(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質体と、該固体高分子電解質体の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して第１及び第２の酸化剤ガス供給用マニホールドが配設され、
該第１及び第２の酸化剤ガス供給用マニホールドの間に酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、前記第１のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間、並びに前記第２のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間にそれぞれ複数のガス流通路により連結し、
前記ガス供給用マニホールドからの酸化剤ガスを前記ガス排出用マニホールドに流通させると共に、前記各ガス流通路は第１、第２、第３の折り返し部が存在し、該第１及び第２の折り返し部、並びに該第２及び第３の折り返し部においてガス流が相対向する向きとなるように形成されたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記第１のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間に配設される複数のガス流通路からなる第１の系統、並びに前記第２のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間に配設される複数のガス流通路からなる第２の系統は、酸化剤ガスが均等に分流され、かつ該各ガス供給路の流路長が等長でかつ等圧損となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
固体高分子電解質体と、該固体高分子電解質体の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して酸化剤ガス供給用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、
前記セパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記ガス供給用及び前記ガス排出用マニホールドと対向する他端部側の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路を有する複数の除湿用リターンマニホールドを配設し、
前記ガス供給用マニホールドと、該ガス供給用マニホールドに対して最短距離で最上流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、
前記ガス排出用マニホールドと、該ガス排出用マニホールドに対して最短距離で最下流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、
前記除湿用リターンマニホールドのうち隣接する除湿用リターンマニホールド同士を、酸化剤ガスのガス流が相対向するように形成された複数の折り返し部を有する複数のガス流通路により連結し、
前記ガス供給用マニホールドからの酸化剤ガスを、前記複数の除湿用リターンマニホールドを介して前記ガス排出用マニホールドに導くようにし、該酸化剤ガスの除湿を行なうように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記セパレータに挟まれた前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極が複数に分割配置され、
前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記複数の固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極が有する縁部のうちの最外縁の一端及び他端にそれぞれ酸化剤ガス供給用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、
前記セパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記酸化剤ガス供給用マニホールドおよび酸化剤ガス排出用マニホールドの間に配設され、前記最外縁の一端及び他端を除く前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路を有する１個以上の除湿用リターンマニホールドを配設し、
前記ガス供給用マニホールドと隣接する除湿用リターンマニホールドの間、前記除湿用リターンマニホールドのうち隣接する除湿用リターンマニホールド間、前記ガス排出用マニホールドと隣接する除湿用リターンマニホールド間にそれぞれ複数のガス流通路を連結したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記除湿用リターンマニホールドに、前記反応ガスに不透過で蒸気のみを透過する性質を有する水透過膜を前記固体高分子電解質体と同じ積層位置に前記第１第２のセパレータにて介在させ、前記ガス流通路から前記除湿用リターンマニホールドに導入された反応ガスが前記水透過膜と面接触した後、下流のガス流通路に流通される構成とし、
前記水透過膜を介して反応ガスと相反する面に、反応ガスから透過してきた蒸気分を、固体高分子電解質型電池外へ排出する搬出媒体を通過させる構成としたことを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記搬出媒体として前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される反応ガスを用いたことを特徴とする請求項５記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記複数のガス流通路のうち隣接するガス流通路または、ガス流が相対向する向きに折り返し部の折返し前後間で少なくとも１箇所以上の連絡路を配置したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質として固体高分子電解質体を用いる固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質体の両主面に燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）を配置して形成される。固体高分子電解質体には、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト化したもの、あるいはパーフルオロスルホン酸樹脂膜などが用いられる。
【０００３】
固体高分子電解質体は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることにより２０Ωｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。各電極においては気相、液相、固相の三相界面が形成され、燃料極においては下記（１）式の、また酸化剤極においては下記（２）式の反応が起こる。
【０００４】
Ｈ２＝２H＋  ＋  ２e−      （１）
1/2Ｏ２＋２H＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏ  （２）
すなわち、燃料極においては、外部より供給された水素ガスからプロトンと電子が生成する。生成されたプロトンはイオン交換膜内を酸化剤極に向かって移動する。
【０００５】
酸化剤極においては、外部より供給された酸素ガスと、イオン交換膜内を燃料極より移動してきたプロトンおよび外部回路を経て移動してきた電子と反応し、水を生成する。
【０００６】
図９は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の単位セル２０の構造を模式的に示す断面図である。平板状の固体高分子電解質体１の対向する両主面に、燃料極基材３の燃料極触媒層２を積層してなる平板状の燃料極４と、酸化剤極基材６の酸化剤極触媒層５を積層してなる平板状の酸化剤極７とを配置して熱圧着し、その両外面に配置した平板状のセパレータ８と、平板状のセパレータ９により挟持して固定されており、シール１３により気密保持されている。
【０００７】
セパレータ８には燃料極４に燃料ガス（水素）を供給する例えば溝からなる燃料ガス流通路１０がセパレータ９には酸化剤極７に酸化剤ガスを供給する例えば溝からなる酸化剤ガス流通路１１が形成されている。
【０００８】
さらに、二つのセパレータ８，９の外周面には、それぞれ冷却水を流す冷却水流通路１２が形成されており、冷却水流通路１２に加熱された冷却水を供給することにより、運転開始時には単位セル２０を加熱して温度を上昇させ、定常運転時には電気化学反応に伴う発熱を吸収して温度上昇を抑制し、通常単位セル２０の温度を７０〜８０℃の所定温度に維持する役割を果たしている。
【０００９】
図１０は、図９に示した単位セル２０を積層して構成される従来の固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す正面図である。図１０に見られるように、主面を水平方向に面して配置した単位セル２０を複数個水平方向に積層し、この最下部及び最上部にそれぞれ端板２１Ａ、２１Ｂを配置し、端板２１Ａ、２１Ｂを連結ボルト２４ａ、ナット２４ｂにより挟持して構成されている。
【００１０】
図１１は、図９に示した単位セル２０の酸化剤極７に接して配置されるセパレータ９の構成例を摸式的に示す平面図である。図に見られるように、セパレータ９の酸化剤側の主面の中央部には、酸化剤極７に相対して複数の平行する酸化剤ガス流通路１１が形成されており、その上部には、一端に酸化剤ガス入口を備えた酸化剤ガス供給用マニホールド１８が、また下部には、一端に酸化剤ガス出口を備えた酸化剤ガス排出用マニホールド１９が形成されている。
【００１１】
複数の単位セル２０を図１０のように積層すると、それぞれの単位セル２０の酸化剤ガス入口、酸化剤出口がお互いに連通するように配されており、酸化剤ガス入口より供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流通路１１の部分で発電に寄与し、酸化剤ガス出口より排出されることとなる。
【００１２】
また、燃料ガス供給用マニホールド（燃料導入用マニホールド）１６および燃料ガス排出用マニホールド１７は、単位セル２０のもう一方のセパレータに通流される燃料ガス入口および燃料ガス出口に連通するマニホールドで、燃料ガスの流路を形成するものである。
【００１３】
図１２は、図１１の構成のセパレータ９を組み込んだ単位セル２０を積層してなる燃料電池積層体における反応ガスの入口部および出口部の構成を示す模式図である。
【００１４】
本燃料電池積層体は、水平方向に積層された複数の単位セル２０からなる単位セル積層体２５の下部には、集電板２３Ａと絶縁体２２Ａを順次介して端板２１Ａを配置し、単位セル積層体２５の上部には、集電板２３Ｂと絶縁体２２Ｂを順次介して端板２１Ｂを配置し、端板２１Ａ，２１Ｂを図１０のように連結ボルト２４ａ、ナット２４ｂにより挟持して構成されている。
【００１５】
この場合、反応ガスすなわち燃料ガスと酸化剤ガスは、一方の絶縁体２２Ｂに設けられた２個の反応ガス供給口２８ａ、２８ｂよりそれぞれ別個に供給され、各単位セル２０のセパレータに設けられた反応ガスの入口を連ねてなる反応ガス供給用マニホールド２６へと送られ、各セパレータの反応ガス流通路を並列に流れて発電に寄与した後、各単位セル２０のセパレータに設けられた反応ガスの出口を連ねてなる反応ガス排出用マニホールド２７へ送られて、一方の絶縁体２２Ａの下端に設けられた２個の反応ガス排出口２９ａ、２９ｂよりそれぞれ別個に排出される構成となっている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のセパレータ９の構成に関連して、酸化剤極７側の反応は、前述の（２）式のようにＨ２Ｏが生成されるが、酸化剤ガス供給用マニホールド１８から導入されたガスは、ガス排出用マニホールド１９に向かうに従い、上記反応によってＯ２ガスが消費され、Ｈ２Ｏが生成されるため、酸化剤ガス流通路１１中のＨ２Ｏ濃度は酸化剤ガス供給用マニホールド１８から酸化剤ガス排出用マニホールド１９へ向かって上昇する。
【００１７】
このため、酸化剤ガス排出用マニホールド１９側では生成蒸気が水として凝縮を引き起こした場合、その凝縮水が触媒層を覆い、Ｏ2ガスが触媒層の反応側へ拡散移動するのを阻害される現象、いわゆるフラッディング現象が生じるために電池特性が低下する。特に、酸化剤ガスの利用率が高い場合、運転温度が低い場合、負荷電流が大きい場合にこの現象が顕著となる。
【００１８】
また、同様に燃料極側の反応は、前述の（１）式により水素が消費されるが、一般に固体高分子電解質型燃料電池の運転においては、水蒸気改質燃料が使用される場合が多いので、燃料ガス供給用マニホールド１６から燃料ガス排出用マニホールド１７に向かって燃料ガス流通路中のＨ2Ｏ濃度は、Ｈ2が消費された分上昇し、酸化剤極７側と同様に、燃料ガス排出用マニホールド１７側では燃料ガス中の水蒸気が水として凝縮し、フラッディング現象に伴い電圧が低下する。
【００１９】
この対策として、特開平７−２６３００３号公報、ＵＳＰ−４９８８５８３、ＳＵＰ−５１０８８４９には、ガス流速を増大させるための屈曲したガス流通路が開示されている。このように、屈曲したガス流通路によりガス流速が大きくなることで、ガス拡散性が向上することを示している。しかし、本発明者らは、ガス流速を増大させただけでは、ガス拡散性は改善されないことを実験的に見い出した。
【００２０】
一方、ガス供給用マニホールド１８付近の酸化剤ガス流通路に面する酸化剤極７では、酸化剤ガス流通路の上流部に位置するため、上記反応で生成するＨ２Ｏ分が酸化剤ガス流通路中に未だ多く存在しない。
【００２１】
このため、固体高分子電解質体１に十分に水分を供給することができないことから、固体高分子電解質体におけるプロトンの導電性が低くなり、この部分での酸化剤極の反応が抑制され、電池特性は低下する。
【００２２】
以上のように、従来の反応ガス、特に酸化剤ガスの供給構成においては、酸化剤ガス流通路入口付近及び出口付近ではそれぞれＨ２Ｏ不足、 Ｈ２Ｏ過剰のため、上記酸化剤極７の反応が十分に進行せず、酸化剤ガス流通路１１の中央付近の適切なＨ２Ｏ濃度部分にのみ酸化剤極７の反応が集中してしまい、十分に電極全体を使うことができない、いわゆる有効面積の小さい電池状態になり、電池特性の低減が問題となっていた。
【００２３】
そこで本発明の目的は、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドに至るガス流通路に沿った蒸気圧の不均一化に対して、ガス流通路構成およびガス流通路での除湿構成の最適化を図り電極反応面全面で均一な蒸気圧状態とすることで、ガス排出用マニホールド付近での蒸気凝縮で生じるフラッディング現象の抑制および電極有効面積の拡大化による電池特性の向上をもたらすことが可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供しようとするものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に対応する発明は、固体高分子電解質体と、該固体高分子電解質体の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して第１及び第２の酸化剤ガス供給用マニホールドが配設され、
該第１及び第２の酸化剤ガス供給用マニホールドの間に酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、前記第１のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間、並びに前記第２のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間にそれぞれ複数のガス流通路により連結し、
前記ガス供給用マニホールドからの酸化剤ガスを前記ガス排出用マニホールドに流通させると共に、前記各ガス流通路は第１、第２、第３の折り返し部が存在し、該第１及び第２の折り返し部、並びに該第２及び第３の折り返し部においてガス流が相対向する向きとなるように形成されたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００３７】
請求項１記載の発明によれば、反応ガス、特に酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドに向かって複数の酸化剤ガス流通路に導入された時、放熱により単位セル平面周辺部の温度が低くなる領域には、ガス供給マニホールドからガス流通路上流部分のＨ２Ｏ低濃度領域が対応し、一方、蓄熱により単位セル平面中央部の温度の高くなる領域には、ガス流通路下流部分のＨ２Ｏ高濃度領域が対応することになるので、ガス流通路下流部分で生じる凝縮によるフラッディング現象を抑制できる。
【００３８】
前記目的を達成するために、請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体電解質型燃料電池において、前記第１のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間に配設される複数のガス流通路からなる第１の系統、並びに前記第２のガス供給用マニホールドと前記ガス排出用マニホールドの間に配設される複数のガス流通路からなる第２の系統は、酸化剤ガスが均等に分流され、かつ該各ガス供給路の流路長が等長でかつ等圧損となるように構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池である。
【００３９】
請求項２記載の発明によれば、反応ガス、特に酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドに向かって２系統の酸化剤ガス流通路に導入された時、酸化剤ガスは2系統に均等に分流され、更にはガス流通路が均等に配置されているので、酸化剤極の反応に伴う発熱分布は2系統ガス流通路に沿って左右対称となり、放熱により単位セル平面周辺部の温度が低くなる領域には、ガス供給マニホールドからガス流通路上流部分のＨ２Ｏ低濃度領域が対応し、一方、蓄熱により単位セル平面中央部の温度の高くなる領域には、ガス流通路下流部分のＨ２Ｏ高濃度領域が対応する状態が、より規則的になるので、ガス流通路下流部分で生じる凝縮によるフラッディング現象をより効果的に抑制できる。
【００４０】
前記目的を達成するために、請求項９記載の発明は、固体高分子電解質体と、該固体高分子電解質体の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して酸化剤ガス供給用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、
前記セパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記ガス供給用及び前記ガス排出用マニホールドと対向する他端部側の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路を有する複数の除湿用リターンマニホールドを配設し、
前記ガス供給用マニホールドと、該ガス供給用マニホールドに対して最短距離で最上流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、
前記ガス排出用マニホールドと、該ガス排出用マニホールドに対して最短距離で最下流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、
前記除湿用リターンマニホールドのうち隣接する除湿用リターンマニホールド同士を、酸化剤ガスのガス流が相対向するように形成された複数の折り返し部を有する複数のガス流通路により連結し、
前記ガス供給用マニホールドからの酸化剤ガスを、前記複数の除湿用リターンマニホールドを介して前記ガス排出用マニホールドに導くようにし、該酸化剤ガスの除湿を行なうように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００４１】
前記目的を達成するために、請求項３記載の発明は、固体高分子電解質体と、該固体高分子電解質体の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して酸化剤ガス供給用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、前記セパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記ガス供給用及び前記ガス排出用マニホールドと対向する他端部側の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路を有する複数の除湿用リターンマニホールドを配設し、前記ガス供給用マニホールドと、該ガス供給用マニホールドに対して最短距離で最上流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、前記ガス排出用マニホールドと、該ガス排出用マニホールドに対して最短距離で最下流側にある前記除湿用リターンマニホールドの間を複数のガス流通路により連結し、前記除湿用リターンマニホールドのうち隣接する除湿用リターンマニホールド同士を、酸化剤ガスのガス流が相対向するように形成された複数の折り返し部を有する複数のガス流通路により連結し、前記ガス供給用マニホールドからの酸化剤ガスを、前記複数の除湿用リターンマニホールドを介して前記ガス排出用マニホールドに導くようにし、該酸化剤ガスの除湿を行なうように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００４２】
前記目的を達成するために、請求項４記載の発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の対向する両主面に配設される燃料極および酸化剤極と、前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の外面に配置され、かつ各々に反応ガス流通路を備えた第１及び第２のセパレータからなる単位セルを複数用いて構成され、該各単位セルの主面を垂直方向に積層して用いられる固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータに挟まれた前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極が複数に分割配置され、前記単位セルを構成するセパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記複数の固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極が有する縁部のうちの最外縁の一端及び他端にそれぞれ酸化剤ガス供給用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドが配設され、前記セパレータのうちの前記酸化剤極が接触する面であって、前記酸化剤ガス供給用マニホールドおよび酸化剤ガス排出用マニホールドの間に配設され、前記最外縁の一端及び他端を除く前記固体高分子電解質体並びに前記燃料極および酸化剤極の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路を有する１個以上の除湿用リターンマニホールドを配設し、前記ガス供給用マニホールドと隣接する除湿用リターンマニホールドの間、前記除湿用リターンマニホールドのうち隣接する除湿用リターンマニホールド間、前記ガス排出用マニホールドと隣接する除湿用リターンマニホールド間にそれぞれ複数のガス流通路を連結したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００４３】
請求項４記載の発明によれば、反応ガス、特に酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドに向かって複数の酸化剤ガス流通路に導入された時、ガス流通路を通過するに伴って酸化剤極で生成するＨ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガスが、前記除湿用リターンマニホールドに導入されると、放熱のため単位セル部より温度が低い除湿用リターンマニホールド部で、酸化剤ガスのＨ２Ｏ分の一部が凝縮した後、Ｈ２Ｏ濃度が低下した酸化剤ガスが再び下流のガス流通路に導入される。この除湿動作が繰り返された後、酸化剤ガスはガス排出用マニホールドに排出されることで、酸化剤ガスがガス流通路下流のガス排出用マニホールド付近で生じる凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【００４４】
前記目的を達成するために、請求項５記載の発明は、請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記除湿用リターンマニホールドに、前記反応ガスに不透過で蒸気のみを透過する性質を有する水透過膜を前記固体高分子電解質体と同じ積層位置に前記第１第２のセパレータにて介在させ、前記ガス流通路から前記除湿用リターンマニホールドに導入された反応ガスが前記水透過膜と面接触した後、下流のガス流通路に流通される構成とし、前記水透過膜を介して反応ガスと相反する面に、反応ガスから透過してきた蒸気分を、固体高分子電解質型電池外へ排出する搬出媒体を通過させる構成としたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００４５】
請求項５記載の発明によれば、反応ガス、特に酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドに向かって複数の酸化剤ガス流通路に導入された時、ガス流通路を通過するに伴って酸化剤極で生成するＨ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガスが、前記除湿用リターンマニホールドに導入されると、酸化剤が中のＨ２Ｏ分の一部は水透過膜を透過して、前記搬出媒体により単位セル外へ搬出されるので、より効果的に除湿用リターンマニホールドで酸化剤ガス中のＨ２Ｏ分を除去することができる。
【００４６】
前記目的を達成するために、請求項６記載の発明は、請求項５記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記搬出媒体として前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される反応ガスを用いたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００４７】
請求項６記載の発明によれば、反応ガスがガス導入用マニホールに導入される前に、前記除湿用リターンマニホールドにおいて、酸化剤ガス中のＨ２Ｏ分を水透過膜を介して、搬出媒体として受け取り、加湿された反応ガスとして、ガス供給用マニホールドからガス流通路に供給されるので、ガス流通路上流部でのＨ２Ｏ不足を解消することができる。
【００５０】
前記目的を達成するために、請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか一つに記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記複数のガス流通路のうち隣接するガス流通路または、ガス流が相対向する向きに折り返し部の折返し前後間で少なくとも１箇所以上の連絡路を配置したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００５１】
請求項７記載の発明によれば、酸化剤極の反応で生じたＨ２Ｏの濃度が高くなり凝縮が生じ、酸化剤ガス流通路を閉塞してしまう場合、または燃料ガス及び酸化剤ガスに不純物が混入しガス流通路を閉塞した場合等の局部的な流通路閉塞トラブルが発生した時、閉塞が生じた流通路に供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部分の上流に位置する連絡路まで到達後、連絡路を通過し隣接する流通路に合流してガス排出用マニホールドへ至ることができるので、ガス流通路閉塞に伴う部分的なガス供給欠損部分を最小限に抑え、反応面積低減による電圧低下を抑制できる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００５３】
＜第１の実施の形態＞
（構成）
図１は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第１の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、図９の酸化剤極７に接して配設されるセパレータ９Ａを酸化剤極７側から見た平面図である。
【００５４】
図１に示すように、ほぼ平板状で外形形状が矩形のセパレータ９Ａの酸化剤極７側の主面であって、互いに対向する端部側の縁部には、酸化剤ガス供給用マニホールド（酸化剤ガス入口マニホールド、酸化剤ガス導入用マニホールド）３４Ａ及び酸化剤ガス排出用マニホールド（酸化剤ガス出口マニホールド、酸化剤ガス導出用マニホールド）３４Ｂが配設されている。
【００５５】
そして、酸化剤ガス供給用マニホールド３４Ａから酸化剤ガス排出用マニホールド３４Ｂがに向かって例えば複数の溝からなる複数の酸化剤ガス流通路３６が形成され、かつ該各ガス流通路３６が、ガス流が相対向する向きに複数の折り返し部が形成されるようにガス排出用マニホールド３４Ｂに連結するように構成されている。
【００５６】
また、図１に見られるように隣接するガス流通路３６間において、ガス供給用マニホールド３４Ａから１度目の折り返し間でのガス流通路３６の上流部分３６Ａと、２度目の折り返しからガス排出用マニホールド３４Ｂ間でのガス流通路の下流部分３６Ｂが隣接して配置されているように構成されている。
【００５７】
更には、ガス流通路３６が、ガス流が相対向する向きに並行に２度折り返すように配置され、かつ１本のガス流通路３６の２度折り返した間隔３６Ｃ及び隣接するガス流通路３６の相互間隔３６Ｄが均等に配置され、更に、それらの相互間隔３６Ｄが１．０cm以下（０を含まず）になるように構成されている。
【００５８】
このようにしているのは、次のような理由に基づいている。すなわち、ガス流通路３６から反応ガスは、多孔質体からなる電極基材を拡散し、同じく多孔質体からなる触媒層まで到達した後、触媒層Ｐｔ上で発電反応が実施される。このとき、電極基材（例えば３００μｍの厚さ）、触媒層（例えば３０μｍの厚さ）は薄いため、反応流通路間ピッチ幅が大きすぎると、その反応流通路間の中央に位置する触媒層まで、反応ガスが拡散到達しなくなる（拡散速度に比べ反応速度が早いため流通路付近でのみ、発電反応が進行する）。この結果、触媒層全面が反応に関与しなくなるので、電池特性が低下する。
【００５９】
この現象を定量的に捕らえるため、流通路ピッチ幅をパラメータとした試験を実施したところ、図２に示すように１ｃｍ幅を越える範囲で特性低下が顕著となった。従って、溝ピッチは、０ｃｍ＜溝ピッチ≦１ｃｍが望ましい。
【００６０】
また、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂの間に配置された複数の酸化剤ガス流通路３６の各流通路長が等長に、または各ガス流通路の圧損が、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ間で等しくなるように構成されている。
【００６１】
（作用）
以上のように構成された第１の実施形態では、発電運転がおこなわれた時、以下のような作用が得られる。酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入されと、酸化剤ガスは、ガス流通路３６を進むにつれて酸化剤極反応に従い酸化剤ガス中のＯ2は消費され、Ｈ２Ｏが生成されるので、Ｈ２Ｏ濃度が増大する。
【００６２】
このとき、ガス流通路３６が途中でガス流が相反する向きに２度折り返すことで、Ｈ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガス流が、ガス供給用マニホールド３４Ａ付近を流れることとなるので、この付近のＨ２Ｏ濃度を高めることができる。
【００６３】
また、ガス供給用マニホールド３４Ａから１度目の折返し間のガス流通路３６の上流部分３６ＡのＨ２Ｏ低濃度領域と、２度目の折返しからガス排出用マニホールド３４Ｂ間のガス流通路３６の下流部分３６ＢのＨ２Ｏ高濃度領域とが隣接しているので、Ｈ２Ｏは、高濃度領域から低濃度領域へ、酸化剤極基材６及び酸化剤極触媒層５を拡散移動することで、両者隣接部分の酸化剤極７におけるＨ２Ｏ濃度を平均化し、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度をより均一化することができる。
【００６４】
また、酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数のガス流通路３６に導入された時、並行均等に規則的配置がなされたガス流通路３６に沿って流れるので、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度をより均一化することができる。
【００６５】
更には、本実施形態では、酸化剤ガスは、１本のガス流通路３６の２度折り返した間隔３６Ｃ及び隣接するガス流通路３６の相互間隔３６Ｄが１．０ｃｍ以下（０を含まず）に配置されたガス流通路３６に沿って流れるので、生成するＨ２Ｏの拡散距離が短くなり、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度をより均一にすることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数のガス流通路３６に導入されたとき、各ガス流通路３６の長さが等長であり、更には各ガス流通路３６の圧損が等しいので、酸化剤ガスは各ガス流通路３６に均一分散配流し、酸化剤極７で生成するＨ２Ｏ分が、各ガス流通路３６に沿って均一に流れるので、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度をより均一にすることができる。
【００６７】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度の均一化を達成することができるので、従来の問題点であるガス供給用マニホールド３４Ａ付近のＨ２Ｏ不足による酸化剤極反応の低下及び、ガス排出用マニホールド３４Ｂ付近のＨ２Ｏ濃度過剰によるフラッデイング現象を解決することができる。
【００６８】
また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので、単位セル２０の平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【００６９】
＜第２の実施の形態＞
（構成）
図３は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第２の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配置されるセパレータ９Ａを酸化剤極側から見た平面図である。
【００７０】
図２に示すように、ほぼ平板状で外形形状が矩形のセパレータ９Ａが、酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部（その１辺）において、互いに間隔を存して（両端部に備えられた）２系統のガス供給用マニホールド３４Ａ、３４Ａ´が配設され、かつガス供給用マニホールド３４Ａ、３４Ａ´の間にガス排出用マニホールド３４Ｂが配設されている。
【００７１】
ガス供給用マニホールド３４Ａとガス排出用マニホールド３４Ｂの間及びガス供給用マニホールド３４Ａ´とガス排出用マニホールド３４Ｂの間には、以下に述べるような例えば複数の溝からなる複数の酸化剤ガス流通路３６が形成されている。
【００７２】
すなわち、ガス供給用マニホールド３４Ａ、３４Ａ´から、２系統の１本又は複数本の酸化剤ガス流通路３６を相対する１辺に向かって垂直に配置した後、内側に折り返し、ガス流が相対向する向きに配置した後更に内側に折り返し、ガス流が相対向する向きに配置し、更に、同様の構成を繰り返し、前記２系統のガス流通路３６が該セパレータ９Ａ中央付近で隣接した後、該セパレータ９Ａ端部に備えられたガス排出用マニホールド３４Ｂに、前記２系統のガス流通路３６が連結するように構成する。
【００７３】
また、本実施形態においては、ガス流通路３６の複数折返しが並列直線状に配置され、更にはセパレータ９Ａ上の並列直線状のガス流通路間隔３６Ｅ及び、前記該セパレータ中央付近で隣接した２系統のガス流通路間３６Ｆが均等に配置され、更にはガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ間の２系統のガス流通路３６の各流路長が等長、等圧損になるように構成されている。
【００７４】
（作用）
以上のような本実施の形態では、発電運転がおこなわれた時、以下のような作用が得られる。特に酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａ，３４Ａ´からガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数のガス流通路３６に導入された時、放熱により単位セル２０平面周辺部の温度が低くなる領域には、ガス供給用マニホールド３４Ａ，３４Ａ′からガス流通路上流部分３７のＨ２Ｏ低濃度領域が対応しているので、Ｈ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象が発生しない。
【００７５】
一方、放熱の影響が小さい単位セル平面中央部の温度の高くなる領域には、ガス流通路下流部分３８のＨ２Ｏ高濃度領域が対応することになるので、温度が高い分ガス流通路下流部分３８で生じるＨ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象を抑制できる。
【００７６】
また、本実施形態では、酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａ及び３４Ａ′から、それぞれガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入された時、前記２系統のガス流通路３６、３６′のガス流通路長が等長であり、更には各ガス流通路３６、３６′の圧損が等しいので、酸化剤ガスは２系統に均等に分流され、更にはガス流通路３６、３６′が均等に配置されているので、酸化剤極の反応に伴う発熱分布は2系統ガス流通路３６、３６′に沿って左右対称となり、放熱により単位セル平面周辺部の温度が低くなる領域には、ガス供給マニホールドからガス流通路上流部分３７のＨ２Ｏ低濃度領域が対応し、一方、放熱の影響が小さい単位セル平面中央部の温度の高くなる領域には、ガス流通路下流部分３８のＨ２Ｏ高濃度領域が対応する状態が、より規則的になるので、ガス流通路下流部分で生じる凝縮によるフラッディング現象をより効果的に抑制できる。
【００７７】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、酸化剤極７全面の温度分布に対応して、温度が低い部分にはＨ２Ｏ濃度の低領域を、温度が高い部分にはＨ２Ｏ濃度の高い部分を対応するように配置しているので、従来の問題点であるＨ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象を解決することができる。
【００７８】
＜第３の実施の形態＞
（構成）
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第３の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータ９Ａを酸化剤極側から見た平面図であり、図４（ｃ）は単位セルの積層状態を示す図（正面図）である。
【００７９】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、単位セルを構成するセパレータのうちの酸化剤極が接触する面であって、一端部側の縁部において互いに間隔を存して酸化剤ガス供給用マニホールド３４Ａ及び酸化剤ガス排出用マニホールド３４Ｂが配設され、セパレータのうちの酸化剤極が接触する面であって、ガス供給用及び前記ガス排出用マニホールド３４Ａ、３４Ｂと対向する他端部側の縁部において互いに間隔を存して図４（ｃ）に示すドレン排出路４０を有する複数の除湿用リターンマニホールド３９（３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｄ）を配設し、ガス供給用マニホールド３４Ａと、ガス供給用マニホールド３４Ａに対して最短距離で最上流側にある除湿用リターンマニホールド３９Ａの間を複数のガス流通路３６により連結し、ガス排出用マニホールド３４Ｂと、該ガス排出用マニホールド３４Ｂに対して最短距離で最下流側にある前記除湿用リターンマニホールド３９Ｄの間を複数のガス流通路３６により連結し、更に除湿用リターンマニホールド３９Ｂのうち隣接する除湿用リターンマニホールド３９Ｂ同士を、酸化剤ガスのガス流が相対向するように形成された複数の折り返し部を有する複数のガス流通路３６の上流部分３６Ａにより連結しものである。
【００８０】
ここで、図４（ｃ）に示すドレン排出路４０は、次のような理由で設けるものである。燃料電池の運転中では、発電反応に伴い、生成水を連続的に発生する。従って、その生成水の一部が凝縮してドレンも連続的に発生するので、供給ガスが閉塞しないようにドレンを連続的又は定期的に排出する必要がある。このため、ドレン排出路４０が必要である。
【００８１】
（作用）
以上のような本実施形態の形態では、発電運転が行われた時、以下のような作用が得られる。酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入された時、ガス流通路３６を通過するに伴って酸化剤極７で生成するＨ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガスが、前記除湿用リターンマニホールド３９に導入されると、放熱のため単位セル部より温度が低い除湿用リターンマニホールド３９部で、酸化剤ガスのＨ２Ｏ分の一部が凝縮した後、凝縮した分だけＨ２Ｏ濃度が低下した酸化剤ガスが再び下流のガス流通路３６に導入される。
【００８２】
この除湿動作が繰り返された後、酸化剤ガスはガス排出用マニホールド３４Ｂに排出されることで、酸化剤ガスがガス流通路３６下流のガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じる凝縮を回避することができる。
【００８３】
図４（ｄ）は、本実施形態において、酸化剤ガスがガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６に沿ったＨ２Ｏ濃度の変化を示したものである。
【００８４】
この図４（ｄ）からも分かるように、ガス流通路３６を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏ濃度は、除湿用リターンマニホールド３９にて除湿されるので、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６のＨ２Ｏ濃度は、酸化剤極面で凝縮することのない所定の範囲に制御することができる。
【００８５】
一方、図４（ｃ）は本実施形態のセパレータ９Ａを用いて積層した単位セル積層体を示したものであるが、除湿用リターンマニホールド３９内で凝縮した水分は、ドレン排出路４０を介して、固体高分子電解質型燃料電池の系外に排出される。
【００８６】
なお、図には示していないが、ドレン排出路４０から排出された水を、固体高分子電解質型燃料電池に供給される燃料ガス、又は酸化剤ガスの加湿に再利用することもできる。
【００８７】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６の途中に設けた一つ以上の除湿用リターンマニホールド３９にて、ガス流通路３６を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏ分を除湿することができるので、従来の問題点であるガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【００８８】
＜第４の実施の形態＞
（構成）
図５（ａ）は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第４の実施の形態を説明するための単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータ９Ａを酸化剤極側から見た平面図であり、図５（ｂ）は単位セルの積層状態を示す図（正面図）であり、図５（ｃ）は図５（ｂ）の詳細を示す図である。
【００８９】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、セパレータに挟まれた固体高分子電解質体１並びに燃料極４および酸化剤極７が複数（ここでは３個）に分割配置され、単位セルを構成するセパレータ９Ａのうちの酸化剤極７が接触する面であって、固体高分子電解質体１並びに燃料極４および酸化剤極７が有する縁部のうちの最外縁の一端（一端部側の縁部）及び他端（他端部側の縁部）にそれぞれ酸化剤ガス供給用マニホールド３４Ａ及び酸化剤ガス排出用マニホールド３４Ｂが配設されている。セパレータ９Ａのうちの酸化剤極７が接触する面であって、酸化剤ガス供給用マニホールド３４Ａおよび酸化剤ガス排出用マニホールド３４Ｂの間に、前記最外縁の一端及び他端を除く固体高分子電解質体１並びに燃料極４および酸化剤極７の縁部において互いに間隔を存してドレン排出路４０を有する１個以上（ここでは２個）の除湿用リターンマニホールド（除湿用マニホールド）４１Ａ、４１Ｂが互いに平行に配設されている。
【００９０】
そして、ガス供給用マニホールド３４Ａと隣接する除湿用マニホールド４１Ａの間、除湿用マニホールドのうち隣接する除湿用マニホールド４１Ａ、４１Ｂ間、ガス排出用マニホールド３４Ｂと隣接する除湿用マニホールド４１Ｂ間にそれぞれ複数のガス流通路３６を連結したものである。
【００９１】
また、図５（ｃ）は、は本実施形態のセパレータ９Ａを用いて積層した単位セル積層体を示したものであるが、前記個々のマニホールド間に固体高分子電解質体１と、その両主面に配される平板状の燃料極４および酸化剤極７を３分割して配置し、更に前記セパレータ９Ａに備えられた２個の除湿用マニホールド４１にドレン排出路４０を有した構成とされている。
【００９２】
（作用）
以上のような本実施形態の形態では、発電運転が行われた時、以下のような作用が得られる。
【００９３】
酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入された時、ガス流通路３６を通過するに伴って酸化剤極７で生成するＨ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガスが、除湿用マニホールド４１に導入されると、放熱のため単位セル部より温度が低い除湿用マニホールド４１部で、酸化剤ガスのＨ２Ｏ分の一部が凝縮した後、Ｈ２Ｏ濃度が低下した酸化剤ガスが再び下流のガス流通路３６に導入される。この除湿動作が繰り返された後、酸化剤ガスはガス排出用マニホールド３４Ｂに排出されることで、酸化剤ガスがガス流通路３６下流のガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じる凝縮を回避することができる。
【００９４】
図５（ｄ）は、本実施形態において、酸化剤ガスがガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６に沿ったＨ２Ｏ濃度の変化を示したものである。この図５（ｄ）からも分かるように、ガス流通路３６を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏの濃度は、除湿用マニホールド４１にて除湿されるので、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６のＨ２Ｏ濃度は、酸化剤極面で凝縮することのない所定の範囲に制御することができる。
【００９５】
一方、図５（ｃ）は本実施形態のセパレータ９Ａを用いて積層した単位セル積層体を示したものであるが、除湿用マニホールド３９内で凝縮した水分は、図５（ｂ）に示すようにドレン排出路４０を介して、固体高分子電解質型燃料電池の系外に排出される。
【００９６】
なお、図には示していないが、ドレン排出路４０から排出された水を、固体高分子電解質型燃料電池に供給される燃料ガス、又は酸化剤ガスの加湿に再利用することもできる。
【００９７】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに至るまでのガス流通路３６の途中に設けた一つ以上の除湿用マニホールド４１にて、ガス流通路３６を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏ分を除湿することができるので、従来の問題点であるガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【００９８】
さらに、単位セル（燃料極４＋固体高分子電解質体１＋酸化剤極７）を３分割し、その間の２箇所に除湿用マニホールド４１Ａ，４１Ｂを設け、酸化剤極７で発生する生成水の一部（ドレンとなったもの）を、その除湿用マニホールド４１Ａ，４１Ｂにより凝縮除去することで、酸化剤極７の流通路での湿度分布をより均一にし、かつ酸化剤ガス流通路での凝縮に伴うフラッディング現象を回避することができる。
【００９９】
＜第５の実施の形態＞
（構成）
図６（ａ）、図６（ｂ）は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第５の実施の形態を示す単位セルと燃料極４と酸化剤極７に面して配置されたセパレータ９Ａの断面構成図である。
【０１００】
図６（ａ）、図６（ｂ）は、夫々図４で示した第３の実施の形態と、図５で示した第４の実施の形態において、除湿用リターンマニホールド（除湿用マニホールド）３９部または、除湿用マニホールド４１部に、反応ガスに不透過で蒸気のみを透過する性質を有する水透過膜４２を固体高分子電解質体１と同じ積層位置に前記２枚のセパレータ９Ａにて介在させ、ガス流通路３６から除湿用マニホールド３９に導入された反応ガスが水透過膜４２と面接触した後、下流のガス流通路３６に流通される構成となっている。
【０１０１】
更には、前記水透過膜４２を介して反応ガスと相反する面に、反応ガスから透過してきた蒸気を、固体高分子電解質型電池外へ排出する搬出媒体を通過させる搬出媒体通路４３を有した構成を示している。
【０１０２】
又、本実施形態では、反応ガスである酸化剤ガスが、搬出媒体通路４３を通過後に、ガス供給用マニホールド３４Ａに供給されるように構成されている。
【０１０３】
（作用）
以上のような本実施形態の形態では、発電運転が行われた時、以下のような作用が得られる。
【０１０４】
酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入された時、ガス流通路３６を通過するに伴って酸化剤極７で生成するＨ２Ｏ濃度が上昇した酸化剤ガスが、除湿用マニホールド３９または、除湿用マニホールド４１に導入されると、酸化剤ガス中のＨ２Ｏ分の一部は水透過膜４２を透過して、搬出媒体により単位セル外へ搬出される。
【０１０５】
この時本実施形態では、図６（ａ）に示すように酸化剤ガスが、搬出媒体として搬出媒体通路４３を通過し、水透過膜４２を通して移動してＨ２Ｏ分を伴って、一度固体高分子電解質型電池外へ搬出された後、再度ガス供給用マニホールド３４Ａに導入されるので、第３及び第４の実施形態と同様にガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂ至るまでのガス流通路３６のＨ２Ｏ濃度は、酸化剤極面で凝縮することのない所定の範囲に制御することができるだけでなく、Ｈ２Ｏ分を伴った加湿酸化剤ガスが供給されるので、ガス供給用マニホールド３４Ａ付近のＨ２Ｏ濃度を高めることができる。
【０１０６】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに至るまでのガス流通路３６の途中に設けた一つ以上の除湿用リターンマニホールド３９または、除湿用マニホールド４１にて、ガス流通路３６を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏ分を水透過膜４２を介して、酸化剤極７導入前の酸化剤ガスにて搬出することにより、より効果的に除湿することができるので、従来の問題点であるガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【０１０７】
更には、外部に酸化剤ガスの加湿装置を設けることなく、酸化剤極反応による生成Ｈ２Ｏ分を酸化剤ガスの加湿に利用できるのでシステムの高効率化及びコンパクト化が達成できる。
【０１０８】
＜第６の実施の形態＞
（構成）
図７は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第６の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータ９Ａを酸化剤極側から見た平面図である。
【０１０９】
図７に示すように、セパレータ９Ａが、酸化剤極７のガス供給用マニホールド３４Ａとガス排出用マニホールド３４Ｂ間に配置された複数のガス流通路３６のうち両端に位置する酸化剤ガス流通路３６Ｇ、３６Ｈ間の距離“Ａ”が、酸化剤導入用マニホールド３４Ａと酸化剤ガス排出用マニホールド３４Ｂ間の距離“Ｂ”より長くなるように構成されている。
【０１１０】
（作用）
以上のような本実施形態の形態では、発電運転が行われた時、以下のような作用が得られる。
【０１１１】
酸化剤ガスが、ガス供給用マニホールド３４Ａからガス排出用マニホールド３４Ｂに向かって複数の酸化剤ガス流通路３６に導入された時、そのガス流通路３６を進むに従い酸化剤極反応に伴い酸化剤ガス中のＨ２Ｏ濃度が増大し、ガス排出用マニホールド３４Ｂ付近でのＨ２Ｏ濃度が高くなり、凝縮が生じる酸化剤極部分と、Ｈ２Ｏ濃度が低く湿度不足のガス供給用マニホールド３４Ａ付近の酸化剤極部分との距離が短いため、Ｈ２Ｏは、ガス排出用マニホールド３４Ｂ付近から、ガス供給用マニホールド３４Ａ側へ濃度勾配により、酸化剤極および固体高分子電解質体を介して拡散し、酸化剤極全面のＨ２Ｏ分布の偏りをより小さくすることができる。
【０１１２】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、ガス排出用マニホールド３４Ｂ付近の過剰のＨ２Ｏ分を、Ｈ２Ｏ濃度が低く湿度不足のガス供給用マニホールド３４Ａ付近により拡散移動しやすくしたので、従来の問題点であるガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができる。
【０１１３】
＜第７の実施の形態＞
（構成）
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第７の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータ９Ａを酸化剤極側から見た平面図である。図８（ａ）に示すように、セパレータ９Ａが、酸化剤極７のガス供給用マニホールド３４Ａとガス排出用マニホールド３４Ｂ間に配置された複数のガス流通路３６のうち隣接するガス流通路間に少なくとも１箇所以上の連絡路４５を配置した構成としたものである。
【０１１４】
図８（ｂ）に示すように、セパレータ９Ａが、酸化剤極７のガス供給用マニホールド３４Ａ、３４Ａ’とガス排出用マニホールド３４Ｂ間に配置された複数のガス流通路３６のうち、ガス流が相対向する向きに折り返し部分の折返し前後間で少なくとも１箇所以上の連絡路４５を配置した構成としたものである。
【０１１５】
（作用）
以上のような本実施形態の形態では、発電運転が行われた時、以下のような作用が得られる。酸化剤極反応で生じたＨ２Ｏの濃度が高くなり凝縮が生じ、酸化剤ガス流通路３６を閉塞してしまう場合、または燃料ガス及び酸化剤ガスに不純物が混入し、特に流路方向が急変する折返し部に滞留、閉塞した場合、等の局部的な流通路の閉塞トラブルが発生した時、閉塞が生じた流通路３６Ｇに供給されたの燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部分の上流に位置する連絡路４５まで到達後、連絡路を通過し隣接する流通路に合流してガス排出用マニホールド３４Ｂへ至ることができるので、ガス流通路閉塞に伴う部分的なガス供給欠損部分を最小限に抑えことが可能である。
【０１１６】
（効果）
以上のように、本実施形態によれば、閉塞が生じたガス流通路３６の上流に位置する連絡路４５まで、そのガス流通路３６は燃料または酸化剤ガスが供給され、電極反応に関与することができるので、ガス流通路３６閉塞トラブルに伴う反応面積の低減を最小限にし、電圧低下を抑制することができる。
【０１１７】
＜変形例＞
本発明は以上述べた各実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形してもよい。
【０１１８】
（ａ）前述の実施形態では、ガス流通路３６としてセパレータ９，９Ａに形成した溝を例にあげて説明したが、これに限らず、電極全面に均一に供給反応ガスを分散供給ができ、且つガス拡散性及び生成水の排出の効果を高めるため、供給反応ガスは所定の流速が得られる構成であれば何でもよい。
【０１１９】
（ｂ）単位セルを構成する、固体高分子電解質体の形状、並びに燃料極及び酸化剤極の形状は、必ずしも平板状でなくても多数積層できる構成例えば多角形であってもよい。このように単位セルを多数積層する理由は、単位セルの出力電圧は、例えば１Ｖ以下のため、多数積層して大きな出力電圧を得るためである。単位セルの出力電流は、電極面積に比例するため、面積が大きい方が有利であり、また単位セルは電離抵抗を小さくすることができれば、単位セルの高性能化が図れるので、平板状にするのが望ましい。
【０１２０】
（ｃ）セパレータ９，９Ａは、ガス流通構造、電気伝導性、ガスシール性、耐食性、多数積層する場合の適切な構造及び強度、内部マニホールド構造を満足するものであれば、どんな形状でもよい。
【０１２１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、次のような作用効果が得られる。
【０１２２】
（１）セパレータの酸化剤極側の主面には該セパレータに備えられたガス導入用マニホールから、ガス排出用マニホールドに向かって複数のガス流通路が配置され、かつ該ガス流通路が、ガス流が相対向する向きに複数折り返し後にガス排出用マニホールドに連結するように構成されているので、ガス供給マニホールドから１度目の折返し間のガス流通路上流部分のＨ２Ｏ低濃度領域と、最後の折返しからガス排出マニホールド間のガス流通路下流部分のＨ２Ｏ高濃度領域とが隣接しているので、Ｈ２Ｏは、高濃度領域から低濃度領域へ、酸化剤極基材及び酸化剤極触媒層を拡散移動することで両者隣接部分の酸化剤極におけるＨ２Ｏ濃度を平均化し、酸化剤極全面のＨ２Ｏ濃度をより均一化することができる。この結果、従来の問題点であるガス供給用マニホールド３４Ａ付近のＨ２Ｏ不足による酸化剤極反応の低下及び、ガス排出用マニホールド３４Ｂ付近のＨ２Ｏ濃度過剰によるフラッディング現象を解決することができるので、電池特性に優れ、経時的に安定な固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【０１２３】
（２）セパレータが、その１辺の両端部に備えられた２系統のガス供給用マニホールドから、それぞれ１本又は複数本のガス流通路を相対する１辺に向かって垂直に配置した後内側に折り返し、ガス流が相対向する向きに配置した後更に内側に折り返し、ガス流が相対向する向きに配置し、更に、同様の構成を繰り返し、前記２系統のガス流通路がセパレータの中央付近で隣接した後、該セパレータの一辺に備えられたガス排出用マニホールドに、前記２系統のガス流通路が連結するように構成したので、発電時には放熱により単位セル平面周辺部の温度が低くなる領域には、ガス供給マニホールドからガス流通路上流部分のＨ２Ｏ低濃度領域が対応しているので、Ｈ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象が発生しない。一方、蓄熱により単位セル平面中央部の温度の高くなる領域には、ガス流通路下流部分のＨ２Ｏ高濃度領域が対応することになるので、温度が高い分ガス流通路下流部分で生じるＨ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象を抑制できる。この結果、単位セル全面の温度分布に対応して、温度が低い部分にはＨ２Ｏ濃度の低領域を、温度が高い部分にはＨ２Ｏ濃度の高い部分を対応するように配置しているので、従来の問題点であるＨ２Ｏ凝縮によるフラッディング現象を解決することができるので、電池特性に優れ、経時的に安定な固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【０１２４】
（３）セパレータが、その１辺にガス供給用マニホールド及びガス排出用マニホールドを配し、かつ相対する一辺に反応ガス流通路から導入された反応ガスを折返し、再度、下流の反応ガス流通路へ供給する一つ以上の除湿用リターンマニホールドを配置するように構成したので、発電時にガス流通路通過に伴い生成したＨ２Ｏを含む酸化剤ガスを、除湿用リターンマニホールドにて除湿して、下流のガス流通路に導入する除湿動作を繰り返した後、ガス排出用マニホールドに排出することができ、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドにに至るまでのガス流通路のＨ２Ｏ濃度は、酸化剤極面で凝縮することのない所定の範囲に制御することができる。この結果、従来の問題点であるガス排出用マニホールド付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができ、電池特性に優れた、経時的安定性のある固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【０１２５】
（４）セパレータが、その１辺にガス供給用マニホールド及び相対する１辺にガス排出用マニホールドを配し、前記ガス供給用マニホールドから前記ガス排出用マニホールド間に複数の除湿用マニホールドを配置したので、発電時にガス流通路通過に伴い生成したＨ２Ｏを含む酸化剤ガスを、除湿用マニホールドにて除湿して、下流のガス流通路に導入する除湿動作を繰り返した後、ガス排出用マニホールドに排出することができ、ガス供給用マニホールドからガス排出用マニホールドにに至るまでのガス流通路のＨ２Ｏ濃度は、酸化剤極面で凝縮することのない所定の範囲に制御することができる。この結果、従来の問題点であるガス排出用マニホールド付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができ、電池特性に優れた、経時的安定性のある固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【０１２６】
（５）除湿用リターンマニホールド部または、除湿用マニホールド部に、反応ガスに不透過で蒸気のみを透過する性質を有する水透過膜を固体高分子電解質体と同じ積層位置に２枚のセパレータにて介在させ、ガス流通路から除湿用リターンマニホールドまたは、除湿用マニホールドに導入された反応ガスと水透過膜とが面接触した後、下流のガス流通路に流通される構成とし、更には、前記水透過膜を介して反応ガスと相反する面に、反応ガスから透過してきた蒸気を、固体高分子電解質型電池外へ排出する搬出媒体として反応ガスを通過させる搬出媒体通路を有した構成を示しているので、ガス流通路を通過するに伴って酸化剤極で生成するＨ２Ｏを伴った酸化剤ガスが、除湿用リターンマニホールドまたは、除湿用マニホールドに導入されると、酸化剤ガス中のＨ２Ｏ分の一部は水透過膜を透過して、搬出媒体である反応ガスにより単位セル外へ搬出することができる。この結果、ガス流通路を通過するに伴って上昇したＨ２Ｏ分を水透過膜を介して、固体電解質型燃料電池導入前の反応ガスにて搬出することにより、より効果的に除湿することができるので、従来の問題点であるガス排出用マニホールド３４Ｂ付近で生じた凝縮によるフラッディング現象を回避し、また、酸化剤極７全面のＨ２Ｏ濃度がより均一となるので単位セル平面の電流密度分布の均一化を図ることができ、電池特性の向上及び経時的安定性に優れた固体電解質燃料電池を提供することができる。更には、外部に反応ガスの加湿装置を設けることなく、酸化剤極反応による生成Ｈ２Ｏ分を酸化剤ガスの加湿に利用できるのシステムの高効率化及びコンパクト化が達成できる。
【０１２７】
（６）複数のガス流通路のうち隣接するガス流通路間または、ガス流が相対向する向きに折り返し部分の折返し前後間で少なくとも１箇所以上の連絡路を配置したことを特徴とする構成としているので、局部的な流通路閉塞トラブルが発生した時、閉塞が生じた流通路に供給されたの燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部分の上流に位置する連絡路まで到達後、連絡路を通過し隣接する流通路に合流してガス排出用マニホールドへ至ることができるので、ガス流通路閉塞に伴う部分的なガス供給欠損部分を最小限に抑え、ガス流通路閉塞トラブルに伴う反応面積の低減を最小限にし、電圧低下を抑制することができる。また、流通路閉塞トラブルが発生しても、単位セルに損傷を与えること無く、運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第１の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図。
【図２】図１の実施の形態における流通路ピッチ幅をパラメータとした電池電圧の実験結果を示す図。
【図３】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第２の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第３の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図であり、（ａ）、（ｂ）は酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図であり、（ｃ）は燃料電池積層体の正面図であり、（ｄ）は酸化剤極のガス流通路に沿った酸化剤ガス中のＨ２Ｏ濃度を示すグラフ。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第４の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、（ａ）は酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図であり、（ｂ）は燃料電池積層体の正面図であり、（ｄ）は酸化剤極のガス流通路に沿った酸化剤ガス中のＨ２Ｏ濃度を示すグラフ。
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第５の実施の形態を示す単位セルおよびセパレータ積層体の断面図。
【図７】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第６の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第７の実施の形態を示す単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図。
【図９】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単位セルの構造を示す模式断面図。
【図１０】従来の固体高分子電解質型燃料電池の燃料電池積層体の基本構成図。
【図１１】従来の単位セルのセパレータの構成図で、酸化剤極に接して配されるセパレータの平面図。
【図１２】従来の固体高分子電解質型燃料電池の燃料電池積層体の反応ガスの入口部および出口部の構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…固体高分子電解質体
２…燃料極触媒層
３…燃料極基材
４…燃料極
５…酸化剤極触媒層
６…酸化剤極基材
７…酸化剤極
８…セパレータ
９…セパレータ
９Ａ…セパレータ
１０…燃料ガス流通路
１１…酸化剤ガス流通路
１２…冷却水流通路
１３…シール
１６…燃料ガス供給用マニホールド
１７…燃料ガス排出用マニホールド
１８…酸化剤ガス供給用マニホールド
１９…酸化剤ガス排出用マニホールド
２０…単位セル
２１Ａ…端板
２１Ｂ…端板
２２Ａ…絶縁体
２２Ｂ…絶縁体
２３Ａ…集電板
２３Ｂ…集電板
２４ａ…連結ボルト
２４ｂ…ナット
２５…単位セル積層体
２６…反応ガス供給用マニホールド
２７…反応ガス排出用マニホールド
２９ａ．２９ｂ…反応ガス排出口
３４Ａ…酸化剤ガス供給用マニホールド
３４Ｂ…酸化剤ガス排出用マニホールド
３６…酸化剤ガス流通路
３６Ａ…上流部分
３６Ｂ…下流部分
３６Ｃ…間隔
３６Ｄ…相互間隔
３６Ｆ…ガス流通路間
３６Ｇ…流通路
３６．３６…ガス流通路
３６．３６…系統ガス流通路
３６Ｇ．３６Ｈ…酸化剤ガス流通路
３７…ガス流通路上流部分
３８…ガス流通路下流部分
３９…除湿用リターンマニホールド
３９Ａ…除湿用リターンマニホールド
３９Ｄ…除湿用リターンマニホールド
３９Ｂ…除湿用リターンマニホールド
４０…ドレン排出路
４１Ａ…除湿用マニホールド
４１Ｂ…除湿用マニホールド
４２…水透過膜
４３…搬出媒体通路
４５…連絡路
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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