JP2011028942A - 燃料電池スタック、および、セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子型の燃料電池スタックにおいて、ドライアップを抑制する。
【解決手段】固体高分子型の燃料電池スタックを構成するカソード側セパレータ４２は、膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向にカソードガスを流すための第１のガス流路（第１の溝部４２２ｃｄ１）と、膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向と逆方向である第２の方向にカソードガスを流すための第２のガス流路（第２の溝部４２２ｃｄ２）と、を備え、第１のガス流路（第１の溝部４２２ｃｄ１）と、第２のガス流路（第２の溝部４２２ｃｄ２）とは、第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池スタック、および、この燃料電池スタックに用いられるセパレータに関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。

燃料電池スタックでは、膜電極接合体の表面における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向によって、膜電極接合体における発電分布が変化する。そして、膜電極接合体における発電分布が不均一な場合には、発電分布が均一な場合よりも発電性能が低くなる。そこで、従来、燃料電池スタックについて、膜電極接合体における発電分布を均一化し、発電性能を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、発電領域（膜電極接合体）の表面において、燃料ガスと酸化剤ガスとを平行かつ互いに対向する方向に流動させることによって、発電領域における発電分布を均一化し、燃料電池の発電性能を向上させる技術が記載されている。

特開２００８−１８６６７１号公報 特開２００４−２４１２３０号公報

ところで、燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜（固体高分子電解質膜）を用いた固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜とも言う）のプロトン伝導性を維持するために、電解質膜に含まれる水分量を適正に維持する必要がある。

一方、膜電極接合体では、発電時に、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、電解質膜の自己加湿に用いられる。この場合、生成水は、気体状態または液体状態で、ガスの流れによって、ガス流路内を、ガスの流れ方向の上流部から下流部に移動する。このため、ガス流路内では、ガスの流れ方向の上流部から下流部に向かうにつれて、水蒸気量が多くなる。換言すれば、ガス流路内では、ガスの流れ方向の下流部から上流部に向かうにつれて、水蒸気量が少なくなる。したがって、ガスの流れ方向の上流部では、電解質膜に含まれる水分量が、ガスの流れ方向の下流部よりも少なくなる傾向にある。

そして、上記特許文献１に記載された技術では、比較的高い出力が要求される高負荷運転時に、電解質膜の温度上昇により、特に、電解質膜における酸化剤ガスの入口近傍の領域、すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の上流部において、いわゆるドライアップ（電解質膜の乾燥による発電性能の低下）が発生する場合があった。そして、このドライアップは、燃料電池スタックに燃料ガスおよび酸化剤ガスを無加湿で供給する場合に、顕著だった。なお、燃料電池スタックに燃料ガスおよび酸化剤ガスを無加湿で供給する燃料電池システムでは、ガスを加湿するための加湿器を備える必要がないため、燃料電池システムの小型化を図ることができる。また、上記燃料電池システムでは、燃料電池スタックにおけるフラッディングを抑制することも可能である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池スタックにおいて、ドライアップを抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成された燃料電池スタックであって、前記セパレータは、前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向にガスを流すための第１のガス流路と、前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に前記ガスを流すための第２のガス流路と、を備え、前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、前記第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている、燃料電池スタック。

適用例１の燃料電池スタックでは、第１のガス流路において水蒸気量が比較的多くなるガスの流れ方向の下流部と、第２のガス流路において水蒸気量が比較的少なくなるガスの流れ方向の上流部とが隣り合う。また、第２のガス流路において水蒸気量が比較的多くなるガスの流れ方向の下流部と、第１のガス流路において水蒸気量が比較的少なくなるガスの流れ方向の上流部とが隣り合う。このため、第１のガス流路における水蒸気量と、第２のガス流路における水蒸気量との差により、水蒸気は、第１のガス流路内において水蒸気量が比較的多い部位から第２のガス流路内において水蒸気量が比較的少ない部位に、ガス拡散電極を介して移動（拡散）する。また、水蒸気は、第２のガス流路内において水蒸気量が比較的多い部位から第１のガス流路内において水蒸気量が比較的少ない部位に、ガス拡散電極を介して移動（拡散）する。したがって、第１および第２のガス流路におけるガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布をそれぞれ均一化し、固体高分子電解質膜に含まれる水分量の面内分布を均一化することができる。この結果、ドライアップを抑制することができる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記セパレータは、さらに、前記第１のガス流路の一方の端部に連通し、前記第１のガス流路に前記ガスを供給するための第１のガス供給口と、前記第１のガス流路の他方の端部に連通し、前記第１のガス流路から前記ガスを排出するための第１のガス排出口と、前記第２のガス流路の一方の端部に連通し、前記第２のガス流路に前記ガスを供給するための、前記第１のガス供給口とは異なる第２のガス供給口と、前記第２のガス流路の他方の端部に連通し、前記第２のガス流路から前記ガスを排出するための、前記第１のガス排出口とは異なる第２のガス排出口と、を備える、燃料電池スタック。

適用例２の燃料電池スタックによって、第１および第２のガス流路の長さを比較的短くすることができるので、第１および第２のガス流路におけるガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布をそれぞれ小さくすることができる。また、各ガス流路におけるガスの流れ方向の上流から下流において、隣り合うガス流路との水蒸気量の和が等しくなるため、各ガス流路におけるガスの流れ方向の上流から下流での水分量をより均一化できる。

［適用例３］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記セパレータは、前記第１および第２の方向に沿って分割された複数の領域を有しており、前記複数の領域のそれぞれにおいて、前記第１のガス流路の数はｎ（ｎは自然数）であり、前記第２のガス流路の数は（ｎ＋１）であり、前記セパレータは、さらに、ｎ番目の前記第２のガス流路における前記ガスの流れ方向の下流部と、ｎ番目の前記第１のガス流路における前記ガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、前記ｎ番目の前記第１のガス流路における前記ガスの流れ方向の下流部と、（ｎ＋１）番目の前記第２のガス流路における前記ガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、を備える、燃料電池スタック。

適用例２の燃料電池スタックでは、第１のガス供給口と第２のガス排出口、および、第２のガス供給口と第１のガス排出口の位置的な干渉を回避するために、セパレータの構造が比較的複雑になる。これに対し、適用例３の燃料電池スタックでは、適用例２の燃料電池スタックよりも、セパレータの構造を簡略化することができる。なお、本適用例において、「ガスの流れ方向の下流部」とは、ガスの流れ方向の最下流部から最上流部に向かって、例えば、１／３の範囲の部位を意味している。また、「ガスの流れ方向の上流部」とは、ガスの流れ方向の最上流部から最下流部に向かって、例えば、１／３の範囲の部位を意味している。

［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記ガス拡散電極は、前記固体高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードと、を含み、前記セパレータにおいて、前記第１および第２のガス流路は、前記カソードに対向する面に形成されており、前記ガスは、酸化剤ガスである、燃料電池スタック。

上記生成水は、膜電極接合体のカソードで生成される。適用例４の燃料電池スタックでは、膜電極接合体のカソードで生成された生成水を用いて、効果的にドライアップを抑制することができる。

［適用例５］適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間隔は、少なくとも、前記ガス拡散電極における水蒸気の拡散係数に基づいて定められた所定値以下である、燃料電池スタック。

第１のガス流路と第２のガス流路との間隔が広いほど、第１および第２のガス流路間における水蒸気の移動距離が長くなるので、第１および第２のガス流路間において、水蒸気が移動しにくくなる。適用例５の燃料電池スタックでは、第１のガス流路と第２のガス流路との間隔が、少なくとも、ガス拡散電極における水蒸気の拡散係数に基づいて定められた所定値以下であるので、第１および第２のガス流路間における水蒸気の移動距離を比較的短くし、水蒸気の移動を容易にすることができる。

［適用例６］適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、導電性およびガス拡散性を有する第１の多孔体が挟持されている、燃料電池スタック。

適用例６の燃料電池スタックでは、上記第１の多孔体によって、第１および第２のガス流路間の水蒸気の拡散抵抗が減少するので、第１および第２のガス流路間における水蒸気の移動を容易にすることができる。また、第１の多孔体は、導電性を有しているので、ガス拡散電極とセパレータとの導通を確保することができる。

なお、上記第１の多孔体は、ガス拡散電極のガス拡散性よりも高いガス拡散性を有することが好ましい。こうすることによって、第１および第２のガス流路間の水蒸気の拡散抵抗がさらに減少するので、第１および第２のガス流路間における水蒸気の移動をさらに容易にすることができる。

［適用例７］適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記第１および第２のガス流路の少なくとも一部には、導電性およびガス拡散性を有する第２の多孔体が、前記セパレータの表面が略平面となるように埋め込まれている、燃料電池スタック。

適用例７の燃料電池スタックでは、第１および第２のガス流路に埋め込まれた上記第２の多孔体が、ガス拡散電極または第１の多孔体と接触するので、第１および第２のガス流路に上記第２の多孔体が埋め込まれていない場合よりも、セパレータとガス拡散電極または上記第１の多孔体との接触抵抗を低下させることができる。また、上記第２の多孔体によって、第１および第２のガス流路におけるガスの流路抵抗が増大するので、第１および第２のガス流路内を流れるガスが未消費のまま排出されることを抑制することができる。なお、上記第１の多孔体と上記第２の多孔体とは、同一の部材からなるものとしてもよいし、互いに異なる部材からなるものとしてもよい。

［適用例８］固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックに用いられる前記セパレータであって、前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向にガスを流すための第１のガス流路と、前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に前記ガスを流すための第２のガス流路と、を備え、前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、前記第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている、セパレータ。

適用例８のセパレータを用いることによって、先に説明した適用例の燃料電池スタックを構成することができる。なお、適用例８に記載のセパレータにおいても、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。 シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。 シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側の面と当接する第１のプレート４２ｃの平面図である。 第２のプレート４２ｍの平面図である。 第３のプレート４２ｂの平面図である。 カソード側セパレータ４２の平面図である。 単セル４０の断面構造およびカソードガスの流れを示す説明図である。 カソード側セパレータ４２の第１の溝部４２２ｃｄ１内、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布を示す説明図である。 燃料電池スタック１００による効果を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタックにおけるカソード側セパレータ４２Ａの平面図である。 カソード側セパレータ４２Ａの要部を示す説明図である。 変形例としての単セルの断面構造およびカソードガスの流れを示す説明図である。 カソード側セパレータ４２Ａの変形例としてのカソード側セパレータ４２Ｃの平面図である。 カソード側セパレータ４２Ｃの要部を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子電解質膜を用いるものとした。

燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に、これらを積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気（酸素）や、冷却媒体としての冷却水を、それぞれ各単セル４０の膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、第１の空気供給マニホールドを構成する３つの第１の空気供給口１２ｉ１が形成されている。第１の空気供給口１２ｉ１の数は、任意に設定可能である。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、第２の空気供給マニホールドを構成する３つの第２の空気供給口１２ｉ２が形成されている。第２の空気供給口１２ｉ２の数は、任意に設定可能である。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、左側短辺に沿って、上から順に、第１のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第１のカソードオフガス排出口１２ｏ１と、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉとが形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、右側短辺に沿って、上から順に、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏと、第２のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第２のカソードオフガス排出口１２ｏ２とが形成されている。

第１の空気供給口１２ｉ１には、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００の各カソードから排出されるカソードオフガスは、第１のカソードオフガス排出口１２ｏ１から排出される。また、第２の空気供給口１２ｉ２にも、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００の各カソードから排出されるカソードオフガスは、第２のカソードオフガス排出口１２ｏ２から排出される。これらのガスの流れについては、後から詳述する。

また、水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００の各アノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、この冷却水は、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。

単セル４０は、膜電極接合体の周囲にシールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータ（カソード側セパレータ、および、アノード側セパレータ）とによって構成されている。この単セル４０については、後述する。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

Ａ２．単セルの構成：
燃料電池スタック１００を構成する各単セル４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）の両面に、それぞれ、金属多孔体を積層させ、これらを、後述するカソード側セパレータとアノード側セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層とガス拡散層とがこの順に接合され、他方の面にアノードとして、触媒層とガス拡散層とがこの順に接合されたものである。ガス拡散層としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。膜電極接合体のアノード、および、カソードにおいて、ガス拡散層を省略するようにしてもよい。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１、カソード側セパレータ４２、および、単セル４０の断面構造について説明する。

Ａ２．１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。

図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、例えばシリコーンゴムからなるシールガスケット４１０を一体形成したものである。ＭＥＡ４１１は、図２（ｂ）に示したように、固体高分子電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれ、カソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。

そして、シールガスケット４１０の下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、シールガスケット４１０の下側長辺に沿って、第１の空気供給マニホールドを構成する３つの第１の空気供給用貫通孔４１２ｉ１が形成されている。シールガスケット４１０における各第１の空気供給用貫通孔４１２ｉ１の形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された各第１の空気供給口１２ｉ１の形成位置とそれぞれ対応している。

また、シールガスケット４１０の上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、シールガスケット４１０の上側長辺に沿って、第２の空気供給マニホールドを構成する３つの第２の空気供給用貫通孔４１２ｉ２が形成されている。シールガスケット４１０における各第２の空気供給用貫通孔４１２ｉ２の形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された各第２の空気供給口１２ｉ２の形成位置とそれぞれ対応している。

また、シールガスケット４１０の左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、シールガスケット４１０の左側短辺に沿って、上から順に、第１のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第１のカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ１と、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが形成されている。シールガスケット４１０における第１のカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ１、水素供給用貫通孔４１４ｉ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉの形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された第１のカソードオフガス排出口１２ｏ１、水素供給口１４ｉ、冷却水供給口１６ｉの形成位置とそれぞれ対応している。

また、シールガスケット４１０の右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、シールガスケット４１０の右側短辺に沿って、上から順に、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏと、第２のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第２のカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ２とが形成されている。シールガスケット４１０における冷却水排出用貫通孔４１６ｏ、アノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏ、第２のカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ２の形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された冷却水排出口１６ｏ、アノードオフガス排出口１４ｏ、第２のカソードオフガス排出口１２ｏ２の形成位置とそれぞれ対応している。

また、図２（ａ），（ｂ）に示したように、シールガスケット４１０における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、シールガスケット４１０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と後述するカソード側セパレータ、および、アノード側セパレータとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４１１の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。

Ａ２．２．セパレータ：
本実施例の燃料電池スタック１００において、単セル４０は、先に説明したように、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを備えている。ここでは、特徴的な構造を有するカソード側セパレータ４２について説明し、アノード側セパレータについての詳細な説明は省略する。なお、アノード側セパレータの構造としては、周知の種々の構造を適用することができる。

図３，４，５は、カソード側セパレータ４２の構成部品の平面図である。カソード側セパレータ４２は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、第１のプレート４２ｃと、第２のプレート４２ｍと、第３のプレート４２ｂとから構成されている。そして、カソード側セパレータ４２は、第２のプレート４２ｍを、第１のプレート４２ｃと、第３のプレート４２ｂとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、第１のプレート４２ｃと、第２のプレート４２ｍと、第３のプレート４２ｂとして、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。第１のプレート４２ｃと、第２のプレート４２ｍと、第３のプレート４２ｂとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属からなる平板を用いるものとしてもよい。

図３は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側の面と当接する第１のプレート４２ｃの平面図である。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。

図示するように、第１のプレート４２ｃには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、第１の空気供給マニホールドを構成する３つの第１の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ１と、第２の空気供給用マニホールドを構成する３つの第２の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ２と、第１のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ１と、水素供給用マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｃｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏと、第２のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。

また、第１のプレート４２ｃの表面には、図示するように、各第１の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ１から櫛歯状に複数の第１の溝部４２２ｃｄ１が形成されている。そして、各第１の溝部４２２ｃｄ１の第１の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ１と反対側の端部には、貫通孔４２２ｃｈ１がそれぞれ形成されている。各第１の溝部４２２ｃｄ１は、各第１の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ１からＭＥＡ４１１の表面に沿って、第１の方向（図の下から上）にカソードガス（空気およびカソードオフガス）を流すためのガス流路を構成する。各第１の溝部４２２ｃｄ１は、［課題を解決するための手段］における第１のガス流路に相当する。

また、第１のプレート４２ｃの表面には、図示するように、各第２の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ２から櫛歯状に複数の第２の溝部４２２ｃｄ２が形成されている。そして、各第２の溝部４２２ｃｄ２の第２の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ２と反対側の端部には、貫通孔４２２ｃｈ２がそれぞれ形成されている。各第２の溝部４２２ｃｄ２は、各第２の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ２からＭＥＡ４１１の表面に沿って、第１の方向と逆方向である第２の方向（図の上から下）にカソードガスを流すためのガス流路を構成する。各第２の溝部４２２ｃｄ２は、［課題を解決するための手段］における第２のガス流路に相当する。

なお、図示するように、第１の溝部４２２ｃｄ１と、第２の溝部４２２ｃｄ２とは、第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている。そして、本実施例では、第１の溝部４２２ｃｄ１と第２の溝部４２２ｃｄ２との間隔は、すべて等しいものとした。また、第１の溝部４２２ｃｄ１と第２の溝部４２２ｃｄ２との間隔は、少なくとも、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃにおける水蒸気の拡散係数に基づいて定められた所定値以下であり、後述するように、第１の溝部４２２ｃｄ１と第２の溝部４２２ｃｄ２との間での水蒸気（生成水）の移動が容易なように設計されている。

図４は、第２のプレート４２ｍの平面図である。図示するように、第２のプレート４２ｍには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、第１の空気供給マニホールドを構成する３つの第１の空気供給用貫通孔４２２ｍｉ１と、第２の空気供給用マニホールドを構成する３つの第２の空気供給用貫通孔４２２ｍｉ２と、第１のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ１と、水素供給用マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｍｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｍｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｍｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏと、第２のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。

また、第２のプレート４２ｍにおいて、第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ１には、第１のプレート４２ｃに形成された各貫通孔４２２ｃｈ１から第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ１に、カソードオフガスを流すための第１のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ１が形成されている。また、第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ２には、第１のプレート４２ｃに形成された各貫通孔４２２ｃｈ２から第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ２に、カソードオフガスを流すための第２のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ２が形成されている。

図５は、第３のプレート４２ｂの平面図である。図示するように、第３のプレート４２ｂには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、第１の空気供給マニホールドを構成する３つの第１の空気供給用貫通孔４２２ｂｉ１と、第２の空気供給用マニホールドを構成する３つの第２の空気供給用貫通孔４２２ｂｉ２と、第１のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｂｏ１と、水素供給用マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｂｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｂｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｂｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｂｏと、第２のカソードオフガス排出マニホールドを構成する第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｂｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。なお、図示は省略しているが、この第３のプレート４２ｂの裏面には、冷却水供給用貫通孔４２６ｂｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｂｏに冷却水を流すための冷却水流路が形成されている。

図６は、カソード側セパレータ４２の平面図である。このカソード側セパレータ４２は、先に説明したように、第１のプレート４２ｃと、第２のプレート４２ｍと、第３のプレート４２ｂとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、第１のプレート４２ｃ側から見た様子を示した。

図から分かるように、第１のプレート４２ｃに形成された各貫通孔４２２ｃｈ１は、第２のプレート４２ｍに形成された第１のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ１とそれぞれ重なるように形成されている。また、第１のプレート４２ｃに形成された各貫通孔４２２ｃｈ２は、第２のプレート４２ｍに形成された第２のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ２とそれぞれ重なるように形成されている。

Ａ２．３．単セルの断面構造：
図７は、単セル４０の断面構造、および、カソードガスの流れを示す説明図である。図７（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の両面に、それぞれ、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａを積層し、これらをカソード側セパレータ４２およびアノード側セパレータ（図示省略）によって挟持したときの、図６におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図７（ｂ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の両面に、それぞれ、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａを積層し、これらをカソード側セパレータ４２およびアノード側セパレータ（図示省略）によって挟持したときの、図６におけるＢ−Ｂ断面図を示した。

なお、本実施例では、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａとして、発泡金属焼結体を用いるものとした。発泡金属焼結体の代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタル等、導電性およびガス拡散性を有する他の多孔体を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａは、カソード４１１ｃやアノード４１１ａのガス拡散性よりも高いガス拡散性を有しているものとした。カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａは、［課題を解決するための手段］における第１の多孔体に相当する。

燃料電池スタック１００の外部、すなわち、エンドプレート１０ａにおける第１の空気供給口１２ｉ１から供給された空気は、図７（ａ）中に矢印で示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１における第１の空気供給用貫通孔４１２ｉ１を通り、第１のプレート４２ｃにおける第１の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ１から分岐して、第１の溝部４２２ｃｄ１内を第１の方向（図の左から右）に流れる。このとき、空気は、カソード側金属多孔体４４ｃ中を拡散して、カソード４１１ｃに供給される。そして、カソードオフガスは、第１の溝部４２２ｃｄ１内を流れ、第１のプレート４２ｃにおける貫通孔４２２ｃｈ１から第２のプレート４２ｍにおける第１のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ１に排出され、第１のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ１等を通って、エンドプレート１０ａにおける第１のカソードオフガス排出口１２ｏ１から、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

また、燃料電池スタック１００の外部、すなわち、エンドプレート１０ａにおける第２の空気供給口１２ｉ２から供給された空気は、図７（ｂ）中に矢印で示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１における第２の空気供給用貫通孔４１２ｉ２を通り、第１のプレート４２ｃにおける第２の空気供給用貫通孔４２２ｃｉ２から分岐して、第２の溝部４２２ｃｄ２内を第２の方向（図の右から左）に流れる。このとき、空気は、カソード側金属多孔体４４ｃ中を拡散して、カソード４１１ｃに供給される。そして、カソードオフガスは、第２の溝部４２２ｃｄ２内を流れ、第１のプレート４２ｃにおける貫通孔４２２ｃｈ２から第２のプレート４２ｍにおける第２のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ２に排出され、第２のカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏ２等を通って、エンドプレート１０ａにおける第２のカソードオフガス排出口１２ｏ２から、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ３．ガス流路内における水蒸気量の分布：
図８は、ガス流路としてのカソード側セパレータ４２の第１の溝部４２２ｃｄ１内、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布を示す説明図である。なお、図８では、第１の溝部４２２ｃｄ１と第２の溝部４２２ｃｄ２との間での水蒸気の移動がない場合の水蒸気の分布を示している。横軸は、図７に示した第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２におけるカソードガスの流れ方向の位置を示している。第１の溝部４２２ｃｄ１内におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布を実線で示した。また、第２の溝部４２２ｃｄ２内におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布を一点鎖線で示した。

ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃでは、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって生成水が生成される。そして、この生成水は、気体状態または液体状態で、カソードガスの流れによって、第１の溝部４２２ｃｄ１内、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内を、カソードガスの流れ方向の上流部から下流部に移動する。このため、図８に示したように、各ガス流路内では、カソードガスの流れ方向の上流部から下流部に向かうにつれて、水蒸気量が多くなる。換言すれば、各ガス流路内では、ガスの流れ方向の下流部から上流部に向かうにつれて、水蒸気量が少なくなる。

そして、本実施例の燃料電池スタック１００では、カソード側セパレータ４２において、第１の溝部４２２ｃｄ１と、第２の溝部４２２ｃｄ２とは、先に説明したように、第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されており、また、カソードガスが互いに対向する方向に流れるように形成されている。したがって、第１の溝部４２２ｃｄ１において水蒸気量が比較的多くなるカソードガスの流れ方向の下流部と、第２の溝部４２２ｃｄ２において水蒸気量が比較的少なくなるカソードガスの流れ方向の上流部とは隣り合う。また、第２の溝部４２２ｃｄ２において水蒸気量が比較的多くなるカソードガスの流れ方向の下流部と、第１の溝部４２２ｃｄ１において水蒸気量が比較的少なくなるガスの流れ方向の上流部とは隣り合う。このため、第１の溝部４２２ｃｄ１における水蒸気量と、第２の溝部４２２ｃｄ２における水蒸気量との差により、水蒸気は、図８中に矢印で示したように、第１の溝部４２２ｃｄ１内において水蒸気量が比較的多い部位から第２の溝部４２２ｃｄ２内において水蒸気量が比較的少ない部位に、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、カソード４１１ｃを介して移動（拡散）する。また、水蒸気は、図８中に矢印で示したように、第２の溝部４２２ｃｄ２内において水蒸気量が比較的多い部位から第１の溝部４２２ｃｄ１内において水蒸気量が比較的少ない部位に、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、カソード４１１ｃを介して移動（拡散）する。したがって、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布をそれぞれ均一化し、固体高分子電解質膜４１１ｍに含まれる水分量の面内分布を均一化することができる。

Ａ４．実施例の効果：
図９は、本実施例の燃料電池スタック１００による効果を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１００、および、比較例の燃料電池スタックについての温度−セル電圧特性、および、温度−セル抵抗特性をそれぞれ示した。なお、比較例の燃料電池スタックは、カソード４１１ｃの表面におけるカソードガスの流れ方向が、本実施例の燃料電池スタック１００と異なっている。具体的には、比較例の燃料電池スタックでは、カソード側セパレータにおいて、カソードガスのガス流路は、カソードガスが一方向（図３，６における下から上）に流れるように形成されている（図示省略）。比較例の燃料電池スタックは、カソード側セパレータにおけるカソードガスのガス流路以外は、本実施例の燃料電池スタック１００と同じである。

図から分かるように、比較例の燃料電池スタックでは、発電量の増加による温度の上昇に伴い、セル抵抗が上昇し、実施例の燃料電池スタック１００よりも低温でセル電圧が低下して、発電不能になった。これは、いわゆるドライアップが発生したためである。これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、比較例の燃料電池スタックよりも高温まで発電可能だった。これは、先に説明したように、固体高分子電解質膜４１１ｍに含まれる水分量の面内分布が均一化され、ドライアップが抑制されたためである。

以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、第１の溝部４２２ｃｄ１と第２の溝部４２２ｃｄ２との間の水蒸気の移動によって、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布を均一化し、固体高分子電解質膜４１１ｍに含まれる水分量の面内分布を均一化することができるので、ドライアップを抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図示は省略するが、第２実施例の燃料電池スタックは、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるカソード側セパレータ４２の代わりに、後述するカソード側セパレータ４２Ａを備えている。また、第２実施例の燃料電池スタックでは、空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールドの形状および配置が、第１実施例の燃料電池スタック１００と異なっている。これら以外の第２実施例の燃料電池スタックの構成は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、カソード側セパレータ４２Ａについて説明する。

図１０は、第２実施例の燃料電池スタックにおけるカソード側セパレータ４２Ａの平面図である。図１０では、カソード側セパレータ４２Ａにおける各種貫通孔の配置を示し、カソード側セパレータ４２Ａの表面に形成されたガス流路については、後から詳述する。なお、カソード側セパレータ４２Ａは、第１実施例におけるカソード側セパレータ４２とは異なり、単一の部材からなる。

図１０と図６との比較から分かるように、カソード側セパレータ４２Ａには、カソード側セパレータ４２における水素供給用貫通孔４２４ｃｉ（，４２４ｍｉ，４２４ｂｉ）、冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉ（，４２６ｍｉ，４２６ｂｉ）、冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏ（，５２６ｍｏ，４２６ｂｏ）、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏ（，４２４ｍｏ，４２４ｂｏ）と同じ位置に、それぞれ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏが形成されている。また、カソード側セパレータ４２Ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、複数の空気供給用貫通孔４２２Ａｉが形成されている。また、カソード側セパレータ４２Ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、複数のカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏが形成されている。空気供給用貫通孔４２２Ａｉの数とカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏの数とは同じであり、各空気供給用貫通孔４２２Ａｉと各カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏとは、互いに対向する位置に配置されている。なお、図示は省略するが、第２実施例の燃料電池スタックにおいて、シールガスケット一体型ＭＥＡにおける各種貫通孔の配置は、カソード側セパレータ４２Ａにおける各種貫通孔の配置と同じである。

図１１は、カソード側セパレータ４２Ａの要部を示す説明図である。図１１（ａ）に、カソード側セパレータ４２Ａの要部の平面図を示した。また、図１１（ｂ）に、図１１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。

図示するように、カソード側セパレータ４２Ａの、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する面には、各空気供給用貫通孔４２２Ａｉと各カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏとの間の各領域に、カソード４１１ｃの表面に沿って、各空気供給用貫通孔４２２Ａｉから各カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏにカソードガスを流すためのガス流路がそれぞれ形成されている。これらのガス流路は、それぞれ、溝部４２Ａｄ１，４２Ａｄ２，４２Ａｄ３，４２Ａｄ４，４２Ａｄ５からなる。そして、溝部４２Ａｄ１におけるカソードガスの流れ方向の最下流部４２Ａｄ１ｄと、溝部４２Ａｄ２におけるカソードガスの流れ方向の最上流部４２Ａｄ２ｕとは、溝部４２Ａｄ４によって連通している。また、溝部４２Ａｄ２におけるカソードガスの流れ方向の最下流部４２Ａｄ２ｄと、溝部４２Ａｄ３におけるカソードガスの流れ方向の最上流部４２Ａｄ３ｕとは、溝部４２Ａｄ５によって連通している。各溝部４２Ａｄ２は、各領域において、第１の方向（図の下から上）にカソードガスを流すためのガス流路を構成し、［課題を解決するための手段］における第１のガス流路に相当する。また、各溝部４２Ａｄ１，４２Ａｄ３は、各領域において、第１の方向と逆方向である第２の方向（図の上から下）にカソードガスを流すためのガス流路を構成し、［課題を解決するための手段］における第２のガス流路に相当する。また、各溝部４２Ａｄ４，４２Ａｄ５は、［課題を解決するための手段］における連通流路に相当する。

上述したカソード側セパレータ４２Ａを用いた第２実施例の燃料電池スタックでは、溝部４２Ａｄ２において水蒸気量が比較的多くなるカソードガスの流れ方向の下流部と、溝部４２Ａｄ１において水蒸気量が比較的少なくなるカソードガスの流れ方向の上流部とは隣り合う。また、溝部４２Ａｄ３において水蒸気量が比較的多くなるカソードガスの流れ方向の下流部と、溝部４２Ａｄ２において水蒸気量が比較的少なくなるガスの流れ方向の上流部とは隣り合う。このため、溝部４２Ａｄ１，４２Ａｄ２，４２Ａｄ３における各水蒸気量の差により、水蒸気は、溝部４２Ａｄ２内において水蒸気量が比較的多い部位から溝部４２Ａｄ１内において水蒸気量が比較的少ない部位に、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、カソード４１１ｃを介して移動（拡散）する。また、水蒸気は、溝部４２Ａｄ３内において水蒸気量が比較的多い部位から溝部４２Ａｄ２内において水蒸気量が比較的少ない部位に、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、カソード４１１ｃを介して移動（拡散）する。したがって、溝部４２Ａｄ１，４２Ａｄ２，４２Ａｄ３におけるカソードガスの流れ方向の上流部から下流部にかけての水蒸気量の分布をそれぞれ均一化し、固体高分子電解質膜４１１ｍに含まれる水分量の面内分布を均一化することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、固体高分子電解質膜４１１ｍに含まれる水分量の面内分布を均一化することができるので、ドライアップを抑制することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態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なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
図１２は、変形例としての単セルの断面構造、および、カソードガスの流れを示す説明図である。この図は、先に第１実施例で示した図７と対応している。この変形例の単セルは、第１実施例におけるカソード側セパレータ４２の代わりに、カソード側セパレータ４２Ｂを備えている。なお、カソード側セパレータ４２Ｂは、カソード側セパレータ４２における第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内に、カソード側セパレータ４２Ｂの表面がほぼ平面になるように、金属多孔体４２ｐを埋め込んだ構造を有している。

カソード側セパレータ４２Ｂを上述した構造とすることによって、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内に埋め込まれた金属多孔体４２ｐがカソード側金属多孔体４４ｃと接触する。したがって、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるカソード側セパレータ４２よりも、カソード側金属多孔体４４ｃとの接触抵抗を低下させることができる。また、金属多孔体４２ｐによって、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２におけるカソードガスの流路抵抗が増大するので、第１の溝部４２２ｃｄ１内、および、第２の溝部４２２ｃｄ２内を流れる空気中の酸素が未消費のまま排出されることを抑制することができる。なお、金属多孔体４２ｐとカソード側金属多孔体４４ｃとは、同一の部材からなるものとしてもよいし、互いに異なる部材からなるものとしてもよい。

また、本変形例では、カソード側セパレータ４２Ｂにおいて、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２の全体に金属多孔体４２ｐを埋め込むものとしたが、第１の溝部４２２ｃｄ１、および、第２の溝部４２２ｃｄ２の一部に埋め込むものとしてもよい。なお、カソードガスのガス流路を構成する溝部内の少なくとも一部に金属多孔体４２ｐを埋め込む構造は、第２実施例の燃料電池スタックにおけるカソード側セパレータ４２Ａにも適用可能である。

Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池スタックにおけるカソード側セパレータ４２Ａ（図１０，１１参照）では、カソード側セパレータ４２Ａの上側長辺の内側に、上側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する複数の空気供給用貫通孔４２２Ａｉが形成され、カソード側セパレータ４２Ａの下側長辺の内側に、下側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する複数のカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ａｏが形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。

図１３は、カソード側セパレータ４２Ａの変形例としてのカソード側セパレータ４２Ｃの平面図である。図１３では、カソード側セパレータ４２Ｃにおける各種貫通孔の配置を示し、カソード側セパレータ４２Ｃの表面に形成されたガス流路については、後から詳述する。

図１３と図１０との比較から分かるように、カソード側セパレータ４２Ｃには、カソード側セパレータ４２Ａと同じ位置に、水素供給用貫通孔４２４ｉ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏが形成されている。また、カソード側セパレータ４２Ｃでは、カソード側セパレータ４２Ｃの上側長辺の内側に、上側長辺に沿って、複数の空気供給用貫通孔４２２Ｃｉと、複数のカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ｃｏが交互に形成されている。また、カソード側セパレータ４２Ｃの下側長辺の内側に、下側長辺に沿って、複数のカソードオフガス排出用貫通孔４２２Ｃｏと、空気供給用貫通孔４２２Ｃｉとが交互が形成されている。

図１４は、カソード側セパレータ４２Ｃの要部を示す説明図である。図示するように、カソード側セパレータ４２Ｃの、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと対向する面には、カソード側セパレータ４２Ａと同様に、各空気供給用貫通孔４２２Ｃｉと各カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ｃｏとの間の各領域に、カソード４１１ｃの表面に沿って、各空気供給用貫通孔４２２Ｃｉから各カソードオフガス排出用貫通孔４２２Ｃｏにカソードガスが蛇行して流れるように、ガス流路（溝部）が形成されている。また、カソード側セパレータ４２Ｃの全面において、第１のガス流路を構成する溝部と、第２のガス流路を構成する溝部とは、第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている。こうすることによって、隣接する領域間において、第１および第２のガス流路間で水蒸気を移動させることができるので、第２実施例の燃料電池スタックよりも効果的にドライアップを抑制することができる。ただし、カソード側セパレータ４２Ａを用いた第２実施例の燃料電池スタックの方が、カソード側セパレータ４２Ｃを用いる場合よりも、各空気供給マニホールドへの空気の供給配管、および、各カソードオフガス排出マニホールドからのカソードオフガスの排出配管の接続が容易になる。

Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例の燃料電池スタックにおけるカソード側セパレータ４２Ａでは、第１のガス流路を構成する溝部が１つであり、第２のガス流路を構成する溝部が２つであるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側セパレータ４２Ａは、一般に、第１および第２の方向に沿って分割された複数の領域を有しており、複数の領域のそれぞれにおいて、記第１のガス流路の数はｎ（ｎは自然数）であり、第２のガス流路の数は（ｎ＋１）であり、カソード側セパレータ４２Ａは、さらに、ｎ番目の第２のガス流路におけるカソードガスの流れ方向の下流部と、ｎ番目の第１のガス流路におけるカソードガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、ｎ番目の第１のガス流路におけるカソードガスの流れ方向の下流部と、（ｎ＋１）番目の第２のガス流路におけるカソードガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、を備えるようにすればよい。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、ＭＥＡ４１１におけるカソード４１１ｃの表面にカソード側金属多孔体４４ｃを積層するものとしたが、これを省略するようにしてもよい。ただし、ＭＥＡ４１１におけるカソード４１１ｃの表面にカソード側金属多孔体４４ｃを積層することによって、カソード側金属多孔体４４ｃを積層しない場合よりも、第１および第２のガス流路間における水蒸気の拡散抵抗を減少させることができるので、第１および第２のガス流路間における水蒸気の移動を容易にすることができる。

Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、本発明のセパレータをＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃ側に適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃ側、および、アノード４１１ａ側の少なくとも一方に適用すればよい。ただし、水蒸気（生成水）は、カソード４１１ｃで生成されるため、本発明のセパレータを少なくともカソード４１１ｃ側に適用することによって、水蒸気を効果的に内部循環させ、効果的にドライアップを抑制することができる。

Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、カソード側セパレータにおいて、カソードガスをカソード側セパレータの短辺方向に流すものとしたが、本発明は、これに限られない。ただし、カソードガスをカソード側セパレータの短辺方向に流すことによって、各ガス流路におけるカソードガスの流れ方向の上流から下流にかけての水蒸気量の分布を小さくすることができる。

１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ１…第１の空気供給口
１２ｉ２…第２の空気供給口
１２ｏ１…第１のカソードオフガス排出口
１２ｏ２…第２のカソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０…単セル
４１…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１０…シールガスケット
４１１…ＭＥＡ
４１１ａ…アノード
４１１ｃ…カソード
４１１ｍ…固体高分子電解質膜
４１１ａｃ…アノード側触媒層
４１１ａｄ…アノード側ガス拡散層
４１１ｃｃ…カソード側触媒層
４１１ｃｄ…カソード側ガス拡散層
４１２ｉ１…第１の空気供給用貫通孔
４１２ｉ２…第２の空気供給用貫通孔
４１２ｏ１…第１のカソードオフガス排出用貫通孔
４１２ｏ２…第２のカソードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ…水素供給用貫通孔
４１４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ…カソード側セパレータ
４２ｃ…第１のプレート
４２２ｃｉ１…第１の空気供給用貫通孔
４２２ｃｄ１…第１の溝部
４２２ｃｈ１…貫通孔
４２２ｃｉ２…第２の空気供給用貫通孔
４２２ｃｄ２…第２の溝部
４２２ｃｈ２…貫通孔
４２２ｃｏ１…第１のカソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｃｏ２…第２のカソードオフガス排出用貫通孔
４２４ｃｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｃｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｃｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｃｏ…冷却水排出用貫通孔
４２ｍ…第２のプレート
４２２ｍｉ１…第１の空気供給用貫通孔
４２２ｍｉ２…第２の空気供給用貫通孔
４２２ｍｏ１…第１のカソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｍｏ２…第２のカソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｍｏｐ１…第１のカソードオフガス排出用流路形成部
４２２ｍｏｐ２…第２のカソードオフガス排出用流路形成部
４２４ｍｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｍｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｍｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｍｏ…冷却水排出用貫通孔
４２ｂ…第３のプレート
４２２ｂｉ１…第１の空気供給用貫通孔
４２２ｂｉ２…第２の空気供給用貫通孔
４２２ｂｏ１…第１のカソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｂｏ２…第２のカソードオフガス排出用貫通孔
４２４ｂｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｂｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｂｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｂｏ…冷却水排出用貫通孔
４２Ａｄ１…溝部
４２Ａｄ１ｄ…最下流部
４２Ａｄ２…溝部
４２Ａｄ２ｕ…最上流部
４２Ａｄ２ｄ…最下流部
４２Ａｄ３…溝部
４２Ａｄ３ｕ…最上流部
４２Ａｄ４，４２Ａｄ５…溝部
４２ｐ…金属多孔体
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２２Ａｉ，４２２Ｃｉ…空気供給用貫通孔
４２２Ａｏ，４２２Ｃｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４４ａ…アノード側金属多孔体
４４ｃ…カソード側金属多孔体
ＳＬ…シールライン

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成された燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、
   前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向にガスを流すための第１のガス流路と、
   前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に前記ガスを流すための第２のガス流路と、を備え、
   前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、前記第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている、
   燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、さらに、
   前記第１のガス流路の一方の端部に連通し、前記第１のガス流路に前記ガスを供給するための第１のガス供給口と、
   前記第１のガス流路の他方の端部に連通し、前記第１のガス流路から前記ガスを排出するための第１のガス排出口と、
   前記第２のガス流路の一方の端部に連通し、前記第２のガス流路に前記ガスを供給するための、前記第１のガス供給口とは異なる第２のガス供給口と、
   前記第２のガス流路の他方の端部に連通し、前記第２のガス流路から前記ガスを排出するための、前記第１のガス排出口とは異なる第２のガス排出口と、を備える、
   燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、
   前記第１および第２の方向に沿って分割された複数の領域を有しており、
   前記複数の領域のそれぞれにおいて、
   前記第１のガス流路の数はｎ（ｎは自然数）であり、
   前記第２のガス流路の数は（ｎ＋１）であり、
   前記セパレータは、さらに、
   ｎ番目の前記第２のガス流路における前記ガスの流れ方向の下流部と、ｎ番目の前記第１のガス流路における前記ガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、
   前記ｎ番目の前記第１のガス流路における前記ガスの流れ方向の下流部と、（ｎ＋１）番目の前記第２のガス流路における前記ガスの流れ方向の上流部とを連通する連通流路と、を備える、
   燃料電池スタック。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記ガス拡散電極は、
   前記固体高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノードと、
   前記固体高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードと、を含み、
   前記セパレータにおいて、前記第１および第２のガス流路は、前記カソードに対向する面に形成されており、
   前記ガスは、酸化剤ガスである、
   燃料電池スタック。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間隔は、少なくとも、前記ガス拡散電極における水蒸気の拡散係数に基づいて定められた所定値以下である、
   燃料電池スタック。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータと前記膜電極接合体との間には、導電性およびガス拡散性を有する第１の多孔体が挟持されている、
   燃料電池スタック。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１および第２のガス流路の少なくとも一部には、導電性およびガス拡散性を有する第２の多孔体が、前記セパレータの表面が略平面となるように埋め込まれている、
   燃料電池スタック。
8. 固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックに用いられる前記セパレータであって、
   前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、第１の方向にガスを流すための第１のガス流路と、
   前記膜電極接合体の一方の表面に沿って、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に前記ガスを流すための第２のガス流路と、を備え、
   前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、前記第１および第２の方向に対して垂直な方向に、交互に配置されている、
   セパレータ。

Images