JP2018200858A - バイポーラプレート、燃料電池、および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】バイポーラプレートの重量の増大と製造コストの増加を抑制すると共に、燃料や還元剤の流量を適切に設定する。【解決手段】導電性の平板３１と、平板３１の一方の面に接合された導電性のアノード側流路板３２と、平板３１の他方の面に接合された導電性のカソード側流路板３３とを備えるバイポーラプレート３０であって、平板３１は、アノード側流路３２１と連通する燃料の流路を構成する燃料流路孔３０１、３０２と、カソード側流路３３１と連通する空気の流路を構成する空気流路孔３０３、３０４との少なくとも一方が形成され、アノード側流路板３２は、一方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板であり、燃料流路孔３０１、３０２および空気流路孔３０３、３０４が形成されておらず、カソード側流路板３３は、上記一方向とは異なる他方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板であり、燃料流路孔３０１、３０２および空気流路孔３０３、３０４が形成されていない。【選択図】図７
Description
本発明は、バイポーラプレート、燃料電池、および燃料電池システムに関するものである。
燃料電池用セパレータとして、導電性平板と、該導電性平板を挟んで重ね合せた２枚の導電性流路板とを有し、これらの３枚の導電性の板材にマニホールドを形成し、２枚の導電性流路板に蛇行状あるいは直線状の貫通溝を流路として形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記の燃料電池用セパレータ（バイポーラプレート）では、２枚の導電性流路板に貫通溝を流路として形成していることから、燃料や還元剤の流量を増やすためには、例えば、導電性流路板の板厚を大きくする必要があり、燃料電池用セパレータの重量が増大したり、製造コストが増加したりするという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、燃料や還元剤の流量を適切に設定すると共に、バイポーラプレートの重量の増大または製造コストの増大を抑制することができるバイポーラプレート、燃料電池、および燃料電池システムを提供することである。
［１］本発明に係るバイポーラプレートは、導電性の平板と、前記平板の一方の面に接合された導電性の第１の流路板と、前記平板の他方の面に接合された導電性の第２の流路板とを備え、前記第１の流路板と膜電極接合体のアノードとが相互に当接して前記第１の流路板と前記アノードとの間にアノード側流路が形成され、前記第２の流路板と前記膜電極接合体のカソードとが当接して前記第２の流路板と前記カソードとの間にカソード側流路が形成されるように、積層された複数の前記膜電極接合体の間に配置される燃料電池用のバイポーラプレートであって、前記平板は、前記アノード側流路と連通する燃料の流路を構成する燃料流路孔と、前記カソード側流路と連通する酸化剤の流路を構成する酸化剤流路孔との少なくとも一方が形成され、前記第１の流路板および前記第２の流路板は、前記燃料流路孔および前記酸化剤流路孔が形成されておらず、前記第１の流路板および前記第２の流路板の少なくとも一方は、一方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板である。
［２］上記発明において、前記第１の流路板または前記第２の流路板は、前記凹凸の底部を構成し前記平板に接合された平坦な複数の底板部と、相互に隣り合う前記底板部の間にそれぞれ設けられ、折り畳まれた板である複数の凸部とを備えてもよい。
［３］上記発明において、前記第１の流路板と前記平板の前記一方の面との間に充填された第１の接着剤と、前記第２の流路板と前記平板の前記他方の面との間に充填された第２の接着剤との少なくとも一方を備えてもよい。
［４］上記発明において、燃料流路孔は、前記燃料の流路のうち前記アノード側流路に燃料を供給する流路である燃料供給路を構成する燃料供給孔と、前記燃料の流路のうち前記アノード側流路から燃料を排出する流路である燃料排出路を構成する燃料排出孔とを備えてもよく、前記バイポーラプレートは、前記第１の流路板の前記燃料供給孔側の端部に前記一方向に沿って延びるように設けられた第１のプレートと、前記第１の流路板の前記燃料排出孔側の端部に前記一方向に沿って延びるように設けられた第２のプレートとを備えてもよく、前記アノードが、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配され、前記膜電極接合体の電解質膜の外周部が、前記第１のプレートと前記第２のプレートとに当接してもよい。
［５］上記発明において、前記酸化剤流路孔は、前記酸化剤の流路のうち前記カソード側流路に酸化剤を供給する流路である酸化剤供給路を構成する酸化剤供給孔と、前記酸化剤の流路のうち前記カソード側流路から酸化剤を排出する流路である酸化剤排出路を構成する酸化剤排出孔とを備えてもよく、前記バイポーラプレートは、前記第２の流路板の前記酸化剤供給孔側の端部に前記他方向に沿って延びるように設けられた第３のプレートと、前記第２の流路板の前記酸化剤排出孔側の端部に前記他方向に沿って延びるように設けられた第４のプレートとを備えてもよく、前記カソードが、前記第３のプレートと前記第４のプレートとの間に配され、前記膜電極接合体の電解質膜の外周部が、前記第３のプレートと前記第４のプレートとに当接してもよい。
［６］本発明に係る燃料電池は、上記の少なくとも１つのバイポーラプレートと、少なくとも１つの前記膜電極接合体とが交互に積層された積層体を有する。
［７］本発明に係る燃料電池システムは、上記の燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料および前記酸化剤を供給し、前記燃料電池の排出物を排出する循環機構とを備える。
本発明によれば、アノード側流路を画成する第１の流路板とカソード側流路を画成する第２の流路板との少なくとも一方を、凸凹が繰り返されるように折り曲げられた板で構成することにより、流路板の厚みの増大を抑制しつつ、アノード側流路における燃料の流量またはカソード側流路における酸化剤の流量を増加させることができる。また、第１の流路板と第２の流路板とに燃料流路孔および空気流路孔を形成しないことにより、第１の流路板と第２の流路板との構成を単純化できる。従って、燃料や還元剤の流量を適切に設定すると共に、バイポーラプレートの重量の増大を抑制したり、製造コストの増大を抑制したりすることができる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す斜視図である。図２は図１のII-II線に沿った断面図である。図３は図１のIII-III線に沿った断面図である。図４は、燃料電池１１を示す分解斜視図である。図５は、燃料電池１１を、図４の図示方向に対して逆方向から示す分解斜視図である。これらの図に示すように、燃料電池スタック１０は、積層された複数のダイレクトメタノール型の燃料電池１１と、エンドプレート７５，７６とを備える。この燃料電池スタック１０では、積層された複数の燃料電池１１が直列接続されており、燃料電池１１の積層数に応じた電力が出力される。
図２および図３に示す通り、燃料電池スタック１０は、燃料供給側マニホールド２と、燃料排出側マニホールド３と、空気供給側マニホールド４と、空気排出側マニホールド５とを備える。これらのマニホールドは、複数の燃料電池１１からなる積層体の外周部に配されている。また、これらのマニホールドは、エンドプレート７５の表面まで延在している。複数の燃料電池１１からなる積層体は、矩形柱形状であるところ、図１を用いて説明すると、燃料供給側マニホールド２は、複数の燃料電池１１からなる積層体の一方の側面に沿って積層方向に延びるように形成され、燃料排出側マニホールド３は、当該積層体の他方の側面に沿って積層方向に延びるように形成され、空気供給側マニホールド４は、当該積層体の上面に沿って積層方向に延びるように形成され、空気排出側マニホールド５は、当該積層体の下面に沿って積層方向に延びるように形成されている。
一対のエンドプレート７５，７６は、積層された複数の燃料電池１１を挟み込みように配されており、複数本のボルトによって締結されている。本実施形態の燃料電池スタック１０では、燃料電池１１のカソードと電気的に接続されエンドプレート７６に組み込まれた集電体（不図示）が正極となり、燃料電池１１のアノードと電気的に接続されエンドプレート７５に組み込まれた集電体（不図示）が負極となる。これらの正極および負極が外部負荷に接続され、燃料電池スタック１０から当該外部負荷に電力が供給される。
エンドプレート７５は、燃料供給口７５１と、燃料排出口７５２と、空気供給口７５３と、空気排出口７５４とを有する。燃料供給口７５１は、燃料供給側マニホールド２に面して配され、燃料排出口７５２は、燃料排出側マニホールド３に面して配されている。また、空気供給口７５３は、空気供給側マニホールド４に面して配され、空気排出口７５４は、空気排出側マニホールド５に面して配されている。
燃料電池スタック１０では、燃料（メタノール水容液）が、燃料電池スタック１０の外部から燃料供給口７５１、および燃料供給側マニホールド２を通じてそれぞれの燃料電池１１のアノードに供給され、未反応の燃料及びアノードでの生成物が、燃料排出側マニホールド３、および燃料排出口７５２を通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。一方、燃料電池スタック１０では、空気（酸化剤）が、空気供給口７５３、および空気供給側マニホールド４を通じてそれぞれの燃料電池１１のカソードに供給され、未反応の空気およびカソードでの生成物が、空気排出側マニホールド５、および空気排出口７５４を通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。
図２〜図４に示すように、燃料電池１１は、膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）と、一対のバイポーラプレート３０とを備える。膜電極接合体２０とバイポーラプレート３０とは、燃料電池１１の積層方向（図中Ｙ軸方向）に交互に積層されている。膜電極接合体２０は、高分子電解質膜２１と、アノード２２と、カソード２３とを備える。高分子電解質膜２１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する。アノード２２は、高分子電解質膜２１の一方の主面に設けられている。カソード２３は、高分子電解質膜２１の他方の主面に設けられている。
高分子電解質膜２１、アノード２２、およびカソード２３は、矩形板状に形成されている。高分子電解質膜２１の縦方向（図中Ｚ軸方向）の寸法は、アノード２２およびカソード２３の縦方向の寸法よりも大きく設定され、高分子電解質膜２１の横方向（図中Ｘ軸方向）の寸法は、アノード２２およびカソード２３の横方向の寸法よりも大きく設定されている。これにより、高分子電解質膜２１の外周部は、その全周においてアノード２２およびカソード２３の外周縁部から食み出している。
図６は、膜電極接合体２０を示す断面図である。この図に示すように、膜電極接合体２０のアノード２２は、アノード触媒層２２１と、アノードガス拡散層２２２とを備える。また、膜電極接合体２０のカソード２３は、カソード触媒層２３１と、カソードガス拡散層２３２とを備える。アノード触媒層２２１は、高分子電解質膜２１の一方の主面に形成され、カソード触媒層２３１は、高分子電解質膜２１の他方の主面に形成されている。また、アノードガス拡散層２２２は、アノード触媒層２２１に重ねて形成され、また、カソード側がアノード側に対して図４の上側に来るように図６の構成をひっくり返した際において、カソードガス拡散層２３２は、カソード触媒層２３１に重ねて形成されている。
高分子電解質膜２１としては、固体高分子電解質膜等を例示できる。アノード触媒層２２１及びカソード触媒層２３１は、電極触媒と、導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを少なくとも含む。電極触媒としては、白金又は白金合金からなる金属触媒（白金系触媒）等を例示できる。導電性炭素粒子としては、電極触媒を担持する細孔の発達したカーボン材料等を例示できる。なお、アノード触媒層２２１は、中間生成物である一酸化炭素が白金系触媒を被毒することを防止する観点から、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。
アノード触媒層２２１及びカソード触媒層２３１に含有される高分子電解質と、高分子電解質膜２１を構成する高分子電解質とは、同じ種類のものを用いることができる。これらの高分子電解質としては、イオノマー（ionomer）を例示できる。なお、アノード触媒層２２１、カソード触媒層２３１、および高分子電解質膜２１に含有される高分子電解質は、異なる種類のものであってもよい。
アノードガス拡散層２２２は、燃料供給側マニホールド２から供給された燃料をアノード触媒層２２１に導く機能と導電性とを有する。一方、カソードガス拡散層２３２は、空気供給側マニホールド４から供給された空気をカソード触媒層２３１に導く機能と導電性とを有する。アノードガス拡散層２２２やカソードガス拡散層２３２としては、ガス透過性や電子伝導性を有する導電性多孔質材を用いることができる。なお、アノードガス拡散層２２２とカソードガス拡散層２３２としては、同じ種類のものを用いてもよく、異なる種類のものを用いてもよい。なお、本発明において、アノードガス拡散層２２２やカソードガス拡散層２３２は、必須の構成とする必要はなく、それぞれ不要としても良い。
高分子電解質膜２１の外周部の両面には、補強層２１１が形成されている。この補強層２１１は、燃料に対する腐食性と電気絶縁性を有する材料により構成されている。補強層２１１を構成する材料としては、フェノール樹脂等の公知の熱硬化性樹脂や耐熱性を有する公知の熱可塑性樹脂等を例示できる。なお、高分子電解質膜２１の強度が十分に高い場合には、補強層２１１を省略してもよい。
図７は、バイポーラプレート３０を示す分解斜視図である。この図および図２〜５に示すように、バイポーラプレート３０は、平板３１と、アノード側流路板３２と、カソード側流路板３３と、アノード供給側プレート３４と、アノード排出側プレート３５と、カソード供給側プレート３６と、カソード排出側プレート３７と、燃料供給側シール部材４１と、燃料排出側シール部材４２と、カソード側シール部材４３と、空気供給側シール部材４４と、空気排出側シール部材４５と、アノード側シール部材４６とを備える。
平板３１は、導電性を有する矩形状の平坦な板である。この平板３１の縦方向（図中Ｚ軸方向）の寸法は、膜電極接合体２０の縦方向の寸法よりも大きく設定され、平板３１の横方向（図中Ｘ軸方向）の寸法は、膜電極接合体２０の横方向の寸法よりも大きく設定されている。この平板３１を構成する導電性材料としては、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属やカーボン樹脂等を例示できる。
平板３１には、燃料供給孔３０１と、燃料排出孔３０２と、空気供給孔３０３と、空気排出孔３０４とが形成されている。ここで、図１、図２および図３を用いて説明すると、燃料供給孔３０１は、平板３１の左右の一方の辺に沿って形成された長孔であり、燃料排出孔３０２は、平板３１の左右の他方の辺に沿って形成された長孔である。空気供給孔３０３は、平板３１の上辺に沿って形成された長孔であり、空気排出孔３０４は、平板３１の下辺に沿って形成された長孔である。また、図１、図２および図３を用いて説明した場合において、この図１の構造を基準としてＹ軸方向（積層方向）から見た時の位置関係から、空気供給孔３０３の横方向の端部のうち、左端は、燃料供給孔３０１の右端よりも右側に位置し、また、右端は、燃料排出孔３０２の左端よりも右側に位置する。また、空気排出孔３０４の横方向の端部のうち、左端は、燃料供給孔３０１の右端よりも右側に位置し、また、右端は、燃料排出孔３０２の左端よりも右側に位置する。
アノード側流路板３２は、導電性を有する矩形状の板であり、凹凸（直線状の溝および直線状の隔壁）が一方向に繰り返される凹凸板である。このアノード側流路板３２は、平板３１の一方の主面（図５の手前側の面）に対して、燃料供給孔３０１、空気供給孔３０３、燃料排出孔３０２、および空気排出孔３０４により囲まれるように接合されている。アノード側流路板３２は、矩形状の導電性を有する板材の全体に対してコルゲート加工またはプレス加工を施すことにより形成されている。アノード側流路板３２を構成する導電性材料としては、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属やカーボン樹脂等を例示できる。
ここで、アノード側流路板３２には、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２、空気供給孔３０３、および空気排出孔３０４が形成されていない。これにより、導電性の板材の全体に対してコルゲート加工またはプレス加工を施すのみで、アノード側流路板３２を構築できる。
アノード側流路板３２は、凹凸が縦方向に繰り返されるように配されている。ここで、アノード側流路板３２の左右の一方の辺と、燃料供給孔３０１における平板３１の中央側の辺（図７における燃料供給孔３０１の左右の縦方向における辺のうち右側の辺）とは、長さが一致し、横方向の位置が一致している。また、アノード側流路板３２の左右の他方の辺と、燃料排出孔３０２における平板３１の中央側の辺（図７における燃料排出孔３０２の左右の縦方向における辺のうち左側の辺）とは、長さが一致し、横方向の位置が一致している。これにより、アノード側流路板３２の縦方向に並んだ複数の流路は、燃料供給孔３０１から燃料排出孔３０２に延びている。
カソード側流路板３３は、導電性を有する矩形状の板であり、凹凸（直線状の溝および直線状の隔壁）が一方向に繰り返される凹凸板である。このカソード側流路板３３は、平板３１の他方の主面（図４の手前側の面）に対して、燃料供給孔３０１、空気供給孔３０３、燃料排出孔３０２、および空気排出孔３０４により囲まれるように接合されている。カソード側流路板３３は、矩形状の導電性を有する板材に対してコルゲート加工またはプレス加工を施すことにより形成されている。カソード側流路板３３を構成する導電性材料としては、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属やカーボン樹脂等を例示できる。
ここで、カソード側流路板３３には、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２、空気供給孔３０３、および空気排出孔３０４が形成されていない。これにより、導電性の板材の全体に対してコルゲート加工またはプレス加工を施すのみで、カソード側流路板３３を構築できる。
カソード側流路板３３は、凹凸が横方向に並ぶように配されている。ここで、カソード側流路板３３の上辺と、空気供給孔３０３における下辺（図７における空気供給孔３０３の上下の横方向における辺のうち下側の辺）とは、長さが一致し、上下方向の位置が一致している。また、カソード側流路板３３の下辺と、空気排出孔３０４における上辺（図７における空気排出孔３０４の上下の横方向における辺のうち上側の辺）とは、長さが一致し、上方向の位置が一致している。これにより、カソード側流路板３３の横方向に並んだ複数の流路は、空気供給孔３０３から空気排出孔３０４に延びている。
アノード供給側プレート３４は、縦方向に延びる細長い絶縁性の板材である。図５、７で示す様に、このアノード供給側プレート３４は、アノード側流路板３２の凸部上における燃料供給孔３０１側の端部に接合されている。また、アノード供給側プレート３４は、アノード側流路板３２の下端から上端まで延びている。一方、アノード排出側プレート３５は、縦方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このアノード排出側プレート３５は、アノード側流路板３２の凸部上における燃料排出孔３０２側の端部に接合されている。また、アノード排出側プレート３５は、アノード側流路板３２の下端から上端まで延びている。
ここで、アノード供給側プレート３４とアノード排出側プレート３５との間には、膜電極接合体２０のアノード２２が収容される。また、補強層２１１の燃料供給孔３０１側の一辺がアノード供給側プレート３４に当接し、補強層２１１の燃料排出孔３０２側の一辺がアノード排出側プレート３５に当接する。さらに、アノードガス拡散層２２２がアノード側流路板３２の凸部に当接する。これにより、アノードガス拡散層２２２とアノード側流路板３２とにより、縦方向に並んだ複数のアノード側流路３２１が形成されている。なお、このアノード側流路３２１については、後述する燃料供給側マニホールド２と燃料排出側マニホールド３とからなる燃料の流路と同様に、燃料が流れる流路となり得る。
カソード供給側プレート３６は、横方向に延びる細長い絶縁性の板材である。図４、７で示す様に、このカソード供給側プレート３６は、カソード側流路板３３の凸部上における空気供給孔３０３側の端部（上端部）に接合されている。また、カソード供給側プレート３６は、カソード側流路板３３の左端から右端まで延びている。一方、カソード排出側プレート３７は、横方向に延びる細長い絶縁性の板材である。このカソード排出側プレート３７は、カソード側流路板３３の凸部上における空気排出孔３０４側の端部（下端部）に接合されている。また、カソード排出側プレート３７は、カソード側流路板３３の左端から右端まで延びている。
ここで、カソード供給側プレート３６とカソード排出側プレート３７との間には、膜電極接合体２０のカソード２３が収容される。また、補強層２１１の空気供給孔３０３側の一辺（上辺）がカソード供給側プレート３６に当接し、補強層２１１の空気排出孔３０４側の一辺（下辺）がカソード排出側プレート３７に当接する。さらに、カソードガス拡散層２３２がカソード側流路板３３の凸部に当接する。これにより、カソードガス拡散層２３２とカソード側流路板３３とにより、横方向に並んだ複数のカソード側流路３３１が形成されている。なお、このカソード側流路３３１については、後述する空気供給側マニホールド４と空気排出側マニホールド５とからなる空気の流路と同様に、空気が流れる流路となり得る。
燃料供給側シール部材４１は、細長い環状のシール部材である。この燃料供給側シール部材４１は、平板３１の他方の主面（図４の手前側の面）に対して、燃料供給孔３０１を囲うように形成されている。一方、燃料排出側シール部材４２は、細長い環状のシール部材である。この燃料排出側シール部材４２は、平板３１の他方の主面に対して、燃料排出孔３０２を囲うように形成されている。
カソード側シール部材４３は、矩形環状のシール部材である。このカソード側シール部材４３は、平板３１の他方の主面に対して、空気供給孔３０３、カソード側流路板３３、および空気排出孔３０４を囲うように形成されている。
燃料供給側シール部材４１、燃料排出側シール部材４２およびカソード側シール部材４３を構成する材料としては、室温加硫型のシリコーン接着剤、ＥＰＤＭゴム、ポリオレフィン系の液状ガスケット等を例示できる。即ち、燃料供給側シール部材４１、燃料排出側シール部材４２およびカソード側シール部材４３は、室温加硫型の接着剤を平板３１の他方の主面に塗布して硬化させることにより形成することができる。
空気供給側シール部材４４は、細長い環状のシール部材である。この空気供給側シール部材４４は、平板３１の一方の主面（図５の手前側の面）に対して、空気供給孔３０３を囲うように形成されている。一方、空気排出側シール部材４５は、細長い環状のシール部材である。この空気排出側シール部材４５は、平板３１の一方の主面に対して、空気排出孔３０４を囲うように形成されている。
アノード側シール部材４６は、矩形環状のシール部材である。このアノード側シール部材４６は、平板３１の一方の主面に対して、燃料供給孔３０１、アノード側流路板３２、および燃料排出孔３０２を囲うように形成されている。
空気供給側シール部材４４、空気排出側シール部材４５およびアノード側シール部材４６を構成する材料としては、室温加硫型のシリコーン接着剤、ＥＰＤＭゴム、ポリオレフィン系の液状ガスケット等を例示できる。即ち、空気供給側シール部材４４、空気排出側シール部材４５およびアノード側シール部材４６は、室温加硫型の接着剤を平板３１の一方の主面に塗布して硬化させることにより形成することができる。
燃料供給側マニホールド２は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の燃料供給孔３０１と、前後の燃料供給孔３０１を相互に接続する燃料供給側シール部材４１、アノード側シール部材４６、およびアノード供給側プレート３４とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図２の左端）の平板３１との間では、これらによって、燃料供給側シール部材４１が挟み込まれている。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１、４等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０における２つの平板３１同士の間においては、図４や図５等で示す通り、燃料供給孔３０１よりも−Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６と燃料供給側シール部材４１とが、その前後の２つの平板３１により挟み込まれている。また、燃料供給孔３０１よりも＋Ｘ軸方向において、アノード供給側プレート３４、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および燃料供給側シール部材４１が、積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０において、その一方のバイポーラプレート３０におけるアノード側流路板３２ともう一方のバイポーラプレート３０における平板３１とにより上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図２の右端）の平板３１とエンドプレート７６との間では、燃料供給孔３０１よりも−Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれ、燃料供給孔３０１よりも＋Ｘ軸方向において、アノード供給側プレート３４が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、このアノード供給側プレート３４は省略することができる。また、アノード側流路板３２とアノードガス拡散層２２２とにより画成される複数のアノード側流路３２１が、燃料供給側マニホールド２に接続されている。
燃料排出側マニホールド３は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の燃料排出孔３０２と、前後の燃料排出孔３０２を相互に接続する燃料排出側シール部材４２、アノード側シール部材４６、およびアノード排出側プレート３５とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図２の左端）の平板３１との間では、これらによって、燃料排出側シール部材４２が挟み込まれている。ここで、この燃料排出側シール部材４２は、上述した平板３１とエンドプレート７５とにより挟み込まれている燃料供給側シール部材４１と共に省略することができる。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１、４等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０における２つの平板３１同士の間においては、図４や図５等で示す通り、燃料排出孔３０２よりも＋Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６と燃料排出側シール部材４２とが、その前後の平板３１により挟み込まれている。また、燃料排出孔３０２よりも−Ｘ軸方向において、アノード排出側プレート３５、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および燃料排出側シール部材４２が、積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０において、その一方のバイポーラプレート３０におけるアノード側流路板３２ともう一方のバイポーラプレート３０における平板３１とにより上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図２の右端）の平板３１とエンドプレート７６との間では、燃料排出孔３０２よりも＋Ｘ軸方向において、アノード側シール部材４６が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれ、燃料排出孔３０２よりも−Ｘ軸方向において、アノード排出側プレート３５が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、このアノード排出側プレート３５は省略することができる。また、アノード側流路板３２とアノードガス拡散層２２２とにより画成される複数のアノード側流路３２１が、燃料排出側マニホールド３に接続されている。
燃料供給口７５１から供給された燃料は、燃料供給側マニホールド２を通って、エンドプレート７５側からエンドプレート７６側へ流れると共に、アノード供給側プレート３４と補強層２１１との間から、複数のアノード側流路３２１に流入する。複数のアノード側流路３２１に流入した燃料は、アノード２２に供給される。未反応の燃料およびアノードで生成された生成物は、複数のアノード側流路３２１から燃料排出側マニホールド３に流れ、燃料排出側マニホールド３を通って燃料排出口７５２から排出される。ここで、燃料供給孔３０１は、燃料供給側マニホールド２と燃料排出側マニホールド３とからなる燃料の流路のうちアノード側流路３２１に燃料を供給する流路である燃料供給側マニホールド２を構成し、燃料排出孔３０２は、上記燃料の流路のうちアノード側流路３２１から燃料を排出する流路である燃料排出側マニホールド３を構成する。
空気供給側マニホールド４は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の空気供給孔３０３と、前後の空気供給孔３０３を相互に接続する空気供給側シール部材４４、カソード側シール部材４３、およびカソード供給側プレート３６とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図３の左端）の平板３１との間では、空気供給孔３０３よりも図３のＺ軸方向における上側において、カソード側シール部材４３が、エンドプレート７５と平板３１とにより挟み込まれ、空気供給孔３０３よりも図３のＺ軸方向における下側において、カソード供給側プレート３６が、エンドプレート７５とカソード側流路板３３とにより挟み込まれている。このカソード供給側プレート３６は省略することができる。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１、４等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０における２つの平板３１同士の間においては、図４や図５等で示す通り、空気供給孔３０３よりも＋Ｚ軸方向において、カソード側シール部材４３と空気供給側シール部材４４とが、その前後の平板３１により挟み込まれている。また、空気供給孔３０３よりも−Ｚ軸方向において、空気供給側シール部材４４、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および空気供給側プレート３６が、積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０において、その一方のバイポーラプレート３０における平板３１ともう一方のバイポーラプレート３０におけるカソード側流路板３３とにより上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図３の右端）の平板３１とエンドプレート７６との間では、空気供給側シール部材４４が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、カソード側流路板３３とカソードガス拡散層２３２とにより画成される複数のカソード側流路３３１が、空気供給側マニホールド４に接続されている。
空気排出側マニホールド５は、燃料電池１１の積層方向に重ねられた複数の空気排出孔３０４と、前後の空気排出孔３０４を相互に接続する空気排出側シール部材４５、カソード側シール部材４３、およびカソード排出側プレート３７とにより構成されている。エンドプレート７５と最前列（図３の左端）の平板３１との間では、空気排出孔３０４よりも図３のＺ軸方向における下側において、カソード側シール部材４３が、エンドプレート７５と平板３１とにより挟み込まれ、空気排出孔３０４よりも図３のＺ軸方向における上側において、カソード排出側プレート３７が、エンドプレート７５とカソード側流路板３３とにより挟み込まれている。このカソード排出側プレート３７は省略することができる。また、複数のバイポーラプレート３０同士の積層方向（図１、４等におけるＹ軸方向）において、これらの積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０における２つの平板３１同士の間においては、図４や図５等で示す通り、空気排出孔３０４よりも−Ｚ軸方向において、カソード側シール部材４３と空気排出側シール部材４５とが、その前後の平板３１により挟み込まれている。また、空気排出孔３０４よりも＋Ｚ軸方向において、空気排出側シール部材４５、高分子電解質膜２１の外周部（補強層２１１を含む）および空気排出側プレート３７が、積層前後に互いに隣り合う２つのバイポーラプレート３０において、その一方のバイポーラプレート３０における平板３１ともう一方のバイポーラプレート３０におけるカソード側流路板３３とにより上記の積層方向に挟み込まれている。さらに、最後列（図３の右端）の平板３１とエンドプレート７６との間では、空気排出側シール部材４５が、平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれている。ここで、この空気排出側シール部材４５は、上述した平板３１とエンドプレート７６とにより挟み込まれている空気供給側シール部材４４と共に省略することができる。また、カソード側流路板３３とカソードガス拡散層２３２とにより画成される複数のカソード側流路３３１が、空気排出側マニホールド５に接続されている。また、上記の積層された複数のバイポーラプレート３０のうち一番外側に積層されたバイポーラプレート３０の平板３１においては集電体（不図示）と接している。
空気供給口７５３から供給された空気は、空気供給側マニホールド４を通って、エンドプレート７５側からエンドプレート７６側へ流れると共に、カソード供給側プレート３６と補強層２１１との間から、複数のカソード側流路３３１に流入する。複数のカソード側流路３３１に流入した空気は、カソード２３に供給される。未反応の空気およびカソードで生成された生成物が、複数のカソード側流路３３１から空気排出側マニホールド５に流れ、空気排出側マニホールド５を通って空気排出口７５４から排出される。ここで、空気供給孔３０３は、空気供給側マニホールド４と空気排出側マニホールド５とからなる空気の流路のうちカソード側流路３３１に空気を供給する流路である空気供給側マニホールド４を構成し、空気排出孔３０４は、上記空気の流路のうちカソード側流路３３１から空気を排出する流路である空気排出側マニホールド５を構成する。
燃料電池スタック１０の各燃料電池１１では、アノード側流路３２１からアノード２２に燃料が供給され、カソード側流路３３１からカソード２３に空気が供給される。これにより、各燃料電池１１のアノードにおいて、下記（１）式の酸化反応が生じ、各燃料電池１１のカソードにおいて、下記（２）式の還元反応が生じる。これにより、アノード２２とカソード２３との間に電流が流れる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ …（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ …（２）
図８は、バイポーラプレート３０の一部を拡大して示す斜視図である。この図には、平板３１における燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の縁部と、アノード側流路板３２におけるアノード側流路３２１の長手方向の端部とを示している。この図に示すように、アノード側流路板３２は、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の長手方向に対して平行な方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板である。このアノード側流路板３２では、アノード側流路３２１を構成する凹部が、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の長手方向に対して直交する方向に延びている。
アノード側流路板３２は、凹凸の底部を構成する平坦な複数の底板部３２２と、複数の底板部３２２の相互間にそれぞれ設けられた複数の凸部３２３とを備える。アノード側流路板３２と平板３１の主面との間には、接着剤３２４が充填されており、この接着剤３２４により、底板部３２２と平板３１の主面とが接着されている。
ここで、凸部３２３は、板の一部が折り畳まれた構成である。凸部３２３は、底板部３２２の幅方向端部から図８の平板３１に対して法線方向に立ち上がった一対の壁部３２３１と、この一対の壁部３２３１の上端に存する屈曲部３２３２とを備える。ここで、図８で示す通り、底板部３２２の両側端部から立ち上がった２つの壁部３２３１のうち一方側に設けられた壁部と、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の長手方向に対して上述した底板部３２２と隣り合った底板部３２２の両側端部から立ち上がった２つの壁部３２３１のうち他方側に設けられた壁部とは、これらの壁部の上端において屈曲部３２３２で接続されている。この屈曲部３２３２は、その全体が小さな曲率半径で屈曲されている。それにより、一対の壁部３２３１は、微小な間隔を空けて対向している。この一対の壁部３２３１の間には、接着剤３２４が充填されている。
図９は、バイポーラプレート３０の一部を拡大して示す斜視図である。この図には、平板３１における空気供給孔３０３または空気排出孔３０４の縁部と、カソード側流路板３３におけるカソード側流路３３１の長手方向の端部とを示している。この図に示すように、カソード側流路板３３は、空気供給孔３０３または空気排出孔３０４の長手方向に対して平行な方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板である。このカソード側流路板３３では、カソード側流路３３１を構成する凹部が、空気供給孔３０３または空気排出孔３０４の長手方向に対して直交する方向に延びている。
カソード側流路板３３は、凹凸の底部を構成する平坦な複数の底板部３３２と、複数の底板部３３２の相互間にそれぞれ設けられた複数の凸部３３３とを備える。カソード側流路板３３と平板３１の主面との間には、接着剤３３４が充填されており、この接着剤３３４により、底板部３３２と平板３１の主面とが接着されている。
ここで、凸部３３３は、板の一部が折り畳まれた構成である。凸部３３３は、底板部３３２の幅方向端部から図９の平板３１に対して法線方向に立ち上がった一対の壁部３３３１と、この一対の壁部３３３１の上端に存する屈曲部３３３２とを備える。ここで、図９で示す通り、底板部３３２の両側端部から立ち上がった２つの壁部３３３１のうち一方側に設けられた壁部と、空気供給孔３０３または空気排出孔３０４の長手方向に対して上述した底板部３３２と隣り合った底板部３３２の両側端部から立ち上がった２つの壁部３３３１のうち他方側に設けられた壁部とは、これらの壁部の上端において屈曲部３３３２で接続されている。この屈曲部３３３２は、その全体が小さな曲率半径で屈曲されている。それにより、一対の壁部３３３１は、微小な間隔を空けて対向している。この一対の壁部３３３１の間には、接着剤３３４が充填されている。
図１０は、アノード側流路板３２およびカソード側流路板３３を模式的に示す斜視図である。この図に示すように、アノード側流路板３２およびカソード側流路板３３では、凸部３２３（３３３）のピッチが所定のピッチ（図中のPitchに相当）に設定され、凸部３２３（３３３）の高さが所定の高さ（図中のHeightに相当）に設定され、凸部３２３（３３３）の幅が所定の幅（図中のWidthに相当）に設定され、材料の板厚が所定の厚み（図中のThicknessに相当）に設定されている。例えば、凸部３２３（３３３）の所定のピッチは、２．０ｍｍであり、凸部３２３（３３３）の所定の高さは、１．０ｍｍであり、凸部３２３（３３３）の所定の幅は、１００ｍｍであり、材料の所定の厚みは、０．１ｍｍである。アノード側流路板３２およびカソード側流路板３３の材料としては、ＳＵＳ３１６Ｌを例示できる。
以上説明したように、本実施形態に係るバイポーラプレート３０は、導電性の平板３１と、この平板３１の一方の面に接合された導電性のアノード側流路板３２と、平板３１の他方の面に接合された導電性のカソード側流路板３３とを備える。アノード側流路板３２は、一方向（図５の縦方向（Ｚ軸方向））に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板であり、カソード側流路板３３は、上記一方向とは異なる他方向（図４の横方向（Ｘ軸方向））に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板である。
ここで、アノード側流路３２１を構成する凹凸と、燃料供給孔３０１および燃料排出孔３０２とをアノード側流路板３２に形成したり、カソード側流路３３１を構成する凹凸と、空気供給孔３０３および空気排出孔３０４とをカソード側流路板３３に形成したりする場合には、孔を形成する部分については、マニホールドの周囲の気密性を確保する観点から平坦に形成する必要が有る。そのため、かかる場合には、導電性の板材の一部を凹凸に加工し、当該板材の残部を平坦に加工する等の複雑な加工が必要となる。それに対して、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、平板３１には、燃料供給孔３０１等の孔が形成されているのに対して、アノード側流路板３２およびカソード側流路板３３には、燃料供給孔３０１等の孔が形成されていない。これにより、この孔が設けられた場合の構成と比べて簡易な構成としてのアノード側流路板３２およびカソード側流路板３３を実現できる。さらに、導電性の板材の全体に対してコルゲート加工またはプレス加工を施すのみという簡易な加工によりアノード側流路板３２およびカソード側流路板３３を作製できる。
また、導電性流路板に貫通孔をアノード側流路またはカソード側流路として形成する場合、アノード側流路における燃料の流量またはカソード側流路における空気の流量を増加させるためには、例えば、導電性流路板の板厚を大きくする必要がある。それにより、バイポーラプレートの重量が増大したり、製造コストが増大したりする。それに対して、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、アノード側流路板３２およびカソード側流路板３３を、相互に異なる方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げた導電性の板材で構成したことにより、導電性流路板の厚みを増大を抑制しつつ、アノード側流路３２１およびカソード側流路３３１の流路断面積を増大させることができる。従って、バイポーラプレート３０の重量の増大を抑制したり製造コストの増大を抑制しつつ、アノード側流路３２１における燃料の流量またはカソード側流路３３１における空気の流量を増大させることができる。
図１１は、変形例に係るバイポーラプレート３０００の一部を拡大して示す斜視図である。この図には、平板３１における燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の縁部と、アノード側流路板３０２０におけるアノード側流路３０２１の長手方向の端部とを示している。なお、カソード側流路板は、アノード側流路板３０２０と同様の構成である。
図１１に示すように、アノード側流路板３０２０は、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の長手方向に対して平行な方向に波形が繰り返されるように折り曲げられた波板である。このアノード側流路板３０２０では、アノード側流路３０２１を構成する凹部が、燃料供給孔３０１または燃料排出孔３０２の長手方向に対して直交する方向に延びている。
アノード側流路板３０２０と平板３１の主面との間には、接着剤３０２４が充填されており、この接着剤３０２４により、アノード側流路板３０２０の底端３０３３と平板３１の主面とが接着されている。
ここで、本実施形態に係るバイポーラプレート３０のアノード側流路板３２は、図８で示す通り、凸凹の底部を構成する底板部３２２が平坦に形成され、相互に隣り合う底板部の間に折り畳まれた板である凸部３２３が形成されている。これによって、アノード側流路板３２の底板部３２２と平板３１の主面とが面で接着されていることから、アノード側流路板３２と平板３１の主面との接着面積が上記変形例と比較して大きくなり、アノード側流路板３２と平板３１の主面との接着強度を十分に確保することが可能になる。一方、アノード側流路板３２と平板３１の主面との接触面積が上記変形例と比較して大きくなることにより、アノード側流路板３２と平板３１の主面との接触抵抗を低減でき、バイポーラプレート３０の外部からアノード側流路板３２に供給された燃料をアノード２２に一層供給できるため、燃料電池１１からの出力の低下を抑制できる。さらに、凸部３２３が、板材が折り畳まれた構成であることにより、上記変形例と比較して、アノード側流路板３２と平板３１の主面との間の空間の容積が小さくなる。それにより、上記変形例と比較して、接着剤３２４の量が少ない構成を実現できる。
アノード側流路板３２と同様に、カソード側流路板３３は、図９で示す通り、凸凹の底部を構成する底板部３３２が平坦に形成され、相互に隣り合う底板部の間に折り畳まれた板である凸部３３３が形成されている。これによって、カソード側流路板３３の底板部３３２と平板３１の主面とが面で接着されていることから、カソード側流路板３３と平板３１の主面との接着面積が上記変形例と比較して大きくなり、カソード側流路板３３と平板３１の主面との接着強度を十分に確保することが可能になる。一方、カソード側流路板３３と平板３１の主面との接触面積が上記変形例と比較して大きくなることにより、カソード側流路板３３と平板３１の主面との接触抵抗を低減でき、バイポーラプレート３０の外部からカソード側流路板３３に供給された空気をカソード２３に一層供給できるため、燃料電池１１からの出力の低下を抑制できる。また、図２，３，８，９等で示す通り、上述した凸部３２３および凸部３３３と膜電極接合体２０とがそれぞれ当接する際においては、凸部３２３がアノードガス拡散層２２２(アノードガス拡散層２２２が無い場合は、アノード触媒層２２１)に当接し、また、凸部３３３が膜電極接合体２０のカソードガス拡散層２３２(カソードガス拡散層２３２が無い場合は、カソード触媒層２３１)に当接する。これにより、この凸部３２３および凸部３３３が、燃料電池１１の積層方向に対して積層上下方向から互いに膜電極接合体２０を挟みこむ構成を取っている。以上により、膜電極接合体２０が凸部３２３および凸部３３３によって、互いに挟持されている為、バイポーラプレート３０に対して膜電極接合体２０の位置ずれを抑制できる。さらに、凸部３３３が、板材が折り畳まれた構成であることにより、上記変形例と比較して、カソード側流路板３３と平板３１の主面との間の空間の容積が小さくなる。それにより、上記変形例と比較して、接着剤３３４の量が少ない構成を実現できる。
従来の構造では、２枚の流路板に直接、燃料や空気の供給孔や燃料や空気の排出孔等が設けられているので、２枚の流路板を互いに位置合わせする必要があり、場合によっては燃料供給孔と燃料排出孔が互いにずれたり、また、空気供給孔と空気排出孔とが互いにずれたりする構成になり得るので、燃料または空気の供給効率が低下し得る。これに対して、本実施形態では、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２、空気供給孔３０３、及び空気排出孔３０４がアノード側流路板３２およびカソード側流路板３３ではなく、平板３１にのみ設けられているので、上記のような位置合わせをする必要がなく、また、上記の様に燃料や空気の供給孔と排出孔とがずれた構成になり得ない。このため、燃料供給孔３０１からアノード側流路板３２に燃料をより確実に供給できるようになる。また、アノード側流路板３２から燃料排出孔３０２を介して外部に燃料をより確実に排出できるようになる。また、空気供給孔３０３からカソード側流路板３３に空気をより確実に供給できるようになる。また、カソード側流路板３３から空気排出孔３０４を介して外部に空気をより確実に排出できるようになる。このため、燃燃料または空気の供給効率または排出効率の低下を抑制することが可能となる。
また、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、アノード側流路板３２と平板３１の主面との間に接着剤３２４が充填されていることにより、燃料供給孔３０１等から供給された燃料がアノード側流路板３２と平板３１の主面との間に流入することを防止できる。これにより、アノード側流路３２１における燃料の流量を増加させることができる。
また、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、カソード側流路板３３と平板３１の主面との間に接着剤３３４が充填されていることにより、空気供給孔３０３等から供給された空気（酸化剤）がカソード側流路板３３と平板３１の主面との間に流入することを防止できる。これにより、カソード側流路３３１における空気の流量を増加させることができる。
また、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、アノード供給側プレート３４が、アノード側流路板３２における燃料供給孔３０１側の端部に、アノード側流路３２１を構成する凹凸が繰り返される方向に沿って延びるように設けられている。また、アノード排出側プレート３５が、アノード側流路板３２における燃料排出孔３０２側の端部に、凹凸が繰り返される方向に沿って延びるように設けられている。これらのアノード供給側プレート３４とアノード排出側プレート３５との間には、膜電極接合体２０のアノード２２が配されている。また、アノード供給側プレート３４とアノード排出側プレート３５とには、膜電極接合体２０の高分子電解質膜の外周部が当接している。ここで、高分子電解質膜２１の外周部は、図２で示す通り、燃料供給孔３０１の近傍において、アノード供給側プレート３４と燃料供給側シール部材４１とにより挟持されている。また、高分子電解質膜２１の外周部は、燃料排出孔３０２の近傍において、アノード排出側プレート３５と燃料排出側シール部材４２とにより挟持されている。これによって、高分子電解質膜２１の外周部における燃料供給孔３０１の近傍の部分および燃料排出孔３０２の近傍の部分を、外力から保護することができる。また、これによって、高分子電解質膜２１の外周部がアノード供給側プレート３４と燃料供給側シール部材４１によって、または、アノード排出側プレート３５と燃料排出側シール部材４２によって、互いに挟持されている為、これに伴い、バイポーラプレート３０に対して膜電極接合体２０の位置ずれを抑制し得る。
また、本実施形態に係るバイポーラプレート３０では、カソード供給側プレート３６が、カソード側流路板３３における空気供給孔３０３側の端部に、カソード側流路３３１を構成する凹凸が繰り返される方向に沿って延びるように設けられている。また、カソード排出側プレート３７が、カソード側流路板３３における空気排出孔３０４側の端部に、凹凸が繰り返される方向に沿って延びるように設けられている。これらのカソード供給側プレート３６とカソード排出側プレート３７との間には、膜電極接合体２０のカソード２３が配されている。また、カソード供給側プレート３６とカソード排出側プレート３７とには、膜電極接合体２０の高分子電解質膜の外周部が当接している。ここで、高分子電解質膜２１の外周部は、図３で示す通り、空気供給孔３０３の近傍において、カソード供給側プレート３６と空気供給側シール部材４４とにより挟持されている。また、高分子電解質膜２１の外周部は、空気排出孔３０４の近傍において、カソード排出側プレート３７と空気排出側シール部材４５とにより挟持されている。これによって、高分子電解質膜２１の外周部における空気供給孔３０３の近傍の部分および空気排出孔３０４の近傍の部分を、外力から保護することができる。
図１２は、上述の燃料電池スタック１０を備える燃料電池システム１を示す図である。この図に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、外部負荷と電気的に接続された燃料電池スタック１０と、循環機構１００とを備える。循環機構１００は、燃料タンク８０と、ポンプ８１と、ブロワ８２と、水タンク８３と、ポンプ８４と、メタノールタンク８５と、ポンプ８６とを備える。
燃料タンク８０には、メタノールタンク８５から供給される高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液と、水タンク８３から供給される水とが混合された燃料（液体燃料）が貯蔵されている。
ポンプ８１は、配管Ｆ１を介して燃料電池スタック１０の燃料供給口７５１に、燃料タンク８０から燃料（高濃度のメタノール水溶液を希釈したメタノール水溶液）を供給する。燃料電池１１のアノードから排出される生成物（二酸化炭素等）及び未反応の燃料は、燃料電池スタック１０の燃料排出口７５２に繋がる配管Ｆ２を介して燃料タンク８０に戻される。
ブロワ８２は、配管Ｆ３を介して燃料電池スタック１０の空気供給口７５３に、空気を供給する。このブロワ８２の吸引側には、吸引する空気に含まれる塵埃等を除去するエアフィルタ（不図示）が設けられている。燃料電池１１のカソードから排出される生成物（水、水蒸気、及び二酸化炭素等）、未反応の空気、及び膜電極接合体２０を透過した未反応メタノールは、燃料電池スタック１０の空気排出口７５４に繋がる配管Ｆ４を介して排出設備へ送られる。排出設備では、二酸化炭素等の気相成分を水等の液相成分から分離して、当該気相成分を外部に排出している。
水タンク８３に貯蔵された水は、ポンプ８４により、配管Ｆ５を介して燃料タンク８０に送られる。また、メタノールタンク８５に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液は、ポンプ８６により、配管Ｆ６を介して燃料タンク８０に送られる。
上記実施形態における「バイポーラプレート３０」が本発明における「バイポーラプレート」の一例に相当し、上記実施形態における「平板３１」が本発明における「平板」の一例に相当し、上記実施形態における「アノード側流路板３２」が本発明における「第１の流路板」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード側流路板３３」が本発明における「第２の流路板」の一例に相当する。
上記実施形態における「アノード側流路３２１」が本発明における「アノード側流路」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード側流路３３１」が本発明における「カソード側流路」の一例に相当し、上記実施形態における「膜電極接合体２０」が本発明における「膜電極接合体」の一例に相当し、上記実施形態における「高分子電解質膜２１」が本発明における「電解質膜」の一例に相当し、上記実施形態における「アノード２２」が本発明における「アノード」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード２３」が本発明における「カソード」の一例に相当する。
上記実施形態における「燃料供給側マニホールド２」が本発明における「燃料の流路」および「燃料供給路」の一例に相当し、上記実施形態における「燃料排出側マニホールド３」が本発明における「燃料の流路」および「燃料排出路」の一例に相当し、上記実施形態における「燃料供給孔３０１」が本発明における「燃料流路孔」および「燃料供給孔」の一例に相当し、上記実施形態における「燃料排出孔３０２」が本発明における「燃料流路孔」および「燃料排出孔」の一例に相当する。
上記実施形態における「空気供給側マニホールド４」が本発明における「酸化剤の流路」および「酸化剤供給路」の一例に相当し、上記実施形態における「空気排出側マニホールド５」が本発明における「酸化剤の流路」および「酸化剤排出路」の一例に相当し、上記実施形態における「空気供給孔３０３」が本発明における「空気流路孔」および「空気供給孔」の一例に相当し、上記実施形態における「空気排出孔３０４」が本発明における「空気流路孔」および「空気排出孔」の一例に相当する。
上記実施形態における「底板部３２２」および「底板部３３２」が本発明における「底板部」の一例に相当し、上記実施形態における「凸部３２３」および「凸部３３３」が本発明における「凸部」の一例に相当し、上記実施形態における「接着剤３２４」が本発明における「第１の接着剤」の一例に相当し、上記実施形態における「接着剤３３４」が本発明における「第２の接着剤」の一例に相当する。
上記実施形態における「アノード供給側プレート３４」が本発明における「第１のプレート」の一例に相当し、上記実施形態における「アノード排出側プレート３５」が本発明における「第２のプレート」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード供給側プレート３６」が本発明における「第３のプレート」の一例に相当し、上記実施形態における「カソード排出側プレート３７」が本発明における「第４のプレート」の一例に相当する。
上記実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、上記実施形態における「燃料電池スタック１０」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、上記実施形態における「循環機構１００」が本発明における「循環機構」の一例に相当する。
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
たとえば、上記実施形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池に適用されるバイポーラプレートを例に挙げて本発明を説明したが、燃料を水素とする固体高分子型の燃料電池等の他の燃料電池にも本発明に係るバイポーラプレートを適用できる。また、上記実施形態では、平板３１に、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２、空気供給孔３０３、および空気排出孔３０４を形成したが、これらの空気孔を全て平板３１に形成することは必須ではなく、例えば、燃料供給孔３０１、燃料排出孔３０２のみ平板３１に形成したり、空気供給孔３０３、空気排出孔３０４のみ平板３１に形成したりする等してもよい。
また、上述の実施形態では、アノード側流路板３２とカソード側流路板３３との双方を、相互に異なる方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板としたが、これらの少なくとも一方を一方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板としてもよい。ここで、アノード側流路板３２にのみ凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板とした場合、アノード側にのみ上述した作用効果が得られ、カソード側流路板３３にのみ凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板とした場合、カソード側にのみ上述した作用効果が得られる。
また、上述の実施形態では、アノード側流路板３２と平板３１の一方の面との間に充填された接着剤３２４と、カソード側流路板３３と平板３１の他方の面との間に充填された接着剤３３４との双方を設けたが、これらの少なくとも一方が設けられるようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、アノード側流路板３２及びカソード側流路板３３が、凹凸の底部を構成し平板３１に接合された平坦な複数の底板部３２２（３３２）と、相互に隣り合う底板部３２２（３３２）の間にそれぞれ設けられ、折り畳まれた板である複数の凸部３２３（３３３）とを有する構成を備えるが、アノード側流路板３２及びカソード側流路板３３の少なくとも一方が、上述した複数の底板部３２２（３３２）と複数の凸部３２３（３３３）とを有する構成を備えるようにしてもよい。
１…燃料電池システム
２…燃料供給側マニホールド
３…燃料排出側マニホールド
４…空気供給側マニホールド
５…空気排出側マニホールド
１０…燃料電池スタック
１１…燃料電池
２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１…高分子電解質膜
２１１…補強層
２２１…アノード触媒層
２２２…アノードガス拡散層
２３１…カソード触媒層
２３２…カソードガス拡散層
３０…バイポーラプレート
３１…平板
３０１…燃料供給孔
３０２…燃料排出孔
３０３…空気供給孔
３０４…空気排出孔
３２…アノード側流路板
３２１…アノード側流路
３２２…底板部
３２３…凸部
３２３１…壁部
３２３２…屈曲部
３２４…接着剤
３３…カソード側流路板
３３１…カソード側流路
３３２…底板部
３３３…凸部
３３３１…壁部
３３３２…屈曲部
３３４…接着剤
３４…アノード供給側プレート
３５…アノード排出側プレート
３６…カソード供給側プレート
３７…カソード排出側プレート
４１…燃料供給側シール部材
４２…燃料排出側シール部材
４３…カソード側シール部材
４４…空気供給側シール部材
４５…空気排出側シール部材
４６…アノード側シール部材
７５…エンドプレート
７５１…燃料供給口
７５２…燃料排出口
７５３…空気供給口
７５４…空気排出口
７６…エンドプレート
１００…循環機構
８０…燃料タンク
８１…ポンプ
８２…ブロワ
８３…水タンク
８４…ポンプ
８５…メタノールタンク
８６…ポンプ
Ｆ１〜Ｆ６…配管
２…燃料供給側マニホールド
３…燃料排出側マニホールド
４…空気供給側マニホールド
５…空気排出側マニホールド
１０…燃料電池スタック
１１…燃料電池
２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１…高分子電解質膜
２１１…補強層
２２１…アノード触媒層
２２２…アノードガス拡散層
２３１…カソード触媒層
２３２…カソードガス拡散層
３０…バイポーラプレート
３１…平板
３０１…燃料供給孔
３０２…燃料排出孔
３０３…空気供給孔
３０４…空気排出孔
３２…アノード側流路板
３２１…アノード側流路
３２２…底板部
３２３…凸部
３２３１…壁部
３２３２…屈曲部
３２４…接着剤
３３…カソード側流路板
３３１…カソード側流路
３３２…底板部
３３３…凸部
３３３１…壁部
３３３２…屈曲部
３３４…接着剤
３４…アノード供給側プレート
３５…アノード排出側プレート
３６…カソード供給側プレート
３７…カソード排出側プレート
４１…燃料供給側シール部材
４２…燃料排出側シール部材
４３…カソード側シール部材
４４…空気供給側シール部材
４５…空気排出側シール部材
４６…アノード側シール部材
７５…エンドプレート
７５１…燃料供給口
７５２…燃料排出口
７５３…空気供給口
７５４…空気排出口
７６…エンドプレート
１００…循環機構
８０…燃料タンク
８１…ポンプ
８２…ブロワ
８３…水タンク
８４…ポンプ
８５…メタノールタンク
８６…ポンプ
Ｆ１〜Ｆ６…配管
Claims (7)
- 導電性の平板と、
前記平板の一方の面に接合された導電性の第１の流路板と、
前記平板の他方の面に接合された導電性の第２の流路板と
を備え、
前記第１の流路板と膜電極接合体のアノードとが相互に当接して前記第１の流路板と前記アノードとの間にアノード側流路が形成され、前記第２の流路板と前記膜電極接合体のカソードとが当接して前記第２の流路板と前記カソードとの間にカソード側流路が形成されるように、積層された複数の前記膜電極接合体の間に配置される燃料電池用のバイポーラプレートであって、
前記平板は、前記アノード側流路と連通する燃料の流路を構成する燃料流路孔と、前記カソード側流路と連通する酸化剤の流路を構成する酸化剤流路孔との少なくとも一方が形成され、
前記第１の流路板および前記第２の流路板は、前記燃料流路孔および前記酸化剤流路孔が形成されておらず、
前記第１の流路板および前記第２の流路板の少なくとも一方は、一方向に凹凸が繰り返されるように折り曲げられた板であるバイポーラプレート。 - 請求項１に記載のバイポーラプレートであって、
前記第１の流路板または前記第２の流路板は、
前記凹凸の底部を構成し前記平板に接合された平坦な複数の底板部と、
相互に隣り合う前記底板部の間にそれぞれ設けられ、折り畳まれた板である複数の凸部と
を備えるバイポーラプレート。 - 請求項２に記載のバイポーラプレートであって、
前記第１の流路板と前記平板の前記一方の面との間に充填された第１の接着剤と、
前記第２の流路板と前記平板の前記他方の面との間に充填された第２の接着剤と
の少なくとも一方を備えるバイポーラプレート。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載のバイポーラプレートであって、
前記燃料流路孔は、
前記燃料の流路のうち前記アノード側流路に燃料を供給する流路である燃料供給路を構成する燃料供給孔と、
前記燃料の流路のうち前記アノード側流路から燃料を排出する流路である燃料排出路を構成する燃料排出孔と
を備え、
前記バイポーラプレートは、
前記第１の流路板の前記燃料供給孔側の端部に前記一方向に沿って延びるように設けられた第１のプレートと、
前記第１の流路板の前記燃料排出孔側の端部に前記一方向に沿って延びるように設けられた第２のプレートと
を備え、
前記アノードが、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配され、
前記膜電極接合体の電解質膜の外周部が、前記第１のプレートと前記第２のプレートとに当接するバイポーラプレート。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載のバイポーラプレートであって、
前記酸化剤流路孔は、
前記酸化剤の流路のうち前記カソード側流路に酸化剤を供給する流路である酸化剤供給路を構成する酸化剤供給孔と、
前記酸化剤の流路のうち前記カソード側流路から酸化剤を排出する流路である酸化剤排出路を構成する酸化剤排出孔と
を備え、
前記バイポーラプレートは、
前記第２の流路板の前記酸化剤供給孔側の端部に前記他方向に沿って延びるように設けられた第３のプレートと、
前記第２の流路板の前記酸化剤排出孔側の端部に前記他方向に沿って延びるように設けられた第４のプレートと
を備え、
前記カソードが、前記第３のプレートと前記第４のプレートとの間に配され、
前記膜電極接合体の電解質膜の外周部が、前記第３のプレートと前記第４のプレートとに当接するバイポーラプレート。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の少なくとも１つのバイポーラプレートと、少なくとも１つの前記膜電極接合体とが交互に積層された積層体を有する燃料電池。
- 請求項６に記載の燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料および前記酸化剤を供給し、前記燃料電池の排出物を排出する循環機構と
を備える燃料電池システム。
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