JP2005158299A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いること。
【解決手段】燃料電池１０は、膜電極接合体２１に当接するカソードセパレータ２２のリブ７０およびアノードセパレータ２３のリブ８０上のシール材６０の配置位置に対応する押圧領域ＰＡに、押圧力低減手段としてのリブ高さが低い浅リブ部７１、８１を備えている。この結果、冷却液流路５０（冷却ガス流路２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７との間にシール材６０を備える場合に問題となる、シール材６０に起因して膜電極接合体２１に加わる高い押圧が低減または解消される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。

固体電解質膜型の燃料電池においては、起電反応に伴いカソード側に生成される水分（生成水）による発電効率の低下が問題となっている。そこで、生成水を除去するための技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータの素材に多孔質体（ポーラス）を用いることで、生成水をセパレータに吸い上げる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１−５０８７２６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、燃料電池を冷却する冷却液として不凍液を用いた場合に、セパレータ上を流れる不凍液成分が多孔質体を介して電解質膜に到達し、電解質膜に損傷を与えてしまうおそれがあった。一方、冷却液として純水を使用すれば、氷点下以下の環境下で凍結してしまうため現実的でない。

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、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用い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、燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体と、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第２のセパレータとを備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置されるシール材と、
前記シール材に起因して前記膜電極接合体に加わる押圧力を、低減させる押圧力低減手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、冷却液流路と冷却ガス流路との間にシール材が配置されるので、冷却液流路から冷却ガス流路への冷却液の移動を防止することができる。したがって、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において不凍液を冷却液として用いることができる。さらに、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を、低減させる押圧力低減手段を備えるので、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止することができると共に、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には、前記シール材の配置位置に対応する対応位置以外の位置に第１の突状部が形成されていると共に前記対応位置に前記第１の突状部よりも高さの低い第２の突状部が形成されており、前記押圧力低減手段は、前記第２の突状部であっても良い。かかる場合には、第１の突状部よりも高さの低い押圧力低減手段としての第２の突状部によって、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には、突状部が形成されており、前記押圧力低減手段は、前記シール材の配置位置に対応する対応位置において前記突状部に形成されている溝部であっても良い。かかる場合には、押圧力低減手段としての突状部に形成されている溝部によって、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は、その両面に触媒層が形成されている電解質膜と、前記触媒層の両面に配置される拡散層とを備え、前記押圧力低減手段は、前記拡散層における前記シール材の配置位置に対応する対応位置に形成された凹状部であっても良い。かかる場合には、押圧力低減手段として拡散層に形成された凹状部によって、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による拡散層の潰れを抑制または低減して反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散を維持することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１のセパレータの前記反応ガス流路には第１の突状部が形成され、前記第２のセパレータの前記反応ガス流路には第２の突状部が形成され、前記押圧力低減手段は、前記シール材の配置位置に対応する対応位置において、互い違いに形成された前記第１の突状部および第２の突状部であっても良い。かかる場合には、第１のセパレータおよび第２のセパレータの反応ガス流路において、シール材の配置位置に対応する対応位置に互い違いに形成された押圧力低減手段としての第１の突状部および第２の突状部によって、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には突状部が形成され、前記シール材の配置位置に対応する対応位置における前記突状部は、多孔質材によって形成されており、前記押圧力低減手段は、前記多孔質材によって形成された前記突状部であっても良い。かかる場合には、押圧力低減手段として、シール材の配置位置に対応する対応位置に多孔質材によって形成された突状部を備えるので、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は、その両面に触媒層が形成されている電解質膜と、前記触媒層の両面に配置される拡散層とを備え、前記拡散層は、他の位置における気孔率よりも高い気孔率を有する高気孔率部を前記シール材の配置位置に対応する対応位置に有し、前記押圧力低減手段は前記高気孔率部であっても良い。かかる場合には、押圧力低減手段として拡散層に形成された高気孔率部によって、拡散層の剛性を低減することができる。したがって、シール材に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減し、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止し、また、押圧力による拡散層の潰れを抑制または低減して反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散を維持することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成されても良い。かかる場合には、多孔質部から生成水を始めとする水分を排出することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通していても良い。かかる場合には、多孔質部によって加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることができるので、反応ガスを加湿するための加湿器が不要、あるいは加湿器の小型化を図ることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気であっても良い。かかる場合には、冷却ガスを反応ガスとしての酸化ガスとして用いることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記不凍液はエチレングリコール水溶液であっても良い。

本発明の第２の態様は、少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと、一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、前記各単電池の隣接部において、前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離するシール材と、前記シール材に起因して前記膜電極接合体に加わる押圧力を、低減させる押圧力低減手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第２の態様に係る燃料電池は、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。

以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、いくつかの実施例に基づいて説明する。

図１〜図４を参照して本実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。図２は本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。図３は本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。図４は本実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。

本実施例に係る燃料電池１０は、複数の単セル２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１を備えている。複数の単セル２０は、２枚のエンドプレート３０によって挟まれ、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック状の燃料電池１０を形成する。

単セル２０は、膜電極接合体２１、カソードセパレータ２２、アノードセパレータ２３とによって構成されている。単セル２０は、カソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とが接するようにして複数個積層される。

膜電極接合体２１は、イオン交換膜からなる電解質膜２１１と、電解質膜２１１の一方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、アノード電極、図示せず）、電解質膜２１１の他方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、カソード電極、図示せず）、各触媒層のセパレータ対向面に配置された拡散層２１２とを備えている。なお、膜電極接合体２１は、電解質膜２１１と触媒層（電極）から構成されるものとし、これに別体の構成部材として拡散層が備えられても良い。いずれの場合にも、電解質膜２１１、触媒層および拡散層が両セパレータ２２、２３によって挟持される。

カソードセパレータ２２は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ２２は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図２および図３における下側中央領域には多孔質部４０にて形成されている。多孔質部４０は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、燒結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部４０は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。

カソードセパレータ２２は、膜電極接合体２１（カソード電極）との接触面である第１の面２２ａと冷却流路が形成されている第２の面２２ｂとを備えている。カソードセパレータ２２は、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２２２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２２２ｂを備えている。これら各形成部２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。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。

カソードセパレータ２２は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂを備えている。これら各形成部２２３ａ、２２３ｂ、２２４ａ、２２４ｂは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。これら冷却液および冷却ガスは、燃料電池１０を冷却するために用いられる。冷却液としては、氷点下環境下における凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールを成分に含む不凍液が用いられている。冷却ガスとしては、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。各マニホールド形成部の周囲には、各流体の混合を防止するためにシール材６０が配置されている。

カソードセパレータ２２の第１の面２２ａについて、図２を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第１の面２２ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより酸化ガス流路（反応ガス流路）を形成する酸化ガス（反応ガス）流路形成部２２５が形成されている。酸化ガス流路形成部２２５は、リブ（長い突状部）７０によって複数の直線状の流路形成部に区画されている。リブ７０は、押圧力低減手段として、酸化ガス流路形成部２２５の底面形成部２２５ａよりは高く、リブ７０よりは低い高さの浅リブ部７１を有している。

後述するように、各セパレータ２２、２３の第２の面２２ｂ、２３ｂにおいて冷却液流路５０（冷却液流路形成部２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間にはシール材６０が配置されている。シール材６０は通常、押圧シールによってシール機能を提供するため、シール材６０に起因して、膜電極接合体２１の電解質膜２１１におけるシール材６０の配置位置に対応する位置（押圧領域）ＰＡには、他の位置（領域）における押圧力よりも大きな押圧力が加わる。浅リブ部７１は、シール材６０の配置位置に対応する膜電極接合体２１の電解質膜２１１に加わる押圧力を低減するために、シール材６０の配置位置に対応するリブ７０上の位置に形成されている。

なお、酸化ガス流路としては、直線状流路の他に、サーペンタイン流路の形状を取っても良い。さらに、酸化ガス流路形成部２２５は、リブ７０に代えて、複数の突起を備え、複数の突起によって酸化ガス流路を区画してもよい。かかる場合にも、シール材６０の配置位置に対応する突起の高さは、他の位置（領域）における突起の高さより低く形成され、シール材６０の配置位置に対応する膜電極接合体２１の電解質膜２１１に加わる押圧力を低減することはいうまでもない。

酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａから酸化ガス流路形成部２２５に導入された酸化ガスは、例えば、図２に示すように流動して、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂからセパレータ外（酸化ガス排気マニホールド）へ排出される。

一般的に、燃料電池１０のカソード側では、起電反応に伴い水（生成水）が生成されるため、酸化ガス流路形成部２２５の領域のうち、酸化ガス供給マニホールド形成部２２１ａに近い領域ＤＡは比較的乾燥している一方で、酸化ガス排気マニホールド形成部２２１ｂに近い領域ＷＡは湿潤傾向となりやすい。これに対して、本実施例では、カソードセパレータ２２の下部は、多孔質部４０から構成されているので、生成された水は多孔質部４０に吸収され、後述する冷却ガス流路５５に排出されるので、いわゆるフラッディングが防止される。

カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂについて、図３を参照して詳述する。カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂは、緻密質部である上位領域ＵＡに冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０を含む下位領域ＬＡに冷却ガス流路形成部２２７を備えている。冷却液流路形成部２２６および冷却ガス流路形成部２２７は、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ２３の第２の面２３ｂとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路５０および冷却ガス流路５５を形成する。

冷却液流路形成部２２６は、冷却液供給マニホールド形成部２２３ａおよび冷却液排出マニホールド形成部２２３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路形成部２２７は、冷却ガス供給マニホールド形成部２２４ａ、および冷却ガス排気マニホールド形成部２２４ｂと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。

冷却ガス流路形成部２２７を通過する冷却ガスは、多孔質部４０を通過する際に加湿される。多孔質部４０は、既述のように生成水を含んでいるので、乾いた冷却ガスが通過（接触）すると、毛細管現象、気化現象によって含有している水分が冷却ガスによって奪われる、すなわち、冷却ガスが加湿される。したがって、冷却ガス排気マニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとを連通することによって、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。

冷却液流路５０（冷却液流路形成部２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間には、シール材６０が配置されている。このシール材６０は冷却液流路５０から冷却ガス流路５５への冷却液の移動を防止する。カソードセパレータ２２の第２の面におけるシール材６０周辺の押圧領域ＰＡは、通常、押圧シールによってシール機能を提供するシール材６０によって、カソードセパレータ２２の第２の面における他の領域よりも高い押圧力が発生する領域となる。したがって、浅リブ部７１等の押圧力低減手段が備えられていない場合には、膜電極接合体２１には、カソードセパレータ２２の第１の面におけるリブ７０を介して高い押圧力が作用する。本実施例において押圧領域ＰＡとは、シール材６０によって高い押圧力が加わるセパレータ上、膜電極接合体上の領域、すなわち、シール材６０の配置位置に対応する位置、を意味するものとする。

アノードセパレータ２３は、カソードセパレータ２２と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。本実施例におけるアノードセパレータ２３は、緻密質部のみで形成されている。アノードセパレータ２３は、膜電極接合体２１（アノード電極）との接触面である第１の面２３ａと、冷却流路が形成されている第２の面２３ｂとを備えている。

アノードセパレータ２３は、酸化ガス供給マニホールド形成部２３１ａ、酸化ガス排気マニホールド形成部２３１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａ、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂを備えている。これら各形成部２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。

アノードセパレータ２３は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部２３３ａ、冷却液排出マニホールド形成部２３３ｂ、冷却ガス供給マニホールド形成部２３４ａ、冷却ガス排気マニホールド形成部２３４ｂを備えている。これら各形成部２３３ａ、２３３ｂ、２３４ａ、２３４ｂは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。

アノードセパレータ２３の第１の面２３ａについて、図４を参照して詳述する。アノードセパレータ２３の第１の面２３ａの略中央には、膜電極接合体２１と接し、覆われることにより燃料ガス流路（反応ガス流路）を形成する燃料ガス（反応ガス）流路形成部２３５が形成されている。

燃料ガス流路形成部２３５は、リブ（長い突状部）８０によって複数の直線状の流路形成部に区画されている。リブ８０は、押圧力低減手段として、燃料ガス流路形成部２３５の底面形成部２３５ａよりは高く、リブ８０よりは低い高さの浅リブ部８１を有している。

既述のように、各セパレータ２２、２３の第２の面２２ｂ、２３ｂにおいて冷却液流路５０（冷却液流路形成部２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間にはシール材６０が配置されている。浅リブ部８１は、シール材６０の配置位置に対応する膜電極接合体２１の電解質膜２１１に加わる押圧力を低減するために、シール材６０の配置位置に対応するリブ８０上の位置に形成されている。

なお、燃料ガス流路としては、直線状流路の他に、サーペンタイン流路の形状を取っても良い。さらに、燃料ガス流路形成部２２５は、リブ８０に代えて、複数の突起を備え、複数の突起によって燃料ガス流路を区画してもよい。かかる場合にも、シール材６０の配置位置に対応する突起の高さは、他の位置（領域）における突起の高さより低く形成され、シール材６０の配置位置に対応する膜電極接合体２１の電解質膜２１１に加わる押圧力を低減することはいうまでもない。

燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａから燃料ガス流路形成部２３５に導入された燃料ガスは、例えば、図４中矢印にて示すように流動して、燃料ガス排気マニホールド形成部２３２ｂからセパレータ外へ排出される。

アノードセパレータ２３の第２の面２３ｂの構成は、多孔質部４０を備えていない点を除いて、カソードセパレータ２２の第２の面２２ｂと同様であるから、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図５〜図８を参照して本実施例における押圧力低減手段である浅リブ部７１、８１について詳述する。図５は本実施例に係る燃料電池１０の一部を縦方向に（例えば、図３の５−５線にて）切断した縦断面を模式的に示す説明図である。図６は本実施例における浅リブ部７１、８１を詳細に示す拡大断面図である。図７は本実施例における浅リブ部７１、８１によって得られる作用効果を模式的に示す説明図である。図８は浅リブ部７１、８１を備えない場合において、シール材６０によってもたらされる問題点を模式的に示す説明図である。

図５および図６に示すとおり、リブ７０、８０におけるシール材６０の配置位置に対応する押圧領域ＰＡには、リブ高さが低い浅リブ部７１、８１が形成されている。この結果、シール材６０に起因する押圧力は、押圧領域ＰＡにおいてリブ７０、８０から、そのまま膜電極接合体２１に加わることはなく、図７に示すように、シール材６０に起因して膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる押圧力を低減することができる。また、シール材６０に起因する押圧力によって、拡散層が押しつぶされることもないので、反応ガスの拡散性を維持することができる。

これに対して、図８に例示する、リブ１００が押圧力低減手段としての浅リブ部を有しない従来例では、シール材６０に起因する高い押圧力が、リブ１００を介して膜電極接合体１１０に作用し、電解質膜１１１を痛めるおそれがある。また、シール材６０に起因する押圧力によって、拡散層１１２が押しつぶされ、反応ガスが拡散しにくくなる。

以上説明したように、本実施例に係る燃料電池１０は、冷却液流路５０（冷却ガス流路２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間にシール材６０を備えるので、冷却液としてエチレングリコール等の不凍液を用いても、冷却液が多孔質部４０から膜電極接合体２１に到達することはない。したがって、不凍液のアルコール成分による電解質膜２１１の溶解を防止することができる。

また、冷却液流路５０（冷却ガス流路２２６）と冷却ガス流路５５（冷却ガス流路形成部２２７）との間にシール材６０を備える場合には、シール材６０に起因する膜電極接合体２１に対する高い押圧が問題となるが、本実施例に係る燃料電池１０は、膜電極接合体２１に当接するリブ７０、８０におけるシール材６０の配置位置に対応する押圧領域ＰＡに、押圧力低減手段としてのリブ高さが低い浅リブ部７１、８１を備えている。したがって、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７０、８０を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。この結果、シール材６０に起因して膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる押圧力を低減することができる。また、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

また、本実施例では、冷却ガスマニホールドの末端（下流）部分ＭＥと、酸化ガス供給マニホールドの先端（上流）部分ＭＴとが連通されているので、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。したがって、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、若しくは加湿器を小型化することができる。

・押圧力低減手段の他の態様：
（１）図９を参照して押圧力低減手段の第１の他の態様について説明する。図９は押圧力低減手段としてリブ７０、８０に切り欠き部７２、８２を備える第１の他の態様を示す説明図である。第１の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応するリブ７０、８０上の位置に、酸化ガス流路形成部２２５および燃料ガス流路形成部２３５の底面形成部２２５ａ、２３５ａまで切り欠かれた切り欠き部７２、８２が押圧力低減手段として備えられている。かかる切り欠き部７２、８２によって、当該部分におけるリブ７０、８０の剛性が低減され、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７０、８０を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（２）図１０を参照して押圧力低減手段の第２の他の態様について説明する。図１０は押圧力低減手段としてリブ７０、８０に複数のスリット７３、８３を備える第２の他の態様を示す説明図である。第２の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応するリブ７０、８０上の位置に、複数のスリット７３、８３が押圧力低減手段として備えられている。かかる複数のスリット７３、８３によって、当該部分におけるリブ７０、８０の剛性が低減され、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７０、８０を介してそのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（３）図１１を参照して押圧力低減手段の第３の他の態様について説明する。図１１は押圧力低減手段としてリブ７０、８０に互い違いの複数の切り欠き部７４、８４を備える第３の他の態様を示す説明図である。第３の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応するリブ７０、８０上の位置に、互い違いの複数の切り欠き部７４、８４が押圧力低減手段として備えられている。切り欠き部７４、８４は、酸化ガス流路形成部２２５および燃料ガス流路形成部２３５の底面形成部２２５ａ、２３５ａまで切り欠かれた切り欠き部位が、他方のセパレータの切り欠き部７４、８４が形成されていないリブ７０、８０に対応するように形成されている。したがって、リブ７０、８０による膜電極接合体２１の適切な挟持を維持することができる。また、リブ７０、８０による膜電極接合体２１に対する押圧分布（面圧分布）を均一化することが可能になるので、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７０、８０を介してそのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。さらに、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（４）図１２を参照して押圧力低減手段の第４の他の態様について説明する。図１２は押圧力低減手段として互い違いに配置されるリブ７５、８５を備える第４の他の態様を示す説明図である。第４の他の態様では、冷却液流路形成部２２６（冷却液流路５０）および冷却ガス流路形成部２２７（冷却ガス流路５５）と、酸化ガス流路形成部２２５および燃料ガス流路形成部２３５とが平行（同方向）に形成されている。第４の他の態様では、膜電極接合体２１と当接するリブ７５、８５が、互い違い、すなわち、リブ７５と８５とが重なり合わないように配置されている。したがって、リブ７５、８５による膜電極接合体２１に対する押圧分布（面圧分布）を均一化することが可能となり、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７５、８５を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（５）図１３を参照して押圧力低減手段の第５の他の態様について説明する。図１３は押圧力低減手段としてリブ７０、８０に多孔質部７６、８６を備える第５の他の態様を示す説明図である。第５の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応するリブ７０、８０上の位置に、多孔質部７６、８６が押圧力低減手段として備えられている。多孔質部７６、８６は、当該部分におけるリブ７０、８０の剛性を低減するので、シール材６０に起因する押圧力が、リブ７０、８０を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力による拡散層２１２のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（６）図１４を参照して押圧力低減手段の第６の他の態様について説明する。図１４は押圧力低減手段として膜電極接合体２１の拡散層２１２に浅溝部７７、８７を備える第５の他の態様を示す説明図である。第６の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応する拡散層２１２上の位置に、浅溝部７７、８７が押圧力低減手段として備えられている。かかる浅溝部７７、８７によって、当該部分における拡散層２１２の剛性が低減され、シール材６０に起因する押圧力が、拡散層２１２を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力により拡散層２１２がつぶれたとしても、高気孔率部７７、８７によって反応ガスの拡散性が向上されるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。

（７）図１５を参照して押圧力低減手段の第７の他の態様について説明する。図１５は押圧力低減手段として膜電極接合体２１の拡散層２１２に多孔質部７８、８８を備える第６の他の態様を示す説明図である。第７の他の態様では、シール材６０の配置位置に対応する拡散層２１２上の位置に、気孔率が他の部位よりも高い高気孔率部７８、８８が押圧力低減手段として備えられている。かかる高気孔率部７８、８８によって、当該部分における拡散層２１２の剛性が低減され、シール材６０に起因する押圧力が、拡散層２１２を介して、そのまま膜電極接合体２１上の押圧領域ＰＡに加わる事態を防止することができる。また、シール材６０に起因する押圧力により拡散層２１２がつぶれたとしても、高気孔率部７８、８８によって反応ガスの拡散性が向上されるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。なお、高気孔率部７８、８８は、拡散層２１２の他の部位と比べて、気孔率が高い部位を意味する。

・その他の実施例：
上記実施例では、押圧力低減手段がカソードセパレータ２２およびアノードセパレータ２３の双方、あるいは、アノード側拡散層およびカソード側拡散層の双方に備えられているが、いずれか一方のみに備えられていても良い。

上記実施例では、カソードセパレータ２２のみが多孔質部４０を備えているが、アノードセパレータ２３に多孔質部４０を備えても良い。アノード側においても逆浸透等により水分が出現することがあり、多孔質部４０を備えることにより、出現した水分を容易に除去することができる。

上記実施例では、冷却ガスとして空気を用いているが、水素等の燃料ガスを用いても良い。かかる場合には、乾燥しがちなアノード側に対して、別体の加湿装置を備えることなく加湿された水素を供給することができる。

上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。

以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第２の面（冷却流路側面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第１の面（膜電極接合体との接触面）の構成を模式的に示す説明図である。 本実施例に係る燃料電池１０の一部を縦方向に（例えば、図３の５−５線にて）切断した縦断面を模式的に示す説明図である。 本実施例における浅リブ部７１、８１を詳細に示す拡大断面図である。 本実施例における浅リブ部７１、８１によって得られる作用効果を模式的に示す説明図である。 浅リブ部７１、８１を備えない場合において、シール材６０によってもたらされる問題点を模式的に示す説明図である。 押圧力低減手段としてリブ７０、８０に切り欠き部７２、８２を備える第１の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段としてリブ７０、８０に複数のスリット７３、８３を備える第２の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段としてリブ７０、８０に互い違いの複数の切り欠き部７４、８４を備える第３の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段として互い違いに配置されるリブ７５、８５を備える第４の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段としてリブ７０、８０に多孔質部７６、８６を備える第５の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段として膜電極接合体２１の拡散層２１２に浅溝部７７、８７を備える第５の他の態様を示す説明図である。 押圧力低減手段として膜電極接合体２１の拡散層２１２に多孔質部７８、８８を備える第６の他の態様を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…単セル
２１…膜電極接合体
２２…カソードセパレータ
２２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２２２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２２３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２２３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２２４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２２４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２２５…酸化ガス流路形成部
２２６…冷却液流路形成部
２２７…冷却ガス流路形成部
２２ａ…第１の面
２２ｂ…第２の面
２３…アノードセパレータ
２３１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ…酸化ガス排気マニホールド形成部
２３２ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ…燃料ガス排気マニホールド形成部
２３３ａ…冷却液供給マニホールド形成部
２３３ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
２３４ａ…冷却ガス供給マニホールド形成部
２３４ｂ…冷却ガス排気マニホールド形成部
２３ａ…第１の面
２３ｂ…第２の面
２３５…燃料ガス流路形成部
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
４０…多孔質部
５０…冷却液流路
５５…冷却ガス流路
６０…シール材
７０、８０…リブ
７１、８１…浅リブ部
７２、８２…切り欠き部
７３、８３…スリット
７４、８４…互い違いの複数の切り欠き部
７５、８５…互い違いに配置されるリブ
７６、８６…多孔質部
７７、８７…浅溝部
７８、８８…高気孔率部

Claims (12)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記 膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第１ の面と、前記緻密質部に形成された第１の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成され た第１の冷却ガス流路形成部とを有する第２の面とを備える第１のセパレータと、
   前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有す る第１の面と、第２の冷却液流路形成部と第２の冷却ガス流路形成部とを有する第２の 面とを備える第２のセパレータと
   を備える単電池と、
   前記単電池が積層され、前記第１のセパレータの第２の面と前記第２のセパレータの第２の面とが組み合わされた際に、前記第１の冷却液流路形成部と前記第２の冷却液流路形成部とによって形成されると共に不凍液が流れる冷却液流路と、前記第１の冷却ガス流路形成部と前記第２の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置されるシール材と、
   前記シール材に起因して前記膜電極接合体に加わる押圧力を、低減させる押圧力低減手段とを備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には、前記シール材の配置位置に対応する対応位置以外の位置に第１の突状部が形成されていると共に前記対応位置に前記第１の突状部よりも高さの低い前記押圧低減手段としての第２の突状部が形成されており、
   前記押圧力低減手段は、前記第２の突状部である燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には、突状部が形成されており、
   前記押圧力低減手段は、前記シール材の配置位置に対応する対応位置において前記突状部に形成されている溝部である燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記膜電極接合体は、その両面に触媒層が形成されている電解質膜と、前記触媒層の両面に配置される拡散層とを備え、
   前記押圧力低減手段は、前記拡散層における前記シール材の配置位置に対応する対応位置に形成された凹状部である燃料電池。
5. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１のセパレータの前記反応ガス流路には第１の突状部が形成され、
   前記第２のセパレータの前記反応ガス流路には第２の突状部が形成され、
   前記押圧力低減手段は、前記シール材の配置位置に対応する対応位置において、互い違いに形成された前記第１の突状部および第２の突状部である燃料電池。
6. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１および第２のセパレータの前記反応ガス流路には突状部が形成され、
   前記シール材の配置位置に対応する対応位置における前記突状部は、多孔質材によって形成されており、
   前記押圧力低減手段は、前記多孔質材によって形成された前記突状部である燃料電池。
7. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記膜電極接合体は、その両面に触媒層が形成されている電解質膜と、前記触媒層の両面に配置される拡散層とを備え、
   前記拡散層は、他の位置における気孔率よりも高い気孔率を有する高気孔率部を前記シール材の配置位置に対応する対応位置に有し、
   前記押圧力低減手段は前記高気孔率部である燃料電池。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第２のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第２の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第２の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成される燃料電池。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記冷却ガス流路の下流端は、前記第１のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通している燃料電池。
10. 請求項９に記載の燃料電池において、
    前記第１のセパレータはカソード側のセパレータであり、
    前記第２のセパレータはアノード側のセパレータであり、
    前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気である燃料電池。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池において、
    前記不凍液はエチレングリコール水溶液である燃料電池。
12. 少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと、一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える複数の単電池から構成される燃料電池であって、
    前記各単電池の隣接部において、
    前記緻密質部に対応する部分に形成され、不凍液が流れる冷却液流路と、
    前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、
    前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離するシール材と、
    前記シール材に起因して前記膜電極接合体に加わる押圧力を、低減させる押圧力低減手段とを備える燃料電池。

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