(57)【要約】【課題】燃料電池において、生成水の排水性を向上させるとともに、膜電極接合体の面内における発電量の均一性を向上させる。【解決手段】セル４０において、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側に、カソード側セパレータ４５を積層する。カソード側セパレータ４５は、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とをこの順に重ね合わせることによって構成されており、カソード側セパレータ４５の内部に空気の流路（空隙４４ｇ）を備えている。また、第１のセパレータ板４２には、二次元的に分散させて配置された複数の空気供給口４２ｈを備えており、これらには、カソード側に突出するとともに、空気供給口４２ｈの側壁をなす突出部４２ｈｐを備えている。【選択図】図８
2008140721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記セパレータは、
該セパレータの内部に形成され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための反応ガス流路と、
前記ガス拡散電極側の前記セパレータの表面から前記反応ガス流路に貫通し、前記反応ガス流路から前記ガス拡散電極の表面に前記反応ガスを供給するための複数の反応ガス供給口と、を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、前記表面に、二次元的に分散させて配置されており、
前記複数の反応ガス供給口のうちの少なくとも一部は、前記表面から前記ガス拡散電極側に突出するとともに、前記反応ガス供給口の側壁をなす突出部を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス拡散電極側に配置され、前記複数の反応ガス供給口を備える第１のセパレータ板と、
第２のセパレータ板と、
前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板とによって挟持され、前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部材と、
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板の一部に当接するとともに、導電性を有する支持部材を備える、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記支持部材は、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板のうちの少なくとも一方に、一体的に形成されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記支持部材は、ディンプル形状、および、リブ形状のうちの少なくとも一方の形状を有する、燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板と当接するとともに、導電性、および、ガス拡散性を有する支持部材を備える、燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記支持部材は、金属多孔体、または、金属製の網からなる、燃料電池。
【請求項８】
電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池に用いられる前記セパレータであって、
前記セパレータの内部に形成され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための反応ガス流路と、
前記ガス拡散電極側の前記セパレータの表面から前記反応ガス流路に貫通し、前記反応ガス流路から前記ガス拡散電極の表面に前記反応ガスを供給するための複数の反応ガス供給口と、を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、前記表面に、二次元的に分散させて配置されており、
前記複数の反応ガス供給口のうちの少なくとも一部は、前記表面から前記ガス拡散電極側に突出するとともに、前記反応ガス供給口の側壁をなす突出部を備える、セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および、燃料電池に用いられるセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。
【０００３】
そして、従来、セパレータについて、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、電解質膜に接合された電極（ガス拡散電極）と接触するセパレータの表面に、複数のリブを配置することによって、供給ガス、すなわち、燃料ガス（例えば、水素）や、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が流れるガス流路を構成する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１８５８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、排出ガスとともに燃料電池の外部に排出される。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、セパレータに形成されたリブとガス拡散電極との接触部において、供給ガス（反応ガス）の流速が低下するため、生成水が、リブとガス拡散電極との接触部に滞留して、ガス拡散電極への反応ガスの供給を阻害し、燃料電池の発電性能を低下させる場合があった。特に、高負荷時、すなわち、燃料電池における発電量が比較的多い場合には、多量の生成水が生成されるため、上記不具合が生じやすかった。つまり、上記特許文献１に記載の技術では、生成水の排水性が悪かった。
【０００６】
また、上記特許文献１に記載された技術では、反応ガスは、ガス拡散電極の一端から導入され、発電によって消費されていくため、反応ガスの濃度は、反応ガスの流れの上流から下流にかけて、発電による反応ガスの消費に伴って低下していく。このため、反応ガスの導入部付近において、発電が集中しやすくなり、膜電極接合体の面内において、発電量が不均一になる場合があった。
【０００７】
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、燃料電池において、生成水の排水性を向上させるとともに、膜電極接合の面内における発電量の均一性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】
【０００８】
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。
本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記セパレータは、該セパレータの内部に形成され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記ガス拡散電極側の前記セパレータの表面から前記反応ガス流路に貫通し、前記反応ガス流路から前記ガス拡散電極の表面に前記反応ガスを供給するための複数の反応ガス供給口と、を備え、前記複数の反応ガス供給口は、前記表面に、二次元的に分散させて配置されており、前記複数の反応ガス供給口のうちの少なくとも一部は、前記表面から前記ガス拡散電極側に突出するとともに、前記反応ガス供給口の側壁をなす突出部を備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明では、セパレータの内部に反応ガス流路が形成されており、ガス拡散電極側のセパレータの表面に、二次元的に分散させて配置された複数の反応ガス供給口を備えているので、ガス拡散電極のほぼ全面に、濃度が等しい反応ガスを供給することができる。したがって、燃料電池、すなわち、膜電極接合体の面内における発電量の均一性を向上させることができる。また、複数の反応ガス供給口のうちの少なくとも一部が、上記突出部を備えているので、セパレータの突出部を備える側の面における突出部以外の領域には、凹部が形成されることになる。したがって、反応ガス供給口から供給された反応ガスの流速によって、上記生成水を、上記凹部に移動させやすくするとともに、この凹部に移動した生成水を、排出ガスの流速によって、燃料電池の外部に排出しやすくすることができる。つまり、本発明によって、燃料電池における生成水の排水性を向上させるとともに、膜電極接合体の面内における発電量の均一性を向上させることができる。
【００１０】
上記燃料電池において、前記セパレータは、前記ガス拡散電極側に配置され、前記複数の反応ガス供給口を備える第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板と、前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板とによって挟持され、前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部材と、を備えるようにしてもよい。
【００１１】
こうすることによって、内部に反応ガス流路を備えるセパレータを、比較的容易に構成することができる。なお、セパレータには、導電性が要求されるため、少なくとも第１のセパレータ板、および、第２のセパレータ板は、金属板等の導電性部材によって構成される。
【００１２】
上記燃料電池において、前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板の一部に当接するとともに、導電性を有する支持部材を備えるようにすることが好ましい。
【００１３】
こうすることによって、第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板との間の電気的な導通を確保することができる。さらに、セパレータが上記支持部材を備えない場合と比較して、セパレータの内部抵抗を低減することができる。また、一般に、セパレータには、燃料電池内部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、面に対して垂直な方向から押圧力が加えられる。本発明では、第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板との間に、これらの一部に当接する支持部材を備えるので、この支持部材によって上記押圧力を支持することが可能であり、上記押圧力による反応ガス流路の圧縮変形を抑制することができる。
【００１４】
上記燃料電池において、前記支持部材は、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板のうちの少なくとも一方に、一体的に形成されているものとしてもよい。こうすることによって、支持部材を別部材で構成する場合と比較して、セパレータを構成する部品の部品点数を少なくすることができる。したがって、燃料電池の製造工程を簡略化することができる。
【００１５】
なお、上記燃料電池において、前記支持部材は、ディンプル形状、および、リブ形状のうちの少なくとも一方の形状を有するものとしてもよい。これらの形状は、第１のセパレータ板や、第２のセパレータ板に対して、プレス加工や、切削加工を施すことによって、比較的容易に形成することができる。
【００１６】
また、上記セパレータが、第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板と、反応ガス流路形成部材とを備える燃料電池において、前記第１のセパレータ板と、前記第２のセパレータ板との間に、前記第１のセパレータ板、および、前記第２のセパレータ板と当接するとともに、導電性、および、ガス拡散性を有する支持部材を備えるようにしてよい。
【００１７】
こうすることによって、第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板との間の電気的な導通を確保するとともに、上記押圧力による反応ガス流路の圧縮変形を抑制することができる。
【００１８】
なお、上記燃料電池において、前記支持部材は、金属多孔体、または、金属製の網からなるものとしてもよい。こうすることによって、導電性、および、ガス拡散性を有する支持部材を、比較的容易に構成することができる。
【００１９】
上述したいずれかの燃料電池において、前記ガス拡散電極は、アノード、および、カソードを含み、前記セパレータは、前記アノード側に配置されるアノード側セパレータと、前記カソード側に配置されるカソード側セパレータと、を含み、前記カソード側セパレータは、前記反応ガス流路として、前記カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、前記複数の反応ガス供給口として、前記カソードの表面に前記酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス供給口と、を備えるようにしてもよい。
【００２０】
こうすることによって、カソードのほぼ全面に、濃度が等しい酸化剤ガスを供給することができる。また、カソードで生成された生成水を、燃料電池の外部に、効率的に排出することができる。
【００２１】
上記燃料電池において、前記アノード側セパレータは、前記反応ガス流路として、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、前記複数の反応ガス供給口として、前記アノードの表面に前記燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス供給口と、を備えるようにしてもよい。
【００２２】
こうすることによって、アノードのほぼ全面に、濃度の等しい燃料ガスを供給することができる。また、カソードで生成され、電解質膜を介して、アノードに透過した生成水を、燃料電池の外部に、効率的に排出することができる。
【００２３】
本発明は、燃料電池に用いられるセパレータの発明として構成することもできる。すなわち、本発明のセパレータは、電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池に用いられる前記セパレータであって、前記セパレータの内部に形成され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記ガス拡散電極側の前記セパレータの表面から前記反応ガス流路に貫通し、前記反応ガス流路から前記ガス拡散電極の表面に前記反応ガスを供給するための複数の反応ガス供給口と、を備え、前記複数の反応ガス供給口は、前記表面に、二次元的に分散させて配置されており、前記複数の反応ガス供給口のうちの少なくとも一部は、前記表面から前記ガス拡散電極側に突出するとともに、前記反応ガス供給口の側壁をなす突出部を備えることを要旨とする。
【００２４】
このようなセパレータを燃料電池に適用することによって、先に説明したように、燃料電池における生成水の排水性を向上させるとともに、膜電極接合体の面内における発電量の均一性を向上させることができる。なお、本発明のセパレータに、先に説明した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２５】
また、本発明は、上述の燃料電池、セパレータとしての構成の他、上述の燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００の概略構成は、後述する各実施例において共通である。
【００２７】
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セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体をセパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、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。なお、セル４０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。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数のセル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂ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供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００２９】
エンドプレート１０ａ，１０ｂ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２０ａ，２０ｂ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３０ａ，３０ｂ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３０ａ，３０ｂ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。
【００３０】
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したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００３１】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３２】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各セル４０のアノードに供給される。各セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器や、燃焼器によって処理される。
【００３３】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００３４】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各セル４０のカソードに供給される。各セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００３５】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００３６】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００３７】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．セル：
燃料電池スタック１００を構成する各セル４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、「シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）の両面を、後述するカソード側セパレータ４５、および、アノード側セパレータ４６によって挟持することによって構成されている。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１、カソード側セパレータ４５、および、アノード側セパレータ４６について説明する。
【００３８】
Ｂ２．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図２（ｃ）には、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００３９】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０を配置したものである。また、図２（ｂ），（ｃ）に示したように、ＭＥＡ４１１のカソード側、および、アノード側には、カソード側金属多孔体層４１１ｃ、および、アノード側金属多孔体層４１１ａが、それぞれ配設されている。カソード側金属多孔体層４１１ｃ、および、アノード側金属多孔体層４１１ａは、後述するカソード側セパレータ４５、および、アノード側セパレータ４６から、それぞれ供給された空気、および、水素を拡散させつつ、カソード、および、アノードに供給するガス流路を構成する。また、カソード側金属多孔体層４１１ｃ、および、アノード側金属多孔体層４１１ａは、導電性を有しており、ガス拡散電極の一部としても機能している。これらのガス流路を形成するための部材として、金属多孔体の代わりに、カーボンクロス等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、シールガスケット４１０として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００４０】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット４１０の一方の長辺部（図示した上側）のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４１２ｉが形成されている。本実施例では、これらの各貫通孔は、すべて同一の矩形形状であるものとした。また、本実施例では、空気供給用貫通孔４１２ｉの数は、３つであるものとしたが、この数は任意に設定可能である。
【００４１】
また、シールガスケット４１０の他方の長辺部（図示した下側）のＭＥＡ４１１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏが形成されている。本実施例では、これらの各貫通孔は、すべて同一の矩形形状であるものとした。また、本実施例では、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏの数は、３つであるものとしたが、この数は任意に設定可能である。
【００４２】
また、シールガスケット４１０の一方の短辺部（図示した左側）のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４１３ｉとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０の他方の短辺部（図示した右側）のＭＥＡ４１１の近傍領域には、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１４ｏとが、上下に配置して形成されている。本実施例では、水素、アノードオフガス、および、冷却水を流すためのこれらの各貫通孔は、すべて同一の矩形形状であるものとした。
【００４３】
また、図２（ｂ），（ｃ）に示したように、シールガスケット４１０は、カソード側の厚さ、すなわち、ＭＥＡ４１１からシールガスケット４１０のカソード側表面までの厚さが、カソード側金属多孔体層４１１ｃの厚さよりも厚くなるように形成されている。そして、シールガスケット４１０のカソード側の厚さは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側に、後述するカソード側セパレータ４５を積層したときに、カソード側セパレータ４５に形成された後述する突出部４２ｈｐの先端部がカソード側金属多孔体層４１１ｃと当接するように設定されている。
【００４４】
また、図２（ａ），（ｃ）に示したように、シールガスケット４１０において、ＭＥＡ４１１とカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏとの間の領域には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と、後述するカソード側セパレータ４５とを積層させたときに、カソード側金属多孔体層４１１ｃの端部とカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏとを連通する流路を形成する凹部４１２ｄが形成されている。
【００４５】
なお、図示は省略しているが、シールガスケット４１０における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、適宜、シールガスケット４１０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインが形成されている。このシールラインによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と後述するカソード側セパレータ４５、および、アノード側セパレータ４６とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水等、および、ＭＥＡ４１１の表面を流れる空気や、水素の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００４６】
Ｂ３．カソード側セパレータ：
カソード側セパレータ４５は、後述する第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合することによって構成される。
【００４７】
Ｂ３．１．第１のセパレータ板：
図３は、第１のセパレータ板４２の概略構造を示す説明図である。この第１のセパレータ板４２は、カソード側セパレータ４５において、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１と当接する部材である。図３（ａ）に、第１のセパレータ板４２の平面図を示した。図中の破線で囲った領域は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、本実施例では、第１のセパレータ板４２として、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の板を用いるものとした。
【００４８】
図３（ａ）に示したように、第１のセパレータ板４２には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４２２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４２３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２４ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４９】
また、第１のセパレータ板４２において、ＭＥＡ４１１に対応する破線で囲まれた領域には、複数の貫通孔４２ｈが二次元的に分散させて配置されている。本実施例では、複数の貫通孔４２ｈは、格子状に配置されているものとした。また、本実施例では、複数の貫通孔４２ｈは、すべて直径が同一の円形であるものとした。複数の貫通孔４２ｈは、後述するように、ＭＥＡ４１１のカソードに空気を供給するための空気供給口として機能するので、以下、貫通孔４２ｈを、空気供給口４２ｈと呼ぶ。
【００５０】
また、図３（ｂ）に示したように、各空気供給口４２ｈには、ＭＥＡ４１１のカソード側に突出するとともに、空気供給口４２ｈの側壁をなす突出部４２ｈｐが形成されている。空気供給口４２ｈ、および、突出部４２ｈｐは、例えば、ステンレス鋼製の平板に、プレス加工を施すことによって、突出部４２ｈｐに対応する凹部を形成し、この凹部の底部に、打ち抜き加工によって、貫通孔を形成することによって、第１のセパレータ板４２に、一体的に形成することができる。また、空気供給口４２ｈ、および、突出部４２ｈｐは、ステンレス鋼製の平板に、打ち抜き加工によって、複数の貫通孔を形成し、各貫通孔に、導電性を有するパイプ形状の部材を接合することによって、形成するようにしてもよい。
【００５１】
Ｂ３．２．第２のセパレータ板：
図４は、第２のセパレータ板４３の概略構造を示す説明図である。図４（ａ）に、第２のセパレータ板４３の平面図を示した。図中の破線で囲った領域は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図４（ｂ）には、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、本実施例では、第２のセパレータ板４３として、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の板を用いるものとした。
【００５２】
図４（ａ）に示したように、第２のセパレータ板４３には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４３２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４３２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４３４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４３３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４３３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４３４ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００５３】
また、第２のセパレータ板４３において、ＭＥＡ４１１に対応する破線で囲まれた領域には、図４（ｂ）に示したように、第１のセパレータ板４２側に凸の形状を有する複数のディンプル部４３ｄが格子状に配置されて形成されている。そして、複数のディンプル部４３ｄは、後述するように、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、第１のセパレータ板４２の一部と当接するように、第１のセパレータ板４２における空気供給口４２ｈの形成位置と、第２のセパレータ板４３におけるディンプル部４３ｄの形成位置とが、千鳥配置となるように配置されている。なお、本実施例では、複数のディンプル部４３ｄの外形形状は、すべて直径が同一の円形であるものとした。これら複数のディンプル部４３ｄは、例えば、ステンレス鋼製の平板に、プレス加工を施すことによって、形成することができる。
【００５４】
また、複数のディンプル部４３ｄは、第１のセパレータ板４２の一部と当接して、燃料電池スタック１００において、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられたときの、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３との間に形成される空間、すなわち、後述する空気の流路の圧縮変形を抑制する機能を有している。また、複数のディンプル部４３ｄは、第１のセパレータ板４２と第２のセパレータ板４３との電気的な導通を確保する機能を有している。ディンプル部４３ｄは、本発明における導電性を有する支持部材に相当する。
【００５５】
Ｂ３．３．ガスケット：
図５は、ガスケット４４の平面図である。このガスケット４４としては、例えば、金属製の部材を用いるものとしてもよいし、シリコーンゴム等の弾性部材を用いるものとしてもよい。
【００５６】
図示するように、ガスケット４４には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４４２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４４４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４４３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４４３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４４４ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００５７】
また、ガスケット４４において、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域と、３つの空気供給用貫通孔４１２ｉに対応する領域と、ＭＥＡ４１１に対応する領域と３つの空気供給用貫通孔４１２ｉに対応する領域との間の領域には、貫通孔４４１が形成されている。この貫通孔４４１は、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、カソード側セパレータ４５の内部に空気の流路（空隙）を形成する。ガスケット４４は、本発明における反応ガス流路形成部材に相当する。
【００５８】
なお、ガスケット４４の厚さは、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３に形成されたディンプル部４３ｄとが当接するように、ディンプル部４３ｄの高さとほぼ同じ値が設定されている。
【００５９】
Ｂ３．４．カソード側セパレータの構造：
図６は、カソード側セパレータ４５の概略構造を示す説明図である。このカソード側セパレータ４５は、先に説明したとおり、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合することによって構成される。図６（ａ）に、カソード側セパレータ４５の平面図を示した。また、図６（ｂ）には、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図６（ｂ）には、図６（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００６０】
図６（ａ）に示したように、第１のセパレータ板４２に形成された空気供給口４２ｈと、第２のセパレータ板４３に形成されたディンプル部４３ｄとは、千鳥配置となっている。また、図６（ｂ）に示したように、第２のセパレータ板４３に形成されたディンプル部４３ｄは、第１のセパレータ板４２の一部と当接している。また、図６（ｃ）に示したように、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３との間には、空気の流路（空隙４４ｇ）が形成されている。
【００６１】
Ｂ４．アノード側セパレータ：
図７は、アノード側セパレータ４６の概略構造を示す説明図である。図７（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と当接する側から見たアノード側セパレータ４６の平面図を示した。また、図７（ｂ）には、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００６２】
図７（ａ）に示したように、アノード側セパレータ４６には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４６２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４６２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４６４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４６３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４６３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４６４ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００６３】
また、アノード側セパレータ４６におけるＭＥＡ４１１のアノードと対向する側の表面には、図示するように、水素供給排出用貫通孔４６３ｉからアノードオフガス排出用貫通孔４６３ｏに、アノード側金属多孔体層４１１ａの表面に沿って水素が流れる流路を形成する溝部４６３ｄ、および、アノード側金属多孔体層４１１ａと当接するリブ部４６３ｒが形成されている。また、図示したアノード側セパレータ４６の裏面には、アノード側セパレータ４６をカソード側セパレータ４５と積層させたときに、冷却水供給用貫通孔４６４ｉから冷却水排出用貫通孔４６４ｏに、冷却水が流れる流路を形成する溝部４６４ｄ、および、燃料電池スタック１００において、カソード側セパレータ４５における第２のセパレータ板４３と当接するリブ部４６４ｒが形成されている。
【００６４】
Ｂ５．空気の供給、および、生成水の排出：
図８は、セル４０における空気の供給、および、生成水の排出の様子を示す説明図である。セル４０の概略断面構造を示した。なお、セル４０における水素、および、冷却水の流れは、先に説明した通りである。
【００６５】
先に説明したように、カソード側セパレータ４５を構成する第１のセパレータ板４２には、突出部４２ｈｐが形成されており、本実施例では、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側に、カソード側セパレータ４５を積層させたとき、すなわち、第１のセパレータ板４２をシールガスケット一体型ＭＥＡ４１のシールガスケット４１０のカソード側の表面に当接させたときに、図示するように、この突出部４２ｈｐの先端部が、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側に配置されたカソード側金属多孔体層４１１ｃと当接する。そして、第１のセパレータ板４２において、突出部４２ｈｐによって形成された突出部４２ｈｐの周囲の凹部は、カソード側金属多孔体層４１１ｃとは当接せずに、カソード側金属多孔体層４１１ｃと、第１のセパレータ板４２との間に、空隙４５ｇが形成されている。
【００６６】
図中に実線矢印で示したように、第２のセパレータ板４３の空気供給用貫通孔４３２ｉ、ガスケット４４の貫通孔４４１、第１のセパレータ板４２の空気供給用貫通孔４２２ｉを流れる空気は、ガスケット４４の貫通孔４４１から分岐して、第１のセパレータ板４２と第２のセパレータ板４３との間に形成された空気の流路（空隙４４ｇ）を通り、第１のセパレータ板４２の複数の空気供給口４２ｈから、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側金属多孔体層４１１ｃに対して垂直な方向にそれぞれ供給される。そして、この供給された空気は、その流速によってカソード側金属多孔体層４１１ｃ中を広がり、ＭＥＡ４１１のカソードに供給され、発電に供される。このとき、カソード側金属多孔体層４１１ｃ中における空気の流速は、カソード側金属多孔体層４１１ｃのほぼ全面で等しくなる。
【００６７】
そして、図中に破線矢印で示したように、ＭＥＡ４１１のカソードで発電によって生成された生成水と、発電で未消費のカソードオフガスとは、空気供給口４２ｈから供給された空気の流速によって、空隙４５ｇに流れる。そして、空隙４５ｇに移動した生成水は、カソードオフガスの流れによって、空隙４５ｇからシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の凹部４１２ｄを通って、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに排出される。つまり、本実施例のセル４０では、ＭＥＡ４１１のアノードへ供給される空気の経路と、アノードで生成された生成水の排出の経路とが異なっている。したがって、生成水のセル４０内での滞留を抑制し、効率的に排出することができる。
【００６８】
以上説明した第１実施例のセル４０によれば、カソード側セパレータ４５の内部に空気の流路を備えており、ガス拡散電極としてのカソード側金属多孔体層４１１ｃと当接する側のカソード側セパレータ４５の表面、すなわち、第１のセパレータ板４２に、二次元的に分散させて配置された複数の空気供給口４２ｈを備えているので、カソード側金属多孔体層４１１ｃのほぼ全面に、酸化剤ガスとしての酸素の濃度が等しい空気を供給することができる。したがって、燃料電池としてのセル４０のＭＥＡ４１１の面内における発電量の均一性を向上させることができる。また、第１のセパレータ板４２に形成された複数の空気供給口４２ｈが、突出部４２ｈｐを備えているので、突出部４２ｈｐ以外の領域には、凹部が形成されることになる。したがって、空気供給口４２ｈから供給された空気の流速によって、発電によってカソードで生成された生成水を、上記凹部とカソード側金属多孔体層４１１ｃとによって形成された空隙４５ｇに移動させやすくするとともに、この空隙４５ｇに移動した生成水を、カソードオフガスの流速によって、セル４０の外部に排出しやすくすることができる。つまり、本実施例のセル４０によって、セル４０における生成水の排水性を向上させるとともに、ＭＥＡ４１１の面内における発電量の均一性を向上させることができる。
【００６９】
Ｃ．第２実施例：
図９は、第２実施例のセル４０Ａの概略断面構造を示す説明図である。このセル４０Ａは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの構造が、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１と異なっていること以外は、第１実施例のセル４０と同じである。
【００７０】
図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａは、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１とは異なり、シールガスケット４１０Ａのカソード側の厚さ、すなわち、ＭＥＡ４１１からシールガスケット４１０Ａのカソード側表面までの厚さが、カソード側金属多孔体層４１１ｃの厚さとほぼ等しくなるように形成されている。したがって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側に、カソード側セパレータ４５を積層したとき、すなわち、第１のセパレータ板４２をシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのシールガスケット４１０Ａのカソード側の表面に当接させたときに、第１のセパレータ板４２に形成された突出部４２ｈｐは、カソード側金属多孔体層４１１ｃに埋め込まれ、カソード側金属多孔体層４１１ｃのほぼ全面が、第１のセパレータ板４２と当接し、第１実施例における空隙４５ｇは形成されない。
【００７１】
このセル４０Ａにける空気の供給、および、生成水の排出は、第１実施例のセル４０とほぼ同じである。
【００７２】
図中に実線矢印で示したように、第２のセパレータ板４３の空気供給用貫通孔４３２ｉ、ガスケット４４の貫通孔４４１、第１のセパレータ板４２の空気供給用貫通孔４２２ｉを流れる空気は、ガスケット４４の貫通孔４４１から分岐して、第１のセパレータ板４２と第２のセパレータ板４３との間に形成された空気の流路（空隙４４ｇ）を通り、第１のセパレータ板４２の複数の空気供給口４２ｈから、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側金属多孔体層４１１ｃに対して垂直な方向にそれぞれ供給される。そして、この供給された空気は、その流速によってカソード側金属多孔体層４１１ｃ中を広がり、ＭＥＡ４１１のカソードに供給され、発電に供される。このとき、カソード側金属多孔体層４１１ｃ中における空気の流速は、カソード側金属多孔体層４１１ｃのほぼ全面で等しくなる。
【００７３】
そして、図中に破線矢印で示したように、ＭＥＡ４１１のカソードで発電によって生成された生成水と、発電で未消費のカソードオフガスとは、空気供給口４２ｈから供給された空気の流速によって、突出部４２ｈｐによって相対的に形成された第１のセパレータ板４２の凹部に流れる。そして、この凹部に移動した生成水は、カソードオフガスの流れによって、凹部からシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの凹部４１２ｄを通って、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに排出される。
【００７４】
以上説明した第２実施例のセル４０Ａによっても、第１実施例のセル４０と同様に、セル４０Ａにおける生成水の排水性を向上させるとともに、ＭＥＡ４１１の面内における発電量の均一性を向上させることができる。
【００７５】
また、第２実施例のセル４０Ａでは、カソード側金属多孔体層４１１ｃのほぼ全面が、第１のセパレータ板４２と当接するので、第１実施例のセル４０と比較して、カソード側金属多孔体層４１１ｃと、第１のセパレータ板４２との接触抵抗を低減することができる。
【００７６】
Ｄ．第３実施例：
図１０は、第３実施例のセル４０Ｂの断面構造を示す説明図である。このセル４０Ｂは、カソード側セパレータ４５Ｂの構造が、第１実施例におけるカソード側セパレータ４５と異なっていること以外は、第１実施例のセル４０と同じである。
【００７７】
本実施例におけるカソード側セパレータ４５Ｂは、図示は省略しているが、第２のセパレータ板４３Ｂが、第１実施例における第２のセパレータ板４３とは異なり、ディンプル部４３ｄを備えておらず、平板状のステンレス鋼からなる。そして、本実施例では、第１実施例における第２のセパレータ板４３に形成されたディンプル部４３ｄの代わりに、図示するように、カソード側セパレータ４５Ｂは、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３Ｂとの間のＭＥＡ４１１に対応する領域に、ガスケット４４とほぼ等しい厚さを有する金属多孔体層４５ｐを備えている。この金属多孔体層４５ｐは、第１のセパレータ板４２、および、第２のセパレータ板４３Ｂに当接している。金属多孔体層４５ｐは、導電性、および、ガス拡散性を有しており、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３との電気的な導通を確保するとともに、空気の流路の圧縮変形を抑制する機能を有している。この金属多孔体層４５ｐは、本発明における導電性、および、ガス拡散性を有する支持部材に相当する。
【００７８】
このセル４０Ｂにける空気の供給、および、生成水の排出は、図から分かるように、第１実施例のセル４０とほぼ同じであり、詳細な説明は省略する。
【００７９】
以上説明した第３実施例のセル４０Ｂによっても、第１実施例のセル４０と同様に、セル４０Ｂにおける生成水の排水性を向上させるとともに、ＭＥＡ４１１の面内における発電量の均一性を向上させることができる。
【００８０】
また、第３実施例のカソード側セパレータ４５Ｂでは、金属多孔体層４５ｐのほぼ全面が、第１のセパレータ板４２、および、第２のセパレータ板４３Ｂと当接するので、第１実施例のセル４０と比較して、カソード側セパレータ４５Ｂの内部抵抗を低減することができる。
【００８１】
Ｅ．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、以下のような変形が可能である。
【００８２】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、第１のセパレータ板４２において、複数の空気供給口４２ｈは、格子状に配置されているものとしたが、本発明は、これに限られない。第１のセパレータ板４２において、複数の空気供給口４２ｈは、二次元的に分散させて配置されていればよい。また、上記実施例では、複数の空気供給口４２ｈは、すべて同一の円形であるものとしたが、他の形状としてもよいし、また、それぞれ大きさが異なるようにしてもよい。
【００８３】
Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例、および、第２実施例では、第２のセパレータ板４３に形成された複数のディンプル部４３ｄの外形形状は、すべて直径が同一の円形であるものとしたが、本発明は、これに限られない。ディンプル部４３ｄの形状は、他の形状としてもよいし、また、それぞれ大きさが異なるようにしてもよい。また、第２のセパレータ板４３における複数のディンプル部４３ｄの配置は、第１のセパレータ板４２の空気供給口４２ｈの形成位置と一致しない範囲内で、任意に設定可能である。
【００８４】
Ｅ３．変形例３：
上記第１実施例、および、第２実施例では、導電性を有する支持部材として、カソード側セパレータを構成する第２のセパレータ板４３に複数のディンプル部４３ｄを設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記支持部材として、第１のセパレータ板４２に、第２のセパレータ板４３側に凸の形状を有するディンプル部を設けるようにしてもよい。また、導電性を有する別部材を用意し、これを第１のセパレータ板４２、および、第２のセパレータ板４３の少なくとも一方に接合するようにしてもよい。
【００８５】
図１１は、変形例としての第２のセパレータ板４３Ｃの概略構造を示す説明図である。図１１（ａ）に、第２のセパレータ板４３Ｃの平面図を示した。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図１１（ｂ）には、図１１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、第２のセパレータ板４３Ｃに形成された各貫通孔の配置、および、形状は、第１実施例における第２のセパレータ板４３と同じである。
【００８６】
図示するように、この第２のセパレータ板４３Ｃは、第１実施例における第２のセパレータ板４３における複数のディンプル部４３ｄの代わりに、第１のセパレータ板４２側に凸の形状を有する複数のリブ部４３ｒを備えている。そして、これら複数のリブ部４３ｒは、第１のセパレータ板４２と、ガスケット４４と、第２のセパレータ板４３Ｃとを、この順に重ね合わせて接合したときに、第１のセパレータ板４２の一部と当接するように、第１のセパレータ板４２における空気供給口４２ｈの形成位置と一致しない位置に配置されている。なお、本変形例では、複数のリブ部４３ｒの外形形状は、すべて同一の矩形形状であるものとしたが、他の形状としてもよい。また第２のセパレータ板４３Ｃにおける複数のリブ部４３ｒの配置は、第１のセパレータ板４２の空気供給口４２ｈの形成位置と一致しない範囲内で、任意に設定可能である。
【００８７】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、カソード側セパレータ４５と、アノード側セパレータ４６とを別個に形成するものとしたが、これらを一体的に形成するようにしてもよい。
【００８８】
以下、カソード側セパレータとアノード側セパレータとを一体的に形成した変形例としてのセパレータ４５Ｄについて説明する。なお、このセパレータ４５Ｄは、先に説明した第１実施例におけるカソード側セパレータ４５の第２のセパレータ板４３に、さらに、後述するガスケット４８、および、アノード対向板４７をこの順に接合することによって構成されるものとした。
【００８９】
図１２は、セパレータ４５Ｄにおいて、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側に配置されるアノード対向板４７の概略構造を示す説明図である。図１２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側から見たアノード対向板４７の平面図を示した。図中の破線で囲った領域は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、本実施例では、アノード対向板４７として、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の板を用いるものとした。
【００９０】
図１２（ａ）に示したように、アノード対向板４７には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４７２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４７２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４７４ｉと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４７３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４７３ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４７４ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００９１】
そして、水素供給排出用貫通孔４７３ｉには、水素供給排出用貫通孔４７３ｉからシールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側金属多孔体層４１１ａの端部に水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４７３ｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４７３ｏには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側金属多孔体層４１１ａの端部からアノードオフガス排出用貫通孔４７３ｏにアノードオフガスを流すための複数のアノードオフガス排出用流路形成部４７３ｏｐが設けられている。
【００９２】
また、アノード対向板４７において、ＭＥＡ４１１に対応する破線で囲まれた領域には、図１２（ｂ）に示したように、第２のセパレータ板４３側に凸の形状を有する複数のディンプル部４７ｄが格子状に配置されて形成されている。そして、複数のディンプル部４７ｄは、後述するように、アノード対向板４７と、ガスケット４８と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、第２のセパレータ板４３の一部と当接するように、第２のセパレータ板４３におけるディンプル部４３ｄの形成位置と、アノード対向板４７におけるディンプル部４７ｄの形成位置とが、千鳥配置となるように配置されている。なお、本変形例では、複数のディンプル部４７ｄの外形形状は、すべて直径が同一の円形であるものとした。これら複数のディンプル部４７ｄは、例えば、ステンレス鋼製の平板に、プレス加工を施すことによって、形成することができる。
【００９３】
また、複数のディンプル部４７ｄは、第２のセパレータ板４３の一部と当接して、燃料電池スタック１００において、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられたときの、アノード対向板４７と、第２のセパレータ板４３との間に形成される空間、すなわち、後述する冷却水の流路の圧縮変形を抑制する機能を有している。
【００９４】
図１３は、ガスケット４８の平面図である。このガスケット４８としては、先に説明したガスケット４４と同様に、金属製の部材を用いるものとしてもよいし、シリコーンゴム等の弾性部材を用いるものとしてもよい。
【００９５】
図示するように、ガスケット４８には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４８２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４８２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給排出用貫通孔４８３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４８３ｏとがそれぞれ形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００９６】
また、ガスケット４８において、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域と、冷却水供給用貫通孔４１４ｉ、および、冷却水排出用貫通孔４１４ｏに対応する領域と、ＭＥＡ４１１に対応する領域と冷却水供給用貫通孔４１４ｉに対応する領域との間の領域と、ＭＥＡ４１１に対応する領域と冷却水排出用貫通孔４１４ｏに対応する領域との間の領域には、貫通孔４８１が形成されている。この貫通孔４８１は、アノード対向板４７と、ガスケット４８と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、セパレータ４５Ｄの内部に冷却水の流路（空隙）を形成する。
【００９７】
なお、ガスケット４８の厚さは、アノード対向板４７と、ガスケット４８と、第２のセパレータ板４３とを、この順に重ね合わせて接合したときに、第２のセパレータ板４３と、アノード対向板４７に形成されたディンプル部４７ｄとが当接するように、ディンプル部４７ｄの高さとほぼ同じ値が設定されている。
【００９８】
図１４は、セパレータ４５Ｄの概略構造を示す説明図である。なお、先に説明したように、セパレータ４５Ｄは、カソード側セパレータ４５の第２のセパレータ板４３に、さらに、ガスケット４８、および、アノード対向板４７をこの順に接合することによって構成されるが、ここでは、図示の簡略化のため、第２のセパレータ板４３に、ガスケット４８、および、アノード対向板４７と接合した状態を示すこととし、第１のセパレータ板４２、および、ガスケット４４の図示は省略した。図１４（ａ）に、セパレータ４５Ｄの平面図を示した。また、図１４（ｂ）には、図１４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図１４（ｂ）には、図１４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００９９】
図１４（ａ）に示したように、アノード対向板４７に形成されたディンプル部４７ｄと、第２のセパレータ板４３に形成されたディンプル部４３ｄとは、千鳥配置となっている。また、図１４（ｂ）に示したように、アノード対向板４７に形成されたディンプル部４７ｄは、第２のセパレータ板４３の一部と当接している。また、図１４（ｃ）に示したように、アノード対向板４７と、第２のセパレータ板４３との間には、冷却水の流路（空隙４８ｇ）が形成されている。
【０１００】
図１５は、変形例としてのセル４０Ｄにおける水素の供給、および、アノードオフガスの排出の様子を示す説明図である。シールガスケット一体型ＭＥＡ４１とセパレータ４５Ｄとを積層させたときの、図１４におけるＣ−Ｃ断面図を示した。なお、セル４０Ｄにおける空気、生成水の流れは、第１実施例と同じであるので、説明を省略する。
【０１０１】
図中に実線矢印で示したように、第２のセパレータ板４３の水素供給排出用貫通孔４２３ｉ、ガスケット４４の水素供給排出用貫通孔４４３ｉ、第２のセパレータ板４３の水素供給排出用貫通孔４３３ｉ、ガスケット４８の水素供給排出用貫通孔４８３ｉ、アノード対向板４７の水素供給排出用貫通孔４７３ｉを流れる水素は、アノード対向板４７の水素供給排出用貫通孔４７３ｉから分岐して、複数の水素供給用流路形成部４７３ｉｐを通り、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側金属多孔体層４１１ａの端部にそれぞれ供給される。そして、この供給された水素は、アノード側金属多孔体層４１１ａ中を、ほぼ面に沿って拡散しつつ流れ、ＭＥＡ４１１のカソードに供給され、発電に供される。そして、発電で未消費のアノードオフガスは、複数のアノードオフガス排出用流路形成部４７３ｏｐを通り、アノードオフガス排出用貫通孔４７３ｏに排出される。
【０１０２】
なお、冷却水は、図中に破線矢印で示したように、アノード対向板４７と第２のセパレータ板４３との間に形成された空隙４８ｇを流れる。
【０１０３】
以上説明した本変形例のセル４０Ｄによれば、カソード側セパレータと、アノード側セパレータとを一体的に形成したセパレータ４５Ｄを用いるので、燃料電池スタック１００を構成する部品の部品点数を減少させるこができる。したがって、燃料電池スタック１００の組み付け性を向上させることができる。
【０１０４】
Ｅ５．変形例５：
上記第３実施例では、第１のセパレータ板４２と、第２のセパレータ板４３Ｂとの間に、金属多孔体層４５ｐを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。金属多孔体層４５ｐの代わりに、導電性、および、ガス拡散性を有する他の支持部材、例えば、金属製の網等を備えるようにしてもよい。
【０１０５】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例、および、変形例では、第１のセパレータ板４２に形成されたすべての空気供給口４２ｈに突出部４２ｈｐを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。第１のセパレータ板４２に形成された一部の空気供給口４２ｈに突出部４２ｈｐを備えるようにしてもよい。
【０１０６】
Ｅ７．変形例７：
上記実施例、および、変形例では、本発明をセルのカソード側に適用した場合について説明したが、さらに、アノード側に適用するようにしてもよい。こうすることによって、アノードのほぼ全面に、濃度の等しい水素を供給することができる。また、カソードで生成され、電解質膜を介して、アノードに透過した生成水を、燃料電池の外部に、効率的に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。
【図３】第１のセパレータ板４２の概略構造を示す説明図である。
【図４】第２のセパレータ板４３の概略構造を示す説明図である。
【図５】ガスケット４４の平面図である。
【図６】カソード側セパレータ４５の概略構造を示す説明図である。
【図７】アノード側セパレータ４６の概略構造を示す説明図である。
【図８】セル４０における空気の供給および生成水の排出の様子を示す説明図である。
【図９】第２実施例のセル４０Ａの概略断面構造を示す説明図である。
【図１０】第３実施例のセル４０Ｂの断面構造を示す説明図である。
【図１１】変形例としての第２のセパレータ板４３Ｃの概略構造を示す説明図である。
【図１２】セパレータ４５Ｄにおいてシールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側に配置されるアノード対向板４７の概略構造を示す説明図である。
【図１３】ガスケット４８の平面図である。
【図１４】セパレータ４５Ｄの概略構造を示す説明図である。
【図１５】変形例としてのセル４０Ｄにおける水素の供給およびアノードオフガスの排出の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０００...燃料電池システム
１００...燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ...エンドプレート
２０ａ，２０ｂ...絶縁板
３０ａ，３０ｂ...集電板
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｄ...セル
４１，４１Ａ...シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１０...シールガスケット
４１１...ＭＥＡ
４１１ａ...アノード側金属多孔体層
４１１ｃ...カソード側金属多孔体層
４１２ｉ...空気供給用貫通孔
４１２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４１２ｄ...凹部
４１３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４１３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４１４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４２...第１のセパレータ板
４２ｈ...空気供給口（貫通孔）
４２ｈｐ...突出部
４２２ｉ...空気供給用貫通孔
４２２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４２３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４２３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４２４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４３，４３Ｂ，４３Ｃ...第２のセパレータ板
４３ｄ...ディンプル部
４３ｒ...リブ部
４３２ｉ...空気供給用貫通孔
４３２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４３３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４３３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４３４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４３４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４４...ガスケット
４４ｇ...空隙
４４１...貫通孔
４４２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４４３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４４３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４４４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４４４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４５，４５Ｂ...カソード側セパレータ
４５ｇ...空隙
４５ｐ...金属多孔体層
４５Ｄ...セパレータ
４６...アノード側セパレータ
４６２ｉ...空気供給用貫通孔
４６２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４６３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４６３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４６３ｄ...溝部
４６３ｒ...リブ部
４６４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４６４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４６４ｄ...溝部
４６４ｒ...リブ部
４７...アノード対向板
４７ｄ...ディンプル部
４７２ｉ...空気供給用貫通孔
４７２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４７３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４７３ｉｐ...水素供給用流路形成部
４７３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
４７３ｏｐ...アノードオフガス排出用流路形成部
４７４ｉ...冷却水供給用貫通孔
４７４ｏ...冷却水排出用貫通孔
４８...ガスケット
４８ｇ...空隙
４８１...貫通孔
４８２ｉ...空気供給用貫通孔
４８２ｏ...カソードオフガス排出用貫通孔
４８３ｉ...水素供給排出用貫通孔
４８３ｏ...アノードオフガス排出用貫通孔
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...循環配管
５５...ポンプ
５６...排出配管
５７...排気バルブ
６０...コンプレッサ
６１...配管
６２...排出配管
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
７２...配管
８０...制御ユニット
【図１】
2008140721.tif 000003
【図２】
2008140721.tif 000004
【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】
2008140721.tif 000009
【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】
2008140721.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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