JP2006108027A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池内部の各ガス流路、冷却媒体流路と接続された各マニホールドを最適に配置することで、燃料電池内部にガス、冷却水を均等に供給し、発電効率を高める。
【解決手段】 アノード１４、固体電解質膜１２、及びカソード１６を有し、アノード１４に水素を含むアノードガスの供給を受けると共にカソード１６に酸素を含むカソードガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池１０であって、燃料ガスの流路２４と、酸化剤ガスの流路２６と、冷却水の流路２８と、流路２４，２６，２８の両端部にそれぞれ接続された各マニホールド部３２とを備え、固体電解質膜１２の面方向の平面的な配置において、流路２４，２６，２８が設けられた所定領域を流路２４，２６，２８が延在する方向に沿って２分割する中心線Ｃに対して、各マニホールド３２のそれぞれを線対称の位置関係で配置した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素を含むガス）を反応させて電力を発生するため、燃料電池内部には、燃料ガスと酸化剤ガスの流路が設けられている。例えば、特開平８−２８７９２８号公報には、燃料電池内部にストレート型流路を設けた構造において、供給ガスの均等配流のために出口マニホールドを上下に分割して設ける構成が開示されている。

特開平８−２８７９２８号公報 特開２００３−３３８２９９号公報 特開２００１−２５０５６８号公報

燃料電池では、反応熱による温度上昇を抑えるため、内部に冷却水（冷却媒体）を流す必要がある。しかしながら、特開平８−２８７９２８号公報では冷却水の流路に関して考慮されておらず、ストレート型流路を設けた構造において、供給ガスの流路とともに冷却水の流路を設ける構成は開示されていない。

特開平８−２８７９２８号公報に記載されているようなストレート型流路を設けた構造において、新たに冷却液流路を追加しようとすると、セパレータに新たに冷却水の流路を設ける必要が生じ、単位セルの積層方向の厚みが増加し、燃料電池スタックが大型になるという問題が生じる。

特に、供給ガスの流路と同一方向に冷却水の流路を設けた場合、供給ガスの流路の両端部には、供給ガスの流路へガスを供給し、また供給ガスの流路からガスを排出するためのマニホールドが設けられているため、新たに冷却水のマニホールドを設けることはスペース的な問題から非常に制約が大きくなる。冷却水の流路の両端にマニホールドを配置できたとしても、冷却水のマニホールドを配置したことにより供給ガスのマニホールドの位置を変更せざるを得ないため、各マニホールドを最適な位置に配置することは困難である。

マニホールドと各流路との位置関係は、流路内の配流に大きな影響を及ぼす。マニホールドの位置が流路に対して偏った位置に配置されていると、マニホールドと流路の間にガス、冷却水が流れる際に圧力損失が生じ、供給ガス流路、冷却水流路の全域に均等にガス、冷却水を流すことが困難となる。このため、燃料電池内部での反応効率が低下し、発電効率が低下するという問題が生じる。

特に、金属板をプレス加工したメタルセパレータによって燃料電池のセパレータを構成した場合、上記公報に記載されているようにストレート型の流路構造となるため、供給ガス流路、冷却水流路と各マニホールドを円滑に接続することができない。従って、供給ガス流路、冷却水流路に対する各マニホールドの配置状態は、各流路への配流を均一にするため非常に重要な要素となる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部の各ガス流路、冷却媒体流路と接続された各マニホールドを最適に配置することで、燃料電池内部にガス、冷却水を均等に供給し、発電効率を高めることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノード、電解質膜、及びカソードを有し、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、前記アノードへ前記アノードガスを供給する流路であって、前記電解質膜の面方向に沿って平行に配置された複数の流路の束からなる第１の流路と、前記カソードへ前記カソードガスを供給する流路であって、前記第１の流路と平行に配置された複数の流路の束からなる第２の流路と、冷却媒体が流れる流路であって、前記第１及び前記第２の流路と平行に配置された複数の流路の束からなる第３の流路と、前記第１、第２、及び第３の流路が設けられ、前記第３の流路が障壁を介して前記第１又は第２の流路に対して表裏一体となるように設けられたセパレータと、前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第１の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第１のマニホールドと、前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第２の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第２のマニホールドと、前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第３の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第３のマニホールドと、を備え、前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドは、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部に前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に配列され、前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３の流路が設けられた所定領域を前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向に沿って２分割する仮想線に対して、前記第１、第２、及び第３のマニホールドのそれぞれが線対称の位置関係で配置されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、少なくとも前記第１、第２、及び第３のマニホールドのいずれかにおいて、前記仮想線によって分割された前記所定領域の一方では、前記供給側マニホールドと前記排出側マニホールドとが当該所定領域の一方の対角線方向に対向配置されていることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれは、１つの前記供給側マニホールドと２つの前記排出側マニホールド、又は２つの前記供給側マニホールドと１つの前記排出側マニホールドを含み、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドは異なる流体が流れるものであり、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドの間に、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが配置され、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された前記第１、第２、及び第３のマニホールドの総数が同一であることを特徴とする。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれは、１つの前記供給側マニホールドと２つの前記排出側マニホールド、又は２つの前記供給側マニホールドと１つの前記排出側マニホールドを含み、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドは異なる流体が流れるものであり、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部の一方では、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドの間に、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが配置され、前記両端部の他方では、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが最も外側に配置され、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された前記第１、第２、及び第３のマニホールドの総数が同一であることを特徴とする。

第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記少なくとも２つのマニホールドは、前記第２のマニホールドを含むことを特徴とする。

第６の発明は、第３又は第４の発明において、前記少なくとも２つのマニホールドは、前記第３のマニホールドを含むことを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記第１又は第２のマニホールドが重力方向の最下部に配置されていることを特徴とする。

第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記第２の流路内の流れの向きと前記第３の流路内の流れの向きが同一であることを特徴とする。

第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記第１の流路内の流れの向きと前記第２の流路内の流れの向きとが反対であることを特徴とする。

第１０の発明は、第１〜第９の発明のいずれかにおいて、前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドの所定の配置が、前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に少なくとも２回以上繰り返して配置されていることを特徴とする。

第１１の発明は、第１０の発明において、隣接して配置される前記第１のマニホールド、隣接して配置される前記第２のマニホールド、又は隣接して配置される前記第３のマニホールドの少なくとも１つを統合したことを特徴とする。

第１２の発明は、第１〜第１１の発明のいずれかにおいて、前記セパレータはプレス加工された導電性プレートからなることを特徴とする。

第１３の発明は、第１２の発明において、前記導電性プレートがメタルプレートであることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１、第２、及び第３の流路が設けられた所定領域を第１、第２、及び第３の流路が延在する方向に沿って２分割する仮想線に対して、第１、第２、及び第３のマニホールドのそれぞれを線対称の位置関係で配置したため、第１、第２、及び第３の流路の両端部において、仮想線で分割された所定領域の一方から他方に向けて流れる各ガス、冷却媒体の量を最小限に抑えることができる。従って、第１、第２、及び第３の流路の両端部において、各ガス、冷却媒体が第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に流れる距離を最小限に抑えることができ、第１、第２、及び第３の流路の両端部における圧力損失を最小限に抑えることができる。従って、第１、第２、及び第３の流路の全域に各ガス、冷却媒体を均等に配流させることができ、反応効率、発電効率を高めることが可能となる。

第２の発明によれば、供給側マニホールドと排出側マニホールドを仮想線によって分割された所定領域の一方の対角線方向に対向配置したため、この所定領域の一方の領域内において各ガス、冷却媒体が偏って流れることを抑止できる。従って、第１、第２、及び第３の流路の全域に各ガス、冷却媒体を均等に配流させることができる。

第３の発明によれば、第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれが、１つの供給側マニホールドと２つの排出側マニホールド、又は２つの供給側マニホールドと１つの排出側マニホールドを含むように構成したため、少なくとも２つのマニホールドでは、１つの供給側マニホールドから２つの排出側マニホールドに向けて、または２つの供給側マニホールドから１つの排出側マニホールドへ向けて拡散するようにガス、冷却媒体を流すことができる。従って、少なくとも２つのマニホールドが接続された流路の全域に各ガス、又は冷却媒体を均等に配流させることができる。また、少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドを、隣接して配置された少なくとも２つのマニホールドの間に配置し、第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された第１、第２、及び第３のマニホールドの総数を同一としたため、少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが接続された流路の全域においても、各ガス、又は冷却媒体を均等に配流させることができる。

第４の発明によれば、第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれが、１つの供給側マニホールドと２つの排出側マニホールド、又は２つの供給側マニホールドと１つの排出側マニホールドを含むように構成したため、少なくとも２つのマニホールドでは、１つの供給側マニホールドから２つの排出側マニホールドに向けて、または２つの供給側マニホールドから１つの排出側マニホールドへ向けて拡散するようにガス、冷却媒体を流すことができる。従って、少なくとも２つのマニホールドが接続された流路の全域に各ガス、又は冷却媒体を均等に配流させることができる。また、少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドを、第１、第２、及び第３の流路の両端部の一方では隣接して配置された少なくとも２つのマニホールドの間に配置し、両端部の他方では最も外側に配置し、更に、第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された第１、第２、及び第３のマニホールドの総数を同一としたため、少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが接続された流路の全域においても、各ガス、又は冷却媒体を均等に配流させることができる。

第５の発明によれば、少なくとも２つのマニホールドが第２のマニホールドを含むように構成したため、少なくとも２つのマニホールドの一方にカソードガスを流すことができる。従って、カソードガスを第２の流路の全域に均等に流すことができる。

第６の発明によれば、少なくとも２つのマニホールドが第３のマニホールドを含むように構成したため、少なくとも２つのマニホールドの一方に冷却媒体を流すことができる。従って、冷却媒体を第３の流路の全域に均等に流すことができる。

第７の発明によれば、第１又は第２のマニホールドを重力方向の最下部に配置したため、第１又は第２のマニホールドの排水性を高めることができ、反応で生成された水分を第１又は第２の流路、および第１又は第２のマニホールドから確実に排出することができる。

第８の発明によれば、第２の流路内の流れの向きと第３の流路内の流れの向きを同一としたため、カソードガスと冷却媒体の流れの向きを同一とすることができる。従って、乾燥し易い第２の流路の上流側を重点的に冷却することが可能となり、反応熱によって第２の流路の上流側が乾燥してしまうことを抑止できる。これにより、反応効率を高めることができる。

第９の発明によれば、第１の流路内の流れの向きと第２の流路内の流れの向きを反対としたため、反応効率を高めることが可能となる。

第１０の発明によれば、電解質膜の面方向の平面的な配置において、第１、第２、及び第３のマニホールドの所定の配置を、第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に少なくとも２回以上繰り返して配置したため、第１、第２、及び第３の流路の両端部において、各ガス、冷却媒体が第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に流れる距離を更に短縮することが可能となる。従って、第１、第２、及び第３の流路の両端部における圧力損失をより低減することが可能となる。

第１１の発明によれば、隣接して配置される第１のマニホールド、隣接して配置される第２のマニホールド、又は隣接して配置される第３のマニホールドの少なくとも１つを統合したため、マニホールドの開口面積を拡大することができ、各流路への配流を更に均一化することができる。また、マニホールドをシールする領域を減少させることができるため、シールのための工程、シール材の材料費等を削減でき、製造コストを低減することが可能となる。

第１２の発明によれば、プレス加工されたメタルプレートによってセパレータが構成された燃料電池において、マニホールドの配置を最適にすることで各流路への配流を均一化することができる。

第１３の発明によれば、導電性プレートをメタルプレートとしたため、材料コスト、加工コストを低減することができ、セパレータの製造コストをより低減することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１０を示す模式図であって、単位セルの積層方向に沿った断面を示している。図１に示すように、燃料電池１０は固体電解質膜１２の下面にアノード１４を配し、上面にカソード１６を配したセル板１８と、セル板１８の下面に配置されたプレート２０と、セル板１８の上面に配置されたプレート２２を有して構成されている。

図１に示すように、プレート２０，２２は、プレス加工により断面形状が凹凸状に形成された金属板から成り、プレート２０とアノード１４の間には燃料ガス（水素ガス、アノードガス）の流路２４が設けられている。また、プレート２２とカソード１６の間には酸化剤ガス（酸素を含むガス、カソードガス）の流路２６が設けられている。更に、プレーム２０とプレート２２の間には、冷却水の流路２８が設けられている。このように、プレート２０，２２はメタルセパレータを構成しており、本実施形態の燃料電池１０は、プレート２０，２２の表裏面に燃料ガスの流路２４、または酸化剤ガスの流路２６と冷却水の流路２８が設けられた表裏一体構造を有している。なお、プレート２０，２２は、フレキシブルカーボンなどの導電性プレートをプレス加工したものであっても良い。また、冷却水は水以外の冷却媒体であっても良い。

燃料電池１０は、図１に示す構成を単位セルの積層方向に繰り返し配置することで構成されている。そして、図１に示すように、各流路２４，２６，２８のそれぞれは、単位セルの積層方向に沿った各階層において、独立した流路として構成されている。

図２は、燃料電池１０の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向から燃料電池１０を見た状態を模式的に示している。各流路２４，２６，２８は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図２では各流路２４，２６，２８を破線で略式に示している。図２に示すように、各流路２４，２６，２８は燃料電池１０の一端から他端に向けて直線状に延在している。

このように本実施形態では、各流路２４，２６，２８がプレート２０，２２に対して表裏一体に設けられた構造の燃料電池１０において、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を同一方向に流しているため、単位セルの積層方向の厚さを低減することができ、燃料電池１０の小型化を達成することができる。

各流路２４，２６，２８の両端には、各流路２４，２６，２８のそれぞれと個別に接続される分配部（ディンプル）３０ａ，３０ｂ，３０ｃが単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、各流路２４，２６，２８の両端部において、積層されたセル板１８及びプレート２０，２２の間に隙間を設けることで構成されている。分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの更に外側には、マニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２は、燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４を有している。マニホールド部３２は、積層されたセル板１８とプレート２０，２２の両端部において、セル板１８及びプレート２０，２２を貫通するように単位セルの積層方向に延在する流路として設けられている。すなわち、マニホールド部３２は、固体電解質膜１２の面方向に対して垂直方向（固体電解質膜１２の面直方向）に延在している。

燃料ガスの流路２４の両端には、燃料ガスの分配部３０ａが設けられており、燃料ガスの分配部３０ａは燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６とそれぞれ接続されている。

同様に、酸化剤ガスの流路２６の両端には、酸化剤ガスの分配部３０ｂが設けられており、酸化剤ガスの分配部３０ｂは酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４とそれぞれ接続されている。また、冷却水の流路２８の両端には、冷却水の分配部３０ｃが設けられており、冷却水の分配部３０ｃは冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０とそれぞれ接続されている。

図２において、酸化剤ガスは、図２の左側のマニホールド部３２の酸化剤ガス入口マニホールド４２（１箇所）から分配部３０ｂを経由して流路２６に入る。そして、反応が行われた後、流路２６内の酸化剤ガスは、図２の右側の分配部３０ｂから酸化剤ガス出口マニホールド４４（２箇所）へ流れて排出される。ここで、１箇所に設けられた酸化剤ガス入口マニホールド４２は図２の左側のマニホールド部３２の中心部分に配置され、２箇所に設けられた酸化剤ガス出口マニホールド４４は図２の右側のマニホールド部３２の両端に配置されている。

また、冷却水は、図２の左側のマニホールド部３２の冷却水入口マニホールド３８（２箇所）から分配部３０ｃを経由して流路２８に入る。そして、流路２８内の冷却水は、図２の右側の分配部３０ｃから冷却水出口マニホールド４０（１箇所）へ流れて排出される。ここで、２箇所に設けられた冷却水入口マニホールド３８は図２の左側のマニホールド部３２の両端に配置され、１箇所に設けられた冷却水出口マニホールド４０は図２の右側のマニホールド部３２の中心部分に配置されている。

このように本実施形態では、マニホールド部３２の冷却水、酸化剤ガスの入口流路、出口流路については、入口流路と出口流路の数の比を１：２、または２：１とし、入口流路と出口流路を流路２６，２８の両側に対向配置している。これにより、一方のマニホールド部３２の中心から他方のマニホールド部３２の両端、または一方のマニホールド部３２の両端から他方のマニホールド部３２の中心に向けて酸化剤ガス、冷却水を流すことができ、流路２６、流路２８の全域に酸化剤ガス、冷却水を均等に供給することができる。

また、燃料ガスは、図２の右側のマニホールド部３２の燃料ガス入口マニホールド３４（２箇所）から分配部３０ａを経由して流路２４に入る。そして、反応が行われた後、流路２４内の燃料ガスは、図２の左側の分配部３０ａから燃料ガス出口マニホールド３６（２箇所）へ流れて排出される。ここで、２箇所の燃料ガス入口マニホールド３４、および２箇所の燃料ガス出口マニホールド３６は、流路２４，２６，２８と直交する方向に燃料電池１０を２等分する中心線Ｃの両側にそれぞれ配置されている。燃料ガスの入口流路、出口流路の数の比は１：２、または２：１とされていないが、燃料ガス（水素ガス）は酸化剤ガス、冷却水に比べて拡散し易いため、中心線Ｃの両側に２つの燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６を配置することで、流路２４の全域に均等に燃料ガスを供給することができる。

また、図２に示すように、燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６は、冷却水、酸化剤ガスの入口流路３８，４２、出口流路４０，４４に比べて開口面積が小さくなるように構成されている。このように、燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６の開口面積を小さくすることで、左右のマニホールド部３２にその数の比率が１：２となるように配置した冷却水，酸化剤ガスの入口流路３８，４２、出口流路４０，４４の間に、燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６を配置することが可能となる。燃料ガス（水素ガス）は酸化剤ガス、冷却水に比べて拡散し易いため、燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６を他の流路よりも小さく設けた場合であっても、流路２４の全域に均等に燃料ガスを供給することができる。

酸化剤ガスが流路２６に均等に供給されない場合、燃料電池１０における反応効率が低下する場合がある。また、冷却水が流路２８に均等に供給されない場合、反応熱による温度上昇によって固体電解質膜１２の近傍が乾燥し、やはり反応効率が低下する場合がある。従って、冷却水、酸化剤ガスの入口流路３８，４２、出口流路４０，４４については、上述したように左右のマニホールド部３２の中心と両端に、その数の比率が１：２となるように配置して、各流路２６，２８に酸化剤ガス、冷却水を均等に配流させることが望ましい。但し、マニホールド部３２の入口流路、出口流路の配置はこれに限定されるものではなく、例えば図２において、燃料ガスの流路、酸化剤ガス流路、冷却水の流路を相互に入れ換えてマニホールド部３２を構成しても良い。

そして、本実施形態では、図２に示すように、流路２４，２６，２８と直交する方向に燃料電池１０を２等分する中心線Ｃに対して燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４が線対称の位置関係となるように各流路を配置している。

すなわち、図２に示す中心線Ｃによって分割された領域Ａと領域Ｂでは、各マニホールド部３２（燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４）が中心線Ｃに対して線対称の位置関係となるように配置されている。この配置によれば、領域Ａ内に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は、領域Ａ内に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出されることになる。同様に、領域Ｂ内に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は、領域Ｂ内に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出されることになる。従って、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って、領域Ａから領域Ｂに向かって燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が流れることを抑えることができ、また領域Ｂから領域Ａに向かって燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が流れることを抑えることができる。これにより、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が流れる距離を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの長さの１／２程度まで抑えることができる。

この結果、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれの分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って流れる距離を最小限に抑えることができ、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで発生する圧力損失を最小限に抑えることが可能となる。従って、領域Ａ、領域Ｂの全域にほぼ均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給することが可能となり、燃料電池１０の発電効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、図２に示すように、領域Ａにおいては、冷却水入口マニホールド３８と冷却水出口マニホールド４０を領域Ａの対角線上に対向配置し、また、酸化剤ガス入口マニホールド４２と酸化剤ガス出口マニホールド４４についても領域Ａの対角線上に対向配置している。領域Ｂにおいても同様に、冷却水入口マニホールド３８と冷却水出口マニホールド４０を領域Ｂの対角線上に対向配置し、酸化剤ガス入口マニホールド４２と酸化剤ガス出口マニホールド４４を領域Ｂの対角線上に対向配置している。この配置によれば、領域Ａ、領域Ｂ内の特定の領域に冷却水、酸化剤ガスが偏ってしまうことを抑止でき、流路２６，２８内に酸化剤ガス、冷却水を均等に供給することができる。

図３は、実施の形態１の他の例を示す模式図であって、図２と同様に単位セルの積層方向から燃料電池１０を見た状態を示している。図３では、図２の右側のマニホールド部３２の配置において、酸化剤ガス出口マニホールド４４と燃料ガス入口マニホールド３４の位置を置き換えている。図３においても、中心線Ｃに対して各マニホールド部３２（燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４）が線対称の位置関係となるように配置されている。従って、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで発生する圧力損失を最小限に抑えることができ、各流路２４，２６，２８の全域にほぼ均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給することが可能である。

以上説明したように実施の形態１によれば、流路２４，２６，２８と直交する方向に燃料電池１０を２等分する中心線Ｃに対して線対称の位置に各マニホールド部３２（燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４）を配置したため、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれの分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って流れる距離を最小限に抑えることができる。これにより、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失を最小限に抑えることが可能となり、流路２４，２６，２８の全域にほぼ均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給することが可能となる。従って、燃料電池１０の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、実施の形態１の構成から更に分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失を低減させたものである。

実施の形態１の構成によれば、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失の発生を抑止でき、各流路２４，２６，２８に均一に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給することができるが、各流路２４，２６，２８の幅、長さによっては、分配部３０で圧力損失が生じてしまう場合がある。

具体的には、各流路２４，２６，２８の幅が過度に広い場合は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃを流れる距離が長くなり、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに圧力損失が発生する場合がある。また、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに対する各流路２４，２６，２８の長さが相対的に短い場合、各流路２４，２６，２８における圧力損失が小さくなるため、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失が相対的に大きくなり、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失の影響が大きくなる。

このため、実施の形態２では、図２に示すマニホールド部３２の配置を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回以上繰り返して配置することで、各流路２４，２６，２８の幅、長さによる影響を抑えて、各流路２４，２６，２８に対して均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を流すようにしている。

図４は、実施の形態２の燃料電池１０の平面構成を示す模式図であって、図２と同様に単位セルの積層方向から燃料電池１０を見た状態を示している。図４に示す各マニホールド部３２の配置は、図２の各マニホールド部３２の配置を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回繰り返して配置することで構成されている。従って、各マニホールド部３２（燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４）の数は図２の場合の２倍となっている。

図４に示す領域Ａ’、領域Ａ”、領域Ｂ’、領域Ｂ”は図２の領域Ａ，Ｂに対応しており、領域Ａ’及び領域Ａ”には図２の領域Ａと同じ配置で各マニホールド部３２が配置されている。また、領域Ｂ’及び領域Ｂ”には図２の領域Ｂと同じ配置で各マニホールド部３２が配置されている。

従って、図４の構成によれば、領域Ａ’に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は領域Ａ’に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出され、領域Ａ”に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は、領域Ａ”に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出されることになる。

同様に、領域Ｂ’に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は領域Ｂ’に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出され、領域Ｂ”に配置された各マニホールド部３２の各流路から流入した燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は、領域Ｂ”に配置された各マニホールド部３２の各流路から排出されることになる。

従って、図２の配置を２回繰り返して各マニホールド部３２を配置することで、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って流れる距離を更に短縮することができ、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで発生する圧力損失をより低減することができる。従って、各流路２４，２６，２８に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水をより均等に流すことが可能となる。

図４では、２つの冷却水入口マニホールド３８が隣接して設けられ、また、２つの酸化剤ガス出口マニホールド４４が隣接して設けられている。このように、同種の流路が隣接している場合は、流路を１つにまとめても良い。図５は、隣接する２つの冷却水入口マニホールド３８と、隣接する２つの酸化剤ガス出口マニホールド４４のそれぞれを１つにまとめて、冷却水入口マニホールド３８’、酸化剤ガス出口マニホールド４４’を設けた状態を示している。これにより、冷却水入口マニホールド３８’、酸化剤ガス出口マニホールド４４’の開口面積を拡大することができ、各流路２６，２８への配流を更に均一化することができる。

マニホールド部３２の各流路は、積層されたセル板１８、プレート２０、プレート２２を貫通するように設けられている。そして、各マニホールド部３２からガス、冷却水が漏れないように、各マニホールド部３２の各流路の周縁において、セル板１８、プレート２０，２２の密着部をシールする必要がある。図５に示すように、隣接する同種の流路を１つにまとめた場合、シールする領域を減少させることができる。従って、シールのための工程、シール材の材料費等を削減でき、燃料電池１０の製造コストを低減することが可能となる。

図６は、実施の形態１で図３に示した各マニホールド部３２の配置を、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回繰り返して配置したものである。また、図７は、図６の配置において、隣接する２つの冷却水入口マニホールド３８と、隣接する２つの燃料ガス入口マニホールド３４のそれぞれを１つにまとめて、冷却水入口マニホールド３８’、燃料ガス入口マニホールド３４’を設けた状態を示している。このように、図３の配置において各マニホールド部３２を繰り返して配置し、隣接する同種の流路を１つにまとめても良い。

なお、図４、図６では、図２の各マニホールド部３２の配置を分配部３０の延在する方向に２回繰り返して配置しているが、繰り返しの回数をより増加させても良い。これにより、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失の更なる低減が可能である。

以上説明したように実施の形態２によれば、実施の形態１の各マニホールド部３２の配置を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回以上繰り返して配置することによって、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃでの圧力損失を確実に低減することができる。従って、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を流路２４，２６，２８内により均等に供給することが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、実施の形態１で説明した各マニホールド部３２の配置において、燃料ガス出口マニホールド３６、および酸化剤ガス出口マニホールド４４を重力方向の最下部に配置したものである。

図８は、実施の形態３の燃料電池１０の平面構成を示す模式図であって、図２と同様に単位セルの積層方向から燃料電池１０を見た状態を示している。図８に示すように、実施の形態３では、燃料ガス出口マニホールド３６、および酸化剤ガス出口マニホールド４４のそれぞれ１つが、重力方向の最下部に位置するように配置している。より詳細には、図８の配置は、図２における各流路２４，２６，２８の左側のマニホールド部３２の配置において、冷却水入口マニホールド３８と燃料ガス出口マニホールド３６の位置を置き換えたものである。図８において、その他の各マニホールド部３２の配置は図２と同様である。

燃料電池１０では、燃料ガスと酸化剤ガスが反応することで水が生成される。生成された水分は燃料ガスの流路２４、酸化剤ガスの流路２６から燃料ガス出口マニホールド３６、酸化剤ガス出口マニホールド４４へ流れて排出される。従って、燃料ガス出口マニホールド３６、および酸化剤ガス出口マニホールド４４を重力方向の最も下部に配置することで、双方の出口流路３６，４４に溜まった水分を容易に排出することができる。従って、実施の形態３の構成によれば、燃料ガス出口マニホールド３６、酸化剤ガス出口マニホールド４４のそれぞれから確実に水分を排出することができ、燃料ガスの流路２４、酸化剤ガスの流路２６からの水分排出を促進することができる。これにより、燃料電池１０の内部に滞留した水分によってアノード１４、カソード１６が覆われてしまうことを抑止でき、水分の滞留に起因して発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

以上説明したように実施の形態３によれば、燃料ガス出口マニホールド３６、および酸化剤ガス出口マニホールド４４のそれぞれ１つを重力方向の最下部に配置したため、燃料電池１０内部の水分を容易に排出することができる。従って、燃料電池１０内で水分が滞留してしまうことを抑止することができ、反応効率、発電効率を向上させることが可能となる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、図８に示す実施の形態３の各マニホールド部３２の配置において、各マニホールド部３２の配置を２回以上繰り返して配置することで、各流路２４，２６，２８に均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を流すようにしたものである。

図９は、実施の形態４の燃料電池１０の平面構成を示す模式図であって、図８と同様に単位セルの積層方向から燃料電池１０を見た状態を示している。図９に示す各マニホールド部３２の配置は、図８の各マニホールド部３２の配置を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回繰り返して配置することで構成されている。従って、各マニホールド部３２（燃料ガス入口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３６、冷却水入口マニホールド３８、冷却水出口マニホールド４０、酸化剤ガス入口マニホールド４２、酸化剤ガス出口マニホールド４４）の数は図８の場合の２倍となっている。

このように、図８の配置を２回繰り返して各マニホールド部３２を配置することで、実施の形態２で説明したように、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃに沿って流れる距離を短縮することができ、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで発生する圧力損失をより低減することができる。従って、各流路２４，２６，２８に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を均等に流すことが可能となる。

図９では、２つの燃料ガス出口マニホールド３６が隣接して設けられ、また、２つの酸化剤ガス出口マニホールド４４が隣接して設けられている。このように、同種の流路が隣接している場合は、流路を１つにまとめても良い。図１０は、隣接する２つの燃料ガス出口マニホールド３６と、隣接する２つの酸化剤ガス出口マニホールド４４のそれぞれを１つにまとめて燃料ガス出口マニホールド３６’、酸化剤ガス出口マニホールド４４’を設けた状態を示している。

これにより、実施の形態２の図５の場合と同様に、燃料ガス出口マニホールド３６’、酸化剤ガス出口マニホールド４４’の開口面積を拡大することができ、各流路２４，２６への配流を更に均一化することができる。また、マニホールド部３２の各流路の周縁においてシールをする領域を減少させることができため、燃料電池１０の製造コストを低減することが可能となる。

なお、図９においても、各マニホールド部３２の配置の繰り返しの回数をより増加させても良い。これにより、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける圧力損失の更なる低減が可能である。

以上説明したように実施の形態４によれば、図８に示す実施の形態３の各マニホールド部３２の配置を分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの延在する方向に２回以上繰り返して配置することによって、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃでの圧力損失を確実に低減することができる。従って、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を流路２４，２６，２８内により均等に供給することが可能となる。

実施の形態１に係る燃料電池の断面を示す模式図である。 実施の形態１に係る燃料電池の平面構成を示す模式図である。 実施の形態１に係る燃料電池の他の例を示す模式図である。 実施の形態２に係る燃料電池の平面構成を示す模式図である。 図４の構成において、隣接する２つの冷却水入口流路と、隣接する２つの酸化剤ガス出口流路のそれぞれを１つにまとめた状態を示す模式図である。 実施の形態２に係る燃料電池の平面構成の他の例を示す模式図である。 図６の構成において、隣接する２つの冷却水入口流路と、隣接する２つの燃料ガス入口流路のそれぞれを１つにまとめた状態を示す模式図である。 実施の形態３に係る燃料電池の平面構成を示す模式図である。 実施の形態４に係る燃料電池の平面構成を示す模式図である。 図９の構成において、隣接する２つの燃料ガス出口流路と、隣接する２つの酸化剤ガス出口流路のそれぞれを１つにまとめた状態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ 固体電解質膜
１４ アノード
１６ カソード
２０，２２ プレート（メタルセパレータ）
２４ 燃料ガスの流路
２６ 酸化剤ガスの流路
２８ 冷却水の流路
３２ マニホールド部
３４ 燃料ガス入口マニホールド
３６ 燃料ガス出口マニホールド
３８ 冷却水入口マニホールド
４０ 冷却水出口マニホールド
４２ 酸化剤ガス入口マニホールド
４４ 酸化剤ガス出口マニホールド

Claims (13)

1. アノード、電解質膜、及びカソードを有し、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、
   前記アノードへ前記アノードガスを供給する流路であって、前記電解質膜の面方向に沿って平行に配置された複数の流路の束からなる第１の流路と、
   前記カソードへ前記カソードガスを供給する流路であって、前記第１の流路と平行に配置された複数の流路の束からなる第２の流路と、
   冷却媒体が流れる流路であって、前記第１及び前記第２の流路と平行に配置された複数の流路の束からなる第３の流路と、
   前記第１、第２、及び第３の流路が設けられ、前記第３の流路が障壁を介して前記第１又は第２の流路に対して表裏一体となるように設けられたセパレータと、
   前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第１の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第１のマニホールドと、
   前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第２の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第２のマニホールドと、
   前記電解質膜の面直方向に延在する開口から成り、前記第３の流路の両端部にそれぞれ接続された供給側マニホールドと排出側マニホールドとから構成される第３のマニホールドと、を備え、
   前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドは、前記第１、第２、及び第３の流路の両端部に前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に配列され、
   前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３の流路が設けられた所定領域を前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向に沿って２分割する仮想線に対して、前記第１、第２、及び第３のマニホールドのそれぞれが線対称の位置関係で配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 少なくとも前記第１、第２、及び第３のマニホールドのいずれかにおいて、前記仮想線によって分割された前記所定領域の一方では、前記供給側マニホールドと前記排出側マニホールドとが当該所定領域の一方の対角線方向に対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれは、１つの前記供給側マニホールドと２つの前記排出側マニホールド、又は２つの前記供給側マニホールドと１つの前記排出側マニホールドを含み、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドは異なる流体が流れるものであり、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドの間に、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが配置され、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された前記第１、第２、及び第３のマニホールドの総数が同一であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記第１、第２、及び第３のマニホールドのうちの少なくとも２つのマニホールドのそれぞれは、１つの前記供給側マニホールドと２つの前記排出側マニホールド、又は２つの前記供給側マニホールドと１つの前記排出側マニホールドを含み、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部において、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドは異なる流体が流れるものであり、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部の一方では、隣接して配置された前記少なくとも２つのマニホールドの間に、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが配置され、
   前記両端部の他方では、前記少なくとも２つのマニホールド以外のマニホールドが最も外側に配置され、
   前記第１、第２、及び第３の流路の両端部にそれぞれ配置された前記第１、第２、及び第３のマニホールドの総数が同一であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
5. 前記少なくとも２つのマニホールドは、前記第２のマニホールドを含むことを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池。
6. 前記少なくとも２つのマニホールドは、前記第３のマニホールドを含むことを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池。
7. 前記第１又は第２のマニホールドが重力方向の最下部に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記第２の流路内の流れの向きと前記第３の流路内の流れの向きが同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記第１の流路内の流れの向きと前記第２の流路内の流れの向きとが反対であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
10. 前記電解質膜の面方向の平面的な配置において、前記第１、第２、及び第３のマニホールドの所定の配置が、前記第１、第２、及び第３の流路が延在する方向と直交する方向に少なくとも２回以上繰り返して配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
11. 隣接して配置される前記第１のマニホールド、隣接して配置される前記第２のマニホールド、又は隣接して配置される前記第３のマニホールドの少なくとも１つを統合したことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
12. 前記セパレータはプレス加工された導電性プレートからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
13. 前記導電性プレートがメタルプレートであることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池。

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