(57)【要約】【課題】酸化ガスとして、少なくとも一部に空気を用いた燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能な技術を提供すること。【解決手段】燃料電池であって、アノードと、カソードと、アノードの外側に隣接して設けられ、シート状であって、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、導電性シート部の外側に隣接して設けられ、内部に導電性シート部の貫通孔とそれぞれ連通する複数の空間がシート面に沿った方向に分散して配置されており、燃料ガスを、空間を介して貫通孔に供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部と、流路形成部において、導電性シート部側からその厚さ方向に空間の内側壁面に沿って形成されるガス不透過部材から成り、貫通孔から空間に流入してきた所定のガスが空間から燃料ガス供給流路に流出することを抑制するガス流出抑制部と、を備える。【選択図】図６
2008269951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスとして、少なくともその一部に空気を用いる燃料電池であって、
電解質膜の一方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するカソードと、
前記アノードの外側に隣接して設けられ、シート状であって、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、
前記導電性シート部の外側に隣接して設けられ、内部に前記導電性シート部の前記貫通孔とそれぞれ連通する複数の空間が前記シート面に沿った方向に分散して配置されており、燃料ガスを、前記空間を介して前記貫通孔に供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部と、
前記流路形成部において、前記導電性シート部側からその厚さ方向に前記空間の内側壁面に沿って形成されるガス不透過部材から成り、前記貫通孔から前記空間に流入してきた所定のガスが前記空間から前記燃料ガス供給流路に流出することを抑制するガス流出抑制部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ガス流出抑制部は、前記厚さ方向から見た場合において、前記貫通孔を包囲するように形成される包囲部と、前記包囲部の内側に形成される内部空間に、前記燃料ガスを前記流路形成部の面に沿った方向から流入させるためのガス流入部と、を備え、
前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスは、前記内部空間を介して、前記貫通孔に流入することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記ガス流入部の断面積は、前記貫通孔の断面積より小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池において、
前記内部空間は、少なくとも一部において、前記厚さ方向に沿って形成される切断面の断面積が、前記貫通孔の断面積または前記ガス流入部の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池。
【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において、
少なくとも通常発電中に、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しないことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記アノード側は、前記アノードに供給された前記燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスとして、少なくとも一部に空気を用いる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素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。このような燃料電池としては、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）を備える。この燃料電池では、アノード上に、燃料ガス供給流路を形成する流路形成部材が配置される（特許文献１参照）。なお、流路形成部材としては、導電性多孔体などが用いられる。また、アノードまたはカソードは、触媒層の他、ガス拡散層を備える場合もある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、酸化ガスとして、一般的に、空気、または、空気と酸素との混合気体などを用いるが、この場合、空気中の窒素等が、カソード側からアノード側にリークしてくる場合がある。それに伴い、アノードにおいて、リークしてきた窒素等（以下では、リークガスとも呼ぶ）が燃料ガス供給流路に流入し、滞留するおそれがあった。このように、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留すると、燃料ガスがアノード（アノード面）に対して分散して供給されず、それ故、アノードにおいて局所的に燃料ガスが供給されない部分が生じ、その部分で発電が抑制されるおそれがあった。その結果、燃料電池全体として発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
特に、少なくとも通常発電中に、アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない、いわゆるアノードデッドエンド運転型の燃料電池において、上記問題は、生じやすい。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、酸化ガスとして、少なくとも一部に空気を用いた燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能な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】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
[適用例１] 酸化ガスとして、少なくともその一部に空気を用いる燃料電池であって、電解質膜の一方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するカソードと、前記アノードの外側に隣接して設けられ、シート状であって、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、前記導電性シート部の外側に隣接して設けられ、内部に前記導電性シート部の前記貫通孔とそれぞれ連通する複数の空間が前記シート面に沿った方向に分散して配置されており、燃料ガスを、前記空間を介して前記貫通孔に供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部と、前記流路形成部において、前記導電性シート部側からその厚さ方向に前記空間の内側壁面に沿って形成されるガス不透過部材から成り、前記貫通孔から前記空間に流入してきた所定のガスが前記空間から前記燃料ガス供給流路に流出することを抑制するガス流出抑制部と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。また、リークガスが燃料ガス供給流路に滞留することを抑制することができる。
【００１０】
[適用例２]適用例１に記載の燃料電池において、前記ガス流出抑制部は、前記厚さ方向から見た場合において、前記貫通孔を包囲するように形成される包囲部と、前記包囲部の内側に形成される内部空間に、前記燃料ガスを前記流路形成部の面に沿った方向から流入させるためのガス流入部と、を備え、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスは、前記内部空間を介して、前記貫通孔に流入することを特徴とする燃料電池。
【００１１】
このようにすれば、上記内部空間にリークガスを滞留させることができ、燃料ガス供給流路にリークガスが拡散することを抑制することができる。
【００１２】
[適用例３]適用例２に記載の燃料電池において、前記ガス流入部の断面積は、前記貫通孔の断面積より小さいことを特徴とする燃料電池。
【００１３】
このようにすれば、燃料ガスが、上記内部空間に勢いよく流れ込んでくるので、リークガスが上記内部空間から燃料ガス供給流路に拡散することを抑制することができる。
【００１４】
[適用例４]適用例２または適用例３に記載の燃料電池において、前記内部空間は、少なくとも一部において、前記厚さ方向に沿って形成される切断面の断面積が、前記貫通孔の断面積または前記ガス流入部の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池。
【００１５】
このようにすれば、リークガスを上記内部空間により多く貯留させることができる。
【００１６】
[適用例５]適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、少なくとも通常発電中に、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しないことを特徴とする燃料電池。
【００１７】
[適用例６]適用例５に記載の燃料電池において、前記アノード側は、前記アノードに供給された前記燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。このような燃料電池において、上述のような燃料電池の構造を持つことで、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。
【００１８】
なお、本発明は、上記した燃料電池に限られず、ＭＥＡやアノードなど、他の装置発明の態様で実現すること可能である。また、燃料電池の製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
本発明の実施例に係る燃料電池１００の概略構成について説明する。図１は、本実施例における燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００の側面図である。図１または図２に示すように、燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とが交互に積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を所定枚数積層し、それらを積層方向に所定の締結力を負荷するように締結することにより、製造される。なお、図２では、各シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００との間に空間が設けられているが、実際には、この空間はなく、それぞれ互いに接している。以下では、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。図２に示されるシール部材７００（リブ７２０）および積層部材８００についての詳細は、後述する。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、本実施例の燃料電池１００は、アノード側に供給された燃料ガスを排出する構造とはなっておらず、すなわち、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造となっている（以下では、アノードデットエンド構造とも呼ぶ）。従って、燃料電池１００は、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドは設けられていない。また、酸化ガスとしては空気が用いられ、燃料ガスとしては水素が用いられる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。酸化ガスとして、空気に加えて高濃度の酸素を混合した混合ガスを用いてもよい。
【００２１】
Ａ２．シール一体発電アセンブリ２００：
図３は、シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２において、シール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。図４においては、シール一体発電アセンブリ２００と共に、燃料電池を構成する際にシール一体発電アセンブリ２００を挟持する２枚のセパレータ６００を図示している。
【００２２】
シール一体発電アセンブリ２００は、図２、図３および図４に示すように、積層部材８００と、シール部材７００とで構成される。
【００２３】
積層部材８００は、図４に示すように、ＭＥＡ２４と、導電性シート８６０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０とを備えている。導電性シート８６０は、ＭＥＡ２４と、アノード側多孔体８４０との間に配置される。
【００２４】
ＭＥＡ２４は、電解質膜８１０と、アノード８２０と、カソード８３０とを備えている。電解質膜８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。アノード８２０は、電解質膜８１０の一方の面に設けられる触媒層８２０Ａと、触媒層８２０Ａの外側に設けられるアノード側拡散層８２０Ｂとから成る。カソード８３０は、電解質膜８１０の他方の面に設けられる触媒層８３０Ａと、触媒層８３０Ａの外側に設けられるカソード側拡散層８３０Ｂとから成る。触媒層８２０Ａおよび触媒層８３０Ａは、例えば、触媒（例えば、白金など）を担持した触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質とから形成される。アノード側拡散層８２０Ｂおよびカソード側拡散層８３０Ｂは、金属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、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る。ＭＥＡ２４は、矩形状をしている。
【００２５】
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属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、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、または、フェルトなどが用いられる。また、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とを積層して燃料電池１００を構成した際に、それぞれ、後述するセパレータ６００の発電領域ＤＡに接触する。さらに、アノード側多孔体８４０は、後述するように、燃料ガスをアノード８２０に供給するための燃料ガス供給流路として機能し、カソード側多孔体８５０は、後述するように、酸化ガスをカソード８３０に供給するための酸化ガス供給流路として機能する。なお、上述したアノード側拡散層８２０Ｂおよびカソード側拡散層８３０Ｂは、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０よりそれぞれ低いものが用いられる。なお、アノード側多孔体８４０には、内部に、複数の空間（以下では、空間ＩＳと呼ぶ）が配置されており、また、本実施例の特徴部分である隔壁部８４５が形成されているが、これらについての詳細は後述する。
【００２６】
図５は、導電性シート８６０の正面図である。具体的には、この図５は、図４において導電性シート８６０を上側から見た図を示す。導電性シート８６０は、図５に示すように、シート状（薄膜状）に形成され、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔８６５を有している。各貫通孔８６５は、円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、また、導電性シート８６０の表面に、格子状に設けられる。この導電性シート８６０は、金で形成されており、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。なお、以下では、燃料電池１００において、積層部材８００の各部材の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００２７】
図６は、アノード側多孔体８４０を示す図である。具体的には、図６（Ａ）は、図４においてアノード側多孔体８４０を上側から見た図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一部の拡大斜視図を示す。なお、図６（Ａ）には、アノード側多孔体８４０と導電性シート８６０とを積層した場合において、アノード側多孔体８４０に対向する貫通孔８６５の位置が点線で示されている。
【００２８】
アノード側多孔体８４０には、内部に複数の空間ＩＳが、面方向に分散して配置されている。この空間ＩＳは、アノード側多孔体８４０において、導電性シート８６０側の面からセパレータ６００側の面まで、その厚さ方向（積層方向）に平行に伸びてアノード側多孔体８４０を貫通するように形成され、また、それぞれ導電性シート８６０の貫通孔８６５上に配置される。この空間ＩＳは、図６に示すように、それぞれ厚さ方向（積層方向）から見た場合において、長手状となっている。
【００２９】
以下に、アノード側多孔体８４０の内部に複数配置される隔壁部８４５について説明する。隔壁部８４５は、アノード側多孔体８４０において、図４または図６に示すように、導電性シート８６０側の面からセパレータ６００側の面まで、空間ＩＳの内側壁面に沿って形成されると共に、図６に示すように、アノード側多孔体８４０を厚さ方向（積層方向）から見た場合に、貫通孔８６５を囲むようにして形成される。詳しくは、隔壁部８４５は、図６に示すように、厚さ方向（積層方向）から見た場合において、アノード側多孔体８４０内に、長手状でありＵ字形状に形成される。
【００３０】
また、隔壁部８４５は、厚さ方向（積層方向）から見た場合において、空間ＩＳの長手方向における端部に形成され面方向に開口する連通部８４５ａを有する。アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）を流れる燃料ガスは、連通部８４５ａを介して、空間ＩＳに流入し、さらに、貫通孔８６５に流入する。図６（Ａ）に示すように、１つの隔壁部８４５は、それぞれ１つの貫通孔８６５に対応して配置される。連通部８４５ａと貫通孔８６５の断面積は、略同程度であり、また、空間ＩＳにおいて、連通部８４５ａと貫通孔８６５との間において、厚さ方向（積層方向）に沿って形成される切断面の断面積（以下では、単に断面積と呼ぶ）も略程度である。この隔壁部８４５は、チタンやステンレスなどのガス不透過部材から成る。
【００３１】
シール部材７００は、面方向の外周に亘って配置されている。シール部材７００は、成形材料を射出成形することによって作製され、積層部材８００の外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【００３２】
シール部材７００は、図２〜図４に示すように、支持部７１０と、支持部７１０の両側に配置され、シールラインを形成するリブ７２０とを備えている。支持部７１０には、図３に示すように、各マニホールド１２０〜１５０（図１参照）に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００が積層された際に、隣接するセパレータ６００に密着してセパレータ６００との間をシールし、反応ガスや冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０は、図３に示すように、積層部材８００の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
【００３３】
Ａ３．セパレータ６００の構成：
図７は、セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。図８は、セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。図９は、セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。図１０は、セパレータ６００の正面図である。次に、図７〜図１０を参照して、セパレータ６００の構成を説明する。セパレータ６００は、図７〜図９に示すカソードプレート４００、アノードプレート３００、および、中間プレート５００から構成されている。なお、図７、図８、図９は、各プレート４００、３００、５００を、図１０は、セパレータ６００を、それぞれ図２の右側から見た様子を示している。また、図１０における黒塗りまたは白抜きの矢印についての説明は、後述する。
【００３４】
図７〜図１０において、各プレート３００、４００、５００およびセパレータ６００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、セパレータ６００がシール一体発電アセンブリ２００と共に積層され燃料電池１００を構成する際に、シール一体発電アセンブリ２００の積層部材８００に含まれるＭＥＡ２４に対向する領域である。ＭＥＡ２４は、実際に発電が行われる領域であるので、この領域を以下では、発電領域ＤＡと呼ぶ。発電領域ＤＡは、ＭＥＡ２４が矩形であるため、当然に矩形である。
【００３５】
カソードプレート４００（図７）は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、５個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの上方の辺に沿って配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、酸化ガス供給スリット４４０と同様に略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って配置されている。
【００３６】
アノードプレート３００（図８）は、カソードプレート４００と同様に、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、５個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの右方の辺に沿って、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。
【００３７】
中間プレート５００（図９）は、上述の各プレート３００、４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための３つのマニホールド形成部５２２〜５２６と、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２と、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４と、一つの燃料ガス導入流路形成部５４６とを備えている。中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２６は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
【００３８】
各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図９における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。
【００３９】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２２と連通しており、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２とマニホールド形成部５２２は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス供給スリット４４０と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス導入流路形成部５４２は、それぞれ、酸化ガス供給スリット４４０と連通する。
【００４０】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２４と連通しており、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４とマニホールド形成部５２４は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス排出スリット４４４と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス排出流路形成部５４４は、それぞれ、酸化ガス排出スリット４４４と連通する。
【００４１】
中間プレート５００（図９）において、燃料ガス導入流路形成部５４６の一端は、マニホールド形成部５２６と連通している。燃料ガス導入流路形成部５４６は、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４と重ならない位置に、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの左方の辺近くにまで達している。燃料ガス導入流路形成部５４６のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したアノードプレート３００における燃料ガス供給スリット３５０と重なる。この結果、セパレータ６００を構成した際に、燃料ガス導入流路形成部５４６は燃料ガス供給スリット３５０と連通する。
【００４２】
セパレータ６００（図１０）は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するようにそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図１０においてハッチングで示す貫通部である５つのマニホールド１１０〜１６０と、複数の酸化ガス導入流路６５０と、複数の酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス導入流路６３０と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
【００４３】
図１０に示すように、複数の酸化ガス導入流路６５０は、それぞれ、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と、中間プレート５００の酸化ガス導入流路形成部５４２の一つとによって形成される。各酸化ガス導入流路６５０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０と連通し、他端がカソードプレート４００側の表面（カソード側表面）に至り、カソード側表面に開口する流路である。また、図１０に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と、中間プレート５００の酸化ガス排出流路形成部５４４の一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０と連通し、他端がカソードプレート４００側のカソード側表面に至り、カソード側表面に開口する流路である。
【００４４】
図１０に示すように、燃料ガス導入流路６３０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と、中間プレート５００の燃料ガス供給スリット３５０とによって形成される。燃料ガス導入流路６３０は、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０と連通し、他端がアノード側表面に開口する内部流路である。また、複数の冷却媒体流路６７０は、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０（図９）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。
【００４５】
Ａ４．燃料電池１００の動作：
図１１は、本実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。図１２は、図１１のＸ領域の拡大図である。図を見やすくするため、図１１においては、２つのシール一体発電アセンブリ２００と２つのセパレータ６００が積層された様子のみを図示している。図１１（ａ）は、図６または図１０におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１１（ｂ）は、右側の半分が図６または図１０におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図６または図１０におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。また、図１１、図１２では、反応ガスの流れを実線矢印で示している。また、図１２では、リークガスの流れを点線矢印で示している。
【００４６】
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給され、その後、冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動しつつ熱交換を行い、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
【００４７】
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図１１（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス供給スリット４４０（図７）からカソード側多孔体８５０に流入する。カソード側多孔体８５０に流入した酸化ガスは、酸化ガス供給流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図１０において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出スリット４４４（図７）から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０Ｂ全体に亘って拡散し、触媒層８３０Ａでカソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【００４８】
燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図１１（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス導入流路６３０を通って、燃料ガス供給スリット３５０（図８）からアノード側多孔体８４０に流入する。アノード側多孔体８４０に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図１０において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。この際、燃料ガスは、図１２に示すように、アノード側多孔体８４０を流れる燃料ガスは、連通部８４５ａを介して、空間ＩＳへ導かれ、さらに、貫通孔８６５から、面方向に垂直な方向（積層方向または厚さ方向）へ向かってアノード側拡散層８２０Ｂに流入する。その後、燃料ガスは、アノード側拡散層８２０Ｂで拡散しつつ、触媒層８２０Ａでアノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
【００４９】
本実施例の燃料電池１００は、アノードデットエンド構造となっており、燃料ガス排出口または燃料ガス排出流路がなく、アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、基本的に、アノード８２０で消費される。また、積層部材８００において、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間に導電性シート８６０を設けているので、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂからアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）に進入することを抑制し、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）にリークガスが滞留することを抑制している。
【００５０】
以下では、下記の図１３に示す比較例としての燃料電池と比較して、本実施例の燃料電池１００の有効性を検討する。図１３は、比較例としての燃料電池において、アノード側多孔体８４０での燃料ガスおよびリークガスの拡散の様子を示す図である。この比較例の燃料電池では、基本的に本実施例の燃料電池１００と同様の構造であるが、アノード側多孔体８４０に隔壁部８４５が設けられていない点で燃料電池１００と相違する。この比較例における燃料電池の各部の符号は、上記実施例と同様なものを用いる。
【００５１】
この比較例の燃料電池においても燃料電池１００と同様、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間に導電性シート８６０を設けているので、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂからアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）に進入することを抑制することができる。しかしながら、比較例の燃料電池において、長時間の運転を行う場合などには、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間に導電性シート８６０を設けていても、図１３に示すように、貫通孔８６５を介してリークガスがアノード側多孔体８４０に進入し、拡散してしまうおそれがある。そうすると、アノード側多孔体８４０にリークガスが滞留し、燃料ガスがアノード（アノード面）に対して分散して供給されず、それ故、アノード８２０において局所的に燃料ガスが供給されない部分が生じ、その部分で発電が抑制されるおそれがあった。
【００５２】
一方、以上のように、本実施例の燃料電池１００は、アノード側多孔体８４０において、空間ＩＳを形成する隔壁部８４５を備えている。このようにすれば、アノード側多孔体８４０において、導電性シート８６０の貫通孔８６５を介して進入してきたリークガスを、図１２に示すごとく、空間ＩＳに貯留させることができる。この場合、アノード側多孔体８４０から空間ＩＳに流入する燃料ガスの勢いによって、リークガスが、空間ＩＳからアノード側多孔体８４０に流入するのを抑制することができる。従って、リークガスがアノード側多孔体８４０に拡散することを抑制することができ、アノード側多孔体８４０において、リークガスが滞留することを抑制することができる。その結果、アノード８２０に燃料ガスを分散して供給することが可能となり、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池１００では、連通部８４５ａおよび貫通孔８６５は、空間ＩＳの長手方向において、相対する端部にそれぞれ設けられている。このようにすれば、空間ＩＳをリークガスの貯留部として有効に活用することができる。
【００５４】
なお、本実施例の燃料電池１００では、燃料ガス供給流路に供給する燃料ガスの供給圧力（以下では、燃料ガス供給圧とも呼ぶ）、および、酸化ガス供給流路に供給する酸化ガスの供給圧力（酸化ガス供給圧とも呼ぶ）は、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの圧力の最小値が、アノード８２０において、カソード８３０側から電解質膜８１０を介してリークしてくるリークガスの分圧の最大値より高くなるように、設定されることが好ましい。この場合、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧のどちらか一方のみを調整して上記のように設定してもよいし、燃料ガス供給圧、および、酸化ガス供給圧の両方を調整して上記のように設定してもよい。なお、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧の設定値は、例えば、実験的に定められる実験データに基づいて、決定される。
【００５５】
上記実施例において、アノード８２０及びカソード８３０は、それぞれ請求項におけるアノード及びカソードに該当し、導電性シート８６０は、請求項における導電性シート部に該当し、貫通孔８６５は、請求項における貫通孔に該当し、アノード側多孔体８４０は、請求項における流路形成部材に該当し、隔壁部８４５は、請求項におけるガス流出抑制部または包囲部に該当し、連通部８４５ａは、請求項におけるガス流入部に該当し、空間ＩＳは、請求項における空間、または、内部空間に該当する。
【００５６】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００５７】
Ｂ１．変形例１：
図１４は、変形例１における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。上記実施例の燃料電池１００では、連通部８４５ａと貫通孔８６５の断面積は、略同程度であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、隔壁部８４５は、図１４に示すように、積層方向（厚さ方向）から見た場合において、連通部８４５ａが、絞り構造となっており、連通部８４５ａの断面積が、貫通孔８６５の断面積より小さく形成されていてもよい。このようにすれば、連通部８４５ａから空間ＩＳに向けて流れ込む燃料ガスの流速を向上させることができ、それ故、空間ＩＳに貯留されているリークガスが、連通部８４５ａを介してアノード側多孔体８４０に流入することをより抑制することができる。
【００５８】
Ｂ２．変形例２：
図１５は、変形例２における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。上記実施例の燃料電池１００では、連通部８４５ａと貫通孔８６５との間の連続する空間ＩＳの断面積は、略同程度であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、隔壁部８４５は、図１５に示すように、積層方向（厚さ方向）から見た場合において、連通部８４５ａ側と貫通孔８６５側との間に位置する部位が面方向に広がった構造となっていてもよい。すなわち、空間ＩＳにおけるその一部において、厚さ方向に沿って形成される断面積が、貫通孔８６５の断面積またはガス流入部の断面積より大きくなるようにしてもよい。このようにすれば、空間ＩＳの容積を拡大することができ、それに伴い、連通部８４５ａを介して進入してくるリークガスを空間ＩＳに多く貯留させることができる。
【００５９】
Ｂ３．変形例３：
図１６は、変形例３における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。上記実施例の燃料電池１００では、連通部８４５ａと第１連通部８４５ａの断面積は、略同程度であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、隔壁部８４５は、図１６に示すように、積層方向（厚さ方向）から見た場合において、連通部８４５ａが、拡大する構造となっており、連通部８４５ａの断面積が、貫通孔８６５の断面積より大きく形成されていてもよい。このようにすれば、空間ＩＳの容積を拡大することができ、それに伴い、貫通孔８６５を介して進入してくるリークガスを空間ＩＳに多く貯留させることができる。
【００６０】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池１００において、導電性シート８６０は、各貫通孔８６５が同様の口径であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シート８６０の各貫通孔８６５Ａにおいて、酸化ガス供給スリット４４０（すなわち、カソード８３０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口）からの相対距離が遠くなる程、言い換えれば、酸化ガス排出スリット４４４（すなわち、カソード８３０から酸化ガスを排出するための酸化ガス排出口）からの相対距離が近くなるほど、その口径が大きくなるようにしてもよい。
【００６１】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池１００において、導電性シート８６０は、金シートが用いられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シート８６０は、金以外の導電性部材で形成されていてもよく、例えば、チタン、ステンレスで形成されてもよい。この場合、導電性シート８６０は、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。
【００６２】
また、導電性シート８６０を、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、アノード側多孔体８４０の一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよい。
【００６３】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池１００において、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造（アノードデットエンド構造）となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード８２０側から燃料ガスを排出するための機構、例えば、燃料ガス排出口や燃料ガス排出流路、燃料ガス排出マニホールドなどを有していてもよい。また、この場合において、燃料電池１００の外部に、燃料ガス排出マニホールドから排出される燃料ガスを遮断可能な遮断弁（以下では、遮断弁Ｎと呼ぶ）を備え、少なくとも通常発電中には、その遮断弁Ｎを閉弁し、アノード８２０に供給された燃料ガスを外部に排出しないようにする構造であってもよい。このようにしても上記実施例の燃料電池１００と同様の効果を奏することができる。
【００６４】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池１００のアノード側多孔体８４０において、隔壁部８４５を、積層方向（厚さ方向）に、導電性シート８６０側の面からセパレータ６００（アノードプレート３００）側の面まで形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、隔壁部８４５を、積層方向（厚さ方向）に、導電性シート８６０側の面からアノード側多孔体８４０の中部付近まで形成するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】上記実施例における燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の側面図である。
【図３】シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２においてシール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。
【図５】導電性シート８６０の正面図である。
【図６】アノード側多孔体８４０を示す図である。
【図７】セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。
【図８】セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。
【図９】セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。
【図１０】セパレータ６００の正面図である。
【図１１】上記実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図１２】図１１のＸ領域の拡大図である。
【図１３】比較例としての燃料電池においてアノード側多孔体８４０での燃料ガスおよびリークガスの拡散の様子を示す図である。
【図１４】変形例１における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。
【図１５】変形例２における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。
【図１６】変形例３における燃料電池の隔壁部８４５を積層方向から見た図である。
【符号の説明】
【００６６】
２４…ＭＥＡ
１００…燃料電池
２００…シール一体発電アセンブリ
６００…セパレータ
８００…積層部材
８１０…電解質膜
８２０…アノード
８２０Ａ…触媒層
８２０Ｂ…アノード側拡散層
８３０…カソード
８３０Ａ…触媒層
８３０Ｂ…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８４５…隔壁部
８４５ａ…連通部
８５０…カソード側多孔体
８６０…導電性シート
８６５…貫通孔
ＩＳ…空間
【図１】
2008269951.tif 000003
【図２】
2008269951.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】
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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】
2008269951.tif 000016
【図１５】
2008269951.tif 000017
【図１６】
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