(57)【要約】【課題】燃料電池において電解質膜の膜やせを防止する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、カソード側拡散層と、カソード側セパレータと、シール材とを備える。カソード側拡散層と酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方は、カソード側拡散層の端面に略平行な所定の仮想平面より内側へのシール材の流入を抑制するシール材流入抑制部を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の表面上に配置されたアノード側触媒層と、前記電解質膜の他方の表面上に配置されたカソード側触媒層と、を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体におけるカソード側の表面上に配置されたカソード側拡散層と、
酸化剤ガスを前記カソード側拡散層の表面と平行な方向に流動させる酸化剤ガス内部流路を挟んで、前記カソード側拡散層に対向するように配置されたカソード側セパレータと、
前記カソード側拡散層および前記酸化剤ガス内部流路の端部に流入し、アノード側とカソード側との間の反応ガスの漏洩を抑制するシール材と、を備え、
前記カソード側拡散層と前記酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方は、前記カソード側拡散層の端面に略平行な所定の仮想平面より内側への前記シール材の流入を抑制するシール材流入抑制部を有する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記カソード側拡散層は、前記シール材流入抑制部として、前記仮想平面に沿って前記酸化剤ガス内部流路側の表面に形成された溝を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記カソード側拡散層における前記溝内には、前記シール材が流入しており、かつ、前記カソード側拡散層における前記溝より内側の部分には、前記シール材が流入していない、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス内部流路は、多孔質材料により形成されており、前記シール材流入抑制部として、前記仮想平面に沿って形成された、前記酸化剤ガス内部流路の他の部分より緻密な部分を有する、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス内部流路における前記緻密な部分に対して外側に隣接する部分には、前記シール材が流入しており、かつ、前記酸化剤ガス内部流路における前記緻密な部分に対して内側に隣接する部分には、前記シール材が流入していない、燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、さらに、
前記膜電極接合体におけるアノード側の表面上に配置されたアノード側拡散層と、
燃料ガスを前記アノード側拡散層の表面と平行な方向に流動させる燃料ガス内部流路を挟んで、前記アノード側拡散層に対向するように配置されたアノード側セパレータと、
前記アノード側拡散層の端部上に配置され、前記アノード側セパレータとの間に、前記燃料ガス内部流路と前記燃料電池の積層方向に沿って燃料ガスを流動させる燃料ガスマニホールドとを連通する連通流路を確保するシーリングプレートと、を備え、
前記シーリングプレートは、前記カソード側拡散層の端面に略平行な方向に延伸すると共に前記カソード側セパレータの表面に接する連続壁部を有する、燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
前記カソード側拡散層と前記酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方の端面と前記連続壁部との間には、前記シール材が充填されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の表面上にアノード側触媒層が設けられ他方の表面上にカソード側触媒層が設けられた構成の膜電極接合体と膜電極接合体を挟むように配置された一対の拡散層とを含む発電モジュールが、セパレータに狭持された状態で複数積層されたスタック構造の形態で利用される。燃料電池は、膜電極接合体に供給された反応ガス（燃料ガス（例えば水素）および酸化剤ガス（例えば空気））を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【０００３】
各発電モジュールにおけるセパレータと拡散層との間には、反応ガスを面方向（積層方向に略直交する方向）に流動させる反応ガス内部流路が設けられており、反応ガス内部流路内を流動する反応ガスは、拡散層を介して触媒層に供給される（例えば特許文献１参照）。また、各発電モジュールの端部には、アノード側とカソード側との間の反応ガスの漏洩（クロスリーク）を抑制するためのシール材が設けられる。シール材は組み立て前の発電モジュールやセパレータの所定の位置に配置され、発電モジュールやセパレータが積層された状態で圧縮されると、配置されたシール材が圧縮されて所望の位置に充填される。このとき、シール材は、拡散層や反応ガス内部流路の端部にも流入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
拡散層や反応ガス内部流路の端部に流入したシール材の内側縁は、シール材の量のばらつきや圧縮力のばらつきによって、平面視で直線状ではなく凹凸のある曲線状となる場合がある。シール材の内側縁が凹凸のある曲線状となると、拡散層や反応ガス内部流路において、反応ガスの供給量が不十分となる箇所が生ずる。カソード側の拡散層や反応ガス内部流路において酸化剤ガスの供給量が不十分な箇所が生じ、この箇所に対向するアノード側において燃料ガスが十分に供給されると、アノード側から透過した燃料ガスによってカソード側における酸素濃度が低下し、これによりカソード側の電位が低下し、面内の他の箇所に比べて発電による過酸化水素の発生量が多くなる。過酸化水素の発生量が多くなると、電解質膜の膜やせが引き起こされ、ひいてはクロスリークが助長されるため、好ましくない。このように、従来の燃料電池は、カソード側におけるシール材の内側縁の凹凸形状を原因として電解質膜の膜やせが発生するおそれがあるという課題があった。そのほか、従来の燃料電池においては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の表面上に配置されたアノード側触媒層と、前記電解質膜の他方の表面上に配置されたカソード側触媒層と、を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体におけるカソード側の表面上に配置されたカソード側拡散層と、酸化剤ガスを前記カソード側拡散層の表面と平行な方向に流動させる酸化剤ガス内部流路を挟んで、前記カソード側拡散層に対向するように配置されたカソード側セパレータと、前記カソード側拡散層および前記酸化剤ガス内部流路の端部に流入し、アノード側とカソード側との間の反応ガスの漏洩を抑制するシール材と、を備え、前記カソード側拡散層と前記酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方は、前記カソード側拡散層の端面に略平行な所定の仮想平面より内側への前記シール材の流入を抑制するシール材流入抑制部を有することを特徴とする。この形態の燃料電池によれば、カソード側拡散層と酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方がカソード側拡散層の端面に略平行な所定の仮想平面より内側へのシール材の流入を抑制するシール材流入抑制部を有するため、流入したシール材の内側縁は平面視で略直線状となる。そのため、この形態の燃料電池によれば、シール材の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側拡散層等に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池において、前記カソード側拡散層は、前記シール材流入抑制部として、前記仮想平面に沿って前記酸化剤ガス内部流路側の表面に形成された溝を有するとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール材流入抑制部を、仮想平面より内側へのシール材の流入を抑制するように構成することができ、電解質膜の膜やせの発生を抑制することができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池において、前記カソード側拡散層における前記溝内には、前記シール材が流入しており、かつ、前記カソード側拡散層における前記溝より内側の部分には、前記シール材が流入していないとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール材の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜の膜やせの発生を確実に防止することができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池において、前記酸化剤ガス内部流路は、多孔質材料により形成されており、前記シール材流入抑制部として、前記仮想平面に沿って形成された、前記酸化剤ガス内部流路の他の部分より緻密な部分を有するとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール材流入抑制部を、仮想平面より内側へのシール材の流入を抑制するように構成することができ、電解質膜の膜やせの発生を抑制することができる。
【００１１】
（５）上記形態の燃料電池において、前記酸化剤ガス内部流路における前記緻密な部分に対して外側に隣接する部分には、前記シール材が流入しており、かつ、前記酸化剤ガス内部流路における前記緻密な部分に対して内側に隣接する部分には、前記シール材が流入していないとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール材の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜の膜やせの発生を確実に防止することができる。
【００１２】
（６）上記形態の燃料電池において、さらに、前記膜電極接合体におけるアノード側の表面上に配置されたアノード側拡散層と、燃料ガスを前記アノード側拡散層の表面と平行な方向に流動させる燃料ガス内部流路を挟んで、前記アノード側拡散層に対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記アノード側拡散層の端部上に配置され、前記アノード側セパレータとの間に、前記燃料ガス内部流路と前記燃料電池の積層方向に沿って燃料ガスを流動させる燃料ガスマニホールドとを連通する連通流路を確保するシーリングプレートと、を備え、前記シーリングプレートは、前記カソード側拡散層の端面に略平行な方向に延伸すると共に前記カソード側セパレータの表面に接する連続壁部を有するとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、連続壁部によってカソード側の端部に配置されたシール材の外側方向への流動が阻止され、シール材の外側縁が略直線形状となる結果、シール材の内側縁も略直線形状となる。そのため、この形態の燃料電池によれば、シール材の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側拡散層等に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。
【００１３】
（７）上記形態の燃料電池において、前記カソード側拡散層と前記酸化剤ガス内部流路との少なくとも一方の端面と前記連続壁部との間には、前記シール材が充填されているとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール材の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜の膜やせの発生を確実に防止することができる。
【００１４】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００１５】
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本発明は、燃料電池、燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池システムを備える移動体、これらの装置等の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の単セル１４０の平面構成を示す説明図である。
【図３】単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。
【図４】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図５】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図６】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図７】カソード側拡散層２１７における溝部２１８が形成された部分の平面構成を示す説明図である。
【図８】溝部２１８の位置の決定方法を示す説明図である。
【図９】溝部２１８の幅Ｗの決定方法を示す説明図である。
【図１０】第２実施形態における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。
【図１１】カソード側多孔体流路層２３０における緻密部２３１が形成された部分の平面構成を示す説明図である。
【図１２】第３実施形態における単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。
【図１３】第３実施形態における単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。
【図１４】第３実施形態における発電モジュール２００の平面構成を示す説明図である。
【図１５】第３実施形態の変形例における発電モジュール２００の平面構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより発電を行う燃料電池（燃料電池スタック）１００を備えている。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。以下の説明では、複数の単セルを積層する方向を「積層方向」と呼ぶ。
【００１８】
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１００における発電に利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池１００には、また、エアポンプ６０および配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。
【００１９】
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管７３を介してラジエータ７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。
【００２０】
図２は、燃料電池１００の単セル１４０の平面構成を示す説明図である。単セル１４０の平面形状は略長方形である。単セル１４０は、後述するように、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層およびカソード側触媒層が配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含む発電モジュールを、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。
【００２１】
燃料電池１００の内部には、図２に示すように、燃料電池１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化剤ガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０における発電に利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０における発電に利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド１５４と、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池１００の積層方向（すなわち発電モジュールの面方向に略直交する方向）に伸びる形状の流路である。燃料電池１００の内部には、さらに、冷却媒体を単セル１４０に分配する冷却媒体供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷却媒体を集めて燃料電池１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド１７４と、が形成されている。
【００２２】
図２に示すように、単セル１４０の平面における各マニホールドの位置は、単セル１４０の周縁部となっている。具体的には、燃料ガス供給マニホールド１６２の位置は単セル１４０の平面における発電モジュール２００の一方の短辺（図２における右側の短辺）の一方の端部（同、上側の端部）に隣接した位置であり、燃料ガス排出マニホールド１６４の位置は発電モジュール２００の他方の短辺（同、左側の短辺）の他方の端部（同、下側の端部）に隣接した位置である。また、酸化剤ガス供給マニホールド１５２の位置は発電モジュール２００の一方の長辺（同、上側の長辺）の略全体に隣接した位置であり、酸化剤ガス排出マニホールド１５４の位置は発電モジュール２００の他方の長辺（同、下側の長辺）の略全体に隣接した位置である。また、冷却媒体供給マニホールド１７２の位置は発電モジュール２００の一方の短辺（同、左側の短辺）に隣接した位置であり、冷却媒体排出マニホールド１７４の位置は発電モジュール２００の他方の短辺（同、右側の短辺）に隣接した位置である。
【００２３】
なお、以下の説明では、発電モジュール２００を構成する各層の主表面に平行な方向（すなわち積層方向と略直交する方向）を「面方向」と呼ぶものとする。また、面方向の内、発電モジュール２００の短辺に平行な方向をＹ方向と呼び、発電モジュール２００の長辺に平行な方向（Ｙ方向に略直交する方向）をＸ方向と呼ぶものとする。
【００２４】
図３は、単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。図３には、単セル１４０における燃料ガス供給マニホールド１６２付近の部分（図２のＸ１部）の平面構成を拡大して示している。また、図４ないし図６は、単セル１４０の断面構成を示す説明図である。図４には図３のＡ１−Ａ１断面を示しており、図５には図３のＢ１−Ｂ１断面を示しており、図６には図３のＣ１−Ｃ１断面を示している。
【００２５】
図４および図５に示すように、単セル１４０は、発電モジュール２００と、発電モジュール２００を挟持する一対のセパレータ（カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０）と、を有している。発電モジュール２００は、カソード側多孔体流路層２３０と、カソード側拡散層２１７と、膜電極接合体２１０と、アノード側拡散層２１６と、が、この順に積層された構成を有している。膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の一方の表面上に配置（塗布）されたカソード側触媒層２１５と、電解質膜２１２の他方の表面上に配置（塗布）されたアノード側触媒層２１４と、から構成されている。図２には、単セル１４０の平面における発電モジュール２００の概略位置をハッチングにより示している。
【００２６】
電解質膜２１２は、フッ素系樹脂材料や炭化水素系樹脂材料等で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード側触媒層２１５およびアノード側触媒層２１４は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。カソード側拡散層２１７およびアノード側拡散層２１６は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成されている。カソード側多孔体流路層２３０は、金属多孔体（例えばエキスパンドメタル）やカーボン多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。カソード側多孔体流路層２３０は、カソード側拡散層２１７より空孔率が高い（すなわち、内部におけるガスの流動抵抗が低い）ため、酸化剤ガスをカソード側拡散層２１７の表面と平行な方向に流動させる酸化剤ガス内部流路として機能する。この酸化剤ガス内部流路は、拡散層とセパレータとの間に形成されることとなる。
【００２７】
図４および図５に示すように、電解質膜２１２およびアノード側の各層（アノード側触媒層２１４、アノード側拡散層２１６）のＸ方向に沿った長さは、カソード側の各層（カソード側触媒層２１５、カソード側拡散層２１７、カソード側多孔体流路層２３０）の長さより長い。すなわち、燃料電池１００の積層方向から発電モジュール２００を見ると、電解質膜２１２およびアノード側の各層は、カソード側の各層よりＸ方向に突出している。
【００２８】
カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０は、金属板を加工して形成される。カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０には、図２に示す各マニホールドを構成するための開口が形成されている。また、図４および図５に示すように、アノード側セパレータ３１０におけるアノード側拡散層２１６に対向する部分は凹凸形状に加工されており、これにより、アノード側拡散層２１６とアノード側セパレータ３１０との間に、燃料ガスをアノード側拡散層２１６の表面と平行な方向に流動させる溝型の燃料ガス内部流路２４０が形成される。
【００２９】
図４および図５には、燃料ガス供給マニホールド１６２付近における単セル１４０の構成を示したが、他のマニホールド付近の単セル１４０の構成も同様である。また、マニホールド付近以外の部分における発電モジュール２００の構成は、図３ないし図５に示した発電モジュール２００の構成と同様である。
【００３０】
図４および図５に示すように、発電モジュール２００の端部は、ガスシールのためのシール材４１０が配置されている。シール材４１０としては、例えば、接着剤や熱可塑性樹脂、ゴム等が用いられる。シール材４１０は、単セル１４０の組み立て前に、発電モジュール２００やアノード側セパレータ３１０、カソード側セパレータ３２０の所定の位置に配置される。発電モジュール２００とアノード側セパレータ３１０とカソード側セパレータ３２０とが積層されて圧縮されると、配置されたシール材４１０が圧縮されて、図示する位置に充填される。このとき、シール材４１０は、発電モジュール２００の端部にも流入する。
【００３１】
図４ないし図６に示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２付近には、シーリングプレート３１５が配置されている。シーリングプレート３１５は、例えば金属材料や樹脂材料により形成される。シーリングプレート３１５は、アノード側セパレータ３１０との間に、燃料ガス内部流路２４０と燃料ガス供給マニホールド１６２とを連通する連通流路３５０を確保するための部品である。具体的には、シーリングプレート３１５は、略平板形状の平板部３１６と、波形断面形状の波形部３１７と、平板部３１６と波形部３１７との連結箇所に配置された蓋部３１８と、を有している。図４および図５に示すように、平板部３１６は、アノード側拡散層２１６上に配置され、アノード側セパレータ３１０との間に燃料ガス内部流路２４０を確保する。また図６に示すように、波形部３１７のアノード側セパレータ３１０側の端部はアノード側セパレータ３１０の表面に接しており、カソード側セパレータ３２０側の端部はカソード側セパレータ３２０の表面に接している。そのため、波形部３１７は、発電モジュール２００の端部と燃料ガス供給マニホールド１６２との間の空間を２つに分割する。２つの空間の内、シーリングプレート３１５のカソード側セパレータ３２０側に形成された空間には、シール材４１０が充填されている。これは、上述した発電モジュール２００等の積層・圧縮の際に、圧縮されたシール材４１０がこの空間にも流入してくるからである。一方、シーリングプレート３１５のアノード側セパレータ３１０側に形成された空間は、蓋部３１８によって発電モジュール２００の端部に面する空間に対して遮断されている。そのため、シーリングプレート３１５のアノード側セパレータ３１０側に形成された空間には、シール材４１０が流入せず、燃料ガス内部流路２４０と燃料ガス供給マニホールド１６２とを連結する連通流路３５０が確保される。
【００３２】
図４および図５に示すように、本実施形態の単セル１４０は、カソード側拡散層２１７におけるカソード側多孔体流路層２３０側の表面に、溝部２１８が形成されている。図７は、カソード側拡散層２１７における溝部２１８が形成された部分の平面構成を示す説明図である。図４、図５および図７には、カソード側拡散層２１７の端面から内側に向かって距離Ｌ１の位置にある該端面に略平行な仮想平面ＨＰを破線で示している。溝部２１８は、内側の縁が仮想平面ＨＰに沿って伸びた幅Ｗの溝である。仮想平面ＨＰは、カソード側拡散層２１７の端面に略平行な平面であるため、図７に示すように、溝部２１８の平面形状は、カソード側拡散層２１７の端面に平行な直線状となる。なお、図２に示すように、溝部２１８は、発電モジュール２００の平面視における２つの短辺（燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却媒体排出マニホールド１７４に対向する辺と、燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却媒体供給マニホールド１７２に対向する辺）に沿って形成されている。
【００３３】
本実施形態の単セル１４０では、溝部２１８の存在により、カソード側多孔体流路層２３０とカソード側拡散層２１７との界面におけるカソード側拡散層２１７の端面から距離Ｌ１の位置に中空直方体状の空間が形成される。そのため、カソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７の端部に流入したシール材４１０は、該空間内に流入して該空間を充填するため、溝部２１８が無い場合と比較して、溝部２１８より内側（すなわち仮想平面ＨＰより内側）へのシール材４１０の流入が抑制される。上述したように、溝部２１８の平面形状はカソード側拡散層２１７の端面に平行な直線状であるため、カソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７に流入したシール材４１０の内側縁は、平面視で略直線状となる。そのため、本実施形態の単セル１４０では、シール材４１０の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜２１２の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。
【００３４】
本実施形態では、溝部２１８の位置（距離Ｌ１）および幅Ｗは、実験に基づき決められる。図８は、溝部２１８の位置の決定方法を示す説明図である。図７に破線で示すように、単位長さＬ３（例えば１ミリメートル）のカソード側拡散層２１７の部分において、溝部２１８を乗り越えて内側に流入したシール材４１０の体積をＶ１（以下「余剰シール材量Ｖ１」と呼ぶ）とし、溝部２１８の手前におけるシール材４１０が流入しなかった部分におけるシール材４１０の充填可能体積をＶ２（以下「不足シール材量Ｖ２」と呼ぶ）とする。このとき、図８に示すように、距離Ｌ１が大きいほど（すなわち、溝部２１８がカソード側拡散層２１７の端面から離れるほど）、余剰シール材量Ｖ１は小さくなり不足シール材量Ｖ２は大きくなる。反対に、距離Ｌ１が小さいほど（すなわち、溝部２１８がカソード側拡散層２１７の端面に近づくほど）、余剰シール材量Ｖ１は大きくなり不足シール材量Ｖ２は小さくなる。本実施形態では、距離Ｌ１に応じた余剰シール材量Ｖ１の変化曲線と不足シール材量Ｖ２の変化曲線とが交差する点における距離Ｌ１を、溝部２１８の最適位置としている。
【００３５】
図９は、溝部２１８の幅Ｗの決定方法を示す説明図である。溝部２１８の幅Ｗは、図８に示した溝部２１８の最適位置における余剰シール材量Ｖ１を溝部２１８が収容できるように決められる。例えば、溝部２１８の深さＤを０．１ミリメートルとし、最適位置における余剰シール材量Ｖ１が１立方ミリメートルであった場合には、単位長さＬ３の溝部２１８の体積が１立方ミリメートルとなるように、溝部２１８の幅Ｗは１０ミリメートルと決定される。また、溝部２１８の深さＤが他の値（例えば０．０５ミリメートルや０．１５ミリメートル）である場合にも、同様に幅Ｗが決定される。このように溝部２１８の位置（距離Ｌ１）および幅Ｗを決定すれば、カソード側拡散層２１７に流入したシール材４１０が溝部２１８まで達しなかったり、反対に、シール材４１０が溝部２１８を乗り越えてさらに内側まで侵入したりすることはなく、溝部２１８にシール材４１０が流入しており、かつ、カソード側拡散層２１７における溝部２１８より内側の部分にシール材４１０が流入していない状態を形成することができる。そのため、カソード側拡散層２１７に流入したシール材４１０の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜２１２の膜やせを確実に防止することができる。
【００３６】
Ｂ．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。第２実施形態における単セル１４０ａの構成は、カソード側拡散層２１７に溝部２１８が形成されていない点と、カソード側多孔体流路層２３０に緻密部２３１が形成されている点とが、図４等に示した第１実施形態の単セル１４０の構成と異なっており、その他の点は第１実施形態の単セル１４０の構成と同じである。
【００３７】
カソード側多孔体流路層２３０の緻密部２３１は、カソード側多孔体流路層２３０の他の部分より緻密な部分（空隙率の低い部分）であり、例えば、型で押し潰す圧縮加工によって形成される。緻密部２３１は、空隙率が低い部分であるため、緻密部２３１より内側へのシール材４１０の流入を抑制する機能を有する。緻密部２３１は、第１実施形態における溝部２１８と同様に、発電モジュール２００の平面視における２つの短辺（燃料ガス供給マニホールド１６２および冷却媒体排出マニホールド１７４に対向する辺と、燃料ガス排出マニホールド１６４および冷却媒体供給マニホールド１７２に対向する辺）に沿って形成されている。図１１は、カソード側多孔体流路層２３０における緻密部２３１が形成された部分の平面構成を示す説明図である。図１０および図１１に示すように、緻密部２３１は、カソード側拡散層２１７の端面から距離Ｌ１の位置にある仮想平面ＨＰに沿って形成されている。そのため、第２実施形態の単セル１４０ａでは、緻密部２３１によって、仮想平面ＨＰより内側へのシール材４１０の流入が抑制される。これにより、カソード側多孔体流路層２３０に流入したシール材４１０の内側縁は、平面視で略直線状となる。従って、第２実施形態の単セル１４０ａでは、シール材４１０の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜２１２の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。
【００３８】
なお、第２実施形態では、緻密部２３１の位置（距離Ｌ１）は、第１実施形態における溝部２１８の位置と同様に、実験に基づき決められる。すなわち、図８に示すように、距離Ｌ１に応じた余剰シール材量Ｖ１の変化曲線と不足シール材量Ｖ２の変化曲線とが交差する点における距離Ｌ１を、緻密部２３１の最適位置としている。このように緻密部２３１の位置（距離Ｌ１）を決定すれば、カソード側多孔体流路層２３０に流入したシール材４１０が緻密部２３１まで達しなかったり、反対に、シール材４１０が緻密部２３１を乗り越えてさらに内側まで侵入したりすることはなく、カソード側多孔体流路層２３０における緻密部２３１に対して外側に隣接する部分にシール材４１０が流入しており、かつ、カソード側多孔体流路層２３０における緻密部２３１に対して内側に隣接する部分にシール材４１０が流入していない状態を形成することができる。そのため、カソード側多孔体流路層２３０に流入したシール材４１０の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜２１２の膜やせを確実に防止することができる。
【００３９】
Ｃ．第３実施形態：
図１２および図１３は、第３実施形態における単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。図１２には、図３のＡ１−Ａ１断面を示しており、図１３には、図３のＣ１−Ｃ１断面を示している。なお、図３のＢ１−Ｂ１断面の構成は、図５と同じである。図１４は、第３実施形態における発電モジュール２００の平面構成を示す説明図である。第３実施形態における単セル１４０ｂの構成は、カソード側拡散層２１７に溝部２１８が形成されていない点と、シーリングプレート３１５の構成とが、図４ないし図６に示した第１実施形態の単セル１４０の構成と異なっており、その他の点は第１実施形態の単セル１４０の構成と同じである。
【００４０】
第３実施形態の単セル１４０ｂでは、第１実施形態と同様に、シーリングプレート３１５が平板部３１６と波形部３１７とを有している。第３実施形態では、波形部３１７が連結部３１９を有するような形状に加工されている点が第１実施形態と異なる。図１２に示すように、連結部３１９は、アノード側セパレータ３１０の表面からカソード側セパレータ３２０の表面までの高さを有する凸型断面形状の部分である。図１３および図１４に示すように、連結部３１９は、波形部３１７の凸部間を連結するような位置に形成されている。そのため、連結部３１９は、波形部３１７によって２つに分割された発電モジュール２００の端部と燃料ガス供給マニホールド１６２との間の空間の内、カソード側セパレータ３２０側に形成された空間４１２を、発電モジュール２００の端部に面する空間に対して遮断する。図１２、図１４および図５に示すように、連結部３１９の内の最も内側に位置する部分（平板部３１６の外側端部からカソード側セパレータ３２０の表面に向けて伸びる部分）は、蓋部３１８と連続するような位置にあるため、連結部３１９の該部分と蓋部３１８とで、カソード側セパレータ３２０に接する連続壁部が構成される。この連続壁部は、カソード側拡散層２１７の端面に略平行な方向に延伸している。
【００４１】
このように第３実施形態の単セル１４０ｂでは、蓋部３１８および連結部３１９によって、カソード側拡散層２１７の端面に略平行な方向に延伸すると共にカソード側セパレータ３２０に接する連続壁部が構成される。この連続壁部は、発電モジュール２００の端部に配置されたシール材４１０の外側方向への流動を阻止するため、シール材４１０の外側縁は略直線形状となる。その結果、シール材４１０の内側縁も略直線形状となる。ここで、波形部３１７が連結部３１９を有しない場合には、図１４において破線で示すように、空間４１２内にシール材４１０が流入するため（図４参照）、シール材４１０の外側縁が凹凸のある曲線状となり、その結果、シール材４１０の内側縁も凹凸のある曲線状となりやすく、電解質膜２１２の膜やせの原因となる。第３実施形態の単セル１４０ｂでは、シール材４１０の内側縁を略直線形状とすることができるため、シール材４１０の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜２１２の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。
【００４２】
なお、第３実施形態では、連続壁部（蓋部３１８および連結部３１９）の位置は、発電モジュール２００の端部に配置されたシール材４１０が連続壁部まで達しないことのないように、実験に基づき決められる。このようにすれば、シール材４１０の内側縁を精度良く直線状とすることができ、電解質膜２１２の膜やせを確実に防止することができる。
【００４３】
図１５は、第３実施形態の変形例における発電モジュール２００の平面構成を示す説明図である。図１５に示す第３実施形態の変形例では、連結部３１９の代わりに、連結部品３３０により連続壁部が構成されている点が、図１４に示す第３実施形態とは異なっている。連結部品３３０は、シーリングプレート３１５の他の部分と一体成形されたものではなく、別部品である。連結部品３３０は、空間４１２内へのシール材４１０の流入を阻止する機能を有すればよく、例えば、樹脂材料を用いて形成される。第３実施形態の変形例でも、第３実施形態と同様に、蓋部３１８および連結部品３３０によって構成される連続壁部によってシール材４１０の外側縁は略直線形状となり、その結果、シール材４１０の内側縁も略直線形状となるため、シール材４１０の内側縁が凹凸のある曲線状となってカソード側多孔体流路層２３０やカソード側拡散層２１７に酸化剤ガスの供給量が不十分となる箇所が形成され、カソード側の電位が低下して過酸化水素発生量の増加による電解質膜２１２の膜やせが起こる、という事態の発生を抑制することができる。また、第３実施形態の変形例では、連結部品３３０は、発電モジュール２００の端部に面した側の加工精度を確保して形成すればよく、反対側の加工精度は要求されないため、製造工程の簡略化・効率化を図ることができる。
【００４４】
Ｄ．その他の変形例：
上記各実施形態における燃料電池システム１０の構成はあくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成は種々変更可能である。例えば、単セル１４０が、第１実施形態における溝部２１８と、第２実施形態における緻密部２３１と、第３実施形態における連結部３１９との３つの構成の内、２つまたは３つの構成を同時に備えるとしてもよい。
【００４５】
また、上記第１実施形態の単セル１４０平面における溝部２１８の配置や、上記第２実施形態の単セル１４０ａ平面における緻密部２３１の配置はあくまで一例であり、他の配置であってもよい。また、上記第１実施形態および第３実施形態において、酸化剤ガス内部流路として、カソード側多孔体流路層２３０の代わりに、カソード側セパレータ３２０の溝加工により形成された流路空間を設けるとしてもよい。また、上記各実施形態において、燃料ガス内部流路２４０の代わりに、多孔質材料により構成されたアノード側多孔体流路層を設けるとしてもよい。また、上記第１実施形態および第２実施形態において、必ずしもシーリングプレート３１５が設けられる必要はない。また、上記第２実施形態において、緻密部２３１はカソード側多孔体流路層２３０の圧縮加工により形成されるとしているが、緻密部２３１はカソード側多孔体流路層２３０の空隙に樹脂等を充填することにより形成されるとしてもよい。
【００４６】
また、上記各実施形態において、発電モジュール２００を構成する各層の面方向に沿った長さは、任意に変更可能である。また、上記各実施形態では、燃料電池１００を構成する各部の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。また、上記各実施形態の単セル１４０における各マニホールドの配置はあくまで一例であり、各マニホールドの異なる配置を採用することも可能である。
【００４７】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…排出配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５２…酸化剤ガス供給マニホールド
１５４…酸化剤ガス排出マニホールド
１６２…燃料ガス供給マニホールド
１６４…燃料ガス排出マニホールド
１７２…冷却媒体供給マニホールド
１７４…冷却媒体排出マニホールド
２００…発電モジュール
２１０…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…アノード側触媒層
２１５…カソード側触媒層
２１６…アノード側拡散層
２１７…カソード側拡散層
２１８…溝部
２３０…カソード側多孔体流路層
２３１…緻密部
２４０…燃料ガス内部流路
３１０…アノード側セパレータ
３１５…シーリングプレート
３１６…平板部
３１７…波形部
３１８…蓋部
３１９…連結部
３２０…カソード側セパレータ
３３０…連結部品
３５０…連通流路
４１０…シール材
４１２…空間
ＨＰ…仮想平面
【図１】
2014186851.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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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