(57)【要約】【課題】燃料極及び酸化剤極で発生した生成物を各セパレータからより効果的に排出することができ、かつ、燃料電池スタックの小型化を図ることができる燃料電池用マニホールド構造体及びこの燃料電池用マニホールド構造体を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】外部マニホールド構造１０は、上部マニホールド２０と下部マニホールド３０とから構成されており、下部マニホールド３０の上面３０ｄには、下部マニホールド２０の内部で燃料排出管３１ａ，３１ｂ，……，３１ｊとそれぞれ連通している燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊが形成されている。この燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊは、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０から排出された生成物及び燃料を、上面３０ｄにおける下部マニホールド３０の一方の端部３０ａ（図中右側）及び他方の側部（図中奥側）３０ｅの方へそれぞれ誘導するようにＬ字状又はＩ字状に形成されている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層させて構成される燃料電池セルの側面に配置され、前記セパレータに燃料及び酸化剤を供給し、前記セパレータから前記燃料極及び前記酸化剤極で生成された生成物と、前記燃料極及び酸化剤極に過剰に供給された燃料又は酸化剤とを排出するための燃料電池用マニホールド構造体であって、
前記燃料電池セルの対向する側面をそれぞれ覆うように配置される一対の上部マニホールドと下部マニホールドとを備えて構成され、
前記上部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記上部マニホールドの内部で前記上部マニホールドに燃料を供給する燃料供給管と連通している燃料供給用流路が、前記燃料供給管が配置されている側から前記セパレータの前記上部マニホールド側の端部に形成された燃料供給孔と対応する位置まで溝状に連続して形成され、
前記下部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記下部マニホールドの内部で前記下部マニホールドから廃液を排出する排出管と連通している排出用流路が、前記セパレータの前記下部マニホールド側の端部に形成された排出孔と対応する位置から前記排出管が配置されている側まで溝状に連続して形成されていることを特徴とする燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項２】
前記燃料供給用流路は、前記燃料供給管が配置されている側から前記燃料供給孔と対応する位置までＬ字状又はＩ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項３】
前記排出用流路は、前記排出孔と対応する位置から前記排出管が配置されている側までＬ字状又はＩ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項４】
前記上部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記上部マニホールドの内部で前記上部マニホールドに酸化剤を供給する酸化剤供給管と連通している酸化剤供給用流路が、前記セパレータの前記上部マニホールド側の端部に形成された酸化剤供給孔と対応する位置に、孔状又は溝状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項５】
前記下部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記下部マニホールドの内部で前記下部マニホールドから廃液を排出する排出管と連通している排出用流路が、前記セパレータの前記下部マニホールド側の端部に形成された酸化剤排出孔と対応する位置に、孔状又は溝状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項６】
前記燃料は液体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用マニホールド構造体を備えた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用マニホールド構造体及び燃料電池に係り、特に、液体燃料を各単位セルの燃料極に直接供給するように構成された燃料電池に適用される外部マニホールド型の燃料電池用マニホールド構造体及びこの燃料電池用マニホールド構造体を備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電技術の分野では、燃料と酸化剤との化学反応による化学反応エネルギーを電気化学エネルギーとして直接的に取り出す装置である燃料電池の開発が活発になっている。燃料電池は、外部より供給される水素を含有する燃料と、酸素を含有する酸化剤とを触媒作用によって電気化学的に反応させて発電を行うものである。この燃料電池は、従来の他の発電システムと比較して、（１）発電効率（エネルギー変換効率）が高く、生成されるエネルギーに対する二酸化炭素の排出量が少ない、（２）内燃機関のように大気汚染の原因となるＮＯｘやＳＯｘを排出しない、（３）内燃機関と比較して振動や騒音などが少ない、等の利点を有している。
【０００３】
前記燃料電池には、電解質の種類により様々なタイプのものがあるが、最近では、電解質として導電性の固体高分子膜を用いる高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）の開発が進められている。この高分子電解質形燃料電池は、高出力密度を具現化でき、また、小型軽量化を可能にするため、コジェネレーションシステムや自動車等の動力源への適用が期待されている。
【０００４】
以下、図１３及び図１４を参照して、従来の燃料電池を説明する。参照する図面において、図１３は、従来の一例の高分子電解質形燃料電池に含まれる単位燃料電池セル（以下、単に「単位セル」という）５０の構成を分解して示す斜視図である。また、図１４は、図１３に示す単位セル５０を、ガスケット６０及びセパレータ７０を介して複数個積層させて構成される燃料電池スタック８０を示す斜視図である。
【０００５】
図１３に示すように、高分子電解質形燃料電池の単位セル５０は、水素イオンを選択的に通過させる電解質膜５１の両側の反応面５１ａ，５１ｂに、触媒層である燃料極５２，酸化剤極５３をそれぞれ形成し、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）として構成されており、単位セル５０の両側の面には、ガスケット６０を介して、複数の単位セル５０を電気的に直列接続するための導電性材料から形成されるセパレータ７０がそれぞれ配置されている。このセパレータ７０は、各単位セル５０に燃料及び酸化剤を供給又は排出する役割を兼ねており、単位セル５０の燃料極５２側の表面には外部から供給された燃料を燃料極５２に供給するための溝状の燃料供給流路７１が形成されており、単位セル５０の酸化剤極５３側の表面には外部から供給された酸化剤を酸化剤極５３に供給するための溝状の酸化剤供給流路（図示せず）が形成されている。
【０００６】
以上のように構成された単位セル５０は、外部から供給された燃料を燃料極５２でイオン化し、燃料極５２で生じた電子を外部に接続された回路を通して酸化剤極５３に受け渡すことにより発電を行う。燃料極５２でイオン化された水素イオンは、電解質膜５１を通過して酸化剤極５３に到達し、酸化剤極５３で酸素と反応して水を生成する。
【０００７】
そして、図１４に示すように、一対のエンドプレート８１，８１間に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）である単位セル５０を、ガスケット６０及びセパレータ７０を介して交互に積層することによって、燃料電池スタック８０が構成される。このように、複数個の単位セル５０を直列に接続することにより、高い出力（電圧）を得ることができる。
【０００８】
ここでは、図１４のように構成された燃料電池スタック８０の各セパレータ７０に燃料及び酸化剤を供給又は排出する流路を有する構造をマニホールド構造という。このマニホールド構造には、前記流路を各単位セル５０、ガスケット６０及びセパレータ７０を貫通するように形成した内部マニホールド型と、各セパレータ７０の側面に箱状の流路を取り付けた外部マニホールド型とがある。なお、例えば、燃料にメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を用いる場合は、メタノールを燃料電池スタック８０の外部に設けた図示しない改質器において水素リッチなガスに改質した後に、この水素リッチなガスを、前記マニホールド構造を有するマニホールド構造体からセパレータ７０を介して各単位セル５０に供給している。
【０００９】
そして、近年では、燃料を前記改質器で水素に改質することなく、メタノール、エタノール、水素化ホウ素錯化合物等の液体燃料を、各単位セルの燃料極に直接供給するように構成した燃料電池の開発が進められている。このように構成された燃料電池（以下、「ダイレクト形燃料電池」という）は、前記改質器を必要としないため、（１）エネルギー変換効率を高めることができる、（２）この燃料電池を用いた装置全体の小型化を図ることができる、等の利点を有している。
【００１０】
このダイレクト形燃料電池は、燃料を液体で燃料極に直接供給すること以外は、前記従来の一例の高分子電解質形燃料電池とほぼ同様に構成することができる。例えば、燃料として、水素化ホウ素錯化合物である水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を用いる場合は、燃料極では、外部から燃料として水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が溶解した水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が供給されると、下記の式（１）に示すように、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とが触媒作用により反応して、酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、電子（ｅ−）が生成する。燃料極で生成したナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、電解質膜を透過して酸化剤極に移動し、電子は外部に接続された回路を通して酸化剤極に受け渡される。
【００１１】
ＮａＢＨ４＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ２＋６Ｈ２Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−……（１）
【００１２】
そして、酸化剤極では、下記の式（２）に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素（Ｏ２）及び水（Ｈ２Ｏ）と、燃料極から移動してきたナトリウムイオン（Ｎａ＋）とが触媒作用により反応して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を生成する。
【００１３】
２Ｏ２＋４Ｈ２Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−→８ＮａＯＨ……（２）
【００１４】
したがって、ダイレクト形燃料電池の全体の反応としては、下記の式（３）に示すように、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が酸素（Ｏ２）と反応して、酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）が生成する反応が生じる。
【００１５】
ＮａＢＨ４＋２Ｏ２→ＮａＢＯ２＋２Ｈ２Ｏ……（３）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したようなダイレクト形燃料電池では、例えば、燃料に水素化ホウ素錯化合物である水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を用いた場合は、燃料極で酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）が発生するため、その酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）が燃料極の機能を阻害し、出力電圧が低下するという問題があった。特に、マニホールド構造を前記内部マニホールド型とする場合は、単位セルの燃料極で発生した酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）が各セパレータの内部に滞留すると燃料電池の出力電圧が低下しやすくなる。
【００１７】
また、図１５に示すように、各セパレータ内に滞留した酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）を排出しやすくするために、セパレータ９０の一端部（図中上側）９０ａに燃料供給用の管９１と酸化剤供給用の管９２を設け、他端部（図中下側）９０ｂに燃料排出用の管９３と酸化剤排出用の管９４を設けることが考えられる。しかし、その場合は、管９１〜９４は、セパレータ９０の端部９０ａ，９０ｂに溶接又は接着によって接合させることとなるので、セパレータ９０の幅Ｗを厚くする必要があり、その結果として、このようなセパレータ９０を用いて構成される燃料電池スタックは大型化するという問題が生じる。特に、ダイレクト形燃料電池では、その用途から、さらなる小型化が求められているため、燃料電池スタックが大型化することは、ダイレクト形燃料電池の使用目的に反しており、好ましいことではない。
【００１８】
前記問題点を解決するために、本発明は、燃料極及び酸化剤極で発生した生成物を各セパレータからより効果的に排出することができ、かつ、燃料電池スタックの小型化を図ることができる燃料電池用マニホールド構造体及びこの燃料電池用マニホールド構造体を備えた燃料電池を提供することを目的とする。また、本発明の燃料電池用マニホールド構造体は、液体燃料を各単位セルの燃料極に直接供給するように構成された燃料電池に適用されることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層させて構成される燃料電池セルの側面に配置され、前記セパレータに燃料及び酸化剤を供給し、前記セパレータから前記燃料極及び前記酸化剤極で生成された生成物と、前記燃料極及び酸化剤極に過剰に供給された燃料又は酸化剤とを排出するための燃料電池用マニホールド構造体であって、前記燃料電池セルの対向する側面をそれぞれ覆うように配置される一対の上部マニホールドと下部マニホールドとを備えて構成され、前記上部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記上部マニホールドの内部で前記上部マニホールドに燃料を供給する燃料供給管と連通している燃料供給用流路が、前記燃料供給管が配置されている側から前記セパレータの前記上部マニホールド側の端部に形成された燃料供給孔と対応する位置まで溝状に連続して形成され、前記下部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記下部マニホールドの内部で前記下部マニホールドから廃液を排出する排出管と連通している排出用流路が、前記セパレータの前記下部マニホールド側の端部に形成された排出孔と対応する位置から前記排出管が配置されている側まで溝状に連続して形成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体において、前記燃料供給用流路は、前記燃料供給管が配置されている側から前記燃料供給孔と対応する位置までＬ字状又はＩ字状に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体において、前記排出用流路は、前記排出孔と対応する位置から前記排出管が配置されている側までＬ字状又はＩ字状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項４に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体において、前記上部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記上部マニホールドの内部で前記上部マニホールドに酸化剤を供給する酸化剤供給管と連通している酸化剤供給用流路が、前記セパレータの前記上部マニホールド側の端部に形成された酸化剤供給孔と対応する位置に、孔状又は溝状に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項５に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体において、前記下部マニホールドの前記燃料電池セル側の面には、前記下部マニホールドの内部で前記下部マニホールドから廃液を排出する排出管と連通している排出用流路が、前記セパレータの前記下部マニホールド側の端部に形成された酸化剤排出孔と対応する位置に、孔状又は溝状に形成されていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項６に記載の燃料電池用マニホールド構造体は、請求項１に記載の燃料電池用マニホールド構造体において、前記燃料は液体燃料であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項７に記載の燃料電池は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用マニホールド構造体を備えたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態では、各単位セルの燃料極に直接供給される液体燃料として、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が溶解した水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液（以下、単に「水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液」という）を用いる場合を想定している。液体燃料に水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液を用いる場合は、［従来の技術］の欄で説明したように、各単位セルの燃料極では酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）と水が生成し、酸化剤極では水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が生成する。
【００２７】
まず、本発明に係る燃料電池用マニホールド構造体（以降、「外部マニホールド構造体」という）１０及びこの外部マニホールド構造体１０が適用される燃料電池セル１００の構成を、主に図１及び図２を参照しながら説明する。参照する図面において、図１は、本発明に係る外部マニホールド構造体１０の構成を分解して示す斜視図である。また、図２は、図１に示す外部マニホールド構造体１０を燃料電池セル１００に取り付けた状態を示す斜視図である。また、図３は燃料電池セル１００に含まれるセパレータ１１０の外観を示す斜視図であり、（ａ）は単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）側から見た図であり、（ｂ）は単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）側から見た図である。
【００２８】
（燃料電池セル１００の構成）
図１及び図２に示すように、燃料電池セル１００は、後記するセパレータ１１０（図３参照）を介して複数個積層させた単位セル５０（図１３参照）を、一対のエンドプレート４１，４２で挟持するように構成されている。具体的には、複数の単位セル５０とセパレータ１１０は、単位セル５０及びセパレータ１１０の４隅に形成された貫通孔（図示せず）に挿通されたボルト４３（図２参照）によって、エンドプレート４１，４２に適当な面圧で締め付けて固定されている。なお、単位セル５０の各部の構成は、前記したように、従来の燃料電池の単位セル５０と同様とすることができるので、ここではその説明を省略する。
【００２９】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ１１０の一端部（図中上側）１１０ａには、外部から燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が供給される燃料供給孔１１１と、外部から酸化剤（酸素、水）が供給される酸化剤供給孔１１２とが形成されている。なお、セパレータ１１０の一端部１１０ａは、後記する上部マニホールド２０側の端部となる。
【００３０】
また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ１１０の他端部（図中下側）１１０ｂには、単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）で生成された生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）と、燃料供給孔１１１からセパレータ１１０に過剰に供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）とをセパレータ１１０から排出する燃料排出孔１１３が形成されている。また、他端部１１０ｂには、単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）で生成された生成物（水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ））と、酸化剤供給孔１１２からセパレータ１１０に過剰に供給された酸化剤（酸素、水）とをセパレータ１１０から排出する酸化剤排出孔１１４が形成されている。なお、セパレータ１１０の他端部１１０ｂは、後記する下部マニホールド３０側の端部となる。
【００３１】
そして、図３（ａ）に示すように、セパレータ１１０における単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）側の表面１１０ｃには、燃料供給孔１１１から供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）を、セパレータ１１０の表面１１０ｃ上に分散させて流す溝状の細長い燃料供給流路１１５が形成されている。この燃料供給流路１１５は、連続してコの字状に折り曲げた形状に形成されており、燃料供給流路１１５上を流れる燃料を、単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）に接触させて供給している。
【００３２】
また、図３（ｂ）に示すように、セパレータ１１０における単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）側の表面１１０ｄには、酸化剤供給孔１１２から供給された酸化剤（酸素、水）を、セパレータ１１０の表面１１０ｄ上に分散させて流す溝状の細長い酸化剤供給流路１１６が形成されている。この酸化剤供給流路１１６は、連続してコの字状に折り曲げた形状に形成されており、酸化剤供給流路１１６上を流れる酸化剤を、単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）に接触させて供給している。なお、表面１１０ｃに形成される燃料供給流路１１５（図３（ａ）参照）と、表面１１０ｄに形成される酸化剤供給流路１１６（図３（ｂ）参照）は、互いに直交する方向に形成されている。
【００３３】
また、燃料電池セル１００の左右の終端に配置されるセパレータ１１０では、エンドプレート４１，４２側の面には燃料供給流路１１５又は酸化剤供給流路１１６は形成されない。なお、燃料電池セル１００の左右の終端に配置されるセパレータ１１０では、その一方の面に燃料供給流路１１５が形成されている場合は、燃料供給孔１１１及び燃料排出孔１１３のみが形成されており、その一方の面に酸化剤供給流路１１６が形成されている場合は、酸化剤供給孔１１２及び酸化剤排出孔１１４のみが形成されている。
【００３４】
さらに、図３（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ１１０の一端部１１０ａ及び他端部１１０ｂには、係合孔１１７が、それぞれ２ヶ所づつ形成されている。この係合孔１１７は、詳細については後記するが、このセパレータ１１０を含んで構成される燃料電池セル１００に上部マニホールド２０及び下部マニホールド３０を取り付けた際に、燃料電池セル１００（図１参照）と上部マニホールド２０との位置決め及び燃料電池セル１００と下部マニホールド３０との位置決めをするための係合部材４７（図８参照）が係合される。なお、係合孔１１７は、特定のセパレータ１１０のみに形成されていればよい。
【００３５】
（外部マニホールド構造体１０の構成）
図１及び図２に示すように、外部マニホールド構造体１０は、上部マニホールド２０と下部マニホールド３０とから構成されており、上部マニホールド２０及び下部マニホールド３０は、ガスケット４４，４５を介して、燃料電池セル１００の対向する側面をそれぞれ覆うように配置される。なお、上部マニホールド２０及び下部マニホールド３０は、セパレータ１１０（図３（ａ），（ｂ）参照）に供給又は排出される燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）、酸化剤（酸素、水）及び生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ））が漏れることを防ぐために、ボルト４６（図２参照）によって、燃料電池セル１００の側面に適当な面圧で締め付けて固定されている。なお、上部マニホールド２０と下部マニホールド３０は、ここでは同一の形状に形成されているので、上部マニホールド２０と下部マニホールド３０とについては、図４〜図８を用いてそれぞれ説明する。
【００３６】
図４は、図１及び図２に示した上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の外観を示す斜視図である。また、図５及び図６は、図４に示した上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の縦断面図であり、図５（ａ）は図４におけるＡ−Ａ線断面図、図５（ｂ）は図４におけるＢ−Ｂ線断面図、図５（ｃ）は図４におけるＣ−Ｃ線断面図、図５（ｄ）は図４におけるＤ−Ｄ線断面図、図５（ｅ）は図４におけるＥ−Ｅ線断面図、図６は、図４におけるＥ−Ｅ線断面図である。また、図７は、上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の下面２０ｄ（上面３０ｄ）にガスケット４４，４５を設置した状態を示す斜視図である。また、図８は、上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）を燃料電池セル１００に取り付ける状態を示す斜視図である。
【００３７】
（上部マニホールド２０の構成）
図４に示すように、上部マニホールド２０は箱状に形成されており、上部マニホールド２０の一方の端部２０ａ（図中右側）には、外部より燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が供給される燃料供給管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅが設けられている。同様に、上部マニホールド２０の他方の端部２０ｂ（図中左側）には、燃料供給管２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ，２１ｉ，２１ｊが設けられている。また、上部マニホールド２０の一方の側部２０ｃ（図中手前側）には、外部より酸化剤（酸素、水）が供給される酸化剤供給管２２ａ，２２ｂ，……，２１ｊが設けられている。
【００３８】
上部マニホールド２０の下面２０ｄには、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、上部マニホールド２０の内部で燃料供給管２１ａ，２１ｂ，……，２１ｊとそれぞれ連通している燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｊが形成されている。なお、ここでいう下面２０ｄとは、上部マニホールド２０における燃料電池セル１００側の面のことをいう。この燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｊは、図４に示すように、燃料供給管２１ａ，２１ｂ，……，２１ｊから供給された燃料を下面２０ｄにおける上部マニホールド２０の他方の側部（図中奥側）２０ｅの方へそれぞれ誘導するようにＬ字状又はＩ字状に形成されている。
【００３９】
また、上部マニホールド２０の下面２０ｄには、図７に示すように、セパレータ１１０（図３（ａ），（ｂ）参照）に供給される燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）及び酸化剤（酸素、水）が外部に漏れるのを防ぐために、ガスケット４４が設置されている。ガスケット４４は、前記した上部マニホールド２０の燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｊの端部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，……，Ｐ２ｊ（図９参照。なお、図９ではＰ２ｅまでしか図示していない）と対応する位置に、孔４４ａがそれぞれ形成されている。また、ガスケット４４は、前記した上部マニホールド２０の酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊ（図４参照）と対応する位置に、孔４４ｂがそれぞれ形成されている。また、上部マニホールド２０の下面２０ｄの係合孔２５（図４参照）と対応する位置に、孔４４ｃが形成されている。
【００４０】
図９は、燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅに、燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が流れる様子を示す拡大斜視図である。図９に示すように、燃料供給管２１ａ，２１ｂ，……，２１ｅから燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅに供給された燃料（図中でハッチングした部分）は、それぞれの燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅにおいて、燃料供給管２１ａ〜２１ｅ側の端部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，……，Ｐ１ｅから、他方側の端部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，……，Ｐ２ｅへそれぞれ誘導される。例えば、燃料供給溝２３ａでは、燃料供給管２１ａから供給された燃料を、燃料供給管２１ａ側の端部Ｐ１ａから、他方側の端部Ｐ２ａへ誘導している。なお、図９では、燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅのみを示しているが、燃料供給溝２３ｆ，２３ｇ，……，２３ｊも同様に構成されている。
【００４１】
燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅに供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が最終的に誘導される端部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，……，Ｐ２ｊは、図８に示すように、上部マニホールド２０を燃料電池セル１００に取り付けた際に、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０の燃料供給孔１１１（図３参照）の位置と対応する位置に設定されている。したがって、上部マニホールド２０は、燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｊの端部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，……，Ｐ２ｊから、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０の燃料供給孔１１１に燃料を供給することができる。
【００４２】
また、図４に示すように、上部マニホールド２０の下面２０ｄにおける一方の側部２０ｃの方には、上部マニホールド２０の内部で酸化剤供給管２２ａ，２２ｂ，……，２２ｊとそれぞれ連通している酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊが一列に穿設されている（図６参照）。なお、図６では、酸化剤供給孔２４ａが上部マニホールド２０の内部で酸化剤供給管２２ａと連通している様子を示しているが、酸化剤供給孔２４ｂ，２４ｃ，……，２４ｊについても、酸化剤供給孔２４ａと同様に、上部マニホールド２０の内部で酸化剤供給管２２ｂ，２２ｃ，……，２２ｊとそれぞれ連通している。
【００４３】
そして、酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊの位置は、図８に示すように、上部マニホールド２０を燃料電池セル１００に取り付けた際に、燃料電池セル１００に含まれる各セパレータ１１０の酸化剤供給孔１１２の位置と対応する位置に設定されている。したがって、上部マニホールド２０は、酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊから、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０の酸化剤供給孔１１２に、酸化剤（酸素、水）を供給することができる。
【００４４】
また、図４に示すように、上部マニホールド２０の下面２０ｄには、上部マニホールド２０を燃料電池セル１００に取り付ける際に（図８参照）、上部マニホールド２０と燃料電池セル１００との位置決めをするための係合部材４７と係合する係合孔２５が、一方の側部２０ｃ側と他方の側部２０ｅ側の２ヶ所に形成されている。したがって、図８に示すように、上部マニホールド２０を燃料電池セル１００に取り付ける際に、セパレータ１１０の係合孔１１７（図３（ａ），（ｂ）参照）に係合された係合部材４７を、上部マニホールド２０の下面２０ｄの係合孔２５に係合させることにより、上部マニホールド２０と燃料電池セル１００の位置決めをすることができるようになっている。
【００４５】
（下部マニホールド３０の構成）
図４に示すように、下部マニホールド３０は箱状に形成されており、下部マニホールド３０の一方の端部３０ａ（図中右側）には、燃料電池セル１００の各単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）で生成された生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）と、上部マニホールド２０から燃料電池セル１００の各セパレータ１１０（図３参照）に過剰に供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）を外部に排出する燃料排出管３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅが設けられている。同様に、下部マニホールド３０の他方の端部３０ｂ（図中左側）には、燃料排出管３１ｆ，３１ｇ，３１ｈ，３１ｉ，３１ｊが設けられている。また、下部マニホールド３０の一方の側部３０ｃ（図中手前側）には、燃料電池セル１００の各単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）で生成された水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び上部マニホールド２０から燃料電池セル１００の各セパレータ１１０（図３参照）に過剰に供給された酸化剤（酸素、水）を外部に排出する酸化剤排出管３２ａ，３２ｂ，……，３２ｊが設けられている。
【００４６】
下部マニホールド３０の上面３０ｄには、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、下部マニホールド２０の内部で燃料排出管３１ａ，３１ｂ，……，３１ｊとそれぞれ連通している燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊが形成されている。なお、ここでいう上面３０ｄとは、下部マニホールド３０における燃料電池セル１００側の面のことをいう。この燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊは、図４に示すように、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０（図３（ａ），（ｂ）参照）から排出された生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）と、燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）を、上面３０ｄにおける下部マニホールド３０の他方の側部（図中奥側）３０ｅの方へそれぞれ誘導するようにＬ字状又はＩ字状に形成されている。
【００４７】
また、下部マニホールド３０の上面３０ｄには、図７に示すように、セパレータ１１０（図３（ａ），（ｂ）参照）から排出される生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）、燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）及び酸化剤（酸素、水）が外部に漏れるのを防ぐために、ガスケット４５が設置されている。ガスケット４５は、前記した下部マニホールド３０の燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊの端部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，……，Ｐ３ｊ（図１０参照。なお、図９ではＰ３ｅまでしか図示していない）と対応する位置に、孔４５ａがそれぞれ形成されている。また、ガスケット４５は、前記した下部マニホールド３０の酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊ（図４参照）と対応する位置に、孔４５ｂがそれぞれ形成されている。また、下部マニホールド３０の上面３０ｄの係合孔３５（図４参照）と対応する位置に、孔４５ｃが形成されている。
【００４８】
図１０は、燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅに、生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）及び燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が流れる様子を示す拡大斜視図である。図１０に示すように、セパレータ７０の燃料排出孔７３（図３（ａ）参照）から、燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅに排出された生成物及び燃料（図中でハッチングした部分）は、それぞれの燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅにおいて、セパレータ１１０の燃料排出孔１１３側の端部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，……，Ｐ３ｅから、他方側の端部Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，……，Ｐ４ｅへそれぞれ誘導される。例えば、燃料排出溝３３ａでは、セパレータ１１０の燃料排出孔１１３から排出された生成物及び燃料を、セパレータ１１０の燃料排出孔１１３側の端部Ｐ３ａから、燃料排出管３１側の端部Ｐ４ａへ誘導している。なお、図１０では、燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅのみを示しているが、燃料排出溝３３ｆ，３３ｇ，……，３３ｊも同様に構成されている。
【００４９】
燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅから排出された生成物及び燃料が最終的に誘導される端部Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，……，Ｐ４ｊは、図８に示すように、下部マニホールド３０を燃料電池セル１００に取り付けた際に、燃料電池セル１００に含まれる各セパレータ１１０の燃料排出孔１１３（図３参照）の位置と対応する位置に設定されている。したがって、下部マニホールド３０は、燃料電池セル１００に含まれる各セパレータ１１０の燃料排出孔１１３から生成物及び燃料を、燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊに排出させることができる。
【００５０】
また、図４に示すように、下部マニホールド３０の上面３０ｄにおける一方の側部３０ｃの方には、上部マニホールド２０の内部で酸化剤排出管３２ａ，３２ｂ，……，３１ｊとそれぞれ連通している酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊが一列に穿設されている（図６参照）。なお、図６では、酸化剤排出孔３４ａが下部マニホールド３０の内部で酸化剤排出管３２ａと連通している様子を示しているが、酸化剤排出孔３４ｂ，３４ｃ，……，３４ｊについても、酸化剤排出孔３４ａと同様に、下部マニホールド３０の内部で酸化剤排出管３２ｂ，３２ｃ，……，３２ｊとそれぞれ連通している。
【００５１】
そして、酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊの位置は、図８に示すように、下部マニホールド３０を燃料電池セル１００に取り付けた際に、燃料電池セル１００の各セパレータ１１０の酸化剤排出孔１１４の位置と対応する位置に設定されている。したがって、下部マニホールド３０は、酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊから、燃料電池セル１００の各単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）で生成された生成物（水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ））と、上部マニホールド２０から燃料電池セル１００の各セパレータ１１０（図３参照）に過剰に供給された酸化剤（酸素、水）とを、外部に排出することができる。
【００５２】
また、図４に示すように、下部マニホールド３０の上面３０ｄには、下部マニホールド３０を燃料電池セル１００に取り付ける際に（図７参照）、下部マニホールド３０と燃料電池セル１００との位置決めをするための係合部材４７と係合する係合孔３５が、一方の側部３０ｃ側と他方の側部３０ｅ側の２ヶ所に形成されている。したがって、図８に示すように、下部マニホールド３０を燃料電池セル１００に取り付ける際に、セパレータ１１０の係合孔１１７（図３（ａ），（ｂ）参照）に係合された係合部材４７を、下部マニホールド３０の上面３０ｄの係合孔３５に係合させることにより、下部マニホールド３０と燃料電池セル１００の位置決めをすることができるようになっている。
【００５３】
次に、以上のように構成された外部マニホールド構造体１０を燃料電池セル１００に取り付けて構成された燃料電池の発電時の動作について説明する。
【００５４】
まず、発電時には、上部マニホールド２０の燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｊの端部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，……，Ｐ２ｊ（図９参照）から、各セパレータ１１０の燃料供給孔１１１（図３（ａ）参照）に、燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）をそれぞれ供給する。同様に、上部マニホールド２０の酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊから、各セパレータ１１０の酸化剤供給孔１１２（図３（ｂ）参照）に、酸化剤である酸素をそれぞれ供給する。
【００５５】
セパレータ１１０から単位セル５０の燃料極５２（図１３参照）に燃料として水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が溶解した水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）が供給されると、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とが触媒作用により反応して、酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水、ナトリウムイオン、電子が生成する。燃料極５２で生成したナトリウムイオンは、電解質膜５１（図１３参照）を透過して酸化剤極に移動し、電子は外部に接続された回路（図示せず）を通して酸化剤極に受け渡される。また、単位セル５０の酸化剤極５３（図１３参照）では、セパレータ１１０から酸化剤として供給された酸素（Ｏ２）及び水（Ｈ２Ｏ）と、燃料極から移動してきたナトリウムイオン（Ｎａ＋）とが触媒作用により反応して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を生成する。
【００５６】
そして、単位セル５０の燃料極５２で生成された生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）及びセパレータ１１０から燃料極５２に過剰に供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）は、セパレータ１１０の燃料排出孔１１３（図３（ａ）参照）から、下部マニホールド３０の燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｊにそれぞれ排出される。
【００５７】
同様に、単位セル５０の酸化剤極５３で生成された生成物（水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ））及びセパレータ１１０から酸化剤極５３に過剰に供給された酸化剤（酸素、水）は、セパレータ１１０の酸化剤排出孔１１４（図３（ｂ）参照）から、下部マニホールド３０の酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊにそれぞれ排出される。
【００５８】
以上のようにして、本発明に係る外部マニホールド構造体１０は、発電時に、燃料電池セル１００の各単位セル５０の燃料極５２及び酸化剤極５３に燃料又は酸化剤を供給することができる。また、各単位セル５０の燃料極５２で生成された生成物（酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＯ２）、水）、燃料極５２に過剰に供給された燃料（水素化ホウ素ナトリウム含有水溶液）、酸化剤極５３で生成された生成物（水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ））及び酸化剤極５３に過剰に供給された酸化剤（（酸素、水）を外部に排出させることができる。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく限りにおいて、種々の変形が可能である。
【００６０】
例えば、本実施の形態では、図４に示すように、上部マニホールド２０の酸化剤供給孔２４ａ，２４ｂ，……，２４ｊ及び下部マニホールド３０の酸化剤排出孔３４ａ，３４ｂ，……，３４ｊを孔状に形成したが、図１１に示すように、孔の代わりに溝状に形成することができる。なお、その際は、ガスケット４４（４５）は、孔４４ｂ（４５ｂ）の代わりに溝４４ｄ（４５ｄ）を形成する。
【００６１】
また、その際は、図１１に示すように、酸化剤供給管２２，２２を上部マニホールド２０の端部２０ａ，２０ｂに設けることができる。なお、図１１では、上部マニホールド２０の端部２０ａに設けられた酸化剤供給管２２のみを表示している。同様に、酸化剤排出管３２，３２を下部マニホールド３０の端部３０ａ，３０ｂに設けることができる。なお、図１１では、下部マニホールド３０の端部３０ａに設けられた酸化剤排出管３２のみを表示している。このようにすると、外部マニホールド構造体１０のさらなる小型化を図ることができる。
【００６２】
さらに、その際は、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ１１０の燃料供給孔１１１、酸化剤供給孔１１２、燃料排出孔１１３及び酸化剤排出孔１１４を、孔の代わりに溝状に形成することができる。このようにすると、セパレータ１１０への燃料及び酸化剤の供給や、セパレータ１１０からの燃料及び酸化剤の排出を容易に行うことができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、燃料極及び酸化剤極で発生した生成物を各セパレータからより効果的に排出することができ、かつ、燃料電池スタックの小型化を図ることができる燃料電池用マニホールド構造体及びこの燃料電池用マニホールド構造体を備えた燃料電池を提供することができる。
【００６４】
本発明の燃料電池用マニホールド構造体によれば、燃料極及び酸化剤極で発生した生成物を各セパレータからより効果的に排出することができるので、液体燃料を各単位セルの燃料極に直接供給するように構成された燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外部マニホールド構造体１０の構成を分解して示す斜視図である。
【図２】図１に示す外部マニホールド構造体１０を燃料電池セル１００に取り付けた状態を示す斜視図である。
【図３】燃料電池セル１００に含まれるセパレータ１１０の外観を示す斜視図であり、（ａ）は単位セルの燃料極側から見た図であり、（ｂ）は単位セルの酸化剤極側から見た図である。
【図４】図１及び図２に示した上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の外観を示す斜視図である。
【図５】図４に示した上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の縦断面図であり、（ａ）は図４におけるＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図４におけるＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図４におけるＣ−Ｃ線断面図、（ｄ）は図４におけるＤ−Ｄ線断面図、（ｅ）は図４におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図６】図４におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図７】上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の下面２０ｄ（上面３０ｄ）にガスケット４４，４５を設置した状態を示す斜視図である。
【図８】上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）を燃料電池セル１００に取り付ける状態を示す斜視図である。
【図９】上部マニホールド２０の燃料供給溝２３ａ，２３ｂ，……，２３ｅに、燃料が流れる様子を示す拡大斜視図である。
【図１０】下部マニホールド３０の燃料排出溝３３ａ，３３ｂ，……，３３ｅに、生成物及び燃料が流れる様子を示す拡大斜視図である。
【図１１】上部マニホールド２０（下部マニホールド３０）の変形例を示す斜視図である。
【図１２】セパレータ１１０の変形例を示す斜視図である。
【図１３】従来の一例の高分子電解質形燃料電池の単位燃料電池セルの構成を分解して示す斜視図である。
【図１４】図１３に示す単位セル５０を、ガスケット６０及びセパレータを介して複数個積層させて構成される燃料電池セルを示す斜視図である。
【図１５】セパレータの両端部に、燃料供給用、酸化剤供給用、燃料排出用及び酸化剤排出用の管を設けた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０　　燃料電池用マニホールド構造体（外部マニホールド構造体）
２０　　上部マニホールド
２１　　燃料供給管
２２　　酸化剤供給管
２３　　燃料供給溝
２４　　酸化剤供給孔
３０　　下部マニホールド
３０ｄ　上面
３０ｅ　側部
３１　　燃料排出管
３２　　酸化剤排出管
３３　　燃料排出溝
３４　　酸化剤排出孔
４４　　ガスケット
４５　　ガスケット
１００　燃料電池セル
１１０　セパレータ
【図１】
2004071414.tif 000003
【図２】
2004071414.tif 000004
【図３】
2004071414.tif 000005
【図４】
2004071414.tif 000006
【図５】
2004071414.tif 000007
【図６】
2004071414.tif 000008
【図７】
2004071414.tif 000009
【図８】
2004071414.tif 000010
【図９】
2004071414.tif 000011
【図１０】
2004071414.tif 000012
【図１１】
2004071414.tif 000013
【図１２】
2004071414.tif 000014
【図１３】
2004071414.tif 000015
【図１４】
2004071414.tif 000016
【図１５】
2004071414.tif 000017