特許 5793432 燃料電池及び分配マニホールド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5793432

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】燃料電池及び分配マニホールド

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20060101AFI20150928BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20150928BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/24 M

   !H01M8/10

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-3088(P2012-3088)

(22)【出願日】2012年1月11日

(65)【公開番号】特開2013-143269(P2013-143269A)

(43)【公開日】2013年7月22日

【審査請求日】2014年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】301060299

【氏名又は名称】東芝燃料電池システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100159651

【弁理士】

【氏名又は名称】高倉 成男

(74)【代理人】

【識別番号】100091351

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 哲

(74)【代理人】

【識別番号】100088683

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100095441

【弁理士】

【氏名又は名称】白根 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】100084618

【弁理士】

【氏名又は名称】村松 貞男

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100119976

【弁理士】

【氏名又は名称】幸長 保次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(74)【代理人】

【識別番号】100134290

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 将訓

(72)【発明者】

【氏名】松野 雄史

【審査官】 山内 達人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１２３３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１５６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１９９５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２０７０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１１６３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０２５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４９９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２１０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１４０８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２９２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５３３８２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反応ガスを用いて発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体に設置されるセパレータ流路に連通され、該流路に反応ガスを供給するための分配マニホールドと、
前記分配マニホールドに取り付けられ、該マニホールド内に反応ガスを導入するための反応ガス入口管と、
を具備し、
前記分配マニホールドは、１つの内部空間を有するように一体成形され、且つ、反応ガスの流入方向に沿った反応ガスの流れを段階的に抑制する複数のガス流抑制面を備えた複数の段差を有するように一体成形されており、前記複数の段差は反応ガスの流入方向に沿って前記内部空間の深さが少なくとも３段階に分けて変わるように形成されていることを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

前記反応ガス入口管によるガス流入方向は、前記燃料電池セルの積層方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記反応ガス入口管から前記分配マニホールドに対してガスが流入するガス流入口及びその延長上にある前記分配マニホールド内の領域が、前記セパレータ流路に対してガスが流入する前記分配マニホールド内の領域に存在しないように構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。

【請求項4】

前記ガス流抑制面と前記反応ガスの流入方向が成す角度が直角であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

【請求項5】

前記ガス流抑制面と前記反応ガスの流入方向とが成す角度が直角から傾いていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

【請求項6】

燃料電池積層体に設置される複数のセパレータ流路に連通され、反応ガス入口管から導入された反応ガスを各セパレータ流路に供給する分配マニホールドであって、
１つの内部空間を有するように一体成形され、且つ、反応ガスの流入方向に沿った反応ガスの流れを段階的に抑制する複数のガス流抑制面を備えた複数の段差を有するように一体成形されており、前記複数の段差は反応ガスの流入方向に沿って前記内部空間の深さが少なくとも３段階に分けて変わるように形成されていることを特徴とする分配マニホールド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、燃料電池及び分配マニホールドに関する。

【背景技術】

【0002】

家庭用の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体で構成され、この燃料電池積層体には反応ガスとして、都市ガスを改質した水素含有ガス及び酸化剤ガス（例えば空気）が供給される。燃料電池積層体は、ガス分配マニホールドにセパレータ流路（反応ガス供給溝若しくは冷却水供給溝）が開口するように配置されており、反応ガスや冷却水はマニホールドから各燃料電池セルに分配される。マニホールドは、外部マニホールドと内部マニホールドに大別される。外部マニホールドは、セパレータとは独立して燃料電池積層体に接着することにより密閉性を有している。一方、内部マニホールドはセパレータと一体となっており、セパレータをシール材と共に積層することにより密閉性を有している。

【0003】

燃料電池積層体を効率良くかつ安全に運転するためには、燃料電池セルを平準化して運転する必要がある。このためには、各燃料電池セル及びそのガス流路に反応ガスを適正な量で且つ均等に分配・供給することが必要である。反応ガスが各燃料電池セルの間で不均一に供給されると、配流量の少ない燃料電池セルは流量不足により電圧が低下し、発熱量が増加する。この場合、電解質の劣化につながり、燃料電池の寿命が低下する可能性がある。

【0004】

各燃料電池セル及び各セパレータ流路に反応ガスを均等に供給する手段としては、マニホールド内に複数のオリフィスが形成された多孔板や多孔質体を設置、若しくはブリッジや多孔質体による整流部材を設置、又はマニホールド入口部にガス拡散空間と多数の開口部を有する整流板を設ける等の構成が研究されている。

【0005】

しかし、この種の構成では、マニホールドを２つの空間に分けて、第１の空間から第２の空間に整流した流れを供給することにより、各燃料電池セル及び各セパレータ流路へ反応ガスを均一に供給するため、配流板や多孔質体などを新たに取り付ける必要がある。それらはマニホールドと一体成形することが不可能であり、接着剤等で取り付ける必要があり、コストが掛かってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−１２４５９２号公報

【特許文献2】特開平８−２１３０４４号公報

【特許文献3】特開２００９−１４０８８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、マニホールドに配流板や多孔質体などの別体を設けることなく、各燃料電池セル及び各セパレータ流路へ反応ガスを均一に供給することができ、製造コストの低減及び長寿命化をはかり得る燃料電池及び分配マニホールドを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態の燃料電池は、反応ガスを用いて発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体に設置されるセパレータ流路に連通され、該流路に反応ガスを供給するための分配マニホールドと、前記分配マニホールドに取り付けられ、該マニホールド内に反応ガスを導入するための反応ガス入口管と、を具備し、前記分配マニホールドは、１つの内部空間を有するように一体成形され、且つ、反応ガスの流入方向に沿った反応ガスの流れを段階的に抑制する複数のガス流抑制面を備えた複数の段差を有するように一体成形されており、前記複数の段差は反応ガスの流入方向に沿って前記内部空間の深さが少なくとも３段階に分けて変わるように形成されている。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態では、マニホールドに配流板や多孔質体などの別体を設けることなく、各燃料電池セル及び各セパレータ流路へ反応ガスを均一に供給することができる。従って、製造コストの低減及び長寿命化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示すブロック図。

【図2】図１の燃料電池に用いた燃料電池積層体の概略構成を示す断面図。

【図3】図１の燃料電池に用いた燃料電池積層体と分配マニホールドの位置関係を示す斜視図と断面図。

【図4】図１の燃料電池に用いた分配マニホールドの第１の例の概略構成を示す図。

【図5】図１の燃料電池に用いた分配マニホールドの第２の例の概略構成を示す図。

【図6】図４及び図５の分配マニホールドにおける配流性能のモデル解析結果を示す特性図。

【図7】第２の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を示す図。

【図8】図７の分配マニホールドにおける配流性能のモデル解析結果を示す特性図。

【図9】第３の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を示す図。

【図10】図９の分配マニホールドにおける配流性能のモデル解析結果を示す特性図。

【図11】第４の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を示す図。

【図12】図１１の分配マニホールドにおける配流性能のモデル解析結果を示す特性図。

【図13】第５の実施形態に係わる燃料電池に用いたセパレータの構成を示す平面図。

【図14】第５の実施形態に係わる燃料電池に用いた締付締付板及びマニホールド規定部材の構成を示す側面図。

【図15】第５の実施形態に係わる燃料電池に用いた内部マニホールドの構成を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態の燃料電池を、図面を参照して説明する。

【0012】

（第１の実施形態）
［構成］
図１は、第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示すブロック図であり、図中の１は複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池積層体を示している。この燃料電池積層体１は、燃料ガス供給装置２により水素含有ガスを供給され、酸化剤ガス供給装置３により酸素を含む酸化剤ガスを供給され、水循環装置４により冷却水を循環されることにより発電する。ここでは、酸化剤ガスとして空気を利用している。

【0013】

燃料電池積層体１の概略断面図である図２を用いて、燃料電池セル１０について説明する。燃料電池セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、この固体高分子電解質膜１１の一方の面に配置されたガス拡散電極である燃料極１２と、固体高分子電解質膜１１の燃料極１２とは反対側の面に配置されたガス拡散電極である酸化剤極１３を備えている。酸化剤極１３及び燃料極１２には、触媒として例えばＰｔが用いられる。

【0014】

燃料極セパレータ１４は、燃料極１２に接しており、水素含有ガスが燃料極１２に接して流れるように溝（燃料ガス流路）１６が形成されている。酸化剤極セパレータ１５は、酸化剤極１３に接しており、空気が酸化剤極１３に接して流れるように溝（酸化剤ガス流路）１７が形成されている。各燃料電池セル１０の間には水流路１８を備え、発電により発生した熱は、水流路１８を流れる水によって燃料電池積層体１の外部に排出されるようになっている。

【0015】

即ち、燃料極１２に水素含有ガスを供給すると共に、他方の酸化剤極１３に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極で生じる電気化学反応、
燃料極反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- …（１）
酸化剤極反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ …（２）
を利用して、燃料が有する化学エネルギーから電気エネルギー及び熱エネルギー（お湯）を取り出すことができるようになっている。なお、燃料極セパレータ１４及び酸化剤極セパレータ１５は、水素含有ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを透過させないものとなっている。

【0016】

燃料電池積層体及びマニホールドの概略図である図３（ａ）（ｂ）を用いて、燃料電池セル及びマニホールドにおける、反応ガス及び冷却水の流れを説明する。図３（ａ）は燃料電池積層体１とマニホールド３０の位置関係を示す斜視図、図３（ｂ）は反応ガス及び水の流れを示す断面模式図である。なお、マニホールドには、反応ガスとしての水素含有ガス用の入口及び出口マニホールド、反応ガスとしての酸化剤ガス用の入口及び出口マニホールド、及び水用の入口及び出口マニホールドがあるが、ここでは説明を簡単にするために酸化剤ガス用の入口部マニホールド３０のみ示す。

【0017】

燃料電池積層体１は、酸化剤ガス入口部マニホールド３０にセパレータ流路（反応ガス供給溝）１７が開口するように配置されており、酸化剤ガスはマニホールド３０から各燃料電池セル１０に分配される構造になっている。

【0018】

酸化剤ガス入口管３１はマニホールド３０に接続している。酸化剤ガス入口管３１及びその延長上の流入方向面３２は、酸化剤ガス流路１７の閉口部にあり、酸化剤ガス流路１７の開口部（ガス流路入口面）３３の上にはない。

【0019】

なお、燃料電池積層体１に燃料電池セル１０は数十枚有り、最も酸化剤ガス入口管３１に近いセルをＮｏ．１セルとして、そこからマニホールド奥面方向、つまり積層方向に進むにつれて、セルＮｏ．が増える。ここでは、マニホールド３０を外部マニホールドとした。

【0020】

空気は酸化剤ガス入口管３１を通って、マニホールド３０から酸化剤ガス流路１７を通り、図示しない酸化剤出口部マニホールドへ出ていき、図示しない酸化剤ガス出口管から排出される。ここで、酸化剤ガス流路１７は燃料電池セルの一方の側面から他方の側面に渡る直線状のものであっても良いし、途中から折り返すものであっても良い。また、水素含有ガスは図示しない水素含有ガス入口部マニールドから水素含有ガス流路を通り、電極を通過するようになっている。さらに、水は図示しない冷却水入口マニホールドから水流路を通り、電極部分を通過するようになっている。

【0021】

酸化剤ガス入口部マニホールド３０の概略断面図である図４及び図５を用いて、マニホールドの構成を更に説明する。図４及び図５において、（ａ）はマニホールド３０を燃料電積層体１側から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）はマニホールド３０と積層体１との位置関係を示す断面図である。

【0022】

マニホールド３０は、１つの内部空間を有するように一体成形され、且つ酸化剤ガス入口管３１からのガス流入方向に沿った反応ガスの流れを抑制するためのガス流抑制面５１を持つ段差を有するように形成されている。

【0023】

図４では、ガス流抑制面４１が酸化剤ガス入口管３１のガス流入断面４５の面積よりも大きく、ガスの流れを全て遮っている。同じように、図５では、ガス流抑制面５１がガス流入断面４５の面積よりも大きく、ガスの流れを全て遮っている。また、ガス流抑制面４１と５１は酸化剤ガス流れ方向と直角に面している。

【0024】

マニホールド３０内の空間は、ガス流入方向と垂直な断面積が、流入方向に対して一定ではなく、流入方向と垂直方向に段差を設けることにより途中から小さくなっている。そして、段差部分にガス流抑制面４１，５１を備え、酸化剤ガス入口管３１に対面するマニホールド３０の最も奥の面として、マニホールド奥面４４，５４を備えている。

【0025】

酸化剤ガス入口管３１に対面するマニホールド３０の最も奥の面として、図４ではマニホールド奥面４４と、図５ではマニホールド奥面５４を備える。なお、図４のマニホールド容積は図５と同じである。ガス流入断面４５，５５は、酸化剤ガスがマニホールド３０内に流入した箇所の流れ方向に垂直な管断面を流入方向に延長した面のことである。図４及び図５共に、マニホールド３０は１つの空間を有し、深さは２段階に分かれている。また、図４及び図５共に、酸化剤ガス入口管内径（入口面）の下端はマニホールド下端と一致している。

【0026】

図４のマニホールド３０には、ガス流抑制面４１が、燃料電池セル１０の積層方向中間の燃料電池セルよりも酸化剤ガス流路入口管３１側の手前に設置されている。一方、図５のガス流抑制面５１は、燃料電池セル１０の積層方向中間の燃料電池セルよりも奥に設置されている。

【0027】

なお、ガス流抑制面４１，５１と反応ガス流入方向４８との成す角度αは９０°以上１２０°以下であることが望ましい。角度が１２０°以上である場合には、酸化剤ガスはガス流抑制面４１，５１に沿って、Ｎｏ.１セル側に戻る流れよりも、ガス流抑制面４１，５１を超えてマニホールド奥面４４，５４に向かう流れが顕著になる。９０°未満である場合には、金型での成形が難しい。本実施形態では、ガス流抑制面４１，５１と反応ガス流入方向４８との成す角度αは９０°である。

【0028】

燃料電池セル１０の積層方向と反応ガスの流入方向４８は平行である。また、酸化剤ガス流入管３１の流入箇所に燃料電池セル１０は無く、例えば締付板４９なようなものがその箇所に存在するものとなっている。

【0029】

［作用］
図４において、酸化剤ガスの流れの一部がガス流抑制面４１で分かれて、Ｎｏ．１側に戻ってくる。そのため、マニホールド奥面４４側に酸化剤ガスが流れ込みにくい。図５も同様に、ガス流抑制面５１はガス流入方向に対して直角であり、酸化剤ガスの流れがガス流抑制面５１で乱れる。但し、酸化剤ガスの流れの一部が明確に分かれるには至らないものの、図４の場合と同様に、マニホールド奥面５４側に酸化剤ガスは流れ込みにくい。

【0030】

酸化剤ガス入口管３１から流出した酸化剤ガスは流れの断面積が急拡大するため、急拡大部ではガス流れ垂直方向へ噴流が発生する。図４、図５では、酸化剤ガス入口管３１はガス流路入口面３３上には無いため、発生した噴流は直接、セパレータの酸化剤ガス流路１７に流れ込むことがない。また、酸化剤ガス入口管３１の内径（入口面）の下端はマニホールド３０の下端と一致しており、セパレータ流路と離れているため、噴流が酸化剤ガス流路１７に流れ込みにくい。また、ガス流入方向面上のガス流入断面で発生するセパレータ方向への流れも直接、酸化剤ガス流路１７に流れ込むことがない。

【0031】

燃料電池セル１０の積層方向４７とガス流入方向４８が平行であるため、ガス流抑制面４１，５１によって、流れが妨げられやすい。

【0032】

［効果］
図６は、ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋（汎用熱流体解析プログラム）を用いて、図４と図５のマニホールドにおいて反応ガスの流動モデル解析を行った結果である。このモデルでは、計算負荷を小さくするために、生成水などの圧損要素を減少させて、配流のばらつきが大きくなるモデルを利用した。

【0033】

図６に示すように、Ｎｏ．１セル側の酸化剤ガス流入量とマニホールド奥面側の酸化剤ガス流入量の不均一性が少なくなっている。即ち、図５の構成では、ガス流抑制面５１を形成しない従来構造に比べて、酸化剤ガス流入量とマニホールド奥面側の酸化剤ガス流入量の不均一性が少なくなっている。また、図４の構成では、ガス流入量の不均一性が更に少なくなっている。

【0034】

このように、ガス流れ方向奥のセルに反応ガスが直接的に流れ込まないように、ガス流抑制面４１，５１が邪魔して、酸化剤ガスの流れを分けて、酸化剤ガス流路入口管３１の方向に戻る２次流れを作ることができる。このため、全セルにほぼ均等に酸化剤ガスを配流することができる。分配マニホールド３０は１つの空間であるため、ガス流抑制面４１，５１は金型などで一体成形可能である。従って、配流板や多孔体やオリフィスのように接着する工数やコストが削減できる。

【0035】

また、酸化剤ガス入口管３１付近の流れの急拡大部において発生した噴流は、直接、酸化剤ガス流路１７に流れ込むことがないため、セパレータ間の流れの不均一を抑制することができる。さらに、燃料電池セル１０の積層方向４７と反応ガス流入方向４８が平行であるため、ガス流抑制面４１，５１によって流れが妨げられやすく、マニホールド奥面側のセルに反応ガスが流れ込みにくい利点もある。

【0036】

このように本実施形態によれば、マニホールドに配流板や多孔質体などの別体を設けることなく、各燃料電池セル及び各セパレータ流路へ反応ガスを均一に供給することができる。従って、製造コストの低減及び長寿命化をはかることができる。

【0037】

（第２の実施形態）
［構成］
図７は、第２の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を説明するためのもので、（ａ）はマニホールド３０を燃料電池積層体１側から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

【0038】

この実施形態は、第１の実施形態の燃料電池とは酸化剤ガス入口部マニホールド３０の内部空間の構造が異なり、マニホールド３０の深さが３段階に分かれている。具体的には、酸化剤ガス流入断面６５を遮るガス流抑制面が、反応ガス流入方向に２個に（６１と６２）に分かれている。

【0039】

流れを分けて２次流れをつくるためには、ガス流抑制面６１，６２のように流れを妨げる段差が必要である。ガス流抑制面６１，６２が流れを分断するためには、これらの合計面積がガス流入断面６５よりも十分に大きく、且つガス流抑制面６１，６２とガス流入方向が成す角度αは直角に近いことが望ましい。なお、図７のマニホールド容積は図５と同じである。

【0040】

［作用］
本実施形態の作用を説明するが、ここでは第１の実施形態との違いを中心に述べる。

【0041】

図７では、ガス流抑制面６１と６２に分かれているため、ガス流抑制面６１とガス流抑制面６２の２つで反応ガス流入断面６５を遮っている。２つの面で遮ることにより、Ｎｏ．１セル側に戻る流れが２箇所で２個発生する。ガス流抑制面６１でＮｏ．１側に戻っていかなかった流れが、ガス流抑制面６２で分かれて、ガス流抑制面６２に沿ってＮｏ．１側に戻ってくる２つ目の２次流れになる。２つ目の２次流れを分けている箇所が、１つのガス流抑制面で遮るよりも、流入方向垂直方向右へシフトする。

【0042】

［効果］
図８は、ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋を用いて、図７と図５のマニホールドにおいて酸化剤ガスの流動モデル解析を行った結果である。

【0043】

図７のマニホールドは、セル間の流量のばらつきが、図５のマニホールドに比べて格段に良くなつている。さらに、図８のモデル解析の結果、図４のマニホールドよりもセル間の流量のばらつきが小さいのが分かる。つまり、酸化剤ガス流入管３１付近のセルＮｏ．が小さいセルへの空気流量が平均流量に近いものとなる。

【0044】

このように本実施形態では、２つの面６１，６２でガス流を遮ることにより、一つで遮るよりも、Ｎｏ．１セル側に戻る２次流れが多く発生し、且つ２次流れの発生箇所が流入方向垂直方向右へシフトする。そのため、Ｎｏ．１側のセルへの酸化剤ガス流量が増加するだけでなく、ガス流入垂直方向の圧力分布が均一となり、セパレータ流路間の流量のばらつきが低減される。従って、先に説明した第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、流量ばらつきの更なる低減が可能となる。

【0045】

（第３の実施形態）
［構成］
図９は、第３の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を説明するためのもので、（ａ）はマニホールド３０を燃料電池積層体１側から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）はマニホールド３０と積層体１との位置関係を示す断面図である。

【0046】

この実施形態は、第２の実施形態の図７のマニホールドとは異なり、図９（ｄ）に示すように、ガス流抑制面７１，７２がＮｏ．１セル側に傾いている。なお、図９のマニホールド容積は図７と同じである。図４と図７のマニホールドにおいて、ガス流抑制面と反応ガス流入方向が成す角度は９０°であったが、本実施形態ではガス流抑制面７１，７２と反応ガス流入方向が成す角度β，β’は６０°である。

【0047】

［作用］
本実施形態の作用を説明するが、ここでは第２の実施形態との違いを中心に述べる。

【0048】

図９のマニホールドは図７とは異なり、燃料電池積層体側から見た断面において、ガス流抑制面７１，７２がＮｏ．１セル側に傾いているため、ガス流抑制面７１，７２によって分かれた２次流れがガス流抑制面７１，７２に沿ってＮｏ．１セル側に戻ってきやすくなる。

【0049】

［効果］
本実施形態の効果について説明する。図１０は、ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋を用いて、図７と図９のマニホールドにおいて酸化剤ガスの流動モデル解析を行った結果である。

【0050】

図９の構成では、ガス流抑制面７１，７２がＮｏ．１セル側に傾いているため、Ｎｏ．１セル側に戻ってくる流れがより顕著となる。このため、Ｎｏ．１セルの酸化剤ガス流入量が、図７の構成よりも図９の構成の方が多くなる。従って、先の第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、更なる特性向上をはかることができる。

【0051】

（第４の実施形態）
［構成］
図１１は、第４の実施形態に係わる燃料電池に用いた分配マニホールドの概略構成を説明するためのもので、（ａ）はマニホールド３０を燃料電池積層体１側から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）はマニホールド３０内のガス流抑制面の傾きを示す図である。

【0052】

この実施形態は、第３の実施形態の図９とは異なり、分配マニホールド３０の深さが４段階に分かれており、酸化剤ガス流入断面を遮り、酸化剤ガス流入断面よりも面積が大きなガス流抑制面が反応ガス流入方向に３個に分かれている。図１１では、ガス流抑制面が８１，８２，８３に分かれている。

【0053】

なお、図１１のマニホールド容積は図９と同じである。マニホールド容積を増やすことなく、ガス流抑制面の数を増やして２次流れを増やすためには、ガス流抑制面８１，８２，８３を酸化剤ガス流入方向右に分断しながら浅くしていくことが望ましい。

【0054】

［作用］
本実施形態の作用を説明するが、ここでは第３の実施形態との違いを中心に述べる。

【0055】

図１１の構成では、ガス流抑制面８１と８２と８３に分かれているため、ガス流抑制面８１，８２，８３の３つでガス流入断面８５を遮っている。さらに、ガス流抑制面８３があるため、ガス流抑制面８２でＮｏ．１側に戻っていかなかった流れが、ガス流抑制面８３に沿ってＮｏ．１側に戻ってくる流れになる。ガス流抑制面８３でも２次流れが発生するため、図９よりも２次流れが多く発生し、且つ２次流れの発生箇所が流入垂直方向右へシフトする。

【0056】

［効果］
本実施形態の効果について説明する。図１２は、ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋を用いて、図９と図１１のマニホールドにおいて酸化剤ガスの流動モデル解析を行った結果である。

【0057】

図１１の構成では、３つの面８１，８２，８３で遮ることにより、２次流れが図９よりも多く発生し、且つ２次流れの発生箇所が流入垂直方向右へシフトする。このため、Ｎｏ．１セル側に流れ込む酸化剤ガス流量が適正化するだけでなく、セパレータ流路間の流量のばらつきが更に低減される。従って、先の第３の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、更なる特性向上をはかることができる。

【0058】

（第５の実施形態）
［構成］
図１３乃至図１５は、第５の実施形態に係わる燃料電池の概略構成を説明するためのもので、図１３は燃料電池に用いたセパレータの構成を示す平面図、図１４は燃料電池に用いた締付板及びマニホールド規定部材の構成を示す側面図、図１５は内部マニホールドの構成を示す断面図である。

【0059】

この実施形態は、第１の実施形態の図４や図５の燃料電池とは異なり、外部マニホールドではなく、内部マニホールドを改良したものである。

【0060】

図１３に示すように、各種の流路（燃料ガス流路，酸化剤ガス流路，及び水流路）の周辺に比較的大きな開口を有する板状のセパレータ１００を複数枚積層することにより、各々の開口が接続された空間（内部マニホールド）が形成される。ここでは、酸化剤ガス流路１７に開口している空間（内部マニホールド）９０について説明する。なお、積層されたセパレータ１００は、緻密カーボンで形成され、全て同じ形状である。

【0061】

一方、図１４に示すように、燃料電池積層体を締め付ける締付板１０１には、酸化剤ガス入口管３１が接続されると共に、内部マニホールド９０の形状を規定するためのマニホールド規定部材１０２が設けられている。

【0062】

締付板１０１を燃料電池積層体に取り付ける際に、マニホールド規定部材１０２を内部マニホールド９０内に挿入することにより、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、内部マニホールド９０の空間が、先に説明した第１の実施形態と同様の形状になる。即ち、内部マニホールド９０内に、酸化剤ガス入口管３１からのガス流入方向に沿った反応ガスの流れを抑制するためのガス流抑制面９１を持つ段差が形成される。そして、ガス流抑制面９１の面積は酸化剤ガス入口管３１のガス流入断面９５の面積よりも大きく、ガスの流れを全て遮ることになる。

【0063】

［作用効果］
本実施形態の作用を説明する。酸化剤ガス入口管３１から流入した酸化剤ガスは、第１の実施形態と同様に、ガス流抑制面９１により撹拌される。このため、燃料電池セルに酸化剤ガスを均等に配流することが可能となる。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0064】

また、酸化剤ガス流入断面を持った締付板１０１を、マニホールド規定部材１０２と一体成形することにより、更なるコストダウンをはかることもできる。また、セパレータを緻密カーボンでなく、多孔質カーボンにして、反応ガスよりも低い圧力で冷却水を循環し、且つガス流入断面に反応ガスが撹拌される前に加湿用助走区間を設けると、反応ガスの加湿機能を内部マニホールドに持たせることも可能となる。

【0065】

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

【0066】

実施形態では、酸化剤ガス入口部マニホールドを例にして説明したが、燃料ガス入口部マニホールドにも同様に適用することが可能である。さらに、酸化剤ガス入口部マニホールドと燃料ガス入口部マニホールドの両方に適用することも可能である。また、燃料電池セルの構成は前記図２に限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、ガス流抑制面を形成するための段差の数も、仕様に応じて適宜変更可能である。

【0067】

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0068】

１…燃料電池積層体
２…燃料ガス供給装置
３…酸化剤ガス供給装置
４…水循環装置
１０…燃料電池セル
１１…固体高分子電解質膜
１２…燃料極
１３…酸化剤極
１４…燃料極セパレータ
１５…酸化剤極セパレータ
１６…燃料ガス流路
１７…酸化剤ガス流路
１８…水流路
３０，９０…酸化剤ガス入口部マニホールド
３１…酸化剤ガス入口管
３２…ガス流入方向面
３３…ガス流路入口面
４１，５１，６１，６２，７１，７２，８１，８２，８３，９１…ガス流抑制面
４４，５４，６４，７４，８４…マニホールド奥面
４５，５５，６５，７５，８５，９５…ガス流入断面
４７…積層方向
４８…ガス流入方向
４９，１０１…締め付け板
１００…セパレータ
１０２…マニホールド規定部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】