JP5891379B2 - 燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池の構成に関する。

燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有するアノードガスと空気など酸素を含有するカソードガスとに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。

燃料電池は、一般的には単セルを積層させて構成されているスタックを本体としている。セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、ＭＥＡは高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、導電性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。

ところで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、燃料電池の発電運転中には、セル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要があり、燃料電池内を適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不充分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりする。一方、セルを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等燃料電池の性能を低下させる。

これらの理由から、一般的に、燃料電池スタックには、冷却媒体が通流する冷却媒体マニホールドが、セルの積層方向に延びるように設けられている。また、燃料電池スタックにおける積層されたセルの間には、冷却媒体マニホールドと連通するように、冷却媒体流路が設けられている。また、セパレータには伝熱性の良い材料が用いられている。

この冷却媒体マニホールド及び冷却媒体流路に流通させる冷却媒体として、水を用いるのが一般的である。水を冷却媒体として使用する際に、イオン交換水のように導電率の低いものを使用しても、導電性を有しているため、冷却媒体マニホールドに充填された冷却水を介して、燃料電池スタック内のプラスとマイナスの部材間、具体的には、導電性を有するセパレータ間で短絡が生じる。その結果、セパレータに短絡電流が流れ、プラス側のセパレータに設けられた冷却媒体マニホールド孔を形成する壁面の腐食を招来していた。

このようなセパレータの腐食の問題を解決することを意図して、冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドは、燃料電池の積層方向に対する断面の内側において、突出した部分をもつ、燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１１３８６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料電池スタックの耐久性をより向上させるためには未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。

すなわち、セパレータにおける冷却水マニホールド孔を構成する壁面を腐食する電流量は、マニホールド内の冷却水の抵抗によって決定される。冷却水マニホールドには、冷却水のほとんどが流通するのに対して、そのマニホールドから各セパレータに形成された冷却水流路への分岐部では冷却水の通流量が減少する。つまり、上記の特許文献１に記載のように冷却水マニホールドの断面積を小さくするだけではなく、短絡する燃料電池間の距離を大きくすることが、より効果的に冷却水の抵抗を増加させることができることを本発明者らは見出した。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セパレータの冷却水マニホールド孔を構成する壁面の腐食を抑制することができる燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックを提供することを目的としている。

上記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池は、電解質層と該電解質層の主面に配置された一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層の周縁部を挟むように設けられた枠体と、導電性、かつ、板状に形成され、その厚み方向に貫通する第１冷却水マニホールド孔が設けられた第１セパレータと、導電性、かつ、板状に形成され、その厚み方向に貫通する第２冷却水マニホールド孔が設けられた第２セパレータと、を備え、前記電解質層−電極接合体及び前記枠体は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれ、前記枠体には、その厚み方向に貫通し、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔と連通するように第３冷却水マニホールド孔が設けられ、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面には、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔と連通するように冷却水流路が設けられ、前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔内に位置し、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部と対向するように第１流路形成部が設けられている。

本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックは、冷却水を介したセパレータの冷却水マニホールド孔壁面の腐食を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示す燃料電池の第１セパレータの概略構成を示す模式図である。 図３は、図１に示す燃料電池の枠体の概略構成を示す模式図である。 図４は、２つの燃料電池間で生じる短絡経路の一例を示す模式図である。 図５は、２つの燃料電池間で生じる短絡経路の一例を示す模式図である。 図６は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図８は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池は、電解質層と枠体と一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、第１セパレータと、第２セパレータと、を備え、電解質層の厚み方向から見て、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔内に位置し、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部と対向するように第１流路形成部が設けられている態様を例示するものである。

［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００は、燃料電池５０が複数積層されたセル積層体９０と、一対の絶縁部材９１、９１と、を備えている。セル積層体９０の両端の少なくとも一方（図１においては、両方）には、板状で、導電性を有する端セパレータ２１が配置されている。端セパレータ２１には、冷却水が通流するための冷却水供給マニホールド孔３１が設けられている。また、端セパレータ２１のセル積層体９０と接触する一方の主面には、冷却水供給マニホールド孔３１と連通するように、冷却水流路８が設けられている。

一対の絶縁部材９１、９１は、端セパレータ２１及びセル積層体９０を挟むように配置されている。絶縁部材９１は、周縁部材９１Ａと接続部材９１Ｂを有していて、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の絶縁材料で構成されている。周縁部材９１Ａは、板状に形成されていて、燃料電池５０の積層方向から見て、環状に形成されている。燃料電池５０の積層方向から見て、周縁部材９１Ａの内方には、集電板９３が配置されている。また、接続部材９１Ｂは、燃料電池スタック１００に冷却水を供給する冷却水供給経路（又は燃料電池スタック１００から冷却水が排出される冷却水排出経路）を構成する配管１０１を燃料電池スタック１００と接続するように構成されている。

絶縁部材９１の積層方向における外方には、該絶縁部材９１と接触するように、端板９２が配置されている。そして、端板９２、絶縁部材９１、集電板９３、端セパレータ２１、及びセル積層体９０は、図示されない締結具によって、締結されている。また、後述する冷却水供給マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４１、冷却水供給マニホールド孔（第２冷却水マニホールド孔）５１、及び冷却水供給マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６１は、燃料電池５０の積層方向につながって、冷却水マニホールド１１１が形成される。なお、本実施の形態１においては、端板９２を樹脂等の絶縁材料を用いた場合の構成を記載しているが、９２を金属材料等の導電材料を用いた場合には、端板９２と集電板９３の間に絶縁板を挿入する必要がある。

［燃料電池の構成］
燃料電池５０は、高分子電解質膜（電解質層）１と一対の電極２Ａ、２Ｃとを有するＭＥＡ（ＭｅｍＢｒＡｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ＡｓｓｅｍＢｌｙ：電解質層−電極接合体）５と、枠体３と、第１セパレータ４Ａと、第２セパレータ４Ｃと、を備えている。

高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、枠体３も、高分子電解質膜１と同様に、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。枠体３の主面には、開口３Ａが設けられていて、燃料電池５０の積層方向（高分子電解質膜１の厚み方向）から見て、環状に形成されている（図３参照）。枠体３は、該高分子電解質膜１の周縁部を挟むように配設されている。また、枠体３の主面には、冷却水供給マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６１等の各マニホールド孔が設けられている（図３参照）。

なお、枠体３は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、及び液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の絶縁材料で構成されていることが好ましい。また、枠体３は、射出成形等により作成することができる。さらに、枠体３には、第１流路形成部１１が設けられているが、詳細は後述する。

高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、一対の電極２Ａ、２Ｃがそれぞれ設けられている。電極２Ａ、２Ｃは、触媒層と、該触媒層の上に設けられたガス拡散層と、をそれぞれ有している（いずれも図示せず）。触媒層は、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。また、ガス拡散層は、ガス通気性と導電性を兼ね備えていて、ガス拡散層を構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。

また、枠体３の両面には、一対のガスケット９が、それぞれ配設されている。ガスケット９は、電極２Ａ又は電極２Ｃを囲む部分と、後述する第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水供給マニホールド孔４１や第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔を囲む部分と、これらの部分を接続する部分とで形成されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット９は、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止されれば、その形状は任意である。

第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃは、ＭＥＡ５、枠体３、及びガスケット９を挟むように配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池５０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ４Ａ、４Ｃは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板を用いてもよく、また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。

第１セパレータ４Ａの電極２Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、反応ガスが通流するための溝状の第１反応ガス流路６が設けられている。また、第１セパレータ４Ａの他方の主面（以下、外面という）には、冷却水が通流するための溝状の冷却水流路８が設けられている。また、第２セパレータ４Ｃの電極２Ｃと接触する一方の主面（以下、内面という）には、反応ガスが通流するための溝状の第２反応ガス流路７が設けられている。第１反応ガス流路６及び第２反応ガス流路７の構成は、任意であり、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート状に形成されていてもよく、渦巻状に形成されていてもよい。

ここで、図２を用いて、第１セパレータ４Ａの構成についてさらに詳細に説明する。なお、第２セパレータ４Ｃは、第１セパレータ４Ａと同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。

図２は、図１に示す燃料電池の第１セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図２においては、第１セパレータの外面を示している。

図２に示すように、第１セパレータ４Ａは、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。また、第１セパレータ４Ａの外面における周縁部には、その厚み方向に貫通する冷却水供給マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４１、冷却水排出マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４２、第１反応ガス供給マニホールド孔４３、第１反応ガス排出マニホールド孔４４、第２反応ガス供給マニホールド孔４５、及び第２反応ガス排出マニホールド孔４６が設けられている。

そして、第１セパレータ４Ａの外面には、冷却水供給マニホールド孔４１と冷却水排出マニホールド孔４２を連通するように冷却水流路８が設けられている。冷却水流路８は、ここでは、サーペンタイン状に形成されているが、これに限定されない。冷却水流路８は、例えば、ストレート状に形成されていてもよく、渦巻状に形成されていてもよい。

これにより、電極２Ａ及び電極２Ｃには、反応ガスがそれぞれ供給され、これらの反応ガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水を冷却水流路８に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。なお、このように構成された燃料電池５０を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池５０を複数積層して燃料電池スタック１００として使用してもよい。

［第１流路形成部の構成］
次に、図１及び図３を参照しながら、流路形成部の構成について、詳細に説明する。

図３は、図１に示す燃料電池の枠体の概略構成を示す模式図である。なお、図３においては、冷却水マニホールド孔及び第２凸部にハッチングをしている。

図３に示すように、枠体３の主面には、その厚み方向に貫通する冷却水供給マニホールド孔６１、冷却水排出マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６２、第１反応ガス供給マニホールド孔６３、第１反応ガス排出マニホールド孔６４、第２反応ガス供給マニホールド孔６５、及び第２反応ガス排出マニホールド孔６６が設けられている。

図１及び図３に示すように、冷却水供給マニホールド孔６１は、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水供給マニホールド孔４１及び第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水供給マニホールド孔５１よりも、その開口が小さくなるように形成されている。同様に、冷却水排出マニホールド孔６２は、枠体３の厚み方向（高分子電解質膜１の厚み方向）から見て、第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水排出マニホールド孔４２及び第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水排出マニホールド孔５２よりも、その開口が小さくなるように形成されている。

ここで、枠体３の厚み方向から見て、枠体３における冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）よりも内方に突出している部分を突出部１１Ａとする。同様に、枠体３の厚み方向から見て、枠体３における冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）よりも内方に突出している部分を突出部１１Ａとする（図１では図示せず）。

突出部１１Ａには、第１セパレータ４Ａ側に向かって、枠体３の厚み方向に延びる第１凸部１１Ｂが設けられている。また、突出部１１Ａには、第２セパレータ４Ｃ側に向かって、枠体３の厚み方向に延びる第２凸部１１Ｃが設けられている（図３では、図示せず）。そして、本実施の形態１においては、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃが第１流路形成部１１を構成する。

第１凸部１１Ｂは、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、冷却水流路８の入口８Ａと対向するように形成されていることが好ましい。ここで、「枠体３の厚み方向に対して垂直な方向」とは、冷却水流路８の入口８Ａからの延伸方向をいい、図１においては、水平方向であり、図３においては、上下方向である。また、「冷却水流路８の入口８Ａと対向するように」とは、第１凸部１１Ｂが、冷却水流路８の入口８Ａと互いに向き合うように設けられていることをいう。これにより、冷却水は、冷却水マニホールド１１１から第１凸部１１Ｂを迂回するようにして、冷却水流路８の入口８Ａへ供給される。このため、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制することができる。

また、第１凸部１１Ｂは、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。同様に、第１凸部１１Ｂは、冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。

第２凸部１１Ｃは、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。同様に、第２凸部１１Ｃは、冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。

そして、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃは、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、互いに重ならないように形成されていることが好ましい。これにより、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、冷却水マニホールド１１１の中央部に位置する冷却水は、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃを迂回して、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）を構成する端面（壁面）に到達する。このため、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）を構成する端面（壁面）の腐食をより抑制することができる。

同様に、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、冷却水マニホールド１１１の中央部に位置する冷却水は、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃを迂回して、冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）に到達する。このため、冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）の腐食をより抑制することができる。

さらに、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃの少なくとも一方の凸部（本実施の形態１においては両方の凸部）は、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの少なくとも一方のセパレータの厚み方向の長さよりも大きく、かつ、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの厚み方向の長さの和よりも小さいことが好ましい。これにより、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）又は冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制することができる。

［燃料電池スタックの作用効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）の作用効果について、図１乃至図３を参照しながら説明する。

ところで、燃料電池スタックが燃料電池システム内で運転される際に、冷却水マニホールド内に充填された冷却水は、数μＳ／ｃｍ〜数十μＳ／ｃｍの導電率を有する。このような導電率が低い冷却水であっても、燃料電池システムの発電運転を行うことによって、プラス側に配置されたセパレータの冷却水マニホールド（孔）を形成する壁面には、短絡電流が流れる。短絡電流のほとんどは、冷却水の水が電気分解されるエネルギーとして使われるが、その一部はセパレータを構成するカーボンや金属を腐食する際のエネルギー（腐食電流）として使用される。

例えば、黒鉛板で構成されたセパレータでは、カーボンが水中の酸素原子と反応して、二酸化炭素になり、冷却水マニホールド孔を形成する壁面が侵食される。また、ＳＵＳ等の金属で構成されたセパレータでは、鉄等の金属イオンが溶出することによって、冷却水マニホールド孔を形成する壁面が侵食される。そして、特に、ＳＵＳ等の金属で構成されたセパレータでは、鉄等の金属イオンが溶出によって、冷却水の導電率を上昇させ、セパレータの腐食を加速させることとなる。

その結果、冷却水マニホールド（孔）を形成する壁面が侵食され、ガスケットを配置するためのシールラインの崩壊を招き、燃料電池スタックでの発電の継続が困難になるという課題があった。

ここで、冷却水の抵抗は、［数１］によって決まる。なお、［数１］において、Ｒ（Ω）は、短絡する導電体間の冷却水の抵抗であり、Ｌ（ｃｍ）は、短絡する導電体間の距離であり、ρ（Ω^−１・ｃｍ^−１）は抵抗率、Ｓ（ｃｍ^２）は冷却水が短絡する通路の断面積である。

そして、図１に示すように、燃料電池５０を複数積層したような場合には、複数の燃料電池５０間で、短絡経路が複数構成される。このように、短絡通路が複雑に構成される場合は、区間ごとの抵抗Ｒの和が全抵抗Ｒｔと算出される。ここで、図４及び図５を参照しながら、全抵抗Ｒｔについて説明する。

図４及び図５は、２つの燃料電池間で生じる短絡経路の一例を示す模式図である。図４は、特許文献１に記載の燃料電池を採用した場合における模式図であり、図５は、本実施の形態１に係る燃料電池を採用した場合における模式図である。なお、図４及び図５においては、高分子電解質膜１等の符号を省略している。

図４及び図５に示すように、全抵抗Ｒｔは、下記［数２］の式により算出される。なお、［数２］において、抵抗Ｒ２は、冷却水マニホールド１１１の延伸方向における抵抗である。また、抵抗Ｒ１は、冷却水マニホールド１１１の中央部から冷却水流路８の入口までにおけるプラス側の抵抗である。さらに、抵抗Ｒ３は、冷却水マニホールド１１１の中央部から冷却水流路８の入口までにおけるマイナス側の抵抗である。

そして、図４に示すように、上述した特許文献１に記載の燃料電池では、抵抗Ｒ２における高分子電解質膜１の厚み方向に対する垂直方向の断面積Ｓ２を小さくすることで、冷却水の抵抗を大きくしている。このようにして、特許文献１に記載の燃料電池では、セパレータの腐食を抑制している。

しかしながら、抵抗Ｒ２の断面積Ｓ２を小さくしすぎると、冷却水マニホールド内の圧損が大きくなり、冷却水マニホールドから各燃料電池の冷却水流路への冷却水の分配性が悪くなる。このため、充分に燃料電池を冷却することができなくなり、電池性能の低下を招くおそれがあった。

一方、図５に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、枠体３に第１流路形成部１１を設けることで、短絡する電池間における抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ３の距離Ｌ１及び距離Ｌ３を、特許文献１に記載の燃料電池に比して、格段に大きくすることができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、枠体３に突出部１１Ａを設けることにより、特許文献１に記載の燃料電池と同様に、抵抗Ｒ２における高分子電解質膜１の厚み方向に対する垂直方向の断面積Ｓ２を小さくすることができる。

このように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３のそれぞれの抵抗を大きくすることができ、その結果、上記特許文献１に記載の燃料電池に比して、冷却水の抵抗を格段に大きくすることができる。これにより、腐食電流量を格段に減少させることができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの腐食をより抑制することができる。

ここで、従来の構造では、Ｒ１＋Ｒ３の値はＲ２の値の２．５〜５倍程度である。本願の構造では、Ｌ１、Ｌ３、Ｓ１、及びＳ３を調整することで、Ｒ１＋Ｒ３の値を、Ｒ２の値の２０〜１００倍とすることができる。特に、Ｒ１＋Ｒ３の抵抗を、Ｒ２の抵抗の２５〜５０倍とすることが好ましい。例えば、従来の構造において、Ｌ１＝０．５ｃｍ、Ｓ１＝０．１ｃｍ×０．５ｃｍ＝０．０５ｃｍ^２、Ｌ２＝９ｃｍ、Ｓ２＝１．５ｃｍ^２、Ｌ１＝Ｌ３、Ｓ１＝Ｓ３である場合に、本願の構造ではＬ１＝１．０ｃｍ、Ｓ１＝０．１×０．１ｃｍ、とすることができるため、本願の構造のＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３の値は従来構造の値の約８倍の抵抗を実現することができる。

このため、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、冷却水の分配性の低下を抑制しつつ、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの腐食をより抑制することができる。そして、このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、冷却水供給マニホールド孔４１等の第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する壁面からガスケット９を配置するシールラインまでの距離を小さくできるため、セパレータの大きさを小さくすることが可能となる。このため、燃料電池スタック１００（燃料電池５０）をコンパクト化することが可能となる。

また、同じ耐久時間保証であれば、従来の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）に対して冷却水の導電率の管理値を緩くすることが可能となる。このため、燃料電池システム内で導電率を低く維持するためのイオン交換樹脂の使用量を減らすことが可能となる。

なお、本実施の形態１においては、第１流路形成部１１を第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃで構成したが、これに限定されず、第１凸部１１Ｂだけで構成されてもよく、また、第２凸部１１Ｃだけで構成されてもよい。

また、本実施の形態１においては、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃを、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成する形態を採用したが、これに限定されない。第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃは、枠体３の厚み方向から見て、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面（壁面）の少なくとも一部と対向するように形成されていれば、どのような形態であってもよい。例えば、第１凸部１１Ｂ及び第２凸部１１Ｃは、枠体３の厚み方向から見て、円弧状に形成されていてもよく、直線状に形成されていてもよい。

また、本実施の形態１においては、冷却水流路８を第１セパレータ４Ａに設ける形態を採用したが、これに限定されず、冷却水流路８を第２セパレータ４Ｃに設ける形態を採用してもよく、冷却水流路８を第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの両方にも受ける形態を採用してもよい。

さらに、本実施の形態１においては、端セパレータ２１を設ける形態を採用したが、これに限定されず、端セパレータ２１を設けない形態を採用してもよい。

［変形例１］
次に、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。

図６は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図６においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。

図６に示すように、本変形例１の燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池５０の構成が異なる。具体的には、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央よりも上側（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央よりも上流側）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の燃料電池５０と同様に構成されている。一方、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央）に配置されている燃料電池５０Ａと、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央よりも下側（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央よりも下流側）に配置されている燃料電池５０Ｂの構成が異なる。

燃料電池５０Ａは、燃料電池５０と基本的構成は同じであるが、枠体３の厚み方向から見て、第１凸部１１Ｂが第２凸部１１Ｃと重なるように設けられている点が異なる。また、燃料電池５０Ｂは、燃料電池５０と基本的構成は同じであるが、枠体３の厚み方向から見て、第２凸部１１Ｃの方が、第１凸部１１Ｂよりも冷却水供給マニホールド孔６１（冷却水排出マニホールド孔６２）の開口に近い位置に設けられている点が異なる。

このように構成された本変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０、燃料電池５０Ａ、又は燃料電池５０Ｂ）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。

なお、本変形例１においては、燃料電池５０Ａに、第１突部１１Ｂ及び第２突部１１Ｃを設ける構成を採用したが、これに限定されない。例えば、燃料電池５０Ａに、第１突部１１Ｂ及び第２突部１１Ｃのいずれか一方を設ける構成を採用してもよく、また、第１突部１１Ｂ及び第２突部１１Ｃの両方を設けない構成を採用してもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池は、一対の絶縁部材の少なくとも一方には、電解質層の厚み方向から見て、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔内に位置し、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部と対向するように第２流路形成部が設けられている態様を例示するものである。

［燃料電池スタックの構成］
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図７においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。

図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、絶縁部材９１に第２流路形成部１２が設けられている点が異なる。具体的には、第２流路形成部１２は、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、端セパレータ２１の冷却水供給マニホールド孔３１又は冷却水排出マニホールド孔（図７では図示せず）内に位置し、冷却水供給マニホールド孔３１又は冷却水排出マニホールド孔を構成する端面（壁面）の少なくとも一部と対向するように設けられている。

また、第２流路形成部１２は、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、冷却水供給マニホールド孔４１等の第１冷却水マニホールド孔及び冷却水供給マニホールド孔５１等の第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔（図７においては、冷却水供給マニホールド孔５１）の冷却水マニホールド孔内に位置し、第１冷却水マニホールド孔又は第２冷却水マニホールド孔を構成する端面（壁面）の少なくとも一部と対向するように設けられている。

そして、第２流路形成部１２は、絶縁部材９１の接続部材９１Ｂに設けられた第３凸部１２Ａで構成されている。第３凸部１２Ａは、接続部材９１Ｂから高分子電解質膜１の厚み方向に延びるように形成されている。第３凸部１２Ａは、本実施の形態２においては、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、端セパレータ２１に設けられた冷却水流路８の入口と対向するように形成されていることが好ましい。なお、第３凸部１２Ａは、燃料電池スタック１００が端セパレータ２１を設けない形態である場合には、第１セパレータ４Ａ又は第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水流路８の入口と対向するように形成されていることが好ましい。

これにより、冷却水は、冷却水マニホールド１１１から第３凸部１２Ａを迂回するようにして、冷却水流路８の入口８Ａへ供給される。このため、冷却水供給マニホールド孔３１を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制することができる。

また、第３凸部１２Ａは、冷却水供給マニホールド孔３１（又は図７では図示されない端セパレータ２１に設けられた冷却水排出マニホールド孔）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。なお、第３凸部１２Ａを高分子電解質膜１の厚み方向から見て、環状に形成することにより、第３凸部１２Ａは、燃料電池スタック１００が端セパレータ２１を設けない形態である場合には、第１冷却水マニホールド孔又は第２冷却水マニホールド孔を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制することができる。

さらに、第３凸部１２Ａは、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが端セパレータ２１の厚み方向の長さよりも大きく、かつ、端セパレータ２１と、第１セパレータ４Ａ又は第２セパレータ４Ｃと、の厚み方向の長さの和よりも小さいことが好ましい。これにより、端セパレータ２１に設けられた冷却水供給マニホールド孔３１又は冷却水排出マニホールド孔を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制することができる。

なお、第３凸部１２Ａは、燃料電池スタック１００が端セパレータ２１を設けない形態である場合には、高分子電解質膜１の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの少なくとも一方のセパレータの厚み方向の長さよりも大きく、かつ、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの厚み方向の長さの和よりも小さいことが好ましい。これにより、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）又は冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制することができる。

このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００では、絶縁部材９１に第２流路形成部１２が設けられているため、端セパレータ２１に設けられた冷却水供給マニホールド孔３１等の冷却水マニホールド孔を構成する壁面の腐食をより抑制することができる。

なお、本実施の形態２においては、第２流路形成部１２を絶縁部材９１の接続部材９１Ｂに設ける形態を採用したが、これに限定されない。第２流路形成部１２を絶縁部材９１の周縁部材９１Ａに設ける形態を採用してもよい。

[変形例１]
次に、本実施の形態２における変形例１の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。

図８は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図８においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。

図８に示すように、本変形例１の燃料電池スタック１００は、実施の形態２に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池５０の構成が異なる。具体的には、燃料電池５０は、実施の形態１の変形例１と同様に構成されている（図６参照）。

すなわち、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央よりも上側（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央よりも上流側）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の燃料電池５０と同様に構成されている。また、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央）は、実施の形態１の変形例１の燃料電池５０Ａと同様に構成されている。さらに、セル積層体９０における燃料電池の積層方向の中央よりも下側（冷却水マニホールド１１１の延伸方向の中央よりも下流側）は、実施の形態１の変形例１の燃料電池５０Ｂと同様に構成されている。

このように構成された本変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０、燃料電池５０Ａ、又は燃料電池５０Ｂ）であっても、実施の形態２に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の燃料電池及び燃料電池スタックは、セパレータの冷却水マニホールド孔壁面の腐食を抑制することができるため、燃料電池の分野で有用である。

１ 高分子電解質膜
２Ａ 電極
２Ｃ 電極
３ 枠体
３Ａ 開口
４Ａ 第１セパレータ
４Ｃ 第２セパレータ
５ ＭＥＡ
６ 第１反応ガス流路
７ 第２反応ガス流路
８ 冷却水流路
８Ａ 入口
９ ガスケット
１１ 第１流路形成部
１１Ａ 突出部
１１Ｂ 第１凸部
１１Ｃ 第２凸部
１２ 第２流路形成部
１２Ａ 第３凸部
２１ 端セパレータ
３１ 冷却水供給マニホールド孔
４１ 冷却水供給マニホールド孔
４２ 冷却水排出マニホールド孔
４３ 第１反応ガス供給マニホールド孔
４４ 第１反応ガス排出マニホールド孔
４５ 第２反応ガス供給マニホールド孔
４６ 第２反応ガス排出マニホールド孔
５０ 燃料電池
５０Ａ 燃料電池
５０Ｂ 燃料電池
５１ 冷却水供給マニホールド孔
５２ 冷却水排出マニホールド孔
６１ 冷却水供給マニホールド孔
６２ 冷却水排出マニホールド孔
６３ 第１反応ガス供給マニホールド孔
６４ 第１反応ガス排出マニホールド孔
６５ 第２反応ガス供給マニホールド孔
６６ 第２反応ガス排出マニホールド孔
９０ セル積層体
９１ 絶縁部材
９１Ａ 周縁部材
９１Ｂ 接続部材
９２ 端板
９３ 集電板
１００ 燃料電池スタック
１０１ 配管
１１１ 冷却水マニホールド

Claims (13)

1. 電解質層と該電解質層の主面に配置された一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、
   前記電解質層の周縁部を挟むように設けられた枠体と、
   導電性、かつ、板状に形成され、その厚み方向に貫通する第１冷却水マニホールド孔が設けられた第１セパレータと、
   導電性、かつ、板状に形成され、その厚み方向に貫通する第２冷却水マニホールド孔が設けられた第２セパレータと、を備え、
   前記電解質層−電極接合体及び前記枠体は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれ、
   前記枠体には、その厚み方向に貫通し、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔と連通するように第３冷却水マニホールド孔が設けられ、
   前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面には、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔と連通するように冷却水流路が設けられ、
   前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔内に位置し、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部と対向するように第１流路形成部が設けられていて、
   前記枠体の第３冷却水マニホールド孔は、その開口が前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の開口よりも小さくなるように形成されていて、
   前記第１流路形成部は、前記第１セパレータ側に向かって、前記枠体の厚み方向に延びるように前記枠体に形成されている第１凸部により構成されている、燃料電池。
2. 前記第１凸部は、前記電解質層の厚み方向に対して垂直な方向から見て、前記冷却水流路の入口と対向するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１凸部は、前記電解質層の厚み方向から見て、環状に形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記枠体の第３冷却水マニホールド孔は、その開口が前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の開口よりも小さくなるように形成されていて、
   前記第１流路形成部は、前記第１セパレータ側に向かって前記枠体の厚み方向に延びるように前記枠体に形成されている第１凸部と前記第２セパレータ側に向かって前記枠体の厚み方向に延びるように前記枠体に形成されている第２凸部により構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記第２凸部は、前記電解質層の厚み方向から見て、環状に形成されている、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記第１凸部及び前記第２凸部は、前記電解質層の厚み方向に対して垂直な方向から見て、互いに重ならないように形成されている、請求項４又は５に記載の燃料電池。
7. 前記第１凸部及び前記第２凸部の少なくとも一方の凸部は、前記電解質層の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの厚み方向の長さよりも大きく、かつ、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの厚み方向の長さの和よりも小さい、請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記枠体は、絶縁材料によって構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池が複数積層されたセル積層体と、
   前記セル積層体の積層方向の両端にそれぞれ配置された一対の絶縁部材と、を備える、燃料電池スタック。
10. 一対の前記絶縁部材の少なくとも一方には、前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の少なくとも一方の冷却水マニホールド孔内に位置し、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部と対向するように第２流路形成部が設けられている、請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記第２流路形成部は、前記絶縁部材から前記電解質層の厚み方向に延びる第３凸部で構成されている、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
12. 前記第３凸部は、前記電解質層の厚み方向に対して垂直な方向から見て、前記冷却水流路の入口と対向するように形成されている、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
13. 前記第３凸部は、前記電解質層の厚み方向から見て、環状に形成されている、請求項１１又は１２に記載の燃料電池スタック。

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