特開 2022-189410 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022189410

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20221215BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20221215BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221215BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/02

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021097969

(22)【出願日】2021-06-11

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀 良輔

(72)【発明者】

【氏名】新田 高弘

(72)【発明者】

【氏名】大平 紘敬

(72)【発明者】

【氏名】福田 健太郎

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126AA08

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126JJ00

5H126JJ04

(57)【要約】

【課題】流路を流れる燃料ガスの圧力損失を低減させる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、積層されている複数のセルを備え、セルは、水素が流れるとともに並列する複数の水素流路３５１を形成する水素流路形成部３５０と、水素を水素流路３５１に導入する入口穴を水素流路形成部３５０とで形成する水素プレートシール部３５２と、水素流路３５１と連通するアノード側多孔体４００と、アノード側多孔体４００と接続されているとともに、積層方向Ｄｓに水素プレートシール部３５２と接続されていることにより水素流路３５１を流れる水素がセルの外部に漏れることを抑制する密着部４１１と、水素流路３５１のうち入口穴側を覆うことにより、互いに隣り合う水素流路３５１同士の間における水素の漏れを抑制する覆い部４１２と、を有し、覆い部４１２のヤング率は、密着部４１１のヤング率よりも大きくなっている。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、
前記セルは、
燃料ガスが流れるとともに並列する複数の燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、
燃料ガスを前記燃料流路に導入する入口穴（３６１）を前記燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、
前記燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、
前記複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが前記燃料流路を流れる方向と直交する方向に前記アノード側多孔体と接続されているとともに、前記積層方向に前記穴形成部と接続されていることにより前記燃料流路を流れる燃料ガスが前記セルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、
前記燃料流路のうち前記入口穴側を覆うことにより、互いに隣り合う前記燃料流路同士の間における燃料ガスの漏れを抑制する覆い部（４１２）と、
酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、
前記積層方向に前記酸化剤部と接続されているとともに、前記酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、
前記入口穴および前記燃料流路を経由して前記アノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、前記アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子と前記カソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと前記電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、
を有し、
前記覆い部のヤング率は、前記密着部のヤング率よりも大きくなっている燃料電池。

【請求項2】

積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、
前記セルは、
燃料ガスが流れる燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、
燃料ガスを前記燃料流路に導入する入口穴（３６１）を前記燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、
前記燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、
前記複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが前記燃料流路を流れる方向と直交する方向に前記アノード側多孔体と接続されているとともに、前記積層方向に前記穴形成部と接続されていることにより前記燃料流路を流れる燃料ガスが前記セルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、
前記燃料流路のうち前記入口穴側を覆う覆い部（４１２）と、
酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、
前記積層方向に前記酸化剤部と接続されているとともに、前記酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、
前記入口穴および前記燃料流路を経由して前記アノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、前記アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子と前記カソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと前記電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、
を有し、
前記覆い部のヤング率は、前記密着部のヤング率よりも大きくなっており、
前記覆い部は、複数の孔を有することにより前記燃料流路および前記アノード側多孔体に連通し、
前記覆い部の気孔率は、前記アノード側多孔体の気孔率以上になっている燃料電池。

【請求項3】

前記覆い部に接続されているとともに、前記燃料流路のうち前記覆い部が覆う部分に充填されている充填部（４１５）をさらに備え、
前記充填部は、複数の孔を有することにより前記入口穴および前記燃料流路に連通し、
前記充填部の気孔率は、前記アノード側多孔体の気孔率以上になっている請求項２に記載の燃料電池。

【請求項4】

積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、
前記セルは、
燃料ガスが流れる燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、
前記複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが前記燃料流路を流れる方向と直交する方向に前記燃料部と接続されているとともに、燃料ガスを前記燃料流路に導入する第１入口穴（３６１）を前記燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、
前記燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、
前記積層方向および燃料ガスが前記燃料流路を流れる方向と直交する方向に前記アノード側多孔体と接続されているとともに、前記積層方向に前記穴形成部と接続されていることにより前記燃料流路を流れる燃料ガスが前記セルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、
酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、
前記積層方向に前記酸化剤部と接続されているとともに、前記酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、
前記第１入口穴および前記燃料流路を経由して前記アノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、前記アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子と前記カソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと前記電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、
を有し、
前記密着部は、前記第１入口穴に連通する第２入口穴（４２１）を形成し、
前記アノード側多孔体および前記密着部によって区画される空間（４１６）が形成されており、
前記空間は、前記燃料流路のうち前記第１入口穴側と、前記アノード側多孔体と、前記第２入口穴とに連通する燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に記載されているように、燃料ガスが流れる複数の燃料ガス流路を形成するアノード側プレートと、ゴムで形成されているとともにアノード側プレートに接続されているシート材とを備える燃料電池用プレートが知られている。この燃料電池用プレートでは、このシート材が燃料ガス流路間に位置するアノード側プレートの上面に密着されていることにより、燃料ガス流路から燃料ガスが漏れることが防止される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－９１１０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発明者等の検討によれば、特許文献１に記載されているシート材が燃料ガス流路にたわむ込むことにより燃料ガス流路の一部を塞ぐ。このため、燃料ガス流路の断面積が小さくなることから、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの圧力損失が大きくなる。

【0005】

本開示は、流路を流れる燃料ガスの圧力損失を低減させる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】

【0006】

請求項１に記載の発明は、積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、セルは、燃料ガスが流れるとともに並列する複数の燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、燃料ガスを燃料流路に導入する入口穴（３６１）を燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが燃料流路を流れる方向と直交する方向にアノード側多孔体と接続されているとともに、積層方向に穴形成部と接続されていることにより燃料流路を流れる燃料ガスがセルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、燃料流路のうち入口穴側を覆うことにより、互いに隣り合う燃料流路同士の間における燃料ガスの漏れを抑制する覆い部（４１２）と、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、積層方向に酸化剤部と接続されているとともに、酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、入口穴および燃料流路を経由してアノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子とカソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、を有し、覆い部のヤング率は、密着部のヤング率よりも大きくなっている燃料電池である。

【0007】

請求項２に記載の発明は、積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、セルは、燃料ガスが流れる燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、燃料ガスを燃料流路に導入する入口穴（３６１）を燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが燃料流路を流れる方向と直交する方向にアノード側多孔体と接続されているとともに、積層方向に穴形成部と接続されていることにより燃料流路を流れる燃料ガスがセルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、燃料流路のうち入口穴側を覆う覆い部（４１２）と、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、積層方向に酸化剤部と接続されているとともに、酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、入口穴および燃料流路を経由してアノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子とカソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、を有し、覆い部のヤング率は、密着部のヤング率よりも大きくなっており、覆い部は、複数の孔を有することにより燃料流路およびアノード側多孔体に連通し、覆い部の気孔率は、アノード側多孔体の気孔率以上になっている燃料電池である。

【0008】

これにより、覆い部は、密着部と比較してたわみにくい。このため、密着部が燃料流路を覆うときと比較して、燃料流路が塞がれにくくなる。したがって、たわみ込みによる燃料流路の断面積の減少が抑制される。よって、燃料流路を流れる燃料ガスの圧力損失が低減される。

【0009】

請求項４に記載の発明は、積層されている複数のセル（３０）を備える燃料電池であって、セルは、燃料ガスが流れる燃料流路（３５１）を形成する燃料部（３５０）と、複数のセルの積層方向（Ｄｓ）および燃料ガスが燃料流路を流れる方向と直交する方向に燃料部と接続されているとともに、燃料ガスを燃料流路に導入する第１入口穴（３６１）を燃料部とで形成する穴形成部（３５２）と、燃料流路と連通するアノード側多孔体（４００）と、積層方向および燃料ガスが燃料流路を流れる方向と直交する方向にアノード側多孔体と接続されているとともに、積層方向に穴形成部と接続されていることにより燃料流路を流れる燃料ガスがセルの外部に漏れることを抑制する密着部（４１１）と、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（５５１）を形成する酸化剤部（５５０）と、積層方向に酸化剤部と接続されているとともに、酸化剤流路と連通するカソード側拡散層（５０）と、第１入口穴および燃料流路を経由してアノード側多孔体を流れた燃料ガスを分解するアノード側触媒層（４５１）、アノード側触媒層によって生成された陽イオンが透過する電解質膜（４５３）および電子とカソード側拡散層を流れた酸化剤ガスと電解質膜を透過した陽イオンとを結合させるカソード側触媒層（４５２）を含む膜電極（４５０）と、を有し、密着部は、第１入口穴に連通する第２入口穴（４２１）を形成し、アノード側多孔体および密着部によって区画される空間（４１６）が形成されており、空間は、燃料流路のうち第１入口穴側と、アノード側多孔体と、第２入口穴とに連通する燃料電池である。

【0010】

この空間により、燃料流路のうち入口穴側へのたわみ込みをなくすことができる。このため、たわみ込みによる燃料流路の断面積の減少が抑制される。したがって、燃料流路を流れる水素の圧力損失が低減される。

【0011】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態の燃料電池が用いられる燃料電池システムの構成図。

【図2】燃料電池、ファン、水素入口管および水素出口管の斜視図。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図。

【図4】図３のＩＶ－ＩＶ線断面図。

【図5】燃料電池のセルの分解斜視図。

【図6】セルの水素プレートの上面図。

【図7】セルのアノード側拡散層の上面図。

【図8】図４のＶＩＩＩ部拡大図。

【図9】セルの膜電極接合体の上面図。

【図10】セルのカソード側拡散層の上面図。

【図11】セルのセパレータの上面図。

【図12】セルによる化学反応を示す模式図。

【図13】第２実施形態の燃料電池におけるセルのアノード側拡散層の断面図。

【図14】第３実施形態の燃料電池におけるセルのアノード側拡散層の断面図。

【図15】第４実施形態の燃料電池の断面図。

【図16】図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線断面図。

【図17】図１６のＸＶＩI部拡大図。

【図18】セルのアノード側拡散層の上面図。

【図19】他の実施形態の燃料電池におけるセルのアノード側拡散層の上面図。

【図20】他の実施形態の燃料電池におけるセルのアノード側拡散層の上面図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

【0014】

本実施形態の燃料電池５は、燃料電池システム１に用いられる。まず、この燃料電池システム１について説明する。

【0015】

燃料電池システム１は、図１および図２に示すように、水素ボンベ２、水素入口管３、複数のファン４、燃料電池５、二次電池６、負荷７、水素出口管８、排気弁９およびＥＣＵ１０を備える。

【0016】

水素ボンベ２は、水素を貯蔵している。水素入口管３は、筒状に形成されている。また、水素入口管３は、水素ボンベ２に接続されている。

【0017】

ファン４は、後述の燃料電池５に取り付けられている。また、ファン４は、燃料電池５側の空気を吸い込むことによって、燃料電池５に空気を供給する。なお、以下では、ファン４が吸い込む方向を単に吸込方向Ｄｖと記載する。

【0018】

燃料電池５は、ＰＥＦＣであって、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。また、燃料電池５は、複数のセル３０が積層されることによって形成されている。さらに、燃料電池５は、発電した直流電力を後述の二次電池６および負荷７に供給する。この燃料電池５の詳細については、後述する。なお、ＰＥＦＣは、Polymer Electrolyte Fuel Cellの略である。また、以下では、燃料電池５のセル３０が積層されている方向を単に積層方向Ｄｓと記載する。

【0019】

二次電池６は、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池等であって、充放電する。二次電池６は、燃料電池５からの直流電力によって充電される。また、二次電池６は、放電することにより直流電力をファン４および後述の負荷７に供給する。

【0020】

負荷７は、例えば、インバータおよびモータである。このインバータは、燃料電池５および二次電池６からの直流電力を交流電力に変換する。また、このインバータは、この変換した交流電力をモータに供給する。これにより、モータは、回転する。

【0021】

水素出口管８は、筒状に形成されている。また、水素出口管８は、燃料電池５および燃料電池システム１の外部に接続されている。排気弁９は、例えば、電磁弁であって、水素出口管８の流路を開閉する。

【0022】

ＥＣＵ１０は、マイコン等を主体として構成されており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏおよびこれらの構成を接続するバスライン等を備えている。また、ＥＣＵ１０は、ＲＯＭに記憶されているプログラムを実行する。このとき、ＥＣＵ１０は、燃料電池システム１の外部からの要求に基づいて、ファン４、二次電池６および排気弁９を制御する。

【0023】

以上のように、燃料電池システム１は、構成されている。次に、燃料電池５の構成の詳細について説明する。

【0024】

燃料電池５は、図３～図１１に示すように、アノード拘束プレート２０、アノードターミナル２２、複数のセル３０、カソードターミナル２４およびカソード拘束プレート２６を備える。

【0025】

アノード拘束プレート２０は、電気絶縁性を有する樹脂等で板状に形成されている。また、アノード拘束プレート２０は、図３に示すように、水素用アノード拘束入口穴２０１および水素用アノード拘束出口穴２０２を有する。

【0026】

水素用アノード拘束入口穴２０１は、水素入口管３の内部と連通している。水素用アノード拘束出口穴２０２は、水素出口管８の内部と連通している。

【0027】

アノードターミナル２２は、燃料電池５の負極である。また、アノードターミナル２２は、金属等で板状に形成されている。さらに、アノードターミナル２２は、積層方向Ｄｓに、アノード拘束プレート２０と接続されている。また、積層方向Ｄｓと直交する方向において、アノードターミナル２２の長さは、アノード拘束プレート２０の長さよりも小さい。このため、アノード拘束プレート２０は、アノードターミナル２２から積層方向Ｄｓと直交する方向に突き出ている。さらに、アノードターミナル２２は、水素用アノードターミナル入口穴２２１および水素用アノードターミナル出口穴２２２を有する。

【0028】

水素用アノードターミナル入口穴２２１は、水素用アノード拘束入口穴２０１と連通している。水素用アノードターミナル出口穴２２２は、水素用アノード拘束出口穴２０２と連通している。

【0029】

セル３０は、図３～図１１に示すように、水素プレート３５、アノード側拡散層４０、膜電極接合体４５、カソード側拡散層５０およびセパレータ５５を備える。

【0030】

水素プレート３５は、ステンレス鋼等で形成されている。また、水素プレート３５は、図３～図６に示すように、水素流路形成部３５０、水素流路３５１、水素プレートシール部３５２、水素用第１入口穴３６１および水素用第１出口穴３６２を有する。

【0031】

水素流路形成部３５０は、板状に形成されている。また、水素流路形成部３５０には、積層方向Ｄｓおよび吸込方向Ｄｖと直交する方向に延びる複数の凹部が形成されている。これらの凹部は、吸込方向Ｄｖに並列している。

【0032】

水素流路３５１は、水素流路形成部３５０の凹部によって形成される空間である。また、これらの凹部が吸込方向Ｄｖに並列しているため、水素流路３５１は、吸込方向Ｄｖに並列している。

【0033】

水素プレートシール部３５２は、積層方向Ｄｓおよび水素が水素流路３５１を流れる方向と直交する方向に水素流路形成部３５０と接続されているとともに、水素流路形成部３５０を囲っている。また、複数のセル３０のうちアノードターミナル２２に接続されているセル３０の水素プレートシール部３５２は、アノードターミナル２２のうちアノード拘束プレート２０とは反対側と接続されている。

【0034】

水素用第１入口穴３６１は、水素プレートシール部３５２および水素流路形成部３５０によって形成される空間である。また、複数のセル３０のうちアノードターミナル２２側のセル３０における水素用第１入口穴３６１は、水素用アノードターミナル入口穴２２１と連通している。

【0035】

水素用第１出口穴３６２は、水素プレートシール部３５２および水素流路形成部３５０の間に形成される空間である。また、複数のセル３０のうちアノードターミナル２２に接続されているセル３０における水素用第１出口穴３６２は、水素用アノードターミナル出口穴２２２と連通している。

【0036】

アノード側拡散層４０は、図３～図５、図７および図８に示すように、アノード側多孔体４００およびアノード側シール部４１０を有する。

【0037】

アノード側多孔体４００は、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔質材および金属メッシュ、発砲金属等の金属多孔質材等で形成されている。このため、アノード側多孔体４００は、ガス透過性および電子伝導性を有する。また、アノード側多孔体４００の開孔は、水素流路３５１と連通している。なお、図７において、アノード側多孔体４００を明確にするため、アノード側多孔体４００が網掛けハッチングで示されている。

【0038】

アノード側シール部４１０は、密着部４１１、覆い部４１２、水素用第２入口穴４２１および水素用第２出口穴４２２を含む。

【0039】

密着部４１１は、ゴム等で長方形状に形成されている。また、密着部４１１は、積層方向Ｄｓおよび水素が水素流路３５１を流れる方向と直交する方向にアノード側多孔体４００と接続されているとともに、アノード側多孔体４００を囲っている。さらに、密着部４１１は、積層方向Ｄｓに、水素プレートシール部３５２と接続されている。

【0040】

覆い部４１２は、金属、樹脂およびセラミックス等で形成されている。これにより、覆い部４１２のヤング率は、密着部４１１のヤング率よりも大きくなっている。このため、覆い部４１２の剛性は、密着部４１１の剛性よりも高くなっている。また、覆い部４１２は、積層方向Ｄｓおよび水素が水素流路３５１を流れる方向と直交する方向に密着部４１１に接続されているとともに、水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側および水素用第１出口穴３６２側を覆う。なお、ヤング率は、引張試験や曲げ試験によって測定される。

【0041】

水素用第２入口穴４２１は、水素用第１入口穴３６１と連通している。水素用第２出口穴４２２は、水素用第１出口穴３６２と連通している。

【0042】

膜電極接合体４５は、図３～図５および図９に示すように、膜電極４５０および膜電極シール部４６０を有する。

【0043】

膜電極４５０は、アノード側触媒層４５１、カソード側触媒層４５２および電解質膜４５３を含む。

【0044】

アノード側触媒層４５１は、白金等の触媒、その触媒を担持するカーボンおよびそのカーボンを被覆するアイオノマーで形成されている。また、アノード側触媒層４５１は、積層方向Ｄｓに、アノード側多孔体４００と対向している。

【0045】

カソード側触媒層４５２は、白金等の触媒、その触媒を担持するカーボンおよびそのカーボンを被覆するアイオノマーで形成されている。

【0046】

電解質膜４５３は、陽イオン交換膜であって、含水性を有する炭化フッ素系、炭化水素系等の高分子材料で形成されている。また、電解質膜４５３は、積層方向Ｄｓに、アノード側触媒層４５１およびカソード側触媒層４５２にて挟まれている。

【0047】

膜電極シール部４６０は、ゴム等で形成されている。また、膜電極シール部４６０は、積層方向Ｄｓと直交する方向に膜電極４５０と接続されていることにより、膜電極４５０を囲っている。さらに、膜電極シール部４６０は、積層方向Ｄｓに、密着部４１１のうち水素プレートシール部３５２とは反対側と接続されている。また、膜電極シール部４６０は、水素用第３入口穴４６１および水素用第３出口穴４６２を含む。

【0048】

水素用第３入口穴４６１は、水素用第２入口穴４２１と連通している。水素用第３出口穴４６２は、水素用第２出口穴４２２と連通している。

【0049】

カソード側拡散層５０は、図３～図５および図１０に示すように、カソード側多孔体５００およびカソード側シール部５１０を有する。

【0050】

カソード側多孔体５００は、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔質材および金属メッシュ、発砲金属等の金属多孔質材等で形成されている。このため、カソード側多孔体５００は、ガス透過性および電子伝導性を有する。また、カソード側多孔体５００は、積層方向Ｄｓに、カソード側触媒層４５２と対向している。なお、図１０において、カソード側多孔体５００を明確にするため、カソード側多孔体５００が網掛けハッチングで示されている。

【0051】

カソード側シール部５１０は、ゴム等で形成されている。また、カソード側シール部５１０は、積層方向Ｄｓと直交する方向にカソード側多孔体５００と接続されていることにより、カソード側多孔体５００を囲っている。さらに、カソード側シール部５１０は、積層方向Ｄｓに、膜電極シール部４６０のうち密着部４１１とは反対側と接続されている。また、カソード側シール部５１０は、水素用第４入口穴５１１および水素用第４出口穴５１２を含む。

【0052】

水素用第４入口穴５１１は、水素用第３入口穴４６１と連通している。水素用第４出口穴５１２は、水素用第３出口穴４６２と連通している。

【0053】

セパレータ５５は、図３～図５および図１１に示すように、酸化剤流路形成部５５０、酸化剤流路５５１およびセパレータシール部５６０を有する。

【0054】

酸化剤流路形成部５５０は、ステンレス鋼等の金属で板状に形成されている。さらに、酸化剤流路形成部５５０には、吸込方向Ｄｖに延びる複数の凹部が形成されている。これらの凹部は、積層方向Ｄｓおよび吸込方向Ｄｖと直交する方向に並列している。

【0055】

酸化剤流路５５１は、酸化剤流路形成部５５０の凹部によって形成される空間である。また、これらの凹部が積層方向Ｄｓおよび吸込方向Ｄｖと直交する方向に並列しているため、酸化剤流路５５１は、積層方向Ｄｓおよび吸込方向Ｄｖと直交する方向に並列している。

【0056】

セパレータシール部５６０は、ゴム等で形成されている。また、セパレータシール部５６０は、積層方向Ｄｓおよび吸込方向Ｄｖと直交する方向に、酸化剤流路形成部５５０と接続されている。さらに、セパレータシール部５６０は、積層方向Ｄｓに、カソード側シール部５１０のうち膜電極シール部４６０とは反対側と接続されている。また、セパレータシール部５６０は、水素用第５入口穴５６１および水素用第５出口穴５６２を有する。

【0057】

水素用第５入口穴５６１は、水素用第４入口穴５１１および水素用第１入口穴３６１と連通している。水素用第５出口穴５６２は、水素用第４出口穴５１２および水素用第１出口穴３６２と連通している。

【0058】

カソードターミナル２４は、燃料電池５の正極である。また、カソードターミナル２４は、金属等で板状に形成されている。さらに、カソードターミナル２４は、図３に示すように、積層方向Ｄｓに、複数のセル３０のうちカソード側におけるセル３０のセパレータ５５と接続されている。

【0059】

カソード拘束プレート２６は、電気絶縁性を有する樹脂等で板状に形成されている。また、カソード拘束プレート２６は、積層方向Ｄｓに、カソードターミナル２４と接続されている。さらに、積層方向Ｄｓと直交する方向において、カソード拘束プレート２６の長さは、カソードターミナル２４の長さよりも大きい。このため、カソード拘束プレート２６は、カソードターミナル２４から積層方向Ｄｓと直交する方向に突き出ている。また、カソード拘束プレート２６の図示しない穴およびアノード拘束プレート２０の図示しない穴に図示しないボルトが挿入されている。これにより、カソード拘束プレート２６およびアノード拘束プレート２０の間にて、アノードターミナル２２、複数のセル３０およびカソードターミナル２４が拘束されている。

【0060】

以上のように、燃料電池５は、構成されている。次に、燃料電池５による発電について説明する。

【0061】

水素が水素ボンベ２から水素入口管３内、水素用アノード拘束入口穴２０１、水素用アノードターミナル入口穴２２１および水素用第１入口穴３６１を流れる。また、水素用第１入口穴３６１を流れた水素の一部は、水素用第２入口穴４２１、水素用第３入口穴４６１、水素用第４入口穴５１１および水素用第５入口穴５６１を経由して、複数のセル３０のうちカソード側におけるセル３０の水素用第１入口穴３６１を流れる。

【0062】

さらに、水素用第１入口穴３６１を流れた水素の一部は、水素流路３５１およびアノード側多孔体４００の開孔を流れる。

【0063】

また、ＥＣＵ１０がファン４に電圧を印加することにより、ファン４が回転する。これにより、ファン４が空気を吸い込むことによって、空気が酸化剤流路５５１を流れる。酸化剤流路５５１を流れた空気の一部は、カソード側多孔体５００の開孔を流れる。

【0064】

そして、このとき、アノード側多孔体４００の開孔を流れた水素は、以下化学反応式（１）に示すように、アノード側触媒層４５１の触媒によって、水素イオンと電子とに分解される。この化学反応によって生じた水素イオンは、図１２に示すように、電解質膜４５３を透過してカソード側触媒層４５２に移動する。また、この化学反応によって生じた電子は、カソード側触媒層４５２に移動する。これにより、電気エネルギが発生する。この発生した電気エネルギによる直流電力が二次電池６に供給されることにより、二次電池６は、充電される。また、この発生した電気エネルギによる直流電力が負荷７に供給されることにより、負荷７であるインバータおよびモータが駆動する。さらに、アノード側触媒層４５１、電解質膜４５３およびカソード側触媒層４５２を含む膜電極接合体４５に熱が発生する。この発生した熱は、カソード側触媒層４５２を経由してセパレータ５５の酸化剤流路形成部５５０に伝わる。

【0065】

また、カソード側多孔体５００の開孔を流れた空気に含まれる酸素は、以下化学反応式（２）に示すように、カソード側触媒層４５２の触媒によって、カソード側触媒層４５２に移動した水素イオンと電子と結合する。これにより、カソード側多孔体５００の開孔を流れた空気に含まれる酸素は、水になる。

【0066】

（アノード）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－ ・・・（１）
（カソード）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

【0067】

さらに、この生成された水の一部は、カソード側多孔体５００の開孔を流れる。カソード側多孔体５００の開孔を流れた水は、酸化剤流路５５１を流れる未反応の空気とともに、ファン４によって吸い込まれる。また、このとき、酸化剤流路形成部５５０は、膜電極接合体４５から酸化剤流路形成部５５０に伝導した熱を、酸化剤流路５５１を流れる空気に放散する。これにより、セル３０は、冷却される。

【0068】

さらに、この生成された水の一部は、電解質膜４５３およびアノード側触媒層４５１を通過してアノード側多孔体４００の開孔を流れる。複数のセル３０のうちアノードターミナル２２に接続されているセル３０におけるアノード側多孔体４００の開孔を流れた水は、水素流路３５１を流れる未反応の水素とともに水素用第１出口穴３６２を流れる。また、複数のセル３０のうちカソード側におけるセル３０のアノード側多孔体４００の開孔を流れた水は、水素流路３５１を流れる未反応の水素とともに、水素用第５出口穴５６２および水素用第４出口穴５１２を経由して、水素用第３出口穴４６２を流れる。水素用第３出口穴４６２を流れた水は、水素流路３５１を流れる未反応の水素とともに、水素用第２出口穴４２２を経由して、水素用第１出口穴３６２を流れる。そして、水素用第１出口穴３６２を流れた水および未反応の水素は、水素用アノードターミナル出口穴２２２および水素用アノード拘束出口穴２０２を流れる。また、このとき、ＥＣＵ１０が排気弁９に電流を流すことにより、排気弁９が開く。これにより、水素用アノード拘束出口穴２０２を流れた水および未反応の水素は、水素出口管８内を流れることにより、排出される。

【0069】

以上のように、燃料電池５は、発電する。次に、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失を低減させることについて説明する。

【0070】

燃料電池５では、複数のセル３０が積層されている。このセル３０は、水素流路形成部３５０と、水素プレートシール部３５２と、アノード側多孔体４００と、密着部４１１と、覆い部４１２と、酸化剤流路形成部５５０と、カソード側拡散層５０と、膜電極４５０とを有する。水素流路形成部３５０は、複数の水素流路３５１を形成する。複数の水素流路３５１は、水素が流れるとともに並列する。水素プレートシール部３５２は、水素用第１入口穴３６１を水素流路形成部３５０とで形成する。水素用第１入口穴３６１は、水素を複数の水素流路３５１に導入する。アノード側多孔体４００は、水素流路３５１と連通する。密着部４１１は、積層方向Ｄｓおよび水素が水素流路３５１を流れる方向と直交する方向にアノード側多孔体４００と接続されている。また、密着部４１１は、積層方向Ｄｓに水素プレートシール部３５２と接続されていることにより、水素流路３５１を流れる水素がセル３０の外部に漏れることを抑制する。覆い部４１２は、複数の水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側を覆うことにより、互いに隣り合う水素流路３５１同士の間における水素の漏れを抑制する。酸化剤流路形成部５５０は、空気が流れる酸化剤流路５５１を形成する。カソード側拡散層５０は、積層方向Ｄｓに酸化剤流路形成部５５０と接続されているとともに、酸化剤流路５５１と連通する。膜電極４５０は、アノード側触媒層４５１、電解質膜４５３およびカソード側触媒層４５２を含む。アノード側触媒層４５１は、水素用第１入口穴３６１および水素流路３５１を経由してアノード側多孔体４００を流れた水素を分解する。電解質膜４５３は、アノード側触媒層４５１によって生成された陽イオンが透過する。カソード側触媒層４５２は、電子とカソード側拡散層５０を流れた空気に含まれる酸素と電解質膜４５３を透過した陽イオンとを結合させる。また、覆い部４１２のヤング率は、密着部４１１のヤング率よりも大きくなっている。なお、水素は、燃料ガスに対応する。空気は、酸化剤ガスに対応する。水素流路形成部３５０は、燃料部に対応する。水素流路３５１は、燃料流路に対応する。水素プレートシール部３５２は、穴形成部に対応する。酸化剤流路形成部５５０は、酸化剤部に対応する。

【0071】

覆い部４１２のヤング率が密着部４１１のヤング率よりも大きくなっているため、覆い部４１２は、密着部４１１と比較してたわみにくい。このため、密着部４１１が水素流路３５１を覆うときと比較して、水素流路３５１が塞がれにくくなる。したがって、たわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少が抑制される。よって、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失が低減される。また、たわみ込むことによる水素流路３５１の断面積の減少が抑制されるため、それぞれの水素流路３５１の断面積のバラつきが減少する。したがって、それぞれの水素流路３５１を流れる水素の圧力損失のバラつきが低減される。

【0072】

（第２実施形態）
第２実施形態では、覆い部４１２の形態が第１実施形態と異なる。これ以外は、第１実施形態と同様である。

【0073】

覆い部４１２は、図１３に示すように、複数の孔を有する多孔体に形成されていることにより、水素流路３５１、水素用第２入口穴４２１およびアノード側多孔体４００に連通する。また、覆い部４１２の気孔率は、アノード側多孔体４００の気孔率以上になっている。なお、気孔率は、例えば、アルキメデス法、重量気孔率法、水銀気孔率法等によって、測定される。

【0074】

このように、第２実施形態は、構成されている。この第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、第２実施形態では、以下に記載する効果も奏する。

【0075】

［１］覆い部４１２のヤング率は、密着部４１１のヤング率よりも大きくなっている。このため、覆い部４１２は、密着部４１１と比較してたわみにくい。このため、密着部４１１が水素流路３５１を覆うときと比較して、水素流路３５１が塞がれにくくなる。したがって、たわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少が抑制される。よって、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失が低減される。また、覆い部４１２が水素流路３５１およびアノード側多孔体４００に連通する。このことから、水素流路３５１を流れた水素は、水素流路３５１からアノード側多孔体４００の開孔に流れることに加えて、覆い部４１２の開孔を経由してアノード側多孔体４００の開孔に流れる。これにより、水素がアノード側多孔体４００に流れやすくなる。また、覆い部４１２の気孔率がアノード側多孔体４００およびカソード側多孔体５００の気孔率以上になっている。このため、覆い部４１２の気孔率がアノード側多孔体４００およびカソード側多孔体５００の気孔率未満であるときと比較して、覆い部４１２を流れた水素は、アノード側多孔体４００に流れやすい。したがって、覆い部４１２を流れる水素の圧力損失を低減できるとともに、覆い部４１２を流れる水素の圧力損失のバラつきを低減させることができる。

【0076】

（第３実施形態）
第３実施形態では、アノード側シール部４１０が充填部４１５をさらに有する点において第２実施形態と異なる。これ以外は、第２実施形態と同様である。

【0077】

充填部４１５は、図１４に示すように、覆い部４１２に接続されているとともに、水素流路３５１のうち覆い部４１２が覆う部分に充填されている。また、充填部４１５は、覆い部４１２と同様に、複数の孔を有する多孔体に形成されていることにより、水素流路３５１、水素用第１入口穴３６１および覆い部４１２に連通する。さらに、充填部４１５の気孔率は、アノード側多孔体４００の気孔率以上になっている。

【0078】

このように、第３実施形態は、構成されている。この第３実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を奏する。また、第３実施形態では、以下に記載する効果も奏する。

【0079】

［２］充填部４１５により、水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側へのたわみ込みをなくすことができる。このため、たわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少が抑制される。したがって、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失が低減される。また、充填部４１５が水素流路３５１のうち覆い部４１２が覆う部分に充填されているため、覆い部４１２のたわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少のバラつきがゼロになる。また、水素用第１入口穴３６１を流れた水素は、充填部４１５を経由して、水素流路３５１に流れる。このため、それぞれの水素流路３５１に充填される充填部４１５の気孔率のバラつきが、それぞれの水素流路３５１を流れる水素の圧力損失のバラつきになる。また、充填部４１５の気孔率は、覆い部４１２のたわみ込みと異なり、製造過程において造孔材等により設定することができる。このため、それぞれの水素流路３５１に充填される充填部４１５の気孔率のバラつきは、覆い部４１２のたわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少のバラつきと比較して、小さい。したがって、それぞれの水素流路３５１を流れる水素の圧力損失のバラつきを小さくすることができる。

【0080】

（第４実施形態）
第４実施形態では、アノード側シール部４１０が覆い部４１２を有しない点において、第１実施形態と異なる。これ以外は、第１実施形態と同様である。

【0081】

図１５～図１８に示すように、アノード側多孔体４００および密着部４１１によって、入口側空間４１６および出口側空間４１７が形成されている。入口側空間４１６は、水素用第２入口穴４２１と、アノード側多孔体４００と、水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側とに連通している。出口側空間４１７は、水素用第２出口穴４２２と、アノード側多孔体４００と、水素流路３５１のうち水素用第１出口穴３６２側とに連通している。

【0082】

また、水素用第１入口穴３６１を流れた水素は、水素流路３５１および水素用第２入口穴４２１を流れる。水素流路３５１を流れた水素は、アノード側多孔体４００を流れることに加えて、入口側空間４１６を流れる。さらに、水素用第２入口穴４２１を流れた水素の一部は、入口側空間４１６を流れる。入口側空間４１６を流れた水素は、アノード側多孔体４００を流れる。また、膜電極４５０によって生成された水のうちアノード側多孔体４００の開孔を流れた水は、出口側空間４１７および水素流路３５１を通過して、水素用第１出口穴３６２を流れる。

【0083】

このように、第４実施形態は、構成されている。この第４実施形態においても、以下に記載するように、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失を低減させることができる。

【0084】

［３］密着部４１１は、水素用第１入口穴３６１に連通する水素用第２入口穴４２１を形成する。また、アノード側多孔体４００および密着部４１１によって区画される入口側空間４１６が形成されている。さらに、この入口側空間４１６は、水素用第２入口穴４２１と、アノード側多孔体４００と、水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側とに連通している。

【0085】

この入口側空間４１６により、水素流路３５１のうち水素用第１入口穴３６１側へのたわみ込みをなくすことができる。このため、たわみ込みによる水素流路３５１の断面積の減少が抑制される。したがって、水素流路３５１を流れる水素の圧力損失が低減される。また、水素流路３５１の断面積の減少が抑制されるため、それぞれの水素流路３５１の断面積のバラつきが減少する。よって、それぞれの水素流路３５１を流れる水素の圧力損失のバラつきが低減される。

【0086】

（他の実施形態）
本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対して、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0087】

上記第１～第３実施形態では、アノード側シール部４１０を対称にすることで製造しやすくするため、覆い部４１２は、水素流路３５１のうち水素用第１出口穴３６２側を覆う。これに対して、覆い部４１２は、水素流路３５１のうち水素用第１出口穴３６２側を覆うことに限定されない。覆い部４１２は、水素流路３５１のうち水素用第１出口穴３６２側を覆わなくてもよい。

【0088】

上記第４実施形態で、アノード側シール部４１０を対称にすることで製造しやすくするため、出口側空間４１７が形成されている。これに対して、出口側空間４１７が形成されていることに限定されない。出口側空間４１７が形成されていなくてもよい。

【0089】

また、第１実施形態と第４実施形態とが組み合わされてもよい。例えば、図１９に示すように、覆い部４１２が入口側空間４１６およびアノード側多孔体４００の間に配置される。さらに、覆い部４１２が出口側空間４１７およびアノード側多孔体４００の間に配置される。

【0090】

また、図２０に示すように、入口側空間４１６および出口側空間４１７が、アノード側多孔体４００、密着部４１１および覆い部４１２によって区画されてもよい。この場合、覆い部４１２が入口側空間４１６と水素用第２入口穴４２１とを仕切る。また、覆い部４１２が出口側空間４１７と水素用第２出口穴４２２とを仕切る。これらのように第１実施形態と第４実施形態とが組み合わされた場合、入口側空間４１６によって圧力損失を低減できるため、覆い部４１２は、樹脂および金属で形成されていることに限定されないで、ゴムで形成されてもよい。

【0091】

上記実施形態では、ファン４が回転して空気を吸い込むことによって、空気が酸化剤流路５５１を流れる。これに対して、ファン４が回転して空気を吸い込むことによって、空気が酸化剤流路５５１を流れることに限定されない。ファン４が回転して空気を送風することによって、空気が酸化剤流路５５１を流れてもよい。

【0092】

上記実施形態では、ファン４の数は、２つである。これに対して、ファン４の数は、２つに限定されない。ファン４の数は、１以上であればよい。

【0093】

上記実施形態は、適宜組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0094】

５ 燃料電池
３０ セル
５０ カソード側拡散層
３５０ 水素流路形成部
３５１ 燃料流路
４００ アノード側多孔体
４１１ 密着部
４１２ 覆い部
４５０ 膜電極
５５０ 酸化剤流路形成部
５５１ 酸化剤流路

【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】