(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜が局所的に乾燥することを抑制可能な固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池に用いられるセパレータ３０を、アノード対向プレート３１と、中間プレート３３と、カソード対向プレート３２とを重ね合わせて接合することによって構成する。そして、アノード対向プレートまたはカソード対向プレートに、プレート面について、二次元的に分散して配置された複数の水供給口貫通部６１を設ける。【選択図】図２
2007250259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して略垂直な方向から、水を前記積層体の表面に供給するための複数の水供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記水を前記複数の水供給口のそれぞれに供給するための水供給流路を形成する水供給流路形成部を備え、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池において、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池において、
前記冷却媒体流路形成部は、前記水供給流路形成部であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうち、前記複数の水供給口を備えるプレートは、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池において、
前記複数の水供給口および前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
前記積層体の表面に供給された前記燃料ガスを、前記固体高分子型燃料電池の外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面において、略等間隔の位置に形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池であって、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池であって、
前記アノード対向プレートが、前記複数の水供給口を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有し、固体高分子からなる電解質膜を備える燃料電池である（下記特許文献１参照）。このような固体高分子型燃料電池には、例えば、電解質膜の両面に、触媒電極（アノード（燃料極）またはカソード（酸素極））を配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池では、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガス、および、酸化ガス）が、触媒電極の周縁の一部から、触媒電極に供給される。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池は、良好な発電状態を維持するためには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。この場合、例えば、反応ガスを加湿することによって、電解質膜を湿潤状態に保つようにしていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の固体高分子型燃料電池において、加湿した反応ガスを触媒電極に供給する場合に、反応ガスを触媒電極の周縁の一部から供給することとすると、触媒電極に対して反応ガスが行き届かず、電解質膜の加湿がその部分で十分に行われない場合があった。その結果、電解質膜に局所的に乾燥する部分が生じてしまうおそれがあった。そのため、燃料電池の電池性能が低下してしまうおそれがあった。
【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、固体高分子型燃料電池において、電解質膜が局所的に乾燥することを抑制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】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池は、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して略垂直な方向から、水を前記積層体の表面に供給するための複数の水供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記水を前記複数の水供給口のそれぞれに供給するための水供給流路を形成する水供給流路形成部を備え、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを要旨とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池の積層体の表面、すなわち、アノードまたはカソードの表面に、複数の水供給口から水を二次元的に分散させて供給することができる。このようにして、供給された水は、アノードまたはカソードを介して、電解質膜に浸透する。従って、このようにすれば、電解質膜が局所的に乾燥することを抑制することができる。その結果、燃料電池の電池性能の低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、冷却媒体流路をさらに別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池を小型化することができる。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記冷却媒体流路形成部を、前記水供給流路形成部としてもよい。
【００１３】
このようにすれば、セパレータに、水供給流路形成部と冷却媒体流路形成部とを別々に形成する必要がないので、セパレータの加工が容易になる。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうち、前記複数の水供給口を備えるプレートは、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置してもよい。
【００１５】
このようにすれば、燃料電池の積層体の表面、すなわち、アノードまたはカソードの表面に、複数の反応ガス供給口から反応ガスを二次元的に分散させて供給することができる。従って、このようにすれば、反応ガスをアノードまたはカソードの表面に略均一に供給することが可能となる。その結果、燃料電池の電池性能の低下を抑制することが可能となる。
【００１６】
上記燃料電池において、
前記複数の水供給口および前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
前記積層体の表面に供給された前記燃料ガスを、前記固体高分子型燃料電池の外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、アノードに供給した燃料ガスを、燃費効率を上昇させることが可能となる。
【００１８】
上記燃料電池において、複数の水供給口の形状や、開口面積や、配置は、任意に設定可能であり、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面において、略等間隔の位置に形成されているようにしてもよい。
【００１９】
このようにすれば、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面全体に、面内分布を均一化して、水を二次元的に分散させて供給するようにすることができる。この結果、効率よく発電することができる。
【００２０】
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材としてもよい。
【００２１】
このようにすれば、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートの加工を容易に行うことができる。
【００２２】
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレートが、前記複数の水供給口を備えるようにしてもよい。
【００２３】
このようにすれば、電解質膜を、その厚さ方向において湿潤とすることが可能となる。
【００２４】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、セパレータの発明、または、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。また、上述のような装置発明の他、燃料電池の製造方法などの方法発明として構成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】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．単セル１０の構成：
Ａ３．セパレータ３０の構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、モジュール２００と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。モジュール２００は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、モジュール２００が、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、各モジュール２００を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
【００２７】
本実施例の燃料電池１００には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１００を冷却する冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）とに加えて、水タンク４８０から水が供給される。
【００２８】
具体的には、燃料電池１００のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク４００から、配管４１５を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。この場合、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成し、水素タンク４００の代わりとして、水素を供給するようにしてもよい。配管４１５には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ４１０および調圧バルブ（図示せず）が配置されている。また、燃料電池１００には、後述する燃料ガス排出マニホールドと接続され、アノードから電気化学反応に供されなかった燃料ガス（以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。）を燃料電池１００外部へ排出するための配管４１７が配置されている。
【００２９】
燃料電池１００のカソードには、エアポンプ４４０から、配管４４４を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００のカソードから排出された空気は、配管４４６を介して大気中に放出される。この排ガスを、酸化排ガスとも呼ぶ。
【００３０】
また、燃料電池１００には、ラジエータ４５０から、配管４５５を介して、冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管４５５を介して、ラジエータ４５０に送られ、再び燃料電池１００に循環される。配管４５５上には、循環のための循環ポンプ４６０が配置されている。
【００３１】
さらに、燃料電池１００には、水供給ポンプ４８５によって、水タンク４８０から配管４８７を介して水が供給される。この水は、後述するように、燃料電池１００のアノードに供給される。
【００３２】
制御回路５００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、燃料電池１００の発電に伴い、上記した各部、すなわち、シャットバルブ４１０、エアポンプ４４０、循環ポンプ４６０および水供給ポンプ４８５等に対して種々の制御を行う。
【００３３】
Ａ２．単セル１０の構成：
図２は、第１実施例の燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略断面構成を示す説明図である。図２に示すように、モジュール２００は、セパレータ３０と単セル１０とを交互に積層して構成される。なお、以下では、セパレータ３０と単セル１０とを積層する方向を積層方向（ｘ方向に該当）とも呼び、単セル面に平行な方向を面方向とも呼ぶ。
【００３４】
単セル１０は、膜−電極接合体（以下では、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）と呼ぶ。）と、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５と、シール部１６とを備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるアノード２２およびカソード２４と、これら触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。なお、ＭＥＡにおいて、実際に発電が行なわれる部分を以下では、発電領域とも呼ぶ。
【００３５】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２２およびカソード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第１ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。
【００３６】
第２ガス拡散層１４，１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製の導電性多孔質体によって形成される。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。この場合、特に、第２ガス拡散層１４には、燃料ガスが供給され、燃料ガスが流れるので、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。また、第２ガス拡散層１５には、酸化ガスが供給され、酸化ガスが流れるので、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。
【００３７】
シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡおよび第２ガス拡散層１４，１５の外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。このようなシール部１６は、例えば、金型のキャビティ内にＭＥＡの外周部が収まるようにＭＥＡを配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、樹脂材料が多孔質部材である第１ガス拡散層内に含浸されて、ＭＥＡとシール部１６とが隙間なく接合され、ＭＥＡの両面間のガスシール性を確保することができる。なお、シール部１６は、ＭＥＡを保持する保持部としても機能している。
【００３８】
図３は、図２のモジュール２００におけるＡ−Ａ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、矩形状の薄板状部材であり、外周部に設けられ、各マニホールドを形成する７つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡおよび第２ガス拡散層１４，１５（斜線部分）が組み込まれている矩形状の穴部とを有している。なお、この図３における斜線部分は、発電領域に対応する。
【００３９】
また、図３の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図２に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池１００内では、上記各マニホールドを形成する７つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図２において一点鎖線で示す）を、図３の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向において、平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬの位置において、シール性を実現している。
【００４０】
なお、図３に示すシール部１６および第２ガス拡散層１４のＢ−Ｂ断面に沿った形状は、図２のシール部１６および第２ガス拡散層１４の断面形状に該当する。
【００４１】
Ａ３．セパレータ３０の構成：
図４は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。図５は、アノード対向プレート３１の形状を示す説明図である。図６は、カソード対向プレート３２の形状を示す説明図である。セパレータ３０は、積層方向に沿って見た外郭形状が同じである３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ３０は、第２ガス拡散層１４と接するアノード対向プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するカソード対向プレート３２と、アノード対向プレート３１およびカソード対向プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばチタン（Ｔｉ）といった金属によって形成される薄板状部材であり、重ね合わせて拡散接合等により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。なお、図４、図５、および、図６中に示す点線は、単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合に、発電領域（図３参照）の外郭に対応する。また、図４、図５、および、図６に示す中間プレート３３、アノード対向プレート３１、および、カソード対向プレート３２のＢ−Ｂ断面に沿った形状は、それぞれ、図２の中間プレート３３、アノード対向プレート３１、および、カソード対向プレート３２の断面形状に該当する。
【００４２】
中間プレート３３、アノード対向プレート３１およびカソード対向プレート３２は、図４、図５および図６に示すように、同様の位置に、７つの穴部（穴部４０〜４６）を備えている。これらの７つの穴部は、モジュール２００を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。
【００４３】
穴部４０は、燃料電池１００に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４１は、燃料電池１００から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。
【００４４】
穴部４２は、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ａｉｒ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ａｉｒ outと表わす）。
【００４５】
また、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、冷 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷却媒体を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、冷 outと表わす）。
【００４６】
さらに、穴部４６は、燃料電池１００に水タンク４８０から供給された水をアノード２２に分配するための水供給マニホールドを形成する（図中、水 inと表わす）。
【００４７】
中間プレート３３では、図４に示すように、穴部４０〜４６の形状が他のプレートと異なっている。中間プレート３３の穴部４０は、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域内を、穴部４６近傍付近まで長く突出する複数の突出部を備える形状となっている。この突出部を、以下では、連通部５０と呼ぶ。
【００４８】
また、中間プレート３３の穴部４６は、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域内を、穴部４０近傍付近まで長く突出する複数の突出部を備える形状となっている。この突出部を、以下では、連通部５１と呼ぶ。なお、図４に示すように、連通部５０と連通部５１とは、面方向において、互いに噛み合うように形成されている。
【００４９】
さらに、中間プレート３３の穴部４１，４２，４３は、それぞれ、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域方向に短く突出する複数の突出部を備える形状となっている。これらの突出部を、以下では、それぞれ、連通部５２，５３，５４と呼ぶ。
【００５０】
また、中間プレート３３の穴部４４と穴部４５とは、連通部５５によって、連通している。この連通部５５は、発電領域に対応する領域内を、連通部５０と連通部５１を避けるように蛇行して形成される。これにより、中間プレート３３と、アノード対向プレート３１およびカソード対向プレート３２とが積層されたときに、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドと穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドとが連通し、冷媒供給マニホールドから冷媒排出マニホールドへ冷却媒体が流れ、燃料電池１００内部の冷却が可能となる。
【００５１】
アノード対向プレート３１は、図５に示すように、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート３３の連通部５０に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部６０を備えている。従って、この貫通部６０は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート３１と中間プレート３３とが積層されたときに、この貫通部６０と穴部４０が形成する燃料ガス供給マニホールドとが、連通部５０を介して連通する。
【００５２】
また、アノード対向プレート３１は、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート３３の連通部５１に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部６１を備えている。従って、この貫通部６１は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート３１と中間プレート３３とが積層されたときに、この貫通部６１と穴部４６が形成する水供給マニホールドとが、連通部５１を介して連通する。
【００５３】
さらに、アノード対向プレート３１は、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート３３の連通部５２に対応する位置において、平行に配列する複数の穴部である貫通部６２を備えている。これにより、アノード対向プレート３１と中間プレート３３とが積層されたときに、この貫通部６２と穴部４１が形成する燃料ガス排出マニホールドとが、連通部５２を介して連通する。
【００５４】
カソード対向プレート３２は、図６に示すように、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート３３の連通部５３と対応する位置において、平行に配列する複数の穴部である貫通部６３と、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート３３の連通部５４と対応する位置において、平行に配列する複数の貫通部６４を、それぞれ備えている。これにより、アノード対向プレート３１と中間プレート３３とが積層されたときに、この貫通部６３と穴部４２が形成する酸化ガス供給マニホールドと、および、貫通部６４と穴部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドと、がそれぞれ、連通部５３、連通部５４を介して連通する。
【００５５】
燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４６が形成する水供給マニホールドを流れる水は、中間プレート３３（図４）の連通部５５が形成する空間（図２参照）と、アノード対向プレート３１（図５）において、二次元的に分散して設けられる貫通部６１とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路（燃料ガス流路）へと流入し、アノード２２を介して電解質膜２０へ供給される。これにより、水を電解質膜２０に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜２０の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜２０が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池１００の運転状況により、供給した水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池１００を冷却することが可能となる。
【００５６】
燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５０が形成する空間と、アノード対向プレート３１において、二次元的に分散して設けられる貫通部６０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路（燃料ガス流路）へと流入し、面方向に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。そして、積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してアノード２２に至り、電気化学反応に供される。これにより、燃料ガスをアノード２２に対して二次元的に分散して供給することができ、燃料ガスをアノード２２の表面に略均一に供給することが可能となる。その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
ところで、電解質膜２０では、プロトンがアノード２２からカソード２４へ移動するが、この場合、プロトンは、水を引き付け水和した状態で移動する。一方、本実施例の燃料電池１００では、水供給マニホールドを流れる水を、アノード２２側から電解質膜２０に供給するようにしている。言い換えれば、本実施例の燃料電池１００では、水供給マニホールドを流れる水を、電解質膜２０に対して、プロトンの移動方向の上流側から供給しているので、電解質膜２０を、その厚さ方向において湿潤とすることができる。
【００５８】
なお、電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１４から、アノード対向プレート３１の連通部５２および中間プレート３３の連通部５２が形成する空間を介して、穴部４１が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００５９】
同様に、燃料電池１００の内部において、穴部４２が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５３が形成する空間と、カソード対向プレート３２（図６）の貫通部６３とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内ガス流路（酸化ガス流路）へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してカソード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１５から、カソード対向プレート３２の貫通部６４および中間プレート３３の連通部５４が形成する空間を介して、穴部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。
【００６０】
なお、本実施例における貫通部６１は、請求項における水供給口に該当する。連通部５１は、請求項における水供給流路形成部に該当する。連通部５５は、冷却媒体流路形成部に該当する。貫通部６０は、請求項における反応ガス供給口に該当する。連通部５０は、請求項における反応ガス供給流路形成部に該当する。
【００６１】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例に係る燃料電池１００ａの外観構成を示す説明図である。図８は、第２実施例における中間プレート３３Ａの形状を示す説明図である。図９は、第２実施例におけるアノード対向プレート３１Ａの形状を示す説明図である。図１０は、第２実施例におけるカソード対向プレート３２Ａの形状を示す説明図である。第２実施例の燃料電池１００ａは、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００６２】
本実施例の燃料電池１００ａが備える中間プレート３３Ａ、アノード対向プレート３１Ａ、および、カソード対向プレート３２は、図８、図９、および、図１０に示すように、それぞれ穴部４６が設けられていない。すなわち、燃料電池１００ａでは、水供給マニホールドが設けられていない。これに伴い、図７に示すように、燃料電池１００ａでは、水供給マニホールドへの水の供給のための水タンク４８０、水供給ポンプ４８５、および、配管４８７は、設けられていない。なお、図示は省略しているが、シール部１６においても、穴部４６は設けられていない。
【００６３】
本実施例の燃料電池１００ａは、燃料電池を冷却する冷却媒体として、水を用いる。そして、燃料電池１００ａでは、図７に示すように、配管４５５上に水タンク４８０Ａが設けられている。
【００６４】
上述したように、本実施例の燃料電池１００ａでは、水供給マニホールドが設けられていないので、それに伴い、中間プレート３３Ａでは、連通部５１が、アノード対向プレート３１では、貫通部６１が、それぞれ省略されている。
【００６５】
また、アノード対向プレート３１Ａは、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート３３Ａの連通部５１に対応する位置に、所定間隔に並んだ複数の穴部である貫通部６１Ａを備えている。従って、この貫通部６１は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート３１Ａと中間プレート３３Ａとが積層されたときに、この貫通部６１Ａと連通部５５が連通する。
【００６６】
以上のようにすれば、本実施例の燃料電池１００ａの内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる水は、中間プレート３３Ａ（図８）の連通部５５が形成する空間を流れつつ、アノード対向プレート３１Ａ（図９）において、二次元的に分散して設けられる貫通部６１Ａを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路（燃料ガス流路）へと流入し、アノード２２を介して電解質膜２０へ供給される。これにより、水を電解質膜２０に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜２０の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜２０が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池１００ａの運転状況により、供給する水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池１００を冷却することが可能となる。さらに、本実施例の燃料電池１００ａでは、第１実施例の燃料電池１００のごとく水供給マニホールドを設けることないので、セパレータ３０を構成する各プレートの加工が容易となり、また、各プレートを小型化することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施例の連通部５５は、請求項における冷却媒体流路形成部および水供給流路形成部に該当する。
【００６８】
Ｃ．第３実施例：
図１１は、第３実施例に係る燃料電池１００ｂの外観構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池１００ｂは、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、配管４１７上にシャットバルブ４９０を備えた構成となっている点以外は第１実施例の燃料電池１００と同様であり、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。シャットバルブ４９０は、制御回路５００によって制御される。
【００６９】
本実施例の燃料電池１００ｂは、エアポンプ４４０によって、カソード２４に酸化ガスが供給され、また、制御回路５００によって、シャットバルブ４１０が開弁されることにより、アノード２２に燃料ガスが供給され、さらに、制御回路５００によって、シャットバルブ４９０が閉弁された状態で発電を行う。このように、燃料電池１００ｂは、アノード２２に供給された燃料ガスを、燃料電池１００ｂの外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うアノードデットエンド運転型燃料電池となっている。なお、第２ガス拡散層１４中には、カソード２４側から電解質膜２０を介してリークしてきた窒素などの不純物が滞留する場合がある。このため、制御回路５００は、燃料排ガスと共に、第２ガス拡散層１４中に溜まった窒素等の不純物を排出するために、シャットバルブ４９０を適宜開弁制御する場合がある。
【００７０】
以上のように、本実施例の燃料電池１００ｂは、シャットバルブ４９０を閉弁し、燃料ガスを燃料電池１００ｂ内部に留めた状態で、発電を行うようにしているので、燃料ガスをアノード２２でほぼ消費することが可能となり、燃料ガスの燃費効率が向上する。そして、燃料ガスをアノード２２に対して二次元的に分散して供給することができ、燃料ガスをアノード２２の表面に略均一に供給することが可能になるので、アノード２２における燃料ガスの消費効率を向上することが可能となる。その結果、燃料電池１００ｂにおける電池性能を向上させることが可能となる。
【００７１】
Ｄ．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。
【００７２】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池では、アノード対向プレートに貫通部６１を設けて、アノード側に水供給マニホールドから水を二次元的に分散させて供給するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。カソード側に水供給マニホールドから水を二次元的に分散させて供給するようにしてもよい。この場合、例えば、カソード対向プレートに、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート３３の連通部５１に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部を設けるようにしてもよい。このようにすれば、水をカソード側から電解質膜２０に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜２０の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜２０が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池１００の運転状況により、供給した水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池１００を冷却することが可能となる。
【００７３】
Ｄ２．変形例２：
上記第３実施例の燃料電池は、発電中において、シャットバルブ４９０を閉弁させることで、発電中において燃料電池１００ｂの外部に燃料排ガスの排出を行わないようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、上記燃料電池１００ｂにおいて、穴部４３（すなわち、燃料ガス排出マニホールド）および配管４１７を設けずともよい。この場合、カソード２４側からアノード２２側にリークしてくる窒素等の不純物の滞留の問題を解消するため、カソード２４に、酸化ガスとして高濃度の酸素を供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略断面構成を示す説明図である。
【図３】図２のモジュール２００におけるＡ−Ａ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わす平面図である。
【図４】中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【図５】アノード対向プレート３１の形状を示す説明図である。
【図６】カソード対向プレート３２の形状を示す説明図である。
【図７】第２実施例に係る燃料電池１００ａの外観構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例における中間プレート３３Ａの形状を示す説明図である。
【図９】第２実施例におけるアノード対向プレート３１Ａの形状を示す説明図である。
【図１０】第２実施例におけるカソード対向プレート３２Ａの形状を示す説明図である。
【図１１】第３実施例に係る燃料電池１００ｂの外観構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…単セル
１４，１５…第２ガス拡散層
１６…シール部
２０…電解質膜
２２…アノード
２４…カソード
２６，２８…第１ガス拡散層
３０…セパレータ
３１…アノード対向プレート
３２…カソード対向プレート
３３…中間プレート
４０〜４６…穴部
４３…中間プレート
５０〜５５…連通部
６０〜６４…貫通部
１００…燃料電池
２００…モジュール
３００…エンドプレート
３１０…テンションプレート
３２０…ボルト
３３０…インシュレータ
３４０…ターミナル
４００…水素タンク
４１０…シャットバルブ
４１５，４１７，４４４，４４６，４５５，４８７…配管
４５０…ラジエータ
４６０…循環ポンプ
４８０…水タンク
４８５…水供給ポンプ
４９０…シャットバルブ
５００…制御回路
【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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