(57)【要約】【課題】大型化を抑制しながら、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減し、かつ、安定して発電を行うことができる高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質形燃料電池１０は、高分子電解質膜５４および一対の電極５５Ａ、５５Ｂを有する膜−電極接合体５１と一対のセパレータ５３Ａ、５３Ｂとを有する単セル５０が複数積層されて構成された積層体１２と、反応ガス流路２３、４３と、反応ガス供給マニホールド２２、４２と、水流入防止壁２８、４８と、を備え、各単セルにおける複数の反応ガスの入り口２６、４６は、積層方向から見て、少なくとも所定方向において互いに離れて位置しており、水流入防止壁は、反応ガス供給マニホールド内に所定方向に交差する方向に延びるように設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、
前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する複数の反応ガス流路と、
前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、各単セルにおける複数の前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドの内周面に単セル毎に形成された複数の前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の近傍に設けられた水流入防止壁と、を備え、
各単セルにおける複数の前記反応ガスの入り口は、前記単セルの積層方向から見て、少なくとも所定方向において互いに離れて位置しており、
前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールド内に前記所定方向に交差する方向に延びるように設けられている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記反応ガス供給マニホールドと接続され、かつ、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを導入する導入路をさらに備え、
前記水流入防止壁は、前記導入路からの前記反応ガスの導入口と複数の前記反応ガス流路の入り口との間、および、互いに隣接する前記反応ガス流路の入り口の間の少なくともいずれか一方に設けられている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記水流入防止壁は、当該水流入防止壁より前記導入口側にある前記反応ガス流路の入り口の数が、当該水流入防止壁より前記導入口の反対側にある前記反応ガス流路の入り口の数より少なくなるように設けられている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積より小さくなるように構成されている、請求項２または３に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性より大きくなるように構成されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記導入路に最も近い最近単セルおよび前記導入路から最も遠い最遠単セルにおいて、
前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積より小さい、または、
前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性より大きくなるように構成されている、請求項２〜５のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールドの内周面における周方向に複数設けられており、
複数の前記水流入防止壁は、前記単セルの積層方向から見て、前記導入口からの距離が大きくなるほど低くなるように並べられている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールドを前記導入口と連通する空間とその他の空間とに仕切り、
前記水流入防止壁に設けられた貫通孔は、前記導入口と連通する空間とその他の空間とを連通するように構成されている、請求項２〜７のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
前記水流入防止壁は、非導電性材料により形成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１０】
前記水流入防止壁は、前記単セルの積層方向に直線状に配列されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池に関し、特に、水滴による反応ガス流路の閉塞防止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質形燃料電池の電解質膜にイオン伝導性を付与するため、高分子電解質形燃料電池に供給される反応ガスは加湿器等によって加湿されている。この際、水分は主に水蒸気の状態で高分子電解質形燃料電池内においてマニホールドおよび反応ガス流路を介して電解質膜に供給されている。しかし、高分子電解質形燃料電池の温度などの条件によって反応ガス中の水分が凝縮して、水滴が発生することがある。この水滴が多量にまとめて一度にマニホールドから反応ガス流路に流入すると、断面積の小さい反応ガス流路が水滴によって閉塞されてしまう。この場合、電解質膜を挟む一対の電極へ反応ガスが均一に供給されず、高分子電解質形燃料電池において電圧の異常低下が生じるという問題がある。
【０００３】
この問題に対して、たとえば、特許文献１に示す固体高分子形燃料電池では、空気供給用第１マニホールドの内部に仕切管が備えられている。この仕切管は、空気供給配管に接続され、その下端が空気導入流路の下端の水平位置よりも低い位置になるように設けられている。
【０００４】
また、特許文献２に示す固体高分子形燃料電池では、反応ガス供給用マニホールドと反応ガス流路との間においてノズルプレートがセパレータに備えられている。このノズルプレートには複数のノズル穴が設けられており、各ノズル穴は、反応ガス流路の方向にノズルプレートを貫通している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８７７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および２に示す固体高分子形燃料電池では、水滴による反応ガス流路の閉塞を抑制するという観点から未だ改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、大型化を抑制しながら、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減し、かつ、安定して発電を行うことができる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する複数の反応ガス流路と、前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、各単セルにおける複数の前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドの内周面に単セル毎に形成された複数の前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の近傍に設けられた水流入防止壁と、を備え、各単セルにおける複数の前記反応ガスの入り口は、前記単セルの積層方向から見て、少なくとも所定方向において互いに離れて位置しており、前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールド内に前記所定方向に交差する方向に延びるように設けられている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、大型化を抑制しながら、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減し、かつ、安定して発電を行うことができる高分子電解質形燃料電池を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を一方の端から見た図である。
【図１Ｂ】図１Ａの高分子電解質形燃料電池を一方の側から見た図である。
【図２】図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断したセル積層体の断面の一部を示す部分断面図である。
【図３】図１ＡにおけるＡ―Ａ線に沿って切断した高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図４】図１Ａのアノード側セパレータをアノード側から見た図である。
【図５】図２の枠体の一部を示す斜視図である。
【図６】本実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の枠体の一部をカソード側セパレータ側から見た図である。
【図７】変形例１に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図８】変形例２に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図９】変形例４に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図１０】本実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の枠体の一部をカソード側セパレータ側から見た図である。
【図１１】変形例６に係る高分子電解質形燃料電池の枠体の一部をカソード側セパレータ側から見た図である。
【図１２】変形例７に係る高分子電解質形燃料電池の枠体の一部をカソード側セパレータ側から見た図である。
【図１３】変形例８に係る高分子電解質形燃料電池のアノード側セパレータをアノード側から見た図である。
【図１４】変形例９に係る高分子電解質形燃料電池のアノード側セパレータをアノード側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者等は、反応ガス供給マニホールドから反応ガス流路へ水滴が流入することの防止について鋭意検討を重ね、その結果、以下の知見を得た。
【００１２】
具体的には、特許文献１の固体高分子形燃料電池では、空気導入流路の入口が仕切管より上方に配置されている。このため、たとえば、空気供給配管から多量に供給された水滴が空気の風圧によって仕切管を超えることがあり、この場合、水滴は空気導入流路に直接流入してしまう。
【００１３】
また、特許文献２の固体高分子形燃料電池では、ノズルプレートを厚くすると、燃料電池のサイズが大型化してしまう。一方、ノズルプレートを薄くすると、ノズル穴の径が小さくなる。これにより、燃料電池の発電に必要な量の反応ガスを反応ガス流路に供給できず、安定して発電を行うことができなくなる。
【００１４】
そこで、本発明者等は、マニホールド内における反応ガス流路への反応ガスの入り口の近傍に水滴の流入を阻止する構造を構築することにより、大型化を抑制しながら、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減し、かつ、安定して発電を行うことができることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
（実施の形態）
本発明の実施の第１の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する複数の反応ガス流路と、前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、各単セルにおける複数の前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドの内周面に単セル毎に形成された複数の前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の近傍に設けられた水流入防止壁と、を備え、各単セルにおける複数の前記反応ガスの入り口は、前記単セルの積層方向から見て、少なくとも所定方向において互いに離れて位置しており、前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールド内に前記所定方向に交差する方向に延びるように設けられている。
【００１６】
この構成によれば、反応ガス供給マニホールドに反応ガスが導入される際、反応ガスと共に水滴が流入することがある。この水滴は、反応ガス供給マニホールド内に所定方向に交差する方向に延びる水流入防止壁に当たる。このため、水滴が反応ガス流路に流入せず、水滴により反応ガス流路が閉塞することが防止され、高分子電解質形燃料電池において電圧の異常低下が低減される。
【００１７】
また、水流入防止壁は反応ガス供給マニホールド内に設けられていることにより、高分子電解質形燃料電池の大型化が防がれる。
【００１８】
さらに、水流入防止壁は反応ガスの入り口の近傍に設けられていることにより、入り口のサイズが縮小されない。このため、この入り口を介して燃料電池の発電に必要な量の反応ガスを反応ガス流路に供給でき、安定した発電が可能になる。
【００１９】
本発明の実施の第２の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第１の態様において、前記反応ガス供給マニホールドと接続され、かつ、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを導入する導入路をさらに備え、前記水流入防止壁は、前記導入路からの前記反応ガスの導入口と複数の前記反応ガス流路の入り口との間、および、互いに隣接する前記反応ガス流路の入り口の間の少なくともいずれか一方に設けられていてもよい。
【００２０】
本発明の実施の第３の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２の態様において、前記水流入防止壁は、当該水流入防止壁より前記導入口側にある前記反応ガス流路の入り口の数が、当該水流入防止壁より前記導入口の反対側にある前記反応ガス流路の入り口の数より少なくなるように設けられていてもよい。
【００２１】
この構成によれば、水流入防止壁より導入口側に入り口がある反応ガス流路が水滴で閉塞されて当該導入口側に水が溜まる可能性があるが、その場合でも、この水流入防止壁により導入口の反対側にある入り口から反応ガス流路に反応ガスが流入することができる。また、導入口側にある反応ガス流路の入り口の数が、水流入防止壁より導入口の反対側にある反応ガス流路の入り口の数より少ないので、反応ガス流路の閉塞による発電能力の低下が所定限度に抑制される。
【００２２】
本発明の実施の第４の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２または第３の態様において、前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積より小さくなるように構成されていてもよい。
【００２３】
この構成によれば、水流入防止壁より導入口側にある入り口の面積が小さいことにより、水流入防止壁より導入口側に水が溜まり易い。しかし、この水が導入口側にある入り口から反応ガス流路に徐々に流入するため、反応ガス流路の閉塞が抑制されると共に、反応ガス流路内の水分が高分子電解質膜に供給される。
【００２４】
本発明の実施の第５の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２〜第４のいずれかの態様において、前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性より大きくなるように構成されていてもよい。
【００２５】
この構成によれば、水流入防止壁より導入口側にある入り口の撥水性が大きいことにより、水流入防止壁より導入口側に水が溜まり易い。この水が入口側にある入り口から反応ガス流路に徐々に流入するため、反応ガス流路から高分子電解質膜に水分を供給することができる。
【００２６】
本発明の実施の第６の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２〜第５のいずれかの態様において、前記導入路に最も近い最近単セルおよび前記導入路から最も遠い最遠単セルにおいて、前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の面積より小さい、または、前記水流入防止壁より前記導入口側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性が、前記水流入防止壁より前記導入口の反対側に設けられた前記反応ガス流路の入り口の撥水性より大きくなるように構成されていてもよい。
【００２７】
本発明の実施の第７の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２の態様において、前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールドの内周面における周方向に複数設けられており、複数の前記水流入防止壁は、前記単セルの積層方向から見て、前記導入口からの距離が大きくなるほど低くなるように並べられていてもよい。
【００２８】
本発明の実施の第８の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第２〜第７の態様において、前記水流入防止壁は、前記反応ガス供給マニホールドを前記導入口と連通する空間とその他の空間とに仕切り、前記水流入防止壁に設けられた貫通孔は、前記導入口と連通する空間とその他の空間とを連通するように構成されていてもよい。
【００２９】
この構成によれば、径の大きな重い水滴は水流入防止壁に当たるため、この水滴が入り口に直接流入することが低減される。一方、反応ガス、水蒸気、および、径の小さな水滴は、貫通孔を通り入り口から反応ガス流路に流入することができる。
【００３０】
本発明の実施の第９の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第１〜第８のいずれかの態様において、前記水流入防止壁は、非導電性材料により形成されていてもよい。
【００３１】
本発明の実施の第１０の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第１〜第９のいずれかの態様において、前記水流入防止壁は、前記単セルの積層方向に直線状に配列されていてもよい。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３３】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００３４】
また、各図面における「上」および「下」は、設計上想定された高分子電解質形燃料電池の方向を表している。実際の使用における高分子電解質形燃料電池の方向が必ずしもこの方向と一致しないことは言うまでもない。
【００３５】
（実施の形態１）
＜高分子電解質形燃料電池の構成＞
図１Ａは、高分子電解質形燃料電池（以下、「燃料電池」と称する。）１０を一方の端から見た図である。図１Ｂは、燃料電池１０を一方の側から見た図である。図２は、図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。
【００３６】
燃料電池１０は、図１Ｂに示すように、セル積層体１２と、セル積層体１２を互いの間に挟む一対の端板１４Ａ、１４Ｂと、を備えている。セル積層体１２は、後述するように、複数の単セル５０が積層された積層体である。燃料電池１０には、燃料ガスが流れる燃料ガス経路、冷却媒体が流れる冷却媒体経路、および、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路が備えられている。燃料ガス経路は、図１Ａに示すように、燃料ガス導入管（導入路）２１、燃料ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）２２、燃料ガス流路（反応ガス流路）２３、燃料ガス排出マニホールド２４、および、燃料ガス排出管２５により主に構成されており、燃料ガスはこの順で流れる。冷却媒体経路は、冷却媒体導入管３１、冷却媒体供給マニホールド３２、冷却媒体流路３３、冷却媒体排出マニホールド３４、および、冷却媒体排出管３５により主に構成されており、冷却媒体はこの順で流れる。酸化剤ガス経路は、酸化剤ガス導入管（導入路）４１、酸化剤ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）４２、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４３、酸化剤ガス排出マニホールド４４、および、酸化剤ガス排出管４５により主に構成されており、酸化剤ガスはこの順で流れる。燃料ガスは水素を含む反応ガスであって、酸化剤ガスは酸素を含む反応ガスである。これらの燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスと称することもある。
【００３７】
セル積層体１２の上部に、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、燃料ガス供給マニホールド２２、冷却媒体供給マニホールド３２および酸化剤ガス供給マニホールド４２が設けられており、これらはセル積層体１２をその積層方向に貫通している。また、セル積層体１２の下部に燃料ガス排出マニホールド２４、冷却媒体排出マニホールド３４および酸化剤ガス排出マニホールド４４が設けられており、これらはセル積層体１２をその積層方向に筒形状に貫通している。各マニホールドは、たとえば、上下方向の長さが、上下方向に対して垂直な方向の幅より短い略矩形状断面の筒形状に形成される。なお、燃料ガス供給マニホールド２２および酸化剤ガス供給マニホールド４２を反応ガス供給マニホールド２２、４２と称することもある。
【００３８】
一対の端板１４Ａ、１４Ｂは、セル積層体１２を互いの間に挟むように配置されている。導入側端板１４Ａに燃料ガス導入管２１、冷却媒体導入管３１および酸化剤ガス導入管４１がそれぞれ設けられている。排出側端板１４Ｂに燃料ガス排出管２５、冷却媒体排出管３５および酸化剤ガス排出管４５がそれぞれ設けられている。ただし、一対の端板１４Ａ、１４Ｂのいずれか一方に各導入管２１、３１、４１および各排出管２５、３５、４５の全ての配管が設けられていてもよい。また、燃料ガス導入管２１および酸化剤ガス導入管４１を反応ガス導入管２１、４１と称することもある。
【００３９】
燃料ガス導入管２１は、燃料ガスをセル積層体１２に導入する配管であって、燃料電池１０の上部の一方の側に配設され、燃料ガス供給マニホールド２２の上流端に接続されている。酸化剤ガス導入管４１は、酸化剤ガスをセル積層体１２に導入する配管であって、燃料電池１０の上部の他方の側に配設され、酸化剤ガス供給マニホールド４２の上流端に接続されている。冷却媒体導入管３１は、冷却媒体をセル積層体１２に導入する配管であって、燃料ガス導入管２１と酸化剤ガス導入管４１の間に配設され、冷却媒体供給マニホールド３２の上流端に接続されている。
【００４０】
燃料ガス導入管２１は、図２に示すように、導入側端板１４Ａの窪み内に嵌められており、管部２１ａ、緩衝部２１ｂおよび導入口２１ｃを有している。管部２１ａは、筒形状であって、導入側端板１４Ａから外側へ突出し、燃料ガス供給配管６０に接続される。緩衝部２１ｂは、略箱形状であって、その内部空間は管部２１ａと連通する。この管部２１ａから緩衝部２１ｂに導入された燃料ガスは、その速度が緩衝部２１ｂの内部空間において均一にされて、燃料ガス供給マニホールド２２へ流入する。導入口２１ｃは、緩衝部２１ｂに設けられた穴であって、緩衝部２１ｂの内部空間と燃料ガス供給マニホールド２２とを連通しており、緩衝部２１ｂから燃料ガス供給マニホールド２２へ反応ガスを導入するための入り口である。なお、酸化剤ガス導入管４１は燃料ガス導入管２１と同様であるため、その説明を省略する。
【００４１】
燃料ガス排出管２５は、図１Ａに示すように、燃料ガスをセル積層体１２から排出する配管であって、燃料電池１０の下部の他方の側に配設され、燃料ガス排出マニホールド２４の下流端に接続されている。酸化剤ガス排出管４５は、酸化剤ガスをセル積層体１２から排出する配管であって、燃料電池１０の下部の一方の側に配設され、酸化剤ガス排出マニホールド４４の下流端と接続されている。冷却媒体排出管３５は、冷却媒体をセル積層体１２から排出する配管であって、燃料ガス排出管２５と酸化剤ガス排出管４５の間に配設され、冷却媒体排出マニホールド３４の下流端と接続されている。
【００４２】
端板１４Ａ、１４Ｂは、図１Ｂに示すように、たとえば、電気絶縁性樹脂などの非導電性材料で形成されている。導入側端板１４Ａとセル積層体１２との間に集電板１６Ａが配置されており、排出側端板１４Ｂとセル積層体１２との間に集電板１６Ｂが配置されている。これらの導入側端板１４Ａ、集電板１６Ａ、セル積層体１２、集電板１６Ｂおよび排出側端板１４Ｂは、図示されない締結具によって締結されて互いに固定されている。なお、端板１４Ａ、１４Ｂが金属などの導電材料で形成されている場合、導入側端板１４Ａと集電板１６Ａの間、および、排出側端板１４Ｂと集電板１６Ｂとの間に、絶縁板が挿入される。
【００４３】
＜セル積層体の構成＞
次に、セル積層体１２の構成について、図２〜図５を参照しながら説明する。図３は、図１ＡにおけるＡ―Ａ線に沿って切断したセル積層体１２の断面の一部を示す部分断面図である。図４は、アノード側セパレータ５３Ａをアノード５５Ａ側から見た図である。図５は、枠体５２の一部を模式的に示す斜視図である。
【００４４】
セル積層体１２は、図３に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応（以下、発電反応という）させることにより発電する単セル５０を直列接続したものである。単セル５０は、ＭＥＡ（ＭｅｍＢｒＡｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ＡｓｓｅｍＢｌｙ：膜−電極接合体）５１と、ＭＥＡ５１を囲む枠体５２と、ＭＥＡ５１を互いの間に挟む一対のセパレータ５３Ａ、５３Ｂと、を有する。ＭＥＡ５１は、高分子電解質膜５４と、高分子電解質膜５４を互いの間に挟む一対の電極５５Ａ、５５Ｂとを有する。
【００４５】
高分子電解質膜５４は、湿潤な状態で水素イオン伝導性を有する高分子膜であって、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。一方の電極であるアノード５５Ａ、および、他方の電極であるカソード５５Ｂは、高分子電解質膜５４を互いの間に挟み、その周縁部より内方に位置するように設けられている。アノード５５Ａおよびカソード５５Ｂは、触媒層（図示せず）と、該触媒層の上に設けられたガス拡散層（図示せず）と、をそれぞれ有している。なお、アノード５５Ａおよびカソード５５Ｂを構成する触媒層およびガス拡散層は、一般的な燃料電池の電極と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
枠体５２は、ＭＥＡ５１を支持する部材であって、ＭＥＡ５１の高分子電解質膜５４の周縁部を挟むように配設されており、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。枠体５２は、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、および液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の非導電性材料を好ましくは用いて、射出成形などにより形成される。
【００４７】
枠体５２は、その上部に燃料ガス供給マニホールド孔２２ａ、冷却媒体供給マニホールド孔（図示せず）および酸化剤ガス供給マニホールド孔（図示せず）が設けられている。これらは枠体５２をその厚み方向に貫通している。また、枠体５２の下部に、燃料ガス排出マニホールド孔（図示せず）、冷却媒体排出マニホールド孔（図示せず）および酸化剤ガス排出マニホールド孔（図示せず）が設けられている。これらは枠体５２をその厚み方向に貫通している。また、これらの燃料ガス供給マニホールド孔２２ａ内および酸化剤ガス供給マニホールド孔内のそれぞれに、後述する水流入防止壁２８が設けられている。
【００４８】
アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂは、たとえば、略矩形状の平板であって、ＭＥＡ５１および枠体５２を互いの間に挟んで機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡ５１同士を互いに電気的に直列に接続するための部材である。アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂは、導電性材料で形成され、たとえば、黒鉛板にフェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板、および、ＳＵＳなどの金属材料が用いられる。
【００４９】
アノード側セパレータ５３Ａは、図４に示すように、上部に燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂ、冷却媒体供給マニホールド孔３２ｂおよび酸化剤ガス供給マニホールド孔４２ｂが設けられている。これらはセパレータ５３Ａをその厚み方向に貫通している。また、セパレータ５３Ａの下部に、燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂ、冷却媒体排出マニホールド孔３４ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド孔４４ｂが設けられている。これらはセパレータ５３Ａをその厚み方向に貫通している。アノード側セパレータ５３Ａの各マニホールド孔の形状は、図２および図３に示すように、枠体５２の各マニホールド孔の形状と等しい。また、アノード側セパレータ５３Ａは、積層方向において枠体５２の各マニホールド孔に対応する位置に設けられる。なお、カソード側セパレータ５３Ｂの各マニホールド孔は、アノード側セパレータ５３Ａの各マニホールド孔と同様であるため、説明を省略する。
【００５０】
アノード側セパレータ５３Ａはアノード５５Ａ上に配され、アノード側セパレータ５３Ａの一方主面（内主面）はアノード５５Ａの主面および枠体５２の一方主面（アノード側主面）と接触している。また、アノード側セパレータ５３Ａの他方主面（外主面）は隣接する単セル５０と接触している。このアノード側セパレータ５３Ａの内主面に燃料ガス流路２３が設けられている。燃料ガス流路２３は、その上流端が燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂに接続され、下流端が燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂに接続されており、これらを連通する。燃料ガス流路２３は、燃料ガスを流すための溝状の反応ガス流路であって、図４の２点鎖線で示すアノード５５Ａの主面の全体に亘っている。これにより、燃料ガスがアノード５５Ａに接触するように燃料ガス流路２３を流れる。燃料ガス流路２３は、１本または複数（この実施の形態では、５本、ただし、このうちの３本の燃料ガス流路２３についてはその上流端部および下流端部以外の部分を省略する。）が設けられ、アノード側セパレータ５３Ａの内主面上を蛇行しながらそのアノード５５Ａと接触する領域全体に拡がるサーペンタイン状に形成されている。なお、燃料ガス流路２３は、サーペンタイン状でなく、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。また、燃料ガス流路２３は、アノード側セパレータ５３Ａの内主面に代えて、または、アノード側セパレータ５３Ａの内主面と共に、アノード５５Ａの主面に形成されていてもよい。
【００５１】
アノード側セパレータ５３Ａの外主面に、図３に示すように、冷却媒体流路３３が形成されている。この冷却媒体流路３３は、冷却媒体を流すための溝状の流路であって、隣接する単セル５０のカソード側セパレータ５３Ｂの外主面により覆われている。冷却媒体は、水であってもよく、不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等であってもよい。冷却媒体流路３３は、燃料ガス流路２３と同様に、サーペンタイン状などに形成されているが、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。なお、冷却媒体流路３３は、アノード側セパレータ５３Ａの外主面に代えて、または、アノード側セパレータ５３Ａの外主面と共に、カソード側セパレータ５３Ｂの外主面に設けられてもよい。
【００５２】
カソード側セパレータ５３Ｂはカソード５５Ｂ上に配されている。カソード側セパレータ５３Ｂの一方主面（内主面）はカソード５５Ｂの主面および枠体５２の他方主面（カソード側主面）と接触している。また、他方主面（外主面）は隣接する単セル５０のアノード側セパレータ５３Ａと接触する。このカソード側セパレータ５３Ｂの内主面に酸化剤ガス流路４３が設けられている。酸化剤ガス流路４３は、酸化剤ガスが流すための溝状の反応ガス流路であって、カソード５５Ｂの主面全体に亘っている。これにより、酸化剤ガスがカソード５５Ｂに接触するように酸化剤ガス流路４３を流れる。酸化剤ガス流路４３は、燃料ガス流路２３と同様に、サーペンタイン状などで形成されているが、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。なお、酸化剤ガス流路４３は、カソード側セパレータ５３Ｂの内主面に代えて、または、カソード側セパレータ５３Ｂの内主面と共に、カソード５５Ｂの主面に形成されていてもよい。
【００５３】
このように構成された単セル５０を複数、積層することにより、セル積層体１２が形成される。このとき、アノード側セパレータ５３Ａの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂと、枠体５２の燃料ガス供給マニホールド孔２２ａと、カソード側セパレータ５３Ｂの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂとが、積層方向に繋がって、燃料ガス供給マニホールド２２が形成されている。また、これと同様に、各マニホールド孔が積層方向に繋がって、各マニホールド３２、４２、２４、３４、４４（図１Ａ）が形成されている。
【００５４】
この燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における下面上に開口２６が形成されている。開口２６は、燃料ガス流路２３への燃料ガスの入り口である。この開口２６は、燃料ガス流路２３の数と同じ、この実施の形態では、５つ設けられており、第１開口２６ａ〜第５開口２６ｅにより構成されている。これらの第１開口２６ａ〜第５開口２６ｅは、セル積層体１２の積層方向から見て、少なくとも所定方向（ここでは、積層方向および上下方向に対して垂直な方向）において互いに離れて位置している。このため、第１開口２６ａ〜第５開口２６ｅの間に間隔が設けられており、この間隔に水流入防止壁２８が配されている。第１開口２６ａ〜第５開口２６ｅの面積は等しく設定されている。また、酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面にも酸化剤ガス流路４３によって、酸化剤ガス流路４３への酸化剤ガスの入り口である開口４６が形成されている。この開口４６の近傍に水流入防止壁４８が設けられている。なお、以下、酸化剤ガス供給マニホールド４２内の水流入防止壁４８は、燃料ガス供給マニホールド２２内の水流入防止壁２８と同様であるため、これらの説明を省略する。
【００５５】
水流入防止壁２８は、図５に示すように、燃料ガス供給マニホールド２２から開口２６を介して燃料ガス流路２３へ多量の水滴がまとめて一度に流入することを防止するための部材である。水流入防止壁２８は、たとえば、厚みが薄い直方体形状を有し、たとえば、板材、多数の微細孔を多く含むメッシュ材、および、厚みの薄いフィルム材が好適に用いられ得る。１つまたは複数（この実施の形態では１つ）の水流入防止壁２８が枠体５２に設けられている。
【００５６】
水流入防止壁２８は、たとえば、樹脂を用いて射出成形により枠体５２と一体的に形成されている。水流入防止壁２８に用いられる樹脂としては、たとえば、電気絶縁性、耐酸性、耐熱性（１００℃）および溶出物が極めて少ない材料であれば、特に制限なく用いられる。この材料としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＣＰＴ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素樹脂材料が好適に用いられ得る。
【００５７】
水流入防止壁２８は、全体として直線状に、燃料ガス供給マニホールド２２内に所定方向（ここでは、積層方向および上下方向に対して垂直な方向）に交差する方向（ここでは、上下方向）に延びるように設けられている。水流入防止壁２８は、その下端が燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの内周面における下面に接続されており、鉛直方向に延びる。水流入防止壁２８は、燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの下面から上方に立ち上がり、下面に対して垂直に延びる。上下方向における水流入防止壁２８の高さは燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの高さにより低く、水流入防止壁２８の上端と燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの内周面における上面との間に空隙が設けられている。また、水流入防止壁２８の高さは、図４に示すように、導入口２１ｃの高さより高く形成されている。なお、水流入防止壁２８の高さは、導入口２１ｃの高さより低く設定されていてもよい。
【００５８】
セル積層体１２の積層方向における水流入防止壁２８の長さは枠体５２の厚みより大きい。図２および図３に示すように、この枠体５２が各セパレータ５３Ａ、５３Ｂで挟まれた単セル５０においては、水流入防止壁２８の一方端部は枠体５２のアノード５５Ａ側主面から突出している。このアノード５５Ａ側主面から突出する水流入防止壁２８の一方端部の長さは、アノード側セパレータ５３Ａの厚みと等しい。水流入防止壁２８の一方端部は、アノード側セパレータ５３Ａの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂ内に挿入され、この一方端部の先端（一方端）はアノード側セパレータ５３Ａの外面まで延びる。また、水流入防止壁２８の他方端部は枠体５２のカソード５５Ｂ側主面から突出している。このカソード５５Ｂ側主面から突出する水流入防止壁２８の他方端部の長さは、カソード側セパレータ５３Ｂの厚みと等しい。このため、他方端部は、カソード側セパレータ５３Ｂの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂ内に挿入され、この他方端部の先端（他方端）はカソード側セパレータ５３Ｂの外面まで延びる。これらの各端部の下端と燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂの内周面の下面との間の隙間がなく、これらが接触する。または、隙間は、非常に小さく、燃料ガス流路２３を閉塞させるほど大きな水滴の径より小さい。
【００５９】
そして、単セル５０が積層されたセル積層体１２では、水流入防止壁２８は、その一方端が隣接する水流入防止壁２８の他方端と接触し、他方端が隣接する水流入防止壁２８の一方端と接触する。これにより、複数の水流入防止壁２８は、セル積層体１２における単セル５０の積層方向に直線状に配列される。なお、製造上の公差によって隣接する水流入防止壁２８の端どうしが接触せず、わずかな隙間が形成されることもあり得る。ただし、この場合でも、複数の水流入防止壁２８は、セル積層体１２の積層方向に直線状に配列される。また、この隙間は、燃料ガス流路２３を閉塞させるほど大きな水滴の径より小さくなる。
【００６０】
上下方向および積層方向に対して垂直な方向において、水流入防止壁２８の幅は、燃料ガス導入管２１の導入口２１ｃと導入口２１ｃに最も近い第１開口２６ａとの間隔より狭く設定されている。水流入防止壁２８は、燃料ガス導入管２１の導入口２１ｃの近傍、たとえば、導入口２１ｃと第１開口２６ａとの間に配されている。
【００６１】
＜燃料電池の動作および作用効果＞
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１０の作用効果について、図１Ａ〜図４を参照しながら説明する。
【００６２】
燃料電池１０を備える燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料ガス導入管２１に燃料ガス供給配管６０が接続される。また、図１Ａに示すように、酸化剤ガス導入管４１に酸化剤ガス供給配管（図示せず）が接続される。この燃料ガス供給配管６０から供給される燃料ガス、または、酸化剤ガス供給配管から供給される酸化剤ガスには、高分子電解質膜５４（図３）の水素イオン伝導性を確保するために、一般的に加湿器（図示せず）によって加湿されている。
【００６３】
燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給配管６０から燃料ガス導入管２１の導入口２１ｃを介して燃料ガス供給マニホールド２２に流入する。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド２２を流れながら、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における開口２６から燃料ガス流路２３（図３）に流入する。この際、加湿されている燃料ガスでは、通常、水分は水蒸気の形で存在するが、燃料ガス供給配管６０、燃料ガス導入管２１および燃料ガス供給マニホールド２２において水分が結露し水滴となることがある。特に、燃料ガス供給配管６０や燃料ガス導入管２１で結露した水滴が、燃料ガスと共に、導入口２１ｃから燃料ガス供給マニホールド２２内に流入することがある。この水滴が多量に一度にまとめて燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６から燃料ガス流路２３に直接入り込むと、断面積の狭い燃料ガス流路２３が水滴により塞がれてしまう。しかしながら、導入口２１ｃと第１開口２６ａとの間に水流入防止壁２８が配されており、各開口２６は水流入防止壁２８より導入口２１ｃの反対側に設けられている。このため、導入口２１ｃから燃料ガス供給マニホールド２２内に流入した径の大きな重い水滴は、水流入防止壁２８を超えずに、水流入防止壁２８に当たる。この水流入防止壁２８によって、大きな水滴が第１〜第５開口２６ａ〜２６ｅのそれぞれから燃料ガス流路２３に流入することが阻止される。一方、水流入防止壁２８の上端と燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における上面との間に空隙が設けられている。これにより、燃料ガス、水蒸気、および、径の小さな軽い水滴は、水流入防止壁２８の上方の空隙を通過し、第１〜第５開口２６ａ〜２６ｅへ至る。よって、これらは、各開口２６ａ〜２６ｅから燃料ガス流路２３に流入し、図３に示すように、燃料ガス流路２３を通過する間にアノード５５Ａに供給される。そして、水蒸気および微細な水滴によって高分子電解質膜５４は湿潤になり水素イオン伝導性を発揮することができる。また、燃料ガスは、燃料ガス流路２３を介してアノード５５Ａに供給されて、ＭＥＡ５１において酸化剤ガスと発電反応する。発電反応に用いられなかった未利用の余剰燃料ガスは、図１Ａに示す燃料ガス流路２３を通って燃料ガス排出マニホールド２４へ流出し、さらに燃料ガス排出管２５から燃料電池１０外へ排出される。
【００６４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管から酸化剤ガス導入管４１を介して酸化剤ガス供給マニホールド４２に流入する。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド４２を移動しながら、酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面における開口４６から酸化剤ガス流路４３に流入する。この際、燃料ガス供給マニホールド２２と同様に、酸化剤ガス供給マニホールド４２内の水流入防止壁４８に径の大きな重い水滴が当たり、この水滴が各開口４６から酸化剤ガス流路４３に直接流入することが阻止される。一方、酸化剤ガス、水蒸気、および、径の小さな軽い水滴は、水流入防止壁４８の上端と酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面における上面との間に空隙を通過する。そして、これらは、開口４６に至り、図３に示す酸化剤ガス流路４３に流入して、アノード５５Ａに供給される。そして、酸化剤ガスはＭＥＡ５１において燃料ガスと電気反応する。この発電反応により生じた水、および発電反応に用いられなかった未利用の余剰酸化剤ガスは、図１Ａに示す酸化剤ガス流路４３および酸化剤ガス排出マニホールド４４を通って、最終的に、酸化剤ガス排出管４５から燃料電池１０外、たとえば、大気へ放出される。
【００６５】
また、冷却媒体導入管３１に冷却媒体供給配管（図示せず）が接続される。冷却媒体供給配管から冷却媒体導入管３１を介して冷却媒体供給マニホールド３２に冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド３２を流れながら、図３に示す各単セル５０の冷却媒体流路３３に流入していき、各単セル５０に分配される。そして、冷却媒体は、各冷却媒体流路３３を流れる間にＭＥＡ５１における発電反応により発生した熱を回収し、単セル５０を冷却する。冷却媒体流路３３を通過した冷却媒体は、図１Ａに示す冷却媒体排出マニホールド３４に流出して、冷却媒体排出管３５から燃料電池１０の外部へ排出される。
【００６６】
上記構成の燃料電池１０によれば、導入口２１ｃと第１開口２６ａとの間に、反応ガス供給マニホールド２２、４２の天井面（内周上面）の高さより低い水流入防止壁２８、４８が設けられている。この水流入防止壁２８、４８によって、反応ガス流路２３、４３を閉塞するほどの径の大きな水滴が導入口２１ｃから開口２６、４６へ直接流入することが阻止される。しかも、反応ガス、および、水蒸気や微細な水滴などの適度な水分は、水流入防止壁２８、４８を超えて、ＭＥＡ５１に供給される。よって、開口２６、４６からの水滴による反応ガス流路２３、４３の閉塞によって電圧が異常低下することを抑制しながら、燃料電池１０は発電を安定して継続することができる。
【００６７】
さらに、水流入防止壁２８、４８に当たった水滴は、水流入防止壁２８、４８により堰き止められて、開口２６、４６から反応ガス流路２３、４３に流入することが防止される。また、堰き止められた水は水流入防止壁２８、４８より導入口２１ｃ側に溜まり、反応ガス供給マニホールド２２、４２内をセル積層体１２の積層方向に流れる。セル積層体１２の積層方向の中間範囲では温度が高いため、水は、水蒸気になり、水流入防止壁２８、４８を超えて、開口２６、４６から反応ガス流路２３、４３へ流入する。よって、水滴による反応ガス流路２３、４３の閉塞を防止しつつ、反応ガス流路２３、４３を流れる水蒸気によりＭＥＡ５１を保湿することができる。
【００６８】
また、水流入防止壁２８、４８は導入口２１ｃと第１開口２６ａとの間に設けられる。このため、水流入防止壁２８、４８により、各開口２６、４６の径や反応ガス流路２３、４３の径が縮小されることがなく、燃料電池１０の発電に必要な量の反応ガスを反応ガス流路２３、４３に供給することができる。
【００６９】
さらに、水流入防止壁２８、４８は反応ガス供給マニホールド２２、４２内に設けられるため、水流入防止壁２８、４８を備えることによる燃料電池１０の大型化が防がれる。
【００７０】
また、水流入防止壁２８、４８は、枠体５２と一体的に形成されている。よって、枠体５２を各セパレータ５３Ａ、５３Ｂの間に挟むことにより単セル５０を製造すると同時に、水流入防止壁２８、４８を単セル５０内に配置することができる。よって、コストアップが抑制される。
【００７１】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池１０は、水流入防止壁２８、４８の位置および高さ、ならびに、第１開口２６ａの面積を除いて、実施の形態１に係る燃料電池１０と同様である。図６は、枠体５２の一部をカソード側セパレータ５３Ｂ側から見た図である。なお、酸化剤ガス供給マニホールド４２における水流入防止壁４８は燃料ガス供給マニホールド２２における水流入防止壁２８と同様であるため、その説明を省略する。
【００７２】
水流入防止壁２８は、図６に示すように、その幅が隣接する開口２６の間隔より狭く、互いに隣接する開口２６の間に設けられている。この実施の形態では、水流入防止壁２８は、導入口２１ｃに最も近い第１開口２６ａと、第１開口２６ａに隣接する第２開口２６ｂとの間に設けられている。また、水流入防止壁２８は、水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側にある導入口側開口２６の数が、水流入防止壁２８より導入口２１ｃの反対側にある反対側開口２６の数より少なるように設けられる。ここでは、水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側に第１開口２６ａが１つあるのに対して、水流入防止壁２８より導入口２１ｃの反対側にある第２〜第５開口２６ｂ〜２６ｅの４つある。さらに、水流入防止壁２８は、図６の破線で示すように、その高さが導入口２１ｃの高さより低くなるように形成されている。ただし、水流入防止壁２８が導入口２１ｃより高くなるように形成されてもよい。
【００７３】
水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側にある第１開口２６ａの面積は、水流入防止壁２８より導入口２１ｃの反対側にある第２〜第５開口２６ｂ〜２６ｅの面積より小さくなるように形成されている。この第１開口２６ａに連通する燃料ガス流路２３の断面積は、第１開口２６ａの面積と等しく形成される。ただし、第１開口２６ａに連通する燃料ガス流路２３の断面積が、第１開口２６ａの面積より大きく形成されていてもよい。
【００７４】
上記構成の燃料電池１０によれば、水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側にある導入口側開口２６ａの数は、水流入防止壁２８より導入口２１ｃの反対側にある反対側開口２６ｂ〜２６ｅの数より少ない。このため、多くの反対側開口２６ｂ〜２６ｅへ径の大きな水滴が導入口２１ｃから直接流入することは、水流入防止壁２８によって阻止される。よって、反対側開口２６ｂ〜２６ｅに通ずる燃料ガス流路２３の閉塞を防止することができると共に、多くの反対側開口２６ｂ〜２６ｅから燃料ガス流路２３へ燃料ガスなどを流入することができる。
【００７５】
また、水流入防止壁２８に当たった水滴は水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側に溜まるが、その水は水流入防止壁２８により堰き止められる。このため、多くの反対側開口２６ｂ〜２６ｅに通ずる燃料ガス流路２３が水滴により閉塞されることを防止することができる。
【００７６】
さらに、導入口側開口２６の面積が小さいため、水流入防止壁２８に当たった水滴は、導入口側開口２６に流入しにくく、導入口側開口２６上に溜まり易い。このため、導入口側開口２６に連通する燃料ガス流路２３を通じて燃料ガスを高分子電解質膜５４に供給することができない。ただし、溜まった水が導入口側開口２６から燃料ガス流路２３に徐々に流入する。このため、多量の水滴が一度にまとめて導入口側開口２６から流入することによって燃料ガス流路２３が閉塞されることがなく、かつ、この燃料ガス流路２３を流れる水により高分子電解質膜５４を保湿することができる。しかも、溜まった水が燃料ガスの流れによりセル積層体１２の中間範囲に移動すると、この高温の中間範囲において水蒸気になり易い。よって、水蒸気になった水分が、第２〜第５開口２６ｂ〜２６ｅから流入し、高分子電解質膜５４を保湿することができる。
【００７７】
また、水流入防止壁２８の高さが導入口２１ｃの高さより低いため、水流入防止壁２８により溜まった水が導入口２１ｃを塞ぐことない。よって、燃料電池１０の発電に必要な量の燃料ガスを導入口２１ｃから導入することができる。
【００７８】
（変形例１）
上記実施の形態２では、水流入防止壁２８と導入口２１ｃとの間に設けられた導入口側開口２６の面積を他の反対側開口２６の面積より小さく形成した。これに対して、導入口側開口２６から燃料ガス流路２３へ水が流入する速度を低減する手段であれば、これに限定されない。たとえば、導入口側開口２６の撥水性を、他の反対側開口２６の撥水性より大きくしてもよい。この場合、図７に示すように、導入口側開口２６である第１開口２６ａの少なくとも一部が撥水性部材２７により覆われている。図７は、燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。なお、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積と等しく形成している。ただし、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成してもよい。
【００７９】
具体的には、撥水性部材２７は、燃料ガスを通し、かつ、水滴をはじくことができる。撥水性部材２７は、たとえば、撥水性材料で構成されている。撥水性部材２７には、たとえば、メッシュ状や多孔質など多数の細孔を有した平面状に形成されたシート、または撥水性材料がコーティングされた直線状のワイヤを互いに間隔を有するように並べたものが用いられる。撥水性材料としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＣＰＴ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素樹脂材料が好適に用いられる。また、この撥水性材料を金属や樹脂などの芯材にコーティングしたものも用いられ得る。
【００８０】
撥水性部材２７の撥水性は、たとえば、濡れ性評価装置（ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ１００、協和界面科学株式会社製）を用いて測定され得る。具体的には、撥水性部材２７を１ｃｍ角に切り出した測定対象を、濡れ性評価装置の測定ステージにセットする。この測定対象の表面に、マイクロシリンジを用いて濡れ張力試験用混合液（濡れ張力２７．３ｍＮ／ｍ、和光純薬工業株式会社）を４μＬ滴下して、滴下３分後に濡れ張力試験用混合液の接触角を測定する。この接触角が、たとえば、９０度以上であれば、測定対象の撥水性部材２７は撥水性を有すると判定する。
【００８１】
撥水性部材２７は、導入口側開口２６の少なくとも一部を覆うように燃料ガス供給マニホールド２２の内周面上に配置されている。ここでは、長尺の矩形形状のメッシュシートが撥水性部材２７として用いられている。燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の周方向においては、撥水性部材２７は各単セル５０の導入口側開口２６である第１開口２６ａが形成されている範囲に取り付けられている。また、積層方向においては、撥水性部材２７は、燃料ガス供給マニホールド２２の全長に延びており、セル積層体１２内の全ての単セル５０に設けられている。メッシュの目開きのサイズは、撥水性部材２７が開口２６の少なくとも一部を覆うサイズであればよく、たとえば、開口２６のサイズよりも小さくてもよい。
【００８２】
上記構成の燃料電池１０によれば、導入口側開口２６およびその周囲は撥水性部材２７で覆われているため、水滴は撥水性部材２７によりはじかれる。これにより、水滴は導入口側開口２６から流入することが抑制されて、水流入防止壁２８より導入口２１ｃ側に溜まり易い。
【００８３】
（変形例２）
上記実施の形態２では、セル積層体１２内の全ての単セル５０において、水流入防止壁２８と導入口２１ｃとの間に設けられた導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成した。これに対して、図８に示すように、セル積層体１２の端側に位置する最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成してもよい。図８は、燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。
【００８４】
具体的には、最近近傍単セル５０ａ１は、最近単セル５０ａを含んで連続する複数（この実施の形態では、４つ）の単セル５０であって、放熱によって、たとえば、セル積層体１２の平均温度や設定温度に比べて温度の低い単セル５０である。この最近単セル５０ａは、燃料ガス導入管２１に最も近く、セル積層体１２の端に位置して、導入側端板１４Ａと接している。また、最遠近傍単セル５０ｂ１は、最遠単セル５０ｂを含んで連続する複数（この実施の形態では、４つ）の単セル５０であって、放熱によって、たとえば、セル積層体１２の平均温度や設定温度に比べて温度の低い単セル５０である。この最遠単セル５０ｂは、燃料ガス導入管２１から最も遠く、セル積層体１２の端に位置して、排出側端板１４Ｂと接している。
【００８５】
最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６である第１開口２６ａの面積が反対側開口である第２〜第５開口２６ｂ〜２６ｅの面積より小さく形成されている。この最近近傍単セル５０ａ１と最遠近傍単セル５０ｂ１との間にある中間単セル５０では、第１開口２６ａの面積が第２〜第５開口２６ｂ〜２６ｅの面積と等しく形成されている。
【００８６】
上記構成に燃料電池１０によれば、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１は、燃料電池１０において端に位置しているため、放熱により温度が低下し易い。よって、燃料ガス供給マニホールド２２から加湿された燃料ガスが供給されると、中間単セル５０に比べて最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１では燃料ガス中の水分が結露し易い。これに対して、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成している。これにより、径の大きな水滴が多量にまとめて導入口側開口２６から燃料ガス流路２３に流入せず、水滴による燃料ガス流路２３の閉塞が抑制される。
【００８７】
また、最近近傍単セル５０ａ１と最遠近傍単セル５０ｂ１との間にあるその他の中間単セル５０は、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１に比べて高温であることにより、水滴が水蒸気になり易い。この中間単セル５０では、導入口側開口２６の面積が反対側開口２６の面積と等しいため、この導入口側開口２６を介して反応ガス流路２３、４３に水蒸気が流入することができる。
【００８８】
（変形例３）
上記変形例２では、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成した。これに対して、最近単セル５０ａおよび最遠単セル５０ｂにおいて、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成してもよい。
【００８９】
（変形例４）
上記変形例２では、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の面積を反対側開口２６の面積より小さく形成した。これに対して、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の撥水性を、他の反対側開口２６の撥水性より大きくしてもよい。この場合、図９に示すように、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の少なくとも一部が撥水性部材２７により覆われている。図９は、燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。なお、撥水性部材２７は、変形例２と同様であるため、その説明を省略する。
【００９０】
（変形例５）
上記変形例４では、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、導入口側開口２６の撥水性を、他の反対側開口２６の撥水性より大きくした。これに対して、最近単セル５０ａおよび最遠単セル５０ｂにおいて、導入口側開口２６の撥水性を、他の反対側開口２６の撥水性より大きくしてもよい。
【００９１】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池１０は、水流入防止壁２８、４８の数を除いて、実施の形態１に係る燃料電池１０と同様である。図１０は、枠体５２の一部をカソード側セパレータ５３Ｂ側から見た図である。なお、酸化剤ガス供給マニホールド４２における水流入防止壁４８は燃料ガス供給マニホールド２２における水流入防止壁２８と同様であるため、その説明を省略する。
【００９２】
図１０に示すように、複数（この実施の形態では、３つ）の水流入防止壁２８が枠体５２に設けられている。これらの水流入防止壁２８は、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における周方向に間隔をあけて並べられ、この間隔に開口２６が配されている。導入口２１ｃに最も近い第１水流入防止壁２８ａは、導入口２１ｃとこれに最も近い第１開口２６ａとの間に設けられている。この第１水流入防止壁２８ａに隣接する第２水流入防止壁２８ｂは、第１開口２６ａとこれに隣接する第２開口２６ｂとの間に設けられている。この第２水流入防止壁２８ｂに隣接する第３水流入防止壁２８ｃは、第２開口２６ｂとこれに隣接する第３開口２６ｃとの間に設けられている。これら第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃの寸法および形状はそれぞれ等しく形成されており、第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃの高さは燃料ガス供給マニホールド２２の高さより低く設定されている。
【００９３】
上記構成の燃料電池１０では、実施の形態１および２に係る燃料電池１０と同様の作用効果を奏する。
【００９４】
（変形例６）
上記実施の形態３に係る燃料電池１０では、第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃの高さがそれぞれ等しく形成されている。これに対して、図１１に示すように、第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃは、単セル５０の積層方向から見て、導入口２１ｃからの距離が大きくなるほど低くなるように並べられていてもよい。図１１は、枠体５２の一部をカソード側セパレータ５３Ｂ側から見た図である。
【００９５】
図１１に示すように、複数（この実施の形態では、３つ）の水流入防止壁２８の内、導入口２１ｃに最も近い第１水流入防止壁２８ａはこれに隣接する第２水流入防止壁２８ｂより高く、第２水流入防止壁２８ｂはこれに隣接する第３水流入防止壁２８ｃより高く形成されている。
【００９６】
（変形例７）
上記実施の形態３に係る燃料電池１０では、第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃの高さは燃料ガス供給マニホールド２２の高さより低く形成されていた。これに対して、図１２に示すように、第１〜第３水流入防止壁２８ａ〜２８ｃの高さは燃料ガス供給マニホールド２２の高さと等しく形成されていてもよい。図１２は、枠体５２の一部をカソード側セパレータ５３Ｂ側から見た図である。
【００９７】
図１２に示すように、水流入防止壁２８は、その高さが燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの内周面の下面と上面との間の間隔と等しい形成されている。水流入防止壁２８の下端は燃料ガス供給マニホールド孔２２ａの内周面の下面と接続され、上端は内周面の下面と接続されている。このため、セル積層体１２では、水流入防止壁２８は、上下方向および積層方向に対して垂直な方向において燃料ガス供給マニホールド２２を仕切る。ここでは、たとえば、３つの水流入防止壁２８ａ〜２８ｃにより、燃料ガス供給マニホールド２２は４つの区画に分けられる。この３つの水流入防止壁２８ａ〜２８ｃのうち、導入口２１ｃに近い第１水流入防止壁２８ａは、燃料ガス供給マニホールド２２を導入口２１ｃと連通する空間とその他の空間とに仕切っている。
【００９８】
水流入防止壁２８には、貫通孔２９が設けられている。貫通孔２９は、水流入防止壁２８の上部、たとえば、導入口２１ｃより上方に設けられている。貫通孔２９は、上下方向および積層方向に対して垂直な方向に水流入防止壁２８を貫通しており、水流入防止壁２８により仕切れられた空間を連通している。また、第１水流入防止壁２８ａに設けられた貫通孔２９は、導入口２１ｃと連通する空間とその他の空間とを連通している。これにより、水流入防止壁２８により仕切れられた全ての空間が、貫通孔２９を介して導入口２１ｃと連通する。
【００９９】
上記構成の燃料電池１０では、導入口２１ｃから流入した径の大きな水滴は重いため、貫通孔２９の下方にある水流入防止壁２８に当たる。これにより、水滴が開口４６を介して燃料ガス流路２３に直接流入することが防がれ、燃料ガス流路２３の閉塞を低減することができる。
【０１００】
また、反応ガス、水蒸気、および、径の小さな水滴は、軽いため、水流入防止壁２８の貫通孔２９を通り抜ける。この貫通孔２９を通過した反応ガス、水蒸気、および、径の小さな水滴は、水流入防止壁２８により仕切られた空間を通り、その下部に位置する開口２６から燃料ガス流路２３へ流入することができる。
【０１０１】
さらに、水流入防止壁２８の上端および下端が枠体５２に接続されているため、水流入防止壁２８が枠体５２に強固に結合される。このため、枠体５２を一対のセパレータ５３Ａ、５３Ｂで挟むことにより単セル５０を組み立てる際に、水流入防止壁２８が損傷することが低減される。
【０１０２】
（変形例８）
上記全実施の形態では、各マニホールドは略矩形状断面の筒形状に形成されており、また、各供給マニホールド２２、３２、４２はセル積層体１２の上部に設けられ、各排出マニホールド孔２４、３４、４４は下部に設けられていた。ただし、これらの形状および位置はこれに限定されない。この例について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、アノード側セパレータ５３Ａをアノード５５Ａ側から見た図である。なお、カソード側セパレータ５３Ｂ上の酸化剤ガス流路４３はアノード側セパレータ５３Ａ上の燃料ガス流路２３と同様であるため、その説明を省略する。
【０１０３】
図１３に示すように、アノード側セパレータ５３Ａにおいて、冷却媒体供給マニホールド孔３２ｂが上部に設けられ、冷却媒体排出マニホールド３４ｂが下部に設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂが一方の側部の上部に設けられ、燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂが他方の側部の下部に設けられている。さらに、酸化剤ガス供給マニホールド孔４２ｂが他方の側部の上部に設けられ、酸化剤ガス排出マニホールド孔４４ｂが一方の側部の下部に設けられている。各マニホールド孔は、円形状の断面を有している。
【０１０４】
燃料ガス流路２３の上流端部および下流端部は、上下方向および積層方向に対して垂直な方向に延びて、各マニホールド孔２２ｂ、２４ｂの側方に接続している。これにより、燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂにより構成される燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における側方に燃料ガス流路２３の開口２６が形成される。開口２６は斜め上方に並ぶように配置されているが、少なくとも所定方向（ここでは水平方向）に間隔をおいて設けられている。そして、水流入防止壁２８は、これらの開口２６と導入口２１ｃとの間に設けられ、その下端が燃料ガス供給マニホールド２２の下部に接触し、上方に延びている。
【０１０５】
このように構成された燃料電池１０では、水流入防止壁２８が、燃料ガス供給マニホールド２２内において、所定方向（ここでは、水平方向）に交差する方向（ここでは、上下方向）に延びるように設けられている。これにより、実施の形態１に係る燃料電池１０と同様の作用効果を奏する。
【０１０６】
（変形例９）
上記変形例８では、水流入防止壁２８が開口２６と導入口２１ｃとの間に設けられていたが、図１４に示すように、隣接する開口２６の間に設けられていてもよい。たとえば、２つの開口２６が少なくとも所定方向（ここでは水平方向）に間隔をおいて設けられている。水流入防止壁２８は、その下端が、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の２つの開口２６の間の部分に接触し、上方に延びる。このため、水流入防止壁２８が、燃料ガス供給マニホールド２２内において、所定方向（ここでは、水平方向）に交差する方向（ここでは、斜め上方）に延びるように設けられている。これにより、実施の形態２に係る燃料電池１０と同様の作用効果を奏する。
【０１０７】
（その他の変形例）
上記全実施の形態では、燃料ガス供給マニホールド２２における開口２６の近傍に水流入防止壁２８が設けられ、かつ、酸化剤ガス供給マニホールド４２における開口４６の近傍に水流入防止壁４８が設けられていた。これに対して、いずれか一方の開口２６、４６の近傍に水流入防止壁２８、４８が設けられていてもよい。
【０１０８】
上記全実施の形態では、水流入防止壁２８、４８は枠体５２に接続されていたが、水流入防止壁２８、４８はセパレータ５３Ａ、５３Ｂや端板１４Ａ、１４Ｂに接続されていてもよい。水流入防止壁２８がセパレータ５３Ａ、５３Ｂと一体的形成される場合、水流入防止壁２８、４８は導電性材料で形成される。これらの場合も、水流入防止壁２８、４８は、反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面に形成された開口２６、４６の近傍に設けられ、反応ガス供給マニホールド２２、４２内において所定方向に交差する方向に延びるように設けられる。
【０１０９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、大型化を抑制しながら、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減し、かつ、安定して発電を行うことができる高分子電解質形燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０    高分子電解質形燃料電池
１２    セル積層体（積層体）
２１    燃料ガス導入管（導入路）
２１ｃ  導入口
２２    燃料ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
２３    燃料ガス流路（反応ガス流路）
２６    開口（入り口）
２７    撥水性部材
２８    水流入防止壁
２９    貫通孔
４１    酸化剤ガス導入管（導入路）
４２    酸化剤ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
４３    酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
４６    開口（入り口）
４８    水流入防止壁
５０    単セル
５０ａ  最近単セル（単セル）
５０ｂ  最遠単セル（単セル）
５１    ＭＥＡ（膜−電極接合体）
５３Ａ  アノード側セパレータ（セパレータ）
５３Ｂ  カソード側セパレータ（セパレータ）
５４    高分子電解質膜
５５Ａ  アノード（電極）
５５Ｂ  カソード（電極）
【図１Ａ】
2014216101.tif 000003
【図１Ｂ】
2014216101.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014216101.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014216101.tif 000013
【図１１】
2014216101.tif 000014
【図１２】
2014216101.tif 000015
【図１３】
2014216101.tif 000016
【図１４】
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