(57)【要約】【課題】燃料電池において、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制する。【解決手段】燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極（アノード側触媒層、および、カソード側触媒層）を接合してなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備える。そして、触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状を、その触媒電極の表面に積層された流路構成部材における反応ガスの流量分布に基づいて、膜電極接合体の発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定する。【選択図】図６
2009093889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、前記各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備え、
前記触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状は、該触媒電極の表面に積層された前記流路構成部材における前記反応ガスの流量分布に基づいて設定されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記発電部分の平面形状は、さらに、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する領域の前記発電部分の面積が、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する領域の前記発電部分の面積よりも狭くなるように設定されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記発電部分の平面形状は、さらに、前記発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材の表面に積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材を備え、
前記集電部材は、
前記集電部材の内部に設けられ、外部から供給された前記反応ガスを流すための反応ガス流路と、
前記流路構成部材の一方の端部領域に対向する位置に形成され、前記反応ガス流路から前記流路構成部材の表面に対して略垂直方向に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、
前記流路構成部材の他方の端部領域に対向する位置に形成され、前記流路構成部材内を流れ、前記膜電極接合体において発電に供されなかった前記反応ガスであるオフガスを、前記流路構成部材の表面から略垂直方向に排出するためのオフガス排出口と、
前記オフガス排出口から前記オフガスを外部に流すためのオフガス流路と、
を有しており、
前記集電部材において、
前記反応ガス供給口、および、前記オフガス排出口は、それぞれ、前記流路構成部材内における前記反応ガス、および、前記オフガスの流れ方向に対して略垂直な方向の前記流路構成部材の幅とほぼ等しい長さを有するスリット形状を有しており、
前記反応ガス流路は、前記反応ガス供給口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されており、
前記オフガス流路は、前記オフガス排出口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの少なくとも燃料ガスである、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と前記触媒電極との平面形状は、ほぼ等しい、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反応ガス、すなわち、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）と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。この燃料電池は、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、触媒電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータ（集電部材）によって挟持することによって構成される。
【０００３】
このような燃料電池では、発電によって、膜電極接合体の表面における反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、反応ガスが消費されていくため、反応ガスの流れ方向の上流側では、反応ガスの濃度が比較的高く、反応ガスの下流側では、反応ガスの濃度が比較的低くなるという濃度勾配が生じる。このため、膜電極接合体において、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、発電分布が不均一になるという課題があった。
【０００４】
そこで、従来、膜電極接合体において、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けて、触媒電極（触媒層）の厚さ等を変化させることによって、反応ガスの流れ方向の上流から下流に掛けての発電分布の均一化を図る技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３１７４９２号公報
【特許文献２】特開２００２−１２６５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献に記載された技術では、膜電極接合体の表面における反応ガスの濃度分布に関しては、考慮されているものの、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に関しては、何ら考慮されていなかった。つまり、従来の燃料電池では、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布の不均一に起因して、発電分布が不均一になる場合があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制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又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、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、前記各触媒電極の表面にそれぞれ積層され、前記各触媒電極に供給すべき反応ガスを流すための流路構成部材と、を備え、前記触媒電極における発電に供する発電部分の平面形状は、該触媒電極の表面に積層された前記流路構成部材における前記反応ガスの流量分布に基づいて設定されている、燃料電池。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記発電部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材における反応ガスの流量分布に基づいて設定している。したがって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
【００１１】
なお、上記発電部分の平面形状とは、実際に発電に供する触媒電極の平面形状を意味しており、例えば、触媒電極の平面形状自体を流路構成部材における反応ガスの流路分布に基づいて設定するようにしてもよいし、膜電極接合体や、触媒電極の表面の一部にガス不透過な被覆を施すことによって、実質的に発電に寄与する部分の平面形状を流路構成部材における反応ガスの流路分布に基づいて設定するようにしてもよい。
【００１２】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記発電部分の平面形状は、さらに、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する部分の触媒電極の面積が、前記流路構成部材における前記反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する部分の触媒電極の面積よりも小さくなるように設定されている、燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、流路構成部材における反応ガスの流量が比較的少ない領域と対向する領域の発電部分の面積が、流路構成部材における反応ガスの流量が比較的多い領域と対向する領域の発電部分の面積よりも狭くなるように設定されている。換言すれば、膜電極接合体の表面において、反応ガスの流量が少ないほど、触媒電極における発電部分の面積を狭く設定している。こうすることによって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
【００１４】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記発電部分の平面形状は、さらに、前記発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定されている、燃料電池。
【００１５】
本適用例によって、膜電極接合体の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制するようにすることができる。
【００１６】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材の表面に積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材を備え、前記集電部材は、前記集電部材の内部に設けられ、外部から供給された前記反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記流路構成部材の一方の端部領域に対向する位置に形成され、前記反応ガス流路から前記流路構成部材の表面に対して略垂直方向に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、前記流路構成部材の他方の端部領域に対向する位置に形成され、前記流路構成部材内を流れ、前記膜電極接合体において発電に供されなかった前記反応ガスであるオフガスを、前記流路構成部材の表面から略垂直方向に排出するためのオフガス排出口と、前記オフガス排出口から前記オフガスを外部に流すためのオフガス流路と、を有しており、前記集電部材において、前記反応ガス供給口、および、前記オフガス排出口は、それぞれ、前記流路構成部材内における前記反応ガス、および、前記オフガスの流れ方向に対して略垂直な方向の前記流路構成部材の幅とほぼ等しい長さを有するスリット形状を有しており、前記反応ガス流路は、前記反応ガス供給口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されており、前記オフガス流路は、前記オフガス排出口の長さ方向の少なくとも一方の端部から延設されている、燃料電池。
【００１７】
集電部材が上述した構造を有する燃料電池では、反応ガス供給口の形状がスリット形状を有しているため、反応ガス供給口の長さ方向について、膜電極接合体の表面における反応ガスの流量分布が比較的不均一になりやすい。したがって、本発明は、特に効果的である。
【００１８】
［適用例５］適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの少なくとも燃料ガスである、燃料電池。
【００１９】
膜電極接合体において、燃料ガスが供給されるアノード側の触媒電極と、酸化剤ガスが供給されるカソード側の触媒電極とでは、一般に、アノード側の触媒電極の方が、いわゆるカーボン酸化等によって劣化しやすい傾向にある。したがって、本発明は、特に効果的である。なお、膜電極接合体における発電は、アノード側の触媒電極とカソード側の触媒電極とが対となって行われるので、カソード側の触媒電極にも、本発明を適用することが好ましい。
【００２０】
［適用例６］適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記電解質膜と前記触媒電極との平面形状は、ほぼ等しい、燃料電池。
【００２１】
本適用例によって、膜電極接合体のサイズを必要最小限に抑えることができるので、膜電極接合体、さらには、燃料電池の製造コストを抑制することができる。
【００２２】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法、あるいは、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２４】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００２５】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する空気供給口１２ｉが形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出口１２ｏが形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００２６】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２ｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２ｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００２７】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体、および、シールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００２８】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２９】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
燃料電池スタック１００を構成する各燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）の両面に、後述する金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ４２によって挟持することによって構成されている。そして、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層（触媒電極）が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層（触媒電極）が接合されたものである。なお、本実施例の膜電極接合体において、アノード側の触媒層の表面、および、カソード側の触媒層の表面には、後述するように、導電性、および、ガス拡散性を有し、アノード側の触媒層、および、カソード側の触媒層に、それぞれ供給すべき水素、および、空気を流すための反応ガス流路を構成するガス拡散層もそれぞれ接合されている。このガス拡散層としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。これは、後述する第２実施例においても同様である。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１、セパレータ４２、および、燃料電池モジュール４０の断面構造について説明する。
【００３０】
Ａ２．１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３１】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１は、略矩形形状を有しており、等脚台形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０を一体形成したものである。ＭＥＡ４１１は、図２（ｂ）に示したように、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれカソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。本実施例では、アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃは、これらの全面において、ほぼ均等な厚さを有しており、ほぼ均質であるものとした。
【００３２】
なお、本実施例では、ＭＥＡ４１１の平面形状は、図示した左側ほど（後述する水素供給用貫通孔４１４ｉからの距離が近いほど）、図示した縦方向の長さが長く、図示した右側ほど（水素供給用貫通孔４１４ｉからの距離が遠いほど）、図示した縦方向の長さが短くなるように設定されている。本実施例において、ＭＥＡ４１１の平面形状を上述した台形形状とした理由については、後述する。
【００３３】
そして、シールガスケット４１０の下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉが、シールガスケット４１０の下側長辺に沿って形成されている。シールガスケット４１０における空気供給用貫通孔４１２ｉの形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された空気供給口１２ｉの形成位置と対応している。
【００３４】
また、シールガスケット４１０の上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏが、シールガスケット４１０の上側長辺に沿って形成されている。シールガスケット４１０におけるカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏの形成位置は、エンドプレート１０ａに形成されたカソードオフガス排出口１２ｏの形成位置と対応している。
【００３５】
また、シールガスケット４１０の左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４１０における水素供給用貫通孔４１４ｉ、および、冷却水供給用貫通孔４１６ｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給口１６ｉの形成位置と対応している。
【００３６】
また、シールガスケット４１０の右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４１０における冷却水排出用貫通孔４１６ｏ、および、アノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出口１４ｏの形成位置と対応している。
【００３７】
また、図２（ａ），（ｂ）に示したように、シールガスケット４１０における、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、シールガスケット４１０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と後述するセパレータ４２とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４１１の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００３８】
Ａ２．２．セパレータ：
図３は、第１実施例におけるセパレータ４２の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４２は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとから構成されている。そして、セパレータ４２は、中間プレート４２ｍを、カソード対向プレート４２ｃと、アノード対向プレート４２ａとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【００３９】
図３（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２ｃの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
【００４０】
図示するように、カソード対向プレート４２ｃには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｃｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４１】
また、カソード対向プレート４２ｃには、図示するように、空気供給用貫通孔４２２ｃｉ近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置された空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅとが形成されている。本実施例では、空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出口４２２ｏｅとは、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【００４２】
図３（ｂ）は、中間プレート４２ｍの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
【００４３】
図示するように、中間プレート４２ｍには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｍｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｍｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート４２ｍには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍも形成されている。
【００４４】
また、中間プレート４２ｍにおいて、空気供給用貫通孔４２２ｍｉには、空気供給用貫通孔４２２ｍｉから、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏには、カソード対向プレート４２ｃに形成されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔４２４ｍｉには、この水素供給用貫通孔４２４ｍｉから、後述するアノード対向プレート４２ａに形成された水素供給口４２４ｈｓに、水素を流すための水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏには、後述するアノード対向プレート４２ａに形成されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐが設けられている。
【００４５】
図３（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２ａの平面図である。図中の破線で囲った等脚台形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、後述する金属多孔体に対応する領域を表している。
【００４６】
図示するように、アノード対向プレート４２ａには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ａｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ａｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ａｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ａｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００４７】
また、アノード対向プレート４２ａには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏ近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置された水素供給口４２４ｈｓと、空気供給用貫通孔４２２ａｉ近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅとが形成されている。本実施例では、水素供給口４２４ｈｓと、アノードオフガス排出口４２４ｈｅとは、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓ、および、カソードオフガス排出口４２２ｏｅと同様に、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【００４８】
図４は、セパレータ４２の平面図である。このセパレータ４２は、先に説明したように、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４２ａ側から見た様子を示した。
【００４９】
図から分かるように、アノード対向プレート４２ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓは、中間プレート４２ｍに形成された水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート４２ａにおいて、アノードオフガス排出口４２４ｈｅは、中間プレート４２ｍに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐと重なるように形成されている。
【００５０】
また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、空気供給口４２２ｏｓは、中間プレート４２ｍに形成された複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、カソードオフガス排出口４２２ｏｅは、中間プレート４２ｍに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐの各下端部と重なるように形成されている。
【００５１】
また、中間プレート４２ｍにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍは、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと重なるように形成されている。
【００５２】
Ａ２．３．燃料電池モジュールの断面構造：
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。セパレータ４２と、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１とを積層させたときの、図４におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池モジュール４０では、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード４１１ａと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード対向プレート４２ａとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材（アノード側金属多孔体４３ａ）が介装され、アノード側ガス拡散層４１１ａｄの表面に沿って水素を流すための流路が形成されている。また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード４１１ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード対向プレート４２ｃとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材（カソード側金属多孔体４３ｃ）が介装され、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄの表面に沿って空気を流すための流路が形成されている。上記多孔質部材の代わりに、例えば、エキスパンドメタルを適用するようにしてもよい。これは、後述する第２実施例においても同様である。アノード側金属多孔体４３ａ、および、カソード側金属多孔体４３ｃは、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄと同様に、本発明における流路構成部材に相当する。
【００５４】
図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、アノード対向プレート４２ａの空気供給用貫通孔４２２ａｉを通り、中間プレート４２ｍの空気供給用貫通孔４２２ｍｉから分岐して、空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐを通り、カソード対向プレート４２ｃの空気供給口４２２ｏｓから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に供給される。
【００５５】
そして、空気供給口４２２ｏｓから供給された空気は、カソード側金属多孔体４３ｃ中、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート４２ｃのカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏを通って、アノード対向プレート４２ａのカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００５６】
また、図４、および、図５から分かるように、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、アノード対向プレート４２ａの水素供給用貫通孔４２４ａｉを通り、中間プレート４２ｍの水素供給用貫通孔４２４ｍｉから分岐して、水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐを通り、アノード対向プレート４２ａの水素供給口４２４ｈｓから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に供給される。
【００５７】
そして、水素供給口４２４ｈｓから供給された水素は、アノード側金属多孔体４３ａ中、および、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート４２ａのアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏを通って、アノード対向プレート４２ａのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ａｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００５８】
また、図４、および、図５から分かるように、燃料電池スタック１００の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート４２ａの冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、中間プレート４２ｍの冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍを通って、アノード対向プレート４２ａの冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００５９】
Ａ３．第１実施例の作用、および、効果：
図６は、第１実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図６（ａ）に、アノード対向プレート４２ａに形成された水素供給口４２４ｈｓからアノードオフガス排出口４２４ｈｅへの水素の流れを示した。また、図６（ｂ）に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、ＭＥＡ４１１のアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
上述した燃料電池モジュール４０では、先に説明したように、水素供給マニホールドの主流路（水素供給用貫通孔４２４ｃｉ、水素供給用貫通孔４２４ｍｉ、水素供給用貫通孔４２４ａｉ、水素供給用貫通孔４１４ｉ）を流れる水素は、中間プレート４２ｍに形成された水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐを流れ、アノード対向プレート４２ａに形成されたスリット形状を有する水素供給口４２４ｈｓからアノード側金属多孔体４３ａに供給される。このとき、水素供給口４２４ｈｓからアノード側金属多孔体４３ａに供給される水素の流量は、図６（ａ）中に長さの異なる複数の実線矢印で示したように、あるいは、図６（ｂ）に実線で示したように、例えば、水素供給用貫通孔４２４ａｉから近いほど多くなり、水素供給用貫通孔４２４ａｉから遠ざかるほど少なくなる。したがって、アノード対向プレート４２ａと当接するアノード側金属多孔体４３ａ内を流れる水素も、例えば、水素供給用貫通孔４２４ａｉから近いほど多くなり、水素供給用貫通孔４２４ａｉから遠ざかるほど少なくなる。つまり、アノード側金属多孔体４３ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓからアノードオフガス排出口４２４ｈｅへの水素の流量分布は不均一となる。
【００６１】
そして、本実施例の燃料電池モジュール４０では、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、ＭＥＡ４１１の平面形状を、先に説明したように（図２参照）、等脚台形形状としており、水素供給用貫通孔４１４ｉからの距離が近いほど、水素の流れ方向の長さが長く、水素供給用貫通孔４１４ｉからの距離が遠いほど、水素の流れ方向の長さが短くなるように設定されている。つまり、図６（ｂ）に破線で示したように、ＭＥＡ４１１の平面形状は、ＭＥＡ４１１の表面上を流れる水素の流量が多いほど、水素の流れ方向の長さが長く、ＭＥＡ４１１の表面上を流れる水素の流量が少ないほど、水素の流れ方向の長さが短く設定されている。換言すれば、ＭＥＡ４１１の平面形状は、ＭＥＡ４１１の表面上を流れる水素の流量が多い領域ほど、その面積が広く、ＭＥＡ４１１の表面上を流れる水素の流量が少ない領域ほど、その面積が狭く設定されている。したがって、ＭＥＡ４１１の表面において、水素の流量が比較的多い領域では、比較的広い面積で発電が行われ、水素の流量が比較的少ない領域では、比較的狭い面積で発電が行われる。この結果、図６（ｂ）に一点鎖線で示したように、ＭＥＡ４１１の発電部分における単位面積当たりの発電量は均一化される。
【００６２】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、燃料電池モジュール４０において、ＭＥＡ４１１の平面形状、すなわち、ＭＥＡ４１１におけるアノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃの平面形状を、アノード側金属多孔体４３ａ、および、カソード側金属多孔体４３ｃにおける反応ガスの流量分布に基づいて、ＭＥＡ４１１の発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定している。したがって、ＭＥＡ４１１の表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制することができる。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。図１と図７との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成とほぼ等しい。ただし、図７に示したように、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、第１実施例の燃料電池スタック１００とは異なり、エンドプレート１０ａに、２つの水素供給口１４ｉ１，１４ｉ２、および、２つのアノードオフガス排出口１４ｏ１，１４ｏ２が、図示した位置に形成されている。また、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、第１実施例の燃料電池スタック１００における燃料電池モジュール４０の代わりに、燃料電池モジュール４０Ａを備えており、その構成が、第１実施例の燃料電池スタック１００における燃料電池モジュール４０の構成と異なっている。以下、第２実施例の燃料電池モジュール４０Ａについて説明する。
【００６４】
Ｂ２．燃料電池モジュールの構成：
第２実施例における燃料電池モジュール４０Ａも、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、後述するセパレータ４２Ａによって挟持することによって構成されている。以下、第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、セパレータ４２Ａについて説明する。なお、燃料電池モジュール４０Ａの断面構造や、反応ガス等の流れについては、第１実施例における燃料電池モジュール４０とほぼ同様であるので、図示、および、説明を省略する。
【００６５】
Ｂ２．１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図８は、第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの概略構造を示す説明図である。図８（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図８（ｂ）には、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００６６】
図８（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａは、略矩形形状を有しており、矩形の長辺の中央部がくびれた六角形形状、すなわち、２つの等脚台形を左右対称に隣接させた形状を有するＭＥＡ４１１Ａの周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０Ａを一体形成したものである。ＭＥＡ４１１Ａは、図８（ｂ）に示したように、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれカソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。本実施例においても、アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃは、これらの全面において、ほぼ均等な厚さを有しており、ほぼ均質であるものとした。
【００６７】
なお、本実施例では、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状は、図示した両側ほど（後述する水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２からの距離が近いほど）、図示した縦方向の長さが長く、図示した中央部ほど（水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２からの距離が遠いほど）、図示した縦方向の長さが短くなるように設定されている。本実施例において、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状を上述した形状とした理由については、後述する。
【００６８】
そして、シールガスケット４１０Ａには、第１実施例におけるシールガスケット４１０と同じ位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが形成されている。
【００６９】
また、シールガスケット４１０Ａの左側短辺、および、右側短辺のＭＥＡ４１１Ａの近傍領域であって、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および、冷却水排出用貫通孔４１６ｏの上側に、水素供給マニホールドを構成する２つの水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２がそれぞれ形成されている。また、シールガスケット４１０Ａの左側短辺、および、右側短辺のＭＥＡ４１１Ａの近傍領域であって、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および、冷却水排出用貫通孔４１６ｏの下側に、アノードオフガス排出マニホールドを構成する２つのアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏ１，４１４ｏ２がそれぞれ形成されている。
【００７０】
また、図８（ａ），（ｂ）に示したように、シールガスケット４１０Ａにおける、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１Ａの周囲には、シールガスケット４１０Ａの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａと後述するセパレータ４２Ａとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４１１Ａの表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００７１】
Ｂ２．２．セパレータ：
図９は、第２実施例におけるセパレータ４２Ａの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４２Ａは、第１実施例におけるセパレータ４２と同様に、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２Ａｃと、中間プレート４２Ａｍと、アノード対向プレート４２Ａａとから構成されている。そして、セパレータ４２Ａは、中間プレート４２Ａｍを、カソード対向プレート４２Ａｃと、アノード対向プレート４２Ａａとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、カソード対向プレート４２Ａｃと、中間プレート４２Ａｍと、アノード対向プレート４２Ａａとは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａと同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２Ａｃと、中間プレート４２Ａｍと、アノード対向プレート４２Ａａとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【００７２】
図９（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２Ａｃの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＡにおけるＭＥＡ４１１Ａに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
【００７３】
図示するように、カソード対向プレート４２Ａｃには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏと、水素供給マニホールドを構成する２つの水素供給用貫通孔４２４ｃｉ１，４２４ｃｉ２と、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成する２つのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏ１，４２４ｃｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００７４】
また、カソード対向プレート４２Ａｃには、図示するように、空気供給用貫通孔４２２ｃｉ近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置された空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅとが形成されている。本実施例においても、空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出口４２２ｏｅとは、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【００７５】
図９（ｂ）は、中間プレート４２Ａｍの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＡにおけるＭＥＡ４１１Ａに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
【００７６】
図示するように、中間プレート４２Ａｍには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｍｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏと、水素供給マニホールドを構成する２つの水素供給用貫通孔４２４ｍｉ１，４２４ｍｉ２と、アノードオフガス排出マニホールドを構成する２つのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏ１，４２４ｍｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート４２Ａｍには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍも形成されている。
【００７７】
また、中間プレート４２Ａｍにおいて、空気供給用貫通孔４２２ｍｉには、空気供給用貫通孔４２２ｍｉから、カソード対向プレート４２Ａｃに形成された空気供給口４２２ｏｓに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏには、カソード対向プレート４２Ａｃに形成されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔４２４ｍｉ１，４２４ｍｉ２には、これら水素供給用貫通孔４２４ｍｉ１，４２４ｍｉ２から、それぞれ、後述するアノード対向プレート４２Ａａに形成された水素供給口４２４ｈｓに、水素を流すための水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏ１，４２４ｍｏ２には、後述するアノード対向プレート４２Ａａに形成されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、それぞれ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏ１，４２４ｍｏ２に、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐが設けられている。
【００７８】
図９（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２Ａａの平面図である。図中の破線で囲った六角形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＡにおけるＭＥＡ４１１Ａに対応する領域を表している。また、図中の一点鎖線で囲った矩形の領域は、金属多孔体に対応する領域を表している。
【００７９】
図示するように、アノード対向プレート４２Ａａには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する２つの水素供給用貫通孔４２４ａｉ１，４２４ａｉ２と、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ａｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ａｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成する２つのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ａｏ１，４２４ａｏ２とが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００８０】
また、アノード対向プレート４２Ａａには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏ近傍の金属多孔体の上端領域と対向する位置に配置された水素供給口４２４ｈｓと、空気供給用貫通孔４２２ａｉ近傍の金属多孔体の下端領域と対向する位置に配置されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅとが形成されている。本実施例においても、水素供給口４２４ｈｓと、アノードオフガス排出口４２４ｈｅとは、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓ、および、カソードオフガス排出口４２２ｏｅと同様に、金属多孔体の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【００８１】
図１０は、セパレータ４２Ａの平面図である。このセパレータ４２Ａは、先に説明したように、カソード対向プレート４２Ａｃと、中間プレート４２Ａｍと、アノード対向プレート４２Ａａとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４２Ａａ側から見た様子を示した。
【００８２】
図から分かるように、アノード対向プレート４２Ａａにおいて、水素供給口４２４ｈｓは、中間プレート４２Ａｍに形成された水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート４２Ａａにおいて、アノードオフガス排出口４２４ｈｅは、中間プレート４２Ａｍに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐと重なるように形成されている。
【００８３】
また、カソード対向プレート４２Ａｃにおいて、空気供給口４２２ｏｓは、中間プレート４２Ａｍに形成された複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート４２Ａｃにおいて、カソードオフガス排出口４２２ｏｅは、中間プレート４２Ａｍに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐの各下端部と重なるように形成されている。
【００８４】
また、中間プレート４２Ａｍにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍは、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４２Ａａに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、および、カソード対向プレート４２Ａｃに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４２Ａａに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ、および、カソード対向プレート４２Ａｃに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと重なるように形成されている。
【００８５】
Ｂ３．第２実施例の作用、および、効果：
図１１は、第２実施例の作用、および、効果を示す説明図である。図１１（ａ）に、アノード対向プレート４２Ａａに形成された水素供給口４２４ｈｓからアノードオフガス排出口４２４ｈｅへの水素の流れを示した。また、図１１（ｂ）に、本実施例の作用、および、効果を示すグラフを示した。なお、ここでは、本実施例の作用、および、効果について、ＭＥＡ４１１Ａのアノード側についてのみ説明し、カソード側については、アノード側と同様であるので、説明を省略する。
【００８６】
上述した燃料電池モジュール４０Ａでは、先に説明したように、水素供給マニホールドの主流路（水素供給用貫通孔４２４ｃｉ１，４２４ｃｉ２、水素供給用貫通孔４２４ｍｉ１，４２４ｍｉ２、水素供給用貫通孔４２４ａｉ1,４２４ａｉ２、水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２）を流れる水素は、中間プレート４２Ａｍに形成された水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐを流れ、アノード対向プレート４２Ａａに形成されたスリット形状を有する水素供給口４２４ｈｓからアノード側金属多孔体４３ａに供給される。したがって、水素供給口４２４ｈｓから供給される水素の流量は、図１１（ａ）中に長さの異なる複数の実線矢印で示したように、あるいは、図１（ｂ）に実線で示したように、例えば、水素供給用貫通孔４２４ａｉ１，４２４ａｉ２から近いほど、すなわち、水素供給口４２４ｈｓの両側ほど多くなり、水素供給用貫通孔４２４ａｉ１，４２４ａｉ２から遠ざかるほど、すなわち、水素供給口４２４ｈｓの中央部ほど少なくなる。したがって、アノード対向プレート４２ａと当接するアノード側金属多孔体４３ａ内を流れる水素も、例えば、水素供給用貫通孔４２４ａｉから近いほど、すなわち、水素供給口４２４ｈｓの両側ほど多くなり、水素供給用貫通孔４２４ａｉから遠ざかるほど、すなわち、水素供給口４２４ｈｓの中央部ほど少なくなる。つまり、アノード側金属多孔体４３ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓからアノードオフガス排出口４２４ｈｅへの水素の流量分布は不均一となる。
【００８７】
そして、本実施例の燃料電池モジュール４０Ａでは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａにおいて、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状を、先に説明したように（図８参照）、２つの等脚台形を左右対称に隣接させた六角形形状としており、水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２からの距離が近いほど、すなわち、ＭＥＡ４１１Ａの両側ほど、水素の流れ方向の長さが長く、水素供給用貫通孔４１４ｉ１，４１４ｉ２からの距離が遠いほど、すなわち、ＭＥＡ４１１Ａの中央部ほど、水素の流れ方向の長さが短くなるように設定されている。つまり、図１１（ｂ）に破線で示したように、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状は、ＭＥＡ４１１Ａの表面上を流れる水素の流量が多いほど、水素の流れ方向の長さが長く、ＭＥＡ４１１Ａの表面上を流れる水素の流量が少ないほど、水素の流れ方向の長さが短く設定されている。換言すれば、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状は、ＭＥＡ４１１Ａの表面上を流れる水素の流量が多い領域ほど、その面積が広く、ＭＥＡ４１１Ａの表面上を流れる水素の流量が少ない領域ほど、その面積が狭く設定されている。したがって、ＭＥＡ４１１Ａの表面において、水素の流量が比較的多い領域では、比較的広い面積で発電が行われ、水素の流量が比較的少ない領域では、比較的狭い面積で発電が行われる。この結果、図１１（ｂ）に一点鎖線で示したように、ＭＥＡ４１１Ａの発電部分における単位面積当たりの発電量は均一化される。
【００８８】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタック１００Ａによれば、燃料電池モジュール４０Ａにおいて、ＭＥＡ４１１Ａの平面形状、すなわち、ＭＥＡ４１１Ａにおけるアノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃの平面形状を、アノード側金属多孔体４３ａ、および、カソード側金属多孔体４３ｃにおける反応ガスの流量分布に基づいて、ＭＥＡ４１１Ａの発電部分における単位面積当たりの発電量がほぼ等しくなるように設定している。したがって、ＭＥＡ４１１Ａの表面を流れる反応ガスの流量分布に起因した発電分布の不均一を抑制することができる。
【００８９】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態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なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００９０】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、ＭＥＡ４１１の平面形状、すなわち、アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃの平面形状は、等脚台形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層（触媒電極）における発電に供する発電部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材（例えば、アノード側金属多孔体４３ａ）における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよい。
【００９１】
図１２は、第１実施例におけるＭＥＡ４１１（図２参照）の変形例としてのＭＥＡ、すなわち、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を示す説明図である。図１２（ａ），（ｂ）に示したように、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、等脚台形以外の台形形状としてもよい。また、図１２（ｃ）に示したように、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、２つの台形を図示した上下方向に並べた形状としてもよい。また、図１２（ｄ）に示したように、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、水素の流れ方向の長さが段階的に変化する多角形形状としてもよい。また、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を、曲線を含む多角形以外の形状としてもよい。
【００９２】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ＭＥＡ４１１，４１１Ａの平面形状を、等脚台形形状、あるいは、２つの等脚台形を左右対称に隣接させた六角形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、触媒層（触媒電極）における発電に供する部分の平面形状を、触媒電極の表面に積層された流路構成部材（例えば、アノード側金属多孔体４３ａ）における反応ガスの流量分布に基づいて設定されていればよく、ＭＥＡ４１１，４１１Ａの平面形状を、例えば、矩形形状とし、その表面の一部にガス不透過な被覆を施すことによって、発電部分の形状を設定するようにしてもよい。また、ＭＥＡにおいて、電解質膜上に、サイズの異なる複数の触媒層を島状に形成するようにしてもよい。
【００９３】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、セパレータ４２，４２Ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓ、アノードオフガス排出口４２４ｈｅ、空気供給口４２２ｏｓ、カソードオフガス排出口４２２ｏｅの形状は、ＭＥＡ４１１の図示した横方向の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。水素供給口４２４ｈｓ、アノードオフガス排出口４２４ｈｅ、空気供給口４２２ｏｓ、カソードオフガス排出口４２２ｏｅの形状は、任意に設定可能である。また、セパレータ４２の内部構造も、先に説明した構造に限られず、任意に設定可能であり、例えば、水素供給口４２４ｈｓ、アノードオフガス排出口４２４ｈｅ、空気供給口４２２ｏｓ、カソードオフガス排出口４２２ｏｅを、円形形状を有する複数の貫通孔によって構成するようにしてもよい。
【００９４】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、本発明を、膜電極接合体のアノード側とカソード側との双方に適用するものとしたが、アノード側のみに適用するようにしてもよい。
【００９５】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、ＭＥＡ４１１，４１１Ａにおいて、アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃの平面形状を、反応ガスの流量分布に基づいて設定するものとしたが、さらに、反応ガスの濃度分布に基づいて、アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃに含まれる触媒の単位面積当たりの量（密度）や、触媒の比表面積や、厚さ等を変化させることによって、ＭＥＡにおける反応ガスの流れ方向の発電分布を均一させるようにしてもよい。
【００９６】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、ＭＥＡ４１１，４１１Ａにおいて、アノード４１１ａ、および、カソード４１１ｃは、それぞれ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
【００９７】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、セパレータ４２，４２Ａは、３枚の金属製の平板からなり、フラットな形状を有するものとしたが、本発明はこれに限られない。セパレータのＭＥＡと対向する面に、リブ、および、溝を設け、燃料ガス流路や、酸化剤ガス流路とするようにしてもよい。この場合、セパレータが本発明における流路構成部材に相当することになる。そして、セパレータの表面に反応ガスの流路を形成するようにした場合、アノード側金属多孔体４３ａや、カソード側金属多孔体４３ｃを省略するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。
【図３】第１実施例におけるセパレータ４２の構成部品の平面図である。
【図４】セパレータ４２の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】第１実施例の作用、および、効果を示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ａの概略構成を示す斜視図である。
【図８】第２実施例におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの概略構造を示す説明図である。
【図９】第２実施例におけるセパレータ４２Ａの構成部品の平面図である。
【図１０】セパレータ４２Ａの平面図である。
【図１１】第２実施例の作用、および、効果を示す説明図である。
【図１２】第１実施例におけるＭＥＡ４１１の変形例としてのＭＥＡ、すなわち、ＭＥＡにおけるアノード側触媒層、および、カソード側触媒層の平面形状を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ…空気供給口
１２ｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ，１４ｉ１，１４ｉ２…水素供給口
１４ｏ，１４ｏ１，１４ｏ２…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０，４０Ａ…燃料電池モジュール
４１，４１Ａ…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１０，４１０Ａ…シールガスケット
４１１，４１１Ａ…ＭＥＡ
４１１ａ…アノード
４１１ａｃ…アノード側触媒層
４１１ａｄ…アノード側ガス拡散層
４１１ｃ…カソード
４１１ｃｃ…カソード側触媒層
４１１ｃｄ…カソード側ガス拡散層
４１１ｍ…電解質膜
４１２ｉ…空気供給用貫通孔
４１２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ，４１４ｉ１，４１４ｉ２…水素供給用貫通孔
４１４ｏ，４１４ｏ１，４１４ｏ２…アノードオフガス排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２，４２Ａ…セパレータ
４２ｃ，４２Ａｃ…カソード対向プレート
４２２ｃｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｏｓ…空気供給口
４２２ｃｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｏｅ…カソードオフガス排出口
４２４ｃｉ，４２４ｃｉ１，４２４ｃｉ２…水素供給用貫通孔
４２４ｃｏ，４２４ｃｏ１，４２４ｃｏ２…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｃｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｃｏ…冷却水排出用貫通孔
４２ｍ，４２Ａｍ…中間プレート
４２２ｍｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｍｉｐ…空気供給用流路形成部
４２２ｍｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｍｏｐ…カソードオフガス排出用流路形成部
４２４ｍｉ，４２４ｍｉ１，４２４ｍｉ２…水素供給用貫通孔
４２４ｍｉｐ…水素供給用流路形成部
４２４ｍｏ，４２４ｍｏ１，４２４ｍｏ２…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｍｏｐ…アノードオフガス排出用流路形成部
４２６ｍ…冷却水流路形成用貫通孔
４２ａ，４２Ａａ…アノード対向プレート
４２２ａｉ…空気供給用貫通孔
４２２ａｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２４ａｉ，４２４ａｉ１，４２４ａｉ２…水素供給用貫通孔
４２４ｈｓ…水素供給口
４２４ａｏ，４２４ａｏ１，４２４ａｏ２…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｈｅ…アノードオフガス排出口
４２６ａｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ａｏ…冷却水排出用貫通孔
４３ａ…アノード側金属多孔体
４３ｃ…カソード側金属多孔体
ＳＬ…シールライン
【図１】
2009093889.tif 000003
【図２】
2009093889.tif 000004
【図３】
2009093889.tif 000005
【図４】
2009093889.tif 000006
【図５】
2009093889.tif 000007
【図６】
2009093889.tif 000008
【図７】
2009093889.tif 000009
【図８】
2009093889.tif 000010
【図９】
2009093889.tif 000011
【図１０】
2009093889.tif 000012
【図１１】
2009093889.tif 000013
【図１２】
2009093889.tif 000014