JP4032633B2 - 燃料電池 - Google Patents
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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。
【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 Assembly ）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７−３２０７５５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。
【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） 電解質膜と、電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードと、セパレータ燃料ガス流路が形成されたセパレータおよびセパレータ酸化ガス流路が形成されたセパレータとを積層してなる燃料電池であって、
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り、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はセパレータの同じ辺側に位置し、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セパレータの同じ辺側に位置する、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、
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ターン部では上下方向に延びており、
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。
【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１０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：Membrane-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）２６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。
【０００９】
図３〜図５は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）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、２７ｂ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２７ａ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２８out 間の距離Ｌ1 は、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Ｌ3 、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Ｌ4 、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。
【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。
【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２６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２９in、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２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out がセパレータ１８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２８out 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２８out 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、２９in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２８in、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。
【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。
【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。
【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。
【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２９out 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。
【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 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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
【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。
【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 Assembly ）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７−３２０７５５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。
【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） 電解質膜と、電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードと、セパレータ燃料ガス流路が形成されたセパレータおよびセパレータ酸化ガス流路が形成されたセパレータとを積層してなる燃料電池であって、
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り、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はセパレータの同じ辺側に位置し、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セパレータの同じ辺側に位置する、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、
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ターン部では上下方向に延びており、
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。
【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１０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：Membrane-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）２６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。
【０００９】
図３〜図５は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）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、２７ｂ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２７ａ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２８out 間の距離Ｌ1 は、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Ｌ3 、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Ｌ4 、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。
【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。
【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２６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２９in、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２８inと燃料ガス排出マニホールド２８out がセパレータ１８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２８out 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２８out 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、２９in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２８in、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。
【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。
【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。
【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。
【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２９out 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。
【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 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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
Claims (8)
- 電解質膜と、電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードと、セパレータ燃料ガス流路が形成されたセパレータおよびセパレータ酸化ガス流路が形成されたセパレータとを積層してなる燃料電池であって、
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り、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はセパレータの同じ辺側に位置し、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セパレータの同じ辺側に位置する、燃料電池。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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、
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ターン部では上下方向に延びており、
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。 - 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。
- 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。
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