(57)【要約】      （修正有）【課題】  酸化ガス通路等の設計の自由度を確保しつつ、簡易な構成で酸化ガス通路における水分分布の均一化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセルが複数積層された燃料電池において、セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡと接するように配置されたセパレータ１２とを備えている。セパレータ１２には、ＭＥＡと接する側に酸化ガスが通過する酸化ガス通路２０が設けられており、酸化ガス通路２０には冷却媒体に乱流を発生させる乱流発生手段２０ｄが設けられている。乱流発生手段２０ｄは酸化ガス通路２０の上流部より下流部２０ｃの方に多く設けられている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池であって、
前記セル（１０）は、電解質膜の両側に一対の電極が配置されたＭＥＡ（１１）と、前記ＭＥＡ（１１）と接するように配置されたセパレータ（１２）とを備えており、
前記セパレータ（１２）には、前記ＭＥＡ（１１）と接する側に前記酸化ガスが通過する酸化ガス通路（２０）が設けられており、
前記酸化ガス通路（２０）には前記酸化ガスに乱流を発生させる乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が設けられており、
前記乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が前記酸化ガス通路（２０）の上流部より下流部（２０ｃ）の方に多く設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記乱流発生手段（２０ｄ）は、前記酸化ガス通路（２０）に形成された突起部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記乱流発生手段（２０ｅ）は、前記酸化ガス通路（２０）に形成された溝部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）は、前記酸化ガス通路（２０）の出口部（２０ｂ）に向かって密度が高くなるように設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）における通路断面積が、前記酸化ガス通路（２０）の上流部における通路断面積より小さくなっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、電気化学反応による生成水が燃料電池内部の空気極側で発生する。このような生成水は、空気通路出口側近傍で水蒸気圧が高くなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極複合体）と空気の水分濃度差が小さくなるため、水分蒸発速度が低下し水分排出が円滑に行われず、水分が過剰となりやすい。このように水分が過剰になった場合、電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、燃料電池の出力が低下する。一方、空気通路入口側では水分が不足しやすく、水分が不足した場合には電解質膜が乾燥して電池の出力が低下する。したがって、燃料電池内の水分量を適正に保つ必要がある。
【０００３】
このような問題を解決するために、空気通路入口側から空気通路出口側に向かってセル面内温度分布を高くして空気通路出口側の飽和蒸気圧を高くし、空気通路出口側の水分を排出しやすくする燃料電池の運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、空気通路入口側と水素通路出口側とを対応させ、空気通路出口側と水素通路入口側とを対応させ、空気通路と水素通路それぞれにおける水分分布を均一化する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１１１２３０号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、セル面内温度分布を形成するために冷却媒体の温度と流量を制御する必要があり、構成が複雑となる。また、冷却媒体の温度・流量制御により温度分布を形成する場合、温度分布を狙い通りに形成することが難しく、空気通路（酸化ガス通路）内の水分分布を均一化することが難しい。さらに冷却水通路の設計の自由度が小さくなってしまう。上記特許文献２に記載の燃料電池においても、空気通路と水素通路の設計の自由度が制限される。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、冷却水通路や酸化ガス通路等の設計の自由度を確保しつつ、簡易な構成で酸化ガス通路における水分分布の均一化が可能な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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池であって、セル（１０）は、ＭＥＡ（１１）と、ＭＥＡ（１１）と接するように配置されたセパレータ（１２）とを備えており、セパレータ（１２）には、ＭＥＡ（１１）と接する側に酸化ガスが通過する酸化ガス通路（２０）が設けられており、酸化ガス通路（２０）には酸化ガスに乱流を発生させる乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が設けられており、乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が酸化ガス通路（２０）の上流部より下流部（２０ｃ）の方に多く設けられていることを特徴としている。
【０００７】
このように、乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）を酸化ガス通路（２０）の上流部より下流部（２０ｃ）の方に多く設けるという簡易な構成で、水分が残留しやすい酸化ガス通路下流部（２０ｃ）での水分排出を促進でき、酸化ガス通路（２０）における水分分布の均一化を図ることができる。また、このような構成であれば、冷却水通路や酸化ガス通路等の設計の自由度を確保することもできる。なお、「乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が酸化ガス通路（２０）の上流部より下流部（２０ｃ）の方に多く設けられている」とは、乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）が酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）のみに設けられている場合を含むものとする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、乱流発生手段（２０ｄ）は酸化ガス通路（２０）に形成された突起部とすることができ、あるいは、請求項３に記載の発明のように、乱流発生手段（２０ｅ）は、酸化ガス通路（２０）に形成された溝部とすることができる。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明では、乱流発生手段（２０ｄ、２０ｅ）は、酸化ガス通路（２０）の出口部（２０ｂ）に向かって密度が高くなるように設けられていることを特徴としている。これにより、より水分が溜まりやすい酸化ガス通路出口部（２０ｂ）近傍における水分排出を促進することができる。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明では、酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）における通路断面積が、酸化ガス通路（２０）の上流部における通路断面積より小さくなっていることを特徴としている。このような構成により、酸化ガス通路下流部（２０ｃ）における水分排出をより促進でき、酸化ガス通路（２０）の水分分布を均一化できる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した一実施形態の燃料電池について図１〜図３に基づいて説明する。図１は本実施形態の燃料電池１００の構成を示す概念図であり、図１（ａ）は燃料電池１００の斜視図、図１（ｂ）は単セル１０の分解斜視図を示している。
【００１３】
本第１実施形態では、燃料電池１００として固体高分子電解質膜型の燃料電池を用いている。図１（ａ）に示すように、燃料電池１００は基本単位となる単セル１０が複数積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１００では、水素と酸素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極）２Ｈ+＋１／２Ｏ2  ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１００の内部には、各セル１０に空気を供給するための空気通路、各セル１０に水素を供給するための水素通路、各セル１０に冷却水を供給するための冷却水通路がそれぞれ形成されている（図示せず）。図１（ａ）に示すように、燃料電池１００の一方の側面には、空気通路入口部１０１ａと空気通路出口部１０１ｂ、水素通路入口部１０２ａと水素通路出口部１０２ｂ、冷却水通路入口部１０３ａと冷却水通路出口部１０３ｂがそれぞれ形成されている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００１４】
図示しない空気供給装置から燃料電池１００内に空気が供給され、図示しない水素供給装置から燃料電池１００内に水素が供給される。さらに図示しない冷却システムから燃料電池１００に冷却媒体としての冷却水が供給される。なお、本例では冷却水として一般的な不凍液冷却水（ＬＬＣ）を用いている。
【００１５】
空気は空気通路入口部１０１ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、空気通路入口部１０１ａから流出する。同様に、水素は水素通路入口部１０２ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、水素通路入口部１０２ａから流出する。さらに同様に、冷却水は冷却水通路入口部１０３ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、冷却水通路入口部１０３ａから流出する。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、単セル１０はＭＥＡ１１とこれを両側から挟み込むセパレータ１２とから構成されている。ＭＥＡ１１は、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は酸素が供給される酸素極（正極）として構成され、他方の電極は水素が供給される水素極（負極）として構成されている。これらの電極には図示しない負荷が接続されており、燃料電池１００にて発生した電力は負荷に供給される。
【００１７】
セパレータ１２は、ガスが透過しない導電性部材（例えばカーボン材）にて形成されている。セパレータ１２には、空気通路入口部２０ａと空気通路出口部２０ｂ、水素通路入口部２１ａと水素通路出口部２１ｂ、冷却水通路入口部２２ａと冷却水通路出口部２２ｂがそれぞれ形成されている。
【００１８】
図２はセパレータ１２における空気通路２０の構成を示す概念図であり、図３は空気通路２０の部分拡大図である。
【００１９】
セル１０内部において、セパレータ１２のＭＥＡ１１と接する面には溝（図示せず）が形成され、ガス通路を構成している。セパレータ１２の酸素極と接する側には空気が通過する空気通路２０が形成され（図２）、水素極と接する側には水素が通過する水素通路が形成されている（図示せず）。また、セパレータ１２内部には、冷却水が通過する冷却水通路２２が形成されている（図示せず）。なお、空気通路２０は本発明の酸化ガス通路に相当する。
【００２０】
燃料電池１００では、水素および酸素が供給されることで上記電気化学反応が起こり、酸素極側で生成水が発生し、水蒸気として排出されるが、空気通路出口側近傍で高くなった水蒸気圧によりＭＥＡ１１と空気との水分濃度差が小さくなるため、円滑に排出できない一部の水分が空気通路２０の下流部２０ｃに溜まる。ここで、空気通路下流部２０とは、空気通路２０の中央付近から空気通路出口部２０ｂに至る領域を示すものとする。
【００２１】
図２に示すように、空気通路２０の下流部２０ｃには、乱流発生手段としての突起部２０ｄが複数形成されている。突起部２０ｄは、空気通路２０の空気流れに乱れを発生させることが可能な形状であればよく、例えば円柱形状や角柱形状とすることができる。特に図３に示すように突起部２０を断面三角形の三角柱形状とし、１つの鋭角が空気通路２０上流側に向くように配置することが好ましい。突起部２０ｄをこのような構成とすることで、空気流れの抵抗を小さくすることができるとともに突起部２０ｄの下流側で乱流を発生させやすくすることができる。
【００２２】
次に、空気通路２０における水分の蒸発速度について説明する。空気通路２０における水分蒸発速度ｍは下記数式１で求めることができる。ただし、水分の物質伝達率をｈ、水分の密度をρ、空気通路２０におけるセル面上（ＭＥＡ１１上）での蒸気圧をｗ1、空気通路２０の飽和蒸気圧をｗ∞とする。
（数１）
ｍ＝ｈρ（ｗ1−ｗ∞）
数式１から、物質伝達率ｈを向上させることで水の拡散速度が増加し、空気通路を流れる空気中への単位時間あたりの水の蒸発量が増加することがわかる。
【００２３】
また、物質伝達率ｈに関係するシャーウッド数Ｓｈは、乱流の場合は下記数式２で求めることができ、層流の場合は下記数式３で求めることができる。ただし、レイノルズ数をＲｅ、シュミット数をＳｃ、物質拡散係数をＤとする。
（数２）
Ｓｈ＝０．０２２Ｒｅ0.8Ｓｃ0.5＝ｈ／Ｄ
（数３）
Ｓｈ＝ｈ／Ｄ＝４．３６
また、レイノルズ数Ｒｅとシュミット数Ｓｃは、下記数式４、数式５で求めることができる。ただし、動粘性係数をν、空気流れの流速をｕ、空気通路２０の相当直径をｄとする。
（数４）
Ｓｃ＝ν／Ｄ
（数５）
Ｒｅ＝ｕｄ／ν
上記数式２、数式３から、乱流の場合には物質伝達率ｈはレイノルズ数Ｒｅとシュミット数Ｓｃとから定まるので、物質伝達率ｈを向上させるためには空気通路２０の空気流れに乱れを発生させ、空気流れを乱流にすればよいことがわかる。また、流体の流れに乱れを発生させた箇所ではレイノルズ数Ｒｅが大きくなり、その結果物質伝達率ｈが大きくなることが実験的に確認されている。
【００２４】
次に、本実施形態の燃料電池１００の作動を説明する。
【００２５】
まず、燃料電池１００では、水素および空気が供給されることで上記電気化学反応が起こり発電する。このとき、ＭＥＡ１１の酸素極側で生成水が発生し、円滑に排出されない水分が空気通路２０の下流部２０ｃに残留水として溜まる。空気通路２０に供給される空気は、空気通路下流部２０ｃに形成された突起部２０ｄに衝突し、空気流れに乱れが発生する。これにより、上記数式２におけるレイノルズ数Ｒｅが向上し、物質伝達率ｈが向上する。このため、空気通路下流部２０ｃでは、空気中への水分拡散速度が増加して空気中に含まれる水分蒸発量が増大し、空気に含まれて排出される水分の量が多くなる。
【００２６】
以上のように、空気通路下流部２０ｃに乱流発生手段としての突起部２０ｄを設けるという簡易な構成で、水分が残留しやすい空気通路下流部２０ｃでの水分排出を促進でき、空気通路２０における水分分布の均一化を図ることができる。また、このような構成であれば、冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保することもできる。
【００２７】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態の構成には限定されず、例えば図４〜図６に示すように変形可能である。図４〜図６はセパレータ１２における空気通路２０の構成を示す概念図であり、上記実施形態の図２に対応している。
【００２８】
図４に示すように、空気通路下流部２０ｃに設けられる突起部２０ｄの数を空気通路出口部２０ｂに向かって増加するように構成できる。空気通路２０内では、下流側に向かって最下流側の空気通路出口部２０ｂ近傍で最も水分が溜まりやすくなっていると考えられる。このため、図４に示す構成により、最下流側の空気通路出口部２０ｂ近傍における物質伝達率ｈを向上させ、空気通路出口部２０ｂ近傍での水分排出を促進でき、空気通路２０の水分分布を均一化できる。
【００２９】
また、図５に示すように、空気通路２０の通路断面積Ａ０〜Ａ３を空気通路入口部２０ａから空気通路出口部２０ｂに向かって縮小するように構成できる。図５に示す例では、空気通路２０の通路断面積Ａ０〜Ａ３はＡ０＞Ａ１＞Ａ２＞Ａ３の順に小さくなっている。このような構成により、空気通路下流部２０ｃにおける空気流れの流速ｕを上げ、レイノルズ数Ｒｅをより向上させることができ、空気通路下流部２０ｃでの物質伝達率ｈをより向上させることができる。これにより、空気通路下流部２０ｃでの水分排出をより促進でき、空気通路２０の水分分布を均一化できる。
【００３０】
また、図６に示すように、空気通路下流部２０ｃに設けられる乱流発生手段として、突起部２０ｄに代えて、空気流路２０の内壁面に溝部２０ｅを設けるように構成できる。溝部２０ｅは空気流れ方向に平行に設けることできる。このように空気通路２０に溝部２０ｅを設けることによっても、空気流に乱れを発生させることができ、突起部２０ｄを設けた場合と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、乱流発生手段が空気通路２０の下流部２０ｃのみに設けられた例を示したが、これに限らず、空気通路２０全体に乱流発生手段が設けられている場合であってもよい。この場合には、乱流発生手段を空気通路２０の上流部より下流部２０ｃの方に多く設ければよい。このような構成によっても、空気通路２０の上流部に対して下流部２０ｃでの水分排出を促進でき、空気通路２０における水分分布の均一化を図ることができる。
【００３２】
また、乱流発生手段を設ける空気通路下流部２０は、空気通路２０の中央付近から空気通路出口部２０ｂに至る全領域である必要はなく、その一部でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】上記実施形態の燃料電池の構成を示す概念図である。
【図２】セル内部の構成を示す概念図である。
【図３】空気通路の部分拡大図である。
【図４】本発明の変形例に係るセル内部の構成を示す概念図である。
【図５】本発明の変形例に係るセル内部の構成を示す概念図である。
【図６】本発明の変形例に係るセル内部の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００…燃料電池、１０…セル、１１…ＭＥＡ（膜電極複合体）、１２…セパレータ、２０…空気通路、２０ｃ…空気通路下流部、２０ｄ…突起部（乱流発生手段）、２０ｅ…溝部（乱流発生手段）。
【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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