JP6627711B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルが積層されてなる燃料電池に関するものである。

固体高分子型の燃料電池の発電セルは、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟む構造の膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えている。そして、一方のセパレータと膜電極接合体との間のガス流路に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、他方のセパレータと膜電極接合体との間のガス流路に酸化ガス（例えば空気）が供給される。

通常、燃料電池は複数の発電セルが積層された構造になっている。そして、燃料電池の内部には、各発電セルのガス流路に発電用ガスを分配して導入する導入路や、各ガス流路を通過した後の発電用ガスを合流させて排出する排出路が設けられている。

特許文献１では、そうした燃料電池が、複数の発電セルの積層方向の端部に設けられたエンドセルを有している。エンドセルは例えば、プレートと同プレートを挟む一対のセパレータとからなる。そして、プレートと各セパレータの間には、上記導入路と排出路とを連通して発電用ガスの流れをバイパスするバイパス流路が区画形成されている。

このエンドセルは、発電しない構造であり、複数の発電セルの積層方向の端部において断熱効果を発揮する。こうしたエンドセルにより、積層方向の端部に配置された発電セルの温度が低くなることが抑えられて、同発電セルの内部での結露等による水の発生が抑えられるようになる。

特開２００９−１６４０５１号公報

ここで、結露などによる水の発生は、発電セルの内部に限らず、燃料電池の外部から内部に発電用ガスを供給するガス供給路内でも起こりうる。そして、そうしたガス供給路内の水がガス流れによって押し流される等して発電セルに侵入して滞留すると、膜電極接合体へのガス供給量の低下を招いて、発電効率の低下を招くおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電セルへの水の流入を抑えることのできる燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池は、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えた発電セルが積層されてなるとともに、発電しない構造のエンドセルが前記発電セルの積層方向における両端のうちの少なくとも一方に設けられた燃料電池であって、前記発電セルの内部に形成されて発電用ガスが通過するガス流路と、前記積層された前記発電セルの前記ガス流路に発電用ガスを分配して導入する導入路と、前記ガス流路を通過した後の発電用ガスを合流させて排出する排出路と、前記エンドセルの内部に形成されて前記導入路と前記排出路とを連通するバイパス流路と、を有する燃料電池において、前記エンドセルは、前記バイパス流路が前記導入路に各別に連通される複数の並列路からなるとともに、同複数の並列路のうちの下方側の並列路の圧力損失が上方側の並列路の圧力損失よりも小さくなっている。

上記構成によれば、外部で発生して燃料電池の内部（導入路）に侵入した水を、導入路からエンドセル（バイパス流路）に流入する発電用ガスの流れによって同エンドセル内に吸引することができる。これにより、発電セルへの水の流入を抑えることができる。

ここで、バイパス流路に水が流入した場合に、同バイパス流路内において水が滞留すると、その分だけバイパス流路の流路断面積が小さくなってしまい、バイパス流路に流入する発電用ガスの流れが滞るようになって、導入路からバイパス流路への水の吸引を適正に行うことができなくなるおそれがある。

上記構成では、複数の並列路のうちの、水が流入し易い下方側の並列路の圧力損失が、水が流入しにくい上方側の並列路の圧力損失よりも小さくなっている。そのため、上方側の並列路に流入する発電用ガスの量を少量に抑える一方で、下方側の並列路に流入する発電用ガスの量を多くすることができる。これにより、下方側の並列路内に水が吸引されて流入した場合に、その流入した水が並列路内に流入する比較的多量のガス流れによって押し流され易くなるため、並列路内での水の滞留を抑えることができ、バイパス流路に水を吸引する機能を維持することができる。

上記燃料電池において、前記下方側の並列路における前記導入路側の端部の上端が、前記導入路に流入する水の最大水位よりも上方になっていることが好ましい。
上記構成によれば、導入路に流入した水がエンドセルの配設部分（バイパス流路と導入路との連通部分）に到達した場合に、その水が、バイパス流路を構成する複数の並列路のうちの上方側の並列路の端部ではなく、下方側の並列路の端部に位置するようになる。そのため、導入路から下方側の並列路に流入するガス流れを利用して、導入路内の水をバイパス流路に好適に吸入することができる。

上記燃料電池において、前記積層方向における一方の端部に配置される前記エンドセルは、前記導入路の外部から内部に発電用ガスを流入させるガス供給路が接続されており、前記下方側の並列路と前記上方側の並列路とを有している。

上記構成によれば、ガス供給路から導入路に水が流入した場合に、その水を、発電セルに到達する前にエンドセルのバイパス流路の内部に吸引することができる。これにより、発電セルに到達する水の量を抑えることができるため、同発電セルへの水の流入を的確に抑えることができる。

上記燃料電池において、前記並列路は、前記導入路に連通される導入流路と前記導入流路から分岐して延びる分岐路とを有しており、前記エンドセルは、１本の前記導入流路が発電用ガスの分配対象とする前記分岐路の本数が、前記上方側の並列路よりも前記下方側の並列路において多くなっている。

上記構成によれば、上方側の並列路における分岐路の流路断面積の積算値と比較して、下方側の並列路における分岐路の流路断面積の積算値を大きくすることができる。これにより、上方側の並列路の圧力損失と比較して、下方側の並列路の圧力損失を小さくすることができる。

上記燃料電池において、前記ガス流路は、前記導入路に各別に連通される複数の並列路からなるとともに、同複数の並列路のうちの下方側の並列路の圧力損失と上方側の並列路の圧力損失とが等しくなっている。

上記構成によれば、発電セルのガス流路には、発電用ガスが、流入量の偏りが抑えられた状態で満遍なく流入するようになる。その一方で、上述したようにエンドセルのバイパス流路には、上方側の並列路への流入量を少量に抑えることによって下方側の並列路への流入量が多くなる態様で、発電用ガスが流入するようになる。こうしたことから、燃料電池内部において導入路から発電用ガスが流入する部分（具体的には、発電セルのガス流路、エンドセルの下方側の並列路、および上方側の並列路）の中でも、エンドセルの下方側の並列路に流入する発電用ガスの量を最も多くすることができる。これにより、導入路内の水がエンドセルに吸引され易くなるため、発電セルへの水の流入を好適に抑えることができる。

本発明の燃料電池によれば、発電セルへの水の流入を抑えることができる。

一実施形態の燃料電池の分解構造を概略的に示す略図。 発電セルの第１セパレータの平面図。 発電セルのフレームプレートの平面図。 発電セルの第２セパレータの平面図。 エンドセルの第３セパレータの平面図。 エンドセルのフレームプレートの平面図。 第３セパレータの一部を拡大して示す平面図。 エンドセル内での水素ガスの流通態様とともに示す第３セパレータの平面図。 発電セル内での水素ガスの流通態様とともに示す第１セパレータの平面図。

以下、燃料電池の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
先ず、燃料電池の概略構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池は、積層された複数（本実施形態では、３３０個）の発電セル１０と、それら発電セル１０をその積層方向Ｄ（図１の左右方向）において挟む位置に設けられた一対のエンドセル１１とを備えている。なお本実施形態の燃料電池は、電気自動車に電力源として搭載されている。

燃料電池の内部には、各発電セル１０や各エンドセル１１に対して、水素ガスを分配して導入する水素ガス導入路１２と、空気を分配して導入する空気導入路１３とが設けられている。また、燃料電池の内部には、各発電セル１０や各エンドセル１１を通過した後の水素ガスを合流させて排出する水素ガス排出路１４と、発電セル１０やエンドセル１１を通過した後の空気を合流させて排出する空気排出路１５とが設けられている。さらに、燃料電池の内部には、隣り合う発電セル１０の間や発電セル１０とエンドセル１１との間に冷却水を導入する冷却水導入路（図示略）と、冷却水を合流させて排出する冷却水排出路（図示略）とが設けられている。

一対のエンドセル１１の一方（図１の左側）には、積層方向Ｄにおける外方側の端面を覆うように、スタックマニホールド１６が取り付けられている。このスタックマニホールド１６には、水素ガスを給排する水素ガス配管１７と、酸素ガス（具体的には空気）を給排する空気配管１８と、冷却水を給排する冷却水配管１９とが接続されている。燃料電池では、上記スタックマニホールド１６を介して、水素ガス導入路１２への水素ガスの供給や、空気導入路１３への空気の供給、水素ガス排出路１４からの水素ガスの排出、空気排出路１５からの空気の排出、冷却水導入路への冷却水の供給、冷却水排出路からの冷却水の排出が行われる。なお、水素ガス配管１７には、上記スタックマニホールド１６よりも上流側に、水素ガスを加湿する加湿器２０が設けられている。本実施形態では、スタックマニホールド１６および水素ガス配管１７が、水素ガス導入路１２の外部から内部に水素ガスを流入させるガス供給路に相当する。

一対のエンドセル１１の他方（図１の右側）には、積層方向Ｄにおける外方側の端面を覆うように、エンドプレート２１が取り付けられている。このエンドプレート２１により、エンドセル１１の端面に配置された各流体流路（水素ガス導入路１２、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路、および冷却水排出路）の開口が塞がれている。

次に、発電セル１０の構造について説明する。
発電セル１０は膜電極接合体１０Ａを有している。この膜電極接合体１０Ａは、固体高分子膜である電解質膜と、同電解質膜を挟む一対の電極と、それら電解質膜および電極を挟むカーボンシートからなる一対のガス拡散層とを備えた５層構造になっている。各発電セル１０は、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０との間に平板形状のフレームプレート１０Ｂが挟まれた構造になっている。フレームプレート１０Ｂは、中央部分が上記膜電極接合体１０Ａをなすとともにそれ以外の部分が絶縁体によって構成されている。

図２に示すように、第１セパレータ３０は、金属製の薄板状部材に対してプレス加工によって凹凸が付与されたものである。この凹凸は、発電セル１０の内部に水素ガスを通過させる水素ガス流路１０Ｃを区画したり、隣り合う発電セル１０の間に冷却水を流通させる冷却水流路を区画したりする役割がある。なお図２は、フレームプレート１０Ｂ（図１参照）に対向する面が手前になる状態の第１セパレータ３０を示している。

第１セパレータ３０は貫通孔３１〜３６を有している。貫通孔３１は第１セパレータ３０の長手方向（図１の左右方向）における一方の縁部の上方部分（図２の左上）に設けられて、前記水素ガス導入路１２の一部を構成している。貫通孔３２は第１セパレータ３０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図２の右下）に設けられて、前記水素ガス排出路１４の一部を構成している。貫通孔３３は第１セパレータ３０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図２の右上）に設けられて、前記空気導入路１３の一部を構成している。貫通孔３４は第１セパレータ３０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図２の左下）に設けられて、前記空気排出路１５の一部を構成している。貫通孔３５は第１セパレータ３０の長手方向における一方（図２の左側）の縁部に設けられて、前記冷却水流路に冷却水を分配して導入する冷却水導入路２２の一部を構成している。貫通孔３６は第１セパレータ３０の長手方向における他方（図２の右側）の縁部に設けられて、冷却水流路を通過した後の冷却水を合流させて排出する冷却水排出路２３の一部を構成している。なお、各貫通孔３１，３２，３３，３４，３５，３６の内周縁は、フレームプレート１０Ｂから離間する方向に向けて窪んだ凹部３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ，３５Ａ，３６Ａになっている。

第１セパレータ３０の長手方向における中央部分には凹部３７が形成されている。この凹部３７の形成範囲は、膜電極接合体１０Ａに隣接する部分（図２中に破線で示す部分）を含んでいる。発電セル１０の内部では、第１セパレータ３０と上記フレームプレート１０Ｂ（図１参照）とが密着している。これにより、第１セパレータ３０とフレームプレート１０Ｂとの間には、凹部３７によって、水素ガスが通過する水素ガス流路１０Ｃの一部になる空間が区画形成されている。

上記凹部３７の底部には、複数の流路凸部３８が形成されている。これら流路凸部３８は細長い形状に形成されて並列に延びている。そして、これら流路凸部３８によって、水素ガス流路１０Ｃが、水素ガス導入路１２（貫通孔３１）と水素ガス排出路１４（貫通孔３２）との間を各別に連通する複数（本実施形態では１０本）の並列路４０に区画されている。詳しくは、それら並列路４０は、水素ガス導入路１２に各別に接続される複数（同１０本）の導入流路４１と、導入流路４１を複数本（同８本）に分岐する分配流路４２と、それら分配流路４２に各別に接続されて平行に延びる複数（同８０本）の主流路４３とを有している。また、複数の並列路４０は、主流路４３を合流させて複数（同１０本）の流路に収束させる収束流路４４と、収束させた収束流路４４を水素ガス排出路１４に各別に接続する複数の排出流路４５とを有している。本実施形態では、１本の並列路４０に流入した水素ガスが８本の主流路４３に分配されるように、分配流路４２および収束流路４４の形状が定められている。なお本実施形態では、分配流路４２および主流路４３が分岐路に相当する。

図３に示すように、フレームプレート１０Ｂは、各流体流路（水素ガス導入路１２、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路２２、および冷却水排出路２３）の一部を構成する貫通孔を有している。発電セル１０の内部では、それら貫通孔の周縁において、フレームプレート１０Ｂと第１セパレータ３０（図２参照）とが密着している。これにより、フレームプレート１０Ｂと第１セパレータ３０との対向面間において、水素ガス導入路１２や、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路２２、冷却水排出路２３がその外部に対してシールされている。

ただし、図２または図３に示すように、フレームプレート１０Ｂには、貫通孔３１（詳しくは、凹部３１Ａ）に隣接する位置から凹部３７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｅが複数（本実施形態では１０本）形成されている。これら長孔１０Ｅは、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０との間において、水素ガス導入路１２（詳しくは、貫通孔３１）と凹部３７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｅが、水素ガス流路１０Ｃの一部（具体的には、各導入流路４１の上記水素ガス導入路１２側の部分）を構成する。

また、フレームプレート１０Ｂには、貫通孔３２（詳しくは、凹部３２Ａ）に隣接する位置から凹部３７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｆが複数（同１０本）形成されている。これら長孔１０Ｆは、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０との間において、水素ガス排出路１４（詳しくは、貫通孔３２）と凹部３７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｆが、水素ガス流路１０Ｃの一部（具体的には、各排出流路４５の上記水素ガス排出路１４側の部分）を構成する。

図４に示すように、第２セパレータ５０は、金属製の薄板状部材にプレス加工により凹凸が付与されたものである。この凹凸は、発電セル１０の内部に空気を通過させるガス流路（空気流路１０Ｄ）を区画したり、前記冷却水流路を区画したりする役割がある。上記第２セパレータ５０の形状は、基本的には、第１セパレータ３０（図２参照）の形状の鏡像になっている。なお図４はフレームプレート１０Ｂ（図１参照）に対向する面が手前になる状態の第２セパレータ５０を示している。

第２セパレータ５０は貫通孔５１〜５６を有している。貫通孔５１は第２セパレータ５０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図４の右上）に設けられて、前記水素ガス導入路１２の一部を構成している。貫通孔５２は第２セパレータ５０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図４の左下）に設けられて、前記水素ガス排出路１４の一部を構成している。貫通孔５３は第２セパレータ５０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図２の左上）に設けられて、前記空気導入路１３の一部を構成している。貫通孔５４は第２セパレータ５０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図４の右下）に設けられて、前記空気排出路１５の一部を構成している。貫通孔５５は第２セパレータ５０の長手方向における一方（図４の右側）の縁部に設けられて、前記冷却水導入路２２の一部を構成している。貫通孔５６は第２セパレータ５０の長手方向における他方（図４の左側）の縁部に設けられて、前記冷却水排出路２３の一部を構成している。なお、各貫通孔５１，５２，５３，５４，５５，５６の内周縁は、フレームプレート１０Ｂから離間する方向に向けて窪んだ凹部５１Ａ，５２Ａ，５３Ａ，５４Ａ，５５Ａ，５６Ａになっている。

第２セパレータ５０の長手方向における中央部分には凹部５７が形成されている。この凹部５７の形成範囲は、膜電極接合体１０Ａに隣接する部分（図４中に破線で示す部分）を含んでいる。発電セル１０の内部では、第２セパレータ５０と上記フレームプレート１０Ｂ（図１参照）とが密着している。これにより、第２セパレータ５０とフレームプレート１０Ｂとの間には、凹部５７によって、空気が通過する空気流路１０Ｄの一部になる空間が区画形成されている。

上記凹部５７の底部には、複数の流路凸部５８が形成されている。これら流路凸部５８は細長い形状に形成されて並列に延びている。そして、これら流路凸部５８によって、空気流路１０Ｄが、空気導入路１３（貫通孔５３）と空気排出路１５（貫通孔５４）との間を各別に連通する複数（本実施形態では１０本）の並列路６０に区画されている。詳しくは、それら並列路６０は、空気導入路１３に各別に接続される複数（同１０本）の導入流路６１と、導入流路６１を複数本（同８本）に分岐する分配流路６２と、それら分配流路６２に各別に接続されて並列に延びる複数（同８０本）の主流路６３とを有している。また、複数の並列路６０は、主流路６３を合流させて複数（同１０本）の流路に収束させる収束流路６４と、収束させた収束流路６４を空気排出路１５に各別に接続する複数の排出流路６５とを有している。そして、本実施形態では、１本の並列路６０に流入した空気が８本の主流路６３に分配されるように、分配流路６２および収束流路６４の形状が定められている。これにより、各並列路６０の圧力損失がほぼ同一になっている。なお、第１セパレータ３０の主流路４３（図２参照）は直線状の流路が等間隔で平行に延びているのに対して、第２セパレータ５０の主流路６３は波状の流路が等間隔で並列に延びている。

発電セル１０の内部では、フレームプレート１０Ｂ（図３）の各貫通孔の周縁において、同フレームプレート１０Ｂと第２セパレータ５０（図４参照）とが密着している。これにより、フレームプレート１０Ｂと第２セパレータ５０との対向面間において、水素ガス導入路１２や、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路２２、冷却水排出路２３がその外部に対してシールされている。

ただし、図３または図４に示すように、フレームプレート１０Ｂには、貫通孔５３（詳しくは、凹部５３Ａ）に隣接する位置から凹部５７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｇが複数（本実施形態では１０本）形成されている。これら長孔１０Ｇは、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０との間において、空気導入路１３（詳しくは、貫通孔５３）と凹部５７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｇが、空気流路１０Ｄの一部（具体的には、各導入流路６１の上記空気導入路１３側の部分）を構成する。

また、フレームプレート１０Ｂには、貫通孔５４（詳しくは、凹部５４Ａ）に隣接する位置から凹部５７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｈが複数（同１０本）形成されている。これら長孔１０Ｈは、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０との間において、空気排出路１５（詳しくは、貫通孔５４）と凹部５７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｈが、空気流路１０Ｄの一部（具体的には、各排出流路６５の上記空気排出路１５側の部分）を構成する。

燃料電池の内部において隣り合う一対の発電セル１０（図１）の間には、前記冷却水流路が、一方の発電セル１０の第１セパレータ３０外面と他方の発電セル１０の第２セパレータ５０外面とによって区画形成されている。また、一方（図１の左側）のエンドセル１１と発電セル１０との間には、エンドセル１１の第４セパレータ９０外面と発電セル１０の第１セパレータ３０外面とによって、冷却水流路が区画形成されている。さらに、他方（図１の右側）のエンドセル１１と発電セル１０との間には、エンドセル１１の第３セパレータ７０外面と発電セル１０の第２セパレータ５０外面とによって、冷却水流路が区画形成されている。そして、これら冷却水流路には、冷却水導入路２２と冷却水排出路２３とが連通されている。

次に、エンドセル１１の構造について説明する。
図１に示すように、エンドセル１１は、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間にフレームプレート１１Ａが挟まれた構造になっている。第４セパレータ９０は、第２セパレータ５０（図４参照）と同一の構造である。

図５に示すように、第３セパレータ７０の基本構造は、第１セパレータ３０（図２参照）と同様である。ただし、第１セパレータ３０と第３セパレータ７０とは、水素ガス流路の一部を構成する分配流路および収束流路の形状が大きく異なる。以下、この相違点を中心に第３セパレータ７０の構造を説明する。なお、分配流路および収束流路以外の構成は第１セパレータ３０と第３セパレータ７０とで同一であるため、同一の符号を付して示し、以下での詳細な説明は割愛する。なお図５はフレームプレート１１Ａ（図１参照）に対向する面が手前になる状態の第３セパレータ７０を示している。

第３セパレータ７０の凹部３７の底部には、複数の流路凸部８８が形成されている。これら流路凸部８８によって、貫通孔３１（水素ガス導入路１２）と貫通孔３２（水素ガス排出路１４）とを連通して水素ガスを通過させる水素ガス流路（以下、バイパス流路１１Ｂ）が複数（本実施形態では１０本）の並列路８０に区画されている。そして、それら並列路８０のうちの上方側に配置される複数（同５本）の並列路８０は、流入した水素ガスが４本の主流路４３に分配されるように、分配流路８２および収束流路８４の形状が定められている。一方、全ての並列路８０のうちの下方側に配置される複数（同５本）の並列路８０は、流入した水素ガスが１２本の主流路４３に分配されるように、分配流路８２および収束流路８４の形状が定められている。

図６に示すように、フレームプレート１１Ａの基本構造は、フレームプレート１０Ｂ（図３参照）と同様である。フレームプレート１１Ａは、膜電極接合体１０Ａの代わりにプレート１１Ｄを有している点がフレームプレート１０Ｂと異なる。具体的には、フレームプレート１１Ａは、中央部分が上記プレート１１Ｄをなすとともにそれ以外の部分が絶縁体によって構成されている。プレート１１Ｄは、非通気性の電気伝導体（本実施形態では、金属板）からなるプレート本体と同プレート本体を挟む一対のカーボンシートとを備えた３層構造である。このプレート１１Ｄは、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０とに接触しており、それら第３セパレータ７０および第４セパレータ９０を導通している。なお、各エンドセル１１は膜電極接合体１０Ａ（図１参照）を備えていないため、水素ガスおよび空気が通過するとはいえ、発電しない構造になっている。

以下、フレームプレート１１Ａの具体構造について詳しく説明する。なお、図６において、フレームプレート１０Ｂと同一形状の構成は同一の符号を付して示し、以下での詳細な説明は割愛する。

フレームプレート１１Ａは、各流体流路（水素ガス導入路１２、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路２２、および冷却水排出路２３）の一部を構成する貫通孔を有している。エンドセル１１の内部では、それら貫通孔の周縁において、フレームプレート１１Ａと第３セパレータ７０（図５参照）とが密着するとともに、フレームプレート１１Ａと第２セパレータ５０（図４参照）とが密着している。これにより、水素ガス導入路１２や、空気導入路１３、水素ガス排出路１４、空気排出路１５、冷却水導入路２２、冷却水排出路２３がその外部に対してシールされている。

ただし、図５または図６に示すように、フレームプレート１１Ａには、貫通孔３１（詳しくは、凹部３１Ａ）に隣接する位置から凹部３７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｅが複数形成されている。これら長孔１０Ｅは、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間において、水素ガス導入路１２（詳しくは、貫通孔３１）と凹部３７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｅが、バイパス流路１１Ｂにおける各導入流路４１の上記水素ガス導入路１２側の部分を構成する。

また、フレームプレート１１Ａには、貫通孔３２（詳しくは、凹部３２Ａ）に隣接する位置から凹部３７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｆが複数形成されている。これら長孔１０Ｆは、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間において、水素ガス排出路１４（詳しくは、貫通孔３２）と凹部３７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｆが、バイパス流路１１Ｂにおける各排出流路４５の上記水素ガス排出路１４側の部分を構成する。

フレームプレート１１Ａには、貫通孔５３（詳しくは、凹部５３Ａ）に隣接する位置から凹部５７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｇが複数形成されている。これら長孔１０Ｇは、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間において、空気導入路１３（詳しくは、貫通孔５３）と凹部５７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｇが、空気導入路１３と空気排出路１５とを連通するバイパス流路１１Ｃ（図１参照）の一部（具体的には、各導入流路６１の上記空気導入路１３側の部分）を構成する。

また、フレームプレート１１Ａには、貫通孔５４（詳しくは、凹部５４Ａ）に隣接する位置から凹部５７に隣接する位置まで延びる長孔１０Ｈが複数形成されている。これら長孔１０Ｈは、第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間において、空気排出路１５（詳しくは、貫通孔５４）と凹部５７の内部とを連通する隙間になる。本実施形態では、各長孔１０Ｈが、バイパス流路１１Ｃにおける各排出流路６５の上記空気排出路１５側の部分を構成する。

図７に示す線Ｗは、静止状態の燃料電池において、想定範囲における最大の流量で水素ガス導入路１２に水が流入した場合における水位（以下、最大水位）を示している。なお、この最大水位Ｗは、発明者等による各種の実験やシミュレーションの結果から求められた水位を示している。図７に示すように、第３セパレータ７０では、下方側の並列路８０の中で最も上方側に配置される並列路８０の上記水素ガス導入路１２側の端部上端（図中に矢印Ｅで示す部分）が最大水位Ｗよりも上方になるように、各並列路８０の形状が定められている。なお図７中の一点鎖線は、下方側の並列路８０と上方側の並列路８０との境界を示している。

以下、第３セパレータ７０を有するエンドセル１１を採用することによる作用効果について説明する。
エンドセル１１の内部には、水素ガス導入路１２と水素ガス排出路１４とを連通するバイパス流路１１Ｂが形成されている。そのため、水素ガス配管１７や加湿器２０で発生して燃料電池の内部（水素ガス導入路１２）に侵入した水を、水素ガス導入路１２からエンドセル１１（詳しくは、バイパス流路１１Ｂ）に流入する水素ガスの流れによって同エンドセル１１の内部に吸引することができる。これにより、発電セル１０への水の流入を抑えることができるようになる。

ここで、エンドセル１１のバイパス流路１１Ｂに水が流入した場合に、同バイパス流路１１Ｂ内において水が滞留すると、その分だけバイパス流路１１Ｂ（詳しくは、水が流入した並列路８０）の流路断面積が小さくなってしまい、バイパス流路１１Ｂに流入する水素ガスの流れが滞るようになるおそれがある。そして、この場合には水素ガス導入路１２からバイパス流路１１Ｂへの水の吸引を適正に行うことができなくなる。

図５に示すように、エンドセル１１のバイパス流路１１Ｂでは、１本の並列路８０が水素ガスの分配対象とする主流路４３の本数（詳しくは、１本の並列路４０に接続される主流路４３の本数）が、上方側の並列路８０よりも下方側の並列路８０において多くなっている。これにより、上方側の並列路８０における主流路４３の流路断面積の積算値（４本分）と比較して、下方側の並列路８０における主流路４３の流路断面積の積算値（１２本分）が大きくなっている。そのため、バイパス流路１１Ｂを構成する複数の並列路８０のうちの、水が流入し難い上方側の並列路８０の圧力損失と比較して、水が流入し易い下方側の並列路８０の圧力損失を小さくすることができる。

したがって、図８に模式的に示すように、上方側の並列路８０に流入する水素ガスの量を少量に抑える一方で、下方側の並列路８０に流入する水素ガスの量を多くすることができる。これにより、下方側の並列路８０内に水が吸引されて流入した場合に、その流入した水が並列路８０内に流入する比較的多量のガス流れによって押し流され易くなるため、並列路８０内での水の滞留を抑えることができ、バイパス流路１１Ｂに水を吸引する機能を維持することができる。なお図８中の一点鎖線は、下方側の並列路８０と上方側の並列路８０との境界を示している。

また図４に示すように、発電セル１０の水素ガス流路１０Ｃでは、１本の並列路４０が水素ガスの分配対象とする主流路４３の本数が各並列路４０において同一（８本）になっている。そのため、各並列路４０における主流路４３の流路断面積の積算値（８本分）も同一になっており、それら並列路４０の圧力損失がほぼ等しくなっている。

したがって、図９に模式的に示すように、発電セル１０の水素ガス流路１０Ｃ（各並列路４０）には、水素ガスが、流入量の偏りが抑えられた状態で満遍なく流入するようになる。その一方で、上述したようにエンドセル１１のバイパス流路１１Ｂ（図８）には、上方側の並列路８０への流入量を少量に抑えることによって下方側の並列路８０への流入量が多くなる態様で、水素ガスが流入するようになる。こうしたことから、燃料電池の内部において水素ガス導入路１２から水素ガスが流入する部分（具体的には、発電セル１０の各並列路４０、エンドセル１１の下方側の並列路８０、および上方側の並列路８０）の中でも、エンドセル１１の下方側の並列路８０に流入する水素ガスの量を最も多くすることができる。これにより、水素ガス導入路１２内の水がエンドセル１１に吸引され易くなるため、発電セル１０への水の流入を好適に抑えることができる。

図７に示すように、エンドセル１１の下方側の５本の並列路８０における水素ガス導入路１２側（図７の左側）の端部の上端Ｅ（詳しくは、並列路８０と貫通孔３１との連通部分の上端）が前記最大水位Ｗよりも上方になっている。そのため、水素ガス導入路１２に流入した水がエンドセル１１の配設部分（詳しくは、水素ガス導入路１２とバイパス流路１１Ｂとの連通部分）に到達した場合に、その水が、上方側の並列路８０の端部ではなく、水素ガスの流入量が多いために流入速度が速い下方側の並列路８０の端部に位置するようになる。したがって、水素ガス導入路１２から下方側の並列路８０に流入する水素ガスの流れを利用して、水素ガス導入路１２内の水をバイパス流路１１Ｂに好適に吸入することができる。

本実施形態の燃料電池では、積層方向Ｄにおける一方（図１の左側）の端部に配置されたエンドセル１１に、スタックマニホールド１６を介して水素ガス配管１７が接続されている。これにより、水素ガス配管１７やスタックマニホールド１６から水素ガス導入路１２に水が流入した場合に、その水が発電セル１０に到達する前にエンドセル１１によって吸引されるようになるため、発電セル１０に到達する水の量を抑えることができる。また、電気自動車の走行時における揺れや旋回などによって、水素ガス導入路１２に流入した水が発電セル１０の配設部分を通過して前記スタックマニホールド１６から遠い側（図１の右側）のエンドセル１１の配設位置まで到達する場合がある。こうした場合に、エンドセル１１の配設位置に到達した水を同エンドセル１１のバイパス流路１１Ｂの内部に吸引させることができる。本実施形態の燃料電池によれば、このようにして発電セル１０への水の流入を的確に抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）水素ガス配管１７や加湿器２０で発生して水素ガス導入路１２に侵入した水を、水素ガス導入路１２からエンドセル１１のバイパス流路１１Ｂに流入する水素ガスの流れによって同バイパス流路１１Ｂの内部に吸引することができる。そのため、発電セル１０への水の流入を抑えることができる。また、バイパス流路１１Ｂを構成する複数の並列路８０のうちの、水が流入し難い上方側の並列路８０の圧力損失と比較して、水が流入し易い下方側の並列路８０の圧力損失を小さくした。そのため、下方側の並列路８０内に水が吸引されて流入した場合に、その流入した水が並列路８０内に流入する比較的多量のガス流れによって押し流され易くなるため、並列路８０内での水の滞留を抑えることができ、バイパス流路１１Ｂに水を吸引する機能を維持することができる。

（２）下方側の並列路８０の中で最も上方側に配置される並列路８０における水素ガス導入路１２側の端部の上端を、前記最大水位Ｗよりも上方にした。そのため、水素ガス導入路１２から下方側の並列路８０に流入する水素ガスの流れを利用して、水素ガス導入路１２内の水をバイパス流路１１Ｂに好適に吸入することができる。

（３）積層方向Ｄにおける一方の端部に配置されるエンドセル１１に水素ガス配管１７が接続されている。これにより、水素ガス配管１７から水素ガス導入路１２に水が流入した場合に、その水が発電セル１０に到達する前にエンドセル１１のバイパス流路１１Ｂの内部に吸引されるようになるため、発電セル１０への水の流入を的確に抑えることができる。

（４）エンドセル１１のバイパス流路１１Ｂにおいて、１本の並列路８０が水素ガスの分配対象とする主流路４３の本数を、上方側の並列路８０よりも下方側の並列路８０において多くした。そのため、バイパス流路１１Ｂを構成する複数の並列路８０のうちの、水が流入し難い上方側の並列路８０の圧力損失と比較して、水が流入し易い下方側の並列路８０の圧力損失を小さくすることができる。

（５）発電セル１０の水素ガス流路１０Ｃにおいて、１本の並列路４０が水素ガスの分配対象とする主流路４３の本数を各並列路４０において同一にした。これにより、燃料電池の内部において水素ガス導入路１２から水素ガスが流入する部分の中でも、エンドセル１１の下方側の並列路８０に流入する水素ガスの量を最も多くすることができる。そのため、水素ガス導入路１２内の水がエンドセル１１に吸引され易くなり、発電セル１０への水の流入を好適に抑えることができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・第１セパレータ３０や第３セパレータ７０の主流路４３を波状の流路が並列に延びる形状にしたり、第２セパレータ５０や第４セパレータ９０の主流路６３を直線状の流路が平行に延びる形状にしたりしてもよい。

・バイパス流路１１Ｂの一部を構成する複数の主流路４３の通路幅や通路高さを互いに相異させる等して各主流路４３の流路断面積を相異させることによって、複数の並列路８０の圧力損失を互いに相異させるようにしてもよい。

・第３セパレータ７０と第４セパレータ９０との間に、プレート１１Ｄが挟み込まれた構造のエンドセル１１を採用にすることに限らず、多孔質材料からなるプレートやシート（例えばガス拡散層と同一構造のカーボンシート）が挟み込まれた構造のエンドセルを採用することもできる。この場合、１つのエンドセルに水素ガスと空気とを共に通過させるようにすると、エンドセルの内部において水素ガスの流れと空気の流れとが干渉して、エンドセル内部への水の吸引やエンドセル外部への水の排出をうまく行うことができなくなるおそれがある。そのため、こうした場合には、水素ガスのみが通過する構造のエンドセルと空気のみが通過する構造のエンドセルとからなる一対のエンドセルを、複数の発電セル１０の積層方向Ｄの両端に設けることが好ましい。

・下方側の並列路８０の上記水素ガス導入路１２側の端部上端を前記最大水位Ｗよりも下方にしてもよい。
・エンドセルの第４セパレータとして、基本構造が第３セパレータ７０の形状の鏡像となるものを採用することができる。例えばエンドセルの第４セパレータの複数の並列路のうちの、上方側の並列路の圧力損失と比較して、下方側の並列路の圧力損失を小さくするようにしてもよい。こうした構成によれば、空気配管から空気導入路に水が侵入するおそれのある燃料電池において、その侵入した水を空気導入路からバイパス流路に流入する空気の流れによって同バイパス流路の内部に吸引することができ、発電セルへの水の流入を抑えることができる。しかも、エンドセルの下方側の並列路内に水が吸引されて流入した場合に、その流入した水が同並列路内に流入する比較的多量のガス流れによって押し流され易くなるため、並列路内での水の滞留を抑えることができ、バイパス流路に水を吸引する機能を維持することができる。

・上記実施形態の燃料電池は、水素ガス配管１７に加湿器２０が設けられていない燃料電池にも適用することができる。
・複数の発電セル１０の積層方向Ｄの両端に、エンドセル１１を１つずつ設けることに限らず、複数のエンドセルを設けるようにしてもよい。

・発電セル１０の積層方向Ｄにおける両端のうちの一方のみにエンドセルが設けられる燃料電池にも、上記実施形態の燃料電池は適用することができる。
・上記実施形態の燃料電池は、電気自動車に搭載される燃料電池に限らず、住宅用の燃料電池など、地面に対して移動不能に固定される燃料電池にも適用可能である。

１０…発電セル、１０Ａ…膜電極接合体、１０Ｂ，１１Ａ…フレームプレート、１０Ｃ…水素ガス流路、１０Ｄ…空気流路、１０Ｅ〜１０Ｈ…長孔、１１…エンドセル、１１Ｄ…プレート、１１Ｂ，１１Ｃ…バイパス流路、１２…水素ガス導入路、１３…空気導入路、１４…水素ガス排出路、１５…空気排出路、１６…スタックマニホールド、１７…水素ガス配管、１８…空気配管、１９…冷却水配管、２０…加湿器、２１…エンドプレート、２２…冷却水導入路、２３…冷却水排出路、３０…第１セパレータ、３１〜３６，５１〜５６…貫通孔、３１Ａ〜３６Ａ，５１Ａ〜５６Ａ…凹部、３７，５７…凹部、３８，５８，８８…流路凸部、４０，６０，８０…並列路、４１，６１…導入流路、４２，６２，８２…分配流路、４３，６３…主流路、４４，６４，８４…収束流路、４５，６５…排出流路、５０…第２セパレータ、７０…第３セパレータ、９０…第４セパレータ。

Claims (5)

1. 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えた発電セルが積層されてなるとともに、発電しない構造のエンドセルが前記発電セルの積層方向における両端のうちの少なくとも一方に設けられた燃料電池であって、前記発電セルの内部に形成されて発電用ガスが通過するガス流路と、前記積層された前記発電セルの前記ガス流路に発電用ガスを分配して導入する導入路と、前記ガス流路を通過した後の発電用ガスを合流させて排出する排出路と、前記エンドセルの内部に形成されて前記導入路と前記排出路とを連通するバイパス流路と、を有する燃料電池において、
   前記エンドセルは、前記バイパス流路が前記導入路に各別に連通される複数の並列路からなるとともに、同複数の並列路のうちの下方側の並列路の圧力損失が上方側の並列路の圧力損失よりも小さくなっている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記下方側の並列路における前記導入路側の端部の上端が、前記導入路に流入する水の最大水位よりも上方になっている
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記積層方向における一方の端部に配置される前記エンドセルは、前記導入路の外部から内部に発電用ガスを流入させるガス供給路が接続されており、前記下方側の並列路と前記上方側の並列路とを有している
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記並列路は、前記導入路に連通される導入流路と前記導入流路から分岐して延びる分岐路とを有しており、
   前記エンドセルは、１本の前記導入流路が発電用ガスの分配対象とする前記分岐路の本数が、前記上方側の並列路よりも前記下方側の並列路において多くなっている
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記ガス流路は、前記導入路に各別に連通される複数の並列路からなるとともに、同複数の並列路のうちの下方側の並列路の圧力損失と上方側の並列路の圧力損失とが等しくなっている
   ことを特徴とする燃料電池。

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