JP2010049920A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で発電領域における反応ガスの配流性や冷却効率・集電効率を向上できる技術を提供する。
【解決手段】セパレータ２００は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０によって構成されている。アノードプレート２２０は、アノード２２側に突起した複数の凸ディンプル２２６と、カソードプレート２１０側に突起した複数の凹ディンプル２２７とが設けられている。凸ディンプル２２６は、セパレータ２００とシールガスケット１２０との接触面よりも突出して、発電領域ＥＡにおける反応ガスのためのガス流路を構成する。凹ディンプル２２７は、発電領域ＥＡにおいて２枚のプレート２１０，２２０の間に流入する冷媒のための冷媒流路を構成する。
【選択図】図９

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備え、膜電極接合体は、セパレータによって挟持される。セパレータは、導電性を有する複数の板状部材で構成されており、反応ガスや冷媒のための流路を有する。これにより、セパレータは、発電された電気を集電する集電機能と、電極へ反応ガスを誘導するガス供給機能と、発電により生じた熱を冷却する冷却機能とを実現する（特許文献１等）。

特開２００６−３１８８６３号公報 特開２００１−１９６０７９号公報 特開平９−９７６２３号公報

ところで、燃料電池は、発電に供される発電領域における反応ガスの配流性を向上することによってその発電効率を向上させることができる。また、冷媒による発電領域における冷却効率や発電電気の集電効率を向上することによっても発電効率を向上させることができる。一方、燃料電池は、車両などの限られた空間に設置するために小型化・軽量化されることが要求されている。そこで、燃料電池は、発電領域における反応ガスの配流性や、冷却効率・集電効率を向上させつつ、その構成がより簡易化されることが好ましい。しかし、これまでこうした要求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、簡易な構成で発電領域における反応ガスの配流性や冷却効率・集電効率を向上できる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するセパレータとを備え、前記膜電極接合体の外周には、流体の漏洩を防止するためのシール部が設けられ、前記セパレータは、前記燃料電池を挟持方向に沿って見たときに前記電極と重なる発電領域と、前記シール部を挟持する非発電領域とを有し、前記発電領域は、第１と第２のプレートによって構成され、前記第１のプレートは、前記電極側に突起した複数の電極側凸部と、前記第２のプレート側に突起した複数のプレート側凸部とを有し、前記複数の電極側凸部は、前記非発電領域における前記セパレータと前記シール部との接触面よりも突出して、前記発電領域における反応ガスのためのガス流路を構成し、前記複数のプレート側凸部は、前記発電領域において前記第１と第２のプレートの間に流入する冷媒のための冷媒流路を構成する、燃料電池。
この燃料電池によれば、簡易な構成のセパレータによって発電領域における反応ガスの配流性を向上させつつ、発電電気の集電効率及び発電領域における冷却効率を向上させることができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記電極側凸部と前記電極とが直接的に接触する、燃料電池。
この燃料電池によれば、電極側凸部と電極との間に他の部材を介さないため、発電電気の集電効率を向上させることができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、さらに、前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路部材を備え、前記電極はアノードとカソードとを含み、前記第１のプレートは、前記アノード側に配置され、前記第２のプレートは、前記カソード側に配置され、前記ガス流路部材は、前記第２のプレートと前記カソードとの間に配置される、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード側の電極面には、電極側凸部によってガス流路が形成され、カソード側の電極面には、ガス流路部材によってガス流路が形成される。従って、カソード側の排水性やガス配流性をガス流路部材によって実現しつつ、カソード側より簡易な構成によって、アノード側のガス配流性を向上できる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記非発電領域は、前記第１と第２のプレートによって構成されており、前記シール部は、前記第１と第２のプレートによって挟持され、前記非発電領域の前記第１と第２のプレートの間には、前記反応ガス及び前記冷媒を前記ガス流路及び前記冷媒流路に誘導するための連通流路が形成されている、燃料電池。

［適用例５］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記非発電領域は、前記第１と第２のプレートによって構成されており、前記シール部は、前記第１と第２のプレートによって挟持され、前記シール部には、前記反応ガス及び前記冷媒を前記ガス流路及び前記冷媒流路に誘導するための連通流路が形成されている、燃料電池。
適用例４または適用例５の燃料電池によれば、セパレータを２枚のプレートでのみ構成できるため、燃料電池は、より簡易な構成となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１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１０００は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０００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。

燃料電池１０００は、複数の膜電極接合体１００と、セパレータ２００とが交互に積層されたスタック構造を有する。セパレータ２００は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０によって構成されており、アノードプレート２２０の外周には、流路枠部材２５０が設けられている。流路枠部材２５０は、反応ガスや冷媒などの流体の流路を構成するための枠状の樹脂部材である。膜電極接合体１００及びセパレータ２００の積層体は、その積層方向から２枚のエンドプレート４０１，４０２によって挟持され、締結部材４０３によって積層方向に荷重を受けて締結される。

図２（Ａ）は、膜電極接合体１００の構成を示す概略図であり、カソード側の面を示している。なお、アノード側の面の構成はカソード側の面と同様であるため、図示及び説明は省略する。膜電極接合体１００は、略長変形の部材であり、発電に供される発電部１１０と発電部１１０の外周に成形された流体の漏洩を防止するためのシールガスケット１２０とを有する。

シールガスケット１２０には、反応ガス及び冷媒のための６個のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。具体的には、水素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とが、膜電極接合体１００の短辺に沿って並列に設けられている。また、水素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とが、発電部１１０を挟んでそれぞれの供給用のマニホールド孔Ｍ１，Ｍ５に対向して設けられている。酸素供給用マニホールド孔Ｍ３及び酸素排出用マニホールド孔Ｍ４はそれぞれ、発電部１１０を挟んで対向する位置に、膜電極接合体１００の長辺に沿って設けられている。

さらに、シールガスケット１２０の外表面には、流体の漏洩を防止するためのシールラインＳＬ（図中に二条線で図示）が設けられている。具体的には、シールラインＳＬは、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と発電部１１０とを囲むように設けられている。なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及びシールラインＳＬの構成は他の構成であっても良い。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における膜電極接合体１００の断面図である。発電部１１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である電解質膜１０を有する。電解質膜１０の外表面にはそれぞれ電極２１，２２（カソード２１及びアノード２２）が配置されている。各電極２１，２２の電解質膜１０と接する面側には燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金）が担持された触媒層（図示せず）が形成されている。一方、各電極２１，２２の電解質膜１０と接しない面側には、反応ガスを電極面の全体に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）が形成されている。２つの電極２１，２２は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。

電解質膜１０の外周端部１０ｅは、２つの電極２１，２２の外周端部２１ｅ，２２ｅより突出しており、シールガスケット１２０は、各外周端部１０ｅ，２１ｅ，２２ｅを被覆するように成形されている。この構成により、電極端部２１ｅ，２２ｅにおいて、反応ガスが供給された電極とは反対側の電極へと燃料電池反応に供されることなく移動してしまうクロスリークの発生が抑制される。なお、シールガスケット１２０の外表面に設けられたシールラインＳＬは、シールガスケット１２０の外表面の突起部１２１（リップ１２１）として形成されている。

図３（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２００のカソードプレート２１０の構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、アノードプレート２２０と接する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示しており、図３（Ｂ）は、膜電極接合体１００のカソード２１と対向する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）を示している。なお、図３（Ａ），（Ｂ）には、燃料電池１０００を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１００の発電部１１０（図２（Ａ））と重なる領域を一点破線で図示してある。以後、この領域を「発電領域ＥＡ」と呼ぶ。

カソードプレート２１０は、膜電極接合体１００とほぼ同サイズの略長辺形の導電性を有する板状部材である。カソードプレート２１０は、例えば金属薄板によって構成できる。カソードプレート２１０には、膜電極接合体１００と同様にマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。

カソードプレート２１０の酸素用のマニホールド孔Ｍ３，Ｍ４のそれぞれの近傍には、複数の貫通孔からなる貫通孔列Ｐ１，Ｐ２が設けられている。貫通孔列Ｐ１，Ｐ２の各貫通孔は、酸素用の各マニホールド孔Ｍ３，Ｍ５と発電領域ＥＡとの間において、発電領域ＥＡの長辺方向に沿って一列に配列されている。なお、各貫通孔列Ｐ１，Ｐ２は、燃料電池１０００として組み付けられたときに、膜電極接合体１００のシールガスケット１２０に設けられたシールラインＳＬによって囲まれる領域であって、発電部１１０が配置される領域と同じ領域内に配置される。

図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、セパレータ２００のアノードプレート２２０の構成を示す概略図である。図４（Ａ）は、膜電極接合体１００のアノード２２と対向する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示しており、図４（Ｂ）は、カソードプレート２１０と接する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）を示している。なお、図４（Ａ），（Ｂ）は、発電部流路形成部２２５が設けられている点以外は、図３（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示すＣ−Ｃ切断におけるアノードプレート２２０の断面を示す概略図である。

発電部流路形成部２２５は、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５と冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６との間の発電領域ＥＡを含むプレート面をプレス加工によってアノード面側に突出させて形成された部位である。発電部流路形成部２２５の発電領域ＥＡ内には、さらに、プレス加工によってアノード面側に突出させた複数のアノード側凸部２２６とその反対側に陥没させた（即ち、カソード面側に突出させた）カソード側凸部２２７とが交互に配列して設けられている。各凸部２２６，２２７は、その突出（陥没）方向に沿って見たときに略円形形状を有している。なお、図４（Ａ），（Ｂ）では、紙面に対して凹となる凸部２２６，２２７の底面を黒く塗りつぶして図示してある。

ここで、各凸部２２６，２２７のように、基準となる平面に連続的に配列して形成された複数の凸部又は凹部を、本明細書中では「ディンプル」と呼ぶ。そこで、以後、本明細書中では、アノード側凸部２２６を「凸ディンプル２２６」とも呼び、カソード側凸部２２７を「凹ディンプル２２７」とも呼ぶ。

なお、図４（Ｃ）には、セパレータ２００を構成した場合に配置されるカソードプレート２１０を破線で図示してある。凹ディンプル２２７の底面２２７ｔは、セパレータ２００を構成したときに、凹ディンプル２２７の底面２２７ｔはカソードプレート２１０と当接する。また、図中の矢印に示すように、発電部流路形成部２２５とカソードプレート２１０との間の空間を介して冷媒用のマニホールド孔Ｍ５，Ｍ６同士が連通しており、冷媒を発電領域ＥＡに流入させることが可能となる。以後、発電部流路形成部２２５とカソードプレート２１０との間に形成される空間であって、冷媒用の各マニホールド孔Ｍ５，Ｍ６と発電領域ＥＡとを連通する空間をそれぞれ「冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂ」と呼ぶ。なお、冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂにも、凹ディンプル２２７が形成されているが、この凹ディンプル２２７は省略されても良い。

図５（Ａ），（Ｂ）は、流路枠部材２５０の構成を示す概略図である。図５（Ａ）は、膜電極接合体１００のアノード２２側の面と当接する面（以後、「アノード面」と呼ぶ）を示しており、図５（Ｂ）は、セパレータ２００のアノードプレート２２０と当接する面（以後、「カソード面」と呼ぶ）を示している。

流路枠部材２５０は、セパレータ２００とほぼ同サイズの略長辺形の樹脂部材であり、セパレータ２００と同様に、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。また、流路枠部材２５０は、発電領域ＥＡにおいて貫通窓部２５１が形成されている。流路枠部材２５０のアノード面は、平坦な面で構成されているが（図５（Ａ））、そのカソード面は、薄肉化することによって流体のための流路が形成されている（図５（Ｂ））。具体的には、以下のように流路が形成されている。

流路枠部材２５０には、酸素用のマニホールド孔Ｍ３，Ｍ４とセパレータ２００に設けられた貫通孔列Ｐ１，Ｐ２の各貫通孔（図３，図４）とをそれぞれ連通する複数の酸素用連通流路２５２ａ，２５２ｂが櫛歯状に並列に設けられている。また、酸素用連通流路２５２ａ，２５２ｂと貫通窓部２５１との間にはそれぞれ、流路枠部材２５０の長辺方向に沿って延び、水素用のマニホールドＭ１，Ｍ５とそれぞれ連通する水素連通流路２５３ａ，２５３ｂが設けられている。２つの水素連通流路２５３ａ，２５３ｂはそれぞれ、貫通窓部２５１の長辺方向に櫛歯状に並列に設けられた複数の水素櫛歯流路２５４ａ，２５４ｂによって貫通窓部２５１と連通している。また、流路枠部材２５０には、冷媒用の各マニホールド孔Ｍ５，Ｍ６と貫通窓部２５１との間に、アノードプレート２５０の発電部流路形成部２２５によって形成された冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂ（図４（Ｃ））を配置するための薄肉部位２５８ａ，２５８ｂが形成されている。

図６（Ａ）は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０と流路枠部材２５０とを積層してセパレータ２００を構成した状態を示す概略図であり、セパレータ２００のアノード面を示している。なお、図６（Ａ）には、理解のために、セパレータ２００に形成された貫通孔列Ｐ１，Ｐ２及び冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂと、流路枠部材２５０に設けられた各流体流路２５２ａ，２５２ｂ，２５３ａ，２５３ｂ，２５４ａ，２５４ｂとを破線で図示してある。このように、セパレータ２００を構成したとき、アノードプレート２２０の発電部流路形成部２２５の一部は、流路枠部材２５０の貫通窓部２５１から露出する。ただし、発電部流路形成部２２５のうち、冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂを形成する部位は、流路枠部材２５０の薄肉部位２５８ａ，２５８ｂに嵌るため露出していない。

図６（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、図６（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断及びＣ−Ｃ切断におけるセパレータ２００の断面を示す概略断面図である。発電部流路形成部２２５の凸ディンプル２２６は、流路枠部材２５０の外表面より突出している。なお、２つのプレート２１０，２２０同士は金属接合され、流路枠部材２５０とアノードプレート２２０とは、接着剤などにより接着される。

図７は、燃料電池１０００の組み付け工程を模式的に示す概略断面図である。図７には、図２（Ｂ）と同様な膜電極接合体１００の概略断面図と、図６（Ｂ）と同様なセパレータ２００の概略断面図とが示されている。燃料電池１０００では、膜電極接合体１００がセパレータ２００によって挟持される際に、膜電極接合体１００のカソード電極２１とカソードプレート２１０との間に、ガス流路部材５００が配置される。なお、セパレータ２００の凸ディンプル２２６は、燃料電池１０００として組み付けられたときに、膜電極接合体１００のアノード２２と当接する。

このガス流路部材５００は、発電領域ＥＡに供給された酸素をカソード２１の全面に行き渡らせるためのガス流路として機能する部材である。ガス流路部材５００は、導電性を有しており、カソード２１とカソードプレート２１０との間の導電パスとしても機能する。ガス流路部材５００は、焼結金属などの導電性多孔質部材によって構成することもできるし、例えば、いわゆるメッシュやエキスパンドメタル、パンチングメタルなどの金属加工部材によって構成することもできる。

なお、燃料電池１０００として組み付けられたときに、ガス流路部材５００がセパレータ２００から受ける荷重は、凹ディンプル２２７が形成された部位と、凹ディンプル２２７が形成されていない部位とで不均一となる場合がある。従って、ガス流路部材５００としては、そうした局所的な荷重の不均一性にかかわらず、その厚みが面に沿った方向に渡って略一定に保持される程度の強度を有することが好ましい。これによって、セパレータ２００のディンプル２２６，２２７によってガス流路部材５００の気孔率が局所的に変化してしまうことを抑制できる。また、カソード２１のガス拡散層がガス流路部材５００を介して受ける荷重が、セパレータ２００のディンプル形成部位と非形成部位とで不均一となることを抑制でき、カソード側の水分が当該ガス拡散層に滞留してしまうことを抑制できる。

図８，図９は、燃料電池１０００における流体の流れを説明するための模式図である。図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、膜電極接合体１００のカソード側の面とアノード側の面における流体の流れを示している。図８（Ａ）は、燃料電池１０００の積層方向に投影されるセパレータ２００の貫通孔列Ｐ１，Ｐ２及び流路枠部材２５０の酸素用連通流路２５２ａ，２５２ｂを破線で示し、酸素の流れる方向を矢印で図示してある点以外は図２（Ａ）とほぼ同じである。

図８（Ｂ）は、膜電極接合体１００のアノード面を示す図８（Ａ）と同様な図であり、燃料電池１０００の積層方向に投影される水素連通流路２５３ａ，２５３ｂ及び水素櫛歯流路２５４ａ，２５４ｂを破線で示してある。また、図８（Ｂ）には、アノード２２と凸ディンプル２２６とが接する領域を破線で示してある。

図９（Ａ）は、図８（Ａ）に示すＡ−Ａ切断における燃料電池１０００の一部断面図を示しており、反応ガスの流れを矢印で図示してある。図９（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における燃料電池１０００の一部断面図を示しており、冷媒の流れを矢印で図示してある。

図８（Ａ）及び図９（Ａ）に示すように、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３に供給された酸素の一部は、流路枠部材２５０の酸素用連通流路２５２ａへと流入し、セパレータ２００の貫通孔列Ｐ１の各貫通孔から膜電極接合体１００のカソード側の面へと流れる。さらに、酸素は、カソード２１に配置されたガス流路部材５００によってカソード２１の全面に行き渡る。燃料電池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生成された水分を含むカソード排ガスは、ガス流路部材５００から、セパレータ２００の貫通孔列Ｐ２の各貫通孔を介して、流路枠部材２５０の酸素用連通流路２５２ｂへと流入する。そして、カソード排ガスは、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４から燃料電池１０００の外部へと排出される。

一方、図８（Ｂ）及び図９（Ａ）に示すように、水素供給用マニホールド孔Ｍ１に供給された水素の一部は、水素連通流路２５３ａへと流入し、水素櫛歯流路２５４ａの各流路を介して膜電極接合体１００のアノード側の面へと供給される。アノード２２に流入した水素は、発電領域ＥＡにおいて千鳥状に配列された各凸ディンプル２２６の間をすり抜けながら燃料電池反応に供されつつ、下流側へと流れる。即ち、凸ディンプル２２６は、発電された電気を集電するための導電パスとして機能するとともに、アノード２２における水素の流路として機能する。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は、排出側の水素櫛歯流路２５４ｂ及び水素連通流路２５３ｂを介して水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池１０００の外部へと排出される。

冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５から供給された冷媒の一部は、図９（Ｂ）に示すように、セパレータ２００の冷媒連通流路２２８ａからディンプル２２６，２２７によってカソードプレート２１０とアノードプレート２２０との間に形成された空間へと流入する。発電領域ＥＡにおいて、冷媒は、各凹ディンプル２２７の間をすり抜けつつ、燃料電池反応によって生じた熱を伴って排出側の冷媒連通流路２２８ｂを介して冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと流出し、燃料電池１０００の外部へと排出される。即ち、凹ディンプル２２７は、カソードプレート２１０とアノードプレート２２０との間のスペーサとして機能するとともに、発電電気の導電パスとして機能し、さらに、発電領域ＥＡにおける冷媒の流路として機能する。

ところで、燃料電池は、通常、電極面内（発電領域）における反応ガスの配流性を向上させることによって、その発電効率を向上させることができる。また、発電領域内における冷媒の配流性を向上させることによって冷却効率を向上させることができる。そのため、一般には、セパレータと電極との間に反応ガスを向上させるためのガス流路部材を配置したり、セパレータに冷媒流路を構成するための流路部材を設けたりする場合がある。

しかし、本実施例の構成によれば、アノードプレート２２０に形成されたディンプル２２６，２２７がそれぞれ、アノード流路及び冷媒流路として機能する。そのため、発電領域ＥＡにおいて、上述した流路部材を別途設けることなく、発電領域ＥＡにおける水素及び冷媒の配流性を向上させることが可能である。従って、燃料電池の発電効率を向上させるとともに、燃料電池の構成部材数の増加を抑制することができ、燃料電池の重量の増加や製造コストの増大を抑制できる。

また、上述したように、この燃料電池１０００では、セパレータ２００の凸ディンプル２２６がアノード２２と直接的に接することによって、膜電極接合体１００とセパレータ２００との間の導電パスを形成する。従って、ガス流路部材などの他の導電性部材を介して電極から発電電気を集電する場合より、接触抵抗が低減するため集電効率が向上する。さらに、セパレータ２００では、２つのプレート２１０，２２０同士が互いに接触して導電するため、カソードプレートとアノードプレートとの間に中間プレートや冷媒流路部材などが設けられた３層以上の多層式セパレータに比較して集電効率が向上している。

このように、本実施例の燃料電池によれば、より簡易な構成で、その発電領域における反応ガスの配流性や冷却効率及び集電効率を向上できる。

B．第２実施例：
図１０は、本発明の第２実施例としての燃料電池１０００Ａの構成を示す概略図である。図１０は、流路枠部材２５０が省略され、膜電極接合体１００及びセパレータ２００に換えて膜電極接合体１００Ａ及びセパレータ２００Ａが用いられている点以外は図１０と同じである。この燃料電池１０００Ａでは、流路枠部材２５０を用いることなく、セパレータ２００Ａを構成する２つのプレート２１０Ａ，２２０Ａにおいて、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と発電領域ＥＡとを連通する流体流路が形成されている。

図１１（Ａ）は、膜電極接合体１００Ａの構成を示す概略図である。図１１（Ａ）は、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６や発電部１１０などの各部のサイズが異なる点以外は、図２（Ａ）とほぼ同じである。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における膜電極接合体１００Ａの断面を示す概略断面図である。図１１（Ｂ）は、シールガスケット１２０の形状が異なる点以外は、図２（Ｂ）とほぼ同じである。なお、シールラインＳＬを構成するリップ１２１の形状が図２（Ｂ）と異なるが、その機能は図２（Ｂ）のものと同様である。

図１２（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２００Ａのカソードプレート２１０Ａの構成を示す概略図である。図１２（Ａ）は、カソードプレート２１０Ａのアノード面を示しており、図１２（Ｂ）は、カソード面を示している。なお、図１２（Ａ），（Ｂ）には、発電領域ＥＡを一点破線で図示してある。

カソードプレート２１０Ａには、膜電極接合体１００Ａ（図１１）と同様に、流体のための各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。また、カソードプレート２１０Ａには、酸素用のマニホールド孔Ｍ３，Ｍ４のそれぞれと発電領域ＥＡとの間に、発電領域ＥＡの長辺方向に沿って設けられた貫通孔である酸素用連通孔ＣＨ１，ＣＨ２が設けられている（図１２（Ａ），（Ｂ））。

また、カソードプレート２１０Ａのアノード面には、プレートを薄肉化することによって複数の流体用の流路溝が設けられている（図１２（Ａ））。具体的には、酸素用の流路溝として、酸素用の各マニホールド孔Ｍ３，Ｍ４と各酸素用連通孔ＣＨ１，ＣＨ２とを連通する酸素用連通流路溝２１１ａ，２１１ｂが設けられている。また、水素用の流路溝として、水素用の各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２と発電領域ＥＡとの間に、水素用の各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２とアノードプレート２２０Ａの水素用連通孔ＡＨ１，ＡＨ２（後述）とを連通するための水素用連通流路溝２１３ａ，２１３ｂが設けられている。さらに、冷媒用の流路溝として、冷媒用の各マニホールド孔Ｍ５，Ｍ６と発電領域ＥＡとを連通する冷媒用流路溝２１５ａ，２１５ｂが設けられている。

図１３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、セパレータ２００Ａのアノードプレート２２０Ａの構成を示す概略図である。図１３（Ａ）は、アノードプレート２２０Ａのアノード面を示しており、図１３（Ｂ）は、反対側のカソード面を示している。図１３（Ａ），（Ｂ）には、発電領域ＥＡを一点破線で図示してある。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に示すＣ−Ｃ切断におけるアノードプレート２２０Ａの断面を示す概略断面図である。図１３（Ｃ）には、セパレータ２００Ａを構成した場合に配置されるカソードプレート２１０Ａ（図１２）を破線で図示してある。

アノードプレート２２０Ａには、カソードプレート２１０Ａ（図１２）と同様に各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている（図１３（Ａ），（Ｂ））。また、アノードプレート２２０Ａには、プレス加工によって、発電領域ＥＡのプレート面をアノード側に突出させた発電部流路形成部２２５Ａが設けられている。発電部流路形成部２２５Ａには、第１実施例のアノードプレート２２０における発電部流路形成部２２５（図４）と同様に凸ディンプル２２６及び凹ディンプル２２７が交互に配列して設けられている。なお、凹ディンプル２２７は、セパレータ２００Ａを構成したときに、カソードプレート２１０Ａと接する（図１３（Ｃ））。

さらに、このアノードプレート２２０Ａには、水素用の各マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２と発電部流路形成部２２５Ａとの間にそれぞれ、カソードプレート２１０Ａの水素用連通流路溝２１３ａ，２１３ｂと連通する水素用連通孔ＡＨ１，ＡＨ２が設けられている（図１３（Ａ），（Ｂ））。なお、水素用連通孔ＡＨ１，ＡＨ２は、燃料電池１０００Ａとして組み付けられたときに、膜電極接合体１００Ａ（図１１）のシールガスケット１２０に設けられたシールラインＳＬによって囲まれる領域であって、発電部１１０が配置される領域と同一の領域内に配置される。

図１４は、燃料電池１０００Ａの組み付け工程を模式的に示す概略断面図である。燃料電池１０００Ａでは、第１実施例の燃料電池１０００と同様に（図７）、膜電極接合体１００Ａが２枚のプレート２１０Ａ，２２０Ａによって挟持される際に、カソード２１とカソードプレート２１０Ａとの間に、ガス流路部材５００が配置される。ここで、凸ディンプル２２６は、シールガスケット１２０とアノードプレート２２０Ａとが接触する面より突出している。これにより、凸ディンプル２２６は、第１実施例の燃料電池１０００と同様に、膜電極接合体１００Ａのアノード２２と直接的に接する。

図１５（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、燃料電池１０００Ａの内部における流体の流れを説明するための模式図である。図１５（Ａ）は、図１３（Ａ）に示すＡ−Ａ切断に相当する切断面における燃料電池１０００Ａの一部断面を示す概略断面図であり、図中の矢印は酸素の流れを示している。なお、図１５（Ａ）には、セパレータ２００Ａに設けられた酸素用連通孔ＣＨ１，ＣＨ２及び酸素用連通流路溝２１１ａ，２１１ｂが破線で図示されている。

酸素供給用のマニホールド孔Ｍ３から供給された酸素の一部は、カソードプレート２１０Ａに設けられた酸素用連通流路溝２１１ａ及び酸素用連通孔ＣＨ１を介して発電領域ＥＡのガス流路部材５００へと流入する。ガス流路部材５００を介して酸素は膜電極接合体１００Ａのカソード２１へと供給され、燃料電池反応に供されつつ、下流側へと流れる。カソード排ガスは、酸素用連通孔ＣＨ２及び酸素用連通流路溝２１１ｂを介して酸素排出用マニホールドＭ４へと流出し、燃料電池１０００Ａの外部へと排出される。

図１５（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示すＣ−Ｃ切断に相当する切断面における燃料電池１０００Ａの一部断面を示す概略断面図であり、図中の矢印は、水素の流れを示している。なお、図１５（Ｂ）には、セパレータ２００Ａに設けられた水素用連通孔ＡＨ１，ＡＨ２及び水素用連通流路溝２１３ａ，２１３ｂを破線で図示してある。

水素供給用マニホールド孔Ｍ１から供給された水素の一部は、カソードプレート２１０Ａに設けられた水素用連通流路溝２１３ａ及び水素用連通孔ＡＨ１を介して発電領域ＥＡへと供給される。発電領域ＥＡにおいて水素は、各凸ディンプル２２６の間をすりぬけて、燃料電池反応に供されつつ下流側へと流れる。アノード排ガスは、水素用連通孔ＡＨ２及び水素用連通流路溝２１３ｂを介して水素排出用マニホールドＭ２へと流出し、燃料電池１０００Ａの外部へと排出される。

図１５（Ｃ）は、燃料電池１０００Ａにおける冷媒の流れを示す模式図である。図１５（Ｃ）は、図中の矢印が冷媒の流れを示している点と、水素用連通孔ＡＨ１，ＡＨ２及び水素用連通流路溝２１３ａ，２１３ｂに換えて、冷媒用流路溝２１５ａ，２１５ｂが破線で図示されている点以外はほぼ、図１５（Ｂ）と同じである。冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５から供給された冷媒の一部は、カソードプレート２１０Ａに設けられた冷媒用流路溝２１５ａを介してカソードプレート２１０Ａとアノードプレート２２０Ａの発電部流路形成部２２５Ａとの間の空間へと流入する。その後、冷媒は、燃料電池反応によって生じた熱を伴って、冷媒用流路溝２１５ｂを介して冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６へと流出し、燃料電池１０００Ａの外部へと排出される。

このように、この第２実施例の燃料電池１０００Ａによれば、セパレータ２００Ａの発電領域ＥＡに形成されたディンプル２２６，２２７によって、第１実施例の燃料電池１０００と同様に、水素及び冷媒の配流性及び発電電気の集電効率を向上できる。また、第１実施例における流路枠部材２５０を省略できるため、より燃料電池を小型化・軽量化することが可能であり、燃料電池の製造コストを低減することが可能である。

C．第３実施例：
図１６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池に用いられる膜電極接合体１００Ｂの構成を示す概略図である。図１６（Ａ）は、膜電極接合体１００Ｂのカソード側の面を示しており、図１６（Ｂ）は、アノード側の面を示している。なお、この膜電極接合体１００Ｂは、シールガスケット１２０Ｂの構成が異なる点以外は、第１実施例の膜電極接合体１００（図２）とほぼ同じである。また、この膜電極接合体１００Ｂは、第１実施例と同じカソードプレート２１０（図３）とアノードプレート２２０（図４）とが積層されたセパレータ２００Ｂによって挟持される。なお、セパレータ２００Ｂには、流路枠部材２５０（図５）は用いられない。

この膜電極接合体１００Ｂのシールガスケット１２０Ｂの外表面には、シールラインＳＬに換えて、以下の薄肉部が形成されている。即ち、カソード側の外表面には、酸素用の各マニホールド孔Ｍ３，Ｍ４と発電部１１０との間に、セパレータ２００Ｂの貫通孔列Ｐ１，Ｐ２と発電部１１０とを連通するための酸素用流路溝１２２ａ，１２２ｂが薄肉化することにより形成されている（図１６（Ａ））。また、アノード側の外表面には、第１実施例の流路枠部材２５０（図５）と同様な流体流路が薄肉部として形成されている（図１６（Ｂ））。具体的には、シールガスケット１２０Ｂのアノード側の外表面に、酸素用連通流路２５２ａ，２５２ｂと、水素連通流路２５３ａ，２５３ｂと、水素櫛歯流路２５４ａ，２５４ｂとが形成されている。また、シールガスケット１２０Ｂには、アノードプレート２２０に設けられた冷媒連通流路２２８ａ，２２８ｂを配置するたの薄肉部位２５８ａ，２５８ｂとが形成されている。即ち、この膜電極接合体１００Ｂでは、シールガスケット１２０Ｂにおいて、第１実施例の流路枠部材２５０の機能が実現される。

図１７は、膜電極接合体１００Ｂを用いた第３実施例の燃料電池１０００Ｂの組み付け工程を示す模式図である。図１７は、図１６（Ａ）に示すＡ−Ａ切断に相当する切断面における概略断面図である。膜電極接合体１００Ｂは、２つのセパレータ２００によって挟持される。このとき、膜電極接合体１００Ｂのカソード２１とカソードプレート２１０との間にはガス流路部材５００が配置される。また、セパレータ２００の凸ディンプル２２６が膜電極接合体１００Ｂのアノード２２と直接的に接触する。

図１８（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１０００Ｂにおける流体の流れを説明するための模式図である。図１８（Ａ）は、図１６（Ａ）に示すＡ−Ａ切断に相当する切断面における燃料電池１０００Ｂの一部概略断面図である。酸素供給用マニホールド孔Ｍ３からシールガスケット１２０Ｂに設けられた酸素用連通流路２５２ａへと流入した酸素は、セパレータ２００の貫通孔列Ｐ１の各貫通孔を介して膜電極接合体１００Ｂのカソード側の面へと流れる。さらに、酸素は、シールガスケット１２０Ｂの酸素用流路溝１２２ａを経て、ガス流路部材５００によってカソード２１の全面に行き渡る。カソード排ガスは、ガス流路部材５００から、排出側の酸素用流路溝１２２ｂを経て、セパレータ２００の貫通孔列Ｐ２の各貫通孔を介して、酸素用連通流路２５２ｂへと流入する。そして、カソード排ガスは、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４から燃料電池１０００Ｂの外部へと排出される。

水素供給用マニホールド孔Ｍ１から水素連通流路２５３ａへと流入した水素は、水素櫛歯流路２５４ａの各流路を介して膜電極接合体１００Ｂのアノード２２へと供給される。アノード２２に流入した水素は、各凸ディンプル２２６の間をすり抜けながら燃料電池反応に供されつつ下流側へと流れる。アノード排ガスは、排出側の水素櫛歯流路２５４ｂ及び水素連通流路２５３ｂを介して水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池１０００Ｂの外部へと排出される。

図１８（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断に相当する切断面における燃料電池１０００Ｂの一部概略断面図である。燃料電池１０００Ｂにおける冷媒の流れは、第１実施例の燃料電池１０００とほぼ同様である（図９（Ｂ））。即ち、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５からセパレータ２００Ｂの冷媒連通流路２２８ａを介して発電領域ＥＡへと流入し、燃料電池反応によって生じた熱を伴って排出側の冷媒連通流路２２８ｂを介して冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと流れる。

このように、第３実施例の燃料電池１０００Ｂによれば、第１実施例の燃料電池１０００において流路枠部材２５０によって形成されていた流体流路を、シールガスケット１２０Ｂにおいて形成している。従って、この燃料電池１０００Ｂでは、流路枠部材２５０を省略しても、第１実施例の燃料電池１０００と同様な燃料電池内部における流体の流れを実現できる。

D．第４実施例：
図１９（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第４実施例として、セパレータを構成するアノードプレートの他の構成例を示す概略図である。図１９（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、ディンプル２２６，２２７の形状が異なる点以外は、図４（Ａ）とほぼ同じである。図１９（Ａ）に示すアノードプレート２２０Ｃでは、紙面に対して垂直な方向に沿って見たときのディンプル２２６Ｃ，２２７Ｃの形状は略楕円形である。また、図１９（Ｂ）に示すアノードプレート２２０Ｄでは、紙面に対して垂直な方向に沿って見たときのディンプル２２６Ｄ，２２７Ｄの形状は略長方形である。

このように、アノードプレートに設けられるディンプルの形状は、任意に変更することができる。即ち、ディンプルの形状としては、実験やシミュレーション等によって予め得られた反応ガスの配流性が向上する形状を採用することが好ましい。また、各ディンプルの配置構成も、発電領域における反応ガスの配流性を考慮して任意に構成できる。例えば、反応ガスの配流性が比較的低くなる領域には、配流性が比較的高くなる領域よりディンプル同士の間隔を広くして流路抵抗が低くなるようにするものとしても良い。

また、ディンプルの形状や配置構成は、ガスの配流性のみではなく、電極とアノードプレートとの間における導電効率を考慮して設計することが好ましい。即ち、電極とディンプルとの接触面積を増大させれば、電極とアノードプレートとの間の接触抵抗が低減されて導電効率が向上するため、発電電気の集電効率を向上させることができる。

E．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。

E1．変形例１：
上記実施例において、ディンプル２２６，２２７は、アノードプレート２２０に設けられていたが、カソードプレート２１０に設けられるものとしても良い。この場合には、カソード側のガス流路部材５００を省略することができる。なお、カソード側には、燃料電池反応により多量の水分が発生するため、カソード２１とディンプルとを接触させた場合に、その接触部位に水分が滞留してしまい、カソードガスの流れを阻害する可能性がある。一方、アノード側にはカソード側に比較して水分量が少なく、また、水素は酸素に比較してガスの拡散性が高い。そのため、上記実施例のようにアノード側にディンプルによって流路を形成すれば、水素の配流性を十分に向上させることが可能である。従って、ディンプル２２６，２２７によるガス流路は、少なくともアノード側に設けられることが好ましい。

E2．変形例２：
上記実施例において、凸ディンプル２２６は、アノード２２と直接的に接触していたが、凸ディンプル２２６とアノード２２との間にガス流路部材などの他の部材を介するものとしても良い。ただし、上述したように、発電電気の集電効率を向上させるためにも、アノード２２と凸ディンプル２２６とを直接的に接触させる方がより好ましい。

E3．変形例３：
上記実施例において、電極２１，２２には、電解質膜１０と接しない面側にガス拡散層が設けられていたが、ガス拡散層は省略されるものとしても良い。但し、アノードプレート２２０の凸ディンプル２２６と触媒層との間にガス拡散層が設けられていると、ガス拡散層がクッション材として機能して、凸ディンプル２２６による触媒電極面への押圧力を分散させることができる。膜電極接合体１００の電極面における発電分布を均一化するためには、電極面に加えられる押圧力も略均一であることが好ましく、電極２１，２２にはガス拡散層が設けられいることが好ましい。

なお、カソード２１のガス拡散層は、カソード側に配置されるガス流路部材５００よりも柔らかい部材であることが好ましい。これによって、カソード２１のガス拡散層がガス流路部材５００（図７）と触媒層との間のクッション材としての機能を十分に発揮できる。即ち、カソード２１における面圧が不均一となることを抑制でき、カソード２１において水分が滞留してしまうことを抑制できる。

E4．変形例４：
上記実施例において、アノードプレート２２０のディンプル２２６，２２７は、他の形状の凸部や凹部として形成されていても良い。例えば、流体の流れる方向に並列に設けられた流路壁（流路溝）として形成されるものとしても良い。

第１実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例の膜電極接合体の構成を示す概略図。 第１実施例のカソードプレートの構成を示す概略図。 第１実施例のアノードプレートの構成を示す概略図。 第１実施例の流路枠部材の構成を示す概略図。 第１実施例の枠部材付セパレータの構成を示す概略図。 第１実施例における燃料電池の組み付け工程を示す模式図。 第１実施例の燃料電池内部における流体の流れを説明するための説明図。 第１実施例の燃料電池内部における流体の流れを説明するための説明図。 第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例の膜電極接合体の構成を示す概略図。 第２実施例のカソードプレートの構成を示す概略図。 第２実施例のアノードプレートの構成を示す概略図。 第２実施例における燃料電池の組み付け工程を示す模式図。 第２実施例の燃料電池内部における流体の流れを説明するための説明図。 第３実施例の膜電極接合体の構成を示す概略図。 第３実施例における燃料電池の組み付け工程を示す模式図。 第３実施例の燃料電池内部における流体の流れを説明するための説明図。 第４実施例のアノードプレートの構成を示す概略図。

符号の説明

１０…電解質膜
１０ｅ…外周端部
２１，２２…電極
２１ｅ，２２ｅ…電極端部
１００,１００Ａ，１００Ｂ…膜電極接合体
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ…燃料電池
１１０…発電部
１２０，１２０Ｂ…シールガスケット
１２１…突起部
１２２ａ，１２２ｂ…酸素用流路溝
２００，２００Ａ，２００Ｂ…セパレータ
２１０，２１０Ａ…カソードプレート
２１１ａ，２１１ｂ…酸素用連通流路溝
２１３ａ，２１３ｂ…水素用連通流路溝
２１５ａ，２１５ｂ…冷媒用流路溝
２２０，２２０Ａ，２２０Ｄ，２２０Ｅ…アノードプレート
２２５，２２５Ａ…発電部流路形成部
２２６，２２６Ｃ，２２６Ｄ…凸ディンプル
２２７，２２７Ｃ，２２７Ｄ…凹ディンプル
２２７ｔ…底面
２２８ａ，２２８ｂ…冷媒連通流路
２５０…流路枠部材
２５１…貫通窓部
２５２ａ，２５２ｂ…酸素用連通流路
２５３ａ，２５３ｂ…水素連通流路
２５４ａ，２５４ｂ…水素櫛歯流路
２５８ａ，２５８ｂ…薄肉部位
４０１，４０２…エンドプレート
４０３…締結部材
５００…ガス流路部材
ＡＨ１，ＡＨ２…水素用連通孔
ＣＨ１，ＣＨ２…酸素用連通孔
ＥＡ…発電領域
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
Ｐ１，Ｐ２…貫通孔列
ＳＬ…シールライン

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、
   を備え、
   前記膜電極接合体の外周には、流体の漏洩を防止するためのシール部が設けられ、
   前記セパレータは、前記燃料電池を挟持方向に沿って見たときに前記電極と重なる発電領域と、前記シール部を挟持する非発電領域とを有し、
   前記発電領域は、第１と第２のプレートによって構成され、
   前記第１のプレートは、前記電極側に突起した複数の電極側凸部と、前記第２のプレート側に突起した複数のプレート側凸部とを有し、
   前記複数の電極側凸部は、前記非発電領域における前記セパレータと前記シール部との接触面よりも突出して、前記発電領域における反応ガスのためのガス流路を構成し、
   前記複数のプレート側凸部は、前記発電領域において前記第１と第２のプレートの間に流入する冷媒のための冷媒流路を構成する、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記電極側凸部と前記電極とが直接的に接触する、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
   前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路部材を備え、
   前記電極はアノードとカソードとを含み、
   前記第１のプレートは、前記アノード側に配置され、
   前記第２のプレートは、前記カソード側に配置され、
   前記ガス流路部材は、前記第２のプレートと前記カソードとの間に配置される、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記非発電領域は、前記第１と第２のプレートによって構成されており、
   前記シール部は、前記第１と第２のプレートによって挟持され、
   前記非発電領域の前記第１と第２のプレートの間には、前記反応ガス及び前記冷媒を前記ガス流路及び前記冷媒流路に誘導するための連通流路が形成されている、燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記非発電領域は、前記第１と第２のプレートによって構成されており、
   前記シール部は、前記第１と第２のプレートによって挟持され、
   前記シール部には、前記反応ガス及び前記冷媒を前記ガス流路及び前記冷媒流路に誘導するための連通流路が形成されている、燃料電池。

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