JP4549617B2

JP4549617B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4549617B2
Application number: JP2002312574A
Authority: JP
Inventors: 一仁羽藤; 弘樹日下部; 英夫小原; 伸介竹口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004146303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池、特に高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と電子導電性を併せ持つ、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスで拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。これにより一対の電極、すなわちアノードとカソードが形成される。アノード側に燃料ガスが供給され、またカソード側に酸化剤ガスが供給される。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスが外にリークしたり、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これを、電解質膜電極接合体（以下ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
このガス流路に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためは、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板上のガス流路につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。この貫通孔をマニホールドと呼ぶ。
【０００５】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入するが、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層型、すなわち燃料電池スタックの構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われてきた。
この高分子電解質膜は水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要がある。また、カソード側では反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点で酸化剤ガスや燃料ガスを加湿し供給すると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しない、または性能が低下する問題があった。通常このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼んでいた。
【０００７】
また、燃料電池を発電システムとする場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要であるが、システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給ガスの加湿露点を少しでも低減して供給することが好ましい。以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点で加湿し供給することが通常であった。
【０００８】
しかしながら、電池の高性能化のためには高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上で供給することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高加湿で供給する必要があることを発見した。供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度で供給しようとした場合、様々な課題が有ることを見いだした。
【０００９】
一つ目は、前述のフラッディングの問題である。フラッディングを回避するためには、供給ガスのガス流量を一定にしたまま供給圧力を上げて、換言すれば供給ガスの圧力損失を上げて、結露した水を吹き飛ばすようにする手法が一般的である。しかしながら、供給ガスの圧力損失の増加は、システム化した場合のガス供給ブロワ、またはコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させるため、システム効率の悪化を招来する。
【００１０】
二つ目は、結露した水がマニホールド内部の空間に溜まり、ある一定量以上に溜まると、入り口側のマニホールドに溜まった場合にはセパレータ板のガス流路内に水が液体状態で突入しガス流路が水で閉塞されるため、水がセパレータ板から完全に排出されるまでガス供給不足が発生し電池性能が激しく不安定になるという問題である。また、出口側のマニホールドに溜まった場合でも、ある一定量以上水が溜まるとセパレータ板からマニホールドへの水の排出性が悪くなる、また場合によっては出口マニホールドから水がセパレータ板のガス流路に逆流するという問題があることを見いだした。このような現象が発現すると見かけ上フラッディングと同等の現象が発生することを発見した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため本発明の燃料電池は、
イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給・排出する燃料ガス流路および前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出する酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなり、
さらに、前記燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールドと、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路に供給する酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールドと、前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部と、前記酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部と、前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された酸化剤ガス出口部とを具備する電池スタックを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成されている燃料電池であって、
前記燃料電池スタックを水平方向に対して傾斜させて設置することにより、前記各マニホールドのうちの少なくとも１つのマニホールドを、ガス進行方向に向かって低位になるように傾斜配置し、かつ当該マニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角を、当該マニホールドの水滴転落角以上４５度以下とし、
前記各マニホールドの断面が長径と短径を有し、前記長径の延伸方向が前記水平に対して９０度以下４５度以上の傾斜角をなすことを特徴とする。
【００１２】
当該マニホールドすなわち前記少なくとも１つのマニホールドおよび前記導電性セパレータ板がカーボン板製であり、前記第１傾斜角が５度以上４５度以下であることが好ましい。
さらに、前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドは、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方であり、前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が前記電池スタックの一方の端部の下部に設けられ、前記少なくとも一方のガス出口部が前記傾斜配置された前記少なくとも１つのマニホールドの出口側端部に連結されていることが好ましい。
【００１４】
前記各マニホールドの断面が長径と短径を有し、前記長径の延伸方向が前記水平に対して９０度以下４５度以上の傾斜角をなすことが好ましい。
前記燃料ガス出口部および前記酸化剤ガス出口部の少なくとも一方のガス出口部が、それぞれ対応する、前記燃料ガス出口側マニホールドおよび前記酸化剤ガス出口側マニホールドの少なくとも一方の出口の断面の低位部に設けられていることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、前記酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、前記燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および前記酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうち少なくとも１つの配管が、前記電池スタックから遠ざかるに従い前記水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角（第３傾斜角）をなすことが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のポイントは、供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上に加湿して供給する場合発生する、フラッディングの問題を解決できることにある。フラッディングを防止するためには、少なくともガス流路溝に結露水を停滞させないことが有効であることを発見した。そのためには、基本的には供給ガスの圧力損失を大きくすれば効果があるが、前述のような問題から、数千ｍｍＡｑを超えるような高圧損でガス供給することは現実的ではない。従って、同じ圧力損失でもガス流路に水が停滞しないような技術が必要である。
【００１７】
本発明は、それを満足するものである。ガス流路の中では、結露水などによって、水とガスとの２層流となって流体が流れており、そのような場合は、まずセパレータ板面内のガスの流れを上部から下部に向かって流れるようにすることが望ましい。セパレータ板面の高さに見合う重力分だけ、水の排出性に貢献できるからである。しかしながら、マニホールドからセパレータ板のガス流路入口へ突発的に水が突入すると、セパレータ板の流路の構造や供給ガス圧力を最適化していたとしても、水がセパレータ板の流路内から出口側マニホールドに排出されるまではフラッディング現象が発生することを避けられない。そのためには入口側マニホールドに水が溜まらない構造を取ることが有効である。
【００１８】
供給ガスの加湿を相対湿度１００％に近い湿度、または相対湿度１００％以上に加湿して供給する場合には、実質的に微量のミストの混入が避けられない。入口側マニホールドの構造は、マニホールド貫通方向の一方にガス入口があり、そこからガスが供給され、入口側マニホールドからマニホールド貫通方向に対して垂直方向に各セルに分配される構造をとっている。すなわち、入口側マニホールド貫通方向の、ガス入口部の反対側すなわち、マニホールド貫通方向の延長線上には、ガス出口部は位置していないのが通常である。
【００１９】
そのため、マニホールドの貫通方向が水平である場合、またガス入口部が低位置でガス出口部が高位置となるように傾斜している場合にはマニホールド入口部近傍に結露水が溜まり、一定水位まで達すると定期的に水がセパレータ板のガス流路に突入することを見いだした。これに対し、本発明の燃料電池における第１の要件は、燃料電池スタックを水平方向に対して傾斜させて配置することにより、少なくとも１つのマニホールドを、ガス進行方向に向かって低位になるように傾斜配置することである。ガス入口部が高位置でガス出口部が低位置となるようにマニホールドの貫通方向が水平に対して傾斜している場合には、常に微量のミストがセパレータ板のガス流路に供給されることになるが、突発的に多量の水滴が突入する事態は避けられることを見いだした。このマニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角を本明細書では第１傾斜角と称する。
【００２０】
また、逆に出口側マニホールドに水が溜まる場合にも問題が発生する。出口側マニホールドに水が溜まると、出口側マニホールドからセパレータ板のガス流路に水が逆流する上、セパレータ板のガス流路から出口側マニホールドへの水滴の排出性が極端に悪くなる。ガス入口部が高位置でガス出口部が低位置となるようにマニホールド貫通方向が水平に対して傾斜している場合に、出口側マニホールド内に結露水が溜まることがほとんど起こらないことを見いだした。
【００２１】
また、本発明の燃料電池においては、前記第１の要件を満たすマニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角が、前記マニホールドの水滴転落角以上、４５度以上であることを第２の要件とする。
すなわち、マニホールドの傾斜は、マニホールドの水滴転落角より大きくなければ効果は小さいことを見いだした。ある材料の水滴転落角とは、平滑な表面を有する当該材料を水平に設置し、その水平表面上の任意の位置に水滴を載せた後、当該材料を水平に対して徐々に傾斜させていく場合に、その水滴が当初の位置から移動し始める際の水平に対してなす傾斜角をいう。この水滴転落角は、水滴を当該材料の上に水滴を載せた場合の水滴の表面張力、および水滴が当該材料の表面となす接触角に依存する。
【００２２】
結露水が流れるマニホールド内壁表面は、通常はマニホールドを形成する材料、すなわち導電性セパレータ板の孔内壁表面になっている。たとえば、通常のセパレータ板材料であるカーボン材料の場合には、その水滴転落角は約５度であり、マニホールドの傾斜角が５度以上でなければ上記の効果が小さいことも見いだした。
【００２３】
一方、マニホールドの傾斜角が４５度を超えると、上記の効果が小さくなり始めることも見いだした。通常、マニホールドの貫通方向はセパレータ板表面に対して垂直である。したがって、マニホールドが当初水平方向である場合は、実質的にセパレータ板面の傾斜角は略垂直、すなわち導電性セパレータ板表面が水平に対してなす角度は９０度あるいは略９０度である。
【００２４】
ところが、マニホールドの傾斜角が４５度を超えると、セパレータ板面の傾斜角が４５度よりも小さくなる、すなわち、セパレータ板面が水平方向に傾かざるを得なくなり、セパレータ板面内、すなわちガス流路内のガスの流れを高位置から低位置に向かって流れるようにすることにより水の排出をさせるという効果、すなわち略垂直に設置されたセパレータ板面の高さに見合う重力分だけ、水の排出性を向上させるという効果が、小さくなり始めることを発見した。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池においては、燃料ガス入口側マニホールド、酸化剤ガス入口側マニホールド、燃料ガス出口側マニホールド及び酸化剤ガス出口側マニホールドである各マニホールドの断面が長径と短径とを有し、長径の延伸方向の水平に対する傾斜角が４５度以上、９０度以下であることを第３の要件とする。マニホールドの断面が略長方形状または略楕円形状のような長径と短径を有する場合、略長方形状または略楕円形状の長手方向が垂直方向あるいは略垂直方向となるように、すなわちマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす角度が９０度あるいは略９０度となるようにマニホールドが構成され、かつガス出入口が、略長方形状または略楕円形状の長手方向下部、すなわちマニホールド断面の長径の低位部に設置され、好ましくはマニホールド断面最下部と、ガス出入口内面最下部が一致もしくは、ガス出入口内面最下部がマニホールド断面最下部より下部に設置することで上述の問題を解決できることも発見した。
【００２６】
さらに、そのマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす角度を略垂直から傾斜させても、４５度までであれば、導電性セパレータ板面内のガス流路内の水の排出効果を大きく劣化させることなく、マニホールド内の排水効果を維持できることも確認した。このマニホールドの断面の長径の延伸方向が水平に対してなす傾斜角を本明細書では第２傾斜角と称する。
このように、本発明の燃料電池は、上記した第１の要件、第２の要件、及び第３の要件を有している。
【００２７】
さらに好ましくは、電池スタックのガス出入口に連結するガス供給配管およびガス排出配管が、前記電池スタックのガス出入口から下向きに傾斜をつけて接続されていることによって有効性がより顕著になることを見いだした。換言すれば、前記燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、前記酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、前記燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および前記酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうち少なくとも１つの配管が、前記電池スタックから遠ざかるに従い前記水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角をなすことが好ましい。この傾斜角を本明細書では第３傾斜角と称する。
【００２８】
なお、上述した燃料ガス入出系と酸化剤ガス入出系に対する種々の排水対策のうちでは、酸化剤ガス入出系における方がよりフラッディングが発生しやすいため、酸化剤ガス入出系に対する排水対策の方が有効である。
【００２９】
【実施例】
（参考例１）
まず、触媒層を形成した電極の作成方法をＭＥＡの概略断面を模式的に示す図１を用いて説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた分散液にパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散した分散液を混合し、触媒ペーストを作製した。
【００３０】
一方、電極の支持体になるカーボンクロスを撥水処理した。外寸１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚み２２０μｍのカーボンクロス１１ａ、１１ｂの電極触媒層と接すべき側の面に、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製Ｄ−１）の混合物を塗布し、４００℃で３０分間焼成して撥水層を付与した。
【００３１】
このカーボンクロス１１ａ、１１ｂの撥水層を付与した方の面に、前記作製した触媒ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布することで触媒層１２ａ、１２ｂを形成した。このようにして作成した触媒層１２ａ、１２ｂとカーボンクロス１１ａ、１１ｂとを合わせて電極１３ａ、１３ｂとした。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．０ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整した。
【００３２】
次に、外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜１４の裏表両面に、前記作製した一対の電極１３ａ、１３ｂを触媒層１２ａ、１２ｂが電解質膜１４の側に接するようにホットプレスで接合し、これをＭＥＡ１５とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００３３】
次に、緻密でガス透過性のないカーボン板に切削加工を施し、図２、図３に示した導電性セパレータ板とした。図２、図３は導電性セパレータ板の表面に形成したガス流路としての溝部、マニホールド孔等の形状を模式的に示した概略平面図である。図２は表面に形成した酸化剤ガス流路等の形状を示したものであり、図３はその裏面の燃料ガス流路等の形状を示したものである。セパレータ板の大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍであり、溝部２１、３１は幅１．２ｍｍで深さ０．７ｍｍの凹部であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間のリブ部２２、３２は幅１．０ｍｍの凸部である。
【００３４】
また、酸化剤ガスのマニホールド孔（入口側２３ａ、出口側２３ｂ）と、燃料ガスのマニホールド孔（入口側２４ａ、出口側２４ｂ）と、冷却水のマニホールド孔（入口側２５ａ、出口側２５ｂ）を形成した。
また図４は、冷却水を流すための冷却水流路の形状を示したものであり、図２、図３に示したものと同様な導電性セパレータ板の表面に切削加工したものである。
【００３５】
図４で、冷却水のマニホールド孔（入口側４５ａ、出口側４５ｂ）の位置と寸法は、図２、図３で示した冷却水のマニホールド孔２５ａおよび２５ｂと同一の位置に同一の寸法で形成し、また、ガス流通用のマニホールド孔４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂの位置と寸法も、図２、図３のガスマニホールド孔と同一位置に、同一寸法で形成した。また、４１は、冷却水の入口側マニホールド孔４５ａから流入した水の流路の溝部であり、溝部の深さは０．７ｍｍとした。４２は冷却水通路の凸状リブ部である。冷却水は入口側マニホールド孔４５ａから流入し、流路４１を流れて出口側マニホールド孔４５ｂへと到達する。
【００３６】
この冷却水流路を有する一枚の導電性セパレータ板の裏面には、他のＭＥＡに接するべき図２のような酸化剤ガス流路を設けた。これとは別にもう一枚の冷却水流路を有する導電性セパレータ板を用意し、その裏面には、別のＭＥＡに接するべき図３のような燃料ガス流路を設けた。そして、これら２枚の冷却水流路用の導電性セパレータ板を、それらの冷却水路面同士が接し、合体して冷却水路を形成するように２枚の導電性セパレータ板の冷却水流路の構成を対応させて構成し、それらを合体して一対の導電性セパレータ板からなる冷却用導電性セパレータ板ユニットを作製した。
【００３７】
次に、図示していないが、作成したＭＥＡのプロトン伝導性高分子電解質膜にも、冷却水と燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド孔を形成し、電極部分の直近周辺部とマニホールド孔周辺部のプロトン伝導性高分子電解質膜上にＯ−リング状のガスシール部材を張り合わせガスケットとした。
このようにして作成したセパレータ板２枚を用い、ＭＥＡシートの表面に図２を、裏面に図３を重ね合わせ、これを単電池とした。
【００３８】
この単電池を２セル積層した後、上記した冷却水流路を形成した冷却用導電性セパレータ板ユニット２つでこの２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタックを作成した。この時、電池スタックの両端部には、銅の表面に金メッキした集電板と、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）製の絶縁板と、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を切削加工することで作成した端板と締結ロッドで固定した。また、この時の締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ²とした。このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、図５に示すように水平線に対する傾斜角（α１）すなわち第１傾斜角が５度となるよう設置し、特性試験を行った。
【００３９】
なお、ここで図５について記載する。図５は、上記作製した高分子電解質型燃料電池の概略を模式的に示した正面図である。図５において、５１は上記の導電性セパレータ板群、５２ａ、５２ｂは電池スタック両端部に設けられた集電板、５３ａ、５３ｂはその集電板の上に設けられた絶縁板、５４ａ、５４ｂはその絶縁板の上に設けられた端板である。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管５５ａから酸化剤ガス入口部５９ａを通って酸化剤ガス入口側マニホールド５８ａに供給される。図では、酸化剤ガス入口部５９ａと酸化剤ガス入口側マニホールドについては、透視した形で破線で示している。
【００４０】
酸化剤ガス入口側マニホールド５８ａに供給された酸化剤ガスは、導電性セパレータ板群５１のうちの各酸化剤ガス流路を通って各ＭＥＡに供給されるとともに、酸化剤ガス出口側マニホールド５８ｂに排出される。酸化剤ガス出口側マニホールドから、さらに酸化剤ガス出口部５９ｂと酸化剤ガス排出管５５ｂを通って、酸化剤ガスは最終的に電池スタックの外部に排出される。図では、酸化剤ガス出口側マニホールド５８ｂと酸化剤ガス出口部５９ｂについては、透視した形で破線で示している。
燃料ガスは、燃料ガス供給管５６ａから供給され、燃料ガス排出管５６ｂから排出されるが、酸化剤ガスの供給・排出と同様な方法で供給・排出されるので、ここではその詳細な記載は省略する。同様に冷却水は、冷却水供給管５７ａから供給され、冷却水排出管５７ｂから排出されるが、ここではその詳細な記載は省略する。
【００４１】
本参考例では測定条件として、高分子電解質型燃料電池を７０℃に保持し、一方の電極側すなわちアノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側すなわちカソードに７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．０Ｖの電池開放電圧を得た。
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．０Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００４２】
（参考例２〜６及び比較例１〜２）
参考例１と同一の手法で、参考例２〜６及び比較例１〜２の７個の高分子電解質型燃料電池を作成した。
ただし、参考例２〜６及び比較例１〜２においては、このように作製した高分子電解質型燃料電池を、図５に示す水平に対する傾斜角（α１）すなわち第１傾斜角がそれぞれ１０度、２０度、３０度、４０度、４５度、３度および５０度となるよう設置することにより、それぞれの参考例、比較例に基づく高分子電解質型燃料電池とし、それぞれの特性試験を参考例１における保温温度、露点等の同一の測定条件で行った。
その測定結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
表１からわかるように、傾斜角（α１）すなわち本発明の燃料電池における第１要件である第１傾斜角が５度以上、すなわち導電性セパレータ板の材料であるカーボン板の水滴転落角以上、４５度以下の場合に良好な特性を示すが、その範囲外の傾斜角の場合には特性が劣化した。
なお、上記の実施例あるいは比較例では、図５に示すように、燃料ガス供給管５６ａを、酸化剤ガス供給管５５ａと同じく、端板５４ａの主面側で電池スタックと連結したが、端板５４ａの端面側で連結した場合でも、主面側で連結した場合と同様な結果が得られた。
【００５０】
また、上記参考例群では示さなかったが、導電性セパレータ板の材料をカーボン板以外のステンレス鋼あるいは金メッキをしたステンレス鋼などの材料に代替した場合でも、上記傾斜角（α１）あるいは傾斜角（α２）すなわち本明細書の第１傾斜角が、当該材料の水滴転落角以上、４５度以下であれば、良好な特性が得られることを確認した。
【００５１】
（実施例１）
導電性セパレータ板の構造以外は、参考例１と同一の手法で高分子電解質型燃料電池スタックを作成した。
導電性セパレータ板の形状は、図６、図７および図８に示したものを用いた。図６、図７は導電性セパレータ板の表面に形成したガス流通用溝の形状を示したものである。図６は表面に形成した酸化剤ガス流路の溝の形状を示したものであり、図８はその裏面の燃料ガス流路の溝の形状を示したものである。導電性セパレータ板の大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍであり、溝部７１、８１は幅１．２ｍｍで深さ０．７ｍｍの凹部であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間のリブ部７２、８２は幅１．０ｍｍの凸部である。
【００５２】
また、酸化剤ガスのマニホールド孔（入口側７３ａ、出口側７３ｂ）と、燃料ガスのマニホールド孔（入口側７４ａ、出口側７４ｂ）と、冷却水のマニホールド孔（入口側７５ａ、出口側７５ｂ）を形成した。酸化剤ガスの入口部７６ａおよび出口部７６ｂと、燃料ガスの入口部７７ａおよび出口部７７ｂの位置は、図に破線円で示すように、マニホールド断面から投影すると下部すなわち低位置になるよう設置した。
【００５３】
図８は、冷却水を流すための冷却水流路の形状を示したものであり、図６、図７に示したものと同様な導電性セパレータ板の表面に切削加工したものである。図８で、冷却水のマニホールド孔（入口側９５ａ、出口側９５ｂ）の位置と寸法は、図６、図７で示した冷却水のマニホールド孔７５ａおよび７５ｂと同一の位置に同一の寸法で形成し、また、ガス流通用のマニホールド孔９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９５ｂの位置と寸法も、図６、図７のガスマニホルド孔と同一位置に同一寸法で形成した。
【００５４】
また、水の流通部分である凹状の深さは０．７ｍｍとした。冷却水は入口側マニホールド孔９５ａから流入し、リブ９２間の流路９１を流れて出口側マニホールド孔９５ｂへと到達する。また、酸化剤ガスの入口部７６ａおよび出口部７６ｂと、燃料ガスの入口部７７ａおよび出口部７７ｂの位置は、図に破線円で示すように、マニホールド断面から投影すると下部すなわち低位置になるよう設置した。
【００５５】
この冷却水流路を有する一枚の導電性セパレータ板の裏面には、他のＭＥＡに接するべき図６のような酸化剤ガス流路を設けた。これとは別にもう一枚の冷却水流路を有する導電性セパレータ板を用意し、その裏面には、別のＭＥＡに接すべき図７のような燃料ガス流路を設けた。そして、これら２枚の冷却水流路用の導電性セパレータ板を、それらの冷却水路面同士が接し、合体して冷却水路を形成するように２枚の導電性セパレータ板の冷却水流路の構成を対応させて構成し、それらを合体して一対の導電性セパレータ板からなる冷却用導電性セパレータ板ユニットを作製した。
【００５６】
以上のように作製した、導電性セパレータ板群と、参考例１に記載したのと同じ方法で、ＭＥＡ、ガスシール部材、集電板、絶縁板、端板等とを組み合わせて積層することにより、図５に示されるものと同様な１００セル積層の電池スタックを有する高分子電解質型燃料電池を作製した。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、水平に対して平行となるように、すなわち図５におけるセパレータ板面が水平と垂直となるように、さらに換言すれば本明細書の第２傾斜角が９０度となるように設置し、特性試験を行った。
【００５７】
高分子電解質型燃料電池スタックを７０℃に保持し、一方の電極側すなわちアノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側すなわちカソードに７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９６．０Ｖの電池開放電圧を得た。
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって２．９ｋＷ以上（６８．５Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
【００５８】
なお、本実施例においては、マニホールドの断面が楕円形の場合を示したが、それ以外でも、たとえば長方形であっても、その長手方向すなわち長径が垂直方向あるいは略垂直方向となるように構成され、かつガス出入口を特にガス出口を、長手方向下部、すなわちマニホールド断面の長径の低位部に設置すれば、好ましい特性が得られることを確認した。さらに、マニホールド断面最下部に対して、ガス出入口内面、特にガス出口内面の最下部が一致もしくは、より低位部になるように設置すれば、さらに好ましい結果が得られることも確認した。
反対に、ガス出入口、とくにガス出口を、マニホールドの断面の中央あるいは高位部に連結するように配置した場合は、排水特性が劣ることを確認した。
【００５９】
（実施例２）
実施例１と同一の手法で図５に示されるものと同様な高分子電解質型燃料電池スタックを作成した。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、図５における水平に対してなす傾斜角（α１）が３０度となるように、換言すれば本明細書の第２傾斜角が６０度となるように設置し、特性試験を行った。高分子電解質型燃料電池スタックは７０℃に保持し、一方の電極側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７０℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８．５Ｖの電池開放電圧を得た。
【００６０】
この電池を燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．５Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力を維持することを確認した。
なお、本実施例では本明細書の第２傾斜角が６０度の場合を示したが、それ以外でも、第２傾斜角が９０度以下４５度以上であれば、良好な特性が得られることを別途確認した。
【００６１】
また、上記の実施例群では示さなかったが、燃料ガス入口部に連結された燃料ガス供給管、酸化剤ガス入口部に連結された酸化剤ガス供給管、燃料ガス出口部に連結された燃料ガス排出管、および酸化剤ガス出口部に連結された酸化剤ガス排出管のうちの１つあるいは複数の配管を、電池スタックから遠ざかるにしたがて水平から遠ざかるような前記水平に対する下向きの傾斜角（第３傾斜角）をなすようにすることにより、当該配管から電池スタックへの過剰な水の流入、あるいは水の逆流を防ぐことができ、好ましい特性が得られることも確認した。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によると、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出する手段を有する一対の導電性セパレータ板からなる単位構成要素を積層して電池スタックを構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出するマニホールドが導電性セパレータ板の積層方向に電池スタック内を貫通するよう形成された燃料電池において、マニホールドの貫通方向を水平に対して、マニホールド材料の水滴転落角（５度）以上、４５度以下の第１傾斜角を付けて設置すると共に、各マニホールドの断面が長径と短径を有し、長径の延伸方向が水平に対して９０度以下４５度以上の第２傾斜角をなすことを特徴とする。
【００６３】
これにより、フラッディング現象を防止しつつ、高性能で耐久力の大きな燃料電池を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における燃料電池で用いたＭＥＡの構成の概略を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の参考例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の酸化剤ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図３】本発明の参考例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の燃料ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図４】本発明の参考例における燃料電池で用いた冷却水路を有する導電性セパレータ板の一表面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図５】本発明の燃料電池における第１要件の概略構成を模式的に示した一部透視正面
図である。
【図６】本発明の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の酸化剤ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図７】本発明の実施例における燃料電池で用いた導電性セパレータ板の燃料ガスの流路面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【図８】本発明の実施例における燃料電池で用いた冷却水路を有する導電性セパレータ板の一表面の構成の概略を模式的に示した平面図である。
【符号の説明】
２１ガス流路の溝部
２２ガス流路間のリブ部
２３，４３，７３，９３酸化剤ガスのマニホルド孔
２４，４４，７４，９４燃料ガスのマニホルド孔
２５，４５，７５，９５冷却水のマニホルド孔
５８ａ，６８ａ酸化剤ガス入口側マニホールド
５８ｂ，６８ｂ酸化剤ガス出口側マニホールド
５９ａ，６９ａ酸化剤ガス入口部
５９ｂ，６９ｂ酸化剤ガス出口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a cogeneration system, and the like, and more particularly to a fuel cell using a polymer electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell using a polymer electrolyte membrane generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. is there. In the structure, first, a catalytic reaction layer composed mainly of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, on the outer surface of the catalytic reaction layer, a diffusion layer is formed of, for example, carbon paper or carbon cloth having both air permeability and electronic conductivity, and the diffusion layer and the catalytic reaction layer are combined to form an electrode. . Thereby, a pair of electrodes, that is, an anode and a cathode are formed. Fuel gas is supplied to the anode side, and oxidant gas is supplied to the cathode side.
[0003]
Next, a gas seal material or a gasket is disposed around the electrode with a polymer electrolyte membrane interposed so that the fuel gas to be supplied leaks outside or the two kinds of fuel gases are not mixed with each other. This sealing material or gasket is integrated with an electrode and a polymer electrolyte membrane and assembled in advance, and this is called an electrolyte membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA). On the outside of the MEA, a conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is disposed. In the portion of the separator plate that contacts the MEA, a reaction gas is supplied to the electrode surface, and a gas flow path for carrying away the generated gas and surplus gas is formed. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method of providing a gas flow path by providing a groove on the surface of the separator plate is generally used.
[0004]
In order to supply fuel gas or oxidant gas to this gas flow path, the pipe for supplying fuel gas or oxidant gas is branched into the number of separator plates to be used, and the branch destination is directly connected to the gas flow on the separator plate. A piping jig that connects to the road is required. This jig is called a manifold, and the type connected directly from the fuel gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold with a simplified structure. The internal manifold is a separator plate in which a gas flow path is formed with a through-hole, through the gas flow path to the hole, and fuel gas is directly supplied from the hole. This through hole is called a manifold.
[0005]
Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool it with cooling water or the like in order to maintain the battery at a good temperature. Usually, a cooling unit for flowing cooling water every 1 to 3 cells is inserted between the separator plate and the separator plate. In many cases, a cooling water channel is provided on the back surface of the separator plate to form a cooling unit. These MEAs, separator plates, and cooling units are alternately stacked, and after stacking 10 to 200 cells, they are sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates, and fixed from both ends with fastening bolts. This is a typical stacked type, that is, a fuel cell stack structure.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional polymer electrolyte membranes have used perfluorosulfonic acid-based materials.
Since this polymer electrolyte membrane exhibits ionic conductivity in a state containing moisture, it is usually necessary to supply fuel gas or oxidant gas with humidification. Also, since water is generated by the reaction on the cathode side, if oxidant gas or fuel gas is humidified and supplied at a dew point higher than the operating temperature of the battery, dew condensation occurs in the gas flow path inside the battery or inside the electrode, resulting in water clogging, etc. Due to this phenomenon, there is a problem that the battery performance is not stable or the performance is lowered. Usually, such a phenomenon that the battery performance deteriorates or the operation becomes unstable due to excessive wetting is called a flooding phenomenon.
[0007]
In addition, when a fuel cell is used as a power generation system, systemization including humidification of the supply gas is necessary. To simplify the system and improve system efficiency, the humidification dew point of the supply gas must be slightly increased. However, it is preferable to reduce and supply. As described above, from the viewpoints of preventing flooding, improving system efficiency, and simplifying the system, the supply gas is usually supplied with humidification at a slightly lower dew point than the battery temperature.
[0008]
However, in order to improve the performance of the battery, it is necessary to improve the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. For this purpose, humidification of the supply gas is performed at a humidity close to 100% relative humidity or at a relative humidity of 100% or more. It is preferable to do. Also, from the viewpoint of durability of the polymer electrolyte membrane, it was discovered that the supply gas needs to be supplied with high humidity. It has been found that there are various problems when trying to supply humidified gas at a humidity close to 100% relative humidity.
[0009]
The first is the aforementioned flooding problem. In order to avoid flooding, it is common to increase the supply pressure while keeping the gas flow rate of the supply gas constant, in other words, to increase the pressure loss of the supply gas and blow off the condensed water. . However, an increase in the pressure loss of the supply gas causes an increase in the power of auxiliary equipment such as a gas supply blower or a compressor in the case of systemization, resulting in a deterioration in system efficiency.
[0010]
Second, when condensed water accumulates in the space inside the manifold and accumulates in a certain amount or more, if it accumulates in the manifold on the inlet side, the water enters the gas flow path of the separator plate in a liquid state and enters the gas Since the flow path is blocked with water, there is a problem that the battery performance becomes severely unstable due to insufficient gas supply until the water is completely discharged from the separator plate. In addition, even when water is accumulated in the manifold on the outlet side, if a certain amount or more of water accumulates, the water discharge performance from the separator plate to the manifold deteriorates, and in some cases, water from the outlet manifold enters the gas flow path of the separator plate. I found that there was a problem of backflow. It has been discovered that when such a phenomenon occurs, a phenomenon equivalent to an apparent flooding occurs.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  To solve the above problems, the present inventionBurningThe battery is
  An ion conductive electrolyte membrane, an anode and a cathode disposed on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, a fuel gas flow path for supplying and discharging fuel gas to the anode, and an oxidant gas for supplying and discharging to the cathode A unit cell comprising a pair of conductive separator plates having an oxidant gas flow path is laminated,
  Further, a fuel gas inlet side manifold for supplying the fuel gas to the fuel gas flow path, an oxidant gas inlet side manifold for supplying the oxidant gas to the oxidant gas flow path, and the fuel gas flow path from the fuel gas flow path A fuel gas outlet side manifold that discharges fuel gas, an oxidant gas outlet side manifold that discharges the oxidant gas from the oxidant gas flow path, a fuel gas inlet portion connected to the fuel gas inlet side manifold, An oxidant gas inlet connected to the oxidant gas inlet side manifold, a fuel gas outlet connected to the fuel gas outlet side manifold, and an oxidant gas outlet connected to the oxidant gas outlet side manifold And each manifold is formed so as to penetrate the conductive separator plate in the stacking direction. A fuel cell,
  By installing the fuel cell stack so as to be inclined with respect to the horizontal direction, at least one of the manifolds is disposed so as to be lower in the gas traveling direction and penetrates the manifold. The inclination angle that the direction makes with respect to the horizontal is not less than the water drop falling angle of the manifold and not more than 45 degrees.,
  The cross section of each manifold has a major axis and a minor axis, and the extending direction of the major axis forms an inclination angle of 90 degrees or less and 45 degrees or more with respect to the horizontal.It is characterized by that.
[0012]
It is preferable that the manifold, that is, the at least one manifold and the conductive separator plate are made of a carbon plate, and the first inclination angle is not less than 5 degrees and not more than 45 degrees.
Further, the at least one manifold arranged in an inclined manner is at least one of the fuel gas outlet side manifold and the oxidant gas outlet side manifold, and at least one of the fuel gas outlet part and the oxidant gas outlet part. Preferably, a gas outlet portion is provided at a lower portion of one end portion of the battery stack, and the at least one gas outlet portion is connected to an outlet side end portion of the at least one manifold arranged in an inclined manner.
[0014]
in frontIt is preferable that the cross section of each manifold has a major axis and a minor axis, and the extending direction of the major axis forms an inclination angle of 90 degrees or less and 45 degrees or more with respect to the horizontal.
  At least one gas outlet part of the fuel gas outlet part and the oxidant gas outlet part corresponds to a lower part of the cross section of the corresponding outlet of at least one of the fuel gas outlet side manifold and the oxidant gas outlet side manifold, respectively. It is preferable to be provided.
[0015]
  Further, a fuel gas supply pipe connected to the fuel gas inlet, an oxidant gas supply pipe connected to the oxidant gas inlet, a fuel gas discharge pipe connected to the fuel gas outlet, and the oxidant It is preferable that at least one of the oxidant gas discharge pipes connected to the gas outlet portion has a downward inclination angle (third inclination angle) with respect to the horizontal so as to move away from the horizontal as moving away from the battery stack..
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The point of the present invention is to solve the problem of flooding that occurs when the supply gas is humidified and supplied at a humidity close to 100% relative humidity or 100% relative humidity. In order to prevent flooding, it has been found that it is effective not to cause the condensed water to stay in at least the gas flow channel. For this purpose, it is basically effective to increase the pressure loss of the supply gas. However, it is not practical to supply the gas with a high pressure loss exceeding several thousand mmAq due to the above-mentioned problems. Therefore, there is a need for a technique that prevents water from staying in the gas flow path even with the same pressure loss.
[0017]
The present invention satisfies this. In the gas flow path, the fluid flows as a two-layer flow of water and gas due to condensed water, etc. In such a case, first, the gas flow in the separator plate surface is directed from the top to the bottom. It is desirable to make it flow. This is because the amount of gravity commensurate with the height of the separator plate surface can contribute to water discharge. However, if water suddenly enters the gas passage inlet of the separator plate from the manifold, even if the separator plate passage structure and the supply gas pressure are optimized, the water flows from the separator plate passage to the outlet side. It is inevitable that flooding will occur until the manifold is discharged. For this purpose, it is effective to adopt a structure in which water does not accumulate in the inlet side manifold.
[0018]
When the supply gas is humidified at a humidity close to 100% relative humidity or at a relative humidity of 100% or higher, it is unavoidable that a very small amount of mist is mixed. The structure of the inlet side manifold has a structure in which a gas inlet is provided at one side in the manifold penetrating direction, and gas is supplied from the gas inlet and distributed to each cell in a direction perpendicular to the manifold penetrating direction. That is, the gas outlet portion is usually not located on the opposite side of the gas inlet portion in the inlet side manifold penetrating direction, that is, on the extended line in the manifold penetrating direction.
[0019]
  Therefore, if the manifold penetration direction is horizontal, or if the gas inlet is tilted so that the gas outlet is at a low position and the gas outlet is at a high position, condensed water accumulates near the manifold inlet and reaches a certain level. When it reaches, it has been found that water regularly enters the gas flow path of the separator plate.On the other hand, the first requirement in the fuel cell of the present invention is that the fuel cell stack is inclined with respect to the horizontal direction so that at least one manifold is lowered toward the gas traveling direction. It is to be inclined.When the manifold penetration direction is inclined with respect to the horizontal so that the gas inlet is at the high position and the gas outlet is at the low position, a small amount of mist is always supplied to the gas flow path of the separator plate. However, it was found that a sudden large amount of water drops could be avoided. In this specification, the inclination angle formed by the penetrating direction of the manifold with respect to the horizontal is referred to as a first inclination angle.
[0020]
On the contrary, a problem also occurs when water accumulates in the outlet side manifold. When water accumulates in the outlet side manifold, water flows backward from the outlet side manifold to the gas flow path of the separator plate, and the discharge of water droplets from the gas flow path of the separator plate to the outlet side manifold becomes extremely worse. It has been found that when the manifold penetration direction is inclined with respect to the horizontal so that the gas inlet is at a high position and the gas outlet is at a low position, condensation water hardly accumulates in the outlet side manifold. .
[0021]
  Also,In the fuel cell according to the present invention, a second requirement is that an angle of inclination formed by a manifold penetrating direction satisfying the first requirement with respect to the horizontal is not less than a water droplet falling angle of the manifold and not less than 45 degrees. .
  IeIt was found that if the inclination of the manifold is not larger than the water droplet falling angle of the manifold, the effect is small. The water drop falling angle of a material means that the material having a smooth surface is installed horizontally, and after the water drop is placed at an arbitrary position on the horizontal surface, the material is gradually inclined with respect to the horizontal. In this case, it means an inclination angle with respect to the horizontal when the water droplet starts to move from the initial position. This water drop falling angle depends on the surface tension of the water drop when the water drop is placed on the material and the contact angle that the water drop makes with the surface of the material.
[0022]
The inner wall surface of the manifold through which the condensed water flows is usually the material forming the manifold, that is, the inner wall surface of the hole of the conductive separator plate. For example, in the case of a carbon material which is a normal separator plate material, the water drop falling angle is about 5 degrees, and it has been found that the above effect is small unless the inclination angle of the manifold is 5 degrees or more.
[0023]
On the other hand, when the inclination angle of the manifold exceeds 45 degrees, it has also been found that the above effect starts to decrease. Usually, the manifold penetration direction is perpendicular to the separator plate surface. Accordingly, when the manifold is initially in the horizontal direction, the inclination angle of the separator plate surface is substantially vertical, that is, the angle formed by the conductive separator plate surface with respect to the horizontal is 90 degrees or substantially 90 degrees.
[0024]
However, if the inclination angle of the manifold exceeds 45 degrees, the inclination angle of the separator plate surface becomes smaller than 45 degrees, that is, the separator plate surface has to be inclined in the horizontal direction, so that the separator plate surface, that is, the gas flow The effect of draining water by allowing the gas flow in the channel to flow from a high position to a low position, that is, by the amount of gravity corresponding to the height of the separator plate installed almost vertically, We found that the effect of improving the emission began to decrease.
[0025]
  Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the cross section of each manifold, which is a fuel gas inlet side manifold, an oxidant gas inlet side manifold, a fuel gas outlet side manifold, and an oxidant gas outlet side manifold, has a major axis and a minor axis. The third requirement is that the inclination angle of the major axis in the extending direction with respect to the horizontal is not less than 45 degrees and not more than 90 degrees.When the manifold cross section has a major axis and a minor axis such as a substantially rectangular shape or a substantially elliptical shape, the longitudinal direction of the substantially rectangular shape or the substantially elliptical shape is a vertical direction or a substantially vertical direction, that is, the major axis of the manifold cross section. The manifold is configured such that the extending direction of the gas is 90 degrees or substantially 90 degrees, and the gas inlet / outlet has a substantially rectangular or substantially elliptical lower portion in the longitudinal direction, that is, a lower major diameter of the manifold cross section. It has also been found that the above-mentioned problem can be solved by preferably installing the lowermost section of the manifold cross section and the lowermost section of the gas inlet / outlet inner surface, or the lowermost section of the gas inlet / outlet inner face being lower than the lowermost section of the manifold cross section.
[0026]
  Further, even if the angle of the major axis extending direction of the manifold cross section with respect to the horizontal is inclined from substantially vertical, if it is up to 45 degrees, the draining effect of water in the gas flow path in the conductive separator plate surface It was also confirmed that the drainage effect in the manifold could be maintained without significantly degrading the water. In this specification, the inclination angle formed by the extending direction of the major axis of the cross section of the manifold with respect to the horizontal is referred to as a second inclination angle.
  Thus, the fuel cell of the present invention has the first requirement, the second requirement, and the third requirement described above.
[0027]
More preferably, the gas supply pipe and the gas discharge pipe connected to the gas inlet / outlet of the battery stack are connected with an inclination downward from the gas inlet / outlet of the battery stack. It was. In other words, a fuel gas supply pipe connected to the fuel gas inlet, an oxidant gas supply pipe connected to the oxidant gas inlet, a fuel gas discharge pipe connected to the fuel gas outlet, and the It is preferable that at least one of the oxidant gas discharge pipes connected to the oxidant gas outlet portion has a downward inclination angle with respect to the horizontal so as to move away from the horizontal as the distance from the battery stack increases. This inclination angle is referred to as a third inclination angle in this specification.
[0028]
Of the various wastewater countermeasures for the fuel gas inlet / outlet system and the oxidant gas inlet / outlet system, flooding is more likely to occur in the oxidant gas inlet / outlet system. It is valid.
[0029]
【Example】
(Reference Example 1)
  First, a method for producing an electrode in which a catalyst layer is formed will be described with reference to FIG. 1 schematically showing a schematic cross section of an MEA. An electrode catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30 mm supported on acetylene black powder was used. A dispersion obtained by dispersing the powder of perfluorocarbon sulfonic acid in ethyl alcohol was mixed with a dispersion obtained by dispersing the catalyst powder in isopropanol to prepare a catalyst paste.
[0030]
On the other hand, the carbon cloth used as the electrode support was subjected to water repellent treatment. An aqueous dispersion of carbon black powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) (Daikin Industries Co., Ltd. D) on the surface to be in contact with the electrode catalyst layer of

carbon cloth

11a, 11b having an outer size of 12 cm × 12 cm and a thickness of 220 μm The mixture of -1) was applied and baked at 400 ° C. for 30 minutes to give a water repellent layer.
[0031]
The catalyst layers 12a and 12b were formed by applying the prepared catalyst paste to the surface of the

carbon cloth

11a and 11b to which the water-repellent layer was applied by using a screen printing method. The catalyst layers 12a and 12b thus prepared and the

carbon cloths

11a and 11b were combined to form

electrodes

13a and 13b. The amount of platinum contained in the reaction electrode after formation is 0.3 mg / cm.²The amount of perfluorocarbon sulfonic acid is 1.0 mg / cm²It adjusted so that it might become.
[0032]
Next, hot pressing is performed so that the catalyst layers 12a, 12b are in contact with the side of the electrolyte membrane 14 on the both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane 14 having an outer dimension of 20 cm × 20 cm. This was joined as MEA15. Here, a proton conductive polymer electrolyte obtained by thinning perfluorocarbon sulfonic acid to a thickness of 30 μm was used.
[0033]
Next, the carbon plate which is dense and has no gas permeability was cut to obtain the conductive separator plate shown in FIGS. 2 and 3 are schematic plan views schematically showing the shapes of grooves, manifold holes and the like as gas flow paths formed on the surface of the conductive separator plate. FIG. 2 shows the shape of the oxidant gas flow path and the like formed on the front surface, and FIG. 3 shows the shape of the fuel gas flow path and the like on the back surface. The separator plate has a size of 20 cm × 20 cm and a thickness of 3 mm. The

groove portions

21 and 31 are recesses having a width of 1.2 mm and a depth of 0.7 mm, and gas flows through these portions. Moreover, the

rib parts

22 and 32 between gas flow paths are convex parts with a width of 1.0 mm.
[0034]
Also, manifold holes for the oxidant gas (inlet side 23a, outlet side 23b), fuel gas manifold holes (inlet side 24a, outlet side 24b), and cooling water manifold holes (inlet side 25a, outlet side 25b) are provided. Formed.
FIG. 4 shows the shape of a cooling water flow path for flowing cooling water, which is cut on the surface of a conductive separator plate similar to that shown in FIGS.
[0035]
In FIG. 4, the positions and dimensions of the cooling water manifold holes (inlet side 45a, outlet side 45b) are formed at the same positions as the cooling

water manifold holes

25a and 25b shown in FIGS. In addition, the positions and dimensions of the gas

circulation manifold holes

44a, 44b, 45a, 45b were also formed at the same positions and the same dimensions as the gas manifold holes of FIGS. Reference numeral 41 denotes a groove portion of the flow path of the water that flows in from the inlet side manifold hole 45a of the cooling water, and the depth of the groove portion is 0.7 mm. Reference numeral 42 denotes a convex rib portion of the cooling water passage. The cooling water flows in from the inlet side manifold hole 45a, flows through the flow path 41, and reaches the outlet side manifold hole 45b.
[0036]
An oxidant gas flow path as shown in FIG. 2 to be in contact with another MEA was provided on the back surface of one conductive separator plate having the cooling water flow path. Separately, a conductive separator plate having another cooling water flow path was prepared, and a fuel gas flow path as shown in FIG. 3 to be in contact with another MEA was provided on the rear surface. And the structure of the cooling water flow path of the two conductive separator plates is formed so that the cooling water channel surfaces of these two conductive separator plates for the cooling water flow channel are in contact with each other to form a cooling water channel. A cooling conductive separator plate unit composed of a pair of conductive separator plates was prepared by combining them and combining them.
[0037]
Next, although not shown, a manifold hole for circulating cooling water, fuel gas, and oxidant gas is also formed in the produced proton conductive polymer electrolyte membrane of MEA, and the immediate vicinity of the electrode portion and the manifold hole are formed. An O-ring-shaped gas seal member was laminated on the proton conductive polymer electrolyte membrane in the peripheral portion to form a gasket.
Using the two separator plates thus prepared, FIG. 2 was superimposed on the front surface of the MEA sheet and FIG. 3 was superimposed on the back surface to form a single cell.
[0038]
After stacking two cells of this single cell, the two-cell stacked battery was sandwiched between the two cooling conductive separator plate units having the cooling water flow path described above, and this pattern was repeated to create a battery stack having a stack of 100 cells. . At this time, at both ends of the battery stack, a current collector plate plated with gold on the surface of copper, an insulating plate made of polyphenylene sulfide resin (PPS), and an end plate made by cutting stainless steel (SUS) Fixed with a fastening rod. The fastening pressure at this time is 10 kgf / cm per electrode area.²It was. The polymer electrolyte fuel cell of this example produced in this way was installed so that the inclination angle (α1), that is, the first inclination angle with respect to the horizontal line was 5 degrees as shown in FIG.
[0039]
Here, FIG. 5 will be described. FIG. 5 is a front view schematically showing the outline of the produced polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 5, 51 is the conductive separator plate group, 52a and 52b are current collector plates provided at both ends of the battery stack, 53a and 53b are insulating plates provided on the current collector plates, 54a and 54b. Is an end plate provided on the insulating plate. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply pipe 55a through the oxidant gas inlet 59a to the oxidant gas inlet side manifold 58a. In the drawing, the oxidant gas inlet portion 59a and the oxidant gas inlet side manifold are indicated by broken lines in a transparent manner.
[0040]
The oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet side manifold 58a is supplied to each MEA through each oxidant gas flow path in the conductive separator plate group 51, and to the oxidant gas outlet side manifold 58b. Discharged. The oxidant gas is finally discharged out of the battery stack from the oxidant gas outlet side manifold through the oxidant gas outlet 59b and the oxidant gas discharge pipe 55b. In the figure, the oxidant gas outlet side manifold 58b and the oxidant gas outlet part 59b are shown in broken lines in a transparent manner.
The fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 56a and discharged from the fuel gas discharge pipe 56b, but is supplied and discharged in the same manner as the supply and discharge of the oxidant gas. Omitted. Similarly, the cooling water is supplied from the cooling water supply pipe 57a and discharged from the cooling water discharge pipe 57b, but detailed description thereof is omitted here.
[0041]
  BookreferenceIn the example, as a measurement condition, a polymer electrolyte fuel cell is maintained at 70 ° C., and hydrogen gas that has been humidified and heated so that a dew point of 70 ° C. is applied to one electrode side, that is, the anode, is applied to the other electrode side, that is, the cathode. Air that was humidified and heated to a dew point of 70 ° C. was supplied. As a result, a battery open voltage of 98.0 V was obtained at no load when no current was output to the outside.
  This battery has a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.3 A / cm.²A continuous power generation test was performed under the conditions described above, and the time variation of the output characteristics was measured. As a result, it was confirmed that the battery of this example maintained a battery output of 3.1 kW or higher (72.0V-43.2A) for 8000 hours or longer.
[0042]
(Reference Examples 2-6 and Comparative Examples 1-2)
  referenceIn the same way as Example 1,Reference Examples 2-6 and Comparative Examples 1-27 polymer electrolyte fuel cells were prepared.
  However,Reference Examples 2-6 and Comparative Examples 1-2In the polymer electrolyte fuel cell thus manufactured, the inclination angle (α1) with respect to the horizontal direction shown in FIG. 5, that is, the first inclination angle is 10 degrees, 20 degrees, 30 degrees, 40 degrees, 45 degrees, 3 degrees, respectively. By setting it to be 50 degrees and 50 degrees,referenceExample and polymer electrolyte fuel cell based on comparative examplereferenceThe measurement was performed under the same measurement conditions such as the heat retention temperature and dew point in Example 1.
The measurement results are shown in Table 1.
[0043]
[Table 1]

[0044]
  As can be seen from Table 1, the angle of inclination (α1), ieIt is the 1st requirement in the fuel cell of the present invention.Good characteristics are exhibited when the first inclination angle is 5 degrees or more, that is, when the water droplet falling angle of the carbon plate, which is the material of the conductive separator plate, is 45 degrees or less. Deteriorated.
  In the above embodiment or comparative example, as shown in FIG. 5, the fuel gas supply pipe 56a is connected to the battery stack on the main surface side of the end plate 54a, like the oxidant gas supply pipe 55a. Even when connected on the end face side of the plate 54a, the same result as that obtained when connected on the main face side was obtained.
[0050]
  Also, abovereferenceAlthough not shown in the examples, even when the material of the conductive separator plate is replaced with a material other than the carbon plate such as stainless steel or gold-plated stainless steel, the inclination angle (α1) or the inclination angle (α2), that is, the present It was confirmed that when the first inclination angle in the specification is not less than the water droplet falling angle of the material and not more than 45 degrees, good characteristics can be obtained.
[0051]
Example 1
  Other than the structure of the conductive separator plate,referenceA polymer electrolyte fuel cell stack was prepared in the same manner as in Example 1.
  As the shape of the conductive separator plate, those shown in FIGS. 6, 7 and 8 were used. 6 and 7 show the shape of the gas flow channel formed on the surface of the conductive separator plate. FIG. 6 shows the shape of the groove of the oxidant gas flow path formed on the surface, and FIG. 8 shows the shape of the groove of the fuel gas flow path on the back surface thereof. The size of the conductive separator plate is 20 cm × 20 cm, the thickness is 3 mm, and the

grooves

71 and 81 are recesses having a width of 1.2 mm and a depth of 0.7 mm, and gas flows through this portion. Further, the

rib portions

72 and 82 between the gas flow paths are convex portions having a width of 1.0 mm.
[0052]
Also, manifold holes for the oxidant gas (inlet side 73a, outlet side 73b), fuel gas manifold holes (inlet side 74a, outlet side 74b), and cooling water manifold holes (inlet side 75a, outlet side 75b) are provided. Formed. The positions of the oxidant gas inlet portion 76a and outlet portion 76b, and the fuel gas inlet portion 77a and outlet portion 77b are set to be lower, that is, lower, when projected from the manifold cross section, as indicated by broken line circles in the figure. .
[0053]
Figure8Shows the shape of the cooling water flow path for flowing cooling water.6The figure7A surface of a conductive separator plate similar to that shown in FIG. Figure8The position and dimensions of the cooling water manifold holes (inlet side 95a, outlet side 95b) are shown in the figure.6The figure7The cooling

water manifold holes

75a and 75b shown in FIG. 5 are formed with the same dimensions at the same positions, and the positions and dimensions of the gas

circulation manifold holes

93a, 93b, 94a, and 95b are also shown in FIG.6The figure7And the same size as the gas manifold hole.
[0054]
Moreover, the concave depth which is a distribution | circulation part of water was 0.7 mm. The cooling water flows from the inlet side manifold hole 95a, flows through the flow path 91 between the ribs 92, and reaches the outlet side manifold hole 95b. Further, the positions of the inlet portion 76a and outlet portion 76b for the oxidant gas and the inlet portion 77a and outlet portion 77b for the fuel gas are lower, that is, lower when projected from the cross section of the manifold, as indicated by broken circles in the figure. installed.
[0055]
  A figure to be in contact with another MEA on the back surface of one conductive separator plate having the cooling water flow path.6An oxidant gas flow path as described above was provided. Separately from this, a conductive separator plate having another cooling water flow path is prepared, and the back surface thereof should be in contact with another MEA.7The fuel gas flow path is provided. And the structure of the cooling water flow path of the two conductive separator plates is formed so that the cooling water channel surfaces of these two conductive separator plates for the cooling water flow channel are in contact with each other to form a cooling water channel. A cooling conductive separator plate unit composed of a pair of conductive separator plates was prepared by combining them and combining them.
[0056]
  Conductive separator plate group produced as described above,referenceA 100 cell laminated battery similar to that shown in FIG. 5 by laminating a combination of MEA, gas seal member, current collector plate, insulating plate, end plate, etc. in the same manner as described in Example 1 A polymer electrolyte fuel cell having a stack was fabricated.
  In other words, the polymer electrolyte fuel cell of this example manufactured in this way is parallel to the horizontal, that is, the separator plate surface in FIG. 5 is horizontal and vertical. The second inclination angle was set to 90 degrees and a characteristic test was performed.
[0057]
The polymer electrolyte fuel cell stack is kept at 70 ° C., and the hydrogen gas humidified and heated so that the dew point of 70 ° C. is applied to one electrode side, that is, the anode, and the dew point of 70 ° C. is applied to the other electrode side, that is, the cathode. Humid and warm air was supplied. As a result, a battery open voltage of 96.0 V was obtained at no load when no current was output to the outside.
This battery has a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.3 A / cm.²A continuous power generation test was performed under the conditions described above, and the time variation of the output characteristics was measured. As a result, it was confirmed that the battery of this example maintained a battery output of 2.9 kW or more (68.5 V-43.2 A) for 8000 hours or more.
[0058]
In the present embodiment, the case where the manifold has an elliptical cross section is shown. However, even if the manifold is rectangular, for example, the longitudinal direction, that is, the major axis is configured to be the vertical direction or the substantially vertical direction. In addition, it was confirmed that favorable characteristics can be obtained if the gas inlet / outlet is installed in the lower part in the longitudinal direction, that is, the lower part of the major axis of the manifold cross section. Furthermore, it was confirmed that a more preferable result can be obtained if the gas inlet / outlet inner surface, particularly the lowermost part of the gas outlet inner surface is aligned or lower than the lowermost section of the manifold cross section.
On the other hand, it was confirmed that the drainage characteristics were inferior when the gas inlet / outlet, particularly the gas outlet, was arranged so as to be connected to the center or high part of the manifold cross section.
[0059]
(Example 2)
  Example1A polymer electrolyte fuel cell stack similar to that shown in FIG.
  In the polymer electrolyte fuel cell of this example manufactured in this way, the inclination angle (α1) made with respect to the horizontal in FIG. 5 is 30 degrees, in other words, the second inclination angle in this specification is It installed so that it might become 60 degree | times, and the characteristic test was done. The polymer electrolyte fuel cell stack is maintained at 70 ° C., and humidified and heated so that a dew point of 70 ° C. is applied to one electrode side and humidified so that a dew point of 70 ° C. is applied to the other electrode side. -Supplying warm air. As a result, a battery open voltage of 98.5 V was obtained at no load when no current was output to the outside.
[0060]
This battery has a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.3 A / cm.²A continuous power generation test was performed under the conditions described above, and the time variation of the output characteristics was measured. As a result, it was confirmed that the battery of this example maintained a battery output of 3.1 kW or higher (72.5V-43.2A) for 8000 hours or longer.
In this embodiment, the second inclination angle in the present specification is 60 degrees. However, if the second inclination angle is 90 degrees or less and 45 degrees or more, good characteristics can be obtained. Was confirmed separately.
[0061]
Further, although not shown in the above-described embodiment group, a fuel gas supply pipe connected to the fuel gas inlet, an oxidant gas supply pipe connected to the oxidant gas inlet, and a fuel connected to the fuel gas outlet One or a plurality of pipes of the gas discharge pipe and the oxidant gas discharge pipe connected to the oxidant gas outlet are inclined downward with respect to the horizontal so as to move away from the battery stack while moving away from the battery stack. It was also confirmed that by making (the third inclination angle), excessive water inflow from the pipe to the battery stack or reverse flow of water can be prevented, and preferable characteristics can be obtained.
[0062]
【The invention's effect】
  According to the present invention, an ion conductive electrolyte membrane, a pair of electrodes disposed on both surfaces of the ion conductive electrolyte membrane, and means for supplying and discharging fuel gas to one of the electrodes and supplying and discharging oxidant gas to the other A unit stack consisting of a pair of conductive separator plates having a plurality of layers is stacked to form a battery stack, and a manifold for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas passes through the battery stack in the stacking direction of the conductive separator plates. In the fuel cell formed as described above, the water droplet falling angle (5 degrees) or more and 45 degrees or less of the manifold material with respect to the horizontal through direction of the manifoldFirstInstall with a tilt angleIn addition, the cross section of each manifold has a major axis and a minor axis, and the extending direction of the major axis forms a second inclination angle of 90 degrees or less and 45 degrees or more with respect to the horizontal.It is characterized by that.
[0063]
  As a result, a high-performance and highly durable fuel cell can be realized while preventing flooding..
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an outline of a configuration of an MEA used in a fuel cell in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 of the present inventionreferenceIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the flow-path surface of the oxidizing gas of the electroconductive separator plate used with the fuel cell in an example.
FIG. 3 of the present inventionreferenceIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the flow path surface of the fuel gas of the electroconductive separator plate used with the fuel cell in an example.
FIG. 4 of the present inventionreferenceIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the one surface of the electroconductive separator board which has the cooling water channel used with the fuel cell in an example.
FIG. 5 is a fuel cell of the present invention.First requirement inPartially transparent front view schematically showing the schematic configuration of
FIG.
FIG. 6 shows the present invention.The fruitIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the flow-path surface of the oxidizing gas of the electroconductive separator plate used with the fuel cell in an Example.
FIG. 7 shows the present invention.The fruitIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the flow-path surface of the fuel gas of the electroconductive separator plate used with the fuel cell in an Example.
FIG. 8 shows the present invention.The fruitIt is the top view which showed typically the outline of the structure of the one surface of the electroconductive separator plate which has the cooling water channel used with the fuel cell in an Example.
[Explanation of symbols]
      21 Gas channel groove
      22 Ribs between gas flow paths
      23, 43, 73, 93 Oxidant gas manifold holes
      24, 44, 74, 94 Manifold holes for fuel gas
      25, 45, 75, 95 Manifold holes for cooling water
      58a, 68a Oxidant gas inlet side manifold
      58b, 68b Oxidant gas outlet manifold
      59a, 69a Oxidant gas inlet
      59b, 69b Oxidant gas outlet

Claims

An ion conductive electrolyte membrane, an anode and a cathode disposed on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, a fuel gas flow path for supplying and discharging fuel gas to the anode, and an oxidant gas for supplying and discharging to the cathode A unit cell comprising a pair of conductive separator plates having an oxidant gas flow path is laminated,
Further, a fuel gas inlet side manifold for supplying the fuel gas to the fuel gas flow path, an oxidant gas inlet side manifold for supplying the oxidant gas to the oxidant gas flow path, and the fuel gas flow path from the fuel gas flow path A fuel gas outlet side manifold that discharges fuel gas, an oxidant gas outlet side manifold that discharges the oxidant gas from the oxidant gas flow path, a fuel gas inlet portion connected to the fuel gas inlet side manifold, An oxidant gas inlet connected to the oxidant gas inlet side manifold, a fuel gas outlet connected to the fuel gas outlet side manifold, and an oxidant gas outlet connected to the oxidant gas outlet side manifold And each manifold is formed so as to penetrate the conductive separator plate in the stacking direction. A fuel cell,
By installing the fuel cell stack so as to be inclined with respect to the horizontal direction, at least one of the manifolds is disposed so as to be lower in the gas traveling direction and penetrates the manifold. The inclination angle that the direction makes with respect to the horizontal is not less than the water drop falling angle of the manifold and not more than 45 degrees ,
A fuel cell in which a cross section of each manifold has a major axis and a minor axis, and an extending direction of the major axis forms an inclination angle of 90 degrees or less and 45 degrees or more with respect to the horizontal .

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive separator plate and the at least one manifold are made of a carbon plate, and the inclination angle is not less than 5 degrees and not more than 45 degrees.

The at least one manifold arranged in an inclined manner is at least one of the fuel gas outlet side manifold and the oxidant gas outlet side manifold, and at least one gas outlet of the fuel gas outlet part and the oxidant gas outlet part 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a portion is provided at a lower portion of one end portion of the battery stack, and the at least one gas outlet portion is connected to an outlet side end portion of the at least one manifold arranged in an inclined manner. .

At least one gas outlet part of the fuel gas outlet part and the oxidant gas outlet part corresponds to a lower part of the cross section of the corresponding outlet of at least one of the fuel gas outlet side manifold and the oxidant gas outlet side manifold, respectively. The fuel cell according to claim 1 provided.

A fuel gas supply pipe connected to the fuel gas inlet, an oxidant gas supply pipe connected to the oxidant gas inlet, a fuel gas discharge pipe connected to the fuel gas outlet, and the oxidant gas outlet The oxidant gas discharge pipe connected to the unit has at least one pipe having a downward inclination angle with respect to the horizontal so as to move away from the horizontal as the battery stack moves away from the battery stack. The fuel cell as described.