(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータの片面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水の入口を水路の始点と水路の途中に設け、それぞれから冷却水兼加湿水を流し入れるようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
セパレータの片面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水路の途中に冷却水兼加湿水の入口を設け、冷却水兼加湿水を流し入れ、水路の両端部から排出するようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
セパレータの片面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、撥水性の集電体表面に撥水性多孔体と親水性多孔体とを流路パターンに合わせて、撥水性多孔体が供給ガス流路を被覆し、親水性多孔体が水路を被覆するように縞状にコーティングした集電体を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
セパレータの片面に燃料ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水の入口を水路の始点と水路の途中に設け、それぞれから冷却水兼加湿水を流し入れるようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
セパレータの片面に燃料ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水路の途中に冷却水兼加湿水の入口を設け、冷却水兼加湿水を流し入れ、水路の両端部から排出するようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
セパレータの片面に燃料ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、撥水性の集電体表面に撥水性多孔体と親水性多孔体とを流路パターンに合わせて、撥水性多孔体が供給ガス流路を被覆し、親水性多孔体が水路を被覆するように縞状にコーティングした集電体を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
セパレータの片面に酸化剤ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水の入口を水路の始点と水路の途中に設け、それぞれから冷却水兼加湿水を流し入れるようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
セパレータの片面に酸化剤ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、冷却水兼加湿水路の途中に冷却水兼加湿水の入口を設け、冷却水兼加湿水を流し入れ、水路の両端部から排出するようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
セパレータの片面に酸化剤ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられており、撥水性の集電体表面に撥水性多孔体と親水性多孔体とを流路パターンに合わせて、撥水性多孔体が供給ガス流路を被覆し、親水性多孔体が水路を被覆するように縞状にコーティングした集電体を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水を直接セル内部へ供給して、発電セルの冷却と供給ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の加湿とを同時に行うようにした、高性能で小型化を図ることができる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を効率良く発電させるためには、発電時の発熱による温度上昇を抑制するとともに、供給ガスを加湿することによって電解質膜のドライアップを防ぐことが非常に重要である。すなわち、燃料電池は発電時に発熱するために、燃料電池スタックを冷却する必要がある。また、例えば、固体高分子形燃料電池の場合、電解質膜が乾燥してくると電気抵抗が増加するため、十分な水分を供給する必要がある。
【０００３】
上記のようなことから、燃料電池の冷却と電解質膜の加湿について様々な工夫がなされてきた。
図１９は、従来の燃料電池における一般的なサーペンタイン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）形の流路形状を示している。このような従来技術では、発電セルには供給ガス流路１のみを設け、冷却用セルを別途設けてその内部に冷却水を流す場合が多い。
【０００４】
また、例えば、特開平７−２２０７４６号公報には、セパレータ内部にトンネルを設け、このトンネルからセパレータ表面のガス流路に水分を導入するようにした固体高分子電解質燃料電池が記載されている。
この場合、セパレータがある程度の厚みを必要とするため燃料電池の小型化が困難であり、かつ、ガス流路に導入される水分量の制御が困難であるという問題が生じる。
【０００５】
また、特開平１０−２１９４９号公報には、燃料電池スタックの発電部周囲に冷却水用の四つのトンネルを設けて冷却を行うようにした燃料電池スタックが記載されている。
この場合、発熱部と冷却部分とが離れているため、冷却効率が悪い上、供給ガス加湿用装置を別途設ける必要があるという問題が生じる。
【０００６】
また、特開２０００−２２８２０７号公報には、セパレータをプレス加工などにより波型に成形し、その片面に供給ガスを、反対面に冷却水を流すことで、空間を有効利用するようにした燃料電池用セパレータ及び燃料電池が記載されている。
しかし、この公報記載の発明において、金属セパレータを使用する場合、高価な高耐食性の金属材料を用いる必要があり、コストアップにつながる。また、冷却用セルを別途設けている点に変わりはなく、燃料電池の小型化には制約が出てくるという問題を生じる。
【０００７】
また、特開平１１−７３９３７号公報には、ガス流路の１箇所に孔を設け、その孔から冷却水を導入し、供給ガスを加湿するようにした固体高分子電解質形燃料電池が記載されている。
しかし、供給ガス流路と冷却水流路とを多孔質板で仕切っているため、圧力損失が大きく冷却水循環機に高負荷がかかり、システム効率の低下をまねく。また、前記の特開平７−２２０７４６号公報記載の発明と同様に、燃料電池の小型化が困難となる上、ガス流路に導入する水分量の制御が難しいという問題が生じる。
【０００８】
さらに、特開２０００−６７８８５号公報には、図２０に示すように、電極を設置する部分２に供給ガス流路１を設け、この電極を設置する部分２の外側に冷却水流路３を設けて冷却水を流すようにした燃料電池が記載されている。すなわち、供給ガス流路１の両側に冷却水流路３が設けられており、別途冷却用セルを設ける必要はない。
しかし、この場合、前記の特開平１０−２１９４９号公報記載の発明と同様に、発熱部と冷却箇所とが離れているため冷却効率が悪い上、供給ガス加湿装置を別途設ける必要があるという問題が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、冷却水を直接セル内部へ供給することで、燃料電池の冷却と、電解質膜加湿に不可欠な燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿とを同時に達成できるようにして、燃料電池本体の性能の向上、小型化、さらにはシステムの小型化を図ることができる燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の燃料電池は、セパレータの片面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極（電極触媒）を設置する部分（箇所）に設けられて構成されている。
この燃料電池において、燃料ガス流路もしくは／及び酸化剤ガス流路と、冷却水兼加湿水流路とが一本一本隣合せになっているか、一本対複数本が隣合せになっているか、複数本対一本が隣合せになっているか、又は複数本対複数本が隣合せになっているように構成される。
【００１１】
また、本発明の燃料電池は、セパレータの片面に燃料ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられていることを特徴としている。
この燃料電池において、酸化剤ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが一本一本隣合せになっているか、一本対複数本が隣合せになっているか、複数本対一本が隣合せになっているか、又は複数本対複数本が隣合せになっているように構成される。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池は、セパレータの片面に酸化剤ガス流路が設けられ、セパレータの反対面に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが設けられ、かつ、これらの流路がセパレータの電極を設置する部分に設けられていることを特徴としている。
この燃料電池において、燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路とが一本一本隣合せになっているか、一本対複数本が隣合せになっているか、複数本対一本が隣合せになっているか、又は複数本対複数本が隣合せになっているように構成される。
【００１３】
本発明では、上記のように、セパレータの片面（一方の面）の同一面上に、かつ電極を設置する部分に燃料ガス流路と冷却水兼加湿水流路（以下、水路と記す場合がある）とを設けるか、又は／及びセパレータの反対面（他方の面）の電極を設置する部分に、酸化剤ガス流路と水路とを設けている。
燃料ガス流路と水路とは、１本対１本、１本対複数本、複数本対１本、又は複数本対複数本を隣合せとする。これらの流路配置の中では、供給ガス流路と水路とは１本１本交互に並んでいるのが好ましい。
【００１４】
また、セパレータの反対面において、酸化剤ガス流路と水路についても、上記と同様の配置をするのが好ましい。さらには、後述のように、冷却水兼加湿水の入口を水路の始点と水路の途中に複数設け、それぞれから冷却水兼加湿水を流し入れることで、（１）  水路での圧力損失を減らすことができる。（２）  セル内部の温度分布を緩和することができる。（３）  セル中心の蓄熱し易い部分を直接冷却することができる等の効果を期待することができる。
また、後述のように、水路の途中に冷却水兼加湿水の入口を設け、冷却水兼加湿水を流し入れ、水路の両端部から排出することでも同様の効果を期待することができる。
【００１５】
流路形状はサーペンタイン形、渦巻形、直線形等に形成されるが、本発明においては、これらの流路形状に限られるものではない。また、流路幅は供給ガス流路、水路とも同じ幅としてもよいが、これに限られるものではない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができるものである。
図１は本発明の実施の第１形態による燃料電池を示し、図２は図１に示す燃料電池の拡大断面を示している。本実施形態は、流路が蛇のように曲がりくねった、いわゆるサーペンタイン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）形で、供給ガス流路１本対水路１本の場合を示している。
【００１７】
図１、図２において、セパレータ１０の一方の面に燃料ガス流路１２と冷却水兼加湿水流路（以下、水路と記す）１４とが設けられ、セパレータ１０の他方の面に酸化剤ガス流路１６と冷却水兼加湿水流路（水路）１８とが設けられ、かつ、これらの流路１２、１４、１６、１８がセパレータの電極を設置する部分２０に配設されている。なお、図１における供給ガスは、燃料ガス又は酸化剤ガスのことである。２２は供給ガス導入口、２４は供給ガス排出口、２６は冷却水兼加湿水導入口、２８は冷却水兼加湿水排出口、３０は電解質膜、３２は電極（電極触媒）、３４は集電体である。なお、各流路の大きさ、位置等は適宜変更される。
【００１８】
図３は単位セルの一部を模式的に表した断面図であり、セパレータ１０には供給ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）３６又は３８を１本１本交互に配置したものを示している。
図３に示すように、供給ガスは集電体３４内部を、矢印で示すように拡散することで、電極３２表面に均一に供給される。冷却水兼加湿水は発電の際に生じた熱を吸収してセルを冷却するとともに、その一部が蒸発して水蒸気となり、矢印で示すように集電体３４内部を拡散することで、電極３２及び電解質膜３０へ均一に供給され、電解質膜３０等のドライアップが防止される。
【００１９】
この際、集電体３４として、通常使用されている撥水性材料を使用する場合、冷却水兼加湿水の圧力を供給ガスの圧力よりも高く制御することが好ましく、液体（液状）の水が集電体３４内部、電極３２及び供給ガス流路３６へ混入することを防ぐと同時に、供給ガスが水路１４へ混入することを防ぐことができる。これは、水圧が高くても集電体３４が撥水性であれば、集電体３４内部や電極３２表面上に液体（液状）の水が溜まることがなく、電極３２表面へのガス拡散をスムーズに行うことができる上、冷却水兼加湿水と供給ガスとを完全に分離することができる。このため、これらの循環を容易に行うことができる。
【００２０】
また、より好ましい方法として、集電体の一部を親水性にすること（撥水性／親水性の複合化）で、ガス及び水の漏れを防止し、これらの圧力を制御する必要をなくすことができる。
具体的には、図４に示すように、撥水性の集電体４０表面に撥水性多孔体４２と親水性多孔体４４とを流路パターンに合わせて、撥水性多孔体４２が供給ガス流路３６を被覆し、親水性多孔体４４が水路１４を被覆するように縞状にコーティングした集電体３４ａを用いる。このようにすることによって、水圧が高くても図４に示すシール面で水が撥水性材料と接触するため、この部分でシールされ、また、ガス圧が高くても、図４に示すシール面において、水で満たされた親水性材料と接触するため、この部分でシールされ、結果的にこれらの漏れが発生することはなくなる。４６は液体（液状）の水及び供給ガスのシール面である。
【００２１】
一般的には、上記のようなサーペンタイン形の流路形状が用いられるが、後述するような他の流路形状のものも使用可能である。
冷却効率とガス拡散とを考慮すると、上記のように、ガス流路と水路とは１本対１本が最も効率よく、このように構成することが好ましい。ただし、セルの大面積化には、複数本対１本又は複数本対複数本とすることが有利である。なお、供給ガスは電極触媒上で反応する物質であり、電極触媒に十分供給される必要があるが、水は冷却と加湿のためにのみ必要であることから、供給ガスに比べると少ない面積を流していても構わない。
【００２２】
図５は本発明の実施の第２形態による燃料電池を示している。本実施形態はサーペンタイン形で、かつ、供給ガス流路１本対水路１本の場合で、導入口、排出口の位置関係を前述の実施の第１形態（図１）の場合と変更したものである。すなわち、供給ガス導入口２２と供給ガス排出口２４とを近接した位置に設けている。なお、導入口、排出口は、図５に示すもの以外に、任意の位置に配置することができる。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２３】
図６は本発明の実施の第３形態による燃料電池を示している。本実施形態は渦巻形で、かつ供給ガス流路１本対水路１本の場合で、導入口と排出口を一端と他端の最も離れた位置に設けたものである。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２４】
図７は本発明の実施の第４形態による燃料電池を示している。本実施形態は渦巻形で、かつ供給ガス流路１本対水路１本の場合で、導入口、排出口の位置関係を実施の第３形態（図６）の場合と変更したものである。すなわち、供給ガス排出口２４と冷却水兼加湿水排出口２８とを、電極を設置する部分２０の中央部に設けている。なお、供給口と排出口とを逆にすることも可能である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２５】
図８は本発明の実施の第５形態による燃料電池を示している。本実施形態は直線形で、かつガス流路１本対水路１本の場合である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２６】
図９は本発明の実施の第６形態による燃料電池を示している。本実施形態は供給ガス流路複数本対水路１本の場合である。２２ａは供給ガス流路導入口、２４ａは供給ガス排出口である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２７】
図１０は本発明の実施の第７形態による燃料電池を示している。本実施形態は供給ガス流路１本対水路複数本の場合である。２６ａは冷却水兼加湿水導入口、２８ａは冷却水兼加湿水排出口である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２８】
図１１は本発明の実施の第８形態による燃料電池を示している。本実施形態は供給ガス流路複数本対水路複数本の場合である。２２ａは供給ガス導入口、２４ａは供給ガス排出口、２６ａは冷却水兼加湿水（以下、単に水と記す場合がある）導入口、２８ａは水排出口である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００２９】
図１２は本発明の実施の第９形態による燃料電池を示している。本実施形態は流路の繰返しの場合である。２２ａは供給ガス導入口、２４ａは供給ガス排出口であり、複数の供給ガス流路、例えば燃料ガス流路１２の間に水路１４が設けられている。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３０】
図１３は本発明の実施の第１０形態による燃料電池を示している。本実施形態は流路の繰返しの場合で、２本の供給ガス流路、例えば燃料ガス流路１２と、２本の水路１４とを交互に配列したものである。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３１】
図１４は本発明の実施の第１１形態による燃料電池を示している。本実施形態は流路の繰返しの場合で、３本の供給ガス流路、例えば燃料ガス流路１２と、３本の水路１４とを交互に配列したものである。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３２】
図１５は本発明の実施の第１２形態による燃料電池を示している。本実施形態は流路の組合せの一例で、複数本の供給ガス流路、例えば４本の燃料ガス流路１２の間に、２本の水路１４を配列したものである。２２ａは供給ガス導入口、２４ａは供給ガス排出口である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３３】
図１６は本発明の実施の第１３形態による燃料電池を示している。本実施形態は流路の組合せの一例で、複数本の供給ガス流路、例えば３本の燃料ガス流路１２の間及び外側に、２本の水路１４を配列したものである。２２ａは供給ガス導入口、２４ａは供給ガス排出口である。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３４】
図１７は本発明の実施の第１４形態による燃料電池を示している。本実施形態は冷却水兼加湿水導入口２６、２６ａを水路１４の始点と水路１４の途中に複数設け（図１７では一例として２個）、それぞれの導入口２６、２６ａから冷却水兼加湿水を流入させるようにしたものである。本実施形態においては、水路１４での圧力損失を減らすことができる、セル内部の温度分布を緩和させることができる、セル中心の蓄熱し易い部分を直接冷却することができる点の効果が奏される。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３５】
図１８は本発明の実施の第１５形態による燃料電池を示している。本実施形態は水路１４の途中、例えば中央部に冷却水兼加湿水導入口２６ａを設け、この導入口２６ａから冷却水を流入させ、水路１４の両端部から排出するようにしたものである。本実施形態においても、実施の第１４形態（図１７）の場合と同様の効果が奏される。他の構成及び作用は実施の第１形態の場合と同様である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）  セパレータの電極を設置する部分（箇所）に冷却水兼加湿水流路（水路）が設けられているので、燃料電池セルを効果的に冷却することができ、また、その際、冷却水の一部が水蒸気となって電解質膜を十分に加湿することができる。このため、セパレータを小さく、また薄くすることが可能となり、燃料電池の小型化を図ることができる。
（２）  燃料電池の冷却、電解質膜の加湿に特別な装置を用いる必要がないため、システムの小型化をも同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池の拡大断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池において、単位セルの一部を模式的に表した一例を示す断面説明図である。
【図４】図１に示す燃料電池において、単位セルの一部を模式的に表した他の例を示す断面説明図である。
【図５】本発明の実施の第２形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図６】本発明の実施の第３形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図７】本発明の実施の第４形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図８】本発明の実施の第５形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図９】本発明の実施の第６形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１０】本発明の実施の第７形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１１】本発明の実施の第８形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１２】本発明の実施の第９形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１３】本発明の実施の第１０形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１４】本発明の実施の第１１形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１５】本発明の実施の第１２形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１６】本発明の実施の第１３形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１７】本発明の実施の第１４形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１８】本発明の実施の第１５形態による燃料電池の供給ガス流路及び水路を示す平面構成説明図である。
【図１９】従来の燃料電池の供給ガス流路を示す平面構成説明図である。
【図２０】従来の燃料電池の供給ガス流路及び冷却水流路を示す平面構成説明図である。
【符号の説明】
１０  セパレータ
１２  燃料ガス流路
１４、１８  冷却水兼加湿水流路（水路）
１６  酸化剤ガス流路
２０  セパレータの電極を設置する部分
２２、２２ａ  供給ガス導入口
２４、２４ａ  供給ガス排出口
２６、２６ａ  冷却水兼加湿水導入口（水導入口）
２８、２８ａ  冷却水兼加湿水排出口（水排出口）
３０  電解質膜
３２  電極（電極触媒）
３４、３４ａ  集電体
３６、３８  供給ガス流路
４０  撥水性の集電体
４２  撥水性の多孔体
４４  親水性多孔体
４６  液体（液状）の水及び供給ガスのシール面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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