(57)【要約】【課題】  燃料電池セル内の燃料ガス流路と酸化ガス流路の両方において、出口部のフラッディング防止と入口部の乾燥防止を両立させる。【解決手段】  燃料電池スタックＳの単位セルＣにおいて、酸化ガス側セパレータ２に設けた酸化ガス流路２１と、燃料ガス側セパレータ３に設けた燃料ガス流路３１の流れ方向を対向させ、酸化ガス流路２１の出口部２３側では、酸化ガス側セパレータ２と冷却媒体流路４の間に断熱コーティング層５Ａを配設して、酸化ガス側の温度を燃料ガス側よりも高くした断熱領域２４とし、燃料ガス流路３１の入口部３２側へ水分を透過させる。燃料ガス流路３１の出口部３３側では、燃料ガス側セパレータ３と冷却媒体流路４の間に断熱コーティング層５Ｂを配設して、燃料ガス側の温度を酸化ガス側よりも高くした断熱領域３４を形成して、酸化ガス流路２１の入口部２２側へ水分を透過させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスの化学反応により発電する単位セルを多数積層し、単位セル間に冷却媒体流路を設けた燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記単位セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に酸化ガス流路を形成する酸化ガス側セパレータを、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを設けるとともに、上記酸化ガス流路の入口部と上記燃料ガス流路の出口部、上記酸化ガス流路の出口部と上記燃料ガス流路の入口部とを、それぞれ上記膜電極接合体を挟んで対向位置させて、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向する流路構成とし、
上記酸化ガス側セパレータを介して上記酸化ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させる一方、上記燃料ガス側セパレータを介して上記燃料ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させ、
上記酸化ガス流路の出口部側では、上記酸化ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、酸化ガス側の温度を燃料ガス側よりも高くした断熱領域を形成し、
上記燃料ガス流路の出口部側では、上記燃料ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、燃料ガス側の温度を酸化ガス側よりも高くした断熱領域を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料電池スタックの積層方向の位置によって変更する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料ガス流路の出口部または上記酸化ガス流路の出口部における燃料ガス側と酸化ガス側の温度差が予め設定した範囲となるように、上記燃料電池スタックの積層方向の位置および流路方向の位置に応じて変更する請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
上記燃料ガス側セパレータまたは上記酸化ガス側セパレータの出口部側において、上記冷却媒体流路側のセパレータ表面を断熱コーティング材で被覆して上記断熱層を形成する請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池。
【請求項５】
上記断熱コーティング材がシリコン系高分子材料または導電性材料である請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスの化学反応を利用して発電する燃料電池に関し、特にセル面内のフラッディングおよびドライアップを防止するためのセル構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、空気等の酸化ガスと水素等の燃料ガスとを供給して化学反応させることにより、電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、さらに拡散層で両面を挟んで一体化されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体を備え、ＭＥＡの両側に酸化ガス側セパレータ、燃料ガス側セパレータを配設した構造となっている。ＭＥＡを挟持する酸化ガス側セパレータおよび燃料ガス側セパレータは、ＭＥＡの拡散層との間に酸化ガス流路および燃料ガス流路をそれぞれ形成している。
【０００３】
燃料電池の燃料極（アノード）では、供給される水素が触媒作用によってイオン化し、電解質膜を透過して、空気極（カソード）側に移動する。空気極に供給される酸素は、移動してきた水素と反応し、水を生成する。この発電反応により起電力が発生し、生成水は余剰のガスとともに拡散層を透過して酸化ガス流路へ放出される。また、生成水の一部は電解質膜を透過して燃料極側へ移動し、燃料ガス流路へ放出される。このため、ガス流路内の水分分布が変化し、水分が凝縮してガス拡散を阻害するフラッディングを起こすおそれがあった。
【０００４】
そこで、本発明者等は、先に特許文献１において、燃料電池の燃料ガス流路内でのフラッディングを防止するため、燃料電池の酸化ガス側セパレータの裏面だけに冷却水流路を設ける等により、燃料ガス側のセル面内の温度を酸化ガス側より高くなる構成を提案した。これにより、燃料ガス側の飽和水蒸気圧を上げ、燃料ガス側から酸化ガス側へ電解質膜を透過する水分量を増加させることで、酸化ガス側よりも流速の遅い燃料ガス側流路内でのフラッディングを防止することができる。
【０００５】
また、従来技術として、特許文献２には、燃料電池の酸化ガス流路内での水分分布を均一化するため、酸化ガス流路下流部と冷却水流路との間に空気層等の熱抵抗手段を介設し、水分過剰となりやすい酸化ガス流路下流側の温度を高くして水分の排出を促すことで酸化ガス流路内のフラッディングを防止する燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２０３３１３号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池においては、フラッディング防止とともに乾燥防止が重要な課題となっている。一般に、固体高分子電解質膜は、その機能を維持するためにほぼ飽和状態に含水させることが望ましく、例えば、供給される反応ガスの湿度を調整して水分を保持している。このため、フラッディングを防止しようとすると、相対的に水分量の少ないガス流路の入口側において膜が乾燥するドライアップが生じやすくなり、膜の比抵抗が増大して出力が低下する不具合があった。
【０００７】
また、特許文献１の構成は、燃料ガス流路内でのフラッディングを防止することはできるが、酸化ガス流路側におけるフラッディングを考慮していない。一般に、燃料電池スタックでは積層方向に温度分布があり、両端部ではセル内においても温度差が生じやすい。このため、例えばスタック端面側に酸化ガス流路が位置するセルでは、燃料ガス流路側から酸化ガス流路側への水分透過が促進され、酸化ガス流路側でフラッディングが生じやすくなる。
【０００８】
同様に、特許文献２の構成では、酸化ガス流路側のフラッディングは防止できるが、燃料ガス流路側におけるフラッディングを考慮していない。このため、スタック端面側に燃料ガス流路が位置するセルでは、酸化ガス流路後半部の温度が燃料ガス流路側の温度に対してより高くなって、酸化ガス流路側から燃料ガス流路側への水分透過が多くなり、燃料ガス流路側でフラッディングしてしまう問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料電池のセル内の燃料ガス流路と酸化ガス流路の両方において、フラッディングの発生を防止するとともに、ガス流路入口部での乾燥を防止することができること、さらには燃料電池スタックを構成するどのセルにおいてもフラッディングと乾燥防止を成立させることができる、高性能な燃料電池を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、酸化ガスと燃料ガスの化学反応により発電する単位セルを多数積層し、単位セル間に冷却媒体流路を設けた燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記単位セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に酸化ガス流路を形成する酸化ガス側セパレータを、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを設けるとともに、上記酸化ガス流路の入口部と上記燃料ガス流路の出口部、上記酸化ガス流路の出口部と上記燃料ガス流路の入口部とを、それぞれ上記膜電極接合体を挟んで対向位置させて、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向する流路構成とし、
上記酸化ガス側セパレータを介して上記酸化ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させる一方、上記燃料ガス側セパレータを介して上記燃料ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させ、
上記酸化ガス流路の出口部側では、上記酸化ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、酸化ガス側の温度を燃料ガス側よりも高くした断熱領域を形成し、
上記燃料ガス流路の出口部側では、上記燃料ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、燃料ガス側の温度を酸化ガス側よりも高くした断熱領域を形成したものである。
【００１１】
請求項１の構成では、酸化ガス流路と燃料ガス流路の入口部と出口部とが対向するように配置し、かつそれぞれのガス流路の下流域において、冷却媒体流路の間に断熱層を配設したので、出口部側の温度が上昇する。ここで、酸化ガス流路では、発電に伴う生成水により水分量が出口部側へ向けて上昇するが、断熱領域では、酸化ガス側の温度が燃料ガス側より高く保持されるために、水蒸気分圧差により電解質膜を透過して燃料ガス側へ移動する水分量が増加する。このため、水蒸気分圧が飽和に達して液水が生じるのを抑制する。また、燃料ガス流路の入口部側では、移動する水分により乾燥が防止される。
【００１２】
燃料ガス流路においても、同様に、出口部側の断熱領域では、燃料ガス側の温度が酸化ガス側より高く保持されるために、水蒸気分圧差により電解質膜を透過して酸化ガス側へ移動する水分量が増加し、液水を減少させる。一方、水分が移動する酸化ガス流路の入口部側における乾燥も防止される。
【００１３】
よって、酸化ガス流路と燃料ガス流路の両方において、フラッディングを防止するとともに乾燥を防止することができ、発電性能の高い燃料電池を実現することができる。
【００１４】
請求項２の発明では、上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料電池スタックの積層方向の位置によって変更する。
【００１５】
一般に、燃料電池スタックは積層方向の端部へ向けて温度が低下する傾向がある。例えば端部に近い位置にあるセルにおいて、ガス流路出口部に配設する上記断熱層を大きくし、または厚くすることで、必要な温度昇を実現し、燃料電池スタック全体で効率よく発電することができる。
【００１６】
請求項３の発明では、上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料ガス流路の出口部または上記酸化ガス流路の出口部における燃料ガス側と酸化ガス側の温度差が予め設定した範囲となるように、上記燃料電池スタックの積層方向の位置および流路方向の位置に応じて変更する。
【００１７】
より具体的には、各セルの位置ごとに、両流路間の温度差が所定値となるように、断熱層の大きさまたは厚さを設定することで、必要な水分の透過量を確保し、フラッディングと乾燥防止を、燃料電池スタックの任意位置で実現することができる。
【００１８】
請求項４の発明のように、具体的には、上記燃料ガス側セパレータまたは上記酸化ガス側セパレータの出口部側において、上記冷却媒体流路側のセパレータ表面を断熱コーティング材で被覆することによって、上記断熱層を形成することができる。
【００１９】
請求項５の発明のように、上記断熱コーティング材として、例えば、シリコン系高分子材料または導電性材料を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池構成を示す。図１（ａ）は燃料電池スタックＳの主要部構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタックＳを含む燃料電池システム全体の概略構成図である。図１（ｂ）に示すように、燃料電池スタックＳは、基本単位であるセルＣを多数積層して電気的に直列接続してなり、酸化ガス (例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素）の供給・排出流路、冷却媒体である冷却水の供給・排出流路、各種制御装置等が接続されて燃料電池システムを構成している。燃料電池スタックＳは、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により発電を行い、ＤＣ／ＤＣコンバータにて電圧調整後、負荷の駆動に用いられる。負荷は、例えば燃料電池自動車駆動用のモータや各種補機類であり、必要電力に応じてコントローラが反応ガスや冷却水の制御手段を含むシステム全体を制御する。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、燃料電池スタックＳの各セルＣは、電解質膜１１の両面に触媒層および拡散層をそれぞれ配置して電極１２、１３としたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ：膜電極接合体）１を備え、このＭＥＡ１を挟んで一方の面側（図の右側）に酸化ガス側セパレータ２を、他方の面側（図の左側）に燃料ガス側セパレータ３を配設した構成となっている。酸化ガス側セパレータ２のＭＥＡ１に対向する面には、酸化ガス流路２１となる溝が形成されており、燃料ガス側セパレータ３のＭＥＡ１に対向する面には、燃料ガス流路３１となる溝が形成されている。酸化ガス側セパレータ２および燃料ガス側セパレータ３のＭＥＡ１と反対側の面に形成される溝は、冷却媒体流路としての冷却水流路４となる。これにより、燃料電池スタックＳの隣合うセルＣ間に冷却水流路４が介設される。
【００２２】
電解質膜１１には、公知の構造の水素イオン伝導性固体高分子電解質膜、具体的には、パーフルオロスルホン系ポリマー、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製：登録商標）等を膜状に成形したものが好適に使用される。電解質膜１１の厚さ方向の一方の面には、空気極（カソード）１２を構成する触媒層および拡散層がこの順に積層形成され、他方の面には、燃料極（アノード）１３を構成する触媒層および拡散層がこの順に形成されて、一体化されており、それぞれ酸化ガス流路２１および燃料ガス流路３１に接している。触媒層は、白金触媒等の触媒を導電性の良好な材料、例えばカーボン材に担持させて構成される。拡散層は、導電性およびガス拡散性の良好な材料、例えばカーボン材で構成され、さらに必要に応じて撥水性等の特性を付与することもできる。
【００２３】
酸化ガス側セパレータ２および燃料ガス側セパレータ３は、例えばカーボン材または金属等よりなる導電性板状部材からなる。酸化ガス側セパレータ２とＭＥＡ１の間に形成される酸化ガス流路２１は、図の上端側を酸化ガス入口部２２、下端側を酸化ガス出口部２３としており、それぞれ図示しない酸化ガスの供給流路および排出流路に接続している。一方、燃料ガス側セパレータ３は、図の下端側を燃料ガス入口部３２、上端側を燃料ガス出口部３３とし、同様にそれぞれ図示しない燃料ガスの供給流路および排出流路に接続している。これにより、ＭＥＡ１を間に挟み込むようにして、酸化ガス入口部２２と燃料ガス出口部３３、酸化ガス出口部２３と燃料ガス入口部３２とが対向位置する。
【００２４】
なお、図１（ａ）は、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向している流路構成を模式的に示したものである。流路を構成するための酸化ガス側セパレータ２または燃料ガス側セパレータ３形状は、酸化ガス流路２１と燃料ガス流路３１の入口部および出口部が対向し、流れの向きが対向していれば、任意に設定することができる。通常は、例えば、酸化ガス側セパレータ２または燃料ガス側セパレータ３の板面に設けた複数の溝を連通させて一続きの流路とし、両端を入口部または出口部とする。冷却水流路４も同様であり、酸化ガス側セパレータ２と燃料ガス側セパレータ３の少なくとも一方の面に溝を設けて、衝合させることにより対向面間に流路を形成することができる。
【００２５】
ここで、上記発電反応を効率よく進めるには、電解質膜１１を十分に含水させる必要があり、通常、酸化ガスを加湿してガス流路入口部２２へ供給している。ただし、燃料電池では酸化ガスと燃料ガスの反応で水が生成することから、供給ガスの加湿度が高いとガス流路内の水分量が増加し、ガス流路出口部２３、３３側において液水が生じるフラッディングをまねきやすい。この液水がＭＥＡ１の内外にて水詰まりを起こすと、反応ガスの拡散が阻害されるおそれがある。これを回避しようとして供給ガスの加湿度を低くすると、ガス流路入口部２２、３２側において電解質膜１１が乾燥するドライアップを生じやすくなる。これらはいずれも出力を低下させる要因となる。
【００２６】
このため、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、酸化ガス流路２１の出口部２３に近い下流域において、酸化ガス側セパレータ２の冷却媒体流路４側表面に、断熱層である断熱コーティング層５Ａを形成して断熱領域２４とする。断熱領域２４では、酸化ガス流路２１から冷却媒体流路４への放熱が抑制されて酸化ガス側の温度が燃料ガス側よりも高くなる。同様に、燃料ガス流路３１の出口部３３側に近い下流域には、燃料ガス側セパレータ３の冷却媒体流路４側表面に、断熱層である断熱コーティング層５Ｂを形成して断熱領域３４とする。この断熱領域３４では、燃料ガス流路３１から冷却媒体流路４への放熱が抑制されて、燃料ガス側の温度が酸化ガス側よりも高くなる。これら断熱領域２４、３４により、酸化ガス流路２１および燃料ガス流路３１における水分量および水蒸気分圧、ガス流路間を透過する水分量を調整して、フラッディングおよびドライアップを抑制する。
【００２７】
断熱コーティング層５Ａ、５Ｂは、セパレータ２、３を構成するカーボンや金属材より熱伝導率が低く、薄膜で断熱効果が得られる断熱コーティング材を塗布することにより形成される。具体的には、シリコン系高分子材料やフッ素系高分子材料等の他、低熱伝導率の金属材、導電性樹脂等の導電性材料を用いることもできる。断熱コーティング層５Ａ、５Ｂの形成範囲、すなわち断熱領域２４、３４の大きさは、酸化ガス流路２１側、燃料ガス流路３１側それぞれにおいて、ガス流路出口部の温度や流路間の温度差が所望の値となるように、任意に設定することができる。通常は、酸化ガス流路２１および燃料ガス流路３１の出口部２３、３３側において、それぞれ下流端部からガス流路長の約３０〜７０％の範囲で、適宜選択するとよい。
【００２８】
上記構成の燃料電池の作動について、次に説明する。図１において、燃料電池スタックＳの各セルＣに、燃料ガスとして水素が、酸化ガスとして空気が供給されると、セルＣの酸化ガス流路２１と燃料ガス流路３１に水素と空気がそれぞれ導入され、ＭＥＡ１の両電極１２、１３において下記（１）、（２）の電気化学反応が起こる。すなわち、燃料極１３では拡散層を経て触媒層に達した水素が、水素イオンとなって電解質膜１１を透過し、空気極１２にて拡散層を経て触媒層に達した酸素と反応して水を生成する。生成水は、未反応ガスとともに空気極１２内を移動して酸化ガス流路２１へ排出され、また一部は電解質膜１１を透過して燃料極１３側へ移動し、燃料ガス流路３１へ排出される。
アノード電極反応（燃料極１３）    Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
カソード電極反応（空気極１２）  ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 + ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・（２）
【００２９】
この時、酸化ガス流路２１では、発電により酸化ガス（酸素）が消費されるため、酸化ガスが導入される入口部２２側から出口部２３側へ向かってガス流量が減少する。ただし、酸化ガスとして空気を使用する場合、一般に、その減少量は少ない。また、酸化ガス流路２１では、発電に伴って生成する水が排出されるために、流通するガス中の水分量が出口部２３側へ向かって上昇する。そして、水蒸気分圧がその温度における飽和水蒸気圧に達すると、酸化ガス流路２１内に液水が現れることになる。一方、燃料ガス流路３１では、酸化ガス側と同様、発電により燃料ガス（水素）が消費されるため、燃料ガスが導入される入口部３２側から出口部３３側へ向かってガス流量が減少する。燃料ガス流路３１では、酸化ガス側のように発電に伴う水の生成はないが、電解質膜１１を透過して酸化ガス側から水分が移動する。この水分の影響により水分量が変動し、同様に出口部２３側へ向かって上昇する傾向がある。
【００３０】
ここで、本実施形態では、酸化ガス流路２１の出口部２３に近い下流域を断熱領域２４としており、冷却水流路４と酸化ガス側セパレータ２の間に断熱コーティング層５Ａを介在させている。このため、冷却水への放熱による温度低下が抑制されて、酸化ガス流路２１の出口部２３近傍の温度は、ＭＥＡ１を挟んで対向する燃料ガス流路３１の入口部３２近傍の温度よりも高くなり、酸化ガス流路２１側の水蒸気分圧が、燃料ガス流路３１側に比べて高くなる。この水蒸気分圧の差により、酸化ガス側から燃料ガス側へ透過する水分量が多くなり、その結果、酸化ガス出口部２３付近における水分量が減少するので、液水が溜まってフラッディングが生じるのを防止できる。
【００３１】
一方、燃料ガス流路３１の入口部３２近傍では、透過してくる水分により燃料ガス中の水分量および水蒸気分圧は上昇する。このため、通常、乾燥水素が直接供給される燃料ガス流路３１の入口部３２付近に適度な水分が補給されるので、電解質膜１１の乾燥を防止することができる。
【００３２】
同様に、燃料ガス流路３１側においても、出口部３３に近い下流域を断熱領域３４として、冷却水流路４と燃料ガス側セパレータ３の間に断熱コーティング層５Ｂを介在させている。このため、冷却水への放熱による温度低下が抑制されて、燃料ガス流路３１の出口部３３近傍の温度は、ＭＥＡ１を挟んで対向する酸化ガス流路２１の入口部２２近傍の温度よりも高くなり、燃料ガス流路３１側の水蒸気分圧が、酸化ガス流路２１側に比べて高くなる。この水蒸気分圧の差により、燃料ガス側から酸化ガス側へ透過する水分量が多くなり、その結果、燃料ガス出口部３３付近における液水を減少させて、フラッディングを起こりにくくする効果が得られる。
【００３３】
また、酸化ガス流路２１の入口部２２近傍では、透過してくる水分により酸化ガス中の水分量および水蒸気分圧が上昇する。このため、出口部２３側におけるフラッディング防止のために、入口部２２に供給される空気の加湿が不十分な場合でも、酸化ガス流路２１の入口部２２付近に適度な水分が補給されるので、電解質膜１１の乾燥を防止することができる。
【００３４】
図２、３に本発明の第２実施形態を示す。本実施形態では、図２（ａ）に示す燃料電池スタックＳの積層方向の位置に応じて、セルＣの酸化ガス側セパレータ２または燃料ガス側セパレータ３に形成する断熱コーティング層５Ａ、５Ｂの形成範囲、すなわち断熱領域２４、３４の大きさを変更する。図２（ｂ）は、燃料電池スタックＳのセルＣ中央部付近の温度（図２（ａ）のＡ−Ａ’線が通過する部位の温度）が、積層方向の位置によって変化する様子を表したものである。
【００３５】
図示するように、積層方向の中央部（領域Ｃ）では、各セルの温度はほぼ一定であるが、両端部（領域Ｂ、Ｄ）では中央部（領域Ｃ）よりもセル温度が低くなる傾向にあり、端面に近づくと温度が大きく低下する。このため、各セルＣ内においても積層方向に温度差が生じやすく、より端面に近い側の温度が低くなる。例えば、燃料ガス側セパレータ３が端面側に位置する領域Ｂでは、酸化ガス流路２１側より燃料ガス流路３１側が低温となり、酸化ガス側セパレータ２が端面側に位置する領域Ｄでは、燃料ガス流路３１側より酸化ガス流路２１側が低温となって、液水が発生しやすくなる。
【００３６】
この場合、断熱領域２４、３４を燃料電池スタックＳ内で一律に設定すると、積層方向の位置によっては、断熱コーティング層５Ａ、５Ｂによる温度上昇が不十分となって上述した水分移動による所望の効果が得られないおそれがある。そこで、図３に示すように、積層方向の領域Ｂ〜Ｄにおいて異なる断熱領域２４、３４を設定し、両端部（領域Ｂ、Ｄ）においてより端面側に位置するガス流路出口部の温度を高くするために、断熱領域を大きくする。
【００３７】
例えば、図３（ａ）のように、燃料ガス流路３１側が低温となりやすい領域Ｂでは、燃料ガス側セパレータ３と冷却水流路４間の断熱コーティング層５Ｂを、流路中間域から下流域へかけて形成して、燃料ガス流路３１出口部３３側の断熱領域３４を、図３（ｂ）の領域Ｃより大きくする。また、図３（ｃ）のように、酸化ガス流路２１側が低温となりやすい領域Ｄでは、酸化ガス側セパレータ２と冷却水流路４間の断熱コーティング層５Ａを、流路中間域から下流域へかけて形成して、酸化ガス流路２１出口部２３側の断熱領域２４を、図３（ｂ）の領域Ｃより大きくする。具体的には、領域Ｃにおける断熱領域２４、３４を流路長の３０％程度とし、領域Ｂの断熱領域３４および領域Ｄの断熱領域２４を流路長の３０％〜７０％、例えば、６０％程度とする。
【００３８】
このように、積層方向のセル位置によって断熱領域２４、３４の大きさを変更することにより、燃料電池スタックＳ全体で、効果的にフラディッングおよび乾燥を防止することができる。なお、領域Ｂ、Ｄは、例えば、燃料電池スタックＳの積層方向長のそれぞれ２０％程度、領域Ｃは６０％程度とする。これら領域Ｂ〜Ｄの分け方や、断熱領域２４、３４の設定は一例であり、適宜変更することができる。
【００３９】
あるいは、図４に第３実施形態として示すように、断熱領域２４、３４の大きさを変更する代わりに、断熱コーティング層５Ａ、５Ｂの形成厚さを変更することにより、同様の効果を得ることもできる。すなわち、積層方向の領域Ｂ〜Ｄにおける断熱領域２４、３４の大きさは同等とし、両端部（領域Ｂ、Ｄ）においては、より端面側に位置するガス流路出口部の温度を高くするために、断熱コーティング層５Ａ、５Ｂをより厚く塗布する。
【００４０】
例えば、図４（ａ）のように、燃料ガス流路３１側が低温となりやすい領域Ｂでは、燃料ガス側セパレータ３と冷却水流路４間の断熱コーティング層５Ｂを、図３（ｂ）の領域Ｃより厚く形成して、燃料ガス流路３１出口部３３側の流路下流域に断熱領域３４を形成する。また、図４（ｃ）のように、酸化ガス流路２１側が低温となりやすい領域Ｄでは、酸化ガス側セパレータ２と冷却水流路４間の断熱コーティング層５Ａを、図３（ｂ）の領域Ｃより厚く形成して、酸化ガス流路２１出口部２３側の流路下流域に断熱領域２４を形成する。これら領域Ｂ〜Ｄにおける断熱領域２４、３４は、例えば、いずれも３０％程度とする。
【００４１】
このように、積層方向のセル位置によって、断熱領域２４、３４となる断熱コーティング層５Ａ、５Ｂの厚さを変更することによっても、同様の効果が得られる。断熱領域２４、３４の大きさと断熱コーティング層５Ａ、５Ｂの厚さの両方を変更しても、もちろんよく、フラッディングを防止したいガス流路の出口部側の温度が、対向する乾燥を防止したいガス流路の入口側の温度よりも高くなるように、断熱領域を形成することによって、フラッディング防止と乾燥防止を両立させることができる。
【００４２】
図５に第４実施形態として示すように、酸化ガス側セパレータ２および燃料ガス側セパレータ３を薄肉の導電性板材にて形成し、波板状に成形して流路を構成してもよい。この時、図５（ａ）のように、波板状の酸化ガス側セパレータ２とＭＥＡ１の間に酸化ガス流路２１が、波板状の燃料ガス側セパレータ３とＭＥＡ１の間に燃料ガス流路３１が形成され、両セパレータ２、３間に冷却水流路４が形成される構成は、上記実施形態と同様である。このような構成とすると、セパレータ２、３を薄くすることができ、セルＣの積層枚数に対して燃料電池スタックＳをコンパクトにすることができる。
【００４３】
ここで、冷却水流路４形成部位を除くセパレータ２、３の衝合位置において導電性を確保する必要があることから、図５（ａ）において、樹脂材等よりなる断熱コーティング層５Ａは、酸化ガス側セパレータ２の冷却水流路４の内表面にのみ形成する。燃料ガス側セパレータ３に断熱コーティング層５Ｂを形成する場合も同様である。ただし、断熱コーティング層５Ａ、５Ｂが導電性材料である場合には、図５（ｂ）のように、断熱コーティング層５Ａを、酸化ガス側セパレータ２の冷却水流路４側の表面全面に形成することができ、製作が容易となりコスト面で有利である。
【００４４】
図６は、酸化ガス流路２１と燃料ガス流路３１の流れの向きが対向する流路構成例を示すもので、図６（ａ）は、上記図１の第１実施形態のように、セル面の一方の側から他方の側へ向かう流路を形成した場合である。ここでは、酸化ガスが図の左方から右方へ流れ、燃料ガスが図の右方から左方へ流れるようにしている。図６（ｂ）は、上記図５の第４実施形態のように、セル面に平行に形成した複数の流路を接続して、一続きの流路とした場合で、酸化ガスが図の左上方から右下方へ流れ、燃料ガスが図の右下方から左上方へ流れるようにしている。
【００４５】
このように、本発明は、基本的にガス流れが対向流となる構成を前提としており、特に効果が高い。いずれの流路構成においても、酸化ガス側および燃料ガス側の下流端部において冷却水流路との間に断熱コーディング層を形成することで、上記効果が得られる。
【００４６】
図７により、本発明の効果を確認するためのシミュレーション結果について説明する。図７（ａ）において、酸化ガス流路２１および燃料ガス流路３１の出口部２３、３３側には、それぞれ断熱コーティング層５Ａ、５Ｂが形成されている。ここで、酸化ガス流路２１の出口部３３側を、断熱コーティング層５Ａとして厚さ０．１ｍｍのシリコンフィルムにて断熱したと仮定すると、その温度上昇は以下のように算出される。
熱伝導率：０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ
発電面積を１０×１０＝１００ｃｍ２とすると、
熱抵抗＝０．０００１／（０．１５×０．１×０．１）＝０．０６７
発電量を０.８Ａ／ｃｍ2 、０．６Ｖとすると、
発熱量＝０.８×１００×（１.２３−０．６）＝５０．４Ｗ
温度上昇＝０．０６７×５０．４＝３．４℃
よって、断熱により空気極（カソード）１２側が約３．４℃温度上昇することになる。
【００４７】
この温度上昇により、空気極（カソード）１２側から燃料極（アノード）１３側へ水分が透過する。水素側が無加湿から飽和に達する水移動量は、
８０℃の時、飽和水蒸気分圧は４７.６ｋＰａであるので、
このときの水素流量が１．０Ｌ/min、背圧が１００ｋＰａＧとすると、                  １×４７．６／（２００−４７．６）／２２．４×１８＝０．２５ｇ／ｍｉｎ
７７℃の時、飽和水蒸気分圧は４２．２ｋＰａであるので、                        
１×４２．２／（２００−４２．２）／２２．４×１８＝０．２１ｇ／ｍｉｎ
よって、３℃温度上昇した場合の水移動量は、０．０４ｇ/min増加する。
【００４８】
さらに、水移動量が０．０４ｇ増加した時の効果として、酸化ガス流路２１の出口部２３側での液水量を試算すると、
アノード／カソードともに６０℃で加湿し、空気流量が２．５Ｌ／ｍｉｎのとき
セル温度７６℃で、０．４２６ｇ／ｍｉｎ
セル温度７８℃で、０．３９３ｇ／ｍｉｎ
セル温度７９℃で、０．３７６ｇ／ｍｉｎ
となり、液水量が０．０５g／減ることにより図７（ｂ）のように、電流電圧特性への違いが生じる。
【００４９】
上記試算では、極間温度差を考慮していないが、冷却水温度７６℃で、極間温度差３℃とした場合、酸化ガス流路２１の出口部２３側での温度上昇で液水が０．０５ｇ減り、さらに、水分透過によりさらに約０．０４ｇ減る。この場合、発電性能は、図７（ｂ）に示す冷却水温度７９℃以上にまで向上すると予測できる。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明が適用される燃料電池は、上記図示の構成に限定されるものではなく、通常公知の燃料電池システムに用いられる種々の燃料電池構成に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は第１実施形態の燃料電池における燃料電池スタックの主要部概略構成図、（ｂ）は、燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態であり、（ａ）は第２実施形態の燃料電池スタックの概略構成図、（ｂ）は、スタック積層方向の位置とセル温度を関係を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態において、燃料電池スタックの領域Ｂ〜Ｄにおける断熱層の構成例をそれぞれ示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３実施形態において、燃料電池スタックの領域Ｂ〜Ｄにおける断熱コーティング層の構成例をそれぞれ示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態において、燃料電池スタックの酸化ガス側セパレータまたは燃料ガス側セパレータにおける断熱コーティング層の構成例をそれぞれ示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、燃料電池スタックのセル面における酸化ガス流路および燃料ガス流路の構成例をそれぞれ示す図である。
【図７】本発明の効果を説明するための図で、（ａ）は燃料電池スタック主要部の概略構成図、（ｂ）は、燃料電池の電流電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ  燃料電池スタック
Ｃ  セル（単位セル）
１  ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１  電解質膜
２  酸化ガス側セパレータ
２１  酸化ガス流路
２２  入口部
２３  出口部
２４  断熱領域
３  燃料ガス側セパレータ
３１  燃料ガス流路
３２  入口部
３３  出口部
３４  断熱領域
４  冷却水流路（冷却媒体流路）
５Ａ、５Ｂ  断熱コーティング層（断熱層）
【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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