JP2008293808A - セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において酸化ガス排出マニホールドと、発電体との温度差を抑制する抑制する。
【解決手段】セパレータは、発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成する。セパレータは、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔と、積層時に前記発電体と積層方向に重なる領域であって、少なくとも酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に位置する部分と、酸化ガス排出マニホールド孔の一の側の反対側に位置する部分を含む、発電領域と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータ、および、かかるセパレータを用いた燃料電池に関し、特に燃料電池の温度管理に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（燃料極と酸素極）にそれぞれ反応ガス（水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の電解質膜を含む発電体とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−１５７２８号公報 特開２００６−１７３０５６号公報

ところで、燃料電池における電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池の運転中における温度管理が一つの重要な技術テーマとなっている。上記従来技術では、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールドが、セパレータの外周縁に配置されている。このため、酸化ガス排出マニホールドとの温度差が大きくなるおそれがあった。この結果、酸化ガス排出マニホールド内で水分が凝縮・結露するおそれがあった。凝縮・結露した水分は、酸化ガスの流動を妨げ、燃料電池の性能劣化を引き起こし得る。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、酸化ガス排出マニホールドと、発電体との温度差を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータを提供する。第１の態様に係るセパレータは、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔と、積層時に、前記発電体と積層方向に重なる領域であって、少なくとも前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に位置する部分と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に位置する部分を含む、発電領域と、を備える。

第１の態様に係るセパレータにおいて、酸化ガス排出マニホールドは、発電体と重なる発電領域に挟まれている。従って、第１の態様に係るセパレータを用いれば、燃料電池において、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。この結果、かかる温度差に起因する不具合を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータを提供する。第２の態様に係るセパレータは、酸化ガスを排出するためのマニホールド孔であって、少なくとも一方向について、前記セパレータの略中央部に配置された酸化ガス排出マニホールド孔と、前記酸化ガス排出マニホールド孔とは異なる位置に配置され、積層時に前記発電体と重なる発電領域と、を備える。

第２の態様に係るセパレータにおいて、酸化ガス排出マニホールドは、少なくとも一方向について外部との間に距離をとることができ、酸化ガス排出マニホールドから外部への放熱を抑制することができる。従って、第１の態様に係るセパレータを用いれば、燃料電池において、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。この結果、かかる温度差に起因する不具合を抑制することができる。

上記態様に係るセパレータにおいて、前記発電領域は、前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に隣り合う第１の領域と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に隣り合う第２の領域を含んでも良い。こうすれば、複数の発電領域を設けて、酸化ガス排出マニホールドを両側から挟むことにより、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。

上記態様に係るセパレータにおいて、さらに、酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第１の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第１の酸化ガス供給マニホールド孔と、酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第２の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第２の酸化ガス供給マニホールド孔と、を備えても良い。こうすれば、セパレータにおいて、酸化ガス供給マニホールドを外側に、酸化ガス排出マニホールドを内側に配置して、酸化ガス排出マニホールドの温度の低下を抑制することができる。この結果、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差をより小さくすることができる。

本発明は、上記態様のほか、種々の態様にて実現され得る。例えば、本発明は、上記態様に係るセパレータと、発電体を含む発電モジュールとを交互に積層して構成された燃料電池、かかる燃料電池を含む燃料電池システム、かかる燃料電池を搭載した車両などの装置発明として実現される。

以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．実施例：
・燃料電池の構成
本発明の実施例に係る燃料電池の構成について、図１〜図６を参照して説明する。図１および図２は、実施例に係る燃料電池の外観構成を示す図である。図３および図４は、実施例における膜電極接合体を説明する図である。図３は、膜電極接合体の平面図を示し、図４（Ａ）〜（Ｂ）は、図３におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面をそれぞれ示している。図５および図６は、実施例におけるセパレータの構成を示す図である。図５は、セパレータの平面図を示し、図６は、セパレータを構成する各プレートの平面図を示している。

図１に示すように、燃料電池１００は、複数の膜電極接合体２００と、複数のセパレータ６００が交互に積層されたスタック構造を有している。図２に示すように、セパレータ６００と膜電極接合体２００との間には、アノード側多孔体８４０またはカソード側多孔体８５０が配置される。アノード側多孔体８４０は、図２に示す例のように、セパレータ６００と一体に構成されても良いし、別体として構成されても良い。

アノード側多孔体８４０は、セパレータ６００のアノード側と、膜電極接合体２００のアノード側との間に配置され、カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００のカソード側と膜電極接合体２００のカソード側との間に配置されている。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、後述するアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より空孔率が高く、ガスの流動抵抗が低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。

図１に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃと、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０ａ、１３０ｂと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０ａ、１５０ｂと、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０ａ、１６０ｂと、が設けられている。これらのマニホールドは、燃料電池１００の積層方向に形成された管状の形状を有している。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。

図３および図４を参照しながら、膜電極接合体２００の構成について説明する。膜電極接合体２００は、図３および図４に示すように２つの発電部８００ａおよび８００ｂと、非発電部７００とから構成されている。

発電部８００ａは、図４に示すように、発電体８１０と、アノード側拡散層８２０と、カソード側拡散層８３０とが積層されて構成されている。図３には、カソード側拡散層８３０とアノード側拡散層８２０の外周端が波線で示されている。この波線の内側の部分は、発電が行われる発電部８００ａおよび発電部８００ｂである。発電部８００ａおよび発電部８００ｂの積層方向からみた形状は、短辺と長辺を有する略矩形である。

発電体８１０は、本実施例では、一方の面にカソードとしての触媒層が、他方の面にアノードとしての触媒層が塗布されたイオン交換膜である（触媒層の図示は省略）。イオン交換膜は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有する。触媒層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。

アノード側拡散層８２０は、発電体８１０のアノード側の面に接して配置され、カソード側拡散層８３０は、発電体８１０のカソード側の面に接して配置される。アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。

発電部８００ｂは、上述した発電部８００ａと同一の構成を有しているので、以後の説明では同一の構成要素については同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。

非発電部７００は、発電部８００ａと発電部８００ｂの面方向の外周に全周に亘って配置されている。具体的には、２つの発電部８００ａおよび発電部８００ｂは、図３のＹ軸方向（上下方向）に並んで配置されており、並べられた２つの発電部８００ａ、８００ｂの全周、および、発電部８００ａと発電部８００ｂとの間に、非発電部７００が形成されている。非発電部７００は、気密に接着された２枚のシール部材、すなわち、第１部材７００ａと第２部材７００ｂとから構成されている。第１部材７００ａと第２部材７００ｂは、発電体８１０とカソード側拡散層８３０とアノード側拡散層８２０の外周端部を挟むように構成されている。これによって、発電体８１０のアノード側とカソード側との間における反応ガスの混合を抑制している。第１部材７００ａと第２部材７００ｂは、絶縁性とガス不透性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、熱硬化性樹脂、汎用プラスチックなどの樹脂材料によって形成される。

非発電部７００には、図３においてクロスハッチングで示すように、図１における各マニホールド１１０ａ〜１６０ｂに対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。非発電部７００は、図示されていない両側のそれぞれ隣接するセパレータ６００と気密に接着されてセパレータ６００との間をシールし、反応ガス（本実施例では、水素および空気）や冷却水の漏洩を防止する。具体的には、発電部８００ａ、８００ｂの全周と、個々のマニホールド孔の全周（ただし、後述する反応ガスの供給／排出のための流路部分は除く）とがシールされる。

これらのマニホールド孔のうち、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃは、発電部８００ａと発電部８００ｂとの間に配置されている。酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｂは、発電部８００ａの図３における下側（Ｙ軸正方向側）の長辺と、発電部８００ｂの上側（Ｙ軸負方向側）の長辺に沿って、これらの長辺のほぼ全長に亘って、形成されている。

マニホールド孔のうち、上述した３つの酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃ以外のマニホールドは、膜電極接合体２００の外周縁に沿って、形成されている。具体的には、３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃは、膜電極接合体２００の図３における上側（Ｙ軸負方向側）の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃは、発電部８００ａに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと反対側に位置している。他の３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆは、膜電極接合体２００の図３における下側（Ｙ軸正方向側）の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆは、発電部８００ｂに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと反対側に位置している。

２つの冷却媒体供給マニホールド１５０ａ、１５０ｂは、膜電極接合体２００の図３における左側（Ｘ軸負方向側）の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体供給マニホールド１５０ａは、発電部８００ａの左側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体供給マニホールド１５０ｂは、発電部８００ａの左側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。

２つの冷却媒体排出マニホールド１６０ａ、１６０ｂは、膜電極接合体２００の図３における右側（Ｘ軸正方向側）の短辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体排出マニホールド１６０ａは、発電部８００ａの右側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体排出マニホールド１６０ｂは、積層部材８００ｂの右側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。

２つの燃料ガス供給マニホールド１３０ａおよび１３０ｂは、膜電極接合体２００の図３における左上の角（Ｘ軸負方向、Ｙ軸負方向の角）および左下の角（Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向の角）にそれぞれ配置されている。燃料ガス供給マニホールド１３０ａは、発電部８００ａの発電体８１０に燃料ガスを供給し、燃料ガス供給マニホールド１３０ｂは、発電部８００ｂの発電体８１０に燃料ガスを供給する。

燃料ガス排出マニホールド１４０は、膜電極接合体２００の図３における右側の辺の中央部に、冷却媒体排出マニホールド１６０ａと冷却媒体排出マニホールド１６０ｂとの間に挟まれて配置されている。

非発電部７００には、さらに、反応ガスの供給／排出のための流路として、２つの燃料ガス供給流路６３０、２つの燃料ガス排出流路６４０、多数の酸化ガス供給流路６５０、多数の酸化ガス排出流路６６０が形成されている。これらの流路６３０〜６４０は、図３において、シングルハッチングで示す位置に、図４（Ａ）に示すように、非発電部７００を貫通しない溝状に形成されている。燃料ガス供給流路６３０および燃料ガス排出流路６４０は、図３における裏側、すなわち、非発電部７００のアノード側に形成され、酸化ガス供給流路６５０および酸化ガス排出流路６６０は、図３における表側、すなわち、非発電部７００のカソード側に形成されている。

一つの燃料ガス供給流路６３０は、燃料ガス供給マニホールド１３０ａと、発電部８００ａと重なるアノード側多孔体８４０とを連通し、もう一つの燃料ガス供給流路６３０は、燃料ガス供給マニホールド１３０ｂと、発電部８００ｂと重なるアノード側多孔体８４０とを連通する。一つの燃料ガス排出流路６４０は、燃料ガス排出マニホールド１４０と、発電部８００ａと重なるアノード側多孔体８４０とを連通し、もう一つの燃料ガス排出流路６４０は、燃料ガス排出マニホールド１４０と、発電部８００ｂと重なるアノード側多孔体８４０とを連通する。

複数の酸化ガス供給流路６５０の一部は、酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃと、発電部８００ａと重なるカソード側多孔体８５０とを連通する。複数の酸化ガス供給流路６５０の他の一部は、酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆと、発電部８００ｂと重なるカソード側多孔体８５０とを連通する。酸化ガス排出流路６６０の一部は、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと、発電部８００ａと重なるカソード側多孔体８５０とを連通し、他の一部は、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと、発電部８００ｂと重なるカソード側多孔体８５０とを連通する。

次に、図５〜図６を参照して、セパレータ６００の構成を説明する。セパレータ６００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００から構成されている。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例におけるアノードプレート３００（図６（Ａ））、カソードプレート４００（図６（Ｂ））、中間プレート５００（図６（Ｃ））の形状をそれぞれ示す説明図である。各プレート３００、４００、５００およびセパレータ６００に破線で示す２つ領域ＤＡａ、ＤＡｂは、それぞれ発電部８００ａ、８００ｂと重なりあう領域を示す。

アノードプレート３００およびカソードプレート４００には、図１における各マニホールド１１０ａ〜１６０ｂに対応して、プレートを厚さ方向に貫通するマニホールド形成部が形成されている。

中間プレート５００は、図１に示す反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のためのマニホールド１１０ａ〜１４０に対応して、中間プレート５００を厚さ方向に貫通するマニホールド形成部が形成されている。

中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。各冷却媒体流路形成部５５０は、発電部８００ａおよび８００ｂを図３における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電部８００ａおよび８００ｂの外側に至っている。冷却媒体流路形成部５５０は、発電部８００ａおよび８００ｂの全体に亘って配置されても良い。

図５には、上述した各プレート３００、４００、５００を用いて作製されたセパレータ６００の正面図が示されている。セパレータ６００は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するように中間プレート５００の両側にそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０ａ、１５０ｂおよび冷却媒体排出マニホールド１６０ａ、１６０ｂに対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図５においてハッチングで示すように、燃料電池１００を構成する際に図１に示す各マニホールドを形成するための貫通部と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。冷却媒体流路６７０は、セパレータ６００の内部を面方向に通る内部流路であり、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０ａまたは１５０ｂに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０ａまたは１６０ｂに連通する。

セパレータ６００において、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃは、発電部８００ａと発電部８００ｂとの間に配置されている。マニホールド孔のうち、上述した３つの酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃ以外のマニホールドは、セパレータ６００の外周縁に沿って、形成されている。具体的には、３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃは、セパレータ６００の図５における上側の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃは、発電部８００ａに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと反対側に位置している。他の３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆは、セパレータ６００の図５における下側（Ｙ軸正方向側）の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆは、発電部８００ｂに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃと反対側に位置している。

２つの冷却媒体供給マニホールド１５０ａ、１５０ｂは、セパレータ６００の図５における左側の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体供給マニホールド１５０ａは、発電部８００ａの左側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体供給マニホールド１５０ｂは、発電部８００ａの左側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。

２つの冷却媒体排出マニホールド１６０ａ、１６０ｂは、セパレータ６００の図５における右側の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体排出マニホールド１６０ａは、発電部８００ａの右側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体排出マニホールド１６０ｂは、発電部８００ｂの右側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。

２つの燃料ガス供給マニホールド１３０ａおよび１３０ｂは、セパレータ６００の図５における左上の角および左下の角にそれぞれ配置されている。燃料ガス排出マニホールド１４０は、セパレータ６００の図５における右側の辺の中央部に、冷却媒体排出マニホールド１６０ａと冷却媒体排出マニホールド１６０ｂとの間に挟まれて配置されている。

・燃料電池の動作
図７および図８を参照して、実施例に係る燃料電池１００の動作について説明する。図７は、酸化ガスの流れを示す説明図である。図８は、冷却媒体の流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図７および図８においては、１つの膜電極接合体２００と膜電極接合体２００の両側に配置されたセパレータ６００および多孔体８４０、８５０のみを図示している。図７（Ａ）は、上側の半分が図３におけるＡ−Ａ断面に対応する断面図を示し、下側の半分が図３におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面を示している。図７（Ｂ）は、図３におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示している。図８は、左側の半分が図５におけるＥ−Ｅ断面に対応する断面図を示し、右側の半分が図５におけるＦ−Ｆ断面に対応する断面図を示している。

燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｆに酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０ａ、１３０ｂに燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０ａ、１５０ｂに冷却媒体が供給される。

３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃに供給された酸化ガスは、図７（Ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給流路６５０を通って、発電部８００ａと重なるカソード側多孔体８５０に供給される。当該カソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図３における上方から下方に向かって流動する。そして、酸化ガスは、カソード側多孔体８５０から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス排出流路６６０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｂへ排出される。他の３つの酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆに供給された酸化ガスは、図７（Ｂ）において矢印で示すように、酸化ガス供給流路６５０を通って、発電部８００ｂと重なるカソード側多孔体８５０に供給される。当該カソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図３における下方から上方に向かって流動する。そして、酸化ガスは、カソード側多孔体８５０から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス排出流路６６０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｂへ排出される。発電部８００ａおよび８００ｂのいずれにおいても、カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、カソード反応（例えば、２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）に供される。

断面の図示は省略するが、燃料ガス供給マニホールド１３０ａおよび１３０ｂに供給された燃料ガスは、酸化ガスと同様に、燃料ガス供給流路６３０を通って、発電部８００ａおよび８００ｂと重なるアノード側多孔体８４０にそれぞれ供給される。当該アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を流動する。そして、燃料ガスは、アノード側多孔体８４０から燃料ガス排出流路６４０に流入し、燃料ガス排出流路６４０を通って、燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。アノード側多孔体８４０を流動する燃料ガスの一部は、アノード側多孔体８４０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、アノード反応（例えば、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-）に供される。

冷却媒体供給マニホールド１５０ａおよび１５０ｂに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド１６０ａおよび１６０ｂに排出される。冷却媒体は、主として発電部８００ａおよび８００ｂ近傍を流動している間に、上述した膜電極接合体２００の発電部８００ａおよび８００ｂの熱を吸収することにより燃料電池を冷却する。

以上説明した本実施例によれば、燃料電池における発電部８００ａおよび８００ｂと、非発電部７００（例えば、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃの内部および周辺）との温度差を小さくすることができる。図９は、燃料電池の発電中における温度分布を示す説明図である。図９に示すグラフは、セパレータ６００の温度を、図５に示す線Ｇ−Ｇ上の位置Ｙごとに示したものである。線Ｍ１は発電開始から時間Ｍ１が経過した時点での温度分布を、線Ｍ２は発電開始から時間Ｍ２が経過した時点での温度分布を、それぞれ示す（Ｍ２＞Ｍ１）。発電開始から時間が経過するにつれ、反応熱により発電部８００ａおよび発電部８００ｂの温度が上昇していくのが解る。その結果、発電部８００ａおよび発電部８００ｂと、非発電部７００のうちの外周縁部（例えば、酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｆが形成されている領域）との温度差が大きくなっていく。しかしながら、非発電部７００のうちの酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃが形成されている部分は、温度が比較的高くなる。これは、１）酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃが形成されている部分は、温度の高い２つの発電部８００ａおよび８００ｂに挟まれていること、２）酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃが形成されている部分は、Ｙ軸方向の略中央部に位置しており外部と接していないため、外部への放熱が少ない、ためである。このように燃料電池における発電部８００ａ、８００ｂと、非発電部７００のうちの酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃの内部および周辺との温度差が小さくなることが解る。

また、本実施例では、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃを長孔形状とし、長孔形状の長手方向の２辺のうち、一の側に沿って一つの発電部８００ａが隣り合い、他の側に沿ってもう一つの発電部８００ｂが隣り合うように構成されている。この結果、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃの全体が温度の高い発電部８００ａ、８００ｂに比較的近くなる。この結果、燃料電池における発電部８００ａ、８００ｂと、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃの内部および周辺との温度差をより小さくすることができる。

この結果、酸化ガスに含まれる水分（生成水など）が酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃにおいて急激に冷やされることにより発生する凝縮・結露を抑制することができる。凝縮・結露した水分は、酸化ガスの円滑な流動を妨げるため、発電性能の低下を引き起こす。

特に、燃料電池の外気温が低い（例えば、氷点下）場合には、発電部８００ａ、８００ｂと、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃの内部との温度差が大きくなりやすいため効果が大きい。また、燃料電池１００の小型化の要請のため、セパレータ６００の厚さを薄くすることが望まれるが、セパレータ６００が薄くなると、面方向の熱伝導性が悪化する。このため、セパレータ６００が薄い場合ほど、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ、１２０ｂ内部との温度差が大きくなりやすいため効果が大きい。

また、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃは、矩形の発電部８００ａの一の長辺の略全長に亘って設けられ、酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃは、発電部８００ａの他の長辺の略全長に亘って設けられている。この結果、酸化ガス供給マニホールド１１０ａ〜１１０ｃから酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃへと流動する酸化ガスは、発電部８００ａの全域に亘ってより均等に分配される。同様にして酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃは、矩形の発電部８００ｂの一の長辺の略全長に亘って設けられ、酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆは、発電部８００ｂの他の長辺の略全長に亘って設けられている。この結果、酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ〜１１０ｆから酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃへと流動する酸化ガスは、発電部８００ｂの全域に亘ってより均等に分配される。

一方で、燃料ガス供給マニホールド１３０ａ、１３０ｂおよび燃料ガス排出マニホールド１４０は、酸化ガスのためのマニホールドと比較して小さく、発電部８００ａ、８００ｂの全長に亘って形成されてはいない。燃料ガスである水素は、酸化ガスである空気中における酸素と比較して拡散速度が速い（拡散速度は、拡散係数および濃度勾配に主として依存する。水素は拡散係数が酸素の約４倍である。また、燃料ガスは、純水素（水素濃度約１００％）を用いるのに対し、酸化ガスは空気（酸素濃度約２０％）を用いる。このため、酸化ガス中の酸素の拡散速度は、燃料ガス中の水素と比較してかなり低いことがわかる。）。このため、発電部８００ａ、８００ｂの一辺の一部から燃料ガスを供給すれば、十分に電池反応に必要な水素が供給可能であるからである。言い換えれば、燃料電池の電気化学反応は、酸素分子の拡散速度が遅いため、一般的に、カソード極の３相界面における反応（２Ｈ⁺＋２ｅ^-（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）に律速される。従って、酸化ガスの供給性を重視した流路配置とすることが、より電池性能の向上に繋がる。

Ｂ．変形例：
上記実施例では、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃを２つの発電部８００ａ、８００ｂで挟む構成とし、酸化ガス排出マニホールド１２０ａ〜１２０ｃをセパレータ６００における図５のＹ軸方向の中央部に配置する構成としているが、他の構成としても良い。例えば、円形の発電部の中心付近に酸化ガス排出マニホールドを設ける構成としても良い。一般的に言えば、発電部は、少なくとも酸化ガス排出マニホールドの一の側に位置する部分と、酸化ガス排出マニホールド孔の一の側の反対側に位置する部分を含むことが好ましい。また、酸化ガス排出マニホールドは、セパレータの面に沿った方向（積層方向と垂直な方向）のうちの少なくとも一つの方向について、セパレータの略中央部に位置することが好ましい。

上記実施例では、発電部８００ａ、８００ｂの各部材やセパレータ６００の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ６００は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。

上記実施例では、セパレータ６００は３層の金属板を積層した構成であり、その発電部８００ａ、８００ｂに対応する部分が平坦な形状であるとしているが、これに代えて他の任意の形状とすることが可能である。具体的には、発電部に対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ（例えば、カーボンで作製される）を採用しても良いし、発電部に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ（例えば、金属板をプレス成形して作製される）を採用しても良い。

また、上記実施例では、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０を備えているが、これに限られない。例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合には、アノード側およびカソード側多孔体は無くても良い。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

実施例に係る燃料電池の外観構成を示す第１の図である。 実施例に係る燃料電池の外観構成を示す第２の図である。 実施例における膜電極接合体を説明する第１の図である。 実施例における膜電極接合体を説明する第２の図である。 実施例におけるセパレータの構成を示す第１の図である。 実施例におけるセパレータの構成を示す第２の図である。 酸化ガスの流れを示す説明図である。 冷却媒体の流れを示す説明図である。 燃料電池の発電中における温度分布を示す説明図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１１０ａ〜１１０ｆ…酸化ガス供給マニホールド
１２０ａ〜１２０ｃ…酸化ガス排出マニホールド
１３０ａ、１３０ｂ…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０ａ、１５０ｂ…冷却媒体供給マニホールド
１６０ａ、１６０ｂ…冷却媒体排出マニホールド
２００…発電モジュール
３００…アノードプレート
４００…カソードプレート
５００…中間プレート
６００…セパレータ
７００…非発電部
８００ａ、８２０ｂ…発電部
８１０…発電体
８２０…アノード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８３０…アノード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体

Claims (5)

1. 発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータであって、
   酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔と、
   積層時に前記発電体と積層方向に重なる領域であって、少なくとも前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に位置する部分と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に位置する部分を含む、発電領域と、
   を備えるセパレータ。
2. 発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータであって、
   酸化ガスを排出するためのマニホールド孔であって、少なくとも一方向について、前記セパレータの略中央部に配置された酸化ガス排出マニホールド孔と、
   前記酸化ガス排出マニホールド孔とは異なる位置に配置され、積層時に前記発電体と重なる発電領域と、
   を備えるセパレータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセパレータにおいて、
   前記発電領域は、前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に隣り合う第１の領域と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に隣り合う第２の領域を含む、セパレータ。
4. 請求項３に記載のセパレータは、さらに、
   酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第１の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第１の酸化ガス供給マニホールド孔と、
   酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第２の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第２の酸化ガス供給マニホールド孔と、
   を備えるセパレータ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセパレータと、前記発電体を含む発電モジュールとを交互に積層して構成された燃料電池。

Images