(57)【要約】【課題】反応ガス濃度、水分濃度、熱分布の均一な燃料電池を提供する。【解決手段】ＭＥＡ５を挟持し、水素流路２２を有するアノードセパレータ６と空気流路３２を有するカソードセパレータ７と、水素流路２２に水素を導入、排出する水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１と、空気流路３２に空気を導入、排出する空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１とを備えた燃料電池において、水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１とる空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１を隣接させ、ＭＥＡ５に対してサーペンタイン形状の水素流路２２と空気流路３２が鏡面対称となるように水素流路２２と空気流路３２を形成する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟持するガス拡散層と、
一方の前記ガス拡散層に水素を供給する水素流路を有するアノードセパレータと、
前記水素流路に水素を導入する水素導入マニホールドと、
前記水素流路から排出水素を排出する水素排出マニホールドと、
もう一方の前記ガス拡散層に酸化剤を供給する酸化剤流路を有するカソードセパレータと、
前記酸化剤流路に前記酸化剤を導入する酸化剤導入マニホールドと、
前記酸化剤流路から排出酸化剤を排出する酸化剤排出マニホールドと、を備える燃料電池において、
前記水素導入マニホールドと前記水素排出マニホールドと前記酸化剤導入マニホールドと前記酸化剤排出マニホールドが隣接し、
前記水素流路と前記酸化剤流路は、
前記水素導入マニホールドまたは前記酸化剤導入マニホールドと連結する第１流路と、
前記水素排出マニホールドまたは前記酸化剤排出マニホールドと連結し、前記第１流路に併設する第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路を連結する連結部と、から構成され、
前記水素流路と前記酸化剤流路の形状が前記電解質膜に対して鏡面対称であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水素流路と前記酸化剤流路は、前記第１流路と前記第２流路を流れる前記水素または前記酸化剤の流れが対向することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水素流路の前記第１流路と前記酸化剤流路の前記第２流路が、前記電解質膜を介して対称であり、かつ前記水素流路の前記第２流路と前記酸化剤流路の前記第１流路が、前記電解質膜に対して対称であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水素流路を流れる前記水素の流れ方向と前記空気流路を流れる前記空気の流れ方向とが、対向することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１流路は、前記水素導入マニホールドまたは前記酸化剤導入マニホールドと前記連結部との間で１回以上屈曲し、かつ前記第２流路は前記連結部と前記水素排出マニホールドまたは前記酸化剤排出マニホールドとの間で１回以上屈曲することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードセパレータは、同一面内に前記水素流路と前記水素導入マニホールドと前記水素排出マニホールドを複数設け、
前記カソードセパレータは、同一面内に前記酸化剤流路と前記酸化剤導入マニホールドと前記酸化剤排出マニホールドを複数設けることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特に水素または酸化剤が流れるガス流路を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した膜電極複合体を、アノードセパレータとカソードセパレータによって挟持することにより構成される単位セルを積層して構成される。この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスは電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。なお、カソード側電極には酸化剤ガス、例えば空気を供給するために、このカソード側電極において水素イオン、電子、および酸素が反応し、水が生成される。
【０００３】
しかし、発電中は常にアノード側では水素、カソード側では空気中の酸素が反応し、消費され続けるため、アノード側では水素の濃度(量)が、カソード側では酸素の濃度(量)が水素、または空気流路下流側に行けば行くほど薄く(少なく)なり、反応面に均一に水素、または空気を供給し難くなり、燃料電池の出力特性が低下する。
【０００４】
また、発電中はカソードの空気流路下流側に空気の流れによって生成水が押し流されるので、下流側では、過剰湿潤状態になり水分が凝縮滞留し、空気の流れが阻害される可能性があり、また、空気流路上流側では空気が乾燥し、電解質膜が乾燥することが知られている。同時に、空気流路下流側には反応熱も蓄積され、空気流路下流側では温度が高くなる。また、アノード側では、水素がイオン化し電解質膜を伝導するときに、アノード側にある水分とともにカソード側に伝導し、電解質膜が乾燥する。これらの課題を解決するために、特許文献１では水素流路と空気流路の導入口と排出口の間で、水素流路や空気流路の折り返し部を設け、導入口から折り返し地点までの流路(以下往路)を流れる水素または空気、折り返し部から排出口までの流路(以下復路)を流れる水素または空気をそれぞれ対向させながら、流路をＵターンまたは、屈曲させることで、同一平面状の水素濃度または空気濃度の濃いところと薄いところが隣り合うように水素流路または空気流路を配設することで、同一平面状の水素、同一平面状の空気の濃度と、水分濃度、反応熱が均一となるように改善している。
【特許文献１】特開２００２−２３７３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の発明では燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が電解質膜を介して対称となっていないので、単位セルの積層方向の電解質膜を挟んで、アノードとカソードでの反応ガス濃度、水分濃度、熱分布が均一化し難く、良好な発電性能を得られない恐れがあるといった問題点がある。また、同一反応ガス給排口、例えば水素導入マニホールドと水素排出マニホールドが隣接していないので、水素導入マニホールドと水素排出マニホールド付近において水素濃度、水分濃度、熱分布が均一化し難いといった問題点がある。
【０００６】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質膜を挟んで、アノードとカソードにおける反応ガス濃度、水分濃度、熱分布を均一化し、さらにアノードとカソード内でも反応ガス濃度、水分濃度、熱分布を更に均一化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、電解質膜を挟持するガス拡散層と、一方のガス拡散層に水素を供給する水素流路を有するアノードセパレータと、水素流路に水素を導入する水素導入マニホールドと、水素流路から排出水素を排出する水素排出マニホールドと、もう一方のガス拡散層に酸化剤を供給する酸化剤流路を有するカソードセパレータと、酸化剤流路に酸化剤を導入する酸化剤導入マニホールドと、酸化剤流路から排出酸化剤を排出する酸化剤排出マニホールドと、を備える燃料電池において、水素導入マニホールドと水素排出マニホールドと酸化剤導入マニホールドと酸化剤排出マニホールドが隣接し、水素流路と酸化剤流路は、水素導入マニホールドまたは酸化剤導入マニホールドと連結する第１流路と、水素排出マニホールドまたは酸化剤排出マニホールドと連結し、第１流路に併設する第２流路と、第１流路と第２流路を連結する連結部と、から構成され、水素流路と酸化剤流路の形状が電解質膜に対して鏡面対称であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、燃料電池内での水素流路から水素を供給されるガス拡散層の水素濃度、または空気流路から空気を供給されるガス拡散層の酸素濃度を均一にすることができ、また水分濃度、熱分布を均一にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１実施形態の燃料電池を構成する単位セル１の概略構成図を図１を用いて説明する。燃料電池は単位セル１を複数積層し、積層した単位セル１の両端部より図示しないエンドプレートによって加圧し、スタッキングする。
【００１０】
単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２を挟持するアノード触媒層３ａとカソード触媒層３ｂと、アノード触媒層３ａとカソード触媒層３ｂの外側に設けたアノードガス拡散層４ａとカソードガス拡散層４ｂから構成される膜電極複合体（以下、ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５を備える。また、アノードガス拡散層４ａの外側に設けられたアノードセパレータ６と、カソードガス拡散層４ｂの外側に設けられたカソードセパレータ７を備える。また、ＭＥＡ５から水素または空気がリークしないようにエッジシール８を備える。
【００１１】
ここで、アノードセパレータ６について図２（ａ）を用いて説明する。図２（ａ）は電解質膜２から見た正面図である。アノードセパレータ６は例えば図示しない水素ボンベから水素を導入する水素導入マニホールド２０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池の外部へ排出する水素排出マニホールド２１を備える。また、水素導入マニホールド２０から導入された水素をアノードガス拡散層４ａに供給する水素流路２２と、水素導入マニホールド２０から水素流路２２に水素を導入する導入部２３と、水素流路２２から水素排出マニホールド２１へ排出水素を排出する排出部２４を備える。また、カソードセパレータ７の空気流路３２に空気を導入する空気導入マニホールド３０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池から排出する空気排出マニホールド３１を備える。
【００１２】
水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１、空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１はアノードセパレータ６の同一の端部に隣接して設けられる。これにより、水素流路２２と空気流路３２において、水素流路２２と空気流路３２の最上流、最下流においても水素濃度、または酸素濃度を均一にすることができる。なお、水素導入マニホールド２０、水素排出マニホールド２１、空気導入マニホールド３０、空気排出マニホールド３１間には、互いに水素、空気が混入しないようにシール材（図示せず）を設ける。
【００１３】
水素流路２２は、単一の流路で構成され、直線部と折り返し部とから構成されるサーペンタイン形状である。折り返し部によって水素流路２２を流れる水素は流れ方向を１８０度変更される。水素流路２２はＵターン部（連結部）２５を有し、Ｕターン部２５の前後によって水素流路２２は往路（第１流路）２６と復路（第２流路）２７に分けられる。往路２６と復路２７は併設され、往路２６と復路２７を流れる水素の流れは対向する。つまり、サーペンタイン形状の往路２６に沿って復路２７を設け、往路２６と復路２７をＵターン部２５によって連結し、水素流路２２を形成する。往路２６と復路２７を併設することで水素流路２２の上流の水素と下流の水素がアノードガス拡散層４ａにおいて拡散され、水素濃度を均一にし、また水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００１４】
なお、水素流路２２は多くの折り返し部を有することが望ましく、つまり往路２６と復路２７間を狭くして併設する事が望ましい。これによってアノードガス拡散層４ａに水素を均一に供給することができる。
【００１５】
以上の構成によって、アノードガス拡散層４ａにおいて往路２６と復路２７を流れる水素が混合、拡散することで水素濃度、水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００１６】
カソードセパレータ７について図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は電解質膜２から見た正面図である。カソードセパレータ７は例えば図示しないコンプレッサから空気を導入する空気導入マニホールド３０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった空気を燃料電池の外部へ排出する空気排出マニホールド３１を備える。また、空気導入マニホールド３０から導入された空気をカソードガス拡散層４ｂに供給する空気流路３２と、空気導入マニホールド３０から空気流路３２に空気を導入する導入部３３と、空気流路３２から空気排出マニホールド３１へ排出空気を排出する排出部３４を備える。また、アノードセパレータ６の水素流路２２に水素を導入する水素導入マニホールド２０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった水素を燃料電池から排出する水素排出マニホールド２１を備える。
【００１７】
空気流路３２は、単一の流路で構成され、直線部と折り返し部とから構成されるサーペンタイン形状である。折り返し部によって空気流路３２を流れる水素は流れ方向を１８０度変更される。空気流路３２はＵターン部（連結部）３５を有し、Ｕターン部３５の前後によって空気流路３２は往路（第１流路）３６と復路（第２流路）３７に分けられる。往路３６と復路３７は併設され、往路３６と復路３７を流れる空気の流れは対向する。つまり、サーペンタイン形状の往路３６に沿って復路３７を設け、往路３６と復路３７をＵターン部３５によって連結し、空気流路３２を形成する。往路３６と復路３７を併設することで空気流路３２の上流の空気と下流の空気がカソードガス拡散層４ｂにおいて拡散され、酸素濃度を均一にし、また水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００１８】
なお、空気流路３２は多くの折り返し部を有することが望ましく、つまり往路３６と復路３７間を狭くして併設する事が望ましい。これによってカソードガス拡散層４ｂに空気を均一に供給することができる。
【００１９】
以上の構成によって、カソードガス拡散層４ｂにおいて往路３６と復路３７を流れる空気が混合、拡散することで空気中の酸素濃度、水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００２０】
なお、単位セル１を構成する場合、つまりＭＥＡ５を介してアノードセパレータ６とカソードセパレータ７が対峙する場合には水素流路２２と空気流路３２が、鏡面対称となるように水素流路２２と空気流路３２を形成する。言い換えるとアノードセパレータ６とカソードセパレータ７を積層方向から見た場合に、水素流路２２と空気流路３２が一致するように水素流路２２と空気流路３２を形成する。また、アノードセパレータ６の往路２６とカソードセパレータ７の復路３７がＭＥＡ５に対して鏡面対称であり、かつアノードセパレータ６の復路２７とカソードセパレータ７の往路３６がＭＥＡ５に対して鏡面対称である。つまりアノードセパレータ６の往路２６を流れる水素の流れとカソードセパレータ７の復路３７を流れる空気の流れがＭＥＡ５を挟んで逆方向となるように、またアノードセパレータ６の復路２７を流れる水素とカソードセパレータ７の往路３６を流れる空気の流れがＭＥＡ５を挟んで逆方向となるように水素流路２２と空気流路３２は形成される。
【００２１】
以上の構成によって、ＭＥＡ５を挟んでアノードガス拡散層４ａ、カソードガス拡散層４ｂ間の水素濃度、酸素濃度の偏りを少なくすることができる。また、空気流路３３の下流側と水素流路２２の上流側が対称となるので、電解質膜２を介して水分濃度を均一にすることができる。また、電解質膜２を介して温度も均一にすることができる。
【００２２】
なお、この実施形態では水素流路２２と空気流路３２を単一の流路としたが、図５（ａ）、（ｂ）に示すように複数の流路を形成しても良い。
【００２３】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２４】
この実施形態では、サーペンタイン形状の往路２６と往路２６に併設された復路２７をＵターン部２５で連結して水素流路２２を形成する。また、水素濃度の高い水素が流れる往路２６と水素濃度の低い水素が流れる復路２７を併設し、往路２６と復路２７を流れる水素の流れを対向させることで、アノードガス拡散層４ａに供給する水素濃度を均一にすることができる。水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１を隣接することで、水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１付近、つまり水素流路２２の最上流と最下流付近においても水素濃度を均一にすることができる。そのためアノードガス拡散層４ａの水素濃度をより均一にすることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。なお、空気流路３２を有するカソードセパレータ７においても同様の効果を得ることができる。
【００２５】
また、空気流路３２においては空気流路３２の下流となるにつれて、つまり復路３７の下流となるにつれて燃料電池の発電反応によって生成される水によって復路３７が閉塞され易いが、比較的水分濃度の低い往路３６と水分濃度の高い復路３７を併設することで、空気流路３２内の水分濃度を均一にすることができ、特に空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１を隣接することで、空気流路３２の最下流付近においても水分濃度を均一化し、水による空気流路３２の閉塞を抑制することができ、電解質膜２の乾燥を抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００２６】
燃料電池の発電反応は発熱反応であり、燃料電池の運転時間の経過とともに温度は次第に上昇し、水素、または空気の流れによって特に水素流路２２と空気流路３２の下流の温度が高くなる。燃料電池の温度が高くなると、例えば電解質膜２の劣化を生じる可能性がある。この実施形態では、比較的温度の低い往路２６、３６と温度の高い復路２７、３７を併設することで、電解質膜２の温度を均一にすることができる。特に空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１を隣接することで、温度が高くなる空気流路３２の最下流付近においても温度を均一にすることができる。これによって電解質膜２の劣化を抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００２７】
この実施形態では、水素流路２２と空気流路３２がＭＥＡ５に対して鏡面対称となり、水素流路２２を流れる水素と空気流路３２を流れる空気の流れ方向が対向する。つまり、水素濃度の高い往路２６と空気中の酸素濃度の低い復路３７、かつ水素濃度の低い復路２７と空気中の酸素濃度の高い往路３６がＭＥＡ５に対して鏡面対称となるので、ＭＥＡ５を挟んで水素濃度と酸素濃度を均一化することができる。そのため燃料電池の発電効率を更に向上させることができる。
【００２８】
また、水分濃度の高い空気流路３２の復路３７と、水分濃度の比較的低い水素流路２２の往路２６がＭＥＡ５に対して鏡面対称となり、水素と空気の流れが対向するので、電解質膜２を介して水分交換を行い、水分濃度を更に均一化することができ、燃料電池の発電効率を更に向上させることができる。
【００２９】
また、比較的温度の高くなる空気流路３２の下流と、水素流路２２の上流が電解質膜２に対して対称となるので、電解質膜２を介して熱交換を行い、燃料電池の温度を更に均一にすることができ、燃料電池の発電効率を更に向上することができる。
【００３０】
水素導入マニホールド２０と水素排出マニホールド２１と空気導入マニホールド３０と空気排出マニホールド３１とを隣接させ、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の端部に設けることで、水素、空気のリークを防止するシール材を設ける行程を少なくすることができ、部品点数を少なくすることができる。
【００３１】
次に本発明の第２実形態について図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて説明する。この実施形態は、アノードセパレータ４０とカソードセパレータ４１が第１実施形態と異なっており、その他の構成は第１実施形態と同じ構成なのでここでの説明は省略する。図３（ａ）はアノードセパレータ４０であり、図３（ｂ）はカソードセパレータ４１である。この実施形態では２つの独立した水素供給路、または空気供給路を備え、一方の水素供給路、または空気供給路には添え字ａを付し、もう一方の水素供給路、または空気供給路には添え字ｂを付す。
【００３２】
アノードセパレータ４０は例えば図示しない水素ボンベから水素を導入する水素導入マニホールド５０ａ、５０ｂと、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池の外部へ排出する水素排出マニホールド５１ａ、５１ｂを備える。また、水素導入マニホールド５０ａ、５０ｂから導入された水素をアノードガス拡散層４ａに供給する水素流路５２ａ、５２ｂと、水素導入マニホールド５０ａ、５０ｂから水素流路５２ａ、５２ｂに水素を導入する導入部５３ａ、５３ｂと、水素流路５２ａ、５２ｂから水素排出マニホールド５１ａ、５１ｂへ排出水素を排出する排出部５４ａ、５４ｂを備える。また、カソードセパレータ４１の空気流路６２ａ、６２ｂに空気を導入する空気導入マニホールド６０ａ、６０ｂと、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池から排出する空気排出マニホールド６１ａ、６１ｂを備える。
【００３３】
水素導入マニホールド５０ａと水素排出マニホールド５１ａ、空気導入マニホールド６０ａと空気排出マニホールド６１ａはアノードセパレータ６の同一の端部に隣接して設けられる。また、水素導入マニホールド５０ｂと水素排出マニホールド５１ｂ、空気導入マニホールド６０ｂと空気排出マニホールド６１ｂはアノードセパレータ４０の同一の端部に隣接して設けられる。なお、水素導入マニホールド５０ａと水素排出マニホールド５１ａと空気導入マニホールド６０ａと空気排出マニホールド６１ａと、水素導入マニホールド５０ｂと水素排出マニホールド５１ｂと空気導入マニホールド６０ｂと空気排出マニホールド６１ｂは異なる端部に設けられ、その位置はアノードセパレータ６における対角の位置である。
【００３４】
水素流路５２ａ、５２ｂは、それぞれ単一の流路で構成され、直線部と折り返し部とから構成されるサーペンタイン形状である。折り返し部によって水素流路５２ａ、５２ｂを流れる水素は流れ方向を１８０度変更される。水素流路５２ａ、５２ｂはＵターン部（連結部）５５ａ、５５ｂを有し、Ｕターン部５５ａ、５５ｂの前後によって水素流路５２ａ、５２ｂは往路（第１流路）５６ａ、５６ｂと復路（第２流路）５７ａ、５７ｂに分けられる。往路５６ａ、５６ｂと復路５７ａ、５７ｂは併設し、往路５６ａ、５６ｂと復路５７ａ、５７ｂを流れる水素の流れは対向する。つまり、併設して設けられた２つのサーペンタイン形状の復路５６ａ、５６ｂと往路５７ａ、５７ｂがＵターン部５５ａ、５５ｂによって連結され、それぞれ水素流路５２ａ、５２ｂを形成する。また、水素流路５２ａと水素流路５２ｂは併設して設けられる。
【００３５】
以上の構成によって、アノードガス拡散層４ａにおいて水素流路５２ａと水素流路５２ｂを流れる水素が混合、拡散することで水素濃度、水分濃度、温度分布をより均一にすることができる。
【００３６】
カソードセパレータ４１は例えば図示しないコンプレッサから空気を導入する空気導入マニホールド６０ａ、６０ｂと、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池の外部へ排出する空気排出マニホールド６１ａ、６１ｂを備える。また、空気排出マニホールド６１ａ、６１ｂから導入された空気をカソードガス拡散層４ｂに供給する空気流路６２ａ、６２ｂと、空気導入マニホールド６０ａ、６０ｂから空気流路６２ａ、６２ｂに空気を導入する導入部６３ａ、６３ｂと、空気流路６２ａ、６２ｂから空気排出マニホールド６１ａ、６１ｂへ排出空気を排出する排出部６４ａ、６４ｂを備える。また、アノードセパレータ４０の水素流路５２ａ、５２ｂに水素を導入する水素導入マニホールド５０ａ、５０ｂと、単位セル１における発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池から排出する水素排出マニホールド５１ａ、５１ｂを備える。
【００３７】
水素導入マニホールド５０ａと水素排出マニホールド５１ａ、空気導入マニホールド６０ａと空気排出マニホールド６１ａはアノードセパレータ６の同一の端部に隣接して設けられる。また、水素導入マニホールド５０ｂと水素排出マニホールド５１ｂ、空気導入マニホールド６０ｂと空気排出マニホールド６１ｂはカソードセパレータ４１の同一の端部に隣接して設けられる。なお、水素導入マニホールド５０ａと水素排出マニホールド５１ａと空気導入マニホールド６０ａと空気排出マニホールド６１ａと、水素導入マニホールド５０ｂと水素排出マニホールド５１ｂと空気導入マニホールド６０ｂと空気排出マニホールド６１ｂは異なる端部に設けられ、その位置はアノードセパレータ６における対角の位置である。
【００３８】
空気流路６２ａ、６２ｂは、それぞれ単一の流路で構成され、直線部と折り返し部とから構成されるサーペンタイン形状である。折り返し部によって空気流路６２ａ、６２ｂを流れる空気は流れ方向を１８０度変更される。空気流路６２ａ、６２ｂはＵターン部（連結部）６５ａ、６５ｂを有し、Ｕターン部６５ａ、６５ｂの前後によって空気流路６２ａ、６２ｂは往路（第１流路）６６ａ、６６ｂと復路（第２流路）６７ａ、６７ｂに分けられる。往路６６ａ、６６ｂと復路６７ａ、６７ｂは併設し、往路６６ａ、６６ｂと復路６７ａ、６７ｂを流れる空気の流れは対向する。つまり、併設して設けられた２つのサーペンタイン形状の復路６６ａ、６６ｂと往路６７ａ、６７ｂがＵターン部６５ａ、６５ｂによって連結され、それぞれ空気流路６２ａ、６２ｂを形成する。また、空気流路６２ａと空気流路６２ｂは併設して設けられる。
【００３９】
以上の構成によって、カソードガス拡散層４ｂにおいて空気流路６２ａと空気流路６２ｂを流れる空気が混合、拡散することで酸素濃度、水分濃度、温度分布をより均一にすることができる。
【００４０】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４１】
この実施形態では、アノードセパレータ４０とカソードセパレータ４１に水素導入マニホールド５０ａ、５０ｂと水素排出マニホールド５１ａ、５１ｂと空気導入マニホールド６０ａ、６０ｂと空気排出マニホールド６１ａ、６１ｂを設け、水素流路５２ａ、５２ｂと空気流路６２ａ、６２ｂを独立して設けることで、第１実施形態の効果に加えて水素濃度、酸素濃度、水分濃度、温度分布をより均一にすることができる。
【００４２】
また、例えば空気流路６２ａ、６２ｂのうち一方の空気流路が生成水によって閉塞された場合でももう一方の空気流路からカソードガス拡散層４ｂに空気を供給することができるので、転極による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００４３】
次に本発明の第３実施形態について図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。この実施形態は、アノードセパレータ７０とカソードセパレータ７１が第２実施形態と異なっており、その他の構成は第２実施形態と同じ構成なのでここでの説明は省略する。図４（ａ）はアノードセパレータ７０であり、図４（ｂ）はカソードセパレータ７１である。この実施形態は第２実施形態とは水素流路５２ａ、５２ｂまたは空気流路６２ａ、６２ｂの形状が異なっている。
【００４４】
水素流路８２ａ、８２ｂは、水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂと導入部８３ａ、８３ｂによって連結し、水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂから中心部へ向かう渦巻き形状の往路８６ａ、８６ｂと、アノードセパレータ７０の中心付近に設けられたＵターン部８５ａ、８５ｂと、Ｕターン部８５ａ、８５ｂによって折り返され水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂと隣接する水素排出マニホールド８１ａ、８１ｂへ向かう復路８７ａ、８７ｂとから構成される。つまり往路８６ａ、８６ｂと復路８７ａ、８７ｂは併設して設けられ、Ｕターン部８５ａ、８５ｂによってそれぞれ連結される。
【００４５】
また、渦巻き形状の水素流路８２ａの間に渦巻き形状の水素流路８２ｂが設けられる。つまり、隣接する水素流路８２ａ間に水素流路８２ｂが設けられる。
【００４６】
以上の構成によって、アノードセパレータ７０の水素濃度、水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００４７】
空気流路９２ａ、９２ｂは、空気導入マニホールド８０ａ、８０ｂと導入部８３ａ、８３ｂによって連結し、水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂから中心部へ向かう渦巻き形状の往路８６ａ、８６ｂと、アノードセパレータ７０の中心付近に設けられたＵターン部８５ａ、８５ｂと、Ｕターン部８５ａ、８５ｂによって折り返され水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂと隣接する水素排出マニホールド８１ａ、８１ｂへ向かう復路８７ａ、８７ｂとから構成される。つまり往路８６ａ、８６ｂと復路８７ａ、８７ｂは併設して設けられ、Ｕターン部８５ａ、８５ｂによってそれぞれ連結される。
【００４８】
また、渦巻き形状の水素流路８２ａの間に渦巻き形状の水素流路８２ｂが設けられる。つまり、隣接する水素流路８２ａ間に水素流路８２ｂが設けられる。
【００４９】
以上の構成によって、カソードセパレータ７１の酸素濃度、水分濃度、温度分布を均一にすることができる。
【００５０】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００５１】
この実施形態においても第２実施形態と同じ効果を得ることができる。また、水素流路８２ａ、８２ｂ、空気流路９２ａ、９２ｂを渦巻き形状とした場合でも、Ｕターン部８５ａ、８５ｂ、９５ａ、９５ｂを設けることで、水素導入マニホールド８０ａ、８０ｂと水素排出マニホールド８１ａ、８１ｂ、空気導入マニホールド９０ａ、９０ｂと空気排出マニホールド９１ａ、９１ｂをアノードセパレータ７０、カソードセパレータ７１の中心部付近に設ける必要がなく、水素または空気のリークを防止するシール部材を設ける際の作業行程を容易にし、部品点数を少なくすることができる。
【００５２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
燃料電池搭載の車両などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の単位セルの概略構成図である。
【図２（ａ）】本発明の第１実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。
【図２（ｂ）】本発明の第１実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図３（ａ）】本発明の第２実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。
【図３（ｂ）】本発明の第２実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図４（ａ）】本発明の第３実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。
【図４（ｂ）】本発明の第３実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図５（ａ）】本発明の第１実施形態のアノードセパレータの変更例を示す概略構成図である。
【図５（ｂ）】本発明の第１実施形態のカソードセパレータの変更例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１      単位セル
２      電解質膜
４ａ    アノードガス拡散層
４ｂ    カソードガス拡散層
５      膜電極複合体
６、４０、７０  アノードセパレータ
７、４１、７１  カソードセパレータ
２０、５０ａ、５０ｂ、８０ａ、８０ｂ  水素導入マニホールド
２１、５１ａ、５１ｂ、８１ａ、８１ｂ  水素排出マニホールド
２２、５２ａ、５２ｂ、８２ａ、８２ｂ  水素流路
２５、３５、５５ａ、５５ｂ、６５ａ、６５ｂ、８５ａ、８５ｂ、９５ａ、９５ｂ  Ｕターン部（連結部）
２６、３６、５６ａ、５６ｂ、６６ａ、６６ｂ、８６ａ、８６ｂ、９６ａ、９６ｂ  往路（第１流路）
２７、３７、５７ａ、５７ｂ、６７ａ、６７ｂ、８７ａ、８７ｂ、９７ａ、９７ｂ  復路（第２流路）
３０、６０ａ、６０ｂ、９０ａ、９０ｂ  空気導入マニホールド（酸化剤導入マニホールド）
３１、６１ａ、６１ｂ、９１ａ、９１ｂ  空気排出マニホールド（酸化剤排出マニホールド）
３２、６２ａ、６２ｂ、９２ａ、９２ｂ  空気流路（酸化剤流路）
【図１】
2006185615.tif 000003
【図２】
2006185615.tif 000004
【図３】
2006185615.tif 000005
【図４】
2006185615.tif 000006
【図５】
2006185615.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月19日(2005.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
【図１】本発明の単位セルの概略構成図である。
【図２】（ａ）本発明の第１実施形態のアノードセパレータの概略構成図であり、（ｂ）本発明の第１実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図３】（ａ）本発明の第２実施形態のアノードセパレータの概略構成図であり、（ｂ）本発明の第２実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図４】（ａ）本発明の第３実施形態のアノードセパレータの概略構成図であり、（ｂ）本発明の第３実施形態のカソードセパレータの概略構成図である。
【図５】（ａ）本発明の第１実施形態のアノードセパレータの変更例を示す概略構成図であり、（ｂ）本発明の第１実施形態のカソードセパレータの変更例を示す概略構成図である。