(57)【要約】      （修正有）【課題】フラッディング現象を抑制し、かつ高分子電解質膜の耐久性を向上する高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】正面がＭＥＡのアノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置されて前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記ＭＥＡのカソードに接触するように配置されて前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータ１０とを有するセルと、複数の前記セルが積層されたセルスタックと、前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ１０のすくなくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路１９と、を備え、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が、それぞれ、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路１９において重力に逆らわないように流れる。【選択図】図２
2006156411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有するＭＥＡと、正面が前記アノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置され前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記カソードに接触するように前記ＭＥＡの他方の側に配置され前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータとを有するセルと、
複数の前記セルが積層されたセルスタックと、
前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのすくなくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、
前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が、それぞれ、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路において重力に逆らわないように流れ、
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ対向する内周面の局部的な接近部からなる絞り部を有するように設けられ、前記絞り部の一方の側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記絞り部の他方の側に位置する第２の部分が前記冷却水流路に連通している、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有するＭＥＡと、正面が前記アノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置され前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記カソードに接触するように前記ＭＥＡの他方の側に配置され前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータとを有するセルと、
複数の前記セルが積層されたセルスタックと、
前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのすくなくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、
前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が、それぞれ、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路において重力に逆らわないように流れ、
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ内周面の下部に周方向における段差を有するように設けられ、前記段差の下に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記段差の上に位置する第２の部分が前記前記冷却水流路に連通している、高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
電極に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、高分子電解質膜の縁部以外の部分の両面にそれぞれ電極が形成され、高分子電解質膜の縁部に各電極を囲むようにガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
このガス流路への反応ガスの供給及びガス流路からの反応ガス、生成水の排出は、セパレータにマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマニホールド孔に連通して、マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのＭＥＡ、セパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ロッドで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００５】
この種の電池の高分子電解膜質には、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われてきた。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して電池へ供給する必要がある。また、カソード側では、反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点となるように加湿されたガスが供給されると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しなかったり、性能が低下したりする問題があった。通常、このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象はフラッディング現象と呼ばれる。一方、燃料電池を発電システム化する場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要である。システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給される加湿ガスの露点を少しでも低減することが好ましい。
【０００６】
以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点となるように加湿して供給するのが通常であった。
【０００７】
しかしながら、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスを相対湿度１００％に近い湿度、又は相対湿度１００％以上で供給することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高加湿で供給することが好ましいことがわかった。しかし、相対湿度１００％に近い湿度のガスを供給しようとする場合、前述のフラッディング現象の発生が問題となる。つまり、供給ガスの湿度を調整することによりフラッディング現象を好適に防止することはできない。
【０００８】
一方、フラッディング現象を回避するためには、供給ガスのセパレータ流路部分での流速を高くして、結露した水を吹き飛ばす手法が効果的であることが知られている。しかしながら、供給ガス流速を増加させるためには、高い圧力でガスを供給することが必要となり、システム化した場合のガス供給ブロワ又はコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させねばならないため、システム効率の悪化を招く。また、フラッディング現象がアノード側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、これは電池にとって致命傷となってしまう。これは、燃料ガスが不足している状態で負荷電流が強制的に取られると、燃料のない状態で電子とプロトンを作るためにアノードの触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまうことによる。その結果、触媒層のカーボンの溶出により、アノードの触媒層が破壊されるのである。
【０００９】
また、積層電池を搭載したシステムでは、商品性を考慮すると、電池を定格出力条件で運転するだけではなく、電力需要に応じて出力を抑えた低負荷運転ができることが不可欠である。低負荷運転では、効率を維持するために、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率を定格運転と同じ条件にする必要がある。すなわち、定格運転時に対して、例えば負荷を１／２に抑えた場合、燃料ガスや酸化剤ガスの流量も１／２程度に低減しなければ、余分な燃料ガスや酸化剤ガスを使用することになるため発電効率が低下する。しかし、ガスの利用率を一定にして低負荷運転を行うと、ガス流路内のガス流速が低下し、凝縮水や生成水をセパレータ外に排出できず、上述のようなフラッディング現象が発生し、電池性能が低下したり、不安定になったりするという問題があった。
【００１０】
また、このようなフラッディング現象は、ガス流路に重力に逆らって流れる部分が存在すると、その部分で凝縮水や生成水が滞留し、より発生し易くなることが知られている。この対策としては、酸化剤ガスあるいは燃料ガスを重力に逆らわない方向に流す方法が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。この方法によれば、酸化剤ガスあるいは燃料ガスを重力に対して逆らわない方向に流すことによって、凝縮水や生成水の排出をスムースに行い、フラッディングの発生を抑制することができる。
【特許文献１】特開平１１−２３３１２６号公報
【特許文献１】特開２００１−０６８１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、一般的に、酸化剤ガス及び燃料ガスは、セル入口から出口に向って、下流になるほどガス量が減少し生成水が増加するため、相対湿度が上昇する。また、相対湿度が１００％を超える場合には、凝縮水となって水分量が増加する。これに対して冷却水は、セルへの入口部で最も温度が低く、出口部に向かうに従って高温となる。先にも述べたように、電池への供給ガスは相対湿度１００％に近い加湿状態で供給されることが必要である。通常、この冷却水は、セパレータの反応ガスが流れる主面と反対側の主面に流され、それによりセパレータを介して発熱する電極部が冷却される。ここで、もし、冷却水を反応ガスと互いに反対方向に流すと、高温の冷却水に対して相対湿度１００％まで加湿した反応ガスを供給する必要がある。また、この供給された大量の加湿水は、冷却水の温度が低い反応ガス下流部分では全て凝縮水となるため、水詰まりなどによるフラッディング現象を発生し易くなる。さらに、実際のコージェネレーションシステムにおいて、冷却水を用いて供給ガスの加湿を行う場合には、冷却水の出口温度と同じ温度までの加湿温度を上昇させることは不可能である。その結果、反応ガスの相対湿度を１００％で供給できないため、ガス入口部で高分子電解質膜に乾きが発生し、耐久性が悪化するという問題を生じる。
【００１２】
さらに、この冷却水を重力方向上側から積層スタックに供給して下方向に流すと、冷却水が重力に従って冷却水の入口マニホールド孔から各冷却水流路へ分岐されるため、冷却水のマニホールド孔への入口配管に近い側のセルほど多く冷却水が流れ、冷却水の等配性が悪化する。特に、部分負荷運転時には、発電反応による発熱量が低下するため、電池の温度を一定に維持するためには冷却水の流量を絞る必要があり、それよってさらに冷却水の等配性が悪化するという問題を生じる。
【００１３】
本発明は上記のような課題を解決するためにされたもので、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制して燃料電池の耐久性を向上することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを第１の目的とする。
【００１４】
また、冷却水の当配性を向上することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有するＭＥＡと、正面が前記アノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置され前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記カソードに接触するように前記ＭＥＡの他方の側に配置され前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータとを有するセルと、複数の前記セルが積層されたセルスタックと、前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのすくなくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が、それぞれ、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路において重力に逆らわないように流れる。なお、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水が、マニホールド部分で重力に逆らって流れてもよい。
【００１６】
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路が、それぞれ、下流に向って水平又は下り勾配となるように形成されていてもよい。
【００１７】
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路の少なくともいずれかが、水平な部分と鉛直な部分とで実質的に構成されていてもよい。
【００１８】
前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路の入り口の近傍部に前記酸化剤ガス流路の上流部が位置していてもよい。
【００１９】
前記アノード側セパレータにおいて、前記冷却水流路の入り口の近傍部に前記燃料ガス流路の上流部が位置していてもよい。
【００２０】
前記カソード側セパレータにおいて、厚み方向から見て、前記冷却水流路と前記酸化剤ガス流路とが略全体的に重なり合うように形成されていてもよい。
【００２１】
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ対向する内周面の局部的な接近部からなる絞り部を有するように設けられ、前記絞り部の一方の側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記絞り部の他方の側に位置する第２の部分が前記冷却水流路に連通していてもよい。
【００２２】
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ内周面の下部に周方向における段差を有するように設けられ、前記段差の下に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記段差の上に位置する第２の部分が前記前記冷却水流路に連通していてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、以上に説明したような構成を有し、第１に、高分子電解質型燃料電池において、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制して燃料電池の耐久性を向上できるという効果を奏する。
【００２４】
第２に、高分子電解質型燃料電池において、冷却水の当配性を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（発明の概念）
最初に本発明の概念を説明する。本件発明者は、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却水の電極の延在面と平行な面内における流れを重力に逆らわない方向に向けることで、凝縮水のスムースな排出を促進し、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつ、ガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制し、燃料電池の耐久性を向上できるということを見いだした。本発明の第１の観点はこの知見に基づいてなされた。
また、本発明の第２の観点によれば、冷却水入口マニホールド孔に絞りや段差を設けることによって、冷却水の分配性を確保することができる。
【００２６】
燃料電池発電システムの商品性を高めるためには、電力需要に応じた燃料電池の負荷を、発電効率を低下させることなく変動できるようにすることが望まれる。そのためには、定格出力に対して負荷を増大させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増大させ、定格出力に対して負荷を減少させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を減少させて運転する必要がある。通常、燃料電池に用いられる導電性セパレータに設けられたガス流路は、定格出力において最も適したガス流速となるように設計されている。従って、電力負荷を増大させた場合には、ガス流量の増大に伴って流路のガス流速が増大し、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴って流路のガス流速が減少する。流路のガス流速が増大した場合には、供給ガスの圧力損失が増大するため、補機動力の増大により発電効率が若干は低下するものの、流路のガス流速が増大するため、セパレータのガス流路内の結露水や生成水はむしろ効率よく除去可能となり、フラッディング現象が発生することはない。
【００２７】
しかしながら、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴って流路のガス流速も減少する。流路のガス流速が減少した場合には、ガス流速の減少度合いによって、セパレータのガス流路内の結露水や生成水を効率よく除去することが困難になり、フラッディング現象が発生する。このとき、電力負荷を減少したにもかかわらず、供給ガスの流量を減少させなければ、発電出力に対する補機動力の割合が相対的に大きくなり、発電システム全体での発電効率が低下する。また、このとき燃料電池の温度を一定に維持するためには、冷却水の流量も電力負荷の増減に合わせて変化させる必要があり、特に低負荷時に冷却水の流量を絞った場合には、冷却水の等配性が損なわれる。
【００２８】
本発明は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路及び冷却水流路の全ての流れを重力に逆らわない方向に流すことで、凝縮水のスムースな排出を促進してフラッディングを防止し、かつガス入口部での電解質膜の乾きを解消し、耐久性を向上する。例えば、最高負荷発電出力と最低負荷発電出力の比を４対１とする場合、ガスの利用率を一定でガス量を低下させると、流速は１／４となる。従来のセパレータでは、ガス流速が低下すると、凝縮水を重力に逆らって排出することができず、フラッディング現象が発生していた。これに対して、本発明では、酸化剤ガス及び燃料ガスが常に重力に逆らわない方向に流れるため、凝縮水のスムースな排出が可能となりフラッディングを発生しないことを見出した。また、セパレータの厚み方向から見て、最も相対湿度が低くなるガス入口部分と冷却水の入口部分を一致させることによって、電解質膜の乾きを解消できるため、耐久性を向上できることを見出した。
【００２９】
さらに、冷却水入口マニホールド孔に絞りを設けることによって、セルスタックに供給された冷却水を、セルスタック内の複数の冷却水流路に分配する際に、冷却水の等配性を向上できることが判った。さらに、冷却水入口マニホールド孔から冷却水を各流路に分配するための各流路の入口を、冷却水入口マニホールド孔に冷却水を供給する位置よりも重力方向で高く位置させることによって、冷却水の流量を絞った場合においても、等配性を確保することが可能であり、より安定した運転が可能であることを見出した。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
《実施の形態１》
図１２は本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池という)の概略の構成を示す斜視図、図１３は図１２のXIII−XIII平面に沿った断面図である。
【００３１】
図１２においては、燃料電池における上下方向を、図における上下方向として表している。なお、これは、後述する図１乃至図６においても同様である。
【００３２】
図１２に示すように、本実施の形態の燃料電池はセルスタック１を有している。
セルスタック１は、板状の全体形状を有するセル２がその厚み方向に積層されてなるセル積層体１０１と、セル積層体１０１の両端に配置された第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂと、セル積層体２と第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂとをセル２の積層方向において締結する図示されない締結具とを有している。また、第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂには集電端子がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
板状のセル２は、鉛直面に平行に延在しており、従って、セル２の積層方向は水平方向となっている。
【００３３】
セル積層体１０１の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス供給マニホールド４が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス供給配管５１が接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の他方の側部（以下、第２の側部）の下部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス排出マニホールド７が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド７の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。酸化剤ガス排出マニホールド７の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス排出配管５２が接続されている。
セル積層体１０１の第２の側部の上部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように燃料ガス供給マニホールド５が形成されている。燃料ガス供給マニホールド５の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス供給配管５３が接続されている。燃料ガス供給マニホールド５の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の第１の側部の下部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように燃料ガス排出マニホールド６が形成されている。燃料ガス排出マニホールド６の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。燃料ガス供給マニホールド５の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス排出配管５４が接続されている。
【００３４】
酸化剤ガス供給マニホールド４の上部の内側には、セル積層体１０１を積層方向に貫通するように冷却水供給マニホールド８が形成されている。冷却水供給マニホールド８の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水供給配管３０が接続されている。冷却水供給マニホールド８の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、酸化剤ガス排出マニホールド７の下部の内側には、セル積層体１０１を積層方向に貫通するように冷却水排出マニホールド９が形成されている。冷却水排出マニホールド９の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。冷却水排出マニホールド９の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水排出配管３１が接続されている。冷却水供給マニホールド８及び冷却水排出マニホールド９は、ここでは、水平方向に長い長孔形状（矩形の対抗する直線の２辺が半円の２辺に置換された形状）の断面形状を有している。
【００３５】
図１３に示すように、セル２は、板状のＭＥＡ４３と、ＭＡ４３の両主面に接触するように配置されたカソード側セパレータ１０及びアノード側セパレータ２０とで構成されている。そして、互いに隣接するセル２、２において、一方のセル２のカソード側セパレータ１０の背面と他方のセル２のアノード側セパレータ２０の背面とが接触するようにして、セル２が積層されている。ＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０は、互いに同じ大きさの同じ形状（ここでは矩形）に形成されている。そして、ＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０には、互いに対応する所定の箇所に、これらを厚み方向に貫通する、酸化剤の入口マニホールド孔、酸化剤の出口マニホールド孔、燃料の入口マニホールド孔、燃料の出口マニホールド孔、冷却水の入口マニホールド孔、及び冷却水の出口マニホールド孔が形成され、全てのセル２におけるＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０の、酸化剤の入口マニホールド孔、酸化剤の出口マニホールド孔、燃料の入口マニホールド孔、燃料の出口マニホールド孔、冷却水の入口マニホールド孔、及び冷却水の出口マニホールド孔が、それぞれ繋がって、酸化剤供給マニホールド４、酸化剤排出マニホールド７、燃料供給マニホールド５、燃料排出マニホールド６、冷却水供給ニホールド８、及び冷却水排出マニホールド９が、それぞれ形成されている。
【００３６】
カソード側セパレータ１０の正面及び背面には、それぞれ、酸化剤ガス流路１７及び冷却水流路１９が形成されている。酸化剤ガス流路１７は後述するように、酸化剤ガスの入口マニホールド孔と酸化剤ガスの出口マニホールド孔とを連絡するように形成され、冷却水流路１９は後述するように、冷却水の入口マニホールド孔と冷却水の出口マニホールド孔とを連絡するように形成されている。そして、カソード側セパレータ１０は、正面がＭＥＡ４３に接触するように配置されている。
【００３７】
アノード側セパレータ２０の正面及び背面には、それぞれ、燃料ガス流路２８及び冷却水流路２９が形成されている。燃料ガス流路１９は後述するように、燃料ガスの入口マニホールド孔と燃料ガスの出口マニホールド孔とを連絡するように形成され、冷却水流路２９は後述するように、冷却水の入口マニホールド孔と冷却水の出口マニホールド孔とを連絡するように形成されている。そして、アノード側セパレータ２０は、正面がＭＥＡ４３に接触するように配置されている。
【００３８】
各流路１７、１９、２８、２９はカソード側セパレータ１０又はアノード側セパレータ２０の主面に形成された溝で構成されている。また、各流路１７、１９、２８、２９は、図１３では、それぞれ、２つの流路で構成されているが、多数の流路で構成されていてもよい。
【００３９】
また、隣接するカソード側セパレータ１０の冷却水流路１９とアノード側セパレータ２０の冷却水流路２９とは、セル２が積層されたとき互いに合わさる（接合する）ように形成されており、両者で１つの冷却水流路が形成されている。
また、カソード側セパレータ１０の背面及びアノード側セパレータ２０の背面には、冷却水の入口マニホールド孔及び出口マニホールド孔並びに冷却水流路と、酸化剤の入口マニホールド孔と、酸化剤の出口マニホールド孔と、燃料の入口マニホールド孔と、燃料の出口マニホールド孔とを、それぞれ、囲むようにＯリング収容溝が形成され、その溝にＯリング４７がそれぞれ配置されている。これにより、前記のマニホールド孔等が互いにシールされている。
【００４０】
ＭＥＡ４３は、高分子電解質膜４１と、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、一対のガスケット４６と、を有している。そして、高分子電解質膜４１の縁部以外の部分の両面にそれぞれカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂが形成され、高分子電解質膜４１の縁部の両面にカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂをそれぞれ囲むようにガスケット４６が配置されている。一対のガスケット４６、カソード４２Ａ、アノード４２Ｂ、及び高分子電解質膜４１は互いに一体化されている。
【００４１】
また、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、カソード側セパレータ１０における酸化剤ガス流路１７が形成された領域及び冷却水流路１９が形成された領域と、アノード側セパレータ２０における燃料ガス流路２８が形成された領域及び冷却水流路２９が形成された領域とは、セル２の積層方向から見て、互いに、実質的に全体的に重なり合うように配設されている。
【００４２】
次に、カソード側セパレータ及びアノード側セパレータについて詳しく説明する。
【００４３】
図１はカソード側セパレータの正面図、図２はその背面図、図３はアノード側セパレータの正面図、図４はその背面図である。
【００４４】
図１に示すように、カソード側セパレータ１０は、酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１及び出口マニホールド孔１３、燃料ガスの入口マニホールド孔１２及び出口マニホールド孔１４並びに冷却水の入口マニホールド孔１５及び出口マニホールド孔１６を有する。セパレータ１０は、さらに、カソードと対向する面に、マニホールド孔１１と１３とを連絡するガス流路１７を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔１５と１６を連絡する流路１９を有する。
【００４５】
図１において、酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１はセパレータ１０の一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、出口マニホールド孔１３はセパレータ１０の他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガスの入口マニホールド孔１２は、セパレータ１０の第２の側部の上部に設けられ、出口マニホールド孔１４はセパレータ１０の第１の側部の下部に設けられている。冷却水の入口マニホールド孔１５は酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１の上部の内側に設けられ、出口マニホールド孔１６は酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３の下部の内側に設けられている。冷却水マニホールド孔１５、１６は、水平方向に長い長孔形状に形成されている。
【００４６】
酸化剤ガス流路１７は、本実施の形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、水平方向に延びる水平部１７ａと、鉛直方向に延びる鉛直部１７ｂとで実質的に構成されている。具体的には、酸化剤ガス流路１７の各流路は、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔１１の上部からセパレータ１０の第２の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから水平にセパレータ１０の第１の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回繰り返し、その到達点から酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３の下部に至るように水平に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部１７ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部１７ｂを形成している。これにより、酸化剤ガス流路１７では、酸化剤ガスが、水平部１７ａと鉛直部１７ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れ、その結果、フラッディングが抑制される。
【００４７】
なお、各流路は、ここでは水平部１７ａと鉛直部１７ｂとで構成されているが、ガスの通流方向に向かって水平又は下り勾配（垂直を含む）となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部１７ａと鉛直部１７ｂとで構成すると、酸化剤ガス流路１７を高密度で形成することができる。
【００４８】
図２において、冷却水流路１９は、２つの流路で構成されている。各流路は、水平方向に延びる水平部１９ａと、鉛直方向に延びる鉛直部１９ｂとで実質的に構成されている。具体的には、冷却水流路１９の各流路は、冷却水の入り口マニホールド孔１５の、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔１１に近い方の端部からある距離下方に延び、そこから、セパレータ１０の第２の側部（図面左側の側部）まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから第１の側部（図面右側の側部）まで水平に延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回半繰り返し、その到達点から冷却水の出口マニホールド孔１６の、酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３に近い方の端部に至るように下方に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部１９ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部１９ｂを形成している。これにより、冷却水流路１９では、冷却水が、水平部１９ａと鉛直部１９ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れる。
【００４９】
そして、ここで重要なことは、以下の点である。すなわち、冷却水の入口マニホールド孔１５と酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１とが近接して設けられ、冷却水の出口マニホールド孔１６と酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３とが近接して設けられ、かつセパレータ１０の厚み方向から見て、冷却水流路１８が酸化剤ガス流路１７と実質的に重なるように形成されており、その結果、冷却水と酸化剤ガスとがセパレータ１０を挟んで実質的に同じ方向に流れるという点である。このように構成することにより、セパレータ１０の厚み方向から見て、最も相対湿度が低くなる酸化剤ガス入口部分と冷却水の入口部分とがほぼ一致するので、高分子電解質膜の乾きを解消することができ、ひいては高分子電解質膜の耐久性を向上することができる。
【００５０】
なお、各流路は、ここでは水平部１９ａと鉛直部１９ｂとで実質的に構成されているが、冷却水の通流方向に向かって水平又は下り勾配となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部１９ａと鉛直部１９ｂとで構成すると、冷却水流路１９を高密度で形成することができる。
【００５１】
アノード側セパレータ２０は、酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１及び出口マニホールド孔２３、燃料ガスの入口マニホールド孔２２及び出口マニホールド孔２４並びに冷却水の入口マニホールド孔２５及び出口マニホールド孔２６を有する。セパレータ２０は、さらに、アノードと対向する面に、マニホールド孔２２と２４とを連絡するガス流路２８を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔２５と２６を連絡する流路２９を有する。
【００５２】
図３において、酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１はセパレータ２０の一方の側部（図面右側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、出口マニホールド孔２３はセパレータ２０の他方の側部（図面左側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガスの入口マニホールド孔２２は、セパレータ２０の第２の側部の上部に設けられ、出口マニホールド孔２４はセパレータ２０の第１の側部の下部に設けられている。冷却水の入口マニホールド孔２５は酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１の上部の内側に設けられ、出口マニホールド孔２６は酸化剤ガスの出口マニホールド孔２３の下部の内側に設けられている。冷却水マニホールド孔２５、２６は、水平方向に長い長孔形状に形成されている。
【００５３】
燃料ガス流路２８は、本実施の形態では２つの流路で構成されている。各流路は、水平方向に延びる水平部２８ａと、鉛直方向に延びる鉛直部２８ｂとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路２８の各流路は、燃料ガスの入り口マニホールド孔２２の上部からセパレータ２０の第１の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから水平にセパレータ２０の第２の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回繰り返し、その到達点から燃料ガスの出口マニホールド孔２４の下部に至るように水平に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部２８ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部２８ｂを形成している。これにより、燃料ガス流路２８では、燃料ガスが、水平部２８ａと鉛直部２８ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れ、その結果、フラッディングが抑制される。
【００５４】
なお、各流路は、ここでは水平部２８ａと鉛直部２８ｂとで実質的に構成されているが、ガスの通流方向に向かって水平又は下り勾配（垂直を含む）となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部２８ａと鉛直部２８ｂとで構成すると、燃料ガス流路２８を高密度で形成することができる。
【００５５】
図４において、冷却水流路２９は、図２のカソードセパレータ１０の背面に形成された冷却水流路１９と図面における左右が反対になるように形成されている。すなわち、各流路は、水平方向に延びる水平部２９ａと、鉛直方向に延びる鉛直部２９ｂとで実質的に構成されている。具体的には、冷却水流路２９の各流路は、冷却水の入り口マニホールド孔２５の、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔２１に近い方の端部からある距離下方に延び、そこから、セパレータ２０の第２の側部（図面右側の側部）まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから第１の側部（図面左側の側部）まで水平に延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回半繰り返し、その到達点から冷却水の出口マニホールド孔２６の、酸化剤ガスの出口マニホールド孔２３に近い方の端部に至るように下方に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部２９ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部２９ｂを形成している。これにより、冷却水流路２９では、冷却水が、水平部２９ａと鉛直部２９ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れる。
【００５６】
そして、ここで重要な点は、以下の点である。すなわち、冷却水の入口マニホールド孔２５と燃料ガスの入口マニホールド孔２２とが共にセパレータ２０の上部に設けられ、冷却水の出口マニホールド孔２６と燃料ガスの出口マニホールド孔２４とが共にセパレータ２０の下部に設けられ、かつセパレータ２０の厚み方向から見て、冷却水流路２９が燃料ガス流路２８と実質的に重なるように形成されており、その結果、冷却水と酸化剤ガスとは水平方向においてはセパレータ２０を挟んで互いに反対方向に流れるものの、鉛直方向においては、全体としては、共に、上から下へと同じ方向に流れるという点である。このように構成することにより、最も相対湿度が低くなる燃料ガス流路２８の上流部分が、セパレータ２０の鉛直方向において、冷却水の入口部分が設けられて最も温度が低い上部に位置するので、高分子電解質膜の乾きの解消に寄与し、ひいては高分子電解質膜の耐久性の向上に寄与する。
【００５７】
なお、各流路は、ここでは水平部２９ａと鉛直部２９ｂとで実質的に構成されているが、冷却水の通流方向に向かって水平又は下り勾配となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部２９ａと鉛直部２９ｂとで構成すると、冷却水流路２９を高密度で形成することができる。
【００５８】
既述のように、上記のカソード側セパレータ１０とアノード側セパレータ２０とによりＭＥＡを挟むことによりセルが構成される。従って、隣接するセル間には、カソード側セパレータ１０とアノード側セパレータ２０とがそれらの冷却水の流路１９と２９を向き合わせて配置され、冷却部が構成される。複数セル毎に冷却部を設ける場合は、前記のような複合セパレータの代わりに、一方の面がカソード側セパレータ、他方の面がアノード側セパレータとして働く単一のセパレータが適宜用いられる。
【００５９】
次に、以上のように構成された燃料電池の燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の通流動作を説明する。
【００６０】
図１乃至図６、図１２、及び図１４において、燃料ガスは、燃料ガス供給配管４３を通じてセルスタック１の燃料ガス供給マニホールド５に供給される。この供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド５から、各セル２の入口マニホールド孔２２に流入し、燃料ガス流路２８を通流する。そして、この間に、アノード、高分子電解質膜、及びカソードを介して酸化剤ガスと反応して消費され、消費されなかった燃料ガスがオフガスとして出口マニホールド孔２４から燃料ガス排出マニホールド６に流出し、燃料ガス排出配管４４を通じてセルスタック１から排出される。
【００６１】
一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管４１を通じてセルスタック１の酸化剤ガス供給マニホールド８に供給される。この供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド４から、各セル２の入口マニホールド孔１１に流入し、酸化剤ガス流路１７を通流する。そして、この間に、カソード、高分子電解質膜、及びアノードを介して燃料ガスと反応して消費され、消費されなかった酸化剤ガスが出口マニホールド孔１３から酸化剤ガス排出マニホールド７に流出し、酸化剤ガス排出配管４２を通じてセルスタック１から排出される。
【００６２】
また、冷却水は、冷却水供給配管３０を通じてセルスタック１の冷却水供給マニホールド８に供給される。この供給された冷却水は、冷却水供給マニホールド８から、各セル２の入口マニホールド孔１５，２５に流入し、冷却水流路１９，２９を通流する。そして、この間に、カソードセパレータ１０及びアノードセパレータ２０を介してカソード及びアノードを冷却するとともにこれらから熱を回収して、出口マニホールド孔１６，２６から冷却水排出マニホールド９に流出し、冷却水排出配管３１を通じてセルスタック１から排出される。
【００６３】
そして、この過程において、燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路１７を、重力に逆らわないように流れ、それにより、フラッディングが防止される。
【００６４】
また、各セパレータ１０，２０において、冷却水の入口近傍部に、相対湿度が最も低くなる、燃料ガス流路２８又は酸化剤ガス流路１７の上流部が位置していることから、高分子電解質膜の乾燥が防止される。
《実施の形態２》
図５は本発明の実施の形態２に係る燃料電池のアノード側セパレータの背面図である。図５において、図４と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００６５】
本実施の形態では、図１２に示す実施の形態１のセルスタック１において、冷却水供給マニホールド８が、図５に示すアノード側セパレータ２０Ａの冷却水の入り口マニホールド孔２５Ａと同じ断面形状を有している。
図５に示すように、アノード側セパレータ２０Ａは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ａが、絞り部３２によって、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂに区画されている。そして、図示されないが、カソード側セパレータ及びMEAの冷却水の入口マニホールド孔もこのアノード側セパレータ２０Ａの冷却水の入口マニホールド孔２５Ａと同じ形状に形成されている。この入口マニホールド孔２５Ａの第１の部分３１ａは、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８に供給される冷却水の流通するところであり、第２の部分３１ｂは、冷却水流路２９へ冷却水を供給するところである。本実施の形態は、この他の点は、実施の形態１と同様である。
【００６６】
図１２及び図５を参照すると、以上のように構成された本実施の形態の燃料電池では、冷却水が、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８の、入口マニホールド孔２５Ａの第１の部分３１ａに対応する部分に供給される。そして、この供給された冷却水は、セルスタック１の積層方向に流れながら各セル２に分配される。ここで、入り口マニホールド孔２５Ａに絞り部３２がない場合は、重力の影響によって、冷却水が冷却水供給配管３０に近いセルほど多く流れる傾向にあった。本実施の形態では、絞り部３２の効果によって、冷却水の入口マニホールド孔２５Ａに供給される冷却水は、一度絞り部３２の上流側、すなわち第１の部分３１ａ内に充満してから第２の部分３１ｂを経由して各セル２の冷却水流路２９に供給される。そのため、冷却水供給配管３０に最も近いセル２から最も遠いセル２まで均等に冷却水を分配することが可能となる。ここで、絞り部３２の冷却水が通過する方向の断面積は、冷却水流路２９の各流路の断面積の合計値に対して１〜１０倍の範囲で設計するのが好ましい。なお、絞り部３２の冷却水が通過する方向は、図５の矢印Ｘの方向、すなわち、セル２（ひいてはセパレータ２０Ａ）の延在面内における水平方向である。
《実施の形態３》
図６は本発明の実施の形態３に係る燃料電池のアノード側セパレータの背面図である。図６において、図４と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００６７】
本実施の形態では、図１２に示す実施の形態１のセルスタック１において、冷却水供給マニホールド８が、図６に示すアノード側セパレータ２０Ｂの冷却水の入り口マニホールド孔２５Ｂと同じ断面形状を有している。
【００６８】
このセパレータ２０Ｂでは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂが、
底の深い第１の部分４１ａと底の浅い第２の部分４１ｂとを有するように底が２段に構成されている。換言すれば、入口マニホールド孔２５Ｂは、内周面の下部に周方向における段差４７ｃを有し、段差４７ｃの下に位置する第１の部分４１ａと段差５７ｃの上に位置する第２の部分４１ｂとを有するように形成されている。そして、図示されないが、カソード側セパレータ及びMEAの冷却水の入口マニホールド孔もこのアノード側セパレータ２０Ｂの冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂと同じ形状に形成されている。そして、この入口マニホールド孔２５Ｂの第１の部分４１ａは、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８に供給される冷却水の流通するところであり、第２の部分４１ｂは、冷却水流路２９へ冷却水を供給するところである。
【００６９】
セパレータ２０Ｂでは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂから冷却水を各流路に分配するための第２の部分４１ｂが、冷却水供給配管３０から冷却水が供給される第１の部分４１ａよりも鉛直方向において高い位置に形成されている。冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂをこのような形状にすることによって、第２の部分４１ｂの上流側である第１の部分４１ａに充満した冷却水は第２の部分４１ｂでセパレータ２０Ｂの延在面内における水平方向に流速を速め、その流速を維持するようにして各流路に分配されるため、さらに冷却水の等配性を向上することができる。また、実施の形態２のように、第２の部分３１ｂの入口側に単に絞り３２を設ける構成であると、部分負荷運転時において冷却水の流量を絞った場合には、絞りの効果が低下し、冷却水の等配性が悪化する危惧がある。しかしながら、本実施の形態では、下流側に位置する第２の部分４１ｂの底が上流側に位置する第１の部分４１ａの底より浅くなっているので、冷却水の流量が少ない場合にも、冷却水供給配管３０から供給される冷却水は、第１の部分４１ａに一度溜まってから、冷却水流路２９の各流路に連通する第２の部分４１ｂに流れていくため、等配性を確保できる。さらに、冷却水中に異物などが混入した場合には、これが第１の部分４１ａにおいて沈殿するため、これが冷却水流路２９に流れ込むのを防止でき、異物などによる冷却水詰まりを防止することができる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例１》
アセチレンブラック系カーボン粉末（電気化学株式会社製DENKA BLACK FX-35）、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持させた。これをカソードの触媒とする。また、アセチレンブラック系カーボン粉末（電気化学株式会社製DENKA BLACK FX-35）に、平均粒径約３０Åの白金−ルテニウム合金（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１（重量比））粒子を２５重量％担持させた。これをアノードの触媒とする。これらの触媒粉末のイソプロパノール分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液（旭硝子株式会社製 Flemion FSS-1）を混合し、ペースト状にした。これらのペーストを原料としスクリーン印刷法を用いて、それぞれ厚み２５０μｍのカーボン不織布（東レ工業株式会社製 TGP-H-090）の一方の面に電極触媒層を形成した。このようにして形成された電極の触媒層に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００７１】
これらの電極は、触媒材料以外の構成はカソード・アノード共に同一構成である。これらの電極を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製 NAFION 122）の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合した。また、電極の外周に露出する高分子電解質膜の周縁部は、厚さ２５０μｍのフッ素系ゴム(旭硝子株式会社製  アフラス（登録商標）)のシートからなるガスケットで挟み、ホットプレスによって接合一体化させた。こうして、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。プロトン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００７２】
本実施例では実施の形態１に示す構造の導電性セパレータを用いた。図はこのセパレータを積層した燃料電池が実際の運転時に設置された状態で、重力に対して上になる方向を上方向としている。この導電性セパレータは、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成した。ガス流路１７及び２８の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、流路間の幅は１ｍｍとし、それぞれ２本パスの流路構成とした。冷却水の流路は溝の深さを０．５ｍｍにした他はガス流路と同様である。この電池の定格運転条件は、燃料利用率７５％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2である。
【００７３】
以上のようなカソード側セパレータとアノード側セパレータでＭＥＡを挟んだセルを５０セル積層した。隣接するセル間には、両セパレータ板により冷却水の流路が形成される。このセル積層体を、表面に金メッキした銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。また、運転時は図で示したセパレータの上部が上となるよう積層電池を設置した。
【００７４】
このように作製した本実施例の燃料電池を７０℃に保持し、アノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガス（８０％水素ガス／２０％二酸化炭素／１０ｐｐｍ一酸化炭素）を、カソードに７０℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。この電池を定格の２５％の低負荷となる電流密度０．０７５Ａ／ｃｍ2から定格負荷となる０．３Ａ／ｃｍ2まで電流密度を変化させて電流−電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図７に示す。図７には比較例の燃料電池の特性も併記した。比較例の燃料電池は、冷却水の入口・出口を実施例１とは逆にして、ガスは入口部で相対湿度１００％に加湿されるようにした。図より、本実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池がガス流速の低下によってフラッディングを発生して運転が困難となっていた０．０７５Ａ／ｃｍ2付近においても、フラッディングを発生せず、安定した運転ができていることがわかる。本実施例では、冷却部をそれぞれ隣接するセルのアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に設けたが、冷却部を複数セル毎に配置しても同様の効果が得られる。
《実施例２》
本実施例では、実施の形態２で説明したセパレータを用いた。絞り部３２の冷却水が通過する方向の断面積は、各冷却面における冷却水の流路の断面積の合計値に対して１〜１０倍の範囲で設計した。本実施例では、冷却水の流路２本の合計断面積は４平方ｍｍであるため、絞り部３２の断面積は４〜４０平方ｍｍの範囲で設計した。
【００７５】
この燃料電池を実施例１に示した運転条件で、定格負荷運転をしたときの各セルの電圧を測定した。この結果を図８に示す。図８には実施例１の燃料電池の各セルの電圧も併記した。ここで、冷却水はセル番号１番の側から供給され、マニホールド、冷却水流路を通って、セル番号５０番の側に排出される構成となっている。実施例１の燃料電池は、冷却水の入口側で電圧値が高く、出口に近づくにつれて低下していることがわかる。これは、冷却水の流量が不均一になったために、温度の低いセルと高いセルができたためである。これに対して、本実施例の燃料電池では、冷却水の等配性が向上したため、温度分布が均一となり、セル電圧が均一化されていることがわかる。さらに、図９はこれらの燃料電池を１０００時間運転した後に比較した結果を示している。図９より、実施例１の電池では、冷却水の出口近辺のセル電圧の劣化率が大きいのに対し、本実施例の電池では、全てのセルにわたって極端な劣化が見られないことがわかる。セル電圧の劣化は、冷却水の流量が少なくなったセルの温度が上昇し、電解質膜の乾きによる劣化が発生したためと考えられる。従って、本実施例による冷却水の等配性の向上が、耐久性劣化の抑制にも効果的であることがわかる。
《実施例３》
本実施例では、実施の形態３のセパレータを用いた。入口マニホールド孔２５Ｂの流路に連通する部分４１ｂの入口側の絞り部の断面積は、実施例２と同様の方法で設計した。
【００７６】
この燃料電池を実施例１に示した運転条件で、定格の１／４の負荷で運転をしたときに、冷却水を定格流量の１／４まで絞った時の各セルの電圧を測定した。この結果を図１０に示す。図１０には実施例２で示した燃料電池の各セルの電圧も併記した。ここで、冷却水はセル番号１番の側から供給され、マニホールド、冷却水流路を通って、セル番号５０番の側に排出される構成となっている。図１０より、実施例２及び本実施例の電池とも、１／４負荷運転においても、安定した運転が可能であることがわかる。また、実施例２の電池は、冷却水の流量を１／４まで絞った場合には、冷却水の等配性が悪化し、若干ではあるがセル毎の電圧バラツキが増大する傾向にあることがわかる。これに対して、本実施例の電池では、冷却水の流量が低下したにも拘わらず、セル電圧は均一に保たれていることがわかる。これは、入口マニホールド孔２５Ｂにおいて、その上流側の第１の部分４１ａに冷却水が一度溜まってから、下流側の第２の部分４１ｂを経由して流路２９に供給されるために、冷却水量が低い時の等配性が向上したためと考えられる。
【００７７】
図１１は、これらの電池を低負荷運転条件の下で１０００時間運転した後に、セル間の電圧を比較した結果を示している。図１１より、実施例２の電池では、冷却水の出口近辺のセル電圧の劣化率がわずかに大きいのに対し、本実施例の電池では、セル電圧の低下率が一様であることがわかる。セル電圧の劣化は、冷却水の流量が少なくなったセルの温度が上昇し、電解質膜の乾きによる劣化が発生したためと考えられる。本実施例による冷却水の等配性の向上が、耐久性の劣化の抑制にも効果的であることがわかる。特に、低負荷運転時の冷却水の流量を絞って運転する時間が長いシステムに対しては、本実施例のようなマニホールド形状とすることが効果的であることがわかる。
【００７８】
以上のように本発明によれば、セパレータにおける酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷却水の全ての流れを重力に逆らわない方向にすることにより、凝縮水のスムースな排出を促進し、低負荷運転時においてもフラッディングを生じず、高効率で安定した運転が可能となり、かつガス入口部での電解質膜の乾きを解消し、耐久性を向上することが可能となる。
【００７９】
また、冷却水の入口マニホールド孔に絞りを設けることによって、セルを積層した際に、冷却水の等配性を向上でき、セル間の温度分布を低減できるため、セル電圧のバラツキを低く抑えることができる。さらに、温度の高いセルが発生しないために、耐久性の劣化を低減できる。
【００８０】
さらに、冷却水の入口マニホールド孔から冷却水を各流路に分配するための連通部の接続部を、冷却水入口マニホールド孔に冷却水を供給する位置よりも重力方向で高い位置にすることによって、低負荷運転時に冷却水の流量を絞った場合においても、等配性を確保することが可能であり、温度分布の増大による電圧バラツキの増大を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池に用いたカソード側セパレータの正面図である。
【図２】同じくカソード側セパレータの背面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の燃料電池に用いたアノード側セパレータの正面図である。
【図４】同じくアノード側セパレータの背面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の燃料電池に用いたアノード側セパレータの背面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の燃料電池に用いたアノード側セパレータの背面図である。
【図７】本発明の実施例１及び比較例１の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図８】本発明の実施例１及び実施例２の燃料電池のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例１及び実施例２の燃料電池の耐久試験後のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２及び実施例３の燃料電池のセル番号とセル電圧の関係を示図である。
【図１１】本発明の実施例２及び実施例３の燃料電池の耐久試験後のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の概略の構成を示す斜視図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII平面に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  セルスタック
２  セル
３Ａ，３Ｂ  端板
４  酸化剤ガス供給マニホールド
５  燃料ガス供給マニホールド
６  燃料ガス排出マニホールド
７  酸化剤ガス排出マニホールド
８  冷却水供給マニホールド
９  冷却水排出マニホールド
１０  カソード側セパレータ
１１、２１  酸化剤ガスの入口マニホールド孔
１３、２３  酸化剤ガスの出口マニホールド孔
１７  酸化剤ガスの流路
２０  アノード側セパレータ
１２、２２  燃料ガスの入口マニホールド孔
１４、２４  燃料ガスの出口マニホールド孔
１５、２５、２５Ａ、２５Ｂ  冷却水の入口マニホールド孔
１６、２６  冷却水の出口マニホールド孔
１９、２９  冷却水の流路
２８  燃料ガスの流路
３０  冷却水供給配管
３１ａ  第１の部分
３１ｂ  第２の部分
３２  絞り部
４１ａ  第１の部分
４１ｂ  第２の部分
４２Ａ  カソード
４２Ｂ  アノード
４３  ＭＥＡ  
４６  ガスケット
４７ｃ  段差  
４８  Ｏリング
４９  高分子電解質膜
５１  酸化剤ガス供給配管
５２  酸化剤ガス排出配管
５３  燃料ガス供給配管
５４  燃料ガス排出配管
５５  冷却水排出配管
【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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