(57)【要約】【課題】構成部品を増すことなく、排水性を向上して発電特性を向上する。【解決手段】単位電池を複数積層した燃料電池スタックにおいて、電解質膜と、第１と第２のセパレータとを具備する。前記単位電池内において、燃料ガス流路及び酸化ガス流路と、燃料ガス流路の裏面及び酸化ガス流路の裏面に設けられて電解質膜等を冷却する第１と第２の冷却水流路と、燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ前記燃料及び酸化ガス流路に供給するための燃料ガス入口及び出口マニフォールド及び酸化ガス入口及び出口マニフォールドと、冷却水入口及び出口マニフォールドとを更に具備する。該燃料電池は、冷却水の冷却能力を、前記燃料ガス及び酸化ガス流路の入口側よりも出口側の方がより低くなるようにして、前記出口側の前記燃料ガス及び酸化ガスの温度を上昇して、前記出口側の前記燃料ガス及び酸化ガスの飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする。【選択図】　　　図２
2004039540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池を複数積層したスタックを具備する燃料電池において、該スタックは各前記単位電池内に、
燃料電池反応に寄与する電解質膜と、
第１と第２のセパレータと、を具備しており、
前記スタックは、
発電に必要な燃料ガスが通されていて第１のセパレータに設けられていて燃料ガスの入口と出口を有する燃料ガス流路と、
やはり発電に必要な酸化ガスが通されていて前記第２のセパレータに設けられていて酸化ガスの入口と出口を有する酸化ガス流路と、
前記単位電池内において、少なくとも前記燃料ガス流路の裏面又は酸化ガス流路の裏面のいずれかに設けられて前記電解質膜や前記燃料ガス及び酸化ガス流路等を冷却する冷却水が通されていて冷却水の入口と出口を有する冷却水流路と、
前記燃料ガスがそれを介して前記燃料ガス流路に供給され更に排出されるために前記燃料ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された燃料ガス入口及び出口マニフォールドと、
前記酸化ガスがそれを介して前記酸化ガス流路に供給され更に排出されるために前記酸化ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された酸化ガス入口及び出口マニフォールドと、
前記冷却水がそれを介して前記冷却水流路に供給され更に排出されるために前記冷却水流路の入口及び出口にそれぞれ接続された冷却水入口及び出口マニフォールドと、
を更に具備しており、
前記冷却水の冷却能力を、前記酸化ガス及び／又は燃料ガス流路の入口側よりも出口側の方がより低くなるようにして、前記出口側の前記酸化ガス及び／又は燃料ガスの温度を上昇して、前記出口側の前記酸化ガス及び／又は燃料ガスの飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流路の入口と前記酸化ガス流路の入口は共に、第１の側である入口側にあり、前記燃料ガス流路の出口と前記酸化ガス流路の出口は共に、前記第１の側から離れていて対向する側であって第２の側である、出口側にあ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】
前記冷却水流路の断面積を前記入口側よりも前記出口側の方を広くすることで冷却水の流速を前記入口側より前記出口側の方がより遅くなるように流速の分布を持たせ、これにより冷却水と前記セパレータの間の熱伝達率を前記入口側より前記出口側の方がより低くなるように熱伝達率の分布を持たせ、前記入口側よりも前記出口側の冷却能力を下げることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス（酸化ガス及び／又は燃料ガス）流路の流路幅を前記入口側よりも前記出口側の方を狭くすることで、前記電解質膜と前記セパレータ間の接触面積を増やして前記電解質膜から前記セパレータへの熱伝達量を増やし、前記電解質膜の温度を上昇させることなく前記ガス流路の出口側ガス温度を上昇して、前記ガスの飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流路の断面積が一定になるように、前記ガス流路の流路深さを前記ガス流路の流路幅に応じて変えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電解質膜は前記単位電池内において、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記冷却水流路は、
前記単位電池内において、前記燃料ガス流路の裏面に設けられて前記電解質膜や前記ガス流路等を冷却する第１の冷却水流路と、
前記単位電池内において、前記酸化ガス流路の裏面に設けられて前記電解質膜や前記ガス流路等を冷却する第２の冷却水流路と、
を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
単位電池を複数積層したスタックを具備する燃料電池において、該スタックは各前記単位電池内に、
燃料電池反応に寄与する電解質膜と、
第１と第２のセパレータと、を具備しており、
前記スタックは、
発電に必要な燃料ガスが通されていて第１のセパレータに設けられていて燃料ガスの入口と出口を有する燃料ガス流路と、
やはり発電に必要な酸化ガスが通されていて前記第２のセパレータに設けられていて酸化ガス入口と出口を有する酸化ガス流路と、
前記単位電池内において、少なくとも前記燃料ガス流路の裏面又は酸化ガス流路の裏面のいずれかに設けられて前記電解質膜や前記燃料ガス及び酸化ガス流路等を冷却する冷却水が通されていて冷却水の入口と出口を有する冷却水流路と、
前記燃料ガスがそれを介して前記燃料ガス流路に供給され更に排出されるために前記燃料ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された燃料ガス入口及び出口マニフォールドと、
前記酸化ガスがそれを介して前記酸化ガス流路に供給され更に排出されるために前記酸化ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された酸化ガス入口及び出口マニフォールドと、
前記冷却水がそれを介して前記冷却水流路に供給され更に排出されるために前記冷却水流路入口及び出口にそれぞれ接続された冷却水入口及び出口マニフォールドと、
を更に具備しており、
前記ガス（酸化ガス及び／又は燃料ガス）流路の流路幅を入口側よりも出口側の方を狭くすることで、前記電解質膜と前記セパレータ間の接触面積を増やし、前記入口側よりも前記出口側の前記電解質膜からセパレータに伝わる熱量を増加させて前記出口側のガス温度を上昇して更に飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
前記燃料ガス流路の入口と前記酸化ガス流路の入口は共に、第１の側である入口側にあり、前記燃料ガス流路の出口と前記酸化ガス流路の出口は共に、前記第１の側から離れていて対向する側であって第２の側である、出口側にあることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ガス流路の断面積が一定になるように、前記ガス流路の流路深さを前記ガス流路の流路幅に応じて変えたことを特徴とする請求項８又は９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載する燃料電池を搭載することを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、より特別には車両用の固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池に対する関心が高まっている。燃料電池は、既存の発電装置に比較して、特にその高いエネルギ効率と排出ガスの低公害（クリーン）性に特徴を有する。車両に関しても、車両からの排出ガスによる公害、温暖化が問題とされており、これの解決案として、従来の内燃機関に換えて燃料電池を使用する開発が盛んに行われており、実用化の直前の段階と考えられる。燃料電池は、前述のごとく顕著な利点を有するが、その一方でその稼動条件が適切に維持されなければ、高効率、低公害の特性を発揮できない。燃料電池を適切に稼動させるために、その稼動条件を適切に維持することも、重要な開発項目である。
【０００３】
燃料電池は発電に伴い水が生成する。発電するためにはいくらかの水分は必要であるが、過剰の水はセパレータのガス流路を塞いでしまい発電特性上好ましくないため、生成水はセパレータ外に速やかに排出することが望ましい。水の排出法としては、水を液体の水のまま排出する方法の他、ガス中に水蒸気として排出する方法がある。後者の例として、特開平８−１１１２３０号公報では、セパレータのガス流路の近くに流れる冷却媒体の温度および流量を調整し、水蒸気量の多いガス出口側のガス温度を上げて飽和水蒸気量を上昇する方法が提案されている。しかしこの方法では温度調整のための放熱装置あるいは流量調整のための絞り弁など構成部品が増えて複雑になるため、コストが上昇するばかりでなくシステムが大型化するという問題があった。
【０００４】
燃料電池は直流電気を発生させる電気化学的反応において熱が発生するので、温度を許容される動作温度に維持するために、冷却手段が設けられている。冷却手段には、セパレータ、電極、電解質膜等の電池構成要素の運転時温度が各構成要素の耐熱温度を超えない、更に良好な稼動温度を維持する機能が要求される。この様な稼動温度条件及び各構成要素についての耐熱温度は、燃料電池の設計において常に配慮されるべき項目である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、本発明は、セパレータの冷却水流路の形状を工夫すれば出口側ガス温度（飽和水蒸気量）を上昇できるという点に着目し、構成部品を増すことなく排水性を向上して発電特性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のこれとは別の目的は、燃料電池において、排水性の向上と同時に、電解質膜等の耐熱温度を超えないことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載した形態では、単位電池を複数積層したスタックを具備する燃料電池において、該スタックは各前記単位電池内に、燃料電池反応に寄与する電解質膜と、第１と第２のセパレータとを具備する。前記スタックは、発電に必要な燃料ガスが通されていて第１のセパレータに設けられていて燃料ガスの入口と出口を有する燃料ガス流路と、やはり発電に必要な酸化ガスが通されていて前記第２のセパレータに設けられていて酸化ガスの入口と出口を有する酸化ガス流路と、前記単位電池内において、少なくとも前記燃料ガス流路の裏面又は酸化ガス流路の裏面のいずれかに設けられて前記電解質膜や前記燃料ガス及び酸化ガス流路等を冷却する冷却水が通されていて冷却水の入口と出口を有する冷却水流路と、前記燃料ガスがそれを介して前記燃料ガス流路に供給され更に排出されるために前記燃料ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された燃料ガス入口及び出口マニフォールドと、前記酸化ガスがそれを介して前記酸化ガス流路に供給され更に排出されるために前記酸化ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された酸化ガス入口及び出口マニフォールドと、前記冷却水がそれを介して前記冷却水流路に供給され更に排出されるために前記冷却水流路の入口及び出口にそれぞれ接続された冷却水入口及び出口マニフォールドとを更に具備する。更に、該燃料電池は、前記冷却水の冷却能力を、前記酸化ガス及び／又は燃料ガス流路の入口側よりも出口側の方がより低くなるようにして、前記出口側の前記酸化ガス及び／又は燃料ガスの温度を上昇して、前記出口側の前記酸化ガス及び／又は燃料ガスの飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする。
【０００８】
この様に構成することにより、ガス流路内の生成水は、ガスの流れにより下流に向かうので、該生成水量は、反応が進むにつれて増加するため、出口側の方が多い。更に水分量の多い出口側のガス温度が高くなるため飽和水蒸気量が増加し、水蒸気としてセパレータ外へ排出できる生成水量が増加し、発電特性が向上する。
【０００９】
本発明の請求項２に記載した形態では、上記請求項２の形態において、前記燃料ガス流路の入口と前記酸化ガス流路の入口は共に、第１の側である入口側にあり、前記燃料ガス流路の出口と前記酸化ガス流路の出口は共に、前記第１の側から離れていて対向する側であって第２の側である、出口側にあることを特徴とする。
この様に構成することにより、前記出口側の冷却性能を前記入口側に比べて低くすることにより、前記出口側のガスの温度を更に上昇して飽和蒸気量を増大し、水蒸気としてセパレータ外へ排出できる生成水量を更に増加し、発電特性を向上できる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載した形態では、上記請求項１又は２のいずれかの形態において、前記冷却水流路の断面積を前記入口側よりも前記出口側の方を広くすることで冷却水の流速を前記入口側より前記出口側の方がより遅くなるように流速の分布を持たせ、これにより冷却水と前記セパレータの間の熱伝達率を前記入口側より前記出口側の方がより低くなるように熱伝達率の分布を持たせ、前記入口側よりも前記出口側の冷却能力を下げることを特徴とする。
この様に構成することにより、請求項１の形態と同様の効果の実現が更に具体化する。
【００１１】
本発明の請求項４に記載した形態では、上記請求項１から３のいずれか一項の形態において、前記ガス（酸化ガス及び／又は燃料ガス）流路の流路幅を前記入口側よりも前記出口側の方を狭くすることで、前記電解質膜と前記セパレータ間の接触面積を増やして前記電解質膜から前記セパレータへの熱伝達量を増やし、前記電解質膜の温度を上昇させることなく前記ガス流路の出口側ガス温度を上昇して、前記ガスの飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする。
本形態によれば、稼動温度に制限のある電解質膜の表面温度を上昇することなく、出口側ガス温度を上昇させて排出できる生成水量を増加し、発電特性を向上することができる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載した形態では、上記請求項４の形態において、前記ガス流路の断面積が一定になるように、前記ガス流路の流路深さを前記ガス流路の流路幅に応じて変えたことを特徴とする。
本形態によれば、電解質膜の全面にわたってガスを均一に供給できる。
【００１３】
本発明の請求項６に記載した形態では、上記請求項１から５のいずれか一項の形態において、前記電解質膜は前記単位電池内において、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間に設けられることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項７に記載した形態では、上記請求項１から６のいずれか一項の形態において、前記冷却水流路は、前記単位電池内において、前記燃料ガス流路の裏面に設けられて前記電解質膜や前記ガス流路等を冷却する第１の冷却水流路と、前記単位電池内において、前記酸化ガス流路の裏面に設けられて前記電解質膜や前記ガス流路等を冷却する第２の冷却水流路と、を具備することを特徴とする。
【００１５】
上記の請求項６及び７に記載した形態は、本発明をより具体化する形態を開示する。
【００１６】
また、本発明の請求項８に記載した形態では、単位電池を複数積層したスタックを具備する燃料電池において、該スタックは各前記単位電池内に、燃料電池反応に寄与する電解質膜と、第１と第２のセパレータとを具備する。前記スタックは、発電に必要な燃料ガスが通されていて第１のセパレータに設けられていて燃料ガスの入口と出口を有する燃料ガス流路と、やはり発電に必要な酸化ガスが通されていて前記第２のセパレータに設けられていて酸化ガス入口と出口を有する酸化ガス流路と、前記単位電池内において、少なくとも前記燃料ガス流路の裏面又は酸化ガス流路の裏面のいずれかに設けられて前記電解質膜や前記燃料ガス及び酸化ガス流路等を冷却する冷却水が通されていて冷却水の入口と出口を有する冷却水流路と、前記燃料ガスがそれを介して前記燃料ガス流路に供給され更に排出されるために前記燃料ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された燃料ガス入口及び出口マニフォールドと、前記酸化ガスがそれを介して前記酸化ガス流路に供給され更に排出されるために前記酸化ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続された酸化ガス入口及び出口マニフォールドと、前記冷却水がそれを介して前記冷却水流路に供給され更に排出されるために前記冷却水流路の入口及び出口にそれぞれ接続された冷却水入口及び出口マニフォールドとを更に具備する。
前記ガス（酸化ガス及び／又は燃料ガス）流路の流路幅を入口側よりも出口側の方を狭くすることで、前記電解質膜と前記セパレータ間の接触面積を増やし、前記入口側よりも前記出口側の前記電解質膜からセパレータに伝わる熱量を増加させて前記出口側のガス温度を上昇して更に飽和水蒸気量を上昇することを特徴とする燃料電池。
【００１７】
本形態によれば、異なる形態により上記の請求項１及び４に記載の形態と同様な効果を発揮できる。
【００１８】
本発明の請求項９に記載した形態では、上記請求項８の形態において、前記燃料ガス流路の入口と前記酸化ガス流路の入口は共に、第１の側である入口側にあり、前記燃料ガス流路の出口と前記酸化ガス流路の出口は共に、前記第１の側から離れていて対向する側であって第２の側である、出口側にあることを特徴とする。
この様に構成することにより、前記出口側の冷却性能を前記入口側に比べて低くすることにより、前記出口側のガスの温度を更に上昇して飽和蒸気量を増大し、水蒸気としてセパレータ外へ排出できる生成水量を更に増加し、発電特性を向上できる。
【００１９】
また、本発明の請求項１０に記載した形態では、上記請求項８又は９のいずれかの形態において、前記ガス流路の断面積が一定になるように、前記ガス流路の流路深さを前記ガス流路の流路幅に応じて変えたことを特徴とする。
本形態は、電解質膜の全面にわたってガスを均一に供給できる。
【００２０】
また、本発明の請求項１１に記載した形態の車両は、上記請求項１から１０のいずれか一項の形態の燃料電池を搭載することを特徴とする。
本形態によれば、請求項１から１０の形態の効果を有する燃料電池を備えた車両を提供できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の燃料電池を詳細に説明する。
図１から図３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池の第１の実施の形態を示している。図１は本発明の燃料電池スタックの概略的な構成の立体図であり、図２は該第１の実施の形態の燃料電池スタックの単位電池内のセパレータの冷却水流路側の面の構成を図解的に示す。図３は、第１の実施の形態の前記セパレータ等の横断面図である。
【００２２】
まず図１及び図３を参照すると、本発明の燃料電池のスタック１の第１の実施の形態が示されている。
燃料電池スタック１は、酸化ガスセパレータ１０と、燃料ガスセパレータ２０と、セパレータ１０及び２０の間に挟まれる電解質膜６０、酸化側電極６１及び燃料側電極６２（図３に示す）等を積層し、これらをフロントプレート４０及びエンドプレート５０で挟み込む格好で構成される。本実施例では図１に示すように、セパレータ１０と２０のガス流路の裏面には冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃが形成されている。ここで図２を参照すると、セパレータ１０及び２０には、概略積層方向に単位電池を貫通したガス及び冷却水マニホールドである、酸化ガス入口マニホールド１１と、酸化ガス出口マニホールド１２と、燃料ガス入口マニホールド１３と、燃料ガス出口マニホールド１４と、冷却水入口マニホールド１５と、冷却水出口マニホールド１６とが具備されており、これらはフロントプレート４０に設けられたガス及び冷却水出入口である、酸化ガス入口４１と、酸化ガス出口４２と、燃料ガス入口４３と、燃料ガス出口４４と、冷却水入口４５と、冷却水出口４６とに連通している。
【００２３】
図２は、単位電池内の酸化ガスセパレータ１０の酸化ガス流路と反対側の冷却水流路側の面の図解的な平面図を示しており、燃料ガスセパレータ２０の冷却水流路側の面も同様の構成である。セパレータ１０（及び２０）においては、いずれもガス入口マニホールド１１，１３が図２において上部にあり、ガスは上部から下部へ流れる。冷却水入口マニホールド１５も同様に上部にあり、冷却水は上部から下部へ流れており、冷却水入口はガス入口側にあり、冷却水出口はガス出口側にある。
冷却水上流路３０ａはちょうどガス入口側流路の裏面に形成されており、上部から下部に向かって冷却水中流路３０ｂ、冷却水下流路３０ｃが形成されている。冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃには冷却水の流れ方向に沿ったガイド３５が多数形成されており、ガイドの数は３０ａ＞３０ｂ＞３０ｃとなっている（本実施の形態の図２では冷却水下流路３０ｃにはガイド３５は無い）。
【００２４】
図３を参照すると、各セパレータ１０，２０、各電極６０，６１及び電解質膜６０の配置及び構成が良く分かり、更に各流路の配置、断面の形状等についても良く分かる。本実施の形態において、酸化ガス及び燃料ガスの流路３１ａ，３２ａは、平行して走る多数のほぼ断面が正方形の形状の流路からなり、これらのガスの流路３１ａ，３２ａはセパレータ１０，２０の一方の面に溝として形成されており、図３の断面図で分かるように、図３の図に垂直方向に直線的に走っており、酸化ガス流路と燃料ガスの流路が間に酸化側電極６１、電解質膜６０及び燃料側電極６２をこの順番で挟んで対面する。本実施の形態において、前記のガス流路の溝は、全て等しい形状及び寸法（幅、深さ）であり、従ってその断面積も等しい。一方、上記のごとく冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃが、両セパレータ１０，２０において、ガスの流路３１ａ，３２ａの裏面に具備されることが図３により良く分かる。
【００２５】
次に図２を主に参照して、冷却水によるセパレータ１０，２０、電解質膜６０等の冷却方法について説明する。冷却水は、ガス流路の入口のある上流側にある冷却水入口４５から冷却水入口マニフォールド１５を介して冷却水上流路３０ａに導入され、更に冷却水中流路３０ｂ、冷却水下流路３０ｃの順で通り、ガス流路の出口のある下流側にある冷却水出口マニフォールド１６から冷却水出口４６へと排出される。電解質膜６０において電池反応により発生した反応熱は、電極６１，６２、セパレータ１０，２０を介して冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃを流れる冷却水に伝達されて、冷却水により運び去られる。熱の伝達は主に熱伝導である。従って、熱伝達媒体である冷却水の流速が速いほど熱伝達率は大きく、熱伝達量は大きくなる。
【００２６】
以下、作動について説明する。
冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃの断面積は、３０ａ＜３０ｂ＜３０ｃであるので、冷却水入口マニホールド１５から流入した冷却水の流速は３０ａ＞３０ｂ＞３０ｃとなる。流速は速い方がセパレータと冷却水間の熱伝達率は高いので冷却効率が高く、冷却性能も３０ａ＞３０ｂ＞３０ｃの順となり、セパレータ裏面のガス温度はこの逆の３０ａ＜３０ｂ＜３０ｃの順で、入口側が低く出口側が高くなる（図４参照）。
この状態については下記の第２の実施の形態も同じである。
【００２７】
上記の冷却水流路における冷却水温度の状態を概念的に図４に示している。図４において、冷却水流路の断面積が一定の場合を点線で示しており、本実施の形態の冷却水流路の断面積が入口側３０ａから出口側３０ｃに向かって増大していて、冷却水の流速はその逆に減少する場合を実線で示す。点線の場合、冷却水温度、ガス温度、電解質膜６０の表面温度はいずれも直線的に入口側３０ａから出口側３０ｃに向かって上昇する。実線の本実施の形態の場合、冷却水温度は出口側３０ｃに向かうに従い、点線の場合より低くなり両者の温度差は増大する傾向にある。これは出口側３０ｃに向かうに従い電解質膜から冷却水への熱伝達量が減少し冷却性能が低下することを示しており、従って、ガス温度は点線の場合に比べ出口側３０ｃに向かうに従い高くなり、両者の温度差は増大する傾向にある。この場合電解質膜６０の表面温度もやはり点線の場合に比べて出口側３０ｃに向かうほど上昇し点線と実線の温度差は増大する傾向にある。
本実施の形態において、上記のようにガスの温度を、出口に向かうほどより高く上昇できるので、ガスに含まれる水蒸気量も増大し、生成水の排出効果が向上する。
本実施の形態において図４に示すように、冷却水の温度は入口側でより低く、出口側に向かって上昇しており、この冷却水温度の状態により、冷却水入口とガス入口が同じ側にあり、冷却水出口とガス出口が同じ側にあることから、冷却水の入口及び出口を逆に配置する場合に比べて、入口側において冷却水とガスの温度差をより大きくすることができるので、ガス入口側のガスの冷却熱伝達を、効率が良くすることができる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図５と図６を参照して説明する。第２の実施の形態において、第１の実施の形態との相違点は、ガスの流路の断面形状の相違にあるので、第１の実施の形態の図３のセパレータの断面図に相当する図５の第２の実施の形態のセパレータ等の断面図により相違点を理解することが出来る。ここでは図５を参照すると、図３に示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図５の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００２９】
本実施の形態において、第１の実施の形態と同様に冷却水流路３０ａ，３０ｂ，３０ｃの断面積は３０ａ＜３０ｂ＜３０ｃであり、冷却性能は３０ａ＞３０ｂ＞３０ｃの順である。また、上記の第１の実施の形態においては出口側ガス温度の上昇に伴い、電解質膜６０表面の温度も上昇する（図４）。このため、運転条件によっては電解質膜６０の耐熱温度を超える恐れがあり、これを改良したものが第２の実施の形態である。図５において、ガス流路の流路である溝の幅は出口側の方が狭い（溝幅は３１ａ＞３１ｂ＞３０ｃ）ため、セパレータ１０（及び２０）と電解質膜６０の接触面積は、ガス流路の溝幅の差の分だけ出口側の方が広い。このため、電解質膜６０から直接セパレータ１０へ伝わる熱量が多くなり、電解質膜表面温度を上げることなく出口側ガス温度を上昇させることができる。図５において、酸化ガス流路３１ａ，３１ｂ，３１ｃの断面積は等しいが、流路である溝幅は３１ａ＞３１ｂ＞３１ｃで、溝深さは３１ａ＜３１ｂ＜３１ｃの順となっている。燃料ガス流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃも同様である。
即ち、下流の電解質膜とセパレータとの接触面積が増大し、それらの間の熱伝達面積が増大するので、下流における電解質膜に対する冷却性能は向上する。
この接触面積の増大による冷却性能の向上が、下流における冷却水温度の低下による冷却性能の低下と相殺するので、電解質膜に対する冷却性能は低下しない。
【００３０】
上記の冷却水流路における冷却水温度の状態を概念的に図６に示している。図６において、冷却水流路の断面積が一定の場合を点線で示しており、本実施の形態のガス流路の溝幅が入口側３１ａ，３２ａから出口側３１ｃ，３２ｃに向かって狭くなる場合を実線で示す。点線の場合、冷却水温度、ガス温度、電解質膜６０の表面温度はいずれも直線的に入口側３１ａ，３２ａから出口側３１ｃ，３２ｃに向かって上昇する。実線の本実施の形態の場合、冷却水温度は出口側３１ｃ，３２ｃに向かうに従い、両者の温度差は増大するように点線の場合より低くなり、ガス温度は点線の場合に比べ出口側３１ｃ，３２ｃに向かうに従い高くなり、点線の場合と実線の場合との温度差は増大する傾向にあることは、前記第１の実施の形態と同じである。しかし、本第２の実施の形態の場合（実線）は、電解質膜６０の表面温度は点線の場合に重なるように出口側３１ｃ，３２ｃに向かって上昇し両者の温度差は増大しない。即ち、本実施の形態において、ガスの温度を出口に向かうほどより高く上昇できると共に、電解質膜の表面温度の上昇を抑えることが出来る。
【００３１】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の燃料電池により以下の効果が期待できる。
・　ガス流路内の生成水は、ガスの流れにより下流に向かうので、該生成水量は、反応が進むにつれて増加するため、出口側の方が多い。水分量の多い出口側のガス温度が高くなるため飽和水蒸気量が増加し、水蒸気としてセパレータ外へ排出できる生成水量が増加し、発電特性が向上する。
【００３２】
本発明の第２の実施の形態の燃料電池により、以下の効果が期待できる。
・　電解質膜の表面温度を上げることなく、（従って電解質膜の劣化を防止すると共に）出口側ガス温度を上昇させて、水蒸気として排出できる生成水量が増加して発電特性が向上する。
【００３３】
本発明は、固体高分子型燃料電池の例について説明されたが、これとは別のタイプの燃料電池、例えばりん酸型燃料電池等、に適用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料電池スタックの主な構成を示す図解的立体図である。
【図２】図２は、図１のスタックの単位電池内のセパレータの冷却水流路側の面の図解的平面図を示す。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態の単位電池のセパレータ等の積層構造の横断面図を示す。
【図４】図４は、冷却水及びガス流路に沿った温度分布の様子を示す図式図であり、冷却水流路の断面積が一定の場合（点線）と本発明の第１の実施の形態の場合（実線）との比較を示す。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態の単位電池のセパレータ等の積層構造の横断面図を示しており、図３に相当する。
【図６】図６は、冷却水及びガス流路に沿った温度分布の様子を示す図式図であり、冷却水流路の断面積が一定の場合（点線）と本発明の第２の実施の形態の場合（実線）との比較を示す。
【符号の説明】
１…スタック
１０…酸化ガスセパレータ
１１…酸化ガス入口マニフォールド
１２…酸化ガス出口マニフォールド
１３…燃料ガス入口マニフォールド
１４…燃料ガス出口マニフォールド
１５…冷却水入口マニフォールド
１６…冷却水出口マニフォールド
２０…燃料ガスセパレータ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…冷却水流路
３１ａ…酸化ガス流路
３２ａ…燃料ガス流路
３５…ガイド
４０…フロントプレート
４１…酸化ガス入口
４２…酸化ガス出口
４３…燃料ガス入口
４４…燃料ガス出口
４５…冷却水入口
４６…冷却水出口
５０…エンドプレート
６０…電解質膜
６１…酸化側電極
６２…燃料側電極
【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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