(57)【要約】      （修正有）【課題】ドライアウトをより抑制することができるポーラスタイプのセパレータを用いた固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜を狭持する電極層を備える。また、電極層の両面に配置され、その一面に電極層との間に反応ガスを流通する反応ガス流路を有するポーラスタイプのセパレータを備える。カソードセパレータ６のカソードガス流路８を形成した面６ａの背面６ｂに、カソードガス流路８で水が過剰になる領域に重なる過剰領域Ｄと、カソードガス流路８で水が不足する領域に重なる不足領域Ｉとを接続する水移動用経路２０を有する。さらに、不足領域Ｉにおける水移動用経路２０の幅Ｉｄが、過剰領域Ｄにおける水移動用経路２０の幅Ｄｄよりも小さくなるように構成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を狭持する電極層と、
前記電極層の両面に配置され、その一面に、前記電極層との間に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、かつ、その背面に、前記反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域と、前記反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域とを接続する水移動用経路を有するポーラスタイプのセパレータと、を備え、
さらに、前記不足領域における前記水移動用経路の幅が、前記過剰領域における前記水移動用経路の幅よりも小さくなるように構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記水移動用経路として、前記過剰領域と前記不足領域を接続し、互いに並列した複数の溝を備える請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記水移動用経路として、さらに、前記不足領域で、複数の前記過剰領域と不足領域を接続する溝を横切って設けられる第二の溝を備える請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記水移動用経路として、前記過剰領域と前記不足領域を接続し、互いに並列した複数の帯状の領域に親水処理を施した第二の親水部を備える請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記水移動用経路として、さらに、前記不足領域で、複数の前記過剰領域と不足領域を接続する親水部を横切って設けられる親水部を備える請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記不足領域を、前記反応ガス流路の最上流部に重なる領域とする請求項１から５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
隣り合う前記水移動用経路の間隔が、前記不足領域で、他の領域より狭くなるように構成する請求項２または４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記不足領域またはその近傍で、二本以上の前記水移動用経路を合流して構成する請求項２または４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記水移動用経路を、前記過剰領域での経路幅が他の部分に比較して広くなるように構成する請求項２または４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記水移動用経路は、前記過剰領域から前記不足領域に向けて途中で湾曲し、その湾曲形状によって、前記過剰領域から前記不足領域に集中して水を集めるように構成する請求項１から５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記過剰領域を前記不足領域より鉛直方向上側に設ける請求項１から５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
電解質膜を狭持する電極層と、
前記電極層の両面に配置され、その一面に、前記電極層との間に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、かつ、その背面に、前記反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域と、前記反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域とを、水バランスの取れた領域を概略避けて接続する水移動用経路を有するポーラスタイプのセパレータと、を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。特に、ポーラスタイプのセパレータを有する固体高分子型燃料電池において、反応面内の水分布を適当に調整する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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る。電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰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側の表面に生じる下記の電気化学反応を利用して電気エネルギを取出す。
【０００３】
陽極反応：  Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
陰極反応：  ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
このような燃料電池において、近年、燃料ガスまたは酸化剤ガスのセパレータとしてポーラスタイプのセパレータを用いるものが知られている。これは、電解質膜の加湿に用いる水をポーラス内部に含むことができ、また、電池反応による生成水をその内部に吸収してガス下流側でのフラッディングを防止することができるという利点がある。
【０００４】
例えば、ポーラス体のガス流路の裏面に水分均一化構造体を備え、自動的に湿っているほうから乾いているほうに水を移動させて、水を均一化するものが知られている。つまり、生成水によって水分過剰となる反応ガス流路の下流域から、無加湿ガスの導入によって水が不足する上流域へと水を移動させている。外部加湿器などを使用せずに燃料電池に無加湿ガスが導入されると、十分に湿っているポーラス体表面の水蒸気分圧と、乾燥ガスの水蒸気分圧の差がドライビングフォースとなり、ポーラス体中の水分が蒸発し、反応ガスを加湿している（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平８−１３８６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような燃料電池においては、反応ガスとして乾燥ガスが導入されると、流路入口直後のエリアでは急激な蒸発現象が起こり、水がどんどん消費されていくが、そのガスがある程度の蒸気圧に達すると、ポーラス表面からの蒸発速度は遅くなる。つまり、入口直後のエリアは、水が相当量必要なのに対し、その後のエリアで必要とする水の量はかなり少なくなる。
【０００６】
このような現象を考慮すると、先に述べた背景技術では、ポーラス体の背面に配置された水分均一化構造体面内で水を均一化するだけであるので、均一化する速度が遅いとガス入口直後のエリアでは水が不足し、それ以外のエリアでは水が過剰となってフラッディングを生じるという不具合が生じる可能性がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、ドライアウトをより抑制することができるポーラスタイプのセパレータを用いた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電解質膜を狭持する電極層と、前記電極層の両面に配置され、その一面に前記電極層との間に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、かつ、その背面に、前記反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域と、前記反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域とを接続する水移動用経路を有するポーラスタイプのセパレータと、を備える。さらに、前記不足領域の前記水移動用経路の幅が、前記過剰領域の前記水移動用経路の幅よりも小さくなるように構成する。
【０００９】
または、電解質膜を狭持する電極層を備える。また、前記電極層の両面に配置され、その一面に、前記電極層との間に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、かつ、その背面に、前記反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域と、前記反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域とを、水バランスの取れた領域を概略避けて接続する水移動用経路を有するポーラスタイプのセパレータと、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
反応ガス流路を有する面の背面側へとポーラスタイプのセパレータを浸透してきた水は、に、反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域から、反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域へと水移動用経路を介して導かれ、しかも、不足領域における水移動用経路の幅が、過剰領域における水移動用経路の幅よりも小さくなるようにしてあるので、過剰領域の液水を不足領域に集中的に集めることができる。その結果、不足領域でポーラス体からの蒸発が盛んに行われる場合にも、ドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【００１１】
また、水移動用経路を、反応ガス流路で水が過剰になる領域に重なる過剰領域と、反応ガス流路で水が不足する領域に重なる不足領域とを、水バランスの取れた領域を概略避けて接続することにより構成するので、水移動用経路内の水の濃度勾配が大きくなり、水移動用経路内の水の移動速度を大きくすることができる。その結果、不足領域でポーラス体からの蒸発が盛んに行われる場合にも、ドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の実施形態について説明する。燃料電池セル１の概略断面を図１に示す。
【００１３】
燃料電池として固体高分子電解質膜２を有する固体高分子型燃料電池を用いる。燃料電池は図１に示すような燃料電池セル１から構成しても良いし、複数の燃料電池セル１を積層することにより形成した燃料電池スタックから構成しても良い。
【００１４】
固体高分子からなる電解質膜２を、アノード電極層３、カソード電極層４で狭持し、さらにその外側からアノードセパレータ５、カソードセパレータ６で狭持することにより燃料電池セル１を構成する。アノードセパレータ５、カソードセパレータ６を、それぞれポーラスなプレートにより構成する。また、アノード電極層３、カソード電極層４を、それぞれ図示しないガス拡散層と触媒層とから構成する。電極層３、４の電解質膜２に接触するそれぞれの面に触媒層を、セパレータ５、６に接触するそれぞれの面にガス拡散層を構成する。
【００１５】
アノード電極層３とアノードセパレータ５の間には、水素を含有するアノードガスを流通するアノードガス流路７を構成する。ここでは、アノードセパレータ５の、アノード電極層３に接触する面に溝を設けることによりアノードガス流路７を構成する。また、カソード電極層４とカソードセパレータ６の間には、酸素を含有するカソードガスを流通するカソードガス流路８を構成する。ここでは、カソードセパレータ６の、カソード電極層４に接触する面（６ａ）に溝を設けることによりカソードガス流路８を構成する。
【００１６】
次に、カソードセパレータ６の形状を図２に示す。図２（ａ）に、カソードセパレータ６のカソード電極層４に接触する面６ａを、図２（ｂ）に、その背面６ｂを示す。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、カソード電極層４に接触する面６ａに溝を設けることにより、カソードガス流路８を構成する。ここでは、カソードガス流路８を蛇行形状に構成する。また、カソードガス流路８の一端に連通する供給マニホールド１１と、もう一端に連通する排出マニホールド１２を備える。供給マニホールド１１および排出マニホールド１２は、それぞれ燃料電池を積層方向に貫通する孔により構成する。
【００１８】
一方、面６ｂには、水移動用経路２０を備える。ここでは水移動用経路２０として、複数の並列する溝２１を構成する。溝２１を、それぞれ、面６ａ側に形成したカソードガス流路８の水が不足する領域に重なる不足領域Ｉと、水が過剰となる領域に重なる過剰領域Ｄとを接続する溝２１ａにより構成する。図２（ｂ）に示すように、不足領域Ｉは、面６ａ側に形成したカソードガス流路８の最上流に重なる領域となり、過剰領域Ｄは、下流側に重なる領域となる。ここでは、水移動用経路２０は、過剰領域Ｄと不足領域Ｉとを、略水分バランスの取れた領域を介さずに接続するように構成する。
【００１９】
ここで、このカソードガス流路８の最上流側に重なる不足領域Ｉの設定方法を図２（ｃ）を用いて説明する。
【００２０】
乾燥ガスを燃料電池に供給して通常運転を行った際の、カソードガス流路８内の相対湿度を示すと、図２（ｃ）のようになる。（２）式に示したカソード側の発電反応に伴って水が生成されるため、カソードガス流路８内を流通するカソードガスは、徐々に加湿される。そのため、カソードガス入口８ｉからある程度の距離Ｘまで進むと、カソードガスが発電を行うのに十分な湿度にまで加湿される。そこで、カソードガス流路８の入口８ｉから位置Ｘまでを、水が不足する可能性のある不足領域Ｉとする。最も水が必要とされる最上流側に重なる不足領域Ｉは、全流路長の１／１０〜１／４程度となる。これは、カソードセパレータ６を構成するプレートの物性やガス流量、流路形状など様々な条件によって異なるので、一概に決めることはできない。しかしながら、上記の条件を加味し、実験やシミュレーションを行うことによって、最も水が必要となるエリアを割り出すことができ、これにより不足領域Ｉを設定する。
【００２１】
一方、カソードガス流路８の下流側に重なる過剰領域Ｄは、発電反応に伴う生成水により凝縮水が生じる可能性がある領域とする。ここでは、不足領域Ｉと、そのすぐ下流側を除いた領域とする。例えば、カソードガス流路８全体に対して下流側２／３を過剰領域Ｄとするが、この限りではない。なお、過剰領域Ｄは、実験やシミュレーションにより設定することができる。
【００２２】
このように設定した不足領域Ｉと過剰領域Ｄとを、互いに並列した多数の溝２１ａにより構成した水移動用経路２０により接続する。カソードガス流路８側の生成水の一部は、ポーラスタイプのカソードセパレータ６を浸透して、反対面に形成した水移動用経路２０に至る。このとき、不足領域Ｉにおける水移動用経路２０の幅Ｉｄが、過剰領域Ｄにおける水移動用経路２０の幅Ｄｄより小さくなるように構成する。図２（ｂ）に示すように、水移動用経路２０幅が、過剰領域Ｄから不足領域Ｉに向けて、途中から徐々に減少するように構成する。ここでは、不足領域Ｉにおける溝２１ａの密度が、過剰領域Ｄにおける溝２１ａの密度よりも大きくなるように構成することで、Ｉｄ＜Ｄｄとなる水移動用経路２０を構成する。つまり、過剰領域Ｄにおける隣り合う溝２１ａ間の距離より、不足領域Ｉにおける隣り合う溝２１ａ間の距離が小さくなるように構成する。これにより、浸透してきた水は、水移動用経路２０を過剰領域Ｄから不足領域Ｉに向けて導かれる。
【００２３】
なお、前述したように、不足領域Ｉを水不足が生じる領域に限定する。また、過剰領域Ｄを水が過剰となる領域とする。これにより、燃料電池セル１内で過剰となった水のほぼ１００％をカソードガスの加湿に用いることができる。そして、カソードガスがポーラス体からの蒸発により加湿される不足領域Ｉでは好条件で加湿が行われるので、乾燥ガスを燃料電池に供給したとしても、電解質膜２を乾燥させることなく、安定した性能を得られるとともに耐久性を向上させることができる。そのため、外部に加湿器等を必要とせず、燃料電池システムの巨大化を防ぐことができる。
【００２４】
また、水移動用経路２０を構成するそれぞれの溝２１ａは、過剰領域Ｄから水不足領域Ｉに向けて途中が湾曲して形成される。つまりＲ形状を有するように構成する。これにより、水が溝２１ａ内を移動する際の圧損を抑制することができ、水の移動速度を落とさず、不足領域Ｉに水を安定して供給することができる。なお、図３に示すようにＲ形状を有さず、溝２１ａが角部を有するように構成してもよい。ただし、この場合には、この角部で水が滞留する傾向があり、その結果、最上流部で非常に多くの水が消費された場合には、溝２１ａ内の水の移動速度が抑制されて、水の供給が間に合わないという不具合を生じる可能性がある。
【００２５】
次に、上述したように構成したカソードセパレータ６における水の移動について説明する。
【００２６】
カソードガス流路８の下流域で過剰となった水は、カソードセパレータ６を構成するポーラス体表面で凝縮し、毛細管現象により内部に移動する。このとき、毛細管現象に加えて、面６ａ側の圧力Ｐａと、面６ｂ側の圧力Ｐｂとの差ΔＰ（＝Ｐｂ−Ｐａ）も、水の移動のドライビングフォースとなる。水はポーラス体内を面６ａ側から面６ｂ側に移動し、面６ｂに形成した水移動用経路２０を構成する溝２１ａに移動する。さらに、溝２１ａ内を水がない方向、つまり、水が消費されている最上流側に重なる不足領域Ｉに向かって移動する。不足領域Ｉに移動した水は、毛細管現象によりポーラス体内部を面６ａ側に移動する。
【００２７】
面６ａに形成したカソードガス流路８に乾燥ガスまたは不飽和ガスが供給されると、水はポーラス体表面から、カソードガス流路８を流通するカソードガス内に蒸発し、カソードガスの加湿を行う。これにより、不足領域Ｉで面６ａ側と面６ｂ側で水の濃度勾配ができるので、前述したような面６ｂから面６ａに水が移動する際のドライビングフォースとなる。
【００２８】
ここで、従来の溝１２１の形状を図４に示す。
【００２９】
従来は、溝１２１を反応面について均等に形成していた。つまり、カソードガス流路８の下流側に重なる過剰領域Ｄで過剰となった水を、上流側に重なる領域Ｕ側に均一に移動させていた。しかしながら、図２（ｃ）に示すように、供給マニホールド１１からカソードガス流路８に乾燥したカソードガスを導入した場合は、入口８ｉ直後で急激に水が蒸発し、その後、水の蒸発は比較的遅くなり、さらには飽和に達してしまう。つまり、最も水分が必要とされる部位は入口８ｉの直後であり、図３（ｂ）に示すように、反応面全体に均一に溝１２１を形成した場合には、入口８ｉ直後で水が不足してドライアウトを生じる可能性がある。それに加えて、ガスが飽和した後のエリアでは水が不要であるばかりでなく、逆に電池反応により生成された水がカソードガス流路８内で過剰となり、フラッディングを起こしてしまう可能性がある。
【００３０】
本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、不足領域Ｉに溝２１ａが集中するように構成しているので、水を過剰領域Ｄから溝２１ａを通って不足領域Ｉに集中させることができる。そのため、不足領域Ｉで乾燥ガスまたは不飽和ガスを加湿するための水を、過剰領域Ｄから効率良く移動させることができ、乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３２】
電解質膜２を狭持する電極層３、４を備える。また、電極層３、４の両面に配置され、その一面に電極層３、４との間に反応ガスを流通する反応ガス流路７、８を有するポーラスタイプのセパレータ５、６を備える。カソードセパレータ６のカソードガス流路８を形成した面６ａの背面６ｂに、カソードガス流路８で水が過剰になる領域に重なる過剰領域Ｄと、カソードガス流路８で水が不足する領域に重なる不足領域Ｉとを接続する水移動用経路２０を有する。さらに、不足領域Ｉにおける水移動用経路２０の幅Ｉｄが、過剰領域Ｄにおける水移動用経路２０の幅Ｄｄよりも小さくなるように構成する。
【００３３】
これにより、過剰領域Ｄで生じた液水を集中的に不足領域Ｉ側に集めることができるので、不飽和なガスが燃料電池に供給された場合にも、ポーラス体からの水の蒸発によりそのガスを加湿することができる。
【００３４】
水移動用経路２０として、過剰領域Ｄと不足領域Ｉを接続し、互いに並列した複数の溝２１ａを備える。これにより、水移動用の経路を容易に構成することができる。
【００３５】
また、不足領域Ｉを、カソードガス流路８の最上流部に重なる領域とする。これにより、反応ガス入口８ｉ付近に向かって水が移動するので、急激な水の蒸発による水不足現象、つまり、ドライアウトを効果的に防止することができる。また、ガス最上流部近傍では、速い速度で水が消費されていくので、水移動用の溝内で上流と下流の水の濃度勾配がつきやすく、過剰領域Ｄ内でフラッディングが生じるのを効果的に防止することができる。
【００３６】
隣り合う溝２１ａの間隔が、不足領域Ｉで、他の領域より狭くなるように構成する。これにより、不足領域Ｉにおける水移動用経路２０の幅を他の領域に比べて狭くなるように構成することができるので、不足領域Ｉに、セル内で生成された全ての液水を集中して集めることができる。その結果、急激な水の蒸発による水不足現象、つまり、ドライアウトを効果的に防止することができる。また、ガス最上流部近傍では、速い速度で水が消費されていくので、溝２１ａ内で上流と下流の水の濃度勾配がつきやすく、水過剰側のフラッディングも効果的に防止することができる。
【００３７】
溝２１ａは、過剰領域Ｄから不足領域Ｉに向けて途中で湾曲し、その湾曲形状によって、過剰領域Ｄから不足領域Ｉに集中して水を集めるように構成する。これにより、カソードガス流路８内で、水過剰側から最も水が不足しがちな反応ガス最上流部に集中して水を集めるように溝２１ａを構成した際に、その溝２１ａの曲部における流路圧損を抑制することができる。その結果、溝２１ａ内の湾曲部分の水移動速度を維持することができるので、入口８ｉ付近の急激な水の消費に間に合うだけの水移動速度を確保することができる。
【００３８】
カソードガス流路８で水が過剰になる領域に重なる過剰領域Ｄと、カソードガス流路８で水が不足する領域に重なる不足領域Ｉとを、水バランスの取れた領域を避けて接続する水移動用経路２０を有するポーラスタイプのカソードセパレータ６を備える。これにより、水移動用経路２０内の水の濃度差が大きくなるので、水移動用経路２０内の水の移動速度を大きくすることができる。その結果、不足領域Ｉでポーラス体からの蒸発が盛んに行われる場合にも、ドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【００３９】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
燃料電池セル１の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、カソードセパレータ６の面６ｂに形成する水移動用経路２０を、図５に示すような形状とする。
【００４１】
カソードガス流路８の最上流に重なる不足領域Ｉ、またはその近傍で、複数の溝２１ａが合流するように構成する。ここでは隣り合う二つの溝２１ａが合流するように構成する。このように構成することで、過剰領域Ｄ内で溝２１ａが占める割合を大きくすることができる。その結果、過剰領域Ｄ全体から効率良く水を回収して、不足領域Ｉに供給することができる。
【００４２】
なお、ここでは二つの溝２１ａを合流させているが、三つ以上の溝２１ａを合流させても同様の効果を得ることができる。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００４４】
不足領域Ｉまたはその近傍で、二本以上の溝２１ａを合流して構成する。これにより、カソードガス入口８ｉ近傍にセル１内で生成した全ての水を集中して集めることができ、急激な水の蒸発による水不足現象、つまり、ドライアウトを効果的に防止することができる。また、過剰領域Ｄ内により多くの溝２１ａを構成することができるので、過剰領域Ｄ内で溝２１ａが占める面積割合を増大することができ、さらに過剰領域Ｄでフラッディングを効果的に防止することができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
燃料電池セル１の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、カソードセパレータ６の面６ｂに形成する水移動用経路２０を、図６に示すような形状とする。
【００４７】
水過剰となりやすい過剰領域Ｄを、水不足となりやすい不足領域Ｉより、鉛直方向上側に設ける。ここでは、燃料電池運転時には、排出マニホールド１２が供給マニホールド１１よりも鉛直上側に位置するように構成して、カソードガス流路８の下流側が、上流側に比べて高い位置に設置されるように構成する。例えば、カソードガス流路８を水平方向に蛇行し、全体的には下から上に向かってカソードガスが流れるように構成する。
【００４８】
なお、このとき溝２１ａを、軸が比較的垂直方向に伸びる傾向を持つように構成するのが好ましい。
【００４９】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５０】
過剰領域Ｄを不足領域Ｉより鉛直方向上側に設ける。これにより、溝２１ａ内の水の移動に、毛細管現象に加えて重力を利用することができ、溝２１ａ内の水移動速度を大きくすることができる。その結果、ガス入口８ｉ近傍の急激な水の消費により、ドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【００５１】
なお、第１または２の実施形態についても、カソードガス流路８の上流側を鉛直下方に、下流側を鉛直上方に配置することにより、溝２１ａ内の移動に重力を利用することができる。
【００５２】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５３】
燃料電池セル１の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、カソードセパレータ６の面６ｂに形成する水移動用経路２０を、図７に示すような形状とする。
【００５４】
カソードガス流路８の最上流に重なる不足領域Ｉにおける水移動用経路２０を、過剰領域Ｄと不足領域Ｉを接続する溝２１ａと、溝２１ａを横切って構成される溝２１ｂにより構成する。つまり、不足領域Ｉにおける水移動用経路２０を、格子形状の溝２１により構成する。ここでは、溝２１ｂを全ての溝２１ａを互いに接続するように構成する。ここで、不足領域Ｉの水保持機能は、溝２１の占める面積割合が大きいほど向上して、より多くの水を保持できる。そこで、不足領域Ｉの水移動用経路２０を格子形状の溝２１で構成することで、不足領域Ｉに多くの水を存在させる。その結果、ガス入口８ｉ近傍での急激な水の消費が生じた際にも水を供給することができ、ドライアウトが生じるのをより抑制することができる。
【００５５】
また、カソードガス流路８の下流領域に重なる過剰領域Ｄにおける水移動用経路２０を、不足領域Ｉに連通する溝２１ａのみとする。ここで、水移動用経路２０を格子形状の溝２１に構成することにより、水が滞留し易くなる。そこで、過剰領域Ｄに構成される水移動用経路２０を、互いに平行する溝２１ａにより構成することで、水の滞留によりフラッディングが生じるのを抑制することができる。
【００５６】
なお、ここでは第１の実施形態に用いた溝２１ａに溝２１ｂを加えることで本実施形態を構成したが、第２、３の実施形態に用いた溝２１ａに溝２１ｂを加えることにより水移動用経路２０を構成してもよい。
【００５７】
次に本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５８】
水移動用経路２０として、さらに、不足領域Ｉに、複数の溝２１ａを横切って設けられる複数の溝２１ｂを備える。これにより、不足領域Ｉに存在する水の量を多くすることができるので、ガス入口８ｉ付近の急激な水の消費に間に合うだけの水を供給することができる。
【００５９】
次に、第５の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６０】
燃料電池セル１の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、カソードセパレータ６の面６ｂに形成する水移動用経路２０を、図８に示すような形状とする。
【００６１】
溝２１ａの幅を、軸方向に沿って変化させる。過剰領域Ｄにおける溝２１ａの幅を広く構成する。ここでは、不足領域Ｉから過剰領域Ｄに向かうにつれて溝２１ａ幅が広くなるように構成する。溝２１ａの幅を連続的に変化させたがこの限りではない。
【００６２】
なお、このときの幅は、カソードセパレータ６の強度を維持できる範囲で広く設定することが好ましい。また、このとき、不足領域Ｉにおける溝２１ａの幅も、可能な範囲内で大きく設定するほうが好ましい。さらに、ここでは溝２１ａの軸を直線形状に構成したがこの限りではなく、第１〜４の実施形態と同様に、湾曲して構成してもよい。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６４】
水移動用経路２０を構成する溝２１ａを、過剰領域Ｄでの溝幅が他の部分に比較して広くなるように構成する。これにより、より広い範囲から水を回収し、不足領域Ｉに供給することができるので、過剰となった水を速やかに不足領域Ｉに移動させることができる。その結果、過剰となった水のほぼ１００％を、乾燥状態で供給されるカソードガスの加湿に用いることができ、またそのエリアでは好条件でカソードガスが加湿される。その結果、外部に加湿器などを備えずに乾燥ガスを燃料電池に供給した場合にも、電解質膜２の乾燥による発電効率の低下や、フラッディングによる発電効率の低下を抑制することができる。
【００６５】
次に、第６の実施形態について説明する。燃料電池セル１の構成を図９に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６６】
燃料電池セル１を、電解質膜２を、アノード電極層３、カソード電極層４で狭持し、さらにその外側からアノードセパレータ５、カソードセパレータ６により狭持することにより構成する。このような燃料電池セル１のカソードセパレータ６の、カソードガス流路８を形成した面６ａの背面６ｂに、水移動用経路２０を構成する。ここでは、互いに並列した複数の親水処理部２２により水移動用経路２０を構成する。
【００６７】
カソードガス流路８の下流側に重なる過剰領域Ｄと最上流に重なる不足領域Ｉとを連通する親水処理部２２ａを縞形状に形成する。過剰領域Ｄにおける親水処理部２２ａの密度に対して、不足領域Ｉにおける親水処理部２２ａの密度が大きくなるように構成する。言い換えれば、過剰領域Ｄにおける隣り合う親水処理部２２ａ間の距離より、不足領域Ｉにおける隣り合う親水処理部２２ａ間の距離が小さくなるように構成する。
【００６８】
また、それぞれの親水処理部２２ａを湾曲して構成する。つまりＲ形状を有するように構成する。このように、水が親水処理部２２ａ内を移動する際の圧損を抑制することで、水の移動速度を落とさず、不足領域Ｉに水を安定して供給することができる。
【００６９】
なお、ここでは、親水処理部２２ａを第１の実施形態に用いた溝２１ａと同様の形状としているが、この限りではない。第２〜第５の実施形態に示した溝２１と同様の形状とすることができる。その際には、第２〜第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、過剰領域Ｄ内において、親水処理部２２ａ以外の部分に撥水処理を施してもよい。これにより、親水処理部２２ａに、より水が集まり易くなるので、不足領域Ｉへの移動をより速やかに行うことができる。
【００７１】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１〜５の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７２】
水移動用経路２０として、過剰領域Ｄと不足領域Ｉを接続し、互いに並列した複数の帯域を親水処理することにより形成した親水処理部２２を備える。これにより、カソードセパレータ６の強度を低下させることなく、第１〜５の実施形態で示したような効果を得ることができる。
【００７３】
または、水移動用経路２０として、さらに、親水処理部２２ａを横切って設けられる複数の親水処理部２２ｂを備えても良い。
【００７４】
なお、上記実施形態では、カソードセパレータ６について説明したが、アノードセパレータ５についても同様の形状としてもよい。これにより、アノードガス流路７に乾燥ガスを供給した場合に、電解質膜２の乾燥による発電効率の低下が生じるのを抑制し、また、電解質膜２からアノード電極層３を介してアノードセパレータ５側に移動した水によるフラッディングも防ぐことができる。
【００７５】
また、ガス流路の形状は、上記の限りではない。例えば、図１０に示すような折り返し形状のガス流路を形成したセパレータについても、同様の水移動用経路２０を設けることができる。
【００７６】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、固体高分子型燃料電池に適用することができる。特に、外部に加湿手段を備えない内部加湿型の燃料電池に適用することにより、適当な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図３】Ｒ形状を有さない溝を備えたカソードセパレータの例である。
【図４】第１の実施形態と従来の違いを説明する図である。
【図５】第２の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図６】第３の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図７】第４の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図８】第５の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図９】第６の実施形態に用いるカソードセパレータの構成図である。
【図１０】本発明の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
２    電解質膜
３    アノード電極層
４    カソード電極層
５    アノードセパレータ
６    カソードセパレータ
７    アノードガス流路
８    カソードガス流路
２０  水移動用経路
２１  溝
２２  親水処理部
Ｉ    不足領域
Ｄ    過剰領域
【図１】
2005158402.tif 000003
【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】
2005158402.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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