(57)【要約】【課題】  燃料電池の各ガス通路に対する反応ガスの分配性を改善することのできる燃料電池及びその集電板を提供する。【解決手段】  燃料電池の集電板１０には、電解質膜に積層される積層面に反応ガスの流れるガス通路５０が形成されるとともに、そのガス通路に反応ガスを分配供給するための供給孔６１と同ガス通路５０の反応ガスを排出するための排出孔６２とが形成される。各集電板１０が電解質膜を挟んで複数積層された状態において、供給孔６１が集合することにより供給マニホルドが形成され、排出孔６２が集合することにより排出マニホルドが形成される。ガス通路５０は集電板１０の端部で折り返す形状を有し、排出孔６２の開口面積は供給孔６１の開口面積よりも大きく設定されるとともに、折り返し部分５０Ｂより下流側の通路断面積が同折り返し部分５０Ｂより上流側の通路断面積よりも小さく設定される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応電極が設けられた電解質膜に積層される積層面に反応ガスの流れるガス通路が形成されるとともに、そのガス通路に反応ガスを分配供給するための供給マニホルド形成用の供給孔と同ガス通路の反応ガスを排出するための排出マニホルド形成用の排出孔とがそれぞれ形成される燃料電池の集電板において、
前記ガス通路は集電板の端部で折り返す形状を有し、前記排出孔の前記集電板における開口面積ＳＡ１が前記供給孔の前記集電板における開口面積ＳＡ２よりも大きく設定されるとともに、折り返し部分より下流側の通路断面積ＳＡ３が同折り返し部分より上流側の通路断面積ＳＡ４よりも小さく設定されてなる
ことを特徴とする燃料電池の集電板。
【請求項２】
集電板は矩形状をなし、前記供給孔及び前記排出孔は集電板の一端部に形成されるとともに、その一端部において前記供給孔及び前記排出孔の間には冷却水が通過する冷却水孔が形成されてなる
請求項１記載の燃料電池の集電板。
【請求項３】
前記上流側の通路における集電板の端部側の側面の延長上に前記供給孔における前記冷却水孔と反対側の内面が形成されるとともに、同上流側の通路における集電板の端部と反対側の側面の延長上に前記冷却水孔における前記供給孔と反対側の内面が形成されてなる
請求項２記載の燃料電池の集電板。
【請求項４】
前記供給孔及び前記排出孔の断面形状が長方形に形成されるとともに、前記供給孔及び前記排出孔の形成される集電板の前記一端部側の辺に対して垂直となる同供給孔及び同排出孔の辺の長さが互いに等しい
請求項３記載の燃料電池の集電板。
【請求項５】
前記排出孔及び前記供給孔の各開口面積ＳＡ１，ＳＡ２の比（ＳＡ１／ＳＡ２）が１．０＜（ＳＡ１／ＳＡ２）＜３．０の範囲に設定される
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池の集電板。
【請求項６】
前記排出孔近傍の部分が格子状の通路として形成されるとともに、それ以外の部分の少なくとも一部が複数の独立した通路として形成される
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池の集電板。
【請求項７】
前記ガス通路の下流側通路断面積ＳＡ３と前記上流側通路断面積ＳＡ４との比（ＳＡ３／ＳＡ４）が０．３＜（ＳＡ３／ＳＡ４）＜１．０の範囲に設定される
請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池の集電板。
【請求項８】
前記電解質膜に積層される両側の積層面の一方には燃料ガス通路が、他方には酸化剤ガス通路がそれぞれ前記ガス通路として形成されるとともに、前記供給孔としての燃料ガス供給孔及び酸化剤ガス供給孔並びに前記排出孔としての燃料ガス排出孔及び酸化剤ガス排出孔がそれぞれ形成され、前記冷却水孔としての冷却水供給孔及び冷却水排出孔がそれぞれ形成され、前記燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路は集電板の二等分割線回りに対称的な形状を有し、且つ前記燃料ガス供給孔及び前記酸化剤ガス供給孔、前記燃料ガス排出孔及び前記酸化剤ガス排出孔、並びに前記冷却水供給孔及び前記冷却水排出孔がそれぞれ前記二等分割線について対称的な位置に形成されてなる
請求項２乃至７のいずれかに記載の燃料電池の集電板。
【請求項９】
反応電極が設けられた電解質膜と集電板とが複数積層されてなる積層体を備え、同積層体の内部に、前記電解質膜及び前記集電板間に形成された各ガス通路に反応ガスを分配供給する供給マニホルドと同ガス通路の反応ガスが排出される排出マニホルドとが同積層体の積層方向に沿って形成される燃料電池において、
前記ガス通路は、前記電解質膜が積層される前記集電板の積層面に同集電板の端部で折り返す形状を有して形成され、前記排出マニホルドの通路断面積ＳＢ１が前記供給マニホルドの通路断面積ＳＢ２よりも大きく設定されるとともに、折り返し部分より下流側の通路断面積ＳＢ３が同折り返し部分より上流側の通路断面積ＳＢ４よりも小さく設定されてなる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
集電板は矩形状をなし、前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドは集電板の一端部に形成されるとともに、その一端部において前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの間には冷却水が通過する冷却水マニホルドが形成されてなる
請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記上流側の通路における集電板の端部側の側面の延長上に前記供給マニホルドにおける前記冷却水マニホルドと反対側の内面が形成されるとともに、同上流側の通路における集電板の端部と反対側の側面の延長上に前記冷却水マニホルドにおける前記供給マニホルドと反対側の内面が形成されてなる
請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの断面形状が長方形に形成されるとともに、前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの形成される集電板の前記一端部側の辺に対して垂直となる同供給マニホルド及び同排出マニホルドの辺の長さが互いに等しい
請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
各マニホルドの通路断面積ＳＢ１，ＳＢ２の比（ＳＢ１／ＳＢ２）が１．０＜（ＳＢ１／ＳＢ２）＜３．０の範囲に設定される
請求項９乃至１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記排出マニホルドとの連通部分の近傍が格子状の通路として形成されるとともに、それ以外の部分の少なくとも一部が複数の独立した通路として形成される
請求項９乃至１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記積層体は前記電解質膜及び前記集電板が重力方向と垂直な方向に複数積層されてなる
請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記ガス通路の下流側通路断面積ＳＡ３と前記上流側通路断面積ＳＢ４との比（ＳＢ３／ＳＢ４）が０．３＜（ＳＢ３／ＳＢ４）＜１．０の範囲に設定される
請求項９乃至１５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、反応電極が設けられた電解質膜と集電板とが複数積層されてなる積層体を備え、同積層体の内部に、これら電解質膜及び集電板間に形成された各ガス通路に反応ガスを分配供給する供給マニホルドと同ガス通路の反応ガスが排出される排出マニホルドとが形成される燃料電池、及び上記ガス通路と、各マニホルド形成用の供給孔及び排出孔とが形成される燃料電池の集電板に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、単電池（セル）を複数積層したスタック構造の積層体を備えて構成されている。このセルは反応電極が両側の面に設けられた電解質膜と同電解質膜の両側に積層される集電板とからなり、同集電板の電解質膜に積層される面には燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスを流すためのガス通路が形成されている。また、上記積層体の内部には、その積層方向に沿って延びる供給マニホルド及び排出マニホルドが設けられており、これら各マニホルドと集電板のガス通路との間で反応ガスの給排が行われる。これら各マニホルドは、例えば特許文献１に記載されるように、各集電板のそれぞれ対応する位置に形成された複数の孔を直列に集合させた通路として構成されている。
【０００３】
こうした燃料電池において、供給マニホルドの入り口からその内部に供給された反応ガスは、まず集電板に形成された供給マニホルド形成用の供給孔を通じて各セルのガス通路にそれぞれ分配供給される。各ガス通路に分配供給された反応ガスは、同ガス通路を流れた後、集電板に形成された排出マニホルド形成用の排出孔を通じて排出マニホルドに排出される。そして、このように各セルのガス通路に反応ガスが流されることにより、反応電極には電気化学的反応によって起電力が発生するようになる。
【特許文献１】特開平１０−１０６５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、燃料電池では、各集電板のガス通路に反応ガスを流すことにより起電力が取り出される。このため、燃料電池において所望の発電効率を得るためには、こうしたガス通路における反応ガスの流量及びその分布を適正に制御することが望ましい。
【０００５】
しかしながら、上記のように、各ガス通路とそれらに共通の各マニホルドとの間で反応ガスの給排を行うようにした燃料電池にあっては、各ガス通路における反応ガスの流量及びその分布に関して以下のような問題も無視できないものとなっている。
【０００６】
即ち、反応ガスの流量は、供給マニホルドの入り口から離れた位置にあるセルほど低下する傾向がある。このため、供給マニホルドの入り口に近い位置にあるセルにおいては、十分な量の反応ガスが供給されるものの、同供給マニホルドの入り口から離れた位置にあるセルにおいては、ガス通路内の反応ガスの流量が不足するようになり、その起電力が低下するようになる。このように従来の燃料電池にあっては、各ガス通路に対して反応ガスが偏って分配されるため、所望の起電力を発生させることのできないセルが存在することとなり、その発電効率の低下も避けきれないものとなっていた。
【０００７】
この発明はこうした従来の実情に鑑みなされたものであり、その目的は、燃料電池の各ガス通路に対する反応ガスの分配性を改善することのできる燃料電池及びその集電板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、電極が設けられた電解質膜に積層される積層面に反応ガスの流れるガス通路が形成されるとともに、そのガス通路に反応ガスを分配供給するための供給マニホルド形成用の供給孔と同ガス通路の反応ガスを排出するための排出マニホルド形成用の排出孔とがそれぞれ形成される燃料電池の集電板において、前記ガス通路は集電板の端部で折り返す形状を有し、前記排出孔の前記集電板における開口面積ＳＡ１を前記供給孔の前記集電板における開口面積ＳＡ２よりも大きく設定するとともに、折り返し部分より下流側の通路断面積ＳＡ３を同折り返し部分より上流側の通路断面積ＳＡ４よりも小さく設定するようにしている。
【０００９】
燃料電池において供給マニホルド形成用の供給孔からガス通路に供給された反応ガスは、同ガス通路から排出マニホルド形成用の排出孔を通じて排出マニホルドに排出されるが、この排出に際して上記排出孔が絞りとして作用し、反応ガスの流れが規制されるようになる。ここで、供給マニホルドの入り口に近い位置にある集電板のガス通路については、比較的高い圧力をもって供給マニホルドからガス通路に反応ガスが供給されるため、その流れが規制されるとはいえ、反応ガスは比較的速やかに排出孔から排出されるようになる。
【００１０】
一方、供給マニホルドの入り口から離れた位置にある集電板のガス通路では、供給マニホルドから供給される反応ガスの圧力が相対的に低下しているため、排出孔の絞り作用の影響を大きく受け、反応ガスは同排出孔から排出され難くなる。その結果、供給マニホルドの入り口から離れた位置にある集電板では、同入り口に近い位置にある集電板と比較して、供給孔を通じてガス通路に供給される反応ガスの量が相対的に低下するようになる。
【００１１】
この点、請求項１に記載の発明の上記構成では、集電板にそれぞれ形成される供給孔及び排出孔に関し、排出孔の開口面積ＳＡ１を供給孔の開口面積ＳＡ２よりも大きく設定するようにしているため、排出孔の絞り作用による流れの規制が弱められ、同排出孔を通じてガス通路から反応ガスを速やかに排出させることができるようになる。従って、集電板が供給マニホルドの入り口から離れた位置に配設される場合であれ、その集電板のガス通路に所定量以上の反応ガスを流すことができ、各ガス通路に対する反応ガスの分配の偏りを減少させてその分配性の改善を図ることができるようになる。
【００１２】
さらに、ガス通路を集電板の端部で折り返す形状を有するものとしたことで、ガス通路全体における反応ガスの流速を増大させることができ、ガス利用率を高めて発電効率の向上を図ることができるようになる。
【００１３】
ここで、反応ガスはガス通路を流れる過程でそのガス濃度、例えば酸化剤ガスであれば酸素濃度、燃料ガスであれば水素濃度が徐々に低下するようになる。このため、前記ガス通路の下流側では上流側と比較すれば発電効率が低下する傾向がある。
【００１４】
このため、上記構成では、ガス通路の上記折り返し部分より下流側の通路断面積を同折り返し部分より上流側の通路断面積よりも小さく設定することで、下流側部分におけるガス流速を部分的に高めるようにしている。
【００１５】
そして、このように反応ガスを速く流すことにより、ガス通路の下流側部分では、ガス濃度の低下が抑えられるようになる。その結果、反応ガスの利用率を高めることができ、下流側部分における発電効率を向上させることができるようになる。
【００１６】
加えて、上記構成によれば、ガス流速が高められることで、水分が滞留しやすいガス通路の下流側部分における排水性を高めることができるようにもなる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池の集電板において、集電板は矩形状をなし、前記供給孔及び前記排出孔は集電板の一端部に形成されるとともに、その一端部において前記供給孔及び前記排出孔の間には冷却水が通過する冷却水孔が形成されるものであるとしている。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料電池の集電板において、前記上流側の通路における集電板の端部側の側面の延長上に前記供給孔における前記冷却水孔と反対側の内面が形成されるとともに、同上流側の通路における集電板の端部と反対側の側面の延長上に前記冷却水孔における前記供給孔と反対側の内面が形成されるものであるとしている。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の燃料電池の集電板において、前記供給孔及び前記排出孔の断面形状が長方形に形成されるとともに、前記供給孔及び前記排出孔の形成される集電板の前記一端部側の辺に対して垂直となる同供給孔及び同排出孔の辺の長さが互いに等しいようにしている。
【００１９】
また、本発明者の実験によれば、上記のように排出孔の開口面積ＳＡ１を供給孔の開口面積ＳＡ２よりも大きく設定するに際し、これら各開孔面積ＳＡ１，ＳＡ２の比（ＳＡ１／ＳＡ２）を１．０＜（ＳＡ１／ＳＡ２）＜３．０の範囲に設定することにより、一層良好な分配性が確保されることが確認されている。
【００２０】
このため、請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池の集電板において、前記排出孔及び前記供給孔の各開口面積ＳＡ１，ＳＡ２の比（ＳＡ１／ＳＡ２）を１．０＜（ＳＡ１／ＳＡ２）＜３．０の範囲に設定するようにしている。
【００２１】
請求項６に記載の発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池の集電板において、前記排出孔近傍の部分が格子状の通路として形成されるとともに、それ以外の部分の少なくとも一部が複数の独立した通路として形成されるものであるとしている。
【００２２】
上記構成によれば、ガス通路を集電板の端部で折り返す形状とし、更にこのガス通路において排出孔近傍以外の部分の少なくとも一部を複数の独立した通路として形成するようにしたことで、ガス通路内における反応ガスの流速を増大させることができ、ガス利用率を高めて発電効率の向上を図ることができるようになる。
【００２３】
但し、このようにガス通路を折り返した形状とすることでその総通路長が拡大されるため、同ガス通路の下流側では、還元反応により生じた生成水を多量に含む反応ガスが流れるようになり、この生成水の液化によってガス通路に閉塞が発生する懸念がある。
【００２４】
この点、上記構成では、ガス通路において排出孔近傍の部分、即ちその下流側部分を格子状の通路としているため、反応ガスの拡散を促進させて排水性を向上させることができる。従って、水分によるガス通路の閉塞に起因した発電効率の低下を抑制することができるようになる。しかも、排出孔の開口面積が相対的に大きく設定されているため、ガス通路内の水分を同排出孔から速やかに排出させることができ、排水性を一層向上させることができるようになる。
【００２５】
ところで上述したように、ガス通路の下流側部分の通路断面積を上流側部分の通路断面積と比較して小さく設定することにより、同下流側部分における発電効率を向上させることはできる。しかしながらその一方で、この下流側部分の通路断面積を徐々に小さく設定していくと、同下流側部分での流路抵抗が徐々に大きくなる結果、ガス通路全体としてみるとその圧力損失が増大するようになる。更に、下流側部分の通路断面積を小さくした分だけ上流側部分の通路断面積を拡大するようにすると、この上流側部分においてはガス流速が逆に低下し、その低下による発電効率の低下が生じることとなる。
【００２６】
従って、ガス通路の下流側部分の通路断面積を上流側部分の通路断面積よりも小さく設定するに際しては、同下流側部分の通路断面積の縮小に伴う圧力損失の増大や上流側部分における発電効率の低下をも併せて考慮することが望ましいといえる。
【００２７】
こうした点を踏まえた本発明者の実験によれば、ガス通路の下流側通路断面積ＳＡ３と上流側通路断面積ＳＡ４との比（ＳＡ３／ＳＡ４）を０．３＜（ＳＡ３／ＳＡ４）＜１．０の範囲に設定することにより、圧力損失の増大を極力抑えながらも、ガス通路の上流側部分における発電効率の低下と下流側部分における発電効率の増大とを好適にバランスさせ得ることが確認されている。
【００２８】
このため、請求項７に記載の発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池の集電板において、前記ガス通路の下流側通路断面積ＳＡ３と前記上流側通路断面積ＳＡ４との比（ＳＡ３／ＳＡ４）を０．３＜（ＳＡ３／ＳＡ４）＜１．０の範囲に設定するようにしている。
【００２９】
請求項８に記載の発明では、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池の集電板において、前記電解質層に積層される両側の積層面の一方には燃料ガス通路が、他方には酸化剤ガス通路がそれぞれ前記ガス通路として形成されるとともに、前記供給孔としての燃料ガス供給孔及び酸化剤ガス供給孔並びに前記排出孔としての燃料ガス排出孔及び酸化剤ガス排出孔がそれぞれ形成され、前記冷却水供給孔及び冷却水を排出するための冷却水排出孔がそれぞれ形成され、前記燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路は集電板の二等分割線回りに対称的な形状を有し、且つ前記燃料ガス供給孔及び前記酸化剤ガス供給孔、前記燃料ガス排出孔及び前記酸化剤ガス排出孔、並びに前記冷却水供給孔及び前記冷却水排出孔がそれぞれ前記二等分割線について対称的な位置に形成されてなるものであるとしている。
【００３０】
上記構成によれば、集電板を電解質膜に積層するに際し、同集電板において燃料ガス通路の形成された面と酸化剤ガス通路の形成された面とを判別する作業が不要になり、その作業性の向上を図ることができるようになる。
【００３１】
請求項９に記載の発明では、反応電極が設けられた電解質膜と集電板とが複数積層されてなる積層体を備え、同積層体の内部に、前記電解質膜及び前記集電板間に形成された各ガス通路に反応ガスを分配供給する供給マニホルドと同ガス通路の反応ガスが排出される排出マニホルドとが同積層体の積層方向に沿って形成される燃料電池において、前記ガス通路は、前記電解質膜が積層される前記集電板の積層面に同集電板の端部で折り返す形状を有して形成され、前記排出マニホルドの通路断面積ＳＢ１を前記供給マニホルドの通路断面積ＳＢ２よりも大きく設定するとともに、折り返し部分より下流側の通路断面積ＳＢ３を同折り返し部分より上流側の通路断面積ＳＢ４よりも小さく設定するようにしている。
【００３２】
上記構成によれば、請求項１に記載の発明と同様に、燃料電池の各セルのガス通路に対する反応ガスの分配の偏りを減少させてその分配性の改善を図ることができるようになる。
【００３３】
さらに、ガス通路を折り返し形状とすることで、通路全体におけるガス流速を増大させてガス利用率を高めることができ、発電効率の向上を図ることができるようになる。特に、ガス通路の下流側部分においてはガス流速が更に増大させられるため、ガス濃度の低下が抑えられるとともに、良好な排水性が確保されるようになり、発電効率を一層向上させることができるようになる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の燃料電池において、集電板は矩形状をなし、前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドは集電板の一端部に形成されるとともに、その一端部において前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの間には冷却水が通過する冷却水マニホルドが形成されるものであるとしている。
【００３５】
請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の燃料電池において、前記上流側の通路における集電板の端部側の側面の延長上に前記供給マニホルドにおける前記冷却水マニホルドと反対側の内面が形成されるとともに、同上流側の通路における集電板の端部と反対側の側面の延長上に前記冷却水マニホルドにおける前記供給マニホルドと反対側の内面が形成されるものであるとしている。
【００３６】
請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の燃料電池において、前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの断面形状が長方形に形成されるとともに、前記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの形成される集電板の前記一端部側の辺に対して垂直となる同供給マニホルド及び同排出マニホルドの辺の長さが互いに等しいようにしている。
【００３７】
また、請求項１３に記載の発明では、請求項９乃至１２のいずれかに記載の燃料電池において、各マニホルドの通路断面積ＳＢ１，ＳＢ２の比（ＳＢ１／ＳＢ２）を１．０＜（ＳＢ１／ＳＢ２）＜３．０の範囲に設定するようにしている。
【００３８】
上記構成によれば、請求項５に記載の発明と同様に、各セルに対する一層良好な分配性を確保することができるようになる。
請求項１４に記載の発明では、請求項９乃至１３のいずれかに記載の燃料電池において、前記排出マニホルドとの連通部分の近傍が格子状の通路として形成されるとともに、それ以外の部分の少なくとも一部が複数の独立した通路として形成されるものであるとしている。
【００３９】
上記構成によれば、請求項６に記載の発明と同様に、ガス通路内における反応ガスの流速を増大させて発電効率の向上を図ることができるようになる。更に、ガス通路の下流側部分において、排水性を向上させて水分によるガス通路の閉塞に起因した発電効率の低下を抑制することができるようになる。
【００４０】
請求項１５に記載の発明では、請求項１４に記載の燃料電池において、前記積層体は前記電解質膜及び前記集電板が重力方向と垂直な方向に複数積層されてなるものであるとしている。
【００４１】
上記構成によれば、ガス通路において排出マニホルドとの連通部分の近傍では、格子状に形成された同通路を重力方向の下方側へと水分が移動可能になる。従って、この格子状のガス通路においては、少なくとも重力方向の上方側の部分において確実に反応ガスの流路を確保することができ、水分によるガス通路の閉塞に起因した発電効率の低下を効果的に抑制することができるようになる。
【００４２】
請求項１６に記載の発明では、請求項９乃至１５のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス通路の下流側通路断面積ＳＡ３と前記上流側通路断面積ＳＢ４との比（ＳＢ３／ＳＢ４）を０．３＜（ＳＢ３／ＳＢ４）＜１．０の範囲に設定するようにしている。
【００４３】
上記構成によれば、請求項９乃至１５のいずれかに記載の発明の作用効果を一層好適に奏することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる固体高分子型の燃料電池３０に用いられる集電板１０の平面構造を示し、図２はこの燃料電池３０における１つのセル３１の分解構造を示している。また、図３は、燃料電池３０の斜視構造を示している。
【００４５】
これら各図に示すように、燃料電池３０は、基板２０と集電板１０とを交互に複数積層してなる積層体３２と、この積層体３２を両側から挟む一対の側板１２とを備えて構成されている。この積層体３２は、燃料電池３０が使用される状態において、その積層方向が重力方向（各図の上下方向）と垂直な方向に設定されている。
【００４６】
基板２０は、電解質膜２２と、この電解質膜２２を両側から挟む反応電極（陰極及び陽極、図２ではその一方のみを示す）２４と備えている。電解質膜２２は、適度な湿潤状態においてイオン導電性を示す、例えばフッ素系樹脂等の高分子材料により形成されている。各反応電極２４は、白金等の触媒を含むカーボン繊維により形成されている。
【００４７】
また、集電板１０は、図１に示すように、カーボン等の導電材料によって矩形板状に形成されている。この集電板１０は、同集電板１０の両側に位置する各反応電極２４を電気的に接続する機能の他、各反応電極２４の表面に燃料ガスや酸化剤ガスといった反応ガスを供給するためのガス通路を形成する機能を併せ有している。図２に示すように、１つの基板２０とこの基板２０の両側に積層される各集電板１０とによって単電池（セル）３１が構成されており、上記積層体３２はこのセル３１が電気的に直列に接続された構造を有している。
【００４８】
また、集電板１０において上記反応電極２４と対向する一方の積層面には、空気等の酸素を含んだ酸化剤ガスを流すためのガス通路（酸化剤ガス通路）５０が形成されている。
図１に示すように、このガス通路５０は、集電板１０の一端部側（同図の右端部側）から他端部側（同図の左端部側）に延び、同他端部で折り返され、再び集電板１０の一端部側に戻る略Ｕ字形状を有しており、同図において破線で囲まれる各領域、即ち上流側部分５０Ａ、折り返し部分５０Ｂ、及び下流側部分５０Ｃによって構成されている。
【００４９】
また、集電板１０の一端部には、酸化剤ガス通路５０に酸化剤ガスを供給するための供給孔６１と同ガス通路５０から酸化剤ガスを排出するための排出孔６２とがそれぞれ形成されている。燃料電池３０が使用される状態において、これら各孔６１，６２のうち、供給孔６１は重力方向の上方側に位置し、排出孔６２は同方向の下方側に位置している。
【００５０】
そして、上記各部分５０Ａ〜５０Ｃのうち上流側部分５０Ａは供給孔６１に、下流側部分５０Ｃは排出孔６２にそれぞれ接続されている。従って、供給孔６１からガス通路５０に供給された反応ガス（酸化剤ガス）は上流側部分５０Ａ、折り返し部分５０Ｂ、及び下流側部分５０Ｃを順に流れた後、排出孔６２を通じて同ガス通路５０から排出される。
【００５１】
ガス通路５０において上記上流側部分５０Ａは、複数の平行溝５１により複数の独立した通路として構成されている。一方、折り返し部分５０Ｂは、複数の格子溝５２によって格子状の通路として構成されている。また、下流側部分５０Ｃは、上記折り返し部分５０Ｂの近傍が複数の平行溝５３により複数の独立した通路として構成されるとともに、最も下流側に位置する部分、即ち排出孔６２の近傍が複数の格子溝５４によって格子状の通路として構成されている。
【００５２】
本実施形態では、上記のようにガス通路５０の形状を折り返し部分５０Ｂを有する形状としたため、同通路５０を直線状の形状とした場合と比較して、その総通路長が拡大されるようになる。その結果、通路全体における平均的な反応ガスの流速が増大し、ガス利用率が高められて発電効率の向上が図られるようになる。また、この下流側部分５０Ｃのうち、排出孔６２の近傍にある部分が格子状の通路として構成されているため、反応ガスの拡散が促進されその排水性も向上するようになる。
【００５３】
更に、下流側部分５０Ｃにおいて折り返し部分５０Ｂの近傍に位置する各独立通路の総通路断面積ＳＧ１は、上流側部分５０Ａの各独立通路の総通路断面積ＳＧ２よりも小さく設定されている。
【００５４】
このように各総通路断面積ＳＧ１，ＳＧ２が設定されることにより、下流側部分５０Ｃにおけるガス流速が更に部分的に高められるようになる。このため、反応ガスの濃度低下が懸念される同下流側部分５０Ｃにおいて、そのガス濃度の低下が極力抑えられ、反応ガスの利用率が高められるようになる。特に、酸化剤ガスとして空気が用いられる場合には、そのガス濃度（酸素濃度）が最初から低いため、こうしたガス利用率の向上は酸化剤ガス通路５０側において特に顕著なものとなる。更に、こうしたガス流速の増大によって水分が滞留しやすい下流側部分５０Ｃにおける排水性も高められるようになる。
【００５５】
但し、ここで下流側部分５０Ｃの総通路断面積ＳＧ１を徐々に小さく設定していくと、同下流側部分５０Ｃでの流路抵抗が徐々に大きくなる結果、通路全体としてみるとその圧力損失が増大するようになる。更に、ガス通路全体の通路断面積を確保する上では、下流側部分５０Ｃの総通路断面積ＳＧ１を小さくした分だけ上流側部分５０Ａの総通路断面積ＳＧ２を相対的に拡大するのが望ましいが、このように上流側部分５０Ａの総通路断面積ＳＧ２を拡大すると、同上流側部分５０Ａではガス流速が逆に低下し、発電効率の低下が生じることとなる。
【００５６】
本発明者の実験によると、上記各総通路断面積ＳＧ１，ＳＧ２の比（ＳＧ１／ＳＧ２）を
０．３＜（ＳＧ１／ＳＧ２）＜１．０  ・・・（式１）
の範囲に設定することにより、圧力損失の増大を極力抑えながら、ガス通路５０の上流側部分５０Ａにおける発電効率の低下と下流側部分５０Ｃにおける発電効率の増大とを好適にバランスさせ得ることが確認されている。このため、本実施形態においては、この面積比（ＳＧ１／ＳＧ２）を上記範囲内の「０．７」に設定するようにしている。
【００５７】
また、集電板１０において酸化剤ガス通路５０が形成される積層面と反対側の積層面（図示略）には、水素を含む燃料ガスを流すためのガス通路（燃料ガス通路）が形成されている。集電板１０の他端部には、この燃料ガス通路に燃料ガスを供給するための供給孔７１と同ガス通路から燃料ガスを排出するための排出孔７２とがそれぞれ形成されている。燃料電池３０が使用される状態において、これら各孔７１，７２のうち、供給孔７１は重力方向の上方側に位置し、排出孔７２は同方向の下方側に位置している。
【００５８】
本実施形態において、この燃料ガス通路は、集電板１０を二等分割する中心線Ｃ回りに上述した酸化剤ガス通路５０と対称的な同一の形状を有して形成されている。また、この燃料ガス通路の供給孔７１及び排出孔７２についても、上記中心線Ｃに関して酸化剤ガス通路５０の供給孔６１及び排出孔６２とそれぞれ線対称となる位置に設けられている。このため、集電板１０を基板２０に積層するに際し、同集電板１０において燃料ガス通路の形成された積層面と酸化剤ガス通路５０の形成された積層面とを判別する作業が不要になる。
【００５９】
また、集電板１０の一端部において酸化剤ガス通路５０の供給孔６１及び排出孔６２の間には、一部の集電板１０の内部に形成される冷却水通路（図示略）に冷却水を供給するための供給孔８１が形成されている。一方、集電板１０の他端部において燃料ガス通路の供給孔７１及び排出孔７２の間には、上記冷却水通路から冷却水を排出するための排出孔８２が形成されている。
【００６０】
図３に示すように、各集電板１０の間には、基板２０の外周に形成される各集電板１０の隙間を埋めるようにして、絶縁材料からなるシール部材９０が設けられている。このシール部材９０には、集電板１０に形成される上記各孔６１，６２，７１，７２，８１，８２とそれぞれ対応する位置に同形状の孔（図示略）が形成されている。そして、積層体３２内には、これら集電板１０及びシール部材９０の各孔が集合することにより、その積層方向に沿って延びる複数のマニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂ，８０Ａ，８０Ｂが形成されている。
【００６１】
即ち、積層体３２の内部には、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５０に分配供給するための供給マニホルド６０Ａと、同ガス通路５０から酸化剤ガスが排出される排出マニホルド６０Ｂとがそれぞれ形成されている。同様に、積層体３２の内部には、燃料ガスを燃料ガス通路に分配供給するための供給マニホルド７０Ａと、同ガス通路から燃料ガスが排出される排出マニホルド７０Ｂとがそれぞれ形成されている。
【００６２】
前述したように、各排出孔６２，７２は各供給孔６１，７１よりも重力方向の下方側に位置しているため、これら各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂのうち、各排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂは、各供給マニホルド６０Ａ，７０Ａよりも重力方向の下方側に配置されることとなる。このため、酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路の反応ガスに含まれる水分は、反応ガスの供給圧の他、重力の作用によってその下流側に速やかに移動し、各排出孔６２，７２から排出されるようになる。
【００６３】
また、同じく積層体３２の内部には、冷却水を冷却水通路に供給するための供給マニホルド８０Ａと、同冷却水通路から冷却水が排出される排出マニホルド８０Ｂとがそれぞれ形成されている。
【００６４】
これら各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂ，８０Ａ，８０Ｂの端部は一方の側板１２により閉鎖されている。また、他方の側板１２には、上記各供給マニホルド６０Ａ，７０Ａ，８０Ａに反応ガス或いは冷却水を供給するための入口１２６ａ，１２７ａ，１２８ａが形成されるとともに、上記排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂ，８０Ｂから反応ガス或いは冷却水を排出するための出口１２６ｂ，１２７ｂ，１２８ｂが形成されている。
【００６５】
本実施形態にかかる燃料電池３０では、上記酸化剤ガス用の各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ、並びに燃料ガス用の各マニホルド７０Ａ，７０Ｂの通路断面積がそれぞれ以下の関係を有して設定されている。
【００６６】
即ち、酸化剤ガス用の各マニホルド６０Ａ，６０Ｂについては、排出マニホルド６０Ｂの通路断面積ＳＯ１が供給マニホルド６０Ａの通路断面積ＳＯ２よりも大きく設定されている。また、燃料ガス用の各マニホルド７０Ａ，７０Ｂについても同様に、排出マニホルド７０Ｂの通路断面積ＳＨ１が供給マニホルド７０Ａの通路断面積ＳＨ２よりも大きく設定されている。
【００６７】
更に、こうした関係が満たされるように、上記各通路断面積ＳＯ１，ＳＯ２，ＳＨ１，ＳＨ２を実質的に決定する各供給孔６１，７１及び各排出孔６２，７２の各開口面積についても同様の関係が設定されている。即ち、酸化剤ガス通路５０用の排出孔６２の開口面積は供給孔６１の開口面積よりも大きく設定され、また燃料ガス通路用の排出孔７２の開口面積は供給孔７１の開口面積よりも大きく設定されている。
【００６８】
そして、このように各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０，７０Ｂの各通路断面積並びに各供給孔６１，７１及び排出孔６２，７２の開口面積が設定されることにより、排出孔６２，７２やこれらが集合してなる排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂの絞り作用によるガス流れの規制が弱められるようになり、各ガス通路５０から排出孔６２，７２側への反応ガスの排出が速やかに行われるようになる。
【００６９】
図４は、各酸化剤ガス通路５０における反応ガス（酸化剤ガス）の流量を示すグラフであり、実線は本実施形態における反応ガスの流量を、二点鎖線は供給マニホルド６０Ａ及び排出マニホルド６０Ｂの通路断面積（供給孔６１及び排出孔６２の開口面積）を等しく設定するようにした比較例における反応ガスの流量をそれぞれ示している。
【００７０】
同図の二点鎖線に示されるように、上記比較例においては、供給マニホルド６０Ａの入口１２６ａから離れた位置にあるガス通路５０での反応ガス流量が大きく低下しており、反応ガスが各ガス通路５０に偏って分配されていることが判る。このため、上記入口１２６ａから離れた位置にあるセル３１では所定の起電力を発生させることができなくなり、燃料電池全体の発電効率の低下も避けきれないものとなる。
【００７１】
これに対して、本実施形態では、同図の実線に示されるように、供給マニホルド６０Ａの入口１２６ａから離れた位置にあるガス通路５０においても所定量以上の反応ガスが流れるようになり、各ガス通路５０に対する反応ガスの分配の偏りが減少するようになる。こうした傾向は、燃料ガス通路が酸化剤ガス通路５０とが同一の形状を有していることから同燃料ガス通路に関しても同様であり、この燃料ガス通路に対する反応ガス（燃料ガス）の分配の偏りも減少するようになる。
【００７２】
本発明者の実験によれば、酸化剤ガス通路５０の排出マニホルド６０Ｂの通路断面積ＳＯ１と供給マニホルド６０Ａの通路断面積ＳＯ２との比（ＳＯ１／ＳＯ２）を
１．０＜（ＳＯ１／ＳＯ２）＜３．０  ・・・（式２−１）
より好ましくは、
１．３＜（ＳＯ１／ＳＯ２）＜２．０  ・・・（式２−２）
の範囲に設定し、また燃料ガス通路の排出マニホルド７０Ｂの通路断面積ＳＨ１と供給マニホルド７０Ａの通路断面積ＳＨ２との比（ＳＨ１／ＳＨ２）を
１．０＜（ＳＨ１／ＳＨ２）＜３．０  ・・・（式３−１）
より好ましくは、
１．３＜（ＳＨ１／ＳＨ２）＜２．０  ・・・（式３−２）
の範囲に設定することにより、各酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路のそれぞれにおいて、一層良好な分配性が確保されることが確認されている。このため、本実施形態では、上記各通路断面積の比（ＳＯ１／ＳＯ２，ＳＨ１／ＳＨ２）を上記範囲の値である「１．５」に設定するようにしている。
【００７３】
以上説明したように本実施形態にかかる燃料電池３０及びその集電板１０によれば以下の作用効果を奏することができる。
（１）各排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂの通路断面積（各排出孔６２，７２の開口面積）ＳＯ１，ＳＨ１を各供給マニホルド６０Ａ，７０Ａの通路断面積（各供給孔６１，７１の開口面積）ＳＯ２，ＳＨ２よりも大きく設定することで、供給マニホルド６０Ａ，７０Ａの入り口１２６ａ，１２７ａから離れた位置にあるガス通路にも所定量以上の反応ガスを流すことができ、各ガス通路に対する反応ガスの分配の偏りを減少させてその分配性の改善を図ることができるようになる。
【００７４】
（２）特に、各排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂの通路断面積（各排出孔６２，７２の開口面積）ＳＯ１，ＳＨ１と各供給マニホルド６０Ａ，７０Ａの通路断面積（各供給孔６１，７１の開口面積）ＳＯ２，ＳＨ２との面積比（ＳＯ１／ＳＯ２，ＳＨ１／ＳＨ２）をそれぞれ、１．０＜（ＳＯ１／ＳＯ２）＜３．０、１．０＜（ＳＨ１／ＳＨ２）＜３．０の範囲に設定することで、上記（１）の作用効果を一層顕著なものとすることができる。
【００７５】
（３）酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路を集電板１０の端部で折り返す形状とし、更にそれらの上流側部分５０Ａを複数の独立通路として形成するようにしたことで、各ガス通路内における反応ガスの流速を増大させることができ、ガス利用率を高めて発電効率の向上を図ることができるようになる。また、各ガス通路において排出孔６２，７２近傍の部分を格子状の通路としているため、排水性を向上させることができる。しかも、排出孔６２，７２の開口面積が相対的に大きく設定されているため、ガス通路内の水分を同排出孔６２，７２から速やかに排出させることができ、排水性の更なる向上を図ることができるようになる。
【００７６】
（４）酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路を集電板１０の端部で折り返す形状とし、その折り返し部分５０Ｂよりも下流側に位置する下流側部分５０Ｃの各独立通路の総通路断面積ＳＧ１を上流側部分５０Ａの各独立通路の総通路断面積ＳＧ２よりも小さく設定することで、同下流側部分５０Ｃにおけるガス流速を部分的に高めてガス濃度の低下を抑えることができ、同下流側部分５０Ｃにおける発電効率を向上させることができるようになる。加えて、こうしたガス流速の増大により、水分が滞留しやすい下流側部分５０Ｃにおける排水性を高めることができるようにもなる。
【００７７】
（５）特に、上記下流側部分５０Ｃ及び上流側部分５０Ａの各総通路断面積ＳＧ１，ＳＧ２の比（ＳＧ１／ＳＧ２）を０．３＜（ＳＧ１／ＳＧ２）＜１．０の範囲に設定することにより、圧力損失の増大を極力抑えながら、各ガス通路の上流側部分５０Ａにおける発電効率の低下と下流側部分５０Ｃにおける発電効率の増大とを好適にバランスさせることができる。
【００７８】
（６）酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路を集電板１０を二等分割する中心線Ｃ回りに対称的な同一の形状を有して形成するとともに、酸化剤ガス通路５０の供給孔６１及び排出孔６２と燃料ガス通路の供給孔７１及び排出孔７２とを上記中心線Ｃに関してそれぞれ線対称となる位置に設けるようにした。このため、集電板１０を基板２０に積層するに際し、同集電板１０において酸化剤ガス通路５０の形成された積層面と燃料ガス通路の形成された積層面とを判別する作業が不要になり、その作業性の向上を図ることができるようになる。
【００７９】
（７）また、積層体３２の積層方向を重力方向と垂直な方向に設定するようにしたため、ガス通路５０において排出孔６２，７２近傍の格子状の通路においては、重力方向の下方側に水分が移動可能になる。従って、少なくとも重力方向の上方側の部分において確実に反応ガスの流路を確保することができ、水分による通路の閉塞に起因した発電効率の低下を効果的に抑制することができるようになる。
【００８０】
（８）更に、各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂのうち、各排出マニホルド６０Ｂ，７０Ｂは、各供給マニホルド６０Ａ，７０Ａよりも重力方向の下方側に配置するようにしたため、各ガス通路５０の反応ガスに含まれる水分を、反応ガスの供給圧の他、重力の作用によってその下流側に速やかに移動させて各排出孔６２，７２から排出することができ、その排水性を向上させることができる。
【００８１】
尚、上記実施形態は以下のように構成を変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路の各マニホルド６０Ａ，６０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂの通路断面積（各供給孔６１，７１及び各排出孔６２，７２の開口面積）に関して上記関係式（式２−１），（式２−２），（式３−１），（式３−２）がそれぞれ成立するように設定するようにしたが、例えば、これら酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路のうち、いずれか一方の通路に対応する各マニホルドの通路断面積（供給孔及び排出孔の開口面積）について上記関係を設定するようにしてもよい。
【００８２】
・上記実施形態では、酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路の双方において、上記関係式（式１）が成立するように、上流側部分５０Ａ及び下流側部分５０Ｃの各総通路断面積ＳＧ１，ＳＧ２を設定するようにしたが、これら酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路のうち、いずれか一方の通路の通路断面積に関して上記関係を設定するようにしてもよい。
【００８３】
・上記実施形態では、集電板１０を酸化剤ガス通路５０及び燃料ガス通路の双方が形成されるものとして説明したが、同集電板１０は、これら各通路のうちのいずれか一方のみが形成されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本実施形態にかかる燃料電池に用いられる集電板の平面図。
【図２】同燃料電池のセルの分解斜視図。
【図３】同燃料電池の斜視図。
【図４】酸化剤ガス通路おける反応ガスの流量と供給マニホルド入り口からの距離との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００８５】
１０…集電板、１２…側板、２０…基板、２２…電解質膜、２４…反応電極、３０…燃料電池、３１…セル、３２…積層体、５０…酸化剤ガス通路、５０Ａ…上流側部分、５０Ｂ…折り返し部分、５０Ｃ…下流側部分、５１…平行溝、５２…格子溝、５３…平行溝、５４…格子溝、６１，７１…供給孔、６２，７２…排出孔、６０Ａ，７０Ａ…供給マニホルド、６０Ｂ，７０Ｂ…排出マニホルド、１２６ａ，１２７ａ…入口、１２６ｂ，１２７ｂ…出口。
【図１】
2005243651.tif 000003
【図２】
2005243651.tif 000004
【図３】
2005243651.tif 000005
【図４】
2005243651.tif 000006