JP2014241222A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から流入した流体を各燃料電池セルに均一に分配する分配性と、生成された水を外部に良好に排出する排出性とを両立させた燃料電池を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ１１のフレーム部材１５、セパレータアセンブリ１２、集電板１６、エンドプレート２５のカソードガス供給マニホールド３５に第１挿入部材３１が挿入され、カソードガス排出マニホールド３６に第２挿入部材３２が挿入され、第１挿入部材によって、積層方向における一端から他端にかけての断面積の一次微分値が負、二次微分値が正となるように断面積が変化し、第２挿入部材３２によって積層方向における一端から他端にかけての断面積の一次微分値が負、二次微分値が負となるように断面積が変化する。【選択図】図５

Description

本発明は燃料電池に関する。

燃料電池は、水素等の燃料と酸素を含む空気等を反応させて電気を発生させているため、水素や空気等といった流体の燃料電池内における流体力学的な特性は燃料電池の発電特性に大きく影響を及ぼし、主要な研究項目の１つとされている。燃料電池は、周知のように膜電極接合体の両側面にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層した積層体を主要な構成要素としている。

燃料電池の流体力学的な指標の１つには、外部から流入された水素等の流体が各燃料電池セル内に適切に分配できているか、といったいわゆる分配性などがある。膜電極接合体やセパレータからなる積層体には水素や空気を流通させる流通口が設けられており、上記分配性を改善する方法には、例えば流体が流入する流通口の入り口側から積層方向に遠ざかるにつれて流通口の断面積を変化させるように構成したものがある（特許文献１参照）。

特開２００６−２０２５２４号公報

水素や空気などによって発電する際には電極となるアノードとカソードの中でもカソード側で副次的に水が生成される。しかし、生成された水が燃料電池の水素や空気の流れる流路内に残存していると、流路内を流通する水素や酸素の流れを妨げてしまい、燃料電池の発電特性を低下させてしまう。そのため、燃料電池における流体力学的な指標には生成された水を排出させる排水性という項目も存在する。排水性について、特許文献１のように単に流路内の断面積を変化させるだけでは、積層体の流通口の各面積が連続的に変化しなかったり、組付けバラつきにより流通口の縁部が積層方向に連続的に変化しなかった場合に、生成された水が流通口の縁部に留まって外部に排出させることができず、結果として燃料電池の発電特性を低下させてしまう、という問題がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、外部から流入した流体を各燃料電池セルに均一に分配する分配性と、生成された水を外部に良好に排出する排出性とを両立させた燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して形成され、内部にアノード流路及びカソード流路を備えるセル積層体と、セル積層体に設けられ、それぞれのアノード流路にアノードガスを供給するアノードガス用の供給マニホールド、およびそれぞれのアノード流路からアノードガスを排出するアノードガス用の排出マニホールドと、セル積層体に設けられ、それぞれのカソード流路にカソードガスを供給するカソードガス用の供給マニホールド、及びそれぞれのカソード流路からカソードガスを排出しカソードガス用の供給マニホールドの流入口と同方向の端部に排出部が開口するカソードガス用の排出マニホールドと、を有する。本発明に係る燃料電池は、さらに、カソードガス用の供給マニホールドに挿入され流入口から進むにつれて断面積を一次微分が負、二次微分が正となるように変化させる第１挿入部材と、カソードガス用の排出マニホールドに挿入され排出口から進むにつれて断面積を一次微分が負、二次微分が負となるように変化させる第２挿入部材と、を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池では、カソードガスの供給マニホールドに挿入されて流入口から進むにつれて断面積の一次微分が負、二次微分が正となるように変化させる第１挿入部材と、カソードガス用の排出マニホールドに挿入されて排出口から進むにつれて断面積の一次微分が負、二次微分が負となるように変化させる第２挿入部材を備えるように構成している。積層方向における流入口及び排出口から他端にかけて各燃料電池セルのアノードガス流路及びカソードガス流路を流通する流体の流量は、一端から他端における各位置での流入口側と排出口側の圧力差によって決まり、流量と圧力差とはベルヌーイの式によって関係づけられている。そのため、圧力差に影響を及ぼす各位置での断面積は二次的に、つまり二回微分による値が正又は負となるようにする必要がある。また、燃料電池セルを流通した際にカソード流路内で生成された水が他端側からカソードガス用の排出マニホールドの排出口に向かって流れるためには、燃料電池セルを流通した流体が他端側から排出口に向かって徐々に方向を変えるように矯正する必要がある。そのため、排出口側の断面積は他端から一端にかけて一次微分が正、二次微分が正、言い換えれば一端から他端における一次微分が負、二次微分が負となるようにする必要がある。

さらに、各燃料電池に流通する流量を均一にするためには、供給マニホールドの流入口から他端にかけての各位置における圧力差を一定にする必要がある。そのため、流入口側の断面積は排出口側の断面積に対応させて一次微分が負、二次微分が正となるようにする必要がある。このように構成することによって、各燃料電池セルに流体を均一にする分配性と、生成された水を外部に良好に排出させる排出性と、を兼ね備えた燃料電池を提供することができる。

図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の中でも本発明の要部を示す斜視方向からの透視図である。 燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 燃料電池の一部を示す分解斜視図である。 同実施形態に係るセパレータアセンブリ及び膜電極接合体を示す断面図である。 図５（Ａ）は同実施形態に係る燃料電池の正面図、図５（Ｂ）は同燃料電池の要部を示す透視平面図、図５（Ｃ）は積層部材の代表断面図、図５（Ｄ）は積層部材の変形例を示す断面図である。 図６（Ａ）は対比例に係る燃料電池の流入口または排出口を流体が流れる様子を示す説明図、図６（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池の流入口または排出口を流体が流れる様子を示す説明図である。 図７（Ａ）は同実施形態の燃料電池の流入口と排出口について積層方向における一端から他端にかけての圧力の推移を示すグラフ、図７（Ｂ）は同実施形態に係る燃料電池の流入口と排出口について積層方向における一端から他端にかけての流体の流量の推移を示すグラフである。 図８（Ａ）は同実施形態の変形例に係る燃料電池を示す斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の燃料電池の要部を示す斜視方向からの透視図である。 図９（Ａ）は図８（Ａ）に係る燃料電池の平面図、図９（Ｂ）は図８（Ａ）に係る燃料電池の要部を示す透視平面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の中でも本発明の要部を示す斜視方向からの透視図、図２は燃料電池の構成を示す分解斜視図、図３は燃料電池の一部を示す分解斜視図、図４は同実施形態に係る燃料電池のセパレータアセンブリ及び膜電極接合体を示す断面図である。図５（Ａ）は、同実施形態に係る燃料電池の正面図、図５（Ｂ）は同燃料電池の要部を示す透視平面図、図５（Ｃ）は積層部材の代表断面図、図５（Ｄ）は積層部材の変形例を示す断面図である。

燃料電池１００は、燃料電池セル１０ａを複数積層した積層体１０（セル積層体に相当）を主要な構成要素として有している。燃料電池セル１０ａは、膜電接合体１１の両側面にセパレータアセンブリ１２を配置して構成される。膜電極接合体１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂ、もう片側にカソード１１ｃが接合されている。セパレータアセンブリ１２は、２枚のセパレータ１３，１４を有する。

また、積層体１０の積層方向における両端部には集電板１６，１７が設けられている。また、燃料電池１００は、筐体２０を有している。筐体２０は、一対の締結板２１、２２と補強板２３、２４、及びエンドプレート２５，２６を有している。本実施形態では流入口１３ａ〜１６ａ、２５ａによって形成されるカソードガス用供給マニホールド３５に挿入部材３１が挿入され、排出口１３ｆ〜１６ｆ、２５ｆによって形成されるカソードガス用排出マニホールド３６に挿入部材３２が挿入されて流路内を流れる流体の流れが調整される。まず、以下に燃料電池セル１００に含まれる各部材について説明する。

セパレータ１３，１４は、図３、図４に示し、積層された複数の燃料電池セル１０ａにおいて隣り合う膜電極接合体１１を隔離しつつ、膜電極接合体１１で発生した電力を通電させている。セパレータ１３，１４は、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４とに分類される。アノード側セパレータ１３は、膜電極接合体１１のアノード１１ｂに当接させている。アノード側セパレータ１３は、導電性材料を有する金属からなり、アノード１１ｂよりも大きい薄板状に形成している。

アノード側セパレータ１３の中央には、図３、図４に示すように、燃料ガス（水素）と冷却水等の冷却流体とを隔てて流す流路を構成するように複数の凹凸を一定の間隔で形成した波形形状１３ｇを設けている。アノード側セパレータ１３は、凹凸形状のうち、アノード１１ｂと接触して形成された閉空間を、アノード１１ｂに対して水素を供給するアノードガス流路１３ｈとして用いている。一方、アノード側セパレータ１３は、断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１３ｇと、カソード側セパレータ１４の波形形状１４ｇとの間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１３ｊ（１４ｊ）として用いている。

アノード側セパレータ１３は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス流入口１３ａ、冷却流体流入口１３ｂ、およびアノードガス流入口１３ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、アノード側セパレータ１３は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１３ｄ、冷却流体排出口１３ｅ、およびカソードガス排出口１３ｆに相当する貫通孔を開口している。

カソード側セパレータ１４は、膜電極接合体１１のカソード１１ｃに当接している。カソード側セパレータ１４は、導電性材料を有する金属からなり、カソード１１ｃよりも大きい薄板状に形成している。

カソード側セパレータ１４の中央には、図３、図４に示すように、酸化剤ガス（酸素を含有した空気または純酸素）と冷却水とを隔てて流す流路部を構成するように断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１４ｇを設けている。カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、カソード１１ｃと接触して形成された閉空間を、カソード１１ｃに対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１４ｈとして用いている。一方、カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、アノード側セパレータ１３との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１４ｊ（１３ｊ）として用いている。

カソード側セパレータ１４は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス流入口１４ａ、冷却流体流入口１４ｂ、およびアノードガス流入口１４ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、カソード側セパレータ１４は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１４ｄ、冷却流体排出口１４ｅ、およびカソードガス排出口１４ｆに相当する貫通孔を開口している。セパレータ１４はセパレータ１３と接合され、流入口１４ａ〜１４ｃ及び排出口１４ｄ〜１４ｆはセパレータ１３の流入口１３ａ〜１３ｃ及び排出口１３ｄ〜１３ｆと連通する。

膜電極接合体１１は、図４に示し、供給された酸素と水素を化学反応させて電力を生成する。膜電極接合体１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂを接合し、もう一方の側にカソード１１ｃを接合して形成している。膜電極接合体１１は、一般的にＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称している。電解質膜１１ａは、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。アノード１１ｂは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜１１ａよりも若干小さい薄板状に形成している。カソード１１ｃは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード１１ｂと同様の大きさで薄板状に形成している。アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード１１ｂおよびカソード１１ｃのガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。

ＭＥＡ１１は、フレーム部材１５を備えている。フレーム部材１５は、積層した電解質膜１１ａ、アノード１１ｂ、およびカソード１１ｃの外周を一体に保持している。フレーム部材１５は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂からなり、セパレータ１３，１４の外周部分の外形形状と同様の外形形状で形成している。フレーム部材１５は、その長手方向の一端に、カソードガス流入口１５ａ、冷却流体流入口１５ｂ、およびアノードガス流入口１５ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、フレーム部材１５は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１５ｄ、冷却流体排出口１５ｅ、およびカソードガス排出口１５ｆに相当する貫通孔を開口している。

上記の燃料電池セル１０ａは、互いに密封した状態で複数積層する必要がある。このため、積層する燃料電池セル１０ａの中でもＭＥＡ１１とセパレータ１３及びセパレータ１４との間は、外周に封止部材を塗布することによって封止している。封止部材は、たとえば、熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂は、たとえば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等から選択する。また、ＭＥＡ１１とセパレータ１３，１４との間はゴム等の弾性部材を配置して封止してもよい。また、積層する燃料電池セル１０ａにおいて隣り合うセパレータ１３とセパレータ１４とは、後述するようにセパレータ１３，１４の外周等を溶接することによって封止し、セパレータアセンブリ１２として構成している。しかし、ＭＥＡ１１とセパレータ１３又はセパレータ１４との間と同様に封止部材を塗布することによって封止してもよい。

一対の集電板１６，１７は、図２、図３に示し、燃料電池セル１０ａで生成された電力を外部に取り出す。

一対の集電板１６，１７は、燃料電池セル１０ａが複数積層された積層体１０の両端にそれぞれ配設している。一対の集電板１６，１７の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を少し厚くしたＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。集電板１６は、その長手方向の一端に、カソードガス流入口１６ａ、冷却流体流入口１６ｂ、およびアノードガス流入口１６ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、長手方向の他端には、アノードガス排出口１６ｄ、冷却流体排出口１６ｅおよびカソードガス排出口１６ｆに相当する貫通孔を開口している。集電板１７は、集電板１６のカソードガス流入口１６ａ、冷却流体流入口１６ｂ、アノードガス流入口１６ｃから流入した燃料や空気等の流体が、Ｕターンしてアノードガス排出口１６ｄ、冷却流体排出口１６ｅ、カソードガス排出口１６ｆから排出されるように集電板１６のような流入口及び排出口が設けられていない（方向転換部に相当）。また、一対の集電板１６、１７は、その中央に集電部１６ｈ（集電板１７についても同様）を備えている。

一対の集電板１６，１７の集電部１６ｈ等は、たとえば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材からなり、アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの外形よりも若干小さい薄板状に形成している。一対の集電部１６ｈ等は、複数積層した最外層の燃料電池セル１０ａに設けたＭＥＡ１１のアノード１１ｂまたはカソード１１ｃに当接している。集電部１６ｈ等は、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部１６ｇ等を突出して設けている。突起部１６ｇ等は、後述する筺体２０の一対のエンドプレート２５、２６の貫通孔２５ｇ等を挿通して、外部に臨んでいる。また、集電板１６の突起部１６ｇに当る形状は集電板１７についても同様に設けられている。

筺体２０は、図１および図２に示し、複数積層した燃料電池セル１０ａおよび一対の集電板１６，１７を互いに密着させた状態で保持している。

筺体２０は、上記のように一対の締結板２１、２２、一対の補強板２３，２４、および一対のエンドプレート２５，２６、及びネジ２７を含んでいる。以下、筺体２０に含まれた各部材について説明する。

一対のエンドプレート２５，２６は、複数積層された燃料電池セル１０ａの両端に配設した一対の集電板１６，１７を挟持して付勢している。一対のエンドプレート２５，２６の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を増したＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。一対のエンドプレート２５，２６は、たとえば、金属からなり、一対の集電板１６，１７と当接する部分に絶縁体を設けている。

エンドプレート２５は、その長手方向の一端に、カソードガス流入口２５ａ、冷却流体流入口２５ｂ、およびアノードガス流入口２５ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、その長手方向の他端には、アノードガス排出口２５ｄ、冷却流体排出口２５ｅおよびカソードガス排出口２５ｆに相当する貫通孔を開口している。集電板１７と同様に、エンドプレート２６は、エンドプレート２５のカソードガス流入口２５ａ、冷却流体流入口２５ｂ、アノードガス流入口２５ｃから流入した流体が、Ｕターンしてエンドプレート２５のアノードガス排出口２５ｄ、冷却流体排出口２５ｅ、カソードガス排出口２５ｆから排出されるように流入口や排出口が設けられていない。また、エンドプレート２６には、挿入部材３１、３２をネジ２７によって固定するためのネジ２７の貫通穴（不図示）が形成されている。

セパレータ１３，１４、フレーム部材１５、集電板１６、及びエンドプレート２５のカソードガス流入口１３ａ〜１６ａ、２５ａ、冷却流体流入口１３ｂ〜１６ｂ、２５ｂ、アノードガス流入口１３ｃ〜１６ｃ、２５ｃ、アノードガス排出口１３ｄ〜１６ｄ、２５ｄ、冷却流体排出口１３ｅ〜１６ｅ、２５ｅ、及びカソードガス排出口１３ｆ〜１６ｆ、２５ｆ、は、セパレータ１３，１４、ＭＥＡ１１、集電板１６，１７及びエンドプレート２５，２６を位置合わせした際に連通するように構成されている。カソードガス流入口１３ａ〜１６ａ、２５ａによってカソードガス供給マニホールド３５が形成され、カソードガス排出口１３ｆ〜１６ｆ、２５ｆによってカソードガス排出マニホールド３６が形成される。カソードガス供給マニホールド３５とカソードガス排出マニホールド３６とは、積層方向における同方向に開口している。また、アノードガス流入口１３ｃ〜１６ｃ、２５ｃによってアノードガス供給マニホールド３７が形成され、アノードガス排出口１３ｄ〜１６ｄ、２５ｄによってアノードガス排出マニホールド３８が形成される。また、冷却流体流入口１３ｂ〜１６ｂ、２５ｂによって冷却流体供給マニホールド３９が形成され、冷却流体排出口１３ｅ〜１６ｅ、２５ｅによって冷却流体排出マニホールド４０が形成される。

また、一対のエンドプレート２５，２６は、前述した一対の集電板１６，１７の突起部１６ｇ等を挿通させる貫通孔２５ｇ、２６ｇを有している。

一対の締結板２１、２２は、たとえば、金属からなり、板状に形成している。一対の締結板２１、２２は、縁部が一部立ち上げて形成されており、組み付けた際に一対のエンドプレート２５、２６の面と接触する。また、締結板２１，２２においてエンドプレート２５，２６と接触する面にはネジ２７を挿通させる穴が設けられており、当該穴に取り付けたネジ２７を締め付けることによってエンドプレート２５、２６、集電板１６，１７、及び積層体１０が積層方向に加圧される。また、ネジ２７による加圧以外にも、通しボルトを用いて集電板１６，１７、及び積層体１０を加圧してもよい。

一対の補強板２３、２４は、たとえば、金属からなり、一対の締結板２１、２２よりも細長い板状に形成している。一対の補強板２３、２４は、長手方向における端部が一部立ち上げて形成されており、当該部分にはネジ２７を挿通させる穴が設けられている。当該穴はネジ２７を積層方向に通すように形成されており、ネジ２７を取り付けて締結することによって、締結板２１，２２と同様にエンドプレート２５，２６、集電板１６，１７、及び積層体１０が積層方向に加圧される。このように、一対の締結板２１、２２および一対の補強板２３、２４は、ネジ２７を締結することによって、エンドプレート２５、２６、集電板１６，１７、及び積層体１０を積層方向に加圧している。

次に本実施形態に係る燃料電池の構成部品の中でも要部に当る挿入部材について説明すると共に本実施形態の作用及び効果について説明する。図６（Ａ）は対比例に係る燃料電池の流入口または排出口を流体が流れる様子を示す説明図、図６（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池の流入口または排出口を流体が流れる様子を示す説明図である。図７（Ａ）は同実施形態の燃料電池の流入口と排出口について積層方向における一端から他端にかけての圧力の推移を示すグラフ、図７（Ｂ）は同実施形態に係る燃料電池の流入口と排出口について積層方向における一端から他端にかけての流体の流量の推移を示すグラフである。挿入部材３１は、上記したカソードガスガス供給マニホールド３５に挿入される。挿入部材３１は、図５（Ｂ）に示すように平面視した際の形状が放物線の略半分に当るような形状となっている。カソードガス供給マニホールド３５は、積層方向における断面積が略矩形となっており、挿入部材３１を挿入することによって、矩形の断面は図５（Ｂ）における短手方向の長さは変化せず、長手方向の長さが入り口側ａ１から他端側ａ２に向かうにつれて短くなり、結果的にカソードガス供給マニホールド３５の断面積は入り口側から離れるにつれて徐々に減少する。

これに対し、挿入部材３２は、カソードガス供給マニホールド３５と通じているカソードガス排出マニホールド３６に挿入されてカソードガスの流れを調整する。挿入部材３２は、図５（Ｂ）の左右方向において凹となる放物線の略半分に当るような形状を有する。カソードガス排出マニホールド３６についてもカソードガス供給マニホールド３５と同様に断面が略矩形に形成されている。挿入部材３２を挿入する事によって、カソードガス排出マニホールド３６の図５（Ａ）における短手方向の長さは変化せず、長手方向の長さが他端側ａ２から入り口側ａ１に向かうにつれて増加する事によって、カソードガス排出マニホールド３６の断面積は徐々に増加する。

カソードガス供給マニホールド３５の入り口側ａ１から燃料電池内部に流入した空気等の流体は入り口側ａ１付近に存在する燃料電池セル１０ａのカソードガス流路１４ｈに流れると共に、カソードガス供給マニホールド３５をさらに他端側ａ２へと流れる。このように燃料電池内部に流入した流体は徐々に入り口側ａ１の各燃料電池セル１０ａのカソードガス流路１４ｈに流れるため、カソードガス流入口１３ａ〜１６ａ、２５ａの他端側ａ２に流れる流体の流量は減少し、それに伴って燃料電池セル１０ａに流れる流量も図７（Ｂ）に示すように減少してしまう。

各燃料電池セル１０ａにおける発電は、入り口側ａ１付近の燃料電池セルであっても他端側ａ２付近の燃料電池セルであっても同様に行えるように、入り口側ａ１から離れた他端側ａ２付近の燃料電池セル１０ａに流通する流体も入り口側ａ１付近の燃料電池セル１０ａと同様の流量で流したいという要請がある。そのため、カソードガス供給マニホールド３５の断面積は、入り口側ａ１から他端側ａ２に向かうにつれて減少させる必要がある。

しかし、エネルギー保存について規定するベルヌーイの式、すなわちｐ+１／２ρｖ²＝一定によれば、圧力の項は運動エネルギーに当る流速の２乗の項との和が一定と規定されている。また、入り口側ａ１から他端側ａ２における各位置での燃料電池セル１０ａ内を流れる流体の流量は、カソードガス供給マニホールド３５とカソードガス排出マニホールド３６の流体の圧力差によって左右される。そのため、入り口側ａ１から他端側ａ２にかけてのカソードガス供給マニホールド３５の断面積を特許文献１のように線形に減少させたのでは、入り口側ａ１から他端側ａ２にかけての圧力が図７（Ａ）に示すＰ_2IN及びＰ_2OUTのように変化し、Ｐ_2IN−Ｐ_2OUTが入り口側ａ１から他端側ａ２にかけて一定とならずに変化してしまう。その結果、入り口側ａ１から他端側ａ２にかけての流量Ｑ_２も図７（Ｂ）に示すようにバラついてしまい、各燃料電池セル１０ａに流体を均一に分配する事ができず、燃料電池の発電特性は低下してしまう。

そのため、カソードガス供給マニホールド３５の断面積は、二次的に変化させる。つまり、二回微分した時の値が正又は負となるように変化させる必要がある。

また、カソードガス排出マニホールド３６は、各燃料電池セル１０ａのカソードガス流路１４ｈで生成された水を外部に排水させるように構成する必要がある。各燃料電池セル１０ａのカソードガス流路１４ｈを通過した流体は、カソードガス排出マニホールド３６を流れるが、カソードガス排出マニホールド３６の形状が他端側ａ２から入り口側ａ１に向かって連続的に変化しないと、生成された水が外部と通じる入り口側ａ１まで流れず、燃料電池内部に留まってしまい、発電特性を低下させてしまう。

そのため、カソードガス排出マニホールド３６の他端側ａ２から入り口側ａ１にかけては、断面積を徐々に上昇させる必要がある。言い換えれば、他端側ａ２から入り口側ａ１にかけての一次微分が正、二次微分が正（入り口側ａ１から他端側ａ２にかけて言えば、一次微分が負、二次微分が負）となるように変化させる必要がある。

また、入り口側ａ１から他端側ａ２における各燃料電池セル１０ａには均等に流体を流す必要があることから、カソードガス供給マニホールド３５における断面積は、図７（Ａ）に示すように入り口側ａ１から他端側ａ２における圧力差Ｐ_1IN−Ｐ_1OUTが一定となるようにする必要がある。そのため、上記のようにカソードガス排出マニホールド３６における断面積を一次微分が負、二次微分が正となるように変化させることに対応させて、カソードガス供給マニホールド３５における断面積は、一次微分が負、二次微分が正となるように変化させる必要がある。

このように、カソードガス供給マニホールド３５における断面積が、入り口側ａ１から他端側ａ２にかけて一次微分が負、二次微分が正となるように変化させ、カソードガス排出マニホールド３６における断面積を一次微分が負、二次微分が負となるように変化させることによって、燃料電池内に流入する流体を図７（Ｂ）の流量Ｑ_１に示すように各燃料電池セルに略均一に分配できると共に、各燃料電池セルにおいて生成された水Ｗを燃料電池外部に滞りなく排出することによって、燃料電池の発電特性を向上させることができる。

なお、上記した流体性能は挿入部材３１，３２をカソードガス供給マニホールド３５及びカソードガス排出マニホールド３６に挿入し、流体が流れていれば達成できる。そのため、燃料電池１００の姿勢は、カソードガス供給マニホールド３５及びカソードガス排出マニホールド３６が重力方向と同じ向きであっても重力方向と直交していてもよい。

また、カソードガス供給マニホールド３５、カソードガス排出マニホールド３６には挿入部材３１、３２を挿入しないと、ＭＥＡ１１のフレーム部材１５やセパレータアセンブリ１２の流入口及び排出口に当たる部位を精度よく揃えなければならず、ずれてしまえば、特に排出口側において図６（Ａ）に示すように生成された水Ｗが留まって排水性に影響を及ぼしてしまう。

これに対し、挿入部材３１、３２を挿入すれば、セパレータ１３，１４やＭＥＡ１１のフレーム部材１５の縁部の位置を精度よく揃えなくても図６（Ｂ）に示すように生成された水を留まらせることなく流通させることができる。よって、燃料電池の流体性能である排水性や分配性を良好にすると共に、各部品のカソードガス供給マニホールドにおける縁部を揃えるように精度を出すためのコストアップを不要とし、組み立て時に各部品の貫通孔の位置を精度よく合わせるための作業効率の悪化をも防止できる。

また、挿入部材３１、３２は、図５（Ｂ）に示すように、他端側ａ２においてボルト等のネジ２７によってエンドプレート２６に取り付けられ、入り口側ａ１の部位３１ｂ及び３２ａのセパレータ側は、粘着テープ等によってセパレータ１３，１４、フレーム部材１５、集電板１６、またはエンドプレート２５のカソードガス供給口１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、２５ａ、及びカソードガス排出口１３ｆ、１４ｆ、１５ｆ、１６ｆ、２５ｆの縁部に固定することができるように構成している。そのため、上記した分配性や排水性を確保するために挿入部材３１，３２の形状を極めて細い形状に成形したとしても、流体を流した際に挿入部材３１，３２がカソードガス供給マニホールド３５及びカソードガス排出マニホールド３６から分離することなく分配性及び排水性を向上させることができる。なお、挿入部材３１、３２は、エンドプレート２５から外部に突出していてもよく、粘着テープなどによって入り口側ａ１をエンドプレート２５に固定してもよい。また、座繰り形状を設けてネジ２７を取り付ければ、挿入部材３１，３２を締結板２１、２２または補強板２３，２４に固定することができる。その際にはネジ２７の取り付け後に座繰り形状部位に充填剤を充填して、挿入部材３１、３２の曲面形状が連続的になるようにしてもよい。

また、挿入部材３２は、図５（Ｃ）に示すように、矩形状の断面の長手方向の長さを減少させるように断面積を変化させている。しかし、上記以外にも図５（Ｄ）に示すように断面が凹部となった形状３２ｂのように構成してもよい。このように、矩形状断面の長手方向の長さのみを変化させるのではなく、短手方向についてもバランスよく変化させることによって、縦横比のバランスの悪さによる抵抗の上昇を抑制し、生成された水を外部に良好に排出することができる。

また、挿入部材３１における他端側ａ２及び挿入部材３２における入り口側ａ１の形状は、断面積がほぼ線形に増加しているため、線形で近似しても分配性や排水性に与える影響はほとんどない。そのため、図５（Ｂ）に示す挿入部材３１における他端側ａ２付近の領域３１ａ及び挿入部材３２における入り口側ａ１付近の領域３２ａの形状を線形な面、つまり平面で単純化することによって、挿入部材３１、３２の形状を単純化でき、燃料電池の分配性及び排水性を維持したまま挿入部材３１，３２の製造コストを低減させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。

上記では、挿入部材３１、３２をカソードガス供給マニホールド３５及びカソードガス排出排出マニホールド３６に挿入する実施形態について説明したが、これに限定されない。アノードガス排出マニホールド３８及び冷却流体流路４０では電気化学反応によって水が生成されるということはないが、アノードガス供給マニホールド３７及び冷却流体供給マニホールド３９においても入り口側ａ１から他端側ａ２にかけて各燃料電池セル１０ａに流れるアノードガスや冷却流体を均一に流したいという点は変わらない。そのため、挿入部材３１、３２は冷却流体流入供給マニホールド３９、冷却流体排出マニホールド４０又はアノードガス供給マニホールド３７、アノードガス排出マニホールド３８に挿入してもよい。

図８（Ａ）は本発明の実施形態に係る燃料電池の変形例を示す斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に係る燃料電池の要部を示す斜視方向からの透視図、図９（Ａ）は図８（Ａ）に係る燃料電池の正面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に係る燃料電池の透視平面図である。

挿入部材３１、３２は、図５（Ａ）における長手方向に断面積を減少させるように形成する実施形態について説明したが、これに限定されない。カソードガス供給マニホールド３５、カソードガス排出マニホールド３６及びアノードガス供給マニホールド３７、アノードガス排出マニホールド３８は、図５（Ａ）において斜めに向かい合って配置されている。そのため、図８（Ａ）、８（Ｂ）、図９（Ａ）、９（Ｂ）に示すように、カソードガス供給マニホールド３５、カソードガス排出マニホールド３６及びアノードガス供給マニホールド３７、アノードガス排出マニホールド３８の断面積は、カソードガス及びアノードガスの流体が流れる斜め方向に減少するように、つまり、図５（Ａ）に示すようにアノードガス供給マニホールド３５の断面形状が図５（Ａ）の横方向のみに一次元的に変化するのでなく、図９（Ａ）に示すように斜め方向を向いて横方向及び縦方向の両方にわたって二次元的に変化するように挿入部材３３、３４を形成してもよい。このように構成することによって、断面形状を図５（Ａ）のように一次元的に変化させる場合に比べて挿入部材３２の入り口側ａ１のように形状が細くなりすぎる事を防止し、挿入部材の強度を向上させて破損しにくくすることによって上記実施形態に比べて挿入部材による効果を持続させることができる。また、酸化剤や燃料は、図５（Ａ）や図９（Ａ）のように斜め方向に流れるため、断面積を変化させ得る横方向及び縦方向の長さを横方向だけでなく縦方向においても変化させることによって、各燃料電池セルにおいて生成された水を横方向だけでなく縦方向においても他端側ａ２から入り口側ａ１へと流出させ易くすることができ、排出性をさらに良好にして燃料電池の発電特性を向上させることができる。

１０ 積層体（セル積層体）、
１０ａ 燃料電池セル、
１００ 燃料電池、
１１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１１ａ 電解質膜、
１１ｂ アノード、
１１ｃ カソード、
１２ セパレータアセンブリ、
１３ アノードセパレータ、
１４ カソードセパレータ、
１３ｇ、１４ｇ 波形形状、
１３ｈ アノードガス流路、
１３ｊ（１４ｊ） 冷却流体流路、
１４ｈ カソードガス流路、
１５ ＭＥＡのフレーム部材、
１６，１７ 集電板、
１６ｇ 突起部、
１６ｈ 集電部、
２０ 筐体、
２１，２２ 締結板、
２３，２４ 補強板、
２５，２６ エンドプレート、
１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、２５ａ カソードガス流入口、
１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、２５ｂ 冷却流体流入口、
１３ｃ、１４ｃ、１５ｃ、１６ｃ、２５ｃ アノードガス流入口、
１３ｄ、１４ｄ、１５ｄ、１６ｄ、２５ｄ アノードガス排出口、
１３ｅ、１４ｅ、１５ｅ、１６ｅ、２５ｅ 冷却流体排出口、
１３ｆ、１４ｆ、１５ｆ、１６ｆ、２５ｆ カソードガス排出口、
２５ｇ、２６ｇ 貫通孔、
２７ ネジ、
３１、３３ 第１挿入部材、
３１ａ 第１線形領域、
３２、３４ 第２挿入部材、
３２ａ 第２線形領域、
３２ｂ 凹部、
３５ カソードガス供給マニホールド、
３６ カソードガス排出マニホールド、
３７ アノードガス供給マニホールド、
３８ アノードガス排出マニホールド、
３９ 冷却流体供給マニホールド、
４０ 冷却流体排出マニホールド、
ａ１ 入り口側、
ａ２ 他端側、
Ｐ_１ＩＮ 本発明のカソードガス供給口側圧力、
Ｐ_２ＩＮ 従来のカソードガス供給口側圧力、
Ｐ_１ＯＵＴ 本発明のカソードガス排出口側圧力、
Ｐ^２ＯＵＴ 従来のカソードガス排出口側圧力、
Ｑ_１ 本発明における燃料電池セルの入り口側から他端側にかけての流量、
Ｑ_２ 従来における燃料電池セルの入り口側から他端側にかけての流量、
Ｗ 水。

Claims (4)

1. 電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して形成され、内部にアノード流路及びカソード流路を備えるセル積層体と、
   前記セル積層体に設けられ、それぞれの前記アノード流路にアノードガスを供給するアノードガス用の供給マニホールド、およびそれぞれの前記アノード流路からアノードガスを排出するアノードガス用の排出マニホールドと、
   前記セル積層体に設けられ、それぞれの前記カソード流路にカソードガスを供給するカソードガス用の供給マニホールド、及びそれぞれの前記カソード流路からカソードガスを排出し前記カソードガス用の前記供給マニホールドの流入口と同方向の端部に排出部が開口するカソードガス用の排出マニホールドと、
   前記カソードガス用の供給マニホールドに挿入され、前記流入口から進むにつれて断面積を一次微分が負、二次微分が正となるように変化させる第１挿入部材と、
   前記カソードガス用の排出マニホールドに挿入され、前記排出口から進むにつれて断面積を一次微分が負、二次微分が負となるように変化させる第２挿入部材と、を有する燃料電池。
2. 前記第２挿入部材は、前記カソードガス用の断面を凹型に形成する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１挿入部材は、前記積層方向における前記他端から前記一端にかけて前記断面積が線形に変化するように単純化された第１線形領域を有し、
   前記第２挿入部材は、前記積層方向における前記一端から前記他端にかけて前記断面積が線形に変化するように単純化された第２線形領域を有する請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第１挿入部材及び前記第２挿入部材は、前記セル積層体に固定するための固定部を有する請求項１に記載の燃料電池。