JPWO2007061075A1

JPWO2007061075A1 - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JPWO2007061075A1
Application number: JP2007546513A
Authority: JP
Inventors: 徳彦川畑; 日下部　弘樹; 弘樹日下部; 森本　隆志; 隆志森本; 松本　敏宏; 敏宏松本; 善輝長尾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: CN100573990C; WO2007061075A1; KR101226122B1; CN101107742A; JP4129289B2; KR20080069118A; US20090017355A1

Abstract

本発明は、固体高分子型燃料電池スタックに関する。本発明により、定常運転時だけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層された全ての電池セルへ、短時間で均一なガスを供給できる燃料電池が提供される。具体的には、固体高分子型燃料電池スタックに含まれる各電池セルに、給気マニホールドに突起部または橋梁部を形成して、給気マニホールドをセパレータ流路との接続空間ともう一方の空間とに分割し、かつ前記突起部または橋梁部の構造を各電池セルに応じて調整する。

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。

固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力および熱を同時に発生させる。前記燃料電池は一般的に、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する。各電極は、カーボン粉末とそれに担持された白金族金属触媒とを主成分とする触媒層、および触媒層の外側に配置され、通気性と電子伝導性を併せ持つガス拡散層からなる。

固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部に漏れたり、互いに混合したりしないように、電極の周囲に高分子電解質膜を挟んでガスシール材や、ガスケットが配置されることがある。ガスシール材やガスケットは一般的に、高分子電解質膜や電極と一体化して組み立てられているが、この組み立て体を「ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）」と称することがある。ＭＥＡは導電性のセパレータに挟まれ、セパレータはＭＥＡを機械的に固定し、積層されたＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続する。セパレータの、ＭＥＡとの接触部には流路が形成され、その流路を通じて電極に反応ガスが供給され、生成水や余剰ガスを排出する。この流路はセパレータに形成されるのが一般的であるが、別個に形成されることもある。

前記燃料電池には、セパレータに形成された流路に反応ガスを供給したり、流路からガスを排出したりするためのガス配管が設けられる。このガス配管は、セパレータの枚数に応じて分岐され、その分岐先をセパレータに形成された流路に接続する。その接続のための配管治具を「マニホールド」と称する。

高分子電解質膜の材質は、一般的にパーフルオロスルホン酸系樹脂である。高分子電解質膜は、水分を含む状態でイオン伝導性を示す。したがって、通常は加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを供給する必要があり、しかも燃料電池の高性能化のためには、これらのガスの相対湿度を１００％近く、またはそれ以上にすることが好ましい。しかしながら、燃料電池のカソード側では反応により水が生成するため、電池の動作温度よりも高い露点を有するようにガスを加湿して供給すると、電池内部の流路や電極の内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって、電池性能の不安定化、低下が生じることがあった。

このような、濡れすぎ（結露の発生）による電池性能の不安定化や低下を、一般的に「フラッティング現象」と称する。フラッティング現象がアノード側で発生すると、燃料ガスが供給されにくくなり、必要量に不足する。燃料ガスが不足している状態で負荷電流を強制的に取り出すと、電子とプロトンを生成しようとして、アノード側の触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応する。その結果、触媒層のカーボンが溶出して触媒層が破壊される。このような状態が継続すると、アノード極に比べてプラスの電位であったカソード極が、０ボルト以下の電位となる。このような状態は「転極」と称され、電池にとって致命的な状態である。

このように、定常運転時に、１００％またはそれ以上の相対湿度を有する供給ガスが流路の上流で結露するフラッティング現象によって、ガス不足が発生するのを防止するために、いくつかの提案がなされている（特許文献１を参照）。例えば、
１）外部からのガス供給側のマニホールドの断面において、マニホールドとガス流路との連絡部と、ガス配管との間に括れ部を形成する；
２）マニホールドに接続されるガス配管をマニホールド内部にまで延長し、延長されたガス配管の上面にガス供給用の穴を設ける；さらに
３）マニホールドに接続されるガス配管をマニホールド内部にまで延長し、延長されたガス配管の上面にガス供給用の穴を設け、そのガス供給用の穴同士の間隔を、マニホールドとの接続部から遠くなるに従って狭める、などの提案がある。

一方、固体高分子型燃料電池では、反応ガスのガスクロスを防止することが重要となる。そのため、セパレータに形成されたマニホールドを格子状などの形態とすることで、フレーム（枠体）に流路溝を形成する必要をなくして構造を単純化する。それによりフレームの変形を抑制して、ガスクロスを抑制しようとする提案がある（特許文献２を参照）。
特開２００４−３２７４２５号公報特開２００４−１６５０４３号公報

燃料電池は、上記のような定常状態で運転される以外に、起動もしくは停止、または負荷変動など、運転状態の頻繁な変更の際に生じる過渡状態でも運転される。過渡状態における運転においても、安定な運転の切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を防止することが求められる。

固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、停止時における触媒の劣化を防止するため、一般的に、窒素や１３Ａなどの改質前の原燃料などのガスを封入ガスとして流路に充満させて保持する。起動時において通常のガスが投入されると封入ガスは追い出され、触媒が活性化する。その後にプロトンをアノード電極に充填し、カソード電極の電位をアノード電極に対して十分高電位にする。それにより、負荷電流の取り出しが可能になる。燃料電池スタックに含まれる積層された電池セルのうちのいくつかが、負荷電流の取り出しが可能な状態になる前にもかかわらず負荷電流を取り出すと、この電池セルは前記「転極」の状態となる。したがって、積層された全ての電池セルが負荷電流を取り出せる状態になるまでは、発電を開始できない。

しかしながら、燃料電池スタックに含まれる電池セルそれぞれが、発電開始可能な状態に達するタイミングは、電池セルの積層方向によってばらつきがある。はじめに発電可能になった電池セルは、他の電池セルに比べて長時間カソード極が高電位状態を保つことになる。この状態が続くと、触媒の劣化が促進される。したがって、起動時に投入する通常のガスは、できるだけ同時に全ての電池セルにいき亘らせることが好ましい。しかしながら、ガス投入から最初の電池セルが発電可能になる時間を正確に測定することは困難であるので、事実上、起動時に投入する通常のガスをできるだけ短時間で全ての電池セルにいき亘らせることが求められる。

また、通常運転状態から停止させる場合には、負荷電流の取り出しを停止してから、窒素や１３Ａなどの改質前の原燃料を封入ガスとして投入する。この場合も、できるだけ短時間で全ての電池セルに封入ガスをいき亘らせることが求められる。

さらに、ガスの流量を変化させて取り出す負荷電流を変更する場合もある。例えば、負荷電流を小さくする場合は、負荷電流を変更してからガス量を変更し；負荷電流を大きくする場合は、ガス量を変更してから負荷電流を変更する。起動や停止の場合と同様の理由で、流量を変更したガスをできるだけ短時間で全ての電池セルにいき亘らせることが求められる。

本発明は、固体高分子型燃料電池スタックにおいて、定常運転時だけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層された全ての電池セルへ、短時間で均一なガスを供給できる燃料電池を提供する。それにより、安定な運転切り替えと切り替え動作自身による性能劣化を抑制する固体高分子型燃料電池を提供する。

積層された全ての電池セルへ均一なガスを供給するため提案が、ＵＳ２００５／０２７１９１０に示唆されている。それによればマニホールドを、転移チャネル（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ）によって、流体供給（ｆｌｕｉｄｓｕｐｐｌｙ）マニホールドと流体分布（ｆｌｕｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）マニホールドとに分割することによって、ガスの流れを安定化させることが示されている。しかしながら、これらの提案だけでは、全ての電池セルへ短時間で均一なガスを供給することは難しい。

本発明の第一は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］直列に積層された複数の燃料電池セルを含む固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極；前記燃料極に接しており、かつ燃料ガスが流れる流路を有するセパレータ、および酸素極に接しており、かつ酸化剤ガスが流れる流路を有するセパレータからなる一対のセパレータ；前記燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに前記酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドを含み、
前記給気マニホールドまたは排気マニホールドの少なくとも一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部または橋梁部によって、互いに連通する前記セパレータ流路との接続空間と、もう一方の空間とに分割されており、
前記突起部または橋梁部は、前記セパレータ流路との接続空間へのガス流入を制御しており、かつ前記ガス流入の制御は、前記積層された複数の燃料電池セルそれぞれについて一定でなく、積層方向の両端部の燃料電池セルと比べて、内部層の燃料電池セルにおいてガス流入が最もしにくく制御されている、燃料電池スタック。

［２］前記ガス流入が最もしにくく制御されている燃料電池セルは、積層された燃料電池セルのうち、外部からのガス供給側から、全積層セルのうち半分以下に位置する内部層の燃料電池セルである、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記燃料ガスが流れる流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに前記酸化剤ガスが流れる流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが、枠体に成形され、前記枠体に、前記高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極が収められている、［１］または［２］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記枠体には、さらに前記セパレータ流路を外部から密閉するためのシール材が一体的に成形されている、［３］に記載の燃料電池スタック。
［５］前記積層された複数の燃料電池セルの、それぞれのマニホールドのセパレータ流路との接続空間は、互いに連通している、［１］〜［４］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［６］前記マニホールドのセパレータ流路との接続空間が、前記もう一方の空間よりも重力方向に対して上位になるように配置される、［１］〜［５］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［７］前記突起は、前記燃料電池セルの外周側から電極側へ向かっている、［１］〜［６］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［８］前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部の大きさは一定でなく、内部層の燃料電池セルの突起部または橋梁部の大きさが最大である、［１］〜［７］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［９］前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部の高さは一定でなく、内部層の燃料電池セルの突起部または橋梁部の高さが最大である、［１］〜［７］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［１０］前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部は板状の整流板であり、
当該整流板それぞれの角度は一定でなく、内部層の燃料電池セルの整流板の長軸方向と燃料電池セルの積層方向との角度が最小である、［１］〜［７］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
［１１］前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部の一部は他の部分よりも積層方向に厚く、かつ前記一部は側方に吹き出し口を有する環状構造であり、
前記一部同士が密着して配管を形成しており、前記形成された配管に外部からのガス供給配管が接続され、
前記吹き出し口それぞれの面積は一定でなく、内部層の燃料電池セルの吹き出し口の面積が最小である、［１］〜［７］に記載の燃料電池スタック。
［１２］前記吹き出し口は、前記セパレータ流路との接続空間とは反対の方向を向いている、［１１］に記載の燃料電池スタック。

本発明の第二は、以下に示す燃料電池セルのための枠体、およびその製造方法に関する。
［１３］高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極を収容し、
燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが成形された枠体であって、
前記給気または排気マニホールドの少なくともいずれか一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部によって、前記セパレータ流路との接続空間ともう一方の空間とに分割されており、
前記突起部は１または２以上の切り込みを有し、前記切り込みにおいて切断可能である枠体。
［１４］高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極を収容し、
燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが成形された枠体であって、
前記給気または排気マニホールドの少なくとも一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部または橋梁部によって、前記セパレータ流路との接続空間ともう一方の空間とに分割されている枠体の製造方法であって、
ゲートを通して金型に樹脂を注入して射出成形するステップを含み、前記ゲートを前記突起部または橋梁部に設ける、前記枠体の製造方法。

本発明の高分子電解質型燃料電池スタックによれば、定常運転時だけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層される全ての電池セルへ短時間で均一なガスを供給できる。したがって、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制でき、燃料電池の耐久性を向上することができる。

実施の形態１の燃料電池スタックに用いられた枠体一体型ＭＥＡのカソード面側からの正面図（図１Ａ）と、アノード面側からの正面図（図１Ｂ）実施の形態１の燃料電池スタックに用いられた枠体一体型ＭＥＡのカソード側セパレータのカソード側正面図（図２Ａ）と、アノード側正面図（図２Ｂ）実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図実施の形態２の燃料電池に用いられた枠体一体型ＭＥＡのカソード面側からの正面図実施の形態２の燃料電池スタックの斜視図実施の形態３の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態４の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態５の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態６の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態７の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態８の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態９の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態１０の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの斜視拡大図実施の形態１１の枠体一体型ＭＥＡの斜視拡大図実施の形態１１の枠体一体型ＭＥＡの斜視拡大図比較例１の燃料電池スタックの給気マニホールドの斜視拡大図比較例２の燃料電池スタックの給気マニホールドの斜視拡大図比較例３の燃料電池スタックの枠体一体型ＭＥＡの正面図比較例１の燃料電池スタック起動時に空気を供給ガス配管から流入開始して２秒後のカソード側給気マニホールド内の濃度分布のシミュレーション結果を示す図比較例２の燃料電池スタック起動時に空気を供給ガス配管から流入開始して２秒後のカソード側給気マニホールド内の濃度分布のシミュレーション結果を示す図実施例１の燃料電池スタック起動時に空気を供給ガス配管から流入開始して２秒後のカソード側給気マニホールド内の濃度分布のシミュレーション結果を示す図

本発明の燃料電池スタックは、固体高分子型の燃料電池スタックであって、積層された複数の燃料電池セルを含む。積層された複数の燃料電池セルは、互いに直列に接続されていることが好ましい。

各燃料電池セルには、１）高分子電解質膜、２）高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極、３）前記燃料極に接しており、かつ燃料ガスが流れる流路を有するセパレータ、および酸素極に接しており、かつ酸化剤ガスが流れる流路を有するセパレータからなる一対のセパレータ、４）前記燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給排気するためのマニホールド、５）前記酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給排気するためのマニホールドを有することが好ましい。各燃料電池セルは、さらに他の任意の部材を有していてもよい。

高分子電解質膜は、水素イオンは通すが、電子は通さない薄いフィルム状の膜であればよく特に限定されない。一般的には、フッ素樹脂系の高分子膜が用いられる。

高分子電解質膜を挟む一対の電極は、酸化剤が供給される酸素極（カソードともいう）と、燃料ガスが供給される燃料極（アノードともいう）とからなる。各電極は、特に制限されないが、白金などの触媒を担持したカーボンなどであればよい。

一対の電極のそれぞれに、セパレータを接触させて配置して、セパレータを介して反応ガスを供給する。すなわち、燃料極に配置されるセパレータには、燃料ガスが流れる流路が形成されており；酸素極に配置されるセパレータには、酸化剤ガスが流れる流路が形成されていることが好ましい。セパレータに形成される流路（以下において「セパレータ流路」と称することがある）の形状は、特に制限されないが、例えばサーペンタイン状にされている。

セパレータは導電性であることが好ましく、熱硬化樹脂、熱可塑性樹脂の成形物、プレスされた金属板などであればよい。プレスされた金属板をセパレータとして使う場合には、突起部や橋梁部（後述）をねじって形成してもよい。

ガス流路が形成されるセパレータのそれぞれには、ガスを給気するための給気マニホールドおよびガスを排気するための排気マニホールド（これらを総称して「給排気するためのマニホールド」ともいう）が接続されている。給気マニホールドには外部からのガス供給管が、排気マニホールドには外部へのガス排出管が接続されている。

本発明において、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化剤ガスを給排気するためのマニホールドの少なくとも一のマニホールドの内部空間は、「セパレータ流路との接続空間」と、「もう一方の空間」とに分割されている。ただし両者は連通しており、ガスの移動が可能である。

「セパレータ流路との接続空間」とは、マニホールドのセパレータ流路との接続部を含む空間であればよい。「もう一方の空間」とは、１）外部のガス供給管の軸線に沿った空間、もしくは外部へのガス排出管の軸線に沿った空間（「供給／排出配管部」ともいう）であるか、または２）外部から供給されるガスがセパレータ流路との接続空間に直接入り込まないようにする緩衝部のための空間、もしくはセパレータ流路から排出されたガスが外部への排出管に直接入り込まないようにする緩衝部のための空間（「緩衝部」ともいう）でありうる。

当該分割は、マニホールドの内部空間の内壁に設けられた「突起部」または「橋梁部」によってなされている。突起部とは、内部空間を橋渡しすることなく、内壁から部分的に突き出している部位をいう。橋梁部とは、内部空間を橋渡ししている部位をいう。

前記突起部は、マニホールドの内壁のうち任意の位置に形成されていればよく、一または二以上の突起部が形成されていてもよい。それぞれ対向する位置に突起部を設ければ、「括れ」が形成されることになる。ただし突起部は、マニホールドの内壁のうち、電池セルの外周側の内壁に形成されていることが好ましい。つまり、突起部は外周側から電極側へ向かっていることが好ましい。外周側の内壁に突起部が設けられていると、内周側の内壁に突起部が設けられた場合と比較して、燃料電池における反応によって発生した熱が外部に放出されにくくなる。そのため、当該熱を効率よく回収することができ、コージェネレーション化に寄与する。

前記橋梁部は、マニホールドの内部空間を橋渡しする部位であるが、セパレータ流路との接続空間と、もう一方の空間とを完全に分断することなく、両者を連通させるための部分（ガス通過部分）を有する。

前記突起部または橋梁部は、マニホールドの内部空間のうちの「セパレータ流路との接続空間」への、外部から供給されたガスの流入を制御する。前記流入の制御は、突起部または橋梁部の構造に応じて行われる。例えば、以下の態様が考えられるが、特に制限されるわけではない。
１）突起部または橋梁部が大きさ（例えば突起部の高さ）を調整することによって、セパレータ流路との接続空間への通過部分の面積を調整して、前記流入を制御する（図３，５，７などを参照）。
「橋梁部の大きさ」とは、例えば「長手方向と直交する断面積の大きさ」を；「突起部の大きさ」とは、例えば「マニホールドから突出した突起の体積」を；「突起部の高さ」とは、例えば「マニホールドの内壁からの突出方向への突起の長さ」を意味するが、いずれにしてもセパレータ流路との接続空間への通過部分の面積の大小が調整されればよく、その態様は限定されない。
２）突起部または橋梁部を板状の整流板として、それを配置する角度を調整することによって、前記流入を制御する（図８〜９などを参照）。
３）突起部または橋梁部の一部を厚くして、その厚くされた一部を、側方に吹き出し口を有する管状構造とする。厚くされた一部同士を接続して配管として、外部からのガス管を接続する。前記側方の吹き出し口の面積を調整することによって、前記流入を制御する（図１０〜１３などを参照）。

突起部または橋梁部は、酸化剤ガスを給気するための給気マニホールドおよび燃料ガスを給気するための給気マニホールドのいずれか一方または両方に形成されていることが好ましいが、酸化剤ガスまたは燃料ガスを排気するための排気マニホールドに形成されていてもよい。排気マニホールドに突起部または橋梁部を設けると、各電池セルの、セパレート流路からガスが排出されるタイミングのずれを低減させることができる。

突起部または橋梁部は、セパレータに形成されたマニホールドに設けられていてもよいが、好ましくは、ＭＥＡを収容する「枠体」に形成されたマニホールドに設けられている。ＭＥＡとは、高分子電解質膜；ならびに高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極を含む複合体である。ＭＥＡは枠体に収容され、好ましくは枠体によって囲まれうる。枠体に収容されたＭＥＡの両面には、セパレータが配置される。

以下において、ＭＥＡと、それを収容する枠体とを一体化した部材を「枠体一体型ＭＥＡ」と称することがある。

枠体は、通常樹脂製であり、樹脂の例にはポリプロピレンなどが含まれる。枠体には、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化剤ガスを給排気するためのマニホールドが形成されている。さらに枠体には、冷却液を流すためのマニホールドなどが形成されていてもよい。

ＭＥＡを収容する枠体に形成されたマニホールドのうち、燃料ガスを給排気するためのマニホールド（好ましくは給気マニホールド）、および酸化剤ガスを給排気するためのマニホールド（好ましくは給気マニホールド）の少なくともいずれか一方のマニホールドの内部空間は、その内壁に設けられた突起部または橋梁部によって分割されていることが好ましい。

突起部は、１または２以上の切り込みを有していてもよく（図６を参照）、当該切り込みにおいて切断して、突起部先端を除去することができる。後述するように、本発明の燃料電池スタックは、積層される電池セルに応じて突起部の高さが異なることがある。そこで、突起部に切り込みを形成し、突起の高さを適宜調整して積層することにより、容易に本発明の燃料電池スタックを製造することができる。

枠体一体型ＭＥＡの枠体には、シール材が一体的に形成されていることが好ましい。シール材は、マニホールドとＭＥＡを囲い、マニホールドを流れる流体物が外部に漏れることを防止する。

枠体一体型ＭＥＡの枠体は、本発明の効果を損なわない限り、任意の方法で製造されうるが、好ましくは射出成型法で製造される。射出成形法とは、ゲートから金型に流し込まれた溶融樹脂を固化して、所望の成形物を得る方法である。前記枠体のマニホールドの内壁に突起部または橋梁部を形成する場合には、当該突起部または橋梁部の一部にゲートを設けることが好ましい。射出成形において、金型に流し込まれる樹脂の流れが一方向に限定されるほうが安定して成形できるので、突起部にゲートを設ける方が好ましい場合がある。

一般的に、射出成形後の成形物には残留ゲートが形成されるので、それを除去する必要がある。しかしながら、ゲートを前記突起部または橋梁部に設ければ、前記突起部または橋梁部にゲートが残留していても問題はないので、その除去工程が不要になり、工程数と製作時間を短縮することができる。

本発明の燃料電池スタックは積層された複数の電池セルを含むが、各電池セルの給気マニホールドに形成される突起部または橋梁部の構造が異なっている。すなわち電池セルごとに、給気マニホールドの「セパレータ流路との接続空間」への、反応ガスの流入のしやすさが異なっている。

本発明の燃料電池スタックに含まれる積層された電池セルのうち、前記流入が最もしにくくされているのは、内部に積層された電池セルであることが好ましい。内部に積層された電池セルとは、好ましくは、外部からの反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）供給側から、全積層セルのうち、半分までの間の電池セルであり；より好ましくは、供給される側から４分の１のあたりの内部層の電池セルである。

本発明者は、積層された複数の電池セルを含む燃料電池スタックにおいて、外部ガス供給管から給気マニホールドへ供給されたガスが、供給側から２分の１までの内部層の電池セルの給気マニホールドに短時間で到達すること、特に供給側から４分の１のあたりの電池セルに最も短時間で到達することを見出した。この知見に基づき、供給側から２分の１までの内部層の電池セルの、「セパレータ流路との接続空間」へのガス流入をしにくくすることにより、均一のガスを短時間で全ての電池セルに供給することができることを見出した。

本発明の燃料電池スタックは、積層された各電池セルの給排気マニホールドそれぞれの供給／排出配管部が互いに連通していることはもちろんであるが、さらに給排気マニホールドそれぞれの「セパレータ流路との接続空間」も互いに連通していることが好ましい。「セパレータ流路との接続空間」が互いに連通していれば、供給されたガスの均一化、整流化がより促進される。

本発明の燃料電池スタックは、各電池セルの平面を鉛直線と平行に設置することが好ましく、一方、各電池セルの平面を鉛直線と垂直に設置しないことが好ましい。さらに燃料電池スタックは、前記突起部または橋梁部が形成されたマニホールドの「セパレータ流路との接続空間」が「もう一方の空間（例えば、供給／排出配管部）」よりも、重力方向に対して上位になるように設置されることが好ましい。外部から供給された反応ガスに含まれる水分が、マニホールドで結露したときに、その水分がセパレータ流路に入り込むのを抑制して、セパレータ流路に溜まるのを防止する。

以下において本発明について図面を参照して説明する。

［実施の形態１］
図１には、枠体一体型ＭＥＡの例が示される。図１Ａはカソード面側からの枠体一体型ＭＥＡ１の正面図であり、図１Ｂはアノード面側からの枠体一体型ＭＥＡ１の正面図である。
図１Ａおよび図１Ｂにおいて、ＭＥＡ２の周囲に枠体３が成形されている。枠体３にはシール４（図１Ａ）およびシール４’（図１Ｂ）が形成されている。シール４は、酸化剤ガスを給気／排気するカソード側マニホールド５／５’とＭＥＡ２とを包含するように形成されるが、カソード側マニホールド５／５’とＭＥＡ２とを連絡する部分６には形成されない（図１Ａ）。またシール４’は、燃料ガスを給気／排気するアノード側マニホールド７／７’とＭＥＡ２とを包含するように形成されるが、アノード側マニホールド７／７’とＭＥＡ２とを連絡する部分６’には形成されない（図１Ｂ）。シール４／４’はガスの漏れを防止する。さらに冷却水マニホールド８および８’を取り巻くようにシールが形成されており、外部への冷却水のもれが抑制される。

カソード側給気マニホールド５の内面壁の一部には突起部９Ａが設けられており、突起部９Ａは外周側からＭＥＡ２の方へ突出している。突起部９Ａは、マニホールド５の内部空間を、セパレータ流路との接続空間５Ｂと、供給／排出配管部５Ａとに分割するように配置されている。
アノード側給気マニホールド７の内面壁の一部にも、突起部９Ｂが設けられており、突起部９Ｂは外周側からＭＥＡ２の方へ突出している。突起部９Ｂは、マニホールド７の内部空間を、セパレータ流路との接続空間７Ｂと、供給・排出配管部７Ａとに分割するように配置されている。

前記ＭＥＡ２の大きさは、例えば、縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍである。枠体３の大きさは、例えば、縦２２０ｍｍ、横２２０ｍｍであり、その材質はポリプロピレンなどの樹脂である。シール４は、フッ素ゴムを２色成形することにより形成される。

図２Ａには、カソード側セパレータ１０のカソード側正面図が、図２Ｂにはアノード側セパレータ１０’のアノード側正面図が示される。１０および１０’には、ガス流路１１および１１’が形成されている。

図２Ａのカソード側セパレータ１０のカソード面と、図１Ａに示される枠体一体型ＭＥＡ１のカソード面とを当接して；さらに、図２Ｂのアノード側セパレータ１０’のアノード面と、図１Ｂに示される枠体一体型ＭＥＡ１のアノード面とを当接して、電池セルが作製される。

図３には、複数の電池セルが積層された燃料電池スタック１００が示される。積層された電池セルの各突起部９Ａの高さは一定でなく、勾配がつけられている。つまり、突起部９Ａの高さは、ある内部層の電池セルにおいて極大であり、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって小さくされている。つまり、マニホールドの供給／排出配管部５Ａからセパレータ流路との接続空間５Ｂへのガス通過部分が、外部からのガス供給配管１２の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに進むと次第に大きくなる。
積層された電池セルの各突起部９Ｂの高さも一定でなく、同様の勾配がつけられている。

［実施の形態２］
図４には、枠体一体型ＭＥＡ１の別の例のカソード側の正面図が示される。
カソード側給気マニホールド５の内面壁には、枠体の外側に向かって突出している突起部９Ａが設けられている。突起部９Ａは、給気マニホールド５を供給／排出配管部５Ａとセパレータ流路との接続空間５Ｂに分割するように配置される。同様に、アノード側給気マニホールド７の内面壁にも、枠体の外側に向かって突出している突起部９Ｂが設けられている。他の符号は、図１の符号と対応している。

図５には、図４に示される枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルが積層された燃料電池スタック１００が示される。積層された電池セルの各突起部９Ａの高さは一定でなく、勾配がつけられている。つまり、突起部９Ａの高さはある内部層の電池セルにおいて極大であり、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって小さくされている。つまり、マニホールドの供給／排出配管部５Ａからセパレータ流路との接続空間５Ｂへのガス通過部分が、外部からのガス供給配管１２の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに進むと次第に大きくなる。
積層された電池セルの各突起部９Ｂの高さも一定でなく、同様の勾配がつけられている。

［実施の形態３］
図６はガスを給気する給気マニホールドの例の拡大図である。
突起部９Ａには複数の切り込み９Ｃが設けられている。切り込み９Ｃにおいて、突起部の先端を切断することができる。枠体一体型ＭＥＡの枠体の突起部９Ａに切り込み９Ｃを設けておけば、積層する電池セルの積層順に応じて、切り込み９Ｃの１つを切断して突起部の長さを調整することができる。
したがって、供給／排出配管部５Ａからセパレータ流路との接続空間５Ｂへのガス通過部分を調整することが容易となり、図３や図５に示されたように勾配をつけやすい。

［実施の形態４］
図７は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。図７において、枠体一体型ＭＥＡの枠体のマニホールドと、セパレータのマニホールドは互いに密着している。枠体一体型ＭＥＡの枠体は橋梁部９Ｄを、セパレータは橋梁部９Ｅをそれぞれ有している。

橋梁部９Ｄおよび橋梁部９Ｅは、マニホールドを、供給／排出配管部５Ａと、セパレータ流路との接続空間５Ｂとに分割している（セパレータ流路との接続空間５Ｂには、セパレータ流路とマニホールドの接続部６がある）。橋梁部９Ｄにはガス流路９Ｆがあり、供給／排出配管部５Ａと、セパレータ流路との接続空間５Ｂとを連通させている。

橋梁部９Ｄに形成されたガス流路９Ｆの面積は一定でなく、勾配がつけられている。ある内部層の電池セルにおけるガス流路９Ｆの面積を最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。つまり、外部からのガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほどガス流路９Ｆの面積は小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに進むと次第に大きくなる。

［実施の形態５］
図８は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された突起部９Ｇは、その断面が板状である整流板とされている。整流板の長軸方向１４と、電池セルの積層方向１５との角度１６は、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配をつけられている。すなわち角度１６を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。つまり角度１６は、外部からのガス供給配管の接続位置から、電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに積層方向に向かうと次第に大きくなる。

［実施の形態６］
図９は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された橋梁部９Ｈは、その断面が板状である整流板とされている。整流板の長軸方向１４と電池セルの積層方向１５との角度１６が、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配をつけられている。すなわち角度１６を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。つまり角度１６は、外部からのガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに積層方向に進むと次第に大きくなる。

［実施の形態７］
図１０は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された突起部９Ｉの先端は、先端以外の部分より積層方向に厚く、中央に穴９Ｊを有する。穴９Ｊの断面は略円形である。突起部９Ｉの先端部どうしが密着して配管９Ｋを形成し、形成された配管９Ｋの積層方向末端には外部からのガス供給配管が接続されている。５Ａの空間は、外部からの供給ガスが急激に５Ｂに入り込まないようにするための緩衝部として作用する。
また、形成された配管９Ｋの側面には、ガスの吹き出し口９Ｌが設けられている。吹き出し口９Ｌの面積は、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配がつけられている。つまり吹き出し口９Ｌの面積を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。すなわち吹き出し口９Ｌの面積は、ガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくすなり、さらに積層方向進むと次第に大きくなる。

［実施の形態８］
図１１は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された橋梁部９Ｍの中央部は、当該中央部以外の部分より積層方向に厚く、中央に穴９Ｊを有する。穴９Ｊの断面は略円形である。橋梁部９Ｍの中央部どうしが密着して配管９Ｎを形成し、形成された配管９Ｎの積層方向末端には外部からのガス供給配管が接続されている。５Ａの空間は、外部からの供給ガスが急激に５Ｂに入り込まないようにするための緩衝部として作用する。
また、形成された配管９Ｎの側面にはガスの吹き出し口９Ｌが設けられている。吹き出し口９Ｌの面積は、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配がつけられている。つまり吹き出し口９Ｌの面積を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。すなわち吹き出し口９Ｌの面積は、ガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに積層方向に進むと次第に大きくなる。

［実施の形態９］
図１２は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された突起部９Ｉの先端部は、先端部以外の部分より積層方向に厚く、中央に穴９Ｊを有する。穴９Ｊの断面は略円形である。突起部９Ｉの中央部どうしが密着して配管９Ｋを形成し、形成された配管９Ｋの積層方向末端には外部からのガス供給配管が接続されている。
また、形成された配管９Ｋの側面にはガスの吹き出し口９Ｌがあり、吹き出し口９Ｌは、図面下側、つまりセパレータ流路との接続空間５Ｂと反対の方向を向いている。外部からの供給ガスは、いったん５Ａ（緩衝部）に入り、その後５Ｂに移動するので整流効果が高い。吹き出し口９Ｌの面積は、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配がつけられている。つまり、吹き出し口９Ｌの面積を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。すなわち、吹き出し口９Ｌの面積は、ガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに積層方向に進むと次第に大きくなる。

［実施の形態１０］
図１３は、枠体一体型ＭＥＡを含む電池セルを積層した、燃料電池スタックのカソード側給気マニホールドの拡大図である。
枠体一体型ＭＥＡの枠体に形成された橋梁部９Ｐの中央部が、中央部以外の部分より積層方向に厚く、穴９Ｊを有する。穴９Ｊの断面は略円形である。橋梁部９Ｐの中央部どうしが密着して配管９Ｑを形成し、形成された配管９Ｑの積層方向末端には外部からのガス供給配管が接続されている。
また、形成された配管９Ｑの側面にはガスの吹き出し口９Ｌがあり、吹き出し口９Ｌは、図面下側、つまりセパレータ流路との接続空間５Ｂ（セパレータ流路との接続部６を含む）と反対の方向を向いている。外部からの供給ガスは、いったん５Ａ（緩衝部）に入り、その後５Ｂに移動するので整流効果が高い。吹き出し口９Ｌの面積は、積層された電池セルによって一定ではなく、勾配がつけられている。つまり吹き出し口９Ｌの面積を、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくして、それぞれの表面層の電池セルにいくにしたがって大きくしている。すなわち吹き出し口９Ｌの面積は、外部からのガス供給配管の接続位置から電池セルの積層方向に向かって進むほど小さくなり、ある内部層の電池セルにおいて最も小さくなり、さらに進むと次第に大きくなる。

［実施の形態１１］
図１４および図１５は、枠体一体型ＭＥＡの例が示される。図１４の枠体一体型ＭＥＡのマニホールドの内壁には突起部９Ｒが形成されており、図１５の枠体一体型ＭＥＡのマニホールドの内壁には橋梁部９Ｔが形成されている。
前述の通り枠体３は射出成形法により作製されうるが、射出成形のゲートを、マニホールドの突起部９Ｒの先端９Ｓとして、金型内に樹脂を注入することが好ましい（図１４を参照）。同様に、射出成形のゲートを、マニホールドの橋梁部９Ｔの中央部９Ｓとして、金型内に樹脂を注入することが好ましい（図１５参照）。
このとき、ゲート９Ｓの積層方向の高さｈ１は、枠体の厚さとほぼ同一寸法とし、かつアノード側セパレータとカソード側セパレータとの厚さの合計を超えないようにすることが好ましい。

［実施例１］
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金粒子を２５重量％担持させて、カソード触媒とした。また、アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金−ルテニウム合金粒子を２５重量％担持させて、アノード触媒とした。
これらの粉末それぞれを、イソプロピールアルコールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂粉末のエチルアルコール分散液と混合してペーストを得た。得られたペーストそれぞれを、厚さ２５０μｍのカーボン不織布のそれぞれの面に、スクリーン印刷法で塗工して触媒層を形成した。得られた各々の電極の触媒層に含まれる触媒金属の量は０．３ｍｇｃ／ｍ^２、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の量は１．２ｍｇｃ／ｍ^２とした。

これらの電極（カソード・アノード）はいずれも、触媒材料以外は同一構造である。これらの電極よりも、ひとまわり大きい面積を有する高分子電解質膜を準備した。高分子電解質膜は、３０μｍの厚さに薄膜化したパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂とした。
高分子電解質膜の中心部の各面に、前記電極（カソード・アノード）をそれぞれ配置した。所定の大きさに切り抜いた厚さ２５０μｍのフッ素系ゴムシートを、電極外周部に露出している電解質膜を挟んで両側に配置し、ホットプレスによって接合一体化させ、ＭＥＡを作製した。

図１に示される枠体一体型ＭＥＡと、図２に示されるセパレータを作製した。
枠体一体型ＭＥＡの枠体の、カソード側マニホールドは幅１０ｍｍ；長さ３０ｍｍ、アノード側マニホールドは幅１０ｍｍ；長さ２０ｍｍとして、４つのコーナーのＲが１５の長円形とした。これらの給気マニホールドを重力方向縦長に配置した。

また、給気マニホールドの外側内壁に、マニホールドと電極の連絡部分６の最下位置において、電極側に向かう突起部９Ａと９Ｂを形成した。突起部の幅は１．５ｍｍとした。突起部の長さが３ｍｍ〜９ｍｍまで２ｍｍ刻みに、４種類のものを作製した。

導電性カソードセパレータ；枠体一体型ＭＥＡ；導電性アノードセパレータを積層して電池セルを組立てた。５０の電池セルを積層した。外部からのガス供給配管の接続部から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの突起部の長さを極大として、勾配つけた。

得られた積層体を、表面に金メッキを施した銅板からなる集電板で挟み、さらにそれをポリフェニレンサルファイド製の絶縁板で挟み、さらにステンレス製の端板で挟む。両端板を締結ロッドで締結して電池スタックを得た。このとき、締結圧は電極の単位面積あたり１００Ｎ／ｃｍ^２とした。集電板にケーブルをつないで電力をとりだすことができる。ステンレス板の端板は、電池スタックの強度を確保する。

セパレータの板面を鉛直方向に平行として、かつ冷却水の入り口マニホールド８が重力方向に対して上位となるようにして、電池スタックを設置する。セパレータに形成されたサーペンタイン型ガス流路（水平方向の直線部とターン部からなる）を、反応ガスが重力方向について下向きに流れる。

［比較例１］
実施例１の燃料電池スタックの枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールド、およびアノード側給気マニホールドの内部構造を、図１６に示される構造とする以外は、同様の方法で燃料電池スタックを作製した。つまり、比較例１の燃料電池スタックのマニホールドの内壁には突起や橋梁部がない。反応ガスは、軸線１３に沿って紙面手前から奥に向かって供給され、電極とマニホールドの連絡部６を通って、各電池セルの電極に分配供給される。

［比較例２］
実施例１の燃料電池スタックの枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールド、およびアノード側給気マニホールドの内部構造を、図１７に示される構造とする以外は、同様の方法で燃料電池スタックを作製した。つまり、比較例２の燃料電池スタックのマニホールドの内壁に突起部９Ａを設けた。すべての電池セルの突起部９Ａの長さを、均等に７ｍｍとした。反応ガスは軸線１３に沿って紙面手前から奥に向かって供給／排出配管部５Ａに供給され；５Ａに供給されたガスはセパレータ流路との接続空間５Ｂに移動し；さらに電極とマニホールドの接続部６から電極に分配供給される。

［比較例３］
比較例２の燃料電池スタックの枠体一体型ＭＥＡの構造を、図１８に示される構造とする以外は、同様の方法で燃料電池スタックを作製した。つまり、セパレータ流路との接続空間５Ｂを、供給・排出側５Ａよりも重力方向について下側に配置した。反応ガスは、供給／排出部５Ａの部分に紙面手前から奥に向かって供給され；突起部９Ａを通ってセパレータ流路との接続空間５Ｂに移動し；さらに電極とマニホールドの接続部６から各電池セルの電極に分配供給される。

比較例１、比較例２および実施例１の高分子電解質膜型燃料電池のカソード側給排気マニホールドおよびカソード側セパレータ流路を、７５℃露点の１００％窒素で充満させた。７５℃に保持した状態から、７５℃露点の空気をガス供給配管から流入させた。それから２秒後における、カソード側給気マニホールド内の濃度分布のシミュレーション結果を、図１９（比較例１）、図２０（比較例２）、図２１（実施例１）に示す。

図１９（比較例１）におけるカソード側給気マニホールドでは、ガス供給配管入り口（図中左）から積層方向奥（図中右）に向かって、約４分の１の部位に流入空気が集中して流れ込み、ガス供給配管入り口近く（図中左端）と積層方向奥（図中右端）で渦が発生し、空気の流入が滞っており、特に積層方向奥（図中右端）では、高濃度の窒素が依然として停留している。

図２０（比較例２）におけるカソード側給気マニホールドでは、比較例１でみられるような、空気の集中した流れ込みはみられない。これは、マニホールド内壁に設けた突起部９Ａによって、重力方向下の部分（供給／排出配管部）で供給空気の静圧回復が十分行われた後に、９Ａ同士の隙間から空気が重力方向下の部分（セパレータ流路との接続空間）に流れ込むため、積層方向での偏流発生が抑制されたためである。しかしながら、ガス供給配管入り口近く（図中左端）と積層方向奥（図中右端）、および積層方向中央部付近（図中中央）には渦が発生し、依然として濃度の偏りがみられる。

比較例３のシミュレーション結果（図面なし）も、図２０と同様であった。しかしながら、発電実験においてガス供給配管の接続位置に近い電池セルにおいて、電圧が不安定になり、特に流量が少ない低負荷運転時に、この現象が顕著に現れることが確認された。これは、ガス供給配管が接続される軸線が発電部分から離れているため、マニホールドの内壁の温度がガス温より低くなり、そのため結露水が発生しやすいためである。また、セパレータ流路との接続空間５Ｂが、ガス供給・排出菅側５Ａよりも、重量方向について下にあるため、発生した結露水の一部がセパレータ流路に浸入しやすく、流路を閉塞させたためである。

図２１（実施例１）におけるカソード側給気マニホールドでは、比較例１でみられたような空気の集中した流れ込みは見られず、さらに、比較例２でみられたようなガス供給配管入り口近く（図中左端）と積層方向奥（図中右端）の濃度の偏りもほとんどみられない。

これは、マニホールド内壁に設けた突起部９Ａによって、重力方向下の部分（供給／排出配管部）で、供給空気の静圧回復が十分行われ、さらに静圧された空気が、セパレータ流路連絡部へ移動するタイミングのずれが、各電池セルによって生じるのを抑制したためである。
このタイミングのずれの抑制は、動圧を最も受けやすい部位、つまりガス供給配管入り口（図中左）から積層方向奥（図中右）に向かって約４分の１の部位で、突起部９Ａの長さを最も長くし、手前または奥に向かって勾配をつけたためである。これらの結果から、本発明の有効性が確認された。

［実施例２］
実施例２では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す突起部にしたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、マニホールドと電極の連絡部分６の最下位置に、外側に向かう突起部９Ａと９Ｂを形成した（図４を参照）。突起部９Ａと９Ｂの幅は１．５ｍｍとした。この突起部の長さを、３ｍｍ〜９ｍｍまで２ｍｍ刻みに、４種類のものを作製した。
外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの突起部の長さを極大として、勾配をつけた。

［実施例３］
実施例３では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す突起部にしたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、マニホールドと電極の連絡部分６の最下位置に、外側に向かう突起部９Ａと９Ｂを形成した。突起部９Ａと９Ｂの幅は１．５ｍｍとした。この突起部の長さを９ｍｍとして、突起先端から２ｍｍ、４ｍｍおよび６ｍｍの位置に、幅０．３ｍｍ；深さ０．５ｍｍの楔型切欠きを形成した（図６を参照）。
電池セルを積層するとき、積層する順番に応じて、上記切欠きのうちの０個または一個を選択して、そこから先端を切除し、突起部の長さを９ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍまたは３ｍｍに調整した。
このようにして、電池セルの積層体の、ガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの突起部の長さが極大として、勾配をつけた。

実施例３の燃料電池スタックのカソード側給気マニホールド内の濃度分布のシミュレーションにおいても、実施例２と同様にマニホールド内の濃度はほぼ均一であることが確認された。また実施例１と比較すると、金型製作費用の大幅な削減と、金型の組み換え変更時間などを含めた製作時間の大幅な短縮が達成された。

［実施例４］
実施例４では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す橋梁部にしたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、電極とマニホールドを連絡する部分６より下部に、幅１．５ｍｍの橋梁部を設けた。この橋梁部に、奥行き１．５ｍｍの矩形穴９Ｆを形成した（図７参照）。矩形穴９Ｆの長さを、２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍまたは８ｍｍとした。

そして、外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの橋梁部の矩形穴の長さを極小として、勾配をつけた。実施例４では、実施例２と比べて、封入済窒素と空気の入れ替わり時間が長くなるが、マニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。

［実施例５］
実施例５では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す突起部としたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁に、外側に向かう突起部９Ｇを形成した（図８参照）。突起部９Ｇの断面は、長軸１．５ｍｍ；短軸０．５ｍｍの楕円とした。楕円の長軸と積層方向のなす角度を、９０度、６０度、３０度、０度とした。

そして、外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの突起部の前記角度を極小として、勾配をつけた。

実施例５では、楕円断面を有する突起の整流作用により、実施例４のように封入済みの窒素と空気との入れ替わりの遅延が生じることなく、かつ実施例１よりもマニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。

［実施例６］
実施例６では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す橋梁部としたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、電極とマニホールドを連絡する部分６より下部に、橋梁部９Ｈを設けた（図９参照）。橋梁部９Ｈの断面を、長軸１．５ｍｍ；短軸０．５ｍｍの楕円として、幅を１．５ｍｍとした。楕円の長軸と、積層方向のなす角度を、９０度、６０度、３０度または０度とした。

実施例６では、楕円断面の突起の整流作用により、実施例５のように封入済窒素と空気との入れ替わりの遅延が生じることなく、かつ実施例１よりもマニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。さらに、実施例６では、実施例５と比べて、橋梁部の剛性が高く、枠体一体型ＭＥＡの成形後の変形が少なく、組立時におけるミスアライメントを防止することができた。

［実施例７］
実施例７では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す突起部にしたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁に、外側に向かう幅１．５ｍｍの突起部９Ｉを設けた（図１０を参照）。突起部９Ｉの先端にはパイプを形成し、そのパイプの外径を５ｍｍ、内径を３ｍｍ、長さを枠体一体型ＭＥＡとセパレータの厚さの合計（９ｍｍ）よりも約０．０５ｍｍ短くした。
このパイプの上面には矩形の穴９Ｌを設け、穴９Ｌの幅を３ｍｍ；長さを７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍまたは１ｍｍとした。

これらのパイプがほぼ接するように各電池セルを積層した。そして、外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの穴の長さを極小として、勾配をつけた。

実施例７では、パイプ穴９Ｊの分配作用により、実施例１よりも短時間で封入済窒素と空気とが入れ替わり、実施例１と同様にマニホールド内濃度分布がより均一になることが確認された。

［実施例８］
実施例８では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す橋梁部とすること以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、マニホールドと電極を連絡する部分６より下に、幅１．５ｍｍの橋梁部９Ｍを形成した（図１１を参照）。橋梁部９Ｍの中央部にはパイプを形成した。パイプの外径を５ｍｍ、内径を３ｍｍ、長さを枠体一体型ＭＥＡとセパレータの厚さの合計（９ｍｍ）よりも約０．０５ｍｍ短い長さとした。
このパイプの上面に矩形の穴９Ｌを設け、穴９Ｌの幅を３ｍｍ；長さを７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍまたは１ｍｍとした。

実施例８では、実施例６と同様に、パイプ穴９Ｊの分配作用により、実施例１よりも短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、かつ実施例１と同様にマニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。さらに実施例８においては、実施例７と比べて橋梁部の剛性が高く、枠体一体型ＭＥＡの成形後の変形が少なく、組立時においてミスアライメントを防止することができた。

［実施例９］
実施例９では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に示す突起部としたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、マニホールドと電極を連絡する部分６より下に、幅１．５ｍｍの突起部９Ｉを形成した（図１２を参照）。突起部９Ｉの先端にパイプを形成した。パイプの外径を５ｍｍ、内径を３ｍｍ、長さを枠体一体型ＭＥＡとセパレータの厚さの合計（９ｍｍ）よりも約０．０５ｍｍ短くした。パイプの下面に矩形の穴９Ｌを設けて、穴９Ｌの幅を３ｍｍ；長さを７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍまたは１ｍｍとした。

これらのパイプが接するように電池セルを積層した。そして、外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの穴の長さを極小として、勾配をつけた。

実施例９では、実施例６と同様にパイプ穴９Ｊの分配作用により、実施例１よりも短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、かつ実施例１と同様にマニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。さらに実施例９においては、実施例７と比べて、橋梁部より下に停留した気体を供給ガスの動圧で追い出す作用により、安定運転時において各電池セルに供給されるガス濃度変化が少なく、電圧の脈動を抑制でき、より安定した運転が可能であることが確認された。

［実施例１０］
実施例１０では、枠体一体型ＭＥＡのカソード側給気マニホールドの突起部を、以下に記載の橋梁部とすること以外は、実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。
マニホールド内壁の、マニホールドと電極を連絡する部分６より下に幅１．５ｍｍの橋梁部９Ｐを形成した（図１３を参照）。橋梁部９Ｐの中央にパイプを形成した。パイプの外径を５ｍｍ、内径を３ｍｍ、長さを枠体一体型ＭＥＡとセパレータの厚さの合計（９ｍｍ）より約０．０５ｍｍ短くした。このパイプの下面に矩形の穴９Ｌを設けた。穴９Ｌの幅を３ｍｍ；長さを７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍまたは１ｍｍとした。

これらのパイプがほぼ接するように電池セルを積層した。そして、外部からのガス供給配管入り口から、積層方向に向かって全積層体の４分の１の電池セルのマニホールドの穴の長さを極小として、勾配をつけた。

実施例１０では、実施例６と同様にパイプ穴９Ｊの分配作用により、実施例１よりも短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、かつ実施例１と同様にマニホールド内の濃度分布がより均一になることが確認された。
さらに実施例１０においては、実施例８と比べて、橋梁部より下に停留した気体を供給ガスの動圧で追い出す作用により、安定運転時において各電池セルに供給されるガス濃度変化が少なく、電圧の脈動を抑制でき、より安定した運転が可能であることが確認された。

［実施例１１］
実施例１１の枠体一体型ＭＥＡの枠体を、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂を原料として、射出成形法を用いて形成した。金型内への樹脂注入位置（ゲート）を、カソード側給気マニホールドの内壁から外側に向かって突出する突起部９Ｒ（幅１．５ｍｍ）の先端に形成される円柱（直径５ｍｍ）の底面に対応させた（図１４を参照）。残留するゲート９Ｓの高さと、円柱の高さｈ１との合計を、枠体一体型ＭＥＡの枠体３の厚さと、セパレータ（図１４に図示せず）の厚さとの合計（９ｍｍ）よりも小さくした。

金型内への樹脂注入位置を突起部９Ｒの先端とすることにより、残留ゲートを除去する工程が不要となり、工程数と製作時間を短縮できた。また、実施例１１によって作製された枠体一体型ＭＥＡに、中央のパイプ穴と噴出し用矩形穴を形成して、実施例７または９（図１０または１２を参照）の枠体一体型ＭＥＡを作製することもできる。

［実施例１２］
実施例１２の枠体一体型ＭＥＡでは、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂を原料として、射出成形法を用いて形成した。金型内への樹脂注入位置（ゲート）を、カソード側給気マニホールドの内壁の、マニホールドと電極を連絡する部分６より下の部位に形成された橋梁部９Ｔ（幅１．５ｍｍ）の中央部の円柱（直径５ｍｍ）の底面に対応させた（図１５を参照）。残留するゲート９Ｓの高さと、円柱の高さｈ１との合計を、枠体一体型ＭＥＡの枠体３の厚さと、セパレータ（図１４に図示せず）の厚さとの合計（９ｍｍ）よりも小さくした。

金型内への樹脂注入位置を橋梁部９Ｔの中央部とすることにより、残留ゲートを削除する工程が不要となり、工程数と製作時間を短縮できた。また、実施例１２によって作製された枠体一体型ＭＥＡに、中央のパイプ穴と噴出し用矩形穴を形成して、実施例８または１０（図１１または１３を参照）の枠体一体型ＭＥＡを作製することもできる。

以上の実施例において、カソード側給気マニホールドに突起部や橋梁部を形成したが、アノード側給気マニホールドに同様の突起部や橋梁部を形成しても、両方の給気マニホールドに形成してもよい。燃料電池を起動させる時や、燃料ガス流量の変更が必要とされる出力変更時に、ガスの入れ替えを短時間でおこなうことができる。

本発明の高分子電解質型燃料電池スタックによれば、積層される全ての電池セルへ、定常運転時に均一なガスを供給できるだけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡状態の運転時においても、短時間で均一なガスを供給できる。したがって、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制できるため、燃料電池の信頼性を向上することができる。この燃料電池は家庭用コージェネレーションシステムや自動車用燃料電池への応用が好適であると考えられる。

２００５年１１月２５日出願の特願２００５−３３９９４４の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、全て本願に援用される。

Claims

直列に積層された複数の燃料電池セルを含む固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、高分子電解質膜；前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極；前記燃料極に接しており、かつ燃料ガスが流れる流路を有するセパレータ、および酸素極に接しており、かつ酸化剤ガスが流れる流路を有するセパレータからなる一対のセパレータ；前記燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに前記酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドを含み、
前記給気マニホールドまたは排気マニホールドの少なくとも一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部または橋梁部によって、互いに連通する前記セパレータ流路との接続空間と、もう一方の空間とに分割されており、
前記突起部または橋梁部は、前記セパレータ流路との接続空間へのガス流入を制御しており、かつ前記ガス流入の制御は、前記積層された複数の燃料電池セルそれぞれについて一定でなく、積層方向の両端部の燃料電池セルと比べて、内部層の燃料電池セルにおいてガス流入が最もしにくく制御されている、燃料電池スタック。
前記ガス流入が最もしにくく制御されている燃料電池セルは、積層された燃料電池セルのうち、外部からのガス供給側から、全積層セルのうち半分以下に位置する内部層の燃料電池セルである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記燃料ガスが流れる流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに前記酸化剤ガスが流れる流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが、枠体に成形され、
前記枠体に、前記高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極が収められている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記枠体には、さらに前記セパレータ流路を外部から密閉するためのシール材が一体的に成形されている、請求項３に記載の燃料電池スタック。
前記積層された複数の燃料電池セルの、それぞれのマニホールドのセパレータ流路との接続空間は、互いに連通している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記マニホールドのセパレータ流路との接続空間が、前記もう一方の空間よりも重力方向に対して上位になるように配置される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記突起は、前記燃料電池セルの外周側から電極側へ向かっている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部の大きさは一定でなく、内部層の燃料電池セルの突起部または橋梁部の大きさが最大である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部の高さは一定でなく、内部層の燃料電池セルの突起部の高さが最大である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部は板状の整流板であり、
当該整流板それぞれの角度は一定でなく、内部層の燃料電池セルの整流板の長軸方向と燃料電池セルの積層方向との角度が最小である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記積層された複数の燃料電池セルのそれぞれに含まれる突起部または橋梁部の一部は他の部分よりも積層方向に厚く、かつ前記一部は側方に吹き出し口を有する環状構造であり、
前記一部同士が密着して配管を形成しており、前記形成された配管に外部からのガス供給配管が接続され、
前記吹き出し口それぞれの面積は一定でなく、内部層の燃料電池セルの吹き出し口の面積が最小である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記吹き出し口は、前記セパレータ流路との接続空間とは反対の方向を向いている、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極を収容し、
燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが成形された枠体であって、
前記給気または排気マニホールドの少なくともいずれか一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部によって、前記セパレータ流路との接続空間ともう一方の空間とに分割されており、
前記突起部は１または２以上の切り込みを有し、前記切り込みにおいて切断可能である枠体。
高分子電解質膜；ならびに前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および酸素極からなる一対の電極を収容し、
燃料ガスが流れるセパレータ流路に燃料ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールド；ならびに酸化剤ガスが流れるセパレータ流路に酸化剤ガスを給気する給気マニホールド、および排気する排気マニホールドが成形された枠体であって、
前記給気または排気マニホールドの少なくとも一の内部空間は、その内壁に設けられた突起部または橋梁部によって、前記セパレータ流路との接続空間ともう一方の空間とに分割されている枠体の製造方法であって、
ゲートを通して金型に樹脂を注入して射出成形するステップを含み、前記ゲートを前記突起部または橋梁部に設ける、前記枠体の製造方法。