(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックにおいて、ガスの供給時の圧力損失を低減させることによって、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させる【解決手段】  セパレータ４１は、ＭＥＧＡユニット４５のカソード側の表面に対して垂直な方向に、空気を供給するための空気供給口４２２ｉと、ＭＥＧＡユニット４５の表面に対して垂直な方向に、空気を排出するための空気排出口４２２ｏとを備える。ＭＥＧＡユニット４５は、カソード側に、表面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、垂直な方向の通気抵抗が高いカソード用拡散層４８ｃを備える。そして、ＭＥＧＡユニット４５は、空気供給口４２２ｉに対向する位置に、カソード用拡散層４８ｃの側面から、面に対して平行な方向に空気を供給するための空隙４９ｃｉを備え、空気排出口４２２ｏに対向する位置に、カソード用拡散層４８ｃの側面から、面に対して平行な方向に未使用の空気を排出するための空隙４９ｃｏを備える。【選択図】  図４
2006216426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
前記セパレータと当接する少なくとも一方の面に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い拡散層を備えるとともに、
前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記拡散層を備えるとともに、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、それぞれ前記供給口から前記拡散層の側面の少なくとも一部に前記ガスを導くための空隙、または、前記拡散層の側面の少なくとも一部から前記排出口に前記ガスを導くための空隙を備える、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙のみからなる、
燃料電池。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙と、前記積層体の表面を被覆する被覆部材と、を備える、
燃料電池。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記積層体は、前記電解質膜を挟んで前記空隙と対向する位置に、さらに、前記空隙とほぼ同一形状を有する空隙を備える、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備える、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備える、
燃料電池。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記供給口、および、前記排出口のうちの少なくとも一方は、複数設けられているとともに、前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記複数の供給口、または、前記複数の排出口に対応して、複数設けられており、
前記積層体は、前記複数の供給部間、および、前記複数の排出部間のうちの少なくとも一方に、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備える、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池であって、
さらに、前記複数の供給部、および、前記複数の排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備える、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項８または９記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、櫛形構造を有する部材である、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項８または９記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、導電性を有する導電性部材である、
燃料電池。
【請求項１３】
請求項８または９記載の燃料電池であって、
前記補強部材は、ガス拡散性を有する拡散部材である、
燃料電池。
【請求項１４】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い第１の拡散層を備えるとともに、
前記セパレータと、前記第１の拡散層との間に、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記第１の拡散層よりも低い第２の拡散層を備える、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを形成した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するタイプのものがある（以下、このスタック構造を有する燃料電池を「燃料電池スタック」と呼ぶ）。そして、従来、各セパレータの両面には、積層したときに、燃料ガスや、酸化剤ガスの流路を形成するための溝が設けられていた。
【０００３】
近年では、セパレータとして、平板のセパレータを用いる構成が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。この平板のセパレータでは、セパレータの内部に各流路が形成される。
【０００４】
図１３は、平板のセパレータを用いた燃料電池スタックの概略構成の一例を示す断面図である。燃料電池スタックは、電解質膜１の一方の面に、アノード用触媒層１ａと、アノード用拡散層２ａとを、この順に積層させ、電解質膜１の他方の面に、カソード用触媒層１ｃと、カソード用拡散層２ｃとを、この順に積層させた積層体をフレームによって支持した電解質膜ユニット３を備えている。そして、この電解質膜ユニット３のカソード側の面には、平板のカソード側セパレータ４が積層されている。また、電解質膜ユニット３のアノード側の面には、平板のアノード側セパレータ５が積層されている。
【０００５】
図示するように、電解質膜ユニット３と、カソード側セパレータ４と、アノード側セパレータ５とには、それぞれ酸化剤ガスとしての空気を供給するための貫通孔３ａ、４ａ、５ａ、および、未消費の空気を排出するための貫通孔３ｂ、４ｂ、５ｂが設けられている。そして、カソード側セパレータ４には、貫通孔４ａから分岐し、カソード用拡散層２ｃに、面に対して垂直な方向に空気を供給するための空気供給口４ｃｉを有する空気供給用流路４ｃと、貫通孔４ｂから分岐し、カソード用拡散層２ｃから、面に対して垂直な方向に空気を排出するための空気排出口４ｄｏを有する空気排出用流路４ｄとが設けられている。空気供給口４ｃｉから供給された空気は、カソード用拡散層２ｃ内を拡散しながら流れ、空気排出口４ｄｏから排出される。なお、空気は、空気供給用のポンプを用いて加圧されて供給される。
【０００６】
また、図示は省略しているが、電解質膜ユニット３と、カソード側セパレータ４と、アノード側セパレータ５とには、燃料ガスとしての水素を供給するための貫通孔や、未消費の水素を排出するための貫通孔も設けられている。そして、アノード側セパレータ５には、アノード用拡散層２ａに、面に対して垂直な方向に水素を供給するための水素供給口を有する水素供給用流路と、アノード用拡散層２ａから、面に対して垂直な方向に水素を供給するための水素供給口を有する水素供給用流路とが設けられている。水素供給口から供給された水素は、アノード用拡散層２ａ内を拡散しながら流れ、水素排出口から排出される。なお、水素は、水素供給用のポンプを用いて加圧されて供給されたり、水素タンクから供給されたりする。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１２１２８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した燃料電池スタックでは、アノード用拡散層２ａや、カソード用拡散層２ｃとして、ガス拡散性を有するカーボンクロスや、カーボンペーパーが用いられる場合がある。そして、これらは、面に対して平行な方向にガスが流れやすくなるように作製されている。すなわち、これらは、面に対して垂直な方向の通気抵抗が、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも高いという通気性についての異方性を有している。このような通気抵抗に異方性を有する材料を、上述した燃料電池スタックに適用する場合、通気抵抗が比較的高い、面に対して垂直な方向からガスが供給されるので、ガス供給時の圧力損失が大きかった。このような圧力損失は、ガス供給用のポンプの動力損失を増大させ、上述した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招いていた。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、ガスの供給時の圧力損失を低減させることによって、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
前記セパレータと当接する少なくとも一方の面に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い拡散層を備えるとともに、
前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備えることを要旨とする。
【００１１】
こうすることによって、拡散層の通気抵抗が比較的低い側面の少なくとも一部から、積層体の面に対して平行な方向に、ガスの供給、または、排出を行うことができる。したがって、拡散層に、積層体の面に対して垂直な方向から、ガスの供給、または、排出を行うよりも、圧力損失を低減させることができる。この結果、燃料電池システムに、本発明の燃料電池を適用することによって、ガス供給用のポンプの動力損失を低減させ、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。なお、積層体が、上記供給部と、上記排出部の双方を備えるようにすることによって、さらに、圧力損失を低減させることができる。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記拡散層を備えるとともに、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記供給口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを供給するための供給部と、
少なくとも前記カソード側の前記セパレータが有する前記排出口に対向する位置に設けられ、前記拡散層の側面の少なくとも一部から、前記面に対して平行な方向に、前記ガスを排出するための排出部と、
のうちの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。
【００１３】
燃料電池において、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いる場合、一般に、空気の流量は、水素の流量の３倍程度必要とされる。このため、上述した圧力損失は、アノード側よりも、カソード側の方が大きい。本発明では、積層体は、上記供給部、および、上記排出部のうちの少なくとも一方を、積層体の少なくともカソード側に備えることにより、圧力損失を効果的に低減させることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池において、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、それぞれ前記供給口から前記拡散層の側面の少なくとも一部に前記ガスを導くための空隙、または、前記拡散層の側面の少なくとも一部から前記排出口に前記ガスを導くための空隙を備えるようにしてもよい。
【００１５】
こうすることによって、供給部、および、排出部の少なくとも一方において、ガスが流れる方向を容易に変換することができる。
【００１６】
なお、上記燃料電池において、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙のみからなるようにしてもよい。
【００１７】
こうすることによって、拡散層の側面の少なくとも一部において、厚さ方向全体から、ガスを供給、または、排出することができるので、拡散層におけるガスの拡散の均一性を向上させることができる。
【００１８】
また、前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記空隙と、前記積層体の表面を被覆する被覆部材と、を備えるようにしてもよい。
【００１９】
電解質膜として、例えば、固体高分子膜を用いる場合、適切に発電を行うためには、電解質膜の湿潤状態を適正に保つことが要求される。本発明では、供給部、および、排出部の少なくとも一方は、被覆部材を備えるので、この部位において、上記積層体がガスに直接さらされることはない。したがって、電解質膜の乾燥を抑制することができる。なお、被覆部材としては、上記拡散層と同一の部材を用いるようにしてもよいし、他の部材を用いるようにしてもよい。
【００２０】
上記空隙を備える燃料電池において、
前記積層体は、前記電解質膜を挟んで前記空隙と対向する位置に、さらに、前記空隙とほぼ同一形状を有する空隙を備えるようにすることが好ましい。
【００２１】
通常、燃料電池スタックは、接触抵抗の増大を防止するために、積層方向に押圧力が加えられる。この場合、上記積層体の片方の面にのみ上記空隙を設けると、空隙を設けた部位において、積層体の両面にかかる押圧力のバランスが不均等になり、電解質膜が破損するおそれがある。本発明では、積層体の両面の電解質膜を挟んで対向する位置に、ほぼ同一形状を有する空隙を備えるので、上記押圧力のバランスを均等に保つことができる。したがって、電解質膜の破損を防止することができる。
【００２２】
本発明の第１の燃料電池において、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備えるようにしてもよい。
【００２３】
こうすることによって、供給部、および、排出部の少なくとも一方におけるガスの流れる方向を変換するとともに、拡散層におけるガスの拡散の均一性を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明の第１の燃料電池において、
前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備えるようにすることが好ましい。
【００２５】
こうすることによって、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制することができる。
【００２６】
本発明の第１の燃料電池において、
前記供給口、および、前記排出口のうちの少なくとも一方は、複数設けられているとともに、前記供給部、および、前記排出部のうちの少なくとも一方は、前記複数の供給口、または、前記複数の排出口に対応して、複数設けられており、
前記積層体は、前記複数の供給部間、および、前記複数の排出部間のうちの少なくとも一方に、前記スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる変形を抑制するための補強部材を備えるようにすることが好ましい。
【００２７】
こうすることによって、供給口、および、排出口のうちの少なくとも一方が複数設けられている場合に、複数の供給口、および、複数の排出口におけるガスの供給、および、排出を妨げることなく、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる局所的な変形を抑制することができる。
【００２８】
上記燃料電池において、
さらに、前記複数の供給部、および、前記複数の排出部のうちの少なくとも一方は、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記拡散層よりも低い拡散部材を備えるようにしてもよい。
【００２９】
こうすることによって、拡散部材も補強部材として機能させることができるので、拡散部材を備えない場合と比較して、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じる局所的な変形を、さらに抑制することができる。
【００３０】
上記補強部材を備える燃料電池において、
前記補強部材は、櫛形構造を有する部材であるものとしてもよい。
【００３１】
こうすることによって、複数箇所で上述した押圧力を支えることが可能な補強部材を一体的に成形することができる。本発明は、上述した供給口、および、排出口が複数設けられている場合に、櫛形構造の歯の部分を、複数の供給部間、および、複数の排出部間に配置するようにすることができるので、特に有効である。
【００３２】
また、上記補強部材を備える燃料電池において、
前記補強部材は、導電性を有する導電性部材であるものとしてもよい。
【００３３】
こうすることによって、積層体において発電された電気を出力するときの電気抵抗を減少することができる。
【００３４】
また、上記補強部材を備える燃料電池において、
前記補強部材は、ガス拡散性を有する拡散部材であるものとしてもよい。
【００３５】
こうすることによって、拡散層におけるガスの拡散の均一性を向上させることができる。
【００３６】
本発明の第２の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、所定のガスを供給するための供給口を有する供給用流路と、
前記積層体の表面に対して垂直な方向に、前記ガスを排出するための排出口を有する排出用流路と、を備え、
前記積層体は、
少なくとも前記カソード側に積層される前記セパレータと当接する面側に、前記ガスについて、面に対して平行な方向の通気抵抗よりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が高い第１の拡散層を備えるとともに、
前記セパレータと、前記第１の拡散層との間に、少なくとも前記面に対して垂直な方向の通気抵抗が、前記第１の拡散層よりも低い第２の拡散層を備えることを要旨とする。
【００３７】
本発明では、ガスの供給、または、排出は、第２の拡散層を介して行われる。そして、第２の拡散層は、積層体の面に対して垂直な方向の通気抵抗が、第１の拡散層よりも低い。したがって、第１の拡散層に、面に対して垂直な方向から、直接、ガスの供給、または、排出を行うよりも、圧力損失を低減させることができる。この結果、燃料電池システムに、本発明の燃料電池を適用することによって、ガス供給用のポンプの動力損失を低減させ、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００３８】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
Ｃ．ＭＥＧＡユニットの構成（第１実施例）：
Ｄ．第１実施例の変形例：
Ｅ．第２実施例：
Ｆ．第３実施例：
Ｇ．第３実施例の変形例：
Ｈ．他の変形例：
【００４０】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、第１実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３枚の平板にそれぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。単セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００４１】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、電解質膜等を備えるＭＥＧＡユニット４５とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００４２】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制するために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００４３】
エンドプレート１０、７０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００４４】
Ｂ．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＧＡユニット４５とによって構成されている。そして、セパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の平板、すなわち、カソード対向板４２と、流路形成板４３と、アノード対向板４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向板４２と、流路形成板４３と、アノード対向板４４とは、同一の四角形の形状を有するＳＵＳ製の平板を用いるものとした。カソード対向板４２と、流路形成板４３と、アノード対向板４４として、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【００４５】
図２（ａ）は、ＭＥＧＡユニット４５のカソード側の面と当接するカソード対向板４２の平面図である。図示するように、カソード対向板４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００４６】
図２（ｃ）は、ＭＥＧＡユニット４５のアノード側の面と当接するアノード対向板４４の平面図である。図示するように、アノード対向板４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００４７】
図２（ｂ）は、流路形成板４３の平面図である。図示するように、流路形成板４３は、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向板４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向板４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向板４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向板４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。
【００４８】
図２（ｄ）は、ＭＥＧＡユニット４５のカソード側から見た平面図である。このＭＥＧＡユニット４５は、後述するように、電解質膜の両面に、それぞれ触媒層と、拡散層とを、この順に積層させた積層体（ＭＥＧＡ）を、ＳＵＳ製のフレームによって支持したものである。なお、図示は省略するが、フレームには、セパレータ４１との積層時に、各ガスのガス漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成されている。
【００４９】
図示するように、ＭＥＧＡユニット４５は、ＭＥＧＡ部４５１と、フレームに設けられた空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、ほぼ矩形であるものとした。
【００５０】
ＭＥＧＡ部４５１のカソード側には、ＭＥＧＡユニット４５とカソード対向板４２とを積層させたときに、カソード対向板４２の複数の空気供給口４２２ｉと対向する位置を含む領域Ｒａと、カソード対向板４２の複数の空気排出口４２２ｏと対向する位置を含む領域Ｒｂとが設定されている。ＭＥＧＡユニット４５におけるカソード対向板４２の複数の空気供給口４２２ｉと対向する各位置は、本発明における供給部に相当し、ＭＥＧＡユニット４５におけるカソード対向板４２の複数の空気排出口４２２ｏと対向する各位置は、本発明における排出部に相当する。領域Ｒａ、ＲｂにおけるＭＥＧＡユニット４５の構造については、後に詳述する。
【００５１】
図３は、セパレータ４１の平面図である。ここでは、アノード対向板４４側から見た平面図を示した。
【００５２】
図から分かるように、アノード対向板４４と、流路形成板４３と、カソード対向板４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５３】
また、アノード対向板４４と、カソード対向板４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５４】
また、流路形成板４３において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向板４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向板４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向板４４の冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向板４２の冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。
【００５５】
また、流路形成板４３における空気供給用流路形成部４３２ｃ、空気排出用流路形成部４３２ｄ、水素供給用流路形成部４３２ｅ、水素排出用流路形成部４３２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向板４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向板４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向板４２と、流路形成板４３と、アノード対向板４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
【００５６】
Ｃ．第１実施例：
図４は、第１実施例のＭＥＧＡユニット４５の構造を示す説明図である。図４（ａ）には、図３におけるＡ−Ａ断面図を示し、図４（ｂ）には、図３におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００５７】
図示するように、ＭＥＧＡユニット４５は、電解質膜４６の一方の面に、アノード用触媒層４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順に積層させ、電解質膜４６の他方の面に、カソード用触媒層４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとを、この順に積層させた積層体を、フレームによって支持したものである。アノード用拡散層４８ａは、ＭＥＧＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向板４４と当接するように配置されている。また、カソード用拡散層４８ｃは、ＭＥＧＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向板４２と当接するように配置されている。
【００５８】
本実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、ガス拡散性を有するカーボンクロスを用いるものとした。そして、このカーボンクロスは、表面に対して平行な方向にガスが流れやすくなるように作製されている。すなわち、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃは、表面に対して垂直な方向の通気抵抗が、表面に対して平行な方向の通気抵抗よりも大きいという通気性についての異方性を有している。
【００５９】
図４（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向板４４の空気供給用貫通孔４４２ａから供給された空気は、流路形成板４３の空気供給用流路形成部４３２ｃを通り、カソード対向板４２の空気供給口４２２ｉから、ＭＥＧＡユニット４５の表面に対して垂直な方向に供給される。カソード対向板４２の空気供給口４２２ｉと対向するＭＥＧＡユニット４５の領域Ｒａ（図３参照）には、空隙４９ｃｉが設けられている。この空隙４９ｃｉによって、カソード対向板４２の空気供給口４２２ｉから供給された空気の流れる向きを変換し、カソード用拡散層４８ｃの側面から、比較的通気抵抗が低い、表面に対して平行な方向に供給することができる。したがって、空隙４９ｃｉを設けずに、カソード用拡散層４８ｃの表面に対して垂直な方向から、空気の供給を行う場合と比較して、空気の供給時の圧力損失を低減することができる。
【００６０】
また、図４（ｂ）に示すように、カソード対向板４２の空気排出口４２２ｏと対向するＭＥＧＡユニット４５の領域Ｒｂ（図３参照）にも、空隙４９ｃｏが設けられている。この空隙４９ｃｏによって、図中に矢印で示したように、カソード用拡散層４８ｃの側面から、比較的通気抵抗が低い表面に対して平行な方向に、空気を排出することができる。したがって、空隙４９ｃｏが設けずに、カソード用拡散層４８ｃの表面に対して垂直な方向から、空気の排出を行う場合と比較して、空気の排出時の圧力損失を低減することができる。カソード用拡散層４８ｃの側面から排出された空気は、空隙４９ｃｏによって流れる向きが変換され、カソード対向板４２の空気排出口４２２ｏから、ＭＥＧＡユニット４５の表面に対して垂直な方向に排出され、流路形成板４３の空気排出用流路形成部４３２ｄを通って、アノード対向板４４の空気排出用貫通孔４４２ｂから排出される。
【００６１】
なお、本実施例では、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏは、カソード用拡散層４８ｃの厚さ方向全体に亘って形成されており、カソード用拡散層４８ｃの側面全体から空気の供給、および、排出を行うことができる。したがって、カソード用拡散層４８ｃにおける空気の拡散の均一性を向上させることができる。
【００６２】
また、本実施例では、空隙４９ｃｉ、４９ｃｏの図における上下方向の幅は、それぞれ空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、セパレータ４１と、ＭＥＧＡユニット４５とを積層させたときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気を流すことが可能であり、空気の供給時、または、排出時の圧力損失の増大を抑制することができる。
【００６３】
また、本実施例では、図４（ａ）に示したように、図におけるアノード用触媒層４７ａの上端部、および、カソード用触媒層４７ｃの上端部は、流路形成板４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６の最上端部端部とほぼ一致するように配置されている。また、図４（ｂ）に示したように、アノード用触媒層４７ａの下端部、および、カソード用触媒層４７ｃの下端部は、流路形成板４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６の最下端部とほぼ一致するように配置されている。こうすることによって、ＭＥＧＡユニット４５において、発電時に発熱するアノード用触媒層４７ａ、および、カソード用触媒層４７ｃが存在する領域を十分に冷却することができる。
【００６４】
以上説明した第１実施例のＭＥＧＡユニット４５を用いた燃料電池スタック１００によれば、ＭＥＧＡユニット４５に、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏが設けられているので、カソード用拡散層４８ｃの通気抵抗が比較的低い側面から、表面に対して平行な方向に、空気の供給、または、排出を行うことができる。したがって、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏを設けずに、カソード用拡散層４８ｃに、表面に対して垂直な方向から、空気の供給、または、排出を行うよりも、圧力損失を低減させることができる。この結果、燃料電池システムに、本実施例の燃料電池スタック１００を適用することによって、空気供給用のポンプの動力損失を低減させ、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００６５】
Ｄ．第１実施例の変形例：
以下、第１実施例の変形例としてのＭＥＧＡユニットについて説明する。なお、以下では、第１実施例のＭＥＧＡユニット４５と異なる点について説明し、共通する点については、説明を省略する。
Ｄ１．変形例１：
図５は、第１実施例の第１の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ａの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ａでは、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂに、それぞれ空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏが設けられているとともに、各領域Ｒａ、Ｒｂにおける電解質膜４６の表面に、拡散層４９ｃｉｄ、および、拡散層４９ｃｏｄが設けられている。本変形例では、拡散層４９ｃｉｄ、および、拡散層４９ｃｏｄとして、カソード用拡散層４８ｃと同じカーボンクロスを用いるものとした。拡散層４９ｃｉｄ、および、拡散層４９ｃｏｄの代わりに、他の被覆部材を用いるようにしてもよい。
【００６６】
上記実施例では、電解質膜４６として、固体高分子膜を用いているので、適切に発電を行うためには、電解質膜４６の湿潤状態を適正に保つことが要求される。本変形例では、電解質膜４６の表面が、拡散層４９ｃｉｄ、および、拡散層４９ｃｏｄによって被覆されているので、電解質膜４６が空気に直接さらされることはない。したがって、電解質膜４６の乾燥を抑制することができる。
【００６７】
Ｄ２．変形例２：
図６は、第１実施例の第２の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｂの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ｂでは、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂに、それぞれ空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏが設けられているとともに、電解質膜４６を挟んで、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏと対向するアノード側の領域に、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏとそれぞれ同一形状を有する空隙４９ａｉ、および、空隙４９ａｏが設けられている。
【００６８】
先に説明したように、燃料電池スタック１００は、接触抵抗の増大を防止するために、積層方向に押圧力が加えられる。この場合、電解質膜４６の片方の面にのみ空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏを設けると、その部位において、電解質膜４６の両面にかかる押圧力のバランスが不均等になり、電解質膜４６が破損するおそれがある。本変形例では、ＭＥＧＡユニット４５Ｂは、カソード側に、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏを備えるとともに、アノード側に、空隙４９ａｉ、および、空隙４９ａｏも備えているので、上述した押圧力のバランスを均等に保つことができる。したがって、電解質膜４６の破損を防止することができる。
【００６９】
Ｄ３．変形例３：
図７は、第１実施例の第３の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｃの構造を示す説明図である。本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ｃは、図から分かるように、先に説明した第１実施例の第１の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ａの特徴と、第１実施例の第２の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｂの特徴とを組み合わせたものである。すなわち、本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ｃでは、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂに、それぞれ空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏが設けられているとともに、各領域Ｒａ、Ｒｂにおける電解質膜４６の表面に、拡散層４９ｃｉｄ、および、拡散層４９ｃｏｄが設けられており、さらに、電解質膜４６を挟んで、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏと対向するアノード側の領域に、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏとそれぞれ同一形状を有する空隙４９ａｉ、および、空隙４９ａｏと、拡散層４９ａｉｄ、および、拡散層４９ａｏｄが設けられている。こうすることによって、電解質膜４６の乾燥を抑制するとともに、電解質膜４６の破損を防止することができる。
【００７０】
Ｄ４．変形例４：
図８は、第１実施例の第４の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｄの構造を示す説明図である。図示するように、本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ｄでは、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂに、空隙４９ｃｉ、および、空隙４９ｃｏの代わりに、ガス拡散性を有する拡散部材４９ｃｉｄ２、および、拡散部材４９ｃｏｄ２を備えている。本変形例では、拡散部材４９ｃｉｄ２、および、拡散部材４９ｃｏｄ２として、先に説明した通気抵抗についての異方性を有していない金属多孔体を用いるものとした。そして、拡散部材４９ｃｉｄ２、および、拡散部材４９ｃｏｄ２の通気抵抗は、カソード用拡散層４８ｃの表面に対して垂直な方向の通気抵抗よりも低い。
【００７１】
拡散部材４９ｃｉｄ２、および、拡散部材４９ｃｏｄ２によっても、空気の流れる方向を変換し、カソード用拡散層４８ｃの側面から、比較的通気抵抗が低い、表面に対して平行な方向に、空気の供給、および、排出を行うことができる。また、本変形例のＭＥＧＡユニット４５Ｅは、第１実施例のＭＥＧＡユニット４５のように、空隙４９ｃｉや、空隙４９ｃｏを備えていないので、スタック構造を積層方向に押圧したときの電解質膜４６の破損を防止することもできる。
【００７２】
Ｅ．第２実施例：
図９は、第２実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅの構造を示す説明図である。図示するように、本実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅのカソード側には、電解質膜４６側から、第１の拡散層４８ｃ１と、第２の拡散層４８ｃ２とがこの順に積層されている。そして、第２の拡散層４８ｃ２は、ＭＥＧＡユニット４５Ｅと、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向板４２と当接するように配置されている。また、第１の拡散層４８ｃ１は、第１実施例のカソード用拡散層４８ｃと同じカーボンクロスからなり、表面に対して垂直な方向の通気抵抗が、表面に平行な方向の通気抵抗よりも大きいという異方性を有している。一方、第２の拡散層４８ｃ２は、金属多孔体からなり、上述した通気性についての異方性を有していない。そして、第２の拡散層４８ｃ２の通気抵抗は、第１の拡散層４８ｃ１の表面に対して垂直な方向の通気抵抗よりも低い。したがって、第１の拡散層４８ｃ１に、面に対して垂直な方向から、直接、ガスの供給、または、排出を行うよりも、圧力損失を低減させることができる。なお、空気供給口４２２ｉから第２の拡散層４８ｃ２に、表面に対して垂直な方向に供給された空気は、表面に対して平行な方向に拡散しつつ流れ、この過程で、空気は、その濃度勾配によって、第２の拡散層４８ｃ２から第１の拡散層４８ｃ１に拡散する。
【００７３】
以上説明した第２実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅを用いた燃料電池スタック１００によっても、先に説明した圧力損失を低減させることができる。この結果、燃料電池システムに、本実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅを用いた燃料電池スタック１００を適用することによって、空気供給用のポンプの動力損失を低減させ、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。また、第２実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅは、第１実施例のＭＥＧＡユニット４５のように、空隙４９ｃｉや、空隙４９ｃｏを備えていないので、スタック構造を積層方向に押圧したときの電解質膜４６の破損を防止することもできる。
【００７４】
Ｆ．第３実施例：
図１０は、第３実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｆの構造を示す説明図である。図１０（ａ）には、ＭＥＧＡユニット４５Ｆの平面図を示し、図１０（ｂ）には、図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図を示した。
【００７５】
第３実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｆでは、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂに補強部材４９が設けられている。この補強部材４９は、スタック構造を積層方向に押圧したときに、その押圧力によって、ＭＥＧＡ部４５１の領域Ｒａ、および、領域Ｒｂにおいて、局所的な変形が生じることを抑制するためのものである。
【００７６】
本実施例では、補強部材４９は、図示するように、櫛形構造を有している。そして、この櫛形構造の複数の歯の部分は、複数の空気供給口４２２ｉの間に対向する各位置、および、複数の空気排出口４２２ｏの間に対向する各位置に配置されている。また、櫛形構造の歯の間の部分複数の空隙は、複数の空気供給口４２２ｉに対向する各位置、および、複数の空気排出口４２２ｏに対向する各位置に配置されている。
【００７７】
なお、本実施例では、補強部材４９として、ガス拡散性、および、導電性を有する金属多孔体を用いるものとした。補強部材４９として、他の部材を用いるものとしてもよい。補強部材４９として、ガス拡散性を有する部材を用いることによって、カソード用拡散層４８ｃにおけるガスの拡散の均一性を向上させることができる。また、補強部材４９として、導電性を有する部材を用いることによって、ＭＥＧＡユニット４５Ｆで発電された電気を出力するときの電気抵抗を低減することができる。
【００７８】
以上説明した第３実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｆによれば、先に説明した押圧力を、櫛形構造の補強部材４９の複数の歯の部分によって、複数箇所で支えることができる。したがって、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じるＭＥＧＡユニット４５Ｆの局所的な変形を抑制することができる。また、補強部材４９の歯の間の部分は、複数の空気供給口４２２ｉ、および、複数の空気排出口４２２ｏに対応する位置に配置されているので、空気の供給、および、排出を妨げることもない。
【００７９】
Ｇ．第３実施例の変形例：
Ｇ１．変形例１
図１１は、第３実施例の第１の変形例として補強部材４９ｍの構造を示す説明図である。図１１（ａ）には、補強部材４９ｍの平面図を示し、図１１（ｂ）には、図１１（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図を示した。図示するように、本変形例の補強部材４９ｍも、第３実施例の補強部材４９と同様に、櫛形構造の部材を有している。ただし、本変形例の補強部材４９ｍは、櫛形構造の歯の間の部分に、カソード用拡散層４８ｃよりも、面に対して垂直な方向の通気抵抗が低い拡散部材４９ｄを備えている。こうすることによって、拡散部材４９ｄも補強材として機能させることができるので、ＭＥＧＡユニット４５Ｆの局所的な変形を、さらに抑制することができる。
【００８０】
Ｇ２．変形例２：
図１２は、第３実施例の第２の変形例として補強部材４９ｎの構造を示す説明図である。図１２（ａ）には、補強部材４９ｎの平面図を示し、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図を示した。図示するように、本変形例の補強部材４９ｎは、複数の部材からなる。そして、各部材は、上記第３実施例における補強部材４９の櫛形構造の歯の位置に対応する位置に配置される。こうすることによっても、第３実施例の補強部材４９と同様に、複数箇所で押圧力を支えることができ、スタック構造を積層方向に押圧したときに生じるＭＥＧＡユニット４５Ｆの局所的な変形を抑制することができる。ただし、第３実施例における補強部材４９によれば、補強部材４９を一体的に形成することができるという利点がある。
【００８１】
Ｈ．他の変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００８２】
Ｈ１．変形例１：
上記第１実施例、および、第３実施例では、ＭＥＧＡユニット４５、および、ＭＥＧＡユニット４５Ｆに、本発明における供給部、および、排出部の両方を適用した場合について説明したが、供給部、および、排出部のうちのいずれか一方のみを適用するようにしてもよい。ただし、供給部、および、排出部の両方を適用した方が、先に説明した圧力損失を低減する効果が高い。
【００８３】
Ｈ２．変形例２：
上記第１実施例、および、第３実施例では、本発明における供給部、および、排出部を、ＭＥＧＡユニット４５、および、ＭＥＧＡユニット４５Ｆのカソード側にのみ適用した例を示したが、アノード側と、カソード側とのうちの少なくとも一方に適用するようにしてもよい。ただし、上述した供給部、および、排出部を、ＭＥＧＡユニット４５、および、ＭＥＧＡユニット４５Ｆのうちの少なくともカソード側に適用することによって、先に説明した圧力損失を効果的に低減することができる。これは、燃料電池において、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いる場合、一般に、空気の流量は、水素の流量の３倍程度必要とされ、上述した圧力損失は、アノード側よりも、カソード側の方が大きいからである。
【００８４】
Ｈ３．変形例３：
上記実施例では、セパレータ４１は、３枚の平板を重ね合わせて接合したものを用いるものとしたが、１枚の平板のセパレータの内部に、各流路を形成するようにしてもよい。ただし、上記実施例のように、３枚の平板を重ね合わせて接合することによってセパレータ４１を作製するようにすれば、各平板の貫通孔は、比較的生産性の高い打ち抜き加工によって作製することができるので、セパレータ４１の製造を容易にすることができる。
【００８５】
Ｈ４．変形例４：
上記実施例では、セパレータ４１において、空気供給口４２２ｉと、空気排出口４２２ｏと、水素供給口４４４ｉと、水素排出口４４４ｏとは、複数設けられているものとしたが、これに限られない。例えば、矩形の空気供給口と、空気排出口と、水素供給口と、水素排出口とを、それぞれ１つずつ備えるようにしてもよい。
【００８６】
Ｈ５．変形例５：
上記実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、カーボンクロスを用いるものとしたが、これに限られない。アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、先に説明した通気性についての異方性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。
【図２】燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。
【図３】セパレータ４１の平面図である。
【図４】第１実施例のＭＥＧＡユニット４５の構造を示す説明図である。
【図５】第１実施例の第１の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ａの構造を示す説明図である。
【図６】第１実施例の第２の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｂの構造を示す説明図である。
【図７】第１実施例の第３の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｃの構造を示す説明図である。
【図８】第１実施例の第４の変形例としてのＭＥＧＡユニット４５Ｄの構造を示す説明図である。
【図９】第２実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｅの構造を示す説明図である。
【図１０】第３実施例のＭＥＧＡユニット４５Ｆの構造を示す説明図である。
【図１１】第３実施例の第１の変形例として補強部材４９ｍの構造を示す説明図である。
【図１２】第３実施例の第２の変形例として補強部材４９ｎの構造を示す説明図である。
【図１３】平板のセパレータを用いた燃料電池スタックの概略構成の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１００...燃料電池スタック
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...燃料電池モジュール
５０...集電板
６０...絶縁板
７０...エンドプレート
４１...セパレータ
４２...カソード対向板
４３...流路形成板
４４...アノード対向板
４５、４５Ａ〜４５Ｇ...ＭＥＧＡユニット
４５１...ＭＥＧＡ部
４６...電解質膜
４７ａ...アノード用触媒層
４７ｃ...カソード用触媒層
４８ａ...アノード用拡散層
４８ｃ...カソード用拡散層
４８ｃ１...第１の拡散層
４８ｃ２...第２の拡散層
４８ｃｂ...流路壁
４９ｃｉｄ、４９ｃｏｄ、４９ａｉｄ、４９ａｏｄ...拡散層
４９ｃｉｄ２、４９ｃｏｄ２、４９ｄ...拡散部材
４９、４９ｍ、４９ｎ...補強部材
４９ｃｉ、４９ｃｏ、４９ａｉ、４９ａｏ...空隙
４２２ａ、４３２ａ、４４２ａ、４５２ａ...空気供給用貫通孔
４２２ｂ、４３２ｂ、４４２ｂ、４５２ｂ...空気排出用貫通孔
４２２ｉ...空気供給口
４２２ｏ...空気排出口
４２４ａ、４３４ａ、４４４ａ、４５４ａ...水素供給用貫通孔
４２４ｂ、４３４ｂ、４４４ｂ、４５４ｂ...水素排出用貫通孔
４２６ａ、４４６ａ、４５６ａ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ、４４６ｂ、４５６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４３２ｃ...空気供給用流路形成部
４３２ｄ...空気排出用流路形成部
４３２ｅ...水素供給用流路形成部
４３２ｆ...水素排出用流路形成部
４３６...冷却水流路形成用貫通孔
４４４ｉ...水素供給口
４４４ｏ...水素排出口
【図１】
2006216426.tif 000003
【図２】
2006216426.tif 000004
【図３】
2006216426.tif 000005
【図４】
2006216426.tif 000006
【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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