(57)【要約】【課題】  簡単かつ安価な構成で生成水を発電部から速やかに排出できる燃料電池セルスタックを提供する。【解決手段】  発電部にセパレータ３を接合した燃料電池セルスタックにおいて、セパレータ３の表面（発電部に接合する面）に、第一ガス流路４と第二ガス流路５とを交互に並行に延びるように形成する。第一ガス流路４に相対的に湿度の高い反応ガス（高湿度ガス６）を供給し、第二ガス流路５に相対的に湿度の低い反応ガス（低湿度ガス７）を供給する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気と水を生成する発電部にセパレータを接合した燃料電池セルスタックにおいて、セパレータの発電部との接合面に、相対的に湿度の高い反応ガスを流す第一ガス流路と、相対的に湿度の低い反応ガスを流す第二ガス流路とを形成したことを特徴とする燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記第一ガス流路および第二ガス流路が交互に並行に延びることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記第一ガス流路および第二ガス流路の長さを切り替える手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気と水を生成する発電部にセパレータを接合した燃料電池セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルスタックは、通常、発電部に電解質膜と電極層との接合体（膜電極接合体：ＭＥＡ）を用い、隣接する発電部の間にセパレータ（集電体）を介在させた積層体として構成されている。発電に伴う生成水（水蒸気）は、発電部からセパレータに移動し、余剰の反応ガスにより、セパレータのガス流路を通って排出される。しかし、生成水が滞ってガス流路を塞ぐと、発電部が濃度過電圧の状態となり、発電効率が低下する。そこで、従来、発電部の構造を変更することで、生成水の滞留を抑える技術が提案されている。
【０００３】
例えば、図４に示す燃料電池セルスタック４１では、発電部４２を電解質膜４３と正負の電極層４４とで構成し、電極層４４に炭素粒子と撥水性樹脂からなる通水性部材４５を設け、発電部４２の排水性能を高めている（特許文献１参照）。図５に示す燃料電池セルスタック５１では、発電部５２に吸水性のポーラス部材５３を設け、触媒電極５４との接合面に反応ガス流路５５を形成し、発電部５２に生成した水を反応ガス流路５５に集めて外部に排出している（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−７８９７号公報
【特許文献２】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、従来の燃料電池セルスタック４１，５１によると、生成水の滞留を抑制するために、発電部４２，５２に特殊な組成の通水性部材４５やポーラス部材５３を用いる必要があり、燃料電池セルスタック４１，５１の製作コストが高くつくという問題点があった。また、これらの部材４５，５３は粒子または繊維の集合体であるため、摩耗や目詰まりが避けられず、比較的早い時期に撥水能力や吸水能力が低下し、燃料電池セルスタック４１，５１の発電効率が低下するという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単かつ安価な構成で生成水を発電部から速やかに排出できる燃料電池セルスタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、電気と水を生成する発電部にセパレータを接合した燃料電池セルスタックにおいて、次のような手段を採用したことを特徴とする。
（１）セパレータの発電部との接合面に、相対的に湿度の高い反応ガスを流す第一ガス流路と、相対的に湿度の低い反応ガスを流す第二ガス流路とを形成したことを特徴とする燃料電池セルスタック。
【０００８】
（２）第一ガス流路および第二ガス流路が交互に並行に延びることを特徴とする燃料電池セルスタック。
【０００９】
（３）第一ガス流路および第二ガス流路の長さを切り替える手段を備えたことを特徴とする燃料電池セルスタック。
【発明の効果】
【００１０】
上記（１）に記載の燃料電池セルスタックによれば、セパレータに第一ガス流路と第二ガス流路とを形成したので、生成水の流動抵抗を小さくし、余剰の反応ガスによってスムーズに排水できる。したがって、発電部の構造を変更することなく、簡単かつ安価な構成で生成水の滞留を防止でき、発電部の濃度過電圧を抑えて、発電効率を高めることができるという効果がある。
【００１１】
上記（２）に記載の燃料電池セルスタックによれば、第一ガス流路および第二ガス流路が発電部と相対する面に交互並行流路を形成するので、高湿度ガスに含まれる水分や発電部の生成水を相対的に乾燥状態にある第二ガス流路側に集め、発電部全域の湿度分布をほぼ均一に管理できるという効果がある。
【００１２】
上記（３）に記載の燃料電池セルスタックによれば、第一ガス流路および第二ガス流路の長さを切り替えるので、燃料電池の運転状態に応じて発電部の湿度状態を適正に管理でき、高出力発電時のフラッディング現象や低出力発電時のドライアップ現象を抑制できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施例１の燃料電池セルスタックの断面構造を一つのセルの形態で示す。図２は、図１のセルを構成するセパレータのガス流路を示す。図３（ａ），（ｂ）は、実施例２の燃料電池セルスタックにおいてガス流路の切替動作を示す。なお、各図において、同一の符号は同一の構成を示す。
【実施例１】
【００１４】
実施例１の燃料電池セルスタック１は、図１に示すように、発電部２とセパレータ３とを備え、二枚のセパレータ３が発電部２の両側面に接合されている。発電部２は、電解質膜と正負の電極層とからなる周知構造の膜電極接合体であって、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）との電気化学反応により、電気と水と熱とを生成する。
【００１５】
図２に示すように、セパレータ３の表面（発電部２に接合する面）には、第一ガス流路４と第二ガス流路５とが交互に並行に延びるように形成されている。これらのガス流路４，５は加湿器（図示略）に接続され、第一ガス流路４に相対的に湿度の高い反応ガス（以下、高湿度ガス６）が供給され、第二ガス流路５に相対的に湿度の低い反応ガス（以下、低湿度ガス７）が供給される。
【００１６】
この実施例の燃料電池セルスタック１では、第一ガス流路４と第二ガス流路５とが複数本ずつ形成されているので、一本あたりの流路断面積を小さくし、生成水とガス流路４，５との接触面積を縮小できる。このため、生成水の流動抵抗を小さくし、ガス流路４，５に流入した生成水を余剰の反応ガスで押し出し、セルスタック１の外部へスムーズに排出することができる。
【００１７】
また、各ガス流路４，５を交互並行流路として形成したので、図１に一部を拡大して示すように、第一ガス流路４を流れる高湿度ガス６中の水分や発電部２の生成水Ｗを、相対的に乾燥状態にある第二ガス流路５側に集め、発電部２の湿度分布を全体としてほぼ均一化し、生成水Ｗの滞留を未然に防止し、あわせて局部的なフラッディング現象やドライアップ現象を抑制することができる。
【実施例２】
【００１８】
実施例２の燃料電池セルスタック１は、図３に示すように、セパレータ３に第一ガス流路４と第二ガス流路５とを異なる長さで形成し、燃料電池の運転状態に応じて、両方のガス流路４，５を交互に切り替えるように構成されている。図示例では、セパレータ３の表面に合計五本のガス流路４，５が交互並行流路として形成され、配管１１，１２を介して流路切替器１３に接続されている。
【００１９】
そして、発電電流が低い低出力運転時には、図３（ａ）に示すように、流路切替器１３が高湿度ガス６を三本の第一ガス流路４に流し、低湿度ガス７を二本の第二ガス流路５に流す。これにより、充分に加湿された高湿度ガス６が発電部２へ相対的に多量に供給され、発電部２のドライアップ現象が抑制される。
【００２０】
発電電流が高い高出力運転時には、流路切替器１３が図３（ｂ）に示す状態に切り替わり、低湿度ガス７を三本の第一ガス流路４に流し、高湿度ガス６を二本の第二ガス流路５に流す。これにより、生成水を取り込む余裕のある乾燥した低湿度ガス７が発電部２へ相対的に多量に供給され、発電部２のフラッディング現象が抑制される。
【００２１】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、ガス流路４，５を渦巻き形の交互並行流路としたり、高湿度ガス６および低湿度ガス７の供給量を燃料電池の運転状態に応じてバルブで調整したりするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１を示す燃料電池セルスタックの断面図である。
【図２】反応ガス流路の構成を示すセパレータの正面図である。
【図３】本発明の実施例２を示す燃料電池セルスタックの動作説明図である。
【図４】従来技術を示す燃料電池セルスタックの断面図である。
【図５】別の従来技術を示す燃料電池セルスタックの断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    燃料電池セルスタック
２    発電部
３    セパレータ
４    第一ガス流路
５    第二ガス流路
６    高湿度ガス
７    低湿度ガス
１３    流路切替器
【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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