JP2008226721A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の各セルにおける発電量を増加させることで、燃料電池の発電量を増加させる。
【解決手段】この発明の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで配置された一対の電極とを有する膜−電極接合体が、セパレータを介して複数積層された構造を有する。セパレータは、一対の電極のいずれか一方の電極に反応ガスを供給するための、複数の反応ガス入口孔と、一方の電極に供給された反応ガスを排出するための複数の反応ガス出口孔とを備えている。膜−電極接合体は、膜−電極接合体が対向するセパレータの一面の、複数の反応ガス入口孔の間、及び/又は複数の反応ガス出口孔の間の位置にまで介在するように配置される。
【選択図】図２

Description

この発明は燃料電池に関する。更に具体的には、電解質を挟んで配置された一対の電極からなる膜−電極接合体が、セパレータを介して複数積層された燃料電池に関するものである。

一般に、電解質膜を一対の電極で挟んで構成される膜−電極接合体（ＭＥＡ; Membrane Electrode Assembly）が一対のセパレータで挟持されて構成されるセルが複数積層されたスタックを有する燃料電池が知られている。このようなタイプの燃料電池において、各セルは直列に接続され、各セルで起きた電気化学反応による電力は、スタックの両側のターミナルに接続された端子を介して回収されるようになっている。

このような燃料電池において、スタックの各セルでの発電性能の均一化を図り、各セルにおける起電力の極端な差を無くすためには、各セル間及び各セルの反応面内での反応ガスの流れを均一なものとすることが重要となる。

このため、例えば、特開平９−３２６２５９号公報には、セパレータに形成された反応ガスの導入口に整流板を配置した構造が開示されている。これによれば、各セルの各電極への反応ガスの供給が整流板を介して行われることとなるため、セルの反応面内でのガスの流れを均一にすることができるとしている。

特開平９−３２６２５９号公報 特開２００４−３４２５９６号公報 特開２００３−３６８７８号公報 特開平８−２９３３１８号公報 特開２００６−１４７３０９号公報

ところで、ＭＥＡ表面とセパレータとの間に導電性多孔体を配置したスタック構造が知られている。ここで導電性多孔体は拡散層として機能すると共に、導電性多孔体とセパレータとの接触を図ることで、発電した電力の取出通路の電気抵抗を低減することができ、出力を高くすることができる。

このように導電性多孔体を用いる場合、導電性多孔体によって各セルの圧力損失が高くなることが考えられる。ここで圧力損失の上昇を抑えて、導電性多孔体に反応性ガスを効率良く流通させるためには、導電性多孔体にある程度の厚みを持たせる必要がある。しかし導電性多孔体を厚く形成すれば、各セルの厚さが増して、スタックの厚みが嵩張ることとなる。その結果、燃料電池の体積エネルギー密度が小さなものとなる。この点、燃料電池の小型化の観点からは好ましいものではなく、導電性多孔体を用いる場合においても、燃料電池の更なる小型化が望まれる。

これに対し、セル１つ１つにおける起電力を増加させることで、燃料電池の発電量を増加させることで、燃料電池の小型化を図ることが考えられる。この点、上記従来技術のように反応ガスの供給の均一化を図るだけでは、各セルにおける発電量の増加にも限界がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の各セルにおける発電量を増加させることで、燃料電池の発電量を増加させるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された一対の電極とを有する膜−電極接合体が、セパレータを介して複数積層された燃料電池において、
前記セパレータは、
前記一対の電極のいずれか一方の電極に反応ガスを供給するための、複数の反応ガス入口孔と、
前記一方の電極に供給された反応ガスを排出するための複数の反応ガス出口孔と、
を備え、
前記膜−電極接合体は、該膜−電極接合体が対向するセパレータの一面の、前記複数の反応ガス入口孔の間、及び/又は前記複数の反応ガス出口孔の間の位置にまで介在するように配置されている。

第２の発明は、第１の発明において、前記セパレータと前記一方の電極との間において、該一方の電極の全面に接するように配置され、
前記反応ガス入口孔から供給された反応ガスを通過させて、前記一方の電極に前記反応ガスを供給する複数の孔を備えた導電性多孔体を、更に備える。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記一方の電極は、カソード極であり、
前記複数の反応ガス入口孔は、前記セパレータの外周辺のうち、一方の長辺に沿って配列され、
前記複数の反応ガス出口孔は、前記一方の長辺に対向する他方の長辺に沿って配列されている。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、
前記セパレータは、前記セパレータの一面とは反対側の面において、該セパレータに対向する前記膜−電極接合体の、前記反応ガス入口孔の間及び/又は前記反応ガス出口孔の間に位置する部分の外周辺付近に、対向して形成され、
前記一方の電極とは異なる他方の電極に燃料を供給するための燃料流路を備える。

第５の発明は、第４の発明において、
前記セパレータは、前記セパレータの一面と、前記燃料流路が形成された面との間に、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路が形成された面を備え、
前記冷却媒体流路は、該セパレータに対向する前記膜−電極接合体の、前記反応ガス入口孔の間及び/又は前記反応ガス出口孔の間に位置する部分の外周辺付近に、対向して形成されている。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、前記セパレータは、前記反応ガス入口孔に接続して配置され、該反応ガス入口孔から前記一方の電極に供給される反応ガスの流れの一部を、該一方の電極の、前記反応ガス入口孔の間の部分に向ける整流板を備える。

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、前記セパレータは、前記反応ガス出口孔に接続して配置され、前記反応ガス出口孔の間の部分に滞留するガスを、該反応ガス出口孔に向ける整流板を備える。

第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、前記セパレータは、少なくとも３以上の前記反応ガス出口孔を備え、
前記膜−電極接合体は、
前記反応ガス入口孔の間及び前記反応ガス出口孔の間となる全ての部分に介在するように配置され、
前記膜−電極接合体の前記反応ガス入口孔の間に介在する部分である凸部と、前記反応ガス出口孔の間に介在する部分と前記反応ガス出口孔の間に介在する他の部分との間の部分である凹部とが対向し、かつ、
前記凸部と、前記凹部との、反応ガス入口孔間を結ぶ方向における幅が、同一となるように形成されている。

第１の発明によれば、膜−電極接合体は、膜−電極接合体が対向するセパレータの一面の、複数の反応ガス入口孔の間又は複数の反応ガス出口孔の間の位置にまで介在するように配置されている。従って、膜−電極接合体の反応面をより大きく確保することができ、燃料電池の小型化を図ることができる。

特に、第２の発明において、膜−電極接合体の両側に、拡散層として機能する導電性多孔体が配置される。導電性多孔体は、反応ガスを効率良く拡散させるために、ある程度厚く形成される場合がある。第２の発明によれば、このような場合においても、膜−電極接合体を反応ガス入口孔の間及び反応ガスの出口孔の間にまで配置し、膜−電極接合体の反応面を大きく確保することができる。従って、第２の発明のように導電性多孔体を用いた場合でも、導電性多孔体の利点を生かしつつ、燃料電池の大型化を抑えることができる。

第３の発明によれば、一対の電極のうち一方の電極はカソード極であって、複数の反応ガス入口孔、及び複数の反応ガス出口孔は、それぞれ、セパレータの外周辺の対向する長辺に沿って配列されている。従って、カソード極にカソードガスとして大気を供給する場合のように、カソードガス中の酸素分圧が低く圧力損失の影響を受けやすい場合に、短辺方向にカソードガスを流れるようにして効率良くカソードガスをカソード極に供給することができる。またこのような場合にも、反応ガス入口孔の間又は反応ガス出口孔の間にも膜−電極接合体を配置することができ、燃料電池の発電量を向上させて燃料電池の小型化を図ることができる。

第４の発明によれば、セパレータには、膜−電極接合体の反応ガス入口孔の間又は反応ガス出口孔の間に位置する部分の外周辺付近に対向する位置に、燃料流路が形成されている。従って、膜−電極接合体の全体に燃料を供給することができ、膜−電極接合体の反応面全面を効率良く利用することができる。

第５の発明によれば、セパレータには、膜−電極接合体の反応ガスの反応ガス入口孔の間又は反応ガス出口孔の間に位置する部分の外周辺付近に対向する位置に、冷却水流路が形成されている。従って、燃料電池の発熱反応中にも膜−電極接合体の反応面全面を均一に冷却することができ、燃料電池の発電量を増加させることができる。

第６の発明によれば、セパレータは、反応ガス入口孔に、流入する反応ガスの流れの一部を、反応ガス入口孔の間の部分に向ける整流板が配置されている。これにより、膜−電極接合体の反応面全面に反応ガスを供給することができ、燃料電池の発電量を増加させることができる。

第７の発明によれば、セパレータには、反応ガス出口孔の間の部分に滞留するガスを、反応ガス出口孔に向ける整流板が配置されている。これにより、膜−電極接合体の反応面全面における反応ガスの流れを潤滑にすることができ、燃料電池の発電量を増加させることができる。

第８の発明によれば、膜−電極接合体の、反応ガス入口孔の間に介在する部分（凸部）と、反応ガス出口孔の間に介在する部分と反応ガス出口孔の間に介在する他の部分との間の部分（凹部）とが対向し、かつ、凸部と凹部との幅は同一となっている。従って、複数の膜−電極接合体や導電性多孔体を１枚の平板から切り出すような場合に、排出される無駄な端材の量を少なくすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。図１の燃料電池は、膜−電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）２を備えている。図１では、燃料電池内に複数の積層されたＭＥＡ２のうち２つのＭＥＡ２の積層方向に平行な断面を拡大して表している。ＭＥＡ２は、固体高分子電解質膜４（電解質膜）と、その両側にそれぞれ配置された一対の電極、即ち、アノード触媒電極６とカソード触媒電極８（カソード極）とを備えている。

上記のように構成されたＭＥＡ２を挟んで両側に、導電性多孔体１０が配置されている。導電性多孔体１０にはそれぞれ複数の孔が形成され、この孔を介して各触媒電極６，８に必要な反応ガスが供給される。導電性多孔体１０の両側には、セパレータ２０が配置されている。セパレータ２０は、中間プレート２２とその両側に配置された平板２４、２６とにより構成される。

隣接するセパレータ２０とセパレータ２０との間、即ち、隣接するセパレータ２０間で対向する平板２４と平板２６との間には、ＭＥＡ２と一体に形成されたガスケット３２が配置され、これにより密閉されている。図１に示すように、各セパレータ２０及びガスケット３２を貫通して、燃料電池の各セルに酸化ガスとして大気を供給するための大気供給マニホールド３４と、外部に大気オフガスを排出するための大気排出マニホールド３６とが形成されている。なお、後述するように、図１に示す断面以外の他の位置には、セパレータ２０とガスケット３２とを貫通する、水素（燃料ガス）の供給、排出用のマニホールド、並びに、冷却水（冷却媒体）の供給、排出用のマニホールドが形成されている。

図２はこの発明の実施の形態１における燃料電池のセパレータについて説明するための模式図である。図２は、図１の燃料電池のＡ−Ａ´方向の断面であり、中間プレート２２の冷却水流路が形成された面を表すと共に、説明のため、ＭＥＡ領域外側に形成された酸素導入路と水素導入路等を一部に透視して表している。図２に示す断面においてセパレータ２０は矩形に形成されている。セパレータ２０には、後述するＭＥＡ２が設置されるための領域（ＭＥＡ領域（領域Ａ））が設定されている。

セパレータ２０の外周辺のうち短辺側の一辺（図２では右辺）に沿って、外周部（つまりＭＥＡ領域外の部分）には、セパレータ２０を貫通する冷却水入口孔４０、及び、水素出口孔４２が形成されている。この短辺に対向する短辺（図２では左辺）に沿った外周部には、セパレータ２０を貫通する水素入口孔４４及び冷却水出口孔４６が上下に配置されている。つまり、冷却水入口孔４０と冷却水出口孔４６、水素入口孔４４と水素出口孔４２とは、それぞれ、互いに対向する辺の対角側となる位置に配置されている。中間プレート２２には冷却水流路４８が形成され、冷却水流路４８は、その上流側及び下流側の端部において、それぞれ冷却水入口孔４０又は冷却水出口孔４６に接続されている。

一方、セパレータ２０の外周辺のうち長辺側の一辺（図２では上辺）に沿って、外周部には、セパレータ２０を貫通する複数の酸素入口孔５０が配列されている。具体的に、セパレータ２０の上辺付近には、所定の間隔を空けて３つの酸素入口孔５０が上辺に平行に設けられている。一方、この長辺に対向する長辺（図２では下辺）に沿って、外周部にはセパレータ２０を貫通する複数の酸素出口孔５２が配置されている。具体的に、酸素出口孔５２は各酸素入口孔５０に対向する位置に設けられている。つまり酸素出口孔５２は、３箇所に配置され、それぞれ所定の間隔を空けて長辺に平行に配列されている。

図２に示すように、実施の形態１において、隣り合う酸素入口孔５０と酸素入口孔５０との間の隙間（領域Ｂ）及び酸素出口孔５２と酸素出口孔５２との間の隙間（領域Ｃ）はＭＥＡ領域とされている。つまりＭＥＡ領域は矩形の形状で形成されたものではなく、全ての入口孔及び出口孔（４０−４６，５０−５２）よりも内側に位置する矩形部と、酸素入口孔５０の間（領域Ｂ）、並びに酸素出口孔５２の間（領域Ｃ）に突き出した凸部とを有している。

また、図１の燃料電池において、ＭＥＡ２及び導電性多孔体１０は、共に、ＭＥＡ領域に合致するような形状に形成されている。つまりＭＥＡ２及び導電性多孔体１０は、それぞれ矩形部と、領域Ｂ及び領域Ｃに突出する凸部とを有する形状に形成されている。

中間プレート２２の冷却水流路４８は、ＭＥＡ領域全体に冷却水が行き渡るように最外周部が、ＭＥＡ領域の長辺側の外周辺に沿って形成されている。つまり冷却水流路４８の最外周の流路４８ａは、ＭＥＡ領域の凸部においては、その凸部に沿った形状に外側に突出して形成されている。また、ＭＥＡ領域の内側になるに連れて、この凸部は小さくなり最終的にＭＥＡ領域中央部付近では凸部の形成されていない直線的な流路となっている。

水素入口孔４４には水素導入路５４が連通し、水素出口孔４２には水素排出路５６が連通して形成されている。なお、図２のＭＥＡ領域外部には水素導入路５４及び水素排出路５６を透視した状態で表しているが、水素導入路５４及び水素排出路５６は、アノード触媒電極６側に相対する平板２４にのみ溝状に形成されている。

酸素入口孔５０には酸素導入路６０が連通し、酸素出口孔５２には酸素排出路６２が連通して形成されている。なお、図２のＭＥＡ領域外部には酸素導入路６０及び酸素排出路６２を透視した状態で表しているが、実際には酸素導入路６０及び酸素排出路６２は、カソード触媒電極８側に相対する平板２６にのみ溝状に形成されている。

ここで、酸素導入路６０は、酸素入口孔５０から直接酸素出口孔５２に向けて直線的に向う方向（図２では下方向）と、酸素入口孔５０間のＭＥＡ領域の凸部（領域Ｂ）に向けて酸素を放出する方向（図２では左右方向）との間において、複数の方向に放射状に形成されている。これにより酸素入口孔５０と酸素入口孔５０との間の凸部（領域Ｂ）にも酸素が十分に行き渡るように構成されている。

同様に、酸素排出路６２は、酸素入口孔５０と直線的に結ばれる方向（図２では上方向）と、酸素出口孔５２と酸素出口孔５２との間の凸部（領域Ｃ）に向かう方向（図２では左右方向）との間において、複数の方向に放射状に形成されている。このような構造により、酸素出口孔５２と酸素出口孔５２の間の凸部（領域Ｃ）からも大気オフガスが十分に排出されるように構成されている。即ち、酸素導入路６０及び酸素排出路６２は整流板としての機能を有し、導電性多孔体１０の、凸部を含めた全面に酸素が行き渡るように酸素の流れを整流している。

実施の形態１の燃料電池においては、ＭＥＡ２及び導電性多孔体１０がセパレータ２０を介して積層されることで、隣接するセパレータ２０同士がガスケット３２を介して連通する。具体的に冷却水入口孔４０及び冷却水出口孔４６が連結して冷却水を流通させるための供給、排出用のマニホールドが構成される。冷却水は、この供給用のマニホールドから供給され、各セパレータ２０の中間プレート２２に形成された冷却水流路４８を流通し、排出用のマニホールドから排出される。このとき、冷却水流路４８は凸部を含めたＭＥＡ領域全体に配置されているため、ＭＥＡ領域全体が冷却水により冷却される。

また、水素入口孔４４及び水素出口孔４２がガスケット３２を介して連結し、水素を供給、排気するためのマニホールドが構成される。水素の供給用のマニホールドから供給された水素は、水素導入路５４に導かれて、アノード触媒電極６側の導電性多孔体１０に流入し、導電性多孔体１０の孔からアノード触媒電極６に供給される、一方、水素オフガスは導電性多孔体１０の孔を通過して水素排出路５６に導かれて水素出口孔４２から排出用のマニホールドに排出される。

また、酸素入口孔５０及び酸素出口孔５２がガスケット３２を介して連通して、酸化ガスとしての大気を供給、排気するための大気供給マニホールド３４及び大気排出マニホールド３６が構成される。大気供給用のマニホールドから供給された大気は、酸素導入路６０に導かれて、ＭＥＡ領域の導電性多孔体１０全体に流入する。酸素は、導電性多孔体１０の孔を介してカソード触媒電極８に供給される。一方、酸素排出路６２は、ＭＥＡ領域凸部（領域Ｃ）も含むセル面の導電性多孔体１０から排出される大気オフガスを整流して、大気排出マニホールドに排出される。

以上のように、実施の形態１においては、酸素入口孔５０間及び酸素出口孔５２間の凸部まで、ＭＥＡ領域（つまりセルの反応面）とすることで、各ＭＥＡ２の反応面の面積を大きくすることができる。これにより同じ厚さのセルであっても、そのセルによる発電量を大きくすることができる。従って、導電性多孔体１０を用いた場合にも、燃料電池の小型化を図ることができる。また、実施の形態１の構造によれば、酸素及び水素、冷却水がＭＥＡ領域全体に十分に行き渡るように各流路を形成しているため、拡大されたＭＥＡ領域の全面で確実に電気化学反応を行うことができ、発電性能を向上させることができる。

また、酸素入口孔５０間及び酸素出口孔５２間をＭＥＡ領域とし、導電性多孔体１０をこのＭＥＡ領域に配置することで、セパレータ２０内のより広い領域に均一に導電性多孔体１０が配置されることとなる。これにより、導電性多孔体１０の潰れによる配流の乱れやムラの発生を抑えることができる。特に、導電性多孔体１０を用いるセルでは、マニホールドの近傍や締結ボルトの配置部６４付近で応力が集中して多孔体の潰れが発生しやすい。しかし、実施の形態１の構造によれば、導電性多孔体１０が酸素入口孔５０間及び酸素出口孔５２間にまで配置されるため、応力が効率良く分散されて、導電性多孔体１０の潰れによる配流の乱れやムラ等の発生を抑えることができる。

なお、実施の形態１においては、燃料として水素を供給し、大気として酸素を供給して発電を行う固体高分子型の燃料電池について説明した。しかし、この発明において燃料電池はこれに限るものではなく、電解質膜と一対の電極とを挟んで構成される膜−電極体をセパレータにより挟んだ状態で積層するものであれば、他の型の燃料電池に適用することができる。従って、供給される反応ガスも水素と酸素とに限るものではなく、その型の燃料電池に応じて適切なものを用いればよい。また、この場合、電気化学反応による発熱が問題とならないものであれば、必ずしも冷却水が流通する構造としなくてもよい。これについては、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１においては、全ての酸素入口孔５０の間及び酸素出口孔の間の部分をＭＥＡ領域とする場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、他の入口孔や出口孔との間に空間がある場合には、この部分をＭＥＡ領域の凸部として用いることもできる。この場合にも、凸部を含めたＭＥＡ領域全体に必要な反応ガスが供給される構造とすることが好ましい。これについては、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１においては、セパレータ２０の長手方向に酸素入口孔５０及び酸素出口孔５２を配置し、短手方向に冷却水入口孔４０、水素入口孔４４、冷却水出口孔４６、水素出口孔４２を配置した場合について説明した。これは、実施の形態１ではカソードガスとして大気を導入するため、圧力損失の影響を受けやすい大気が短手方向に流れるように設定したためである。しかし、この発明において各入口孔や出口孔の配置位置は、必ずしも実施の形態１の配置に拘束されるものではない。これについては、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、ＭＥＡ２の両側に導電性多孔体１０を設置したものを、セパレータ２０を挟んで複数積層した構造について説明した。しかし燃料電池の積層状態はこれに限るものではなく、例えば、上記と同様にＭＥＡ２の両側に導電性多孔体１０を設置したものを両側からセパレータで挟んで構成されるセル（単電池）を、複数積層することとしたものであってもよい。これについては、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、ＭＥＡ２の両側に導電性多孔体１０を配置した場合について説明した。しかし、この発明において、ＭＥＡ２の両側の拡散層として必ずしも導電性多孔体１０が配置されているものでなくてもよい。これについては、実施の形態２においても同様である。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における燃料電池のセパレータについて説明するための模式図である。実施の形態２の燃料電池は、図１の燃料電池と同様に、ＭＥＡ２の両側に導電性多孔体１０を備え、その外側にセパレータ２２０が配置されて構成されている。

図３のセパレータは、各入口孔、出口孔の配置が、図２のセパレータ２０とは異なるものとなっている。具体的に、図３において、セパレータ２２０の一方の短辺側（図３では右辺）の外周部には冷却入口孔７０が上下に２つ配置され、対向する短辺（図３では左辺）側の外周部には、冷却水入口孔７０に対向して２つの冷却水出口孔７２が配置されている。中間プレート２２には冷却水入口孔７０と冷却水出口孔７２とに接続する冷却水流路７４が形成されている。ここでは、冷却水は２つの入口孔７０から供給され２つの出口孔７２に排出されるが、冷却水流路７４の形状は、図２の場合と同様に、ＭＥＡ領域の凸部（領域Ｂ、Ｃ）にまで冷却水が行き渡るように形成されている。

また、セパレータ２２０の両短辺の外周部には、２つの冷却水出口孔７２を挟んで上下の位置に、それぞれ、水素入口孔７６と水素出口孔７８とが形成されている。即ち、２つの水素入口孔７６は冷却水入口孔７０又は冷却水出口孔７２の上側の位置に対向して形成され、２つの出口孔７８は冷却水入口孔７０又は冷却水出口孔７２の下側の位置に対向して形成されている。

セパレータ２２０の短辺側の外周部に配置された２つの水素入口孔７６、及び２つの水素出口孔７８には、それぞれコモンレール８０が接続されている。なお図３では、コモンレール８０を透視した状態で表しているが、実際にはコモンレール８０はアノード触媒電極６側の平板２４にのみ溝状に形成されている。

コモンレール８０はＭＥＡ領域の長辺側の外周に沿って形成されている。つまりコモンレール８０は、アノード触媒電極６側の導電性多孔体１０の長手方向の外周辺に沿って形成されている。水素入口孔７６から水素が供給されると、水素は、水素入口孔７６を接続するコモンレール８０を介して、導電性多孔体１０の長手方向の外周辺全体から、導電性多孔体１０を介して、アノード触媒電極６に供給される。水素オフガスは、水素出口孔７８を接続するコモンレール８０を介して、水素出口孔７８から排出される。これによりＭＥＡ領域の凸部を含めて全体に効率良く水素を供給することができる。

セパレータ２２０の一方の長辺（図３では上辺）に沿って、３つの酸素入口孔８２が、ＭＥＡ領域外部に形成されている。また、セパレータ２２０の他方の長辺（図３では下辺）に沿って、２つの酸素出口孔８４が、ＭＥＡ領域外部に形成されている。ＭＥＡ領域は、セパレータ２２０の長手方向の酸素入口孔８２間の隙間、及び酸素出口孔８４以外の隙間に凸部を有している。言い換えると、酸素入口孔８２及び酸素出口孔８４は、それぞれＭＥＡ領域外となるＭＥＡ領域の長手方向の凹部に形成される。

ＭＥＡ領域の互いに対向する長辺間で、凸部には凹部が対向するように配置され、この対向する凸部と凹部との幅が一致するように形成されている。従って、凹部に形成される酸素入口孔８２、酸素出口孔８４に対向する位置には、ＭＥＡ領域の凸部が配置されている。

酸素入口孔８２には、酸素導入路８６が接続されている。酸素導入路８６は平板２６にのみ形成され、ＭＥＡ領域の凸部にまで酸素が行き渡るように、セパレータ２２０の短辺方向に平行な方向から長辺方向に平行な方向の間に、複数の酸素導入路８６が各酸素入口孔８２に接続されている。同様に、酸素出口孔８４には酸素排出路８８が接続されている。具体的には、ＭＥＡ領域の凸部からも効率良く大気オフガスが排出されるように、セパレータ２２０の短辺方向に平行な方向から長辺方向に平行な方向までの間に複数の酸素排出路８８が各酸素出口孔８４に接続されている。

図５は、導電性多孔体を構成する多孔体板に対する導電性多孔体の切り出し状態を説明する図である。上述のようにＭＥＡ領域の対向する長辺間において、凸部と凹部とが対向し、かつ対向する凸部と凹部の幅とが一致するように構成されている。従って、図５に示すように、１の導電性多孔体１０の凸部を、この多孔体板上で隣接する導電性多孔体１０の凹部と噛み合せるように設計することができる。従って、多孔体板から導電性多孔体１０を切り出す際に、打ち抜きの端材の無駄を減らすことができる。

なお、実施の形態２においては、水素入口孔、出口孔をそれぞれ接続するコモンレール８０を形成し、一方、酸素供給側の凹部と凸部とを対向させて配置する場合について説明した。しかし、これらは同一に用いられなければならないものではなく、別個に用いられることで、それぞれの効果を発揮するものである。従って、実施の形態１において説明した酸素入口孔５０及び出口孔５２の配置関係を有するセパレータ２０に、水素入口孔、出口孔をそれぞれに接続するコモンレール８０を設けた構造とすることもできる。これにより、ＭＥＡ領域の凸部を含む全体に水素を効率良く行き渡らせることができる。また、実施の形態２の酸素入口孔８２、出口孔８４の位置関係に、実施の形態１において説明した水素と冷却水の入口孔、出口孔の配置を適用することもできる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

この発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１の燃料電池のセパレータについて説明するための模式図である。 この発明の実施の形態２の燃料電池のセパレータについて説明するための模式図である。 この発明の実施の形態２の燃料電池の導電性多孔体を多孔体板から打ち抜く際のレイアウトの１例を説明するための図である。

符号の説明

２ ＭＥＡ（膜−電極接合体）
４ 電解質膜
６ アノード触媒電極
８ カソード触媒電極
１０ 導電性多孔体
２０、２２０ セパレータ
２２ 中間プレート
２４、２６ 平板
３２ ガスケット
４０、７０ 冷却水入口孔
４２、７８ 水素出口孔
４４、７６ 水素入口孔
４６、７２ 冷却水出口孔
４８、７４ 冷却水流路
５０、８２ 酸素入口孔
５２、８４ 酸素出口孔
５４ 水素導入路
５６ 水素排出路
６０、８６ 酸素導入路
６２、８８ 酸素排出路
８０ コモンレール

Claims (8)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された一対の電極とを有する膜−電極接合体が、セパレータを介して複数積層された燃料電池において、
   前記セパレータは、
   前記一対の電極のいずれか一方の電極に反応ガスを供給するための、複数の反応ガス入口孔と、
   前記一方の電極に供給された反応ガスを排出するための複数の反応ガス出口孔と、
   を備え、
   前記膜−電極接合体は、該膜−電極接合体が対向するセパレータの一面の、前記複数の反応ガス入口孔の間、及び/又は前記複数の反応ガス出口孔の間の位置にまで介在するように配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータと前記一方の電極との間において、該一方の電極の全面に接するように配置され、
   前記反応ガス入口孔から供給された反応ガスを通過させて、前記一方の電極に前記反応ガスを供給する複数の孔を備えた導電性多孔体を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記一方の電極は、カソード極であり、
   前記複数の反応ガス入口孔は、前記セパレータの外周辺のうち、一方の長辺に沿って配列され、
   前記複数の反応ガス出口孔は、前記一方の長辺に対向する他方の長辺に沿って配列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. 前記セパレータは、前記セパレータの一面とは反対側の面において、
   該セパレータに対向する前記膜−電極接合体の、前記反応ガス入口孔の間及び/又は前記反応ガス出口孔の間に位置する部分の、外周辺付近に対向して形成され、
   前記一方の電極とは異なる他方の電極に燃料を供給するための燃料流路を、備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記セパレータは、前記セパレータの一面と、前記燃料流路が形成された面との間に、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路が形成された面を備え、
   前記冷却媒体流路は、該セパレータに対向する前記膜−電極接合体の、前記反応ガス入口孔の間及び/又は前記反応ガス出口孔の間に位置する部分の外周辺付近に、対向して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記セパレータは、前記反応ガス入口孔に接続して配置され、該反応ガス入口孔から前記一方の電極に供給される反応ガスの流れの一部を、前記反応ガス入口孔の間の部分に向ける整流板を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記セパレータは、前記反応ガス出口孔に接続して配置され、前記反応ガス出口孔の間の部分に滞留するガスを、該反応ガス出口孔に向ける整流板を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記セパレータは、少なくとも３以上の前記反応ガス出口孔を備え、
   前記膜−電極接合体は、
   前記反応ガス入口孔の間及び前記反応ガス出口孔の間となる全ての部分に介在するように配置され、
   前記膜−電極接合体の前記反応ガス入口孔の間に介在する部分である凸部と、前記反応ガス出口孔の間に介在する部分と前記反応ガス出口孔の間に介在する他の部分との間の部分である凹部とが対向し、かつ、
   前記凸部と、前記凹部との、反応ガス入口孔間を結ぶ方向における幅が、同一となるように形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池。

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