JP2007157454A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成されても、反応ガスが上記隙間内を進行することを抑制して上記反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのうちの少なくとも一方において、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間に対応する位置に、冷却流体流路とアノード側隙間及びカソード側隙間との少１０ｂなくとも一方を連通する通水孔１４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用な燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。

高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図１７に、このような燃料電池の一般的な基本構成である単電池を示す。単電池（以下、「燃料電池」ともいう）１００は、図１７に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。

膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。

触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して得られる。

ここで、図１７に示すように、膜電極接合体１０４においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図１７中のＰ）。

アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体１０４を機械的に固定するとともに、膜電極接合体１０４を複数積層する場合に隣接する膜電極接合体１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体１０４の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。

更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。

また、複数の膜電極接合体１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各膜電極接合体１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。

また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各膜電極接合体１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。

更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、膜電極接合体１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、膜電極接合体１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。

これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。

このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。

ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１７に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａとアノード１０４ａとの間及びカソード側ガスケット１０９ｂとカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。

このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行して膜電極接合体１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。

これに対し、例えば特許文献１においては、上記のようなアノード側隙間及びカソード側隙間に反応ガスを流入させないことを意図して、アノード側隙間及びカソード側隙間に吸水材を配置し、電池反応で生成した水を上記吸水材で吸水及び膨潤させてアノード側隙間及びカソード側隙間を埋める技術が提案されている。
特開２００５−２８５３５０号公報

しかしながら、上記特許文献１において提案されている技術においては、必要な部品点数が増すとともに、高分子電解質形燃料電池の組立て工程が煩雑となる。また、過度に吸水材が膨潤すると、高分子電解質形燃料電池内のアノード及びカソードが損傷するおそれがあり、アノード及びカソードが損傷すると発電効率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケットとアノードの端面との間及びカソード側ガスケットとカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスが上記隙間内を進行することを抑制して上記反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、
ガス拡散層を含むアノード及びガス拡散層を含むカソード、並びにアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備しており、
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方には、アノード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間に対応する位置及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるカソード側隙間に対応する位置に、アノード側隙間及びカソード側隙間のうちの少なくとも一方と冷却流体流路とを連通する通水孔が形成されていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。

ここで、「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」とは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの主面の法線方向から当該「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」、並びにアノード側セパレータ及びカソード側セパレータから膜電極接合体の側の内部に存在する「アノード側隙間及びカソード側隙間」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示す図形（投影された結果、「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、すなわち、「アノード側隙間及びカソード側隙間」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（後述する図１のＡ₁及びＡ₁を参照）。

従来の高分子電解質形燃料電池のガス流路は、ガス漏れを防ぐ観点から、セパレータの「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」を大きく外れた部分に形成されていた。しかし、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、このようにセパレータの「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」を大きく外れた部分にガス流路を形成しても、隙間を通じたガス漏れが起こっており、これにより発電効率が低下していることを見出した。

そして、本発明者らは、ガス流路がいずれの位置に形成されたとしても、「アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域」において、冷却流体流路と「アノード側隙間及びカソード側隙間」の少なくとも一方とを連通する通水孔を設け、冷却流体を「アノード側隙間及びカソード側隙間」の少なくとも一方に流入させ、かつ「アノード側隙間及びカソード側隙間」の少なくとも一方の一部を冷却流体により閉塞させることが、上記目的を達成する上で有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記のような本発明の構成を有していれば、例えば高分子電解質形燃料電池の運転条件等を調整することにより、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

即ち、例えば、（ｉ）冷却流体及び反応ガスの温度、流量及び圧力損失、（ii）冷却流体流路及びガス流路の幾何学的条件、（iii）冷却流体流路及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等の燃料電池の運転条件等を適宜調整することによって、冷却流体をアノード側隙間及びカソード側隙間から冷却流体流路に逆流させることなく、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。なかでも、燃料電池に供給される冷却流体の圧力を、当該燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力よりも大きく設定することにより、より容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。

より具体的には、発電の際に、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの一方に反応ガスが流れて回り込んだとしても、上記通水孔を通じて上記冷却流体流路から冷却流体がアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの少なくとも一方に入り込み、上記隙間のうちの少なくとも一方が上記冷却流体により閉塞する。その結果、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード又はカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。

更に、上記反応ガスが、上記アノード側隙間及びカソード側隙間の両方に流れて回り込んだとしても、上記通水孔をアノード側セパレータ及びカソード側セパレータの両方に設ければ、上記冷却流体が上記アノード側隙間及びカソード側隙間に入り込み、上記隙間が上記冷却流体により閉塞するため、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内の両方により確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。

なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。

本発明によれば、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、冷却流体によって当該隙間を閉塞させることによって反応ガスが上記隙間内を進行することを抑制することができ、上記反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、かつ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。本実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の導電性を有する板状のセパレータ（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ）を含む構成の単電池１０を少なくとも１つ具備する。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を１個備えるものであっても、複数個備えるものであってもよい。
以下に、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の構成要素について説明する。

膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国Du Pont社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるNafion112膜（商品名））が配置された構成を有している。
アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む構成を有している。

触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。
このような触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。

また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂとしては、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材で構成されている。当該導電性多孔質基材はそのままガス拡散層３ａ、３ｂに用いることもできるが、少なくともフッ素樹脂等の撥水性樹脂を含む撥水処理液を含浸させて撥水処理を施してから用いるのが好ましい。
また、上記撥水処理の有無を問わず、上記導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成してもよい。当該導電性撥水層は、当該分野で公知の方法により形成することができる。

ここで、膜電極接合体５は、ガス漏れを防止するために後述するアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（図１中のＰ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。
なお、本明細書においては、上述したように、これらのアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出した高分子電解質膜１の外縁部Ｐを「はみ出し部」ともいう。また、アノード４ａ及びカソード４ｂにおいては、ガス拡散層３ａ、３ｂの主面の大きさが触媒層２ａ、２ｂの主面の大きさと略一致している。

以上のような膜電極接合体５の両側に配置されるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体５を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接する膜電極接合体５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。
かかるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、従来公知の材料を用いることができる。アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、例えば、厚み３ｍｍの樹脂含浸黒鉛板に切削加工によりガス流路７ａ、７ｂを設けて作製することができる。

また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体５の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

ガス流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に溝を設けて形成されている。
また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。
ガス流路７ａ、７ｂ及び冷却流体流路８ａ、８ｂを構成する溝の幅や、溝の間隔（リブの幅）などは、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。

ここで、図２は、図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の単電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の単電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、膜電極接合体５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、膜電極接合体５の外周部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外周部であって高分子電解質膜１の外縁部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。

これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込んでいる。
そして、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及びアノード側ガスケット９ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及びカソード側ガスケット９ｂにより、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。

次に、図３は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図であり、図４は、図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。また、図５は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図であり、図６は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。
図３〜図６に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の単電池１０は「内部マニホールド型」である。

上述のように、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を複数個積層して、即ち複数の膜電極接合体５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）としても用いることができる。
この場合、単電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。

ここで、上述のように、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと、アノード４ａ及びカソード４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１に示すように、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂとアノード４ａ及びカソード４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ）が形成され易い。

即ち、高分子電解質膜１、アノード側ガスケット９ａ、アノード側セパレータ６ａ及びアノード４ａの端面によって規定される空間からなるアノード側隙間１０ａ、並びに、高分子電解質膜１、カソード側ガスケット９ｂ、カソード側セパレータ６ｂ及びカソード４ｂの端面によって規定される空間からなるカソード側隙間１０ｂが形成され易い。
そして、上記のようなアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れて回り込む場合があり、また、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行して膜電極接合体５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが困難になるという問題があるところ、従来の技術ではこの問題を充分に解決することはできなかった。

そこで、本発明の第一実施形態においては、冷却流体をアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流入させ、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部を冷却流体により閉塞させることができるように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂが、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域Ａ₁及びＡ₂において、それぞれ冷却流体流路８ａ、８ｂとアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂとを連通する通水孔１２ａ、１２ｂが設けられている。
通水孔１２ａ、１２ｂは冷却流体流路８ａ、８ｂの幅よりも小さい直径を有しているのが好ましく、例えば冷却流体流路８ａ、８ｂの幅が１．０ｍｍの場合には、通水孔１２ａ、１２ｂの直径は例えば０．５ｍｍとすればよい。また、通水孔１２ａ、１２ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに穿孔等によって形成することができる。
なお、図３及び図４において、アノード側隙間１０ａに対応する領域は一点鎖線で示され、図５及び図６において、カソード側隙間１０ｂに対応する領域は一点鎖線で示されている。

以上のような構成を有する本実施形態によれば、ガス流路７ａ、７ｂを流れる反応ガスが、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちのいずれかに流れ込んだとしても、通水孔１２ａ、１２ｂから冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流れ込み、当該冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部を閉塞することができる。
このように冷却流体が流入する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

以下において、本実施形態のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂについてより詳細に説明する。
図３に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図３において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図４に示すアノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図４において、冷却流体流路８ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図４のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路１０ａにおける両端部（図４のアノード側セパレータ６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記ターン部はアノード側隙間１０ａと略一致する位置に設けられている。
そして、冷却流体流路８ａのうちのアノード側隙間１０ａに対応する領域内において、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体供給用マニホールド孔１６及び冷却流体排出用マニホールド孔１７の近傍に、４つの通水孔１２ａが設けられている。従って、冷却流体流路８ａ内に設けられた通水孔１２ａは、アノード側隙間１０ａにつながる構成を有している。

一方、図５に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。
また、図５において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図５のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図６に示すカソード側セパレータ６ｂにおける冷却流体流路８ｂは、冷却流体供給用マニホールド孔１６からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。
図６において、冷却流体流路８ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図６のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路１０ｂにおける両端部（図６のカソード側セパレータ６ｂにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記ターン部はカソード側隙間１０ｂと略一致する位置に設けられている。
そして、冷却流体流路８ｂのうちのカソード側隙間１０ｂに対応する領域内において、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体供給用マニホールド孔１６及び冷却流体排出用マニホールド孔１７の近傍に、４つの通水孔１２ｂが設けられている。従って、冷却流体流路８ｂ内に設けられた通水孔１２ｂは、カソード側隙間１０ｂにつながる構成を有している。

ここで、本発明者らが、本実施形態の燃料電池に搭載される単電池１０において、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却水を供給し、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８から酸化剤ガスを供給し、本発明の効果が得られるか否かを検証した。その結果、以下の条件を満たす場合に、反応ガスが通水孔１２ａ、１２ｂを経て冷却流体流路に逆流することをより確実に防止できることを確認した。

即ち、冷却水の圧力損失（即ち冷却流体供給用マニホールド孔１６における冷却流体の圧力と、冷却流体排出用マニホールド孔１７における冷却流体の圧力との差）が２０ｋＰａ±２ｋＰａ、燃料ガスの圧力損失（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔１４における燃料ガスの圧力と、燃料ガス排出用マニホールド孔１５における燃料ガスの圧力）が１０ｋＰａ±１ｋＰａ、酸化剤ガスの圧力損失（即ち酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８における酸化剤ガスの圧力と、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９における酸化剤ガスの圧力との差）が８ｋＰａ±１ｋＰａの場合に、冷却流体の圧力が燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力よりも大きくなり、より容易かつ確実に反応ガスが通水孔１２ａ、１２ｂを経て冷却流体流路に逆流することを防止でき、本発明の効果をより確実に得ることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の高分子電解質形燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の単電池１０におけるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の単電池１０と同様の単電池を搭載するものである。
以下、第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータについて説明する。

図７は、第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａをガス流路側からみた正面図であり、図８は、当該アノード側セパレータ２６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。また、図９は、第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるカソード側セパレータ２６ｂをガス流路側から見た正面図であり、図１０は、当該カソード側セパレータ２６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。なお、図７及び図８において、アノード側隙間１０ａに対応する領域は一点鎖線で示されており、図９及び図１０において、カソード側隙間１０ｂに対応する領域は一点鎖線で示されている。

本実施形態においては、図７に示すアノード側セパレータ２６ａにおけるガス流路２７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔２４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図７において、ガス流路２７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図７のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図８に示すアノード側セパレータ２６ａにおける冷却流体流路２８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔２６からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図８において、冷却流体流路２８ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図８のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路２８ａにおける両端部（図８のアノード側セパレータ２６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔２９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８及び燃料ガス排出用マニホールド孔２５が設けられている部分側）において、上記ターン部はアノード側隙間１０ａと略一致する位置に設けられている。さらに本実施形態においては、図８に示すように、水平方向に延びる９本の直線部のうちの最上流側の直線部及び最下流側の直線部も、アノード側隙間１０ａと略一致する位置に設けられている。

そして、アノード側隙間１０ａのうちの４辺それぞれに対応する領域内において、冷却流体流路２８ａに、５つの通水孔２２ａ（合計１６個）が設けられている。従って、冷却流体流路２８ａ内に設けられた通水孔２２ａは、アノード側隙間１０ａにつながる構成を有している。

一方、図９に示すカソード側セパレータ２６ｂにおけるガス流路２７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。また、図９において、ガス流路２７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図９のカソード側セパレータ２６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図１０に示すカソード側セパレータ２６ｂにおける冷却流体流路２８ｂは、冷却流体供給用マニホールド孔２６からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。図１０において、冷却流体流路２８ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図１０のカソード側セパレータ２６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路２８ｂにおける両端部（図１０のカソード側セパレータ２ｂにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔２４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔２９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔２８及び燃料ガス排出用マニホールド孔２５が設けられている部分側）において、上記ターン部はカソード側隙間１０ｂと略一致する位置に設けられている。さらに本実施形態においては、図１０に示すように、水平方向に延びる９本の直線部のうちの最上流側の直線部及び最下流側の直線部も、カソード側隙間１０ｂと略一致する位置に設けられている。

そして、カソード側隙間１０ｂのうちの４辺それぞれに対応する領域内において、冷却流体流路２８ｂに、５つの通水孔２２ｂ（合計１６個）が設けられている。従って、冷却流体流路２８ｂ内に設けられた通水孔２２ｂは、カソード側隙間１０ｂにつながる構成を有している。

以上のような構成を有する本実施形態によれば、ガス流路２７ａ、２７ｂを流れる反応ガスが、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちのいずれかに流れ込むが、通水孔２２ａ、２２ｂから冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流れ込み、当該冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部を閉塞することができる。

このように冷却流体が流入する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路２７ａ、２７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ（図１参照）面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の高分子電解質形燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の単電池１０におけるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の単電池１０と同様の単電池を搭載するものである。
以下、第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータについて説明する。

図１１は、第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａをガス流路側からみた正面図であり、図１２は、当該アノード側セパレータ３６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。また、図１３は、第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるカソード側セパレータ３６ｂをガス流路側から見た正面図であり、図１４は、当該カソード側セパレータ３６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。なお、図１１及び図１２において、アノード側隙間１０ａに対応する領域は一点鎖線で示されており、図１３及び図１４において、カソード側隙間１０ｂに対応する領域は一点鎖線で示されている。

本実施形態においては、図１１に示すアノード側セパレータ３６ａにおけるガス流路３７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔３４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図１１において、ガス流路３７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図１１のアノード側セパレータ３６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図１２に示すアノード側セパレータ３６ａにおける冷却流体流路３８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔３６からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。図１２において、冷却流体流路３８ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図１２のアノード側セパレータ３６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路３８ａにおける両端部（図１２のアノード側セパレータ３６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔３９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８及び燃料ガス排出用マニホールド孔３５が設けられている部分側）において、上記ターン部はアノード側隙間１０ａと略一致する位置に設けられている。

そして、冷却流体流路３８ａのうちのアノード側隙間１０ａに対応する領域内において、冷却流体供給用マニホールド孔３６及び冷却流体排出用マニホールド孔３７の近傍のみに、２つの通水孔３２ａが設けられている。従って、冷却流体流路３８ａ内に設けられた通水孔３２ａは、アノード側隙間１０ａにつながる構成を有している。

一方、図１３に示すカソード側セパレータ３６ｂにおけるガス流路３７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。また、図１３において、ガス流路３７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図１３のカソード側セパレータ３６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

図１４に示すカソード側セパレータ３６ｂにおける冷却流体流路３８ｂは、冷却流体供給用マニホールド孔３６からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。図１４において、冷却流体流路３８ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図１４のカソード側セパレータ３６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。

また、冷却流体流路３８ｂにおける両端部（図１４のカソード側セパレータ３６ｂにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔３４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔３９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔３８及び燃料ガス排出用マニホールド孔３５が設けられている部分側）において、上記ターン部はカソード側隙間１０ｂと略一致する位置に設けられている。

そして、冷却流体流路３８ｂのうちのカソード側隙間１０ｂに対応する領域内において、冷却流体供給用マニホールド孔３６及び冷却流体排出用マニホールド孔３７の近傍のみに、２つの通水孔３２ｂが設けられている。従って、冷却流体流路３８ｂ内に設けられた通水孔３２ｂは、カソード側隙間１０ｂにつながる構成を有している。

以上のような構成を有する本実施形態によれば、ガス流路３７ａ、３７ｂを流れる反応ガスが、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちのいずれかに流れ込むが、通水孔３２ａ、３２ｂから冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流れ込み、当該冷却流体がアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部を閉塞することができる。

このように冷却流体が流入する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路３７ａ、３７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ（図１参照）面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の高分子電解質形燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の単電池１０のうちのアノード及びカソードに付近に、ガス拡散層への水の移動を抑制するための部材（水移動抑制部材）を配置したものであり、当該水移動抑制部材以外の構成は第一実施形態の単電池１０と同様の単電池を搭載するものである。
以下、第四実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられる単電池について説明する。図１５は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態の基本構成（単電池）の要部を示す概略断面図である。

図１５に示すように、本実施形態の単電池５０は、冷却流体流路８ａ、８ｂからアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流れ込んで閉塞した冷却流体が、ガス拡散層３ａ、３ｂ内へ進行しないように、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂのガス拡散層３ａ、３ｂの外周部に、ガス拡散層３ａ、３ｂへの水の移動を抑制するための部材（水移動抑制部材）４０ａ、４０ｂが配置された構成を有している。すなわち、アノード４ａのガス拡散層３ａの外周部に、アノード側隙間１０ａからガス拡散層３ａへの水の移動を抑制するための第１の部材４０ａが配置されており、カソード４ｂのガス拡散層３ｂの外周部に、カソード側隙間１０ｂからガス拡散層３ｂへの水の移動を抑制するための第２の部材４０ｂが配置されている。
このような構成により、ガス拡散層３ａ、３ｂの気孔部を閉塞し、そのガス拡散性が阻害されることを、より確実に抑制することができる。

例えば膜電極接合体５を作製した後に、例えばゴム製シーラントを、ガス拡散層３ａ、３ｂの外周部に位置する、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂの外縁部に塗り込んで固化させ、ゴム製シーラントで構成された水移動抑制部材４０ａ、４０ｂを形成することができる。
ゴム製シーラントの材料としては、例えば脱酢酸タイプ一液式シリコーンを用いることができる。この材料は粘性の高い液状であることから、液状の際に多孔質のＧＤＬ基材に塗り込み、硬化させて空隙を塞ぐことにより、ガス拡散層３ａ、３ｂの気孔部を充填することができ、その後大気放置することで固化させることにより、流体に対して優れたシール性を発揮する水移動抑制部材４０ａ、４０ｂを得ることができる。なお、上記ゴム製シーラントの幅や厚さ等の寸法は、ガス拡散層３ａ、３ｂ及び触媒層２ａ、２ｂ等の寸法に合わせて、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよい。

本実施形態においては、水移動抑制部材４０ａ、４０ｂを配置することができるように、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂの主面の大きさが、それぞれガス拡散層３ａ、３ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂの全外縁部（図１５中のＱ_a及びＱ_b）がガス拡散層３ａ、３ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。

以上のような本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様に、ガス流路を流れる反応ガスが通水孔から冷却流体がアノード側隙間及びカソード側隙間に流れ込み、当該冷却流体がアノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部を閉塞することができる。その結果、閉塞後には反応ガスがガス流路以外の部分、即ちアノード側隙間及びカソード側隙間を流れることがなく、当該反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

さらに本実施形態によれば、アノード側隙間及びカソード側隙間に流れ込んで閉塞した冷却流体が、ガス拡散層内へ進行してガス拡散性を阻害することをより確実に抑制することができ、発電性能の低下をより確実に抑制することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第五実施形態について説明する。この第五実施形態の高分子電解質形燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の単電池１０のうちのアノード及びカソードに付近に、ガス拡散層への水の移動を抑制するための部材（水移動抑制部材）を配置したものであり、当該水移動抑制部材以外の構成は第一実施形態の単電池１０と同様の単電池を搭載するものである。
以下、第五実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられる単電池について説明する。図１６は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第五実施形態の基本構成（単電池）の要部を示す概略断面図である。

図１６に示すように、本実施形態の単電池６０は、それぞれアノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂとガス拡散層３ａ、３ｂとの間に、導電性撥水層６２ａ、６２ｂを有している。そして、冷却流体流路８ａ、８ｂからアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流れ込んで閉塞した冷却流体がガス拡散層３ａ、３ｂ内へ進行しないように、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂのガス拡散層３ａ、３ｂの外周部において、導電性撥水層６２ａ、６２ｂの外縁部Ｂ₁、Ｂ₂が厚く形成されており、ガス拡散層３ａ、３ｂへの水の移動を抑制するための部材（水移動抑制部材）６０ａ、６０ｂが構成されている。

このような構成により、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂからの冷却流体がガス拡散層３ａ、３ｂの気孔部を閉塞し、そのガス拡散性を阻害することを、より確実に抑制することができる。

上記のような本実施形態における膜電極接合体５は、例えば以下のようにして作製することができる。即ち、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂを高分子電解質膜１の両面に形成して触媒層付き高分子電解質膜（ＣＣＭ：Catalyst Coated Membrane）を作製した後、ガス拡散層３ａ、３ｂの片面に導電性撥水層形成用インクを塗布し、さらに、ガス拡散層３ａ、３ｂの外周端面にも上記導電性撥水層形成用インクを塗布して、それぞれ図１６に示す構造を有する導電性撥水層６２ａ、６２ｂをガス拡散層３ａ、３ｂに形成する。ついで、導電性撥水層６２ａ、６２ｂ付きガス拡散層３ａ、３ｂで、導電性撥水層６２ａ、６２ｂが触媒層２ａ、２ｂに面するようにして、触媒層２ａ、２ｂ付き高分子電解質膜１を挟持し、全体をホットプレスすることによって、図１６に示す膜電極接合体５を得ることができる。

上記導電性撥水層形成用インクとしては、導電性撥水層を形成するために用いられる従来公知のものを用いればよく、例えば、上記第一実施形態において述べたように、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層形成用インクを用いることができる。なお、この際に用いる分散媒としても、従来公知のものを用いればよい。

本実施形態においては、上記第四実施形態と同様に、水移動抑制部材６０ａ、６０ｂを配置することができるように、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂの主面の大きさが、それぞれガス拡散層３ａ、３ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、アノード側触媒層２ａ及びカソード側触媒層２ｂの全外縁部（図示せず）がガス拡散層３ａ、３ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。

以上のような本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様に、ガス流路を流れる反応ガスが通水孔から冷却流体がアノード側隙間及びカソード側隙間に流れ込み、当該冷却流体がアノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部を閉塞することができる。その結果、閉塞後には反応ガスがガス流路以外の部分、即ちアノード側隙間及びカソード側隙間を流れることがなく、当該反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

さらに本実施形態によれば、アノード側隙間及びカソード側隙間に流れ込んで閉塞した冷却流体が、ガス拡散層内へ進行してガス拡散性を阻害することをより確実に抑制することができ、発電性能の低下をより確実に抑制することができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
例えば、通水孔は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの双方に設けなくても、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのいずれか一方に設けても、本発明の効果を得ることができる。これは、アノード側隙間とカソード側隙間とを隔てる高分子電解質膜は透水性に優れていることから、アノード側隙間及びカソード側隙間のうちのいずれか一方を閉塞した冷却流体が、高分子電解質膜を介してアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの他方に流れ込んで閉塞するからである。

このように、本発明によれば、アノード側隙間及びカソード側隙間のうちの少なくとも一方に通水孔を設ければ、アノード側隙間及びカソード側隙間における反応ガスの混合に伴う化学的短絡をより確実に回避することができる。従って、通水孔の位置や数は、アノード側隙間及びカソード側隙間を冷却流体によって閉塞させるという本発明の効果が得られるのであれば特に制限されない。

また、本発明においては、アノード側セパレータにおける通水孔の数や寸法と、カソード側セパレータにおける通水孔の数や寸法とを、一致させなくてもよい。さらに、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路も上記実施形態、即ち上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、本発明の効果を損なわない範囲で、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路の構成を同じ構成としても異なる構成としても構わない。

加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状も、特に上記実施形態には限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。

更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。

本発明の燃料電池は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用である。

本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成（単電池）の要部を示す概略断面図である。 図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の単電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図である。 図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。 図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。 図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。 図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。 本発明の第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａをガス流路側からみた正面図である。 図７に示すアノード側セパレータ２６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。 本発明の第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるカソード側セパレータ２６ｂをガス流路側から見た正面図である。 図９に示すカソード側セパレータ２６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。 本発明の第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａをガス流路側からみた正面図である。 図１１に示すアノード側セパレータ３６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。 本発明の第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるカソード側セパレータ３６ｂをガス流路側から見た正面図である。 図１３に示すカソード側セパレータ３６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。 本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態の基本構成（単電池）の要部を示す概略断面図である。 本発明の高分子電解質形燃料電池の第五実施形態の基本構成（単電池）の要部を示す概略断面図である。 従来の高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成の要部を示す概略断面図である。

符号の説明

１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、１０２ａ・・・アノード側触媒層、２ｂ、１０２ｂ・・・カソード側触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・膜電極接合体、６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、７ｂ、１０７ａ、１０７ｂ・・・ガス流路、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、１０９ａ・・・アノード側ガスケット、９ｂ、１０９ｂ・・・カソード側ガスケット、１０ａ・・・アノード側隙間、１０ｂ・・・カソード側隙間、１２ａ、１２ｂ・・・通水孔、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体供給用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、４０ａ、４０ｂ、６２ａ、６２ｂ・・・水移動抑制部材

Claims (5)

1. ガス拡散層を含むアノード及びガス拡散層を含むカソード、並びに前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
   前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
   を少なくとも具備しており、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方には、前記アノード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間に対応する位置及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるカソード側隙間に対応する位置に、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一方と前記冷却流体流路とを連通する通水孔が形成されていること、
   を特徴とする燃料電池。
2. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの両方に前記通水孔が形成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記アノードの前記ガス拡散層の外周部に、前記アノード側隙間から前記ガス拡散層への水の移動を抑制するための第１の部材が配置されており、
   前記カソードの前記ガス拡散層の外周部に、前記カソード側隙間から前記ガス拡散層への水の移動を抑制するための第２の部材が配置されていること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記第１の部材及び前記第２の部材がゴム製シーラントであること、
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第１の部材及び前記第２の部材が導電性炭素粒子と撥水性樹脂とを含む導電性撥水層であること、
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
   
   
   
   

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