(57)【要約】【課題】  燃料電池の発電に伴う生成水をより有効利用することで気化熱によりセパレータを冷却することができ、且つ、反応流路でのフラッディング発生を効果的に防止できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】      図５
2005340098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に配設された電極と、電極のさらに外側に配設されたセパレータと、を有するセルを少なくとも一つ備えてなる燃料電池システムであって、
セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状にした、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けた、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成した、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置した、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、さらに詳しくは、生成水の気化熱を利用してセパレータを冷却することができ、且つ、生成水の排水をスムーズに行うことで反応流路でのフラッディング発生を防止できる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、携帯用、移動体用電源として注目されている。
固体高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜の片面に燃料極、他面に酸化剤極を設けた膜−電極接合体のさらに両側を、集電体の役割を兼ねている２枚のセパレータで狭持して単セルを形成している。通常、燃料極側セパレータの燃料極と接する側には燃料ガス流路が形成され、酸化剤極側セパレータの酸化剤極と接する側には反応流路が形成されている。
【０００３】
燃料ガスが供給される燃料極は、燃料極側ガス拡散層と燃料極側触媒層とからなっており、燃料ガスを水素とした場合、（１）式の反応が進行する。この時、（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極に到達する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    …（１）
この（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
また、酸化剤ガスが供給される酸化剤極は、酸化剤極側ガス拡散層と酸化剤極側触媒層とからなっており、酸化剤ガスを酸素含有気体とした場合、（２）式の反応が進行する。
２Ｈ＋  ＋  （１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    …（２）
酸化剤極で生成した水の一部は、濃度勾配によって、燃料極方向へ逆拡散するが、残りの多くは、燃料電池外部へと排出される。
【０００４】
一般に、酸化剤極では電気浸透による燃料極からの水の移動と電極反応による酸化剤極内での水の生成があるので、水が過剰に存在する傾向がある。あまりに水分量が過剰となると、水蒸気が多孔質の酸化剤極側ガス拡散層内で凝縮して空孔を塞いでしまう、いわゆるフラッディングが発生し、酸化剤極側ガス拡散層のガス透過に支障を来たし、酸化剤ガスが酸化剤極側触媒層に行き渡らなくなって、発電効率が低下してしまう。従って、酸化剤極側から効率よく水を排出する必要がある。
【０００５】
また、同じ酸化剤極側でも、ガス流路の上流と下流では、水の過不足状態が異なる。下流側の酸化剤ガスは、上流側で生成した水によって加湿されるため、上流側の酸化剤ガスよりも多く水分を含んでいる。そのため、酸化剤ガス流路でも上流側では水分量が不足することがある。従って、酸化剤ガス流路でも、下流側でのフラッディング発生を防止しながら、上流側での適度な加湿を行うことが重要である。
【０００６】
生成水によるフラッディングを防止するための排水方法としては、特表平１１−５０８７２６号公報に、酸化剤ガス流路と冷却水路の間に多孔質プレートを介在させ、酸化剤ガス流路内の生成水を圧力制御によって冷却水路へ排出する技術が記載されている。しかしながら、この技術は、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。
【０００７】
特開平９−２８３１５７号公報には、多数の貫通孔を有する導電性薄板からなるセパレータに凹凸を設け、このセパレータにと単電池の間に形成される空間で、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を隣接して形成し、貫通孔を透水性で不透気性の樹脂で封孔することにより、酸化剤ガス流路内の生成水を、貫通孔を通じて燃料ガス流路へ排水する技術が記載されている。この技術は、排水と同時に燃料ガス流路への加湿を可能とするが、貫通孔からの気化速度が遅く、貫通孔を封孔した樹脂内に水分が滞留し、フラッディングが発生するおそれがある。また、この技術は、燃料ガス流路を加湿するものではあるが、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。
【０００８】
特開平６−６８８８４号公報には、冷却水流路を設けた冷却水配流板と、多孔質の加湿水透過板を合わせて冷却板を構成し、その加湿水透過板を介して、多孔質の燃料配流板に積層することにより、冷却水を用いて燃料ガス流路を加湿する技術が記載されている。しかしながら、この技術は、気化量が少なく、必ずしも充分な加湿を行えるとは限らない。
また、この技術は、冷却水を用いて加湿を行うものであり、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。
【０００９】
また、上記発電過程は、全体として発熱反応であり、しかも固体高分子電解質型燃料電池の作動温度は通常約７０-８０℃と限定されていることから、何らかの冷却手段を使って燃料電池を冷却することが必要である。
【特許文献１】特表平１１−５０８７２６号公報
【特許文献２】特開平９−２８３１５７号公報
【特許文献３】特開平６−６８８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、燃料電池の発電に伴う生成水を有効利用することで電池システムを冷却することができ、且つ、反応流路でのフラッディング発生を防止できる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】
【００１１】
本発明者らは、生成水を発生させる電極側のセパレータの一部又は全体を多孔質体により形成し、当該電極側の反応ガス流路を上流側の冷却流路と下流側の反応流路とで構成し、冷却流路をセパレータの隣接セル側の面に配置し、反応流路をセパレータの電極側の面に配置し、冷却流路の下流端に反応流路の上流端を接続した燃料電池を作製し、電極又は反応流路内の生成水及び加湿水を、セパレータの多孔質体部分を通じて冷却流路へ透過させ、そこで気化させる実験を行った。この実験を通して明らかにしたところによると、上流側に冷却流路及び下流側に反応流路を有する反応ガス流路に単位時間当たり一定量の空気が流れる条件で前記燃料電池を作動させ、電気化学反応により電極から排出された生成水を、当該電極に隣接する多孔質体を通して冷却流路へ向けて透過させた場合、冷却流路の表面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係は、おおよそ図１のようになった。また、冷却流路断面積と蒸発量との関係はおおよそ図２のようになり、多孔質体の密度と蒸発量との関係はおおよそ図３のようになった。
【００１２】
以上の結果から、次の知見を得、本発明を成すにいたった。
（１）冷却流路の表面積が大きい方が、冷却流路内への蒸発量が多い。
（２）冷却流路の流路断面積が小さい方が、冷却流路内への蒸発量が多い、つまり、空気流速が速い方が蒸発量が多い。
（３）多孔質体の熱伝導度が高いと気化熱の供給が早く、冷却流路内への蒸発量が多い。
【００１３】
これらのことを踏まえ、上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、電解質の両側に配設された電極と、電極のさらに外側に配設されたセパレータと、を有するセルを少なくとも一つ備えてなる燃料電池システムであって、セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴としている。
【００１４】
この燃料電池システムによれば、冷却流路の周囲が全て多孔質体であるので、電極から排出された生成水は、電極に隣接する多孔質体に浸透し、冷却流路に向けて移動し、冷却流路の周囲全ての方向から該冷却流路内に入り込め、水の気化に有効な冷却流路の表面積が増える。そのため、冷却流路内へ気化する水分量が増加し、気化熱を利用して燃料電池を冷却することができる。そして、生成水を反応流路の領域から効率良く排出するので、フラッディングを防止することができる。
【００１５】
冷却流路に流通させる冷却ガスと、冷却流路に隣接する反応ガスは同じガスであることが好ましい。この場合には、多孔質体を介して冷却ガスと反応ガスとの間の化学反応などの相互作用が起こる心配が無い。
また、上記気化により冷却流路内のガスは加湿される。そこで加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることによって、燃料電池自身の発電のために使用することもできる。特に、冷却ガスと反応ガスを同じ種類のガスとし、前記冷却ガスをそのまま加湿された反応ガスとして利用することが好ましい。
【００１６】
さらに、上記発明に、以下の（ａ）〜（ｆ）のいずれか１つ又は２つ以上の手段を組み合わせることによって、上記冷却効果及びフラッディング防止効果をさらに高めることができる。
（ａ）前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状に形成することで、水の気化に有効な冷却流路の表面積を増加させる。
（ｂ）前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成することで、多孔質体の熱伝導度を高める。
（ｃ）前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けることで、水の気化を促す。
（ｄ）前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成することで、水の移動効率を高める。
（ｅ）前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成することで、水の移動効率を高める。
（ｆ）前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置することで、水の移動効率を高める。
【００１７】
そして、次の（ｇ）の手段を組み合わせることで、電極を加湿し、電解質の湿潤を保つことができる。
（ｇ）前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることで、加湿した冷却ガスを反応ガスとして電極近傍へ導く。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムでは、冷却流路の周囲が全て多孔質体であり、その多孔質体からなる冷却流路内面の面積が大きいことから、いずれかの電極側で生じた生成水が、冷却流路の表面に多量に、且つ、効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。そのため水の気化量が多く、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きい。従って、セルを効率よく冷却することができる。  そして、水の気化率が高いため、多孔質体中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水の多孔質体中への移動が促進される。従って、電極からの余分な水を効率よく排出できるようになり、生成水を発生させる電極側のガス流路の下流側（反応流路の出口付近）のフラッディングの発生が防止される。
【００１９】
また、水が気化することで、冷却流路を流れる冷却ガスが充分に加湿される。この加湿された冷却ガスを反応流路内に流通させることにより電極及び／又は電解質を加湿したり、必要に応じて水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応の改質器に流通させて反応水を供給したりすることで、生成水を有効に利用することができる。
【００２０】
さらに、前記冷却流路の下流側に前記反応流路を接続することにより、上記のように上流側の冷却流路で加湿された冷却ガスをそのまま下流側で反応ガスとして用いて電極及び電解質を加湿することもできる。
【００２１】
従って、燃料電池の発電に伴う生成水の気化熱によりセパレータを冷却することができ、且つ、生成水を発生させる電極側の反応流路でのフラッディング発生を防止できる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
（第１実施形態）
図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
【００２３】
図４及び図５に示すように、本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池のセル１は、膜−電極接合体２が燃料極側セパレータ３と、冷却ガス流路９と反応ガス流路１０を備えた酸化剤極側セパレータ４とで狭持された構造をしている。
前記膜−電極接合体２は、ここでは図示しないが、中央の固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と酸化剤極とからなっている。
【００２４】
固体高分子電解質膜は、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔離しつつ、イオン伝導性の電解質として機能するもので、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等、公知のものが適用できる。
固体高分子電解質膜の両側に設けられる燃料極と酸化剤極は、電解質膜上に当該電解質膜を挟んで対峙する触媒層（燃料極側触媒層、酸化剤極側触媒層）とその触媒層上に設けられるガス拡散層（燃料極側ガス拡散層、酸化剤極側ガス拡散層）からなる。これら、触媒層とガス拡散層は、公知のものが適用できる。
【００２５】
図５に示すように、燃料極側セパレータ３には、その膜−電極接合体２と対向する面上に溝７が設けられており、その溝７と膜−電極接合体表面とで、燃料ガス流路８を形成している。発電時には、この燃料ガス流路８に、水素を含む又は水素を発生させる気体を流通させる。
また、燃料極側セパレータ３は、燃料ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル１を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル１間を電気的につなぐものである。
従って、燃料極側セパレータ３は、例えば高密度のカーボンシートや金属シートなどの導電性があり且つ緻密な材料から形成されている。  また、図５に示すように、酸化剤極側セパレータ４は、冷却流路９と反応流路１０を備え、該反応流路１０を通じて酸化剤ガスを膜−電解質接合体２に導く他、その酸化剤ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル１を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル１間を電気的につなぐものである。
【００２６】
そして、酸化剤極側セパレータ４は、膜−電極接合体２に対向する側の多孔質体１３、１４を主成分とする多孔質層１１と、その反対側の緻密な材料を主成分とする緻密層１２からなっている。さらに、本実施形態では、多孔質層１１は膜−電極接合体２に接して設けられ、前記冷却流路９と前記反応流路１０とを隔てる領域となっている第１の多孔質体１３と、該第１の多孔質体１３と前記緻密層１２との間に狭持される第２の多孔質体１４とから形成されている。
【００２７】
前記緻密層１２を形成する緻密な材料としては、高密度のカーボンシートや金属シートなどの導電性があり且つ緻密な材料が好適である。
前記第１及び第２の多孔質体１３、１４を形成する物質としては、導電性を有するものが好ましく、それぞれ独立に多孔質カーボンシート、多孔質カーボンフィルム、多孔質カーボンペーパーなどの多孔質カーボン、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などの他、非導電性多孔質体中に導電性物質を分散させて導電性を持たせたもの等も適用できる。
【００２８】
前記反応流路１０は、酸化剤極側セパレータ４の膜−電極接合体２と対向する面上で、前記第１の多孔質体１３に設けられた溝１５と、膜−電極接合体表面とで形成されている。発電時には、この反応流路１０に、酸化剤ガス（酸素を含む又は酸素を発生させる気体）が流される。
前記冷却流路９は、前記第１の多孔質体１３の第２の多孔質体１４と接する表面に形成された溝１６と、組み合わせた時にその溝１６に位置が合うように第２の多孔質体１４の表面に形成された溝１７とで形成されている。従って、本実施形態の冷却流路９は、その全ての周囲が前記多孔質体１３、１４により形成されているものである。また、冷却流路９は、本実施形態のように、燃料電池単セルの生成水発生側のセパレータ４内に形成されていることが、その生成水を有効利用して、燃料電池を冷却することができるので好ましい。
【００２９】
この冷却流路９は、前記反応流路１０が設けられている深さ（セパレータ４の厚み方向距離）に比べ比較的隣接セル寄りの深さを、セパレータ４の面方向に沿って延在するように設けられている。また、反応流路１０は、前記冷却流路９が設けられている深さ（セパレータ４の厚み方向）に比べ比較的電極寄りの深さをセパレータ４の面方向に沿って延在するように設けられている。
すなわち本実施形態においては、「冷却流路９をセパレータ４内の比較的隣接セル寄りの深さに設ける」、及び「反応流路１０をセパレータ４内の比較的電極寄りの深さに設ける」とは、冷却流路９と反応流路１０の相対的位置関係の点で、「セパレータ４内において、冷却流路９を反応流路１０よりも隣接セル寄りの位置に形成し、一方、反応流路８を冷却流路９よりも電極寄りの位置に形成する」ことを意味する。
【００３０】
なお、多孔質層１１を単一の多孔質体から形成し、その層中に冷却流路９を貫通孔として形成してもよいが、本実施形態のように冷却流路９を第１の多孔質体１３と第２の多孔質体１４の表面に形成された溝１６、１７を位置合わせすることで形成する方が、冷却流路９を容易に形成することができるので好ましい。
【００３１】
冷却流路９を流れる冷却ガスには、反応流路１０を流れる反応ガスに比べて、湿度のより低い気体を用いる。本発明においては、反応ガスよりも湿度の低い気体を冷却ガスとして用いることにより、冷却流路９内へ優先的に水分を気化させ、高い冷却効果を得る。さらに、本発明においては、冷却流路９の周囲が全て多孔質体１３，１４であるので、冷却流路９の全ての表面から生成水が気化でき、水の気化効率が高くなるので、冷却効果が高い。特に、セパレータ４内での反応流路１０を設ける深さを酸化剤極寄りとして、膜−電解質接合体２に近い位置とし、セパレータ４内での冷却流路９を設ける深さを、このセル１に積層される隣接セル寄りとして、反応流路１０よりも膜−電極接合体２から遠い位置とすることが、多孔質体内で水分を長い距離移動させて冷却効果を充分に得る観点から好ましい。
【００３２】
本実施形態のように、冷却流路９を固体高分子電解質型燃料電池のカソード側に設けた場合、前記冷却ガスとしては、酸化剤ガス（酸素を含む又は酸素を発生させる気体）であることが好ましく、さらに空気であることが好ましい。特に、外部環境から導入される、即ち、自然環境からそのまま取り込まれる空気は、通常、発電中のセル１よりも低い温度なので、冷却流路９を形成する多孔質体１３、１４との熱交換により、多孔質体１３、１４を冷却し、さらにはセル１全体を冷却するので好ましい。逆に冷却流路をアノード側に設けた場合は、水素を含む又は水素を発生させる気体であることが好ましい。このように冷却流路９に流通させる冷却ガスと当該冷却流路９に隣接する反応流路１０に流通させる反応ガスを同じ種類のガスとすれば、多孔質体１３、１４を介して冷却ガスと反応ガスが互いに流通しても、それらの間で化学反応などの相互作用が起こることが無いので好ましい。
【００３３】
冷却ガスは、冷却流路９を流通する間に、冷却流路内への水分の気化によって加湿される。この加湿された冷却ガスは、燃料電池自身の発電のために利用されることが好ましい。例えば、本実施形態のように、本発明に係る燃料電池システムをカソード側に適用し、冷却ガスを酸素を含む又は酸素を発生させる気体とした場合、冷却流路９を流通し加湿された冷却ガスを、水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応のための改質器などに送り水蒸気含有反応ガスとしたり、次の第２実施形態で説明するように冷却流路をその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続しておくことで加湿した酸化剤ガスとして反応流路に供給したりして燃料電池の発電に利用することが、水分を改質器に送り込むための、又は、反応流路に供給する酸化剤ガスの加湿のための特別な装置類を小型化できたり、あるいは、省略できたりするので好ましい。特に、前記冷却ガスが前記反応流路に導かれ、そのまま加湿された反応ガスとして利用されることが好ましい。
【００３４】
本実施形態のように冷却ガスを外部から導入される空気とした場合、膜−電極接合体２の酸化剤極側では、発電に伴って水が生成する。この生成水は、酸化剤極側セパレータ４の多孔質層１１に到達し、その大部分は多孔質層１１の空孔内を通って、前記冷却流路９に到達する。冷却流路９に到達した液体の水の一部は、液体状態のまま、冷却流路９を流れる空気流に乗って外部へ排出されるが、残りの一部は、そこを流れる空気流によって蒸発し、その空気と一体となってセル１外部へと排出される。この水の蒸発に伴い周囲から気化熱が奪われるため、冷却流路９の領域における冷却効率が向上する。
【００３５】
冷却流路９では、多孔質体１３、１４の表面から当該流路内へ水が気化するので、冷却流路表面において多孔質体１３、１４が占める表面積が大きいほど気化する水の量が増える。本実施形態の燃料電池システムでは、冷却流路９の全ての周囲が多孔質体１３、１４により形成されているので、冷却流路９の一部を緻密な材料により形成した場合（例えば、図５において、冷却流路９の隣接セル側を形成する多孔質体１４の部分を緻密材料１２で形成する場合など）と比べて、冷却流路表面において多孔質体１３、１４が占める表面積が大きい。
【００３６】
従って、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却流路９内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きい。従って、空気を単純に流通させて冷却する場合と比べて、セル１を効率よく冷却することができる。
【００３７】
また、冷却流路の周囲を全て多孔質体で形成するのではなく、その一部を緻密な材料により形成する場合は、緻密材料で形成した部分で水の透過が妨げられ、その緻密材料で形成された領域の付近は、多孔質体で形成されていても水の滞留が発生しやすく、水の移動経路としては有効に働きにくい。そのため、水の有効な移動経路が緻密な材料から離れた空間に限定され、効率的な水の移動が制限されることとなり、水の気化が効率よく起こっていなかった。
【００３８】
しかし、本実施形態の燃料電池システムの場合は、隣接セルへのガス漏れを阻止する緻密層１２と冷却流路９の間に多孔質体が介在しているので、その緻密層１２と冷却流路９との間にも水が回り込むことができる。このため、多孔質層１１中のほぼ全ての空間が、水の有効な移動経路となる。従って、膜−電極接合体２の酸化剤極側から透過して来る水が、冷却流路９の表面に効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。従って、本実施形態の燃料電池システムでは、高い冷却効率を実現することができる。
【００３９】
そして、冷却流路９での気化効率が良好で、且つ、多孔質層１１内での水の有効な移動経路が増しているので、多孔質層１１中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水が多孔質層１１中に浸入しやすくなる。従って、酸化剤極からの水の除去が効率的になり、反応流路１０の出口付近でのフラッディングの発生が防止される。
【００４０】
（第１変形例）
図６に第１実施形態の第１変形例を示す。
第１変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路９と反応流路１０の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状、及び、反応流路１０の配置が第１実施形態の燃料電池とは異なり、冷却流路９の断面形状が楕円形状で、反応流路１０の断面形状が円形状で、且つ、反応流路１０の周囲が全て多孔質体で形成されている。
この変形例のように、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路９と反応流路１０の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状には特に制限はない。
また、反応流路１０はこの変形例のように、多孔質体１３、１４中に埋没した配置としてもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の好ましい形態であって、燃料電池システムにおいて、冷却流路がその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続されているものである。従って、第１実施形態の燃料電池と類似点が多いものであり、以下では相違点のみ説明する。また、図７及び８においては、第１実施形態の燃料電池と同一構成要素であるものには同一符号を付けてある。
【００４２】
図７に示すように、第２実施形態の酸化剤極側セパレータ４は、上流側の冷却流路９が図示しない接続部分（通常は、セパレータの周縁部に設けられる）を介して下流部分の反応流路１０に接続してなる酸化剤ガス流路６を備えている。
冷却流路９は、前記反応流路１０が設けられている深さ（セパレータ４の厚み方向距離）に比べ比較的隣接セル寄りの深さを、セパレータ４の面方向に沿って延在するように設けられており、その下流端において接続部分に接続する。接続部分は、膜−電極接合体２に向かってセパレータ４内を垂直に進み、比較的電極寄りの深さで終了し、そこで反応流路１０の上流端と接続する。反応流路１０は、前記接続部分と接続した深さでセパレータ４の面方向に延在する。従って、冷却流路９、接続部分及び反応流路１０を含む酸化剤ガス流路６全体としては、上流側流路９がセパレータ４内を水平方向に延在し、接続部分において垂直方向に折り返され、下流側流路１０が上流側流路９の延在する深さとは異なる深さで、再びセパレータ４内を水平方向に延在する流路パターンとなっている。
【００４３】
このように、セパレータ４内での反応流路１０を設ける深さを酸化剤極寄りとして、膜−電解質接合体２に近い位置とし、セパレータ４内での冷却流路９を設ける深さを、このセル１に積層される隣接セル寄りとして、反応流路１０よりも膜−電極接合体２から遠い位置としたのは、水分を多孔質体内で長い距離移動させて冷却効果を充分に得るためである。また、外部から供給した酸化剤ガスを先に冷却流路９に流通させて加温・加湿してから、酸化剤極に近接する反応流路１０に流すことにより、酸化剤極での電気化学反応を促進するためでもある。
【００４４】
酸化剤ガス流路６に流通させる酸化剤ガスは、冷却流路９の領域では冷却ガスとして機能し、反応流路１０の領域では酸素を酸化剤極に供給する反応ガスとして機能する。冷却流路９を流れることで加湿された酸化剤ガスが反応流路１０に流入し、乾燥傾向にある反応流路上流側の酸化剤極に水分を供給するので、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐことができる。また、冷却流路９を流れる際に暖められた酸化剤ガスを反応ガスとして利用するので電極反応が促進される。このように、本実施形態の燃料電池加湿システムによれば、生成水を利用して燃料電池を冷却できることに加えて、電気化学反応で生成した生成水及び余分な加湿水を用いて、生成水が発生する電極側の上流領域の反応ガスを加湿することができ、固体高分子電解質膜を湿潤に保つことができる。従って、反応流路に供給する酸化剤ガスの加湿のための特別な装置類を小型化できたり、あるいは、省略したりすることができる。
【００４５】
（第２変形例）
図９に第２実施形態の第２変形例を示す。なお、構成要素は第２の実施形態と同一であるので、同一の符号で示す。
本発明に係る燃料電池システムを適用した第２変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、反応流路１０に対する冷却流路９の配置が第１実施形態の燃料電池システムのものとは異なる。先ず、酸化剤極側セパレータ４の面方向（膜−電極接合体２に水平な方向）では、冷却流路９は、複数の反応流路１０間に規則的に配置されている。また、酸化剤極側セパレータ４の厚み方向（膜−電極接合体２に垂直な方向）では、冷却流路９の最も膜−電極接合体２寄りの部分９ａ（冷却流路９の底部）が、反応流路１０の最も隣接セル寄りの部分１０ａ（反応流路１０の底部）よりも膜−電極接合体２に接近している。
【００４６】
この第２変形例では、以下の（１）及び（２）で示す両方の関係が成り立っている。
（１）冷却流路９の最も膜−電極接合体２寄りの部分９ａは、反応流路１０の最も膜−電極接合体２寄りの部分１０ｂよりも、隣接セルに接近している。
（２）冷却流路９の最も隣接セル寄りの部分９ｂは、反応流路１０の最も隣接セル寄りの部分１０ａよりも、隣接セルに接近している。
【００４７】
上記（１）、（２）の位置関係を守って両流路９、１０が配置されていると、先ず、乾燥した外部からの空気が、先に冷却流路９に流れる時に、多孔質体１３、１４を経て到達した、従来排出していた生成水で加湿される。次にその加湿された空気が電極近くの反応流路１０に流れ、固体高分子電解質膜を加湿する。この位置関係が逆になると、冷却流路９に流れる乾燥した空気が反応流路１０の上流側の膜−電極接合体２から直接水を奪ってしまう恐れがある。
【００４８】
この変形例のように、冷却流路がその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続されている燃料電池システムでは、膜−電極接合体２の垂直方向における位置関係において、上記（１）及び（２）で示す両方の関係が成り立っていることが好ましい。
【００４９】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第３実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第１実施形態のものと異なるのみなので、それについてのみ説明し、同一構成要素には同一符号を付けてある。
【００５０】
図１０に示した冷却流路１９の空気の流れ方向と垂直な面での断面は、その膜−電極接合体２に対向する領域が細い長方形の凹凸形状１８となっていて、流路内面積を増大させている。この凹凸形状１８は、冷却流路１９の空気の流れ方向に延びており、それぞれ細い溝を形成している。
【００５１】
単位面積当たりの気化速度が一定の場合、その水の表面積が大きいほど単位時間あたりの気化量は大きい。また、冷却流路１９では、水が多孔質体１３、１４の表面から気化するので、多孔質体１３、１４の表面積が大きいほど気化する水の量が増える。上述したように、第２実施形態の冷却流路１９では、凹凸形状１８からなる起伏形状によって流路内面積が増大しており、断面が矩形の冷却流路に比べて、その多孔質体１３、１４中の表面積が大きいので、そこから気化する水の量も多い。このように、本実施形態に係る冷却流路１９では、冷却流路の内面の少なくとも一領域を起伏形状とすることによって、矩形の冷却流路と比べて水の気化量が増えるので、それに伴う気化熱も大きい。従って、セル１を効率よく冷却することができる。
【００５２】
そして、冷却流路１９で気化する水分量がより多いので、多孔質層１１中の水の滞留がより起こりにくくなり、膜−電極接合体２で生成した水が多孔質層１１中により浸透しやすくなる。従って、酸化剤極からの水の除去がより効率的になり、反応ガス流路１０の下流側のフラッディングの発生を防止できる。
また、結果的に冷却流路１９を流れる空気がより効率的に加湿されることとなる。この加湿された空気等の冷却ガスは、燃料電池の発電に有効利用することもできる。
【００５３】
（第３変形例）
図１１は第３実施形態の変形例に係る燃料電池システムで、第３実施形態とは冷却流路２０の断面形状のみ異なる。そして、図１１において第３実施形態の構成要素と同一のものには同一の符号を付けた。
本変形例でも、冷却流路２０の空気の流れ方向と垂直な面での断面の膜−電極接合体２に対向する領域が凹凸形状２１となっているが、その凹凸形状２１はサインカーブのような滑らかな曲線形状である。
このように流路内面積を増大させる起伏形状を曲面形状としてもよい。
【００５４】
さらに、冷却流路形状は第３実施形態と第３変形例に示したものに限らず、例えば、空気の流れ方向と垂直な断面が凹凸形状を有する円形であったりしてもよい。また、第３実施形態と第３変形例では、冷却流路１９、２０の断面の凹凸形状１８、２１が膜−電極接合体２に対向する部分にのみ設けられているが、他の方向に向けて設けられていても良い。そして、起伏形状は必ずしも冷却流路１９、２０の流れ方向に沿って全体に設けられている必要はなく、その一部分にのみ設けられていてもよい。
【００５５】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。図１２において、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。
【００５６】
第４実施形態の燃料電池システムは、酸化剤側セパレータを形成する多孔質体が第１実施形態のものと異なり、前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域が、多孔質体の母材中に、当該母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成されている。なお、冷却流路９の形状には特に制限がなく、矩形状、円形状、その他全ての形状が適用できる。
【００５７】
そして、第４実施形態の多孔質体２２、２３は、その母材が多孔質カーボンであり、且つ、内部に分散された該母材より熱伝導度が大きい材料が金属粉２５であるものである。
前記母材は多孔質カーボンに限られず、例えば、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などでもよく、本実施形態のように、分散された該母材より熱伝導度が大きい材料が金属などの導電性材料である場合には、非導電性多孔質体であってもよい。
【００５８】
分散された該母材より熱伝導度が大きい材料は、金属に限られず、特に制限されるものではない。金属材料を用いる場合は、耐蝕性に優れるものが好ましく、例えば、チタン、ステンレス等の耐腐食性の高いものなどが好適である。
【００５９】
そして、本実施形態では、分散する材料２５の形状が粉体状であるが、細片状、又は棒状でもよく、大きさは、多孔質層２４に収まるものであれば、特に制限されないが、分散性の点からは０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度の大きさであることが好ましい。
【００６０】
特に好適に用いられる母材中に分散される材料は、金属粉、金属片、又は金属棒である。これは、一般に金属が高い導電性を有しており、これらが多孔質体２２、２３に分散されていると、セパレータの集電体としての機能が高まるからである。
【００６１】
本実施形態では、多孔質体２２、２３全体にほぼ均一に、前記金属粉２５が分散されているが、一部の領域のみに分散されているものでもよい。ただし、セパレータ４の厚み方向にある幅をもって分散されていることが好ましい。
【００６２】
このように、金属粉２５などの熱伝導率が大きい材料が分散していることにより多孔質体２２、２３の熱伝導度が高まり、且つ、金属粉が多孔質体２２、２３とそこを通る水、又は多孔質体２２、２３からなる冷却流路表面とそこに到達した水との間の熱伝達率を増大させる。従って、液体状の水への気化熱の供給効率が高まり、水の気化効率が高まる。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
【００６３】
そして、冷却流路での気化効率が良好なので、多孔質層２４中の水の滞留が起こりにくくなり、膜−電極接合体２で生成した水の多孔質層２４中への移動が促進され、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が効果的に防止される。
また、水の気化量が多いので、冷却流路９を流れる空気を効率よく加湿することとなる。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路１０に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこと等で有効利用することもできる。
【００６４】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に沿った面での断面図である。
第５実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第１実施形態のものと異なり、冷却流路２６の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段（例えば、矩形状凹凸２７など）を設ける。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図１３中、第１実施形態の構成要素と同一のものには同一符号を付けた。
【００６５】
図１３に示した冷却流路２６の空気の流れ方向に沿った面での断面は、膜−電極接合体２に対向する面側に流路２６の上流から下流に向けて断続的に設けた矩形状凹凸２７を有している。冷却流路２６の内面に乱流発生手段となる矩形状凹凸２７を形成したので、冷却流路内面の空気流の境界層が乱れ、乱流が発生する。この乱流により、冷却流路表面からの水の気化効率が増大する。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、水の気化量が多くなりまた、水の気化効率の増大によって、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
【００６６】
そして、冷却流路２６での気化効率が高いので、多孔質層１１中の水の滞留が起こりにくくなり、膜−電極接合体２で生成した水の多孔質層１１中への移動が促進され、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が防止される。
また、結果的に冷却流路２６を流れる空気を効率よく加湿することとなる。この加湿された空気は、燃料電池の発電のために有効利用することもできる。
【００６７】
本実施形態では、乱流を発生させる手段は、流路の上流から下流に向けて断続的に設けた矩形状凹凸２７であるが、矩形以外の断続的な起伏を流路の上流から下流に向けて設けても良く、そのほかにも、冷却流路内面の空気流の境界層を乱し、層流から乱流へと変化させうる手段ならば他のものでもよい。例えば、冷却流路に高さ０．１ｍｍ程度の凹凸からなる面粗度を有する内面を設けたり、冷却流路の進行方向を角度をつけて多数回屈曲させたり、或いは、冷却流路内に空気の流れを妨げるような障害物を配置することでも良い。特に、加工が容易であることから、冷却流路に、流れ方向に沿って凹凸形状を形成したり、冷却流路内面にディンプル形状などの微細な凹凸形状をつけたりすることで、面粗度を大きくし、空気流に乱流を起こさせることが好ましい。
【００６８】
（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図である。
第６実施形態の燃料電池システムは、酸化剤側セパレータを形成する多孔質層が第１実施形態のものと異なり、冷却流路９と反応流路１０を隔てる領域及び冷却流路９の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料３１を分散させた多孔質体により形成する。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。図１４において、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。なお、冷却流路の形状には特に制限がなく、矩形状、円形状、その他全ての形状が適用できる。
【００６９】
第６実施形態の多孔質層２８は、内部にチューブ材料３１を含んでいる多孔質体２９、３０からできている。
チューブ材料３１の材質は、特に制限されるものではなく、ガラス、樹脂、金属あるいは繊維などあらゆるものが適用できる。ただし、耐蝕性に優れるものが好ましく、例えば、ガラス、樹脂、チタン、ステンレス等の耐腐食性の高いものなどが好適である。
【００７０】
チューブ材料３１の長さは多孔質層２８に収まる範囲ならばよい。ただし、多孔質層２８内において、含有されるすべてのチューブ状材料３１が、膜−電極接合体２とほぼ平行であってはならない。これらのことから、チューブ材料３１の長さは、０．０５〜０．３ｍｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜０．２ｍｍである。また、チューブ材料３１の太さは特に制限されるものではないが、０．３ｍｍ以下であることが好ましい。そして、チューブ材料３１の有する孔の形状、口径は特に制限されるものではない。そして、チューブ材料３１の外径も任意である。  これらチューブ材料３１の孔は、水の効果的な移動経路となるので、膜−電極接合体２の酸化剤極で生成した水の一部が、多孔質層２８中を、チューブ材料３１の孔を通って移動することにより、より素早く冷却流路９に到達する。従って、酸化剤極から効果的に水を排出することができる。従って、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が防止される。
【００７１】
また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路９に到達させることになるので、冷却流路９内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池の加湿システムは冷却効率に優れている。
【００７２】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、上記のように冷却流路９を流れる空気中に、電極反応で生成した水が気化し、その空気を加湿する。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路１０に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。
【００７３】
（第７実施形態）
図１５は、本発明の第７実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第７実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第１実施形態のものと異なり、冷却流路３２の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込み３３を形成する。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図１５において、第１実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示した。
【００７４】
本実施形態の冷却流路３２は、その内面の一領域に膜−電極接合体２に向かって延びる複数の切り込み３３を有している。この切り込み３３は、冷却流路３２の空気の流れ方向に延びてはおらず、線状に形成された孔である。
この切り込み３３の長さ、孔形状、口径、及び設けられる数は特に制限されるものではない。また、設けられる方向についても特に制限はないが、本実施形態のように膜−電極接合体２に向けて設けられることが好ましい。
【００７５】
これら切り込み３３は、水の効果的な移動経路となる。膜−電極接合体２の酸化剤極で生成した水の一部が、多孔質層１１中を、切り込み３３を通って移動することにより、より素早く冷却流路３２に到達する。従って、酸化剤極から水が効果的に排出され、フラッディングの発生が防止される。
また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路３２に到達させることになるので、冷却流路３２内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
【００７６】
冷却流路３２を流れる空気はより効果的に加湿される。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路１０に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。
【００７７】
（第８実施形態）
図１６は、本発明の第８実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第８実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状及びそれを設ける位置が第１実施形態のものと異なり、冷却流路９の底部９ａと反応流路１０の底部１０ａとが正面に向き合うように流路を配置する。なお、図１６において、第１実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示してある。
【００７８】
本実施形態での冷却流路９は、その空気の流れと垂直な断面の形状が矩形であり、且つ、その底部９ａの幅が反応流路１０の底部１０ａの幅とほぼ同じになっている。さらに、前記冷却流路の底部９ａが、前記反応流路の底部１０ａと平行になるように設けられている。
このように、冷却流路の底部９ａと反応流路の底部１０ａとを正面に向き合うように流路９、１０を配置しているので、両流路間の距離が短くなり、反応流路１０から冷却流路９への水の移動距離が短くなる。そのため、膜−電極接合体２の酸化剤極で生成した水は、より素早く冷却流路９に到達する。従って、酸化剤極から水が効果的に排出され、フラッディングの発生が防止される。
【００７９】
なお、冷却流路の底部９ａの幅と、反応流路の底部１０ａの幅が異なる場合には、冷却流路の断面において底部９ａの幅を２等分する中点と、反応流路の断面において底部１０ａの幅を２等分する中点とが正面に向き合うように流路９、１０を配置する。
【００８０】
また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路９に到達させることになるので、冷却流路９内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
また、膜−電極接合体２で生成した水の除去がより効率的になり、反応ガス流路１０の下流側（反応流路の出口付近）のフラッディングの発生が防止される。
冷却流路９を流れる空気は効率良く加湿される。加湿されたその空気は、次に反応流路１０に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。
【００８１】
以上に説明した全ての実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池への本発明に係る燃料電池システムの適用を示したが、他のタイプの燃料電池、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などにおいても、適用できる。特に、それらの生成水を排出する側の反応ガス流路に本発明を適用することが好ましい。また、以上の説明では、第１実施形態に第２〜第８実施形態を個々に組み合わせた例を示したが、第１実施形態に第２〜第８実施形態のうち２つ以上の形態の特徴を組み合わせて、本発明の効果を更に向上させることが出来る。
【００８２】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムによれば、冷却流路の周囲が全て多孔質体であり、その多孔質体からなる表面積が大きいこと、及び、多孔質体中のほぼ全ての空間が水の有効な移動経路となっていることから、膜−電極接合体の酸化剤極側からの水が、冷却流路の表面に多く、且つ、効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。そのため、冷却流路内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、セルを効率よく冷却することができる。
【００８３】
そして、多孔質体中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水の多孔質体中への浸入が促進される。従って、酸化剤極からの水の除去が効率的になり、酸化剤ガス流路の下流側（反応流路の出口付近）のフラッディングの発生が防止される。
また、結果的に冷却流路を流れる空気を充分に加湿することができ、そのまま反応ガスとして利用し固体高分子電解質膜を湿潤に保ったり、水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応の改質器に水蒸気を供給したりすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】冷却流路の表面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。
【図２】冷却流路断面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。
【図３】冷却流路を形成する多孔質体の密度とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図６】第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図９】第２実施形態の第２変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図１１】第３実施形態の第３変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に沿った面での断面図。
【図１４】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図。
【図１５】本発明の第７実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図。
【図１６】本発明の第８実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。
【符号の説明】
【００８５】
１…セル
２…膜−電極接合体
３…燃料極側セパレータ
４…酸化剤極側セパレータ
６…酸化剤ガス流路
７…溝
８…燃料ガス流路
９…冷却流路
９ａ…冷却流路の底部
９ｂ…冷却流路の最も隣接セル寄りの部分
１０…反応流路
１０ａ…反応流路の底部
１０ｂ…反応流路の最も隣接セル寄りの部分
１１…多孔質層
１２…緻密層
１３…第１の多孔質体
１４…第２の多孔質体
１５…溝
１６…溝
１７…溝
１８…凹凸形状
１９…冷却流路
２０…冷却流路
２１…凹凸形状
２２…第１の多孔質体
２３…第２の多孔質体
２４…多孔質層
２５…金属粉
２６…冷却流路
２７…矩形状凹凸
２８…多孔質層
２９…第１の多孔質体
３０…第２の多孔質体
３１…チューブ材料
３２…冷却流路
３３…切り込み
【図１】
2005340098.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】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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