(57)【要約】【課題】各反応ガスに応じて適切な水マネージメントを行える燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１を狭持する一対の電極２であるアノード２ａとカソード２ｃの両側に配されたアノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃと、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃを狭持するセパレータ８を備える。また、セパレータ８のうち、アノードガス拡散層３ａに接触する面１８ａにアノードガス流路５ａを備える。さらに、アノードガス流路５の上流領域Ａ2の流路表面に窪み２０を設け、かつ、上流領域Ａ2より面積割合の大きな下流領域Ｂ2の流路表面に細溝３０を設ける。また、カソードガス拡散層３ｃに接触する面１８ｃにカソードガス流路５ｃを備える。カソードガス流路５ｃの下流領域Ｂ1の流路表面に細溝３０を設け、かつ、下流領域Ｂ1より面積割合の大きな上流領域Ａ1の流路表面に窪み２０を設ける。【選択図】      図２
2005093244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータのうち、前記アノードガス拡散層に接触する面にアノードガス流路を備え、
さらに、前記アノードガス流路の上流側の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流側の流路表面に前記水保持手段の配置領域より大きな面積割合の水排出手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータのうち、前記カソードガス拡散層に接触する面にカソードガス流路を備え、
さらに、前記カソードガス流路の下流側の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流側の流路表面に前記水排出手段の配置領域より大きな面積割合の水保持手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータを多孔質材により構成する請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水保持手段は、流路底部に備えた多数の窪みである請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記窪みを、頂点がガスの流れの下流側に傾いた斜円錐形状に形成する請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記水保持手段は、前記ガス流路の底部に設けた複数の線分状の細溝である請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記水排出手段は、流路底部に設けた細溝である請求項１から３のいずれか一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、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管理機能を向上するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池において、発電反応を生じるためには高分子膜が水分を含有している必要がある。これは、高分子膜は含水することにより導電性が良好となるためである。水分を与えることを加湿というが、固体高分子型燃料電池においてこの加湿手段は効率的な発電を実現するために非常に重要な技術となる。
【０００３】
高分子膜を加湿するために、アノードガスやカソードガスを湿潤状態に保つ方法の一つとして、ガス流路内に水溜まり部を形成するといった発明がなされている。格子状に設けられたリブ部において、カソードガス流路に水溜まり部を設けることにより、カソード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１１−２０４１１８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、燃料電池では、カソードで水の生成反応が生じるため、とりわけガス流路の下流においては生成水あるいは水蒸気が凝縮した凝縮水がガス流路内に溜まる。従って、上記背景技術に示したように水溜まり部を設けた場合、とりわけ下流における水溜まり部は、直ちに液水で飽和してしまうので、それ以上水を溜めることが出来なくなる。また、下流における反応ガスは相対湿度が１００％となるため、それ以上、水が反応ガス中に蒸発することはなく、結果的に下流における水溜まり部はその機能を果さないといった問題があった。
【０００５】
また、アノードガスは比較的流量が少なく、アノードガス流路の比較的上流側で飽和状態に到達する。これに対してカソードガスは比較的流量が多く、カソードガス流路の比較的下流側まで、高分子膜が乾燥して劣化する可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、各反応ガスに応じて適切な水マネージメントを行うことができる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】
【０００７】
本発明は、電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備える。また、前記セパレータのうち、前記アノードガス拡散層に接触する面にアノードガス流路を備える。さらに、前記アノードガス流路の上流領域の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流領域の流路表面に前記水保持手段より面積割合の大きな水排出手段を設ける。
【０００８】
また、電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備える。また、前記セパレータのうち、前記カソードガス拡散層に接触する面にカソードガス流路を備える。さらに、前記カソードガス流路の下流領域の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流領域の流路表面に前記水排出手段より面積割合の大きな水保持手段を設ける。
【発明の効果】
【０００９】
アノードガス流路の上流領域の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流領域の流路表面に水保持手段より面積割合の大きな水排出手段を設ける。これにより、ガスの相対湿度が１００％未満であるガスの上流部では水を保持したガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が１００％であるガスの下流部では、水を排出し易くなる。これに加えて、ガス流量が相対的に少なく、凝縮が生じやすいアノードガス側では水排出手段の効果を促進させるために水保持手段に対してその存在割合を増しているので、アノードガスにおいて水の排出性が良好となりガス配流の均一化が図れる。
【００１０】
また、カソードガス流路の下流領域の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流領域の流路表面に水排出手段より面積割合の大きな水保持手段を設ける。これにより、ガスの相対湿度が１００％未満のであるガスの上流部では、水を保持してガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が１００％であるガスの下流部では水を排出し易くなる。これに加えて、ガス上流付近の未飽和領域が多くなるカソードガス側では、水保持手段の効果を促進させるために、水排出手段に対してその存在割合を増しているので、カソードガスにおいても、高分子膜への加湿性が良好となり、乾燥による高分子膜および膜電極接合体の劣化抑制を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施形態について説明する。燃料電池１１の概略構成を図１に示す。ここでは複数の単位セル１０を積層することにより燃料電池１１を構成するが、一つの単位セル１０により燃料電池１１を構成してもよい。
【００１２】
燃料電池１１を構成する単位セル１０を、膜電極接合体４の両側にセパレータ８を配置することにより構成する。膜電極接合体４を、アノード側セパレータ８ａとカソード側セパレータ８ｃとで狭持することにより単位セル１０を構成する。
【００１３】
膜電極接合体４を、電解質膜１と、これを狭持する電極２（アノード２ａ、カソード２ｂ）と、さらにこれを狭持するガス拡散層３（アノードガス拡散層３ａ、カソードガス拡散層３ｃ）と、から構成する。後述する反応ガス流路５から、各ガス拡散層３に反応ガスが拡散され、その反応ガスを用いて電極２において電気化学反応を行うことにより起電力を生じる。
【００１４】
また、セパレータ８の膜電極接合体４に接触する面、ここではガス拡散層３に接触する面１８には、溝状の反応ガス流路５を構成する。アノードガス拡散層３ａに接触するアノード側セパレータ８ａにはアノードガス流路５ａを、カソードガス拡散層３ｃに接触するカソード側セパレータ８ｃにはカソードガス流路５ｃを構成する。ここでは、図２、図６に示すように、セパレータ８の積層面１８内に複数の反応ガス流路５を並列に形成する。なお、この反応ガス流路５の形状については後で詳しく説明する。
【００１５】
また、図１には図示しないが、燃料電池１１には、燃料電池１１を積層方向に貫通し、各単位セル１０にカソードガスを分配するカソードガス供給マニホールド１２ｉと、各単位セル１０からカソードガスを回収するカソードガス排出マニホールド１２ｏを備える。また、同様に、燃料電池１１を積層方向に貫通し、各単位セル１０にアノードガスを分配するアノードガス供給マニホールド１３ｉと、各単位セル１０からアノードガスを回収するアノードガス供給マニホールド１３ｏを備える。各マニホールド１２、１３は、図２、図６に示すように積層面１８内に形成した貫通孔により構成される。
【００１６】
さらに、図１に示すように、燃料電池１１には、アノードガスおよびカソードガスの漏洩を防ぐために、電解質膜１とセパレータ８の間にガスケット９を備える。ガスケット９は、アノード２ａを含むアノードガス拡散層３ａ、カソード２ｃを含むカソードガス拡散層３ｃを、それぞれ密閉する。
【００１７】
次に、カソード側セパレータ８ｃのカソードガス拡散層３ｃに接触する面１８ｃの構成を、図２を用いて説明する。カソード側セパレータ８ｃを、緻密なカーボン材により形成する。
【００１８】
カソード側セパレータ８ｃの積層面１８ｃに、複数の蛇行形状のカソードガス流路５ｃを並列に構成する。各カソードガス流路５ｃの一端はカソードガス供給マニホールド１２ｉに連通し、もう一端はカソードガス排出マニホールド１２ｏに連通する。積層面１８ｃ内の隣り合うカソードガス流路５間には、流路を隔てる隔壁７ｃが形成される。なお、ここではカソードガス流路５ｃを複数としているが、一つの流路で構成してもよい。また、蛇行形状としているが、直線形状や、櫛型形状としてもよい。
【００１９】
このように形成したカソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1に水保持手段を備える。ここでは、上流領域Ａ1において、カソードガス流路５ｃを形成する溝の表面に複数の窪み２０を設けることにより、水保持手段を形成する。図３に、窪み２０を設けたカソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1の拡大図を示す。また、図４に、窪み２０の流路軸方向の断面（図３のＸ1−Ｘ1断面）を示す。
【００２０】
各カソードガス流路５ｃの底面５１ｃに窪み２０を設ける。窪み２０は、流路軸に沿って等間隔に構成される。窪み２０を、頂点２０ａがカソード側セパレータ８ｃの内部に位置する円錐形状に構成する。つまり、窪み２０の流路軸方向の断面はＶ字形状となる。このような窪み２０を設けたカソードガス流路５ｃに沿ってカソードガスを流通させる。
【００２１】
運転条件の変化等により、カソードガス流路５ｃにはカソードガスと共にミストや凝縮水が流れ込む場合がある。このような場合には、図４に示すように、窪み２０に液水が溜まり、水保持手段として使用される。さらに運転条件の変化等により、カソードガス流路５ｃに乾燥したカソードガスが供給されると、この窪み２０に溜められた液水が蒸発することにより、カソードガスが加湿される。このように、窪み２０を設けることにより、カソードガス中に混入した液水を除去できるとともに、カソードガスの乾燥、ひいては電解質膜１の乾燥を抑制することができるので、発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００２２】
なお、窪み２０は、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1に存在していればよく、上流領域Ａ1における窪み２０の仕様については、この限りではない。
【００２３】
一方、カソードガス流路５ｃの下流領域Ｂ1に、図５に示すような水排出手段を備える。下流領域Ｂ1のカソードガス流路５ｃを形成する溝の底面５２ｃに、細溝３０を設けることにより水排出手段を構成する。細溝３０を、カソードガス流路５ｃ内のガスの流通方向に平行に形成する。また、細溝３０の一端が、カソードガス排出マニホールド１２ｏに連通するように形成する。ここでは、細溝３０の断面をＶ字形状に構成するが、この限りではない。
【００２４】
カソードガス流路５ｃの下流領域Ｂ1では、カソードガスが飽和状態に到達する。カソードガスが飽和状態に到達した時点よりも下流側では、酸素の消費に伴って生成された水が液水の状態で存在したり、または、カソードガスに含まれる水が凝縮したりする。そこで、下流領域Ｂ1に細溝３０を設けることで、このような液水を選択的に細溝３０に回収する。細溝３０内で、液水はカソードガスの流れの影響を受けて下流方向に移動し、カソードガス排出マニホールド１２ｏから排出される。このため、下流領域Ｂ1における水詰まりを抑制することができ、カソードガス流路５ｃが閉塞されることにより発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００２５】
通常、カソードガスとしては空気等が用いられる。そのため、カソードガスは比較的流量が多く、流速も大きくなる。その結果、カソードガス流路５ｃ内の上流側の広い範囲でカソードガスが乾燥した状態で存在し易くなる。また、流量が多いため、カソードガスは比較的下流側で飽和状態になるので、水詰まりが生じる可能性があるのは下流側の狭い範囲となる。そこで、カソードガス流路５ｃにおける、水保持手段を備えた上流領域Ａ1の面積と、水排出手段を備えた下流領域Ｂ1の面積を比較した場合、上流領域Ａ1の面積の方が大きくなるように構成する。つまり、全カソードガス流路５ｃに対して、上流領域Ａ1と下流領域Ｂ1とがそれぞれ占める割合が、上流領域Ａ1のほうが大きくなるように構成する。このように、カソードガス流路５ｃを、水保持を重視した流路に構成することで、カソードガスが乾燥状態で供給されるのを抑制することができ、カソードガスに応じた水管理を行うことができる。
【００２６】
次に、アノードガス流路５ａの構成について説明する。アノード側セパレータ８ａのアノードガス拡散層３ａに接触する面１８ａの構成を図６に示す。アノード側セパレータ８ａを緻密なカーボン材により形成する。
【００２７】
アノード側セパレータ８ａのアノードガス拡散層３ａに接触する面１８ａに、複数の蛇行形状のアノードガス流路５ａを並列に構成する。アノードガス流路５ａを流れるアノードガスと、カソードガス流路５ｃを流通するカソードガスとが、概ね平行に流れるように構成する。各アノードガス流路５ａの一端はアノードガス供給マニホールド１３ｉに連通し、もう一端はアノードガス排出マニホールド１３ｏに連通する。積層面１８ａ内の隣り合うアノードガス流路５ａ間には、流路を隔てる隔壁７ａが形成される。なお、ここではアノードガス流路５ａを複数としているが、一つの流路で構成してもよい。また、蛇行形状としているが、直線形状や、櫛型形状としてもよい。
【００２８】
このように形成したアノードガス流路５ａの上流領域Ａ2に水保持手段を備える。カソードガス流路５ｃと同様に、アノードガス流路５ａを形成する溝の底面５１ａに、図３、図４に示すような窪み２０を設けることにより水保持手段を形成する。運転条件の変化等により、アノードガス中にミストや凝縮水が混入された場合には、この窪み２０に液水を選択的に回収・貯留することができる。また、運転条件の変化等により、乾燥したアノードガスが供給された際には、この窪み２０に溜められた水が蒸発し、アノードガスを加湿することができる。このように、上流側に水保持手段（２０）を、下流側に水排出手段（３０）を設けることで、アノードガス流路５ａ内に余分な液水を導入するのを抑制することができ、また、アノードガスが乾燥した状態で供給されるのを抑制することができる。
【００２９】
また、アノードガス流路５ａの下流領域Ｂ2に水排出手段を備える。カソードガス流路５ｃと同様に、溝の底面５２ａに図５に示すような細溝３０を設けることにより水排出手段を構成する。アノードガス流路５ａを流通する間にアノードガスが飽和状態となると、それより下流側では水素の消費に伴って水蒸気が凝縮して凝縮水が生じる。細溝３０を設けることにより、この液水を細溝３０内に選択的に回収する。回収された液水は、アノードガスの流れの影響を受けることにより細溝３０内を下流に向かって移動し、アノードガス排出マニホールド１３ｏに排出される。これにより、アノードガス流路５ａの下流領域Ｂ2で液水が存在するのを抑制し、ひいてはアノードガス流路５ａの水詰まりを抑制することができる。
【００３０】
通常、アノードガスとしては水素ガス等が用いられる。そのため、アノードガスは比較的流量が小さく、流速も小さい。その結果、アノードガスは加湿され易く、乾燥状態となる可能性があるのは上流側の狭い範囲となる。また、比較的早い段階で飽和状態となるので、下流側の広い範囲で液水が生じる可能性がある。そこで、アノードガス流路５ａにおいて、水保持手段を備えた上流領域Ａ2の面積と、水排出手段を備えた下流領域Ｂ2の面積を比較した場合、下流領域Ｂ2の面積の方が大きくなるように構成する。つまり、全アノードガス流路５ａに対して、上流領域Ａ2と下流領域Ｂ2とがそれぞれ占める割合が、下流領域Ｂ2のほうが大きくなるように構成する。このように、アノードガス流路５ａを、水排出を重視した流路に構成することで、水詰まりによりアノードガスが局所的に供給され難くなるのを避けることができ、アノードガスに応じた水管理を行うことができる。
【００３１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３２】
電解質膜１を狭持する一対の電極２であるアノード２ａとカソード２ｃの両側に配されたアノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃと、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃを狭持するセパレータ８と、を備える。また、セパレータ８のうち、アノードガス拡散層３ａに接触する面１８ａにアノードガス流路５ａを備える。さらに、アノードガス流路５の上流領域Ａ2の流路表面に水保持手段（２０）を設け、かつ、下流領域Ｂ2の流路表面に水保持手段（２０）より面積割合の大きな水排出手段（３０）を設けた。これにより、反応ガスの相対湿度が１００％未満であるガスの上流領域Ａ2では水を保持したガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が１００％であるガスの下流領域Ｂ2では、水を排出し易くなる。これに加えて、ガス流量が相対的に少なく、凝縮が生じやすいアノードガス側では水排出手段の効果を促進させるために水保持手段に対してその存在割合を増しているため、アノードガスにおいても水の排出性が良好となり、水詰まりを抑制してガス配流の均一化を図ることができる。
【００３３】
電解質膜１を狭持する一対の電極２であるアノード２ａとカソード２ｃの両側に配されたアノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃと、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃを狭持するセパレータ８と、を備える。また、セパレータ８のうち、カソードガス拡散層３ｃに接触する面１８ｃにカソードガス流路５ｃを備え、さらに、カソードガス流路５ｃの下流領域Ｂ1の流路表面に水排出手段（３０）を設け、かつ、上流領域Ａ1の流路表面に水排出手段（３０）より面積割合の大きな水保持手段２０を設けた。これにより、ガスの相対湿度が１００％未満のであるガスの上流領域Ａ1では、水を保持してガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が１００％であるガスの下流領域Ｂ1では水を排出し易くすることができる。これに加えて、ガス上流付近の未飽和領域が多くなるカソードガス側では、水保持手段（２０）の効果を促進させるために、水排出手段（３０）に対してその存在割合を増している。そのため、カソードガスにおいて、電解質膜１への加湿性が良好となり、乾燥による電解質膜１および膜電極接合体４の劣化抑制を図ることができる。
【００３４】
水保持手段を、流路底部５１に備えた多数の窪み２０により構成する。これにより、窪み２０に接触して流通する反応ガス中のミストや凝縮水を窪み２０に保持することができる。これにより、乾燥した状態で供給された反応ガスを加湿することができるので、加湿不足による発電効率の低下を抑制することができる。
【００３５】
また、水排出手段を、流路底部５２に設けた細溝３０により構成する。これにより、下流領域Ｂ1、Ｂ2で生じた液水が、反応ガスの流れの影響により細溝３０内を下流側に移動するので、液水を排出され易くすることができ、反応ガス流路５内の水詰まりを抑制することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について説明する。図７に燃料電池１１の構成を示す。ここでは複数の単位セル１０を積層することにより燃料電池１１を構成するが、単一の単位セル１０により燃料電池１１を構成してもよい。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
膜電極接合体４に隣接して配置されるアノード側セパレータ８ａを、緻密なカーボン材により構成し、第１の実施形態と同様にアノードガス流路５ａを形成する。一方、カソード側セパレータ８ｃをカーボン系のポーラス材により形成する。カソード側セパレータ８ｃの膜電極接合体４に接触する面１８ｃには、第１の実施形態と同様に、カソードガス流路５ｃを設け、これと反対側の面１９ｃには溝状の冷却水流路６を形成する。
【００３８】
また、カソード側セパレータ８ｃの冷却水流路６を形成した面１９ｃに隣接して、緻密材より形成された冷却水路形成部材１５を配置する。冷却水流路６には純水を流通し、発電に伴って生じる熱を除去可能とすると同時に、ポーラス材により構成されたカソード側セパレータ８ｃを介して、カソードガス流路５ｃを流通するカソードガスを加湿可能とする。
【００３９】
カソード側セパレータ８ｃの平面１８ｃの構成図を第１の実施形態と同様に図２に示す。上流領域Ａ1には水保持手段である窪み２０を、下流領域Ｂ1には水排出手段である細溝３０を備える。
【００４０】
次に、上述のような燃料電池１１におけるカソードガス流路５ｃの水の状態を説明する。カソード側セパレータ８ｃの上流領域Ａ1に設けた窪み２０の断面を図８に示す。
【００４１】
カソード側セパレータ８ｃをポーラス材により構成しているため、冷却水流路６を流通する純水がカソード側セパレータ８ｃ内に含まれる。ポーラス材の気孔径は適度な大きさの範囲に収まっており、使用ガス圧力、使用純水圧力の範囲内ではポーラス材の気孔の中にカソードガスは入り込まない。
【００４２】
上流領域Ａ1には、カソードガス流路５ｃの底面５１ｃに複数の窪み２０が流路軸に沿って等間隔に設けられる。カソード側セパレータ８ｃに設けた窪み２０の表面には、その裏面に流れる冷却水流路６内の純水の一部が、ポーラス材の内部を通って移動し、貯留される。移動の駆動力は、Ｖ字形状断面の窪み２０で生じる毛細管力である。つまり、カソード側セパレータ８ｃをポーラスにすることにより、常に窪み２０の表面に純水が溜まるので、運転条件の変化に伴い混入されるミストや凝縮水以外にも、常に窪み２０に水を保持することができる。
【００４３】
このように、通常、比較的流量の大きいカソードガスを、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1で確実に加湿できるようにしたので、安定して湿潤したカソードガスを供給することができ、電解質膜１の乾燥を防ぐことができる。
【００４４】
また、ポーラス材により構成することで、カソードガス流路５ｃを構成する溝表面に付着した液水を、カソード側セパレータ８ｃ内に回収することができるので、水詰まりが生じるのを抑制することができる。
【００４５】
なお、アノード側セパレータ８ａをポーラス材により形成してもよい。この場合には、アノード側セパレータ８ａのアノードガス流路５ａを形成した面１８ａの裏面１９ａに冷却水流路６が接触するように構成する。
【００４６】
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。
【００４７】
セパレータ８をポーラス材により構成する。ここでは、カソード側セパレータ８ｃをポーラス材により構成する。これにより、セパレータ８（ｃ）内に水を保持することができるので、水保持手段（２０）には常時セパレータ８（ｃ）内部から水を補うことができるようになる。また、水排出手段として、セパレータ８（ｃ）内部に水を回収することが可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
カソード側セパレータ８ｃを、第１の実施形態と同様に、緻密なカーボン材により形成する。また、図２に示すように、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1には水保持手段である窪み２１を、下流領域Ｂ1には水排出手段である細溝３０を形成する。
【００５０】
図９に、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1の拡大図を示す。複数の窪み２１を流路軸に沿って等間隔に構成する。ただし、窪み２１の形状を概略斜円錐形状とする。窪み２１の軸を下流側に傾けて形成する。つまり、斜円錐形状の頂点２１ａが下流側に傾くように窪み２１を形成する。このように窪み２１を形成すると、窪み２１への水の貯留状態は図１０のようになる。図１０に、窪み２１の流路軸に沿ったＸ3−Ｘ3断面を示す。
【００５１】
窪み２１の断面は、頂点２１ａがカソードガス流路５ｃの下流側に偏った三角形状に形成される。これにより、窪み２１に溜まった水がカソードガスの流れと共に排出されるのを抑制することができる。
【００５２】
なお、ここには図示しないが、アノード側セパレータ８ａのアノードガス流路５ａの上流領域Ａ2に設ける水保持手段についても、カソードガス流路５ａに設けた水保持手段と同様に、斜円錐形状の窪み２１としてもよい。また、セパレータ８を緻密材により構成したが、第２の実施形態と同様にポーラス材により構成してもよい。
【００５３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００５４】
窪み２１を、頂点２１ａがガスの流れの下流側に傾いた斜円錐形状に形成する。このように、窪み２１の断面形状を斜円錐状とすることにより、反応ガスの流れにより水を運ばれ難くなるので、水を保持し易くなる。
【００５５】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５６】
カソード側セパレータ８ｃをカーボン系のポーラス材により形成する。図１１に、カソード側セパレータ８ｃの平面１８ｃの構成図を示す。ここでは、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1に、水保持手段として、窪み２０の替わりに線分形状に区切られた細溝２２を形成する。
【００５７】
カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1の拡大図を図１２に示す。
【００５８】
各カソードガス流路５ｃの底面５１ｃに、線分状に区切られた複数の細溝２２を等間隔に形成する。また、細溝２２の流路軸に垂直な方向の断面形状をＶ字形状とする。細溝２２の流路軸に沿った方向のＸ4−Ｘ4断面を図１３に示す。細溝２２の流路軸に沿った断面形状は、カソードガス流路５ｃ内部に向かって開口するコの字形状となる。細溝２２の表面には、裏面に形成された冷却水流路６内を流通する水がカソード側セパレータ８ｃを透過して、貯留される。このように線分形状の細溝２２を水保持手段とすることで、図１３に示すように、細溝２２の端部２２ａで水が保持され易くなるので、カソードガスの流れによって細溝２２に溜まった水が排出され難くなる。
【００５９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００６０】
水保持手段を、反応ガス流路５の底部５１に設けた複数の線分状の細溝２２により構成する。これにより、線分状に区切られた細溝２２に水が凝縮して保持されることが容易となる。ここでは特に、カソードガス流路５ｃの上流領域Ａ1に設ける水保持手段として細溝２２を設ける。カソードガスは流量が大きいため、水保持手段に貯留された水が、ガスの流れの影響で排出され易いが、細溝２２を用いることで、水が保持される機能を向上することができる。
【００６１】
なお、ここではカソード側セパレータ８ｃをポーラス材としたが、第１の実施形態と同様に緻密材により構成したセパレータに対して線分状の細溝２２を設けても良い。また、アノードガス流路５ａの上流領域Ａ2に構成する水保持手段に細溝２２を適用してもよい。
【００６２】
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が為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、燃料電池、特に水マネージメントが必要となる固体高分子型燃料電池等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【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側セパレータの平面図である。
【図３】第１の実施形態に用いる水保持手段の概略図である。
【図４】第１の実施形態に用いる水保持手段の断面図である。
【図５】第１の実施形態に用いる水排出手段の概略図である。
【図６】第１の実施形態に用いるアノード側セパレータの平面図である。
【図７】第２の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【図８】第２の実施形態に用いる水保持手段の断面図である。
【図９】第３の実施形態に用いる水保持手段の概略図である。
【図１０】第３の実施形態に用いる水保持手段の断面図である。
【図１１】第４の実施形態に用いるカソード側セパレータの平面図である。
【図１２】第４の実施形態に用いる水保持手段の概略図である。
【図１３】第４の実施形態に用いる水保持手段の断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    電解質膜
２    電極
２ａ  アノード
２ｃ  カソード
３    ガス拡散層
３ａ  アノードガス拡散層
３ｃ  カソードガス拡散層
５    反応ガス流路
５ａ  アノードガス流路
５ｂ  カソードガス流路
６    冷却水流路
８    セパレータ
１１  燃料電池
２０  窪み
２１  窪み
２１ａ頂点
２２  細溝
３０  細溝
【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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