JP2005183066A - 燃料電池と燃料電池用ガスセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池におけるフラッディング回避とセパレータの強度確保の両立を図る。
【解決手段】 ＭＥＡ１２に当接設置するセパレータ２０は、その両面に流路を有する。ＭＥＡ１２の側の対向面では、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路４０とし、背面では、冷却水が流れるセル間冷却水流路４１ａと、冷却ガスが流れるセル間冷却ガス流路４１ｂとした。セパレータ２０は、セル間冷却ガス流路４１ｂの形成箇所に、多孔質部位５０を備える。多孔質部位５０は、耐腐食性・機械強度に優れる多孔質セラミック基材からなり、セル間冷却ガス流路４１ｂの側の第２多孔質部５０ｂを多孔質セラミックそのもののとする。単セル内酸化ガス流路４０の側は、多孔質セラミックに金・白金等の薄膜を形成した第１多孔質部５０ａとする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池とこれに用いるセパレータに関する。

燃料電池では、電解質膜のカソード・アノードで進行する電気化学反応に伴って、カソードで水が生成される。この生成水は、電気化学反応に伴う熱により気化し、カソード側での酸化ガスと共にガス流路を流れる。この気化した生成水は、ガス流路において凝縮することで、酸化ガスの流れを阻害するフラッディングを引き起こす。このフラッディングが起きると、カソードへの酸化ガス供給が滞るので、電気化学反応が円滑に進まなくなり、発電効率の低下を来す。こうした観点から、生成水を除去する技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータを黒鉛粉末にて成形した多孔質体（カーボン多孔質体）とすることで、生成水をこの多孔質のセパレータに侵入させ、生成水をこのセパレータを経て燃料電池の冷却水路に排出することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１−５０８７２６号公報

ところで、上記の生成水が水蒸気の状態によっては電解質膜を介してアノード側の燃料ガス流路に拡散することがある。また、電気化学反応の円滑進行を図る上で、アノードへの供給ガスである燃料ガス中に水蒸気を予め混入することが行われている。よって、上記したフラッディングの現象は、カソード側に限られるものではなく、アノード側でも多孔質セパレータによるフラッディング対策は有益である。

多孔質体を用いる燃料電池は、この他、下記の特許文献にも提案されている。

特開平９−２８３１５７号公報 特開昭６３−１２８５５８号公報 特開２００３−７３１７号公報

しかしながら、上記の特許文献１で提案された技術では、次のような問題点が指摘されるに至った。
燃料電池は、電解質膜・電極を接合させた単電池セルを積層させているので、単電池セルの積層数に応じて起電力がほぼ定まる。よって、所望する起電力を得るためには単電池セルの積層数が決まるが、例えば燃料電池の車両搭載等の場合には、その設置スペース上の寸法的な制約を受ける。なお、こうした制約は、車載に限らず、地上設置式の発電システムでの燃料電池にも存在する。

こうした制約のため、電解質膜・電極の接合体のみならず、上記したセパレータについても薄肉化が求められている。カーボン多孔質体のセパレータでは、電解質膜・電極の接合体に面する面が全面に亘って多孔質であるためにフラッディング回避には有効であるものの、薄肉化に伴って強度不足を招きやすいことから、その改善が求められるに至った。なお、電解質膜・電極の接合体に面する面が全面に亘って多孔質の金属多孔質体とすることもできるが、多孔質領域が広いことから、カーボン多孔質体のものとほぼ同様の問題があった。

ところで、特許文献２のセパレータは、ガスは通さずに水分を透過させる性質を有するが、水分がガス（水蒸気）の状況にある場合には、水分除去が十分とはならず、フラッディング回避の実効性が高いとは言えない。特許文献３は、電池セルの積層方向を横切る方向に有する耐食性金属層にてセル間のガス等の遮断を図るものの、多孔質カーボンのセパレータを用いている以上、上記した問題がある。また、特許文献４は、ステンレス製のセパレータを有するので、強度の点で優れる。しかし、当該セパレータに金属製多孔質体を重ねているに過ぎないので、セパレータの水分通過が起き得ず、上記したフラッディングについても対策とはならない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされ、燃料電池におけるフラッディング回避とセパレータの強度確保の両立を図ることを目的とする。

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池では、電解質膜・電極の接合体に当接設置するセパレータに、このセパレータが接合体と向かい合う側の対向面と、これに反する側の背面とのそれぞれに流路を形成した。そして、対向面では、電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスが流れる反応ガス流路とし、背面では、冷却媒体が流れる冷却流路とした。

このように流路を形成する一方、セパレータの一部領域については、反応ガス流路の側から冷却流路の側へと水分が通過するように多孔質とされた多孔質部位とする。よって、この多孔質部位以外のセパレータ部位を、緻密質とできる。

しかも、セパレータ一部領域の多孔質部位を、前記対向面の側に位置し前記接合体に当接する第１多孔質部と、前記背面側に位置する第２多孔質部とを備えるものとし、第１多孔質部については導電性を備え、第２多孔質部については多孔質部位以外のセパレータ部位に比して高い耐腐食性を備えるものとした。

こうした構成を有する本発明の燃料電池では、反応ガスに混入した水分は、反応ガス流路の側での多孔質部位への吸収により、反応ガス流路の側から冷却流路の側へと通過する。これにより、反応ガス中の水分を冷却流路側に排出できるので、反応ガス流路での水分凝縮によるフラッディングを回避できる。この場合、多孔質部位は、その第２多孔質部が上記した腐食防止機能を有するので、孔部が不用意に浸食されて広がることがない。よって、水分吸収、および水分排出を維持でき、継続してフラッディング回避を図ることができる。その一方、多孔質部位は、接合体と向かい合う側の対向面の第１多孔質部が導電性を有するので、セパレータがこの接合体と当接した際の集電機能を損なうことはない。

しかも、こうしたフラッディング回避に加え、多孔質部位はセパレータの少なくとも一部領域でしかないので、多孔質部位以外のセパレータ部位を緻密質とでき、セパレータの強度を確保できる。

上記した本発明の燃料電池は、種々の態様を採ることができ、例えば、第２多孔質部を多孔質セラミックとすれば、高い耐腐食性を備えるようにする点で簡便である。また、貴金属またはカーボンにて第１多孔質部に導電性を付与することも簡便である。

この他、多孔質部位を反応ガス流路における反応ガス流の下流側とすることができる。こうすれば、次の利点がある。

一般に、流路を水分混入ガスが流れる場合、ガスの流れの下流側ほど、ガスに混入した水分量は増加する。従って、多孔質部位を反応ガス流路における反応ガス流の下流側とすれば、水分量が多い流路下流の側で水分除去（排出）が進むので、フラッディング回避の上で有益である。

また、セパレータの冷却流路に、冷却手段により、冷却ガスを冷却媒体として供給するようにすれば、冷却流路を通過する冷却ガス中に水分を排出できる。よって、次の利点がある。

冷却流路に冷却媒体として水を流す場合には、反応ガス流路中の水分が冷却流路の水に流れ込む必要があるので、反応ガス流路の側と冷却流路の側とで差圧制御を必要とする。しかしながら、上記のように冷却流路中のガスに水分を流し込んで排出するのであれば、こうした差圧制御と当該制御のための機器が不要となるので、制御の簡略化、構成の簡略化を図ることができる。

このように冷却ガスを冷却流路に流す場合、冷却ガスとして、電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスを冷却流路に流し、当該流路を通過した反応ガスを、反応ガス流路に導くようにすることもできる。こうすれば、反応ガスが反応ガス流路に至る以前に、冷却流路において反応ガスを加湿できる。よって、反応ガスを予め加湿するための加湿機器が不要となる。或いは、冷却流路での加湿が足りないとしても、加湿機器に高い加湿能力を要しないので、機器の小型化を図ることができる。

以上説明した燃料電池としての形態の他、本発明は、燃料電池を形成するために電解質膜・電極の接合体に当接設置される燃料電池用セパレータにも、適用できる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．セパレータが備える多孔質部：
Ｃ．水分授受の動作：
Ｄ．効果：
Ｅ．変形例：

Ａ．装置の全体構成：
図１は本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する基本単位である単セル１０の構成を表わす分解斜視図、図２は単セル１０を構成するセパレータ２０の様子を表わす平面図、図３は単セル１０の内部構成を図２の３−３線に沿った断面として模式的に表わす断面図、図４は単セル１０の内部構成を図２の４−４線に沿った断面として模式的に表わす断面図である。

本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１に示すように、電解質膜・電極の接合体である膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を備える。このＭＥＡ１２は、図３および図４に示すように、ガス拡散層１３，１４で挟持され、単セル１０は、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３，１４をさらに両側からセパレータ２０、２２によって挟持することによって構成されている。

ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。

ガス拡散層１３，１４は、ガス拡散性と導電性を備える。例えば、これらガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。

セパレータ２０，２２は、ＭＥＡ１２と向かい合う側の対向面と、これに反する側の背面のそれぞれに流路を有する。つまり、上記ガス拡散層に挟持されたＭＥＡ１２の側には、電気化学反応に供される反応ガスの流路を備え、隣接する単セル１０を構成するセパレータの側には、冷却水或いは冷却ガス（本実施例では空気）が通過する冷却流路を備える。この冷却流路については、後述する。

セパレータ２０とセパレータ２２は、本実施例では、前者がカソード側、後者がアノード側であることから、セパレータ２０は、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間の流路を、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路４０とする。セパレータ２２は、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間の流路を、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路４２とする。

また、セパレータ２０は、隣接する単セル１０を構成するセパレータ２２との間の流路のうち、図３および図４における上部の流路を、冷却水が通過するセル間冷却水流路４１ａとし、下部の流路を、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路４１ｂとする。セパレータ２２についても同様であり、このセル間冷却水流路４１ａとセル間冷却ガス流路４１ｂは、隣り合うすべての単セル間に形成されている。この場合、複数のセル毎にこれら流路を形成するようにしても良い。

セパレータ２０，２２は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、ガスおよび水分が透過しない緻密質部位と、水分（液水あるいは水蒸気）の透過を許容する多孔質部位とから成る。この多孔質部位の配置については後述する。

図２（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２０をそれぞれの面から見た様子を表わす平面図である。図２（Ａ）は、図１に示すセパレータ２０において手前側に見えている面を表わす。図２中、Ａ方向は水平方向を表わし、Ｂ方向は鉛直方向を表わす。図２に示すように、セパレータ２０は、その外周近くに８個の孔を備えている。即ち、セパレータ２０の水平方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する３つの孔である孔部２６ｂ，２２ａ，２４ａが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部２４ｂ，２２ｂが設けられている。また、セパレータ２０の鉛直方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔である孔部２６ａ，２８ａが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、孔部２８ｂが設けられている。図１に示すように、上記８個の孔部と同様の孔部は、セパレータ２２の対応する位置にも設けられており、対応する位置に設けられた孔部は、スタック構造内で重なり合って、燃料電池の内部を単セル１０の積層方向に貫通する流体流路を形成する。

セパレータ２０，２２に形成された孔部２２ａは、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部２２ｂは、酸化ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、外部から酸化ガス（本実施例では空気）を供給されて、供給された酸化ガスを各単セル１０に分配するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された酸化ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。

孔部２４ａは燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部２４ｂは、燃料ガス排出マニホールドを形成する。燃料ガス供給マニホールドは、外部から燃料ガスを供給されて、供給された燃料ガスを各単セル１０に分配するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された燃料ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。

孔部２６ａは、冷却水供給マニホールドを形成し、孔部２６ｂは、冷却水排出マニホールドを形成する。冷却水供給マニホールドは、外部から冷却水を供給されて、供給された冷却水を各単セル１０間の冷却水流路に分配するための流路であり、冷却水排出マニホールドは、各単セル間の冷却水流路から排出された冷却水を集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。

孔部２８ａは、冷却ガス供給マニホールドを形成し、孔部２８ｂは、冷却ガス排出マニホールドを形成する。冷却ガス供給マニホールドは、外部から冷却ガスを供給されて、供給された冷却ガスを各単セル１０間の冷却ガス流路に分配するための流路であり、冷却ガス排出マニホールドは、各単セル間の冷却ガス流路から排出された冷却ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。

セパレータ２０の一方の面、即ちＭＥＡ１２と対向する面には、孔部２２ａと孔部２２ｂとを連絡する酸化ガス流路形成部３０が設けられている（図２（Ａ）参照）。酸化ガス流路形成部３０は、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路４０（図３参照）を形成する。酸化ガス供給マニホールドから各単セル１０に分配された酸化ガスは、上記単セル内酸化ガス流路４０を通過して、酸化ガス排出マニホールドに集合する。単セル内酸化ガス流路４０における酸化ガスの流れの方向を、図２（Ａ）において矢印で示している。酸化ガス流路形成部３０は、この酸化ガスの流れに沿って凹凸を繰り返した形状をしているので、単セル内酸化ガス流路４０は、図２（Ａ）に矢印で示すガスの流れを分流するような流路とされている。

また、セパレータ２０の他方の面（背面）には、孔部２６ａと孔部２６ｂとを連絡する冷却水流路形成部３２が設けられている（図２（Ｂ）参照）。セパレータ２０は、隣接する他の単セルが備えるセパレータ２２と接するように配設されるため、上記冷却水流路形成部３２は、上記隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却水流路４１ａ（図３、図４参照）を形成する。本実施例のセル間冷却水流路４１ａは、冷却水の流れが変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタイン流路である。なお、上記隣接するセパレータ２２には、セパレータ２０と接する面において、上記冷却水流路形成部３２と対応する形状の冷却水流路形成部３３が形成されており（図１参照）、この冷却水流路形成部３３は、隣り合うセパレータ２０に設けられた冷却水流路形成部３２と共に、上記セル間冷却水流路４１ａを形成する。冷却水供給マニホールドから各セル間冷却水流路４１ａに分配された冷却水は、上記セル間冷却水流路４１ａを通過して、冷却水排出マニホールドに集合する。つまり、冷却水は、冷却水流路形成部３２におけるセル間冷却水流路４１ａを、図２（Ｂ）に矢印で示すように流れる。

さらに、セパレータ２０の他方の面（背面）には、孔部２８ａと孔部２８ｂとを連絡する冷却ガス流路形成部３４が設けられている（図２（Ｂ）参照）。この冷却ガス流路形成部３４は、上記隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却ガス流路４１ｂ（図３、図４参照）を形成する。なお、セパレータ２２には、セパレータ２０と接する面において、上記冷却ガス流路形成部３４と対応する形状の冷却ガス流路形成部３５が形成されており（図１参照）、この冷却ガス流路形成部３５は、隣り合うセパレータ２０に設けられた冷却ガス流路形成部３４と共に、上記セル間冷却ガス流路４１ｂを形成する。冷却ガス供給マニホールドから各セル間冷却ガス流路４１ｂに分配された冷却ガスは、上記セル間冷却ガス流路４１ｂを通過して、冷却ガス排出マニホールドに集合する。つまり、冷却ガスは、冷却ガス流路形成部３４におけるセル間冷却ガス流路４１ｂを、図２（Ｂ）に矢印で示すように流れる。

なお、セパレータ２２において、冷却水流路形成部３３および冷却ガス流路形成部３５が設けられた面と反対の面には、孔部２４ａと孔部２４ｂとを連絡して、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内燃料ガス流路を形成するための燃料ガス流路形成部が設けられている（図示せず）。燃料ガス供給マニホールドから各単セル１０に分配された燃料ガスは、上記単セル内燃料ガス流路４２を通過して、燃料ガス排出マニホールドに集合する。

ここで、図１および図２では、酸化ガス流路形成部３０は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、所定の凹凸形状を設けて、凸部において隣り合う部材、即ちＭＥＡ１２のガス拡散層と接することで、導電性を確保する。設ける凹凸形状は、例えば、酸化ガス流路形成部３０について既述した略平行な複数の凹凸からなる溝状流路群としても良く、あるいは、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしても良い。また、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、平坦な底面をもつ凹部として形成し、この凹部内にガス拡散層をはめ込むことによって、ガス流路を形成することとしても良い。なお、冷却ガス流路形成部３４においても同様に、所定の凹凸形状を設けることとしても良い。

Ｂ．セパレータが備える多孔質部：
図２の３−３線断面を表す図３に示すように、セパレータ２０は、既述したセル間冷却ガス流路４１ｂの形成箇所を、多孔質部位５０とし、セル間冷却水流路４１ａの形成箇所を緻密質部位５２とする。多孔質部位５０は、単セル内酸化ガス流路４０の側の第１多孔質部５０ａと、セル間冷却ガス流路４１ｂの側の第２多孔質部５０ｂとを有する。この第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂは、共に、単セル内酸化ガス流路４０の側からセル間冷却ガス流路４１ｂの側へと水分が通過することを可能とする多孔質とされている。

本実施例では、第２多孔質部５０ｂを後述するセラミックから形成した多孔質セラミックとし、第１多孔質部５０ａについては、この第２多孔質部５０ｂの表面部分を、金、或いは白金等の貴金属の薄膜を形成して、当該皮膜範囲を第１多孔質部５０ａとした。つまり、多孔質部位５０は、基材として多孔質セラミックを採用してこれを第２多孔質部５０ｂとし、その表面部分を第１多孔質部５０ａとする。

基材である多孔質セラミック（第２多孔質部５０ｂ）は、衝撃強度や圧縮強度との機械的強度に優れ、耐酸性および耐腐食性に富むシリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸化物セラミックの他、窒化ケイ素（ＳｉＮ_３）等の非酸化物セラミックの多孔質体である。本実施例では、これらセラミックの粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定して焼結することにより、所望の気孔率にした多孔質セラミックの基材（第２多孔質部５０ｂ）を得る。つまり、この第２多孔質部５０ｂは、セル間冷却ガス流路４１ｂを有する多孔質セラミックとして形成される。このように、第２多孔質部５０ｂは、多孔質セラミックからなる基材（多孔質セラミック基材）であることから、単セル内酸化ガス流路４０の側からセル間冷却ガス流路４１ｂの側へと水分が通過することを可能とすると共に、この通過する水分および単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスに対して、高い耐腐食性を有することになる。

この場合、多孔質部位５０、即ち多孔質セラミック基材は、多孔質部位５０以外の領域（以下、セパレータ基部という）が後述するように金属製であることから、このセパレータ基部に比して、耐腐食性に勝ることになる。

第１多孔質部５０ａは、上記した多孔質セラミック基材である第２多孔質部５０ｂの表面部分に、金、或いは白金等の貴金属から形成された薄膜の形成領域とされる。例えば、形成済みの多孔質セラミック基材である第２多孔質部５０ｂの表面部分に、メラライズ法、化学気相析出法、蒸着法、スパッタリング等の適宜な薄膜形成手法を施し、金、或いは白金等の貴金属の薄膜を形成して、貴金属皮膜を有する多孔質セラミックの第１多孔質部５０ａとされる。こうした薄膜形成に際しては、多孔質セラミック基材（第２多孔質部５０ｂ）の孔を完全に閉塞しないようにすると共に、単セル内酸化ガス流路４０の側からセル間冷却ガス流路４１ｂの側への水分通過を許容するようにされる。

こうした孔形成の簡便な手法の一例としては、多孔質セラミック基材である第２多孔質部５０ｂの孔を、単セル内酸化ガス流路４０の側からセル間冷却ガス流路４１ｂの側への水分通過を許容する孔の大きさ（気孔率或いは気孔径）の範囲で比較的大きなものとし、上記した薄膜形成手法にて金、或いは白金等の貴金属の薄膜を、孔を塞がないようにすればよい。つまり、第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂで気孔率或いは気孔径に差を持たせ、第１多孔質部５０ａの側が、貴金属薄膜形成の分だけ、これらを小さくすればよい。なお、第１多孔質部５０ａとしては、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの導電性の金属多孔質体とすることもできるが、この点については、後述する。

セパレータ２０は、多孔質部位５０の第１多孔質部５０ａを、ＭＥＡ１２のガス拡散層１３に当接させる。第１多孔質部５０ａは上記した貴金属薄膜を有することから、導電性を有するので、セパレータ２０は、この多孔質部位５０の形成範囲においても、集電機能を損なうことがない。

セパレータ２０は、終電機能のための導電性を求められることから、プレス成形した金属板により形成される。そして、セパレータ２０は、セパレータ基部を、水分およびガスが不透過な緻密質なものとし、多孔質部位５０の上部を緻密質部位５２とする。この緻密質部位５２は、既述したセル間冷却水流路４１ａを有するよう、形成される。

セパレータ２０の製造に当たっては、金属板のプレス成形の際、多孔質部位５０の装着孔や孔部２４ａ等の孔部、単セル内酸化ガス流路４０、緻密質部位５２およびセル間冷却水流路４１ａをプレス成形で形成し、別途用意した上記構成の多孔質部位５０を装着孔に嵌め込み固定する。固定方法としては、しまりばめとなるよう圧入したり、接着等の適宜手法をとることができる。こうして完成したセパレータ２０において多孔質部位５０が占める領域は、図１および図２では、水分授受領域５３として、破線で囲んで示されている。

図３では、酸化ガス流路形成部３０において、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２と、セパレータ２０表面との間に、単セル内酸化ガス流路４０が形成される様子が示されている。また、図３では、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ａによって酸化ガス供給マニホールド４４が形成され、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ｂによって酸化ガス排出マニホールド４６が形成され、これらのマニホールドが単セル内酸化ガス流路４０と連通している様子が示されている。既述した水分授受領域５３は、単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスの下流側に当たり、当該ガスが排出される排出部、即ち、単セル内酸化ガス流路４０における酸化ガス排出マニホールド４６との接続部の近傍に対応する領域となっている。

セパレータ２２は、本実施例では、セパレータ２０と異なり多孔質部位５０を有しないが、ＭＥＡ１２と対向する側に単セル内燃料ガス流路４２を備え、その背面には、セル間冷却水流路４１ａ、セル間冷却ガス流路４１ｂを有する点でセパレータ２０と同じである。なお、セパレータ２０の多孔質部位５０と向かい合うよう、この多孔質部位５０と同じ多孔質部位をセパレータ２２に組み込むようにすることもできる。

図３では、セパレータ２０の酸化ガス流路形成部３０によって所定の空間である単セル内酸化ガス流路４０が形成され、セパレータ２２の燃料ガス流路形成部によって所定の空間である単セル内燃料ガス流路４２が形成される様子を示したが、既述したように、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、所定の形状の凸部、或いは凹凸により、図２（Ａ）に矢印で示すガスの流れを凸部で分流させる。図４は、図３に示す断面と平行な断面であって、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部において、ＭＥＡ１２上のガス拡散層と接する凸部が形成される断面の様子を表わす。なお、図３および図４に示すように、セパレータ２０のセパレータ基部では、冷却ガス流路形成部３４および冷却水流路形成部３２の周りにおいて、Ｏリングなどのシール部材３８が配設されており、セル間冷却ガス流路およびセル間冷却水流路をシールしている。

本実施例では、多孔質部位５０を、図３に示すように図中３筋のセル間冷却ガス流路４１ｂを形成するに足りるものとしたが、図中の最下段のセル間冷却水流路４１ａをセル間冷却ガス流路４１ｂとし、この流路も含むようにすることもできる。つまり、多孔質部位５０の大きさは、図示するものに限られず、種々変更できる。

Ｃ．水分授受の動作：
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。電気化学反応で生じた水は、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に下流に流れる。そのため、単セル内酸化ガス流路４０においては、下流側ほどガス中の水分量が多くなる。よって、本実施例の燃料電池は、この水分量が多いガスの流れの下流側にて、単セル内酸化ガス流路４０から多孔質部位５０に水分（液水および／または水蒸気）を取り込み、その水分を多孔質部位５０からセル間冷却ガス流路４１ｂを流れる冷却ガス中に排出する。

この場合、多孔質部位５０は、単セル内酸化ガス流路４０の側を第１多孔質部５０ａとしている。このため、多孔質部位５０は、まず、この第１多孔質部５０ａに単セル内酸化ガス流路４０から多孔質部位５０に水分を取り込み、この取り込んだ水分を第２多孔質部５０ｂに移動させてセル間冷却ガス流路４１ｂを流れる冷却ガス中に排出する。

ここで、単セル内酸化ガス流路４０内を通過する酸化ガス中の水分量が飽和蒸気圧を下回っているときには、単セル内酸化ガス流路４０から多孔質部位５０の第１多孔質部５０ａおよび第２多孔質部５０ｂを経てセル間冷却ガス流路４１ｂへと移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水の状態で多孔質部位５０に吸収され、セル間冷却ガス流路４１ｂで水が気化することによって、水分授受が行なわれる。

単セル内酸化ガス流路４０内の凝縮水は、貴金属皮膜を有する多孔質セラミックの第１多孔質部５０ａにおいて、毛管吸引力によって容易に内部に取り込まれ、さらに第２多孔質部５０ｂに移動する。また、このように凝縮水が第１多孔質部５０ａに吸収される場合には、この第１多孔質部５０ａおよび第２多孔質部５０ｂが凝縮水を吸収することによってガスシールされ、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路４１ｂとの間でのガス混合が抑えられる。

この場合、第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂでは、第２多孔質部５０ｂの方が気孔率或いは気孔径が第１多孔質部５０ａより大きい。よって、上記した第１多孔質部５０ａから第２多孔質部５０ｂへの水分移動は、第２多孔質部５０ｂの孔が過剰な抵抗となることなく起きる。

本実施例の燃料電池では、冷却ガスに、酸化ガスとして電気化学反応に供する空気を用いている。図５に、本実施例の燃料電池における冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす。図５では、セパレータ２２の冷却ガス流路形成部３５が形成される面を用いて流路の接続関係を説明している。

空気ポンプ１６は、冷却ガスとして空気を圧送する。この空気は、孔部２８ａが形成する冷却ガス供給マニホールドから、冷却ガス流路形成部３５が形成するセル間冷却ガス流路４１ｂを通過して、孔部２８ｂが形成する冷却ガス排出マニホールドへと流れる。このとき、セル間冷却ガス流路４１ｂを通過する空気は、多孔質部位５０内を移動する水分によって加湿される。冷却ガス排出マニホールドに集合した空気は、接続流路１５に導かれて、孔部２２ａが形成する酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル内酸化ガス流路４０に分配される。ここで、冷却ガス排出マニホールドおよび酸化ガス供給マニホールドは、燃料電池を積層方向に貫通する流路であるため、接続流路１５は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガス排出マニホールド端部と酸化ガス供給マニホールド端部とを接続するように配設すればよい。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路１５を設けることも可能である。

また、図５に示すように、本実施例の燃料電池では、空気ポンプ１６の下流に、冷却ガス供給マニホールドに至る流路から分岐した空気分岐路１７を備える。よって、セル間冷却ガス流路を経由することなく空気を接続流路１５に導くことができる。この空気分岐路１７には、空気分岐路１７を通過する空気量を調節するための流量調整弁１８が設けられている。したがって、空気ポンプ１６および流量調整弁１８を制御することで、セル間冷却ガス流路４１ｂを通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。

なお、本実施例の燃料電池では、セパレータ２２に多孔質部位５０を有しないので、上記したように、単セル内燃料ガス流路４２内を通過する燃料ガス中の水分については、積極的に流路から排出しない。しかし、ＭＥＡ１２で進行する電気化学反応は湿潤状態で進行することから、支障はない。ところで、セパレータ２２にもセパレータ２０と同様に多孔質部位５０を組み込めば、単セル内燃料ガス流路４２内での水の凝縮が起きた場合も、既述したようにその凝縮水を単セル内燃料ガス流路４２からセル間冷却ガス流路４１ｂに排出できるので、単セル内燃料ガス流路４２での過剰な凝縮水の滞留を抑制できる。

Ｄ．効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、次の利点がある。
（１）多孔質部位５０が有する第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂを経て、単セル内酸化ガス流路４０からセル間冷却ガス流路４１ｂへと水分を排出できるため、単セル内酸化ガス流路４０内に水分が滞留することに起因する不都合を防止することができる。また、多孔質部位５０は、その基材である第２多孔質部５０ｂを多孔質セラミックとするので、水分および単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスに対して耐腐食性を発揮し、上記した単セル内酸化ガス流路４０からの水分吸収と、セル間冷却ガス流路４１ｂへの水分排出を好適に維持できる。加えて、第１多孔質部５０ａについても、金・白金薄膜を有することから、水分および単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスに対してある程度の耐腐食性を発揮でき、この第１多孔質部５０ａにおける上記した単セル内酸化ガス流路４０からの水分吸収と、第２多孔質部５０ｂへの水分移動を好適に維持できる。よって、この第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂを有する多孔質部位５０によって、単セル内酸化ガス流路４０内に水分が滞留することに起因する不都合を継続して防止できる。

（２）第１多孔質部５０ａを、多孔質セラミック基材である第２多孔質部５０ｂの表面部分への薄膜形成処理により形成した金・白金等の貴金属皮膜を有するものとすることで、第２多孔質部５０ｂの気孔率或いは気孔径を大きくした。よって、第１多孔質部５０ａから第２多孔質部５０ｂへの水分移動に際して、第２多孔質部５０ｂの孔が過剰な抵抗となることが無いので、上記水分移動、引いては、セル間冷却ガス流路４１ｂへの水分排出を支障なく起こすことができる。

（３）上記したように第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂとで気孔率或いは気孔径に差を持たせ、第１多孔質部５０ａの側を小さくしたので、次のような利点もある。セル間冷却ガス流路４１ｂと単セル内酸化ガス流路４０との間でガス流通が起きるような場合、第１多孔質部５０ａは、気孔率或いは気孔径が小さいことから、こうしたガスが流通する際の抵抗として働くので、多孔質部位５０を介して冷却ガスと酸化ガスとの混合を抑制できる。例えば、単セル内酸化ガス流路４０内の酸化ガスが多孔質部位５０を介してセル間冷却ガス流路４１ｂに流出すると、酸化ガスが電気化学反応に充分に用いられる前に排出されることになり、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。また、セル間冷却ガス流路４１ｂから単セル内酸化ガス流路４０に冷却ガス（空気）が流入すると、流入した空気は酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路４０の上流側（緻密質部位５２の領域）を通過することがないため、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。本実施例によれば、水分の移動は許容するがガスが行き来する際の抵抗となる第１多孔質部５０ａを設けることにより、このような不都合を防止することができる。

（４）セパレータ２０は、多孔質部位５０を除く部位をすべて緻密質な金属板としているので、セパレータ強度を高めることができる。しかも、多孔質部位５０を、機械的強度に優れた多孔質セラミックとするので、この多孔質部位５０自体についても強度向上を図れ、セパレータ２０全体としての強度も高めることができる。

（５）本実施例では、多孔質部位５０を単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスの下流に配置したので、水分量が多い状態のガス（酸化ガス）から水分を取り除く。よって、単セル内酸化ガス流路４０からは効率よく水分を除去してセル間冷却ガス流路４１ｂに水分を排出できる。このため、単セル内酸化ガス流路４０内における水分滞留の抑制からも好ましい。

（６）本実施例では、水分が存在する単セル内酸化ガス流路４０と冷却ガス（酸化ガス）が通過するセル間冷却ガス流路４１ｂとの間に多孔質部位５０を配置して、水分をセル間冷却ガス流路４１ｂを通過する冷却ガス（酸化ガス）に排出する。よって、単セル内酸化ガス流路４０中の水分を多孔質部位５０を隔てた冷却水流路の水に排出する場合に比して、差圧制御といった複雑な制御を要しない。このため、こうした制御に必要な機器や制御装置が不要となるので、制御の簡略化や構成の簡略化を図ることができる。

（７）本実施例の燃料電池では、冷却ガスとして空気を用い、セル間冷却ガス流路４１ｂを空気が通過することで、多孔質部位５０からの排出水分で加湿する。そして、この加湿した空気を、酸化ガスとして各単セルの単セル内酸化ガス流路４０に供給している。このため、電解質膜の乾燥を防ぐために予め供給酸化ガス（空気）を加湿する装置が不要となり、構成の簡略化を図ることができる。この場合、多孔質部位５０からの排出水分での加湿が不十分なため、加湿装置が必要となっても、当該加湿装置に高い加湿能力を要しないので小型化することができる。

（８）本実施例の燃料電池では、単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスの下流側に対応する領域にセル間冷却ガス流路４１ｂを設け、上流側に対応する領域にセル間冷却水流路４１ａを設けている。単セル内酸化ガス流路４０では、上流側ほど、酸化ガスにおける電極活物質濃度（酸素濃度）が高く電気化学反応がより活発であるため、温度上昇しやすい。このように、温度上昇しやすい領域を冷却するために、気体ではなく液体の冷媒を用いることで、燃料電池を効率よく冷却することが可能となる。

Ｅ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記した実施例では、多孔質部位５０をその全体を多孔質セラミック基材とし、多孔質部位５０を、その基材のままの第２多孔質部５０ｂと、多孔質セラミック基材に薄膜形成した第１多孔質部５０ａとを含むものとしたが、次のように変形することができる。
まず、多孔質部位５０を、第１多孔質部５０ａと第２多孔質部５０ｂとが別体のものとする。そして、第２多孔質部５０ｂについては、既述したシリカ等の多孔質セラミックとする。一方、第１多孔質部５０ａについては、金や白金等の貴金属の多孔質体、例えば、粉末焼結法による金属多孔質体や、発泡を利用した３次元網目構造の金属多孔質体として製造する。そして、製造した金属多孔質体の第１多孔質部５０ａと、多孔質セラミックの第２多孔質部５０ｂとを、両多孔質部が接合するよう、既述したようにセパレータ２０の装着孔にはめ込み、固定する。

多孔質部位５０が単セル内酸化ガス流路４０の側に有する金属多孔質体としての第１多孔質部５０ａにあっても、既述した実施例における貴金属皮膜を有する多孔質セラミックの第１多孔質部５０ａと同様の機能（導電性、耐腐食性）を発揮できる。よって、この変形例にあっても、上記した実施例と同様の効果を奏することができる。

しかも、この変形例では、多孔質セラミックに薄膜形成手法を施して第１多孔質部５０ａを形成する必要がないので、簡便であり、金属多孔質体を形成して第１多孔質部５０ａを得るに際しては、気孔率や気孔径を容易に調整でき、好ましい。

上記した変形例において、第２多孔質部５０ｂとは別体とした第１多孔質部５０ａをカーボン多孔質体とすることもできる。こうすれば、第１多孔質部５０ａの製造・入手が容易となる。

また、実施例では、冷却ガス流路形成部３４を酸化ガス流路形成部３０における酸化ガス流れの下流側領域に設けたが、異なる領域、あるいはより広い領域に設けることとしても良い。例えば、気体による冷却だけで充分であれば、冷却水流路形成部３２を設けることなくセパレータ２０の全面に冷却ガス流路形成部３４（セル間冷却ガス流路４１ｂ）を設けることとしても良い。

なお、既述したように、セパレータ２２についてもセパレータ２０と同様に多孔質部位５０を有するものとできる。この場合は、冷却ガスとしては、単セル内燃料ガス流路４２に供給する前の燃料ガスをセパレータ２２のセル間冷却ガス流路４１ｂに流すことが望ましい。即ち、排水の対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることが望ましい。

実施例では、多孔質部位５０を利用して水分を除去する対象となる反応ガス（酸化ガス）と同種のガスを冷却ガスとして用いているが、異種のガスを冷却ガスとして用いても良い。この場合には、反応ガスに混入しても電気化学反応に影響を与えないガスを冷却ガスとして選択することが望ましい。また、冷却ガス圧を反応ガス圧よりも低くするならば、冷却ガスが反応ガスに混入するのを効果的に防止できる。

実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であって、発電中に反応ガス流路中の水分量が増加する燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

単セル１０の構成を表わす分解斜視図である。 セパレータ２０の様子を表わす平面図である。 単セル１０の内部構成を図２の３−３線に沿った断面として模式的に表わす断面図である。 単セル１０の内部構成を図２の４−４線に沿った断面として模式的に表わす断面図である。 冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす説明図である。

符号の説明

１０...単セル
１２...ＭＥＡ
１３，１４...ガス拡散層
１３...ガス拡散層
１４...ガス拡散層
１５...接続流路
１６...空気ポンプ
１７...空気分岐路
１８...流量調整弁
２０，２２...セパレータ
２２ａ，２２ｂ...孔部
２４ａ，２４ｂ...孔部
２６ａ，２６ｂ...孔部
２８ａ，２８ｂ...孔部
３０...酸化ガス流路形成部
３２...冷却水流路形成部
３３...冷却水流路形成部
３４...冷却ガス流路形成部
３５...冷却ガス流路形成部
３８...シール部材
４０...単セル内酸化ガス流路
４１ａ...セル間冷却水流路
４１ｂ...セル間冷却ガス流路
４２...単セル内燃料ガス流路
４４...酸化ガス供給マニホールド
４６...酸化ガス排出マニホールド
５０...多孔質部位
５０ａ...第１多孔質部
５０ｂ...第２多孔質部
５２...緻密質部位
５３...水分授受領域

Claims (7)

1. 電解質膜・電極の接合体と、該接合体に当接設置されるセパレータとを備えた燃料電池であって、
   前記セパレータは、
   前記接合体と向かい合う側の対向面に形成され、前記電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスが流れる反応ガス流路と、
   前記対向面に反する側の背面に形成され、冷却媒体が流れる冷却流路とを備え、
   前記セパレータの一部領域には、前記反応ガス流路の側から前記冷却流路の側へと水分が通過するように多孔質とされた多孔質部位を設け、
   該多孔質部位は、
   前記対向面の側に位置し前記接合体に当接する導電性の第１多孔質部と、前記背面側に位置する第２多孔質部とを備え、
   該第２多孔質部は、前記多孔質部位以外のセパレータ部位に比して高い耐腐食性を備える
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記第２多孔質部は、多孔質セラミックである
   燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記第１多孔質部は、貴金属またはカーボンにて前記導電性を発揮する
   燃料電池
4. 請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池であって、
   前記多孔質部位は、前記反応ガス流路における前記反応ガスの流れの下流側に配置された
   燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４いずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータの冷却流路に、前記冷却媒体としての冷却ガスを供給する冷却手段を有する
   燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池であって、
   前記冷却手段は、前記電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスを前記冷却ガスとして供給し、
   前記冷却流路は、前記冷却ガスとして流路を通過した前記反応ガスを、前記反応ガス流路に導く
   燃料電池。
7. 燃料電池を形成するために、電解質膜・電極の接合体に当接設置される燃料電池用セパレータであって、
   前記接合体と向かい合う側の対向面に形成され、前記電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスが流れる反応ガス流路と、
   前記対向面に反する側の背面に形成され、冷却媒体が流れる冷却流路とを備え、
   前記反応ガス流路の側から前記冷却流路の側へと水分が通過するように多孔質とされた多孔質部位を、前記セパレータの一部領域に備え、
   該多孔質部位は、
   前記対向面の側に位置し前記接合体に当接する導電性の第１多孔質部と、前記背面側に位置する第２多孔質部とを備え、
   該第２多孔質部は、前記多孔質部位以外のセパレータ部位に比して高い耐腐食性を備える
   燃料電池用セパレータ。

Images