(57)【要約】【課題】  燃料電池では、出力密度を極限まで上げて高効率化（高出力密度化）、すなわち、低コスト化を図るには燃料利用率を１００％近くまで高めざるをえない。同時に、セパレータのマニホールドを含む“額縁”部分の面積を減らして体積削減による高出力密度化を図らなければならない。この場合、温度均一化と冷却性能向上が必須であるため、水の潜熱冷却を利用して必要水量を減らして、かつ、温度均一化を図らなければならないという課題が生じる。また、同時に、この冷却水によりフラディングを加速しない工夫が必要という課題が生じる。【解決手段】  反応ガス流路板または流体遮断層で反応ガス入口マニホールドを有し、前記板または遮断層の上に、２層の冷却剤流路を設け、その１層の流路層から他層の冷却剤流路に冷却剤を吹き出させて水滴冷却を行うことを特徴とする燃料電池セパレータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを膜電極集合体に案内する反応ガス流路板と、前記反応ガス流路板に隣接する第１の冷却水流路と、前記第１の冷却水流路と水噴出孔を介して接続される第２の冷却水流路とを有する燃料電池。
【請求項２】
反応ガス流路板または流体遮断層に隣接して２層の冷却剤流路を設け、その１層の冷却剤流路から他層の冷却剤流路に前記板または遮断層を介して冷却剤を液滴通過または透過させて液滴冷却または染み出し冷却を行うことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
第２項記載の燃料電池セパレータにおいて、２層の冷却剤流路間の流体遮断層を緻密材で形成して、かつ、当該緻密材に複数の液滴の噴出孔を設けて冷却することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
第２項記載の燃料電池セパレータにおいて、２層の冷却剤流路間を多孔質材で形成して、その１層の冷却剤流路から他層の冷却剤流路に前記多孔質材を介して冷却剤を液滴の形で通過または透過噴出させて、当該多孔質材または反応ガス流路板介して冷却をすることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
第３項記載の燃料電池セパレータにおいて、２層の冷却剤流路間の緻密材としてセパレータ板を用い、当該セパレータ板に多数の水滴噴出孔を均等に該セパレータ設けかつ反応ガス入口出口マニホールドを同じシールの封止範囲に含めるようにすることにより、２層の冷却剤の冷却剤出口側流路に反応ガスを導入して冷却剤出口側流路に噴出された液滴及び冷却後発生した水蒸気を排除する構成を特徴とする燃料電池。
【請求項６】
第５項記載の燃料電池セパレータにおいて、反応ガス出口マニホールドと冷却剤出口マニホールドを一つにしてスペース削減を図る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、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の高出力密度化のために、発電には直接寄与しない部分を削減することが考えられている。この手段として有効なのが冷却剤として用いられている冷却水の使用量を減らすことである。冷却水を減らすには、冷却水の比熱を利用する顕熱冷却でなく、蒸発熱を利用する潜熱冷却を行うことが考えられる。理論的には潜熱冷却では、顕熱冷却の２％の水の量で同等の冷却効果を得ることができる。
【０００３】
潜熱を利用した冷却方法の従来例として特許文献１が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３５７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
潜熱冷却を推進するには蒸発しやすいように微細水滴状にして体積当たりの表面積を増やすことが考えられる。微細水滴を発生させ、冷却場所まで微細水滴を運搬し衝突させるのである。運搬は、微細水滴にすればガス中の沈降速度が著しく小さくなるのでガスにより搬送することは可能であるが、配管内の曲がり部等で作用する加速度により搬送ガス中から分離し管壁に衝突する部分があり冷却すべきでない場所を冷却することが発生するという課題がある。
【０００６】
また、反応ガスがセパレータに入る前の加湿蒸気を含んだ状態で微細水滴を加える場合には、すでに飽和蒸気圧に近いので蒸発できず冷却効果が発揮できないばかりでなく、水を管理する上で過多の水分となり、反応発生水の除去を困難にさせる可能性が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
反応ガスを膜電極集合体に案内する反応ガス流路板と、反応ガス流路板に隣接する第１の冷却水流路と、第１の冷却水流路と水噴出孔を介して接続される第２の冷却水流路とを有する燃料電池である。
【発明の効果】
【０００８】
セパレータ内に２層の冷却剤流路を設けることにより、セパレータ内で潜熱を利用した冷却ができるようになるので燃料利用率が高くでき補機動力が小さく、コンパクトで、高出力運転ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃料電池では、下記反応によりアノードガス（以降、Ａｎガス）である水素とカソードガス（以降、Ｃａガス）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００１０】
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので流れるに従い反応ガス流量が減り、Ｃａガス側であれば電池反応により発生した水蒸気が流入し、Ａｎガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は増大する。その結果、飽和濃度を超えれば、凝縮水が発生してガス欠また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。
【００１１】
同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて温度分布も偏りが生じて最高温度が上がり膜電極集合体（以降、ＭＥＡ）を保護する観点から燃料利用率を下げ低出力化しなければならない。
一方、出力密度を極限まで上げて高効率化（高出力密度化）、すなわち、低コスト化を図るには燃料利用率を１００％近くまで高めざるをえない。また、セパレータのマニホールドを含む発電に寄与しない部分の面積を減らして体積削減による高出力密度化を図らなければならない。この場合、温度均一化と冷却性能向上が必須であるため、水の潜熱冷却を利用して必要水量を減らして、かつ、温度均一化を図らなければならないという課題が生じる。同時に、この冷却水によりフラディングを加速しない工夫が必要である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池は、第２の冷却水流路に加圧水を流すことにより、水噴出孔を介して第１の冷却水流路に微細な水滴を発生させ、その潜熱を冷却に利用するものである。
【００１３】
以下に示すのは、本発明の一実施例である。
【実施例１】
【００１４】
図１は、２層の冷却水流路のうち、セパレータ板１から遠い方の冷却水流路２を示す。図２は、セパレータ板１に近い冷却水流路３を示す。図３は、図１，図２で示した部分を、反応ガス流路４，ガス拡散層５（以降、ＧＤＬ５）と膜電極集合体６(以降、ＭＥＡ６)との関係で示した拡大Ａ−Ａ断面図を示す。ここで、反応ガスとは、ＡｎガスとＣａガスとのいずれであっても良い。拡大図は、２層の冷却水流路からなるジェット冷却部７の○で囲った部分の拡大断面図を示す。図１から説明すると、ＧＤＬ５から遠い部分で、緻密層から構成され、２層のジェット冷却部７と反応ガス流路４と反応ガス隔壁１８を支えるセパレータ板１には、それぞれのガス及び冷却水をセルに分配導入するためのＣａガス，Ａｎガス及び冷却水の入口，出口のマニホールドがあり、このうち、この潜熱冷却を行うためのジェット冷却部７に関係するのは、水をセル毎に分配するための水入口マニホールド８，分配され除熱に用いられた後の水を集合させ排出するための水出口マニホールド９である。この層部分には、冷却水の流れを均等化するとともに、除熱の重要性の低いシール１６近辺への水の流入を低減させるための流路案内壁１０，冷却水流路２，３の間にあり、冷却水滴を発生させるための水噴出口１２が開けられている層間仕切り壁１１，層間仕切り壁１１に設けられ、冷却水流路２から冷却水流路３へ水を噴出させるための水噴出口１２、そこに開けられた多数の水噴出口１２と流路案内壁１０より構成される冷却水流路２、この冷却水流路２では、水出口マニホールド９に通じる流路が流路案内板１０の一部により閉止状態としている。
【００１５】
冷却水流路２と冷却水流路３の間にあり、水噴出口１２を除いて両者の流体の透過を防止する層間仕切り壁１１，層間仕切り壁１１を挟んで反対側にあり、その一面に水とガスを仕切るガス・水隔壁２２を有する冷却水流路３，冷却水流路３の一部をなすとともに、水噴出口１２からでる微細水滴が衝突し潜熱冷却される対象であるガス・水隔壁２２よりなる。この冷却水流路３を含む部分が図２に示した部分である。ここでは、流路案内壁
１０の替りに多数の邪魔板１３を噴出孔１２の上流に設けてある。ただし、この冷却水流路３では、流路案内壁１５の一部で冷却水入口マニホールド８からの流れを閉止している。シール１６は、同じセパレータ板１に付属しており、２層を共通にカバーしてシールしている。なお、反応ガスによる搬送性や蒸発性を考えると、微細水滴には３０μｍ以下が望ましい。その動作は次に記載する。
【００１６】
冷却水入口マニホールド８から入った水は、流路案内壁１０に制御されて冷却水流路２内に広がり、冷却水出口マニホールド９が閉止されているため、水噴出口１２を通り、噴出して衝突水滴１７になってセパレータ板１により形成されるガス・水隔壁２２に衝突し熱を奪って一部蒸発する。この結果発生した水，水蒸気の混合流体は、邪魔板１３に制御されて、冷却作用を行っている他の微細水滴がガス・水隔壁２２に衝突するのを妨害しない保護するようにして配置する、勿論、この配置によりフィン的効果により、伝熱を促進されたのち、閉止されていない冷却水出口マニホールド９より流れ去る。
【００１７】
なお、伝熱工学便覧によると、水滴冷却では同じ水量で通常５〜１０倍の熱伝達率が期待できる。
【００１８】
このような構成により、冷却水量が１０〜２０％に低減できるため冷却水マニホールドの大きさを削減できるので、コンパクト化，高出力密度化，冷却水系補機のコンパクト化が図れるという効果がある。
【実施例２】
【００１９】
図４，図５，図６に示すものは、実施例１における、緻密層から構成される層間仕切り壁１１を多孔質層間仕切り壁１９に変えて水噴出口１２をなくしたもので、撥水処理をしたものを用いる。この多孔質は、３０μｍ近傍の平均気孔を持つものを使用する。これにより、ランダムに分布する気孔をとおり、冷却水圧力により押し出されて冷却水流路２から冷却水流路３へ微細水滴となり出現する。出現した微細水滴は、その噴出の運動量と多孔質層間仕切り壁１９の撥水性により多孔質層間仕切り壁１９から分離してセパレータ板１に衝突し水滴冷却を行う。また、同時に、多孔質層間仕切り壁１９から直接蒸発して邪魔板１３を間接的に冷却もする。
【００２０】
このような構成にすることで、実施例１よりもさらに全体における冷却効果が向上しさらに、水の使用量ができるという効果がある。
【実施例３】
【００２１】
図７，図８，図９に示すものは、実施例１における、層間仕切り壁１１をセパレータ板１（シール１６が付着しているものをセパレータ板とする）にすることで、冷却水の排出側である冷却水流路３にＣａガスを導入し、積極的に水を排出することにより伝熱効果を促進しようとしたもの。図７にあるように冷却水流路２は、シール１６により冷却水出口マニホールド９と閉じられており、唯一の出口は、冷却水流路３に向かう、複数の水噴出口１２であり、冷却水入口マニホールド８から入った水は、冷却水流路２を満たしたのち、水噴出口１２を通って冷却水流路３に向かう。図８は、冷却水流路２を示す。実施例１と異なる部分は、実施例１ではセパレータ板１の同じ側の面にあったのが、セパレータ板１を挟む反対側の面にあるため、シール１６と異なるシール２３が使用されることである。このシール２３は、図の左側では、Ｃａガス入口マニホールド２０、右側では冷却水出口マニホールド９とＣａガス出口マニホールド２１をその密封範囲に含む。
【００２２】
なお、図１０は、この冷却水流路３に反応ガス隔壁１８を隔てて設けられた反応ガス流路４と反応ガス流れを制御する反応ガス隔壁１８を示す。
【００２３】
なお、冷却水流路３は、流路案内板１５により、冷却水出口マニホールドへ、反応ガス流路４では、Ｃａガス出口マニホールド２１へ向かいやすいように抵抗をしている。
【００２４】
冷却水入口マニホールド８から入った水は、冷却水流路２を満たしたのち、水噴出口
１２を通り冷却水流路３に入り冷却作用を行う。このとき、同時に、Ｃａガス入口マニホールド２０からＣａガスが送り込まれて水及び除熱の結果発生した水蒸気の混合物を下流に押し流す。このため、水，水蒸気及び空気の混合物が冷却水出口マニホールド９へ押し出されるが、曲がりの加速度により水の大部分が冷却水出口マニホールド９に向かい、残りの空気，水及び水蒸気の一部はＣａガス出口マニホールド２１から排出される。このとき、反応ガス流路４では、Ｃａガスは、Ｃａガス入口マニホールド２０から送り込まれ
ＧＤＬ５を介しＭＥＡ６で電気化学反応を行い、その結果、酸素を失い発生した水蒸気を得て下流に流れてＣａガス出口マニホールド２１に排出される。
【００２５】
このような構成にすることで、実施例１と異なり、空気により除熱した水および水蒸気を排出でき、かつ、水の蒸発場を提供できるため伝熱を促進できるので伝熱効果をさらに促進することが可能となる。このため、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【実施例４】
【００２６】
図１１，図１２，図１３に示すものは、実施例３の変形例で、異なる点は、Ｃａガスの流れ方向を冷却水流路２の流れ方向と対抗するようにした点及び冷却水出口マニホールド９を削除した点にある。これにより、Ｃａガスが最も高温となるＣａガスの下流で冷却水が最も低温である上流の部分の水と熱交換できる。また、冷却水流路２，３の流れ方向を見ると反転しているので、これによっても温度の均一化が図れる。これにより、実施例３に比べると、さらに温度の均一性が向上する。
【００２７】
このようにすることにより、伝熱効果がさらに促進されるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【００２８】
このような構成により、コンパクト化及び高出力化の高い燃料電池を提供できるという効果がある。
【実施例５】
【００２９】
実施例５は、実施例１，３，４のいずれかのセパレータを積層させたスタック１００を図１５に示す。なお、実施例２の場合も水噴出口１２を用いないで多孔質にするところが異なるだけなので本実施例が準用できる。このスタックの構成は、次のとおり。Ａｎガスを供給する供給口１１２，Ｃａガスを供給する供給口１１１，冷却水を供給する供給口
１１０，両端にある絶縁板１０９，電力を外部に取り出すための集電板１１３と、本発明の２枚のセパレータ１０１を、冷却水流路部１２１側を背中合わせにしたものと、電解質膜１０２を、電極１０３，ガス拡散層１０６でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００，Ａｎガスを排出する排出口１０４，Ｃａガスを排出する排出口１０８，冷却水を排出する排出口１０７。発電部分１０５には、Ａｎガス流路部
１２０とＣａガス流路部１２２が接して発電部分１０５に水素と酸素を供給する。同時に、それぞれのガスの流路部１２０，１２２の裏側に形成された冷却水流路部１２１で発電部分１０５での発熱を吸収する。
【００３０】
このようにすることにより、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の温度分布の均一化ばかりでなく、さらに高出力化を図るための冷却水量の削減が図れるので、高出力密度でコンパクトなスタックが可能にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図２】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図３】セパレータの構成を示した断面図である。（実施例１）
【図４】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図５】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図６】セパレータの構成を示した断面図である。（実施例２）
【図７】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図８】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図９】セパレータの構成を示した断面図である。（実施例３）
【図１０】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図１１】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）
【図１２】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）
【図１３】セパレータの構成を示した断面図である。（実施例４）
【図１４】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）
【図１５】スタックの構成を示した説明図である。（実施例５）
【符号の説明】
【００３２】
１  セパレータ板
２，３  冷却水流路
４  反応ガス流路
５  ガス拡散層（ＧＤＬ）
６  膜電極接合体（ＭＥＡ）
７  ジェット冷却部
８  冷却水入口マニホールド
９  冷却水出口マニホールド
１０，１５，２４  流路案内壁
１１  層間仕切り壁
１２  水噴出口
１３  邪魔板
１６  シール
１７  衝突水滴
１８  反応ガス隔壁
１９  多孔質層間仕切り壁
２０  Ｃａガス入口マニホールド
２１  Ｃａガス出口マニホールド
２２  ガス・水隔壁
２３  シール
１００  スタック
１０１  セパレータ
１０２  電解質膜
１０３  電極
１０４  Ａｎガス排出口
１０５  発電部分
１０６  ガス拡散層
１０７  冷却水排出口
１０８  Ｃａガス排出口
１０９  絶縁板
１１０  冷却水供給口
１１１  Ｃａガス供給口
１１２  Ａｎガス供給口
１１３  集電板
１２０  Ａｎガス流路部
１２１  冷却水流路部
１２２  Ｃａガス流路部
【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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