JP2008103241A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、簡便な構成によって凝縮水の流れ込みを防止する。
【解決手段】空気側締結板１９の空気入口孔２５の底部を、空気入口ポート３０の底部よりも重力方向に下側に配置し、空気側締結板１９の空気出口孔２７の底部を、空気出口ポート３２の底部と同一又はそれよりも重力方向に下側に配置する。また、水素側締結板２０の水素入口孔２６の底部を、水素入口ポート４６の底部よりも重力方向に下側に配置し、水素側締結板２０の水素出口孔２８の底部を、水素出口ポート４８の底部と同一又はそれよりも重力方向に下側に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の構造に関する。

燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質の両側に触媒層を有する燃料側電極と酸化剤側電極とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両側をセパレータによって挟持して構成された単位セルを複数個積層し、所定の電圧を得られるセル積層体（スタック）として構成されている。

このような燃料電池は、燃料側電極には燃料ガス、例えば、水素が供給され、酸化剤側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給される。燃料側電極に供給された燃料ガス中の水素は、触媒層で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して酸化剤側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸化剤側電極においては、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。

この場合、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持すべく十分に加湿させておく必要がある。このため、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池のスタックに送ることにより、電解質を加湿するように構成されている。

燃料電池は、一般的に８０℃程度が最適運転温度となる場合が多いが、これよりも燃料電池の温度が低い場合には、燃料電池スタックに水蒸気として導入された水分や反応によって生成された水分が、燃料電池スタック内のガス流路で水滴の状態となり、燃料ガスや酸化剤ガスのガス流路を一部閉塞してしまう場合がある。このように、燃料電池スタック内のガス流路の一部が水滴によって閉塞されると、燃料電池スタックの各単位セルに酸化剤ガスや燃料ガスが十分に供給されず、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、発電性能が悪化するという問題がある。

このような問題に対して、燃料電池スタックの燃料ガス排出用内部マニホールドに連通されている排水部の入口を燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置にすると共に、排水部が前記入口から下方に向かって延在するようにして、燃料ガス排出用内部マニホールドに排出された水滴が排水部から燃料電池スタック外部に円滑に排水され、燃料電池の単位セル（発電セル）内に水滴が滞留することを防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池では、酸化剤ガスや燃料ガスに加湿用に供給された水分が燃料電池スタック内部で結露しないよう露点を有した加湿が行われている。しかし、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給配管の温度が燃料電池スタックの温度よりも低い場合には配管部分で水蒸気の結露が起こり、水滴が燃料電池スタック内に流れ込んでしまう場合がある。

このため、燃料ガスや酸化剤ガスの供給配管に拡大部を設け、この拡大部の下方に突出する段差によって配管内で結露した水滴が燃料電池スタック内のガス流路に流れ込むことを阻止することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、燃料ガス供給配管、燃料ガス排気配管、空気供給配管、空気排気配管のそれぞれの燃料電池のエンドプレートへの接続部に、これらの配管中、または燃料電池スタックから凝縮または生成される凝縮水及び生成水を一時溜める下方に突出した水溜まり部を設け、水溜まり部には電気信号により開閉する排水弁である電磁弁を介して排水管が接続され、水溜まり部に溜まった水を燃料電池の外部に排水する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−３２７０５９号公報 特開２０００−９０９５４号公報 特開２００３−１７８７９１号公報

上記の特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池スタック内部の燃料ガス排出用内部マニホールドに排出された水滴を燃料電池スタック外部に円滑に排水して、燃料電池の単位セル（発電セル）内に水滴が滞留することを防止することが開示されているが、燃料ガス又は酸化剤ガス中の水滴の燃料電池スタックへの流れ込み防止については開示されていない。

また、特許文献２及び３には、燃料電池外部の燃料ガスや酸化剤ガスの供給配管あるいは、これらの燃料電池のエンドプレートへの接続部に下方に突出する段差あるいは水溜り部を設け、配管内で結露した水滴が燃料電池スタック内のガス流路に流れ込むことを阻止するようにすることが開示されているが、燃料電池スタック外部に水滴を貯留する別の部品を設ける必要があることから、流路構造が複雑で圧力損失が大きくなるという問題があった。

一方、高効率を求められる定置用の燃料電池は、各ガス流路の圧力を低圧にして圧縮機等の補機動力を低減している。このため、燃料ガス、酸化剤ガスの流路圧損をできるだけ小さくすることが求められている。

本発明は、簡便な構成によって燃料電池への凝縮水の流れ込みを防止することを目的とする。

本発明の燃料電池は、膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、前記セル積層体の端部に配置された端部セルと、前記セル積層体の少なくとも一端側に積層された端部部材と、前記端部部材に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス供給孔と、を備える燃料電池において、前記端部セル及び前記端部部材のうちのいずれか１の部材である第１の部材と、前記端部部材のうち前記第１の部材よりも反応ガス上流側にある第２の部材と、を備える燃料電池において、前記第２の部材の反応ガス供給孔の周縁は、前記第１の部材の入口ポート又は反応ガス供給孔の周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていること、を特徴とする。本発明の燃料電池において、前記第２の部材の反応ガス供給孔の底部は、前記第１の部材の入口ポート又は反応ガス供給孔の底部よりも重力方向に下側にあること、としても好適であるし、前記第１の部材と前記第２の部材とは隣接していること、としても好適である。

本発明の燃料電池は、膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、前記セル積層体の少なくとも一端側に積層された端部部材と、前記端部部材に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス供給孔と、を備える燃料電池において、前記端部部材の前記反応ガス供給孔の周縁は、前記入口ポートの周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていること、を特徴とする。本発明の燃料電池において、前記セル積層体側にある第１の端部部材と、前記第１の端部部材よりも反応ガスの上流側にある第２の端部部材と、を備え、前記第２の端部部材の反応ガス供給孔の周縁は、第１の端部部材の反応ガス供給孔の周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていることとしても好適であるし、前記反応ガス供給孔の底部は、前記入口ポートの底部よりも重力方向に下側にあること、としても好適であるし、前記第１の端部部材と前記第２の端部部材とは隣接していること、としても好適であるし、前記第２の端部部材の反応ガス供給孔の底部は、前記第１の端部部材の反応ガス供給孔の底部よりも重力方向に下側にあること、としても好適である。

本発明の燃料電池は、膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートと出口ポートとを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、前記各出口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス排出路と、前記セル積層体の両端に積層された締結板と、前記締結板の一方に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス入口孔と、前記締結板の一方又は他方に設けられ前記反応ガス排出路に連通する反応ガス出口孔と、を備える燃料電池において、前記締結板の前記反応ガス入口孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部よりも重力方向に下側にあり、前記締結板の前記反応ガス出口孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、を特徴とする。

また、本発明の燃料電池において、前記セル積層体と前記締結板との間に積層され、前記反応ガス入口孔と前記反応ガス供給路とを連通する反応ガス導入孔と前記反応ガス出口孔と前記反応ガス排出路とを連通する反応ガス導出孔とを持つ集電板を備え、前記集電板の前記反応ガス導入孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部と同一又はそれより重力方向に下側にあり、前記集電板の前記反応ガス導出孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、としても好適であるし、前記集電板と前記締結板との間に積層され、前記反応ガス入口孔と前記反応ガス供給路とを連通する反応ガス導入孔と前記反応ガス出口孔と前記反応ガス排出路とを連通する反応ガス導出孔とを持つ絶縁板を備え、前記絶縁板の前記反応ガス導入孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部と同一又はそれより重力方向に下側にあり、前記絶縁板の前記反応ガス導出孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、としても好適である。

本発明は、簡便な構成によって燃料電池への凝縮水の流れ込みを防止することができるという効果を奏する。

図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。

図１に示すように、燃料電池１１は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両側をセパレータによって挟持して構成された単位セル１３が複数個積層されて所定の電圧を得られるように構成されたセル積層体１４と、そのセル積層体１４の両側に積層された発電電力を取り出す集電板１５，１６と、集電板の両側に積層された絶縁板１７，１８とを酸化剤側電極側に積層された空気側締結板１９と燃料側電極側に積層された水素側締結板２０とによって一体に締結して構成されている。集電板１５，１６と絶縁板１７，１８と空気側締結板１９と、水素側締結板２０とは、セル積層体１４の端部部材である。

各単位セル１３にはそれぞれ各単位セルを貫通する空気入口ポート３０と空気出口ポート３２とが設けられている。また、空気側の集電板１５と絶縁板１７も各単位セル１３の空気入口ポート３０、空気出口ポート３２と同一形状の空気導入孔３０ａ’，３０ａ、空気導出孔３２ａ’，３２ａとが設けられている。各単位セル１３の各ポート３０，３２は略同一の大きさで同一の高さに配置され、各単位セル１３の積層によって単位セル１３の積層方向に延びた空気供給路２９と空気排出路３１を構成する。そして、空気供給路２９は集電板１５、絶縁板１７に設けられた各空気導入孔３０ａ’，３０ａと空気側締結板１９に設けられた空気入口孔２５とに連通し、空気排出路３１は集電板１５、絶縁板１７に設けられた各空気導出孔３２ａ’，３２ａと空気側締結板１９に設けられた空気出口孔２７とに連通している。空気側締結板１９の端面には空気入口孔２５に連通する空気入口管２１と空気出口孔２７に連通する空気出口管２３とが設けられている。ここで、積層方向は略水平方向で、空気入口ポート３０の側が重力方向の上側であり、空気出口ポート３２のある側が重力方向の下側となっている。空気導入孔３０ａ，３０ａ’と空気入口孔２５とは、空気入口ポート３１と連通して反応ガス供給孔である空気供給孔を構成し、空気導出孔３２ａ，３２ａ’と空気出口孔２７とは、空気出口ポート３２と連通して反応ガス排出孔である空気排出孔を構成する。

空気側締結板１９の空気入口孔２５は、その周縁が各単位セル１３の各空気入口ポート３０の周縁よりもガス流れ方向と直角方向に広がっており、その底部が各単位セル１３の各空気入口ポート３０の底部及び集電板１５、絶縁板１７の各空気導入孔３０ａ’，３０ａの底部よりも重力方向に下側に位置するように配置されている。この配置によって、空気側締結板１９の空気入口孔２５の底部と絶縁板１７の空気導入孔３０ａの底部との間には段差がついている。また、空気側締結板１９の空気出口孔２７は、その底部が各単位セル１３の各空気出口ポート３２の底部及び集電板１５、絶縁板１７の各空気導出孔３２ａ’，３２ａの底部と略同一高さとなるように配置され、空気側締結板１９の空気出口孔２７と絶縁板１７の空気導出孔３２ａの底部との間には段差が無い構造となっている。

また、各単位セル１３にはそれぞれ各単位セルを貫通する水素入口ポート４６と水素出口ポート４８とが設けられている。また、水素側の集電板１６と絶縁板１８も各単位セル１３の水素入口ポート４６、水素出口ポート４８と同一形状の水素導入孔４６ａと水素導出孔４８ａとが設けられている。各単位セル１３の各ポート４６，４８は略同一の大きさで同一の高さに配置され、各単位セル１３の積層によって単位セル１３の積層方向に延びた水素供給路４５と水素排出路４７を構成する。そして、水素供給路４５は集電板１６、絶縁板１８に設けられた各水素導入孔４６ａ’，４６ａと水素側締結板２０に設けられた水素入口孔２６とに連通し、水素排出路４７は集電板１６、絶縁板１８に設けられた各水素導出孔４８ａ’，４８ａと水素側締結板２０に設けられた水素出口孔２８とに連通している。水素側締結板２０の端面には水素入口孔２６に連通する水素入口管２２と水素出口孔２８に連通する水素出口管２４とが設けられている。水素導入孔４６ａ，４６ａ’と水素入口孔２６とは、水素入口ポート４６と連通して反応ガス供給孔である水素供給孔を構成し、水素導出孔４８ａ，４８ａ’と水素出口孔２８とは、水素出口ポート４８と連通して反応ガス排出孔である水素排出孔を構成する。

水素側締結板２０の水素入口孔２６は、その底部が各単位セル１３の各水素入口ポート４６の底部及び集電板１６、絶縁板１８の各水素導入孔４６ａ’，４６ａの底部よりも重力方向に下側に位置するように配置されている。この配置によって、水素側締結板２０の水素入口孔２６の底部と絶縁板１８の水素導入孔４６ａの底部との間には段差がついている。また、水素側締結板２０の水素出口孔２８は、その底部が各単位セル１３の各水素出口ポート４８の底部及び集電板１６、絶縁板１８の各水素導出孔４８ａ’，４８ａの底部と略同一高さとなるように配置され、水素側締結板２０の水素出口孔２８と絶縁板１８の水素導出孔４８ａの底部との間には段差が無い構造となっている。

図２は燃料電池１１の空気側の側面図である。図２に示すように、空気側締結板１９に設けられた空気入口孔２５と空気出口孔２７は円形であり、各単位セル１３の空気入口ポート３０、空気出口ポート３２と集電板１５、絶縁板１７の空気導入孔３０ａ’，３０ａ、空気導出孔３２ａ’，３２ａは共に横に長い長円形で空気側のセパレータには空気入口ポート３０から空気出口ポート３２に空気を流す空気流路４１が設けられている。そして、空気入口孔２５の直径は空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの上下方向の幅、すなわち重力方向の幅よりも大きく、空気入口孔２５の重力方向の中心位置と空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの重力方向の中心位置は略同一の高さで、空気入口孔２５の底部は空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの底部よりも重力方向に下側となるように配置されている。空気入口孔２５の底部は空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの底部よりも重力方向に下側となるように配置されていれば、空気入口孔２５の重力方向の中心位置と空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’３０ａの重力方向の中心位置は同一の高さに限られない。空気出口孔２７の直径は空気出口ポート３２、空気導出孔３２ａ’，３２ａの上下方向の幅、すなわち重力方向の幅よりも大きいが、空気出口孔２７の底部が空気出口ポート３２、空気導出孔３２ａ’，３２ａと略同一の高さとなるように配置されている。

図３は燃料電池１１の水素側の側面図である。図３に示すように、水素側締結板２０に設けられた水素入口孔２６と水素出口孔２８は円形であり、各単位セル１３の水素入口ポート４６、水素出口ポート４８と集電板１６、絶縁板１８の水素導入孔４６ａ’，４６ａ、水素導出孔４８ａ’，４８ａは共に縦に長い長方形で水素側のセパレータには水素入口ポート４６から水素出口ポート４８に水素を流す水素流路４３が設けられている。そして、水素入口孔２６は水素入口ポート４６、水素導入孔４６ａ’，４６ａの重力方向の下側に位置する底部よりもその底部が重力方向の下側になるような位置に配置されている。水素出口孔２８は水素出口ポート４８、水素導出孔４８ａ’，４８ａの重力方向下側の底部とその底部が略同一の高さになるような位置に配置されている。

次に、燃料電池１１の流路構造と空気、水素の流れについて説明する。図４に空気側締結板１９の周りの燃料電池１１の断面を示す。図４に示すように、各単位セル１３は、高分子イオン交換膜からなる電解質の両側に触媒層を有する燃料側電極と酸化剤側電極とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ３５の両側を空気側セパレータ３３と水素側セパレータ３７とによって挟持して構成されている。空気側セパレータ３３は膜電極アセンブリの酸化剤側電極側に配設され、水素側セパレータ３７は燃料側電極側に配設されている。空気側セパレータ３３は膜電極アセンブリ３５に接する面に空気入口ポート３０から空気出口ポート３２に空気を流す空気流路４１と空気流路の反対側面に備えられた冷却水流路３９とを備えている。図５に示すように、空気流路４１は重力方向の上側に配置されている空気入口ポート３０から重力方向の下側に配置されている空気出口ポート３２に向かって空気を流す多数の平行流路によって構成されている。また、図６に示すように、水素側セパレータ３７は左右に設けられた縦長の長方形形状の水素入口ポート４６と水素出口ポート４８とを備え、膜電極アセンブリ３５に接する面に水素入口ポート４６から水素出口ポート４８に水素を流す水素流路４３を備えている。水素流路４３は各ポート４６，４８と略水平に接続され、燃料電池１１の中央部では空気流路と同様に重力方向の下側の向かって流れる多数の平行流路である。また、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７は共に冷却水の供給路と排出路を構成する冷却水入口ポート５１、冷却水出口ポート５３を備えている。

図４に示すように、空気側締結板１９に備えられた空気入口管２１から導入された空気には、空気入口管２１の内部で凝縮した水分が水滴の状態で含まれている。このような水滴は空気に比較して比重が大きいので、水滴は空気入口管２１の底部に沿って燃料電池１１に向かって流れてくる。そして空気入口管２１から空気と共に入り込んだ水滴は底部が略同一高さとなっている空気側締結板１９の空気入口孔２５の底部を燃料電池１１の単位セル１３に向かって流れていく。そして、空気側締結板１９の空気の流れ方向の下流側に接して設けられた絶縁板１７の空気導入孔３０ａの底部は、空気入口孔２５の底部よりも重力方向に上側に配置されている。このように空気側締結板１９と隣接して設けられた絶縁板１７の空気側締結板１９に接する接触面が空気側締結板１９の空気入口孔２５の端面に露出するように構成されている。つまり、隣接する部材間において反応ガス流路の壁面がずれるように構成されている。このため、空気入口孔２５の底部に沿って流れてきた水滴は、絶縁板１７によってせき止められて、絶縁板１７とそれよりも空気の流れの下流にある、集電板１５の空気導入孔３０ａ’及び空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０によって構成される空気供給路２９の内部には侵入しない。このため、水滴が空気側セパレータ３３の空気流路４１に詰まって閉塞を起こすことを低減することができる。

一方、水蒸気の状態の水分は空気と共に空気側締結板１９の空気入口孔２５から絶縁板１７、集電板１５にそれぞれ設けられた空気導入孔３０ａ，３０ａ’を通って空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０によって積層方向に形成された空気供給路２９に入ってくる。そして、空気供給路２９を構成している空気側セパレータ３３の空気入口ポート３０から空気流路４１に流入し、重力方向下側に向かって流れていく。空気流路４１を流れる空気には燃料電池１１の電気化学反応によって水分が生成されていくので、下流に行くに従って水分量が増加していく。そして水分を多く含んだ排出空気は空気流路４１から空気出口ポート３２に排出される。そして、排出空気は、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気出口ポート３２によって積層方向に形成された空気排出路３１から集電板１５、絶縁板１７にそれぞれ設けられた空気導出孔３２ａ’，３２ａを通って空気側締結板１９の空気出口孔２７から燃料電池１１の外部に排出される。この排出空気は水分を多く含んでいるので、その水分が水滴の状態で空気排出路３１の底部を流れることがあるが、空気側締結板１９の空気出口孔２７の底部と空気排出路３１を形成する空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気出口ポート３２の底部及び集電板１５、絶縁板１７にそれぞれ設けられた空気導出孔３２ａ’，３２ａの底部が略同一の高さになるように配置されているので、水滴が空気排出路３１及びに空気導出孔３２ａ’，３２ａ溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

水素の流れも空気の流れと同様である。図１に示すように、水素側締結板２０に備えられた水素入口管２２から導入された水素に含まれている水滴は水素入口管２２の底部に沿って燃料電池１１に向かって流れてくる。そして水素入口管２２から水素と共に入り込んだ水滴は底部が略同一高さとなっている水素側締結板２０の水素入口孔２６の底部を燃料電池１１の単位セル１３に向かって流れていく。そして、水素側締結板２０の水素の流れ方向の下流側に接して設けられた絶縁板１８の水素導入孔４６ａの底部は、水素入口孔２６の底部よりも重力方向に上側に配置されているため、水素入口孔２６の底部に沿って流れてきた水滴は、絶縁板１８によってせき止められて、燃料電池１１の水素供給路４５の内部には侵入しない。これによって、水滴が水素側セパレータの水素流路に詰まって閉塞を起こすことが低減される。

一方、水蒸気の状態の水分は水素と共に水素側締結板２０の水素入口孔２６から絶縁板１８、集電板１６にそれぞれ設けられた水素導入孔４６ａ，４６ａ’を通って空気側セパレータ、水素側セパレータにそれぞれ設けられた水素入口ポート４６によって積層方向に形成された水素供給路４５に入ってくる。そして、図６に示すように、水素は水素供給路４５を構成している水素側セパレータの水素入口ポート４６から水素流路に略水平方向に流入し、その後流れを重力方向下側に向かって変更し、更に水素出口ポート４８に向かって水平に流れを変えて流れ、水分を含んだ排出水素は水素流路４３から水素出口ポート４８に排出される。図１に示すように、排出水素は水素排出路４７から水素導出孔４８ａ，４８ａ’を通って水素側締結板２０の水素出口孔２８から燃料電池１１の外部に排出される。この排出水素は水分を含んでいるので、その水分は水滴の状態で水素排出路４７の底部を流れることがあるが、水素側締結板２０の水素出口孔２８の底部と水素排出路４７を形成する水素側セパレータ等にそれぞれ設けられた水素出口ポート４８の底部及び水素導出孔４８ａ，４８ａ’の底部が略同一の高さになるように配置されているので、水滴が水素排出路４７及び水素導出孔４８ａ，４８ａ’に溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

以上述べた実施形態では、各締結板１９，２０に設けられた空気入口孔２５と水素入口孔２６の各底部を、絶縁板１７，１８、集電板１５，１６、にそれぞれ設けられた空気導入孔３０ａ，３０ａ’、水素導入孔４６ａ，４６ａ’の各底部及び空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０、水素入口ポート４６の各底部よりも重力方向の下側に配置するという簡便な構造によって、燃料電池１１内部の空気供給路２９、水素供給路４５への各入口配管などで凝縮した凝縮水の流れ込みを防止することができるという効果を奏する。また、各締結板１９，２０に設けられた空気出口孔２７と水素出口孔２８の各底部を絶縁板１７，１８、集電板１５，１６にそれぞれ設けられた空気導出孔３２ａ，３２ａ’、水素導出孔４８ａの各底部及び空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気出口ポート３２、水素出口ポート４８の各底部とを略同一の高さに配置するという簡便な構造によって、水滴が燃料電池１１内部の空気供排出路３１、空気導出孔３２ａ，３２ａ’、水素排出路４７、水素導出孔４８ａ，４８ａ’に溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができるという効果を奏する。一般的な燃料電池１１は、空気入口孔２５と空気出口孔２７とが設けられた空気側締結板１９、水素入口孔２６と水素出口孔２８とが設けられた水素側締結板２０、及び、絶縁板１７，１８、集電板１５，１６にそれぞれ設けられた空気導入孔３０ａ，３０ａ’、空気導出孔３２ａ，３２ａ’、水素導入孔４６ａ，４６ａ’、水素導出孔４８ａ，４８ａ’及び空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０、空気出口ポート３２、水素入口ポート４６、水素出口ポート４８を備えており、凝縮水の流入防止のために新たな部材の追加が必要ない簡便な構造によって凝縮水の流入を効果的に防止することができるという効果を奏する。更に、追加の部材が必要ないことから凝縮水の流入防止のための構造による圧力損失の増加を少なくすることができ、燃料電池１１の効率を向上させることができるという効果を奏する。

図７〜図９を参照しながら第２の実施形態について説明する。先に述べた図１から図６と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、絶縁板１７と集電板１５に設けられている空気導入孔３０ａ，３０ａ’の周縁の上下方向の幅は、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０の周縁の幅よりも広くなっており、その底部は空気側締結板１９の空気入口孔２５の底部と略同一高さとなっている。また、絶縁板１７と集電板１５に設けられている空気導入孔３０ａ，３０ａ’の底部は空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気入口ポート３０の底部よりも重力方向に下側になるように配置されている。

このように構成することによって、空気入口管２１から流入した凝縮水は空気入口孔２５の底部から絶縁板１７、集電板１５の空気導入孔３０ａ，３０ａ’の底部を流れていくが、空気側セパレータ３３の空気入口ポート３０の底部は、空気入口孔２５の底部から絶縁板１７、集電板１５の空気導入孔３０ａ，３０ａ’の底部よりも重力方向に上側に配置されている。このように集電板１５と隣接して設けられた空気側セパレータ３３の集電板１５に接する接触面が集電板１５の空気導入孔３０ａ’の端面に露出するように構成されている。つまり、隣接する部材間において反応ガス流路の壁面がずれるように構成されている。このため、空気入口孔２５の底部から空気導入孔３０ａ，３０ａ’の底部に沿って流れてきた水滴は、空気側セパレータ３３によってせき止められて燃料電池１１の空気供給路２９の内部には侵入しない。このため、水滴が空気側セパレータ３３の空気流路４１に詰まって閉塞を起こすことを低減することができる。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、絶縁板１７と集電板１５に設けられている空気導出孔３２ａ，３２ａ’の上下方向の幅は、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７に設けられた空気出口ポート３２の幅よりも広くなっており、その底部は空気側締結板１９の空気入口孔２５の底部と略同一高さとなっている。また、絶縁板１７と集電板１５に設けられている空気導出孔３２ａ，３２ａ’の底部は空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気出口ポート３２の底部よりも重力方向に下側になるように配置されている。

このように構成することによって、空気流路４１から空気排出路３１に排出された排出空気の水分は、空気排出路３１の底部を水滴の状態で流れることがあるが、空気側締結板１９の空気出口孔２７の底部及び集電板１５、絶縁板１７にそれぞれ設けられた空気導出孔３２ａ’３２ａの底部が空気排出路３１を形成する空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた空気出口ポート３２の底部の高さよりも重力方向に下側になるように配置されているので、水滴が空気排出路３１及びに空気導出孔３２ａ’，３２ａに溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

水素側の構成、水分の流れについても空気側の構成と同様である。図９に示すように、水素側では、絶縁板１８と集電板１６に設けられている水素導入孔４６ａ，４６ａ’の上下方向の幅は、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた水素入口ポート４６の幅よりも広くなっており、その底部は水素側締結板２０の水素入口孔２６の底部と略同一高さとなっている。また、絶縁板１８と集電板１６に設けられている水素導入孔４６ａ，４６ａ’の底部は空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた水素入口ポート４６の底部よりも重力方向に下側になるように配置されている。

また、絶縁板１８と集電板１６に設けられている水素導出孔４８ａ，４８ａ’の上下方向の幅は、空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７に設けられた空気出口ポート３２の幅よりも広くなっており、その底部は水素締結板２０の水素出口孔２８の底部と略同一高さとなっている。また、絶縁板１８と集電板１６に設けられている水素導出孔４８ａ，４８ａ’の底部は空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７にそれぞれ設けられた水素出口ポート４８の底部よりも重力方向に下側になるように配置されている。

このように構成することによって、空気側と同様に、水素入口孔２６から入り込んだ凝縮水は水素側セパレータ３７によってせき止められて燃料電池１１の水素供給路４５の内部には侵入しない。このため、水滴が水素側セパレータ３７の水素流路４３に詰まって閉塞を起こすことを低減することができる。また、水素流路４３から排出された排出水素に含まれる水滴が水素排出路４７及びに水素導出孔４８ａ，４８ａ’に溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

以上述べた本実施形態でも先に述べた実施形態と同様、簡便な構成で凝縮水の流入を防止することができ、圧力損失を低減して燃料電池１１の効率を向上させることができるという効果を奏する。

図１０〜図１２を参照しながら第３の実施形態について説明する。先に述べた図１から図９と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態は、集電板１５、絶縁板１７それぞれに設けられた空気導入孔３０ａ’，３０ｂの形状を空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７それぞれに設けられた空気入口ポート３０と同一の形状として、その底部の重力方向の位置を空気入口ポート３０の底部の位置と空気入口孔２５の底部の位置との間に来るように配置し、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、集電板１５、絶縁板１７それぞれに設けられた空気導出孔３２ａ’，３２ｂの形状を空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７それぞれに設けられた空気出口ポート３２と同一の形状として、その底部の重力方向の位置を空気出口ポート３２の底部の位置と空気出口孔２７の底部の位置との間に来るように配置したものである。

このように配置することによって、空気入口管２１から入り込んだ凝縮水を空気入口孔２５の底部と絶縁板１７の空気導入孔３０ｂの底部との段差及び集電板１５の空気導入孔３０ｂ’の底部と空気側セパレータ３３の空気入口ポート３０の底部との段差によってせき止めて、凝縮水が燃料電池１１の空気供給路２９の内部に浸入しないようにして、水滴によって空気流路４１が閉塞されることを低減することができる。また、空気流路４１から排出された水滴が空気排出路３１及びに空気導出孔３２ｂ，３２ｂ’に溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

水素側についても空気側と同様の構成となっている。図１２に示すように、本実施形態では集電板１６、絶縁板１８それぞれに設けられた水素導入孔４６ｂ’，４６ｂの形状を空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７それぞれに設けられた水素入口ポート４６と同一の形状として、その底部の重力方向の位置を水素入口ポート４６の底部の位置と水素入口孔２６の底部の位置との間に来るように配置し、集電板１６、絶縁板１８それぞれに設けられた水素導出孔４８ｂ’，４８ｂの形状を空気側セパレータ３３、水素側セパレータ３７それぞれに設けられた水素出口ポート４８と同一の形状として、その底部の重力方向の位置を水素出口ポート４８の底部の位置と水素出口孔２８の底部の位置との間に来るように配置したものである。

このように配置することによって、水素入口管２２から入り込んだ凝縮水を水素入口孔２６の底部と絶縁板１８の水素導入孔４６ｂの底部との段差及び集電板１６の水素導入孔４６ｂ’の底部と水素側セパレータ３７の水素入口ポート４６の底部との段差によってせき止めて、凝縮水が燃料電池１１の水素供給路４５の内部に浸入しないようにして、水滴によって水素流路４３が閉塞されることを低減することができる。また、水素流路４３から排出された水滴が水素排出路４７及びに水素導出孔４８ｂ，４８ｂ’に溜まることなく燃料電池１１の外部へ排出されるようにすることができる。

以上述べた本実施形態でも先に述べた実施形態と同様、簡便な構成で凝縮水の流入を防止することができるという効果を奏する。

以上の各実施形態では、集電板１５、１６及び絶縁板１７，１８の各空気導入孔３０ａ’，３０ａ，３０ｂ’，３０ｂ、各空気導出孔３２ａ’，３２ａ，３２ｂ’，３２ｂ、各水素導入孔４６ａ’，４６ａ，４６ｂ’，４６ｂ、各水素導出孔４８ａ’，４８ａ，４８ｂ’，４８ｂは同一の位置にあることとして説明したが、絶縁板１７の各孔の底部の位置は集電板１７，１８の各孔の底部の位置よりも重力方向に下側にあれば、凝縮水の浸入を防止することができ、水滴を燃料電池１１の内部に溜めることなく排出することができるので、同一の位置に設けられていなくともよい。

図１３を参照しながら第４の実施形態について説明する。先に述べた図１から図１２と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図１３に示すように、本実施形態は、空気側締結板１９に設けられた空気入口孔２５と空気出口孔２７は円形であり、各単位セル１３の空気入口ポート３０、空気出口ポート３２と集電板１５、絶縁板１７の空気導入孔３０ａ’，３０ａ、空気導出孔３２’，３２ａは共に縦に長い長方形で空気側のセパレータ３３には空気入口ポート３０から空気出口ポート３２に空気を流す空気流路４１が設けられている。そして、空気入口孔２５の周縁は空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの周縁よりもガス流れ方向と直角方向に広がっており、空気入口ポート３０、空気導入孔３０ａ’，３０ａの横幅よりも、空気入口孔２５の横幅の方が広くなっている。空気出口孔２８は空気出口ポート３２、空気導出孔３２ａ’３２ａの重力方向下側の底部とその底部が略同一の高さになるような位置に配置されている。

本実施形態では、第１から第３の実施形態のように空気側締結板１９の空気入口孔２５は、その底部が各単位セル１３の各空気入口ポート３０の底部又は集電板１５、絶縁板１７の各空気導入孔３０ａ’，３０ａの底部よりも重力方向に下側に位置するように配置されていないが、空気入口孔２５の側面に沿って流れてくる水滴の流入を抑制し、燃料電池内部に入り込むことを防止することができる。

以上述べた本実施形態でも先に述べた実施形態と同様、簡便な構成で凝縮水の流入を防止することができるという効果を奏する。

以上述べた、第１から第４の実施形態は、空気側締結板１９に空気入口孔２５と空気出口孔２７とが設けられ、水素側締結板２０に水素入口孔２６と水素出口孔２８とが設けられる構造として説明したが、本発明は、デッドエンド型の燃料電池のように出口孔がない場合や、各入口孔と各出口孔とが同一の締結板でなく、反対側の締結板に設けられている場合でも同様に適用することができる。

本発明に係る実施形態における燃料電池の立面図である。 本発明に係る実施形態における燃料電池の空気側の側面図である。 本発明に係る実施形態における燃料電池の水素側の側面図である。 本発明に係る実施形態における燃料電池の空気側締結板と絶縁板と集電板と空気側セパレータと膜電極アセンブリと水素側セパレータとの断面図である。 本発明に係る実施形態における燃料電池の空気側セパレータの空気流路側面を示す図である。 本発明に係る実施形態における燃料電池の水素側セパレータの水素流路側面を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態における燃料電池の空気入口側の空気側締結板と絶縁板と集電板と空気側セパレータと膜電極アセンブリと水素側セパレータとの断面と、燃料電池の空気側の側面図である 本発明に係る第２の実施形態における燃料電池の空気出口側の空気側締結板と絶縁板と集電板と空気側セパレータと膜電極アセンブリと水素側セパレータとの断面と、燃料電池の空気側の側面図である 本発明に係る第２の実施形態における燃料電池の水素側の側面図である。 本発明に係る第３の実施形態における燃料電池の空気入口側の空気側締結板と絶縁板と集電板と空気側セパレータと膜電極アセンブリと水素側セパレータとの断面と、燃料電池の空気側の側面図である 本発明に係る第３の実施形態における燃料電池の空気出口側の空気側締結板と絶縁板と集電板と空気側セパレータと膜電極アセンブリと水素側セパレータとの断面と、燃料電池の空気側の側面図である 本発明に係る第３の実施形態における燃料電池の水素側の側面図である。 本発明に係る第４の実施形態における燃料電池の空気側の側面図である。

符号の説明

１１ 燃料電池、１３ 単位セル、１４ セル積層体、１５，１６ 集電板、１７，１８ 絶縁板、１９ 空気側締結板、２０ 水素側締結板、２１ 空気入口管、２２ 水素入口管、２３ 空気出口管、２４ 水素出口管、２５ 空気入口孔、２６ 水素入口孔、２７ 空気出口孔、２８ 水素出口孔、２９ 空気供給路、３０ 空気入口ポート、３０ａ，３０ａ’，３０ｂ，３０ｂ’ 空気導入孔、３１ 空気排出路、３２ 空気出口ポート、３２ａ，３２ａ’，３２ｂ，３２ｂ’ 空気導出孔、３３ 空気側セパレータ、３５ 膜電極アセンブリ、３７ 水素側セパレータ、３９ 冷却水流路、４１ 空気流路、４３ 水素流路、４５ 水素供給路、４６ 水素入口ポート、４６ａ，４６ａ’，４６ｂ，４６ｂ’ 水素導入孔、４７ 水素排出路、４８ 水素出口ポート、４８ａ，４８ａ’，４８ｂ，４８ｂ’ 水素導出孔、５１ 冷却水入口ポート、５３ 冷却水出口ポート。

Claims (11)

1. 膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、
   前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、
   前記セル積層体の端部に配置された端部セルと、
   前記セル積層体の少なくとも一端側に積層された端部部材と、前記端部部材に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス供給孔と、を備える燃料電池において、
   前記端部セル及び前記端部部材のうちのいずれか１の部材である第１の部材と、
   前記端部部材のうち前記第１の部材よりも反応ガス上流側にある第２の部材と、
   を備える燃料電池において、
   前記第２の部材の反応ガス供給孔の周縁は、前記第１の部材の入口ポート又は反応ガス供給孔の周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていること
   を特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第２の部材の反応ガス供給孔の底部は、前記第１の部材の入口ポート又は反応ガス供給孔の底部よりも重力方向に下側にあること
   を特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   前記第１の部材と前記第２の部材とは隣接していること
   を特徴とする燃料電池。
4. 膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、
   前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、
   前記セル積層体の少なくとも一端側に積層された端部部材と、前記端部部材に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス供給孔と、を備える燃料電池において、
   前記端部部材の前記反応ガス供給孔の周縁は、前記入口ポートの周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていること
   を特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、
   前記セル積層体側にある第１の端部部材と、
   前記第１の端部部材よりも反応ガスの上流側にある第２の端部部材と、
   を備え、
   前記第２の端部部材の反応ガス供給孔の周縁は、第１の端部部材の反応ガス供給孔の周縁よりも前記反応ガス流れ方向と直角方向に広がっていること
   を特徴とする燃料電池。
6. 請求項４又は５に記載の燃料電池において、
   前記反応ガス供給孔の底部は、前記入口ポートの底部よりも重力方向に下側にあること
   を特徴とする燃料電池。
7. 請求項５に記載の燃料電池において、
   前記第１の端部部材と前記第２の端部部材とは隣接していること
   を特徴とする燃料電池。
8. 請求項５または７に記載の燃料電池において、
   前記第２の端部部材の反応ガス供給孔の底部は、前記第１の端部部材の反応ガス供給孔の底部よりも重力方向に下側にあること
   を特徴とする燃料電池。
9. 膜電極アセンブリと、前記膜電極アセンブリの両面にそれぞれ接して配置され、前記膜電極アセンブリの各面に供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された入口ポートと出口ポートとを持つセパレータと、を含む単位セルを複数個積層したセル積層体と、
   前記各入口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス供給路と、
   前記各出口ポートによって形成され前記セル積層体を貫通する反応ガス排出路と、
   前記セル積層体の両端に積層された締結板と、前記締結板の一方に設けられ前記反応ガス供給路に連通する反応ガス入口孔と、前記締結板の一方又は他方に設けられ前記反応ガス排出路に連通する反応ガス出口孔と、を備える燃料電池において、
   前記締結板の前記反応ガス入口孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部よりも重力方向に下側にあり、
   前記締結板の前記反応ガス出口孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、
   を特徴とする燃料電池。
10. 請求項９に記載の燃料電池において、
    前記セル積層体と前記締結板との間に積層され、前記反応ガス入口孔と前記反応ガス供給路とを連通する反応ガス導入孔と前記反応ガス出口孔と前記反応ガス排出路とを連通する反応ガス導出孔とを持つ集電板を備え、
    前記集電板の前記反応ガス導入孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあり、
    前記集電板の前記反応ガス導出孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、
    を特徴とする燃料電池。
11. 請求項９又は１０に記載の燃料電池において、
    前記集電板と前記締結板との間に積層され、前記反応ガス入口孔と前記反応ガス供給路とを連通する反応ガス導入孔と前記反応ガス出口孔と前記反応ガス排出路とを連通する反応ガス導出孔とを持つ絶縁板を備え、
    前記絶縁板の前記反応ガス導入孔の底部は、前記反応ガス入口ポートの底部と同一又はそれより重力方向に下側にあり、
    前記絶縁板の前記反応ガス導出孔の底部は、前記反応ガス出口ポートの底部と同一又はそれよりも重力方向に下側にあること、
    を特徴とする燃料電池。

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