(57)【要約】【課題】  発電部の構成を変更することなく、簡単かつ安価な手段で発電部の湿度状態を最適化し、発電効率を高める。【解決手段】  燃料電池セル１を発電部２とセパレータ３とで構成し、セパレータ３の表面にガス流路９を形成し、反応ガスを燃料極５と酸素極６とに供給する。セパレータ３の背面に流体通路１２を形成し、流体通路１２を流れる温度調整水によって発電部２の熱を奪い取る。流体通路１２の溝幅をガス流路９の下流側ほど狭く上流側ほど広く設定し、発電部２の熱をガス下流側ほど少なく上流側ほど多く奪い取る。これにより、ガス下流側の温度を相対的に高くして、発電部２のフラッディング現象を抑制し、ガス上流側の温度を相対的に低くして、発電部２のドライアップ現象を抑制する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部に接合するセパレータに、反応ガスを流すガス流路と、温度調整流体を流す流体通路とを備え、流体通路をガス流路の下流側よりも上流側ほど発電部から多量の熱を奪う形状で形成したことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電部の湿度状態を調整する機能を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は発電に伴って熱と生成水を発生する。生成水は反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）に押し出され、ガス流路の上流側から下流側に流れる。これにより、発電部はガス上流側でドライアップ状態（低湿度状態）となり、ガス下流側でフラッディング状態（過剰湿度状態）となる。ドライアップ状態になると、電解質膜のプロトン導電性が低下し、発電効率が低下する。フラッディング状態になると、結露により反応ガスの拡散が阻害され、やはり発電効率が低下する。そこで、従来、ガス流路の上流側と下流側とで発電部の構造を変更することにより、発電部の湿度状態を適正化する技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図５（ａ）に示すように、発電部５２に接合するセパレータ５３に反応ガスが流れるガス流路５４を形成した燃料電池５１において、一対のセパレータ５３のテーパ面で発電部５２を圧縮し、電解質膜５５を挟む燃料極５６と酸素極５７の気孔率をガス上流側で低くし下流側で高くし、発電部５２の湿度を上流側で上昇させ下流側で低下させる技術が記載されている。特許文献２には、図５（ｂ）に示すように、燃料極５６および酸素極５７をガス流路５４の上流側ほど密な構造となるように製作することで、ドライアップおよびフラッディング現象を抑制する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−３１９１３７号公報
【特許文献２】特開２００２−４２８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術によると、発電部５２の湿度状態を適正化するために発電部５２自体の構造を変更しているので、特許文献１の場合は、組立時にセパレータ５３と電解質膜５５との間隔を正確に管理する必要があって、燃料電池５１の組立てに手間がかかる問題点があり、特許文献２の場合は、燃料極５６および酸素極５７に特殊な組成または構造の部材を使用する必要があって、燃料電池５１の製作費が高くつくという問題点があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決して、発電部の構成を変更することなく、簡単かつ安価な手段で発電部の湿度状態を最適化できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、発電部に接合するセパレータに、反応ガスを流すガス流路と、温度調整流体を流す流体通路とを備え、流体通路をガス流路の下流側よりも上流側ほど発電部から多量の熱を奪う形状で形成したことを特徴とする。
【０００７】
ここで、温度調整流体は発電部からセパレータに伝わった熱を奪う媒体であって、液状媒体（例えば水）またはガス状媒体（例えば空気）を使用できる。液状媒体としては、発電部に発生した生成水を流体通路に循環させて使用するのが好ましい。流体通路は発電部から奪う熱量がガス流路の上流側ほど多く下流側ほど少なくなる形状でセパレータに形成される。具体的には、流体通路を以下のような形状で形成するのが好ましい。
【０００８】
（ａ）流体通路をその容積がガス流路の下流側よりも上流側ほど増加するような形状で形成すること。つまり、流体通路を温度調整流体の流量がガス流路の下流側ほど少なく、ガス流路の上流側ほど多くなるような形状で形成すること。
（ｄ）流体通路をその表面積（温度調整流体と接触する面積）がガス流路の下流側よりも上流側ほど拡大するような形状で形成すること。つまり、セパレータの熱容量がガス流路の下流側ほど小さく、ガス流路の上流側ほど大きくなるような形状で形成すること。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、流体通路を流れる温度調整流体がガス流路の下流側よりも上流側ほど多量の熱を発電部から奪う。このため、ガス上流側ほど発電部の温度が相対的に低くなり、湿度が相対的に高くなって、ドライアップ現象が抑制される。また、ガス流路の下流側ほど発電部の温度が相対的に高くなり、湿度が相対的に低くなって、フラッディング現象が抑制される。従って、セパレータ上の流体通路の形状により発電部の湿度状態を最適化でき、発電部自体の構成を変更することなく、燃料電池の発電効率を高めることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池を一つのセルの形態で示す。この燃料電池セル１は、発電部２とセパレータ３とを備え、一対のセパレータ３が発電部２の両側面に接合する状態で組み立てられている。発電部２は、従来と同様、電解質膜４と燃料極５と酸素極６とから構成され、燃料極５および酸素極６がそれぞれ拡散層７と触媒層８とを備えている。そして、拡散層７および触媒層８が従来周知の多孔質材料を用いて各部均一な構造で成形されている。
【００１１】
二枚のセパレータ３の表面（発電部２に接合する面）には、反応ガスを一方向（図１の上から下）に流すガス流路９が蛇行状に形成されている。各セパレータ３のコーナ部において、ガス流路９の上流端には供給口１０が設けられ、ガス流路９の下流端に排出口１１が設けられている。そして、水素を含む燃料ガスが一方のセパレータ３の供給口１０からガス流路９を通って排出口１１に流れる過程で燃料極５に供給され、酸素を含む酸化剤ガスが他方のセパレータ３の供給口１０からガス流路９を通って排出口１１に流れる過程で酸素極６に供給される。なお、二枚のセパレータ３はそれぞれ焼成カーボン等の周知材料で各部同じ厚さに成形されている。
【００１２】
各セパレータ３の背面（発電部２に接合しない面）には、温度調整流体を反応ガスと逆の方向（図１の下から上）に流す流体通路１２が設けられている。各セパレータ３の幅方向中央部において、流体通路１２の上流端（セパレータ３の下端）には温度調整流体の入口１３が設けられ、流体通路１２の下流端（セパレータ３の上端）に温度調整流体の出口１４が設けられている。そして、流体通路１２がガス流路９の下流側よりも上流側ほど発電部２から多量の熱を奪う形状で形成されている。この実施形態では、温度調整流体として発電部２に発生した生成水を用い、生成水を流体通路１２に循環させて、発電部２の温度調整を行っている。以下に、幾つかの実施例に基づいて流体通路１２の詳細な形状について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図２は実施例１の流体通路１２を示す。図２（ａ）に示すように、セパレータ３の表面には反応ガスＧを流すガス流路９が形成され、図２（ｂ）に示すように、セパレータ３の背面に温度調整水Ｗを流す流体通路１２が形成されている。実施例１の流体通路１２は、セパレータ３の背面に広がる略三角形の溝１６を備え、温度調整水Ｗが入口１３から溝１６を通り出口１４に流れる過程でセパレータ３を介して発電部２の熱を奪い取るようになっている。溝１６の幅は、ガス流路９の下流側（流体通路１２の上流側）ほど狭く、ガス流路９の上流側（流体通路１２の下流側）ほど広く設定されている。溝１６の深さは、図２（ｃ）に示すように、ガス流路９の上流側と下流側とで同等に設定されている。
【００１４】
このため、流体通路１２の容積がガス流路９の下流側ほど小さく上流側ほど大きくなり、温度調整水Ｗの流量がガス下流側ほど少なく上流側ほど多くなり、発電部２の熱が温度調整水によってガス下流側ほど少なく上流側ほど多く奪われる。従って、多量の生成水が流れるガス下流側の温度が相対的に高くなり、湿度が相対的に低くなり、結露による燃料極５および酸素極６の気孔の目詰まりが抑えられ、発電部２のフラッディング現象が抑制される。一方、発電部２のガス上流側では、温度が相対的に低くなり、湿度が相対的に高くなり、燃料極５および酸素極６の気孔に水蒸気が補充され、発電部２のドライアップ現象が抑制される。この結果、発電部２の各部の湿度状態を最適化して、燃料電池セル１の発電効率を高めることができる。
【実施例２】
【００１５】
図３は実施例２の流体通路１２を示す。この流体通路１２は、図３（ａ）に示すように、セパレータ３の背面に広がる略長四角形の溝１７を備え、温度調整水Ｇが入口１３から溝１７を通り出口１４に流れる。溝１７の深さは、図３（ｂ）に示すように、ガス流路９の下流側ほど浅く、ガス流路９の上流側ほど深く設定されている。このため、実施例１と同様、流体通路１２の容積がガス流路９の下流側ほど小さく上流側ほど大きくなり、温度調整水Ｗの流量がガス下流側ほど少なく上流側ほど多くなり、発電部２の熱が温度調整水によってガス下流側ほど少なく上流側ほど多く奪い取られる。従って、ガス下流側で発電部２の温度を相対的に高くし、湿度を相対的に低くして、フラッディング現象を抑制でき、ガス上流側で発電部２の温度を相対的に低くし、湿度を相対的に高くして、ドライアップ現象を抑制することができる。
【実施例３】
【００１６】
図４は実施例３の流体通路１２を示す。この流体通路１２は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ３背面の長四角形領域に溝１８を備え、溝１８の底面に凹凸部または波形部１８ａが形成されている。波形部１８ａは反応ガスＧの流れ方向に異なる角度で左右に広がり、その角度がガス流路９の下流側ほど大きく上流側ほど小さく設定されている。このため、流体通路１２の表面積がガス下流側ほど小さく上流側ほど大きくなり、セパレータ３の熱容量がガス下流側ほど小さく上流側ほど大きくなり、発電部２の熱がセパレータ３によってガス下流側ほど少なく上流側ほど多く奪い取られる。従って、実施例１と同様、ガス下流側で発電部２の温度を相対的に高くし、湿度を相対的に低くして、フラッディング現象を抑制でき、ガス上流側で発電部２の温度を相対的に低くし、湿度を相対的に高くして、ドライアップ現象を抑制することができる。
【００１７】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、以下に例示するように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状や構成を適宜変更して実施することも可能である。
（１）実施例１と実施例２とを組み合わせ、流体通路１２の幅および深さの両方を反応ガスＧの流れ方向に変化させること。
（２）実施例１と実施例３とを組み合わせ、温度調整水Ｗの流量およびセパレータ３の熱容量の両方を反応ガスＧの流れ方向に変化させること。
（３）実施例２と実施例３とを組み合わせ、温度調整水Ｗの流量およびセパレータ３の熱容量の両方を反応ガスＧの流れ方向に変化させること。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料電池セルの分解斜視図である。
【図２】本発明による実施例１の流体通路を示す形状説明図である。
【図３】本発明による実施例２の流体通路を示す形状説明図である。
【図４】本発明による実施例３の流体通路を示す形状説明図である。
【図５】従来技術を示す燃料電池の構造図である。
【符号の説明】
【００１９】
１    燃料電池セル
２    発電部
３    セパレータ
９    ガス流路
１２    流体通路
Ｇ    反応ガス
Ｗ    温度調整水
【図１】
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【図２】
2008140640.tif 000004
【図３】
2008140640.tif 000005
【図４】
2008140640.tif 000006
【図５】
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