JP4876401B2

JP4876401B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4876401B2
Application number: JP2005030427A
Authority: JP
Inventors: 文彦乾; 誠治佐野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP2006216492A

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に生成水の排出に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、水素イオンを透過するイオン交換膜（電解質層）を挟んで対峙する２つの電極（アノードとカソード）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、電池反応が行なわれ、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。

水素イオンを透過するイオン交換膜を用いる燃料電池では、カソード反応の結果、カソード側に水分（以下、生成水という。）が発生する。なお、陰イオン（例えば、酸素イオン）透過するイオン交換膜を用いる燃料電池では、アノード側に生成水が発生する。生成水は、電極に滞留すると電池反応の促進を阻害し、燃料電池の性能低下をもたらすことが知られている（いわゆるフラッディング）。このため、燃料電池においては、生成水を速やかに電極から除去することが求められる。

ここで、燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）およびセパレータを積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが開発されている。

スタック構造の燃料電池として、厚さ方向と略垂直に内部流路が形成されたセパレータを用いて、電極に反応ガスを供給または排出するものが知られている（例えば、特許文献１）。この燃料電池のセパレータは、上述の内部流路の一端が、燃料電池を厚さ方向に貫通する反応ガス排出マニホールドと連通し、内部流路の他端がセパレータの電極対向面の表面に至る。そして、電極において電池反応に供された反応ガスは、電極−内部流路−反応ガス排出マニホールドという経路を流れて排出される。

特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、生成水が発生する電極から内部流路に至るまでの反応ガスの流れ方向と、反応ガス排出マニホールドにおける反応ガスの流れ方向とが逆向きに構成されている（上記公報の図３参照）。このため、反応ガスに含まれる生成水の排出性が悪く、生成水が発生する電極側において上述したフラッディングが発生して電池性能が低下するおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、生成水の排出性を改善し、電池性能を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の態様は、燃料電池を提供する。本発明の態様に係る燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置されると共に電池反応によって水が生成される第１の電極と、前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持して積層されるセパレータであって、前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の面と、厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第１の電極に供給される第１の反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第１の貫通部と、前記第１の面から前記セパレータの内部を通り前記第１の貫通部に至る第１の反応ガス排出流路と、を有するセパレータと、を備え、前記第１の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第１の反応ガスは、前記第１の貫通部を前記第１の面側から通過することを特徴とする。

本発明の態様に係る燃料電池は、第１の反応ガス排出マニホールドにおいて第１の反応ガスが流動する方向と、第１の反応ガスが第１の電極から第１の反応ガス排出流路へと流れ込む方向とが同一であるため、第１の反応ガスの排出の流れがスムーズになる。この結果、第１の反応ガス内に含まれる生成水の排出性が向上するため、フラッディングを抑制でき、電池性能が向上する。

本発明の態様に係る燃料電池において、前記電解質層は、水素イオンの透過を許容するイオン交換膜であり、前記第１の電極は、カソードであり、前記第１の反応ガスは、酸化ガスであっても良い。かかる場合には、生成水が発生するのはカソード反応である。したがって、カソード反応による生成水の排出性を向上することができる。

本発明の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の電極対向プレートと、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の電極対向プレートと、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備え、前記第１および第２の電極対向プレートと前記中間プレートは、それぞれに、厚さ方向に貫通する第１の反応ガス排出マニホールド形成部を備え、前記中間プレートは、さらに、厚さ方向に貫通すると共に、一端が前記中間プレートの前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部に連通し、他端が前記膜電極接合体と対向する領域に至る第１の反応ガス排出流路形成部を備え、前記第１の電極対向プレートは、さらに、厚さ方向に貫通すると共に、前記第１の反応ガス排出流路形成部の他端と連通する第１の反応ガス排出孔を備え、前記第１の貫通部は、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートと前記中間プレートとにそれぞれ備えられた前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部によって形成され、前記第１の反応ガス排出流路は、前記第１の反応ガス排出流路形成部と前記第１の反応ガス排出孔とによって形成されても良い。こうすれば、セパレータ内部を通る第１の反応ガス排出流路を容易に形成することができる。

本発明の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、さらに、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の面と、厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第２の電極に供給される第２の反応ガスを排出するための第２の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第２の貫通部と、前記第２の面から前記セパレータの内部を通り前記第２の貫通部に至る第２の反応ガス排出流路とを有し、前記第２の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第２の反応ガスは、前記第２の貫通部を前記第２の面側から通過しても良い。こうすれば、第２の反応ガスの排出の流れもスムーズになる。第２の反応ガスにも、第１の電極側から第２の電極側へ電解質層を透過してきた生成水が混入する場合がある。かかる場合には、第２の反応ガスに含まれる生成水の排出性が向上するため、よりフラッディングを抑制できる。

本発明の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記セパレータは、前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の電極対向プレートと、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の電極対向プレートと、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備え、前記第１および第２の電極対向プレートと前記中間プレートは、それぞれに、厚さ方向に貫通する第２の反応ガス排出マニホールド形成部を備え、前記中間プレートは、さらに、厚さ方向に貫通すると共に、一端が前記中間プレートの前記第２の反応ガス排出マニホールド形成部に連通し、他端が前記膜電極接合体と対向する領域に至る第２の反応ガス排出流路形成部を備え、前記第２の電極対向プレートは、さらに、厚さ方向に貫通すると共に、前記第２の反応ガス排出流路形成部の他端と連通する第２の反応ガス排出孔を備え、前記第２の貫通部は、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートと前記中間プレートとにそれぞれ備えられた前記第２の反応ガス排出マニホールド形成部によって形成され、前記第２の反応ガス排出流路は、前記第２の反応ガス排出流路形成部と前記第２の反応ガス排出孔とによって形成されても良い。こうすれば、セパレータ内部を通る第２の反応ガス排出流路を容易に形成することができる。

以下、本発明に係るセパレータについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．実施例
・燃料電池およびセパレータの構成：
図１〜図３を参照して、実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は、実施例に係る燃料電池の外観構成を示す説明図である。図２は、実施例に係る燃料電池を構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。図３は、実施例におけるセパレータの各構成部品およびシール一体型膜電極接合体（以下、シール一体型ＭＥＡという。）の平面図である。

燃料電池１０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１０は、モジュール２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。モジュール２０は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。すなわち、燃料電池１０は、モジュール２０が、複数個積層された層状構造を有している。また、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、各モジュール２０は、積層方向に所定の圧縮力で締結される。

燃料電池１０には、電池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１０を冷却する冷却媒体が供給される。簡単に説明すると、燃料電池１０のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１０から、配管２５０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２１０の代わりに、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ても良い。配管２５０には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ２２０および調圧バルブ２３０が配置されている。燃料電池１０のアノードから排出された水素は、配管２６０を介して配管２５０に戻され、再び燃料電池１０に循環される。配管２６０上には、循環のための循環ポンプ２４０が配置されている。ここで、図１に示すように、燃料ガスを供給する配管２５０と燃料ガスを排出する配管２６０は、燃料電池１０の積層方向における同一の端部（図１では、右側の端部）に接続されている。これにより燃料電池１０内に形成されている燃料ガス供給マニホールドには、図１における右から左へと燃料ガスが流動し、逆に燃料ガス排出マニホールドには、図１における左から右へと燃料ガスが流動する。

燃料電池１０のカソードには、エアポンプ３１０から、配管３５０を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１０のカソードから排出された空気は、配管３６０を介して大気中に放出される。ここで、図１に示すように、酸化ガスを供給する配管３５０と酸化ガスを排出する配管３６０は、上述した燃料ガスの給排用の配管２５０、２６０が接続されている端部に接続されている。これにより燃料電池１０内に形成されている酸化ガス供給マニホールドには、図１における右から左へと酸化ガスが流動し、逆に酸化ガス排出マニホールドには、図１における左から右へと酸化ガスが流動する。ここで、こうした燃料電池１０内での燃料ガスの流動および各種マニホールドの構成については、後に詳述する。

燃料電池１０には、さらに、ラジエータ４２０から、配管４５０を介して、冷却媒体が供給される。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１０から排出された冷却媒体は、配管４６０を介して、ラジエータ４２０に送られ、再び燃料電池１０に循環される。配管４６０上には、循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。

モジュール２０は、図２に示すように、セパレータ２５とシール一体型ＭＥＡ２１を交互に積層して構成される。

セパレータ２５は、図２に示すように、シール一体型ＭＥＡ２１のカソード側との対向面２２ｂ（以下、カソード対向面という。）を有するカソード対向プレート２２と、アノード側と対向面（以下、アノード対向面という。）２３ｂを有するアノード対向プレート２３と、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３とに挟持される中間プレート２４とを備えている。これらの３枚のプレートは重ね合わせて、ホットプレスすることにより接合されている。

カソード対向プレート２２は、略四角形の金属製の薄板である。金属製の薄板としては、例えば、チタン、チタン合金、ＳＵＳ（ステンレス）板の表面に腐食防止のためのメッキを施したものを用いることができる。カソード対向プレート２２は、図３（ａ）に示すように、ＭＥＡと対向する領域（以下、発電領域ＤＡという。）が平面であり、酸化ガス流路は形成されていない。カソード対向プレート２２は、発電領域ＤＡの外側の外周縁部に、セパレータ２５が積層されて燃料電池１０を構成する際に積層の方向に各種マニホールドを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂとを有している。カソード対向プレート２２は、さらに、複数個の酸化ガス供給孔２２５と、複数個の酸化ガス排出孔２２６とを有している。複数個の酸化ガス供給孔２２５は、発電領域ＤＡの上端部に、発電領域ＤＡの左端から右端までに亘って、並んで配置されている。複数個の酸化ガス排出孔２２６は、発電領域ＤＡの酸化ガス供給孔２２５とは反対側の端部、つまり、下端部に、発電領域ＤＡの左端から右端までに亘って、並んで配置されている。これらの各種マニホールド形成部、酸化ガス供給孔２２５、酸化ガス排出孔２２６は、全てカソード対向プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。カソード対向プレート２２は、これらの貫通部以外の部分は、未加工のままの平板である。従って、カソード対向プレート２２は、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード対向プレート２２と同じものを用いることができる。アノード対向プレート２３は、図３（ｂ）に示すように、カソード対向プレート２２と同様に、発電領域ＤＡが平面であり、燃料ガス流路は形成されていない。アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３３ｂとを有している。アノード対向プレート２３は、さらに、複数個の燃料ガス供給孔２３７と、複数個の燃料ガス排出孔２３８とを有している。複数個の燃料ガス供給孔２３７は、発電領域ＤＡの図３（ｂ）における左端部の上部に、並んで配置されている。複数個の燃料ガス排出孔２３８は、発電領域ＤＡの燃料ガス供給孔２３７とは反対側の端部、つまり、図３（ａ）における右端部の下部に、並んで配置されている。これらの各種マニホールド形成部、燃料ガス供給孔２３７、燃料ガス排出孔２３８は、全てアノード対向プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。アノード対向プレート２３は、これらの貫通部以外の部分は、未加工のままの平板である。アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同様に、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

中間プレート２４は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じものを用いることができる。中間プレート２４は、図３（ｃ）に示すように、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂとを有している。

中間プレート２４には、図３（ｃ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと一端が連通し、他端が発電領域ＤＡの上端部に至る長孔である酸化ガス供給流路形成部２４５が複数個並んで形成されている。酸化ガス供給流路形成部２４５は、３つのプレートを接合したとき（以下、接合時という。）に、カソード対向プレート２２の酸化ガス供給孔２２５と１対１で対応するように、酸化ガス供給孔２２５と同数個形成されている。また、中間プレート２４は、酸化ガス供給流路形成部２４５と同様な形状を有する長孔として、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと一端が連通し、他端が発電領域ＤＡの下端部に至る長孔である酸化ガス排出流路形成部２４６が複数個並んで形成されている。酸化ガス排出流路形成部２４６は、接合時に、カソード対向プレート２２の酸化ガス排出孔２２６と１対１で対応するように、酸化ガス排出孔２２６と同数個形成されている。

中間プレート２４は、さらに、上述した酸化ガス供給流路形成部２４５および酸化ガス排出流路形成部２４６と同様の構造を有する要素として、一端が燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａに連通し他端が発電領域ＤＡの左端部に至る燃料ガス供給流路形成部２４７と、一端が燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと連通し他端が発電領域ＤＡの右端部に至る燃料ガス排出流路形成部２４８とを、それぞれ複数個備えている。

中間プレート２４は、さらに、中間プレート２４の図３（ｃ）における右側端部近傍から左側端部近傍に至る長孔である冷却媒体流路形成部２４３を有している。冷却媒体流路形成部２４３は、図３（ｃ）における上下方向に複数個並んで形成されている。

中間プレート２４における上述した各種マニホールド形成部と、各種流路形成部は、全て中間プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。中間プレート２４は、これらの貫通部以外の部分は、未加工のままの平板である。従って、中間プレート２４は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同様に、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

シール一体型ＭＥＡ２１は、図３（ｄ）に示すように、ＭＥＡとＭＥＡの外周端部に接合されたシール部５０を備えている。ＭＥＡは、図２に示すように、水素イオンを透過するイオン交換膜からなる電解質層２１１と、電解質層２１１の一方の面（上述のカソード対向プレート２２と対向する側の面）に配置されたカソード２１２と、電解質層２１１の他方の面（上述のアノード対向プレート２３と対向する側の面）に配置されたアノード２１３を備えている。カソード２１２およびアノード２１３は、それぞれ、反応ガスが流動する拡散層と、電池反応の反応場となる触媒とから構成されている。図３では、触媒については図示を省略し拡散層のみをカソード２１２およびアノード２１３として示している。ＭＥＡにおいて、カソード２１２が配置されている側をカソード側、アノード２１３が配置されている側をアノード側というものとする。拡散層は、比較的内部の空孔率が高く、反応ガス（酸化ガスや燃料ガス）が内部を流動する際の圧力損失が小さいものが用いられる。拡散層は、カソード２１２の拡散層を金属製（例えば、チタン）多孔体を用い、アノード２１３の拡散層をカーボン製多孔体を用いて構成されている。

シール部５０は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料が用いられる。シール部５０は、金型のキャビティにＭＥＡの外周端部を臨ませて、樹脂材料を射出成形することによって作製される。こうすることで、膜電極接合体２１とシール部５０とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部から漏れ出すことを防止できる。シール部５０は、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３と同様に、酸化ガス供給マニホールド形成部５０１ａ、酸化ガス排出マニホールド形成部５０１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部５０２ａ、燃料ガス排出マニホールド形成部５０２ｂ、冷却媒体供給マニホールド形成部５０３ａ、冷却媒体排出マニホールド形成部５０３ｂを有している。シール部５０は、図２に示すように、燃料電池１０を構成する際に、一方の面に当接する一のセパレータ２５と他方の面に当接するセパレータ２５との間をシールしている。シール部５０は、図３（ｄ）に示すように、ＭＥＡの外周すなわち燃料電池の発電領域ＤＡの外周と、各マニホールドの外周を囲むようにシールしている。図３（ｄ）では、図を見やすくするため、シール部５０のセパレータ２５と当接部を結ぶシール線ＳＬのみを示している。

図４〜図６を参照して、セパレータ２５に形成される各種流路の構成について説明する。図４は、実施例におけるセパレータとシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図および断面図である。図５は、図４におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。図６は、図４におけるＤ−Ｄ断面を示す断面図である。また、上述した図２は、図４におけるＡ−Ａ断面に対応している。

セパレータ２５には、図４（ａ）においてハッチングで示すように、厚さ方向に貫通する各種貫通部が形成される。これらの貫通部は、セパレータ２５が積層され燃料電池１０を構成する際に、燃料電池１０を積層の方向に貫通するように各種マニホールドを形成する。これらのうち、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３、中間プレート２４にそれぞれに形成された酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂ、２３２ｂ、２４２ｂによって形成される貫通部を、貫通部Ｋ１とする。そして、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３、中間プレート２４にそれぞれに形成された燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂ、２３１ｂ、２４１ｂによって形成される貫通部を、貫通部とする。

セパレータ２５には、図４および図５に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス供給流路形成部２４５と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａと、カソード対向プレート２２に形成された酸化ガス供給孔２２５とによって、酸化ガス供給流路６３が形成される。酸化ガス供給流路６３は、図５に示すように、カソード対向プレート２２の（セパレータ２５の）カソード対向面２２ｂから、セパレータ２５の内部を通り、酸化ガス供給マニホールドに至っている。

セパレータ２５には、図４および図５に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス排出流路形成部２４６と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａと、カソード対向プレート２２に形成された酸化ガス排出孔２２６とによって、酸化ガス排出流路６４が形成される。酸化ガス排出流路６４は、図５に示すように、カソード対向プレート２２の（セパレータ２５の）カソード対向面２２ｂから、セパレータ２５の内部を通り、酸化ガス排出マニホールド（図４：貫通部Ｋ１）に至っている。

図示は省略するが、図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面およびＣ'−Ｃ'断面は、図５に示すＢ−Ｂ断面と、同様の構造を有している。すなわち、セパレータ２５には、図４（ａ）に示すＣ−Ｃ部において、上述した酸化ガス供給流路６３と同様にして、中間プレート２４に形成された燃料ガス供給流路形成部２４７と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａと、アノード対向プレート２３に形成された燃料ガス供給孔２３７とによって、燃料ガス供給流路６１が形成される。そして、図４（ａ）におけるＣ'−Ｃ'部において、上述した酸化ガス排出流路６４と同様にして、中間プレート２４に形成された燃料ガス排出流路形成部２４８と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａと、アノード対向プレート２３に形成された燃料ガス排出孔２３８とによって、燃料ガス排出流路６２が形成される。そして、燃料ガス供給流路６１および燃料ガス排出流路６２は、それぞれ、アノード対向面２３ｂからセパレータ２５の内部を通り、燃料ガス供給流路６１は燃料ガス供給マニホールドに、燃料ガス排出流路６２は燃料ガス排出マニホールド（図４：貫通部Ｋ２）にそれぞれ至っている。

セパレータ２５には、図４および図６に示すように、中間プレート２４に形成された冷却媒体流路形成部２４３と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、冷却媒体流路６５が形成される。冷却媒体流路６５は、一端が冷却媒体供給マニホールドと連通し、他端が冷却媒体排出マニホールドと連通している。

また、図４（ａ）に示すように、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールドは、それぞれ、図４（ａ）においてシール線ＳＬで示すシール部５０とセパレータ２５との当接部のうち燃料電池の発電領域ＤＡの外周を囲む当接部（以下、発電領域外周シール部という。）の外側に位置している。一方で、酸化ガス供給孔２２５、酸化ガス排出孔２２６、燃料ガス供給孔２３７、燃料ガス排出孔２３８は、それぞれ、発電領域ＤＡの端部すなわち上述した発電領域外周シール部の内側に位置している。この結果、上述した燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４は、それぞれ、発電領域外周シール部をセパレータ２５の内部からトンネルする。また、冷却媒体流路６５も、発電領域外周シール部の外側にそれぞれ位置する冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドと連通しているため、発電領域外周シール部をセパレータ２５の内部からトンネルしている。

図４（ｂ）は、発電領域外周シール部上におけるセパレータ２５およびシール一体型ＭＥＡ２１の切断面（図４（ａ）におけるｓｌ１−ｓｌ１断面）を示している。図４（ｂ）に示すように、発電領域外周シール部上における断面は、酸化ガス供給流路６３が形成されている部分（空間部）と、緻密部Ｓとが交互に並んでいる。これによって、緻密部Ｓが支持体となり、シール圧によるカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３の変形を抑制している。なお、図４（ａ）におけるｓｌ３−ｓｌ３断面も同様の構成となっている。

図４（ｃ）は、発電領域外周シール部上におけるセパレータ２５およびシール一体型ＭＥＡ２１の切断面（図４（ａ）におけるｓｌ２−ｓｌ２断面）を示している。本断面においても、冷却媒体流路６５および燃料ガス排出流路６２が形成されている部分（空間部）と、緻密部Ｓとが交互に並んでいる。これによって、緻密部Ｓが支持体となり、シール圧によるカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３の変形を抑制している。なお、図４（ａ）におけるｓｌ４−ｓｌ４断面も同様の構成となっている。

・燃料電池の動作：
同じく、図４〜図６を参照して、実施例に係る燃料電池の動作について説明する。

燃料電池１０の一方の端部（図１における右側の端部）から供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを図５において矢印で示すように、右から左に流動する。すなわち、酸化ガスが酸化ガス供給マニホールドを流動する方向は、セパレータ２５を通過する際にアノード対向面２３ｂ側からカソード対向面２２ｂ側へと通過する方向である。酸化ガスは、燃料電池１０を構成する各セパレータに形成された酸化ガス供給流路６３に分配される。酸化ガスは、酸化ガス供給流路６３を通って、カソード２１２の拡散層に供給される。拡散層に供給された酸化ガスは、カソード２１２において、以下の式（１）に示す電池反応（カソード反応）に供される。

カソード反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ...（１）

本実施例に係る燃料電池１０では、水素イオンを透過する水素交換膜を電解質層２１１として用いているので、式（１）に示すように、カソード２１２における電池反応によって水が生成される。したがって、本実施例におけるカソード２１２が、特許請求の範囲における第１の電極に相当する。そして、上述したカソード対向プレート２２におけるカソード対向面２２ｂが、特許請求の範囲における第１の面に相当する。また、カソード２１２に供給される酸化ガスが、特許請求の範囲における第１の反応ガスに相当する。したがって、上述した酸化ガス排出流路６４（図４、図５参照）が、特許請求の範囲における第１の反応ガス排出流路に相当し、上述した貫通部Ｋ１（図４参照）が、特許請求の範囲における第１の貫通部に相当する。

その後、酸化ガスは、図５において矢印で示すように、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４へと排出される。酸化ガスは、各セパレータ２５の酸化ガス排出流路６４から酸化ガス排出マニホールドへと排出される。酸化ガス排出マニホールドにおいて、酸化ガスは、図５において矢印Ａ２で示すように左から右へ流動し、燃料電池１０の酸化ガスが排出される側の端部（図１における右側の端部）から排出される。すなわち、酸化ガスが酸化ガス排出マニホールドを流動する方向は、セパレータ２５の貫通部Ｋ１（図４参照）を通過する際にカソード対向面２２ｂ側からアノード対向面２３ｂ側へと通過する方向である。この結果、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４へと酸化ガスが排出される方向（図５：矢印Ａ１）と、酸化ガス排出マニホールドを酸化ガスが流動する方向（図５：矢印Ａ２）とが同一方向となることが解る。

燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドから燃料ガス供給流路６１を通って、アノード２１３の拡散層に供給される。拡散層に供給された燃料ガスは、発電領域ＤＡ全体に亘って拡散し、アノード２１３において、以下の式（２）に示す電池反応（アノード反応）に供される。

アノード反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ...（２）

本実施例に係る燃料電池１０では、アノード反応において、生成水は発生しない。本実施例におけるアノードが、特許請求の範囲における第２の電極に相当する。その後、燃料ガスは、燃料ガス排出流路６２−燃料ガス排出マニホールドを通って排出される。

燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図６において矢印で示すように、冷却媒体供給マニホールド−冷却媒体流路６５−冷却媒体排出マニホールドを通って、外部に排出される。冷却媒体は、主として冷却媒体流路６５内を流動中に燃料電池１０の熱エネルギーを吸収して燃料電池１０を冷却する。

以上説明したように、本実施例に係る燃料電池１０は、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４へと酸化ガスが排出される方向（図５：矢印Ａ１）と、酸化ガス排出マニホールドを酸化ガスが流動する方向（図５：矢印Ａ２）とが同一方向となるので、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４への酸化ガスの流れがスムーズになる。特に、図５において記号Ｌで示す酸化ガス排出孔から酸化ガス排出マニホールドまでの長さが短い場合には、酸化ガス排出マニホールド内の酸化ガスの流れが逆向きであると、酸化ガス排出マニホールド内の流れによって、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４への酸化ガスの流れが阻害されてしまうおそれがある。本実施例では、かかる不都合はなく、逆に、酸化ガス排出マニホールド内の流れに引かれて、カソード２１２の拡散層から酸化ガス排出流路６４へと酸化ガスがスムーズに流動し得る。この結果、酸化ガス内に混入した生成水を速やかに排出することができる。したがって、燃料電池１０におけるいわゆるフラッディングを抑制して電池性能を向上することができる。また、上述の酸化ガス排出孔から酸化ガス排出マニホールドまでの長さＬを短くできることは、燃料電池１０のコンパクト化に寄与する。

Ｂ．変形例：
図７および図８を参照して、変形例に係る燃料電池１０について説明する。図７は、変形例に係る燃料電池の外観構成を示す説明図である。図８は、変形例に係る燃料電池における燃料ガスの流動を説明する説明図である。変形例におけるセパレータは、実施例におけるセパレータ２５と同一の構成を有するので、構成の説明を省略し、以下の説明では、同一の構成要素について同一の符号を用いる。図８には、図４におけるＣ−Ｃ断面およびＣ'−Ｃ'断面を示している。

図７に示すように、変形例に係る燃料電池１０は、実施例と異なり、燃料ガスを、酸化ガスが供給・排出される端部（図７における右側の端部）とは、反対側の端部（図７における左側の端部）から供給・排出する。すなわち、燃料ガスを供給する配管２５０と燃料ガスを排出する配管２６０とは、図７における左側の端部に接続されている。これにより、燃料電池１０内に形成されている燃料ガス供給マニホールドには、図７における左から右へと燃料ガスが流動し、逆に燃料ガス排出マニホールドには、図７における右から左へと燃料ガスが流動する。その他の構成については、実施例と同一であるので説明を省略する。

この結果、図８において矢印で示すように燃料ガスが流動する。具体的に説明すると、図８に示すように、各セパレータ２５の燃料ガス排出流路６２から燃料ガス排出マニホールド（貫通部Ｋ２）に流れこんだ燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールドにおいて、図８において矢印Ａ４で示すように、右から左へ流動し、燃料電池１０の燃料ガスが排出される側の端部（図７における左側の端部）から排出される。すなわち、燃料ガスが燃料ガス排出マニホールドを流動する方向は、セパレータ２５の貫通部Ｋ２を通過する際にアノード対向面２３ｂ側からカソード対向面２２ｂ側へと通過する方向である。この結果、アノード２１３の拡散層から燃料ガス排出流路６２へと燃料ガスが排出される方向（図８：矢印Ａ３）と、燃料ガス排出マニホールドを燃料ガスが流動する方向（図８：矢印Ａ４）とが同一方向になることが解る。

本変形例におけるアノード対向プレート２３のアノード対向面２３ｂが、特許請求の範囲における第２の面に相当する。また、アノード２１３に供給される燃料ガスが、特許請求の範囲における第２の反応ガスに相当する。したがって、上述した燃料ガス排出流路６２（図８参照）が、特許請求の範囲における第２の反応ガス排出流路に相当し、上述した貫通部Ｋ２（図４参照）が、特許請求の範囲における第２の貫通部に相当する。

酸化ガスおよび冷却媒体の流動は、実施例と同一（図５および図６参照）であるので、その説明を省略する。

以上説明したように、変形例に係る燃料電池は、上述した実施例に係る燃料電池１０における作用・効果に加えて、さらに、以下の作用・効果を奏する。図５を参照して説明した酸化ガスの流動だけでなく、燃料ガスの流動についても、アノード２１３の拡散層から燃料ガス排出流路６２へと燃料ガスが排出される方向（図８：矢印Ａ３）と、燃料ガス排出マニホールドを燃料ガスが流動する方向（図８：矢印Ａ４）とが同一方向になるので、アノード２１３の拡散層から燃料ガス排出流路６２への燃料ガスの流れがスムーズになる。燃料ガスには、酸化ガスに比較して一般的に混入量は少ないが、カソード側からアノード側へ電解質層２１１を透過してくることによって生成水が混入する場合がある。かかる場合には、燃料ガス内に含まれる生成水の排出性が向上し、アノード側のフラッディングを抑制して電池性能を向上することができる。

実施例と変形例とを比較して補足説明すると、実施例の構成では、燃料電池の片方の端部から燃料ガスと酸化ガスの供給・排出を行う構成とすると（図１参照）、反応ガスの各配管を一方の端部に集中して配置できるため、燃料電池システム全体をコンパクトに構成できる利点がある。一方、変形例の構成では、反応ガスの各配管を燃料電池の両端にそれぞれ配置することになるが、アノード側の排水性を向上できる利点がある。これらを考慮して、いずれか適切な構成を採用することができる。

・その他の変形例
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

例えば、上記実施例および変形例における燃料電池１０は、電解質層２１１として水素イオンを透過するイオン透過膜を用いているが、これに代えて陰イオン（例えば、酸素イオン）透過するイオン交換膜を用いても良い。この場合の電池反応の一例を以下の式（３）、（４）に示す。

カソード反応：（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ...（３）
アノード反応：Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ...（４）

式（４）に示すように、かかる場合には、上述した実施例および変形例とは逆に、アノード反応によって水が生成されるので、アノード２１３が特許請求の範囲における第１の電極に相当し、カソード２１２が第２の電極に相当する。そして、上述したアノード対向プレート２３におけるアノード対向面２３ｂが、特許請求の範囲における第１の面に相当し、カソード対向プレート２２におけるカソード対向面２２ｂが、第２の面に相当する。また、アノード２１３に供給される燃料ガスが、特許請求の範囲における第１の反応ガスに相当し、カソード２１２に供給される酸化ガスが第２の反応ガスに相当する。したがって、燃料ガス排出流路６２が、特許請求の範囲における第１の反応ガス排出流路に相当し、酸化ガス排出流路６４が、第２の反応ガス排出流路に相当する。また、貫通部Ｋ２（図４参照）が、特許請求の範囲における第１の貫通部に相当し、貫通部Ｋ１が第２の貫通部に相当する。

また、上記実施例および変形例において、セパレータ２５は、３枚のプレートを重ね合わせた構成となっているが、セパレータ２５の作製の容易性を考慮しないのであれば、上述した酸化ガス供給／排出流路６３、６４および燃料ガス供給／排出流路６１、６２と同様の流路を、一つの部材に機械加工を施すことによって形成しても良い。

実施例に係る燃料電池の外観構成を示す説明図。実施例に係る燃料電池を構成するモジュールの概略構成を示す説明図。実施例におけるセパレータの各構成部品およびシール一体型ＭＥＡの平面図。実施例におけるセパレータとシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図および断面図。図４におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図。図４におけるＤ−Ｄ断面を示す断面図。変形例に係る燃料電池の外観構成を示す説明図。変形例に係る燃料電池における燃料ガスの流動を説明する説明図。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...モジュール
２１...シール一体型ＭＥＡ
２１１...電解質層
２１２...カソード
２１３...アノード
２２...カソード対向プレート
２２１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２２２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２２３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２２３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２２５...酸化ガス供給孔
２２６...酸化ガス排出孔
２３...アノード対向プレート
２３１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２３２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２３３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２３３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２３７...燃料ガス供給孔
２３８...燃料ガス排出孔
２４...中間プレート
２４１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２４１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２４２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２４２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２４３...冷却媒体流路形成部
２５...セパレータ
３０...エンドプレート
３１...テンションプレート
３２...ボルト
３３...インシュレータ
３４...ターミナル
５０...シール部
５０１ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
５０１ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
５０２ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
５０２ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
５０３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
５０３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
６１...燃料ガス供給流路
６２...燃料ガス排出流路
６３...酸化ガス供給流路
６４...酸化ガス排出流路
６５...冷却媒体流路
２１０...水素タンク
２２０...シャットバルブ
２３０...調圧バルブ
２４０、４１０...循環ポンプ
２５０、２６０、３５０、３６０、４５０、４６０...配管
３１０...エアポンプ
４２０...ラジエータ
ＳＬ...シール線
ＤＡ...発電領域

Claims

燃料電池であって、
電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置されると共に電池反応によって水が生成される第１の電極と、前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持して積層されるセパレータであって、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の面と、
厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第１の電極に供給される第１の反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第１の貫通部と、
前記第１の面から前記セパレータの内部を通り前記第１の貫通部に至る第１の反応ガス排出流路と、
を有するセパレータと、
を備え、
前記第１の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第１の反応ガスは、前記第１の貫通部を前記第１の面側から通過し、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の電極対向プレートと、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の電極対向プレートと、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備え、
前記第１および第２の電極対向プレートと前記中間プレートは、それぞれに、厚さ方向に貫通する第１の反応ガス排出マニホールド形成部を備え、
前記中間プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、一端が前記中間プレートの前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部に連通し、他端が前記膜電極接合体と対向する領域に至る第１の反応ガス排出流路形成部を備え、
前記第１の電極対向プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、前記第１の反応ガス排出流路形成部の他端と連通する第１の反応ガス排出孔を備え、
前記第１の貫通部は、
前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートと前記中間プレートとにそれぞれ備えられた前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部によって形成され、
前記第１の反応ガス排出流路は、
前記第１の反応ガス排出流路形成部と前記第１の反応ガス排出孔とによって形成される燃料電池。
燃料電池であって、
電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置されると共に電池反応によって水が生成される第１の電極と、前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持して積層されるセパレータであって、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の面と、
厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第１の電極に供給される第１の反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第１の貫通部と、
前記第１の面から前記セパレータの内部を通り前記第１の貫通部に至る第１の反応ガス排出流路と、
を有するセパレータと、
を備え、
前記第１の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第１の反応ガスは、前記第１の貫通部を前記第１の面側から通過し、
前記セパレータは、さらに、
前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の面と、
厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第２の電極に供給される第２の反応ガスを排出するための第２の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第２の貫通部と、
前記第２の面から前記セパレータの内部を通り前記第２の貫通部に至る第２の反応ガス排出流路とを有し、
前記第２の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第２の反応ガスは、前記第２の貫通部を前記第２の面側から通過する燃料電池。
燃料電池であって、
電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置されると共に電池反応によって水が生成される第１の電極と、前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持して積層されるセパレータであって、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の面と、
厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第１の電極に供給される第１の反応ガスを排出するための第１の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第１の貫通部と、
前記第１の面から前記セパレータの内部を通り前記第１の貫通部に至る第１の反応ガス排出流路と、
を有するセパレータと、
を備え、
前記第１の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第１の反応ガスは、前記第１の貫通部を前記第１の面側から通過し、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の電極対向プレートと、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の電極対向プレートと、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備え、
前記第１および第２の電極対向プレートと前記中間プレートは、それぞれに、厚さ方向に貫通する第１の反応ガス排出マニホールド形成部を備え、
前記中間プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、一端が前記中間プレートの前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部に連通し、他端が前記膜電極接合体と対向する領域に至る第１の反応ガス排出流路形成部を備え、
前記第１の電極対向プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、前記第１の反応ガス排出流路形成部の他端と連通する第１の反応ガス排出孔を備え、
前記第１の貫通部は、
前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートと前記中間プレートとにそれぞれ備えられた前記第１の反応ガス排出マニホールド形成部によって形成され、
前記第１の反応ガス排出流路は、
前記第１の反応ガス排出流路形成部と前記第１の反応ガス排出孔とによって形成され、
前記セパレータは、さらに、
前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の面と、
厚さ方向に貫通して設けられ、前記積層される際に前記第２の電極に供給される第２の反応ガスを排出するための第２の反応ガス排出マニホールドを前記積層の方向に形成する第２の貫通部と、
前記第２の面から前記セパレータの内部を通り前記第２の貫通部に至る第２の反応ガス排出流路とを有し、
前記第２の反応ガス排出マニホールドを流動する前記第２の反応ガスは、前記第２の貫通部を前記第２の面側から通過する燃料電池。
請求項２または請求項３に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体の前記第１の電極側と対向する第１の電極対向プレートと、前記膜電極接合体の前記第２の電極側と対向する第２の電極対向プレートと、前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備え、
前記第１および第２の電極対向プレートと前記中間プレートは、それぞれに、厚さ方向に貫通する第２の反応ガス排出マニホールド形成部を備え、
前記中間プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、一端が前記中間プレートの前記第２の反応ガス排出マニホールド形成部に連通し、他端が前記膜電極接合体と対向する領域に至る第２の反応ガス排出流路形成部を備え、
前記第２の電極対向プレートは、さらに、
厚さ方向に貫通すると共に、前記第２の反応ガス排出流路形成部の他端と連通する第２の反応ガス排出孔を備え、
前記第２の貫通部は、
前記第１の電極対向プレートと前記第２の電極対向プレートと前記中間プレートとにそれぞれ備えられた前記第２の反応ガス排出マニホールド形成部によって形成され、
前記第２の反応ガス排出流路は、
前記第２の反応ガス排出流路形成部と前記第２の反応ガス排出孔とによって形成される燃料電池。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記電解質層は、水素イオンの透過を許容するイオン交換膜であり、
前記第１の電極は、カソードであり、
前記第１の反応ガスは、酸化ガスである燃料電池。