(57)【要約】【課題】燃料電池の発電部における反応ガスの配流性を向上する。【解決手段】燃料電池１００は、２枚のセパレータＳＰに挟持される膜電極接合体１０を備えている。膜電極接合体１０は、電解質膜１３を含む発電部１１と、発電部の一辺に沿って配列して設けられた同一種類の反応ガスのための複数のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄとを備えている。膜電極接合体１０の発電部１１とセパレータＳＰとの間には、反応ガスの流路を形成するガス流路部材１８が配置される。ガス流路部材１８は、複数の接合部位ＣＳによってセパレータＳＰに固定されている。接合部位ＣＳを、複数のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄが配列された方向に渡って不均一に配置させることによってガスを誘導する。【選択図】図１１
2008282590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚のセパレータに挟持された膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、
電解質膜を含む発電部と、
前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた反応ガスのための同一種類の複数のマニホールド孔と、
を備え、
前記膜電極接合体の前記発電部と前記セパレータとの間には、反応ガスの流路を形成するガス流路部材が配置され、
前記ガス流路部材は、複数の接合部位によって前記セパレータに固定されており、
前記接合部位は、前記複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一に配置されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記複数のマニホールド孔を前記発電部の一辺に向かう方向に沿って投影したときに、前記複数のマニホールド孔が投影される領域であるマニホールド孔領域と、前記複数のマニホールド孔が投影されない領域である非マニホールド孔領域とを有し、
前記接合部位は、前記非マニホールド孔領域よりも、前記マニホールド孔領域の方に多く設けられている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記接合部位が密集した接合部位密集領域と、前記接合部位が存在しない非接合領域とを有しており、
前記接合部位密集領域は、前記複数のマニホールド孔から前記発電部の一辺に向う方向に沿って見たときに前記マニホールド孔の端部を通る直線の近傍に設けられている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記複数のマニホールド孔は、互いに隣り合う第１と第２のマニホールド孔とを含み、
前記接合部位密集領域は、第１と第２の接合部位密集領域を含み、
前記第１と第２の接合部位密集領域に挟まれた前記非接合領域の中心を通り、前記複数のマニホールド孔の配列方向に垂直な第１の中心線は、前記第１と第２のマニホールド孔のそれぞれから等距離にある第２の中心線とほぼ重なる、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記接合部位は、前記発電部のうち触媒が担持された触媒層を含む領域には設けられていない、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、膜電極接合体が２枚のセパレータに挟持されている。膜電極接合体の発電部の外周には、燃料電池の外部から発電が行われる発電部へと反応ガス（アノードガス及びカソードガス）の供給及び排出を行うためのマニホールド孔が貫通孔として設けられている。セパレータには、反応ガスをマニホールド孔から発電部へと誘導するためのガス流路が設けられている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２３１４９
【特許文献２】特開２００４−１３９８２７
【特許文献３】特開２００２−５０３３８１
【特許文献４】特開２００５−１９０７４５
【特許文献５】特開２０００−１００４５４
【０００４】
ところで、燃料電池の発電効率を向上させるためには、発電部における反応ガスの流量分布が均一であることが好ましい。一方、燃料電池は車両などの限られた空間に配置するために小型化することが好ましく、マニホールド孔を設けることができる領域が制限される場合がある。この場合には、例えば、マニホールド孔からの距離が遠い発電部の領域には、反応ガスが十分に供給できないなど、発電部におけるガスの流量が不均一となる可能性がある。しかし、従来はこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の発電部における反応ガスの配流性を向上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】
【０００６】
本発明の一形態は、２枚のセパレータに挟持された膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体は、電解質膜を含む発電部と、前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた反応ガスのための同一種類の複数のマニホールド孔とを備え、前記膜電極接合体の前記発電部と前記セパレータとの間には、反応ガスの流路を形成するガス流路部材が配置され、前記ガス流路部材は、複数の接合部位によって前記セパレータに固定されており、前記接合部位は、前記複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、接合部位の分布によって発電部におけるガスの流量分布を変化させることができ、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。
【０００８】
前記発電部は、前記複数のマニホールド孔を前記発電部の一辺に向かう方向に沿って投影したときに、前記複数のマニホールド孔が投影される領域であるマニホールド孔領域と、前記複数のマニホールド孔が投影されない領域である非マニホールド孔領域とを有し、前記接合部位は、前記非マニホールド孔領域よりも、前記マニホールド孔領域の方に多く設けられているものとしても良い。
【０００９】
この構成によれば、マニホールド孔領域から非マニホールド孔領域へと流れるガスの流量を増大させることができる。従って、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。
【００１０】
前記発電部は、前記接合部位が密集した接合部位密集領域と、前記接合部位が存在しない非接合領域とを有しており、前記接合部位密集領域は、前記複数のマニホールド孔から前記発電部の一辺に向う方向に沿って見たときに前記マニホールド孔の端部を通る直線の近傍に設けられているものとしても良い。
【００１１】
この構成によれば、接合部位密集領域から非接合領域へとガスが流れるため、マニホールド孔に隣り合うガス流量の低い領域へとガスを誘導することができる。従って、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。
【００１２】
前記複数のマニホールド孔は、互いに隣り合う第１と第２のマニホールド孔とを含み、前記接合部位密集領域は、第１と第２の接合部位密集領域を含み、前記第１と第２の接合部位密集領域に挟まれた前記非接合領域の中心を通り、前記複数のマニホールド孔の配列方向に垂直な第１の中心線は、前記第１と第２のマニホールド孔のそれぞれから等距離にある第２の中心線とほぼ重なるものとしても良い。
【００１３】
この構成によれば、第１と第２のマニホールド孔から発電部の一辺に向かって垂直に見たときに第１と第２のマニホールド孔に挟まれた発電部の領域へとガスを誘導することができる。従って、当該領域におけるガスの配流性を向上することができる。
【００１４】
前記接合部位は、前記発電部のうち触媒が担持された触媒層を含む領域には設けられていないものとしても良い。
【００１５】
この構成によれば、触媒層を含む発電部において発電面積が接合部位を設けることによって減少することを防止することができる。従って、発電面積を確保しつつ、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。
【００１６】
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】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガス（反応ガス）の供給を受けて、その電気化学反応（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、膜電極接合体１０のアノード電極側にアノードガス（燃料ガス）として水素が供給され、カソード電極側にカソードガス（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１００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。
【００１８】
この燃料電池１００は、膜電極接合体１０とセパレータＳＰとが交互に積層されたスタック構造を有している。セパレータＳＰは、カソードプレートＳＰｃと、中間プレートＳＰｉと、アノードプレートＳＰａとを備えている。膜電極接合体１０のカソード電極側にはカソードプレートＳＰｃが配置され、アノード電極側にはアノードプレートＳＰａが配置されており、中間プレートＳＰｉは、２つのプレートＳＰｃ、ＳＰａによって挟持されている。
【００１９】
図１（Ｂ）は、燃料電池１００が締結された状態を示す斜視図である。燃料電池１００は、２つのエンドプレート２１、２２によって挟持された状態で、締結部材２０によって締結されている。なお、燃料電池１００の積層方向上側のエンドプレート２１には、後述する燃料電池１００のマニホールド孔と燃料電池１００の外部の配管とを連結する貫通孔が設けられているが、図示は省略してある。
【００２０】
２つのエンドプレート２１、２２は、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０及びセパレータＳＰとほぼ重なる略長方形部材である。締結部材２０の直棒状のシャフト部２０ｓは、２つのエンドプレート２１、２２の四隅ＣＮ及び互いに対向する２つの長辺の中央部ＳＣの計６箇所において、２つのエンドプレート２１、２２を貫通している。シャフト部２０ｓの両端にはナット部２０ｎが設けられており、ナット部２０ｎをネジ締めすることによって、燃料電池１００は、その積層方向に締結荷重を受ける。
【００２１】
なお、膜電極接合体１０及びセパレータＳＰには、積層方向に沿って見たときに、エンドプレート２１、２２の四隅ＣＮと重なる部位には、角凹部ＣＶ１が設けられており、長辺中央部ＳＣに重なる部位には中央凹部ＣＶ２が設けられいる。即ち、シャフト部２０ｓは、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２のいずれかを通って２つのエンドプレート２１、２２を貫通している。このように、この燃料電池１００は、締結部材２０を配置するための凹部ＣＶ１、ＣＶ２を設けた分だけ体積が減少し、小型化されている。
【００２２】
図２は、膜電極接合体１０のアノード電極側の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体１０のカソード電極側の構成は、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。
【００２３】
この膜電極接合体１０は、燃料電池反応が行われる発電部１１と、発電部１１を囲む外周シール枠部１２とを備えた略長方形の部材である。膜電極接合体１０の四隅及び対向する２つの長辺の中央付近には、上述した締結部材２０のシャフト部２０ｓを通すための２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２が設けられている。
【００２４】
外周シール枠部１２には、貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄ、Ｍ５、Ｍ６が設けられている。マニホールド孔Ｍ１は、アノードガスの供給を担い、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。４つのマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄは、カソードガスの供給を担い、４つのマニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄは、反応に供されることのなかった酸素及び、燃料電池反応によって発生した水分を含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５は、燃料電池反応によって発生する反応熱を冷却するための冷媒の供給を担い、マニホールド孔Ｍ６は冷媒の排出を担う。
【００２５】
アノードガス供給用のマニホールド孔Ｍ１と冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ５は、膜電極接合体１０の同一短辺に沿って設けられている。アノードガス排出用のマニホールド孔Ｍ２と、冷媒排出用のマニホールド孔Ｍ６も同様である。マニホールド孔Ｍ１とマニホールド孔Ｍ２とは、発電部１１を挟んで対角の位置に設けられており、マニホールド孔Ｍ５とマニホールド孔Ｍ６とは、発電部１１を挟んで対角の位置に設けられている。
【００２６】
カソードガス供給用の４つのマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄとカソード排ガス排出用の４つのマニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄのそれぞれは、発電部１１を挟んで対向する長辺に沿って設けられている。なお、供給用の２つのマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｂと２つのマニホールド孔Ｍ３ｃ、Ｍ３ｄとの間には、中央凹部ＣＶ２が設けられている。同様に、排出用の２つのマニホールド孔Ｍ４ａ、Ｍ４ｂと２つのマニホールド孔Ｍ４ｃ、Ｍ４ｄとの間にも、中央凹部ＣＶ２が設けられている。
【００２７】
外周シール枠部１２の表面には、シールラインＳＬ（二条線で図示）が、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及び発電部１１を囲むように設けられている。シールラインＳＬは、流体の漏洩を防止するためのものである。なお、外周シール枠部１２としては、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。
【００２８】
図３は、図２に示す３−３切断における膜電極接合体１０の断面を示す断面図であり、２つのセパレータＳＰで挟持された状態を示している。発電部１１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１３が含まれる。電解質膜１３は、アノード電極層１４ａとカソード電極層１４ｃとで挟持されている。電解質膜１３は、その外周縁である膜端部１３ｅが２つの電極層１４ａ、１４ｃの外周縁から突出している。膜端部１３ｅは、外周シール枠部１２によって被覆されている。これによって、膜端部１３ｅの付近における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アノード電極側の水素が反応に供されることなくカソード電極側に移動してしまう現象をいう。
【００２９】
２つの電極層１４ａ、１４ｃは、ガス拡散層１５と触媒層１６とを備えている。ガス拡散層１５は、２つの電極層１４ａ、１４ｃの電解質膜１３と接しない面にそれぞれ設けられており、供給された反応ガスを電解質膜１３の全体に行き渡らせる機能を有する。ガス拡散層１５は、例えば、カーボンペーパなどで構成できる。触媒層１６は、２つの電極層１４ａ、１４ｃの電解質膜１３と接する面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させることによって設けられている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。ところで、発電部１１には、２つの電極層１４ａ、１４ｃに触媒層１６が設けられている領域と設けられていない領域とが存在する。触媒層１６が設けられている領域を特に「主発電部１１ｃ」と呼び、図２において破線で示す。発電部１１は、特にこの主発電部１１ｃにおいて燃料電池反応が活発に行われる。
【００３０】
膜電極接合体１０が２枚のセパレータＳＰで挟持される際に、２つの電極層１４ａ、１４ｃとセパレータＳＰとの間にはガス流路部材１８が配置される。ガス流路部材１８は、発電部１１全体を覆うように配置され、２つの電極層１４ａ、１４ｃとセパレータＳＰの両者に接するように配置される。ガス流路部材１８は、２つの電極層１４ａ、１４ｃの全体に供給された反応ガスを行き渡らせる機能を有しており、発電された電気の導電経路としての機能も有する。ガス流路部材１８としては、導電性の多孔質部材や、金属プレートを加工して複数の貫通孔が網目状に設けられた部材などによって構成することができる。
【００３１】
外周シール枠部１２に設けられたシールラインＳＬは、図３に示すように突起部１７（リップ）として設けられおり、アノード電極側及びカソード電極側のそれぞれの対向する位置に設けられている。突起部１７は、アノード電極側及びカソード電極側の両側からセパレータＳＰで押圧されることによってシール性を実現する。
【００３２】
図４は、セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａの構成を示す概略図であり、中間プレートＳＰｉ（図１（Ａ））と接する面側を示している。なお、図４には、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０の発電部１１と重なる領域を一点鎖線で示し、主発電部１１ｃと重なる領域を破線で示してある。
【００３３】
アノードプレートＳＰａは、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と、２種類の凹部ＣＶ１、ＣＶ２とが膜電極接合体１０（図２）と同様に設けられている。アノードプレートＳＰａの発電部１１の領域内には、貫通孔であるアノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２が設けられている。アノードガス流入孔Ｐ１は、主発電部１１ｃとカソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３との間に、発電部１１の長辺に渡って設けられている。同様に、アノード排ガス流出孔Ｐ２は、主発電部１１ｃとカソードガス排出用マニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄとの間に設けられている。このアノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２を介して、膜電極接合体１０のアノード電極側の発電部１１へのアノードガスの供給・排出が行われる。具体的なアノードガス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、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。
【００３４】
図５は、セパレータＳＰを構成するカソードプレートＳＰｃの構成を示す概略図であり、膜電極接合体１０（図１（Ａ））と接する面側を示している。図５は、アノードガス流入孔Ｐ１及びアノード排ガス流出孔Ｐ２に替えて、カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図４とほぼ同じである。なお、図５には、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときにアノードプレートＳＰａの２つの貫通孔Ｐ１、Ｐ２（図４）と重なる領域を二点鎖線で示してある。
【００３５】
カソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４は、発電部１１の領域内に設けられた貫通孔である。カソードガス流入孔Ｐ３は、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄとアノードガス流入孔Ｐ１との間に、発電部１１の長辺に渡って設けられている。カソード排ガス流出孔Ｐ４は、カソードガス排出用マニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄとアノード排ガス流出孔Ｐ２との間に発電部１１の長辺に渡って設けられている。このカソードガス流入孔Ｐ３及びカソード排ガス流出孔Ｐ４を介して、膜電極接合体１０のカソード電極側の発電部１１へのカソードガスの供給・排出が行われる。具体的なカソードガスの流れについては後述する。
【００３６】
図６は、セパレータＳＰを構成する中間プレートＳＰｉの構成を示す概略図であり、カソードプレートＳＰｃ（図１（Ａ））と接する側を示している。図６は、後述する各流体流路が設けられている点と、２つの貫通孔Ｐ３、Ｐ４と冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６とが設けられていない点以外は、ほぼ図５と同じである。なお、図６には、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６と重なる領域を破線で示し、２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃに設けられた貫通孔Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と重なる領域を二点鎖線で示してある。
【００３７】
中間プレートＳＰｉには、発電部１１の長辺方向に渡ってアノードガス及びアノード排ガスを誘導するための２つのアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２が貫通して設けられている。第１のアノード流路ＡＰ１は、アノードガス供給用のマニホールド孔Ｍ１と連通しており、アノードプレートＳＰａのアノードガス流入孔Ｐ１とほぼ重なるように設けられている。第２のアノード流路ＡＰ２は、アノード排ガス用のマニホールド孔Ｍ２と連通しており、アノードプレートＳＰａのアノード排ガス流出孔Ｐ２とほぼ重なるように設けられている。
【００３８】
また、中間プレートＳＰｉには、複数の供給用カソード流路ＣＰ１が、櫛歯状のスリットを形成するように貫通して設けられている。供給用カソード流路ＣＰ１は、一端がカソードガス供給用のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄと連通しており、他端がカソードプレートＳＰｃのカソードガス流入孔Ｐ３と連結するように設けられている。即ち、供給用カソード流路ＣＰ１は、供給用マニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄと、膜電極接合体１０の発電部１１（図２）とを連通する流路である。中間プレートＳＰｉには、排出用カソード流路ＣＰ２も同様に、マニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄと発電部１１とを連通するように設けられている。
【００３９】
中間プレートＳＰｉの中央部には、２つの冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を互いに連結するように複数の冷媒流路ＷＰが並列に設けられている。燃料電池１００の外部から冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５へと供給された冷媒の一部は、各セパレータＳＰの中間プレートＳＰｉの冷媒流路ＷＰに流入して、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと向かう（図６の矢印）。冷媒は、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から燃料電池１００の外部へと排出される。なお、冷媒流路ＷＰは、発電部１１の全体を冷却できるように設けられていることが好ましい。
【００４０】
図７（Ａ）、（Ｂ）は、燃料電池１００内におけるアノードガスの流れを説明するための模式図である。図７（Ａ）、（Ｂ）は、図６に示した７Ａ−７Ａ切断及び７Ｂ−７Ｂ切断にあたる部位における燃料電池１００の一部断面図である。なお、２つの電極層１４ａ、１４ｃのガス拡散層１５及び触媒層１６（図３）は、説明の便宜上、図示が省略してある。
【００４１】
燃料電池１００の外部からマニホールド孔Ｍ１へ供給されたアノードガスの一部は、図７（Ａ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉの第１のアノード流路ＡＰ１へと流入し、アノードプレートＳＰａのアノードガス流入孔Ｐ１を経て、ガス流路部材１８によってアノード電極層１４ａ全体へと行き渡る。一方、アノード排ガスは、図７（Ｂ）の矢印に示すように、アノードプレートＳＰａのアノード排ガス流出孔Ｐ２から流出して、中間プレートＳＰｉの第２のアノード流路ＡＰ２を経てマニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池１００の外部へ排出される。
【００４２】
図７（Ｃ）は、燃料電池１００内におけるアノードガスの流れを説明するための模式図である。図７（Ｃ）は、図６に示した７Ｃ−７Ｃ切断にあたる部位における燃料電池１００の一部断面図である。なお、２つの電極層１４ａ、１４ｃのガス拡散層１５及び触媒層１６は、説明の便宜上、図示が省略してある。
【００４３】
燃料電池１００の外部からマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄへ供給されたカソードガスの一部は、図７（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉの供給用カソード流路ＣＰ１へと流入し、カソードプレートＳＰｃのカソードガス流入孔Ｐ３を経て、ガス流路部材１８によってアノード電極層１４ａ全体へと行き渡る。一方、カソード排ガスは、図７（Ｂ）の矢印に示すように、カソードプレートＳＰｃのカソード排ガス流出孔Ｐ４から流出して、中間プレートＳＰｉの排出用カソード流路ＣＰ２を経てマニホールド孔Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄへと至り、燃料電池１００の外部へ排出される。
【００４４】
図８は、カソード電極側のガスの流れを説明するための説明図である。図８は、発電中の燃料電池１００における膜電極接合体１０のカソード電極側を、セパレータの図示を省略して示している。図８は、発電部１１にガス流路部材１８が配置されている点以外は、図２とほぼ同様である。なお、図８には、セパレータＳＰに設けられたカソード流路ＣＰ１、ＣＰ２と、カソードガス流入孔Ｐ３と、カソード排ガス流出孔Ｐ４とを破線で示してある。
【００４５】
発電部１１には、図中の矢印Ｙ方向に向かって燃料電池１００を見たときに、マニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄと重なる領域（「マニホールド孔領域１１ｍ」と呼ぶ）と重ならない領域（「非マニホールド孔領域１１ｎ」と呼ぶ）とが存在する。図からも理解できるように、マニホールド孔領域１１ｍと非マニホールド孔領域１１ｎとを比較すると、それぞれに連結するカソード流路ＣＰ１、ＣＰ２の単位面積あたりの数は、非マニホールド孔領域１１ｎの方が少ない。ガス流路部材１８においては、通常、図中の矢印で示すように供給用カソード流路ＣＰ１から流入したカソードガスの多くは、発電部１１を挟んで対向する排出用カソード流路ＣＰ２へと流れる。従って、非マニホールド孔領域１１ｎにおけるカソードガスの流量は、マニホールド孔領域１１ｍのカソードガスの流量より少なくなる傾向にある。２つの中央凹部ＣＶ２に挟まれた中央非マニホールド孔領域１１ｎｃは、特にガスの配流性が低い領域となる。
【００４６】
一般的に、燃料電池の発電効率を向上させるためには、発電部１１における反応ガスの流量分布がほぼ均一であることが好ましい。しかし、この燃料電池１００に限らず、発電部１１の外周に複数のマニホールド孔が形成されている場合、本実施例のように多孔質の流路部材を備えていても、上述のように発電部１１における反応ガスの流量分布は不均一となる傾向にある。そこで、本実施例では、以下に説明するように、発電部１１におけるガスの配流性を向上させる。
【００４７】
図９は、セパレータＳＰとして組み付けられた後のカソードプレートＳＰｃを示している。図９は、ガス流路部材１８が発電部１１の領域内に配置されている点以外は図５とほぼ同じである。また、図９には、図８で説明した中央非マニホールド孔領域１１ｎｃを図８と同様に示してある。なお、アノードプレートＳＰａ側にも同様にガス流路部材１８が配置されるが、図示は省略する。
【００４８】
本実施例の燃料電池１００では、燃料電池として組み付ける際に、セパレータＳＰに対してガス流路部材１８をスポット溶接によって固定する。なお、このようにセパレータＳＰにガス流路部材１８を固定しておくことによって、燃料電池１００として組み付ける際に、ガス流路部材１８がセパレータＳＰと膜電極接合体１０との位置合わせのための指標として機能させることができる。ただし、ガス流路部材１８は、位置合わせのための指標としての機能を有していなくとも良い。
【００４９】
図９には、スポット溶接を行う接合部位ＣＳが黒円で示してある。カソードガス供給側の接合部位ＣＳは、主発電部１１ｃとカソードガス流入孔Ｐ３との間であって、アノードガス流入孔Ｐ１とは重ならない領域に設けられていることが好ましい。なお、２つの貫通孔Ｐ１、Ｐ３と重ならない領域に接合部位ＣＳを設けるのは、スポット溶接の際の通電を良好に行うためためである。また、主発電部１１ｃに接合部位ＣＳを設けていないのは、接合部位ＣＳによって主発電部１１ｃの発電面積が減少することを防止するためである。
【００５０】
接合部位ＣＳは、中央非マニホールド孔領域１１ｎｃの境界線の近傍に密集して設けられている。ここで、「中央非マニホールド孔領域１１ｎｃの境界線の近傍」とは、中央非マニホールド孔領域１１ｎｃの短辺方向の中心ｎｃｃから、隣り合うマニホールド孔Ｍ３ｂの長辺方向の中心ｍｃまでの間の領域を言う。また、「密集」とは、複数の接合部位ＣＳが存在する領域と接合部位ＣＳが存在しない領域とが一見して区別できる程度に複数の接合部位ＣＳが集合している状態を言う。なお、カソードガス排出側にも同様に接合部位ＣＳが設けられている。
【００５１】
図１０は、図９に示す１０−１０切断におけるセパレータＳＰを構成する３枚のプレートＳＰｃ、ＳＰｉ、ＳＰａ及びカソード電極側のガス流路部材１８の断面を示す断面図であり、接合部位ＣＳの断面を模式的に示している。なお、アノード電極側のガス流路部材１８は図示が省略されている。図に示すように、ガス流路部材１８の接合部位ＣＳが設けられた部位は、ガス流路部材の厚み方向に渡ってガス流路部材１８の気孔率が減少する。従って、接合部位ＣＳの設けられた部位はガスが流れにくくなる。
【００５２】
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、接合部位ＣＳによるカソードガスの流れの変化を示す模式図である。図１１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図８における供給用マニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃ及び排出用マニホールド孔Ｍ４ｂ、Ｍ４ｃの周辺を拡大して示しており、接合部位ＣＳが追加されている。図１１（Ａ）、（Ｂ）の矢印に示すように、接合部位ＣＳを設けることによって、カソードガスの流れは変化する。具体的には、図中の矢印の方向へと流れるガスの量が増加するため、非マニホールド孔領域１１ｎへと流入するガスの量が増加して、発電部１１における配流性が向上する。
【００５３】
なお、接合部位ＣＳは、燃料電池の設計段階において発電部１１におけるガスの流れを予め解析して、ガスの流れが均一となるように決定することが好ましい。あるいは、発電部１１の発電分布を解析することによって発電分布が一定となるように決定するものとしても良い。より具体的には、接合部位ＣＳは、次のような部位に設けることができる。
【００５４】
図１２は、接合部位ＣＳの設置部位を説明するための説明図であり、中央非マニホールド孔領域１１ｎｃに替えて、後述する２つの領域ＣＳａ、ＣＳｎが示してある点以外は、図１１（ａ）とほぼ同じである。
【００５５】
図に示すように、発電部１１は、接合部位ＣＳが密集する領域である接合領域ＣＳａと、接合部位ＣＳが存在しない領域であって２つの接合領域ＣＳａに挟持された領域である非接合領域ＣＳｎとを有している。このとき、発電部１１の長辺方向に渡る非接合領域ＣＳｎの有する幅の中心線ＣＳｎｃが、２つのマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃの間の中心線Ｃｂｃとほぼ一致するように、接合領域ＣＳａが設けられるものとしても良い。
【００５６】
なお、接合領域ＣＳａは、発電部１１において接合部位ＣＳの分布密度が、他の発電領域よりも大きい領域であるものとしても良い。ここで、「接合部位ＣＳの分布密度」とは、単位面積あたりに存在する接合部位ＣＳの個数、又は、単位面積あたりに接合部位ＣＳが占める面積の割合を言う。
【００５７】
このように、本実施例の構成によれば、接合部位ＣＳの配置によって反応ガスを発電部１１のうち配流性の悪い領域へと誘導することができ、燃料電池の反応ガスの配流性を向上させることができる。
【００５８】
Ｂ．第２実施例：
図１３は、本発明の第２実施例としての燃料電池に用いられる膜電極接合体１０Ａの構成を示す概略図である。図１３は、カソードガス用のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄの形状が異なる点と、接合部位ＣＳが設けられてガスの流れが変化している点以外は、図８とほぼ同じである。なお、接合部位ＣＳは第１実施例と同様に設けられている。また、第２実施例の燃料電池の他の構成は、第１実施例で説明したものと同様である。
【００５９】
この膜電極接合体１０Ａのカソードガス用のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄは、中央凹部ＣＶ２と隣り合うマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃ、Ｍ４ｂ、Ｍ４ｃが、他のマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｄより大きく設けられている。このような構成とすることによって、マニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃから供給されるガス量自体を増加させることができる。そのため、接合部位ＣＳによって２つの中央凹部ＣＶ２に挟まれた非マニホールド孔領域１１ｎに流入するカソードガスの流量を増加させることができる。
【００６０】
このように、マニホールド孔の形状や配置を変更した場合であっても、接合部位ＣＳによってガスの配流性を向上させることが可能である。
【００６１】
Ｃ．第３実施例：
図１４は、本発明の第３実施例としての燃料電池に用いられる膜電極接合体１０Ｂの構成を示す概略図である。図１４は、中央凹部ＣＶ２が設けられている部位が異なる点と、カソードガス用のマニホールド孔Ｍ３ａ〜Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ〜Ｍ４ｄの形状が異なる点と、非マニホールド孔領域の表示が異なる点以外は、図１３とほぼ同じである。なお、第３実施例の燃料電池の他の構成は、第１実施例で説明したものと同様である。
【００６２】
この膜電極接合体１０Ｂでは、中央凹部ＣＶ２が、発電部１１の長辺方向の中心から互いに逆方向にオフセットされて設けられている。これに応じて、マニホールド孔の配置も次のように構成されている。中央凹部ＣＶ２に隣り合うマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃ、Ｍ４ｂ、Ｍ４ｃは、対角する２つのマニホールド孔Ｍ３ｃ、Ｍ４ｂと、対角する２つのマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ４ｃとが、それぞれ同じ大きさで設けられている。また、２つのマニホールド孔Ｍ３ｂ、Ｍ４ｃは、２つのマニホールド孔Ｍ３ｃ、Ｍ４ｂより小さく設けられている。残りのマニホールド孔Ｍ３ａ、Ｍ３ｄ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｄは、それぞれ同じ大きさとなるように設けられている。このようなマニホールド孔の配置とすると、発電部１１の対角方向（図中矢印Ｄ）に流れるガスの流量が増加して発電部１１の中央部におけるガスの配流性は改善される。しかし、図に示すカソードガス供給側の非マニホールド孔領域１１ｎｓ及び排出側の非マニホールド孔領域１１ｎｅにおけるガスの流量は他の領域に比較して低くなる。
【００６３】
そこで、第３実施例では、接合部位ＣＳを２つの非マニホールド孔領域１１ｎｓ、１１ｎｅの近傍にそれぞれ密集して設ける。この接合部位ＣＳによって、図中の矢印の方向に流れるガスの流量を増すことができるため、ガスの配流性を改善することができる。このように、マニホールド孔の構成の変更によってガスの配流性を向上させるとともに、さらに、接合部位ＣＳによってガスの配流性を向上させることもできる。
【００６４】
Ｄ．第４実施例：
図１５は、本発明の第４実施例としての燃料電池における接合部位ＣＳを説明するための説明図である。図１５は、接合部位ＣＳが設けられている位置が異なる点以外は、ほぼ図１１（Ａ）と同じである。なお、発電部１１の排出用マニホールド孔側も同様であるため、図示は省略する。また、第４実施例の燃料電池の構成は、以下に説明する点以外は、第１実施例の燃料電池１００と同じである。
【００６５】
第４実施例では、接合部位ＣＳは、中央非マニホールド孔領域１１ｎｃの短辺方向の中心に近づくほど隣り合う接合部位ＣＳ同士の距離が離れるように一列に設けられている。このような構成とすることによって、中央非マニホールド孔領域１１ｎｃの短辺方向の中心に近づくほどガスが流れやすくなるため、図中の矢印の方向へと流れるガスの流量を増加させることができる。従って、発電部１１の反応ガスの配流性を向上させることができる。
【００６６】
Ｅ．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。
【００６７】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例において説明した接合部位ＣＳの配置構成は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、他の種々の構成を採用することも可能である。例えば、接合部位ＣＳは、非マニホールド孔領域１１ｎより、マニホールド孔領域１１ｍの方に多く設けられているものとしても良い。このような構成とすれば、接合部位ＣＳによって、マニホールド孔領域１１ｍの面積あたりの圧力損失が非マニホールド孔領域１１ｎよりも増加するため、マニホールド孔領域１１ｍから非マニホールド孔領域１１ｎへと流入するガス量を増加させることができる。即ち、接合部位ＣＳは、発電部１１を複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一な分布となるように配置されていれば良い。
【００６８】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例において、ガス流路部材１８とセパレータＳＰとをスポット溶接によって接合していたが、他の方法によって接合するものとしても良い。例えば、接合部位ＣＳにおいてロウ付け接合を行うものとしても良い。また、接合部位ＣＳは、略円形の形状を有していなくとも良く、例えば略長辺形の形状を有しているものとしても良い。
【００６９】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例において、カソード電極側に設けた接合部位ＣＳによってカソードガスの配流性を向上させていたが、アノード電極側も同様に接合部位ＣＳによってアノードガスの配流性を向上させるものとしても良い。
【００７０】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例において、反応ガスの供給側と排出側の両方に接合部位ＣＳを設けていたが、いずれか一方のみに設けるものとしても良い。この場合には、排出側に設けることがより好ましい。この理由は、排出側のガス流路部材１８の気孔率の減少によってガスの排出性が低下し、主発電部１１ｃにおけるガス圧が増大して発電効率を向上させることができるためである。なお、接合部位ＣＳによってガス排出性が低下した場合であっても、排出側のカソード流路ＣＰ２の流路断面積を確保することによって排水性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】膜電極接合体の一部断面を示す断面図。
【図４】セパレータを構成するアノードプレートの構成を示す概略図。
【図５】セパレータを構成するカソードプレートの構成を示す概略図。
【図６】セパレータを構成する中間プレートの構成を示す概略図。
【図７】燃料電池における反応ガスの流れを説明するための模式図。
【図８】カソード電極側における反応ガスの流れを説明するための模式図。
【図９】第１実施例におけるセパレータの構成を示す概略図。
【図１０】第１実施例におけるセパレータの接合部位を説明するための一部断面図。
【図１１】第１実施例におけるガスの流れを説明するための模式図。
【図１２】第１実施例における接合部位の配置位置を説明するための説明図。
【図１３】第２実施例における膜電極接合体の構成及びガスの流れを説明するための模式図。
【図１４】第３実施例における膜電極接合体の構成及びガスの流れを説明するための模式図。
【図１５】第４実施例における接合部位の配置位置及びガスの流れを説明するための模式図。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１０Ａ、１０Ｂ…膜電極接合体
１１…発電部
１１ｃ…主発電部
１１ｍ…マニホールド孔領域
１１ｎ…非マニホールド孔領域
１１ｎｃ…中央非マニホールド孔領域
１１ｎｅ…排出側の非マニホールド孔領域
１１ｎｓ…供給側の非マニホールド孔領域
１２…外周シール枠部
１３…電解質膜
１３ｅ…膜端部
１４ａ…アノード電極層
１４ｃ…カソード電極層
１５…ガス拡散層
１６…触媒層
１７…突起部
１８…ガス流路部材
２０…締結部材
２０ｎ…ナット部
２０ｓ…シャフト部
２１、２２…エンドプレート
１００…燃料電池
ＡＰ１…第１のアノード流路
ＡＰ２…第２のアノード流路
ＣＮ…四隅
ＣＰ１、ＣＰ２…カソード流路
ＣＳ…接合部位
ＣＳａ…接合領域
ＣＳｎ…非接合領域
ＣＳｎｃ…非接合領域の中心線
ＣＶ１…角凹部
ＣＶ２…中央凹部
Ｃｂｃ…マニホールド孔の間の中心線
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
Ｐ１…アノードガス流入孔
Ｐ２…アノード排ガス流出孔
Ｐ３…カソードガス流入孔
Ｐ４…カソード排ガス流出孔
ＳＣ…長辺中央部
ＳＬ…シールライン
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノードプレート
ＳＰｃ…カソードプレート
ＳＰｉ…中間プレート
ＷＰ…冷媒流路
ｍｃ…マニホールド孔の中心
ｎｃｃ…非マニホールド孔領域の中心
【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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