JP2006085967A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は燃料電池に関し、効率的に自己発熱させることで速やかな温度上昇を可能にし、低温起動時の起動性を向上させる。
【解決手段】 冷却水が流通する流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を設ける。例えば、セパレータが二枚のセパレータ板１０を重ね合わせて構成される場合には、セパレータ板１０に形成する横溝部１４の幅に分布を持たせればよい。また、定常運転時において流路を流通する冷却媒体の流速に前記の単位体積あたりの流路容積の分布とは逆の分布が生じるようにセパレータを形成する。流路を流通する冷却媒体の流速分布は、例えば、冷媒入口２２ａ及び冷媒出口２２ｂの配置によって調整することできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池の低温起動性を向上させるための技術に関する。

一般に、燃料電池の作動温度は常温よりも高く、作動温度に満たない低温状態では、燃料電池は十分な発電性能を発揮することができない。このため、低温状態からの起動時には、燃料電池の温度を作動温度まで速やかに昇温させることが要求される。

燃料電池の低温起動性を向上させる技術としては、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。この従来技術は、電気ヒータや触媒燃焼器のような加熱手段によって発電面の一部を局所的に加熱し、その部分における発電効率を高めて自己発熱を促進させることで、燃料電池の低温起動性を向上させている。
特開２００２−３１３３９１号公報 特開２００４−７９２４５号公報 特開２０００−２２３１３７号公報 特開２００４−１０３４７７号公報 特開２００４−３９５４０号公報 特開２００３−１６３０２０号公報

しかしながら、上記従来技術のように加熱手段を別途設ける場合には、コストが増大するとともにシステムの構造が複雑になってしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、燃料電池を効率的に自己発熱させることで速やかな温度上昇を可能にし、低温起動時の起動性を向上させることにある。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、冷却媒体が流れる複数の流路が形成されたセパレータを備え、低温起動時には前記流路内の冷却媒体の流通が抑制される燃料電池において、
前記セパレータが前記流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を有するとともに、
定常運転時における個々の前記流路内の温度が略均一になるように冷却媒体を前記流路に供給する手段を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、冷却媒体が流れる複数の流路が形成されたセパレータを備え、低温起動時には前記流路内の冷却媒体の流通が抑制される燃料電池において、
前記セパレータは、前記流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を有するとともに、定常運転時には前記流路を流通する冷却媒体の流速に前記の単位体積あたりの流路容積の分布とは逆の分布が生じるように形成されていることを特徴としている。

また、第３の発明は、上記第２の発明において、前記セパレータは、外部から冷却媒体が供給される冷媒入口と、前記冷媒入口に供給される冷却媒体を複数の前記流路に分配する分配部と、前記流路を流通した冷却媒体を集める集合部と、前記集合部で集められた冷却媒体を外部へ排出する冷媒出口とを備え、
前記冷媒入口及び前記冷媒出口の配置によって前記流路の並び方向における冷却媒体の流速分布が調整されていることを特徴としている。

また、第４の発明は、上記第３の発明において、前記流路の並びの一方向に向けて前記の単位体積あたりの流路容積が大きくなるとともに、前記の単位体積あたりの流路容積の小さい側に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴としている。

また、第５の発明は、上記第３の発明において、前記流路の並びの中央部ほど前記の単位体積あたりの流路容積が大きくなるとともに、前記流路の並びの中央部を挟んだ逆側に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴としている。

また、第６の発明は、上記第３の発明において、前記流路の並びの中央部ほど前記の単位体積あたりの流路容積が小さくなるとともに、前記流路の並びの中央部に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴としている。

また、第７の発明は、上記第３乃至第６の何れか一つの発明において、前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路間のピッチにより調整されていることを特徴としている。

また、第８の発明は、上記第３乃至第６の何れか一つの発明において、前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路の幅により調整されていることを特徴としている。

また、第９の発明は、上記第３乃至第６の何れか一つの発明において、前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路の高さにより調整されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、流路の並び方向における単位体積あたりの流路容積の分布に応じてセパレータには熱容量の分布が生じている。自己発熱による温度上昇は熱容量が小さい領域ほど大きくなるため、低温起動時における燃料電池の温度は、セパレータの熱容量分布に応じて局所的に上昇することになる。温度が局所的に上昇した領域では発電効率が高まって自己発熱がさらに促進されるため、その熱によって近傍領域の温度も上昇していく。このようにして熱容量が小さい領域から燃料電池の全領域まで温度上昇領域が拡大していくことで、燃料電池全体の速やかな温度上昇が可能になり、低温起動時の起動性が向上する。

また、第１の発明によれば、定常運転時には個々の流路内の温度が略均一になるように冷却媒体が流路に供給されるので、燃料電池の発電面内で温度分布が生じることは防止される。つまり、第１の発明によれば、低温起動時の起動性と定常運転時における冷却性能とを両立させることができる。

第２の発明によれば、第１の発明と同様、セパレータが流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を有することにより、低温起動時には自己発熱による温度上昇が局所的に生じ、熱容量が小さい領域から燃料電池の全領域へ温度上昇領域が拡大していく。これにより、燃料電池全体の速やかな温度上昇が可能になり、低温起動時の起動性が向上する。

また、第２の発明によれば、定常運転時には、流路を流通する冷却媒体の流速に上記の単位体積あたりの流路容積の分布とは逆の分布が生じるので、単位体積あたりの冷却媒体の流量は略均一になる。これにより、個々の流路内の温度は略均一になり、燃料電池の発電面内で温度分布が生じることは防止される。つまり、第２の発明によれば、低温起動時の起動性と定常運転時における冷却性能とを両立させることができる。

特に、第３の発明によれば、流路の並び方向における冷却媒体の流速分布が冷媒入口及び冷媒出口の配置によって調整されているので、冷却媒体を流通させるだけで常に所望の流速分布を得ることができる。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の部分断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、後述するように同一の燃料電池の異なる部分を示している。これらの図に示すように、燃料電池は、膜電極接合体３０とセパレータ８とが交互に積層されて構成されている。膜電極接合体３０は、固体高分子電解質膜３２をアノード電極３４とカソード電極３６とにより挟んで構成されている。固体高分子電解質膜３２は湿潤状態で水素イオンが膜中を移動する非導電性のイオン交換膜である。アノード電極３４及びカソード電極３６はそれぞれ触媒層と拡散層を有している。触媒層は白金、カーボン、及び電解質からなり、拡散層はガス透過性を有し、カーボンからなる。

セパレータ８は二枚の金属製のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂを重ね合わせて構成されている。図１はセパレータ８を構成するセパレータ板１０の正面図である。二枚のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂのうちの一方は図１に示すセパレータ板１０Ａと同形状であり、他方は二枚のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂの重ね合わせ面に関して図１に示すセパレータ板１０と略対称形になっている。この図に示すように、セパレータ板１０は方形であり、その一つの側端部には冷却水入口２２ａ、空気入口２４ａ、水素出口２６ｂの順に３つの開口部が並んで形成されている。また、これら開口部２２ａ，２４ａ，２６ｂが形成された側と対向する側の端部には、開口部２２ａ，２４ａ，２６ｂの列と同方向に、冷却水出口２２ｂ、水素入口２６ａ、空気出口２４ｂの順に３つの開口部が並んで形成されている。

２つの開口部の列の間には、セパレータ板１０の厚み方向に凹んでいる凹部１２が形成されている。凹部１２内には、セパレータ板１０の厚み方向に盛り上っている複数の凸部１８が形成されている。凸部１８は一方の開口部の列から他方の開口部の列に向けて延びており、その延伸方向と垂直な方向に並んで形成されている。この複数の凸部１８によって、凹部１２内は、凸部１８と平行な複数の横溝部１４と、凸部１８の延伸方向の前後に形成された縦溝部１６ａ，１６ｂに区切られている。これら凹部１２や凸部１８は、金属板であるセパレータ板１０をプレス加工することによって成形することができる。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、二枚のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂは、それぞれの凸部１８，１８同士を接合されている。これにより、二枚のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂの間には、互いの横溝部１４，１４で囲まれる空間２が形成されている。この空間２は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに連通しており、内部を冷却媒体としての冷却水が流通する冷却水流路になっている（以下、冷却水流路２と表記する）。冷却水入口２２ａから供給される冷却水は、まず、図１に示す冷却水入口２２ａ側の縦溝部１６ａである分配部に入り（以下、分配部１６ａと表記する）、分配部１６ａから各冷却水流路２に分配される。そして、各冷却水流路２を流通した冷却水は、冷却水出口２２ｂ側の縦溝部１６ｂである集合部に集められ（以下、集合部１６ｂと表記する）、集合部１６ｂから冷却水出口２２ｂへ排出される。なお、図１中では省略しているが、分配部１６ａ及び集合部１６ｂ内は、縦方向及び横方向への冷却水の流れを促し、斜め方向への冷却水の流れは妨げられるような構造になっている。

また、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、二枚のセパレータ板１０Ａ，１０Ｂは、それぞれの横溝部１４を膜電極接合体３０のアノード電極３４或いはカソード電極３６に接合されている。これにより、セパレータ板１０Ａの凸部１８とカソード電極３６との間、セパレータ板１０Ｂの凸部１８とアノード電極３４との間にはそれぞれ空間６，４が形成されている。セパレータ板１０Ａとカソード電極３６との間に形成された空間６は、空気入口２４ａ及び空気出口２４ｂに連通しており、内部を空気が流通する空気流路になっている（以下、空気流路６と表記する）。セパレータ板１０Ｂとアノード電極３４との間に形成された空間４は、水素入口２６ａ及び水素出口２６ｂに連通しており、内部を水素が流通する水素流路になっている（以下、水素流路４と表記する）。

ここで、冷却水流路２の流路面積は横溝部１４の幅によって決まり、空気流路６及び水素流路４の流路面積は凸部１８の幅によって決まる。本実施形態にかかるセパレータ板１０は、図１に示すように、横溝部１４の幅と凸部１８の幅はともに一定ではなく、分布を有している。具体的には、横溝部１４の幅は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側ほど狭く、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂから遠い側ほど広くなっている。一方、凸部１８の幅は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側ほど広く、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂから遠い側ほど狭くなっている。

前掲の図２Ａは冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側の断面を示し、前掲の図２Ｂは冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂから遠い側の断面を示している。上記のように横溝部１４及び凸部１８の幅が設定される結果、図２Ａと図２Ｂを比較して分かるように、冷却水流路２の流路面積は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側では狭く、遠い側では広くなっている。逆に、空気流路６及び水素流路４の流路面積は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側では広く、遠い側では狭くなっている。

このように冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂからの距離によって冷却水流路２の流路面積に差が設けられることで、セパレータ８には、冷却水流路２の並び方向において単位体積あたりの冷却水体積に分布が生じている。冷却水の単位体積当たりの熱容量は、気体や金属の単位体積当たりの熱容量に比較して大きいことから、冷却水流路２の並び方向における冷却水体積の分布に応じて、セパレータ８には熱容量の分布が生じることになる。セパレータ８に熱容量の分布が存在することによって、本実施形態の燃料電池によれば、冷間始動時において次のような効果が得られる。

冷間始動時には、冷却水流路２への冷却水の供給は停止されるか、或いは通常運転時に比較して極めて遅い流速に抑制された状態で、空気流路６への空気の供給、及び水素流路４への水素の供給が行われる。膜電極接合体３０では、水素と空気の供給を受けて発電が開始されるとともに、発電に伴う熱が発生する。膜電極接合体３０での自己発熱による熱は燃料電池自身の温度を上昇させるが、自己発熱による温度上昇は熱容量が小さい領域ほど大きくなるため、燃料電池の温度はセパレータ８の熱容量分布に応じて局所的に上昇することになる。具体的には、単位体積あたりの冷却水体積が少ないことから、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近い側において燃料電池の温度は局所的に上昇する。

温度が局所的に上昇した領域では、膜電極接合体３０の発電効率が高まって自己発熱がさらに促進され、その近傍領域の温度も上昇していく。つまり、熱容量が小さい領域から燃料電池の全領域へ、温度上昇領域は次第に拡大していく。このように局所的に温度を上昇させた場合と燃料電池全体を均等に昇温した場合とでは、発電により得られる電力は前者の方が大きく、発電に伴う自己発熱により得られる熱量も大きくなる。したがって、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池全体の速やかな温度上昇が可能になり、低温起動時の起動性が向上する。

図３は、冷却水流路２の流路面積とセパレータ板１０の幅方向位置（図１に示す上下方向位置）との関係と、定常運転時における冷却水流路２内での冷却水の流速とセパレータ板１０の幅方向位置との関係とを合わせて示す図である。前述のように、冷却水流路２の流路面積は、冷却水入口２２ａ及び冷却水出口２２ｂに近いセパレータ板１０の上側では小さく、下側では大きくなっている。一方、冷却水流路２内での冷却水の流速は、冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂがともにセパレータ板１０の上側に位置していることから、セパレータ板１０の上側では大きく、下側では小さくなっている。つまり、セパレータ板１０の幅方向における冷却水の流速の分布は、冷却水流路２の流路面積の分布と全く逆の分布になっている。

このように、燃料電池の定常運転時には、冷却水流路２を流通する冷却水の流速に冷却水流路２の流路面積の分布とは逆の分布が生じるので、流路面積の差にかかわらず各冷却水流路２を流通する冷却水の流量は略均一になる。これにより、個々の冷却水流路２内の温度は略均一になり、燃料電池の発電面内で温度分布が生じることは防止される。つまり、本実施形態の燃料電池によれば、低温起動時の起動性と定常運転時における冷却性能とを両立させることができる。

実施の形態２．
以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

図４は本実施形態にかかるセパレータ板４０の正面図である。本実施形態の燃料電池では、実施の形態１と同様に、膜電極接合体を隔離するセパレータとして二枚の金属製のセパレータ板が重ね合わせて用いられる。図４に示すセパレータ板４０はそのうちの一方のセパレータ板を示しており、他方のセパレータ板は二枚のセパレータ板の重ね合わせ面に関して図４に示すセパレータ板４０と略対称形になっている。図４中、実施の形態１のセパレータ板１０と同一の部位については同一の符号を付している。

図４に示すように、セパレータ板４０は方形であり、その一つの側端部には冷却水入口２２ａ、空気入口２４ａ、水素出口２６ｂの順に３つの開口部が並んで形成されている。また、これら開口部２２ａ，２４ａ，２６ｂが形成された側と対向する側の端部には、開口部２２ａ，２４ａ，２６ｂの列と同方向に、空気出口２４ｂ、水素入口２６ａ、冷却水出口２２ｂの順に３つの開口部が並んで形成されている。つまり、本実施形態では、冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂは、セパレータ板４０の対角位置に配置されている。

２つの開口部の列の間には、セパレータ板４０の厚み方向に凹んでいる凹部１２が形成されている。凹部１２内には、セパレータ板４０の厚み方向に盛り上っている複数の凸部１８が形成されている。凸部１８は一方の開口部の列から他方の開口部の列に向けて延びており、その延伸方向と垂直な方向に並んで形成されている。この複数の凸部１８によって、凹部１２内は、凸部１８と平行な複数の横溝部１４と、凸部１８の延伸方向の前後に形成された分配部１６ａ及び集合部１６ｂに区切られている。これら凹部１２や凸部１８は、金属板であるセパレータ板４０をプレス加工することによって成形することができる。

実施の形態１と同様、セパレータ板４０を相手のセパレータ板と重ね合わせることで、互いの横溝部１４，１４の間に冷却水流路が形成される。また、セパレータ板４０の凸部１８と膜電極接合体との間に空気流路或いは水素流路が形成される。冷却水流路の流路面積は横溝部１４の幅によって決まり、空気流路及び水素流路の流路面積は凸部１８の幅によって決まる。本実施形態では、図４に示すように、横溝部１４の幅は、横溝部１４の並びの中央ほど広く、外側ほど狭くなっている。一方、凸部１８の幅は、凸部１８の並びの中央ほど狭く、外側ほど広くなっている。

図５は、冷却水流路の流路面積とセパレータ板４０の幅方向位置（図４に示す上下方向位置）との関係と、定常運転時における冷却水流路内での冷却水の流速とセパレータ板４０の幅方向位置との関係とを合わせて示す図である。上記のように横溝部１４及び凸部１８の幅が設定される結果、冷却水流路の流路面積は、セパレータ板４０の中央で大きく、外側ほど小さくなっている。一方、冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂが対角に位置していることから、冷却水は凹部１２の枠にそって流れやすい。このため、冷却水流路内での冷却水の流速は、セパレータ板４０の中央で小さく、外側ほど大きくなっている。つまり、セパレータ板４０の幅方向における冷却水流路の流路面積の分布と、セパレータ板４０の幅方向における冷却水の流速の分布は、全く逆の分布になっている。

上記のように、本実施形態の燃料電池は、冷却水流路の並び方向において冷却水流路の流路面積に分布を有している。このため、低温起動時には、自己発熱による温度上昇が局所的に生じ、燃料電池の全領域へ温度上昇領域が拡大していく。これにより、燃料電池全体の速やかな温度上昇が可能になり、低温起動時の起動性が向上する。また、定常運転時には、冷却水流路を流通する冷却水の流速に冷却水流路の流路面積の分布とは逆の分布が生じるので、個々の冷却水流路内の温度は略均一になり、燃料電池の発電面内で温度分布が生じることは防止される。つまり、本実施形態の燃料電池によっても、実施の形態１と同様、低温起動時の起動性と定常運転時における冷却性能とを両立させることができる。

実施の形態３．
以下、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

図６は本実施形態にかかるセパレータ板５０の正面図である。本実施形態の燃料電池では、実施の形態１と同様に、膜電極接合体を隔離するセパレータとして二枚の金属製のセパレータ板が重ね合わせて用いられる。図６に示すセパレータ板５０はそのうちの一方のセパレータ板を示しており、他方のセパレータ板は二枚のセパレータ板の重ね合わせ面に関して図６に示すセパレータ板５０と略対称形になっている。図６中、実施の形態１のセパレータ板１０と同一の部位については同一の符号を付している。

図６に示すように、セパレータ板５０は方形であり、その一つの側端部には水素出口２６ｂ、冷却水入口２２ａ、空気入口２４ａの順に３つの開口部が並んで形成されている。また、これら開口部２６ｂ，２２ａ，２４ａが形成された側と対向する側の端部には、開口部２６ｂ，２２ａ，２４ａの列と同方向に、空気出口２４ｂ、冷却水出口２２ｂ、水素入口２６ａの順に３つの開口部が並んで形成されている。つまり、本実施形態では、冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂは、ともにセパレータ板５０の中央部に配置されている。

２つの開口部の列の間には、セパレータ板５０の厚み方向に凹んでいる凹部１２が形成されている。凹部１２内には、セパレータ板５０の厚み方向に盛り上っている複数の凸部１８が形成されている。凸部１８は一方の開口部の列から他方の開口部の列に向けて延びており、その延伸方向と垂直な方向に並んで形成されている。この複数の凸部１８によって、凹部１２内は、凸部１８と平行な複数の横溝部１４と、凸部１８の延伸方向の前後に形成された分配部１６ａ及び集合部１６ｂに区切られている。これら凹部１２や凸部１８は、金属板であるセパレータ板５０をプレス加工することによって成形することができる。

実施の形態１と同様、セパレータ板５０を相手のセパレータ板と重ね合わせることで、互いの横溝部１４，１４の間に冷却水流路が形成される。また、セパレータ板５０の凸部１８と膜電極接合体との間に空気流路或いは水素流路が形成される。冷却水流路の流路面積は横溝部１４の幅によって決まり、空気流路及び水素流路の流路面積は凸部１８の幅によって決まる。本実施形態では、図６に示すように、横溝部１４の幅は、横溝部１４の並びの中央ほど狭く、外側ほど広くなっている。一方、凸部１８の幅は、凸部１８の並びの中央ほど狭く、外側ほど広くなっている。

図７は、冷却水流路の流路面積とセパレータ板５０の幅方向位置（図６に示す上下方向位置）との関係と、定常運転時における冷却水流路内での冷却水の流速とセパレータ板５０の幅方向位置との関係とを合わせて示す図である。上記のように横溝部１４及び凸部１８の幅が設定される結果、冷却水流路の流路面積は、セパレータ板５０の中央で小さく、外側ほど大きくなっている。一方、冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂがともにセパレータ板５０の中央部に位置していることから、冷却水はセパレータ板５０の中央を真っ直ぐに流れやすい。このため、冷却水流路内での冷却水の流速は、セパレータ板５０の中央で大きく、外側ほど小さくなっている。つまり、セパレータ板５０の幅方向における冷却水流路の流路面積の分布と、セパレータ板５０の幅方向における冷却水の流速の分布は、全く逆の分布になっている。

上記のように、本実施形態の燃料電池は、冷却水流路の並び方向において冷却水流路の流路面積に分布を有している。このため、低温起動時には、自己発熱による温度上昇が局所的に生じ、燃料電池の全領域へ温度上昇領域が拡大していく。これにより、燃料電池全体の速やかな温度上昇が可能になり、低温起動時の起動性が向上する。また、定常運転時には、冷却水流路を流通する冷却水の流速に冷却水流路の流路面積の分布とは逆の分布が生じるので、個々の冷却水流路内の温度は略均一になり、燃料電池の発電面内で温度分布が生じることは防止される。つまり、本実施形態の燃料電池によっても、実施の形態１や実施の形態２と同様、低温起動時の起動性と定常運転時における冷却性能とを両立させることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記の各実施の形態において、冷却水入口２２ａ及び出口２２ｂ以外の開口部２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂの配置は一例であり、これらの配置には限定はない。

上記の実施の形態では、二枚の金属製のセパレータ板を重ね合わせてセパレータを構成しているが、セパレータの材質は金属以外のカーボン等でもよい。例えば、カーボン製の二枚のセパレータ板を積層してセパレータを形成する場合、以下のように冷却水流路を形成することで、冷却水流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を持たせてもよい。

図８Ａ及び図８Ｂに示すセパレータ６０（図では省略しているが、セパレータ６０は二枚のセパレータ板を重ね合わせて形成されている）は、冷却水流路２のピッチを異ならせることで、単位体積あたりの流路容積を調整する例を示している。実施の形態１のように冷却水入口と冷却水出口がともにセパレータ６０の上側にある場合であれば、セパレータ６０の上側では、図８Ａに示すように冷却水流路２のピッチｐ１は大きくし、セパレータ６０の下側では、図８Ｂに示すように冷却水流路２のピッチｐ２は小さくすればよい。

図９Ａ及び図９Ｂに示すセパレータ７０（図では省略しているが、セパレータ７０は二枚のセパレータ板を重ね合わせて形成されている）は、冷却水流路２の幅を異ならせることで、単位体積あたりの流路容積を調整する例を示している。実施の形態１のように冷却水入口と冷却水出口がともにセパレータ７０の上側にある場合であれば、セパレータ７０の上側では、図９Ａに示すように冷却水流路２の幅ｗ１は小さくし、セパレータ７０の下側では、図９Ｂに示すように冷却水流路２の幅ｗ２は大きくすればよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すセパレータ８０（図では省略しているが、セパレータ８０は二枚のセパレータ板を重ね合わせて形成されている）は、冷却水流路２の高さを異ならせることで、単位体積あたりの流路容積を調整する例を示している。実施の形態１のように冷却水入口と冷却水出口がともにセパレータ８０の上側にある場合であれば、セパレータ８０の上側では、図１０Ａに示すように冷却水流路２の高さｈ１は小さくし、セパレータ８０の下側では、図１０Ｂに示すように冷却水流路２の高さｈ２は大きくすればよい。

冷却水流路２のピッチ、幅、高さを適宜に組み合わせることで、単位体積あたりの流路容積を調整することもできる。各図では空気流路６や水素流路４の幅や高さは一定にしているが、冷却水流路２の幅や高さに応じて空気流路６や水素流路４の幅や高さを異ならせるようにしてもよい。

また、本発明は上記実施の形態のようなストレート型の冷却水流路を有するセパレータのみならず、複数の独立した流路を有する構造のセパレータであれば適用可能である。水素流路（燃料ガス流路）及び空気流路（酸化ガス流路）に関しては、ストレート型、櫛型、或いはサーペンタイン型等、その流路構造には限定がない。

本発明の実施の形態１としての燃料電池を構成するセパレータ板の正面図である。 本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が小さい領域の断面を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が大きい領域の断面を示す図である。 図１のセパレータ板を用いた燃料電池における、冷却水流路の流路面積とセパレータ板の幅方向位置との関係、及び、冷却水の流速とセパレータ板の幅方向位置との関係を合わせて示す図である。 本発明の実施の形態２としての燃料電池を構成するセパレータ板の正面図である。 図４のセパレータ板を用いた燃料電池における、冷却水流路の流路面積とセパレータ板の幅方向位置との関係、及び、冷却水の流速とセパレータ板の幅方向位置との関係を合わせて示す図である。 本発明の実施の形態３としての燃料電池を構成するセパレータ板の正面図である。 図６のセパレータ板を用いた燃料電池における、冷却水流路の流路面積とセパレータ板の幅方向位置との関係、及び、冷却水の流速とセパレータ板の幅方向位置との関係を合わせて示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が小さい領域の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が大きい領域の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が小さい領域の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が大きい領域の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が小さい領域の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の部分断面図であり、単位体積あたりの冷却水流路の流路容積が大きい領域の断面を示す図である。

符号の説明

２ 冷却水流路
４ 水素流路
６ 空気流路
８ セパレータ
１０，１０Ａ，１０Ｂ，４０，５０ セパレータ板
１２ 凹部
１４ 横溝部
１６ａ 分配部
１６ｂ 集合部
１８ 凸部
２２ａ 冷却水入口
２２ｂ 冷却水出口
２４ａ 空気入口
２４ｂ 空気出口
２６ａ 水素入口
２６ｂ 水素出口
３０ 膜電極接合体
３２ 固体高分子電解質膜
３４ アノード電極
３６ カソード電極

Claims (9)

1. 冷却媒体が流れる複数の流路が形成されたセパレータを備え、低温起動時には前記流路内の冷却媒体の流通が抑制される燃料電池において、
   前記セパレータが前記流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を有するとともに、
   定常運転時における個々の前記流路内の温度が略均一になるように冷却媒体を前記流路に供給する手段を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 冷却媒体が流れる複数の流路が形成されたセパレータを備え、低温起動時には前記流路内の冷却媒体の流通が抑制される燃料電池において、
   前記セパレータは、前記流路の並び方向において単位体積あたりの流路容積に分布を有するとともに、定常運転時には前記流路を流通する冷却媒体の流速に前記の単位体積あたりの流路容積の分布とは逆の分布が生じるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 前記セパレータは、外部から冷却媒体が供給される冷媒入口と、前記冷媒入口に供給される冷却媒体を複数の前記流路に分配する分配部と、前記流路を流通した冷却媒体を集める集合部と、前記集合部で集められた冷却媒体を外部へ排出する冷媒出口とを備え、
   前記冷媒入口及び前記冷媒出口の配置によって前記流路の並び方向における冷却媒体の流速分布が調整されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記流路の並びの一方向に向けて前記の単位体積あたりの流路容積が大きくなるとともに、前記の単位体積あたりの流路容積の小さい側に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記流路の並びの中央部ほど前記の単位体積あたりの流路容積が大きくなるとともに、前記流路の並びの中央部を挟んだ逆側に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
6. 前記流路の並びの中央部ほど前記の単位体積あたりの流路容積が小さくなるとともに、前記流路の並びの中央部に前記冷媒入口及び前記冷媒出口が配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
7. 前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路間のピッチにより調整されていることを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
8. 前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路の幅により調整されていることを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
9. 前記の単位体積あたりの流路容積は前記流路の高さにより調整されていることを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
   

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