(57)【要約】【課題】反応ガス導出入部におけるガス流路を十分に確保する。【解決手段】膜電極接合体と、金属板を加工することにより形成され、前記膜電極接合体に対向するように配置されたセパレータ３１０とを備える。セパレータ３１０は、膜電極接合体に対向する位置の外側の位置に、膜電極接合体の面方向に略垂直な反応ガス流路を構成する開口３１１と、開口３１１が形成される位置に含まれる前記金属板の一部が膜電極接合体側に折り返されて形成されるとともに、膜電極接合体と反対側の先端が前記開口の内側に突出する折り返し部３１２と、折り返し部３１２の前記突出した部分の両側面に位置し、折り返し部３１２により形成される内部流路空間と前記反応ガス流路とを連通する側面開口部３１８とを有する。【選択図】図６
2012069445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、
金属板を加工することにより形成され、前記膜電極接合体に対向するように配置されたセパレータと
を備え、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体に対向する範囲の外側の位置に、前記膜電極接合体の面方向に略垂直な反応ガス流路を構成する開口と、
前記開口が形成される位置に含まれる前記金属板の一部が所定の折り曲げ線で前記膜電極接合体側に折り返されて形成されるとともに、前記折り曲げ線の位置が前記開口の内側に突出する折り返し部と、
前記折り返し部の前記突出した部分の両側面に位置し、前記折り返し部により形成される内部流路空間と前記反応ガス流路とを連通する側面開口部と
を有する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記開口は、矩形状であり、
前記折り返し部の幅が、前記開口における前記折り返し部が備えられる側の辺の幅よりも小さい、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記折り返し部における前記折り曲げ線の位置に、前記内部流路空間と前記反応ガス流路とを連通する連通孔を有する、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが設けられ他方の面にカソードが設けられた構成の膜電極接合体を含む発電モジュールとセパレータとが交互に積層されたスタック構造の形態で利用される。燃料電池は、膜電極接合体に供給された反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【０００３】
燃料電池に供給された反応ガスはマニホールドを介して膜電極接合体に導かれ、膜電極接合体において利用されなかった反応ガスはマニホールドへと排出される。反応ガスのマニホールドから膜電極接合体への導入部分や膜電極接合体からマニホールドへの導出部分（以下、まとめて「反応ガス導出入部」とも呼ぶ）は、ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立が要求される。
【０００４】
金属製セパレータにおけるマニホールド用の開口が形成される部分を折り返し、折り返し部分にマニホールドと内部ガス流路空間とを連通する連通孔を設けることにより形成された反応ガス導出入部の構成が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２１９０５号公報
【０００６】
しかしながら、前記従来の技術では、連通孔が小孔であることから、反応ガスを導出入する際の圧損が大きく、十分なガス流路を確保することが困難であるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、反応ガス導出入部におけるガス流路を十分に確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  燃料電池であって、電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、金属板を加工することにより形成され、前記膜電極接合体に対向するように配置されたセパレータとを備え、前記セパレータは、前記膜電極接合体に対向する範囲の外側の位置に、前記膜電極接合体の面方向に略垂直な反応ガス流路を構成する開口と、前記開口が形成される位置に含まれる前記金属板の一部が所定の折り曲げ線で前記膜電極接合体側に折り返されて形成されるとともに、前記折り曲げ線の位置が前記開口の内側に突出する折り返し部と、前記折り返し部の前記突出した部分の両側面に位置し、前記折り返し部により形成される内部流路空間と前記反応ガス流路とを連通する側面開口部とを有する、燃料電池。
【００１０】
適用例１に記載の燃料電池によれば、セパレータに備えられる折り返し部の突出した部分の両側面に位置する側面開口部により、セパレータの内部流路空間と反応ガス流路が連通する。側面開口部は、折り返し部における開口の内側に突出した部分の全域にわたって形成されるもので、開口が比較的大きいことから、反応ガスを導出入する際の圧損が小さくて済む。このために、内部流路空間と反応ガス流路とを連通する十分なガス流路を確保することができる。
【００１１】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池であって、前記開口は、矩形状であり、前記折り返し部の幅が、前記開口における前記折り返し部が備えられる側の辺の幅よりも小さい、燃料電池。
【００１２】
適用例２に記載の燃料電池によれば、折り返し部の幅が、開口における折り返し部が備えられる側の辺の幅よりも小さいことから、側面開口部の外側に十分な空間をとることができ、側面開口部への反応ガスの導出入が容易となる。したがって、内部流路空間と反応ガス流路とを連通するガス流路をより確実に確保することができる。
【００１３】
［適用例３］  適用例１または２に記載の燃料電池であって、前記折り返し部における前記折り曲げ線の位置に、前記内部流路空間と前記反応ガス流路とを連通する連通孔を有する、燃料電池。
【００１４】
適用例３に記載の燃料電池によれば、側面開口部に加えて連通孔により、内部流路空間と反応ガス流路とを連通することができる。したがって、内部流路空間と反応ガス流路とを連通するガス流路を一層確実に確保することができる。
【００１５】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし３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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の単セル１４０の平面構成の概略を示す説明図である。
【図３】単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。
【図４】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図５】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図６】アノード側セパレータ３１０の開口３１１付近の構成を示す斜視図である。
【図７】アノード側セパレータ３１０の成形処理を示すフローチャートである。
【図８】アノード側セパレータ３１０の成形処理における各工程でのアノード側セパレータ３１０の状態を示す説明図である。
【図９】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図１０】第２実施例における燃料電池を構成する単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。
【図１１】第２実施例の変形例における燃料電池を構成する単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。
【図１２】第３実施例の燃料電池における開口３１１と折り返し部６１２とを示す説明図である。
【図１３】第４実施例の燃料電池における開口３１１と折り返し部７１２とを示す説明図である。
【図１４】第４実施例の変形例における開口３１１と折り返し部８１２とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１８】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００を備えている。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。
【００１９】
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池１００には、また、エアポンプ６０および配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００２０】
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された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７３を介してラジエータ７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。
【００２１】
図２は、燃料電池１００の単セル１４０の平面構成の概略を示す説明図である。単セル１４０は、後述するように、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含む発電モジュールを、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。
【００２２】
燃料電池１００の内部には、図２に示すように、燃料電池１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化剤ガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０において利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド１５４と、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池１００の積層方向（すなわち膜電極接合体の面方向に略垂直な方向）に伸びる形状の反応ガス流路である。燃料電池１００の内部には、さらに、冷却媒体を単セル１４０に分配する冷却媒体供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷却媒体を集めて燃料電池１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド１７４と、が形成されている。
【００２３】
図３は、単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。図３（ａ）には、単セル１４０における燃料ガス供給マニホールド１６２付近の部分（図２のＸ１部）の平面構成を拡大して示しており、図３（ｂ）には、単セル１４０における酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近の部分（図２のＸ２部）の平面構成を拡大して示している。また、図４および図５は、単セル１４０の断面構成を示す説明図である。図４（ａ）には図３（ａ）のＡ１−Ａ１断面を示しており、図４（ｂ）には図３（ａ）のＡ２−Ａ２断面を示している。図５（ａ）には図４（ａ）のＣ１−Ｃ１断面を示しており、図５（ｂ）には図４（ａ）のＣ２−Ｃ２断面を示しており、図５（ｃ）には図４（ａ）のＣ３−Ｃ３断面を示している。
【００２４】
図４に示すように、単セル１４０は、発電モジュール２００と、発電モジュール２００を挟持する一対のセパレータ（カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０）と、を有している。発電モジュール２００は、カソード側流路溝２３０と、カソード側拡散層２１７と、膜電極接合体２１０と、アノード側拡散層２１６と、アノード側流路溝２２０と、が、この順に配列された構成を有している。
【００２５】
膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の一方の側に配置（塗布）されたカソード２１５と、電解質膜２１２の他方の側に配置（塗布）されたアノード２１４と、から構成されている。図２には、単セル１４０の平面における発電モジュール２００の位置をハッチングにより示している。電解質膜２１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード２１５およびアノード２１４は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。
【００２６】
カソード側拡散層２１７およびアノード側拡散層２１６は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成されている。カソード側流路溝２３０およびアノード側流路溝２２０は、セパレータ３２０，３１０の表面に形成された溝（例えば、ストレート溝）であり、セパレータ３２０，３１０の組み付け後には、単セル内酸化剤ガス流路および単セル内燃料ガス流路として機能する。
【００２７】
なお、以下の説明では、発電モジュール２００の各層を積層する方向を単に「積層方向」と呼ぶものとし、膜電極接合体２１０の面方向（すなわち積層方向と略垂直な方向）を単に「面方向」と呼ぶものとする。また、面方向の内、燃料ガス供給マニホールド１６２や酸化剤ガス供給マニホールド１５２に最も近い発電モジュール２００の各層の外周辺に平行な方向をＹ方向と呼び、Ｙ方向に略垂直な面方向をＸ方向と呼ぶものとする（図３ないし図５参照）。
【００２８】
図４に示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２や酸化剤ガス供給マニホールド１５２に対向する位置において、電解質膜２１２のＸ方向に沿った長さは、発電モジュール２００を構成する他の層（アノード２１４やカソード２１５）の長さより長い。すなわち、燃料電池１００の積層方向から発電モジュール２００を見ると、電解質膜２１２は他の層よりＸ方向に突出している。図３（ａ）および（ｂ）には、単セル１４０の平面における電解質膜２１２と他の層（アノード２１４やカソード２１５）の位置をハッチングにより示している。電解質膜２１２の突出部分には、耐久性やハンドリング性の向上のために、ＰＥＮ等による保護層が設けられているとしてもよい。
【００２９】
アノード側セパレータ３１０およびカソード側セパレータ３２０は、金属板を加工して形成される。金属板は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。アノード側セパレータ３１０には、膜電極接合体２１０に対向する範囲より面方向外側の位置に、図３（ａ）に示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３１１が形成されていると共に、図３（ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３２１が形成されている。
【００３０】
図６は、アノード側セパレータ３１０の開口３１１付近の構成を示す斜視図である。図４（ａ）および図６に示すように、アノード側セパレータ３１０の燃料ガス供給マニホールド１６２を構成するための開口３１１に隣接した位置には、折り返し部３１２が形成されている。アノード側セパレータ３１０は、金属板を加工することにより形成されており、折り返し部３１２は、開口３１１が形成される位置に含まれる金属板の一部が、膜電極接合体２１０に向かう方向に折り返されることにより形成されている。
【００３１】
折り返し部３１２について、さらに詳しく説明する。折り返し部３１２がどのように成形されるかをまず説明する。図７は、アノード側セパレータ３１０の成形処理を示すフローチャートである。また、図８は、アノード側セパレータ３１０の成形処理における各工程でのアノード側セパレータ３１０の状態を示す説明図である。図８には、アノード側セパレータ３１０の燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３１１付近の部分の状態を示しているが、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３２１付近の部分の状態も同様である。
【００３２】
図７に示すように、アノード側セパレータ３１０の成形処理においては、まず、アノード側セパレータ３１０の材料としての金属板にプレス成形加工が施され、複数の凹部３１４が形成される（工程Ｓ１０）。図８（ａ）に示すように、複数の凹部３１４のそれぞれは、表面から凹な形状で、Ｘ方向に筋状に延び、Ｙ方向に沿って互いに平行に配列されている。複数の凹部３１４の形成位置は、金属板における開口３１１が形成される位置の内側の所定位置であるが、より詳しくは後述する。
【００３３】
次いで、アノード側セパレータ３１０の材料としての金属板に孔空け加工が施され、連通孔３１６が形成される（工程Ｓ２０）。図８（ｂ）には、金属板に複数の連通孔３１６が形成された様子を示している。複数の連通孔３１６は、Ｙ方向に沿って配列されている。複数の連通孔３１６の並びの位置は、複数の凹部３１４の並びに対して、Ｘ方向に沿った内側方向（膜電極接合体２１０に向かう方向）に第１間隙Ｓ１を空けた位置となっている。また、複数の連通孔３１６の並びの位置は、後ほど形成される開口３１１の膜電極接合体側の辺３１１ａに対して、Ｘ方向に沿った外側方向（膜電極接合体２１０から離れる方向）に第２間隙Ｓ２を空けた位置となっている。第２間隙Ｓ２は、第１間隙Ｓ１よりも長い。
【００３４】
複数の連通孔３１６は、ステップＳ１１０で形成した凹部３１４と同一の数だけ、Ｙ方向に沿って互いに所定間隔を空けて並んで配置されている。各連通孔３１６は、Ｙ方向に沿った位置が凹部３１４と重ならないように配置されている。なお、連通孔３１６の数と凹部３１４の数とは、必ずしも同一でなくてもよく、違う構成とすることもできる。また、複数の連通孔３１６は、Ｙ方向に沿った位置が凹部３１４と重ならないことが好ましいが、重なるように配置する構成とすることもできる。
【００３５】
続いて、工程Ｓ２０で連通孔形成後の金属板に孔空け加工が施され、開口ＨＬが形成される（工程Ｓ３０）。この開口ＨＬは、前述した開口３１１のもととなる穴で、開口３１１とは形状が少し異なる。詳しくは、図８（ｃ）に示すように、開口ＨＬは、工程Ｓ１０、Ｓ２０で形成した凹部３１４と連通孔３１６とを含む長方形部分ＲＴを、矩形から除いた形状となっている。長方形部分ＲＴは、開口ＨＬ（すなわち開口３１１）の膜電極接合体側の辺３１１ａと接している。すなわち、長方形部分ＲＴは、開口ＨＬ（開口３１１）の膜電極接合体側の辺３１１ａから、Ｘ方向に沿った外側方向（膜電極接合体２１０から離れる方向）に向かって突出した形状となっている。なお、長方形部分ＲＴの幅（Ｙ方向に沿った方向の長さ）Ｌは、開口３１１の膜電極接合体側の辺３１１ａよりも小さく、本実施例では、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３１１ではほぼ３分の１、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３２１ではほぼ５分の１となっている。なお、これら３分の１，５分の１等の比率は、この値に限る必要はなく、さまざまな値に換えることもできる。
【００３６】
工程Ｓ２０と工程Ｓ３０とは、必ずしもこの順で実行する必要はなく、逆の順で実行するようにしてもよい。また、工程Ｓ２０と工程Ｓ３０とは、同時に行う構成としてもよい。
【００３７】
その後、長方形部分ＲＴに折り曲げ加工が施され、折り返し部３１２が形成される（工程Ｓ４０）。図８（ｄ）には、長方形部分ＲＴが折り曲げ加工される様子を示している。長方形部分ＲＴに備えられる連通孔３１６の並びの位置を折り曲げ線ＬＮとして、矢印の方向、すなわち、膜電極接合体２１０側に折り返されて、折り返し部３１２が形成される。こうして、アノード側セパレータ３１０の成形処理が終了する。
【００３８】
図６に示すように、折り返し部３１２は、折り曲げ線ＬＮの位置が、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３１１の内側（Ｘ方向に沿った膜電極接合体２１０と反対の側）に突出した形で形成される。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、折り返し部３１２は、面方向に略垂直な（積層方向に略平行な）方向の厚み部分３１２ａと、面方向に略平行な平行部分３１２ｂと、積層方向において電解質膜２１２から見てアノード側拡散層２１６側に盛り上がった先端部分３１２ｃとにより構成されている。厚み部分３１２ａは、Ｕの字状に湾曲した形状となっている。平行部分３１２ｂは、全体として面方向に略平行であるが、厳密には、工程Ｓ１０で形成された凹部３１４が平行部分３１２ｂの外側表面（図４（ａ）の図中下側の表面）に形成されている。先端部分３１２ｃは平行部分３１２ｂに接続され、接続された側と反対側の端部（膜電極接合体２１０側の先端）は、アノード側拡散層２１６の積層方向外側表面に接している。
【００４０】
折り返し部３１２の平行部分３１２ｂおよび先端部分３１２ｃと、積層方向に沿って平行部分３１２ｂおよび先端部分３１２ｃに対向するアノード側セパレータ３１０の部分３１０ａとの間には、内部流路空間３５０が形成されている。また、折り返し部３１２の厚み部分３１２ａのＸ方向に沿った外側方向の先端（すなわち、折り曲げ線ＬＮの位置）に、前述した連通孔３１６が位置する。複数の連通孔３１６は、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通するためのものである。複数の連通孔３１６は、Ｙ方向に沿って互いに所定の間隔を空けて並んで配置される。
【００４１】
なお、折り返し部３１２は、開口３１１の膜電極接合体側の辺３１１ａからＸ方向に沿った外側方向に第２間隙Ｓ２を空けた位置を折り曲げ線ＬＮとして折り返しがなされて形成されたものであることから、この突出した部分の両側面（積層方向に沿った側面）に、Ｙ方向に向かって開いた開口３１８（図４（ａ）および図６参照：以下、「側面開口部」と呼ぶ）をそれぞれ形成する。側面開口部３１８も、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する働きをする。
【００４２】
図４（ｂ）には、図３（ａ）のＡ２−Ａ２断面を示している。図示するように、この位置には、折り返し部３１２がなく、アノード側セパレータ３１０とカソード側セパレータ３２０とが、単に対向している。
【００４３】
図４（ａ）に示すように、図３（ａ）のＡ１−Ａ１断面において、アノード側セパレータ３１０の折り返し部３１２の平行部分３１２ｂおよび先端部分３１２ｃと、その対向するカソード側セパレータ３２０の部分との間（図中のＲ１部分）は、シール材４１０によりシールされている。また、図４（ｂ）に示すように、図３（ａ）のＡ２−Ａ２断面において、アノード側セパレータ３１０の前述したＲ１部分に対応した部分と、カソード側セパレータ３２０の前述したＲ１部分に対応した部分との間（図中のＲ１部分）は、シール材４１０によりシールされている。シール材４１０の図中、右側端部は、アノード側拡散層２１６の積層方向に沿った端部と、膜電極接合体２１０の他の層から突出している部分と、カソード側拡散層２１７カソード側拡散層２１７とに接合している。シール材４１０は、シール箇所におけるシール機能と短絡防止機能とを発揮する。シール材４１０としては、例えば、接着剤や熱可塑性樹脂が用いられる。
【００４４】
同様に、図９に示すように、カソード側セパレータ３２０における酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成するための開口３２１には、折り返し部３２２が形成されている。アノード側セパレータ３１０における開口３１１に位置する折り返し部３１２と同様に、折り返し部３２２は、厚み部分３２２ａと、平行部分３２２ｂと、先端部分３２２ｃとにより構成され、厚み部分３２２ａには連通孔３２６が設けられ、平行部分３２２ｂにはＸ方向に筋状に延びる凹部３２４が設けられている。また、アノード側セパレータ３１０側と同様に、カソード側セパレータ３２０における酸化剤ガス供給マニホールド１５２に突出した部分の両側面（積層方向に沿った側面）に、Ｙ方向に向かって開いた側面開口部３２８をそれぞれ有する。複数の連通孔３２６および２つの側面開口部３２８は、酸化剤ガス供給マニホールド１５２と内部流路空間３７０とを連通する。
【００４５】
図３ないし図５、および図９には、単セル１４０における燃料ガス供給マニホールド１６２および酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近の構成を示したが、燃料ガス排出マニホールド１６４および酸化剤ガス排出マニホールド１５４付近の構成も同様である。
【００４６】
図４および図９に示すように、単セル１４０には、複数の単セル１４０を積層した際に、図２および図３に示す発電モジュール２００および各マニホールド用の開口を面方向に囲むシールラインＳＬを形成するために、ガスケット５００が配置されている。ガスケット５００は、射出成形により形成される。ガスケット５００は、凸部５０２を有している。ある単セル１４０に配置されたガスケット５００の凸部５０２は、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ３２０の表面に密着してシールラインＳＬを形成する。単セル１４０の平面におけるガスケット５００および凸部５０２の配置は、図２および図３に示すシールラインＳＬが形成されるような配置となっている。
【００４７】
アノード側セパレータ３１０に備えられる折り返し部３１２に形成された凹部３１４の積層方向に沿った位置は、前記シールラインＳＬの一部と重なる。また、カソード側セパレータ３２０に備えられる折り返し部３２２に形成された凹部３２４の積層方向に沿った位置も、前記シールラインＳＬの一部と重なる。
【００４８】
図４（ａ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２に供給された燃料ガスとしての水素は、連通孔３１６および側面開口部３１８を介して内部流路空間３５０に導かれる。内部流路空間３５０は、発電モジュール２００のアノード側拡散層２１６の表面に連通している。そのため、内部流路空間３５０に導かれた燃料ガスは、アノード側流路溝２２０を流動しつつアノード側拡散層２１６およびアノード２１４に供給される。発電モジュール２００において利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド１６４側に形成された図示しない内部流路空間を介して燃料ガス排出マニホールド１６４に排出される。
【００４９】
また、図９において矢印で示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２に供給された酸化剤ガスとしての空気は、連通孔３２６および側面開口部３２８を介して内部流路空間３７０に導かれる。内部流路空間３７０は、発電モジュール２００のカソード側拡散層２１７の表面に連通している。そのため、内部流路空間３７０に導かれた酸化剤ガスは、カソード側流路溝２３０を流動しつつカソード側拡散層２１７およびカソード２１５に供給される。発電モジュール２００において利用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド１５４側に形成された図示しない内部流路空間を介して酸化剤ガス排出マニホールド１５４に排出される。
【００５０】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３１０の折り返し部３１２における燃料ガス供給マニホールド１６２に突出した部分では、折り曲げ線ＬＮの位置に設けた複数の連通孔３１６に加えて、側面開口部３１８により側面側からも燃料ガスを導入することができる。したがって、燃料ガスを導入する際の圧損が少なくて済み、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する十分なガス流路を確保することができるという効果を奏する。また、これにより、ガス流路の閉塞を確実に防止することができるという副次的な効果も奏する。
【００５１】
また、第１実施例の燃料電池１００では、折り返し部３１２のＸ方向に沿った膜電極接合体２１０側の先端部分３１２ｃが、アノード側拡散層２１６の積層方向外側表面に接していることから、先端部分３１２ｃが膜電極接合体２１０を弾性的に押さえつける。このために、アノード側セパレータ３１０の折り返し部３１２が、カソード側セパレータ３２０と短絡することを防止することができる。
【００５２】
さらに、第１実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３１０に備えられる折り返し部３１２に形成された凹部３１４の積層方向に沿った位置は、前記シールラインＳＬの一部と重なることから、次の効果を奏する。凹部３１４は、折り返し部３１２の外側表面から凹な形状であることから、シールラインＳＬを構成するガスケット５００側には凸な形状となる。このため、ガスケット５００が、アノード側セパレータ３１０を押圧したとき、折り返し部３１２の凹部３１４で前記押圧されたアノード側セパレータ３１０の部分を裏側からバックアップすることができることから、アノード側セパレータ３１０のガスケット５００側の部分が潰れて隙間ができるようなことがなく、シールラインＳＬによるシール性を向上することができる。
【００５３】
なお、前述した効果は、アノード側セパレータ３１０の燃料ガス供給マニホールド１６２付近についてのものであるが、燃料ガス排出マニホールド１６４付近についても同様な構成により同様な効果を奏する。さらに、アノード側セパレータ３１０の酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近、および酸化剤ガス排出マニホールド１５４付近についても同様な構成により同様な効果を奏する。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
図１０は、第２実施例における燃料電池を構成する単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。第２実施例における単セル１４０ａは、カソード側流路２３０ａおよびアノード側流路２２０ａの構成の点が、第１実施例における単セル１４０の構成と異なっており、その他の点では第１実施例における単セル１４０の構成と同じである。第１実施例と同一の構成については、第１実施例と同じ符号を付した。
【００５５】
カソード側流路２３０ａおよびアノード側流路２２０ａは、いわゆる単セル内ガス流路を形成するが、第１実施例における単セル１４０では、この単セル内ガス流路を、溝により形成したカソード側流路溝２３０およびアノード側流路溝２２０とした。これに対して、第２実施例における単セル１４０ａでは、カソード側流路２３０ａおよびアノード側流路２２０ａは、導電性多孔体により構成されている。導電性多孔体としては、金属（例えば、チタン、ニッケル、ステンレス）製の薄板をプレス成形したラスカットメタルが用いられているものとする。なお、ラスカットメタルに限る必要はなく、連通する複数の孔を有するものであれば、種々の形状の金属製の多孔体に換えることができる。また、金属製に換えて、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。
【００５６】
前記第２実施例の単セル１４０ａを備える燃料電池は、第１実施例の燃料電池と同様の効果を奏する。
【００５７】
なお、第２実施例の単セル１４０ａの変形例として、図１１に示す単セル１４０ｂの構成とすることもできる。図１１に示すように、この変形例の単セル１４０ｂでは、アノード側流路２２０ｂを第１実施例のアノード側流路溝２２０と同様に溝により構成し、カソード側流路２３０ｂを第２実施例のアノード側流路２２０ａと同様に導電性多孔体により構成した。この第２実施例の変形例の単セル１４０ｂを備える燃料電池も、第１実施例の燃料電池と同様の効果を奏する。
【００５８】
Ｃ．第３実施例：
前記第１実施例および第２実施例では、折り返し部３１２は、矩形状であり、かつ、折り返し部３１２の短辺の方向（すなわち折り曲げ線ＬＮの方向）が、燃料ガス供給マニホールドを構成する開口３１１の一方の辺３１１ａの方向（すなわち、Ｙ軸に沿った方向）と一致するように配置されている。これに対して、この第３実施例における燃料電池では、折り返し部の向きが、前述した折り返し部３１２と相違する構成とした。
【００５９】
図１２は、第３実施例の燃料電池における燃料ガス供給マニホールドを構成する開口３１１（第１実施例と同一なので、同じ符号を付けた）と折り返し部６１２とを示す説明図である。図示するように、折り返し部６１２は、第１実施例と同じ矩形状であり、かつ、折り返し部６１２の短辺６１２ａの方向（すなわち折り曲げ線の方向）が、開口３１１の一方の辺３１１ａに対して所定角度θだけ傾斜した構成となっている。なお、折り返し部６１２の形状は、第１実施例における折り返し部３１２の形状と同一である。
【００６０】
この第３実施例では、折り返し部の向きが前述したように傾いていることから、折り返し部６１２における開口３１１の膜電極接合体側の辺３１１ａから突出している部分の距離が、折り返し部６１２の一方の側面側と他方の側面側とで異なった大きさとなる。この構成によっても、第１実施例と同様に、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する十分なガス流路を確保することができる。
【００６１】
また、この第３実施例では次のような効果も奏する。折り返し部６１２の突出している部分の距離が大きい側の側面が重力方向下方に位置する場合（図１２の構成）には、重力方向下方に向いた開口が大きいことから、水の排出が促進される。その逆に、折り返し部６１２の突出している部分の距離が大きい側の側面が重力方向上方に位置する場合には、折り曲げ線の位置に設けられた連通孔が下を向くことから、この連通孔から水を排出させることが可能となる。また、折り曲げ線の位置に設けられた連通孔がマニホールドの角部に向くように、折り返し部の向きを傾けることで、一般的にマニホールド内でガスが届きにくい角部に向けてガスを送ることができ、その角部付近の発電性能を高めることができる。さらに、マニホールドのＸ方向の長さが短く、折り返し長さが十分にとれない場合にも、本実施例のように傾斜させることで長さが取れるため、折り返し可能となる。
【００６２】
Ｄ．第４実施例：
前記第１実施例および第２実施例では、折り返し部３１２は矩形状であるが、これに換えて、この第４実施例における燃料電池では、折り返し部は、台形状とした。図１３は、第４実施例の燃料電池における燃料ガス供給マニホールドを構成する開口３１１（第１実施例と同一なので、同じ符号を付けた）と折り返し部７１２とを示す説明図である。図示するように、折り返し部７１２は、台形状となっている。台形の上底および下底が、開口３１１の一方の辺３１１ａと平行となるように、折り返し部７１２は配置されている。本実施例では、折り返し部７１２の開口３１１に突出している台形の上底としての辺７１２ａは、下底としての辺７１２ｂに比べて短くなっている。
【００６３】
かかる構成の折り返し部７１２によれば、第１実施例と同様に、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する十分なガス流路を確保することができる。また、この第４実施例の構成によれば、開口３１１に突出している側の辺７１２ａが、対向する辺７１２ｂに比べて短くなっていることから、開口３１１に突出している部分の面積を小さくすることができる。このために、燃料ガス供給マニホールドの開口面積が狭くなることを防止することができるという効果も奏する。
【００６４】
前記第４実施例は、次のように変形することもできる。図１４に示すように、第４実施例の変形例としての折り返し部８１２は、台形状であり、折り返し部７１２の開口３１１に突出している台形の上底としての辺８１２ａは、下底としての辺８１２ｂに比べて長くなっている。この変形例の構成によっても、第１実施例および第４実施例と同様に、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する十分なガス流路を確保することができる。また、開口に突出している側の辺に水が溜まりやすいが、この変形例では、突出している側の辺８１２が長くなっていることから、水が詰まりにくいという効果も奏する。
【００６５】
なお、前記第３実施例および第４実施例では、折り返し部は、燃料ガス供給マニホールドを構成する開口３１１に備えられるものとして説明したが、これに限る必要はなく、他のマニホールド、すなわち、燃料ガス排出マニホールド１６４、酸化剤ガス供給マニホールド１５２、酸化剤ガス排出マニホールド１５４のいずれにも採用することができる。
【００６６】
Ｅ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６７】
・変形例１：
上記各実施例の単セル１４０において、マニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド１５２、燃料ガス供給マニホールド１６２、酸化剤ガス排出マニホールド１５４、燃料ガス排出マニホールド１６４）を構成する開口のすべてに折り返し部分が形成されているとしているが、一部の開口のみに隣接して折り返し部分が形成されているとしてもよい。
【００６８】
・変形例２：
また、前記実施例および変形例では、開口３１１を矩形状として、折り返し部３１２の幅が、開口３１１における折り返し部３１２が連結される辺の幅よりも小さい構成とすることで、折り返し部３１２の開口３１１に突出した部分の両側面に側面開口部３１８が形成される構成としたが、これに換えて、折り返し部の幅を、開口における折り返し部が連結される辺の幅と同一とし、開口におけるその辺に垂直な両辺を外側に膨らませることで、前記側面開口部を形成する構成としてもよい。要は、開口の形状および折り返し部の幅については、前記実施例および変形例に限定される必要はなく、折り返し部の開口に突出した部分の両側面に側面開口部が形成される構成であれば、どのような構成とすることもできる。
【００６９】
・変形例３：
前記実施例および変形例では、折り返し部３１２の折り曲げ線ＬＮの部分に、連通孔３１６を備える構成としたが、これに換えて、連通孔３１６を備えない構成としてもよい。前記実施例および変形例では、側面開口部３１８を備えることから、連通孔３１６がなくても、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通することが可能である。側面開口部３１８は、折り返し部３１２における開口３１１の内側に突出した部分の全域にわたって形成されるもので、開口が比較的大きいことから、反応ガスを導出入する際の圧損が小さくて済む。このため、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通する十分なガス流路を確保することできる。
【００７０】
・変形例４：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００７１】
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…排出配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５２…酸化剤ガス供給マニホールド
１５４…酸化剤ガス排出マニホールド
１６２…燃料ガス供給マニホールド
１６４…燃料ガス排出マニホールド
１７２…冷却媒体供給マニホールド
１７４…冷却媒体排出マニホールド
２００…発電モジュール
２１０…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…アノード側拡散層
２１７…カソード側拡散層
２２０…アノード側流路溝
２３０…カソード側流路溝
３１０…アノード側セパレータ
３１１…開口
３１２…折り返し部
３１２ａ…厚み部分
３１２ｂ…平行部分
３１２ｃ…先端部分
３１４…凹部
３１６…連通孔
３１８…側面開口部
３２０…カソード側セパレータ
３２１…開口
３２２…折り返し部
３２２ａ…厚み部分
３２２ｂ…平行部分
３２２ｃ…先端部分
３２４…凹部
３２６…連通孔
３２８…側面開口部
３５０…内部流路空間
３７０…内部流路空間
４１０…シール材
５００…ガスケット
５０２…凸部
ＬＮ…折り曲げ線
【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】
2012069445.tif 000010
【図９】
2012069445.tif 000011
【図１０】
2012069445.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2012069445.tif 000014
【図１３】
2012069445.tif 000015
【図１４】
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