JP2003249248A

JP2003249248A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003249248A
Application number: JP2002049987A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Takegawa; 寿弘竹川; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2003-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP3876730B2

Abstract

(57)【要約】【課題】膜電極接合体の乾燥が抑制されてセル特性の
低下を引き起こすことのない、発電効率が高くシステム
の小型化の可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供す
る。【解決手段】膜電極接合体７と、アノード側セパレー
タ５と、膜電極接合体７に配置されてアノード側セパレ
ータ５とで膜電極接合体７を挟持してセルを構成すると
共に、酸化剤ガスを流通させる、互いに近接する上昇往
路１１Ａと下降復路１１Ｂとが上部の折り返し部１１Ｃ
で連通されてなる、複数のガス流路１１が互いに並行す
るように設けられ、折り返し部１１Ａの近傍に冷却用水
路１２が形成されたカソード側セパレータ６とで燃料電
池１を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子を電
解質として用いた燃料電池に関し、更に詳しくは、外部
からの加湿が抑制された低加湿状態または外部からの加
湿のない状態でのガス供給下で稼働する燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、反応ガスである水素などの
燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応さ
せることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電
解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類さ
れるが、その一つとして、電解質に固体高分子を用いた
固体高分子燃料電池が知られている。

【０００３】一般に、燃料電池の燃料極（アノード
極）、酸化剤極（カソード極）の両電極において進行す
る電極反応は、以下の通りである。

【０００４】燃料極２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）酸化剤４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ …（２）すなわち、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極で
は、上記式（１）で示す反応が進行して水素イオンが生
成される。このように生成された水素イオンが水和状態
で電解質（固体高分子型燃料電池であれば固体高分子電
解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化
剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されることによ
り、カソード極では式（２）の反応が進行する。この式
（１）、（２）の電極反応が各極で進行することによ
り、燃料電池は起電力を発生する。

【０００５】ここで、固体高分子電解質型燃料電池にお
いては、固体高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガ
スの湿度に著しく依存しており、反応ガスの湿度が低す
ぎると、高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し、セ
ル特性の低下を引き起こす。このため、一般的には電極
の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器
などの加湿手段により加湿して供給する方式が行われて
いる。しかしながら、このように加湿器などの加湿手段
を用いることとすれば、固体高分子電解質型燃料電池が
大型化し、システムとしての発電効率が低下することに
なる。

【０００６】このため、反応ガスを加湿することなく供
給して、固体高分子電解質型燃料電池を運転する無加湿
運転が試みられており、特開２００１−１８５１７２号
公報や特開２００１−６６９８号公報には、高分子電解
質膜を薄膜化したり、アノード極およびカソード極に供
給する反応ガスを互いに反対方向に流通させる所謂対向
流として供給することが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成で反応ガスを低加湿または無加湿の状態で発電を行
うとガス流路の構成が十分でないため、燃料ガスおよび
酸化剤ガスを消費して発電を行う部位である膜電極接合
体（ＭＥＡ；ＭｅｍｒａｎＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓ
ｅｍｅｂｌｙ）の含水状態が不安定となり、その結果発
電に必要なプロトンの移動が安定して行われなくなる。
このため、セル特性を低下させることなく安定して発電
を行うことは困難であった。また、従来の燃料電池で
は、膜の含水状態を維持して安定して発電できる温度域
が６０℃近辺と限られている。そのため、燃料電池の発
電効率がより望ましい状態となる９０℃に近い温度での
稼動を維持することが困難であった。

【０００８】そこで、本発明は、上記した問題点に着目
して創案されたものであり、電池反応により生成された
水の利用によって膜電極接合体の乾燥が抑制され、かつ
加湿が抑制された低加湿ガス供給、さらには外部からの
加湿を行わないガス供給運転においてもセル特性の低下
を引き起こすことのない、発電効率が高くシステムの小
型化の可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
電解質膜の両面に、電極を配置してなる膜電極接合体
と、前記膜電極接合体の一方の面に配置される、燃料ガ
スを流通させる燃料ガス流路が形成されたアノード側セ
パレータと、前記膜電極接合体の他方の面に配置されて
前記アノード側セパレータとで該膜電極接合体を挟持し
てセルを構成すると共に、酸化剤ガスを流通させる、互
いに近接する上昇往路と下降復路とが上部の折り返し部
で連通されてなる、複数の酸化剤ガス流路が互いに並行
するように設けられ、前記折り返し部の近傍に冷却用水
路が形成されたカソード側セパレータと、を備えること
を要旨とする。

【００１０】このような構成の請求項１記載の発明で
は、反応生成水を発生するカソード側において、酸化剤
ガスを流通させる、互いに近接する上昇往路と下降復路
とが上部の折り返し部で連通されてなり、これら折り返
し部の近傍に冷却用水路が形成された構成であるため、
ガス流に含有される水分を流路の途中で回収することが
できる。このため、ガス流と一緒に持ち出される水分量
を抑制することができる。

【００１１】また、折り返し部をセル面内のガス流路上
部に配置することで、相対的に湿潤しているガス流路下
流を下向きの方向に流すことができる。このため、ガス
流路自体に凝集した水自身が受ける重力をも活用でき
る。したがって、凝集水による流路の閉塞を防ぐととも
に、より広範囲に凝集水を拡散することが可能となる。
この結果、反応生成水を有効に活用することとなり、膜
電極接合体の乾燥を抑制することでセル特性の劣化を生
じさせることなく優れた電池特性を安定して得ることが
できる。

【００１２】さらに、発電部の温度に比べて折り返し部
の温度が異なる温度状態で運転ができるように配設され
た冷却水路を、燃料電池自体から発生する熱の排熱用冷
却水路と別に設けることで、セルの稼働温度を高く維持
することができる。その結果、高い発電効率を維持する
とともに、例えば補器として構成される燃料電池除熱用
ラジエータの稼働温度として外気温との温度差を保持で
きるため、燃料電池からの排熱を円滑に行うことも可能
となる。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池であって、前記酸化剤ガス流路は、前記カソード
側セパレータ内で鉛直方向に対して傾いて形成された傾
斜部を有することを特徴とする。

【００１４】したがって、請求項２記載の発明では、請
求項１記載の作用に加えて、酸化剤ガス流路が傾斜部を
有することで、酸化剤ガス流路の往路側にて凝集した水
のセル面内におけるガス流路からの排出速度を抑制する
ことができる。このような構成とすることにより、セル
内からの反応生成水のガス流に含有する水分を流路の途
中で回収することができ、ガス流と一緒に持ち出される
水分量が増えるのを抑制できる。また、上記した請求項
１記載の発明の作用に加えて、反応生成水をより有効に
活用することができ、膜電極接合体の乾燥さらに抑制す
ることができ、セル特性の劣化を生じさせることなく優
れた電池特性をより安定化させることができる。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または請
求項２に記載された燃料電池であって、前記酸化剤ガス
流路の前記傾斜部における前記上昇往路と前記下降復路
では、前記下降復路が前記上昇往路より上方に配置され
ていることを特徴とする。

【００１６】したがって、請求項３記載の発明では、請
求項１および請求項２に記載された発明の作用に加え
て、ガス流路上流にあたる上向きの往路に対してガス流
路下流にあたる下向きとなる復路をその上部に配置する
ことで、生成水回収手段によって相対的に湿潤される膜
電極接合体を、相対的に乾燥される膜電極接合部の上部
とすることができ、復路によって回収できた水分を重力
を利用して、相対的により乾燥される往路に近接させる
ことが可能となる。このため、湿潤状態の差から生じる
水分量の濃度差から生じる膜電極接合体の湿潤状態の均
一化をより促進する作用がある。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１または請
求項２に記載された燃料電池であって、前記カソード側
セパレータにおいて複数の並行する酸化剤ガス流路の群
の幅方向の両端に位置するガス流路が、折り返し部から
連通する復路として配置されていることを特徴とする。

【００１８】したがって、請求項４記載の発明では、請
求項１および請求項２に記載された発明の作用に加え
て、相対的に湿潤状態となる復路をセル流路の両端（幅
方向外側）に配置することで、膜電極接合体の湿潤状態
の均一化を促進することができるため、セル特性の劣化
を抑制し優れた電池特性を得ることが可能となる。

【００１９】請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求
項４のいずれかに記載された燃料電池であって、前記酸
化剤ガス流路の前記折り返し部同士が連通する共有折り
返し部でなることを特徴とする。

【００２０】したがって、請求項５記載の発明では、複
数のガス流路間で折り返し部を共有化することで、折り
返し部でのガスの滞留時間を長くすることができるの
で、冷却を受ける時間をより長くすることで水の回収を
より促進することが可能となる。また、互いのガスと混
合することで、復路に流通するガス濃度の不均一性を抑
制することができ、セル内での反応状態のより均一化が
促進され、セル特性の劣化を抑制し優れた電池特性を安
定して得ることが可能となる。

【００２１】請求項６記載の発明は、請求項５記載の燃
料電池であって、前記共有折り返し部の流路幅が、該共
有折り返し部に連通する酸化剤ガス流路の上昇往路・下
降復路の流路幅に対して、１〜２０倍であることを特徴
とする。

【００２２】したがって、請求項６記載の発明では、複
数のガス流路間で共通化される折り返し部を、この折り
返し部に連通するガス流路の往路、復路の流路幅に対し
て１倍以上としたことにより、折り返し部での凝集水に
よる折り返し部が閉塞することを防ぐことができる。ま
た、折り返し部でのガスの滞留時間を調整できるため、
折り返し部における水の凝集の図り方を調整することが
可能となる。

【００２３】請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求
項６のいずれかに記載された燃料電池であって、発電に
際して供給される燃料ガス・酸化剤ガスの少なくとも一
部が低加湿状態で供給されることを特徴とする。

【００２４】したがって、請求項７記載の発明では、供
給するガスの少なくとも一部を、外部からの加湿を抑制
した低加湿状態とすることにより、加湿に必要な加湿水
の量を減らすことができ、燃料電池システムの重量軽減
を図ることができる。

【００２５】請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求
項６のいずれかに記載された燃料電池であって、発電に
際して供給される燃料ガス・酸化剤ガスの少なくとも一
部が外部から加湿されない状態で供給されることを特徴
とする。

【００２６】したがって、請求項８記載の発明では、発
電に必要な供給ガスに対する外部からの加湿をなくすこ
とができるため、加湿に要する加湿水および外部加湿に
必要な補器類を省略することができる。このため、加湿
制御や補器の制御などを簡略化することができる。その
結果、燃料電池システムの系全体のシステムを簡略化す
ることができるとともに、重量の低減化を図ることがで
きる。

【００２７】請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求
項８のいずれかに記載される燃料電池であって、燃料電
池車両に駆動源として搭載されることを特徴とする。

【００２８】したがって、請求項９記載の発明では、セ
ル特性の劣化を生じさせることなく優れた電池特性を安
定して、燃料電池車両の駆動源として用いることができ
る。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ガス流に
含有される水分を流路の途中で回収することができるた
め、ガス流と一緒に持ち出される水分量を抑制すること
ができるとともに、相対的に湿潤しているガス流路下流
を水自身が受ける重力をも活用して下向きの方向に流す
ことができる。このように、水分量と水分の排除効果が
高くなるため、凝集水による流路の閉塞を防ぐことがで
きる。さらに、より広範囲に凝集水を拡散させることが
できるため、反応生成水を有効に活用することとなり、
膜電極接合体の乾燥を抑制できる。この結果、セル特性
の劣化を生じさせることなく優れた電池特性が安定して
得られるという効果がある。加えて、発電部の温度に比
べて折り返し部の温度が異なる温度状態で運転ができる
ように配設された冷却水路を、燃料電池自体から発生す
る熱の排熱用冷却水路と別に設けたことで、セルの稼働
温度を高く維持することができ、高い発電効率を維持す
るとともに、外気温との温度差を保持できるため、燃料
電池からの排熱を円滑に行えるという効果を奏する。

【００３０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の効果に加えて、酸化剤ガス流路の往路側にて凝集し
た水のセル面内におけるガス流路からの排出速度を抑制
することができる。このため、セル内からの反応生成水
のガス流に含有する水分を流路の途中で回収することが
でき、ガス流と一緒に持ち出される水分量が増えるのを
抑制できる。すなわち、請求項２記載の発明によれば、
反応生成水をより有効に活用できるため、膜電極接合体
の乾燥をさらに抑制することができ、セル特性の劣化を
生じさせることなく優れた電池特性をより安定化させる
ことができる。

【００３１】請求項３記載の発明によれば、請求項１お
よび請求項２に記載された発明の効果に加えて、湿潤状
態の差から生じる水分量の濃度差から生じる膜電極接合
体の湿潤状態の均一化をより促進する効果がある。

【００３２】請求項４記載の発明によれば、請求項１お
よび請求項２に記載された発明の効果に加えて、膜電極
接合体の湿潤状態の均一化を促進することができるた
め、セル特性の劣化を抑制し優れた電池特性を実現する
ことができる。

【００３３】請求項５記載の発明によれば、複数のガス
流路間で折り返し部を共有化することで、折り返し部で
のガスの滞留時間を長くすることができ、冷却を受ける
時間をより長くすることができるため、水の回収をより
促進できる。また、請求項５記載の発明によれば、互い
のガスと混合することで、復路に流通するガス濃度の不
均一性を抑制することができ、セル内での反応状態のよ
り均一化が促進でき、セル特性の劣化を抑制し優れた電
池特性を安定して得ることができる。

【００３４】請求項６記載の発明によれば、折り返し部
での凝集水による折り返し部が閉塞することを防ぐこと
ができる。また、折り返し部でのガスの滞留時間を調整
できるため、折り返し部における水の凝集の図り方を調
整できる。

【００３５】請求項７記載の発明によれば、供給するガ
スの少なくとも一部を、外部からの加湿を抑制した低加
湿状態とすることにより、加湿に必要な加湿水の量を減
らすことができ、燃料電池システムの重量軽減を図るこ
とができる。

【００３６】請求項８記載の発明によれば、加湿制御や
周辺補器の制御などを簡略化することができ、燃料電池
システムの系全体のシステムを簡略化並びに重量の低減
化を図ることができる。

【００３７】請求項９記載の発明によれば、セル特性の
劣化を生じさせることなく優れた電池特性を安定して、
燃料電池車両の駆動源として用いることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池の詳
細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。

【００３９】（第１の実施の形態）図１および図２は、
本発明を固体高分子型燃料電池に適用した第１の実施の
形態を示している。なお、図１は本実施の形態の固体高
分子型燃料電池１の要部断面図、図２は本実施の形態の
燃料電池１の側面図である。なお、本実施の形態の燃料
電池１は、燃料電池車両の駆動電源に適用されるもので
ある。

【００４０】図１に示すように、本実施の形態の固体高
分子型燃料電池１は、固体高分子膜からなる電解質膜２
と、この電解質膜２を挟持するように電解質膜２の両面
に配置される電極としてのアノード極（燃料極）３並び
にカソード極（酸化剤極）４と、セル間の隔壁をなすア
ノード側セパレータ５並びにカソード側セパレータ６と
を積層することにより構成されている。なお、電解質膜
２とアノード側セパレータ３とカソード側セパレータ４
とは、接合されて膜電極接合体７を構成している。ま
た、アノード側セパレータ５およびカソード側セパレー
タ６は、互いに対向する縁部にシール材８が周回して介
在されている。このシール材８は、これらアノード側セ
パレータ５およびカソード側セパレータ６と、電解質膜
２との接合部に気密性および水密性を持たせている。

【００４１】電解質膜２は、プロトン伝導性を有する、
例えばフッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されて
いる。アノード極３並びにカソード極４には、白金また
は白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボン
クロスからなり、触媒の存在する面が電解質膜２と接触
するように形成されている。また、触媒へガスを供給す
るために、これらアノード極３およびカソード極４は、
多孔質の拡散層（図示省略）を有している。

【００４２】また、アノード側セパレータ５およびカソ
ード側セパレータ６は、ガスが透過しない緻密なカーボ
ン材で形成されている。そして、これらアノード側セパ
レータ５およびカソード側セパレータ６の互いに対向す
る側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを通すためのガス
供給路１０、１１が形成されている。また、カソード側
セパレータ６の外側面には、燃料電池自体から発生する
熱を排除するための排熱用冷却水路９と、酸化剤ガスの
ガス供給路１１の後述する折り返し部１１Ｃの近傍に配
置された冷却用水路１２とが形成されている。

【００４３】この冷却用水路１２は、電池セルの積層方
向に貫通したマニホールドの構造となっている。また、
この冷却用水路１２は、排熱用冷却水路９に対して独立
して温度制御されるようになっている。なお、排熱用冷
却水路９は、図２に示すように、発電部冷却水路用マニ
ホールド９Ａに連通している。ガス流通路１０には、図
２に示す燃料ガス入口マニホールド１３と燃料ガス出口
マニホールド１４とが連通するように設けられている。

【００４４】ガス流通路（酸化剤ガス流通路）１１は、
図２に示すように、酸化剤ガスを上昇するように流通さ
せる上昇往路１１Ａと、この上昇往路１１Ａの上部で折
り返し部１１Ｃを介して連通し且つ酸化剤ガスを下降す
るように流通させる下降復路１１Ｂとからなり、このよ
うなガス流通路１１は、複数が並行するようにカソード
側セパレータ６に配置、形成されている。そして、上昇
往路１１Ａの下端部は、分配路１５Ａに連通した後、酸
化剤ガス入口マニホールド１５に連通するように形成さ
れている。また、下降復路１１Ｂの下端部は、排出ガス
集合流路１６Ａに連通した後、酸化剤ガス出口マニホー
ルド１６に連通するように形成されている。

【００４５】また、ガス流通路１１の中間部は、図２に
示すように、上昇往路１１Ａ、下降復路１１Ｂが共に、
所定の傾きに設定された傾斜部１１Ｄとなっている。な
お、各ガス流通路１１の傾斜部１１Ｄにおいは、下降復
路１１Ｂが上昇往路１１Ａの上に位置するように設定さ
れている。

【００４６】一般に、例えば酸化剤ガスを低加湿状態ま
たは無加湿状態としたガス供給下では、加湿して運転し
た場合に比べて著しく特性（セルの発電特性）が低下す
る。これは加湿が抑制されたために電極が乾燥して電解
質膜２の抵抗が高くなることが原因と考えられている。
そこで、本実施の形態では、膜電極接合体７に接合され
るカソード側セパレータ６に形成されるガス流通路１１
を上昇往路１１Ａと下降復路１１Ｂとが上部に設けられ
た折り返し部１１Ｃで連通した構成としたことにより、
酸化剤ガスがガス流通路１１の上昇往路１１Ａと下降復
路１１Ｂとで互いに異なる方向（逆方向）に流れるた
め、互いのガス流通路１１同士の間に生じる水の濃度勾
配を利用して、膜電極接合体７の乾燥を防ぐことが可能
となる。

【００４７】また、燃料電池の発電効率がより高く、し
かも燃料電池に発生する熱のラジエータによる除熱効率
がより高くなる７０℃以上で９０℃近い運転を行おうと
すると、蒸気としての燃料電池から持ち出される水分量
が多くなるため、例えガス供給を互いに異なる向きの対
向流の配置としても膜電極接合体７は乾燥状態となって
特性が低下するものと考えられている。このため、本実
施の形態では、上記したように酸化剤ガスのガス流通路
１１を流路の上部に折り返し部１１Ｃを配置し、隣接す
る流路間でガス流通の向きを互い違いとなるようにし、
さらに折り返し部１１Ｃを冷却する冷却用水路１２を配
設した構成としセル特性が低下しないようにしている。

【００４８】以下、本実施の形態に係る燃料電池１の動
作・作用について説明する。この燃料電池１では、酸化
剤ガス入口マニホールド１５から導入された酸化剤ガス
が、セル内の分配路１５Ａから各ガス流通路１１の上昇
往路１１Ａへ分配される。そして、各上昇流路１１Ａに
分配された酸化剤ガスは、折り返し部１１Ｃへ向かって
上昇往路１１Ａを上向きに流通する。折り返し部１１Ｃ
では、近傍に形成された冷却用水路１２により酸化剤ガ
ス中に含まれる水を凝集して回収を行う。酸化剤ガス
は、折り返し部１１Ｃで反転した後、下降復路１１Ｂを
下降して、セルの裏面に形成された排出ガスの集合流路
１６Ａを経て酸化剤ガス出口マニホールド１６へ至る。
上昇往路１１Ａと下降復路１１Ｂとが隣接して並ぶた
め、相互間でセル内での膜電極接合体７の含水状態の均
一化が促進される。

【００４９】また、本実施の形態では、ガス流通路１１
の上部に形成された折り返し部１１Ｃで、ガス中の含水
量を低下させることで、下降復路１１Ｂにおいて発生す
る反応生成水の吸収効率をより高めることができる。

【００５０】さらに、ガス流通路１１の中間部が傾斜部
１１Ｄとなっているため、折り返し部１１Ｃなどで凝集
された水がそのままセルから排出されることを防ぐ作用
がある。加えて、各ガス流通路１１の傾斜部１１Ｄにお
いは、相対的に湿潤な下降復路１１Ｂが上昇往路１１Ａ
の上に位置するように設定されているため、折り返し部
１１Ｃおよび傾斜部１１Ｄでセル内に留められた水分が
濃度差と重力の作用によって均一な湿潤化の挙動をより
促進することが可能となる。

【００５１】なお、本実施の形態においては、燃料ガス
を流通させるガス流路１０の構造を特に限定していない
が、本発明の燃料電池では供給されるガスについて外部
からの加湿を抑制または外部からの加湿がない状態で運
転を行うため、膜電極接合体７の乾燥を抑制するよう
に、酸化剤ガスのガス流通路１１の流通パターンと対向
流となるような配置およびパターンとすることが好まし
い。

【００５２】また、本実施の形態では、折り返し部１１
Ｃをセル面内のガス流通路１１上部に配置することで、
相対的に湿潤しているガス流通路１１の下流を下向きの
方向に流すことができる。このため、ガス流通路１１自
体に凝集した水自身が受ける重力をも活用できる。した
がって、凝集水によるガス流通路１１の閉塞を防ぐとと
もに、より広範囲に凝集水を拡散することが可能とな
る。この結果、反応生成水を有効に活用することとな
り、膜電極接合体７の乾燥を抑制することでセル特性の
劣化を生じさせることなく優れた電池特性を安定して得
ることができる。

【００５３】さらに、本実施の形態では、発電部の温度
に比べて折り返し部１１Ｃの温度が異なる温度状態で運
転ができるように配設された冷却水路１２を、燃料電池
１自体から発生する熱の排熱用冷却水路９と別に設ける
ことで、セルの稼働温度を高く維持することができる。
その結果、高い発電効率を維持するとともに、例えば補
器として構成される図示しない燃料電池除熱用ラジエー
タの稼働温度として外気温との温度差を保持できるた
め、燃料電池１からの排熱除熱を円滑に行うことも可能
となる。

【００５４】さらに、本実施の形態では、酸化剤ガスの
ガス流通路１１が傾斜部１１Ｄを有することで、ガス流
通路１１の上昇往路１１Ａ側にて凝集した水のセル面内
におけるガス流通路１１からの排出速度を抑制すること
ができる。このような構成とすることにより、セル内か
らの反応生成水のガス流に含有する水分を流路の途中で
回収することができ、ガス流と一緒に持ち出される水分
量が増えるのを抑制できる。また、反応生成水をより有
効に活用することで、膜電極接合体の乾燥をさらに抑制
することができるため、セル特性の劣化を生じさせるこ
となく優れた電池特性をより安定化させることができ
る。

【００５５】また、本実施の形態では、ガス流通路１１
の上流にあたる上昇往路１１Ａに対してガス流通路１１
の下流にあたる下降復路１１Ｂをその上部（上側）に配
置することで、生成水回収手段によって相対的に湿潤さ
れる膜電極接合体７を、相対的に乾燥される膜電極接合
体７の上部とすることができ、復路によって回収できた
水分を重力を利用して、相対的により乾燥される下降往
路１１Ｂに近接させることが可能となる。このため、水
分量の濃度差から生じる膜電極接合体の湿潤状態の均一
化をより促進する作用がある。

【００５６】（第２の実施の形態）図３は、本発明に係
る燃料電池の第２の実施の形態を示す側面図である。な
お、本実施の形態において上記した第１の実施の形態と
同一部分および類似部分には、同一の符号および類似の
符号を付してその説明を省略する。

【００５７】本実施の形態に係る燃料電池１では、図３
に示すように、酸化剤ガスを流通させるガス流通路１１
において、上部に設けられた折り返し部１１Ｃと、ガス
流通路１１の下部に設けられた折り返し部１１Ｅと、の
２つの折り返し部を備えた点が上記した第１の実施の形
態と異なる。この結果、本実施の形態に係る燃料電池１
では、下降復路１１Ｂの下部に設けられた折り返し部１
１Ｅから再度立ち上げられた上昇往路１１Ｆを備えてい
る。そして、複数のガス流通路１１のそれぞれの上昇往
路１１Ｆの上端部は、セル上部に形成された排出ガスの
集合流路１６Ａに連通するように形成されている。この
集合流路１６Ａは、酸化剤ガス出口マニホールド１６に
連通している。また、上昇往路１１Ａの下端部は、分配
路１５Ａに連通するように形成され、分配路１５Ａは酸
化剤ガス入口マニホールド１５に連通するように形成さ
れている。

【００５８】また、上部の折り返し部１１Ｃに近接する
冷却用水路１２は、セルの裏面側に形成され、セルの体
積を有効に活用すると共に、酸化剤ガスの排出側にあた
る集合流路１６Ａの裏側もあわせて冷却することで、水
の回収効率を向上させることができる。なお、本実施の
形態に係る燃料電池１の他の構成は、上記した第１の実
施の形態と略同様である。

【００５９】このような第２の実施の形態では、図３に
示すように、ガス流通路１１において、酸化剤ガス入口
マニホールド１５から導入された酸化剤ガスが分配路１
５Ａで各ガス流通路１１に分配される。各ガス流通路１
１では、酸化剤ガスが上昇往路１１Ａ内を上昇して折り
返し部１１Ｃで下降復路１１Ｂに折り返す。このとき、
折り返し部１１Ｃの近傍には、冷却用水路１２が形成さ
れているため、折り返し部１１Ｃ内のガスに含まれる水
が凝集されて回収される。このように、折り返し部１１
Ｃでいったんガス中の含水量を低下させることで、下降
復路１１Ｂにおいて発生する反応生成水の吸収効率をよ
り高めることができる。

【００６０】また、往路と復路とが隣接して並ぶため、
相互間でセル面内での膜電極接合体の含水状態の均一化
が促進される。

【００６１】さらに、本実施の形態においても、ガス流
通路１１が傾斜部１１Ｄを有しているため、傾斜部１１
Ｄでセル内に留められた水分が濃度差と重力の作用によ
って均一な湿潤化の挙動を促進することができる。

【００６２】（第３の実施の形態）図４は本発明に係る
燃料電池の第３の実施の形態を示す側面図である。図４
に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１は、酸化
剤ガスが流通されるガス流通路１１が全て傾斜部から構
成されている点が、上記した第１の実施の形態と異なる
点である。なお、本実施の形態に係る燃料電池１におい
て、上記した第１の実施の形態と同一部分には同一の符
号を付してその説明を省略する。

【００６３】本実施の形態に係る燃料電池１では、複数
のガス流通路１１の幅方向の両端が下降復路１１Ｂとな
るように配置されている。そして、図４に示すように、
複数のガス流通路１１の幅方向の略中央の互いに隣接す
る２つのガス流通路１１では、上昇往路１１Ａ同士が互
いに隣接するように、配置されている。これら互いに隣
接する一方のガス流通路１１の一方の外側に配置される
ガス流通路１１は、上昇往路１１Ａと下降復路１１Ｂと
が互いに隣接するように配置されている。また、他方の
ガス流通路１１の他方の外側に配置されるガス流通路１
１は、上昇往路１１Ａと下降復路１１Ｂとが互いに隣接
するように配置されている。すなわち、複数のガス流通
路１１の群のうち略中央から右側のガス流通路１１の群
は右向きに配置され、略中央から左側のガス流通路１１
の群は左向きに配置されている。なお、本実施の形態の
他の構成は、上記した第１の実施の形態と略同様であ
る。

【００６４】本実施の形態に係る燃料電池１では、ガス
流通路１１の群の幅方向両端に下降復路１１Ｂが配置さ
れその内側に上昇往路１１Ａが配置された構成としたこ
とにより、セル周辺部から膜電極接合体の電解質膜２を
伝わって水がわずかでも放散することで生じる膜電極接
合体の乾燥を防ぐことができる。また、セル周辺部を相
対的に湿潤するようにガス流通路１１を配置することに
なり、膜電極接合体の湿潤状態の均一化を図ることがで
きる。

【００６５】（第４の実施の形態）図５は、本発明に係
る燃料電池の第４の実施の形態を示す側面図である。本
実施の形態に係る燃料電池においては、図５に示すよう
に、酸化剤ガスを流通させる複数のガス流通路１１が全
て傾斜部１１Ｄからなり、これらガス流通路１１の群が
セルの中心部に配置されている。すなわち、セルの四隅
部分には、ガス流通路１１が形成されていない構成とな
っている。また、本実施の形態では、排出ガスが流入さ
れる集合流路１６Ａが傾斜して形成されている。

【００６６】この燃料電池１では、実質的な発電部に当
たる面の活用率が低くなるものの、ガスや冷却水のマニ
ホールド用の流路径を大きくできるため、ガス流路の流
量制限を緩和することができる。また、排出ガスが流入
する集合流路１６Ａが傾斜しているため、集合流路１６
Ａの排水効率が高くなる。

【００６７】（第５の実施の形態）図６は、本発明に係
る燃料電池の第５の実施の形態を示す側面図である。本
実施の形態に係る燃料電池１では、酸化剤ガスを流通さ
せるガス流通路１１、すなわち上昇往路１１Ａと下降復
路１１Ｂとがジグザグ状に形成されている。また、ガス
流通路１１の折り返し部１１Ｃが複数のガス流通路１１
で共有されている。この折り返し部１１Ｃの流路幅は、
上昇往路１１Ａや下降復路１１Ｂの流路幅の１〜２０倍
に設定されている。したがって、本実施の形態では、複
数のガス流路間で共通化される折り返し部を、この折り
返し部に連通するガス流路の往路、復路の流路幅に対し
て１〜２０倍としたことにより、折り返し部での凝集水
による折り返し部が閉塞することを防ぐことができる。
また、折り返し部でのガスの滞留時間を調整できるた
め、折り返し部における水の凝集の図り方を調整するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示
す要部断面図である。

【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の側面図であ
る。

【図３】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示
す側面図である。

【図４】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態を示
す側面図である。

【図５】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態を示
す側面図である。

【図６】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態を示
す側面図である。

【符号の説明】

１燃料電池２電解質膜３アノード極４カソード極６カソード側セパレータ７膜電極接合体９排熱用冷却水路１０ガス流通路１１ガス流通路１１Ａ上昇往路１１Ｂ下降復路１１Ｃ折り返し部１１Ｄ傾斜部１２冷却用水路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｈ０１Ｍ 8/02 ＲＦターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CC10 CX05 HH03 5H027 AA06 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜の両面に電極を配置してなる膜
電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に配置される、燃料ガスを
流通させる燃料ガス流路が形成されたアノード側セパレ
ータと、前記膜電極接合体の他方の面に配置されて前記アノード
側セパレータとで該膜電極接合体を挟持してセルを構成
すると共に、酸化剤ガスを流通させる、互いに近接する
上昇往路と下降復路とが上部の折り返し部で連通されて
なる、複数の酸化剤ガス流路が互いに並行するように設
けられ、前記折り返し部の近傍に冷却用水路が形成され
たカソード側セパレータと、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記酸化剤ガス流路は、前記カソード側
セパレータ内で鉛直方向に対して傾いて形成された傾斜
部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記酸化剤ガス流路の前記傾斜部におけ
る前記上昇往路と前記下降復路では、前記下降復路が前
記上昇往路より上方に配置されていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載された燃料電池。
【請求項４】前記カソード側セパレータにおいて複数
の並行する酸化剤ガス流路の群の幅方向の両端に位置す
るガス流路が、折り返し部から連通する復路として配置
されていることを特徴とする請求項１または請求項２に
記載された燃料電池。
【請求項５】前記酸化剤ガス流路の前記折り返し部同
士が連通する共有折り返し部でなることを特徴とする請
求項１乃至請求項４のいずれかに記載された燃料電池。
【請求項６】前記共有折り返し部の流路幅が、該共有
折り返し部に連通する酸化剤ガス流路の上昇往路・下降
復路の流路幅に対して、１〜２０倍であることを特徴と
する請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】発電に際して供給される燃料ガス・酸化
剤ガスの少なくとも一部が低加湿状態で供給されること
を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載さ
れた燃料電池。
【請求項８】発電に際して供給される燃料ガス・酸化
剤ガスの少なくとも一部が外部から加湿されない状態で
供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のい
ずれかに記載された燃料電池。
【請求項９】燃料電池車両に駆動源として搭載される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記
載される燃料電池。