(57)【要約】【課題】スタック構造を有する発電部において、発電体とセパレータとが積層される積層方向に沿った発電部の温度ばらつきを抑制し、発電部の温度を均一に維持する。【解決手段】放熱フィン７３ａ〜７３ｄの断面積Ｓ１〜Ｓ４は、放熱フィン７３ａ〜７３ｄの厚み寸法ｔが等しいことから、幅寸法ｗ１〜ｗ４の大きさによって大きさが決まる。放熱フィン７３ａの断面積Ｓ１が最も小さく、断面積Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の順に小さくなるように各放熱フィン７１ａ〜７１ｄの幅寸法ｗ１〜ｗ４が調整されて放熱フィン７３ａ〜７３ｄが設けられている。すなわち、放熱フィン７３ａ〜７３ｄの断面積Ｓ１〜Ｓ４に応じて伝熱量が調整され、発電部７０の積層方向に関する温度勾配を低減し、発電部７０の温度を略均一に維持することができる。【選択図】  図７
2004273140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、
前記発電体と接するセパレータ本体部と、
前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、
前記放熱部の断面積が、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記放熱部の断面積は、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、前記積層方向に関して前記放熱部より外側に配設される放熱部の断面積より大きいこと
を特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
前記放熱部は略平板状とされること
を特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項４】
前記放熱部の断面積は、前記放熱部の幅寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることにより設定されること
を特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項５】
発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、
前記発電体と接するセパレータ本体部と、
前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、
前記放熱部の表面積は、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とするセパレータ。
【請求項６】
前記放熱部の表面積は、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、前記積層方向に関して前記放熱部より外側に配設される放熱部の表面積より大きいこと
を特徴とする請求項５記載のセパレータ。
【請求項７】
前記放熱部は略平板状とされること
を特徴とする請求項５記載のセパレータ。
【請求項８】
前記放熱部の表面積は、前記放熱部の幅寸法、長さ寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることにより設定されること
を特徴とする請求項５記載のセパレータ。
【請求項９】
発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、
前記発電体と接するセパレータ本体部と、
前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、
前記放熱部の熱放射率が、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とするセパレータ。
【請求項１０】
前記放熱部の熱放射率は、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、前記積層方向に関して前記放熱部より外側に配設される放熱部の熱放射率より大きいこと
を特徴とする請求項９記載のセパレータ。
【請求項１１】
前記放熱部の熱放射率は、前記放熱部の表面の表面粗さを変えることにより設定されること
を特徴とする請求項９記載のセパレータ。
【請求項１２】
前記放熱部の熱放射率は、前記放熱部の表面に対する表面処理を変えることにより設定されること
を特徴とする請求項９記載のセパレータ。
【請求項１３】
発電体と他発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、
前記セパレータは、前記発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、
前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して隣り合う放熱部の間隔が、前記積層方向に関して前記放熱部が前記燃料電池本体に配設される位置の違いに応じて所要の間隔とされていること
特徴とする燃料電池装置。
【請求項１４】
前記燃料電池本体に供給される酸化用流体を各放熱部の間に流動させて前記放熱部からの放熱が行われること
を特徴とする請求項１３記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
前記所要の間隔は、前記積層方向に関して前記燃料電池本体の外側に位置して隣り合う放熱部の間隔ほど小さいこと
を特徴とする請求項１３記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記セパレータ本体部の厚み寸法は、前記積層方向に関して前記燃料電池本体の外側に位置するセパレータ本体部ほど小さいこと
を特徴とする請求項１３記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
前記放熱部の厚み寸法と前記放熱部が突設されるセパレータ本体部の厚み寸法の差は、前記積層方向に関して前記燃料電池本体の外側ほど小さいこと
を特徴とする請求項１３記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
発電体と前記発電体に隣り合う発電体を電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、
前記セパレータは、前記発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、
前記放熱部の断面積が、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とする燃料電池装置。
【請求項１９】
発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、
前記セパレータは、前記発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、
前記放熱部の表面積が、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とする燃料電池装置。
【請求項２０】
発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、
前記セパレータは、前記発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、
前記放熱部の熱放射率が、前記発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていること
を特徴とする燃料電池装置。
【請求項２１】
発電体と、前記発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとが積層されてなる燃料電池本体の温度を調整する燃料電池装置の温度調整方法であって、
前記発電体と接するセパレータ本体部と、前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とにより前記セパレータを構成し、
前記燃料電池本体を冷却するための冷却用流体を前記放熱部の周辺に流動させ、
前記発電体と前記セパレータとが積層される積層方向に関して、前記放熱部が配設される位置の違いに応じて前記放熱部からの放熱量を調整すること
を特徴とする燃料電池装置の温度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータ、燃料電池装置及び燃料電池装置の温度調整方法に関する。さらに詳しくは発電を行う際の燃料電池装置の温度を略均一に維持することができるセパレータ、燃料電池装置及び燃料電池装置の温度調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガスの如き燃料ガスと空気に含まれる酸素ガスの如き酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されている。
【０００３】
また、燃料電池は、発電セルを複数結合させることにより出力される電力量を高めることが可能である。例えば固体高分子電解質膜の両面に電極を形成してなる接合体を発電体とし、この発電体をセパレータで挟みこんで発電セルが形成される。さらに、このような発電セルが積層されたスタック構造を有する燃料電池本体を発電部とする燃料電池も開発されている。
【０００４】
燃料電池は水素と酸素の化学反応によって発電を行うため、電気化学的な反応による損失分や発電部を構成する材料の電気抵抗などによって発熱し、発電セルが積層されてなる燃料電池本体の温度が上昇する。燃料電池本体は、実質的に発電を行う発電部であり、発電部の温度上昇は安定した発電を行うためには好ましくない。例えば、固体高分子電解質膜とかかる固体高分子電解質膜を挟む電極とから構成される発電体を有する固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜に含まれる水分量が温度上昇と共に減少し、ドライアップと呼ばれる不具合を招く場合がある。よって、固体高分子電解質膜に好適な水分を吸湿させた状態で安定した発電を行うためには、燃料電池本体とされる発電部から熱を外部へ放熱する技術が重要とされる。
【０００５】
このような問題点を改善するために各種技術開発が活発に行われており、スタック構造を有する発電部から熱を放熱するための技術として、スタック構造を有する発電部に配設された各セパレータに放熱フィンを設けることにより放熱を行う技術が知られている（例えば特許文献１）。また、プレート型ヒートパイプにより発電部を冷却する技術も提案されている（例えば特許文献２，３）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１６２８４２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２１４０１７号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５３５３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１により開示された技術によれば、発電体とこの発電体に直接接して挟み込むセパレータ本体部とで構成される発電セルにおいて、発電を行う際に生じる熱はセパレータ本体部に設けられた放熱フィンから外部に放熱されるだけでなく、セパレータ本体部の他の側縁部からも放熱される。さらに、発電セルで生じる熱はセパレータ本体部から放熱フィンに伝熱されるに止まらず、発電部の高さ方向、すなわちセパレータ本体部と発電体とが積層される積層方向にも伝熱される。したがって、スタック構造を有する発電部においては、発電時に発電部の上部、中央部及び下部で温度を比較した場合に、上述した積層方向に関する位置に応じて各部で温度が異なる場合がある。具体的には、積層方向に関して発電部の中央部に位置する発電セルの温度が他の発電セルより高くなり、発電部の上部及び下部を構成する発電セルの温度が低くなる傾向にある。このように、発電部の中央部から上部、発電部の中央部から下部に亘って温度勾配が生じた状態で発電を行った場合には、他の発電セルより温度が高い発電セル、特に発電部の中央付近に配設される発電セルにドライアップなどの不具合が生じ、発電部による安定した発電を行うことが困難となる場合がある。
【０００８】
また、特許文献２，３により開示された技術においても特許文献１に記載された技術と同様に、発電部に配設される発電セルの位置に応じて発電セルの温度を調整する技術については言及されておらず、スタック構造を有する発電部について発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して生じる温度勾配を改善し、発電部全体の温度を均一に維持しながら発電を行うことは難しい。
【０００９】
よって、本発明は上述の問題点を鑑み、スタック構造を備える発電部において、積層方向に関して発電セルが配設される位置に応じて各発電セルの温度が調整され、発電部全体の温度を略均一に維持しながら発電を行うことができるセパレータ、燃料電池装置及び燃料電池装置の温度調整方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるセパレータは、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、発電体と接するセパレータ本体部と、セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、放熱部の断面積が、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。本発明にかかるセパレータによれば、放熱部の断面積の大きさに応じて各セパレータ本体部から放熱部に伝わる熱量が異なることから、発電部全体の温度が均一となるように各セパレータ本体部から各放熱部に所定の熱量を伝えることができる。
【００１１】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の断面積は、発電体とセパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、積層方向に関して放熱部より外側に配設される放熱部の断面積より大きいことを特徴とする。このような放熱部によれば、発電体とセパレータ本体部とで構成される発電セルが配設される位置に応じて発電セルから放熱部に伝熱される伝熱量を調整することができ、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して各発電セルの温度を略均一とすることが可能となる。
【００１２】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部は略平板状とされることを特徴とする。このような放熱部によれば、放熱部の断面積を設定する際に放熱部の所定の寸法を変更することにより正確に断面積を設定することができる。
【００１３】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の断面積は、放熱部の幅寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることにより設定されることを特徴とする。このようなセパレータによれば、放熱部の幅寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることにより発電部全体の温度を均一にすることができるだけでなく、発電部全体の温度が略均一になるように放熱部の設計を容易に行うことができる。
【００１４】
本発明にかかるセパレータは、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、発電体と接するセパレータ本体部と、セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、放熱部の表面積は、発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。本発明にかかるセパレータによれば、放熱部の表面積の大きさに応じて各放熱部から放熱される放熱量を調整し、発電部全体の温度が均一となるように各放熱部から所定の熱量を放熱することにより発電部の温度を略均一にすることができる。
【００１５】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の表面積は、発電体とセパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、積層方向に関して放熱部より外側に配設される放熱部の表面積より大きいことを特徴とする。このような放熱部によれば、発電体とセパレータ本体部とで構成される発電セルが配設される位置に応じて放熱部から放熱される放熱量を調整することができ、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して各発電セルの温度を略均一とすることが可能となる。
【００１６】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部は略平板状とされることを特徴とする。このような放熱部によれば、放熱部の表面積を設定する際に放熱部の所定の寸法を変更することにより正確に表面積を設定することができる。
【００１７】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の表面積は、放熱部の幅寸法、長さ寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることにより設定されることを特徴とする。このようなセパレータによれば、発電部全体の温度を均一にすることができるだけでなく、放熱部の幅寸法、長さ寸法、及び厚み寸法のうち少なくとも一の寸法を変えることより発電部全体の温度が略均一になるように放熱部の設計を容易に行うことができる。
【００１８】
本発明にかかるセパレータは、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるように積層されるセパレータであって、発電体と接するセパレータ本体部と、セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、放熱部の熱放射率が、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して、セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。本発明にかかるセパレータによれば、放熱部の熱放射率の大きさに応じて各放熱部から放熱される放熱量を調整することができ、発電部全体の温度を略均一とすることができる。
【００１９】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の熱放射率は、発電体とセパレータ本体部とが積層されてなる燃料電池本体において、積層方向に関して放熱部より外側に配設される放熱部の熱放射率より大きいことを特徴とする。このような放熱部によれば、発電体とセパレータ本体部とで構成される発電セルが配設される位置に応じて放熱部から放熱される放熱量を調整することができ、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して各発電セルの温度を略均一とすることが可能となる。
【００２０】
本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の熱放射率は、放熱部の表面の表面粗さを変えることにより設定されることを特徴とする。このようなセパレータによれば、放熱部のサイズや外形などの設計を変更することなく放熱部からの放熱量を変えることが可能となる。
【００２１】
さらに、本発明にかかるセパレータにおいては、放熱部の熱放射率は、放熱部の表面に対する表面処理を変えることにより設定されることを特徴とする。このようなセパレータによれば、放熱部のサイズや外形などの設計を変更することなく放熱部からの放熱量を変えることが可能となる。
【００２２】
本発明にかかる燃料電池装置は、発電体と他発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、セパレータは、発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関して隣り合う放熱部の間隔が、積層方向に関して放熱部が前記燃料電池本体に配設される位置の違いに応じて所要の間隔とされていることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池装置によれば、隣り合う放熱部の間に流動する空気の流量が積層方向に関する放熱部の位置に応じて異なることにより放熱部から放熱される熱量を変えることが可能である。これにより、燃料電池本体全体の温度を均一にすることができ、安定した発電をおこなうことが可能となる。
【００２３】
本発明にかかる燃料電池装置においては、燃料電池本体に供給される酸化用流体を各放熱部の間に流動させて放熱部からの放熱が行われることを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、燃料電池本体に酸化用流体を供給し、隣り合う放熱部の間に流動される酸化用流体の流量を調整することにより放熱部からの放熱量を変えることが可能となる。これにより、燃料電池本体全体の温度を均一にすることができ、安定した発電を行うことができる。
【００２４】
さら、本発明にかかる燃料電池装置においては、所定の間隔は、積層方向に関して燃料電池本体の外側に位置して隣り合う放熱部の間隔ほど小さいことを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、燃料電池本体の中央部に比べて温度上昇が小さい外側の発電セルからの放熱量を抑制することにより燃料電池本体の全体の温度上昇を抑制すると共に、燃料電池本体の温度を略均一にすることができる。
【００２５】
また、本発明にかかる燃料電池装置においては、セパレータ本体部の厚み寸法は、積層方向に関して燃料電池本体の外側に位置するセパレータ本体部ほど小さいことを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、各セパレータ本体部に同じ厚み寸法を有する放熱部を突設した場合には、隣り合うように配設されたセパレータ本体部の厚み寸法に応じて隣り合う放熱部の間隔が決まることとなり、燃料電池本体の外側に位置する放熱部ほど隣り合う放熱部との間隔が狭くなる。これにより、燃料電池本体の温度上昇を抑制され、さらに燃料電池本体の外側に位置する放熱部ほど放熱量が抑制されることにより燃料電池本体の全体の温度を均一にすることが可能となる。
【００２６】
また、本発明にかかる燃料電池装置においては、放熱部の厚み寸法と放熱部が突設されるセパレータ本体部の厚み寸法の差は、積層方向に関して燃料電池本体の外側ほど小さいことを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、隣り合うように配設されたセパレータ本体部について、各セパレータ本体部の厚み寸法とこれらセパレータ本体部に突設される放熱部の厚み寸法がそれぞれ異なる場合でも、放熱部の厚み寸法と放熱部が突設されるセパレータ本体部の厚み寸法の差に応じて隣り合う放熱部の間隔が決まることとなり、燃料電池本体の外側に位置する放熱部ほど隣り合う放熱部との間隔が狭くなる。これにより、電池本体の外側に位置する放熱部ほど放熱量が抑制され、発電セルが配設される位置に応じて放熱部からの放熱量が調整されて燃料電池本体の全体の温度を均一にすることができる。
【００２７】
本発明にかかる燃料電池装置は、発電体と発電体に隣り合う発電体を電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、セパレータは、発電体と接するセパレータ本体部とセパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを備え、放熱部の断面積が、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関して前記セパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、各セパレータ本体部から放熱部に伝わる伝熱量が調整され、燃料電池本体の全体の温度を均一に維持しながら安定した状態で発電を行うことができる。
【００２８】
本発明にかかる燃料電池装置は、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、セパレータは、発電体と接するセパレータ本体部と前記セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、放熱部の表面積が、発電体とセパレータ本体部とが積層される積層方向に関してセパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、放熱部から放熱される熱量が各放熱部で調整され、燃料電池本体の全体の温度を均一に維持しながら安定した状態で発電を行うことができる。
【００２９】
本発明にかかる燃料電池装置は、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータを積層してなる燃料電池本体を備える燃料電池装置であって、セパレータは、発電体と接するセパレータ本体部とセパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とを有し、放熱部の熱放射率が、発電体と前記セパレータ本体部とが積層される積層方向に関してセパレータ本体部が配設される位置の違いに応じて異なるように設定されていることを特徴とする。このような燃料電池装置によれば、放熱部のサイズや外形などの設計を変えることなく放熱部から放熱される熱量を調整することができるため、燃料電池本体の設計を変更することなく簡単に燃料電池本体全体の温度を略均一に維持することができる。
【００３０】
本発明にかかる燃料電池装置の温度調整方法は、発電体と、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとが積層されてなる燃料電池本体の温度を調整する燃料電池装置の温度調整方法であって、発電体と接するセパレータ本体部と、セパレータ本体部の側縁部に突設される放熱部とによりセパレータを構成し、燃料電池本体を冷却するための冷却用流体を放熱部の周辺に流動させ、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して、放熱部が配設される位置の違いに応じて放熱部からの放熱量を調整することを特徴とする。このような燃料電池装置の温度調整方法によれば、スタック構造を有する燃料電池本体の温度が積層方向に関して略均一となるように放熱部からの放熱量が調整することができ、安定した発電を行うことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置について説明する。本発明にかかるセパレータは放熱部に特徴を有し、さらに本発明にかかるセパレータにより構成される燃料電池本体、すなわち発電部を搭載する燃料電池装置は、放熱部の特徴を生かして発電部の温度を均一に維持しながら発電を行うことができる燃料電池装置である。
【００３２】
先ず、図１乃至図７を参照しながら本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置の構成を説明する。図１に示すように、燃料電池装置１は、筐体１０、制御基板２０、発電部７０、冷却ファン５１、空気供給ファン５２，５３、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６を備える。また、燃料電池装置１は、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスを受け取り、発電を行う。
【００３３】
図１及び図２に示すように、筐体１０は略直方体形状の外形を有し、燃料電池装置１に搭載される各種機器を覆うように内部が空洞とされると共に底面が開放されている。筐体１０は排気口１１，１２及び１３、吸気口１４，１５を備え、筐体１０の上面の端部は排気口１１，１２，１３が形成された側面に向かう傾斜面とされる。図２（ａ）に示すように、排気口１１と排気口１２，１３とは筐体１０の側面に隣り合うように形成され、発電部７０を冷却するために燃料電池装置１内で流動された空気と発電部７０による発電反応後の空気とが排気口１１，１２，１３からそれぞれ排出される。排気口１１は、発電部７０を構成するセパレータに設けられた放熱部から熱を放熱させるために、燃料電池装置１から空気を排出する吐き出し口である。さらに、排気口１１は、筐体１０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。排気口１２、１３は、発電部７０が発電を行った後の排気を排出するための吐き出し口とされる。排気口１２、１３は、筐体１０の側面に矩形状に開口し、排気口１１に沿って上下方向に複数形成されている。
【００３４】
図２（ｂ）に示しように、吸気口１４，１５は、筐体１０の排気口１１及び排気口１２，１３が形成された筐体１０の側面と対面する側面に形成され、吸気口１４，１５から発電部７０を冷却するための空気と発電部７０による発電反応に供される酸素を含む空気とがそれぞれ燃料電池装置１内に取り込まれる。吸気口１４は、発電部７０を構成するセパレータに設けられた放熱部から熱を放熱させるための空気を取り込むための取り込み口であり、筐体１０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。吸気口１５は、発電部７０が発電を行う際に発電部７０に供給される空気が取り込まれるための取り込み口とされ、吸気口１４と同様に筐体１０の側面に略矩形状に開口し、吸気口１４に沿って上下方向に複数形成されている。
【００３５】
また、図１、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、筐体１０の一の端面には燃料電池装置１と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続孔１６を形成されている。切り欠き部１７は接続孔１６が形成された端面の下側の一部に形成され、外部と燃料電池装置１の内部との間で各種信号を送受信するための配線が切り欠き部１７に通される。接続孔１６及び切り欠き部１７が形成された端面の反対側に位置する端面にも接続孔１６及び切り欠き部１７と同様に配線などを通すための接続孔１８が形成されている。
【００３６】
図１に示すように、制御基板２０は発電部７０の上側に配設され、燃料電池装置１を構成する各種機器を制御するための制御回路が形成されている。制御回路の詳細については図中において詳細に示さないが、例えば冷却ファン５１、空気供給ファン５２，５３の駆動の制御、或いは水素パージバルブ５４の開閉動作の制御回路、発電部７０により出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの如き電圧変換回路を制御基板２０に搭載することができる。さらにセンサにて検知された温度や湿度などの各種環境条件を取得することにより各種機器の駆動に関する指示を制御基板２０に実装された回路に行わせることもできる。また、本例の燃料電池装置１においては燃料電池装置１内に制御基板２０が配設されるが、制御基板２０は燃料電池装置１の外部に配設されていても良く、例えば、燃料電池装置１から駆動用の電力が提供される各種電子機器に制御基板２０を配設しておくこともできる。
【００３７】
次に、図１、図３乃至図７を参照しながら、燃料電池本体とされる発電部７０の構造を説明する。
【００３８】
図１及び図３に示すように、発電部７０は略直方体形状を有し、基台５７に配設されている。発電部７０は、９枚のセパレータ７１の間にそれぞれ発電体としての接合体７２が挟みこまれてなる発電セルから構成され、これら発電セルが８個直列に接続された構造を有している。このような発電セルは１素子で約０．６Ｖの電圧を出力することができるため、発電部７０の全体では４．８Ｖの電圧を出力することが可能である。発電部７０は、約２Ａの電流を流すことが可能であり出力される電力は理想的には９．６Ｗとなるが、発電反応における発熱などによって実際の出力電力は理想的な出力電力の約７割である約６．７Ｗとされる。しかしながら、接合体７２に含まれる水分量の調整や発電部７０への水素ガスの円滑な供給によりさらに出力電力を高めることができる。また、発電部７０を形成する発電セルは本例のように８素子に限定するものではなく、各種電子機器を駆動するために必要とされる出力電力に合わせて所要の数の発電セルにより発電部７０を形成することもできる。発電部７０の側面７９には各セパレータ７１に形成された開口部７７が臨み、発電部７０の側面７９の反対側の側面にも各開口部７７に対応するように開口部４０が形成されている。開口部７７と、開口部７７が臨む側面７９と反対側の側面に臨む開口部４０を介して、発電部７０に対する空気の供給、及び排出が行われる。
【００３９】
セパレータ７１は、セパレータ本体部７４と放熱フィン７３とから構成される。セパレータ本体部７４は接合体７２と積層される。放熱フィン７３は、セパレータ本体部７４の側縁部に設けられ、発電が行われる際に発電部７０の温度上昇を抑制するために放熱を行う。放熱フィン７３は、発電部７０の高さ方向、すなわちセパレータ７１と接合体７２とが積層される積層方向に配設される位置に応じてそれぞれ異なる幅寸法を有している。また、セパレータ本体部７４の側縁部からの長さ、すなわち放熱フィン７３の長さ寸法は、発電部７０を構成する各放熱フィンについて同様の長さ寸法とされる。
【００４０】
また、図１に示すように、発電部７０の側面７９に沿って、冷却ファン５１、空気供給ファン５２，５３が隣り合うように配設されている。冷却ファン５１は、放熱フィン７３の側面側から各放熱フィン７３の間に空気を流動させ、放熱フィン７３から放熱させる。また、空気供給ファン５２，５３は開口部７７に臨むように配設されており、開口部７７を介して発電部７０内で空気を流動させる。
【００４１】
続いて、図４乃至図７を参照しながら発電部７０と、発電部７０を構成するセパレータ７１の構造について詳細に説明する。
【００４２】
図４に示すように、セパレータ７１により挟み込まれる接合体７２は、吸湿した際にイオン伝導性を有する固体高分子電解質膜３６及びかかる固体高分子電解質膜３６を両面から挟み込む電極３７から形成される。さらに、スタック構造を形成した際にセパレータ７１と接合体７２との間を封止する封止部材３５が接合体７２の周縁付近に配置されている。封止部材３５は、セパレータ７１の周縁部と接合体７２の周縁部とを十分に絶縁することができる材質を用いれば良い。固体高分子電解質膜３６としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。電極３７は、発電反応を促進するための白金の如き触媒が担持された電極を用いることもできる。発電部７０を構成する発電セルは２枚のセパレータ７１とセパレータ７１に挟み込まれる接合体７２によって形成され、例えば、図４には直列に接続される２つの発電セル５０が示されている。
【００４３】
図５は、セパレータ７１の構造を示す平面図である。セパレータ７１の両面にはそれぞれ溝部３８，４３が形成されており、発電部７０を組み上げた際に溝部４３が接合体７２の燃料極と接し、溝部３８が接合体７２の空気極と接する。また、セパレータ７１には、溝部４３に接続された供給孔４２及び排出孔４１、溝部４３と供給孔４２とを接続する接続部４５、溝部４３と排出孔４１とを接続する接続部４６が形成されている。また、溝部３８，４３が形成されるセパレータ本体部７４の側縁部には放熱フィン７３が設けられている。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、溝部４３は、燃料ガスとされる水素ガスを接合体７２に供給するための面内流路とされる。溝部４３は発電反応の効率を高めるためにセパレータ７１の表面内を蛇行するように形成されており、水素ガスが接合体７２の燃料極全体に供給されるような形状とされる。供給孔４２は、発電部７０の外部に設けられた水素吸蔵カートリッジ６０の如き水素ガス貯蔵部から溝部４３に水素ガスを供給する際の水素ガスの流路とされる。接続部４５は溝部４３と供給孔４２とを接続し、溝部４３に水素ガスを供給する。また、接続部４６は溝部４３と排出孔４１とを接続し、溝部４３から発電反応後の水素ガスを排出する。本例のセパレータ７１においては、接続部４５，４６の断面積は各セパレータ７１と接合体７２とによりスタック構造を形成した際の溝部４３の断面積より小さくなるように形成され、例えば接続部４５，４６の幅が溝部４３の幅より狭くなるように形成される。さらに、接続部４５の幅を接続部４６の幅より狭くなるように形成し、溝部４３への水素ガスの入口側の幅を出口側の幅より狭くしておく。
【００４５】
供給孔４２及び排出孔４１は、スタック構造を形成した際に積層される各セパレータ７１の間で接続され、水素ガスを各セパレータ７１に供給する供給路と発電後の水素ガスを排出するための排出路を形成する。溝部４３に水が蓄積された際には、この排出路を水素パージバルブ５４により大気開放して溝部４３に蓄積された水の供給路側と排出路側とに圧力差を生じさせ、この圧力差によって水を排出することができる。さらに、スタック構造を形成した際の任意のセパレータ７１の溝部４３に水が蓄積された場合でも、水が蓄積された溝部４３内にのみ瞬間的に圧力差を生じさせることが可能であり、水を排出し発電部７０に安定して水素ガスを供給することができる。
【００４６】
図５（ｂ）に示すように、溝部３８はセパレータ７１の溝部４３が形成された面の裏面側に形成され、酸素を含む空気を流すための流路とされる。溝部３８は、セパレータ７１の幅方向に延在するように形成されてセパレータ７１の側面に開口する。さらに、溝部３８は、セパレータ７１の長手方向に沿って複数形成されている。また、溝部３８がセパレータ７１の側面にそれぞれ開口する開口部７７，４０を介して酸素を含む空気が溝部３８に供給されて、排気される。開口部７７，４０の幅は溝部３８の幅より大きめとされ、開口部７７，４０の側壁が溝部３８の側壁に対して傾斜したテーパー形状になるように開口部７７，４０をすることができる。このような開口部７７，４０によれば、溝部３８への空気の取りこみ又は溝部３８から空気を排出する際の空気に対する流路抵抗を低減することができ、溝部３８に円滑に空気を流動させることができる。また、開口部７７，４０の高さ方向に沿った開口幅が溝部３８の高さ寸法より大きめになるように開口部７７，４０を形成して、流路抵抗をさらに低減することが可能となる。
【００４７】
図６は、発電部７０を側面からみた側面図である。また、図７は、発電部７０を構成するセパレータに設けられた放熱フィンの一部を模式的に示した斜視断面図である。なお、セパレータ７１を、発電部７０の上側から下側に向かって配設される位置に応じて順にセパレータ７１ａ〜７１ｉとし、同様に放熱フィン７３を放熱フィン７３ａ〜７３ｉとして説明する。
【００４８】
図６に示すように、発電部７０は、セパレータ７１ａ〜７１ｉ及びセパレータ７１ａ〜７１ｉに挟み込まれて発電セルを構成する接合体７２から構成される。セパレータ７１ａ〜７１ｉには、接合体７２と直接接するセパレータ本体部７４の側縁部に放熱フィン７３ａ〜７３ｉが設けられている。
【００４９】
セパレータ７１ａ〜７１ｉのセパレータ本体部７４の側面にはそれぞれ接合体７２に空気を供給するための開口部７７が複数形成されており、発電部７０の側面側に配設された空気供給ファンから開口部７７に空気が供給される。また、発電部７０の側面に沿って空気供給ファンと隣り合うように配設される冷却ファンにより、放熱フィン７３ａ〜７３ｉの周辺に空気が流動されて放熱フィン７３ａ〜７３ｉから放熱される。
【００５０】
放熱フィン７３ａ〜７３ｉは、セパレータ７１ａ〜７１ｉに設けられたセパレータ本体部７４の側縁部から延在し、略平板形状とされる。放熱フィン７３ａ〜７３ｉの長さ寸法、すなわち各セパレータ本体部７４の側縁部から各放熱フィン７３ａ〜７３ｉの先端までの長さは互いに略等しい。放熱フィン７３ａ〜７３ｉの厚み寸法も互いに略等しく、セパレータ７１ａ〜７１ｉのセパレータ本体部７４の厚み寸法も略等しい。放熱フィン７３ａ〜７３ｉは、幅方向、すなわち図中奥行き方向に関して放熱フィン７３ａ〜７３ｉの中心がセパレータ７１ａ〜７１ｉの中心と略一致するように各セパレータ７１ａ〜７１ｉのセパレータ本体部７４に設けられている。
【００５１】
図７に示すように、放熱フィン７１ａ〜７１ｄの幅寸法ｗ１〜ｗ４については、セパレータ７１ａ〜７１ｉが積層される積層方向に沿って発電部７０の略中央に位置する放熱フィン７３ｄの幅寸法ｗ４が最も大きく、放熱フィン７３ｄより上側、すなわち積層方向に沿って発電部７０の外側に位置する放熱フィンほど幅寸法が小さい。具体的には、幅寸法ｗ１〜ｗ４で比較すると、幅寸法ｗ４が最も大きく、幅寸法ｗ３，ｗ２，ｗ１の順に外側に位置する放熱フィンの幅寸法ほど小さく設定されている。発電部７０を構成するセパレータのうち最も大きな幅寸法を有するのは、発電部７０のほぼ中央に位置する放熱フィン７３ｅであり、放熱フィン７３ｅの下側に位置する放熱フィン７３ｆ〜７３ｉは外側ほど順に小さい幅寸法を有する。なお、本例では放熱フィン７３ｅ及びその下側に位置する放熱フィン７３ｆ〜７３ｉについての詳細な説明は省略するが、放熱フィン７３ａ〜７３ｄと同様に積層方向に関して幅寸法が設定されて放熱量が調整される。
【００５２】
放熱フィン７３ａ〜７３ｄの断面積Ｓ１〜Ｓ４は、放熱フィン７３ａ〜７３ｄの厚み寸法が等しいことから、幅寸法ｗ１〜ｗ４の大きさによって大きさが決まる。放熱フィン７３ａの断面積Ｓ１が最も小さく、放熱フィン７３ｂ，７３ｃ，７３ｄの順に断面積が大きくなるように各放熱フィン７１ａ〜７１ｄの幅寸法ｗ１〜ｗ４が調整されて放熱フィン７３ａ〜７３ｄが設けられている。すなわち、放熱フィン７３ａ〜７３ｄについては、積層方向に沿って発電部７０の中央付近に位置する放熱フィン７３ｄの断面積Ｓ４が最も大きく、発電部７０の外側に向かって断面積Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１の順に断面積が小さくなるように放熱フィン７３ａ〜７３ｄの幅寸法ｗ１〜ｗ４が設定されている。
【００５３】
放熱フィン７３ａ〜７３ｄは、これら放熱フィン７３ａ〜７３ｄがそれぞれ設けられたセパレータ７１ａ〜７１ｄのセパレータ本体部７４から熱を放熱させるための放熱部であり、放熱フィンの断面積が大きいほどセパレータ本体部７４から放熱フィンに伝わる熱量が大きくなる。したがって、積層方向について、発電部７０の中央付近に配設されるセパレータ７１ｄのセパレータ本体部から放熱フィン７３ｄに伝わる熱量を放熱フィン７３ｄの外側に位置する放熱フィンより増大させる。セパレータ７１ａ〜７１ｄを有してなる発電セルにおいては、発電部７０の中央付近に配設されるセパレータが他のセパレータより温度が高くなる傾向にあり、セパレータは積層方向に関して発電部７０の外側に配設されるほど温度が低くなる傾向にある。よって、積層方向に関して、発電部７０の中央に近い位置に配設されるセパレータほど放熱フィンを介した伝熱量を他のセパレータより大きくすることにより、発電セルの温度上昇を抑制し、且つ各発電セルの温度を均一にすることが可能となる。セパレータ７１ｅ〜７１ｉにより構成される発電セルについても、同様に発電部７０の外側に位置する放熱フィンほど放熱フィンの断面積を小さく設定し、各発電セルから放熱フィンへ伝わる伝熱量を調整することができる。
【００５４】
また、放熱フィン７３ａ〜７３ｄの表面積は、放熱フィン７３ａ〜７３ｄの厚み寸法が等しいことから、幅寸法ｗ１〜ｗ４の大きさによって大きさが決まる。放熱フィン７２ａ〜７３ｄについては、発電部７０の最も上側に位置する放熱フィン７３ａの表面積が最も小さく、放熱フィン７３ｂから７３ｄの順に表面積が大きくなるように各放熱フィン７３ａ〜７３ｄの幅寸法ｗ１〜ｗ４が設定されている。すなわち、放熱フィン７３ａ〜７３ｄについては、積層方向に沿って発電部７０の中央付近に位置する放熱フィン７３ｄの表面積が最も大きく、発電部７０の外側に位置する放熱フィン７３ｃ〜７３ａの表面積が発電部７０の外側に向かって順に小さくなるように放熱フィン７３ａ〜７３ｄの幅寸法が設定されていることになる。
【００５５】
発電を行う際にセパレータ７１ｄが他のセパレータ７１ａ〜７１ｃに比べて温度が高くなる傾向にあり、発電部７０の外側に位置するセパレータほど温度が低くなる傾向にある。よって、積層方向に関して、発電部７０の中央に近い位置に配設されるセパレータほど表面積を大きく設定して放熱フィンを介した放熱量を他のセパレータより大きくすることにより、を発電セルの温度上昇を抑制し、且つ積層方向に関して発電部７０の内部で生じる温度勾配を低減して各発電セルの温度を均一にすることが可能となる。
【００５６】
発電部７０を構成し、セパレータ７１ｅ〜７１ｉと接合体７２とからなる下部は、発電部７０が基台５７に配設されていることによりセパレータ７１ａ〜７１ｄと接合体７２からなる発電部７０の上部と若干伝熱量及び放熱量が異なると考えられるが、放熱フィン７３ａ〜７３ｄと同様に放熱フィン７３ｅ〜７３ｉの幅寸法を発電部７０の中央から下側に位置する放熱フィンほど小さく設定する。このように放熱フィン７３ｅ〜７３ｉに伝わる伝熱量及び各放熱フィンを介して放熱される放熱量を発電部７０の下側ほど小さくすることにより発電部７０の全体の温度を略均一に維持することができる。
【００５７】
また、放熱フィン７３ａ〜７３ｉの断面積を放熱フィン７３ａ〜７３ｉが配設される位置に応じて設定することにより、各セパレータ本体部７４から放熱フィン７３ａ〜７３ｉに伝えられる伝熱量及び放熱フィン７３ａ〜７３ｉからの放熱量を調整し、発電部７０の全体の温度上昇を抑制することができると共に発電部７０の温度を略均一とすることができる。このように発電時の温度が略均一とされる発電部７０によれば、特定の発電セルの温度が他の発電セルより高くなることなく、安定した発電を行うことが可能となる。
【００５８】
放熱フィン７３ａ〜７３ｉは平板形状を有していることから、放熱フィンの幅寸法を所要の値に設定することにより、精度良く、且つ容易に断面積及び表面積を設定して伝熱量及び放熱量を調整することができる。
【００５９】
次に、図８及び図９を参照しながら、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置の別の例について説明する。図８は、発電部８０を側面側からみた側面図であり、図９は、発電部８０を構成する放熱フィンの一部を模式的に示した斜視断面図である。本例にかかる燃料電池装置は、燃料電池装置１と略同様の構成を有することから、燃料電池装置の全体の構成についての説明は省略する。なお、本例にかかる燃料電池装置においては、発電部８０を構成する放熱フィン８３ａ〜８３ｉに特徴を有する。
【００６０】
図８に示すように、発電部８０は、発電部８０の上側から下側に向かって順に配設されるセパレータ８１ａ〜８１ｉのそれぞれに設けられている放熱フィン８３ａ〜８３ｉの厚み寸法ｔ１〜ｔ９に特徴を有しており、セパレータ８１ａ〜８１ｉと接合体８２とが積層される積層方向に関して、放熱フィン８３ａ〜８３ｉの位置に応じて厚み寸法ｔ１〜ｔ９は所要の値とされている。また、セパレータ８１ａ〜８１ｉの側面にはそれぞれ空気を接合体８２に供給するための開口部８５が複数形成されている。
【００６１】
セパレータ８１ａ〜８１ｉを構成するセパレータ本体部８４の厚み寸法は互いに等しく、放熱フィン８３ａ〜８３ｉの厚み寸法ｔ１〜ｔ９は、積層方向に沿って発電部８０の外側に位置する放熱フィンほど小さい値に設定される。具体的には、発電部８０の中央付近に配設されるセパレータ８１ｅに設けられた放熱フィン８３ｅの厚み寸法ｔ５が、放熱フィン８１ｅの上側及び下側に位置する放熱フィンの厚み寸法より大きな値とされる。放熱フィン８３ｅの上側に位置する放熱フィン８３ｃ，８３ｄの厚み寸法ｔ３，ｔ４は互いに等しく、さらに上側に位置する放熱フィン８３ａ，８３ｂの厚み寸法ｔ１，ｔ２も互いに等しい。また、厚み寸法ｔ３，ｔ４に対して厚み寸法ｔ１，ｔ２は小さい値とされる。放熱フィン８３ｅの上側に位置する放熱フィンと同様に、放熱フィン８３ｅの下側に位置する放熱フィン８３ｆ，８３ｇの厚み寸法ｔ６，ｔ７は互いに等しく、さらに下側に位置する放熱フィン８３ｈ，８３ｉの厚み寸法ｔ８，ｔ９も互いに等しい。また、厚み寸法ｔ６，ｔ７に対して厚み寸法ｔ８，ｔ９は小さい値とされる。放熱フィン８３ａ〜８３ｉの幅寸法Ｗは放熱フィン８３ａ〜８３ｉで全て等しく、放熱フィン８３ａ〜８３ｉの長さ寸法も全て等しい。
【００６２】
このように、積層方向に沿って、発電部８０の中央から外側に向かって順に位置する放熱フィンの厚み寸法を小さくすることにより、各放熱フィンの断面積が発電部８０の中央か外側に向かって小さい値とされる。また、放熱フィン８３ｅの厚み寸法ｔ５を他の放熱フィンより大きく設定し、発電部８０の外側に配設される放熱フィンの厚み寸法を順に小さく設定してもよい。
【００６３】
図９を参照しながら、発電部８０の上部に位置する放熱フィン８３ａ〜８３ｅの断面積の関係について説明する。なお、放熱フィン８３ａ〜８３ｅの断面積をそれぞれＳ１１〜Ｓ１５とする。放熱フィン８３ａ〜８３ｅの幅寸法Ｗは等しいため、断面積Ｓ１１〜Ｓ１５は厚み寸法ｔ１〜ｔ５により決まり、断面積Ｓ５が最も大きく、他の放熱フィン８３ａ〜８３ｄの断面積Ｓ１１〜Ｓ１４は断面積Ｓ１５より小さい値とされる。また、断面積Ｓ１３，Ｓ１４は互いに等しい値とされると共に、断面積Ｓ１１，Ｓ１２も互いに等しい値とされる。断面積Ｓ１３，Ｓ１４に比べて、断面積Ｓ１１，Ｓ１２は小さい値とされる。
【００６４】
発電部８０の中央付近に配設され、発電部８０において最も温度上昇が大きい傾向を有するセパレータ８１ｅに設けられる放熱フィン８３ｅの断面積Ｓ１５を他の放熱フィン８３ａ〜８３ｅの断面積Ｓ１１〜Ｓ１４より大きめにし、他のセパレータに比べてセパレータ８１ｅのセパレータ本体部８４からの伝熱量を高めることができる。さらに、放熱フィン８３ｅに対して上側に位置する放熱フィン８３ｃ，８３ａの断面積Ｓ１３，Ｓ１１が順に小さい値とされていることにより、放熱フィン８３ｃ，８３ａがそれぞれ設けられたセパレータ８１ｃ，８１ａのセパレータ本体部８４からの伝熱量をセパレータ８１ｅに対して外側に位置する放熱フィンほど伝熱量を抑制することができる。
【００６５】
このように、積層方向に関して、セパレータ８１ａ〜８１ｉが配設される位置に応じて各セパレータ８１ａ〜８１ｉのセパレータ本体部８４から放熱フィン８３ａ〜８３ｉへの伝熱量が調整されていることにより、セパレータが配設される位置に関係なく、これらセパレータをそれぞれ備える発電セルの温度を均一に維持しながら発電部８０に発電を行わせることが可能となる。特に、発電部８０において、発電部８０の外側に配設されるセパレータほど順に伝熱量が小さくなるように放熱フィンの厚み寸法を小さくすることにより、温度が上昇し易い傾向にある中央部に位置する放熱フィン８３ｅの伝熱量を他の放熱フィンより大きくすることができる。これにより、発電部８０の設計を変更することなく、簡単に発電部８０の温度を均一に維持しながら発電を行うことができる。
【００６６】
また、発電部８０を構成する放熱フィン８３ａ〜８３ｉの厚み寸法ｔ１〜ｔ９を調整することにより放熱フィン８３ａ〜８３ｉの表面積を放熱フィン８３ａ〜８３ｉが配設される位置に応じて調整することができる。各セパレータ本体部８４から放熱フィン８３ａ〜８３ｉに伝わる熱は放熱フィン８３ａ〜８３ｉの表面から外部に放熱されることから、放熱フィンの表面積が大きいほど放熱量は大きくなる。
【００６７】
具体的には、発電部８０の上部について、放熱フィン８３ａの表面積が最も小さく、放熱フィン８３ｂ，８３ｃ，８３ｄの順に表面積が大きくなるように各放熱フィンが各セパレータ本体部８４に設けられている。すなわち、発電部８０の最も上側に位置する放熱フィン８３ａからの放熱量が最も小さく、発電部８０の略中央に位置する放熱フィン８３ｄの放熱量が最も大きなものとなる。これにより、発電部８０が発電を行う際に、他のセパレータより温度が高くなる傾向にあるセパレータ８１ｄからの放熱量を他のセパレータに比べて大きくし、セパレータ８１ｄにより構成される発電セルの温度上昇を抑制することができる。
【００６８】
放熱フィン８３ａ〜８３ｃの表面積が積層方向に沿った位置に応じて調整されていることにより放熱量を調整し、セパレータ８１ａ〜８１ｄの温度を均一にすることが可能となる。発電部８０の下部についても上部と同様に、発電部８０の外側に位置する放熱フィンほど表面積が小さく放熱量が抑制されている。放熱フィン８３ａ〜８３ｉは平板形状を有していることから断面形状が矩形状とされ、放熱フィン８３ａ〜８３ｉの幅寸法或いは厚み寸法を所要の値に設定することにより、精度良く、且つ容易に表面積を設定して放熱量を調整することも可能である。
【００６９】
なお、発電部８０においては、例えば放熱フィン８３ａ、８３ｂのように放熱フィンが２枚一組で同じ厚み寸法を有しているが、発電部８０の発電条件に応じて各放熱フィンの厚み寸法を、出力電力、発電部８０のサイズ、及び発電部８０を構成する材料の熱伝導率などを考慮して発電部８０の温度が均一となるように所要の値にすることもできる。
【００７０】
次に、図１０を参照しながら、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置のさらに別の例について説明する。図１０は、発電部９０を側面側からみた側面図である。なお、本例にかかる燃料電池装置も燃料電池装置１と略同様の構成を有していることから、発電部９０について詳細に説明する。発電部９０は発電部７０と略同様の構造を有し、放熱フィン９３ａ〜９３ｉに特徴を有する。
【００７１】
図１０に示すように、発電部９０は、上側から順にセパレータ９１ａ〜９１ｉが積層され、各セパレータ９１ａ〜９１ｉの間にそれぞれ接合体９２が挟み込まれて構成される。セパレータ９１ａ〜９１ｉに設けられる放熱フィン９３ａ〜９３ｉは幅寸法が等しい値とされる。発電部９０は発電部７０と略同様の構造を有し、発電部９０を構成するセパレータ９１ａ〜９１ｉに設けられている放熱フィン９３ａ〜９３ｉの長さ寸法Ｌ１〜Ｌ９は、積層方向に関して所要の値とされる。特に、発電部９０を構成するセパレータ９１ａ〜９１ｉの中で最も温度上昇が高い傾向とされ、発電部９０の中央に配設されるセパレータ９１ｅに設けられた放熱フィン９３ｅの長さ寸法が最も大きいものとされる。セパレータ９１ｅの上側及び下側に位置する放熱フィンは、放熱フィン９３ｅより長さ寸法が小さいものとされる。なお、長さ寸法Ｌ６〜Ｌ９は、順にＬ４〜Ｌ１と等しく、図中には示していない。
【００７２】
さらに具体的に説明すると、放熱フィン９３ｅに沿って略平行に各セパレータ本体部９４の側縁部から延在するように設けられた放熱フィン９３ａ〜９３ｄは、放熱フィン９３ａ〜９３ｄの順に長さ寸法Ｌ１〜Ｌ４が大きな値とされる。放熱フィン９３ｅの下側に位置する放熱フィン９３ｆ〜９３ｉの長さ寸法Ｌ６〜Ｌ９は放熱フィン９３ｅの長さ寸法Ｌ５より小さく、さらに長さ寸法Ｌ６〜Ｌ９の順に小さい値とされる。したがって、放熱フィン９３ａ〜９３ｉについて、放熱フィン９３ｅの表面積が最も大きく、放熱フィン９１ｅの上側に配設される放熱フィン９３ａ〜９３ｄの表面積は、放熱フィン９３ｄ〜９３ａの順に大きな値とされる。また、放熱フィン９３ｅの下側に配設される放熱フィン９３ｆ〜９３ｉの表面積は、放熱フィン９３ｆ〜９３ｉの順に大きな値とされる。
【００７３】
このような放熱フィン９３ａ〜９３ｉがそれぞれ設けられたセパレータ９１ａ〜９１ｉで発電部９０を構成することにより、セパレータ９１ａ〜９１ｉで構成される発電セルからの放熱量が放熱フィン９３ａ〜９３ｉの表面積により調整され、積層方向について発電部９０の温度を均一に維持しながら発電を行うことができる。放熱フィンの長さ寸法の組み合わせは、発電部９０を略均一な温度に維持することができれば如何なる組み合わせでも良く、本例の長さ寸法の組み合わせに限定されないことは勿論である。
【００７４】
ここで、放熱フィン９３ａ〜９３ｉの厚み寸法ｔ１１〜ｔ１９が互い等しい場合、放熱フィン９３ａ〜９３ｉの幅寸法が互いに等しいことにより断面積が均一とされ、放熱フィン９３ａ〜９３ｉの断面積が一様とされる。断面積が一様な状態で放熱フィン９３ａ〜９３ｉの長さ寸法のみを各放熱フィンで互いに異なる寸法とした場合、放熱フィン内部の熱抵抗によりセパレータ本体部９４の側縁部から放熱フィン９３ａ〜９３ｉの先端まで熱が伝わる割合が不均一となる。したがって、放熱フィンの表面積を大きめに調整しても表面積を増大させた相当分の放熱量を得ることができない場合がある。
【００７５】
そこで、放熱フィン９３ａ〜９３ｉの厚み寸法ｔ１１〜ｔ１９を調整することにより各放熱フィン９３ａ〜９３ｉの表面積を調整して、熱抵抗を調整し、伝熱量を調整する。例えば、放熱フィン９３ｅの厚み寸法ｔ１５を最も厚くなるように調整して熱抵抗を低減し、さらに放熱フィン９３ｅの上側や下側、すなわち発電部９０の中央から外側に位置する放熱フィンの厚み寸法を小さく調整する。本例の発電部９０においては、一例としてｔ１５を最も厚く調整し、放熱フィン９３ｅの上側及び下側に位置する放熱フィンの厚み寸法を発電部の外側に位置するほど順に小さくする。このように、放熱フィン９３ａ〜９３ｉにおける熱抵抗を調整し、積双方向に関して放熱フィン９３ａ〜９３ｉが配設される位置に応じて表面積を設定することにより、発電部９０の各部の温度が略一定となるように発電部９０の温度を調整することができる。
【００７６】
次に、図１１を参照しながら、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置のさらに別の例について説明する。なお、本例にかかる燃料電池装置も燃料電池装置１と略同様の構成を有していることから、発電部１００についてのみ詳細に説明する。発電部１００は発電部７０と略同様の構造を有し、放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの間隔に特徴を有する。
【００７７】
図１１は、発電部１００を側面側からみた側面図である。図１１に示すように、発電部１００は発電部７０と略同様の構造を有するが、接合体１０２とセパレータ１０１ａ〜１０１ｉとが積層される積層方向に関して隣り合う放熱部１０３ａ〜１０３ｉの間隔が、積層方向に関して放熱部１０３ａ〜１０３ｉの位置に基づいて所定の間隔とされている。また、発電部１００は発電部７０と略同様の構造を有し、空気を接合体１０２に供給するための開口部１０５が各セパレータ１０１ａ〜１０１ｉを構成するセパレータ本体部１０４の側面に複数形成されている。
【００７８】
発電部１００は、セパレータ１０１ａ〜１０１ｉとこれらセパレータ１０１ａ〜１０１ｉの間にそれぞれ接合体１０２を挟み込んで構成される。セパレータ１０１ａ〜１０１ｉには、それぞれ放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉがセパレータ本体部１０４の側縁部に設けられている。発電部１００の上側から積層方向に沿って隣り合う放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの間隔を順にｄ１〜ｄ８とする。
【００７９】
図１乃至図７を参照しながら説明した発電部７０と同様に、発電部１００には発電部１００の側面側から空気が供給され、各放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの間を空気が流動する。放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの間を流動する空気には、放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉから熱が伝達され、空気が装置の外部に排出されると共に熱が排熱される。
【００８０】
間隔ｄ１〜ｄ８は、発電部１００の中央付近に位置して隣り合う放熱フィンほど大きな間隔とされ、発電部１００の外側に向かって小さい間隔とされる。例えば、発電部１００においては、発電部１００の略中央に配設されて隣り合う放熱フィン１０３ｅ，１０３ｆの間隔ｄ５が最も大きく、上側に向かって間隔ｄ４，ｄ３，ｄ２，ｄ１の順に小さい間隔とされる。また、発電部１００の下側に位置する放熱フィン１０３ｆ〜１０３ｉにおいて、隣り合う放熱フィンの間の間隔ｄ６〜ｄ８は、間隔ｄ６，ｄ７，ｄ８の順に小さい間隔とされる。よって、間隔ｄ１〜ｄ８の大きさに応じて、各放熱フィンの間で流動する空気の流量が異なり、発電部１００について温度が上昇し易い発電セルを構成するセパレータに設けられた放熱フィンからの放熱量を他の放熱フィンより高めることができる。
【００８１】
さらに、間隔ｄ１〜ｄ４は間隔ｄ５より小さく、間隔ｄ２〜ｄ４の順で隣り合う放熱フィンの間の間隔が大きくなるように調整される。放熱フィン１０３ｅの下側の位置する放熱フィン１０３ｆ〜１０３ｉのそれぞれ隣り合う放熱フィンの間の間隔ｄ６〜ｄ８は、間隔ｄ５より小さく、且つ間隔ｄ６〜ｄ８の順に小さいものとされる。このような発電部１００においては、放熱フィン１０３ｅ，１０３ｆの間の間隔ｄ５を流れる空気の流量が最も大きく、間隔ｄ４〜ｄ１の順に空気の流量が小さくなる。さらに、間隔ｄ６〜ｄ８の大きさに合わせて、間隔ｄ６〜ｄ８を流動する空気の流量が小さくなる。
【００８２】
すなわち、放熱フィン１０１ａ〜１０１ｉから放熱される放熱量は、空気の流量、すなわち間隔ｄ１〜ｄ８の大きさに応じて調整されることになり、発電部１００の中央に配置する放熱フィン１０３ｄ，１０３ｅからの放熱量が他の放熱フィンからの放熱量より大きなものとされる。
【００８３】
さらに、発電部１００の外側ほど空気の流量が小さくなるように間隔ｄ１〜ｄ８が設定されていることにより、発電時に温度が高くなり易い発電部１００の中央に配設される発電セルほど他の発電セルに比べて放熱量を高められており、発電部１００の積層方向に沿って温度を略均一とすることが可能となる。
【００８４】
間隔ｄ１〜ｄ８は、各セパレータ本体部１０４の厚み寸法や放熱フィンの厚み寸法を所要の値にして調整することができる。例えば、セパレータ１０１ａ〜１０１ｉのセパレータ本体部１０４の厚み寸法を均一とし、厚み寸法が調整された放熱フィンをそれぞれのセパレータ本体部１０４に設けることにより間隔ｄ１〜ｄ８を調整することができる。また、セパレータ１０１ａ〜１０１ｉは、セパレータ本体部１０４の下面と放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの下面とがそれぞれ面一とされていることから、セパレータ本体部１０４の厚み寸法と放熱フィン１０３ａ〜１０３ｉの厚み寸法の差を調整するだけで所要の間隔ｄ１〜ｄ８を備える発電部１００を構成することができる。
【００８５】
図１乃至図１１を参照しながら、放熱フィンの外形寸法を調整することにより、放熱フィンの断面積、表面積、或いは隣り合う放熱フィンの間の間隔を調整して温度を略均一される発電部、及びセパレータについて説明したが、これら外形寸法は上述した例における組み合わせに限定されず、放熱フィンの幅寸法、長さ寸法、厚み寸法及びセパレータ本体部の厚み寸法を組み合わせて調整し、発電部に配設されるセパレータの位置に応じて所要の放熱量及び伝熱量を確保できる放熱フィンを形成すれば良いことは勿論である。
【００８６】
次に図１２を参照しながら、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置のさらに別の例について説明する。なお、本例にかかる燃料電池装置も燃料電池装置１と略同様の構成を有し、さらに本例の燃料電池装置に搭載される発電部も発電部７０と略同様の構造を有する。本例のセパレータ及び発電部においては、放熱フィンの表面に特徴を有することから、放熱フィンの表面について詳細に説明し、燃料電池装置及び発電部の詳細な構成の説明については省略する。
【００８７】
図１２は、本例にかかる発電部を構成しセパレータと接合体とが積層される積層方向に関して位置する放熱フィンの一部の断面を示す断面図である。本例のセパレータ及び燃料電池装置によれば、放熱フィンの表面粗さ、或いは表面処理の違いにより発電部のサイズや設計を変更することなく、発電部の温度を略均一に維持することができる。
【００８８】
図１２に示すように、放熱フィン１１３ａ〜１１３ｃは本例にかかる燃料電池装置に搭載される発電部を構成するセパレータに設けられる放熱フィンであり、放熱フィン１１３ａは積層方向に関して発電部の略中央付近に位置し、放熱フィン１１３ｂ，１１３ｃは順に放熱フィン１１３より発電部の外側に位置する。また、放熱フィン１１３ａ〜１１３ｃの幅寸法、長さ寸法及び厚み寸法は等しい。放熱フィン１１３ａの表面１１４ａが略平滑とされているのに対して、放熱フィン１１３ｂの表面１１４ｂは凹凸が大きく、表面粗さが大きい。さらに、放熱フィン１１３ｃの表面１１４ｃは表面１１４ｂより表面粗さが大きい。放熱フィン１１３ａ〜１１３ｃの表面積は、放熱フィンの外形寸法、すなわち幅寸法、厚み寸法及び長さ寸法によって算出される表面積と等しくなるが、表面１１４ａ〜１１４ｃの表面粗さが異なることから実質的な表面積は異なる。
【００８９】
具体的には、放熱フィン１１３ｂの表面積は、放熱フィン１１３ａの表面積より実質的には大きく、放熱フィン１１３ｂの外形寸法により算出した表面積に比べて、実質的な表面積を大きくすることができる。同様に放熱フィン１１３ｃの表面積は放熱フィン１１３ｂの表面積より実質的は大きくなる。よって、同じ外形寸法を有する放熱フィンでも、表面粗さが大きい放熱フィンほど実質的な表面積を大きくすることができ、表面積の大きさに応じて放熱量を増大させることができる。さらに、表面粗さを大きくすることで、熱放射率を高めることができる。すなわち、放熱フィン１１３ａ〜１１３ｃは、積層方向に関して配設される位置の違いに応じて熱放射率を所要の値とすることができる。したがって、本例の場合、発電部の外側に配設される放熱フィンほど熱放射率を小さく設定し、発電部全体が均一な温度なるよう各放熱フィンからの放熱量を調整することができる。
【００９０】
このように表面粗さが異なる放熱フィンが設けられたセパレータを発電部の所要の位置に配設することにより、各放熱フィンからの放熱量を他のセパレータより高めることができる。すなわち、発電部の温度を略均一になるように所要の表面粗さを有する放熱フィンを配置すれば良い。例えば、発電部の略中央に配設される発電セルを構成するセパレータに表面粗さが大きい放熱フィンを設け、外側に位置する放熱フィンの表面粗さを小さく調整することにより、積層方向に沿って発電部の温度を略均一としながら発電を安定して行うことができる。また、放熱フィンの外形寸法を調整することがないため、発電部のサイズや設計を変更することが不要となる。
【００９１】
また、放熱フィンの表面処理によって放熱フィンの熱放射率を調整することもできる。例えば、各放熱フィンの表面に異なるめっき加工に行い、めっきされためっき膜の熱放射率の違いを利用することもできる。また、これに限定されず、熱放射率を調整することができる表面処理であれば、如何なる表面処理でも放熱フィンに対して行うことができる。これにより、各放熱フィンからの放熱量を調整することができ、積層方向に沿って発電部の温度を略均一としながら発電を安定して行うことが可能となる。よって、表面粗さを調整する場合と同様に、放熱フィンの外形寸法を調整することがないため、発電部のサイズや設計を変更することが不要となる。
【００９２】
さらに、本発明にかかる燃料電池装置の温度調整方法によれば、放熱フィンの周辺に空気を流動させながら放熱を行う際に、放熱フィンが配設される位置の違いに応じて放熱量を調整することが可能であり、スタック構造を有する発電部の温度を略均一となるようにして発電を行うことができる。具体的には、放熱フィンの表面積、断面積、隣り合う放熱フィンの間隔及び放熱フィンの熱放射率を所要の値に設定して放熱量を調整することが可能となる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置によれば、燃料電池本体とされる発電部がスタック構造を有する場合でも、セパレータと接合体とが積層される積層方向に関して発電部に温度勾配を生じさせることなく、発電部全体を略均一な温度に維持しながら安定して発電を行うことができる。
【００９４】
さらに、本発明にかかるセパレータ及び燃料電池装置によれば、セパレータの外形寸法を変更することなく各放熱フィンによる放熱量を調整することができ、発電部のサイズや設計を変更することなく、発電時に温度が略均一とされる燃料電池装置を提供することが可能となる。このようなセパレータ及び燃料電池装置によれば、燃料電池装置から駆動電力を受け取って駆動される各種電子機器に小型の燃料電池装置を搭載することも可能となる。
【００９５】
また、本発明にかかる燃料電池装置の温度調整方法によれば、放熱フィンの周辺に空気を流動させ、流動される空気に放熱される放熱量を放熱フィンが配設される一の違いに応じて調整することにより、スタック構造を有する発電部の積層方向に関する温度勾配を抑制し、発電部全体の温度を均一に維持しながら安定した発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる燃料電池装置の構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明にかかる燃料電池を構成する筐体の構造を示す構造図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は他の側面を示す側面図、（ｃ）は端面図、（ｄ）は他の端面を示す端面図である。
【図３】本発明にかかる燃料電池装置を構成する発電部の概観を示す斜視図である。
【図４】本発明にかかる燃料電池装置を構成する発電部の一部を示す分解斜視図である。
【図５】本発明にかかる燃料電池を構成するセパレータの基本的な構造を示す構造図であって、（ａ）はセパレータの表面側の構造を示す平面図、（ｂ）は裏面側の構造を示す平面図である。
【図６】本発明にかかる燃料電池装置に好適な発電部の一例を側面側からみた側面図である。
【図７】図６に示す発電部が備える放熱フィンを模式的に示した斜視断面図である。
【図８】本発明にかかる燃料電池装置に好適な発電部の一例を側面側からみた側面図である。
【図９】図８に示す発電部が備える放熱フィンを模式的に示した斜視断面図である。
【図１０】本発明にかかる燃料電池装置に好適な発電部の一例を側面側からみた側面図である。
【図１１】本発明にかかる燃料電池装置に好適な発電部の一例を側面側からみた側面図である。
【図１２】本発明にかかるセパレータに好適な放熱フィンを模式的に示した断面図であり、（ａ）は表面が平滑な放熱フィンの断面図であり、（ｂ）は表面の表面粗さが大きい放熱フィンの断面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池装置、１０  筐体、１１，１２，１３  排気口、１４，１５  吸気口、１６，１８  接続孔、２０  制御基板、７０，８０，９０，１００  発電部、７２，８２，９２，１０２  接合体、４０，７５，７７，８５，１０５  開口部、３５  封止部材、３６  固体高分子電解質膜、３７  電極、３８，４３  溝部、４１  排出孔、４２  供給孔、４５，４６  接続部、５０  発電セル、５１  冷却ファン、５２，５３  空気供給ファン、５４  水素パージバルブ、５５レギュレータ、５６  手動バルブ、６０  水素吸蔵カートリッジ、７３ａ〜７３ｉ，８３ａ〜８３ｉ，９３ａ〜９３ｉ，１０３ａ〜１０３ｉ，１１３ａ〜１１３ｃ  放熱フィン、７４，９４，１０４  セパレータ本体部、７１ａ〜７１ｉ，８１ａ〜８１ｉ，９１ａ〜９１ｉ，１０１ａ〜１０１ｉ  セパレータ
【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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