(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを分離するセパレータと、固体高分子形電解質膜を有する燃料電池において、
前記セパレータは、前記酸化剤ガスを導入する入口マニホールドと、前記酸化剤ガスを排出する出口マニホールドと、前記入口マニホールドと前記出口マニホールドとを折り返し部を介して接続する複数の溝流路で構成される酸化剤ガス流路とを有し、
前記酸化剤ガス流路を構成する複数の溝流路は前記折り返し部を介してそれぞれの流路がつながっており、一組以上の隣接する溝流路を流れる酸化剤ガスが互いに逆の方向になるように溝流路が配置され、
前記入口マニホールド及び前記折り返し部と接続された上流部の溝流路の溝幅が、前記折り返し部及び前記出口マニホールドと接続された下流部の溝流路の溝幅よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
燃料ガス流路の下流部流路が前記酸化剤ガス流路の上流部の溝流路と重なり合っていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
燃料ガスと酸化剤ガスを分離するセパレータであって、
前記セパレータは、前記酸化剤ガスを導入する入口マニホールドと、前記酸化剤ガスを排出する出口マニホールドと、前記入口マニホールドと前記出口マニホールドとを折り返し部を介して接続する複数の溝流路で構成される酸化剤ガス流路とを有し、
前記酸化剤ガス流路を構成する複数の溝流路は前記折り返し部を介してそれぞれの流路がつながっており、一組以上の隣接する溝流路を流れる酸化剤ガスが互いに逆の方向になるように溝流路が配置され、
前記入口マニホールド及び前記折り返し部と接続された上流部の溝流路の溝幅が、前記折り返し部及び前記出口マニホールドと接続された下流部の溝流路の溝幅よりも小さいことを特徴とするセパレータ。
【請求項４】
請求項３に記載のセパレータと、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成される面に接触するガス拡散層と、前記ガス拡散層に接触するカソードを有する膜電極接合体とを有する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、燃料電池外部に加湿器を設けずに発電可能な固体高分子形燃料電池およびそれを用いた電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、出力が高い，寿命が長い，起動・停止による劣化が少ない、運転温度が低い（約７０〜８０℃）などのため、起動・停止が容易である等の長所を有している。そのため、電気自動車用電源，業務用及び家庭用の分散電源等の幅広い用途が期待されている。
【０００３】
これらの用途の中で、固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源（例えば、コジェネレーション発電システム）は、固体高分子形燃料電池より電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効活用しようとするシステムである。このような分散電源は使用期間として50,000 時間から100,000時間の寿命が要求され、膜−電極接合体，セル構成，発電条件等の改良が進められている。
【０００４】
ここで、膜−電極接合体は、その中に水素イオンを透過させる電解質膜が用いられている。この電解質膜は、膜中に水分を保持していることが必要である。膜に水分が存在することで、水素イオンの移動が容易になるからである。逆に電解質膜が乾燥しすぎると、膜中の水素イオンの移動が阻害され、セル電圧の低下が起こる。
【０００５】
原理的には、発電によって生成水が発生し、それが電解質膜に吸収されれば、上記問題を解決しうる。しかし、乾燥したガスを電池に供給すると、ガス流路の下流では生成水の吸収によって電解質膜の乾燥が防止されるが、上流では生成水量が少なく電解質膜の乾燥が進行するため、加湿器の省略には難しい技術課題が残る。
【０００６】
そのため、従来技術によると、燃料または酸化剤のガスに適度な水蒸気を含有させ、それを燃料電池に供給することにより、ガスの上流での電解質膜乾燥を回避している。例えば、従来の加湿技術では、中空糸を利用した加湿器（特許文献１）、あるいは水透過膜を利用した加湿器（特許文献２）、電池内部にて水を添加するセル構造（特許文献３）などが知られている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−４０６７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２０６９５１号公報
【特許文献３】特許３０２９４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術によると、電池外部に加湿器を設けたり、電池内部に給水するために別途、給水タンクやポンプを設置する必要性が生じていた。その結果、加湿に必要な補機の設置スペース、ならびに当該補機と電池を接続する配管等のスペースが増加し、発電装置全体の容積が大きくなるという課題がある。
【０００９】
従来の技術によると、単純に加湿器を省略して無加湿のガスを電池に供給すると、ガスの上流にて電解質膜が乾燥されやすくなり、セル電圧が低下した。特に、酸化剤ガスとして空気を用いたとき、流量が燃料ガスの３倍以上と多いため、膜乾燥が顕著である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、安定な電圧で発電可能な燃料電池および燃料電池システムを提供することである。電池内部で生成した水を電池内部で循環（リサイクル）することができれば、外付け加湿器あるいは加湿用補機を小さくしたり、省略することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
燃料ガスと酸化剤ガスを分離するセパレータと固体高分子形電解質膜を有する燃料電池において、セパレータのマニホールドより酸化剤ガス流路が形成され、マニホールドに接する流路端部を基点に定義される酸化剤ガス流路の距離が、隣接する少なくとも一組以上の流路の間において異なることを特徴とする固体高分子形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によって、加湿用補機や、加湿部を小さくまたは省略した燃料電池発電装置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】
【００１３】
本実施形態は、酸化剤ガスの上流部分と下流部分を隣接させることにより、湿潤した下流に当たる電解質膜から水を回収し、電解質膜あるいはガス拡散層を介して、乾燥した上流に水を補充させる方法である。これを実現するために、セパレータの上流側の流路（乾燥流路）と下流側の流路（湿潤流路）を隣接させた新規セパレータを発明した。本セパレータの流路構造を“乾湿並行流路”と称する。
【００１４】
本実施形態の燃料電池は、燃料ガスの流路または酸化剤ガスの流路を有する少なくとも二種類以上のセパレータにより、膜−電極接合体が挟持された単セル、あるいは複数の単セルからなるセルスタックである。
【００１５】
燃料ガスには、改質ガス，純水素などの水素を有するガスを用いることができる。酸化剤ガスには、酸素または空気などを用いることができる。
【００１６】
セパレータには、本実施形態の特殊な流路構造（以下、“乾湿並行流路”と称する。）を有するものを用いる。以下、そのセパレータ構造について詳細に説明する。
【００１７】
加湿器の省略を可能にするためには、発電前の乾燥ガスによる電解質膜の乾燥を防止することが必要である。特に、酸化剤ガスに空気を用いる場合、発電前の酸素濃度は２１％と低く、全体のガス流量が多いので、電解質膜の湿潤度合いの影響が大きい。ところが、発電後の酸化剤ガスの下流では、ガス中に生成水が水蒸気として多く存在し、通常はそのまま電池外部へ放出される。
【００１８】
そこで、本実施形態では、この生成水をセル内でリサイクルさせ、乾燥しがちな酸化剤ガス上流の電解質膜へ発電に必要な水を付与するものである。
【００１９】
水のリサイクルを実現するための第一の手法は、主として酸化剤ガス流路の上流に相当する乾燥ガス流路と、主として酸化剤ガス流路の下流に相当する湿潤ガス流路を近接させ、湿潤ガス流路から乾燥ガス流路へ生成水を移動させる方法がある。
【００２０】
ここで、乾燥ガス流路と湿潤ガス流路は、ガスの露点（水蒸気分圧）の大小により相対的に規定されるものである。それをより明確にするために、本実施形態では、以下のような定義を用いて、本実施形態の乾湿並行流路を規定することにした。
【００２１】
まず、酸化剤ガスをセパレータ面内に供給するためのマニホールド（供給マニホールドと称する。）から膜−電極接合体にて反応する流路面（反応流路面と称する。）へ導入される流路において、反応流路面の入口に位置する流路の起点（流路端部と称する。）を基準点とする。その起点から、ガス流れに沿ってガス流路の長さ（流路長と称する。）を定義する。隣接した複数の酸化剤ガス流路の間において、上記流路長を比較し、より短い方を乾燥ガス流路、より長い方を湿潤流路と定義づけすることができる。
【００２２】
すなわち、当該起点から流路長が長いということは、膜−電極接合体上での酸素の還元反応時間が長いことを意味し、その反応によって生成した水を酸化剤ガス中により多く取り込んでいることになる。したがって、流路長が長いほど、酸化剤ガスの露点が高く（水蒸気分圧が高い。）、逆に流路長が短いほど露点が低くなる（水蒸気分圧が低い。）。
【００２３】
流路長に基づいて、本実施形態のセル構造を説明する。本実施形態の第一の構成は、酸化剤ガスを流通させるセパレータが複数の流路から構成され、隣接する少なくとも一組以上の流路の間において流路長が異なることを特徴とする。これによって、隣接する当該流路間において、水の授受が行われる。水の授受は、セパレータと膜−電極接合体に挟まれた多孔質のガス拡散層を通して行われる。
【００２４】
また、本実施形態の第二の構成は、第一の構成要件を満たしつつ、一組以上の隣接する流路が対向した流れになっていることを特徴としている。乾燥したガスが発電流路面を経由し、セパレータのある部分で折り返した後、生成水を含んだ状態でガスが戻ってくることにより、行きの流路へ生成水を供給しやすくなるからである。
【００２５】
さらに、本実施形態の第三の構成は、一組以上の隣接する流路の上流における溝幅が下流における溝幅の大きさ以下であることを特徴としている。上流ではガスが乾燥し、未だ生成水が少なく（水蒸気分圧が低く）、溝幅が大きいと乾燥した電解質膜の領域が大きくなる。電解質膜の二次元方向（横方向）での水の移動は遅いため、溝幅が大きいとガスへの水の蒸発速度が速すぎて、電解質膜の乾燥が進行しやすいからである。逆に溝幅が狭いと、隣接する下流の流路からの生成水の供給が十分となる。上流の酸化剤ガス流路の溝幅は、２mm以下が望ましく、特に０.５ 〜１mmが特に適している。逆に下流の酸化剤ガス流路の溝幅も２mm以下であるが、上流の溝幅よりもやや広めにすることが望ましい。すなわち０.７〜１.２mmの範囲が本実施形態に適している。これは、電解質膜と生成水を含んだガスとの接触面積を広く確保することにより、電解質膜へより多くの水を付与するためである。
【００２６】
最後に、本実施形態の第四の構成は、燃料ガス流路の下流部流路が酸化剤ガスの入口部流路と重なり合っていることを特徴としている。酸化剤ガスは膜−電極接合体によって燃料ガスから分離されている。この膜は数十ミクロンと非常に薄く、かつ、水を保持したり放出したりする機能を有する。その結果、流路に沿って発電が進行すると酸化剤ガス中の生成水量（水蒸気分圧）が増加し、電解質膜の保水量が高くなる。反対面で、燃料ガスが乾燥していると、電解質膜から水を奪い取る。これが浸透水である。吸収した水分は燃料ガスとともに移動することができる。ここで、燃料ガスを上方から下方に流れるようにセパレータの流路を設け、逆に酸化剤ガスは下から上方に向けて流すと、酸化剤ガスの流路長が大きくなるにつれて生成水が増加し、燃料ガス流路の上方では酸化剤ガスから燃料ガスへ生成水を供給することができる。ついで、燃料ガスは、流路に沿って下方に流れるので、吸収した水は、酸化剤ガスにとって上流付近に移動することになる。このように、本実施形態の第四構成を採用すると、セル面内全体で大きな水のリサイクルを実現することができる。
【００２７】
その実施の一形態として、図１のセパレータを示して、本実施形態の概念を詳解する。
【００２８】
酸化剤ガス（以下、空気とする。）は、図中裏面（左図）の酸化剤ガス入口マニホールド１０３から供給され貫通孔１１２に至る。図では点線矢印で示している。その貫通孔
１１２は図面表（右図）に連絡しており、酸化剤ガスは貫通孔１１２より流路１１０に導入される。この状況を拡大図（Ｘ図）の点線矢印にて示している。次いで、酸化剤ガスは流路１１０を蛇行して流れ、左上の折り返し部１１１まで到達する。この途中に膜−電極接合体より水素イオンを受け取り、水を生成する。ガス中に含まれる水蒸気量は、流路
１１０に沿って徐々に増加する。
【００２９】
折り返し部１１１では隣接する流路あるいはいくつか離れた流路へガスが流れ込み、逆方向に酸化剤ガスが流れていく。折り返し部１１１にて酸化剤ガスが他の流路へ移動する様子を点線矢印で示した。折り返した後、酸化剤ガス中の酸素はさらに還元反応を受け、流れに沿って水の生成量がさらに増加する。ついには、酸化剤ガスは反応領域を通過して、酸化剤ガスの出口マニホールド１０５に達し、電池外部に排出される。
【００３０】
ここで、本実施形態で定義される酸化剤ガスの流路長は、酸化剤ガスの入口マニホールド１０５から反応面へ酸化剤ガスが導入されるところの最初の流路部分を流路長の起点
１１４とした。この起点を点線で示した。
【００３１】
本実施形態のセパレータにおける酸化剤ガスの流路長は、隣接する流路間で異なっている部分がある。両者の流路長に最も大きな差があるところは、酸化剤ガスの入口付近（すなわち起点１１４）である。往路の流路長はゼロ、復路の流路長は、起点１１４から折り返し部１１１までの道のりの２倍となる。逆に隣接流路間の流路長に差が少ないところは、折り返し部１１の出入口付近である。このように、図１のセパレータは、大部分のセパレータ面内において、隣接する流路の間で流路長に差がある構造を有している。
【００３２】
生成水は、行きの流路（往路）に沿って徐々に増加し、折り返し部にて折り返した流路（復路）において特に水蒸気量が多くなる。本実施形態のセパレータでは、隣接する流路の間での流路長が異なるので、流路間のガスに含まれる水蒸気量に差が発生し、特に復路の空気に含まれる水蒸気分圧が、隣接する往路よりも大きくなる。その結果、湿潤した復路から乾燥した往路に生成水が供給されることにより、水のリサイクルが実現される。
【００３３】
行き（乾燥）の流路は、酸素ガスが未反応であり、ガス流量が多い。そのため、溝断面積は帰り（湿潤）の流路よりも大きいのが望ましい。しかし、溝幅は逆に狭い方が、水の拡散距離を短くし、膜中の含水量を高く維持しやすい。よって、行きの流路は、帰りの流路と比較して、溝幅は狭く、溝は深くすることがより望ましい。
【００３４】
逆に帰り（湿潤）の流路は、溝幅を広くしても良い。
【００３５】
水蒸気生成量が酸素消費量（電気量から計算）よりも、体積基準で同等以上であれば、溝断面積は行きと帰りを特に変化させる必要はない。この場合、行き流路幅を帰り流路幅以上もしくはそれよりも大きくすれば十分である。
【００３６】
溝の並べ方は、乾燥流路の隣に湿潤流路を設け、湿潤側から水が乾燥側へ供給されやすくすることが必要である。ただし、もう一方に隣接する流路は、必ずしも乾燥流路、すなわち、乾燥／湿潤／乾燥の配列にある必要はない。湿潤流路を隣接することによって、乾燥される電解質膜の領域を、湿潤される電解質膜よりも相対的に小さくすることが可能であり、その方が膜の乾燥防止に有効である。また、望ましくは乾燥流路の両側に湿潤流路があると、乾燥流路への水の補給が容易になる。このように、隣接流路間において水のリサイクルが実現される。本実施形態の流路構造を有するセパレータを、乾湿並行流路セパレータと称する。
【００３７】
ガスの流し方は、図１の折り返し部１１１の近傍にもう一つのガスの入口を設け、他方の入口近傍に出口をそれぞれ設ける。すなわち、入口を２箇所、出口を２箇所設ける。ガスは各入口から供給され、それぞれが逆行するのように流れる。この場合も、ガスの流路長の増加に伴い、露点が上がり、それぞれの流路の間で乾燥と湿潤の部分が形成される。その結果、図１のように、湿潤ガスから乾燥ガスへの水の移動によって、電解質膜の乾燥を防止することができる。
【００３８】
以上のことより、本実施形態の乾燥流路と湿潤流路が隣接する部分が流路全体の少なくとも一部に存在することを条件とすれば、加湿部あるいは加湿用補機を省略又は小さくすることが可能となる。乾燥流路に沿ってできるだけ長距離において隣接する湿潤流路が存在すると、水のリサイクル量が増大し、乾燥流路の酸化剤ガスの加湿が十分になり、より望ましい。また、乾燥流路の片側に必ず湿潤流路が存在するとさらに望ましく、両側に湿潤流路があると最も加湿の効果が高くなり、最良の効果が得られる。
【００３９】
上述の水リサイクル機構の他に、燃料ガス流れを利用したセル全体での水リサイクル構造を追加することによって、無加湿条件にてさらに安定かつ高電圧で発電することができるようになる。
【００４０】
セル面内の膜−電極接合体の電解質膜において、燃料ガスの水蒸気分圧が電解質膜の平衡蒸気圧（膜に吸収される水分量と平衡になる気相の蒸気圧）よりも低いとき、電解質膜中の水が燃料ガスへ蒸発する。この水は、膜−電極接合体の反対面で酸化剤ガスから生成した水が、当該接合体を透過したものである。これを逆浸透水と呼ぶ。燃料ガスが流路の上流から下流に移動するにつれて、この逆浸透水が徐々にガス中に蓄積する。その結果、燃料ガス流路の下流では、水蒸気圧力が最も高く、場合によっては水滴が流路内に形成される。
【００４１】
そこで、燃料ガス流路の下流と酸化剤ガス流路の上流を重ねあわせることによって、燃料ガス流路から膜−電極接合体を経由して、乾燥した空気へ水を補給することができる。このとき、水は当該接合体の電解質膜に含まれた水の蒸発によるプロセスと、発電中に電解質膜を水素イオンが移動する際に随伴水として供給されるプロセスがある。いずれのプロセスであっても、酸化剤ガス流路上流の空気を加湿することができる。以上のように、セパレータ全体で水のリサイクルを実現することができる。
【００４２】
以上で述べた流路構造は、酸化剤ガスに適用すると加湿器の省略による消費電力の削減の効果がある。水素あるいは水素含有ガスと空気を用いた燃料電池では、空気側のセパレータに乾湿並行流路を適用する。ただし、燃料側セパレータに乾湿並行流路を設けても差し支えはない。また、空気の代わりに純酸素を用いた場合、燃料側セパレータのみに本実施形態を適用しても良い。
【００４３】
本実施形態にかかるさらに具体的な説明を図を用いて説明する。なお、ここで取り上げた方式に限定されることはない。
【００４４】
図１は、本実施形態の燃料電池用セパレータのうち、酸化剤ガスの流路１１０を有する酸化剤ガス用セパレータ１０１の構造例である。
【００４５】
酸化剤ガスは、酸化剤ガスの入口マニホールド１０３より導入され、反対面に酸化剤ガスを導入するための小孔１０４より反対側面に流れる。このような複雑な構造にした理由は、反対側面では、拡大図Ｘに示すように、貫通孔１１２（１０４と同じ）から流路に入り、蛇行しながら上方に流れる。この部分で、後述の復路の方へガスが漏れないように、リブ１１３を設けた。酸化剤ガスの折り返し部１１１（拡散領域）に到達すると、各流路のガスが混ざり合い、往路に隣接する流路（復路と称する。）を通って、反転し元に戻る。このように、往路と復路が互い違いに混在している構造が、本実施形態の乾湿並行流路
である。復路の酸化剤ガス中の水が往路の酸化剤ガスに移動することによって、水のリサイクルが実現される。その後、復路のガスは酸化剤ガスの出口マニホールド１０５に到達し、電池外部に排出される。
【００４６】
酸化剤側流路（行き）は、溝幅０.８mm、溝深さは０.９mm、帰りの流路の溝幅は１mm、溝深さは０.７mmとした。流路間の凸部（リブと称す。）は、燃料側，酸化剤側のセパレータともに、１mmとした。流路断面形状は、テーパー角を５°とした。
【００４７】
なお、セパレータ外周部に配置された小さな丸孔（図中では、１２個記載した。）は、電池を固定するボルトを貫通させるためのボルト用貫通孔１０２である。また、やや大きめの丸孔はそれぞれ、冷却水の出口マニホールド１０８，冷却水の入口マニホールド109である。
【００４８】
図２は、燃料ガスの流路を有する燃料ガス用パレータ２０１の構造例である。
【００４９】
燃料ガスは、燃料ガスの入口マニホールド２０２からセパレータ流路に導入され、燃料ガス流路２０４に流れ込む。燃料ガスは、流路面内で酸化消費され、燃料ガスの出口マニホールド２０３に到達し、電池外部に排出される。
【００５０】
燃料側の流路幅は１mm、溝深さは０.５mmとした。流路は上下直線形状とし、ガスを上から下へ流すこととした。流路間の凸部（リブと称す。）は、燃料側，酸化剤側のセパレータともに、１mmとした。流路断面形状は、テーパー角を５°とした。燃料ガス用セパレータ２０１と酸化剤ガス用セパレータ１０１とは表裏一体となっていても良い。
【００５１】
図３は、冷却水の流路を有する冷却水用セパレータ３０１の構造例である。
【００５２】
冷却水は、冷却水の入口マニホールド３０３からセパレータ面内に供給され、冷却水の流路３０４に流れ込む。冷却水は流れに従って、発電によって生じた熱を奪い、冷却水の出口マニホールド３０２に達し、電池外部へ放出される。冷却水用セパレータ３０１は、燃料ガスや酸化剤ガスの流れるセパレータと一緒に積層されているため、冷却水セパレータ面に垂直方向に電流が流れる。電流抵抗を下げるため、セパレータ流路に凸部（リブ
３０５と称する。）を設け、セパレータ間の接触面積を確保している。
【００５３】
冷却水の流路３０４の外周には、燃料ガスの入口マニホールド３０６，燃料ガスの出口マニホールド３０７，酸化剤ガスの入口マニホールド３０８，酸化剤ガスの出口マニホールド３０９，１２箇所のボルト用貫通孔３１０が設けられ、位置は図１左面と同じである。
【００５４】
これらのセパレータを電池に組み込んだ状態を図４に示す。本図は、燃料電池の断面図である。単セル４０１は、拡大図に示すように、電解質膜４０２の両面に触媒層４０３を接合させた膜−電極接合体（ＭＥＡ）とガス拡散層４０６とこれらを挟持するセパレータ４０４からなる。
【００５５】
セルのガスリークを防止するために、セパレータの接合面にガスケット４０５を挿入している。発電時の熱を除去するため、冷却水の流れる冷却水用セパレータ４０８を配している。
【００５６】
これらの積層体は、端板４０９とボルト４１６，皿ばね４１７，ナット４１８によって締め付ける。このような構成で、セパレータの流路断面のみ異なる電池を複数製作した。端板４０９の一方には、燃料ガス配管コネクター（入口）４１０，酸化剤ガス配管コネクター（入口）４１２，冷却水配管コネクター（入口）４１１を設けた。他方の端板４０９には、燃料ガス配管コネクター（出口）４２２，酸化剤ガス配管コネクター(出口)４２４，冷却水配管コネクター（出口）４２３を設けた。
【００５７】
燃料側セパレータと酸化剤側セパレータの間に、ガスケット，ガス拡散層，膜−電極接合体，ガス拡散層，ガスケットを挿入し、これを単セルとした。これを３０個積層し、
３０セル燃料電池を製作した。外部への電力出力端子として、集電板４１３，４１４を取り付け、電力ケーブル４１９はインバータ４２０に接続した。インバータ４２０は外部負荷４２１に電力を供給することができる。定格出力は１ｋＷとした。本電池をＥ１とする。
【００５８】
予め、バブラーにて７０℃の飽和空気を調整し、それを燃料電池Ｅ１に供給した。同時に７０℃の飽和水素を燃料電池に供給し、０.２Ａ／cm２の電流密度にて、慣らし運転を実施した。組立直後では、電解質膜が完全な乾燥状態にあるため、予め慣らし運転を行うことで、電解質膜をある程度の湿潤状態を作ることができる。これを本実施の初期状態とする。このときのセル電圧は、０.７２Ｖであった。
【００５９】
次に、無加湿の２０℃空気を供給することにして、電池の発電を継続した。１０時間経過すると、電池内部での水分量が定常値となり、水のリサイクルが実現される。このときのセル電圧は、０.７０Ｖ となり、無加湿であっても、大きな出力低下をもたらすことなく、発電可能であることを実証した。
【００６０】
参考として、空気を５０℃にて飽和させ、同一条件にて発電してもセル電圧は０.７０Ｖであることから、少なくとも入口空気露点が５０℃飽和相当にまで加湿されている、すなわち水循環により、５０℃飽和空気を供給したときと同じ状態になっていることがわかった。
【００６１】
比較として、図５に示す折り返しを設けないセパレータ（酸化剤側セパレータ）を用いた燃料電池を製作した。電池Ｅ１と同一条件で発明の効果を比較するため、酸化剤ガスの入口マニホールド５０３，５０５を二箇所設け、流路５１０の溝幅，深さの寸法，ガス導入部の小孔５１２，リブ５１３の形状を変えないことにした。酸化剤ガスは流路５１０に沿って一方向にのみ流れ、酸化剤ガスの出口マニホールドに到達する。ボルト貫通孔502，燃料ガスの入口マニホールド５０６，燃料ガスの出口マニホールド５０７，冷却水の入口マニホールド５０９，冷却水の出口マニホールド５０８は、図１と同じ配置になっている。セパレータ以外の部品については電池Ｅ１と同等品を用い、定格出力を１ｋＷとした。本電池をＥ２とする。
【００６２】
まず、慣らし運転として、Ｅ１と同じ条件でセル電圧０.７２Ｖ を得た。ついで、無加湿の２０℃空気を供給した。その結果、セル電圧が急激に降下・上昇の振幅の後、終には電圧がゼロとなり、発電不能となった。次に、５０℃の飽和空気を供給すると、０.６９Ｖに電圧が回復したが、膜−電極触媒が若干のダメージを受け、セル電圧が、Ｅ１の値よりも低下した。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明にかかる実施形態のセパレータ（酸化剤ガス流路面）。
【図２】本発明にかかる実施形態のセパレータ（燃料ガス流路面）。
【図３】本発明にかかる実施形態のセパレータ（冷却水路面）。
【図４】本発明にかかる実施形態の燃料電池の断面。
【図５】比較例のセパレータ（燃料ガス流路面）。
【符号の説明】
【００６４】
１０１，５０１…酸化剤ガス用セパレータ、１０２，３１０，５０２…ボルト用貫通孔、１０３，２０５，３０８，５０３…酸化剤ガスの入口マニホールド、１０４、５０４…反対面に酸化剤を導入するための小孔、１０５，２０６，３０９，５１１…酸化剤ガスの出口マニホールド、１０６，２０２，３０６，５０６…燃料ガスの入口マニホールド、
１０７，２０３，３０７，５０７…燃料ガスの出口マニホールド、１０８,２０８,３０２，５０８…冷却水の出口マニホールド、１０９，２０７，３０３，５０９…冷却水の入口マニホールド、１１０…流路、１１１…折り返し部、１１２…貫通孔、１１３，３０５，５１３…リブ、１１４…起点、２０１…燃料ガス用セパレータ、２０４…燃料ガス流路、３０１，４０８…冷却水用セパレータ、３０４…冷却水の流路、４０１…単セル、４０２…電解質膜、４０３…触媒層、４０４…セパレータ、４０５…ガスケット、４０６…ガス拡散層、４０７…絶縁板、４０９…端板、４１０…燃料ガス配管用コネクター（入口）、４１１…冷却水配管用コネクター（入口）、４１２…酸化剤ガス配管用コネクター(入口)、４１３，４１４…集電板、４１６…ボルト、４１７…皿ばね、４１８…ナット、４１９…電力ケーブル、４２０…インバータ、４２１…負荷、４２２…燃料ガス配管用コネクター（出口）、４２３…冷却水配管用コネクター（出口）、４２４…酸化剤ガス配管用コネクター（出口）、５０５…酸化剤ガスの入口マニホールド（５０３と並列にガスを供給するもの）、５１０…従来方式による流路、５１２…反対面に酸化剤を導入するための小孔（１０４を反対面から見た小孔）。
【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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