特表 2021-516846 燃料電池、単セル及びセルスタック構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2021-516846(P2021-516846A)

(43)【公表日】2021年7月8日

(54)【発明の名称】燃料電池、単セル及びセルスタック構造体

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20210611BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20210611BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20210611BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20210611BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0258

   H01M8/0267

   H01M8/2483

   H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】43

(21)【出願番号】特願2020-542265(P2020-542265)

(86)(22)【出願日】2018年1月31日

(85)【翻訳文提出日】2020年8月19日

(86)【国際出願番号】CN2018074657

(87)【国際公開番号】WO2019148338

(87)【国際公開日】20190808

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】520285190

【氏名又は名称】シャンハイ サンブリッジ パワー テクノロジーズ カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チョン ジエンホワ

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126AA23

5H126BB06

5H126EE11

(57)【要約】

本発明は、燃料電池、単セル、及びセルスタック構造体を提供する。単セルは、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、前記単セルは、前記単セルの拡がる面を通り抜けるように、第１のセパレータ、第２のセパレータ、及び膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、その中、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部を単セルの中央領域に配置している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単セルの一種であり、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに前記第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、前記単セルは、前記単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、そのうち、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部を前記単セルの中央領域に配置していることを特徴とする単セル。

【請求項2】

前記複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部、及び複数の酸化流体用開口部は、前記単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返される複数の基本単位により構成されていて、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の単セル。

【請求項3】

前記複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部、及び複数の酸化流体用開口部には、それぞれの供給用開口部と排出用開口部とが備わっていることを特徴とする請求項１記載の単セル。

【請求項4】

前記複数の基本単位は、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の単セル。

【請求項5】

前記複数の基本単位は、以下の通り、各種流体の開口部の形状、位置、サイズが同じまたは異なっているか、あるいは、それらの組み合わせが存在し、
前記燃料流体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせ、
前記冷却媒体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせ、及び
前記酸化流体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせ
があることを特徴とする請求項２記載の単セル。

【請求項6】

前記基本単位は、二次元ブラベ格子配列で形成される開口部のパターンの最小繰返し配列周期を有する単位であることを特徴とする請求項２記載の単セル。

【請求項7】

前記単セルは、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とを備え、それぞれの開口部には、供給用開口部と排出用開口部とが含まれていることを特徴とする請求項４記載の単セル。

【請求項8】

前記単セルは、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部には複数の燃料流体用開口部または複数の部分的な燃料流体用開口部を、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部には複数の冷却媒体用開口部または複数の部分的な冷却媒体用開口部を、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部には複数の酸化流体用開口部または複数の部分的な酸化流体用開口部を備えることを特徴とする請求項４記載の単セル。

【請求項9】

前記単セルの最小発電体は、約４分の１の燃料流体供給用開口部と、約４分の１の燃料流体排出用開口部と、約４分の１の酸化流体供給用開口部と、約４分の１の酸化流体排出用開口部と、約２分の１の冷却媒体供給用開口部と、約２分の１の冷却媒体排出用開口部とを備えることを特徴とする請求項７記載の単セル。

【請求項10】

前記基本単位と前記最小発電体とは、幾何的に類似していることを特徴とする請求項９記載の単セル。

【請求項11】

前記単セルについて、同一流体の供給用開口部と排出用開口部は互いに補完的な関係で第１列と第２列に配置され、前記第１列には、同一流体の供給用開口部と排出用開口部とが同時に存在せず、前記第２列には、同一流体の供給用開口部と排出用開口部とが同時に存在しないことを特徴とする請求項３または８記載の単セル。

【請求項12】

前記単セルには、供給用開口部のみを含む第１列と、排出用開口部のみを含む第２列とを備え、前記第１列及び前記第２列は、流体の流路方向に交互配列されていることを特徴とする請求項３または８記載の単セル。

【請求項13】

前記単セルの膜電極接合体は、第１のガス拡散層、第１の触媒層、電解質膜、第２の触媒層、及び第２のガス拡散層を備えることを特徴とする請求項１に記載の単セル。

【請求項14】

セルスタック構造体の一種であり、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の単セルが積層されているセルスタック構造体を備え、
前記複数の単セルの燃料流体用開口部、冷却媒体用開口部、及び酸化流体用開口部がそれぞれ重なることにより、前記セルスタック構造体の中に、それぞれの内部共用マニホールドが形成され、前記内部共用マニホールドは、前記複数の単セルに対して、燃料流体、冷却媒体、及び酸化流体を供給、排出することを特徴とするセルスタック構造体。

【請求項15】

前記内部共用マニホールドは、複数単セル面に対して基本的に垂直であること、及び／または鋭角挟みであることを特徴とする請求項１４記載のセルスタック構造体。

【請求項16】

前記セルスタック構造体は、
各単セル内に配置され、燃料流体の流れを提供する第一流路と、
各単セル内に配置され、酸化流体の流れを提供する第二流路と、
隣接単セル間に配置され、冷却媒体の流れを提供する第三流路と、を備え、
前記第一流路、第二流路及び第三流路は、それぞれに対応する内部共用マニホールドに接続され、各単セル内には、前記第一から第三までの流路の流れを制御するシール材が設けられていることを特徴とする請求項１４記載のセルスタック構造体。

【請求項17】

前記積層された複数の単セルにおいて、隣接する前記単セル間の回転角度は０度または０度以上であることを特徴とする請求項１４記載のセルスタック構造体。

【請求項18】

前記積層された複数の単セルにおいて、燃料流体用開口部の間、冷却媒体用開口部の間、及び酸化流体用開口部の間では、それぞれの開口部が同じ形状とサイズを有し、互いに整合性を得るように直線及び／または曲線上に結合され、前記内部共用マニホールドが形成されることを特徴とする請求項１４記載のセルスタック構造体。

【請求項19】

前記積層された複数の単セルにおいて、燃料流体用開口部の間、冷却媒体用開口部の間、及び酸化流体用開口部の間では、それぞれの開口部が互いに若干のずれがある形状とサイズを有し、直線及び／または曲線上に結合され、前記内部共用マニホールドが形成されることを特徴とする請求項１４記載のセルスタック構造体。

【請求項20】

燃料電池の一種であり、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のセルスタック構造体を備えた燃料電池であって、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートを備え、
前記第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートは、燃料流体、冷却媒体、または酸化流体を供給、排出するための内部共用マニホールドに対応する外部共用マニホールドを有し、両側から前記セルスタック構造体を挟んでいる燃料電池。

【請求項21】

前記外部共用マニホールドは、外部発電補助システムに接続された複数の第１導管と、前記内部共用マニホールドに接続された複数の第２導管とを含むことを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池。

【請求項22】

前記外部共用マニホールドは、前記内部共用マニホールドに対応する基本単位を有し、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を有することを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池。

【請求項23】

前記複数の第１導管は、前記開口部が配列された方向に沿って配置され、前記複数の第１導管は互いに平行または準平行に設けられ、互いに接触しないようにすることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【請求項24】

前記複数の第２導管は、前記複数の単セルの積層方向に沿って設けられ、前記内部共用マニホールドを延長し、互いに接触しないように設けられていることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【請求項25】

前記複数の第１導管及び前記複数の第２導管は、互いに垂直及び／または鋭角挟みに接続されていて、前記複数の第１導管の断面から見て、前記複数の第２導管は、前記複数の第１導管の中央若しくは中央近傍を貫通し、または前記複数の第１導管の端部若しくは端部付近を貫通し、または前記複数の第１導管の中央と端部の間を貫通することを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【請求項26】

前記セルスタック構造体から最も遠く離れた第１のゾーンから第２のゾーンを経由して、前記セルスタック構造体に最も近い第３のゾーンまで、前記第２導管は、前記単セルの面内における第１の軸の幅サイズがゾーンごとに階段的に広くなり、
冷却媒体の外部発電補助システムに接続する第１導管は、前記第１のゾーンに位置する燃料流体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされ、
酸化流体の外部発電補助システムに接続された第１導管は、前記第２のゾーンに位置する冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【請求項27】

前記内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドのエッジ構造は、前記開口部の前記単セルの第１の軸展開を終端させるエッジ構造については、端部にある内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積が中間部の内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積の半分または略半分になるよう設け、前記開口部の前記単セルの第２の軸展開を終端させるエッジ構造については、前記第２の軸に燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の内部共用マニホールド並びに内部共用マニホールドに接続する導管を備えている基本セグメントに基づいて、前記基本セグメントの整数倍になる区切りを基準に開口部の前記第２の軸への展開を終端させることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【請求項28】

前記燃料流体、冷却媒体、及び酸化流体のいずれかの流体の供給用外部共用マニホールド及び排出用外部共用マニホールドは、同一エンドプレートに設けられ、または２つのエンドプレートに別々に設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高出力密度と高容量な燃料電池の単セル、セルスタック構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、水素と酸素とが電解質を介して化学反応することにより発電する装置であり、環境負荷の低減に寄与すること等から実用化、普及が有望視されている。また、燃料電池は、使用される電解質の種類によって発電温度や特性が異なり、主に電解質に何を用いるかによって分類される。大別すると、固体高分子電解質形（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）及び溶融炭酸塩形（ＭＣＭＦ）の４種類がある。

【0003】

例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・膜電極接合体（ＭＥＡ）が備わっている。ＭＥＡは、セパレータによって挟持されることでセルを構成する。ＰＥＦＣの作動温度は６０℃〜９０℃と低く、小型化しても出力効率が良いのが特徴であり、燃料電池自動車向けには、主にＰＥＦＣの燃料電池が使われている。ＰＥＦＣの燃料電池は、太陽能電池、遠地アンテナの予備電池、過疎地のドローン機などにも使用されている。

【0004】

プラスとマイナスの電極板が電解質膜をはさむ構造はセルと呼ばれる。セルのプラス極（酸素極）とマイナス極（水素極）には数多くの細い流路があり、この流路を外部源から供給された酸素と水素が電解質膜をはさんで通ることによって反応が起こり、電気が発生する。１組のセルの出力は限られているため、必要な出力が得られるよう、多くのセルを重ねて１つのパッケージにしたものをスタック型燃料電池と呼ぶ。

【0005】

燃料電池には、高出力密度と高容量（高エネルギー密度）とが求められる。つまり、燃料電池を効率よく発電させるためには、燃料電池スタックを構成する個々のセルを効率よく発電させる必要がある。そのためには、各セルへの水素、冷却水、空気等の各種流体の供給が均一になるように設計する必要がある。燃料電池の出力は、膜面積に比例し、その容積には比例しない。スタック型燃料電池の小型高出力化を試みるには、セルの面積（触媒反応面積）を増大させ、セルのピッチを短縮させることが最も有効である。触媒反応面積を増大させることにより、スタックの発電電流を効果的に大きくすることができる。また、ピッチを短縮させることにより、燃料電池の出力密度を高めることができる。

【0006】

しかしながら、セルの面積の増大とピッチの短縮だけでは、水素、冷却水、空気等の各種流体がセルの内面を通過する際の圧力損失が大きくなってしまう。過大な圧力損失は、エネルギーの発電効率の降下につながるため、できるだけ損失を少なくする工夫が必要である。

【0007】

さらに、従来技術では、マニホールドの周辺配置及び各種流体の流れの交差配置により、燃料ガス、冷却媒体または酸化ガスの流れ抵抗が大きくなり、セルの面積を大きくとることができなかった。

【0008】

非特許文献１と特許文献２に開示されている燃料電池においては、マニホールドが触媒層に周設された構造になっているため、触媒反応面積を２次元展開できる柔軟性に欠けている。また、非特許文献１にて開示されている車両搭載用の燃料電池については、流路の流れ分布が３次元的に交差しているため、触媒反応面積の拡大がより一層困難になる。さらに、特許文献１にて開示されている燃料電池については、セパレータに形成される流路の溝が深いため、その流路溝の角部に接触する発電機能層に対して局部ひずみ応力が集中的に加えられ、耐久性の減少の起因となってしまい、燃料電池の寿命に大きな問題が生じるという欠点がある。

【0009】

特許文献３には、幅方向のアスペクト比が低く、膜電極接合体の対向する２辺の外周に複数の燃料ガス流路開口部、冷媒流路開口部及び酸化ガス流路開口部が設けられた燃料電池が開示されている。このような設計は、触媒反応エリアを２次元的に拡大するのに役立つものの、幅方向が拡大し続けると、単セルの内面を通過する各種流体の圧力損失は依然として許容できないほど大きくなってしまう。

【0010】

燃料ガス、冷却媒体または酸化ガスの流れ抵抗、及びマニホールドに供給されるガスの高圧に対応するために、従来技術では、セルのスタック枚数を増加させることは困難であった。また、従来の問題点として、車両搭載用のセルスタックは、設置可能な空間が限られているため、セルスタック枚数の増加には限界がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１７−１４７１３４号公報

【特許文献2】特開２０１６−０９６０１５号公報

【特許文献3】国際公開番号ＷＯ２０１４／１３６９６５

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】２０１６年度トヨタＭＩＲＡＩセダン型燃料電池自動車の製品情報

【発明の概要】

【0013】

本発明は、高出力密度で高容量な燃料電池並びに単セル及びセルスタック構造体を提供する。

【0014】

本発明の一態様は、単セルの一種を提供し、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに前記第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、前記単セルは、前記単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、そのうち、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部を前記単セルの中央領域に配置している。

【0015】

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部、及び複数の酸化流体用開口部は、前記単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返される複数の基本単位により構成されていて、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を備えている。

【0016】

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部、及び複数の酸化流体用開口部には、それぞれの供給用開口部と排出用開口部とが備わっている。

【0017】

本発明の一実施形態では、前記基本単位は、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とから構成されている。

【0018】

本発明の一実施形態では、前記複数の基本単位は、以下の通り、各種流体の開口部の形状、位置、サイズが同じまたは異なっているか、あるいは、それらの組み合わせが存在している。燃料流体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせ、冷却媒体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせ、そして酸化流体用開口部の同一若しくは異なる形状、位置、サイズ、またはそれらの組み合わせがある。

【0019】

本発明の一実施形態では、前記基本単位は、二次元ブラベ格子配列で形成される開口部のパターンの最小繰返し配列周期を有する単位である。

【0020】

本発明の一実施形態では、前記単セルは、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とを備え、それぞれの開口部には、供給用開口部と排出用開口部とが含まれている。

【0021】

本発明の一実施形態では、前記単セルは、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部には複数の燃料流体用開口部または複数の部分的な燃料流体用開口部を、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部には複数の冷却媒体用開口部または複数の部分的な冷却媒体用開口部を、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部には複数の酸化流体用開口部または複数の部分的な酸化流体用開口部を備える。

【0022】

本発明の一実施形態では、前記単セルの最小発電体は、約４分の１の燃料流体供給用開口部と、約４分の１の燃料流体排出用開口部と、約４分の１の酸化流体供給用開口部と、約４分の1の酸化流体排出用開口部と、約２分の１の冷却媒体供給用開口部と、約２分の１の冷却媒体排出用開口部とを含む。

【0023】

本発明の一実施形態では、前記基本単位と前記最小発電体とは、幾何的に類似している。

【0024】

本発明の一実施形態では、前記単セルについて、同一流体の供給用開口部と排出用開口部は互いに補完的な関係で第１列と第２列に配置され、前記第１列には、同一流体の供給用開口部と排出用開口部とが同時に存在せず、前記第２列には、同一流体の供給用開口部と排出用開口部とが同時に存在しない。

【0025】

本発明の一実施形態では、前記単セルには、供給用開口部のみを含む第１列と、排出用開口部のみを含む第２列とを備え、前記第１列及び前記第２列は、流体の流路方向に交互配列されている。

【0026】

本発明の一実施形態では、前記単セルの膜電極接合体は、第１のガス拡散層、第１の触媒層、電解質膜、第２の触媒層、及び第２のガス拡散層を備える。

【0027】

本発明の一態様は、セルスタック構造体の一種を提供し、複数の上に述べたような前記単セルが積層されているセルスタック構造体を備え、前記複数の単セルの燃料流体用開口部、冷却媒体用開口部、及び酸化流体用開口部がそれぞれ重なることにより、前記セルスタック構造体の中に、それぞれの内部共用マニホールドが形成され、前記内部共用マニホールドは、前記複数の単セルに対して、燃料流体、冷却媒体、及び酸化流体を供給、排出する。

【0028】

本発明の一実施形態では、前記内部共用マニホールドは、複数単セル面に対して基本的に垂直であり、及び／または鋭角挟みで交差している。

【0029】

本発明の一実施形態では、前記セルスタック構造体は、第一流路、第二流路及び第三流路を備え、前記第一流路は、各単セル内に配置され、燃料流体の流れを提供し、前記第二流路は、各単セル内に配置され、酸化流体の流れを提供し、前記第三流路は、隣接単セル間に配置され、冷却媒体の流れを提供し、前記第一流路、第二流路及び第三流路は、それぞれに対応する内部共用マニホールドに接続され、各単セル内には、前記第一から第三までの流路の流れを制御するシール材が設けられている。

【0030】

本発明の一実施形態では、前記積層された複数の単セルにおいて、隣接する前記単セル間の回転角度は０度または０度以上の所定角度である。

【0031】

本発明の一実施形態では、前記積層された複数の単セルにおいて、燃料流体用開口部の間、冷却媒体用開口部の間、及び酸化流体用開口部の間では、それぞれの開口部が同じ形状とサイズを有し、互いに整合性を得るように直線及び／または曲線上に結合され、前記内部共用マニホールドが形成される。

【0032】

本発明の一実施形態では、前記積層された複数の単セルにおいて、燃料流体用開口部の間、冷却媒体用開口部の間、及び酸化流体用開口部の間では、それぞれの開口部が互いに若干のずれがある形状とサイズを有し、直線及び／または曲線上に結合され、前記内部共用マニホールドが形成される。

【0033】

本発明の一態様は、燃料電池の一種を提供し、上に述べたようなセルスタック構造体を備えた燃料電池であって、第１のエンドプレートと第２のエンドプレートとで両側から挟みこまれている前記セルスタック構造体を備え、前記第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートは、少なくとも１つの外部共用マニホールドを有し、当該外部共用マニホールドは、内部共用マニホールドに対応し、燃料流体、冷却媒体、または酸化流体を供給し、排出する。

【0034】

本発明の一実施形態では、前記外部共用マニホールドは、外部発電補助システムに接続された複数の第１導管と、前記内部共用マニホールドに接続された複数の第２導管とを含む。

【0035】

本発明の一実施形態では、前記外部共用マニホールドは、前記内部共用マニホールドに対応する基本単位を有し、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を有する。

【0036】

本発明の一実施形態では、前記複数の第１導管は、前記開口部が配列された方向に沿って配置され、前記複数の第１導管は互いに平行または準平行に設けられ、互いに接触しないようにする。

【0037】

本発明の一実施形態では、前記複数の第２導管は、前記複数の単セルの積層方向に沿って設けられ、前記内部共用マニホールドを延長し、互いに接触しないように設けられている。

【0038】

本発明の一実施形態では、前記複数の第１導管及び前記複数の第２導管は、互いに垂直及び／または鋭角挟みに接続されていて、前記複数の第１導管の断面から見て、前記複数の第２導管は、前記複数の第１導管の中央若しくは中央近傍を貫通し、または前記複数の第１導管の端部若しくは端部付近を貫通し、または前記複数の第１導管の中央と端部の間を貫通する。

【0039】

本発明の一実施形態では、前記セルスタック構造体から最も遠く離れた第１のゾーンから第２のゾーンを経由して、前記セルスタック構造体に最も近い第３のゾーンまで、前記第２導管は、前記単セルの面内における第１の軸の幅サイズがゾーンごとに階段的に広くなり、そして、冷却媒体の外部発電補助システムに接続する第１導管は、前記第１のゾーンに位置する燃料ガスの内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされ、酸化ガスの外部発電補助システムに接続された第１導管は、前記第２のゾーンに位置する冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされる。

【0040】

本発明の一実施形態では、前記内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドのエッジ構造は、前記開口部の前記単セルの第１の軸展開を終端させるエッジ構造については、端部にある内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積が中間部の内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積の半分または略半分になるよう設け、前記開口部の前記単セルの第２の軸展開を終端させるエッジ構造については、前記第２の軸に燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の内部共用マニホールド並びに内部共用マニホールドに接続する導管を備えている基本セグメントにおいて、前記基本セグメントの整数倍になる区切りを基準に開口部の前記第２の軸への展開を終端させる。

【0041】

本発明の一実施形態では、前記燃料流体、冷却媒体、及び酸化流体のいずれかの流体の供給用外部共用マニホールド及び排出用外部共用マニホールドは、同一エンドプレートに設けられ、または２つのエンドプレートに別々に設けられている。

【0042】

本発明の特徴、性能は、以下の実施形態及び図面によってさらに説明される。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本発明の一実施形態におけるスタック型燃料電池の構成図及び単セル８の構成を示す断面図。

【図2】本発明の一実施形態における単セル８の各層と、複数の単セル８の間の各種流体の流路３１、３２、３３を説明するための断面図。

【図3】本発明の一実施形態における単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列に応用したブラベ格子のパターンの２次元展開の規則性を説明するための平面模式図。

【図4】本発明の一実施形態における単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列の規則性を説明するための平面模式図。

【図5】本発明の一実施形態における単セル８の面内に穿孔された開口部１１、１２、１３の配列の規則性を説明するための平面模式図。

【図6】本発明の一実施形態におけるセルスタック構造体９の垂直方向に内設される内部共通マニホールド４１、４２、４３の形状を説明する断面図。

【図7】本発明の一実施形態におけるセルスタック構造体９の垂直方向に内設される内部共通マニホールド４１、４２、４３の形状を説明する断面図。

【図8】本発明の一実施形態におけるセルスタック構造体９において面内回転させながら形成される内部共用マニホールド４１、４２、４３の形状を説明する断面図。

【図9】本発明の一実施形態におけるエンドプレート１０１、１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す見取図。

【図10】本発明の一実施形態におけるエンドプレート１０１、１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す断面図。

【図11】本発明の一実施形態におけるエンドプレート１０１、１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す断面図。

【図12】本発明の一実施形態におけるエンドプレート１０１、１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す断面図。

【図13】本発明の実施の形態２に係わるスタック型燃料電池を示す外観図。

【図14】図１３に示した本発明の実施の形態２のスタック型燃料電池からセルスタック構造体９の部分を取り除いた状態を示す外観図。

【図15】本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図。

【図16】本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図。

【図17】本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図。

【図18】本発明の一実施形態の単セル８における流路３１、３２、３３を説明する断面図であって、（Ａ）は、アノード側を流れる燃料流体の流路３１、（Ｂ）は、カソード側を流れる酸化流体の流路３３、（Ｃ）は、隣り合う単セル８のセパレータ間に形成される冷却媒体の流れる流路３２を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

本発明の上述目的、特徴、利点をより明確に分かりやすくするために、これから図面を用いて本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。

【0045】

以下の説明では、本発明を十分に理解するために多くの具体的な詳細が説明されているが、本発明は、ここでの説明と異なる他の方式で実施されてもよいので、以下に開示される具体的な実施形態によって制限されない。

【0046】

本出願及び特許請求の範囲に示されるように、文脈が例外的な状況を明示的に提示しない限り、「一」、「一個」、「一種」、及び／または「該当」などの単語は、特に単数に限らず、複数を含むことができる。一般的に、用語「含む」と「備える」は、明確に識別されたステップ及び要素を単に含むことを示すが、これらのステップ及び要素は、排他的な羅列を構成しない。方法または装置は、他のステップまたは要素を含むこともできる。

【0047】

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。

【0048】

ここでは、本発明のスタック型燃料電池について、図面を参照して、好ましい実施形態を例示して詳細に説明する。なお、以下の説明では、燃料電池を固体高分子型燃料電池とする場合を例に挙げて説明する。なお、本発明の一実施形態に記載された構造部材の材質、サイズ、形状、角度、その相対配置等は、特に特定の記載がない限り、本発明の範囲はこれらの記載に限られない。

【0049】

本発明の一態様によれば、単セルは、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに前記第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、前記単セルは、前記単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、そのうち、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部を前記単セルの中央領域に配置している。

【0050】

端部だけに配置された開口部と比べて、中央領域に配置された開口部は、燃料流体、冷却媒体、酸化流体の単セル内の流れをより均衡させることができる。開口部は中央領域の一部に配置できることが理解できる。本発明の文脈では、用語「中央領域」の範囲は、単セルの中心の小領域に限定されることなく広く理解されるべきである。例えば、中央領域の面積はセルの表面の８０％またはそれ以上に達することができる。

【0051】

実施の一形態によれば、複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部、及び複数の酸化流体用開口部は、単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返される複数の基本単位を形成する。この実施形態では、開口部は中央領域に配置されているだけでなく、中央領域以外のエッジ領域に配置されている。また、単セルは、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を有してもよい。

【0052】

以下、セルスタック構造体９の固体高分子型燃料電池の構成について説明する。

【0053】

図１（Ａ）は、セルスタック構造体９の固体高分子型燃料電池の断面構成を表す模式図の一例である。本発明の実施の一形態におけるスタック型燃料電池は、燃料として純水素やメタノール等、様々な燃料を用いることができる。以下の例では水素を燃料として説明する。

【0054】

セルスタック構造体９は、１つまたは複数の単セル８によって積層されている。図１（Ｂ）は単セル８のラミネート構造を示し、１は電解質膜であり、電解質膜１を挟んで一対の電極触媒層２、３（すなわち、カソード側触媒層と、アノード側触媒層）が配置される。そして、電極触媒層２、３の外側には各々ガス拡散層４、５が配置され、各々ガス拡散層４、５のさらに外側には一対のセパレータ６、７が配置される。膜電極接合体は層１−５から構成されている。

【0055】

電解質膜１とは、プロトン伝導性を有する高分子膜のことであって、電解質が固体であるため蒸発によるロスがないこと、薄膜化が可能なこと、作動温度が低く常温から摂氏９０度付近で作動が可能など優れた特徴がある。作動温度が低いこと、出力密度が高いことは、自動車用途の動力源として有用である。

【0056】

電解質膜１の両側に配置される電極触媒層２、３では、アノード及びカソードの燃料電池反応が起こる。電極触媒層２、３のアノード側では、水素をプロトン及び電子に解離する反応（水素酸化反応）が促進される。電極触媒層２、３のカソード側では、プロトンと電子と酸素から水を作成する反応（酸素還元反応）が促進される。

【0057】

電極触媒層２、３の両側に配置されるガス拡散層４、５は、反応流体（燃料流体、酸化流体）を電極触媒層２、３へ拡散、輸送する役割を担う。発電した電気を集める集電体として機能するのはセパレータ６、７である。以下においては、燃料流体はガス（水素）を例にとり、酸化流体はガス（酸素または空気を含む）を例に説明する。

【0058】

セパレータ６、７とは、アノード反応流体（燃料流体）とカソード反応流体（酸化流体）を分離することからこう呼ばれている。図２で明らかなように、セパレータ６、７のアノード側に燃料流体が流通する第一の流路３１が形成されており、セパレータ６、７のカソード側に酸化流体が流通する第二の流路３３が形成されており、セパレータ６、７の隣接側に冷却媒体が流通する第三の流路３２が形成されている。

【0059】

シール材１９は、各単セル８をシールする機能と、各種流体が流れる流路３１、３２、３３を単セル８に作りこんで、各種流体を単セル８に送り込む機能を担う。セパレータ６、７自身の厚みと各種流体の流路３１、３２、３３の高さを低くすることで実現できる。

【0060】

セルスタック構造体９を構成する単セル８が有する燃料電池発電機能は、図１（Ｂ）及び図２が示すように、７枚の機能層をラミネートした構成により実現される。以下、本発明の実施の一形態におけるスタック型燃料電池の構造について詳述する。単セル８、内部共用マニホールド４１、４２、４３、流路３１、３２、３３、外部共用マニホールド５１、５２、５３からなる４部構成で説明する。外部共用マニホールド５１は、例えば、導管６１、７１を含み、外部共用マニホールド５２は、例えば、導管６２、７２を含み、外部共用マニホールド５３は、例えば、導管６３、７３を含む。同様に、外部共用マニホールド５１Ａは、例えば、導管６１Ａ、７１Ａを含み、これに類推する。

【0061】

（単セル）
次に、本発明に係わる単セル８について、図１〜５に基づいて説明する。

【0062】

本発明の一実施形態の単セル８は、その面内方向であれば、任意に２次元展開できる。「面内方向に任意に２次元展開できる」とは、図３が示すとおり、単セル８の面内方向の有効面積を、必要に応じて自由自在に増大することができるという意味である。単セル８の面内方向の有効面積を増大させた場合、後述する２次元のブラベ格子の対称性を持ったパターンに従って、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成するための開口部１１、１２、１３の数を増やしてもよい。たとえ単セル８の有効面積が拡張しても、単セル８の面内に設けられる開口部１１、１２、１３の寸法は一定であり、あるいは、大きく変化せず、上記有効面積が拡大することに伴って開口部１１、１２、１３の寸法も拡大してしまうようなことはない。なお、「面内方向」とは、単セル８の面に対し、平行方向のことである。因みに、「単セル８の面内方向の有効面積」とは、触媒層２、３の反応面積のことを指している。

【0063】

単セル８の有効面積を変化させることにより、単セル８に含まれる触媒層２、３の面積のみに依存する発電電流を規定されることになるため、スタック型燃料電池の電圧を変えずにスタック型燃料電池から大きな出力電流が得られ、出力密度は発電電圧に依存せずに大きくさせることができる。

【0064】

図１（Ｂ）が示す通り、単セル８は、セパレータ６、７、ガス拡散層４、５、触媒層２、３、電解質膜１、触媒層２、３、ガス拡散層４、５、セパレータ６、７の順で合わせて７枚の機能層でラミネートされている。単セル８の各開口部１１、１２、１３は、それらが所望の接続されている機能層だけと接続されていることが理解できる。例えば、開口部１１は、燃料流体を流すため、ガス拡散層４、５のいずれかにのみ接続される。開口部１３は、酸化流体を流すため、ガス拡散層４、５のうちの他のものとのみ接続される。開口部１２は冷却媒体を流すため、隣接隔壁間の冷却流路のみと接続される。開口部とその通過を望まない層との間には、シール材を一回り設置することができる。

【0065】

上述した単セル８が複数積み重なって、セルスタック構造体９が構成される。セルスタック構造体９とは、単セル８を複数積み重ねてできた燃料電池本体のことである。車両用で数百枚をスタックして用いている。更に、本発明の実施の一形態の単セル８が構成するセルスタック構造体９は、任意に３次元展開することができる。「任意に３次元展開する」とは、図１が示すとおり、単セル８の面内方向に任意に２次元展開できることに加え、単セル８のスタック方向に、単セル８のスタック枚数を自由自在に増やすことができるという意味である。ここでＣ方向の定義は、単セル８の重ねる方向（スタック方向）である。図１の横に引いた点線矢印は、２次元展開の方向を示している。図１の縦に引いた点線矢印は、スタックする方向の展開を表している。

【0066】

また、単セル８がスタックされる枚数を変化させることにより、スタック型燃料電池の出力電圧を決定することができる。

【0067】

ここで、本発明で言及する各種流体について説明する。各種流体とは、スタック型燃料電池を循環する燃料流体、冷却媒体及び酸化流体のことである。外部の流体供給源から送り込まれた各種流体の燃料電池内の具体的な経路は次の通りである。外部ＢＯＰ（後述する）から出力された各種流体の入り口、供給用外部共用マニホールド５１Ａ、５２Ａ、５３Ａ（供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ａ、６２Ａ、６３Ａ及び供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ａ、７２Ａ、７３Ａ）、供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、単セル８（７枚の機能層からなる）、排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂ、排出用外部共用マニホールド５１Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂ（排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ｂ、７２Ｂ、７３Ｂ及び排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ｂ、６２Ｂ、６３Ｂ）、そして外部ＢＯＰへの出口により編成されている。

【0068】

なお、本明細書の目的のために、前述した一連の経路において、セルスタック構造体９に内設される内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８に穿設された切り口を「開口部１１、１２、１３」と呼び、内部共用マニホールド４１、４２、４３と外部共用マニホールド５１、５２、５３との接続部を「接続口２１、２２、２３」と呼ぶことにする。

【0069】

また、単セル８に設けられる開口部１１、１２、１３は、単セル８をスタックして内部共用マニホールド４１、４２、４３が形成される前は、単セル８の一部としてみなされるが、単セル８を重ね合わせてセルスタック構造体９が完成された後には、内部共用マニホールド４１、４２、４３として捉えられると言えるだろう。簡単に言えば、単セル８の開口部１１、１２、１３は、単セル８をスタックした後、内部共用マニホールド４１、４２、４３になるということである。

【0070】

内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８に設けられる開口部１１、１２、１３を形成する製造方法としては機械加工、レーザ加工、エッチング等がある。

【0071】

（内部共用マニホールド）
次に、本発明に係わる内部共用マニホールド４１、４２、４３について、図３〜８に基づいて説明する。

【0072】

複数の単セル８がスタックされて構成されたセルスタック構造体９の内側には、内部共用マニホールド４１、４２、４３が内設される。内部共用マニホールド４１、４２、４３は、外部の供給源から各種流体を燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の流路３１、３２、３３に供給し、使用済みガス及び流体を外部に排出する機能を果たす。各種流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ及び各種流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂは、単セル８の面内方向に対して垂直または鋭角挟みに設けられている。

【0073】

また、燃料流体の内部共用マニホールド４１をなす部分は、燃料流体の供給用接続口２１Ａから、燃料流体の供給用開口部１１Ａ及び燃料流体の排出用開口部１１Ｂを経由し、燃料流体の排出用接続口２１Ｂまでの距離である。冷却媒体の内部共用マニホールド４２をなす部分は、冷却媒体の供給用接続口２２Ａから、冷却媒体の供給用開口部１２Ａ及び冷却媒体の排出用開口部１２Ｂを経由し、冷却媒体の排出用接続口２２Ｂまでの距離である。酸化流体の内部共用マニホールド４３をなす部分は、酸化流体の供給用接続口２３Ａから酸化流体の供給用開口部１３Ａ及び酸化流体の排出用開口部１３Ｂを経由し、酸化流体の排出用接続口２３Ｂまでの距離である。

【0074】

既に説明したとおり、単セル８の面内には２次元のブラベ格子の対称性を有するパターンを基本単位１６としての繰り返しを開口部１１、１２、１３に適用している。内部共用マニホールド４１、４２、４３の数は、一枚の単セル８に設けられた開口部１１、１２、１３の面内の数に対応して形成されているというのは、当然の成り行きである。基本単位１６は、二次元ブラベ格子配列で形成される開口部のパターンの最小繰返し配置周期を有する単位である。

【0075】

上述した「垂直」というのは、内部共用マニホールド４１、４２、４３が、単セル８の面に対して、直角である９０度をなす角度で設けられることであり、「鋭角挟み」というのは、単セル８の面に対して４５度以上９０度未満をなす角度で設けられることである。

【0076】

図３〜５は、面内方向の単セル８の模式図である。それらの図面には、各種流体における内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成するための開口部１１、１２、１３が配列されているのが見て取れる。

【0077】

開口部１１、１２、１３のレイアウトは、２次元のブラベ格子の対称性を持ったパターンで、単セル８の面内に配置される。あるいは、開口部１１、１２、１３のレイアウトは、すこしばかりゆらぎのある２次元のブラベ格子の対称性を持ったパターンで単セル８の面内に配置するのでもかまわない。「ブラベ格子の対称性を持ったパターンで面内に配置する」というのは、図３では、符号「１４」をベクトルＡ、符号「１５」をベクトルＢで表しており、ブラベ格子の２次元展開の基本単位１６は繰り返し単位として扱われるため、対称性を持ったブラベ格子のパターンを適用している限り、図３に示された任意の開口部１１、１２、１３からでも始点として前記基本単位１６をかたどるベクトルＡとベクトルＢを描くことができるという意味である。図３には、ベクトルＡとベクトルＢとを使って表したブラベ格子の２次元展開の基本単位１６が示されている。この例では、基本単位１６は斜方格子をかたどっており、その４本の辺線（ベクトルＡ、Ｂを含む）が囲む内側に位置する開口部１１、１２、１３の数により、基本単位１６が定められる。具体的には、図３の基本単位１６が４本の辺線により包含される領域の内側にかかる開口部１１、１２、１３の数としては、その４本の辺線にかかっている４つの燃料流体の開口部１１は、その内側は２分の１なので、合わせると２つとカウントされる。２本の辺線にかかっている２つの冷却媒体の開口部１２は、その内側は２分の１なので、合わせると１つになり、辺線にかからないところにある冷却媒体の開口部１２が１つあるので、合わせると２つとカウントされる。基本単位１６の４角にある４つの酸化流体の開口部１３は、その内側は４分の１なので、合わせると１つになり、辺線にかからないところにある酸化流体の開口部１３が１つあるので、合わせると２つとカウントされる。辺線にかかる開口部１１、１２、１３と辺線にかからないところにある開口部１１、１２、１３（辺線の内側）を含め、全てをあわせると、２つの燃料流体の開口部１１、２つの冷却媒体の開口部１２、そして２つの酸化流体の開口部１３を全てあわせて６つの開口部により基本単位１６が構成されている。ここで言う「包含」とは、２次元ブラベ格子の基本単位の辺線に囲まれた内側の領域にかかる開口部を含むという意味である。上記以外にも、辺線が６本である２次元ブラベ格子の基本単位１６を適用する六方格子が例としてあげられる。

【0078】

図４、５において、単セル８の発電機能をもたらすためには、図３に示す開口部１１、１２、１３をそれぞれ供給用と排出用に分けて次のように区別する。燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂがある。外部共用マニホールド５１、５２、５３を配列し易くするために、供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａを形成する供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂを形成する排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂのレイアウトは、図４、５に示した通り、２次元展開のブラベ格子の規則性に基づく基本単位１６を用いて繰り返しで構成されている。図４、５に示した「最小発電体１７」とは、燃料電池を機能させるのに最低限必要な供給用及び排出用開口部１１、１２、１３で構成された発電体のことを指している。最小発電体１７には、その４本の辺線に包含された内側の開口部１１、１２、１３の数は、全部で２つ以上の開口部を有し、それぞれ４分の１以上または４分の１未満の燃料流体の供給用開口部１１Ａと、２分の１以上または２分の１未満の冷却媒体の供給用開口部１２Ａと、４分の１以上または４分の１未満の酸化流体の供給用開口部１３Ａと、４分の１以上または４分の１未満の燃料流体の排出用開口部１１Ｂと、２分の１以上または２分の１未満の冷却媒体の排出用開口部１２Ｂと、４分の１以上または４分の１未満の酸化流体の排出用開口部１３Ｂで構成されている。

【0079】

図４、５で明らかなように、最小発電体１７は、周期的に展開できない。最小発電体１７の４本の辺線に包含された内側の開口部１１、１２、１３の数と、基本単位１６に包含された内側の開口部１１、１２、１３の数は、異なっている。しかし、前記基本単位１６と前記最小発電体１７は、幾何学的相似性があり、ともに燃料流体、冷却媒体、酸化流体の供給用と排出用の６種類の開口部を備えている。よって、ブラベ格子の２次元展開の基本単位１６は、理論的に周期性と対称性をより正確に示し、燃料電池の機能を果たす最小発電体１７と対応する。なお、図４、５では、供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの記号は×印で表示され、排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの記号は黒丸印で表示されている。

【0080】

「ゆらぎ」とは、物理学において、広がりまたは強度を持つ量（エネルギー、密度、電圧など）の空間的または時間的な平均値からの変動を指す。ゆらぎの考え方としては、測定値は物理量の値だと素朴に考えられるかもしれないが、実際には、様々な状態が確率的に出現する。よって、物理量のゆらぎの値も様々である。測定値からどの程度ずれているかを示すのがゆらぎである。

【0081】

つまり、単セル８の面内にレイアウト設計される開口部１１、１２、１３の寸法、形状と配列位置は、完璧でなくてもよく、少々ゆらぎのある寸法、形状と位置があっても構わないということである。具体的には、各基本単位の開口部１１のうちで、サイズ、形状、及び／または配置位置に多少の差があっても良いし、同様に、各基本単位の開口部１２のうちで、及び／または各基本単位の開口部１３のうちで、サイズ、形状、及び／または配置位置に多少の差があっても良い。

【0082】

ここで、ブラベ格子の説明をする。結晶は格子と呼ばれる周期的で規則正しい原子配列を持っており、結晶は格子単位（格子点を結んだもののこと）の繰り返しとも言えるであろう。正しく配列している規則性を用いて分類された、格子点群の対称性により分類される格子構造をブラベ格子と呼んでいる。２次元のブラベ格子の分類には、斜方格子、長方格子、六方格子、正方格子、面心長方格子からなる５種類の繰り返しの単位が含まれる。

【0083】

このようなブラベ格子の規則性を有する繰り返しの基本単位１６（図３を参照）を、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３のレイアウト設計に適用させる理由としては、単セル８の全体にわたって各種流体を均一に供給及び排出し、流れの圧力損失を抑えることによる配流性が良くなり、単セル８の面積の有効利用等が挙げられる。

【0084】

なお、図３〜５に示すのは、単セル８の面内方向に配列された、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する開口部１１、１２、１３である。開口部１１、１２、１３の配列の様子を説明している図３〜５では、全ての開口部１１、１２、１３の形状と寸法サイズを同一にして表している。これらは必ずしも同じである必要はない。各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の形状と幅サイズに応じて、各種流体の開口部１１、１２、１３の形状と寸法サイズを、各種流体の流量変化に応じて適切に設定することができる（異なる幅サイズの内部共用マニホールド４１、４２、４３については後述する図６及び７を参照）。なお、図面では、作図の都合上、開口部１１、１２、１３の形状が丸みを帯びた矩形で表されているが、実際はその他の形状でもよいし、それらの異なる形状の組み合わせでもよい。

【0085】

ここで、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３の配列の規則性を示す一例について、図３、４を参照しながら具体的に述べる。

【0086】

図３で示すとおり、各種流体用の開口部１１、１２、１３の配列の基本単位１６が、ブラベ格子の各種パターンに準じて２次元展開されている。図３は、単セル８の面内方向の模式図であり、ブラベ格子の斜方格子のパターンの規則性を例証している。

【0087】

また、図４で示す通り、単セル８の面内に対して垂直または鋭角挟みに設けられる各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する開口部１１、１２、１３には、３種類の流体（燃料流体、冷却媒体または酸化流体）の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと、３種類の流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが、流路３１、３２、３３に沿って最も近く対向する位置にある。具体例を挙げると、図４では、酸化流体の供給用開口部１３Ａと、酸化流体の排出用開口部１３Ｂとが、単セル８の酸化流体の流路方向に沿って最隣接に設置されているのが見て取れる。最隣接に設置すれば、同種類（この場合、酸化流体）の流体の流れが途中で途絶えることがないため、燃料電池の反応をより良く促進させるのに効果的である。すべての触媒反応面積を最大利用するため、触媒反応面積を無駄にしない。

【0088】

ここで、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３の配列の規則性を示すもう１つの例について、図４を参照しながら具体的に述べる。

【0089】

図４が更に示すのは、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂとを混在させた例である。これらの開口部１１、１２、１３を含むＦ列とＧ列は、互いに補完関係にある。つまり１つのＦ列またはＧ列のいずれかにおいて、同じ種類の流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａまたは１３Ａと同じ種類の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂまたは１３Ｂとが同じ列には共存しない。これにより、単セル８の流路３１、３２、３３の交差方向（図３のＢ方向）には、一列に同じ種類の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、または同じ種類の流体を配置する開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂのみが配置されているので、内部共用マニホールド４１、４２、４３は外部共用マニホールド５１、５２、５３と接続しやすい。

【0090】

この点について具体例をあげて説明する。Ｆ列に燃料流体の排出用開口部１１Ｂを配列すれば、燃料流体の供給用開口部１１Ａは隣接する別のＧ列に配列される。Ｆ列に冷却媒体の供給用開口部１２Ａを配列すれば、冷却媒体の排出用開口部１２Ｂは隣接する別のＧ列に配列される。Ｆ列に酸化流体の供給用開口部１３Ａを配置すれば、酸化流体の排出用開口部１３Ｂは隣接する別のＧ列に配列される。

【0091】

更に、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３の配列の規則性を示す他の例について、図５を参照しながら具体的に述べる。

【0092】

図５が示すのは、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａまたは各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂのいずれかを単セル８の面内方向のＪ列またはＫ列に配列させた例である。供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａあるいは排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂのみが同じ列に構成され、構成された列が流路方向（Ａ方向）に交互的に配列している。すなわち、供給専用のＪ列と排出専用のＫ列が交互に配列されている。このような結晶学的パターンを利用して、内部共用マニホールド４１、４２、４３を各流体の列単位で設計すると、外部共用マニホールド５１、５２、５３が配置しやすい。

【0093】

繰り返しになるが、図３〜５で示した通り、単セル８の面内方向にレイアウトされる開口部１１、１２、１３は、上述した対称の２次元ブラベ格子を有するパターンを適用し周期性のある２次元配列で設計される。つまり、２次元ブラベ格子の対称性を有するパターンを繰り返し単位とした周期性のある正しい規則性で配列される。あるいは、ブラベ格子の対称性を有するパターンを、少しばかりゆらぎのある周期性を有する２次元配列で開口部１１、１２、１３を設計することができる。

【0094】

また、ブラベ格子の対称性のパターンには、５種類（斜方格子、長方格子、六方格子、正方格子、面心長方格子）あるため、本発明の実施の一形態は、図３〜５で説明した事例に限られるものではないということは、言うまでもない。

【0095】

既に述べたとおり、前述した開口部１１、１２、１３のレイアウトに基づいて、関連する開口部１１、１２、１３同士を重ね合わさせてゆくと、その結果として、図６、７が示すような形状を持つ内部共用マニホールド４１、４２、４３が形成される。そのようにして形成された内部共用マニホールド４１、４２、４３は、各単セル８をスタックし、その上下の位置関係にある単セル８の開口部１１、１２、１３同士が同じ形状とサイズであれば、相互の整合性が取れた直線または曲線上に結合させることによって得ることができる。更に、上述した形状を持つ内部共用マニホールド４１、４２、４３は、上下の位置関係にある単セル８の開口部１１、１２、１３同士が少しずれた形状とサイズを持つ場合には、上下隣接開口部が非整合になるものの、直線または曲線上で結合されるので、問題なく連通する。これらの実施の形態は、燃料電池の形状に一定の柔軟性を与え、燃料電池の小型化を実現することができる。つまり、上記のように、単セル８の拡がる面内方向に設けられた開口部１１、１２、１３は、単セル８の拡がる面内に垂直方向または鋭角挟み方向に沿って整合性を得るように結合しても良いし、整合性を持たないように結合しても良い。この配置では，種々の流体の流れを改善する効果が得られた。

【0096】

なお、ここで言う「整合性」とは、第１の単セル８と第２の単セル８それぞれに設けられた開口部１１、１２、１３は同じ形状とサイズで結合することであり、結果的には、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３は、直線状または曲線状マニホールドであっても、その断面の幅サイズが、管全体にわたって同じになる。（図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照）。

【0097】

図３、４、５に例示する各種流体の開口部１１、１２、１３が設けられた単セル８を、単セル８の垂直方向に重ねていった場合、図６に示すような整合性のとれた内部共用マニホールド４１、４２、４３を形成することができる。図６（Ａ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３が、単セル８に対して垂直方向を相互に平行しており、整合がとれている事例である。図６（Ｂ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３が、単セル８に対して鋭角挟みの方向で相互に平行しており、整合性がとれている事例である。図６（Ｃ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３が、単セル８に対して鋭角挟みの方向で相互に非平行であり、整合性がとれている事例である。

【0098】

更に、「非整合性」とは、第１の単セル８と第２の単セル８それぞれに設けられた開口部１１、１２、１３は多少ずれた形状とサイズで結合することであり、結果的には、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３は、直線状または曲線状マニホールドであってもその断面の幅サイズが、管全体にわたって変化する。（図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）を参照）。

【0099】

図３、４、５に示す開口部１１、１２、１３が設けられた単セル８を垂直方向に重ねていった場合、図７が示すような整合性がとれていない（非整合性）内部共用マニホールド４１、４２、４３を形成することもできる。図７（Ａ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の流れが同方向であり、それら内部共用マニホールド４１、４２、４３の中心線が互いに平行配置された例である。図７（Ｂ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の流れが非同方向であり、それら内部共用マニホールド４１、４２、４３の中心線が互いに非平行配置された例である。図７（Ｃ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の流れが非同方向であり、それら内部共用マニホールド４１、４２、４３の中心線が平行配置された例である。図７（Ｄ）は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の流れが非同方向であり、それら内部共用マニホールド４１、４２、４３の中心線が平行配置された例である。図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のすべてのケースにおいて、内部共用マニホールド４１、４２、４３は、単セル８に対して、垂直または鋭角挟みに設けられている。図７（Ｂ）、（Ｃ）は、内部共用マニホールド４１、４２、４３がコンパクトに配置された例である。

【0100】

図７に示す内部共用マニホールド４１、４２、４３は、先が狭まったノズルの形状をしている。つまり、内部共用マニホールド４１、４２、４３の入り口付近の幅サイズは、それら出口付近の幅サイズより、大きくしてある。図６で示された内部共用マニホールド４１、４２、４３の幅サイズが均等である通常の形状では、流れは入口から距離がかさむことにつれ、運動エネルギー損失が大きくなり速度が遅くなる傾向にある。出口付近の幅サイズを狭めることにより、流体エネルギーと圧力を犠牲にする代わり、運動エネルギーを高め、流れを弱めることなく、単セル８に各種流体を供給することができる。

【0101】

図８が示すのは、単セル８の面内を螺旋状に回転するよう重ねていった結果形成される内部共用マニホールド４１、４２、４３である。単セル８をセルスタック構造体９の垂直方向に重ねる時、次のシナリオにて内部共用マニホールド４１、４２、４３が形成される。隣接する単セル８間の面内配置の回転角度がゼロの場合と、所定の角度を持って回転される場合とがある。「回転角度がゼロ」というのは、回転させない完璧なアライメントで単セル８を重ねることである。「所定の角度を持って回転される場合」には、図２、図４、図５に基づいて、本発明に係る流路３１、３２、３３を説明する。これにより、内部共用マニホールド４１、４２、４３の各種流体の流れが改善される。

【0102】

（流路）
上述したとおり、単セル８はスタックされているので、その両側には、図２で詳しく示したとおり、同様の単セル８が隣接している。単セル８のアノード側には、セパレータ６、７とガス拡散層４、５の間に、ガス拡散層４、５を浸透する燃料流体が流通する流路３１が設けられ、単セル８のカソード側には、セパレータ６、７とガス拡散層４、５の間に、ガス拡散層４、５を浸透する酸化流体が流通する流路３３が設けられ、単セル８間には、冷却媒体が流れる流路３２が設けられる。なお、図４及び５には、各開口部１１、１２、１３のＢ方向に沿った列の間には、各種流体が流れる流路３１、３２、３３の軌跡が示されている。流路はＡ軸の２方向に流れる。

【0103】

図１８が示す通り、各種流体の単セル８への供給及び排出は、シール材１９により制御されている。各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの近傍にシーリングを施している。つまり、該当する流体とは無関係の開口部が塞がれ、該当する流体が無関係の流路へ流れ込まないようになっている。つまり、シール材１９の役割は、各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３を、単セル８内及び単セル８間の各種流体にそれぞれ該当する流路３１、３２、３３につなぎ、各種流体を互いに干渉せずそれぞれ供給及び排出できるようにすることである。なお、図１８に記載の実線矢印が表すのは、各種流体の流れ方向である。

【0104】

図１８（Ａ）には、燃料流体が流通する流路３１が示されており、そこでは燃料流体を単セル８に供給及び排出するため、冷却媒体の流路３２の入り口となる供給用開口部１２Ａ、出口となる排出用開口部１２Ｂ（図１８（Ｃ））、そして酸化流体の流路３３の入り口となる供給用開口部１３Ａ、出口となる排出用開口部１３Ｂ（図１８（Ｂ））が全てシール材１９によって塞がれ、冷却媒体及び酸化流体が燃料流体の流路３１に流入しないようにする。

【0105】

図１８（Ｂ）には、酸化流体が流通する流路３３が示されており、そこでは酸化流体を単セル８に供給及び排出するため、燃料流体の流路３１の入り口となる供給用開口部１１Ａ、出口となる排出用開口部１１Ｂ（図１８（Ａ））、及び冷却媒体の流路３２の入り口となる供給用開口部１２Ａ、出口となる排出用開口部１２Ｂ（図１８（Ｃ））が全てシール材１９によって塞がれ、燃料流体及び冷却媒体が酸化流体の流路３３に流入しないようにする。

【0106】

図１８（Ｃ）には、冷却媒体が流通する流路３２が示されており、そこでは冷却媒体を単セル８の間に循環させるため、燃料流体の流路３１の入り口となる供給用開口部１１Ａ、出口となる排出用開口部１１Ｂ（図１８（Ａ））、及び酸化流体の流路３３の入り口となる供給用開口部１３Ａ、出口となる排出用開口部１３Ｂ（図１８（Ｂ））が全てシール材１９によって塞がれ、燃料流体及び酸化流体が冷却媒体の流路３２に流入しないようにする。

【0107】

図１８（Ａ）は、燃料流体が流れる流路３１及び燃料流体供給用開口部１１Ａと排出用開口部１１Ｂの封止部位を示している。流路３１上の開口部１１Ａ、１１Ｂに封止せずに接続し、流路３２と流路３３上の開口部１１Ａ、１１Ｂに封止することで、単セル８に対する燃料流体の供給と排出を実現する。燃料流体の流れる経路は、次の順となる。すなわち、供給用内部共用マニホールド４１Ａ、供給用開口部１１Ａ、流路３１、排出用開口部１１Ｂ、排出用内部共用マニホールド４１Ｂである。その結果として、供給された燃料流体がアノード側ガス拡散層４を経由しアノード触媒層２に到達できたことで、燃料流体から電子が離れ水素酸化反応が促進され、電子が外部回路に移動し、単セル８が発電する。

【0108】

図１８（Ｂ）は、酸化流体が流れる流路３３及び酸化流体供給用開口部１３Ａと排出用開口部１３Ｂの封止部位を示している。流路３３上の開口部１３Ａ、１３Ｂに封止せずに接続し、流路３１と流路３２上の開口部１３Ａ、１３Ｂに封止することで、単セル８に対する酸化流体の供給と排出を実現する。酸化流体の流れる経路は、次の順となる。すなわち、供給用内部共用マニホールド４３Ａ、供給用開口部１３Ａ、流路３３、排出用開口部１３Ｂ、排出用内部共用マニホールド４３Ｂである。その結果として、供給された酸化流体がカソード側のガス拡散層５を経由し、カソード触媒層３に到達できたことで、プロトンと電子と酸素から水を作成する酸素還元反応が促進され、単セル８が発電する。

【0109】

図１８（Ｃ）は、冷却媒体が流れる流路３２及び冷却媒体供給用開口部１２Ａと排出用開口部１２Ｂの封止部位を示している。流路３２上の開口部１２Ａ、１２Ｂに封止せずに接続し、流路３１と流路３３上の開口部１２Ａ、１２Ｂに封止することにより、単セル８間を冷却媒体が循環することを実現する。冷却媒体の流れの経路は、次の順である。すなわち、供給用内部共用マニホールド４２Ａ、供給用開口部１２Ａ、流路３２、排出用開口部１２Ｂ、排出用内部共用マニホールド４２Ｂである。

【0110】

（外部共用マニホールド）
次に、本発明に係わる外部共用マニホールド５１、５２、５３について、図９〜１２に基づいて説明する。なお、図３〜１２に記載の点線矢印が表すのは、作図の都合上、「繰り返し部分」を省略した箇所であるが、その繰り返し部分が無限に続くという意味合いを含むものではない。また、図９〜図１２で図解する外部共用マニホールド５１、５２、５３に表現された波状の輪郭線は、省略部分を切り取った状態を表している。

【0111】

セルスタック構造体９の両端は、エンドプレート１０１（第１のエンドプレート）、１０２（第２のエンドプレート）によって挟み込まれている。そのエンドプレート１０１、１０２には、各種流体の供給用外部共用マニホールド５１Ａ、５２Ａ、５３Ａ及び排出用外部共用マニホールド５１Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂが設けられている。つまり、全部で６種類の外部共用マニホールド５１、５２、５３が、エンドプレート１０１、１０２に設けられることになる。すなわち、エンドプレート１０１、１０２には、燃料流体の供給用外部共用マニホールド５１Ａ及び燃料流体の排出用外部共用マニホールド５１Ｂ、冷却媒体の供給用外部共用マニホールド５２Ａ及び冷却媒体の排出用外部共用マニホールド５２Ｂ、酸化流体の供給用外部共用マニホールド５３Ａ及び酸化流体の排出用の外部共用マニホールド５３Ｂが設けられる。前記エンドプレート１０１、１０２は、単セル８をスタックする上下両方向からセルスタック構造体９を締め付け、電極の集電板機能を有する。エンドプレート１０１、１０２に設置する外部共用マニホールド５１、５２、５３は、スタックされた単セル８の機能層に各種流体を流通させる機能を果たす。本実施の一形態では、エンドプレート１０１、１０２が外部共用マニホールド５１、５２、５３の役割を兼ね備えていると考えてよい。

【0112】

既に説明したとおり、単セル８の面内には、２次元ブラベ格子の規則性を有する基本単位１６が、繰り返しで開口部１１、１２、１３に適用されている。内部共用マニホールド４１、４２、４３は、一枚の単セル８に設けられた開口部１１、１２、１３の数に対応して、基本単位１６で繰り返し形成されているということは、当然の成り行きである。更に、内部共用マニホールド４１、４２、４３と外部共用マニホールド５１、５２、５３が接続口２１、２２、２３を経由してつながっているため、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３（第一の導管）も、一枚の単セル８に設けられた開口部１１、１２、１３の数と、内部共用マニホールド４１、４２、４３の数に対応して、ブラベ格子の規則性を有する基本単位１６を繰り返し形成されているということは、当然の成り行きである（図９〜１２を参照）。

【0113】

例外的に２次元ブラベ格子の規則性を有する基本単位１６が適用されていないのは、後述する外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３（第二の導管）である。ブラベ格子の規則性を有する基本単位１６が適用されている各種流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、ブラベ格子の規則性を有する基本単位１６が適用されていない外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３を貫通している。

【0114】

図９（Ａ）〜１２（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１、１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図である。図９（Ａ）〜１２（Ａ)で明らかなように、外部共用マニホールド５１、５２、５３には、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３がＢ方向に沿って設けられている。また、外部共用マニホールド５１、５２、５３には、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３がＣ方向に沿って設けられる。図９〜１２は、図４の単セル８の面内に対して形成された開口部１１、１２、１３の配列規則性を説明する模式図に基づいている。

【0115】

ＢＯＰとは、Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔの略であって、燃料や空気を供給するポンプや発電をコントロールする電気回路などの発電補助機器の総称である。改良器、ブロア、昇圧器、加湿器、熱交換器、直流交流変換機などの発電システムの周辺機器を指している。

【0116】

前記外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３は、単セル８内の燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の流路３１、３２、３３に交差するＢ方向に沿って延設されている。Ｂ方向は、開口部１１、１２、１３からなるＦ列とＧ列の配列（図４）と同方向である。各種流体用の前記外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３が互いに接触しないよう平行または準平行に設けられる。

【0117】

「準平行に設けられる」というのは、Ｂ方向からずれて斜設しているという意味であり、これは斜め加工した結果でもある。それぞれ外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３が準平行に設けられ、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３との接続が調整され、流れやすくなる場合がある。

【0118】

前記内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、前記内部共用マニホールド４１、４２、４３を延長させるよう、前記単セル８のスタック方向に沿うように延設されている。それら内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３が互いに接触しないよう平行または準平行に設けられる。

【0119】

なお、図９〜１２に図示された例では、各種流体用の外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３は、相互に平行に設けられている。また、各種流体用の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、相互に平行に設けられている。そして、各種流体用の外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３と内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３とが、９０度の角度で直交している例が描写されているものの、本発明の実施の一形態は、この例に限るものではない。交差する角度としては、例えば、１度以上９０度未満の範囲で設定することができる。

【0120】

図９（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示した立体図である。

【0121】

図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３と一致する接続口２１、２２、２３の配列を示す模式図である。具体的には、図９（Ｃ）における燃料流体の供給用接続口２１Ａ及び燃料流体の排出接続口２１Ｂ、冷却媒体の供給用接続口２２Ａ及び冷却媒体の排出用接続口２２Ｂ、そして酸化流体の供給用接続口２３Ａ及び酸化流体の排出用接続口２３Ｂは、図９（Ａ）に示す内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３に対応する。図９（Ａ）の上向き矢印は、セルスタック構造体９への供給方向を指しており、図９（Ｃ）の×印で表した各種流体の供給用接続口２１Ａ、２２Ａ、２３Ａに対応する。図９（Ａ）の下向き矢印は、セルスタック構造体９からの排出方向を指しており、図９（Ｃ）の黒丸印で表した各種流体の排出用接続口２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂに対応する。図９（Ｃ）で示したＴ−Ｔ’は、図９（Ｂ）のエンドプレート１０１、１０２の投影図の向きを示している。

【0122】

図９（Ｂ）は、エンドプレート１０１、１０２に各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が形成された時の投影図である。図９（Ｃ）のＴ−Ｔ’側から見た投影図によれば、実際に見えている辺を実線で表し、見えない辺を破線で補っている。この投影図から、外部共用マニホールド５１、５２、５３が互いに干渉しないようにするため、前記内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３のＡ軸の２方向に伸びる幅サイズは、前記エンドプレート１０２を第１のゾーン５１１、第２のゾーン５２２、第３のゾーン５３３に分けて、階段的に変えて設けられている。前記Ａ軸の２方向にのびる幅サイズを、セルスタック構造体９から最も遠く離れた位置である第１のゾーン５１１から、中間位置である第２のゾーン５２２を経由し、セルスタック構造体９に最も近い位置である第３のゾーン５３３まで、ゾーンごとにＡ軸の２方向に階段的に広くしている。なお、各ゾーンの位置関係を図９（Ｂ）の右端に示す。更に、前記冷却媒体の外部ＢＯＰに接続する導管６２は、前記第１のゾーン５１１に位置する燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１の幅サイズを基準ラインとして設定し、Ａ軸の２方向に沿ってセットバックされ、前記酸化流体の外部ＢＯＰに接続する導管６３は、前記第２のゾーン５２２に位置する冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７２の幅サイズを基準ラインとして設定し、Ａ軸の２方向に沿ってセットバックされる。

【0123】

図９（Ｂ）で示した通り、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び前記内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、相互に垂直に接続されている。燃料流体の供給用内部共用マニホールドに接続する導管７１Ａは、第１のゾーン５１１に位置する燃料流体の供給用外部ＢＯＰに接続する導管６１Ａの中央に貫通する。次に、冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ｂは、第２ゾーン５２２に位置する冷却媒体の排出用外部ＢＯＰに接続する導管６２Ｂの端部に貫通する。更に、酸化流体の排出用内部共用マニホールドに接続する導管７３Ｂは、第３ゾーン５３３に位置する酸化流体の排出用外部ＢＯＰに接続する導管６３Ｂの端部に貫通する。なお、図示していないが、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び前記内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、相互に鋭角挟みに接続されてもよい。また、図示していないものの、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３の略中央、あるいは、略端部、あるいは、両者の間にて貫通させてもよい。

【0124】

外部共用マニホールド５１、５２、５３の断面積は、上述した各種流体の流量変化に応じて、適切に定めることが好ましい。燃料流体は、流れの途中において消費されるので、流量変化がある。流量変化の著しい燃料流体の外部共用マニホールド５１では、燃料流体は流れの途中において全組成が消費できるものの、流れ速度が早いので、一定気圧で供給できるように外部共用マニホールドの断面積を小さく設定するのがよい。冷却媒体は発電時において消費されない。流量変化のない冷却媒体は、その冷却効率を上げるため、且つ、冷却媒体用の外部共用マニホールド５２の両面側から冷却効果を発揮させるため、燃料流体用の外部共用マニホールド５１と酸化流体用の外部共用マニホールド５３との間に冷却媒体用の外部共用マニホールド５２を設置させるのが好ましい。外部共用マニホールドの表面積が大きいほど、冷却効果が高くなるので、その断面積は大きめに設定するのがよい。酸化流体の外部共用マニホールド５３では、全成分の一部である酸素は消費されるものの、主成分の流体は消費されないことから、燃料流体の外部共用マニホールド５１と比べると反応による減少量は少ない。酸素含量の少ない酸化流体を適切に供給するには、酸化流体の外部共用マニホールド５３の断面積は大きめに設定するのがよい。

【0125】

前記セルスタック構造体９の両側にはエンドプレート１０１、１０２があるため、各種流体の供給用外部共用マニホールド５１Ａ、５２Ａ、５３Ａ及び各種流体の排出用外部共用マニホールド５１Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂを、片側にある１つのエンドプレート１０２に設けることもできるし、あるいは、両側にあるエンドプレート１０１、１０２に分けて設けてもよい。具体例としては、エンドプレート１０１に燃料流体の供給用外部共用マニホールド５１Ａ及び燃料流体の排出用外部共用マニホールド５１Ｂを設け、エンドプレート１０２に冷却媒体の供給用外部共用マニホールド５２Ａ及び冷却媒体の排出用外部共用マニホールド５２Ｂと、酸化流体の供給用外部共用マニホールド５３Ａ及び酸化流体の排出用外部共用マニホールド５３Ｂとを設けてもよい。

【0126】

図１０（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す立体図である。図１０（Ｂ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ｂと燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ｂとの継ぎ、及び、酸化流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ｂと酸化流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ｂとの継ぎが形成された様子を示す断面図Ｐ−Ｐ’である。セルスタック構造体９から最も離れた位置にある第１のゾーン５１１において、燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ｂは、冷却媒体と酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７２、７３の幅サイズと比較して最も小さく、燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ｂに貫設する。セルスタック構造体９から最も近い位置にある第３のゾーン５３３において、酸化流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ｂは、燃料流体と冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２の幅サイズと比較して最も大きく、酸化流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ｂに貫設する。

【0127】

図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３と一致する接続口２１、２２、２３の配列を示す模式図である。図１０（Ｃ）における燃料流体の供給用接続口２１Ａ及び燃料流体の排出接続口２１Ｂ、冷却媒体の供給用接続口２２Ａ及び冷却媒体の排出用接続口２２Ｂ、そして酸化流体の供給用接続口２３Ａ及び酸化流体の排出用接続口２３Ｂは、図１０（Ａ）に示す内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３に対応する。図１０（Ａ）の上向き矢印は、セルスタック構造体９への供給方向を指しており、図１０（Ｃ）の×印で表した各種流体の供給用接続口に対応する。図１０（Ａ）の下向き矢印は、セルスタック構造体９からの排出方向を指しており、図１０（Ｃ）の黒丸印で表した各種流体の排出用接続口に対応する。図１０（Ｃ）で示すＰ−Ｐ’は、図１０（Ｂ）の断面の切断位置である。

【0128】

図１１（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す立体図である。図１１（Ｂ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ａと冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ａとの継ぎ、及び、冷却媒体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ｂと冷却媒体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ｂとの継ぎが形成された様子を示す断面図Ｑ−Ｑ’である。セルスタック構造体９から中間位置にある第２のゾーン５２２において、冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ａの幅サイズは、燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１の幅サイズより大きく、酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７３の幅サイズより小さく、冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ａに貫設する。Ａ軸の２方向に隣接する冷却媒体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ｂの幅サイズは、燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１の幅サイズより大きく、酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７３の幅サイズより小さく、冷却媒体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ｂに貫設する。

【0129】

図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３と一致する接続口２１、２２、２３の配列を示す模式図である。図１１（Ｃ）で示すＱ−Ｑ’は、図１１（Ｂ）の断面の切断位置である。なお、図１０（Ａ）〜（Ｃ）の内容と重複する部分には、同一の符号を付して、その説明は一部省略する。

【0130】

図１２（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を部分的に示す立体図である。図１２（Ｂ）は、本発明の実施の一形態におけるエンドプレート１０１または１０２に、酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ａと酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ａとの継ぎ、及び、燃料流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ａと燃料流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ａとの継ぎが形成された様子を示す断面図Ｒ−Ｒ’である。セルスタック構造体９から最も離れた位置にある第１のゾーン５１１において、燃料流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ａの幅サイズは、冷却媒体と酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７２、７３の幅サイズと比較して最も小さく、燃料流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ａに貫設する。セルスタック構造体９から最も近い位置にある第３のゾーン５３３において、酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ａの幅サイズは、燃料流体と冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２の幅サイズと比較して最も大きく、酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ａに貫設する。

【0131】

図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）の内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３と一致する接続口２１、２２、２３の配列を示す模式図である。図１２（Ｃ）で示すＲ−Ｒ’は、図１２（Ｂ）の断面の切断位置である。なお、図１０（Ａ）〜（Ｃ）の内容と重複する部分には、同一の符号を付して、その説明は一部省略する。

【0132】

既に述べた通り、本明細書において、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３と各種流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３の接続点を「接続口２１、２２、２３」と呼んでいる。外部共用マニホールド５１、５２、５３と干渉させないように、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３の幅サイズを変化させて設ける必要があるので、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３の幅サイズは、内部共用マニホールド側の構造である接続口２１、２２、２３の幅サイズと一致しない場合がある。従って、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、接続口２１、２２、２３との連接部７１１、７１２、７１３の形状を変化させ、両者間の形状とサイズを一致させる必要がある。図９（Ｂ）が示すように、燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１の幅サイズは、冷却媒体と酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７２、７３より幅サイズが最も小さいので、連接部７１１に向かって勾配面を長くし、勾配面の傾斜角度αが９０度以下であり、Ｂ軸の左右２箇所に設けている。図９（Ｂ）が示すように、冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７２の幅サイズは、燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１の幅サイズより大きく、酸化流体の内部共用マニホールドに接続する７３の幅サイズより小さいので、連接部７１２に向かって勾配面を適切に設定し、勾配面の傾斜角度αが９０度以下であり、Ｂ軸の左右２箇所に設けている。図９（Ｂ）が示すように、酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７３の幅サイズは、冷却媒体と燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７２、７１より幅サイズが大きいので、連接部７１３の勾配面は設けず、接続口２３に直接連接させる。但し、上述した内容は一例に過ぎず、必ずしもそうとは限らない。あるいは、傾斜させずに、上記連接部を丸まった形状あるいは角ばりのある形状にし、内部共用マニホールド４１、４２、４３につなぐことができる。

【0133】

以下に、本発明の実施の形態１、２を図１〜１８に基づいて説明するが、本発明は、実施の形態１、２のみに限定されるものではない。

【0134】

（実施の形態１）
図１〜１８を用いて、本前文で述べた構成概念に基づいて、実施の形態１におけるスタック型燃料電池について説明する。

【0135】

既に述べた通り、電解質膜１の両面に、２つの電極触媒層２、３を配置し、それら２つの電極触媒層２、３の外側にガス拡散層４、５を配置し、更に、それらを狭持する一対のセパレータ６、７からなる本発明の一形態である単セル８を作製することができる。言い換えれば、燃料電池発電機能を有するのは、本発明の実施の一形態の単セル８である。図２に、単セル８内の各層と複数の単セル８の間を流れる流体（燃料流体の流路３１、冷却媒体の流路３２、酸化流体の流路３３）を示す。

【0136】

また、図１（Ｂ）が示すのは、セパレータ６、７、ガス拡散層４、５、触媒層２、３、電解質膜１、触媒層２、３、ガス拡散層４、５、セパレータ６、７の順で合わせて７層でラミネートされており、現在において通常使われている燃料単セルの厚みよりも薄厚で作成することのできる単セル８である。

【0137】

固体高分子電解質膜１は、一般的に、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜に大別することができる。フッ素系高分子電解質膜としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、ＤｕＰｏｎｔ社製）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭硝子社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマーなどからなる高分子膜が挙げられる。

【0138】

一方、炭化水素系高分子電解質膜には、全フッ素化、部分フッ素化、炭化水素系の３タイプがある。

【0139】

本発明では、固体高分子電解質膜１としては、フッ素系及び炭化水素系のどちらも好ましく用いることができる。また、１種類の電解質を単独で用いても、２種類以上を複数あわせて用いてもよい。また、フッ素系と炭化水素系の共重合体構造や支持膜への細孔フィリング膜などを用いてもよい。

【0140】

ガス拡散層は、支持層と支持層よりも平均細孔径が小さいマイクロポーラス層との二層によって構成されていて、支持層は１００ｎｍ以上９０μｍ以下の細孔径分布を有する導電性の炭素基材で構成されることが好ましい。例えば、撥水処理が施されたカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン不織布等を用いることができる。

【0141】

セパレータとしては、例えば、アルミ、銅、ステンレスなど様々な金属シート、金属箔、金属薄膜などを用いることができる。このような金属シート、金属箔、金属薄膜は耐腐食性と機械強度を持つ導電性材料からなることが好ましい。さらに、前記金属シート、金属箔、金属薄膜は、表面塗布、コーティング及び表面物理化学処理により耐腐食性、機械強度及び導電性がより高くなることがより好ましい。セパレータには流路が設けられており、流路は凸部と凹部から構成されるチャネルであり、その製造方法には、塗装、印刷、エッチング、プレス加工や切削加工等がある。

【0142】

触媒層には、カソード触媒層とアノード触媒層があり、触媒担持カーボンブラックと白金などの触媒粒子からなる。カソード触媒層は、酸素還元反応（プロトンと電子と酸素とから水を生成する反応）を促進し、アノード触媒層は、水素酸化反応（水素をプロトン及び電子に解離する反応）を促進する。

【0143】

車両搭載用の燃料電池では、以上のように作製された単セル８を数百枚積載して用いている。個々の単セル８には、２次元ブラベ格子の基本単位１６に準じて開口部１１、１２、１３が設けられており、開口部１１、１２、１３の近傍にシーリング処理を施しており、複数の単セル８をスタックする処理に従って開口部１１、１２、１３が重ね合わせられ、その結果としてセルスタック構造体９の内側に内部共用マニホールド４１、４２、４３が内設される。内部共用マニホールド４１、４２、４３の具体的な構造とその仕組みの詳細については、本前文の「内部共用マニホールド」部分を参照できる。このような単セル８に設けられる開口部１１、１２、１３を形成する方法としては、機械加工、レーザ加工、エッチング等がある。開口部１１、１２、１３の近傍のシーリング処理方法では、各種有機密封材料、無機密封材料あるいは有機と無機混合密封材料を用いることができ、または、機械加工、レーザ加工、エッチング等で加工後に密封接着処理を施してもよい。

【0144】

上述した方法により、開口部１１、１２、１３は単セル８に設けられ、そして単セル８が一枚一枚重ね合わさることにより、セルスタック構造体９の内側に、図６及び図７で示したような内部共用マニホールド４１、４２、４３が内設される。内部共用マニホールド４１、４２、４３を流れる各種流体は、それぞれの供給開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂを経由して、単セル８へ供給、そして排出される。図１８で既に述べた通り、各種流体の単セル８への供給と排出の流れは、シール材１９によって制御される。図３〜５で示した２次元ブラベ格子の規則性を有する繰り返しの基本単位１６を、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３のレイアウト設計に適用させることにより、内部共用マニホールド４１、４２、４３を流通する各種流体の流れが促進される。また、単セル８の触媒層の有効面積を最大限に利用することが可能となる。

【0145】

次に、上述したように形成された内部共用マニホールド４１、４２、４３は、接続口２１、２２、２３を経由して、外部共用マニホールド５１、５２、５３に接続される。図９（Ａ）〜１２（Ａ）で明らかなように、外部共用マニホールド５１、５２、５３には、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３がＢ方向に設けられている。

【0146】

また、外部共用マニホールド５１、５２、５３には、内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３がＣ方向に設けられている。

【0147】

図９（Ｂ）が示すとおり、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び前記内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、相互に垂直に接続されている。内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３は、外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３の中央部または端部に貫通する。

【0148】

上述のように、内部共有マニホールドに接続する導管７１、７２、７３を外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３に貫通させる効果は、各種流体の乱流防止である。外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３は、３種の供給口及び排出口として同じエンドプレート１０１、１０２に設置することができる。

【0149】

外部共用マニホールド５１、５２、５３の具体的な構造とその仕組みの詳細については、本前文の「外部共用マニホールド」部分を参照できる。

【0150】

外部共用マニホールド５１、５２、５３に内設される外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３の形状の製造方法としては、例えば、切削加工がある。あるいは、金型加工または３Ｄプリンターを用いて外部共用マニホールド５１、５２、５３を、エンドプレート１０１、１０２のブロックに作成することも可能である。

【0151】

（実施の形態２）
次に、図１３〜１７を用いて、実施の形態２におけるスタック型燃料電池について説明する。

【0152】

図１３は、実施の形態２に係わるスタック型燃料電池を示す外観図である。

【0153】

図１４は、図１３に示した本発明の実施の形態２のスタック型燃料電池のセルスタック構造体９の部分を取り除いた状態を示すエンドプレート１０２の外観図である。図１５は、本発明の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図である。図１６は、本発明の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図である。図１７は、本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、各種流体の外部共用マニホールド５１、５２、５３が内設された様子を示す立体断面図である。なお、図１〜１２及び１８に示される部材と共通する部材には同一の記号を付して、その説明は一部省略する。

【0154】

図１３〜１７に示す実施の形態２においては、内部共用マニホールド４１、４２、４３と外部共用マニホールド５１、５２、５３にエッジ構造が施されている点が主に異なり、他の構成については、図１〜１２及び１８に示す第１の実施の形態とほぼ同一である。

【0155】

図１３に示すように、実施の形態２のスタック型燃料電池は、本発明の一形態である単セル８をスタックさせ、エンドプレート１０１、１０２により挟み込んだセルスタック構造体９を有する。実施の形態２では、エンドプレート１０１に外部共用マニホールド５１、５２、５３を設けず、エンドプレート１０２に各種流体の外部共用マニホールドを設けている。

【0156】

図１５〜１７において、エンドプレート１０２の中間部分に位置する外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３が接続された様子を断面図で描写している。また、エンドプレート１０２のエッジ部分に位置する外部ＢＯＰに接続する導管８１、８２、８３及び内部共用マニホールドに接続する導管９１、９２、９３が接続された様子を断面図で描写している。

【0157】

図１５は、本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、エッジ部分の燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管９１Ｂと燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管８１Ｂとの継ぎ、中間部分の燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ｂと燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ｂとの継ぎ、及び、中間部分の酸化流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ｂと酸化流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ｂとの継ぎが形成された様子を示す立体断面図である。

【0158】

図１６は、本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、エッジ部分の冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管９２Ａと冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管８２Ａとの継ぎ、中間部分の冷却媒体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ｂと冷却媒体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ｂとの継ぎ、及び、中間部分の冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７２Ａと冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６２Ａとの継ぎが形成された様子を示す立体断面図である。

【0159】

図１７は、本発明の実施の形態２におけるエンドプレート１０２に、エッジ部分の酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管９３Ａと酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管８３Ａとの継ぎ、中間部分の燃料流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７１Ａと燃料流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６１Ａとの継ぎ、及び、中間部分の酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管７３Ａと酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管６３Ａとの継ぎが形成された様子を示す立体断面図である。

【0160】

図１４〜１７を用いて、本実施の形態２におけるエッジ構造について説明する。実際のセルスタック構造体９における２次元展開は有限であり、必ずエッジが存在する。外部の供給源である外部ＢＯＰから供給される各種流体を単セル８の重ね合わせにより構成されたセルスタック構造体９の内側に均一に供給し、セルスタック構造体９の内側から排出される各種流体を均一に排出するために、内部共用マニホールド４１、４２、４３と外部共用マニホールド５１、５２、５３の双方にエッジ構造を設ける必要がある。そのため、同一単セル８の面内においては、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａの配置と断面積（供給流れ分布と流量）と、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂの配置と断面積（排出流れ分布と流量）とは均衡している。また、冷却媒体の供給用内部共用マニホールド４２Ａの配置と断面積（供給流れ分布と流量）と、冷却媒体の排出用内部共用マニホールド４２Ｂの配置と断面積（排出流れ分布と流量）とは均衡している。更に、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａの配置と断面積（供給流れ分布と流量）と、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂの配置と断面積（排出流れ分布と流量）とは均衡している。

【0161】

なお、各種流体の供給排出の流れは、均衡していることが最適ではあるものの、たとえ均衡を強要しなくとも、本発明の燃料電池は発電するということは、敢えて言うまでもない。

【0162】

開口部のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造は、Ｂ方向に沿って設けられるエッジ構造である。開口部のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造には、内部共用マニホールドのエッジ構造（図示せず）及び外部共用マニホールドのエッジ構造８０、９０が含まれている。内部共用マニホールドのエッジ構造は、図示していないものの、セルスタック構造体９のＢ軸の２方向に沿った２端部に内設される。外部共用マニホールドのエッジ構造８０、９０は、図１４が示すとおり、エンドプレート１０２のＢ軸の２方向に沿った２端部に内設される。開口部のＡ軸の２方向を終端させるエッジ構造は、中間部分にある外部ＢＯＰに接続する導管６１、６２、６３及び内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３の断面の原形を維持しながら半形状型にして作成され、その結果、外部ＢＯＰに接続する導管８１、８２、８３及び内部共用マニホールドに接続する導管９１、９２、９３の断面積が中間部分にある全形型の断面積の半分になるようになる。同一単セル８の面内においては、各種流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａの分布と総断面積（エッジ部と中間部）に対応する供給分布と総流量と、各種流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂの分布と総断面積（エッジ部と中間部）に対応する供給分布と総流量は、それぞれ均衡になる。

【0163】

開口部のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造は、Ａ方向に沿って設けられるエッジ構造である。開口部のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造には、内部共用マニホールドのエッジ構造（図示せず）及び外部共用マニホールドのエッジ構造８０、９０が含まれている。内部共用マニホールドのエッジ構造は、図示していないものの、セルスタック構造体９のＡ方向に沿った２端部に設けられる。外部共用マニホールドのエッジ構造は、図１４が示すとおり、エンドプレート１０２のＡ方向に沿った２端部に設けられる。

【0164】

開口部のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造は、発電機能を維持する基本セグメント１８を基準としている。基本セグメント１８には、前記Ｂ方向に燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の内部共用マニホールド４１、４２、４３と内部共用マニホールドに接続する導管７１、７２、７３から構成される。基本セグメント１８の整数倍になる区切りを基準に開口部のＢ軸の２方向展開を終端させ、セルスタック構造体９及びエンドプレート１０２のＡ方向に沿って２端部のエッジが形成されている。図１４に示した例によれば、基本セグメント１８は、１つの燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管７１、１つの冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管７２、及び１つの酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管７３から構成されている。

【0165】

エッジ構造を施さなければ、端部近傍にある各種流体の供給と排出のバランスが崩れ、局部反応が強まり、触媒層に大きなダメージを与え、破損につながり、また、耐久性も著しく低下する。

【0166】

上記説明した実施の形態１、２において、スタック枚数を可能な限り増やしつつも、内部共用マニホールド４１、４２、４３のＣ方向の長さをなるべく最小限に抑える（つまり平たくする）ことが望ましい。これにより、本発明のスタック型燃料電池を車両のエンジンルームのような限られた空間に設置することができ、また、高い圧力で酸化流体を送り込むためのコンプレッサーを必ずしも必要としないため、製造コストの削減になり、軽量化により小型の航空機などのパワー源として利用することもできる。

【0167】

また、供給及び排出のバランスの観点で、本発明の実施の形態１、２における内部共用マニホールド４１、４２、４３及び外部共用マニホールド５１、５２、５３のレイアウトは、上述した例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他の様々な形態で実施されることが可能である。

【0168】

以上のようにして構成された本発明の実施の形態１、２のスタック型燃料電池における各種流体の流路の流れを、実験シミュレーションによって確認してもよい。

【0169】

（燃料電池のメカニズム）
スタック型燃料電池のメカニズムは以下のとおりである。アノード（燃料極と呼ばれる）には水素流体が供給され、触媒の助けをかりて、供給された水素流体から電子が離れ外部回路に移動する。ここで水素は水素イオン（プロトンと呼ばれる）に変わる。一方、カソード（空気極と呼ばれる）には酸素が供給される。酸素は電解質膜から通過してくるプロトンと外部回路から流入してくる電子とに反応して水が生成される。

【0170】

（本発明の効果）
既述の構造概念で説明したとおり、前記単セル８の有効面積を変化させることにより、出力密度を電圧に依存せずに大きくすることができる。また、単セル８がスタックされる枚数を変化させることにより、前記燃料電池の出力電圧を決定できる。更に、薄い単セル８を用いることにより、出力を変えずセルスタック構造体の体積を大きく減らし、出力密度とエネルギー密度を大きくさせることができる。更に、薄厚単セル８を用いることにより、流路の高さを低くすることができるため、スタックピッチが短くなるので、スタック枚数を増やすことが可能になり、更に、高い圧力で酸化流体を送り込むためのコンプレッサーを必ずしも必要としない。このようなブラベ格子の規則性を有する繰り返しの基本単位１６（図３を参照）を、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の開口部１１、１２、１３のレイアウト設計に適用させる理由としては、単セル８の全体にわたって各種流体を均一に供給及び排出し、流れの圧力損失を抑えることによる配流性が良くなり、単セル８の面積の有効利用等が挙げられる。また、同種流体（燃料流体、冷却媒体または酸化流体）の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂを流路方向に沿って最隣接に設置すれば、同種流体の流れが連続し途絶えることがなく、燃料電池の反応を促進し、すべての触媒反応面積を最大限有効利用することができる。

【0171】

上記説明した内部共用マニホールド４１、４２、４３及び外部共用マニホールド５１、５２、５３のレイアウトによれば、流量むらが発生することを抑えることができる。更に、全体をコンパクトに構成することができるので、高出力密度及び高容量のスタック型燃料電池を提供することができ、効率的に発電を行うことができる。更に、スタック型燃料電池が占める面積を小さくでき、エンジンルーム内のレイアウトの自由度を高めることができる。内部共用マニホールド４１、４２、４３内のスタック方向の偏流を抑えることにより、より一層均等に供給及び排出することができる。そして、流れの圧力損失を低減し、良好な配流性を向上させることができる。また、このレイアウトは、組み立て時の製造のばらつきにも柔軟性をもって対応することができる。

【0172】

内部共用マニホールド４１、４２、４３、外部共用マニホールド５１、５２、５３の構成が単純であり、切削加工などの手段によって容易に形成されることから、エンドプレート１０１、１０２の製造を簡素にでき、多数の部品を溶接して組み立てる場合などに比較して安価に製造するこができる。小型化されたスタック型燃料電池は、車載性、生産性、コストに優れる。また、このように構造に工夫を施すことで、スタック型燃料電池に特殊な外部装置を装着しなくても、流れ抵抗を減少した各種流体が単セル８面内を行き渡ることが可能になる。流体の流れの観点からだけではく、内部の応力が集中するのを著しく低減できる。特に、電解質膜１に対する局部応力が集中するのを無くすことができるため、単セルスタック型燃料電池の寿命を大きく延ばすことができる。

【産業上の利用可能性】

【0173】

本発明の実施の一形態は、車両搭載用の燃料電池として利用することができる。

【0174】

本発明は、上述の実施の形態１、２に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、本発明の明細書の実施の形態１、２に記載した技術的特徴は、上述の課題及び効果の一部又は全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。

【符号の説明】

【0175】

１ 電解質膜
２、３ 電極触媒層、触媒層
４、５ ガス拡散層
６、７ セパレータ
８ 単セル
９ セルスタック構造体
１１ 燃料流体の開口部
１１Ａ 燃料流体の供給用開口部、
１１Ｂ 燃料流体の排出用開口部
１２ 冷却媒体の開口部
１２Ａ 冷却媒体の供給用開口部
１２Ｂ 冷却媒体の排出用開口部
１３ 酸化流体の開口部
１３Ａ 酸化流体の供給用開口部
１３Ｂ 酸化流体の排出用開口部
１４ ベクトルＡ
１５ ベクトルＢ
１６ ２次元ブラベ格子の基本単位
１７ 最小発電体
１８ 基本セグメント
１９ シール材
２１ 燃料流体の接続口
２１Ａ 燃料流体の供給用接続口
２１Ｂ 燃料流体の排出用接続口
２２ 冷却媒体の接続口
２２Ａ 冷却媒体の供給用接続口
２２Ｂ 冷却媒体の排出用接続口
２３ 酸化流体の接続口
２３Ａ 酸化流体供給用の接続口、
２３Ｂ 酸化流体の排出用の接続口
３１ 燃料流体の流れ、燃料流体が流れる流路
３２ 冷却媒体の流れ、冷却媒体が流れる流路
３３ 酸化流体の流れ、酸化流体が流れる流路
４１ 燃料流体の内部共用マニホールド
４１Ａ 燃料流体の供給用内部共用マニホールド
４１Ｂ 燃料流体の排出用内部共用マニホールド
４２ 冷却媒体の内部共用マニホールド
４２Ａ 冷却媒体の供給用内部共用マニホールド
４２Ｂ 冷却媒体の排出用内部共用マニホールド
４３ 酸化流体の内部共用マニホールド
４３Ａ 酸化流体の供給用内部共用マニホールド
４３Ｂ 酸化流体の排出用内部共用マニホールド
５１ 燃料流体の外部共用マニホールド
５１Ａ 燃料流体の供給用外部共用マニホールド
５１Ｂ 燃料流体の排出用外部共用マニホールド
５２ 冷却媒体の外部共用マニホールド
５２Ａ 冷却媒体の供給用外部共用マニホールド
５２Ｂ 冷却媒体の排出用外部共用マニホールド
５３ 酸化流体の外部共用マニホールド
５３Ａ 酸化流体の供給用外部共用マニホールド
５３Ｂ 酸化流体の排出用外部共用マニホールド
６１ 燃料流体の外部ＢＯＰに接続する導管
６１Ａ 燃料流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管
６１Ｂ 燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管
６２ 冷却媒体の外部ＢＯＰに接続する導管
６２Ａ 冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管
６２Ｂ 冷却媒体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管
６３ 酸化流体の外部ＢＯＰに接続する導管
６３Ａ 酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管
６３Ｂ 酸化流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管
７１ 燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管
７１Ａ 燃料流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管
７１Ｂ 燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管
７２ 冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管
７２Ａ 冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管
７２Ｂ 冷却媒体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管
７３ 酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管
７３Ａ 酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管
７３Ｂ 酸化流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管
８０ 外部共用マニホールドのエッジ構造
８１ 燃料流体の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８１Ａ 燃料流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８１Ｂ 燃料流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８２ 冷却媒体の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８２Ａ 冷却媒体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８２Ｂ 冷却媒体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８３ 酸化流体の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８３Ａ 酸化流体の供給用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
８３Ｂ 酸化流体の排出用の外部ＢＯＰに接続する導管（端部）
９０ 外部共用マニホールドのエッジ構造
９１ 燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９１Ａ 燃料流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９１Ｂ 燃料流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９２ 冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９２Ａ 冷却媒体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９２Ｂ 冷却媒体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９３ 酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９３Ａ 酸化流体の供給用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
９３Ｂ 酸化流体の排出用の内部共用マニホールドに接続する導管（端部）
１０１ エンドプレート
１０２ エンドプレート
５１１ 第１のゾーン
５２２ 第２のゾーン
５３３ 第３のゾーン
７１１ 燃料流体の内部共用マニホールドに接続する導管の連接部
７２２ 冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する導管の連接部
７３３ 酸化流体の内部共用マニホールドに接続する導管の連接部
Ｆ Ｆ列
Ｇ Ｇ列
Ｋ Ｋ列
Ｊ Ｊ列

【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】

【手続補正書】

【提出日】2020年10月27日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0039】

本発明の一実施形態では、前記セルスタック構造体から最も遠く離れた第１のゾーンから第２のゾーンを経由して、前記セルスタック構造体に最も近い第３のゾーンまで、前記第２導管は、前記単セルの面内における第１の軸（Ａ軸）の幅サイズがゾーンごとに階段的に広くなり、そして、冷却媒体の外部発電補助システムに接続する第１導管は、前記第１のゾーンに位置する燃料ガスの内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされ、酸化ガスの外部発電補助システムに接続された第１導管は、前記第２のゾーンに位置する冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされる。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0040】

本発明の一実施形態では、前記内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドのエッジ構造は、前記開口部の前記単セルの第１の軸（Ａ軸）展開を終端させるエッジ構造については、端部にある内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積が中間部の内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積の半分または略半分になるよう設け、前記開口部の前記単セルの第２の軸（Ｂ軸）展開を終端させるエッジ構造については、前記第２の軸に燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の内部共用マニホールド並びに内部共用マニホールドに接続する導管を備えている基本セグメントにおいて、前記基本セグメントの整数倍になる区切りを基準に開口部の前記第２の軸への展開を終端させる。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0101】

図８が示すのは、単セル８の面内を螺旋状に回転するよう重ねていった結果形成される内部共用マニホールド４１、４２、４３である。単セル８をセルスタック構造体９の垂直方向に重ねる時、次のシナリオにて内部共用マニホールド４１、４２、４３が形成される。隣接する単セル８間の面内配置の回転角度がゼロの場合と、所定の角度を持って回転される場合とがある。「回転角度がゼロ」というのは、回転させない完璧なアライメントで単セル８を重ねることである。「所定の角度を持って回転される場合」には、単セル８のセルスタック構造体９が、螺旋状に回転しているケースも含まれる。図２、図４、図５に基づいて、本発明に係る流路３１、３２、３３を説明する。これにより、内部共用マニホールド４１、４２、４３の各種流体の流れが改善される。

【手続補正4】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項２６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項26】

前記セルスタック構造体から最も遠く離れた第１のゾーンから第２のゾーンを経由して、前記セルスタック構造体に最も近い第３のゾーンまで、前記第２導管は、前記単セルの面内における第１の軸（Ａ軸）の幅サイズがゾーンごとに階段的に広くなり、
冷却媒体の外部発電補助システムに接続する第１導管は、前記第１のゾーンに位置する燃料流体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされ、
酸化流体の外部発電補助システムに接続された第１導管は、前記第２のゾーンに位置する冷却媒体の内部共用マニホールドに接続する第２導管の幅を基準ラインとして設定してセットバックされることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【手続補正5】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項２７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項27】

前記内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドのエッジ構造は、前記開口部の前記単セルの第１の軸（Ａ軸）展開を終端させるエッジ構造については、端部にある内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積が中間部の内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドの断面積の半分または略半分になるよう設け、前記開口部の前記単セルの第２の軸（Ｂ軸）展開を終端させるエッジ構造については、前記第２の軸に燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の内部共用マニホールド並びに内部共用マニホールドに接続する導管を備えている基本セグメントに基づいて、前記基本セグメントの整数倍になる区切りを基準に開口部の前記第２の軸への展開を終端させることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。

【国際調査報告】