燃料電池セルおよびそれを備えた燃料電池
【課題】 マニホールドへの水の排出を促進することができる燃料電池セルおよびそれを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池セル（１）は、電極および電解質を含む発電部（３０）と、電極に反応ガスを供給するためもしくは電極から反応ガスを排出するためのマニホールド（６３，６４，６５，６６）が形成されるとともに電極とマニホールドとを接続する第１のガス流路（６７ａ，６８ａ）が形成された反応ガス案内部材（６１，６２）とを備え、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて徐々に小さくなっている。
【解決手段】 燃料電池セル（１）は、電極および電解質を含む発電部（３０）と、電極に反応ガスを供給するためもしくは電極から反応ガスを排出するためのマニホールド（６３，６４，６５，６６）が形成されるとともに電極とマニホールドとを接続する第１のガス流路（６７ａ，６８ａ）が形成された反応ガス案内部材（６１，６２）とを備え、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて徐々に小さくなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルおよびそれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池には、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給する必要がある。そこで、各セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのマニホールドと、各セルにおいて発電反応に供された後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを排出するためのマニホールドとが形成された燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５８４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、発電によって生じた水をマニホールドへ排出する場合において、排水のための駆動力が不足する場合がある。この場合、電極面に水が滞留し、セル間において上記反応ガスの配流が不均一になる場合がある。したがって、セル間の電圧が不均一になる。
【０００６】
本発明は、電極面からマニホールドへの水の排出を促進することができる燃料電池セルおよびそれを備え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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池セルは、電極および電解質を含む発電部と、電極に反応ガスを供給するためもしくは電極から反応ガスを排出するためのマニホールドが形成されるとともに電極とマニホールドとを接続する第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材とを備え、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて小さくなっていることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池セルにおいては、発電によって生成された水は、第１のガス流路において毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、電極面からマニホールドへの水の排出が促進される。
【０００８】
なお、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて連続的に小さくなっていてもよい。また、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて段階的に小さくなっていてもよい。
【０００９】
反応ガス案内部材には、電極とマニホールドとを接続する第２のガス流路が形成され、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて小さくなっていてもよい。この場合、発電停止時において第２のガス流路に残留している水を電極面側に吸引することができる。したがって、低温条件下において、第２のガス流路における水の凍結を抑制することができる。この場合、本発明に係る燃料電池セルの低温起動時におけるガス閉塞を抑制することができる。なお、本発明に係る燃料電池セルの起動後の通常発電時においては、反応ガスの流動によってマニホールド側に水が排出される。したがって、第２のガス流路が形成されていても、水の電極面への逆流を抑制することができる。
【００１０】
なお、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて連続的に小さくなっていてもよい。また、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて段階的に小さくなっていてもよい。
【００１１】
第１のガス流路および第２のガス流路は、交互に形成されていてもよい。この場合、第１のガス流路が連続して配置される場合または第２のガス流路が連続して配置される場合に比較して、第１のガス流路および第２のガス流路の配置数を増加させることができる。それにより、本発明に係る燃料電池セルの発電中におけるガス拡散性を向上させることができる。
【００１２】
第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材は、カソード側およびアノード側の少なくとも一方に設けられていてもよい。また、発電部は、膜−電極接合体であってもよい。さらに、膜−電極接合体は、シールガスケット一体型膜−電極接合体であり、反応ガス案内部材は、シールガスケット一体型膜−電極接合体のシールガスケット部であってもよい。また、反応ガス案内部材は、セパレータであってもよい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池は、請求項１〜１１のいずれかに記載された燃料電池セルが複数積層されたことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、発電によって生成された水は、第１のガス流路において毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、電極面からマニホールドへの水の排出が促進される。この場合、電極面における反応ガスの圧損増加を抑制することができる。それにより、各燃料電池セルの電極へのガスの配流が均一になる。したがって、各燃料電池セルにおける発電電圧がほぼ一定になる。以上のことから、本発明に係る燃料電池において、各燃料電池セルの発電電圧がほぼ一定になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極面からマニホールドへの水の排出を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、燃料電池セル１が複数積層された構造を有する。図１に示すように、燃料電池セル１は、セパレータ１０上に、多孔体流路２０、膜−電極接合体３０および多孔体流路４０が順に積層された構造を有する。セパレータ１０は、隣接する２つの燃料電池セル１において共用されている。
【００１７】
セパレータ１０は、ステンレス等の導電性プレートからなる。多孔体流路２０，４０は、弾力性を有する多孔質状の導電性材料からなる。多孔体流路２０，４０としては、例えば、多孔質状のステンレス等の発泡焼結金属等を用いることができる。多孔体流路２０は燃料ガスの流路として機能し、多孔体流路４０は酸化剤ガスの流路として機能する。
【００１８】
膜−電極接合体３０は、電解質膜３１の多孔体流路２０側に触媒層３２および拡散層３３が順に形成され、電解質膜３１の多孔体流路４０側に触媒層３４および拡散層３５が順に形成された構造を有する。電解質膜３１は、プロトン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜３１は、例えば、プロトン伝導性固体高分子型電解質からなる。触媒層３２，３４は、白金等の触媒を担持するカーボン等からなる。拡散層３３，３５は、カーボンペーパ等の多孔質状の導電性材料からなる。本実施例においては、触媒層３２がアノードとして機能し、触媒層３４がカソードとして機能する。膜−電極接合体３０においては、それぞれの部材が互いに接合されている。
【００１９】
電解質膜３１およびセパレータ１０は、触媒層３２，３４および拡散層３３，３５の外周よりもさらに外側に延長するように形成されている。触媒層３２，３４および拡散層３３，３５よりも外側において、アノード側セパレータ１０と電解質膜３１との間にシール部材６１が形成され、カソード側セパレータ１０と電解質膜３１との間にシール部材６２が形成されている。シール部材６１，６２は、樹脂等の絶縁性部材から構成される。
【００２０】
セパレータ１０およびシール部材６１，６２には、燃料ガス、酸化剤ガス等が流動するためのマニホールドが形成されている。図１においては、一例として、酸化剤ガス供給マニホールド６３および酸化剤ガス排出マニホールド６４が図示されている。また、シール部材６１，６２には、各マニホールドと多孔体流路２０，４０とを接続するための流路が形成されている。この流路の詳細については、後述する。
【００２１】
続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。まず、燃料ガスが、後述する燃料ガス供給マニホールド６５からシール部材６１の流路、多孔体流路２０および拡散層３３を介して触媒層３２に供給される。燃料ガス中に含まれる水素は、触媒層３２において電子とプロトンとに分離する。プロトンは、電解質膜３１を伝導して、触媒層３４に到達する。なお、触媒層３２に供給されなかった燃料ガスは、シール部材６１の流路を介して、後述する燃料ガス排出マニホールド６６から排出される。
【００２２】
一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド６３からシール部材６２の流路、多孔体流路４０および拡散層３５を介して触媒層３４に供給される。触媒層３４においては、酸化剤ガスに含まれる酸素とプロトンとによって発電が行われるとともに水が発生する。発生した電力は、多孔体流路２０，４０およびセパレータ１０を介して外部に取り出される。なお、触媒層３４に供給されなかった酸化剤ガスは、シール部材６２の流路を介して、酸化剤ガス排出マニホールド６４から外部に排出される。なお、発電生成水は、主として、シール部材６２の流路を介して、酸化剤ガス排出マニホールド６４から排出される。発電生成水の一部は、シール部材６２の流路を介して酸化剤ガス供給マニホールド６３から排出されるとともに、シール部材６１の流路を介して燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６から排出される。
【００２３】
図２は、シール部材６１，６２の詳細について説明するための図である。図２（ａ）は、シール部材６１をアノード側セパレータ１０から見た場合の模式的平面図である。図２（ｂ）は、シール部材６２をカソード側セパレータ１０から見た場合の模式的平面図である。図２（ａ）に示すように、シール部材６１には、酸化剤ガス供給マニホールド６３、酸化剤ガス排出マニホールド６４、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６が形成されている。
【００２４】
また、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６と多孔体流路２０との間には、燃料ガス流路６７ａおよび燃料ガス流路６７ｂが形成されている。燃料ガス流路６７ａは、多孔体流路２０側からマニホールド側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。一方、燃料ガス流路６７ｂは、マニホールド側から多孔体流路２０側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、シール部材６２には、酸化剤ガス供給マニホールド６３、酸化剤ガス排出マニホールド６４、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６が形成されている。また、酸化剤ガス供給マニホールド６３および酸化剤ガス排出マニホールド６４と多孔体流路４０との間には、酸化剤ガス流路６８ａおよび酸化剤ガス流路６８ｂが形成されている。酸化剤ガス流路６８ａは、多孔体流路４０側からマニホールド側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。一方、酸化剤ガス流路６８ｂは、マニホールド側から多孔体流路４０側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。
【００２６】
燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａの断面積がマニホールド側に向かって小さくなっていることから、発電によって生成された水は、毛細管作用によって燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａを介してマニホールド側に吸引される。したがって、多孔体流路２０，４０からの水の排出が促進される。この場合、各多孔体流路２０，４０における圧損増加を抑制することができる。それにより、各多孔体流路２０，４０へのガスの配流が均一になる。したがって、各燃料電池セル１における発電電圧がほぼ一定になる。以上のことから、燃料電池１００において、各燃料電池セル１の発電電圧がほぼ一定になる。
【００２７】
また、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂの断面積が多孔体流路側に向かって小さくなっていることから、発電停止時において、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂに残留している水を多孔体流路側に吸引することができる。したがって、低温条件下において、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂにおける水の凍結を抑制することができる。この場合、燃料電池１００の低温起動時における反応ガスの閉塞を抑制することができる。なお、燃料電池１００の起動後の通常発電時においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流動によってマニホールド側に水が排出される。したがって、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂが形成されていても、水の多孔体流路側への逆流を抑制することができる。
【００２８】
続いて、燃料ガス流路６７ａ，６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの形状の詳細について説明する。図３においては、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂについて説明する。図３（ａ）は酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図３（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、シール部材６２に形成された溝部からなる。
【００２９】
酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、下記式（１）が成立するように形成されていることが好ましい。
ｈ ＜ ２Ｔｃｏｓθ／ρｇｒ （１）
ｈ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおける酸化剤ガスの流動方向の長さ（ｍ）
Ｔ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおける流動液体の表面張力（Ｎ／ｍ）
θ：シール部材６２の接触角
ρ：流動液体の密度（ｋｇ／ｍ３）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２）
ｒ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの溝深さ（ｍ）
【００３０】
上記式（１）において、ｇは９．８０６６５ｍ／ｓ２である。また、θは、例えば５°〜９０°である。ただし、θは、シール部材６２の材質、表面性状等によって決定される。上記流動液体が水であるとすると、Ｔは例えば０．０７２８Ｎ／ｍ（２０℃）であり、ρは１０００ｋｇ／ｍ３である。
【００３１】
酸化剤ガス流路６８ａが上記式（１）を満たすように形成されていれば、発電生成水は、毛細管作用によって効率よくマニホールド側に吸引される。また、酸化剤ガス流路６８ｂが上記式（１）を満たすように形成されていれば、発電停止時において、発電生成水は、毛細管作用によって効率よく多孔体流路４０側に吸引される。
【００３２】
また、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、例えば、下記式（２）および（３）を満たすように形成されている。
１ｍｍ ＜ Ａ ＜ １０ｍｍ （２）
２ ＜ Ｂ／Ａ ＜ １００ （３）
Ａ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの大口径側の幅（ｍｍ）
Ｂ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの小口径側の幅（ｍｍ）
【００３３】
また、多孔体流路４０は、酸化剤ガス流路６８ｂの大口径側の内部まで延長していることが好ましい。酸化剤ガス流路６８ｂから多孔体流路４０への水の吸収効率が向上するからである。また、酸化剤ガス流路６８ａと酸化剤ガス流路６８ｂとは交互に配置されていることが好ましい。酸化剤ガス流路６８ａが連続して配置される場合または酸化剤ガス流路６８ｂが連続して配置される場合に比較して、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの配置数を増加させることができるからである。この場合、燃料電池１００の発電中におけるガス拡散性を向上させることができる。また、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、シール部材６２を厚さ方向に貫通していてもよい。
【００３４】
燃料ガス流路６７ａ，６７ｂは、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂと同様の形状を有していることが好ましい。この場合、燃料電池１００の発電中において、発電生成水の多孔体流路２０からマニホールドへの排出を促進することができる。また、発電停止時において、発電生成水の燃料ガス流路６８ｂから多孔体流路２０への吸引を促進することができる。
【００３５】
なお、本実施例においては、アノード側およびカソード側の両方において多孔体流路側からマニホールド側にかけて断面積が変化する流路が形成されているが、いずれか一方において形成されていても本発明の効果が得られる。この場合、カソード側において上記流路が形成されていることが好ましい。カソード側において水が生成されるからである。特に、カソード側の酸化剤ガス排出マニホールドと多孔体流路との間に上記流路が形成されていることがより好ましい。ガス流動方向に水を排出することができるからである。
【００３６】
（変形例）
図４は、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの変形例を示す図である。まず、図４（ａ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて、断面積が段階的に減少していてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて断面積の減少率が低下してもよい。また、図４（ｃ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて断面積の減少率が大きくなってもよい。以上のように、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおいては、大口径側から小口径側にかけて断面積が徐々に低下していればよい。燃料ガス流路６７ａ，６７ｂも、図４の酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂのような形状を有していてもよい。
【００３７】
本実施例においては、膜−電極接合体３０が発電部に相当し、燃料ガスおよび酸化剤ガスが反応ガスに相当し、燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａが第１のガス流路に相当し、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂが第２のガス流路に相当し、シール部材６１，６２が反応ガス案内部材に相当する。
【実施例２】
【００３８】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図５は、燃料電池１００ａの模式的断面図である。図５に示すように、燃料電池１００ａは、一面に多孔体流路１５０が配置されかつ他面に多孔体流路１６０が配置されたシールガスケット一体型膜−電極接合体（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと称する）１２０がセパレータ１１０を介して複数積層された構造を有する。セパレータ１１０は、平板形状を有し、カソード対向プレート１１１とアノード対向プレート１１３とによって、中間プレート１１２が挟持された構造を有する。セパレータ１１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
【００３９】
多孔体流路１５０，１６０は、実施例１の多孔体流路２０，４０と同様の材料から構成される。シールガスケット一体型ＭＥＡ１２０は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１２１およびガスケットシール部１２２を備える。ＭＥＡ１２１は、プロトン伝導性を備える電解質膜の両面に触媒層が形成された発電部１２４、発電部１２４の一面側に形成されたガス拡散層１２３および発電部１２４の他面側に形成されたガス拡散層１２５を備える。本実施例においては、ＭＥＡ２１の一面側（図５において下側）がカソードとして機能し、ＭＥＡ２１の他面側（図５において上側）がアノードとして機能する。
【００４０】
図６は、セパレータ１１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ１２０の詳細について説明するための図である。図６（ａ）はカソード対向プレート１１１の模式的平面図であり、図６（ｂ）はアノード対向プレート１１３の模式的平面図であり、図６（ｃ）は中間プレート１１２の模式的平面図であり、図６（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ１２０の模式的平面図である。
【００４１】
カソード対向プレート１１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。カソード対向プレート１１１は、例えば、０．１ｍｍ程度の厚さを有する。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１１においてＭＥＡ１２１と対向する部分（以下、発電領域Ｘと称する）は平面である。カソード対向プレート１１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１１には、複数の酸化剤ガス供給孔１４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出孔１４４ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート１１１を厚さ方向に貫通している。
【００４３】
アノード対向プレート１１３は、カソード対向プレート１１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１１３は、例えば、０．１ｍｍの厚さを有する。図６（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１１３における発電領域Ｘは平面である。
【００４４】
カソード対向プレート１１１と同様に、アノード対向プレート１１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１１３には、複数の燃料ガス供給孔１４５ａおよび複数の燃料ガス排出孔１４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、アノード対向プレート１１３を厚さ方向に貫通している。
【００４５】
中間プレート１１２は、カソード対向プレート１１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１１と同様の材料から構成される。中間プレート１１２は、例えば、０．３ｍｍの厚さを有する。
【００４６】
カソード対向プレート１１１と同様に、中間プレート１１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂが形成されている。また、中間プレート１１２には、一端が燃料ガス供給マニホールド１４１ａに連通し、他端が燃料ガス供給孔１４５ａに連通する複数の燃料ガス供給流路１４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１１２には、一端が燃料ガス排出マニホールド１４１ｂに連通し、他端が燃料ガス排出孔１４５ｂに連通する複数の燃料ガス排出流路１４６ｂが形成されている。燃料ガス供給流路１４６ａおよび燃料ガス排出流路１４６ｂは、実施例１で説明した燃料ガス流路６７ａ，６７ｂと同形状を有する流路からなる。
【００４７】
さらに、中間プレート１１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔１４４ａに連通する複数の燃料ガス供給流路１４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔１４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路１４７ｂが形成されている。酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂは、実施例１で説明した酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂと同形状を有する流路からなる。また、中間プレート１１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド１４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド１４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路１４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１１２を厚さ方向に貫通している。
【００４８】
図６（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２１の外周縁部にガスケットシール部１２２が接合された構造を有する。ガスケットシール部１２２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。ガスケットシール部１２２は、金型のキャビティにＭＥＡ１２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ１２１とガスケットシール部１２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
【００４９】
カソード対向プレート１１１と同様に、ガスケットシール部１２２には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。ガスケットシール部１２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１１０をシールしている。また、ガスケットシール部１２２は、ＭＥＡ１２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
【００５０】
本実施例においては、発電によって生成された水は、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂにおいて、毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、多孔体流路１５０，１６０からの水の排出が促進される。また、発電停止時において、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂに残留している水を多孔体流路１５０，１６０側に吸引することができる。
【００５１】
本実施例においては、セパレータ１１０が反応ガス案内部材に相当し、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂにおいて多孔体流路側からマニホールド側にかけて断面積が小さくなる流路が第１のガス流路に相当し、マニホールド側から多孔体流路側にかけて断面積が小さくなる流路が第２のガス流路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】シール部材の詳細について説明するための図である。
【図３】酸化剤ガス流路を説明するための図である。
【図４】酸化剤ガス流路の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図６】セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料電池セル
１０，１１０ セパレータ
２０，４０，１５０，１６０ 多孔体流路
３０ 膜−電極接合体
３１ 電解質膜
６１，６２ シール部材
６３ 酸化剤ガス供給マニホールド
６４ 酸化剤ガス排出マニホールド
６５ 燃料ガス供給マニホールド
６６ 燃料ガス排出マニホールド
６７ａ，６７ｂ 燃料ガス流路
６８ａ，６８ｂ 酸化剤ガス流路
１００，１００ａ 燃料電池
１１１ カソード対向プレート
１１２ 中間プレート
１１３ アノード対向プレート
１４６ａ 燃料ガス供給流路
１４６ｂ 燃料ガス排出流路
１４７ａ 酸化剤ガス供給流路
１４７ｂ 酸化剤ガス排出流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルおよびそれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池には、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給する必要がある。そこで、各セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのマニホールドと、各セルにおいて発電反応に供された後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを排出するためのマニホールドとが形成された燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５８４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、発電によって生じた水をマニホールドへ排出する場合において、排水のための駆動力が不足する場合がある。この場合、電極面に水が滞留し、セル間において上記反応ガスの配流が不均一になる場合がある。したがって、セル間の電圧が不均一になる。
【０００６】
本発明は、電極面からマニホールドへの水の排出を促進することができる燃料電池セルおよびそれを備え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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池セルは、電極および電解質を含む発電部と、電極に反応ガスを供給するためもしくは電極から反応ガスを排出するためのマニホールドが形成されるとともに電極とマニホールドとを接続する第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材とを備え、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて小さくなっていることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池セルにおいては、発電によって生成された水は、第１のガス流路において毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、電極面からマニホールドへの水の排出が促進される。
【０００８】
なお、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて連続的に小さくなっていてもよい。また、第１のガス流路の断面積は、電極側からマニホールド側にかけて段階的に小さくなっていてもよい。
【０００９】
反応ガス案内部材には、電極とマニホールドとを接続する第２のガス流路が形成され、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて小さくなっていてもよい。この場合、発電停止時において第２のガス流路に残留している水を電極面側に吸引することができる。したがって、低温条件下において、第２のガス流路における水の凍結を抑制することができる。この場合、本発明に係る燃料電池セルの低温起動時におけるガス閉塞を抑制することができる。なお、本発明に係る燃料電池セルの起動後の通常発電時においては、反応ガスの流動によってマニホールド側に水が排出される。したがって、第２のガス流路が形成されていても、水の電極面への逆流を抑制することができる。
【００１０】
なお、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて連続的に小さくなっていてもよい。また、第２のガス流路の断面積は、マニホールド側から電極側にかけて段階的に小さくなっていてもよい。
【００１１】
第１のガス流路および第２のガス流路は、交互に形成されていてもよい。この場合、第１のガス流路が連続して配置される場合または第２のガス流路が連続して配置される場合に比較して、第１のガス流路および第２のガス流路の配置数を増加させることができる。それにより、本発明に係る燃料電池セルの発電中におけるガス拡散性を向上させることができる。
【００１２】
第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材は、カソード側およびアノード側の少なくとも一方に設けられていてもよい。また、発電部は、膜−電極接合体であってもよい。さらに、膜−電極接合体は、シールガスケット一体型膜−電極接合体であり、反応ガス案内部材は、シールガスケット一体型膜−電極接合体のシールガスケット部であってもよい。また、反応ガス案内部材は、セパレータであってもよい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池は、請求項１〜１１のいずれかに記載された燃料電池セルが複数積層されたことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、発電によって生成された水は、第１のガス流路において毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、電極面からマニホールドへの水の排出が促進される。この場合、電極面における反応ガスの圧損増加を抑制することができる。それにより、各燃料電池セルの電極へのガスの配流が均一になる。したがって、各燃料電池セルにおける発電電圧がほぼ一定になる。以上のことから、本発明に係る燃料電池において、各燃料電池セルの発電電圧がほぼ一定になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極面からマニホールドへの水の排出を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、燃料電池セル１が複数積層された構造を有する。図１に示すように、燃料電池セル１は、セパレータ１０上に、多孔体流路２０、膜−電極接合体３０および多孔体流路４０が順に積層された構造を有する。セパレータ１０は、隣接する２つの燃料電池セル１において共用されている。
【００１７】
セパレータ１０は、ステンレス等の導電性プレートからなる。多孔体流路２０，４０は、弾力性を有する多孔質状の導電性材料からなる。多孔体流路２０，４０としては、例えば、多孔質状のステンレス等の発泡焼結金属等を用いることができる。多孔体流路２０は燃料ガスの流路として機能し、多孔体流路４０は酸化剤ガスの流路として機能する。
【００１８】
膜−電極接合体３０は、電解質膜３１の多孔体流路２０側に触媒層３２および拡散層３３が順に形成され、電解質膜３１の多孔体流路４０側に触媒層３４および拡散層３５が順に形成された構造を有する。電解質膜３１は、プロトン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜３１は、例えば、プロトン伝導性固体高分子型電解質からなる。触媒層３２，３４は、白金等の触媒を担持するカーボン等からなる。拡散層３３，３５は、カーボンペーパ等の多孔質状の導電性材料からなる。本実施例においては、触媒層３２がアノードとして機能し、触媒層３４がカソードとして機能する。膜−電極接合体３０においては、それぞれの部材が互いに接合されている。
【００１９】
電解質膜３１およびセパレータ１０は、触媒層３２，３４および拡散層３３，３５の外周よりもさらに外側に延長するように形成されている。触媒層３２，３４および拡散層３３，３５よりも外側において、アノード側セパレータ１０と電解質膜３１との間にシール部材６１が形成され、カソード側セパレータ１０と電解質膜３１との間にシール部材６２が形成されている。シール部材６１，６２は、樹脂等の絶縁性部材から構成される。
【００２０】
セパレータ１０およびシール部材６１，６２には、燃料ガス、酸化剤ガス等が流動するためのマニホールドが形成されている。図１においては、一例として、酸化剤ガス供給マニホールド６３および酸化剤ガス排出マニホールド６４が図示されている。また、シール部材６１，６２には、各マニホールドと多孔体流路２０，４０とを接続するための流路が形成されている。この流路の詳細については、後述する。
【００２１】
続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。まず、燃料ガスが、後述する燃料ガス供給マニホールド６５からシール部材６１の流路、多孔体流路２０および拡散層３３を介して触媒層３２に供給される。燃料ガス中に含まれる水素は、触媒層３２において電子とプロトンとに分離する。プロトンは、電解質膜３１を伝導して、触媒層３４に到達する。なお、触媒層３２に供給されなかった燃料ガスは、シール部材６１の流路を介して、後述する燃料ガス排出マニホールド６６から排出される。
【００２２】
一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド６３からシール部材６２の流路、多孔体流路４０および拡散層３５を介して触媒層３４に供給される。触媒層３４においては、酸化剤ガスに含まれる酸素とプロトンとによって発電が行われるとともに水が発生する。発生した電力は、多孔体流路２０，４０およびセパレータ１０を介して外部に取り出される。なお、触媒層３４に供給されなかった酸化剤ガスは、シール部材６２の流路を介して、酸化剤ガス排出マニホールド６４から外部に排出される。なお、発電生成水は、主として、シール部材６２の流路を介して、酸化剤ガス排出マニホールド６４から排出される。発電生成水の一部は、シール部材６２の流路を介して酸化剤ガス供給マニホールド６３から排出されるとともに、シール部材６１の流路を介して燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６から排出される。
【００２３】
図２は、シール部材６１，６２の詳細について説明するための図である。図２（ａ）は、シール部材６１をアノード側セパレータ１０から見た場合の模式的平面図である。図２（ｂ）は、シール部材６２をカソード側セパレータ１０から見た場合の模式的平面図である。図２（ａ）に示すように、シール部材６１には、酸化剤ガス供給マニホールド６３、酸化剤ガス排出マニホールド６４、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６が形成されている。
【００２４】
また、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６と多孔体流路２０との間には、燃料ガス流路６７ａおよび燃料ガス流路６７ｂが形成されている。燃料ガス流路６７ａは、多孔体流路２０側からマニホールド側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。一方、燃料ガス流路６７ｂは、マニホールド側から多孔体流路２０側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、シール部材６２には、酸化剤ガス供給マニホールド６３、酸化剤ガス排出マニホールド６４、燃料ガス供給マニホールド６５および燃料ガス排出マニホールド６６が形成されている。また、酸化剤ガス供給マニホールド６３および酸化剤ガス排出マニホールド６４と多孔体流路４０との間には、酸化剤ガス流路６８ａおよび酸化剤ガス流路６８ｂが形成されている。酸化剤ガス流路６８ａは、多孔体流路４０側からマニホールド側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。一方、酸化剤ガス流路６８ｂは、マニホールド側から多孔体流路４０側にかけて断面積が徐々に小さくなるように形成されている。
【００２６】
燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａの断面積がマニホールド側に向かって小さくなっていることから、発電によって生成された水は、毛細管作用によって燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａを介してマニホールド側に吸引される。したがって、多孔体流路２０，４０からの水の排出が促進される。この場合、各多孔体流路２０，４０における圧損増加を抑制することができる。それにより、各多孔体流路２０，４０へのガスの配流が均一になる。したがって、各燃料電池セル１における発電電圧がほぼ一定になる。以上のことから、燃料電池１００において、各燃料電池セル１の発電電圧がほぼ一定になる。
【００２７】
また、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂの断面積が多孔体流路側に向かって小さくなっていることから、発電停止時において、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂに残留している水を多孔体流路側に吸引することができる。したがって、低温条件下において、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂにおける水の凍結を抑制することができる。この場合、燃料電池１００の低温起動時における反応ガスの閉塞を抑制することができる。なお、燃料電池１００の起動後の通常発電時においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流動によってマニホールド側に水が排出される。したがって、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂが形成されていても、水の多孔体流路側への逆流を抑制することができる。
【００２８】
続いて、燃料ガス流路６７ａ，６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの形状の詳細について説明する。図３においては、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂについて説明する。図３（ａ）は酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図３（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、シール部材６２に形成された溝部からなる。
【００２９】
酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、下記式（１）が成立するように形成されていることが好ましい。
ｈ ＜ ２Ｔｃｏｓθ／ρｇｒ （１）
ｈ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおける酸化剤ガスの流動方向の長さ（ｍ）
Ｔ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおける流動液体の表面張力（Ｎ／ｍ）
θ：シール部材６２の接触角
ρ：流動液体の密度（ｋｇ／ｍ３）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２）
ｒ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの溝深さ（ｍ）
【００３０】
上記式（１）において、ｇは９．８０６６５ｍ／ｓ２である。また、θは、例えば５°〜９０°である。ただし、θは、シール部材６２の材質、表面性状等によって決定される。上記流動液体が水であるとすると、Ｔは例えば０．０７２８Ｎ／ｍ（２０℃）であり、ρは１０００ｋｇ／ｍ３である。
【００３１】
酸化剤ガス流路６８ａが上記式（１）を満たすように形成されていれば、発電生成水は、毛細管作用によって効率よくマニホールド側に吸引される。また、酸化剤ガス流路６８ｂが上記式（１）を満たすように形成されていれば、発電停止時において、発電生成水は、毛細管作用によって効率よく多孔体流路４０側に吸引される。
【００３２】
また、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、例えば、下記式（２）および（３）を満たすように形成されている。
１ｍｍ ＜ Ａ ＜ １０ｍｍ （２）
２ ＜ Ｂ／Ａ ＜ １００ （３）
Ａ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの大口径側の幅（ｍｍ）
Ｂ：酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの小口径側の幅（ｍｍ）
【００３３】
また、多孔体流路４０は、酸化剤ガス流路６８ｂの大口径側の内部まで延長していることが好ましい。酸化剤ガス流路６８ｂから多孔体流路４０への水の吸収効率が向上するからである。また、酸化剤ガス流路６８ａと酸化剤ガス流路６８ｂとは交互に配置されていることが好ましい。酸化剤ガス流路６８ａが連続して配置される場合または酸化剤ガス流路６８ｂが連続して配置される場合に比較して、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの配置数を増加させることができるからである。この場合、燃料電池１００の発電中におけるガス拡散性を向上させることができる。また、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂは、シール部材６２を厚さ方向に貫通していてもよい。
【００３４】
燃料ガス流路６７ａ，６７ｂは、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂと同様の形状を有していることが好ましい。この場合、燃料電池１００の発電中において、発電生成水の多孔体流路２０からマニホールドへの排出を促進することができる。また、発電停止時において、発電生成水の燃料ガス流路６８ｂから多孔体流路２０への吸引を促進することができる。
【００３５】
なお、本実施例においては、アノード側およびカソード側の両方において多孔体流路側からマニホールド側にかけて断面積が変化する流路が形成されているが、いずれか一方において形成されていても本発明の効果が得られる。この場合、カソード側において上記流路が形成されていることが好ましい。カソード側において水が生成されるからである。特に、カソード側の酸化剤ガス排出マニホールドと多孔体流路との間に上記流路が形成されていることがより好ましい。ガス流動方向に水を排出することができるからである。
【００３６】
（変形例）
図４は、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂの変形例を示す図である。まず、図４（ａ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて、断面積が段階的に減少していてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて断面積の減少率が低下してもよい。また、図４（ｃ）に示すように、大口径側から小口径側にかけて断面積の減少率が大きくなってもよい。以上のように、酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂにおいては、大口径側から小口径側にかけて断面積が徐々に低下していればよい。燃料ガス流路６７ａ，６７ｂも、図４の酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂのような形状を有していてもよい。
【００３７】
本実施例においては、膜−電極接合体３０が発電部に相当し、燃料ガスおよび酸化剤ガスが反応ガスに相当し、燃料ガス流路６７ａおよび酸化剤ガス流路６８ａが第１のガス流路に相当し、燃料ガス流路６７ｂおよび酸化剤ガス流路６８ｂが第２のガス流路に相当し、シール部材６１，６２が反応ガス案内部材に相当する。
【実施例２】
【００３８】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図５は、燃料電池１００ａの模式的断面図である。図５に示すように、燃料電池１００ａは、一面に多孔体流路１５０が配置されかつ他面に多孔体流路１６０が配置されたシールガスケット一体型膜−電極接合体（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと称する）１２０がセパレータ１１０を介して複数積層された構造を有する。セパレータ１１０は、平板形状を有し、カソード対向プレート１１１とアノード対向プレート１１３とによって、中間プレート１１２が挟持された構造を有する。セパレータ１１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
【００３９】
多孔体流路１５０，１６０は、実施例１の多孔体流路２０，４０と同様の材料から構成される。シールガスケット一体型ＭＥＡ１２０は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１２１およびガスケットシール部１２２を備える。ＭＥＡ１２１は、プロトン伝導性を備える電解質膜の両面に触媒層が形成された発電部１２４、発電部１２４の一面側に形成されたガス拡散層１２３および発電部１２４の他面側に形成されたガス拡散層１２５を備える。本実施例においては、ＭＥＡ２１の一面側（図５において下側）がカソードとして機能し、ＭＥＡ２１の他面側（図５において上側）がアノードとして機能する。
【００４０】
図６は、セパレータ１１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ１２０の詳細について説明するための図である。図６（ａ）はカソード対向プレート１１１の模式的平面図であり、図６（ｂ）はアノード対向プレート１１３の模式的平面図であり、図６（ｃ）は中間プレート１１２の模式的平面図であり、図６（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ１２０の模式的平面図である。
【００４１】
カソード対向プレート１１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。カソード対向プレート１１１は、例えば、０．１ｍｍ程度の厚さを有する。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１１においてＭＥＡ１２１と対向する部分（以下、発電領域Ｘと称する）は平面である。カソード対向プレート１１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１１には、複数の酸化剤ガス供給孔１４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出孔１４４ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート１１１を厚さ方向に貫通している。
【００４３】
アノード対向プレート１１３は、カソード対向プレート１１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１１３は、例えば、０．１ｍｍの厚さを有する。図６（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１１３における発電領域Ｘは平面である。
【００４４】
カソード対向プレート１１１と同様に、アノード対向プレート１１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１１３には、複数の燃料ガス供給孔１４５ａおよび複数の燃料ガス排出孔１４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、アノード対向プレート１１３を厚さ方向に貫通している。
【００４５】
中間プレート１１２は、カソード対向プレート１１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１１と同様の材料から構成される。中間プレート１１２は、例えば、０．３ｍｍの厚さを有する。
【００４６】
カソード対向プレート１１１と同様に、中間プレート１１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂが形成されている。また、中間プレート１１２には、一端が燃料ガス供給マニホールド１４１ａに連通し、他端が燃料ガス供給孔１４５ａに連通する複数の燃料ガス供給流路１４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１１２には、一端が燃料ガス排出マニホールド１４１ｂに連通し、他端が燃料ガス排出孔１４５ｂに連通する複数の燃料ガス排出流路１４６ｂが形成されている。燃料ガス供給流路１４６ａおよび燃料ガス排出流路１４６ｂは、実施例１で説明した燃料ガス流路６７ａ，６７ｂと同形状を有する流路からなる。
【００４７】
さらに、中間プレート１１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔１４４ａに連通する複数の燃料ガス供給流路１４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔１４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路１４７ｂが形成されている。酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂは、実施例１で説明した酸化剤ガス流路６８ａ，６８ｂと同形状を有する流路からなる。また、中間プレート１１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド１４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド１４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路１４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１１２を厚さ方向に貫通している。
【００４８】
図６（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２１の外周縁部にガスケットシール部１２２が接合された構造を有する。ガスケットシール部１２２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。ガスケットシール部１２２は、金型のキャビティにＭＥＡ１２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ１２１とガスケットシール部１２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
【００４９】
カソード対向プレート１１１と同様に、ガスケットシール部１２２には、燃料ガス供給マニホールド１４１ａ、燃料ガス排出マニホールド１４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド１４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド１４３ｂが形成されている。ガスケットシール部１２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１１０をシールしている。また、ガスケットシール部１２２は、ＭＥＡ１２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
【００５０】
本実施例においては、発電によって生成された水は、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂにおいて、毛細管作用によってマニホールド側に吸引される。したがって、多孔体流路１５０，１６０からの水の排出が促進される。また、発電停止時において、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂに残留している水を多孔体流路１５０，１６０側に吸引することができる。
【００５１】
本実施例においては、セパレータ１１０が反応ガス案内部材に相当し、燃料ガス供給流路１４６ａ、燃料ガス排出流路１４６ｂ、酸化剤ガス供給流路１４７ａおよび酸化剤ガス排出流路１４７ｂにおいて多孔体流路側からマニホールド側にかけて断面積が小さくなる流路が第１のガス流路に相当し、マニホールド側から多孔体流路側にかけて断面積が小さくなる流路が第２のガス流路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】シール部材の詳細について説明するための図である。
【図３】酸化剤ガス流路を説明するための図である。
【図４】酸化剤ガス流路の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図６】セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料電池セル
１０，１１０ セパレータ
２０，４０，１５０，１６０ 多孔体流路
３０ 膜−電極接合体
３１ 電解質膜
６１，６２ シール部材
６３ 酸化剤ガス供給マニホールド
６４ 酸化剤ガス排出マニホールド
６５ 燃料ガス供給マニホールド
６６ 燃料ガス排出マニホールド
６７ａ，６７ｂ 燃料ガス流路
６８ａ，６８ｂ 酸化剤ガス流路
１００，１００ａ 燃料電池
１１１ カソード対向プレート
１１２ 中間プレート
１１３ アノード対向プレート
１４６ａ 燃料ガス供給流路
１４６ｂ 燃料ガス排出流路
１４７ａ 酸化剤ガス供給流路
１４７ｂ 酸化剤ガス排出流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極および電解質を含む発電部と、
前記電極に反応ガスを供給するためもしくは前記電極から反応ガスを排出するためのマニホールドが形成されるとともに前記電極と前記マニホールドとを接続する第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材と、を備え、
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて小さくなっていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて段階的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記反応ガス案内部材には、前記電極と前記マニホールドとを接続する第２のガス流路が形成され、
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて小さくなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて段階的に小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記第１のガス流路および前記第２のガス流路は、交互に形成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材は、カソード側およびアノード側の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記発電部は、膜−電極接合体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
前記膜−電極接合体は、シールガスケット一体型膜−電極接合体であり、
前記反応ガス案内部材は、前記シールガスケット一体型膜−電極接合体のシールガスケット部であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
前記反応ガス案内部材は、セパレータであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載された燃料電池セルが複数積層されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電極および電解質を含む発電部と、
前記電極に反応ガスを供給するためもしくは前記電極から反応ガスを排出するためのマニホールドが形成されるとともに前記電極と前記マニホールドとを接続する第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材と、を備え、
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて小さくなっていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第１のガス流路の断面積は、前記電極側から前記マニホールド側にかけて段階的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記反応ガス案内部材には、前記電極と前記マニホールドとを接続する第２のガス流路が形成され、
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて小さくなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記第２のガス流路の断面積は、前記マニホールド側から前記電極側にかけて段階的に小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記第１のガス流路および前記第２のガス流路は、交互に形成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記第１のガス流路が形成された反応ガス案内部材は、カソード側およびアノード側の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記発電部は、膜−電極接合体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
前記膜−電極接合体は、シールガスケット一体型膜−電極接合体であり、
前記反応ガス案内部材は、前記シールガスケット一体型膜−電極接合体のシールガスケット部であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
前記反応ガス案内部材は、セパレータであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載された燃料電池セルが複数積層されたことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−５３１０５（Ｐ２００８−５３１０５Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２９４０９（Ｐ２００６−２２９４０９）
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２５日（２００６．８．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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