JP5261975B2 - 燃料電池 - Google Patents

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」又は「反応ガス」と呼ぶ）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を含む排ガスなどの流体流路が設けられている（特許文献１等）。

特開２００４−６１０４ 特開２００６−２２１９５５

ところで、燃料電池は、車両などの限られた空間内で使用されることが多く、軽量・小型化されることが要求されている。従って、例えば、上述したセパレータなどの構成部材を薄肉化するなどして小型・軽量化することが好ましい。一方、燃料電池は、供給ガスなどの流体に対するシール性を確保する必要がある。しかし、構成部材を小型・軽量化すると、構成部材の強度が低下するとともに流体に対するシール性が低下する可能性があった。例えば、セパレータを構成するプレートを薄肉化するとプレートの強度が低下して、その流路形成部位において、プレートの平滑度が保てず、流体に対するシール性が悪化してしまう可能性があった。従来は、このような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に対するシール性の低下を抑制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、前記セパレータの間に配置され、前記マニホールド孔の周りをシールするためのシール部とを備え、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を有しており、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のプレートと前記第２の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と第２のプレートの少なくとも一方には、前記第１のプレートを貫通するとともに前記発電部に連通す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、互いに交わる方向に延びる２つ以上の非平行な流路を含む非平行流路部位を有するとともに、前記複数の流体流路のそれぞれが互いに平行に延びる平行流路部位を有しており、前記シール部は、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記平行流路部位と重なる領域に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、燃料電池として組み付けたときに、シール部がセパレータの平行流路部位の上に配置されるため、非平行流路部位の上にシール部が配置される場合に比較して、流路と重なるシール部の面積を小さくすることができる。即ち、流路が形成された部位において、セパレータがシール部から受ける圧力を低減することができる。従って、各プレートがその流路形成部位において変形することを抑制でき、燃料電池の流体に対するシール性の低下を抑制できる。

前記シール部は、突起部によって形成されるシールラインを有しており、前記複数の流体流路のそれぞれは、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記シールラインと直交しており、前記直交する部位において流路幅が等しいものとしても良い。

この構成によれば、セパレータの流路形成部位において各プレートがシールラインから受ける線圧を、各流路ごとに等しくすることができる。従って、シールラインから受ける線圧による各プレートの変形を抑制しつつ各プレートを薄肉化したセパレータの設計が容易となる。

前記複数の流体流路は、前記発電部連通孔に近いほど互いの距離が広くな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連結する発電部の一辺の長さに比較して狭い場合でも、当該発電部の一辺に対して反応ガスを万遍なく供給することができる。

前記複数の流体流路は、前記平行流路部位において前記発電部連通孔と連結するものとしても良い。

この構成によれば、各流路から発電部に供給されたカソードガスの流れが干渉し合うことを抑制することができる。

前記マニホールド孔は、前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた同一種類の複数のマニホールド孔を含み、前記同一種類の複数のマニホールド孔同士の間には、前記積層体を締結するための締結部材が設けられているものとしても良い。

この構成によれば、燃料電池を締結するための締結部材が同一種類のマニホールド孔の間に収納されるため、締結部材を設けることによって燃料電池の体積が増加することを抑制できる。

また、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を有しており、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のプレートと前記第２の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のプレートには、前記第１のプレートを貫通するとともに前記発電部に連通す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、互いに交わる方向に延びる２つ以上の非平行な流路を含む非平行流路部位を有するとともに、前記複数の流体流路のそれぞれが互いに平行に延びる平行流路部位を有しており、前記複数の流体流路のそれぞれは、前記平行流路部位において前記発電部連通孔と連結するいることを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、各流路から発電部に供給された反応ガスの流れが干渉し合うことを抑制することができるため、発電部における反応ガスの流量分布をより均一にすることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

他に、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カソードガス用マニホールド孔及びアノードガス用マニホールド孔とを備え、前記膜電極接合体は、発電を行う発電部と、前記発電部の外周縁に設けられたシールガスケット部とを備え、前記シールガスケット部の表面には、流体をシールするためのシールラインが設けられ、前記セパレータは、前記膜電極接合体のアノード電極側に接するアノードプレートと、前記膜電極接合体のカソード電極側に接するカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとに挟持される中間プレートとを備え、前記カソードプレートには、前記カソードプレートを貫通するとともに前記発電部に連通する発電部連通孔が設けられ、前記中間プレートには、前記カソードガス用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のそれぞれは、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記複数の流体流路の両側の側壁が前記シールラインと直交する直交部を有するとともに、前記複数の流体流路のうち少なくとも１つの流体流路は、少なくとも一方の側壁が前記直交部から曲折している曲折部を有していることを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、セパレータの中間プレートに設けられた反応ガスの流路の流路壁が曲折部を有しているような場合であっても、シールラインからセパレータが受ける線圧によってセパレータの平坦度が低下することを抑制できる。従って、シールラインのシール性の低下を抑制できる。

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（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（反応ガス）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。

なお、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。

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はカーボンペーパーなどで構成することができ、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。また、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）として設けられており、突起部１５がセパレータＳＰに押圧されることによってシール性を実現する。シールラインＳＬは、アノード電極側とカソード電極側とにそれぞれ対向する位置に設けられている。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。カソードプレートＳＰｃ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、カソードプレートＳＰｃとしては、他の構成を有していても良い。

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。さらに、冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６と重なる領域を冷媒マニホールド孔領域Ｍ５ａ、Ｍ６ａとして破線で示してある。

中間プレートＳＰｉには、冷媒用のマニホールド孔Ｍ５、Ｍ６以外のマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ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、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。

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。第２のカソード流路列ＣＰ２は、一端がカソード排ガス用のマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂのそれぞれと連通しており、他端が貫通孔領域Ｐ４ａと重なるように設けられている。なお、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路の形状は、それぞれの流路の圧力損失が均一になるように設けられていることが好ましい。

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、中央凹部ＣＶ２の近傍のカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路をそれぞれ、貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａに近いほど互いの距離が広くなる半扇形状を形成するように設けている。以後、これらの流路を特に、「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ほぼ均一に配置することができる。

なお、この扇形成流路ＣＰｓは、それぞれの連結するマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂに対して外側に位置する流路ほど、貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａと重なる領域の面積が大きくなるように設けられている。これは、各流路の圧力損失を等しくするためである。

中間プレートＳＰｉには、複数の冷媒流路ＷＰが貫通して設けられている。冷媒流路ＷＰは、２つの冷媒用マニホールド孔領域Ｍ５ａ、Ｍ６ａを連結するように並列に設けられている。冷媒流路ＷＰは、燃料電池１００として組み付けられたときに、他の２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃに設けられた冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６と連結する。即ち、燃料電池１００の外部からマニホールド孔Ｍ５へ供給された冷媒は、中間プレートＳＰｉにおいて各セパレータＳＰの冷媒流路ＷＰへと分岐する。そして、冷媒流路ＷＰを通過して（図６の矢印）、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へと至り、燃料電池１００の外部へと排出される。なお、冷媒流路ＷＰは、発電部１１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。

中間プレートＳＰｉとしては、他のプレートＳＰａ、ＳＰｃと同様に、導電性を有する金属板によって構成することができる。また、中間プレートＳＰｉは樹脂フィルムによって形成されるものとしても良い。この場合には、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が形成される構成とすることが好ましい。

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（Ａ）は、カソード流路列ＣＰ１を構成する流路の形状を説明するために、カソード流路列ＣＰ１のうち、扇形成流路ＣＰｓの近傍を拡大して示した概略図である。なお、カソード流路列ＣＰ２を構成する流路の形状もカソード流路列ＣＰ１と同様の構成であるため、図示及び説明は省略する。

扇形成流路ＣＰｓを形成する流路は、互いに交わる方向（即ち非平行な方向）に延びる部位を有している。ここで、図に示すように、カソード流路列ＣＰ１のうち全ての流路が平行に延びる部位を「平行流路部位ＣＰｐ」と呼び、互いに交わる方向に延びる２つ以上の流路を含む部位を「非平行流路部位ＣＰｎ」と呼ぶ。即ち、カソード流路列ＣＰ１は、２つの平行流路部位ＣＰｐに挟まれる１つの非平行流路部位ＣＰｎを有しており、平行流路部位ＣＰｐにおいて、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ及び貫通孔領域Ｐ３ａと連結している。

また、カソード流路列ＣＰ１は、平行流路部位ＣＰｐにおいて、シールライン領域線ＳＬａとカソード流路列ＣＰ１の全ての流路の両側の側壁ＣＰｗとが直交するように設けられている。側壁ＣＰｗのうち、扇形成流路ＣＰｓを形成する流路の両側の側壁ＣＰｗは、シールライン領域線ＳＬａと直交した後に、半扇形状を形成するように曲折しており（曲折部ＣＰｃ）、貫通孔領域Ｐ３ａの近傍において、さらに曲折することによって、貫通孔領域Ｐ３ａの一辺に対して直交する。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す８Ｂ−８Ｂ切断における本実施例のセパレータＳＰの断面図である。即ち、図８（Ｂ）は、燃料電池１００を、その積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０のシールラインＳＬ（突起部１５）とカソード流路列ＣＰ１とが重なる部位における扇形成流路ＣＰｓの断面を示している。なお、図８（Ｂ）は、燃料電池１００として組み付けられたセパレータＳＰを模式的に示しており、セパレータＳＰが、膜電極接合体１０によって挟持された状態を示している。図に示すように、扇形成流路ＣＰｓの各流路幅ｗ１は、それぞれ等しい。このような構成とすることによって得られる効果を、以下に説明する比較例との比較において説明する。

図９（Ａ）は、比較例として、中間プレートＳＰｉ０の一部を示す概略図である。この中間プレートＳＰｉ０は、図に示すように、カソード流路列ＣＰ１の扇形成流路ＣＰｓ０は曲折することなく発電部領域１１ａへと延びており、シールライン領域線ＳＬａと直交していない。また、貫通孔領域Ｐ３ａの一辺とも直交していない。なお、図示はされていないが、中間プレートＳＰｉ０のカソード流路列ＣＰ２の扇形成流路ＣＰｓも同様の構成である。また、この中間プレートＳＰｉ０は、上記以外の点は、中間プレートＳＰｉ（図６）とほぼ同じである。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す９Ｂ−９Ｂ切断における比較例の中間プレートＳＰｉ０を用いたセパレータＳＰの断面図である。図９（Ｂ）は、本実施例の中間プレートＳＰｉに代えて、比較例の中間プレートＳＰｉ０が採用されている点以外は、図８（Ｂ）とほぼ同じである。

図に示すように、シールラインＳＬと重なる部位における扇形成流路ＣＰｓの各流路幅Ｗ１〜Ｗ５は等しくなく、マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂの端部により近い流路ほど、その幅が大きくなっている（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４＜Ｗ５）。これは、シールラインＳＬと扇形成流路ＣＰｓとが直交していないためである。また、シールラインＳＬと重なる部位における流路幅が大きい流路上においては、その分だけシールラインＳＬから受ける線圧が大きくなるため、セパレータＳＰの各プレートＳＰａ、ＳＰｃが変形して剥離部ＦＰを生じ、その部位においてシール性が悪化する可能性がある。

一方、本実施例の構成によれば、図８（Ｂ）に示すように、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路上に配置されるシールラインＳＬの長さ（扇形成流路ＣＰｓの各流路幅Ｗ１の合計）が、シールライン領域線ＳＬａと各流路とが直交していない場合に比較して小さくなる。従って、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の各流路上において、セパレータＳＰがシールラインＳＬから受ける線圧を小さくすることができる。そのため、図９（Ｂ）に示すように、シールラインＳＬとプレート表面との間に剥離部位ＦＰが生じることによって、流体に対するシール性が確保できなくなる可能性を低減できる。また、本実施例では、シールラインＳＬと重なる部位において、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の全ての流路を最小の流路幅Ｗ１で構成されているので、各プレートＳＰａ、ＳＰｃを薄肉化しつつ、その平滑度を保つことが可能なように設計することが容易となる。

さらに、比較例の中間プレートＳＰｉ０の扇形成流路ＣＰｓでは、その流路形状によって、図９（Ａ）の矢印に示すように、発電部領域１１ａの長辺方向の中央付近の領域に向かってカソードガスが誘導されてしまう。そうすると、その領域においてカソードガスの流れが干渉し合い、カソードガスの流量分布が不均一となる可能性がある。

一方、本実施例の構成によれば、図８（Ａ）の矢印に示すように、発電部領域１１ａの長辺方向に対してカソードガスは垂直方向に流入する。これは、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の全ての流路が、カソードガス流入孔Ｐ３と連結する際に、当該方向に向かって延びることによって連結しているためである。これによって、カソード流路列ＣＰ１の各流路から発電部１１へと供給されたカソードガスの流れが干渉し合う可能性が低下し、カソードガスの流量分布がより均一となる。なお、カソード排ガス排出用のマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂの扇形成流路ＣＰｓも同様の構成であるため、発電部１１へと流入したカソードガスの流れは、そのまま発電部領域１１ａの短辺方向に沿った方向となる。従って、発電部１１内におけるカソードガスの流量分布を均一化することができる。

即ち、セパレータＳＰを薄肉化することによって燃料電池１００が小型化された構成であっても、燃料電池の発電部におけるカソードガスの流量分布を均一に保ち、流体に対するシール性を確保することができる。従って、燃料電池の発電効率の低下を抑制し、さらには、その劣化をも抑制できる。また、燃料電池１００を締結する締結部材２０は、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２に収納されているため、凹部ＣＶ１、ＣＶ２を有していない燃料電池に較べ、燃料電池自体の体積の増加が抑制されている。

Ｂ．第２実施例：
図１０は、本発明の第２実施例としての膜電極接合体１０Ａの構成を示す概略図である。図１０は、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の配置及び構成が異なる点と、中央凹部ＣＶ２の位置が異なる点と、シールラインＳＬの形状が異なる点以外は、図２とほぼ同じでる。

マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、具体的には次のような構成となる。アノードガス用のマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２は、発電部１１の短辺に沿って、それぞれ発電部１１を挟んで対向する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と冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５は、発電部１１の長辺に沿って設けられている。カソード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと、冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６も同様である。また、冷媒用のマニホールド孔Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、発電部１１を挟んで対角に設けられている。なお、カソードガス供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂの間及びカソード排ガス排出用のマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂの間には、中央凹部ＣＶ２が設けられている。

図１１は、第２実施例におけるアノードプレートＳＰａＡの構成を示す概略図である。図１１は、以下に説明する点以外は、第１実施例におけるアノードプレートＳＰａ（図４）と同様である。また、図１１には、図４と同様に、発電部領域１１ａ及びシールライン領域線ＳＬａが図示してある。

このアノードプレートＳＰａＡは、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及び２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が、図１０の膜電極接合体１０Ａと同様に設けられている。また、発電部領域１１ａ内には、アノードガス供給用のマニホールド孔Ｍ１に沿って並列に、長辺形の貫通孔であるアノードガス流入孔Ｐ１が設けられ、アノード排ガス排出用のマニホールド孔Ｍ２に沿って並列に長辺形の貫通孔であるアノード排ガス流出孔Ｐ２が設けられている。

図１２は、第２実施例におけるカソードプレートＳＰｃＡの構成を示す概略図である。図１２は、アノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２に代えて、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１１と同じである。

このカソードプレートＳＰｃＡのカソードガス流入孔Ｐ３は、発電部領域１１ａ内において、２つのマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂにそって並列に設けられている。また、カソード排ガス流出孔Ｐ４は、発電部領域１１ａ内において、２つのマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂに沿って並列に設けられている。

カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４のマニホールド孔側の一辺は、図に示すように、シールライン領域線ＳＬａとは近接しているが、両者は完全に重なる位置にはない。シールラインＳＬは、流体に対するシール性を確保できる程度に、カソードガス用マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ側にオフセットされている。

図１３は、第２実施例における中間プレートＳＰｉＡの構成を示す概略図である。この中間プレートＳＰｉＡは、以下に説明する点以外は、第１実施例における中間プレートＳＰｉ（図６）と同様である。

この中間プレートＳＰｉＡには、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及び２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が、図１１のアノードプレートＳＰａＡと同様に設けられている。この中間プレートＳＰｉＡの冷媒流路ＷＰは、冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５と冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６とを連結している。冷媒流路ＷＰは、１本の流路であり、発電部領域１１ａ全体を冷却できるように、発電部領域１１ａの長辺方向に振幅しつつ短辺方向に向かって蛇行を繰り返すサーペンタイン状に設けられている。なお、図には冷媒の流れる方向を矢印で図示してある。

また、この中間プレートＳＰｉＡには、櫛歯状のスリットである２組のアノード流路列ＡＰ３、ＡＰ４が貫通して設けられている。第１のアノード流路列ＡＰ３は、一端が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、他端が貫通孔領域Ｐ１ａと重なるように設けられている。第２のアノード流路列ＡＰ４は、一端がアノード排ガス排出用のマニホールド孔Ｍ２と連通しており、他端が貫通孔領域Ｐ２ａと重なるように設けられている。なお、アノード流路列ＡＰ３、ＡＰ４の各流路は、それぞれが互いに平行に延びる平行流路部位ＡＰｐを有しており、平行流路部位ＡＰｐにおいて貫通孔領域Ｐ１ａ、Ｐ２ａと垂直に連結する。これによって、発電部１１に流入するアノードガスは互いに干渉し合う可能性が低減されており、発電部１１の短辺方向のアノードガスの流量分布も均一化されている。従って、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

この中間プレートＳＰｉＡに設けられたカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２は、中央凹部ＣＶ２近傍において扇形成流路ＣＰｓを有しており、さらに、冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６の近傍においても同様に扇形成流路ＣＰｓを有している。なお、扇形成流路ＣＰｓの各流路の両側の側壁ＣＰｗが貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａの近傍において曲折しており、シールライン領域線ＳＬａは、その曲折部ＰＢにおいて扇形成流路ＣＰｓと重なっている。なお、シールライン領域線ＳＬａと重なる部位における扇形成流路ＣＰｓの各流路の流路幅は等しくない。

また、本実施例ではカソード流路ＣＰ１、ＣＰ２は、非平行流路部位ＣＰｎにおいてマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと連結するとともに、平行流路部位ＣＰｐにおいて貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａの一辺と直交している。このような構成によって、各流路から発電部１１に流入するカソードガスの流れは発電部１１の長辺方向に対して垂直となるため、第１実施例と同様に、各流路から流入するカソードガスの流れが互いに干渉し合う可能性を低減することができる。また、カソードガスの流量分布をほぼ均一化することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、本実施例の構成では、中央凹部ＣＶ２に加えて、冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６がカソードガス用マニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと同一長辺に沿って設けているため、その分、第１実施例の構成より扇形成流路ＣＰｓを多く設けている。このように、カソードガス用マニホールド孔を形成できる幅が発電部の幅に対して制限される場合に本発明を適用すると、より効果的である。

Ｃ．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。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例において、マニホールド孔をシールするためのシール部として、外周シール枠部１２に突起部１５によって形成されるシールラインＳＬを設けていたが、シール部は他の構成によって設けられているものとしても良い。例えば、シールラインＳＬは省略しても良い。また、膜電極接合体１０は発電部１１と外周シール枠部１２とは、一体的に形成されることなく、分離された状態で燃料電池に配置されるものとしても良い。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例において、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２は、扇形成流路ＣＰｓを有していたが、扇形成流路ＣＰｓは省略しても良い。カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２は、平行流路部位ＣＰｐと非平行流路部位ＣＰｎとを有していれば良い。あるいは、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の流路のうち少なくとも一つの流路は、少なくとも一方の側壁ＣＰｗがシールラインＳＬと直交する部位から曲折している曲折部を有していれば良い。例えば、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の流路のうち最も外側の流路は、シールラインＳＬと直交したのち、当該流路の一方の側壁が曲折することによって、発電部１１に近いほどその流路幅が広くなる扇形状を有するものとしても良い。

また、上記第２実施例において、アノード流路列ＡＰ３、ＡＰ４は、平行流路部位ＡＰｐを有していたが、さらに、扇形成部位や非平行流路部位を有しているものとしても良い。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例において、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の全ての流路が、貫通孔領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａの一辺と垂直に連結していたが、任意の角度で連結するものとしても良い。また、カソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２の全ての流路が互いに平行に延びる平行流路部位において、カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４と連結していたが、非平行流路部位で連結するものとしても良い。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例において、同一種類のマニホールド孔であるカソードガスのための供給用及び排出用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く、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。また、アノードガスのための同一種類のマニホールド孔が複数個づつ設けられているものとしても良い。

Ｃ５．変形例５：
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反応ガスの流れを説明するための説明図である。 扇形成流路を説明するための説明図である。 比較例の扇形成流路を説明するための説明図である。 第２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２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２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２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。

符号の説明

１０、１０Ａ…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、２２…エンドプレート
１００…燃料電池
ＡＰ１、ＡＰ２…アノード流路
ＡＰ３、ＡＰ４…アノード流路列
ＡＰｐ…平行流路部位
ＣＮ…エンドプレートの四隅
ＣＰ１、ＣＰ２…カソード流路列
ＣＰｃ…流路の側壁の曲折部
ＣＰｎ…非平行流路部位
ＣＰｐ…平行流路部位
ＣＰｓ、ＣＰｓ０…扇形成流路
ＣＰｗ…流路の側壁
ＣＳ…エンドプレートの長辺中央部
ＣＶ１、ＣＶ２…凹部
ＦＰ…剥離部位
Ｍ１、Ｍ２…アノードガス用のマニホールド孔
Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ…カソードガス供給用のマニホールド孔
Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ…カソード排ガス排出用のマニホールド孔
Ｍ５、Ｍ６…冷媒用マニホールド孔
Ｍ５ａ、Ｍ６ａ…冷媒マニホールド孔領域
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
ＰＢ…流路の曲折部
ＳＬ…シールライン
ＳＬａ…シールライン領域線
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ、ＳＰａＡ…アノードプレート
ＳＰｃ、ＳＰｃＡ…カソードプレート
ＳＰｉ、ＳＰｉＡ、ＳＰｉ０…中間プレート
ＷＰ…冷媒流路

Claims (7)

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、
   前記セパレータの間に配置され、前記マニホールド孔の周りをシールするためのシール部と、
   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を有しており、
   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のプレートと前記第２の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のプレートには、前記第１のプレートを貫通するとともに前記発電部に連通す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、互いに交わる方向に延びる２つ以上の非平行な流路を含む非平行流路部位を有するとともに、前記複数の流体流路のそれぞれが互いに平行に延びる平行流路部位を有しており、
   前記シール部は、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記平行流路部位と重なる領域に配置されていることを特徴とする、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、突起部によって形成されるシールラインを有しており、
   前記複数の流体流路のそれぞれは、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記シールラインと直交しており、前記直交する部位において流路幅が等しい、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記複数の流体流路は、前記発電部連通孔に近いほど互いの距離が広くなる扇形部位を有している、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、
   前記複数の流体流路は、前記平行流路部位において前記発電部連通孔と連結する、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、
   前記マニホールド孔は、前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた同一種類の複数のマニホールド孔を含み、
   前記同一種類の複数のマニホールド孔同士の間には、前記積層体を締結するための締結部材が設けられている、燃料電池。
6. 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を有しており、
   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のプレートと前記第２の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のプレートには、前記第１のプレートを貫通するとともに前記発電部に連通す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、互いに交わる方向に延びる２つ以上の非平行な流路を含む非平行流路部位を有するとともに、前記複数の流体流路のそれぞれが互いに平行に延びる平行流路部位を有しており、
   前記複数の流体流路のそれぞれは、前記平行流路部位において前記発電部連通孔と連結していることを特徴とする、燃料電池。
7. 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カソードガス用マニホールド孔及びアノードガス用マニホールド孔と、
   を備え、
   前記膜電極接合体は、
   発電を行う発電部と、
   前記発電部の外周縁に設けられたシールガスケット部と、
   を備え、
   前記シールガスケット部の表面には、流体をシールするためのシールラインが設けられ、
   前記セパレータは、
   前記膜電極接合体のアノード電極側に接するアノードプレートと、
   前記膜電極接合体のカソード電極側に接するカソードプレートと、
   前記アノードプレートと前記カソードプレートとに挟持される中間プレートと、
   を備え、
   前記カソードプレートには、前記カソードプレートを貫通するとともに前記発電部に連通する発電部連通孔が設けられ、前記中間プレートには、前記カソードガス用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のそれぞれは、前記積層体を積層方向に沿って見たときに、前記複数の流体流路の両側の側壁が前記シールラインと直交する直交部を有するとともに、
   前記複数の流体流路のうち少なくとも１つの流体流路は、少なくとも一方の側壁が前記直交部から曲折している曲折部を有していることを特徴とする、燃料電池。

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