(57)【要約】【課題】電解質膜の乾燥を抑制することができる固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２を狭持する一対の電極層３と、電極層３に対峙する面に、電極層３に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路５を構成する溝５０を有するセパレータ４を備える。反応ガス流路５の最上流領域Ａにおいて、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大き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】
固体高分子膜を狭持する一対の電極層と、
前記電極層に対峙する面に、前記電極層に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路を構成する溝を有するセパレータと、を備え、
前記反応ガス流路の上流領域において、前記溝の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大き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】
前記上流領域を、前記固体高分子膜からの蒸発が生じる可能性がある領域、または、反応ガスの水分分圧が飽和水蒸気圧に達していない領域とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガス流路の断面積が、前記上流領域において他の領域よりも大きくなるように構成する請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記最上流領域において、前記反応ガス流路を構成する溝の幅およびピッチを小さく構成することにより、形成される溝本数が他の領域より多くなるように構成する請求１から３のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記上流領域において、前記反応ガス流路を構成する溝の壁面に凹凸を形成する、または壁面を粗面より構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記反応ガス流路を形成したセパレータの裏面、または、その裏面に隣接して配置されたプレート形状の流路構成部材に、冷却水を流通する溝状の冷却水流路を備え、
前記反応ガス流路を構成する溝の深さが、前記上流領域において他の領域よりも大きくなるように構成するとともに、
前記冷却水流路の深さが、前記上流領域において他の領域より小さくなるように構成する請求項６に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータをポーラスプレートにより構成する請求項１から６のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記反応ガス流路を形成したセパレータの裏面に、加湿水を流通する溝状の加湿水流路を備え、
前記反応ガス流路を構成する溝の深さが、前記上流領域において他の領域よりも大きくなるように構成するとともに、
前記加湿水流路の深さが、前記上流領域において他の領域より小さくなるように構成する請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記ポーラスプレートの空隙度が、前記上流領域において他の領域より大きくなるように構成する請求項７または８に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記ポーラスプレートのコア径が、前記上流領域において他の領域より大きくなるように構成する請求項７から９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】
前記上流領域では、その他の領域に比較して、前記ポーラスプレートの親水性が強くなるように構成する請求項７から１０のいずれ一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記セパレータをソリッドプレートにより構成する請求項１から６のいずれか一つに記載の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、電解質として固体高分子電解質膜を有する固体高分子型燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池における水マネージメントを適切に行うための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは燃料ガスの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。電解質を挟んで設けられた一対の電極のうち、アノードに水素を有する燃料ガスを、カソードに酸素を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表面で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り出す。
【０００３】
アノード反応：  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（１）
カソード反応：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  １／２Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
電解質として、例えばプロトン伝導性の固体高分子膜が用いられるが、この固体高分子膜のプロトン伝導性を適切に維持するためには、固体高分子膜が湿潤状態に維持されている必要がある。固体高分子膜を湿潤状態に維持する構成として以下のようなものが知られている。
【０００４】
一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガス流路を形成したポーラスプレートを用い、燃料ガスまたは酸化剤ガス流路を形成した面の裏面には、自動的に湿っているほうから乾燥しているほうに水を移動させて、ポーラス体内の水分を均一化する水分均一化構造体を有する。例えば、水分均一化構造体を、水分を電気生成水により水分過剰となった反応ガスの下流側から、無加湿ガスの導入により水が不足している上流側へと移動させるように構成する（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】
しかしながら、乾燥ガスが反応ガス流路に導入されると、流路入口直後のエリアでは急激な蒸発現象が起るが、このときポーラス表面からの水の蒸発速度が遅いと、そのガスは固体高分子膜からも水を蒸発してしまう可能性がある。この結果、固体高分子膜のドライアウトを生じて、燃料電池の発電特性が低下してしまうとい、また、このドライアウトの状態が続くと、固体高分子膜自体が劣化されるという不具合が生じる。また、燃料電池外部で燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿してから、燃料電池に導入する場合にも、過渡期等には、加湿量が不足して、流路入口直後で固体高分子膜から水が蒸発し、固体高分子膜のドライアウトが生じる可能性がある。
【０００６】
このように、固体高分子型燃料電池では、反応ガス流路の入口直後において、固体高分子膜から水が蒸発してドライアウトが生じ易いという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、固体高分子膜の乾燥を抑制することができる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、固体高分子膜を狭持する一対の電極層と、前記電極層に対峙する面に、前記電極層に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路を構成する溝を有するセパレータと、を備え、前記反応ガス流路の上流領域において、前記溝の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大きくなるように構成する。
【発明の効果】
【０００９】
このように、反応ガス流路を構成する溝の壁面と反応ガスとの接触面積を、反応ガス流路の上流領域で他の領域よりも大きくなるように構成することにより、壁面内部または壁面上に存在する水の蒸発を促進することができる。その結果、溝壁面側から反応ガス内に蒸発する水量を増大することができ、ひいては、固体高分子膜側からの蒸発を抑制することができ、固体高分子膜の乾燥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】
【００１０】
第１の実施形態に用いる燃料電池１の構成を図１に示す。図１（ａ）に燃料電池１を構成する単位セル１０の断面を示す。ここでは、燃料電池１を、複数の単位セル１０を積層することにより構成する。
【００１１】
プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）２の両主面に、アノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂ（以下、電極層３）を備え、さらにその外側に、アノードセパレータ４ａ、カソードセパレータ４ｃ（以下、セパレータ４）を備える。アノードセパレータ４ａのアノード電極層３ａに対峙する面に設けた溝５０ａによりアノードガス流路５ａを、カソードセパレータ４ｃのカソード電極層３ｃに対峙する面に設けた溝５０ｃによりカソードガス流路５ｃを備える。
【００１２】
ここでは、セパレータ４を導電性のポーラスプレートにより構成する。セパレータ４の反応ガス流路５（アノードガス流路５ａ、カソードガス流路５ｃ）を設けた面の裏面には、反応ガスの加湿に用いる加湿水の流通する加湿水流路６を備える。ここでは、反応ガス流路５と加湿水流路６を略垂直に構成するがこの限りではない。
【００１３】
次に、反応ガス流路５の構成を、図１（ｂ）に示すセパレータ４の平面図を用いて説明する。
【００１４】
セパレータ４の電極層３に対峙する面に、複数の並列した蛇行形状の溝５０よりなる反応ガス流路５を備える。反応ガス流路５の一端には、反応ガスを反応ガス流路５に分配する入口マニホールド５１を、もう一端には反応ガス流路５から反応ガスを回収する出口マニホールド５２を備える。ここでは、燃料電池１を組み立てた際に、入口マニホールド５１が垂直下方に、出口マニホールド５２が垂直上方に配置されるように構成する。また、反応ガス流路５の入口直後の領域である最上流領域Ａが垂直下方に位置されるように構成する。
【００１５】
燃料電池１外部に加湿手段を備えない場合には、反応ガス流路５の最上流領域Ａには乾燥した反応ガスが導入される。また、外部で加湿を行った場合にも、最上流領域Ａには、比較的乾燥した反応ガスが導入される。そのため最上流領域Ａにおいては、他の領域に比較して蒸発速度が大きくなり、反応ガス流路５を構成する溝５０の壁面からの蒸発が不十分である場合には、電解質膜２側からの蒸発が生じる可能性がある。
【００１６】
なお、ここでは、最上流領域Ａを、電解質膜２からの蒸発の可能性がある領域、または、反応ガスの水分分圧が飽和水蒸気圧に達していない領域とする。最上流領域Ａは、全流路長の１／１０〜１／４程度を指すが、これはガス流量、プレート物性・流路形状など、様々な条件により異なる。
【００１７】
本実施形態においては、最上流領域Ａにおける溝５０の壁面からの水の蒸発を促進させることにより、電解質膜２からの水の蒸発を抑制する。最上流領域Ａにおいて、反応ガスと溝５０の壁面との接触が、他の領域より大きくなるように構成する。最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を図２（ａ）に、その他の領域の反応ガス流路５の断面を図２（ｂ）に示す。
【００１８】
最上流領域Ａにおいて、その他の領域に比較して反応ガス流路５を構成する溝５０の幅ｗが小さく、また隣り合う溝５０間のピッチｈが小さくなるように構成する。最上流領域Ａにおいて、その他の領域に比較して溝５０の本数が多くなるように構成する。
【００１９】
なお、ここでは、反応ガス流路５の流路軸に沿った各領域について、構成される反応ガス流路５の総断面積（ｗ×ｄ×溝本数）が略同じとなるように構成する。また、溝５０の深さｄは同じとする。ただし、この限りではなく、総断面積が異なるように構成してもよい。
【００２０】
このように構成することで、最上流領域Ａにおいて、反応ガスと溝５０の壁面との接触面積が、他の領域より大きくなるので、溝５０からの水の蒸発が促進され、電解質膜２側からの水の蒸発を抑制することができる。
【００２１】
なお、加湿水流路６を、特開平９−９２３１０号公報に示されるように、燃料電池１の外部から加湿水を導入して流通する流路により構成してもよいし、単位セル１０内で生じる生成水で加湿水を賄える場合には、特開平８−１３８６９１号公報に記載されているように、両端が閉じられている溝により構成してもよい。
【００２２】
また、図示しない外部加湿手段を備え、燃料電池１に導入される反応ガスを予め加湿する構成においても、入口マニホールド５１直後では比較的反応ガスが乾燥している場合や、過渡期に電解質膜２からの蒸発が生じる可能性がある場合などに、本実施形態を適用することができる。
【００２３】
また、ここでは、アノードセパレータ４ａとカソードセパレータ４ｃの両方をポーラスプレートで構成して加湿水流路６を構成したが、この限りではない。どちらか一方をソリッドプレートで構成してもよい。ただし、加湿水流路６として両端が閉じられている溝を構成する場合には、少なくとも生成水の多いカソードガスセパレータ４ｃをポーラスプレートにより構成する。また、加湿水流路６に外部から加湿水を導入する構成とした場合には、少なくとも生成水の少ないアノードガスセパレータ４ａをポーラスプレートにより構成するのが好ましい。
【００２４】
さらに、ここでは加湿水流路６を反応ガス流路５に直交して構成しているが、この限りではなく、平行に構成してもよい。また、加湿水流路６を、反応ガス流路５の下流に重なる領域と上流に重なる領域を結ぶ複数の溝により構成してもよい。
【００２５】
また、反応ガス流路５の形状は、図１（ｂ）に示す限りではない。さらに、アノードガス流路５ａとカソードガス流路５ｃの形状は、同一形状に限らない。
【００２６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２７】
電解質膜２を狭持する一対の電極層３と、電極層３に対峙する面に、電極層３に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路５を構成する溝５０を有するセパレータ４を備える。反応ガス流路５の最上流領域Ａにおいて、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大きくなるように構成する。ここでは、セパレータ４をポーラスプレートにより構成する。これにより、反応ガスの水蒸気分圧が低く蒸発速度が速い最上流領域Ａにおいて、溝５０の壁面を構成するポーラスプレート内に含まれる水の蒸発を促進することができる。その結果、電解質膜２側からの水の蒸発を抑制することができ、電解質膜２のドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【００２８】
ここでは、最上流領域Ａを、電解質膜２からの蒸発が生じる可能性がある領域、または、反応ガスの水分分圧が飽和水蒸気圧に達していない領域とする。これにより、乾燥しやすい反応ガス流路５の入口直後について、電解質膜２のドライアウトを適切に抑制することができる。
【００２９】
最上流領域Ａにおいて、反応ガス流路５を構成する溝５０の幅ｗおよびピッチｈを小さく構成することにより、形成される溝本数が他の領域より多くなるように構成する。これにより、最上流領域Ａで、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積を大きくすることができる。特に、本実施形態では、セパレータ４をポーラスプレートにより構成しているので、ポーラスプレートからの水の蒸発を促進することができる。
【００３０】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池１の単位セル１０の断面を図３（ａ）に、セパレータ４の平面を図３（ｂ）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。
【００３１】
セパレータ４をソリッドプレートにより構成し、燃料電池１を外部加湿型の燃料電池とする。燃料電池１の外部で反応ガスに水を含ませ、単位セル１０内の反応ガス流路５条において蒸発させることにより加湿を行う。ここでは、インジェクションタイプの加湿器７を備え、燃料電池１に導入される前の反応ガス中にミスト状の水を供給することにより反応ガスを加湿する。なお、加湿方法はこれに限るわけではなく、その他の外部加湿方法で用いてもよい。
【００３２】
セパレータ４の反応ガス流路５を形成した面の裏面に設けた溝８０により、燃料電池１の温度を調整する冷却水を流通する冷却水流路８を構成する。なお、ここではカソードセパレータ４ｃのみに冷却水流路８を構成するが、この限りではない。アノードセパレータ４ａに設けても良いし、アノードセパレータ４ａ、カソードセパレータ４ｃの両方に設けても良い。さらには、冷却水流路８は、必ずしも単位セル１０毎に設ける必要はない。また、反応ガス流路５と冷却水流路８とを平行に構成したがこの限りではない。
【００３３】
次に、反応ガス流路５の構成を説明する。図４（ａ）に、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図４（ｂ）に、その他の領域における反応ガス流路５の断面を示す。
【００３４】
加湿器７で噴射されたミスト状の水は、ソリッドタイプのセパレータ４に分配され、反応ガス中に水蒸気として蒸発しなかった水は、溝５０の壁面に凝縮して存在する。そこで、最上流領域Ａにおいて、その他の領域に比較して、反応ガス流路５の幅ｗ、ピッチｈを狭くすることにより、反応ガス流路５の流路本数を増大する。このように、溝５０の壁面に存在する凝縮水と反応ガスとの接触面積、つまり界面が広くなるように構成する。
【００３５】
通常、最上流領域Ａは反応ガス中の水蒸気分圧が低いため、水が存在する境界面と反応ガスが接触することにより、その水蒸気分圧差がドライビングフォースとなり水が蒸発し易い。従って、最上流領域Ａの加湿能力が不十分であると、本来ある程度湿潤状態でなければならない電解質膜２からも蒸発してしまい、発電効率が低下するばかりではなく、乾燥状態が長く続いた場合には、電解質膜２が劣化してしまうという不具合が生じる。
【００３６】
そこで、本実施形態のように、水と反応ガスとの界面を広くとり、水のガス中への蒸発を十分確保する。これにより、電解質膜２からの水の蒸発を防止することができ、安定した性能と耐久性を実現することができる。
【００３７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３８】
電解質膜２を狭持する一対の電極層３と、電極層３に対峙する面に、電極層３に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路５を構成する溝５０を有するセパレータ４を備える。反応ガス流路５の最上流領域Ａにおいて、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大きくなるように構成する。ここでは、セパレータ４をソリッドプレートにより構成する。これにより、ガスの水蒸気分圧が低く十発速度が速い最上流領域Ａにおいて、溝５０の壁面に形成された水と反応ガスとの界面を増大することができ、反応ガスへの蒸発を促進することができる。そのため、電解質膜２からの蒸発を抑制することができ、電解質膜２のドライアウトを抑制することができる。
【００３９】
次に、第３の実施形態について説明する。図５（ａ）に最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図５（ｂ）にそれ以外の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積を広くするために、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５を構成する溝５０の壁面を粗くする、または、凹凸をつける。図５（ａ）では、溝５０の側面のみを処理しているが、底面についても同様の処理を行っても良い。
【００４１】
なお、ここでは、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の溝幅ｗおよびピッチｈを、他の領域と同様とする。ただし、この限りではなく、第１の実施形態と同様に、最上流領域Ａにおいて他の領域より溝５０の本数が大きくなるように構成してもよい。
【００４２】
また、ここでは、セパレータ４をポーラスプレートにより構成した例を示しているが、ソリッドプレートを用いた場合にも、同様の構成とすることができる。ただし、水によって凹部が充満することがない程度に凹凸の大きさを設定することが好ましい。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４４】
最上流領域Ａにおいて、反応ガス流路５を構成する溝５０の壁面に凹凸を形成する、または壁面を粗面より構成する。これにより、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積を増大することができるので、ポーラス内の水、または壁面に付着した水の蒸発を促進することができる。その結果、電解質膜２からの蒸発を抑制し、電解質膜２が乾燥するのを抑制することができる。
【００４５】
次に、第４の実施形態について説明する。図６（ａ）に、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図６（ｂ）にそれ以外の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
最上流領域Ａにおいて、その他の領域よりも反応ガス流路５を構成する溝５０の深さｄが大きくなるように構成する。また、その他の領域よりも反応ガス流路５の流路断面積が大きくなるように構成する。ここでは、溝５０の幅ｗおよびピッチｈは、最上流領域Ａとその他の領域で略同じとする。
【００４７】
このように、溝５０の深さｄを増大することにより、反応ガスと溝５０の壁面との接触面積が、その他の領域に比較して大きくなる。これにより、溝５０の壁面からの水の蒸発量を増大することができる。また、溝５０の深さｄを増大し、幅ｗ、ピッチｈを一定とすることにより、反応ガス流路５の流路断面積が、その他の領域に比較して大きくなる。流路断面積を増大することにより、最上流領域Ａにおける反応ガスの流速が抑制される。そのため、反応ガス流路５内で、反応ガスが十分に加湿するまでの流路軸に沿った移動距離を抑制することができる。つまり、電解質膜２の乾燥が起り得る最上流領域Ａを低減することができる。
【００４８】
なお、ここではセパレータ４をポーラスプレートにより構成した例を示しているが、ソリッドプレートを用いた場合にも同様の構成とすることができる。
【００４９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５０】
反応ガス流路５の断面積が、最上流領域Ａにおいて他の領域よりも大きくなるように構成する。これにより、最上流領域Ａにおける反応ガスの流速を抑制することができ、電解質膜２の乾燥が生じる可能性のある最上流領域Ａを小さくすることができる。その結果、電解質膜２のドライアウトを抑制し、効率のよい運転を維持することができる。
【００５１】
また、反応ガス流路５を構成する溝５０の深さｄが、最上流領域Ａにおいてその他の領域よりも大きくなるように構成する。これにより、溝５０の壁面と反応ガスとの接触面積を増大することができ、水の蒸発を促進させることができる。
【００５２】
次に、第５の実施形態について説明する。図７（ａ）に、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図７（ｂ）にそれ以外の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５３】
ここでは、最上流領域Ａで、その他の領域に比較して、反応ガス流路５を構成する溝５０の本数を多く、かつ、溝５０の深さｄを大きく構成する。また、その他の領域に比較して、最上流領域Ａに構成された溝５０の総断面積が大きくなるように構成する。このように、反応ガスと溝５０の壁面との接触面積を増大するとともに、流路断面積を増大することにより、溝５０の壁面からの蒸発を促進させて電解質膜２からの蒸発を抑制することができる。
【００５４】
ここで、反応ガス流路５の流路深さｄを増大した場合、セパレータ４を構成するプレートの強度を維持するために、プレート自体を厚くする必要が生じる。そこで、単位セル１０を図８に示す断面となるように構成する。
【００５５】
図８（ａ）に示すように、セパレータ４の反応ガス流路５の裏面に形成する加湿水流路６を、最上流領域Ａに重なる領域において、その他の領域に比較して深さｄhが小さくなるように構成する。例えば、他の領域に対する、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の流路深さｄの増大量と、加湿水流路６を構成する溝６０の深さｄhの減少量とが同じとなるように構成する。つまり、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の底面から加湿水流路６の底面までのプレート厚さと、その他の領域におけるそれとが略同一となるように構成する。
【００５６】
最上流領域Ａでは反応ガス流路５の溝５０の壁面からの蒸発量が多く、蒸発先熱によって冷却される。そのため、加湿水流路６を流通する加湿水を用いて冷却を行う場合にも、加湿水流路６の溝６０の深さｄhを小さくして流通する水量を低減しても、最上流領域Ａにおける冷却を適切に維持することができる。ただし、最上流領域Ａでは溝５０の壁面からの蒸発量が多いため、流路断面の小さい加湿水流路６を流通する純水のみでは加湿に用いる水が不足する場合には、同時に外部加湿手段を用いる。
【００５７】
なお、ここでは、反応ガス流路５と加湿水流路６を平行としているが、第１の実施形態と同様に直交するように構成してもよい。
【００５８】
また、図８（ａ）には、セパレータ４をポーラスプレートにより構成し、外部から導入される加湿水を用いて単位セル１０の冷却および反応ガスの加湿を行う場合を示したが、この限りではない。
【００５９】
例えば、図８（ｂ）に示すように、単位セル１０内で水の過剰領域から不足領域へ水を移動させるためにカソードセパレータ４ｃをポーラスプレートにより構成し、その裏面にソリッドプレートからなる冷却水流路構成部材９を配置した場合にも適用することができる。なお、ここではアノードセパレータ４ａをソリッドプレートにより構成しているが、この限りではない。
【００６０】
この場合には、最上流領域Ａに重なる領域で、反応ガス流路５ｃを構成する溝５０の深さｄを増大するとともにセパレータ４の厚さを大きく構成し、これに対して冷却水流路８の深さｄcを小さくするとともに冷却水流路構成部材９の厚さを低減する。これにより、耐久性を維持しつつ、セパレータ４と冷却水構成部材９の厚さの合計を、最上流領域Ａとその他の領域で略同じに構成することができる。
【００６１】
または、図８（ｃ）に示すように、セパレータ４をソリッドプレートにより構成した場合にも、冷却水流路８を構成する溝８０の深さｄcを抑制することで、プレート強度を維持しつつ、反応ガス流路５（５ｃ）の深さｄを増大することができる。ここでは冷却水流路８をカソードセパレータ４ｃに構成しているが、アノードセパレータ４ａに構成してもよく、この場合にはアノードガス流路５ａを構成する溝５０の深さｄを増大する。
【００６２】
さらに、図９（ａ）に示すように、最上流領域Ａにおいて、加湿水流路６を省略してもよい。ただしこの場合には外部加湿手段を備える。また、図９（ｂ）に示すように、カソードセパレータ４ｃをポーラスプレートにより構成し、その裏面に冷却水構成部材９を備えた場合や、図９（ｃ）に示すようにセパレータ４をソリッドプレートにより構成した場合に、最上流領域Ａに重なる領域において、冷却水流路８を省略してもよい。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６４】
反応ガス流路５を形成したセパレータ４の裏面、または、その裏面に隣接して配置されたプレート形状の流路構成部材９に、冷却水を流通する溝状の冷却水流路８を備え、反応ガス流路５を構成する溝５０の深さｄが、最上流領域Ａにおいて他の領域よりも大きくなるように構成するとともに、冷却水流路８の深さｄcが、最上流領域Ａにおいて他の領域より小さくなるように構成する。これにより、セパレータ４の厚さ、またはセパレータ４と流路構成部材９との厚さの合計を低減しつつ、強度を維持することができるので、燃料電池１の大型化を抑制することができる。
【００６５】
また、反応ガス流路５を形成したセパレータ４の裏面に、加湿水を流通する溝状の加湿水流路６を備え、反応ガス流路５を構成する溝５０の深さｄが、最上流領域Ａにおいて他の領域よりも大きくなるように構成するとともに、加湿水流路６の深さｄhが、最上流領域Ａにおいて他の領域より小さくなるように構成する。これにより、セパレータ４の厚さを抑えつつ、セパレータ４の強度を維持することができるので、燃料電池１の大型化を抑制することができる。
【００６６】
次に、第６の実施形態について説明する。図１０（ａ）に、最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図１０（ｂ）にその他の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
ポーラスプレートより構成したセパレータ４の裏面に構成した加湿水流路６を流れる純水は、毛細管現象によりポーラスプレート内を移動して溝５０の壁面に到達する。この壁面と反応ガスとの水蒸気分圧の差がドライビングフォースとなって反応ガス内に純水が蒸発する。そのため、ポーラスプレート内の水移動速度よりも、溝５０の壁面からの蒸発速度のほうが速い場合には、溝５０の壁面への水の供給が追いつかず、反応ガスが十分に加湿されなくなるという不具合が生じる。
【００６８】
そこで、蒸発量の大きい最上流領域Ａで、セパレータ４内の水の移動速度が増大するように、セパレータ４を構成するポーラスプレートの構成を設定する。ここでは、最上流領域Ａにおいて、その他の領域に比べてセパレータ４を構成するポーラスプレートの空隙度が大きくなるように構成する。
【００６９】
なお、ここでは反応ガス流路５の断面形状を、第１の実施形態と同様としたが、第３〜５の実施形態に示した形状としてもよい。
【００７０】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７１】
ポーラスプレートの空隙度が、最上流領域Ａにおいて他の領域より大きくなるように構成する。これにより、セパレータ４を構成するポーラスプレート内の水の移動速度を増大することができるので、効率良く溝５０の壁面に水を到達させることができる。その結果、加湿に用いる水が不足するといった不具合を避けることができる。
【００７２】
次に、第７の実施形態について説明する。図１１（ａ）に最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図１１（ｂ）にその他の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第６の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７３】
蒸発量の大きい最上流領域Ａで、セパレータ４内の水の移動速度が増大するように、セパレータ４を構成するポーラスプレートの構成を設定する。ここでは、最上流領域Ａにおいて、その他の領域に比べてセパレータ４を構成するポーラスプレートのポア径が大きくなるように構成する。
【００７４】
図１２にポア径とバブルプレッシャーの関係を示す。図１２に示すように、ポア径を拡大しすぎると、ポーラス内部の水の表面張力でガスを封圧するためのバブルプレッシャーが小さくなってしまう。従って、最上流領域Ａにおいても、運転時の反応ガスの最大圧力と加湿水流路６の圧力差ΔＰ以上のバルブプレッシャーが確保できる範囲でポア径を選択する。
【００７５】
なお、最上流領域Ａにおいてポア径を大きく設定するとともに、第６の実施形態と同様に空隙度が大きくなるように設定してもよい。また、反応ガス流路５の断面形状を第３〜５の実施形態に示すように構成してもよい。
【００７６】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第６の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７７】
ポーラスプレートのコア径が、最上流領域において他の領域より大きくなるように構成する。これにより、セパレータ４を構成するポーラスプレート内の水の移動速度を増大することができるので、効率良く溝５０の壁面に水を到達させることができる。その結果、加湿に用いる水が不足するといった不具合を避けることができる。
【００７８】
次に、第８の実施形態について説明する。図１３（ａ）に最上流領域Ａにおける反応ガス流路５の断面を、図１３（ｂ）にその他の領域における反応ガス流路５の断面を示す。以下、第６の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７９】
蒸発量の大きい最上流領域Ａで、セパレータ４内の水の移動速度が増大するように、セパレータ４を構成するポーラスプレートの構成を設定する。ここでは、最上流領域Ａにおいて、その他の領域よりもセパレータ４を構成するポーラスプレート内部が親水性を示す傾向が高くなるように構成する。例えば、最上流領域Ａのみに親水処理を施す。
【００８０】
なお、最上流領域Ａを親水性に構成するとともに、第６の実施形態と同様に空隙度を大きく設定したり、第７の実施形態と同様にポア径を大きく設定してもよい。また、反応ガス流路５の断面形状を第３〜５の実施形態に示すように構成してもよい。
【００８１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第６の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００８２】
最上流領域Ａでは、その他の領域に比較して、ポーラスプレートの親水性が強くなるように構成する。これにより、セパレータ４を構成するポーラスプレート内の水の移動速度を増大することができるので、効率良く溝５０の壁面に水を到達させることができる。その結果、加湿に用いる水が不足するといった不具合を避けることができる。
【００８３】
なお、単位セル１０の形状および反応ガス流路５の形状は上記実施形態に限定するものではない。また、ここではセパレータ４を限定していないが、アノードセパレータ４ａ、カソードセパレータ４ｃの何れか一方、または両方とすることができる。
【００８４】
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いうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
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。セパレータとしてポーラスプレート、ソリッドプレートの何れを用いた場合にも適用することができ、また、内部加湿、外部加湿の何れにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図３】第２の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。
【図４】第２の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図５】第３の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図６】第４の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図７】第５の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図８】第５の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの断面図である。
【図９】第５の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの断面図である。
【図１０】第６の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図１１】第７の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【図１２】ポーラスプレートのポア径とバブルプレッシャーの関係を示す図である。
【図１３】第８の実施形態に用いる燃料電池の反応ガス流路の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１    燃料電池
２    電解質膜（固体高分子膜）
３    電極層
４    セパレータ
５    反応ガス流路
６    加湿水流路
８    冷却水流路
９    冷却水流路構成部材
５０  溝
Ａ    最上流領域（上流領域）
【図１】
2005235418.tif 000003
【図２】
2005235418.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005235418.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005235418.tif 000009
【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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