(57)【要約】【課題】この発明は、運転中に生成した水分により湿潤となった下流域の水分を乾燥した上流域にスムーズに移動させ、反応分布を均一として、長期に渡って高電圧・高出力が得られる燃料電池を得る。【解決手段】酸化剤流路溝３０ａ〜３０ｐの４本ずつが、酸化剤供給口２０から各領域α、β、γ、δまで並行して延び、各領域α、β、γ、δ内で鉛直方向に蛇行し、酸化剤排出口２１に至るように第１セパレータ板１の主面に形成されている。酸化剤流路溝３０ｄの上流側と酸化剤流路溝３０ｅの下流側とがゾーン４０ａで隣接し、酸化剤流路溝３０ｈの上流側と酸化剤流路溝３０ｉの下流側とがゾーン４０ｂで隣接し、酸化剤流路溝３０ｌの上流側と酸化剤流路溝３０ｍの下流側とがゾーン４０ｃで隣接している。【選択図】        図３
2004241230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分を含むことによりイオン導電性が発揮される電解質膜を燃料電極および酸化剤電極により挟持してなる単セルと、酸化剤流体を流通させる酸化剤流路が一面に形成され、該酸化剤流路を上記酸化剤電極に向けて配設される第１セパレータ板と、燃料流体を流通させる燃料流路が一面に形成され、該燃料流路を上記燃料電極に向けて配設される第２セパレータ板とを順次積層して構成され、冷却水流路が上記第１および第２セパレータ板の一方に形成されてなる燃料電池において、
上記酸化剤流路は、上記第１セパレータ板の一面の分割された領域のそれぞれに酸化剤供給口から酸化剤排出口に至るように形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、
上記複数の流路群は、上記分割された領域内を折り返して走行し、かつ、上記分割された領域の境界部分の少なくとも一部で、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側が他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側に接するように構成され、
さらに、親水性部材が、上記分割された領域の境界部分を跨いで、上記一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側と上記他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側とを橋渡しするように配設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
水分を含むことによりイオン導電性が発揮される電解質膜を燃料電極および酸化剤電極により挟持してなる単セルと、酸化剤流体を流通させる酸化剤流路が一面に形成され、該酸化剤流路を上記酸化剤電極に向けて配設される第１セパレータ板と、燃料流体を流通させる燃料流路が一面に形成され、該燃料流路を上記燃料電極に向けて配設される第２セパレータ板とを順次積層して構成され、冷却水流路が上記第１および第２セパレータ板の一方に形成されてなる燃料電池において、
上記酸化剤流路は、酸化剤供給口から中間点で折り返されて酸化剤排出口に至るように上記第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝から構成され、
上記複数の酸化剤流路溝のそれぞれは、上記中間点から上記酸化剤供給口に至る流路溝領域と上記中間点から上記酸化剤排出口に至る流路溝領域との境界に関して相対する流路の出口度の和を実質的に１とするように形成され、
さらに、親水性部材が、上記境界を跨いで、上記中間点から上記酸化剤供給口に至る流路溝領域と上記中間点から上記酸化剤排出口に至る流路溝領域とを橋渡しするように配設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
水分を含むことによりイオン導電性が発揮される電解質膜を燃料電極および酸化剤電極により挟持してなる単セルと、酸化剤流体を流通させる酸化剤流路が一面に形成され、該酸化剤流路を上記酸化剤電極に向けて配設される第１セパレータ板と、燃料流体を流通させる燃料流路が一面に形成され、該燃料流路を上記燃料電極に向けて配設される第２セパレータ板とを順次積層して構成され、冷却水流路が上記第１および第２セパレータ板の一方に形成されてなる燃料電池において、
酸化剤供給口と酸化剤排出口との複数対が上記第１セパレータ板に形成され、
上記酸化剤流路は、各対の上記酸化剤供給口から上記酸化剤排出口に直線的に至るように上記第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、
さらに、上記複数の流路群は、隣接する流路群の上記酸化剤流体の流れ方向が互いに逆向きとなるように、上記酸化剤流体の流れ方向と直交する方向に隣接して配列されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
親水性部材が、上記隣接する流路群の境界を跨いで、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側と他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側とを橋渡しするように配設されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記親水性部材は、上記酸化剤電極のガス拡散層の少なくとも１部を親水化処理して構成されていることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記親水性部材は、上記酸化剤流路溝の上流側と上記酸化剤流路の下流側とを橋渡しするように平面的に配設された親水性繊維で構成されていることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する、例えば電気自動車等で使用される燃料電池に関し、特に電解質膜のイオン導電度が水分含有量により変化する固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池は、水分を含むことによりイオン導電性が発揮される電解質膜を燃料電極および酸化剤電極により挟持してなる単電池（単セル）と、酸化剤流体を流通させる酸化剤流路が一面側に形成された第１セパレータ板と、燃料流体を流通させる燃料流路が一面側に形成され、冷却水を流通させる冷却水流路が他面側に形成された第２セパレータ板とを備えている。そして、従来の燃料電池は、第１セパレータ板がその一面側を酸化剤電極に向けて配設され、かつ、第２セパレータ板がその一面側を燃料電極に向けて配設されてなる積層体を複数積層して構成されている。
従来の燃料電池は、酸化剤流体としての空気が酸化剤流路に供給され、燃料流体としての水素ガスが燃料流路に供給される。そして、水素は燃料電極上で電気化学反応によりプロトンとなる。この燃料電極上で生成されたプロトンは、水を伴って電解質膜中を酸化剤電極まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生成する。
【０００３】
従来の燃料電池では、単セルに反応ガスを供給し続けることで反応が継続する。この時、この反応で重要な役割を果たす電解質膜のイオン導電性は、膜の水分含有量にほぼ比例し、かつ、電解質膜の水分含水量は、雰囲気ガスの湿度に依存することが知られている。（例えば、非特許文献１参照）しかし、反応ガスを加湿して運転した場合、ガス流路の下流付近でガス中の水蒸気量が飽和水蒸気圧以上に増加し結露してしまうことになる。
そこで、ガス流路を蛇腹状に形成して流路長を長くし、ガス流速を増加させて、生成した水を効果的に排出させるようにセパレータ板の流路をデザインしていた。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
しかし、反応ガスの加湿には大きなエネルギーが必要となり、例えばセル温度８０℃に対して飽和するまで供給ガスを加湿しようとすると、空気の加湿に必要な熱量は燃料電池の発電量を超える熱量（１．４倍）が必要となり、廃熱の有効利用を阻害するだけでなく、余分なエネルギーを消費し、コジェネ発電の効率を引き下げる恐れがあった。そのため、供給ガスの加湿量を抑制して運転できる燃料電池が求められる。
【０００５】
しかし、酸化剤流路に乾燥した空気を供給した場合、酸化剤流路の上流域では電解質膜が乾燥し、電池反応は生成水により湿潤となった下流域に集中してしまい、十分な電池特性を発揮できなくなるという新たな不具合が生じる。
そこで、流路途中から領域を分割し、分割された各領域に並行流路を単純に折り返すように形成して酸化剤流路を構成し、面内へのガスの分配を均一化させるようにしている。（例えば、特許文献２参照）
【０００６】
【非特許文献１】
「Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．」１４０（１９９３），  ｐｐ１０４１−１０４７  ”Ｗａｔｅｒ  Ｕｐｔａｋｅ  ｂｙ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｎａｆｉｏｎ  １１７  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”
【特許文献１】
特開平３−２０６７６３号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１１６９６号公報（図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、特開２０００−３１１６９６号公報に示された従来の燃料電池では、乾燥した上流域と湿潤した下流域とが、分割された各領域内でも、分割された領域間でも離れており、流路形成領域を分割することによるガス組成の均一化は実現されなかった。その結果、乾燥領域の上流側への集中と湿潤領域の下流側への集中とが十分に解消されず、反応分が不均一となり、十分な特性が発揮できない、という不具合があった。
【０００８】
この発明は、上記の題を解消するためになされたもので、湿度の低い反応ガスを供給しても、運転中に生成した水分により湿潤となった下流域の水分を乾燥した上流域にスムーズに移動させ、反応分布を均一として、長期に渡って高電圧・高出力が得られる燃料電池を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池は、酸化剤流路は、第１セパレータ板の一面の分割された領域のそれぞれに酸化剤供給口から酸化剤排出口に至るように形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、複数の流路群は、分割された領域内を折り返して走行し、かつ、分割された領域の境界部分の少なくとも一部で、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側が他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側に接するように構成され、さらに、親水性部材が、分割された領域の境界部分を跨いで、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側と他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側とを橋渡しするように配設されているものである。
【００１０】
また、酸化剤流路は、酸化剤供給口から中間点で折り返されて酸化剤排出口に至るように第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝から構成され、複数の酸化剤流路溝のそれぞれは、中間点から酸化剤供給口に至る流路溝領域と中間点から酸化剤排出口に至る流路溝領域との境界に関して相対する流路の出口度の和を実質的に１とするように形成され、さらに、親水性部材が、該境界を跨いで、中間点から酸化剤供給口に至る流路溝領域と中間点から酸化剤排出口に至る流路溝領域とを橋渡しするように配設されているものである。
【００１１】
また、酸化剤供給口と酸化剤排出口との複数対が第１セパレータ板に形成され、酸化剤流路は、各対の酸化剤供給口から酸化剤排出口に直線的に至るように第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、さらに、複数の流路群は、隣接する流路群の酸化剤流体の流れ方向が互いに逆向きとなるように、酸化剤流体の流れ方向と直交する方向に隣接して配列されているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の構成を説明する側面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の単セルの構成を説明する断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の第１セパレータ板を示す要部断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の第２セパレータ板の燃料流路面を示す平面図、図６はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の第２セパレータ板の冷却水流路面を示す平面図、図７は比較例としての第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図である。
【００１３】
第１セパレータ板１は、図３に示されるように、カーボン等の導電性材料を矩形平板状に作製されたもので、酸化剤供給口２０、燃料排出口２３および冷却水供給口２４が水平方向（図３中左右方向）の１辺に穿設され、酸化剤排出口２１、燃料供給口２２および冷却水排出口２５が水平方向の相対する１辺に穿設されている。そして、酸化剤流路３０が、第１セパレータ板１の主面の電極支持部（水平方向に幅１８ｃｍ、鉛直方向（図３中上下方向）に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）に酸化剤供給口２０から酸化剤排出口２１に至るように形成されている。この酸化剤流路３０は、１６本の酸化剤流路溝３０ａ〜３０ｐから構成されている。そして、第１セパレータ板１の主面の電極支持部は、水平方向に領域α、β、γ、δに４分割されている。
【００１４】
そして、４本の酸化剤流路溝３０ａ〜３０ｄが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域αまで延び、領域α内で鉛直方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。また、４本の酸化剤流路溝３０ｅ〜３０ｈが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域βまで延び、領域β内で鉛直方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらに、４本の酸化剤流路溝３０ｉ〜３０ｌが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域γまで延び、領域γ内で鉛直方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらにまた、４本の酸化剤流路溝３０ｍ〜３０ｐが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域δまで延び、領域δ内で鉛直方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。
【００１５】
このように構成された酸化剤流路３０においては、酸化剤流路溝３０ｄの上流側と酸化剤流路溝３０ｅの下流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｈの上流側と酸化剤流路溝３０ｉの下流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｌの上流側と酸化剤流路溝３０ｍの下流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接している。ここで、各酸化剤流路溝の上流側とは、溝長さを均等に２等分した酸化剤供給口２０側の部分に対応し、各酸化剤流路溝の下流側とは、溝長さを均等に２等分した酸化剤排出口２１側の部分に対応している。
【００１６】
また、例えば酸化チタン薄膜を形成する親水化処理が第１セパレータ板１に施され、図４に示されるように、親水性部材としての親水化処理層１３が第１セパレータ板１のゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する各領域の表面に形成されている。
【００１７】
第２セパレータ板２は、図５および図６に示されるように、カーボン等の導電性材料を矩形平板状に作製されたもので、酸化剤供給口２０、燃料排出口２３および冷却水供給口２４が水平方向（図５中左右方向）の１辺に穿設され、酸化剤排出口２１、燃料供給口２２および冷却水排出口２５が水平方向の相対する１辺に穿設されている。そして、７本の燃料流路溝３１ａ〜３１ｇが、第２セパレータ板２の主面の電極支持部（水平方向に幅１８ｃｍ、鉛直方向（図５中上下方向）に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）に燃料供給口２２から燃料排出口２３に至るように蛇腹状に形成され、燃料流路３１を構成している。また、４本の冷却水流路溝３２ａ〜３２ｅが、第２セパレータ板２の他面に冷却水供給口２４から冷却水排出口２５に至るように蛇腹状に形成され、冷却水流路３２を構成している。
【００１８】
そして、単セル８は、図２に示されるように、酸化剤電極３および燃料電極４で電解質膜５を挟持し、さらにガス拡散層６、７をそれぞれ酸化剤電極３および燃料電極４上に配設して構成されている。なお、酸化剤電極３および燃料電極４は、例えばカーボンと白金とからなる触媒層で構成され、水平方向に幅１８ｃｍ、鉛直方向に高さ８ｃｍのほぼ１００ｃｍ２の有効面積を有している。
また、電解質膜５は、例えば固体高分子電解質膜が用いられ、具体的には、ナフィオン（デュポン社の登録商標）、アシプレックス（旭化成（株）の登録商標）、フレミオン（旭硝子（株）の登録商標）が用いられる。そして、電解質膜５は、酸化剤電極３および燃料電極４より大形の矩形状に形成され、図示していないが、酸化剤供給口２０、燃料排出口２３および冷却水供給口２４が水平方向の１辺に穿設され、酸化剤排出口２１、燃料供給口２２および冷却水排出口２５が水平方向の相対する１辺に穿設されている。
また、ガス拡散層６、７は、酸化剤電極３および燃料電極４と同等の長方形平面形状をし、例えば厚さ０．３ｍｍ、空孔率８５％のカーボンペーパが用いられている。
【００１９】
そして、酸化剤流路３０を酸化剤電極３に面するように第１セパレータ板１を単セル８に重ね合わせ、かつ、燃料流路３１を燃料電極４に面するように第２セパレータ板２を単セル８に重ね合わせてなる積層体を７０枚積層してスタック９が構成される。また、一対の集電端子１０がスタック９の両端に配設され、一対の端板１１が集電端子１０の外側に配設され、締め付け一体化されて、燃料電池１２が構成される。
この燃料電池１２では、酸化剤供給口２０、酸化剤排出口２１、燃料供給口２２、燃料排出口２３、冷却水供給口２４および冷却水排出口２５が、それぞれ積層方向（水平方向）に連通している。
【００２０】
つぎに、この実施の形態１の動作について説明する。
燃料流体としての水素ガスが端板１１から燃料供給口２２に導入され、各第２セパレータ板２の燃料流路３１を流通して燃料排出口２３に至り、端板１１を介して排出される。そして、水素ガスは、燃料流路３１を流通する際に、ガス拡散層７内を通って燃料電極４に供給される。一方、酸化剤流体としての空気が端板１１から酸化剤供給口２０に導入され、各第１セパレータ板１の酸化剤流路３０を流通して酸化剤排出口２１に至り、端板１１を介して排出される。そして、空気は、酸化剤流路３０を流通する際に、ガス拡散層６内を通って酸化剤電極３に供給される。
そして、燃料電極４上において、水素が酸化され、プロトンと電子とが生成される。一方、酸化剤電極３上において、燃料電極４で生成されたプロトンが電解質膜５中を移動して酸化剤電極３に到達し、空気中の酸素および外部回路を介して酸化剤電極３に供給された電子と反応し、水が生成される。そして、この化学反応で生成された電子を外部回路により電流として取り出すことになる。
さらに、冷却水が、端板１１を介して冷却水供給口２４に供給され、各第２セパレータ板２の冷却水流路３２を流通して冷却水排出口２５に至り、端板１１を介して排出される。これにより、燃料電池１２が所定温度に冷却される。
【００２１】
ここで、この実施の形態１による燃料電池１２を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３１の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３１の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持していた。
【００２２】
また、比較例としての燃料電池を用いて同一運転条件で発電運転した結果について述べる。なお、比較例としての燃料電池は、第１セパレータ板１に代えて図７に示される第１セパレータ板５０を用いている点を除いて、燃料電池１２と同様に構成されている。この第１セパレータ板５０は、酸化剤流路溝のデザインが異なる点および親水化処理が施されていない点を除いて、第１セパレータ板１と同様に構成されている。
つまり、この第１セパレータ板５０は、図７に示されるように、４本の酸化剤流路溝３０ａ〜３０ｄが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域αまで延び、領域α内で水平方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。また、４本の酸化剤流路溝３０ｅ〜３０ｈが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域βまで延び、領域β内で水平方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらに、４本の酸化剤流路溝３０ｉ〜３０ｌが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域γまで延び、領域γ内で水平方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらにまた、４本の酸化剤流路溝３０ｍ〜３０ｐが、並行して酸化剤供給口２０から水平に領域δまで延び、領域δ内で水平方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。
この比較例としての燃料電池においては、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであったが、５時間運転を継続した時点ではほぼ７００ｍＶまで低下していた。
【００２３】
これらの燃料電池の発電運転において、空気の上流側に相当する領域では、電解質膜５が乾燥してそのイオン抵抗が増大し、空気の下流側に相当する領域では、生成水により電解質膜５の水分含有量が増加し、そのイオン抵抗が減少することになる。
【００２４】
この実施の形態１では、乾燥状態の酸化剤流路溝３０ｄの上流側と湿潤状態の酸化剤流路溝３０ｅの下流側とがゾーン４０ａで隣接している。そこで、ゾーン４０ａにおいて、酸化剤流路溝３０ｅの下流側の水分が、酸化剤流路溝３０ｄに移動し、酸化剤流路溝３０ｄの上流側の水分が増加する。そして、酸化剤流路溝３０ｄの上流側に移動した水分は、隣接する酸化剤流路溝３０ｃに移動し、さらに隣接する酸化剤流路溝３０ｂに移動する。一方、酸化剤流路溝３０ｅの下流側には、隣接する酸化剤流路溝３０ｆの水分が移動し、酸化剤流路溝３０ｅの水分が補給される。さらに、隣接する酸化剤流路溝３０ｇの水分が酸化剤流路溝３０ｆに移動し、水分の補給がなされる。この時、ゾーン４０ａの領域に親水化処理膜１３が形成されているので、隣接する酸化剤流路溝間の水分の移動が親水化処理膜１３を介してスムーズに行われる。これにより、湿潤な下流側の水分が乾燥した上流側に移動し、上流側と下流側との乾湿差が緩和される。
同様に、ゾーン４０ｂ、４０ｃにおいても、湿潤な下流側の水分が乾燥した上流側に移動し、上流側と下流側との乾湿差が緩和される。
その結果、連続運転しても、電解質膜５の湿潤状態が均一化され、反応分布が均一化されるので、５時間運転を継続した時点でもセル電圧が７４０ｍＶ以上を維持していたもの、と推考される。
【００２５】
一方、比較例の燃料電池では、ゾーン４０ａにおいて、酸化剤流路溝３０ｄの上流側と酸化剤流路溝３０ｅの上流側とが隣接し、酸化剤流路３０ｄの下流側と酸化剤流路溝３０ｅの下流側とが隣接している。つまり、ゾーン４０ａにおいては、酸化剤流路溝３０ｄと酸化剤流路溝３０ｅとの同程度の湿度を有する部分が隣接している。また、ゾーン４０ｂ、４０ｃにおいても、酸化剤流路溝の同程度の湿度を有する部分が隣接している。そこで、実施の形態１の燃料電池１２における隣接する酸化剤流路溝間の水分の移動が行われず、酸化剤流路３０の上流側は乾燥状態のままとなり、下流側は湿潤状態のままとなってしまう。その結果、酸化剤流路３０の上流側では、電解質膜５が乾燥してそのイオン抵抗が増大し、一方酸化剤流路３０の下流側では、生成水により電解質膜５の水分含有量が増加し、そのイオン抵抗が減少し、反応分布が不均一になり、反応が下流域に集中してしまい、連続運転の結果、セル電圧が著しく低下したものと推考される。
【００２６】
このように、実施の形態１によれば、酸化剤流路溝３０ｄの上流側と酸化剤流路溝３０ｅの下流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｈの上流側と酸化剤流路溝３０ｉの下流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｌの上流側と酸化剤流路溝３０ｍの下流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接するように酸化剤流路３０がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３０の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３０の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する第１セパレータ板１の領域に形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３０の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３０の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００２７】
なお、上記実施の形態１では、冷却水流路３２を第２セパレータ板２の他面に形成するものとしているが、冷却水流路３２を第１セパレータ１の他面に形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態１では、第１セパレータ板１の主面の電極支持部が水平方向に４つの領域α、β、γ、δに分割されているものとしているが、該電極支持部は必ずしも４つの領域に分割されている必要はなく、複数の領域に分割されていればよい。
【００２８】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る燃料電池の第１セパレータ板を示す要部断面図である。
この実施の形態２では、図８に示すように、撥水処理が第１セパレータ板１Ａの酸化剤流路形成面に施され、撥水処理膜１４が第１セパレータ板１Ａの酸化剤流路形成面のゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃ以外の領域に形成されている。ここでは、撥水処理は、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）樹脂をコーティングして行われている。
なお、第１セパレータ板１Ａは、撥水処理膜１４が形成されている点を除いて、セパレータ板１と同様に構成されている。そして、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ａを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２９】
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、この実施の形態２によれば、撥水処理膜１４が第１セパレータ板１Ａの酸化剤流路形成面のゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃを除く領域に形成されているので、酸化剤流路３０内で結露した水分は、撥水処理膜１４の表面を空気の流れにより移動し、親水化処理膜１３に触れると直ちに液膜化するので、隣接する酸化剤流路溝間の水分の移動が促進される。その結果、水分分布が均一化され、特性の安定性を維持することができる。
【００３０】
実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図である。
図９において、第１セパレータ板１Ｂの主面の電極支持部（水平方向（図９の左右方向）に幅１８ｃｍ、鉛直方向（図９中上下方向）に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）が、畝３４ａ〜３４ｅにより、鉛直方向に領域α、β、γ、δに４分割されている。そして、複数の畝３５が各領域α、β、γ、δ内に空気の流れ方向延びるように形成され、酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄを構成している。
そして、各酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄは、酸化剤供給口２０から各領域α、β、γ、δまで延び、各領域α、β、γ、δ内で水平方向に蛇行し、その後酸化剤排出口２１に至るように形成されている。
また、各畝３５は、ガス拡散層６を支持する機能を有するとともに、空気の流れを誘導し、各酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄ内に略並行した複数の流路溝を形成する。
さらに、親水化処理膜１３が、第１セパレータ板１Ｂの酸化剤流路形成面の各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する領域に形成されている。
【００３１】
このように構成された酸化剤流路３３においては、酸化剤流路溝３３ａの下流側と酸化剤流路溝３０ｂの上流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｂの下流側と酸化剤流路溝３０ｃの上流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｃの下流側と酸化剤流路溝３０ｄの上流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接している。
なお、この実施の形態３では、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ｂを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。また、第１セパレータ板１Ｂは、酸化剤流路３０に代えて酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄからなる酸化剤流路３３が形成されている点を除いて、実施の形態１の第１セパレータ板１と同様に構成されている。
【００３２】
この実施の形態３においても、酸化剤流路溝３３ａの下流側と酸化剤流路溝３０ｂの上流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｂの下流側と酸化剤流路溝３０ｃの上流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３０ｃの下流側と酸化剤流路溝３０ｄの上流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接するように酸化剤流路３３がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３３の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３３の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する第１セパレータ板１Ｂの領域に形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３３の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３３の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態１と同様に、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００３３】
ここで、この実施の形態３による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３３の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３３の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７４０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７３０ｍＶ以上を維持する結果が得られた。
【００３４】
この実施の形態３では、得られるセル電圧が上記実施の形態１に比べて低かった。これは、実施の形態３では、畝３５を各領域α、β、γ、δ内に空気の流れ方向に延びるように形成して各酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄが形成されているので、酸化剤流路溝３３ａ〜３３ｄの流路断面積が上記実施の形態１における酸化剤流路溝３０ａ〜３０ｐに比べて大きくなっており、酸化剤流路３３内を流れる空気の流速が遅くなったためと推考される。
【００３５】
実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
図１０において、第１セパレータ板１Ｃの主面の電極支持部（水平方向（図１０の左右方向）に幅１８ｃｍ、鉛直方向（図１０中上下方向）に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）が、鉛直方向に領域α、β、γ、δに４分割されている。
【００３６】
そして、４本の酸化剤流路溝３６ａ〜３６ｄが、並行して酸化剤供給口２０から領域αまで延び、領域α内で水平方向に蛇行し、その後酸化剤排出口２１に至るように形成されている。また、４本の酸化剤流路溝３６ｅ〜３６ｈが、並行して酸化剤供給口２０から領域βまで延び、領域β内で水平方向に蛇行し、その後酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらに、４本の酸化剤流路溝３６ｉ〜３６ｌが、並行して酸化剤供給口２０から領域γまで延び、領域γ内で水平方向に蛇行し、その後酸化剤排出口２１に至るように形成されている。さらにまた、４本の酸化剤流路溝３６ｍ〜３６ｐが、並行して酸化剤供給口２０から領域δまで延び、領域δ内で水平方向に蛇行し、その後水平に延びて酸化剤排出口２１に至るように形成されている。
さらに、親水化処理膜１３が、第１セパレータ板１Ｃの酸化剤流路形成面の各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する領域に形成されている。
なお、この実施の形態４では、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ｃを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。また、第１セパレータ板１Ｃは、酸化剤流路３０に代えて酸化剤流路溝３６ａ〜３６ｐからなる酸化剤流路３６を形成している点を除いて、第１セパレータ板１と同様に構成されている。
【００３７】
この実施の形態４においても、酸化剤流路溝３６ｄの下流側と酸化剤流路溝３６ｅの上流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３６ｈの下流側と酸化剤流路溝３６ｉの上流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３６ｌの下流側と酸化剤流路溝３６ｍの上流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接するように酸化剤流路３６がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する第１セパレータ板１Ｃの領域に形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態１と同様に、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００３８】
ここで、この実施の形態４による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３６の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３６の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持し、上記実施の形態１と同等の結果が得られた。
【００３９】
実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
図１１において、４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄが、第１セパレータ板１Ｄの主面の電極支持部（水平方向（図１１中左右方向）に幅１８ｃｍ、鉛直方向（図１１中上下方向）に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）に、並行して酸化剤供給口２０から酸化剤排出口２１に至るように形成されている。そして、４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄは、電極支持部のほぼ中央部（ゾーン４１）を中間点として折り返し、該中間点からそれぞれ酸化剤供給口２０および酸化剤排出口２１に向かって対となり、渦巻き状に電極支持部内を展開して酸化剤供給口２０および酸化剤排出口２１に達するように形成されている。この時、酸化剤供給口２０から中間点に至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域とは互いに隣接している。そして、酸化剤流路溝３７ａの酸化剤供給口２０から中間点に至る流路溝部分と、酸化剤流路溝３７ａの酸化剤排出口２１から中間点に至る流路溝部分とが隣接した流路溝の対となっている。同様に、酸化剤流路溝３７ｄの酸化剤供給口２０から中間点に至る流路溝部分と、酸化剤流路溝３７ｄの酸化剤排出口２１から中間点に至る流路溝部分とが隣接した流路溝の対となっている。また、各酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄは、酸化剤供給口２０から中間点に至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域との境界に関して相対する流路の出口度の和がほぼ１となっている。
さらに、親水化処理膜１３が、図示していないが、酸化剤供給口２０から中間点に至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域との境界に対応する第１セパレータ板１Ｄの酸化剤流路形成面の領域に形成されている。
【００４０】
ここで、流路の出口度とは、酸化剤供給口２０から流路溝のある地点までの道のりを、酸化剤供給口２０から酸化剤排出口２１までの流路溝の道のりで除した値である。つまり、酸化剤流路溝３７ａを例にとって説明すれば、酸化剤流路溝３７ａの中間点から上流側に距離Ａ離れた地点と、酸化剤流路溝３７ａの中間点から下流側に距離Ａ離れた地点とが、酸化剤供給口２０から中間点に至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る４本の酸化剤流路溝３７ａ〜３７ｄの形成領域との境界に関して相対する各酸化剤流路溝３７ａの２つの地点となる。そこで、酸化剤供給口２０から酸化剤排出口２１までの酸化剤流路溝３７ａの道のりをＣとしたとき、酸化剤流路溝３７ａの中間点から上流側に距離Ａ離れた地点の酸化剤供給口２０からの道のりＢ１は（Ｃ／２−Ａ）となり、酸化剤流路溝３７ａの中間点から下流側に距離Ａ離れた地点の酸化剤供給口２０からの道のりＢ２は（Ｃ／２＋Ａ）となる。それ故、酸化剤流路溝３７ａの中間点から上流側に距離Ａ離れた地点における流路の出口度は（Ｃ／２−Ａ）／Ｃとなり、酸化剤流路溝３７ａの中間点から下流側に距離Ａ離れた地点の流路の出口度は（Ｃ／２＋Ａ）となり、両者の出口度の和が１となる。
【００４１】
このように構成された酸化剤流路３７においては、酸化剤流路溝３７ａの上流側と下流側とが隣接し、かつ、酸化剤流路溝３７ｄの上流側と下流側とが隣接している。
なお、この実施の形態５では、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ｄを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。また、第１セパレータ板１Ｄは、酸化剤流路３０に代えて酸化剤流路３７を形成している点を除いて、第１セパレータ板１と同様に構成されている。
【００４２】
この実施の形態５においても、酸化剤流路溝３７ａの上流側と下流側とが隣接し、酸化剤流路溝３７ｄの上流側と下流側とが隣接するように酸化剤流路３７がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３７の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３７の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、酸化剤流路溝３７ａの上流側と下流側との隣接部位を跨ぐように、かつ、酸化剤流路溝３７ｄの上流側と下流側との隣接部位を跨ぐように第１セパレータ板１Ｄに形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３７の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３７の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態１と同様に、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００４３】
ここで、この実施の形態５による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３７の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３７の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持し、上記実施の形態１と同等の結果が得られた。
【００４４】
実施の形態６．
図１２はこの発明の実施の形態６に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
図１２において、第１セパレータ板１Ｅは、酸化剤供給口２０、酸化剤排出口２１および燃料排出口２３が水平方向（図１２中左右方向）の１辺に穿設され、冷却水供給口２５、冷却水排出口２６および燃料供給口２２が水平方向の相対する１辺に穿設されている。そして、酸化剤供給口２０および酸化剤排出口２１は、第１セパレータ板１Ｅの水平方向の１辺の上端側（図１２中左上側）に鉛直方向（図１２中上下方向）に並設されている。
【００４５】
５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅは、第１セパレータ板１Ｅの主面の電極支持部（水平方向に幅１８ｃｍ、鉛直方向に高さ８ｃｍの長方形の電極に対応する領域）に、並行して酸化剤供給口２０から酸化剤排出口２１に至るように形成されている。そして、５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅは、電極支持部の水平方向の他辺の下端側（ゾーン４２：図１２中右下側）を中間点として折り返し、該中間点からそれぞれ酸化剤供給口２０および酸化剤排出口２１に向かって対となり、蛇行して電極支持部内を展開して酸化剤供給口２０および酸化剤排出口２１に達するように形成されている。この時、酸化剤供給口２０から中間点に至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域とは互いに隣接している。そして、酸化剤流路溝３８ａの酸化剤供給口２０から中間点に至る流路溝部分と、酸化剤流路溝３８ａの酸化剤排出口２１から中間点に至る流路溝部分とが隣接した流路溝の対となっている。同様に、酸化剤流路溝３８ｅの酸化剤供給口２０から中間点に至る流路溝部分と、酸化剤流路溝３８ｅの酸化剤排出口２１から中間点に至る流路溝部分とが隣接した流路溝の対となっている。また、各酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅは、酸化剤供給口２０から中間点に至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域との境界に関して相対する流路の出口度の和がほぼ１となっている。
さらに、親水化処理膜１３が、図示されていないが、酸化剤供給口２０から中間点に至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域と、酸化剤排出口２１から中間点まで至る５本の酸化剤流路溝３８ａ〜３８ｅの形成領域との境界に対応する第１セパレータ板１Ｅの酸化剤流路形成面の領域に形成されている。
【００４６】
このように構成された酸化剤流路３８においては、酸化剤流路溝３８ａの上流側と下流側とが隣接し、かつ、酸化剤流路溝３８ｅの上流側と下流側とが隣接している。
なお、この実施の形態６では、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ｅを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。また、第１セパレータ板１Ｅは、酸化剤流路３０に代えて酸化剤流路３８を形成している点を除いて、第１セパレータ板１と同様に構成されている。
【００４７】
この実施の形態６においても、酸化剤流路溝３８ａの上流側と下流側とが隣接し、酸化剤流路溝３８ｅの上流側と下流側とが隣接するように酸化剤流路３８がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３８の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３８の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、酸化剤流路溝３８ａの上流側と下流側との隣接部位を跨ぐように、かつ、酸化剤流路溝３８ｅの上流側と下流側との隣接部位を跨ぐように第１セパレータ板１Ｅに形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３８の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３８の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態１と同様に、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００４８】
ここで、この実施の形態６による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３８の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３８の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持し、上記実施の形態１と同等の結果が得られた。
【００４９】
実施の形態７．
図１３はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
図１３において、第１セパレータ板１Ｆは、酸化剤供給口２０ａ、酸化剤排出口２１ｂ、酸化剤供給口２０ｃおよび酸化剤排出口２１ｄが水平方向（図１３中左右方向）の１辺に鉛直方向（図１３中上下方向）に並んで穿設され、酸化剤排出口２１ａ、酸化剤供給口２０ｂ、酸化剤排出口２１ｃおよび酸化剤供給口２０ｄが水平方向に相対する１辺に鉛直方向に並んで穿設されている。また、燃料供給口２２、燃料排出口２３、冷却水供給口２５および冷却水排出口２６は、図示していないが、第１セパレータ板１Ｆの鉛直方向に相対する２辺にそれぞれ穿設されている。
【００５０】
そして、４本の酸化剤流路溝３９ａ〜３９ｄが、第１セパレータ板１Ｆの主面の電極支持部（水平方向に幅１０ｃｍ、鉛直方向に高さ１４ｃｍの長方形の電極に対応する領域）に、並行して水平に酸化剤供給口２０ａから酸化剤排出口２１ａに至るように形成されている。また、４本の酸化剤流路溝３９ｅ〜３９ｈが、第１セパレータ板１Ｆの主面の電極支持部に、並行して水平に酸化剤供給口２０ｂから酸化剤排出口２１ｂに至るように形成されている。また、４本の酸化剤流路溝３９ｉ〜３９ｌが、第１セパレータ板１Ｆの主面の電極支持部に、並行して水平に酸化剤供給口２０ｃから酸化剤排出口２１ｃに至るように形成されている。さらに、４本の酸化剤流路溝３９ｍ〜３９ｐが、第１セパレータ板１Ｆの主面の電極支持部に、並行して水平に酸化剤供給口２０ｄから酸化剤排出口２１ｄに至るように形成されている。
【００５１】
このように構成された酸化剤流路３９においては、酸化剤流路溝３９ａ〜３９ｄの流路溝群と、酸化剤流路溝３９ｅ〜３９ｈの流路溝群とが空気の流れ方向を逆向きとして隣接し、酸化剤流路溝３９ｅ〜３９ｈの流路溝群と、酸化剤流路溝３９ｉ〜３９ｌの流路溝群とが空気の流れ方向を逆向きとして隣接し、酸化剤流路溝３９ｉ〜３９ｌの流路溝群と、酸化剤流路溝３９ｍ〜３９ｐの流路溝群とが空気の流れ方向を逆向きとして隣接している。そして、酸化剤流路溝３９ｄ、３９ｈ、３９ｌの下流側が、それぞれゾーン４３ａ、４３ｂ、４３ｃにおいて、酸化剤流路溝３９ｅ、３９ｉ、３９ｍの上流側と隣接し、酸化剤流路溝３９ｄ、３９ｈ、３９ｌの上流側が、それぞれゾーン４４ａ、４４ｂ、４４ｃにおいて、酸化剤流路溝３９ｅ、３９ｉ、３９ｍの下流側と隣接している。
さらに、親水化処理膜１３が、図示されていないが、ゾーン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃに対応する第１セパレータ板１Ｆの酸化剤流路形成面の領域に形成されている。
【００５２】
なお、この実施の形態７では、第１セパレータ板１に代えて第１セパレータ板１Ｆを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。また、第１セパレータ板１Ｆは、酸化剤流路３０に代えて酸化剤流路３９を形成している点、燃料供給口２２、燃料排出口２３、冷却水供給口２４および冷却水排出口２５の形成位置を除いて、第１セパレータ板１と同様に構成されている。
【００５３】
この実施の形態７においても、酸化剤流路溝３９ｄ、３９ｈ、３９ｌの下流側がそれぞれ酸化剤流路溝３９ｅ、３９ｉ、３９ｍの上流側と隣接し、かつ、酸化剤流路溝３９ｄ、３９ｈ、３９ｌの上流側がそれぞれ酸化剤流路溝３９ｅ、３９ｉ、３９ｍの下流側と隣接するように酸化剤流路３９がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３９の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３９の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。さらに、親水化処理膜１３が、ゾーン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃに対応する第１セパレータ板１Ｆの領域に形成されているので、湿潤状態の酸化剤流路３９の下流側の水分が親水化処理膜１３を介して乾燥状態の酸化剤流路３９の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態１と同様に、反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００５４】
ここで、この実施の形態７による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３９の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３９の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持し、上記実施の形態１と同等の結果が得られた。
【００５５】
実施の形態８．
図１４はこの発明の実施の形態８に係る燃料電池の第１セパレータ板とガス拡散層との位置関係を示す分解斜視図である。
図１４において、第１セパレータ板１Ｇは、親水化処理膜１３が形成されていない点を除いて、上記実施の形態４における第１セパレータ板１Ｃと同様に構成されている。ガス拡散層６Ａは、水平方向に幅１８ｃｍ、鉛直方向に高さ８ｃｍの長方形に形成された例えばカーボンペーパ（厚さ０．３ｍｍ、空隙率８５％）で作製されている。そして、例えば酸化チタン薄膜を形成する親水化処理がガス拡散層６Ａに施され、親水性部材としての親水化処理膜１５がガス拡散層６Ａの酸化剤電極に接する表面のゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する領域に形成されている。さらに、例えばＰＴＥＦ（ポリ４フッ化エチレン）樹脂を形成する撥水処理がガス拡散層６Ａに施され、撥水処理膜１６がガス拡散層６Ａの酸化剤電極に接する表面のゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する領域以外の領域に形成されている。
【００５６】
なお、この実施の形態８では、第１セパレータ板１およびガス拡散層６に代えて第１セパレータ板１Ｇおよびガス拡散層６Ａを用いている点を除いて、上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００５７】
この実施の形態８においても、上記実施の形態４と同様に、酸化剤流路溝３６ｄの下流側と酸化剤流路溝３６ｅの上流側とが領域αと領域βとの境界（ゾーン４０ａ）で隣接し、酸化剤流路溝３６ｈの下流側と酸化剤流路溝３６ｉの上流側とが領域βと領域γとの境界（ゾーン４０ｂ）で隣接し、酸化剤流路溝３６ｌの下流側と酸化剤流路溝３６ｍの上流側とが領域γと領域δとの境界（ゾーン４０ｃ）で隣接するように酸化剤流路３６がデザインされているので、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側の水分が乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側に移動し、電解質膜５の湿潤状態が均一化される。
さらに、親水化処理膜１５が、各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応するガス拡散層６Ａの領域に形成されているので、水分の生成場所と移動経路とが近接することになり、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側の水分が親水化処理膜１５を介して乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。その結果、上記実施の形態４よりもさらに反応分布が均一となり、連続運転しても高電圧・高出力が維持される燃料電池を実現できる。
【００５８】
ここで、この実施の形態８による燃料電池を用いて発電運転した結果について述べる。
まず、冷却水を冷却水流路３２に流通させ、燃料電池１２の温度を８０℃に維持した。そして、酸化剤供給口２０から露点６５℃の空気を利用率５０％相当の流量で流し、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素：７５％、ＣＯ２：残り）を燃料として燃料供給口２２から燃料利用率８０％相当の流量で流して発電運転を実施した。
この時、酸化剤流路３９の酸化剤供給口２０近傍（酸化剤入口部）の相対湿度は５３％であり、酸化剤流路３９の酸化剤排出口２１近傍（酸化剤出口部）の相対湿度は８０％に達した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧は初期で７５０ｍＶであり、５時間運転を継続した時点でも７４０ｍＶ以上を維持し、上記実施の形態４と同等の結果が得られた。
【００５９】
なお、上記実施の形態８では、上記実施の形態４による燃料電池のガス拡散層６に親水化処理および撥水処理を施すものとして説明しているが、上記実施の形態１〜３、５〜７による燃料電池のガス拡散層に適用しても同様の効果が得られる。
【００６０】
実施の形態９．
上記実施の形態８では、親水化処理がガス拡散層６Ａの酸化剤電極に接する表面に施されているものとしているが、この実施の形態９では、撥水処理を施すことなく、親水化処理をガス拡散層６全体に施すものとしている。
従って、上記実施の形態８と同等の効果が得られるとともに、親水化処理を施す際にマスキング等が不要となり、コストの低減が図られる。
【００６１】
実施の形態１０．
上記実施の形態９では、ガス拡散層６全体に親水化処理を施すものとしているが、この実施の形態１０では、ガス拡散層を２層構造とし、酸化剤電極に接する側のガス拡散層に親水化処理を施し、第１セパレータ板に接する側のガス拡散層に撥水処理を施すものとしている。
この実施の形態１０においても、親水化処理の際にマスキング等が不要となり、上記実施の形態９と同様に、コストの低減が図られる。
また、この実施の形態１０では、ガス拡散層を２層構造とし、酸化剤電極に接する側のガス拡散層に親水化処理を施し、第１セパレータ板に接する側のガス拡散層に撥水処理を施しているので、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ２でのセル電圧が初期で７５５ｍＶとなり、運転から５時間経過後でも７４５ｍＶ以上を維持できる燃料電池が得られる。
【００６２】
実施の形態１１．
上記実施の形態８では、ガス拡散層としてカーボンペーパ６Ａを用いるものとしているが、この実施の形態１１では、親水化処理を施した縦糸（親水性繊維）と、撥水処理を施した横糸とを用いて織り上げたカーボン織布をガス拡散層として用い、縦糸が鉛直方向に向くようにガス拡散層を配置している。
なお、他の構成は上記実施の形態８と同様に構成されている。
【００６３】
従って、この実施の形態１１においても、ガス拡散層の親水化処理された縦糸が、各ゾーン４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する領域で、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側と乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側とに跨るように位置しているので、湿潤状態の酸化剤流路３６の下流側の水分が縦糸を介して乾燥状態の酸化剤流路３６の上流側に移動しやすくなり、電解質膜５の湿潤状態が速やかに均一化される。さらに、親水化した繊維の方向が水を移動させたい方向と一致しており、移動を促進し、水分の均一化が容易になる。
【００６４】
なお、上記実施の形態１１では、上記実施の形態８のガス拡散層に代えてカーボン織布を用いるものとして説明しているが、他の実施の形態のガス拡散層に代えてカーボン織布を用いてもよいことは言うまでもないことである。この場合、親水化処理された縦糸を湿潤状態の酸化剤流路の下流側と乾燥状態の酸化剤流路の上流側とに跨るようにカーボン織布を配置すればよい。例えば、上記実施の形態１に適用する場合には、縦糸を水平方向に一致させてカーボン織布を配置することになる。
また、上記実施の形態１１では、ガス拡散層を親化水処置された縦糸と撥水処理された横糸とで織り上げたカーボン織布を用いるものとしているが、親水性繊維のみを湿潤状態の酸化剤流路の下流側と乾燥状態の酸化剤流路の上流側とに跨るように配置してもよい。この場合、第１セパレータ板あるいはガス拡散層に親水性繊維収納凹部を形成し、親水性繊維を該親水性繊維収納凹部内に収納させればよい。
【００６５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、酸化剤流路は、第１セパレータ板の一面の分割された領域のそれぞれに酸化剤供給口から酸化剤排出口に至るように形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、複数の流路群は、分割された領域内を折り返して走行し、かつ、分割された領域の境界部分の少なくとも一部で、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側が他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側に接するように構成され、さらに、親水性部材が、分割された領域の境界部分を跨いで、一方の流路群の酸化剤流路溝の上流側と他方の流路群の酸化剤流路溝の下流側とを橋渡しするように配設されている。そこで、運転中に生成した水分により湿潤となった下流域の水分が乾燥した上流域にスムーズに移動するので、湿度の低い反応ガスを供給しても、反応分布が均一化され、長期に渡って高電圧・高出力が得られる燃料電池を提供できる。
【００６６】
また、酸化剤流路は、酸化剤供給口から中間点で折り返されて酸化剤排出口に至るように第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝から構成され、複数の酸化剤流路溝のそれぞれは、中間点から酸化剤供給口に至る流路溝領域と中間点から酸化剤排出口に至る流路溝領域との境界に関して相対する流路の出口度の和を実質的に１とするように形成され、さらに、親水性部材が、該境界を跨いで、中間点から酸化剤供給口に至る流路溝領域と中間点から酸化剤排出口に至る流路溝領域とを橋渡しするように配設されている。そこで、運転中に生成した水分により湿潤となった下流域の水分が乾燥した上流域にスムーズに移動するので、湿度の低い反応ガスを供給しても、反応分布が均一化され、長期に渡って高電圧・高出力が得られる燃料電池を提供できる。
【００６７】
また、酸化剤供給口と酸化剤排出口との複数対が第１セパレータ板に形成され、酸化剤流路は、各対の酸化剤供給口から酸化剤排出口に直線的に至るように第１セパレータ板の一面に形成された並行した複数の酸化剤流路溝からなる複数の流路群から構成され、さらに、複数の流路群は、隣接する流路群の酸化剤流体の流れ方向が互いに逆向きとなるように、酸化剤流体の流れ方向と直交する方向に隣接して配列されている。そこで、運転中に生成した水分により湿潤となった下流域の水分が乾燥した上流域に移動するので、湿度の低い反応ガスを供給しても、反応分布が均一化され、長期に渡って高電圧・高出力が得られる燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の構成を説明する側面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の単セルの構成を説明する断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の第１セパレータ板を示す要部断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の第２セパレータ板の燃料流路面を示す平面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の第２セパレータ板の冷却水流路面を示す平面図である。
【図７】比較例としての第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る燃料電池の第１セパレータ板を示す要部断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路面を示す平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
【図１１】この発明の実施の形態５に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
【図１２】この発明の実施の形態６に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
【図１３】この発明の実施の形態７に係る燃料電池の第１セパレータ板の酸化剤流路形成面を示す平面図である。
【図１４】この発明の実施の形態８に係る燃料電池の第１セパレータ板とガス拡散層との位置関係を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ  第１セパレータ板、２  第２セパレータ板、３  酸化剤電極、４  燃料電極、５  電解質膜、６、６Ａ  ガス拡散層、８  単セル、１３、１５  親水化処理膜（親水性部材）、２０、２０ａ〜２０ｄ  酸化剤供給口、２１、２１ａ〜２１ｄ  酸化剤排出口、３０、３３、３６、３７、３８、３９  酸化剤流路、３０ａ〜３０ｐ、３３ａ〜３３ｄ、３６ａ〜３６ｐ、３７ａ〜３７ｄ、３８ａ〜３８ｅ、３９ａ〜３９ｐ  酸化剤流路溝、３１  燃料流路、３２  冷却水流路、α、β、γ、δ  領域。
【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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