(57)【要約】【課題】燃料電池内の水収支を維持し、フラッティングとドライアウトを防止する。【解決手段】膜・電極接合体２１と、この膜・電極接合体を挟持するセパレータ２３、２４と、からなる単セルを積層して構成し、前記セパレータに反応ガスを流通させて発電する燃料電池において、前記セパレータ２３、２４は、水透過性の多孔質材で構成されるとともに、前記膜・電極接合体に面する面に反応ガスが流通する第１流路２７と、前記前記膜・電極接合体に面する面の背面に反応ガスが流通する第２流路２９と、前記第１流路と第２流路とを連通する連通手段２８を備え、前記セパレータの前記第１または第２流路の一方に形成された反応ガスが流入する入口部と、他方の流路に形成された反応ガスが流出する出口部にセパレータ内の水の透過性を促進する処理を施した部位を形成した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型電解質膜と、この電解質膜を挟持する触媒電極層とからなる膜・電極接合体と、
この膜・電極接合体を挟持するセパレータと、
前記セパレータの少なくとも一方に接して設けられ、冷媒を流通させる冷却部材と、
からなる単セルを積層して構成し、前記セパレータに反応ガスを流通させて発電する燃料電池において、
前記冷却部材に接するセパレータは、水透過性の多孔質材で構成されるとともに、膜・電極接合体に開口するガス入口と、前記冷却部材に開口するガス出口と、前記ガス入口とガス出口とを連通し、反応ガスが流通する枝管とを設け、
前記セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部と前記ガス出口近傍の枝管下流部とに渡って、前記枝管下流部に凝縮した水の枝管上流部への移動を促進する処理を施したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記枝管は、前記膜・電極接合体に開口する第１枝管と、前記冷却部材に開口して第１枝管からの反応ガスが流通する第２枝管とからなり、
前記セパレータに、前記第１枝管の上流部と第２枝管の下流部とを隣接して設け、前記第１枝管上流部と前記第２枝管下流部とに渡って、前記第２枝管下流部に凝縮した水の第１枝管上流部への移動を促進する処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水の移動を促進する処理は、親水性処理であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水の移動を促進する処理は、前記セパレータを形成する多項質材の孔径を大きくする処理であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記水の移動を促進する処理を施す部位は、セパレータの他の部位より温度が低いことを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記水の移動を促進する処理は、前記ガス入口に近いほど水の移動がし易いように処理を施すことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記水の移動を促進する処理は、前記ガス入口に近いほど親水性を強めるよう処理を施すことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記水の移動を促進する処理は、前記ガス入口に近いほど多孔質体の孔径を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記膜・電極接合体の触媒電極層は、前記セパレータの水の移動を促進する処理を施す部位に面する部位に触媒を担持しないことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
固体高分子型電解質膜と、この電解質膜を挟持する触媒電極層とからなる膜・電極接合体と、
この膜・電極接合体を挟持するセパレータと、
前記セパレータの少なくとも一方に接して設けられ、冷媒を流通させる冷却部材と、
からなる単セルを積層して構成し、前記セパレータに反応ガスを流通させて発電する燃料電池において、
前記冷却部材に接するセパレータは、膜・電極接合体に開口するガス入口と、前記冷却部材に開口するガス出口と、膜・電極接合体に開口するとともに前記ガス入口とガス出口とを連通し、反応ガスが流通する枝管とを設け、
前記セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部とガス出口近傍のガス出口の枝管下流部を水透過性の材料で構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
前記セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部とガス出口近傍のガス出口の枝管下流部は、セパレータの他の部位より温度が低いことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記膜・電極接合体の触媒電極層は、前記水透過性材料に面する部位に触媒を担持しないことを特徴とする請求項１０または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、固体高分子型燃料電池に関し、特にセル内で水収支を成立させる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陰極に水素リッチのガスを供給するとともに、他方の陽極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
陰極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                      （１）
陽極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ          （２）
陰極に水素リッチのガスを供給する方法は、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して、いわゆる改質ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陽極に供給する酸化剤ガスとしては、一般に空気が利用されている。
【０００４】
燃料電池において電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上させるためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。
【０００５】
しかし、ガス流路内で過剰に水が存在する領域がある場合には、液相の水が発生し、フラッディング（水づまり）が生じ、その結果、ガスの供給が妨げられ、セルの発電性能が低下する。そこで、燃料電池内の温度分布を制御し、フラッディングを防止する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。この従来技術では、ガスの流れとクーラントの流れをコフローとして、ガスの入口から出口に向かって、温度を上昇させて、発生した水を水蒸気としてガスに取り込んで、フラッディングを防止している。
【０００６】
また、フラッディングを防止するためガス流路の入口と出口を隣接させて出口付近の過剰な水分を入口に移動させる技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
さらに他のフラッディング防止法として、サーペインタイン流路によって、流路内に折り返し部を設けて、ガス流路を隣接させる技術がある（例えば、特許文献３参照。）。この従来技術では、ガス流路を２回折り返して、出口付近の流路を隣合う流路に隣接させて、出口付近の過剰な水分を他の流路に流すことでフラッディングを防止する。
【０００８】
【特許文献１】
特表平９−５１１３５６号公報
【特許文献２】
特開平１０−３２０１１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２６７４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ガスの温度が昇温されているため、燃料電池から排出されるガス温度が高温化し、このため、燃料電池から外部に排出される水量が増加し、燃料電池内の水収支が成立しない。従って、燃料電池下流の水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
【００１０】
特許文献２に記載の技術では、ガス流路の入口側と出口側との水の移動は、膜・電極接合体を介してのみ行なわれるため、入口側に十分な量の水が移動できないという問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載の技術では、出口部と入口部を隣接されることができないため、余剰な水分を効率よく入口部に受け渡すことができず、セル内の水分状態を均一にできないという問題があった。
【００１２】
以上の問題に鑑みて、本発明の目的は、セル内で水分量コントロールを行い水分量の不均一性を解消し、フラッディングの発生や電解質膜が乾燥するドライアウトの防止を図ると共に、燃料電池での水収支を成立させ、外部設置の水回収装置を不要としたシンプルな燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池において、セパレータが、水透過性の多孔質材で構成されるとともに、膜・電極接合体に開口するガス入口と、前記冷却部材に開口するガス出口と、前記ガス入口とガス出口とを連通し、反応ガスが流通する枝管とを備え、前記セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部と前記ガス出口近傍の枝管下流部とに渡って、前記枝管下流部に凝縮した水の枝管上流部への移動を促進する処理を施した。
【００１４】
また、燃料電池において、膜・電極接合体に開口するガス入口と、前記冷却部材に開口するガス出口と、膜・電極接合体に開口するとともに前記ガス入口とガス出口とを連通し、反応ガスが流通する枝管とセパレータに設け、前記セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部とガス出口近傍のガス出口の枝管下流部を水透過性の材料で構成した。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータを水透過性の多孔質材で構成し、セパレータの前記ガス入口近傍の枝管上流部と前記ガス出口近傍の枝管下流部とに渡って、前記枝管下流部に凝縮した水の枝管上流部への移動を促進する処理を施したので、フラッディングが生じやすい枝管下流部からドライアウトが生じやすい枝管上流部へ凝縮水の移動量を増加できる。したがって、セル内の水分分布を均一にすることができ、フラッディング及び電解質膜のドライアウトを防止することができる。
【００１６】
また、セパレータを非水透過性材で構成した場合でも、枝管の上流部と下流部を水透過性材で構成することにより、フラッディングが生じやすい枝管の下流部からドライアウトが生じやすい枝管上流部へ凝縮水を移動できる。したがって、セル内の水分分布を均一にすることができ、フラッディング及び電解質膜のドライアウトを防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の燃料電池システムの概略図を用いて、以下、説明する。
【００１８】
燃料電池１には、図示しない燃料供給手段と空気供給手段から燃料ガスと空気が供給される。燃料電池１に空気を供給する流路途中には、供給される空気の温度を検出するためのセンサ２と湿度を検出するための湿度センサ３が設置される。
【００１９】
一方、燃料電池１を所定の温度範囲に制御するための冷却系が設けられる。この冷却系は冷媒としてのロングライフクーラント（以下、ＬＬＣという。）を貯留するタンク４と、ＬＬＣタンク４に貯留されるＬＬＣを燃料電池１に循環させる循環流路５と、燃料電池の熱を奪い昇温したＬＬＣと熱交換してＬＬＣの熱を放出するためのラジエータ６とから構成される。燃料電池１から排出されたＬＬＣの温度が低い場合には、ラジエータ６を通さずにＬＬＣがＬＬＣタンク４に戻るようにバイパス流路７が設置される。また、循環流路５とバイパス流路７との分岐点に三方切換弁８を設置することでＬＬＣの供給先を制御する。なお、ＬＬＣとしては、例えば、エチレングライコールと水の混合液がある。
【００２０】
さらに燃料電池１の流入するＬＬＣの温度を検出するための温度センサ９が循環流路５に設置されるとともに、燃料電池１へのＬＬＣの流量を制御する制御弁１０及びＬＬＣを燃料電池１に供給するためのポンプ１１が循環流路５に設置される。
【００２１】
この燃料電池システムを統合制御するコントローラ１２が設置され、このコントローラ１２には燃料電池１の負荷信号、温度センサ２、湿度センサ３によって検出される空気の温度と湿度、温度センサ９によって検出される燃料電池に流入するＬＬＣの温度および図示しないセンサによって検出される外気温度が入力される。
【００２２】
図２に示すようにコントローラ１２は、前述の入力値から燃料電池１に流入するＬＬＣの目標温度を算出する目標ＬＬＣ入口温度算出手段１２ａと、ガス流路の温度勾配を算出するガス流路温度勾配算出手段１２ｂと、算出された目標ＬＬＣ温度とガス流路の温度勾配に基づいて制御弁１０を用いてＬＬＣの流量を制御するＬＬＣ流量制御手段１２ｃと、同じく算出された目標ＬＬＣ温度とガス流路の温度勾配に基づいてラジエータ６によるＬＬＣの放熱量を制御するラジエータ放熱量制御手段１２ｄとから構成され、コントローラ１２は、適正な運転状態となるように三方切換弁８、制御弁１０、ポンプ１１を制御する。
【００２３】
次に図３に示す燃料電池１のセル構成について説明する。単セルは、高分子電解質膜と、この電解質膜を挟持する触媒電極層からなる、いわゆる膜・電極接合体（以下、ＭＥＡという。）２１と、ＭＥＡ２１を挟持するガス拡散層２２と、ＭＥＡ２１に燃料ガスを供給するためのガス流路をガス拡散層２２に面して形成したアノードバイポーラプレート（以下、バイポーラプレートのことをＢＰＰという。）２３、アノードＢＰＰ２３に対してＭＥＡ２１を挟んで反対側に位置し、ＭＥＡ２１に空気等の酸化剤ガスを供給するカソードＢＰＰ２４と、セルを冷却するＬＬＣを流通させるための流路を備えたＬＬＣプレート２５とから構成される。このように構成される単セルを積層状に構成して燃料電池１が構成される。
【００２４】
それぞれのプレートを構成する材質について説明すると、カソードＢＰＰ２４は水透過性材料、例えば多孔質材料で構成され、アノードＢＰＰ２３とＬＬＣプレート２５は非水透過性材料で構成される。なお、以下の実施形態においては、カソードＢＰＰ２４を用いて説明するが、アノードＢＰＰ２３のみを水透過性としてもよいし、アノードＢＰＰ２３、カソード２４双方を水透過性材料で構成してもよい。なお、水透過性を備えたＢＰＰに隣接してＬＬＣプレート２５を設置することが後述する水収支の点から望ましい。
【００２５】
図４から図６に、本発明の特徴であるカソードＢＰＰ２４の詳細構成を示す。図４は、カソードＢＰＰ２４のガス拡散層２２に面する側の面（以下、反応面という。）２４ａの構成を示すもので、図５は、カソードＢＰＰ２４の断面構成を、図６はカソードＢＰＰ２４のＬＬＣプレート２５に面する側の面（以下、裏面という。）２４ｂの構成を示す図である。
【００２６】
図４に示すようにガス拡散層２２に面する側の反応面２４ａには、ガス入口部２６から供給されるガスが流通する第１ガス流路２７を櫛状に形成し、反応面２４ａに形成されたガス入口部２６から供給されたガスはまず、ガス入口マニフォールド２７ａに送られた後、各第１枝管２７ｂに供給される。第１枝管２７ｂの最下流部にはＬＬＣプレート２５に面する側の裏面２４ｂに貫通する貫通孔２８が形成され、ガスは貫通孔２８を通じて裏面２４ｂ側に流出する。
【００２７】
図６に示すように、ＬＬＣプレート２４に面する側の裏面２４ｂにも櫛状に第２ガス流路２９が形成され、第２ガス流路２９はガス出口マニフォールド２９ａと第２枝管２９ｂとから構成される。したがって、貫通孔２８から流入するガスは、第２枝管２９ｂの最上流部から第２枝管２９ｂに流入し、各第２枝管２９ｂからガス出口マニフォールド２９ａに送られて、ガス出口部３０から排出される。なお、ガス出口マニフォールド２９ａはガス入口マニフォールド２７ａに背反する位置に設けられる。
【００２８】
ここで、カソードＢＰＰ２４のガス入口マニフォールド２７ａと連通する第１枝管２７ｂの上流部２７ｃと第２枝管２９ｂの下流部を結ぶ領域２４ｃには親水処理が施されており、反応面２４ａと裏面２４ｂ間で水の移動が促進されるよう処理されている。なお、親水処理はカソードＢＰＰ２４の全面に処理を施すことも可能であるが、費用対効果を考慮して親水処理を行う面積を決定すればよい。
【００２９】
図７は、上述のように構成されたカソードＢＰＰ２４内での水の移動を説明するための図である。カソードＢＰＰ２４は水透過性材料で構成されるため、ＢＰＰ２４内を水が移動でき、またＢＰＰ２４内に浸透した水は表面張力により、ＢＰＰ２４内に留まり、ＢＰＰ２４内に水が充填されている限り、ガスは第１ガス流路２７と第２ガス流路２９のみを通過して流通され、カソードＢＰＰ２４内をガスが透過することはない。前述のように親水処理を施した領域２４ｃは、特に水の浸透が促進されて、他の親水処理を施していない部分より水の移動が大量に行われる。
【００３０】
ＬＬＣプレート２５に面する側の裏面２４ｂを流通するガスは、ＬＬＣとの熱交換によってその温度は低下し、ガス拡散層２２に面する側の反応面２４ａを流通するガスの温度より低くなる。よって、ＬＬＣプレート２５に面する側の裏面２４ｂを流通するガス中の飽和水蒸気圧を超える分の水蒸気は液化し、第２枝管２９ｂにフラッディングを生じる恐れがある。しかしながら、本発明ではこの液化した水はカソードＢＰＰ２４内を浸透して裏面２４ｂから反応面２４ａに移動するため、フラッディングを生じることがない。
【００３１】
ガス入口部２６に供給されるガス、例えば空気が乾燥している場合には、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺が乾燥し、電解質膜のドライアウトが生じやすい。これは乾燥したガスがカソードＢＰＰ２４の第１ガス流路２７に流入してきた時に、乾燥したガスを加湿するためカソードＢＰＰ２４内の水分が消費され、カソードＢＰＰ２４が乾燥し、電解質膜に水が供給されないためである。
【００３２】
しかしながら本発明においては、ＬＬＣプレート２５に面する裏面２４ｂに凝縮された水が、ガス拡散層２２に面する反応面２４ａ側の水の不足した部分に移動し、カソードＢＰＰ２４の水分の分布を均一に保つことができる。特に親水処理を施した領域２４ｃでは、水が促進して第２枝管２９ｂの下流部２９ｃから第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺に移動する。これによりガスの加湿のために水分が不足した第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺に水を補給することができ、乾燥したガスが供給される状態においても第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺でガスを十分に加湿できるとともに、電解質膜のドライアウトを防止することができる。
【００３３】
本実施形態においては、カソードＢＰＰ２４を水透過性材料で構成し、カソードＢＰＰ２４のガス拡散層２２に面する反応面２４ａと、ＬＬＣプレート２５に面して前述の反応面２４ａより低温の裏面２４ｂに、それぞれ第１ガス流路２７と第２ガス流路２９を形成する。さらに第１ガス流路２７と第２ガス流路２９を連通孔２８を介して連通させ、カソードＢＰＰ２４のガスが流入する第１枝管２７ｂの上流部２７ｃと第２ガス流路の下流部２９ｃを結ぶ領域２４ｃに親水処理を施した。
【００３４】
これにより、裏面２４ｂに凝縮した水が裏面２４ｂから反応面２４ａ側、特に親水処理を施した第１枝管２７ｂの上流部２７ｃの周辺に集中的に移動する。したがって、凝縮した水が、裏面２４ｂから反応面２４ａ側に自由に移動でき、乾燥した領域に水が移動するため、システムを複雑にすることなく、また燃料電池の発電効率を低下させることなく、セルの水分分布を均一に維持することができる。また、水分分布を均一にできるため、局部的な乾燥状態、特に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃの周辺の乾燥を回避し、結果として電解質膜のドライアウトを防止する。さらにカソードＢＰＰ２４を水透過性材料で形成したので、ガス流路に凝縮した水はカソードＢＰＰ２４中に浸透し、ガスが流通する第２枝管２９ｂに液相の水が詰まる、フラッディングを防止できる。
【００３５】
また、ガス入口部２６に供給されたガスが、まずガス拡散層２２に面した反応面２４ａ側の第１ガス流路２７を流通した後、ＬＬＣプレート２５に面した裏面２４ｂ側の第２ガス流路２９を流通する。このため、電気化学反応に用いられた後の、水分が過剰なガスから水分を凝縮して、この凝縮した水を親水処理を施した領域２４ｃを通じて第１枝管２７ｂの上流部２７ｃに移動させ、この移動した水を用いてカソードＢＰＰ２４に流入してきたガスを効率よく加湿することができる。
【００３６】
さらに本実施形態においては、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃと第２枝管２９ｂの下流部２９ｃとを隣接するように形成したので、裏面２４ｂ側で凝縮した水が反応面２４ａ側に浸透するための移動距離を短くすることができ、カソードＢＰＰ２４に流入してきたガスを効率よく加湿することができる。
【００３７】
図８は、カソードＢＰＰ２４の第２の実施形態の構成を説明する図である。この実施形態は、第１の実施形態において水の移動を促進するために施した親水処理に代えてカソードＢＰＰ２４を構成する多孔質材の孔径を大きくして水の移動を促進する実施形態である。
【００３８】
しかしながら、カソードＢＰＰ２４を構成する多孔質材の孔径をすべて大型化すると、ＢＰＰの強度が低下するため好ましくない。そこで、本実施形態のように特に水の移動を促進したい領域、つまり前述の領域２４ｃの多孔質材の孔径を大きくすることで、ＢＰＰの強度と水の移動の促進とを両立することができる。また、孔径を大きくすることで、単位面積当りの開口率が大きくなり、その結果単位時間当りの水の移動量が増加する。
【００３９】
したがって、ガス入口部２６に乾燥したガスが供給され、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃが乾燥する状態においても、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃに凝縮水を優先的に移動させ、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃでガスを加湿するための水分を確保することができるとともに、カソードＢＰＰ２４の水分分布を均一に維持することができる。これにより、ガス流路のフラッディングや電解質膜のドライアウトを防止することができる。
【００４０】
図９から図１３は、第３の実施形態の構成を説明する図である。この実施形態は、第１の実施形態において水の移動を促進するために施した親水処理をカソードＢＰＰ２４全面に施すとともに、親水処理を第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど水透過性の度合が高くなるように親水処理する実施形態である。
【００４１】
本実施例のように、各ＢＰＰ面全面において親水処理を施し、特に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃの周辺ほど水透過性が高くなるように構成することで、水はＬＬＣプレートに面する裏面２４ｂからガス拡散層に面する反応面２４ａ側への移動が促進され、特に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど水透過性が高いため水の移動量が大きい。また第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺では、水透過性が高いためガスの流れ方向に相反する方向への水の移動も行われ、さらに水の移動が促進される。
【００４２】
したがって、本実施形態においては、カソードＢＰＰ２４全面に親水処理を施し、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど水透過性が高くなるようにしたため、乾燥したガスがカソードＢＰＰ２４に供給される場合でも、乾燥したガスを加湿する水分量を確保することができ、電解質膜のドライアウトを防止することができる。また、裏面２４ｂ側から反応面２４ａ側に水の移動が行なわれるため、裏面２４ｂに設けられた第２ガス流路２９のフラッディングを防止することができる。
【００４３】
図１４は、カソードＢＰＰ２４の第４の実施形態の構成を説明する図である。この実施形態は、第３の実施形態で水の移動を促進するためにカソードＢＰＰ２４全面に親水処理を施したのに対して、親水処理の代わりに多孔質材の孔径を場所に応じて変化させることで水の透過性の度合を変化させるようにした実施形態である。つまり、第３の実施形態と同様に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど水が移動しやすいように多孔質材の孔径を大きく形成し、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃから下流部に向けて孔径を小さく形成して水の移動のしやすさを制御するものである。
【００４４】
本実施例のように、カソードＢＰＰ面２４全面において多孔質材の孔径を変化させて水の透過性を制御し、特に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど孔径が大きくなるように構成したことで、裏面２４ｂに凝縮した水は裏面２４ｂから反応面２４ａ側に移動し、特に第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど水透過性が高いため水の移動量が大きい。また第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺では、水透過性が高いためガスの流れ方向に相反する方向への水の移動も行われ、さらに水の移動が促進される。
【００４５】
したがって、本実施形態においては、カソードＢＰＰ２４全面に多孔質材の孔径を変化させる処理を施し、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺ほど孔径が大きくなるような水を透過させる処理を行うため、乾燥したガスがカソードＢＰＰ２４に供給される場合でも、ガスを加湿する水分量を確保することができるとともに、電解質膜のドライアウトを防止することができる。
【００４６】
図１５には、第５の実施形態として、ＬＬＣプレート２５に形成されるＬＬＣ流路３１形状の一例を示しており、ＭＥＡ２１、ガス拡散層２２、アノードＢＰＰ２３、カソードＢＰＰ２４の構成は第１の実施形態と同様とする。
【００４７】
このＬＬＣ流路３１の形状は、サーペンタイン式の流路構成となっており、ＬＬＣ入口部３２から流入するＬＬＣは、ＬＬＣ入口マニフォールド３３から分岐し、並設された第１ＬＬＣ流路３４、第２ＬＬＣ流路３５に導入される。第１ＬＬＣ流路３４、第２ＬＬＣ流路３５は折り返された後、ＬＬＣ出口マニフォールド３６に連通し、ＬＬＣはＬＬＣ出口部３７から排出される。
【００４８】
ここで、ＬＬＣ入口マニフォールド３３近傍の第１ＬＬＣ流路３４、第２ＬＬＣ流路３５がカソードＢＰＰ２４の第２枝管２９ｂの下流部２９ｃ近傍に構成される。このような構成とすることで、最も低い温度のＬＬＣが第２枝管２９ｂの下流部２９ｃを流通するガスと熱交換され、第２枝管２９ｂの下流部２９ｃ周辺の親水処理を施した領域２４ｃの温度を他の領域より低くできる。
【００４９】
図１６を用いてカソードＢＰＰ２４の第１ガス流路２７でのガスの温度、相対湿度および液相の水分量分布を説明する。カソードＢＰＰ２４に流入するガスの温度は、第１枝管２７ｂの上流部２７ｃから貫通孔２８に向けて電気化学反応の反応熱により温度が上昇し、この過程において生成水が発生しても相対湿度が１００％になって飽和することはない。したがって、ＢＰＰ２４のガス拡散層２２に面する反応面２４ａの第１ガス流路２７中に液相の水が存在してフラッディングが生じることはない。
【００５０】
一方、ＬＬＣプレート２５に面する裏面２４ｂでは、ＬＬＣとガスとの熱交換が生じて貫通孔２８から第２枝管２９ｂの下流部２９ｃに向けてガスの温度が低下する。このため相対湿度が常に１００％を越え、過飽和分の水は、裏面２４ｂに形成された第２枝管２９ｂで凝縮する。そして、この凝縮水は、水透過性のＢＰＰ２４内を透過してガス拡散層２２に面する側の反応面２４ａ側に移動し、カソードＢＰＰ２４に流入したガスの加湿に用いられる。
【００５１】
図１７は、第５の実施形態での水の移動を説明するための図である。前述のようにカソードＢＰＰ２４の親水処理を施した領域２４ｃでは、他の部分より低温となるため、流通するガス中の水が凝縮し易い。しかし、この領域２４ｃでは親水処理を行っているため、水の透過性が大きく、反応面２４ａ側への水の移動量を大きくできる。これにより裏面２４ｂに凝縮した水は、反応面２４ａ側に移動し、カソードＢＰＰ２４に流入したガスの加湿に用いられ、この水によりガスを十分に加湿するとともに、フラッディングを防止できる。
【００５２】
本実施形態では、ＬＬＣ流路３１に流入してきた直後の低温のＬＬＣが親水処理を施した領域２４ｃ、つまり第２枝管２９ｂの下流部２９ｃ周辺に供給されるようにＬＬＣ流路３１を形成した。したがって、第２枝管２９ｂの下流部２９ｃ周辺を他の領域より低温とし、ガス中の水分の凝縮を促進し、凝縮した水を第１枝管２７ｂの上流部２７ｃ周辺に移動する。ガスが乾燥した状態で燃料電池１のカソードＢＰＰ２４に供給されるような場合であっても、凝縮した水を用いてガスを十分に加湿し、また電解質膜２１のドライアウトを防止できる。
【００５３】
図１８、図１９には、第６の実施形態としてのＭＥＡ２１の構成を説明するためのものである。この実施形態は、ＭＥＡ２１の構成を除き、第１の実施形態と同様の構成を有するものである。
【００５４】
本実施形態のＭＥＡ２１は、カソードＢＰＰ２４の親水処理を施した領域２４ｃに対面する触媒電極層の一部を触媒担持しない未反応部２１ｄとしたものである。図１９を用いて説明すると、固体高分子電解質膜２１ａを挟持する触媒電極層２１ｂ、２１ｃは、通常、カーボンのサブストレートにＰｔ（白金）系の触媒を担持して構成される。本実施形態の触媒電極層２１ｂ、２１ｃでは、その一部に触媒を担持しない未反応部２１ｄを形成する。この未反応部２１ｄは、前述のようにカソードＢＰＰ２４の親水処理を施した領域２４ｃに対面する部分に形成される。
【００５５】
このようにカソードＢＰＰ２４の親水処理を施した領域２４ｃに対面する触媒電極層の一部を触媒を担持しない未反応部２１ｄとすることにより、第一枝管２７ｂの上流部２７ｃにおいて、ＭＥＡ２１における化学反応を抑制してガス入口マニフォールド２７ａから流入したガス中の水分の持ち出しを制限し、一方、第二枝管２９ｂの下流部２９ｃから水移動が促進される領域２４ｃを移動してきた水によりガス入口マニフォールド２７ａからの流入ガスが十分に加湿され、電解質膜２１ａのドライアウトを防止することができる。
【００５６】
図２０から図２３に示す第７の実施形態は、これまでカソードＢＰＰ２４は水透過性の多孔質のＢＰＰから構成されるとして説明してきたが、本実施形態のカソードＢＰＰ３１は、非水透過性の材料で構成されたものを前提としている。このＢＰＰの構成を除き、他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５７】
本実施形態のＢＰＰを図２０と図２１を用いて説明すると、カソードＢＰＰ３１のガス拡散層２２に面する側の反応面３１ａにガスが流通する第１ガス流路３２が形成される。第１ガス流路３２はガス入口部３３とガス入口マニフォールド３４ａと第１枝管３４ｂとから構成される。
【００５８】
第１枝管３４ｂは、反応面３１ａ上にＵ字状に形成され、ガス入口マニフォールド３４ａから第１枝管３４ｂの上流部３４ｃに流入したガスは、第１枝管３４ｂ内を流通し、第１枝管３４ｂの上流部３４ｃに隣接した下流部３４ｅから貫通孔３５を通じて裏面３１ｂ側に流出する。貫通孔３５から裏面３１ｂに流出したガスは、裏面３１ｂに形成されたガス出口マニフォールド３６ａに流入し、ガス出口部３７から排出される。
【００５９】
ここで、カソードＢＰＰ３１は、第１枝管３４ｂの上流部３４ｃの周辺の領域３４ｄのみ水透過性の多孔質材で形成される。したがって、裏面３１ｂに凝縮した水が反応面３１ａ側に移動し、ガスを加湿するために用いることができる。
【００６０】
図２２は、本実施形態における水の移動を説明するための図２１のＢ−Ｂでの断面図である。前述のように本実施形態では、ＬＬＣプレート２５に面する裏面３１ｂ側から凝縮水が多孔質材を通じてガス拡散層２２に面する反応面３１ａ側に移動するが、加えて、第１ガス流路３２の第１枝管３４ｂがＵ字状に形成され、ここで、ガス入口マニフォールド３４ａからガスが離れる側の流路を往路３４ｘとして、ガスがガス入口マニフォールド側に戻る側の流路を復路３４ｙとすると、復路３４ｙで生成された液相の水が第一枝管３４ｂの下流部３４ｅ、多孔質材、上流部３４ｃを通じて隣接する往路３４ｘに移動し、ガスを加湿する。また生成された水は、ガス拡散層２２を通じても移動し、水を加湿する。
【００６１】
したがって、本実施形態では、カソードＢＰＰ３１を非水透過性材料で構成した場合でも、第１枝管３４ｂの上流部３４ｃの周辺のみを水透過性の多孔質材で形成することにより、ガスを第１枝管３４ｂの上流部３４ｃで加湿することができ、乾燥したガスがカソードＢＰＰ３１に供給される状態においても十分にガスを加湿し、電解質膜のドライアウトを防止できる。また、多孔質材を用いることで、ガスが流通する流路中に凝縮した液相の水を多孔質材中に浸透させ、ガス流路に液相の水が存在することを抑制し、フラッディングを防止できる。
【００６２】
なお、本実施形態に第５の実施形態で説明したＬＬＣを用いた温度制御を組み合わせて多孔質材を用いた領域を他の領域より低温として水の移動を促進させてもよい。
【００６３】
さらには図２３に示すように、本実施形態に第６の実施形態で説明した触媒電極層の一部を未反応部とした構成を組み合わせることも可能であり（第８の実施形態）、この構成により、ガス入口部におけるガスの加湿量がより増加し、電解質膜のドライアウトをより確実に防止できる。
【００６４】
なお、請求項の構成と実施形態の構成の対応は以下である。請求項のガス入口は、請求項中のガス入口部２６とガス入口マニフォールド２７ａに相当し、ガス出口はガス出口部３０とガス出口マニフォールド２９ａに相当する。請求項の冷却部材はＬＬＣプレート２５である。
【００６５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの構成を説明する図である。
【図３】セルの構成を説明する図である。
【図４】カソードＢＰＰのガス流路を説明する図である（ガス拡散層に面する側）。
【図５】カソードＢＰＰのガス流路を説明する断面図である。
【図６】カソードＢＰＰのガス流路を説明する図である（ＬＬＣプレートに面する側）。
【図７】カソードＢＰＰ内の水の移動を説明する図である。
【図８】第２の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【図９】第３の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【図１０】同じくカソードＢＰＰのガス流路を説明する図である（ガス拡散層に面する側）。
【図１１】同じくカソードＢＰＰのガス流路を説明する断面図である。
【図１２】同じくカソードＢＰＰのガス流路を説明する図である（ＬＬＣプレートに面する側）。
【図１３】同じくカソードＢＰＰ内の水の移動を説明する図である。
【図１４】第４の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【図１５】第５の実施形態のＬＬＣプレートのＬＬＣ流路構成を説明する図である。
【図１６】同じくガス流路中の位置に対する温度、相対湿度、水分量の関係を説明する図である。
【図１７】同じくカソードＢＰＰ内の水の移動を説明する図である。
【図１８】第６の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【図１９】同じくＭＥＡの構成を説明する図である。
【図２０】第７の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【図２１】同じくカソードＢＰＰのガス流路を説明する図である（ガス拡散層に面する側）。
【図２２】同じくカソードＢＰＰのガス流路を説明する断面図である（図２１の断面Ｂ−Ｂ）。
【図２３】第８の実施形態のセルの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  温度センサ
３  湿度センサ
４  ＬＬＣタンク
５  循環流路
６  ラジエータ
７  バイパス流路
８  三方切換弁
９  温度センサ
１０  制御弁
１１  ポンプ
１２  コントローラ
２１  ＭＥＡ
２２  ガス拡散層
２３  アノードＢＰＰ（セパレータ）
２４  カソードＢＰＰ（セパレータ）
２４ａ  表面
２４ｂ  裏面
２４ｃ  親水処理を施した領域
２５  ＬＬＣプレート
２６  ガス入口部
２７  第１ガス流路
２７ａ  ガス入口マニフォ−ルド
２７ｂ  第１枝管
２７ｃ  第１枝管の上流部
２８  貫通孔（連通部）
２９  第２ガス流路
２９ａ  ガス出口マニフォールド
２９ｂ  第２枝管
２９ｃ  第２枝管の下流部
３０  ガス出口部
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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