燃料電池
【課題】セパレータの構成を有効に簡素化するとともに、加工工数の削減を図って前記セパレータを経済的に得ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８で挟持する。電解質膜・電極構造体１４には、積層方向に貫通し燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂと燃料ガス流路４８とを連通する第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂと、前記積層方向に貫通し酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと酸化剤ガス流路３８とを連通する第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂとが設けられる。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８で挟持する。電解質膜・電極構造体１４には、積層方向に貫通し燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂと燃料ガス流路４８とを連通する第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂと、前記積層方向に貫通し酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと酸化剤ガス流路３８とを連通する第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂとが設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより発電セルが構成されている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されているプロセス制御装置では、図２２に示すように、互いに平行に配置される２つの板１ａ、１ｂを重ね合わせてユニット２と交互に積層されている。ユニット２は、ＭＥＡ２ａを陽極２ｂ及び陰極２ｃで挟持するとともに、これらが一対の接触板２ｄに挟持されて構成されている。
【０００５】
板１ａとユニット２との間に第１室３ａが形成され、板１ｂと前記ユニット２との間に第２室３ｂが形成され、前記板１ａ、１ｂ間に第３室３ｃが形成されている。板１ａ、１ｂの端部には、パッキン４を介して積層方向に連通孔５が形成される。
【０００６】
この連通孔５は、板１ａ、１ｂ間に形成される流路６を介して、例えば、第２室３ｂに連通している。図示していないが、積層方向には、他の２つの連通孔が設けられ、他の連通孔は、板１ａ、１ｂ間の流路を介して第１室３ａ及び第３室３ｃにそれぞれ連通している。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２１８２７５号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、積層方向に形成されている連通孔５を第２室３ｂに連通するための流路６を形成するために、板１ｂには、孔部７が設けられている。同様に、他の２つの連通孔を第１室３ａ及び第３室３ｃにそれぞれ連通するために、板１ａ、１ｂには、それぞれ図示しない孔部が設けられている。
【０００９】
しかしながら、上記のように、セパレータである板１ａ、１ｂに複数の孔部７等を形成するため、各セパレータの加工工数が増加するとともに、前記セパレータの構造が複雑化するという問題がある。しかも、金属セパレータが使用される際には、孔部周辺に金属部分が露出するため、この孔部周辺に絶縁処理を施す必要がある。これにより、金属セパレータの作業工数が増大し、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの構成を有効に簡素化するとともに、作業工数の削減を図って経済的に得ることが可能な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】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けられ、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、該セパレータを積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。そして、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する孔部が形成されている。
【００１２】
また、孔部は、電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極の電極面方向に沿って延在する燃料ガス流路と、前記カソード側電極の電極面方向に沿って延在する酸化剤ガス流路と、積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔と、前記積層方向に貫通して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。
【００１４】
そして、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し燃料ガス連通孔をカソード側電極側から燃料ガス流路に連通する第１孔部と、前記積層方向に貫通し酸化剤ガス連通孔をアノード側電極側から酸化剤ガス流路に連通する第２孔部とが形成されている。
【００１５】
さらにまた、第１孔部及び第２孔部は、電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する孔部が形成されている。このため、電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータには、反応ガスを通すための孔部を形成する必要がなく、前記セパレータの構成が有効に簡素化する。これにより、セパレータの加工工数の削減を図ることができ、前記セパレータを経済的に得ることが可能になる。
【００１７】
また、本発明では、電解質・電極構造体には、燃料ガス連通孔をカソード側電極側から燃料ガス流路に連通する第１孔部と、酸化剤ガス連通孔をアノード側電極側から酸化剤ガス流路に連通する第２孔部とが形成されている。従って、第１セパレータ及び第２セパレータには、第１孔部及び第２孔部を形成する必要がなく、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの構成が簡素化して経済的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の分解斜視説明図である。図２は、燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図であり、図４は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【００１９】
燃料電池１０は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、各発電セル１２は、図１に示すように、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４を第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８で挟持する。第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８は、例えば、カーボンセパレータや金属セパレータで構成されるとともに、横長な長方形状を有している。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するカソード側電極２２及びアノード側電極２４とを備える。カソード側電極２２及びアノード側電極２４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２０が、カソード側電極２２及びアノード側電極２４の表面積よりも大きな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜２０の外方に突出する四辺には、樹脂枠部２６が両面から設けられる。樹脂枠部２６は、固体高分子電解質膜２０の外周縁部両面に樹脂材を含浸することにより構成される。
【００２２】
樹脂枠部２６の矢印Ｂ方向一端側上部には、燃料ガス用の第１供給孔部２８ａが複数形成されるとともに、矢印Ｂ方向他端側下部には、燃料ガス用の第１排出孔部２８ｂが複数形成される。樹脂枠部２６の矢印Ｂ方向他端側上部には、酸化剤ガス用の第２供給孔部３０ａが複数形成されるとともに、矢印Ｂ方向一端側下部には、酸化剤ガス用の第２排出孔部３０ｂが複数形成される。
【００２３】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とは、互いに逆方向（対向流）に設定されるとともに、冷却媒体の流れ方向は、例えば、前記酸化剤ガスの流れ方向と平行流に設定される。
【００２５】
第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３８が形成される。面１６ａには、例えば、ガスケット等の内側シール部材４０ａと、前記内側シール部材４０ａを周回する外側シール部材４０ｂとが設けられる。
【００２６】
内側シール部材４０ａは、酸化剤ガス流路３８を囲繞する一方、外側シール部材４０ｂは、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する。
【００２７】
外側シール部材４０ｂは、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する部分をそれぞれ内方に拡大することにより、入口連通部４２ａ及び出口連通部４２ｂを形成する。入口連通部４２ａは、電解質膜・電極構造体１４の第１供給孔部２８ａに積層方向に連通するとともに、出口連通部４２ｂは、前記電解質膜・電極構造体１４の第１排出孔部２８ｂに積層方向に連通する。
【００２８】
第１セパレータ１６の面１６ｂには、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂを冷却媒体流路４４に連通するためのシール部材４６が設けられる。
【００２９】
第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、図６に示すように、燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、内側シール部材５０ａによって周回されるとともに、前記内側シール部材５０ａの外方には、外側シール部材５０ｂが設けられる。
【００３０】
外側シール部材５０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを周回する部分を内方に拡大することにより、入口連通部５４ａ及び出口連通部５４ｂを形成する。入口連通部５４ａは、電解質膜・電極構造体１４の第２供給孔部３０ａと積層方向に連通する一方、出口連通部５４ｂは、前記電解質膜・電極構造体１４の第２排出孔部３０ｂと積層方向に連通している。
【００３１】
なお、内側シール部材４０ａ、５０ａ、外側シール部材４０ｂ、５０ｂ及びシール部材４６は、同一の材料で形成されており、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、シリコーンゴム、ニトリルゴム又はアクリルゴムで構成される。
【００３２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔３６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３４】
燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ１６の入口連通部４２ａに導入される。そして、燃料ガスは、カソード側電極２２側から入口連通部４２ａに積層方向に連通する第１供給孔部２８ａを通って第２セパレータ１８の燃料ガス流路４８に供給される（図２参照）。
【００３５】
燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、第１排出孔部２８ｂを通って電解質膜・電極構造体１４を通過する。さらに、燃料ガスは、第１セパレータ１６の出口連通部４２ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔３２ｂに沿って排出される。
【００３６】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８の面１８ａ側で、すなわち、アノード側電極２４側で入口連通部５４ａに導入される。次に、酸化剤ガスは、入口連通部５４ａに積層方向に連通する第２供給孔部３０ａを通って酸化剤ガス流路３８に供給される（図３参照）。
【００３７】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、電解質膜・電極構造体１４に設けられている第２排出孔部３０ｂを通って第２セパレータ１８の出口連通部５４ｂに導入される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って排出される。
【００３８】
これにより、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極２４に供給される燃料ガスと、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３９】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に形成される冷却媒体流路４４に導入される（図４参照）。このため、冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを、カソード側電極２２側から燃料ガス流路４８に連通する第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂが形成されている。さらに、電解質膜・電極構造体１４には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを、アノード側電極２４側から酸化剤ガス流路３８に連通する第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成されている。
【００４１】
従って、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８には、燃料ガス及び酸化剤ガスを通すための孔部（第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂに相当する）を形成する必要がない。
【００４２】
これにより、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の構成が有効に簡素化され、前記第１セパレータ１６及び前記第２セパレータ１８の加工工数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。特に、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８が、金属セパレータで構成される際には、孔部形成によって外部に露呈する金属部分に絶縁処理を施す必要がなく、前記金属セパレータの製造工数が大幅に削減されて経済的であるという利点がある。
【００４３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１４ａの正面説明図であり、図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１４ｂの正面説明図である。
【００４４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４〜８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
電解質膜・電極構造体１４ａでは、図７に示すように、矢印Ｂ方向両端部に固体高分子電解質膜２０の端部を覆って樹脂枠部２６ａ、２６ｂが設けられる。樹脂枠部２６ａには、第１供給孔部２８ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成されるとともに、樹脂枠部２６ｂには、第２供給孔部３０ａ及び第１排出孔部２８ｂが形成される。
【００４６】
電解質膜・電極構造体１４ｂでは、図８に示すように、固体高分子電解質膜２０の四隅に対応して樹脂枠部２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ及び２６ｆが設けられる。樹脂枠部２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ及び２６ｆには、それぞれ第１供給孔部２８ａ、第２排出孔部３０ｂ、第１排出孔部２８ｂ及び第２供給孔部３０ａが形成される。
【００４７】
このように構成される電解質膜・電極構造体１４ａ、１４ｂでは、上記の電解質膜・電極構造体１４と同様の効果が得られる。なお、樹脂枠部２６ａ〜２６ｆは、固体高分子電解質膜２０の両面に樹脂材を含浸させることにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、カソード側電極２２及びアノード側電極２４を構成するガス拡散層（図示せず）に樹脂材を含浸させて構成してもよい。
【００４８】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６０の分解斜視説明図である。
【００４９】
発電セル６０を構成する電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜２０ａと、前記固体高分子電解質膜２０ａと同一の表面積を有して該固体高分子電解質膜２０ａを挟持するアノード側電極２４ａ及びカソード側電極２２ａとを備える。
【００５０】
電解質膜・電極構造体６２の四隅には、固体高分子電解質膜２０ａを挟んでカソード側電極２２ａ及びアノード側電極２４ａを一体に貫通する第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。
【００５１】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６４の分解斜視説明図である。
【００５３】
発電セル６４は、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８に挟持される電解質膜・電極構造体６６を備える。電解質膜・電極構造体６６は、固体高分子電解質膜２０ａとカソード側電極２２ａとが同一面積に設定されるとともに、アノード側電極２４ｂが小さな表面積に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成している。
【００５４】
固体高分子電解質膜２０ａ及びカソード側電極２２ａには、第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。これにより、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池７０を構成する発電セル７２の分解斜視説明図であり、この燃料電池７０は、複数の発電セル７２を積層している。図１２は、燃料電池７０の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図であり、図１３は、前記燃料電池７０の、図１１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【００５６】
発電セル７２は、電解質膜・電極構造体７４を第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８で挟持する。電解質膜・電極構造体７４は、固体高分子電解質膜２０ｂをカソード側電極２２及びアノード側電極２４で挟持するとともに、前記固体高分子電解質膜２０ｂは、第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８と略同一寸法に設定される。
【００５７】
固体高分子電解質膜２０ｂには、カソード側電極２２及びアノード側電極２４の外方に位置して第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。
【００５８】
第１セパレータ７６の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７６ａには、酸化剤ガス流路３８を周回してシール部材４０が設けられる。面７６ａには、シール部材４０を介して第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂにそれぞれ積層方向に連通する入口連通部４２ａ及び出口連通部４２ｂが形成される。
【００５９】
図１４に示すように、第２セパレータ７８の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７８ａには、燃料ガス流路４８が形成され、この燃料ガス流路４８は、シール部材５０により周回される。面７８ａには、シール部材５０を設けることにより第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂにそれぞれ積層方向に沿って連通する入口連通部５４ａ及び出口連通部５４ｂが形成される。
【００６０】
このように構成される第６の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様に、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ７６の入口連通部４２ａに導入された後、これに積層方向に沿って連通する第１供給孔部２８ａを通ってカソード側電極２２側からアノード側電極２４側に移動し、第２セパレータ７８の燃料ガス流路４８に供給される（図１２参照）。
【００６１】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ７８に設けられている入口連通部５４ａに導入された後、これに積層方向に沿って連通する第２供給孔部３０ａを通ってアノード側電極２４側からカソード側電極２２側に移動し、酸化剤ガス流路３８に供給される（図１３参照）。
【００６２】
これにより、第６の実施形態では、固体高分子電解質膜２０ｂに第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂを形成するだけでよく、第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８には、孔部形成処理が不要になる。従って、この第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池８０を構成する発電セル８２の分解斜視説明図であり、図１６は、前記燃料電池８０の、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図であり、図１７は、前記燃料電池８０の、図１５中、ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【００６４】
発電セル８２は、電解質膜・電極構造体８４を第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８で挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体８４は、カソード側電極２２及びアノード側電極２４に挟持される。固体高分子電解質膜２０ｂの一方の面には、アノード側電極２４を周回して樹脂含浸による樹脂枠部９０が構成される。
【００６５】
なお、樹脂枠部９０は、固体高分子電解質膜２０ｂに直接樹脂含浸されていてもよく、あるいは、ガス拡散層を構成するカーボンペーパに樹脂含浸されていてもよい。
【００６６】
図１８に示すように、電解質膜・電極構造体８４のカソード側電極２２側の面には、シール部材９２が設けられる。このシール部材９２は、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１供給孔部２８ａに連通させる入口連通部４２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂを第１排出孔部２８ｂに連通させる出口連通部４２ｂとを形成する。
【００６７】
図１５に示すように、電解質膜・電極構造体８４のアノード側電極２４側の面には、シール部材９４が設けられる。このシール部材９４は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａを第２供給孔部３０ａに連通する入口連通部５４ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを第２排出孔部３０ｂに連通する出口連通部５４ｂとを形成する。
【００６８】
このように構成される発電セル８２では、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、電解質膜・電極構造体８４に形成された入口連通部４２ａに導入された後、第１供給孔部２８ａを通ってアノード側電極２４側に移動し、第２セパレータ８８の燃料ガス流路４８に供給される（図１６参照）。
【００６９】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体８４に形成された入口連通部５４ａに導入された後、第２供給孔部３０ａを通ってカソード側電極２２側に移動し、第１セパレータ８６に設けられている酸化剤ガス流路３８に供給される（図１７参照）。
【００７０】
これにより、第７の実施形態では、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、電解質膜・電極構造体８４の両面には、シール部材９２、９４を設けている。これにより、第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８は、シール材成形作業が一挙に簡素化し、前記第１セパレータ８６及び前記第２セパレータ８８を一層経済的に製造することができるという効果がある。
【００７１】
図１９は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１００の分解斜視説明図である。図２０は、燃料電池１００の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図であり、図２１は、前記燃料電池１００の、図１９中、ＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。
【００７２】
燃料電池１００は、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に、第３セパレータ１０２を挟んだ２枚の電解質膜・電極構造体１４が積層されて構成される。第３セパレータ１０２は、第１セパレータ１６に向かう面に燃料ガス流路４８が形成されるとともに、第２セパレータ１８に向かう面に酸化剤ガス流路３８が形成される。
【００７３】
燃料電池１００は、第１セパレータ１６から第２セパレータ１８を積層したユニットを構成し、このユニットを矢印Ａ方向に積層している。この燃料電池１００では、各電解質膜・電極構造体１４間には、一つおきに冷却媒体流路４４が設けられる、所謂、間引き冷却構造を採用する。
【００７４】
このように構成される燃料電池１００では、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ１６の入口連通部４２ａ及び第３セパレータ１０２の入口連通部４２ａに導入される。そして、燃料ガスは、それぞれの電解質膜・電極構造体１４に設けられた第１供給孔部２８ａを通って第３セパレータ１０２及び第２セパレータ１８の各燃料ガス流路４８に供給される。
【００７５】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８及び第３セパレータ１０２の各入口連通部５４ａを通った後、各電解質膜・電極構造体１４の第２供給孔部３０ａからそれぞれ前記第３セパレータ１０２及び第１セパレータ１６の各酸化剤ガス流路３８に供給される。
【００７６】
これにより、第８の実施形態では、上記の第１〜第７の実施形態と同様の効果が得られる他、冷却媒体流路４４を間引くことができ、燃料電池１００全体の小型化が一層容易に図られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図６】前記発電セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【図１４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池の、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】前記燃料電池の、図１５中、ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図１９】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図２０】前記燃料電池の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図である。
【図２１】前記燃料電池の、図１９中、ＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。
【図２２】特許文献１のプロセス制御装置の説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、７０、８０、１００…燃料電池 １２、６０、６４、７２、８２…発電セル
１４、１４ａ、１４ｂ、６２、６６、７４、８４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７６、７８、８６、８８、１０２…セパレータ
２０、２０ａ、２０ｂ…固体高分子電解質膜
２２…カソード側電極 ２４…アノード側電極
２６、２６ａ〜２６ｆ、９０…樹脂枠部 ２８ａ、３０ａ…供給孔部
２８ｂ、３０ｂ…排出孔部 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３８…酸化剤ガス流路
４０ａ、５０ａ…内側シール部材 ４０ｂ、５０ｂ…外側シール部材
４２ａ、５４ａ…入口連通部 ４２ｂ、５４ｂ…出口連通部
４４…冷却媒体流路 ４０、４６、５０、９２、９４…シール部材
４８…燃料ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより発電セルが構成されている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されているプロセス制御装置では、図２２に示すように、互いに平行に配置される２つの板１ａ、１ｂを重ね合わせてユニット２と交互に積層されている。ユニット２は、ＭＥＡ２ａを陽極２ｂ及び陰極２ｃで挟持するとともに、これらが一対の接触板２ｄに挟持されて構成されている。
【０００５】
板１ａとユニット２との間に第１室３ａが形成され、板１ｂと前記ユニット２との間に第２室３ｂが形成され、前記板１ａ、１ｂ間に第３室３ｃが形成されている。板１ａ、１ｂの端部には、パッキン４を介して積層方向に連通孔５が形成される。
【０００６】
この連通孔５は、板１ａ、１ｂ間に形成される流路６を介して、例えば、第２室３ｂに連通している。図示していないが、積層方向には、他の２つの連通孔が設けられ、他の連通孔は、板１ａ、１ｂ間の流路を介して第１室３ａ及び第３室３ｃにそれぞれ連通している。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２１８２７５号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、積層方向に形成されている連通孔５を第２室３ｂに連通するための流路６を形成するために、板１ｂには、孔部７が設けられている。同様に、他の２つの連通孔を第１室３ａ及び第３室３ｃにそれぞれ連通するために、板１ａ、１ｂには、それぞれ図示しない孔部が設けられている。
【０００９】
しかしながら、上記のように、セパレータである板１ａ、１ｂに複数の孔部７等を形成するため、各セパレータの加工工数が増加するとともに、前記セパレータの構造が複雑化するという問題がある。しかも、金属セパレータが使用される際には、孔部周辺に金属部分が露出するため、この孔部周辺に絶縁処理を施す必要がある。これにより、金属セパレータの作業工数が増大し、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの構成を有効に簡素化するとともに、作業工数の削減を図って経済的に得ることが可能な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】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けられ、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、該セパレータを積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。そして、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する孔部が形成されている。
【００１２】
また、孔部は、電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極の電極面方向に沿って延在する燃料ガス流路と、前記カソード側電極の電極面方向に沿って延在する酸化剤ガス流路と、積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔と、前記積層方向に貫通して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔とを設ける燃料電池に関するものである。
【００１４】
そして、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し燃料ガス連通孔をカソード側電極側から燃料ガス流路に連通する第１孔部と、前記積層方向に貫通し酸化剤ガス連通孔をアノード側電極側から酸化剤ガス流路に連通する第２孔部とが形成されている。
【００１５】
さらにまた、第１孔部及び第２孔部は、電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、電解質・電極構造体には、積層方向に貫通し反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する孔部が形成されている。このため、電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータには、反応ガスを通すための孔部を形成する必要がなく、前記セパレータの構成が有効に簡素化する。これにより、セパレータの加工工数の削減を図ることができ、前記セパレータを経済的に得ることが可能になる。
【００１７】
また、本発明では、電解質・電極構造体には、燃料ガス連通孔をカソード側電極側から燃料ガス流路に連通する第１孔部と、酸化剤ガス連通孔をアノード側電極側から酸化剤ガス流路に連通する第２孔部とが形成されている。従って、第１セパレータ及び第２セパレータには、第１孔部及び第２孔部を形成する必要がなく、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの構成が簡素化して経済的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の分解斜視説明図である。図２は、燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図であり、図４は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【００１９】
燃料電池１０は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、各発電セル１２は、図１に示すように、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４を第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８で挟持する。第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８は、例えば、カーボンセパレータや金属セパレータで構成されるとともに、横長な長方形状を有している。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するカソード側電極２２及びアノード側電極２４とを備える。カソード側電極２２及びアノード側電極２４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４では、固体高分子電解質膜２０が、カソード側電極２２及びアノード側電極２４の表面積よりも大きな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜２０の外方に突出する四辺には、樹脂枠部２６が両面から設けられる。樹脂枠部２６は、固体高分子電解質膜２０の外周縁部両面に樹脂材を含浸することにより構成される。
【００２２】
樹脂枠部２６の矢印Ｂ方向一端側上部には、燃料ガス用の第１供給孔部２８ａが複数形成されるとともに、矢印Ｂ方向他端側下部には、燃料ガス用の第１排出孔部２８ｂが複数形成される。樹脂枠部２６の矢印Ｂ方向他端側上部には、酸化剤ガス用の第２供給孔部３０ａが複数形成されるとともに、矢印Ｂ方向一端側下部には、酸化剤ガス用の第２排出孔部３０ｂが複数形成される。
【００２３】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とは、互いに逆方向（対向流）に設定されるとともに、冷却媒体の流れ方向は、例えば、前記酸化剤ガスの流れ方向と平行流に設定される。
【００２５】
第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３８が形成される。面１６ａには、例えば、ガスケット等の内側シール部材４０ａと、前記内側シール部材４０ａを周回する外側シール部材４０ｂとが設けられる。
【００２６】
内側シール部材４０ａは、酸化剤ガス流路３８を囲繞する一方、外側シール部材４０ｂは、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する。
【００２７】
外側シール部材４０ｂは、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを囲繞する部分をそれぞれ内方に拡大することにより、入口連通部４２ａ及び出口連通部４２ｂを形成する。入口連通部４２ａは、電解質膜・電極構造体１４の第１供給孔部２８ａに積層方向に連通するとともに、出口連通部４２ｂは、前記電解質膜・電極構造体１４の第１排出孔部２８ｂに積層方向に連通する。
【００２８】
第１セパレータ１６の面１６ｂには、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂを冷却媒体流路４４に連通するためのシール部材４６が設けられる。
【００２９】
第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、図６に示すように、燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、内側シール部材５０ａによって周回されるとともに、前記内側シール部材５０ａの外方には、外側シール部材５０ｂが設けられる。
【００３０】
外側シール部材５０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを周回する部分を内方に拡大することにより、入口連通部５４ａ及び出口連通部５４ｂを形成する。入口連通部５４ａは、電解質膜・電極構造体１４の第２供給孔部３０ａと積層方向に連通する一方、出口連通部５４ｂは、前記電解質膜・電極構造体１４の第２排出孔部３０ｂと積層方向に連通している。
【００３１】
なお、内側シール部材４０ａ、５０ａ、外側シール部材４０ｂ、５０ｂ及びシール部材４６は、同一の材料で形成されており、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、シリコーンゴム、ニトリルゴム又はアクリルゴムで構成される。
【００３２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔３６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３４】
燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ１６の入口連通部４２ａに導入される。そして、燃料ガスは、カソード側電極２２側から入口連通部４２ａに積層方向に連通する第１供給孔部２８ａを通って第２セパレータ１８の燃料ガス流路４８に供給される（図２参照）。
【００３５】
燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、第１排出孔部２８ｂを通って電解質膜・電極構造体１４を通過する。さらに、燃料ガスは、第１セパレータ１６の出口連通部４２ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔３２ｂに沿って排出される。
【００３６】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８の面１８ａ側で、すなわち、アノード側電極２４側で入口連通部５４ａに導入される。次に、酸化剤ガスは、入口連通部５４ａに積層方向に連通する第２供給孔部３０ａを通って酸化剤ガス流路３８に供給される（図３参照）。
【００３７】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、電解質膜・電極構造体１４に設けられている第２排出孔部３０ｂを通って第２セパレータ１８の出口連通部５４ｂに導入される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って排出される。
【００３８】
これにより、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極２４に供給される燃料ガスと、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３９】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に形成される冷却媒体流路４４に導入される（図４参照）。このため、冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを、カソード側電極２２側から燃料ガス流路４８に連通する第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂが形成されている。さらに、電解質膜・電極構造体１４には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを、アノード側電極２４側から酸化剤ガス流路３８に連通する第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成されている。
【００４１】
従って、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８には、燃料ガス及び酸化剤ガスを通すための孔部（第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂに相当する）を形成する必要がない。
【００４２】
これにより、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の構成が有効に簡素化され、前記第１セパレータ１６及び前記第２セパレータ１８の加工工数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。特に、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８が、金属セパレータで構成される際には、孔部形成によって外部に露呈する金属部分に絶縁処理を施す必要がなく、前記金属セパレータの製造工数が大幅に削減されて経済的であるという利点がある。
【００４３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１４ａの正面説明図であり、図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１４ｂの正面説明図である。
【００４４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４〜８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
電解質膜・電極構造体１４ａでは、図７に示すように、矢印Ｂ方向両端部に固体高分子電解質膜２０の端部を覆って樹脂枠部２６ａ、２６ｂが設けられる。樹脂枠部２６ａには、第１供給孔部２８ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成されるとともに、樹脂枠部２６ｂには、第２供給孔部３０ａ及び第１排出孔部２８ｂが形成される。
【００４６】
電解質膜・電極構造体１４ｂでは、図８に示すように、固体高分子電解質膜２０の四隅に対応して樹脂枠部２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ及び２６ｆが設けられる。樹脂枠部２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ及び２６ｆには、それぞれ第１供給孔部２８ａ、第２排出孔部３０ｂ、第１排出孔部２８ｂ及び第２供給孔部３０ａが形成される。
【００４７】
このように構成される電解質膜・電極構造体１４ａ、１４ｂでは、上記の電解質膜・電極構造体１４と同様の効果が得られる。なお、樹脂枠部２６ａ〜２６ｆは、固体高分子電解質膜２０の両面に樹脂材を含浸させることにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、カソード側電極２２及びアノード側電極２４を構成するガス拡散層（図示せず）に樹脂材を含浸させて構成してもよい。
【００４８】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６０の分解斜視説明図である。
【００４９】
発電セル６０を構成する電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜２０ａと、前記固体高分子電解質膜２０ａと同一の表面積を有して該固体高分子電解質膜２０ａを挟持するアノード側電極２４ａ及びカソード側電極２２ａとを備える。
【００５０】
電解質膜・電極構造体６２の四隅には、固体高分子電解質膜２０ａを挟んでカソード側電極２２ａ及びアノード側電極２４ａを一体に貫通する第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。
【００５１】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６４の分解斜視説明図である。
【００５３】
発電セル６４は、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８に挟持される電解質膜・電極構造体６６を備える。電解質膜・電極構造体６６は、固体高分子電解質膜２０ａとカソード側電極２２ａとが同一面積に設定されるとともに、アノード側電極２４ｂが小さな表面積に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成している。
【００５４】
固体高分子電解質膜２０ａ及びカソード側電極２２ａには、第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。これにより、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池７０を構成する発電セル７２の分解斜視説明図であり、この燃料電池７０は、複数の発電セル７２を積層している。図１２は、燃料電池７０の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図であり、図１３は、前記燃料電池７０の、図１１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【００５６】
発電セル７２は、電解質膜・電極構造体７４を第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８で挟持する。電解質膜・電極構造体７４は、固体高分子電解質膜２０ｂをカソード側電極２２及びアノード側電極２４で挟持するとともに、前記固体高分子電解質膜２０ｂは、第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８と略同一寸法に設定される。
【００５７】
固体高分子電解質膜２０ｂには、カソード側電極２２及びアノード側電極２４の外方に位置して第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂが形成される。
【００５８】
第１セパレータ７６の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７６ａには、酸化剤ガス流路３８を周回してシール部材４０が設けられる。面７６ａには、シール部材４０を介して第１供給孔部２８ａ及び第１排出孔部２８ｂにそれぞれ積層方向に連通する入口連通部４２ａ及び出口連通部４２ｂが形成される。
【００５９】
図１４に示すように、第２セパレータ７８の電解質膜・電極構造体７４に向かう面７８ａには、燃料ガス流路４８が形成され、この燃料ガス流路４８は、シール部材５０により周回される。面７８ａには、シール部材５０を設けることにより第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂにそれぞれ積層方向に沿って連通する入口連通部５４ａ及び出口連通部５４ｂが形成される。
【００６０】
このように構成される第６の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様に、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ７６の入口連通部４２ａに導入された後、これに積層方向に沿って連通する第１供給孔部２８ａを通ってカソード側電極２２側からアノード側電極２４側に移動し、第２セパレータ７８の燃料ガス流路４８に供給される（図１２参照）。
【００６１】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ７８に設けられている入口連通部５４ａに導入された後、これに積層方向に沿って連通する第２供給孔部３０ａを通ってアノード側電極２４側からカソード側電極２２側に移動し、酸化剤ガス流路３８に供給される（図１３参照）。
【００６２】
これにより、第６の実施形態では、固体高分子電解質膜２０ｂに第１供給孔部２８ａ、第１排出孔部２８ｂ、第２供給孔部３０ａ及び第２排出孔部３０ｂを形成するだけでよく、第１セパレータ７６及び第２セパレータ７８には、孔部形成処理が不要になる。従って、この第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池８０を構成する発電セル８２の分解斜視説明図であり、図１６は、前記燃料電池８０の、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図であり、図１７は、前記燃料電池８０の、図１５中、ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【００６４】
発電セル８２は、電解質膜・電極構造体８４を第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８で挟持するとともに、前記電解質膜・電極構造体８４は、カソード側電極２２及びアノード側電極２４に挟持される。固体高分子電解質膜２０ｂの一方の面には、アノード側電極２４を周回して樹脂含浸による樹脂枠部９０が構成される。
【００６５】
なお、樹脂枠部９０は、固体高分子電解質膜２０ｂに直接樹脂含浸されていてもよく、あるいは、ガス拡散層を構成するカーボンペーパに樹脂含浸されていてもよい。
【００６６】
図１８に示すように、電解質膜・電極構造体８４のカソード側電極２２側の面には、シール部材９２が設けられる。このシール部材９２は、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１供給孔部２８ａに連通させる入口連通部４２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂを第１排出孔部２８ｂに連通させる出口連通部４２ｂとを形成する。
【００６７】
図１５に示すように、電解質膜・電極構造体８４のアノード側電極２４側の面には、シール部材９４が設けられる。このシール部材９４は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａを第２供給孔部３０ａに連通する入口連通部５４ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを第２排出孔部３０ｂに連通する出口連通部５４ｂとを形成する。
【００６８】
このように構成される発電セル８２では、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、電解質膜・電極構造体８４に形成された入口連通部４２ａに導入された後、第１供給孔部２８ａを通ってアノード側電極２４側に移動し、第２セパレータ８８の燃料ガス流路４８に供給される（図１６参照）。
【００６９】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体８４に形成された入口連通部５４ａに導入された後、第２供給孔部３０ａを通ってカソード側電極２２側に移動し、第１セパレータ８６に設けられている酸化剤ガス流路３８に供給される（図１７参照）。
【００７０】
これにより、第７の実施形態では、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、電解質膜・電極構造体８４の両面には、シール部材９２、９４を設けている。これにより、第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８は、シール材成形作業が一挙に簡素化し、前記第１セパレータ８６及び前記第２セパレータ８８を一層経済的に製造することができるという効果がある。
【００７１】
図１９は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１００の分解斜視説明図である。図２０は、燃料電池１００の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図であり、図２１は、前記燃料電池１００の、図１９中、ＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。
【００７２】
燃料電池１００は、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に、第３セパレータ１０２を挟んだ２枚の電解質膜・電極構造体１４が積層されて構成される。第３セパレータ１０２は、第１セパレータ１６に向かう面に燃料ガス流路４８が形成されるとともに、第２セパレータ１８に向かう面に酸化剤ガス流路３８が形成される。
【００７３】
燃料電池１００は、第１セパレータ１６から第２セパレータ１８を積層したユニットを構成し、このユニットを矢印Ａ方向に積層している。この燃料電池１００では、各電解質膜・電極構造体１４間には、一つおきに冷却媒体流路４４が設けられる、所謂、間引き冷却構造を採用する。
【００７４】
このように構成される燃料電池１００では、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ１６の入口連通部４２ａ及び第３セパレータ１０２の入口連通部４２ａに導入される。そして、燃料ガスは、それぞれの電解質膜・電極構造体１４に設けられた第１供給孔部２８ａを通って第３セパレータ１０２及び第２セパレータ１８の各燃料ガス流路４８に供給される。
【００７５】
一方、酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８及び第３セパレータ１０２の各入口連通部５４ａを通った後、各電解質膜・電極構造体１４の第２供給孔部３０ａからそれぞれ前記第３セパレータ１０２及び第１セパレータ１６の各酸化剤ガス流路３８に供給される。
【００７６】
これにより、第８の実施形態では、上記の第１〜第７の実施形態と同様の効果が得られる他、冷却媒体流路４４を間引くことができ、燃料電池１００全体の小型化が一層容易に図られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図６】前記発電セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【図１４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池の、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】前記燃料電池の、図１５中、ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図１９】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図２０】前記燃料電池の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図である。
【図２１】前記燃料電池の、図１９中、ＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。
【図２２】特許文献１のプロセス制御装置の説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、７０、８０、１００…燃料電池 １２、６０、６４、７２、８２…発電セル
１４、１４ａ、１４ｂ、６２、６６、７４、８４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７６、７８、８６、８８、１０２…セパレータ
２０、２０ａ、２０ｂ…固体高分子電解質膜
２２…カソード側電極 ２４…アノード側電極
２６、２６ａ〜２６ｆ、９０…樹脂枠部 ２８ａ、３０ａ…供給孔部
２８ｂ、３０ｂ…排出孔部 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３８…酸化剤ガス流路
４０ａ、５０ａ…内側シール部材 ４０ｂ、５０ｂ…外側シール部材
４２ａ、５４ａ…入口連通部 ４２ｂ、５４ｂ…出口連通部
４４…冷却媒体流路 ４０、４６、５０、９２、９４…シール部材
４８…燃料ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けられ、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、該セパレータを積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体には、前記積層方向に貫通し前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記孔部は、前記電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極の電極面方向に沿って延在する燃料ガス流路と、前記カソード側電極の電極面方向に沿って延在する酸化剤ガス流路と、積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔と、前記積層方向に貫通して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体には、前記積層方向に貫通し前記燃料ガス連通孔を前記カソード側電極側から前記燃料ガス流路に連通する第１孔部と、
前記積層方向に貫通し前記酸化剤ガス連通孔を前記アノード側電極側から前記酸化剤ガス流路に連通する第２孔部と、
が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記第１孔部及び前記第２孔部は、前記電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体を一対のセパレータで挟持するとともに、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けられ、電極面方向に沿って延在する反応ガス流路と、該セパレータを積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体には、前記積層方向に貫通し前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記孔部は、前記電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極の電極面方向に沿って延在する燃料ガス流路と、前記カソード側電極の電極面方向に沿って延在する酸化剤ガス流路と、積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔と、前記積層方向に貫通して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔とを設ける燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体には、前記積層方向に貫通し前記燃料ガス連通孔を前記カソード側電極側から前記燃料ガス流路に連通する第１孔部と、
前記積層方向に貫通し前記酸化剤ガス連通孔を前記アノード側電極側から前記酸化剤ガス流路に連通する第２孔部と、
が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記第１孔部及び前記第２孔部は、前記電解質・電極構造体の電極発電領域外に設けられる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７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−１２３７５１（Ｐ２００８−１２３７５１Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０４１６５（Ｐ２００６−３０４１６５）
【出願日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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