CN105027343B - 燃料电池、燃料电池的配流装置及具备燃料电池的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池，其具有在电极层的宽度方向宽的低长宽比构造，能够将燃料电池所需要的各种流体向宽度方向及层叠方向均等地供给或排出。还提供一种可适当应用于这样的燃料电池的配流装置及具备燃料电池的车辆。燃料电池(1)针对每种流体具有两个以上的流体供给用的内部歧管(22a、23a、24a)和流体排出用的内部歧管(22b、23b、24b)。外部歧管针对每种流体具有与流体供给用的内部歧管连接的流体供给用的外部歧管(42a、43a、44a)、和与流体排出用的内部歧管连接的流体排出用的外部歧管(42b、43b、44b)。流体供给用及流体排出用的外部歧管分别向单元层叠体(20)的宽度方向延伸并配置为大致平行。

Description

燃料电池、燃料电池的配流装置及具备燃料电池的车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池、燃料电池的配流装置、及具备燃料电池的车辆。更详细而言，涉及小型高输出的燃料电池、其配流装置、及具备燃料电池的车辆。

背景技术

燃料电池是通过使氢或甲醇等燃料进行电化学氧化而取出电能的一种发电装置，近年来，作为绿色能源供给源，备受注目。燃料电池通过要使用的电解质的种类，分类为磷酸形、熔融碳酸盐形、固体氧化物形及固体高分子电解质形等。

其中，固体高分子形燃料电池(PEFC)具备在电解质膜的两面配置有电极的膜电极接合体(MEA)。而且，通过向膜电极接合体的一面供给氢(燃料气体)，向另一面供给氧(氧化气体)来进行发电。这种PEFC因为可得到与内燃机同等的容积输出密度，所以作为电动汽车等的电源，正在进行实际应用的研究(例如，参照专利文献1及2)。

在此，作为膜电极接合体的封装方法，提案有堆栈式、捆扎式、中空纤维式等各种各样的型式。其中，广泛使用通过边用片状的隔板将片状的膜电极接合体隔离边进行堆叠而构成的堆栈式燃料电池。

燃料电池的输出与膜面积成正比，不与燃料电池容积成正比。因此，在堆栈式燃料电池中，为了实现小型高输出化，有效的方法是降低单元间距。但是，当只是单纯地降低单元间距时，空气、氢、冷却水等流体通过单元内面时的压力损失就会过大。过大的压力损失成为与降低辅机动力的请求相违背的结果，并不被优选。

因此，本发明人员等提出了具有低长宽比构造的燃料电池(参照专利文献3)，该低长宽比是指与大致矩形的燃料电池单元的流路方向的长度相比，与流路方向正交的宽度方向的长度较长。

向燃料电池供给的流体经过空气压缩机、喷射器、鼓风机、泵等各种流体机械，再进一步经由配管而供给。例如，在汽车用途的燃料电池中，各流体经由直径50mm左右的配管而供给。因此，在宽度方向的长度比这样的配管的大小(直径)显著宽时，难以将流体遍及宽度方向的整体而均等地供给。因而，在具有低长宽比构造的燃料电池中，需要设置用于使流体流动的宽度从配管的大小(直径)扩大到低长宽比构造燃料电池的宽度方向的大小的配流机构。但是，由多个配管的组合构成的现有的配流机构既大又笨重，其结果是，具有阻碍燃料电池整体的小型化之类的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2005－190946号公报

专利文献2：(日本)特开2007－287659号公报

专利文献3：(日本)国际公开第2011/059087号

发明内容

于是，本发明的目的在于，提供一种具有电极层的宽度方向宽的低长宽比构造的燃料电池，其能够将燃料电池所需要的各种流体向宽度方向及层叠方向均等地供给或排出，还提供一种可适当应用于那种燃料电池的配流装置、及具备燃料电池的车辆。

本发明者等为了解决上述课题，进行了锐意研究，发现通过设置具备内部歧管和外部歧管的配流机构，能够解决所述课题，直至完成本发明。该内部歧管设置在具有特定构造的单元层叠体的内部，该外部歧管设置在单元层叠体的外部。

即，实现上述目的的本发明的燃料电池具有：单元层叠体，其将在大致矩形的电解质膜的两面具备阳极及阴极的大致矩形的电极层的膜电极接合体和大致矩形的隔板层叠而形成，在内部具备阳极流路、阴极流路及冷却流体流路；外部歧管，其设置于所述单元层叠体的外部，对所述单元层叠体供给或排出阳极气体、阴极气体及冷却流体的各流体。在所述单元层叠体中，至少所述阳极流路及阴极流路由多个线状肋构成，沿着所述阳极流路或所述阴极流路的方向的所述电极层的长度(L)和相对于所述阳极流路或所述阴极流路的方向正交的宽度方向的所述电极层的宽度(W)之比即长宽比R(L/W)不足1，且分别设有两个以上的所述阳极流路及所述阴极流路的两端的流路开口部，层叠所述流路开口部，对阳极气体、阴极气体分别构成有两个以上的流体供给用的内部歧管和流体排出用的内部歧管。

阳极气体用的所述外部歧管及阴极气体用的所述外部歧管具有：经由供给侧连通部与所述流体供给用的内部歧管连接的流体供给用的外部歧管、经由排出侧连通部与所述流体排出用的内部歧管连接的流体排出用的外部歧管，所述流体供给用的外部歧管及所述流体排出用的外部歧管分别向所述单元层叠体的宽度方向延伸，并配置为大致平行。

关于阳极气体及阴极气体中的至少一种流体，所述供给侧连通部及所述排出侧连通部具有：与所述内部歧管连接的第一辅助歧管；具备分别相对于所述外部歧管的中心线及所述第一辅助歧管的中心线交叉的中心线且与所述外部歧管连接的第二辅助歧管。

在这种情况下，关于阳极气体及阴极气体中的至少一种流体，在所述流体供给用的外部歧管的端部开口的供给口、及在所述流体排出用的外部歧管的端部开口的排出口位于所述单元层叠体的层叠方向的一端部侧，且向同一方向开口。

在这种情况下，另外，各流体的所述供给侧连通部及所述排出侧连通部中的至少一个也可至少具备：与所述内部歧管连接的第一辅助歧管、具备分别相对于所述外部歧管的中心线及所述第一辅助歧管的中心线交叉的中心线且与所述外部歧管连接的第二辅助歧管。

另外，本发明的燃料电池具有：单元层叠体，其将在大致矩形的电解质膜的两面具备阳极及阴极的大致矩形的电极层的膜电极接合体和大致矩形的隔板层叠而形成，在内部具备阳极流路、阴极流路及冷却流体流路；外部歧管，其设置于所述单元层叠体的外部，对所述单元层叠体供给或排出各流体。在所述单元层叠体中，至少所述阳极流路及阴极流路由多个线状肋构成，沿着所述流路的方向的所述电极层的长度(L)和相对于所述流路的方向正交的宽度方向的所述电极层的宽度(W)之比即长宽比R(L/W)不足1。而且，设有两个以上的所述阳极流路的两端的流路开口部中的至少一方，一端侧形成为供给流路，另一端侧形成为排出流路，设有两个以上的所述阴极流路的两端的流路开口部中的至少一方，一端侧形成为供给流路，另一端侧形成为排出流路。层叠所述阳极流路的所述流路开口部，构成流体供给用的内部歧管和流体排出用的内部歧管，层叠所述阴极流路的所述流路开口部，构成流体供给用的内部歧管和流体排出用的内部歧管。而且，与所述内部歧管连接的所述外部歧管向与所述内部歧管交叉的方向延伸。

在这种情况下，与所述流体供给用的内部歧管连接的流体供给用的外部歧管、及与所述流体排出用的内部歧管连接的流体排出用的外部歧管分别向所述单元层叠体的宽度方向延伸而配置。

实现上述目的的本发明的燃料电池的配流装置用于上述的燃料电池，对阳极、阴极、及冷却流体中的至少两种流体进行配流，具有块体，该块体对于第一和第二的各流体形成有流体供给用的所述外部歧管、及流体排出用的所述外部歧管，并构成端板。

在此，在所述块体中，在所述块体中，当将配置所述单元层叠体的一侧的面设为一面时，从所述块体的一面侧观察，在接近所述一面的一侧流动的第一流体用的所述外部歧管和在远离所述一面的一侧流动的第二流体用的所述外部歧管以一部分重叠的方式配置。而且，从所述块体的一面侧观察，所述第二流体用的所述外部歧管包括未与所述第一流体用的所述外部歧管重叠的延长部位。而且，通过从所述一面侧起形成仅与所述第一流体用的所述外部歧管连通的第一孔部，从而形成所述第一流体用的连通部。通过从所述一面侧起在所述延长部位形成仅与所述第二流体用的所述外部歧管连通的第二孔部，从而形成所述第二流体用的连通部。

实现上述目的的本发明的车辆具备上述的燃料电池。

附图说明

图1是表示第一实施方式的燃料电池的立体图；

图2是表示单元层叠体的立体图；

图3表示的是构成单元层叠体的单电池，图3(A)是隔板的平面图，图3(B)是安装有密封材料时的膜电极接合体的平面图，图3(C)是在膜电极接合体的两侧配置有隔板的图；

图4是膜电极接合体的分解图；

图5(A)是表示膜电极接合体的平面图，图5(B)是表示安装有密封材料时的膜电极接合体的平面图，图5(C)是放大表示形成于内部歧管用的流路开口部和催化剂层之间的扩宽部的主要部分的平面图；

图6(A)是表示形成有气体流路的隔板的立体图，图6(B)是放大表示气体流路的立体图；

图7(A)是表示高长宽比的隔板的图，图7(B)是表示低长宽比的隔板的图，图7(C)是表示低长宽比且低流路高度的隔板的图；

图8是表示组装有配流装置的端板的平面图；

图9(A)是用剖面来表示组装有配流装置的端板的主要部分的立体图，图9(B)是表示设有外部歧管的端板的剖面图；

图10是以流体供给侧为例用于对具有连接外部歧管和内部歧管的连通部的第一和第二辅助歧管进行说明的说明图；

图11(A)(B)(C)是表示在构成端板的块体上针对每种流体形成有供给侧连通部的第一和第二辅助歧管、及排出侧连通部的第一和第二辅助歧管的情形的剖面图；

图12(A)(B)是表示搭载有燃料电池的车辆的例子的图；

图13(A)是示意性地表示单元层叠体及外部歧管的布局的例子的图；

图13(B)是示意性地表示单元层叠体及外部歧管的布局的例子的图；

图13(C)是示意性地表示单元层叠体及外部歧管的布局的例子的图；

图14(A)(B)是表示第二实施方式的燃料电池的立体图、及正面图；

图15(A)是用剖面来表示组装有第二实施方式的配流装置的下侧端板的主要部分的立体图，图15(B)是表示设有外部歧管的下侧端板的剖面图；

图16(A)(B)是表示在构成下侧端板的块体上针对每种流体形成有供给侧连通部的第一和第二辅助歧管、及排出侧连通部的第一和第二辅助歧管的情形的剖面图。

符号说明

1 燃料电池

2 隔板

3 膜电极接合体

4 单电池

5(5a、5b) 气体扩散层

6(6a、6b) 催化剂层

7 电解质膜

9 燃料气体流路开口部(流路开口部)

10 冷却水流路开口部(流路开口部)

11 氧化气体流路开口部(流路开口部)

18 车辆

20 单元层叠体

21 内部歧管

22 燃料气体用的内部歧管

23 冷却水用的内部歧管

24 氧化气体用的内部歧管

22a、23a、24a 流体供给用的内部歧管

22b、23b、24b 流体排出用的内部歧管

31 端板

32 端板

33 挡板

34 燃料气体用的连接口

35冷却水用的连接口

36 氧化气体用的连接口

41 外部歧管

42 燃料气体用的外部歧管

43冷却水用的外部歧管

44 氧化气体用的外部歧管

42a、43a、44a 流体供给用的外部歧管

42b、43b、44b 流体排出用的外部歧管

50 连通部

50a 供给侧连通部

50b 排出侧连通部

51(51a、51b) 第一辅助歧管

52(52a、52b) 第二辅助歧管

60 块体

62 块体的一面

63、64 延长部位

80燃料电池

81 上侧端板

82 下侧端板

83挡板

90 块体

92 块体的一面

93 延长部位

100、101 配流装置

L 电极层的长度

W 电极层的宽度

具体实施方式

下面，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明，但本发明的技术范围是基于请求的范围而定的，不局限于如下的方式。此外，在附图的说明中，在同一元件上附带同一符号，省略重复的说明。另外，附图的尺寸比例为了方便说明进行了夸张，有时与实际的比率不同。

(第一实施方式)

如图1～图3所示，第一实施方式的燃料电池1是堆栈式燃料电池，具有层叠有多个燃料电池的一个单位即单电池4的单元层叠体20，该燃料电池的一个单位即单电池4层叠有一组片状隔板2和片状膜电极接合体3。单电池4的层叠数没有特别限定，不管是仅具有单一单电池4的电池，还是层叠有多个单电池4的电池，都包含在本发明的燃料电池中。单元层叠体20在单电池层叠方向的两端配置有集电板(未图示)。集电板具备将在单元层叠体20中产生的电动势引出的输出端子。单元层叠体20的两端由配置于集电板的外侧的一对端板31、32夹持。由此，构成燃料电池组。单元层叠体20优选在外部下方连接有配流装置100。

如图1、图8～图11所示，在配流装置100上设有对单元层叠体20供给或排出燃料电池1所需要的各种流体的外部歧管42、43、44。在第一实施方式中，在端板31、32中的一端板32的内部，设有所有流体的外部歧管42、43、44。此外，也将外部歧管42、43、44统称为“外部歧管41”。下面，对第一实施方式的燃料电池1进行详细描述。

[膜电极接合体]

如图4所示，膜电极接合体3为从进深向跟前依次由气体扩散层5a－催化剂层6a－电解质膜7－催化剂层6b－气体扩散层5b这五层构成的接合体。膜电极接合体3在俯视时呈大致矩形状。膜电极接合体3通过与相同的大致矩形状的隔板2组合，供给或排出氧(氧化气体)及氢(燃料气体)，由此，具有构成燃料电池的功能。

在膜电极接合体3中，将具备氢侧的催化剂层6a的面称为阳极，将具备氧侧的催化剂层6b的面称为阴极。膜电极接合体3往往称为MEA(membrane electrode assembly)，气体扩散层5往往称为GDL(gas diffusion lyaer)。

另外，往往将催化剂层6a－电解质膜7－催化剂层6b这三层称为CCM(catalystcoated membrane)，且将催化剂层6(有时将6a、6b统称为6)－气体扩散层5(有时将5a、5b统称为5)这两层称为气体扩散电极或GDE(gas diffusion electrode)。另外，往往将由催化剂层6及气体扩散层5构成的层称为电极层，且将气体扩散电极简称为电极。

此外，上述膜电极接合体3及隔板2也可以不是完全的矩形状，如果能够特定后述的流路长L及流路宽W，则也可以为大致矩形状。即，两者既可以将矩形的角部倒角，也可以进一步为椭圆形状。

[气体扩散层]

气体扩散层5a、5b具有将向燃料电池供给的燃料气体及氧化气体供给到催化剂层6a、6b的功能、及在催化剂层6a、6b和隔板2之间交换电子的功能。气体扩散层5a、5b在无损本发明的目的的范围内，也可以在表层或内部或其双方进一步含有其他部件(层)。例如，也可以在气体扩散层5a、5b的催化剂层6a、6b侧设有含有碳粒子的碳粒子层。

气体扩散层5a、5b优选为由具有导电性的材料构成的多孔质体，更优选为包含纸、无纺布、机织布、针织布或网在内的纤维材料。作为具有导电性的材料，例如可举出碳材料或金属材料。

在气体扩散层5由纤维材料构成的情况下，表面的平均纤维间距离的半值r优选为100μm以下，更优选为50μm以下，进一步优选为20μm以下，更进一步优选为15μm以下，特别优选为10μm以下，最优选为5μm以下。这里定义的平均纤维间距离的半值r指的是平均纤维间距离的一半的距离。即，在气体扩散层由纵线和横线形成的平织的纤维材料构成的情况下，指的是相邻的两根纵线或横线之间的距离的一半。

此外，在图4中，上述气体扩散层5a、5b及催化剂层6a、6b成为分体的层。但是，气体扩散层和催化剂层也可以一体化成为单一的层。

[长宽比]

如上所述，燃料电池1具有将在大致矩形的电解质膜7的两面具备阳极及阴极的大致矩形的电极层(催化剂层6及气体扩散层5)的膜电极接合体3和大致矩形的隔板2层叠而形成的单元层叠体20。

在单元层叠体20的内部具备阳极流路、阴极流路、及冷却流体流路。这三个流路中的、至少阳极流路及阴极流路由多个线状肋构成。各流路形成于对向的两个边之间，具有从其一边导入燃料气体(阳极气体)、氧化气体(阴极气体)、及冷却流体等，从另一边排出的构造。

在本实施方式的燃料电池中，沿着流路的方向的电极层的长度(L)和相对于流路的方向而正交的宽度方向的电极层的宽度(W)之比即长宽比R(L/W)不足1。

具体而言，在呈大致矩形的膜电极接合体3的电极层中，如图5(B)所示，在设氧化气体流动的方向(箭头M1所示的方向)为短边、相对于氧化气体流动的方向而正交的方向(箭头M2所示的方向)为长边时，长宽比R用R＝短边/长边＝L/W来定义。严格地说，膜电极接合体3的长宽比R为设置于引起发电的有源区的催化剂层6a、6b的长度(L)相对于宽度(W)之比(L/W)。此外，在该实施方式中，因为膜电极接合体3的概念是包含催化剂层6a、6b在内，所以为了方便起见，以下表达为膜电极接合体3的长宽比R。

此外，在上述中，设氧化气体流动的方向为短边、相对于氧化气体流动的方向而正交的方向为长边，将膜电极接合体3的长宽比R定义为R＝短边/长边＝L/W。但是，也可以设阳极侧的燃料气体流动的方向或冷却层的冷却流体流动的方向为短边、相对于燃料气体流动的方向而正交的方向或相对于冷却层的冷却流体流动的方向而正交的方向为长边，来定义膜电极接合体3的长宽比R。

膜电极接合体3的长宽比R为0.01以上且不足1。长宽比的下限值优选为0.05以上，更优选为0.1以上，进一步优选为0.2以上。另一方面，长宽比的上限值优选为不足0.9，更优选为不足0.8，进一步优选为不足0.7，最优选为不足0.6。在长宽比R不足0.01的情况下，因为燃料电池的外形过于细长，所以在考虑车载等时，有可能产生障碍。

当更详细说明时，如图3所示，在膜电极接合体3的长宽比R为0.01以上且不足1的矩形状的情况下，隔板2的形状也以与膜电极接合体3一致的方式制成矩形状。而且，例如，如图7(A)所示，在隔板2A为高长宽比(R为1以上)的情况下，因为流路长度也变长，所以压力损失增大。与此相对，如图7(B)所示，在隔板2B为低长宽比(R为0.01以上且不足1)的情况下，因为流路长度变短，所以与隔板2A相比，压力损失减少。即，即使在与隔板2A面积相同，且向流路的流量相同的情况下，也能够通过如隔板2B那样使长宽比R下降，来减小压力损失。因此，即使如图7(C)那样减小长宽比R且降低流路的高度的情况下，也能够维持与隔板2A同等的压力损失，并且能够降低隔板2自身的高度。

另外，因为流路的截面积为隔板2C的流路比隔板2B的流路小，所以反应气体的流速为隔板2C的流路比隔板2B的流路快。其结果是，能够由反应气体将流路内存在的生成水吹走，所以能够抑制水湿(flooding)。特别是，如隔板2C那样的结构易滞留生成水，优选应用于阴极侧，但在应用于阳极侧的情况下，或在应用于冷却流体的情况下，也能够有助于燃料电池的小型化。

在此，在本实施方式的燃料电池中，燃料气体流动的方向优选为与氧化气体流动的方向平行。但是，燃料气体流动的方向也可制成与氧化气体流动的方向垂直(交叉)。在平行的情况下，燃料气体流动的方向和氧化气体流动的方向也可以为同方向(同向)、反方向(反向)中的任一种，但优选反向。

另外，在本实施方式中，冷却流体流动的方向优选为与氧化气体流动的方向平行，但也可设为垂直(交叉)。在平行的情况下，冷却流体流动的方向和氧化气体流动的方向也可以为同方向(同向)、逆方向(反向)中的任一种，但优选同向。

[流路开口部]

在本实施方式中，分别在各流路(阳极流路、阴极流路、及冷却流体流路)的两端设有两个以上的流路开口部。通过设置两个以上的流路开口部，即使在宽度方向上宽的本实施方式的燃料电池中，也容易沿宽度方向均等地供给气体及冷却流体。

如图5(B)所示，在膜电极接合体3的对向的二个边(长边)的外周部设有多个燃料气体流路开口部9、冷却水流路开口部10、及氧化气体流路开口部11作为流路开口部。在燃料气体流路开口部9和氧化气体流路开口部11之间夹设有冷却水流路开口部10。根据需要，冷却水流路开口部10配置于膜电极接合体3的外周部短边也无妨。图5(C)的符号“8”表示扩宽部，符号“12”表示密封材料。

如图4、及图5(A)所示，在电解质膜7的对向的二个边(长边)的外周部也设有多个燃料气体流路开口部9、冷却水流路开口部10、及氧化气体流路开口部11作为流路开口部。但是，流路开口部不必设置于电解质膜7。例如，沿着具有与催化剂层相同的平面形状的电解质膜的外缘配置设有流路开口部的树脂制的载片。然后，使电解质膜的外缘和载片的内缘气密地密合。由此，能够体现与图4的膜电极接合体3相同的功能。

另外，如图5(B)、及图5(C)所示，分别在膜电极接合体3的成为阴极侧及阳极侧的面的外周缘设有密封材料12。具体而言，在电解质膜7的成为阴极侧的面的外周缘，围绕整个外周并且围绕燃料气体流路开口部9和冷却水流路开口部10的周围地设有密封材料12。其中，在氧化气体流路开口部11的周围未设有密封材料12。另一方面，省略图示，在电解质膜7的成为阳极侧的面的外周缘，围绕整个外周并且围绕氧化气体流路开口部11和冷却水流路开口部10的周围地设有密封材料12。其中，在燃料气体流路开口部9的周围未设有密封材料12。

密封材料12具有选择使哪种流体(燃料气体、氧化气体、冷却流体)向膜电极接合体3流通的开关功能。例如，由图5(B)可知，因为在氧化气体流路开口部11的前面，密封材料12被打开，所以显示的是膜电极接合体3的阴极侧。

如图5(A)所示，氧化气体流路开口部11的截面积之和AOx优选为阴极催化剂层6b的催化剂面积Acat的5％以上20％以下。在AOx不足5％的情况下，有可能向膜电极接合体3的宽度方向M2及层叠方向的氧化气体配流性下降，并且氧化气体流路开口部11内的通气压力损失增加。相反，在AOx超过20％的情况下，燃料电池的容积变大，所以不优选。

燃料气体流路开口部9的截面积之和Are优选为阳极催化剂层6a的催化剂面积Acat的5％以上20％以下。在Are不足5％的情况下，有可能向膜电极接合体3的宽度方向M2的燃料气体配流性下降，并且燃料气体流路开口部9内的通气压力损失增加。相反，在Are超过20％的情况下，燃料电池的容积变大，所以不优选。

氧化气体流路开口部11的数量优选对一个有源区(存在催化剂层6a、6b的区域)分割成多个。该氧化气体的流路开口部分割数NOx的下限优选为2以上，更优选为5以上，进一步优选为10以上，更进一步优选为15以上。通过将NOx设为2以上，能够将氧化气体更加容易且均匀地导入膜电极接合体3。NOx的上限优选为100以下，更优选为50以下，进一步优选为30以下，更进一步优选为20以下。在NOx超过100的情况下，虽然在燃料电池为非常大型时障碍少，但每个氧化气体流路开口部11所需要的密封材料的面积变大。因此，有可能难以实现本申请的目的即小型化。在图5(A)(B)中，在膜电极接合体3的长边(宽度W)的一方，分割成四个氧化气体流路开口部11。

与氧化气体流路开口部11的情况同样，燃料气体的流路开口部分割数NRe的下限优选为2以上，更优选为5以上，进一步优选为10以上，更进一步优选为15以上。NRe的上限优选为100以下，更优选为50以下，进一步优选为30以下，更进一步优选为20以下。在图5(A)(B)中，在膜电极接合体3的长边(宽度W)的一方，分割成四个燃料气体流路开口部9。

[扩宽部]

扩宽部8是为向配置于相邻的异种流体用的流路开口部的前面的催化剂层供给氧化气体或燃料气体而设置的流路。例如，如图5(B)(C)所示，通过在各流路开口部9、10、11和催化剂层6a、6b之间设置一定的间隙(距离)L’，能够将该间隙设为扩宽部。更具体而言，例如，氧化气体的扩宽部8相当于围绕燃料气体流路开口部9及冷却水流路开口部10的周围的密封材料12和催化剂层6a、6b(实际上，设置于催化剂层6a、6b上的气体扩散层5a、5b)之间的部位。

通过设置这种扩宽部8，如图5(C)所示，从氧化气体流路开口部11流出的氧化气体通过扩宽部8沿着膜电极接合体3的宽度方向M2进行扩散。此后，扩散后的氧化气体均等地供给到气体扩散层5b及催化剂层6b。因此，能够有效地在MEA有源区整体上进行发电。

扩宽部8的长度L’优选为催化剂层6a、6b(也包含气体扩散层5a、5b)的气体流动方向M1的流路长度L的5％以上20％以下。在扩宽部8的长度L’为流路长度的5％以下的情况下，用于向相邻的异种流路开口部前面供给氧化气体或燃料气体的压力损失就大，所以不优选。另外，在超过流路长度的20％的情况下，难以实现燃料电池的小型化，所以不优选。

在本实施方式中，也可以根据流路开口部9、10、11的分割数来分割扩宽部8。例如，在图5(C)中，通过使密封材料12的一部分向气体扩散层5a、5b突出而成的扩宽部分割部14，与膜电极接合体3的流路方向M1平行地分割扩宽部8。该扩宽部8的分割数优选与流路开口部分割数NOx一致。而且，在图5中，使扩宽部的分割数与氧化气体的流路开口部分割数一致，设为4。通过这种扩宽部8的分割，能够将来自各流路开口部的流体的供给限制在特定的流路宽度。其结果是，即使在流体的供给上具有超预期的波动的情况下，也能够对膜电极接合体3的宽度方向M2均等地供给流体。

[隔板]

单电池4的隔板2具有：使从阳极侧的催化剂层6a向气体扩散层5a取出的电子聚集并送到外部负载电路的功能、或将从外部负载电路返回来的电子分配给气体扩散层5b并传递到阴极侧的催化剂层6b的功能。进而，单电池4的隔板2在与气体扩散层5的催化剂层6侧相反的侧面没有气体隔断功能的情况下，通过与气体扩散层5密合，来发挥气体隔断功能。进而，隔板2通过根据需要构成冷却层(冷却流体流路)，来发挥燃料电池的温度调节功能(冷却功能)。

隔板2优选为在隔板2的表面及背面之间具有导电性的非多孔质体，更优选为铝箔、金箔、镍箔、铜箔、及不锈钢箔等金属箔、或由天然石墨等碳材料构成的碳箔。在由贵金属以外的金属材料构成的情况下，往往在表面形成氧化膜，电阻增大。为了避免之，优选通过本领域技术人员所公知的技术而在金属材料的表面具备由金、铂、钯等贵金属、导电性碳材料、导电性陶瓷、导电性塑料中的任一种构成的表面层。例如，贵金属的表面层可通过电镀或溅射等公知的手段来形成。另外，碳材料的表面层广泛使用以称为DLC(Diamond LikeCarbon)的公知技术中的、特别是SP2浓而接近石墨构造且导电性高的材料。进而得知，出于使这些表面层稳定化等目的，设置铬等形成的基底层。

在图3中，在隔板2的对向的两边的外周部设有多个流路开口部，但流路开口部不必一定设置于隔板。例如，沿着具有与催化剂层6相同的平面形状的隔板的外缘，配置设有流路开口部的树脂制的载片。然后，使隔板的外缘和载片的内缘气密地密合。由此，能够体现与图3的隔板相同的功能。此外，隔板2的流路开口部的功能与膜电极接合体3的流路开口部的功能等效。

[流路]

如图6(A)所示，可在隔板2上且在其表面形成用于使氧化气体或燃料气体流通的流路13。另外，根据需要，可在隔板2上且在其内部形成用于使冷却介质流通的流路(未图示)。

设置于隔板2的流路的截面形状由称为肋的凸部和称为通道的凹部构成。其中，通过肋与气体扩散层接触，使在催化剂层中产生的电子聚集。在图6(B)中，符号“a”“b”及“c”分别表示流路13的流路高度(肋的高度)、流路13的通道宽度、及流路13的肋宽度。

在单元层叠体20的内部具备的流路中，肋宽度c用肋上端的宽度及肋下端的宽度的算术平均来定义。肋宽度c的下限优选为10μ以上，更优选为50μ以上，进一步优选为100μ以上，更进一步优选为200μ以上。肋宽度c的上限优选为1000μ以下，更优选为500μ以下，进一步优选为400μ以下，更进一步优选为300μ以下。即使肋宽度c小于10μ，也不会阻碍实现本发明的目的，但加工手段往往受限制。在肋宽度c超过1000μ的情况下，往往难以经由催化剂层表面上的气体扩散层向与肋接触的部分供给足够的氧化气体或燃料气体。肋的高度a的下限优选为10μ以上，更优选为50μ以上，进一步优选为100μ以上，更进一步优选为125μ以上，特别优选为150μ以上。肋的高度a的上限优选为1000μ以下，更优选为500μ以下，进一步优选为300μ以下，更进一步优选为200μ以下，特别优选为180μ以下。当肋的高度a不足10μ时，有时流路截面积变小，而压力损失过于增大。当肋的高度a高于1000μ时，有时流路截面积变大，而压力损失过于减小。在随着运转而生成反应水的燃料电池中，通常通过对流路内赋予规定的压力损失，来进行一直由氧化气体或燃料气体排出的操作，以使生成水不滞留于流路中。

在单元层叠体20的内部具备的流路中，通道是指夹在肋和肋之间的空间。通道宽度b用通道上端的宽度及通道下端的宽度的算术平均来定义。通道宽度b的下限优选为10μ以上，更优选为50μ以上，进一步优选为100μ以上，更进一步优选为200μ以上。通道宽度b的上限优选为1000μ以下，更优选为500μ以下，进一步优选为400μ以下，更进一步优选为300μ以下。即使气体流量及肋和通道的宽度的比率相同，当通道宽度b小于10μ时，肋的表面摩擦的影响也变大，所以压力损失有时过于增大。当通道宽度b大于1000μ时，有时在膜电极接合体3的两面产生了压力差的情况下，流路面积过于扩大或过于缩小。

流路13的水平形状优选形成为以最短距离连接大致矩形的催化剂层的对向的两边的直线形状。在这种情况下，例如，如图5(B)所示，在从设置于上方侧的氧化气体流路开口部11供给了氧化气体的情况下，氧化气体通过上方侧的扩宽部8向宽度方向M2扩散，其后，通过与气体流动方向M1平行的流路13流到下方侧。然后，通过下方侧的扩宽部8从设置于下方侧的氧化气体流路开口部11排出。因此，能够使氧化气体高效地分散到气体扩散层5b及阴极催化剂层6b。

此外，在无损本发明的目的的范围内，也可将流路13设为最短距离以上的直线或曲线。在这种情况下，因为经由气体扩散层向催化剂层的整个面均等地分配燃料电池反应所需要的燃料气体和氧化气体，所以能够覆盖催化剂层整个面。

作为流路13的制造方法，可使用冲压加工或切削加工等公知的手段。

如上所述，反应气体进行流通的流路13可由设置于隔板2的表面的肋和通道形成。但是，不局限于此，可对膜电极接合体3的气体扩散层5a、5b赋予与流路13同等的功能。例如，可在气体扩散层5a、5b上形成发挥与流路13同等的功能的槽。在这种情况下，因为无需在隔板2的表面形成由上述肋和通道构成的流路13，所以可将隔板制成平滑。也可以在气体扩散层5a、5b和隔板2双方设置上述流路。

[电解质膜]

电解质膜7是输送质子且具有使电子绝缘的功能的一种选择性渗透膜。电解质膜7通过构成材料即离子交换树脂的种类，大体分为氟系电解质膜和烃系电解质膜。其中，氟系电解质膜因为具有C－F键(C－F结合)，所以耐热性或化学稳定性优异。例如，作为电解质膜7，广泛使用以Nafion(注册商标，デュポン公司制)的商品名得知的全氟磺酸膜。

[催化剂层]

阴极催化剂层6b是含有担载有催化剂成分的电极催化剂及离聚物的层。电极催化剂具有促进由质子和电子和氧生成水的反应(氧还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阳极催化剂层6a是含有担载有催化剂成分的电极催化剂及离聚物的层。电极催化剂具有促进将氢解离成质子及电子的反应(氢氧反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

[内部歧管]

设置于膜电极接合体3或隔板2的外周部长边的燃料气体流路开口部9、冷却水流路开口部10、氧化气体流路开口部11随着单电池4的层叠，而与相邻的单电池4所含的流路开口部9、10、11相互连接。由此，如图2所示，针对每一种流体，构成与单元层叠体20相同的长度的多个内部歧管21(22、23、24的统称)。符号“22”表示层叠燃料气体流路开口部9而形成的燃料气体用的内部歧管，符号“23”表示层叠冷却水流路开口部10而形成的冷却水用的内部歧管，符号“24”表示层叠氧化气体流路开口部11而形成的氧化气体用的内部歧管。内部歧管22、23、24分别包含流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21。

关于内部歧管21，在区别开流体供给用和流体排出用进行说明时，就流体供给用而言，在符号上附带后缀“a”，称为流体供给用的内部歧管22a、23a、24a。另外，就流体排出用而言，在符号上附带后缀“b”，称为流体排出用的内部歧管22b、23b、24b。

燃料气体流路开口部9在燃料气体的流路的两端分别设置两个以上，氧化气体流路开口部11在氧化气体的流路的两端分别设置两个以上。冷却水流路开口部10也在冷却流体流路的两端分别设置两个以上。因此，在单元层叠体20上，针对各流体构成有两个以上的流体供给用的内部歧管21及流体排出用的内部歧管21。

流路开口部9、10、11及内部歧管22、23、24的数量可根据长宽比R而增加。即，也可以针对各流体设置三个以上的流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21。这是因为通过根据长宽比R来增大数量，能够提高配流性。

[外部歧管]

如图1所示，在单元层叠体20的外部设有对单元层叠体20供给或排出各流体的外部歧管41(42、43、44的统称)。符号“42”表示燃料气体用的外部歧管，符号“43”表示冷却水用的外部歧管，符号“44”表示氧化气体用的外部歧管。如图9～图11所示，外部歧管42、43、44针对各流体包含经由供给侧连通部50a与流体供给用的内部歧管21连接的流体供给用的外部歧管41、和经由排出侧连通部50b与流体排出用的内部歧管21连接的流体排出用的外部歧管41。

关于外部歧管41，在区别开流体供给用和流体排出用进行说明时，就流体供给用而言，在符号上附带后缀“a”，称为流体供给用的外部歧管42a、43a、44a。另外，就流体排出用而言，在符号上附带后缀“b”，称为流体排出用的外部歧管42b、43b、44b。

为了与内部歧管21连接而供给或排出燃料电池所需要的流体，针对每一种流体在单元层叠体20外部设置外部歧管41。外部歧管41具备用于与多个内部歧管21连接的多个供给侧连通部50a、排出侧连通部50b。外部歧管41还具备用于与燃料电池组的外部的流体装置连接而供给及排出流体的供给口及排出口。

如图10示意性地所示，流体供给用的外部歧管42a(43a、44a)、及流体排出用的外部歧管42b(43b、44b)分别沿着单元层叠体20的宽度方向延伸，并配置为大致平行。在流体供给用及流体排出用的外部歧管41(42、43、44)中，优选使供给口及排出口在同一面上开口。“平行”必须被解释为除中心线彼此完全平行的情况以外，在可实现本发明的目的即配流性的提高的限度内，也包含如从平行状态起倾斜而中心线的延长线相交那样的情况。

如图9～图11所示，供给侧连通部50a至少具有：与流体供给用的内部歧管22a、23a、24a连接的第一辅助歧管51a、和具备相对于流体供给用的外部歧管42a、43a、44a的中心线及第一辅助歧管51a的中心线各自交叉的中心线且与流体供给用的外部歧管42a、43a、44a连接的第二辅助歧管52a。同样，排出侧连通部50b也至少具有：与流体排出用的内部歧管22b、23b、24b连接的第一辅助歧管51b、和具备相对于流体排出用的外部歧管42b、43b、44b的中心线及第一辅助歧管51b的中心线各自交叉的中心线且与流体排出用的外部歧管42b、43b、44b连接的第二辅助歧管52b。此外，也将供给侧连通部50a及排出侧连通部50b统称为“连通部50”，将第一辅助歧管51a、51b统称为“第一辅助歧管51”，将第二辅助歧管52a、52b统称为“第二辅助歧管52”。

如图10所示，连通部50的第二辅助歧管52其中心线相对于外部歧管41的中心线交叉，且相对于与内部歧管21连接的第一辅助歧管51的中心线交叉。“交叉”必须被解释为除中心线彼此正交的情况以外，在可实现本发明的目的即配流性的提高的限度内，也包含从正交状态起倾斜地相交的情况。

上述结构的特征为，在外部歧管41和内部歧管21之间的连通部50，使各流体实质上交叉两次以上而流动。在此，“实质上交叉两次以上”的意思是，在外部歧管41和内部歧管21这两根管中，在流体经由连通部50在彼此的管和管之间流通时，实质上两次被直接或间接地观测到中心流线的交叉。在此，“直接或间接地观测”的意思是，可以通过实验来确认流体的流动，也可以通过模拟来确认流体的流动。

但是，例如，如下所述的连接形态不被看作是“实质上交叉两次以上”。即，这是使两根管以正交的方式接触，然后切除接触部直到一方的中心线包含在另一方的管内为止，以彼此深深地啮合的形式设有作为流通部的贯通口的情况。在该连接形态中，因为中心流线虽然实质上弯曲了两次，但仅仅是倾斜，不能实现配流性的提高，所以不被看作是交叉。

在具有低长宽比构造，且对每种流体具有两个以上的流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21的燃料电池中，通过在外部歧管41和内部歧管21之间设置使各流体实质上交叉两次以上而流动的配流机构，能够抑制偏流，能够均等地向单电池4的宽度方向及层叠方向供给或排出燃料电池所需要的各种流体。其结果是，能够有效地进行发电，能够提供小型高输出的燃料电池。

外部歧管41优选配置为其中心线偏向内部歧管21的中心线的内侧(参照图8～图10)。这是因为在从层叠单电池4的方向观察时，与在单元层叠体20的外侧配置外部歧管41的情况相比，能够减小燃料电池所占的容积，能够提高车载布局的自由度。

在氧化气体的外部歧管44、冷却水的外部歧管43、燃料气体的外部歧管42重叠配置在单元层叠体20的单电池4的层叠方向的情况下，当将冷却水的外部歧管43配置在氧化气体的外部歧管44和燃料气体的外部歧管42之间时，容易进行氧化气体及燃料气体的温度调节，所以优选。通常，外部歧管41(42、43、44)越接近配置于单元层叠体20，越能够较长地取得直到在该外部歧管41内流动的流体相对于单元层叠体20流入或流出为止的助流距离，即连通部50的距离，特别是第一辅助歧管51的距离，所以该流体的流动稳定，能够降低内部歧管21(22、23、24)的流体的偏流。当降低了内部歧管21的流体的偏流时，就会向各单电池4均等地分配各流体，所以燃料电池1的效率提高，因而优选。在此，因为在助流距离相同时，流体的速度越慢，内部歧管21的偏流越低，所以即使在助流距离较短的情况下，也会在第一辅助歧管51或内部歧管21的截面积大时能够降低偏流。如果是本领域技术人员，则可根据上述助流距离和上述截面积之间的关系，适当地确定外部歧管42、43、44的配置。

外部歧管41可分别设置为燃料气体、冷却水、氧化气体。优选针对各流体将外部歧管41(42、43、44)、及连通部50的第一和第二辅助歧管51、52设置于端板32(或31)内。这是因为通过使外部歧管41及连通部50与端板32(或31)一体化，能够实现燃料电池的小型化。

通过将燃料气体、冷却水、氧化气体的所有的外部歧管41、及所有的连通部50的第一和第二辅助歧管51、52构成于一端板32(或31)内，也能够将配流装置的容积制成最小。在这种情况下，优选在距单元层叠体20最近的层上配置氧化气体用外部歧管44，在最远的层上配置燃料气体用外部歧管42，在其中间配置冷却水用外部歧管43。这是因为在构成了具备三层外部歧管42、43、44的端板32(三段硬壳端板32)的情况下，冷却水在燃料气体和氧化气体之间流通，所以易保持各燃料电池用流体的温度，因而优选。

外部歧管41的排出侧的管的截面积和供给侧的管的截面积之比率根据目的可以相同，也可以不同。其中，在使用冷却水及空气的阴极上，优选外部歧管43、44的排出侧的截面积比供给侧的截面积大。向燃料电池供给的流体中的冷却水在发电时未被消耗。另外，在使用空气作为氧化气体的情况下，因为虽然氧被消耗，但氮未被消耗，所以与阳极上的燃料气体相比时，减少的量就小。这是因为在这样流动的过程中流量未变化、或减少量小的流体中，通过使排出侧的截面积比供给侧的截面积大，能够降低排出侧的压力损失，能够提高配流性。

此外，在流动的过程中被消耗的燃料气体中，排出侧和供给侧的截面积之间的大小关系的设定不能一概而论，但本领域技术人员可从上述观点出发，基于排出侧和供给侧的实际流量变化而适当地求出。另外，在使用氧而非空气作为氧化气体的情况下，也与燃料气体的情况同样。

外部歧管42、43、44的各开口部可以在相对于各流体为相同的燃料电池组侧面开口，也可以在燃料电池组的相反侧面开口。但是，外部歧管42、43、44的各供给口及排出口优选在同一面开口。在本发明中，将使供给口及排出口在同一面开口的情况因相似于罗马字母的形状称为U形流向，将使供给口及排出口在相反侧面开口而成的情况称为Z形流向。在本发明中，优选U形流向，在使用Z形流向的情况下，有时在各内部歧管及各流路中，且在上述单元层叠体的宽度方向上易发生流量不均的情况。在第一实施方式中，将燃料气体、冷却水、氧化气体的所有流体的外部歧管42、43、44及连通部50设置于同一端板32中。如图1所示，在端板32的对向的侧面中的、第一侧面(图中左跟前的侧面)上开有燃料气体用外部歧管42的供给口及排出口，在同一第一侧面上开有氧化气体用外部歧管44的供给口及排出口。在相反侧的第二侧面上开有冷却水用外部歧管43的供给口及排出口。外部歧管41由从端板32的第一侧面贯通到第二侧面的贯通孔形成。就燃料气体用的外部歧管42及氧化气体用的外部歧管44而言，在形成贯通孔以后，利用挡板来密封第二侧面的开口。另一方面，就冷却水用的外部歧管43而言，在形成贯通孔以后，利用挡板33来密封第一侧面的开口。

本实施方式的燃料电池1除容积输出密度高以外，还在供给或排出燃料电池1所需要的流体的出入口的配置上自由度高，所以能够提供良好的车载性或布局性。

[端板]

交替地层叠膜电极接合体3及隔板2而得到的单元层叠体20由端板31、32从层叠方向的两端夹持。由此，构成燃料电池组。如图8、及图9(A)所示，在端板32的与单元层叠体20的接触面形成有多个连接口34、35、36。经由该连接口34、35、36，在端板32和内部歧管21之间，供给或排出燃料电池1所需要的各种流体。符号“34”表示燃料气体用的连接口，符号“35”表示冷却水用的连接口，符号“36”表示氧化气体用的连接口。

[位移吸收机构]

为了吸收电解质膜的含水干燥引起的膨润收缩等单元层叠体20的层叠方向的尺寸变化而使单元层叠体内部的压力分布均匀，可在燃料电池1的内部设置位移吸收机构。作为位移吸收机构，可使用由碟形弹簧或橡胶等弹性体构成的本领域技术人员公知的变异吸收机构。位移吸收机构优选装设于端板31、32中的至少一方且端板31、32的内部或表面。

如上所述，优选针对各流体将外部歧管42、43、44、及连通部50的第一和第二辅助歧管51、52设置于端板32(或31)内。

[配流装置]

如图9(A)(B)所示，第一实施方式的配流装置100具有针对各流体形成有外部歧管41(42、43、44)、和连通部50(50a、50b)的第一和第二辅助歧管51(51a、51b)、52(52a、52b)的块体60。块体60构成一端板32。

在块体60中，当将配置单元层叠体20的一侧的面设为一面62时，如箭头61所示，在从块体60的一面62侧观察，在接近一面62的一侧流动的第一流体用的外部歧管44、和在远离一面62的一侧流动的第二流体用的外部歧管42、和在第一和第二流体之间流动的第三流体用的外部歧管43以一部分重叠的方式进行配置。进而，在从块体60的一面62侧观察，第三流体用的外部歧管43包括未与第一流体用的外部歧管44重叠的延长部位63，第二流体用的外部歧管42包括未与第三流体用的外部歧管43重叠的延长部位64。块体60的一面62与单元层叠体20的端面连接。在第一实施方式的情况下，如上所述，第一流体为氧化气体，第二流体为燃料气体，第三流体为冷却水。

连通部50的第一和第二辅助歧管51、52如下那样形成。

就第一流体(氧化气体)用的供给侧连通部50a而言，如图11(C)所示，从一面62侧起形成仅与第一流体用的外部歧管44a连通的第一孔部71。通过第一孔部71，将划分形成第一流体用的外部歧管44a的侧壁部的一部分切除，形成第一流体用的第一和第二辅助歧管51a、52a。

就第一流体用的排出侧连通部50b而言，如图11(A)所示，从一面62侧起形成仅与第一流体用的外部歧管44b连通的第一孔部71。通过第一孔部71，将划分形成第一流体用的外部歧管44b的侧壁部的一部分切除，形成第一流体用的第一和第二辅助歧管51b、52b。

就第二流体(燃料气体)用的供给侧连通部50a而言，如图11(C)所示，从一面62侧起在延长部位64(参照图9(B))形成仅与第二流体用的外部歧管42a连通的第二孔部72。通过第二孔部72，将划分形成第二流体用的外部歧管42a的侧壁部的一部分切除，形成第二流体用的第一和第二辅助歧管51a、52a。

就第二流体用的排出侧连通部50b而言，如图11(A)所示，从一面62侧起形成仅与第二流体用的外部歧管42b连通的第二孔部72。通过第二孔部72，将划分形成第二流体用的外部歧管42b的侧壁部的一部分切除，形成第二流体用的第一和第二辅助歧管51b、52b。

就第三流体(冷却水)用的供给侧连通部50a而言，如图11(B)所示，从一面62侧起在延长部位63(参照图9(B))形成仅与第三流体用的外部歧管43a连通的第三孔部73。通过第三孔部73，将划分形成第三流体用的外部歧管43a的侧壁部的一部分切除，形成第三流体用的第一和第二辅助歧管51a、52a。

就第三流体用的排出侧连通部50b而言，如图11(B)所示，从一面62侧起在延长部位63形成仅与第三流体用的外部歧管43b连通的第三孔部73。通过第三孔部73，将划分形成第三流体用的外部歧管43b的侧壁部的一部分切除，形成第三流体用的第一和第二辅助歧管51b、52b。

在第二孔部72、及第三孔部73的上部形成有从一面62朝向孔部72、73倾斜的倾斜面。由此，关于燃料气体用的连接口34、及冷却水用的连接口35，在图11中，使左右方向的大小变得与氧化气体用的连接口36的大小相同。

因为配流装置100将外部歧管41及连通部50形成于构成端板32的块体60，所以能够实现燃料电池1的小型化。进而，因为能够通过切削加工来形成外部歧管41、及连通部50的第一和第二辅助歧管51、52，所以能够简化配流装置100的制造，与将许多零件焊接接合进行组装的情况等相比，能够廉价地制造。

[燃料电池的机理]

燃料电池1的机理如下所述。即，由供给到阳极催化剂层6a的氢生成质子和电子。由阳极生成的质子在电解质膜7内部移动，并到达阴极催化剂层6b。另一方面，由阳极生成的电子在导线(导体)内进行传递，并从燃料电池取出。而且，上述电子在外部负载电路中消耗了电能以后，在导线(导体)内进行传递，返回到阴极，与供给到阴极催化剂层6b的氧发生反应，生成水。

[燃料电池的动作]

燃料电池1的动作通过向一电极(阳极)供给氢，且向另一电极(阴极)供给氧或空气来进行。燃料电池的动作温度越高，催化剂活性越强，因而优选，通常，大多在容易进行水分管理的50℃～100℃下进行动作。

[搭载有燃料电池的车辆]

图12(A)(B)表示的是搭载有本实施方式的燃料电池的车辆的一个例子。图12(A)所示的车辆18将作为驱动源的本实施方式的燃料电池1搭载于发动机室。图12(B)所示的车辆18将作为驱动源的本实施方式的燃料电池1搭载于底板下。应用本发明的例如固体高分子形燃料电池(PEFC)或堆栈式燃料电池因为输出性能非常优异，所以适合于要求高输出的车辆用途。

[单元层叠体20及外部歧管41的布局]

图13(A)、13(B)、13(C)是示意性地表示单元层叠体20及外部歧管41的布局的例子的图。

图13(A)所示的燃料电池至少在阴极上沿着垂直方向设有内部歧管24，且在单元层叠体20的下方位置配置有与该内部歧管24连接的外部歧管44。单元层叠体20以单电池4沿着水平方向的方式配置。根据这种布局，能够通过重力而将生成水可靠地排出，能够提供维持耐水湿性的燃料电池。

图13(B)所示的燃料电池至少在阴极上沿着水平方向设有内部歧管24，且在内部歧管24的下方位置配置有与该内部歧管24连接的外部歧管44。单元层叠体20以单电池4沿着垂直方向的方式配置。通过这种布局，也能够通过重力而将生成水可靠地排出，能够提供维持耐水湿性的燃料电池。

图13(C)所示的燃料电池至少在阴极上沿着垂直方向设有外部歧管44，且沿着水平方向设有与该外部歧管44连接的内部歧管24。单元层叠体20以单电池4沿着垂直方向的方式配置。

在燃料电池组中，将伴随燃料电池反应而来的生成水经由流路而顺畅地除去到燃料电池组之外，这是在维持稳定的发电时经常要考虑的问题。在图13中，在(A)或(C)中，因为流路方向为水平方向，所以即使氧化气体和氢气彼此为平行流，还是对向流，都能够将生成水经由流路而顺畅地排出到燃料电池组之外。另一方面，在(B)中，因为流路方向为垂直方向，所以在氧化气体的氢气彼此为对向流时，一定是某一方的气流沿着垂直方向从下向上流动，在气体的流速慢时，有时不能将生成水经由流路顺畅地排出到燃料电池组之外。在这种情况下，通过将氧化气体和氢气双方设为沿着垂直方向从上向下流动的平行流，能够将生成水顺畅地排出。通常，在燃料电池反应中，优选氧化气体和氢气彼此为对向流，所以与(B)相比，优选(A)或(C)。

接着，当将(A)和(C)进行比较时，在(A)中，沿着垂直方向设有内部歧管24，与此相对，在(C)中，沿着水平方向设有内部歧管24。通常，可利用重力的沿着垂直方向设置的内部歧管24的排水性优异，所以与(C)相比，优选(A)。但是，排水性除通过重力以外，也可通过气体的流速或表面处理等各种各样的手段来改善，所以关于(A)(B)(C)的布局，理想的是不仅要对比排水性，还要进行综合判断再做选择。例如，在燃料电池组的层叠方向比单电池4的宽度方向(长度方向)长的情况下，通过采用(C)的布局，能够将搭载于车辆时的燃料电池组的高度抑制到较低的程度。这在许多情况下，在车辆设计上优选。另外，当采用(A)的布局并将单电池4的宽度方向和车辆的宽度方向布局成同朝向时，能够缩短车辆的燃料电池组的前后方向，所以能够较大地取得碰撞时的碰坏区容积。

[本实施方式的效果]

如上所述，第一实施方式的燃料电池1具有低长宽比构造，输送燃料电池所需要的流体时的压力损失在物理上比具有相同的单元间距且具有高长宽比构造的燃料电池低。因此，在以一定压力损失进行输送时，通过使用更小的单元间距，能够实现燃料电池的小型化。本发明的燃料电池1针对各流体具有两个以上的流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21。因此，能够将燃料电池1所需要的各种流体在单电池4的宽度方向均等地供给或排出，其效果与上述内部歧管21的数量成正比。

而且，将经由供给侧连通部50a与流体供给用的内部歧管22a(23a、24a)连接的流体供给用的外部歧管42a(43a、44a)、和经由排出侧连通部50b与流体排出用的内部歧管22b(23b、24b)连接的流体排出用的外部歧管42b(43b、44b)以沿着单元层叠体20的宽度方向延伸的方式大致平行地配置于单元层叠体20的外部。由此，能够紧凑地构成燃料电池1整体。其结果是，能够提供小型高输出的燃料电池1。

在流体供给用及流体排出用的外部歧管41(42、43、44)中，在同方向的端部具有开口部。外部歧管41的形成供给口的开口部和形成排出口的开口部在同一面上开口。与将供给口及排出口在相反侧面开口的情况相比，在内部歧管21(22、23、24)及流路中，能够抑制在单元层叠体20的宽度方向上发生流量不均。

在外部歧管41和内部歧管21之间设有使各流体实质上交叉两次以上进行流动的配流机构。因此，能够抑制内部歧管内的层叠方向的偏流，将燃料电池1所需要的各种流体向单电池4的宽度方向及层叠方向均等地供给或排出。其结果是，能够有效地进行发电，从该观点来看，也能够提供小型高输出的燃料电池。

外部歧管41的中心线偏向内部歧管21的中心线的内侧。因此，在从层叠单电池4的方向看，与在单元层叠体20的外侧配置外部歧管41的情况相比，能够减小燃料电池所占的容积，能够提高布局的自由度。

内部歧管22、23、24内的层叠方向的偏流在接近从外部歧管经过连通部50与内部歧管连接之后的配流装置100的部分易产生，但第一和第二辅助歧管51、52、内部歧管21的截面积越小，且流量越大，该偏流越显著。将阴极的外部歧管44和阳极的外部歧管42中的哪一个配置在接近单元层叠体20的位置不能一概而论，但本领域技术人员可从上述观点出发，基于第一和第二辅助歧管51、52及内部歧管21的截面积及流量而适当地规定。

例如，阴极的外部歧管44和阳极的外部歧管42可重叠配置，且阴极的外部歧管44可配置于比阳极的外部歧管42更接近单元层叠体20的位置。在该配置的情况下，关于外部歧管42、44和内部歧管22、24之间的距离，能够将燃料气体流动的距离取得比氧化气体流动的距离大。其结果是，能够大大地取得燃料气体的助流距离，通过抑制内部歧管22、24内的层叠方向的偏流，能够更加均等地向单电池4的宽度方向及层叠方向供给或排出。

也可采取与图示的实施方式相反的配置，即，阴极的外部歧管和阳极的外部歧管重叠配置，且阴极的外部歧管配置在比阳极的外部歧管更远离单元层叠体20的位置。

至少在阴极上沿着垂直方向设有内部歧管24，且与该内部歧管24连接的外部歧管44配置在单元层叠体20的下方位置。或者，至少在在阴极上沿着水平方向设有内部歧管24，且与该内部歧管24连接的外部歧管44配置在内部歧管24的下方位置。根据这种布局，能够通过重力将生成水可靠地排出，能够提供维持耐水湿性的燃料电池。

在各流体中，外部歧管41、及连通部50的第一和第二辅助歧管51、52设置于端板32内。通过将外部歧管41及连通部50与端板32一体化，能够实现燃料电池1的小型化。

在使用冷却流体及空气的阴极上，将外部歧管43、44的排出侧的截面积设定为比供给侧的截面积大。在流动的过程中流量未变化、或减少量少的流体中，通过使排出侧的截面积比供给侧的截面积大，能够降低排出侧的压力损失，能够实现良好的配流性。

也可以针对各流体设置三个以上的流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21。通过根据长宽比R来增大数量，能够提高配流性。

根据第一实施方式的燃料电池1的配流装置100，因为将流体供给用的外部歧管42a、43a、44a及流体排出用的外部歧管42b、43b、44b形成于构成端板32的块体60，所以能够实现燃料电池1的小型化。进而，因为与外部歧管42a、43a、44a、42b、43b、44b相邻的连通部50a、50b的构成简单，且通过切削加工等手段能够容易形成，所以能够简化配流装置100的制造，与将许多零件焊接接合而组装的情况等相比，能够廉价地制造。

本实施方式的车辆18因为具备小型化的燃料电池，所以成为车载性、生产率及成本优异的车辆。

(第二实施方式)

图14(A)(B)是表示第二实施方式的燃料电池80的立体图及正面图，图15(A)是用剖面来表示组装有第二实施方式的配流装置101的下侧端板82的主要部分的立体图，图15(B)是表示设有外部歧管41的下侧端板82的剖面图。图16(A)(B)是针对各流体在构成下侧端板82的块体90上形成有供给侧连通部50a的第一和第二辅助歧管51a、52a、及排出侧连通部50b的第一和第二辅助歧管51b、52b的情形的剖面图。此外，在与图1～13所示的部件共同的部件上附带同一符号，省略其一部分说明。

第二实施方式将燃料气体、冷却水、氧化气体中的、两种流体的外部歧管42、43及连通部50设置在同一下侧端板82中。在这一点上，与将三种所有流体的外部歧管42、43、44及连通部50设置在同一端板32中的第一实施方式不同。

在第二实施方式中，在图中下侧所示的下侧端板82中设有燃料气体及冷却水的外部歧管42、43及连通部50，在图中上侧所示的上侧端板81中设有氧化气体的外部歧管44及连通部50。如图14所示，在下侧端板82的对向的侧面中的、第一侧面(图中左跟前的侧面)上开设有冷却水用外部歧管43的供给口及排出口，在相反侧的第二侧面上开设有燃料气体用外部歧管42的供给口及排出口。在上侧端板81的第一侧面上开设有氧化气体用外部歧管44的供给口及排出口。外部歧管41由从端板81、82的第一侧面贯通到第二侧面的贯通孔形成。就冷却水用的外部歧管43及氧化气体用的外部歧管44而言，在形成贯通孔以后，利用挡板将第二侧面的开口密封。另一方面，就燃料气体用的外部歧管42而言，在形成贯通孔以后，利用挡板83将第一侧面的开口密封。

关于下侧端板82，如图15、图16所示，供给侧连通部50a至少具有：与流体供给用的内部歧管22a、23a连接的第一辅助歧管51a、和具备分别相对于流体供给用的外部歧管42a、43a的中心线及第一辅助歧管51a的中心线交叉的中心线且与流体供给用的外部歧管42a、43a连接的第二辅助歧管52a。同样地，排出侧连通部50b也至少具有：与流体排出用的内部歧管22b、23b连接的第一辅助歧管51b、和具备分别相对于流体排出用的外部歧管42b、43b的中心线及第一辅助歧管51b的中心线交叉的中心线且与流体排出用的外部歧管42b、43b连接的第二辅助歧管52b。

关于上侧端板81，省略图示，连通部50的第二辅助歧管52其中心线相对于外部歧管44的中心线交叉，且相对于与内部歧管24连接的第一辅助歧管51的中心线交叉。

在第二实施方式中，在具有低长宽比构造，且对每种流体具有两个以上的流体供给用的内部歧管21和流体排出用的内部歧管21的燃料电池中，通过在外部歧管41和内部歧管21之间设置使各流体实质上交叉两次以上而流动的配流机构，能够将燃料电池80所需要的各种流体向单电池4的宽度方向及层叠方向均等地供给或排出。其结果是，能够有效地进行发电，能够提供小型高输出的燃料电池。

如图15所示，第二实施方式的配流装置101针对燃料气体及冷却水而具有形成有外部歧管42、43、和连通部50(50a、50b)的第一和第二辅助歧管51(51a、51b)、52(52a、52b)的块体90。块体90构成下侧端板82。

在块体90中，当将配置单元层叠体20的一侧的面设为一面92时，如箭头91所示，从块体90的一面92侧观察，在接近一面92的一侧流动的第一流体用的外部歧管42、和在远离一面92的一侧流动的第二流体用的外部歧管43一部分重叠而配置。进而，从块体90的一面92侧观察，第二流体用的外部歧管43包括未与第一流体用的外部歧管42重叠的延长部位93。块体90的一面92与单元层叠体20的下面连接。在第二实施方式的情况下，第一流体为燃料气体，第二流体为冷却水。即，因为氧化气体外部歧管44配置于上侧端板81，所以通过燃料电池的反应而生成的液体水往往滞留在氧化气体内部歧管24的下部。在这种情况下，也可以形成从内部歧管24的下部朝向块体90的外部的排水孔。

另一方面，作为第二实施方式的变形例，也可将块体90的第一流体设为燃料气体，且将第二流体设为氧化气体。在这种情况下，冷却水的外部歧管44配置于上侧端板81，但因为全部的歧管和流路常常用冷却水来填充，所以不需要形成上述排水孔。但是，因为不能由冷却水外部歧管直接对燃料气体外部歧管进行温度调节，所以有时需要另外设置用于对燃料气体进行温度调节的装置。

各流体的连通部50的第一和第二辅助歧管51、52如下那样形成。

就第一流体(燃料气体)用的供给侧连通部50a而言，如图16(A)所示，从一面92侧起形成仅与第一流体用的外部歧管42a连通的第一孔部94。通过第一孔部94，将划分形成第一流体用的外部歧管42a的侧壁部的一部分切除，形成第一流体用的第一和第二辅助歧管51a、52a。

就第一流体用的排出侧连通部50b而言，如图16(A)所示，从一面92侧起形成仅与第一流体用的外部歧管42b连通的第一孔部94。通过第一孔部94，将划分形成第一流体用的外部歧管42b的侧壁部的一部分切除，形成第一流体用的第一和第二辅助歧管51b、52b。

就第二流体(冷却水)用的供给侧连通部50a而言，如图16(B)所示，从一面92侧起在延长部位93(参照图15(B))形成仅与第二流体用的外部歧管43a连通的第二孔部95。通过第二孔部95，将划分形成第二流体用的外部歧管43a的侧壁部的一部分切除，形成第二流体用的第一和第二辅助歧管51a、52a。

就第二流体用的排出侧连通部50b而言，如图16(B)所示，从一面92侧起在延长部位93形成仅与第二流体用的外部歧管43b连通的第二孔部95。通过第二孔部95，将划分形成第二流体用的外部歧管43b的侧壁部的一部分切除，形成第二流体用的第一和第二辅助歧管51b、52b。

在第二孔部95的上部形成有从一面92朝向孔部95倾斜的倾斜面。由此，关于冷却水用的连接口35，在图16中，使左右方向的大小变得与燃料气体用的连接口34的大小相同。

根据第二实施方式的燃料电池80的配流装置101，因为将外部歧管44及连通部50形成于构成上侧端板81的块体，且将外部歧管42、43及连通部50形成于构成下侧端板82的块体90，所以能够实现燃料电池80的小型化。进而，因为通过切削加工能够形成外部歧管41、及连通部50的第一和第二辅助歧管51、52，所以能够简化配流装置101的制造，与将许多零件焊接接合而组装的情况相比，能够廉价地制造。

在上述块体90上形成第三流体用的第一和第二辅助歧管的情况下，可根据上述第一和第二流体用的辅助歧管构成而适当配置。

(其他变形例)

在第一实施方式中，分别设有两个以上的阳极流路的两端的流路开口部9，将一端侧形成为供给流路，将另一端侧形成为排出流路，且分别设有两个以上的阴极流路的两端的流路开口部11，将一端侧形成为供给流路，另一端侧形成为排出流路。层叠阳极流路的流路开口部9，构成两个以上的流体供给用的内部歧管22a、和两个以上的流体排出用的内部歧管22b。层叠阴极流路的流路开口部11，构成两个以上的流体供给用的内部歧管24a、和两个以上的流体排出用的内部歧管24b。

将各种流体向单电池4的宽度方向均等地供给或排出的构成并不局限于分别设置两个以上的各流路的两端的流路开口部9、10、11的结构。

即，单元层叠体20也可以为长宽比R(L/W)不足1，且设有两个以上的阳极流路的两端的流路开口部9中的至少一方，一端侧形成为供给流路，另一端侧形成为排出流路，并且设有两个以上的阴极流路的两端的流路开口部11中的至少一方，一端侧形成为供给流路，另一端侧形成为排出流路。层叠阳极流路的流路开口部9，构成流体供给用的内部歧管22a和流体排出用的内部歧管22b，层叠阴极流路的流路开口部11，构成流体供给用的内部歧管24a和流体排出用的内部歧管24b。而且，与内部歧管22a、22b、24a、24b连接的外部歧管42a、42b、44a、44b向与内部歧管22a、22b、24a、24b交叉的方向延伸。

在这种结构的燃料电池中，也能够将各种流体向单电池4的宽度方向均等地供给或排出。

在这种情况下，可以将与流体供给用的内部歧管22a、24a连接的流体供给用的外部歧管42a、44a、及与流体排出用的内部歧管22b、24b连接的流体排出用的外部歧管42b、44b分别以向单元层叠体20的宽度方向延伸的方式配置。由此，能够紧凑地构成燃料电池整体。其结果是，能够提供小型高输出的燃料电池。

在第一和第二实施方式中，在构成端板32、82的块体60、90形成有外部歧管41、及第一和第二辅助歧管51、52，但本发明不局限于这种情况。例如，也可以由块体构成集电板，在该块体形成外部歧管41、及第一和第二辅助歧管51、52。另外，除端板或集电板以外，也可使用设有配流装置100、101的专用的块体。

进而，在第一和第二实施方式中，通过对块体进行切削加工而形成外部歧管41、及第一和第二辅助歧管51、52，但本发明不局限于这种情况。例如，可使用铸造或3D打印等公知的技术来形成同样的构造。另外，与切削加工的情况相比时，虽然配流装置100、101的制造稍有些复杂，但也可以通过连接管部件来形成外部歧管、及第一和第二辅助歧管。

本申请是基于2013年3月8日申请的日本专利申请号2013－046984号而完成的，其公开内容被参照，作为整体被编入。

Claims (11)

1.一种燃料电池，具有：

单元层叠体，其将在矩形的电解质膜的两面具备阳极及阴极的矩形的电极层的膜电极接合体和矩形的隔板层叠而形成，在内部具备阳极流路、阴极流路及冷却流体流路；

外部歧管，其设置于所述单元层叠体的外部，对所述单元层叠体供给或排出阳极气体、阴极气体及冷却流体的各流体，

在所述单元层叠体中，至少所述阳极流路及阴极流路由多个线状肋构成，沿着所述阳极流路或所述阴极流路的方向的所述电极层的长度(L)和相对于所述阳极流路或所述阴极流路的方向正交方向的所述电极层的长度(W)之比R(L/W)不足1，且分别设有两个以上的所述阳极流路及所述阴极流路的两端的流路开口部，层叠所述流路开口部，对阳极气体、阴极气体分别构成有两个以上的流体供给用的内部歧管和流体排出用的内部歧管，

阳极气体用的所述外部歧管及阴极气体用的所述外部歧管具有：经由供给侧连通部与所述流体供给用的内部歧管连接的流体供给用的外部歧管、经由排出侧连通部与所述流体排出用的内部歧管连接的流体排出用的外部歧管，

所述流体供给用的外部歧管及所述流体排出用的外部歧管分别向所述单元层叠体的宽度方向延伸，并配置为平行，

关于阳极气体及阴极气体中的至少一种流体，所述供给侧连通部及所述排出侧连通部具有：与所述内部歧管连接的第一辅助歧管；具备分别相对于所述外部歧管的中心线及所述第一辅助歧管的中心线交叉的中心线且与所述外部歧管连接的第二辅助歧管。

2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，

关于阳极气体及阴极气体中的至少一种流体，在所述流体供给用的外部歧管的端部开口的供给口、及在所述流体排出用的外部歧管的端部开口的排出口位于所述单元层叠体的层叠方向的一端部侧，且向同一方向开口。

3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，

所述外部歧管的中心线偏向所述内部歧管的中心线的内侧。

4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中，

阴极的所述外部歧管和阳极的所述外部歧管重叠配置，且阴极的所述外部歧管配置在比阳极的所述外部歧管更接近所述单元层叠体的位置。

5.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中，

阴极的所述外部歧管和阳极的所述外部歧管重叠配置，且阴极的所述外部歧管配置在比阳极的所述外部歧管更远离所述单元层叠体的位置。

6.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，

至少在阴极中，所述内部歧管设置在垂直方向，且与该内部歧管连接的所述外部歧管配置在所述单元层叠体的下方位置。

7.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，

至少在阴极中，所述内部歧管设置在水平方向，且与该内部歧管连接的所述外部歧管配置在所述内部歧管的下方位置。

8.如权利要求1所述的燃料电池，其中，

关于阳极气体及阴极气体这两种流体，流体供给用的所述外部歧管、所述供给侧连通部的所述第一和第二辅助歧管、所述排出侧连通部的所述第一和第二辅助歧管、及流体排出用的所述外部歧管设置于端板内。

9.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中，

使用冷却流体及空气的阴极的所述外部歧管的排出侧的截面积比供给侧的截面积大。

10.一种燃料电池的配流装置，其用于权利要求1～9中任一项所述的燃料电池，对阳极、阴极、及冷却流体中的至少两种流体进行配流，

具有块体，该块体对于第一和第二的各流体形成有流体供给用的所述外部歧管、及流体排出用的所述外部歧管，并构成端板，

在所述块体中，当将配置所述单元层叠体的一侧的面设为一面时，从所述块体的一面侧观察，在接近所述一面的一侧流动的第一流体用的所述外部歧管和在远离所述一面的一侧流动的第二流体用的所述外部歧管以一部分重叠的方式配置，而且，从所述块体的一面侧观察，所述第二流体用的所述外部歧管包括未与所述第一流体用的所述外部歧管重叠的延长部位，

通过从所述一面侧起形成仅与所述第一流体用的所述外部歧管连通的第一孔部，从而形成所述第一流体用的连通部，

通过从所述一面侧起在所述延长部位形成仅与所述第二流体用的所述外部歧管连通的第二孔部，从而形成所述第二流体用的连通部。

11.一种车辆，具备权利要求1～9中任一项所述的燃料电池。