(57)【要約】【課題】フラッディングを抑制して発電出力を高めるのに有利な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、燃料極４１および酸化剤極４５とでイオン伝導膜４０を挟持した膜電極接合体４と、流体が流れる活物質流体流路と冷媒が流れる冷媒流路９とを有する冷却セパレータ５（５１，５２）と、燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路を有すると共に冷媒流路を有しない通常セパレータ８とをもつ。単位時間当たりの排水能力において、冷却セパレータの活物質流体流路が通常セパレータ８の活物質流体流路よりも高くなるように、冷却セパレータ５（５１，５２）の活物質流体流路の流路特性は、通常セパレータ８の活物質流体流路の流路特性に対して異なるように設定されている。【選択図】図２
2009016200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料流体が供給される燃料極および酸化剤流体が供給される酸化剤極とでイオン伝導膜を挟持した膜電極接合体と、
燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路と冷媒が流れる冷媒流路とを有する冷却セパレータと、
燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路を有すると共に前記冷媒流路を有しない通常セパレータとを具備する燃料電池において、
前記冷却セパレータの活物質流体流路の流路特性は、
単位時間当たりの排水能力において、前記冷却セパレータの活物質流体流路が前記通常セパレータの活物質流体流路よりも高くなるように、前記通常セパレータの前記活物質流体流路の流路特性に対して異なるように設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記流路特性は前記活物質流体流路の壁面における親水性であり、
前記冷却セパレータの前記活物質流体流路の壁面における親水性は、前記通常セパレータの前記活物質流体流路の壁面における親水性よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１において、前記流路特性は前記活物質流体流路の流路断面積であり、前記冷却セパレータの前記活物質流体流路の流路断面積は、前記通常セパレータの前記活物質流体流路の流路断面積よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１において、前記流路特性は前記活物質流体流路の壁面の表面粗さであり、
前記冷却セパレータの前記活物質流体流路の壁面の表面粗さは、前記通常セパレータの前記活物質流体流路の壁面の表面粗さよりも小さく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒が流れる冷媒流路を有する冷却セパレータを備えている燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、イオン伝導膜を燃料極および酸化剤極で挟持した膜電極接合体をセパレータで挟んで構成されている。セパレータは、流体が流れる活物質流体流路を備えており、複数組み込まれている。燃料電池は発電反応により発熱するため、冷却することが好ましい。そこでセパレータとして、流体が流れる活物質流体流路と冷媒が流れる冷媒流路とを有し、冷却能を発揮するものが知られている。この場合、イオン伝導膜の過熱が抑えられ、イオン伝導膜の長寿命化を図り得る。
【０００３】
更に、燃料電池として、燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路と冷媒が流れる冷媒流路とを有する冷却セパレータと、燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路を有するものの、冷媒が流れる冷媒流路を有していない通常セパレータとが搭載されたものが開発されている。この燃料電池によれば、冷却セパレータにより燃料電池の冷却を図り得、イオン伝導膜の長寿命化を図りつつも、冷媒が流れる冷媒流路を有する冷却セパレータの搭載数が低減されるため、燃料電池のコスト低減に貢献できる利点が得られる。
【０００４】
また燃料電池では、フラッディングが発生し易い問題がある。フラッディングとは、水によりガス流路を閉鎖させたり狭めることを意味する。フラッディングが発生すると、燃料電池の発電出力が低下する要因となる。フラッディングを引き起こす水の要因としては、発電反応により発生する水、ガスの加湿等が挙げられる。このようなフラッディング等に対処すべく、以下の特許文献等に係る燃料電池が開発されている。
【０００５】
燃料電池として、反応ガスを燃料電池の供給する供給配管の入口マニホルドに近いほど、流路断面積を小さくして入口マニホルド側の圧力損失を増加させたものが知られている（特許文献１）。更に、スタックにおける冷却系の冷却量分布をスタックの電位差方向（セル積層方向）に傾斜させ、スタックの総マイナス側が相対的に高温となるように冷却する燃料電池システムが知られている。また更に、平均粒経２０〜７０マイクロメートルの人造黒鉛と、熱硬化性樹脂と、内部離型剤とを含む組成物を成形して形成され、表面の平均粗さが１．０〜５．０マイクロメートルに設定され、排水性を高めた燃料電池用セパレータが知られている。
【特許文献１】特開２００５−５６６７１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９３８１号公報
【特許文献３】特開２００５−１９７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
産業界では、フラッディングを抑え、発電出力を高めるのに有利な燃料電池の開発が要望されている。更に、上記した特許文献によれば、燃料電池において冷却セパレータと通常セパレータとが搭載されていることに着目しているものではない。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、フラッディングを抑制し、発電出力を高めるのに有利な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者はフラッディングを抑えるべく燃料電池の鋭意開発を進めている。そして、燃料電池に搭載されているセパレータには、冷媒流路をもつセパレータと、冷媒流路をもたない通常セパレータとがあることに着目した。本発明はかかる着目に基づいて開発されたものである。
【０００９】
（１）様相１に係る燃料電池は、燃料流体が供給される燃料極および酸化剤流体が供給される酸化剤極とでイオン伝導膜を挟持した膜電極接合体と、
燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路と冷媒が流れる冷媒流路とを有する冷却セパレータと、
燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路を有すると共に前記冷媒流路を有しない通常セパレータとを具備する燃料電池において、
冷却セパレータの活物質流体流路の流路特性は、
単位時間当たりの排水能力において、冷却セパレータの活物質流体流路が通常セパレータの活物質流体流路よりも高くなるように、通常セパレータの活物質流体流路の流路特性に対して異なるように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
冷却セパレータは、燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路と、冷媒が流れる冷媒流路とを有する。通常セパレータは、燃料流体または酸化剤流体が流れる活物質流体流路を有するものの、冷媒流路を有せず、冷却セパレータよりも冷却能が小さい。冷却セパレータの冷媒流路には冷媒が流れるため、膜電極接合体を冷却し、燃料電池を冷却する。冷媒としては冷却水等の冷却液、空気等の冷却気体が例示される。
【００１１】
ここで、冷却セパレータでは冷媒流路が設けられているため、冷却能が高い。このため冷却セパレータに形成されている燃料流体または酸化剤流体の活物質流体流路においては、そこを流れる流体の温度は低くなり易い。このため冷却セパレータの活物質流体流路では、通常セパレータの活物質流体流路よりも、燃料流体または酸化剤流体に含まれている水蒸気が液相の水になり易く、水が滞留し、フラッディングが発生するおそれが高い。
【００１２】
これに対して通常セパレータは冷媒流路を有しない。このため通常セパレータに形成されている活物質流体流路においては、そこを流れる燃料流体または酸化剤流体の温度は低くなりにくい。このため通常セパレータの活物質流体流路では、冷却セパレータの活物質流体流路よりも、燃料流体または酸化剤流体に含まれる水蒸気が液相の水になりにくく、水が滞留するおそれが低い。
【００１３】
上記した事情を考慮すると、活物質流体流路における水の滞留を抑制し、フラッディングを抑制するためには、単位時間当たりの排水能力において、冷却セパレータの活物質流体流路が通常セパレータの活物質流体流路よりも高く設定されていることが好ましい。
【００１４】
従って本様相によれば、単位時間当たりの排水能力において、冷却セパレータの活物質流体流路を通常セパレータの活物質流体流路よりも高くなるように、冷却セパレータの活物質流体流路の流路特性は、通常セパレータの活物質流体流路の流路特性に対して異なるように設定されている。以下、排水能力は単位時間あたりの排水能力を意味する。
【００１５】
（２）様相２に係る燃料電池によれば、上記様相において、流路特性は活物質流体流路の壁面における親水性であり、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面における親水性は、通常セパレータの活物質流体流路の壁面における親水性よりも大きく設定されていることを特徴とする。活物質流体流路の壁面における親水性が大きいと、親水性が小さい場合に比較して、当該壁面と水との界面張力が小さくなるため、水の流動性が向上し、水が相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなる。このため本様相によれば、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面における親水性が相対的に高いため、冷却セパレータの活物質流体流路における排水能力は高くなり、フラッディングが抑制される。
【００１６】
親水性を発現させるためには、親水物質を活物質流体流路の壁面に設けたり、親水官能基を付与する親水処理を実施できる。親水処理としては、親水性官能基を化学的な方法または物理的な方法で、壁面に付与する方法が挙げられ、例えば、フッ素ガス処理、低温プラズマ処理、過酸化化水素水処理が例示される。
【００１７】
上記した親水物質としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、タングステン酸化物（ＷＯ３）、吸水性樹脂が例示される。吸水性樹脂としてはポリアクリル酸塩、でんぷん・アクリル酸共重合体が例示される。親水官能基としては、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等が例示される。
【００１８】
低温プラズマ処理によれば、大気中において高周波の電界を加えることにより大気を電離させて放電プラズマ雰囲気を形成する。放電プラズマ雰囲気にセパレータを晒せば、プラズマ化したガスの粒子がセパレータの表面に衝突し、セパレータ表面の高分子結合が分解され、その後、セパレータの表面に親水性官能基が付与される。
【００１９】
更に、蒸着法、スパッタリングなどの成膜方法により、親水物質を壁面に付与させる処理も好ましい。あるいは、粒子の集合体を樹脂バインダで固結させてセパレータが形成される場合には、壁面における樹脂の露出量の増減で、親水性の差を付ける方法が挙げられる。
【００２０】
（３）様相３に係る燃料電池によれば、上記様相において、流路特性は活物質流体流路の流路断面積であり、冷却セパレータの活物質流体流路の流路断面積は、通常セパレータの活物質流体流路の流路断面積よりも大きく設定されていることを特徴とする。活物質流体流路の流路断面積が大きいと、流路断面積が小さい場合に比較して、当該活物質流体流路の壁面において水は相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなったり、ガスにおける相対湿度が低下し易くなったりする。このため本様相によれば、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面における親水性が相対的に高いため、冷却セパレータの活物質流体流路における単位時間当たりの排水能力が高くなったり、相対湿度が低下したりし、結果として水の滞留が抑制され、フラッディングが抑制される。ここで、通常セパレータの活物質流体流路の流路断面積を１００と相対表示するとき、冷却セパレータの活物質流体流路の流路断面積は、１０２〜１２０、または、１０３〜１１０が例示される。
【００２１】
（４）様相４に係る燃料電池によれば、上記様相において、流路特性は活物質流体流路の壁面の表面粗さであり、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面の表面粗さは、通常セパレータの活物質流体流路の壁面の表面粗さよりも小さく設定されていることを特徴とする。活物質流体流路の壁面の表面粗さが小さいと、表面粗さが大きい場合に比較して、当該活物質流体流路の壁面において水は相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなる。このため本様相によれば、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面における表面粗さが小さいため、冷却セパレータの活物質流体流路における排水能力が高くなり、結果として水の滞留が抑制され、フラッディングが抑制される。
【００２２】
（５）様相５に係る燃料電池によれば、上記様相において、流路特性は活物質流体流路の壁面の表面粗さおよび親水性であり、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面の表面粗さは、通常セパレータの活物質流体流路の壁面の表面粗さよりも大きく設定されていることを特徴とする。親水性処理が施されているとき、表面粗さが大きい方が親水性官能基の量が増加し、親水性を高めることができる。このため本様相によれば、冷却セパレータの活物質流体流路の壁面における排水能力が高くなり、結果として水の滞留が抑制され、フラッディングが抑制される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る燃料電池によれば、高い冷却能をもつセパレータと、冷却能をもたないか冷却能が低い通常セパレータとが併用されているときであっても、フラッディングが抑制され、発電が安定し、高い発電出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施形態１）
図１は燃料電池スタックを示す。図１に示すように、燃料電池スタックは、複数の膜電極接合体４を有するセルが直列に電気接続されるように積層された積層体１と、積層体１を積層方向に挟持する＋極側の集電部材２および−極側の集電部材３を備えている。＋極側の集電部材２から−極側の集電部材３に向かうにつれて、膜電極接合体４には１番（奇数セル）、２番（偶数セル）、３番（奇数セル）、４番（偶数セル）……と順番に番号が付されている。
【００２５】
図２は燃料電池スタックの要部を示す。図２に示すように、燃料電池スタックは、膜電極接合体４と、板状をなす冷却セパレータ５と、板状をなす通常セパレータ８とを備えている。膜電極接合体４は、イオン伝導性をもつ固体高分子型のイオン伝導膜４０（プロトン伝導膜，例えばナフィオン膜）と、イオン伝導膜４０を燃料極４１および酸化剤極４５とで挟持して形成されている。膜電極接合体４、冷却セパレータ５および通常セパレータ８は、それぞれ縦方向（重力方向）に沿って配置されている。
【００２６】
図２に示すように、燃料極４１は、カーボン繊維の集積体で形成された燃料用ガス拡散層４２と、燃料用ガス拡散層４２に積層された燃料用触媒層４３とを備えている。酸化剤極４５は、カーボン繊維の集積体で形成された酸化剤用ガス拡散層４６と、酸化剤用ガス拡散層４６に積層された酸化剤用触媒層４７とを備えている。燃料用触媒層４３および酸化剤用触媒層４７は、イオン伝導膜４０に対面する。
【００２７】
なお、燃料用触媒層４３および酸化剤用触媒層４７はイオン伝導膜４０側に積層されていて良い。冷却セパレータ５および通常セパレータ８は導電性を有するものであれば、カーボン系でも、金属（ステンレス鋼等の合金）でも、樹脂系でも良い。例えば、カーボン粒子と樹脂バインダとを含む材料を成形手段（圧縮成型、射出成形など）で成形して形成できる。
【００２８】
本実施形態によれば、図２に示すように、１枚の膜電極接合体４、１枚の冷却セパレータ５、１枚の通常セパレータ８は、それぞれ鉛直方向に沿って配置されている。そして、膜電極接合体４、冷却セパレータ５、通常セパレータ８は水平方向（矢印ＨＡ方向）に沿って積層されている。
【００２９】
冷却セパレータ５は２種のセパレータ、即ち、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２を備えている。第１冷却セパレータ５１は、酸化剤流体が流れると共に酸化剤用ガス拡散層４６に対面する溝状をなす酸化剤流路６と、冷媒としての冷却液が流れる溝状をなす冷却液流路９（冷媒流路）とを表裏の関係で有する。第２冷却セパレータ５２は、燃料流体が流れると共に燃料用ガス拡散層４２に対面する溝状をなす燃料流路７と、冷却液が流れる溝状をなす冷却液流路９（冷媒流路）とを表裏の関係で有する。なお、冷却液としては、純度が高い水が採用されているが、空気等の冷却気体でも良いが、一般的には、冷却能およびコストなどを考慮して冷却水が採用される。
【００３０】
図２に示すように、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２は、冷却液が流れる冷却液流路９を有するため、高い冷却能をもつ。これに対して通常セパレータ８は、燃料流体が流れる溝状をなす燃料流路７と、酸化剤流体が流れる溝状をなす酸化剤流路６とを表裏の関係で有する。しかし通常セパレータ８は、冷却液が流れる冷却液流路９を有していないため、基本的には冷却能を有していない。
【００３１】
ここで、膜電極接合体４と、膜電極接合体４の酸化剤極４５に酸化剤ガスを供給する酸化剤流路６と、膜電極接合体４の燃料極４１に燃料ガスを供給する燃料流路７とを１セルとする。図２に示すように、単位モジュールＡが採用されている。この単位モジュールＡでは、第１セル（奇数番セル）および第２セル（偶数番セル）が装備されている。このような単位モジュールＡを厚み方向に積層させて組み付けることにより、燃料電池スタックが形成されている。なお燃料電池スタックの要求出力に応じて単位モジュールＡの積層数が設定される。
【００３２】
発電運転時には、各セパレータ５２，８に形成されている燃料流路７には、燃料流体としての燃料ガス（例えば水素ガス、水素含有ガス等）が流れる。各セパレータ５１，８に形成されている酸化剤流路６には、酸化剤流体としての酸化剤ガス（例えば酸素ガス、酸素含有ガス、空気等）が流れる。これにより膜電極接合体４において発電反応が発生し、電気エネルギが発生する。発電反応に基づいて水が生成される。水は主として酸化剤極４５において生成する。故に運転条件によっては、酸化剤極４５においてフラッディングが発生するおそれがある。更に、水は酸化剤極４５から燃料極４１に浸透することがある。また、加湿した燃料ガスを燃料極４１に供給することがある。従って燃料極４１においてもフラッディングが発生するおそれがある。
【００３３】
発電運転時には、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２の冷却液流路９には冷却液が供給される。このため、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２が冷却される。ひいては燃料電池スタックが冷却される。従ってイオン伝導膜４０の過熱が抑えられ、イオン伝導膜４０の耐久性が向上する。
【００３４】
さて本実施例によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路特性は、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路特性に対して異なるように設定されている。同様に、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の流路特性は、通常セパレータ８の燃料流路７の流路特性に対して異なるように設定されている。
【００３５】
即ち、排水能力において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６は、通常セパレータ８の酸化剤流路６よりも高くなるように設定されている。更に、排水能力において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７は、通常セパレータ８の燃料流路７よりも高くなるように設定されている。
【００３６】
このため冷却能をもつ第１冷却セパレータ５１に形成されている酸化剤流路６、冷却能をもつ第２冷却セパレータ５２に形成されている燃料流路７においては、そこを流れるガスの温度は、冷却能を積極的にもたない通常セパレータ８に比較して、低くなり易い。このため条件が基本的に同じであれば、積極的な冷却能をもつ第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６では、冷却能を積極的にもたない通常セパレータ８の酸化剤流路６よりも、酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮して液相の水になり易いことになる。故に、積極的な冷却能をもつ第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６では、積極的な冷却能をもたない通常セパレータ８の酸化剤流路６に比較して、フラッディングが発生するおそれがある。
【００３７】
また冷却能をもつ第２冷却セパレータ５２に形成されている燃料流路７においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、冷却能をもたない通常セパレータ８の燃料流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して液相の水になり易い。故に、冷却能がもつ第２冷却セパレータ５２の燃料流路７では、フラッディングが発生するおそれがある。
【００３８】
これに対して通常セパレータ８では、冷却液流路９が設けられていないため、第１冷却セパレータ５１、第２冷却セパレータ５２よりも冷却能が小さい。このため通常セパレータ８に形成されている酸化剤流路６および燃料流路７においては、そこを流れる酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度は、低くなりにくいため、凝縮水の生成が抑えられる。従って、酸化剤ガスおよび燃料ガスに含まれている水蒸気が液相の水ではなく、水蒸気として存在し易い。結果として凝縮水が生成されにくく、フラッディングが発生しにくいといえる。
【００３９】
上記した事情を考慮すると、燃料電池スタックにおけるフラッディングを抑制するため、本実施形態によれば、次の方策が採用されている。即ち、排水能力において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６が、通常セパレータ８の酸化剤流路６よりも高く設定されている。これにより第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、排水能力が高くなるため、フラッディングが発生しにくくなる。
【００４０】
更に、排水能力において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７が、通常セパレータ８の燃料流路７よりも高く設定されている。これにより第２冷却セパレータ５２の燃料流路７においてフラッディングが発生しにくくなる。
【００４１】
上記したように本実施形態によれば、フラッディングが発生しにくくなる。このため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過性が良好に確保され、発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
【００４２】
（実施形態２）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態は、酸化剤ガスが加湿されているため、酸化剤流路６においてフラッディングが発生し易い場合に対処する。従って、単位時間当たりの排水能力において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６は、通常セパレータ８の酸化剤流路６よりも高く設定されている。これにより冷却能が高い第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、凝縮水が生成されたとしても、排水能力が高くなるため、フラッディングが発生しにくくなる。この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
【００４３】
但し、単位時間当たりの排水能力において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７と、通常セパレータ８の燃料流路７とは、同じ程度とされている。その理由としては、燃料流路７ではフラッディングが少ないため、コスト低廉化等のためである。
【００４４】
（実施形態３）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態は、燃料ガスが加湿されているため、燃料流路７においてフラッディングが発生し易い場合に対処する。従って排水能力において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７は、通常セパレータ８の燃料流路７よりも高く設定されている。これにより第２冷却セパレータ５２の燃料流路７において、排水能力が高くなるため、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが発生しにくくなる。故に、燃料電池スタックを構成する各セルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
【００４５】
但し、単位時間当たりの排水能力において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６と、通常セパレータ８の酸化剤流路６とは同じ程度とされている。
【００４６】
（実施形態４）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の壁面における親水性である。ここで、活物質流体流路の壁面における親水性が大きいと、親水性が小さい場合に比較して、水は相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなる。
【００４７】
親水性において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面は、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面よりも、大きく設定されている。更に、親水性において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面は、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面よりも大きく設定されている。このため本実施形態によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、排水能力は高くなり、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。
【００４８】
また親水性においては、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面は相対的に高いため、排水能力は高くなり、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。このようにフラッディングが抑制されるため、燃料電池スタックの発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力が高くなる。
【００４９】
ここで、一般的には親水性は水の接触角で示される。接触角が小さい程、親水性が高い。接触角が大きい程、疎水性が高い。従って、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面における水の接触角をθ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面における水の接触角をθ２とすると、θ１はθ２よりもΔθａ小さく設定されている。ここで、θ１は３０〜９０度、θ２は４０〜１２０度が例示される。Δθａは２〜３０度、３〜２０度が例示される。
【００５０】
また第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面における水の接触角をθ１０とし、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面における水の接触角をθ２０とすると、θ１０はθ２０よりもΔθｃ小さく設定されている。θ１０は３０〜９０度、θ２０は４０〜１２０度が例示される。Δθｃとしては３〜３０度、６〜２０度が例示される。
【００５１】
上記した親水性を施す処理としては、親水物質を活物質流体流路（酸化剤流路６および燃料流路７）の壁面に設けたり、親水官能基を付与したりできる。親水物質としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、タングステン酸化物（ＷＯ３）、吸水性樹脂が例示される。吸水性樹脂としてはポリアクリル酸塩、でんぷん・アクリル酸共重合体が例示される。親水官能基としては、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等が例示される。また、親水性を施す処理としては、大気中でコロナ放電を活物質流体流路の壁面において発生させ、これにより生成される官能基を付与する改質処理を実施することにしても良い。親水性を施す処理としては、活物質流体流路の壁面にレーザビームを照射し、官能基を付与する改質処理を実施することにしても良い。
【００５２】
（実施形態５）
本実施形態は前記した実施形態４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態は、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６においてフラッディングが発生し易い場合に対処する。従って、親水性において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面は、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面よりも、大きく設定されている。従って、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。但し、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７については親水化処理されていない。従って、親水性において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面と、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面とは同じ程度とされている。親水性処理によるコスト増加を避ける等のためである。
【００５３】
（実施形態６）
本実施形態は前記した実施形態４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。前述したように発電反応により水が生成するのは、酸化剤極４５である。水は酸化剤極４５から燃料極４１に浸透することがある。また、加湿された燃料ガスを燃料極４１に供給することがある。従って前述したように燃料極４１においてもフラッディングすることがある。この場合、加湿された燃料ガスは、燃料流路を上流から下流に進むにつれて活物質である水素が次第に消費されるため、燃料ガスに含まれている水分の含有率が次第に増加し、凝縮し易くなる。
【００５４】
従って本実施形態は、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７において、フラッディングが発生し易い場合に対処する。よって、親水性において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面は、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面よりも大きく設定されている。但し、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面における親水性と、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面における親水性とは同程度とされている。親水性処理によるコスト増加を避ける等のためである。
【００５５】
（実施形態７）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の流路断面積である。ここで、条件が基本的に同じであれば、一般的には、活物質流体流路の流路断面積が大きい場合には、流路断面積が小さい場合に比較して、当該活物質流体流路の壁面において水は相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなる。また、単位長さあたりの流路体積が高くなるため、ガスの相対湿度が低下し易くなり、凝縮水が生成しにくくなる。
【００５６】
このため本実施形態によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ２とすると、Ｓｏ１はＳｏ２よりも相対的に大きく設定されている（Ｓｏ１＞Ｓｏ２）。具体的には第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路深さをｈｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路深さをｈｏ２とするとき、ｈｏ１はｈｏ２よりも相対的に大きい（ｈｏ１＞ｈｏ２）。
【００５７】
この結果、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、排水能力が高くなり、更にガスの相対湿度が低下し、結果としてフラッディングが抑制される。なお、Ｓｏ１、Ｓｏ２としては、燃料電池スタックの種類などに応じて適宜設定されるが、Ｓｏ２を１００％と相対表示すると、Ｓｏ１は１０２〜１２０％、または、１０３〜１０６％にできる。
【００５８】
更に本実施形態によれば、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の流路断面積をＳｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の流路断面積をＳｆ２とすると、Ｓｆ１はＳｆ２よりも相対的に大きい（Ｓｆ１＞Ｓｆ２）。具体的には第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の流路深さをｈｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の流路深さをｈｆ２とすると、ｈｆ１はｈｆ２よりも相対的に大きい（ｈｆ１＞ｈｆ２）。
【００５９】
このため、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７においても、排水能力が高くなり、更に燃料ガスの相対湿度が低下し、結果としてフラッディングが抑制される。なお、Ｓｆ１、Ｓｆ２としては、燃料電池スタックの種類などに応じて適宜設定されるが、Ｓｆ２を１００％と相対表示すると、Ｓｆ１は１０２〜１２０％、または、１０３〜１０６％にできる。
【００６０】
（実施形態８）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の流路断面積である。従って、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ２とするとき、Ｓｏ１はＳｏ２よりも相対的に大きい（Ｓｏ１＞Ｓｏ２）。具体的には第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路深さをｈｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路深さをｈｏ２とするとき、ｈｏ１はｈｏ２よりも相対的に大きい（ｈｏ１＞ｈｏ２）。
【００６１】
このため、凝縮水を生成させ易い第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、排水能力が高くなり、更に酸化剤ガスの相対湿度が低下し、結果としてフラッディングが抑制される。なお、Ｓｏ２を１００％と相対表示すると、Ｓｏ１は１０２〜１２０％、または、１０３〜１０６％にできる。
【００６２】
なお、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の流路断面積をＳｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の流路断面積をＳｆ２とするときは、Ｓｆ１およびＳｆ２は基本的には同じ程度とされている。製造コストの低廉化等のためである。
【００６３】
（実施形態９）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の流路断面積である。従って、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の流路断面積をＳｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の流路断面積をＳｆ２とするとき、Ｓｆ１はＳｆ２よりも相対的に大きく設定されている（Ｓｆ１＞Ｓｆ２）。具体的には流路の深さを調整している。
【００６４】
本実施形態によれば、凝縮水を生成させ易い第２冷却セパレータ５２の燃料流路７において、排水能力が高くなり、更に燃料ガスの相対湿度が低下し、結果としてフラッディングが抑制される。なおＳｆ１、Ｓｆ２としては燃料電池スタックの種類等に応じて適宜設定されるが、Ｓｆ２を１００％と相対表示すると、Ｓｆ１は１０２〜１２０％、または、１０３〜１０６％にできる。なお、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の流路断面積をＳｏ２とするときは、Ｓｏ１およびＳｏ２は基本的には同じ程度とされている。製造コストの低廉化等のためである。
【００６５】
（実施形態１０）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の壁面の表面粗さである。ここで、壁面の表面粗さが小さいと、表面粗さが大きい場合に比較して、当該壁面において水は相対的に流れ易くなり、排水能力が高くなる。更に、壁面を流れる燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス通過抵抗が低減され、単位時間あたりの流量が増加し、発電出力を高めることができる。
【００６６】
本実施形態によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面の表面粗さをＲｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面の表面粗さをＲｏ２とするとは、Ｒｏ１はＲｏ２よりも小さく設定されている（Ｒｏ１＜Ｒｏ２）。この結果、冷却セパレータの酸化剤流路６において、水が流れ易くなり、排水能力が高くなり、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。
【００６７】
ここで、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に規定された算術平均粗さで表面粗さが表示されるとき、Ｒｆ１／Ｒｆ２としては、０．２〜０．９、または、０．３〜０．８が例示される。
【００６８】
更に第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面の表面粗さをＲｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面の表面粗さをＲｆ２とするとき、Ｒｆ１はＲｆ２よりも小さく設定されている（Ｒｆ１＜Ｒｆ２）。このため、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７において、水が流れ易くなり、排水能力が高くなり、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。なお、Ｒｆ１／Ｒｆ２としては０．２〜０．９、または、０．３〜０．８が例示される。表面粗さを変化させるにあたりブラスト処理が採用される。ブラスト処理では、ショツトや砂等の投射剤のサイズまたは種類を変更したり、投射剤の投射時間を変更したりする。
【００６９】
（実施形態１１）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１及び図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の壁面の表面粗さおよび親水性である。第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面の表面粗さ（親水処理前）をＲｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面の表面粗さ（親水処理前）をＲｏ２とすると、Ｒｏ１はＲｏ２よりも大きく設定されている（Ｒｏ１＞Ｒｏ２）。
【００７０】
更に、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面には、親水性処理が施され、親水官能基が付与されている。ここで親水性処理が施される場合には、表面粗さおよび親水性の双方を考慮した場合には、表面粗さが大きい方が、表面に表出する親水性官能基の量が増加するため、親水性が高まる。このため本実施形態によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面において、表面粗さが大きく、付与される親水性官能基の量が増加するため、親水性が向上し、排水能力が相対的に高くなり、結果として、凝縮水が生成されたとしても、フラッディングが抑制される。
【００７１】
また、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｆ２とするとは、Ｒｆ１はＲｆ２よりも大きく設定されている（Ｒｆ１＞Ｒｆ２）。更に、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面には前述した親水性処理が施され、親水官能基が付与されている。前述したように、表面粗さおよび親水性の双方を考慮した場合には、表面粗さが大きい方が、表面に表出する親水性官能基の量が増加し、親水性が高まる。このため本実施形態によれば、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面において、親水性が高くなり、排水能力が相対的に高くなり、結果として、凝縮水が生成されるときであっても、フラッディングが抑制される。
【００７２】
（実施形態１２）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１及び図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の壁面の表面粗さおよび親水性である。第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｏ２とすると、Ｒｏ１はＲｏ２よりも大きく設定されている（Ｒｏ１＞Ｒｏ２）。更に、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面には前述した親水性処理が施され、親水官能基が付与されている。ここで、表面粗さが大きい方が、表面に表出する親水性官能基の量が増加し、親水性が高まる。このため本実施形態によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面において、親水性が高くなり、排水能力が相対的に高くなり、結果として、凝縮水が生成されるときであっても、フラッディングが抑制される。なお、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面の表面粗さをＲｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面の表面粗さをＲｆ２とすると、Ｒｆ１とＲｆ２とは同じ程度とされている。
【００７３】
（実施形態１３）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１及び図２を準用する。変化させる流路特性は、活物質流体流路の壁面の表面粗さおよび親水性である。第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｆ１とし、通常セパレータ８の燃料流路７の壁面の表面粗さ（親水性処理前）をＲｆ２とするとき、Ｒｆ１はＲｆ２よりも大きく設定されている（Ｒｆ１＞Ｒｆ２）。更に、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面には親水性処理が施され、親水官能基が付与されている。ここで前述したように、表面粗さが大きい方が、表面に表出する親水性官能基の量が増加し、親水性が高まる。このため本実施形態によれば、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面は、表面粗さが大きく、親水性官能基の量が増加するため、排水能力が相対的に高くなり、結果として、凝縮水が生成されるときであっても、フラッディングが抑制される。但し、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面の表面粗さをＲｏ１とし、通常セパレータ８の酸化剤流路６の壁面の表面粗さをＲｏ２とすると、Ｒｏ１とＲｏ２とは同じ程度とされている。
【００７４】
（実施形態１４）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６についてみると、親水性において、酸化剤ガスが流れる上流と下流とで変化されており、即ち、下流の親水性は上流の親水性よりも高く設定されている。ここで、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６においては、上流の水は酸化剤ガスと共に下流へと持ち運ばれるため、下流では上流よりもフラッディングが発生し易いため、フラッディングに対処するためである。
【００７５】
更にまた、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７についてみると、親水性において、燃料ガスが流れる上流と下流とで変化されており、即ち、下流の親水性は上流の親水性よりも高く設定されている。ここで、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７においては、上流の水は燃料ガスと共に下流へと持ち運ばれるため、下流では上流よりもフラッディングが発生し易いため、フラッディングに対処するためである。
【００７６】
（実施形態１５）
図３は実施形態１５に係る第１冷却セパレータ５１を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、燃料電池スタックの図は図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３に示すように、第１冷却セパレータ５１は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路６と、酸化剤ガスを酸化剤流路６の上流に供給する入口６０ｉと、酸化剤流路６の下流の酸化剤ガスを排出する出口６０ｐとを備えている。
【００７７】
酸化剤流路６は、突起状の仕切壁６ｓにより上流流路６ｕ，下流流路６ｄに分割されている。上流流路６ｕ，下流流路６ｄには、複数の突起６ｋが鉛直方向に延設されて形成されており、鉛直方向に延びる流路溝を形成している。ここで、入口６０ｉおよび出口６０ｐは厚み方向に貫通するマニホルド孔状とされており、第１冷却セパレータ５１の下部に隣設されている。中間口６０ｍは厚み方向に貫通するマニホルド孔状とされており、第１冷却セパレータ５１の上部に隣設されている。酸化剤ガスは入口６０ｉから矢印Ｂ１方向に酸化剤流路６の上流流路６ｕを上昇し、矢印Ｂ２方向に流れて中間口６０ｍに至り、中間口６０ｍから矢印Ｂ３方向に流れ、酸化剤流路６の下流流路６ｄの上部に流入し、下流流路６ｄを下降し、矢印Ｂ４方向に流れ、出口６０ｐに至る。
【００７８】
本実施形態は、酸化剤流路６においてフラッディングが発生し易い場合（下流流路６ｄ）に対処する。従って、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６では、酸化剤ガスが流れる上流流路６ｕ、下流流路６ｄについては親水化処理されて排水能が高くされている。従って、親水性において、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６は、通常セパレータ８の酸化剤流路６よりも高く設定されている。
【００７９】
これにより冷却能が高い第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６において、特に下流流路６ｄにおいて、排水能力が高くなるため、凝縮水がかなり生成されたとしても、フラッディングが発生しにくくなる。この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
【００８０】
なお第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の上流流路６ｕについては、フラッディングが発生しにくい場合には、親水化処理されていなくてもよい。この場合、親水化処理は、上流流路６ｕではなく、下流流路６ｄについて施されている。更に本実施形態においても、必要に応じて、第２冷却セパレータ５１の燃料流路７のうち少なくとも下流に親水化処理を実施しても良い。
【００８１】
（実施形態１６）
図４は実施形態１６に係る第２冷却セパレータ５２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、燃料電池スタックの図は図１および図２を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、第２冷却セパレータ５２は、燃料ガスが流れる蛇行溝を形成する蛇行状をなす突起７ｋを有する燃料流路７と、燃料ガスを燃料流路７の上流流路７ｕに供給する入口７０ｉと、燃料流路７の下流７ｄの燃料ガスを排出する出口７０ｐとを備えている。
【００８２】
本実施形態は、燃料ガスが加湿されている等のため、燃料流路７においてフラッディングが発生し易い場合に対処する。従って、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７では、燃料ガスが流れる上流流路７ｕおよび下流流路７ｄについては、親水化処理されて排水能が高くされている。従って、親水性において、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７は、通常セパレータ８の燃料流路７よりも高く設定されている。これにより冷却能が高い第２冷却セパレータ５２の燃料流路７において、凝縮水がかなり生成されたとしても、排水能力が高くなるため、フラッディングが発生しにくくなる。この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
【００８３】
なお第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の上流流路７ｕについても、フラッディングが発生しにくい場合には、親水化処理されていなくてもよい。この場合、親水化処理は、上流である流路７ｕではなく、下流流路７ｄについて施されている。本実施例においても、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６のうち少なくとも下流に親水化処理を実施しても良い。
【実施例１】
【００８４】
以下、本発明の実施例１を説明する。本実施例１は図１および図２を準用する。本実施例によれば、図２に示すように、膜電極接合体４は、イオン伝導性をもつ固体高分子型のイオン伝導膜４０（プロトン伝導膜，ナフィオン，厚み：４５マイクロメートル）と、イオン伝導膜４０を燃料極４１および酸化剤極４５とで挟持して形成されている。燃料極４１は、カーボン繊維の集積体（カーボンペーパ）で形成された燃料用ガス拡散層４２（厚み：３００マイクロメートル）と、燃料用ガス拡散層４２に積層され触媒（Ｐｔ−Ｒｕ）をカーボンブラックに担持した触媒担持カーボンおよびプロトン伝導体を基材とする燃料用触媒層４３（厚み：２０マイクロメートル）とを備えている。
【００８５】
酸化剤極４５は、カーボン繊維の集積体（カーボンペーパ）で形成された酸化剤用ガス拡散層４６（厚み：３００マイクロメートル）と、酸化剤用ガス拡散層４６に積層され触媒（Ｐｔ）をカーボンブラックに担持した触媒担持カーボンおよびプロトン伝導体を基材とする酸化剤用触媒層４７（厚み：２０マイクロメートル）とを備えている。酸化剤用触媒層４７においては、触媒担持量は約０．８ｍｇ／ｃｍ２とした。本実施例によれば、燃料用触媒層４３においては、触媒担持量は約０．４ｍｇ／ｃｍ２とした。第１冷却セパレータ５１、第２冷却セパレータ５２、通常セパレータ８は、粒径１０〜１００マイクロメートルのカーボン粒子と樹脂バインダ（例えばフェノール樹脂）とを含む粉末集合体を圧縮成形により固結して板状に形成されている。カーボン粒子と樹脂バインダとの混合比は質量比で８：２である。
【００８６】
本実施例によれば、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面は、親水化処理されている。接触角を測定したところ、親水化処理前では１１０〜１２０度であり、親水化処理後が５０度であった。但し、通常セパレータ８については親水化処理されていない。親水化処理としてはフッ素ガス処理法を採用した。フッ素ガス処理法では、Ｆ２と空気(Ｏ２)と水蒸気（Ｈ２Ｏ）との混合ガスの雰囲気中に、セパレータを所定温度で所定時間設置して実施した。これによりセパレータの表面に露出している樹脂成分、カーボンには、親水性官能基（水酸基、カルボキシル基等）が付与される。フッ素ガス処理法において、混合ガスにおけるＦ２濃度としては０．１〜１．０モル％の範囲とした。雰囲気温度としては室温〜５０℃で調整した。処理時間としては約１０分間とした。セル数を１６セルとし、燃料ガスとして水素ガス（１気圧，絶対圧）を用いた。酸化剤ガスとして空気（１気圧，絶対圧）を用いた。燃料ガスの加湿露点を６０℃とし、酸化剤ガスの加湿露点を６５℃とし、空気利用率を４０％とした。冷却液流路９に供給する冷却水について入口温度を６５℃とし、出口温度を７２℃とした。電流密度は０．２６Ａ／ｃｍ２とした。そして、燃料率を７０〜９０％の範囲において変化させて、各セルの平均セル電圧を測定した。
【００８７】
図５は測定結果を示す。特性線Ｗａ１は、実施例１に相当する場合の平均セル電圧を示す。実施例１では、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面を親水化処理していると共に、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面を親水化処理している。特性線Ｗｒ１は、比較例１に相当する場合の平均セル電圧を示す。比較例１は、実施例１と基本的には同一であり、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２が親水化処理されていない。
【００８８】
図５に示すように、実施例１（特性線Ｗａ１）によれば、比較例１（特性線Ｗｒ１）に比べて平均セル電圧が高く、燃料利用率が高く（９０％）なったとしても、平均セル電圧が高い。
【００８９】
特性線σａ１は実施例１に相当する場合の平均セル電圧の標準偏差を示す。特性線σｒ１は比較例１に相当する場合の平均セル電圧の標準偏差を示す。図５に示すように、実施例１（特性線σａ１）によれば、比較例１（特性線σｒ１）に比べて平均セル電圧の標準偏差が低く、発電電圧のバラツキが小さい。燃料利用率が高くなると、比較例１（特性線σｒ１）では、平均セル電圧の標準偏差が増加し、発電電圧のバラツキが大きくなる。これに対して、実施例１（特性線σａ１）によれば、燃料利用率が高くなったとしても、平均セル電圧の標準偏差が小さく、発電電圧のバラツキが小さい。このような結果から、実施例１に係る燃料電池スタックでは、発電安定性が高くなると共に、発電電圧が高くなることがわかる。
【実施例２】
【００９０】
以下、本発明の実施例２を説明する。本実施例では、実施例１と同様の燃料電池スタックを用い、発電条件を基本的には実施例１と同じとした。そして、空気利用率を３０〜５０％の範囲において変化させて、各セルの平均セル電圧を測定した。更に平均セル電圧の最大標準偏差を求めた。
【００９１】
図６は測定結果を示す。特性線Ｗａ２は、実施例２に相当する場合の平均セル電圧を示す。実施例２では、第１冷却セパレータ５１の酸化剤流路６の壁面を親水化処理していると共に、第２冷却セパレータ５２の燃料流路７の壁面を親水化処理している。特性線Ｗｒ２は、比較例１に相当する場合の平均セル電圧を示す。比較例２は、実施例２とは基本的に同一であるが、第１冷却セパレータ５１および第２冷却セパレータ５２が親水化処理されていない。図６に示すように、実施例２（特性線Ｗａ２）によれば、比較例２（特性線Ｗｒ２）に比べて平均セル電圧が高く、燃料利用率が高くなったとしても、平均セル電圧が高い。
【００９２】
特性線σａ２は実施例２に相当する場合の平均セル電圧の標準偏差を示す。特性線σｒ１は比較例２に相当する場合の平均セル電圧の標準偏差を示す。図６に示すように、実施例２（特性線σａ２）によれば、比較例２（特性線σｒ２）に比べて平均セル電圧の標準偏差が低く、発電電圧のバラツキが小さい。空気利用率が高くなると、比較例２（特性線σｒ２）では、平均セル電圧の標準偏差が増加し、発電電圧のバラツキが大きくなる。これに対して、実施例２（特性線σａ２）によれば、空気利用率が高く（５０％）となったとしても、平均セル電圧の標準偏差が小さく、発電電圧のバラツキが小さい。このような結果から、実施例２に係る燃料電池スタックでは、発電安定性が高くなると共に、発電電圧が高くなることがわかる。
【００９３】
（その他）
排水能力において、冷却セパレータ５１，５２の活物質流体流路が通常セパレータ８の活物質流体流路よりも高くなるように設定するにあたり、親水性、流路断面積、表面粗さの３つのファクタを併用させることにしても良い。また、親水性、流路断面積、表面粗さのうち２つのファクタを併用させることにしても良い。
【００９４】
上記した実施形態によれば、図２に示すように、１枚の膜電極接合体４、１枚の冷却セパレータ５、１枚の通常セパレータ８は、それぞれ鉛直方向に沿って配置されている。そして、膜電極接合体４、冷却セパレータ５、通常セパレータ８は水平方向に沿って積層されている。しかしこれに限らず、１枚の膜電極接合体４、１枚の冷却セパレータ５、１枚の通常セパレータ８は、それぞれ水平方向に沿って配置されている形態としても良い。この場合、膜電極接合体４、冷却セパレータ５、通常セパレータ８は鉛直方向に沿って積層される。
【００９５】
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態、実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態またはある実施例に設けられている特有の構造および機能は、他の実施形態および他の実施例においても適用可能である。従って、一の実施形態の特徴を他の実施形態の特徴にも併用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。
【図２】燃料電池スタックの要部を模式的に示す断面図である。
【図３】第１冷却セパレータの酸化剤流路を示す正面図である。
【図４】第２冷却セパレータの燃料流路を示す正面図である。
【図５】試験結果を示し、燃料利用率を変化させたときにおける平均セル電圧およびその最大標準偏差を示すグラフである。
【図６】試験結果を示し、空気利用率を変化させたときにおける平均セル電圧およびその最大標準偏差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１は積層体、４は膜電極接合体、４０はイオン伝導膜、４１は燃料極、４２は燃料用ガス拡散層、４３は燃料用触媒層、４５は酸化剤極、４６は酸化剤用ガス拡散層、４７は酸化剤用触媒層、５は冷却セパレータ、５１は第１冷却セパレータ、５２は第２冷却セパレータ、６は酸化剤流路、７は燃料流路、８は通常セパレータ、９は冷媒流路を示す。
【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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