JP4739880B2

JP4739880B2 - 固体高分子形燃料電池

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Publication number: JP4739880B2
Application number: JP2005274534A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本; 光雄唐金; 隆川鍋; 孝昌松林
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007087742A

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関し、特に、水滴が反応流体の流路に侵入して流路が閉塞され、流路抵抗が増大するのを防止し、各単セルで均一な発電ができる高性能な固体高分子形燃料電池に関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノードとカソードとの間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料、カソードに酸素を含む酸化剤を供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-（１）
カソード：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部をカソードに向かって移動し、電子は外部回路を通ってカソードに移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤に含まれる酸素がアノードから移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路ではアノードからカソードに向かって電子が移動するため、電力が取り出される。

また、アノードおよびカソードの外側にはセパレータが設けられる。アノード側のセパレータには燃料流路が設けられており、アノードに燃料が供給される。同様に、カソード側のセパレータにも酸化剤流路が設けられ、カソードに酸化剤が供給される。なお、本明細書において、燃料および酸化剤をあわせて「反応流体」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。

ここで、反応流体は、通常加湿器を用いてバブリングなどの手段により加湿されて導入されるが、反応流体供給用のマニホールドへ内において冷却されると、マニホールド内で大量の凝縮水が発生したり、加湿器からの水滴がマニホールドへ飛び出したりする。しかし、従来の燃料電池用セパレータにおいては、これら液体の水が反応流体導入流路へ浸入することを防止する手段は講じられておらず、反応流体由来の水がマニホールド内に堆積したり、マニホールドからセパレータの反応流体導入流路に浸入したりするといった問題点があった。このため、従来の燃料電池用セパレータでは、反応流体の流路が凝縮水によって閉塞され、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。
特開２００２−３４３４００号公報特開２００５−１３５７０７号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、水滴が反応流体の流路に侵入して流路が閉塞され、流路抵抗が増大するのを防止し、各単セルで均一な発電ができる高性能な固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、加湿された反応流体が供給される固体高分子形燃料電池であって、前記反応流体を複数のセルへ供給するための第１の供給用マニホールドと、この第１の供給用マニホールドに前記反応流体を供給する反応流体供給配管と、前記第１の供給用マニホールドの上部の側方に接続され、前記セルへ反応流体を導入する反応流体導入流路と、前記反応流体供給配管から延設されて前記第１のマニホールド内を前記反応流体供給配管側と前記反応流体導入路側とに仕切り、前記反応流体導入流路に液体の水が浸入することを防止する仕切部材を具備し、この仕切部材は、半円形、円管の一部、または矩形であって、前記流体導入路に対向しない部分が開放され、かつ下端部が反応流体導入路の最下面よりも下となるように設けられたことを特徴とする。これにより、水滴が反応流体の流路に浸入して流路が閉塞され、流路抵抗が増大するのを防止することができ、延いては、本発明の固体高分子形燃料電池は各単セルで均一な発電ができる。

本発明によれば、各単セルで均一な発電ができる高性能な固体高分子形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。

本実施の形態において、一方の面に燃料流路が形成された燃料極用セパレータ（第１のセパレータ）および一方の面に空気流路が形成された空気極セパレータ（第２のセパレータ）について、互いに略平行な複数の流路が形成されている場合を例に説明する。また、本実施の形態においては、燃料流路の裏面に冷却水流路が形成されている構成を例に説明するが、これに限定されるものではなく、空気流路の裏面に冷却水流路が形成されてもよいし、あるいは、一方の面に冷却水流路が形成された冷却用セパレータを個別に設けた構成としてもよい。

図３（Ａ）は、燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の燃料電池スタックを裏面から見た分解斜視図である。さらに、図４は、図３の燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、スタック構成の例として２セル構造の場合を示している。セル５０の燃料極側に燃料極側セパレータ１０１、空気極側に空気極側セパレータ１４７を配設し、これを１単位として所定の単位数だけ積層することによりスタックが得られる。本実施の形態の燃料電池において、セル５０の積層数に特に制限はないが、たとえば５０〜２００セル程度の積層体とすることができる。スタックの両端にはインシュレータ２０１およびエンドプレート２１３（図３（Ａ）および図３（Ｂ）では不図示）が外側に向かってこの順に設けられる。また、インシュレータ２０１に隣接する燃料極側セパレータには、燃料極側セパレータ１０１にかわり、冷却水流路の設けられていない燃料極側セパレータ１７１を用いてもよい。なお、燃料電池用セパレータは、その矩形の基板の長手方向が鉛直になるよう配置されて積層され、スタックを形成する。

次に、セル５０の構成について説明する。図５は、セパレータに挟持されたセル５０の断面構造を模式的に示す図である。セル５０の両側には燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、燃料極側セパレータ１０１や空気極側セパレータ１４７を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０と、燃料極２２と、空気極２４と、を有する。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。

燃料極２２の側に設けられる燃料極側セパレータ１０１にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４の側に設けられる空気極側セパレータ１４７にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、たとえば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、たとえば空気が供給される。

固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。

燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、たとえば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものを用いる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどがある。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。

燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガスまたは空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能を持つ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能も持つ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。

図４に戻り、本実施の形態の燃料電池２２５には、セル積層体２１５を中心に、外側に向かって順次それぞれ一対の集電板２０７、インシュレータ２０１、エンドプレート２１３が設けられ、最も外側にはタイプレート２１７が配置される。ここで、集電板２０７を設けることにより、セル積層体２１５で発電した電気を外部に取り出すことができる。また、エンドプレート２１３を設けることにより、セル積層体２１５を構成する各プレートの面内に均一な圧縮加重を加えることができる。セル積層体２１５を挟むタイプレート２１７は、片側に２枚ずつ配置されている。タイプレート２１７には、両端にネジ部２２３が設けられたタイロッド２２１が貫通し、ナット２１９によって締め付けられる。こうすることにより、セル積層体２１５、集電板２０７、インシュレータ２０１、およびエンドプレート２１３が圧縮加重を印加された状態で一体化される。なお、インシュレータ２０１は絶縁性および燃料電池の運転温度に対する耐熱性を有する物質から選択することができ、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などを用いることができる。また、燃料電池２２５の周囲には断熱材（不図示）が設けられてもよい。

次に、燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７の構成について、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図２（Ａ）、図２（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本実施の形態における一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータの構成を示す図である。本実施の形態において、燃料電池用セパレータの基板１０３の一方の面には図１（Ａ）に示されるように燃料流路１０５が設けられ、他方の面には図１（Ｂ）に示されるように冷却水流路１０６が設けられている。なお、燃料流路１０５は、図５のガス流路３８に該当する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１０３は、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用第１マニホールド１０７、空気供給用第１マニホールド１６７、および冷却水供給用第１マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用第１マニホールド１０９、空気排出用第１マニホールド１６９および冷却水排出用第１マニホールド１１３と、を有する。

本実施の形態において、冷却水は、燃料電池の電極における反応熱を冷却するためのものを使用するが、燃料ガスまたは空気と同温もしくはそれ以上であるのが好ましい。こうすれば、燃料ガスまたは空気の冷却を抑制することができる。たとえば、燃料ガスまたは空気の温度を６５〜７０℃程度とし、冷却水供給用第１マニホールド１１１における冷却水の温度を７１℃とすることができる。

以下、基板１０３のそれぞれの面について詳細に説明する。図１（Ａ）は、一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータの基板の燃料流路が設けられた一方の面の立面図である。図１（Ａ）に示すように、基板１０３の一方の面には、燃料ガスを燃料供給用第１マニホールド１０７から導入する燃料導入流路１２５と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成された複数の燃料流路１０５と、燃料導入流路１２５と複数の燃料流路１０５を連結する燃料供給用第２マニホールド１１５と、燃料排出用第１マニホールド１０９へ燃料ガスを排出する燃料排出流路１２７と、複数の燃料流路１０５と燃料排出流路１２７を連結する燃料排出用第２マニホールド１１７と、が形成されている。冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７よりも実質的に上方に位置している。すなわち、冷却水供給用第１マニホールド１１１の底部が、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の底部よりも上方に位置するように形成されている。

さらに、燃料供給用第２マニホールド１１５と燃料流路１０５との間には、ノズル１４１が設けられている。ノズル１４１を設けることにより、燃料流路１０５の入口領域に抵抗が発生する。燃料供給用第２マニホールド１１５とノズル１４１または燃料導入流路１２５における流路の深さは等しくなるように段差を形成することにより、燃料ガスを効率良く供給できる。ノズル１４１の材料としては、たとえば樹脂を用いることができる。このとき、成形時の流動性が良好で仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れる材料を用いることが好ましく、たとえばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等を用いて一体成形することができる。ノズル１４１の孔の直径は、燃料流路１０５の上流に圧力損失を発生させて、凝縮水を除去することができるよう決定される。たとえば、ノズル１４１の孔の直径は、入口側すなわち燃料供給用第２マニホールド１１５側をたとえば０．２５ｍｍとすることができる。このとき、各燃料流路１０５における圧力損失が均一になるように、形状が選定され設定されているので、１本当りの燃料流路１０５を流れる燃料ガス量が均一化される。また、燃料流路１０５における水分コントロールが良好に行われ、固体高分子電解質膜のドライアップや凝縮生成された水滴による燃料流路１０５の閉塞などが防止される。このため、電極における電気化学反応が安定し均一化され、全域において良好な電気化学反応が行われ、燃料電池の出力が安定する。

このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、燃料ガスは、燃料供給用第１マニホールド１０７から燃料供給用第１マニホールド１０７の側方に形成された燃料導入流路１２５を経由して、燃料供給用第２マニホールド１１５に至り、燃料供給用第２マニホールド１１５からノズル１４１を経由して燃料流路１０５に供給される。そして、燃料流路１０５を通過した燃料ガスは、燃料排出用第２マニホールド１１７から燃料排出流路１２７を経由して燃料排出用第１マニホールド１０９に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１０３の外部に排出される。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池用セパレータの基板１０３の冷却水流路１０６が設けられた他方の面の立面図である。図１（Ｂ）に示すように、基板１０３の他方の面には、冷却水を冷却水供給用第１マニホールド１１１から導入する冷却水導入流路１２９と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成された複数の冷却水流路１０６と、冷却水導入流路１２９と複数の冷却水流路１０６を連結する冷却水供給用第２マニホールド１１９と、冷却水排出用第１マニホールド１１３へ冷却水を排出する冷却水排出流路１３１と、複数の冷却水流路１０６と冷却水排出流路１３１を連結する冷却水排出用第２マニホールド１２１と、が形成されている。

また、冷却水流路１０６の周囲の基板１０３の表面にはシール材１３３が貼り付けられており、凸状のビード１３５が形成されている。このため、積層してスタックを形成した際に、燃料極側セパレータ１０１と他のセパレータとの密着性が良好であり、ガスや水の漏出を好適に抑制することができる。シール材１３３としては、たとえばＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン−ゴム）などの弾性部材を用いることができる。

このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、冷却水は、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を経由して冷却水供給用第２マニホールド１１９に至り、冷却水供給用第２マニホールド１１９から冷却水流路１０６に供給される。そして、冷却水流路１０６を通過した冷却水は、冷却水排出用第２マニホールド１２１から冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用第１マニホールド１１３に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１０３外部に排出される。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本実施の形態における一方の面に空気流路が形成された燃料電池用セパレータの構成を示した図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、基板１４９は、図１の基板１０３と同様に、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用第１マニホールド１０７、空気供給用第１マニホールド１６７、および冷却水供給用第１マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用第１マニホールド１０９、空気排出用第１マニホールド１６９および冷却水排出用第１マニホールド１１３と、を有する。

本実施の形態において、燃料電池用セパレータの基板１４９の一方の面には図２（Ａ）に示されるように流路が設けられていない平坦面となっている。また、他方の面には図２（Ｂ）に示されるように空気流路１５３が設けられている。なお、空気流路１５３は、図５のガス流路４０に該当する。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の燃料電池用セパレータの他方の面の立面図である。図２（Ｂ）に示すように、基板１４９の他方の面には、空気を空気供給用第１マニホールド１６７から導入する空気導入流路１５９と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の空気流路１５３と、空気導入流路１５９と複数の空気流路１５３を連結する空気供給用第２マニホールド１５５と、空気を空気排出用第１マニホールド１６９へ排出する空気排出流路１７０と、複数の空気流路１５３と空気排出流路１７０を連結する空気排出用第２マニホールド１５７と、が形成されている。なお、空気極側セパレータ１４７においても、基板１４９の空気流路１５３形成領域周辺にシール材１５１が被覆されているため、ビード（不図示）により空気極側セパレータ１４７を積層した際の密着性が確保されている。

また、空気供給用第２マニホールド１５５と空気流路１５３との間には、ノズル１４１が設けられており、空気流路１５３内の凝縮水を排出するための圧力が確保されるため、空気流路１５３内に均一に空気が供給される。また、図１（Ａ）の燃料流路側の燃料電池用セパレータと同様に、空気供給用第２マニホールド１５５とノズル１４１または空気導入流路１５９における流路の深さが等しくなるように段差を形成することにより、空気を効率よく供給できる。

このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、空気は、空気供給用第１マニホールド１６７から空気供給用第１マニホールド１６７の側方に形成された空気導入流路１５９を経由して空気供給用第２マニホールド１５５に至り、空気供給用第２マニホールド１５５からノズル１４１を介して空気流路１５３に供給される。そして、空気流路１５３を通過した空気は、空気排出用第２マニホールド１５７から空気排出流路１７０を通って空気排出用第１マニホールド１６９に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１４９外部に排出される。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したように、本実施の形態において、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９は、縦長の略楕円形の燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の上部の側方にそれぞれ形成されている。これにより、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７から導入される加湿された燃料ガスおよび空気由来の凝縮水は燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の底部に溜まり、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９にそれぞれ進入しないようになっている。このため、燃料ガスが燃料供給用第１マニホールド１０７の横方向から燃料供給用第２マニホールド１１５に移動する際、または空気が空気供給用第１マニホールド１６７の横方向から空気供給用第２マニホールド１６５に移動する際の、反応ガスまたは空気中への凝縮水の混入を抑制することが可能となる。

また、本実施の形態において、冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７と略水平方向に並んで配置されるとともに、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７より実質的に上方に配置される。さらに、冷却水導入流路１２９は、冷却水供給用第１マニホールド１１１の下部に形成され、冷却水が冷却水供給用第１マニホールド１１１から重力の方向に沿って鉛直下方向に流れるとともに、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９を横切るように形成される。

これにより、本来は電極における反応熱を冷却するために供給される冷却水が、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を介して冷却水供給用第２マニホールド１１９に向かって下方に流れ込む間、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９が形成された裏面を横切るので、冷却水の熱により燃料ガスおよび空気の冷却を抑制し、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９の周辺における、加湿燃料由来の凝縮水の発生を抑制することができる。このため、凝縮水の燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９への進入が抑制されるため、燃料ガスおよび空気の供給を確実に行うことができる。このようにして、出力の安定性に優れた燃料電池を提供することができる。

以上のような本実施の形態の燃料電池２２５において、燃料供給用第１マニホールド１０７または空気供給用第１マニホールド１６７より供給される反応流体は、固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を保持するために、７０〜８０℃程度の温水の入った加湿タンクでバブリングするなどの方法によって加湿されてから導入される。その際、加湿タンクから飛び出した水滴や、加湿タンクと燃料電池２２５とを接続する配管、あるいは、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７で凝縮した水が、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９に浸入して、その後段の、燃料供給用第２マニホールド１１５および空気供給用第２マニホールド１５５、ノズル１４１、燃料流路１０５および空気流路１５３が閉塞される虞がある。そこで、このような閉塞によって流路抵抗が増大するのを防止し、各単セルで均一な発電ができる、即ち、安定して発電ができるようにする実施例を以下に説明する。

図６は本実施例の空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す図、図７は図４のＡ−Ａ’断面における空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す断面図である。以下の実施例は全て空気供給用第１マニホールド１６７について説明するが、本発明はこれに限定されず、燃料供給用第１マニホールド１０７でも実施可能である。

図６および図７に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部には仕切管１３０１を設ける。本実施例において仕切管１３０１は半円形を有しており、一方のエンドプレート２１３ａから他方のエンドプレート２１３ｂまで、空気供給用第１マニホールド１６７を貫通している。一方のエンドプレート２１３ａには空気供給配管３０３が、また他方のエンドプレート２１３ｂには空気供給側ドレン配管３０５が接続され、本実施例の仕切管１３０１は空気供給配管３０３から延設されている。

図６に示すように、仕切管１３０１は、空気導入流路１５９に水滴が付着しないように、空気供給用第１マニホールド１６７の下方部分に設けることが望ましい。特に、仕切管１３０１の下端１３０１ｄは、空気導入流路１５９の下端の水平位置よりも低い位置となるように設けることにより、空気導入流路１５９に水滴が付着することをより効果的に防止することができる。図６では、下半分部分が開放されている形状の半円形の仕切管１３０１について説明したが、仕切管１３０１の形状はこれに限定されず、図８に示すように、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている（開放されていない）半円形（図８（ａ））でもよく、円管の一部であって空気導入流路１５９に対向しない部分が開放されている形状（図８（ｂ））でも、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている（開放されていない）矩形（図８（ｃ））でもよい。

図９は本実施例の図４のＡ−Ａ’断面における空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す断面図である。図９に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部には仕切管２３０１を設けるが、本実施例における仕切管２３０１が実施例１と異なる点は、本実施例の仕切管２３０１は空気供給配管３０３から延設されているが、他方のエンドプレート２１３ｂまで空気供給用第１マニホールド１６７は貫通していない点である。仕切管２３０１は、内部を流通する空気の流速や空気供給用第１マニホールド１６７の長さ、供給される空気の加湿程度、空気供給用第１マニホールド１６７の温度などにも依存するが、空気供給用第１マニホールド１６７の一方の端部（空気供給配管３０３との接続部）から空気供給用第１マニホールド１６７の中央部、即ち、空気供給用第１マニホールド１６７の１／３の長さがあれば、空気供給配管３０３から飛び出す水滴が空気導入流路１５９に付着することを充分に防止でき、本実施例では空気供給用第１マニホールド１６７の１／３の長さとする。

本実施例も実施例１と同様に、仕切管２３０１の形状は、空気導入流路１５９に水滴が付着しないように、下端が空気導入流路１５９の下端の水平位置よりも低い位置となるように設けられた半円形が望ましく、図８のように、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている半円形、円管の一部であって空気導入流路１５９に対向しない部分が開放されている形状、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている矩形でもよい。

図１０は本実施例の図４のＡ−Ａ’断面における空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す断面図である。図１０に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部には仕切管３３０１を設けるが、本実施例における仕切管３３０１が実施例２と異なる点は、本実施例の仕切管３３０１は、端部３３０１ａにて流通する空気の流通方向が変化するように、端部３３０１ａを屈曲させている点である。仕切管３３０１の長さは、実施例２と同様に、空気供給用第１マニホールド１６７の一方の端部（空気供給配管３０３との接続部）から空気供給用第１マニホールド１６７の中央部、即ち、空気供給用第１マニホールド１６７の１／２の長さがあれば良く、本実施例でも空気供給用第１マニホールド１６７の１／３の長さとする。

本実施例も実施例１、２と同様に、仕切管３３０１の形状は、空気導入流路１５９に水滴が付着しないように、下端が空気導入流路１５９の下端の水平位置よりも低い位置となるように設けられた半円形が望ましく、図８のように、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている半円形、円管の一部であって空気導入流路１５９に対向しない部分が開放されている形状、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている矩形でもよい。

図１１は本実施例の図４のＡ−Ａ’断面における空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す断面図である。図１１に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部には仕切管４３０１を設けるが、本実施例における仕切管４３０１が実施例２と異なる点は、本実施例の仕切管４３０１は一方のエンドプレート２１３ａを貫通する部分は円管とし、セル積層体２１５の部分に入る付近より半円形をなすと共に下方へ傾斜している点である。仕切管４３０１の長さは、実施例２と同様に、空気供給用第１マニホールド１６７の一方の端部（空気供給配管３０３との接続部）から空気供給用第１マニホールド１６７の中央部、即ち、空気供給用第１マニホールド１６７の１／２の長さがあれば良く、本実施例でも空気供給用第１マニホールド１６７の１／３の長さとする。

本実施例も実施例１〜３と同様に、仕切管４３０１の形状は、空気導入流路１５９に水滴が付着しないように、下端が空気導入流路１５９の下端の水平位置よりも低い位置となるように設けられた半円形が望ましく、図８のように、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている半円形、円管の一部であって空気導入流路１５９に対向しない部分が開放されている形状、空気導入流路１５９に対向する部分が仕切られている矩形でもよい。

図１２は本実施例の図４のＡ−Ａ’断面における空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す断面図である。図１２に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部には仕切管５３０１を設けるが、本実施例の仕切管５３０１は空気供給配管３０３を延設し、端部５３０１ａにて流通する空気の流通方向が変化するように、端部５３０１ａを下方へ屈曲させる。仕切管５３０１の長さは、実施例２と同様に、空気供給用第１マニホールド１６７の一方の端部（空気供給配管３０３との接続部）から空気供給用第１マニホールド１６７の中央部、即ち、空気供給用第１マニホールド１６７の１／２の長さがあれば良く、本実施例でも空気供給用第１マニホールド１６７の１／３の長さとする。

図１２では、端部５３０１ａが下方へ屈曲して、流通する空気の流通方向が下向きとなる仕切管５３０１について説明したが、仕切管５３０１の端部（開口部）５３０１ａはこれに限定されず、開放部５３０１ａを空気導入流路１５９に対向する向きに設けなければよい。

図１３は本実施例の空気供給用第１マニホールド１６７内部の構成を模式的に示す図である。図１３に示すように、空気供給用第１マニホールド１６７内部の、特に上部には吸水材６３０７を設ける。吸水材６３０７はセル積層体２１５に渡って設けることが効果的であるが、吸水材６３０７が吸水して導電性を持つと、吸水材６３０７によって短絡してしまうので、吸水材６３０７と各セパレータ１４７、１７１とが接触する部分にはさらに絶縁性のシート６３０９を設ける。本実施例のように吸水材６３０７を空気供給用第１マニホールド１６７の上部に設けることにより、空気供給用第１マニホールド１６７内部で凝縮した水が滴下して、空気導入流路１５９に水滴が付着することを防止することができる。

本実施例は単独で実施しても良いが、実施例１〜５で説明したように、空気供給用第１マニホールド１６７内部に仕切管３０１を設け、これに加えて、空気供給用第１マニホールド１６７の上部に吸水材６３０７を設けることにより、空気導入流路１５９に水滴が付着することをより効果的に防止することができる。

本発明は、外部加湿タイプの固体高分子形燃料電池に対して有効であるが、上記の実施の形態のように、空気（酸化剤）を供給する側のみならず、燃料を供給する側においても利用可能である。

実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。図１および図２の燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。図３の燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。実施の形態に係るセルの断面構造を模式的に示す図である。実施例１の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図である。実施例１の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図４のＡ−Ａ’断面における断面図である。仕切管の変形例を模式的に示す図である。実施例２の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図４のＡ−Ａ’断面における断面図である。実施例３の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図４のＡ−Ａ’断面における断面図である。実施例４の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図４のＡ−Ａ’断面における断面図である。実施例５の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図４のＡ−Ａ’断面における断面図である。実施例６の空気供給用第１マニホールド内部の構成を示す図である。

符号の説明

２０固体高分子電解質膜
２２燃料極
２４空気極
２６触媒層
２８ガス拡散層
３０触媒層
３２ガス拡散層
３８ガス流路
４０ガス流路
５０セル
１０１燃料極側セパレータ
１０３基板
１０５燃料流路
１０６冷却水流路
１０７燃料供給用第１マニホールド
１０９燃料排出用第１マニホールド
１１１冷却水供給用第１マニホールド
１１３冷却水排出用第１マニホールド
１１５燃料供給用第２マニホールド
１１７燃料排出用第２マニホールド
１１９冷却水供給用第２マニホールド
１２１冷却水排出用第２マニホールド
１２５燃料導入流路
１２７燃料排出流路
１２９冷却水導入流路
１３１冷却水排出流路
１３３シール材
１３５ビード
１４１ノズル
１４７空気極側セパレータ
１４９基板
１５１シール材
１５３空気流路
１５５空気供給用第２マニホールド
１５７空気排出用第２マニホールド
１５９空気導入流路
１６７空気供給用第１マニホールド
１６９空気排出用第１マニホールド
１７０空気排出流路
１７１燃料極側セパレータ
２０１インシュレータ
２０７集電板
２１３エンドプレート
２１５セル積層体
２１７タイプレート
２１９ナット
２２１タイロッド
２２３ネジ部
２２５燃料電池
２２７接続流路
２６５金型
３０１、１３０１、２３０１、３３０１、４３０１、５３０１仕切管
３０３空気供給配管
３０５空気供給側ドレン配管
３０７、６３０７吸水材
３０９、６３０９絶縁性シート

Claims

加湿された反応流体が供給される固体高分子形燃料電池であって、
前記反応流体を複数のセルへ供給するための第１の供給用マニホールドと、
この第１の供給用マニホールドに前記反応流体を供給する反応流体供給配管と、
前記第１の供給用マニホールドの上部の側方に接続され、前記セルへ反応流体を導入する反応流体導入流路と、
前記反応流体供給配管から延設されて前記第１のマニホールド内を前記反応流体供給配管側と前記反応流体導入路側とに仕切り、前記反応流体導入流路に液体の水が浸入することを防止する仕切部材を具備し、
この仕切部材は、半円形、円管の一部、または矩形であって、前記流体導入路に対向しない部分が開放され、かつ下端部が反応流体導入路の最下面よりも下となるように設けられたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。