JP6928718B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、１個の電解質膜に対して複数個のアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を備える燃料電池に関する。

一般的な燃料電池では、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を１組のセパレータで挟持することで得られた単位セルが複数個積層されている。この構成は、燃料電池スタックとして周知である。これに対し、近時、１個の電解質膜に複数個のアノード電極及びカソード電極を設けることで、複数個の単位セルを平面状に構成することが提案されている。

特開２０１１−２０４６０９号公報に記載されるように、この場合、電解質膜には、隣接する単位セル同士を電気的に接続するためのインターコネクト部が形成される。すなわち、複数個の単位セルは、インターコネクト部を介して直列接続される。この構成を採用する場合、１個の電解質膜で高電圧の燃料電池を得ることができるとともに、単位セルを積層する作業が不要となるという利点がある。

上記した平面状の単位セルを有する燃料電池は、アノード電極に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給層と、カソード電極に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給層とをさらに備える。ここで、平面状の単位セルに対して燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すると、電極反応が生起されることに伴って水が生成する。この水が、燃料ガスないし酸化剤ガスに同伴されて上流側から下流側に流通するので、上流側の単位セルには乾式ガスが供給される一方、下流側の単位セルには湿式ガスが供給されることになる。従って、電解質膜の、下流側に相当する部位が膨潤する懸念がある。

本発明の主たる目的は、電解質膜の形状を保持し得る燃料電池を提供することにある。

本発明の一実施形態によれば、第１の方向に沿って延在し、且つその膜厚方向に伝導性を示すインターコネクト部が形成された１個の電解質膜と、
前記第１の方向に沿って延在し、且つ前記第１の方向に直交する第２の方向では互いに離間して配置された複数個のアノード電極と、
前記第１の方向に沿って延在し、且つ前記第２の方向では互いに離間して配置された複数個のカソード電極と、
を有する電解質膜・電極構造体を備える燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体では、前記第２の方向において、１個の前記アノード電極の一部が、互いに隣接する２個の前記カソード電極中の１個の一部に対し、前記電解質膜を介して対向するとともに、前記アノード電極の別の一部が、前記２個のカソード電極中の残余の１個の一部に対し、前記電解質膜に形成された前記インターコネクト部を介して対向するように千鳥配置され、
前記第２の方向に沿って延在し、且つ前記複数個のアノード電極に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路が形成された燃料ガス供給層をさらに備え、
前記燃料ガス供給層の、前記燃料ガス供給流路同士の間の壁部が、前記アノード電極を介して前記インターコネクト部を押圧する位置である燃料電池が提供される。

この場合、燃料ガス供給層の壁部がインターコネクト部を押圧することで、電解質膜の保形がなされる。このため、電解質膜が膨潤する等の変形を抑制することができる。また、押圧によって電解質膜とインターコネクト部との接触抵抗が低減するので、電極反応が効率よく進行する。この電極反応によって水が生成することから、単位セルを略均等に加湿することができる。

燃料ガス供給流路は、第２の方向に沿って延在する往路と復路を含み、且つ燃料ガス供給層に、第１の方向に沿って延在するとともに１個の往路と１個の復路に連通する連通路が形成されたもの、換言すれば、往路、復路及び連通路によって形成されるサーペンタイン型流路であるとよい。この構成では、燃料ガスは、第１の方向に沿って延在する複数個のアノード電極を横切るように流通し、連通路によって折り返された後、再度、複数個のアノード電極を横切るように流通する。

燃料ガスは、電極反応によって生成した水を同伴しながら流通するので、下流側では高湿となる。上記の構成では、燃料ガスは、高湿となりながら複数個のアノード電極を横切る。すなわち、燃料ガスが、１個のアノード電極の長手方向（第１の方向）に沿って流通した後、次のアノード電極の長手方向に沿って流通することはない。従って、個々のアノード電極に湿度が相違する燃料ガスが供給されることが回避される。

すなわち、上記の構成によれば、各アノード電極に対して湿度が略同等である燃料ガスが供給される。このため、単位セル毎に発電量のバラツキが生じることや、このことに起因して燃料電池の発電が不安定になることを回避することができる。

燃料電池は、複数個のアノード電極の各々に密着して設けられ、インターコネクト部に重畳して第１の方向に延在する複数個の第１直線部と、複数個の第１直線部に対して交差する第２直線部とを有するアノード側多孔質フィルムを備えるものであることが好ましい。この場合、壁部は、アノード側多孔質フィルムを介してインターコネクト部を押圧する位置となる。

アノード側多孔質フィルムでは、第１直線部と第２直線部で囲繞される開口が形成される。この開口が、アノード側多孔質フィルムに覆われたアノード電極に燃料ガスを供給するための呼吸孔となる。また、電極反応による生成水は、呼吸孔を介して排出される。すなわち、アノード側多孔質フィルムが存在することにより、ある程度の生成水がアノード側多孔質フィルム内に蓄えられる。このためにアノード電極や電解質膜が過度に乾燥することが回避されるので、電解質膜のプロトン伝導度が良好となる。

本発明によれば、燃料ガス供給層の壁部が電解質膜のインターコネクト部を押圧するので、電解質膜が膨潤する等の変形を抑制して電解質膜を十分に保形することができる。また、押圧によって電解質膜とインターコネクト部との接触抵抗が低減するので、効率よく進行する電極反応に伴って生成する水により、単位セルを略均等に加湿することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の全体概略斜視図である。 図１の燃料電池の要部分解斜視図である。 図１の燃料電池の要部縦断面図である。 ラミネート層を構成するＡｎ側フィルム（アノード側多孔質フィルム）の概略平面図である。 燃料電池を構成する空気供給層（酸化剤ガス供給層）の全体概略斜視図である。 燃料電池を構成する下側水素供給層（燃料ガス供給層）の全体概略斜視図である。 複数個の燃料電池を並列に連結したときの水素の流通方向を示す模式平面図である。

以下、本発明に係る燃料電池につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下における「下」、「上」、「左」及び「右」は、特に図３の下方、上方、左方及び右方に対応するが、これは理解を容易にするための便宜的なものであり、燃料電池を使用する際の方向を特定するものではない。

図１〜図３は、それぞれ、本実施の形態に係る燃料電池１０の全体概略斜視図、要部分解斜視図、要部縦断面図である。この燃料電池１０では、図１に示す下方ハウジング部材１２、後述の酸化剤ガス供給層７０を構成する支持盤１４、上方ハウジング部材１６、ファン取付部材１８が組み付けられることで略直方体形状のハウジング２０が構成される。

図２及び図３に示すように、ハウジング２０内には、第１電解質膜・電極構造体である下方の第１構造体２２ａ、第２電解質膜・電極構造体である上方の第２構造体２２ｂが収容される。はじめに、これら第１構造体２２ａ、第２構造体２２ｂにつき説明する。なお、構造体２２ａ、２２ｂは略同様に構成されているが、説明の便宜上、図２及び図３中で下方に位置する第１構造体２２ａを「下側ＭＥＡ」、上方に位置する第２構造体２２ｂを「上側ＭＥＡ」と表わす。また、以降における「Ｃａ側」及び「Ａｎ側」は、それぞれ、カソード側、アノード側に設けられていることを意味する。

図３に詳細を示すように、下側ＭＥＡ２２ａは１個の電解質膜２４を有する。この電解質膜２４の下端面に複数個のアノード電極２６が形成される一方、上端面に複数個のカソード電極２８が形成される。具体的には、電解質膜２４の下端面には、Ａｎ側保護層３０、Ａｎ側電極触媒層３２、Ａｎ側ガス拡散層３４が電解質膜２４に近接する側からこの順序で積層されることで、１個のアノード電極２６が形成されている。これらＡｎ側保護層３０、Ａｎ側電極触媒層３２、Ａｎ側ガス拡散層３４は、図１における矢印Ａ方向（第１の方向）に延在する帯形状をなす。すなわち、アノード電極２６は、Ａ方向を長手方向として延在する。

Ａｎ側電極触媒層３２の、矢印Ｂ方向（第２の方向）に沿う幅寸法は、Ａｎ側保護層３０及びＡｎ側ガス拡散層３４よりも短尺である。このため、Ａｎ側保護層３０とＡｎ側ガス拡散層３４は、一部同士が互いに直接接触する。なお、Ａｎ側保護層３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜からなる。

このように構成されるアノード電極２６は、Ｂ方向に沿って複数個設けられている。隣り合うアノード電極２６同士は、Ａｎ側溝３６を介して互いに離間している。

その一方で、電解質膜２４の上端面には、Ｃａ側保護層３８、Ｃａ側電極触媒層４０、Ｃａ側ガス拡散層４２が電解質膜２４に近接する側からこの順序で積層されることで、１個のカソード電極２８が形成されている。これらＣａ側保護層３８、Ｃａ側電極触媒層４０、Ｃａ側ガス拡散層４２は、図１及び図２における矢印Ａ方向（第１の方向）に延在する帯形状をなす。すなわち、カソード電極２８は、アノード電極２６と同様にＡ方向を長手方向として延在する。

なお、Ｃａ側電極触媒層４０及びＣａ側ガス拡散層４２の、矢印Ｂ方向（第２の方向）に沿う幅寸法は略同一である。これに対し、Ｃａ側保護層３８は、後述するインターコネクト部４４の延在方向（Ａ方向）に沿って複数個の無接点孔４６が点在するように形成されている。また、Ｃａ側保護層３８は、例えば、カーボンブラックを含有したパーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜からなる。

このように構成されるカソード電極２８は、Ｂ方向に沿って複数個設けられている。隣り合うカソード電極２８同士は、Ｃａ側溝４８を介して互いに離間している。

Ｃａ側溝４８は、Ａｎ側溝３６に対してオフセットされた位置に形成されている。また、インターコネクト部４４は、Ａｎ側溝３６とＣａ側溝４８の間に位置する。このため、１個のアノード電極２６は、Ｃａ側溝４８を介して隣り合う２個のカソード電極２８に跨る。すなわち、１個のアノード電極２６は、Ｂ方向において、その一部がカソード電極２８中の１個の一部に対して電解質膜２４を介して対向し、且つ別の一部が、隣接する別のカソード電極２８の１個の一部に対し、インターコネクト部４４を介して対向するように千鳥配置されている。電解質膜２４を介して対向するアノード電極２６の一部と、カソード電極２８の一部とで単位セル５０が構成される。

電解質膜２４に形成されたインターコネクト部４４は、Ａｎ側保護層３０からＣａ側保護層３８に向かう膜厚方向の全体にわたるとともに、Ａ方向に沿って延在する帯形状である。電解質膜２４では、主にインターコネクト部４４において電子伝導が起こり、それ以外の部位では主にプロトン伝導が起こる。

このように構成された下側ＭＥＡ２２ａは、Ａｎ側フィルム５２（アノード側多孔質フィルム）及びＣａ側フィルム５４（カソード側多孔質フィルム）によってラミネートされている。すなわち、Ａｎ側フィルム５２とＣａ側フィルム５４は下側ＭＥＡ２２ａに比して大面積に設定され、下側ＭＥＡ２２ａから露呈した外方縁部同士が接合される。これにより、ラミネート層５６が形成される。

Ａｎ側フィルム５２及びＣａ側フィルム５４は、燃料電池１０の運転温度（数十℃〜１００℃程度）において耐熱性を示す素材、例えば、樹脂からなる。特に、透明樹脂であると、下側ＭＥＡ２２ａの封入状態や、Ａｎ側フィルム５２とＣａ側フィルム５４との接合状態等を目視にて容易に確認することができるので好適である。このような樹脂の具体例としては、ポリイミド樹脂が挙げられる。

下側ＭＥＡ２２ａは薄肉であり、単体を把持すると自重で撓むほど軟質であるが、ラミネート層５６内に下側ＭＥＡ２２ａを封入することにより、ある程度の剛性が付与される。すなわち、下側ＭＥＡ２２ａをラミネート層５６ごと把持した程度では自重で撓むことはない。このため、下側ＭＥＡ２２ａを取り扱うこと、例えば、搬送すること等が容易となる。また、下側ＭＥＡ２２ａの形状が保持されるので、該下側ＭＥＡ２２ａに反り等の変形が生じることが回避される。

図４に示すように、Ａｎ側フィルム５２は、複数個のアノード電極２６の各々に密着して設けられ、インターコネクト部４４に重畳してＡ方向に延在する複数個の第１直線部６０と、第１直線部６０に直交するＢ方向に延在する複数個の第２直線部６２とを有する。すなわち、Ａｎ側フィルム５２は、第１直線部６０と第２直線部６２が互いに直交することで格子形状をなす。２本の第１直線部６０と２本の第２直線部６２との交差により、これら４本の直線部６０、６０、６２、６２に囲繞される略長方形形状のＡｎ側呼吸孔６４が形成されている。

一方、Ｃａ側フィルム５４にはＣａ側呼吸孔６６が形成される（図３参照）。Ｃａ側フィルム５４は、Ａｎ側フィルム５２に比して厚みが小さく設定される。換言すれば、Ａｎ側フィルム５２の厚みは、Ｃａ側フィルム５４に比して大きい。

上側ＭＥＡ２２ｂは、下側ＭＥＡ２２ａと略同様に構成されている。従って、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

下側ＭＥＡ２２ａが、電解質膜２４の下方にアノード電極２６、上方にカソード電極２８が設けられたものであるのに対し、上側ＭＥＡ２２ｂでは、電解質膜２４の下方にカソード電極２８、上方にアノード電極２６が設けられている。すなわち、燃料電池１０においては、下側ＭＥＡ２２ａのカソード電極２８と、上側ＭＥＡ２２ｂのカソード電極２８とが対向する。

下側ＭＥＡ２２ａの単位セル５０と、上側ＭＥＡ２２ｂの単位セル５０とは位相が相違する。すなわち、下側ＭＥＡ２２ａのＡｎ側溝３６、Ｃａ側溝４８及びインターコネクト部４４は、上側ＭＥＡ２２ｂのＡｎ側溝３６、Ｃａ側溝４８及びインターコネクト部４４からオフセットされた位置に設定される。

下側ＭＥＡ２２ａと上側ＭＥＡ２２ｂとの間には、図５に詳細を示す空気供給層７０（酸化剤ガス供給層）が介挿される。この空気供給層７０は、例えば、アルミニウムや銅、又はその合金等の熱伝導度が高い金属からなり、下側凸部７２（第１凸部）と上側凸部７４（第２凸部）が交互に連なることで波形状をなしたフィン７６を有する。下側凸部７２は、下側ＭＥＡ２２ａのＣａ側フィルム５４に当接し、上側凸部７４は、上側ＭＥＡ２２ｂのＣａ側フィルム５４に当接する。なお、フィン７６の表面に絶縁処理を施すようにしてもよい。

下側凸部７２は、下側ＭＥＡ２２ａを構成する電解質膜２４のインターコネクト部４４上に重畳される（図３参照）。また、上側凸部７４には、上側ＭＥＡ２２ｂを構成する電解質膜２４のインターコネクト部４４が重畳される。すなわち、フィン７６は、下側凸部７２が下側ＭＥＡ２２ａのインターコネクト部４４の位置に対応し、且つ上側凸部７４が上側ＭＥＡ２２ｂのインターコネクト部４４の位置に対応する波形状に設定されている。

下側凸部７２と、上側ＭＥＡ２２ｂのＣａ側フィルム５４との間には、Ａ方向に沿って延在する空間が形成される。同様に、上側凸部７４と、下側ＭＥＡ２２ａのＣａ側フィルム５４との間にも、Ａ方向に沿って延在する空間が形成される。これらの空間は、それぞれ、上側ＭＥＡ２２ｂのカソード電極２８に空気（酸化剤ガス）を供給するための上側空気供給流路７８ａ（酸化剤ガス供給流路）、下側ＭＥＡ２２ａのカソード電極２８に空気を供給するための下側空気供給流路７８ｂ（酸化剤ガス供給流路）となる。

Ｃａ側フィルム５４に形成されたＣａ側呼吸孔６６は、上側空気供給流路７８ａ又は下側空気供給流路７８ｂに対して連通する。すなわち、Ｃａ側呼吸孔６６は、下側凸部７２、上側凸部７４が当接しない位置に形成されている。

空気供給層７０は、さらに、フィン７６を支持するとともに上方ハウジング部材１６と下方ハウジング部材１２間に介挿される支持盤１４を有する（図５参照）。支持盤１４には、ハウジング２０が構成されたときに正面側となるファン取付部材１８側で開口する排出ダクト８０と、背面側で開口する導入ダクト８２とが設けられる。後述するように、導入ダクト８２は上側空気供給流路７８ａ、下側空気供給流路７８ｂに流通する空気をハウジング２０の外部から内部に取り入れるためのものであり、排出ダクト８０は、上側空気供給流路７８ａ、下側空気供給流路７８ｂを流通した空気をハウジング２０の外部に排出するためのものである。

導入ダクト８２及び排出ダクト８０の先端は、支持盤１４の前端及び後端よりも若干奥まった位置に設定される。このため、導入ダクト８２又は排出ダクト８０とファン取付部材１８との間には、それぞれ、所定容量の第１バッファ空間、第２バッファ空間が形成される。

支持盤１４には、下側ＭＥＡ２２ａ、上側ＭＥＡ２２ｂの各カソード電極２８に対して個別に電気的に接続される２個のＣａ側集電体及びＣａ側端子（図示せず）と、各アノード電極２６に対して個別に電気的に接続される２個のＡｎ側集電体及びＡｎ側端子（図示せず）とが設けられる。Ｃａ側端子及びＡｎ側端子に対し、外部負荷を電気的に接続することができる。

さらに、下側ＭＥＡ２２ａの下方には、燃料ガスとしての水素ガスを供給する下側水素供給層８４（燃料ガス供給層）が配設される。上側ＭＥＡ２２ｂの上方にも同様に、略平板形状の上側水素供給層８６（燃料ガス供給層）が配設される。下側水素供給層８４、上側水素供給層８６は、下方ハウジング部材１２、上方ハウジング部材１６にそれぞれ支持される（図２参照）。

図６に示すように、下側水素供給層８４の、下側ＭＥＡ２２ａを構成するアノード電極２６に臨む側の端面には、該端面から下方に向かって陥没するようにして下側水素供給流路８８（燃料ガス供給流路）が形成される。下側水素供給流路８８は、Ｂ方向に沿って延在する複数個の往路９０及び復路９２を含む。往路９０と復路９２は交互に並列され、且つ互いに平行である。また、往路９０と復路９２は、Ａ方向に沿って延在する連通路９４を介して連通する。すなわち、下側水素供給流路８８は、直線流路が連通路９４を介して折り返した、いわゆる蛇行形状をなすサーペンタイン型流路である。

下側水素供給層８４において、下側水素供給流路８８は溝であり、それ以外の部位は壁部である。図３に示すように、壁部は、１個のアノード電極２６の、Ａｎ側電極触媒層３２が存在しない部位から、該アノード電極２６に隣接する別のアノード電極２６の、Ａｎ側電極触媒層３２が存在しない部位に跨る。従って、Ａｎ側溝３６が壁部で閉塞される。また、壁部には、アノード電極２６を介してインターコネクト部４４が重畳される。

一方、上側水素供給層８６の、上側ＭＥＡ２２ｂを構成するアノード電極２６に臨む側の端面には、該端面から上方に向かって陥没するようにして上側水素供給流路９６（燃料ガス供給流路）が形成される。上側水素供給流路９６は、下側水素供給流路８８と同様に形成された往路９０、復路９２及び連通路９４を含むサーペンタイン型流路である。また、上側水素供給層８６において、溝である上側水素供給流路９６以外の壁部はＡｎ側溝３６を閉塞するとともに、アノード電極２６を介してインターコネクト部４４上に重畳される。

下方ハウジング部材１２及び上方ハウジング部材１６には、水素をハウジング２０内に導入するための下側供給マニホールド１００、上側供給マニホールド１０２と、内部から水素を導出するための下側排出マニホールド１０４、上側排出マニホールド１０６とが設けられる（図１参照）。また、下方ハウジング部材１２と上方ハウジング部材１６に跨るように取り付けられるファン取付部材１８には、ハウジング２０内を負圧にするためのファン１０８（負圧発生手段）が設けられる。

下方ハウジング部材１２と上方ハウジング部材１６は、例えば、ボルト・ナット等の締結具によって緊締される。この緊締に伴い、支持盤１４が下方ハウジング部材１２と上方ハウジング部材１６に挟持される。また、ファン取付部材１８は、例えば、ボルト・ナット等の締結具によって下方ハウジング部材１２及び上方ハウジング部材１６に連結される。

本実施の形態に係る燃料電池１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき、燃料電池１０の運転との関係で説明する。

上記したように、下側ＭＥＡ２２ａと上側ＭＥＡ２２ｂは、全てのカソード電極２８及び電解質膜２４を覆うＣａ側フィルム５４と、全てのアノード電極２６及び電解質膜２４を覆うＡｎ側フィルム５２とが接合されたラミネート層５６内に封入されている。ラミネート層５６が自重で撓まない程度に硬質であるので、取り扱いが容易となる。このため、燃料電池１０を組み立てる際、例えば、下方ハウジング部材１２と支持盤１４、又は支持盤１４と上方ハウジング部材１６との間に下側ＭＥＡ２２ａ、上側ＭＥＡ２２ｂを挿入する作業を容易に遂行することができる。

また、下方ハウジング部材１２と上方ハウジング部材１６の緊締に伴い、下側ＭＥＡ２２ａを構成する電解質膜２４のインターコネクト部４４が、空気供給層７０の下側凸部７２と下方ハウジング部材１２に押圧される。同様に、上側ＭＥＡ２２ｂを構成する電解質膜２４のインターコネクト部４４が、空気供給層７０の上側凸部７４と上方ハウジング部材１６に押圧される。下側ＭＥＡ２２ａ、上側ＭＥＡ２２ｂに対する押圧力は、５ＭＰａ以下とすることが好ましい。

さらに、単位セル５０を同一平面状に複数個設けることができるので、燃料電池１０を、小型ながらも起電力が大きなものとして得ることができる。

燃料電池１０を運転するに際しては、ハウジング２０の外部に露呈するＣａ側端子、Ａｎ側端子に外部負荷（例えば、モータ等）を電気的に接続する。そして、燃料電池１０を数十℃〜１００℃程度に昇温する一方でファン１０８を回転付勢するとともに、図示しない水素供給源から下側供給マニホールド１００、上側供給マニホールド１０２を介してハウジング２０内に水素を供給する。

ファン１０８が回転付勢されることに伴い、ハウジング２０（特に下側空気供給流路７８ｂ及び上側空気供給流路７８ａ）内の空気がファン１０８側に吸引される。吸引された空気は、支持盤１４に設けられた排出ダクト８０から第１バッファ空間を経た後、ファン１０８を介してハウジング２０外に排出される。このため、ハウジング２０内が負圧となる。

ハウジング２０の背面側には、支持盤１４に設けられた導入ダクト８２が位置する。ハウジング２０内が負圧となっているため、ハウジング２０外の空気が導入ダクト８２を介してハウジング２０内に導入される。導入された空気は、ファン１０８によって吸引されることで、下側空気供給流路７８ｂ、上側空気供給流路７８ａに沿ってファン１０８側に向かって移動する。すなわち、下側空気供給流路７８ｂ、上側空気供給流路７８ａを空気が流通する。

この過程で、空気の一部が、Ｃａ側フィルム５４に形成されたＣａ側呼吸孔６６を介してラミネート層５６内に進入し、さらに、Ｃａ側ガス拡散層４２を介して拡散した後、Ｃａ側電極触媒層４０に到達する。このようにして、空気がカソード電極２８に供給される。

一方、下側供給マニホールド１００からハウジング２０内に導入された水素は、下側水素供給流路８８の往路９０に進入し、Ｂ方向に沿って流通する。さらに、往路９０の末端から連通路９４を経て復路９２に進入することで折り返され、Ｂ方向に沿って再流通する。復路９２の末端においても連通路９４を経て往路９０に進入することで折り返され、Ｂ方向に沿って再流通する。すなわち、水素は、下側供給マニホールド１００に最近接するアノード電極２６を上流として各アノード電極２６を横切るように流通した後、下側排出マニホールド１０４に最近接するアノード電極２６から折り返して、各アノード電極２６を再度横切るように流通する。このような蛇行を繰り返しながら、下側排出マニホールド１０４に向かって流通する。

この過程で、水素の一部が、Ａｎ側フィルム５２に形成されたＡｎ側呼吸孔６４を介してラミネート層５６内に進入し、さらに、Ａｎ側ガス拡散層３４を介して拡散した後、Ａｎ側電極触媒層３２に到達する。すなわち、水素が各アノード電極２６に供給される。余剰の水素は、下側排出マニホールド１０４からハウジング２０外に排出される。

各Ａｎ側電極触媒層３２では、水素が電離してプロトンと電子が生成する。プロトンは、電解質膜２４の、インターコネクト部４４以外の部位を主に伝導し、Ｃａ側電極触媒層４０に到達する。一方、電子は、主に電解質膜２４のインターコネクト部４４を介して、隣接する単位セル５０を構成するカソード電極２８に移動する。

そして、カソード電極２８では、Ｃａ側電極触媒層４０において、プロトンと、電子と、空気中の酸素とが化合して水が生成する。水は、例えば、水素に同伴され、下側水素供給流路８８に沿って流通する。このため、下側水素供給流路８８を流通する水素は、下流側（下側排出マニホールド１０４）になるに従って高湿となる。

下側水素供給流路８８の往路９０及び復路９２がＡ方向に沿って延在する場合、水素は、１個のアノード電極２６の全体に接触するように流通した後、これに隣接する別のアノード電極２６の全体に接触するように流通する。すなわち、上流側のアノード電極２６には低湿の水素が接触し、下流側のアノード電極２６には高湿の水素が接触する。このように、個々のアノード電極２６に供給される水素の湿度が相違する場合、各単位セル５０の発電量にバラツキが生じて燃料電池１０としての発電が不安定となる懸念がある。

これに対し、本実施の形態では、下側水素供給流路８８の往路９０及び復路９２は、複数個のアノード電極２６を横切るように延在している。このため、水素は、１個のアノード電極２６に対し、湿度を上昇させながら複数回接触する。すなわち、個々のアノード電極２６に対して湿度が相違する水素が接触することがない。従って、任意の１個の単位セル５０と、これとは別の単位セル５０との発電量が略同等となる。このため、燃料電池１０の発電が不安定となる懸念が払拭される。

しかも、下側水素供給層８４の壁部上にはアノード電極２６を介してインターコネクト部４４が重畳され、上側水素供給層８６の壁部がアノード電極２６を介してインターコネクト部４４上に重畳されている。従って、すなわち、下側水素供給層８４、上側水素供給層８６の壁部が電解質膜２４を押圧する。これにより、下側ＭＥＡ２２ａ、上側ＭＥＡ２２ｂの保形がなされる。

生成水の大部分は、ラミネート層５６内に保持される。このため、下側ＭＥＡ２２ａ（特に電解質膜２４）が湿潤状態に維持されるので、電解質膜２４において十分なプロトン伝導度が発現する。また、ラミネート層５６は絶縁体であるので、カソード電極２８とフィン７６との接触による短絡が防止される。

余剰の生成水は、Ｃａ側フィルム５４に形成されたＣａ側呼吸孔６６から下側空気供給流路７８ｂに排出される。ここで、Ｃａ側呼吸孔６６は、下側凸部７２が当接する部位には形成されていない。従って、フィン７６と下側凸部７２との間に液洛が生じることを回避することができる。

しかも、下側水素供給層８４の壁部がフィン７６とともに下側ＭＥＡ２２ａを押圧している。このため、下側ＭＥＡ２２ａの形状が維持される。また、インターコネクト部４４がフィン７６の下側凸部７２、上側凸部７４で押圧されるとともに、その押圧力がＡｎ側フィルム５２の第１直線部６０を介してインターコネクト部４４に効率よく伝わる。その結果、インターコネクト部４４とＣａ側電極触媒層４０との接触界面における接触抵抗が低減するので、電子伝導度が良好となる。

そして、Ｃａ側保護層３８の、インターコネクト部４４の位置に対応する位置には、Ａ方向に沿って点在する無接点孔４６が形成されている。加えて、アノード電極２６においては、インターコネクト部４４及び無接点孔４６に対応する位置にＡｎ側電極触媒層３２が存在しない。従って、無接点孔４６の近傍では、インターコネクト部４４とＣａ側電極触媒層４０ないしＡｎ側電極触媒層３２との界面で電極反応が生じること、換言すれば、水が生成することが抑制される。このため、インターコネクト部４４とカソード電極２８、アノード電極２６の接触界面で過剰に生成した水によって液洛が生じることを回避することができる。

以上について、上側ＭＥＡ２２ｂにおいても同様であることは勿論である。

燃料電池１０の運転温度は上記したように数十℃〜１００℃程度であり、また、電極反応が生起されることに伴い、下側ＭＥＡ２２ａ及び上側ＭＥＡ２２ｂが熱を帯びる。ここで、下側空気供給流路７８ｂ、上側空気供給流路７８ａには空気が流通しており、燃料電池１０はこの空気によって冷却される。その結果、燃料電池１０の温度が過度に上昇することが回避される。このように、燃料電池１０は、いわゆる空冷式である。

また、空気で下側ＭＥＡ２２ａ及び上側ＭＥＡ２２ｂが冷却される（熱が除去される）ことから、カソード電極２８が過度に乾燥することが回避される。しかも、電極反応によって生成した水は、ラミネート層５６に形成されたＣａ側呼吸孔６６ないしＡｎ側呼吸孔６４以外から外部に排出されることが阻害される。すなわち、ラミネート層５６内にある程度の水分が蓄えられる。以上のことが相俟って、Ａｎ側ガス拡散層３４やＣａ側ガス拡散層４２が適切に保湿される。このために電解質膜２４も保湿されるので、所定のプロトン伝導度が維持される。

本発明は、上記した実施の形態に得に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、下側ＭＥＡ２２ａの下方、ないし上側ＭＥＡ２２ｂの上方の少なくともいずれか一方に別のＭＥＡを積層するようにしてもよい。この場合、該別のＭＥＡを構成するアノード電極２６を、下側ＭＥＡ２２ａを構成するアノード電極２６、ないし上側ＭＥＡ２２ｂを構成するアノード電極２６に対向するような向きとすればよい。

また、図７に示すように、複数個の燃料電池１０を水平方向に並列配置するようにしてもよい。この場合、水素を、各燃料電池１０に個別に分配されてハウジング２０内を流通するように導入すればよい。

さらに、この実施の形態では、水素等の燃料ガスをハウジング２０内に導入・排出するための供給マニホールドと排出マニホールドを、下側供給マニホールド１００、下側排出マニホールド１０４、上側供給マニホールド１０２、上側排出マニホールド１０６として、下方ハウジング部材１２と上方ハウジング部材１６の両方に設けるとともに、下側ＭＥＡ２２ａ、上側ＭＥＡ２２ｂに個別に燃料ガスを供給・排出する構成としているが、例えば、上方ハウジング部材１６に単一個の供給マニホールドを設ける一方、下方ハウジング部材１２に単一個の排出マニホールドを設けるようにしてもよい。

この場合、下側ＭＥＡ２２ａと上側ＭＥＡ２２ｂの単位セル５０が存在しない領域に２個の連通孔を設け、１個の連通孔を介して水素等の燃料ガスを上方ハウジング部材１６から下側ＭＥＡ２２ａに分配・供給するとともに、上側ＭＥＡ２２ｂからの余剰の燃料ガスを、残余の１個を介して下方ハウジング部材１２に流通させ、下側ＭＥＡ２２ａからの余剰の燃料ガスと合流させて排出すればよい。このように構成することで部品点数を削減することができ、燃料電池を組み立てることが容易となる。

１０…燃料電池 １２…下方ハウジング部材
１４…支持盤 １６…上方ハウジング部材
１８…ファン取付部材 ２０…ハウジング
２２ａ…下側ＭＥＡ ２２ｂ…上側ＭＥＡ
２４…電解質膜 ２６…アノード電極
２８…カソード電極 ３６…Ａｎ側溝
４４…インターコネクト部 ４８…Ｃａ側溝
５０…単位セル ５２…Ａｎ側フィルム
５４…Ｃａ側フィルム ５６…ラミネート層
６０…第１直線部 ６２…第２直線部
６４…Ａｎ側呼吸孔 ６６…Ｃａ側呼吸孔
７０…空気供給層 ７２…下側凸部
７４…上側凸部 ７６…フィン
７８ａ…上側空気供給流路 ７８ｂ…下側空気供給流路
８０…排出ダクト ８２…導入ダクト
８４…下側水素供給層 ８６…上側水素供給層
８８…下側水素供給流路 ９０…往路
９２…復路 ９４…連通路
９６…上側水素供給流路 １００…下側供給マニホールド
１０２…上側供給マニホールド １０４…下側排出マニホールド
１０６…上側排出マニホールド １０８…ファン

Claims (3)

1. 第１の方向に沿って延在し、且つその膜厚方向に伝導性を示すインターコネクト部が形成された１個の電解質膜と、
   前記第１の方向に沿って延在し、且つ前記第１の方向に直交する第２の方向では互いに離間して配置された複数個のアノード電極と、
   前記第１の方向に沿って延在し、且つ前記第２の方向では互いに離間して配置された複数個のカソード電極と、
   を有する電解質膜・電極構造体を備える燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体では、前記第２の方向において、１個の前記アノード電極の一部が、互いに隣接する２個の前記カソード電極中の１個の一部に対し、前記電解質膜を介して対向するとともに、前記アノード電極の別の一部が、前記２個のカソード電極中の残余の１個の一部に対し、前記電解質膜に形成された前記インターコネクト部を介して対向するように千鳥配置され、
   前記第２の方向に沿って延在し、且つ前記複数個のアノード電極に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路が形成された燃料ガス供給層をさらに備え、
   前記燃料ガス供給層の、前記燃料ガス供給流路同士の間の壁部が、前記アノード電極を介して前記インターコネクト部を押圧する位置であることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給流路は、前記第２の方向に沿って延在する往路と復路を含み、且つ前記燃料ガス供給層に、前記第１の方向に沿って延在するとともに１個の前記往路と１個の前記復路に連通する連通路が形成され、前記往路、前記復路及び前記連通路により、サーペンタイン型流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記複数個のアノード電極の各々に密着して設けられ、前記インターコネクト部に重畳して第１の方向に延在する複数個の第１直線部と、前記複数個の第１直線部に対して交差する第２直線部とを有するアノード側多孔質フィルムを備え、前記壁部が前記アノード側多孔質フィルムを介して前記インターコネクト部を押圧する位置となることを特徴とする燃料電池。

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