JP5079146B2 - 高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。
そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルを締結具により締結することにより、形成されている。このため、高分子電解質膜には、ガス拡散電極の触媒層の外周と接触する部分近傍（以下、高分子電解質膜の外周接触部という）には、他の部分より大きい応力（締結圧）がかかる。また、ＰＥＦＣの起動・停止動作を繰り返すことにより、高分子電解質膜には、引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることになるが、特に、高分子電解質膜の外周接触部には、これらの応力が大きくかかり、当該部分の歪みや亀裂等の損傷が生じやすいという問題があった。
このような問題に対して、補強部材が、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられている固体高分子型燃料電池のセルが知られている（例えば、特許文献１参照）。図２１は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。なお、図２１では、一部を省略している。
図２１に示すように、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセル２００は、酸素極触媒層２０２Ｃにおける高分子膜２０１存在側とは反対側又は燃料極触媒層２０３Ｃにおける高分子膜２０１存在側とは反対側に、酸素極触媒層２０２Ｃ又は燃料極触媒層２０３Ｃの周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材２０４、２０５が、設けられている。そして、特許文献１では、補強部材２０４、２０５が弾性変形することにより、高分子膜２０１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、高分子膜２０１の酸素極境界膜部分２０１Ｗや燃料極境界膜部分２０１Ｗに応力がかかるのが抑制されるので、高分子膜２０１の酸素極境界膜部分２０１Ｗや燃料極境界膜部分２０１Ｗに歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止されると記載されている。
特開２００３−６８３１８号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルであっても、高分子膜が損傷し、電池性能が低下するという点で、未だ改善の余地があった。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜が劣化しやすい箇所における劣化要因を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる高分子電解質形燃料電池及びセパレータを提供することを目的とする。
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
本発明者等は、図２１に示す特許文献１の固体高分子型燃料電池のセル２００の耐久試験を行ったところ、セル２００の厚み方向から見て、高分子膜２０１の補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅと対向する（重なる）部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなっていた。これは、補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅが、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃを介して、高分子膜２０１の部分２０１Ｐに強い応力をかけることにより、部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなり、その結果として、部分２０１Ｐでの反応ガスのクロスリークが多くなることを示唆するものである。つまり、特許文献１に開示されているセル２００では、高分子膜２０１の部分２０１Ｐ周辺で、反応ガスのクロスリークが生じ、クロスリークした反応ガスによって、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃの触媒上で過酸化水素が生成され、フェントン反応などにより生じたラジカルによって高分子膜２０１が攻撃される。その結果、高分子膜２０１が劣化し、電池性能の低下を引き起こしていたことを本発明者等は見出した。
そして、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、前記膜−電極接合体は、一対の前記セパレータに挟まれ、前記セパレータは、その主面に厚み方向に貫通するように反応ガス供給マニホールド孔と反応ガス排出マニホールド孔が形成され、前記電極と接触する一方の主面には、前記反応ガス供給マニホールド孔に接続された溝状の第１接続流路と、前記反応ガス排出マニホールド孔に接続された溝状の第２接続流路と、が複数形成され、前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方の主面には、一端が前記第１接続流路と連通し、他端が前記第２接続流路と連通する溝状の反応ガス流路が複数形成され、前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と２回重なり、かつ、当該周縁部と重なる部分の長さが所定の長さ以下である反応ガス流路を第１反応ガス流路と定義し、その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と重なり、かつ、当該周縁部と重なる部分の長さが前記所定の長さより長い反応ガス流路を第２反応ガス流路と定義した場合に、前記第２反応ガス流路は、該第２反応ガス流路を通流する反応ガスの流量の方が前記第１反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流量よりも小さくなるように構成されている。又は、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、前記膜−電極接合体は、一対の前記セパレータに挟まれ、前記セパレータは、その主面に厚み方向に貫通するように反応ガス供給マニホールド孔と反応ガス排出マニホールド孔が形成され、前記電極と接触する一方の主面には、前記反応ガス供給マニホールド孔に接続された溝状の第１接続流路と、前記反応ガス排出マニホールド孔に接続された溝状の第２接続流路と、が複数形成され、前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方の主面には、一端が前記第１接続流路と連通し、他端が前記第２接続流路と連通する溝状の反応ガス流路が複数形成され、前記電極の周縁部を電極の外端と該外端から内方に所定の距離離れた部分との間の領域と定義した場合に、前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と２回重なるように構成されている。
上述したように、高分子電解質形燃料電池において、セパレータの厚み方向から見て、高分子電解質膜の電極周縁部（特に、触媒層周縁部）と対向する部分には、強い応力がかかることにより、高分子電解質膜の当該部分がつぶれて、反応ガスのクロスリーク量が増加し、反応副生成物である過酸化水素からラジカルが生成される。そして、生成されたラジカルが高分子電解質膜を攻撃することにより、高分子電解質膜が損傷、劣化して、燃料電池の性能が低下すると考えられている。
そこで、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、セパレータの厚み方向から見て、セパレータの電極周縁部と重なる部分に形成された第２反応ガス流路を通流する反応ガスの流量を小さくする、又はセパレータの電極周縁部と重なる部分に反応ガス流路を形成しないようにすることで、電極周縁部に供給される反応ガスの流量を小さくすることができる。これにより、過酸化水素の原料となる、反応ガスのクロスリーク量を少なくすることができ、過酸化水素からラジカルの生成が低減される。このため、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、該第１反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流体抵抗が前記第２反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流体抵抗よりも大きくなるように構成されていてもよい。
上述したように、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、複数の反応ガス流路が（第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路ともに）、反応ガス供給マニホールド孔及び反応ガス排出マニホールド孔に接続されているため、第１反応ガス流路と第２反応ガス流路の圧力損失は同じである。しかしながら、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、第１反応ガス流路の方が第２反応ガス流路よりも流路を通流する反応ガスの流体抵抗が大きくなるように構成されているため、第１反応ガス流路の方が第２反応ガス流路よりも通流する反応ガスの流量が小さくなる。このため、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、その断面積が前記第２反応ガス流路の断面積よりも小さくなるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、該第１反応ガス流路の流路の長さの方が前記第２反応ガス流路の流路の長さよりも長くなるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記複数の反応ガス流路は、互いに並走するように形成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、補強部材をさらに備え、前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記補強部材は、その一部が、前記触媒層の他方の主面と接触し、かつ、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重なるように配設されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重ならないように配設されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記補強部材は、樹脂で形成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの一方の主面に形成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記複数の反応ガス流路は、前記ガス拡散層の一方の主面に形成されていてもよい。
さらに、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの一方の主面及び前記ガス拡散層の一方の主面のそれぞれに形成されていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図４は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図６は、本実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池における変形例１の高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態４に係るセパレータの概略構成を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態５に係るセパレータの概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態６に係るセパレータの概略構成を示す模式図である。 図１２は、本発明の実施の形態７に係るセパレータの概略構成を示す模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１４は、図１３に示す燃料電池における電極の概略構成を示す模式図である。 図１５は、図１３に示す燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。 図１６は、本実施の形態８における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１７は、本実施の形態８における変形例２の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１８は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１９は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池における電極の概略構成を示す模式図である。 図２０は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図２１は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、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。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、板状の全体形状を有する燃料電池１００がその厚み方向に積層されてなるセル積層体６２と、セル積層体６２の両端に配置された第１及び第２の端板６３、６４と、セル積層体６２と第１及び第２の端板６３、６４とを燃料電池１００の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１の端板６３とセル積層体６２の間及び第２の端板６４とセル積層体６２の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状の燃料電池１００は、鉛直面に平行に延在しており、燃料電池１００の積層方向は水平方向となっている。
セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。また、セル積層体６２の第１の側部の燃料ガス供給マニホールド１３１が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド１３６が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。
そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。
［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について、図２を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。
なお、本実施の形態１においては、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａの外端よりも外方に位置するように（はみ出すように）形成されており、また、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂの外端よりも外方に位置するように形成されているが、これに限定されず、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａよりも内方に位置するように形成されてもよく、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂよりも内方に位置するように形成されてもよい。
また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が設けられている。
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。また、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路１０を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路１０を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路８を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路９を設けた、アノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。
［セパレータの構成］
次に、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂについて、図２乃至図４を参照しながら詳細に説明する。
図３は、図２に示す燃料電池のアノードセパレータ概略構成を示す模式図である。また、図４は、図２に示す燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図３及び図４において、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図４においては、カソード電極４Ｂの周縁部をハッチングで示している。
まず、アノードセパレータ６Ａの構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
図３に示すように、アノードセパレータ６Ａは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。具体的には、アノードセパレータ６Ａにおける一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔（反応ガス供給マニホールド孔）３１が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド孔３１が配設されている上部の内側には、酸化剤ガス供給マニホールド孔（反応ガス供給マニホールド孔）３３が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド孔３６が配設されている下部の内側には、酸化剤ガス排出マニホールド孔（反応ガス排出マニホールド孔）３４が設けられている。さらに、アノードセパレータ６Ａにおける他方の側部（以下、第２の側部）の上部には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔（反応ガス排出マニホールド孔）３２が設けられている。
そして、図２及び図３に示すように、アノードセパレータ６Ａの内面には、溝状の燃料ガス流路８が、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。本実施の形態１では、燃料ガス流路８は、複数（ここでは、４本）の溝で構成されており、該溝は、直線部８ａと折り返し部８ｂとで実質的に構成されている。
具体的には、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを１回繰り返し、そこから、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように第２の側部に向かって水平方向に延びている。このような、燃料ガス流路８の水平方向に延びる部分が直線部８ａを構成し、下方に延びる部分が折り返し部８ｂを構成している。そして、図２及び図３に示すように燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間の部分が、アノード電極４Ａと当接する第１リブ部１１を形成する。
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８は、複数（ここでは、４本）の溝で形成したが、これに限定されず、１本の溝をアノードセパレータ６Ａの内面に形成して、燃料ガス流路８としてもよい。
次に、カソードセパレータ６Ｂの構成について、図２及び図４を参照しながら詳細に説明する。
図２及び図４に示すように、カソードセパレータ６Ｂは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。なお、各マニホールド孔の配置は、アノードセパレータ６Ａと同じなので、その詳細な説明は省略する。
カソードセパレータ６Ｂの内面には、第１接続流路１９、第２接続流路２０、及び酸化剤ガス流路９が形成されている。第１接続流路１９は、一端が酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続されている。第２接続流路２０は、一端が酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に接続されている。第１接続流路１９及び第２接続流路２０は、複数（ここでは、１５本）の溝で構成されていて、上下方向に延びるように形成されている。なお、第１接続流路１９の他端は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂ（正確には、カソードガス拡散層３Ｂ）の外周と重なる部分とする。同様に、第２接続流路２０の他端は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂ（正確には、カソードガス拡散層３Ｂ）の外周と重なる部分とする。
酸化剤ガス流路９は、複数（ここでは、１５本）の溝で構成されていて、該複数の溝は、第１接続流路１９と第２接続流路２０を結ぶように直線状に形成されている。そして、複数の酸化剤ガス流路９は、互いに並走するように形成されている。ここで、互いに並走するとは、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、複数の酸化剤ガス流路のうち１の酸化剤ガス流路を特定し、該特定した酸化剤ガス流路に沿って、他の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。
換言すると、複数の酸化剤ガス流路９が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、複数の酸化剤ガス流路９が設けられていることをいう。従って、複数の酸化剤ガス流路９が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の酸化剤ガス流路９が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９を互いに並走するように形成したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９を互いに並走しないように形成してもよい。
また、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、燃料電池１００の厚み方向から見て、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。なお、酸化剤ガス流路９を構成する溝と溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。
また、図４に示すように、酸化剤ガス流路９は、第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）９１と第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）９２を有している。第１酸化剤ガス流路９１は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その上流端から下流端に辿った場合に、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと２回重なり、かつ、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重なった部分の長さが所定の長さＬ以下となるように形成されている。
より詳しくは、本実施の形態１においては、第１酸化剤ガス流路９１は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その上流端から下流に辿った場合に最初にカソード電極４Ｂと接触する部分９１Ａ及びその下流端から上流に辿った場合に最初にカソード電極４Ｂと接触する部分９１Ｂを有し、かつ、部分９１Ａと部分９１Ｂの長さの和が所定の長さＬ以下となるように形成されている。
ここで、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、カソード電極４Ｂの外端と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域をいう。換言すると、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、カソード電極４Ｂの外端からの幅が所定の距離Ｎである領域をいう。所定の距離Ｎは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、５ｍｍ以下であってもよく、より好ましくは３ｍｍ以下であってもよい。また、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、その面積が、カソード電極４Ｂの面積の１／５以下であってもよく、より好ましくは１／１０以下であってもよい。
さらに、所定の長さＬは、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂの幅の長さ（所定の距離Ｎ）の２倍以上、かつ、５倍以下であることが好ましい。すなわち、所定の長さＬは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、６ｍｍ以上、かつ、２５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、カソード電極４Ｂの外端は、反応ガスの電気化学反応がカソード触媒層２Ｂで行われることから、カソード触媒層２Ｂの外端を基準にすることが好ましい。
一方、第２酸化剤ガス流路９２は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重なり、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重なる部分の長さが、所定の長さＬよりも長くなるように形成されている。
そして、第２酸化剤ガス流路９２は、該第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量の方が、第１酸化剤ガス流路９１を通流する酸化剤ガスの流量よりも少なくなるように構成されている。具体的には、第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流体抵抗が、第１酸化剤ガス流路９１を通流する酸化剤ガスの流体抵抗よりも大きくなるように構成されている。換言すると、本発明においては、最もカソード電極４Ｂの外端に近い一対の酸化剤ガス流路９のうち、少なくとも一方の酸化剤ガス流路９が、他の酸化剤ガス流路９よりも、その通流する酸化剤ガスの流量が小さくなるように構成されていればよい。
上述したように、第１酸化剤ガス流路９１及び第２酸化剤ガス流路９２は、それぞれの上流端が、第１接続流路１９を介して、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続されている。また、第１酸化剤ガス流路９１及び第２酸化剤ガス流路９２は、それぞれの下流端が、第２接続流路２０を介して、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に接続されている。このため、第１酸化剤ガス流路９１における上流端と下流端との間の圧力損失と第２酸化剤ガス流路９２における上流端と下流端との間の圧力損失は同じとなる。しかしながら、第２酸化剤ガス流路９２は、第１酸化剤ガス流路９１よりもその流体抵抗が大きいため、該第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量が小さくなる。
より詳細には、第２酸化剤ガス流路９２は、その断面積が第１酸化剤ガス流路９１の断面積よりも小さくなるように構成されている。本実施の形態１においては、第２酸化剤ガス流路９２の幅が、第１酸化剤ガス流路９１の幅よりも小さくなるように構成されている。ここで、酸化剤ガス流路９の断面積とは、酸化剤ガスの通流する方向に対して垂直な方向の断面積をいう。また、酸化剤ガス流路９の幅とは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向と垂直な方向で、かつ、酸化剤ガスの通流する方向に対して垂直な方向の幅をいう。
なお、本実施の形態１においては、複数の酸化剤ガス流路９のうち、最も外方に位置する一対の流路が、それぞれ、第２酸化剤ガス流路９２を構成したが、これに限定されず、最も外方に位置する一対の流路のうち、一方の流路のみを、その流量が他の流路よりも小さくするように形成してもよい（すなわち、一方の流路のみが第２酸化剤ガス流路９２を構成してもよい）。
また、本実施の形態１においては、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂのうち、第１の側部側の周縁部４０Ｂに１本の第２酸化剤ガス流路９２を形成し、第２の側部側の周縁部４０Ｂに１本の第２酸化剤ガス流路９２を形成したが、これに限定されず、第１の側部側の周縁部４０Ｂに複数の第２酸化剤ガス流路９２を形成してもよく、また、第２の側部側の周縁部４０Ｂに複数の第２酸化剤ガス流路９２を形成してもよい。
また、本実施の形態１においては、複数の酸化剤ガス流９が、第１酸化剤ガス流路９１と第２酸化剤ガス流路９２のみで構成したが、第１酸化剤ガス流路９１と第２酸化剤ガス流路９２に該当しない流路がカソードセパレータ６Ｂの内面に形成されていてもよい。
［燃料電池の作用効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００の作用効果について、図１乃至図４を参照しながら説明する。
上述したように、燃料電池１００において、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、高分子電解質膜１のカソード電極４Ｂ（アノード電極４Ａ）の周縁部（特に、カソード触媒層２Ｂ（アノード触媒層２Ａ）の周縁部）と対向する部分は損傷、劣化しやすく、これにより、燃料電池１００の性能が低下すると考えられている。
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、該カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソードセパレータ６Ｂにおけるカソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重なる部分に形成された第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量を小さくすることで、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂに供給される酸化剤ガスの流量を小さくすることができる。これにより、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、高分子電解質膜１の周縁部４０Ｂと重なる部分では、反応ガス（ここでは、特に、酸化剤ガス）のクロスリーク量を少なくすることができ、過酸化水素からラジカルの生成が低減される。このため、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９のように直線状に形成してもよい。また、酸化剤ガス流路９を直線状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のようにサーペンタイン状に形成してもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、補強部材１３をさらに備える点が異なる。具体的には、補強部材１３は、高分子電解質膜１とガスケット７との間に、これらの部材に挟まれるように配設されている。
補強部材１３は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、略矩形で、かつ、ドーナツ状に形成されている。また、補強部材１３は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その内周端が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外端よりも内側に位置するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、補強部材１３の内周部分とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外周部分とが、互いに重なるように配設されている。
さらに、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面と接触するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面に乗り上げるように配置されている。
そして、補強部材１３とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂが、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、互いに重なるように配設されているため、上述したように、高分子電解質膜１の補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分は、劣化が生じるおそれがある。このため、本実施の形態２においては、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、補強部材１３の内周を含むように定義されていることが好ましい。従って、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、補強部材１３の内周端と、該補強部材１３の内周端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義されることが好ましい。なお、所定の距離Ｎは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、５ｍｍ以下であってもよく、より好ましくは３ｍｍ以下であってもよい。
すなわち、本発明では、燃料電池１００が補強部材１３を備える場合において、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、補強部材１３とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂが、その一部が重なるように配設されている場合には、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、補強部材１３の内周端と、該補強部材１３の内周端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。また、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、補強部材１３とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂが、互いに重ならないように配設されている場合には、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂは、カソード電極４Ｂの外端と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域と定義される。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池１００の変形例について説明する。
図６は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図６に示すように、本変形例１の燃料電池１００では、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａの外端が、アノードガス拡散層３Ａの外端よりも内方に位置するように形成されていて、同様に、カソード触媒層２Ｂの外端が、カソードガス拡散層３Ｂの外端よりも内方に位置するように形成されている。そして、補強部材１３は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂと互いに重ならないように配設されている。
このように構成された本変形例１の燃料電池１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９の第２酸化剤ガス流路９２の構成が異なる。具体的には、第２酸化剤ガス流路９２は、その深さが、第１酸化剤ガス流路９１の深さよりも浅くなるように形成されている。これにより、第２酸化剤ガス流路９２の方が、第１酸化剤ガス流路９１よりも、その断面積を小さくすることができる。すなわち、第２酸化剤ガス流路９２の方が、第１酸化剤ガス流路９１よりも、その通流する酸化剤ガスの流量を小さくすることができる。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図であり、図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図８においては、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。
図８及び図９に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９の第２酸化剤ガス流路９２が設けられていない点が異なる。すなわち、本実施の形態４に係るセパレータでは、セパレータの厚み方向から見て、複数の酸化剤ガス流路９は、その上流端から下流に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと接触する部分９１Ａを含む上流流路９０ａと、その下流端から上流に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと接触する部分９１Ｂを含む下流流路９０ｂと、上流流路９０ａ及び下流流路９０ｂ以外の部分である中流流路９０ｃと、を有しており、中流流路９０ｃが、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重ならないように構成されている。ここで、上流流路９０ａは、一端を酸化剤ガス流路９の上流端である、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂと重なる部分とし、他端を式：Ｌ１≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、酸化剤ガス流路９の上流流路９０ａの流路長を示し、Ｌ２は、酸化剤ガス流路９の全流路長を示す。また、下流流路９０ｂは、一端を酸化剤ガス流路９の下流端である、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂと重なる部分とし、他端を式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ３は、酸化剤ガス流路９の下流流路９０ｂの流路長を示す。
このように、本実施の形態４に係る燃料電池１００では、カソード電極４Ｂにおける周縁部４０Ｂの第１の側部側の部分及び第２の側部側の部分には、第２酸化剤ガス流路９２が設けられていないため、周縁部４０Ｂの当該部分には、酸化剤ガスが供給されない。このため、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における周縁部４０Ｂの第１の側部側の部分及び第２の側部側の部分と対向する部分で、クロスリーク量をより少なくすることができ、過酸化水素からラジカルの生成がより低減される。したがって、本実施の形態４に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１０においては、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。
図１０に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池１００におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池１００におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）と基本的構成は同じであるが、第２酸化剤ガス流路９２の構成が異なる。具体的には、第２酸化剤ガス流路９２は、第１酸化剤ガス流路９１とその断面積が同じになるように構成されているが、その流路の長さが、第１酸化剤ガス流路９１よりも長くなるように構成されている。本実施の形態５においては、第２酸化剤ガス流路９２は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されている。
これにより、第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量の方が、第１酸化剤ガス流路９１を通流する酸化剤ガスの流量よりも小さくすることができる。このため、本実施の形態５に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１１においては、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。
図１１に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池１００におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池１００におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）と基本的構成は同じであるが、複数の酸化剤ガス流路９が、サーペンタイン状に形成されている点が異なる。具体的には、複数の酸化剤ガス流路９は、実施の形態１に係る燃料電池１００の燃料ガス流路８と同様に形成されていて、直線部９ａと折り返し部９ｂとで実質的に構成されている。
そして、複数の酸化剤ガス流路９は、第１酸化剤ガス流路９１と第２酸化剤ガス流路９２を有していて、第２酸化剤ガス流路９２は、その断面積が、第１酸化剤ガス流路９１の断面積よりも小さくなるように（ここでは、その流路の幅が小さくなるように）構成されている。
なお、本実施の形態６においては、第２酸化剤ガス流路９２の流路の全ての部分で、その断面積を第１酸化剤ガス流路９１よりも小さくするように構成したが、これに限定されず、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、第２酸化剤ガス流路９２における、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重なる部分の断面積を第１酸化剤ガス流路９１よりも小さくし、その他の部分の断面積は、第１酸化剤ガス流路９１と同じようになるように構成してもよい。
また、本実施の形態６においては、第２酸化剤ガス流路９２は、その流路の幅が、第１酸化剤ガス流路９１の流路の幅よりも小さくなるように構成したが、これに限定されず、例えば、実施の形態３のように、その流路の深さが、第１酸化剤ガス流路９１の流路の深さよりも浅くなるように構成してもよい。
さらに、本実施の形態６においては、第１酸化剤ガス流路９１と第２酸化剤ガス流路９２ともに、サーペンタイン状に形成したが、第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量が、第１酸化剤ガス流路９１を通流する酸化剤ガスの流量よりも小さくすることができれば、その流路の形状は限定されない。例えば、第１酸化剤ガス流路９１をストレート状に形成して、第２酸化剤ガス流路９２をサーペンタイン状に形成してもよく、また、例えば、第２酸化剤ガス流路９２の直線部９ａ及び／又は折り返し部９ｂを上記実施の形態５の第２酸化剤ガス流路９２のように、さらに蛇行させて、その流路の長さを第１酸化剤ガス流路９１の流路の長さよりも長くなるように形成してもよい。
このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態７）
図１２は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１２においては、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。
図１２に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池におけるセパレータ（ここでは、カソードセパレータ６Ｂ）と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路９１に酸化剤ガスを供給するマニホールド（孔）と第２酸化剤ガス流路９２に酸化剤ガスを供給するマニホールド（孔）が設けられている点が異なる。具体的には、カソードセパレータ６Ｂの上部に第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａが設けられていて、該第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａと燃料ガス供給マニホールド孔３１との間及び第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａと冷却媒体供給マニホールド孔３５との間に、それぞれ、第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂが設けられている。
そして、第１酸化剤ガス流路９１の上流端は、第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａと接続されていて、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４と接続されている。一方、第２酸化剤ガス流路９２の上流端は、第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂと接続されていて、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４と接続されている。
なお、この場合、第２酸化剤ガス流路９２を通流する酸化剤ガスの流量の方が、第１酸化剤ガス流路９１を通流する酸化剤ガスの流量よりも小さくする観点から、第２酸化剤ガス流路９２に供給される酸化剤ガスの圧力は、第１酸化剤ガス流路９１に供給される酸化剤ガスの圧力以下であることが好ましい。
すなわち、第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂ（第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂがつながって形成される第２酸化剤ガス供給マニホールド）内の圧力が、第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａ（第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａがつながって形成される第１酸化剤ガス供給マニホールド）内の圧力以下であることが好ましい。
換言すると、第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂに供給される（第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ｂを通流する）酸化剤ガスの流量が、第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａに供給される（第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３３Ａを通流する）酸化剤ガスの流量以下であることが好ましい。
また、本実施の形態７においては、第２酸化剤ガス流路９２は、その流路の幅が、第１酸化剤ガス流路９１の流路の幅よりも小さくなるように構成したが、これに限定されず、例えば、実施の形態３のように、その流路の深さが、第１酸化剤ガス流路９１の流路の深さよりも浅くなるように構成してもよい。
さらに、本実施の形態７においては、酸化剤ガス流路９を直線状に形成したが、これに限定されない。例えば、実施の形態５のように、第１酸化剤ガス流路９１を直線状に形成し、第２酸化剤ガス流路９２をサーペンタイン状に形成してもよく、また、実施の形態６のように、酸化剤ガス流路９を（第１酸化剤ガス流路９１及び第２酸化剤ガス流路９２ともに）サーペンタイン状に形成してもよい。
このように構成された本実施の形態７に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態８）
図１３は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図１４は、図１３に示す燃料電池における電極の概略構成を示す模式図である。図１５は、図１３に示す燃料電池におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。
なお、図１４において、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。また、図１５において、電極における上下方向を図における上下方向として表している。
図１３乃至図１５に示すように、本発明の実施の形態８に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９がカソード電極４Ｂのカソードガス拡散層３Ｂに設けられている点が異なる。また、本実施の形態８に係る燃料電池１００では、第１接続流路１９及び第２接続流路２０の形状が実施の形態１に係る燃料電池１００と異なる。
具体的には、酸化剤ガス流路９は、カソードガス拡散層３Ｂのカソードセパレータ６Ｂと接触する主面（以下、外面という）に設けられている。酸化剤ガス流路９は、カソードガス拡散層３Ｂの上端から下端に向かって延びるように、直線状に形成されている。そして、カソードガス拡散層３Ｂの外面における酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス流路９の間の部分が、第２リブ部１２を構成する。
また、カソードガス拡散層３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成されている。バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。
フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。
また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。
そして、カソードガス拡散層３Ｂには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、カソードガス拡散層３Ｂを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。
なお、カソードガス拡散層３Ｂには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、カソードガス拡散層３Ｂを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。
ここで、カソードガス拡散層３Ｂの製造方法について説明する。
カソードガス拡散層３Ｂは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでカソードガス拡散層３Ｂを形成するシートが製造される。そして、このようにして製造されたシートの主面に、適宜な方法（例えば、プレス機等を用いた成型や、切削機等を用いた切削）により、酸化剤ガス流路９となる溝を形成して、カソードガス拡散層３Ｂが得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
なお、このようにして製造されたカソードガス拡散層３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低いものの、反応ガス（酸化剤ガス）が、充分に移動できる程度の多孔度となるように構成されている。このため、上記製造方法で製造されたカソードガス拡散層３Ｂであっても、ガス拡散層としての役割を充分に果たす。
また、図１４に示すように、第１接続流路１９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その他端がカソードガス拡散層３Ｂの上端よりも下方に位置するように、上下方向に延びるように形成されている。同様に、第２接続流路２０は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その他端がカソードガス拡散層３Ｂの下端よりも上方に位置するように、上下方向に延びるように形成されている。
これにより、カソードガス拡散層３Ｂとカソードセパレータ６Ｂを積層したときに、酸化剤ガス流路９の上流端が第１接続流路１９と連通し、酸化剤ガス流路９の下流端が第２接続流路２０と連通する。このため、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から第１接続流路１９を介して、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路９に供給される。そして、酸化剤ガス流路９を通流した酸化剤ガスは、第２接続流路２０を介して、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に排出される。
このように構成された本実施の形態８に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
［変形例１］
次に、本実施の形態８に係る燃料電池１００の変形例について説明する。
図１６は、本実施の形態８における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図１６に示すように、本変形例１の燃料電池１００は、実施の形態８に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第２酸化剤ガス流路９２がカソードセパレータ６Ｂに設けられている点が異なる。
このように構成された本変形例１の燃料電池１００であっても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
［変形例２］
図１７は、本実施の形態８における変形例２の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図１７に示すように、本変形例２の燃料電池１００は、実施の形態８に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス流路９１がカソードセパレータ６Ｂに設けられている点が異なる。
このように構成された本変形例２の燃料電池１００であっても、実施の形態８に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態９）
図１８は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図１９は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池における電極の概略構成を示す模式図である。なお、図１９においては、電極における上下方向を図における上下方向として表し、電極の周縁部をハッチングで示している。
図１８及び図１９に示すように、本発明の実施の形態９に係る燃料電池１００は、実施の形態８に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９の第２酸化剤ガス流路９２が設けられていない点が異なる。すなわち、本実施の形態９に係るセパレータでは、セパレータの厚み方向から見て、複数の酸化剤ガス流路９は、その上流端から下流に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと接触する部分９１Ａを含む上流流路９０ａと、その下流端から上流に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと接触する部分９１Ｂを含む下流流路９０ｂと、上流流路９０ａ及び下流流路９０ｂ以外の部分である中流流路９０ｃと、を有しており、中流流路９０ｃが、カソード電極４Ｂの周縁部４０Ｂと重ならないように構成されている。
このように、本実施の形態９に係る燃料電池１００では、カソード電極４Ｂにおける周縁部４０Ｂの第１の側部側の部分及び第２の側部側の部分には、第２酸化剤ガス流路９２が設けられていないため、周縁部４０Ｂの当該部分には、酸化剤ガスが供給されない。このため、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における周縁部４０Ｂの第１の側部側の部分及び第２の側部側の部分と対向する部分で、クロスリーク量をより少なくすることができ、過酸化水素からラジカルの生成がより低減される。したがって、本実施の形態９に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
（実施の形態１０）
図２０は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
図２０に示すように、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９が、カソードガス拡散層３Ｂ及びカソードセパレータ６Ｂの両方に設けられている点が異なる。具体的には、カソードガス拡散層３Ｂに設けられた酸化剤ガス流路９（以下、ＧＤＬ側酸化剤ガス流路９）とカソードセパレータ６Ｂに設けられた酸化剤ガス流路９（以下、セパレータ側酸化剤ガス流路９）が、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成されている。
このように構成された本実施の形態１０に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態１０においては、ＧＤＬ側酸化剤ガス流路９とセパレータ側酸化剤ガス流路９が、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成したがこれに限定されない。ＧＤＬ側酸化剤ガス流路９とセパレータ側酸化剤ガス流路９のそれぞれに、酸化剤ガスが通流するように構成されていれば、ＧＤＬ側酸化剤ガス流路９とセパレータ側酸化剤ガス流路９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、互いに重ならない部分を有するように形成されていてもよい。
また、本実施の形態１０においては、カソードガス拡散層３Ｂとカソードセパレータ６Ｂの両方に、第２酸化剤ガス流路９２を設ける構成としたが、これに限定されない。例えば、カソードガス拡散層３Ｂのみに第２酸化剤ガス流路９２を設ける構成としてもよい。また、カソードセパレータ６Ｂのみに第２酸化剤ガス流路９２を設ける構成としてもよい。さらに、カソードガス拡散層３Ｂ及びカソードセパレータ６Ｂの両方に、第２酸化剤ガス流路９２を設けない構成としてもよい。
なお、上記実施の形態１〜１０（変形例含む）においては、カソードセパレータ６Ｂのみを本発明に係るセパレータとして用いる構成としたが、これに限定されず、アノードセパレータ６Ａのみを本発明に係るセパレータとして用いる構成としてもよく、また、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの両方を本発明に係るセパレータとして用いる構成としてもよい。
また、本発明の作用効果が得られる範囲において、第２反応ガス流路（第２酸化剤ガス流路９２）の一部の断面積が、第１反応ガス流路（第１酸化剤ガス流路９１）の断面積よりも大きくなるように形成されていてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能であるため、燃料電池の分野で有用である。
１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード触媒層
２Ｂ カソード触媒層
３Ａ アノードガス拡散層
３Ｂ カソードガス拡散層
４Ａ アノード電極
４Ｂ カソード電極
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ アノードセパレータ
６Ｂ カソードセパレータ
７ ガスケット
８ 燃料ガス流路
８ａ 直線部
８ｂ 折り返し部
９ 酸化剤ガス流路
９ａ 直線部
９ｂ 折り返し部
１０ 冷却媒体流路
１１ 第１リブ部
１２ 第２リブ部
１３ 補強部材
１９ 第１接続流路
２０ 第２接続流路
３１ 燃料ガス供給マニホールド孔
３２ 燃料ガス排出マニホールド孔
３３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
３３Ａ 第１酸化剤ガス供給マニホールド孔
３３Ｂ 第２酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５ 冷却媒体供給マニホールド孔
３６ 冷却媒体排出マニホールド孔
４０Ｂ 周縁部
６１ 燃料電池スタック
６２ セル積層体
６３ 第１の端板
６４ 第２の端板
９１ 第１酸化剤ガス流路
９１ 部分９１Ａ
９１ 部分９１Ｂ
９２ 第２酸化剤ガス流路
１００ 燃料電池
１３１ 燃料ガス供給マニホールド
１３２ 燃料ガス排出マニホールド
１３３ 酸化剤ガス供給マニホールド
１３４ 酸化剤ガス排出マニホールド
１３５ 冷却媒体供給マニホールド
１３６ 冷却媒体排出マニホールド
２００ セル
２０１ 高分子膜
２０１Ｐ 部分
２０１Ｗ 酸素極境界膜部分、燃料極境界膜部分
２０２Ｃ 酸素極触媒層
２０３Ｃ 燃料極触媒層
２０４ 補強部材
２０４Ｅ 内側端部
２０５ 補強部材
２０５Ｅ 内側端部

Claims (13)

  1. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
    板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、
    前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、
    前記膜−電極接合体は、一対の前記セパレータに挟まれ、
    前記セパレータは、その主面に厚み方向に貫通するように反応ガス供給マニホールド孔と反応ガス排出マニホールド孔が形成され、前記電極と接触する一方の主面には、前記反応ガス供給マニホールド孔に接続された溝状の第１接続流路と、前記反応ガス排出マニホールド孔に接続された溝状の第２接続流路と、が複数形成され、
    前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方の主面には、一端が前記第１接続流路と連通し、他端が前記第２接続流路と連通する溝状の反応ガス流路が複数形成され、
    前記複数の反応ガス流路は、
    前記セパレータの厚み方向から見て、その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と２回重なり、かつ、当該周縁部と重なる部分の長さが所定の長さ以下である反応ガス流路を第１反応ガス流路と定義し、
    その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と重なり、かつ、当該周縁部と重なる部分の長さが前記所定の長さより長い反応ガス流路を第２反応ガス流路と定義した場合に、
    前記第２反応ガス流路は、該第２反応ガス流路を通流する反応ガスの流量の方が前記第１反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流量よりも小さくなるように構成されている、高分子電解質形燃料電池。
  2. 前記第２反応ガス流路は、該第２反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流体抵抗が前記第１反応ガス流路を通流する前記反応ガスの流体抵抗よりも大きくなるように構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  3. 前記第２反応ガス流路は、その断面積が前記第１反応ガス流路の断面積よりも小さくなるように構成されている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  4. 前記第２反応ガス流路は、該第２反応ガス流路の流路の長さの方が前記第１反応ガス流路の流路の長さよりも長くなるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  5. 前記複数の反応ガス流路は、互いに並走するように形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  6. 補強部材をさらに備え、
    前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  7. 前記補強部材は、その一部が、前記触媒層の他方の主面と接触し、かつ、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重なるように配設されている、請求項６に記載の高分子電解質形燃料電池。
  8. 前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重ならないように配設されている、請求項６に記載の高分子電解質形燃料電池。
  9. 前記補強部材は、樹脂で形成されている、請求項６に記載の高分子電解質形燃料電池。
  10. 前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの一方の主面に形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  11. 前記複数の反応ガス流路は、前記ガス拡散層の一方の主面に形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  12. 前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの一方の主面及び前記ガス拡散層の一方の主面のそれぞれに形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  13. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
    板状に形成され、導電性を有するセパレータと、を備え、
    前記電極は、一方の主面が前記高分子電解質膜と接触する触媒層とガス拡散層を有し、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記高分子電解質膜の外周より内方に位置するように形成され、
    前記膜−電極接合体は、一対の前記セパレータに挟まれ、
    前記セパレータは、その主面に厚み方向に貫通するように反応ガス供給マニホールド孔と反応ガス排出マニホールド孔が形成され、前記電極と接触する一方の主面には、前記反応ガス供給マニホールド孔に接続された溝状の第１接続流路と、前記反応ガス排出マニホールド孔に接続された溝状の第２接続流路と、が複数形成され、
    前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方の主面には、一端が前記第１接続流路と連通し、他端が前記第２接続流路と連通する溝状の反応ガス流路が複数形成され、
    前記電極の周縁部を電極の外端と該外端から内方に所定の距離離れた部分との間の領域と定義した場合に、
    前記複数の反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その上流端から下流端に辿った場合に、前記電極の周縁部と２回重なるように構成されている、高分子電解質形燃料電池。
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