(57)【要約】【課題】燃料ガス用マニホールドから燃料ガスが漏洩することを抑制すること。【解決手段】燃料電池であって、燃料電池の一部を構成する第１構成部材と、燃料電池の一部を構成し、第１構成部材に積層される第２構成部材と、第１構成部材および第２構成部材を貫通し、燃料ガスが流通する燃料ガス用マニホールドと、第１構成部材と第２構成部材とに挟持され、燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成する第１シール部材と、第１構成部材と第２構成部材とに挟持され、第１構成部材または第２構成部材の面に沿った面方向において、第１シール部材の外側であり、第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する第２シール部材と、第１シール部材と第２シール部材との間に形成されるシール間空間と燃料電池の外部とを連通させ、シール間空間の流体を燃料電池の外部に排出可能な排出流路と、を備えること。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
前記燃料電池の一部を構成する第１構成部材と、
前記燃料電池の一部を構成し、前記第１構成部材に積層される第２構成部材と、
前記第１構成部材および前記第２構成部材を貫通し、燃料ガスが流通する燃料ガス用マニホールドと、
前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成する第１シール部材と、
前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記第１構成部材または前記第２構成部材の面に沿った面方向において、前記第１シール部材の外側であり、前記第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する第２シール部材と、
前記第１シール部材と前記第２シール部材との間に形成されるシール間空間と前記燃料電池の外部とを連通させ、前記シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出可能な排出流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１構成部材、前記第２構成部材、前記第１シール部材、および、前記第２シール部材を備える単位ユニットが複数積層されたスタック構造を有し、
前記燃料ガス用マニホールドは、
各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、
前記排出流路は、
各単位ユニットにおいてそれぞれ形成される各シール間空間を連通させると共に、両端部が、前記燃料電池の外部と連通し、各シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出可能であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記排出流路の一方の端部から、所定の流体を吹き込むことにより、または、前記排出流路の一方の端部から前記排出流路中の流体を吸引することにより、前記シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出する排出処理が行われることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、
前記第１構成部材、前記第２構成部材、前記第１シール部材、および、前記第２シール部材を備える単位ユニットが複数積層されたスタック構造を有し、
前記燃料ガス用マニホールドは、
各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、前記燃料電池の膜電極接合体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と、
各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、前記膜電極接合体で電気化学反応に供された後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と、から構成され、
各単位ユニットの前記第１シール部材は、それぞれ、
前記燃料ガス供給マニホールドを囲むようにシールラインを形成する供給側第１シール部材と、
前記燃料ガス排出マニホールドを囲むようにシールラインを形成する排出側第１シール部材と、から構成され、
各単位ユニットの前記第２シール部材は、それぞれ、
前記面方向において、前記供給側第１シール部材の外側であって、前記供給側第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する供給側第２シール部材と、
前記面方向において、前記排出側第１シール部材の外側であって、前記排出側第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する排出側第２シール部材と、から構成され、
前記排出流路は、
各単位ユニットにおける前記供給側第１シール部材と前記供給側第２シール部材との間に形成される第１シール間空間を、それぞれ連通させる第１排出流路と、
各単位ユニットにおける前記排出側第１シール部材と前記排出側第２シール部材との間に形成される第２シール間空間を、それぞれ連通させる第２排出流路と、
前記第１排出流路および前記第２排出流路において、前記第１排出流路の端部と、前記第２排出流路の端部とを接続するバイパス流路と、を備え、
前記第１排出流路および前記第２排出流路において、前記バイパス流路と接続される前記端部とは反対の端部が、それぞれ、前記燃料電池の外部と連通し、前記第１シール間空間と前記第２シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出可能であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記第１排出流路または前記第２排出流路の前記反対の端部から、所定の流体を吹き込むことにより、または、前記第１排出流路または前記第２排出流路の前記反対の端部から前記第１排出流路および前記第２排出流路中の流体を吸引することにより、前記第１シール間空間および前記第２シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出する排出処理が行われることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項３または請求項５に記載の燃料電池において、
前記排出処理は、
前記燃料電池の始動時であって、前記燃料電池温度が氷点下の場合における始動時に行われることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項３または請求項５に記載の燃料電池において、
前記排出処理は、
前記燃料電池の掃気処理時に行われることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１シール部材は、
前記第２シール部材より水素脆化しにくい材料で構成され、
前記第２シール部材は、
前記第１シール部材より低温追従性が高い材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１シール部材は、
炭化水素系高分子材料で構成され、
前記第２シール部材料は、
フッ素系高分子材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池において、
前記第１構成部材および前記第２構成部材は、それぞれ、セパレータであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池であって、
前記燃料電池の一部を構成する第１構成部材と、
前記燃料電池の一部を構成し、前記第１構成部材に積層される第２構成部材と、
前記第１構成部材および前記第２構成部材を貫通し、燃料ガスが流通する燃料ガス用マニホールドと、
前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成する第１シール部材と、
前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記第１構成部材または前記第２構成部材の面に沿った面方向において、前記第１シール部材の外側であり、前記第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する第２シール部材と、を備え、
前記第１シール部材は、
前記第２シール部材より水素脆化しにくい材料で構成され、
前記第２シール部材は、
前記第１シール部材より低温追従性が高い材料で構成され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】
従来、燃料電池では、セパレータを貫通し、燃料電池のアノードに対して、燃料ガスを給排するための燃料ガス用マニホールドが形成されている（下記特許文献１参照）。この燃料電池では、セパレータの間に、燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成するシール部材が配置される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２３７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池に、例えば、所定の外力が加わったり、シール部材が脆化したりすること等により、燃料電池において、燃料ガス用マニホールドから、燃料ガスが漏洩するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料ガス用マニホールドから燃料ガスが漏洩することを抑制するための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】
【０００６】
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。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池であって、燃料電池の一部を構成する第１構成部材と、燃料電池の一部を構成し、第１構成部材に積層される第２構成部材と、第１構成部材および第２構成部材を貫通し、燃料ガスが流通する燃料ガス用マニホールドと、第１構成部材と第２構成部材とに挟持され、燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成する第１シール部材と、第１構成部材と第２構成部材とに挟持され、第１構成部材または第２構成部材の面に沿った面方向において、第１シール部材の外側であり、第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する第２シール部材と、第１シール部材と第２シール部材との間に形成されるシール間空間と燃料電池の外部とを連通させ、シール間空間の流体を燃料電池の外部に排出可能な排出流路と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、燃料ガス用マニホールドから燃料ガスの漏洩を抑制することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記第１構成部材、前記第２構成部材、前記第１シール部材、および、前記第２シール部材を備える単位ユニットが複数積層されたスタック構造を有し、前記燃料ガス用マニホールドは、各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、前記排出流路は、各単位ユニットにおいてそれぞれ形成される各シール間空間を連通させると共に、両端部が、前記燃料電池の外部と連通し、各シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出可能であることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
このようにすれば、単位ユニットが複数積層されたスタック構造を有した燃料電池において、燃料ガス用マニホールドから燃料ガスの漏洩を抑制することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例２に記載の燃料電池において、前記排出流路の一方の端部から、所定の流体を吹き込むことにより、または、前記排出流路の一方の端部から前記排出流路中の流体を吸引することにより、前記シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出する排出処理が行われることを特徴とする燃料電池。
【００１２】
このようにすれば、シール間空間の流体と共に、シール間空間に滞留する燃料ガスを燃料電池の外部に排出することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例１に記載の燃料電池において、前記第１構成部材、前記第２構成部材、前記第１シール部材、および、前記第２シール部材を備える単位ユニットが複数積層されたスタック構造を有し、前記燃料ガス用マニホールドは、各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、前記燃料電池の膜電極接合体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と、各単位ユニットの前記第１構成部材および前記第２構成部材をそれぞれ貫通し、前記膜電極接合体で電気化学反応に供された後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と、から構成され、各単位ユニットの前記第１シール部材は、それぞれ、
前記燃料ガス供給マニホールドを囲むようにシールラインを形成する供給側第１シール部材と、前記燃料ガス排出マニホールドを囲むようにシールラインを形成する排出側第１シール部材と、から構成され、各単位ユニットの前記第２シール部材は、それぞれ、前記面方向において、前記供給側第１シール部材の外側であって、前記供給側第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する供給側第２シール部材と、前記面方向において、前記排出側第１シール部材の外側であって、前記排出側第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する排出側第２シール部材と、から構成され、前記排出流路は、各単位ユニットにおける前記供給側第１シール部材と前記供給側第２シール部材との間に形成される第１シール間空間を、それぞれ連通させる第１排出流路と、各単位ユニットにおける前記排出側第１シール部材と前記排出側第２シール部材との間に形成される第２シール間空間を、それぞれ連通させる第２排出流路と、前記第１排出流路および前記第２排出流路において、前記第１排出流路の端部と、前記第２排出流路の端部とを接続するバイパス流路と、を備え、前記第１排出流路および前記第２排出流路において、前記バイパス流路と接続される前記端部とは反対の端部が、それぞれ、前記燃料電池の外部と連通し、前記第１シール間空間と前記第２シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出可能であることを特徴とする燃料電池。
【００１４】
このようにすれば、燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスの漏洩を抑制することができる。また、シール間空間に滞留した燃料ガスの排出効率を向上させることができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例４に記載の燃料電池において、前記第１排出流路または前記第２排出流路の前記反対の端部から、所定の流体を吹き込むことにより、または、前記第１排出流路または前記第２排出流路の前記反対の端部から前記第１排出流路および前記第２排出流路中の流体を吸引することにより、前記第１シール間空間および前記第２シール間空間の流体を前記燃料電池の外部に排出する排出処理が行われることを特徴とする燃料電池。
【００１６】
このようにすれば、シール間空間の流体と共に、シール間空間に滞留した燃料ガスを、一度に燃料電池の外部に排出することができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例３または適用例５に記載の燃料電池において、前記排出処理は、前記燃料電池の始動時であって、前記燃料電池温度が氷点下の場合における始動時に行われることを特徴とする燃料電池。
【００１８】
このようにすれば、各シール間空間において、滞留量が多くなった燃料ガスを掃気することができ、燃料電池において、燃料ガスが漏洩することを抑制することができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例３または適用例５に記載の燃料電池において、前記排出処理は、前記燃料電池の掃気処理時に行われることを特徴とする燃料電池。
【００２０】
このようにすれば、次回の燃料電池の始動時において、シール間空間に燃料ガスが滞留していることを抑制することができる。
【００２１】
[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１シール部材は、
前記第２シール部材より水素脆化しにくい材料で構成され、前記第２シール部材は、前記第１シール部材より低温追従性が高い材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【００２２】
このようにすれば、第１シール部材において、燃料ガスによる脆化を抑制することができ、第２シール部材において、低温追従性を向上させることができる。
【００２３】
[適用例９]
適用例８に記載の燃料電池において、前記第１シール部材は、炭化水素系高分子材料で構成され、前記第２シール部材料は、フッ素系高分子材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【００２４】
このようにすれば、第１シール部材において、燃料ガスによる脆化を抑制することができ、第２シール部材において、低温追従性を向上させることができる。
【００２５】
[適用例１０]
適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１構成部材および前記第２構成部材は、それぞれ、セパレータであることを特徴とする燃料電池。
【００２６】
[適用例１１]
燃料電池であって、前記燃料電池の一部を構成する第１構成部材と、前記燃料電池の一部を構成し、前記第１構成部材に積層される第２構成部材と、前記第１構成部材および前記第２構成部材を貫通し、燃料ガスが流通する燃料ガス用マニホールドと、前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記燃料ガス用マニホールドを囲むようにシールラインを形成する第１シール部材と、前記第１構成部材と前記第２構成部材とに挟持され、前記第１構成部材または前記第２構成部材の面に沿った面方向において、前記第１シール部材の外側であり、前記第１シール部材を囲むようにシールラインを形成する第２シール部材と、を備え、前記第１シール部材は、前記第２シール部材より水素脆化しにくい材料で構成され、前記第２シール部材は、前記第１シール部材より低温追従性が高い材料で構成されることを要旨とする。
【００２７】
上記構成の燃料電池によれば、燃料ガス用マニホールドから燃料ガスの漏洩を抑制することができる。
【００２８】
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、燃料電池システム、シール部材など他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明の態様に限ることなく、燃料電池の製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下に説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．実施例の燃料電池システムの全体構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素タンク２２と、ブロワ２４と、水素循環ポンプ６０と、冷媒循環ポンプ７０と、ラジエータ７７と、気液分離器６５と、水素遮断弁２６と、排気排水弁６４と、酸化ガス遮断弁３７と、温度センサ７１と、制御回路４００と、を備えている。
【００３０】
燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有している。この燃料電池１００には、後述する各セル内酸化ガス流路に酸化ガスを導入するための酸化ガス供給マニホールドＭＡＩと、各セル内酸化ガス流路から排出される酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールドＭＡＯと、後述する各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給マニホールドＭＨＩと、各セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドＭＨＯと、冷媒を供給され、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドＭＷＩと、各セル間冷媒流路から排出される冷媒が集合する冷媒排出マニホールドＭＷＯと、が設けられている。また、燃料電池１００には、後述するシール間空間ＫＰ中の流体（燃料ガス等）を燃料電池１００の外部に排出するための第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩおよび第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯが設けられている。この燃料電池１００についての詳細は、後述する。
【００３１】
水素タンク２２は、燃料ガスとして燃料電池１００（燃料ガス供給マニホールドＭＨＩ）に供給する水素を貯蔵している。水素タンク２２としては、例えば、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金などを用いることができる。水素タンク２２は、水素遮断弁２６が開弁されると、燃料電池１００に対して、水素供給路２３を介して燃料ガスを供給する。
【００３２】
燃料電池１００（燃料ガス排出マニホールドＭＨＯ）から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出路２８に排出される。また、燃料ガス排出路２８上には、気液分離器６５が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水の一部は、燃料電池１００の電解質膜を介してアノード側へと移動し、燃料ガス中に気化する。そのため、循環流路内を循環する燃料ガスにおいては、水蒸気濃度が次第に上昇する。気液分離器６５は、循環流路内を循環する燃料ガス中に含まれる水蒸気を分離させて、燃料ガス中の水蒸気濃度を低減させる。気液分離器６５には、排気排水弁６４が設けられており、この排気排水弁６４を開状態とすることで、気液分離器６５内で分離された水が、燃料ガス排出路２８を介して外部に排出される。なお、所定のタイミングで排気排水弁６４を開状態にすることで、水と共に循環流路内を循環する燃料ガスの一部も外部に排出しており、これにより、循環流路内の不純物濃度（電解質膜を介してカソード側からアノード側に移動した窒素等の濃度）の上昇を抑えている。
【００３３】
気液分離器６５には、また、燃料ガスバイパス路２９が接続されており、また、燃料ガスバイパス路２９上には、水素循環ポンプ６０が設けられている。燃料ガス排出路２８に排出された燃料ガスは、水素循環ポンプ６０によって燃料ガスバイパス路２９に導かれて再び水素供給路２３に流入する。このように、燃料電池１００から排出された燃料ガス中の残余の水素は、水素供給路２３の一部と燃料ガスバイパス路２９と燃料電池１００内の流路とから成る流路内を循環して再度電気化学反応に供される。
【００３４】
ブロワ２４は、燃料電池１００（酸化ガス供給マニホールドＭＡＩ）に酸化ガスとして空気を供給するための装置である。ブロワ２４は、燃料電池１００に対して、酸化ガス供給路２５を介して酸化ガスを供給する。燃料電池１００（酸化ガス排出マニホールドＭＡＯ）から排出された酸化ガスは、酸化ガス排出路２７を介して燃料電池１００外部へと排出される。
【００３５】
また、燃料電池システム１０００には、酸化ガスバイパス路３５、シール間流体バイパス路３３、および、シール間流体外部排出路３９が設けられており、また、酸化ガスバイパス路３５上には、酸化ガス遮断弁３７が設けられている。これらについての詳細は、後述する。
【００３６】
また、燃料電池１００において、後述の冷媒供給マニホールドＭＷＩおよび冷媒排出マニホールドＭＷＯに冷媒循環流路７５が接続されている。冷媒循環流路７５上には、ラジエータ７７及び冷媒循環ポンプ７０が設けられている。冷媒循環流路７５を流れる冷媒は、冷媒循環ポンプ７０により冷媒循環流路７５および燃料電池１００内を循環する。燃料電池１００を冷却した冷媒は、冷媒排出マニホールドＭＷＯから排出され、その後、ラジエータ７７によって冷却される。そして、再び冷媒供給マニホールドＭＷＩに導入され、燃料電池１００の冷却に用いられる。なお、冷媒としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
【００３７】
温度センサ７１は、冷媒循環流路７５において、冷媒排出マニホールドＭＷＯとラジエータ７７との間に設けられ、燃料電池１００（冷媒排出マニホールドＭＷＯ）から排出される冷媒の温度を検出するための温度センサである。この温度センサ７１で検出される温度は、燃料電池１００の温度みなすことができ、この温度を燃料電池温度Ｔｆとも呼ぶ。
【００３８】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、水素遮断弁２６、ブロワ２４、冷媒循環ポンプ７０、排気排水弁６４、酸化ガス遮断弁３７、水素循環ポンプ６０などを制御し、すなわち、燃料電池システム１０００全体の制御を行う。
【００３９】
また、制御回路４００は、温度センサ７１から燃料電池温度Ｔｆを検出し、後述するシール間空間流体排出処理を実行する。
【００４０】
Ａ２．燃料電池の構成：
図２は、燃料電池１００の概略外観構成図である。燃料電池１００は、図２の左端からエンドプレートＥＰ、インシュレータＩＳ、ターミナルＴＭ、複数の燃料電池セルＳＥおよび複数の冷媒用セパレータＳＰＷ、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳ、エンドプレートＥＰの順に積層されて構成される。燃料電池セルＳＥおよび冷媒用セパレータＳＰＷは、交互に積層される。
【００４１】
燃料電池１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。なお、燃料電池１００において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を図２に示すように規定する。また、燃料電池セルＳＥおよび冷媒用セパレータＳＰＷを積層する方向を積層方向とも呼ぶ。さらに、積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＳＥに沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００４２】
各エンドプレートＥＰは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。各ターミナルＴＭは、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。各インシュレータＩＳは、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。
【００４３】
燃料電池１００に設けられる各マニホールドは、図２に示すように、燃料電池１００の端部において、開口部を有している。燃料ガス供給マニホールドＭＨＩの開口部は、水素供給路２３と接続され、燃料ガスが導入される。燃料ガス排出マニホールドＭＨＯの開口部は、燃料ガス排出路２８と接続され、燃料ガスを排出する。酸化ガス供給マニホールドＭＡＩの開口部は、酸化ガス供給路２５と接続され、酸化ガスが導入される。酸化ガス排出マニホールドＭＡＯの開口部は、酸化ガス排出路２７と接続され、酸化ガスを排出する。冷媒供給マニホールドＭＷＩおよび冷媒排出マニホールドＭＷＯの開口部は、冷媒循環流路７５と接続され、冷媒が給排される。第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩの開口部は、酸化ガス遮断弁３７と接続され、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯの開口部は、シール間流体外部排出路３９と接続される。
【００４４】
図３は、燃料電池１００の構成単位である燃料電池セルＳＥと、冷媒用セパレータＳＰＷの様子を表わす分解斜視図である。燃料電池セルＳＥは、膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）１０と、アノード側セパレータＳＰＡと、カソード側セパレータＳＰＣと、を備えている。ＭＥＡ１０は、電解質膜４０と、触媒電極であるアノード４１およびカソード４２と、ガス拡散層４３，４４と、を備え、アノード４１およびカソード４２が表面に形成された電解質膜４０を、ガス拡散層４３，４４で挟持して構成される。燃料電池セルＳＥは、このＭＥＡ１０を、さらにアノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣで挟持して構成される。
【００４５】
電解質膜４０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード４１およびカソード４２は、カーボン粒子などの導電性を有する担体上に担持された、白金や白金合金等の触媒を備えている。ガス拡散層４３，４４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができ、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
【００４６】
アノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣは、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはプレス成形した金属板により形成されている。アノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣは、反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。アノード側セパレータは、表面に溝６２が形成され、ＭＥＡ１０との間に、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路を形成する。カソード側セパレータは、表面に溝６３が形成され、ＭＥＡ１０との間に、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路を形成する。
【００４７】
冷媒用セパレータＳＰＷは、貫通孔８７が形成されている。燃料電池セルＳＥと冷媒用セパレータＳＰＷとを交互い積層することにより、貫通孔８７は、燃料電池セルＳＥ間のセル間冷媒流路を形成する。
【００４８】
セパレータＳＰＡ，ＳＰＣ，ＳＰＷは、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。セパレータＳＰＡ，ＳＰＣ，ＳＰＷを、ＭＥＡ１０と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、セパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、各セパレータに設けられた孔部のうち、孔部８３および孔部８４は、セル内燃料ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６２と連通している。また、孔部８５および孔部８６は、セル内酸化ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６３と連通している。孔部８１および孔部８２は、セル間冷媒流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた貫通孔８７と連通している。さらに、孔部９０は、孔部８３の上方に設けられ、孔部９１は、孔部８４の下方に設けられている。
【００４９】
この場合、孔部８３は、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩを形成し、孔部８４は、燃料ガス排出マニホールドＭＨＯを形成し、孔部８５は、酸化ガス供給マニホールドＭＡＩを形成し、孔部８６は、酸化ガス排出マニホールドＭＡＯを形成する。孔部８１は、冷媒供給マニホールドＭＷＩを形成し、孔部８２は、冷媒排出マニホールドＭＷＯを形成する。さらに、孔部９０は、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩを形成し、孔部９１は、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯを形成する。セル内燃料ガス流路、セル内酸化ガス流路、および、セル間冷媒流路は、燃料電池内で、上記マニホールドを介して並列に接続されている。
【００５０】
燃料電池１００には、アノード側セパレータＳＰＡと冷媒用セパレータＳＰＷとの間には、シール部材２００が配置される。シール部材２００は、アノード側セパレータＳＰＡと冷媒用セパレータＳＰＷとに挟持されることによって、シールラインを形成する。また、カソード側セパレータＳＰＣとアノード側セパレータＳＰＡとの間には、シール部材３００が配置される。シール部材３００は、カソード側セパレータＳＰＣとアノード側セパレータＳＰＡとに挟持されることによって、シールラインを形成する。これら、シール部材２００およびシール部材３００の詳細について、以下に説明する。
【００５１】
図４は、冷媒用セパレータＳＰＷおよびシール部材２００の正面図である。図５は、アノード側セパレータＳＰＡおよびシール部材３００の正面図である。図６は、燃料電池セルＳＥの断面図である。言い換えれば、図４は、冷媒用セパレータＳＰＷおよびシール部材２００をｘ方向から見た図であり、図５は、アノード側セパレータＳＰＡおよびシール部材３００をｘ方向から見た図である。また、図６（Ａ）は、図３の燃料電池セルＳＥにおけるＡ−Ａ断面図であり、図６（Ｂ）は、図３の燃料電池セルＳＥにおけるＢ−Ｂ断面図である。
【００５２】
シール部材２００は、図３または図４に示すように、孔部８５（酸化ガス供給マニホールドＭＡＩ）、孔部８６（酸化ガス排出マニホールドＭＡＯ）、孔部８１（冷媒供給マニホールドＭＷＩ）、孔部８２（冷媒排出マニホールドＭＷＯ）、貫通孔８７（セル間冷媒流路）を囲むように配置され、冷媒用セパレータＳＰＷとアノード側セパレータＳＰＡとの間に挟持されることにより、各孔部または貫通孔に沿ってシールラインを形成する。
【００５３】
また、シール部材２００は、図３、図４、または、図６に示すように、孔部８３（燃料ガス供給マニホールドＭＨＩ）、孔部８４（燃料ガス排出マニホールドＭＨＯ）を囲むように二重に配置され、冷媒用セパレータＳＰＷとアノード側セパレータＳＰＡとの間に挟持されることにより、各穴部を囲むように二重のシールラインＳＬを形成する。この場合、シール部材２００であって、孔部８３のすぐ外周縁に配置されるシール部材を、シール部材２００Ａとも呼び、シール部材２００Ａを囲むように配置されるシール部材を、シール部材２００Ｂとも呼び、孔部８４のすぐ外周縁に配置されるシール部材を、シール部材２００Ｃとも呼び、シール部材２００Ｃを囲むように配置されるシール部材を、シール部材２００Ｄとも呼ぶ。さらに、図６に示すように、シール部材２００が、冷媒用セパレータＳＰＷとアノード側セパレータＳＰＡとの間に挟持された際に、シール部材２００Ａとシール部材２００Ｂとの間に形成される空間を、シール間空間ＫＰ１とも呼び、シール部材２００Ｃとシール部材２００Ｄとの間に形成される空間を、シール間空間ＫＰ２とも呼ぶ。なお、アノード側セパレータＳＰＡおよび冷媒用セパレータＳＰＷにおいて、孔部９０（第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩ）は、シール部材２００Ａとシール部材２００Ｂとの間に設けられ、すなわち、シール間空間ＫＰ１を積層方向に貫くように形成される。また、孔部９１（第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯ）は、シール部材２００Ｃとシール部材２００Ｄとの間に設けられ、すなわち、シール間空間ＫＰ２を積層方向に貫くように形成される。
【００５４】
シール部材３００は、図３または図５に示すように、孔部８５（酸化ガス供給マニホールドＭＡＩ）、孔部８６（酸化ガス排出マニホールドＭＡＯ）、孔部８１（冷媒供給マニホールドＭＷＩ）、孔部８２（冷媒排出マニホールドＭＷＯ）を囲むように配置され、アノード側セパレータＳＰＡとカソード側セパレータＳＰＣとの間に挟持されることにより、各穴部を囲むようにシールラインを形成する。
【００５５】
また、シール部材３００は、図３、図５、または、図６に示すように、孔部８３（燃料ガス供給マニホールドＭＨＩ）、孔部８４（燃料ガス排出マニホールドＭＨＯ）を囲むように二重に配置され、アノード側セパレータＳＰＡとカソード側セパレータＳＰＣとの間に挟持されることにより、各穴部を囲むように二重のシールラインＳＬを形成する。この場合、シール部材３００であって、孔部８３のすぐ外周縁に配置されるシール部材を、シール部材３００Ａとも呼び、シール部材３００Ａを囲むように配置されるシール部材を、シール部材３００Ｂとも呼び、孔部８４のすぐ外周縁に配置されるシール部材を、シール部材３００Ｃとも呼び、シール部材３００Ｃを囲むように配置されるシール部材を、シール部材３００Ｄとも呼ぶ。さらに、図６に示すように、シール部材３００が、アノード側セパレータＳＰＡとカソード側セパレータＳＰＣとの間に挟持された際に、シール部材３００Ａとシール部材３００Ｂとの間に形成される空間を、シール間空間ＫＰ３とも呼び、シール部材３００Ｃとシール部材３００Ｄとの間に形成される空間を、シール間空間ＫＰ４とも呼ぶ。なお、アノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣにおいて、孔部９０（第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩ）は、シール部材２００Ａとシール部材２００Ｂとの間に設けられ、すなわち、シール間空間ＫＰ３を貫くように形成される。また、孔部９１（第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯ）は、シール部材２００Ｃとシール部材２００Ｄとの間に設けられ、すなわち、シール間空間ＫＰ４を貫くように形成される。
【００５６】
なお、二重のシールラインＳＬを形成するシール部材において、内側のシール部材であるシール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃは、炭化水素系高分子材料で構成され、外側のシール部材であるシール部材２００Ｂ，２００Ｄ，３００Ｂ，３００Ｄ、および、その他のシール部材は、フッ素系高分子材料で構成される。
【００５７】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩおよび燃料ガス排出マニホールドＭＨＯを囲むように二重のシールラインＳＬを形成する二重シール構造となっている。このようにすれば、燃料電池１００に、所定の外力が加わったり、シール部材の脆化などによって、シール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃから燃料ガスが噴出しても、その燃料ガスを、シール部材２００Ｂ，２００Ｄ，３００Ｂ，３００Ｄによってシール間空間に留める事ができ、燃料電池１００において燃料ガスの漏洩を抑制することができる。
【００５８】
また、燃料電池１００では、二重のシールラインＳＬを形成するシール部材において、内側のシール部材であるシール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃは、炭化水素系高分子材料で構成される。このようにすれば、シール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃにおいて、燃料ガスによる脆化を抑制することができる。さらに、燃料電池１００では、二重のシールラインＳＬを形成するシール部材において、外側のシール部材であるシール部材２００Ｂ，２００Ｄ，３００Ｂ，３００Ｄは、フッ素系高分子材料で構成される。このようにすれば、シール部材２００Ｂ，２００Ｄ，３００Ｂ，３００Ｄにおいて、低温追従性を向上させることができる。
【００５９】
なお、本実施例において、アノード側セパレータＳＰＡ、カソード側セパレータＳＰＣ、または、冷媒用セパレータＳＰＷは、請求項における第１構成部材または第２構成部材に該当し、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩまたは燃料ガス排出マニホールドＭＨＯは、請求項における燃料ガス用マニホールドに該当し、シール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃは、請求項における第１シール部材に該当し、シール部材２００Ｂ，２００Ｄ，３００Ｂ，３００Ｄは、請求項における第２シール部材に該当し、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩ、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯ、または、シール間流体排出流路は、請求項における排出流路に該当し、燃料電池セルＳＥは、請求項における単位ユニットに該当し、シール間流体バイパス路３３は、請求項におけるバイパス流路に該当する。
【００６０】
図７は、燃料電池１００の側面図である。図７に示すように、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩおよび第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯは、燃料電池セルＳＥおよび冷媒用セパレータＳＰＷの他、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳ、および、エンドプレートＥＰを貫通して形成される。また、燃料電池システム１０００において、酸化ガスバイパス路３５は、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩと接続され、シール間流体バイパス路３３は、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩおよび第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯと接続され、シール間流体外部排出路３９は、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯと接続される。すなわち、酸化ガスバイパス路３５、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩ、シール間流体バイパス路３３、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯ、および、シール間流体外部排出路３９によって、一つの流路（以下では、シール間空間流体排出流路とも呼ぶ）が形成される。シール間空間は、このシール間空間流体排出流路の一部である。ブロワ２４が作動中に、酸化ガス遮断弁３７が開弁されると、酸化ガスが、シール間空間流体排出流路を介して燃料電池１００の外部に排出される。
【００６１】
ところで、上述したように、燃料電池１００において、所定の外力が加わったり、シール部材の脆化などによって、二重のシールラインを形成するシール部材のうち、内側のシール部材であるシール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃから燃料ガスが噴出するおそれがあり、その場合、各シール間空間に、燃料ガスが滞留する場合があった。そこで、本実施例では、各シール間空間に滞留した燃料ガスを排出する処理であるシール間空間流体排出処理を行う。以下に、このシール間空間流体排出処理について説明する。
【００６２】
Ａ３．シール間空間流体排出処理：
図８は、シール間空間流体排出処理を示すフローチャートである。制御回路４００は、燃料電池１００が始動開始されていない場合には（ステップＳ１０：ＮＯ）、待機しており、燃料電池１００が始動開始されると（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、温度センサ７１から燃料電池温度Ｔｆを検出する（ステップＳ２０）。この燃料電池１００の開始時には、制御回路４００は、ブロワ２４を作動制御している。
【００６３】
そして、制御回路４００は、燃料電池温度Ｔｆが０［℃］以下の場合、すなわち、燃料電池温度が氷点下の場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ）には、酸化ガス遮断弁３７を開弁する（ステップＳ４０）。そうすると、ブロワ２４からの酸化ガスがシール間空間流体排出流路を流れ、それに伴い、シール間空間に滞留している燃料ガスが、酸化ガスと共に、シール間空間流体排出流路を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００６４】
制御回路４００は、燃料電池温度Ｔｆが０［℃］より高い場合、すなわち、燃料電池温度が氷点下でない場合（ステップＳ３０：ＮＯ）には、ステップＳ１０の処理にリターンする。
【００６５】
制御回路４００は、酸化ガス遮断弁３７を開弁後、所定時間待機し（ステップＳ５０：ＮＯ）、所定時間経過すると（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、酸化ガス遮断弁３７を閉弁し（ステップＳ６０）、この処理を終了する。
【００６６】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、各シール間空間は、外部と接続されるシール間空間流体排出流路に含まれる。このようにすれば、シール間空間に滞留した燃料ガスを、燃料電池１００の外部に排出することができ、燃料ガスの漏洩を抑制することができる。また、燃料電池１００では、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩと第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯとがシール間流体バイパス路３３を介して連通し、一つのシール間空間流体排出流路が形成されている。このようにすれば、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩのシール間空間に滞留した燃料ガスと、第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯのシール間空間に滞留した燃料ガスを、１つのブロワ２４で、一度に燃料電池１００の外部に排出することができ、シール間空間に滞留した燃料ガスの排出効率を向上させることができる。
【００６７】
ところで、シール部材は、低温時には、シール機能が低下しやすく、従って、各シール間空間において、燃料ガスの滞留量が多くなるおそれがあった。そこで、本実施例の燃料電池１００では、シール間空間流体排出処理において、燃料電池１００の始動時であって、燃料電池温度Ｔｆが氷点下の場合、すなわち、燃料電池１００の氷点始動時に、シール間空間の流体の排出を行うようにしている。このようにすれば、各シール間空間において、滞留量が多くなった燃料ガスを掃気することができ、燃料電池１００において、燃料ガスが漏洩することを抑制することができる。
【００６８】
なお、本実施例では、燃料電池１００において、ターミナルＴＭとインシュレータＩＳの間、または、インシュレータＩＳとエンドプレートＥＰの間にも、シール部材２００やシール部材３００のごとく、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩおよび燃料ガス排出マニホールドＭＨＯを囲むように二重のシールラインＳＬを形成するシール部材が配置される。この場合、このシール部材において、内側のシール部材が、請求項における第１シールに該当し、外側のシール部材が、請求項における第２シール部材に該当し、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳ、または、エンドプレートＥＰは、請求項における第１構成部材または第２構成部材に該当する。
【００６９】
Ｂ．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、例えば以下のような変形も可能である。
【００７０】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００において、二重のシールラインＳＬを形成するシール部材において、内側のシール部材であるシール部材２００Ａ，２００Ｃ，３００Ａ，３００Ｃは、炭化水素系高分子材料で構成されているが、本発明はこれに限られるものではない。二重のシールラインＳＬを形成するシール部材において、内側のシール部材は、燃料ガス（水素）脆化しにくい材料であればよく、例えば、炭化水素系高分子材料の代わりに、シリコン系高分子材料を用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００７１】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例のシール間空間流体排出処理において、ブロワ２４で、酸化ガスをシール間空間流体排出流路に吹き込むことで、シール間空間に滞留する燃料ガスを、酸化ガスと共に、燃料電池１００外部に排出するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、シール間流体外部排出路３９などに吸引ポンプを設け、その吸引ポンプで、シール間流体排出流路中の流体を吸引することで、シール間空間に滞留する燃料ガスを、燃料電池１００の外部に排出するようにしてよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００７２】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩと第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯとをシール間流体バイパス路３３で連通するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１００において、端部に第１シール間流体排出マニホールドＭＮＩと第２シール間流体排出マニホールドＭＮＯとを連通させるための端部セパレータを設けるようにしてもよい。このようにすれば、上記実施例の効果に加えて、スペース効率を向上させることができる。
【００７３】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池１００は、シール間空間流体排出処理において、燃料電池１００の氷点始動時に、各シール間空間の流体の排出を行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１００は、運転終了時であって、アノード側の燃料ガスが通過する流路（例えば、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩや燃料ガス排出マニホールドＭＨＯなど）やカソード側の酸化ガスが通過する流路（例えば、酸化ガス供給マニホールドＭＡＩや酸化ガス排出マニホールドＭＡＯなど）の掃気を行う掃気処理時において、ブロワ２４を制御し、各シール間空間の流体の排出を行うようにしてもよい。このようにすれば、次回の燃料電池１００の始動時において、シール間空間に燃料ガスが滞留していることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池１００の概略外観構成図である。
【図３】燃料電池１００の構成単位である燃料電池セルＳＥと冷媒用セパレータＳＰＷの様子を表わす分解斜視図である。
【図４】冷媒用セパレータＳＰＷおよびシール部材２００の正面図である。
【図５】アノード側セパレータＳＰＡおよびシール部材３００の正面図である。
【図６】燃料電池セルＳＥの断面図である。
【図７】燃料電池１００の側面図である。
【図８】シール間空間流体排出処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１０…ＭＥＡ
２２…水素タンク
２３…水素供給路
２４…ブロワ
２５…酸化ガス供給路
２６…水素遮断弁
２７…酸化ガス排出路
２８…燃料ガス排出路
２９…燃料ガスバイパス路
３３…シール間流体バイパス路
３５…酸化ガスバイパス路
３７…酸化ガス遮断弁
３９…シール間流体外部排出路
４０…電解質膜
４１…アノード
４２…カソード
４３…ガス拡散層
６０…水素循環ポンプ
６２，６３…溝
６４…排気排水弁
６５…気液分離器
７０…冷媒循環ポンプ
７１…温度センサ
７５…冷媒循環流路
７７…ラジエータ
８１〜８６…孔部
８２…孔部
８７…貫通孔
９０，９１…孔部
１００…燃料電池
２００，２００Ａ〜２００Ｄ…シール部材
３００，３００Ａ〜３００Ｄ…シール部材
４００…制御回路
１０００…燃料電池システム
ＳＥ…燃料電池セル
ＳＬ…シールライン
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＫＰ…シール間空間
ＩＳ…インシュレータ
Ｔｆ…燃料電池温度
ＫＰ１〜ＫＰ４…シール間空間
ＭＡＩ…酸化ガス供給マニホールド
ＭＡＯ…酸化ガス排出マニホールド
ＭＨＩ…燃料ガス供給マニホールド
ＳＰＡ…アノード側セパレータ
ＳＰＣ…カソード側セパレータ
ＭＨＯ…燃料ガス排出マニホールド
ＭＮＩ…第１シール間流体排出マニホールド
ＭＮＯ…第２シール間流体排出マニホールド
ＭＷＩ…冷媒供給マニホールド
ＭＷＯ…冷媒排出マニホールド
ＳＰＷ…冷媒用セパレータ
【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】
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