(57)【要約】【課題】金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させること。【解決手段】燃料電池ＦＣにおいて、各突状部６１と各へこみ部５１とは、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの面と平行な方向、並びに垂直な方向においても互いに離間して配置されている。すなわち、シール部材１０の厚さは、各突状部６１の先端部と各へこみ部５１の底面との間に所定の隙間が形成される厚さとされている。【選択図】図７
2007305325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、１または複数のへこみ部を有する金属製支持フレームと、
前記金属製支持フレームの両面に配置される一対の金属製セパレータであって、各前記へこみ部に対応する１または複数の突状部を有する金属製セパレータと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材と
を備える燃料電池。
【請求項２】
燃料電池であって、
１または複数のへこみ部を有する一対の金属製セパレータと、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、前記一対の金属製セパレータがその両面に配置されると共に各前記へこみ部に対応する１または複数の突状部を有する金属製支持フレームと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材と
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記シール部材は、
前記各突状部の先端部が前記各へこみ部の開口面と同一面内または前記各へこみ部に内包されるように前記離間距離を規定することによって、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損を前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、
前記各突状部は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する整流部である燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、
前記各突状部は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する整流部である燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は水素分離膜型の膜電極接合体である燃料電池。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
前記各突状部および前記各へこみ部は矩形断面を有する燃料電池。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に無機酸化物が用いて、比較的高い運転温度で稼働される燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素透過膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）が知られている。発電効率の観点からは、電解質は薄いことが望まれるが、無機酸化物は、一般的に脆い特性を有している。したがって、薄い無機酸化物を電解質に用いる燃料電池システムにおいては、電解質を支持、補強するための支持フレームを備えることが好ましい。
【０００３】
例えば、固体電解質の一面に水素透過性金属層が形成され、他面にカソード電極が形成される膜電極接合体を備える水素分離膜形燃料電池では、膜電極接合体を補強するために、膜電極接合体の外縁を支持する支持フレームが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４３４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高い運転温度で稼働される燃料電池システムでは、支持フレームにも耐熱性が要求される。カーボン材は高い稼働温度で使用されることによって脆くなり、単電池積層時における締結荷重に対する強度が不十分となり、セラミックス材は耐熱性に優れるものの、単電池積層時における締結荷重に対して十分な強度を有していないという課題がある。したがって、支持フレームとして金属製の支持フレームが用いられる傾向にある。
【０００６】
また、金属製セパレータまたは支持フレームには、反応ガス供給マニホールドから膜電極接合体に対して反応ガスを導くための、あるいは、膜電極接合体から反応ガス排出マニホールドに対して反応に供された反応ガスを導くための整流フィンが形成若しくは備えられている。一般的に、膜電極接合体を含む支持フレームは、ガスケットを介して金属製セパレータによって挟持される。
【０００７】
したがって、例えば、金属製支持フレームに導電性を有する整流フィンが形成されている場合であって、整流フィンの高さが高い場合には、金属製セパレータと金属製支持フレームとの間で短絡が発生してしまうという問題があった。一方、短絡を回避するために、整流フィンの高さを低くすれば十分な整流効果を得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、燃料電池を提供する。本発明に第１の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、１または複数のへこみ部を有する金属製支持フレームと、前記金属製支持フレームの両面に配置される一対の金属製セパレータであって、各前記へこみ部に対応する１または複数の突状部を有する金属製セパレータと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材とを備える。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、各金属製セパレータと金属製支持フレームとの離間距離が各突状部の長さ以下であると共に、各突状部の先端と各へこみ部の底部とが離間しているので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、１または複数のへこみ部を有する一対の金属製セパレータと、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、前記一対の金属製セパレータがその両面に配置されると共に各前記へこみ部に対応する１または複数の突状部を有する金属製支持フレームと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材とを備える。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、各金属製セパレータと金属製支持フレームとの離間距離が各突状部の長さ以下であると共に、各突状部の先端と各へこみ部の底部とが離間しているので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。
【００１３】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記シール部材は、前記各突状部の先端部が前記各へこみ部の開口面と同一面内または前記各へこみ部に内包されるように前記離間距離を規定することによって、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損を前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くしても良い。各突状部の先端部が各へこみ部の開口面と同一面内または各へこみ部に内包されることによって、各突状部と各へこみ部とによって形成される流路に流れるためには流動方向が変更されることとなり、圧損が増大する。
【００１４】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、前記各突状部は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する整流部であっても良い。この構成では、各突状部によって、反応ガス供給部から膜電極接合体へ所望の整流が施された反応ガスを供給することができる。
【００１５】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、前記各突状部は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する整流部であっても良い。この構成では、各突状部によって、膜電極接合体から反応ガス排出部へ所望の整流が施された反応ガスを排出することができる。
【００１６】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は水素分離膜型の膜電極接合体であっても良い。この構成を備えることによって、燃料電池の稼働に必要な運転温度を低くすることができる。
【００１７】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記各突状部および前記各へこみ部は矩形断面を有していても良い。この構成を備えることにより、反応ガスの整流効果を向上させることができる。
【００１８】
本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されていても良い。この構成を備えることによって、反応ガスの拡散性を向上させることができる。
【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。
【００２０】
・燃料電池システムの構成
図１〜図５を参照して、以下の実施例において共通して用いられる燃料電池システムＦＣＳについて説明する。図１は本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。図３は本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。図４は本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。図５は本実施例に用いられるアノード側金属製セパレータの金属製支持フレームとの対向面を示す説明図である。
【００２１】
本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、単電池１００が複数積層された積層体からなる燃料電池ＦＣ、燃料電池ＦＣに対して燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給源としての改質器ＦＲを備えている。燃料ガス供給源として改質器ＦＲを用いることによって、燃料電池ＦＣの運転温度域と同等温度の燃料ガスを燃料電池ＦＣに投入することができる。燃料電池ＦＣは、燃料ガス（アノードガス）供給部２５ａ、酸化ガス（カソードガス）供給部２６ａ、冷媒供給部２７ａ、燃料ガス排出部２５ｂ、酸化ガス排出部２６ｂ、冷媒排出部２７ｂを備えている。
【００２２】
燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部２５ａと改質器ＦＲとは燃料ガス供給管２００を介して接続されている。燃料ガス供給管２００の改質器ＦＲ近傍には、燃料電池ＦＣに供給する燃料ガス圧力を所定圧力に調整するための調圧弁Ｖ１が配置されている。なお、燃料ガスには、例えば、純水素、水素含有ガス（水素リッチガス）が用いられ、酸化ガスには空気（大気）が用いられる。
【００２３】
燃料ガス排出部２５ｂには燃料ガス排出管２０１が接続されている。本実施例では、燃料ガス排出管２０１は、大気に通じる排出分岐管２０１ａと燃料ガス供給管２００に接続される循環分岐管２０１ｂとに分岐されている。排出分岐管２０１ａにはバルブＶ２が配置されており、バルブＶ２が閉じられると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、再度、燃料電池ＦＣ内部に供給される。一方、バルブＶ２が開かれると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、大気中に排出される。なお、バルブＶ２が開かれる時の燃料オフガスの組成は、一般的に、窒素、水蒸気がそのほとんどを占めている。
【００２４】
燃料ガス供給部２５ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス供給マニホールド２０ａを介して、電解質膜のアノードへと供給される。電解質膜にて消費された燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス排出マニホールド２０ｂを介して燃料ガス排出部２５ｂから燃料ガス排出管２０１へ排出される。
【００２５】
図示しない酸化ガス供給ポンプによって、酸化ガス供給部２６ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される酸化ガス（一般的には、空気）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス供給マニホールド２１ａを介して、電解質膜のカソードへと供給される。電解質膜にて起電反応に供された酸化ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス排出マニホールド２１ｂを介して酸化ガス排出部２６ｂから燃料電池ＦＣ外部へと排出される。
【００２６】
冷媒供給部２７ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される冷媒（一般的には、純水）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒供給マニホールド２２ａを介して、セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面（電解質膜と対向しない面）に形成されている冷媒流路へと供給される。冷媒流路に供給され、起電反応に伴い発生した熱の一部を吸熱した冷媒は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒排出マニホールド２２ｂを介して冷媒排出部２７ｂから図示しない放熱器に導かれる。放熱器に導かれた冷媒は、循環ポンプによって繰り返し、冷媒供給部２７ａへと供給される。
【００２７】
図２を参照して、燃料電池ＦＣを構成する単電池１００の内部構成について簡単に説明する。単電池１００は、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂと、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に配置される金属製の支持フレーム５０を燃料電池構成部材として備えている。
【００２８】
金属製セパレータ６０ａ、６０ｂは燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられるガス不透過で導電性を有する板材である。各セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面、すなわち、セパレータ６０ａとセパレータ６０ｂとの接触面には冷媒を流動させるための複数の冷媒流路６２ａ、６２ｂが形成されている。各セパレータ６０ａ、６０ｂは、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。
【００２９】
金属製支持フレーム５０は、非自立型の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０を支持するための金属製フレームであり、本実施例においてはアノード側全体にわたって膜電極接合体３０を支持するための格子状部５６を備えている。格子状部５６は、膜電極接合体３０に対して燃料ガスを導くための複数の孔５６１を備えている。金属製支持フレーム５０は、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。金属製支持フレーム５０と膜電極接合体３０は、例えば、公知のクラッド法、レーザー溶接によって互いに接合される。
【００３０】
本実施例において用いられる膜電極接合体３０は、水素透過膜形の膜電極接合体である。膜電極接合体３０は、電解質層３１、水素透過膜層３２およびカソード３３を備えている。
【００３１】
電解質層３１は、プロトン伝導性を有する固体電解質によって形成されている。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物、例えば、ＢａＣｅ0.8Ｙ0.2Ｏ3や、ＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3にによって電解質層３１が形成されている。電解質層３１は、緻密な水素透過膜層３２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層２１をより薄く形成することによって電解質層２１の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度、例えば、４００℃〜６００℃で燃料電池を運転することができる。
【００３２】
水素透過膜層３２は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、本実施例では、パラジウム（Ｐｄ）によって形成されている。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素が透過する際に水素分子を解離させる活性を有する。水素透過膜層３２は更に、燃料電池ＦＣにおけるアノードとして機能する。
【００３３】
カソード３４は、電解質層３２上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード２４はパラジウムにより形成されている。カソード３４を、白金（Ｐｔ）等、水素透過性を有しない他種の貴金属により構成する場合には、充分に薄く形成するなどにより、カソード３４の外側（セパレータ６０ａ側）と電解質層３１との間にガス透過性を確保すればよい。
【００３４】
本実施例では支持フレーム５０の格子状部５６とセパレータ６０ｂによって形成される燃料ガス内部流路３７ａ、およびカソード３４とセパレータ６０ａとによって形成される酸化ガス内部流路３７ｃには、ガス拡散性を向上させるために、アノード側ガス拡散層３８ａ、カソード側ガス拡散層３８ｃがそれぞれ備えられている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃは、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する部材によって構成されている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃとしては、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体を用いることができる。
【００３５】
金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間には、燃料ガスおよび酸化ガスを単電池１００内部に止めるための燃料電池用シール部材１０が配置されている。燃料電池用シール部材１０は、耐熱性、シール性、絶縁性に優れた材料、例えば、無機材料から形成されている。
【００３６】
図１に示す燃料ガス供給マニホールド２５ａに供給された燃料ガスはアノード側ガス拡散層３８ａ介して膜電極接合体３０のアノード側に供給される。酸化ガス供給マニホールド２６ａに供給された酸化ガスはカソード側ガス拡散層３８ｃ介して膜電極接合体３０のカソード側に供給される。
【００３７】
図３および４を参照して金属製支持フレーム５０について説明する。先ず、金属製支持フレーム５０のアノード面（図３）とカソード面（図４）において共通する構成について以下に説明する。金属製支持フレーム５０は、積層時にセパレータ６０ａ、６０ｂ、シール部材１０と共に、燃料ガス供給マニホールド２５ａを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａ、燃料ガス排出マニホールド２５ｂを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂを備えている。金属製支持フレーム５０は同様に、酸化ガス供給マニホールド２６ａを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａ、酸化ガス排出マニホールド２６ｂを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂを備えている。金属製支持フレーム５０はさらに、積層時に冷媒供給マニホールド２７ａを形成する冷媒供給マニホールド形成部５２２ａ、冷媒排出マニホールド２７ｂを形成する冷媒排出マニホールド形成部５２２ｂを備えている。
【００３８】
金属製支持フレーム５０のアノード面およびカソード面の両面には、燃料ガス内部流路３７ａ、酸化ガス内部流路３７ｃを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するために金属製セパレータ６０ａ、６０ｂに形成されている突状部（整流部とも言う）６１の先端部を受け入れるためのへこみ部５１が複数形成されている。へこみ部５１は、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製支持フレーム５０上に形成される。突状部６１とへこみ部５１との関係については後述する。
【００３９】
金属製支持フレーム５０のアノード面には、既述の通り、膜電極接合体３０をアノード側底面から支持する格子状部５６が備えられている。格子状部５６は金属製支持フレーム５０の製造時に打ち抜き加工によって形成されても良く、あるいは、金属製支持フレーム５０に対応する開口部を形成しておき、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった複数の孔、またはスリットを有する別部材を接合することによって備えられても良い。なお、金属製支持フレーム５０は、膜電極接合体３０の少なくとも外縁を支持すれば良いので、格子状部５６を備えることなく、膜電極接合体３０の外縁を受けるためのフランジ部を有する開口部のみを備えていても良い。この場合、金属製支持フレーム５０のカソード面から見た開口部の面積は膜電極接合体３０の面積と略同一であり、アノード面の開口部面積は、フランジ部の面積分だけカソード面の開口部面積よりも小さい。
【００４０】
図５を参照して本実施例に用いられる金属製セパレータ６０ｂについて説明する。金属製セパレータ６０ｂは、積層時に金属製支持フレーム５０、シール部材１０と共に、燃料ガス供給マニホールド２５ａを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部６２０ａ、燃料ガス排出マニホールド２５ｂを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部６２０ｂを備えている。金属製セパレータ６０ｂは同様に、酸化ガス供給マニホールド２６ａを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部６２１ａ、酸化ガス排出マニホールド２６ｂを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部６２１ｂを備えている。金属製セパレータ６０ｂはさらに、積層時に冷媒供給マニホールド２７ａを形成する冷媒供給マニホールド形成部６２２ａ、冷媒排出マニホールド２７ｂを形成する冷媒排出マニホールド形成部６２２ｂを備えている。
【００４１】
金属製セパレータ６０ｂにおける金属製支持フレーム５０との対向面には、燃料ガス内部流路３７ａ、酸化ガス内部流路３７ｃを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するための突状部６１が複数形成されている。突状部６１は、例えば、切削加工、エッチング処理、プレス加工によって金属製セパレータ６０ｂ上に形成される。
【００４２】
ここでは、アノード側の金属製セパレータ６０ｂを例にとって説明したが、カソード側のセパレータ６０ａにも同様に複数のマニホールド形成部が形成されていると共に、複数の突状部６１が形成されている。
【００４３】
突状部６１とへこみ部５１の構成：
図６〜図８を参照して突状部６１とへこみ部５１の構成について詳述する。図６は単電池をアノード側から見た平面図であり、説明のため、金属製支持フレームに形成されている構成、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間に配置されている構成部材を点線にて示している。図７は図６中のＹ−Ｙ切断線で単電池を切断した断面を示す断面図である。図８は図７中の突状部とへこみ部とを拡大して示す説明図である。
【００４４】
図６は金属製支持フレーム５０におけるアノード面を示しているため、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａおよび燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂにはシール部材１０が配置されていない。したがって、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａから燃料ガス内部流路３７ａに供給された燃料ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部６１によって整流され、燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂへと導かれる。
【００４５】
なお、図６に示す燃料ガスの整流方向は例示であり、条件に応じて適宜変更される。例えば、燃料ガスおよび酸化ガスは金属製支持フレーム５０の長手方向に対して平行に流れるように整流部６１が配置されても良い。すなわち、整流部６１の配置パターンは、燃料ガスをどのように流すかによって適宜配置される。
【００４６】
なお、金属製支持フレーム５０のカソード面については図示しないが、金属製支持フレーム５０における酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａおよび酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂにはシール部材１０が配置されない。したがって、酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａから酸化ガス内部流路３７ｃに供給された酸化ガスは、複数の整流部６１によって整流され、酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂへと導かれる。
【００４７】
図６から明らかなように、各へこみ部５１に受け入れられている各突状部６１の先端部の外壁は、各へこみ部５１の内壁から離間しており、各突状部６１と各へこみ部５１との間に電気的な接触はない。各突状部６１と各へこみ部５１との位置的関係について図７および図８を参照して説明する。
【００４８】
図７および図８に示すとおり、各突状部６１と各へこみ部５１とは、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの面と平行な方向のみならず、垂直な方向においても互いに離間して配置されている。すなわち、シール部材１０の厚さ（高さ）は、各突状部６１の先端部と各へこみ部５１の底面との間に所定の隙間が形成される厚さとされている。
【００４９】
整流部は、本来、流体の流れ方向を整流部に沿う方向（概ね整流部に平行な方向）へと規制することによって、流体の流れを整流する。しかしながら、整流部の先端部と支持フレームとが離間していると、流体が整流部の先端部を跨いで（すり抜けて）、すなわち、流体が整流部と交差する方向に流れてしまうため、所期の整流効果を得ることができない。したがって、一般的に、整流部によって整流効果を得るためには整流部の高さは高い方が好ましい。すなわち、セパレータに整流部が形成されている場合には、整流部の先端部と支持フレームとが近接していることが好ましい。
【００５０】
一方、支持フレームおよびセパレータが導電性材料にて形成されている場合には、整流部の先端部と支持フレームとが接触することによって、支持フレームとセパレータとの間で短絡が発生してしまう。燃料電池においては、積層方向に締結荷重が加えられるので、積層方向と整流部の先端部の延伸方向とが一致する場合には、整流部の先端部と支持フレームとをある程度離間させることが要求される。この結果、整流効果の低下を招いてしまう。
【００５１】
これに対して、本実施例に係る燃料電池ＦＣでは、整流部としての各突状部６１の先端部が各へこみ部５１内に配置される構成を採ることによって絶縁と整流効果の両立を図っている。本実施例においては、突状部６１の先端部がへこみ部５１内に配置されるので、図７および図８中に矢印Ｆ１で示すスリップ流が突状部６１を跨ぐためには流れの向きが概ね９０度、すなわち、水平方向から垂直方向に変更されなければならない。一般的に、流れの向きの変更は抵抗となり、流体は抵抗の少ない部分に流れる特性を有しているため変更された向きへの流れは抑制または排除される。さらに、本実施例においては、突状部６１の外壁とへこみ部５１の内壁との離間距離が短く、両者６１、５１によって形成される流路５１１の圧損（流路抵抗）は、燃料ガス内部流路３７ａまたは酸化ガス内部流路３７ｃと比較すると、極めて大きくなる。本実施例において、流路５１１の圧損と反応ガス内部流路３７ａ、３７ｃの圧損との比率は、例えば、１０：１である。
【００５２】
この結果スリップ流Ｆ１の流れの向きは、矢印Ｆ２で示す向きへと変更され、突状部６１を跨ぐ流れを抑制または排除することができる。また、突状部６１を跨ぐ流れは、流れの向きが変更されること、流路５１１の大きな圧損によって抑制または防止されるので、突状部６１の先端部とへこみ部５１の底部との離間距離を比較的大きく採ることができる。したがって、積層時に印加される締結荷重を考慮した離間距離とすれば、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの電気的な接触を防止することができる。なお、単電池１００の積層時には、積層方向に垂直な方向、すなわち、金属製支持フレーム５０、金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの面と平行な方向、への移動、ズレはほとんど生じないので、突状部６１の外壁とへこみ部５１の内壁との離間距離は突状部６１の先端部とへこみ部５１の底部との離間距離よりも短くて良い。
【００５３】
なお、突状部６１およびへこみ部５１の形状は、スリップ流の流れの向きを変えるためには矩形、または、はっきりとしたエッジを有する形状であることが望ましいが、他の形状であっても良い。例えば、突状部６１が半球状の先端部を有し、へこみ部５１が半球状のへこみを有していても良い。
【００５４】
以上説明したように本実施例に係る燃料電池ＦＣによれば、整流部として金属製セパレータ６０ａ、６０ｂに形成されている各突状部６１の先端部が金属製支持フレーム５０に形成されている各へこみ部５１内に配置されている。したがって、突状部６１の先端部とへこみ部５１の底部との離間距離を比較的大きく採り金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間の絶縁を図ることができると共に、突状部６１を跨ぐスリップ流を抑制または防止して整流効果を向上することができる。
【００５５】
なお、本実施例は図９に示すように変更されても良い。図９は本実施例の変形例を示す説明図である。上記実施例においては、金属製セパレータ６０ａ、６０ｂに突状部６１が形成され、金属製支持フレーム５０にへこみ部５１が形成されていた。これに対して、本変形例では、金属製支持フレーム５０に突状部５２が形成され、金属製セパレータ６０ａ（６０ｂ）にへこみ部６３が形成される。本変形例においてもへこみ部６３に対する突状部５２の挿入代はシール部材１０の高さ（厚さ）によって調整される。
【００５６】
本変形例においても、上記実施例において説明したのと同様の関係が突状部５２とへこみ部６３との間に存在するので、上記実施例と同様の利点を得ることができる。
【００５７】
・その他の実施例：
（１）上記各実施例では水素透過膜形の膜電極接合体を例にとって説明したが、支持フレームによる支持が必要な非自立型の固体酸化物形の膜電極接合体に対しても適用され得ることは言うまでもない。非自立型の固体酸化物形膜電極接合体においても、締結過重、高い稼働温度の観点から膜電極接合体を支持するフレームとして金属製材料を用いなくてはならず、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間における絶縁性を確保しなければならないからである。
【００５８】
（２）上記実施例においては、突状部６１がへこみ部５１に内包されている例を用いて説明したが、突状部６１の先端部の先端面とへこみ部５１の開口面とが同一面内に配置されても良い。この場合にもスリップ流はそのまま突状部６１を跨ぐ（通過する）ことができず、スリップ流の抑制または防止を図ることができるからである。
【００５９】
（３）上記実施例においては、突状部６１（５２）の外周とへこみ部５１（６３）の内壁とが近接している例を用いて説明したが、突状部６１の外周とへこみ部５１の内壁とをある程度離間させて、突状部６１またはへこみ部５１に環状の突起または点状の突起を設けることによって反応ガス内部流路３７ａ、３７ｃの圧損よりも流路５１１の圧損を高くしても良い。
【００６０】
（４）上記各実施例では、へこみ部５１とへこみ部５１との間が広く、各へこみ部は溝状に形成されているが、対応する突状部６１が配置されていない部分についても切削またはエッチングすることによって薄い壁状部によって突起部６１が囲まれるようにしても良い。この場合には、反応ガス内部流路３７ａ、３７ｃの流路断面積を拡大することが可能となり、柔軟に流量の変更に対応することができる。一方、流路５１１の圧損は反応ガス内部流路３７ａ、３７ｃの圧損よりも高いまま維持することができる。
【００６１】
（５）上記各実施例では、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂとして金属製材料を用いて説明しているが、その他の導電性材料であって、金属製材料と同等の対締結過重性能を有する材料であれば同様にして用いることができる。この場合には、上記各実施例において用いられた整流部材５１によって提供される良好な絶縁性が要求されるからである。
【００６２】
（６）上記燃料電池システムの実施例では、格子状部５６を備えている金属製支持フレーム５０を用いて説明したが、格子状部５６を備えることなく開口部を備える金属製フレームを用いても良い。
【００６３】
（７）上記実施例では、膜電極接合体３０を支持する燃料電池構成部材を金属製支持フレーム５０と呼んでいるが、電池プレートと呼んでも良い。また、金属製セパレータ６０ａ、６０ｂは流路プレートと呼んでも良い。
【００６４】
以上、実施例に基づき本発明を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。
【図３】本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。
【図４】本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。
【図５】本実施例に用いられるアノード側金属製セパレータの金属製支持フレームとの対向面を示す説明図である。
【図６】金属製支持フレームに形成されている構成、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間に配置されている構成部材を点線にて示す、単電池をアノード側から見た平面図である。
【図７】図６中のＹ−Ｙ切断線で単電池を切断した断面を示す断面図である。
【図８】図７中の突状部とへこみ部とを拡大して示す説明図である。
【図９】本実施例の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池用シール部材
２５ａ…燃料ガス供給マニホールド
２５ｂ…燃料ガス排出マニホールド
２６ａ…酸化ガス供給マニホールド
２６ｂ…酸化ガス排出マニホールド
２７ａ…冷媒供給マニホールド
２７ｂ…冷媒排出マニホールド
３０…膜電極接合体
３１…電解質層
３２…水素透過膜層
３３…カソード
３７ａ…燃料ガス内部流路
３７ｃ…酸化ガス内部流路
３８ａ…アノード側ガス拡散層
３８ｃ…カソード側ガス拡散層
５０…金属製支持フレーム
５１…へこみ部
５２…突状部（整流部）
５６…格子状部
５６１…孔
５２０ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
５２０ｂ燃料ガス排出マニホールド形成部
５２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
５２１ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成部
５２２ａ…冷媒供給マニホールド形成部
５２２ｂ…冷媒排出マニホールド形成部
６０ａ…カソードセパレータ
６０ｂ…アノードセパレータ
６１…突状部（整流部）
６２ａ、６２ｂ…冷媒流路
６３…へこみ部
６２０ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
６２０ｂ燃料ガス排出マニホールド形成部
６２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
６２１ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成部
６２２ａ…冷媒供給マニホールド形成部
６２２ｂ…冷媒排出マニホールド形成部
１００…単電池
２００…燃料ガス供給管
２０１…燃料ガス排出管
２０１ａ…排出分岐管
２０１ｂ…循環分岐管
ＦＣＳ…燃料電池システム
【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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