(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータの冷却水流路を構成する壁面の腐食される部分を低減することができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質層−電極接合体５と、第１セパレータ４Ａと、第２セパレータ４Ｃと、冷却水マニホールド１１１と、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃの少なくとも一方のセパレータの主面に、その厚み方向に貫通するように設けられた第１貫通孔１０Ａと、第１貫通孔１０Ａと連通する冷却水流路８と、第１貫通孔１０Ａと冷却水マニホールド１１１とを接続するように設けられた接続流路１１Ａと、を備え、電解質層１の厚み方向から見て、接続流路１１Ａは、該接続流路１１Ａの冷却水マニホールド１１１との接続端が、枠体３と面するように形成されている、燃料電池５０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層の周縁部を挟むように設けられた枠体と前記電解質層の主面に配置された一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、
板状に形成され、導電性を有する第１セパレータと、
板状に形成され、導電性を有する第２セパレータと、
前記枠体、前記第１セパレータ、及び前記第２セパレータを貫通するように設けられた冷却水マニホールドと、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に、その厚み方向に貫通するように設けられた第１貫通孔と、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に、前記第１貫通孔と連通するように設けられた冷却水流路と、
前記第１貫通孔と前記冷却水マニホールドとを接続するように設けられた接続流路と、を備え、
前記電解質層−電極接合体は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれ、
前記接続流路は、前記電解質層の厚み方向から見て、該接続流路の前記冷却水マニホールドとの接続端が前記枠体と面するように形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記第１貫通孔は、前記第１セパレータに設けられ、
前記冷却水流路は、前記第１セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、
前記接続流路は、前記第１セパレータの内面と反対側の主面である外面に設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１貫通孔は、前記第１セパレータに設けられ、
前記冷却水流路は、前記第１セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、
前記接続流路は、前記枠体に設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記接続流路は、前記枠体の前記第１セパレータと接触する主面に設けられている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記枠体には、前記第１貫通孔と連通するように連通孔が設けられ、
前記接続流路は、前記連通孔を介して前記第１貫通孔と前記冷却水マニホールドとを接続するように形成されている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記接続流路は、前記枠体内にトンネル状に形成されている、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記連通孔は、前記枠体の厚み方向に貫通するように形成され、
前記接続流路は、前記枠体の前記第２セパレータと接触する主面に設けられている、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第１貫通孔は、前記第１セパレータに設けられ、
前記冷却水流路は、前記第１セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、
前記枠体には、前記第１貫通孔と連通し、その厚み方向に貫通する第２貫通孔が設けられ、
前記接続流路は、前記第２セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記冷却水マニホールドは、前記第１セパレータの厚み方向に貫通するように設けられた第１冷却水マニホールド孔と、前記第２セパレータの厚み方向に貫通するように設けられた第２冷却水マニホールド孔と、前記枠体の厚み方向に貫通するように設けられた第３冷却水マニホールド孔と、を有し、
前記枠体の第３冷却水マニホールド孔は、その開口が前記電解質層の厚み方向から見て、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔の開口よりも小さくなるように形成されていて、
前記枠体には、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部を覆うように被覆部が設けられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記被覆部は、前記第１冷却水マニホールド孔及び前記第２冷却水マニホールド孔を構成する端面を覆うように形成されている、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記枠体は、絶縁材料によって構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池が複数積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の積層方向の両端にそれぞれ配置された一対の絶縁部材と、を備える、燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記冷却水流路は、前記第１セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、
前記第１貫通孔は、前記第１セパレータに隣接する前記第２セパレータに設けられ、
前記接続流路は、前記第１セパレータに隣接する前記第２セパレータの内面に設けられている、請求項１２に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有するアノードガスと空気など酸素を含有するカソードガスとに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。
【０００３】
燃料電池は、一般的には単セルを積層させて構成されているスタックを本体としている。セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、ＭＥＡは高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、導電性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。
【０００４】
ところで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、燃料電池の発電運転中には、セル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要があり、燃料電池内を適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不充分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりする。一方、セルを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等燃料電池の性能を低下させる。
【０００５】
これらの理由から、一般的に、燃料電池スタックには、冷却媒体が通流する冷却媒体マニホールドが、セルの積層方向に延びるように設けられている。また、燃料電池スタックにおける積層されたセルの間には、冷却媒体マニホールドと連通するように、冷却媒体流路が設けられている。また、セパレータには伝熱性の良い材料が用いられている。
【０００６】
この冷却媒体マニホールド及び冷却媒体流路に流通させる冷却媒体として、水を用いるのが一般的である。水を冷却媒体として使用する際に、イオン交換水のように導電率の低いものを使用しても、導電性を有しているため、冷却媒体マニホールドに充填された冷却水を介して、燃料電池スタック内のプラスとマイナスの部材間、具体的には、導電性を有するセパレータ間で短絡が生じる。その結果、セパレータに短絡電流が流れ、プラス側のセパレータに設けられた冷却媒体マニホールド孔を形成する壁面の腐食を招来していた。
【０００７】
このようなセパレータの腐食の問題を解決することを意図して、冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドは、燃料電池の積層方向に対する断面の内側において、突出した部分をもつ、燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１３８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料電池スタックの耐久性をより向上させるためには未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。すなわち、燃料電池システムの発電運転中には、冷却水は燃料電池スタック内を循環しているため、冷却水流路の入口には冷却水マニホールドから冷却水が次々に衝突している。このため、セパレータの腐食に用いられる冷却水の導電性を決めるイオン性の物質が絶えず供給される。したがって、セパレータの冷却水流路の入口を形成する部分の腐食が生じやすいことを見出した。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セパレータの冷却水流路を構成する壁面の腐食される部分を低減することができる、燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池は、電解質層と該電解質層の周縁部を挟むように設けられた枠体と前記電解質層の主面に配置された一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、導電性、かつ、板状に形成された第１セパレータと、導電性、かつ、板状に形成された第２セパレータと、前記枠体、前記第１セパレータ、及び前記第２セパレータを貫通するように設けられた冷却水マニホールドと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に、その厚み方向に貫通するように設けられた第１貫通孔と、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に、前記第１貫通孔と連通するように設けられた冷却水流路と、前記第１貫通孔と前記冷却水マニホールドとを接続するように設けられた接続流路と、を備え、前記電解質層−電極接合体は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれ、前記接続流路は、前記電解質層の厚み方向から見て、該接続流路の前記冷却水マニホールドとの接続端が前記枠体と面するように形成されている。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記燃料電池が複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両端にそれぞれ配置された一対の絶縁部材と、を備える。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記冷却水流路は、前記第１セパレータの前記電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、前記第１貫通孔は、前記第１セパレータに隣接する前記第２セパレータに設けられ、前記接続流路は、前記第１セパレータに隣接する前記第２セパレータの内面に設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックは、セパレータの冷却水流路を構成する壁面の腐食される部分を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池における第１セパレータの外面の概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す燃料電池における第１セパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示す燃料電池の枠体の概略構成を示す模式図である。
【図６】図６は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図７（Ａ）】図７（Ａ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材の概略構成を示す模式図である。
【図７（Ｂ）】図７（Ｂ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材の概略構成を示す模式図である。
【図７（Ｃ）】図７（Ｃ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材の概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本実施の形態１における変形例３の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本実施の形態１における変形例４の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池は、電解質層と枠体と一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、第１セパレータと、第２セパレータと、を備え、冷却水マニホールドと、第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に設けられた第１貫通孔と、第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの主面に第１貫通孔と連通するように設けられた冷却水流路と、第１貫通孔と冷却水マニホールドとを接続するように設けられた接続流路と、を備え、接続流路は、電解質層の厚み方向から見て、該接続流路の冷却水マニホールドとの接続端が枠体と面するように形成されている態様を例示するものである。
【００１８】
また、本実施の形態１に係る燃料電池では、第１貫通孔は、第１セパレータに設けられ、冷却水流路は、第１セパレータの電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、接続流路は、第１セパレータの内面と反対側の主面である外面に設けられていてもよい。
【００１９】
［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００は、燃料電池５０が複数積層されたセル積層体９０と、一対の絶縁部材９１、９１と、を備えている。セル積層体９０の両端の少なくとも一方（図１においては、両方）には、板状で、導電性を有する端セパレータ２１が配置されている。端セパレータ２１には、冷却水が通流するための冷却水供給マニホールド孔３１が設けられている。また、端セパレータ２１のセル積層体９０と接触する一方の主面には、冷却水供給マニホールド孔３１と連通するように、冷却水流路８が設けられている。
【００２１】
一対の絶縁部材９１、９１は、端セパレータ２１及びセル積層体９０を挟むように配置されている。絶縁部材９１は、周縁部材９１Ａと接続部材９１Ｂを有していて、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の絶縁材料で構成されている。周縁部材９１Ａは、板状に形成されていて、燃料電池５０の積層方向から見て、環状に形成されている。燃料電池５０の積層方向から見て、周縁部材９１Ａの内方には、集電板９３が配置されている。また、接続部材９１Ｂは、燃料電池スタック１００に冷却水を供給する冷却水供給経路（又は燃料電池スタック１００から冷却水が排出される冷却水排出経路）を構成する配管１０１を燃料電池スタック１００と接続するように構成されている。
【００２２】
絶縁部材９１の積層方向における外方には、該絶縁部材９１と接触するように、端板９２が配置されている。そして、端板９２、絶縁部材９１、集電板９３、端セパレータ２１、及びセル積層体９０は、図示されない締結具によって、締結されている。また、後述する冷却水供給マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４１、冷却水供給マニホールド孔（第２冷却水マニホールド孔）５１、及び冷却水供給マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６１は、燃料電池５０の積層方向につながって、冷却水マニホールド１１１が形成される。
【００２３】
［燃料電池の構成］
燃料電池５０は、高分子電解質膜（電解質層）１と一対の電極２Ａ、２Ｃとを有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）５と、枠体３と、第１セパレータ４Ａと、第２セパレータ４Ｃと、を備えている。
【００２４】
高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、枠体３も、高分子電解質膜１と同様に、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。枠体３の主面には、開口３Ａが設けられていて、燃料電池５０の積層方向（高分子電解質膜１の厚み方向）から見て、環状に形成されている（図５参照）。枠体３は、該高分子電解質膜１の周縁部を挟むように配設されている。また、枠体３の主面には、冷却水供給マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６１等の各マニホールド孔が設けられている（図３参照）。なお、枠体３は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、及び液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の絶縁材料で構成されていることが好ましい。また、枠体３は、射出成形等により作成することができる。
【００２５】
高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、一対の電極２Ａ、２Ｃがそれぞれ設けられている。電極２Ａ、２Ｃは、触媒層と、該触媒層の上に設けられたガス拡散層と、をそれぞれ有している（いずれも図示せず）。触媒層は、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。また、ガス拡散層は、ガス通気性と導電性を兼ね備えていて、ガス拡散層を構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
【００２６】
また、枠体３の両面には、一対のガスケット９、９が、それぞれ配設されている。ガスケット９は、電極２Ａ又は電極２Ｃを囲む部分と、後述する第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水供給マニホールド孔４１や第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水供給マニホールド孔５１等の各マニホールド孔を囲む部分と、これらの部分を接続する部分とで形成されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット９は、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止されれば、その形状は任意である。
【００２７】
第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃは、ＭＥＡ５、枠体３、及びガスケット９を挟むように配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池５０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ４Ａ、４Ｃは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板を用いてもよく、また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。
【００２８】
第１セパレータ４Ａの電極２Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、反応ガスが通流するための溝状の第１反応ガス流路６が設けられている。また、第１セパレータ４Ａの他方の主面（以下、外面という）には、冷却水が通流するための溝状の冷却水流路８が設けられている。また、第２セパレータ４Ｃの電極２Ｃと接触する一方の主面（以下、内面という）には、反応ガスが通流するための溝状の第２反応ガス流路７が設けられている。第１反応ガス流路６及び第２反応ガス流路７の構成は、任意であり、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート状に形成されていてもよく、渦巻状に形成されていてもよい。
【００２９】
ここで、図１乃至図３を用いて、第１セパレータ４Ａの構成についてさらに詳細に説明する。なお、第２セパレータ４Ｃは、第１セパレータ４Ａと同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
図２は、図１に示す燃料電池における第１セパレータの外面の概略構成を示す模式図である。また、図３は、図１に示す燃料電池における第１セパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【００３１】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ４Ａは、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。また、第１セパレータ４Ａの主面における周縁部には、その厚み方向に貫通する冷却水供給マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４１、冷却水排出マニホールド孔（第１冷却水マニホールド孔）４２、第１反応ガス供給マニホールド孔４３、第１反応ガス排出マニホールド孔４４、第２反応ガス供給マニホールド孔４５、及び第２反応ガス排出マニホールド孔４６が設けられている。
【００３２】
また、図１乃至図３に示すように、第１セパレータ４Ａの主面における周縁部には、第１セパレータ４Ａの厚み方向から見て、冷却水供給マニホールド孔４１と電極２Ａの外周との間に第１貫通孔１０Ａが設けられている。同様に、第１セパレータ４Ａの主面における周縁部には、第１セパレータ４Ａの厚み方向から見て、冷却水排出マニホールド孔４２と電極２Ａの外周との間に第１貫通孔１０Ｂが設けられている（図１では、図示せず）。
【００３３】
そして、図２に示すように、第１セパレータ４Ａの外面には、第１貫通孔１０Ａと第１貫通孔１０Ｂを連通するように冷却水流路８が設けられている。冷却水流路８は、ここでは、サーペンタイン状に形成されているが、これに限定されない。冷却水流路８は、例えば、ストレート状に形成されていてもよく、渦巻状に形成されていてもよい。
【００３４】
また、図３に示すように、第１セパレータ４Ａの内面には、第１反応ガス供給マニホールド孔４３と第１反応ガス排出マニホールド孔４４を連通するように、第１反応ガス流路６が設けられている。第１反応ガス流路６は、ここでは、サーペンタイン状に形成されているが、これに限定されない。第１反応ガス流路６は、例えば、ストレート状に形成されていてもよく、渦巻状に形成されていてもよい。さらに、第１セパレータ４Ａの内面には、冷却水供給マニホールド孔４１と第１貫通孔１０Ａと連通するように、溝状の接続流路１１Ａが設けられている。同様に、第１セパレータ４Ａの内面には、冷却水排出マニホールド孔４２と第１貫通孔１０Ｂと連通するように、溝状の接続流路１１Ｂが設けられている。
【００３５】
これにより、電極２Ａ及び電極２Ｃには、反応ガスがそれぞれ供給され、これらの反応ガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水マニホールド１１１を通流する冷却水を、接続流路１１Ａ及び第１貫通孔１０Ａを介して、冷却水流路８に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。また、冷却水流路８を通流した冷却水は、第１貫通孔１０Ｂ及び接続流路１１Ｂを通流して、冷却水排出マニホールド（図１では、図示せず）に排出される。なお、このように構成された燃料電池５０を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池５０を複数積層して燃料電池スタック１００として使用してもよい。
【００３６】
［燃料電池スタック（燃料電池）の作用効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）の作用効果について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００３７】
上述したように、燃料電池システムの発電運転中には、冷却水は燃料電池スタック内を循環しているため冷却水流路の入口には冷却水マニホールドから冷却水が次々に衝突している。このため、セパレータの腐食に用いられる冷却水の導電性を決めるイオン性の物質が絶えず供給される。したがって、セパレータの冷却水流路の入口を形成する部分の腐食が生じる。例えば、黒鉛板で構成されたセパレータでは、カーボンが水中の酸素原子と反応して、二酸化炭素になり、冷却水マニホールド孔を形成する壁面が侵食される。また、ＳＵＳ等の金属で構成されたセパレータでは、鉄等の金属イオンが溶出することによって、冷却水マニホールド孔を形成する壁面が侵食される。さらに、ＳＵＳ等の金属で構成されたセパレータでは、鉄等の金属イオンが溶出によって、冷却水の導電率を上昇させ、セパレータの腐食を加速させることとなる。
【００３８】
そして、特に、上記特許文献１に開示されている従来の燃料電池のように、冷却水流路と冷却水マニホールドとの接続口（冷却水流路の入口）をセパレータ間に設ける形態では、冷却水流路が設けられたセパレータだけでなく、当該セパレータと隣接するセパレータも、冷却水と接触することになる。このため、これらのセパレータともに、腐食する。
【００３９】
その結果、冷却水マニホールド（孔）を形成する壁面が侵食され、ガスケットを配置するためのシールラインの崩壊を招き、燃料電池スタックでの発電の継続が困難になるという課題があった。
【００４０】
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、冷却水マニホールド１１１から冷却水流路８に冷却水を供給する接続流路１１Ａを、該接続流路１１Ａの入口１１Ｃ（本実施の形態１においては、接続流路１１Ａ全体）が枠体３と面するように設けている。これにより、第１セパレータ４Ａと隣接する第２セパレータ４Ｃは、冷却水と接触せず、第１セパレータ４Ａのみが冷却水と接触するため、従来の燃料電池に比して、セパレータの腐食される部分を低減することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１においては、端セパレータ２１を設ける形態を採用したが、これに限定されず、端セパレータ２１を設けない形態を採用してもよい。
【００４２】
［変形例１］
次に、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。
【００４３】
本実施の形態１における変形例１の燃料電池は、第１貫通孔が、第１セパレータに設けられ、冷却水流路は、第１セパレータの電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、接続流路は、枠体に設けられている態様を例示するものである。
【００４４】
また、本変形例１の燃料電池では、接続流路は、枠体の第１セパレータと接触する主面に設けられていてもよい。
【００４５】
図４は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００４６】
図４に示すように、本実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池５０の構成が異なる。具体的には、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが、枠体３に設けられている点が異なる。ここで、枠体３の構成について、図５を参照しながら詳細に説明する。
【００４７】
図５は、図４に示す燃料電池の枠体の概略構成を示す模式図である。
【００４８】
図５に示すように、枠体３の主面には、その厚み方向に貫通する冷却水供給マニホールド孔６１、冷却水排出マニホールド孔（第３冷却水マニホールド孔）６２、第１反応ガス供給マニホールド孔６３、第１反応ガス排出マニホールド孔６４、第２反応ガス供給マニホールド孔６５、及び第２反応ガス排出マニホールド孔６６が設けられている。
【００４９】
そして、枠体３の第１セパレータ４Ａと接触する主面には、一端が冷却水供給マニホールド孔６１に接続されている接続流路１１Ａが設けられている。接続流路１１Ａの他端は、燃料電池５０を積層したときに、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａの第１貫通孔１０Ａと連通するように形成されている。なお、接続流路１１Ａの他端は、接続流路１１Ａが、燃料電池５０を積層したときに、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａの第１貫通孔１０Ａと連通するように形成されていれば、その位置は任意である。
【００５０】
同様に、枠体３の第１セパレータ４Ａと接触する主面には、一端が冷却水排出マニホールド孔６２に接続されている接続流路１１Ｂが設けられている。接続流路１１Ｂの他端は、燃料電池５０を積層したときに、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａの第１貫通孔１０Ｂと連通するように形成されている。なお、接続流路１１Ｂの他端は、接続流路１１Ｂが、燃料電池５０を積層したときに、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａの第１貫通孔１０Ｂと連通するように形成されていれば、その位置は任意である。
【００５１】
このように構成された本変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。
【００５２】
［変形例２］
次に、本実施の形態１における変形例２の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。
【００５３】
本実施の形態１における変形例２の燃料電池は、枠体には、第１貫通孔と連通するように連通孔が設けられ、接続流路は、連通孔を介して第１貫通孔と冷却水マニホールドとを接続するように形成されている態様を例示するものである。
【００５４】
また、本変形例２の燃料電池では、接続流路が、枠体内にトンネル状に形成されていてもよい。
【００５５】
図６は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図６においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００５６】
図６に示すように、本実施の形態１における変形例２の燃料電池スタック１００は、実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池５０の構成が異なる。具体的には、枠体３に第１貫通孔１０Ａと連通する連通孔１２Ａ及び第１貫通孔１０Ｂと連通する連通孔１２Ｂが設けられている点と、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが、枠体３の内部に設けられている点が異なる。
【００５７】
より詳しくは、本変形例２においては、枠体３は、プレート部材３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃから構成されている。ここで、枠体３のプレート部材３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃについて、図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら説明する。
【００５８】
図７（Ａ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材３０Ａの概略構成を示す模式図であり、図７（Ｂ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材３０Ｂの概略構成を示す模式図であり、図７（Ｃ）は、図６に示す燃料電池における枠体のプレート部材３０Ｃの概略構成を示す模式図である。
【００５９】
図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、プレート部材３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃの主面には、それぞれ、冷却水供給マニホールド孔６１等の各マニホールド孔が設けられている。また、図６及び図７（Ａ）に示すように、プレート部材３０Ａの主面には、第１貫通孔１０Ａ及び第１貫通孔１０Ｂと連通するように、連通孔１２Ａ及び連通孔１２Ｂが設けられている。
【００６０】
また、図６及び図７（Ｂ）に示すように、プレート部材３０Ｂの主面には、連通孔１２Ａと冷却水供給マニホールド孔６１とを接続する（連通する）ように、接続流路１１Ａが設けられている。同様に、プレート部材３０Ｂの主面には、連通孔１２Ｂと冷却水排出マニホールド孔６２とを接続する（連通する）ように、接続流路１１Ｂが設けられている。
【００６１】
そして、このように構成されたプレート部材３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃを、適宜な方法で接着して、枠体３を作製することができる。なお、枠体３は、例えば、二色成形によって作製してもよく、中空成形法により作製してもよい。
【００６２】
このように構成された本変形例２の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。
【００６３】
［変形例３］
次に、本実施の形態１における変形例３の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。
【００６４】
本実施の形態１における変形例３の燃料電池は、枠体には、第１貫通孔と連通するように連通孔が設けられ、接続流路は、連通孔を介して第１貫通孔と冷却水マニホールドとを接続するように形成されている態様を例示するものである。
【００６５】
本変形例３の燃料電池では、接続流路が、枠体の第２セパレータと接触する主面に設けられていてもよい。
【００６６】
図８は、本実施の形態１における変形例３の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図８においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００６７】
図８に示すように、本実施の形態１における変形例３の燃料電池スタック１００は、実施の形態１における変形例２の燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、連通孔１２Ａ及び連通孔１２Ｂが、枠体３をその厚み方向に貫通するように設けられている点と、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが、第２セパレータ４Ｃと接触する主面に設けられている点と、が異なる。
【００６８】
このように構成された本変形例３の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、実施の形態１における変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。また、本変形例３の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが枠体３内にトンネル状に設けられている。このため、接続流路１１Ａの入口１１Ｃ（本変形例３においては、接続流路１１Ａ全体）が、第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃと接触しない。これにより、
第１セパレータ４Ａ及び第２セパレータ４Ｃは、冷却水と接触しないため、従来の燃料電池に比して、セパレータの腐食される部分をより低減することができる。
【００６９】
［変形例４］
次に、本実施の形態１における変形例４の燃料電池スタック（燃料電池）について説明する。
【００７０】
本実施の形態１における変形例４の燃料電池は、第１貫通孔が、第１セパレータに設けられ、冷却水流路が、第１セパレータの電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、枠体には、第１貫通孔と連通し、その厚み方向に貫通する第２貫通孔が設けられ、接続流路が、第２セパレータの電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられている態様を例示するものである。
【００７１】
図９は、本実施の形態１における変形例４の燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図９においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００７２】
図９に示すように、本実施の形態１における変形例４の燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池５０の構成が異なる。具体的には、枠体３に第２貫通孔１３Ａ及び第２貫通孔１３Ｂ（図９では、図示せず）が設けられている点と、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが、第２セパレータ４Ｃに設けられている点と、が異なる。
【００７３】
より詳細には、枠体３の主面には、第１貫通孔１０Ａ及び第１貫通孔１０Ｂとそれぞれ連通するように、第２貫通孔１３Ａ及び第２貫通孔１３Ｂが設けられている。また、第２セパレータ４Ｃの内面には、第２貫通孔１３Ａ及び第２貫通孔１３Ｂとそれぞれ連通するように、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが設けられている。
【００７４】
このように構成された本変形例４の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、変形例１の燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。
【００７５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池は、冷却水マニホールドは、第１セパレータの厚み方向に貫通するように設けられた第１冷却水マニホールド孔と、第２セパレータの厚み方向に貫通するように設けられた第２冷却水マニホールド孔と、枠体の厚み方向に貫通するように設けられた第３冷却水マニホールド孔と、を有し、枠体の第３冷却水マニホールド孔は、その開口が電解質層の厚み方向から見て、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔の開口よりも小さくなるように形成されていて、枠体には、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面の少なくとも一部を覆うように被覆部が設けられている態様を例示するものである。
【００７６】
本実施の形態２に係る燃料電池では、被覆部が、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面を覆うように形成されていてもよい。
【００７７】
［燃料電池スタックの構成］
図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１０においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００７８】
図１０に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、枠体３に被覆部１４が設けられている点が異なる。
【００７９】
具体的には、冷却水供給マニホールド孔６１は、枠体３の厚み方向（高分子電解質膜１の厚み方向）から見て、第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水供給マニホールド孔４１及び第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水供給マニホールド孔５１よりも、その開口が小さくなるように形成されている。同様に、冷却水排出マニホールド孔６２は、枠体３の厚み方向から見て、第１セパレータ４Ａに設けられた冷却水排出マニホールド孔４２及び第２セパレータ４Ｃに設けられた冷却水排出マニホールド孔５２よりも、その開口が小さくなるように形成されている（図１０では、いずれも図示せず）。
【００８０】
そして、被覆部１４は、枠体３の厚み方向から見て、枠体３における冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）よりも内方に突出している部分１４Ａと、当該部分１４Ａから第１セパレータ４Ａ側に向かって、枠体３の厚み方向に延びる部分１４Ｂと、部分１４Ａから第２セパレータ４Ｃ側に向かって、枠体３の厚み方向に延びる部分１４Ｃと、から構成されている。部分１４Ｂには、接続流路１１Ａの入口１１Ｃと連通するように、貫通孔１４Ｄが設けられている。
【００８１】
これにより、冷却水供給マニホールド孔４１等の第１冷却水マニホールド孔を形成する第１セパレータ４Ａの端面（壁面）を冷却水が接触することを抑制することができる。また、冷却水供給マニホールド孔５１等の第２冷却水マニホールド孔を形成する第２セパレータ４Ｃの端面（壁面）を冷却水が接触することを抑制することができる。このため、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を形成する端面の腐食を抑制することができる。
【００８２】
また、冷却水マニホールド１１１から貫通孔１４Ｄを通過して接続流路１１Ａの入口１１Ｃに冷却水を供給することができる。なお、被覆部１４は、冷却水排出マニホールド孔４２（冷却水排出マニホールド孔５２）側にも、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水供給マニホールド孔５１）側と同様に形成されている。
【００８３】
部分１４Ｂは、冷却水供給マニホールド孔４１（冷却水排出マニホールド孔４２）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。同様に、部分１４Ｃは、冷却水供給マニホールド孔５１（冷却水排出マニホールド孔５２）を構成する端面（壁面）における周方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成されていることが好ましい。
【００８４】
また、部分１４Ｂは、冷却水供給マニホールド孔４１又は冷却水排出マニホールド孔４２を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが第１セパレータ４Ａの厚み方向の長さと同じであることが好ましい。同様に、部分１４Ｃは、冷却水供給マニホールド孔５１又は冷却水排出マニホールド孔５２を構成する端面（壁面）における高さ方向の腐食をより抑制する観点から、枠体３の厚み方向に対して垂直な方向から見て、その延伸方向の長さが第１セパレータ４Ａの厚み方向の長さと同じであることが好ましい。
【００８５】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）では、被覆部１４が、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を覆うように設けられているため、これらのマニホールド孔を形成する端面の腐食を抑制することができる。
【００８６】
なお、本実施の形態２においては、被覆部１４を部分１４Ａ、部分１４Ｂ、及び部分１４Ｃで構成したが、これに限定されず、部分１４Ａ及び部分１４Ｂで構成してもよく、また、部分１４Ａ及び部分１４Ｃで構成してもよい。
【００８７】
また、本実施の形態２においては、部分１４Ｂ及び部分１４Ｃを、枠体３の厚み方向から見て、環状に形成する形態を採用したが、これに限定されない。部分１４Ｂ及び部分１４Ｃは、枠体３の厚み方向から見て、第１冷却水マニホールド孔及び第２冷却水マニホールド孔を構成する端面（壁面）の少なくとも一部と対向するように形成されていれば、どのような形態であってもよい。例えば、部分１４Ｂ及び部分１４Ｃは、枠体３の厚み方向から見て、円弧状に形成されていてもよく、直線状に形成されていてもよい。
【００８８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池は、冷却水流路が、第１セパレータの電解質層−電極接合体と接触する側の主面である内面に設けられ、第１貫通孔は、第１セパレータに隣接する第２セパレータに設けられ、接続流路は、第１セパレータに隣接する第２セパレータの内面に設けられている態様を例示するものである。
【００８９】
［燃料電池スタックの構成］
図１１は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１１においては、燃料電池スタックの一部を省略し、燃料電池スタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【００９０】
図１１に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、第１貫通孔１０Ａ及び第１貫通孔１０Ｂと接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂが、冷却水流路８が設けられた第１セパレータ４Ａと隣接する第２セパレータ４Ｃに設けられている点が異なる（図１１においては、第１貫通孔１０Ｂ及び接続流路１１Ｂを図示せず）。具体的には、第１貫通孔１０Ａ及び第１貫通孔１０Ｂは、冷却水流路８が設けられた第１セパレータ４Ａと隣接する第２セパレータ４Ｃ（以下、隣接第２セパレータ４Ｃという）に冷却水流路８と連通するように設けられている。また、接続流路１１Ａ及び接続流路１１Ｂは、隣接第２セパレータ４Ｃの内面に設けられている。
【００９１】
このように構成された、本実施の形態３に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）
であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００（燃料電池５０）と同様の作用効果を奏する。
【００９２】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の燃料電池及び燃料電池スタックは、セパレータの冷却水流路を構成する壁面の腐食される部分を低減することができるため、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１  高分子電解質膜
２Ａ  電極
２Ｃ  電極
３  枠体
３Ａ  開口
４Ａ  第１セパレータ
４Ｃ  第２セパレータ
５  ＭＥＡ
６  第１反応ガス流路
７  第２反応ガス流路
８  冷却水流路
９  ガスケット
１０Ａ  第１貫通孔
１０Ｂ  第１貫通孔
１１Ａ  接続流路
１１Ｂ  接続流路
１１Ｃ  入口
１２Ａ  連通孔
１２Ｂ  連通孔
１３Ａ  第２貫通孔
１３Ｂ  第２貫通孔
１４  被覆部
１４Ａ  部分
１４Ｂ  部分
１４Ｃ  部分
１４Ｄ  貫通孔
２１  端セパレータ
３０Ａ  プレート部材
３０Ｂ  プレート部材
３０Ｃ  プレート部材
３１  冷却水供給マニホールド孔
４１  冷却水供給マニホールド孔
４２  冷却水排出マニホールド孔
４３  第１反応ガス供給マニホールド孔
４４  第１反応ガス排出マニホールド孔
４５  第２反応ガス供給マニホールド孔
４６  第２反応ガス排出マニホールド孔
５０  燃料電池
５１  冷却水供給マニホールド孔
５２  冷却水排出マニホールド孔
６１  冷却水供給マニホールド孔
６２  冷却水排出マニホールド孔
６３  第１反応ガス供給マニホールド孔
６４  第１反応ガス排出マニホールド孔
６５  第２反応ガス供給マニホールド孔
６６  第２反応ガス排出マニホールド孔
９０  セル積層体
９１  絶縁部材
９１Ａ  周縁部材
９１Ｂ  接続部材
９２  端板
９３  集電板
１００  燃料電池スタック
１０１  配管
１１１  冷却水マニホールド
【図１】
2012174486.tif 000003
【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（Ａ）】
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【図７（Ｂ）】
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【図７（Ｃ）】
2012174486.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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