JP4706167B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、とくに生成水の排出を良好にした固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特表平１１−５０８７２６号公報
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）とからなる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路、またはカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路、および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれガス拡散層が設けられる。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ
生成水は、酸化ガス流路下流部で多くなり、フラッディングを生じやすい。フラッディング域では、酸化ガスのカソードへの供給が阻害されるので、上記反応が円滑に行われなくなり、発電能力が低下する。そのため、生成水を排水しフラッディングを抑制することが重要となる。また、酸化ガス流路から水分が電解質膜を通して一部燃料ガス流路側に拡散するので、燃料ガス流路にも類似の問題は生じる。上記反応が円滑に起きるには電解質膜が湿潤状態になければならず、酸化ガスも燃料ガスも通常は加湿して供給するので、フラッディングはさらに起こりやすくなる。
特表平１１−５０８７２６号公報は、セパレータを全域にわたって多孔質とし、カソードで生じた生成水を、多孔質セパレータを通して冷却水流路に押出し、フラッディングを防止した燃料電池を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特表平１１−５０８７２６号公報のように、カソードで生じた生成水を冷却水流路に押し出す燃料電池には、つぎの問題がある。
冷媒が純水でないと生成水を冷媒として再利用できない。冷却水が不凍液の場合、冷却水が酸化ガス流路側に移動すると、冷却水中の成分が膜を傷めてしまうという問題が生じる。そのため、特表平１１−５０８７２６号公報では、冷却水に純水を用いているが、氷点下での運転が不可能になる。また、酸化ガス流路から冷却水に不純物が混入して冷却水のイオン伝導度が上がってしまうという問題が生じる。
更に、生成水を冷却水中に移動させるために、ガス流路と冷却水流路間の差圧制御が必要になり、システムが複雑化する。
また、生成水を冷却水中に押し出すので、生成水を反応ガスの加湿に再利用することはできない。
また、カソード流路が山と溝とから成るため、生成水透過が山と溝部位とで異なり、均一な生成水押出ができない。
本発明の第１の目的は、生成水をガス流路から（冷却水流路ではなく）ガス流路に排出することができる燃料電池を提供することにある。
本発明の第２の目的は、生成水を再利用することができる燃料電池を提供することにある。
本発明の第３の目的は、生成水を生成水排出部領域でほぼ均一に排出することができる燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（イ） ＭＥＡとセパレータとを有し、セパレータのＭＥＡ対向面に反応ガス流路が形成されている燃料電池であって、セパレータに多孔質部を形成し、多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成した燃料電池。
（ロ） 冷却用ガス流路は下流で燃料電池に供給される反応ガスの供給流路に接続している（イ）の燃料電池。
（ハ） 多孔質部において、反応ガス流路と冷却用ガス流路の少なくとも一方のガス流路の山部、または山部と山下部の気孔率を他の部分より大とするか、または冷却用ガス流路と反応ガス流路の少なくとも一方のガス流路の山／溝比を多孔質部以外の部位のガス流路の山／溝比より小とするか、または冷却用ガス流路を多孔質材で埋めた（イ）の燃料電池。
（ニ） ＭＥＡとセパレータとを有し、セパレータのＭＥＡ対向面に反応ガス流路が形成されている燃料電池であって、セパレータに水分交換部を形成し、水分交換部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成した燃料電池。
（ホ） セパレータの、反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域で、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路側表面から背面側に向かって一部の厚さ部分を、多孔質材で形成した（イ）の燃料電池。
（ヘ） セパレータの反応ガス下流部にのみ多孔質部が設けられ、該多孔質部が、アノード側にも、酸化ガス側にも形成され、通気抵抗がアノード＞カソードとしてある（イ）の燃料電池。
【０００６】
上記（イ）の燃料電池では、セパレータに多孔質部を形成し、多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成したので、生成水は反応ガス流路から多孔質部を通過して冷却用ガス流路に移動できる。冷却用ガスとして反応ガスと同種のガスを使用することにより、冷却用ガスが反応ガス流路に移動しても、冷却水が反応ガス流路に移動した場合のような電解質膜の損傷、フラッディングの問題は生じない。
上記（ロ）の燃料電池では、冷却用ガス流路が下流で燃料電池に供給される反応ガスの供給流路に接続しているので、冷却用ガス流路に移動した生成水が燃料電池に供給される反応ガスに流れ、その反応ガスの加湿に再利用できる。
上記（ハ）の燃料電池では、山部の気孔率大、山部と山下部の気孔率大、山／溝比小、溝への多孔質材の充填の何れか少なくとも一つを採用することにより、反応ガス流路から冷却用ガス流路への生成水の移行が、多孔質部域において均一化される。
上記（ニ）の燃料電池では、多孔質部に代えて水分交換部とすることにより、水分交換部の一面の冷却用ガスと水分交換部の他面の反応ガスに互いに異種のガスを用いることもできる。
上記（ホ）の燃料電池では、セパレータの、反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域を多孔質材で形成したので、集電面の排水性と、ガス供給性が向上する。
上記（ヘ）の燃料電池では、燃料ガスの冷却用ガスへの漏れを抑制できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図２４を参照して説明する。
図中、図１〜図４は本発明の実施例１を示し、図５は本発明の実施例２を示し、図６は本発明の実施例３を示し、図７は本発明の実施例４を示し、図８は本発明の実施例５を示し、図９、図１０は本発明の実施例６を示し、図１１は本発明の実施例７を示し、図１２は本発明の実施例８を示し、図１３、図１４は本発明の実施例９を示し、図１５は本発明の実施例１０を示し、図１６、図１７は本発明の実施例１１を示し、図１８、図１９は本発明の実施例１２を示し、図２０、図２１は本発明の実施例１３を示し、図２２、図２３は本発明の実施例１４を示す。図２４は本発明の全実施例に適用される。
本発明の全実施例にわたって共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符合を付してある。
まず、本発明の全実施例にわたって共通する、または類似する部分を、図１〜図４、および図１６〜図１９、図２４を参照して、説明する。
本発明の制御装置が適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３、図２４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を挟んで対向する一対のセパレータ１８のうちアノード側のセパレータ１８のＭＥＡ対向面には、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が、カソード側のセパレータ１８のＭＥＡ対向面には、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が、形成されている。ただし、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８はセパレータ１８に形成されてもよいし、あるいは拡散層１３、１６に形成されてもよい。燃料ガス、酸化ガスは、それぞれ、反応ガスと呼ばれ、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、それぞれ、反応ガス流路と呼ばれる。また、セパレータ１８には、冷媒（冷却水）を流すための冷媒（冷却水）流路２６が形成されている。
セパレータの反応ガス流路２７、２８は、ストレート状流路であってもよいし、サーペンタイン流路であってもよい。また、セパレータの反応ガス流路２７、２８は、溝状流路または溝状流路の流路群であってもよい。流路は、溝でなく、千鳥状の多数の突起で区画されたものであってもよい。
【００１１】
セパレータ１８には、図１、図２に示すように、冷媒（冷却水）供給マニホールド２９ａ、冷媒（冷却水）排出マニホールド２９ｂ、燃料ガス（水素）供給マニホールド３０ａ、燃料ガス（水素）排出マニホールド３０ｂ、酸化ガス（空気）供給マニホールド３１ａ、酸化ガス（空気）排出マニホールド３１ｂが形成されている。そして、セル面内冷媒（冷却水）流路２６は、冷媒（冷却水）供給マニホールド２９ａ、冷媒（冷却水）排出マニホールド２９ｂに接続しており、セル面内燃料ガス流路２７は、燃料ガス（水素）供給マニホールド３０ａ、燃料ガス（水素）排出マニホールド３０ｂに接続しており、セル面内酸化ガス流路２８は、酸化ガス（空気）供給マニホールド３１ａ、酸化ガス（空気）排出マニホールド３１ｂに接続している。
【００１２】
セパレータ１８は、カーボン（黒鉛である場合を含む）製、または金属製（焼結合金などである場合を含む）、または金属製と樹脂フレーム製との組み合わせ、または導電性樹脂製、またはこれらの組み合わせ、である。
本発明の燃料電池では、燃料電池発電領域の少なくとも一部において、セパレータ１８に多孔質部３２が形成されており、多孔質部３２の反応ガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の何れか少なくとも一方のガス流路）背面には、セル面内に冷却用ガス流路３３が形成されている。
セパレータ１８には、冷却ガス供給マニホールド３４ａと冷却ガス排出マニホールド３４ｂが設けられ、セル面内冷却用ガス流路３３は冷却ガス供給マニホールド３４ａ、冷却ガス排出マニホールド３４ｂに接続している。冷却用ガスは、冷却ガス供給マニホールド３４ａからセル面内冷却用ガス流路３３に流れ、セル面内冷却用ガス流路３３から冷却ガス排出マニホールド３４ｂに流れる。
冷却用ガス流路３３は、溝状流路または溝状流路の流路群であってもよい。また、冷却用ガス流路３３は、千鳥状の多数の突起で区画されたものであってもよい。また、冷却用ガス流路３３は、溝に多孔質材が充填された流路であってもよい。
【００１３】
多孔質部３２は、燃料電池のセル面内の少なくとも一部の領域（全領域であってもよい）に、セパレータ１８の厚み方向全厚（溝部では溝底での全厚）にわたって、形成されている。多孔質部３２は、燃料電池の生成水をセパレータ厚み方向に移動させる。
多孔質部３２を構成したため、反応ガス流路２７、２８に燃料電池の生成水が生じても、その生成水が多孔質部３２を移動して冷却用ガス流路３３に蒸発して出ていくことができる。その場合、生成水の蒸発の際に熱を奪うので、生成水の排出と燃料電池の冷却を達成できる。
【００１４】
多孔質部３２は、セパレータの集電機能をもつ必要があるので、導電性材料から形成される。
多孔質部３２の材料はセパレータ１８の材料と同種であることが接続上望ましい。たとえば、セパレータ１８がカーボン製である場合は多孔質部３２はポーラス状に形成されたカーボン（カーボン粒子の形状や、サイズや、バインダとの濃度を適宜選定することによりカーボン成形体はポーラスとなる）から形成され、セパレータ１８が金属製である場合は多孔質部３２は多孔質の金属（たとえば、焼結金属、金属メッシュ、等）から形成される。多孔質部３２は、多孔質部３２以外のセパレータ部分と一体形成されていてもよいし、あるいは多孔質部３２以外のセパレータ部分と別体に形成されて多孔質部３２以外のセパレータ部分と結合されてもよい。
【００１５】
多孔質部３２の一面に反応ガス流路２７、２８が形成され他面に冷却用ガス流路３３が形成された構造において、冷却用ガス流路３３を流れる冷却用ガスは反応ガス流路２７、２８を流れるガスと同じ種類のガスとされることが望ましい。たとえば、多孔質部３２の一面の反応ガス流路２８を流れるガスが空気の場合、多孔質部３２の他面に流れる冷却用ガスには空気が用いられ、多孔質部３２の一面の反応ガス流路２７を流れるガスが水素の場合、多孔質部３２の他面に流れる冷却用ガスには水素が用いられることが望ましい。同種のガスとした場合、反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３との間にガスが移動しても、水とガスが対向した場合と異なり、電解質膜１１への悪影響やフラッディングの助長などの問題を生じない。ただし、図１５の実施例の場合はこの限りでない。
【００１６】
図３、図７に示すように、冷却用ガス流路３３が形成されたセルに隣接するセルにも、冷却用ガス流路３３に対応させて冷却用ガス流路３３’が形成され、冷却用ガス流路３３’に、冷却用ガス流路３３を流れるガスと同種のガス（冷却用ガス流路３３’が形成されたセパレータの反応ガス流路を流れるガスと異種のガス）が流されてもよい。ただし、冷却用ガス流路３３’が形成されたセパレータはガス、水不透過性であり、冷却用ガス流路３３’が形成されたセパレータの反応ガス流路と冷却用ガス流路３３’との間のセパレータ部分は多孔質部３２ではない。
冷却用ガス流路３３および冷却用ガス流路３３’のまわりには、Ｏリング４５（図３）が配置され、冷却用ガス流路３３および冷却用ガス流路３３’をまわりからシールしている。図３は冷却用ガス流路３３、３３’に酸化ガスが流される場合であり、図７は冷却用ガス流路３３、３３’に燃料ガスが流される場合である。
【００１７】
冷却用ガス流路３３は下流で燃料電池１０に供給される反応ガスの供給流路（たとえば、反応ガスの供給マニホールド２７ａ、２８ａ）に接続している。この構成により、冷却用ガス流路で生成水を冷却用ガスに蒸発させて冷却用ガスを加湿し、それを反応ガス供給マニホールドに供給して反応ガスとして用いることができ、その場合生成水を加湿水分として再利用することができるようになる。
冷却用ガス流路３３の下流で、冷却用ガス流路３３と反応ガスの供給流路とを接続する接続流路３５は、セル面内に形成されてもよいし、スタック２３外に形成されてもよい。
図１では、接続流路３５が、冷却用ガス排出マニホールド３４ｂと反応ガスの供給マニホールド２７ａ、２８ａとを接続する流路から構成され、スタック外に配置され、各セルの冷却用ガスが冷却用ガス排出マニホールド３４ｂで一たん集められ接続流路３５を通って反応ガスの供給マニホールド２７ａ、２８ａに供給される場合を、一例として、示している。ただし、接続流路３５は、スタック２３内で、かつ、各セル面に、設けられてもよい。
【００１８】
冷却用ガス流路３３を含む冷却用ガス回路は、冷却用ガス流路３３を流れる冷却用ガスの流量が制御可能な構成となっている。たとえば、冷却用ガス回路の、セル面内冷却用ガス流路３３より上流側部分とセル面内冷却用ガス流路３３より下流側部分とをセル面内冷却用ガス流路３３を迂回して接続するバイパス流路３６を設け、バイパス流路３６または冷却用ガス流路３３側流路の何れか少なくも一方の流路に流量制御弁３７を設ける（図１の例では流量制御弁３７をバイパス流路３６に設けた場合を示す）構成とすれば、流量制御弁３７を流量制御することにより、セル面内冷却用ガス流路３３を流れる冷却用ガスの流量が制御可能となる。
バイパス流路３６を設ける構成では、セル面内冷却用ガス流路３３を流れる冷却用ガスの流量を変えても、反応ガスの供給マニホールド２７ａ、２８ａに供給される冷却用ガス（別の反応ガス供給系を設けない場合は、そのまま反応ガスとなる）の流量があまり変化せず、燃料電池の運転が安定する。ただし、図４に示すように、別の反応ガス供給系を設けて、その反応ガス供給流路に冷却用ガスを合流させてもよい。
【００１９】
生成水排出上は多孔質部３２はセル面のできるだけ広い領域に設けることがよいが、多孔質部３２では冷却用ガスによる冷却が行われガスによる冷却は水による冷却に比べて冷却効率が低いので、燃料電池の冷却上は多孔質部３２はセル面のできるだけ狭い領域に設けることがよい。
その両立をはかるためには、セル面内反応ガス流路２７、２８を上流部、中流部、下流部に分けた場合、その下流部が位置するセパレータ部分（図２の「Ｗｅｔ（湿潤）」に対応する部分）のみに多孔質部３２を形成することが望ましい。セル面内反応ガス流路２７、２８の下流部は、生成水が多い部分であるが、そこに多孔質部３２を設けることにより、速やかに生成水を排出でき、その部分の発電能力低下を効率よく防止することができる。また、ガス冷却部を、セル面内反応ガス流路２７、２８の下流部が位置するセパレータ部分のみに限定でき、冷却上の問題の発生を抑制することができる。
【００２０】
セル面内反応ガス流路２７、２８の下流部以外の部分（セル面内反応ガス流路２７、２８の上流部および中間部）が位置するセパレータ部分には冷却水が流れる冷媒流路２６を配置し、冷媒流路２６には、たとえば、氷点下での運転が可能であるＬＬＣ（Long Life Coolant の略、不凍液のこと）を流す。冷媒（冷却水）流路２６とセル面内冷却用ガス流路３３とは、互いに別系統である。セル面内反応ガス流路２７、２８の上流部および中間部が位置するセパレータ部分は、反応ガス濃度が高い（消費されないで残っている反応ガス量が多い）領域であるため、発電量が多く、発熱が多い領域であるので、そこを、冷却用ガスではなく、冷却水で冷却することにより、冷却効率がよい冷却を行うことができる。
【００２１】
多孔質部３２では、セル面内反応ガス流路２７、２８および冷却用ガス流路３３が山部間に形成された溝からなる場合、山部に対応する部分での生成水排出作用が溝に対応する部分での生成水排出作用より小のため、生成水を生成水排出部領域でほぼ均一に排出することが難しい。
そのため、多孔質部３２において、反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３の少なくとも一方（両方でもよい）のガス流路の山部４６（溝底面より先端の部分）、または山部とその山下部４８（流路２７、２８の溝底面と流路３３の溝底面との間の部分）の気孔率を他の部分より大とするか、または冷却用ガス流路３３と反応ガス流路２７、２８の少なくとも一方のガス流路の山／溝比を多孔質部以外の部位のガス流路の山／溝比より小とするか、または冷却用ガス流路３３を多孔質材で埋める。図中、５０はガスケットを示す。
これによって、反応ガス流路２７、２８から冷却用ガス流路３３への生成水の移行が、多孔質部３２領域において均一化される。
【００２２】
また、図１６、図１７に示すように、セパレータ１８の、反応ガス流路側表面の面方向の少なくとも一部の領域（たとえば、反応ガス流路方向中流域、または反応ガス流路方向中流域と上流域）で、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路側表面から背面側に向かって一部の厚さ部分（たとえば、反応ガス流路の溝と山のうち、山と溝底の部分、または山の部分）を、多孔質材５１で形成してもよい。この多孔質材５１は多孔質部３２とつながっており、多孔質材５１で吸収された水分が多孔質部３２に毛管作用（拡散作用）で移動できるようになっている。多孔質材５１は多孔質部３２の材料と同じ材料、同じ多孔度であってもよいし、あるいは異なる材料、異なる多孔度であってもよい。
セパレータ１８の、反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域を多孔質材５１で形成した場合は、集電面（拡散層とセパレータの接触面）の排水性と、ガス供給性が向上する。ガス供給性の向上は、セパレータの溝間の山で押された部分へのガスの供給が、拡散層を通して供給されるだけでなく、セパレータ１８の多孔質材５１で形成された山部を通しても供給されるからである。
【００２３】
また、図１８、１９に示すように、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方のガス流路の出口部に対応するセパレータ部分を多孔質化し、冷却用ガス流路３３に大気エアを流して燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方のガス流路の出口部の水分を冷却用ガスに蒸発させ、そのエアを酸化ガス流路２８に供給することで、フラッディングを防止するとともに酸化ガス流路２８入口部のドライアップを防止するようにした燃料電池においては、燃費の確保と安全の観点より、多孔質部３２を通しての燃料ガス（水素）の冷却用ガスへの漏れが抑制されることが望ましい。
そのために、セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部３２が、燃料ガス側（アノード側）にも、酸化ガス側（カソード側）にも形成され、多孔質部３２の通気抵抗がアノード＞カソードとしてある。
通気抵抗を変えるパラメータは、気孔率、気孔径、多孔質部の面積、多孔質部の厚みがある。多孔質部３２の通気抵抗をアノード＞カソードとすることは、多孔質部３２の気孔率をアノード＜カソードとするか、多孔質部３２の気孔径をアノード＜カソードとするか、多孔質部３２の面積をアノード＜カソードとするか、多孔質部３２の厚みをアノード＞カソードとするか、あるいはこれらの組合せによって得られる。
【００２４】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図４に示すように、セパレータ１８のセル面内冷却用ガス流路３３の上流にブロワ３８が接続されている。ブロワ３８の吐出側は冷却用ガス供給マニホールド３４ａに接続しており、ブロワ３８の吸引側は冷却用ガス源（大気）に連通している。冷却用ガスはセル面内冷却用ガス流路３３より下流で反応ガス供給マニホールド３０ａ、３１ａ（図示例では酸化ガス供給マニホールド３１ａ）に接続流路３５を介して接続している。接続流路３５にはブロワは設けられていない。冷却用ガスがそのまま反応ガスとして用いられる。図１では冷却用ガスが空気の場合を示している。
【００２５】
セル面内反応ガス流路２７、２８（図示例では酸化ガス流路２８）の下流部領域には、多孔質部３２が形成されている。多孔質部３２のＭＥＡ側の面には反応ガス流路２７、２８が形成されており、多孔質部３２のＭＥＡと反対側の面には冷却用ガス流路３３が形成されている。生成水はガス流路２７、２８から多孔質部３２中を移動して冷却用ガス流路３３側に排出され、フラッディングが抑制される。冷却用ガス流路３３側に排出された水分は、冷却用ガスを加湿する。加湿した冷却用ガスをそのまま反応ガスとして用いるので、従来必要であった反応ガスの加湿器が不要になるか、または従来に比べて加湿器容量を減少させることができる。また、生成水は多孔質部３２を移動する時に蒸発して、潜熱と顕熱で多量の熱を奪い、燃料電池１０を冷却する。フラッディングの抑制と燃料電池の冷却との両方が達成される。
【００２６】
実施例１の流路構成では、多孔質部３２を挟んで対峙する反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３のうち、反応ガス流路２７、２８は冷却用ガス流路３３より下流にあるので、反応ガス流路２７、２８のガス圧は冷却用ガス流路３３のガス圧より低く、冷却用ガスが冷却用ガス流路３３から多孔質部３２を移動して反応ガス流路２７、２８に流れる。これによって、反応ガス流路２７、２８の下流部の反応ガスの濃度を上げることができ、反応ガス流路２７、２８の下流部の発電能力を上げることができる。冷却用ガスの冷却用ガス流路３３から反応ガス流路２７、２８への流れにかかわらず、生成水は多孔質部３２の毛細管現象や蒸発により反応ガス流路２７、２８から冷却用ガス流路３３に移動できる。しかし、生成水の反応ガス流路２７、２８から冷却用ガス流路３３への移動を助長するために、多孔質部３２領域における冷却用ガスの圧力を低くしたい時には、冷却用ガス流路３３を絞って流速を高くし、静圧を下げるようにする。
【００２７】
本発明の実施例２では、図５に示すように、セル面内冷却用ガス流路３３の下流で、冷却用ガス流路３３と反応ガスの供給流路とを接続する接続流路３５に、ブロワ３８が配置されている。ブロワ３８の吐出側は反応ガス供給マニホールド３０ａ、３１ａに接続しており、ブロワ３８の吸引側は冷却用ガス排出マニホールド３４ｂに接続している。冷却用ガスはセル面内冷却用ガス流路３３より下流で反応ガス供給マニホールド３０ａ、３１ａ（図示例では酸化ガス供給マニホールド３１ａ）に接続流路３５、ブロワ３８を介して接続している。セル面内冷却用ガス流路３３の上流側にはブロワは設けられていない。冷却用ガスがそのまま反応ガスとして用いられる。図５では冷却用ガスが空気の場合を示している。
【００２８】
セル面内反応ガス流路２７、２８（図示例では酸化ガス流路２８）の下流部領域には、多孔質部３２が形成されている。多孔質部３２のＭＥＡ側の面には反応ガス流路２７、２８が形成されており、多孔質部３２のＭＥＡと反対側の面には冷却用ガス流路３３が形成されている。生成水はガス流路２７、２８から多孔質部３２中を移動して冷却用ガス流路３３側に排出され、フラッディングが抑制される。冷却用ガス流路３３側に排出された水分は、冷却用ガスを加湿する。加湿した冷却用ガスをそのまま反応ガスとして用いるので、従来必要であった反応ガスの加湿器が不要になるか、または従来に比べて加湿器容量を減少することができる。また、生成水は多孔質部３２を移動する時に蒸発して、潜熱および顕熱で多量の熱を奪い、燃料電池１０を冷却する。これによって、フラッディングの抑制と燃料電池の冷却との両方が達成される。
【００２９】
実施例２の流路構成では、接続流路３５にブロワ３８を設けたので、多孔質部３２を挟んで対峙する反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３のうち、反応ガス流路２７、２８のガス圧は冷却用ガス流路３３のガス圧より高く、反応ガスが反応ガス流路２７、２８から多孔質部３２を移動して冷却用ガス流路３３に流れ、生成水は、多孔質部３２の水分拡散作用に加えて、圧力によって反応ガス流路２７、２８から冷却用ガス流路３３に移動できる。これによって、生成水の排出とフラッディング防止が効果的に達成される。
【００３０】
本発明の実施例３は、本発明の実施例１で多孔質部３２の詰まりが発生した場合の対策に係る実施例である。本発明の実施例３では、図６に示すように、セル面内冷却用ガス流路３３の下流で、冷却用ガス流路３３と反応ガスの供給流路とを接続する接続流路３５に、大気に通じる枝管３９が分岐され、その枝管３９にもう一つのブロワ４３が配置され、枝管３９には枝管３９の分岐部４０より下流に開閉弁４１が設けられ、接続流路３５には枝管３９の分岐部４０より下流に開閉弁４２が設けられる。ブロワ４３は他の負圧発生手段に置き換えられてもよい。その他は本発明の実施例１と同じである。
【００３１】
燃料電池の通常運転時には、開閉弁４２が開で、開閉弁４１が閉とされ、ブロワ４３は停止している。燃料電池の通常運転時に多孔質部３２の詰まりが発生した場合、開閉弁４２が閉、開閉弁４１が開とされ、ブロワ４３が運転され、ブロワ３８は停止される。これによって、多孔質部３２の一面の冷却用ガス流路３３が負圧となり、多孔質部３２の詰まりを生じていた異物を吸引し、除去する。異物の除去が終わると、再び開閉弁４２が開、開閉弁４１が閉とされ、ブロワ４３が停止され、ブロワ３８が運転される。
【００３２】
本発明の実施例４では、図７に示すように、ＭＥＡのアノード側のセパレータ１８に多孔質部３２が形成され、多孔質部３２の一面に燃料ガス流路２７が形成され、多孔質部３２の他面に冷却用ガス流路３３’が形成されている。冷却用ガス流路３３’には燃料ガス（水素）が流される。隣接するセルの、ＭＥＡのカソード側のセパレータ１８の酸化ガス流路３３の背面にも冷却用ガス流路３３が形成されており、その冷却用ガス流路３３は隣接するセルの冷却用ガス流路３３’と区画されておらず、その冷却用ガス流路３３にも燃料ガス（水素）が流される。隣接するセルの、ＭＥＡのカソード側のセパレータ１８の酸化ガス流路３３と、その背面の冷却用ガス流路３３との間のセパレータ部分は、多孔質部３２ではなく、ガス不透過性のため、冷却用ガス流路３３を流れる燃料ガス（水素）と、酸化ガス流路３３を流れる酸化ガス（エア）とが混ざり合うことはない。
【００３３】
セル面内燃料ガス流路２７内の水分（酸化ガス流路２８の生成水が電解質膜１１を透過して来る水分）は、多孔質部３２を通り蒸発して冷却用ガス流路３３’に移動する。そのため、セル面内燃料ガス流路２７のフラッディングが解消される。また、水分の蒸発により潜熱、顕熱により多量の熱が奪われ、燃料電池が効果的に冷却される。
また、冷却用ガス流路３３’を流れる水素は、多孔質部３２を移動して来た水分で加湿され、接続流路３５を介して、そのまま燃料ガス供給マニホールド３０ａに供給され、燃料ガスとして用いられる。燃料ガスの加湿器が不要となるか、または設けても小容量のもので済む。
【００３４】
本発明の実施例５では、図８に示すように、ＭＥＡのアノード側のセパレータ１８とＭＥＡのカソード側のセパレータ１８の両方に多孔質部３２が形成される。アノード側のセパレータでは、多孔質部３２の一面に燃料ガス流路２７が形成され、多孔質部３２の他面に冷却用ガス流路３３’が形成され、この冷却用ガス流路３３’には燃料ガス（水素）が流される。カソード側のセパレータでは、多孔質部３２の一面に酸化ガス流路２８が形成され、多孔質部３２の他面に冷却用ガス流路３３が形成され、この冷却用ガス流路３３には酸化ガス（空気）が流される。セルの積層体において、酸化ガスが流れる冷却用ガス流路３３と、燃料ガスが流れる冷却用ガス流路３３との間には仕切板４４が配置され、燃料ガスと空気とは混じり合わないようにしてある。
【００３５】
セル面内燃料ガス流路２７内の水分は多孔質部３２を通り蒸発して燃料ガスが流れる冷却用ガス流路３３’に移動する。そのため、セル面内燃料ガス流路２７のフラッディングが解消される。また、水分の蒸発による潜熱、顕熱により多量の熱が奪われ、燃料電池が効果的に冷却される。同様に、セル面内酸化ガス流路２８内の生成水は多孔質部３２を通り蒸発して酸化ガスが流れる冷却用ガス流路３３に移動する。そのため、セル面内燃料ガス流路２８のフラッディングが解消される。また、水分の蒸発により潜熱により多量の熱が奪われ、燃料電池が効果的に冷却される。
また、冷却用ガス流路３３’を流れる水素は、多孔質部３２を移動して来た水分で加湿され、接続流路３５を介して、そのまま燃料ガス供給マニホールド３０ａに供給され、燃料ガスとして用いられる。そのため、燃料ガスの加湿器が不要となるか、または設けても小容量のもので済む。同様に、冷却用ガス流路３３を流れる空気は、多孔質部３２を移動して来た水分で加湿され、接続流路３５を介して、そのまま酸化ガス供給マニホールド３１ａに供給され、酸化ガスとして用いられる。そのため、酸化ガスの加湿器が不要となるか、または設けても小容量のもので済む。
【００３６】
本発明の実施例６では、図９（図２のＡ−Ａ断面）、図１０（図２のＢ−Ｂ断面）に示すように、多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３との少なくとも一方のガス流路（図９、図１０では両方のガス流路）が、山部４６間に形成された溝部から形成されており、多孔質部３２のうち山部（溝底より先端側の部分）４６のみが、多孔質部３２のその他の部分（山部４６以外の部分、すなわち反応ガス流路２８（または２７）の溝底面と冷却用ガス流路３３の溝底面の間の部分）より孔径、気孔率を大とされている。図９は反応ガス流路２８（または２７）の山部４６の孔径、気孔率がその他の部位より大とされていることを示し、図１０は冷却用ガス流路３３の山部４６の孔径、気孔率がその他の部位より大とされていることを示している。
【００３７】
反応ガスが多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）を通過する時、山部４６の孔径、気孔率が山部以外の部分の孔径、気孔率と同じであれば、反応ガス流路２８（または２７）から山部４６を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗が、反応ガス流路２８（または２７）から溝下部４７を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗より大きいため、反応ガス流路２８（または２７）の生成水は、多孔質部３２のうち流路抵抗小の溝下部４７を通って冷却用ガス流路３３に移行する。しかし、本発明の実施例６では、多孔質部３２のうち山部（溝底より先端側の部分）４６が、多孔質部３２のその他の部分（山部４６以外の部分）より孔径、気孔率を大とされているため、反応ガス流路２８（または２７）から山部４６を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗が小さくなって、反応ガス流路２８（または２７）から溝下部４７を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗にほぼ等しくなり、山部４６が有る部位か無い部位かと無関係に、多孔質部３２のほぼ全域からほぼ均一に生成水が冷却用ガス流路３３に移行するようになる。したがって、多孔質部３２のほぼ全域でフラッディングの発生を抑制できる。
【００３８】
本発明の実施例７では、図１１に示すように、多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３が、それぞれ、山部４６間に形成された溝部から形成されており、多孔質部３２のうち、反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３との少なくとも一方のガス流路（両方のガス流路でもよい）の、山部（溝底よりＭＥＡ側の部分）４６とその山下部（反応ガス流路２８または２７の溝底面の延長面と冷却用ガス流路３３の溝底面の延長面との間の部位）４８のみが、多孔質部３２のその他の部分（溝下部４７）よりも孔径、気孔率を大とされている。
【００３９】
反応ガスが多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）を通過する時、山部４６とその山下部４８の孔径、気孔率が山部以外の部分の孔径、気孔率と同じであれば、反応ガス流路２８（または２７）から山部４６とその山下部４８を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗が、反応ガス流路２８（または２７）から溝下部４７を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗より大きいため、反応ガス流路２８（または２７）の生成水は、多孔質部３２のうち流路抵抗小の溝下部４７を通って冷却用ガス流路３３に移行する。しかし、本発明の実施例６では、多孔質部３２のうち山部（溝底より先端側の部分）４６とその山下部４８が、多孔質部３２のその他の部分（溝下部４７）より孔径、気孔率を大とされているため、反応ガス流路２８（または２７）から山部４６とその山下部４８を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗が小さくなって、反応ガス流路２８（または２７）から溝下部を通過して冷却用ガス流路３３に抜ける流路抵抗にほぼ等しくなり、山部４６が有る部位か無い部位かと無関係に、多孔質部３２のほぼ全域からほぼ均一に生成水が冷却用ガス流路３３に移行するようになる。したがって、多孔質部３２のほぼ全域で、反応ガス流路におけるフラッディングの発生を抑制できる。
【００４０】
本発明の実施例８では、図１２に示すように、セパレータの多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３がそれぞれ山部４６間に位置する溝部から形成されており、多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３の少なくとも一方のガス流路の山／溝比が、それ以外の部分（ＬＬＣ冷却部分）の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３の少なくとも一方のガス流路の山／溝比より小とされている。この場合、セパレータ間の接触面積が小さくなるが、反応ガス流路２８（または２７）の下流部にあるため、ガス濃度が小で、発電量が小さく、その弊害（接触抵抗増など）は小さい。
反応ガスが多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）を通過する時、山部４６では生成水は冷却用ガス流路３３に抜け難く、溝下部４７では生成水は冷却用ガス流路３３に抜けやすい。本発明の実施例８では、多孔質部３２の反応ガス流路２８（または２７）と冷却用ガス流路３３の少なくとも一方のガス流路の山／溝比をそれ以外の部分の山／溝比より小としたので、山部の影響が小さくなり、多孔質部３２のほぼ全域からほぼ均一に生成水が冷却用ガス流路３３に移行するようになる。したがって、多孔質部３２のほぼ全域で、フラッディングの発生を抑制できる。
【００４１】
本発明の実施例９では、図１３、図１４に示すように、セパレータ１８の多孔質部３２の冷却用ガス流路３３が、冷却用ガスを通す導電性多孔質材４９で充填されている。冷却用ガス流路３３を構成する多孔質材４９は、多孔質部３２を構成する多孔質材料より、気孔率、孔径が大きく、冷却用ガスの流れの圧損を低減してある。冷却用ガス流路３３を構成する多孔質材４９は、たとえば、ポーラスカーボンやポーラスメタルからなる。
冷却用ガス流路３３を構成する多孔質材４９は、図１３に示すように、互いに同種の材料の場合多孔質部３２と一体に形成してもよいし、あるいは図１４に示すように、互いに同種、異種の材料にかかわらず多孔質部３２と別体に形成して多孔質部３２に固定するようにしてもよい。
冷却用ガス流路３３が、冷却用ガスを通す導電性多孔質材４９で充填されているため、山、溝がないので、反応ガス流路２８（または２７）から冷却用ガス流路３３への生成水の移行が、多孔質部３２のほぼ全域でほぼ均一に行われる。また、溝部がないので、冷却用ガス流路３３においてもセパレータ間の接触が得られ、接触抵抗が低減する。
【００４２】
本発明の実施例１０の燃料電池では、図１５に示すように、ＭＥＡとセパレータ１８とを有し、セパレータ１８のＭＥＡ対向面に反応ガス流路が形成されている。そして、セパレータ１８に水分交換部３２’が形成されており、水分交換部３２’の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路３３が形成されている。したがって、本発明の実施例１０は、本発明の他の実施例の多孔質部３２を水分交換部３２’とした構造となっている。この水分交換部３２’は、ガスを遮断し水分のみを交換することができる特殊な多孔質材からなる。このような多孔質材には、従来公知の、湿潤時にガス不透過性となり、乾燥時にはガス透過性となる多孔質材を用いることができる。この多孔質材は、導電性であることが望ましく、セパレータ１８と同種材料であることが接合上望ましい。
【００４３】
冷却用ガス流路３３が下流で燃料電池に供給される反応ガスの供給流路に接続していること、反応ガス流路の下流部が位置するセパレータ部分のみに水分交換部３２’が形成されることは、本発明の他の実施例の場合と同じであり、その作用、効果は本発明の他の実施例の場合に準じる。
【００４４】
本発明の実施例１０では、水分交換部３２’が水分のみを透過しガスを透過しないため、水分交換部３２’の両面にあるガス流路に異種のガスを流すことができる。異種のガスを流してもガスの混合は生じない。図１５は、水分交換部３２’の一面に空気を、他面に乾燥水素を流す場合を示す。乾燥水素は酸化ガス流路の下流部の空気から水分交換部３２’を透過して来る水分により加湿される。加湿された水素は、そのまま反応ガスとして燃料ガス流路に流される。これにより、酸化ガス流路の下流部のフラッディングを防止できるとともに、従来必要であった燃料ガス供給流路にあった加湿器を無くすことができる。
【００４５】
本発明の実施例１１では、図１６、図１７に示すように、燃料電池１０は、ＭＥＡ、ＭＥＡの一側の第１のセパレータ１８、ＭＥＡの他側の第２のセパレータ１８を有している。第１、第２のセパレータのＭＥＡ対向面に、反応ガス流路２７、２８が形成されている。第１、第２のセパレータ１８の何れか少なくとも一方のセパレータ１８の、セパレータ面内方向には反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域で、セパレータ厚さ方向には反応ガス流路側表面から背面に向かって一部の厚さ部分が、多孔質材５１で形成されている。
セパレータ１８はカーボンセパレータでも、メタルセパレータでもよい。メタルセパレータ１８の場合は多孔質材５１部は通気性のあるポーラスな焼結体などからなる。
【００４６】
図１６、図１７の例では、酸化ガス流路２８下流部のセパレータ１８（第２のセパレータ）を多孔質化して多孔質部３２とし、多孔質部３２の酸化ガス流路２８と反対側に冷却用ガス流路３３を形成して、酸化ガス流路２８と冷却用ガス流路３３を多孔質部３２を介して連通させる。
また、燃料ガス流路２７の少なくとも一部の領域（図示例では全域）および酸化ガス流路２８の多孔質部３２以外の少なくとも一部の領域（図示例では多孔質部３２以外の全域）も、セパレータ１８の厚さ方向の反応ガス流路２７、２８側部分（流路の溝底部と山部）を多孔質材５１で形成する。ただし、セパレータ１８の厚さ方向の冷媒流路２６側は、緻密質のままとし、反応ガス流路２７、２８を冷媒流路２６と連通させない。多孔質部３２が形成されている方のセパレータ１８では、多孔質材５１で形成した部分と多孔質部３２とはつながっている。
冷却用ガス流路３３に冷却用ガスを流すことで、反応ガス流路下流部の水分を冷却用ガスに蒸発させ、フラッディングを防止する。冷却用ガス流路３３を流れるドライ空気の流量は調整可能である。冷媒流路２６にはＬＬＣ（不凍液）を流す。冷却用ガス流路３３を流れた後のエアを反応ガス流路２７、２８に供給することで、反応ガス流路２７、２８入口部のドライアップを防止する。
【００４７】
ただし、多孔質部３２が形成されていない方のセパレータ１８（図示例ではアノード側セパレータ）には多孔質材５１部分を形成しなくてもよい。
また、多孔質部３２が形成されている方のセパレータ１８（図示例ではカソード側セパレータ）に多孔質材５１部分を形成する場合、反応ガス流路の一部の領域にのみ多孔質材５１で形成した部分を形成してもよい。たとえば、酸化ガス流路２８の下流部に多孔質部３２が形成されている場合、酸化ガス流路２８の中流域のみに多孔質材５１部分を形成してもよい。ただし、酸化ガス流路２８の中流域と上流域との両方に多孔質材５１部分を形成してもよい。
また、多孔質材５１部分は、反応ガス流路２７、２８の溝底部と山部の両方に形成されてもよいし、反応ガス流路２７、２８の山部のみに形成されてもよい。ただし、多孔質材５１で形成した部分の反応ガス流路２７、２８と反対側部分（冷媒流路が形成されている側部分）は緻密部とされている。
【００４８】
本発明の実施例１１の作用については、セパレータ１８に多孔質部３２を形成しその背面に冷却用ガスを流したことにより、反応ガス中の水分および生成水が多孔質部３２を通して冷却用ガスに流れるので、反応ガス流路２７、２８側でのフラッディングを防止することができる。
また、水分を吸収した冷却用ガスを反応ガス流路２７、２８に供給することにより、反応ガス流路上流側でのドライアップも解消することができる。
また、セパレータの多孔質部３２形成域以外の領域の少なくとも一部の領域の、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路２７、２８側部分を多孔質材５１で形成したため、多孔質部３２領域以外の領域の水分、生成水も、多孔質材５１で吸収され、毛管作用で多孔質材５１形成域から多孔質部３２に移動し、多孔質部３２から多孔質部３２背面の冷却用ガスに吸収される。その結果、多孔質部３２領域以外の領域のフラッディングも防止される。
さらに、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路２７、２８側部分を多孔質材５１で形成したため、山間の溝からなる反応ガス流路２７、２８の山部にも反応ガスが流れ込みやすくなり、拡散層１３、１６のうちセパレータの山部で押されている部分（山下部）のガス濃度が向上し、発電能力が向上する。
【００４９】
本発明の実施例１２では、図１８、図１９に示すように、燃料電池１０は、ＭＥＡ、ＭＥＡの一側の第１のセパレータ（アノード側セパレータ）１８、ＭＥＡの他側の第２のセパレータ（カソード側セパレータ）１８を有している。第１、第２のセパレータのＭＥＡ対向面に、それぞれ、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガス流路２７の下流部（出口部）と酸化ガス流路２８の下流部（出口部）とは、電解質膜１１を挟んで相対する位置にある。ただし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路パターンは指定はない。
燃料ガス流路２７の下流部（出口部）と酸化ガス流路２８の下流部（出口部）のセパレータ部分を多孔質化して多孔質部３２とし、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８と冷却用ガス流路３３を多孔質部３２を介して透過可能とする。
また、図１６、図１７に示したように、反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３との連通部以外の領域の、セパレータの厚み方向の一部を多孔質化（多孔質材５１の部分）して構わないが、その部分５１の冷媒流路２６側は緻密質のままとして、反応ガス流路２７、２８を冷媒流路２６と連通させない。
冷却用ガス流路３３には、冷却用ガス（大気エア）を流し、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の出口部分の水分を冷却用ガス中に蒸発させることで反応ガス流路出口部でのフラッディングを防止する。冷却用空気を、酸化ガス流路２８に供給することで、酸化ガス流路２８の入口部およびその近傍の膜１１のドライアップを防止する。
多孔質部３２に流す冷却用ガス（大気エア）の量は調整可能である。セパレータの、ポーラスでない中実部に設けられている冷媒流路２６には、ＬＬＣ（不凍液）を流す。
【００５０】
セパレータ１８の反応ガス下流部に設けられる多孔質部３２は、アノード側セパレータにも、カソード側セパレータにも形成され、通気抵抗が、アノード側セパレータの多孔質部３２の通気抵抗＞カソード側セパレータの多孔質部３２の通気抵抗としてある。
通気抵抗を、アノード＞カソードとするために、多孔質部３２の気孔率をアノード＜カソードとするか、または多孔質部３２の気孔径をアノード＜カソードとするか、または多孔質部３２の気孔率をアノード＜カソードとすると共に多孔質部３２の気孔径をアノード＜カソードとしてある。
【００５１】
本発明の実施例１２の作用については、通気抵抗を、アノード＞カソードとしたため、燃料ガス（水素）の冷却ガス流路３３側への漏れが防止または抑制され、水素利用率が向上する。
この場合、燃料ガス流路２７から冷却用ガス中への水分蒸発量が低減するが、生成水はカソードで生成するため、燃料ガス流路２７中の水分量は酸化ガス流路２８中よりも少なく、水素の拡散性も酸素より優れているため、アノードでのフラッディングの規模もカソードでのフラッディングの規模より小さく、アノード水分蒸発低減の影響は小さい。
【００５２】
本発明の実施例１３では、図２０、図２１に示すように、燃料電池１０は、ＭＥＡ、ＭＥＡの一側の第１のセパレータ（アノード側セパレータ）１８、ＭＥＡの他側の第２のセパレータ（カソード側セパレータ）１８を有している。第１、第２のセパレータのＭＥＡ対向面に、それぞれ、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガス流路２７の下流部（出口部）と酸化ガス流路２８の下流部（出口部）とは、電解質膜１１を挟んで相対する位置にある。ただし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路パターンは指定はない。
燃料ガス流路２７の下流部（出口部）と酸化ガス流路２８の下流部（出口部）のセパレータ部分を多孔質化して多孔質部３２とし、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８と冷却用ガス流路３３を多孔質部３２を介して透過可能とする。
また、図１６、図１７に示したように、反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３との連通部以外の領域の、セパレータの厚み方向の一部を多孔質化（多孔質材５１の部分）して構わないが、その部分５１の冷媒流路２６側は緻密質のままとして、反応ガス流路２７、２８を冷媒流路２６と連通させない。
冷却用ガス流路３３には、冷却用ガス（大気エア）を流し、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の出口部分の水分を冷却用ガス中に拡散、蒸発させることで反応ガス流路出口部でのフラッディングを防止する。冷却用空気を、酸化ガス流路２８に供給することで、酸化ガス流路２８の入口部およびその近傍の膜１１のドライアップを防止する。
多孔質部３２に流す冷却用ガス（大気エア）の量は調整可能である。セパレータの、ポーラスでない中実部に設けられている冷媒流路２６には、ＬＬＣ（不凍液）を流す。
【００５３】
セパレータ１８の反応ガス下流部に設けられる多孔質部３２は、アノード側セパレータにも、カソード側セパレータにも形成され、通気抵抗が、アノード側セパレータの多孔質部３２の通気抵抗＞カソード側セパレータの多孔質部３２の通気抵抗としてある。
通気抵抗を、アノード＞カソードとするために、多孔質部３２の面積（セル面内方向の面積）を、アノード＜カソードとするか、または多孔質部３２の厚み（セル面と直交する方向の厚み）をアノード＞カソードとするか、または多孔質部３２の面積をアノード＜カソードとすると共に多孔質部３２の厚みアノード≧カソードとしてある。または、通気抵抗を、アノード＞カソードとするために、本発明の実施例１２の構成要件の少なくとも一つの要件と実施例１３の構成要件の少なくとも一つの要件とを組み合わせてもよい。
【００５４】
本発明の実施例１３の作用については、通気抵抗を、アノード＞カソードとしたため、燃料ガス（水素）の冷却ガス流路３３側への漏れが防止または抑制され、水素利用率が向上する。
この場合、燃料ガス流路２７から冷却用ガス中への水分蒸発量が低減するが、生成水はカソードで生成するため、燃料ガス流路２７中の水分量は酸化ガス流路２８中よりも少なく、水素の拡散性も酸素より優れているため、アノードでのフラッディングの規模もカソードでのフラッディングの規模より小さく、アノード水分蒸発低減の影響は小さい。
【００５５】
本発明の実施例１４では、燃料電池１０は、ＭＥＡ、ＭＥＡの一側の第１のセパレータ（アノード側セパレータ）１８、ＭＥＡの他側の第２のセパレータ（カソード側セパレータ）１８を有している。第１、第２のセパレータのＭＥＡ対向面に、それぞれ、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガス流路２７の下流部（出口部）と酸化ガス流路２８の下流部（出口部）とは、電解質膜１１を挟んで相対する位置にある。ただし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路パターンは指定はない。
全セル１９の酸化ガス流路２８の下流部（出口部）のセパレータ部分と、スタック２３の一部のみのセル１９（アノードに水が詰まりやすいセル１９のみ）の燃料ガス流路２７の下流部（出口部）のセパレータ部分を、多孔質化して多孔質部３２とし、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８と冷却用ガス流路３３を多孔質部３２を介して透過可能とする。
また、図１６、図１７に示したように、反応ガス流路２７、２８と冷却用ガス流路３３との連通部以外の領域の、セパレータの厚み方向の一部を多孔質化（多孔質材５１の部分）して構わないが、その部分５１の冷媒流路２６側は緻密質のままとして、反応ガス流路２７、２８を冷媒流路２６と連通させない。
冷却用ガス流路３３には、冷却用ガス（大気エア）を流し、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の出口部分の水分を冷却用ガス中に蒸発させることで反応ガス流路出口部でのフラッディングを防止する。冷却用空気を、酸化ガス流路２８に供給することで、酸化ガス流路２８の入口部およびその近傍の膜１１のドライアップを防止する。
多孔質部３２に流す冷却用ガス（大気エア）の量は調整可能である。セパレータの、ポーラスでない中実部に設けられている冷媒流路２６には、ＬＬＣ（不凍液）を流す。
【００５６】
実施例１４における、アノードに水が詰まりやすいセルとは、放熱により温度が低下しやすいスタック２３端部の数セル（図２２で斜線を施したセル）、もしくは、アノードマニホールド出口に近い数セル（図２３で斜線を施したセル）のことである。
【００５７】
本発明の実施例１４の作用については、アノードに水が詰まりやすいセルで、燃料ガス流路２７出口部と冷却用ガス流路３３を多孔質部３２を通して水分移動可能としたので、アノードフラッディングが防止または抑制される。
また、セパレータの燃料ガス流路に対し多孔質部３２が形成されるセルは、アノードフラッディングの発生しやすいセルのみとしたので、全セルに対して設けられる場合に比べて、燃料ガス（水素）の冷却ガス流路３３側への漏れが抑制され、水素利用率が向上する。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータに多孔質部を形成し、多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成したので、生成水の排出と燃料電池の冷却との両方を達成することができる。
また、反応ガス流路の上流部が位置するセパレータ部分には別の冷媒流路を形成したので、この別の冷媒流路に冷却水を流すことにより、発熱量の多い上流部を冷却能が大きい冷却水で冷却できる。
請求項２の燃料電池によれば、冷却用ガス流路は下流で燃料電池に供給される反応ガスの供給流路に接続しているので、供給反応ガスの加湿器が不要になるか、設けても小型なもので済む。
請求項３の燃料電池によれば、冷却用ガス流路が流量制御可能であるため、排水性の制御が可能となる。
請求項４の燃料電池によれば、反応ガス流路の下流部が位置するセパレータ部分のみに多孔質部を形成したので、反応ガス流路の下流部は生成水が生成されやすい部位と一致し、フラッディングを効果的に抑制することができる。
請求項５の燃料電池によれば、多孔質部のうち反応ガス流路と冷却用ガス流路の少なくとも一方のガス流路の、山部、または山部とその山下部が、多孔質部のその他の部分より気孔率を大とされているので、山部がある部位か溝部がある部位かにかかわらず多孔質部のほぼ全域でほぼ均一に生成水を冷却用ガス流路に移行させることができる。
請求項６の燃料電池によれば、多孔質部の反応ガス流路と冷却用ガス流路の少なくとも一方のガス流路の山／溝比がそれ以外の部分（ＬＬＣによる冷却部）のガス流路の山／溝比より小とされているので、山部がある部位か溝部がある部位かにかかわらず多孔質部のほぼ全域でほぼ均一に生成水を冷却用ガス流路に移行させることができる。
請求項７の燃料電池によれば、セパレータの多孔質部の冷却用ガス流路が多孔質材で充填されているので、多孔質部のほぼ全域でほぼ均一に生成水を冷却用ガス流路に移行させることができる。
請求項８の燃料電池によれば、多孔質部の両側のガスが互いに同種であるため、混合しても問題が生じない。
請求項９の燃料電池によれば、セパレータの冷却用ガス流路の上流にブロワを接続したので、セパレータの冷却用ガス流路のガス圧が高くなり、冷却用ガス流路から多孔質部を通して反応ガス流路の下流部（濃度が低下している）に新しい反応ガスを一部供給でき、反応ガス流路の下流部の発電能力を上げることができる。
請求項１０の燃料電池によれば、セパレータの冷却用ガス流路の下流の接続流路にブロワを配置したので、セパレータの冷却用ガス流路のガス圧が負圧となり、多孔質部で反応ガス流路から多孔質部を通して冷却用ガス流路にガスを流すことができ、このガスの流れに載せて生成水を排出でき、生成水の排出が促進される。
請求項１１の燃料電池によれば、冷却用ガス流路の下流で、接続流路に負圧発生手段への通路を接続したので、多孔質部に詰まりが発生した場合に負圧を作用させて詰まりを除去することができる。
請求項１２の燃料電池によれば、冷却用ガス流路が空気流路であるので、冷却ガスを加湿してそのまま酸化ガスに利用できる。
請求項１３の燃料電池によれば、冷却用ガス流路が燃料ガス流路であるので、冷却ガスを加湿してそのまま燃料ガスに利用できる。
請求項１４の燃料電池によれば、一対のセパレータのうち、一方のセパレータに形成された冷却用ガス流路が空気流路であり、他方のセパレータに形成された冷却用ガス流路が燃料ガス流路であるので、空気流路を流れる冷却ガスを加湿してそのまま酸化ガスに利用でき、燃料ガス流路を流れる冷却ガスを加湿してそのまま燃料ガスに利用できる。
請求項１５の燃料電池によれば、水分交換部がガスを透過させずに水分のみを透過させるので水分交換部の両側に互いに異種のガスを流してもガスは混合せず問題は生じない。
請求項１６の燃料電池によれば、セパレータの、反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域で、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路側表面から背面側に向かって一部の厚さ部分を、多孔質材で形成したので、集電面の排水性と、ガス供給性が向上する。
請求項１７の燃料電池によれば、多孔質部の通気抵抗をアノード＞カソードとしてあるので、水素漏れを抑制できる。
請求項１８の燃料電池によれば、多孔質部の気孔率をアノード＜カソードとしてあるので、水素漏れを抑制できる。
請求項１９の燃料電池によれば、多孔質部の気孔径をアノード＜カソードとしてあるので、水素漏れを抑制できる。
請求項２０の燃料電池によれば、多孔質部の面積をアノード＜カソードとしてあるので、水素漏れを抑制できる。
請求項２１の燃料電池によれば、多孔質部の厚みをアノード＞カソードとしてあるので、水素漏れを抑制できる。
請求項２２の燃料電池によれば、多孔質部が形成されるセルは、アノードフラッディングの発生しやすいセルのみであので、水素漏れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１（他の本発明の実施例にも適用可能）の燃料電池の冷却用ガス流路およびその系統、冷却水流路を示す燃料電池の正面図兼系統図である。
【図２】 本発明の燃料電池の反応ガス流路を示す燃料電池の正面図である。
【図３】 本発明の実施例１の燃料電池の断面図である。
【図４】 本発明の実施例１の燃料電池で、冷却用ガスを反応ガスに合流させる場合の、正面図兼系統図である。
【図５】 本発明の実施例２の燃料電池の冷却用ガス流路およびその系統を示す燃料電池の正面図兼系統図である。
【図６】 本発明の実施例３の燃料電池の冷却用ガス流路およびその系統を示す燃料電池の正面図兼系統図である。
【図７】 本発明の実施例４の燃料電池の断面図である。
【図８】 本発明の実施例５の燃料電池の断面図である。
【図９】 本発明の実施例６の燃料電池の断面図（図２のＡ−Ａ断面図）である。
【図１０】 本発明の実施例６の燃料電池の断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）である。
【図１１】 本発明の実施例７の燃料電池の断面図である。
【図１２】 本発明の実施例８の燃料電池の断面図である。
【図１３】 本発明の実施例９の燃料電池の断面図（冷却用ガス流路を埋める多孔質材が多孔質部に一体形成の場合）である。
【図１４】 本発明の実施例９の燃料電池の断面図（冷却用ガス流路を埋める多孔質材が多孔質部に別体形成の場合）である。
【図１５】 本発明の実施例１０の燃料電池の斜視図である。
【図１６】 本発明の実施例１１の燃料電池の、流路溝部断面図である。
【図１７】 本発明の実施例１１の燃料電池の、流路山部断面図である。
【図１８】 本発明の実施例１２の燃料電池の、流路溝部断面図である。
【図１９】 本発明の実施例１２の燃料電池の、流路山部断面図である。
【図２０】 本発明の実施例１３の燃料電池の、流路溝部断面図である。
【図２１】 本発明の実施例１３の燃料電池の、流路山部断面図である。
【図２２】 本発明の実施例１４の燃料電池のスタックの側面図である。
【図２３】 本発明の実施例１４の燃料電池のスタックの側面図である。
【図２４】 本発明の燃料電池スタックの全体側面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ 単セル（またはモジュール）
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒（冷却水）流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ａ 冷媒（冷却水）供給マニホールド
２９ｂ 冷媒（冷却水）排出マニホールド
３０ａ 燃料ガス（水素）供給マニホールド
３０ｂ 燃料ガス（水素）排出マニホールド
３１ａ 酸化ガス（空気）供給マニホールド
３１ｂ 酸化ガス（空気）排出マニホールド
３２ 多孔質部
３２’ 水分交換部
３３、３３’ 冷却用ガス流路
３４ａ 冷却ガス供給マニホールド
３４ｂ 冷却ガス排出マニホールド
３５ 接続流路
３６ バイパス流路
３７ 流量制御弁
３８ ブロワ
３９ 枝管
４０ 分岐部
４１、４２ 開閉弁
４３ ブロワ
４４ 仕切板
４５ Ｏリング
４６ 山部
４７ 溝下部
４８ 山下部
４９ 多孔質材
５０ ガスケット
５１ 多孔質材

Claims (22)

1. ＭＥＡとセパレータとを有し、セパレータのＭＥＡ対向面に反応ガス流路が形成されている燃料電池であって、前記セパレータの、反応ガス流路の下流部が位置するセパレータ部分に、多孔質部を形成し、該多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成し、反応ガス流路の下流部以外の部分が位置するセパレータ部分の、反応ガス流路背面には、冷却用ガスとは別の冷媒の、冷媒流路を形成した燃料電池。
2. 前記冷却用ガス流路は下流で燃料電池に供給される反応ガスの供給流路に接続している請求項１記載の燃料電池。
3. 前記冷却用ガス流路は流量制御可能である請求項２記載の燃料電池。
4. 反応ガス流路の下流部が位置するセパレータ部分のみに前記多孔質部を形成した請求項１記載の燃料電池。
5. 前記セパレータの前記多孔質部の前記反応ガス流路と前記冷却用ガス流路がそれぞれ山部間に位置する溝部から形成されており、前記多孔質部のうち前記反応ガス流路と前記冷却用ガス流路の少なくとも一方の、前記山部、または前記山部とその山下部が、前記多孔質部のその他の部分より気孔率を大とされている請求項１記載の燃料電池。
6. 前記セパレータの前記多孔質部の前記反応ガス流路と前記冷却用ガス流路がそれぞれ山部間に位置する溝部から形成されており、前記多孔質部の前記反応ガス流路と前記冷却用ガス流路の少なくとも一方のガス流路の山／溝比がそれ以外の部分のガス流路の山／溝比より小とされている請求項１記載の燃料電池。
7. 前記セパレータの前記多孔質部の前記冷却用ガス流路が多孔質材で充填されている請求項１記載の燃料電池。
8. 前記セパレータの多孔質部の表裏に流すガスが同種である請求項１記載の燃料電池。
9. 前記セパレータの前記冷却用ガス流路の上流にブロワを接続した請求項１記載の燃料電池。
10. 前記セパレータの前記冷却用ガス流路の下流で、反応ガス供給流路への接続部の上流側にブロワを配置した請求項２記載の燃料電池。
11. 前記セパレータの前記冷却用ガス流路の下流で、反応ガス供給流路への接続部の上流側に、負圧発生手段への通路を接続した請求項２記載の燃料電池。
12. 前記冷却用ガス流路が空気流路である請求項１記載の燃料電池。
13. 前記冷却用ガス流路が燃料ガス流路である請求項１記載の燃料電池。
14. ＭＥＡを挟んで対向するアノード側セパレータとカソード側セパレータの両方に前記多孔質部が形成され、
    前記アノード側セパレータの前記多孔質部のＭＥＡに対向する面と反対側の面に燃料ガスが流れる冷却用ガス流路が形成されており、
    前記カソード側セパレータの前記多孔質部のＭＥＡに対向する面と反対側の面に酸化ガスが流れる冷却用ガス流路が形成されており、
    燃料電池が積層された状態で、前記アノード側セパレータの燃料ガスが流れる冷却用ガス流路と、前記カソード側セパレータの酸化ガスが流れる冷却用ガス流路との間には、燃料ガスと酸化ガスとが混じり合うことを阻止する仕切板が配置されている請求項１記載の燃料電池。
15. 前記多孔質部を、ガスを遮断し水分のみを透過させる水分交換膜から構成した請求項１記載の燃料電池。
16. 前記セパレータの前記多孔質部を形成したセパレータ部分以外のセパレータ部分の、反応ガス流路側表面の少なくとも一部の領域で、セパレータ厚さ方向に反応ガス流路側表面から背面側に向かって一部の厚さ部分を、多孔質材で形成し、該多孔質材と前記多孔質部とをつなげた請求項１記載の燃料電池。
17. 前記セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部が、アノード側にも、カソード側にも形成され、該多孔質部の通気抵抗がアノード＞カソードとしてある請求項４記載の燃料電池。
18. 前記セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部が、アノード側にも、酸化ガス側にも形成され、気孔率がアノード＜カソードとしてある請求項１７記載の燃料電池。
19. 前記セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部が、アノード側にも、酸化ガス側にも形成され、気孔径がアノード＜カソードとしてある請求項１７記載の燃料電池。
20. 前記セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部が、アノード側にも、酸化ガス側にも形成され、多孔質部の面積がアノード＜カソードとしてある請求項１７記載の燃料電池。
21. 前記セパレータの反応ガス下流部に設けられる多孔質部が、アノード側にも、酸化ガス側にも形成され、多孔質部の厚みがアノード＞カソードとしてある請求項１７記載の燃料電池。
22. セパレータの燃料ガス流路に対し多孔質部が形成されるセルは、アノードフラッディングの発生しやすいセルのみとした請求項１記載の燃料電池。

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