(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各セルの発電部のガス流路を発電部では連通しない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流路セグメントを発電部外のガス流路で直列に接続し、前記発電部外のガス流路は発電部外に形成されたガスマニホールドとガスマニホールド同士を連通するガス流路を含んでいる燃料電池のガス流路であって、
前記発電部外に、前記ガスマニホールド同士を連通するガス流路で少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造をもつ水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガス流路。
【請求項２】
各セルの発電部のガス流路を発電部では連通しない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流路セグメント同士を発電部外のガス流路によって直列に接続した燃料電池のガス流路であって、
前記ガス流路セグメント同士を接続する発電部外のガス流路に、少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造をもつ水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガス流路。
【請求項３】
各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流側のガス流路セグメントとを隣接させた請求項１または請求項２記載の燃料電池のガス流路。
【請求項４】
各セル内で下流側のガス流路セグメントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面積より小とした請求項１または請求項２記載の燃料電池のガス流路。
【請求項５】
前記水交換部を、燃料電池スタックのターミナルより外側の部分に配置した請求項１または請求項２記載の燃料電池のガス流路。
【請求項６】
前記水交換部の既反応ガスのガス流路が、セルの最下流から２番目のガス流路セグメントを通った後の既反応ガスが流れる既反応ガスのガス流路である請求項５記載の燃料電池のガス流路。
【請求項７】
スタックを横置きとし、
水交換部をスタックの上側に配置した請求項２記載の燃料電池のガス流路。
【請求項８】
スタックを横置きとし、
未反応ガスを発電部の下側に位置する未反応ガスのガス流路から発電部に入れ既反応ガスにして発電部の上側に位置する既反応ガスのガス流路に流し、該既反応ガスを前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路で１ターンさせて発電部に入れて発電部の下側の既反応ガスのガス流路に流す流路構造とし、
前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路を、前記発電部の下側に位置する未反応ガスのガス流路に未反応ガスを送る未反応ガスのガス流路と前記水交換膜を介して隔てた請求項７記載の燃料電池のガス流路。
【請求項９】
前記水交換膜を蛇腹状として平面状の場合よりも表面積を大とした請求項８記載の燃料電池のガス流路。
【請求項１０】
前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に該壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部を設け、該傾斜部の下端部の下方に該傾斜部で集められた水をセル発電部に落下させることなく排除する排除部を設けた請求項７記載の燃料電池のガス流路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の乾燥、湿潤過多を防止した燃料電池のガス流路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート、テンションボルトなど）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでは、エアは入口では乾燥しているが水生成反応により通路下流（出口）側では水蒸気分が増加し、エアの飽和水蒸気量を越えると水滴となる。一方、電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適当に湿潤していることが必要である。電解質膜が乾燥していると膜中のプロトンの移動が阻害され抵抗となるため燃料電池の性能（出力電圧）が低下する。供給エアを加湿することで電解質膜の入口側での乾きは防止できるが、出口で反応生成水による水分過多により通路の水詰まりが生じ、酸素不足になってカソード側での反応が起こりにくくなるという問題が生じる。この問題を軽減するために、ガス流路に対して種々の工夫がなされている。
たとえば、
▲１▼  特開平６−１３２０３８号は、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれオフガスと入りガスとの水分交換を行うことを開示しており、
▲２▼  特開２０００−１２０５１号は、燃料電池反応面内で複数に分割した独立ガス流路を有し、スタック端で互いにガス流路同士を連通させることを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記▲１▼、▲２▼の従来技術を組み合わせて、上記▲２▼の構成の最上流と最下流とにてガスの水分交換を行うようにしても、燃料電池の反応面内での水分分布の均一化は達成されないため、燃料電池のセルの安定出力が得られない。
本発明の目的は、ガス流路のドライ部分とそれよりウエットな部分とでガスの水分交換を行うとともに、燃料電池の反応面内での水分分布の均一化もはかることができる、燃料電池のガス流路を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  各セルの発電部のガス流路を発電部では連通しない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流路セグメントを発電部外のガス流路で直列に接続し、前記発電部外のガス流路は発電部外に形成されたガスマニホールドとガスマニホールド同士を連通するガス流路を含んでいる燃料電池のガス流路であって、
前記発電部外に、前記ガスマニホールド同士を連通するガス流路で少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造をもつ水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガス流路。
（２）  各セルの発電部のガス流路を発電部では連通しない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流路セグメント同士を発電部外のガス流路によって直列に接続した燃料電池のガス流路であって、
前記ガス流路セグメント同士を接続する発電部外のガス流路に、少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造をもつ水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガス流路。
（３）  各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流側のガス流路セグメントとを隣接させた（１）または（２）記載の燃料電池のガス流路。
（４）  各セル内で下流側のガス流路セグメントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面積より小とした（１）または（２）記載の燃料電池のガス流路。
（５）  前記水交換部を、燃料電池スタックのターミナルより外側の部分に配置した（１）または（２）記載の燃料電池のガス流路。
（６）  前記水交換部の既反応ガスのガス流路が、セルの最下流から２番目のガス流路セグメントを通った後の既反応ガスが流れる既反応ガスのガス流路である（５）記載の燃料電池のガス流路。
（７）  スタックを横置きとし、
水交換部をスタックの上側に配置した（２）記載の燃料電池のガス流路。
（８）  スタックを横置きとし、
未反応ガスを発電部の下側に位置する未反応ガスのガス流路から発電部に入れ既反応ガスにして発電部の上側に位置する既反応ガスのガス流路に流し、該既反応ガスを前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路で１ターンさせて発電部に入れて発電部の下側の既反応ガスのガス流路に流す流路構造とし、
前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路を、前記発電部の下側に位置する未反応ガスのガス流路に未反応ガスを送る未反応ガスのガス流路と前記水交換膜を介して隔てた（７）記載の燃料電池のガス流路。
（９）  前記水交換膜を蛇腹状として平面状の場合よりも表面積を大とした（８）記載の燃料電池のガス流路。
（１０）  前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に該壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部を設け、該傾斜部の下端部の下方に該傾斜部で集められた水をセル発電部に落下させることなく排除する排除部を設けた（７）記載の燃料電池のガス流路。
【０００５】
上記（１）または（２）の燃料電池のガス流路では、少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路と未反応ガスのガス流路とを水交換膜で隔てたので、既反応ガスの水分が水交換膜を透過して未反応ガスに移行し、電解質膜の下流での湿潤過多と上流での乾燥が共に防止されるとともに、途中部と最上流との水交換もできて燃料電池の反応面内での水分分布の均一化もはかることができる。また、水交換膜が飽和することもないので、半永久的に作動する。また、セル発電部外に水交換部を設けたので、セル面積からの制限を受けることなく、高い効率で既反応ガスから未反応ガスへの水分移行が行われる。
上記（３）の燃料電池のガス流路では、各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流側のガス流路セグメントとを隣接させたので、セパレータ内での水分分布がより均一化される。
上記（４）の燃料電池のガス流路では、各セル内で下流側のガス流路セグメントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面積より小としたので、発電反応によりガスが消費されても下流で流速が低下することがなく、下流で液滴が生じても、吹き飛ばされ、電池性能の液滴による低下が防止される。
上記（５）の燃料電池のガス流路では、水交換部を燃料電池スタックのターミナルより外側の部分に配置したので、水交換部を、各セルの発電部に設ける必要がなく、発電性能を低下させず、また、全セルに対して共通にターミナルより外側の部分に設けることができるので、スペース効率もよい。
上記（６）の燃料電池のガス流路では、水交換部の既反応ガスのガス流路に流れる既反応ガスは、セルの最下流から２番目のガス流路セグメントを通った後の既反応ガスのため、フラッディング前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガスとで水交換を行うことができる。
上記（７）の燃料電池のガス流路では、水交換部をスタックの上側に配置したので、水交換部を、各セルの発電部内に設ける必要がなく、発電性能を低下させることがなく、スペース効率もよい。
上記（８）の燃料電池のガス流路では、ガスの流れを１ターンさせ湿潤の高い下流側のガス流路ではガスを上から下に流すので、たとえ水滴が生成しても下方に吹き飛ばすことができ、水によるガス通路詰まりが生じない。
上記（９）の燃料電池のガス流路では、水交換膜を蛇腹状としたので、水交換膜の表面積が増大し、既反応ガスから未反応ガスへの水分透過量を増大できる。
上記（１０）の燃料電池のガス流路では、発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に傾斜部を設け、該傾斜部の下端部の下方に排除部を設けたので、壁に生成した水滴を傾斜部をつたわせて排除部に導き、発電部に落下させずに外部に排除することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のガス流路を図１〜図９（ただし、図９は比較例）を参照して、説明する。
図中、図３、図４は本発明の実施例１を示し、図５〜図７は本発明の実施例２を示し、図１、図２、図８は本発明の実施例１、２に共通に適用できる。
本発明の何れの実施例にも共通する部分には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の何れの実施例にも共通する部分を、たとえば図１〜図４、図８、図９を参照して、説明する。
【０００７】
本発明のガス流路が適用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【０００８】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はガス透過性を有しカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、ガス、水不透過性で、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂の何れかからなる。図２では、セパレータ１８が、カーボン（黒鉛である場合を含む）からなる場合を示すが、これに限るものではない。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、図２に示すように２セルで１モジュールを構成するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却水流路２６が設けられる。
【００１０】
セパレータ１８は、通常、ほぼ四角形の板である。セパレータ１８には、燃料電池を冷却する冷却水流路を形成するとともに反応ガスのガス流路を形成する冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスのガス流路を形成する反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータがある。
発電部３３（電極がある部位）では、冷却用セパレータ１８Ａの一面に冷却水流路２６が形成され他面にガス流路２７（燃料ガス流路２７ａまたは酸化ガス流路２７ｂ）が形成されており、冷却用セパレータ１８Ａは冷却水と反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）とを隔てる。また、反応ガス用セパレータ１８Ｂの一面に燃料ガス流路２７ａが形成され、他面に酸化ガス流路２７ｂが形成されており、反応ガス用セパレータ１８Ｂは燃料ガスと酸化ガスとを隔てる。
【００１１】
図３、図４に示すように、ガス流路は、発電部３３のガス流路２７と発電部３３の外のガス流路２８とからなる。
発電部外のガス流路２８は、ガスマニホールド２９を有する。発電部外のガス流路２８は、さらに、ガスマニホールド２９同士を接続するガス流路３０と、ガスマニホールド２９と外部からのガス入口とを接続するガス流路３１と、ガスマニホールド２９と外部へのガス出口とを接続するガス流路３２とを有していてもよい。
セパレータ１８には、発電部３３より外側に、ガスマニホールド２９、冷却水マニホールド（図示略）が形成されており、発電部３３に冷却水流路２６および／またはガス流路２７が形成されている。
通常、ガスマニホルード２９は、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホールドに分けられ、対向する２辺に酸化ガスマニホールドが形成され、それと直交する方向の対向する２辺に燃料ガスマニホールドが形成される。そして、通常、燃料ガスと酸化ガスとは、反応ガス用セパレータ１８Ｂの表裏で、直交する方向に流れる。
【００１２】
図３、図４は、一面に酸化ガス（空気）のガス流路２７ｂが形成され、外周部の対向２辺にガス（酸化ガス）マニホールド２９が形成されているセパレータ１８を、酸化ガス流路２７ｂ側から見た場合を示す。セパレータ１８には外周部に酸化ガスマニホールドが形成された２辺と直交する２辺に燃料ガスマニホールドが形成されるが、図３では燃料ガスマニホールドの図示を省略してある。
図３に示すように、セパレータ面内のマニホールド（酸化ガスマニホールド）２９は、互いに独立した１個以上（図３、図４では発電部の上と下に３個ずつ、図５〜図７では発電部の下に２個、上に１個）のマニホールドとされている。
【００１３】
セパレータの発電部のガス流路（酸化ガス流路、すなわちエア流路）２７は、複数のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント１、２、３、図５〜図７の場合はセグメント１、２）に分けられている。ガス流路セグメントのガス流路２７は、発電部では、互いに連通しない。ガス流路セグメントは、発電部外のガス流路２８により、直列に接続されている。
発電部のガス流路は溝状のガス流路から構成されていてもよいし、多数の小突起によってセパレータと電極間に形成されるスペースであってもよい。ガス流路が溝状のガス流路である場合は、各ガス流路セグメントは並行する溝状のガス流路群である。各ガス流路セグメントのガス流路は、各ガス流路セグメントと対応するマニホールド２９と連通している。ガス流路セグメントの個数は、図３、図４では３個の場合を示しているが、ガス流路セグメントの個数は１個以上であれば任意である。
【００１４】
セパレータ面内にある上流側のガス流路セグメント１のガス流路と下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）のガス流路は、互いに隣接するように配置されている。
また、下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）のガス流路ではガスが上から下に向かって流れるようにされている。
また、各セル内で下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）の通路断面積は上流側のガス流路セグメント１の通路断面積より小とされている。
【００１５】
本発明では、発電部３３外のガス流路２８には、少なくとも１つのガス流路セグメントのガス流路２７を通過した既反応ガスのガス流路（たとえば、ガスマニホールド２９同士を連通するガス流路３０、またはガスマニホールド２９）とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス流路（たとえば、ガスマニホールド２９と外部からのガス入口とを接続するガス流路３１）とを水分透過性のある水交換膜３５で隔てた構造をもつ水交換部３４が、設けられている。
水交換膜３５は、水分透過性のある膜であれば任意の材質の膜であってよい。たとえば、電解質膜１１は、水分透過性を有するので、水交換膜３５に電解質膜１１を用いることができる。
【００１６】
上記の本発明の全実施例に共通する部分の作用を、図７、図８を参照して、説明する。
水交換部３４では、湿度の高い既反応ガスの水分（水蒸気を含む）が、水交換膜３５を透過して、湿度の低い未反応ガス側に移行し、既反応ガスの湿度を下げて発電部３３の電解質膜のガス流路２７下流側での湿潤過多を防止するとともに、湿度の低い未反応ガスの湿度を上げて発電部３３の電解質膜のガス流路２７上流側での乾燥を防止する。
【００１７】
図８は、図３、図４のセグメント数３の場合において、下流側ガス流路セグメント３に対応する電解質膜１１の膜中水分量が低下されて湿潤過多が抑制され、上流側ガス流路セグメント１、または中間のガス流路セグメント２に対応する電解質膜１１の膜中水分量が上げられて乾燥防止がはかられる様子を棒グラフで示している。図９は比較例で水交換部３４を設けない場合（本発明に含まず）を示している。図９からわかるように、下流側セグメントにいく程、電解質膜１１の膜中水分量が増大していき、最下流側でエアの飽和水蒸気量を越えて水滴が出るとともに、最上流側で膜の乾燥が生じやすいことがわかる。
【００１８】
本発明では、水交換膜３５を利用した、既反応ガスと未反応ガスの水交換により、既反応ガスからの水分吸収を吸収材を用いて行うとともに未反応ガスの加湿を独立に行っていた従来に比べて、既反応ガスから吸収した水分を未反応ガスの加湿に再利用することができること、吸収材の飽和による水分吸収不能がなく半永久的に作動できること、特別な加湿装置が不要となること、等の点で改善される。
【００１９】
セパレータ面内にある上流側のガス流路セグメント１のガス流路と下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）のガス流路が、互いに隣接するように配置されているので、湿度の高い下流側ガス流路セグメントから、電解質膜および電極を介して湿度の低い上流側ガス流路セグメントに水分が移行して水分分布が均一化に向かう。
【００２０】
また、下流側のガス流路セグメント３のガス流路ではガスが上から下に向かって流れるようにされているので、下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）のガス流路に水滴が生じてもガス流により下方に吹き飛ばされ、ガス流路の水詰まりおよび反応ガス供給不足を防止できる。
【００２１】
また、各セル内で下流側のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント２）の通路断面積が上流側のガス流路セグメント１の通路断面積より小とされているので、酸素（燃料ガス流路では水素）の消費によるガス流速が低下を、通路断面積を下流程小とすることによりガス流速の増大により相殺でき、水滴が生成した場合の吹き飛ばし作用が維持される。
【００２２】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用を説明する。
本発明の実施例１では、図３、図４に示すように、スタック２３は横置きで車両に搭載され、水交換部３４が、燃料電池スタック２３の一端部のターミナル２０より外側の部分に配置されている。
水交換部３４は、スタック２３の一端部のエンドプレート２２とインシュレータ２１の内部に形成されており、水交換膜３５はエンドプレート２２とインシュレータ２１に挟まれている。
水交換部３４は、エンドプレート２２に形成された未反応ガスガス流路３１と、インシュレータ２１に形成された既反応ガスガス流路３０と、未反応ガスガス流路３１と既反応ガスガス流路３０とを隔てる水交換膜３５とからなる。
【００２３】
発電部３３のガス流路セグメントの個数は、たとえば３個（ただし、２個以上であれば、個数は任意）である。ガス流路セグメント１、２、３は、発電部外のガス流路２８により、直列に接続されている。上流側ガス流路セグメント１の両側に、ガス流路セグメント２、３が位置している。ガス流路セグメント１、２、３のガス流れ方向は、図３の例では同じ方向としてあるが、上流側セグメント１と下流側セグメント３の流れ方向は互いに逆方向としてもよい。逆方向とすることにより、湿度の高い部分と湿度の低い部分とを隣接させることができ、湿度分布均一化に寄与できる。
【００２４】
図３、図４では、ガス入口から入ったガスは、各セルのガス流路セグメント１の入口側ガスマニホールド２９からガス流路セグメント１のガス流路２７に入り、ガス流路セグメント１の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端部内（エンドプレートおよび／またはインシュレータ内に形成したガス流路３０）に至り、スタック端部内のガス流路セグメント１の出口側マニホールドからスタック端部内のセグメント２の入口側マニホールドに流れる。
同じことをガス流路セグメント２に対して繰り返す。すなわち、スタック端部内のガス流路セグメント２の入口側マニホールドに流れたガスは、各セルのガス流路セグメント２の入口側マニホールド２９からガス流路セグメント２のガス流路に入り、ガス流路セグメント２の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端部内（エンドプレートおよび／またはインシュレータ内に形成した通路３０）に至り、スタック端部内のガス流路セグメント２の出口側マニホールドからスタック端部内のガス流路セグメント３の入口側マニホールドに流れる。
上記を順次、ガス流路セグメント２、３と繰り返して、最後はスタック端部内のガス流路セグメント３の出口側マニホールドから外部に出ていく。
水交換部３４の既反応ガスのガス流路３０は、セルの最下流から２番目のガス流路セグメント２を通った後の既反応ガスが流れる既反応ガスのガス流路３０とされている。
【００２５】
本発明の実施例１の作用はつぎの通りである。
水交換部３４を燃料電池スタック２３のターミナル２０より外側の部分に配置したので、水交換部３４を、各セルの発電部３３に設ける必要がなく、水交換部を発電部に設けた場合に発電部面積が少なくなって燃料電池の発電性能が低下するという問題を生じることがなく、また、水交換部３４を全セルに対して共通にターミナル２０より外側の部分に設けることができるので、スペース効率がよい。
【００２６】
また、水交換部の既反応ガスのガス流路３０に流れる既反応ガスは、セルの最下流から２番目のガス流路セグメント２を通った後の既反応ガスのため、フラッディング前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガスとで水交換を行うことができる。そのため、フラッディング防止と膜乾燥防止を効率的にはかることができる。
【００２７】
本発明の実施例２では、図５〜図７に示すように、スタック２３は横置きで車両に搭載され、水交換部３４がスタック２３の上側に配置されている。
また、発電部３３のガス流路セグメントの個数はたとえば２個である。ガス流路セグメント１、２は、発電部３３外の発電部上部のガスマニホールド２９により、直列に接続されている。
図５に示すように、未反応ガスは発電部３３の下側に位置するガス流路２８（未反応ガスのガスマニホールド２９）から発電部３３のガス流路セグメント１のガス流路２７に入り、既反応ガスになって発電部３３の上側に位置するガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）に流れ、該既反応ガスは発電部３３の上側のガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）で１ターンさせて発電部３３のガス流路セグメント２のガス流路２７に入り、発電部３３の下側のガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）に流れる。
【００２８】
図６または図７に示すように、発電部３３の上側のガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）は、発電部３３の下側に位置するガス流路２８（未反応ガスのガスマニホールド２９）に未反応ガスを送る未反応ガスのガス流路３１と水交換膜３５を介して隔てられている。
図６では、未反応ガスのガス流路３１と既反応ガスのガスマニホールド２９とを別室にして水交換膜３５で仕切った構造としてある。水交換膜３５は蛇腹状とされ平面状の場合よりも表面積を大としてある。
図７では、発電部３３の上側の既反応ガスのガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）の壁に該壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部３６を設け、傾斜部３６の下端部の下方に、傾斜部３６で集められた水をセル発電部３３に落下させることなく排除する排除部３７が設けられている。
【００２９】
本発明の実施例２の作用はつぎの通りである。
水交換部３４をスタック２３の上側に配置したので、水交換部３４を、各セルの発電部３３内に設ける必要がなく、発電性能を低下させることがなく、スペース効率もよい。
また、ガスの流れを１ターンさせ湿潤の高い下流側のガス流路２ではガスを上から下に流すので、たとえ水滴が生成しても下方に吹き飛ばすことができ、水によるガス通路詰まりが生じない。
また、図６では、水交換膜３５を蛇腹状としたので、水交換膜３５の表面積が増大し、既反応ガスから未反応ガスへの水分透過量を増大できる。
また、図７では、発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に傾斜部３６を設け、傾斜部３６の下端部の下方に排除部３７を設けたので、ガスマニホールド２９の壁に生成した水滴を傾斜部３６をつたわせて排除部３７に導き、発電部３３に落下させずに外部に排除することができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１または請求項２の燃料電池のガス流路によれば、少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路と未反応ガスのガス流路とを水交換膜で隔てたので、既反応ガスの水分が水交換膜を透過して未反応ガスに移行し、電解質膜の下流での湿潤過多と上流での乾燥が共に防止されるとともに、途中部と最上流との水交換もできて燃料電池の反応面内での水分分布の均一化もはかることができる。また、水交換膜が飽和することもないので、半永久的に作動する。また、セル発電部外に水交換部を設けたので、セル面積からの制限を受けることなく、高い効率で既反応ガスから未反応ガスへの水分移行を行わせることができる。
請求項３の燃料電池のガス流路によれば、各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流側のガス流路セグメントとを隣接させたので、セパレータ内での水分分布を、隣接させない場合に比べてより一層均一化できる。
請求項４の燃料電池のガス流路によれば、各セル内で下流側のガス流路セグメントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面積より小としたので、下流での流速低下を防止でき、下流で液滴が生じても、吹き飛ばすことができ、液滴による電池性能の低下を防止できる。
請求項５の燃料電池のガス流路によれば、水交換部を燃料電池スタックのターミナルより外側の部分に配置したので、水交換部を、各セルの発電部に設ける必要がなく、発電性能を低下させない。また、水交換部を全セルに対して共通にターミナルより外側の部分に設けることができるので、スペース効率がよい。
請求項６の燃料電池のガス流路によれば、水交換部の既反応ガスのガス流路に流れる既反応ガスを、セルの最下流から２番目のガス流路セグメントを通った後の既反応ガスとしたため、フラッディング前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガスとで効率良く水交換を行わせることができる。
請求項７の燃料電池のガス流路によれば、水交換部をスタックの上側に配置したので、水交換部を、各セルの発電部内に設ける必要がなく、発電性能を低下させることがなく、スペース効率もよい。
請求項８の燃料電池のガス流路によれば、ガスの流れを１ターンさせ湿潤の高い下流側のガス流路ではガスを上から下に流すので、たとえ水滴が生成しても下方に吹き飛ばすことができ、水によるガス通路詰まりを防止できる。
請求項９の燃料電池のガス流路によれば、水交換膜を蛇腹状としたので、水交換膜の表面積を増大でき、既反応ガスから未反応ガスへの水分透過量を増大できる。
請求項１０の燃料電池のガス流路によれば、発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に傾斜部を設け、該傾斜部の下端部の下方に排除部を設けたので、壁に生成した水滴を傾斜部をつたわせて排除部に導き、発電部に落下させずに外部に排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１、２の燃料電池のガス流路を備えた燃料電池の全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池のモジュールの端部とその近傍の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池のガス流路の、セパレータの酸化ガス流路側から見た、概略斜視図である。
【図４】図３のスタック端部の断面図である。
【図５】本発明の実施例２の燃料電池のガス流路の、セパレータの酸化ガス流路側から見た、概略正面図である。
【図６】本発明の実施例２の、水交換部を具備する燃料電池のガス流路の、セパレータの酸化ガス流路側から見た、概略正面図である。
【図７】本発明の実施例２の、図６とは別構造の水交換部を具備する燃料電池のガス流路の、セパレータの酸化ガス流路側から見た、概略正面図である。
【図８】本発明の実施例１、２の燃料電池のガス流路におけるセパレータ内ガス流路セグメント間での水分のやりとりとその前後における膜中水分量を棒グラフである。
【図９】従来の燃料電池のガス流路の問題を模式化して示した、各ガス流路セグメントでの膜中水分量の棒グラフである。
【符号の説明】
１、２、３  ガス流路セグメント（単にセグメントともいう）
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８Ａ  冷却用セパレータ
１８Ｂ  反応ガス用セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルトまたはナット
２６  冷却水流路
２７  ガス流路（発電部のガス流路）
２７ａ  燃料ガス流路
２７ｂ  酸化ガス流路
２８  ガス流路（発電部外のガス流路）
２９  ガスマニホールド
３０  ガスマニホールド同士を接続するガス流路
３１  ガス入口からガスマニホールドに未反応ガスを流すガス流路
３２  ガスマニホールドからガス出口に既反応ガスを流すガス流路
３３  発電部（電極に対応する部分）
３４  水交換部
３５  水交換膜
３６  傾斜部
３７  排除部
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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