(57)【要約】【課題】  ガスシール性の高い反応ガスセパレータを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  多孔質体で形成した燃料ガス供給セパレータ１３における、固体高分子膜１２に接合する面に燃料ガス供給溝１３Ａが形成され、電極プレート１５と接合する面に水供給溝１３Ｂを形成し、この燃料ガス供給セパレータ１３の内部における、燃料ガス供給溝１３Ａと水供給溝１３Ｂとの間に、これらの溝と分離してガス捕捉用空洞部１３Ｃを形成した。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜が、それぞれ触媒層を含む燃料極と酸化剤極とで挟まれてなる複数の燃料電池セルを、前記燃料電池セルの両面に、それぞれの面に対応するガスを供給するガス供給路が形成された多孔質体でなる反応ガス供給セパレータを配して積層すると共に、前記反応ガス供給セパレータの前記ガス供給路が形成された表面と反対側の表面に水供給路が形成された燃料電池であって、
前記反応ガス供給セパレータの内部にガス捕捉用空洞部を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス捕捉用空洞部を、前記ガス供給路に対応する位置に配置したとを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給セパレータの厚さ方向に、複数層の前記ガス捕捉用空洞部を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された燃料電池。
【請求項４】
前記ガス捕捉用空洞部を、燃料ガスを供給する前記ガス供給路が形成された前記反応ガス供給セパレータの前記ガス供給路の近傍に集中的に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された燃料電池。
【請求項５】
前記ガス捕捉用空洞部を、酸化剤ガスを供給する前記ガス供給路が形成された前記反応ガス供給セパレータの前記ガス供給路の近傍に集中的に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された燃料電池。
【請求項６】
前記ガス捕捉用空洞部を、液水により満たしていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載された燃料電池。
【請求項７】
前記反応ガス供給セパレータに、前記ガス捕捉用空洞部へ液水を供給する液水供給流路を接続したことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ガス捕捉用空洞部を、前記反応ガス供給セパレータを形成する多孔質体の多孔率よりも大きい多孔率をもつ多孔質体材料で形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された燃料電池の運転システムであって、
前記ガス捕捉用空洞部内にガスが混じることを検出するガス検出手段と、
該ガス検出手段がガスを検出したときに、前記ガス捕捉用空洞部への液水の供給量を増加させる液水供給制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池運転システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた燃料電池および燃料電池運転システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、電解質である固体高分子膜の両面に、触媒層を有する燃料極と、触媒層を有する酸化剤極をそれぞれ配置してなる燃料電池セルを積層したものがある。この燃料電池においては、それぞれの燃料電池セルの一方の面に、燃料ガス供給溝を形成した反応ガス供給セパレータが配置され、他方の面に、酸化剤ガス供給溝を形成した反応ガス供給セパレータが配置されている。このような燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより電気エネルギーに変換している。燃料極の触媒層では、下記の式（１）で示すように水素が水素イオンと電子に解離する。また、酸化剤極の触媒層では下記の式（２）で示すように、酸化剤ガス中の酸素と、燃料極の触媒層で生成された水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路には電子が電流となって電力を発生させる。
【０００３】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−          （１）
Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ   （２）
このとき、酸化剤ガス通路（溝内）に生成された液水が酸化剤ガスの流通を妨げて燃料電池発電出力を低下させてしまうため、酸化剤ガス通路から液水を取り除く必要がある。
【０００４】
一方、燃料極では、触媒反応により燃料ガスから生成されたプロトンが、固体高分子膜に捕らわれて膜内を燃料極側から酸化剤極側へ向けて移動する。固体高分子膜に電解質機能を維持させるためには、固体高分子膜内が液水に浸っている必要がある。そこで、燃料電池セルの燃料ガス流路内に液水を供給するために、反応ガス供給セパレータを多孔質体で形成している。この多孔質体でなる反応ガス供給セパレータに水を毛管現象を利用して含ませることで、ガスが供給水側へプレートを貫通してガス漏れとなることの防止が図られている。しかし、運転条件によっては多孔質体中の水分が蒸発し、乾燥した多孔体を通じてガス漏れが生じることがあった。
【０００５】
上述のように、電解質中をプロトンが移動するとき、固体高分子膜の性質から液水を伴い燃料極側から酸化剤極側へ移動するため、反応が進むほど燃料ガス極側の液水が減少する。したがって、燃料極付近は常に適度な液水を供給される必要がある。燃料極付近に液水を供給する手段としては、燃料ガスを加湿し、気体の水として含ませる手段が用いられていた。
【０００６】
しかし、液水を蒸発させガス中に含ませることのできる水の量は温度と圧力に応じて限度がある。このように、燃料ガスを加湿する方法では、十分に燃料極近傍に水を供給することはできないものであった。したがって、酸化剤極側は液水生成により水過剰となり、逆に燃料極側では液水不足となるため、発電出力の低下が起こっていた。
【０００７】
このような出力低下を防止する方策として、酸化剤極付近で生成した液水を取り除くために酸化剤ガス供給セパレータ自体を多孔質体とし、毛管現象により吸収させると同時に、燃料ガス供給セパレータ自体をも多孔質体材料で形成し、酸化剤極側から吸収した液水を燃料ガス供給通路（溝内）表面に導いて、湿度の低くなった燃料ガス中に蒸発させ加湿するという手段がある。しかし、この多孔質体を用いた生成液水循環によるの吸収・供給だけでは運転状態によっては液水が不足するため、多孔質体でなる反応ガス供給セパレータに液水を流通させる通路を設け、積極的に水を供給するという技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−１７６５２９号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１に開示された従来の技術では、多孔質体でなるセパレータの裏面と表面に、それぞれ燃料ガス（または酸化剤ガス）と液水が存在することになり、多孔質体中を貫通しガスが液水通路へ漏れないようシール性が要求される。ガス漏れを防止するシール機能は、多孔質体中に毛管現象で含浸された水により維持されるようになっているが、燃料電池セル面内では液水の生成量・蒸発量に分布が生じて不均一となるため、面内での均一なシール性の維持が困難となる。特に、発電出力を多く必要とするときは、この分布がさらに顕著となる。また、燃料電池発電運転の起動時には、液水がセパレータの全域に十分到達できず、セパレータ面内で部分的に液水が不足し、乾いた部分が出来てしまい、多孔質セパレータ中に液水が存在しない箇所が発生する。すると、ガスが液水通路へセパレータ内を貫通しガス漏れが発生するという問題があった。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、ガスシール性の高い燃料電池および燃料電池運転システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明の第１の特徴は、ガス供給溝が形成された表面と反対側の表面に水供給溝を形成した反応ガス供給セパレータの内部にガス捕捉用空洞部を形成して、多孔質体でなる反応ガス供給セパレータ内に進入したガスをガス捕捉用空洞部で捕捉するようにしたことを要旨としている。そして、本発明では、ガス捕捉用空洞部を、液水により満たしていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の第２の特徴は、燃料電池の運転システムであって、ガス捕捉用空洞部内にガスが混じることを検出するガス検出手段を備え、ガス進入の有無に応じて液水供給制御部が液水の供給を制御を行うことを要旨としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池における、電解質である固体高分子膜に反応ガスを供給する反応ガス供給セパレータでのガス漏れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池および燃料電池運転システムの説明に先駆けて、反応ガス供給セパレータを貫通するガス漏れの一般的なメカニズムについて、図１〜図４を用いて説明する。
【００１４】
（反応ガス供給セパレータにおけるガス漏れのメカニズム）
この説明では、燃料電池セルを、電解質である固体高分子膜の両面に、触媒層を有する燃料極と、触媒層を有する酸化剤極をそれぞれ配置して構成している。そして、複数の燃料電池セルを積層したものを燃料電池としている。この燃料電池においては、それぞれの燃料電池セルの一方の面に、燃料ガス供給溝を形成した多孔質体でなる反応ガス供給セパレータが配置され、他方の面に、酸化剤ガス供給溝を形成した多孔質体でなる反応ガス供給セパレータが配置されている。
【００１５】
このような燃料電池においては、固体高分子膜が電解質機能を維持するために固体高分子膜が液水に浸っている必要がある。具体的には、固体高分子膜を構成しているスルホン酸と、膜中に存在する液水の結合体とがプロトンの移動に伴い、燃料極から酸化剤極へ移動する。つまり、液水は燃料極から酸化剤極へ、プロトンの輸送に用いられるため、絶えず供給されなければならない。このため、外部から液水の不足分を積極的に補うため、水供給溝３のような給水構造を持たせている。
【００１６】
この説明では、図１に示すように、多孔質体でなる反応ガス供給セパレータ１の一方の面にガス供給溝２が形成され、他方の面に水供給溝３が形成されたものを用いる。なお、水供給溝３に液水を流通させ、ガス供給溝２に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを流通させているものとする。因みに、多孔質体の細孔は約４ミクロン程度の径寸法であり、この細孔内で生じる表面張力による毛管現象を利用し、絶えず反応ガス供給セパレータ１内部を液水で満たすことにより、反応ガス供給セパレータとしてのガスシール性を保っている。つまり、液水を含んだ反応ガス供給セパレータ１は、ガスシールの役割と、酸化剤極から燃料極への水輸送の役割との二役を担っている。
【００１７】
図１に示す状態は、反応ガス供給セパレータ１が正常な状態であり、水供給溝３に液水が流れており、多孔質体でなる反応ガス供給セパレータ１には毛管現象により、全体的に液水が浸透している。このため、ガス供給溝２内を流れる反応ガス（燃料ガスもしくは酸化剤ガス）は、ガス供給溝２から反応ガス供給セパレータ１内へ進入することができないようになっている。
【００１８】
しかし、このような反応ガス供給セパレータ１においては、燃料電池を用いた発電装置の運転起動時や、高負荷定常運転時には、多孔質体の毛管現象を利用した液水輸送にはその供給速度に限界がある。例えば、高負荷運転時では、燃料極および酸化剤極とも発熱反応であるが、ガス通路、液水通路、冷媒通路の位置関係により、セル内で局所的な温度上昇が起こる。
【００１９】
また、低負荷運転時や、発電装置の運転起動時には、セル内にガスが導入される付近のガス供給溝２の壁面では、急激な水の蒸発が起こる。このとき、蒸発量に対して表面張力を駆動力とするセパレータ内での液水供給速度が遅く、水の量が不足となり、やはり反応ガス供給セパレータ１を貫通するガスの流れ込みが発生、ガス漏れが発生する。
【００２０】
図２に示すように、このような局所的な温度上昇などにより、反応ガス供給セパレータ１のガス供給溝２の壁面においてガスのシール性に関わる表面張力が低下して、液水をガス供給溝２側へ供給する駆動力が弱まる。図２では、ガス供給溝２の壁面から反応ガス供給セパレータ１の内部へ液水で濡れていない部分（乾いた部分）が広がり、この部分にガスが浸透した状態を示している。この状態では、水供給溝３とガス供給溝２との間に液水が進入した部分があるため、ガス漏れは発生していない。図３は、ガス供給溝２の壁面からの乾燥が水供給溝３の間近まで及んだ状態を示している。そして、図４に示すように、ガス供給溝２からの乾燥が水供給溝３に及ぶと、ガスが水供給溝３内の液水に気泡として混じり込みガス漏れが発生する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
［燃料電池の構成］
以下、図５〜図１７を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池について説明する。図５は、本実施の形態に係る燃料電池１０の断面説明図である。但し、図面は模式的なものであり、各材料層の厚みやその比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２２】
図５に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１１を積層して構成されている。
【００２３】
それぞれの燃料電池セル１１は、電解質機能を有する固体高分子膜１２と、この固体高分子膜１２の一方の表面に配置される、触媒層を有する図示しない燃料極と、固体高分子膜１２の他方の表面に配置される、触媒層を有する図示しない酸化剤極と、燃料極の表面に配置される反応ガス供給セパレータとしての燃料ガス供給セパレータ１３と、酸化剤極の表面に配置れる反応ガス供給セパレータとしての酸化剤ガス供給セパレータ１４と、を備えて概ね構成されている。
【００２４】
なお、本実施の形態では、上記した燃料電池セル１１を２つ積み重ねた構造の上面、下面のうちの一方（図５では上側）の面に、冷却媒体を流す冷媒溝１５Ａが形成された電極プレート１５が配置され、他方（図５では下側）の面に、液水を流す水供給路としての水供給溝１６Ａが形成された電極プレート１６が配置されている。
【００２５】
このように積層された一対の燃料電池セル１１と、その両側に配置された電極プレート１５、１６とのユニットＡを複数積層させることにより、本実施の形態に係る燃料電池１０が大略構成されている。
【００２６】
このような構成において、上記した燃料ガス供給セパレータ１３は、図５および図６に示すように、固体高分子膜１２に接合する面に燃料ガス供給溝１３Ａが形成され、電極プレート１５と接合する面における燃料ガス供給溝１３Ａと対向する位置に水供給路としての水供給溝１３Ｂが形成されている。また、燃料ガス供給セパレータ１３の内部における、燃料ガス供給溝１３Ａと水供給溝１３Ｂとの間には、これらの溝と分離形成されたガス捕捉用空洞部１３Ｃが形成されている。
【００２７】
また、酸化剤ガス供給セパレータ１４は、固体高分子膜１２と接合する面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１４Ａが形成されている。
【００２８】
なお、本実施の形態に係る燃料電池１０では、燃料ガス供給セパレータ１３の内部に形成されたガス捕捉用空洞部１３Ｃに液水を貯えたり、液水を流す構成としてもよいし、水供給溝１３Ｂ側からガス捕捉用空洞部１３Ｃに液水が供給されて液水が貯まるようにしてもよい。
【００２９】
ここで、上記した構成の燃料電池１０において、燃料ガス供給セパレータ１３のガス捕捉用空洞部１３Ｃに液水が貯まっていない場合の作用について、図７および図８を用いて説明する。
【００３０】
まず、燃料電池１０の運転起動時や、高負荷定常運転時、低負荷運転時には、図７に示すように、上述した理由で、燃料ガス供給溝１３Ａの全域の壁面、又はガスが導入される付近の燃料ガス供給溝１３Ａの壁面で急激な水の蒸発が起こる。すると、図７に示すように、燃料ガス供給溝１３Ａの内壁面から燃料ガス供給セパレータ１３の内部に乾燥した領域が広がる。そして、ガス捕捉用空洞部１３Ｃに乾燥した領域が到達すると、図７に示すように、燃料ガス供給溝１３Ａを流通していた燃料ガスが多孔質体でなる燃料ガス供給セパレータ１３内を通ってガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に流れ込む。このとき、燃料ガス供給溝１３Ａ側からガスの進行が開始しても、直接反対側の水供給溝１３Ｂに流れ込まないよう、バッファとしてのガスを収容する容積を持つガス捕捉用空洞部１３Ｃで燃料ガスを捕捉することができる。
【００３１】
そして、図８に示すように、燃料ガス供給セパレータ１３では、ガスの進行にあっても、ガスの進行はセパレータ厚さ方向よりも面内方向にまず拡大するため、一定量の蒸発の範囲では、セパレータを貫通することなくとどめることができ、ガス捕捉用空洞部１３Ｃは一種のクッションとしての作用をもつ。
【００３２】
次に、図９に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内が液水に満たされている場合、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に存在する液水の量は、同体積の多孔体中の液水量よりも多いため、蒸発量不足に対し補うことができる。そして、図１０に示す状態を経て、図１１に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に燃料ガス供給溝１３Ａ側からガスが流入しても、流入してきた瞬間は、液水からの蒸発よりもガスの体積と同体積の液水を押しのける速度の方が勝るため、液水は多孔体中に押しやられる。このとき、図１２に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内の液水は、ガスの流入に対して回り込むものも存在し、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に侵入してきたガスの流入口を塞ぐ作用をもつ。図１３に示すように、燃料ガス供給溝１３Ａ側への水の補給が不足状態で、ガスの侵入がガス捕捉用空洞部１３Ｃ内で拡大した場合、ガスの侵入はガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に広がるにとどまる。そして、水供給溝１３Ｂ側に位置するガス捕捉用空洞部１３Ｃの内壁面の毛管圧力が、ガス侵入の圧力に耐え、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内が燃料ガスに満たされるまで水供給溝１３Ｂ側に燃料ガスが進行することはない。
【００３３】
このように、一旦、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に液水が満たされれば、次にガスの侵入が起こるまで、つまりガスが再度毛細管圧に打ち勝つ条件が整うまでの時間を要するため、水供給溝１３Ｂへのガスの進行を遅らせることができるため、ガス捕捉用空洞部１３Ｃのクッション効果はさらに大きくなる。
【００３４】
因みに、局所的な蒸発量過多となるところは、燃料ガス供給セパレータ１３および酸化剤ガス供給セパレータ１４のどちらでも、燃料電池セル１１のガス入口付近であることが報告されている。この観点から、ガス入口付近に空洞を設置するだけで、セパレータを貫通してガスが漏れること防止できる。
【００３５】
［燃料電池運転システム］
次に、本実施の形態に係る燃料電池１０を用いた燃料電池運転システムについて図１４および図１５を用いて説明する。
【００３６】
上述したように、燃料電池１０において燃料ガス供給セパレータ１３を貫通してガス漏れとなる局所昇温や局所蒸発量過多がガス捕捉用空洞部１３Ｃでは耐え切れないほど過大になる場合、もしくはこれらが過渡的なものではなく恒常的に起こる場合には、このガス捕捉用空洞部１３Ｃに直接液水を供給する手段を設けて必ずガス捕捉用空洞部１３Ｃを液水で満たすようにすればよい。
【００３７】
具体的には、図１４に示すように、燃料ガス供給セパレータ１３のガス捕捉用空洞部１３Ｃに液水を供給する液水導入口１３Ｄと、ガス捕捉用空洞部１３Ｃから液水を排出する液水排出口１３Ｅとを設け、液水導入口１３Ｄ側を下向きにし、液水排出口１３Ｅ側を上向きに配置して、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に進入したガスの気泡を排出するようにしている。このため、燃料電池１０全体も、燃料ガス供給セパレータ１３の配置姿勢にしたがって、積層方向が水平方向となるように倒した状態で配置する。
【００３８】
また、図１４に示すように、液水導入口１３Ｄには、液水供給手段２０が接続されていて、液水が液水供給手段２０から供給されるようになっている。液水排出口１３Ｅは、ガス検出手段としてのガス感知センサ２１に接続されている。このガス感知センサ２１は、ガスを検出したときに液水供給制御部２２に検出信号を出力するようになっている。また、この液水供給制御部２２では、ガス感知センサ２１からの検出信号に応じて液水供給手段２０からガス捕捉用空洞部１３Ｃへの液水供給量を増加させるような制御を行っている。
【００３９】
このような構成の燃料電池運転システムによれば、ガス供給溝１３Ａ側からガスが侵入してガス捕捉用空洞部１３Ｃへガスが達成すると、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内への液水供給量を増加させてガスの気泡を液水排出口１３Ｅからガス感知センサ２１側へ排出する。このため、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内にガスの気泡が充満して水供給溝１３Ｂ側へガスが漏れることを防止できる。
【００４０】
以上、第１の実施の形態に係る燃料電池および燃料電池運転システムについて説明したが、本実施の形態によれば、電解質である固体高分子膜１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給セパレータ１３でのガス漏れを防止できる。なお、本実施の形態では、燃料ガス供給セパレータ１３のみにガス捕捉用空洞部１３Ｃを形成したが、酸化剤ガス供給セパレータ１４の内部で、酸化剤ガス供給溝１４Ａと電極プレートの水供給溝１６Ａとの間にガス捕捉用空洞部を形成する構成としてもよい。
【００４１】
また、燃料ガス供給セパレータ１３の液水導入口１３Ｄには、上述ように液水を供給する手段を備える構成とすれば、ガスがガス捕捉用空洞部１３Ｃに侵入しても、ガスを燃料電池セル１１の外部へ導きガス抜きができ、決してセパレータをガス貫通することなく、水供給溝１３Ｂ側へのガス漏れを防止できる。
【００４２】
なお、ガスがガス捕捉用空洞部１３Ｃに侵入したということは、局所昇温や局所蒸発量過多が生じているということであり、この侵入ガスを検知し、例えば冷却媒体の流量を増加させたり、液水供給量を増加させることができるようになる。このように構成することで、プレート貫通ガス漏れを確実に防ぐことができる。
【００４３】
なお、上述した第１の実施の形態では、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に液水を貯める構成としたが、空気や窒素ガスなどを満たす構成としてもよい。
【００４４】
また、上述した第１の実施の形態では、ガス捕捉用空洞部１３Ｃが燃料ガス供給溝１３Ａと対応する位置に配置したが、完全に対応する位置に配置しなくとも勿論効果が得られる。例えば、図１５（ａ）および（ｂ）に示すように、ガス供給溝１３Ａへガスを供給するガス供給口１３Ｆの近傍に集中的にガス供給溝１３Ａを配置した構成としてもよい。図１５に示すような構造とすることにより、ガス漏れが起こりやすいガス導入部におけるガス供給溝１３Ａから水供給溝１３Ｂ側へのガス漏れを防止することができる。
【００４５】
また、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃが燃料ガス供給溝１３Ａと完全に対応する位置に配置されていないが、燃料ガス供給セパレータ１３の広範囲に亘ってガス捕捉用空洞部１３Ｃを形成し、このガス捕捉用空洞部１３Ｃの要所を燃料ガス供給セパレータ１３の多孔体を支柱部１３Ｇとして残した構造としてもよい。
【００４６】
なお、酸化剤ガス供給セパレータ１４においても、酸化剤ガス導入口近傍に集中的にガス捕捉用空洞部を形成する構成としてもよい。
【００４７】
さらに、上記した第１の実施の形態では、ガス捕捉用空洞部１３Ｃに液水排出口１３Ｅを形成したが、図１７に示すように、液水導入口１３Ｄのみを設けた構成としても勿論よい。
【００４８】
（第２の実施の形態）
次に、図１８〜図２１を用いて本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池について説明する。なお、第２の実施の形態に係る燃料電池は、上記した第１の実施の形態に係る燃料電池１０の燃料ガス供給セパレータ１３の構造のみが異なるものであり、他の構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、燃料ガス供給セパレータ１３の構成のみを説明して、その他の構成の説明は省略する。
【００４９】
本実施の形態に係る燃料電池の燃料ガス供給セパレータ１３は、図１８（ｂ）に示すように、厚さ方向にガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２が２層配置されている。これら上下２層のガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２は、図１８（ａ）に示すように、燃料ガス供給セパレータ１３の周縁部を除くほぼ全域に亘って形成され、要所を燃料ガス供給セパレータ１３の多孔体を支柱部１３Ｇとして残した構造である。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る燃料電池における燃料ガス供給セパレータ１３での作用について図１９〜図２１を用いて説明する。
【００５１】
まず、図１９に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２に液水を貯めない場合は、燃料電池の運転起動時や、高負荷定常運転時、低負荷運転時には燃料ガス供給溝１３Ａの全域の壁面、又はガスが導入される付近の燃料ガス供給溝１３Ａの壁面で急激な水の蒸発が起こると、図２０に示すように、燃料ガス供給溝１３Ａの内壁面から燃料ガス供給セパレータ１３の内部に乾燥した領域が広がる。そして、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１に乾燥した領域が到達すると、図２０に示すように、燃料ガス供給溝１３Ａを流通していた燃料ガスが多孔質体でなる燃料ガス供給セパレータ１３内を通ってガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内に流れ込む。このとき、燃料ガス供給溝１３Ａ側からガスの進行が開始しても、直接反対側のガス捕捉用空洞部１３Ｃ２に流れ込まないよう、バッファとしてのガスを収容する容積を持つガス捕捉用空洞部１３Ｃ１で燃料ガスを捕捉することができる。
【００５２】
そして、燃料ガス供給セパレータ１３では、ガスの進行にあっても、ガスの進行はセパレータ厚さ方向よりも面内方向にまず拡大するため、一定量の蒸発の範囲では、セパレータを貫通することなくとどめることができ、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１は一種のクッションとしての作用をもつ。
【００５３】
次に、図２１に示すように、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２内が液水に満たされている場合、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２内に存在する液水の量は、同体積の多孔体中の液水量よりも多いため、蒸発量不足に対し補うことができる。そして、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内に燃料ガス供給溝１３Ａ側からガスが流入してきても、流入してきた瞬間は、液水からの蒸発よりもガスの体積と同体積の液水を押しのける速度の方が勝るため、液水は多孔体中に押しやられる。このとき、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内の液水は、ガスの流入に対して回り込むものも存在し、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内に侵入してきたガスの流入口を塞ぐ作用をもつ。このため、燃料ガス供給溝１３Ａ側への水の補給が不足状態で、ガスの侵入がガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内で拡大した場合、ガスの侵入はガス捕捉用空洞部１３Ｃ１内に広がるにとどまる。そして、水供給溝１３Ｂ側に位置するガス捕捉用空洞部１３Ｃ１の内壁面の毛管圧力が、ガス侵入の圧力に耐え、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内が燃料ガスに満たされるまで水供給溝１３Ｂ側に燃料ガスが進行することはない。
【００５４】
このように、一旦、ガス捕捉用空洞部１３Ｃ内に液水が満たされれば、次にガスの侵入が起こるまで、つまりガスが再度毛細管圧に打ち勝つ条件が整うまでの時間を要するため、水供給溝１３Ｂへのガスの進行を遅らせることができ、ガス捕捉用空洞部１３Ｃのクッション効果はさらに大きくなる。
【００５５】
因みに、局所的な蒸発量過多となるところは、燃料ガス供給セパレータ１３および酸化剤ガス供給セパレータ１４のどちらでも、燃料電池セル１１のガス入口付近であることが報告されている。この観点から、ガス入口付近に空洞を設置するだけで、セパレータを貫通してガスが漏れること防止できる。
【００５６】
（その他の実施の形態）
上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００５７】
例えば、上述した第１の実施の形態では、ガス捕捉用空洞部１３Ｃは多孔質体に形成した空間であるが、図２２（ａ）、（ｂ）に示すように、空間内部に燃料ガス供給セパレータ１３を形成する多孔質体の多孔率よりも大きい多孔率をもつ多孔質体材料３０を充填した構造としてもよい。この場合、内部の多孔質体材料３０は、実質的に空洞としての機能を果たすと共に、燃料ガス供給セパレータ１３の厚さ方向の強度を高める機能とを有している。
【００５８】
また、上述した第２の実施の形態では、燃料ガス供給セパレータ１３の厚さ方向に２層設けたガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２が厚さ方向に対応する同一形状としたが、図２３に示すように、平面的に見て２層のガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２が格子形状となる構成としてもよく、２層のガス捕捉用空洞部１３Ｃ１、１３Ｃ２が様々な形状をなすようにしても、上述の作用を得ることができる。
【００５９】
さらに、上述の第１および第２の実施の形態では、燃料ガス供給セパレータ１３にガス捕捉用空洞部１３Ｃを形成したが、酸化剤ガス供給セパレータ１４にも同様のガス捕捉用空洞部を形成する構成としてもよい。この場合は、酸化剤ガス供給セパレータ１４自体を多孔質体とし、ガス捕捉用空洞部でガス捕捉して水供給溝側へガスが漏れることを防止できるとともに、生成された水の面内で均一に分散させて水が過剰となることを防止する効果もある。
【００６０】
また、上述の第１および第２の実施の形態では、図２４に示すように、燃料ガスの流れを平行なレイアウトとしてもよいし、図２５に示すように、液水の流れをジグザグ状に形成する構成とすることも本発明の適用範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】反応ガス供給セパレータにガス漏れが発生していない状態を示す断面説明図である。
【図２】反応ガス供給セパレータにおいてガス供給溝から多孔質体に乾燥が発生した状態を示す断面説明図である。
【図３】反応ガス供給セパレータにおいてガス供給溝から多孔質体に更に乾燥が進んだ状態を示す断面説明図である。
【図４】反応ガス供給セパレータにおいてガス供給溝から多孔質体に乾燥が進み水供給溝側へガス漏れが発生した状態を示す断面説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の概略を示す断面説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの断面説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池運転システムの概略を示す平面説明図である。
【図１５】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの変形例を示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１６】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの変形例を示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの変形例を示す平面図である。
【図１８】（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの変形例を示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータの作用を示す断面説明図である。
【図２２】（ａ）は本発明の他の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータを示す横断面説明図、（ｂ）は縦断面説明図である。
【図２３】（ａ）は本発明の他の実施の形態に係る燃料電池に用いる燃料ガス供給セパレータを示す横断面説明図、（ｂ）は縦断面説明図である。
【図２４】本発明に係る燃料ガス供給セパレータのガス流路の一例を示す平面説明図である。
【図２５】本発明に係る燃料ガス供給セパレータのガス流路の一例を示す平面説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  燃料電池
１１  燃料電池セル
１２  固体高分子膜
１３  燃料ガス供給セパレータ
１３Ａ  ガス供給溝
１３Ｂ  水供給溝
１３Ｃ，１３Ｃ１，１３Ｃ２  ガス捕捉用空洞部
１３Ｄ  液水導入口
１３Ｅ  液水排出口
１３Ｆ  ガス供給口
１４  酸化剤ガス供給セパレータ
１４Ａ  酸化剤ガス供給溝
２０  液水供給手段
２１  ガス感知センサ
２２  液水供給制御部
３０  多孔質体材料
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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