JPH10223238A - Solid polymer electrolyte fuel cell laminate, and manufacture of gas separation plate of the same - Google Patents

Solid polymer electrolyte fuel cell laminate, and manufacture of gas separation plate of the same

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JPH10223238A
JPH10223238A JP9022414A JP2241497A JPH10223238A JP H10223238 A JPH10223238 A JP H10223238A JP 9022414 A JP9022414 A JP 9022414A JP 2241497 A JP2241497 A JP 2241497A JP H10223238 A JPH10223238 A JP H10223238A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformize with a simple structure at a low cost the cell reaction and to improve the efficiency by arranging external manifolds on inlet/outlet sides of the fuel gas, the oxidant gas and the cooling water on each pair of surfaces of a hexagonal prismatic laminate of a fuel cell, and dividing gas flow passages orthogonal to each other into a plurality of areas by folding back gas flow passages by even number of times similar to a bellows for diffusing the cell reaction over the entire reaction effective area part. SOLUTION: A plurality of solid polymer electrolyte fuel cell single bodies and cooling plates are laminated into a hexagonal prismatic shape. External manifolds 4, 5 on inlet/outlet sides of the fuel gas are arranged on one pair of surfaces which are opposite to each other of the laminate, and a fuel gas flow passage 22 is formed on a gas separation plate 1. External manifolds 7, 8 o the inlet/outlet sides of the oxidant are arranged on the other pair of surfaces opposite to each other, and an oxidant flow passage is formed orthogonal to the fuel gas flow passage 22, below the gas separation plate 1. External manifolds 11, 12 on inlet/outlet sides of the cooling water are arranged on the rest of the surfaces opposite to each other. The flow passages 22 is folded back by even number of times as in a bellows in a gas supply area, which are divided into a plurality of parts.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池積層体の反応ガス流路の流路形状及び固体高分子型燃
料電池積層体の構造及びそのガス分離板の製造方法に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shape of a reaction gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack, a structure of the polymer electrolyte fuel cell stack, and a method of manufacturing a gas separation plate thereof. .

【０００２】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池積層体は、純水素
と純酸素とを燃料とする場合については、古くから宇宙
船や潜水艇の電源として使用された実績があるが、近
年、セル性能の向上とともに、定置型電源や可搬電源、
電気自動車用電源としての期待が高まっている。最近
は、純水素を燃料ガス、空気を酸化剤ガスとする出力２
５０ｋＷの固体高分子型燃料電池バスや、純水素を燃料
ガス、空気を酸化剤ガスとする出力５０ｋＷの固体高分
子型燃料電池自動車が運転試験されている。2. Description of the Related Art Solid polymer fuel cell stacks have been used as power sources for spacecraft and submarines for a long time when they use pure hydrogen and pure oxygen as fuel. With the improvement of performance, stationary power source and portable power source,
Expectations as a power source for electric vehicles are increasing. Recently, an output 2 using pure hydrogen as fuel gas and air as oxidant gas
A 50 kW solid polymer fuel cell bus and a 50 kW solid polymer fuel cell vehicle using pure hydrogen as fuel gas and air as oxidant gas have been tested.

【０００３】しかし、最も期待されているのは、メタノ
ールやメタンの改質ガスを燃料ガス、空気を酸化剤ガス
とする固体高分子型燃料電池であり、特に自動車等の運
輸用で、脱石油、対環境性に優れた発電システムとして
期待が高まっている。メタノールやメタンの改質ガスは
水蒸気改質反応によって作り出され、水素と二酸化炭素
からなる改質ガスが生成するが、改質ガスには微量の一
酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素が燃料極の触媒を被
毒させるために、セル特性を高く保つことができず、選
択酸化によるＣＯ除去(微量の空気を燃料ガスに添加し
てＣＯをＣＯ2に酸化する)や耐ＣＯ被毒触媒(ＰｔーＲ
ｕ合金系触媒)等ＣＯ被毒対策についての研究開発が盛
んに行われているのが現状である。However, what is most expected is a polymer electrolyte fuel cell using a reformed gas such as methanol or methane as a fuel gas and air as an oxidant gas. Expectations are rising as a power generation system with excellent environmental friendliness. The reformed gas of methanol and methane is produced by a steam reforming reaction, producing a reformed gas consisting of hydrogen and carbon dioxide.The reformed gas contains a trace amount of carbon monoxide, and this carbon monoxide is used as fuel. The cell characteristics cannot be kept high because of poisoning of the catalyst at the pole, so CO removal by selective oxidation (adding a small amount of air to fuel gas to oxidize CO to CO 2 ) and CO poisoning resistant catalyst (Pt-R
At present, research and development on CO poisoning countermeasures such as u-alloy-based catalysts) are being actively conducted.

【０００４】図２０と図２１は、従来の燃料電池積層体
の最も単純な構成での各々燃料ガス側と酸化剤側の流路
形状を示す平面図である。これらの図において、符号１
はガス分離板、２は燃料ガス流路、３は酸化剤ガス流
路、４は燃料ガス入口側外部マニホールド、５は燃料ガ
ス出口側外部マニホールド、６は酸化剤入口側外部マニ
ホールド、７は酸化剤出口側外部マニホールドで、図中
矢印は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを示す。ま
た、符号８は反応が集中する領域、１０は反応有効面積
部を示している。このような構成は、リン酸型燃料電
池、溶融炭酸塩型燃料電池や固体電解質型燃料電池等に
広く用いられている最も単純で一般的な構成である。FIGS. 20 and 21 are plan views showing the shapes of flow paths on the fuel gas side and the oxidant side, respectively, in the simplest configuration of a conventional fuel cell stack. In these figures, reference numeral 1
Is a gas separation plate, 2 is a fuel gas flow path, 3 is an oxidant gas flow path, 4 is a fuel gas inlet side external manifold, 5 is a fuel gas outlet side external manifold, 6 is an oxidant inlet side external manifold, and 7 is an oxidizer. The arrows in the drawing indicate the flow of the fuel gas or the oxidizing gas in the external manifold on the agent outlet side. Reference numeral 8 denotes a region where the reaction is concentrated, and reference numeral 10 denotes a reaction effective area. Such a configuration is the simplest and general configuration widely used in a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, and the like.

【０００５】図２０と図２１の構成では、燃料ガスが流
れる燃料ガス流路２と酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流
路３とは直交しており、燃料電池反応は、反応ガスの分
圧の最も高い燃料ガス入口側で酸化剤ガス入口側に集中
する。純水素と純酸素を用いる場合には、反応はかなり
全体に分散されるが、空気の場合は、酸素分圧が約２１
％と低いので、酸化剤ガス入口側に集中する傾向が強
い。また、メタノールやメタンを水蒸気改質した改質ガ
スを用いる場合には、改質ガスに微量含まれる一酸化炭
素が燃料極の触媒を被毒させるために、燃料ガス中の一
酸化炭素濃度が反応分布に大きく影響する。反応が進む
とともに、水素が消費されるので、燃料ガス出口側ほ
ど、水素分圧が低く、一酸化炭素濃度が高くなって反応
しにくくなる。従って、改質ガスを用いる場合には、燃
料入口側に反応が集中しやすい。結局、酸化剤に空気を
用い、燃料ガスとして改質ガスを用いた場合には、図２
０と図２１の構成では、酸化剤入口側と燃料入口側の領
域８に反応が集中し、純酸素や純水素を用いた場合に比
べて、セル特性が著しく低くなるという問題点があっ
た。In the configurations shown in FIGS. 20 and 21, the fuel gas flow path 2 through which the fuel gas flows and the oxidizing gas flow path 3 through which the oxidizing gas flows are orthogonal to each other. Is concentrated on the oxidant gas inlet side at the highest fuel gas inlet side. When pure hydrogen and pure oxygen are used, the reaction is fairly dispersed, but in the case of air, the oxygen partial pressure is about 21%.
%, It tends to concentrate on the oxidant gas inlet side. In addition, when using a reformed gas obtained by steam reforming methanol or methane, the carbon monoxide concentration in the fuel gas is reduced because a small amount of carbon monoxide in the reformed gas poisons the catalyst of the fuel electrode. It greatly affects the reaction distribution. Since hydrogen is consumed as the reaction proceeds, the hydrogen gas partial pressure becomes lower and the carbon monoxide concentration becomes higher at the fuel gas outlet side, so that the reaction becomes difficult. Therefore, when the reformed gas is used, the reaction tends to concentrate on the fuel inlet side. After all, when air is used as the oxidizing agent and reformed gas is used as the fuel gas, FIG.
In the configuration of FIG. 0 and FIG. 21, the reaction concentrates in the region 8 on the oxidant inlet side and the fuel inlet side, and there is a problem that the cell characteristics are remarkably lowered as compared with the case where pure oxygen or pure hydrogen is used. .

【０００６】さらに、室温から１００℃以下で動作する
固体電解質型燃料電池の場合、生成した水の殆どが液体
の状態なので、反応ガス流路に滞留して流路を徐々に閉
塞し、反応を阻害する傾向があるが、図２０と図２１の
構成では、流路の長さが短いので、流路断面積を１ｍｍ
2以下に減らしたとしても反応ガスの流速を大きくする
ことが極めて困難であり、生成水が反応ガス流路に滞留
して閉塞しやすいという問題点があった。なお、流路断
面積が１ｍｍ2を下回ると流路形成が困難になる上、工
作精度による流量のばらつきが大きくなったり、流路圧
損が大きくなりすぎる等の問題点があり、現実的ではな
い。Further, in the case of a solid oxide fuel cell which operates at room temperature to 100 ° C. or lower, most of the generated water is in a liquid state, so that the water stays in the reaction gas flow path and gradually closes the flow path to stop the reaction. 20 and 21, since the length of the flow path is short, the cross-sectional area of the flow path is 1 mm.
Even if the flow rate is reduced to 2 or less, it is extremely difficult to increase the flow velocity of the reaction gas, and there is a problem that the generated water easily stays in the reaction gas flow path and is blocked. If the cross-sectional area of the flow path is less than 1 mm 2 , it is difficult to form the flow path, and the flow rate varies greatly due to machining accuracy, and the flow path pressure loss becomes too large. .

【０００７】また、積層体では、セル内部で発生する熱
を取り去って、動作温度を一定に保つために、数セルお
きに冷却板を挿入して、冷却板に冷却水を流す必要があ
るが、４辺を外部マニホールドで囲われてしまっている
ので、４隅を用いて、金属チューブを差し込むか、燃料
ガスまたは酸化剤ガスの外部マニホールドの内部に金属
チューブを差し込んで、冷却板に冷却水を流す必要があ
り、構造的にかなり複雑にならざるを得なかった。Further, in the laminate, it is necessary to insert a cooling plate every few cells and to flow cooling water through the cooling plate in order to remove the heat generated inside the cell and keep the operating temperature constant. Since the four sides are surrounded by an external manifold, insert a metal tube using the four corners, or insert a metal tube inside the fuel gas or oxidant gas external manifold, and add cooling water to the cooling plate. It had to flow, and it had to be quite complicated structurally.

【０００８】図２０と図２１の構成における生成水の滞
留の問題点を解決するために考え出されたのが、例えば
特開平３ー２０５７６３号公報に記載されているような
サーペンタイン型流路、別名蛇腹型流路である。図２
２、図２３及び図２４は、サーペンタイン型流路の適用
例で、各々燃料ガス側、酸化剤ガス側、冷却水側のガス
分離板の平面図である。図２２、図２３及び図２４にお
いて、符号１４は燃料ガス入口側内部マニホールド、１
５は燃料ガス出口側内部マニホールド、１６は酸化剤ガ
ス入口側内部マニホールド、１７は酸化剤ガス出口側内
部マニホールド、１８は冷却水入口側内部マニホール
ド、１８は冷却水出口側内部マニホールド、１９は冷却
水流路である。燃料ガス流路２及び酸化剤流路３はサー
ペンタイン型流路構成になっており、図２０と図２１の
構成に比べて流路長さが数倍長くなっており、その分、
流路断面積が同じでも、線流速が速くなって、流路内に
蓄積する生成水を吹き飛ばす効果がある。また、特開平
３ー２０５７６３号公報には、生成水をより吹き飛ばし
やすくするために、流路を撥水処理することが示されて
いる。In order to solve the problem of stagnation of produced water in the configurations shown in FIGS. 20 and 21, for example, a serpentine-type flow path as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-2055763 has been devised. Also known as a bellows type flow path. FIG.
2, 23 and 24 are plan views of gas separators on the fuel gas side, the oxidizing gas side, and the cooling water side, respectively, in an application example of the serpentine type flow path. In FIGS. 22, 23 and 24, reference numeral 14 denotes a fuel gas inlet side internal manifold, 1
5 is a fuel gas outlet side internal manifold, 16 is an oxidizing gas inlet side internal manifold, 17 is an oxidizing gas outlet side internal manifold, 18 is a cooling water inlet side internal manifold, 18 is a cooling water outlet side internal manifold, and 19 is cooling It is a water channel. The fuel gas flow path 2 and the oxidant flow path 3 have a serpentine type flow path configuration, and the flow path length is several times longer than the configuration of FIGS. 20 and 21.
Even if the cross-sectional area of the flow path is the same, the linear flow velocity is increased, and there is an effect of blowing off generated water accumulated in the flow path. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-205763 discloses that a flow path is subjected to a water-repellent treatment in order to make generated water easier to blow off.

【０００９】図２２、図２３及び図２４の場合、マニホ
ールドは、冷却水のマニホールドを含めて、内部マニホ
ールド方式が用いられており、ガス分離板に穿設された
穴が積層体の各セルに連絡し、外部マニホールドと同様
に、各セルへのガス分配ができるようになっている。特
に、図２０と図２１の構成に比べて、冷却水の供給のた
めに金属パイプ等を用いる必要がなく、構成が簡単にな
っている。In FIG. 22, FIG. 23 and FIG. 24, the manifold uses an internal manifold system including a cooling water manifold, and holes formed in the gas separation plate are provided in each cell of the laminated body. In this way, gas can be distributed to each cell as in the case of the external manifold. In particular, compared to the configurations of FIGS. 20 and 21, there is no need to use a metal pipe or the like for supplying the cooling water, and the configuration is simplified.

【００１０】しかし、有効面積部１０は、図２０と図２
１の構成に比べて、図２２、図２３及び図２４の構成の
場合の方が、ガス分離板全体の面積に対する比率が小さ
くなっており、面積の大きなガス分離板を用いる必要が
あるとともに、広い面積の周辺ガスシール部や内部マニ
ホールド周囲のガスシールが各セルで必要になるという
問題点があった。[0010] However, the effective area 10 is similar to that shown in FIGS.
Compared with the configuration of FIG. 1, the configurations of FIGS. 22, 23 and 24 have a smaller ratio to the entire area of the gas separation plate, and it is necessary to use a gas separation plate having a large area. There is a problem that a gas seal around a large area and a gas seal around the internal manifold is required for each cell.

【００１１】また、ＣＯ被毒を軽減するために、燃料ガ
スに酸化剤ガスを添加する方法が行われているが、サー
ペンタイン型流路では、流路長さが長いために、一旦Ｃ
Ｏを酸化して零にしても二酸化炭素と水との逆シフト反
応によって、流路の後半では徐々にＣＯが発生し蓄積さ
れるために、ＣＯ被毒の軽減が困難であった。そのた
め、国際公開ＷＯ９５／０８８５１号公報には、サーペ
ンタイン型流路の途中から、酸化剤ガスを追加して添加
する方法が記載されているが、構造が極めて複雑になる
という問題点があった。In order to reduce CO poisoning, a method of adding an oxidizing gas to a fuel gas has been used.
Even if O is oxidized to zero, CO is gradually generated and accumulated in the latter half of the flow channel due to the reverse shift reaction between carbon dioxide and water, so it has been difficult to reduce CO poisoning. For this reason, International Publication WO95 / 08851 describes a method of adding and adding an oxidizing gas in the middle of a serpentine flow path, but has a problem that the structure becomes extremely complicated.

【００１２】[0012]

【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃
料電池積層体は以上のように構成されているので、改質
ガスや空気を燃料ガスや酸化剤ガスとして用いた場合
に、セル反応の中心が燃料ガス入口側と酸化剤ガス入口
側の一致する４隅のうちの１隅に集中し、純水素や純酸
素を用いた場合に比べて、セル特性が著しく低下すると
いう問題点があった。特に燃料ガスに一酸化炭素が微量
含まれている場合、燃料出口側の水素濃度が低下すると
ともに、一酸化炭素濃度が高くなるので、反応がより燃
料入口側に集中し、セル特性の低下を加速していた。ま
た、外部マニホールド構造では、４辺が反応ガスの外部
マニホールドに専有されており、冷却水を循環するため
に、金属パイプを用いる必要があり、構造が複雑になっ
ていた。さらに、内部マニホールド型構造では、ガス分
離板の面積に対する反応有効面積部の占める割合が低
く、外部マニホールド構造に比べて、大きな面積のガス
分離板を用いる必要があり、内部マニホールドのガスシ
ールを各セルで行う必要がある等の問題点があった。Since the conventional polymer electrolyte fuel cell stack is constructed as described above, when a reformed gas or air is used as a fuel gas or an oxidizing gas, a cell reaction occurs. Is concentrated at one of the four corners where the fuel gas inlet side and the oxidizing gas inlet side coincide, and the cell characteristics are significantly reduced as compared with the case where pure hydrogen or pure oxygen is used. there were. In particular, when the fuel gas contains a trace amount of carbon monoxide, the hydrogen concentration at the fuel outlet side decreases and the carbon monoxide concentration increases, so that the reaction is more concentrated on the fuel inlet side and the cell characteristics are reduced. Was accelerating. Further, in the external manifold structure, four sides are exclusively used for the external manifold of the reaction gas, and it is necessary to use a metal pipe to circulate the cooling water, so that the structure is complicated. Furthermore, in the internal manifold type structure, the ratio of the reaction effective area to the area of the gas separation plate is low, and it is necessary to use a gas separation plate having a larger area than the external manifold structure. There are problems such as the necessity of performing in a cell.

【００１３】本発明は、上述したような問題点を解消す
るためになされたもので、セル反応を反応有効面積部の
全体に分散させることを目的とする。本発明の他の目的
は、ガス分離板の面積に対する反応有効面積部の占める
割合を高めて、低コスト化を図ることにある。本発明の
更に他の目的は、簡単な構造で、反応ガスと冷却水のマ
ニホールド構造を得ることにある。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has as its object to disperse a cell reaction over the entire effective reaction area. Another object of the present invention is to reduce the cost by increasing the ratio of the reaction effective area to the area of the gas separation plate. Still another object of the present invention is to obtain a manifold structure of a reaction gas and cooling water with a simple structure.

【００１４】[0014]

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る固
体高分子型燃料電池積層体は、積層体を６角柱の形状に
構成し、該積層体の６つの側面に対して、対角位置に燃
料ガス入口側外部マニホールドと燃料ガス出口側外部マ
ニホールド、酸化剤ガス入口側外部マニホールドと酸化
剤ガス出口側外部マニホールド、及び冷却水入口マニホ
ールドと冷却水出口マニホールドを、固体高分子型燃料
電池積層体の全ての固体高分子型燃料電池単体に共通し
た外部マニホールドを用いて各々構成すると共に、単セ
ルの燃料ガス反応面積領域を、前記燃料ガス入口側外部
マニホールド及び前記燃料ガス出口側外部マニホールド
に各々面する複数個の燃料ガス供給区域に分割し、１本
以上の燃料ガス供給区域には、蛇腹状に偶数回数折り返
された燃料ガス流路を各々配置し、単セルの酸化剤ガス
反応面積領域を、前記酸化剤ガス入口側外部マニホール
ド及び前記酸化剤ガス出口側外部マニホールドに各々面
する複数個の酸化剤ガス供給区域に分割し、各酸化剤ガ
ス供給区域には、蛇腹状に偶数回数折り返された１本以
上の酸化剤ガス流路を各々配置し、前記燃料ガス流路と
前記酸化剤ガス流路の向きを直交させるようにしたもの
である。上記構成によれば、燃料ガス及び酸化剤ガス
が、各々複数個に分割されたガス供給区域に配置された
蛇腹状に折り返した各々１本以上の反応ガス流路に分配
されるので、水素分圧及び酸素分圧が高く反応が集中す
る領域が反応有効面積部全体に分配され、反応が均一化
される作用がある。また、燃料ガス及び酸化剤ガスの反
応ガス流路が蛇腹状に折り返されることで、４隅に冷却
水用の外部マニホールドを取り付ける余地が生じる。According to a first aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell stack, wherein the stack is formed in a hexagonal prism shape, and diagonal to six side surfaces of the stack. The fuel gas inlet-side external manifold and fuel gas outlet-side external manifold, the oxidant gas inlet-side external manifold and the oxidant gas outlet-side external manifold, and the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold Each of the stacks is configured using an external manifold common to all of the solid polymer fuel cells alone, and the fuel gas reaction area area of a single cell is defined by the fuel gas inlet side external manifold and the fuel gas outlet side external manifold Are divided into a plurality of fuel gas supply areas facing each other, and at least one fuel gas supply area is provided with an even number of turns of the fuel gas flow Are arranged, the oxidizing gas reaction area area of the single cell is divided into a plurality of oxidizing gas supply areas facing the oxidizing gas inlet side external manifold and the oxidizing gas outlet side external manifold, respectively. In the oxidizing gas supply area, at least one oxidizing gas flow path folded evenly number of times in a bellows shape is arranged, and the directions of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are made orthogonal to each other. Things. According to the above configuration, the fuel gas and the oxidizing gas are distributed to one or more reaction gas flow paths each of which is folded in a bellows shape and arranged in a plurality of divided gas supply sections. The region where the pressure and oxygen partial pressure are high and the reaction is concentrated is distributed over the entire effective reaction area, and the reaction is made uniform. Further, since the reaction gas flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas are folded back in a bellows shape, there is room for attaching external manifolds for cooling water at four corners.

【００１５】請求項２の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体は、積層体を４角柱の形状に構成し、該積層体
の４つの側面に対して、対角位置に燃料ガス入口側外部
マニホールドと燃料ガス出口側外部マニホールド、酸化
剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールド
を、固体高分子型燃料電池積層体の全ての固体高分子型
燃料電池単体に共通した外部マニホールドを各々用いて
構成すると共に、前記積層体の４つの側面が接する４つ
のコーナー部の内少なくとも２つのコーナー部に、前記
積層体を貫通する冷却水入口側内部マニホールドと冷却
水出口側内部マニホールドとを配設し、単セルの燃料ガ
ス反応面積領域を、前記燃料ガス入口側外部マニホール
ド及び前記燃料ガス出口側外部マニホールドに各々面す
る複数個の燃料ガス供給区域に分割し、各燃料ガス供給
区域には、蛇腹状に偶数回数折り返した１本以上の燃料
ガス流路を各々配置し、単セルの酸化剤ガス反応面積領
域を、前記酸化剤ガス入口側外部マニホールド及び前記
酸化剤ガス出口側外部マニホールドに各々面する複数個
の酸化剤ガス供給区域に分割し、各酸化剤ガス供給区域
には、蛇腹状に偶数回数折り返された１本以上の酸化剤
ガス流路を各々配置し、前記燃料ガス流路と前記酸化剤
ガス流路の向きを直交させるようにしたものである。上
記構成によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスが、各々複数
個に分割されたガス供給区域に配置された蛇腹状に折り
返した各々１本以上の反応ガス流路に分配されるので、
水素分圧及び酸素分圧が高く反応が集中する領域が反応
有効面積部全体│に分配され、反応が均一化される作用
がある。また、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガス流路
が蛇腹状に折り返されることで、４隅に穴をあけて、冷
却水用の内部マニホールドを配設する余地が生じる。According to a second aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell stack, wherein the stack is formed in a quadrangular prism shape, and the fuel gas inlet side is positioned diagonally with respect to four side surfaces of the stack. The external manifold and the fuel gas outlet side external manifold, the oxidant gas inlet manifold and the oxidant gas outlet manifold are each used by using an external manifold common to all the polymer electrolyte fuel cells in the polymer electrolyte fuel cell stack. The cooling water inlet side internal manifold and the cooling water outlet side internal manifold penetrating the laminate are arranged at at least two corners of four corners where four side surfaces of the laminate contact each other. A plurality of fuel gas sections each of which faces the fuel gas reaction area area of the single cell to the fuel gas inlet side external manifold and the fuel gas outlet side external manifold. Each fuel gas supply area is divided into at least one fuel gas flow path which is folded in an even number of times in each fuel gas supply area. Is divided into a plurality of oxidizing gas supply sections each facing the side external manifold and the oxidizing gas outlet side external manifold, and each oxidizing gas supply section has at least one oxidized gas folded in an accordion shape an even number of times. An agent gas flow path is provided, and the direction of the fuel gas flow path and the direction of the oxidant gas flow path are orthogonal to each other. According to the above configuration, the fuel gas and the oxidizing gas are distributed to one or more reaction gas flow paths each of which is folded in a bellows shape and arranged in a plurality of gas supply sections.
The region where the hydrogen partial pressure and the oxygen partial pressure are high and the reaction is concentrated is distributed over the entire effective reaction area |, and has the effect of making the reaction uniform. In addition, since the reaction gas flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas are folded back in a bellows shape, holes are formed at four corners, so that there is room for disposing an internal manifold for cooling water.

【００１６】請求項３の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体は、前記単セルの燃料ガス反応面積領域の中心
付近または酸化剤ガス反応面積領域の中心付近におい
て、単位面積当たりの反応ガス供給量を、両側よりも多
くしたものである。上記構成によれば、単セルの燃料ガ
ス反応面積領域の中心付近または酸化剤ガス反応面積領
域の中心付近において、単位面積当たりの反応ガス供給
量を、両側よりも多くしたので、温度が高くなることに
よる実質的な反応ガス流入量の低下や、温度が高く反応
が多くなることによる反応ガスの欠乏を防止する作用が
ある。In the polymer electrolyte fuel cell stack according to the third aspect of the present invention, the reaction gas per unit area may be near the center of the fuel gas reaction area or the center of the oxidant gas reaction area of the single cell. The supply is greater than on both sides. According to the above configuration, in the vicinity of the center of the fuel gas reaction area region or the center of the oxidant gas reaction area region of the single cell, the supply amount of the reaction gas per unit area is larger than that on both sides, so that the temperature becomes higher. This has the effect of preventing a substantial decrease in the inflow of the reaction gas due to the above and a shortage of the reaction gas due to an increase in the temperature and the reaction.

【００１７】請求項４の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体のガス分離板の製造方法は、前記反応ガス流路
が多孔質なカーボン製基材で構成されており、その多孔
質なカーボン製基材に、平行な複数本の貫通する流路凹
部を形成した後、前記反応ガスマニホールドに面する一
部の前記流路凹部に閉塞物を充填すると共に、隣接する
前記流路凸部の一部を切削加工により取り除くことによ
り、蛇腹状に偶数回数折り返された１本以上の反応ガス
流路を各々形成したものである。上記構成によれば、多
孔質なカーボン製基材に平行な複数本の貫通する流路凹
部を形成した後、必要に応じて流路凹部に閉塞物を充填
すると共に、隣接する流路凸部の一部を切削加工して取
り除くことで、複雑な蛇腹状の反応ガス流路を低コスト
で形成できる作用がある。According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack, the reaction gas flow path is formed of a porous carbon base material. After forming a plurality of parallel passage recesses in the carbon base material, a part of the passage recesses facing the reaction gas manifold is filled with an obstruction, and the adjacent passage protrusions are filled. Are removed by cutting to form one or more reaction gas flow paths that are folded evenly a number of times in a bellows shape. According to the above configuration, after forming a plurality of parallel flow passage recesses in the porous carbon base material, the flow passage recesses are filled with an obstruction as necessary, and the adjacent flow passage protrusions are formed. There is an effect that a complicated bellows-like reaction gas flow path can be formed at low cost by cutting a part of the reaction gas.

【００１８】請求項５の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体は、前記反応ガス流路が多孔質なカーボン製基
材で構成され、前記ガス分離板は、ガス不透気性で透水
性の膜と、この膜を挟んでその両側に配置された２枚の
多孔質なカーボン製基材とから構成されるものである。
上記構成によれば、２枚の多孔質なカーボン製基材には
さまれたガス不透気性で透水性の膜が、酸化剤極で生じ
た生成水を隣接する燃料極に供給する作用がある。According to a fifth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell stack, the reaction gas flow path is formed of a porous carbon substrate, and the gas separation plate is gas impermeable and water permeable. And two porous carbon base materials disposed on both sides of the film.
According to the above configuration, the gas-impermeable and water-permeable membrane sandwiched between the two porous carbon substrates has an effect of supplying water generated at the oxidant electrode to the adjacent fuel electrode. is there.

【００１９】請求項６の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体のガス分離板の製造方法は、前記ガス不透気性
で透水性の膜を挟んで２枚の多孔質なカーボン製基材を
前記膜が軟化する温度以上の温度でホットプレスし、２
枚の前記多孔質なカーボン製基材間に電子伝導性を付与
したものである。上記構成によれば、ガス不透気性で透
水性の膜が軟化する温度以上の温度でホットプレスされ
ることにより、形状を変化させ、２枚の多孔質なカーボ
ン製基材間の電子伝導性を付与するとともに、ガスシー
ル性を保つ作用がある。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack, comprising two porous carbon substrates sandwiching the gas-impermeable and water-permeable membrane. Hot pressing at a temperature not lower than the temperature at which the film softens,
Electron conductivity is provided between the plurality of porous carbon substrates. According to the above configuration, the shape is changed by hot pressing at a temperature equal to or higher than the temperature at which the gas-impermeable and water-permeable membrane is softened, so that the electronic conductivity between the two porous carbon base materials is changed. And has the effect of maintaining gas sealing properties.

【００２０】請求項７の発明に係る固体高分子型燃料電
池積層体は、前記燃料ガス入口側外部マニホールド内
で、あるいはその上流側で、前記燃料ガスに爆発限界を
超えない範囲内で酸化剤ガスを添加するものである。上
記構成によれば、複数個に分割されたガス供給区域に燃
料ガスを添加した酸化剤ガスが分散されて供給されるの
で、一酸化炭素が効果的に酸化される作用がある。[0020] In the polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention, the oxidizing agent may be provided within the fuel gas inlet side external manifold or upstream thereof within a range not exceeding the explosion limit of the fuel gas. A gas is added. According to the above configuration, since the oxidizing gas to which the fuel gas is added is dispersed and supplied to the plurality of divided gas supply areas, carbon monoxide is effectively oxidized.

【００２１】[0021]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。以下に説明する本発明
の実施の形態において、上記従来例と同一または相当部
分には同一符号を付して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the embodiments of the present invention described below, the same or corresponding parts as those of the above-described conventional example will be denoted by the same reference numerals.

【００２２】実施の形態１．図１は、本発明の実施の形
態１による固体高分子型燃料電池積層体の平面図であ
り、ガス分離板の燃料ガス流路を太い線で表している。
また、図２は図１の燃料電池の正面図である。図１及び
図２において、符号１１は冷却水入口側外部マニホール
ド、１２は冷却水出口側外部マニホールド、１３は燃料
極、酸化剤極と固体高分子電解質膜から成る単セル、２
２は分割されたガス供給区域で蛇腹状に複数回折り返さ
れた燃料ガス流路、２７は集電板、２８は押え板、２０
は電気絶縁板、５１は燃料ガス入口ポート、５２は燃料
ガス出口ポート、５３は酸化剤ガス入口ポート、５４は
酸化剤ガス出口ポート、５５は発電セル部、５６は内部
加湿部、５７は冷却水入口ポート、５８は冷却水出口ポ
ートである。積層体は、発電セル部５５と内部加湿部５
６に分かれており、発電セル部５５では、燃料電極、酸
化剤電極と固体高分子電解質膜からなる単セル１３とガ
ス分離板が交互に積層されており、２つの単セル１３お
きに冷却板が挿入されていて単セル１３で発生した熱を
取り去るようになっている。内部加湿部５６では、固体
高分子電解質膜を介して、燃料ガスと冷却水、酸化剤ガ
スと冷却水が各々対峙しており、燃料ガスと酸化剤ガス
を加湿するようになっている。図１の矢印は燃料ガスの
流れを示しており、燃料ガス入口ポート５１から燃料ガ
ス出口側外部マニホールド５に入った燃料ガスは、内部
加湿部５６内を固体高分子電解質膜を介して冷却水と対
峙しながら流れて加湿され、燃料ガス入口側外部マニホ
ールド４から発電セル部５５の単セル１３の燃料ガス流
路２２を流れて消費された後、燃料ガス出口側外部マニ
ホールド５から燃料ガス出口ポート５１を通って排出さ
れる。図１、図２では、燃料ガスの入口及び出口ポート
５１、５２が共に燃料ガス出口側外部マニホールド５に
設けられているが、外部加湿器を用いる場合や改質ガス
を用いる場合には、燃料ガスの入口ポートは、燃料ガス
入口側外部マニホールド４に設けられる。一方、冷却水
は、冷却水入口ポート５７から発電セル部５５の冷却板
の冷却水流路９を流れて暖められた後、冷却水入口側外
部マニホールド１１と内部加湿部５６を通って燃料ガス
及び酸化剤ガスを加湿し、冷却水出口ポート５８から排
出される。Embodiment 1 FIG. 1 is a plan view of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention, in which a fuel gas flow path of a gas separation plate is indicated by a thick line.
FIG. 2 is a front view of the fuel cell of FIG. 1 and 2, reference numeral 11 denotes a cooling water inlet-side external manifold, 12 denotes a cooling water outlet-side external manifold, 13 denotes a single cell comprising a fuel electrode, an oxidizer electrode and a solid polymer electrolyte membrane,
Reference numeral 2 denotes a fuel gas flow path that is folded back multiple times in a bellows-like manner in divided gas supply areas, 27 denotes a current collector, 28 denotes a holding plate, and 20 denotes a pressurizing plate.
Is an electric insulating plate, 51 is a fuel gas inlet port, 52 is a fuel gas outlet port, 53 is an oxidizing gas inlet port, 54 is an oxidizing gas outlet port, 55 is a power generation cell section, 56 is an internal humidifying section, and 57 is cooling. A water inlet port 58 is a cooling water outlet port. The laminate is composed of the power generation cell section 55 and the internal humidification section 5.
In the power generation cell section 55, the single cells 13 composed of the fuel electrode, the oxidant electrode, and the solid polymer electrolyte membrane and the gas separation plate are alternately stacked, and the cooling plate is provided every two single cells 13. Are inserted to remove the heat generated in the single cell 13. In the internal humidifying section 56, the fuel gas and the cooling water, and the oxidizing gas and the cooling water face each other via the solid polymer electrolyte membrane, and humidify the fuel gas and the oxidizing gas. The arrows in FIG. 1 indicate the flow of the fuel gas, and the fuel gas entering the fuel gas outlet side external manifold 5 from the fuel gas inlet port 51 flows through the internal humidifier 56 through the solid polymer electrolyte membrane through the cooling water. The fuel gas flows through the fuel gas inlet side external manifold 4 to be humidified, flows through the fuel gas flow path 22 of the single cell 13 of the power generation cell unit 55 from the fuel gas inlet side external manifold 4, and is consumed. Discharged through port 51. 1 and 2, the fuel gas inlet and outlet ports 51, 52 are both provided in the fuel gas outlet side external manifold 5, but when an external humidifier is used or when a reformed gas is used, the fuel The gas inlet port is provided on the fuel gas inlet side external manifold 4. On the other hand, the cooling water flows through the cooling water passage 9 of the cooling plate of the power generation cell unit 55 from the cooling water inlet port 57 and is heated, and then flows through the cooling water inlet side external manifold 11 and the internal humidifying unit 56 to be supplied with fuel gas and the like. The oxidizing gas is humidified and discharged from the cooling water outlet port 58.

【００２３】図３と図４は、図１、図２の実施の形態１
の、各々酸化剤ガスの流れと冷却水の流れを示す固体高
分子型燃料電池積層体の平面図である。これらの図にお
いて、符号２３は分割されたガス供給区域で蛇腹状に複
数回折り返された酸化剤ガス流路である。図３に示した
矢印は、酸化剤ガスの流れを示している。また、図４に
示した矢印は、冷却水の流れを示している。FIGS. 3 and 4 show the first embodiment of FIGS.
FIG. 3 is a plan view of a polymer electrolyte fuel cell stack showing a flow of an oxidizing gas and a flow of cooling water, respectively. In these figures, reference numeral 23 denotes an oxidizing gas flow path which is folded back plural times in a bellows shape in the divided gas supply areas. The arrows shown in FIG. 3 indicate the flow of the oxidizing gas. The arrows shown in FIG. 4 indicate the flow of the cooling water.

【００２４】さらに、図５は、燃料ガス、酸化剤ガス及
び冷却水の流れを示す固体高分子型燃料電池積層体の断
面構成模式図である。この図において、符号４１は加湿
部加湿水流路部、４２は加湿部燃料ガス流路部、４３は
加湿部酸化剤ガス流路部、４４は発電部燃料ガス流路
部、４５は発電部酸化剤ガス流路部、４６は冷却水流路
部である。燃料ガスの流れを細い実線で、酸化剤ガスの
流れを破線で、冷却水の流れを太い実線で各々示してい
る。燃料は内部加湿部５６で水を透過する膜を介して出
口側冷却水と対峙しており、暖まった出口側冷却水から
湿度を与えられた後、単セル１３の燃料極に供給され
る。酸化剤ガスも同様に内部加湿部５６で水を透過する
膜を介して出口側冷却水と対峙しており、暖まった出口
側冷却水から湿度を与えられた後、単セル１３の酸化剤
極に供給される。冷却水が２セルおきに挿入された冷却
板に供給され、反応により加熱した単セル１３を冷却し
た後、内部加湿部５６で反応ガスを加湿した後排出され
る。FIG. 5 is a schematic sectional view of a polymer electrolyte fuel cell stack showing the flow of fuel gas, oxidizing gas and cooling water. In this drawing, reference numeral 41 denotes a humidifying section humidifying water flow path section, 42 denotes a humidifying section fuel gas flow path section, 43 denotes a humidifying section oxidizing gas flow path section, 44 denotes a power generation section fuel gas flow path section, and 45 denotes a power generation section oxidation. The agent gas passage 46 is a cooling water passage. The flow of the fuel gas is indicated by a thin solid line, the flow of the oxidizing gas is indicated by a broken line, and the flow of the cooling water is indicated by a thick solid line. The fuel is opposed to the outlet-side cooling water via a water-permeable membrane in the internal humidifying section 56, and is supplied to the fuel electrode of the unit cell 13 after being given humidity from the heated outlet-side cooling water. Similarly, the oxidizing gas is opposed to the outlet side cooling water via the water permeable membrane in the internal humidifying part 56, and after being humidified by the warmed outlet side cooling water, the oxidizing agent electrode of the single cell 13 is heated. Supplied to Cooling water is supplied to the cooling plate inserted every two cells, cools the single cell 13 heated by the reaction, and after being humidified by the internal humidifying part 56, is discharged.

【００２５】図１〜図５の構成図で明らかなように、実
施の形態１の固体高分子型燃料電池積層体には、６つの
外部マニホールドが取り付けられており、このうち冷却
水の外部マニホールド１１、１２は、４隅のうちの相対
する２隅に設けられている。また、分割されたガス供給
区域で蛇腹状に複数回折り返された燃料ガス流路２２及
び酸化剤ガス流路２３が、冷却水入口側及び出口側外部
マニホールド１１、１２の取付部付近への反応ガスの供
給を可能にしており、反応の有効面積が最大限にまで広
げられている。これが、本発明の効果の１つである。さ
らに、燃料ガス及び酸化剤ガスが、各々複数個に分割さ
れたガス供給区域に配置された蛇腹状に偶数回数折り返
された各々１本の反応ガス流路に分配されるので、水素
分圧及び酸素分圧が高く反応が集中する領域が反応有効
面積部全体に分配され、従来例のような反応集中が起こ
らず反応が均一化される。さらに、反応による発熱もセ
ル面内全体に分配されるので、反応均一化の効果はさら
に高まる。As apparent from the configuration diagrams of FIGS. 1 to 5, the polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment is provided with six external manifolds, of which the external manifold for cooling water is provided. 11 and 12 are provided at two opposing corners of the four corners. In addition, the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 23 that are bent back and forth in a bellows-like manner in the divided gas supply areas form reaction around the mounting portions of the cooling water inlet and outlet side external manifolds 11 and 12. The supply of gas is enabled, and the effective area of the reaction is maximized. This is one of the effects of the present invention. Further, since the fuel gas and the oxidizing gas are distributed to each of the reaction gas flow paths which are folded in an even number of times in a bellows shape arranged in a plurality of divided gas supply areas, the hydrogen partial pressure and The region where the oxygen partial pressure is high and the reaction is concentrated is distributed over the entire effective reaction area, so that the concentration of the reaction does not occur as in the conventional example, and the reaction is made uniform. Further, since the heat generated by the reaction is also distributed over the entire surface of the cell, the effect of making the reaction uniform is further enhanced.

【００２６】実施の形態１の固体高分子型燃料電池積層
体に、燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして純酸素
を流したところ、５００ｍＡ／ｃｍ2での平均セル電圧
は、従来例の固体高分子型燃料電池積層体の場合と殆ど
同じであった。これは、純水素と純酸素を用いた場合に
は、反応に伴う水素分圧及び酸素分圧の低下がわずかで
あり、従来例の固体高分子型燃料電池積層体の場合で
も、セル面内での反応が均一になっているためと考えら
れる。しかし、燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとし
て空気を流したところ、従来例の固体高分子型燃料電池
積層体に比べて、平均セル電圧で２０ｍＶほど上昇し、
酸化剤ガス側での反応の均一化の効果が確認できた。さ
らに、燃料ガスとして水素７５％、二酸化炭素２５％、
一酸化炭素１００ｐｐｍのメタノールの水蒸気改質を模
擬したガスを供給し、酸化剤ガスとして空気を流したと
ころ、ＣＯ被毒が著しく低減され、従来例の固体高分子
型燃料電池積層体に比べて平均セル電圧で８０ｍＶもの
改善が確認できた。これは、燃料ガス側での反応の均一
化により、水素分圧の低下の影響やＣＯ被毒の影響がセ
ル面内全体に分散され、従来例に比べて大幅に軽減され
たためと考えられる。When pure hydrogen was supplied as a fuel gas and pure oxygen was supplied as an oxidant gas to the polymer electrolyte fuel cell stack of Embodiment 1, the average cell voltage at 500 mA / cm 2 was higher than that of the conventional solid-state fuel cell. It was almost the same as in the case of the polymer fuel cell stack. This is because, when pure hydrogen and pure oxygen are used, the hydrogen partial pressure and the oxygen partial pressure accompanying the reaction decrease only slightly. It is considered that the reaction in the reaction was uniform. However, when pure hydrogen was supplied as a fuel gas and air was supplied as an oxidant gas, the average cell voltage increased by about 20 mV as compared with the conventional polymer electrolyte fuel cell stack,
The effect of making the reaction uniform on the oxidant gas side was confirmed. Furthermore, as fuel gas, hydrogen 75%, carbon dioxide 25%,
When a gas simulating the steam reforming of 100 ppm of carbon monoxide methanol was supplied and air was flowed as an oxidizing gas, CO poisoning was significantly reduced, and compared with the conventional polymer electrolyte fuel cell stack. An improvement of 80 mV in average cell voltage was confirmed. This is presumably because the effect of the reduction of the hydrogen partial pressure and the effect of CO poisoning were dispersed throughout the cell surface due to the uniformization of the reaction on the fuel gas side, and the effect was greatly reduced as compared with the conventional example.

【００２７】実施の形態２．図６は、本発明の実施の形
態２による固体高分子型燃料電池積層体の酸化剤側ガス
分離板の平面図である。この図において、符号２９はコ
ーナー部の切り欠き長さ、３０はコーナー部の切り欠き
幅を示している。この実施の形態２では、実施の形態１
の場合に比べて、反応ガス流路の折り返し回数が４回に
増えている。反応ガス流路の折り返し回数を増やせば、
冷却水マニホールドを取り付ける間口２９、３０を広げ
ることができる。また、反応ガス流路の折り返し回数を
増やすことによって、線流速を上げることができ、生成
水の液滴を吹き飛ばし易くなる。しかし、反応ガス流路
の折り返し回数を増やさなくても、流路断面積を小さく
すれば線流速を上げることができる。また、反応ガス流
路の折り返し回数を増やさなくても、流路幅を広くすれ
ば、冷却水マニホールド１１、１２を取り付ける間口を
広げることができるので、固体高分子型燃料電池積層体
の有効面積や動作電流密度に合わせて、比較的自由に設
計することが可能である。Embodiment 2 FIG. FIG. 6 is a plan view of an oxidant-side gas separation plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention. In this figure, reference numeral 29 denotes a cutout length of a corner portion, and reference numeral 30 denotes a cutout width of a corner portion. In the second embodiment, the first embodiment
The number of times the reaction gas flow path is turned back is increased to four times as compared with the case of (1). By increasing the number of turns of the reaction gas channel,
The frontage 29, 30 for attaching the cooling water manifold can be widened. In addition, by increasing the number of times the reaction gas flow path is turned back, the linear flow velocity can be increased, and the generated water droplets can be easily blown off. However, the linear flow velocity can be increased by reducing the cross-sectional area of the flow path without increasing the number of turns of the reaction gas flow path. Also, without increasing the number of turns of the reaction gas flow path, if the width of the flow path is widened, the opening for mounting the cooling water manifolds 11 and 12 can be widened, so that the effective area of the polymer electrolyte fuel cell stack can be increased. And the operating current density can be designed relatively freely.

【００２８】実施の形態３．図７は、本発明の実施の形
態３による固体高分子型燃料電池積層体の酸化剤側ガス
分離板の平面図である。この実施の形態３では、実施の
形態２の場合に比べて、反応ガス流路の折り返し回数は
同じであるが、同じガス供給区域で同時に折り返す流路
本数が２本に増えている。流路本数を増やせば、反応ガ
ス流路の折り返し回数を増やしたのと同様に、冷却水マ
ニホールド１１、１２を取り付ける間口を広げることが
でき、必要に応じて本数を３本、４本と増やすこともで
きる。Embodiment 3 FIG. 7 is a plan view of an oxidant-side gas separation plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention. In the third embodiment, the number of turns of the reaction gas flow path is the same as in the case of the second embodiment, but the number of flow paths simultaneously turned up in the same gas supply area is increased to two. If the number of channels is increased, it is possible to widen the frontage for attaching the cooling water manifolds 11 and 12 as in the case of increasing the number of turns of the reaction gas channel, and increase the number to three or four as necessary. You can also.

【００２９】実施の形態４．図８は、本発明の実施の形
態４による固体高分子型燃料電池積層体の燃料側ガス分
離板及び外部マニホールドの配置を示す平面図である。
図９は、この実施の形態４による固体高分子型燃料電池
積層体の正面図、図１０は、酸化剤側ガス分離板及び外
部マニホールドの配置を示す平面図、図１１は、冷却板
及び外部マニホールドの配置を示す平面図である。これ
らの図において、符号１８は冷却水入口側内部マニホー
ルド、１９は冷却水出口側内部マニホールドである。Embodiment 4 FIG. 8 is a plan view showing an arrangement of a fuel-side gas separator and an external manifold of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 9 is a front view of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the fourth embodiment, FIG. 10 is a plan view showing the arrangement of an oxidant-side gas separation plate and an external manifold, and FIG. It is a top view showing arrangement of a manifold. In these figures, reference numeral 18 denotes a cooling water inlet side internal manifold, and 19 denotes a cooling water outlet side internal manifold.

【００３０】実施の形態４では、冷却水は、外部マニホ
ールドではなく、内部マニホールドを用いている所が実
施の形態１と大きく異なっている。内部マニホールド
は、燃料側ガス分離板や酸化剤側ガス分離板では、円形
をしているが、冷却板において、冷却水流路９につなが
っており、冷却板平面を冷却水が流れるように配置され
ている。また、燃料ガス流路２及び酸化剤ガス流路３が
冷却水入口側内部マニホールド１８及び冷却水出口側内
部マニホールド１９付近で他の反応ガス流路に比べて短
くなっており、円形をした冷却水内部マニホールド１
８、１９の配置スペースを作り出している。冷却水の通
路を内部マニホールドとすることによって、外部マニホ
ールドの数を４つに減らすことができ、実施の形態１に
比べて、固体高分子型燃料電池積層体のマニホールドの
取付が容易になる。The fourth embodiment differs greatly from the first embodiment in that the cooling water uses an internal manifold instead of an external manifold. The internal manifold is circular in the fuel-side gas separation plate and the oxidant-side gas separation plate, but is connected to the cooling water passage 9 in the cooling plate, and is arranged so that the cooling water flows through the cooling plate plane. ing. Further, the fuel gas flow path 2 and the oxidizing gas flow path 3 are shorter in the vicinity of the cooling water inlet side internal manifold 18 and the cooling water outlet side inner manifold 19 than the other reaction gas flow paths, so that a circular cooling passage is formed. Water internal manifold 1
8 and 19 arrangement spaces are created. By making the passage of the cooling water an internal manifold, the number of external manifolds can be reduced to four, and the mounting of the manifold of the polymer electrolyte fuel cell stack becomes easier than in the first embodiment.

【００３１】実施の形態５．図１２は、本発明の実施の
形態５の酸化剤側ガス分離板の平面図である。この図に
おいて、符号３３は分割ガス供給区域のセル中央付近で
蛇腹状に折り返された酸化剤ガス流路である。この実施
の形態５では、中央付近の反応ガスの折り返し回数が１
回であり、その両側の折り返し回数２回に比べて少なく
なっている。中央付近では、折り返し回数が少ないので
流路の圧力損失が少なくなり、両側に比べて多くの反応
ガスが流れる。中央付近は放熱の大きな周辺部分よりも
温度が高く、反応ガスの体積が膨らむので、反応ガスが
不足しやすいが、この実施の形態５の酸化剤側ガス分離
板では、中央付近に多くの反応ガスを供給することがで
きるので、酸化剤ガスの欠乏を防ぐことができる。な
お、この構成は燃料ガス側にも適用することができる。
燃料ガスの欠乏が起こると、燃料の代わりに電極構成材
料であるカーボンが水と反応してプロトンとＣＯ2に変
化して局部的な腐食が起こる恐れがある。従って、この
構成を燃料ガス側に適用した場合には、腐食を防止する
効果がある。Embodiment 5 FIG. 12 is a plan view of an oxidant-side gas separation plate according to Embodiment 5 of the present invention. In this figure, reference numeral 33 denotes an oxidizing gas flow path folded in a bellows shape near the center of the cell in the divided gas supply area. In the fifth embodiment, the number of turns of the reaction gas near the center is 1
The number of turns is two times, which is smaller than the number of times of folding on both sides. In the vicinity of the center, the number of turns is small, so the pressure loss in the flow path is small, and more reaction gas flows than in both sides. In the vicinity of the center, the temperature is higher than in the peripheral part where heat radiation is large, and the volume of the reaction gas expands, so that the reaction gas tends to be insufficient. However, in the oxidant-side gas separation plate of the fifth embodiment, many reaction Since gas can be supplied, deficiency of the oxidizing gas can be prevented. This configuration can also be applied to the fuel gas side.
When fuel gas deficiency occurs, carbon, which is an electrode constituent material, reacts with water instead of fuel and changes into protons and CO 2, which may cause local corrosion. Therefore, when this configuration is applied to the fuel gas side, there is an effect of preventing corrosion.

【００３２】実施の形態６．図１３は、本発明の実施の
形態６の酸化剤側ガス分離板の平面図である。この実施
の形態６では、中央付近の反応ガスの折り返し回数と共
に反応ガスの折り返し本数も１つで、その両側の折り返
し本数２本に比べて少なくなっている。この場合にも実
施の形態５の場合と同様に流路の圧力損失が少なくな
り、両側に比べて多くの反応ガスが流れるので、中央付
近に多くの反応ガスを供給することができ、酸化剤ガス
の欠乏を防ぐことができる。この構成も燃料ガス側に適
用でき、腐食を防止する効果がある。Embodiment 6 FIG. FIG. 13 is a plan view of an oxidant-side gas separation plate according to Embodiment 6 of the present invention. In the sixth embodiment, the number of turns of the reaction gas near the center and the number of turns of the reaction gas are one, which is smaller than the number of turns of the reaction gas on both sides. In this case, as in the case of the fifth embodiment, the pressure loss in the flow path is reduced, and more reactant gas flows than on both sides, so that more reactant gas can be supplied near the center and the oxidizing agent can be supplied. Gas deficiency can be prevented. This configuration can also be applied to the fuel gas side, and has the effect of preventing corrosion.

【００３３】実施の形態７．図１４及び図１５は、本発
明の実施の形態７によるガス分離板の製造方法を示すガ
ス分離板の平面図である。これらの図において、符号３
４は平行な複数本の貫通する流路凹部３７を形成した多
孔質カーボン基材、３５は流路凹部３７への充填物、３
６は流路凸部３８の切削部である。図１４は、多孔質な
カーボン製基材３４で構成された平板に平行な複数本の
貫通する流路凹部３７を形成された製造工程途中のガス
分離板を示しており、このガス分離板は複数本の回転式
の小さなカッターを有する簡単な切削加工機で、連続的
に加工することができる。図１５は、図１４のガス分離
板の反応ガスマニホールドに面する一部の流路凹部３７
に閉塞物を充填すると共に、隣接する流路凸部３８の一
部を切削加工により取り除き、蛇腹型の流路を構成した
ものである。充填物３５としては、フッソ系のソフトな
ガスシール材を切断したものを用いたが、固体高分子型
燃料電池では、液状の電解液を用いず、動作温度も１０
０℃以下と低く、耐食性や耐熱性を要求されないので、
カーボン材や種々のフッソ樹脂やシリコン系樹脂を用い
ることができる。また、多少のガスの漏れは許容される
ので、完全なガスシール性は不要であり、多孔質な材料
を用いてもよい。図中、矢印は反応ガスの流れを示して
いる。Embodiment 7 14 and 15 are plan views of a gas separation plate illustrating a method for manufacturing a gas separation plate according to Embodiment 7 of the present invention. In these figures, reference numeral 3
Reference numeral 4 denotes a porous carbon base material having a plurality of parallel flow-passing recesses 37 formed therein.
Reference numeral 6 denotes a cut portion of the flow channel convex portion 38. FIG. 14 shows a gas separation plate in the middle of the manufacturing process in which a plurality of penetrating flow channel recesses 37 parallel to a flat plate made of a porous carbon base material 34 are formed. With a simple cutting machine having a plurality of small rotary cutters, continuous machining can be performed. FIG. 15 shows a portion of the flow channel recess 37 facing the reaction gas manifold of the gas separation plate of FIG.
And a part of the adjacent flow channel convex portion 38 is removed by cutting to form a bellows type flow channel. As the filler 35, a material obtained by cutting a soft gas sealing material of a fluorine type was used. However, in the polymer electrolyte fuel cell, a liquid electrolyte was not used, and the operating temperature was 10%.
Since it is as low as 0 ° C or less and corrosion resistance and heat resistance are not required,
Carbon materials, various fluorine resins and silicone resins can be used. Further, since some gas leakage is allowed, complete gas sealing is not required, and a porous material may be used. In the figure, the arrows indicate the flow of the reaction gas.

【００３４】実施の形態８．図１６は、本発明の実施の
形態８によるガス分離板の製造方法を示すガス分離板の
平面図である。実施の形態７の場合と同様に、図１４の
ガス分離板の反応ガスマニホールドに面する一部の流路
凹部３７に閉塞物を充填すると共に、隣接する流路凸部
３８の一部を切削加工により取り除き、蛇腹型の流路を
構成したものであるが、図１５と異なり、２本ずつの蛇
腹型の流路が構成されている。Embodiment 8 FIG. FIG. 16 is a plan view of a gas separation plate illustrating a method for manufacturing a gas separation plate according to Embodiment 8 of the present invention. As in the case of the seventh embodiment, a part of the channel recess 37 facing the reaction gas manifold of the gas separation plate in FIG. 14 is filled with an obstruction, and a part of the adjacent channel protrusion 38 is cut. It is removed by processing to form a bellows-type flow path, but unlike FIG. 15, two bellows-type flow paths are formed.

【００３５】実施の形態９．図１７、図１８及び図１９
は、本発明の実施の形態９によるガス分離板及びその製
造方法を示すガス分離板の断面側面図である。これらの
図において、符号３７は流路凹部、３８は流路凸部、３
９は不透気性で透水性の膜（フィルム）、４０は多孔質
なカーボン製基材である。図１７は、ガス不透気性で透
水性の膜３９を介して２枚の多孔質なカーボン製基材４
０を対峙させた所を示すガス分離板の断面側面図、図１
８は、ガス不透気性で透水性の膜３９を介して２枚の多
孔質なカーボン製基材４０を張り合わせた所を示すガス
分離板の断面側面図、図１９は、２枚の多孔質なカーボ
ン製基材４０に切削加工によって反応ガス流路を形成し
た所を示すガス分離板の断面側面図である。なお、図１
９では図を簡単化するために、燃料ガス流路と酸化剤ガ
ス流路の向きを同じに描いているが、実際には直交して
いる。不透気性で透水性の膜（フィルム）３９として
は、例えば、ヘキストインダストリーのポリベンゾイミ
ダゾール樹脂フィルム(商品名セラゾール)を用いること
ができる。Embodiment 9 FIG. 17, FIG. 18 and FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional side view of a gas separation plate showing a gas separation plate according to Embodiment 9 of the present invention and a method for manufacturing the same. In these figures, reference numeral 37 denotes a flow channel concave portion, 38 denotes a flow channel convex portion, 3
Reference numeral 9 denotes an impermeable, water-permeable membrane (film), and reference numeral 40 denotes a porous carbon substrate. FIG. 17 shows two porous carbon substrates 4 via a gas-impermeable and water-permeable membrane 39.
FIG. 1 is a cross-sectional side view of a gas separation plate showing a position where 0 faces each other.
8 is a cross-sectional side view of a gas separation plate showing a place where two porous carbon substrates 40 are bonded together via a gas-impermeable and water-permeable membrane 39, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional side view of a gas separation plate showing a place where a reactive gas flow path is formed by cutting a simple carbon base material 40. FIG.
In FIG. 9, in order to simplify the drawing, the directions of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are drawn in the same direction, but they are actually orthogonal. As the air-impermeable and water-permeable film (film) 39, for example, a Hoechst Industries polybenzimidazole resin film (trade name: Cerazole) can be used.

【００３６】図１８のように、ガス不透気性で透水性の
膜３９を介して２枚の多孔質なカーボン製基材４０を張
り合わせる方法としては、膜３９が軟化する温度以上の
温度でホットプレスして、２枚の多孔質なカーボン製基
材４０を互いに接触させ、２枚の多孔質なカーボン製基
材４０間の電子伝導性を付与すると共に、ガスシールを
行う方法が望ましいが、膜３９を有機溶媒で軟化させて
プレスし、２枚の多孔質なカーボン製基材４０を互いに
接触させる方法を用いることもできる。As shown in FIG. 18, as a method of bonding two porous carbon substrates 40 via a gas-impermeable and water-permeable film 39, a method in which the temperature is equal to or higher than the temperature at which the film 39 softens is used. It is desirable to perform a hot press so as to bring the two porous carbon substrates 40 into contact with each other to provide electron conductivity between the two porous carbon substrates 40 and to perform gas sealing. Alternatively, a method may be used in which the film 39 is softened with an organic solvent and pressed, and the two porous carbon substrates 40 are brought into contact with each other.

【００３７】実施の形態１０．実施の形態１の固体高分
子型燃料電池積層体に、燃料ガスとして水素７５％、二
酸化炭素２５％、一酸化炭素１００ｐｐｍのメタノール
の水蒸気改質を模擬したガスに、ガス混合機を用いて２
％の空気を添加し、燃料ガス入口ポート５１に供給した
ところ、ＣＯ被毒の影響が著しく軽減され、一酸化炭素
が入っていない場合とのセル電圧の差異が１０ｍＶ以内
にまで改善された。一方、図２２〜図２４に示した従来
の固体高分子型燃料電池積層体を用いて比較試験を行っ
たところ、一酸化炭素が入っていない場合と一酸化炭素
が１００ｐｐｍ入っている場合のセル電圧の差異が５０
ｍＶ以上あり、本発明の実施の形態との差異が明らかに
なった。従来の固体高分子型燃料電池積層体では、燃料
ガス入口側で添加した空気が反応して一酸化炭素濃度が
零になるが、その後の流路が長いので、流路の途中で二
酸化炭素と水との逆シフト反応によって一酸化炭素が発
生し、ＣＯ被毒の影響を完全に除去することができなか
ったためと考えられる。Embodiment 10 FIG. The polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment was converted to a gas simulating steam reforming of methanol of 75% hydrogen, 25% carbon dioxide, and 100 ppm of carbon monoxide using a gas mixer.
% Air was added and supplied to the fuel gas inlet port 51. As a result, the effect of CO poisoning was significantly reduced, and the difference in cell voltage from that without carbon monoxide was improved to within 10 mV. On the other hand, when a comparative test was performed using the conventional polymer electrolyte fuel cell stack shown in FIGS. 22 to 24, the cells containing no carbon monoxide and the cells containing 100 ppm of carbon monoxide were used. Voltage difference is 50
mV or more, which revealed a difference from the embodiment of the present invention. In the conventional polymer electrolyte fuel cell stack, the air added at the fuel gas inlet side reacts to reduce the carbon monoxide concentration to zero, but since the subsequent flow path is long, carbon dioxide and carbon dioxide are mixed in the middle of the flow path. This is probably because carbon monoxide was generated by the reverse shift reaction with water, and the effect of CO poisoning could not be completely removed.

【００３８】[0038]

【発明の効果】請求項１の発明によれば、積層体を６角
柱の形状に構成し、積層体の６つの側面に対して、各
々、対角の位置に燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス
出口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールドと酸化
剤ガス出口マニホールド、及び冷却水入口マニホールド
と冷却水出口マニホールドを配置すると共に、単セルの
燃料ガス及び酸化剤ガスの反応面積領域を各々複数個の
ガス供給区域に分割し、各々のガス供給区域には、蛇腹
状に折り返された各々１本以上のガス流路を配置し、燃
料ガス流路と酸化剤ガス流路の向きを直交させるように
したので、燃料ガス及び酸化剤ガスが、各々複数個に分
割されたガス供給区域に配置されて蛇腹状に折り返され
た各々１本以上の反応ガス流路に分配され、また水素分
圧及び酸素分圧が高く反応が集中する領域が反応有効面
積部全体に分配されて、反応が均一化される効果があ
る。また、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガス流路が蛇
腹状に折り返されることにより、４隅に冷却水用の外部
マニホールドを取り付ける余地が生じ、装置全体をコン
パクト化できる効果がある。According to the first aspect of the present invention, the fuel cell inlet manifold and the fuel gas outlet are respectively formed at diagonal positions with respect to six side surfaces of the fuel cell stack. A manifold, an oxidizing gas inlet manifold and an oxidizing gas outlet manifold, and a cooling water inlet manifold and a cooling water outlet manifold are arranged. In each gas supply area, at least one gas flow path folded in a bellows shape is arranged, and the directions of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are made orthogonal to each other. The fuel gas and the oxidizing gas are arranged in a plurality of divided gas supply areas and distributed to one or more reaction gas passages each folded in a bellows shape, and the hydrogen partial pressure and the oxygen partial pressure are reduced. High Region of the reaction is concentrated is distributed throughout the effective reaction area portion, an effect of the reaction is made uniform. Further, since the reaction gas flow paths of the fuel gas and the oxidizing gas are folded back in a bellows-like manner, there is room for attaching external manifolds for cooling water at the four corners, and there is an effect that the entire apparatus can be made compact.

【００３９】請求項２の発明によれば、積層体を４角柱
の形状に構成し、積層体の４つの側面に対して、各々、
対角の位置に燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス出口
マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガ
ス出口マニホールドを配設し、積層体の４つの側面が接
する４つのコーナー部の内少なくとも２つのコーナー部
に積層体を貫通する冷却水入口内部マニホールドと冷却
水出口内部マニホールドとを配設し、単セルの燃料ガス
及び酸化剤ガスの反応面積領域を複数個のガス供給区域
に分割し、各々のガス供給区域には、蛇腹状に折り返さ
れて各々１本以上のガス流路を配置し、燃料ガス流路と
酸化剤ガス流路の向きを直交させるようにしたので、燃
料ガス及び酸化剤ガスが、各々複数個に分割されたガス
供給区域に配置された蛇腹状に折り返された各々１本以
上の反応ガス流路に分配され、水素分圧及び酸素分圧が
高く反応が集中する領域が反応有効面積部全体に分配さ
れて、反応が均一化される効果がある。また、燃料ガス
及び酸化剤ガスの反応ガス流路が蛇腹状に折り返される
ことにより、４隅に穴をあけて、冷却水用の内部マニホ
ールドを配設する余地が生じ、積層体をコンパクトに構
成できる効果がある。According to the second aspect of the present invention, the laminate is formed in a quadrangular prism shape, and each of the four sides of the laminate is
A fuel gas inlet manifold and a fuel gas outlet manifold, and an oxidizing gas inlet manifold and an oxidizing gas outlet manifold are disposed at diagonal positions, and at least two corners of four corners where four side surfaces of the stacked body are in contact with each other. A cooling water inlet internal manifold and a cooling water outlet internal manifold penetrating the laminate are provided, and the reaction area area of the fuel gas and the oxidizing gas of the single cell is divided into a plurality of gas supply sections, and each gas is divided into a plurality of gas supply sections. In the supply area, one or more gas passages are arranged in a bellows shape, and the direction of the fuel gas passage and the direction of the oxidant gas passage are made orthogonal to each other. Are distributed to one or more reaction gas flow paths each of which is folded in a bellows shape and arranged in a plurality of divided gas supply areas, and the hydrogen partial pressure and the oxygen partial pressure are high and the reaction is concentrated. Regions are distributed throughout the effective reaction area portion, an effect of the reaction is made uniform. In addition, the reaction gas flow path of the fuel gas and the oxidizing gas is folded back in a bellows shape, so that holes are formed at four corners, so that there is room for an internal manifold for cooling water to be provided, and the stack is compactly configured. There is an effect that can be done.

【００４０】請求項３の発明によれば、単セルの燃料ガ
ス反応面積領域の中心付近または酸化剤ガス反応面積領
域の中心付近において、単位面積当たりの反応ガス供給
量を、両側よりも多くしたので、温度が高くなることに
よる実質的な反応ガス流入量の低下や、温度が高く反応
が多くなることによる反応ガスの欠乏を防止できる効果
がある。According to the third aspect of the present invention, the amount of reactant gas supplied per unit area near the center of the fuel gas reaction area area or the center of the oxidant gas reaction area area of the single cell is made larger than on both sides. Therefore, there is an effect that it is possible to prevent a substantial decrease in the inflow amount of the reaction gas due to an increase in the temperature and a shortage of the reaction gas due to an increase in the reaction due to an increase in the temperature.

【００４１】請求項４の発明によれば、反応ガス流路を
多孔質なカーボン製基材で構成し、多孔質なカーボン製
基材に平行な複数本の貫通する流路凹部を形成した後、
反応ガスマニホールドに面する一部の流路凹部に閉塞物
を充填すると共に、隣接する流路凸部の一部を切削加工
により取り除くことにより、蛇腹状に偶数回数折り返さ
れた各々１本以上の反応ガス流路を形成するようにした
ので、複雑な蛇腹状の反応ガス流路を低コストで形成で
きる効果がある。According to the fourth aspect of the present invention, the reaction gas flow path is formed of a porous carbon substrate, and a plurality of parallel flow channel recesses are formed in the porous carbon substrate. ,
A part of the flow channel recesses facing the reaction gas manifold is filled with an obstruction, and a part of the adjacent flow channel protrusion is removed by a cutting process so that at least one of each of the plurality of bent portions is folded in an accordion shape. Since the reaction gas flow path is formed, there is an effect that a complicated bellows-like reaction gas flow path can be formed at low cost.

【００４２】請求項５の発明によれば、反応ガス流路を
多孔質なカーボン製基材で構成し、ガス不透気性で透水
性の膜を介して２枚の多孔質なカーボン製基材を張り合
わせたものをガス分離板に用いたので、２枚の多孔質な
カーボン製基材にはさまれたガス不透気性で透水性の膜
が、酸化剤極で生じた生成水を隣接する燃料極に供給す
る作用がある。According to the fifth aspect of the present invention, the reaction gas flow path is constituted by a porous carbon substrate, and the two porous carbon substrates are interposed via a gas-impermeable and water-permeable membrane. A gas-impermeable and water-permeable membrane sandwiched between two porous carbon substrates adjoins the water generated at the oxidant electrode because a gas-separated product was used for the gas separation plate. It has the effect of supplying to the fuel electrode.

【００４３】請求項６の発明によれば、ガス不透気性で
透水性の膜を挟んで２枚の多孔質なカーボン製基材を膜
が軟化する温度以上の温度でホットプレスし、２枚の多
孔質なカーボン製基材間の電子伝導性を付与するように
したので、ガス不透気性で透水性の膜が軟化する温度以
上の温度でホットプレスされることにより、その形状を
変化させて、２枚の多孔質なカーボン製基材間の電子伝
導性を付与するとともに、ガスシール性を保つ効果があ
る。According to the sixth aspect of the present invention, two porous carbon substrates are sandwiched between a gas-impermeable and water-permeable membrane and hot-pressed at a temperature not lower than the temperature at which the membrane softens. Because it is made to provide electronic conductivity between the porous carbon base material, the shape is changed by being hot pressed at a temperature equal to or higher than the temperature at which the gas-impermeable and water-permeable film is softened. Thus, it has the effect of imparting electron conductivity between the two porous carbon substrates and maintaining gas sealing properties.

【００４４】請求項７の発明によれば、燃料ガス入口側
外部マニホールド、またはその上流側で燃料ガスに爆発
限界を超えない範囲内で酸化剤ガスを添加するようにし
たので、複数個に分割されたガス供給区域に、燃料ガス
に添加した空気が分散されて供給され、一酸化炭素が効
果的に酸化されるため、ＣＯ被毒の影響を軽減できる効
果がある。According to the seventh aspect of the present invention, since the oxidizing gas is added to the fuel gas inlet side external manifold or the upstream side thereof within a range not exceeding the explosion limit, the fuel gas is divided into a plurality. The air added to the fuel gas is dispersed and supplied to the supplied gas supply area, and carbon monoxide is effectively oxidized, so that the effect of CO poisoning can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 本発明の実施の形態１による固体高分子型燃
料電池積層体の燃料ガス流路を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a fuel gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention.

【図２】 本発明の実施の形態１による固体高分子型燃
料電池積層体の正面図である。FIG. 2 is a front view of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

【図３】 本発明の実施の形態１による固体高分子型燃
料電池積層体の酸化剤ガス流路を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing an oxidizing gas channel of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

【図４】 本発明の実施の形態１による固体高分子型燃
料電池積層体の冷却水流路を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a cooling water flow path of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

【図５】 本発明の実施の形態１による固体高分子型燃
料電池積層体の燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流れ
を示す断面側面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional side view showing flows of a fuel gas, an oxidizing gas, and cooling water of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

【図６】 本発明の実施の形態２による固体高分子型燃
料電池積層体の酸化剤ガス流路を示すガス分離板の平面
図である。FIG. 6 is a plan view of a gas separation plate showing an oxidizing gas channel of a polymer electrolyte fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

【図７】 本発明の実施の形態３による固体高分子型燃
料電池積層体の酸化剤ガス流路を示すガス分離板の平面
図である。FIG. 7 is a plan view of a gas separator showing an oxidizing gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention.

【図８】 本発明の実施の形態４による固体高分子型燃
料電池積層体の燃料ガス流路を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing a fuel gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.

【図９】 本発明の実施の形態４による固体高分子型燃
料電池積層体の正面図である。FIG. 9 is a front view of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.

【図１０】 本発明の実施の形態４による固体高分子型
燃料電池積層体の酸化剤ガス流路を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing an oxidizing gas channel of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.

【図１１】 本発明の実施の形態４による固体高分子型
燃料電池積層体の冷却水流路を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a cooling water flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.

【図１２】 本発明の実施の形態５による固体高分子型
燃料電池積層体の酸化剤ガス流路を示すガス分離板の平
面図である。FIG. 12 is a plan view of a gas separator showing an oxidizing gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention.

【図１３】 本発明の実施の形態６による固体高分子型
燃料電池積層体の酸化剤ガス流路を示すガス分離板の平
面図である。FIG. 13 is a plan view of a gas separator showing an oxidizing gas flow path of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention.

【図１４】 本発明の実施の形態７による固体高分子型
燃料電池積層体の製造工程途中の段階のガス分離板の平
面図である。FIG. 14 is a plan view of a gas separation plate at a stage during the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 7 of the present invention.

【図１５】 本発明の実施の形態７による固体高分子型
燃料電池積層体のガス分離板の平面図である。FIG. 15 is a plan view of a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 7 of the present invention.

【図１６】 本発明の実施の形態８による固体高分子型
燃料電池積層体のガス分離板の平面図である。FIG. 16 is a plan view of a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 8 of the present invention.

【図１７】 本発明の実施の形態９による固体高分子型
燃料電池積層体の製造工程途中の段階のガス分離板の断
面側面図である。FIG. 17 is a cross-sectional side view of a gas separation plate at a stage during the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 9 of the present invention.

【図１８】 本発明の実施の形態９による固体高分子型
燃料電池積層体の製造工程途中の段階のガス分離板の断
面側面図である。FIG. 18 is a cross-sectional side view of a gas separation plate at a stage during the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 9 of the present invention.

【図１９】 本発明の実施の形態９による固体高分子型
燃料電池積層体のガス分離板の断面側面図である。FIG. 19 is a cross-sectional side view of a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 9 of the present invention.

【図２０】 従来の外部マニホールド型固体高分子型燃
料電池積層体の燃料ガス流路を示す平面図である。FIG. 20 is a plan view showing a fuel gas channel of a conventional external manifold type solid polymer fuel cell stack.

【図２１】 従来の外部マニホールド型固体高分子型燃
料電池積層体の酸化剤ガス流路を示す平面図である。FIG. 21 is a plan view showing an oxidizing gas channel of a conventional external manifold type solid polymer fuel cell stack.

【図２２】 従来の内部マニホールド型固体高分子型燃
料電池積層体の蛇腹型酸化剤ガス流路を示す平面図であ
る。FIG. 22 is a plan view showing a bellows-type oxidant gas flow path of a conventional internal manifold type solid polymer fuel cell stack.

【図２３】 従来の内部マニホールド型固体高分子型燃
料電池積層体の蛇腹型燃料ガス流路を示す平面図であ
る。FIG. 23 is a plan view showing a bellows type fuel gas flow path of a conventional internal manifold type solid polymer fuel cell stack.

【図２４】 従来の内部マニホールド型固体高分子型燃
料電池積層体の冷却水流路を示す平面図である。FIG. 24 is a plan view showing a cooling water flow path of a conventional internal manifold type solid polymer fuel cell stack.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ガス分離板、２ 燃料ガス流路、３ 酸化剤ガス流
路、４ 燃料ガス入口側外部マニホールド、５ 燃料ガ
ス出口側外部マニホールド、６ 酸化剤入口側外部マニ
ホールド、７ 酸化剤出口側外部マニホールド、８ 反
応が集中する領域、９ 冷却水流路、１０ 反応有効面
積部、１１ 冷却水入口側外部マニホールド、１２ 冷
却水出口側外部マニホールド、１３ 燃料極、酸化剤極
及び固体高分子電解質膜からなる単セル、１４ 燃料ガ
ス入口側内部マニホールド、１５燃料ガス出口側内部マ
ニホールド、１６ 酸化剤ガス入口側内部マニホール
ド、１７ 酸化剤ガス出口側内部マニホールド、１８
冷却水入口側内部マニホールド、１９ 冷却水出口側内
部マニホールド、２０ 電気絶縁板、２２ 分割された
ガス供給区域で蛇腹状に複数回折り返した燃料ガス流
路、２３ 分割されたガス供給区域で蛇腹状に複数回折
り返した酸化剤ガス流路、２４ 燃料ガスの流れ、２５
酸化剤ガスの流れ、２６ 冷却水の流れ、２７ 集電
板、２８ 押え板、２９ コーナー部の切り欠き長さ、
３０ コーナー部の切り欠き幅、３２分割ガス供給区域
のセル中央付近で蛇腹状に折り返した燃料ガス流路、３
３ 分割ガス供給区域のセル中央付近で蛇腹状に折り返
した酸化剤ガス流路、３４ 平行な複数本の貫通する流
路凹部を形成した多孔質カーボン基材、３５ 流路凹部
への充填物、３６ 流路凸部の切削部、３７ 流路凹
部、３８ 流路凸部、３９不透気性で透水性のフィル
ム、４０ 多孔質なカーボン製基材、４１ 加湿部加湿
水流路部、４２ 加湿部燃料ガス流路部、４３ 加湿部
酸化剤ガス流路部、４４ 発電部燃料ガス流路部、４５
発電部酸化剤ガス流路部、４６ 冷却水流路部、５１
燃料ガス入口ポート、５２ 燃料ガス出口ポート、５
３ 酸化剤ガス入口ポート、５４ 酸化剤ガス出口ポー
ト、５５ 発電セル部、５６ 内部加湿部、５７ 冷却
水入口ポート、５８ 冷却水出口ポート。1 gas separation plate, 2 fuel gas flow path, 3 oxidant gas flow path, 4 fuel gas inlet side external manifold, 5 fuel gas outlet side external manifold, 6 oxidant inlet side external manifold, 7 oxidant outlet side external manifold, 8 Area where reaction concentrates, 9 Cooling water flow path, 10 Reaction effective area, 11 Cooling water inlet side external manifold, 12 Cooling water outlet side outer manifold, 13 Fuel electrode, oxidizer electrode and solid polymer electrolyte membrane Cell, 14 internal manifold on fuel gas inlet side, 15 internal manifold on fuel gas outlet side, 16 internal manifold on oxidant gas inlet side, 17 internal manifold on oxidant gas outlet side, 18
Cooling water inlet side internal manifold, 19 Cooling water outlet side internal manifold, 20 Electrical insulation plate, 22 Fuel gas flow path bent multiple times in a bellows shape in divided gas supply area, 23 Bellows shape in divided gas supply area Oxidant gas flow path, which is folded multiple times, 24 fuel gas flow, 25
Oxidant gas flow, 26 Cooling water flow, 27 Current collector plate, 28 Holding plate, 29 Notch length at corner,
30 Notch width at corner, fuel gas flow path folded in bellows near cell center in 32 divided gas supply area, 3
3 an oxidizing gas flow path folded in a bellows shape near the center of the cell in the divided gas supply area; 34 a porous carbon substrate having a plurality of parallel flow path recesses formed therein; 36 cut portion of channel convex portion, 37 channel concave portion, 38 channel convex portion, 39 air-impermeable and water-permeable film, 40 porous carbon base material, 41 humidifying portion humidifying water channel portion, 42 humidifying portion Fuel gas flow path, 43 Humidifier oxidant gas flow path, 44 Power generation fuel gas flow path, 45
Power generation unit oxidant gas flow path, 46 cooling water flow path, 51
Fuel gas inlet port, 52 Fuel gas outlet port, 5
3 Oxidizing gas inlet port, 54 Oxidizing gas outlet port, 55 Power generation cell section, 56 Internal humidifying section, 57 Cooling water inlet port, 58 Cooling water outlet port.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 燃料電極、固体高分子電解質膜、及び酸
化剤電極を有する単セルと燃料ガス流路及び酸化剤ガス
流路を有するガス分離板とで構成される固体高分子型燃
料電池単体と、冷却水流路を有する冷却板とを複数個積
層して積層体を構成する固体高分子型燃料電池積層体に
おいて、 前記積層体が６角柱の形状に構成されており、該積層体
の６つの側面に対して、対角位置に燃料ガス入口側外部
マニホールドと燃料ガス出口側外部マニホールド、酸化
剤ガス入口側外部マニホールドと酸化剤ガス出口側外部
マニホールド、及び冷却水入口マニホールドと冷却水出
口マニホールドが、固体高分子型燃料電池積層体の全て
の固体高分子型燃料電池単体に共通した外部マニホール
ドを用いて各々構成されていること、 単セルの燃料ガス反応面積領域が、前記燃料ガス入口側
外部マニホールド及び前記燃料ガス出口側外部マニホー
ルドに各々面する複数個の燃料ガス供給区域に分割され
ており、１本以上の燃料ガス供給区域には、蛇腹状に偶
数回数折り返された燃料ガス流路が各々配置されている
こと、 単セルの酸化剤ガス反応面積領域が、前記酸化剤ガス入
口側外部マニホールド及び前記酸化剤ガス出口側外部マ
ニホールドに各々面する複数個の酸化剤ガス供給区域に
分割されており、各酸化剤ガス供給区域には、蛇腹状に
偶数回数折り返された１本以上の酸化剤ガス流路が各々
配置されていること、 前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の向きが直交し
ていること、を特徴とする固体高分子型燃料電池積層
体。1. A solid polymer fuel cell unit comprising a single cell having a fuel electrode, a solid polymer electrolyte membrane, and an oxidant electrode, and a gas separator having a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path. And a plurality of cooling plates having cooling water passages, wherein the stack is formed in the shape of a hexagonal column, and the stack is formed of a hexagonal prism. The fuel gas inlet-side external manifold and the fuel gas outlet-side external manifold, the oxidizing gas inlet-side external manifold and the oxidizing gas outlet-side external manifold, and the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold at diagonal positions with respect to one side Are configured using an external manifold common to all polymer electrolyte fuel cells of the polymer electrolyte fuel cell stack, and the fuel cell reaction area of a single cell The area is divided into a plurality of fuel gas supply areas facing the fuel gas inlet side external manifold and the fuel gas outlet side external manifold, respectively, and one or more fuel gas supply areas have an even number in a bellows shape. A plurality of fuel gas flow paths that are folded back each time, and a plurality of oxidizing gas reaction area regions of a single cell each facing the oxidizing gas inlet side external manifold and the oxidizing gas outlet side external manifold; And at least one oxidizing gas flow path that is folded in an even number of times in a bellows shape is disposed in each oxidizing gas supply area. Wherein the flow path and the oxidant gas flow path are orthogonal to each other. 【請求項２】 燃料電極、固体高分子電解質膜、及び酸
化剤電極を有する単セルと燃料ガス流路及び酸化剤ガス
流路を有するガス分離板とで構成される固体高分子型燃
料電池単体と、冷却水流路を有する冷却板とを複数個積
層して積層体を構成する固体高分子型燃料電池積層体に
おいて、 前記積層体が４角柱の形状に構成されており、該積層体
の４つの側面に対して、対角位置に燃料ガス入口側外部
マニホールドと燃料ガス出口側外部マニホールド、酸化
剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールド
が、固体高分子型燃料電池積層体の全ての固体高分子型
燃料電池単体に共通した外部マニホールドを各々用いて
構成されていること、 前記積層体の４つの側面が接する４つのコーナー部の内
少なくとも２つのコーナー部に、前記積層体を貫通する
冷却水入口側内部マニホールドと冷却水出口側内部マニ
ホールドが配設されていること、 単セルの燃料ガス反応面積領域が、前記燃料ガス入口側
外部マニホールド及び前記燃料ガス出口側外部マニホー
ルドに各々面する複数個の燃料ガス供給区域に分割され
ており、各燃料ガス供給区域には、蛇腹状に偶数回数折
り返した１本以上の燃料ガス流路が各々配置されている
こと、 単セルの酸化剤ガス反応面積領域が、前記酸化剤ガス入
口側外部マニホールド及び前記酸化剤ガス出口側外部マ
ニホールドに各々面する複数個の酸化剤ガス供給区域に
分割されており、各酸化剤ガス供給区域には、蛇腹状に
偶数回数折り返された１本以上の酸化剤ガス流路が各々
配置されていること、 前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の向きが直交し
ていること、を特徴とする固体高分子型燃料電池積層
体。2. A solid polymer fuel cell unit comprising a single cell having a fuel electrode, a solid polymer electrolyte membrane, and an oxidant electrode, and a gas separator having a fuel gas passage and an oxidant gas passage. And a plurality of cooling plates each having a cooling water flow path, wherein the stack is formed in the shape of a quadrangular prism. The fuel gas inlet-side external manifold and the fuel gas outlet-side external manifold, the oxidizing gas inlet manifold and the oxidizing gas outlet manifold are located at diagonal positions on all sides, and the solid polymer fuel cell stack has all the solid heights. An external manifold common to a single molecular fuel cell; and the stack is formed on at least two corners of four corners where four side surfaces of the stack are in contact with each other. A cooling water inlet side internal manifold and a cooling water outlet side internal manifold penetrating therethrough, and a fuel gas reaction area region of a single cell is provided in the fuel gas inlet side external manifold and the fuel gas outlet side external manifold. Each fuel gas supply area is divided into a plurality of fuel gas supply areas facing each other, and each fuel gas supply area is provided with one or more fuel gas flow paths that are folded back in an accordion shape an even number of times. The oxidizing gas reaction area area is divided into a plurality of oxidizing gas supply areas facing the oxidizing gas inlet side external manifold and the oxidizing gas outlet side external manifold, respectively. Means that at least one oxidizing gas flow path folded even number times in a bellows shape is arranged, and the directions of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are Polymer electrolyte fuel cell stack, characterized in that, that. 【請求項３】 前記単セルの燃料ガス反応面積領域の中
心付近または酸化剤ガス反応面積領域の中心付近におい
て、単位面積当たりの反応ガス供給量を、両側よりも多
くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固
体高分子型燃料電池積層体。3. The reaction gas supply amount per unit area near the center of the fuel gas reaction area area or near the center of the oxidant gas reaction area area of the single cell is greater than on both sides. 3. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1 or 2. 【請求項４】 前記反応ガス流路は多孔質なカーボン製
基材で構成されており、その多孔質なカーボン製基材
に、平行な複数本の貫通する流路凹部を形成した後、前
記反応ガスマニホールドに面する一部の前記流路凹部に
閉塞物を充填すると共に、隣接する前記流路凸部の一部
を切削加工により取り除くことにより、蛇腹状に偶数回
数折り返された１本以上の反応ガス流路を各々形成した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載
の固体高分子型燃料電池積層体のガス分離板の製造方
法。4. The reaction gas flow channel is formed of a porous carbon substrate, and after forming a plurality of parallel flow channel recesses in the porous carbon substrate, At least one of the one or more folded even-numbered times in a bellows shape by filling an obstruction into some of the flow channel recesses facing the reaction gas manifold and removing a part of the adjacent flow channel projections by cutting. The method for producing a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the reaction gas flow paths is formed. 【請求項５】 前記反応ガス流路は多孔質なカーボン製
基材で構成され、前記ガス分離板は、ガス不透気性で透
水性の膜と、この膜を挟んでその両側に配置された２枚
の多孔質なカーボン製基材とから構成されることを特徴
とする請求項１乃至請求項３項の何れかに記載の固体高
分子型燃料電池積層体。5. The reaction gas flow path is formed of a porous carbon substrate, and the gas separation plate is provided with a gas-impermeable and water-permeable membrane, and disposed on both sides of the membrane. The polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, comprising two porous carbon substrates. 【請求項６】 前記ガス不透気性で透水性の膜を挟んで
２枚の多孔質なカーボン製基材を前記膜が軟化する温度
以上の温度でホットプレスし、２枚の前記多孔質なカー
ボン製基材間に電子伝導性を付与したことを特徴とする
請求項５記載の固体高分子型燃料電池積層体のガス分離
板の製造方法。6. A method of hot pressing two porous carbon substrates with the gas impermeable and water permeable membrane interposed therebetween at a temperature not lower than the temperature at which the membrane softens. The method for producing a gas separator of a polymer electrolyte fuel cell laminate according to claim 5, wherein electron conductivity is provided between the carbon substrates. 【請求項７】 前記燃料ガス入口側外部マニホールド内
で、あるいはその上流側で、前記燃料ガスに爆発限界を
超えない範囲内で酸化剤ガスを添加することを特徴とす
る請求項１乃至請求項３及び請求項５の何れかに記載の
固体高分子型燃料電池積層体。7. The fuel gas according to claim 1, wherein an oxidizing gas is added in the fuel gas inlet side external manifold or upstream of the fuel gas inlet within a range not exceeding an explosion limit. The polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 3 and 5.
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