JP3876730B2

JP3876730B2 - 燃料電池

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Publication number: JP3876730B2
Application number: JP2002049987A
Authority: JP
Inventors: 寿弘竹川; 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: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003249248A

Description

【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；ＭｅｍｒａｎＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｅｂｌｙ）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ると共に、前記冷却用水路と別に排熱用冷却水路が設けら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１１Ｃ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１１Ｅ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１５Ａで各ガス流通路１１に分配される。各ガス流通路１１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１１Ｃ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。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１６Ａ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

Claims

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ると共に、前記冷却用水路と別に排熱用冷却水路が設けら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。
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。
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２記載の燃料電池。
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乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
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。
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。
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。
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７のいずれかに記載の燃料電池。