(57)【要約】【課題】燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水流路内を循環する冷却水が寒冷地などにおいて燃料電池の停止時に凍結し体積が増加することで冷却水流路を破壊してしまう。【解決手段】燃料電池を冷却するための冷却水流路を構成する材料を変形可能な材料とし、燃料電池の停止時に雰囲気の温度低下に伴い冷却水が凍結した場合に冷却水流路を構成する材料が変形する事で冷却水の凍結に伴う体積増加を吸収し、冷却水流路が破損するのを防止する。【選択図】  図１
2004220850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をはさんでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持し前記アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と前記カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池構造体が発電する際に発生する熱を冷却するための冷却水流路を備えた燃料電池において、前記冷却水流路を構成する材料が変形可能に構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
冷却水流路を構成する部材の変形が、冷却水流路の容積を変化させるように変形することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
冷却水流路を構成する部材の変形が、冷却水流路の断面積または流路長さの少なくとも一方を変化させるように変形することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池を構成するセパレータにおいて、前記セパレータを構成する部材と前記セパレータ上の冷却水流路を構成する冷却水流路構成部材が違う材質で構成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
冷却水流路を構成する変形可能な材料が弾性体で構成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
冷却水流路が折り返し部を有する複数の溝部より構成され、前記折り返し部が弾性体で構成され、前記弾性体が変形することで前記冷却水流路の長さが増減可能に構成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
冷却水流路が燃料電池を構成するセパレータのうち冷却水流路を形成する冷却水セパレータ内に設けられた空間内に弾性体で構成された管を挿入することで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
冷却水セパレータ内に設けられた空間が複数の折り返し部を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
冷却水流路が冷却水セパレータ上の溝部に弾性体を設けることにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項１０】
冷却水流路を構成する材料が条件に伴い任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の燃料電池。
【請求項１１】
形状記憶材料の変形する条件が温度、圧力、電流、電圧の内のいずれか一つもしくは複数の条件である事を特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
形状記憶材料が、温度の低下により冷却水流路の断面積を増加させるように変形することを特徴とする請求項１０および請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
形状記憶材料が、温度の低下により、冷却水流路の断面積を減少させるように変形することを特徴とする請求項１０および請求項１１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を冷却するために使用される冷却水を循環させるための冷却水流路内において、低温時の冷却水の凍結に伴う体積増加による冷却水流路破損の防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の燃料電池について図を参照しながら説明する。
【０００３】
図１３および図１４に示すように、燃料電池１０１は固体高分子膜１０２を挟んでアノード電極１０３とカソード電極１０４とを対設した燃料電池構造体１０５をアノード側セパレータ１０６とカソード側セパレータ１０７によって挟持して複数積層する事により構成されている。アノード側セパレータ１０６には燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路１０８が形成され、アノード電極１０３に燃料ガスを供給できるようになっている。カソード側セパレータ１０７には酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路１０９が形成され、カソード電極１０４に酸化剤ガスを供給できるようになっている。供給された燃料ガスはアノード電極１０３においてイオン化し、固体高分子膜１０２中をカソード電極１０４へと移動し、カソード電極において酸化剤ガス中の酸素と系外を移動してきた電子と結合し水となる。この際、アノード電極において、燃料ガスがイオン化する際に放出された電子が系外を流れカソード電極へ移動することによって電気エネルギーが得られる。
【０００４】
この場合、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分子膜１０２を適度な湿潤状態に維持する事が必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを予め加湿する加湿装置（図示せず）を用意し、この加湿装置を燃料電池１０１に連結して構成することにより、加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【０００５】
図１５および図１６に示すように、アノード側セパレータ１０６およびカソード側セパレータ１０７は厚さ２ｍｍ程度のカーボン板で構成され、表面に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍ程度の溝を複数設ける事で燃料ガス供給流路１０８、酸化剤ガス供給流路１０９を構成している。燃料ガス供給流路１０８はアノード側セパレータ１０６上に設けられた燃料ガス供給ヘッダ１１２および燃料ガス排出ヘッダ１１３に連通しており、燃料ガス供給ヘッダ１１２より流入した燃料ガスが燃料ガス供給流路１０８を通過した後、燃料ガス排出ヘッダ１１３より燃料電池外部に排出される。また、酸化剤ガス供給流路１０９はカソード側セパレータ１０７上に設けられた酸化剤ガス供給ヘッダ１１４および酸化剤ガス排出ヘッダ１１５に連通しており、酸化剤ガス供給ヘッダ１１４より流入した酸化剤ガスが酸化剤ガス供給流路１０９を通過した後、酸化剤ガス排出ヘッダ１１５より燃料電池外部に排出される。
【０００６】
また、燃料電池１０１は上記のような発電反応を行う際、発電に伴い、熱が発生するため、燃料電池１０１本体の温度上昇を防止するため、燃料電池１０１内部に冷却水を循環させるための冷却水流路１１０を設けることで燃料電池１０１の温度を一定に保つのが一般的である。
【０００７】
図１７に示すように、冷却水セパレータ１１１は厚さ２ｍｍ程度のカーボン板で構成され、表面に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍ程度の溝を複数設ける事で冷却水流路１１０を構成している。冷却水流路１１０は冷却水セパレータ１１１上に設けられた冷却水供給ヘッダ１１６および冷却水排出ヘッダ１１７に連通しており、冷却水供給ヘッダ１１６より流入した冷却水が冷却水流路１１０を通過した後、冷却水排出ヘッダ１１７より燃料電池外部に排出される。
【０００８】
このような従来の燃料電池においては、燃料電池の停止時には上記冷却水流路１１０内を流れる冷却水の循環も停止しているため、外気温が低温となった場合に冷却水が凍結するという問題がある。この問題に対して、特開２００２−２１６８２４号公報に記載された燃料電池システムのように冷却水の温度低下を検知し、自動的にヒーターやガスバーナーなどにより冷却水を昇温して循環させる事により凍結を防止する方法が考えられている。また、特開２０００−３２４６１７号公報に記載の燃料電池においては冷却水温が凍結温度近くまで低下した場合に、冷却水回収手段により冷却水を回収し、燃料電池内の冷却水を除去する事で凍結による燃料電池の破壊を防止している。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８２４号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２４６１７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような燃料電池においては、燃料電池の停止時にヒーターやガスバーナーを使って冷却水を昇温し循環させるためには電力、もしくはガスのエネルギーを必要とし、燃料電池停止時にエネルギーを消費してしまうという問題があった。また、冷却水を回収する方法においては、燃料電池内の冷却水流路内を循環している冷却水を完全に回収する事が難しく、燃料電池内に残った水分が凍結してしまい、燃料電池が破壊してしまうという問題があった。このため、燃料電池の停止時に外部からのエネルギーを必要とせず、凍結による破壊を防止する事が要求されている。また、燃料電池が運転を再開し、内部の温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に凍結前と同等の冷却能力を有する必要がある。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、外部からエネルギーを供給することなく、低温になって冷却水が凍結した場合でも燃料電池本体の破損を防止する事ができ、燃料電池が運転を再開し、内部の温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合でも凍結前と同等の冷却能力を有する燃料電池を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は上記目的を達成するために、燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水を循環させるための冷却水流路を構成する部材を変形可能に構成したものである。
【００１３】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路の形状を変化させることで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となる。
【００１４】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する部材の変形が、冷却水流路の容積を変化させるように変形するようにしたものである。
【００１５】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路の容積を変化させることで、冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となる。
【００１６】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する部材の変形が、冷却水流路の断面積または流路長さを変化させるように変形するようにしたものである。
【００１７】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路の断面積または流路長さを変化させることで、冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となる。
【００１８】
また、他の手段は、燃料電池を構成するセパレータにおいて、セパレータを構成する部材とセパレータ上の冷却水流路を構成する冷却水流路構成部材が違う材質で構成されている物である。
【００１９】
本発明によれば、冷却水流路を構成する部材を燃料電池を構成するセパレータとは違う部材で構成することで、燃料電池セパレータの構造および冷却水流路の構成の自由度を向上させることができる。
【００２０】
また、他の手段は、燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水を循環させるための冷却水流路を構成する部材を変形可能な弾性体で構成したものである。
【００２１】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する弾性体の形状が変化することで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００２２】
また、他の手段は、冷却水流路が折り返し部を有する複数の溝部より構成され、折り返し部が弾性体で構成され、弾性体が変形することで冷却水流路の長さが増減可能に構成された物である。
【００２３】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する弾性体が変形することで冷却水流路の長さが変化し、冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００２４】
また、他の手段は、冷却水流路が冷却水セパレータ内に設けられた空間内に弾性体で構成された管を挿入することで構成された物である。
【００２５】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても、冷却水流路を構成する弾性体の管が冷却水セパレータ内に設けられた空間内を自由に変形すると同時にその断面積および長さを自由に変化させることで冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となる。
【００２６】
また、他の手段は、弾性体の管を挿入する冷却水セパレータ内に設けられた空間が複数の折り返し部を有するように構成されたものである。
【００２７】
本発明によれば、冷却水流路を構成する弾性体の管を挿入する冷却水セパレータ内の空間に複数の折り返し部を設けることで弾性体の管を折り返し部に沿って折り返すことが可能となり、冷却水の循環経路を任意の形状に限定することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体の管が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００２８】
また、他の手段は、冷却水流路が冷却水セパレータ上の溝部に弾性体を設けることにより構成されている物である。
【００２９】
本発明によれば、比較的簡単な構成で冷却水流路を変形可能に構成することが可能となり、冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００３０】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する材料が条件に伴い任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００３１】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化する事で冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００３２】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する材料が温度、圧力、電流、電圧のうちいずれか一つもしくは複数の条件により任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されている物である。
【００３３】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化することで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００３４】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する材料が温度や圧力、電流、電圧などの外部からの条件に伴い任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されているセパレータを備えた燃料電池において、形状記憶材料が、温度の低下により冷却水流路の断面積を増加させるように変形する物である。
【００３５】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が冷却水流路の断面積を増加させるように変形することで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００３６】
また、他の手段は、冷却水流路を構成する材料が温度や圧力、電流、電圧などの外部からの条件に伴い任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されているセパレータを備えた燃料電池において、形状記憶材料が、温度の低下により冷却水流路の断面積を減少させるように変形する物である。
【００３７】
本発明によれば、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化することで冷却水流路の断面積を減少させ、冷却水流路内の冷却水を燃料電池外部に排出することが可能となり、燃料電池が低温となった場合でも内部で冷却水が凍結することによる冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇した場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で再び冷却水流路を構成する事が可能となり燃料電池の発電時の冷却を行う事が可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明は、電解質をはさんでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池構造体と、燃料電池構造体を挟持しアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路とカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、燃料電池構造体が発電する際に発生する熱を冷却するための冷却水流路を備えた燃料電池において、冷却水流路を構成する材料を変形可能に構成したものであり、冷却水流路内を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結した場合においても、冷却水流路が変形する事が可能となり、これにより冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となるという作用を有する。
【００３９】
また、冷却水流路を構成する材料を変形可能に構成することに加え、その変形が冷却水流路の容積を変化させるように変形するようにしたものであり、冷却水流路内を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結した場合においても、冷却水流路の容積を増加するように変形する事が可能となり、これにより冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となるという作用を有する。
【００４０】
また、冷却水流路を構成する材料を変形可能に構成することに加え、その変形が冷却水流路の断面積または流路長さを変化させるように変形するようにしたものであり、冷却水流路内を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結した場合においても、冷却水流路の断面積または流路長さを変化するように変形する事が可能となり、これにより冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となるという作用を有する。
【００４１】
また、燃料電池を構成するセパレータにおいて、冷却水流路を形成する冷却水セパレータを構成する部材と冷却水セパレータ上の冷却水流路を構成する冷却水流路構成部材が違う材質で構成されているものであり、冷却水流路を構成する部材を燃料電池を構成するセパレータとは違う部材で構成することで、燃料電池セパレータの構造および冷却水流路の構成の自由度を向上させることができる。
【００４２】
また、冷却水流路を構成する材料が変形可能な弾性体で構成されているものであり、冷却水流路内を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結した場合においても、冷却水流路が変形する事が可能となり、これにより冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事ができるという作用を有する。
【００４３】
また、冷却水流路が折り返し部を有する複数の溝部より構成され、折り返し部が弾性体で構成され、前記弾性体が変形することで前記冷却水流路の長さが増減可能に構成されたものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する弾性体が変形することで冷却水流路の長さが変化し、冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事ができるという作用を有する。
【００４４】
また、冷却水流路が冷却水セパレータ内に設けられた空間内に弾性体で構成された管を挿入することで構成されていることを特徴とするものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても、冷却水流路を構成する弾性体の管が冷却水セパレータ内に設けられた空間内を自由に変形すると同時にその断面積および長さを自由に変化させることで冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となる。
【００４５】
また、冷却水流路を構成する弾性体の管を挿入する冷却水セパレータ内に設けられた空間が複数の折り返し部を有することを特徴とするものであり、冷却水流路を構成する弾性体の管を挿入する冷却水セパレータ内の空間に複数の折り返し部を設けることで弾性体の管を折り返し部に沿って折り返すことが可能となり、冷却水の循環経路を任意の形状に限定することが可能となる。
【００４６】
また、冷却水流路が冷却水セパレータ上の溝部に弾性体を設けることにより構成されていることを特徴とするものであり、比較的簡単な構成で冷却水流路を変形可能に構成することが可能となり、冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、弾性体が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００４７】
また、冷却水流路を構成する材料が条件に伴い任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されていることを特徴とするものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化する事で冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止する事が可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００４８】
また、冷却水流路を構成する材料が温度、圧力、電流、電圧のいずれか一つもしくは複数の条件に伴って任意の形状に変形可能な形状記憶材料で構成されていることを特徴とするものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化することで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００４９】
また、冷却水流路を構成する材料が形状記憶材料により構成されているセパレータを備えた燃料電池において、形状記憶材料が、温度の低下により冷却水流路の断面積を増加させるように変形することを特徴とするものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が冷却水流路の流路断面積を増加させるように変形することで冷却水の凍結時における体積増加に伴う冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇する事で冷却水が液体に戻った場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で冷却水流路を冷却水凍結前の形状に維持する事が可能となり燃料電池内部の温度分布の偏りを抑える事が可能となる。
【００５０】
また、冷却水流路を構成する材料が形状記憶材料により構成されているセパレータを備えた燃料電池において、形状記憶材料が、温度の低下により冷却水流路の断面積を減少させるように変形することを特徴とするものであり、冷却水流路を循環する冷却水が燃料電池の停止時に低温となり、凍結するような場合においても冷却水流路を構成する形状記憶材料の形状が変化することで冷却水流路の断面積を減少させ、冷却水流路内の冷却水を燃料電池外部に排出することが可能となり、燃料電池が低温となった場合でも内部で冷却水が凍結することによる冷却水流路の破損を防止することが可能となることに加え、燃料電池が運転を再開し温度が上昇した場合に、形状記憶材料が元の形状に戻る事で再び冷却水流路を構成する事が可能となり燃料電池の発電時の冷却を行う事が可能となる。
【００５１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００５２】
【実施例】
（実施例１）
図１および図２に示すように、燃料電池１０１は固体高分子膜１０２を挟んでアノード電極１０３とカソード電極１０４とを対設した燃料電池構造体１０５をアノード側セパレータ１０６とカソード側セパレータ１０７によって挟持して複数積層する事により構成されている。アノード側セパレータ１０６には燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路１０８が形成され、アノード電極１０３に燃料ガスを供給できるようになっている。カソード側セパレータ１０７には酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路１０９が形成され、カソード電極１０４に酸化剤ガスを供給できるようになっている。供給された燃料ガスはアノード電極１０３においてイオン化し、固体高分子膜１０２中をカソード電極１０４へと移動し、カソード電極において酸化剤ガス中の酸素と系外を移動してきた電子と結合し水となる。この際、アノード電極において、燃料ガスがイオン化する際に放出された電子が系外を流れカソード電極へ移動することによって電気エネルギーが得られる。
【００５３】
この場合、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分子膜１０２を適度な湿潤状態に維持する事が必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを予め加湿する加湿装置（図示せず）を用意し、この加湿装置を燃料電池１０１に連結して構成することにより、加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【００５４】
図３および図４に示すように、アノード側セパレータ１０６およびカソード側セパレータ１０７は厚さ２ｍｍ程度のカーボン板で構成され、表面に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍ程度の溝を複数設ける事で燃料ガス供給流路１０８、酸化剤ガス供給流路１０９を構成している。燃料ガス供給流路１０８はアノード側セパレータ１０６上に設けられた燃料ガス供給ヘッダ１１２および燃料ガス排出ヘッダ１１３に連通しており、燃料ガス供給ヘッダ１１２より流入した燃料ガスが燃料ガス供給流路１０８を通過した後、燃料ガス排出ヘッダ１１３より燃料電池外部に排出される。また、酸化剤ガス供給流路１０９はカソード側セパレータ１０７上に設けられた酸化剤ガス供給ヘッダ１１４および酸化剤ガス排出ヘッダ１１５に連通しており、酸化剤ガス供給ヘッダ１１４より流入した酸化剤ガスが酸化剤ガス供給流路１０９を通過した後、酸化剤ガス排出ヘッダ１１５より燃料電池外部に排出される。
【００５５】
また、燃料電池１０１は上記のような発電反応を行う際、発電に伴い、熱が発生するため、燃料電池１０１本体の温度上昇を防止するため、燃料電池１０１内部に冷却水を循環させるための冷却水流路１１０を設けることで燃料電池１０１の温度を一定に保っている。冷却水流路１１０は、アノード側セパレータ１０６およびカソード側セパレータ１０７と同形状の冷却水セパレータ１１１に溝状の冷却水流路１１０を構成しアノード側セパレータ１０６、カソード側セパレータ１０７と同様に積層する事で燃料電池１０１を構成し、燃料電池の発電時には冷却水流路１１０に純水などの冷却媒体を通流させ、発電時に発生する熱を回収した後、燃料電池１０１外部に設けられた熱交換器により冷却媒体を冷却し、一定の温度となった冷却媒体を再び燃料電池に戻す事で燃料電池１０１を冷却する。
【００５６】
図５に示すように、冷却水セパレータ１１１は厚さ２ｍｍ程度のカーボン板で構成され、表面に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍ程度の溝を複数設ける事で冷却水流路１１０を構成している。冷却水流路１１０は冷却水セパレータ１１１上に設けられた冷却水供給ヘッダ１１６および冷却水排出ヘッダ１１７に連通しており、冷却水供給ヘッダ１１６より流入した冷却水が冷却水流路１１０を通過した後、冷却水排出ヘッダ１１７より燃料電池外部に排出される。冷却水流路１１０を構成する溝は溝部周辺の部材をゴムや樹脂材料などの弾性体１を冷却水セパレータ１１１に挿入することで構成しており、冷却水流路１１０内を流れる冷却水の圧力の変動に伴って、流路断面形状が変形できるようになっている。特に冷却水温が低下し、凍結するような場合、冷却水の体積が増加し、通常の冷却水セパレータでは冷却水流路１１０を構成している溝が破壊される危険があるが、本発明における冷却水流路１１０の場合、冷却水の凍結に伴う体積増加に伴い、弾性体１が変形し、冷却水セパレータ１１１が破損するのを防止する事ができる。これにより、寒冷地などにおいて、燃料電池の停止時に、外気温が低下し、冷却水が凍結するような状況になった場合においても、特別な動作をさせることなく燃料電池の破壊を防止する事が可能となる。
【００５７】
また、冷却水流路１１０を弾性体１で構成する事により、燃料電池が再び運転を開始し、燃料電池１０１内部の温度が上昇する事で冷却水流路１１０内部の冷却水が再び液体となり体積が減少した場合に、弾性体１が再びもとの形状に戻る事で冷却水流路１１０の形状を冷却水の凍結前の形状に維持する事が可能となり、燃料電池内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【００５８】
なお、本実施例においては、弾性体をゴムや樹脂材料で構成したが、圧力の変動に伴って変形可能な材料であれば良く、なお好ましくは弾性体が冷却水に接した場合に不純物を溶出しないような材料であれば良く、その作用効果に差異を生じない。また、本発明では冷却水セパレータ上の溝部に弾性体を挿入する方法を取ったが、冷却水流路を構成する部材の一部が弾性体であれば良く、冷却水セパレータ上の溝部に弾性体を塗付する、もしくは接着するなどの方法を取っても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００５９】
（実施例２）
以下、図を参照して本発明の第二の実施例について詳細に説明する。なお、第一の実施例と同等の作用を有するものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６０】
図７に示すように、冷却水流路１１０は冷却水セパレータ１１１上に設けられた折り返し部を有する複数の溝により構成され、その折り返し部を構成する溝部周辺にゴムや樹脂材料などの弾性体１を挿入して冷却水流路１１０を構成しており、冷却水流路１１０内を流れる冷却水の圧力の変動に伴って、冷却水流路がその流れ方向に変形可能に構成されている。
【００６１】
以上のような構成を取る事で、冷却水温が低下し、凍結するような場合、冷却水の体積が増加し、通常の冷却水セパレータでは冷却水流路１１０を構成している溝が破壊される危険があるが、本発明における冷却水流路１１０の場合、冷却水の凍結に伴う体積増加に伴い、弾性体１が変形し、冷却水セパレータ１１１が破損するのを防止する事ができる。これにより、寒冷地などにおいて、燃料電池の停止時に、外気温が低下し、冷却水が凍結するような状況になった場合においても、特別な動作をさせることなく燃料電池の破壊を防止する事が可能となる。
【００６２】
また、冷却水流路１１０の折り返し部を弾性体１で構成する事により、燃料電池が再び運転を開始し、燃料電池１０１内部の温度が上昇する事で冷却水流路１１０内部の冷却水が再び液体となり体積が減少した場合に、弾性体１が再びもとの形状に戻る事で冷却水流路１１０の形状を冷却水の凍結前の形状に維持する事が可能となり、燃料電池内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【００６３】
なお、本実施例においては、弾性体をゴムや樹脂材料で構成したが、圧力の変動に伴って変形可能な材料であれば良く、なお好ましくは、冷却水が弾性体に接触した場合に不純物が溶出しないような材料であれば良く、その作用効果に差異を生じない。また、本実施例では弾性体を折り返し部の溝部周辺に挿入する方法を取ったが、折り返し部の溝部周辺が弾性体で構成されておれば良く、弾性体を塗付する、接着するなどの方法を取ってもその作用効果に差異を生じない。
【００６４】
（実施例３）
以下、図を参照して本発明の第三の実施例について詳細に説明する。なお、第一、第二の実施例と同等の作用を有するものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６５】
図８に示すように、冷却水流路１１０は冷却水セパレータ１１１内に設けられた空間２内にシリコンチューブなどの弾性体１で構成された冷却水通流管３を挿入する事で構成されている。空間２は複数の折り返し部により冷却水セパレータ１１１内を蛇行しており、内部に挿入される冷却水通流管３よりも若干大きめの幅となるように構成される。冷却水通流管３は、空間２に沿うようにして冷却水セパレータ内に挿入されており、空間２内で自由に変形する事が可能な構成とする。
【００６６】
以上のような構成を取る事で、冷却水温が低下し、凍結するような場合、冷却水の体積が増加し、通常の冷却水セパレータでは冷却水流路１１０を構成している溝が破壊される危険があるが、本発明における冷却水流路１１０の場合、冷却水の凍結に伴う体積増加に伴い、冷却水通流管３が冷却水セパレータ１１１内に設けられた空間２内で自由に変形すると同時にその断面積および流路長さを自由に変化させる事が可能となり、冷却水セパレータ１１１が破損するのを防止する事ができる。これにより、寒冷地などにおいて、燃料電池の停止時に、外気温が低下し、冷却水が凍結するような状況になった場合においても、特別な動作をさせることなく燃料電池の破壊を防止する事が可能となる。
【００６７】
また、空間２を複数の折り返し部を有する構造とする事で、冷却水通流管３の移動できる範囲をある程度限定し、冷却水流路１１０内を流れる冷却水が所定の範囲を通流するようになり、冷却水通流管３が冷却水セパレータ１１１内の一部に偏って配置される事による燃料電池１０１内部の温度分布の偏りを防止する事が可能となると同時に、燃料電池が再び運転を開始し、燃料電池１０１内部の温度が上昇する事で冷却水流路１１０内部の冷却水が再び液体となり体積が減少した場合に、弾性体１が再びもとの形状に戻る事で冷却水流路１１０の形状を維持する事が可能となり、燃料電池内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【００６８】
なお、本実施例において、冷却水通流管はシリコンチューブなどの弾性体で構成したが、変形可能な弾性材料であれば良く、なお好ましくは冷却水が弾性体に接触した際に不純物が溶出しないような材料であれば良く、その作用効果に差異を生じない。
【００６９】
（実施例４）
以下、図を参照して本発明の第四の実施例について詳細に説明する。なお、第一から第三の実施例と同等の作用を有するものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７０】
図９に示すように、冷却水流路１１０を構成する溝は冷却水セパレータ１１１上に設けられた溝部に形状記憶合金製の溝部構成部材４を挿入する事で構成されている。この際、図１０の（ａ）に示すように、溝部構成部材４の断面の一端側が冷却水セパレータ１１１に固定されるようにし、他方は自由に移動可能なように配置する。
【００７１】
図１０の（ｂ）に示すように燃料電池の停止時に冷却水流路１１０内の冷却水が低温となり、凍結するような場合、形状記憶合金で構成された溝部構成部材４は冷却水セパレータ１１１に設けられた溝部内で冷却水流路１１０の断面積を増加させるように変形し、冷却水の凍結時の体積増加に伴う冷却水セパレータ１１１の破損を防止する。また、燃料電池が運転を再開し、燃料電池内部の温度が上昇する事で冷却水が再び液体となった場合、形状記憶合金製の溝部構成部材４は再びもとの形状に戻ることで冷却水流路１１０の形状を冷却水の凍結前の形状に維持する事が可能となり、燃料電池内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【００７２】
なお、本実施例においては冷却水流路を構成する材料を形状記憶合金で構成したが、温度や圧力、電流、電圧などの外部の条件により任意の形状に変形可能な材料であれば良く、樹脂などの材料を使用した場合でもその作用効果に差異を生じない。
【００７３】
（実施例５）
以下、図を参照して本発明の第五の実施例について詳細に説明する。なお、第一から第四の実施例と同等の作用を有するものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７４】
図１１に示すように、冷却水流路１１０を構成する溝は冷却水セパレータ１１１上に設けられた溝部に形状記憶合金製の溝部構成部材４を挿入する事で構成されている。この際、図１２の（ａ）に示すように、溝部構成部材４の断面の一端側が冷却水セパレータ１１１に固定されるようにし、他方は自由に移動可能なように配置する。
【００７５】
図１２の（ｂ）に示すように燃料電池の停止時に冷却水流路１１０内の冷却水が低温となった場合、冷却水が凍結する温度に達する前に、冷却水流路１１０を構成する形状記憶合金製の溝部構成部材４が冷却水流路１１０の断面積を減少させるように変形を開始する。冷却水の温度が凍結する温度となった場合には溝部構成部材４の変形が完了し、冷却水流路１１０の冷却水通流部が完全に無くなるようにし、冷却水流路１１０内の冷却水を完全に燃料電池外部に排出するようにする。
【００７６】
これにより、燃料電池の停止時に冷却水が低温となった場合、形状記憶合金製の溝部構成部材４が変形する事で冷却水流路１１０内の冷却水を完全に燃料電池１０１外部に排出する事が可能となり、冷却水が凍結するような温度となった場合でも燃料電池１０１内部で冷却水が凍結する事による冷却水流路１１０の破損を防止する事が可能となる。また、燃料電池１０１が再び発電を開始し、燃料電池１０１内部の温度が上昇した場合、形状記憶合金製の溝部構成部材４が再びもとの形状に戻る事で冷却水流路１１０の形状を凍結温度以前の形状に維持する事が可能となり、燃料電池１０１内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【００７７】
なお、本実施例において、冷却水流路を構成する材料を形状記憶合金で構成したが、温度や圧力、電流、電圧などの外部の条件で任意の形状に変形可能な材料であれば良く、樹脂などの材料を使用した場合でもその作用効果に差異を生じない。
【００７８】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、燃料電池の停止時に低温となった場合、燃料電池を冷却するための冷却水が冷却水流路内で凍結する事による燃料電池の破損を防止する事が可能な燃料電池を提供する事ができる。
【００７９】
また、燃料電池が発電を再開した場合に、冷却水流路の形状を凍結前の状態に戻す事が可能で燃料電池内部の温度分布の偏りを最小限に抑える事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池の構成図
【図２】同燃料電池内の単セルの構成図
【図３】同燃料電池のアノード側セパレータの構成図
【図４】同燃料電池のカソード側セパレータの構成図
【図５】同燃料電池の冷却水セパレータの構成図
【図６】同燃料電池の冷却水流路断面図
【図７】本発明の実施例２の冷却水セパレータの構成図
【図８】本発明の実施例３の冷却水セパレータの構成図
【図９】本発明の実施例４の冷却水セパレータの構成図
【図１０】同冷却水セパレータの冷却水流路断面図
【図１１】本発明の実施例５の冷却水セパレータの構成図
【図１２】同冷却水セパレータの冷却水流路断面図
【図１３】従来の燃料電池の構成図
【図１４】同燃料電池の単セルの構成図
【図１５】同燃料電池のアノード側セパレータの構成図
【図１６】同燃料電池のカソード側セパレータの構成図
【図１７】同燃料電池の冷却水セパレータの構成図
【符号の説明】
１      弾性体
２      空間
３      冷却水通流管
４      溝部構成部材
１０１  燃料電池本体
１０２  固体高分子膜
１０３  アノード電極
１０４  カソード電極
１０５  燃料電池構造体
１０６  アノード側セパレータ
１０７  カソード側セパレータ
１０８  燃料ガス供給流路
１０９  酸化剤ガス供給流路
１１０  冷却水流路
１１１  冷却水セパレータ
１１２  燃料ガス供給ヘッダ
１１３  燃料ガス排出ヘッダ
１１４  酸化剤ガス供給ヘッダ
１１５  酸化剤ガス排出ヘッダ
１１６  冷却水供給ヘッダ
１１７  冷却水排出ヘッダ
【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】
2004220850.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004220850.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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