JP2011175763A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔体からなるガス流路形成部を備える燃料電池にあって、電解質膜のドライアップを防止する。
【解決手段】膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２に向かい合って配置されるセパレータ１５と、膜電極接合体１２とセパレータ３０との間に配置され、多孔体によりガス流路を形成するガス流路形成部１５とを備え、セパレータ３０は、セパレータ３０の表面に設けられ前記ガス流路にガスを供給する燃料ガス供給スリット５４と、セパレータ３０の表面に設けられ前記ガス流路から前記ガスを排出させる燃料ガス排出スリット５３とを備え、膜電極接合体１２とセパレータ３０との間に配置され、前記ガスの流れを遮る部材であって、膜電極接合体１２と接する接触面を備える凸部５４を備える燃料電池。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来、燃料電池として、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータとを備え、膜電極接合体とセパレータとの間に、導電性多孔体であるガス流路形成部が設けられたものが知られている。ガス流路形成部としては、金属製の薄板を成形加工したものが提案されている（特許文献１）。

特開２００９−３２５６１号公報

前記金属板を成形加工したガス流路形成部は、膜電極接合体のガス拡散層よりも排水性に優れていることから、膜電極接合体で発生した生成水をガス拡散層から良好に排出させることができるという利点を備える。しかしながら、燃料電池の高温運転時においては、ガス拡散層からの排水性が良すぎて、電解質膜がドライアップし易いという問題があった。この問題は、金属板を成形加工したもの以外にも、金属線を織り込んで作成した金属メッシュ等、多孔体からなるガス流路形成部全般に、同様に起こりうるものである。

本発明は、多孔体からなるガス流路形成部を備える燃料電池にあって、電解質膜のドライアップを防止することを目的とする。

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。

［適用例１］ 燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、前記膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、多孔体によりガス流路を形成するガス流路形成部とを備え、前記膜電極接合体は、略矩形状であり、前記セパレータは、前記セパレータの表面に設けられ、前記ガス流路にガスを供給するガス供給口と、前記セパレータの表面に設けられ、前記ガス流路から前記ガスを排出させるガス排出口とを備え、前記膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、前記略矩形状の第１の辺と平行な方向に前記第１の辺の略全長にわたって帯状に延びることで前記ガスの流れを遮る部材であって、前記膜電極接合体と接する接触面を備える流路閉塞部材を備える燃料電池。

適用例１に記載の燃料電池によれば、ガス供給口から流れてきたガスが流路閉塞部材により閉塞されるが、流路閉塞部材は膜電極接合体と接触面で接していることから、前記ガスは流路閉塞部材によって膜電極接合体上を通らざるを得ない。このために、膜電極接合体上のガスの流れによって、生成水をこの流路閉塞部材が設けられた側の電極へ他方側の電極から引き込むことができる。特に、膜電極接合体の第１の辺の略残町にわたって流路閉塞部材は延びることから、膜電極接合体の第１の辺の略全長にわたる範囲で、生成水の他方の電極側から一方の電極側へ引き込むことができる。したがって、セル内の水循環量を増加することができることから、高温運転時における電解質膜のドライアップを防止することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、前記ガス供給口および前記ガス排出口は、前記第１の辺と平行な方向に前記第１の辺の略全長にわたって延びるスリット状である、燃料電池。

適用例２に記載の燃料電池によれば、スリット状のガス供給口から供給されるガスを、流路閉塞部材により、ガス流れ方向と直交するようにして遮ることができる。このため、効率よく、生成水を接触面側の電極から引き込むことができる。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池であって、前記セパレータおよびガス流路形成部は、前記ガスとしての燃料ガスを、前記ガスとしての酸化剤ガスに対して対向流で流通させる構成であり、前記流路閉塞部材は、前記燃料ガスのガス供給口の近傍に設けられる、燃料電池。

適用例３に記載の燃料電池によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流で流通することから、アノード側のガス供給口は、カソード側のガス排出口と膜電極接合体を介して向かい合うことになる。カソード側のガス排出口の近傍は、カソードで生成された生成水が多く含まれることから、燃料ガスのガス供給口の近傍に設けられた流路閉塞部材によってその多量の生成水を引き込むことが可能となる。したがって、セル内の水循環量をより一層増加することができる。

［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、前記流路閉塞部材は、前記セパレータの一部で成形されたものである、燃料電池。

適用例４に記載の燃料電池によれば、セパレータの一部で流路閉塞部材を容易に生成することができる。

［適用例５］ 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、前記ガス流路形成部は、エキスパンドメタルである、燃料電池。

エキスパンドメタルは排水性に優れていることから、高温運転時にドライアップがより顕著であるために、適用例５に記載の燃料電池はより有効である。

［適用例６］ 適用例５に記載の燃料電池であって、前記流路閉塞部材は、前記エキスパンドメタルの一部で成形されたものである、燃料電池。

適用例６に記載の燃料電池によれば、エキスパンドメタルの一部で流路閉塞部材を容易に生成することができる。

［適用例７］ 適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路閉塞部材が配置されるセパレータ部分に、排水のための凹部を備える、燃料電池。

適用例７に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部で生じた液水の排水性を向上することができる。

さらに、本発明は、上記適用例１ないし７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。

第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 ＭＥＡ１２およびガス拡散層と一体形成したシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 カソード対向プレート３１の形状を示す平面図である。 中間プレート３３の形状を示す平面図である。 アノード対向プレート３２の形状を示す平面図である。 ガス流路形成部１４、１５における上流側端部の周辺および下流側端部の周辺を拡大して表わす断面模式図である。 第２実施例の燃料電池で用いられるエキスパンドメタル１００を示す斜視図である。 第３実施例の燃料電池で用いられるガス流路形成部２１５の下流側端部の周辺を表わす断面模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する基本構造であるセルアセンブリ１０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ１０間にセパレータ３０を介在させつつセルアセンブリ１０を積層させたスタック構造を有している。

セルアセンブリ１０は、図１に示すように、膜−電極接合体（ＭＥＡ、Membrane Electrode Assembly）１２と、ガス流路形成部１４，１５と、シール部１６と、によって構成されている。ＭＥＡ１２は、電解質膜と、電解質膜の表面に形成された一対の電極（カソードおよびアノード）とを備えている。本実施例では、さらに、ＭＥＡ１２を挟持するように、図示しない一対のガス拡散層が設けられている。ＭＥＡ１２は略矩形状である。

電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。ガス拡散層は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜上に触媒電極を形成したＭＥＡ１２を、ガス拡散層によって挟持して、プレス接合することにより全体を一体化する。ガス拡散層を設けることにより、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部１４，１５と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜を保護することができる。

ガス流路形成部１４，１５は、導電性の多孔体であり、本実施例では、エキスパンドメタルによって構成している。エキスパンドメタルは、同一形状の貫通孔が規則的に多列に配列されている薄肉の金属プレートであり、例えば、ステンレス製あるいはチタン製とすることができる。ガス流路形成部１４，１５は、ＭＥＡ１２上のガス拡散層およびセパレータ３０と接触するように配置されており、内部に形成される３次元的に連通した細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソードとセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化剤ガス（ここでは空気）が通過するセル内酸化剤ガス流路として機能する。また、アノードとセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。

シール部１６は、ＭＥＡ１２およびガス拡散層の外周部を内包するように形成されており、弾性材料、例えば、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマーによって形成されている。このようなシール部は、凸部６０において、隣り合うセパレータ３０の双方と接触してガスシール性を実現している。

図２は、ＭＥＡ１２およびガス拡散層と一体形成したシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図２に示すように、シール部１６は、略矩形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた８つの孔部（後述する８つの孔部４０〜４５）と、中央部に設けられてＭＥＡ１２およびガス拡散層が組み込まれている略矩形状の孔部とを有している。凸部６０は、ＭＥＡ１２の外周および８つの孔部４０〜４５を囲んで形成されており、電極上に形成されるガス流路および孔部４０〜４５が形成する流路におけるシール性を実現している。なお、以下の説明では、各部材において、シール部１６の中央部に形成される孔部に対応する領域を、発電領域ＤＡと呼ぶ。

セパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード対向プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード対向プレート３２と、カソード対向プレート３１およびアノード対向プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード対向プレート３１、中間プレート３３、アノード対向プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の孔部を有している。

図３は、カソード対向プレート３１の形状を示す平面図であり、図４は、中間プレート３３の形状を示す平面図であり、図５は、アノード対向プレート３２の形状を示す平面図である。これら図３〜図５では、既述した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。

カソード対向プレート３１、アノード対向プレート３２は、いずれも、その外周部においてシール部１６と同様の位置に、８つの孔部を備えている。これらの８つの孔部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記各薄板状部材では、略矩形状である外周の一辺に沿って、２つの孔部４０が形成されている。また、近傍に孔部４０が形成された辺と対向する辺に沿って、２つの孔部４１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には、孔部４２，４４が形成されており、他方の辺の近傍には、孔部４３，４５が形成されている。なお、中間プレート３３は、上記８つの孔部のうち、孔部４２，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔５９が、孔部４２，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

上記各薄板状部材が備える孔部４１は、燃料電池に対して供給された酸化剤ガスを各セル内酸化剤ガス流路に分配する酸化剤ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ₂ inと表わす）、孔部４０は、各セル内酸化剤ガス流路から排出されて集合した酸化剤ガスを外部へと導く酸化剤ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ₂ outと表わす）。なお、孔部４０、４１は、それぞれ２つ設けられているが、必ずしも２つずつである必要はなく、例えば、１つずつとしてもよい。また、孔部４４は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ₂ inと表わす）、孔部４３は、各セル内燃料ガス流路から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、孔部４２は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、ＣＬＴ inと表わす）、孔部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、ＣＬＴ outと表わす）。

また、カソード対向プレート３１は、発電領域ＤＡ内において、２つの孔部４０の近傍の辺（図３における上端側の辺）に沿って設けられ、カソード対向プレート３１を貫通して形成された酸化剤ガス排出スリット５０を備えている。また、同様に、発電領域ＤＡ内において、２つの孔部４１の近傍の辺（図３における下端側の辺）に沿って設けられた酸化剤ガス供給スリット５１を備えている（図３参照）。両スリット５０、５１は、発電領域ＤＡの前述した辺（図３における上端側の辺あるいは下端側の辺）と平行な方向（第１方向）に前記辺の略全長にわたって延びている。

さらに、カソード対向プレート３１は、酸化剤ガス供給スリット５１の内側（酸化剤ガス排出スリット５０側）の長辺に隣接する部分、すなわち、図中ハッチング部分に凸部２０を備える。凸部２０は、発電領域ＤＡの前述した辺と平行な方向（第１方向と同じ方向）に前記辺の略全長にわたって延びる帯状のものである。ここで「隣接」とは、酸化剤ガス供給スリット５１と凸部２０とが接している場合はもちろん、離れている場合も含む。凸部２０の突出方向は、カソード対向プレート３１の表面に対して垂直な方向であり、中間プレート３３と反対の側に向かう。凸部２０は、カソード対向プレート３１を形成する薄板状部材をプレスすることで形成されたものである。

アノード対向プレート３２は、カソード対向プレート３１と同様に、発電領域ＤＡ内において、２つの孔部４０の近傍の辺（図５における上端側の辺）に沿って設けられ、アノード対向プレート３２を貫通して形成された燃料ガス供給スリット５４を備えている。また、同様に、発電領域ＤＡ内において、２つの孔部４１の近傍の辺（図５における下端側の辺）に沿って設けられた燃料ガス排出スリット５３を備えている（図５参照）。これらの燃料ガス供給スリット５４および燃料ガス排出スリット５３は、発電領域ＤＡの前述した辺（図５における上端側の辺あるいは下端側の辺）と平行な方向（第１方向と同じ方向）に前記辺の略全長にわたって延びている。これらの燃料ガス供給スリット５４および燃料ガス排出スリット５３は、それぞれ、酸化剤ガス排出スリット５０および酸化剤ガス供給スリット５１と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに配置されている。

さらに、アノード対向プレート３２は、燃料ガス供給スリット５４に隣接する部分、すなわち、図中ハッチング部分に凸部２１を備える。凸部２１は、発電領域ＤＡの前述した辺と平行な方向（第１方向と同じ方向）に前記辺の略全長にわたって延びる帯状のもので、この凸部２１の突出面に燃料ガス供給スリット５４が形成されている。ここで「隣接」とは、燃料ガス供給スリット５４と凸部２１とが接している場合はもちろん、離れている場合も含む。凸部２１の突出方向は、アノード対向プレート３２の表面に対して垂直な方向であり、中間プレート３３と反対の側に向かう。凸部２１は、アノード対向プレート３２を形成する薄板状部材をプレスすることで形成される。

なお、燃料ガス供給スリット５４は、凸部２１の突出面に設けられた構成であるが、これに換えて、酸化剤ガス側と同様に、凸部２１を燃料ガス供給スリット５４の内側に隣接する構成とすることもできる。

中間プレート３３においては、孔部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３３の孔部４０は、この孔部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。孔部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５５と呼ぶ。この連通部５５は、中間プレート３３とカソード対向プレート３１とが積層されたときに酸化剤ガス排出スリット５０と重なり合うように形成されており、酸化剤ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出スリット５０とを連通させる。また、孔部４１においても同様に、酸化剤ガス供給スリット５１に対応して、複数の連通部５６が設けられている（図４参照）。さらに、中間プレート３３には、孔部４４および孔部４３の各々に連通して、アノード対向プレート３２の燃料ガス供給スリット５４あるいは燃料ガス排出スリット５３と重なる形状の、連通部５８および連通部５７が設けられている。

燃料電池の内部において、孔部４１が形成する酸化剤ガス供給マニホールドを流れる酸化剤ガスは、中間プレート３３の連通部５７が形成する空間と、カソード対向プレート３１の酸化剤ガス供給スリット５１とを介して、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化剤ガス流路へと流入する。流入した酸化剤ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内酸化剤ガス流路を通過し、ガス流路形成部１４から、カソード対向プレート３１の酸化剤ガス排出スリット５０および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、孔部４０が形成する酸化剤ガス排出マニホールドへと排出される。

同様に、燃料電池の内部において、孔部４４が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５８が形成する空間と、アノード対向プレート３２の燃料ガス供給スリット５４とを介して、ガス流路形成部１５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。流入した燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内燃料ガス流路を通過し、ガス流路形成部１５から、アノード対向プレート３２の燃料ガス排出スリット５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、孔部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

なお、中間プレート３３は、さらに、発電領域ＤＡを含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５９を備えている。これらの冷媒孔５９の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、孔部４２，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、孔部４２が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５９によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、孔部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

ここで、図２および図４では、図１に示した断面図に相当する位置を、１−１断面として示している。図１では、ガス流路形成部１４に対して酸化剤ガスが給排される様子が実線の矢印によって表わされ、ガス流路形成部１５に対して燃料ガスが給排される様子が一点鎖線の矢印によって表わされている。ガス流路形成部１４における酸化剤ガスの流れ方向と、ガス流路形成部１５における燃料ガスの流れ方向とは、図示するように対向している。すなわち、本実施例の燃料電池は、いわゆるカウンターフロー方式と呼ばれるガス流路構成となっている。

Ａ−２．ガス流路形成部周辺の構成：
図６は、ガス流路形成部１４、１５における上流側端部の周辺および下流側端部の周辺を拡大して表わす断面模式図である。ガス流路形成部１４、１５は、既述したようにエキスパンドメタルによって構成されている。エキスパンドメタルは、金属薄板をエキスパンド製造機によって千鳥状に切れ目を入れながら押し広げ、その切れ目を菱形や亀甲形に成形したメッシュ状の金属部材である。エキスパンドメタルによって構成されるガス流路形成部１４、１５を、隣接部材であるセパレータ３０およびガス拡散層と接するように、ガス流路形成部１４、１５を配置することにより、エキスパンドメタル内に形成される空間によってセル内ガス流路を形成することが可能になる。

ガス流路形成部１４、１５の両端側にガス供給口とガス排出口とが配置されることになる。ガス流路形成部１４におけるガス供給口は、カソード対向プレート３１に形成された酸化剤ガス供給スリット５１であり、この酸化剤ガス供給スリット５１から酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス供給スリット５１の内側の長辺に隣接する部分には、前述したように凸部２０（図３）が設けられている。この凸部２０の高さは、図６に示すように、ＭＥＡ１２上のガス拡散層（カソード１２ｃ側のガス拡散層）と接するだけの大きさである。すなわち、凸部２０は、ＭＥＡ１２上のガス拡散層と接する接触面２０ｆを備える。このため、凸部２０は、ガス流路形成部１４の上流側端部を閉塞する流路閉塞部材として機能する。

したがって、酸化剤ガス供給スリット５１から供給された酸化剤ガスは、凸部２０によってガス流路形成部１４へ向かう流れが遮蔽され、図中、実線の矢印に示すように、ＭＥＡ１２のカソード１２ｃ上のガス拡散層に潜り込む。その後、酸化剤ガスは、ガス拡散層を流れて図中の左側に移動して、凸部２０の設けられた領域から逃れて、ガス流路形成部１４に至る。その後、酸化剤ガスは、ガス流路形成部１４を下流側に移動して、酸化剤ガス排出スリット５０から排出される。

一方、ガス流路形成部１５におけるガス供給口は、アノード対向プレート３２の凸部２１に形成された燃料ガス供給スリット５４であり、この燃料ガス供給スリット５４から酸化剤ガスが供給される。この凸部２１の高さは、図示するように、ＭＥＡ１２上のガス拡散層（アノード１２ａ側のガス拡散層）と接するだけの大きさである。すなわち、凸部２１は、ＭＥＡ１２上のガス拡散層と接する接触面２１ｆ（前述した燃料ガス供給スリット５４を備える突出面に相当する）を備える。このため、凸部２１は、ガス流路形成部１５の上流側端部を閉塞する流路閉塞部材として機能する。

したがって、燃料ガス供給スリット５４から供給された燃料ガスは、直ちにガス流路形成部１５へ導入されるのではなく、図中、１点鎖線の矢印に示すように、ＭＥＡ１２のアノード１２ａ上のガス拡散層に潜り込む。その後、燃料ガスは、ガス拡散層を流れて図中の右側に移動して、凸部２１の設けられた領域から逃れて、ガス流路形成部１５に至る。その後、燃料ガスは、ガス流路形成部１５を下流側に移動して、燃料ガス排出スリット５３から排出される。

前述したように、ガス流路構成はカウンターフロー方式となっていることから、酸化ガス側のガス流路形成部１４におけるガス供給口は、燃料ガス側のガス流路形成部１５におけるガス排出口とＭＥＡ１２を挟んでほぼ対向している。また、燃料ガス側のガス流路形成部１５におけるガス供給口は、酸化剤ガス側のガス流路形成部１５におけるガス排出口とＭＥＡ１２を挟んでほぼ対向している。このため、ＭＥＡ１２のカソードで生成された生成水は、図中、白抜きの大きな矢印に示すように、セル内を循環する。

すなわち、ＭＥＡ１２のカソードで生成された生成水は、ガス流路形成部１４を流れる酸化剤ガスに含まれて、ガス流路形成部１４におけるガス排出口（酸化剤ガス排出スリット５０）に送られる。このとき、生成水は、燃料ガス側のガス流路形成部１５におけるガス供給口（燃料ガス供給スリット５４）側に逆拡散され、ガス流路形成部１５を流れる燃料ガスに含まれて、ガス流路形成部１５におけるガス排出口（燃料ガス排出スリット５３）に送られる。このとき、生成水は、ガス流路形成部１４におけるガス供給口（酸化剤ガス供給スリット５１）側に逆拡散される。このように、ＭＥＡ１２のカソードで生成された生成水はセル内を循環し、水管理がなされる。

Ａ−３．実施例効果：
特に本実施例では、ガス流路形成部１４におけるガス供給口付近では、酸化剤ガスは凸部２０によってＭＥＡ上のガス拡散層を通らざるを得ないことから、このガス拡散層の酸化剤ガスの流れによって、生成水をアノード側からカソード側へ引き込むことができる。また、ガス流路形成部１５におけるガス供給口付近では、燃料ガスは凸部２１によってＭＥＡ上のガス拡散層を通らざるを得ないことから、このガス拡散層の燃料ガスの流れによって、生成水をカソード側からアノード側へ引き込むことができる。詳しくは、流路閉塞部材が設けられた側の部位は排水が容易になることから、電極間の水の濃度勾配が変化し、結果、流路閉塞部材が設けられていない側の電極から設けられた側の電極へ生成水を引き込むことができる。したがって、セル内の水循環量を増加することができることから、高温運転時における電解質膜のドライアップを防止することができる。また、生成水をカソード側からアノード側に移動させることにより、通常運転時（例えば、温度が０〜７０℃）におけるカソード側のフラッディングによる電圧降下を抑制することもできる。

また、本実施例は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが対向流で流通することから、燃料ガス供給スリット５４は酸化剤ガス排出スリット５０とＭＥＡ１２を介して向かい合うことになる。酸化剤ガス排出スリット５０の近傍は、カソードで生成された生成水が多く含まれることから、燃料ガス供給スリット５４の近傍に設けられた凸部２１によってその多量の生成水を引き込むことが可能となる。したがって、セル内の水循環量をより一層増加することができる。

Ｂ．第２実施例：
前記第１実施例では、ガス流路形成部１４、１５を閉塞する流路閉塞部材を、セパレータ３０の一部で成形した凸部２０、２１により構成していたが、これに換えて、第２実施例では、ガス流路形成部１４、１５を構成するエキスパンドメタルの一部で前記流路閉塞部材を成形するように構成した。以下、この構成について詳細に説明する。なお、第１実施例と同一のパーツについては、第１実施例と同じ符号を用いることとする。

図７は、第２実施例の燃料電池で用いられるエキスパンドメタル１００を示す斜視図である。図示するように、エキスパンドメタル１００は、山部１１１と谷部１１２が交互に連続する波板部１１０を基本構造としており、この波板部１１０を複数、連結した形状となっている。山部１１１と谷部１１２により細孔である六角形（亀甲形）の貫通孔Ｈが構成される。この六角形の貫通孔Ｈが網目状かつ階段状に配列されており、この構成は第１実施例で用いたエキスパンドメタルと同一のものである。

さらに、本実施例では、３枚の平板部１２１、１２２、１２３が、前記連結した複数の波板部１１０の一端に連結されている。３枚の平板部１２１〜１２３は、隣接する各平板の側面同士が接続されることで、順に繋げられたもので、一方端側の平板部（第１平板部）１２１の側面１２１ａに前記複数の波板部１１０の一端が接続される。こうした形状のエキスパンドメタルは、加工の際に非加工の部分を残し、その非加工の部分を折り返すことにより、容易に製造することができる。

かかる構成のエキスパンドメタル１００は、第１実施例のエキスパンドメタルと同様に、隣接部材であるセパレータおよびガス拡散層と接するように配置されることになる。詳しくは、各山部１１１における一方側（図中の手前側）の角部１１１ａがセパレータに、各谷部１１２における他方側（図中の奥側）の角部１１２ａがガス拡散層に接するが、さらに本実施例では、第２平板部１２２の一方側の面１２２ｆの全体がガス拡散層に接触し、第３平板部１２３は、その短手方向がＭＥＡ１２の積層方向と一致するように配置される。なお、第３平板部１２３の短手方向の長さは、ＭＥＡ１２とセパレータ３０との間の距離と同一である。この結果、平板部１２１〜１２３は、ガス流路形成部１４、１５の端部を閉塞する流路閉塞部材として機能する。

本第２実施例では、第１実施例における流路閉塞部材と同様に、流路閉塞部材がガス供給口付近に配置される。詳しくは、第３平板部１２３の外側（第２平板部１２２と反対の側）に、セパレータに設けられたガス供給口１５４が位置する。ガス供給口１５４から供給されたガスは、第３平板部１２３によって複数の波板部１１０へ向かうガスの流れが遮蔽され、図中、１点鎖線の矢印に示すように進み、第２平板部１２２の面１２２ｆをつたって、ＭＥＡ上のガス拡散層に潜り込む。ガスは、第１平板部１２１の設けられた領域から逃れて複数の平板部１２１〜１２３に至る。このエキスバンドメタルは、燃料ガス、酸化剤ガスの双方のガス流路形成部に採用可能である。

以上のように構成した第２実施例の燃料電池によれば、ガス流路形成部１４、１５におけるガス供給口付近では、ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）は平板部１２１〜１２３によってＭＥＡ上のガス拡散層を通らざるを得ないことから、このガス拡散層のガスの流れによって、生成水を一方の電極側から他方の電極側へ引き込むことができる。したがって、第１実施例と同様に、セル内の水循環量を増加することができることから、高温運転時における電解質膜のドライアップを防止することができる。

Ｃ．第３実施例：
前記第１実施例および第２実施例では、ガス流路形成部の上流側端部に流路閉塞部材を設けていたが、第３実施例では、ガス流路形成部の上流側端部と下流側端部の双方に流路閉塞部材を配置する構成とした。以下、この構成について詳細に説明する。

図８は、第３実施例の燃料電池で用いられるガス流路形成部２１５の下流側端部の周辺を表わす断面模式図である。第３実施例の燃料電池は、燃料ガス用のガス流路形成部２１５の上流側端部の周辺と、酸化剤ガス用のガス流路形成部２１４の上流側端部の周辺と、酸化剤ガス用のガス流路形成部２１４の下流側端部の周辺とについては、第１実施例と同一の構成を備え、燃料ガス用のガス流路形成部２１５の下流側端部の周辺だけが第２実施例と相違する。

図示するように、ガス流路形成部２１５は、エキスパンドメタルにより構成される。このガス流路形成部２１５の下流側の端部２１５ａには、平板部２２１と直立側面部２２２とが、この順に連結された構成となっている。平板部２２１は、ＭＥＡ上のガス拡散層と接している。直立側面部２２２が、平板部２２１に対して垂直な方向に立っている。直立側面部２２２の高さｈは、セパレータ２３０とＭＥＡ２１２との間の距離ｄよりも大きく、直立側面部２２２の先端部２２２ａに対応するセパレータ１３２の部分には、凹部２４０が形成されている。

凹部２４０は、図中のｘ方向（紙面に垂直な方向に）に延びる長孔であり、直立側面部２２２の先端部２２２ａと十分な隙間が空くだけの深さを備える。凹部２４０は、プレス等により成形されたものである。図中のＷは、カソードで生成した生成水等に起因してガス流路形成部２１５で生じた液水であるが、この液水Ｗの排水経路として凹部２４０は機能する。なお、平板部２２１が流路閉塞部材として機能する。

以上のように構成された第３実施例の燃料電池は、平板部２２１によってＭＥＡ上のガス拡散層を通らざるを得ないことから、このガス（燃料ガス）の流れ（図中の一点鎖線の矢印で示す）によって、生成水を一方の電極側から他方の電極側へ引き込むことができる。したがって、第１および第２実施例と同様に、高温運転時における電解質膜のドライアップを防止することができる。さらに、本第３実施例では、凹部２４０によって、図中の実線の矢印に示すように液水Ｗの排水が行われる。したがって、第３実施例では、液水Ｗの排水性を向上することができる。

なお、前記第３実施例では、ガス流路形成部の下流側端部に設けた流路閉塞部材に対応するセパレータ１３２の部分に、排水用の凹部２４０を設ける構成としたが、これに換えて、ガス流路形成部の上流側端部に設けた流路閉塞部材に対応するセパレータ１３２の部分に、排水用の凹部を設ける構成としてもよい。また、下流側端部に設けた流路閉塞部材に対応するセパレータ１３２の部分と、上流側端部に設けた流路閉塞部材に対応するセパレータ１３２の部分との双方に、排水用の凹部をそれぞれ設ける構成としてもよい。さらに、排水用の凹部が設けられるのは、燃料ガスのガス流路形成部側に限る必要もなく、酸化剤ガスのガス流路形成部側とすることもできる。

Ｄ．他の実施態様：
この発明は前記の実施例やその変形例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。

・第１変形例：
前記第１、第２実施例では、ガス流路形成部の上流側端部に流路閉塞部材を設ける構成としたが、これに換えて、ガス流路形成部の下流側端部に流路閉塞部材を設ける構成としてもよい。また、上流側端部、下流側端部の双方に流路閉塞部材を設ける構成としてもよい。

・第２変形例：
さらに、ガス流路形成部の端部に流路閉塞部材を設ける構成に換えて、ガス流路形成部の途中に流路閉塞部材を設ける構成としてもよい。この構成においても、第１実施例と同様にセパレータの一部により流路閉塞部材を成形してもよいし、第２実施例と同様にエキスパンドメタルの一部により流路閉塞部材を成形してもよい。

・第３変形例：
前記実施例や変形例では、ガス流路形成部をエキスパンドメタルによって構成していたが、これに換えて、金属線を織り込んで作成した金属メッシュ、金属発泡体等によりガス流路形成部を構成してもよい。要は、ガスが流れる細孔を備える多孔体であればいずれの多孔体によって構成してもよい。

・第４変形例：
前記第１実施例では、セパレータをプレスして形成した凸部により流路閉塞部材を構成し、前記第２実施例では、エキスパンドメタルの非加工部を折り返すことにより流路閉塞部材を構成していたが、流路閉塞部材はこうした形状や成形方法に限定される必要はなく、種々の形状や、種々の成形方法を採用することができる。要は、膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、膜電極接合体と接する接触面を備える構成であればいずれの構成とすることもできる。

・第５変形例：
前記実施例や変形例では、カウンターフロー方式のガス流路構成となっているが、これに換えて、燃料ガス流路の向きと酸化剤ガス流路の向きとが同一方向であるガス流路構成としてもよいし、燃料ガス流路の向きと酸化剤ガス流路の向きとがクロスするガス流路構成としてもよい。

・第６変形例：
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。

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。

１０…セルアセンブリ
１２…ＭＥＡ
１２ａ…アノード
１２ｃ…カソード
１４…ガス流路形成部
１５…ガス流路形成部
１６…シール部
２０…凸部
２０ｆ…接触面
２１…凸部
２１ｆ…接触面
３０…セパレータ
３１…カソード対向プレート
３２…アノード対向プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…孔部
５０…酸化剤ガス排出スリット
５１…酸化剤ガス供給スリット
５３…燃料ガス排出スリット
５４…燃料ガス供給スリット
５５〜５９…連通部
６０…凸部
１００…エキスパンドメタル
１１０…波板部
１１１…山部
１１１ａ…角部
１１２…谷部
１１２ａ…角部
１２１〜１２３…平板部
１３２…セパレータ
１５４…ガス供給口
２１４…ガス流路形成部
２１５…ガス流路形成部
２１５ａ…端部
２２１…平板部
２２２…直立側面部
２２２ａ…先端部
２３０…セパレータ
２４０…凹部
Ｈ…貫通孔
Ｗ…液水
ＤＡ…発電領域

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、
   前記膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、多孔体によりガス流路を形成するガス流路形成部と
   を備え、
   前記膜電極接合体は、略矩形状であり、
   前記セパレータは、
   前記セパレータの表面に設けられ、前記ガス流路にガスを供給するガス供給口と、
   前記セパレータの表面に設けられ、前記ガス流路から前記ガスを排出させるガス排出口と
   を備え、
   前記膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、前記略矩形状の第１の辺と平行な方向に前記第１の辺の略全長にわたって帯状に延びることで前記ガスの流れを遮る部材であって、前記膜電極接合体と接する接触面を備える流路閉塞部材
   を備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記ガス供給口および前記ガス排出口は、前記第１の辺と平行な方向に前記第１の辺の略全長にわたって延びるスリット状である、燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、
   前記セパレータおよびガス流路形成部は、前記ガスとしての燃料ガスを、前記ガスとしての酸化剤ガスに対して対向流で流通させる構成であり、
   前記流路閉塞部材は、前記燃料ガスのガス供給口の近傍に設けられる、燃料電池。
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、
   前記流路閉塞部材は、前記セパレータの一部で成形されたものである、燃料電池。
5. 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、
   前記ガス流路形成部は、エキスパンドメタルである、燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記流路閉塞部材は、前記エキスパンドメタルの一部で成形されたものである、燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記流路閉塞部材が配置されるセパレータ部分に、排水のための凹部を備える、燃料電池。

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