燃料電池
【課題】簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の単位セル２０を積層して構成される。燃料電池１０には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２と、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とが設けられる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の単位セル２０を積層して構成される。燃料電池１０には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２と、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とが設けられる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられ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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持する単位セルを備えている。燃料電池は、通常、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各単位セル毎又は複数の単位セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）及び燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）及び酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。
【０００５】
この種の内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。この燃料電池は、電解質板とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池をセパレータを介して積層した積層体からなり、前記セパレータは、順に第一、第二、第三及び第四の周辺部を有する四角形状をしている。
【０００６】
そして、燃料電池は、セパレータの対向する第一及び第三の周辺部に設けられた積層方向に貫通する複数対の燃料ガス用貫通孔であって、第一の周辺部に設けられた燃料ガス用貫通孔は、燃料ガス流入用パイプに連通しており、第三の周辺部に設けられた燃料ガス用貫通孔は、燃料ガス排出用パイプに連通している燃料ガス用貫通孔と、前記セパレータの対向する第二及び第四の周辺部（前記第一及び第三の周辺部に直交する）に設けられた積層方向に貫通する複数対の酸化剤ガス用貫通孔であって、第二の周辺部に設けられた酸化剤ガス用貫通孔は、酸化剤ガス流入用パイプに連通しており、第四の周辺部に設けられた酸化剤ガス用貫通孔は、酸化剤ガス排出用パイプに連通している酸化剤ガス用貫通孔と、前記燃料ガス用貫通孔の各対向する対を連通させるように、前記セパレータの一方の面に設けられた複数の溝部からなる燃料ガス用流路域と、前記酸化剤ガス用貫通孔の各対向する対を連通させるように、前記セパレータの他方の面に設けられた複数の溝部からなる酸化剤ガス用流路域と、隣接する前記燃料ガス用流路域を分離するように、前記セパレータの一方の面に設けられた第一の隔壁と、隣接する前記酸化剤ガス用流路域を分離するように、前記セパレータの他方の面に設けられた第二の隔壁とを有し、もって前記セパレータの各流路域を流通するガスの流量を分離独立して調節し得ることを特徴としている。
【０００７】
これにより、セパレータの複数の燃料ガス用流路域及び複数の酸化剤ガス用流路域を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を独立して異なるようにでき、電解質板上における酸化還元反応を実質的に均一化させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３３１９６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、多数の単位セルが積層された燃料電池では、例えば、低負荷発電時に、反応ガス供給連通孔の奥側の流速が遅いとともに、冷却媒体流量が多く、しかも端部放熱の影響で生成水が結露し易くなる。このため、単位セルに電圧低下が惹起され易いという問題がある。
【００１０】
一方、燃料電池の起動時には、反応ガス供給連通孔の入口側の流速が速くなるため、ガスの飛び越えが発生し易くなり、単位セルの電圧が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行う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】
【００１２】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、反応ガス供給連通孔は、積層方向の一端側から他端側に向かって反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔と、前記積層方向の他端側から一端側に向かって前記反応ガスを流通させる第２反応ガス供給連通孔とを分割して備えている。
【００１４】
また、この燃料電池では、第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、第２反応ガス供給連通孔の開口寸法と同一寸法に設定されることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池では、反応ガス供給連通孔は、積層方向の一端側から他端側に向かって反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔及び第２反応ガス供給連通孔を分割して備えるとともに、前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法とは異なる寸法に設定されている。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池では、反応ガス排出連通孔は、互いに分割される第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、反応ガスは、第１反応ガス供給連通孔に沿って単位セルの積層方向一端側から他端側に流通する一方、第２反応ガス供給連通孔に沿って積層方向他端側から一端側に流通している。このため、第１反応ガス供給連通孔と第２反応ガス供給連通孔とでは、反応ガスが互いに対向流となり、積層された複数の単位セルに対して前記反応ガスを均等に供給することができる。
【００１８】
従って、特に、低負荷運転時であっても、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することが可能になり、良好な発電を確実に行うことができる。
【００１９】
また、本発明では、互いに並行流である第１反応ガス供給流路と第２反応ガス供給流路とに、それぞれ反応ガスが供給されると、開口寸法の小さな流路では、反応ガスの流速が速くなる一方、開口寸法の大きな流路では、流量が増加している。
【００２０】
これにより、反応ガスは、開口寸法の小さな流路に沿って積層方向に迅速に供給されるため、例えば、ガス置換速度（例えば、残留する酸化剤ガスと燃料ガスとの置換速度）を上げることが可能になる。このため、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。
【図５】起動後の加速時における単位セルの積層位置とセル電圧との関係説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略説明図である。
【図１０】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図１１】低負荷発電時の単位セルの積層位置とセル電圧との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、例えば、車載用燃料電池システム１２に組み込まれ、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。
【００２３】
燃料電池システム１２は、燃料電池１０と、前記燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８とを備える。
【００２４】
燃料電池１０は、複数の単位セル２０を水平方向（図１中、矢印Ａ方向）又は重力方向（図１中、矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図３に示すように、各単位セル２０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２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００２５】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２８は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に面方向を向けて立位姿勢で配置されるとともに、カソード電極２４及びアノード電極２６は、反応面が鉛直姿勢で且つ鉛直方向に長尺な縦長形状を有する。
【００２７】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持され、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って積層される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２８】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、鉛直方向に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、鉛直方向に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。互いに当接するカソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、水平方向に延在する冷却媒体流路３８が設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向上端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する第１酸化剤ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４０ａ２と、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する第１燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４２ａ２とが設けられる。
【００３０】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【００３１】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、酸化剤ガスを流通させる一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２は、積層方向の他端側から一端側に向かって（矢印Ａ２方向）、前記酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００３２】
第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、燃料ガスを流通させる一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２は、積層方向の他端側から一端側に向かって（矢印Ａ２方向）、前記燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００３３】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向下端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔４０ｂと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔４２ｂとが設けられる。
【００３４】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向両端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔４４ａと、前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔４４ｂとが設けられる。
【００３５】
カソード側セパレータ３０には、第１シール部材４６が、一体的又は個別に設けられるとともに、アノード側セパレータ３２には、第２シール部材４８が、一体的に又は個別に設けられる。第１シール部材４６及び第２シール部材４８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３６】
カソード側セパレータ３０では、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２と酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとが、酸化剤ガス流路３４に第１シール部材４６を介して連通する。図４に示すように、アノード側セパレータ３２では、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２と燃料ガス排出連通孔４２ｂとが、燃料ガス流路３６に第２シール部材４８を介して連通する。
【００３７】
図１及び図２に示すように、燃料電池１０の積層方向両端には、エンドプレート５０ａ、５０ｂが配設され、前記エンドプレート５０ａ、５０ｂ間が、図示しないタイロッドやケーシング等により締め付け保持される。エンドプレート５０ａには、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス排出連通孔４２ｂ、冷却媒体供給連通孔４４ａ及び冷却媒体排出連通孔４４ｂが設けられる。エンドプレート５０ｂには、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２が設けられる。
【００３８】
図２に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５２を備え、前記エアポンプ５２から空気供給流路５４に前記空気が供給される。空気供給流路５４は、第１空気供給流路５４ａと第２空気供給流路５４ｂとに分岐される。第１空気供給流路５４ａは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に連通する一方、第２空気供給流路５４ｂは、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に連通する。酸化剤ガス排出連通孔４０ｂには、空気排出流路５６が連通し、大気中に排出される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク５８を備え、前記水素タンク５８から水素供給流路６０に水素ガスが供給される。水素供給流路６０は、第１水素供給流路６０ａと第２水素供給流路６０ｂとに分岐する。第１水素供給流路６０ａは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に連通する一方、第２水素供給流路６０ｂは、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に連通する。燃料ガス排出連通孔４２ｂには、水素排出流路６２が連通して燃料ガスが循環される。
【００４０】
冷却媒体供給装置１８は、冷却媒体を燃料電池１０に循環させるために、冷媒ポンプ６４を備える。冷却媒体は、冷却媒体供給流路６６及び冷却媒体排出流路６８を介して各単位セル２０の冷却媒体流路３８を循環する。
【００４１】
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。
【００４２】
図２に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５２を介して、空気供給流路５４に空気が送られる。この空気は、第１空気供給流路５４ａ及び第２空気供給流路５４ｂに分流された後、それぞれエンドプレート５０ａの第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１とエンドプレート５０ｂの第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とに供給される。
【００４３】
図３に示すように、空気は、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通する。このため、空気は、燃料電池１０内の各単位セル２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４４】
一方、図２に示すように、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５８から水素供給流路６０に水素ガスが供給される。この水素ガスは、第１水素供給流路６０ａ及び第２水素供給流路６０ｂに分流された後、それぞれエンドプレート５０ａの第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１とエンドプレート５０ｂの第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とに供給される。
【００４５】
図３に示すように、水素ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通する。このため、水素ガスは、燃料電池１０内の各単位セル２０に設けられている燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００４６】
また、図２に示すように、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ６４から冷却媒体供給流路６６に冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、燃料電池１０内の各単位セル２０間に設けられている冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１０を冷却した後、冷却媒体排出流路６８に戻される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通している。このため、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とでは、酸化剤ガス（空気）が互いに対向流となっている。
【００４８】
同様に、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通している。このため、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とでは、燃料ガス（水素ガス）が互いに対向流となっている。
【００４９】
通常、燃料電池が起動後に加速される際、図５に示すように、反応ガスマニホールド側（反応ガスの供給及び排出側）では、積層方向奥側（反応ガスマニホールドとは反対側）に比べて電圧低下が発生し易い。反応ガスマニホールド側では、流速が速くなり、ガスの飛び越えが発生し易くなるからである。
【００５０】
そこで、第１の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ分流されて積層方向両端側から燃料電池１０に供給されている。しかも、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、同一の開口寸法に設定されるとともに、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、同一の開口寸法に設定されている。このため、積層された複数の単位セル２０に対して酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ均等に供給することができる。
【００５１】
従って、特に、起動後の加速時であっても、簡単な構成で、積層方向の酸化剤ガス供給分布及び燃料ガス供給分布を抑制することが可能になり、良好な発電を確実に行うことができるという効果が得られる。
【００５２】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０が組み込まれる車載用燃料電池システム８２の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２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３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。
【００５３】
燃料電池８０は、複数の単位セル８４を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図６及び図７に示すように、各単位セル８４は、電解質膜・電極構造体８６と、前記電解質膜・電極構造体８６を挟持するカソード側セパレータ８８及びアノード側セパレータ９０とを備える。
【００５４】
燃料電池８０の矢印Ｃ方向下端縁部には、各単位セル８４の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２と、燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２とが設けられる。
【００５５】
第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１と第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２とは、仕切り部９２により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１と第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２とは、仕切り部９４により互いに独立して設けられる。
【００５６】
第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１は、矢印Ａ２方向に向かって酸化剤ガスを流通させる一方、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２は、矢印Ａ１方向に向かって前記酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１の開口寸法は、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００５７】
第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１は、矢印Ａ２方向に向かって燃料ガスを流通させる一方、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２は、矢印Ａ１方向に向かって前記燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１の開口寸法は、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００５８】
図６に示すように、酸化剤ガス供給装置１４において、空気排出流路５６は、第１空気排出流路５６ａと第２空気排出流路５６ｂとに分岐する。第１空気排出流路５６ａは、第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１に連通する一方、第２空気排出流路５６ｂは、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２に連通する。
【００５９】
燃料ガス供給装置１６において、水素排出流路６２は、第１水素排出流路６２ａと第２水素排出流路６２ｂとに分岐する。第１水素排出流路６２ａは、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１に連通する一方、第２水素排出流路６２ｂは、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２に連通する。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１に沿って矢印Ａ２方向に流通する一方、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２に沿って矢印Ａ１方向に流通している。同様に、燃料ガスは、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１に沿って矢印Ａ２方向に流通する一方、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２に沿って矢印Ａ１方向に流通している。
【００６１】
これにより、簡単な構成で、積層方向の酸化剤ガス及び燃料ガスの分配性を向上させることが可能になり、良好な発電を確実に行うことができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の概略斜視説明図である。燃料電池１００は、図９に示すように、車載用燃料電池システム１０２に組み込まれる。
【００６３】
燃料電池１００は、複数の単位セル１０４を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図９及び図１０に示すように、各単位セル１０４は、電解質膜・電極構造体１０６と、前記電解質膜・電極構造体１０６を挟持するカソード側セパレータ１０８及びアノード側セパレータ１１０とを備える。
【００６４】
図１０に示すように、燃料電池１００の矢印Ｃ方向上端縁部には、各単位セル１０４の積層方向に互いに連通して、第１酸化剤ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４０ａ（Ｓ）と、第１燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）とが設けられる。
【００６５】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【００６６】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きく（異なる寸法に）設定される。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）は、主流路を構成する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）は、副流路を構成する。
【００６７】
第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きく設定される。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）は、主流路を構成する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）は、副流路を構成する。
【００６８】
図９に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、空気供給流路５４を備える。空気供給流路５４は、エンドプレート５０ａに設けられるマニホールド（図示せず）を介して第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に一体に連通する。
【００６９】
燃料ガス供給装置１６は、水素供給流路６０を備える。水素供給流路６０は、エンドプレート５０ａに設けられるマニホールド（図示せず）を介して第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に一体に連通する。
【００７０】
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１４の作用下に、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に空気が供給される。一方、燃料ガス供給装置１６の作用下に、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に水素ガスが供給される。
【００７１】
図１０に示すように、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に沿って、矢印Ａ１方向に流通する。その際、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きな寸法に設定されるため、前記第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）での流速が遅くなる一方、前記第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）での流速が速くなる。このため、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に沿って単位セル１０４の積層方向に迅速且つ確実に、最も奥側の前記単位セル１０４まで移動することができる。
【００７２】
一方、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って、矢印Ａ１方向に流通する。その際、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きな寸法に設定されるため、前記第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）での流速が遅くなる一方、前記第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）での流速が速くなる。従って、燃料ガスは、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って単位セル１０４の積層方向に迅速且つ確実に、最も奥側の前記単位セル１０４まで移動することができる。
【００７３】
一般的に、燃料電池を停止させる際、この燃料電池内のアノード側及びカソード側に、酸化剤ガス（空気）等の所望のガスを充填する処理が行われている。そして、燃料電池を起動させる際には、アノード側に燃料ガスを供給する一方、カソード側に酸化剤ガスを供給してガス置換が行われている。低負荷発電時のように、このガス置換処理に時間がかかると、特に単位セルの積層方向の奥側（反応ガスマニホールド側とは反対側）に電圧低下が惹起され易い（図１１参照）。
【００７４】
この場合、第３の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ流速が速く設定された副流路である第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って、積層方向奥側に迅速に供給されている。
【００７５】
これにより、ガス置換速度を上げることが可能になり、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。ガス置換遅れにより奥側の単位セル１０４の電圧低下はあるものの、流速が速いことによるガス飛び越えによって入口側の前記単位セル１０４の電圧低下が発生するからである。
【００７６】
なお、第３の実施形態では、それぞれ単一の酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態と同様に、それぞれ２分割に構成してもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０、８０、１００…燃料電池 １２、８２、１０２…燃料電池システム
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０、８４、１０４…単位セル
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極
２８、８６、１０６…電解質膜・電極構造体
３０、８８、１０８…カソード側セパレータ
３２、９０、１１０…アノード側セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路
４０ａ１、４０ａ２、４０ａ（Ｍ）、４０ａ（Ｓ）…酸化剤ガス供給連通孔
４２ａ１、４２ａ２、４２ａ（Ｍ）、４２ａ（Ｓ）…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ、４０ｂ１、４０ｂ２…酸化剤ガス排出連通孔
４２ｂ、４２ｂ１、４２ｂ２…燃料ガス排出連通孔
４４ａ…冷却媒体供給連通孔 ４４ｂ…冷却媒体排出連通孔
５２…エアポンプ ５８…水素タンク
６４…冷媒ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられ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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持する単位セルを備えている。燃料電池は、通常、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各単位セル毎又は複数の単位セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）及び燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）及び酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。
【０００５】
この種の内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。この燃料電池は、電解質板とその両側に設けられたアノード及びカソードからなる単位電池をセパレータを介して積層した積層体からなり、前記セパレータは、順に第一、第二、第三及び第四の周辺部を有する四角形状をしている。
【０００６】
そして、燃料電池は、セパレータの対向する第一及び第三の周辺部に設けられた積層方向に貫通する複数対の燃料ガス用貫通孔であって、第一の周辺部に設けられた燃料ガス用貫通孔は、燃料ガス流入用パイプに連通しており、第三の周辺部に設けられた燃料ガス用貫通孔は、燃料ガス排出用パイプに連通している燃料ガス用貫通孔と、前記セパレータの対向する第二及び第四の周辺部（前記第一及び第三の周辺部に直交する）に設けられた積層方向に貫通する複数対の酸化剤ガス用貫通孔であって、第二の周辺部に設けられた酸化剤ガス用貫通孔は、酸化剤ガス流入用パイプに連通しており、第四の周辺部に設けられた酸化剤ガス用貫通孔は、酸化剤ガス排出用パイプに連通している酸化剤ガス用貫通孔と、前記燃料ガス用貫通孔の各対向する対を連通させるように、前記セパレータの一方の面に設けられた複数の溝部からなる燃料ガス用流路域と、前記酸化剤ガス用貫通孔の各対向する対を連通させるように、前記セパレータの他方の面に設けられた複数の溝部からなる酸化剤ガス用流路域と、隣接する前記燃料ガス用流路域を分離するように、前記セパレータの一方の面に設けられた第一の隔壁と、隣接する前記酸化剤ガス用流路域を分離するように、前記セパレータの他方の面に設けられた第二の隔壁とを有し、もって前記セパレータの各流路域を流通するガスの流量を分離独立して調節し得ることを特徴としている。
【０００７】
これにより、セパレータの複数の燃料ガス用流路域及び複数の酸化剤ガス用流路域を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を独立して異なるようにでき、電解質板上における酸化還元反応を実質的に均一化させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３３１９６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、多数の単位セルが積層された燃料電池では、例えば、低負荷発電時に、反応ガス供給連通孔の奥側の流速が遅いとともに、冷却媒体流量が多く、しかも端部放熱の影響で生成水が結露し易くなる。このため、単位セルに電圧低下が惹起され易いという問題がある。
【００１０】
一方、燃料電池の起動時には、反応ガス供給連通孔の入口側の流速が速くなるため、ガスの飛び越えが発生し易くなり、単位セルの電圧が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行う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】
【００１２】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、反応ガス供給連通孔は、積層方向の一端側から他端側に向かって反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔と、前記積層方向の他端側から一端側に向かって前記反応ガスを流通させる第２反応ガス供給連通孔とを分割して備えている。
【００１４】
また、この燃料電池では、第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、第２反応ガス供給連通孔の開口寸法と同一寸法に設定されることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池では、反応ガス供給連通孔は、積層方向の一端側から他端側に向かって反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔及び第２反応ガス供給連通孔を分割して備えるとともに、前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法とは異なる寸法に設定されている。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池では、反応ガス排出連通孔は、互いに分割される第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、反応ガスは、第１反応ガス供給連通孔に沿って単位セルの積層方向一端側から他端側に流通する一方、第２反応ガス供給連通孔に沿って積層方向他端側から一端側に流通している。このため、第１反応ガス供給連通孔と第２反応ガス供給連通孔とでは、反応ガスが互いに対向流となり、積層された複数の単位セルに対して前記反応ガスを均等に供給することができる。
【００１８】
従って、特に、低負荷運転時であっても、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することが可能になり、良好な発電を確実に行うことができる。
【００１９】
また、本発明では、互いに並行流である第１反応ガス供給流路と第２反応ガス供給流路とに、それぞれ反応ガスが供給されると、開口寸法の小さな流路では、反応ガスの流速が速くなる一方、開口寸法の大きな流路では、流量が増加している。
【００２０】
これにより、反応ガスは、開口寸法の小さな流路に沿って積層方向に迅速に供給されるため、例えば、ガス置換速度（例えば、残留する酸化剤ガスと燃料ガスとの置換速度）を上げることが可能になる。このため、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。
【図５】起動後の加速時における単位セルの積層位置とセル電圧との関係説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池が組み込まれる車載用燃料電池システムの概略説明図である。
【図１０】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図１１】低負荷発電時の単位セルの積層位置とセル電圧との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、例えば、車載用燃料電池システム１２に組み込まれ、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。
【００２３】
燃料電池システム１２は、燃料電池１０と、前記燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８とを備える。
【００２４】
燃料電池１０は、複数の単位セル２０を水平方向（図１中、矢印Ａ方向）又は重力方向（図１中、矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図３に示すように、各単位セル２０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２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００２５】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２８は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に面方向を向けて立位姿勢で配置されるとともに、カソード電極２４及びアノード電極２６は、反応面が鉛直姿勢で且つ鉛直方向に長尺な縦長形状を有する。
【００２７】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持され、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って積層される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２８】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、鉛直方向に延在する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、鉛直方向に延在する燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。互いに当接するカソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、水平方向に延在する冷却媒体流路３８が設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向上端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する第１酸化剤ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４０ａ２と、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する第１燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４２ａ２とが設けられる。
【００３０】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【００３１】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、酸化剤ガスを流通させる一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２は、積層方向の他端側から一端側に向かって（矢印Ａ２方向）、前記酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００３２】
第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、燃料ガスを流通させる一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２は、積層方向の他端側から一端側に向かって（矢印Ａ２方向）、前記燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００３３】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向下端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔４０ｂと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔４２ｂとが設けられる。
【００３４】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向両端縁部には、各単位セル２０の積層方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔４４ａと、前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔４４ｂとが設けられる。
【００３５】
カソード側セパレータ３０には、第１シール部材４６が、一体的又は個別に設けられるとともに、アノード側セパレータ３２には、第２シール部材４８が、一体的に又は個別に設けられる。第１シール部材４６及び第２シール部材４８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３６】
カソード側セパレータ３０では、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２と酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとが、酸化剤ガス流路３４に第１シール部材４６を介して連通する。図４に示すように、アノード側セパレータ３２では、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２と燃料ガス排出連通孔４２ｂとが、燃料ガス流路３６に第２シール部材４８を介して連通する。
【００３７】
図１及び図２に示すように、燃料電池１０の積層方向両端には、エンドプレート５０ａ、５０ｂが配設され、前記エンドプレート５０ａ、５０ｂ間が、図示しないタイロッドやケーシング等により締め付け保持される。エンドプレート５０ａには、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス排出連通孔４２ｂ、冷却媒体供給連通孔４４ａ及び冷却媒体排出連通孔４４ｂが設けられる。エンドプレート５０ｂには、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２が設けられる。
【００３８】
図２に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５２を備え、前記エアポンプ５２から空気供給流路５４に前記空気が供給される。空気供給流路５４は、第１空気供給流路５４ａと第２空気供給流路５４ｂとに分岐される。第１空気供給流路５４ａは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に連通する一方、第２空気供給流路５４ｂは、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に連通する。酸化剤ガス排出連通孔４０ｂには、空気排出流路５６が連通し、大気中に排出される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク５８を備え、前記水素タンク５８から水素供給流路６０に水素ガスが供給される。水素供給流路６０は、第１水素供給流路６０ａと第２水素供給流路６０ｂとに分岐する。第１水素供給流路６０ａは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に連通する一方、第２水素供給流路６０ｂは、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に連通する。燃料ガス排出連通孔４２ｂには、水素排出流路６２が連通して燃料ガスが循環される。
【００４０】
冷却媒体供給装置１８は、冷却媒体を燃料電池１０に循環させるために、冷媒ポンプ６４を備える。冷却媒体は、冷却媒体供給流路６６及び冷却媒体排出流路６８を介して各単位セル２０の冷却媒体流路３８を循環する。
【００４１】
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。
【００４２】
図２に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５２を介して、空気供給流路５４に空気が送られる。この空気は、第１空気供給流路５４ａ及び第２空気供給流路５４ｂに分流された後、それぞれエンドプレート５０ａの第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１とエンドプレート５０ｂの第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とに供給される。
【００４３】
図３に示すように、空気は、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通する。このため、空気は、燃料電池１０内の各単位セル２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４４】
一方、図２に示すように、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５８から水素供給流路６０に水素ガスが供給される。この水素ガスは、第１水素供給流路６０ａ及び第２水素供給流路６０ｂに分流された後、それぞれエンドプレート５０ａの第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１とエンドプレート５０ｂの第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とに供給される。
【００４５】
図３に示すように、水素ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通する。このため、水素ガスは、燃料電池１０内の各単位セル２０に設けられている燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００４６】
また、図２に示すように、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ６４から冷却媒体供給流路６６に冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、燃料電池１０内の各単位セル２０間に設けられている冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１０を冷却した後、冷却媒体排出流路６８に戻される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通している。このため、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とでは、酸化剤ガス（空気）が互いに対向流となっている。
【００４８】
同様に、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１に沿って矢印Ａ１方向に流通する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２に沿って矢印Ａ２方向に流通している。このため、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とでは、燃料ガス（水素ガス）が互いに対向流となっている。
【００４９】
通常、燃料電池が起動後に加速される際、図５に示すように、反応ガスマニホールド側（反応ガスの供給及び排出側）では、積層方向奥側（反応ガスマニホールドとは反対側）に比べて電圧低下が発生し易い。反応ガスマニホールド側では、流速が速くなり、ガスの飛び越えが発生し易くなるからである。
【００５０】
そこで、第１の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ分流されて積層方向両端側から燃料電池１０に供給されている。しかも、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ１と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ２とは、同一の開口寸法に設定されるとともに、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ１と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ２とは、同一の開口寸法に設定されている。このため、積層された複数の単位セル２０に対して酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ均等に供給することができる。
【００５１】
従って、特に、起動後の加速時であっても、簡単な構成で、積層方向の酸化剤ガス供給分布及び燃料ガス供給分布を抑制することが可能になり、良好な発電を確実に行うことができるという効果が得られる。
【００５２】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０が組み込まれる車載用燃料電池システム８２の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２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３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。
【００５３】
燃料電池８０は、複数の単位セル８４を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図６及び図７に示すように、各単位セル８４は、電解質膜・電極構造体８６と、前記電解質膜・電極構造体８６を挟持するカソード側セパレータ８８及びアノード側セパレータ９０とを備える。
【００５４】
燃料電池８０の矢印Ｃ方向下端縁部には、各単位セル８４の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２と、燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２とが設けられる。
【００５５】
第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１と第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２とは、仕切り部９２により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１と第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２とは、仕切り部９４により互いに独立して設けられる。
【００５６】
第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１は、矢印Ａ２方向に向かって酸化剤ガスを流通させる一方、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２は、矢印Ａ１方向に向かって前記酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１の開口寸法は、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００５７】
第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１は、矢印Ａ２方向に向かって燃料ガスを流通させる一方、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２は、矢印Ａ１方向に向かって前記燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１の開口寸法は、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２の開口寸法と同一寸法に設定される。
【００５８】
図６に示すように、酸化剤ガス供給装置１４において、空気排出流路５６は、第１空気排出流路５６ａと第２空気排出流路５６ｂとに分岐する。第１空気排出流路５６ａは、第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１に連通する一方、第２空気排出流路５６ｂは、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２に連通する。
【００５９】
燃料ガス供給装置１６において、水素排出流路６２は、第１水素排出流路６２ａと第２水素排出流路６２ｂとに分岐する。第１水素排出流路６２ａは、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１に連通する一方、第２水素排出流路６２ｂは、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２に連通する。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ１に沿って矢印Ａ２方向に流通する一方、第２酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ２に沿って矢印Ａ１方向に流通している。同様に、燃料ガスは、第１燃料ガス排出連通孔４２ｂ１に沿って矢印Ａ２方向に流通する一方、第２燃料ガス排出連通孔４２ｂ２に沿って矢印Ａ１方向に流通している。
【００６１】
これにより、簡単な構成で、積層方向の酸化剤ガス及び燃料ガスの分配性を向上させることが可能になり、良好な発電を確実に行うことができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の概略斜視説明図である。燃料電池１００は、図９に示すように、車載用燃料電池システム１０２に組み込まれる。
【００６３】
燃料電池１００は、複数の単位セル１０４を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。図９及び図１０に示すように、各単位セル１０４は、電解質膜・電極構造体１０６と、前記電解質膜・電極構造体１０６を挟持するカソード側セパレータ１０８及びアノード側セパレータ１１０とを備える。
【００６４】
図１０に示すように、燃料電池１００の矢印Ｃ方向上端縁部には、各単位セル１０４の積層方向に互いに連通して、第１酸化剤ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）４０ａ（Ｓ）と、第１燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）とが設けられる。
【００６５】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）と第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）とは、仕切り部４１により互いに独立して設けられる一方、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）と第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）とは、仕切り部４３により互いに独立して設けられる。
【００６６】
第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、酸化剤ガスを流通させる。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きく（異なる寸法に）設定される。第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）は、主流路を構成する一方、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）は、副流路を構成する。
【００６７】
第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）は、積層方向の一端側から他端側に向かって（矢印Ａ１方向）、燃料ガスを流通させる。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きく設定される。第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）は、主流路を構成する一方、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）は、副流路を構成する。
【００６８】
図９に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、空気供給流路５４を備える。空気供給流路５４は、エンドプレート５０ａに設けられるマニホールド（図示せず）を介して第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に一体に連通する。
【００６９】
燃料ガス供給装置１６は、水素供給流路６０を備える。水素供給流路６０は、エンドプレート５０ａに設けられるマニホールド（図示せず）を介して第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に一体に連通する。
【００７０】
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１４の作用下に、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に空気が供給される。一方、燃料ガス供給装置１６の作用下に、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に水素ガスが供給される。
【００７１】
図１０に示すように、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）及び第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に沿って、矢印Ａ１方向に流通する。その際、第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きな寸法に設定されるため、前記第１酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｍ）での流速が遅くなる一方、前記第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）での流速が速くなる。このため、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）に沿って単位セル１０４の積層方向に迅速且つ確実に、最も奥側の前記単位セル１０４まで移動することができる。
【００７２】
一方、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って、矢印Ａ１方向に流通する。その際、第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）の開口寸法は、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）の開口寸法よりも大きな寸法に設定されるため、前記第１燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｍ）での流速が遅くなる一方、前記第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）での流速が速くなる。従って、燃料ガスは、第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って単位セル１０４の積層方向に迅速且つ確実に、最も奥側の前記単位セル１０４まで移動することができる。
【００７３】
一般的に、燃料電池を停止させる際、この燃料電池内のアノード側及びカソード側に、酸化剤ガス（空気）等の所望のガスを充填する処理が行われている。そして、燃料電池を起動させる際には、アノード側に燃料ガスを供給する一方、カソード側に酸化剤ガスを供給してガス置換が行われている。低負荷発電時のように、このガス置換処理に時間がかかると、特に単位セルの積層方向の奥側（反応ガスマニホールド側とは反対側）に電圧低下が惹起され易い（図１１参照）。
【００７４】
この場合、第３の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ流速が速く設定された副流路である第２酸化剤ガス供給連通孔４０ａ（Ｓ）及び第２燃料ガス供給連通孔４２ａ（Ｓ）に沿って、積層方向奥側に迅速に供給されている。
【００７５】
これにより、ガス置換速度を上げることが可能になり、簡単な構成で、積層方向の反応ガス供給分布を抑制することができ、良好な発電を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。ガス置換遅れにより奥側の単位セル１０４の電圧低下はあるものの、流速が速いことによるガス飛び越えによって入口側の前記単位セル１０４の電圧低下が発生するからである。
【００７６】
なお、第３の実施形態では、それぞれ単一の酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態と同様に、それぞれ２分割に構成してもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０、８０、１００…燃料電池 １２、８２、１０２…燃料電池システム
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０、８４、１０４…単位セル
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極
２８、８６、１０６…電解質膜・電極構造体
３０、８８、１０８…カソード側セパレータ
３２、９０、１１０…アノード側セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路
４０ａ１、４０ａ２、４０ａ（Ｍ）、４０ａ（Ｓ）…酸化剤ガス供給連通孔
４２ａ１、４２ａ２、４２ａ（Ｍ）、４２ａ（Ｓ）…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ、４０ｂ１、４０ｂ２…酸化剤ガス排出連通孔
４２ｂ、４２ｂ１、４２ｂ２…燃料ガス排出連通孔
４４ａ…冷却媒体供給連通孔 ４４ｂ…冷却媒体排出連通孔
５２…エアポンプ ５８…水素タンク
６４…冷媒ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス供給連通孔は、前記積層方向の一端側から他端側に向かって前記反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔と、
前記積層方向の他端側から一端側に向かって前記反応ガスを流通させる第２反応ガス供給連通孔と、
を分割して備え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、前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法と同一寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス供給連通孔は、前記積層方向の一端側から他端側に向かって前記反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔及び第２反応ガス供給連通孔を分割して備えるとともに、
前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法とは異なる寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス排出連通孔は、互いに分割される第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス供給連通孔は、前記積層方向の一端側から他端側に向かって前記反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔と、
前記積層方向の他端側から一端側に向かって前記反応ガスを流通させる第２反応ガス供給連通孔と、
を分割して備え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、前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法と同一寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有して積層される複数の単位セルを備え、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを反応面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられるとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給連通孔と、前記積層方向に貫通し前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出連通孔とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス供給連通孔は、前記積層方向の一端側から他端側に向かって前記反応ガスを流通させる第１反応ガス供給連通孔及び第２反応ガス供給連通孔を分割して備えるとともに、
前記第１反応ガス供給連通孔の開口寸法は、前記第２反応ガス供給連通孔の開口寸法とは異なる寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス排出連通孔は、互いに分割される第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔を備え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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３７８９２（Ｐ２０１３−３７８９２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３０４８（Ｐ２０１１−１７３０４８）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【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２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【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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