(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を電解質とし、反応ガスを反応させる反応部を備えた固体高分子型燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うため、温湿度交換膜の対向する面に対して所定のガス流路を形成する第１及び第２の流路体を備えた温湿度交換手段を具備し、
前記第１及び第２の流路体は、各々板状部材であって前記温湿度交換膜の対向する面をそれぞれ支持する複数の支柱、あるいは複数の中空状突起の少なくともいずれか一方が形成されたものであることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記流路体は、前記支柱、前記中空状突起を設けない部分に厚さ方向に、前記既反応ガス及び前記未反応ガスをそれぞれ通過させるための複数の連絡孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路体は、単位面積に設ける支柱、前記中空状突起の数を、前記板状部材の中央部と前記板状部材の周縁部で変化させたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
前記流路体の複数の支柱、複数の中空状突起は、機械加工、射出成形加工、モールド成形加工、プレス成形加工の中から選択された加工方法により形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】
固体高分子膜を電解質とし、反応ガスを反応させる反応部を備えた固体高分子型燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うため、温湿度交換膜の表面に対して所定のガス流路を形成する流路体を備えた温湿度交換手段を具備し、
前記流路体は、帯状の板状部材であってその肉厚方向に複数の連絡孔を有する流路体構成板を格子状に組合せた構成としたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】
前記流路体は、金属、合成樹脂、耐熱性樹脂のいずれかで構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。燃料電池のうち、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や電気自動車用などの電源として注目されている。
【０００３】
一般的な燃料電池システムは、燃料としてメタン等の炭化水素またはメタノール等のアルコールを燃料とし、燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器、水素リッチガス中のＣＯ（炭酸ガス）を低減するシフト反応器および選択酸化器、酸化剤として空気を供給するコンプレッサー、電池反応による発熱を取り除く冷却系、そして燃料電池本体から構成されている。
【０００４】
燃料電池本体では、燃料ガスに含まれる水素から水素イオンを生成し、電解質膜内を伝導して酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生成する。その際に、水素の化学エネルギーの一部が直接電気エネルギーとして取り出される。
【０００５】
電解質膜は含水状態で良好な水素イオン伝導性を示す。このため、運転中は、電解質膜に水分を与えて含水状態に保つ加湿が不可欠である。加湿方法としては、反応ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式、電池冷却水と未反応ガスを加湿膜を介して接触させ、電池冷却水の一部を未反応ガスに添加する間接内部加湿方式、電池冷却水を電池反応部の反応ガスに直接供給する直接内部加湿方式などが知られている。
【０００６】
一方、特願平１０−２５１１２４号明細書には、電池部を通過した既反応ガスと電池部を通過する前の未反応ガスを、保水性の多孔質体からなる温湿度交換膜に接触させ、熱と水分の交換を行う加湿方法が開示されている。
【０００７】
この場合、未反応ガスを供給するガス溝を設けた未反応ガスセパレータと、既反応ガスを供給するガス溝を設けた既反応ガスセパレータを用意し、未反応ガスセパレータと既反応ガスセパレータの間に、保水性の多孔質体からなる温湿度交換膜を介在させてこれらをまとめて狭持した温湿度交換セルとし、既反応ガス中に含まれた水蒸気を多孔質体上に凝縮させ、未反応ガス中に蒸発させることで、未反応ガスを加湿する。温湿度交換セルは必要に応じて複数枚積層されるが、その積層数は燃料電池スタックの単セル電池の枚数より少なく、通常１／２程度の枚数となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた公知のガス溝を設けたセパレータを温湿度交換セルのガス流路として用いた場合、反応ガスは、未反応ガスを供給するガス溝および既反応ガスを供給するガス溝の双方を流れることになる。
【０００９】
また、温湿度交換セルに用いる未反応ガスセパレータ及び既反応ガスセパレータに設けられたガス溝は、燃料電池スタックの単セル電池のセパレータに設けられたガス溝と概略同形状であり、その圧力損失の抵抗となる接触面はガス溝底面とガス溝側面２面の計３面ある。これらの接触面はガス溝の長さ方向に亘って存在し、圧力損失の増加をもたらす。
【００１０】
さらに温湿度交換セルの枚数が燃料電池スタックの単セル電池の枚数より少ないことから、未反応ガスを供給するガス溝および既反応ガスを供給するを流れる反応ガスの流量は燃料電池スタックの単セル電池を流れる反応ガスの流量より多くなる。このため、温湿度交換セルのガス流路の圧損は、燃料電池スタックの単セル電池のガス流路の圧損に比べてより一層大きくなってしまうという問題点がある。
【００１１】
反応ガスの圧損が増大すると、反応ガスを供給するのに必要な動力が増して、燃料電池システムの発電効率が減少してしまう。
【００１２】
また、ガス溝を設けたセパレータでは、ガス溝の開口部すなわち上面だけしか保水性の多孔質体との交換面として機能しないため、ガス溝を設けていないセパレータ面及びガス溝の底面部が交換面として機能せず、有効な交換面積が少なくなって加湿量が少なくなるという問題点もある。これにより温湿度交換セルの枚数が増大し、燃料電池システムのコンパクト性が損なわれてしまう。
【００１３】
本発明は以上述べた課題を解決するためになされたもので、反応ガスの圧損を低く抑えることができ、また、ガス流路の両面を温湿度の交換面として利用でき、加湿量を増大させることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とし、反応ガスを反応させる反応部を備えた固体高分子型燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うため、温湿度交換膜の対向する面に対して所定のガス流路を形成する第１及び第２の流路体を備えた温湿度交換手段を具備し、
前記第１及び第２の流路体は、各々板状部材であって前記温湿度交換膜の対向する面をそれぞれ支持する複数の支柱、あるいは複数の中空状突起の少なくともいずれか一方が形成されたものであることを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち前記流路体は、前記支柱、前記中空状突起を設けない部分に厚さ方向に、前記既反応ガス及び前記未反応ガスをそれぞれ通過させるための複数の連絡孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、前記流路体は、単位面積に設ける支柱、前記中空状突起の数を、前記板状部材の中央部と前記板状部材の周縁部で変化させたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、前記流路体の複数の支柱、複数の中空状突起は、機械加工、射出成形加工、モールド成形加工、プレス成形加工の中から選択された加工方法により形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とし、反応ガスを反応させる反応部を備えた固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うため、温湿度交換膜の表面に対して所定のガス流路を形成する流路体を備えた温湿度交換手段を具備し、前記流路体は、帯状の板状部材であってその肉厚方向に複数の連絡孔を有する流路体構成板を格子状に組合せた構成としたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記流路体は、金属、合成樹脂、耐熱性樹脂のいずれかで構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００２０】
以上述べた請求項のいずれかに記載の発明によれば、ガス流路断面の圧力抵抗は支柱、中空状突起の側面だけになり、従来のガス溝の側面と比較して面積の低減が可能となり、反応ガスの圧損を低く抑えることができる。また、板状部材の流路体の板面に支柱あるいは中空状突起を設けることで、温湿度交換膜を配設することが可能となり、温湿度交換膜の交換面積を増大させ、加湿量を増大させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
図１乃至図６は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システム（燃料電池システムと称する）の第１の実施形態を説明するための図である。図１は本発明に係る燃料電池システムの概略を示す斜視図であり、図２および図３はそれぞれ図１のＡ─Ａ及びＢ─Ｂ線に沿って切断した断面図である。
【００２３】
本発明の第１の実施形態は、概略固体高分子膜を電解質とし、反応ガスを反応させる反応部を備えた固体高分子型燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の反応部を通過した既反応ガスと、燃料電池スタック１の反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うため、温湿度交換膜２４の表面に対して所定のガス流路を形成する流路体例えば未反応酸化剤ガスセパレータ２２及び既反応酸化剤ガスセパレータ２３を備えた温湿度交換手段２０を具備し、酸化剤ガスセパレータ２２、２３は、板状部材であって、温湿度交換膜２４と対向する面に複数の支柱３２を形成した固体高分子型燃料電池システムである。
【００２４】
以下、これについて具体的に説明する。燃料電池システムは、燃料電池スタック１と温湿度交換手段２０および３枚のエンドプレート３０から構成されている。
【００２５】
燃料電池スタック１は複数個（ここでは３個のみを示している）の単セル２からなり、各単セル２は概ね膜電極複合体３と、膜電極複合体３を挟むように膜電極複合体３の両側に対向配置されると共に、所定の位置（詳細については後述する）を除き燃料並びに電池酸化剤ガスをシールするためのシールパッキン４と、両シールパッキン４をそれぞれ挟むように配設されるセパレータ５とからなっている。
【００２６】
膜電極複合体３は、高分子電解質膜６と燃料極７及び酸化剤極８とからなり、高分子電解質膜６は長方形状であって、燃料極７及び酸化剤極８は電解質膜６の対向する板面にそれぞれ配設されている。
【００２７】
図４（ａ），（ｂ）はいずれも単セル２のセパレータ５を説明するための図であり、図４（ａ）は正面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ─Ｃ線に沿って切断した断面図である。セパレータ５の全体の形状は直方体状であって一方の板面例えば表面（燃料極７と対向する面）の上側周縁部には冷却剤流路９、燃料ガス供給マニホールド（図では貫通孔のみが示されているが、実際にはこの部分にマニホールドが形成される）１０が形成され、又一方の板面の下側周縁部には冷却剤流路９、燃料ガス排出マニホールド（図では貫通孔のみが示されているが、実際にはこの部分にマニホールドが形成される）１１が形成され、更に一方の板面の右側及び左側周縁部には、それぞれ電池酸化剤ガス供給マニホールド（図では貫通孔のみが示されているが、実際にはこの部分にマニホールドが形成される）１２及び電池酸化剤ガス排出マニホールド（図では貫通孔のみが示されているが、実際にはこの部分にマニホールドが形成される）１３がそれぞれ形成され、又一方の板面の周縁部を除く中央部［図４（ａ）の破線で囲んだ部分］に水平方向に複数の燃料ガス供給路１４例えば断面ほぼＵ字状の溝が形成されている。セパレータ５の他方の板面例えば裏面（酸化剤極８と対向する面）の周縁部を除く中央部には、図４（ｂ）に示すように酸化剤ガス供給路１５例えば断面ほぼＵ字状の溝が形成されている。
【００２８】
セパレータ５の燃料ガス供給路１４の周囲には、燃料ガス／酸化剤ガス／冷却剤を各単セル２に供給／排出するためのマニホールド１０、１１、１２、１３が設けられている。図４に示すように、セパレータ５の表面に設けられた燃料ガス供給路１４と燃料ガス供給マニホールド１０および燃料ガス排出マニホールド１１は連通しており、燃料ガスを燃料極７に供給する。
【００２９】
また、図示しないセパレータ裏面の酸化剤ガス供給溝と、電池酸化剤ガス供給マニホールドおよび電池酸化剤ガス排出マニホールドは連通しており、酸化剤ガスを酸化剤極８に供給する。
【００３０】
燃料電池スタック１のセパレータ５は、燃料ガス供給溝を備える燃料セパレータと、酸化剤ガス供給溝を備える酸化剤セパレータ、および冷却剤流路を備える冷却セパレータがあるが、図２および図３に示すように、燃料セパレータと酸化剤セパレータは一体化されたセパレータとして使用される。
【００３１】
なお、燃料電池スタック１を構成する膜電極複合体３及びシールパッキン４の全周縁部にも、セパレータ５と同様すなわちセパレータ５に対応する位置に、図示しないがそれぞれ冷却剤流路、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールドが形成され、又図示しないが電池酸化剤ガス供給マニホールド１２及び電池酸化剤ガス排出マニホールド１３がそれぞれ形成されており、この結果燃料ガス及び電池酸化剤ガスは、該マニホールド１０、１１、１２、１３の形成されている位置に対応する位置のみに、燃料ガス及び電池酸化剤ガスがその肉厚方向にのみに通過するようになっている。また、シールパッキン４は、燃料極７及び酸化剤極８に相当する領域が切り欠かれており、その肉厚を燃料極７及び酸化剤極８の厚みと概略同一にすることで、燃料極７及び酸化剤極８の周囲をシールし、かつ燃料極７及び酸化剤極８とセパレータ５との間の電気的接触を実現している。
【００３２】
図３及び図４の変形例として次のようにすることができる。すなわち、燃料電池スタックのセパレータは、燃料ガス供給溝を備える燃料セパレータと、酸化剤供給溝を備える酸化剤セパレータがあるが、図２及び図３に示すように、燃料セパレータと酸化剤セパレータは一体化されたセパレータとして使用される。この場合、セパレータ周辺部の上下に設けられた冷却剤マニホールドは、電池発熱をセパレータ内の熱伝導及び冷却剤への熱伝導により取り除く機能を有する。更に、燃料セパレータ又は酸化剤セパレータと同様に冷却セパレータを設け、複数の単セル毎に挿入することで冷却してもよい。
【００３３】
温湿度交換手段２０は複数の温湿度交換セル２１からなり、各温湿度交換セル２１は未反応酸化剤ガスセパレータ２２および既反応酸化剤ガスセパレータ２３と、８枚の温湿度交換膜２４と、各温湿度交換膜２４の両側に夫々配設されると共に、所定の位置（詳細については後述する）を除き未反応及び既反応酸化剤ガスをシールするためのシールパッキン２５から構成される。
【００３４】
未反応酸化剤ガスセパレータ２２および既反応酸化剤ガスセパレータ２３は、それぞれ図５および図６に示すように構成されている。図５（ａ）は未反応酸化剤ガスセパレータ２２の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ─Ｄ線に沿って切断した断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）のＥ─Ｅ線に沿って切断した断面図である。
【００３５】
未反応酸化剤ガスセパレータ２２は、金属または樹脂などからなる薄板の対向する上下面に、それぞれ複数個の支柱２６を等間隔に設けた流路体を用いている。その流路体の周縁部には、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７と未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８および既反応酸化剤ガス供給マニホールド２９と既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１の計４個のマニホールドが設けられている。
【００３６】
各温湿度交換膜２４としては、イオン交換膜など、気体の透過率が低い保水性の多孔質体を用いる。
【００３７】
図６（ａ）は既反応酸化剤ガスセパレータ２３の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＦ─Ｆ線に沿って切断した断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＧ─Ｇ線に沿って切断した断面図である。既反応酸化剤ガスセパレータ２３も、未反応酸化剤ガスセパレータ２２と同様に、金属または樹脂などからなる薄板の対向する上下面に、それぞれ複数個の支柱３２を等間隔に設けた流路体を用いている。その流路体の周縁部には、未反応酸化剤ガス供給マニホールド３３と未反応酸化剤ガス排出マニホールド３４および既反応酸化剤ガス供給マニホールド３５と既反応酸化剤ガス排出マニホールド３６の計４個のマニホールドが設けられている。
【００３８】
又、図１に示すように、左側のエンドプレート３０には、酸化剤入口４１及び酸化剤出口４２が配設され、これらは温湿度交換手段２０及び燃料電池スタック１の酸化剤ガス供給マニホールド１２並びに酸化剤ガス排出マニホールド１３にそれぞれ連通するように構成されている。さらに、右側のエンドプレート３０には、燃料入口４３及び燃料出口４４が配設され、これらは燃料ガス供給マニホールド１０と燃料ガス流路１４及び燃料ガス排出マニホールド１１に連通するように構成されている。右側のエンドプレート３０には、図示しない冷却剤入口及び冷却剤出口４５が配設され、これらは燃料電池スタック１の冷却剤流路９と連通するように構成されている。
【００３９】
なお、温湿度交換膜２４及びシールパッキン２５の全周縁部にも、セパレータ２２と同様すなわちセパレータ２２に対応する位置に、図示しないがそれぞれ未反応酸化剤ガス供給マニホールド、未反応酸化剤ガス排出マニホールド、既反応酸化剤ガス供給マニホールド、既反応酸化剤ガス排出マニホールドが形成されており、この結果酸化剤ガスは、該マニホールド２７、２８、２９、３１の形成されている位置に対応する位置のみに、酸化剤ガスがその肉厚方向にのみに通過するようになっている。また、シールパッキン２５は、複数個の支柱３２が設けられた領域に相当する部分の全面が切り欠かれており、温度交換膜２４を露出させて湿度交換膜面として機能させている。
【００４０】
前記流路体を構成する支柱２６、３２を有する未反応酸化剤ガスセパレータ２２及び既反応酸化剤ガスセパレータ２３は、ステンレス又はアルミニウムなどの金属を用いて機械加工を行ったり、耐熱性樹脂例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリプロピレンの中から選択された一つの材料を用いて射出成形加工又はモールド成形加工により製作する。
【００４１】
このようにして得られた酸化剤ガスセパレータ２２、２３と、温湿度交換膜２４と、シールパッキン２５を一体的に組み込んで温湿度交換手段２０を構成した場合には、温湿度交換膜２４にはシールパッキン２５に形成されている孔（図示せず）を介して温湿度交換膜２４には各支柱２６、３２の先端がシールパッキン２５に形成されている孔（図示せず）を介して夫々当接するが、図２及び図３に示すように酸化剤ガスセパレータ２２、２３と温湿度交換膜２４の間は支柱２６、３２の長さの分だけ間隔が形成され、これによって酸化剤ガスの流路空間が形成される。この場合、酸化剤ガスの流路空間は厳密には支柱２６、３２の本数全部の体積を除いた分だけとなる。支柱２６、３２の本数は、酸化剤ガスの流路空間のことだけを考えると少ない方が望ましいが、支柱２６、３２の本数が少ないと温湿度交換膜２４を支える個所が少なくなることから、支柱２６、３２の本数を適宜決める方が望ましい。さらに、支柱２６、３２を酸化剤ガスセパレータ２２、２３の一方の面（片面）にのみ設けた場合には、支柱２６、３２を設けない面が温湿度交換膜２４と接触してしまうので、温湿度交換効率が悪くなる。このようなことから、支柱２６、３２を酸化剤ガスセパレータ２２、２３の両方の面（両面）に設けるのが望ましい。
【００４２】
以上のように構成された第１の実施形態の作用効果について説明する。
【００４３】
酸化剤ガスは、図２及び図３の白抜きの矢印に示すように、図１の左側のエンドプレート３０に形成されている酸化剤入口４１から温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７に供給され、各温湿度交換セル２１の未反応酸化剤ガスセパレータ２２に分配される。
【００４４】
そして、酸化剤ガスは温湿度交換膜２４を介して加熱および加湿された後、温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８にて回収される。未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８は、中央のエンドプレート３０に設けられた連絡孔３０ａを介して燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス供給マニホールド１２に連通しており、加熱・加湿された酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給される。
【００４５】
酸化剤ガスは、燃料電池スタック１内で燃料電池反応が行われ、その後燃料電池反応による生成水を含んだ既反応酸化剤ガスは、図２及び図３のハッチング入りの矢印に示すように、燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス排出マニホールド１３にて回収される。電池酸化剤ガス排出マニホールド１３は、中央のエンドプレート３０に設けられた連絡孔３０ａを介して温湿度交換手段２０の既反応酸化剤ガス供給マニホールド３５と連通しており、既反応酸化剤ガスは既反応酸化剤ガス供給マニホールドに供給されて、温湿度交換手段の各温湿度交換セル２１の既反応酸化剤ガスセパレータ２２に分配される。
【００４６】
ここで、既反応酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が温湿度交換膜２４の表面に凝縮し、透過し、未反応酸化剤ガスへ蒸発することで、未反応酸化剤ガスの加熱および加湿が行われる。水蒸気が減少した既反応酸化剤ガスは、温湿度交換手段２０の既反応酸化剤ガス排出マニホールド３６で回収され、酸化剤出口４２により、システムの外へ持ち出される。
【００４７】
以上述べた第１の実施形態によれば、燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段２０を設け、温湿度交換手段２０のガス流路を形成する流路体例えば酸化剤ガスセパレータ２２、２３に温湿度交換膜２４と対向する面（２面又は１面）に、複数の支柱２６、３２を形成したので、ガス流路断面の抵抗体は支柱２６、３２の側面だけになり、反応ガスの圧損を低く抑えることができる。
【００４８】
酸化剤ガスセパレータ２２、２３の対向する面にそれぞれ支柱２６、３２を形成することにより、ガス流路の両面を温湿度の交換面として利用でき、加湿量を増大させることができる。
【００４９】
流路体例えば酸化剤ガスセパレータ２２、２３は、金型を用いて射出成形加工又はモールド成形加工することにより、板状部材及び支柱２６、３２が一体に製造される。この場合、図５に示す酸化剤ガスセパレータ２２の周縁に設けられるマニホールド２７、２８、２９、３０を含めて一体成形が可能であり、又図６に示すマニホールド３３、３４、３５、３６を含めて一体成形が可能であり、この結果、大量の酸化剤ガスセパレータ２２、２３を低コストで製作可能となる。
【００５０】
なお、流路体例えば酸化剤ガスセパレータ２２、２３の厚さは薄い方が好ましく、本実施形態では、0.2mmのものを用いた。また、上下に設けた支柱２６、３２は、細い形状のものが圧力抵抗の低減の観点から望ましいが、本実施形態では、直径1.5mm、高さ2mmの円柱状とした。もちろん、支柱２６、３２の形状としては、円柱状に限らず四角柱や円錐形状、三角錐形状などでもよい。
【００５１】
ガスセパレータ２２、２３の両面に支柱２６、３２を形成することにより、支柱２６、３２の対向する面に温湿度交換膜２４を配設することができ、交換面積の増大を図ることができる。
【００５２】
本実施形態のように、酸化剤ガスセパレータ２２、２３の両面に支柱２６、３２を設けることで、未反応酸化剤ガス又は既反応酸化剤ガスが通過する際の発電試験を行って圧力損失を測定した結果について説明する。この実験を行うに当たって、従来の燃料電池システムと本実施形態の燃料電池システムを用意し、２つのシステムとも燃料電池スタックは同等のもの、つまり電極面積100cm2の単セル電池を２０枚積層した燃料電池スタックを用いた。それに対し、温湿度交換セルの枚数は、単セル電池の枚数の１／５の４枚とした。
【００５３】
電流密度0.5A/cm2、酸化剤ガス利用率40%で発電した結果、酸化剤ガス入口から出口までの圧力損失は、従来の燃料電池システムの10,000Paに対し、本実施形態の燃料電池システムは8,000Paであった。同時に燃料電池スタックの電池酸化剤ガス供給マニホールドから電池酸化剤ガス排出マニホールドまでの圧力損失を測定したところ、２つのシステムとも7,000Paであった。この結果から、温湿度交換手段の酸化剤ガスの圧力損失は従来のシステムの3,000Paから本実施形態の1,000Paへ低減された。
【００５４】
また、従来の燃料電池システムでは、５個の温湿度交換セル２１に対して、４枚の温湿度交換膜を用いていたが、本実施形態では、図２に示すように、８枚の温湿度交換膜２４を用いることができ、より多くの加湿量を得ることができた。具体的には、図２に示すように、５個の温湿度交換セル２１のうち、２個は省略されて中央の１個と、左右の端部側に存在する２個のみが示されているが、中央の１個に備えている２枚の温湿度交換セル２１と、省略されている２個にそれぞれ備えているものであって合計４枚の温湿度交換セル２１と、左右の端部側にそれぞれ備えているものであって合計２枚の温湿度交換セル２１の全ての合計が８枚となっている。
【００５５】
図７および図８は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ａおよび既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ａを示す。図７（ａ）は未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ａの正面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＨ─Ｈ線に沿って切断した断面図であり、図７（ｃ）は図７（ａ）のＩ─Ｉ線に沿って切断した断面図である。図８（ａ）は既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ａの正面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＪ─Ｊ線に沿って切断した断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）のＫ─Ｋ線に沿って切断した断面図である。
【００５６】
本実施形態では、第１の実施形態の流路体例えば酸化剤ガスセパレータ２２、２３において、支柱２６、３２の形成されていない部分（支柱２６、３２を設けていない部分）に複数の連絡孔２２Ａａ、２３Ａａを形成した点のみが異なる。その他の燃料電池システムの構成は、第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。
【００５７】
この場合、流路体を形成する酸化剤ガスセパレータ２２、２３の上下は、同じ流体が流れるため、その接触面積は小さい方が望ましい。つまり、連絡孔２２Ａａ、２３Ａａを設けて酸化剤ガスセパレータ２２、２３と酸化剤との接触面積を減らすことで、より一層圧力損失の低減が可能となった。このことは、次のような実験結果から明らかである。
【００５８】
本実施形態では、支柱２６、３２と支柱２６、３２の中央に、直径3mmの円形の連絡孔２２Ａａ、２３Ａａを複数個設けた。この場合の連絡孔２２Ａａ、２３Ａａの形状は円形に限ることなく、例えば四角形などでもよい。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システムと、従来の燃料電池システムを用意して発電試験を行い、発電試験を行って圧力損失を測定した。２つのシステムとも燃料電池スタックは同等のもの、つまり電極面積100cm2の単セル電池を２０枚積層した燃料電池スタックを用いた。それに対し、温湿度交換セルの枚数は、単セル電池の枚数の１／５の４枚とした。
【００６０】
この場合、電流密度0.5A/cm2、酸化剤ガス利用率40%で発電した結果、酸化剤ガス入口から出口までの圧力損失は、従来の燃料電池システムの10,000Paに対し、本実施形態の燃料電池システムは7,600Paであった。同時に燃料電池スタックの電池酸化剤ガス供給マニホールドから電池酸化剤ガス排出マニホールドまでの圧力損失を測定したところ、２つのシステムとも7,000Paであった。この結果から、温湿度交換手段の酸化剤ガスの圧力損失は従来のシステムの3,000Paから本実施形態の600Paへ低減された。
【００６１】
図９及び図１０は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを示す。図９（ａ）は未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｂの正面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＬ─Ｌ線に沿って切断した断面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）のＭ─Ｍ線に沿って切断した断面図であり、図１０（ａ）は既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ｂの正面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＮ─Ｎ線に沿って切断した断面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＯ─Ｏ線に沿って切断した断面図である。
【００６２】
本実施形態では、第１の実施形態の流路体例えば未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｂ及び既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ｂにおいて、中央部の領域の支柱２６、３２の数を増加させた。その他の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。
【００６３】
第１の実施形態の未反応酸化剤ガスセパレータ２２では、左上の未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７から右下の未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８へ酸化剤ガスが流れるため、流路体の左下および右上の領域は流れにくくなる。
【００６４】
これに対し本実施形態では、点線で囲った領域は、酸化剤ガスが流れやすい領域つまり支柱増加領域に支柱２６の数を増やして流体抵抗を増やしている。これに対して、第１の実施形態の図５では支柱２６相互間は同一となっている。このため、支柱２６の数が少なく、流体抵抗が小さな左下および右上の領域にも酸化剤ガスが流れるようになり、流路体の全面に均一に流れるようになる。
【００６５】
図１０の既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ｂは図９と同様に中央の支柱２６の増加領域に支柱の数を増やしており、未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｂと同様の効果が得られることは、次の実験結果から明らかである。
【００６６】
本実施形態の燃料電池システムと、従来の燃料電池システムを用意して発電試験を行い、発電試験を行って圧力損失を測定した。２つのシステムとも燃料電池スタックは同等のもの、つまり電極面積100cm2の単セル電池を２０枚積層した燃料電池スタックを用いた。それに対し、温湿度交換セル２１の枚数は、単セル電池の枚数の１／５の４枚とした。
【００６７】
電流密度0.5A/cm2、酸化剤ガス利用率40%で発電した結果、酸化剤ガス入口から出口までの圧力損失は、従来の燃料電池システムの10,000Paに対し、本実施形態の燃料電池システムは8,300Paであった。同時に燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス供給マニホールドから電池酸化剤ガス排出マニホールドまでの圧力損失を測定したところ、２つのシステムとも7,000Paであった。この結果から、温湿度交換手段の酸化剤ガスの圧力損失は従来のシステムの3,000Paから本実施形態の1,300Paへ低減された。
【００６８】
図１１、図１２及び図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータおよび既反応酸化剤ガスセパレータを示す。図１１（ａ）は未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｃの正面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＰ─Ｐ線に沿って切断した断面図であり、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＱ─Ｑ線に沿って切断した断面図である。図１２（ａ）は既反応酸化剤ガスセパレータ２３Ｃの正面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＲ─Ｒ線に沿って切断した断面図であり、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＳ─Ｓ線に沿って切断した断面図である。
【００６９】
本実施形態では、温湿度交換手段２０のガスセパレータ２２Ｃ、２３Ｃとして、図１３（ａ）に示すように構成した格子状流路体構成板（１）５１、格子状流路体構成板（２）５２を、図１３（ｂ）に示すように格子状に組み合わせたものである。格子状流路体構成板５１は、帯状の板状部材であってその肉厚方向に複数の連絡孔５３を有し、連絡孔５３の相互間であって、板状部材の下側に切り欠き５４が複数形成されている。格子状流路体構成板５２は、帯状の板状部材であってその肉厚方向に複数の連絡孔５３を有し、連絡孔５３の相互間であって、板状部材の上側に切り欠き５４が複数形成されている。このように形成された２種類の格子状流路体構成板（１）５１、（２）５２を、図１３（ｂ）のように組合せることで形成される。流路体構成板５１、５２は、幅がセパレータ厚さと同等であり、流路体構成板５１は切り欠き５４が下部に設けられており、流路体構成板５２は切り欠き５４が上部に設けられている。
【００７０】
これらの構成板５１、５２を、構成板５１の切り欠き５４と構成板５２の切り欠き５４を、図１３（ｂ）のように合わせるように組み立てることで、格子状流路体を製作する。格子状流路体は、構成板の組合せ部分が支柱の役割を果たし、また連絡孔５３がガスの流路の役割を果たしている。この場合、第１の実施形態のように、流路全体を占める薄板がないため、酸化剤（流体）の接触面積を大幅に減らすことが可能となり、より一層の圧力損失の低減が可能となる。
【００７１】
図１４は本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを示す。図１４（ａ）は未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｄの正面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＴ─Ｔ線に沿って切断した断面図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）のＵ─Ｕ線に沿って切断した断面図である。
【００７２】
本実施形態では、温湿度交換手段２０の流路体例えば未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｄとして、金属などの薄板の上下に、前述した支柱２６、３２と同様な機能を有する中空状突起５５を複数個設けたものである。このように中空状突起５５並びにマニホールド２７、２８、２９、３１を含めて未反応酸化剤ガスセパレータ２２Ｄは、金属を金型プレス成形加工により形成されたものである。
【００７３】
図１５は本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの温湿度交換手段２０の温湿度交換セル２１の構成を示す断面図である。その他の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同様であるが、図１５に示すようにマニホールド周囲の枠部分が薄板と同じ厚さのため、温湿度交換セル用のシールパッキンの厚みを大きくする必要がある。
【００７４】
薄板の材質としては、プレス成形可能な金属材料であれば良く、ステンレス、アルミ、銅、チタンなどが考えられるが、本実施形態では、厚さ0.2mmのステンレス鋼を用いた。
【００７５】
薄板の上下に設けた突起により、第１の実施形態の支柱と同様の効果が得られる。すなわち、流体の抵抗は突起の側面だけとなるため、従来の溝形状に比べて大幅な圧力損失の低減が可能となる。また、材質として金属を用いることで、樹脂を材料とした支柱よりも強度に優れ、従って突起の数を少なくすることが可能となる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、反応ガスの圧損を低く抑えることができ、また、ガス流路の両面を温湿度の交換面として利用でき、加湿量を増大させることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第１の実施形態を説明するための斜視図。
【図２】図１のＡ─Ａ線に沿って切断した断面図。
【図３】図１のＢ─Ｂ線に沿って切断した断面図。
【図４】図１の燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
【図５】図１の温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図６】図１の温湿度交換手段の既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図７】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第２の実施形態の温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図８】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第２実施形態の温湿度交換手段の既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図９】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第３の実施形態の温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１０】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第３の実施形態の温湿度交換手段の既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１１】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施形態の温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１２】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施形態の温湿度交換手段の既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１３】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施形態の格子状に構成した流路体を説明するための図。
【図１４】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第５の実施形態の温湿度交換手段の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１５】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第６の実施形態の温湿度交換セルを説明するための図であって図１のＡ─Ａ線に沿って切断した断面図。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック、２…単セル、３…膜電極複合体、４…シールパッキン、５…セパレータ、６…高分子電解質膜、７…燃料極、８…酸化剤極、９…冷却剤流路、１０…燃料ガス供給マニホールド、１１…燃料ガス排出マニホールド、１２…電池酸化剤ガス供給マニホールド、１３…電池酸化剤ガス排出マニホールド、１４…燃料ガス流路、１５…酸化剤ガス流路、２０…温湿度交換手段、２１…温湿度交換セル、２２…未反応酸化剤ガスセパレータ、２３…既反応酸化剤ガスセパレータ、２４…温湿度交換膜、２５…シールパッキン、２６…支柱、２７…未反応酸化剤ガス供給マニホールド、２８…未反応酸化剤ガス排出マニホールド、２９…既反応酸化剤ガス供給マニホールド、３０…エンドプレート、３１…既反応酸化剤ガス排出マニホールド、３２…支柱、３３…未反応酸化剤ガス供給マニホールド、３４…未反応酸化剤ガス排出マニホールド、３５…既反応酸化剤ガス供給マニホールド、３６…既反応酸化剤ガス排出マニホールド、
４１…酸化剤入口、４２…酸化剤出口、４３…燃料入口、４４…燃料出口、４５…冷却剤出口。
【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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