(57)【要約】【課題】システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池で生成された水を回収できる燃料電池およびシステムを提供する。【解決手段】電解質膜２の両主面に設けた酸化剤極３、燃料極４と、それぞれの電極３、４との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路８、９を有し、積層面が電極３、４より大きいセパレータ６、７を備える。セパレータ６、７の積層面の電極３、４に重なる以外の領域(領域Ａ以外の領域)に、反応ガス流路８流通後の酸化剤ガスを熱源とする凝縮熱交換部１４を備える。凝縮熱交換部１４を、反応後の酸化剤ガスを流通する反応後酸化剤ガス流路１６と、反応領域の冷却を行う前の冷媒を流通する第一冷媒流路１５ａとの間を熱交換可能に構成する。【選択図】      図２
2005285694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両主面に設けたカソード電極層、アノード電極層と、
それぞれの前記電極層との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路を有し、積層面が前記電極層より大きいセパレータと、を備え、
前記セパレータ積層面の前記電極層に重なる以外の領域に、前記反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記凝縮熱交換部として、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路流通後の反応ガスを流通する反応後ガス流路と、
前記反応後ガス流路と積層方向に重なる領域に設けられ、前記燃料電池の温度を調整するための冷媒を流通する第一冷媒流路と、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】
前記電極層に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿部を備え、
さらに、前記改質には、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路を流通する以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を流通する反応前ガス流路と、
前記反応前ガス流路に積層方向に重なる領域に設けられ、前記燃料電池の温度を調整するための冷媒を流通する第二冷媒流路と、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４】
前記反応ガス流路に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち一方を加湿し、前記反応ガス流路を流通した後の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうちもう一方に含まれる水を凝縮する加湿兼凝縮熱交換部を備え、
さらに、前記加湿兼凝縮熱交換部には、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路を流通する以前の、酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち一方を流通する反応前ガス流路と、
前記反応ガス流路を流通した後の、酸化剤ガスまたは燃料ガスのうちもう一方を流通する反応後ガス流路と、を備え、
積層方向ついて、前記反応前ガス流路と前記反応後ガス流路とを隔てる隔壁として、前記電解質膜または多孔質材のうち少なくとも一方を用いる請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータの少なくとも前記凝縮熱交換部を設ける領域を、多孔質材により構成する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記第一冷媒流路を、前記燃料電池内での冷媒経路の上流部分に設ける請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記反応前ガス流路の少なくとも上流領域に、前記第二冷媒流路に連通する微小孔を設ける請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータの少なくとも前記加湿部を設ける領域を、多孔質材により構成する請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記第二冷媒流路を、前記燃料電池内での冷媒経路の下流部分に設ける請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記冷媒を、不凍液成分を含む水溶液とする２または３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔質材の平均孔径を、０．５μｍ以下とする請求項４または５、８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】
請求項１から１１のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池を用いたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項５に記載の固体高分子燃料電池を用いた燃料電池システムであって、
前記第一冷媒流路を流通する冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整手段を備え、
前記第一冷媒流路を流通する冷媒の圧力を、前記反応後ガス流路内の反応ガス圧力よりも小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【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およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムをコンパクト化するための固体高分子型燃料電池の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、熱回収系の凝縮熱交換器で電気生成系からの排流体を熱源とし、給水系からの給水を被熱源として熱交換して温水にし、その温水を熱利用部に供給する温水供給手段と、凝縮熱交換器で熱交換中に生成したドレン水を燃料改質系に供給する燃料に予混合する気水分離器と、電気生成系の電池本体に水を循環させて熱交換し、その温水を熱利用部に供給する循環路と、を備えたものが知られている。燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用を図っている（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】国際公開第０２／２３６６１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱および水回収のシステムの目的は、燃料電池本体で生成された生成水および水を回収することである。生成水は液滴として存在する場合と排ガス中に混ざった水蒸気として存在する場合がある。液滴として存在する場合はガスとの密度差を利用して容易に分離できるが、水蒸気として存在する場合は凝縮させて水および熱を回収することになる。
【０００４】
上記背景技術においては、凝縮熱交換器において液水と排ガスの熱交換を行うとともに、熱交換に伴って生成されたドレン水を、凝縮熱交換器のバッファ部に回収し、システムに使用している。このような場合には、熱交換による凝縮でドレン水を十分に回収するのに必要な熱交換領域と、水の回収部であるバッファ部と、を有する凝縮熱交換器が必要となる。また、排ガスとの間で熱交換を行うための冷媒を凝縮熱交換器に循環させるための冷媒系が必要となる。そのため、燃料電池システムが複雑化するとともに、巨大化してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題を鑑みて、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池で生成された水を回収できる固体高分子型燃料電池および燃料電池システム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】
本発明は、電解質膜の両主面に設けたカソード電極層、アノード電極層と、それぞれの前記電極層との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路を有し、積層面が前記電極層より大きいセパレータと、を備える。前記セパレータ積層面の前記電極層に重なる以外の領域に、前記反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
このように、セパレータ積層面の電極層に重なる以外の領域に、反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスを熱源とする凝縮熱交換部を備える燃料電池を用いることで、燃料電池本体の大きさが若干大きくなったとしても、凝縮熱交換器、凝縮熱交換用の冷媒系を必要とせず、システム全体として効率の向上およびコンパクト化を図ることができる。また、熱交換により反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガス中の水が凝縮され易くなる。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池で生成された水を回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の実施形態について説明する。燃料電池１の断面を図１に示す。ここでは、燃料電池１を複数の単位セル１ａを積層してなるスタックより構成したが、この限りではなく、一つの単位セル１ａより構成してもよい。
【０００９】
単位セル１ａを、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等の固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）２を、一対の電極である酸化剤極３と燃料極４で狭持して成る膜電極複合体５と、さらにその外側から狭持する酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７とから構成する。酸化剤極３、燃料極４は発電反応を生じる反応領域であり、電解質膜２側に白金等の触媒を有するカーボンペーパ、カーボンクロス等より構成する。なお、触媒は電解質膜２側に塗布してもよい。
【００１０】
酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７は、それぞれ緻密なカーボン材より構成する。酸化剤ガスセパレータ６の酸化剤極３に対峙する面６ａに、溝状の酸化剤ガス流路８を構成し、ここに酸化剤ガスを流通させることにより、酸化剤極３へ酸化剤ガスを供給する。また、燃料ガスセパレータ７の燃料極４に対峙する面７ａに、溝状の燃料ガス流路９を構成し、ここに燃料ガスを流通させることにより、燃料極４へ燃料ガスを供給する。さらに、燃料ガスセパレータ７の面７ａの裏面７ｂに溝状の冷媒流路１５（１５ｂ）を構成し、ここに冷媒を流通させることにより、単位セル１ａの温度を調整する。このような単位セル１ａを複数個積層することにより、燃料電池１を構成する。単位セル１ａの積層時には、冷媒流路１５（１５ｂ）を形成した燃料ガスセパレータ７の裏面７ｂは、隣接する酸化剤ガスセパレータ６の裏面６ｂに接触する。
【００１１】
また、燃料電池１の反応領域に重なる領域Ａ以外の領域にマニホールドを設ける。後述するように、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒を積層方向に流通し、酸化剤ガス流路８、燃料ガス流路９、冷媒流路１５へ分配・回収する酸化剤ガスマニホールド１１、燃料ガスマニホールド１２、冷媒マニホールド１３を備える。図１には、冷媒マニホールド１３のみを示す。
【００１２】
次に、酸化剤ガスセパレータ６、燃料ガスセパレータ７の詳細を、図２、図３の平面図を用いて説明する。図２は、酸化剤ガスセパレータ６の酸化剤極３に対峙する面６ａの平面図である。図３（ａ）は、燃料ガスセパレータ７の燃料極４に対峙する面７ａの平面図、図３（ｂ）はその裏面７ｂの平面図である。
【００１３】
図２に示すように、酸化剤ガスセパレータ６の面６ａの、反応領域（酸化剤極３）に重なる領域Ａに酸化剤ガス流路８を構成する。また、図３（ａ）に示すように、燃料ガスセパレータ７の面７ａの、反応領域（燃料極４）に重なる領域Ａに燃料ガス流路９を構成する。酸化剤ガス流路８、燃料ガス流路９をそれぞれ複数の並列した直線形状の溝により構成するが、この限りではない。さらに、図３（ｂ）に示すように、燃料ガスセパレータ７の裏面７ｂの反応領域に重なる領域Ａに、反応領域の温度調整を行うための冷媒を流通する第二冷媒流路１５ｂを設ける。ここでは領域Ａにおいて、酸化剤ガスおよび燃料ガスと、冷媒との流通方向を略直交としたがこの限りではない。
【００１４】
また、図２に示すように、酸化剤ガスセパレータ６の面６ａ側の領域Ａ外部に、発電反応後の高温・高湿となった酸化剤ガスを流通する反応後酸化剤ガス流路１６を設ける。ここでは、反応後酸化剤ガス流路１６を、底面に複数の熱交換用のフィンを有する溝により構成する。また、燃料ガスセパレータ７の面７ａの反応後酸化剤ガス流路１６に重なる領域に、図３（ａ）に示すように、反応領域の温度調整を行う以前の冷媒が流通する第一冷媒流路１５ａを設ける。この反応後酸化剤ガス流路１６と第一冷媒流路１５ａにより凝縮熱交換部１４を構成する。
【００１５】
ここで、酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７とは、裏面６ａ、７ａ同士が直に接している。そのため、反応後の酸化剤ガスと外部から導入された冷媒との間で、反応後酸化剤ガス流路１６の底面と第一冷媒流路１５ａの底面を介して熱交換が行われる。なお、酸化剤ガスセパレータ６の裏面６ｂの構成は図示しないが、例えば平面とする。また、反応後酸化剤ガス流路１６と第一冷媒流路１５ａをそれぞれ構成する溝の開口部により狭持される電解質膜２を介して熱交換が行われる。
【００１６】
さらに、領域Ａの外部に酸化剤ガスマニホールド１１、燃料ガスマニホールド１２、冷媒マニホールド１３を設ける。酸化剤ガスマニホールド１１としては、燃料電池１外部と酸化剤ガス流路８の上流端に接続する第一酸化剤ガスマニホールド１１ａ、酸化剤ガス流路８の下流端と反応後酸化剤ガス流路１６の上流端に接続する第二酸化剤ガスマニホールド１１ｂ、反応後酸化剤ガス流路１６の下流端と燃料電池１外部に接続する第三酸化剤ガスマニホールド１１ｃを設ける。また、燃料ガスマニホールド１２としては、燃料電池１外部と燃料ガス流路９の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド１２ａ、燃料ガス流路９の下流端と燃料電池１の外部に接続する第二燃料ガスマニホールド１２ｂを設ける。さらに、冷媒マニホールド１３としては、燃料電池１外部と第一冷媒流路１５ａの上流端に接続する第一冷媒マニホールド１３ａ、第一冷媒流路１５ａの下流端と第二冷媒流路１５ｂの上流端に接続する第二冷媒マニホールド１３ｂ、第二冷媒流路１５ｂの下流端と燃料電池１の外部に接続する第三冷媒マニホールド１３ｃを設ける。
【００１７】
第一冷媒マニホールド１３ａと第二冷媒マニホールド１３ｂにより、反応後酸化剤ガス流路１６を挟むように構成する。ここでは、反応後酸化剤ガス流路１６の流路軸方向に沿って、一方側に第一冷媒マニホールド１３ａを、もう一方側に第二冷媒マニホールド１３ｂを配置する。このとき、反応後酸化剤ガス流路１６内の反応後の酸化剤ガスに対して、第一冷媒流路１５ａ内を冷媒が略垂直方向に流れる。このように、ここでは反応後酸化剤ガス流路１６、第一冷媒流路１５ａ内の流れを略垂直としているが、この限りではない。また、第一冷媒マニホールド１３ａ、第二冷媒マニホールド１３ｂをそれぞれ複数（ここでは三つ）の貫通孔により構成するが、この限りではない。
【００１８】
なお、第二酸化剤ガスマニホールド１１ｂは必ずしも貫通孔である必要はない。酸化剤ガスセパレータ６の表面に設けた溝により構成してもよい。また、各流路８、９、１５やマニホールド１１、１２、１３を流通する流体をシールする図示しないガスケット等を設け、流体間で混合が生じるのを防止する。
【００１９】
次に、このような燃料電池１を用いる燃料電池システムの構成を図４を用いて説明する。
【００２０】
燃料電池システムとして、燃料電池１に冷媒を導入するための循環路である冷媒ループ２１を備える。冷媒ループ２１には、冷媒を循環させるポンプ２２と、冷媒を放熱させるためのラジエータ２３、冷媒を蓄積するための冷媒蓄積部２４を備える。ここでは、冷媒として例えば純水を用いる。
【００２１】
また、酸化剤ガス、燃料ガスを燃料電池１に導入するための酸化剤入口配管２５ｉ、燃料入口配管２６ｉと、燃料電池１から排出するための酸化剤出口配管２５ｏ、燃料出口配管２６ｏを備える。酸化剤出口配管２５ｏには、酸化剤排ガス中の水分を分離回収するバッファ部２７と、バッファ部２７から水を取出す凝縮水配管２８を備える。ここでは図示しないが、取出した水は電解質膜２の加湿や燃料電池１の冷媒に用いることができる。
【００２２】
次に、このような燃料電池システムにおける酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷媒の流通状態について説明する。
【００２３】
酸化剤入口配管２５ｉから燃料電池１に導入された酸化剤ガスは、第一酸化剤マニホールド１１ａを通って、各単位セル１ａの酸化剤ガス流路８に分配される。また、燃料入口配管２６ｉから燃料電池１に導入された燃料ガスは、第一燃料ガスマニホールド１２ａを通って、各単位セル１ａの燃料ガス流路９に分配される。酸化剤ガス流路８を流れる酸化剤ガスは酸化剤極３内に拡散し、また、燃料ガス流路９を流れる燃料ガスは燃料極４内に拡散し、電解質膜２付近で以下のような発電反応を生じる。
【００２４】
酸化剤極３側：１/２Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ
燃料極４側  ：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-
この発電反応は発熱反応であり、これに伴い酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度が上昇する。また、酸化剤極３側では生成物として水が生じるため、酸化剤ガスの湿度が上昇する。さらに、電解質膜２からの蒸発等により燃料ガスの湿度も上昇する。
【００２５】
燃料極４で発電に用いられなかった高温状態の燃料ガスは、第二燃料ガスマニホールド１２ｂに回収されて燃料電池１から燃料出口配管２６ｏに排出され、例えば図示しない燃焼器等により燃焼処理された後、燃料電池システムから排出される。一方、酸化剤極３で発電に用いられなかった高温・高湿状態の酸化剤ガスは、第二酸化剤ガスマニホールド１１ｂに回収され、反応後酸化剤ガス流路１６に再分配される。
【００２６】
凝縮熱交換部１４を構成する反応後酸化剤ガス流路１６を流通する際に、反応後の酸化剤ガスと、第一冷媒流路１５ａを流通する冷媒との間で熱交換が行われる。これにより、酸化剤ガス温度が低下して、反応後の酸化剤ガス中に含まれる水の凝縮が生じる。ここで、熱交換を行う冷媒は反応領域との熱交換を行う以前の比較的低温状態の冷媒であるため、反応後の酸化剤ガス中の凝縮が促進される。
【００２７】
反応後酸化剤ガス流路１６で凝縮を生じた反応後の酸化剤ガスは、第三酸化剤ガスマニホールド１１ｃに回収され、燃料電池１から酸化剤出口配管２５ｏに排出される。排出された酸化剤排ガスは、バッファ部２７において凝縮された水分を分離・回収された後、例えば図示しない燃焼器等を介して燃料電池システムから排出される。一方、バッファ部２７で回収された水は、凝縮水配管２８を通って、電解質膜２の加湿や冷媒に用いられる。
【００２８】
一方、燃料電池１の温度を調整する冷媒は、ポンプ２２により冷媒ループ２１から燃料電池１に導入され、第一冷媒マニホールド１３ａを通って単位セル１ａの燃料ガスセパレータ７の表面７ａに設けた第一冷媒流路１５ａに分配される。冷媒は、凝縮熱交換部１４を構成する第一冷媒流路１５ａを流通する際に、セル積層方向に隣接する反応後酸化剤ガス流路１６から熱を受け取り、冷媒温度が上昇する。このとき、反応後酸化剤ガス流路１６では凝縮が生じているので、冷媒は高温の酸化剤ガスからの熱に加えて凝縮に伴う潜熱も受ける。
【００２９】
温度上昇した冷媒は、第二冷媒マニホールド１３ｂに回収され、燃料ガスセパレータ７の裏面７ｂに構成された第二冷媒流路１５ｂに分配される。ここで、冷媒と反応領域との間の温度差が必要以上に大きいと、第二冷媒流路１５ｂ入口近傍に重なる反応領域で過冷却となり発電効率が低下してしまう。しかしながら、ここでは凝縮熱交換部１４で冷媒温度を上昇させてから反応領域に導入するので、過冷却による発電効率の低下は抑制される。
【００３０】
冷媒は、第二冷媒流路１５ｂを流通する際に、発電反応に伴って生じた熱をさらに吸収し、高温状態となって第３冷媒マニホールド１３ｃに回収され、燃料電池１から冷媒ループ２１に排出される。
【００３１】
このように、凝縮熱交換部１４で、発電反応により高温・高湿となった既反応ガス（反応後の酸化剤ガス）と、比較的低温の冷媒との間で熱交換を行うので、既反応ガス中の水の凝縮を行うための凝縮熱交換器およびそのための冷媒系が不要となる。また、凝縮熱交換部１４で熱交換を行った後の冷媒を用いて反応領域の温度調整を行うので、局所的な過冷却による発電効率の低下が抑制される。
【００３２】
なお、ここでは反応後の酸化剤ガスを凝縮熱交換部１４に導入したが、反応後の燃料ガスを導入してもよい。凝縮熱交換部１４において、反応後に高温となり、比較的含水量が多くなった燃料ガスと、燃料電池１の冷却に用いる冷媒との間で熱交換を行うことにより、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
さらに、反応後酸化剤ガス流路１６と第一冷媒流路１５ａの両方をそれぞれのセパレータ６、７の膜電極複合体５に対峙する側の表面６ａ、７ａに設けたがこの限りではなく、どちらか一方をその裏面６ｂ、７ｂ側に形成してもよい。
【００３４】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３５】
電解質膜２の両主面に設けた酸化剤極３、燃料極４と、それぞれの電極３、４との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路８、９を有し、積層面が電極３、４より大きいセパレータ６、７を備える。セパレータ６、７の積層面の電極３、４に重なる以外の領域(領域Ａ以外の領域)に、反応ガス流路８または９流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部１４を備える。ここでは、熱源として、酸化剤ガス流路８流通後の反応後酸化剤ガスを用いる。これにより、燃料電池１本体の大きさが若干大きくなったとしても、凝縮熱交換器、凝縮熱交換用の冷媒系を必要とせず、システム全体として効率の向上およびコンパクト化を図ることができる。また、反応後酸化剤ガス中の水蒸気分の水の回収も可能となり水回収効率が向上する。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池１で生成された水を回収することができる。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池１で生成された水を回収することができる。
【００３６】
凝縮熱交換部１４として、酸化剤極３と酸化剤ガスセパレータ６との間に設けられた酸化剤ガス流路８流通後の酸化剤ガスを流通する反応後酸化剤ガス流路１６と、反応後酸化剤ガス流路１６と積層方向に重なる領域に設けられ、燃料電池１の温度を調整するための冷媒を流通する第一冷媒流路１５ａと、を備える。これにより、燃料電池１内部で、反応により高温・高湿となった酸化剤ガスと冷媒との間で熱交換を行って、酸化剤ガスに含有される水を凝縮して回収することができる。
【００３７】
第一冷媒流路１５ａを、燃料電池１内での冷媒経路の上流部分に設ける。これにより、発電反応に伴う熱を吸収して高温となる以前の比較的低温の冷媒と、反応後の酸化剤ガスとの熱交換が行われるので、凝縮を促進することができる。また、冷媒による過冷却を抑制することができ、発電効率を維持することができる。
【００３８】
このような燃料電池１を燃料電池システムに用いることで、システムのコンパクト化を図りつつ、水マネージメントを向上することができる。
【００３９】
次に、第２の実施形態について説明する。図５に、酸化剤ガスセパレータ６の表面６ａの平面図を示す。図６（ａ）に、燃料ガスセパレータ７の表面７ａの平面図を、図６（ｂ）にその裏面７ｂの平面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
酸化剤ガスセパレータ６、燃料ガスセパレータ７それぞれを、例えば、耐食性の金属材料より構成する。また、冷媒として純水を用いる。さらに、燃料電池１は運転時には単位セル１ａの積層方向が略鉛直方向となるように設置する。
【００４１】
第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス流路８や燃料ガス流路９を設けた反応領域に重なる領域Ａと、反応後酸化剤ガス流路１６と第一冷媒流路１５ａを設けた凝縮熱交換部１４を設ける。ここでは、燃料ガスセパレータ７の裏面７ｂに第二冷媒流路１５ｂを設けないが、この限りではない。
【００４２】
さらに、領域Ａの外側に加湿部３４を設ける。ここでは、凝縮熱交換部１４と加湿部３４で領域Ａを挟むように構成する。加湿部３４を、図５に示すように酸化剤ガスセパレータ６の表面６ａに設けた反応前酸化剤ガス流路３６と、図６（ａ）に示すように燃料ガスセパレータ７の表面７ａに設けた第三冷媒流路１５ｃにより構成する。反応前酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス流路８、反応後酸化剤ガス流路１６の流路軸方向を略同一とするがこの限りではない。
【００４３】
また、領域Ａの外部に、酸化剤ガスマニホールド３１、燃料ガスマニホールド３２、冷媒マニホールド３３を設ける。
【００４４】
酸化剤ガスマニホールド３１としては、酸化剤入口配管２５ｉと反応前酸化剤ガス流路３６の上流端に接続する第一酸化剤ガスマニホールド３１ａと、反応前酸化剤ガス流路３６の下流端と酸化剤ガス流路８の上流端を接続する第二酸化剤ガスマニホールド３１ｂを設ける。また、酸化剤ガス流路８の下流端と反応後酸化剤ガス流路１６の上流端に接続する第三酸化剤ガスマニホールド３１ｃと、反応後酸化剤ガス流路１６の下流端と酸化剤出口配管２５ｏに接続する第四酸化剤ガスマニホールド３１ｄを備える。燃料ガスマニホールド３２としては、第１の実施形態と同様に、燃料入口配管２６ｉと燃料ガス流路９の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド３２ａと、燃料ガス流路９の下流端と燃料出口配管２６ｏに接続する第二燃料ガスマニホールド３２ｂを備える。さらに、冷媒マニホールド３３としては、冷媒ループ２１と第一冷媒流路１５ａの上流端に接続する第一冷媒マニホールド３３ａと、第一冷媒流路１５ａの下流端と図示しない外部流路に連通する第二冷媒マニホールド３３ｂを設ける。また、図示しない外部流路と第三冷媒流路１５ｃの上流端に接続する第三冷媒マニホールド３３ｃと、第三冷媒流路１５ｃの下流端と冷媒ループ２１に接続する第四冷媒マニホールド３３ｄを設ける。
【００４５】
第三冷媒マニホールド３３ｃと第四冷媒マニホールド３３ｄを、複数の貫通孔より構成する。ここでは、反応前酸化剤ガス流路３６の一方の側面に沿って第三冷媒マニホールド３３ｃを配置し、もう一方の側面に沿って第四冷媒マニホールド３３ｄを配置する。このように、ここでは、加湿部３４を構成する反応前酸化剤ガス流路３６内の酸化剤ガスの流通方向と、第三、第四冷媒マニホールド３３ｃ、３３ｄに接続される第三冷媒流路１５ｃ内の冷媒の流通方向を略直交とするが、この限りではない。
【００４６】
さらに、図５に示すように、反応前酸化剤ガス流路３６の上流領域において、反応前酸化剤ガス流路３６を構成する溝底面に微小孔３７を設ける。微小孔３７は、裏面６ｂ、７ｂで接触する酸化剤ガスマニホールド６と燃料ガスマニホールド７を貫通する孔とする。つまり、微小孔３７により、反応前酸化剤ガス流路３６と第三冷媒流路１５ｃ内とが連通するように構成する。ここでは、反応前酸化剤ガス流路３６の上流側に複数の微小孔３７を均等に設けるが、この限りではない。微小孔３７を、例えばエッチング等により設けた直径を５０μｍ程度の孔とする。
【００４７】
さらに、反応前酸化剤ガス流路３６の下流側を、酸化剤ガス中の液滴が滞留し易い形状とする。ここでは、反応前酸化剤ガス流路３６を構成する溝の側面を構成するリブ３８の積層面に沿った断面が、連続した山型形状となるように構成する。つまり、酸化剤ガスの流通方向に対して側面が凸凹となるように構成する。なお、ここでは反応前酸化剤ガス流路３６の一方の側面を構成するリブ３８のみを山型形状としたが、この限りではない。両側面について山型形状を有するように構成してもよいし、溝底面に三角形状の凹凸を設けても良い。
【００４８】
次に、このような燃料電池１を用いる燃料電池システムの構成を、図７を用いて説明する。なお、ここでは図４と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
ここでは、冷媒ループ２１に設けた冷媒蓄積部２４に、内部に蓄積した冷媒の一部を選択的に排出する排出ライン４１およびバルブ４２を設ける。また、バッファ部２７で分離・回収した水を、さらに冷媒蓄積部２４に回収する凝縮水配管４３を設ける。
【００５０】
次に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒の流通状態を説明する。
【００５１】
冷媒ループ２１から燃料電池１内に導入された冷媒は、第一冷媒マニホールド３３ａから凝縮熱交換部１４に設けた第一冷媒流路１５ａに導入され、反応後の酸化剤ガスと熱交換を行った後、第二冷媒マニホールド３３ｂに回収される。第二冷媒マニホールド３３ｂは積層方向に反応領域に略沿って構成されており、冷媒が流通することにより発電反応に伴って生じる熱を除去する。第二冷媒マニホールド３３ｂを流通した冷媒は、図示しない外部流路を通って、第三冷媒マニホールド３３ｃに導入される。第三冷媒マニホールド３３ｃも、積層方向に反応領域に略沿って構成されており、冷媒がここを流通することにより、反応領域の冷却が行われる。冷媒は、第三冷媒マニホールド３３ｃから第三冷媒流路１５ｃに分配され、一部が溝底面に構成された微小孔３７を通って反応前酸化剤ガス流路３６側に供給される。冷媒は反応前酸化剤ガス流路３６に供給する以前に反応領域の冷却を行っているので、反応前酸化剤ガス流路３６には比較的高温の水が供給される。反応前酸化剤ガス流路３６側に供給されなかった冷媒は、第四冷媒マニホールド３３ｄに回収されて、冷媒ループ２１側に排出される。
【００５２】
一方、酸化剤ガスは、酸化剤入口配管２５ｉから第一酸化剤ガスマニホールド３１ａを通って、加湿部３４を構成する反応前酸化剤ガス流路３６に分配される。反応前酸化剤ガス流路３６の上流側では、微小孔３７を介して流路内に混入された水（冷媒）の一部が蒸発し、流通する酸化剤ガスの加湿が行われる。前述したように、ここでは比較的高温の水が混入されるため、酸化剤ガスへの水の蒸発が促進される。微小孔３７から水が供給された後、酸化剤ガスは、反応前酸化剤ガス流路３６の下流側の山型形状のリブ３８に沿って流通する。この際に、酸化剤ガスに混入された水の余剰分はリブ３８により構成される側面に滞留する。
【００５３】
反応前酸化剤ガス流路３６を流通した酸化剤ガスは第二酸化剤ガスマニホールド３１ｂに回収され、酸化剤ガス流路８に分配される。このとき、単位セル１ａの積層方向を略鉛直方向としているので、液滴状の余剰水分は第二酸化剤ガスマニホールド３１ｂの下方に分離され、気相のみが酸化剤ガス流路８に分配される。
【００５４】
第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス流路８を流通する酸化剤ガスを酸化剤極３における反応に用い、反応後の比較的高温・高湿の酸化剤ガスを第三酸化剤ガスマニホールド３１ｃを介して凝縮熱交換部１４を構成する反応後酸化剤ガス流路１６に供給する。反応後酸化剤ガス流路１６で、第一冷媒流路１５ａを流通する冷媒との熱交換を行った後、第四酸化剤ガスマニホールド３１ｄを介して酸化剤出口配管２５ｏに排出する。さらにバッファ部２７で気液分離した後、酸化剤排ガスは図示しない燃焼器等を介して排出され、凝縮水は、凝縮水配管４３を介して冷媒蓄積部２４に回収される。このように、冷媒は、微小孔３７を介して酸化剤ガス内に混入されるが、凝縮熱交換部１４で凝縮し、バッファ部２７を介して再度冷媒系に回収されるため、冷媒の流量を維持することができる。
【００５５】
なお、燃料ガスについては、第１の実施形態と同様とする。
【００５６】
このように、加湿部３４を設け、反応領域冷却後の比較的高温の冷媒を、反応領域に導入される以前の酸化剤ガス内に効率的に蒸発させることにより、酸化剤ガスの加湿を行う。このとき、凝縮熱交換部１４で凝縮した水分を冷媒系に回収して冷媒の流量を維持する。
【００５７】
なお、ここでは酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７を別々に構成したが、一体化して一つのセパレータにより構成してもよい。この場合には、微小孔３７はセパレータを積層方向に貫通する貫通孔となる。
【００５８】
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。
【００５９】
電極３、４に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿部３４を備える。加湿部３４として、電極３または４とセパレータ６または７との間に設けられた反応ガス流路８または９を流通する以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を流通する反応前ガス流路（３６）と、反応前ガス流路（３６）に積層方向に重なる領域に設けられ、燃料電池１の温度を調整するための冷媒を流通する第三冷媒流路１５ｃと、を備える。ここでは、酸化剤ガス流路８を流通する以前の酸化剤ガスを流通する反応前酸化剤ガス流路３６と第三冷媒流路１５ｃとを備える。このように、加湿部３４を積層面内部に構成することにより、酸化剤極３に供給される酸化剤ガスを加湿して供給でき、乾燥による電解質膜２の劣化を抑制することができる。また、各セパレータ（６）に設けた流路に分配されてからの加湿となるために、分配前の加湿に比べてガス配流が良好となる。
【００６０】
このとき、反応前酸化剤ガス流路３６の少なくとも上流領域に、第三冷媒流路１５ａに連通する微小孔３７を設ける。これにより、第三冷媒流路１５ｃを流通する冷媒を用いて、反応前酸化剤ガス流路３６を流れる酸化剤ガスの加湿を行うことができる。
【００６１】
特に、第三冷媒流路１５ｃを、燃料電池１内での冷媒経路の下流部分に設ける。これにより、反応前の酸化剤ガスに混入される冷媒が比較的高温となるので、酸化剤ガス内への蒸発を促進することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
ここでは、酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７を一体化して一つのセパレータ５９により構成する。図８（ａ）に、セパレータ５９の酸化剤極３に接触する側の面５９ｃの平面図を、図８（ｂ）に燃料極４に接触する側の面５９ａの平面図を示す。またセパレータ５９を、熱伝導率の高い緻密なカーボン材より構成する。ただし、後述するように、加湿兼凝縮熱交換部５４、凝縮熱交換部１４となる領域は多孔質材となっている複合材を用いる。冷媒としては、例えばエチレングリコール水溶液を用いる。
【００６４】
第２の実施形態と同様に、反応領域に重なる領域Ａ、凝縮熱交換部１４を備える。また、領域Ａの外部に加湿兼凝縮熱交換部５４を設ける。ここでは、凝縮熱交換部１４と加湿兼凝縮熱交換部５４で領域Ａを挟むように構成する。図８に示すように、加湿兼凝縮熱交換部５４として、ガスセパレータ５９の面５９ｃに設けた反応前酸化剤ガス流路５６と、面５９ａの反応前酸化剤ガス流路５６に重なる領域に設けた反応後燃料ガス流路５５と、を備える。反応前酸化剤ガス流路５６、酸化剤ガス流路８、反応後酸化剤ガス流路１６の流路軸を略同一方向とし、燃料ガス流路９、反応後燃料ガス流路５５の流路軸方向を略同一とするが、この限りではない。
【００６５】
また、第一〜第四酸化剤ガスマニホールド５１ａ〜５１ｄを、第２の実施形態の第一〜第四酸化剤ガスマニホールド３１ａ〜３１ｄと同様に構成する。また、燃料ガスマニホールド５２として、燃料入口配管２６ｉと燃料ガス流路９の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド５２ａ、燃料ガス流路９の下流端と反応後燃料ガス流路５５の上流端に接続する第二燃料ガスマニホールド５２ｂ、反応後燃料ガス流路５５の下流端と燃料出口配管２６ｏに接続する第三燃料ガスマニホールド５２ｃを設ける。さらに、冷媒マニホールド５３として、冷媒ループ２１と第一冷媒流路１５ａ上流端に接続する第一冷媒マニホールド５３ａ、第一冷媒流路１５ａと図示しない外部流路に接続する第二冷媒マニホールド５３ｂ、図示しない外部流路と冷媒ループ２１に接続する第三冷媒マニホールド５３ｃを設ける。ここでは第三冷媒マニホールド５３ｃを加湿兼凝縮熱交換部５４のさらに外側に設け、第二冷媒マニホールド５３ｂと第三冷媒マニホールド５３ｃとで領域Ａおよび加湿兼凝縮熱交換部５４を狭持するように構成するが、この限りではない。
【００６６】
加湿兼凝縮熱交換部５４を構成する反応前酸化剤ガス流路５６、反応後燃料ガス流路５５を、それぞれの底面に熱交換用のフィンを有する溝により構成する。前述したように、セパレータ５９の反応前酸化剤ガス流路５６の底面と反応後燃料ガス流路５５の底面に挟まれた領域を、多孔質材により構成し、反応前酸化剤ガス流路５６と反応後燃料ガス流路５５間で水の移動を可能とする。
【００６７】
このようなセパレータ５９と酸化剤極３、電解質膜２、燃料極４を、順々に積層することにより燃料電池１を構成し、第２の実施形態と同様の燃料電池システムに用いる。
【００６８】
次に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒の流通状態について説明する。
【００６９】
冷媒は、冷媒ループ２１から燃料電池１に導入され、第一冷媒マニホールド５３ａを通って第一冷媒流路１５ａに分配される。第一冷媒流路１５ａで、反応後の酸化剤ガスと熱交換を行ってから、第二冷媒マニホールド５３ｂを積層方向に流通し、燃料電池１の冷却を行う。その後、図示しない外部流路を介して第三冷媒マニホールド５３ｃに導入され、第三冷媒マニホールド５３ｃ内を積層方向に流通しつつ燃料電池１の冷却を行う。
【００７０】
一方、燃料ガスは、燃料入口配管２６ｉより第一燃料ガスマニホールド５２ａを介して燃料ガス流路９に供給され、発電反応に用いられる。燃料ガス流路９を流通する際に、燃料ガス中に電解質膜２に含有された水分の一部が蒸発する。これにより比較的高温・高湿となった燃料ガスが第二燃料ガスマニホールド５２ｂを介して、加湿兼凝縮熱交換部５４を構成する反応後燃料ガス流路５５に導入される。また、比較的低温・低湿の酸化剤ガスが、酸化剤入口配管２５ｉから第一酸化剤ガスマニホールド５１ａを介して、加湿兼凝縮熱交換部５４を構成する反応前酸化剤ガス流路５６に導入される。
【００７１】
加湿兼凝縮熱交換部５４では、反応前酸化剤ガス流路５６と反応後燃料ガス流路５５それぞれを構成する溝の開口側で狭持される電解質膜２を介して水および熱の移動が生じる。また、反応前酸化剤ガス流路５６と反応後燃料ガス流路５５それぞれの底面を構成する多孔質材を介して水及び熱の移動が生じる。反応後燃料ガス流路５５内の比較的高湿の燃料ガスから、反応前酸化剤ガス流路５６内の比較的低湿の酸化剤ガスへ水が移動する。そのときの駆動力は、燃料ガス中と酸化剤ガス中の水蒸気分圧差となる。また、反応後燃料ガス流路５５内の比較的高温の燃料ガスから、反応前酸化剤ガス流路５６内の比較的低温の酸化剤ガスへ熱が移動する。この熱の移動に伴い、酸化剤ガスが加熱されるとともに、燃料ガス内での凝縮が促進される。
【００７２】
このように水及び熱の交換を行った後、燃料ガスは第三燃料ガスマニホールド５２ｃから燃料出口配管５６ｏに排出される。一方、加湿された酸化剤ガスは、第二酸化剤ガスマニホールド５１ｂを介して酸化剤ガス流路８に分配され、反応に伴って高温・高湿となった状態で、第三酸化剤マニホールド５１ｃを介して、凝縮熱交換部１４を構成する反応後酸化剤ガス流路１６に導入される。ここで、裏面５９ａに構成した第一冷媒流路１５ａを流れる冷媒との熱交換が行われ、反応後の酸化剤ガス中の水が凝縮する。前述したように、セパレータ５９の凝縮熱交換部１４を構成する領域を多孔質材により構成しているため、反応後酸化剤ガス流路１６で液滴として存在する水は、底面を介して隣接する第一冷媒流路１５ａ側に回収される。また水の一部は酸化剤ガスとともに、第四酸化剤ガスマニホールド５１ｄを介して酸化剤出口配管２５ｏに排出され、バッファ部２７で回収される。
【００７３】
なお、セパレータ５９はその一部が多孔質材となっているので、燃料電池１運転時には予めその部分を含水させておくことが好ましい。
【００７４】
このように、加湿兼凝縮熱交換部５４において、未反応ガス（反応前の酸化剤ガス）と既反応ガス（反応後の燃料ガス）との間で、水および熱交換を行う。水および熱交換を、セパレータ５９を構成する多孔質材または電解質膜２の少なくとも一方を介して行う。このとき、多孔質材に水分が含まれているので、ガスのウェットシール作用が確保される。
【００７５】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００７６】
反応ガス流路８または９に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち一方を加湿し、反応ガス流路８または９を流通した後の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうちもう一方に含まれる水を凝縮する加湿兼凝縮熱交換部５４を備える。ここでは、酸化剤ガス流路８に導入される以前の酸化剤ガスを加湿し、燃料ガス流路９を流通した後の燃料ガス中に含まれる水を凝縮する加湿兼凝縮熱交換部５４を備える。加湿兼凝縮熱交換部５４として、酸化剤ガス流路８を流通する以前の酸化剤ガスを流通する反応前酸化剤ガス流路５６と、燃料ガス流路９を流通した後の燃料ガスを流通する反応後燃料ガス流路５５と、を備える。積層方向ついて、反応前酸化剤ガス流路５６と反応後燃料ガス流路５５とを隔てる隔壁として、電解質膜２または多孔質材のうち少なくとも一方を用いる。ここでは、電解質膜２と、セパレータ５９の一部を構成する多孔質材を隔壁として用いる。これにより、加湿兼凝縮熱交換部５４において、反応前の酸化剤ガスの加湿を行うとともに、反応後の燃料ガスに含まれる水を凝縮することができる。
【００７７】
セパレータ５９の少なくとも凝縮熱交換部１４を設ける領域を、多孔質材により構成する。また、セパレータ５９の少なくと加湿兼凝縮熱交換部５４を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、駆動力が発生した場合に、凝縮熱交換により発生した凝縮水が多孔質材の内部を移動できる。
【００７８】
さらに、冷媒として不凍液成分を含む水溶液を用いる。これにより、氷点以下の環境での凍結を防ぐことができる。
【００７９】
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。
【００８０】
酸化剤ガスセパレータ６と燃料ガスセパレータ７を一体化して一つのセパレータ６９を構成する。図９（ａ）に、セパレータ６９の酸化剤極３に接触する側の面５９ｃの平面図を、図９（ｂ）に燃料極４に接触する側の面６９ａの平面図を示す。またセパレータ６９を、親水性の多孔質カーボン樹脂複合材から構成する。例えば、多孔質材の平均気孔径を５０μｍ程度とする。酸化剤は加圧された状態で燃料電池１に導入される。冷媒として純水を用いる。後述するように、冷媒を、少なくとも燃料電池１内で大気圧に対して負圧となるように調整する。
【００８１】
第２の実施形態と同様に、領域Ａ、凝縮熱交換部１４を構成する。また、加湿部６４を、第２の実施形態と同様に、反応前酸化剤ガス流路６６と第三冷媒流路１５ｃとから構成する。ただし、反応前酸化剤ガス流路６６には微小孔３７および山型形状のリブ３８を設けず、底面に熱交換用のフィンを設けた溝により構成する。
【００８２】
また、酸化剤ガスマニホールド３１、燃料ガスマニホールド３２、冷媒マニホールド３３は、第２の実施形態と同様とする。このようなセパレータ６９と酸化剤極３、電解質膜２、燃料極４を、順々に積層することにより燃料電池１を構成する。燃料電池１運転時には、予め多孔質材を含水させておくことが好ましい。
【００８３】
このような燃料電池１を用いた燃料電池システムを図１０に示す。
【００８４】
燃料電池１に冷媒を導入するための冷媒ループ７１備える。更に冷媒を循環するための動力源となるポンプ７２、冷媒を放熱させるためのラジエータ７３、冷媒を蓄積させるための冷媒蓄積部７４を備える。ポンプ７２は冷媒ループ７１において燃料電池１の下流側に配置する。また、冷媒蓄積部７４を、ポンプ７２の吐出口と燃料電池１の入口との間に配置する。さらに、冷媒蓄積部７４の上部が大気開放されるように構成する。これにより、冷媒ループ７１は概略大気圧に対して負圧のループとなる。とりわけ、燃料電池１においては負圧となる。
【００８５】
また、冷媒蓄積部７４にはその内部に蓄積した冷媒の一部を排出するためのＵ字トラップ状の排出ライン７９を備える。さらに、酸化剤ガス、燃料ガスを燃料電池１に導入する酸化剤入口配管７５ｉ、燃料入口配管７６ｉ、および燃料電池１から排出する酸化剤出口配管７５ｏ、燃料出口配管７６ｏを備える。酸化剤出口配管７５ｏ、燃料出口配管７６ｏ側には、燃料電池１内の酸化剤ガス、燃料ガスを加圧するための手段として絞り８０を備える。ここで、後述するように、凝縮水が燃料電池１内部で冷媒系に回収されるため、第1の実施形態等に記載したバッファ部２７を省略する。
【００８６】
次に、酸化剤ガス、燃料ガスガス、冷媒の流通状態について第２の実施形態と異なる点を説明する。
【００８７】
加湿部６４では、燃料電池１の外部から低温・低湿の状態で導入された酸化剤ガスが、第一酸化剤ガスマニホールド３１ａを介して反応前酸化剤ガス流路６６に導入される。また、第二冷媒マニホールド３３ｂ、第三冷媒マニホールド３３ｃを通る際に熱交換を行い比較的高温となった冷媒が、第三冷媒流路１５ｃに導入される。加湿部６４では、濃度差を駆動力として、冷媒の一部が多孔質材の内部を通って反応前酸化剤ガス流路６６側に移動し、その一部が酸化剤ガス内に蒸発する。このとき、比較的高温の冷媒が反応前酸化剤ガス流路６６内に移動するので、酸化剤ガス内への蒸発が促進される。また、反応領域に導入される以前の酸化剤ガスが加熱されるので、反応領域に導入された際に適切な反応温度を維持し易くなる。
【００８８】
一方、凝縮熱交換部１４では、燃料電池１の外部から、第一冷媒マニホールド３３ａを介して比較的低温の冷媒が、第一冷媒流路１５ａに導入される。また、発電反応により高温・高湿となった酸化剤ガスが、第三酸化剤ガスマニホールド３１ｃを介して、反応後酸化剤ガス流路１６に導入される。高温となる以前の冷媒と反応後の冷媒とが熱交換を行うことにより、酸化剤ガス内で水の凝縮が生じる。ここで、前述したように、冷媒は少なくとも燃料電池１内で、大気圧に対して負圧となっている。そのため、反応後酸化剤ガス流路１６内で凝縮した水は、酸化剤ガスの圧力と冷媒の圧力差を駆動力として、多孔質材内を移動して冷媒系に回収される。また、酸化剤ガスにより冷媒の温度が上昇するので、反応領域を局所的に過冷却するのを避けることができる。
【００８９】
このように、凝縮熱交換部１４及び加湿部６４には多孔質材を使用し、加えて冷媒の圧力を反応ガス圧力よりも低くする。凝縮熱交換部１４においては凝縮水が選択的に多孔質材を介して冷媒に吸収される。加湿部６６においては蒸発により生じた濃度差に応じて多孔質材内部を円滑に冷媒が移動する。また、反応前酸化剤ガス流路６６おいては多孔質材の裏面６９ａ側に冷媒が流れているので、反応領域に供給される酸化剤ガスの乾燥が防止される。
【００９０】
また、多孔質材の平均気孔径を０．５μｍとしていることから、多孔質材内部における冷媒によるガスのウェットシール作用を確保することができる。図１１に平均気孔径とバブルプレッシャーの関係を示す。バブルプレッシャーとは、気孔内に入っている水が表面張力により気孔内に留まろうとする力が、ガスの圧力（ガスと水との圧力差）により破られるときの圧力である。平均気孔径を０．５μｍ以下とすることにより、大気圧以下の冷媒と加圧されたガスの差圧が８０kPaであっても、上記のバブルプレッシャーが向上してウェットシール作用が働く。
【００９１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜第３の実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【００９２】
セパレータ６９の少なくとも凝縮熱交換部１４を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、凝縮熱交換により発生した凝縮水が多孔質材の内部を移動できる。また、セパレータ６９の少なくと加湿部６４を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、加湿に用いる水を多孔質材の内部で移動することができる。
【００９３】
ここでは、多孔質材の平均孔径を、０．５μｍ以下とする。これにより、冷媒と反応ガスの差圧が大きい条件下においても、多孔質材量を貫通するガスリークを冷媒の表面張力によるウェットシール作用で防ぐことができるので、圧力変化に対して耐久性を向上することができる。
【００９４】
さらに、第一冷媒流路１５ａを流通する冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整手段を備える。ここでは、燃料電池１の下流側にポンプ７１を備えるとともに、上部を大気に開放した冷媒貯蔵部７４を備える。第一冷媒流路１５ａを流通する冷媒の圧力を、反応後酸化剤ガス流路１６内の酸化剤ガス圧力よりも小さくする。これにより、圧力差により凝縮水が多孔質材の内部に移動することができる。
【００９５】
なお、上記実施の形態において、燃料電池１内で、酸化剤ガスの経路と燃料ガスの経路を入れ替えて設計してもよい。この場合には、例えば、凝縮熱交換部１４では、反応後の燃料ガス中の水の凝縮が行われる。
【００９６】
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】
【００９７】
本発明は固体高分子型燃料電池、およびそれを用いた燃料電池システムに適用することができる。特に、コンパクト化が要求される移動体等の動力源として使用される燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【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酸化剤ガス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燃料ガスセパレータの平面図である。
【図４】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２の実施形態に用いる酸化剤ガスセパレータの平面図である。
【図６】第２の実施形態に用いる燃料ガス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システムの概略構成図である。
【図８】第３の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図９】第４の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図１０】第４の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】平均気孔率とバブルプレッシャーの関係図である。
【符号の説明】
【００９９】
１    燃料電池
２    電解質膜
３    酸化剤極（カソード電極層）
４    燃料極（アノード電極層）
６    酸化剤ガスセパレータ（セパレータ）
７    燃料ガスセパレータ（セパレータ）
８    酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
９    燃料ガス流路（反応ガス流路）
１４  凝縮熱交換部
１５  冷媒流路
１５ａ  第一冷媒流路
１５ｃ  第三冷媒流路（第二冷媒流路）
１６  反応後酸化剤ガス流路（反応後ガス流路）
３４  加湿部
５４  加湿兼凝縮熱交換部
５５  反応後燃料ガス流路（反応後ガス流路）
５６  反応前酸化剤ガス流路（反応前ガス流路）
６４  加湿部
６６  反応前酸化剤ガス流路
７２  ポンプ（冷媒圧力調整手段）
７４  冷媒蓄積部
【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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