(57)【要約】【課題】燃料電池内部にある冷却媒体を短時間のうちに排出可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで配置される一対のセパレータと、一対のセパレータのうち少なくとも一方のセパレータにおいて形成され、膜電極接合体に対応する領域に冷却媒体を流通させる冷却部と、膜電極接合体と一対のセパレータとからなる積層体を厚さ方向に貫通して冷却媒体を流通させるための冷却媒体流通路と、を備えている。冷却媒体流通路の少なくとも一部は膜電極接合体に対して重力方向に沿って下方に位置し、冷却部と重力方向に沿った方向に連通する。【選択図】図１
2009259637.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、
前記膜電極接合体を挟んで配置される一対のセパレータと、
前記一対のセパレータのうち少なくとも一方のセパレータにおいて形成され、前記膜電極接合体に対応する領域に冷却媒体を流通させる冷却部と、
前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとからなる積層体を厚さ方向に貫通して前記冷却媒体を流通させるための冷却媒体流通路と、
を備え、
前記冷却媒体流通路の少なくとも一部は前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って下方に位置し、前記冷却部と重力方向に沿った方向に連通する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記冷却媒体流通路は、前記積層体を貫通する複数の流路を有し、
前記複数の流路のうち一部の流路は、前記膜電極接合体に対して水平方向に沿って側方に位置し、前記冷却部と水平方向に沿った方向に連通する、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、
前記冷却媒体流通路の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向と直交する直交平面における断面の形状はＬ字形である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、さらに、
前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って下方に位置し、前記積層体を厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、
前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って上方に位置し、前記積層体を厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体から排出される前記反応ガスを排出するための反応ガス排出流路と、
を備え、
前記反応ガス供給流路の前記直交平面における断面の水平方向の長さは、前記反応ガス排出流路の前記直交平面における断面の水平方向の長さよりも短く、
前記反応ガス供給流路の前記直交平面における断面の鉛直方向の長さは、前記反応ガス排出流路の前記直交平面における断面の鉛直方向の長さよりも長い、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において冷却媒体を流通させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質層として固体高分子電解質膜を有する燃料電池では、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を電解質膜に供給したり電気化学反応に用いられなかった余剰の反応ガスを排出したりするために、燃料電池内部に反応ガス流通用のマニホールドが形成される。また、燃料電池内部には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流通用のマニホールドが形成される。
【０００３】
一般に、冷却媒体流通用マニホールドは電解質膜の側方に配置され、電解質膜に隣接するセパレータ内部において水平方向に沿って形成されている冷却媒体流路に冷却媒体を供給する。冷却媒体流通用マニホールドが電解質膜の側方に配置される理由は以下のとおりである。すなわち、電解質膜の上方及び下方のスペースについては、酸化剤ガス流通用マニホールドを配置する要請があるため、冷却媒体流通用マニホールドの配置に利用し難いからである。前述の酸化剤ガス流通用マニホールドの配置に関する要請は、燃料電池のカソードで生じた生成水を重力によって下方に導くことで酸化剤ガスの入口側の乾燥を防ぐこと等に基づく。なお、上述したマニホールドの配置形態を有する燃料電池として、下記特許文献１に記載の燃料電池を挙げることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
メンテナンス等により燃料電池を分解する際には、予め冷却媒体を燃料電池から排出させる。しかしながら、前述のように冷却媒体流通用マニホールドが電解質膜の側方に形成される構成においては、燃料電池内部（冷却媒体流路）において冷却媒体が留まり易くなるため、冷却媒体の排出に長時間を要するという問題があった。
【０００６】
本発明は、燃料電池内部にある冷却媒体を短時間のうちに排出可能な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】
【０００７】
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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟んで配置される一対のセパレータと、前記一対のセパレータのうち少なくとも一方のセパレータにおいて形成され、前記膜電極接合体に対応する領域に冷却媒体を流通させる冷却部と、前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとからなる積層体を厚さ方向に貫通して前記冷却媒体を流通させるための冷却媒体流通路と、を備え、前記冷却媒体流通路の少なくとも一部は前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って下方に位置し、前記冷却部と重力方向に沿った方向に連通する、燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池では、冷却媒体流通路の少なくとも一部は膜電極接合体に対して
重力方向に沿って下方に位置して冷却部と重力方向に沿った方向に連通するので、燃料電池のメンテナンス時において、冷却部内にある冷却媒体を重力を利用して冷却媒体流通路に排出することができ、燃料電池内部にある冷却媒体を短時間のうちに排出することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池において、前記冷却媒体流通路は、前記積層体を貫通する複数の流路を有し、前記複数の流路のうち一部の流路は、前記膜電極接合体に対して水平方向に沿って側方に位置し、前記冷却部と水平方向に沿った方向に連通する、燃料電池。
【００１１】
このようにすることで、水平方向に沿った方向で冷却部に冷却媒体を供給することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記冷却媒体流通路の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向と直交する直交平面における断面の形状はＬ字形である、燃料電池。
【００１３】
このようにすることで、冷却媒体流通路のうち断面がＬ字形である部分において、膜電極接合体に対して水平方向に沿って側方に位置する流路部分と、重力方向に沿って下方に位置する流路部分とに、それぞれ、冷却媒体を分配することができる。
【００１４】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の燃料電池であって、さらに、前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って下方に位置し、前記積層体を厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、前記膜電極接合体に対して重力方向に沿って上方に位置し、前記積層体を厚さ方向に貫通して前記膜電極接合体から排出される前記反応ガスを排出するための反応ガス排出流路と、を備え、前記反応ガス供給流路の前記直交平面における断面の水平方向の長さは、前記反応ガス排出流路の前記直交平面における断面の水平方向の長さよりも短く、前記反応ガス供給流路の前記直交平面における断面の鉛直方向の長さは、前記反応ガス排出流路の前記直交平面における断面の鉛直方向の長さよりも長い、燃料電池。
【００１５】
このようにすることで、膜電極接合体内部に存在する水を重力によって反応ガスの入口部分に導くことができ、反応ガスの入口部分の乾燥を抑制することができる。また、膜電極接合体の下方において冷却媒体流通路と反応ガス供給流路とを並んで配置すると、反応ガス供給流路の断面の水平方向の長さを、反応ガス排出流路の水平方向の長さに比べて比較的短くする必要が生じ得る。このような場合においても、反応ガス供給流路の断面の鉛直方向の長さは反応ガス排出流路の断面の鉛直方向の長さよりも長いので、反応ガス供給流路において、反応ガス排出流路で流通可能な量の反応ガスを流通させることができる。したがって、積層体における各マニホールドの形成位置に関する自由度を増すことができる。また、反応ガス供給流路の断面の鉛直方向の長さを比較的長くするので、膜電極接合体の側方に他の反応ガスを流通させるための流通路を配置する構成において、この流通路から燃料電池の底面までの距離（高さ）を比較的長くすることができる。したがって、膜電極接合体からこの流通路に排出された水を、この比較的長い距離（高さ）を利用して燃料電池の外部へと排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００１７】
Ａ．第１の実施例：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池の外観を示す説明図である。この燃料電池１０００は、固体高分子形燃料電池であり、発電を行う最小単位となるセルモジュール２０を複数積層して構成されている。積層された複数のセルモジュール２０は、図示しないテンションプレートによって接合され、積層方向に所定の圧縮力で締結されている。本実施例では、この燃料電池１０００は、電気自動車（図示省略）に搭載して動力源として用いられる。燃料電池１０００は、積層方向が水平面と平行となるように電気自動車に搭載される。
【００１８】
各セルモジュール２０は、中央部分に図示しない膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」と呼ぶ）を備えている。燃料電池１０００は、各セルモジュール２０においてＭＥＡ（図示省略）が配置された領域（以下、「発電領域」と呼ぶ）ＤＡの周りに、積層方向に形成された複数のマニホールドを備えている。具体的には、発電領域ＤＡの下部には、各セルモジュール２０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａが形成されている。発電領域ＤＡの上方には、余剰の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂが形成されている。ここで、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面の鉛直方向の長さｈ２は、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂの断面の鉛直方向の長さｈ１のおよそ２倍となっている。一方、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面の水平方向の長さｗ２は、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂの断面の水平方向の長さｗ１のおよそ１／２となっている。したがって、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面積と、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂの断面積とは、ほぼ同じとなっている。
【００１９】
発電領域ＤＡの左側方の上部には、各セルモジュール２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド１０４ａが形成されている。発電領域ＤＡの右側方の下部には、余剰の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド１０４ｂが形成されている。
【００２０】
発電領域ＤＡの左下隅部には、各セルモジュール２０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールド１０２ａが形成されている。冷却媒体供給マニホールド１０２ａは、燃料電池１０００を積層方向（Ｚ方向）に貫通する６つのマニホールド１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅ，１０２ｆ，１０２ｇ，１０２ｈと、各セルモジュール２０内部において形成されたＬ字形の空孔Ｌａとから構成されている。空孔Ｌａの一端は発電領域ＤＡの下部において酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの近傍に達しており、他端は発電領域ＤＡの左側方において燃料ガス供給マニホールド１０４ａの近傍に達している。冷却媒体供給マニホールド１０２ａを流通する冷却媒体は、各セルモジュール２０の空孔Ｌａにおいて、６つのマニホールド１０２ｃ〜１０２ｈに分配される。また、発電領域ＤＡの右側方の上部であって、前述の燃料ガス排出マニホールド１０４ｂの上方には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールド１０２ｂが形成されている。冷却媒体排出マニホールド１０２ｂは、燃料電池１０００を積層方向に貫通する複数のマニホールドと各セルモジュール２０内部において形成された矩形の空孔Ｓａとから構成されている。
【００２１】
なお、本実施例において燃料電池１０００に用いられる燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。なお、これらのガスに代えて他の任意の反応ガスを用いることができる。また、本実施例において燃料電池１０００で用いる冷却媒体は水であるが、水に代えてエチレングリコール等の任意の媒体を用いることができる。
【００２２】
酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａが発電領域ＤＡの下部に形成され、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂが発電領域ＤＡの上方に形成されているのは、以下の理由による。すなわち、このような配置形態とすることで、発電領域ＤＡに対して下方から上方に向かって空気を供給することとなり、カソード側で生成した生成水を重力によって、各発電領域ＤＡにおける空気の入口側に導くことができる。それ故、乾燥し易い空気の入口側において、乾燥を防ぐことが可能となるからである。
【００２３】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すセルモジュール２０の積層状態を拡大して示す説明図である。セルモジュール２０は、シール一体型ＭＥＡ２１とセパレータ２５とが互いに重ね合わせて構成されている。したがって、燃料電池１０００では、シール一体型ＭＥＡ２１とセパレータ２５とが交互に積層されている。セパレータ２５は３層構造のセパレータであり、カソード側プレート２２と、アノード側プレート２３と、中間プレート２４とを備えている。中間プレート２４は、２つのプレート２２，２３によって挟まれている。これら３つのプレート２２〜２４は、重ね合わせてホットプレスすることにより接合されている。
【００２４】
図２は、図１（Ａ）に示すシール一体型ＭＥＡ２１の詳細構成を示す説明図である。シール一体型ＭＥＡ２１は、ＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０の周囲に形成されたシール部５０とを備えている。シール部５０は、シリコンゴムやブチルゴム等の樹脂材料からなる薄板状部材であり、表裏で同様な構成を有している。シール部５０には、燃料電池１０００を構成する際に各種マニホールドを形成することとなる６つの貫通孔（マニホールド形成部）が形成されている。
【００２５】
具体的には、ＭＥＡ１０の左下隅には、冷却媒体供給マニホールド１０２ａ（図１（Ａ））を形成する冷却媒体供給マニホールド形成部５０２ａが形成されている。また、ＭＥＡ１０（図２）の右側方の上部には冷却媒体排出マニホールド形成部５０２ｂが、ＭＥＡ１０の下部には酸化剤ガス供給マニホールド形成部５０３ａが、ＭＥＡ１０の上方には酸化剤ガス排出マニホールド形成部５０３ｂが、ＭＥＡ１０の左側方の上部には燃料ガス供給マニホールド形成部５０４ａが、ＭＥＡ１０の右側方の下部には燃料ガス排出マニホールド形成部５０４ｂが、それぞれ形成されている。
【００２６】
シール部５０の両面には、これらの各マニホールド形成部をそれぞれ囲うようにシールラインＳＬが設けられている。このシールラインＳＬは、燃料電池１０００内部を流通する反応ガスや冷却媒体がシール一体型ＭＥＡ２１とセパレータ２５との隙間から漏れ出すことを防ぐために設けられている。
【００２７】
図３は、図１（Ｂ）に示すカソード側プレート２２の詳細構成を示す説明図である。カソード側プレート２２は、例えば、チタンやＳＵＳ（ステンレス）等の金属製の薄板状部材で構成することができる。カソード側プレート２２には、前述のシール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、燃料電池１０００を構成する際に各種マニホールドを形成することとなる６つの貫通孔（マニホールド形成部）が形成されている。
【００２８】
具体的には、燃料電池１０００を構成する際にＭＥＡ１０（図２）と対向することとなる領域（前述の発電領域ＤＡ）の左下隅には、冷却媒体供給マニホールド形成部２２２ａが形成されている。また、発電領域ＤＡの右側方の上部には冷却媒体排出マニホールド形成部２２２ｂが、発電領域ＤＡの下部には酸化剤ガス供給マニホールド形成部２２３ａが、発電領域ＤＡの上方には酸化剤ガス排出マニホールド形成部２２３ｂが、発電領域ＤＡの左側方の上部には燃料ガス供給マニホールド形成部２２４ａが、発電領域ＤＡの右側方の下部には燃料ガス排出マニホールド形成部２２４ｂが、それぞれ形成されている。なお、前述の冷却媒体供給マニホールド形成部２２２ａは、前述の空孔Ｌａ（図１）を構成する。また、冷却媒体排出マニホールド形成部２２２ｂは、前述の空孔Ｓａ（図１）を構成する。
【００２９】
また、カソード側プレート２２には、発電領域ＤＡ内において、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２２３ａの近傍に複数の酸化剤ガス供給孔２２７が形成されている。同様に、発電領域ＤＡ内の酸化剤ガス排出マニホールド形成部２２３ｂ近傍には、複数の酸化剤ガス排出孔２２８が形成されている。これら複数の孔２２７，２２８は、カソード側プレート２２を厚さ方向に貫通している。酸化剤ガス供給孔２２７は、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａを流通してきた空気を発電領域ＤＡに導き入れるために用いられる。酸化剤ガス供給孔２２７から導入された空気は、発電領域ＤＡを通って酸化剤ガス排出孔２２８に向かう。酸化剤ガス排出孔２２８は、発電領域ＤＡにおいて電気化学反応に用いられなかった余剰の空気を、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂに排出するために用いられる。
【００３０】
図４は、図１（Ｂ）に示すアノード側プレート２３の詳細構成を示す説明図である。アノード側プレート２３は、複数の酸化剤ガス供給孔２２７（図３）に代えて複数の燃料ガス供給孔２３７が形成されている点と、酸化剤ガス排出孔２２８（図３）に代えて複数の燃料ガス排出孔２３８が形成されている点とにおいてカソード側プレート２２（図３）と異なり、他の構成は同じである。すなわち、アノード側プレート２３には、カソード側プレート２２と同様に、冷却媒体供給マニホールド形成部２３２ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３２ｂと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３３ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２３３ｂと、燃料ガス供給マニホールド形成部２３４ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３４ｂとが形成されている。なお、前述の冷却媒体供給マニホールド形成部２３２ａは、冷却媒体供給マニホールド形成部２２２ａ（図３）と同様に、前述の空孔Ｌａ（図１）を構成する。また、冷却媒体排出マニホールド形成部２３２ｂは、前述の空孔Ｓａ（図１）を構成する。
【００３１】
燃料ガス供給孔２３７は、発電領域ＤＡ内において燃料ガス供給マニホールド形成部２３４ａ近傍に形成されており、燃料ガス供給マニホールド１０４ａを流通してきた燃料ガス(水素ガス)を発電領域ＤＡに導き入れるために用いられる。燃料ガス供給孔２３７から導入された燃料ガスは、発電領域ＤＡを通って燃料ガス排出孔２３８に向かう。燃料ガス排出孔２３８は、発電領域ＤＡにおいて電気化学反応に用いられなかった余剰の燃料ガスを、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂに排出するために用いられる。
【００３２】
図５は、図１（Ｂ）に示す中間プレート２４の詳細構成を示す説明図である。中間プレート２４は、前述の２つのプレート２２，２３と同様に、各種マニホールドを形成する貫通孔を備えた金属製の薄板状部材からなる。具体的には、中間プレート２４は、酸化剤ガス供給マニホールド２４３ａと、酸化剤ガス排出マニホールド２４３ｂと、燃料ガス供給マニホールド２４４ａと、燃料ガス排出マニホールド２４４ｂとを備えている。また中間プレート２４は、それぞれが複数の長孔である、酸化剤ガス供給流路形成部２４５と、酸化剤ガス排出流路形成部２４６と、燃料ガス供給流路形成部２４７と、燃料ガス排出流路形成部２４８とを備えている。
【００３３】
酸化剤ガス供給流路形成部２４５の一端は酸化剤ガス供給マニホールド２４３ａと連通し、他端は燃料電池１０００を構成する際に前述の酸化剤ガス供給孔２２７（図３）と連通する。同様に、酸化剤ガス排出流路形成部２４６（図５）の一端は酸化剤ガス排出マニホールド２４３ｂと連通し、他端は燃料電池１０００を構成する際に酸化剤ガス排出孔２２８（図３）と連通する。また、燃料ガス供給流路形成部２４７（図５）の一端は燃料ガス供給マニホールド２４４ａと連通し、他端は燃料電池１０００を構成する際に燃料ガス供給孔２３７（図４）と連通する。また、燃料ガス排出流路形成部２４８（図５）の一端は燃料ガス排出マニホールド２４４ｂと連通し、他端は燃料ガス排出孔２３８（図４）と連通する。
【００３４】
また、中間プレート２４は、中央部分において屈曲して横断する６つの長孔７１〜７６を備えている。これらの６つの長孔７１〜７６の右端は、いずれも、セパレータ２５を形成する際に空孔Ｓａ（図１）に対応する位置まで延びており、他端は空孔Ｌａ（図１）に対応する位置まで延びている。
【００３５】
なお、前述のセルモジュール２０は、請求項における積層体に相当する。また、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａは請求項における反応ガス供給流路に、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂは請求項における反応ガス排出流路に、それぞれ相当する。
【００３６】
図６は、発電時におけるセパレータ２５内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。図６の例では、マニホールド１０２ｇを通って発電領域ＤＡに供給される冷却媒体の流れについて例示している。セパレータ２５の内部には６つの冷却媒体流路８１〜８６が形成されている。これらの冷却媒体流路８１〜８６は、中間プレート２４に形成された長孔７１〜７６（図５）とカソード側プレート２２とアノード側プレート２３とで囲まれた空間として形成されている。冷却媒体流路８１は、マニホールド１０２ｃの側面と連通している。同様に、冷却媒体流路８２はマニホールド１０２ｄの側面と、冷却媒体流路８３はマニホールド１０２ｅの側面と、冷却媒体流路８４はマニホールド１０２ｆと、それぞれ連通している。また、冷却媒体流路８５は、マニホールド１０２ｇの上面と連通している。同様に、冷却媒体流路８６は、マニホールド１０２ｈの上面と連通している。これらの６つの冷却媒体流路８１〜８６のうち、冷却媒体流路８５と冷却媒体流路８６とは、それぞれ、冷却媒体供給マニホールド１０２ａとの連通箇所から鉛直方向に延びた部分（以下、「鉛直延伸部」と呼ぶ）を備えている。具体的には、冷却媒体流路８５は、マニホールド１０２ｇとの連通箇所から上方に延びた鉛直延伸部８５ａを備えおり、冷却媒体流路８６は、マニホールド１０２ｈとの連通箇所から上方に延びた鉛直延伸部８６ａを備えている。
【００３７】
なお、６つの冷却媒体流路８１〜８６は、請求項における冷却部に相当する。また、６つのマニホールド１０２ｃ〜１０２ｈは請求項における複数の流路に相当する。
【００３８】
マニホールド１０２ｇを流通する冷却媒体の一部は、中間プレート２４においてマニホールド１０２ｇ上面から冷却媒体流路８６に浸入し、鉛直延伸部８５ａを上昇して冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに向かう。そして、冷却媒体排出マニホールド１０２ｂにおいて、他の５つの冷却媒体流路８１〜８４，８６から排出された冷却媒体と合流し、燃料電池１０００外部へと排出される。
【００３９】
図７は、メンテナンス時におけるセパレータ２５内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。図７の例では、冷却媒体流路８５を通って排出される冷却媒体の流れについて例示している。メンテナンス時には、冷却媒体供給マニホールド１０２ａへの冷却媒体の供給が停止され、冷却媒体供給マニホールド１０２ａ及び冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに存在する冷却媒体はバルブ（図示省略）を介して排出される。メンテナンス開始当初には、冷却媒体流路８５には冷却媒体が残存している。しかしながら、冷却媒体供給マニホールド１０２ａから冷却媒体が抜かれると、各冷却媒体流路８５に残存する冷却媒体は、マニホールド１０２ｇに向かって急速に排出される。これは、以下の理由による。すなわち、冷却媒体流路８５は、鉛直方向に延びた鉛直延伸部８５ａにおいてマニホールド１０２ｇと連通しているので、冷却媒体流路８５内に残存する冷却媒体は、重力によってマニホールド１０２ｇに向かって流れる（落下）することとなるからである。
【００４０】
図８は、第１の実施例の燃料電池１０００の電気自動車への搭載例を示す説明図である。電気自動車５００において、燃料電池１０００は、乗員室５１０をより広くすることなどを目的として乗員室５１０の床５１５の下方に位置する比較的狭い空間５２０に搭載されている。このように狭い空間５２０に燃料電池１０００が配置された場合でも、燃料電池１０００の底面から燃料ガス排出マニホールド１０４ｂまでの鉛直方向の距離（高さ）として、比較的大きな長さｈ１０が確保されている。これは、図１に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面の鉛直方向の長さが比較的大きいので、燃料電池１０００の底面から燃料ガス排出マニホールド１０４ｂまでの鉛直方向の長さｈ１０も比較的大きくすることができるからである。したがって、この比較的大きい鉛直方向の長さ（高さ）ｈ１０（図８）を利用して、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂから排出ガスと共に排出される水をより効率的に車外へと排出させることができる。なお、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂによって排出される水としては、例えば、各セルモジュール２０においてカソード側から電解質膜を浸透してきた水や、燃料ガスの加湿用の水などがある。
【００４１】
以上説明したように、燃料電池１０００において、セパレータ２５内部に形成された２つの冷却媒体流路８５，８６は、発電領域ＤＡの下部に形成されているマニホールド１０２ｇ，１０２ｈの上面において連通している。したがって、メンテナンス時には、これらの２つの冷却媒体流路８５，８６内部に残留する冷却媒体を、重力を利用して短時間のうちに排出することができる。また、燃料電池１０００では、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａを発電領域ＤＡの下部に配置し、また、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂを発電領域ＤＡの上方に配置しているので、発電領域ＤＡ（ＭＥＡ１０）における空気の入口側の乾燥を抑制することができる。また、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面積は、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂ断面積とほぼ同じであるので、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂにおける流通可能な量と同じ量の空気を酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａにおいて流通させることができる。また、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａの断面の鉛直方向の長さｈ２を酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂの断面の鉛直方向の長さｈ１の２倍としているので、燃料電池１０００の底面から燃料ガス排出マニホールド１０４ｂまでの距離（高さ）を比較的大きくすることができる。したがって、この距離（高さ）を利用して、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂに排出される水を外部へと比較的容易に排出することができる。
【００４２】
Ｂ．第２の実施例：
図９は、第２の実施例における、メンテナンス時のセパレータ内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。図９の例では、第２の実施例のセパレータ２５ａをＺ軸方向から見た構成を示している。第２の実施例の燃料電池（図示省略）は、各種マニホールドの構成と、セパレータ内部の冷却媒体流通路の構成とにおいて第１の実施例の燃料電池１０００と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００４３】
具体的には、第２の実施例の燃料電池は、冷却媒体供給マニホールド１０２ａに代えて、冷却媒体供給マニホールド１１２ａを備えている。また、冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに代えて冷却媒体排出マニホールド１１２ｂを、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂに代えて酸化剤ガス排出マニホールド１１３ｂを、燃料ガス供給マニホールド１０４ａに代えて燃料ガス供給マニホールド１１４ａを、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂに代えて燃料ガス排出マニホールド１１４ｂを、それぞれ備えている。
【００４４】
第２の実施例の冷却媒体供給マニホールド１１２ａの断面形状は、第１の実施例とは異なりＬ字形をしておらず矩形である。そして、この冷却媒体供給マニホールド１１２ａは、第２の実施例の燃料電池を貫通する４つのマニホールド１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅ，１１２ｆを備えている。冷却媒体排出マニホールド１１２ｂは、発電領域ＤＡの上方であって、酸化剤ガス排出マニホールド１１３ｂと並んで形成されている。冷却媒体排出マニホールド１１２ｂの構成は、前述の冷却媒体供給マニホールド１１２ａと天地が逆である点を除き同じである。
【００４５】
第２の実施例の燃料ガス供給マニホールド１１４ａは、発電領域ＤＡの左側方において、第１の実施例の燃料ガス供給マニホールド１０４ａよりも鉛直方向に長く形成されている。なお、燃料ガス排出マニホールド１１４ｂの構成は、燃料ガス供給マニホールド１１４ａと左右が逆である点を除き同じである。第２の実施例の酸化剤ガス排出マニホールド１１３ｂは、第１の実施例の酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂと比較すると、水平方向の長さが１／２となり、鉛直方向の長さが２倍となっている。すなわち、酸化剤ガス排出マニホールド１１３ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａと天地が逆である点を除き同じ構成を有している。なお、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａは第１の実施例と同じである。
【００４６】
セパレータ２５の内部には、冷却媒体供給用のマニホールド１１２ｃと連通する冷却媒体流路９１が形成されている。同様に、マニホールド１１２ｄと連通する冷却媒体流通路９２と、マニホールド１１２ｅと連通する冷却媒体流通路９３と、マニホールド１１２ｆと連通する冷却媒体流通路９４とが、それぞれ形成されている。冷却媒体流路９１は、マニホールド１１２ｃの上面においてマニホールド１１２ｃと連通している。したがって、冷却媒体流路９１は、マニホールド１１２ｃと連通する部分において鉛直方向に延びた部分を有している。なお、他の冷却媒体流路９２〜９４も同様な構成を有している。
【００４７】
図９の例では、これら４つの冷却媒体流路９１〜９４のうち、冷却媒体流通路９３に残留している冷却媒体のメンテナンス時の流れを示している。具体的には、メンテナンスが開始して、冷却媒体供給マニホールド１１２ａ及び冷却媒体排出マニホールド１１２ｂに存在する冷却媒体がバルブ（図示省略）を介して排出されると、冷却媒体流通路９３の残留冷却媒体は、重力によって、急速にマニホールド１１２ｅに向かって流れ落ちる。
【００４８】
このような構成を有する第２の実施例の燃料電池も、第１の実施例の燃料電池１０００と同様な効果を奏する。また、セパレータ２５内部に形成された冷却媒体流路９１〜９４は、いずれも対応するマニホールド１１２ｃ〜１１２ｆの上面において、当該マニホールド１１２ｃ〜１１２ｆと連通している。したがって、一部の冷却媒体流通路についてのみ、対応するマニホールドと上面で連通する構成に比べて、メンテナンス時において冷却媒体をより短時間のうちに排出することができる。
【００４９】
Ｃ．第３の実施例：
図１０は、第３の実施例における、メンテナンス時のセパレータ内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。図１０の例では、第３の実施例のセパレータ２５ｂをＺ軸方向から見た構成を示している。第３の実施例の燃料電池（図示省略）は、冷却媒体流通用のマニホールドの構成において第１の実施例の燃料電池１０００と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００５０】
具体的には、第３の実施例の燃料電池では、第１の実施例の燃料電池１０００と同様に、冷却媒体供給マニホールドとして燃料電池を貫通する６つのマニホールド１０２ｃ〜１０２ｆを備えている。しかしながら、第１の実施例の燃料電池１０００と異なり、Ｌ字形の空孔Ｌａは省略されている。具体的には、アノード側プレート２３において、冷却媒体供給マニホールド形成部として、Ｌ字形のマニホールド形成部２２２ａ（図４）に代えて、各マニホールド１０２ｃ〜１０２ｆに対応した略矩形のマニホールド形成部（図示省略）が形成されている。同様にして、冷却媒体排出側（発電領域ＤＡの右上方）において、空孔Ｓａが省略されて６つのマニホールド１０２ｉ〜１０２ｎが形成されている。なお、カソード側プレート２２及びシール一体型ＭＥＡ２１においても同様な構成となっている。ただし、中間プレートについては、第１の実施例の中間プレート２４（図５）と同じ構成を有している。
【００５１】
このような構成を有する第３の実施例の燃料電池も第１の実施例の燃料電池１０００と同様な効果を奏する。
【００５２】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレーム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、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。
【００５３】
Ｄ１．変形例１：
上述した各実施例では、燃料電池の断面は、鉛直方向の長さが水平方向の長さよりも長い縦長の矩形であったが、これに限らず、鉛直方向の長さと水平方向の長さが同じ正方形や、鉛直方向の長さが水平方向の長さよりも短い横長の矩形とすることもできる。燃料電池の断面を横長の矩形とする構成では、ＭＥＡ１０の内部において酸化剤ガス（空気）の通過する距離が比較的短いので圧力損失が比較的小さくなる。したがって、空気を燃料電池に供給するために用いるエアコンプレッサの出力を比較的小さくすることができ、エアコンプレッサにおける消費電力を抑えることができる。また、図８に示す空間５２０のように、鉛直方向に狭い空間にも燃料電池を設置することができる。
【００５４】
Ｄ２．変形例２：
上述した各実施例では、酸化剤ガス供給マニホールドの断面積と酸化剤ガス排出マニホールドの断面積とはほぼ同じであるものとしたが、これに代えて、互いに断面積が異なる構成とすることもできる。例えば、両マニホールドで断面の鉛直方向の長さを同じとし、水平方向の長さについては、酸化剤ガス供給マニホールドの方をより長くして、酸化剤ガス供給マニホールドの断面積を酸化剤ガス排出マニホールドの断面積よりも小さくすることもできる。或いは、酸化剤ガス供給マニホールドの形状は第１の実施例と同じとして、酸化剤ガス排出マニホールドの断面の水平方向の長さを第１の実施例の１／２にすることで、酸化剤ガス排出マニホールドの断面積を酸化剤ガス供給マニホールドの断面積よりも小さくすることもできる。
【００５５】
Ｄ３．変形例３：
上述した第１，３の実施例では、発電領域ＤＡの下方に形成されている冷却媒体供給用のマニホールドの数は２本（マニホールド１０２ｇ，１０２ｈ）であり、第２の実施例では４本（マニホールド１１２ｃ〜１１２ｆ）であったが、これらに代えて、任意の本数のマニホールドを配置することができる。例えば、１本のみ形成する構成とすることもできる。すなわち、一般には、発電領域の下方において、燃料電池を貫通して酸化剤ガスを供給するためのマニホールドを備える構成を、本発明の燃料電池に採用することができる。また、第１，３の実施例では、発電領域ＤＡの側方に形成されている冷却媒体供給用のマニホールドの数は４本（マニホールド１０２ｃ〜１０２ｆ）であったが、これらに代えて、任意の本数のマニホールドを配置することができる。すなわち、一般には、冷却媒体供給マニホールドが複数の流路を有し、それら流路のうちの一部が発電領域の側方に配置される構成を、本発明の燃料電池に採用することができる。
【００５６】
Ｄ４．変形例４：
上述した各実施例では、セパレータ２５内部に形成された冷却媒体流路８１〜８５，９１〜９４は、いずれも発電領域ＤＡを横断して冷却媒体供給マニホールド１０２ａ，１１２ａから冷却媒体排出マニホールド１０２ｂ，１１２ｂまで連通していたが、これに代えて、これらマニホールド間を連通せず途中で途切れている構成とすることもできる。また、冷却媒体流路８１〜８５，９１〜９４に代えて、セパレータ２５内部に比較的幅の広い１つの空間を設けて、かかる空間を冷却媒体流路として用いることもできる。なお、この空間に任意形状（例えば円形）の凸凹を設けて、冷却媒体の流れを制御することもできる。このような構成においては、上述した第１の実施例とは異なり、中間プレートにおいても、他のプレート２２，２３やシール一体型ＭＥＡ２１と同様に、Ｌ字形形状を有する冷却媒体供給用マニホールド形成部を備える構成とすることもできる。
【００５７】
Ｄ５．変形例５：
上述した各実施例では、各セルモジュール２０はＭＥＡ１０を備える構成であったが、ＭＥＡに代えて、ＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly：膜−電極−拡散層アッセンブリ）を備える構成とすることもできる。また、セパレータ２５，２５ａ，２５ｂは、３枚のプレートからなる３層セパレータであったが、任意の数の層を有するセパレータを採用することもできる。
【００５８】
Ｄ６．変形例６：
上述した各実施例では、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａはいずれも発電領域ＤＡの下方に形成されていたが、これに代えて、他の位置に形成することもできる。例えば、第２の実施例において、発電領域ＤＡの下方の酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａ（図９）を省略し、燃料ガス排出マニホールド１１４ｂの鉛直方向の長さを短くして空いたスペースに酸化剤ガス供給マニホールドを形成することもできる。また、各実施例においてマニホールド１０２ａは冷却媒体供給用であり、マニホールド１０２ｂは冷却媒体排出用であったが、これとは逆に、マニホールド１０２ａを冷却媒体排出用とし、マニホールド１０２ｂを冷却媒体供給用とすることもできる。以上の実施例及び変形例からも理解できるように、一般には、冷却媒体を流通させるためのマニホールドが発電領域ＤＡの下方に配置される構成を、本発明の燃料電池に採用することができる。
【００５９】
Ｄ７．変形例７：
上述した各実施例では、冷却媒体流路８１〜８５，９１〜９４が形成されているセパレータ２５は、燃料電池１０００を構成する全てのセパレータであったが、これに代えて、燃料電池１０００を構成するセパレータのうち、一部のセパレータにおいてのみ冷却媒体流路を形成する構成とすることもできる。すなわち、一般には、燃料電池１０００を構成するセパレータのうち、少なくとも一部のセパレータにおいて冷却媒体流路を形成する構成を本発明の燃料電池に採用することができる。
【００６０】
Ｄ８．変形例８：
上述した各実施例では、冷却媒体供給用マニホールド１０２ａ，１１２ａ，１０２ｃ〜１０２ｈは、発電領域ＤＡに対して左下方に位置し、冷却媒体排出用マニホールド１０２ｂ，１１２ｂ，１０２ｉ〜１０２ｎは、発電領域ＤＡに対して右上方に位置するように燃料電池１０００が設置されていたが、これとは天地逆に配置することもできる。このような構成においても、メンテナンス時に燃料電池１０００を天地逆にして各実施例のごとく設置することで、各セパレータ２５内部の冷却媒体を、重力を利用して短時間のうちに排出することができる。また、燃料電池１０００の設置方向は各実施例と同じとし、冷却媒体の流通方向を逆にすることもできる。この場合であっても、メンテナンス時には、セパレータ２５内部の冷却媒体を、重力を利用して短時間のうちに排出することができる。
【００６１】
Ｄ９．変形例９：
上述した各実施例において、燃料電池１０００は、複数のセルモジュール２０によって構成されていたが、これに代えて、１つのセルモジュール２０で構成することもできる。この場合であっても、この１つのセルモジュール２０内部に残留する冷却媒体を比較的短時間のうちに排出することができる。また、各実施例では、燃料電池１０００は、電気自動車に搭載して用いられていたが、これに代えて、建物の床等に据え置いて用いられる構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の外観を示す説明図及びセルモジュール２０の積層状態を拡大して示す説明図である。
【図２】シール一体型ＭＥＡ２１の詳細構成を示す説明図である。
【図３】カソード側プレート２２の詳細構成を示す説明図である。
【図４】アノード側プレート２３の詳細構成を示す説明図である。
【図５】中間プレート２４の詳細構成を示す説明図である。
【図６】発電時におけるセパレータ２５内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。
【図７】メンテナンス時におけるセパレータ２５内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。
【図８】第１の実施例の燃料電池１０００の電気自動車への搭載例を示す説明図である。
【図９】第２の実施例におけるメンテナンス時のセパレータ内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。
【図１０】第３の実施例におけるメンテナンス時のセパレータ内部での冷却媒体の流れを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
２０…セルモジュール
２１…シール一体型ＭＥＡ
２２…カソード側プレート
２３…アノード側プレート
２４…中間プレート
２５，２５ａ，２５ｂ…セパレータ
５０…シール部
７１〜７６…長孔
８１〜８６…冷却媒体流路
８５ａ，８６ａ…鉛直延伸部
９１〜９４…冷却媒体流通路
１０２ｃ〜１０２ｈ…（冷却媒体供給用の）マニホールド
１０２ａ，１１２ａ…冷却媒体供給マニホールド
１０２ｂ，１１２ｂ…冷却媒体排出マニホールド
１０３ａ，１１３ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
１０３ｂ，１１３ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
１０４ａ，１１４ａ…燃料ガス供給マニホールド
１０４ｂ，１１４ｂ…燃料ガス排出マニホールド
１１２ａ，１１２ｂ…冷却媒体供給マニホールド
１１２ｃ〜１１２ｆ…（冷却媒体供給用の）マニホールド
２２２ａ，２３２ａ，２４２ａ，５０２ａ…マニホールド形成部
２２２ｂ，２３２ｂ，２４２ｂ，５０２ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成部
２２３ａ，２３３ａ，２４３ａ，５０３ａ…酸化剤ガス供給マニホールド形成部
２２３ｂ，２３３ｂ，２４３ｂ，５０３ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド形成部
２２４ａ，２３４ａ，２４４ａ，５０４ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２４ｂ，２３４ｂ，２４４ｂ，５０４ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成部
２２７…酸化剤ガス供給孔
２２８…酸化剤ガス排出孔
２３７…燃料ガス供給孔
２３８…燃料ガス排出孔
２４５…酸化剤ガス供給流路形成部
２４６…酸化剤ガス排出流路形成部
２４７…燃料ガス供給流路形成部
２４８…燃料ガス排出流路形成部
５００…電気自動車
５１０…乗員室
５１５…床
５２０…空間
１０００…燃料電池
ＤＡ…発電領域
ＳＬ…シールライン
Ｌａ，Ｓａ…空孔
【図１】
2009259637.tif 000003
【図２】
2009259637.tif 000004
【図３】
2009259637.tif 000005
【図４】
2009259637.tif 000006
【図５】
2009259637.tif 000007
【図６】
2009259637.tif 000008
【図７】
2009259637.tif 000009
【図８】
2009259637.tif 000010
【図９】
2009259637.tif 000011
【図１０】
2009259637.tif 000012