(57)【要約】【課題】高温の酸化ガスによる発電部の乾燥を抑制し、発電効率の低下を抑制する。【解決手段】本発明の燃料電池は、発電部と、発電部と交互に配置されたセパレータとを備える。セパレータは、酸化ガスが、発電部の第１の端部から第１の端部に対向する第２の端部に向かう酸化ガス流れ方向に流れるように、第１の端部側に設けられた酸化ガス供給孔、および、第２の端部側に設けられた酸化ガス排出孔と、発電部を冷却するための冷媒が、酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、第１と第２の端部とは異なる第３と第４の端部側に設けられた冷媒供給孔および冷媒排出孔と、を備える。燃料電池は、さらに、発電部のうち、酸化ガス供給孔および冷媒排出孔により近い一部の発電領域に供給される酸化ガスの流量を、酸化ガス供給孔および冷媒排供給孔により近い他の部分の発電領域に供給される酸化ガスの流量に比べて少なくする流量調整構造を有する。【選択図】図８
2010027378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
供給される燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電を行なう発電部と、
前記発電部と交互に配置されたセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
前記酸化ガスが、前記発電部の第１の端部から前記第１の端部に対向する第２の端部に向かう酸化ガス流れ方向に流れるように、前記第１の端部側に設けられた酸化ガス供給孔、および、前記第２の端部側に設けられた酸化ガス排出孔と、
前記発電部を冷却するための冷媒が、前記酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、前記第１と第２の端部とは異なる第３と第４の端部側に設けられた冷媒供給孔および冷媒排出孔と、
を備えており、
前記燃料電池は、さらに、
前記発電部のうち、前記酸化ガス供給孔および前記冷媒排出孔により近い一部の発電領域に供給される前記酸化ガスの流量を、前記酸化ガス供給孔および前記冷媒排供給孔により近い他の部分の発電領域に供給される酸化ガスの流量に比べて少なくする流量調整構造を有する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記流量調整構造は、前記酸化ガス供給孔の前記酸化ガス流れ方向に沿って測った幅のうち、前記一部の発電領域に対応する第１の部分の幅を前記他の部分の発電領域に対応する第２の部分の幅に比べて狭くした構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔には、前記発電部へ前記酸化ガスを導く複数の連通部が設けられており、
前記流量調整構造は、前記複数の連通部のうち、前記冷媒排出孔により近い一部の連通部の幅を前記冷媒供給孔により近い他の連通部の幅に比べて狭くした構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔の全体に前記酸化ガスを分配供給する酸化ガス分配供給管を備え、
前記流量調整構造は、前記酸化ガス分配供給管の前記冷媒排出孔により近い一部の分配率を前記冷媒供給孔により近い他の部分の分配率に比べて小さくした構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を含み、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて小さくした構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を備え、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの一部分の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて大きくした構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を備え、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、さらに、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて大きくした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の燃料電池であって、
前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分の空孔率は、前記発電部により近い側の一部の層に比べて前記セパレータにより近い側の他の層を大きくした構造を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔には、前記発電部へ前記酸化ガスを導く複数の連通部が設けられており、
前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分は、前記連通部に対向するように設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガス排出孔が設けられた前記第２の端部側の辺の幅に対して、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺の幅が狭くなるように、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺と、前記第１の端部側の辺に交わる前記冷媒排出孔が設けられた前記第４の端部側の辺とのなす角が鈍角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池であって、
供給される燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電を行なう発電部と、
前記発電部と交互に配置されたセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
前記酸化ガスが、前記発電部の第１の端部から前記第１の端部に対向する第２の端部に向かう酸化ガス流れ方向に流れるように、前記第１の端部側に設けられた酸化ガス供給孔、および、前記第２の端部側に設けられた酸化ガス排出孔と、
前記発電部を冷却するための冷媒が、前記酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、前記第１と第２の端部とは異なる第３と第４の端部側に設けられた冷媒供給孔および冷媒排出孔と、
を備えており、
前記発電部は、前記酸化ガス排出孔が設けられた前記第２の端部側の辺の幅に対して、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺の幅が狭くなるように、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺と、前記第１の端部側の辺に交わる前記冷媒排出孔が設けられた前記第４の端部側の辺とのなす角が鈍角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記冷媒排出孔は、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺と鈍角をなす前記第４の端部側の辺に沿って設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池であって、
前記第４の端部側の辺に沿って前記燃料ガスの排出孔が設けられており、
前記燃料ガスの排出孔の外側に電圧モニタ用端子が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記第４の端部側の辺のうちの前記酸化ガス排出孔側の一部の辺と、前記酸化ガス供給孔の設けられた前記第１の端部側の辺とのなす角が直角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、発電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード電極およびカソード電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化ガス（反応ガス）が供給されてそれらの電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する。膜電極接合体は、セパレータによって挟持され、セパレータおよびセパレータと各電極との間には反応ガスを供給するためのガス流路が設けられる。
【０００３】
膜電極接合体を構成する電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示すため、良好な発電効率を保つためには発電部を湿潤状態に保つことが望ましい。このため、燃料電池は、発電部が高温になって乾燥するのを抑制するために、通常、発電部を冷却するための冷媒である冷却水により、セパレータを介して発電部を冷却する構造を有している。
【０００４】
ところで、通常、発電部は矩形状の外形を有しており、発電部の４つの端部のうち、対向する第１と第２の端部の外側には、酸化ガスが、酸化ガスのガス流路を介して第１の端部から第２の端部に向かう方向（酸化ガス流れ方向）に流れるように、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔が設けられている。また、他の対向する第３と第４の端部の外側には、冷却水が酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、冷媒供給孔および冷媒排出孔が設けられている。
【０００５】
上記構成の燃料電池では、矩形状の発電部のうち、冷媒排出孔および酸化ガス供給孔に近い、矩形の角を含む一部の領域において、冷却効果を得難い場合があり、供給される高温の酸化ガスにより、発電部の乾燥が促進されてしまい、発電効率が悪化してしまう、という問題が発生する可能性がある。特に、装置の小型化を目的として、酸化ガスの加湿装置を省略した場合や、加湿装置を小型化することにより酸化ガスの加湿量が少ない場合において、上記問題が顕在化する可能性が高い。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７８０４２号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０２１２号公報
【特許文献３】特開２００７−２９４２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、冷媒排出孔および酸化ガス供給孔に近い一部の領域において、供給される高温の酸化ガスによる発電部の乾燥が促進されてしまい、発電効率が悪化してしまうことを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池であって、
供給される燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電を行なう発電部と、
前記発電部と交互に配置されたセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
前記酸化ガスが、前記発電部の第１の端部から前記第１の端部に対向する第２の端部に向かう酸化ガス流れ方向に流れるように、前記第１の端部側に設けられた酸化ガス供給孔、および、前記第２の端部側に設けられた酸化ガス排出孔と、
前記発電部を冷却するための冷媒が、前記酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、前記第１と第２の端部とは異なる第３と第４の端部側に設けられた冷媒供給孔および冷媒排出孔と、
を備えており、
前記燃料電池は、さらに、
前記発電部のうち、前記酸化ガス供給孔および前記冷媒排出孔により近い一部の発電領域に供給される前記酸化ガスの流量を、前記酸化ガス供給孔および前記冷媒排供給孔により近い他の部分の発電領域に供給される酸化ガスの流量に比べて少なくする流量調整構造を有する
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、冷媒排出孔および酸化ガス供給孔に近い一部の発電領域において、供給される高温の酸化ガスによる発電部の乾燥が促進されてしまい、発電効率が悪化してしまうことを抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記流量調整構造は、前記酸化ガス供給孔の前記酸化ガス流れ方向に沿って測った幅のうち、前記一部の発電領域に対応する第１の部分の幅を前記他の部分の発電領域に対応する第２の部分の幅に比べて狭くした構造であることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、流量調整構造を容易に実現することができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔には、前記発電部へ前記酸化ガスを導く複数の連通部が設けられており、
前記流量調整構造は、前記複数の連通部のうち、前記冷媒排出孔により近い一部の連通部の幅を前記冷媒供給孔により近い他の連通部の幅に比べて狭くした構造であることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、流量調整構造を容易に実現することができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔の全体に前記酸化ガスを分配供給する酸化ガス分配供給管を備え、
前記流量調整構造は、前記酸化ガス分配供給管の前記冷媒排出孔により近い一部の分配率を前記冷媒供給孔により近い他の部分の分配率に比べて小さくした構造であることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、流量調整構造を容易に実現することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を備え、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて小さくした構造であることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、流量調整構造を容易に実現することができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を備え、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの一部分の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて大きくした構造であることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、流量調整構造を容易に実現することができる。
【００１５】
［適用例７］
適用例２ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガスを前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔へ導くために設けられた酸化ガス流路部を備え、
前記酸化ガス流路部は多孔体部材により構成されており、
前記流量調整構造は、さらに、前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分の空孔率を前記他の部分の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部の空孔率に比べて大きくした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、酸化ガス流量を効率よく制御可能である。
【００１６】
［適用例８］
適用例６または適用例７記載の燃料電池であって、
前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分の空孔率は、前記発電部により近い側の一部の層に比べて前記セパレータにより近い側の他の層を大きくした構造を有していることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、酸化ガス流量を効率よく制御可能である。
【００１７】
［適用例９］
適用例６ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給孔には、前記発電部へ前記酸化ガスを導く複数の連通部が設けられており、
前記一部の発電領域に含まれる前記酸化ガス流路部のうちの前記一部分は、前記連通部に対向するように設けられていることを特徴とする燃料電池。
このようにしても、酸化ガス流量を効率よく制御可能である。
【００１８】
［適用例１０］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記酸化ガス排出孔が設けられた側の端部の辺の幅に対して、前記酸化ガス供給孔が設けられた側の端部の辺の幅が狭くなるように、前記酸化ガス供給孔が設けられた側の端部の辺と、前記酸化ガス供給孔が設けられた側の端部の辺に交わる前記冷媒排出孔が設けられた側の端部の辺とのなす角が鈍角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、冷媒排出孔および酸化ガス供給孔に近い一部の領域の冷媒による冷却効果を高めることができるので、供給される高温の酸化ガスによる発電部の乾燥が促進されてしまい、発電効率が悪化してしまうことを、さらに抑制することができる。
【００１９】
［適用例１１］
燃料電池であって、
供給される燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電を行なう発電部と、
前記発電部と交互に配置されたセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
前記酸化ガスが、前記発電部の第１の端部から前記第１の端部に対向する第２の端部に向かう酸化ガス流れ方向に流れるように、前記第１の端部側に設けられた酸化ガス供給孔、および、前記第２の端部側に設けられた酸化ガス排出孔と、
前記発電部を冷却するための冷媒が、前記酸化ガス流れ方向に対して交差する方向に流れるように、前記第１と第２の端部とは異なる第３と第４の端部側に設けられた冷媒供給孔および冷媒排出孔と、
を備えており、
前記発電部は、前記酸化ガス排出孔が設けられた前記第２の端部側の辺の幅に対して、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺の幅が狭くなるように、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺と、前記第１の端部側の辺に交わる前記冷媒排出孔が設けられた前記第４の端部側の辺とのなす角が鈍角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、冷媒排出孔および酸化ガス供給孔に近い一部の領域の冷媒による冷却効果を高めることができるので、供給される高温の酸化ガスによる発電部の乾燥が促進されてしまい、発電効率が悪化してしまうことを抑制することができる。
【００２０】
［適用例１２］
適用例１１記載の燃料電池であって、
前記冷媒排出孔は、前記酸化ガス供給孔が設けられた前記第１の端部側の辺と鈍角をなす前記第４の端部側の辺に沿って設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、無駄なスペースをなくして装置の小型化が可能である。
【００２１】
［適用例１３］
適用例１２記載の燃料電池であって、
前記第４の端部側の辺に沿って前記燃料ガスの排出孔が設けられており、
前記燃料ガスの排出孔の外側に電圧モニタ用端子が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、鈍角をなす第４の端部側の辺に沿って燃料ガスの排出孔を設けることによってできたスペースに電圧モニタ用端子を設けることができる。
【００２２】
［適用例１４］
適用例１１記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記第４の端部側の辺のうちの前記酸化ガス排出孔側の一部の辺と、前記酸化ガス供給孔の設けられた前記第１の端部側の辺とのなす角が直角となる外形を有している
ことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、酸化ガス流れ方向に沿って流れる酸化ガスの流速の低下を抑制して、発電により生成された水を排出するために要求される酸化ガスの流速を確保することができる。
【００２３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施例としての燃料電池をスタック化した燃料電池スタック１０の構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、それらの電気化学反応（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、燃料ガスとして水素が供給され、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、燃料電池スタックとしては、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。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、複数のシール一体型膜電極接合体２０（後述）がセパレータＳＰ（後述）によって挟持された状態で積層された積層体１１を備えている。積層体１１は、締結部材１３によって荷重を受けて、２枚のエンドプレート１２に挟持されている。
【００２６】
図１（Ｂ）は、１つのシール一体型膜電極接合体２０と、それを挟持する２つのセパレータＳＰを示す概略図である。このセパレータＳＰは、アノードプレートＳＰａおよびカソードプレートＳＰｃを備え、また、それらに挟持された中間プレートＳＰｉを備える３層式セパレータである。アノードプレートＳＰａは、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極層側に接し、カソードプレートＳＰｃは、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極層側に接している。セパレータＳＰ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。
【００２７】
図２は、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極側の面を示す概略図である。なお、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極側は、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。
【００２８】
このシール一体型膜電極接合体２０は、燃料電池反応が行われる発電部２１と、その外周縁に設けられたシールガスケット２２とを有する略長方形の部材である。シールガスケット２２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。具体的には以下の構成となる。
【００２９】
マニホールド孔Ｍ１は水素の供給を担い、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Ｍ３は空気の供給を担い、マニホールド孔Ｍ４は反応に供されることのなかった酸素や、反応によって生成した水分などを含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、発電によって生じた燃料電池スタック１０の熱を冷却するための冷媒（水）の供給、排出を担う。なお、マニホールド孔Ｍ１およびマニホールド孔Ｍ２が本発明の燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔に相当し、マニホールド孔Ｍ３およびマニホールド孔Ｍ４が本発明の酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔に相当する。また、マニホールド孔Ｍ５およびマニホールド孔Ｍ６が本発明の冷媒供給孔および冷媒排出孔に相当する。
【００３０】
水素供給用マニホールド孔Ｍ１および冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５は、水素排出用マニホールド孔Ｍ２および冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６と、発電部２１を挟んで対向する位置に、シール一体型膜電極接合体２０の図の上下方向にのびた辺に沿って設けられている。また、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と発電部２１を挟んで対向する位置に、それぞれ１個ずつ設けられている。酸素排出用マニホールド孔Ｍ４は、シール一体型膜電極接合体２０の図の左右方向にのびた辺に沿って長辺を有する矩形状の長辺形を有している。一方、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は、シール一体型膜電極接合体２０の図の左右方向にのびた辺に沿って長辺を有する長辺形ではあるが、矩形状ではなく、略矩形状の第１の部分Ｍ３Ａと、略台形状の第２の部分Ｍ３Ｂとが組み合わされた五角形を有している。略台形状の第２の部分Ｍ３Ｂにおける、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３から酸素排出用マニホールドへ向かう空気（酸素）の流れ方向（以下、「酸化ガス流れ方向」とも呼ぶ）に沿って測った孔の幅は、第１の部分Ｍ３Ａの酸化ガス流れ方向に沿って測った孔の幅に比べて、冷媒排出孔Ｍ６により近いほど狭くなっている。この酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の外形形状が本実施例の特徴部分であり、さらに後述する。なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、少なくとも、酸素供給用および酸素排出用のマニホールド孔Ｍ３，Ｍ４と、冷媒供給用および冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ５，Ｍ６との配置関係として、酸素ガスの流れ方向と水の流れ方向が交わるような配置関係が確保されていれば、他の構成・配置であっても良い。
【００３１】
シール一体型膜電極接合体２０がセパレータＳＰによって挟持された状態では、シールガスケット２２がセパレータＳＰの各プレートＳＰａ、ＳＰｃに接する。シールガスケット２２のセパレータＳＰとの接触面には後述するリップ（突起部）によってシールラインＳＬ（二条線によって図示）が形成されている。シールラインＳＬは、個々のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と発電部２１とをそれぞれ囲むように形成されており、シールラインＳＬが囲む領域外への流体の漏洩を防止する。なお、シールガスケット２２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。
【００３２】
図３（Ａ）は、図２の３−３切断におけるシール一体型膜電極接合体の断面を示す断面図である。発電部２１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜２３が含まれる。電解質膜２３は、アノード電極層２４ａとカソード電極層２４ｃとで挟持されて膜電極接合体ＭＥＡを構成する。
【００３３】
２つの電極層２４ａ、２４ｃ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２３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２４ａ、２４ｃの電解質膜２３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。
【００３４】
ここで、電解質膜２３の外周縁を膜端部２３ｅと呼び、２つの電極層２４ａ、２４ｃの外周縁を電極層端部２４ｅと呼ぶ。膜端部２３ｅは、電極層端部２４ｅから突出するように設けられており、シールガスケット２２は、この膜端部２３ｅと電極層端部２４ｅとを被覆するように成形されている。この構成によって、膜電極接合体ＭＥＡがシールガスケット２２に保持されるとともに、電極層端部２４ｅの付近において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水素が反応に供されることなくカソード側に移動してしまう現象をいう。
【００３５】
シールガスケット２２の両面には、突起部であるリップ２６が設けられている。このリップ２６によって、上述したようにシールラインＳＬ（図２）が形成される。リップ２６は、その頂点である頂部２６ｔがセパレータＳＰに押圧される。リップ２６はアノード電極側とカソード電極側のそれぞれの面に、シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓを挟んで対称に設けられている。ここで、「シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓ」とは、アノード電極側のリップの頂部２６ｔからカソード電極側のリップの頂部２６ｔまでの距離の中心のことである。
【００３６】
このシールガスケット２２は、図に示すように、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍが、シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓに一致するように成形されている。ここで、「膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍ」とは、アノード電極層２４ａの電解質膜２３と接しない外面から、カソード電極層２４ｃの電解質膜２３と接しない外面までの距離の中心のことである。なお、このときのシールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓは、シールガスケット２２が、外部からの力を受けていない状態、即ち、リップ２６が圧縮されるなど変形していない状態における厚み方向の中心である。
【００３７】
図３（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２０がセパレータＳＰ（破線で図示）によって挟持された状態を模式的に示した図である。図３（Ｂ）は、リップ２６の頂部２６ｔがセパレータＳＰによって押圧されている点と、後述するガス流路体２５ａ、２５ｃが設けられている点以外は図３（Ａ）とほぼ同じである。
【００３８】
アノードガス流路体２５ａおよびカソードガス流路体２５ｃは、２つの電極層２４ａ、２４ｃとセパレータＳＰとの間にそれぞれ配置されている。２つのガス流路体２５ａ、２５ｃは、２つの電極層２４ａ、２４ｃの全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路の機能を有する。また、２つの電極層２４ａ、２４ｃとセパレータＳＰとに接することによって、発電した電気をセパレータＳＰへ導く導電機能を有する。ガス流路体２５ａ、２５ｃは、カーボンや、焼結金属などの導電性を有する多孔体で構成することができる。
【００３９】
図４は、セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａを示す概略図である。なお、図には、燃料電池スタック１０を構成した際に、シール一体型膜電極接合体２０の発電部２１と重なる領域である発電部領域２１ａと、シールガスケット２２のシールラインＳＬと接する部位であるシール領域Ｓａとを破線で示してある。
【００４０】
アノードプレートＳＰａには、シール一体型膜電極接合体２０と同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。また、水素供給用マニホールド孔Ｍ１の近傍には複数の水素流入孔Ｐ１が設けられおり、水素排出用マニホールド孔Ｍ２の近傍には、複数の水素流出孔Ｐ２が設けられている。水素流入孔Ｐ１および水素流出孔Ｐ２を介して、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極側への水素の供給・排出が行われる。具体的な水素の流れについては後述する。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。
【００４１】
図５は、セパレータＳＰを構成するカソードプレートＳＰｃを示す概略図である。図５は、水素流入孔Ｐ１および水素流出孔Ｐ２に替えて、複数の酸素流入孔Ｐ３および複数の酸素流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図４のアノードプレートＳＰａと同じである。
【００４２】
複数の酸素流入孔Ｐ３および複数の酸素流出孔Ｐ４はそれぞれ、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３および酸素排出用マニホールド孔Ｍ４の長辺方向に沿って手設けられた貫通孔である。酸素流入孔Ｐ３および酸素流出孔Ｐ４は、発電部領域２１ａ内に設けられており、酸素流入孔Ｐ３および酸素流出孔Ｐ４を介して、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極側への空気の供給・排出が行われる。具体的な空気の流れについては後述する。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。
【００４３】
図６は、セパレータＳＰを構成する中間プレートＳＰｉを示す概略図である。図６には、図４および図５と同様に発電部領域２１ａが破線で示してある。また、セパレータＳＰを構成した際に、アノードプレートＳＰａの水素流入孔Ｐ１および水素流出孔Ｐ２と重なる連通領域Ｐ１ａ、Ｐ２ａと、カソードプレートＳＰｃの酸素流入孔Ｐ３および酸素流出孔Ｐ４と重なる連通領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａとを破線で示してある。
【００４４】
中間プレートＳＰｉには、他のプレートＳＰａ、ＳＰｃと同様に水素用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ２および酸素用マニホールド孔Ｍ３〜Ｍ４が設けられている。中間プレートＳＰｉには、櫛歯状のスリットである２組のアノード流路列ＡＰ１、ＡＰ２が貫通して設けられている。第１のアノード流路列ＡＰ１は、一端が水素供給用マニホールド孔Ｍ１と連通しており、他端が連通領域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ＡＰ２は、一端が水素排出用マニホールド孔Ｍ２と連通しており、他端が連通領域Ｐ２ａと重なるように設けられている。
【００４５】
また、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、一端が酸素供給用マニホールド孔Ｍ３と連通しており、他端が連通領域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、一端が酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と連通しており、他端が連通領域Ｐ４ａと重なるように設けられている。具体的な水素および空気の流れについては後述する。
【００４６】
さらに、中間プレートＳＰｉには、冷媒流路ＷＰが貫通して設けられている。冷媒流路ＷＰは、中間プレートＳＰｉが他のプレートＳＰａ、ＳＰｃに挟持されたときに、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と連通するように設けられている。なお、冷媒流路ＷＰ中には、図示するように、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５から冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へ向けて冷媒が流れるように冷媒の流れを規制する流路壁ＷＬが設けられている。従って、燃料電池スタック１０の外部から冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５へ冷媒が供給されると、冷媒の一部が分岐して、図６の矢印が示すように、各流路壁ＷＬ間の冷媒流路を通過し、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へと至る。
【００４７】
なお、発電部領域２１ａのうち、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３側および冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６側の矩形の角付近の一定の領域ＣＰＡ（図中一点鎖線で囲まれた領域）は、比較的冷媒が流れ難い場所であり、冷却不足になり易い。酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂは、この領域ＣＰＡに対して空気を供給する部分である。
【００４８】
次に、図７（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、燃料電池スタック１０内における水素および空気の流れを説明する。図７（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、燃料電池スタック１０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シール一体型膜電極接合体２０における一部位の概略断面図を示している。具体的には以下の通りである。
【００４９】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は、図６に示した７Ａ−７Ａ切断および７Ｂ−７Ｂ切断にあたる部位における概略断面図であり、水素の流路を示している。燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ１へ供給された水素の一部は、図７（Ａ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第１のアノード流路列ＡＰ１へと流入する。その後、アノードプレートＳＰａに設けられた水素流入孔Ｐ１を介してアノードガス流路体２５ａ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、水素流出孔Ｐ２から第２のアノード流路列ＡＰ２を経て水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池スタック１０の外部へ排出される。
【００５０】
図７（Ｃ）は、図６に示した７Ｃ−７Ｃ切断にあたる部位における概略断面図であり、空気（酸素）の流路を示している。燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ３の第１の部分Ｍ３Ａへ供給された空気の一部は、図７（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第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に設けられた酸素流入孔Ｐ３を介してカソードガス流路体２５ｃへと至る。一方、カソード排ガスは、酸素流出孔Ｐ４から第２のカソード流路列ＣＰ２を経て酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至り、燃料電池スタック１０の外部へ排出される。
【００５１】
図７（Ｄ）は、図６に示した７Ｄ−７Ｄ切断にあたる部位における概略断面図であり、空気（酸素）の流路を示している。燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ３の第１の部分Ｍ３Ｂへ供給された空気の一部は、図７（Ｄ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第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に設けられた酸素流入孔Ｐ３を介してカソードガス流路体２５ｃへと至る。一方、カソード排ガスは、酸素流出孔Ｐ４から第２のカソード流路列ＣＰ２を経て酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至り、燃料電池スタック１０の外部へ排出される。但し、マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂの流路の図の酸化ガス流れ方向に沿った幅（図７（Ｄ）の左右方向に沿った幅）は、第１の部分Ｍ３Ａの流路の酸化ガス流れ法孔に沿った幅（図７（Ｃ）の左右方向に沿った幅）よりも狭くなっている。このため、第２の部分Ｍ３Ｂを流れる空気の量は、第１の部分Ｍ３Ａを流れる空気の量に比べて少なくなるように調整される。
【００５２】
図８は、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３からカソードガス流路体２５ｃに至る空気の量について示す説明図である。図８は、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃの面を示している。
【００５３】
酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂは、上記したように略矩形状の長辺形を有する第１の部分Ｍ３Ａとは異なり、酸化ガス流れ方向に沿った孔の幅が冷媒排出孔Ｍ６側ほど狭くなるような形状を有している。これにより、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３からカソードガス流路体２５ｃに至る空気の量のうち、第２の部分Ｍ３Ｂから供給される空気の量は、第１の部分Ｍ３Ａから供給される空気の量に対して、孔幅の変化に応じて徐々に少なくなるように調整される。
【００５４】
ここで、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂは、上記したように（図６参照）、発電部２１（発電部領域２１ａ）のうち、冷媒による冷却が不足し易い領域ＣＰＡに対して、空気を供給するマニホールド孔Ｍ３の部分である。従って、この領域ＣＰＡに対して、乾燥した空気あるいは加湿量の少ない空気が供給されると、供給された空気による領域ＣＰＡからの水分吸収が促進されてしまい、領域ＣＰＡの乾燥が促進されて、発電能力の劣化による発電効率の劣化を招いてしまう。
【００５５】
しかしながら、本実施例では、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３のうち、領域ＣＰＡに対応する第２の部分Ｍ３Ｂの孔の幅を狭くすることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータを構成する中間プレートＳＰｉ−２を示す概略図である。この中間プレートＳＰｉ―２は、第１実施例における酸素供給用マニホールド孔Ｍ３および第２のカソード流路列ＣＰ２に代えて、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−２および第２のカソード流路列ＣＰ２−２が設けられている。この酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−２は、第１実施例における五角形の外形を有する酸素供給用マニホールド孔Ｍ３とは異なり、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と同様の矩形状の長辺形を有している。また、第２のカソード流路列ＣＰ２−２は、複数のスリットのうち、第１実施例における酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂに相当する領域Ｍ３Ｂａに対応する位置に設けられた６つのスリットＣＰ２ａ〜ＣＰ２ｅが、それぞれ、上記領域Ｍ３Ｂａの孔幅の変化に対応するように図の左右方向のスリット幅が狭められている構造を有している。これにより、第１実施例において説明した領域ＣＰＡに供給される空気の量が、スリット幅の変化に応じて徐々に少なくなるように調整される。
【００５７】
なお、図示は省略するが、中間プレートＳＰｉ−２とともにセパレータを構成するアノードプレートおよびカソードプレートや、シール一体型膜電極接合体に設けられる酸素供給用マニホールド孔も、上記中間プレートＳＰｉ−２における酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−２と同じ形状のマニホールド孔に置き換えられる。また、カソードプレートに設けられている複数の酸素流入孔Ｐ３の孔径は、第２のカソード流路列ＣＰ２−２の各スリットの幅に応じた孔径とされる。
【００５８】
本実施例においても、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−２からの空気をカソードガス流路体２５ｃへ導くための第２のカソード流路列ＣＰ２の複数のスリットのうち、領域ＣＰＡに対応するスリットＣＰ２ａ〜ＣＰ２ｅの幅を、冷媒排出孔Ｍ６側の幅が冷媒供給孔Ｍ５側の幅に比べて除々に狭くすることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００５９】
なお、本実施例における流量制御構造と第１実施例の流量制御構造とを組み合わせて用いることも可能である。
【００６０】
以上の説明からわかるように、第２のカソード流路列ＣＰ２−２に備えられる複数のスリットが本発明の連通部に相当する。
【００６１】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、本発明の第３実施例としての燃料電池スタック１０−３の構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１０−３は、第１実施例の燃料電池スタック１０と同様に、複数のシール一体型膜電極接合体２０−３がセパレータＳＰ−３によって挟持された状態で積層された積層体１１−３を備えている。積層体１１−３は、締結部材１３によって荷重を受けて、２枚のエンドプレート１２に挟持されている。なお、図示は省略するが、積層体１１−３を構成するシール一体型膜電極接合体２０−３およびセパレータＳＰ−３の構造は、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−３が、第１実施例における五角形の外形を有する酸素供給用マニホールド孔Ｍ３とは異なり、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と同様の矩形状の長辺形を有している点を除いて同様である。
【００６２】
一方のエンドプレート１２の酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−３に対応する位置に、酸素分配供給管３０が設けられている。この酸素分配供給管３０は、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−３に対して均等に空気を供給するように分配率を均等化した構造（図中破線で示す）ではなく、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−３のうち、第１実施例で示した乾燥し易い領域ＣＰＡに空気を供給する部分への空気の分配率が他の部分への分配率に比べて小さくなるようにした偏分配の構造を有している。
【００６３】
本実施例においは、酸素分配供給管３０を、酸素分配供給管３０から酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−３に供給される空気の量のうち、領域ＣＰＡに対応する部分に供給される空気の量が他の部分に供給される空気の量に比べて少なくなるような偏分配の構造としている。これにより、第１実施例において示した領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。そして、この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００６４】
なお、本実施例における流量制御構造と第１実施例および第２実施例の少なくとも一つの流量制御構造とを組み合わせて用いることも可能である。
【００６５】
Ｄ．第４実施例：
図１１は、本発明の第４実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−４のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−４の面を示す概略図である。なお、本実施例においても、シール一体型膜電極接合体２０−４およびセパレータＳＰ−４（図示省略）は、第１実施例における五角形の外形を有する酸素供給用マニホールド孔Ｍ３とは異なり、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−４が酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と同様の矩形状の長辺形を有している点、および、カソードガス流路体２５ｃ−４が以下で説明する構造を有している点を除いて全く同様である。
【００６６】
本実施例においては、第１実施例における酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂにより実現される流量調整構造に換えて、カソードガス流路体２５ｃ−４のうち、領域ＣＰＡに対応する領域を含む冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６により近い側の領域の空孔率を、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５により近い側の領域の空孔率よりも小さくした構造とすることにより流量調整構造を実現している。具体的には、カソードガス流路体２５ｃ−４のうち、領域ＣＰＡに対応する領域を含む冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６により近い側の領域を、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５側から冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６側へ向けて、順に空孔率を小さくした５つの流路体領域２５ｃｐａ〜２５ｃｐｄに区分した構造としている。
【００６７】
空孔率を順に小さくした流路体領域２５ｃｐａ〜２５ｃｐｅに対して酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−４からそれぞれ流入される空気（酸化ガス）の流量は、他の領域に流入される空気の流量に比べて、空孔率が小さくなるほど少なくなるように制限される。これにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量が少なくなるように調整される。
【００６８】
本実施例においては、カソードガス流路体２５ｃ−４のうち、領域ＣＰＡに対応する領域を含む冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６により近い側の領域の空孔率を、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５により近い側の領域の空孔率よりも小さくした構造とすることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００６９】
また、本実施例では、具体的に、カソードガス流路体２５ｃ−４のうち、領域ＣＰＡに対応する領域を含む冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６により近い側の領域を、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５側から冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６側へ向けて、順に空孔率を小さくした５つの流路体領域２５ｃｐａ〜２５ｃｐｄに区分した構造としている。しかしながら、これに限定されるものではなく、空孔率を小さくした領域の区分数は、１以上の任意の区分数とすることができる。また、連続的に除々に変化する構成であってもよい。すなわち、カソードガス流路体２５ｃ−４のうち、領域ＣＰＡに対応する領域を含む冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６により近い側の領域の空孔率を、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５により近い側の領域の空孔率よりも小さくした構造であれば、どのような構造であってもよい。
【００７０】
なお、本実施例における流量制御構造と第１実施例ないし第３実施例の少なくとも一つの流量制御構造とを組み合わせて用いることも可能である。
【００７１】
Ｅ．第５実施例：
図１２（Ａ）は、本発明の第５実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−５のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−５の面を示す概略図である。また、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示した７Ｅ−７Ｅ断面における断面図である。なお、本実施例においても、シール一体型膜電極接合体２０−５およびセパレータＳＰ−５は、第１実施例における五角形の外形を有する酸素供給用マニホールド孔Ｍ３とは異なり、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−５が酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と同様の矩形状の長辺形を有している点、および、カソードガス流路体２５ｃ−５が以下で説明する構造を有している点を除いて全く同様である。
【００７２】
本実施例においては、第１実施例における酸素供給用マニホールド孔Ｍ３の第２の部分Ｍ３Ｂにより実現される流量調整構造に換えて、カソードガス流路体２５ｃ−５に、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３から酸素排出用マニホールド孔Ｍ４に向かう酸化ガス流れ方向に沿って、領域ＣＰＡに対応する部分の一部を削りとった５つの空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを設けた構造とすることにより流量調整構造を実現している。なお、これらの５つの空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅは、図１２（Ｂ）に示すように、発電部２１側のカソードガス流路体を残し、カソードプレートＳＰｃ側のカソード流路体を削った構造を有している。
【００７３】
上記５つの空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを設けたことにより、酸素流入孔Ｐ３から流入した空気の多くは、発電部２１のうち、これらの空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅに対応する部分をバイパスして領域ＣＰＡの外側に多く供給されることになる。これにより、領域ＣＰＡに対応する発電部２１の部分に供給される空気の量が少なくなるように調整される。
【００７４】
従って、本実施例においても、領域ＣＰＡに対応するカソードガス流路体２５ｃ−４の部分に、５つの空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを設けることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００７５】
なお、本実施例では、図１２に示すように、第２のカソード流路列ＣＰ２のスリットごとに空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを設けた場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、領域ＣＰＡに対応するカソード流路体のカソードプレートＳＰｃ−５側の領域全体を空間領域とするようにしてもよい。但し、あまり空間領域を大きくすると、カソード流路体の面に沿って流れる空気の圧力を一様化することが困難となるため、本実施例の構成としたほうが、空気の圧力の一様化に有利である。
【００７６】
また、本実施例では、空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを設けることとしているが、この空間領域は、空孔率について着目すると、他の領域に比べて空孔率が大きな領域とみることができる。そこで、空間領域２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅを他の領域の空孔率に比べて大きな空孔率を有する領域としたカソード流路体を用いるようにしてもよい。
【００７７】
なお、本実施例における流量制御構造と第１実施例ないし第３実施例の少なく一つの流量制御構造とを組み合わせて用いることも可能である。
【００７８】
Ｆ．第６実施例：
図１３（Ａ）は、本発明の第６実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−６のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−６の面を示す概略図である。また、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示した７Ｆ−７Ｆ断面における断面図である。なお、本実施例は、第５実施例と同様に、領域ＣＰＡに対応するカソードガス流路体２５ｃ−６の部分に、５つの空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６を設けることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。但し、これらの５つの空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６は、図１３（Ｂ）に示すように、発電部２１側のカソードガス流路体も削った構造を有している点が、第５実施例とは異なっている。
【００７９】
本実施例においても、上記５つの空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６を設けたことにより、酸素流入孔Ｐ３から流入した空気の一部は、発電部２１のうち、これらの空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６に対応する部分をバイパスして領域ＣＰＡの外側に供給されることになる。これにより、領域ＣＰＡに対応する発電部２１の部分に供給される空気の量が少なくなるように調整される。
【００８０】
従って、本実施例においても、領域ＣＰＡに対応するカソードガス流路体２５ｃ−４の部分に、５つの空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６を設けることにより、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するような流量調整構造を実現している。この流量調整構造により、領域ＣＰＡの乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００８１】
なお、本実施例では、空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６を設けることとしているが、この空間領域は、空孔率について着目すると、他の領域に比べて空孔率が大きな領域とみることができる。そこで、空間領域２５ｃｄａ−６〜２５ｃｄｅ−６を他の領域の空孔率に比べて大きな空孔率を有する領域としたカソード流路体を用いるようにしてもよい。
【００８２】
また、本実施例の場合、上記したように、空間領域２５ｃｄａ―６〜２５ｃｄｅ−６は、図１３（Ｂ）に示すように、発電部２１側のカソードガス流路体も削った構造となっている。このため、第５実施例の場合に比べて、空間領域２５ｃｄａ―６〜２５ｃｄｅ−６に対応する領域に供給される空気の量が増加し、第５実施例の場合に比べて、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限する効果は低くなる。そこで、本実施例の場合には、第１ないし第３実施例の流量制御構造と組み合わせて用いるほうが、領域ＣＰＡに供給される空気の量を制限するためには、効果的である。
【００８３】
Ｇ．第７実施例：
図１４は、本発明の第４実施例における燃料電池スタックを構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−７のアノード電極側の面を示す概略図である。なお、シール一体型膜電極接合体２０−７のカソード電極側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。また、図１５〜図１７は、それぞれ、本発明の第７実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータＳＰ−７を構成するアノードプレートＳＰａ−７とカソードプレートＳＰｃ−７と中間プレートＳＰｉ―７を示す概略図である。なお、第７実施例の燃料電池スタックは、以下で説明する構造に特徴を有して点を除いて、第１実施例と同様である。
【００８４】
まず、第１に、シール一体型膜電極接合体２０−７の発電部２１−７は、第１実施例における矩形状の発電部２１とは異なり、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−７が設けられた側の辺と２１Ｌａに対して、辺２１Ｌａに交わる冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６−７および水素排出用マニホールド孔Ｍ２−７が設けられた側の辺２１Ｌｂが鈍角をなすような外形を有している点に特徴を有している（図１４の破線で示す領域ＡＲ１参照）。なお、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−７は、第１実施例における五角形の外形を有する酸素供給用マニホールド孔Ｍ３とは異なり、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と同様の矩形状の長辺形を有している。そして、中間プレートＳＰｉ−７には、図１７に示すように、発電部２１−７に相当する発電部領域２１ａ−７に応じた外形を有する冷媒流路ＷＰ−７が設けられている。
【００８５】
発電部２１−７が上記した構造上の特徴を有することにより、発電部２１−７（発電部領域２１ａ−７）のうち、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６−７側で、かつ、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−５側の領域ＡＲ１に対して冷媒が供給され易くなる。この結果、この領域の乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。なお、この領域ＡＲ１は、第１実施例で説明した発電部２１の乾燥し易い領域ＣＰＡに対応する領域である。
【００８６】
また、第２に、発電部２１−７は、辺２１Ｌｂのうち、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４側の一部の辺が（図１４の一点鎖線で示す領域ＡＲ２参照）、辺２１Ｌａに対して直角をなすような外形を有している点に特徴を有している。発電部２１−７が上記した構造上の特徴を有することにより、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３−７の長辺方向の幅（図の左右方向の幅）に対して、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４の長辺方向の幅（図の左右方向の幅）が大きくなりすぎて、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４付近での空気の流速が低下してしまい、カソード電極において生成される水の排出能力が不足してしまうことを防止することができる。
【００８７】
また、第３に、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６−７および水素排出用マニホールド孔Ｍ２−７は、辺２１Ｌａに対して傾斜した交わる辺２１Ｌｂに沿って設け、シール一体型膜電極接合体２０−７およびセパレータＳＰ−７を構成するアノードプレートＳＰａ−７とカソードプレートＳＰｃ−７と中間プレートＳＰｉ―７の外形も、辺２１Ｌｂに沿って傾斜した構造を有している点に特徴を有している。この構造上の特徴を有することにより、傾斜して設けられた水素排出用マニホールド孔Ｍ２−７の外側に電圧モニタ端子ＴＭＬを設けることができる。
【００８８】
なお、上記した第１〜第３の構造上の特徴を全て備える必要はなく、少なくとも第１の構造上の特徴を備えていれば、必ずしも第２あるいは第３の構造上の特徴を備えていなくてもよい。少なくとも第１の構造上の特徴を備えていれば、冷却効果を高めることにより、高温の酸化ガスによって乾燥しやすい領域の乾燥を抑制することができ、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【００８９】
Ｈ．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。
【００９０】
上記第１ないし第４実施例は、いずれか２つ以上を組み合わせて適用するようにしてもよい。また、第５実施例は、第１ないし第３実施例の少なくとも１つと組み合わせて適用するようにしてもよい。同様に、第６実施例も、第１ないし第３実施例の少なくとも１つと組み合わせて適用するようにしてもよい。また、第７実施例は、第１ないし第５実施例のいずれかと組み合わせて適用するようにしてもよく、さらに、上記したような第１ないし第６実施例の組み合わせて適用したものと組み合わせて適用するようにしてもよい。これらのようにすれば、発電部のうち乾燥し易い領域に乾燥をより効果的に抑制して、発電能力の劣化を抑制して発電効率の劣化を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１実施例としての燃料電池をスタック化した燃料電池スタック１０の構成を示す概略図である。
【図２】シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極側の面を示す概略図である。
【図３】シール一体型膜電極接合体２０の断面を示す断面図である。
【図４】セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａを示す概略図である。
【図５】セパレータＳＰを構成するカソードプレートＳＰｃを示す概略図である。
【図６】セパレータＳＰを構成する中間プレートＳＰｉを示す概略図である。
【図７】水素および空気の流れを説明するための説明図である。
【図８】酸素供給用マニホールド孔Ｍ３からカソードガス流路体２５ｃに至る空気の量について示す説明図である。
【図９】第２実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータを構成する中間プレートＳＰｉ−２を示す概略図である。
【図１０】第３実施例としての燃料電池スタック１０−３の構成を示す概略図である。
【図１１】第４実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−４のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−４の面を示す概略図である。
【図１２】第５実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−５のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−５の面を示す概略図である。
【図１３】第６実施例における燃料電池スタックの構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−６のカソード電極側に設けられたカソードガス流路体２５ｃ−６の面を示す概略図である。
【図１４】第７実施例における燃料電池スタックを構成要素であるシール一体型膜電極接合体２０−７のアノード電極側の面を示す概略図である。
【図１５】第７実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータＳＰ−７を構成するアノードプレートＳＰａ−７を示す概略図である。
【図１６】第７実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータＳＰ−７を構成するカソードプレートＳＰｃ−７を示す概略図である。
【図１７】第７実施例における燃料電池スタックの構成要素であるセパレータＳＰ−７を構成する中間プレートＳＰｉ―７を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０−３…燃料電池スタック
１１，１１−３…積層体
１２…エンドプレート
１３…締結部材
２０，２０−３，２０−４，２０−５，２０−６，２０−７…シール一体型膜電極接合体
２１，２１−７…発電部
２１ａ，２１ａ−７…発電部領域
２２…シールガスケット
２３…電解質膜
２３ｅ…膜端部
２４ａ…アノード電極層
２４ｃ…カソード電極層
２４ｅ…電極層端部
２５ａ…アノードガス流路体
２５ｃ，２５ｃ−４，２５ｃ−５，２５ｃ−６…カソードガス流路体
２５ｃｐａ〜２５ｃｐｅ…流路体領域
２５ｃｄａ〜２５ｃｄｅ…空間領域
２６…リップ
２６ｔ…頂部
ＡＰ１，ＡＰ２，ＡＰ２−５…アノード流路列
ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ２−２，ＣＰ２−５…カソード流路列
ＣＰ２ａ〜ＣＰ２ｅ…スリット
Ｍ１〜Ｍ６，Ｍ３−２，Ｍ３−３，Ｍ３−４，Ｍ３−５，Ｍ３−６，Ｍ３−７，Ｍ２−７，Ｍ６−７…マニホールド孔
Ｍ３Ａ，Ｍ３Ｂ…部分
ＭＥＡ…膜電極接合体
Ｐ１…水素流入孔
Ｐ２…水素流出孔
Ｐ３…酸素流入孔
Ｐ４…酸素流出孔
ＳＬ…シールライン
Ｓａ…シール領域
ＳＰ，ＳＰ−３，ＳＰ−５，ＳＰ−６，ＳＰ−７…セパレータ
ＳＰａ，ＳＰｉ−５，ＳＰｉ−６，ＳＰｉ−７…アノードプレート
ＳＰｃ，ＳＰｃ−５，ＳＰｃ−６，ＳＰｃ−７…カソードプレート
ＳＰｉ，ＳＰｉ−２，ＳＰｉ−５，ＳＰｉ−６，ＳＰｉ−７…中間プレート
ＷＰ，ＷＰ−５…冷媒流路
ＴＭＬ…電圧モニタ端子
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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