(57)【要約】  イオン導電性の高分子電解質膜１２と、高分子電解質膜１２の一方側に配置されるアノード１４と、高分子電解質膜１２の他方側に配置されるカソード１６と、冷媒用流路６０が形成された導電性のセパレータ２２とを備える単電池１０を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、単電池１０それぞれに着脱可能に設けられた複数の冷媒用マニホールド６２を有する。各単電池１０の冷媒用マニホールド６２は、他の単電池１０の冷媒用マニホールド６２に連結可能であって、且つ一方側に連結する冷媒用マニホールド６２と他方側に連結する冷媒用マニホールド６２とを流体接続する主流路６２ｃと、主流路６２ｃとセパレータ２２の流路６０とを流体接続する副流路６２ｄとを備える。
2012114668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性の高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方側に配置されるアノードと、高分子電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒用流路が形成された導電性のセパレータとを備える単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、
単電池それぞれに着脱可能に設けられた複数の冷媒用マニホールドを有し、
各単電池の冷媒用マニホールドは、他の単電池の冷媒用マニホールドに連結可能であって、且つ一方側に連結する冷媒用マニホールドと他方側に連結する冷媒用マニホールドとを流体接続する、単電池の積層方向に延びる主流路と、主流路とセパレータの冷媒用流路とを流体接続する副流路とを備える、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
冷媒用マニホールドが、主流路を形成する主流路部と、副流路を形成して且つ単電池の積層方向の厚さが主流路部に比べて小さい副流路部とから構成され、
冷媒用マニホールドの副流路部を積層された単電池が挟持できるように、単電池に冷媒用マニホールドの副流路部が収容されるスペースが形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
冷媒用マニホールドの副流路と単電池の冷媒用流路とが単電池の積層方向に流体接続するにように、副流路が副流路部内で屈曲している、請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
冷媒用マニホールドの主流路のシール面と副流路のシール面とが、単電池の積層方向と直交する平面で構成されている、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
冷媒用マニホールドの副流路のシール面が、単電池の積層方向と交差し、主流路部側から下方向に傾斜する傾斜面で構成されている、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
冷媒用マニホールドが、絶縁材料から作製されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
冷媒用マニホールドと単電池とに、冷媒用マニホールドをセパレータに対して位置決め固定するための互いに係合する位置決め部が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
主流路のシール面に設けられる主流路用シールと
副流路のシール面に設けられる副流路用シールとを有し、
主流路用シールが、副流路用シールに比べて反発力が小さい材料で作製されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単電池から熱を回収する冷媒が流れるマニホールドを単電池と別体に備えた高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高分子電解質型燃料電池（以下、「燃料電池」と称する）は、水素を含有する燃料ガスと、空気など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、電力と熱とを同時に発生させるものである。なお、燃料ガスと酸化剤ガスは、反応ガスと呼ばれることもある。【０００３】
また、燃料電池は、単電池（セル）を複数積層して構成される。その単電池は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜と、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、且つ高分子電解質膜の両面に形成された触媒反応層と、反応ガスを通気するとともに電子導電性を備える例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどからなり、且つ触媒反応層上に形成された拡散層とを備える。この触媒反応層と拡散層とが電極を構成する。なお、燃料ガスが供給される電極はアノード（燃料極）と呼ばれ、酸化剤ガスが供給される電極はカソード（酸素極）と呼ばれている。また、高分子電解質膜と電極とからなる構成体は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ばれている。【０００４】
さらに、単電池は、カーボン材料や金属材料から作製された導電性のセパレータを有する。セパレータには、電極に反応ガスを供給する反応ガス用流路が形成されている。セパレータはまた、単電池から発生した熱を回収する冷媒が流れる冷媒用流路が形成されている。このような流路は、セパレータの表面に形成された溝で構成されるのが一般的である。【０００５】
燃料電池の各単電池の反応ガス用流路や冷媒用流路に対して反応ガスや冷媒を供給するために、流路と流体接続するマニホールドが設けられる。【０００６】
例えば、特許文献１に記載の燃料電池の場合、図１１に示すように、単電池の積層体（スタック）１００の側面（積層方向と平行な面）にマニホールド１０２が、取り付けられる。スタック１００の側面には、各単電池の反応ガス流路や冷媒用流路に連絡する複数の開口１０４が設けられ、マニホールド１０２は反応ガスや冷媒を対応する開口１０４を介して対応する流路に供給する。また、図示してはいないが、各単電池の流路とマニホールド１０２との間を流体密に流体接続するためのシール部材、すなわち反応ガスや冷媒の外部への漏出を防ぐ、また反応ガスと冷媒との混合を防ぐためのシール部材が配置されている。このように、単電池（スタック１００）と別体に設けられるマニホールド１０２は外部マニホールドと呼ばれる。【０００７】
このような外部マニホールドと異なり、内部マニホールドと呼ばれるものがある。内部マニホールドは、例えば特許文献２および３に記載の燃料電池のように、単電池のスタック内に形成される。例えば、各単電池には冷媒流路と連絡する貫通穴が形成されており、各単電池の貫通穴同士は、単電池が積層されると、流体密に流体接続する。これにより、複数の単電池を貫通する冷媒の流路、すなわち冷媒ガス用の内部マニホールドが形成される。反応ガス用の内部マニホールドも同様にして形成される。【０００８】
例えば、図１２に示すように、１つのセパレータ２００に、冷媒用の貫通穴２０２、酸化剤ガス用の貫通穴２０４、および燃料ガス用の貫通穴２０６が設けられる。セパレータ２００には、冷媒が流れる流路（溝）２０８が形成されており、流路２０８は冷媒用の貫通穴２０２と連絡している。なお、冷媒が外部に漏れないように、また酸化剤ガス用貫通穴２０４や燃料ガス用貫通穴２０６からの酸化剤ガスや燃料ガスが流入しないように、冷媒用貫通穴２０２と流路２０８とを囲むシール部材２１０が設けられている。なお、酸化剤ガスや燃料ガスについても同様にシール部材が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−０９３５６３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３９７８８号公報
【特許文献３】特表２０１０−５３２０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池の場合、外部マニホールド１０２を単電池の積層体（スタック１００）の側面にシール部材を介して取り付ける構造であるため、スタック１００の側面の凹凸によってシール部材とスタック１００との間から反応ガスや冷媒が漏れ出る可能性がある。具体的には、スタック１００は寸法誤差を含むセパレータなどの板形状部材を複数積層した構造であるため、スタック１００の側面は、シール部材との密着性が高い平面になりにくい。それに加えて、複数のセパレータなどの板形状部材が異なる熱膨張をするため、一部のセパレータとシール部材との間に隙間が生じることがある。したがって、単電池の流路と外部マニホールド１０２との間の流体密な流体接続に対する信頼性が低い。【００１１】
また、上述のような外部マニホールド１０２の場合、複数の単電池の中から特定の単電池（例えば不良の単電池）を交換する場合、外部マニホールド１０２とシール部材とをスタック１００から外す必要がある。すなわち、特定の単電池を交換する度に、全ての単電池の流路と外部マニホールド１０２との間の流体接続を解除する必要がある。また、実質的には、各単電池の流路と外部マニホールドとの間の流体密な流体接続を同時に行う構造であるため、１つの単電池の流路と外部マニホールドとの間で接続不良が生じると、全てが不良とされる。その結果、単電池の交換などの燃料電池のメンテナンス時間が長期化したり、燃料電池の製造時間が長くなる。【００１２】
したがって、各単電池の流路と外部マニホールドとを流体密に（シール部材を介して）流体接続する場合、各単電池と外部マニホールドとの間を良好に流体密に流体接続するのに時間がかかるという問題が存在する。【００１３】
一方、特許文献２および３に記載する燃料電池の内部マニホールドの場合、特定の単電池を交換する場合、他の単電池の流路とマニホールドとの間の流体接続は解除されることがない。しかしながら、冷媒用の内部マニホールドが設けられる場合、内部マニホールド内の冷媒によって単電池のセパレータが電流腐食される可能性がある。具体的には、１つ以上の単電池を介在して離れた２つの単電池の間で、内部マニホールド内の冷媒を介して短絡が生じ、高電位側の単電池のセパレータが電流腐食される。【００１４】
セパレータの電流腐食が進行すると、セパレータに穴が開き、その穴を介して燃料ガスと酸化剤ガスが混合する可能性がある。その結果、電気化学反応が阻害されてイオン伝導性が低下し、電池の出力が低下する。この対処として、イオン交換器によって冷媒の電気伝導率を低く維持することやセパレータに絶縁体のコーティングを施すことが考えられるが、当然ながら燃料電池の製造コストや維持コストが高くなる。【００１５】
また、シール部材と接触するセパレータの部分に電流腐食が進行すると、セパレータとシール部材との間のシール性が低下し、シール性が低下した部分から冷媒が外部に漏れ出る可能性がある。その結果、冷媒による冷却が不足して電池の温度が上昇し、電池の出力が低下する。この対処として、セパレータに設けられた冷媒用の貫通穴とシール部材との距離を拡大することが考えられるが、その場合、セパレータが大型化する、すなわち燃料電池が大型化する。【００１６】
特に、セパレータが金属材料から作製されている場合、セパレータから冷媒内に金属イオンが溶出するため、冷媒の電気伝導率が上昇し、それによりセパレータが加速的に電流腐食する。【００１７】
したがって、冷媒用の内部マニホールドが設けられる場合、燃料電池の寿命が短くなる可能性がある。【００１８】
そこで、本発明は、上述の問題を鑑みて、単電池それぞれの冷媒用流路と冷媒用マニホールドとを短時間で良好に流体密に流体接続でき、また冷媒用マニホールド内の冷媒による寿命の低下を抑制することができる構造の高分子電解質型燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００２０】
本発明の態様によれば、イオン導電性の高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方側に配置されるアノードと、高分子電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒用流路が形成された導電性のセパレータとを備える単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、単電池それぞれに着脱可能に設けられた複数の冷媒用マニホールドを有し、各単電池の冷媒用マニホールドは、他の単電池の冷媒用マニホールドに連結可能であって、且つ一方側に連結する冷媒用マニホールドと他方側に連結する冷媒用マニホールドとを流体接続する、単電池の積層方向に延びる主流路と、主流路とセパレータの冷媒用流路とを流体接続する副流路とを備える、高分子電解質型燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複数の冷媒用マニホールドが単電池それぞれに着脱可能に設けられ、また各単電池に設けられた冷媒用マニホールド同士が連結可能であるため、１つの単電池が不良であっても、他の単電池の冷媒用流路と対応する冷媒用マニホールドとの間の流体接続を解除する必要がない。したがって、単電池それぞれの冷媒用流路と対応する冷媒用マニホールドとを短時間で良好に流体密に流体接続することができる。また、マニホールドが単電池に対して着脱可能であること（すなわち別体であること）により、セパレータを貫通する内部マニホールドとして単電池内に冷媒用マニホールドが設けられる場合に比べて、冷媒用マニホールド内の冷媒によるセパレータの電流腐食を抑制することができ、高分子電解質型燃料電池が長寿命化する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】本発明の一実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の単電池の上面図
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図
【図３】カソード側に配置されるセパレータの該カソードと対向する表面を示す該セパレータの上面図
【図４】アノード側に配置されるセパレータの該アノードと対向する表面と反対側の表面を示す該セパレータの上面図
【図５】冷媒用マニホールドを取り外した状態の単電池の部分断面図
【図６】別の実施の形態に係る、冷媒用マニホールドを取り外した状態の単電池の一部を示す断面図
【図７】冷媒用マニホールドが内部マニホールドである比較例の高分子電解質型燃料電池の部分断面図
【図８】実施例と比較例の冷媒マニホールド内の腐食電流の分布を示す図
【図９】実施例と比較例の腐食電流密度値を示す図
【図１０】さらに別の実施の形態に係る、冷媒用マニホールドを取り外した状態の単電池の一部を示す断面図
【図１１】従来の外部マニホールド構造の高分子電解質型燃料電池を示す図
【図１２】従来の内部マニホールド構造の高分子電解質型燃料電池の単電池のセパレータの上面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態に係る高分子電解質型燃料電池（以下、「燃料電池」と称する）について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を構成する単電池（セル）の上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った単電池の断面図である。
【００２５】
本発明の一実施形態に係る燃料電池は、図１や図２に示す単電池１０を複数積層してなる、単電池の積層体を有する。
【００２６】
燃料電池は、簡単に説明すると、１０〜２００個の単電池の積層体（スタック）の積層方向の外側に、導電性の金属材料から作製された集電板を有し、さらに集電板それぞれの外側に絶縁性の絶縁板を有し、さらに絶縁板それぞれの外側に機械的強度に優れた金属材料から作製された端板を有する。端板によって単電池のスタック、集電板、および絶縁板を挟んだ状態で、これらを締結ボルトで積層方向に締結することにより、燃料電池が構成される。なお、後述する高分子電解質膜とセパレータとの接触抵抗を低減するために、また高分子電解質膜やセパレータとシール部材との間を良好にシールするために、締結ボルトによる積層方向の締結力は、一般的には１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２にされる。なお、場合によっては、スプリングを使用して必要な締結力を得ることもある。
【００２７】
単電池１０は、図２に示すように、高分子電解質膜１２、電極（アノード）１４、および電極（カソード）１６からなるＭＥＡ（電極電解質膜接合体）を支持する枠形状のＭＥＡ支持体１８と、導電性の２つのセパレータ２０，２２とを積層して構成されている。
【００２８】
単電池１０の高分子電解質膜１２は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂から作製されている。
【００２９】
アノード１４およびカソード１６それぞれは、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、且つ高分子電解質膜１２の両面に形成された触媒反応層と、反応ガスを通気するとともに電子導電性を備える例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどからなり、且つ触媒反応層上に形成された拡散層とから構成されている。なお、アノード１４は燃料ガスが供給される側であり、カソードは酸化剤ガスが供給される側である。
【００３０】
セパレータ２０は、反応ガスに対して高いガス気密性を備え、また導電性に優れ、さらに酸化還元反応に対する耐酸性を備える材料、例えばカーボンや金属材料から作製されている。セパレータ２０はまた、カソード１６に酸化剤ガスを供給するために、カソード１６と対向する表面に、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路２４を備える。なお、酸化剤ガス流路２４は、切削加工によってまたはプレス加工によって作製される。
【００３１】
酸化剤ガス流路２４に対して酸化剤ガスを供給するマニホールドと、酸化剤ガス流路２４から酸化剤ガスを回収するマニホールドは、単電池１０の積層体内に構成されている。なお、本明細書で言う「マニホールド」は、１つの流れを複数の流れに分流させるための、または複数の流れを１つの流れに合流させるための流路を構成するものを言う。
【００３２】
具体的には、酸化剤ガス流路２４に対して酸化剤ガスを供給するマニホールドは、図１に示すようにＭＥＡ支持体１８に形成された貫通穴２６ａと、セパレータ２０の上面図である図３に示すように該セパレータ２０に形成された貫通穴２８ａと、セパレータ２２の上面図である図４に示すように該セパレータ２２に形成された貫通穴３０ａとが流体密に流体接続することにより（すなわち単電池１０の積層方向に重なることにより）構成される。
【００３３】
また、酸化剤ガス流路２４から酸化剤ガス（反応に使用されずに残った酸化剤ガス）を回収するマニホールドは、ＭＥＡ支持体１８に形成された貫通穴２６ｂと、セパレータ２０に形成された貫通穴２８ｂと、セパレータ２２に形成された貫通穴３０ｂとが流体密に流体接続することにより（すなわち単電池１０の積層方向に重なることにより）構成される。
【００３４】
セパレータ２０の酸化剤ガス流路２４は、図３に示すように、反応ガス供給用マニホールドの一部を構成する貫通穴２８ａから反応ガス回収用マニホールドの一部を構成する貫通穴２８ｂへと蛇行しながら延びている。
【００３５】
なお、ＭＥＡ支持体１８には、酸化剤ガス供給用マニホールドから外部への酸化剤ガスの漏出を防止するまたは酸化剤ガス供給用マニホールドへの燃料ガスや冷媒の流入を防ぐリング状のシール３２ａが、貫通穴２６ａを囲むように設けられている。シール３２ａは、ＭＥＡ支持体１８とセパレータ２２との間に挟まれることにより、ＭＥＡ支持体１８とセパレータ２２との間をシールする。なお、シール３２ａは、シール層としてＭＥＡ支持体１８の表面に一体的に形成されてもよいし、ＭＥＡ支持体１８に形成された溝に圧入されてもよい。
【００３６】
酸化剤ガス供給用マニホールドに関連して、シール３２ａと同様に、図３に示すように貫通穴２８ａ，２８ｂと酸化剤ガス流路２４とを囲むシール３４がセパレータ２０に設けられ、図４に示すように貫通穴３０ａを囲むシール３６ａがセパレータ２２に設けられる。また、同様に、酸化剤ガス回収用マニホールドに関連して、図１に示すように貫通穴２６ｂを囲むシール３２ｂがＭＥＡ支持体１８に設けられ、図４に示すように貫通穴３０ｂを囲むシール３６ｂがセパレータ２２に設けられる。
【００３７】
セパレータ２２は、セパレータ２０と同様の材料、例えばカーボンや金属材料から作製されている。セパレータ２０はまた、図２に示すように、燃料ガスをアノード１４に供給するために、アノード１４と対向する表面に、燃料ガスが流れる燃料ガス流路４０を備える。なお、燃料ガス流路４０も、酸化剤ガス流路２４と同様に、切削加工またはプレス加工によって作製される。
【００３８】
燃料ガス流路４０に対して燃料ガスを供給するマニホールドは、図１に示すようにＭＥＡ支持体１８に形成された貫通穴４２ａと、図３に示すようにセパレータ２０に形成された貫通穴４４ａと、図４に示すようにセパレータ２２に形成された貫通穴４６ａとが流体密に流体接続することにより（すなわち単電池１０の積層方向に重なることにより）構成される。
【００３９】
また、燃料ガス流路４０から燃料ガス（反応に使用されずに残った燃料ガス）を回収するマニホールドは、ＭＥＡ支持体１８に形成された貫通穴４２ｂと、セパレータ２０に形成された貫通穴４４ｂと、セパレータ２２に形成された貫通穴４６ｂとが流体密に流体接続することにより（すなわち単電池１０の積層方向に重なることにより）構成される。
【００４０】
セパレータ２２の燃料ガス流路４０は、図示されていないが、反応ガス供給用マニホールドの一部を構成する貫通穴４６ａから反応ガス回収用マニホールドの一部を構成する貫通穴４６ｂへと蛇行しながら延びている。
【００４１】
なお、燃料ガス供給用マニホールドに関連して、図１に示すように貫通穴４２ａ，４２ｂ、アノード１４を囲むシール４８がＭＥＡ支持体１８に設けられ、図３に示すように貫通穴４４ａを囲むシール５０ａがセパレータ２０に設けられ、図４に示すように貫通穴４６ａを囲むシール５２ａがセパレータ２２に設けられる。同様に、燃料ガス回収用マニホールドに関連して、図３に示すように貫通穴４４ｂを囲むシール５０ｂがセパレータ２０に設けられ、図４に示すように貫通穴４６ｂを囲むシール５２ｂがセパレータ２２に設けられる。
【００４２】
セパレータ２２はまた、図２や図４に示すように、単電池１０から発生した熱を回収する冷媒が流れる冷媒流路６０を、セパレータ２０と対向する表面に備える。
【００４３】
ただし、冷媒用マニホールドは、酸化剤ガスや燃料ガス用のマニホールドとは異なり、単電池１０の内部に構成されておらず、単電池１０と着脱可能に構成されている。
【００４４】
図１や図２に示すように、冷媒用マニホールド６２は、図１１に示す従来の燃料電池のような単電池の積層体（スタック）に対して１つ設けられるマニホールドと異なり、各単電池１０に対して設けられている。単電池１０それぞれには、冷媒供給用と冷媒回収用として、２つの冷媒用マニホールド６２が設けられている。
【００４５】
冷媒用マニホールド６２は、図２に示すように、冷媒が通過する流路として、一方側に連結する冷媒用マニホールド６２から他方側に連結する冷媒用マニホールド６２とを流体接続するメイン流路（主流路）６２ｃと、メイン流路６２ｃとセパレータ２２の冷媒流路６０とを流体接続するサブ流路（副流路）６２ｄとを備えている。
【００４６】
冷媒用マニホールド６２はまた、単電池１０に対して着脱可能に収容されるように構成されている。具体的には、冷媒用マニホールド６２は、図１に示すように単電池１０の積層方向に見た場合には四角形状であって、図２に示すように積層方向に対して直交する方向（特定の一方向）に見た場合には「Ｌ」字形状のブロック体で構成されている。具体的には、冷媒用マニホールド６２は、主流路６２ｃを形成し、厚さ（単電池１０の積層方向厚さ）が単電池１０の厚さとほぼ同一の主流路部６２ｈと、副流路６２ｄを形成し、厚さが単電池１０の厚さに比べて小さい副流路部６２ｉから構成されている。
【００４７】
主流路部６２ｈと副流路部６２ｉとから構成されている「Ｌ」字形状の冷媒用マニホールド６２を収容するスペースを、単電池１０は備える。単電池１０のＭＥＡ支持体１８、セパレータ２０、およびセパレータ２２が、冷媒用マニホールド６２と対応する形状の切り欠き６４、６６、および６８とを備える。具体的には、図２に示すように冷媒用マニホールド６２の副流路部６２ｉが単電池１０に挟持されるように、また、図１に示すように冷媒用マニホールド６２を単電池１０の輪郭からはみ出ることなく収容できるように、切り欠き６４，６６，および６８は形成されている。これにより、冷媒用マニホールド６２が取り付けられた単電池１０は、概ね直方体形状となる。図２に示すように、冷媒用マニホールド６２の副流路部６２ｉが積層された単電池１０に挟持されるため、冷媒用マニホールド６２が対応する単電池１０から脱落することが抑制される。
【００４８】
また、冷媒用マニホールド６２が取り外された状態の単電池１０の一部を示す図５に示すように、冷媒用マニホールド６２は、単電池１０のセパレータ２０に対して着脱可能に位置決め固定される。具体的には、セパレータ２０には、図３に示すように、冷媒用マニホールド６２と流体接続するためのシール面２０ａが形成されている。このシール面２０ａは、単電池１０の積層方向と直交する平面で構成されている。また、そのシール面２０ａには、位置決めするための位置決め部として２つの位置決め穴２０ｂが形成されている。そのセパレータ２０のシール面２０ａと流体密に係合する冷媒用マニホールド６２のシール面６２ａは、副流路部６２ｉに形成されている。また、シール面６２ａに、位置決め穴２０ｂに挿入される突起部６２ｂが形成されている。なお、このシール面６２ａは、単電池１０の積層方向と直交する平面で構成されており、冷媒用マニホールド６２が単電池１０に収容されたとき、セパレータ２０のＭＥＡ側の面とセパレータ２２側の面との間に位置する。
【００４９】
さらに、冷媒用マニホールド６２は、他の冷媒用マニホールド６２に対しても着脱可能に連結できるように構成されている。図２に示すように、２つの単電池１０のうちの一方に取り付けられている冷媒用マニホールド６２は、他方の単電池１０に取り付けられている冷媒用マニホールド６２と、単電池１０の積層方向に連結するように構成されている。
【００５０】
冷媒用マニホールド６２はまた、図５に示すように、冷媒用マニホールド６２同士を流体接続するためのシール面６２ｇを備える。シール面６２ｇは、主流路部６２ｈの単電池１０の積層方向両端それぞれに形成されている。シール面６２ｇは、単電池１０の積層方向と直交する平面で構成されている。
【００５１】
上述したように、冷媒用マニホールド６２の主流路部６２ｈに形成されたシール面６２ｇ、単電池１０に形成されたシール面２０ａ、および副流路部６２ｉに形成されたシール面６２ａが単電池１０の積層方向と直交する平面で構成される。そのため、単電池１０を積層方向に締結することにより、冷媒用マニホールド６２のシール面６２ｇと単電池１０のシール面２０ａとを流体密に係合させることができるとともに、冷媒用マニホールド６２のシール面６２ｇ同士を流体密に係合させることができる。したがって、図１１に示す従来例のように、１つの冷媒用マニホールドを、単電池の積層方向と直交する方向に単電池のスタックに取り付ける場合に比べて、単電池の積層ズレ（積層方向と直交する方向のズレ）が生じにくい。
【００５２】
なお、冷媒用マニホールド６２のシール面６２ａ、６２ｇと、単電池１０のシール面２０ａは、単電池１０の積層方向と直交する平面に限らず、積層方向と交差する平面であってもよい。好ましくは、図１０に示すように、冷媒用マニホールド６２のシール面６２’は、主流路部６２ｈ側から下方向に傾斜する傾斜面で構成される。また、単電池１０のシール面２０ａ’も、冷媒用マニホールド６２のシール面６２ａ’と流体密に係合する傾斜面で構成される。これにより、２つの単電池１０に挟持される冷媒用マニホールド６２は、対応する単電池１０からより脱落し難くなる。
【００５３】
なお、ＭＥＡ支持体１８の切り欠き６４、セパレータ２０の切り欠き６６、またはセパレータ２２の切り欠き６８の少なくとも１つと冷媒用マニホールド６２との間のクリアランスを小さくし、冷媒用マニホールド６２が単電池１０に嵌合される構造にしてもよい。この場合、位置決め穴２０ｂと突起部６２ｂとを省略することができる。
【００５４】
図２や図５に示すように、冷媒用マニホールド６２のメイン流路６２ｃは、単電池１０の積層方向（冷媒用マニホールド６２の連結方向）に延びており、隣接する冷媒用マニホールド６２のメイン流路６２ｃとシール面６２ｇを介して流体密に流体接続する。メイン流路６２ｃ同士が流体密に接続するために、図１に示すように、メイン流路６２ｃの開口を囲むリング状のシール７０がシール面６２ｇに設けられている。シール７０も、他のシールと同様に、シール層として冷媒用マニホールド６２に一体的に形成されてもよいし、または図６に示すようにリング状シール７０’を冷媒用マニホールド６２に形成された溝６２ｅに圧入して設けてもよい。
【００５５】
図２や図５に示すように、冷媒用マニホールド６２のサブ流路６２ｄは、メイン流路６２ｃからシール面６２ａに連絡されている（シール面６２ａにサブ流路６２ｄの開口が形成されている）。このサブ流路６２ｄと流体密に流体接続する流路２０ｃがセパレータ２０に形成されている。サブ流路６２ｄと流路２０ｃとを流体密に流体接続するために、図５に示すように、サブ流路６２ｄの開口を囲むリング状のシール７２がシール面２０ａに設けられている。シール７２も、シール７０と同様に、シール層として冷媒用マニホールド６２に一体的に形成されてもよいし、または図６に示すようにリング状シール７２’を冷媒用マニホールド６２に形成された溝６２ｆに圧入して設けてもよい。
【００５６】
なお、図２に示すように、冷媒用マニホールド６２は、セパレータ２０に形成された流路２０ｃを介して、セパレータ２２に形成された冷媒流路６０に流体接続されている。しかしながら、セパレータ２０を介さずに、冷媒用マニホールド６２とセパレータ２２に形成された冷媒流路６０とを直接的に流体接続するように単電池１０を構成することは可能であり、その構成は当業者であれば明らかであり、さらにはそのような構成も本発明の範囲に含まれる。
【００５７】
このような構成により、セパレータ２０、２２の冷媒流路６０の両端を冷媒用マニホールド６２によって単電池１０の積層方向に押圧し、冷媒漏れを抑えることができる。すなわち、ＭＥＡ部分に必要以上の圧力を加える必要がない。
【００５８】
また、冷媒用マニホールド６２の主流路６２ｃのシール７０を、副流路６２ｄのシール７２に比べて反発力が小さい材料（低弾性の材料）で作製するのが好ましい。シール７０は外部から視認可能であるため、シール７０が良好にシールしていることを視認できれば、シール７０に比べて反発力が大きいシール７２も良好にシールしているとみなすことができる。
【００５９】
また、詳細は後述するが、冷媒用マニホールド６２を流れる冷媒によるセパレータ２０，２２の電流腐食を抑制するために、サブ流路６２ｄの流路断面積（冷媒の流れ方向と直交する断面の面積）は、メイン流路６２ｃの流路断面積に比べて小さくするのが好ましい。加えて、サブ流路６２ｄは、セパレータ２２の冷媒流路６０に対して単電池１０の積層方向に流体接続するのが好ましい。これにより、図２に示すように、サブ流路６２ｄは屈曲形状を含み、セパレータ２２の冷媒流路６０に対して、単電池１０の積層方向と直交する方向に流体接続する場合に比べて、流路長が長くなる。言い換えると、燃料電池全体のサイズを大きくすることなく、サブ流路６２ｄを長くすることができる。このように、サブ流路６２ｄを構成することにより、冷媒の電気抵抗が高くなり、セパレータ２０，２２の電流腐食を抑制することができる。
【００６０】
また、サブ流路６２ｄがセパレータ２２の冷媒流路６０に対して単電池１０の積層方向に流体接続する場合、副次的な効果が存在する。すなわち、複数の単電池１０を積層して締結する締結力（例えば、１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２）が単電池１０の積層方向に作用しているため、この締結力を、冷媒用マニホールド６２のシール面６２ａとセパレータ２０のシール面２０ａとの流体密な係合に利用することができる。すなわち、冷媒用マニホールド６２と単電池１０との流体密な（シール部材７２を介する）流体接続を維持する手段を別途設ける必要がなくなる。
【００６１】
加えてまた、冷媒用マニホールド６２は、冷媒が水などの導電性を有する流体である場合、樹脂などの非導電性材料から作製されるのが好ましい。冷媒が導電性である場合、少なくとも１つの単電池１０を介在して離れる２つの単電池１０間で、冷媒を介する短絡が生じる。このとき、冷媒用マニホールド６２が金属材料から作製されている場合、冷媒用マニホールド６２が電流腐食される。したがって、電流腐食を抑制するためには、冷媒用マニホールド６２は、非導電性材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ガラス入りポリプロピレン樹脂（ＰＰＧ）、フェノール樹脂などの材料から作製されるのが好ましい。
【００６２】
なお、冷媒用マニホールド６２が金属材料から作製される場合、電流腐食の対策として、絶縁体をコーティングする、または、マニホールドの機能にほとんど影響を与えない冷媒の流路内の位置に、電流腐食が集中して起こるような突起部や他の金属部材を設けてもよい。
【００６３】
また、冷媒を介する電流腐食に関連して、シール７０，７２も非導電性材料が好ましい。シール７０，７２は、弾性も必要であることから、例えば、ポリイソブチレン系樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、エラストマーなどの材料から作製されるのが好ましい。
【００６４】
なお、冷媒用マニホールド６２に一体的にシール７０，７２を設ける場合、接合性を考慮して材料を選択する必要がある。例えば、冷媒用マニホールド６２がガラス入りポリプロピレン樹脂（ＰＰＧ）である場合、シール７０，７２はエラストマー材料が適している。
【００６５】
このように、図１１に示すように燃料電池（単電池のスタック）に対して１つの冷媒用マニホールドを設けるのではなく、スタックを構成する各単電池１０に冷媒用マニホールド６２を設け且つその冷媒用マニホールド６２を単電池１０と着脱可能にすることにより、例えば、故障や不良を原因として一つの単電池１０を交換する場合、他の単電池１０の冷媒流路６０と対応する冷媒用マニホールド６２との間の流体接続を解除する必要がなくなる。
【００６６】
例えば、交換対象の単電池１０の両側それぞれに位置する複数の単電池１０（単電池１０のスタック）を、スタック状態を維持しつつ且つそれぞれに接続されている冷媒用マニホールド６２を取り外すことなく、交換対象の単電池１０から取り外す。これにより、冷媒用マニホールド６２が取り付けられた状態の交換対象の単電池１０を燃料電池から取り除くことができる。また、交換対象の単電池１０に取り付けられていた冷媒用マニホールド６２は、新しい単電池１０に取り付けることができる。
【００６７】
さらに、交換対象以外の燃料電池１０の冷媒流路６０と対応する冷媒用マニホールド６２との流体接続は維持されているため、これらの間の良好な流体密な（シール部材７２を介する）流体接続は担保されている。その結果、複数の単電池１０の中から１つの単電池１０を交換しても、各単電池１０の冷媒流路６０と対応する冷媒用マニホールド６２との間の良好な流体密な流体接続は、短時間で済む。
【００６８】
また、冷媒用マニホールド６２を各単電池１０に着脱可能に設けることにより、すなわち単電池１０と別体とすることにより、冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールドである場合に比べて、燃料電池が長寿命化する。このことについて、図７に示す、冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールドである燃料電池と比較しながら説明する。
【００６９】
図７に示す比較例の燃料電池３００は複数の単電池３０２を有する。各単電池３０２は、ＭＥＡ支持体３０４と、セパレータ３０６，３０８とを有する。セパレータ３０８に、冷媒が流れる冷媒流路３１０が形成されている。また、燃料電池３００は、各単電池３０２の冷媒流路３１０に冷媒を供給する、単電池３０２のセパレータ３０６，３０８を貫通する内部マニホールドである冷媒用マニホールド３１２を備える。
【００７０】
図８（Ａ）は、実施例である外部マニホールドである冷媒用マニホールド６２内の冷媒における腐食電流の分布を示している。図８（Ｂ）は、比較例である内部マニホールドである冷媒用マニホールド３１２内の冷媒における腐食電流の分布を示している。図８（Ａ）および図８（Ｂ）において、矢印の長さは腐食電流の大きさを示し、矢印の方向は腐食電流の方向を示している。
【００７１】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す腐食電流分布は、ＡＮＳＹＳ社の有限要素法ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ」の電磁場解析モジュール「ＡＮＳＹＳ  Ｅｍａｇ」を用いて算出した。このモジュールは、導体および容量を含む系の低周波電気回路および電場とともに、電流または永久磁石による磁場のシミュレーションを行うことができる。また、低周波電磁場の静解析、過渡解析、および調和解析用の広範囲なツールセットが備わり、静電場、静磁場、電磁場、電気回路、および電流伝導のシミュレーションが可能であり、静電場および静磁場での荷電粒子トレーシングのシミュレーションも行える。
【００７２】
また、解析条件は、２１個の単電池を直列に積層し、冷媒の導電率１０μＳとした。なお、図８は、図面を簡略化するために、実施例（図８（Ａ））では６個の単電池、比較例（図８（Ｂ））では５つの単電池における腐食電流分布を示している。
【００７３】
図８（Ａ）に示す領域Ａ１は、冷媒用マニホールド６２のメイン流路６２ｃとサブ流路６２ｄとの接続領域を示し、Ａ２はサブ流路６２ｄとセパレータ２０との接続領域を示している。図８（Ｂ）に示す領域Ａ３は、内部マニホールド３１２とセパレータ３０８の接続領域を示している。なお、図８（Ａ）に示すサブ流路６２ｄの形状と、図２に示すサブ流路６２ｄの形状と異なるが、流路長や流路断面積は同一である。
【００７４】
図８（Ａ）に示すように、実施例の場合、高電位側および低電位側の単電池においては、冷媒用マニホールド６２のサブ流路６２ｄとセパレータ２０との接続領域Ａ２で腐食電流の密度が高いものの、中電位の単電池においては、腐食電流の密度が低い。接続領域Ａ１で腐食電流密度が高い理由は、メイン流路６２ｃに比べてサブ流路６２ｄの流路断面積が小さいことによる。
【００７５】
それに対して、図８（Ｂ）に示すように、比較例の場合、単電池の電位に関係なく、内部マニホールド３１２とセパレータ３０８の接続領域Ａ３で腐食電流の密度が高い。
【００７６】
各単電池における腐食電流密度の具体的な値を図９に示す。図９において実線（四角ドット）は、２１個の単電池それぞれにおける、冷媒用マニホールド６２のサブ流路６２ｄとセパレータ２０との接続領域Ａ２での腐食電流密度値を示している。一方、点線（三角ドット）は、２１個の単電池それぞれにおける、内部マニホールド３１２とセパレータ３０８の接続領域Ａ３での腐食電流密度値を示している。０番目の単電池が最も電位が低く、順に電位が高くなり、２０番目の単電池が最も高電位である。
【００７７】
実施例（実線）の場合、単電池が高電位または低電位になるほど、腐食電流密度は高く、０番目および２０番目の単電池（すなわち最低電位および最高電位の単電池）における腐食電流密度は、約０．３５Ａ／ｍ２である。また、１０番目の単電池の腐食電流密度は、ほぼゼロである。この１０番目の単電池の電位を基準として電位が上がるほどまたは下がるほど、腐食電流密度が高くなる。
【００７８】
これに対して、比較例（点線）の場合、ゼロ番目および２０番目の単電池（すなわち最低電位および最高電位の単電池）における腐食電流密度は、約０．９１Ａ／ｍ２である。また、３番目〜１７番目の単電池における腐食電流密度は、約０．７Ａ／ｍ２である。さらに、全ての単電池における腐食電流密度は、実施例に比べて高い。
【００７９】
したがって、実施例と比較例とを比較すれば、図２に示すように冷媒用マニホールドを単電池と着脱可能な（すなわち別体の）外部マニホールド６２とすることにより、図７に示すような冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールド３１２である場合に比べて、冷媒とセパレータとの間に発生する腐食電流密度が小さくなることがわかる、すなわちセパレータの腐食を抑制できることがわかる。
【００８０】
さらに、図８（Ａ）に示すように、冷媒用マニホールド６２において、サブ流路６２ｄを、メイン流路６２ｃに比べて流路断面積を小さくし、さらに流路を屈曲させるなどしてメイン流路６２ｃからセパレータ２０までの流路長を長くすれば、メイン流路６２ｃとセパレータ２０間の冷媒の電気抵抗を高めることができる。これにより、冷媒用マニホールド６２のサブ流路６２ｄとセパレータ２０との接続領域Ａ２での腐食電流密度値を、さらに低下させることができる。
【００８１】
以上、本実施の形態によれば、複数の冷媒用マニホールド６２が単電池１０それぞれに着脱可能に設けられ、また各単電池１０に設けられた冷媒用マニホールド６２同士が連結可能であるため、１つの単電池１０が不良であっても、他の単電池１０の冷媒流路６０と対応する冷媒用マニホールド６２との間の流体接続を解除する必要がない。したがって、単電池１０それぞれの冷媒流路６０と対応する冷媒用マニホールド６２とを短時間で良好に流体密に流体接続することができる。また、冷媒用マニホールド６２が単電池１０と着脱可能であること（すなわち別体であること）により、セパレータを貫通する内部マニホールドとして単電池内に冷媒用マニホールドが設けられる場合に比べて、冷媒用マニホールド内の冷媒によるセパレータの電流腐食を抑制することができ、高分子電解質型燃料電池が長寿命化する。
【００８２】
以上、上述の一実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。
【００８３】
例えば、上述の実施の形態の場合、図１や図２に示すように、各単電池１０に設けられる冷媒用マニホールド６２は２つあって、一方が冷媒を冷媒流路６０に対して供給する冷媒供給用、他方が冷媒流路６０から冷媒を回収する冷媒回収用であるが、本発明はこれに限らない。例えば、冷媒供給用のメイン流路およびサブ流路と、冷媒回収用のメイン流路およびサブ流路とを備える１つの冷媒用マニホールドも実現可能である。この場合、冷媒流路は、冷媒用マニホールドが取り付けられているセパレータの一方の端から他方の端に向かって延び、他方の端で折り返して一方の端に延びるような形状にする必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに使用する燃料電池として使用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０    単電池
１２    高分子電解質膜
１４    アノード
１６    カソード
２２    セパレータ
６０    流路（冷媒流路）
６２    マニホールド（冷媒用マニホールド）
６２ｃ  主流路（メイン流路）
６２ｄ  副流路（サブ流路）
【図１】
2012114668.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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