(57)【要約】【課題】電極層とセパレータとの間の空間に多孔質体が配置される場合にも、反応ガスを効率よく利用することができる技術を提供する。【解決手段】  燃料電池は、電解質層と、電極層と、セパレータであって、電極層とセパレータとの間に反応ガスが流通する空間が形成されるように配置され、空間に反応ガスを供給するための供給口と空間から反応ガスを排出するための排出口とが形成されたセパレータと、電極層とセパレータとの間に設けられ、空間の壁面を構成するシール部と、空間内に配置される多孔質部であって、シール部と多孔質部との間には間隙が形成される、多孔質部と、を備える。多孔質部は、供給口から供給されて排出口から排出される反応ガスが通る多孔質体と、多孔質体の外周の一部のみに設けられた閉塞部と、を備える。【選択図】図６
2008010180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層の一方の側に設けられた電極層と、
セパレータであって、前記電極層と前記セパレータとの間に反応ガスが流通する空間が形成されるように配置され、前記空間に反応ガスを供給するための供給口と前記空間から反応ガスを排出するための排出口とが形成された前記セパレータと、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられ、前記空間の壁面を構成するシール部と、
前記空間内に配置される多孔質部であって、前記シール部と前記多孔質部との間には間隙が形成される、前記多孔質部と、
を備え、
前記多孔質部は、
前記供給口から供給されて前記排出口から排出される反応ガスが通る多孔質体と、
前記多孔質体の外周の一部のみに設けられた閉塞部と、
を備え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、
前記閉塞部は、前記間隙内の任意の複数の位置における複数の圧力が等しくなるように、設けられている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記多孔質体の外周には、前記閉塞部が存在しない非閉塞部分が存在し、
前記閉塞部は、前記非閉塞部分が前記供給口付近のみに存在するように、設けられている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記閉塞部は、少なくとも２つの部分閉塞部で構成され、
前記多孔質体の外周には、前記閉塞部が存在しない少なくとも２つの非閉塞部分が存在し、
前記閉塞部は、前記間隙内の前記各非閉塞部分付近の位置における各圧力が等しくなるように、設けられている、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記閉塞部は、前記多孔質部の外面を構成し、略凹状の断面形状を有する凹面を含む、燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
第１のセパレータ要素と、
第２のセパレータ要素と、
前記第１および第２のセパレータ要素に挟まれた第３のセパレータ要素と、
を含み、
前記第１のセパレータ要素には、前記供給口を構成する第１の孔と前記排出口を構成する第２の孔とが形成されており、
前記第３のセパレータ要素には、前記供給口に向かう反応ガスが通る第１の通路と前記排出口から排出された反応ガスが通る第２の通路とが形成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜および電極層を含む単セルと、セパレータと、を備えており、単セルに含まれる電極層とセパレータとの間には、反応ガスが流通するガス通路（空間）が形成されている。そして、ガス通路（空間）には、反応ガスを拡散させるために、多孔質体が配置される場合がある。
【０００３】
なお、特許文献１では、金属多孔体と金属多孔体の周囲に接合された樹脂部とを含む複合金属多孔体の燃料電池への適用例が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９８０６号公報
【特許文献２】特開２００２−２３１２７４号公報
【特許文献３】特開２００２−４２８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、ガス通路（空間）に多孔質体を配置する場合には、反応ガスの一部が単セルにおける電気化学反応に利用されず、反応ガスを効率よく利用することが困難な場合があった。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、電極層とセパレータとの間の空間に多孔質体が配置される場合にも、反応ガスを効率よく利用することができ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】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層の一方の側に設けられた電極層と、
セパレータであって、前記電極層と前記セパレータとの間に反応ガスが流通する空間が形成されるように配置され、前記空間に反応ガスを供給するための供給口と前記空間から反応ガスを排出するための排出口とが形成された前記セパレータと、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられ、前記空間の壁面を構成するシール部と、
前記空間内に配置される多孔質部であって、前記シール部と前記多孔質部との間には間隙が形成される、前記多孔質部と、
を備え、
前記多孔質部は、
前記供給口から供給されて前記排出口から排出される反応ガスが通る多孔質体と、
前記多孔質体の外周の一部のみに設けられた閉塞部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この装置では、シール部と多孔質部との間には間隙が形成されている。そして、多孔質部は、多孔質体の外周の一部のみに設けられた閉塞部を含んでいる。換言すれば、多孔質体の外周の他の部分には、閉塞部は存在しない。このため、多孔質体内部の反応ガスは、間隙に流出する。しかしながら、間隙内における反応ガスの流れは抑制される。この結果、電極層とセパレータとの間の空間に多孔質体を配置する場合にも、反応ガスを効率よく利用することが可能となる。
【０００９】
上記の装置において、
前記閉塞部は、前記間隙内の任意の複数の位置における複数の圧力が等しくなるように、設けられていることが好ましい。
【００１０】
こうすれば、間隙内における反応ガスの流れを確実に抑制することができる。
【００１１】
上記の装置において、
前記多孔質体の外周には、前記閉塞部が存在しない非閉塞部分が存在し、
前記閉塞部は、前記非閉塞部分が前記供給口付近のみに存在するように、設けられていることが好ましい。
【００１２】
こうすれば、間隙内の圧力を比較的大きくすることができるため、多孔質体内部の圧力と間隙内の圧力との差に起因して閉塞部が多孔質体から分離するのを抑制することができる。
【００１３】
上記の装置において、
前記閉塞部は、少なくとも２つの部分閉塞部で構成され、
前記多孔質体の外周には、前記閉塞部が存在しない少なくとも２つの非閉塞部分が存在し、
前記閉塞部は、前記間隙内の前記各非閉塞部分付近の位置における各圧力が等しくなるように、設けられていることが好ましい。
【００１４】
こうすれば、２以上の非閉塞部分が存在する場合にも、間隙内における反応ガスの流れを抑制することができ、この結果、反応ガスを効率よく利用することができる。
【００１５】
上記の装置において、
前記閉塞部は、前記多孔質部の外面を構成し、略凹状の断面形状を有する凹面を含むことが好ましい。
【００１６】
こうすれば、間隙から多孔質体内部への反応ガスの流入を抑制することができる。
【００１７】
上記の装置において、
前記セパレータは、
第１のセパレータ要素と、
第２のセパレータ要素と、
前記第１および第２のセパレータ要素に挟まれた第３のセパレータ要素と、
を含み、
前記第１のセパレータ要素には、前記供給口を構成する第１の孔と前記排出口を構成する第２の孔とが形成されており、
前記第３のセパレータ要素には、前記供給口に向かう反応ガスが通る第１の通路と前記排出口から排出された反応ガスが通る第２の通路とが形成されているようにしてもよい。
【００１８】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその製造方法、該燃料電池を含む燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体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】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．比較例における問題点：
Ｂ．実施例：
Ｂ−１．燃料電池スタックの構成：
Ｂ−２．多孔質部の作製方法：
【００２０】
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
燃料電池システムは、通常、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却液循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、燃料ガス（水素ガス）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部は、酸化ガス（空気）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、ブロワを含んでいる。冷却液循環部は、スタック内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００２１】
図１は、比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の単セル（単電池）２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの単セル２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００２２】
単セル２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００２３】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。
【００２４】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００２５】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るセル内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るセル内酸化ガス通路に設けられている。なお、セル内通路は、図１に示すように、各単セル２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００２６】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００２７】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「セルアセンブリ」と呼ぶ。
【００２８】
図２は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。図示するように、セルアセンブリは、略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図２のセルアセンブリのＡ−Ａ断面が図１に示されている。
【００２９】
ガスケット２６には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。なお、セル間通路は、図１に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の単セル２０の積層方向に沿った通路である。
【００３０】
ガスケット２６は、図１に示すように、セパレータ５０と接触する凸部を有している。凸部は、図１，図２に示す一点鎖線ＳＬに沿って設けられている。具体的には、凸部は、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部は、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられている。スタック１００は、通常、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６の凸部によって、各セル間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各セル内通路のシール性が確保される。
【００３１】
なお、セルアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００３２】
セパレータ５０（図１）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００３３】
図３は、セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図１に示されている。
【００３４】
カソード側プレート５２（図３（Ａ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の入口を構成する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の出口を構成する複数の小孔７２ｃが形成されている（図１参照）。
【００３５】
アノード側プレート５６（図３（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、セル内燃料ガス通路の入口を構成する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、セル内燃料ガス通路の出口を構成する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００３６】
中間プレート５４（（図３（Ｂ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、酸化ガスをセル内酸化ガス通路に導く複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、セル間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、燃料ガスをセル内燃料ガス通路に導く複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、セル間冷却通路および隣接する２つの単セル２０間のセル用冷却液通路を構成する複数の長孔７８が形成されている（図１参照）。
【００３７】
なお、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００３８】
図１に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３９】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００４０】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の長孔７８を通って、スタック１００から排出される。
【００４１】
Ａ−２．比較例における問題点：
図４は、カソード側の多孔質体２４ｃとガスケット２６との関係を示す説明図である。なお、図４では、図２に示すＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルモジュールと、多孔質体２４ｃと、が描かれている。図中、多孔質体２４ｃは、ハッチを付して示されている。
【００４２】
図１に示したように、酸化ガスは、カソード側プレート５２の複数の小孔７１ｃを介して、多孔質体２４ｃに供給される。そして、多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の複数の小孔７２ｃを介して、多孔質体２４ｃから排出される。図４では、この酸化ガスの流れが矢印で示されている。
【００４３】
図４に示すように、多孔質体２４ｃとガスケット２６との間には、間隙Ｇが存在する。間隙Ｇは、多孔質体２４ｃとガスケット２６との寸法公差を考慮して設定されており、間隙Ｇをゼロに設定することは困難である。しかしながら、この間隙Ｇの存在に起因して、多孔質体２４ｃに供給された酸化ガスの一部は、複数の小孔７１ｃ付近において、間隙Ｇに流出してしまう。これは、間隙Ｇ内の圧力損失は、多孔質体２４ｃ内の圧力損失よりも小さいためである。そして、間隙Ｇに流出した酸化ガスは、複数の小孔７２ｃ付近において、多孔質体２４ｃ内部に戻り、該複数の小孔７２ｃから排出される。
【００４４】
上記のように、間隙Ｇに流出した酸化ガスは、電気化学反応に利用されずに、多孔質体２４ｃから排出されてしまう。すなわち、比較例では、酸化ガスが効率よく利用されていないという問題があった。なお、アノード側の多孔質体２４ａに関しても同様であり、燃料ガスが効率よく利用されていないという問題があった。そこで、本実施例では、酸化ガスおよび燃料ガスを効率よく利用することができるように工夫している。
【００４５】
Ｂ．実施例：
Ｂ−１．燃料電池スタックの構成：
図５は、実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図であり、図１に対応する。図５は、図１とほぼ同じであるが、多孔質体２４ａ，２４ｃに代えて、多孔質部２５ａ，２５ｃが設けられている。アノード側の多孔質部２５ａは、多孔質体１２４ａと、該多孔質体１２４ａの周囲に設けられた閉塞部１２６ａと、を含んでいる。同様に、カソード側の多孔質部２５ｃは、カソード側の多孔質体１２４ｃと、該多孔質体１２４ｃの周囲に設けられた閉塞部１２６ｃと、を含んでいる。
【００４６】
多孔質体１２４ａ，１２４ｃは、第１実施例の多孔質体２４ａ，２４ｃと同様である。
【００４７】
閉塞部１２６ａ，１２６ｃは、樹脂材料で形成されており、ガス透過性を有していない。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの樹脂材料が用いられる。閉塞部１２６ａ，１２６ｃの作製方法については、後述する。
【００４８】
図６は、カソード側の多孔質部２５ｃとガスケット２６との関係を示す説明図であり、図４に対応する。図示するように、閉塞部１２６ｃは、多孔質体１２４ｃの周囲の一部のみに設けられている。図中、閉塞部１２６ｃは、クロスハッチを付して示されている。
【００４９】
具体的には、閉塞部１２６ｃは、２つの部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２を含んでいる。第１の部分閉塞部１２６ｃ１は、直線状の外形形状を有しており、矩形の多孔質体１２４ｃの１つの辺に接合されている。第２の部分閉塞部１２６ｃ２は、Ｕ字状の外形形状を有しており、矩形の多孔質体１２４ｃの他の３つの辺に接合されている。このように、本実施例では、閉塞部１２６ｃは２つの部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２を含んでいるため、多孔質体１２４ｃの周囲には、閉塞部１２６ｃが存在しない２つの非閉塞部分が存在している。本実施例では、２つの非閉塞部分は、矩形の多孔質体１２４ｃの２つの角に存在している。
【００５０】
また、２つの部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２は、図５に示す断面形状を有している。なお、各部分閉塞部の断面形状については、後述する。
【００５１】
図５，図６に示す多孔質部２５ｃを利用すれば、酸化ガスを効率よく利用することができる。具体的には、閉塞部１２６ｃは図中上側（上流側）に２つの非閉塞部分を含んでいるため、カソード側プレート５２の複数の小孔７１ａを介して多孔質体１２４ｃに供給された酸化ガスの一部は、該２つの非閉塞部分を介して、間隙Ｇに流出する。ただし、図中下側（下流側）には、非閉塞部分は存在しない。このため、本実施例では、間隙Ｇに流出した酸化ガスが、電気化学反応に利用されずに下流側の複数の小孔７２ｃから排出されずに済み、この結果、酸化ガスを効率よく利用することが可能となる。
【００５２】
すなわち、比較例（図４）では、間隙Ｇ内の上流側の圧力は、下流側の圧力よりも大きいため、間隙Ｇ内で反応ガスは上流側から下流側に向かって流れてしまっていた。一方、本実施例（図６）では、間隙Ｇ内の任意の複数の位置における複数の圧力はほぼ等しいため、間隙Ｇ内で反応ガスの流れはない。この結果、本実施例では、比較例と比べて、酸化ガスを効率よく利用することが可能となっている。
【００５３】
なお、本実施例（図６）では、多孔質体の周囲に２つの非閉塞部分が存在するが、仮に、一方の非閉塞部分が図中上側（上流側）に存在し、他方の非閉塞部分が図中下側（下流側）に存在する場合には、多孔質体に供給された反応ガスの一部は間隙Ｇ内を流れるため、酸化ガスを効率よく利用することは困難である。このため、本実施例では、間隙Ｇ内の２つの非閉塞部分付近の位置における２つの圧力が等しくなるように、２つの非閉塞部分の位置が設定されている。これにより、間隙Ｇ内の任意の複数の位置における複数の圧力を等しくすることができ、間隙Ｇ内における酸化ガスの流れを抑制することができる。
【００５４】
ところで、多孔質体の周囲に非閉塞部分が存在しない場合、換言すれば、閉塞部が多孔質体の周囲のすべてに接合されている場合にも、酸化ガスは、間隙に流出せずに済む。したがって、この場合にも、酸化ガスを効率よく利用することができる。しかしながら、この場合には、多孔質体内部の圧力が間隙内の圧力よりもかなり大きくなってしまう。このため、この圧力差に起因して閉塞部が多孔質体から分離してしまう虞がある。
【００５５】
図７は、図６のＢ−Ｂ断面を示す説明図である。なお、図７では、単セル２０Ｂの両側に配置された２つのプレート５２，５６も示されている。
【００５６】
本実施例では、閉塞部１２６ｃは多孔質体１２４ｃの周囲の一部のみに接合されているため、多孔質体１２４ｃの周囲には２つの非閉塞部分が存在している。このため、上記のように、間隙Ｇには酸化ガスが流入する。このとき、多孔質体１２４ｃの内部の圧力Ｐｉと多孔質体１２４ｃの外部（間隙Ｇ）の圧力Ｐｏとの差（圧力差）は、多孔質体の周囲に非閉塞部分が存在しない場合の圧力差よりも、小さくなる。このため、本実施例では、該圧力差に起因して、閉塞部１２６ｃが多孔質体１２４ｃから分離するのを抑制することができる。
【００５７】
特に、本実施例では、２つの非閉塞部分は、酸化ガスの供給口付近、より具体的には、カソード側プレート５２の複数の小孔７１ｃ付近に設けられている。したがって、間隙Ｇ内の圧力Ｐｏを最も大きくすることができ、該圧力Ｐｏは、多孔質体１２４ｃ内部の圧力Ｐｉとほぼ等しいか、該圧力Ｐｉよりも大きい。このため、閉塞部１２６ｃが多孔質体１２４ｃから分離するのを確実に抑制することができる。
【００５８】
なお、閉塞部の非閉塞部分が、酸化ガスの排出口付近のみ、より具体的には、カソード側プレート５２の複数の小孔７２ｃ付近のみに設けられている場合にも、本実施例と同様に、酸化ガスを効率よく利用することができる。ただし、この場合には、間隙Ｇ内の圧力は、多孔質体の内部の圧力とほぼ等しいか、該圧力よりも小さい。すなわち、この場合には、非閉塞部分が酸化ガスの供給口付近のみに設けられている場合よりも、閉塞部が多孔質体から分離する可能性は高い。
【００５９】
上記の説明からも分かるように、多孔質体の周囲に非閉塞部分が存在する場合には、多孔質体の周囲に非閉塞部分が存在しない場合よりも、閉塞部が多孔質体から分離するのを抑制することができる。ただし、閉塞部が多孔質体から分離するのをより確実に抑制するためには、本実施例のように、非閉塞部分は、酸化ガスの供給口付近に設けられることが好ましい。
【００６０】
ところで、間隙Ｇ内の圧力Ｐｏが多孔質体１２４ｃ内部の圧力Ｐｉよりも大きい場合には、間隙Ｇに存在する酸化ガスは、閉塞部１２６ｃとカソード側プレート５２との接触面を介して、多孔質体１２４ｃ内部に侵入し得る。なお、この現象は、圧力差が比較的大きな位置において、より具体的には、酸化ガスの排出口付近において、生じやすい。
【００６１】
そこで、本実施例では、閉塞部１２６ｃの形状が工夫されている。図５，図７に示すように、各部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２は、Ｖ字状の断面形状を有する凹面を有しており、凹面は、間隙Ｇに向けられている。すなわち、該凹面は、多孔質部２５ｃの外面を構成する。この断面形状を採用することにより、間隙Ｇ内の酸化ガスが、閉塞部１２６ｃとカソード側プレート５２との接触面を介して、多孔質体１２４ｃ内部に侵入するのを抑制することができる。
【００６２】
すなわち、本実施例では、閉塞部１２６ｃの凹面には、圧力Ｐｏが印加される。このため、図７に拡大して示すように、閉塞部１２６ｃの凹面には、２つの端部を広げる向きの力成分（すなわち図中上方および下方に向かう力成分）を含む力が印加される。仮に、閉塞部が上記の凹面に代えて平面を有する場合には、該閉塞部には、上記の力成分を含む力は印加されない。本実施例では、図５，図７に示す断面形状を採用することにより、閉塞部１２６ｃをカソード側プレート５２に押し付けることができる。この結果、間隙Ｇ内の酸化ガスが、閉塞部１２６ｃとカソード側プレート５２との接触面を介して、多孔質体１２４ｃ内部に侵入するのを抑制することができる。
【００６３】
図８は、アノード側の多孔質部２５ａとガスケット２６との関係を示す説明図である。なお、図８は、図６のセルモジュールを裏側から見たものである。このため、図８において、各孔６１ｇ〜６６ｇの位置は、図６に示す各孔６１ｇ〜６６ｇの位置と線対称になっている。図示するように、アノード側の閉塞部１２６ａは、カソード側の閉塞部１２６ｃと同様に、多孔質体１２４ａの周囲の一部のみに設けられている。
【００６４】
具体的には、閉塞部１２６ａは、１つの部分閉塞部１２６ａ１を含んでいる。部分閉塞部１２６ａ１は、略Ｃ字状の外形形状を有しており、矩形の多孔質体１２４ａの４つの辺に接合されている。このように、本実施例では、閉塞部１２６ａは１つの部分閉塞部１２６ａ１を含んでいるため、多孔質体１２４ａの周囲には、閉塞部１２６ａが存在しない１つの非閉塞部分が存在している。本実施例では、１つの非閉塞部分は、矩形の多孔質体１２４ａの１つの角に存在している。
【００６５】
図８と図６とを比較して分かるように、閉塞部１２６ａの外形形状は、閉塞部１２６ｃの外形形状と異なっている。これは、アノード側プレート５６における複数の小孔７３ａ，７４ａの形成位置と、カソード側プレート５２における複数の小孔７１ｃ，７２ｃの形成位置と、が異なっているためである。
【００６６】
図８に示す多孔質部２５ａを利用すれば、燃料ガスを効率よく利用することができる。具体的には、閉塞部１２６ａは図中右上側（上流側）に１つの非閉塞部分を含んでいるため、アノード側プレート５６の複数の小孔７３ａを介して多孔質体１２４ａに供給された燃料ガスの一部は、該１つの非閉塞部分を介して、間隙Ｇに流出する。ただし、図中左下側（下流側）には、非閉塞部分は存在しない。このため、間隙Ｇに流出した燃料ガスが、電気化学反応に利用されずに下流側の複数の小孔７４ａから排出されずに済み、この結果、燃料ガスを効率よく利用することが可能となる。
【００６７】
また、閉塞部１２６ａは多孔質体１２４ａの周囲の一部のみに接合されているため、閉塞部１２６ｃと同様に、閉塞部１２６ａが多孔質体１２４ａから分離するのを抑制することができる。特に、本実施例では、１つの非閉塞部分は、燃料ガスの供給口付近、より具体的には、アノード側プレート５６の複数の小孔７３ａ付近に設けられているため、閉塞部１２６ａが多孔質体１２４ａから分離するのを確実に抑制することができる。
【００６８】
さらに、本実施例では、図５に示すように、閉塞部１２６ａはＶ字状の断面形状を有する凹面を有しているため、間隙Ｇ内の燃料ガスが、閉塞部１２６ａとアノード側プレート５６との接触面を介して、多孔質体１２４ａ内部に侵入するのを抑制することができる。
【００６９】
Ｂ−２．多孔質部の作製方法：
図９は、カソード側の多孔質部２５ｃの作製手順を示す説明図である。なお、図９の処理に先行して、多孔質体１２４ｃが準備される。そして、図９では、射出成形処理によって、多孔質体１２４ｃの周囲の一部のみに閉塞部１２６ｃが形成される。
【００７０】
図９（Ａ）では、成形型３００が準備される。成形型３００は、上型３１０と下型３２０とを含んでいる。上型３１０は、略平板状の外形形状を有している。
【００７１】
図１０は、下型３２０を示す説明図である。図１０（Ａ）は、下型３２０の平面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＸ−Ｘ断面を示し、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＹ−Ｙ断面を示す。
【００７２】
下型３２０は、５つの部分型３２１〜３２５を含んでおり、５つの部分型が組み合わされた組立体である。第１の部分型３２１は、平板状の外形形状を有しており、第１の部分型３２１上には多孔質体１２４ｃが載置される。第２の部分型３２２は、直線状の第１の部分閉塞部１２６ｃ１（図６）を形成するための型である。第３ないし第５の部分型３２３〜３２５は、Ｕ字状の第２の部分閉塞部１２６ｃ２を形成するための型である。第２〜第５の部分型３２２〜３２５は、各部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２の凹面に対応する凸面を有している。
【００７３】
図９（Ｂ）では、下型３２０の第１の部分型３２１上に多孔質体１２４ｃが載置される。このとき、多孔質体１２４ｃの２つの角と成形型３００との間には、間隙は形成されないが、多孔質体１２４ｃの他の部分と成形型３００との間には、間隙が形成される。図９（Ｃ）では、上型３１０を下降させる。図９（Ｄ）では、上型３１０に設けられた孔を介して、樹脂材料が射出される。なお、上型３１０には、第１の部分閉塞部１２６ｃ１を構成する樹脂材料を射出するための１以上の孔と、第２の部分閉塞部１２６ｃ２を構成する樹脂材料を射出するための１以上の孔と、が設けられている。その後、上型３１０を上昇させて下型３２０を分解すると、図９（Ｅ）に示すように、多孔質体１２４ｃの周囲の一部のみに閉塞部１２６ｃが接合された多孔質部２５ｃが得られる。
【００７４】
なお、閉塞部１２６ｃを作製する際には、成形型３００内に射出された樹脂材料の一部は、多孔質体１２４ｃの内部に侵入し、この結果、侵入領域において、多孔質体１２４ｃ内部の気孔が樹脂材料で充填される。仮に、侵入領域が大きい場合には、図６に示す２つの非閉塞部分を介した酸化ガスの流通が阻害される虞がある。このため、本実施例では、樹脂材料が多孔質体１２４ｃに過度に侵入しないように、適切な圧力で、樹脂材料が射出されている。なお、この圧力は、多孔質体１２４ｃの気孔率や使用される樹脂材料の粘度などに応じて異なるため、予め実験を行うことによって決定される。
【００７５】
なお、アノード側の多孔質部２５ａも同様に作製される。ただし、前述したように、アノード側の閉塞部１２６ａの外形形状は、カソード側の閉塞部１２６ｃの外形形状と異なるため、異なる成形型が用いられる。
【００７６】
以上説明したように、本実施例では、多孔質体１２４ｃ内部の酸化ガスは、２つの非閉塞部分を介して、間隙Ｇに流出するが、閉塞部１２６ｃは、間隙Ｇ内の任意の複数の位置における複数の圧力が等しくなるように設けられているため、間隙Ｇ内における酸化ガスの流れは抑制される。この結果、触媒電極層３１ｃとセパレータ５０との間の空間に多孔質体１２４ｃを配置する場合にも、酸化ガスを効率よく利用することができる。アノード側についても同様である。
【００７７】
以上の説明から分かるように、本実施例におけるガスケット２６が本発明における空間の壁面を構成するシール部に相当する。また、本実施例におけるカソード側セパレータ５２またはアノード側セパレータ５６が本発明における第１のセパレータ要素に相当し、中間セパレータ５４が第３のセパレータ要素に相当する。そして、カソード側セパレータ５２の複数の小孔７１ｃまたはアノード側セパレータ５６の複数の小孔７３ａが、本発明における供給口および該供給口を構成する第１の孔に相当し、中間セパレータ５４の連通孔７１ｍまたは連通孔７３ｍが、本発明における第１の通路に相当する。同様に、カソード側セパレータ５２の複数の小孔７２ｃまたはアノード側セパレータ５６の複数の小孔７４ａが、本発明における排出口および該排出口を構成する第２の孔に相当し、中間セパレータ５６の連通孔７２ｍまたは連通孔７４ｍが、本発明における第２の通路に相当する。
【００７８】
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。
【００７９】
（１）上記実施例では、閉塞部１２６ｃ，１２６ａは、Ｖ字状の断面形状を有する凹面を含んでいるが、これに代えて、平面または凸面を含んでいてもよい。ただし、閉塞部１２６ｃ，１２６ａが、Ｖ字状の断面形状を有する凹面、あるいは、Ｃ字状または円弧状の断面形状を有する凹面を含む場合には、前述したように、間隙Ｇから多孔質体内部への反応ガスの流入を抑制することができるという利点がある。一般には、閉塞部は、多孔質部の外面を構成し、略凹状の断面形状を有する凹面を含むことが好ましい。
【００８０】
（２）上記実施例では、カソード側の多孔質部２５ｃは、２つの部分閉塞部を含む閉塞部１２６ｃを有しており、アノード側の多孔質部２５ａは、１つの部分閉塞部を含む閉塞部１２６ａを有している。これに代えて、カソード側の多孔質部は、１つまたは３つ以上の部分閉塞部を含む閉塞部を有していてもよい。また、アノード側の多孔質部は、２以上の部分閉塞部を含む閉塞部を有していてもよい。
【００８１】
一般には、閉塞部は、少なくとも１つの部分閉塞部で構成され、多孔質体の外周には、該閉塞部が存在しない少なくとも１つの非閉塞部分が存在していればよい。ただし、前述したように、各非閉塞部分は、反応ガスの供給口付近のみに存在することが好ましい。また、２以上の非閉塞部分が存在する場合には、各非閉塞部分は、間隙内の各非閉塞部分付近の位置における各圧力が等しくなるように、設けられることが望ましい。
【００８２】
（３）上記実施例では、カソード側の多孔質部２５ｃに関し、非閉塞部分は、多孔質体１２４ｃの２つの角に存在している。また、アノード側の多孔質部２５ａに関し、非閉塞部分は、多孔質体１２４ｃの１つの角に存在している。このように、矩形の多孔質体の１以上の角に非閉塞部分が存在していれば、矩形の多孔質体の２以上の辺（直線）を確認することができるため、燃料電池スタックを組み立てる際に、多孔質部の位置決めを比較的容易に行うことができる。
【００８３】
一般には、閉塞部は、非閉塞部分が多孔質体の１以上の角に存在するように、形成されることが好ましい。あるいは、閉塞部は、非閉塞部分が多孔質部の２以上の辺（直線）に存在するように、形成されることが好ましい。
【００８４】
（４）上記実施例では、カソード側の閉塞部１２６ｃ（図６）は、２つの部分閉塞部１２６ｃ１，１２６ｃ２を含んでいるが、第１の部分閉塞部１２６ｃ１は省略可能である。この場合にも、上記実施例と同様の効果を奏する。ただし、上記実施例のように、第１の部分閉塞部１２６ｃ１が利用されれば、燃料電池スタックの撓みを緩和することができる。
【００８５】
図１１は、燃料電池スタック１００Ｚの撓みを示す説明図である。図１１（Ａ）は、燃料電池スタック１００Ｚの外観を示している。図示するように、スタック１００Ｚは、複数の単セルおよびセパレータを含む積層体１０１と、積層体１０１の一方の側に設けられた第１の集電プレート１７２および第１の絶縁プレート１８２と、積層体１０１の他方の側に設けられた第２の集電プレート１７４および第２の絶縁プレート１８４と、を備えている。そして、スタック１００Ｚの両端には、スタック１００Ｚを挟むように、２つのエンドプレート２０１，２０２が設けられている。２つのエンドプレート２０１，２０２は、スタック１００Ｚに荷重が印加されるように、押圧される。なお、このスタック１００Ｚは、上記実施例のスタック１００Ｂと同様であるが、図１１中、上側に配置されるべき第１の部分閉塞部１２６ｃ１が省略されている。
【００８６】
燃料電池スタックは、車両などの移動体に搭載されることが多い。移動体が振動すると、スタック１００Ｚも振動する。このスタック１００Ｚでは、第１の部分閉塞部１２６ｃ１が設けられていないため、換言すれば、多孔質体１２４ｃの一辺に部分閉塞部が設けられていないため、振動の際に、多孔質部２５ｃの上側部分の動きと下側部分の動きとは互いに異なっている。このとき、図１１（Ｂ）に示すように、スタック１００Ｚは撓み得る。
【００８７】
しかしながら、上記実施例のスタック１００Ｂでは、第１の部分閉塞部１２６ｃ１が利用されているため、多孔質部２５ｃの上側部分の動きと下側部分の動きとはほぼ同じである。この結果、スタック１００Ｚの撓みを緩和することができる。
【００８８】
一般には、閉塞部は、少なくとも、略矩形の多孔質体の４つの辺、または、略矩形の多孔質体の４つの角に形成されていることが好ましい。こうすれば、スタックの撓みを緩和することができる。
【００８９】
（５）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。
【００９０】
（６）上記実施例では、カソード側の多孔質体１２４ｃとアノード側の多孔質体１２４ａとの双方に本発明が適用されているが、一般には、２つの多孔質体のうちの少なくとも一方に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図２】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。
【図３】セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図４】カソード側の多孔質体２４ｃとガスケット２６との関係を示す説明図である。
【図５】実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図である。
【図６】カソード側の多孔質部２５ｃとガスケット２６との関係を示す説明図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ断面を示す説明図である。
【図８】アノード側の多孔質部２５ａとガスケット２６との関係を示す説明図である。
【図９】カソード側の多孔質部２５ｃの作製手順を示す説明図である。
【図１０】下型３２０を示す説明図である。
【図１１】燃料電池スタック１００Ｚの撓みを示す説明図である。
【符号の説明】
【００９２】
２０，２０Ｂ…単セル
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２５ａ，２５ｃ…多孔質部
２６…ガスケット
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０…セパレータ
５２…カソード側プレート
５４…中間プレート
５６…アノード側プレート
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８…長孔
１００，１００Ｂ，１００Ｚ…燃料電池スタック
１０１…積層体
１２４ａ，１２４ｃ…多孔質体
１２６ａ，１２６ｃ…閉塞部
１２６ａ１…部分閉塞部
１２６ｃ１，１２６ｃ２…部分閉塞部
１７２，１７４…集電プレート
１８２，１８４…絶縁プレート
２０１，２０２…エンドプレート
３００…成形型
３１０…上型
３２０…下型
３２１〜３２５…部分型
Ｇ…間隙
【図１】
2008010180.tif 000003
【図２】
2008010180.tif 000004
【図３】
2008010180.tif 000005
【図４】
2008010180.tif 000006
【図５】
2008010180.tif 000007
【図６】
2008010180.tif 000008
【図７】
2008010180.tif 000009
【図８】
2008010180.tif 000010
【図９】
2008010180.tif 000011
【図１０】
2008010180.tif 000012
【図１１】
2008010180.tif 000013