(57)【要約】【課題】  必要起電力を得るための、モジュール厚み方向の外形寸法を縮小できる燃料電池の提供。【解決手段】  （１）複数の単位セル３をアノード、カソードを交互に逆にして板状に並べたモジュール２を有し、各単位セル３は、電解質膜と該電解質膜を挟むアノードおよびカソードを含むＭＥＡ７と、該ＭＥＡを挟む一対のセパレータ８を含んでいる、燃料電池１。（２）複数の単位セル３は、モジュール２内において、単位セルの並び方向に、電気的に直列に接続されている燃料電池。（３）ＭＥＡ７および一対のセパレータ８のＭＥＡ側面は、モジュール２の厚み方向に凹凸する凹凸形状を有する燃料電池。（４）複数のモジュール２を積層してスタックとした燃料電池。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形が板状で厚み方向を有するモジュールを有し、該モジュールは複数の単位セルを前記モジュール厚み方向と直交する方向に並べて形成されており、
前記複数の単位セルの各単位セルは、電解質膜と該電解質膜の一面に形成されたアノードおよび該電解質膜の他面に形成されたカソードを含むＭＥＡと、該ＭＥＡを挟む一対のセパレータを含んでおり、
前記モジュールの前記複数の単位セルは、任意の第１の単位セルのアノードからカソードに向かう方向を、該第１の単位セルに隣接する第２の単位セルのアノードからカソードに向かう方向と逆にして、並べられている、燃料電池。
【請求項２】
前記複数の単位セルは、前記モジュール内において、単位セルの並び方向に、電気的に直列に接続されており、該直列接続においては、一つの単位セルのアノードが次の単位セルのカソードに導通しており前記一つの単位セルのカソードが次の単位セルのアノードと絶縁されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータには、各単位セルのアノード側に燃料ガス流路が設けられると共にカソード側に酸化ガス流路が設けられており、前記ＭＥＡの同じ側において、隣接する単位セルの燃料ガス流路と酸化ガス流路とは互いに遮断されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータには、前記ＭＥＡと反対側の面に冷媒流路が形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード、カソードとセパレータとの間に配置された多孔質のガス拡散層を有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ＭＥＡおよび前記一対のセパレータのＭＥＡ側面は、モジュールの厚み方向に凹凸する凹凸形状を有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記単位セルの前記ＭＥＡはＬ字状断面を有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータのＭＥＡ側面の、各凹凸に沿って、断面Ｌ字状の、燃料ガス流路と酸化ガス流路が形成されている請求項６記載の燃料電池。
【請求項９】
前記モジュールの単位セル並び方向の一端部の単位セルのアノードと単位セル並び方向の他端部の単位セルのカソードとは外部回路を介して接続している請求項１記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記モジュールが、複数、モジュールの厚み方向に重ねられてスタックを構成しており、複数の前記モジュール同士は電気的に並列に接続されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記セパレータが電気絶縁材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノードが次の単位セルのカソードに導電性／ガス不透性部材により導通しており、前記一つの単位セルのカソードが次の単位セルのアノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記セパレータが電気絶縁材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノード、カソードが次の単位セルのカソード、アノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されており、
前記一つの単位セルのアノードと次の単位セルのカソードとは、ガス流路および該ガス流路に設けたリブの表面に導電性物質のメッキを施すことにより、互いに導通されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記セパレータが導電性材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノード、カソードが次の単位セルのカソード、アノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されており、
前記一つの単位セルのアノードと次の単位セルのカソードとは、前記導電性材からなる前記セパレータにより、互いに導通されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項１４】
各前記酸化ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、各前記酸化ガス流路は、該酸化ガス流路の一端で単位セル並び方向に延びる入側の酸化ガスマニホールドに連通しており、該酸化ガス流路の他端で単位セル並び方向に延びる出側の酸化ガスマニホールドに連通している請求項３記載の燃料電池。
【請求項１５】
各前記燃料ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、各前記燃料ガス流路のガス入側端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に開口しており、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に一括燃料ガスマニホールドを構成するケーシングを取付け、各前記燃料ガス流路の一端を前記一括燃料ガスマニホールドに連通させた請求項３記載の燃料電池。
【請求項１６】
各前記燃料ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、セパレータの凹凸の各凸部に単位セルの並び方向と直交する方向に延びる燃料ガス貫通孔を設け、該燃料ガス貫通孔と前記断面Ｌ字状流路とを連通孔によって連通させ、
各前記燃料ガス貫通孔のガス入口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュールの一端面に開口しており、前記モジュール一端面に、各燃料ガス貫通孔に合う孔を開けたガス入側の燃料ガスマニホールドを構成する入側ボックスを取付け、各燃料ガス貫通孔の一端を前記ガス入側の燃料ガスマニホールドに連通させ、
各前記燃料ガス貫通孔のガス出口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュールの他端面に開口しており、前記モジュール他端面に、各燃料ガス貫通孔に合う孔を開けたガス出側の燃料ガスマニホールドを構成する出側ボックスを取付け、各燃料ガス貫通孔の他端を前記ガス出側の燃料ガスマニホールドに連通させた、請求項３記載の燃料電池。
【請求項１７】
平板状の前記モジュールの一対のセパレータの、ＭＥＡと反対側の面に、単位セル並び方向と直交する方向に延びる複数の溝を形成して、該溝を前記冷媒流路とし、前記モジュールの、単位セル並び方向と直交する方向の両端に、単位セル並び方向に延びる冷媒マニホールドを設けて、前記冷媒流路を前記冷媒マニホールドに連通させ、
前記モジュールの、単位セル並び方向の２つの端部のうち、酸化ガスが供給、排出されない側の端部にて、前記冷媒マニホールドに冷媒を供給、排出するようにした、請求項４記載の燃料電池。
【請求項１８】
燃料電池の必要出力電圧がＮボルトである場合に、前記モジュールにＮ個の単位セルを並べ、かつ、前記モジュールを、燃料電池の必要電流量を得るに必要な個数以上、積層して、該積層したモジュールを互いに並列に接続した請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記積層したモジュールの並列回路の各分岐回路に電圧管理センサを設けるとともに、各モジュールの燃料ガスマニホールドへの燃料ガスの供給を遮断することが可能な遮断弁を設置した請求項１８記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１モジュールが複数セルを含み、１モジュールで必要電圧を得ることが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜と膜の一面に形成されたアノードおよび膜の他面に形成されたカソードからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータで挟んだものから構成される。単位セルからモジュールを構成し、モジュールをモジュール厚み方向に複数積層して燃料電池スタックが構成される。
ＭＥＡを挟む２つのセパレータのうちアノード側のセパレータには、燃料ガス（水素）流路が形成されるとともにその背面に冷媒（冷却水）流路が形成され、カソード側のセパレータには、酸化ガス（空気）流路が形成されるとともにその背面に冷媒（冷却水）流路が形成される。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
【０００３】
従来のモジュールは、１モジュール当たり１つの単位セルを含み、単位セルおよびモジュールは、それぞれ、平板状である。
特開平１１−２２４６７７号公報は、ＭＥＡを波形に形成し、それを平板状セパレータで挟んだ平板状単位セルからなる平板状モジュールを開示している。従来の単位セルモジュールでは、理論電圧１．２３Ｖに対して実際にはセルの内部抵抗や触媒の活性化分極、ガス拡散分極による電圧損失があり、結果、単位セルモジュールの起電圧は約１Ｖとなる。この単位セルモジュールをモジュール厚み方向に積層し直列接続して、積層枚数倍の電圧を得る。たとえば必要起電圧が４００Ｖの場合は、４００枚のモジュールを積層することになるが、モジュール厚み方向のスタック外形寸法が大きくなり過ぎるので、車両に搭載される燃料電池スタックでは、通常、２００枚積層スタックを２列併置し、それらを電気的に直列接続した構造をとっている。
【０００４】
しかし、従来の燃料電池には、燃料電池必要起電圧を得るために、平板状モジュールをモジュール厚み方向に多数重ねなければならず、その結果、燃料電池スタックのモジュール積層方向の外形寸法が大きくなってしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２２４６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池では、必要起電力を得るためには燃料電池スタックのモジュール積層方向の外形寸法が必然的に大きくなってしまうという問題である。
【０００６】
本発明の目的は、必要起電力を得るための、モジュール厚み方向の外形寸法を縮小できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  外形が板状で厚み方向を有するモジュールを有し、該モジュールは複数の単位セルを前記モジュール厚み方向と直交する方向に並べて形成されており、
前記複数の単位セルの各単位セルは、電解質膜と該電解質膜の一面に形成されたアノードおよび該電解質膜の他面に形成されたカソードを含むＭＥＡと、該ＭＥＡを挟む一対のセパレータを含んでおり、
前記モジュールの前記複数の単位セルは、任意の第１の単位セルのアノードからカソードに向かう方向を、該第１の単位セルに隣接する第２の単位セルのアノードからカソードに向かう方向と逆にして、並べられている、燃料電池。（本発明の全実施例に共通、以下、単に「共通」という）
（２）  前記複数の単位セルは、前記モジュール内において、単位セルの並び方向に、電気的に直列に接続されており、該直列接続においては、一つの単位セルのアノードが次の単位セルのカソードに導通しており前記一つの単位セルのカソードが次の単位セルのアノードと絶縁されている（１）記載の燃料電池。（共通）
（３）  前記セパレータには、各単位セルのアノード側に燃料ガス流路が設けられると共にカソード側に酸化ガス流路が設けられており、前記ＭＥＡの同じ側において、隣接する単位セルの燃料ガス流路と酸化ガス流路とは互いに遮断されている（１）記載の燃料電池。（共通）
（４）  前記セパレータには、前記ＭＥＡと反対側の面に冷媒流路が形成されている（１）記載の燃料電池。（共通）
（５）  前記アノード、カソードとセパレータとの間に配置された多孔質のガス拡散層を有する（１）記載の燃料電池。（共通）
（６）  前記ＭＥＡおよび前記一対のセパレータのＭＥＡ側面は、モジュールの厚み方向に凹凸する凹凸形状を有する（１）記載の燃料電池。（共通）
（７）  前記単位セルの前記ＭＥＡはＬ字状断面を有する（１）記載の燃料電池。（共通）
（８）  前記セパレータのＭＥＡ側面の、各凹凸に沿って、断面Ｌ字状の、燃料ガス流路と酸化ガス流路が形成されている（６）記載の燃料電池。（共通）
（９）  前記モジュールの単位セル並び方向の一端部の単位セルのアノードと単位セル並び方向の他端部の単位セルのカソードとは外部回路を介して接続している（１）記載の燃料電池。（共通）
（１０）  前記モジュールが、複数、モジュールの厚み方向に重ねられてスタックを構成しており、複数の前記モジュール同士は電気的に並列に接続されている（１）記載の燃料電池。（共通）
（１１）  前記セパレータが電気絶縁材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノードが次の単位セルのカソードに導電性／ガス不透性部材により導通しており、前記一つの単位セルのカソードが次の単位セルのアノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されている請求項２記載の燃料電池。（本発明の実施例１−セル構造の案１）
（１２）  前記セパレータが電気絶縁材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノード、カソードが次の単位セルのカソード、アノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されており、
前記一つの単位セルのアノードと次の単位セルのカソードとは、ガス流路および該ガス流路に設けたリブの表面に導電性物質のメッキを施すことにより、互いに導通されている（２）記載の燃料電池。（本発明の実施例２−セル構造の案２）
（１３）  前記セパレータが導電性材からなり、
前記モジュール内における複数の単位セルの直列接続においては、一つの単位セルのアノード、カソードが次の単位セルのカソード、アノードと絶縁性／ガス不透性部材により電気絶縁かつガス遮断されており、
前記一つの単位セルのアノードと次の単位セルのカソードとは、前記導電性材からなる前記セパレータにより、互いに導通されている（２）記載の燃料電池。（本発明の実施例３−セル構造の案３）
（１４）  各前記酸化ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、各前記酸化ガス流路は、該酸化ガス流路の一端で単位セル並び方向に延びる入側の酸化ガスマニホールドに連通しており、該酸化ガス流路の他端で単位セル並び方向に延びる出側の酸化ガスマニホールドに連通している（３）記載の燃料電池。（本発明の実施例４−酸化ガス流路）
（１５）  各前記燃料ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、各前記燃料ガス流路のガス入側端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に開口しており、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に一括燃料ガスマニホールドを構成するケーシングを取付け、各前記燃料ガス流路の一端を前記一括燃料ガスマニホールドに連通させた（３）記載の燃料電池。（本発明の実施例５−燃料ガス流路の案１）
（１６）  各前記燃料ガス流路は単位セル並び方向と直交する方向に延びてる断面Ｌ字状流路からなり、セパレータの凹凸の各凸部に単位セルの並び方向と直交する方向に延びる燃料ガス貫通孔を設け、該燃料ガス貫通孔と前記断面Ｌ字状流路とを連通孔によって連通させ、
各前記燃料ガス貫通孔のガス入口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュールの一端面に開口しており、前記モジュール一端面に、各燃料ガス貫通孔に合う孔を開けたガス入側の燃料ガスマニホールドを構成する入側ボックスを取付け、各燃料ガス貫通孔の一端を前記ガス入側の燃料ガスマニホールドに連通させ、
各前記燃料ガス貫通孔のガス出口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュールの他端面に開口しており、前記モジュール他端面に、各燃料ガス貫通孔に合う孔を開けたガス出側の燃料ガスマニホールドを構成する出側ボックスを取付け、各燃料ガス貫通孔の他端を前記ガス出側の燃料ガスマニホールドに連通させた、（３）記載の燃料電池。（本発明の実施例６−燃料ガス流路の案２）
（１７）  平板状の前記モジュールの一対のセパレータの、ＭＥＡと反対側の面に、単位セル並び方向と直交する方向に延びる複数の溝を形成して、該溝を前記冷媒流路とし、前記モジュールの、単位セル並び方向と直交する方向の両端に、単位セル並び方向に延びる冷媒マニホールドを設けて、前記冷媒流路を前記冷媒マニホールドに連通させ、
前記モジュールの、単位セル並び方向の２つの端部のうち、酸化ガスが供給、排出されない側の端部にて、前記冷媒マニホールドに冷媒を供給、排出するようにした、（４）記載の燃料電池。（本発明の実施例７−冷媒流路）
（１８）  燃料電池の必要出力電圧がＮボルトである場合に、前記モジュールにＮ個の単位セルを並べ、かつ、前記モジュールを、燃料電池の必要電流量を得るに必要な個数以上、積層して、該積層したモジュールを互いに並列に接続した（１０）記載の燃料電池。（本発明の実施例８−スタック構造）
（１９）  前記積層したモジュールの並列回路の各分岐回路に電圧管理センサを設けるとともに、各モジュールの燃料ガスマニホールドへの燃料ガスの供給を遮断することが可能な遮断弁を設置した（１８）記載の燃料電池。（本発明の実施例９−スタック構造における不良モジュールの感知と切り離し）
【発明の効果】
【０００８】
上記（１）〜（１０）の何れかの燃料電池によれば、複数の単位セルをアノード、カソードを交互に逆にして板状に並べたモジュールを有するので、従来の単位セルモジュールに比べて、１モジュールで該モジュールが含む単位セル数倍の起電圧を得ることができ、必要起電力を得るためのモジュール厚み方向の燃料電池外形寸法を小さくすることができる。
上記（６）〜（８）の何れか燃料電池によれば、ＭＥＡおよび一対のセパレータのＭＥＡ側面は、モジュールの厚み方向に凹凸する凹凸形状を有するので、平板状ＭＥＡをもつ従来燃料電池に比べて、平板状モジュール単位面積あたりの電極面積と電流量を増大でき、体格の小さい燃料電池スタックを得ることができる。
上記（１０）の燃料電池によれば、モジュールが、複数、モジュールの厚み方向に重ねられてスタックを構成し、複数のモジュール同士は電気的に並列に接続されているので、燃料電池の必要電流量を容易に得ることができる。必要電流量を得るのに必要なモジュール積層数は、従来のモジュール積層数に比べて少なく、必要起電力でかつ必要電流量を得るためのモジュール厚み方向の燃料電池外形寸法を小さくすることができる。
上記（１１）〜（１９）の燃料電池は、本発明の各実施例に特有な構造である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図１９を参照して説明する。
図１、図２は本発明の実施例１を示し、
図３は本発明の実施例２を示し、
図４は本発明の実施例３を示し、
図５、図６は本発明の実施例４を示し、
図７〜図１０は本発明の実施例５を示し、
図１１は本発明の実施例６を示し、
図１２、図１３は本発明の実施例７を示し、
図１４〜図１８は本発明の実施例８を示し、
図１９は本発明の実施例９を示す。
本発明の全実施例に共通な部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【００１０】
まず、本発明の全実施例にわたって共通な部分を、図１、図２、図１４を参照して説明する。
本発明の燃料料電池は、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１である。該燃料電池１は、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池１は、複数の単位セル３をアノード５、カソード６を交互に逆にして板状（平板状）に並べたモジュール２を有する。すなわち、単位セル３の並び方向に、モジュール２の一面側に、アノード５、カソード６が交互に表れ、モジュール２の他面側に、一面側のアノード５、カソード６の対向極であるカソード６、アノード５が交互に表れる。
各単位セル３は、電解質膜４と該電解質膜４を挟むアノード（燃料極触媒層）５およびカソード（空気極触媒層）６を含むＭＥＡ（膜−電極アッセンブリー）７と、該ＭＥＡ７を挟む一対のセパレータ８を含んでいる。
【００１２】
アノード５、カソード６とセパレータ８との間には、多孔質のガス拡散層９、１０が配置されてもよい。拡散層９はアノード５と接触する拡散層であり、拡散層１０はカソード６と接触する拡散層である。ただし、拡散層９、１０は省略されてもよい。
【００１３】
複数の単位セル３は、平板状のモジュール２内において、単位セル３の並び方向に、電気的に直列に接続されている。この直列接続においては、一つの単位セル３のアノード５（拡散層９が設けられる場合は、アノード触媒層５＋アノード拡散層９、以下、同じ）が次の単位セル３のカソード６（拡散層１０が設けられる場合は、カソード触媒層６＋カソード拡散層１０、以下、同じ）に導電性／ガス不透性部材１４を介して導通しており、一つの単位セル３のカソード６が次の単位セル３のアノード５と絶縁性／ガス不透性部材１５により電気的に絶縁されている。単位セル３の並び方向に、単位セル３に番号ｉを付すと、ｉ番目の単位セル３のアノード５が（ｉ＋１）番目の単位セル３のカソード６と導通しており、ｉ番目の単位セル３のカソード５が（ｉ＋１）番目の単位セル３のアノード５と絶縁されている。ｉ番目の単位セル３のカソード５は（ｉ−１）番目の単位セル３のアノード５と導通している。
【００１４】
セパレータ８には、各単位セル３のアノード５側にアノード５に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路１１が設けられると共に、各単位セル３のカソード６側にカソード６に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス流路１２が設けられている。ＭＥＡ７の同じ側において、単位セル３の並び方向に、隣接する単位セル３の燃料ガス流路１１と酸化ガス流路１２とが交互に表れる。ＭＥＡ７の同じ側において、隣接する単位セル３の燃料ガス流路１１と酸化ガス流路１２とは互いに遮断されている。
各単位セル３の、アノード５側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜４中を同じ単位セル３のカソード６側に移動し、カソード６側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りの単位セルのアノードで生成した電子が導電性／ガス不透性部材１４を通してくる、または単位セル並び方向一端の単位セルのアノードで生成した電子が外部回路１６を通して単位セル並び方向他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
セパレータ１８には、ＭＥＡ７と反対側の面に冷媒流路１３が形成されている。冷媒流路１３には冷媒（冷却水）が流れて、燃料電池１を冷却する。
【００１５】
従来の燃料電池では単位セルはモジュール厚み方向に積層されてモジュール積層方向に電気的に直列接続されるが、本発明の燃料電池１では、単位セル３はモジュール２の面内方向に並べられ、モジュール２の面内方向に電気的に直列接続される。
単位セルの起電圧が約１Ｖ（Ｖはボルト）であるから、従来の燃料電池ではＮＶの起電圧を得るためにはモジュールをモジュール厚み方向にＮ枚積層する必要があるが、本発明の燃料電池１では、たとえば、１つのモジュール２にＮ個の単位セル３をモジュール面内方向に並べておけば１つのモジュール２でＮＶを出すことができる。
しかし、単位セル３の並び方向の、各単位セル３の寸法が、従来の燃料電池に比べて縮小している分、各単位セル３の電極面積が低減する。燃料電池１として必要電極面積（したがって、必要電流量）を確保するためには、（イ）各単位セル３の電極面を凹凸させて電極面積を増大する、（ロ）多セルモジュール２をモジュール厚み方向に積層して各モジュールを並列に接続する、（ハ）イ、ロを共用する、等が有効である。
【００１６】
上記（イ）の場合、ＭＥＡ７および一対のセパレータ８のＭＥＡ側面が、モジュール２の厚み方向に凹凸する凹凸形状を有する。
単位セル３は板状の第１の領域３ａと、その第１の領域の一端において直交方向に連なる板状の第２の領域３ｂを有する。すなわち、ＭＥＡ７はその断面がＬ字状の机上とされている。
また、セパレータ８のＭＥＡ側面には、各凹凸の凸部（山）、凹部（谷）の表面に沿って、断面Ｌ字状の、燃料ガス流路１１と酸化ガス流路１２が形成されている。この断面Ｌ字状流路１１、１２にはリブ１７が形成されており、リブ１７の頂面で拡散層９、１０と接触し、かつ、拡散層９、１０を押さえるようにしてもよい。
【００１７】
上記（ロ）の場合、モジュール２が、複数、モジュールの厚み方向に重ねられてスタック１８を構成しており、複数のモジュール２同士は電気的に並列に接続されている。各モジュール２の一端のアノード５にはアノードターミナル１９が導通され、各アノードターミナル１９からの分岐回路は一つの回路に集合されて、外部負荷２１に接続された外部回路１６に接続される。各モジュール２の他端のカソード６にはカソードターミナル２０が導通され、各カソードターミナル２０からの分岐回路は一つの回路に集合されて、外部負荷２１に接続された外部回路１６に接続される。かくして、各モジュール２では、モジュールの単位セル並び方向の一端部の単位セル２のアノード５と単位セル並び方向の他端部の単位セル３のカソード６とは外部回路１６を介して接続している。
【００１８】
本発明の全実施例に共通する部分の作用・効果について説明する。
本発明の燃料電池１は、複数の単位セル３を、アノード５、カソード６を交互に逆にして、板状に並べたモジュール２を有するので、従来の単位セルモジュールに比べて、１モジュール２で該モジュールが含む単位セル数倍の起電圧を得ることができ、必要起電力を得るためのモジュール厚み方向の燃料電池１の外形寸法を小さくすることができる。
【００１９】
また、ＭＥＡ７および一対のセパレータ８のＭＥＡ側面は、モジュール２の厚み方向に凹凸する凹凸形状を有するので、平板状ＭＥＡをもつ従来燃料電池に比べて、平板状モジュール単位面積あたりの電極面積と電流量を増大でき、体格の小さい燃料電池スタック１８を得ることができる。
【００２０】
また、モジュール２が、複数、モジュール２の厚み方向に重ねられてスタック１８を構成し、複数のモジュール同士は電気的に並列に接続されるので、燃料電池の必要電流量を容易に得ることができる。必要電流量を得るのに必要なモジュール積層数は、従来のモジュール積層数に比べて少なく、必要起電力でかつ必要電流量を得るためのモジュール厚み方向の燃料電池スタック１８の外形寸法を小さくすることができる。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
〔実施例１〕                                                                      本発明の実施例１は、セル構造、とくに、セル間の電気の流れとガスシール構造の案１に係るものである。
本発明の実施例１では、図１、図２に示すように、凹凸面をもつセパレータ８が、電気絶縁材、たとえば樹脂、からなる。
モジュール２内における複数の単位セル３の直列接続においては、一つの単位セル３のアノード５が次の単位セル３のカソード６に導電性／ガス不透性部材（導電性ペースト等）１４により導通しかつガス遮断されており、一つの単位セル３のカソード６が次の単位セル３のアノード５と絶縁性／ガス不透性部材（接着剤／樹脂ペースト等）１５により電気絶縁かつガス遮断されている。
導電性／ガス不透性部材１４を設けたことにより、隣接するカソード６への導電性が確保され、かつ、燃料ガスと酸化ガスの混合が防止される。
また、絶縁性／ガス不透性部材１５を設けたことにより、隣接する単位セル３において電子の逆流（図２では電子の右から左への流れ）が防止され、かつ、燃料ガスと酸化ガスの混合が防止される。
【００２２】
〔実施例２〕                                                                      本発明の実施例２は、セル構造、とくに、セル間の電気の流れとガスシール構造の案２に係るものである。
本発明の実施例２では、図３に示すように、セパレータ８が電気絶縁材、たとえば樹脂、からなる。
モジュール２内における複数の単位セル３の直列接続においては、一つの単位セル３のアノード５、カソード６が次の単位セル３のカソード６、アノード５と絶縁性／ガス不透性部材１５により電気絶縁かつガス遮断されている。絶縁性／ガス不透性部材１５は図３に示すように、断面が平板状のものでも、断面が矩形状のものでもよい。
一つの単位セル３のアノード５と次の単位セル３のカソード６とは、ガス流路１１、１２および該ガス流路１１、１２に設けたリブ１７の表面に導電性物質のメッキ２２、たとえばＡｕメッキ層、を施すことにより、互いに導通されている。
絶縁性／ガス不透性部材１５を設けたことにより、隣接する単位セル３において電子の逆流（図３では電子の右から左への流れ）が防止され、かつ、燃料ガスと酸化ガスの混合が防止される。
【００２３】
〔実施例３〕                                                                      本発明の実施例３は、セル構造、とくに、セル間の電気の流れとガスシール構造の案３に係るものである。
本発明の実施例３では、図４に示すように、セパレータ８が導電性材、たとえばカーボン、からなる。
モジュール２内における複数の単位セル３の直列接続においては、一つの単位セル３のアノード５、カソード６が次の単位セル３のカソード６、アノード５と絶縁性／ガス不透性部材１５により電気絶縁かつガス遮断されている。
一つの単位セル３のアノード５と次の単位セル３のカソード６とは、導電性材からなるセパレータ８により、互いに導通されている。
絶縁性／ガス不透性部材１５を設けたことにより、隣接する単位セル３において電子の逆流（図４では電子の右から左への流れ）が防止され、かつ、燃料ガスと酸化ガスの混合が防止される。
【００２４】
〔実施例４〕                                                                      本発明の実施例４は、ガス流路、とくに、酸化ガス流路１２とそれへの酸化ガスの供給、排出マニホールド構造に係るものである。
本発明の実施例４では、図５、図６に示すように、各酸化ガス流路１２は単位セル並び方向と直交する方向に延びてる断面Ｌ字状流路からなる。各酸化ガス流路１２は、酸化ガス流路１２の一端で単位セル並び方向に延びる入側の酸化ガスマニホールド２３に連通しており、酸化ガス流路１２の他端で単位セル並び方向に延びる出側の酸化ガスマニホールド２４に連通している。モジュール側面の上下２ケ所から、断面Ｌ字状流路１２に直交する流路を設け、一端の流路を入側の酸化ガスマニホールド２３とし、他端の流路を出側の酸化ガスマニホールド２４としている。
入側の酸化ガスマニホールド２３から供給された空気は、断面Ｌ字状流路１２を経て各セル３のカソード６に供給され、出側の酸化ガスマニホールド２４にて合流し排出される。断面Ｌ字状流路１２にはリブ１７が存在する。リブ１７は断面Ｌ字状流路１２の一端から他端までにわたって連続して延びている。
【００２５】
〔実施例５〕                                                                      本発明の実施例５は、ガス流路、とくに、燃料ガス流路１１とそれへの燃料ガスの供給、排出マニホールド構造の案１に係るものである。
本発明の実施例５では、図７〜図１０に示すように、各燃料ガス流路１１は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなり、各燃料ガス流路１１のガス入側端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に開口しており、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール端面に一括燃料ガスマニホールド２５を構成するケーシングを取付け、各燃料ガス流路１１の一端を一括燃料ガスマニホールド２５に連通させた構造をとっている。各燃料ガス流路１１の他端は閉塞して燃料ガスの全量を燃料ガス流路１１内で発電で消費させてもよいし、あるいは各燃料ガス流路１１の他端から流出させて一括燃料ガスマニホールド２５に循環させるようにしてもよい。
ＭＥＡ７の両端部はガスシール剤２６でシールされる。スタック化した時に燃料ガス流路１１の開口部を周りから囲みモジュール端面と一括燃料ガスマニホールド２５のケーシング間をシールするシール剤２７が設けられる。
一括燃料ガスマニホールド２５に供給された燃料ガス（水素）は、各燃料ガス流路１１に分配される。
【００２６】
〔実施例６〕                                                                      本発明の実施例６は、ガス流路、とくに、燃料ガス流路１１とそれへの燃料ガスの供給、排出マニホールド構造の案２に係るものである。
本発明の実施例６では、図１１に示すように、各燃料ガス流路１１は単位セル並び方向と直交する方向に延びる断面Ｌ字状流路からなる。セパレータ８の凹凸の各凸部に単位セルの並び方向と直交する方向に延びる燃料ガス貫通孔２８が設けられており、燃料ガス貫通孔２８と断面Ｌ字状流路の燃料ガス流路１１とは連通孔２９によって連通している。
各燃料ガス貫通孔２８のガス入口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュール２の一端面に開口しており、このモジュール一端面に、各燃料ガス貫通孔２８に合う孔３０を開けたガス入側の燃料ガスマニホールド３１を構成する入側ボックスが取付けられている。各燃料ガス貫通孔２８の一端はガス入側の燃料ガスマニホールド３１に連通している。
各燃料ガス貫通孔２８のガス出口端は、単位セル並び方向と直交する方向のモジュールの他端面に開口しており、このモジュール他端面に、各燃料ガス貫通孔２８に合う孔３２を開けたガス出側の燃料ガスマニホールド３３を構成する出側ボックスが取付けられている。各燃料ガス貫通孔２８の他端はガス出側の燃料ガスマニホールド３３に連通している。
ガス入側の燃料ガスマニホールド３１から供給された燃料ガスは、各燃料ガス貫通孔２８に分配され、燃料ガス貫通孔２８を通過している間に連通孔２９を通して燃料ガス流路１１に供給され、各単位セル３のアノード５に供給される。発電に消費されなかった燃料ガスは燃料ガス貫通孔２８からガス出側の燃料ガスマニホールド３３に流出し、ついでポンプで昇圧されてガス入側の燃料ガスマニホールド３１に循環する。
【００２７】
〔実施例７〕                                                                      本発明の実施例７は、冷媒流路１３とそれへの冷媒の供給、排出マニホールド構造に係るものである。
本発明の実施例７では、図１２、図１３に示すように、平板状のモジュール２の一対のセパレータ８の、ＭＥＡ７と反対側の面に、単位セル並び方向と直交する方向に延びる複数の溝が形成されており、該溝が冷媒流路１３を構成している。
モジュール２の、単位セル並び方向と直交する方向の両端に、単位セル並び方向に延びる冷媒マニホールド３４、３５（３４は入側冷媒マニホールド、３５は出側冷媒マニホールドである）が形成されており、冷媒流路１３は冷媒マニホールド３４、３５に連通している。
モジュール２の、単位セル並び方向の２つの端部のうち、酸化ガスが供給、排出されない側の端部にて、冷媒マニホールド３４、３５に冷媒が供給、排出される。したがって、酸化ガスの供給、排出配管と、冷媒の供給、排出配管とは、互いに干渉しない。
入側冷媒マニホールド３４から供給された冷媒は、各冷媒流路１３に分配され、各単位セル２を冷却した後、各冷媒流路１３から出側冷媒マニホールド３５に流出する。
【００２８】
〔実施例８〕                                                                      本発明の実施例８は、スタック構造に係るものである。
本発明の実施例８では、図１４〜図１８に示すように、モジュール２をモジュール厚み方向に、複数、積層してスタック１８としたものである。燃料電池１の必要出力電圧がＮボルトである場合に、モジュール２の平板面内方向にＮ個の単位セル２を並べてＮ個の単位セル２を電気的に直列に接続し、かつ、モジュール２を、燃料電池の必要電流量を得るに必要な個数以上、積層して、該積層したモジュールを電気的に互いに並列に接続する。たとえば、平板状の各モジュール２内に面内方向に直列に４００個の単位セル２を配置すると、１モジュール２当たり最大４００Ｖが得られる。このモジュール２を並列に配置して並列に接続し、必要な電流量を得る仕組みとなっている。また、このスタック構造を、必要電流量より多い電流量を出せるだけの数のモジュールを積層しておき、負荷や必要電流用に応じて使用するモジュール２を選択する電流量可変構造をとることもできる。
【００２９】
スタック１８の外形寸法は、従来構成の燃料電池スタックに比べて縮小する。その一例を説明する。
図５に示すように、セパレータ厚みは現在の加工技術の限界から１ｍｍとする。流路の微細加工の寸法は、ＭＥＡ７と拡散層９、１０を含めた厚さを０．５ｍｍ、セパレータ８の凹凸の深さを２ｍｍ（＝凸部の高さ１．５ｍｍ＋ＭＥＡ７と拡散層９、１０を含めた厚さ０．５ｍｍ）、凸部の幅を１ｍｍ、凹部の底面とセパレータのＭＥＡと反対側面（セパレータのＭＥＡと反対側面に冷媒流路の溝がある場合は、冷媒流路溝の深さの１／２の位置まで）との間の寸法を１ｍｍとすると、モジュール２の平板の厚さが４．５ｍｍ、１つの単位セル２の単位セル並び方向の寸法が１．５ｍｍで２セル分で３ｍｍとなる。
図１６に示すように、１モジュールで４００Ｖを得るためには、モジュール２の単位セル並び方向の寸法（横寸法）が１．５ｍｍ×４００＝６００ｍｍとなる。現状に同じ電極面積（仮に５００ｃｍ2 ）を得ようとすると、奥行き（単位セル並び方向に直交する方向）は、
５００×１００（ｍｍ2 ）／（１．５＋１）ｍｍ＝２００００ｍｍ
となる。これを奥行き方向に分割する。車載できる奥行き寸法を１０００ｍｍとすると、  分割数＝２００００／１０００＝２０
となる。
したがって、１モジュール２が、６００ｍｍ×１０００ｍｍ、厚さ４．５ｍｍとなり、電圧が４００Ｖ、電極面積が２．５×１０００ｍｍｍ＝２５００ｍｍ2 となる。
これを２０枚重ねて、積層方向寸法が４．５ｍｍ×２０枚＝９０ｍｍのスタック１８を得る。
スタック１８の体格は、６００ｍｍ×１０００ｍｍ×９０ｍｍ＝５４０００ｃｍ3 となる。
現状のスタックの体格は、８６０００ｃｍ3 であるので、５４／８６×１００＝６２％となり、体格３８％減を実現できる。
【００３０】
〔実施例９〕                                                                      本発明の実施例９は、スタック構造における不良モジュールの感知と切り離しに係るものである。
本発明の実施例９では、図１９に示すように、積層したモジュール２の並列回路の各分岐回路３６に電圧管理センサ３７が設けられるとともに、各モジュール２の燃料ガスマニホールドへの燃料ガスの供給を遮断することが可能な遮断弁３８が設置される。
一括燃料ガスマニホールド２５内部をたとえば２０段（モジュール積層数に対応）に仕切って中間マニホールド３９とし、各中間マニホールド３９からそれぞれのＬ字状の燃料ガス流路１１に分配される構造とする。
電圧管理センサ３７があるモジュール２の出力電圧が設定電圧を下回ったことを感知すると、そのモジュール２へのガス供給とそのモジュール２からの電気取り出しを停止する。その電圧管理を制御ユニット４０にて行うようにする。
これによって、スタック構造における不良モジュールの感知と切り離しを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池（セル構造の案１）の一部断面図である。
【図２】図１の円で囲んだ部分の拡大図である。
【図３】本発明の実施例２の燃料電池（セル構造の案２）の一部断面図である。
【図４】本発明の実施例３の燃料電池（セル構造の案３）の一部断面図である。
【図５】本発明の実施例４の燃料電池（酸化ガス流路）の一部斜視図である。
【図６】図５の円で囲んだ部分の拡大図である。
【図７】本発明の実施例５の燃料電池（燃料ガス流路の案１）の一部斜視図である。
【図８】図７のＡ方向から見た燃料電池の断面図である。
【図９】図７のＡ方向と直交方向から見た燃料電池の端面図である。
【図１０】図７のＡ方向と直交方向から見た燃料電池の斜視図である。
【図１１】本発明の実施例６の燃料電池（燃料ガス流路の案２）の一部斜視図である。
【図１２】本発明の実施例７の燃料電池（冷媒流路）の一部斜視図である。
【図１３】図１２のＡ方向から見た燃料電池の断面図である。
【図１４】本発明の実施例８の燃料電池（スタック構造）の側面図である。
【図１５】図１４の燃料電池の１モジュールの一例とその一部を拡大した、寸法図である。
【図１６】図１４の燃料電池の必要電極面積とモジュール面積の寸法図である。
【図１７】図１４の燃料電池の１モジュールの、寸法を示す、斜視図である。
【図１８】図１４の燃料電池のモジュールの積層を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例９の燃料電池（スタック構造）の不良モジュールの感知とその切り離し構造の系統図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池
２  モジュール
３  単位セル
４  電解質膜
５  アノード
６  カソード
７  ＭＥＡ
８  セパレータ
９、１０  ガス拡散層
１１  燃料ガス流路
１２  酸化ガス流路
１３  冷媒流路
１４  導電性／ガス不透性部材
１５  絶縁性／ガス不透性部材
１６  外部回路
１７  リブ
１８  スタック
１９  アノードターミナル
２０  カソードターミナル
２１  外部負荷
２２  メッキ
２３  入側酸化ガスマニホールド
２４  出側酸化ガスマニホールド
２５  一括燃料ガスマニホールド
２６、２７  ガスシール剤
２８  燃料ガス貫通孔
２９  連通孔
３０  孔
３１  入側燃料ガスマニホールド
３２  孔
３３  出側燃料ガスマニホールド
３４  入側冷媒マニホールド
３５  出側冷媒マニホールド
３６  分岐回路
３７  電圧管理センサ
３８  遮断弁
３９  中間マニホールド
【図１】
2005294169.tif 000003
【図２】
2005294169.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005294169.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005294169.tif 000009
【図８】
2005294169.tif 000010
【図９】
2005294169.tif 000011
【図１０】
2005294169.tif 000012
【図１１】
2005294169.tif 000013
【図１２】
2005294169.tif 000014
【図１３】
2005294169.tif 000015
【図１４】
2005294169.tif 000016
【図１５】
2005294169.tif 000017
【図１６】
2005294169.tif 000018
【図１７】
2005294169.tif 000019
【図１８】
2005294169.tif 000020
【図１９】
2005294169.tif 000021