(57)【要約】【課題】構造が簡単で安価で、小型化可能であり、結露した水分が反応ガス流通用ガス流路内に入って流路が閉塞されるのを防止し、各セルで均一な発電ができる固体高分子形燃料電池積層体の提供。【解決手段】空気極と固体高分子電解質膜と燃料極で構成されたセル１１を反応ガスが天面側１８から下方にガス流路８中を流れる構成の一組のセパレータ１０を介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体の各セルに反応ガスを分配・供給する供給マニホールドＩをガス流路８の上方に設けてなる燃料電池積層体２０Ａにおいて、燃料電池の積層方向Ｘおよび／またはこの積層方向と直角方向に少なくとも供給マニホールドＩを傾斜させ、少なくとも供給マニホールドＩ内で結露した水分を傾斜に沿って流し排出手段を経て外部に排出する。【選択図】      図１
2004207106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と固体高分子電解質膜と燃料極で構成されたセルを、反応ガスが天面側から下方にガス流路中を流れる構成の一組のセパレータを介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体の各セルに反応ガスを分配・供給する供給マニホールドを前記ガス流路の上方に設けてなる燃料電池積層体において、
燃料電池の積層方向および／またはこの積層方向と直角方向に少なくとも前記供給マニホールドを傾斜させ、少なくとも前記供給マニホールド内で結露した水分を傾斜に沿って流し外部に排出するための排出手段を備えたことを特徴とする固体高分子形燃料電池積層体。
【請求項２】
前記供給マニホールドが内部マニホールドであることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体。
【請求項３】
前記供給マニホールドが外部マニホールドであることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池積層体に関するものであり、さらに詳しくは結露した水分が反応ガス流通用ガス流路内に入って流路が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを防止し、各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる高性能の固体高分子形燃料電池積層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（セル）の基本構成を示す分解断面図である。固体高分子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ貴金属（主として白金）を含む空気極（カソード）側触媒層２および燃料極（アノード）側触媒層３を接合してあり、空気極側触媒層２および燃料極側触媒層３と対向して、それぞれ空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６および燃料極７が構成される。これらのガス拡散層４および５は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。そして、ガス拡散層４、５の外面にガス拡散層４、５に面して反応ガス流通用ガス流路８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組みのセパレータ１０を配置し、前記電解質膜１と前記触媒層２、３と前記ガス拡散層４、５とを締め付けて挟持して燃料電池用電極１１（セル）が構成されている。
【０００３】
図５は、固体高分子形燃料電池スタック（積層体）の基本構成を示す断面図である。固体高分子形燃料電池積層体２０は、多数の燃料電池用電極１１（セル）を積層し、集電板１２、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板１３ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板１４によって挟持し、ボルト１５とナット１７により締め付けられており、締め付け荷重は、皿バネ１６により加えられている。１８は固体高分子形燃料電池積層体２０の天面側を示す。
【０００４】
固体高分子電解質膜１は分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ2 以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。このように固体高分子電解質膜１は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて各燃料電池用電極１１に供給して運転する方法が採られている。
【０００５】
燃料極７に水素を含む燃料ガス、空気極６に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、燃料極７では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極６では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する以下の電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成されることとなる。
【０００６】
燃料極；Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- （燃料極反応）
空気極；２Ｈ+ ＋ (１／２) Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ（空気極反応）
全体    ；Ｈ2 ＋ (１／２) Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００７】
セパレータ１０は例えば図６に示すように天面側１８に反応ガス供給用の内部マニホールドＩが反応ガス流通用ガス流路８に連通状態で形成されると共に、このマニホールドＩの端部にガス供給口Ｊが設けられ、他方の端部にはガス排出用のマニホールドＫが各ガス流路８に連通状態で形成されると共に、このマニホールドの端部にはガス排出口Ｌが設けられている。従って、反応ガスは図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられた第１反応ガス供給マニホールドを経てガス供給口Ｊから内部マニホールドＩ内に流入し、この内部マニホールドＩから各ガス流路８内を下方に流れてガス排出用マニホールドＫ内に流入し、このガス排出用マニホールドＫからガス排出口Ｌを経て図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられたガス排出用第２マニホールドを経て外部に排出されるようになっている。
【０００８】
他のセパレータ１０は、例えば図７に示すように天面側１８に別に作成されて装着されている反応ガス供給用の外部マニホールドＩが反応ガス流通用ガス流路８に連通状態で形成されている以外は図６に示したセパレータ１０と同様になっている。
【０００９】
そして、従来、マニホールド内に水が侵入したときにマニホールド内に設けた凹部に水を受け反応ガス流通用ガス流路に流れないようにする提案（特許文献１参照）や、セルスタックの側面にこのセルスタックに反応ガスを供給するために設けたガスマニホールドの下部に誘導板を設けるとともに、ガスマニホールド底部に傾斜を付け、リン酸を含む液体を誘導板とガスマニホールド底部の傾斜で誘導して外部に排出するようにして絶縁破壊や腐食を防止する提案（特許文献２参照）や、反応ガスをマニホールドから各反応ガス流通用ガス流路に均一に流すように、内部マニホールド内にスタックを締め付け一体化するタイロッドの役目も果たす円筒乃至円柱状貫通材からなる反応ガスの整流部材を設ける提案がある（特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０５−１２９０３１号公報
【特許文献２】
特開平０５−２５１１０６号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５２０２１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池積層体において、燃料電池積層体２０の天面側１８でかつガス流路８の上方に反応ガスを各セルに分配・供給する供給マニホールドＩを設け、反応ガスが天面側１８からガス供給口Ｊ〜供給マニホールドＩを経てガス流路８内を下方に流れるように構成した場合は、加湿された反応ガス中の水分が供給マニホールドＩ内部などで結露して、結露した水分がガス流路８内に入り、ガス流路８を閉塞したり、流路抵抗を上げたりする問題があり、ガス流路８が閉塞されたり、流路抵抗が増大すると反応ガスの流れが不均一になり、それにより各セル内での発電が不均一になり、起電力にバラツキが生じて燃料電池の性能が低下してしまう問題があった。
本発明の目的は、燃料電池積層体の天面側に備えた供給マニホールド内部などで結露した水分が反応ガス流通用ガス流路内に入って流路が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを簡単な構成により容易に防止し、反応ガスの流れを均一にして、各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる高性能の固体高分子形燃料電池積層体を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体は、空気極と固体高分子電解質膜と燃料極で構成されたセルを、反応ガスが天面側から下方にガス流路中を流れる構成の一組のセパレータを介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体の各セルに反応ガスを分配・供給する供給マニホールドを前記ガス流路の上方に設けてなる燃料電池積層体において、
燃料電池の積層方向および／またはこの積層方向と直角方向に少なくとも前記供給マニホールドを傾斜させ、少なくとも前記供給マニホールド内で結露した水分を傾斜に沿って流し外部に排出するための排出手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体は、燃料電池積層体の天面側に各セルに反応ガスを分配・供給する供給マニホールドが傾斜して設置されているので、反応ガス中の水蒸気が供給マニホールド内で結露しても、結露した水分が傾斜に沿って流れて排出手段を経て外部に排出されてしまい、結露した水分が反応ガス流通用ガス流路内に入って流路が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを簡単に防止することができ、反応ガスを各セルに均一に分配・供給して各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる。
本発明の固体高分子形燃料電池積層体自体を燃料電池の積層方向および／またはこの積層方向と直角方向に傾斜させて設置することにより前記供給マニホールドに前記傾斜を付与することも可能である。
【００１４】
本発明の請求項２記載の固体高分子形燃料電池積層体は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体において、前記供給マニホールドが内部マニホールドであることを特徴とする。
【００１５】
セパレータ作成時に内部マニホールドを容易に形成できるのでコストダウンができ、構造も簡単で、小型化できる。
【００１６】
本発明の請求項３記載の固体高分子形燃料電池積層体は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体において、前記供給マニホールドが外部マニホールドであることを特徴とする。
【００１７】
セパレータ作成時とは別に外部マニホールドを作成しておけば、各種のセパレータを用いた積層体に取り付けて適用でき、簡便である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（１）図１は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体の供給マニホールドの１実施の形態を模式的に示す説明図である。
図１において、図４〜７に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ａには、この積層体２０Ａの各セル１１に反応ガスを分配・供給する供給マニホールドＩがガス流路８の上方に設けられている。そして供給マニホールドＩが燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜して設けられている。２１Ａ、２１Ｂは傾斜させた供給マニホールドＩの端部両側に設けた結露した水分の排出手段である。
【００１９】
角度θは特に限定されないが、通常は約３°あるいはそれ以上であると結露した水分を排出し易いので好ましい。角度θの上限は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ａの安定性が損なわれず、また他に接触するなどの悪影響を及ぼさない範囲の角度であることが好ましい。
【００２０】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ａの供給マニホールドＩより下方の部分は、図示しないが、傾斜させて設けた供給マニホールドＩに対応させて前記図４〜５に示したように構成して同様に備えられている。傾斜させて設けた供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露が発生しても、結露した水分２２は内壁などを伝わって供給マニホールドＩの下部に流れて排出手段２１Ａ、２１Ｂを経て外部に排出される。
【００２１】
排出手段２１Ａ、２１Ｂは適宜の管路で形成してよくその要所に電磁弁などの気密性のある開閉弁を設け、排出する水分がある場合に弁を開け、排出する水分がない場合には閉めて置くことができる。
【００２２】
供給マニホールドＩを傾斜させて設けることにより結露した水分が反応ガス流通用ガス流路８内に入って流路８が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを簡単に防止することができ、反応ガスを各セルに均一に分配・供給して各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる。
【００２３】
本発明においては、本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ａ自体を燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜させて設けて、その結果供給マニホールドＩが燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θ傾斜するようにしてもよい。
【００２４】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ａ自体を燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜させて設けると、供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露した水分だけでなく、ガス排出用マニホールドＫ内やガス排出口Ｌ近傍で結露した水分やその他、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられた第１反応ガス供給マニホールド、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられたガス排出用第２マニホールド、ガスが通過するその他の管路内などで結露した水分も、適宜の排出手段を設けて外部に排出し易くなり、流路閉塞や流路抵抗の増大を防止できる。
【００２５】
（２）図２は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体の他の供給マニホールドの実施の形態を模式的に示す説明図である。
図２において、図１、４〜７に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する場合がある。
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ｂは、供給マニホールドＩが燃料電池の積層方向Ｘと直角方向に水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜させて設けられている。２１Ａ、２１Ｂは傾斜させた供給マニホールドＩの端部両側に設けた結露した水分の排出手段である。
【００２６】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ｂの供給マニホールドＩより下方の部分は、図示しないが、傾斜させて設けた供給マニホールドＩに対応させて前記図４〜５に示したように構成して同様に備えられている。
【００２７】
傾斜させて設けた供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露が発生しても、結露した水分２２は内壁などを伝わって供給マニホールドＩの下部に流れて排出手段２１Ａ、２１Ｂを経て外部に排出される。供給マニホールドＩを傾斜させて設けることにより結露した水分が反応ガス流通用ガス流路８内に入って流路８が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを簡単に防止することができ、反応ガスを各セルに均一に分配・供給して各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる。
【００２８】
本発明においては、本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ｂ自体を燃料電池の積層方向Ｘと直角方向に水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜させて設けて、その結果供給マニホールドＩが燃料電池の積層方向Ｘと直角方向に水平面Ｙに対して角度θ傾斜するようにしてもよい。
【００２９】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ｂ自体を燃料電池の積層方向Ｘと直角方向に水平面Ｙに対して角度θだけ傾斜させて設けると、供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露した水分だけでなく、ガス排出用マニホールドＫ内やガス排出口Ｌ近傍で結露した水分やその他、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられた第１反応ガス供給マニホールド、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられたガス排出用第２マニホールド、ガスが通過するその他の管路内などで結露した水分も、適宜の排出手段を設けて外部に排出し易くなり、流路閉塞や流路抵抗の増大を防止できる。
【００３０】
角度θは特に限定されないが、通常は約３°あるいはそれ以上であると結露した水分を排出し易いので好ましい。角度θの上限は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体２０Ｂの安定性が損なわれず、また他に接触するなどの悪影響を及ぼさない範囲の角度であることが好ましい。
【００３１】
（３）図３は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体の他の供給マニホールドの底部のみを模式的に示す説明図である。
図３において、図１〜７に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
本発明の固体高分子形燃料電池積層体の他の供給マニホールドは、供給マニホールドＩ（図３には、供給マニホールドＩの天面あるいは底面のみを示す）を燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θ１だけ傾斜させるともに、燃料電池の積層方向Ｘと直角方向Ｚに水平面Ｙに対して角度θ２だけ傾斜させてある。Ｗは鉛直方向を示す。
このように傾斜させて設けた供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露が発生しても、結露した水分は内壁などを伝わって供給マニホールドＩの下部に流れて１つの排出手段を経て外部に排出できる。
【００３２】
角度θ１と角度θ２は特に限定されないが、通常はいずれも約３°あるいはそれ以上であると結露した水分を排出し易いので好ましい。角度θ１と角度θ２の上限は、本発明の固体高分子形燃料電池積層体の安定性が損なわれず、また他に接触するなどの悪影響を及ぼさない範囲の角度であれば、同じでも、あるいは異なっていてもよく、本発明の固体高分子形燃料電池積層体の大きさ、設置場所の状態、排水のし易さなどを考慮して最適な角度に決められることが好ましい。
【００３３】
本発明の固体高分子形燃料電池積層体自体を燃料電池の積層方向Ｘに水平面Ｙに対して角度θ１だけ傾斜させるともに、燃料電池の積層方向Ｘと直角方向Ｚに水平面Ｙに対して角度θ２だけ傾斜させて設けると、供給マニホールドＩ内やガス供給口Ｊ近傍で結露した水分だけでなく、ガス排出用マニホールドＫ内やガス排出口Ｌ近傍で結露した水分やその他、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられた第１反応ガス供給マニホールド、図示しない燃料電池の積層方向に貫通して設けられたガス排出用第２マニホールド、ガスが通過するその他の管路内などで結露した水分も、適宜の排出手段を設けて外部に排出し易くなり、流路閉塞や流路抵抗の増大を防止できる。
【００３４】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体は、空気極と固体高分子電解質膜と燃料極で構成されたセルを、反応ガスが天面側から下方にガス流路中を流れる構成の一組のセパレータを介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体の各セルに反応ガスを分配・供給する供給マニホールドを前記ガス流路の上方に設けてなる燃料電池積層体において、燃料電池の積層方向および／またはこの積層方向と直角方向に少なくとも前記供給マニホールドを傾斜させ、少なくとも前記供給マニホールド内で結露した水分を傾斜に沿って流し外部に排出するための排出手段を備えたことを特徴とするものであり、反応ガス中の水蒸気が供給マニホールド内で結露しても、結露した水分が傾斜に沿って流れて排出手段を経て外部に排出されてしまい、結露した水分が反応ガス流通用ガス流路内に入って流路が閉塞されたり、流路抵抗が増大するのを簡単に防止することができ、反応ガスを各セルに均一に分配・供給して各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる、構造が簡単で安価で、小型化可能であるという顕著な効果を奏する。
本発明の固体高分子形燃料電池積層体自体を燃料電池の積層方向および／またはこの積層方向と直角方向に傾斜させて設置することにより前記供給マニホールドに前記傾斜を付与することも可能である。
【００３６】
本発明の請求項２記載の固体高分子形燃料電池積層体は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体において、前記供給マニホールドが内部マニホールドであることを特徴とするものであり、セパレータ作成時に内部マニホールドを容易に形成できるのでコストダウンができ、構造も簡単で、小型化できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３７】
本発明の請求項３記載の固体高分子形燃料電池積層体は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池積層体において、前記供給マニホールドが外部マニホールドであることを特徴とするものであり、セパレータ作成時とは別に外部マニホールドを作成しておけば、各種のセパレータを用いた積層体に取り付けて適用でき、簡便であるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池積層体の供給マニホールドの１実施の形態を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の固体高分子形燃料電池積層体の他の供給マニホールドの形態を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の固体高分子形燃料電池積層体の他の供給マニホールドの形態を模式的に示す説明図である。
【図４】従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（セル）の基本構成を示す分解断面図である。
【図５】固体高分子形燃料電池スタック（積層体）の基本構成を示す断面図である。
【図６】内部マニホールドを有するセパレータの断面説明図である。
【図７】外部マニホールドを有するセパレータの断面説明図である。
【符号の説明】
１  固体高分子電解質膜
２  空気極（カソード）側触媒層
３  燃料極（アノード）側触媒層
４  空気極側ガス拡散層
５  燃料極側ガス拡散層
６  空気極
７  燃料極
８  反応ガス流通用ガス流路
９  冷却水流路
１０  セパレータ
１１  燃料電池用電極（セル）
１８  天面側
２０、２０Ａ、２０Ｂ  固体高分子形燃料電池積層体
２１Ａ、２１Ｂ  排出手段
２２  結露した水分
Ｉ  供給マニホールド
Ｊ  ガス供給口
Ｋ  ガス排出用マニホールド
Ｌ  ガス排出口
Ｘ  積層方向
Ｙ  水平面
Ｚ  積層方向と直角方向
Ｗ  鉛直方向
θ、θ１、θ２  角度
【図１】
2004207106.tif 000003
【図２】
2004207106.tif 000004
【図３】
2004207106.tif 000005
【図４】
2004207106.tif 000006
【図５】
2004207106.tif 000007
【図６】
2004207106.tif 000008
【図７】
2004207106.tif 000009