JP5971653B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質体を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスを流通させる燃料側流通溝を一方面に形成されて酸素ガスを含有する酸化ガスを流通させる酸化側流通溝を他方面に形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えており、当該スタックの上記セパレータの上記燃料側流通溝に上記燃料ガスを流通させて上記セルの上記燃料極に供給すると共に上記酸化側流通溝に上記酸化ガスを流通させて上記セルの上記酸化極に供給することにより、当該セルにおいて、上記燃料ガス中の水素ガスと上記酸化ガス中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて、電力を得ることができるようになっている。

このような固体高分子形燃料電池においては、上記電気化学反応に伴って水が生成するため、生成した当該水を、上記電気化学反応に寄与しなかった残ガスと共に上記流通溝から下方の回収室にまとめて回収して、さらに下方の排出マニホールドを介してスタックの外部へ排出するようにしている。

特開２００４−１８５９４４号公報

ところで、前述したような固体高分子形燃料電池においては、スタックをできるだけ小さくすることが求められていることから、例えば、セパレータの厚さをできるだけ薄くすることが検討されている。

しかしながら、セパレータの厚さを薄くすると、前記回収室の厚さも薄くなって、上記水が当該回収室内に表面張力によって留まりやすくなり、前記排出マニホールドに自重で落下する高さ位置まで滞留して、当該回収室と当該排出マニホールドとの間が閉塞しやすくなって、当該回収室の内部の前記ガスがスタックの外部へ排出しにくくなってしまう。

このため、前記スタックの排出口に吸引ブロア等を接続して前記排出マニホールド内を吸引するようにしなければならず、付機の電力消費量の増加を招いてしまう。

このようなことから、本発明は、付機の電力消費量を増加させることなく回収室の内部のガスをスタックの外部へ容易に排出することができる固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質体を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタックを備えている固体高分子形燃料電池であって、前記セパレータが、前記セルの前記燃料極と対向する面に形成されて燃料ガスを流通させる燃料側流通溝と、前記セルの前記酸化極と対向する面に形成されて酸化ガスを流通させる酸化側流通溝と、厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の上方側に形成されて燃料ガスを供給する燃料側供給マニホールドと、厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の上方側に形成されて酸化ガスを供給する酸化側供給マニホールドと、前記燃料側供給マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側供給マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側分配室と、前記酸化側供給マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側供給マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側分配室と、厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の下方側に形成された燃料側排出マニホールドと、厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の下方に形成された酸化側排出マニホールドと、前記燃料側排出マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側排出マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側回収室と、前記酸化側排出マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側排出マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側回収室とを有し、前記セパレータが、さらに、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置して当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の少なくとも一方の内部のガスを入り込ませるガス排出バイパス入口と、当該ガス排出バイパス入口に入り込んだガスを送り出すガス排出バイパス出口とを有するガス排出バイパス手段を備え、前記ガス排出バイパス手段が、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に設けられて前記ガス排出バイパス入口である上端を前記流通溝の下方の近傍に位置させると共に前記ガス排出バイパス出口である下端を前記排出マニホールドに接続させた対をなす仕切壁を備えているものであることを特徴とする。

また、第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記セパレータの前記ガス排出バイパス手段が、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に設けられて対をなす前記仕切壁の間の上方を覆うと共に当該仕切壁との間及び当該流通溝との間に隙間を有するように当該仕切壁と前記流通溝との間に位置する仕切屋根を備えているものであることを特徴とする。

また、第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質体を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタックを備えている固体高分子形燃料電池であって、前記セパレータが、前記セルの前記燃料極と対向する面に形成されて燃料ガスを流通させる燃料側流通溝と、前記セルの前記酸化極と対向する面に形成されて酸化ガスを流通させる酸化側流通溝と、厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の上方側に形成されて燃料ガスを供給する燃料側供給マニホールドと、厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の上方側に形成されて酸化ガスを供給する酸化側供給マニホールドと、前記燃料側供給マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側供給マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側分配室と、前記酸化側供給マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側供給マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側分配室と、厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の下方側に形成された燃料側排出マニホールドと、厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の下方に形成された酸化側排出マニホールドと、前記燃料側排出マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側排出マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側回収室と、前記酸化側排出マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側排出マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側回収室とを有し、前記セパレータが、さらに、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置して当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の少なくとも一方の内部のガスを入り込ませるガス排出バイパス入口と、当該ガス排出バイパス入口に入り込んだガスを送り出すガス排出バイパス出口とを有するガス排出バイパス手段を備え、前記ガス排出バイパス手段が、前記セパレータの一方又は他方の側方の、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の側方の上方寄りで当該セパレータを厚さ方向に貫通するように形成された前記ガス排出バイパス出口であるガス排出バイパスマニホールドと、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の内部と前記ガス排出バイパスマニホールドとを接続するように当該セパレータの内部に形成されて当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置する前記ガス排出バイパス入口であるガス排出バイパス路とを備え、前記スタックの外部に配設されて内部に水を貯留すると共に当該スタックの前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方と接続する前記排出マニホールドへ下方側を接続されたレベルタンクと、前記スタックの前記マニホールドの前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置を一定に保持するように前記レベルタンクの内部の水の液面の高さ位置を一定に保持する水面高さ維持手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、セパレータの薄層化に伴う前記回収室の狭小化により、当該回収室内に回収された水が、当該回収室内に表面張力で滞留し、前記排出マニホールド内に自重で落下する高さ位置まで留まりながら、当該排出マニホールド内に排出されるようになっても、ガス排出バイパス手段が、当該回収室の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方にガス排出バイパス入口を位置させていることから、当該回収室の内部のガスを当該ガス排出バイパス入口に入り込ませて、ガス排出バイパス出口から送り出すことができるので、スタックの排出口に吸引ブロア等を接続して前記排出マニホールド内を吸引する必要がない。その結果、付機の電力消費量を増加させることなく前記回収室の内部のガスをスタックの外部へ容易に排出することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態の要部の概略構成図である。 図１のセパレータの一方面側の概略構成図である。 図１のセパレータの他方面側の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態の要部の概略構成図である。 図４のセパレータの一方面側の概略構成図である。 図４のセパレータの他方面側の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第三番目の実施形態の要部の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第三番目の実施形態の他の要部の概略構成図である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

〈第一番目の実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態を図１〜３に基づいて説明する。

本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質体１１１を、ガス透過性及び導電性を有する燃料極１１２及び酸化極１１３で挟んだセル（単電池）１１０と、水素ガスを含有する燃料ガスを流通させる燃料側流通溝を一方面側に形成されて酸素ガスを含有する酸化ガスを流通させる酸化側流通溝を他方面側に形成された導電性を有するセパレータ１２０とを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタック１００を備えている。

前記セパレータ１２０は、図２，３に示すように、燃料ガス１を供給する燃料側供給マニホールド１２１ａが上方側の一方の隅寄りに厚さ方向へ貫通するように形成され、酸化ガス２を供給する酸化側供給マニホールド１２１ｂが上方側の他方の隅寄りに厚さ方向へ貫通するように形成され、電気化学反応に寄与しなかった燃料ガス１の残ガス１ａを排出する燃料側排出マニホールド１２２ａが下方側の他方の隅寄りに厚さ方向へ貫通するように形成され、電気化学反応に寄与しなかった酸化ガス２の残ガス２ａを排出する酸化側排出マニホールド１２２ｂが下方側の一方の隅寄りに厚さ方向へ貫通するように形成されている。

また、前記セパレータ１２０は、前記燃料ガス１を流通させる燃料側流通溝１２３ａが前記セル１１０の前記燃料極１１２と対向する面（一方面）の中央部分に形成され、前記酸化ガス２を流通させる酸化側流通溝１２３ｂが前記セル１１０の前記燃料極１１３と対向する面（他方面）の中央部分に形成されている。

そして、前記セパレータ１２０は、前記燃料側供給マニホールド１２１ａと前記燃料側流通溝１２３ａとを接続する燃料側分配室１２４ａが当該燃料側供給マニホールド１２１ａの下部と当該燃料側流通溝１２３ａの上部との間に位置するように当該セパレータ１２０の厚さ方向内部の一方面寄りに形成され、前記酸化側供給マニホールド１２１ｂと前記酸化側流通溝１２３ｂとを接続する酸化側分配室１２４ｂが当該酸化側供給マニホールド１２１ｂの下部と当該酸化側流通溝１２３ｂの上部との間に位置するように当該セパレータ１２０の厚さ方向内部の他方面寄りに形成され、前記燃料側供給流通溝１２３ａと前記燃料側排出マニホールド１２２ａとを接続する燃料側回収室１２５ａが当該燃料側供給流通溝１２３ａの下部と当該燃料側排出マニホールド１２２ａの上部との間に位置するように当該セパレータ１２０の厚さ方向内部の一方面寄りに形成され、前記酸化側供給流通溝１２３ｂと前記酸化側排出マニホールド１２２ｂとを接続する酸化側回収室１２５ｂが当該酸化側供給流通溝１２３ｂの下部と当該酸化側排出マニホールド１２２ｂの上部との間に位置するように当該セパレータ１２０の厚さ方向内部の他方面寄りに形成されている。

さらに、図２に示すように、前記燃料側回収室１２５ａの内部には、上下方向に長手方向を向けた対をなす仕切壁１２６ａが、上端を前記燃料側流通溝１２３ａの下端近傍に位置させると共に下端を前記燃料側排出マニホールド１２２ａとの接続部分に位置させるようにして配設されている。前記燃料側回収室１２５ａの内部の、前記仕切壁１２６ａの上端と前記燃料側流通溝１２３ａの下端との間には、上方よりも下方ほど広がるように傾斜した三角形状をなす仕切屋根１２７ａが、対をなす上記仕切壁１２６ａの対向間の上方を覆うようにして配設されており、当該仕切屋根１２７ａは、上記燃料側流通溝１２３ａの下端との間及び上記仕切壁１２６ａの上端との間に隙間を有するように、その大きさや位置が設定されている。

他方、図３に示すように、前記酸化側回収室１２５ｂの内部には、上下方向に長手方向を向けた対をなす仕切壁１２６ｂが、上端を前記酸化側流通溝１２３ｂの下端近傍に位置させると共に下端を前記酸化側排出マニホールド１２２ｂとの接続部分に位置させるようにして配設されている。前記酸化側回収室１２５ｂの内部の、前記仕切壁１２６ｂの上端と前記酸化側流通溝１２３ｂの下端との間には、上方よりも下方ほど広がるように傾斜した三角形状をなす仕切屋根１２７ｂが、対をなす上記仕切壁１２６ｂの対向間の上方を覆うようにして配設されており、当該仕切屋根１２７ｂは、上記酸化側流通溝１２３ｂの下端との間及び上記仕切壁１２６ｂの上端との間に隙間を有するように、その大きさや位置が設定されている。

なお、本実施形態においては、対をなす前記仕切壁１２６ａの上端が燃料側のガス排出バイパス入口を構成し、対をなす前記仕切壁１２６ａの下端が燃料側のガス排出バイパス出口を構成し、前記仕切壁１２６ａ、前記仕切屋根１２７ａ等により燃料側のガス排出バイパス手段を構成し、対をなす前記仕切壁１２６ｂの上端が酸化側のガス排出バイパス入口を構成し、対をなす前記仕切壁１２６ｂの下端が酸化側のガス排出バイパス出口を構成し、前記仕切壁１２６ｂ、前記仕切屋根１２７ｂ等により酸化側のガス排出バイパス手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池においては、前記スタック１００の燃料側供給口に前記燃料ガス１を供給すると共に酸化側供給口に前記酸化ガス２を供給すると、上記燃料ガス１が各セパレータ１２０の前記燃料側供給マニホールド１２１ａから前記燃料側分配室１２４ａ内に流入して前記燃料側流通溝１２３ａ内を流通することにより、前記セル１１０の前記燃料極１１２に供給されると共に、上記酸化ガス２が各セパレータ１２０の前記酸化側供給マニホールド１２１ｂから前記酸化側分配室１２４ｂ内に流入して前記酸化側流通溝１２３ｂ内を流通することにより、前記セル１１０の前記酸化極１１３に供給される。

これにより、前記セル１１０において、前記燃料ガス１中の水素ガスと前記酸化ガス２中の酸素ガスとが電気化学的に反応して電力を発生すると共に、水３が生成する。

前記セル１１０において上記電気化学反応に寄与しなかった前記燃料ガス１の残ガス１ａは、前記水３と共に、前記燃料側流通溝１２３ａ内を流通して前記燃料側回収室１２５ａ内に回収される。また、前記セル１１０において上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸化ガス２の残ガス２ａは、前記水３と共に、前記酸化側流通溝１２３ｂ内を流通して前記酸化側回収室１２５ｂ内に回収される。

前記燃料側回収室１２５ａ内に回収された前記水３は、当該セパレータ１２０の薄層化に伴う当該燃料側回収室１２５ａの狭小化により、当該燃料側回収室１２５ａ内に表面張力で滞留し、前記燃料側排出マニホールド１２２ａ内に自重で落下する高さ位置（計算により予め求められる値）まで留まりながら、当該燃料側排出マニホールド１２２ａ内に排出される。

このとき、前記仕切壁１２６ａの下端が、前記燃料側排出マニホールド１２２ａに接続すると共に、上端が、前記燃料側流通溝１２３ａの下端近傍に位置、すなわち、前記燃料側回収室１２５ａ内に回収されて滞留する前記水３の液面の高さ位置よりも上方に位置していることから、当該燃料側回収室１２５ａ内に回収された前記水３は、対向する当該仕切壁１２６ａの間に入り込むことがない。

また、前記仕切屋根１２７ａが、対をなす前記仕切壁１２６ａの対向間の上方を覆うように当該仕切壁１２６ａの上端と前記燃料側流通溝１２３ａの下端との間に隙間を有して配設されていることから、当該仕切壁１２６ａの上方の上記燃料側流通溝１２３ａから流出する前記水３が当該仕切壁１２６ａ間に入り込むことを防止できる。

このため、前記燃料側回収室１２５ａ内に回収された前記残ガス１ａは、前記仕切屋根１２７ａと前記仕切壁１２６ａの上端との間を介して、上記仕切壁１２６ａの上端の対向間から入り込み、対向する当該仕切壁１２６ａの間を流通して当該仕切壁１２６ａの下端の対向間から送り出され、前記燃料側排出マニホールド１２２ａ内に排出される。

他方、前記酸化側回収室１２５ｂ内に回収された前記水３は、当該セパレータ１２０の薄層化に伴う当該酸化側回収室１２５ｂの狭小化により、当該酸化側回収室１２５ｂ内に表面張力で滞留し、前記酸化側排出マニホールド１２２ｂ内に自重で落下する高さ位置（計算により予め求められる値）まで留まりながら、当該酸化側排出マニホールド１２２ｂ内に排出される。

このとき、前記仕切壁１２６ｂの下端が、前記酸化側排出マニホールド１２２ｂに接続すると共に、上端が、前記酸化側流通溝１２３ｂの下端近傍に位置、すなわち、前記酸化側回収室１２５ａ内に回収されて滞留する前記水３の液面の高さ位置よりも上方に位置していることから、当該酸化側回収室１２５ｂ内に回収された前記水３は、対向する当該仕切壁１２６ｂの間に入り込むことがない。

また、前記仕切屋根１２７ｂが、対をなす前記仕切壁１２６ｂの対向間の上方を覆うように当該仕切壁１２６ｂの上端と前記酸化側流通溝１２３ｂの下端との間に隙間を有して配設されていることから、当該仕切壁１２６ｂの上方の上記酸化側流通溝１２３ｂから流出する前記水３が当該仕切壁１２６ａ間に入り込むことを防止できる。

このため、前記酸化側回収室１２５ｂ内に回収された前記残ガス２ａは、前記仕切屋根１２７ｂと前記仕切壁１２６ｂの上端との間を介して、上記仕切壁１２６ｂの上端の対向間から入り込み、対向する当該仕切壁１２６ｂの間を流通して当該仕切壁１２６ｂの下端の対向間から送り出され、前記酸化側排出マニホールド１２２ｂ内に排出される。

このようにして前記燃料側排出マニホールド１２２ａ内に排出された前記残ガス１ａ及び前記水３は、スタック１００の燃料側排出口から系外へ排出され、前記酸化側排出マニホールド１２２ｂ内に排出された前記残ガス２ａ及び前記水３は、スタック１００の酸化側排出口から系外へ排出される。

これにより、上記スタック１００の燃料側排出口や酸化側排出口に吸引ブロア等を接続して前記排出マニホールド１２２ａ，１２２ｂ内を吸引しなくても前記回収室１２５ａ，１２５ｂ内の前記残ガス１ａ，２ａを上記スタック１００の外部へ容易に排出することができる。

したがって、本実施形態によれば、付機の電力消費量を増加させることなく前記回収室１２５ａ，１２５ｂ内の前記残ガス１ａ，１ｂをスタック１００の外部へ容易に排出することができる。

また、前記仕切屋根１２７ａ，１２７ｂが、上方よりも下方ほど広がるように傾斜した三角形状をなしていることから、当該仕切屋根１２７ａ，１２７ｂ上に水３が溜まってしまうことを防止できる。

〈第二番目の実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態を図４〜６に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。

本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、図４に示すように、前記セル（単電池）１１０と、前記燃料ガス１を流通させる燃料側流通溝を一方面側に形成されて前記酸化ガス２を流通させる酸化側流通溝を他方面側に形成されたセパレータ２２０とを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタック２００を備えている。

図５，６に示すように、前記セパレータ２２０の一方の側方（図５中、右側）の、前記燃料側回収室１２５ａの側方の上方寄りには、当該セパレータ２２０を厚さ方向に貫通する燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａが形成されている。前記セパレータ２２０の他方の側方（図６中、右側）の、前記酸化側回収室１２５ｂの側方の上方寄りには、当該セパレータ２２０を厚さ方向に貫通する酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂが形成されている。

また、前記セパレータ２２０の前記燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａと前記燃料側回収室１２５ａとの間には、当該燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａの側方と当該燃料側回収室１２５ａの内部の側方（図５中、右側）との間を接続する燃料側ガス排出バイパス路２２７ａが当該セパレータ２２０の厚さ方向内部の一方面寄りに形成されている。前記セパレータ２２０の前記酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂと前記酸化側回収室１２５ｂとの間には、当該酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂの側方と当該酸化側回収室１２５ｂの内部の側方（図６中、右側）との間を接続する燃料側ガス排出バイパス路２２７ｂが当該セパレータ２２０の厚さ方向内部の一方面寄りに形成されている。

つまり、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、前述した実施形態に係る前記仕切壁１２６ａ，１２６ｂ、前記仕切屋根１２７ａ，１２７ｂ等を有する前記セパレータ１２０を前記セル１１０と交互に複数積層したスタック１００に代えて、前記ガス排出バイパスマニホールド２２６ａ．２２６ｂ、前記ガス排出バイパス路２２７ａ，２２７ｂ等を有する前記セパレータ２２０を前記セル１１０と交互に複数積層したスタック２００を備えるようにしたのである。

なお、本実施形態においては、前記燃料側ガス排出バイパス路２２７ａが燃料側のガス排出バイパス入口を構成し、前記燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａが燃料側のガス排出バイパス出口を構成し、前記燃料側ガス排出マニホールド２２６ａ、前記燃料側ガス排出バイパス路２２７ａ等により燃料側のガス排出バイパス手段を構成し、前記酸化側ガス排出バイパス路２２７ｂが酸化側のガス排出バイパス入口を構成し、前記酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂが酸化側のガス排出バイパス出口を構成し、前記酸化側ガス排出マニホールド２２６ｂ、前記酸化側ガス排出バイパス路２２７ｂ等により酸化側のガス排出バイパス手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池においては、前述した実施形態の場合と同様に、前記スタック２００の燃料側供給口に前記燃料ガス１を供給すると共に酸化側供給口に前記酸化ガス２を供給することにより、上記燃料ガス１が各セパレータ２２０の前記燃料側供給マニホールド１２１ａから前記燃料側分配室１２４ａ内に流入して前記燃料側流通溝１２３ａ内を流通して、前記セル１１０の前記燃料極１１２に供給されると共に、上記酸化ガス２が各セパレータ２２０の前記酸化側供給マニホールド１２１ｂから前記酸化側分配室１２４ｂ内に流入して前記酸化側流通溝１２３ｂ内を流通して、前記セル１１０の前記酸化極１１３に供給される。

これにより、前述した実施形態の場合と同様に、前記セル１１０において、前記燃料ガス１中の水素ガスと前記酸化ガス２中の酸素ガスとが電気化学的に反応して電力を発生すると共に、水３が生成する。

そして、前述した実施形態の場合と同様に、前記セル１１０において上記電気化学反応に寄与しなかった前記燃料ガス１の残ガス１ａは、前記水３と共に、前記燃料側流通溝１２３ａ内を流通して前記燃料側回収室１２５ａ内に回収され、前記セル１１０において上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸化ガス２の残ガス２ａは、前記水３と共に、前記酸化側流通溝１２３ｂ内を流通して前記酸化側回収室１２５ｂ内に回収される。

このように上記燃料側回収室１２５ａ内に回収された前記水３は、当該セパレータ２２０の薄層化に伴う当該燃料側回収室１２５ａの狭小化により、当該燃料側回収室１２５ａ内に表面張力で滞留し、前記燃料側排出マニホールド１２２ａ内に自重で落下する高さ位置（計算により予め求められる値）まで留まりながら、当該燃料側排出マニホールド１２２ａ内に排出される。

また、上記燃料側回収室１２５ａ内に回収された前記燃料ガス１の前記残ガス１ａは、当該燃料側回収室１２５ａと前記燃料側排出マニホールド１２２ａとの間に前記水３が滞留しているものの、前記燃料側ガス排出バイパス路２２７ａ及び前記燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａが、当該燃料側回収室１２５ａの側方の上方寄り、すなわち、当該燃料側回収室１２５ａ内に回収されて滞留する前記水３の液面の高さ位置よりも上方に位置していることから、当該燃料側ガス排出バイパス路２２７ａに入り込んで当該燃料側ガス排出バイパスマニホールド２２６ａに送り出される。

他方、上記酸化側回収室１２５ｂ内に回収された前記水３は、当該セパレータ２２０の薄層化に伴う当該酸化側回収室１２５ｂの狭小化により、当該酸化側回収室１２５ｂ内に表面張力で滞留し、前記酸化側排出マニホールド１２２ｂ内に自重で落下する高さ位置（計算により予め求められる値）まで留まりながら、当該燃料側排出マニホールド１２２ｂ内に排出される。

また、上記酸化側回収室１２５ｂ内に回収された前記酸化ガス２の前記残ガス２ａは、当該酸化側回収室１２５ｂと前記酸化側排出マニホールド１２２ａｂの間に前記水３が滞留しているものの、前記酸化側ガス排出バイパス路２２７ｂ及び前記酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂが、当該酸化側回収室１２５ｂの側方の上方寄り、すなわち、当該酸化側回収室１２５ｂ内に回収されて滞留する前記水３の液面の高さ位置よりも上方に位置していることから、当該酸化側ガス排出バイパス路２２７ｂに入り込んで当該酸化側ガス排出バイパスマニホールド２２６ｂに送り出される。

このようにして前記排出マニホールド１２２ａ，１２２ｂ内に排出された前記水３は、当該スタック２００の前記排出口から系外へ排出され、前記ガス排出バイパスマニホールド２２７ａ，２２７ｂに送り出された前記残ガス１ａ，２ａは、当該スタック２００の各ガス排出バイパス口から系外へ排出される。

これにより、前述した実施形態の場合と同様に、上記スタック２００の燃料側排出口や酸化側排出口に吸引ブロア等を接続して前記排出マニホールド１２２ａ，１２２ｂ内を吸引しなくても前記残ガス１ａ，２ａを上記スタック２００の外部へ容易に排出することができる。

したがって、本実施形態によれば、前述した実施形態の場合と同様に、付機の電力消費量を増加させることなくスタック２００の外部への前記残ガス１ａ，２ａの排出を容易に行うことができる。

〈第三番目の実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第三番目の実施形態を図７，８に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図７に示すように、前記セパレータ２２０の前記燃料側排出マニホールド１２２ａは、前記スタック２００の燃料側排出口を介して、内部に水３を貯留する燃料側レベルタンク１１ａの下部に燃料側接続ライン１２ａを介して接続されている。前記燃料側レベルタンク１１ａの所定の高さ位置には、当該燃料側レベルタンク１１ａ内の水３をオーバフローさせて当該燃料側レベルタンク１１ａの内部から排出する燃料側の水面高さ維持手段である燃料側レベルライン１３ａが接続されており、当該燃料側レベルタンク１１ａ及び当該燃料側レベルライン１３ａは、当該燃料側レベルタンク１１ａの内部の水３の液面の高さ位置が、前記スタック２００の前記セパレータ２２０の前記燃料側回収室１２５ａ内に滞留する前記水３の液面の高さ位置と同じになるように設定されている。

また、図８に示すように、前記セパレータ２２０の前記酸化側排出マニホールド１２２ｂは、前記スタック２００の酸化側排出口を介して、内部に水３を貯留する酸化側レベルタンク１１ｂの下部に酸化側接続ライン１２ｂを介して接続されている。前記酸化側レベルタンク１１ｂの所定の高さ位置には、当該酸化側レベルタンク１１ｂ内の水３をオーバフローさせて当該酸化側レベルタンク１１ｂの内部から排出する酸化側の水面高さ維持手段である酸化側レベルライン１３ｂが接続されており、当該酸化側レベルタンク１１ｂ及び当該酸化側レベルライン１３ｂは、当該酸化側レベルタンク１１ｂの内部の水３の液面の高さ位置が、前記スタック２００の前記セパレータ２２０の前記酸化側回収室１２５ｂ内に滞留する前記水３の液面の高さ位置と同じになるように設定されている。

このような本実施形態においては、まず、前記レベルタンク１１ａ，１１ｂ内に水３を前記レベルライン１３ａ，１３ｂまで入れると、当該水３は、前記接続ライン１２ａ，１２ｂを介して前記スタック２００の前記排出口から前記セパレータ２２０の前記排出マニホールド１２２ａ，１２２ｂ内を満たすまで入れられると共に、当該セパレータ２２０の前記回収室１２５ａ，１２５ｂ内に上記レベルタンク１１ａ，１１ｂ内の水３の液面高さまで入れられる。このとき、前記セパレータ２２０の前記ガス排出バイパス路２２７ａ，２２７ｂ及び前記ガス排出バイパスマニホールド２２６ａ，２２６ｂは、当該セパレータ２２０の上記回収室１２５ａ，１２５ｂ内に入れられた水３の液面の高さ位置よりも上方に位置している。

そして、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記ガス１，２を供給して電気化学反応を生じさせて電力を発生させると、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記残ガス１ａ，２ａは、前記セパレータ２２０の前記回収室１２５ａ，１２５ｂから前記ガス排出バイパス路２２７ａ，２２７ｂに入り込んで前記ガス排出バイパスマニホールド２２６ａ，２２６ｂに送り出され、上記スタック２００の各ガス排出バイパス口から系外へ排出される。

他方、前記電気化学反応に伴って生成した水３は、前記セパレータ２２０の前記回収室１２５ａ，１２５ｂ内に溜まるにしたがって、前記排出マニホールド１２２ａ，１２２ｂ及び前記接続ライン１２ａ，１２ｂ並びに前記レベルタンク１１ａ，１１ｂ内を介して前記レベルライン１３ａ，１３ｂから外部へ排出される。

これにより、前記レベルタンク１ａ，１１ｂの内部の水３は、その液面の高さ位置が常に一定に保持され、その結果、前記セパレータ２２０の前記回収室１２５ａ，１２５ｂの内部に滞留する水３は、その液面の高さ位置が、当該セパレータ２２０の前記ガス排出バイパス路２２７ａ，２２７ｂ及び前記ガス排出バイパスマニホールド２２６ａ，２２６ｂよりも下方に常に位置するように一定に保持される。

このため、本実施形態においては、前記回収室１２５ａ，１２５ｂの内部のすべての前記残ガス１ａ，２ａを前記ガス排出バイパスマニホールド２２６ａ，２２６ｂからスタック２００の外部へ回収することができる。

したがって、本実施形態によれば、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前記残ガス１ａ，２ａと前記水３とを分離する気液分離器等の設置を省略することができる。

〈他の実施形態〉
なお、前述した第一番目の実施形態においては、上方よりも下方ほど広がるように傾斜した三角形状をなす仕切屋根１２７ａ，１２７ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、上方よりも下方ほど広がるように円弧状をなす半円形状の仕切屋根を適用することも可能である。

また、前述した実施形態においては、燃料側及び酸化側の両方にガス排出バイパス手段をそれぞれ備えるようにしたが、燃料側及び酸化側の一方のみにガス排出バイパス手段を備えるようにすることも可能である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、付機の電力消費量を増加させることなく前記回収室の内部のガスをスタックの外部へ容易に排出することができるので、各種産業において極めて有益に利用することができる。

１ 燃料ガス
１ａ 残ガス
２ 酸化ガス
２ａ 残ガス
３ 水
１１ａ 燃料側レベルタンク
１１ｂ 酸化側レベルタンク
１２ａ 燃料側接続ライン
１２ｂ 酸化側接続ライン
１３ａ 燃料側レベルライン
１３ｂ 酸化側レベルライン
１００ スタック
１１０ セル
１１１ 固体高分子電解質体
１１２ 燃料極
１１３ 酸化極
１２０ セパレータ
１２１ａ 燃料側供給マニホールド
１２１ｂ 酸化側供給マニホールド
１２２ａ 燃料側排出マニホールド
１２２ｂ 酸化側排出マニホールド
１２３ａ 燃料側流通溝
１２３ｂ 酸化側流通溝
１２４ａ 燃料側分配室
１２４ｂ 酸化側分配室
１２５ａ 燃料側回収室
１２５ｂ 酸化側回収室
１２６ａ，１２６ｂ 仕切壁
１２７ａ，１２７ｂ 仕切屋根
２２０ スタック
２２６ａ 燃料側ガス排出バイパスマニホールド
２２６ｂ 酸化側ガス排出バイパスマニホールド
２２７ａ 燃料側ガス排出バイパス路
２２７ｂ 酸化側ガス排出バイパス路

Claims (3)

1. 固体高分子電解質体を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタックを備えている固体高分子形燃料電池であって、
   前記セパレータが、
   前記セルの前記燃料極と対向する面に形成されて燃料ガスを流通させる燃料側流通溝と、
   前記セルの前記酸化極と対向する面に形成されて酸化ガスを流通させる酸化側流通溝と、
   厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の上方側に形成されて燃料ガスを供給する燃料側供給マニホールドと、
   厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の上方側に形成されて酸化ガスを供給する酸化側供給マニホールドと、
   前記燃料側供給マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側供給マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側分配室と、
   前記酸化側供給マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側供給マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側分配室と、
   厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の下方側に形成された燃料側排出マニホールドと、
   厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の下方に形成された酸化側排出マニホールドと、
   前記燃料側排出マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側排出マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側回収室と、
   前記酸化側排出マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側排出マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側回収室と
   を有し、
   前記セパレータが、さらに、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置して当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の少なくとも一方の内部のガスを入り込ませるガス排出バイパス入口と、当該ガス排出バイパス入口に入り込んだガスを送り出すガス排出バイパス出口とを有するガス排出バイパス手段を備え、
   前記ガス排出バイパス手段が、
   前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に設けられて前記ガス排出バイパス入口である上端を前記流通溝の下方の近傍に位置させると共に前記ガス排出バイパス出口である下端を前記排出マニホールドに接続させた対をなす仕切壁を備えているものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
   前記セパレータの前記ガス排出バイパス手段が、
   前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に設けられて対をなす前記仕切壁の間の上方を覆うと共に当該仕切壁との間及び当該流通溝との間に隙間を有するように当該仕切壁と前記流通溝との間に位置する仕切屋根を備えているものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
3. 固体高分子電解質体を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを鉛直方向と交差する方向へ向かって交互に複数積層したスタックを備えている固体高分子形燃料電池であって、
   前記セパレータが、
   前記セルの前記燃料極と対向する面に形成されて燃料ガスを流通させる燃料側流通溝と、
   前記セルの前記酸化極と対向する面に形成されて酸化ガスを流通させる酸化側流通溝と、
   厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の上方側に形成されて燃料ガスを供給する燃料側供給マニホールドと、
   厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の上方側に形成されて酸化ガスを供給する酸化側供給マニホールドと、
   前記燃料側供給マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側供給マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側分配室と、
   前記酸化側供給マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側供給マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側分配室と、
   厚さ方向へ貫通するように前記燃料側流通溝の下方側に形成された燃料側排出マニホールドと、
   厚さ方向へ貫通するように前記酸化側流通溝の下方に形成された酸化側排出マニホールドと、
   前記燃料側排出マニホールドと前記燃料側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該燃料側排出マニホールドと当該燃料側流通溝とを接続する燃料側回収室と、
   前記酸化側排出マニホールドと前記酸化側流通溝との間に位置するように内部に形成されて当該酸化側排出マニホールドと当該酸化側流通溝とを接続する酸化側回収室と
   を有し、
   前記セパレータが、さらに、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の少なくとも一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置して当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の少なくとも一方の内部のガスを入り込ませるガス排出バイパス入口と、当該ガス排出バイパス入口に入り込んだガスを送り出すガス排出バイパス出口とを有するガス排出バイパス手段を備え、
   前記ガス排出バイパス手段が、
   前記セパレータの一方又は他方の側方の、前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の側方の上方寄りで当該セパレータを厚さ方向に貫通するように形成された前記ガス排出バイパス出口であるガス排出バイパスマニホールドと、
   前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の内部と前記ガス排出バイパスマニホールドとを接続するように当該セパレータの内部に形成されて当該燃料側回収室及び当該酸化側回収室の一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置よりも上方に位置する前記ガス排出バイパス入口であるガス排出バイパス路と
   を備え、
   前記スタックの外部に配設されて内部に水を貯留すると共に当該スタックの前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方と接続する前記排出マニホールドへ下方側を接続されたレベルタンクと、
   前記スタックの前記マニホールドの前記燃料側回収室及び前記酸化側回収室の一方の内部に滞留する水の液面の高さ位置を一定に保持するように前記レベルタンクの内部の水の液面の高さ位置を一定に保持する水面高さ維持手段と
   を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。

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