導入される。酸化剤ガス導出孔７７は、第１セパレータ４の第２側辺４ｓの下端部に形成されており、縦長のほぼ長方形状（方形状）をなしている。このように酸化剤ガス導入孔７５および酸化剤ガス導出孔７７は、第１セパレータ４の第２側辺４ｓに形成されている。ここで、図２に示すように、酸化剤ガス導入孔７５は酸化剤ガス導出孔７７よりも重力方向の上側に配置されており、重力を利用して酸化剤ガスの流れをアシストできる。更に、仮に、酸化剤ガスに含まれる湿分が凝縮して凝縮水が生成されるときであっても、凝縮水を重力を利用して排出させるのに貢献できる。なお、酸化剤ガス導入孔７５の開口断面積よりも酸化剤ガス導出孔７７の開口断面積は、小さく設定されている。発電反応により酸化剤が消費されるためである。
【００３４】
図２に示すように、冷媒導入孔５５は、高さ方向において酸化剤ガス導入孔７５と酸化剤ガス導出孔７７との間に位置するように、第２側辺４ｓの高さ方向の中間に形成されており、方形状をなしており、開口長さＬciおよび開口幅Ｗciをもつ。これに対して図２に示すように、冷媒導出孔５７は、燃料ガス導入孔６５と燃料ガス導出孔６７との間に位置するように、第１セパレータ４の第１側辺４ｆの高さ方向の中間部に形成されており、縦長のほぼ方形状をなしており、開口長さＬcoおよび開口幅Ｗcoをもつ。このように冷媒導入孔５５および冷媒ガス導出孔は、第１セパレータ４の幅方向において互いに反対側に形成されている。
【００３５】
図２に示すように、第１セパレータ４に形成されている冷媒流路５０は、冷媒導入孔５５と冷媒導出孔５７とを連通させるものである。図２に示すように、冷媒流路５０は、冷媒導入孔５５の入口５５ｉから上辺４ｕに向けて上方に冷媒を流す上昇流路５０ａと、上昇流路５０ａの上端５０ａｏからほぼＳの状形状およびほぼ逆Ｓの状形状（ほぼクランク形状）に繰り返して下降するように冷媒を流す冷媒中間流路５０ｂと、冷媒中間流路５０ｂの下辺４ｄ側の下端５０ｂｏから上辺４ｕに接近しつ上昇する第２上昇流路５０ｃと、第２上昇流路５０ｃの上端５０ｃｏからＵターンして冷媒を下方に流すと共に冷媒を出口５７ｐから冷媒導出孔５７に向かわせる下降流路５０ｄと、分岐部５０ｅを介して第２上昇流路５０ｃに対して分岐され且つ合流部５０ｆを介して第２上昇流路５０ｃに合流する分岐流路５０ｈとを備えている。図２の矢印は、冷媒流路５０を冷媒が流れる方向を示す。
【００３６】
図２に示すように、分岐部５０ｅから分岐された分岐流路５０ｈは、第２上昇流路５０ｃよりも燃料ガス導出孔６７に接近している。このため分岐流路５０ｈを流れる暖かい冷媒の熱は、燃料ガス導出孔６７に伝達される。よって、燃料ガス導出孔６７を流れる燃料ガスの過剰冷却、ひいては過剰冷却に起因する凝縮を抑制することができる。図２に示すように、第２上昇流路５０ｃはその上端５０ｃｏでＵターンして、燃料ガス導入孔６５に接近しつつ、燃料ガス導入孔６５の全長に沿って下降流路５０ｄを流れる。このため燃料ガス導入孔６５付近が暖められ、ここを流れる燃料ガスが過剰に冷却されることが一層抑制される。ひいては凝縮が発生することが抑制される。このため燃料ガス導入孔６５に凝縮水が生成することが抑制される。
【００３７】
図３は、第１セパレータ４の他方の表面４ｃに形成されている燃料ガス流路６０の流れを矢印Ｅ１方向（図１参照）から透視（第１セパレータ４の厚みを透視）して示す。ここで、矢印Ｅ１方向（図１参照）から肉眼で視認するとき、冷媒流路５０が直接に視認されるものの、他方の表面４ｃに形成されている燃料ガス流路６０は肉眼では直接的には視認されない。しかし冷媒流路の流れとの関係を把握するため、便宜上、第１セパレータ４の肉厚を透視して燃料ガス流路６０の流れ方向を図３に示す。図３に示すように、燃料ガス流路６０は、第１セパレータ４において上辺４ｕ側の燃料ガス導入孔６５から下辺４ｄ側の燃料ガス導出孔６７に向けて延設されており、ほぼＳの状形状およびほぼ逆Ｓの状形状（ほぼクランク形状）の複数個の曲成部６０ｃを備えており、ほぼＳの状形状およびほぼ逆Ｓの状形状（ほぼクランク形状）を繰り返して曲走させつつ下降するように、燃料ガスを下向きに流す。図３の矢印は燃料ガス流路６０において燃料ガスが流れる方向を示す。このように燃料ガスは下向き流れる。後述するように酸化剤ガスも下向きに流れる。このため燃料ガスの基本流れ方向と酸化剤ガスの基本流れ方向とは、同じ方向となる並行流とされている。
【００３８】
図３に示すような燃料ガス流路６０の燃料ガスの流れ方向を確保するためには、図示しないものの、燃料ガスが酸化剤ガス導入孔７５、酸化剤ガス導出孔７７、冷媒導入孔５５、冷媒導出孔５７に流入しないようにシール材が配置されており、且つ、同様に図示しないものの、第１セパレータ４の他方の表面４ｃには燃料ガスの流れを案内する燃料ガス用の案内突起が形成されている。
【００３９】
さて、第２セパレータ８について図４及び図５を参照しつつ説明を加える。図４は、第２セパレータ８の一方の表面８ａに形成されている冷媒流路５０の流れを透視（第２セパレータ８を透視）して示す。ここで、矢印Ｅ１方向（図１参照）から肉眼で視認するとき、第２セパレータ８の肉厚の影響で冷媒流路５０は直接的には視認されない。しかしながら便宜上、第２セパレータ８の肉厚を透視して冷媒流路５０を図４に示す。図４に示すように、第２セパレータ８の冷媒流路５０は、第１セパレータ４の冷媒流路５０と同一であり、冷媒の流れ方向も同一である。
【００４０】
図５は、第２セパレータ８の他方の表面８ｃに形成されている酸化剤ガス流路７０の流れ方向を示す。ここで、矢印Ｅ１方向（図１参照）から肉眼で視認するとき、第２セパレータ８の他方の表面８ｃに形成されている酸化剤ガス流路７０は直接的に視認される。図５に示すように、酸化剤ガス流路７０は、第２セパレータ８において上辺８ｕ側の酸化剤ガス導入孔７５から下辺８ｄ側の酸化剤ガス導出孔７７に向けて延設されており、ほぼＳの状形状およびほぼ逆Ｓの状形状（ほぼクランク形状）の複数個の曲成部７０ｃを備えており、酸化剤ガスを曲走させつつ下向きに流す。このような酸化剤ガス流路７０の流れ方向を確保するためには、図示しないものの、酸化剤ガスが燃料ガス導入孔６５、燃料ガス導出孔６７、冷媒導入孔５５、冷媒導出孔５７に流入しないようにシール材が配置されている。且つ、図示しないものの、第２セパレータ８の他方の表面８ｃには酸化剤ガスの流れを案内する酸化剤ガス用の案内突起が形成されている。
【００４１】
ここで、冷媒は、冷媒導入孔５５から冷媒流路５０に導入され、燃料電池スタック１の内部を冷却させ、その後、第１セパレータ４の冷媒導出孔５７から導出される。このように冷媒は燃料電池スタック１の内部を冷却させるため、燃料電池スタック１の過熱が抑制され、発電性能が良好に維持される。このため、冷媒は、冷媒導入孔５５から冷媒導出孔５７に向かうにつれて次第に暖められ、高温となる。従って、冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７付近の下流領域の冷媒温度をＴｏとし、冷媒流路５０のうち冷媒導入孔５５付近の上流領域の冷媒温度をＴｉとすると、温度Ｔｏは温度Ｔｉよりも相対的に高温である（Ｔｏ＞Ｔｉ）。
【００４２】
図６は燃料電池スタック１の断面を模式的に示す。図６に示すように、第１セパレータ４の燃料ガス流路６０は、膜電極接合体２の燃料極２０に対面している。また、第２セパレータ８の酸化剤ガス流路７０は、膜電極接合体２の酸化剤極２５に対面している。従って、第２セパレータ８の酸化剤ガス流路７０と、第１セパレータ４の燃料ガス流路６０とは、膜電極接合体２を厚み方向（矢印ｔｃ方向）において挟持している。
【００４３】
上記した実施例によれば、図６に示すように、第１セパレータ４において、冷媒流路５０の下流領域ＣＤ（冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７付近の下流領域）は、燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵ（燃料ガス流路６０のうち燃料ガス導入孔６５付近の上流領域）に第１セパレータ４を挟んで対向している。
【００４４】
前述したように燃料電池スタック１の運転時において冷媒導出孔５７は保温性が良好である。このため燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵが過剰に冷却されることが抑制される。即ち、上流領域ＦＵを暖めることができる。この結果、上流領域ＦＵにおいて、燃料ガスに含まれている湿分が凝縮を引き起こすことが抑制される。ひいては燃料ガス流路６０におけるフラッディングが抑制される。このため燃料電池スタック１の発電性能が良好に維持される。
【００４５】
ここで、『冷媒流路５０の下流領域ＣＤ』とは、冷媒流路５０の流路距離を１００と相対表示するとき、冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７の中心を起点として、流路距離が３０（または２０）以下で相対表示される下流領域を意味する。また、『燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵ』とは、燃料ガス流路６０の流路距離を１００と相対表示するとき、燃料ガス流路６０のうち燃料ガス導入孔６５の中心を起点として流路距離が３０（または２０）以下で相対表示される上流領域を意味する。
【００４６】
加えて本実施例によれば、図２に示すように、相対的に高温の冷媒が流れる冷媒導出孔５７と燃料ガス導入孔６５とは、高さ方向において互いに隣設している。しかも両者は接近している。このため燃料ガス導入孔６５の過剰冷却を抑制するのに有利である。この意味においても、燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵにおいて、燃料ガスが凝縮を引き起こすことが一層抑制され、フラッディング抑制に一層有利である。勿論、燃料ガス導入孔６５において燃料ガスが凝縮を引き起こすことが抑制され、燃料ガス導入孔６５におけるフラッディングの抑制に一層有利である。
【００４７】
なお本実施例によれば、冷媒導出孔５７と燃料ガス導入孔６５との間隔Ｌｘ（図２参照）としては、燃料ガス導入孔６５の高さ方向の開口長さＬfi以内の寸法、あるいは、（Ｌfi×１／２）以内の寸法、あるいは、（Ｌfi×１／３）以内の寸法とすることができる。殊に、燃料ガス導入孔６５の開口幅Ｗｆi以内とすることもできる。このように冷媒導出孔５７と燃料ガス導入孔６５とを接近させることが好ましい。
【００４８】
更に、図１に示すように、燃料電池スタック１の外方に冷媒を導出するための冷媒導出配管５８の端部５８ｅは、冷媒導出孔５７のうち高さ方向（矢印Ｐ方向）の上部に連通している。前述したように、冷媒導出孔５７側の冷媒は、冷媒導入孔５５側の冷媒に比較して相対的に高温である。このため冷媒導出配管５８の端部５８ｅの下端５８ｄよりも下方から下端５８ｄに到達するまで、冷媒導出孔５７は暖かい冷媒で満たされ易くなる。従って、暖かい冷媒が冷媒導出孔５７に貯留される貯留量が増加する。このため、冷媒導出孔５７付近の温度をできるだけ高く維持できる。故に、燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵが過剰に冷却されることが一層抑制される。従って、燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵにおいて、更に、燃料ガス導入孔６５において、燃料ガスに含まれている湿分が凝縮することが抑制される。ひいてはフラッディングが抑制される。
【００４９】
なお、発電反応で水が生成されるのは、酸化剤極２５側である。しかしながら酸化剤ガスの質量流量に比較して燃料ガスの質量流量は相対的に少ないため、燃料極２０側におけるフラッディングは、燃料電池スタック１の発電性能の低下に大きな与える影響を与えることが多い。更に、酸化剤極２５側で生成された水が燃料極２０側に移動することある。このため、燃料電池スタック１の発電性能の維持のためには、上記したように燃料ガス側におけるフラッディングを抑制することが重要である。
【００５０】
更に本実施例によれば、図２に示すように、冷媒導入孔５５の開口長さをＬciとし、冷媒導出孔５７の開口長さをＬcoとすると、ＬcoはＬciよりも大きく設定されている（Ｌco＞Ｌci）。このため冷媒導入孔５５の開口断面積をＳciとし、冷媒導出孔５７の開口断面積をＳcoとすると、ＳcoはＳciよりも大きく設定されている（Ｓcｏ＞Ｓcｉ）。このため暖められて相対的に高温となった冷媒（温水）が冷媒導出孔５７に貯留される貯留量（熱貯留量）を増加させることができる。従って冷媒導出孔５７における熱貯留効果は増加され、冷媒導出孔５７の温度はできるだけ高温に維持される。この意味においても、燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵにおいて、燃料ガスの湿分が凝縮することが抑制される。なお、Ｓcｏ／Ｓcｉ＝１．５〜７の範囲、２〜６の範囲が例示される。但しこれに限定されるものではない。
【００５１】
しかも本実施例によれば、図２から理解できるように、冷媒が冷媒導出孔５７に流入するにあたり、冷媒導出孔５７の下部（即ち、出口５７ｐ）から流入する下流入方式が採用されており、冷媒の液面は冷媒導出孔５７において矢印Ｗ１方向（図２参照）に持ち上げられ、暖かい冷媒で冷媒導出孔５７の空洞を満たしやすい。この意味においても冷媒導出孔５７における熱貯留効果は良好である。しかも冷媒導出孔５７の冷媒に気泡が存在してたとしても、気泡は矢印Ｗ１方向に浮上して冷媒導出配管５８から排出される。
【００５２】
上記したような本実施例によれば、冷媒導出孔５７に隣設する燃料ガス導入孔６５を流れる燃料ガスが過剰に冷却されることが抑制される。殊に、冷媒導出孔５７の上側に燃料ガス導入孔６５は接近して隣設しているため、冷媒導出孔５７等における熱の上昇対流を利用できる。従って燃料ガス導入孔６５において凝縮水が発生することが一層抑制される。この意味においても、燃料ガス導入孔６５におけるフラッディングの抑制に一層貢献できる。
【００５３】
更にまた、本実施例によれば、図２に示すように、相対的に低温の冷媒が流れる冷媒導入孔５５と酸化剤ガス導出孔７７との間には、断熱要素７９が設けられている。断熱要素７９は、第１セパレータ４および第２セパレータ８を厚み方向に貫通する孔状をなす断熱空間で形成されている。断熱空間には空気、不活性ガス等のガスが封入されていることが好ましい。
【００５４】
断熱要素７９が形成されているため、冷媒導入孔５５の冷たい冷媒によって酸化剤ガス導出孔７７の酸化剤ガスが過剰に冷却されることが断熱要素７９によって抑制される。この結果、酸化剤ガス導出孔７７を流れる酸化剤ガスに含まれる湿分が凝縮することが抑制される。ひいては、酸化剤ガス流路７０の下流領域ＡＤ（図５参照，酸化剤ガス流路７０のうち酸化剤ガス導出孔７７側の下流領域）において凝縮水が生成されることが抑制される。この意味において酸化剤ガスのフラッディングを抑制するのに有利である。なお断熱要素７９の断熱長さＬr（図２参照）は、冷媒導入孔５５の開口長さＬci、酸化剤ガス導出孔７７の開口長さＬaoよりも大きく設定されているため、高い断熱効果が得られる。
【実施例２】
【００５５】
図７〜図１２は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。本実施例は、第２反応流体としての酸化剤ガスに含まれている湿分の凝縮を抑えることを主眼とする。図７は燃料電池スタック１の概念を示す。図８は、第１セパレータ４の一方の表面４ａに形成されている冷媒流路５０の流れを示し。矢印Ｅ１から視認した状態を示す。実施例１と異なり、図８に示すように、酸化剤ガス導入孔７５および酸化剤ガス導出孔７７は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆに形成されている。実施例１と異なり、燃料ガス導入孔６５および燃料ガス導出孔６７は、第２セパレータ８の第２側辺８ｓに形成されている。冷媒が導入されるため低温となりがちな冷媒導入孔５５と、燃料ガス導入孔６５との間には断熱要素７９Ｂが形成されている。これにより燃料ガス導入孔６５付近の温度を高く維持でき、凝縮の抑制に貢献できる。
【００５６】
図９は、第１セパレータ４の他方の表面４ｃに形成されている酸化剤ガス流路７０の流れを矢印Ｅ１方向（図７参照）から透視（第１セパレータ４の厚みを透視）して示す。ここで、矢印Ｅ１方向（図７参照）から肉眼で視認するとき、冷媒流路５０が直接に視認されるものの、他方の表面４ｃに形成されている酸化剤ガス流路７０は肉眼では直接的には視認されない。しかし冷媒流路５０の流れとの関係を把握するため、便宜上、第１セパレータ４の肉厚を透視して酸化剤ガス流路７０の流れ方向を図９に示す。
【００５７】
図９に示すように、酸化剤ガス導入孔７５は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆの上端部に形成されており、酸化剤ガス導出孔７７は、第１セパレータ４の第１側辺４ｆの下端部に形成されている。図１０は、第２セパレータ８の一方の表面８ａに形成されている冷媒流路５０の流れを透視（第１セパレータ４を透視）して示す。ここで、矢印Ｅ１方向（図７参照）から肉眼で視認するとき、一方の表面８ａに形成されている冷媒流路５０は肉眼では直接的には視認されない、
図１１は、第２セパレータ８の他方の表面８ｃに形成されている燃料ガス流路６０の流れを示す。矢印Ｅ１方向（図７参照）から肉眼で視認するとき、第２セパレータ８の冷媒流路５０は直接に視認されないものの、第２セパレータ８の他方の表面８ｃに形成されている燃料ガス流路６０は直接的には視認される。
【００５８】
図１２は実施例２に係る燃料電池スタックの断面を示す。図１２に示すように、第１セパレータ４の酸化剤ガス流路７０と第２セパレータ８の燃料ガス流路６０とは、厚み方向ｔｃにおいて、膜電極接合体２を介して対向している。即ち、第１セパレータ４の酸化剤ガス流路７０と第２セパレータ８の燃料ガス流路６０とは、厚み方向ｔｃにおいて、膜電極接合体２を挟持している。
【００５９】
本実施例によれば、冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７付近の下流領域ＣＤは、酸化剤ガス流路７０の上流領域ＡＵ（酸化剤ガス流路７０のうち酸化剤ガス導入孔７５付近の上流領域）に第１セパレータ４を挟んで対向している。このため、酸化剤ガス流路７０の上流領域ＡＵの温度を暖めることができる。上流領域ＡＵが過剰に冷却されることが抑制される。この結果、酸化剤ガス流路７０の上流領域ＡＵにおいて、酸化剤ガスが凝縮を引き起こすことが抑制され、酸化剤ガスのフラッディングが抑制される。勿論、酸化剤ガス導入孔７５において酸化剤ガスが凝縮を引き起こすことが抑制され、酸化剤ガスのフラッディングが抑制される。このため燃料電池スタック１の発電性能が良好に維持される。
【００６０】
図８に示すように、冷媒導出配管５８は、冷媒導出孔５７のうち高さ方向（矢印Ｐ方向）の上部（上端部）に連通している。発電反応で水が生成されるのは、酸化剤極２５側である。このため発電性能の維持のためには、上記したように酸化剤ガスに含まれている湿分の凝縮を抑制することも重要である。酸化剤ガス導入孔７５の上流には、これを加湿する加湿器１００が設けられている。加湿された酸化剤ガスは、膜電極接合体２のイオン伝導膜２８の湿分をリッチにするため、イオン伝導膜２８のイオン伝導性を高めることができ、発電性能を高めるのに有利である。
【００６１】
しかしながら加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入孔７５で過剰に冷却されると、凝縮水を生成させるおそれがある。この点本実施例によれば、図１２に示すように、冷媒流路５０のうち冷媒導出孔５７付近の下流領域ＣＤは、酸化剤ガス流路７０（第２反応流体流路）のうち酸化剤ガス導入孔７５（第２反応流体導入孔）付近の上流領域ＡＵに第１セパレータ４を挟んで対向している。この結果、酸化剤ガス流路７０のうち酸化剤ガス導入孔７５付近の上流領域ＡＵにおいて、酸化剤ガスが凝縮を引き起こすことが抑制され、酸化剤ガスのフラッディングが抑制される。ひいては、酸化剤ガス導入孔７５において、酸化剤ガスが凝縮を引き起こすことが抑制され、酸化剤ガスのフラッディングが一層抑制される。
【００６２】
更に本実施例においても、冷媒導入孔５５の開口断面積をＳciとし、冷媒導出孔５７の開口断面積をＳcoとすると、ＳciはＳcoよりも大きく設定されている（Ｓcｏ＞Ｓcｉ）。このため暖められて相対的に高温となった冷媒（温水）が冷媒導出孔５７に貯留される貯留量（熱貯留量）が増加するため、酸化剤ガス導入孔７５付近の過剰冷却が抑制される。ひいては、酸化剤ガス流路７０の上流領域ＡＵ、更に、酸化剤ガス導入孔７５流れる酸化剤ガスに含まれている湿分が凝縮することが抑制される。これは冷媒導出孔５７における熱貯留効果によるものである。
【００６３】
更に本実施例によれば、図９に示すように、相対的に低温の冷媒が流れる冷媒導入孔５５と燃料ガス導出孔６７との間には、断熱要素７９が設けられている。このため冷却能力をもつ冷媒が導入される冷媒導入孔５５によって燃料ガス導出孔６７の燃料ガスが冷却されることが抑制される。ひいては燃料ガス導出孔６７を流れる燃料ガスに含まれる湿分が凝縮することが抑制され、ひいてはて凝縮水が生成されることが抑制される。
【実施例３】
【００６４】
図１３は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、図１３に示すように、断熱要素７９は、第１セパレータ４の厚み方向に貫通すると共に、側方に開口する切欠で形成されている。更に、酸化剤ガス導入孔７５と冷媒導入孔５５との間には、切欠状の第２断熱要素７９Ｓが設けられている。第２断熱要素７９Ｓの断熱作用により、酸化剤ガス導入孔７５側から冷媒導入孔５５側への伝熱が抑制される。ひいては酸化剤ガス導入孔７５付近における凝縮の抑制に貢献できる。燃料電池スタック１を組み付けるとき、切欠状の断熱要素７９，７９Ｓは、セパレータの左右の識別を示すマーキング機能を発揮することができる。図示しないが、第２セパレータにも切欠状の断熱要素および第２断熱要素が形成されている。
【実施例４】
【００６５】
図１４は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、第１セパレータ４の第１側辺４ｆには部分的に耳状に突出する突出部４ｍが形成されている。突出部４ｍに延設するように冷媒導出孔５７が形成されている。このため、暖かい冷媒を冷媒導出孔５７に貯留させる貯留量が増加する。これにより冷媒導出孔５７付近の温度を高めに維持するのに有利となる。燃料電池スタック１を組み付けるとき、突出部４ｍは、セパレータの左右を示すマーキング機能を発揮することができる。図示しないが、第２セパレータにも突出部が形成されている。断熱要素７９および第２断熱要素７９Ｓは、セパレータの母材よりも高い断熱性をもつ発泡樹脂等の樹脂で形成された断熱材で形成されている。セラミックスやガラスなどの繊維の集合体としても良い。
【実施例５】
【００６６】
図１５は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。前記した実施例１では、燃料ガス流路６０の燃料ガスは下向きに流れる。しかし本実施例によれば、燃料ガス流路６０の燃料ガスは上向きに流れる。そこで図１５に示すように、燃料ガス導入孔６５は冷媒導出孔５７の重力方向の下側に形成されている。燃料ガス導出孔６７は冷媒導出孔５７の重力方向の上側に形成されている。実施例１と同様に、酸化剤ガス流路７０の酸化剤ガスも下向きに流れる。このため燃料ガスの基本流れ方向と酸化剤ガスの基本流れ方向とは、反対方向となる対向流とされている。
【実施例６】
【００６７】
図１６は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。実施例によれば、冷媒導出孔５７は、燃料ガス導入孔６５の下側（一端側）に形成されている第１孔５７ｒと、燃料ガス導入孔６５の上側（他端側）に形成されている第２孔５７ｓと、第１孔５７ｒおよび第２孔５７ｓを連通させる第３孔５７ｔとを備えている。第１孔５７ｒおよび第２孔５７ｓで燃料ガス導入孔６５（反応流体導入孔）を挟んでいる。第３孔５７ｔは燃料ガス導入孔６５の外側方を包囲している。これにより燃料ガス導入孔６５の三方は、暖かい冷媒が貯留される冷媒導出孔５７により包囲されている。即ち、燃料ガス導入孔６５の全長の１／２以上は冷媒導出孔５７により包囲されている。このため燃料ガス導入孔６５付近、ひいては燃料ガス流路６０の上流領域ＦＵが過剰に冷却されることが抑制される。凝縮が抑制される。なお冷媒導出配管５８は、最も上側の第２孔５７ｓに連通している。図１６に示すように、冷媒流路５０の分岐流路５０ｈは、酸化剤ガス流路７０の下流領域付近の酸化剤ガス導出孔７７に接近するように第２上昇流路５０ｃから分岐している。従って暖かい冷媒が流れる分岐流路５０ｈによって、酸化剤ガス流路７０の下流領域付近、酸化剤ガス導出孔７７付近の過剰冷却は抑制され、凝縮が抑制される。
【００６８】
（その他）
更に、燃料ガス流路６０の燃料ガスは下向きに流れ、且つ、酸化剤ガス流路７０の酸化剤ガスは上向きに流れることにしても良い。酸化剤ガスの流れに応じて、実施例１では、酸化剤ガス導入孔７５は酸化剤ガス導出孔７７よりも重力方向の上側に配置されているが、これに限らず、酸化剤ガス導入孔７５は酸化剤ガス導出孔７７よりも重力方向の下側に配置されていても良い。燃料ガス導入孔６５および燃料ガス導出孔６７をセパレータの左右反対側に形成しても良い。酸化剤ガス導入孔７５および酸化剤ガス導出孔７７をセパレータの左右反対側に形成しても良い。反応ガスを加湿させるための加湿器は、燃料電池システムに装備されていても良いし、装備されていなくても良い。
【００６９】
燃料ガス流路６０を第１セパレータ４のうち膜電極接合体２に対面する側の表面に形成し、隣接するセルの第２セパレータ８のうち第１セパレータ４に対面する表面に冷媒流路５０を形成しても良い。各実施形態および各実施例に特有の構造および機能は、他の実施形態および他の実施例に適用して、特徴構造を併有されることもできる。その他、本発明は上記した実施形態および実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
【００７０】
（付記項１）一方の表面および他方の表面と、前記一方の表面および他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、前記一方の表面および他方の表面のうちの他方に形成され反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータにおいて、前記冷媒導出孔と前記反応流体導入孔とは互いに隣設していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。この場合、燃料電池スタックから受熱した冷媒が冷媒導出孔を流れるため、冷媒導出孔の温度ができるだけ高く維持される。これにより反応流体導入孔（燃料ガス導入孔または酸化剤ガス導入孔）付近をできるだけ高い温度に維持できる。故に、反応流体導入孔を流れる反応流体（燃料ガスまたは酸化剤ガス）が凝縮することが抑制される。ひいては燃料極または酸化剤極におけるフラッディングが抑制される。
【００７１】
（付記項２）互いに背向する一方の表面および他方の表面と、前記一方の表面および他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、前記一方の表面および他方の表面のうちの他方に形成され反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータにおいて、前記冷媒導出孔に連通し且つ前記冷媒導出孔から吐出される冷媒を排出する冷媒導出配管を具備しており、前記冷媒導出配管は、前記冷媒導出孔のうち高さ方向の上部に連通していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。燃料電池スタックから受熱した冷媒が冷媒導出孔に貯留され易くなる。このため冷媒導出孔の温度をできるだけ高く維持できる。
【００７２】
（付記項３）互いに背向する一方の表面および他方の表面と、前記一方の表面および他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、前記一方の表面および他方の表面のうちの他方に形成され反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータにおいて、前記冷媒導入孔と前記反応流体導出孔との間には断熱要素が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。この場合、相対的に低温の冷媒が流れる冷媒導入孔によって反応流体導出孔の反応流体が過剰冷却されることが抑制される。ひいては凝縮が抑制され、フラッディングが抑制される。
【００７３】
（付記項４）膜電極接合体と、前記膜電極接合体の厚み方向の一方に配置された第１セパレータと、前記膜電極接合体の厚み方向の他方に配置された第２セパレータとを備える燃料電池セルを具備する燃料電池システムにおいて、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータのうちの一方は、各付記項で形成された燃料電池セパレータであることを特徴とする燃料電池システム。
【００７４】
（付記項５）膜電極接合体と、膜電極接合体の厚み方向の一方に配置された第１セパレータと、膜電極接合体の厚み方向の他方に配置された第２セパレータとを備える燃料電池セルを具備する燃料電池システムにおいて、第１セパレータおよび第２セパレータのうちの一方は、互いに背向する一方の表面および他方の表面と、一方の表面に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、他方の表面に形成され反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備しており、冷媒流路のうち冷媒導出孔付近の下流領域は、反応ガス流路のうち反応ガス導入孔付近の上流領域にセパレータを挟んで対向していることを特徴とする燃料電池システム。
【００７５】
（付記項６）互いに背向する一方の表面および他方の表面と、前記一方の表面および前記他方の表面のうちの一方に形成され冷媒が流れる冷媒流路と、前記一方の表面および前記他方の表面のうちの他方に反応流体が流れる反応流体流路と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路に反応流体を導入する反応流体導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記反応流体流路の反応流体を導出する反応流体導出孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入孔と、厚み方向に貫通し且つ前記冷媒流路の冷媒を導出する冷媒導出孔とを具備する燃料電池用セパレータ。
【００７６】
（付記項７）膜電極接合体と、前記膜電極接合体の厚み方向の一方に配置された第１セパレータと、前記膜電極接合体の厚み方向の他方に配置された第２セパレータと、前駆膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し反応流体を導入する反応流体導入マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し前記反応流体を導出する反応流体導出マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導入する冷媒導入マニホルドと、前記膜電極接合体と前記第１セパレータと前記第２セパレータとを厚み方向に貫通し冷媒を導出する冷媒導入マニホルドとを備える燃料電池スタックを具備する燃料電池システム。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施例１に係り、燃料電池スタックを示すと共に、燃料電池スタックを構成している膜電極接合体、第１セパレータおよび第２セパレータを示す斜視図である。
【図２】実施例１に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図３】実施例１に係り、第１セパレータにおける燃料ガス流路を模式的に示す図である。
【図４】実施例１に係り、第２セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図５】実施例１に係り、第２セパレータにおける酸化剤ガス流路を模式的に示す図である。
【図６】実施例１に係り、燃料電池スタックを厚み方向に沿って切断して要部の断面図である。
【図７】実施例２に係り、燃料電池スタックを示すと共に、燃料電池スタックを構成している膜電極接合体、第１セパレータおよび第２セパレータを示す斜視図である。
【図８】実施例２に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図９】実施例２に係り、第１セパレータにおける酸化剤ガス流路を模式的に示す図である。
【図１０】実施例２に係り、第２セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図１１】実施例２に係り、第２セパレータにおける燃料ガス流路を模式的に示す図である。
【図１２】実施例２に係り、燃料電池スタックを厚み方向に沿って切断して要部の断面図である。
【図１３】実施例３に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図１４】実施例４に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図１５】実施例５に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【図１６】実施例６に係り、第１セパレータにおける冷媒流路を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１は燃料電池のスタック、２は膜電極接合体、２０は燃料極、２５は酸化剤極、４は第１セパレータ、４ａは一方の表面、４ｃは他方の表面、５０は冷媒流路、５５は冷媒導入孔、５５ｍは冷媒導入マニホルド、５７は冷媒導出孔、５７ｍは冷媒導出マニホルド、６０は燃料ガス流路、６５は燃料ガス導入孔（反応流体導入孔）、６５ｍは燃料ガス導入マニホルド（反応流体導入マニホルド）、６７は燃料ガス導出孔（反応流体導出孔）、６７ｍは燃料ガス導出マニホルド（反応流体導出マニホルド）、７０は酸化剤ガス流路、７５は酸化剤ガス導入孔（反応流体導入孔）、７５ｍは酸化剤ガス導入マニホルド（反応流体導入マニホルド）、７７は酸化剤ガス導出孔（反応流体導出孔）、７７ｍは酸化剤ガス導出マニホルド（反応流体導出マニホルド）、７９は断熱要素、８は第２セパレータを示す。
【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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