(57)【要約】【課題】  積層体間の短絡が防止され、小型化された燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池は、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された第１発電部と、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり前記第１発電部に隣接して積層された第２発電部と、前記第１発電部と前記第２発電部の間を絶縁する絶縁部とを有し、前記絶縁部は、前記第１発電部及び前記第２発電部の積層方向に貫通するマニホールドと、発電に用いられた前記酸化ガス及び前記燃料ガスのうち、一方のガスを前記第１発電部から前記マニホールドへ排出する第１排出路と、前記一方のガスを前記第２発電部から前記マニホールドへ排出する第２排出路とが設けられ、前記第１排出路及び前記第２排出路は、各々の排出方向に延びる線同士が前記マニホールド内で交差しないように前記絶縁部に設けられている。【選択図】図８
2017126472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された第１発電部と、
酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり前記第１発電部に隣接して積層された第２発電部と、
前記第１発電部と前記第２発電部の間を絶縁する絶縁部とを有し、
前記絶縁部は、
前記第１発電部及び前記第２発電部の積層方向に貫通するマニホールドと、
発電に用いられた前記酸化ガス及び前記燃料ガスのうち、一方のガスを前記第１発電部から前記マニホールドへ排出する第１排出路と、
前記一方のガスを前記第２発電部から前記マニホールドへ排出する第２排出路とが設けられ、
前記第１排出路及び前記第２排出路は、各々の排出方向に延びる線同士が前記マニホールド内で交差しないように前記絶縁部に設けられてい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】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
【０００３】
燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（いわゆるスタック）として構成されており、複数の積層体が発電に用いられる場合がある（例えば特許文献１〜３参照）。例えば同一の積層体２つが電気的に直列に接続された場合、燃料電池からは個々の積層体の出力電圧の２倍の出力電圧が得られ、出力電流を半分にできるため、積層体の抵抗損失が低減されるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１６７８３号公報
【特許文献２】特開２００５−３３２６７４号公報
【特許文献３】特開平５−３０７９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、複数の積層体が発電に用いられた場合、積層体間の短絡を防止する必要がある。２つの積層体が電気的に直列に接続されている場合、各積層体内の燃料電池セルの間には、最大で各積層体の出力電圧からその出力電圧の２倍に相当する電位差が生ずる。
【０００６】
このため、積層体間で短絡が生ずると、積層体の発電性能が低下するだけでなく、積層体の周辺の材料が電気分解または熱によりダメージを受けることがある。これは、２つの積層体が電気的に直列に接続されていない場合でも、各積層体内の燃料電池セルの間には電位差があるため、同様である。
【０００７】
積層体間の短絡を防止するためには、例えば積層体同士を十分に離して絶縁性を確保することが考えられるが、燃料電池が大型化するという問題が生ずる。さらに、積層体ごとに水素などの供給及び排出のためのマニホールドが必要となるため、燃料電池がいっそう大型化する。なお、この問題は、ＦＣＶに用いられる燃料電池に限定されず、他の用途の燃料電池についても存在する。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、積層体間の短絡が防止され、小型化された燃料電池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】
【０００９】
本明細書に記載の燃料電池は、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された第１発電部と、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり前記第１発電部に隣接して積層された第２発電部と、前記第１発電部と前記第２発電部の間を絶縁する絶縁部とを有し、前記絶縁部は、前記第１発電部及び前記第２発電部の積層方向に貫通するマニホールドと、発電に用いられた前記酸化ガス及び前記燃料ガスのうち、一方のガスを前記第１発電部から前記マニホールドへ排出する第１排出路と、前記一方のガスを前記第２発電部から前記マニホールドへ排出する第２排出路とが設けられ、前記第１排出路及び前記第２排出路は、各々の排出方向に延びる線同士が前記マニホールド内で交差しないように前記絶縁部に設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、積層体間の短絡を防止し、燃料電池を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】比較例の燃料電池を示す斜視図である。
【図２】比較例の燃料電池の分解斜視図である。
【図３】比較例の燃料電池に空気を供給する様子を示す図である。
【図４】実施例の燃料電池を示す斜視図である。
【図５】実施例の燃料電池の分解斜視図である。
【図６】実施例の燃料電池に空気を供給する様子を示す図である。
【図７】中間絶縁部の比較例を示す上面図である。
【図８】中間絶縁部の一例を示す上面図である。
【図９】中間絶縁部の他例を示す上面図である。
【図１０】中間絶縁部の他例を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、比較例の燃料電池を示す斜視図である。また、図２は、比較例の燃料電池の分解斜視図である。なお、図１及び図２において、紙面の右方向をｘ軸の正方向とし、紙面の斜め奥方向をｙ軸の正方向とし、紙面の上方向をｚ軸の正方向とする。この座標系の定義は、以降の図面においても同様とする。
【００１３】
燃料電池９ａは、酸化ガスである空気と、燃料ガスである水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル４ａが積層された積層体構造を有する。なお、本例では、空冷式の燃料電池９ａを挙げるが、マニホールドの構成を除けば、水冷式の燃料電池も同様の構成を有する。
【００１４】
燃料電池セル４ａは、カソード側セパレータ１２、膜電極ガス拡散層接合体（MEGA: Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２２、及びアノード側セパレータ３９を含む。ＭＥＧＡ２２は、板状部材であるカソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３９の間に挟まれている。
【００１５】
ＭＥＧＡ２２は、カソード側セパレータ１２のＭＥＧＡ２２に対向する面に形成された複数の空気流路１２０から空気の供給を受け、アノード側セパレータ３９のＭＥＧＡ２２に対向する面に形成された複数の水素流路３２から水素ガスの供給を受ける。ＭＥＧＡ２２は、空気中の酸素及び水素ガスの電気化学反応により発電する。
【００１６】
符号ＰはＭＥＧＡ２２の断面を示す。ＭＥＧＡ２２は、電解質膜２２０、アノード電極２２１、カソード電極２２２、及びガス拡散層２２３を有する。電解質膜２２０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。
【００１７】
電解質膜２２０は、アノード電極２２１及びカソード電極２２２の間に挟まれており、電解質膜２２０、アノード電極２２１、及びカソード電極２２２から構成される部分はＭＥＡ（MEA: Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる。アノード電極２２１及びカソード電極２２２は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極２２１及びカソード電極２２２は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。
【００１８】
アノード電極２２１及びカソード電極２２２の外側には、それぞれ、ガス拡散層２２３が積層されている。ガス拡散層２２３は、アノード電極２２１及びカソード電極２２２の表面に酸素及び水素ガスをそれぞれ行きわたらせる機能と、アノード側セパレータ３９及びカソード側セパレータ１２との間の導電経路としての機能とを有する。ガス拡散層２２３は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。
【００１９】
ＭＥＧＡ２２の周囲には、ガスシール性のある絶縁部材である絶縁シール部２０，２１が設けられている。絶縁シール部２０，２１は、ＭＥＧＡ２２の外周端部を全周にわたって被覆している。絶縁シール部２０，２１は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。
【００２０】
図２には、ｘ軸方向における両端の絶縁シール部２０，２１だけが示されている。一端の絶縁シール部２０には、燃料電池セル４ａの積層方向に貫通する貫通孔２００が設けられており、貫通孔２００は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９ａに水素ガスを供給する供給マニホールド５ａの一部として機能する。他端の絶縁シール部２１には、燃料電池セル４ａの積層方向に貫通する貫通孔２１０が設けられており、貫通孔２１０は、燃料電池９ａから、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド６ａの一部として機能する。
【００２１】
カソード側セパレータ１２は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、例えばプレス金型による曲げ加工よって形成された厚み方向（ｚ軸方向）の凸凹形状を有する。カソード側セパレータ１２では、厚み方向の凸凹形状により形成された複数の並列な空気流路１２０，１２１が設けられている。各空気流路１２０，１２１は、カソード側セパレータ１２の両面に、ｙ軸方向に沿って互いに平行に設けられている。
【００２２】
カソード側セパレータ１２の一方の面はＭＥＧＡ２２の１つの面に対向し、カソード側セパレータ１２の他方の面はアノード側セパレータ３９の１つの面に対向する。ＭＥＧＡ２２の対向面に設けられた空気流路１２０は、矢印で示されるように、供給された空気をＭＥＧＡ２２に導くとともに、ＭＥＧＡ２２により発電に用いられた空気（酸素）を排出する。また、この空気流路１２０、及びアノード側セパレータ３９の対向面に設けられた空気流路１２１は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池９ａ全体を冷却する。
【００２３】
図３には、比較例の燃料電池９ａに空気を供給する様子が示されている。空気の供給手段としては、例えばファンＦが挙げられる。燃料電池９ａ及びファンＦは、互いに向かい合って設置されている。
【００２４】
燃料電池９ａでは、ファンＦが起こす風が、矢印で示されるように、空気供給口から上記の空気流路１２０，１２１を通って空気排出口へ吹き抜けることにより、発電などで生じた熱の冷却とＭＥＧＡ２２への酸素の供給が行われる。このように、燃料電池９ａは、空冷方式を用いて冷却を行うため、水冷方式において冷却水の供給に必要な冷却水マニホールドだけでなく、空気の供給に必要な空気マニホールドを省くことができる。
【００２５】
再び図１及び図２を参照すると、ｘ軸方向において、カソード側セパレータ１２の両端には絶縁シール部１０，１１が設けられている。絶縁シール部１０，１１は、ＭＥＧＡ２２の絶縁シール部２０，２１と同様に、ガスシール性のある絶縁部材である。絶縁シール部１０，１１は、カソード側セパレータ１２を燃料電池９ａの外部に対して絶縁するとともに気密性を確保する。
【００２６】
一端の絶縁シール部１０には、燃料電池セル４ａの積層方向に貫通する貫通孔１００が設けられており、貫通孔１００は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９ａに水素ガスを供給する供給マニホールド５ａの一部として機能する。他端の絶縁シール部１１には、燃料電池セル４ａの積層方向に貫通する貫通孔１０１が設けられており、貫通孔１０１は、燃料電池９ａから、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド６ａの一部として機能する。
【００２７】
アノード側セパレータ３９は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、ｘ軸方向の両端に設けられた貫通孔３０，３１と、ＭＥＧＡ２２に対向する面に形成された水素流路３２とを有する。水素流路３２は、貫通孔３０，３１同士を接続し、貫通孔３０から供給された水素ガスをＭＥＧＡ２２に導くとともに、ＭＥＧＡ２２により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔３１へと導く。
【００２８】
一方の貫通孔３０は、矩形状の開口面を有し、ＭＥＧＡ２２に隣接する絶縁シール部２０の貫通孔２００及びカソード側セパレータ１２に隣接する絶縁シール部１０の貫通孔１００と重なり合う。これにより、積層された全燃料電池セル４ａ分の貫通孔３０，１００，２００は、図１に示されるように、燃料電池９ａ外から水素ガスを供給する供給マニホールド５ａを構成する。
【００２９】
他方の貫通孔３１は、矩形状の開口面を有し、ＭＥＧＡ２２に隣接する絶縁シール部２１の貫通孔２１０及びカソード側セパレータ１２に隣接する絶縁シール部１１の貫通孔１０１と重なり合う。このため、貫通孔３１，１０１，２１０は、図１に示されるように、燃料電池セル４ａの積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池９ａ外へ排出する排出マニホールド６ａを構成する。
【００３０】
供給マニホールド５ａ及び排出マニホールド６ａは、燃料電池セル４ａの積層方向に沿って設けられた貫通孔である。水素ガスは、燃料電池９ａの下部の水素供給口７ａから供給マニホールド５ａに導入され、符号Ｄ１で示されるように流通する。なお、水素供給口７ａは、例えば燃料電池９ａの積層体の最下層の貫通孔１００に相当する。
【００３１】
供給マニホールド５ａに導入された水素ガスの一部は、積層体内の各アノード側セパレータ３９に導入され、水素流路３２を通り排出マニホールド６ａへと排出され、符号Ｄ２で示されるように燃料電池９ａの下部の水素排出口８ａから外部へ排気される。また、水素ガスと酸素の電気化学反応により生成された水の一部も、水素流路３２を通り排出マニホールド６ａへと排出される。なお、水素排出口８ａは、例えば燃料電池９ａの積層体の最下層の貫通孔１０１に相当する。
【００３２】
水素流路３２は、例えばプレス加工などで形成された溝であり、一例として、入口側の貫通孔３０から、アノード側セパレータ３９の表面を３列に分かれて蛇行しながら出口側の貫通孔３１へ向かうように設けられている（矢印参照）。なお、水素流路３２は、並列する複数本の溝として形成される場合があるが、便宜上、図２では１本の線で描かれている。
【００３３】
各燃料電池セル４ａのアノード側セパレータ３９は、最下層のものを除き、その直下の燃料電池セル４ａのカソード側セパレータ１２と接触する。したがって、燃料電池９ａの積層体内において、各燃料電池セル４ａは互いに電気的に直列に接続されるため、燃料電池９ａの出力電圧は、各燃料電池セル４ａの電圧の合計となる。
【００３４】
本例において、燃料電池９ａは、単一の積層体として構成されているが、例えば２つの積層体に分けて構成し、積層体同士を電気的に直列に接続した場合、アノード電極２２１及びカソード電極２２２の面積が約半分となるため、得られる電力を維持したまま、出力電圧を約２倍に増加し、出力電流を約半分にできる。これにより、積層体の抵抗損失が低減されるという利点が得られる。
【００３５】
しかし、燃料電池９ａを複数の積層体で構成する場合、積層体間の短絡を防止するため、積層体同士を十分に離して絶縁性を確保することが考えられるが、燃料電池が大型化する。さらに、上記の供給マニホールド５ａ及び排出マニホールド６ａを積層体ごとに設けると、燃料電池がいっそう大型化する。
【００３６】
そこで、実施例に燃料電池は、２つの積層体の間に水素ガスの供給マニホールド及び排出マニホールドが形成された絶縁部を設けることにより、各積層体の間の絶縁性を確保するとともに、供給マニホールド及び排出マニホールドを各積層体の間で共有化させる。また、水素ガスとともに各積層体から排出マニホールドに排出される生成水同士が接触することで積層体間が短絡することを防止するため、生成水の排出方向に延びる線同士が排出マニホールド内で交差しないように絶縁部に排出路を設ける。これにより、燃料電池が２つの積層体から構成された場合でも、燃料電池の小型化が可能となる。以下に実施例の燃料電池について説明する。
【００３７】
図４は、実施例の燃料電池を示す斜視図である。また、図５は、実施例の燃料電池の分解斜視図である。
【００３８】
燃料電池９は、酸化ガスである空気と、燃料ガスである水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池９は、複数の燃料電池セル４０が積層された積層体ＳＴａ、複数の燃料電池セル４１が積層された積層体ＳＴｂ、及び２つの積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間を絶縁する絶縁部ＺＴを有する。なお、本例の燃料電池９は、２つの積層体ＳＴａ，ＳＴｂから構成されるが、積層体数に限定はない。また、本例では、空冷式の燃料電池９を挙げるが、マニホールドの構成を除けば、水冷式の燃料電池も同様の構成を有する。
【００３９】
燃料電池セル４０は、カソード側セパレータ１４０、ＭＥＧＡ２５０、及びアノード側セパレータ３３０を含む。ＭＥＧＡ２５０は、板状部材であるカソード側セパレータ１４０及びアノード側セパレータ３３０の間に挟まれている。燃料電池セル４０は、第１発電部の一例であり、複数層にわたって積層され、空気及び水素ガスを用いて発電する。
【００４０】
燃料電池セル４１は、カソード側セパレータ１４１、ＭＥＧＡ２５１、及びアノード側セパレータ３３１を含む。ＭＥＧＡ２５１は、板状部材であるカソード側セパレータ１４１及びアノード側セパレータ３３１の間に挟まれている。燃料電池セル４１は、第２発電部の一例であり、複数層にわたって他方の燃料電池セル４０に隣接して積層され、空気及び水素ガスを用いて発電する。
【００４１】
ＭＥＧＡ２５０，２５１は、比較例の燃料電池９ａのＭＥＧＡ２２と同様の構成を備える。ＭＥＧＡ２５０は、カソード側セパレータ１４０のＭＥＧＡ２５０に対向する面に形成された複数の空気流路１６０から空気の供給を受け、アノード側セパレータ３３０のＭＥＧＡ２５０に対向する面に形成された複数の水素流路３４０から水素ガスの供給を受ける。
【００４２】
ＭＥＧＡ２５１は、カソード側セパレータ１４１のＭＥＧＡ２５１に対向する面に形成された複数の空気流路１７０から空気の供給を受け、アノード側セパレータ３３１のＭＥＧＡ２５１に対向する面に形成された複数の水素流路３４１から水素ガスの供給を受ける。ＭＥＧＡ２５０，２５１は、空気中の酸素及び水素ガスの電気化学反応により発電する。
【００４３】
ＭＥＧＡ２５０，２５１の周囲には、ガスシール性のある絶縁部材である絶縁シール部２３が設けられている。絶縁シール部２３は、ＭＥＧＡ２５０，２５１の外周端部を全周にわたって被覆している。絶縁シール部２３は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。なお、図５には、ｘ軸方向における両端の絶縁シール部２３だけが示されている。
【００４４】
また、ＭＥＧＡ２５０，２５１の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部２４が設けられている。中間絶縁部２４は、上記の絶縁シール部２３と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部２４は、ＭＥＧＡ２５０，２５１の間を絶縁するとともにシールする。なお、中間絶縁部２４は、絶縁シール部２３と一体的に成型されたものであってもよいし、個別に成型されたものであってもよい。
【００４５】
中間絶縁部２４には、燃料電池セル４０，４１の積層方向に貫通する貫通孔２４０，２４１が設けられている。貫通孔２４１は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９に水素ガスを供給する供給マニホールド５の一部として機能する。また、貫通孔２４０は、燃料電池９から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド６の一部として機能する。
【００４６】
カソード側セパレータ１４０，１４１は、比較例の燃料電池９ａのカソード側セパレータ１２と同様に、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、例えばプレス金型による曲げ加工よって形成された厚み方向（ｚ軸方向）の凸凹形状を有する。カソード側セパレータ１４０，１４１では、厚み方向の凸凹形状により形成された複数の並列な空気流路１６０，１６１，１７０，１７１が設けられている。各空気流路１６０，１６１，１７０，１７１は、カソード側セパレータ１４０，１４１の両面に、ｙ軸方向に沿って互いに平行に設けられている。
【００４７】
カソード側セパレータ１４０の一方の面はＭＥＧＡ２５０の１つの面に対向し、カソード側セパレータ１４０の他方の面はアノード側セパレータ３３０の１つの面に対向する。ＭＥＧＡ２５０の対向面に設けられた空気流路１６０は、矢印で示されるように、供給された空気をＭＥＧＡ２５０に導くとともに、ＭＥＧＡ２５０により発電に用いられた空気（酸素）と電気化学反応により生成された水の一部を排出する。また、この空気流路１６０、及びアノード側セパレータ３３０の対向面に設けられた空気流路１６１は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池９全体を冷却する。
【００４８】
カソード側セパレータ１４１の一方の面はＭＥＧＡ２５１の１つの面に対向し、カソード側セパレータ１４１の他方の面はアノード側セパレータ３３１の１つの面に対向する。ＭＥＧＡ２５１の対向面に設けられた空気流路１７０は、矢印で示されるように、供給された空気をＭＥＧＡ２５１に導くとともに、ＭＥＧＡ２５１により発電に用いられた空気（酸素）と電気化学反応により生成された水の一部を排出する。また、この空気流路１７０、及びアノード側セパレータ３３１の対向面に設けられた空気流路１７１は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池９全体を冷却する。
【００４９】
図６には、実施例の燃料電池９に空気を供給する様子が示されている。燃料電池９には、比較例と同様にファンＦから空気が供給される。燃料電池９及びファンＦは、互いに向かい合って設置されている。
【００５０】
燃料電池９では、ファンＦが起こす風が、矢印で示されるように、空気供給口から上記の空気流路１６０，１６１，１７０，１７１を通って空気排出口へ吹き抜けることにより、発電などで生じた熱の冷却とＭＥＧＡ２５０，２５１への酸素の供給が行われる。このように、燃料電池９は、空冷方式を用いて冷却を行うため、水冷方式において冷却水の供給に必要な冷却水マニホールドだけでなく、空気の供給に必要な空気マニホールドを省くことができる。
【００５１】
再び図４及び図５を参照すると、ｘ軸方向において、カソード側セパレータ１４０の一端及びカソード側セパレータ１４１の一端には絶縁シール部１３が設けられている。絶縁シール部１３は、ＭＥＧＡ２５０，２５１の絶縁シール部２３と同様に、ガスシール性のある絶縁部材である。絶縁シール部１３は、カソード側セパレータ１４０，１４１を燃料電池９の外部に対して絶縁するとともに気密性を確保する。
【００５２】
また、カソード側セパレータ１４０，１４１の各々の他端の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部１５が設けられている。中間絶縁部１５は、上記の絶縁シール部１３と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部１５は、カソード側セパレータ１４０，１４１の間を絶縁するとともにシールする。
【００５３】
中間絶縁部１５には、燃料電池セル４０，４１の積層方向に貫通する貫通孔１５０，１５１が設けられている。貫通孔１５１は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９に水素ガスを供給する供給マニホールド５の一部として機能する。また、貫通孔１５０は、燃料電池９から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド６の一部として機能する。
【００５４】
アノード側セパレータ３３０は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、ＭＥＧＡ２５０に対向する面に形成された水素流路３４０を有する。また、アノード側セパレータ３３１は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、ＭＥＧＡ２５１に対向する面に形成された水素流路３４１を有する。
【００５５】
アノード側セパレータ３３０，３３１の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部３５が設けられている。中間絶縁部３５は、上記の中間絶縁部１５，２４と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部３５は、アノード側セパレータ３３０，３３１の間を絶縁するとともにシールする。
【００５６】
中間絶縁部３５には、燃料電池セル４０，４１の積層方向に貫通する貫通孔３５０，３５１が設けられている。貫通孔３５１は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９に水素ガスを供給する供給マニホールド５の一部として機能する。また、貫通孔３５０は、燃料電池９から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド６の一部として機能する。
【００５７】
アノード側セパレータ３３０の水素流路３４０は、貫通孔３５１から供給された水素ガスをＭＥＧＡ２５０に導くとともに、ＭＥＧＡ２５０により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔３５０へと導く。また、アノード側セパレータ３３１の水素流路３４１は、貫通孔３５１から供給された水素ガスをＭＥＧＡ２５１に導くとともに、ＭＥＧＡ２５１により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔３５０へと導く。なお、中間絶縁部３５には、水素流路３４０，３４１と貫通孔３５０，３５１を接続する水素ガスの流路が形成されている。
【００５８】
アノード側セパレータ３３０，３３１の間の中間絶縁部３５、カソード側セパレータ１４０，１４１の間の中間絶縁部１５、及びＭＥＧＡ２５０，２５１の間の中間絶縁部２４は、それぞれ、燃料電池セル４０，４１の積層数分だけ積層されることにより、図４に示された積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の絶縁部ＺＴを構成する。
【００５９】
一方の貫通孔３５１は、矩形状の開口面を有し、中間絶縁部２４の貫通孔２４１及び中間絶縁部１５の貫通孔１５１と重なり合う。このため、貫通孔２４１，１５１，３５１は、図４に示されるように、燃料電池セル４０，４１の積層数分だけ積層されることにより、燃料電池９外から水素ガスを供給する供給マニホールド５を構成する。
【００６０】
他方の貫通孔３５０は、矩形状の開口面を有し、中間絶縁部２４の貫通孔２４０及び中間絶縁部１５の貫通孔１５０と重なり合う。このため、貫通孔２４０，１５０，３５０は、図４に示されるように、燃料電池セル４０，４１の積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池９外へ排出する排出マニホールド６を構成する。なお、排出マニホールド６はマニホールドの一例である。
【００６１】
供給マニホールド５及び排出マニホールド６は、燃料電池セル４０，４１の積層方向に沿って設けられた貫通孔である。水素ガスは、燃料電池９の下部の水素供給口７から供給マニホールド５に導入され、符号Ｄ３で示されるように流通する。なお、水素供給口７は、例えば燃料電池９の積層体の最下層の貫通孔１５１に相当する。
【００６２】
供給マニホールド５に導入された水素ガスの一部は、積層体ＳＴａ，ＳＴｂ内の各アノード側セパレータ３３０，３３１に導入され、水素流路３４０，３４１を通り排出マニホールド６へと排出され、符号Ｄ４で示されるように燃料電池９の下部の水素排出口８から外部へ排気される。また、水素ガスと酸素の電気化学反応により生成された水の一部も、水素流路３４０，３４１を通り排出マニホールド６へと排出される。なお、水素排出口８は、例えば燃料電池９の積層体ＳＴａ，ＳＴｂの最下層の貫通孔１５０に相当する。
【００６３】
水素流路３４０，３４１は、例えばプレス加工などで形成された溝である。水素流路３４０は、一例として、入口側の貫通孔３５１から、アノード側セパレータ３３０の表面を蛇行しながら出口側の貫通孔３５０へ向かうように設けられている。また、水素流路３４１は、一例として、入口側の貫通孔３５１から、アノード側セパレータ３３１の表面を蛇行しながら出口側の貫通孔３５０へ向かうように設けられている。なお、水素流路３４０，３４１は、並列する複数本の溝として形成されるが、便宜上、図５では１本の線で描かれている。
【００６４】
本例において、燃料電池９は、２つの積層体ＳＴａ、ＳＴｂから構成されている。このため、積層体ＳＴａ，ＳＴｂ同士を電気的に直列に接続した場合、アノード電極２２１及びカソード電極２２２の面積が比較例の場合の約半分となるため、得られる電力を維持したまま、出力電圧を約２倍に増加し、出力電流を約半分にできる。これにより、積層体ＳＴａ、ＳＴｂの抵抗損失が低減されるという利点が得られる。なお、積層体ＳＴａ，ＳＴｂは、これに限定されず、電気的に並列に接続されてもよい。
【００６５】
また、２つの積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間には、供給マニホールド５及び排出マニホールド６が設けられた絶縁部ＺＴが備えられているため、積層体ＳＴａ、ＳＴｂの間で絶縁性が確保されるとともに、供給マニホールド５及び排出マニホールド６が共有化されることで、マニホールドが分割されている場合に必要なマニホールド間のシール部材が不要となり、燃料電池９の小型化が可能となる。また、比較例と比べると、燃料電池セル４０，４１において水素流路３４０，３４１の長さを短縮できるため、例えば水素流路３４０，３４１の溝を浅くすることにより、燃料電池９の小型化が可能となる。
【００６６】
しかし、以下に述べるように、積層体ＳＴａの燃料電池セル４０から排出マニホールド６へ流れ込む生成水と、積層体ＳＴｂの燃料電池セル４１から排出マニホールド６へ流れ込む生成水の一部が、排出マニホールド６内で交わり液橋が形成された場合、燃料電池セル４０，４１間が導通して絶縁性が失われる。
【００６７】
図７は、中間絶縁部３５の比較例を示す上面図である。中間絶縁部３５は、上述したようにアノード側セパレータ３３０，３３１の間に設けられており、供給マニホールド５を構成する貫通孔３５１及び排出マニホールド６を構成する貫通孔３５０を有する。
【００６８】
アノード側セパレータ３３０の水素流路３４０と貫通孔３５１は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の供給路３７０を介して連通する。複数の供給路３７０は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。供給マニホールド５から導入された水素ガスは、供給路３７０を通って水素流路３４０に入る。
【００６９】
また、アノード側セパレータ３３０の水素流路３４０と貫通孔３５０は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の排出路３６０ｃを介して連通する。複数の排出路３６０ｃは、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路３６０ｃを通って排出マニホールド６へ排出される。ここで、排出路３６０ｃの排出方向は符号Ｘａで示されている。
【００７０】
一方、アノード側セパレータ３３１の水素流路３４１と貫通孔３５１は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の供給路３７１を介して連通する。複数の供給路３７１は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。供給マニホールド５から導入された水素ガスは、供給路３７１を通って水素流路３４１に入る。
【００７１】
また、アノード側セパレータ３３１の水素流路３４１と貫通孔３５０は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の排出路３６１ｃを介して連通する。複数の排出路３６１ｃは、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路３６１ｃを通って排出マニホールド６へ排出される。ここで、排出路３６１ｃの排出方向は符号Ｘｂで示されている。
【００７２】
本例では、点線で示されるように、排出路３６０ｃの排出方向Ｘａに延びる線と排出路３６１ｃの排出方向Ｘｂに延びる線が排出マニホールド６内で交差する。このため、排出路３６０ｃから排出マニホールド６へ排出された生成水と、排出路３６１ｃから排出マニホールド６へ排出された生成水が、接触して液橋を形成し、アノード側セパレータ３３０，３３１の間が導通するおそれがある。アノード側セパレータ３３０，３３１の間が導通すると、上述したように積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間が短絡する。
【００７３】
これに対して、排出路３６０ｃから排出マニホールド６へ排出された生成水と、排出路３６１ｃから排出マニホールド６へ排出された生成水が、接触しないように、排出マニホールド６内に仕切り板を設けることもできる。しかし、この場合、排出マニホールド６内の表面積が仕切り板の表面積分だけ増加することで水素ガスの流れによる圧損が増加するため、効果的ではない。
【００７４】
そこで、以下の実施例では、排出路３６０ｃ，３６１ｃは、各々の排出方向Ｘａ，Ｘｂに延びる線同士が排出マニホールド６内で交差しないように絶縁部ＺＴに設けられている。なお、燃料電池９の運転温度の範囲が、生成水の気化する温度を超えている場合、排出マニホールド６内で生成水の液橋が形成されることがないため、各排出路３６０ｃ，３６１の排出方向Ｘａ，Ｘｂに延びる線同士が排出マニホールド６内で交差しても、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間が短絡することはない。
【００７５】
図８は、中間絶縁部３５の一例を示す上面図である。図８において、図７と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７６】
中間絶縁部３５には、貫通孔３５０，３５１と、複数の排出路３６０，３６１とが設けられている。排出路３６０は、第１排出路の一例であり、水素ガスをＭＥＧＡ２５０から排出マニホールド６へ排出する。排出路３６１は、第２排出路の一例であり、水素ガスをＭＥＧＡ２５１から排出マニホールド６へ排出する。
【００７７】
アノード側セパレータ３３０の水素流路３４０と貫通孔３５０は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の排出路３６０を介して連通する。複数の排出路３６０は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路３６０を通って排出マニホールド６へ排出される。
【００７８】
また、アノード側セパレータ３３１の水素流路３４１と貫通孔３５０は、中間絶縁部３５の表面に形成された複数の排出路３６１を介して連通する。複数の排出路３６１は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路３６１を通って排出マニホールド６へ排出される。
【００７９】
本例では、点線で示されるように、排出路３６０の排出方向Ｘａに延びる線と排出路３６１の排出方向Ｘｂに延びる線が、排出マニホールド６内で交差しない。より具体的には、排出路３６０，３６１は、各々の排出方向Ｘａ，Ｘｂが平行となるように設けられている。
【００８０】
したがって、排出路３６０から排出マニホールド６へ排出された生成水と、排出路３６１から排出マニホールド６へ排出された生成水は、接触して液橋を形成することがないため、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の短絡を防止することができる。
【００８１】
本例では、排出路３６０，３６１の各排出方向Ｘａ，Ｘｂを平行としたが、これに限定されない。
【００８２】
図９は、中間絶縁部３５の他例を示す上面図である。図９において、図８と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８３】
本例では、点線で示されるように、排出マニホールド６の開口面の上面視において、排出路３６０の排出方向Ｘａが、排出マニホールド６の壁面に対して９０度をなすのに対し、排出路３６１の排出方向Ｘｂは、排出マニホールド６の壁面に対して鋭角αをなす。このため、排出路３６０の排出方向Ｘａと排出路３６１の排出方向Ｘｂは平行ではない。
【００８４】
しかし、排出路３６０の排出方向Ｘａに延びる線と排出路３６１の排出方向Ｘｂに延びる線は、排出マニホールド６内で交差しない。したがって、本例でも、図８の例と同様に、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の短絡が防止される。
【００８５】
また、本例の排出路３６０のように、排出方向Ｘａの排出マニホールド６の壁面に対する角度を９０度とした場合、生成水が排出マニホールド６の壁面で跳ね返っても、跳ね返る角度を、その壁面に対して９０度となるように制御できる。このため、以下に述べるように、開口面が矩形状の排出マニホールド６の場合、他方の排出路３６１の排出方向Ｘａの排出マニホールド６の壁面に対する角度も９０度とすることにより、壁面で跳ね返った生成水による液橋の生成が防止される。
【００８６】
図１０は、中間絶縁部３５の他例を示す上面図である。図１０において、図８と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
本例では、点線で示されるように、排出マニホールド６の開口面の上面視において、排出路３６０の排出方向Ｘａ及び排出路３６１の排出方向Ｘｂが、排出マニホールド６の壁面に対して９０度をなす。このため、排出路３６０，３６１から排出された生成水が排出マニホールド６の壁面で跳ね返っても、跳ね返る角度を、その壁面に対して９０度となるように制御できる。
【００８８】
したがって、各排出路３６０，３６１から生成水が排出マニホールド６の壁面で跳ね返った場合、その跳ね返る方向は平行となるため、生成水の液橋が生成されることはない。よって、本例によると、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の短絡を、より効果的に防止できる。
【００８９】
なお、本実施例の燃料電池９は、排出マニホールド６内に生成水が滞留することでアノード側セパレータ３３０，３３１の間が導通しないように、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの積層方向を鉛直方向に一致させた状態で用いられるのが好ましい。この場合、排出マニホールド６内の生成水の排出方向が重力の方向となるため、排出される水素ガスのガス流と重力により生成水が効果的に排出される。したがって、排出マニホールド６内の生成水の滞留が防止される。
【００９０】
また、本実施例の燃料電池９は、空冷方式に限定されず、水冷方式でもよい。この場合、燃料電池９は、水素ガスの供給マニホールド５及び排出マニホールド６に加えて、冷却水の供給マニホールド及び排出マニホールドと、空気の供給マニホールド及び排出マニホールドとが設けられる。
【００９１】
このとき、空気の供給マニホールド及び排出マニホールドを、水素ガスの供給マニホールド５及び排出マニホールド６と同様に、絶縁部ＺＴに設けておき、２つの積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間で共有化することができる。さらに、カソード側セパレータ１４０，１４１の間の中間絶縁部１５に、水素ガスの供給路３７０，３７１及び排出路３６０，３６１と同様の供給路及び排出路をそれぞれ設けることにより、生成水の液橋の生成による積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の短絡を防止することができる。
【００９２】
これまで述べたように、実施例に燃料電池９は、空気及び水素ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された燃料電池セル４０と、空気及び水素ガスを用いて発電し、複数層にわたり燃料電池セル４０に隣接して積層された燃料電池セル４１と、燃料電池セル４０，４１の間を絶縁する絶縁部ＺＴとを有する。
【００９３】
絶縁部ＺＴは、燃料電池セル４０，４１の積層方向に貫通する排出マニホールド６と、発電に用いられた水素ガスを燃料電池セル４０から排出マニホールド６へ排出する排出路３６０と、発電に用いられた水素ガスを燃料電池セル４１から排出マニホールド６へ排出する排出路３６１とが設けられている。排出路３６０，３６１は、各々の排出方向Ｘａ，Ｘｂに延びる線同士が排出マニホールド６内で交差しないように絶縁部ＺＴに設けられている。
【００９４】
上記の構成によると、燃料電池セル４０，４１の積層体ＳＴａ、ＳＴｂの間で絶縁性が確保されるとともに、供給マニホールド５及び排出マニホールドが共有化されることで、燃料電池９の小型化が可能となる。
【００９５】
また、各排出路３６０，３６１の排出方向Ｘａ，Ｘｂに延びる線同士が排出マニホールド６内で交差しないため、燃料電池セル４０から排出マニホールド６へ流れ込む生成水と、燃料電池セル４１から排出マニホールド６へ流れ込む生成水が、排出マニホールド６内で交わり液橋が形成されることはない。このため、積層体ＳＴａ、ＳＴｂの間が導通して絶縁性が失われることが防止される。
【００９６】
したがって、実施例の燃料電池９は、積層体ＳＴａ，ＳＴｂの間の短絡が防止され、小型化が可能である。
【００９７】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００９８】
５，５ａ       排出マニホールド
９，９ａ       燃料電池
４０，４１       燃料電池セル
３６０，３６１      排出路
Ｘａ，Ｘｂ       排出方向
ＺＴ        絶縁部
【図１】
2017126472.tif 000003
【図２】
2017126472.tif 000004
【図３】
2017126472.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017126472.tif 000007
【図６】
2017126472.tif 000008
【図７】
2017126472.tif 000009
【図８】
2017126472.tif 000010
【図９】
2017126472.tif 000011
【図１０】
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