JP2008282591A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内における流体の配流性を向上する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、３枚のプレートＳＰａ、ＳＰｃ、ＳＰｉで構成される３層セパレータＳＰを備える。カソードプレートＳＰｃには、膜電極接合体１０の発電部１１と連結する２つの貫通孔Ｐ３、Ｐ４が設けられている。中間プレートＳＰｉには、カソードガス用マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと２つの貫通孔Ｐ３、Ｐ４とを連結する複数の流路であるカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２が設けられている。カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の流路は、形成される部位に応じて断面積を変化させることによって圧力損失が制御されている。
【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、通常、発電体である膜電極接合体に燃料ガス及び酸化ガス（供給ガス）を供給することによって発電する。膜電極接合体は、複数のプレートを接合したセパレータによって挟持されている。セパレータには、そのプレート間に、供給ガスや、燃料電池反応に供されることのなかったガス及び燃料電池反応によって発生した水分を含む排ガスなどの流体のための流路が設けられている（特許文献１等）。

特開２００４−６１０４ 特開２００６−１６４７６２

ところで、燃料電池は、車両等の限られた空間に配置するために小型化することが好ましい。また、燃料電池は、発電効率を向上するために、供給ガスや排ガスの配流性を向上することが好ましい。しかし、従来は、燃料電池の小型化のために、セパレータを小型化・薄肉化すると、流体流路を設けることができる領域が制限されるため、その流路断面積は減少する傾向にあった。すると、当該流体流路が排水などの水分で塞がれる可能性が増大し、流体の配流性が低下する可能性があった。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、燃料電池内における流体の配流性を向上する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態は、燃料電池であって、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層した積層体と、前記積層体を貫通するマニホールド孔とを備え、前記膜電極接合体は、第１と第２の面を有するとともに、電極層を含む発電部と、前記発電部の外周縁に設けられた外周非発電部とを備え、前記マニホールド孔は、前記外周非発電部に設けられており、前記セパレータは、前記膜電極接合体の前記第１の面側に配置される第１のプレートと、前記膜電極接合体の前記第２の面側に配置される第２のプレートと、前記第１と第２のプレートに挟持される中間プレートとを備え、
前記第１と第２のプレートにはそれぞれ、前記発電部に連通する貫通孔である発電部連通孔が設けられ、前記中間プレートには、前記マニホールド孔から前記発電部連通孔へ向かって併走する複数の流体流路が設けられており、前記複数の流体流路は、形成される部位に応じて流路断面積が変化する複数の断面積変化流路を含むことを特徴とする。

この構成によれば、セパレータに設けられた流体流路の圧力損失を部位に応じて変化させることができる。従って、各流路の流体の流速及び流量を制御することができ、流体の配流性を向上することができる。

前記複数の断面積変化流路のそれぞれは、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記発電部連通孔と重なる発電部連結部位と、前記マニホールド孔と前記発電部連通孔との間に配置される主流路部位とを有しており、前記断面積変化流路の前記発電部連結部位の流路幅は、前記主流路部位の流路幅より広いものとしても良い。

この構成によれば、発電部連結部位の流路断面積が大きくなるため、発電部連結部位において排水などの水分が滞留する可能性が低減される。また、主流路部位の流路断面積を小さくすることによって、主流路部位におけるガスの流速を向上することができるため、当該ガスの圧力を利用して流路の排水性を向上することができる。

前記複数の断面積変化流路は、前記マニホールド孔から前記発電部連通孔に至るまでの距離が長い流体流路ほど、前記発電部の近傍における流路幅が大きくなるものとしても良い。

この構成によれば、マニホールド孔から発電部に至るまでの距離が長い流路ほど、圧力損失を低減することができ、流体の流量を増加させることができる。従って、発電部における供給ガスの流量分布を流路幅によって制御することができ、供給ガスの配流性が向上する。

前記複数の断面積変化流路は、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記マニホールド孔から略放射状に流路が延びる扇形部位を有しているものとしても良い。

この構成によれば、マニホールド孔の幅が狭い場合でも、マニホールド孔の幅より広い幅を有する発電領域に、流体の配流性を低下させることなく、供給ガスを万遍なく供給することができる。

前記外周非発電部には、流体をシールするためのシールラインが前記発電部及び前記マニホールド孔を囲むように設けられており、前記複数の断面積変化流路のそれぞれは、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記シールラインと交差した後、前記発電部に至るまでに流路幅が増加するものとしても良い。

この構成によれば、積層体の積層方向に沿って見たときに、流体流路がシールラインと交差する部位の流路幅は変化しないため、流体流路の流路断面積を変化させても、シールラインのシール性が低下することを抑制することができる。

前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記膜電極接合体の前記外周非発電部と重なる前記中間プレートの外周領域は樹脂材料で形成されているものとしても良い。

この構成によれば、流体の配流性を低下させることなく、セパレータを軽量化することができる。

Ａ．燃料電池の構成：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガス（供給ガス）の供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、膜電極接合体１０のアノード電極側にアノードガス（燃料ガス）として水素が供給され、カソード電極側にカソードガス（酸化ガス）として酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

この燃料電池１００は、膜電極接合体１０とセパレータＳＰとが交互に積層されたスタック構造を有している。セパレータＳＰは、カソードプレートＳＰｃと、中間プレートＳＰｉと、アノードプレートＳＰａとを備えている。膜電極接合体１０のカソード電極側にはカソードプレートＳＰｃが接し、アノード電極側にはアノードプレートＳＰａが接しており、中間プレートＳＰｉは、２つのプレートＳＰｃ、ＳＰａによって挟持されている。

図１（Ｂ）は、燃料電池１００が締結された状態を示す斜視図である。燃料電池１００は、２つのエンドプレート２１、２２によって挟持された状態で、締結部材２０によって締結されている。なお、燃料電池１００の積層方向上側のエンドプレート２１には、後述する燃料電池１００のマニホールド孔と燃料電池１００の外部の配管とを連結する貫通孔が設けられているが、図示は省略してある。

２つのエンドプレート２１、２２は、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０及びセパレータＳＰとほぼ重なる略長方形部材である。締結部材２０の直棒状のシャフト部２０ｓは、２つのエンドプレート２１、２２の四隅ＣＮ及び互いに対向する２つの長辺の中央部ＣＳの計６箇所において、２つのエンドプレート２１、２２を貫通している。シャフト部２０ｓの両端にはナット部２０ｎが設けられており、ナット部２０ｎをネジ締めすることによって、燃料電池１００が締め付けられる。

なお、膜電極接合体１０及びセパレータＳＰには、積層方向に沿って見たときに、エンドプレート２１、２２の四隅ＣＮと重なる部位には、角凹部ＣＶ１が設けられており、長辺中央部ＣＳに重なる部位には中央凹部ＣＶ２が設けられいる。即ち、シャフト部２０ｓは、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２のいずれかを通って２つのエンドプレート２１、２２を貫通している。このように、この燃料電池１００は、締結部材２０を配置するための凹部ＣＶ１、ＣＶ２を有することにより、体積を増加させることなく締結部材を設けることができる。

図２は、膜電極接合体１０のアノード電極側の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体１０のカソード電極側の構成は、アノード電極側と同様の構成であるため、図示は省略する。

この膜電極接合体１０は、燃料電池反応が行われる発電部１１と、発電部１１を囲む外周シール枠部１２とを備えた略長方形の部材である。膜電極接合体１０の四隅及び対向する２つの長辺の中央付近には、上述した締結部材２０のシャフト部２０ｓを通すための２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が設けられている。

外周シール枠部１２には、貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ、Ｍ５、Ｍ６が設けられている。マニホールド孔Ｍ１は、アノードガスの供給を担い、マニホールド孔Ｍ２は、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂは、カソードガスの供給を担い、マニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂは、反応に供されることのなかった酸素及び、燃料電池反応によって発生した水分を含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５は、燃料電池反応によって発生する反応熱を冷却するための冷媒の供給を担い、マニホールド孔Ｍ６は冷媒の排出を担う。

アノードガス供給用のマニホールド孔Ｍ１と冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５は、膜電極接合体１０の同一短辺に沿って設けられている。アノードガス排出用のマニホールド孔Ｍ２と、冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６も同様である。マニホールド孔Ｍ１とマニホールド孔Ｍ２とは、発電部１１を挟んで対角の位置に設けられており、マニホールド孔Ｍ５とマニホールド孔Ｍ６とは、発電部１１を挟んで対角の位置に設けられている。

カソードガス供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂと、カソード排ガス排出用のマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂとはそれぞれ、膜電極接合体１０の同一長辺に沿って設けられている。なお、マニホールド孔Ｍ３ａとマニホールド孔Ｍ３ｂとの間と、マニホールド孔Ｍ４ａとマニホールド孔Ｍ４ｂとの間にはそれぞれ、中央凹部ＣＶ２が設けられている。

外周シール枠部１２の表面には、シールラインＳＬ（二条線で図示）が、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及び発電部１１を囲むように設けられている。シールラインＳＬは、流体の漏洩を防止するためのものである。なお、外周シール枠部１２としては、シリコンゴムなどの絶縁性シール部材で構成することができる。

図３は、図２に示す３−３切断における膜電極接合体１０の断面を示す断面図である。発電部１１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１３が含まれる。電解質膜１３は、アノード電極層１４ａとカソード電極層１４ｃとで挟持されている。電解質膜１３は、その外周縁である膜端部１３ｅが２つの電極層１４ａ、１４ｃの外周縁から突出している。膜端部１３ｅは、外周シール枠部１２によって被覆されている。これによって、膜端部１３ｅの付近におけるクロスリークの発生が抑制される。ここで、「クロスリーク」とは、燃料電池の発電の際にアノード電極側の水素が反応に供されることなくカソード電極側に移動してしまう現象をいう。

２つの電極層１４ａ、１４ｃは、供給された反応ガスを電解質膜１３の全体に行き渡らせるガス拡散層の役割を担う。２つの電極層１４ａ、１４ｃは、例えば、カーボンペーパなどで構成できる。２つの電極層１４ａ、１４ｃの電解質膜１３と接する面にはそれぞれ、燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層（図示せず）が設けられている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。

外周シール枠部１２に設けられたシールラインＳＬは、図に示すように突起部１５（リップ）として設けられおり、アノード電極側及びカソード電極側のそれぞれの対向する位置に設けられている。突起部１５は、アノード電極側及びカソード電極側の両側からセパレータＳＰで押圧されることによってシール性を実現する。

図４は、セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａの構成を示す概略図であり、中間プレートＳＰｉ（図１（Ａ））と接する面側を示している。なお、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０の発電部１１と重なる領域を発電部領域１１ａとして一点鎖線で示し、シールラインＳＬと重なる部位をシールライン領域線ＳＬａとして破線で示してある。

アノードプレートＳＰａは、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が膜電極接合体１０と同様に設けられている。また、発電部領域１１ａ内には、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂに沿うように、貫通孔であるアノードガス流入孔Ｐ１が発電部領域１１ａの長辺に渡って設けられている。同様に、マニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂに沿うように、貫通孔であるアノード排ガス流出孔Ｐ２が発電部領域１１ａの長辺に渡って設けられている。このアノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２を介して、膜電極接合体１０のアノード電極側の発電部１１へのアノードガスの供給・排出が行われる。具体的なアノードガスの流れについては後述する。アノードプレートＳＰａは、カーボンや金属などの導電性部材によって構成することができる。なお、アノードプレートＳＰａとしては、他の構成を有していても良い。

図５は、セパレータＳＰを構成するカソードプレートＳＰｃの構成を示す概略図であり、膜電極接合体１０（図１（Ａ））と接する面側を示している。図５は、アノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２に替えて、カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図４とほぼ同じである。なお、図５には、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときにアノードプレートＳＰａの２つの貫通孔Ｐ１、Ｐ２（図４）と重なる領域を貫通孔領域Ｐ１ａ、Ｐ２ａとして二点鎖線で示してある。

カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４は、発電部領域１１ａ内に設けられた貫通孔である。カソードガス流入孔Ｐ３は、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂと貫通孔領域Ｐ２ａとの間に、発電部領域１１ａの長辺に渡って設けられている。カソード排ガス流出孔Ｐ４は、マニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと貫通孔領域Ｐ３ａとの間に発電部領域１１ａの長辺に渡って設けられている。このカソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４を介して、膜電極接合体１０のカソード電極側の発電部１１へのカソードガスの供給・排出が行われる。具体的なカソードガスの流れについては後述する。

図６は、セパレータＳＰを構成する中間プレートＳＰｉの構成を示す概略図であり、カソードプレートＳＰｃ（図１（Ａ））と接する側を示している。図６には、図５と同様に、発電部領域１１ａと、シールライン領域線ＳＬａと、貫通孔領域Ｐ１ａ、Ｐ２ａとが図示してある。また、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときに、カソードプレートＳＰｃのカソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４（図５）と重なる領域を貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａとして二点鎖線で示してある。

中間プレートＳＰｉには、マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ、Ｍ５、Ｍ６及び２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が、他の２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃ（図４、図５）と同様に設けられている。また、中間プレートＳＰｉには、発電部領域１１ａの長辺方向に渡ってアノードガス及びアノード排ガスを誘導するための２つのアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２が貫通して設けられている。

第１のアノード流路ＡＰ１は、アノードガス供給用のマニホールド孔Ｍ１と連通しており、貫通孔領域Ｐ１ａとほぼ重なるように設けられている。第２のアノード流路ＡＰ２は、アノード排ガス用のマニホールド孔Ｍ２と連通しており、貫通孔領域Ｐ２ａとほぼ重なるように設けられている。なお、第１と第２のアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２と、マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２とが連通する流路にはそれぞれ、複数の流路壁ＡＰｂが並列に配置されており、櫛歯状のスリットである２つの流路列ａｐ１、ａｐ２が形成されている。

さらに、中間プレートＳＰｉには、櫛歯状のスリットである２組のカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２が貫通して設けられている。第１のカソード流路列ＣＰ１は、一端がカソードガス供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂのそれぞれと連通しており、他端が貫通孔領域Ｐ３ａと重なるように設けられている。即ち、第１のカソード流路列ＣＰ１は、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂと、膜電極接合体１０の発電部１１（図２）とを連通する流路である。第２のカソード流路列ＣＰ２も同様に、マニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと発電部１１とを連通する。

ところで、上述したようにカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２は、櫛歯状に設けられている。これは、発電部１１の長辺方向に渡ってカソードガスの供給量の分布を均一にするためである。しかし、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ４ａとマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ４ｂとの間には、中央凹部ＣＶ２が存在する。従って、仮に、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路を並列な直線状の流路として設けると、発電部領域１１ａの長辺方向のうち、中央凹部ＣＶ２の近傍領域へのガスの供給量が他の領域より減少してしまう。そこで、本実施例では、図に示すように、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２は、中央凹部ＣＶ２の近傍において、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂから、発電部領域１１ａに向かって略放射状に流路が延びて半扇形状を有している。以後、この半扇形状を形成する流路を特に、「扇形成流路ＣＰｓ」と呼ぶ。この扇形成流路ＣＰｓによって、発電部１１へのカソードガスの流入口を、発電部１１の長辺方向に渡って均一に配置することができ、供給ガスの配流性が向上する。

中間プレートＳＰｉの中央部には、２つの冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を互いに連結するように貫通した領域ＷＰが設けられている。貫通領域ＷＰには、複数の流路壁ＷＰｂが中間プレートＳＰｉの短辺方向に並列にほぼ等間隔で配置されている。これによって、貫通領域ＷＰには、２つの冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を連結する複数の互いに平行な冷媒用の流路ＷＰａが形成される。

燃料電池１００の外部から冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５へと供給された冷媒は、各セパレータＳＰにおいて分岐して、各セパレータＳＰの冷媒流路ＷＰａに流入して、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと向かう（図６の矢印）。冷媒は、発電によって生じた熱を伴って冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６から燃料電池１００の外部へと排出される。なお、冷媒流路ＷＰａは、発電部領域１１ａの全体を冷却できるように設けられていることが好ましい。

なお、中間プレートＳＰｉの外周部は、樹脂フィルムによって形成することができる。これによって、セパレータＳＰを薄肉化しつつ、軽量化することが可能である。一方、冷媒流路ＷＰａを形成する流路壁ＷＰｂは、導電性を有する部材で構成されることが好ましい。これによって、アノードプレートＳＰａとカソードプレートＳＰｃとの間において導電経路を形成することができる。

次に、図７（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、燃料電池１００内におけるアノードガス及びカソードガスの流れを説明する。図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、燃料電池１００として組み付けられた際のセパレータＳＰに挟持された任意の膜電極接合体１０における一部位の断面図を示している。具体的には以下の通りである。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、図６に示した７Ａ−７Ａ切断及び７Ｂ−７Ｂ切断にあたる部位における断面図であり、アノードガスの流路を示している。燃料電池１００の外部からマニホールド孔Ｍ１へ供給されたアノードガスの一部は、図７（Ａ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉの第１の流路列ａｐ１及び第１のアノード流路ＡＰ１へと流入する。その後、アノードプレートＳＰａのアノードガス流入孔Ｐ１を介してアノード電極層１４ａへと至る。一方、アノード排ガスは、図７（Ｂ）の矢印に示すように、アノードプレートＳＰａのアノード排ガス流出孔Ｐ２から中間プレートＳＰｉの第２の流路列ａｐ２及び第２のアノード流路ＡＰ２を経てマニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池１００の外部へ排出される。

図７（Ｃ）は、図６に示した７Ｃ−７Ｃ切断にあたる部位における断面図であり、カソードガスの流路を示している。燃料電池１００の外部からマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂへ供給されたカソードガスの一部は、図７（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉの第１のカソード流路列ＣＰ１へと流入する。その後、カソードプレートＳＰｃのカソードガス流入孔Ｐ３を介してカソード電極層１４ｃへと至る。一方、カソード排ガスは、カソードプレートＳＰｃのカソード排ガス流出孔Ｐ４から中間プレートＳＰｉの第２のカソード流路列ＣＰ２を経てマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂへと至り、燃料電池１００の外部へ排出される。

図８は、図６で説明した中間プレートＳＰｉの扇形成流路ＣＰｓを含むカソード流路列ＣＰ１の一部を拡大して示した概略図である。ここで、カソード流路列ＣＰ１の各流路において、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、貫通孔領域Ｐ３ａと重なる部位を「流路端部ＣＰｅ」と呼び、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂと貫通孔領域Ｐ３ａとの間に配置された部位を「主流路部位ＣＰｍ」と呼ぶ。なお、以下の説明は、排出側のカソード流路列ＣＰ２に関しても同様である。

図に示すように、カソード流路列ＣＰ１の各流路端部ＣＰｅは、主流路部位ＣＰｍに比較して、流路幅を広くすることによって流路断面積が大きく構成されていることが好ましい。流路端部ＣＰｅの流路断面積が大きく構成されることによって、カソード電極側の水分が流路端部ＣＰｅに滞留して流路を塞いでしまうことを抑制できる。また、主流路部位ＣＰｍの流路断面積を小さくすることによって、主流路部位ＣＰｍにおけるガスの流速が向上するため、ガスの圧力を利用して、流路端部ＣＰｅに滞留する水分の排出性を向上することができる。

また、カソード流路列ＣＰ１は、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂから貫通孔領域Ｐ３ａに至るまでの距離が長い流路ほど、発電部領域１１ａ近傍の流路幅が広くなることによって流路断面積が変化することが好ましい。本実施例では、扇形成流路ＣＰｓの外側（発電部領域１１ａの長辺中央側）の流路ほど、発電部領域１１ａの近傍及び、流路端部ＣＰｅにおいて流路幅が大きくなり、流路断面積が増加する。このような構成とすることによって、発電部に至るまでの経路長が長い流路ほど、圧力損失を低減することができ、流れる流体の流量を増加させることができる。従って、各位流路の流路幅によって流体の流量を制御でき、流体の配流性を向上することができる。

さらに、カソード流路列ＣＰ１の各流体流路は、シールライン領域線ＳＬａと交差した後、発電部領域１１ａに至るまでの間において、上述のように流路断面積が変化していることが好ましい。このようにすれば、シールライン領域線ＳＬａを、カソード流路列ＣＰ１の各流路の流路幅が増加する手前で交差させることができる。従って、アノードプレートＳＰａ及びカソードプレートＳＰｃが、カソード流路列ＣＰ１上において、シールラインＳＬから受ける線圧によって、その平滑度が低下してしまう可能性を低減できる。即ち、燃料電池１００の流体に対するシール性の低下を抑制することができる。

なお、各流路を隔てる流路壁ＣＰｂの発電部領域１１ａ側の端部ＣＰｂｅは、所定の剛性を有することが好ましい。この理由は、流路壁端部ＣＰｂｅの剛性が不足すると、製造工程において流路壁ＣＰｂが位置ずれが発生して、各流路幅に製造誤差等が発生する可能性が増大するためである。各流路幅の製造誤差が大きくなると、供給ガスの配流性の低下を引きおこす可能性がある。以下に、比較例を用いて具体的に説明する。

図９は、比較例としての中間プレートＳＰｉＡの一部を示す概略図である。図９は、流路壁ＣＰｂの流路壁端部ＣＰｂｅの幅が小さくなっている点以外は図８とほぼ同じである。即ち、この中間プレートＳＰｉＡは、流路壁端部ＣＰｂｅＡの剛性が不足している。この中間プレートＳＰｉＡの他の部位は、図６で説明した中間プレートＳＰｉと同様である。なお、図９には比較のために、本実施例の中間プレートＳＰｉの流路壁端部ＣＰｂｅを破線で示してある。

ところで、本実施例及び比較例の中間プレートＳＰｉ、ＳＰｉＡのカソード流路列ＣＰ１は、樹脂フィルムを流路形状を象ったピナクル刃で打ち抜くことによって形成することができる。しかし、中間プレートＳＰｉ、ＳＰｉＡの流路ように複雑な形状をピナクル刃によって打ち抜く場合、一度に全ての流路を打ち抜くと局部的に応力集中が発生して、材料を破損してしまう可能性が高い。従って、打ち抜き工程は、複数回に分けて行うことが好ましい。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例の中間プレートＳＰｉＡのカソード流路列ＣＰ１を形成する工程を説明するための説明図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、図９に示した部位と同じ部位の流路を示している。

図１０（Ａ）は、１度目の打ち抜き工程によって、カソード流路列ＣＰ１の流路が１つおきに打ち抜かれた状態を示している。なお、図１０（Ａ）には、２度目の打ち抜き工程によって形成されるべき流路の位置を破線で示してある。ここで、樹脂フィルムは強度が低く粘着性を有するため、１度目の打ち抜きの後に材料が片寄るなどして、位置ずれを起こす可能性が高い。材料が位置ずれを起こしたまま、２度目の打ち抜き工程が行われると、図１０（Ｂ）に示すように、流路壁端部ＣＰｂｅＡが、図９で示したより、さらに極端に細くなる流路壁ＣＰｂが生じてしまう。すると、図１０（Ｃ）に示すように、当該流路壁ＣＰｂが屈曲して配置されて、流路幅に製造誤差が生じてしまう。極端な場合には、流路を塞いでしまう可能性がある。このように、流路壁端部ＣＰｂｅの剛性が不足すると、燃料電池１００の流体の配流性が低下する可能性が高くなる。

一方、本実施例の中間プレートＳＰｉ（図８）では、上述したように、流路壁端部ＣＰｂｅが所定の剛性を有するように幅を広く設けられている。そのため、図１０（Ｂ）で説明したように、製造工程において材料の位置ずれが発生した場合でも、流路壁端部ＣＰｂｅの剛性が不足することが抑制され、燃料電池１００の供給ガスの配流性の低下を抑制することができる。

なお、中間プレートＳＰｉの２つのアノード流路列ａｐ１、ａｐ２（図６）も、その製造工程において流路幅の誤差の発生が抑制されることが好ましい。これによってアノードガスの配流性の低下を抑制することができる。

図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、中間プレートＳＰｉのアノード流路列ａｐ１の製造工程を示す説明図である。なお、排出側のアノード流路列ａｐ２の製造工程も同様であるため、図示及び説明は省略する。

図１１（Ａ）は、ピナクル刃による打ち抜き工程後における中間プレートＳＰｉのアノード流路列ａｐ１を示している。このとき、アノード流路列ａｐ１は打ち抜かれているが、アノードガス供給用マニホールド孔Ｍ１のアノード流路列ａｐ１側は未だ打ち抜かれないまま一部が残存した状態である。このマニホールド孔Ｍ１のうち、打ち抜かれていない領域を「未貫通領域Ｍ１ａ」と呼び、打ち抜かれた領域を「貫通領域Ｍ１ｂ」と呼ぶ。即ち、アノード流路列ａｐ１の流路壁ＡＰｂは、未貫通領域Ｍ１ａと連結した状態である。なお、アノード流路列ａｐ１のそれぞれの流路端部ａｐ１ｅは、未貫通領域Ｍ１ａにまで突出して設けられている。

ここで、アノード流路列ａｐ１の端部ａｐ１ｅが未貫通領域Ｍ１ａに突出する長さはできるだけ短くするとともに、端部ａｐ１ｅから貫通領域Ｍ１ｂまでの距離はできるだけ長くすることが好ましい。これによって未貫通領域Ｍ１ａと流路壁ＡＰｂとが連結する流路壁端部ＡＰｂｅにおける剛性を向上することができ、続く工程において流路壁ＡＰｂの位置ずれが発生する可能性を低減することができる。

図１１（Ｂ）は、中間プレートＳＰｉが２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃで挟持された状態を示している。このとき、図に示すように、２つのプレートＳＰa、ＳＰｃに設けられたマニホールド孔Ｍ１から、中間プレートＳＰｉの未貫通領域Ｍ１ａが露出した状態となる。図１１（Ｃ）は、未貫通領域Ｍ１ａを打ち抜き、アノードガス供給用マニホールド孔Ｍ１が完全に貫通した状態を示している。未貫通領域Ｍ１ａが削除されたことによって、マニホールド孔Ｍ１とアノード流路列ａｐ１とは連結する。

このように、本実施例の構成によれば、セパレータに設けた各流体流路の形状によって、燃料電池内における流体の配流性を向上することができる。従って、セパレータＳＰを薄肉化・軽量化するなど、燃料電池を小型化した場合であっても、燃料電池内の流体の配流性が低減することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例において中間プレートＳＰｉに設けられていた流体流路の形状は、上記実施例の形状に限定されるものではなく、流路断面積が変化する任意の形状を採用することがかのうである。例えば、上記実施例において、扇形成流路ＣＰｓは、各マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂから発電部領域１１ａへ向かって略放射状に延びていたが、階段状に延びるものとしても良い。

また、上記実施例において、２つのカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の全ての流路の流路端部ＣＰｅの流路断面積を大きくしていたが、一部の流路の流路端部ＣＰｅの流路断面積が大きくなっているものとしても良い。即ち、中間プレートＳＰｉに設けられる全ての流体流路の流路断面積が形成される部位に応じて変化している必要はなく、一部の流路のみが形成される部位に応じて流路断面積が変化しているものとしても良い。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例において、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路は、形成される部位に応じて流路断面積が変化する流路を有していたが、同様に、アノード流路列ａｐ１、ａｐ２の各流路が、形成される部位に応じて流路断面積が変化しているものとしても良い。これによって、アノードガスの配流性及び排出性を向上することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例において、膜電極接合体１０にはシールラインＳＬが設けられていたが、シールラインＳＬは省略されていても良い。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例において、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、中間プレートＳＰｉが膜電極接合体１１の外周シール枠部１２と重なる外周領域は、樹脂フィルムで構成されていたが、他の材料で構成されていても良い。例えば、他の２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃと同様にカーボンや金属などの導電性の材料で構成されるものとしても良い。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例において、カソードガス供給用及びカソード排ガス排出用のマニホールド孔はそれぞれ２個ずつ設けられていたが、１個ずつ設けられているものとしても良い。また、さらに複数個ずつのカソードガス供給用及びカソード排ガス排出用のマニホールド孔が設けられているものとしても良い。

Ｂ６．変形例６：
上記実施例において、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２には、燃料電池１００の締結部材２０のシャフト部２０ｓが収納されていたが、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２は省略されていても良い。即ち、締結部材２０は、燃料電池の側面から突出した部位に設けられて燃料電池を締結する構成であっても良い。

燃料電池の構成を示す概略図である。 第１実施例における膜電極接合体の構成を示す概略図である。 第１実施例における膜電極接合体の構成を示す一部断面図である。 第１実施例におけるアノードプレートの構成を示す概略図である。 第１実施例におけるカソードプレートの構成を示す概略図である。 第１実施例における中間プレートの構成を示す概略図である。 燃料電池内における供給ガスの流れを説明するための説明図である。 カソード流路列の構成を説明するための説明図である。 比較例のカソード流路列を説明するための説明図である。 比較例のカソード流路列の製造工程を示す説明図である。 アノード流路列の製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１０…膜電極接合体
１１…発電部
１１ａ…発電部領域
１２…外周シール枠部
１３…電解質膜
１３ｅ…膜端部
１４ａ…アノード電極層
１４ｃ…カソード電極層
１５…突起部
２０…締結部材
２０ｎ…ナット部
２０ｓ…シャフト部
２１…エンドプレート
１００…燃料電池
ＡＰ１…第１のアノード流路
ＡＰ２…第２のアノード流路
ＡＰｂ…流路壁
ＣＮ…四隅
ＣＰ１…第１のカソード流路列
ＣＰ２…第２のカソード流路列
ＣＰｂ…流路壁
ＣＰｂｅ…流路壁端部
ＣＰｅ…流路端部
ＣＰｍ…主流路部位
ＣＰｓ…扇形成流路
ＣＳ…長辺中央部
ＣＶ１…角凹部
ＣＶ２…中央凹部
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
Ｍ１ａ…未貫通領域
Ｍ１ｂ…貫通領域
Ｐ１…アノードガス流入孔
Ｐ１ａ…貫通孔領域
Ｐ２…アノード排ガス流出孔
Ｐ２ａ…貫通孔領域
Ｐ３…カソードガス流入孔
Ｐ３ａ…貫通孔領域
Ｐ４…カソード排ガス流出孔
Ｐ４ａ…貫通孔領域
ＳＬ…シールライン
ＳＬａ…シールライン領域線
ＳＰa、ＳＰｃ、ＳＰｉ、ＳＰｉＡ…プレート
ＳＰ…セパレータ
ＷＰ…貫通領域
ＷＰａ…冷媒流路
ＷＰｂ…流路壁
ａｐ１、ａｐ２…アノード流路列
ａｐ１ｅ…端部

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体とセパレータとを交互に積層した積層体と、
   前記積層体を貫通するマニホールド孔と、
   を備え、
   前記膜電極接合体は、
   第１と第２の面を有するとともに、
   電極層を含む発電部と、
   前記発電部の外周縁に設けられた外周非発電部と、
   を備え、
   前記マニホールド孔は、前記外周非発電部に設けられており、
   前記セパレータは、
   前記膜電極接合体の前記第１の面側に配置される第１のプレートと、
   前記膜電極接合体の前記第２の面側に配置される第２のプレートと、
   前記第１と第２のプレートに挟持される中間プレートと、
   を備え、
   前記第１と第２のプレートにはそれぞれ、前記発電部に連通する貫通孔である発電部連通孔が設けられ、
   前記中間プレートには、前記マニホールド孔から前記発電部連通孔へ向かって併走する複数の流体流路が設けられており、
   前記複数の流体流路は、形成される部位に応じて流路断面積が変化する複数の断面積変化流路を含む、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記複数の断面積変化流路のそれぞれは、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記発電部連通孔と重なる発電部連結部位と、前記マニホールド孔と前記発電部連通孔との間に配置される主流路部位とを有しており、
   前記断面積変化流路の前記発電部連結部位の流路幅は、前記主流路部位の流路幅より広い、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記複数の断面積変化流路は、前記マニホールド孔から前記発電部連通孔に至るまでの距離が長い流体流路ほど、前記発電部の近傍における流路幅が大きくなる、燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記複数の断面積変化流路は、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記マニホールド孔から略放射状に流路が延びる扇形部位を有している、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であって、
   前記外周非発電部には、流体をシールするためのシールラインが前記発電部及び前記マニホールド孔を囲むように設けられており、
   前記複数の断面積変化流路のそれぞれは、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記シールラインと交差した後、前記発電部に至るまでに流路幅が増加する、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であって、
   前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記膜電極接合体の前記外周非発電部と重なる前記中間プレートの外周領域は樹脂材料で形成されている、燃料電池。

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