JP2007242512A - 燃料電池、および、燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を３つ以上のブロックに分けた場合において、各ブロックに属する各ＭＥＡに対して、反応ガスを容易に給排することが可能な技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池２００は、積層体の積層方向に３つ以上のブロックＢ１〜Ｂ５に分けられると共に、積層体の積層方向に沿って形成されるガスマニホールド２１０と、触媒電極で電気化学反応に供される反応ガスを流すための３つ以上の反応ガス流路が設けられ、これら反応ガス流路が互いに連通しないようにして、一体に形成される流路形成部材５００とを備える。そして、流路形成部材の３つ以上の反応ガス流路は、流路形成部材がガスマニホールドに挿入されることにより、各ブロックのうち、それぞれ異なるブロックに対応づけられ、それぞれ対応するブロックに属する積層体に対して、反応ガスを給排することを可能とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させた燃料電池に関する。

近年、水素と酸素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。この燃料電池としては、電解質層の両面に触媒電極（カソードまたはアノード）を配置した膜−電極接合体（以下では、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と呼ぶ。）を、セパレータを介在させ、複数積層させてスタックを構成する構造が知られている。この場合、各膜電極接合体において、触媒電極とセパレータとの間には、触媒電極で電気化学反応に供される反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給するための反応ガス流路が構成される（特許文献１参照）。なお、この反応ガス供給流路において、カソードとセパレータとの間に形成される流路を、以下では、酸化ガス供給流路とも呼び、アノードとセパレータとの間に形成される流路を、以下では、燃料ガス供給流路とも呼ぶ。

ところで、上述した燃料電池の各ＭＥＡのカソードでは、電気化学反応により水が生成され、この生成水は、酸化ガス供給流路で凝縮する場合がある。この凝縮水は、例えば、酸化ガスと共に酸化ガス供給流路外に排出されるが、一部は、酸化ガス供給流路内に滞留する場合がある。この場合、酸化ガス供給流路を流れる酸化ガスは、この滞留する凝縮水により圧力損失を生じる。また、各酸化ガス供給流路において、滞留する凝縮水を排出する速度は、同等とは限らないので、各酸化ガス供給流路の凝縮水の滞留量には、ばらつきが生じる。従って、各酸化ガス供給流路において、凝縮水の滞留量にばらつきがあると、酸化ガスの圧力損失の大きさにもばらつきが生じる。その結果、各酸化ガス供給流路へ供給される酸化ガス量にもばらつきが生じ、言い換えれば、各ＭＥＡのカソードに給排される酸化ガス量にばらつきが生じるおそれがあった。そのため、燃料電池全体で、発電効率が低下するおそれがあった。

なお、上記問題は、酸化ガス供給流路に限られず、燃料ガス供給流路においても該当する問題である。なぜなら、燃料ガス供給流路においても電解質膜を透過してくるなどした凝縮水が滞留する場合があるからである。これにより、各ＭＥＡのアノードに給排される燃料ガス量にもばらつきが生じるおそれがある。

このような問題を解決するために、例えば、燃料電池において、反応ガスをＭＥＡに対して給排するためのガスマニホールドの内部に、反応ガスを所定の領域（ブロック）に属するＭＥＡに導く流路形成部材を設けることが知られている（特許文献２参照）。そして、この燃料電池では、流路形成部材により、そのブロックに属する各ＭＥＡ（触媒電極）への反応ガスの給排量を変化させて、各ＭＥＡ（触媒電極）に供される反応ガス量のばらつきを抑制するようにしている。

特開平１０−１２１２８４号公報 特開平５−１２９０３２号公報

しかしながら、上述のように、ガスマニホールドに流路形成部材を設ける従来の燃料電池では、燃料電池において、燃料電池を３つ以上のブロックに分ける場合、ガスマニホールド内に、流路形成部材を複数設ける必要があった。一方、ガスマニホールドの流路断面積は、燃料電池の大きさに比べて小さいので、このように、ガスマニホールド内に流路形成部材を複数設置する作業は、非常に困難を極めるおそれがあった。このようなことから、燃料電池を３つ以上のブロックに分別した場合において、より容易な技術で、各ブロックに属する各ＭＥＡ（触媒電極）に、それぞれ反応ガスを給排することが可能な技術が望まれていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池を３つ以上のブロックに分けた場合において、各ブロックに属する各ＭＥＡ（触媒電極）に対して、反応ガスを容易に給排することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
少なくとも所定の電解質層の両面に触媒電極を配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記積層体の積層方向に３つ以上のブロックに分けられると共に、
前記積層体の積層方向に沿って形成されるガスマニホールドと、
前記触媒電極で電気化学反応に供される反応ガスを流すための３つ以上の反応ガス流路が設けられ、これら反応ガス流路が互いに連通しないようにして、一体に形成される流路形成部材と、
を備え、
前記流路形成部材の前記３つ以上の反応ガス流路は、
前記流路形成部材が前記ガスマニホールドに挿入されることにより、各ブロックのうち、それぞれ異なるブロックに対応づけられ、それぞれ対応する前記ブロックに属する前記積層体に対して、前記反応ガスを給排することが可能となることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、流路形成部材が、３つ以上の反応ガス流路を一体に備えており、流路形成部材をガスマニホールドに挿入することにより、各反応ガス流路が対応する各ブロックに属する積層体に、容易に、反応ガスを給排することができる。これにより、各積層体に対して給排する反応ガス量のばらつきを抑制することができる。

上記燃料電池において、
各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応するブロックに属する前記積層体の数が多いほど、大きく形成されるようにしてもよい。

このようにすれば、各ブロック間において、各積層体に対して給排する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

上記燃料電池において、
各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応する前記ブロックと該反応ガス流路の前記給排口との距離が遠くなるほど、大きく形成されるようにしてもよい。

このようにすれば、ガスマニホールドの各反応ガス流路において、マニホールド口から遠くなることにより圧力損失が生じても、その影響を抑制することができる。

上記燃料電池において、
各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応するブロックに属する前記積層体の数、および、該反応ガス流路が対応する前記ブロックと該反応ガス流路の前記給排口との距離に応じて形成されるようにしてもよい。

このようにすれば、ガスマニホールドの各反応ガス流路において、マニホールド口から遠くなることにより圧力損失が生じても、その影響を抑制することができ、さらには、各ブロック間において、各積層体に対して給排する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記ブロックのうち、前記燃料電池の前記積層方向における端部のブロックにおいて、該ブロックに属する前記積層体の数は、他のブロックに属する前記積層体の数以下としてもよい。

このようにすれば、端部を含むブロックにおいて、その内部で積層体の圧力損失がばらつくのを抑制することができ、すなわち、そのブロックに属する各積層体に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

上記燃料電池において、
各ブロックは、所定の異なる圧力帯域にそれぞれ対応づけられており、
各ブロックは、
前記反応ガスを流通させた場合の圧力損失が、対応する圧力帯域に属する積層体により構成されることとしてもよい。

このようにすれば、各ブロックにおいて、各積層体の圧力損失がばらつくのを抑制することができ、すなわち、そのブロックに属する各積層体に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

燃料電池の製造方法であって、
（ａ）所定の穴部を備え、少なくとも所定の電解質層の両面に触媒電極を配置した積層体を、セパレータで挟持することにより形成される複数の単セルを用意する工程と、
（ｂ）各単セルにおいて、前記触媒電極で電気化学反応に供される反応ガスを流通した場合の圧力損失を測定する工程と、
（ｃ）各単セルを、前記圧力損失の測定結果が、それぞれ異なる所定の圧力帯域のいずれに該当するか否かで、各単セルを複数のブロックに分別する工程と、
（ｄ）各ブロックごとに、各単セルの各穴部を対応させて積層させることによりガスマニホールドを形成すると共に、該ガスマニホールド内に、前記積層体の積層方向に沿って形成され、互いに連通しない複数のガス流路であって、各ブロックのうち、それぞれ異なるブロックに対応づけられ、それぞれ対応する前記ブロックに属する前記積層体に対して、前記反応ガスを給排するための複数の反応ガス流路を形成する工程と、
を備えたことを要旨とする。

上記構成の燃料電池の製造方法によって製造された燃料電池によれば、各ブロックにおいて、各積層体の圧力損失がばらつくのを抑制することができ、すなわち、そのブロックに属する各積層体に対して給排する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

上記燃料電池の製造方法において、
前記工程（ｄ）は、
（ｄ−１）前記複数の反応ガス流路を内部に形成した流路形成部材を用意する工程と、
（ｄ−２）前記流路形成モールに対して、各ブロックごとに、各単セルの各穴部をくぐらせて積層させていくことにより前記ガスマニホールドを形成する工程と、
を備えるようにしてもよい。

このようにすれば、燃料電池の各単セルの組み付け時において、流路形成部材を用いて容易に位置決めを行いながら組み付けることができる。また、このようにすれば、各反応ガス流路が対応する各ブロックに属する積層体に、容易に、反応ガスを給排することができる。

なお、本発明は、上記した装置発明の態様を、燃料電池の製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、上記した方法発明の態様を、燃料電池などの装置発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．単セル１０の構成：
Ａ３．モジュール２００の製造方法：
Ｂ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、モジュール２００と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。モジュール２００は、２０組の単セル１０から構成され、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、単セル１０が複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、各モジュール２００を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、上記燃料電池１００に対して、図１に示すように、ｘ、ｙ、ｚ方向をそれぞれ定める。

燃料電池１００には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１００を冷却する冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。

燃料電池１００のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク４００から、配管４１５を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。この場合、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成し、水素タンク４００の代わりとして、水素を供給するようにしてもよい。配管４１５には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ４１０および調圧バルブ（図示せず）が配置されている。また、燃料電池１００には、アノードから電気化学反応に供されなかった燃料ガス（以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。）を燃料電池１００外部へ排出するための配管４１７が配置されている。

燃料電池１００のカソードには、エアポンプ４４０から、配管４４４を介して、酸化ガスとしての空気（酸素）が供給される。燃料電池１００のカソードから排出された空気は、配管４４６を介して大気中に放出される。この排ガスを、酸化排ガスとも呼ぶ。

また、燃料電池１００には、ラジエータ４５０から、配管４５５を介して、冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管４５５を介して、ラジエータ４５０に送られ、再び燃料電池１００に循環される。配管４５５上には、循環のための循環ポンプ４６０が配置されている。

燃料電池１００のモジュール２００は、エアポンプ４４０から供給される酸化ガスを各単セル１０に対して供給する酸化ガス供給マニホールドと、水素タンク４００から供給される燃料ガスを各単セル１０に対して供給する燃料ガス供給マニホールドと、ラジエータ４５０から供給される冷却媒体を各単セル１０に対して供給する冷却媒体供給マニホールドと、各単セル１０から排出される酸化排ガスを収集し、燃料電池１００の外部に排出するための酸化排ガス排出マニホールドと、各単セル１０から排出される燃料排ガスを収集し、燃料電池１００の外部に排出するための燃料排ガス排出マニホールドと、モジュール２００を冷却した後の冷却媒体を収集し、配管４５５へ排出するための冷却媒体排出マニホールドとを備えており、それぞれ、各単セル１０を積層方向に貫通するように形成されている。これらは、図１では省略されており、詳細は後述する。

Ａ２．単セル１０の構成：
図２は、本実施例の燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略断面構成を示す説明図である。モジュール２００は、上述したように、単セル１０が積層された構造となっており、図２では、各部品が分解した分解図で示されている。なお、以下では、単セル１０を積層する方向を積層方向（ｘ方向に該当）とも呼ぶ。

単セル１０は、ＭＥＡと、アノード側セパレータ３０と、カソード側セパレータ４０と、シールパッキン６とを備え、ＭＥＡがアノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とに挟持されることにより形成される。ここで、ＭＥＡは、電解質膜１と、電解質膜１を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるアノード２およびカソード３と、これら触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層４，５とを備えている。なお、以下では、ＭＥＡ面（セパレータ面）に平行な方向を面方向とも呼ぶ。

電解質膜１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード２およびカソード３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。ガス拡散層４，５は、例えばカーボン製の多孔質部材である。

シールパッキン６は、ＭＥＡがアノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とに挟持された場合において、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間の絶縁や、触媒電極（アノード２またはカソード３）に供給される反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）のガスシール性を実現する。

アノード側セパレータ３０およびカソード側セパレータ４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。

カソード側セパレータ４０およびアノード側セパレータ３０は、ＭＥＡを挟持しない側の面には、所定の溝部を備えている。そして、単セル１０が積層されることにより、これらの溝部は、冷却媒体供給マニホールドからの冷却媒体を流すための冷却媒体流路７７を形成する。すなわち、各単セル１０間には、それぞれ冷却媒体流路７７が形成される。なお、各単セル１０を積層する場合には、シールパッキン８が各単セル１０間に挿入される。このシールパッキン８は、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間の絶縁や、冷却媒体流路７７に供給される冷却媒体のシール性を実現する。

また、カソード側セパレータ４０およびアノード側セパレータ３０は、図２に示すように、それぞれ、ＭＥＡを挟持する側の面には、所定の溝部を備えており、各セパレータとＭＥＡとを挟持した場合に、それぞれ、酸化ガス供給流路６０、燃料ガス供給流路７０を形成する。

図３は、本実施例における酸化ガス供給流路６０の概略構成を表わす説明図である。この図３（Ａ）は、酸化ガス供給流路６０の流路面を示し、図２の単セル１０におけるＢ−Ｂ断面をｘ方向へ向かって見た図に該当する。図３（ｂ）は、図３（Ａ）の酸化ガス供給流路６０におけるＣ−Ｃ断面をｙ方向に向かって見た図である。

酸化ガス供給流路６０は、図３（Ａ）に示すように、流路形成リブ５７によって形成されるサーペンタイン型の流路構成となっており、酸化ガス供給マニホールド２１０、酸化ガス排出マニホールド２２０と、それぞれ連通部５１、連通部５２を介して接続される。さらに、この酸化ガス供給流路６０中には、断面が略四角形の複数の凸部５５が形成されている。この酸化ガス供給流路６０において、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド２１０から連通部５１を介して供給される酸化ガスは、複数の凸部５５によって攪拌されてカソード３へ導かれると共に、流路形成リブ５７に沿って流れて、連通部５２を介して酸化ガス排出マニホールド２２０に排出される。

なお、燃料ガス供給流路７０についても上記酸化ガス供給流路６０と同様のサーペンタイン型の流路構成となっている。また、カソード側セパレータ４０において、酸化ガス供給マニホールド２１０、酸化ガス排出マニホールド２２０の以外のマニホールド、すなわち、冷却媒体供給マニホールド２５０、冷却媒体排出マニホールド２６０、燃料ガス供給マニホールド２３０、および、燃料ガス排出マニホールド２４０は、図３に示す位置に配置されている。

ところで、カソード３では、電気化学反応により、水が生成され、この生成水は、酸化ガス供給流路６０で凝縮する場合がある。この凝縮水は、酸化ガスと共に、連通部５２を介して酸化ガス排出マニホールド２２０へ排出されるが、一部が滞留する場合がある。この場合、酸化ガス供給流路６０を流れる酸化ガスは、酸化ガス供給流路６０における複数の凸部５５や流路形成リブ５７等による圧力損失（以下では、流路壁圧力損失Δｗと呼ぶ。）に加え、この滞留する凝縮水によっても圧力損失を受ける。以下では、酸化ガス供給流路６０において、酸化ガスが、滞留する凝縮水や複数の凸部５５等から受ける圧力損失を合わせてΔＰｃと呼ぶ。この圧力損失ΔＰｃは、酸化ガスの流量に略比例する。

図４は、本実施例の燃料電池１００におけるモジュール２００の外観を示す説明図である。本実施例のモジュール２００は、図４に示すように、５つのブロックに分けられている。このブロックのうち、酸化ガスの供給方向に近い順に、ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５とする。また、各ブロックにおいて、端部のブロックＢ１，Ｂ５は、単セル１０を２組含み、ブロックＢ２は、単セル１０を６組含み、ブロックＢ３は、単セル１０を４組含み、ブロックＢ４は、単セル１０を６組含む構成となっている。なお、上述の図２は、図４におけるＭ平面をｚ方向から見た図に該当する。また、図４では、酸化ガス供給マニホールド２１０および酸化ガス排出マニホールド２２０以外のマニホールドの図示を省略している。さらに、ターミナル３４０および単セル１０の積層方向の厚さを、それぞれαおよびβとする。

本実施例のモジュール２００の酸化ガス供給マニホールド２１０には、図４に示すように、樹脂形成モールド５００が挿入される。図４の樹脂形成モールド５００において、樹脂形成モールド５００が酸化ガス供給マニホールド２１０に挿入された場合に、酸化ガスが最初に供給される面をｑ面と呼ぶ。また、樹脂形成モールド５００において、ｑ面と対向する面をｕ面と呼ぶ。図４のＲ領域に示す樹脂形成モールド５００の側面をｒ側面と呼ぶ。

図５は、図４のＱ領域およびＲ領域を拡大して示した説明図である。図５（Ａ）は、図４のＱ領域の拡大図を示し、図５（Ｂ）は、図４のＲ領域の拡大図を示す。図６は、酸化ガス供給マニホールド２１０に樹脂形成モールド５００が挿入された状態における図４のＳ領域を示した説明図である。なお、図６では、空洞部ｂ１のみ内部の構造を示し、他の空洞部ｂ２〜ｂ５の内部の構造は省略して示している。また、モジュール２００において、各単セル１０を、図６に示すように、挿入方向の手前側から向こう側の順に単セル１０ａ、単セル１０ｂ、単セル１０ｃ・・・という具合に符号を付す。

この樹脂形成モールド５００は、所定の樹脂で形成されており、その内部において、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド２１０に挿入する方向（以下では、挿入方向とも呼ぶ。）に５つの空洞部を備えている。樹脂形成モールド５００におけるこれらの空洞部は、図５（Ｂ）および図６に示すように、樹脂形成モールド５００の内部でｒ側面方向に曲折し、ｒ側面と連通している。なお、ｑ面上（図５（Ａ）参照）におけるこれらの空洞部において、右上の空洞部を空洞部ｂ１と呼び、空洞部ｂ１の下側に位置する空洞部を空洞部ｂ２と呼び、空洞部ｂ１の左側に位置する空洞部を空洞部ｂ３と呼び、空洞部ｂ２の左側に位置する空洞部を空洞部ｂ４と呼び、空洞部ｂ３の左側に位置する空洞部を空洞部ｂ５と呼ぶ。また、これら空洞部ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｂ５がｒ側面と連通する部分において、その開口部を、図５（Ｂ）に示すように、それぞれ、開口部ｂｒ１，ｂｒ２，ｂｒ３，ｂｒ４，ｂｒ５と呼ぶ。さらに、図５（Ｂ）に示すように、樹脂形成モールド５００において、ｑ面から挿入方向にα（ターミナル３４０の厚さ分）の位置をｔ１と呼び、ｔ１から挿入方向に２β（２単セル分）の位置をｔ２と呼び、ｔ２から挿入方向に６βの位置をｔ３と呼び、ｔ３から挿入方向に４βの位置をｔ４と呼び、ｔ４から挿入方向に６βの位置をｔ５と呼び、ｔ５から挿入方向に２βの位置をｔ６と呼ぶ。なお、ｔ６からｕ面の距離はαである。

図５（Ｂ）に示すように、開口部ｂｒ１，ｂｒ２，ｂｒ３，ｂｒ４，ｂｒ５は、挿入方向において、それぞれ、ｔ１からｔ２、ｔ２からｔ３、ｔ３からｔ４、ｔ４からｔ５、ｔ５からｔ６の間に位置する。従って、樹脂形成モールド５００を酸化ガス供給マニホールド２１０に挿入した状態では、開口部ｂｒ１，ｂｒ２，ｂｒ３，ｂｒ４，ｂｒ５の位置は、それぞれ、ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５の位置に対応する（図６参照）。すなわち、図６に示すように、ｑ面から空洞部ｂ１に供給された酸化ガスは、開口部ｂｒ１を介して、ブロックＢ１に属する単セル１０ａ，１０ｂにそれぞれ供給される。同様に、ｑ面から各空洞部ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｂ５に供給された酸化ガスは、それぞれ、開口部ｂｒ２，ｂｒ３，ｂｒ４，ｂｒ５を介して、ブロックＢ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５に属する各単セル１０にそれぞれ供給される。

このように、酸化ガス供給マニホールド２１０内に各空洞部を一体に形成した樹脂形成モールド５００を挿入することで、モジュール２００の各ブロックごとに、そのブロックに属する各単セル１０（各ＭＥＡ）に対して、容易に酸化ガスをそれぞれ供給することが可能となる。従って、モジュール２００において、各単セル１０の圧力損失ΔＰｃにばらつきが生じていても、酸化ガス供給マニホールド２１０内に樹脂形成モールド５００を挿入することで、各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを容易に抑制することができる。

また、図５（Ｂ）に示すように、樹脂形成モールド５００の各空洞部において、樹脂形成モールド５００のｑ面からｒ側面方向に曲折するまでの区間は、断面積が略同一となっている。そして、各空洞部において、その断面積（図５（Ａ）のｑ面における断面積と同意）は、各空洞部が対応する各ブロックに属する単セル１０の数が多いほど大きく形成されている。例えば、空洞部ｂ１は、単セル１０の数が２組のブロックＢ１に対応し、空洞部ｂ３は、単セル１０の数が４組のブロックＢ３に対応するが、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空洞部ｂ３の断面積は、空洞部ｂ１の断面積より２倍程度大きい。このようにすれば、各ブロック間において、各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

さらに、図５（Ｂ）に示すように、樹脂形成モールド５００の各空洞部において、樹脂形成モールド５００のｑ面からｒ側面方向に曲折するまでの区間の断面積は、各空洞部が対応するブロックと、酸化ガスが流入するｑ面との距離が遠くなるほど、大きく形成されている。例えば、空洞部ｂ２と空洞部ｂ４は、単セル１０の数が共に６組のブロックＢ２，Ｂ４に対応するが、ブロックＢ４の方が、ブロックＢ２よりｑ面から遠いので、ブロックＢ４に対応する空洞部ｂ４の断面積は、ブロックＢ２に対応する空洞部ｂ２の断面積より大きく形成される。このようにすれば、各空洞部において、ｑ面から遠くなることにより圧力損失が生じても、その影響を抑制することができる。

また、樹脂形成モールド５００の各空洞部において、樹脂形成モールド５００のｑ面からｒ側面方向に曲折するまでの区間の断面積は、各空洞部が対応する各ブロックに属する単セル１０の数と、各空洞部が対応するブロックと酸化ガスが流入するｑ面との距離とに応じて形成するようにしている。このようにすれば、各空洞部において、ｑ面から遠くなることにより圧力損失が生じても、その影響を抑制するができ、さらには、各ブロック間において、各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

モジュール２００で、積層方向において、端部または端部に近い単セル１０は、内部の単セル１０と比較して、外気の気温の影響を受けて、カソード３で水が凝縮しやすくなる場合がある。そこで、本実施例のモジュール２００では、ブロックＢ１およびブロックＢ５に属する単セル１０の数を、他のブロックより少なくなるようにしている。このようにすれば、端部または端部に近い単セル１０を含むブロックにおいて、その内部で各単セル１０の圧力損失ΔＰｃがばらつくのを抑制することができ、すなわち、そのブロックに属する各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

なお、樹脂形成モールド５００は、請求項における流路形成部材に該当する。空洞部ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｂ５は、請求項における反応ガス流路に該当する。酸化ガス供給マニホールド２１０は、請求項におけるガスマニホールドに該当する。

ところで、モジュール２００の各単セル１０において、凸部５５や流路形成リブ５７等は、製造誤差などにより各単セル１０で微妙に形や配置がことなる場合があり、そのため各単セル１０の流路壁圧力損失Δｗもばらつきが生じる場合がある。そこで、本実施例のモジュール２００は、以下のような製造方法で生成される。

Ａ３．モジュール２００の製造方法：
図７は、本実施例の燃料電池１００におけるモジュール２００の製造方法を示すフローチャートである。まず、２０組の単セル１０を用意する（ステップＳ１０）。そして、各単セル１０の流路壁圧力損失Δｗを計測し（ステップＳ２０）、流路壁圧力損失Δｗが小さい単セル順にソートする（ステップ３０）。

流路壁圧力損失Δｗが小さい上位２組の単セル１０をブロックＢ１とし、次に小さい２組の単セル１０をブロックＢ５とし、その次に小さい４組の単セル１０をブロックＢ３とし、次に小さい６組の単セル１０をブロックＢ２とし、残りの６組の単セル１０をブロックＢ４として、組み分けする（ステップＳ４０）。

次に、上述の樹脂形成モールド５００を用意する（ステップＳ５０）。そして、樹脂形成モールド５００に対して、ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５の順番に、そのブロックの各単セルを、酸化ガス供給マニホールド２１０をくぐらせて積層させていく（ステップＳ６０）。

以上のように、本実施の燃料電池１００におけるモジュール２００の各ブロックは、流路壁圧力損失Δｗが近い単セル１０が集められて形成される。このようにすれば、各ブロックにおいて、各単セル１０の圧力損失ΔＰｃがばらつくのを抑制することができ、すなわち、そのブロックに属する各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。また、モジュール２００形成時に樹脂形成モールド５００を用いて容易に位置決めを行いながら組み付けることができる。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例において、樹脂形成モールド５００を酸化ガス供給マニホールド２１０に挿入することにより、酸化ガスを各ブロックごとに分配して流すようにしていたが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、樹脂形成モールド５００を燃料ガス供給マニホールド２３０に挿入することにより、燃料ガスを各ブロックごとに分配して流すようにすることも可能である。このようにすれば、各ブロックごとに、そのブロックに属する各単セル１０（のＭＥＡ）に燃料ガスをそれぞれ供給することが可能となる。従って、モジュール２００において、各単セル１０の圧力損失にばらつきが生じていても、各単セル１０に対して供給する燃料ガス量のばらつきを抑制することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例において、樹脂形成モールド５００を酸化ガス供給マニホールド２１０ではなく、酸化ガス排出マニホールド２２０に挿入するようにしてもよい。この場合、樹脂形成モールド５００のｑ面から酸化排ガスを吸引するようにする。このようにしても、モジュール２００において、各ブロックごとに、そのブロックに属する各単セル１０（のＭＥＡ）に酸化ガスをそれぞれ供給することが可能となる。従って、モジュール２００において、各単セル１０の圧力損失ΔＰｃにばらつきが生じていても、各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例において、モジュール２００のブロック数を５つとしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、モジュール２００のブロック数を６つ以上としてもよい。この場合、酸化ガス供給マニホールド２１０に挿入する樹脂形成モールド５００の空洞部もそのブロック数に応じて形成される。このようにすれば、より各単セル１０に対して供給する酸化ガス量のばらつきを抑制することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例のモジュール２００は、ＭＥＡを、２つのセパレータ、すなわち、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間に挟持することにより、一つの単セル１０を構成し、その単セルが複数積層された構造となっているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、セパレータとして、いわゆる三層積層構造のセパレータを用いて、ＭＥＡと三層積層セパレータを交互に積層することにより一つのモジュールを形成する構造としてもよい。この場合、上記ブロックは、例えば、ＭＥＡを基準として分けるようにする。このような燃料電池でも上記実施例の効果を奏することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。 本実施例の燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略断面構成を示す説明図である。 本実施例における酸化ガス供給流路６０の概略構成を表わす説明図である。 本実施例の燃料電池１００におけるモジュール２００の外観を示す説明図である。 図４のＱ領域およびＲ領域を拡大して示した説明図である。 酸化ガス供給マニホールド２１０に樹脂形成モールド５００が挿入された状態における図４のＳ領域を示した説明図である。 本実施例の燃料電池１００におけるモジュール２００の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…電解質膜
２…アノード
３…カソード
４…ガス拡散層
６，８…シールパッキン
１０…単セル
３０…アノード側セパレータ
４０…カソード側セパレータ
５１，５２…連通部
５５…凸部
５７…流路形成リブ
６０…酸化ガス供給流路
７０…冷却媒体流路
７０…燃料ガス供給流路
１００…燃料電池
２００…モジュール
２００形成時…モジュール
２１０…酸化ガス供給マニホールド
２２０…酸化ガス排出マニホールド
２３０…燃料ガス供給マニホールド
２４０…燃料ガス排出マニホールド
２５０…冷却媒体供給マニホールド
２６０…冷却媒体排出マニホールド
３００…エンドプレート
３１０…テンションプレート
３２０…ボルト
３３０…インシュレータ
３４０…ターミナル
４００…水素タンク
４１０…シャットバルブ
４１５…配管
４１７…配管
４４０…エアポンプ
４４４…配管
４４６…配管
４５０…ラジエータ
４５５…配管
４６０…循環ポンプ
５００…樹脂形成モールド

Claims (8)

1. 少なくとも所定の電解質層の両面に触媒電極を配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池であって、
   前記燃料電池は、前記積層体の積層方向に３つ以上のブロックに分けられると共に、
   前記積層体の積層方向に沿って形成されるガスマニホールドと、
   前記触媒電極で電気化学反応に供される反応ガスを流すための３つ以上の反応ガス流路が設けられ、これら反応ガス流路が互いに連通しないようにして、一体に形成される流路形成部材と、
   を備え、
   前記流路形成部材の前記３つ以上の反応ガス流路は、
   前記流路形成部材が前記ガスマニホールドに挿入されることにより、各ブロックのうち、それぞれ異なるブロックに対応づけられ、それぞれ対応する前記ブロックに属する前記積層体に対して、前記反応ガスを給排することが可能となることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応するブロックに属する前記積層体の数が多いほど、大きく形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応する前記ブロックと該反応ガス流路の前記給排口との距離が遠くなるほど、大きく形成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   各反応ガス流路において、前記ガスマニホールド内における前記反応ガスを給排するための給排口の開口面積は、該反応ガス流路が対応するブロックに属する前記積層体の数、および、該反応ガス流路が対応する前記ブロックと該反応ガス流路の前記給排口との距離に応じて形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記ブロックのうち、前記燃料電池の前記積層方向における端部のブロックにおいて、該ブロックに属する前記積層体の数は、他のブロックに属する前記積層体の数以下であることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   各ブロックは、所定の異なる圧力帯域にそれぞれ対応づけられており、
   各ブロックは、
   前記反応ガスを流通させた場合の圧力損失が、対応する圧力帯域に属する積層体により構成されることを特徴とする燃料電池。
7. 燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）所定の穴部を備え、少なくとも所定の電解質層の両面に触媒電極を配置した積層体を、セパレータで挟持することにより形成される複数の単セルを用意する工程と、
   （ｂ）各単セルにおいて、前記触媒電極で電気化学反応に供される反応ガスを流通した場合の圧力損失を測定する工程と、
   （ｃ）各単セルを、前記圧力損失の測定結果が、それぞれ異なる所定の圧力帯域のいずれに該当するか否かで、各単セルを複数のブロックに分別する工程と、
   （ｄ）各ブロックごとに、各単セルの各穴部を対応させて積層させることによりガスマニホールドを形成すると共に、該ガスマニホールド内に、前記積層体の積層方向に沿って形成され、互いに連通しない複数のガス流路であって、各ブロックのうち、それぞれ異なるブロックに対応づけられ、それぞれ対応する前記ブロックに属する前記積層体に対して、前記反応ガスを給排するための複数の反応ガス流路を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 請求項７に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ｄ）は、
   （ｄ−１）前記複数の反応ガス流路を内部に形成した流路形成部材を用意する工程と、
   （ｄ−２）前記流路形成モールに対して、各ブロックごとに、各単セルの各穴部をくぐらせて積層させていくことにより前記ガスマニホールドを形成する工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。

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