(57)【要約】【課題】アノードデットエンド運転型燃料電池において、ガス拡散層において、不純物の滞留を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供すること。【解決手段】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燃料電池であって、導電性多孔質部材によって形成され、アノードに積層され、燃料ガスをアノードに供給するための燃料ガス流路を成すガス拡散層と、ガス拡散層の外周部に配設され、燃料ガス流路から該燃料ガス流路の外部への燃料ガスの漏洩を抑制するためのシール部と、燃料ガスを供給するためのガス供給部と、ガス拡散層の外周の少なくとも一部とシール部との間に設けられる隙間によって形成され、ガス供給部から供給される燃料ガスを燃料ガス流路に供給する第１の燃料ガス供給流路と、を備える。【選択図】図６
2007207586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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燃料電池であって、
導電性多孔質部材によって形成され、前記アノードに積層され、前記燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス流路を成すガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外周部に配設され、前記燃料ガス流路から該燃料ガス流路の外部への前記燃料ガスの漏洩を抑制するためのシール部と、
前記燃料ガスを供給するためのガス供給部と、
前記ガス拡散層の外周の少なくとも一部と前記シール部との間に設けられる隙間によって形成され、前記ガス供給部から供給される前記燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する第１の燃料ガス供給流路と、
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、
前記ガス拡散層は、複数に分割されており、分割された各ガス拡散層において、少なくとも一部の隣接する各ガス拡散層の間に設けられる隙間によって形成され、前記第１の燃料ガス供給流路と連通し、前記第１のガス供給流路から供給される前記燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する第２の燃料ガス供給流路を備えることを特徴とする燃料電池。
【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、
前記ガス拡散層の外側において前記ガス拡散層と対向して接する第１のプレートと、第２のプレートと、前記第１および第２のプレートによって挟持される中間プレートとから形成され、さらに、前記第１および第２のプレートと前記中間プレートとを該プレートの厚さ方向に貫通し、前記燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを有するセパレータを備え、
前記第１のプレートは、
前記第１の燃料ガス供給流路に対応する位置に設けられ、前記厚さ方向に貫通する貫通口を備え、
前記中間プレートは、
一端が、前記燃料ガス供給マニホールドと連通し、他端が、前記貫通口と連通し、前記第１および第２のプレートとに挟持されることによって、前記燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスを前記貫通口に供給する流路を構成する第３の燃料ガス供給流路を備え、
前記貫通口は、前記ガス供給部として、前記ガス拡散層に略垂直な方向から前記第１の燃料ガス供給流路に前記燃料ガスを供給す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】
この発明は、燃料電池に関する、詳しくは、少なくとも通常発電中において、アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない燃料電池に関する。
【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、電解質膜と、電解質膜上に設けられるアノードと、さらに、アノード上に設けられるガス拡散層とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このガス拡散層は、例えば、所定のマニホールドから供給される水素を含有する燃料ガスをアノードに給排するための燃料ガス流路を形成し、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために多孔質な導電性部材から構成される。なお、このマニホールドを以下では、燃料ガス供給マニホールドとも呼ぶ。また、この燃料電池は、電解質膜において、アノードが設けられた面の反対面にカソードを備える。
【０００３】
この燃料電池において、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トエンド運転型の燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照）。このようなアノードデットエンド運転型燃料電池では、燃料ガス供給マニホールドからガス拡散層中に燃料ガスを供給する場合、燃料ガスをガス拡散層の所定の位置からガス拡散層全体に行き渡るように供給する。この場合、ガス拡散層において、燃料ガスが供給される場所を、以下では、ガス供給地点とも呼ぶ。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２１２８４号公報
【特許文献２】特開平９−３１２１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電時において、燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの電気化学反応により、カソードで水が生じる。この生成水は、電解質膜を介してアノード側にリークしてくる場合がある。また、酸化ガスに空気を用いる場合、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。アノードにおいて、これら生成水や窒素等は、発電を阻害する不純物となる。
【０００６】
一方、上述したようにアノードデットエンド運転型燃料電池では、ガス供給地点から、燃料ガスが、ガス拡散層全体に供給されるが、ガス拡散層において、燃料ガスは、ガス供給地点から略放射状にガス拡散層に広がるので、その流れにより、生成水や窒素等の不純物は、ガス供給地点から遠い部分に運ばれる。この場合、ガス拡散層において、ガス供給地点から遠い部分との間に形成される流路（以下では、遠方流路とも呼ぶ。）では、燃料ガスが流れる流路長が長くなり、燃料ガスの消費量が多くなるので、遠方流路には、ガス供給地点から新たに多くの燃料ガスが補給されることになる。これにより、遠方流路では、ガス供給地点から勢いよく燃料ガスが供給されることになる。従って、ガス拡散層において、ガス供給地点から遠い部分に運ばれた不純物は、遠方流路に新たに補給された燃料ガスの流速により、その流速に逆らって広がることを抑制され、その部分に押し込められ滞留するおそれがあった。これにより、ガス拡散層において、その部分に対する燃料ガスの供給が抑制され、そのため、その部分での発電が抑制されるおそれがあった。その結果、燃料電池全体の発電性能が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、アノードデットエンド運転型燃料電池において、ガス拡散層において、不純物の滞留を抑制し、燃料電池の発電性能の低下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】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
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燃料電池であって、
導電性多孔質部材によって形成され、前記アノードに積層され、前記燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス流路を成すガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外周部に配設され、前記燃料ガス流路から該燃料ガス流路の外部への前記燃料ガスの漏洩を抑制するためのシール部と、
前記燃料ガスを供給するためのガス供給部と、
前記ガス拡散層の外周の少なくとも一部と前記シール部との間に設けられる隙間によって形成され、前記ガス供給部から供給される前記燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する第１の燃料ガス供給流路と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、ガス供給部から供給された燃料ガスは、第１の燃料ガス供給流路を沿うように流れ、さらには、第１の燃料ガス供給流路からガス拡散層内に流入する。従って、ガス拡散層に形成される燃料ガス流路の流路長を短くすることができる。そのため、ガス拡散層において、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記ガス拡散層は、複数に分割されており、分割された各ガス拡散層において、少なくとも一部の隣接する各ガス拡散層の間に設けられる隙間によって形成され、前記第１の燃料ガス供給流路と連通し、前記第１のガス供給流路から供給される前記燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する第２の燃料ガス供給流路を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、ガス供給部から供給された燃料ガスは、第１の燃料ガス供給流路に加えて第２の燃料ガス供給流路に沿うように流れ、これらからガス拡散層内に流入する。従って、ガス拡散層に形成される燃料ガス流路の流路長をより短くすることができる。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記ガス拡散層の外側において前記ガス拡散層と対向して接する第１のプレートと、第２のプレートと、前記第１および第２のプレートによって挟持される中間プレートとから形成され、さらに、前記第１および第２のプレートと前記中間プレートとを該プレートの厚さ方向に貫通し、前記燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを有するセパレータを備え、
前記第１のプレートは、
前記第１の燃料ガス供給流路に対応する位置に設けられ、前記厚さ方向に貫通する貫通口を備え、
前記中間プレートは、
一端が、前記燃料ガス供給マニホールドと連通し、他端が、前記貫通口と連通し、前記第１および第２のプレートとに挟持されることによって、前記燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスを前記貫通口に供給する流路を構成する第３の燃料ガス供給流路を備え、
前記貫通口は、前記ガス供給部として、前記ガス拡散層に略垂直な方向から前記第１の燃料ガス供給流路に前記燃料ガスを供給するようにしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、上記セパレータにおける第１プレートの貫通口が、ガス供給部として機能し、第１の燃料ガス供給流路に燃料ガスを供給することが可能となる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。また、このような装置発明に限られず、燃料電池の製造方法などの方法発明の携帯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】
【００１５】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．セパレータ３０の構成：
Ａ３．単セル１０の構成：
Ａ４．燃料ガスの流れ：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．変形例：
【００１６】
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。
【００１７】
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）が供給される。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。水素タンク４００の代わりに、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ても良い。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、アノードから燃料ガスとともに不純物（生成水や窒素等）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。この配管４１７上には、シャットバルブ４３０が設けられる。このシャットバルブ４３０は、後述する制御回路５００によって、燃料電池１００の発電中は、基本的に、閉弁制御され、これにより、通常発電中は、配管４１７から燃料ガス等が排出されないようになっている。このように、燃料電池１００は、少なくとも通常発電中には、燃料電池１００の外部に燃料ガスの排出がなされない、いわゆる、アノードデットエンド運転型燃料電池である。なお、発電中において、アノード側（後述の第２ガス拡散層１５）に溜まった不純物の抜き取り等のため、シャットバルブ４３０を開弁する場合がある。この場合は、上記「通常発電中」に含まれない。
【００１８】
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。燃料電池１００には、さらに、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。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。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。
【００１９】
また、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、シャットバルブ４１０、シャットバルブ４３０、エアポンプ４４０、および循環ポンプ４６０等に対して種々の制御を行う。特に、本実施例の燃料電池１００において、制御回路５００は、発電中は、シャットバルブ４３０を閉弁制御する。また、制御回路５００は、非発電時には、燃料ガスと共に、アノード側（後述の第２ガス拡散層１５）に溜まった不純物を排出するために、シャットバルブ４３０を適宜開弁制御する。
【００２０】
図２は、第１実施例としての燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）は、図３〜図６のＡ−Ａ断面に沿った燃料電池１００（モジュール２００）の断面構成を表わしており、図２（ｂ）は、図３〜図６のＢ−Ｂ断面に沿った燃料電池１００（モジュール２００）の断面構成を表わしている。モジュール２００は、図２に示すように、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とも呼び、単セル１０面に平行な方向を面方向とも呼ぶ。
【００２１】
Ａ２．セパレータ３０の構成：
まず、本実施例の燃料電池１００に用いられるセパレータ３０を説明する。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、図２に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート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、図２のごとく重ね合わせて、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。
【００２２】
図３は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図４は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図５は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。アノード側プレート３２（図３）およびカソード側プレート３１（図４）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６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。
【００２３】
穴部４２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４３は、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）。なお、上述したように、燃料電池１００はアノードデットエンド運転型燃料電池であり、発電中は、シャットバルブ４３０が閉弁されており、この穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドからは、燃料ガス等は、排出されない。一方、非発電時において、シャットバルブ４３０が開弁されると、各単セル１０から、燃料ガスと共に、不純物が排出され、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドは、これらを外部へと導く。
【００２４】
また、穴部４０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、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１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、Ｏ２ outと表わす）。
【００２５】
さらに、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、水 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媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図７）は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。
【００２６】
アノード側プレート３２は、図３に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。カソード側プレート３１は、図４に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。中間プレート３３においては、図５に示すように、穴部４２，４３の形状が他のプレートとは異なっており、突出する複数の突出部である連通部５６，５７を備える形状となっている。この連通部５６，５７は、中間プレート３３とアノード側プレート３２とが積層されたときに連通孔５２，５３と重なり合って、燃料ガス供給マニホールドと連通孔５２、燃料ガス排出マニホールドと連通孔５３とが、それぞれ連通するように、各連通孔５２，５３に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４０，４１においても同様に、連通孔５０，５１に対応して、複数の連通部５４，５５がそれぞれ設けられている。
【００２７】
Ａ３．単セル１０の構成：
図２に示すように、単セル１０は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）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、上記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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、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び、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。
【００３０】
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、触媒電極を備える電解質膜２０を保持する保持部としても機能している。
【００３１】
図６は、シール部１６および第２ガス拡散層１５の概略断面構成を表わす平面図である。この図６は、図２（ａ）（ｂ）のＣ−Ｃ断面に沿った単セル１０の断面構成を表わしている。図６に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６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（クロスハッチ部分）が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図６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６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６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、ガスシール性を実現している。
【００３２】
Ａ４．燃料ガスの流れ：
ここで、図６に示すように、シール部１６の内縁に沿った線を、シール部内枠ラインＱと呼び、第２ガス拡散層１５の外周に沿った線を、ガス拡散層外周ラインＲと呼ぶ。そして、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層外周ラインＲとシール部内枠ラインＱとの間には、隙間部Ｕが形成されている。単セル１０とセパレータ３０とを積層した場合において、上述したアノード側プレート３２の連通孔５２は、この隙間部Ｕと対向する位置に配置されるようになっている（図６参照）。また、この場合、隙間部Ｕにおいて、連通孔５２と対向する部分の幅は、連通孔５２の直径と同程度な幅となっている。これにより、連通孔５２から流入する燃料ガスは、まず、隙間部Ｕに流れ込む。
【００３３】
図２（ａ）（ｂ）に示すように、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４２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５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、隙間部Ｕに積層方向から流入する。隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、図６に示すように、隙間部Ｕにおいて、ガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れ、さらには、ガス拡散層外周ラインＲから第２ガス拡散層１５の内部に向かって流入する。従って、これにより、第２ガス拡散層１５に形成される燃料ガス流路は、第２ガス拡散層１５の一端から他端まで形成されることが抑制され、短くなる。そのため、第２ガス拡散層１５において、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００３４】
第２ガス拡散層１５内の燃料ガス流路では、燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散し、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。燃料電池１００の非発電時において、制御回路５００によりシャットバルブ４３０が開弁されると、第２ガス拡散層１５中の燃料ガスは、不純物と共に、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００３５】
なお、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５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される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１４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１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。
【００３６】
また、中間プレート３３は、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３をカソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷却媒体が流れるための単セル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池１００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冷却媒体は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷却媒体は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００３７】
第２ガス拡散層１５は、請求項におけるガス拡散層に該当する。連通孔５２は、請求項における貫通口およびガス供給部に該当する。隙間部Ｕは、請求項における第１の燃料ガス供給流路に該当する。アノード側プレート３２およびカソード側プレート３１は、それぞれ、請求項における第１のプレートおよび第２のプレートに該当する。連通部５６は、請求項における第３の燃料ガス供給流路に該当する。
【００３８】
Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００ａにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ａの概略断面構成を表わす平面図である。図６に示した第１実施例と異なっている点は、図７に示すように、第２実施例の燃料電池１００ａにおける第２ガス拡散層１５ａが、第２ガス拡散層１５ａの長手方向（図７：ｙ方向。）において２つに分割され、それらの間に隙間部Ｖａが形成されている点である。この場合、アノード側プレート３２の連通孔５２を介して、隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、隙間部Ｕをガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れると共に、分岐点Ｗから隙間部Ｖａにも流れ、ガス拡散層外周ラインＲおよび隙間部Ｖａから第２ガス拡散層１５ａの内部に向かって流入する。このようにすれば、第２ガス拡散層１５ａに形成される燃料ガス流路の流路長は、第１実施例の場合と比べて、さらに、短くすることができる。そのため、第２ガス拡散層１５ａにおいて、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００ａ全体の発電性能の低下を抑制することができる。なお、この場合、第２ガス拡散層１５ａを長手方向に２つに分割しているが、本発明は、これに限られるものではなく、第２ガス拡散層１５ａを長手方向に３つ以上に分割し、その間に隙間部Ｖａを形成するようにしてもよい。このようにしても、上記効果を奏することができる。
【００３９】
ところで、隙間部Ｕにおいて、燃料ガスが流入する連通孔５２に近い方が、隙間部Ｕを流れる燃料ガスの流れが強い。また、隙間部Ｕにおいて、燃料ガスの流れが強いと第２ガス拡散層１５ａ内に燃料ガスが浸透しやすい。従って、第２ガス拡散層１５ａにおいて、連通孔５２に近い方が、隙間部Ｕを流れる燃料ガスが、内部に浸透しやすい。一方、本実施例の燃料電池１００ａにおける第２ガス拡散層１５ａは、２つに分割されているが、図７に示すように、分割された第２ガス拡散層１５ａのうち、燃料ガスが流入する連通孔５２に遠い側の第２ガス拡散層１５ａより、連通孔５２に近い側の第２ガス拡散層１５ａの面積が大きくなるように隙間部Ｖａを設けている。このようにすれば、分割された第２ガス拡散層１５ａのうち、連通孔５２に遠い側の第２ガス拡散層１５ａでは、第２ガス拡散層１５ａの内部まで燃料ガスが浸透しやすくなる。
【００４０】
Ｃ．第３実施例：
図８は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００ｂにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｂの概略断面構成を表わす平面図である。図６に示した第１実施例と異なっている点は、図８に示すように、第３実施例の燃料電池１００ｂにおける第２ガス拡散層１５ｂが、長手方向（ｙ方向）と垂直なｚ方向において４つに分割され、それらの間に隙間部Ｖｂが形成されている点である。
【００４１】
この場合、アノード側プレート３２の連通孔５２を介して、隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、隙間部Ｕをガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れると共に、分岐点Ｗｂからそれぞれ隙間部Ｖｂにも流れ、ガス拡散層外周ラインＲおよび隙間部Ｖｂから第２ガス拡散層１５ａの内部に向かって流入する。このようにすれば、第２ガス拡散層１５ｂに形成される燃料ガス流路の流路長は、第１実施例の場合と比べて、さらに、短くすることができる。そのため、第２ガス拡散層１５ｂにおいて、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００ｂ全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４２】
なお、この場合、第２ガス拡散層１５ｂをｚ方向に２つに分割しているが、本発明は、これに限られるものではなく、第２ガス拡散層１５ｂをｚ方向に複数分割し、その間に隙間部Ｖｂを形成するようにしてもよい。このようにしても、上記効果を奏することができる。
【００４３】
Ｄ．第４実施例：
図９は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００ｃにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｃの概略断面構成を表わす平面図である。図６に示した第１実施例と異なっている点は、図９に示すように、第４実施例の燃料電池１００ｃにおける第２ガス拡散層１５ｃが、長手方向（ｙ方向）において２つに分割され、それらの間に隙間部Ｖｃが形成され、さらに、分割された第２ガス拡散層１５ｃのうち、燃料ガスが流入する連通孔５２に遠い側の第２ガス拡散層１５ｃが、３つに分割され、それらの間に隙間部Ｖｃ’が形成されている点である。
【００４４】
この場合、アノード側プレート３２の連通孔５２を介して、隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、隙間部Ｕをガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れると共に、分岐点Ｗｃ１から隙間部Ｖｃに、そして、隙間部Ｖｃから分岐点Ｗｃ２を介して隙間部Ｖｃ’にも流れ、ガス拡散層外周ラインＲ、隙間部Ｖｃおよび隙間部Ｖｃ’から第２ガス拡散層１５ｃの内部に向かって流入する。このようにすれば、第２ガス拡散層１５ｃに形成される燃料ガス流路の流路長は、第１実施例の場合と比べて、さらに、短くすることができる。そのため、第２ガス拡散層１５ｃにおいて、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００ｃ全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４５】
なお、この場合、第２ガス拡散層１５ｃを長手方向に２つに分割しているが、本発明は、これに限られるものではなく、第２ガス拡散層１５ｃを長手方向に複数分割し、それらの間に隙間部Ｖｃを形成するようにしてもよい。さらに、分割した第２ガス拡散層１５ｃの少なくとも一つを、長手方向に対して垂直なｚ方向に複数に分割し、それらの間に、隙間部Ｖｃ’を形成するようにしてもよい。このようにしても、上記効果を奏することができる。
【００４６】
Ｅ．第５実施例：
図１０は、本発明の第５の実施例としての燃料電池１００ｄにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｄの概略断面構成を表わす平面図である。図６に示した第１実施例と異なっている点は、図１０に示すように、第５実施例の燃料電池１００ｄにおける第２ガス拡散層１５ｄが、長手方向と垂直なｚ方向において、２つに分割されて、それらの間に隙間部Ｖｄが形成され、さらに、分割された第２ガス拡散層１５ｄのうち、燃料ガスが流入する連通孔５２に近い側の第２ガス拡散層１５ｄが、２つに分割されている点である。
【００４７】
この場合、アノード側プレート３２の連通孔５２を介して、隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、隙間部Ｕをガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れると共に、分岐点Ｗｄ１から隙間部Ｖｄに、または、分岐点Ｗｄ２から隙間部Ｖｄ’にも流れ、ガス拡散層外周ラインＲ、隙間部Ｖｄおよび隙間部Ｖｄ’から第２ガス拡散層１５ｄの内部に向かって流入する。このようにすれば、第２ガス拡散層１５ｄに形成される燃料ガス流路の流路長は、第１実施例の場合と比べて、さらに、短くすることができる。そのため、第２ガス拡散層１５ｄにおいて、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００ｄ全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４８】
なお、この場合、第２ガス拡散層１５ｄを長手方向と垂直なｚ方向に２つに分割しているが、本発明は、これに限られるものではなく、第２ガス拡散層１５ｄを長手方向と垂直なｚ方向に複数分割し、それら間にそれぞれ隙間部Ｖｄを形成するようにしてもよい。さらに、分割した第２ガス拡散層１５ｄの少なくとも一つを、長手方向に複数に分割し、それら間に隙間部Ｖｄ’を形成するようにしてもよい。このようにしても、上記効果を奏することができる。
【００４９】
Ｆ．第６実施例：
図１１は、本発明の第６実施例としての燃料電池１００ｅにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｅの概略断面構成を表わす平面図である。図６に示した第１実施例と異なっている点は、図１１に示すように、第６実施例における隙間部Ｕが、ガス拡散層外周ラインＲの一部に対応する部分にのみ形成されている点、および、第６実施例の燃料電池１００ｅにおける第２ガス拡散層１５ｅが、長手方向において、２つに分割されて、それらの間に隙間部Ｕと連通する隙間部Ｖｅが形成されている点である。
【００５０】
本実施例では、アノード側プレート３２の連通孔５２を介して、隙間部Ｕに流入した燃料ガスは、隙間部Ｕをガス拡散層外周ラインＲに沿うように流れて、隙間部Ｖｅに流れると共に、ガス拡散層外周ラインＲおよび隙間部Ｖｅから第２ガス拡散層１５ｅの内部に向かって流入する。このようにすれば、第２ガス拡散層１５ｅに形成される燃料ガス流路は、燃料ガスが隙間部Ｖｅから流入するので、第１実施例の燃料電池１００と比較して短くなる。そのため、第２ガス拡散層１５ｅにおいて、燃料ガスの流速を抑制することができ、不純物が一定の場所に著しく滞留するのを抑制することができる。その結果、その場所で発電が阻害されるのを抑制することができ、燃料電池１００ｅ全体の発電性能の低下を抑制することができる。
【００５１】
なお、隙間部Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｃ’、Ｖｄ、Ｖｄ’、Ｖｅは、請求項における第２の燃料ガス供給流路に該当する。
【００５２】
Ｇ．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。
【００５３】
Ｇ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池は、発電中において、シャットバルブ４３０を閉弁させることで、発電中において燃料電池１００外部に燃料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、上記燃料電池において、穴部４３（すなわち、燃料ガス排出マニホールド）を設けずともよい。この場合、カソード側からアノード側に窒素等のリークの問題を解消するため、カソード２４に酸化剤として、高濃度の酸素を供給するようにしてもよい。
【００５４】
Ｇ２．変形例２：
上記第１ないし第５実施例のいずれかの燃料電池において、隙間部Ｕは、ガス拡散層外周ラインＲの外周に沿って枠状に形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。この燃料電池において、隙間部Ｕは、少なくとも、アノード側プレート３２の連通孔５２に対応する位置に設けられ、ガス拡散層外周ラインＲの一部の外周沿うように設けられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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実施例としての燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す説明図である。
【図３】アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。
【図４】カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。
【図５】中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【図６】シール部１６および第２ガス拡散層１５の概略断面構成を表わす平面図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池１００ａにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ａの概略断面構成を表わす平面図である。
【図８】本発明の第３実施例としての燃料電池１００ｂにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｂの概略断面構成を表わす平面図である。
【図９】本発明の第４実施例としての燃料電池１００ｃにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｃの概略断面構成を表わす平面図である。
【図１０】本発明の第５の実施例としての燃料電池１００ｄにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｄの概略断面構成を表わす平面図である。
【図１１】本発明の第６実施例としての燃料電池１００ｅにおけるシール部１６および第２ガス拡散層１５ｅの概略断面構成を表わす平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…単セル
１４…第２ガス拡散層
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…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０〜５３…連通孔
５４〜５７…連通部
５８…冷媒孔
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…配管
４３０…シャットバルブ
４４０…エアポンプ
４４４，４４６，４５５…配管
４５０…ラジエータ
４６０…循環ポンプ
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】
2007207586.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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