(57)【要約】セパレータ（５０）とセパレータ（４０）とによって、断熱部材（６０）が挟持されている。断熱部材（６０）は、発電セル（２００）の温度低下を防止する断熱層として機能する。セパレータ（４０）の表面の溝と分離板（３０）とによって囲まれる空間に不純物除去流路（４２）が形成され、また、セパレータ（２０）の表面の溝と分離板（３０）とによって囲まれる空間に不純物除去流路（２２）が形成される。不純物除去流路（２２），（４２）は、反応ガスに含まれる不純物を除去するフィルタとして機能する。ターミナル（１０）は、発電セル（２００）で発生した電気を集電する集電層として機能する。このように、端部積層体（１００）は、発電セル（２００）の温度低下を防止する断熱層、反応ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去層、発電セル（２００）で発生した電気を収集する集電層として機能する。
2007058054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、酸化ガス流路および燃料ガス流路を有するセパレータと、を備えた発電に寄与する発電セルと、
膜電極接合体を有さず、発電に寄与しない非発電セルと、
前記発電セルと非発電セルを積層したスタックと、
を備えた燃料電池であって、
前記非発電セルは、互いに異なる機能を備えた複数の層を有する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池において、
前記非発電セルは、前記スタックへ供給される流体に含まれる不純物の少なくとも一部が発電セルへ供給されることを抑制する不純物除去層と、断熱層とを含む、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池において、
前記非発電セルは、複数の発電セルの積層方向の端部に積層され、
前記非発電セルを構成する複数の層のうち、前記断熱層が最も発電セル側に配置される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求の範囲第３項に記載の燃料電池において、
前記非発電セルは、不純物除去層と断熱層とに加えて集電層を含み、発電セル側に向かって集電層、不純物除去層、断熱層の順に積層される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求の範囲第２項から第４項のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記不純物除去層と断熱層は、不純物除去流路と断熱部材とで構成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池において、
前記非発電セルは、不純物除去層と断熱層とに加えて集電層を含み、
前記集電層は、導電板によって構成され、
前記不純物除去層は、不純物除去流路を備えたフィルタ部材で構成され、
前記断熱層は、断熱部材で構成され、
前記導電板、前記断熱部材、前記フィルタ部材の順に積層される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池において、
表面に溝を備えたフィルタ板と、
前記断熱層として機能する断熱セパレータと、
を有し、
フィルタ板の表面に断熱セパレータが積層されることによりフィルタ板の溝と断熱セパレータとによって囲まれる不純物除去流路が形成され、形成された不純物除去流路が前記不純物除去層として機能する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池において、
前記不純物除去層は、ガス供給マニホールドからガス排出マニホールドへ発電性能低下物質をバイパスさせる層である、
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、燃料電池に関し、特に、燃料電池の積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。一般に、燃料電池は、上述した化学反応をおこす発電セルを何枚も重ねて形成される。各発電セルは、例えば、膜電極接合体を二枚のセパレータで挟んだ構造になっている。
積層された複数の発電セルの各々は、反応ガス（燃料ガスや酸素ガス）を必要とする。このため、複数の発電セルが積層された燃料電池には、反応ガスを供給するガス流路が形成され、このガス流路を介して各発電セルに反応ガスが供給され、また、各発電セルから反応ガスが排出される。そして、従来から、反応ガスの供給排出を考慮した燃料電池の積層構造に関する様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１（特開２００３−３３８３０５号公報）には、複数の発電セルの積層方向端部に、不純物除去機能を備えたダミーセルを配置するスタック構造が開示されている。この構造において、ダミーセルは、反応ガスから不純物を除去するフィルタとして機能している。つまり、ダミーセルによって反応ガスに含まれる不純物を除去してから、複数の発電セルへ反応ガスを供給している。これにより、反応ガスに含まれる不純物（加湿ガスの凝縮水やガス供給配管の金属イオンなど）が発電セルに流れ込むことを抑制し、発電セルの出力低下などを抑制している。
また、発電セルは、温度が低下すると結露水などの発生に伴って出力を低下させてしまう可能性がある。このため、発電セルの温度低下を考慮した積層構造に関する技術も提案されている。
例えば、特許文献２（特開２００２−１８４４４９号公報）には、ターミナルプレートに断熱層として機能する空気室を設けて発電セルの温度低下を防止する技術が提案されている。また、特許文献３（特開２００５−１９２２３号公報）には、ターミナルプレートと発電セルとの間に、複数の空間部を備えたダミーセルを挿入させ、そのダミーセルを断熱層として利用する旨の技術が開示されている。また、特許文献４（特開２００４−１５２５０２号公報）には、ターミナルプレートと発電セルとの間に、断熱層として機能する空気層を構成する技術が開示されている。
このように、従来から、反応ガスに含まれる不純物を除去する機能や発電セルの温度低下を防ぐ機能などに関する様々な技術が提案されている。
【発明の開示】
【０００３】
上述のように、燃料電池には、発電セルの積層体の他に、不純物を除去する機能や断熱機能を目的とした構成、また、ターミナルプレートのように集電を目的とした構成などが含まれている。しかしながら、いずれの場合も１つのセルで１つの機能しか備えていないため、これらすべての機能を満たすためには、複数の非発電セルを積層する必要があった。そのため、集電、断熱、不純物除去などの発電を支援する複数の構成が存在することにより、例えば、燃料電池全体の部品点数が増大することや、燃料電池が積層方向に長くなることなどが懸念される。
こうした状況のもと、本願の発明者らは、発電を支援するための複数の機能を併せ持つ燃料電池の積層構造について研究開発を続けてきた。
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、燃料電池の積層構造に関する改良技術を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、酸化ガス流路および燃料ガス流路を有するセパレータと、を備えた発電に寄与する発電セルと、膜電極接合体を有さず、発電に寄与しない非発電セルと、前記発電セルと非発電セルを積層したスタックと、を備えた燃料電池であって、前記非発電セルは、互いに異なる機能を備えた複数の層を有する、ことを特徴とする。
上記構成において、互いに異なる機能を備えた複数の層とは、例えば、反応ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去層、発電セルの温度低下を防止する断熱層、発電セルで発生した電気を収集する集電層などである。
望ましい態様において、前記非発電セルは、複数の発電セルの積層方向の端部に積層され、前記非発電セルを構成する複数の層のうち、前記断熱層が最も発電セル側に配置される、ことを特徴とする。この構成によれば、断熱層が発電セルの近くに配置されるため、発電セルからの放熱を少なくすることができる。
望ましい態様において、前記非発電セルは、不純物除去層と断熱層とに加えて集電層を含み、発電セル側に向かって集電層、不純物除去層、断熱層の順に積層されることを特徴とする。さらに望ましい態様において、前記不純物除去層は、集電層に形成された不純物除去流路で構成されることを特徴とする。この構成によれば、集電層と不純物除去層とを一つのセルでコンパクトに構成することができる。また、部品点数を削減することができる。
望ましい態様において、前記非発電セルは、不純物除去層と断熱層とに加えて集電層を含み、前記集電層は、導電板によって構成され、前記不純物除去層は、不純物除去流路を備えたフィルタ部材で構成され、前記断熱層は、断熱部材で構成され、前記導電板、前記断熱部材、前記フィルタ部材の順に積層されることを特徴とする。この構成によれば、導電板の加工が不用であるとともに、シール性の必要なフィルタ部材が導電板と接しないため、シール剤の選択肢の狭い導電板とのシールを考慮しなくてよい。
望ましい態様において、前記燃料電池は、表面に溝を備えたフィルタ板と、前記断熱層として機能する断熱セパレータとを有し、フィルタ板の表面に断熱セパレータが積層されることによりフィルタ板の溝と断熱セパレータとによって囲まれる不純物除去流路が形成され、形成された不純物除去流路が前記不純物除去層として機能することを特徴とする。この構成によれば、不純物除去層と断熱層とをコンパクトに構成することができる。
望ましい態様において、前記不純物除去層は、ガス供給マニホールドからガス排出マニホールドへ発電性能低下物質をバイパスさせる層であることを特徴とする。ここで、発電性能低下物質とは、例えば、不純物、不純物を含有した液、凝縮水などである。
本発明により、燃料電池の積層構造に関する改良技術が提供される。これにより、例えば、断熱層が発電セルの近くに配置されて発電セルからの放熱を少なくすることができる。また、例えば、不純物除去層と断熱層を一つのセルでコンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明に係る燃料電池のセル積層構造を示す部分断面図である。
図２は、端部積層体の好適な実施形態２を説明するための図である。
図３は、端部積層体の好適な実施形態３を説明するための図である。
図４は、端部積層体の好適な実施形態４を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の好適な実施形態が示されており、図１は、本発明に係る燃料電池のセル積層構造を示す部分断面図である。本実施形態の燃料電池は、複数の発電セル２００と端部積層体１００を備えている。
発電セル２００は、積層方向に厚みを持った板状のセルであり、水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを利用して発電する。発電セル２００は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２４０を二枚のセパレータ２２０，２３０で挟持した構造である。ＭＥＡ２４０とセパレータ２２０との間には、ガス供給路２２２が形成され、また、ＭＥＡ２４０とセパレータ２３０との間には、ガス供給路２３２が形成される。なお、二枚のセパレータ２２０，２３０の間にはシール剤２５０が挿入されている。
ガス供給路２２２，２３２には、発電に利用される反応ガスが供給される。例えば、ガス供給路２２２に水素を含有した燃料ガスが供給され、ガス供給路２３２に酸素を含有した酸化ガスが供給される。そして、発電セル２００は、供給される反応ガスを利用して発電する。
また、発電セル２００のセパレータ２２０にはガスケット２１０が取り付けられている。図１においては、二枚の発電セル２００を引き離した状態で図示しているが、セル積層体を構成する際には、二枚の発電セル２００が互いに接触する。つまり、一方の発電セル２００のセパレータ２３０と他方の発電セル２００のセパレータ２２０が接合される。そして、一方の発電セル２００のセパレータ２３０と他方の発電セル２００のセパレータ２２０との間に冷却水の流路が形成され、ガスケット２１０がシール部材として機能する。
このように、本実施形態の燃料電池では、複数の発電セル２００が積層されている。図１に示す二枚の発電セル２００は、複数の発電セル２００の積層方向の端部のセルに相当する。本実施形態においては、複数の発電セル２００の積層方向の端部に、端部積層体１００がさらに積層される。図１においては、端部積層体１００とそれに隣接する端部の発電セル２００を引き離した状態で図示している。セル積層体を構成する際には、端部積層体１００と端部の発電セル２００が互いに接触する。つまり、端部の発電セル２００のセパレータ２２０と端部積層体１００が接合される。そして、端部の発電セル２００のセパレータ２２０と端部積層体１００との間に冷却水の流路が形成され、ガスケット２１０がシール部材として機能する。
次に端部積層体１００の構造について説明する。端部積層体１００についても、発電セル２００と同様に、積層方向に厚みを伴って板状に形成される。但し、ターミナル１０がはみ出した形状となっている。端部の発電セル２００との接触部にはセパレータ５０が設けられている。そして、そのセパレータ５０に対向してセパレータ４０が設けられ、セパレータ５０とセパレータ４０とによって、断熱部材６０が挟持されている。断熱部材６０は、発電セル２００の温度低下を防止する断熱層として機能する。なお、セパレータ５０とセパレータ４０との隙間には、シール剤４５が充填されている。
セパレータ４０とセパレータ５０は、発電セル２００で発生した電気をターミナル１０へ導電する役割も担っている。そのため、セパレータ４０とセパレータ５０は、導電性を備えた部材によって構成される。例えば、ＳＵＳ材やカーボンによって形成される。また、発電セル２００で発生した電気を効率よくターミナル１０へ導電するために、断熱部材６０も良好な導電性を備えていることが望ましい。このため、断熱部材６０は、例えば、セラミック多孔質部材で形成される。
さらに、セパレータ４０に対向してセパレータ２０が設けられ、セパレータ４０とセパレータ２０とによって、分離板３０が挟持されている。セパレータ４０とセパレータ２０は、各々、対向する面に溝が形成されている。そして、セパレータ４０の表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路４２が形成され、また、セパレータ２０の表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路２２が形成される。セパレータ４０と分離板３０との隙間にはシール剤３５が充填され、また、セパレータ２０と分離板３０との隙間にはシール剤２５が充填されている。
不純物除去流路２２，４２は、反応ガスに含まれる不純物を除去するフィルタとして機能する。つまり、セパレータ４０、分離板３０、セパレータ２０で構成される部分が、不純物除去層として機能している。
反応ガスは、不純物除去流路２２，４２を通って不純物を除去されてから発電セル２００に供給される。二種類の反応ガス、つまり水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスは、各々に対応した流路を通って発電セル２００に供給される。そのため、本実施形態では、分離板３０によって二種類の反応ガスに対応した二種類の流路が分離される。
また、反応ガスに含まれる不純物の多くは、反応ガスの加湿水の凝縮液中に溶融または混入して、ガス供給マニホールドを伝って、複数の発電セル２００と端部積層体１００を積層したスタックへ流入する。不純物除去流路２２，４２は、発電セル２００より反応ガスの流路の上流側に設置されていることから、これら不純物含有液はスタックへ流入すると、不純物除去流路２２，４２を通って、ガス排出マニホールドへバイパスされる。このことにより、不純物濃度が低減された反応ガスが発電セル２００へ供給される。また、不純物の含有されていない単なる凝縮水も、発電セル２００へ流れ込むとフラッディングを生じさせ、発電性能を低下させる。したがって、余分な凝縮水を不純物除去流路２２，４２にてガス供給マニホールドからガス排出マニホールドへバイパスさせることによっても発電性能を向上させることができる。
なお、上記例では、不純物除去流路２２，４２は、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドを連通したバイパス流路としたが、反応ガスから不純物を低減する機能を持つものであればバイパス流路に限定されるものではなく、例えば、袋小路の流路であってもよい。
つまり、セパレータ２０と分離板３０との接触面側の不純物除去流路２２が、例えば燃料ガスの流路に接続されており、そして、燃料ガスに含まれる不純物が不純物除去流路２２で除去されてから発電セル２００へ供給される。また、セパレータ４０と分離板３０との接触面側の不純物除去流路４２が、例えば酸化ガスの流路に接続されており、そして、酸化ガスに含まれる不純物が不純物除去流路４２で除去されてから発電セル２００へ供給される。
なお、セパレータ２０と分離板３０とセパレータ４０は、各々、反応ガスに接触するため、反応ガスに対する耐食性を確保する必要がある。また、発電セル２００で発生した電気を効率よくターミナル１０へ導電するために導電性を備えている。このため、セパレータ２０と分離板３０とセパレータ４０は、各々、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成される。
ターミナル１０は、発電セル２００で発生した電気を集電する集電層として機能する。つまり、発電セル２００で発生した電気が、端部積層体１００内の各部を導電してターミナル１０に集められる。ターミナル１０は、セルの積層方向（面直方向）の電気的抵抗と水平方向の電気的抵抗が共に低い導電板であることが望ましい。このため、ターミナル１０は、例えば銅などによって形成される。
このように、図１の端部積層体１００は、発電セル２００の温度低下を防止する断熱層、反応ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去層、発電セル２００で発生した電気を収集する集電層として機能する。そして、そのうちの断熱層として機能する断熱部材６０が発電セル２００の最も近くに配置されるため、端部積層体１００内の他の部材に熱が奪われることを極力阻止して、発電セル２００からの放熱を少なくすることができる。
また、断熱層として機能する断熱部材６０と、不純物除去層として機能する不純物除去流路２２，４２が、セパレータ２０，４０，５０によって、一つのセルとして形成されるため、断熱層と不純物除去層とを別々のセルで構成する場合に比べて、コンパクトに構成することができる。
図２は、本発明に係る燃料電池の端部積層体の好適な実施形態２を説明するための図である。図２に示す端部積層体１０２は、図１に示す端部積層体１００に換えて利用される。つまり、端部積層体１０２は、複数の発電セル（図１の符号２００）の積層方向の端部に積層される。
図２に示す端部積層体１０２と図１に示す端部積層体１００との相違は、図１のセパレータ２０とターミナル１０に換えて図２ではターミナル１０ａを利用している点である。
図２に示す端部積層体１０２は、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成されるセパレータ５０とセパレータ４０とによって、例えばセラミック多孔質部材で形成される断熱部材６０を挟持した構造である。セパレータ５０とセパレータ４０との隙間には、シール剤４５が充填されている。
そして、セパレータ４０とターミナル１０ａとによって、分離板３０が挟持されている。セパレータ４０とターミナル１０ａは、各々、対向する面に溝が形成されている。セパレータ４０の表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路４２が形成され、また、ターミナル１０ａの表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路２２が形成される。セパレータ４０と分離板３０との隙間にはシール剤３５が充填され、また、ターミナル１０ａと分離板３０との隙間にはシール剤２５が充填されている。
図２の端部積層体１０２においても、不純物除去流路２２が、例えば燃料ガスの流路に接続されており、そして、燃料ガスに含まれる不純物が不純物除去流路２２で除去されてから発電セルへ供給される。また、不純物除去流路４２が、例えば酸化ガスの流路に接続されており、そして、酸化ガスに含まれる不純物が不純物除去流路４２で除去されてから発電セルへ供給される。
図２の端部積層体１０２では、ターミナル１０ａに不純物除去流路２２となる溝が形成され、ターミナル１０ａの一部が不純物除去層として機能している。さらに、ターミナル１０ａは、発電セルで発生した電気を集電する集電層として機能する。すなわち、発電セルで発生した電気が、端部積層体１０２内の各部を導電してターミナル１０ａに集められる。
このように、ターミナル１０ａは集電層として機能する。そのため、導電性の面を考慮すると図１のターミナル１０の場合と同様に、ターミナル１０ａは、例えば銅などで形成されることが望ましい。但し、ターミナル１０ａは不純物除去層としても機能しており、不純物除去流路２２に流れる反応ガスと接触する。そのため、ターミナル１０ａを銅で形成する場合には、例えば不純物除去流路２２の部分に耐食処理などを施しておくことが望ましい。なお、耐食性の面を考慮すると、ターミナル１０ａは、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成されてもよい。
図２の端部積層体１０２は、発電セルの温度低下を防止する断熱層、反応ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去層、発電セルで発生した電気を収集する集電層として機能する。そして、そのうちの断熱層として機能する断熱部材６０が発電セルの最も近くに配置されるため、端部積層体１０２内の他の部材に熱が奪われることを極力阻止して、発電セルからの放熱を少なくすることができる。
さらに、図２の端部積層体１０２では、ターミナル１０ａが集電層としての機能に加えて不純物除去層としても機能しており、図１の端部積層体１００のようにセパレータ２０とターミナル１０の二つの部材を利用して集電層と不純物除去層の機能を構成する場合に比べて、部品点数を削減することができ、また、さらにコンパクトな構成を実現することができる。
図３は、本発明に係る燃料電池の端部積層体の好適な実施形態３を説明するための図である。図３に示す端部積層体１０４は、図１に示す端部積層体１００に換えて利用される。つまり、端部積層体１０４は、複数の発電セル（図１の符号２００）の積層方向の端部に積層される。そして、図３に示す端部積層体１０４は、導電板として機能するターミナル１０、断熱部材６０、フィルタ部材として機能するセパレータ２０ａ，４０ａの順に積層されている。
発電セルとの接触部にはセパレータ４０ａが設けられている。そして、セパレータ４０ａに対向してセパレータ２０ａが設けられ、セパレータ４０ａとセパレータ２０ａとによって、分離板３０が挟持されている。セパレータ４０ａとセパレータ２０ａは、各々、対向する面に溝が形成されている。
そして、セパレータ４０ａの表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路４２が形成され、また、セパレータ２０ａの表面の溝と分離板３０とによって囲まれる空間に不純物除去流路２２が形成される。セパレータ４０ａと分離板３０との隙間にはシール剤３５が充填され、また、セパレータ２０ａと分離板３０との隙間にはシール剤２５が充填されている。セパレータ２０ａとセパレータ４０ａは、例えば、ＳＵＳ材やカーボンによって形成される。
図３の端部積層体１０４においても、不純物除去流路２２が、例えば燃料ガスの流路に接続されており、そして、燃料ガスに含まれる不純物が不純物除去流路２２で除去されてから発電セルへ供給される。また、不純物除去流路４２が、例えば酸化ガスの流路に接続されており、そして、酸化ガスに含まれる不純物が不純物除去流路４２で除去されてから発電セルへ供給される。
さらに、図３の端部積層体１０４では、セパレータ２０ａとターミナル１０との間に断熱部材６０が設けられており、セパレータ２０ａとターミナル１０によって断熱部材６０を挟持した構造となっている。断熱部材６０は、例えばセラミック多孔質部材で形成され、ターミナル１０は、例えば銅で形成される。
図３の端部積層体１０４では、集電層として機能するターミナル１０に、不純物除去層として機能する流路や、冷却水の流路を設ける必要がない。また、ターミナル１０は、反応ガスや冷却水との接触がないため高い耐食性は必要なく、銅などで構成されても耐食処理などを省略することが可能になる。さらに、セパレータ２０ａとターミナル１０との隙間に充填されるシール剤１５を省略してもよい。
図４は、本発明に係る燃料電池の端部積層体の好適な実施形態４を説明するための図である。図４（Ａ）に示す端部積層体１０６、図４（Ｂ）に示す端部積層体１０８は、各々、図１に示す端部積層体１００に換えて利用される。つまり、端部積層体１０６，１０８は、複数の発電セル（図１の符号２００）の積層方向の端部に積層される。
図４（Ａ）の端部積層体１０６は、発電セルとの接触部に、フィルタ板として機能するセパレータ４０ｂが設けられている。セパレータ４０ｂは、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成される。そして、セパレータ４０ｂに対向してターミナル１０ｂが設けられ、セパレータ４０ｂとターミナル１０ｂとによって、断熱セパレータ６２が挟持されている。セパレータ４０ｂとターミナル１０ｂは、各々、対向する面に溝が形成されている。
そして、セパレータ４０ｂの表面の溝と断熱セパレータ６２とによって囲まれる空間に不純物除去流路４２が形成され、また、ターミナル１０ｂの表面の溝と断熱セパレータ６２とによって囲まれる空間に不純物除去流路２２が形成される。セパレータ４０ｂと断熱セパレータ６２との隙間にはシール剤６５が充填され、また、ターミナル１０ｂと断熱セパレータ６２との隙間にはシール剤１５が充填されている。
図４（Ａ）の端部積層体１０６においても、不純物除去流路２２が、例えば燃料ガスの流路に接続されており、そして、燃料ガスに含まれる不純物が不純物除去流路２２で除去されてから発電セルへ供給される。また、不純物除去流路４２が、例えば酸化ガスの流路に接続されており、そして、酸化ガスに含まれる不純物が不純物除去流路４２で除去されてから発電セルへ供給される。
図４（Ａ）の端部積層体１０６では、断熱セパレータ６２が断熱層としての機能と不純物除去流路２２，４２を分離する機能とを備えている。このため、断熱セパレータ６２は、断熱機能に加えて、反応ガスに対する耐食性を備えている必要がある。また、発電セルで発生した電気をターミナル１０ｂへ集電するために、断熱セパレータ６２は、導電性を備えている必要がある。そこで、断熱セパレータ６２は、例えば、カーボンなどをバインダにした独立気泡を有するＰＴＦＥ材料などによって形成される。
また、ターミナル１０ｂは集電層として機能するため、導電性の面を考慮すると、例えば銅などで形成されることが望ましい。但し、ターミナル１０ｂは不純物除去層としても機能しており、不純物除去流路２２に流れる反応ガスと接触する。そのため、ターミナル１０ｂを銅で形成する場合には、例えば不純物除去流路２２の部分に耐食処理などを施しておくことが望ましい。なお、耐食性の面を考慮すると、ターミナル１０ｂは、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成されてもよい。
図４（Ａ）の端部積層体１０６では、ターミナル１０ｂが集電層としての機能に加えて不純物除去層としても機能しており、さらに、断熱セパレータ６２が断熱層としての機能と不純物除去流路２２，４２を分離する機能とを備えている。このように各部材が複数の機能を備えているため、例えば、図１から図３に示した端部積層体に比べて、図４（Ａ）の端部積層体１０６では、さらにコンパクトな構成を実現することができる。
図４（Ｂ）の端部積層体１０８は、図４（Ａ）の端部積層体１０６を変形させた構造である。図４（Ｂ）の端部積層体１０８と図４（Ａ）の端部積層体１０６との相違は、図４（Ａ）のターミナル１０ｂに換えて、図４（Ｂ）ではターミナル１０とセパレータ２０ｂを利用している点である。
図４（Ｂ）の端部積層体１０８において、セパレータ４０ｂは、例えばＳＵＳ材やカーボンによって形成される。そして、セパレータ４０ｂに対向してセパレータ２０ｂが設けられ、セパレータ４０ｂとセパレータ２０ｂとによって、断熱セパレータ６２が挟持されている。セパレータ４０ｂとセパレータ２０ｂは、各々、対向する面に溝が形成されている。
そして、セパレータ４０ｂの表面の溝と断熱セパレータ６２とによって囲まれる空間に不純物除去流路４２が形成され、また、セパレータ２０ｂの表面の溝と断熱セパレータ６２とによって囲まれる空間に不純物除去流路２２が形成される。セパレータ４０ｂと断熱セパレータ６２との隙間にはシール剤６５が充填され、また、セパレータ２０ｂと断熱セパレータ６２との隙間にはシール剤１５が充填されている。さらに、集電層として機能するターミナル１０が、セパレータ２０ｂに積層されている。
図４（Ｂ）の端部積層体１０８では、集電層として機能するターミナル１０と、不純物除去層として機能するセパレータ２０ｂとを、別々の部材で形成することができる。このため、ターミナル１０については導電性を重視して、例えば銅を利用することができる。また、セパレータ２０ｂについては耐食性を重視して、例えばＳＵＳ材やカーボンを利用することができる。
ちなみに、図４（Ａ）（Ｂ）の断熱セパレータ６２に反応ガスの流路を設けて、不純物除去流路２２または不純物除去流路４２のいずれか一方の機能を断熱セパレータ６２で実現してもよい。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
例えば、図１から図４を利用して説明した実施形態では、分離板３０や断熱セパレータ６２によって二種類の反応ガスに対応した二層構造の不純物除去流路２２，４２が形成されている。これに換えて、前述の特許文献１（特開２００３−３３８３０５号公報）に示されるように、二種類の反応ガスに対応した流路を同一面内に形成する構成（特許文献１第１図参照）を採用してもよい。
二種類の反応ガスに対応した流路を同一面内に形成する場合、例えば、本願の図１の実施形態におけるセパレータ２０を削除して、セパレータ４０と分離板３０との接触面側に二種類の反応ガスに対応した流路（不純物除去流路）を形成すればよい。また、例えば、図４の実施形態におけるセパレータ４０ｂを削除して、不純物除去流路２２の面に二種類の反応ガスに対応した流路を形成してもよい。
また、図１から図４を利用して説明した実施形態では、断熱層および不純物除去流路を集電層より発電セル側に配置したが、集電層を、断熱層および不純物除去流路より発電セル側に配置する構造を採用してもよい。
【図１】
2007058054.tif 000003
【図２】
2007058054.tif 000004
【図３】
2007058054.tif 000005
【図４】
2007058054.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月29日(2007.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、酸化ガス流路および燃料ガス流路を有するセパレータと、を備えた発電に寄与する発電セルと、
膜電極接合体を有さず、発電に寄与しない非発電セルと、
前記発電セルと非発電セルを積層したスタックと、
を備えた燃料電池であって、
前記非発電セルは、複数の発電セルの積層方向の端部に積層され、発電セル側から、第１セパレータ、断熱部材、第２セパレータ、第３セパレータ、ターミナルの順に積層された積層構造を備え、
前記断熱部材は、第１セパレータと第２セパレータによって挟持されて発電セルからの放熱を少なくし、
前記第２セパレータと第３セパレータとの間に不純物除去流路が形成され、不純物除去流路によって前記スタックへ供給される流体に含まれる不純物が除去され、
前記ターミナルは、発電セルで発生した電気を集電する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池において、
前記第２セパレータと第３セパレータによって挟持される分離板を備え、分離板によって、不純物除去流路が酸化ガスと燃料ガスの二種類の反応ガスに対応した二種類の流路に分離される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池において、
前記断熱部材は、セラミック多孔質部材で形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池において、
前記第３セパレータと前記ターミナルは、互いに一体化されて一つの部材で形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、酸化ガス流路および燃料ガス流路を有するセパレータと、を備えた発電に寄与する発電セルと、
膜電極接合体を有さず、発電に寄与しない非発電セルと、
前記発電セルと非発電セルを積層したスタックと、
を備えた燃料電池であって、
前記非発電セルは、複数の発電セルの積層方向の端部に積層され、発電セル側から、第１セパレータ、第２セパレータ、断熱部材、ターミナルの順に積層された積層構造を備え、
前記第１セパレータと第２セパレータとの間に不純物除去流路が形成され、不純物除去流路によって前記スタックへ供給される流体に含まれる不純物が除去され、
前記断熱部材は、第２セパレータとターミナルによって挟持されて発電セルからの放熱を少なくし、
前記ターミナルは、発電セルで発生した電気を集電する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の燃料電池において、
前記第１セパレータと第２セパレータによって挟持される分離板を備え、分離板によって、不純物除去流路が酸化ガスと燃料ガスの二種類の反応ガスに対応した二種類の流路に分離される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求の範囲第５項に記載の燃料電池において、
前記断熱部材は、セラミック多孔質部材で形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、酸化ガス流路および燃料ガス流路を有するセパレータと、を備えた発電に寄与する発電セルと、
膜電極接合体を有さず、発電に寄与しない非発電セルと、
前記発電セルと非発電セルを積層したスタックと、
を備えた燃料電池であって、
前記非発電セルは、複数の発電セルの積層方向の端部に積層され、発電セル側から、第１セパレータ、断熱セパレータ、第２セパレータ、ターミナルの順に積層された積層構造を備え、
前記断熱セパレータは、第１セパレータと第２セパレータによって挟持されて発電セルからの放熱を少なくし、
前記第１セパレータの表面の溝と前記断熱セパレータとによって囲まれる空間に第１不純物除去流路が形成され、第１不純物除去流路によって、前記スタックへ供給される二種類の反応ガスのうちの一方の反応ガスに含まれる不純物が除去され、
前記第２セパレータの表面の溝と前記断熱セパレータとによって囲まれる空間に第２不純物除去流路が形成され、第２不純物除去流路によって、前記スタックへ供給される二種類の反応ガスのうちの他方の反応ガスに含まれる不純物が除去され、
前記ターミナルは、発電セルで発生した電気を集電する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池において、
前記第２セパレータと前記ターミナルは、互いに一体化されて一つの部材で形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【国際調査報告】
2007058054.tif 000007
2007058054.tif 000008
2007058054.tif 000009
2007058054.tif 000010