JP2002151105A - 燃料電池 - Google Patents
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 セル厚み方向の水分移行とセル面内方向の水
分移行の両方が行われ電解質膜での水分分布均一化を従
来に比べて促進できる燃料電池の提供。 【解決手段】 （１）燃料ガス排出マニホールド２８in
と酸化ガス排出マニホールド２９out 間の距離が他のマ
ニホールド間距離以上である燃料電池。（２）燃料ガス
流れと酸化ガス流れとが並行している。（３）セパレー
タ１８は、偏平な矩形状の面形状を有する。（４）冷媒
の流れの方向が酸化ガスの流れの方向と同じ。（５）酸
化ガス排出マニホールド２９out が燃料ガスマニホール
ドより下にある。（６）ガス流路２７が水平方向に延び
る。（７）燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホール
ドが対向する。（８）燃料ガスマニホールドと酸化ガス
マニホールドが同じ側にある。
分移行の両方が行われ電解質膜での水分分布均一化を従
来に比べて促進できる燃料電池の提供。 【解決手段】 （１）燃料ガス排出マニホールド２８in
と酸化ガス排出マニホールド２９out 間の距離が他のマ
ニホールド間距離以上である燃料電池。（２）燃料ガス
流れと酸化ガス流れとが並行している。（３）セパレー
タ１８は、偏平な矩形状の面形状を有する。（４）冷媒
の流れの方向が酸化ガスの流れの方向と同じ。（５）酸
化ガス排出マニホールド２９out が燃料ガスマニホール
ドより下にある。（６）ガス流路２７が水平方向に延び
る。（７）燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホール
ドが対向する。（８）燃料ガスマニホールドと酸化ガス
マニホールドが同じ側にある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜の水分分
布がより均一化され得る燃料電池に関する。
とくに固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜の水分分
布がより均一化され得る燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数の
セルを積層してモジュールとし、モジュールを積層して
モジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両
端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを
配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側
でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テ
ンションプレート）にて締め付け、固定したものからな
る。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で
は、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素
イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側
では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノ
ードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水
を生成する反応が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒
体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃
料電池を冷却している。燃料電池で水素イオンが電解質
膜中を移行して上記の発電反応が円滑に行われるために
は、電解質膜が適度の水分を含んでいなければならな
い。また、電解質膜の全域で正常な発電反応が行われる
には、セル面内方向に水分分布が均一化されることが必
要である。何となれば、水分分布が偏って電解質膜が局
部的に乾燥すると上記発電反応が得られなくなるからで
あり、また反応による生成水によって湿潤過多となると
酸化ガスのカソードへの酸素の供給が水滴によって阻止
されるからである。酸化ガスは、入口側で乾燥（ドラ
イ）しやすく途中で反応生成水で湿潤されていき出口側
で湿潤過多（フラッディング）を生じやすい。また、燃
料ガスは、電解質膜を通して酸化ガスの水分が拡散して
くるので、燃料ガス出口側が入口側より湿潤状態にな
る。通常は、燃料ガスも酸化ガスも入口側での乾燥を抑
制するために、加湿された後供給される。特開平７−３
２０７５５号公報は、セル面内での水分分布を均一化す
るために、電解質膜の表裏の燃料ガスと酸化ガスの流れ
方向を対向させた燃料電池を提案している。そうするこ
とによって、ウエットである燃料ガス出口側の燃料ガス
中の水分により電解質膜が湿潤され、電解質膜を通して
水分が酸化ガスに移行してドライな酸化ガス入口側の酸
化ガスを加湿する。また、湿潤過多である酸化ガス出口
側の酸化ガスの水分により電解質膜が湿潤され、電解質
膜を通して水分が燃料ガスに移行することで酸化ガス出
口側の湿潤過多が抑制される。
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数の
セルを積層してモジュールとし、モジュールを積層して
モジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両
端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを
配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側
でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テ
ンションプレート）にて締め付け、固定したものからな
る。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で
は、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素
イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側
では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノ
ードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水
を生成する反応が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒
体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃
料電池を冷却している。燃料電池で水素イオンが電解質
膜中を移行して上記の発電反応が円滑に行われるために
は、電解質膜が適度の水分を含んでいなければならな
い。また、電解質膜の全域で正常な発電反応が行われる
には、セル面内方向に水分分布が均一化されることが必
要である。何となれば、水分分布が偏って電解質膜が局
部的に乾燥すると上記発電反応が得られなくなるからで
あり、また反応による生成水によって湿潤過多となると
酸化ガスのカソードへの酸素の供給が水滴によって阻止
されるからである。酸化ガスは、入口側で乾燥（ドラ
イ）しやすく途中で反応生成水で湿潤されていき出口側
で湿潤過多（フラッディング）を生じやすい。また、燃
料ガスは、電解質膜を通して酸化ガスの水分が拡散して
くるので、燃料ガス出口側が入口側より湿潤状態にな
る。通常は、燃料ガスも酸化ガスも入口側での乾燥を抑
制するために、加湿された後供給される。特開平７−３
２０７５５号公報は、セル面内での水分分布を均一化す
るために、電解質膜の表裏の燃料ガスと酸化ガスの流れ
方向を対向させた燃料電池を提案している。そうするこ
とによって、ウエットである燃料ガス出口側の燃料ガス
中の水分により電解質膜が湿潤され、電解質膜を通して
水分が酸化ガスに移行してドライな酸化ガス入口側の酸
化ガスを加湿する。また、湿潤過多である酸化ガス出口
側の酸化ガスの水分により電解質膜が湿潤され、電解質
膜を通して水分が燃料ガスに移行することで酸化ガス出
口側の湿潤過多が抑制される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の、燃料
ガスと酸化ガスの流れ方向を対向させた燃料電池では、
水分分布均一化のためには、電解質膜を通しての、セル
厚み方向の水分移行のみしか期待できず、燃料ガスも酸
化ガスも入口と出口が離れているので電解質膜を通して
の、セル面内方向の水分移行が得られないため、電解質
膜での水分分布均一化が不十分である。本発明の目的
は、セル厚み方向の水分移行とセル面内方向の水分移行
の両方が行われるようにして電解質膜での水分分布均一
化を従来に比べて促進できる燃料電池を提供することに
ある。
ガスと酸化ガスの流れ方向を対向させた燃料電池では、
水分分布均一化のためには、電解質膜を通しての、セル
厚み方向の水分移行のみしか期待できず、燃料ガスも酸
化ガスも入口と出口が離れているので電解質膜を通して
の、セル面内方向の水分移行が得られないため、電解質
膜での水分分布均一化が不十分である。本発明の目的
は、セル厚み方向の水分移行とセル面内方向の水分移行
の両方が行われるようにして電解質膜での水分分布均一
化を従来に比べて促進できる燃料電池を提供することに
ある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） セパレータ燃料ガス流路で互いに連通された燃
料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドを
少なくとも１組有し、セパレータ酸化ガス流路で互いに
連通された酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マ
ニホールドを少なくとも１組有し、任意の組の燃料ガス
供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドおよび前
記任意の組と対応する組の酸化ガス供給マニホールドと
酸化ガス排出マニホールドの、セパレータ面内方向での
マニホールド間の距離の中で、酸化ガス排出マニホール
ドと燃料ガス排出マニホールド間の距離が、他のマニホ
ールド間距離以上である、燃料電池。（実施例１、２、
３に共通） （２） 前記セパレータ燃料ガス流路はＵターン部を有
し、前記セパレータ酸化ガス流路はＵターン部を有して
おり、燃料ガス流れと酸化ガス流れとが並行している
（１）記載の燃料電池。（実施例１、２、３に共通） （３） 前記セパレータは、偏平な矩形状の面形状を有
し、短い辺と平行な方向にセパレータ燃料ガス流路およ
びセパレータ酸化ガス流路が延びている（１）記載の燃
料電池。（実施例１、２、３に共通） （４） 前記燃料電池はセパレータに冷媒流路を有し、
該冷媒流路内の冷媒の流れの方向がセパレータ酸化ガス
流路を流れる酸化ガスの流れの方向と同じに設定されて
いる（１）記載の燃料電池。（実施例１、２、３に共
通） （５） 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパレータ
酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き上下方向に延びてお
り、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホー
ルドは燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホ
ールドより下側に位置する（２）記載の燃料電池。（実
施例１、３に特有） （６） 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパレータ
酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き水平方向に延びてお
り、同じセパレータ酸化ガス流路に接続する酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドのうち、酸
化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マニホールドよ
り下側に位置する（２）記載の燃料電池。（実施例２に
特有） （７） 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニ
ホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位置する
側のセパレータの辺とは、互いに対向している（１）記
載の燃料電池。（実施例１、２に特有） （８） 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニ
ホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位置する
側のセパレータの辺とは、同じ辺である（１）記載の燃
料電池。（実施例３に特有）
明はつぎの通りである。 （１） セパレータ燃料ガス流路で互いに連通された燃
料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドを
少なくとも１組有し、セパレータ酸化ガス流路で互いに
連通された酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マ
ニホールドを少なくとも１組有し、任意の組の燃料ガス
供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドおよび前
記任意の組と対応する組の酸化ガス供給マニホールドと
酸化ガス排出マニホールドの、セパレータ面内方向での
マニホールド間の距離の中で、酸化ガス排出マニホール
ドと燃料ガス排出マニホールド間の距離が、他のマニホ
ールド間距離以上である、燃料電池。（実施例１、２、
３に共通） （２） 前記セパレータ燃料ガス流路はＵターン部を有
し、前記セパレータ酸化ガス流路はＵターン部を有して
おり、燃料ガス流れと酸化ガス流れとが並行している
（１）記載の燃料電池。（実施例１、２、３に共通） （３） 前記セパレータは、偏平な矩形状の面形状を有
し、短い辺と平行な方向にセパレータ燃料ガス流路およ
びセパレータ酸化ガス流路が延びている（１）記載の燃
料電池。（実施例１、２、３に共通） （４） 前記燃料電池はセパレータに冷媒流路を有し、
該冷媒流路内の冷媒の流れの方向がセパレータ酸化ガス
流路を流れる酸化ガスの流れの方向と同じに設定されて
いる（１）記載の燃料電池。（実施例１、２、３に共
通） （５） 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパレータ
酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き上下方向に延びてお
り、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホー
ルドは燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホ
ールドより下側に位置する（２）記載の燃料電池。（実
施例１、３に特有） （６） 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパレータ
酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き水平方向に延びてお
り、同じセパレータ酸化ガス流路に接続する酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドのうち、酸
化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マニホールドよ
り下側に位置する（２）記載の燃料電池。（実施例２に
特有） （７） 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニ
ホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位置する
側のセパレータの辺とは、互いに対向している（１）記
載の燃料電池。（実施例１、２に特有） （８） 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニ
ホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化ガス供
給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位置する
側のセパレータの辺とは、同じ辺である（１）記載の燃
料電池。（実施例３に特有）
【０００５】上記（１）の燃料電池では、セパレータ面
内方向でのマニホールド間の距離の中で、酸化ガス排出
マニホールドと燃料ガス排出マニホールド間の距離が、
他のマニホールド間距離以上であるので、酸化ガスおよ
び燃料ガスのうちの一方のガスの入口（供給）マニホー
ルドと他方のガスの出口（排出）マニホールドとを近接
させることと、酸化ガスおよび燃料ガスのそれぞれのガ
スの入口マニホールドと出口マニホールド同士を近接さ
せることとを、両立させることができ、一方のガスの出
口側から他方のガスへの入口側への膜を通してのセル厚
み方向の水分移行、およびそれぞれのガスの出口側から
入口側への膜を通してのセル面内方向の水分移行の両方
が行われ、電解質膜での水分分布均一化が従来に比べて
促進され、反応ガス入口側近傍のドライアップおよび反
応ガス出口側近傍における湿潤過多が防止される。上記
（２）の燃料電池では、セパレータ燃料ガス流路がＵタ
ーン部を有し、セパレータ酸化ガス流路がＵターン部を
有するので、燃料ガスも酸化ガスも、入口側マニホール
ドと出口側マニホールドをセパレータの同じ辺側に設け
ることができ、入口側マニホールドと出口側マニホール
ド間距離が小となり、電解質膜を通してのセル面内方向
の水分移行が促進される。また、燃料ガス流れと酸化ガ
ス流れとが並行しているので、酸化ガス流れの上流部
（ドライ）を燃料ガス流れの下流部（ウェット）と対応
させ、酸化ガス流れの下流部（ウエット）を燃料ガス流
れの上流部（ドライ）と対応させることにより、ウエッ
ト部からのドライ部への、電解質膜を通しての水分移行
が促進される。上記（３）の燃料電池では、セパレータ
は、偏平な矩形状の面形状を有するので、セパレータガ
ス流路が延びる方向に短く、セパレータガス流路が延び
る方向の水分分布の傾斜が小さく、セパレータ面内方向
に大きなドライ、湿潤過多が生じにくい。上記（４）の
燃料電池では、冷媒の流れの方向が酸化ガスの流れの方
向と同じに設定されているので、酸化ガスの入口側を冷
し、飽和蒸気圧を下げることができ、ドライになりにく
くすることができ、酸化ガス入口側での電解質膜の乾燥
を防止できる。上記（５）の燃料電池では、セパレータ
燃料ガス流路とセパレータ酸化ガス流路がＵターン部を
除き上下方向に延びており、酸化ガス排出マニホールド
が燃料ガスマニホールドより下側に位置するので、とく
に湿潤過多が問題となるセパレータ酸化ガス流路の出口
側部分において、酸化ガスの流れ方向と自重の方向とが
同じになり、酸化ガス流路の出口側部分に水滴が生じて
も自重とガスの流れで効果的に水滴を排出できる。上記
（６）の燃料電池では、セパレータ燃料ガス流路とセパ
レータ酸化ガス流路が、Ｕターン部を除き水平方向に延
びており、酸化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マ
ニホールドより下側に位置するので、セパレータ酸化ガ
ス流路で水滴が生じても、酸化ガス流れにより、自重に
逆らわずに、水滴を排出できる。上記（７）の燃料電池
では、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホ
ールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マ
ニホールドとが、互いに対向するセパレータ辺側に位置
しているので、セパレータ酸化ガス流路の上流側部とセ
パレータ燃料ガス流路の下流側部とを、およびセパレー
タ酸化ガス流路の下流側部とセパレータ燃料ガス流路の
上流側部とを、それぞれ、近づけることができ、電解質
膜を通してのセル厚み方向の水分移行が促進される。上
記（８）の燃料電池では、燃料ガス供給マニホールドと
燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホール
ドと酸化ガス排出マニホールドとが、同じセパレータ辺
側に位置しているので、酸化ガスの入口からＵターン部
へ向かう酸化ガスの流れと燃料ガス流路のＵターン部か
ら出口へ向かう流れとが平行で略同じ面内位置に形成さ
れるため、反応により高い湿度となった燃料ガス側から
乾燥した酸化ガス側へ膜内を水分が拡散する。同様に、
燃料ガス流路の入口からＵターン部へ向かう燃料ガスの
流れと酸化ガスのＵターン部から出口へ向かう流れとが
平行で略同じ面内位置に形成されるため、反応により高
い湿度となった酸化ガス側から乾燥した燃料ガス側へ膜
内を水分が拡散する。したがって、膜全体で水分が均一
に分布する。
内方向でのマニホールド間の距離の中で、酸化ガス排出
マニホールドと燃料ガス排出マニホールド間の距離が、
他のマニホールド間距離以上であるので、酸化ガスおよ
び燃料ガスのうちの一方のガスの入口（供給）マニホー
ルドと他方のガスの出口（排出）マニホールドとを近接
させることと、酸化ガスおよび燃料ガスのそれぞれのガ
スの入口マニホールドと出口マニホールド同士を近接さ
せることとを、両立させることができ、一方のガスの出
口側から他方のガスへの入口側への膜を通してのセル厚
み方向の水分移行、およびそれぞれのガスの出口側から
入口側への膜を通してのセル面内方向の水分移行の両方
が行われ、電解質膜での水分分布均一化が従来に比べて
促進され、反応ガス入口側近傍のドライアップおよび反
応ガス出口側近傍における湿潤過多が防止される。上記
（２）の燃料電池では、セパレータ燃料ガス流路がＵタ
ーン部を有し、セパレータ酸化ガス流路がＵターン部を
有するので、燃料ガスも酸化ガスも、入口側マニホール
ドと出口側マニホールドをセパレータの同じ辺側に設け
ることができ、入口側マニホールドと出口側マニホール
ド間距離が小となり、電解質膜を通してのセル面内方向
の水分移行が促進される。また、燃料ガス流れと酸化ガ
ス流れとが並行しているので、酸化ガス流れの上流部
（ドライ）を燃料ガス流れの下流部（ウェット）と対応
させ、酸化ガス流れの下流部（ウエット）を燃料ガス流
れの上流部（ドライ）と対応させることにより、ウエッ
ト部からのドライ部への、電解質膜を通しての水分移行
が促進される。上記（３）の燃料電池では、セパレータ
は、偏平な矩形状の面形状を有するので、セパレータガ
ス流路が延びる方向に短く、セパレータガス流路が延び
る方向の水分分布の傾斜が小さく、セパレータ面内方向
に大きなドライ、湿潤過多が生じにくい。上記（４）の
燃料電池では、冷媒の流れの方向が酸化ガスの流れの方
向と同じに設定されているので、酸化ガスの入口側を冷
し、飽和蒸気圧を下げることができ、ドライになりにく
くすることができ、酸化ガス入口側での電解質膜の乾燥
を防止できる。上記（５）の燃料電池では、セパレータ
燃料ガス流路とセパレータ酸化ガス流路がＵターン部を
除き上下方向に延びており、酸化ガス排出マニホールド
が燃料ガスマニホールドより下側に位置するので、とく
に湿潤過多が問題となるセパレータ酸化ガス流路の出口
側部分において、酸化ガスの流れ方向と自重の方向とが
同じになり、酸化ガス流路の出口側部分に水滴が生じて
も自重とガスの流れで効果的に水滴を排出できる。上記
（６）の燃料電池では、セパレータ燃料ガス流路とセパ
レータ酸化ガス流路が、Ｕターン部を除き水平方向に延
びており、酸化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マ
ニホールドより下側に位置するので、セパレータ酸化ガ
ス流路で水滴が生じても、酸化ガス流れにより、自重に
逆らわずに、水滴を排出できる。上記（７）の燃料電池
では、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホ
ールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マ
ニホールドとが、互いに対向するセパレータ辺側に位置
しているので、セパレータ酸化ガス流路の上流側部とセ
パレータ燃料ガス流路の下流側部とを、およびセパレー
タ酸化ガス流路の下流側部とセパレータ燃料ガス流路の
上流側部とを、それぞれ、近づけることができ、電解質
膜を通してのセル厚み方向の水分移行が促進される。上
記（８）の燃料電池では、燃料ガス供給マニホールドと
燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホール
ドと酸化ガス排出マニホールドとが、同じセパレータ辺
側に位置しているので、酸化ガスの入口からＵターン部
へ向かう酸化ガスの流れと燃料ガス流路のＵターン部か
ら出口へ向かう流れとが平行で略同じ面内位置に形成さ
れるため、反応により高い湿度となった燃料ガス側から
乾燥した酸化ガス側へ膜内を水分が拡散する。同様に、
燃料ガス流路の入口からＵターン部へ向かう燃料ガスの
流れと酸化ガスのＵターン部から出口へ向かう流れとが
平行で略同じ面内位置に形成されるため、反応により高
い湿度となった酸化ガス側から乾燥した燃料ガス側へ膜
内を水分が拡散する。したがって、膜全体で水分が均一
に分布する。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図８を参照して、説明する。図１、図２、図６は本発
明の何れの実施例にも適用可能であり、図３〜図５は本
発明の実施例１を示し、図７は本発明の実施例２を示
し、図８は本発明の実施例３を示す。本発明の全実施例
にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわた
って同じ符号を付してある。まず、本発明の全実施例に
わたって共通する部分を、図１〜図６を参照して説明す
る。本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１
０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池
自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられて
もよい。
〜図８を参照して、説明する。図１、図２、図６は本発
明の何れの実施例にも適用可能であり、図３〜図５は本
発明の実施例１を示し、図７は本発明の実施例２を示
し、図８は本発明の実施例３を示す。本発明の全実施例
にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわた
って同じ符号を付してある。まず、本発明の全実施例に
わたって共通する部分を、図１〜図６を参照して説明す
る。本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１
０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池
自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられて
もよい。
【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための反応ガス流路２７および燃料電池冷却用の冷
媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２
６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、
該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール
１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９
群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミ
ナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を
配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方
向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層
方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレ
ート）とボルト２５で固定したものからなる。
１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための反応ガス流路２７および燃料電池冷却用の冷
媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２
６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、
該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール
１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９
群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミ
ナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を
配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方
向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層
方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレ
ート）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画
するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに
電子が流れる電気の通路を形成している。冷媒流路２６
はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たと
えば、２つのセル毎に１つの冷媒流路２６が設けられ
る。セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガ
ス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入
して導電性をもたせた樹脂板に冷媒流路２６やガス流路
２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成す
る凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れ
かからなる。
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画
するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに
電子が流れる電気の通路を形成している。冷媒流路２６
はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たと
えば、２つのセル毎に１つの冷媒流路２６が設けられ
る。セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガ
ス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入
して導電性をもたせた樹脂板に冷媒流路２６やガス流路
２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成す
る凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れ
かからなる。
【０００９】図３〜図５は、膜−電極アッセンブリ（Ｍ
ＥＡ）とその両側のセパレータ１８を示している。セパ
レータ１８は、冷媒流路２６をもつセパレータであって
もよいし、または冷媒流路２６をもたないセパレータで
あってもよい。ＭＥＡの一側のセパレータ１８には、セ
パレータ燃料ガス流路２７ａが形成され、ＭＥＡの他側
のセパレータ１８には、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
が形成されている。したがって、セパレータ燃料ガス流
路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂとは、ＭＥＡ
を挟んで、ＭＥＡの表裏に位置する。セパレータ燃料ガ
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、各セ
ルにおいて、セル面内に延びる。各ガス流路２７ａ、２
７ｂは、１本のガス流路であってもよいし、互いに並行
する複数のガス流路からなるガス流路群であってもよ
い。
ＥＡ）とその両側のセパレータ１８を示している。セパ
レータ１８は、冷媒流路２６をもつセパレータであって
もよいし、または冷媒流路２６をもたないセパレータで
あってもよい。ＭＥＡの一側のセパレータ１８には、セ
パレータ燃料ガス流路２７ａが形成され、ＭＥＡの他側
のセパレータ１８には、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
が形成されている。したがって、セパレータ燃料ガス流
路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂとは、ＭＥＡ
を挟んで、ＭＥＡの表裏に位置する。セパレータ燃料ガ
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、各セ
ルにおいて、セル面内に延びる。各ガス流路２７ａ、２
７ｂは、１本のガス流路であってもよいし、互いに並行
する複数のガス流路からなるガス流路群であってもよ
い。
【００１０】燃料電池は、セパレータ燃料ガス流路２７
ａで互いに連通された燃料ガス供給マニホールド２８in
と燃料ガス排出マニホールド２８out を少なくとも１組
（図４では３組）有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
で互いに連通された酸化ガス供給マニホールド２９inと
酸化ガス排出マニホールド２９out を少なくとも１組
（図５では３組）有する。燃料ガス側と酸化ガス側と
は、組毎に対応させて、配置されている。任意の組の燃
料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マニホー
ルド２８out および前記任意の組と対応する組の酸化ガ
ス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド
２９out の、セパレータ面内方向でのマニホールド間の
距離の中で、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料
ガス排出マニホールド２８out 間の距離Ｌ1 が、他のマ
ニホールド間距離以上である。詳しくは、酸化ガス排出
マニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８
out 間の距離Ｌ1 は、酸化ガス排出マニホールド２９ou
t と燃料ガス供給マニホールド２８in間の距離Ｌ2 、酸
化ガス排出マニホールド２９out と酸化ガス供給マニホ
ールド２９in間の距離Ｌ 3 、酸化ガス供給マニホールド
２９inと燃料ガス排出マニホールド２８out 間の距離Ｌ
4 、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マ
ニホールド２８out 間の距離Ｌ5 、より大である。ま
た、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離Ｌ1 は、酸化ガス供給マ
ニホールド２９inと燃料ガス供給マニホールド２８in間
の距離Ｌ6 より大かまたは等しい。図４、図５に示すよ
うに、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out はセパレータ１８の同じ辺側に位
置している。同様に、酸化ガス供給マニホールド２９in
と酸化ガス排出マニホールド２９out はセパレータ１８
の同じ辺側に位置している。
ａで互いに連通された燃料ガス供給マニホールド２８in
と燃料ガス排出マニホールド２８out を少なくとも１組
（図４では３組）有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
で互いに連通された酸化ガス供給マニホールド２９inと
酸化ガス排出マニホールド２９out を少なくとも１組
（図５では３組）有する。燃料ガス側と酸化ガス側と
は、組毎に対応させて、配置されている。任意の組の燃
料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マニホー
ルド２８out および前記任意の組と対応する組の酸化ガ
ス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド
２９out の、セパレータ面内方向でのマニホールド間の
距離の中で、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料
ガス排出マニホールド２８out 間の距離Ｌ1 が、他のマ
ニホールド間距離以上である。詳しくは、酸化ガス排出
マニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８
out 間の距離Ｌ1 は、酸化ガス排出マニホールド２９ou
t と燃料ガス供給マニホールド２８in間の距離Ｌ2 、酸
化ガス排出マニホールド２９out と酸化ガス供給マニホ
ールド２９in間の距離Ｌ 3 、酸化ガス供給マニホールド
２９inと燃料ガス排出マニホールド２８out 間の距離Ｌ
4 、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マ
ニホールド２８out 間の距離Ｌ5 、より大である。ま
た、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離Ｌ1 は、酸化ガス供給マ
ニホールド２９inと燃料ガス供給マニホールド２８in間
の距離Ｌ6 より大かまたは等しい。図４、図５に示すよ
うに、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out はセパレータ１８の同じ辺側に位
置している。同様に、酸化ガス供給マニホールド２９in
と酸化ガス排出マニホールド２９out はセパレータ１８
の同じ辺側に位置している。
【００１１】図４、図５に示すように、セパレータ燃料
ガス流路２７ａはセパレータ面内方向でＵターンするＵ
ターン部３０ａを有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
はセパレータ面内方向でＵターンするＵターン部３０ｂ
を有している。燃料ガス流れと酸化ガス流れとは、Ｕタ
ーン部３０ａ、３０ｂを除いて、ＭＥＡの表裏で互いに
並行（互いに平行な流れで同じ方向に流れる）してい
る。
ガス流路２７ａはセパレータ面内方向でＵターンするＵ
ターン部３０ａを有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂ
はセパレータ面内方向でＵターンするＵターン部３０ｂ
を有している。燃料ガス流れと酸化ガス流れとは、Ｕタ
ーン部３０ａ、３０ｂを除いて、ＭＥＡの表裏で互いに
並行（互いに平行な流れで同じ方向に流れる）してい
る。
【００１２】セパレータ１８は、短い辺Ｈとそれより長
い辺Ｗとをもつ偏平な矩形状の面形状を有し、短い辺Ｈ
と平行な方向にセパレータ燃料ガス流路２７ａおよびセ
パレータ酸化ガス流路２７ｂが延びており、ガスマニホ
ールド２８in、２８out 、２９in、２９out は長い辺Ｗ
に沿った位置に集中している。
い辺Ｗとをもつ偏平な矩形状の面形状を有し、短い辺Ｈ
と平行な方向にセパレータ燃料ガス流路２７ａおよびセ
パレータ酸化ガス流路２７ｂが延びており、ガスマニホ
ールド２８in、２８out 、２９in、２９out は長い辺Ｗ
に沿った位置に集中している。
【００１３】燃料電池は、図６に示すように、セパレー
タに冷媒流路（冷却水流路）２６を有する。冷媒流路２
６は、セパレータ酸化ガス流路２７ｂと同様にＵターン
部を有し、冷媒供給マニホールド２６inおよび冷媒排出
マニホールド２６out は、酸化ガスマニホールド２９i
n、２９out 側と同じセパレータ辺側に位置する。冷媒
流路２６内の冷媒（通常は冷却水）の流れの方向は、セ
パレータ酸化ガス流路２７ｂを流れる酸化ガスの流れの
方向と同じに設定されている。
タに冷媒流路（冷却水流路）２６を有する。冷媒流路２
６は、セパレータ酸化ガス流路２７ｂと同様にＵターン
部を有し、冷媒供給マニホールド２６inおよび冷媒排出
マニホールド２６out は、酸化ガスマニホールド２９i
n、２９out 側と同じセパレータ辺側に位置する。冷媒
流路２６内の冷媒（通常は冷却水）の流れの方向は、セ
パレータ酸化ガス流路２７ｂを流れる酸化ガスの流れの
方向と同じに設定されている。
【００１４】上記の本発明実施例の共通構成の作用はつ
ぎの通りである。まず、燃料ガス供給マニホールド２８
inと燃料ガス排出マニホールド２８outがセパレータ１
８の同じ辺側に位置しており、酸化ガス供給マニホール
ド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９out がセパレ
ータ１８の同じ辺側に位置しており、セパレータ面内で
の互いのマニホールド間の距離のなかで酸化ガス排出マ
ニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８ou
t との間の距離がより離れている（酸化ガス排出マニホ
ールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８out と
が異なるセパレータ辺側にあるか、または酸化ガス排出
マニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８
out とが同じ辺側にある場合は酸化ガス排出マニホール
ド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８out との間
の距離がより離れている）ので、燃料ガスも酸化ガス
も、入口側マニホールド２８in、２９inと出口側マニホ
ールド２８out 、２９out 間距離が小となる。その結
果、反応ガス流路２７の出口側マニホールド２８out 、
２９out に近い部分から入口側マニホールド２８in、２
９inに近い部分に、電解質膜１１を通して水分が移行
（拡散）し、セル厚み方向の水分移行とセル面内方向の
水分移行の両方が行われ、電解質膜１１での水分分布均
一化を従来に比べて促進され、反応ガス入口側近傍の電
解質膜１１の乾燥および反応ガス出口側近傍における電
極１４、１７の湿潤過多がより一層防止される。
ぎの通りである。まず、燃料ガス供給マニホールド２８
inと燃料ガス排出マニホールド２８outがセパレータ１
８の同じ辺側に位置しており、酸化ガス供給マニホール
ド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９out がセパレ
ータ１８の同じ辺側に位置しており、セパレータ面内で
の互いのマニホールド間の距離のなかで酸化ガス排出マ
ニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８ou
t との間の距離がより離れている（酸化ガス排出マニホ
ールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８out と
が異なるセパレータ辺側にあるか、または酸化ガス排出
マニホールド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８
out とが同じ辺側にある場合は酸化ガス排出マニホール
ド２９out と燃料ガス排出マニホールド２８out との間
の距離がより離れている）ので、燃料ガスも酸化ガス
も、入口側マニホールド２８in、２９inと出口側マニホ
ールド２８out 、２９out 間距離が小となる。その結
果、反応ガス流路２７の出口側マニホールド２８out 、
２９out に近い部分から入口側マニホールド２８in、２
９inに近い部分に、電解質膜１１を通して水分が移行
（拡散）し、セル厚み方向の水分移行とセル面内方向の
水分移行の両方が行われ、電解質膜１１での水分分布均
一化を従来に比べて促進され、反応ガス入口側近傍の電
解質膜１１の乾燥および反応ガス出口側近傍における電
極１４、１７の湿潤過多がより一層防止される。
【００１５】セパレータ燃料ガス流路２７ａがＵターン
部３０ａを有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂがＵタ
ーン部３０ｂを有するので、燃料ガスも酸化ガスも、入
口側マニホールド２８in、２９inと出口側マニホールド
２８out 、２９out をセパレータ１８の同じ辺側に設け
ることができる。これによって、入口側マニホールド２
８in、２９inと出口側マニホールド２８out 、２９out
間距離が小となり、電解質膜１１を通してのセル面内方
向の水分移行（拡散）が促進される。また、燃料ガス流
れと酸化ガス流れとが並行（平行で流れの向きが同じ）
しているので、酸化ガス流れの上流部（ドライ）を燃料
ガス流れの下流部（ウェット）と対応させ、酸化ガス流
れの下流部（ウエット）を燃料ガス流れの上流部（ドラ
イ）と対応させることにより、ウエット部からのドライ
部への、電解質膜１１を通しての水分移行が促進され
る。したがって、セル厚み方向の水分移行とセル面内方
向の水分移行の両方が行われ、電解質膜１１での水分分
布均一化を従来に比べて促進される。
部３０ａを有し、セパレータ酸化ガス流路２７ｂがＵタ
ーン部３０ｂを有するので、燃料ガスも酸化ガスも、入
口側マニホールド２８in、２９inと出口側マニホールド
２８out 、２９out をセパレータ１８の同じ辺側に設け
ることができる。これによって、入口側マニホールド２
８in、２９inと出口側マニホールド２８out 、２９out
間距離が小となり、電解質膜１１を通してのセル面内方
向の水分移行（拡散）が促進される。また、燃料ガス流
れと酸化ガス流れとが並行（平行で流れの向きが同じ）
しているので、酸化ガス流れの上流部（ドライ）を燃料
ガス流れの下流部（ウェット）と対応させ、酸化ガス流
れの下流部（ウエット）を燃料ガス流れの上流部（ドラ
イ）と対応させることにより、ウエット部からのドライ
部への、電解質膜１１を通しての水分移行が促進され
る。したがって、セル厚み方向の水分移行とセル面内方
向の水分移行の両方が行われ、電解質膜１１での水分分
布均一化を従来に比べて促進される。
【００１６】また、セパレータ１８が、偏平な矩形状の
面形状を有するので、セパレータガス流路２７が延びる
方向に短くそれと直交方向には長い。それによって、セ
パレータガス流路が延びる方向の水分分布の傾斜が小さ
く、セパレータ面内方向に大きなドライ、湿潤過多が生
じにくく、セル面内方向の水分分布がセパレータが偏平
でない場合に比べてより均一化される。
面形状を有するので、セパレータガス流路２７が延びる
方向に短くそれと直交方向には長い。それによって、セ
パレータガス流路が延びる方向の水分分布の傾斜が小さ
く、セパレータ面内方向に大きなドライ、湿潤過多が生
じにくく、セル面内方向の水分分布がセパレータが偏平
でない場合に比べてより均一化される。
【００１７】また、冷媒の流れの方向が酸化ガスの流れ
の方向と同じに設定されているので、まだ温度が低い冷
媒入口側の冷媒で酸化ガスの入口側を冷すことができ、
酸化ガスの入口側の飽和蒸気圧を下げることができ、酸
化ガスの入口側を乾燥しにくくすることができ、酸化ガ
ス入口側での電解質膜１１の乾燥を防止できる。
の方向と同じに設定されているので、まだ温度が低い冷
媒入口側の冷媒で酸化ガスの入口側を冷すことができ、
酸化ガスの入口側の飽和蒸気圧を下げることができ、酸
化ガスの入口側を乾燥しにくくすることができ、酸化ガ
ス入口側での電解質膜１１の乾燥を防止できる。
【００１８】つぎに、本発明の各実施例の特有な構成、
作用を説明する。本発明の実施例１では、図３〜図６に
示すように、スタック２３は水平に置かれ、セパレータ
燃料ガス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂ
は、Ｕターン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びて
いる。また、スタック２３を水平方向に置いた時に、酸
化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホー
ルド２９out は燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料
ガス排出マニホールド２８out より下側に位置する。酸
化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホー
ルド２９out はセパレータ下辺に沿った位置に集中して
おり、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out はセパレータ上辺に沿った位置に
集中している。また、燃料ガス供給マニホールド２８in
と燃料ガス排出マニホールド２８outが位置する側のセ
パレータの辺と、酸化ガス供給マニホールド２９inと酸
化ガス排出マニホールド２９out が位置する側のセパレ
ータの辺とは、互いに対向している。燃料ガス供給マニ
ホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out
は、セパレータ１８の上辺に沿った位置にあり、酸化ガ
ス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド
２９out は、セパレータ１８の下辺に沿った位置にあ
る。
作用を説明する。本発明の実施例１では、図３〜図６に
示すように、スタック２３は水平に置かれ、セパレータ
燃料ガス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂ
は、Ｕターン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びて
いる。また、スタック２３を水平方向に置いた時に、酸
化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホー
ルド２９out は燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料
ガス排出マニホールド２８out より下側に位置する。酸
化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホー
ルド２９out はセパレータ下辺に沿った位置に集中して
おり、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out はセパレータ上辺に沿った位置に
集中している。また、燃料ガス供給マニホールド２８in
と燃料ガス排出マニホールド２８outが位置する側のセ
パレータの辺と、酸化ガス供給マニホールド２９inと酸
化ガス排出マニホールド２９out が位置する側のセパレ
ータの辺とは、互いに対向している。燃料ガス供給マニ
ホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out
は、セパレータ１８の上辺に沿った位置にあり、酸化ガ
ス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド
２９out は、セパレータ１８の下辺に沿った位置にあ
る。
【００１９】本発明の実施例１では、セパレータ燃料ガ
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂがＵター
ン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びており、酸化
ガス排出マニホールド２９out が燃料ガスマニホールド
２８in、２８out より下側に位置するので、とくに湿潤
過多が問題となるセパレータ酸化ガス流路２７ｂの出口
側部分において、酸化ガスの流れ方向と水滴の自重の方
向とが同じ（鉛直下向き）になり、反応生成水によって
湿潤過多となりやすいセパレータ酸化ガス流路２７ｂの
出口側部分に水滴が生じても、水滴の自重とガスの流れ
で効果的に水滴を排出できる。
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂがＵター
ン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びており、酸化
ガス排出マニホールド２９out が燃料ガスマニホールド
２８in、２８out より下側に位置するので、とくに湿潤
過多が問題となるセパレータ酸化ガス流路２７ｂの出口
側部分において、酸化ガスの流れ方向と水滴の自重の方
向とが同じ（鉛直下向き）になり、反応生成水によって
湿潤過多となりやすいセパレータ酸化ガス流路２７ｂの
出口側部分に水滴が生じても、水滴の自重とガスの流れ
で効果的に水滴を排出できる。
【００２０】本発明の実施例２では、図７に示すよう
に、スタック２３は水平に置かれ、セパレータ燃料ガス
流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、Ｕター
ン部３０ａ、３０ｂを除き水平方向に延びている。ま
た、スタック２３を水平方向に置いた状態で、同じセパ
レータ酸化ガス流路２７ｂに接続する酸化ガス供給マニ
ホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９out の
うち、酸化ガス排出マニホールド２９out が酸化ガス供
給マニホールド２９inより下側に位置する。酸化ガス供
給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９
out は一方のセパレータ側辺（上下方向に延びる辺）に
沿った位置に集中しており、燃料ガス供給マニホールド
２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out は他方のセ
パレータ側辺（上下方向に延びる辺）に沿った位置に集
中している。また、燃料ガス供給マニホールド２８inと
燃料ガス排出マニホールド２８outが位置する側のセパ
レータの側辺と、酸化ガス供給マニホールド２９inと酸
化ガス排出マニホールド２９out が位置する側のセパレ
ータの側辺とは、互いに、左右方向に対向している。
に、スタック２３は水平に置かれ、セパレータ燃料ガス
流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、Ｕター
ン部３０ａ、３０ｂを除き水平方向に延びている。ま
た、スタック２３を水平方向に置いた状態で、同じセパ
レータ酸化ガス流路２７ｂに接続する酸化ガス供給マニ
ホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９out の
うち、酸化ガス排出マニホールド２９out が酸化ガス供
給マニホールド２９inより下側に位置する。酸化ガス供
給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホールド２９
out は一方のセパレータ側辺（上下方向に延びる辺）に
沿った位置に集中しており、燃料ガス供給マニホールド
２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out は他方のセ
パレータ側辺（上下方向に延びる辺）に沿った位置に集
中している。また、燃料ガス供給マニホールド２８inと
燃料ガス排出マニホールド２８outが位置する側のセパ
レータの側辺と、酸化ガス供給マニホールド２９inと酸
化ガス排出マニホールド２９out が位置する側のセパレ
ータの側辺とは、互いに、左右方向に対向している。
【００２１】本発明の実施例２では、セパレータ燃料ガ
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、Ｕタ
ーン部３０ａ、３０ｂを除き水平方向に延びており、酸
化ガス排出マニホールド２９out が酸化ガス供給マニホ
ールド２９inより下側に位置するので、セパレータ酸化
ガス流路２７ｂで水滴が生じても、酸化ガス流れによ
り、自重に逆らわずに、水滴を排出できる。
ス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂは、Ｕタ
ーン部３０ａ、３０ｂを除き水平方向に延びており、酸
化ガス排出マニホールド２９out が酸化ガス供給マニホ
ールド２９inより下側に位置するので、セパレータ酸化
ガス流路２７ｂで水滴が生じても、酸化ガス流れによ
り、自重に逆らわずに、水滴を排出できる。
【００２２】本発明の実施例３では、図８に示すよう
に、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マ
ニホールド２８out が位置する側のセパレータの辺と、
酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホ
ールド２９out が位置する側のセパレータの辺とは、同
じ辺である。スタック２３は水平に置かれ、燃料ガス供
給マニホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８
out 、および酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガ
ス排出マニホールド２９out は、セパレータ１８の下辺
に沿った位置に集中して配置されている。マニホールド
間距離のうち、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃
料ガス排出マニホールド２８out との間の距離が最も離
れており、酸化ガス排出マニホールド２９out 、燃料ガ
ス供給マニホールド２８in、酸化ガス供給マニホールド
２９in、燃料ガス排出マニホールド２８out の順で配置
されている。スタック２３は水平に置かれ、セパレータ
燃料ガス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂ
は、Ｕターン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びて
いる。ただし、セパレータ燃料ガス流路２７ａとセパレ
ータ酸化ガス流路２７ｂは、図８を９０°反時計回り方
向に回転させて、水平方向に延びてもよい。
に、燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出マ
ニホールド２８out が位置する側のセパレータの辺と、
酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出マニホ
ールド２９out が位置する側のセパレータの辺とは、同
じ辺である。スタック２３は水平に置かれ、燃料ガス供
給マニホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８
out 、および酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガ
ス排出マニホールド２９out は、セパレータ１８の下辺
に沿った位置に集中して配置されている。マニホールド
間距離のうち、酸化ガス排出マニホールド２９out と燃
料ガス排出マニホールド２８out との間の距離が最も離
れており、酸化ガス排出マニホールド２９out 、燃料ガ
ス供給マニホールド２８in、酸化ガス供給マニホールド
２９in、燃料ガス排出マニホールド２８out の順で配置
されている。スタック２３は水平に置かれ、セパレータ
燃料ガス流路２７ａとセパレータ酸化ガス流路２７ｂ
は、Ｕターン部３０ａ、３０ｂを除き上下方向に延びて
いる。ただし、セパレータ燃料ガス流路２７ａとセパレ
ータ酸化ガス流路２７ｂは、図８を９０°反時計回り方
向に回転させて、水平方向に延びてもよい。
【００２３】本発明の実施例３では、燃料ガス供給マニ
ホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out 、
および酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出
マニホールド２９out が、同じセパレータ辺側に位置し
ているので、酸化ガスの入口からＵターン部への流れと
燃料ガスのＵターン部から出口への流れとを、および酸
化ガスのＵターン部から出口への流れと燃料ガスの入口
からＵターン部への流れとを並行流とすることができ、
電解質膜１１を通してのセル面内方向の最ウエット部か
ら最ドライ部への水分移行が促進される。
ホールド２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out 、
および酸化ガス供給マニホールド２９inと酸化ガス排出
マニホールド２９out が、同じセパレータ辺側に位置し
ているので、酸化ガスの入口からＵターン部への流れと
燃料ガスのＵターン部から出口への流れとを、および酸
化ガスのＵターン部から出口への流れと燃料ガスの入口
からＵターン部への流れとを並行流とすることができ、
電解質膜１１を通してのセル面内方向の最ウエット部か
ら最ドライ部への水分移行が促進される。
【００２４】
【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、セパレー
タ面内方向でのマニホールド間の距離の中で、酸化ガス
排出マニホールドと燃料ガス排出マニホールド間の距離
が、他のマニホールド間距離以上であるので、酸化ガス
および燃料ガスのうちの一方のガスの入口（供給）マニ
ホールドと他方のガスの出口（排出）マニホールドとを
近接させることと、酸化ガスおよび燃料ガスのそれぞれ
のガスの入口マニホールドと出口マニホールド同士を近
接させることとを、両立させることができ、一方のガス
の出口側から他方のガスへの入口側への膜を通してのセ
ル厚み方向の水分移行、およびそれぞれのガスの出口側
から入口側への膜を通してのセル面内方向の水分移行の
両方が行われ、電解質膜での水分分布均一化が従来に比
べて促進され、反応ガス入口側近傍のドライアップおよ
び反応ガス出口側近傍における湿潤過多を防止すること
ができる。請求項２の燃料電池によれば、セパレータ燃
料ガス流路がＵターン部を有し、セパレータ酸化ガス流
路がＵターン部を有し、燃料ガス流れと酸化ガス流れと
が並行しているので、酸化ガス流れの上流部（ドライ）
を燃料ガス流れの下流部（ウェット）と対応させ、酸化
ガス流れの下流部（ウエット）を燃料ガス流れの上流部
（ドライ）と対応させることができ、ウエット部からの
ドライ部への水分移行を促進できる。請求項３の燃料電
池によれば、セパレータが偏平な矩形状の面形状を有す
るので、セパレータガス流路が延びる方向の水分分布の
傾斜を小さくすることができる。請求項４の燃料電池に
よれば、冷媒の流れの方向が酸化ガスの流れの方向と同
じに設定されているので、酸化ガスの入口側を冷して飽
和蒸気圧を下げることができ、酸化ガス入口側での電解
質膜の乾燥を防止できる。請求項５の燃料電池によれ
ば、セパレータ燃料ガス流路とセパレータ酸化ガス流路
がＵターン部を除き上下方向に延びており、酸化ガス排
出マニホールドが燃料ガスマニホールドより下側に位置
するので、酸化ガス流路の出口側部分に水滴が生じても
自重とガスの流れで効果的に水滴を排出できる。請求項
６の燃料電池によれば、セパレータ燃料ガス流路とセパ
レータ酸化ガス流路が、Ｕターン部を除き水平方向に延
びており、酸化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マ
ニホールドより下側に位置するので、セパレータ酸化ガ
ス流路で水滴が生じても、酸化ガス流れにより、自重に
逆らうことなく、水滴を排出できる。請求項７の燃料電
池によれば、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出
マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス
排出マニホールドとが、互いに対向するセパレータ辺側
に位置しているので、セパレータ酸化ガス流路の上流側
部とセパレータ燃料ガス流路の下流側部とを、およびセ
パレータ酸化ガス流路の下流側部とセパレータ燃料ガス
流路の上流側部とを、それぞれ、近づけることができ、
電解質膜を通しての水分移行を促進できる。請求項８の
燃料電池によれば、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガ
ス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸
化ガス排出マニホールドとが、同じセパレータ辺側に位
置しているので、酸化ガスの入口からＵターン部への流
れと燃料ガス流路のＵターン部から出口への流れとを、
および酸化ガスのＵターン部から出口への流れと燃料ガ
ス流路の入口からＵターン部への流れとを並行流とする
ことができ、電解質膜を通してのセル面内方向の水分移
行を促進できる。
タ面内方向でのマニホールド間の距離の中で、酸化ガス
排出マニホールドと燃料ガス排出マニホールド間の距離
が、他のマニホールド間距離以上であるので、酸化ガス
および燃料ガスのうちの一方のガスの入口（供給）マニ
ホールドと他方のガスの出口（排出）マニホールドとを
近接させることと、酸化ガスおよび燃料ガスのそれぞれ
のガスの入口マニホールドと出口マニホールド同士を近
接させることとを、両立させることができ、一方のガス
の出口側から他方のガスへの入口側への膜を通してのセ
ル厚み方向の水分移行、およびそれぞれのガスの出口側
から入口側への膜を通してのセル面内方向の水分移行の
両方が行われ、電解質膜での水分分布均一化が従来に比
べて促進され、反応ガス入口側近傍のドライアップおよ
び反応ガス出口側近傍における湿潤過多を防止すること
ができる。請求項２の燃料電池によれば、セパレータ燃
料ガス流路がＵターン部を有し、セパレータ酸化ガス流
路がＵターン部を有し、燃料ガス流れと酸化ガス流れと
が並行しているので、酸化ガス流れの上流部（ドライ）
を燃料ガス流れの下流部（ウェット）と対応させ、酸化
ガス流れの下流部（ウエット）を燃料ガス流れの上流部
（ドライ）と対応させることができ、ウエット部からの
ドライ部への水分移行を促進できる。請求項３の燃料電
池によれば、セパレータが偏平な矩形状の面形状を有す
るので、セパレータガス流路が延びる方向の水分分布の
傾斜を小さくすることができる。請求項４の燃料電池に
よれば、冷媒の流れの方向が酸化ガスの流れの方向と同
じに設定されているので、酸化ガスの入口側を冷して飽
和蒸気圧を下げることができ、酸化ガス入口側での電解
質膜の乾燥を防止できる。請求項５の燃料電池によれ
ば、セパレータ燃料ガス流路とセパレータ酸化ガス流路
がＵターン部を除き上下方向に延びており、酸化ガス排
出マニホールドが燃料ガスマニホールドより下側に位置
するので、酸化ガス流路の出口側部分に水滴が生じても
自重とガスの流れで効果的に水滴を排出できる。請求項
６の燃料電池によれば、セパレータ燃料ガス流路とセパ
レータ酸化ガス流路が、Ｕターン部を除き水平方向に延
びており、酸化ガス排出マニホールドが酸化ガス供給マ
ニホールドより下側に位置するので、セパレータ酸化ガ
ス流路で水滴が生じても、酸化ガス流れにより、自重に
逆らうことなく、水滴を排出できる。請求項７の燃料電
池によれば、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出
マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス
排出マニホールドとが、互いに対向するセパレータ辺側
に位置しているので、セパレータ酸化ガス流路の上流側
部とセパレータ燃料ガス流路の下流側部とを、およびセ
パレータ酸化ガス流路の下流側部とセパレータ燃料ガス
流路の上流側部とを、それぞれ、近づけることができ、
電解質膜を通しての水分移行を促進できる。請求項８の
燃料電池によれば、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガ
ス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと酸
化ガス排出マニホールドとが、同じセパレータ辺側に位
置しているので、酸化ガスの入口からＵターン部への流
れと燃料ガス流路のＵターン部から出口への流れとを、
および酸化ガスのＵターン部から出口への流れと燃料ガ
ス流路の入口からＵターン部への流れとを並行流とする
ことができ、電解質膜を通してのセル面内方向の水分移
行を促進できる。
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の断面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータ部位
での正面図（図３のＡ視図）である。
での正面図（図３のＡ視図）である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータ部位
での背面図（図３のＢ視図）である。
での背面図（図３のＢ視図）である。
【図６】本発明の燃料電池のセパレータ部位での冷媒流
路を合わせ示した背面図（図５に冷媒流路を加えた図）
である。
路を合わせ示した背面図（図５に冷媒流路を加えた図）
である。
【図７】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータ部位
での正面図（破線は背面側を示す）である。
での正面図（破線は背面側を示す）である。
【図８】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータ部位
での正面図（破線は背面側を示す）である。
での正面図（破線は背面側を示す）である。
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ テンションプレート ２５ ボルト ２６ 冷媒流路 ２６in 冷媒供給マニホールド ２６out 冷媒排出マニホールド ２７ 反応ガス流路 ２７ａ セパレータ燃料ガス流路 ２７ｂ セパレータ酸化ガス流路 ２８in 燃料ガス供給マニホールド ２８out 燃料ガス排出マニホールド ２９in 酸化ガス供給マニホールド ２９out 酸化ガス排出マニホールド ３０ａ Ｕターン部 ３０ｂ Ｕターン部 Ｌ1 酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料ガス排
出マニホールド２８out間の距離 Ｌ2 酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料ガス供
給マニホールド２８in間の距離 Ｌ3 酸化ガス排出マニホールド２９out と酸化ガス供
給マニホールド２９in間の距離 Ｌ4 酸化ガス供給マニホールド２９inと燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離 Ｌ5 燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離 Ｌ6 酸化ガス供給マニホールド２９inと燃料ガス供給
マニホールド２８in間の距離
出マニホールド２８out間の距離 Ｌ2 酸化ガス排出マニホールド２９out と燃料ガス供
給マニホールド２８in間の距離 Ｌ3 酸化ガス排出マニホールド２９out と酸化ガス供
給マニホールド２９in間の距離 Ｌ4 酸化ガス供給マニホールド２９inと燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離 Ｌ5 燃料ガス供給マニホールド２８inと燃料ガス排出
マニホールド２８out 間の距離 Ｌ6 酸化ガス供給マニホールド２９inと燃料ガス供給
マニホールド２８in間の距離
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 拓未 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 濱田 仁 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 松本 信一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08
Claims (8)
- 【請求項１】 セパレータ燃料ガス流路で互いに連通さ
れた燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホー
ルドを少なくとも１組有し、セパレータ酸化ガス流路で
互いに連通された酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス
排出マニホールドを少なくとも１組有し、任意の組の燃
料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドお
よび前記任意の組と対応する組の酸化ガス供給マニホー
ルドと酸化ガス排出マニホールドの、セパレータ面内方
向でのマニホールド間の距離の中で、酸化ガス排出マニ
ホールドと燃料ガス排出マニホールド間の距離が、他の
マニホールド間距離以上である、燃料電池。 - 【請求項２】 前記セパレータ燃料ガス流路はＵターン
部を有し、前記セパレータ酸化ガス流路はＵターン部を
有しており、 燃料ガス流れと酸化ガス流れとが並行している請求項１
記載の燃料電池。 - 【請求項３】 前記セパレータは、偏平な矩形状の面形
状を有し、短い辺と平行な方向にセパレータ燃料ガス流
路およびセパレータ酸化ガス流路が延びている請求項１
記載の燃料電池。 - 【請求項４】 前記燃料電池はセパレータに冷媒流路を
有し、該冷媒流路内の冷媒の流れの方向がセパレータ酸
化ガス流路を流れる酸化ガスの流れの方向と同じに設定
されている請求項１記載の燃料電池。 - 【請求項５】 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパ
レータ酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き上下方向に延
びており、 酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールド
は燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホール
ドより下側に位置する請求項２記載の燃料電池。 - 【請求項６】 前記セパレータ燃料ガス流路と前記セパ
レータ酸化ガス流路は、Ｕターン部を除き水平方向に延
びており、 同じセパレータ酸化ガス流路に接続する酸化ガス供給マ
ニホールドと酸化ガス排出マニホールドのうち、酸化ガ
ス排出マニホールドが酸化ガス供給マニホールドより下
側に位置する請求項２記載の燃料電池。 - 【請求項７】 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排
出マニホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化
ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位
置する側のセパレータの辺とは、互いに対向している請
求項１記載の燃料電池。 - 【請求項８】 燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排
出マニホールドが位置する側のセパレータの辺と、酸化
ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドが位
置する側のセパレータの辺とは、同じ辺である請求項１
記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000342962A JP4032633B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000342962A JP4032633B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002151105A true JP2002151105A (ja) | 2002-05-24 |
| JP4032633B2 JP4032633B2 (ja) | 2008-01-16 |
Family
ID=18817408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000342962A Expired - Fee Related JP4032633B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4032633B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112007000054T5 (de) | 2006-06-21 | 2008-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma | Brennstoffzelle |
| CN116314982A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-06-23 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 基于转印工艺的质子交换膜燃料电池ccm生产装置及方法 |
-
2000
- 2000-11-10 JP JP2000342962A patent/JP4032633B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112007000054T5 (de) | 2006-06-21 | 2008-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma | Brennstoffzelle |
| US8557466B2 (en) | 2006-06-21 | 2013-10-15 | Panasonic Corporation | Fuel cell including separator with gas flow channels |
| CN116314982A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-06-23 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 基于转印工艺的质子交换膜燃料电池ccm生产装置及方法 |
| CN116314982B (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-11 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 基于转印工艺的质子交换膜燃料电池ccm生产装置及方法 |
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| JP4032633B2 (ja) | 2008-01-16 |
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