JP2004039483A

JP2004039483A - Fuel cell

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Publication number: JP2004039483A
Application number: JP2002196187A
Authority: JP
Inventors: Kenro Mitsuta; 光田　憲朗; Hideo Maeda; 前田　秀雄; Hisatoshi Fukumoto; 福本　久敏; Akihisa Yoshimura; 吉村　晃久; Tatsuya Hayashi; 林　龍也
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】電解質膜を適湿に保ち、反応ガス流路に水が溜まり難く、セル面内の反応ガス流路間でのガスリークが生じ難い燃料電池の提供。
【解決手段】セル面内に燃料ガスと酸化剤ガスとの各々複数の反応ガス流路が交差して配設され、一旦使用された各々の反応ガスをセル段間でリターンさせて、前記セル面内に、各々、未使用の反応ガスとリターンさせた再使用の反応ガスとを流す燃料電池において、
前記セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と未使用酸化剤ガス流路の上流端側、及び、最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側と再使用酸化剤ガス流路の下流端側とが交差しないように反応ガス流路が配置されたことを特徴とする。
【選択図】　　　　図３An object of the present invention is to provide a fuel cell in which an electrolyte membrane is kept at an appropriate humidity, water hardly accumulates in a reaction gas flow path, and gas leak between reaction gas flow paths in a cell surface hardly occurs.
A plurality of reactant gas flow paths for a fuel gas and an oxidant gas are disposed in a cell plane so as to intersect with each other, and each used reactant gas is returned between cell stages. In a fuel cell in which an unused reactant gas and a returned reactant gas are returned in the plane,
In the cell plane, the upstream end of the unused fuel gas flow path and the upstream end of the unused oxidant gas flow path, and the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return and the reused oxidant The reaction gas flow path is arranged so that the downstream end of the gas flow path does not intersect.
[Selection diagram] Fig. 3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン導電性を有する電解質膜を用いた燃料電池に関し、例えば、固体高分子形燃料電池のセパレータ、積層体及びリターンマニホールドの構造等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来技術を固体高分子形燃料電池を例にして説明する。
固体高分子形燃料電池は、動作温度が８０℃程度と他の燃料電池に比べて低いため、生成水が水蒸気としてよりも水滴となって、燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスの反応ガス流路に生じ易く、この水滴が速やかに排出されないと、反応ガス流路が閉塞されてしまい、燃料欠乏や空気欠乏を起こしてしまうという問題があった。
例えば、燃料欠乏が起こると、水素の代わりに、燃料電池の主要な構成材料であるカーボンと水との電気化学的な反応によりプロトンと電子とが放出されて、一酸化炭素や二酸化炭素が生成され、主要な構成材料であるカーボンを腐食させてしまうし、空気欠乏が起こると、電流密度分布の急激な変化を引き起こしてしまう。
このため、固体高分子形燃料電池では、反応ガス流路の水滴を速やかに排出する必要がある。これは、８０℃程度の低温で動作させるリン酸形燃料電池やアルカリ形燃料電池等でも同様である。
【０００３】
この問題を解消するため、この種の燃料電池では、セパレータに形成される燃料ガス流路や酸化剤ガス流路等の反応ガス流路や、冷却水を流通させるための冷却水流路として、サーペンタイン流路（蛇腹状流路）が一般的に用いられている。このサーペンタイン流路を設けることによって流速を速め、速やかに水を排出させるためである。サーペンタイン流路を設けた例としては、本出願人の特許第１７５８７２６号、特許第１６０４０４８号及び特許第１５０２６１７号等がある。
しかし、このサーペンタイン流路は、反応ガスの流速を速めて水滴の排出を容易にするという利点があるものの、形状が複雑であるため、安価なモールド加工が難しく、しかも、圧力損失が大きくて補機損失も大きくなる等の不利な点があった。
【０００４】
そこで、更にこの問題を解消するため、本出願人によって出願された特開平１１−２３３１２６号公報では、サーペンタイン流路に代えて、流速を速める方法として、流路形状をシンプル化したストレート流路を採用した流路構成が提案されている。
以下、この従来の流路構造を図２９乃至図３２に基づいて説明する。
図２９はセパレータの燃料ガス流路側の平面図、図３０はセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図、図３１はセル面内における燃料ガスと酸化剤ガスの流れの位置関係を示す平面図、図３２は冷却水流路の平面図である。
【０００５】
図２９乃至図３２において、図中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはセパレータの共通のコーナ部、白三角は反応ガスの入口、黒三角は反応ガスの出口、実線の白矢印は反応ガスの流れる方向、破線の白矢印はリターンマニホールドでの反応ガスの流れ方向を示す。
先ず図２９において、セパレータの一側面（片面）に設けられる燃料ガス流路は、重力に対して順方向にガスが流れるよう直線状に形成された多数の細い溝（ガス溝）からなり、図の例では、この多数の溝を左右の二群に分けている。即ち、図において左側の一群が第１燃料ガス流路１、右側の一群が第２燃料ガス流路である。
尚、燃料ガス及び酸化剤ガスを総称して反応ガスともいう。又、燃料ガスが流れる複数の溝から成る燃料ガス流路、及び酸化剤ガスが流れる複数の溝から成る酸化剤ガス流路を総称して反応ガス流路、若しくは単にガス流路ともいう。
【０００６】
図３０において、セパレータの他側面に設けられる酸化剤ガス流路は、当該セパレータの一側面に設けられた燃料ガス流路即ち第１燃料ガス流路１及び第２燃料ガス流路２と交差する方向に酸化剤ガスが流れるよう、図示の例では、水平方向に多数の溝が形成されており、この多数の溝が上下の二群に分けられている。即ち、図において上側の一群が第１酸化剤ガス流路３、下側の一群が第２酸化剤ガス流路４である。
【０００７】
図２９及び図３０において、一側に燃料ガス流路即ち第１燃料ガス流路１及び第２燃料ガス流路２、他側に酸化剤ガス流路即第１酸化剤ガス流路３及び第２第２酸化剤ガス流路４が配設されているセパレータの外周縁側には、これ等の反応ガス流路１〜４に所要の反応ガスを給排するガス供給孔及びガス排出孔が、積層方向に当該セパレータを貫通するように適宜配設されている。
又、前記冷却水流路を備えた冷却機能を持つセパレータ（以下、冷却板ともいう）に冷却水を給排するための冷却水供給孔及び冷却水排出孔も、同様に、セパレータを貫通するように適宜配設されている。
【０００８】
即ち、図２９において、５は、第１燃料ガス流路１に燃料ガスを供給するガス供給孔としての第１燃料ガス供給孔であり、未使用の燃料ガスを第１燃料ガス流路１に供給する。
６は、第１燃料ガス流路１を経た燃料ガスのガス排出孔としての第１燃料ガス排出孔であり、第１燃料ガス流路１から排出された燃料ガスを、積層体の一方の端部側に設けた燃料側のリターンマニホールド（図示せず、以下、燃料側リターンマニホールドという。）に導く。
７は、第１燃料ガス流路１で一旦使用されて回収された燃料ガスが、前記燃料側リターンマニホールドを経て、再使用のため送り出されるガス供給孔としての第２燃料ガス供給孔であり、この再使用の燃料ガス（再使用燃料ガス）を第２燃料ガス流路２に供給する。
８は、第２燃料ガス流路２を経た燃料ガスのガス排出孔としての第２燃料ガス排出孔であり、第２燃料ガス流路２から排出された再使用（２回目）の燃料ガスを、前記燃料側リターンマニホールドに導いて、積層体（図示せず）外に排出（回収）する。
【０００９】
又、図３０において、９は、第１酸化剤ガス流路３に酸化剤ガスを供給するガス供給孔としての第１酸化剤ガス供給孔であり、未使用の酸化剤ガスを第１酸化剤ガス流路３に供給する。
１０は、第１酸化剤ガス流路３を経た酸化剤ガスのガス排出孔としての第１酸化剤ガス排出孔であり、第１酸化剤ガス流路３から排出された酸化剤ガスを、積層体の他方の端部側に設けた酸化剤側のリターンマニホールド（図示せず、以下、酸化剤側リターンマニホールドという。）に導く。
１１は、第１酸化剤ガス流路３で一旦使用されて回収された酸化剤ガスが、前記酸化剤側リターンマニホールドを経て、再使用のため送り出されるガス供給孔としての第２酸化剤ガス供給孔であり、この再使用の酸化剤ガス（再使用酸化剤ガス）を第２燃料ガス流路４に供給する。
１２は、第２酸化剤ガス流路４を経た酸化剤ガスのガス排出孔としての第２酸化剤ガス排出孔であり、第２酸化剤ガス流路４から排出された再使用（２回目）の酸化剤ガスを、前記酸化剤側リターンマニホールドに導いて、積層体（図示せず）外に排出（回収）する。
【００１０】
尚、図２９及び図３０において、セパレータのコーナ部Ａ、Ｂ側に示す１３、１３は、図示されていない冷却板に冷却水を供給する水供給孔としての冷却水供給孔であり、セパレータのコーナ部Ｃ、Ｄ側に示す１４、１４は、冷却板を流れた冷却水を回収する水排出孔としての冷却水排出孔である。
又、図２９の１５で示す矢印は第１燃料ガス流路１から第２燃料ガス流路２への燃料ガスのリーク方向を示し、図３０の１６で示す矢印は第１酸化剤ガス流路３から第２酸化剤ガス流路４への酸化剤ガスのリーク方向を示す。
【００１１】
図３１において、セパレータのコーナ部Ｂ側の１７は、積層された状態におけるセル面内において、未使用の燃料ガスが流入する第１燃料ガス流路１（図２９、３０）の上流端側と、未使用の酸化剤ガスが流入する第１酸化剤ガス流路３（図２９、３０）の上流端とが交差する領域、即ち、未使用反応ガス交差領域を示す。
又、コーナ部Ｄ側の１８は、再使用の燃料ガスが当該セル面内から最終的に流出する第２燃料ガス流路２の下流端側と、同じく再使用の酸化剤ガスが当該セル面内から最終的に流出する第２酸化剤ガス流路４の下流端側とが交差する領域、即ち、最後のリターン（この例では１回）を経て最終的に積層体外へ排出される再使用反応ガス交差領域を示す。
【００１２】
燃料電池の積層体（図示せず）は、燃料電極と酸化剤電極とでイオン導電性を有する固体高分子膜を挟持して接合一体化された電極・膜接合体と、一側面に前記第１及び第２の燃料ガス流路１、２、他側面に前記第１及び第２の酸化剤ガス流路３、４が形成されたセパレータとが交互に、水平方向に向けて所定枚数重ね合わせされて構成される。この場合、適宜間隔にて、セパレータに代えて冷却機能を持つセパレータ（冷却板）が配置される。
【００１３】
この冷却板としてのセパレータとしては、図示していないが、例えば、燃料ガス流路と冷却水流路とが表裏に形成された一方のセパレータ構成部分と、酸化剤ガス流路が片面（一側）に形成された他方のセパレータ構成部分とを、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが外側となるように張り合わせて一体的に形成されたものがある。以下、このような冷却板をも含めてセパレータともいう。
尚、図３２は、セパレータ（冷却板）の一側面に配設された冷却水流路１９を示す平面図である。図において、図２９及び図３１と同一の符号は、同一の内容である。
【００１４】
こうして形成された積層体の積層方向の両端側には端板が配されており、この両端板が積層体を挟んで締結されて、一体化された燃料電池スタックが構成される。このように構成された燃料電池では、積層された各セパレータ（冷却板を含む）の縁側に当該セパレータを貫通して形成された燃料ガスのガス供給孔５、７、燃料ガスのガス排出孔６、８、酸化剤ガスのガス供給孔９、１１、酸化剤ガスのガス排出孔１０、１２、冷却水供給孔１３、１３、冷却水排出孔１４、１４などが、各々独立して積層方向に連なる管を形成する。
【００１５】
そして、積層方向に延在する燃料ガス供給孔５、７及び燃料ガス排出孔６、７が端板側に設けられた燃料ガス入口ポート及び出口ポート（図示せず）に連通されると共に、積層方向に延在する酸化剤ガス供給孔９、１１及び酸化剤ガス排出孔１０、１２が、端板側に設けられた酸化剤ガス入口ポート及び出口ポート（図示せず）に連通される。
又、積層方向に延在する冷却水供給孔１３、１３、及び冷却水排出孔１４、１４も端板側に設けられた冷却水ガス入口ポート及び出口ポート（（図示せず）に連通される。
【００１６】
このように、反応ガス流路にストレート流路を採用し、積層体の端板側にリターンマニホールド（中間マニホールド）を設けて、セル面内に複数配設された反応ガス流路に反応ガスを、単に順方向に繰り返して流す構成においては、第１燃料ガス流路１の上流端側と第１酸化剤ガス流路３の上流端側とが、セパレータの同じコーナ部Ｂ側にて交差する未使用反応ガス交差領域１７が生ずる（図３１）。
一方、そのコーナ部Ｂと対角の位置にあるコーナ部Ｄ側では、第２燃料ガス流路２の下流端側と第２酸化剤ガス流路４の下流端側とが交差する再使用反応ガス交差領域１８が生ずる（図３１）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
このため、ストレート流路を採用した前記の流路構成による燃料電池では次のような問題があった。
第１に、図３１において、未使用反応ガス交差領域１７、即ち当該セル面内の反応ガス流路の入口領域では、８０度前後の反応ガスが常時流入してくるため、高温領域となる。これによって、反応ガス即ち燃料ガスや酸化剤ガス中の相対湿度が減少するため、固体高分子膜が乾燥してイオン伝導抵抗が増大し、セル電圧が低下してしまう。
逆に、再使用反応ガス交差領域１８、即ち当該セル面内の反応ガス流路の出口領域では、反応を繰り返した反応ガスが重なるため低温領域となる。
このような低温領域を燃料ガスや酸化剤ガスが流れると、ガス中の水蒸気（生成水）が凝縮して水滴となり易く、これが反応ガス流路に溜まってガス流路を閉塞したり、詰まらせたりして、セル電圧を経時的に大きく変化させたり、燃料不足となって燃料極のカーボンや触媒粒子、特にＣＯ被毒対策として添加しているルテニウムを溶出させたりして、ＣＯ被毒耐性を急激に低下させたりする。
【００１８】
第２に、燃料側リターンマニホールドでは、第１燃料ガス排出孔６から回収されてきた再使用（１回目）の燃料ガスを第２燃料ガス供給孔７に送り出す流れに対して、各セル面内における第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２との境界領域、特にその下流端側の境界領域で、第１燃料ガス流路１を流れる燃料ガスが燃料電極基材（図示せず）を介して拡散し、隣の第２燃料ガス流路２の下流端側を経て、直接、第２燃料ガス排出孔８に短絡する流れ、即ちリーク１５（図２９）が発生し、第２燃料ガス排出孔８を流れる再使用反応ガス（２回目）と共に積層体外へと回収されてしまうため、第２燃料ガス流路２への燃料ガスの供給量が不十分となってしまう。
【００１９】
同様に、酸化剤ガス側リターンマニホールドでも、第１酸化剤ガス排出孔１０から回収されてきた再使用（１回目）の酸化剤ガスを第２酸化剤ガス供給孔１１に送り出す流れに対して、各セル面内における第１酸化剤ガス流路３と第２燃料ガス流路４との境界領域、特にその下流端側の境界領域で、第１酸化剤ガス流路３を流れる酸化剤ガスが、酸化剤電極基材（図示せず）を介して拡散し、隣の第２酸化剤ガス流路４の下流端側を経て、直接、第２酸化剤ガス排出孔１２に短絡する流れ、即ちリーク１６（図３０）が発生し、第２酸化剤ガス排出孔１２を流れる再使用反応ガス（２回目）と共に積層体外に回収されてしまうため、第２酸化剤ガス流路４への燃料ガスの供給量が不十分となってしまう。
【００２０】
このような問題は、従来技術で示した２つの燃料ガス流路１、２と酸化剤ガス流路３、４とが配設されている場合（図２９乃至図３２）に限らず、セル面内に反応ガス流路が複数隣り合わせに配設されている場合に生ずる。
例えば、図３３に示すように、各々３つの燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが配設されている場合でも同様であり、４つ以上の反応ガス流路が各々配設される場合も同様である。尚、図３３において、図２９乃至図３２と同じ符号は同一の内容である。
【００２１】
本発明は、上記のような諸問題を解消し、電解質膜を適湿に保ち、反応ガス流路に水が溜まり難く、セル面内の反応ガス流路間でのガスリークが生じ難い燃料電池の提供を目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セル面内に燃料ガスと酸化剤ガスとの各々複数の反応ガス流路が交差して配設され、一旦使用された各々の反応ガスをセル段間でリターンさせて、前記セル面内に、各々、未使用の反応ガスとリターンさせた再使用の反応ガスとを流す燃料電池において、前記セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と未使用酸化剤ガス流路の上流端側、及び、最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側と再使用酸化剤ガス流路の下流端側とが交差しないように反応ガス流路が配置されたことを内容とする。
【００２３】
又、本発明は、セル面内における、最後のリターンによる再使用の燃料ガス又は酸化剤ガスの何れかの反応ガス流路が、再使用の反応ガスの反応ガス流路の間、又は未使用のガスの反応ガス流路と再使用のガスの反応ガス流路との間に配置されたことを内容とする。
【００２４】
又、本発明は、セル面内に燃料ガスと酸化剤ガスとの各々複数の反応ガス流路が交差して配設され、一旦使用された各々の反応ガスをセル段間でリターンさせて、前記セル面内に、各々、未使用の反応ガスとリターンさせた再使用の反応ガスとを流す燃料電池において、前記セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用酸化剤ガス流路の下流端側、及び、未使用酸化剤ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側とが交差するよう反応ガス流路が配置されたことを内容とする。
【００２５】
又、本発明は、セル面内に燃料ガスと酸化剤ガスとが交差して流れるよう配設される燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の双方又は一方の反応ガス流路は、セル面の一辺側から相対する辺側に向かって複数並列に形成された直線状の溝、又は、前記一辺側から相対する辺側との間を１回以上折り返して最終的に相対する辺側に到る複数並列に形成された蛇腹状の溝であることを内容とする。
【００２６】
又、本発明は、燃料電極や酸化剤電極が形成される電極基材に当接されるセパレータに形成された複数の反応ガス流路を流れる反応ガスが、隣り合う反応ガス流路に当該電極基材内部と経て漏れないよう、前記セパレータの反応ガス流路間の境界領域に当接する前記電極基材の面部分に電極基材側境界シール部を設けたことを内容とする。
【００２７】
又、本発明は、電極基材の電極基材側境界シール部が当接するセパレータの反応ガス流路間の境界領域に、前記電極基材側境界シール部に密接するセパレータ側境界シール部を設けたことを内容とする。
【００２８】
又、本発明は、セパレータ側境界シール部は、セパレータの面に設けられたシール溝と、当該シール溝に埋め込まれた親水性多孔質部材と、前記シール溝と当該セパレータの背面に設けられた冷却水路とを連通させるよう当該セパレータを貫通して設けられた導水孔とから成り、前記親水性多孔質部材に冷却水を含ませたことを内容とする。
【００２９】
又、本発明は、電極基材側境界シール部が当接するセパレータの反応ガス流路間の境界領域に、前記電極基材側境界シール部が蓋のように密接するシール溝を設け、当該シール溝の一方端側を当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水供給孔に、シール溝の他方端を当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水排出孔に連通させたことを内容とする。
【００３０】
又、本発明は、電解質膜の一側に酸化剤電極が他側に燃料電極が一体的に接合された電極・膜接合体とセパレータとが水平方向に交互に積層され、セル面内の燃料ガスの反応ガス流路が重力方向に向けて配設された積層体と、
当該積層体の一方端に設けられた燃料側リターンマニホールドと、
当該積層体の他方端に設けられた酸化剤側リターンマニホールドとを備えた燃料電池において、
前記燃料側及び酸化剤側リターンマニホールドの一方又は双方に、リターンする反応ガスの流路に、乾燥した反応ガスには水分を奪わせ、水分を過分に含む反応ガスからは水分を吸収する親水性多孔質基板を反応ガスと接触するように設けたことを内容とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を固体高分子形燃料電池を例にして、図１乃至図２８に基づいて説明する。尚、図において、従来技術として説明した図２９乃至図３３と同じ符号は実質的に同じ内容である。尚、固体高分子形燃料電池を単に燃料電池ともいう。
【００３２】
実施の形態１．
実施の形態１を図１乃至図３に基づいて説明する。図１はセパレータの一側に配設された燃料ガス流路を示す平面図、図２はセパレータの他側に配設された酸化剤ガス流路を示す平面図、図３はセパレータの表裏に配設された燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の位置関係を示す平面図である。
尚、図１乃至図２８に示すセパレータは、外形が１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さ３ｍｍで、カーボン粒子とフェノール樹脂とのモールド加工によってガス溝が加工されたものである。又、図１乃至図２７に示す反応ガス流路は、セル面の一辺側即ちセパレータの一辺側から相対する辺側に向かって複数並列に形成された直線状の溝で構成されている。
【００３３】
この燃料電池は、セル面内に、燃料ガスが重力方向に順に流れるように配設された少なくとも第１及び第２の２つの燃料ガス流路１、２（図１、図３）と、この２つの燃料ガス流路１、２と交差する水平方向に酸化剤ガスが順に流れるように配設された少なくとも第１及び第２の２つの酸化剤ガス流路３、４（図２、図３）とを備えている。
【００３４】
第１の燃料ガス流路（第１燃料ガス流路）１には未使用の燃料ガス（未使用燃料ガス）を流し、第２の燃料ガス流路（第２燃料ガス流路）２には、第１燃料ガス流路１に流されて一旦（この例では１回）使用された再使用の燃料ガス（再使用燃料ガス）を流すと共に、第１の酸化剤ガス流路（第１酸化剤ガス流路）３には未使用の酸化剤ガス（未使用酸化剤ガス）を流し、第２の酸化剤ガス流路（第２酸化剤ガス流路）４には、第１酸化剤ガス流路１に流されて一旦（この例では１回）使用された再使用の酸化剤ガス（再使用酸化剤ガス）を流すよう、セル段間でリターンさせるリターンマニホールドを積層体の端板側に備えている。即ち、積層体の一方端に燃料側リターンマニホールド、他方端側に酸化剤側リターンマニホールドが配設されている（図示せず）。
【００３５】
このように構成された燃料電池において、セル面内における、未使用燃料ガス流路即ち第１燃料ガス流路１の上流端側と未使用酸化剤ガス流路即ち第１酸化剤ガス流路３の上流端側、及び、最後のリターン、この形態では１回リターンされた再使用燃料ガス流路即ち第２燃料ガス流路２の下流端側と再使用酸化剤ガス流路即ち第２酸化剤ガス流路４の下流端側とが、当該セル面内において交差しないように配置されている。
【００３６】
図３において、セル面内における燃料ガス流路１、２及び酸化剤ガス流路３、４の反応ガス流路の交差を説明する。
図示されていない電解質膜（この例では固体高分子膜）の一方側に当接される一方のセパレータの一側に配設された燃料ガスの入口領域即ち第１燃料ガス流路１の上流端側と、当該電解質膜の他方に当接される他方のセパレータの一側に配設された酸化剤ガスの入口領域即ち第１の酸化剤ガス流路３の上流端側とが、積層体の積層方向から見て重ならないように位置にされている。
又、同様に、燃料ガスの出口領域即ち第２の燃料ガス流路２の下流端側と、酸化剤ガスの出口領域即ち第２の酸化剤ガス流路４の下流端側も、積層体の積層方向から見て重ならないように位置にされている。
【００３７】
これを、従来の反応ガス流路を示す図３１と対比して説明すると、図３１における第２の酸化剤ガス排出孔１２を図３において第１の酸化剤ガス供給孔９とし、図３１における第２の酸化剤ガス流路４を図３において第１の酸化剤ガス流路３とし、図３１における第２の酸化剤ガス供給孔１１を図３において第１の酸化剤ガス排出孔９とし、図３１における第１の酸化剤ガス排出孔１０を図３において第２の酸化剤ガス供給孔１１とし、図３１における第１の酸化剤ガス流路３を図３において第２の酸化剤ガス流路４とし、図３１における第１の酸化剤ガス供給孔９を図３において第２の酸化剤ガス排出孔１２として機能するように構成したものである。
【００３８】
即ち、図３において、一方の、未使用反応ガスとしての燃料ガス（未使用燃料ガス）のセル面内への入口領域となる第１燃料ガス流路１の上流側即ち第１燃料ガス供給孔５側の領域（最高温領域）は、他方の、再使用反応ガスとしての酸化剤ガス（再使用酸化剤ガス）が流れる第２酸化剤ガス流路４の下流端側即ち第２酸化剤ガス排出孔１２側の領域（最低温領域）と重ねられている（コーナＢ側）。
又、再使用反応ガスとしての燃料ガス（再使用燃料ガス）が当該セル面内から排出される直前の、第２燃料ガス流路２の下流側即ち第２燃料ガス排出孔８側の領域（最低温領域）は、未使用反応ガスとしての酸化剤ガス（未使用酸化剤ガス）の第１酸化剤ガス流路３の上流端側即ち第１酸化剤ガス供給孔９側の領域（最高温領域）と重ねられている。
【００３９】
この実施の形態では、セル面内における、一方の反応ガス流路の最高温領域と他方の反応ガスの最高温領域、及び、一方の反応ガス流路の最低温領域と他方の反応ガス流路の最低温領域との重なりを避けるだけでなく、一方の反応ガス流路の最高温領域を他方の反応ガス流路の最低温領域と重ね、一方の反応ガス流路の最低温領域を他方の反応ガス流路の最高温領域と重ねた構成としている。
【００４０】
このように、この実施の形態では、反応ガス流路の互いの最高温領域が重ならないように構成されているので、従来のように、反応ガス延いては電解質膜を異常乾燥させることなく、適湿に保つことができる。
又、従来のように反応ガス流路の互いの最低温領域が重ならないように構成されているので、従来のように、反応ガスの温度低下によって反応ガス中の水蒸気が凝縮しての水滴の発生が抑制されて反応ガスの流通が円滑に行われ、流路間でのガスリークが生じ難い高性能の燃料電池を提供することができる。
【００４１】
しかも、この実施の形態では、一方の反応ガス流路の最高温領域と他方の反応ガス流路の最低温領域とを重ねると共に、一方の反応ガス流路の最低温領域と他方の反応ガス流路の最低温領域とを重ねた構成としているので、最高温領域と最低温領域とが中和されてセル面内の温度分布を均一化することができる。
【００４２】
この実施の形態の燃料電池では、セル面内に、リターン前の未使用ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）と１回使用（１回リターン）させた再使用反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）との２つの反応ガス流路を備えた構成としているが、これに限らず、複数回リターンさせて、リターン毎に再使用反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を流すよう３つ以上の反応ガス流路（燃料ガス、酸化剤ガス）を配設した構成であってもよい。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１のセパレータを用いて積層された積層体の両端側の、一方に燃料側リターンマニホールドを、他方に酸化剤ガス側リターンマニホールドを備えた燃料電池において、両リターンマニホールドに、相応する反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が流れる無数の案内溝が形成された親水性多孔質基板を配設して、ガス排出孔６、１０を経て当該リターンマニホールドに回収されてきた反応ガスが、再びガス供給孔７、１２に向かって、当該リターンマニホールド内を前記案内溝を通過して行く際に、水を過剰に含んだ反応ガスに対しては吸水作用によって水を吸収して乾燥化させ、乾燥し過ぎた反応ガスに対しては、親水性多孔質基板に含水されている水を放出して湿潤化させて、反応ガスを適度に湿潤化させる構成としたものである。
【００４４】
以下、図４乃至図８に基づいて説明する。図４は燃料側マニホールドプレートの平面図、図５は酸化剤側マニホールドプレートの平面図、図６は燃料側マニホールドプレートの一部切断断面図、図７は燃料ガスの流れを示す積層体の平面図、図８はマニホールドプレートでの燃料ガスの流れを示す模式図である。
尚、積層体は、電解質膜（一側に酸化剤電極が他側に燃料電極が一体的に接合された電極・膜接合体）と、実施の形態１のセパレータとが、水平方向に交互に積層され、セル面内の燃料ガス流路１、２が重力方向に向けられて配設されたものである。
又、燃料ガス側及び酸化剤側リターンマニホールドは、積層体の積層方向に貫通させた燃料ガス及び酸化剤ガスのガス排出孔６、１０を介して各セル面内から排出されてきた反応ガスをリターンさせて、積層体の積層方向に貫通させた燃料ガス及び酸化剤ガスのガス供給孔７、１１を介して各セル面内に供給させるものである。
【００４５】
図４乃至図５において、親水性多孔質基板２１は、反応ガスを流通させる無数の案内溝が形成された多孔質プレートであって、マニホールドプレートに配置されている。以下、この親水性多孔質基板２１を多孔質プレート２１ともいう。
２２はリターンマニホールド側に開口するガス排出孔６の開口部に接するよう延在された多孔質プレート２１の導入部であり、２３は多孔質プレート２１から当該リターンマニホールド側に開口する燃料ガス供給孔７の開口部へ連絡するように延在された導出部である。
この多孔質プレート２１は重力方向に沿うよう垂直に設けられており、リターンマニホールドの下部に開口された燃料ガス排出孔口６の排出口から流入してきた燃料ガスが、導入部２２、多孔質プレート２１を経て下方側から上方側へと流れ、導出部２３を介して、当該リターンマニホールドの上部に開口された燃料ガス供給孔口７から送り出される。
【００４６】
図６乃至図８において、図示の燃料側リターンマニホールドの構造に基づいて説明する。
図中の４０は第１透水膜、４１は第２透水膜（図７、図８）、４２は第１燃料マニホールドプレート、４３は第２燃料マニホールドプレート（図７、図８）、４４は第３燃料マニホールドプレート（図７、図８）、４５は第４燃料マニホールドプレート、５８は多孔質プレート２１に形成された反応ガスの案内溝、５９は第４燃料マニホールドプレートに形成された反応ガスの流路としての案内溝である。
【００４７】
図４において、多孔質プレート２１が、マニホールドプレートの中央を占めるように配設されている。この多孔質プレート２１は平均気孔径が３５μｍで、気孔率７５％、厚さ１．５ｍｍの多孔質カーボン基材を用いて形成されている。
更に、この多孔質プレート２１はガス排出孔６に接するように延在する導入部分２２と、ガス供給孔７へ連絡するように延在する導出部２３とを上述のように備えている。
導入部２２は多孔質プレート２１の一部を単に延在させて設けたものであるが、導出部２３はカーボンと樹脂のモールド加工によってマニホールドプレートと共に形成されており、縦横に交差している案内溝は、この例では幅が約１ｍｍ、溝深さが約１ｍｍである。
【００４８】
図４において、第１燃料ガス排出孔６から排出された燃料ガス（燃料中間ガス）は、当該第１燃料ガス排出孔６に接した導入部２２から多孔質プレート２１の中央をへて導出部２３に達し、第２燃料ガス供給孔７に導かれる。この間、燃料ガスのうち、ガスは案内溝５８（図６）を通って運ばれるが、液体の水は多孔質プレート２１のポア吸引力によって吸収されて上方へ運ばれる。
カーボン繊維からなるこの多孔質プレート２１は、上記のように、小さな気孔を多数有しているため、液体の水を容易に保持することができ、しかも、大きな表面積を有しているので、カーボン繊維への凝縮とカーボン繊維からの蒸発が容易である。
【００４９】
このため、リターンマニホールドに回収されてきた燃料ガスの湿度が高すぎる場合には、カーボン繊維表面に水が凝縮して多孔質プレート２１に水が貯蔵され、湿度が低すぎる場合には、カーボン繊維表面から水が蒸発して多孔質プレートの水が放出される。
こうして、燃料側リターンマニホールドでは、多孔質プレート２１によって、燃料ガスに含まれる余分な水が取り除かれて貯蔵されると共に、運転状況の変化等で、燃料ガスの湿度が一時的に低下した場合には、水の蓄えられた多孔質プレート２１から水分が付与され、十分な加湿を得て、第２燃料ガス供給孔７に運ばれる。即ち、多孔質プレート２１によって、燃料ガス（燃料中間ガス）の湿度が調整される。
【００５０】
図５において、第１酸化剤ガス排出孔１０から排出された酸化剤ガス（酸化剤中間ガス）は、当該第１酸化剤ガス排出孔１０に接した多孔質プレート２１の導入部２２から、多孔質プレート２１の中央をへて導出部２３に達して、第２酸化剤ガス供給孔１１に導かれる。この間、酸化剤ガスのうち、ガスは上述の燃料ガスと同様に、案内溝５８（図６参照）を通って運ばれるが、液体の水は多孔質プレート２１のポア吸引力によって吸収されて上方に運ばれる。
【００５１】
そして、リターンマニホールドに回収されてきた酸化剤ガスの湿度が高すぎる場合には、カーボン繊維表面に水が凝縮して多孔質プレート２１に水が貯蔵され、湿度が低すぎる場合には、カーボン繊維表面から水が蒸発して多孔質プレートの水が放出されることにより、酸化剤側リターンマニホールドでも、多孔質プレート２１によって、酸化剤ガスに含まれる余分な水が取り除かれて貯蔵されると共に、運転状況の変化等で、酸化剤ガスの湿度が一時的に低下した場合には、水の蓄えられた多孔質プレート２１から水分が付与され、十分な加湿を得て、第２酸化剤ガス供給孔１１に運ばれる。即ち、この多孔質プレート２１によって、酸化剤料ガス（酸化剤中間ガス）の湿度も調整される。
【００５２】
尚、図６において、多孔質プレート２１に吸収された水は、第１透水膜４０を介して燃料ガスに付与される。透水膜４０としては、ジャパンゴアッテクス社製の厚さ３０μｍのゴア膜を用いたが、勿論、これに限定されない。
又、図４及び図５において、燃料側リターンマニホールドには燃料側排水ポート６２を、又、酸化剤側リターンマニホールドには酸化剤側排水ポート６３をそれぞれ設けて、リターンマニホールド内に過剰な水が蓄積された場合には、余分な水を排出して、運転に支障をきたさないようにしている。これ等の排水ポートは通常は閉鎖されており、水を抜く場合に開放される。
【００５３】
図７において、２４は７５セルが積層された積層体（スタック）、２５は積層体２４の一方の端板側に設けられた燃料側リターンマニホールド、２６は積層体２４の他方の端板側に設けられた酸化剤側リターンマニホールドである。
又、２７は燃料ガス入口ポート、２８は燃料出口ガスによる被加湿燃料ガスの流れ、２９は燃料ガスの移動孔での移動、３０は第３燃料マニホールドプレートでの再使用の反応ガス（燃料中間ガス）による被加湿燃料ガスの流れ、３１は第１燃料ガス供給孔５での燃料ガスの流れ、３２は第１燃料ガス流路１での燃料ガスの流れ、３３は第１燃料ガス排出孔６での燃料ガスの流れ、３４は第１燃料マニホールドプレートを流れる燃料ガスの流れ、３５は第２燃料ガス供給孔７を流れる燃料ガスの流れ、３６は第２燃料ガス流路２での燃料ガスの流れ、３７は第２燃料ガス排出孔８での燃料ガスの流れ、３８は第２燃料マニホールドプレートを流れる燃料ガスの流れを示す。
尚、図中の３９は燃料ガス出口ポート、４６は酸化剤供給ガス入口ポート、４７は酸化剤排出ガス出口ポート、６０は閉塞孔、６１は開口孔、６２は燃料側排水ポート、６３は酸化剤側排出ポートである。
【００５４】
図７及び図８において、燃料ガスの流れを説明する。
燃料ガスは、積層体２４の最端部の金属板に取り付けられた燃料ガス入口ポート２７から、第３燃料リターンマニホールドプレートに入り、透水膜４１から水分を受け取って加湿されて、燃料ガスの移動孔２９を通って、第４燃料リターンマニホールドプレートに達し、ここで再度透水膜４０から水分を受け取って加湿されて第１燃料ガス供給孔３１（６）を通って、各セル面内に供給される。
各セル面内において、第１燃料ガス流路１を通って、反応に用いられた燃料ガス（燃料中間ガス）は、生成水を伴って、第１燃料ガス排出孔３３（６）に集められ、第１燃料リターンマニホールドプレート４２に達する。
【００５５】
ここで、燃料ガス（燃料中間ガス）は、上述したように、第１燃料リターンマニホールドプレートの多孔質プレート２１に水分を凝縮された後、第２燃料ガス供給孔３５（７）に運ばれ、再び各セルに供給され、セル面内の第２燃料ガス流路３６（２）を通って、燃料電池反応に用いられ、生成水を伴って第２燃料ガス排出孔３７（８）に集められ、第２燃料リターンマニホールドプレートを流れて、多孔質プレート２１に水分を付与した後、燃料ガス出口ポート３９に達する。
尚、この燃料ガスの流れは、閉塞孔６０と開口孔６１とを使い分けることで何通りも選択可能である。
【００５６】
以上のプロセスで燃料ガスは、燃料中間ガス（この例では１回使用された燃料ガス）と燃料ガス（この例では２回使用された燃料ガス、即ち燃料排出ガス）とによって、２度にわたって加湿される。
積層体２４の外側は放熱によって温度が下がるので、燃料ガスは比較的低温で燃料ガス（燃料排出ガス）からの加湿を得た後、比較的高温で燃料中間ガスからの加湿を受ける。
尚、この例では、２回使用された燃料ガス（燃料排出ガス）は、低温によって水分の大部分が除去された後、排出される。
供給される未使用の燃料ガスが全く乾燥した反応ガスであっても、この２度にわたる加湿によって十分な湿度を得ることができ、逆に、スチームカーボン比の大きな比率で水蒸気改質された改質ガスの場合のように、過剰な水分を持っている場合では、２度にわたる燃料側リターンマニホールドの多孔質プレート２１による水分の調整（吸収及び放出）を得て、適度な湿度が確保される。
【００５７】
以上、燃料側リターンマニホールド２５について説明したが、酸化剤側リターンマニホールド２６の多孔質プレート２１による場合も、同様であるから、その説明を省略する。
このように、酸化剤ガスも燃料ガスと同様に、２度にわたる水分の吸収或いは放出による調整を得て適度な湿度が確保される。
又、この実施の形態では、積層体端部のリターンマニホールドでガスを流す配置を１例でしか示していないが、その他にも、数多くの配置が可能であり、同様の効果が得られる。
又、ガス供給孔やガス排出孔が増えるほど、その組み合わせは指数関数的に増えるので、自由に選択することができる。
【００５８】
実施の形態３．
実施の形態３は、燃料電極や酸化剤電極の電極基材に触媒層を介して当接される上記実施の形態１のセパレータの当接面に形成された未使用反応ガス流路や、１又は複数の再使用反応ガス流路を流れるガスが隣の反応ガス流路に漏れないように、反応ガス流路間の境界領域に当接する電極基材側境界シール部を電極基材に設けた構成としたものである。
以下、これを図９乃至図１１に基づいて説明する。図９は電極・膜接合体（ＭＥＡ）の酸化剤電極側の平面図、図１０は電極・膜接合体（ＭＥＡ）の燃料電極側の平面図、図１１は両側にセパレータが接着された電極・膜接合体（ＭＥＡ）の一部切断断面拡大図を示す。
【００５９】
図９において、５０は電解質膜、この例では電極・膜接合体の酸化剤極側を示す。又、５２は電極基材の第１酸化剤領域有効面積部、５３は当該電極基材の第２領域酸化剤領域有効面積部であり、５１Ｂは第１酸化剤領域有効面積部５２と第２酸化剤領域有効面積部５３との境界領域に形成された電極基材側境界シール部を示す。
この第１酸化剤領域有効領域面積部５２は図２に示す第１酸化剤ガス流路３に、第２酸化剤領域有効領域面積部５３は第２酸化剤ガス流路４に各々対応し、電極基材側境界シール部５１Ｂが図２に示すセパレータの第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との境界領域に対応している。
【００６０】
又、図１０において、５５は電解質膜の燃料極側を示し、５６は電極基材の第１燃料領域有効面積部、５７は第２燃料領域有効面積部であり、５１Ａは第１燃料域有効面積部５６と第２燃料領域有効面積部５７との境界領域の電極基材側境界シール部を示す。
この第１燃料領域有効領域面積部５６は図１に示す第１燃料ガス流路１に、第２燃料領域有効領域面積部５７は第２燃料ガス流路２に各々対応し、電極基材側境界シール部５１Ａが図２のセパレータの第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２との境界領域に対応している。尚、図９及び図１０中の５４はガスケットである。
【００６１】
図１１において、６４は、一側面に燃料ガス流路が形成され、他側面に冷却水路７１を備えて冷却機能を持つセパレータ（冷却板）としての燃料ガスセパレータである。６５は燃料ガスセパレータ６４の燃料ガス流路として形成された溝（ガス溝）、６６は燃料極触媒層、６７は固体高分子電解質膜である。又、６８は酸化剤セパレータ、６９は酸化剤ガス流路として形成された溝（ガス溝）、７０は酸化剤極触媒層である。
尚、図示の例では、固体高分子電解質膜としては旭化成社製のアシプレックスを用い、電極基材５５、５６としては東レ社製の厚さ０．２ｍｍのカーボンペーパーを用い、ガスケット５４としてはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製のフィルムを用いているが、勿論これに限定されない。
【００６２】
図１１に示すセルは、燃料ガス流路の溝６５と冷却水流路７１とが表裏に形成された燃料セパレータ（冷却板）６４と、酸化剤ガス流路の溝６９のみが片面に設けられた酸化剤セパレータとの２種類のセパレータとが、電解質膜（ＭＥＡ）５０の両面に当接するよう重ねられている。
尚、これら２種類のセパレータ６４、６８は、共に、カーボン粉末とフェノール樹脂の混合物のモールド加工によって製作されており、反応ガス流路の形状がストレート流路なので、サーペンタイン流路に比べて簡単であり、容易に成形することができる。
【００６３】
電解質膜（ＭＥＡ）５０の表裏の電極基材の一方には、図９に示すように、第１酸化剤領域有効面積部５２と第２領域酸化剤領域有効面積部５３とが上下に二分割されて、左右水平方向に延在するその境界領域には電極基材側境界シール部５１Ｂが設けられている。
こうして分けられた第１酸化剤領域有効面積部５２に、図２で説明した酸化剤側セパレータの第１酸化剤ガス流路３が、第２酸化剤領域有効面積部５３に第２酸化剤ガス流路４が当接されると共に、電極基材側境界シール部５１Ｂが、酸化剤側セパレータの第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との境界領域に密着する。
【００６４】
同様に、電解質膜（ＭＥＡ）５０の表裏の電極基材の他方には、図１０に示すように、第１燃料領域有効面積部５６と第２燃料領域有効面積部５７とが左右に二分割されて、縦方向（垂直方向）に延在するその境界領域には電極基材側境界シール部５１Ａが設けられている。
こうして分けられた第１燃料領域有効面積部５６に、図１で説明した燃料側セパレータの第１燃料ガス流路１が、第２燃料領域有効面積部５７に第２酸化剤ガス流路２が当接されると共に、電極基材側境界シール部５１Ａが、酸化剤側セパレータの第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との境界領域に密着する。
【００６５】
これ等、電解質膜（ＭＥＡ）５０の表裏の電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂは、この例では、図１１に示すように、ペースト状のシリコーン樹脂を電極基材に含浸させて電極基材の気孔を閉塞させて形成しているので、電極基材の気孔を通じてのガスの流通が阻止される。
【００６６】
この実施の形態によれば、従来技術で説明した図２９の符号１５及び図３０の符合１６で示す、電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂにおける境界領域を越えてのガスリークを阻止することができる。
即ち、図９において、第１酸化剤領域有効面積部５２から拡散によって直接、第２酸化剤排出孔１２にガスリークして排出されるのを防止することができる。又、同様に第１燃料領域有効面積部５６から拡散によって直接、第２燃料ガス排出孔８にガスリークして排出されるのを防止することができる。
【００６７】
実施の形態１の７５セルスタックと、これと全く同じ仕様の電解質膜（ＭＥＡ）を用いた従来例の７５セルスタックの運転比較試験を実施した。
運転条件としては、２５０ｍＡ／ｃｍ^２、酸化剤として空気、燃料として、水素７５％、二酸化炭素２５％、一酸化炭素２０ｐｐｍの改質模擬ガスを用い、約８０℃の動作温度で、朝、運転を開始して、夕方停止するモードでそれぞれ一ヶ月間運転した。
【００６８】
その結果、実施の形態１の７５セルスタック（１．３ｋＷ級）では平均７１０ｍＶの高いセル電圧が安定して得られたのに対して、従来例の７５セルスタック（１．３ｋＷ級）では、初期こそ、平均６９０ｍＶのセル電圧が得られたものの、数日の運転で多くのセルに不安定現象が発生し、平均６５０ｍＶ程度のセル電圧しか得られなくなった。
従来例について分解調査した結果、特性が不安定なセルについては、燃料ガス出口と酸化剤ガス出口が重なる領域の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に水詰まりが観測された。
【００６９】
更に、水詰まりした部分の電極触媒層の分析の結果、燃料極に用いていた白金ルテニウム合金触媒のうち、ルテニウムが減少しており、空気極の白金粒径が大きく増大する等、燃料欠乏による腐食現象が起きていることが確認された。
又、運転初期の６９０ｍＶと、実施の形態１よりも平均セル電圧が低いのは空気入口側と燃料入口側が重なる領域で乾燥し、イオン伝導抵抗が高くなったためと考えられる。
【００７０】
実施の形態４．
実施の形態４は、上記実施の形態３において、電極基材側に設けた電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂに対応して、セパレータの反応ガス流路間の境界領域に、電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂに密接するセパレータ側境界シール部を設けた構成としたものである。
以下、これを図１２及び図１３に基づいて説明する。図１２はセパレータの燃料ガス流路側の平面図、と図１３はセパレータの酸化剤ガス流路の平面図である。
【００７１】
図１２において、７２Ａは、セパレータの第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２との間の境界領域の延在方向に浅く形成されたシール溝（図示せず）と、当該シール溝を満たすように埋設された親水性多孔質部材とから成るセパレータ側境界シール部である。
又、図１３におい、７２Ｂは、セパレータの第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との間の境界領域に浅く形成されたシール溝（図示せず）と、当該シール溝を満たすように埋設された親水性多孔質部材とから成るセパレータ側境界シール部である。
親水性多孔質部材としては、厚さ１ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ１００ｍｍで平均気孔径３５μｍ、気孔率７０％のカーボン基材を用いているが、これに限らず、適宜な材質のものを用いればよい。
この親水性多孔質基板７２Ａ、Ｂは、保持した水が、これに接する電極基材の気孔に浸透して通気性を奪うため、水の浸透した領域においてガスリークを防止することができる。
【００７２】
この実施の形態によれば、電極基材側に設けられた電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂと密着されるセパレータ側境界シール部７２Ａ、７２Ｂをセパレータ側に設けたので、両シール部が相まって、実施の形態３を超えたシール機能を発揮することができる。
尚、この実施の形態について、４セルスタックを構成して運転試験を実施したところ、実施の形態１と同様に、高いセル電圧が得られた。
【００７３】
実施の形態５．
実施の形態５は、上記実施の形態３の電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂが蓋のように密接する溝を上記実施の形態４のようにセパレータの反応ガス流路の境界領域に設けて、前記溝を満たすよう親水性多孔質部材を埋設し、この溝と、当該セパレータの背面に設けられた冷却水路とを連通する導水孔を当該セパレータに貫通して設けて、前記の親水性多孔質部材に、常時、水を含ませよう冷却水を供給する構成としたものである。
以下、これを図１４乃至図１７に基づいて説明する。図１４はセパレータの燃料ガス流路側の平面図、図１５はセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図、図１６は図１４に示すセパレータの背面側に設けられた冷却水流路を示す平面図、図１７は図１５に示すセパレータの背面側を示す平面図である。
【００７４】
図１４において、７２Ａは、第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２との境界領域に形成されたセパレータ側境界シール部であり、７３は、セパレータ側境界シール部７２Ａの溝と当該セパレータの裏面側に形成された冷却水路７４（図１６）とを連通するよう当該セパレータを貫通させて設けられた貫通孔としての導水孔である。この導水孔７３はセパレータ側境界シール部７２Ａの延在方向に適宜間隔をおいて複数形成されている。
又、図１５において、７２Ｂは、第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との境界領域に形成されたセパレータ側境界シール部であり、７３Ｂは、セパレータ側境界シール部７２Ｂの溝と当該セパレータの裏面側に当接される更に別のセパレータに形成された図１６と同様の冷却水路７４とを連通させるよう当該セパレータを貫通して設けられた貫通孔としての導水孔である。
【００７５】
この実施の形態によれば、この親水性多孔質部材に常時、冷却水が供給されるため、実施の形態４に比べて、シール機能を更に有効に発揮させることができる。
又、この実施の形態によれば、反応ガス流路間の境界領域に冷却水が通る導水孔７３、７３Ｂが設けられているので、冷却水によってセルの中央付近を効率よく冷却することができ、セル面における温度分布を均一化させることができる。
【００７６】
この実施の形態５についても、実施の形態４の場合と同様に４セルスタックを構成して運転試験を実施し、実施の形態４の場合よりも、温度が均一化し、５ｍＶほど高いセル電圧が得られた。
【００７７】
実施の形態６．
実施の形態６は、電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂが当接するセパレータの反応ガス流路間の境界領域に、前記電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂが蓋のように密接する溝を設け、当該溝の一方端側を当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水供給孔に、他方端を同じく当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水排出孔に連通させた構成としたものである。
以下、これを図１８及び図１９に基づいて説明する。図１８はセパレータの燃料ガス流路側の平面図、図１９はセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図である。
【００７８】
図１８及び図１９において、７７Ａは、セパレータの第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２との間の境界領域の延在方向に浅く形成されたシール溝（親水性多孔質部材は埋設されていない）から成るセパレータ側境界シール部である。又、７７Ｂも、セパレータの第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との間の境界領域に浅く形成されたシール溝（親水性多孔質部材は埋設されていない）から成るセパレータ側境界シール部である。
これらセパレータ側境界シール部７７Ａ及び７７Ｂが当接される電極基材側には、上記実施の形態３で説明した電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂが設けてあり、当該電極基材の表裏面に前記２つのセパレータを当接した際、電極基材側境界シール部５１Ａ、５１Ｂが前記セパレータのセパレータ側境界シール部７７Ａ、７７Ｂを覆うように密着することによって、当該セパレータ側境界シール部７７Ａ、７７Ｂのシール溝が密閉されて、電極基材側境界シール部５１Ａ及びセパレータ側境界シール部７７Ａと、電極基材側境界シール部５１Ｂ及びセパレータ側境界シール部７７Ｂとから成る境界冷却水流路が、この例では、セル面内を中央を縦横に横断するよう十字状に形成される。
【００７９】
この各境界冷却水流路（５１Ａ及び７７Ａと５１Ｂ及び７７Ｂ）は、隣り合う反応ガス流路の間の境界領域の全長にわたって延在し、その一方端側はセパレータの縁側に当該セパレータの積層方向に貫通するように設けられた冷却水供給孔７５に、他方端側は、同様に、セパレータの縁側に設けられた冷却水排出孔７６に連通されており、常時、冷却水が流通する構成としてある。
尚、この例に示す境界冷却水流路は、深さ１ｍｍ、幅１．５ｍｍである。又、電極基材側境界シール部がセパレータのセパレータ側境界シール部を覆うように密着するため、境界冷却水路（５１Ａ及び７７Ａと５１Ｂ及び７７Ｂ）を流れる冷却水は電極基材側からは漏れない。
【００８０】
この実施の形態６によれば、セパレータに形成される反応ガス流路の間の境界領域に境界冷却水路（５１Ａ及び７７Ａと５１Ｂ及び７７Ｂ）が形成されるので、当該境界領域を間にして隣り合う反応ガス流路間におけるガスリークをより確実に防止することができる。
又、この実施の形態６によれば、セル面内の中央領域を縦横に横断する境界冷却水路（５１Ａ及び７７Ａと５１Ｂ及び７７Ｂ）を流れる冷却水によって、当該セルで発生した熱を効率よく除去することができるので、この実施の形態に示す１種類のセパレータの他に、冷却機能を備えたセパレータ即ち冷却板を必要としない。
しかも、セルの一側面に境界冷却水流路（７７Ａ）及び燃料ガス流路が、他側面に境界冷却水流路（７７Ｂ）と酸化剤ガス流路を備えた１種類のセパレータのみで構成することができるので、従来当該積層体に介在させていた冷却板の厚さ×枚数分の容積分の冷却機能を備えたセパレータを削減することができる。
従って、積層体の容積を大幅に減少させることができ、小型で、安価な積層体、延いては燃料電池を提供することができる。
【００８１】
この実施の形態６についても、実施の形態４や実施の形態５の場合と同様に４セルスタックを構成して運転試験を実施した。
その結果は、実施の形態４の場合よりも、温度は均一ではなく、５ｍＶほど低いものの、１セルあたりのセパレータの使用枚数が２枚から１枚に減少したので、容積を半減させることができ、コンパクトな積層体を得ることができた。
【００８２】
実施の形態７．
実施の形態７は、上記実施の形態１乃至６では、セル面内において、交差して配置される燃料ガス流路と酸化剤ガス流路として、各セル面の一方の辺から他方の辺に直線的に配設された各々２本の反応ガス流路を例にして説明したが、この実施の形態では、各々３本の反応ガス流路を用いて、未使用燃料ガス流路の上流端側と未使用酸化剤ガス流路の上流端側、及び、最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側と再使用酸化剤ガス流路の下流端側とが交差しないように反応ガス流路を配置した構成としたものである。
以下、これをセパレータの燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の位置関係を示す平面図である図２０に基づいて説明する。
【００８３】
図２０において、図示の例では、セル面内に各々３本の燃料ガス流路１、２、１０３及び酸化剤ガス流路３、４、２０３とが縦横に平行に配設されている。
図において、７８は第３燃料ガス供給孔であり、第３燃料ガス流路１０３に、第２燃料ガス流路２、第２燃料ガス排出孔８、及び燃料側リターンマニホールド（図示せず）を経た再使用燃料ガス（３回目）が供給される。　７９はこの第３燃料ガス流路１０３から排出された燃料ガスを回収するための第３燃料ガス排出孔である。
【００８４】
同様に、図２０において、８０は第３酸化剤ガス供給孔であり第３酸化剤ガス流路２０３に、第２酸化剤ガス流路４、第２酸化剤ガス排出孔１２及び酸化剤側リターンマニホールド（図示せず）を経た再使用酸化剤ガス（３回目）が供給される。８１は、この第３酸化剤ガス流路２０３から排出された酸化剤ガスを回収するための第３酸化剤ガス排出孔である。
【００８５】
図２０に示す例では、セパレータのコーナ部Ａ側からコーナ部Ｂ側にかけての上辺から、コーナ部Ｄ側からコーナ部Ｃ側にかけての下辺に到る第１、第２、第３の３本の燃料ガス流路１、２、１０３が、セル面を四等分するように垂直方向に平行に配設されている。
他方、セパレータのコーナ部Ｂからコーナ部Ｃにかけての左辺から、コーナ部Ａからコーナ部Ｄにかけての右辺に到る第１、第２、第３の３本の酸化剤ガス流路３、４、２０３が同じくセル面を四等分するように水平方向に平行に配設されている。
そして、燃料ガスが第１、第２、第３の燃料ガス流路１、２、１０３を、酸化剤ガスは、第１、第２、第３の酸化剤ガス流路３、４、２０３をそれぞれ順に流れるように、例えば、積層体の端部側に適宜リターンマニホールドを配して構成されている。反応ガスの流れは、このリターンマニホールドのプレートの構成を適宜変更することで容易に変更可能である。
【００８６】
図２０において、高温の未使用の燃料ガスは、セパレータの上辺のコーナ部Ａ側の燃料ガス供給孔５から、第１燃料ガス流路１を介してセル面内に流入し、第１燃料ガス排出孔６を経て、燃料側リターンマニホールドに回収され、再使用の燃料ガスとして、再び、第２燃料ガス供給孔７から第２燃料ガス流路２を介してセル面内に流入し、第２燃料ガス排出孔８を経て、燃料側リターンマニホールドに回収され、更に、上述したように、第３燃料ガス供給孔７８から第３燃料ガス流路１０３を介してセル面内に流入し、第３燃料ガス排出孔７９を経て、燃料側リターンマニホールドから外部へと回収される。
【００８７】
同様に、高温の未使用の酸化剤ガスは、セパレータの左辺のコーナ部Ｂ側の燃料ガス供給孔９から、第１酸化剤ガス流路３を介してセル面内に流入し、第１酸化剤ガス排出孔１０を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、再使用の酸化剤ガスとして、再び、第２酸化剤ガス供給孔１１から第２酸化剤ガス流路４を介してセル面内に流入し、第２酸化剤ガス排出孔８を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、更に、上述したように第３酸化剤ガス供給孔８０から第３酸化剤ガス流路２０３を介してセル面内に流入し、第３酸化剤ガス排出孔８１を経て、燃料側リターンマニホールドから外部へと回収される。
【００８８】
この実施の形態によれば、セル面内に最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側に、当該セル面内に最も高い高温状態で流入する第１酸化剤ガス流路３の上流端側ではなく、その下流端側が交差（コーナ部Ａ側）するので、高温状態の上流端側同士が交差する従来の構成に比べて、当該交差領域の高温化を防ぐことができる。
しかも、図示の例では、セル面内から最も低い低温状態で排出される第３燃料ガス流路１０３の下流端側は、第３酸化剤ガス流路２０３の上流端側と交差（コーナ部Ａ側）し、セル面内から最も低い低温状態で排出される第３酸化剤ガス流路２０３の下端側は、比較的温度の高い第１酸化剤ガス流路１の下流端側が交差（コーナ部Ｄ側）するので、従来のように最も低い低温状態の下流端側同士が交差するのに比べて、当該交差領域の低温化を防ぐことができる。
【００８９】
この実施の形態によれば、セル面内に流入する最も高温状態同士のガスが交差せず、又、セル面内から流出する最も低温状態同士のガスが交差しないよう反応ガス流路が配置されているので、従来では、最も高温状態同士のガスが交差する領域（最高温領域）に生じていた、固体高分子電解質膜の異常な乾燥によるイオン伝導抵抗の上昇によるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、最も低温状態同士のガスが交差する領域（最低温領域）に生じていた、水づまりの発生を回避することができ、燃料欠乏による腐食等の不具合の発生を抑制することができる。
【００９０】
又、３本の反応ガス流路においては、相対的に高温の第１反応ガス流路、中温の第２、低温の第３反応ガス流路と順次低温化していくので、２つの反応ガス流路を、一方の高温の反応ガス流路に対して他方の低温の反応ガス流路が、又、一方の低温の反応ガス流路に対しては他方の高温の反応ガス流路が、互いに幾度も交差するように配置することによって、セル面内における温度分布を均一化させることができる。
【００９１】
実施の形態８．
この実施の形態８は、セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用酸化剤ガス流路の下流端側、及び、未使用酸化剤ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側とが交差する反応ガス流路の配置としたものである。これをセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である図２１に基づいて説明する。
【００９２】
図２１において、セパレータ及び燃料ガス流路の配置は、上記実施の形態７に示す図２０と同じであるが、酸化剤ガス流路を異にしている。
即ち、図示の例では、酸化剤ガス流路は、セパレータのコーナ部Ｃ側からコーナ部Ｂ側にかけての左辺から、コーナ部Ｄ側からコーナ部Ａ側にかけての右辺に到る第１、第２、第３の３本の酸化剤ガス流路１、２、１０３が、コーナ部Ｃ、Ｄ（図において下辺）側からコーナ部Ｃ、Ａ（図において上辺）にかけて平行に３本配設されている。
酸化剤ガスは第１、第２、第３の燃料ガス流路３、４、２０３をそれぞれ順に流れるように構成されている。尚、先に述べたように、この酸化剤ガスの流れは、積層体の端部に設けられた酸化剤側リターンマニホールドのプレートの構成を適宜変更することで可能である。
【００９３】
図２１において、高温の未使用の酸化剤ガスは、セパレータの左辺のコーナ部Ｃ側の酸化剤ガス供給孔９から、第１酸化剤ガス流路３を介してセル面内に流入し、第１酸化剤ガス排出孔１０を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、再使用の酸化剤ガスとして、再び、第２酸化剤ガス供給孔１１から第２酸化剤ガス流路２０３を介してセル面内に流入し、第２酸化剤ガス排出孔１２を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、更に、第３酸化剤ガス供給孔８０から第３酸化剤ガス流路２０３を介してセル面内に流入し、第３酸化剤ガス排出孔８１を経て、燃料側リターンマニホールド（図示せず）から外部へと回収される。
【００９４】
このように２つの反応ガス流路を配置することによって、セル面内において、最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側には、同じく、セル面内から最も低い低温状態で流出する第３酸化剤ガス流路２０３の下流端側が交差（コーナ部Ａ側）するので、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
他方、セル面内から最も低い低温状態で排出される第３燃料ガス流路１０３の下流端側は、セル面内に最も高温状態で流入する第１酸化剤ガス流路３の上流端側と交差（コーナ部Ｃ側）するので、同様に、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
【００９５】
従って、この実施の形態によれば、セル面内に流入する最も高温状態同士のガスが交差せず、又、セル面内から流出する最も低温状態同士のガスが交差しないよう反応ガス流路が配置されているだけではなく、両反応ガスの最高温領域と最低温領域とを交差させているので、当該セル面内に高温ガスが流入した時点で、効率的に低温化させることができ、電解質膜を異常に乾燥させたり、反応ガス流路に水滴が生じるほどに低温化させることがなく、セル面内の温度を均一化することができる。
従って、従来のように、イオン伝導抵抗の上昇によるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、最も低温状態同士のガスが交差する領域に生じていた、水づまりの発生を回避することができ、燃料欠乏による腐食等の不具合の発生を抑制することができる。
【００９６】
実施の形態９．
この実施の形態９は、セル面内における、最後のリターンによる再使用の燃料ガス又は酸化剤ガスの何れかの反応ガス流路を、再使用の反応ガスの反応ガス流路の間、又は未使用の反応ガスの反応ガス流路と再使用の反応ガスの反応ガス流路との間に配置した構成としたものである。これをセパレータの燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の位置関係を示す平面図である図２２及び図２３に基づいて説明する。
【００９７】
図２２において、図示の例では、酸化剤ガス流路の配置は、上記実施の形態７の図２０と同じであるが、燃料ガス流路を異にしている。
即ち、燃料ガス流路は、第１燃料ガス流路１と第２燃料ガス流路２の間に第３燃料ガス流路１０３が配設されており、燃料ガスはこの第１、第２、第３の燃料ガス流路１、２、１０３をそれぞれ順に流れるように構成されている。
【００９８】
高温の未使用の燃料ガスは、セパレータの上辺のコーナ部Ａ側の燃料ガス供給孔５から、第１燃料ガス流路１を介してセル面内に流入し、下辺のコーナ部Ｄ側の第１燃料ガス排出孔６を経て、燃料側リターンマニホールドに回収され、再使用の燃料ガスとして、再び、上辺のコーナ部Ｂ側の第２燃料ガス供給孔７から第２燃料化剤反応ガス流路２を介してセル面内に流入し、下辺のコーナ部Ｃ側の第２燃料ガス排出孔８を経て、燃料側リターンマニホールドに回収され、更に、上辺中央の第３燃料ガス供給孔７８から第３燃料ガス流路１０３を介してセル面内に流入し、下辺中央の第３燃料ガス排出孔７９を経て、燃料側リターンマニホールドから外部へと回収される。
【００９９】
図２２に図示の例によれば、セル面内に最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側には、同じく、セル面内から高い高温状態で流出する第１酸化剤ガス流路３の下流端側が交差（コーナ部Ａ側）するが、この第１酸化剤ガス流路３はその前に、低温状態の第３燃料ガス流路１０３と交差させているため（この例では、更にその前に、中温状態の第２燃料ガス流路２とも交差させている）ため、第１酸化剤ガス流路３の下流端側は十分に低温化された状態で、第１燃料ガス流路１の上流端側と交差することになる。
従って、従来のように高温状態の上流端側同士が交差するのに比べて、当該交差領域の高温化が解消される。
他方、セル面内から、第１及び第２燃料ガス流路１、２に比べて相対的に低い低温状態の第３燃料ガス流路１０３が、比較的高温となりやすいセル面内の中央を横断するように配設されているため、低温の燃料ガスが熱を奪って、セル面内の中央領域を冷却すると共に自らの低温化をも防ぐことができる。
【０１００】
従って、図２２の例によれば、セル面内に流入する最も高温状態同士のガスが交差せず、又、セル面内から流出する最も低温状態同士のガスが交差しないよう反応ガス流路が配置されているだけではなく、反応を繰り返して生成水を大量に含み、低温となって当該セル面内を最終的に通る反応ガス流路、この例では第３燃料ガス流路１０３をセル面内の略中央を通るように配置してあるので、セル全体を十分に加湿することができ、電解質膜を異常に乾燥させたり、反応ガス流路を水滴が生じるまでに低温化させることがなく、イオン伝導抵抗の上昇によるセル電圧の低下を防ぐことができる。
又、最も低温状態同士のガスが交差する領域に生じていた、水づまりの発生も回避することができ、燃料欠乏による腐食等の不具合の発生を抑制することができる。
【０１０１】
次に、図２３に示す例では、セパレータ及び燃料ガス流路の配置は図２１と同じであるが、酸化剤ガス流路を異にしている。
即ち、酸化剤ガス流路は、図２３では、第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４の間に第３酸化剤ガス流路２０３が配設されており、酸化剤ガスはこの第１、第２、第３の酸化剤ガス流路３、４、２０３を順に流れるように構成されている。
【０１０２】
図において、高温の未使用の酸化剤ガスは、セパレータの左辺のコーナ部Ｂ側の酸化剤ガス供給孔９から、第１酸化剤ガス流路３を介してセル面内に流入し、右辺のコーナ部Ａ側の第１酸化剤ガス排出孔１０を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、再使用の酸化剤ガスとして、再び、左辺のコーナ部Ｃ側の第２燃料ガス供給孔１１から第２燃料化剤反応ガス流路４を介してセル面内に流入し、右辺のコーナ部Ｄ側の第２酸化剤ガス排出孔１２を経て、酸化剤側リターンマニホールドに回収され、更に、左辺中央の第３酸化剤ガス供給孔８０から第３酸化剤ガス流路２０３を介してセル面内に流入し、右辺中央の第３酸化剤ガス排出孔８１を経て、酸化剤側リターンマニホールドから外部へと回収される。
【０１０３】
図２３の例によれば、上記図２２の例と同様にセル面内に最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側には、同じく、セル面内から高い高温状態で流出する第１酸化剤ガス流路３の下流端側が交差（コーナ部Ａ側）するが、この第１酸化剤ガス流路３はその前に、低温状態の第３酸化剤ガス流路２０３、次いで、中温状態の第２燃料ガス流路２と交差させているため、第１酸化剤ガス流路３の下流端側は十分に低温化された状態で、第１燃料ガス流路１の上流端側と交差することになる。
従って、従来のように高温状態の上流端側同士が交差するのに比べて、当該交差領域の高温化が解消される。
他方、セル面内から、第１及び第２酸化剤ガス流路３、４に比べて相対的に低い低温状態の第３燃料ガス流路２０３が、比較的高温となりやすいセル面内の中央を横断するように配設されているため、低温の酸化剤ガスが熱を奪って、セル面内の中央領域を冷却すると共に自らの低温化をも防ぐことができる。
【０１０４】
従って、図２３の例によれば、図２２の例と同様に、セル面内に流入する最も高温状態同士のガスが交差せず、又、セル面内から流出する最も低温状態同士のガスが交差しないよう反応ガス流路が配置されているだけではなく、反応を繰り返して生成水を大量に含み、低温となって当該セル面内を最終的に通る反応ガス流路、この例では第３酸化剤ガス流路２０３をセル面内の略中央を通るように配置してあるので、セル全体を十分に加湿することができ、電解質膜を異常に乾燥させたり、反応ガス流路を水滴が生じるまでに低温化させることがなく、イオン伝導抵抗の上昇によるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、最も低温状態同士のガスが交差する領域に生じていた水づまりの発生を回避することができ、燃料欠乏による腐食等の不具合の発生を抑制することができる。
【０１０５】
図２０、２１、２２、２３に示す実施の形態７及び９のそれぞれの構成の４セルスタックを運転試験し、６５℃から９０℃までの広い動作温度域で安定に動作し、高いセル電圧を維持できることを確認した。
比較例として、Ａコーナ部に燃料入口と酸化剤入口とを配置し、Ｃコーナ部に燃料出口と酸化剤出口とを配置した場合には、水づまりが観測され、セル電圧が不安定になると共に、内部抵抗値が高くなりセル電圧も低く、入口での固体高分子電解質膜の乾燥を示唆する結果が得られた。
【０１０６】
尚、図２０、２１、２２、２３以外にもさまざまな構成が、積層端部のマニホールドプレートを用いることによって自由に選択することが可能であり、コーナ部に燃料入口と酸化剤入口、燃料出口と酸化剤出口が重ならない配置とした場合には、その配置の形態に応じて、本発明の上記実施の形態で説明した作用効果を得ることができる。
【０１０７】
実施の形態１０．
実施の形態１０は、上記実施の形態１乃至９に対して、燃料ガス及び酸化剤ガスのセル面内の反応ガス流路が４本、従って、反応ガスの供給孔及び排出孔がセルの縁側に各々４列に配置されている点が異なるが、図２１で説明した実施の形態８と同様に構成したものである。これを、セパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である図２４に基づいて説明する。
【０１０８】
図２４において、セル面内における、未使用燃料ガス流路即ち第１燃料ガス流路１の上流端側と最後のリターンによる再使用酸化剤ガス流路即ちこの例では第４酸化剤ガス流路２０４の下流端側とを交差（コーナＡ側）させると共に、未使用酸化剤ガス流路即ち第１酸化剤ガス流路３の上流端側と最後のリターンによる再使用燃料ガス流路即ちこの例では第４燃料ガス流路１０４の下流端側とを交差（コーナＣ側）させた配置としたものである。
尚、図中の８２は第４燃料ガス供給孔、８３は第４燃料ガス排出孔、８４は第４酸化剤ガス供給孔、８５は第４酸化剤ガス排出孔である。
【０１０９】
このような配置構成とすることによって、セル面内に最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側には、同じく、セル面内から最も低い低温状態で流出する第４酸化剤ガス流路２０４の下流端側が交差（コーナ部Ａ側）するので、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
他方、セル面内から最も低い低温状態で排出される第４燃料ガス流路１０４の下流端側は、セル面内に最も高温状態で流入する第１酸化剤ガス流路３の上流端側と交差（コーナ部Ｃ側）するので、同様に、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
【０１１０】
従って、この実施の形態によれば、実施の形態８の作用効果と同様に、セル面内に流入する最も高温状態同士のガスが交差せず、又、セル面内から流出する最も低温状態同士のガスが交差しないよう反応ガス流路が配置されているだけではなく、両ガスのガス流路のうち最高温領域と最低温領域とが積極的に交差するように配置してあるので、電解質膜を異常に乾燥させたり、反応ガス流路を水滴が生じるまでに低温化させることがない。又、イオン伝導抵抗の上昇によるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、最も低温状態同士のガスが交差する領域に生じていた、水づまりの発生を回避することができ、燃料欠乏による腐食等の不具合の発生を抑制することができる。
尚、実施の形態１（図３）、実施の形態８（図２１）及びこの実施の形態１０（図２４）から分かるように、セル面内に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を各々２本以上を配置する際、これ等の実施の形態と同様に反応ガス流路を配置することによって上記の作用効果を発揮させることができる。
【０１１１】
この実施の形態についても実施の形態７乃至９の場合と同様に４セルスタックによる運転試験を実施し、イオン伝導抵抗の増大と水づまりが防止されていることが確認された。
【０１１２】
実施の形態１１．
実施の形態１１は、上記実施の形態１乃至１０で燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガス流路を２本以上の同数で構成した形態を示したが、必ずしも、同数とする必要が無い例を示すものとして、上記実施の形態１０の構成において、４本の酸化剤ガス流路に対して酸化剤ガス流路を２本で構成したものである。これをセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である図２５に基づいて説明する。
【０１１３】
図２５において、燃料ガス流路が第１、第２、第３、第４燃料ガス流路１、２、１０３、１０４、燃料ガス供給孔が第１、第２、第３、第４燃料ガス供給孔５、７、７８、８２、燃料ガス排出孔が第１、第２、第３、第４燃料ガス排出孔６、８、７９、８３と各々４列で配置されているのに対し、酸化剤ガス流路は第１酸化剤ガス流路３と第２酸化剤ガス流路４との２本であり、酸化剤ガス供給孔９、１０及び酸化剤ガス排出孔１０、１２も各々２列で配置されている。
【０１１４】
図２５から分かるとおり、セル面内に最も高い高温状態で流入する第１燃料ガス流路１の上流端側には、同じく、セル面内から最も低い低温状態で流出する第２酸化剤ガス流路４の下流端側がコーナ部Ａ側で交差されているので、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
又、セル面内から最も低い低温状態で排出される第４燃料ガス流路１０４の下流端側は、セル面内に最も高温状態で流入する第１酸化剤ガス流路３の上流端側とコーナ部Ｃ側で交差されているので、同様に、当該交差領域の温度を両ガスの中間の温度状態とすることができる。
【０１１５】
従って、本数の異なる配置としても、上記実施の形態と同様の作用効果を発揮させることができる。
又、この実施の形態１０に示すように、酸化剤側よりも燃料側のガス供給孔とガス排出孔を増やすことによって、流速の遅い燃料側の流速を速めて、水づまりを防止する効果が高められると共に、流量の多い酸化剤側の流路圧力損失を少なくして空気ブロワーや空気コンプレッサー等の補機動力を削減できる効果がある。従って、燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔の数は酸化剤ガス供給孔と燃料ガス排出孔との数よりも多くすることが望ましい。
【０１１６】
実施の形態１２．
実施の形態１２は、セパレータの反応ガス流路間の境界領域に、実施の形態４乃至６で説明したセパレータ側境界シール部としてのシール溝を設け、当該シール溝の一方端側を当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水供給孔に、又当該シール溝の他方端を当該セパレータの縁側に積層方向に設けられた冷却水排出孔に連通させ、このセパレータのシール溝に蓋のように密着するよう、実施の形態３乃至６で説明した電極基材側境界シール部を電極基材側に設けた構成としたものである。
以下、これを図２６及び図２７に基づいて説明する。図２６はセパレータの燃料側流路の平面図、図２７はセパレータの酸化剤側流路の平面図である。尚、図において８６は冷却水流路、８７は冷却水通路である。
【０１１７】
図２６及び図２７に示すセパレータには、実施の形態１０（図２４）の場合と同様に、セパレータに燃料ガス流路１、２、１０３、１０４（図２６）や酸化剤ガス流路３、４、２０３、２０４（図２７）等の反応ガス流路が複数配設されており、燃料ガスのガス供給孔５、７、７８、８２及びガス排出孔６、８、７９、８３（図２６）、酸化剤ガスのガス供給孔５、７、７８、８２及びガス排出孔６、８、７９、８３（図２７）がセパレータの四辺の縁側に各々対応するように４列毎に配設されている。
このように配置された複数の燃料ガス流路や酸化剤ガス流路の隣り合う反応ガス流路間の境界領域には、一方の反応ガス流路から他方の反応ガス流路にガスが漏れないように、シール溝としての冷却水流路が配設されている。即ち、燃料ガス流路間の境界領域には３本の冷却水路８６Ａ（図２６）、酸化剤ガス流路間の境界領域にも３本の冷却水路８６Ｂ（図２７）が配設されている。これらの冷却水流路８６Ａ、８６Ｂは、実施の形態６で説明した冷却水流路７７Ａ、７７Ｂと同様のシール溝である。
【０１１８】
これらの冷却水流路８６Ａ、８６Ｂに対応する電極基材の当接部分には、シリコーンゴム充填による液シール等の適宜なシール手段、例えば、同じく実施の形態６で説明した電極基材側境界シール部材５１Ａ、５１Ｂ（図示せず）が設けてある。これによって当該冷却水路８６Ａ、８６Ｂを流れる冷却水は電極基材側からは漏れない。
【０１１９】
図２６において、セパレータの燃料ガス流路側では、垂直方向に配設された冷却水流路８６Ａを流れる冷却水は、セパレータの上辺の右、即ちコーナ部Ａ側に配設された冷却水供給孔１３から供給され、当該セパレータの下辺の左、即ちコーナ部Ｃ側に各々配設されてた冷却水排水孔１４を経て排水される。
即ち、図において、各冷却水路８６Ａの上辺側即ち上流側は、左右の燃料ガス流路１、２、１０３、１０４の燃料ガス供給孔５、７、７８、８２の間を通ってセパレータの上辺の縁に到るよう延在し、当該上辺に沿って並ぶ燃料ガス供給孔５、７、７８、８２とセパレータの上辺縁との間に、冷却水供給孔１３と連通して延在するように設けられた冷却水供給水路８７Ａに連通され、各冷却水路８６Ａの下辺側即ち下流側は、左右の燃料ガス流路１、２、１０３、１０４の燃料ガス排出孔６、８、７９、８３の間を通って延在し、当該下辺に沿って並ぶ燃料ガス排出孔６、８、７９、８３とセパレータの下辺縁との間に、冷却水排出孔と連通して延在するように設けられた冷却水排出水路８７１Ａに連通されている。
【０１２０】
図２７において、セパレータの酸化剤ガス流路側では、水平方向左方向に向かって冷却水流路８６Ｂを流れる冷却水は、セパレータのコーナ部Ｂ側に配設された冷却水供給孔１３から供給され、当該セパレータのコーナ部Ｄ側に配設された冷却水排水孔１４を経て排水されように構成されている。
即ち、図において、各冷却水路８６Ｂの右端側即ち上流側はセパレータの右辺の縁に到るよう延在し、当該右辺に沿って並ぶ酸化剤ガス供給孔９、１１、８０、８４とセパレータの右辺縁との間に、冷却水供給孔１３と連通して延在するように設けられた冷却水供給水路８７Ｂに連通され、各冷却水路８６Ｂの下辺側即ち下流側は、上下の酸化剤ガス流路３、４、２０３、２０４の酸化剤ガス排出孔１０、１２、８１、８５の間を通ってセパレータの左辺の縁に到るように延在し、当該下辺に沿って並ぶ酸化剤ガス排出孔１０、１２、８１、８５とセパレータの上辺縁との間に、冷却水排出孔１４と連通して延在するように設けられた冷却水排出水路８７１Ｂに連通されている。
【０１２１】
この実施の形態によれば、セパレータの燃料ガス流路１、２、１０３、１０４側や酸化剤ガス流路３、４、２０３、２０４側において、各々隣り合う反応ガス流路間の境界領域にシール溝としての冷却水流路８６Ａ、８６Ｂを設けることにより、隣接する反応ガス流路間でのガスリークを防止することができる。
又、冷却水通路８７Ａ、８７１Ａ、８７Ｂ、８７１Ｂが、ガス供給孔（燃料ガス供給孔５、７、７８、８２、酸化剤ガス供給孔９、１１、８０、８４）やガス排出孔（燃料ガス排出孔６、８、７９、８３、酸化剤ガス排出孔１０、１２、８１、８５）を囲うように延在するため、当該ガス供給孔やガス排出孔の周囲のガスシールをも兼ねることができ、シール構造を簡単に構成できるという効果もある。
【０１２２】
又、セパレータの燃料ガス流路側と酸化剤ガス流路側とで、各々冷却水流路８７Ａ、８７Ｂが縦横に横断するように配設されるので、セル面の全体を効率よく冷却することができる。
従って、従来のように、冷却水路のみが設けられた冷却機能付セパレータを別途に用意することなく、例えば、この実施の形態で示した一種のセパレータのみを用いて積層体を構成することができるので、従来では、各セルに２枚必要であったセパレータを１枚に減らすことができ、大幅なコスト低減が図れると共に、容積密度や重量密度を倍増させることができるので、燃料電池の大幅なコンパクト化を実現することができる。
【０１２３】
実際に運転試験した４セルスタックでは、他の実施の形態の場合よりもコンパクトにすることができ、セパレータを含む発電部分の長さをほぼ半減することができた。尚、図２６及び図２７に示す例に限らず、セパレータの燃料ガス流路側又は酸化剤ガス流路側の何れか一方に冷却水流路８６Ａ、８６Ｂを設けてもよい（図示せず）。
【０１２４】
この実施の形態において、セパレータの燃料ガス流路側や酸化剤ガス流路側を複数の反応ガス流路毎に細かく分けるということは、分けられた各反応ガス流路毎に対応する電極基材側の燃料領域有効面積部や酸化剤ガス領域有効面積部等の各有効領域面積部をも分けるということであり（以下、こうして分けられた有効領域面積部部分を分割有効領域面積部という）、このように分割されて隣り合う分割有効領域面積部の境界領域部に、電極基材側境界シール部材５１Ａ、Ｂ（実施の形態６）が設けられている。
【０１２５】
このように分けられたれた各分割有効領域面積部毎の境界部、即ち、各分割有効領域面積部に対応して設けられる反応ガス流路間の境界領域に冷却水流路８６Ａ、８７Ｂを設けるという構成は、大きな面積の電極基材及びセパレータに適用する場合、与えられた有効面積に対して適宜増減できる点で有利である。
例えば、有効面積が４００から５００ｃｍ^２の自動車用の固体高分子型燃料電池の場合には４分割以上、有効面積が１００ｃｍ^２の家庭用コジェネレーション用の固体高分子型燃料電池の場合には２分割、有効面積が２００ｃｍ^２の可搬型の固体高分子型燃料電池の場合には３分割が好ましい。尚、この実施の形態及び本発明はこれら全ての用途に適用することができる。
【０１２６】
実施の形態１３．
実施の形態１３は、上記実施の形態１乃至１２の何れかにおいて、セパレータの酸化剤ガス流路をサーペンタイン流路（蛇腹状流路）として構成したものである。これを図２８に基づいて説明する。
図２８は上記実施の形態１２の酸化剤ガス流路側の平面図であり、第１乃至第４酸化剤ガス流路３、４、２０３、２０４をサーペンタイン流路としたものである。その他の構造は実施の形態１２の図２６、図２７と同様である。
【０１２７】
この実施の形態によれば、酸化剤ガス流路として、酸化剤領域有効面積部でサーペンタイン流路を設けることにより、酸化剤ガスの流速を速めることができるので、当該反応ガス流路における水づまり防止効果を更に高めることができる。又、酸化剤側では、電極基材に面した流路での流速を速めることで、拡散性を改善させることができ、これにより、セル電圧を向上させることもできる。
尚、図２８では１本の溝からなるサーペンタイン流路を示したが、複数本の溝からなるサーペンタイン流路で構成してもよい。
【０１２８】
この実施の形態の構成で４セルスタックを運転試験し、実施の形態８の場合よりも１０ｍＶほど高いセル電圧が得られた。
【０１２９】
尚、この実施の形態では、特に、酸化剤ガス流路を蛇腹状流路としたが、これに限らず、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の双方又は一方の反応ガス流路を直線状の溝又はセパレータの一辺側から相対する辺側との間を１回以上折り返して最終的に相対する辺側に到る複数並列に形成された蛇腹状の溝のサーペンタイン流路として構成することもできる。
【０１３０】
尚、上記の実施の形態１乃至１３においては、本発明の燃料電池の例として、固体高分子型燃料電池の場合のみで説明してきたが、本発明は、これに限らず、１００℃以下で動作するリン酸形燃料電池、アルカリ形燃料電池、メタノール直接形燃料電池、ジメチルエーテル直接形燃料電池等、生成水の一部が液滴で反応ガス流路内に排出され、湿度によって電解質のイオン伝導性の変化する燃料電池であれば全てに適用することができる。
【０１３１】
【発明の効果】
本発明によれば、セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と未使用酸化剤ガス流路の上流端側、及び、最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側と再使用酸化剤ガス流路の下流端側とが交差しないように反応ガス流路を配置したので、燃料ガス入口と酸化剤ガス入口とが重なった場合に起こりやすい入口付近での固体高分子電解質膜の乾燥とこれによるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、酸化剤ガス出口と燃料ガス出口が重なった場合に起こり易い反応ガス流路の水づまりを防止することができる。
【０１３２】
又、本発明によれば、セル面内における、最後のリターンによる再使用の燃料ガス又は酸化剤ガスの何れかの反応ガス流路が、再使用の反応ガスの反応ガス流路の間、又は未使用のガスの反応ガス流路と再使用のガスの反応ガス流路との間に配置した構成としたので、セル面の中央付近に湿度の高いガスが通ることにより、固体高分子電解質膜を十分に加湿することができるので、高いセル電圧を維持させることができる。
又、この構成により、最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側と再使用酸化剤ガス流路の下流端側とが交差しないので、反応ガス流路の水づまりが抑制され、水つまりによるセル電圧の不安定化を解消させることができる。
【０１３３】
又、本発明によれば、セル面内における、未使用燃料ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用酸化剤ガス流路の下流端側、及び、未使用酸化剤ガス流路の上流端側と最後のリターンによる再使用燃料ガス流路の下流端側とを交差するよう反応ガス流路を配置したので、従来生じていたセル面内における極端な高温領域や低温領域の発生が解消され、セルの動作温度をより均一に保つことができ、これにより、燃料ガス入口と酸化剤ガス入口とが重なった場合に起こりやすい入口付近での固体高分子電解質膜の乾燥とこれによるセル電圧の低下を防ぐことができると共に、酸化剤ガス出口と燃料ガス出口が重なった場合に起こり易い反応ガス流路の水づまりを防止することができる。
【０１３４】
更に、本発明によれば、酸化剤ガス流路をサーペンタイン流路で構成することにより、比較的水分の多い酸化剤ガスの流速を速めて水づまりを防止できる効果がある。
【０１３５】
又、本発明によれば、セパレータに配設される燃料ガス流路間や酸化剤ガス流路間の境界領域と接する電極基材側に燃料ガス流路間や酸化剤ガス流路間のガスリークを阻止する電極基材側境界ガスシール部を設けたので、少なくとも、電極基材側におけるガスリーク、即ち、燃料領域側の隣接する分割有効面積部同士や、酸化剤側の隣接する分割有効面積部同士でのガスリークを防止することができ、ガスリークによって反応ガスの利用率が高まりガス欠になることを防止することができる。
【０１３６】
又、本発明によれば、電極基材側の境界ガスシール部（電極基材側境界ガスシール部）に当接されるセパレータの反応ガス流路間の境界領域に境界ガスシール部（セパレータ側強化シール部）を設けたので、電極基材側とセパレータ側とにおいて、反応ガス流路間のガスリークをより効果的に防止することができる。
【０１３７】
又、本発明によれば、セパレータ側境界シール部は、冷却水が供給されるシール溝に冷却水を保持する親水性多孔質部材を埋め込んだ構成としてあるので、境界ガスシール部でのガスリークがウエットシールによってより確実に防止することができる。
【０１３８】
又、本発明によれば、シール溝を備えたセパレータ側境界シール部を電極基材側境界シール部が蓋のように密接し、シール溝に冷却水を通す構成としたので、セルで発生する熱を効果的に取り去ることができ、セルの動作温度をより均一に保つことができる。
【０１３９】
又、本発明によれば、燃料側及び酸化剤側リターンマニホールドの一方又は双方に、リターンする反応ガスの流路に、乾燥した反応ガスには水分を奪わせ、水分を過分に含む反応ガスからは水分を吸収する親水性多孔質基板を反応ガスと接触するように設けたので、反応ガス排出孔から反応ガス供給孔への水の搬送を容易にすると共に、水の蒸発表面積を増やし、水分の調整能力を高めることができる。更に、ガス中間マニホールドに親水性の多孔質体は水のバッファーとして機能し、反応ガスの乾燥、湿潤状態を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のセパレータの一側に配設された燃料ガス流路を示す平面図である。
【図２】実施の形態１のセパレータの他側に配設された酸化剤ガス流路を示す平面図である。
【図３】実施の形態１のセパレータの表裏に配設された燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の位置関係を示す平面図である。
【図４】実施の形態２の燃料側マニホールドプレートの平面図である。
【図５】実施の形態２の酸化剤側マニホールドプレートの平面図である。
【図６】実施の形態２の燃料側マニホールドプレートの一部切断断面図である。
【図７】実施の形態２の燃料ガスの流れを示す積層体の平面図である。
【図８】実施の形態２のマニホールドプレートでの燃料ガスの流れを示す模式図である。
【図９】実施の形態３の電極・膜接合体（ＭＥＡ）の酸化剤電極側の平面図である。
【図１０】実施の形態３の電極・膜接合体（ＭＥＡ）の燃料電極側の平面図である。
【図１１】実施の形態３の、両側にセパレータが接着された電極・膜接合体（ＭＥＡ）の一部切断断面拡大図である。
【図１２】実施の形態４のセパレータの燃料ガス流路側の平面図である。
【図１３】実施の形態４のセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図である。
【図１４】実施の形態５のセパレータの燃料ガス流路側の平面図である。
【図１５】実施の形態５の別のセパレータの燃料ガス流路側の平面図である。
【図１６】図１４に示すセパレータの背面の冷却水流路を示す平面図である。
【図１７】図１５に示すセパレータの背面を示す平面図である。
【図１８】実施の形態６のセパレータの燃料ガス流路側の平面図である。
【図１９】実施の形態６のセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図である。
【図２０】実施の形態７のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２１】実施の形態８のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２２】実施の形態９のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２３】実施の形態９の別のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２４】実施の形態１０のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２５】実施の形態１１のセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【図２６】実施の形態１２のセパレータの燃料側流路の平面図である。
【図２７】実施の形態１２のセパレータの酸化剤側流路の平面図である。
【図２８】実施の形態１３のセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図である。
【図２９】従来の固体高分子形燃料電池におけるセパレータの燃料ガス流路側の平面図である。
【図３０】従来の固体高分子形燃料電池におけるセパレータの酸化剤ガス流路側の平面図である。
【図３１】従来の固体高分子形燃料電池におけるセル面内における燃料ガスと酸化剤ガスの流れの位置関係を示す平面図である。
【図３２】従来の固体高分子形燃料電池におけるセパレータの冷却水流路の平面図である。
【図３３】従来の固体高分子形燃料電池におけるセパレータの燃料側流路と酸化剤側流路の位置関係を示す平面図である。
【符号の説明】
１　第１燃料ガス流路（未使用燃料ガス流路）、２　第２燃料ガス流路（再使用燃料ガス流路）、３　第１酸化剤ガス流路（未使用酸化剤ガス流路）、４　第２酸化剤ガス流路（再使用酸化剤ガス流路）、５　第１燃料ガス供給孔、６　第１燃料ガス排出孔、７　第２燃料ガス供給孔、８　第２燃料ガス排出孔、９　第１酸化剤ガス供給孔、１０　第１酸化剤ガス排出孔、１１　第２酸化剤供給孔、１２　第２酸化剤ガス排出孔、１３　冷却水供給孔、１４　冷却水排出孔、２１親水性多孔質基板（多孔質プレート）、２４　積層体、２５　燃料側リターンマニホールド、２６　酸化剤側リターンマニホールド、５０　電解質膜、５１Ａ、５１Ｂ　電極基材側境界シール部（電極基材）、５２　第１酸化剤領域有効面積部（電極基材）、５３　第２領域酸化剤領域有効面積部、５５　燃料極側（電解質膜）、５６　第１燃料域有効面積部（電極基材）、５７　第２燃料領域有効面積部（電極基材）、６４　セパレータ（冷却板）、６５　溝（燃料ガス流路）、６６　燃料極触媒層、６７　電解質膜、６９　溝（酸化剤ガス流路）、７０　酸化剤極触媒層、７１　冷却水路、７２Ａ　セパレータ側境界シール部（シール溝・親水性多孔質部材）、７２Ｂ　セパレータ側境界シール部（シール溝・親水性多孔質部材）、７３、７３Ｂ　導水孔、１０３　第３燃料ガス流路（再使用燃料ガス流路）、１０４　第４燃料ガス流路（再使用燃料ガス流路）、２０３　第２酸化剤ガス流路（再使用酸化剤ガス流路）、２０４　第２酸化剤ガス流路（再使用酸化剤ガス流路）。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using an electrolyte membrane having ionic conductivity, and for example, to a structure of a separator, a laminate, and a return manifold of a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, the prior art will be described using a polymer electrolyte fuel cell as an example.
Since the polymer electrolyte fuel cell has an operating temperature of about 80 ° C., which is lower than other fuel cells, the generated water becomes water droplets rather than water vapor, and the reaction gas of the reaction gas such as a fuel gas or an oxidizing gas. If these water droplets are not discharged quickly, they are likely to be formed in the flow path, and the reaction gas flow path is blocked, resulting in a problem of fuel deficiency or air deficiency.
For example, when fuel deficiency occurs, instead of hydrogen, protons and electrons are released by the electrochemical reaction of carbon and water, the main constituent materials of the fuel cell, to produce carbon monoxide and carbon dioxide As a result, carbon, which is a main constituent material, is corroded, and when air deficiency occurs, a sudden change in the current density distribution is caused.
For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to quickly discharge water droplets in the reaction gas flow path. The same applies to a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, or the like, which operates at a low temperature of about 80 ° C.
[0003]
In order to solve this problem, in this type of fuel cell, serpentine is used as a reaction gas flow path such as a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path formed in a separator, and a cooling water flow path for flowing cooling water. A channel (bellows channel) is generally used. This is because the serpentine flow path is provided to increase the flow velocity and quickly discharge water. Examples of providing a serpentine flow path include Japanese Patent No. 1758726, Japanese Patent No. 1604048, and Japanese Patent No. 1502617 of the present applicant.
However, although this serpentine flow path has the advantage of increasing the flow rate of the reaction gas and facilitating the discharge of water droplets, its complicated shape makes it difficult to perform inexpensive molding, and has a large pressure loss. There were disadvantages, such as increased machine loss.
[0004]
In order to further solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-233126 filed by the present applicant discloses a straight flow path having a simplified flow path shape as a method of increasing the flow velocity instead of the serpentine flow path. Adopted channel configurations have been proposed.
Hereinafter, this conventional flow path structure will be described with reference to FIGS.
29 is a plan view of the separator on the side of the fuel gas flow path, FIG. 30 is a plan view of the separator on the side of the oxidant gas flow path, FIG. 31 is a plan view showing the positional relationship between the flow of the fuel gas and the oxidant gas in the cell plane, FIG. 32 is a plan view of the cooling water channel.
[0005]
29 to 32, A, B, C, and D in the drawings indicate common corner portions of the separator, white triangles indicate the inlet of the reaction gas, black triangles indicate the outlet of the reaction gas, and solid white arrows indicate the flow of the reaction gas. Direction, the white arrow of the broken line indicates the flow direction of the reaction gas in the return manifold.
First, in FIG. 29, the fuel gas flow path provided on one side (one side) of the separator is composed of a number of narrow grooves (gas grooves) formed linearly so that gas flows in the forward direction with respect to gravity. In this example, the large number of grooves are divided into two groups on the left and right. That is, in the figure, one group on the left side is the first fuel gas flow path 1, and one group on the right side is the second fuel gas flow path.
Note that the fuel gas and the oxidizing gas are also collectively referred to as a reaction gas. Further, a fuel gas flow path including a plurality of grooves through which a fuel gas flows and an oxidizing gas flow path including a plurality of grooves through which an oxidizing gas flows are collectively referred to as a reaction gas flow path or simply a gas flow path.
[0006]
In FIG. 30, the oxidizing gas flow channel provided on the other side surface of the separator intersects with the fuel gas flow channel provided on one side surface of the separator, that is, the first fuel gas flow channel 1 and the second fuel gas flow channel 2. In the illustrated example, a large number of grooves are formed in the horizontal direction so that the oxidizing gas flows in the direction, and the large number of grooves is divided into upper and lower groups. That is, in the drawing, the upper group is the first oxidizing gas channel 3, and the lower group is the second oxidizing gas channel 4.
[0007]
29 and 30, the fuel gas flow paths, that is, the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2 are provided on one side, and the oxidant gas flow paths are immediately provided on the other side. 2 On the outer peripheral side of the separator provided with the second oxidizing gas flow path 4, gas supply holes and gas discharge holes for supplying and discharging required reaction gas to and from these reaction gas flow paths 1 to 4 are provided. It is appropriately disposed so as to penetrate the separator in the laminating direction.
Similarly, a cooling water supply hole and a cooling water discharge hole for supplying / discharging cooling water to / from a separator having a cooling function provided with the cooling water flow path (hereinafter, also referred to as a cooling plate) may pass through the separator. Are provided as appropriate.
[0008]
That is, in FIG. 29, reference numeral 5 denotes a first fuel gas supply hole serving as a gas supply hole for supplying a fuel gas to the first fuel gas passage 1, and unused fuel gas is supplied to the first fuel gas passage 1. Supply.
Reference numeral 6 denotes a first fuel gas discharge hole serving as a gas discharge hole of the fuel gas that has passed through the first fuel gas flow path 1, and supplies the fuel gas discharged from the first fuel gas flow path 1 to one end of the stacked body. It is guided to a fuel-side return manifold (not shown, hereinafter referred to as a fuel-side return manifold) provided on the side of the unit.
7 is a second fuel gas supply hole as a gas supply hole through which the fuel gas once used and recovered in the first fuel gas flow path 1 is sent out for reuse via the fuel side return manifold, This reused fuel gas (reused fuel gas) is supplied to the second fuel gas flow path 2.
Reference numeral 8 denotes a second fuel gas discharge hole serving as a gas discharge hole for the fuel gas that has passed through the second fuel gas flow path 2. The second fuel gas discharge hole 8 reuses the second (second) fuel gas discharged from the second fuel gas flow path 2. Then, it is guided to the fuel-side return manifold and discharged (collected) out of the laminate (not shown).
[0009]
In FIG. 30, reference numeral 9 denotes a first oxidant gas supply hole serving as a gas supply hole for supplying an oxidant gas to the first oxidant gas flow path 3; The gas is supplied to the gas channel 3.
Reference numeral 10 denotes a first oxidizing gas discharge hole serving as a gas discharging hole of the oxidizing gas that has passed through the first oxidizing gas flow passage 3. The oxidizing gas discharged from the first oxidizing gas flow passage 3 is stacked. It is led to an oxidant-side return manifold (not shown, hereinafter referred to as an oxidant-side return manifold) provided at the other end of the body.
Reference numeral 11 denotes a second oxidant gas supply as a gas supply hole through which the oxidant gas once used and collected in the first oxidant gas flow path 3 is sent out for reuse via the oxidant side return manifold. The holes are used to supply the reused oxidizing gas (reused oxidizing gas) to the second fuel gas flow path 4.
Reference numeral 12 denotes a second oxidizing gas discharge hole serving as a gas discharging hole of the oxidizing gas that has passed through the second oxidizing gas flow channel 4, and is reused discharged from the second oxidizing gas flow channel 4 (second time). Is guided to the oxidant-side return manifold, and is discharged (collected) outside the laminate (not shown).
[0010]
In FIGS. 29 and 30, 13 and 13 on the corners A and B sides of the separator are cooling water supply holes as water supply holes for supplying cooling water to a cooling plate (not shown). 14 and 14 shown on the corners C and D are cooling water discharge holes as water discharge holes for collecting the cooling water flowing through the cooling plate.
An arrow indicated by 15 in FIG. 29 indicates a fuel gas leak direction from the first fuel gas flow path 1 to the second fuel gas flow path 2, and an arrow indicated by 16 in FIG. 3 shows a leak direction of the oxidizing gas from 3 to the second oxidizing gas flow path 4.
[0011]
In FIG. 31, 17 on the corner B side of the separator is connected to the upstream end side of the first fuel gas flow path 1 (FIGS. 29 and 30) into which unused fuel gas flows in the cell surface in the stacked state. , An area where the upstream end of the first oxidizing gas flow path 3 (FIGS. 29 and 30) into which an unused oxidizing gas flows, that is, an unused reaction gas crossing area.
Also, 18 on the corner D side is the downstream end side of the second fuel gas flow path 2 where the reused fuel gas finally flows out of the cell surface, and the reused oxidizing gas is also the cell surface. A region where the downstream end side of the second oxidizing gas flow path 4 finally flowing out from the inside intersects, that is, reuse that is finally discharged to the outside of the laminate through the last return (in this example, once). 3 shows a reaction gas intersection region.
[0012]
A fuel cell stack (not shown) includes an electrode / membrane assembly integrally joined by sandwiching a solid polymer film having ionic conductivity between a fuel electrode and an oxidant electrode, and the first electrode and the membrane assembly on one side surface. A predetermined number of first and second fuel gas flow paths 1 and 2 and a separator having the first and second oxidizing gas flow paths 3 and 4 formed on the other side are alternately stacked in the horizontal direction. It is composed. In this case, at an appropriate interval, a separator (cooling plate) having a cooling function is arranged instead of the separator.
[0013]
Although not shown, as a separator as the cooling plate, for example, one separator component in which a fuel gas passage and a cooling water passage are formed on the front and back, and an oxidizing gas passage on one side (one side) Is formed integrally with the other separator component part formed in such a manner that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are on the outside. Hereinafter, such a cooling plate is also referred to as a separator.
FIG. 32 is a plan view showing the cooling water passage 19 provided on one side surface of the separator (cooling plate). In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 29 and 31 indicate the same contents.
[0014]
End plates are arranged on both ends in the stacking direction of the thus formed laminate, and the both end plates are fastened with the laminate interposed therebetween to form an integrated fuel cell stack. In the fuel cell configured as described above, the fuel gas supply holes 5 and 7 and the fuel gas gas discharge holes 6 formed on the edge side of each stacked separator (including the cooling plate) and penetrating the separator. , 8, oxidizing gas supply holes 9 and 11, oxidizing gas discharge holes 10 and 12, cooling water supply holes 13 and 13, cooling water discharge holes 14 and 14 Form a continuous tube.
[0015]
Fuel gas supply holes 5 and 7 and fuel gas discharge holes 6 and 7 extending in the stacking direction are communicated with fuel gas inlet ports and outlet ports (not shown) provided on the end plate side. The oxidizing gas supply holes 9 and 11 and the oxidizing gas discharge holes 10 and 12 extending in the directions are connected to oxidizing gas inlet ports and outlet ports (not shown) provided on the end plate side.
Further, cooling water supply holes 13 and 13 and cooling water discharge holes 14 and 14 extending in the stacking direction are also connected to cooling water gas inlet ports and outlet ports (not shown) provided on the end plate side. .
[0016]
As described above, the straight flow path is adopted as the reaction gas flow path, the return manifold (intermediate manifold) is provided on the end plate side of the laminate, and the reaction gas is supplied to a plurality of reaction gas flow paths arranged in the cell surface. In the configuration in which the flow is simply repeated in the forward direction, the upstream end side of the first fuel gas passage 1 and the upstream end side of the first oxidizing gas passage 3 intersect at the same corner B side of the separator. An unused reaction gas intersection region 17 occurs (FIG. 31).
On the other hand, on the corner portion D side diagonally to the corner portion B, the reuse reaction where the downstream end side of the second fuel gas passage 2 and the downstream end side of the second oxidizing gas passage 4 intersect with each other. A gas intersection region 18 results (FIG. 31).
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, the fuel cell having the above-described flow channel configuration employing the straight flow channel has the following problems.
First, in FIG. 31, the unused reaction gas intersection region 17, that is, the inlet region of the reaction gas flow path in the cell surface, is a high temperature region because a reaction gas of about 80 degrees always flows therein. As a result, the relative humidity in the reaction gas, that is, the fuel gas or the oxidizing gas decreases, so that the solid polymer membrane dries, the ionic conduction resistance increases, and the cell voltage decreases.
Conversely, the reuse reaction gas intersection region 18, that is, the outlet region of the reaction gas flow path in the cell surface, becomes a low temperature region because the reaction gases that have undergone repeated reactions overlap.
When a fuel gas or an oxidizing gas flows in such a low temperature region, water vapor (produced water) in the gas is liable to condense and become water droplets, which accumulates in the reaction gas flow path to block or clog the gas flow path. Cell poisoning resistance by changing the cell voltage with the passage of time, or dissolving carbon and catalyst particles at the fuel electrode, especially ruthenium added as a measure against CO poisoning due to fuel shortage. Or decrease rapidly.
[0018]
Second, in the fuel-side return manifold, the flow of reusing (first-time) fuel gas recovered from the first fuel gas discharge hole 6 to the second fuel gas supply hole 7 is restricted in each cell plane. In the boundary area between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2, in particular, in the boundary area on the downstream end side, the fuel gas flowing through the first fuel gas flow path 1 is supplied to the fuel electrode base material (not shown). Flows through the downstream end of the adjacent second fuel gas flow path 2 and directly into the second fuel gas discharge hole 8, that is, a leak 15 (FIG. 29) occurs. Since the second reactant gas (second time) flowing through the second fuel gas discharge hole 8 is collected outside the stacked body, the supply amount of the fuel gas to the second fuel gas passage 2 becomes insufficient.
[0019]
Similarly, in the oxidizing gas side return manifold, the flow of sending out the reused (first) oxidizing gas collected from the first oxidizing gas discharge hole 10 to the second oxidizing gas supply hole 11 is performed. The oxidizing gas flowing through the first oxidizing gas flow path 3 is located at the boundary area between the first oxidizing gas flow path 3 and the second fuel gas flow path 4 in each cell surface, particularly at the boundary area on the downstream end side. A flow that diffuses through the oxidant electrode base material (not shown) and short-circuits directly to the second oxidant gas discharge hole 12 via the downstream end side of the adjacent second oxidant gas flow path 4, that is, Since the leak 16 (FIG. 30) occurs and is collected outside the stacked body together with the reuse reaction gas (second time) flowing through the second oxidizing gas discharge hole 12, the fuel gas flows to the second oxidizing gas passage 4. Is insufficient.
[0020]
Such a problem is not limited to the case where the two fuel gas passages 1 and 2 and the oxidizing gas passages 3 and 4 shown in the prior art are provided (FIGS. 29 to 32), but the cell surface. Occurs when a plurality of reaction gas flow paths are disposed adjacent to each other.
For example, as shown in FIG. 33, the same applies when three fuel gas flow paths and three oxidant gas flow paths are provided, and four or more reaction gas flow paths are provided. The same is true for 33, the same reference numerals as those in FIGS. 29 to 32 denote the same contents.
[0021]
The present invention solves the above problems, keeps the electrolyte membrane at an appropriate humidity, makes it difficult for water to accumulate in the reaction gas flow path, and makes it difficult for gas leak between the reaction gas flow paths in the cell plane to occur. For the purpose of providing.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a plurality of reactant gas flow paths of a fuel gas and an oxidizing gas are arranged crossing each other in the cell plane, and each used reactant gas is returned between the cell stages, so that the cell In a fuel cell in which an unused reactant gas and a returned reused reactant gas flow in the plane, respectively, the upstream end side of the unused fuel gas flow path and the unused oxidant gas stream in the cell plane. That the reaction gas flow path is arranged so that the upstream end of the passage and the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return do not intersect with the downstream end of the reused oxidizing gas flow path. Content.
[0023]
Further, the present invention provides a fuel cell or an oxidizing gas reactant gas flow path for reuse by the last return in the cell plane between the reactant gas flow paths of the reactant gas reused or unused. Is disposed between the reaction gas flow path of the gas and the reaction gas flow path of the reused gas.
[0024]
Further, according to the present invention, a plurality of reactant gas flow paths of a fuel gas and an oxidizing gas are arranged crossing each other in the cell plane, and each used reactant gas is returned between the cell stages once. In the fuel cell, in which the unused reactant gas and the returned reactant gas are returned in the cell plane, respectively, the upstream end of the unused fuel gas flow path and the last return in the cell plane The reaction gas flow path is set so that the downstream end of the reused oxidizing gas flow path and the upstream end of the unused oxidizing gas flow path intersect with the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return. The content is that it was arranged.
[0025]
Further, the present invention provides a fuel gas flow path and / or an oxidant gas flow path, which are arranged so that a fuel gas and an oxidizing gas flow in a cell surface in an intersecting manner. Or a plurality of linear grooves formed in parallel from one side to the opposite side, or at least one turn between the one side and the opposite side to finally reach the opposite side. It is a bellows-shaped groove formed in parallel.
[0026]
In addition, the present invention provides a method in which a reactant gas flowing through a plurality of reactant gas passages formed in a separator abutting on an electrode substrate on which a fuel electrode or an oxidant electrode is formed is connected to an adjacent reactant gas passage. An electrode substrate-side boundary seal portion is provided on a surface portion of the electrode substrate that abuts a boundary region between reaction gas flow paths of the separator so as not to leak through the inside of the substrate.
[0027]
Further, the present invention provides a separator-side boundary seal portion in close contact with the electrode substrate-side boundary seal portion in a boundary region between the reaction gas flow paths of the separator with which the electrode substrate-side boundary seal portion of the electrode base comes into contact. It is the content.
[0028]
Further, in the present invention, the separator-side boundary seal portion is provided on a seal groove provided on the surface of the separator, a hydrophilic porous member embedded in the seal groove, and on the back surface of the seal groove and the separator. And a water guide hole penetrating through the separator so as to communicate with the cooling water passage, wherein the hydrophilic porous member contains cooling water.
[0029]
Further, the present invention provides a seal groove in which the electrode substrate-side boundary seal portion is in close contact like a lid in a boundary region between the reaction gas flow paths of the separator with which the electrode substrate-side boundary seal portion abuts. That one end side of the groove communicates with the cooling water supply hole provided in the laminating direction on the edge side of the separator, and the other end of the seal groove communicates with the cooling water discharge hole provided in the laminating direction on the edge side of the separator. Content.
[0030]
In addition, the present invention also provides an electrode / membrane assembly in which an oxidant electrode is integrally joined to one side of an electrolyte membrane and a fuel electrode to the other side, and separators are alternately stacked in a horizontal direction, and the fuel in the cell surface is A stacked body in which a reaction gas flow path of gas is arranged in the direction of gravity,
A fuel-side return manifold provided at one end of the laminate,
In a fuel cell including an oxidant-side return manifold provided at the other end of the stack,
In one or both of the fuel-side and oxidizer-side return manifolds, the flow path of the reactant gas returning, the dry reactant gas deprives moisture, and absorbs moisture from the reactant gas containing excessive moisture. The content is that the porous substrate is provided so as to be in contact with the reaction gas.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 28 by taking a polymer electrolyte fuel cell as an example. In the figures, the same reference numerals as those in FIGS. 29 to 33 described as the related art have substantially the same contents. Note that the polymer electrolyte fuel cell is also simply referred to as a fuel cell.
[0032]
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a fuel gas flow path provided on one side of the separator, FIG. 2 is a plan view showing an oxidizing gas flow path provided on the other side of the separator, and FIG. It is a top view which shows the positional relationship of the arrange | positioned fuel gas flow path and oxidant gas flow path.
The separators shown in FIGS. 1 to 28 have an outer shape of 120 mm × 120 mm and a thickness of 3 mm, and have gas grooves formed by molding a carbon particle and a phenol resin. The reaction gas flow paths shown in FIGS. 1 to 27 are constituted by a plurality of linear grooves formed in parallel from one side of the cell surface, that is, from one side of the separator to the opposite side.
[0033]
This fuel cell has at least first and second two fuel gas flow paths 1 and 2 (FIGS. 1 and 3) arranged in a cell plane so that fuel gas flows sequentially in the direction of gravity. At least first and second two oxidizing gas passages 3 and 4 (FIGS. 2 and 3) arranged so that the oxidizing gas flows sequentially in a horizontal direction intersecting the two fuel gas passages 1 and 2 ).
[0034]
Unused fuel gas (unused fuel gas) flows through the first fuel gas channel (first fuel gas channel) 1, and flows through the second fuel gas channel (second fuel gas channel) 2. The fuel gas (reused fuel gas) which has been used once (in this example, once) in the first fuel gas flow path 1 is reused, and the first oxidizing gas flow path (first oxidizing gas flow) is used. An unused oxidizing gas (unused oxidizing gas) flows through the oxidizing gas passage 3, and a first oxidizing gas flows through the second oxidizing gas passage (second oxidizing gas passage) 4. A return manifold for returning between the cell stages is provided on the end plate side of the stacked body so that the reused oxidizing gas (reused oxidizing gas) once (in this example, once) passed through the flow path 1 flows. In preparation. That is, a fuel-side return manifold is provided at one end of the stack, and an oxidant-side return manifold is provided at the other end (not shown).
[0035]
In the fuel cell configured as described above, the unused fuel gas flow path, that is, the upstream end of the first fuel gas flow path 1 and the unused oxidizing gas flow path, that is, the first oxidizing gas flow path 3 And the last return, in this embodiment, the downstream end of the reused fuel gas flow path, ie, the second fuel gas flow path 2 which has been returned once, and the reused oxidant gas flow path, ie, the second oxidant. The gas flow path 4 is disposed so as not to cross the downstream end side in the cell plane.
[0036]
In FIG. 3, the intersection of the reaction gas flow paths of the fuel gas flow paths 1 and 2 and the oxidizing gas flow paths 3 and 4 in the cell plane will be described.
An inlet region of a fuel gas disposed on one side of one of the separators that is in contact with one side of an electrolyte membrane (not shown) (in this example, a solid polymer membrane), that is, an upstream end of the first fuel gas flow path 1 Side and the upstream end side of the first oxidant gas flow path 3, which is an inlet region of the oxidant gas disposed on one side of the other separator that is in contact with the other of the electrolyte membranes, They are positioned so that they do not overlap when viewed from the stacking direction.
Similarly, the outlet region of the fuel gas, that is, the downstream end of the second fuel gas flow path 2, and the outlet region of the oxidant gas, that is, the downstream end of the second oxidant gas flow channel 4, are also provided in the stacked body. They are positioned so that they do not overlap when viewed from the stacking direction.
[0037]
This will be described in comparison with FIG. 31 showing a conventional reaction gas flow path. The second oxidizing gas discharge hole 12 in FIG. 31 is replaced with the first oxidizing gas supply hole 9 in FIG. The second oxidizing gas flow path 4 is defined as a first oxidizing gas flow path 3 in FIG. 3, and the second oxidizing gas supply hole 11 in FIG. 31 is defined as a first oxidizing gas discharge hole 9 in FIG. The first oxidizing gas discharge hole 10 in FIG. 31 is a second oxidizing gas supply hole 11 in FIG. 3, and the first oxidizing gas passage 3 in FIG. The flow path 4 is configured such that the first oxidizing gas supply hole 9 in FIG. 31 functions as the second oxidizing gas discharge hole 12 in FIG.
[0038]
That is, in FIG. 3, one of the upstream sides of the first fuel gas flow path 1 serving as an inlet region of the fuel gas (unused fuel gas) as an unused reaction gas into the cell surface, that is, the first fuel gas supply hole. The region on the 5th side (the highest temperature region) is the downstream end side of the second oxidizing gas flow path 4 through which the oxidizing gas (reused oxidizing gas) as the reusing reaction gas flows, that is, the second oxidizing gas. It overlaps with the area (lowest temperature area) on the side of the discharge hole 12 (corner B side).
Further, immediately before the fuel gas (reusable fuel gas) as the reuse reactant gas is discharged from the cell surface, a region on the downstream side of the second fuel gas flow path 2, that is, on the side of the second fuel gas discharge hole 8 ( The region (the lowest temperature region) is an upstream end side of the first oxidizing gas flow path 3 of the oxidizing gas (unused oxidizing gas) as an unused reactant gas, that is, a region (the highest temperature Area).
[0039]
In this embodiment, in the cell plane, the highest temperature area of one reaction gas flow path and the highest temperature area of the other reaction gas, and the lowest temperature area of one reaction gas flow path and the other reaction gas flow path In addition to avoiding overlap with the lowest temperature area of the reaction gas flow path, the highest temperature area of one reaction gas flow path overlaps with the lowest temperature area of the other reaction gas flow path, and the lowest temperature area of one reaction gas flow path The reaction gas flow path is overlapped with the highest temperature region.
[0040]
As described above, in this embodiment, since the highest temperature regions of the reaction gas flow paths are configured not to overlap with each other, unlike the conventional case, the reaction gas and the electrolyte membrane are not abnormally dried without being abnormally dried. It can be kept at a suitable humidity.
In addition, since the lowest temperature regions of the reaction gas flow paths do not overlap each other as in the related art, water drops in the reaction gas are condensed due to a decrease in the temperature of the reaction gas as in the related art. It is possible to provide a high-performance fuel cell in which the generation of the reaction gas is suppressed, the flow of the reaction gas is performed smoothly, and the gas leak between the flow paths hardly occurs.
[0041]
Moreover, in this embodiment, the highest temperature area of one reaction gas flow path and the lowest temperature area of the other reaction gas flow path overlap, and the lowest temperature area of one reaction gas flow path and the other reaction gas flow rate Since the lowest temperature region of the road is overlapped, the highest temperature region and the lowest temperature region are neutralized, and the temperature distribution in the cell surface can be made uniform.
[0042]
In the fuel cell of this embodiment, an unused gas (fuel gas, oxidizing gas) before return and a reuse reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) used once (returned once) are placed in the cell surface. ), Two or more reaction gas flow paths are provided. However, the present invention is not limited to this. Three or more reaction gas flow paths are provided so as to return a plurality of times and flow a reuse reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) for each return. A configuration in which a reaction gas flow path (fuel gas, oxidizing gas) is provided may be used.
[0043]
Embodiment 2 FIG.
The second embodiment is directed to a fuel cell having a fuel-side return manifold on one side and an oxidant gas-side return manifold on the other side at both ends of a stacked body using the separator of the first embodiment. The manifold is provided with a hydrophilic porous substrate provided with a myriad of guide grooves through which a corresponding reaction gas (fuel gas or oxidizing gas) flows, and is collected in the return manifold through the gas discharge holes 6 and 10. When the reactant gas passes through the guide groove in the return manifold toward the gas supply holes 7 and 12 again, water is absorbed by the water-reactive gas by a water absorbing action. Absorbed and dried, and with respect to the reaction gas that has been dried too much, the water contained in the hydrophilic porous substrate is released and moistened, and the reaction gas is appropriately moistened. It is obtained by the.
[0044]
Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 4 is a plan view of a fuel-side manifold plate, FIG. 5 is a plan view of an oxidant-side manifold plate, FIG. 6 is a partially cut-away cross-sectional view of the fuel-side manifold plate, and FIG. 7 is a plan view of a stack showing a flow of fuel gas. FIG. 8 and FIG. 8 are schematic diagrams showing the flow of the fuel gas in the manifold plate.
Note that, in the laminate, an electrolyte membrane (an electrode-membrane assembly in which an oxidant electrode is integrally joined to one side and a fuel electrode is integrally joined to the other side) and the separator of Embodiment 1 are alternately arranged in a horizontal direction. The fuel gas passages 1 and 2 are stacked and arranged in the cell plane so as to be directed in the direction of gravity.
Further, the fuel gas side and the oxidant side return manifold are used for discharging the reaction gas discharged from the inside of each cell through the fuel gas and oxidant gas exhaust holes 6, 10 penetrated in the stacking direction of the stack. Then, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied through the gas supply holes 7 and 11 to the inside of each cell surface.
[0045]
In FIGS. 4 and 5, the hydrophilic porous substrate 21 is a porous plate on which a myriad of guide grooves for flowing a reaction gas are formed, and is arranged on a manifold plate. Hereinafter, the hydrophilic porous substrate 21 is also referred to as a porous plate 21.
Reference numeral 22 denotes an introduction portion of the porous plate 21 extending so as to be in contact with the opening of the gas discharge hole 6 opening on the return manifold side. Reference numeral 23 denotes a fuel gas supply hole opening from the porous plate 21 on the return manifold side. 7 is an outlet extending to communicate with the opening 7.
The porous plate 21 is provided vertically so as to be along the direction of gravity, and the fuel gas flowing from the outlet of the fuel gas outlet 6 opened at the lower part of the return manifold passes through the inlet 22 and the porous plate. The gas flows from the lower side to the upper side via 21, and is sent out from the fuel gas supply hole 7 opened at the upper part of the return manifold via the outlet 23.
[0046]
6 to 8, description will be made based on the structure of the illustrated fuel-side return manifold.
In the figure, 40 is a first permeable membrane, 41 is a second permeable membrane (FIGS. 7 and 8), 42 is a first fuel manifold plate, 43 is a second fuel manifold plate (FIGS. 7 and 8), and 44 is a 3 fuel manifold plate (FIGS. 7 and 8), 45 is a fourth fuel manifold plate, 58 is a reaction gas guide groove formed in the porous plate 21, and 59 is a reaction gas formed in the fourth fuel manifold plate. It is a guide groove as a flow path.
[0047]
In FIG. 4, a porous plate 21 is provided so as to occupy the center of the manifold plate. The porous plate 21 is formed using a porous carbon base material having an average pore diameter of 35 μm, a porosity of 75%, and a thickness of 1.5 mm.
Further, the porous plate 21 has the introduction portion 22 extending so as to be in contact with the gas discharge hole 6 and the outlet portion 23 extending so as to communicate with the gas supply hole 7 as described above.
The introduction part 22 is provided by simply extending a part of the porous plate 21, but the lead-out part 23 is formed together with the manifold plate by a molding process of carbon and resin, and guides crossing vertically and horizontally. The groove has a width of about 1 mm and a groove depth of about 1 mm in this example.
[0048]
In FIG. 4, the fuel gas (fuel intermediate gas) discharged from the first fuel gas discharge hole 6 is led out from the inlet 22 in contact with the first fuel gas discharge hole 6 to the center of the porous plate 21. 23, and is led to the second fuel gas supply hole 7. During this time, of the fuel gas, the gas is carried through the guide groove 58 (FIG. 6), but the liquid water is absorbed by the pore suction force of the porous plate 21 and carried upward.
Since the porous plate 21 made of carbon fiber has many small pores as described above, it can easily hold liquid water, and has a large surface area. It is easy to condense into fibers and evaporate from carbon fibers.
[0049]
For this reason, when the humidity of the fuel gas collected in the return manifold is too high, water condenses on the carbon fiber surface and water is stored in the porous plate 21, and when the humidity is too low, the carbon fiber Water evaporates from the surface and releases water from the porous plate.
Thus, in the fuel-side return manifold, excess water contained in the fuel gas is removed and stored by the porous plate 21, and when the humidity of the fuel gas is temporarily reduced due to a change in operation conditions or the like. Is supplied from the porous plate 21 in which water is stored, and is sufficiently humidified to be transported to the second fuel gas supply holes 7. That is, the humidity of the fuel gas (fuel intermediate gas) is adjusted by the porous plate 21.
[0050]
In FIG. 5, the oxidizing gas (oxidizing agent intermediate gas) discharged from the first oxidizing gas discharge hole 10 passes through the inlet 22 of the porous plate 21 in contact with the first oxidizing gas discharge hole 10. After reaching the outlet 23 through the center of the quality plate 21, it is led to the second oxidizing gas supply hole 11. During this time, of the oxidizing gas, the gas is carried through the guide groove 58 (see FIG. 6), similarly to the above-described fuel gas, but the liquid water is absorbed by the pore suction force of the porous plate 21 and Transported to
[0051]
When the humidity of the oxidizing gas collected in the return manifold is too high, water condenses on the surface of the carbon fiber and water is stored in the porous plate 21, and when the humidity is too low, the carbon fiber By evaporating the water from the surface and releasing the water of the porous plate, excess water contained in the oxidant gas is also removed and stored by the porous plate 21 in the oxidant-side return manifold as well. When the humidity of the oxidizing gas temporarily decreases due to a change in the operating condition or the like, moisture is provided from the porous plate 21 in which the water is stored, sufficient humidification is obtained, and the second oxidizing gas is supplied. It is carried to the hole 11. That is, the humidity of the oxidizing agent gas (oxidizing agent intermediate gas) is also adjusted by the porous plate 21.
[0052]
In FIG. 6, the water absorbed by the porous plate 21 is provided to the fuel gas through the first permeable membrane 40. As the water permeable membrane 40, a Gore membrane with a thickness of 30 μm manufactured by Japan Gore-Tex Corporation was used, but is not limited to this.
4 and 5, the fuel-side return manifold is provided with a fuel-side drainage port 62, and the oxidant-side return manifold is provided with an oxidant-side drainage port 63, respectively, so that excessive water is supplied into the return manifold. If accumulated, excess water is discharged to prevent any trouble in driving. These drainage ports are normally closed and opened when draining water.
[0053]
In FIG. 7, reference numeral 24 denotes a stacked body (stack) in which 75 cells are stacked, 25 denotes a fuel-side return manifold provided on one end plate side of the stacked body 24, and 26 denotes a fuel-side return manifold provided on the other end plate side of the stacked body 24. An oxidant-side return manifold provided.
27 is a fuel gas inlet port, 28 is a flow of the fuel gas to be humidified by the fuel outlet gas, 29 is a movement of the fuel gas in the moving hole, and 30 is a reactant gas (fuel intermediate) for reuse in the third fuel manifold plate. The flow of the fuel gas to be humidified by the gas (1), 31 is the flow of the fuel gas in the first fuel gas supply hole 5, 32 is the flow of the fuel gas in the first fuel gas passage 1, and 33 is the first fuel gas discharge hole. 6, the flow of the fuel gas flowing through the first fuel manifold plate, the flow of the fuel gas flowing through the second fuel gas supply hole 7, and the fuel flow in the second fuel gas flow passage 2 Gas flow, 37 indicates the flow of fuel gas at the second fuel gas discharge hole 8, and 38 indicates the flow of fuel gas flowing through the second fuel manifold plate.
In the drawing, reference numeral 39 denotes a fuel gas outlet port, 46 denotes an oxidant supply gas inlet port, 47 denotes an oxidant exhaust gas outlet port, 60 denotes a closing hole, 61 denotes an opening hole, 62 denotes a fuel-side drain port, and 63 denotes an oxidation port. This is a drug-side discharge port.
[0054]
7 and 8, the flow of the fuel gas will be described.
The fuel gas enters the third fuel return manifold plate from the fuel gas inlet port 27 attached to the metal plate at the end of the stack 24, receives moisture from the water permeable membrane 41, is humidified, and moves the fuel gas. Through the holes 29, the fuel reaches the fourth fuel return manifold plate, where water is again received from the water permeable membrane 40, humidified, and supplied through the first fuel gas supply holes 31 (6) to the inside of each cell surface. You.
In each cell plane, the fuel gas (fuel intermediate gas) used for the reaction through the first fuel gas flow path 1 is collected in the first fuel gas discharge holes 33 (6) together with the generated water. Reaches the first fuel return manifold plate 42.
[0055]
Here, as described above, the fuel gas (fuel intermediate gas) is condensed on the porous plate 21 of the first fuel return manifold plate, and then is conveyed to the second fuel gas supply hole 35 (7). It is again supplied to each cell, passes through the second fuel gas flow path 36 (2) in the cell plane, is used for the fuel cell reaction, and is collected in the second fuel gas discharge hole 37 (8) with generated water. After flowing through the second fuel return manifold plate to impart moisture to the porous plate 21, the water reaches the fuel gas outlet port 39.
The flow of the fuel gas can be selected in any number of ways by properly using the closing hole 60 and the opening hole 61.
[0056]
In the above process, the fuel gas is humidified twice by the fuel intermediate gas (the fuel gas used once in this example) and the fuel gas (the fuel gas used twice in this example, that is, the fuel exhaust gas). Is done.
Since the temperature of the outside of the stacked body 24 decreases due to heat radiation, the fuel gas receives humidification from the fuel gas (fuel exhaust gas) at a relatively low temperature and then receives humidification from the fuel intermediate gas at a relatively high temperature.
In this example, the fuel gas (fuel exhaust gas) used twice is discharged after most of the water is removed at a low temperature.
Even if the supplied unused fuel gas is a completely dry reaction gas, sufficient humidity can be obtained by the two humidifications, and conversely, steam reforming with a large steam carbon ratio can be achieved. In the case of having excess moisture, as in the case of high quality gas, the moisture is adjusted (absorbed and released) by the porous plate 21 of the fuel-side return manifold twice, and an appropriate humidity is secured. .
[0057]
Although the fuel-side return manifold 25 has been described above, the same applies to the case where the porous plate 21 of the oxidant-side return manifold 26 is used, and therefore the description thereof is omitted.
In this way, the oxidizing gas is adjusted in a similar manner to the fuel gas by twice absorbing or releasing the moisture, so that an appropriate humidity is secured.
Further, in this embodiment, the arrangement in which the gas flows through the return manifold at the end of the laminated body is shown by way of example, but many other arrangements are possible, and the same effect can be obtained.
In addition, as the number of gas supply holes and gas discharge holes increases, the combination increases exponentially, so that the combination can be freely selected.
[0058]
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, an unused reactant gas channel formed on the contact surface of the separator of the first embodiment, which is in contact with the electrode base material of the fuel electrode or the oxidant electrode via the catalyst layer, Or, an electrode base material side boundary seal portion abutting on a boundary region between the reaction gas flow paths is provided on the electrode base material so that gas flowing through a plurality of reused reaction gas flow paths does not leak to an adjacent reaction gas flow path. It is configured.
Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. 9 is a plan view of the electrode / membrane assembly (MEA) on the oxidant electrode side, FIG. 10 is a plan view of the electrode / membrane assembly (MEA) on the fuel electrode side, and FIG. 11 is an electrode having separators adhered to both sides. -It shows a partially cut-away enlarged view of a membrane assembly (MEA).
[0059]
In FIG. 9, reference numeral 50 denotes an electrolyte membrane, in this example, the oxidant electrode side of the electrode / membrane assembly. Reference numeral 52 denotes a first oxidant region effective area of the electrode substrate, 53 denotes a second region oxidant region effective area of the electrode base, and 51B denotes a first oxidant region effective area 52 and the second oxidant region effective area. The electrode base material side boundary seal part formed in the boundary area with the oxidant area effective area 53 is shown.
The first oxidant region effective area area 52 corresponds to the first oxidant gas flow path 3 shown in FIG. 2, and the second oxidant area effective area area 53 corresponds to the second oxidant gas flow path 4 shown in FIG. The electrode base material side boundary seal portion 51B corresponds to the boundary region between the first oxidizing gas flow path 3 and the second oxidizing gas flow path 4 of the separator shown in FIG.
[0060]
In FIG. 10, 55 indicates the fuel electrode side of the electrolyte membrane, 56 indicates the first fuel area effective area of the electrode substrate, 57 indicates the second fuel area effective area, and 51A indicates the first fuel area effective area. 7 shows an electrode substrate-side boundary seal portion in a boundary region between the area portion 56 and the second fuel region effective area portion 57.
The first fuel area effective area area 56 corresponds to the first fuel gas flow path 1 shown in FIG. 1, and the second fuel area effective area area 57 corresponds to the second fuel gas flow path 2 shown in FIG. The boundary seal portion 51A corresponds to a boundary region between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2 of the separator in FIG. Incidentally, 54 in FIGS. 9 and 10 is a gasket.
[0061]
In FIG. 11, reference numeral 64 denotes a fuel gas separator as a separator (cooling plate) having a cooling gas passage formed on one side and a cooling water passage 71 on the other side and having a cooling function. Reference numeral 65 denotes a groove (gas groove) formed as a fuel gas flow path of the fuel gas separator 64, 66 denotes a fuel electrode catalyst layer, and 67 denotes a solid polymer electrolyte membrane. Reference numeral 68 denotes an oxidant separator, 69 denotes a groove (gas groove) formed as an oxidant gas flow path, and 70 denotes an oxidant electrode catalyst layer.
In the example shown in the figure, Aciplex manufactured by Asahi Kasei Corporation is used as the solid polymer electrolyte membrane, 0.2 mm-thick carbon paper manufactured by Toray Co., Ltd. is used as the electrode base materials 55 and 56, and the gasket 54 is used as the gasket 54. Although a film made of PET (polyethylene terephthalate) is used, the film is not limited to this.
[0062]
The cell shown in FIG. 11 has a fuel separator (cooling plate) 64 in which a fuel gas channel groove 65 and a cooling water channel 71 are formed on the front and back, and only a oxidant gas channel groove 69 on one surface. An oxidant separator and two types of separators are stacked so as to contact both surfaces of the electrolyte membrane (MEA) 50.
These two types of separators 64 and 68 are both manufactured by molding a mixture of a carbon powder and a phenolic resin, and the shape of the reaction gas flow path is a straight flow path, which is simpler than a serpentine flow path. Yes, and can be easily molded.
[0063]
As shown in FIG. 9, a first oxidant region effective area 52 and a second oxidant region effective area 53 are vertically divided into two parts on one of the electrode substrates on the front and back of the electrolyte membrane (MEA) 50. The electrode base material side boundary seal portion 51B is provided in the boundary region extending in the horizontal direction.
The first oxidant gas passage 3 of the oxidant-side separator described with reference to FIG. 2 is provided in the first oxidant region effective area 52 thus divided, and the second oxidant gas is provided in the second oxidant region effective area 53. While the flow path 4 is in contact, the electrode substrate-side boundary seal portion 51B is in close contact with the boundary region between the first oxidant gas flow path 3 and the second oxidant gas flow path 4 of the oxidant-side separator.
[0064]
Similarly, as shown in FIG. 10, a first fuel area effective area 56 and a second fuel area effective area 57 are divided into two parts on the other side of the electrode substrate on the front and back sides of the electrolyte membrane (MEA) 50. The boundary region extending in the vertical direction (vertical direction) is provided with an electrode substrate-side boundary seal portion 51A.
The first fuel region effective area 56 thus divided has the first fuel gas passage 1 of the fuel-side separator described with reference to FIG. 1, and the second oxidant gas passage 2 has the second fuel region effective area 57. At the same time, the electrode substrate-side boundary seal portion 51A comes into close contact with the boundary region between the first oxidant gas channel 3 and the second oxidant gas channel 4 of the oxidant-side separator.
[0065]
In this example, as shown in FIG. 11, the electrode substrate-side boundary seal portions 51A and 51B on the front and back of the electrolyte membrane (MEA) 50 are impregnated with a paste-like silicone resin into the electrode substrate as shown in FIG. Since the material is formed by closing the pores, the gas is prevented from flowing through the pores of the electrode substrate.
[0066]
According to this embodiment, it is possible to prevent gas leakage beyond the boundary regions in the electrode substrate-side boundary seal portions 51A and 51B indicated by reference numeral 15 in FIG. 29 and reference numeral 16 in FIG. it can.
That is, in FIG. 9, it is possible to prevent the gas from being directly leaked from the first oxidant region effective area 52 to the second oxidant discharge hole 12 and discharged. Similarly, it is possible to prevent the gas from being directly leaked from the first fuel region effective area portion 56 to the second fuel gas discharge hole 8 by diffusion and discharged.
[0067]
An operation comparison test was conducted between the 75 cell stack of the first embodiment and the 75 cell stack of the conventional example using an electrolyte membrane (MEA) having exactly the same specifications as the 75 cell stack.
The operating conditions were 250 mA / cm ² A mode in which operation is started in the morning at about 80 ° C. and stopped in the evening at an operating temperature of about 80 ° C. using air as an oxidizing agent, and a reforming simulation gas of 75% hydrogen, 25% carbon dioxide, and 20 ppm of carbon monoxide as fuel. Each one month driving.
[0068]
As a result, a high cell voltage of 710 mV on average was stably obtained in the 75-cell stack (1.3 kW class) of Embodiment 1, whereas the conventional 75-cell stack (1.3 kW class) Initially, an average cell voltage of 690 mV was obtained, but in a few days of operation, an unstable phenomenon occurred in many cells, and only an average cell voltage of about 650 mV was obtained.
As a result of disassembly and investigation of the conventional example, water clogging was observed in the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path in the region where the fuel gas outlet and the oxidizing gas outlet overlapped in the cell having unstable characteristics.
[0069]
Furthermore, as a result of analysis of the electrode catalyst layer in the water-clogged portion, of the platinum-ruthenium alloy catalyst used for the fuel electrode, ruthenium has decreased, and the platinum particle size of the air electrode has increased significantly. It was confirmed that a corrosion phenomenon had occurred.
Also, the reason why the average cell voltage is lower than that in the first embodiment, which is 690 mV in the initial stage of the operation, is considered to be that the area where the air inlet side and the fuel inlet side overlap was dried and the ion conduction resistance was increased.
[0070]
Embodiment 4 FIG.
Embodiment 4 is different from Embodiment 3 in that the electrode base material is provided in the boundary region between the reaction gas flow paths of the separator, corresponding to the electrode base material side boundary seal portions 51A and 51B provided on the electrode base material side. In this configuration, a separator-side boundary seal portion that is in close contact with the side boundary seal portions 51A and 51B is provided.
Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a plan view of the separator on the side of the fuel gas flow path, and FIG. 13 is a plan view of the oxidizing gas flow path of the separator.
[0071]
In FIG. 12, reference numeral 72A denotes a seal groove (not shown) formed shallowly in a direction in which a boundary region between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2 of the separator extends. This is a separator-side boundary seal portion including a hydrophilic porous member embedded so as to fill the groove.
In FIG. 13, reference numeral 72B denotes a seal groove (not shown) formed shallowly in a boundary region between the first oxidizing gas flow path 3 and the second oxidizing gas flow path 4 of the separator. This is a separator-side boundary seal portion including a hydrophilic porous member embedded so as to fill the groove.
As the hydrophilic porous member, a carbon base material having a thickness of 1 mm, a width of 1 mm, a length of 100 mm, an average pore diameter of 35 μm, and a porosity of 70% is used. Just fine.
In the hydrophilic porous substrates 72A and 72B, the retained water penetrates the pores of the electrode base material in contact with the substrate and loses air permeability, so that gas leakage can be prevented in the region where the water has penetrated.
[0072]
According to this embodiment, the separator-side boundary seal portions 72A and 72B that are in close contact with the electrode-base-side boundary seal portions 51A and 51B provided on the electrode substrate side are provided on the separator side. In combination, a sealing function exceeding that of the third embodiment can be exhibited.
In this embodiment, when a four-cell stack was configured and an operation test was performed, a high cell voltage was obtained as in the first embodiment.
[0073]
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment, a groove in which the electrode base material side boundary seal portions 51A and 51B of the third embodiment are in close contact like a lid is provided in the boundary region of the reaction gas flow path of the separator as in the fourth embodiment. Burying a hydrophilic porous member so as to fill the groove, and providing a water guide hole communicating with the groove and a cooling water channel provided on the back surface of the separator through the separator to form the hydrophilic porous member. In this configuration, cooling water is always supplied to the porous member so as to contain water.
Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. 14 is a plan view of the separator on the side of the fuel gas flow path, FIG. 15 is a plan view of the separator on the side of the oxidant gas flow path, FIG. 16 is a plan view of the cooling water flow path provided on the back side of the separator shown in FIG. FIG. 17 is a plan view showing the back side of the separator shown in FIG.
[0074]
In FIG. 14, reference numeral 72A denotes a separator-side boundary seal portion formed in a boundary region between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2, and 73 denotes a groove of the separator-side boundary seal portion 72A. This is a water guide hole provided as a through hole provided to penetrate the separator so as to communicate with a cooling water passage 74 (FIG. 16) formed on the back side of the separator. A plurality of the water guide holes 73 are formed at appropriate intervals in the extending direction of the separator-side boundary seal portion 72A.
In FIG. 15, reference numeral 72B denotes a separator-side boundary seal formed in a boundary region between the first oxidant gas flow path 3 and the second oxidant gas flow path 4, and 73B denotes a separator-side boundary seal. A water guide hole as a through hole provided through the separator so that the groove of 72B and a cooling water passage 74 similar to FIG. 16 formed in another separator abutting on the back side of the separator communicate with each other. It is.
[0075]
According to this embodiment, since the cooling water is always supplied to the hydrophilic porous member, the sealing function can be more effectively exerted as compared with the fourth embodiment.
In addition, according to this embodiment, since the water introduction holes 73 and 73B through which the cooling water passes are provided in the boundary regions between the reaction gas flow paths, the vicinity of the center of the cell can be efficiently cooled by the cooling water. In addition, the temperature distribution on the cell surface can be made uniform.
[0076]
Also in the fifth embodiment, an operation test was performed by forming a four-cell stack in the same manner as in the fourth embodiment, and the temperature was made more uniform than in the fourth embodiment, and a cell voltage higher by about 5 mV was obtained. Obtained.
[0077]
Embodiment 6 FIG.
In the sixth embodiment, a groove in which the electrode substrate-side boundary seal portions 51A and 51B are in close contact like a lid is formed in a boundary region between the reaction gas flow paths of the separator with which the electrode substrate-side boundary seal portions 51A and 51B abut. And one end of the groove was communicated with a cooling water supply hole provided on the edge side of the separator in the laminating direction, and the other end was communicated with a cooling water discharge hole also provided on the edge side of the separator in the laminating direction. It is configured.
Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a plan view of the separator on the side of the fuel gas flow path, and FIG. 19 is a plan view of the separator on the side of the oxidant gas flow path.
[0078]
18 and 19, reference numeral 77A denotes a seal groove (hydrophilic porous member) formed shallowly in the direction of extension of the boundary region between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2 of the separator. Is not embedded) is a separator-side boundary seal portion. Also, 77B is formed from a sealing groove formed shallowly in the boundary region between the first oxidizing gas passage 3 and the second oxidizing gas passage 4 of the separator (the hydrophilic porous member is not embedded). This is the separator-side boundary seal portion.
The electrode base material-side boundary seal portions 51A and 51B described in the third embodiment are provided on the electrode base material side where the separator-side boundary seal portions 77A and 77B are in contact. When the two separators are brought into contact with the back surface, the electrode substrate-side boundary seal portions 51A and 51B are brought into close contact with the separator-side boundary seal portions 77A and 77B so as to cover the separator-side boundary seal portions 77A and 77B. , 77B are sealed, and a boundary cooling water flow path including the electrode base material side boundary seal portion 51A and the separator side boundary seal portion 77A, and the electrode substrate side boundary seal portion 51B and the separator side boundary seal portion 77B is formed. In this example, it is formed in a cross shape so as to cross the center of the cell plane vertically and horizontally.
[0079]
Each of the boundary cooling water flow paths (51A and 77A and 51B and 77B) extends over the entire length of the boundary area between the adjacent reaction gas flow paths, and one end side thereof is located on the edge side of the separator in the stacking direction of the separator. Similarly, the other end side is communicated with a cooling water supply hole 75 provided so as to penetrate, and a cooling water discharge hole 76 provided on an edge side of the separator, so that the cooling water always flows. .
The boundary cooling water channel shown in this example has a depth of 1 mm and a width of 1.5 mm. Further, since the electrode substrate-side boundary seal portion is in close contact with the separator so as to cover the separator-side boundary seal portion, the cooling water flowing through the boundary cooling channels (51A and 77A and 51B and 77B) does not leak from the electrode substrate side. .
[0080]
According to the sixth embodiment, since the boundary cooling water passages (51A and 77A, 51B and 77B) are formed in the boundary region between the reaction gas flow passages formed in the separator, the boundary cooling regions are adjacent to each other with the boundary region therebetween. Gas leaks between the matched reaction gas flow paths can be more reliably prevented.
Further, according to the sixth embodiment, the heat generated in the cell is efficiently removed by the cooling water flowing through the boundary cooling water channels (51A and 77A, 51B and 77B) crossing the central region in the cell plane vertically and horizontally. Therefore, there is no need for a separator having a cooling function, that is, a cooling plate, in addition to the one kind of separator shown in this embodiment.
Moreover, the boundary cooling water flow path (77A) and the fuel gas flow path on one side of the cell, and only one type of separator having the boundary cooling water flow path (77B) and the oxidizing gas flow path on the other side. Therefore, it is possible to reduce the number of separators having a cooling function equivalent to the volume of the number of cooling plates × the number of cooling plates conventionally interposed in the laminate.
Therefore, the volume of the stacked body can be significantly reduced, and a small and inexpensive stacked body, and furthermore, a fuel cell can be provided.
[0081]
Also in the sixth embodiment, a four-cell stack was configured and an operation test was performed in the same manner as in the fourth and fifth embodiments.
As a result, although the temperature was not uniform and the temperature was lower by about 5 mV than in the case of Embodiment 4, the number of separators used per cell was reduced from two to one, so that the volume could be reduced by half. Thus, a compact laminate could be obtained.
[0082]
Embodiment 7 FIG.
The seventh embodiment is different from the first to sixth embodiments in that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path that are arranged to cross each other in the cell plane from one side to the other side of each cell plane. Although two linearly arranged reaction gas flow paths have been described as an example, in this embodiment, three reactive gas flow paths are used and the upstream end of the unused fuel gas flow path is used. And the upstream end of the unused oxidant gas flow path, and the reaction gas so that the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return does not intersect with the downstream end of the reused oxidant gas flow path. This is a configuration in which channels are arranged.
Hereinafter, this will be described with reference to FIG. 20, which is a plan view showing the positional relationship between the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path of the separator.
[0083]
In the example shown in FIG. 20, three fuel gas flow paths 1, 2, and 103 and oxidizing gas flow paths 3, 4, and 203 are arranged in the cell plane in parallel in the vertical and horizontal directions.
In the figure, reference numeral 78 denotes a third fuel gas supply hole, and the third fuel gas passage 103 is provided with a second fuel gas passage 2, a second fuel gas discharge hole 8, and a fuel-side return manifold (not shown). The recycled fuel gas that has passed (the third time) is supplied. Reference numeral 79 denotes a third fuel gas discharge hole for recovering the fuel gas discharged from the third fuel gas passage 103.
[0084]
Similarly, in FIG. 20, reference numeral 80 denotes a third oxidizing gas supply hole, and a third oxidizing gas flow path 203 is provided with a second oxidizing gas flow path 4, a second oxidizing gas discharge hole 12, and an oxidant side return. A reused oxidant gas (third time) is supplied through a manifold (not shown). Reference numeral 81 denotes a third oxidizing gas discharge hole for collecting the oxidizing gas discharged from the third oxidizing gas channel 203.
[0085]
In the example shown in FIG. 20, first, second, and third three lines extending from the upper side from the corner portion A side to the corner portion B side of the separator to the lower side from the corner portion D side to the corner portion C side. Fuel gas flow paths 1, 2, and 103 are arranged in parallel in the vertical direction so as to divide the cell surface into four equal parts.
On the other hand, first, second, and third three oxidizing gas flow paths 3, 4, from the left side of the separator from the corner B to the corner C to the right side from the corner A to the corner D, Reference numeral 203 is also arranged in the horizontal direction so as to divide the cell surface into four equal parts.
The fuel gas flows through the first, second, and third fuel gas flow paths 1, 2, and 103, and the oxidizing gas flows through the first, second, and third oxidizing gas flow paths 3, 4, and 203. For example, a return manifold is appropriately arranged on the end side of the laminate so as to flow sequentially. The flow of the reaction gas can be easily changed by appropriately changing the configuration of the plate of the return manifold.
[0086]
In FIG. 20, high-temperature unused fuel gas flows into the cell surface from the fuel gas supply hole 5 on the corner A side of the upper side of the separator via the first fuel gas flow path 1 and the first fuel gas flows. The fuel gas is recovered in the fuel-side return manifold through the discharge hole 6 and flows again into the cell surface from the second fuel gas supply hole 7 through the second fuel gas flow path 2 as the reused fuel gas. The fuel gas is collected in the fuel-side return manifold through the fuel gas discharge hole 8, and further flows from the third fuel gas supply hole 78 into the cell surface through the third fuel gas flow path 103 as described above. The fuel gas is recovered from the fuel-side return manifold through the fuel gas discharge holes 79 to the outside.
[0087]
Similarly, high-temperature unused oxidant gas flows into the cell surface from the fuel gas supply hole 9 on the left side of the corner B of the separator via the first oxidant gas flow path 3, and the first oxidant gas is discharged. The oxidant gas is returned to the oxidant-side return manifold through the oxidant gas discharge hole 10, and is reused as oxidant gas for reuse from the second oxidant gas supply hole 11 through the second oxidant gas flow path 4 in the cell plane. Flows through the second oxidizing gas discharge hole 8, is collected in the oxidizing agent-side return manifold, and further flows from the third oxidizing gas supply hole 80 through the third oxidizing gas passage 203 as described above. It flows into the cell surface, and is collected from the fuel-side return manifold to the outside via the third oxidizing gas discharge hole 81.
[0088]
According to this embodiment, the first oxidizing gas flow flowing into the cell surface at the highest temperature at the upstream end of the first fuel gas flow path 1 flowing at the highest temperature into the cell surface. Since the downstream end of the road 3 does not cross the upstream end but crosses (the corner A side), it is possible to prevent the intersection region from becoming hotter than the conventional configuration in which the high-temperature upstream ends cross each other. it can.
In addition, in the illustrated example, the downstream end of the third fuel gas passage 103 discharged at the lowest temperature from the inside of the cell surface intersects with the upstream end of the third oxidizing gas passage 203 (at the corner A Side), and the lower end of the third oxidizing gas channel 203 discharged at the lowest temperature from the cell surface crosses the downstream end of the first oxidizing gas channel 1 having a relatively high temperature (corner portion). D side), it is possible to prevent the intersection region from lowering in temperature as compared with the case where the downstream ends in the lowest low temperature state intersect each other as in the related art.
[0089]
According to this embodiment, the reaction gas flow paths are arranged such that the gases in the hottest state flowing into the cell plane do not intersect, and the gases in the coldest state flowing out of the cell plane do not intersect. Conventionally, it is necessary to prevent a decrease in cell voltage due to an increase in ionic conduction resistance due to abnormal drying of a solid polymer electrolyte membrane, which has conventionally occurred in a region where gases in the highest temperature state cross each other (highest temperature region). In addition to this, it is possible to avoid the occurrence of water clogging, which has occurred in the region where the gas in the lowest temperature state intersects (the lowest temperature region), and to suppress the occurrence of problems such as corrosion due to fuel shortage.
[0090]
In the three reaction gas flow paths, the first reaction gas flow path having a relatively high temperature, the second reaction gas flow path having a medium temperature, and the third reaction gas flow path having a low temperature are successively cooled. The passages of one hot gas flow path to the other low temperature reaction gas flow path, and one cold water reaction gas path to the other high temperature reaction gas flow path Are arranged so as to intersect with each other, the temperature distribution in the cell plane can be made uniform.
[0091]
Embodiment 8 FIG.
In the eighth embodiment, the upstream end side of the unused fuel gas flow path, the downstream end side of the reused oxidizing gas flow path due to the last return, and the upstream side of the unused oxidizing gas flow path in the cell plane. The reaction gas flow path is arranged such that the end side and the downstream end side of the reused fuel gas flow path due to the last return intersect. This will be described with reference to FIG. 21 which is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator.
[0092]
In FIG. 21, the arrangement of the separator and the fuel gas flow path is the same as that of FIG. 20 shown in the seventh embodiment, except that the oxidizing gas flow path is different.
In other words, in the illustrated example, the oxidizing gas flow path extends from the left side from the corner C side to the corner B side of the separator and the right and left sides from the corner D side to the corner A side. And three third oxidizing gas channels 1, 2, 103 are arranged in parallel from the corners C, D (lower side in the figure) to the corners C, A (upper side in the figure). I have.
The oxidizing gas is configured to flow through the first, second, and third fuel gas flow paths 3, 4, and 203, respectively. As described above, the flow of the oxidant gas can be achieved by appropriately changing the configuration of the plate of the oxidant-side return manifold provided at the end of the laminate.
[0093]
In FIG. 21, high-temperature unused oxidizing gas flows into the cell surface from the oxidizing gas supply hole 9 on the corner C side on the left side of the separator via the first oxidizing gas flow path 3, The first oxidant gas is discharged from the second oxidant gas supply hole 11 to the cell via the second oxidant gas flow path 203 as the oxidant gas to be reused. It flows into the surface, is collected in the oxidant-side return manifold through the second oxidant gas discharge hole 12, and is further passed through the third oxidant gas supply hole 80 via the third oxidant gas flow path 203. Through the third oxidizing gas discharge hole 81, and is collected outside from a fuel-side return manifold (not shown).
[0094]
By arranging the two reaction gas flow paths in this manner, the lowest end of the first fuel gas flow path 1, which flows in the highest temperature state in the cell plane, is also placed in the cell plane. Since the downstream end side of the third oxidizing gas channel 203 flowing out in the state intersects (the corner portion A side), the temperature of the intersection area can be set to an intermediate temperature state between the two gases.
On the other hand, the downstream end of the third fuel gas passage 103 discharged at the lowest temperature from the inside of the cell surface is connected to the upstream end of the first oxidizing gas passage 3 flowing at the highest temperature into the cell surface. Since they intersect (at the corner C side), the temperature of the intersection area can be similarly set to an intermediate temperature between the two gases.
[0095]
Therefore, according to this embodiment, the reaction gas flow path is set so that the gases in the highest temperature state flowing into the cell plane do not intersect, and the gases in the lowest temperature state flowing out of the cell plane do not intersect. In addition to the arrangement, the highest temperature region and the lowest temperature region of both reaction gases cross each other, so that when the high-temperature gas flows into the cell surface, the temperature can be efficiently lowered, The temperature in the cell surface can be made uniform without the electrolyte membrane being abnormally dried or the temperature being lowered to such a degree that water droplets are generated in the reaction gas flow path.
Therefore, unlike the related art, it is possible to prevent a decrease in cell voltage due to an increase in ionic conduction resistance, and to avoid the occurrence of water clogging, which has occurred in a region where gases in the lowest temperature state intersect with each other. The occurrence of problems such as corrosion due to lack can be suppressed.
[0096]
Embodiment 9 FIG.
In the ninth embodiment, the reactant gas flow path of the fuel gas or the oxidizing gas reused by the last return in the cell plane is placed between the reactant gas flow paths of the reused reactant gas or unreacted. The configuration is such that it is arranged between the reaction gas flow path of the reaction gas to be used and the reaction gas flow path of the reaction gas to be reused. This will be described with reference to FIGS. 22 and 23 which are plan views showing the positional relationship between the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path of the separator.
[0097]
In FIG. 22, in the illustrated example, the arrangement of the oxidizing gas channel is the same as that of FIG. 20 of the seventh embodiment, but the fuel gas channel is different.
That is, in the fuel gas flow path, a third fuel gas flow path 103 is provided between the first fuel gas flow path 1 and the second fuel gas flow path 2, and the fuel gas flows through the first, second, and third fuel gas flow paths. The third fuel gas flow paths 1, 2, and 103 are configured to flow sequentially.
[0098]
The high-temperature unused fuel gas flows into the cell surface through the first fuel gas flow path 1 from the fuel gas supply hole 5 on the corner A on the upper side of the separator, and flows into the cell on the corner D on the lower side. 1 The fuel gas is returned to the fuel-side return manifold through the fuel gas discharge hole 6, and is reused as a reused fuel gas from the second fuel gas supply hole 7 on the upper corner B side again to the second fuel agent reaction gas flow path. 2 through the second fuel gas discharge hole 8 at the corner C on the lower side, and is collected in the fuel-side return manifold, and further from the third fuel gas supply hole 78 at the center of the upper side. The fuel flows into the cell surface through the three fuel gas flow passages 103, and is collected from the fuel-side return manifold to the outside through the third fuel gas discharge hole 79 at the lower center.
[0099]
According to the example shown in FIG. 22, at the upstream end side of the first fuel gas flow path 1 which flows into the cell surface at the highest temperature, the first oxidation gas which similarly flows out of the cell surface at the high temperature state is provided. Although the downstream end side of the chemical gas flow path 3 intersects (the corner A side), since the first oxidizing gas flow path 3 intersects with the third fuel gas flow path 103 in a low temperature state before that ( In this example, the second oxidant gas flow path 2 also intersects with the second fuel gas flow path 2 in the intermediate temperature state before that. It intersects the upstream end side of one fuel gas flow path 1.
Therefore, compared to the case where the upstream end sides in the high temperature state intersect each other as in the related art, the increase in the temperature of the intersection region is eliminated.
On the other hand, the third fuel gas passage 103 in a low temperature state, which is relatively low compared to the first and second fuel gas passages 1 and 2, crosses the center of the cell in the cell plane where the temperature tends to be relatively high. As a result, the low-temperature fuel gas takes away heat, cools the central region in the cell plane, and can prevent the fuel cell from lowering its temperature.
[0100]
Therefore, according to the example of FIG. 22, the gas in the highest temperature state flowing into the cell plane does not cross, and the reaction gas flow path does not cross the gases in the lowest temperature state flowing out of the cell plane. In addition to the arrangement, the reaction gas flow path containing a large amount of generated water by repeating the reaction and finally passing through the cell surface at a low temperature, in this example, the third fuel gas flow passage 103 is connected to the cell surface. Since it is arranged so as to pass through the approximate center of the inside, it is possible to sufficiently humidify the entire cell, without abnormally drying the electrolyte membrane or lowering the temperature of the reaction gas flow path until water droplets are generated. In addition, a decrease in cell voltage due to an increase in ion conduction resistance can be prevented.
In addition, it is possible to avoid the occurrence of water clogging, which is generated in the region where the gases in the lowest temperature state intersect, and it is possible to suppress the occurrence of problems such as corrosion due to fuel shortage.
[0101]
Next, in the example shown in FIG. 23, the arrangement of the separator and the fuel gas flow path is the same as in FIG. 21, but the oxidizing gas flow path is different.
That is, in FIG. 23, the third oxidizing gas flow path 203 is provided between the first oxidizing gas flow path 3 and the second oxidizing gas flow path 4 in FIG. The gas is configured to sequentially flow through the first, second, and third oxidizing gas channels 3, 4, and 203.
[0102]
In the figure, high-temperature unused oxidizing gas flows into the cell surface from the oxidizing gas supply hole 9 on the corner B side on the left side of the separator via the first oxidizing gas flow path 3, Through the first oxidant gas discharge hole 10 on the corner A side, it is collected in the oxidant-side return manifold, and again as oxidant gas for reuse from the second fuel gas supply hole 11 on the left corner C side. The gas flows into the cell surface via the second fuel-agent reactant gas flow path 4, passes through the second oxidant gas discharge hole 12 on the right side of the corner D, and is collected in the oxidant-side return manifold. The gas flows into the cell surface from the central third oxidizing gas supply hole 80 via the third oxidizing gas flow path 203, passes through the third oxidizing gas exhaust hole 81 at the center on the right side, and from the oxidant-side return manifold to the outside. Collected to
[0103]
According to the example of FIG. 23, similarly to the example of FIG. 22, the upstream end of the first fuel gas flow path 1 which flows into the cell surface at the highest temperature is located in the high temperature state similarly from the cell surface. The downstream end side of the first oxidizing gas flow path 3 flowing out at the intersection intersects (at the corner A side), but the first oxidizing gas flow path 3 is preceded by the third oxidizing gas flow path 203 in a low temperature state. Then, since it intersects with the second fuel gas flow path 2 in the middle temperature state, the downstream end side of the first oxidizing gas flow path 3 is sufficiently cooled, and It will cross the upstream end.
Therefore, compared to the case where the upstream end sides in the high temperature state intersect each other as in the related art, the increase in the temperature of the intersection region is eliminated.
On the other hand, the third fuel gas channel 203 in a low temperature state, which is relatively low compared to the first and second oxidizing gas channels 3 and 4, is positioned at a relatively high temperature in the center of the cell surface. Since it is arranged so as to cross, the low-temperature oxidizing gas takes away heat, cools the central region in the cell surface, and can prevent the temperature of the cell itself from lowering.
[0104]
Therefore, according to the example of FIG. 23, similarly to the example of FIG. 22, the gases in the highest temperature state flowing into the cell plane do not intersect, and the gases in the lowest temperature state flowing out of the cell plane do not cross each other. Not only are the reaction gas flow paths arranged so as not to intersect, but the reaction gas flow path contains a large amount of generated water by repeating the reaction and finally passes through the cell surface at a low temperature. Since the oxidizing gas channel 203 is disposed so as to pass through substantially the center in the cell plane, the entire cell can be sufficiently humidified, the electrolyte membrane can be abnormally dried, and the reaction gas channel can be immersed in water droplets. It is possible to prevent a decrease in cell voltage due to an increase in ion conduction resistance without lowering the temperature until the occurrence, and to avoid the occurrence of water clogging that has occurred in a region where gases in the lowest temperature state intersect. Corrosion due to fuel shortage It is possible to suppress the occurrence of a malfunction.
[0105]
The four-cell stack having the respective configurations of Embodiments 7 and 9 shown in FIGS. 20, 21, 22, and 23 was subjected to an operation test, and was operated stably in a wide operating temperature range from 65 ° C. to 90 ° C. Confirmed that it can be maintained.
As a comparative example, when the fuel inlet and the oxidant inlet are arranged at the corner A and the fuel outlet and the oxidant outlet are arranged at the corner C, water clogging is observed and the cell voltage becomes unstable. The results indicated that the internal resistance was high and the cell voltage was low, suggesting that the solid polymer electrolyte membrane was dried at the entrance.
[0106]
Various configurations other than those shown in FIGS. 20, 21, 22, and 23 can be freely selected by using the manifold plate at the end of the stack. A fuel inlet, an oxidant inlet, and a fuel outlet are provided at the corners. When the arrangement is such that the and the oxidant outlet do not overlap, the operation and effect described in the above embodiment of the present invention can be obtained according to the configuration of the arrangement.
[0107]
Embodiment 10 FIG.
The tenth embodiment is different from the first to ninth embodiments in that there are four reaction gas flow paths in the cell plane for the fuel gas and the oxidizing gas, and therefore the supply holes and the discharge holes for the reaction gas are located on the edge side of the cell. 21 are different from each other in that they are arranged in four rows, but are configured in the same manner as in the eighth embodiment described with reference to FIG. This will be described with reference to FIG. 24 which is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator.
[0108]
In FIG. 24, an unused fuel gas flow path, that is, an upstream end side of the first fuel gas flow path 1 and a reused oxidizing gas flow path due to the last return in the cell plane, that is, a fourth oxidizing gas flow path in this example. In this example, an unused oxidizing gas flow path, that is, an upstream end side of the first oxidizing gas flow path 3 and a reused fuel gas flow path by the last return, ie, this example, In this example, the arrangement is such that the downstream end side of the fourth fuel gas flow path 104 intersects (corner C side).
In the figure, reference numeral 82 denotes a fourth fuel gas supply hole, 83 denotes a fourth fuel gas discharge hole, 84 denotes a fourth oxidant gas supply hole, and 85 denotes a fourth oxidant gas discharge hole.
[0109]
With such an arrangement, the upstream end of the first fuel gas flow path 1 that flows into the cell surface at the highest temperature at the highest temperature also has the fourth flow out at the lowest temperature from the cell surface. Since the downstream end side of the oxidizing gas channel 204 intersects (the corner A side), the temperature of the intersecting region can be set to an intermediate temperature between the two gases.
On the other hand, the downstream end of the fourth fuel gas passage 104 discharged at the lowest temperature from the inside of the cell surface is connected to the upstream end of the first oxidizing gas passage 3 flowing at the highest temperature into the cell surface. Since they intersect (at the corner C side), the temperature of the intersection area can be similarly set to an intermediate temperature between the two gases.
[0110]
Therefore, according to this embodiment, similarly to the operation and effect of the eighth embodiment, the gases in the hottest state flowing into the cell plane do not intersect, and the gas in the coldest state flowing out from the cell plane does not cross. Not only are the reaction gas flow paths arranged so that the gases do not intersect, but also the highest temperature area and the lowest temperature area of the gas flow paths for both gases are arranged so as to positively intersect with each other. The film is not abnormally dried and the temperature of the reaction gas channel is not lowered until water droplets are generated. In addition, it is possible to prevent a decrease in cell voltage due to an increase in ion conduction resistance, and to avoid the occurrence of water clogging, which has occurred in a region where gases at the lowest temperature intersect with each other, and to prevent corrosion such as fuel shortage. The occurrence of defects can be suppressed.
As can be seen from the first embodiment (FIG. 3), the eighth embodiment (FIG. 21) and the tenth embodiment (FIG. 24), the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are respectively formed in the cell plane. When arranging two or more tubes, the above-described effects can be exerted by arranging the reactant gas flow paths in the same manner as in these embodiments.
[0111]
Also in this embodiment, an operation test using a four-cell stack was performed as in the case of the seventh to ninth embodiments, and it was confirmed that an increase in ionic conduction resistance and water clogging were prevented.
[0112]
Embodiment 11 FIG.
In the eleventh embodiment, the embodiment in which the number of the reactant gas flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas is two or more in the first to tenth embodiments is shown. As shown, in the configuration of the tenth embodiment, two oxidizing gas channels are provided for four oxidizing gas channels. This will be described with reference to FIG. 25 which is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator.
[0113]
In FIG. 25, fuel gas flow paths are first, second, third, and fourth fuel gas flow paths 1, 2, 103, and 104, and fuel gas supply holes are first, second, third, and fourth fuel gas. While supply holes 5, 7, 78, 82 and fuel gas discharge holes are arranged in four rows with first, second, third, and fourth fuel gas discharge holes 6, 8, 79, 83, respectively. The oxidizing gas passages are the first oxidizing gas passage 3 and the second oxidizing gas passage 4, and the oxidizing gas supply holes 9 and 10 and the oxidizing gas discharge holes 10 and 12 are also two. They are arranged in columns.
[0114]
As can be seen from FIG. 25, the second oxidant gas flow similarly flowing out of the cell plane at the lowest temperature is located at the upstream end of the first fuel gas flow path 1 flowing at the highest temperature in the cell plane. Since the downstream end of the road 4 intersects at the corner A side, the temperature of the intersection area can be set to an intermediate temperature state between the two gases.
Further, the downstream end of the fourth fuel gas flow passage 104 discharged at the lowest temperature from the inside of the cell surface is connected to the upstream end of the first oxidizing gas flow passage 3 flowing at the highest temperature into the cell surface. Since the gas crosses at the corner C side, the temperature of the crossing region can be similarly set to an intermediate temperature between the two gases.
[0115]
Therefore, the same operation and effect as in the above-described embodiment can be exerted even when the arrangement is different in number.
Further, as shown in the tenth embodiment, by increasing the number of gas supply holes and the number of gas discharge holes on the fuel side than on the oxidant side, the flow rate on the fuel side having a low flow rate is increased, and the effect of preventing water clogging is enhanced. In addition, the pressure loss of the flow path on the oxidant side where the flow rate is large is reduced, so that there is an effect that the power for auxiliary equipment such as an air blower or an air compressor can be reduced. Therefore, it is desirable that the number of fuel gas supply holes and fuel gas discharge holes be larger than the number of oxidant gas supply holes and fuel gas discharge holes.
[0116]
Embodiment 12 FIG.
In the twelfth embodiment, a seal groove as a separator-side boundary seal portion described in the fourth to sixth embodiments is provided in the boundary region between the reaction gas flow paths of the separator, and one end side of the seal groove is provided on the separator. The other end of the sealing groove communicates with the cooling water supply hole provided in the laminating direction on the edge side and the cooling water discharge hole provided in the laminating direction on the edge side of the separator. In this configuration, the electrode substrate-side boundary seal portion described in Embodiments 3 to 6 is provided on the electrode substrate side so as to be in close contact with the substrate.
This will be described below with reference to FIGS. 26 and 27. FIG. 26 is a plan view of the fuel-side flow path of the separator, and FIG. 27 is a plan view of the oxidant-side flow path of the separator. In the drawing, reference numeral 86 denotes a cooling water passage, and 87 denotes a cooling water passage.
[0117]
26 and 27, the fuel gas flow paths 1, 2, 103, 104 (FIG. 26) and the oxidizing gas flow path 3, A plurality of reaction gas flow paths such as 4, 203, 204 (FIG. 27) are provided, and gas supply holes 5, 7, 78, 82 for fuel gas and gas discharge holes 6, 8, 79, 83 (FIG. 26). ), Gas supply holes 5, 7, 78, 82 for oxidizing gas and gas discharge holes 6, 8, 79, 83 (FIG. 27) are arranged in four rows so as to correspond to the four sides of the separator, respectively. ing.
No gas leaks from one reaction gas flow path to the other reaction gas flow path in the boundary region between adjacent reaction gas flow paths of the plurality of fuel gas flow paths and the oxidizing gas flow path thus arranged. As described above, the cooling water passage as the seal groove is provided. That is, three cooling water passages 86A (FIG. 26) are provided in the boundary region between the fuel gas flow passages, and three cooling water passages 86B (FIG. 27) are also provided in the boundary region between the oxidizing gas flow passages. . These cooling water passages 86A and 86B are the same seal grooves as the cooling water passages 77A and 77B described in the sixth embodiment.
[0118]
The contact portions of the electrode base materials corresponding to these cooling water flow paths 86A and 86B are provided with appropriate sealing means such as a liquid seal filled with silicone rubber, for example, the electrode base material-side boundary seal similarly described in the sixth embodiment. Members 51A and 51B (not shown) are provided. Thereby, the cooling water flowing through the cooling water passages 86A and 86B does not leak from the electrode base material side.
[0119]
In FIG. 26, on the fuel gas flow path side of the separator, the cooling water flowing through the cooling water flow path 86A disposed in the vertical direction is the cooling water supply hole 13 disposed on the right side of the upper side of the separator, that is, on the corner A side. From the cooling water drain holes 14 provided on the lower left side of the separator, that is, on the corner C side.
That is, in the drawing, the upper side, that is, the upstream side of each cooling water passage 86A passes between the fuel gas supply holes 5, 7, 78, 82 of the left and right fuel gas flow paths 1, 2, 103, 104, and the upper side of the separator. And extends between the fuel gas supply holes 5, 7, 78, 82 arranged along the upper side and the upper side edge of the separator so as to communicate with the cooling water supply hole 13. , And the lower side of each cooling water passage 86A, that is, the downstream side, is provided with the fuel gas discharge holes 6, 8, 79, 83 of the left and right fuel gas passages 1, 2, 103, 104. Between the fuel gas discharge holes 6, 8, 79, 83 arranged along the lower side and the lower peripheral edge of the separator so as to extend in communication with the cooling water discharge hole. The cooling water discharge water passage 871A is connected to the cooling water discharge water passage 871A.
[0120]
In FIG. 27, on the oxidant gas flow path side of the separator, the cooling water flowing in the cooling water flow path 86 </ b> B toward the left in the horizontal direction is supplied from the cooling water supply hole 13 provided on the corner B side of the separator. The separator is configured to be drained through a cooling water drain hole 14 provided on the corner D side of the separator.
That is, in the drawing, the right end side, that is, the upstream side, of each cooling water passage 86B extends to the edge of the right side of the separator, and the oxidizing gas supply holes 9, 11, 80, 84 arranged along the right side and the separator The cooling water supply passage 87B is provided so as to communicate with the cooling water supply hole 13 between the cooling water supply hole 13 and the right rim. The oxidizing gas extends between the oxidizing gas discharge holes 10, 12, 81, and 85 of the flow paths 3, 4, 203, and 204 to reach the edge of the left side of the separator, and is arranged along the lower side. A cooling water discharge water channel 871B is provided between the discharge holes 10, 12, 81, and 85 and the upper edge of the separator so as to extend in communication with the cooling water discharge hole.
[0121]
According to this embodiment, on the fuel gas flow paths 1, 2, 103, 104 side and the oxidizing gas flow paths 3, 4, 203, 204 side of the separator, the boundary region between the adjacent reaction gas flow paths is formed. By providing the cooling water passages 86A and 86B as seal grooves, gas leakage between adjacent reaction gas passages can be prevented.
The cooling water passages 87A, 871A, 87B, 871B are provided with gas supply holes (fuel gas supply holes 5, 7, 78, 82, oxidant gas supply holes 9, 11, 80, 84) and gas discharge holes (fuel gas supply holes). Since it extends so as to surround the discharge holes 6, 8, 79, 83 and the oxidizing gas discharge holes 10, 12, 81, 85), it may also serve as a gas seal around the gas supply holes and the gas discharge holes. There is also an effect that the seal structure can be easily configured.
[0122]
In addition, since the cooling water passages 87A and 87B are arranged so as to traverse the fuel gas passage side and the oxidizing gas passage side of the separator in the vertical and horizontal directions, respectively, the entire cell surface can be efficiently cooled.
Therefore, unlike the related art, the laminated body can be configured using only one kind of the separator described in this embodiment without separately preparing a separator with a cooling function provided with only the cooling water passage. Thus, conventionally, two separators were required for each cell, but the number of separators can be reduced to one, so that the cost can be significantly reduced and the volume density and the weight density can be doubled. Compactness can be realized.
[0123]
In the four-cell stack that was actually subjected to the operation test, it was possible to make it more compact than in the other embodiments, and it was possible to reduce the length of the power generation part including the separator by almost half. 26 and 27, the cooling water passages 86A and 86B may be provided on either the fuel gas passage side or the oxidizing gas passage side of the separator (not shown).
[0124]
In this embodiment, to finely divide the fuel gas flow path side and the oxidizing gas flow path side of the separator into a plurality of reaction gas flow paths means that the separated electrode substrate side corresponding to each of the divided reaction gas flow paths. This means that the effective area areas such as the fuel area effective area area and the oxidant gas area effective area area are also divided (hereinafter, the divided effective area area areas are referred to as divided effective area area areas). The electrode substrate-side boundary seal members 51A and 51B (Embodiment 6) are provided in the boundary region between the divided effective region areas adjacent to each other.
[0125]
The cooling water flow paths 86A and 87B are provided in the boundary area of each divided effective area area divided in this way, that is, in the boundary area between the reaction gas flow paths provided corresponding to each divided effective area area. The configuration is advantageous in that it can be appropriately increased or decreased with respect to a given effective area when applied to an electrode substrate and a separator having a large area.
For example, the effective area is 400 to 500 cm ² In the case of a polymer electrolyte fuel cell for automobiles, the area is more than 4 divisions and the effective area is 100 cm ² In the case of a solid polymer fuel cell for domestic cogeneration, it is divided into two and the effective area is 200 cm. ² In the case of the portable polymer electrolyte fuel cell described above, three divisions are preferable. This embodiment and the present invention can be applied to all these uses.
[0126]
Embodiment 13 FIG.
In the thirteenth embodiment, the oxidizing gas channel of the separator is configured as a serpentine channel (bellows channel) in any of the first to twelfth embodiments. This will be described with reference to FIG.
FIG. 28 is a plan view of the oxidizing gas channel side of the twelfth embodiment, in which the first to fourth oxidizing gas channels 3, 4, 203, and 204 are serpentine channels. The other structures are the same as those in FIGS. 26 and 27 of the twelfth embodiment.
[0127]
According to this embodiment, the flow rate of the oxidizing gas can be increased by providing the serpentine flow path in the oxidizing region effective area as the oxidizing gas flow path, so that the water is blocked in the reaction gas flow path. The prevention effect can be further enhanced. On the oxidizing agent side, the diffusivity can be improved by increasing the flow velocity in the flow path facing the electrode base material, whereby the cell voltage can be improved.
Although FIG. 28 shows a serpentine flow path composed of one groove, a serpentine flow path composed of a plurality of grooves may be used.
[0128]
An operation test of a four-cell stack was performed with the configuration of this embodiment, and a cell voltage higher by about 10 mV than that of the eighth embodiment was obtained.
[0129]
In this embodiment, in particular, the oxidizing gas flow path is a bellows-shaped flow path. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applicable to both or one of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path. A serpentine flow path in which a flow path is a straight groove or a plurality of bellows-shaped grooves formed in parallel with each other by folding back at least once from one side of the separator to an opposite side and finally reaching the opposite side. It can also be configured as
[0130]
In the first to thirteenth embodiments, as an example of the fuel cell of the present invention, only the case of the polymer electrolyte fuel cell has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto. Operate phosphoric acid fuel cell, alkaline fuel cell, methanol direct fuel cell, dimethyl ether direct fuel cell, etc., a part of the generated water is discharged into the reaction gas flow path as droplets, and the ionic conduction of the electrolyte depends on the humidity. The present invention can be applied to all fuel cells having variable characteristics.
[0131]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the cell plane, the upstream end side of the unused fuel gas flow path and the upstream end side of the unused oxidizing gas flow path, and the downstream end side of the reused fuel gas flow path by the last return And the downstream end of the reused oxidant gas flow path are arranged so that the reactant gas flow path does not intersect, so the solid polymer near the inlet that is likely to occur when the fuel gas inlet and the oxidant gas inlet overlap It is possible to prevent drying of the electrolyte membrane and a decrease in the cell voltage due to the drying, and also to prevent water clogging of the reaction gas flow passage which is likely to occur when the oxidizing gas outlet and the fuel gas outlet overlap.
[0132]
Further, according to the present invention, the reactant gas flow path of the fuel gas or the oxidizing gas reused by the last return in the cell plane is located between the reactant gas flow paths of the reused reactant gas, or The structure is arranged between the reaction gas flow path for unused gas and the reaction gas flow path for reused gas. Can be sufficiently humidified, so that a high cell voltage can be maintained.
Further, with this configuration, the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return does not intersect with the downstream end side of the reused oxidizing gas flow path. Can eliminate the instability of the cell voltage.
[0133]
Further, according to the present invention, in the cell plane, the upstream end side of the unused fuel gas flow path and the downstream end side of the reused oxidizing gas flow path by the last return, and the unused oxidizing gas flow path Since the reaction gas flow path is arranged so as to cross the upstream end side and the downstream end side of the reused fuel gas flow path due to the last return, extremely high and low temperature regions in the cell plane, which had conventionally occurred, are generated. The operation temperature of the cell can be kept more uniform, so that when the fuel gas inlet and the oxidizing gas inlet overlap each other, drying of the solid polymer electrolyte membrane near the inlet and the cell The voltage can be prevented from lowering, and at the same time, it is possible to prevent the reaction gas flow path from being clogged with water when the oxidizing gas outlet and the fuel gas outlet overlap.
[0134]
Further, according to the present invention, by forming the oxidizing gas flow path with a serpentine flow path, there is an effect that the flow rate of the oxidizing gas having a relatively high moisture content can be increased to prevent water clogging.
[0135]
Further, according to the present invention, the gas leakage between the fuel gas flow passages and the oxidant gas flow passage is provided on the electrode substrate side in contact with the boundary region between the fuel gas flow passages and the oxidizing gas flow passage provided in the separator. Since the electrode substrate-side boundary gas seal portion for preventing the air leakage is provided, at least gas leakage on the electrode substrate side, that is, adjacent divided effective area portions on the fuel region side or adjacent divided effective area portions on the oxidant side. It is possible to prevent gas leaks between each other, and it is possible to prevent the gas leakage from increasing the utilization rate of the reaction gas and causing the gas to run out.
[0136]
Further, according to the present invention, the boundary gas seal portion (separator side) is formed in the boundary region between the reaction gas flow paths of the separator abutting on the boundary gas seal portion (electrode substrate side boundary gas seal portion) on the electrode substrate side. Since the reinforced seal portion is provided, gas leak between the reaction gas flow paths on the electrode substrate side and the separator side can be more effectively prevented.
[0137]
Further, according to the present invention, since the separator-side boundary seal portion has a configuration in which the hydrophilic porous member holding the cooling water is embedded in the seal groove to which the cooling water is supplied, gas leakage at the boundary gas seal portion is reduced. It can be more reliably prevented by the wet seal.
[0138]
Further, according to the present invention, since the separator-side boundary seal portion provided with the seal groove is in close contact with the electrode substrate-side boundary seal portion like a lid, and cooling water is passed through the seal groove, it is generated in the cell. Heat can be effectively removed and the operating temperature of the cell can be kept more uniform.
[0139]
Further, according to the present invention, one or both of the fuel-side and oxidizer-side return manifolds, the flow path of the reactant gas returning, dehydrates the dry reactant gas, and removes the reactant gas containing excessive moisture. Is provided with a hydrophilic porous substrate that absorbs moisture so as to be in contact with the reaction gas, so that water is easily transported from the reaction gas discharge hole to the reaction gas supply hole, and the evaporation surface area of water is increased. Adjustment ability can be increased. Furthermore, the hydrophilic porous body in the gas intermediate manifold functions as a water buffer, and can reduce the dry and wet state of the reaction gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a fuel gas passage provided on one side of a separator according to the first embodiment.
FIG. 2 is a plan view showing an oxidizing gas channel provided on the other side of the separator according to the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing a positional relationship between a fuel gas passage and an oxidizing gas passage provided on the front and back of the separator according to the first embodiment.
FIG. 4 is a plan view of a fuel-side manifold plate according to a second embodiment.
FIG. 5 is a plan view of an oxidant-side manifold plate according to a second embodiment.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a fuel-side manifold plate according to a second embodiment.
FIG. 7 is a plan view of a stack showing a flow of a fuel gas according to a second embodiment.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a flow of a fuel gas in a manifold plate according to the second embodiment.
FIG. 9 is a plan view of an electrode-membrane assembly (MEA) according to a third embodiment on the oxidant electrode side.
FIG. 10 is a plan view of a fuel electrode side of an electrode / membrane assembly (MEA) according to a third embodiment.
FIG. 11 is an enlarged partial cross-sectional view of an electrode / membrane assembly (MEA) according to a third embodiment in which separators are adhered to both sides.
FIG. 12 is a plan view of a separator according to a fourth embodiment on the side of a fuel gas flow path.
FIG. 13 is a plan view of the separator according to the fourth embodiment on the oxidant gas flow path side.
FIG. 14 is a plan view of the separator according to the fifth embodiment on the side of the fuel gas flow path.
FIG. 15 is a plan view of another separator according to the fifth embodiment on the side of a fuel gas flow path.
FIG. 16 is a plan view showing a cooling water flow path on the back surface of the separator shown in FIG.
FIG. 17 is a plan view showing the back surface of the separator shown in FIG.
FIG. 18 is a plan view of the separator according to the sixth embodiment on the side of the fuel gas flow path.
FIG. 19 is a plan view of the separator according to the sixth embodiment on the oxidant gas flow path side.
FIG. 20 is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator according to the seventh embodiment.
FIG. 21 is a plan view showing a positional relationship between a fuel-side flow path and an oxidant-side flow path of a separator according to the eighth embodiment.
FIG. 22 is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator according to the ninth embodiment.
FIG. 23 is a plan view showing a positional relationship between a fuel-side flow path and an oxidant-side flow path of another separator according to the ninth embodiment.
FIG. 24 is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator according to the tenth embodiment.
FIG. 25 is a plan view showing the positional relationship between the fuel-side flow path and the oxidant-side flow path of the separator according to the eleventh embodiment.
FIG. 26 is a plan view of a fuel channel of a separator according to a twelfth embodiment.
FIG. 27 is a plan view of an oxidant-side channel of the separator according to the twelfth embodiment.
FIG. 28 is a plan view of the separator according to the thirteenth embodiment on the oxidant gas flow path side.
FIG. 29 is a plan view of a separator in a conventional polymer electrolyte fuel cell on a fuel gas flow path side.
FIG. 30 is a plan view of a separator in a conventional polymer electrolyte fuel cell on the side of an oxidant gas flow path.
FIG. 31 is a plan view showing the positional relationship between the flow of a fuel gas and the flow of an oxidizing gas in a cell plane in a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 32 is a plan view of a cooling water channel of a separator in a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 33 is a plan view showing a positional relationship between a fuel-side flow path and an oxidant-side flow path of a separator in a conventional polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 first fuel gas flow path (unused fuel gas flow path), 2 second fuel gas flow path (reused fuel gas flow path), 3 first oxidizing gas flow path (unused oxidizing gas flow path), 4 second oxidizing gas passage (reused oxidizing gas passage), 5 first fuel gas supply hole, 6 first fuel gas discharge hole, 7 second fuel gas supply hole, 8 second fuel gas discharge hole, 9 first oxidant gas supply hole, 10 first oxidant gas discharge hole, 11 second oxidant gas supply hole, 12 second oxidant gas discharge hole, 13 cooling water supply hole, 14 cooling water discharge hole, 21 hydrophilicity Porous substrate (porous plate), 24 laminate, 25 fuel-side return manifold, 26 oxidizer-side return manifold, 50 electrolyte membrane, 51A, 51B Electrode substrate-side boundary seal part (electrode substrate), 52 first oxidation Area effective area (electrode substrate), 53 second area oxidant area effective area , 55 fuel electrode side (electrolyte membrane), 56 first fuel area effective area (electrode substrate), 57 second fuel area effective area (electrode substrate), 64 separator (cooling plate), 65 groove (fuel gas) Flow path), 66 fuel electrode catalyst layer, 67 electrolyte membrane, 69 grooves (oxidant gas flow path), 70 oxidant electrode catalyst layer, 71 cooling water channel, 72A separator-side boundary seal portion (seal groove / hydrophilic porous member) ), 72B separator-side boundary seal portion (seal groove / hydrophilic porous member), 73, 73B water guide hole, 103 third fuel gas flow path (reuse fuel gas flow path), 104 fourth fuel gas flow path (re-use) Used fuel gas flow path), 203 second oxidizing gas flow path (reused oxidizing gas flow path), 204 second oxidizing gas flow path (reused oxidizing gas flow path).

Claims

A plurality of reactant gas flow paths of fuel gas and oxidant gas are arranged crossing each other in the cell plane, and each used reactant gas is returned between the cell stages once, in the cell plane, In each of the fuel cells flowing the unused reactant gas and the returned reactant gas,
In the cell plane, the upstream end of the unused fuel gas flow path and the upstream end of the unused oxidant gas flow path, and the downstream end of the reused fuel gas flow path due to the last return and the reused oxidant A fuel cell, wherein a reaction gas flow path is arranged so that a downstream end side of the gas flow path does not intersect.

The reactant gas flow path of the fuel gas or the oxidant gas reused by the last return in the cell plane may be between the reactant gas flow paths of the reused reactant gas or the reactant gas flow of the unused gas. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is disposed between the passage and a reactant gas passage of a reuse gas.

A plurality of reactant gas flow paths of fuel gas and oxidant gas are arranged crossing each other in the cell plane, and each used reactant gas is returned between the cell stages once, in the cell plane, In each of the fuel cells flowing the unused reactant gas and the returned reactant gas,
In the cell surface, the upstream end side of the unused fuel gas flow path and the downstream end side of the reused oxidizing gas flow path due to the last return, and the upstream end side of the unused oxidizing gas flow path and the last return. A fuel cell, characterized in that the reaction gas flow path is arranged so that the downstream end side of the reused fuel gas flow path intersects with the reaction gas flow path.

Both or one of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path or one of the reaction gas flow paths arranged so that the fuel gas and the oxidizing gas flow in the cell surface cross each other from one side of the cell surface. A plurality of linear grooves formed in parallel toward the side, or a plurality of parallel grooves formed by folding back at least once from the one side to the opposing side and finally reaching the opposing side. 4. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is a bellows-shaped groove.

Reactant gas flowing through a plurality of reactant gas passages formed in a separator contacting an electrode substrate on which a fuel electrode or an oxidant electrode is formed leaks into an adjacent reactant gas passage through the inside of the electrode substrate. The electrode substrate-side boundary seal portion is provided on a surface portion of the electrode substrate that abuts on a boundary region between the reaction gas flow paths of the separator. A fuel cell according to claim 1.

A separator-side boundary seal portion that is in close contact with the electrode substrate-side boundary seal portion is provided in a boundary region between the reaction gas flow paths of the separator with which the electrode substrate-side boundary seal portion of the electrode base contacts. The fuel cell according to claim 5.

The separator-side boundary seal portion communicates the seal groove provided on the surface of the separator, the hydrophilic porous member embedded in the seal groove, and the cooling water channel provided on the back surface of the separator. 7. The fuel cell according to claim 6, further comprising a water guide hole provided through the separator, and wherein the hydrophilic porous member contains cooling water.

In the boundary region between the reactant gas flow paths of the separator with which the electrode substrate side boundary seal portion abuts, a seal groove is provided in which the electrode substrate side boundary seal portion is in close contact like a lid, and one end side of the seal groove is provided. 6. The cooling water supply hole provided on the edge side of the separator in the laminating direction, and the other end of the seal groove communicates with the cooling water discharge hole provided on the edge side of the separator in the laminating direction. A fuel cell according to claim 1.

An electrode / membrane assembly in which an oxidizer electrode is integrally joined to one side of an electrolyte membrane and a fuel electrode is joined to the other side, and separators are alternately stacked in a horizontal direction, and a reactant gas flow path for fuel gas in the cell plane A laminate arranged in the direction of gravity,
A fuel-side return manifold provided at one end of the laminate,
In a fuel cell including an oxidant-side return manifold provided at the other end of the stack,
One or both of the fuel-side and oxidizer-side return manifolds, the flow path of the reactant gas returning, the dry reactant gas deprives moisture, and absorbs moisture from the reactant gas containing excess moisture. The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the porous substrate is provided so as to be in contact with the reaction gas.