JP3972581B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池の生成水の排出を良好にした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、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および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層体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）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオ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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでの水生成反応で出る熱とジュール熱とによりセルの温度が上昇するので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
酸化ガスは、入口側で乾燥（ドライ）しやすく途中で反応生成水で湿潤されていき出口側で湿潤過多（フラッディング）を生じやすい。また、燃料ガスは、電解質膜を通して酸化ガスの水分が拡散してくるので、燃料ガス出口側が入口側より湿潤状態になる。
燃料電池で水素イオンが電解質膜中を移行して上記の発電反応が円滑に行われるためには、電解質膜が適度の水分を含んでいなければならない。また、電解質膜の全域で正常な発電反応が行われるには、セル面内方向に水分分布が均一化されることが必要である。何となれば、水分分布が偏って電解質膜が局部的に乾燥すると上記発電反応が得られなくなるからであり、また反応による生成水によって湿潤過多となると、生成・凝縮した水滴によって酸化ガスのカソードへの酸素の供給が阻止されるからである。
特開２０００−８２４８２は、ガス流入孔からガス流出孔までの気流によって、凝縮水が流出方向に排出され得る、サーペンタイン（蛇行）型のガス供給流路をもつ固体高分子型燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来燃料電池では、ガス流路が長くなると、凝縮水が流出孔まで到達するのが難しくなる。特に流出孔まで凝縮水が自重落下できるような傾斜が設けられていないガス流路をもつセパレータでは、その排水性悪化が顕著になる。
本発明の目的は、ガス流路の凝縮水の排水性を改善した燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【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。
（１） セパレータ面を上下方向に向け、セパレータの電極との接触面に酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路を設けた燃料電池において、前記ガス流路のガス入口、ガス出口以外の途中の位置に、ガスおよびガス流路に溜まる水を燃料電池外に排水可能な排水通路を開口させたことを特徴とする燃料電池。
（２） 前記排水通路に開閉可能なバルブを設けた（１）記載の燃料電池。
（３） 燃料電池の運転状態に応じて前記バルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けた（２）記載の燃料電池。
（４） 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうちガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた（１）記載の燃料電池。
（５） 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうち一方のガス流路ではガスが下方から上方に流れ、他方のガス流路ではガスが上方から下方に流れ、前記ガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた（１）記載の燃料電池。
（６） ガス流路を上流から下流に向けて絞った請求項１記載の燃料電池。
（７） 冷媒流路を有し、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れる請求項１記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）の燃料電池では、排水通路を設けたので、排水通路を介して凝縮水を排出でき、排水性を改善できる。また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、セル面全域が水分により覆われることは起こらない。
上記（２）の燃料電池では、排水通路にバルブを設けたので、排水時以外はバルブを閉にしておくことにより、ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
上記（３）の燃料電池では、燃料電池の運転状態に応じてバルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けたので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
上記（４）の燃料電池では、下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けたので、水に重力と反対方向にガス流が作用してガス流路の途中に水がたまっても、排水通路により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できる流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路によるセル構造の複雑化を最小限にすることができる。
上記（５）の燃料電池では、上記（４）の燃料電池において、酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流したので、上記（４）の作用に加えて、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍（酸化ガス入口部近傍は最も乾きやすい部位である）に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止（最も湿潤過多になる酸化ガス出口部近傍のフラッディング防止）がはかられるという作用が得られる。
上記（６）の燃料電池では、ガス流路を上流側から下流側に向けて絞ったので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路の途中にたまった水の、該水より下流側にある、ガス出口または排水通路への排水性がよくなる。
上記（７）の燃料電池では、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れるので、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げて乾きにくくすることができる。また、冷媒流路内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。冷媒を上から入れて下に流すとガス溜まりができた時にガスロックしうるが、それを防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して、説明する。
図１〜図４は本発明の何れの実施例にも適用可能であり、図５は本発明の実施例１を示し、図６は本発明の実施例２を示す。
本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例にわたって共通する部分または共通に適用可能な部分を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７（単に、ガス流路ともいう）および燃料電池冷却用の冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６（冷却水流路ともいう）を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】
燃料電池１０は、セル積層方向を重力と垂直方向にして、配置される。したがって、セル面、セパレータ面は鉛直方向（上下方向）に向けられている。
冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷媒流路２６が設けられる。冷媒流路２６には冷媒、たとえば冷却水が流れる。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷媒流路２６やガス流路２７、２８を形成したもの、または、冷媒流路２６、ガス流路２７、２８を形成する凹凸のある金属板またはそれを複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。
各ガス流路２７、２８は、図示例のように複数の突起により隔てられた２枚の平板の間のスペース（格子状流路）であってもよいし、互いに並行する複数のガス流路からなるガス流路群であってもよい。ただし、排水性の点から格子状流路が望ましい。
ガス流路２７、２８は、流路長、流速をかせぐためにたとえばサーペンタイン（蛇行）流路からなり、流路の折り返し部を除き流路は水平かほぼ水平、または上下方向に延び、隣接する流路は流路の折り返し部を除き仕切壁２９で仕切られていることが望ましい。
【００１０】
ガス流路２７、２８は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路２７と酸化ガスが流れる酸化ガス流路２８とからなる。燃料ガス流路２７はＭＥＡの一側に、酸化ガス流路２８はＭＥＡの他側に設けられる。したがって、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで、ＭＥＡの表裏に位置する。
セルの燃料ガス流路２７は、燃料ガス流路２７ａと、燃料ガス流路２７ａへの燃料ガス入口２７ｂと、燃料ガス流路２７ａからの燃料ガス出口２７ｃと、からなる。
同様に、セルの酸化ガス流路２８は、酸化ガス流路２８ａと、酸化ガス流路２８ａへの酸化ガス入口２８ｂと、酸化ガス流路２８ａからの酸化ガス出口２８ｃと、からなる。
【００１１】
ガス流路２７のガス入口２７ｂ、ガス出口２７ｃ以外の途中の位置に、ガス流路２７ａに溜まる水を燃料電池１０外に排出可能な排水通路３０が開口されている。同様に、ガス流路２８のガス入口２８ｂ、ガス出口２８ｃ以外の途中の位置に、ガス流路２８ａに溜まる水を燃料電池１０外に排出可能な排水通路３１が開口されている。
排水通路３０、３１は、ガス流路２７ａ、２８ａから分岐して排水マニホールド３０ｂ、３１ｂまで延びる分岐流路３０ａ、３１ａ、セル積層方向に延びて各セルの分岐流路３０ａ、３１ａを集める排水マニホールド３０ｂ、３１ｂ、および一端が排水マニホールド３０ｂ、３１ｂに接続し、他端が系外に接続または開放する排水ホース３０ｃ、３１ｃを有する。
【００１２】
排水通路３０、３１には、たとえば排水ホース３０ｃ、３１ｃには、排水通路３０、３１を開閉可能なバルブ３２が設けられており、あるタイミングでバルブ３２が開放されることにより、排水（ガスと共の排水）が実施される。排水通路３０、３１は互いに独立であるが、バルブ３２より系外側は共通でもよい。バルブ３２より系外側で排水ホース３０ｃ、３１ｃを共通とする場合は排水通路３０、３１のバルブ３２は、水素とエアまたは酸素との混じりを防止するために、時間をずらして開とするようにする。
【００１３】
燃料電池１０の運転状態に応じてバルブ３２を開閉制御するバルブ開閉制御装置３３が設けられている。バルブ開閉制御装置３３は、たとえばＥＣＵ（Electronic Control Unit)からなる。ＥＣＵは、時間（たとえば、一定時間毎に抜く）、燃料電池の運転条件、負荷（負荷が小さければ間隔を長くする）、湿度（湿度大だと水抜きのタイミングを早める）、圧力（圧力が低い方が流速が速いので水を抜きやすいので、水抜きのタイミングは長くてもよい）、温度（セル温度が低いと凝縮しやすいので、バルブ３２の開タイミングを早める）、等により、予め設定されたマップ、もしくはこれらのデータより水量を算出し、適正なタイミングでバルブ３２を開き、セパレータ面内の水を系外に排水する。
バルブ３２開によりガスも排出されるので、一瞬ガス流路２７、２８の流速が増し、それによってもガス流路２７、２８内の反応生成水が排出され、電極へのガスの供給が改善され、燃料電池１０の性能が改善される。
【００１４】
排水通路３０、３１は、燃料ガス流路２７あるいは酸化ガス流路２８のうちガスが下方から上方に流れるガス流路（ガス入口がガス出口より下にあるガス流路）に設けられる。ただし、排水通路３０、３１は、ガスが上方から下方に流れるガス流路にも設けられてもよい。
たとえば、酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路２７、２８のうち一方のガス流路ではガスが下方から上方に流れ、他方のガス流路ではガスが上方から下方に流れる場合、排水通路３０、３１はガスが下方から上方に流れるガス流路（ガス入口がガス出口より下にあるガス流路）に設けられる。
【００１５】
燃料ガス流路２７あるいは酸化ガス流路２８も上流から下流に向けて絞られている。反応生成水の生成につれて燃料ガスおよび酸化ガスが消費されるので、ガス流路では下流側にいくにしたがってガス流速が遅くなろうとするので、ガス流速の低下を少なくするかまたは逆にガス流速を増すように、ガス流路２７、２８の通路断面積が下流側に向けて徐々にまたは段階的に絞られている。この通路断面積の絞りは、ガス流路２７の幅、または深さを下流側に向けて徐々にまたは段階的に小にすることによって得られる。
【００１６】
冷媒流路２６のガスロック（冷媒流路２６で生じたまたは混入したガスにより流路が閉塞されて冷媒が流れなくなる現象）を防止するに、冷媒流路２６でガスが浮力により浮上する時に冷媒の流れがそれを妨げないように、冷媒流路２６では、冷媒が下から上に流される（冷媒入口が冷媒出口より下にある）ことが望ましい。ただし、冷媒は上から下に流されてもよい。
冷媒が下から上に流される場合、酸化ガスも下から上に流されることが望ましい。そうすることによって、酸化ガス入口と冷媒入口を対応させることができ、最も乾きやすい酸化ガス入口を低温の冷媒で冷却することができ、酸化ガス入口近傍の飽和蒸気圧を下げてその近傍の電解質膜のドライアップを抑制することができる。ただし、冷媒の流れ方向と酸化ガスの流れ方向を対向させてもよい。
【００１７】
燃料ガスと酸化ガスの流れ方向は互いに対向することが望ましい。すなわち、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となるように、燃料ガスの供給口２７ｂ、排出口２７ｃ、およびガス流路２７ａおよび酸化ガスの供給口２８ｂ、排出口２８ｃ、およびガス流路２８ａが配置されている。
また、セルの燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２８ａとは、互いに平行である。そして、セルの燃料ガス流路２７ａの上流側（燃料ガス流路２７ａの中間点より燃料ガス流れ方向上流側）と酸化ガス流路２８ａの下流側（酸化ガス流路２８ａの中間点より酸化ガス流れ方向下流側）とが対応させて設けられ、セルの燃料ガス流路２７ａの下流側（燃料ガス流路２７ａの中間点より燃料ガス流れ方向下流側）と酸化ガス流路２８ａの上流側（酸化ガス流路２８ａの中間点より酸化ガス流れ方向上流側）とが対応させて設けられる。
【００１８】
本発明の全実施例に共通または適用可能な上記構成の作用を説明する。
排水通路３０、３１を設けたので、あるタイミングでバルブ３２を開にして、排水通路３０、３１を介してガス流路２７、２８の途中の凝縮水を系外に排出でき、排水性を改善できる。これによって、燃料電池１０の出力性能のよい連続運転が可能になる。
また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、排出性がよく、セル面が水平配置される場合に起こり得るセル面全域が水分により覆われる事態は起こらない。
【００１９】
また、排水通路３０、３１にバルブ３２を設けたので、排水実行時以外はバルブ３２を閉にしておくことにより、燃料ガス、酸化ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路２７、２８におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
バルブ３２はバルブ開閉制御装置３３により燃料電池の運転状態に応じて開閉制御されるので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
【００２０】
ガスが下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けた場合、ガス流路に生じた水には重力と反対方向にガス流が作用するので、ガス流路の途中に水がたまりやすくなるが、ガス流路の途中に水がたまっても、排水通路３０、３１により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できるガス流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路を設けたことによるセル構造の複雑化（排水マニホールドをもうけなくてはならないので、ガスマニホールドや冷媒マニホールドを設けるスペースが制限され、構造が複雑化すること）を最小限にすることができる。
【００２１】
酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流した場合は、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜１１を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍（酸化ガス入口部近傍は最も乾きやすい部位である）に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止（最も湿潤過多になる酸化ガス出口部近傍のフラッディング防止）がはかられる。
【００２２】
また、ガス流路２７、２８が上流側から下流側に向けて絞られているので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路２７、２８の途中にたまった水の、該水より下流側にある、ガス出口２７ｃ、２８ｃまたは排水通路３０、３１への排水性がよくなり、湿潤過多、フラッディングが防止される。
【００２３】
また、酸化ガス流路２８で酸化ガスが下方から上方に流れ、冷媒流路２６で冷媒が下方から上方に流れる場合は、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げてその近傍の電解質膜１１を乾きにくくすることができる。また、冷媒流路２６内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。冷媒を上から入れて下に流すとガス溜まりができた時にガスロックしうるが、それを防止することができる。
【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、同じ方向からセパレータ面を見た図５に示すように、燃料ガス（水素）は燃料ガス流路２７を上から下に流れ、酸化ガス（空気）は酸化ガス流路２８を下から上に流れ、冷媒（冷却水）は冷媒流路２６を下から上に流れる。燃料ガスと酸化ガスは逆方向に流れ、酸化ガスと冷媒は同じ方向に流れる。セパレータ面は重力方向にあり、ガス流路、冷媒流路はサーペンタイン流路となっている。酸化ガス流路２８には、ガス入口とガス出口との間の流路途中部分に排水通路３１が設けられている。
この構成によって、反応生成水が酸化ガス流路２８に生じても、排水通路３１を介して水を効率よく系外に排出することができる。また、燃料ガスと酸化ガスの対向流によって、水分のセル内循環が可能になり、効率よく、酸化ガス流路のフラッディング防止、電解質膜のドライアップ防止をはかることができる。また、酸化ガスと冷媒の同方向流および下から上への流れによって、酸化ガス入口近傍の電解質膜のドライアップ防止と冷媒のガスロックの防止をはかることができる。
【００２５】
本発明の実施例２では、同じ方向からセパレータ面を見た図６に示すように、燃料ガス（水素）は燃料ガス流路２７を下から上に流れ、酸化ガス（空気）は酸化ガス流路２８を上から下に流れ、冷媒（冷却水）は冷媒流路２６を下から上に流れる。燃料ガスと酸化ガスは逆方向に流れ、燃料ガスと冷媒は同じ方向に流れる。セパレータ面は重力方向にあり、ガス流路、冷媒流路はサーペンタイン流路となっている。酸化ガス流路２８と燃料ガス流路２７の少なくとも一方には、ガス入口とガス出口との間の流路途中部分に排水通路３１が設けられている。
この構成によって、反応生成水が生じても、排水通路３１を介して水を効率よく系外に排出することができる。また、燃料ガスと酸化ガスの対向流によって、水分のセル内循環が可能になり、効率よく、酸化ガス流路のフラッディング防止、電解質膜のドライアップ防止をはかることができる。また、冷媒の下から上への流れによって、冷媒のガスロックを防止することができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、排水通路を設けたので、ガス流路途中の凝縮水を排水通路を介して排出でき、ガス流路からの排水性を改善できる。また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、セル面全域が水分により覆われることは起こらない。
請求項２の燃料電池によれば、排水通路にバルブを設けたので、排水時以外はバルブを閉にしておくことにより、ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
請求項３の燃料電池によれば、燃料電池の運転状態に応じてバルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けたので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
請求項４の燃料電池によれば、下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けたので、水に重力と反対方向にガス流が作用してガス流路の途中に水がたまっても、排水通路により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できる流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路によるセル構造の複雑化を最小限にすることができる。
請求項５の燃料電池によれば、酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流したので、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止がはかられる。
請求項６の燃料電池によれば、ガス流路を上流側から下流側に向けて絞ったので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路の途中にたまった水のガス出口または排水通路への排水性がよくなる。
請求項７の燃料電池によれば、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れるので、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げて乾きにくくすることができる。また、冷媒流路内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池と排水システムの全体概略斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図３】本発明の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図４】本発明の燃料電池のガス流路（たとえば、酸化ガス流路）の正面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池の、燃料ガス流路と酸化ガス流路と冷媒流路とをセル面をずらして示した、正面図である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池の、燃料ガス流路と酸化ガス流路と冷媒流路とをセル面をずらして示した、正面図である。
【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 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 テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路
２７ｂ 燃料ガス流路入口
２７ｃ 燃料ガス流路出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路
２８ｂ 酸化ガス流路入口
２８ｃ 酸化ガス流路出口
２９ 仕切壁
３０、３１ 排水通路
３２ バルブ
３３ バルブ開閉制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池の生成水の排出を良好にした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、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および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層体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）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオ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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでの水生成反応で出る熱とジュール熱とによりセルの温度が上昇するので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
酸化ガスは、入口側で乾燥（ドライ）しやすく途中で反応生成水で湿潤されていき出口側で湿潤過多（フラッディング）を生じやすい。また、燃料ガスは、電解質膜を通して酸化ガスの水分が拡散してくるので、燃料ガス出口側が入口側より湿潤状態になる。
燃料電池で水素イオンが電解質膜中を移行して上記の発電反応が円滑に行われるためには、電解質膜が適度の水分を含んでいなければならない。また、電解質膜の全域で正常な発電反応が行われるには、セル面内方向に水分分布が均一化されることが必要である。何となれば、水分分布が偏って電解質膜が局部的に乾燥すると上記発電反応が得られなくなるからであり、また反応による生成水によって湿潤過多となると、生成・凝縮した水滴によって酸化ガスのカソードへの酸素の供給が阻止されるからである。
特開２０００−８２４８２は、ガス流入孔からガス流出孔までの気流によって、凝縮水が流出方向に排出され得る、サーペンタイン（蛇行）型のガス供給流路をもつ固体高分子型燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来燃料電池では、ガス流路が長くなると、凝縮水が流出孔まで到達するのが難しくなる。特に流出孔まで凝縮水が自重落下できるような傾斜が設けられていないガス流路をもつセパレータでは、その排水性悪化が顕著になる。
本発明の目的は、ガス流路の凝縮水の排水性を改善した燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【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。
（１） セパレータ面を上下方向に向け、セパレータの電極との接触面に酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路を設けた燃料電池において、前記ガス流路のガス入口、ガス出口以外の途中の位置に、ガスおよびガス流路に溜まる水を燃料電池外に排水可能な排水通路を開口させたことを特徴とする燃料電池。
（２） 前記排水通路に開閉可能なバルブを設けた（１）記載の燃料電池。
（３） 燃料電池の運転状態に応じて前記バルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けた（２）記載の燃料電池。
（４） 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうちガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた（１）記載の燃料電池。
（５） 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうち一方のガス流路ではガスが下方から上方に流れ、他方のガス流路ではガスが上方から下方に流れ、前記ガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた（１）記載の燃料電池。
（６） ガス流路を上流から下流に向けて絞った請求項１記載の燃料電池。
（７） 冷媒流路を有し、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れる請求項１記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）の燃料電池では、排水通路を設けたので、排水通路を介して凝縮水を排出でき、排水性を改善できる。また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、セル面全域が水分により覆われることは起こらない。
上記（２）の燃料電池では、排水通路にバルブを設けたので、排水時以外はバルブを閉にしておくことにより、ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
上記（３）の燃料電池では、燃料電池の運転状態に応じてバルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けたので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
上記（４）の燃料電池では、下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けたので、水に重力と反対方向にガス流が作用してガス流路の途中に水がたまっても、排水通路により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できる流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路によるセル構造の複雑化を最小限にすることができる。
上記（５）の燃料電池では、上記（４）の燃料電池において、酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流したので、上記（４）の作用に加えて、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍（酸化ガス入口部近傍は最も乾きやすい部位である）に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止（最も湿潤過多になる酸化ガス出口部近傍のフラッディング防止）がはかられるという作用が得られる。
上記（６）の燃料電池では、ガス流路を上流側から下流側に向けて絞ったので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路の途中にたまった水の、該水より下流側にある、ガス出口または排水通路への排水性がよくなる。
上記（７）の燃料電池では、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れるので、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げて乾きにくくすることができる。また、冷媒流路内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。冷媒を上から入れて下に流すとガス溜まりができた時にガスロックしうるが、それを防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して、説明する。
図１〜図４は本発明の何れの実施例にも適用可能であり、図５は本発明の実施例１を示し、図６は本発明の実施例２を示す。
本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例にわたって共通する部分または共通に適用可能な部分を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７（単に、ガス流路ともいう）および燃料電池冷却用の冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６（冷却水流路ともいう）を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】
燃料電池１０は、セル積層方向を重力と垂直方向にして、配置される。したがって、セル面、セパレータ面は鉛直方向（上下方向）に向けられている。
冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷媒流路２６が設けられる。冷媒流路２６には冷媒、たとえば冷却水が流れる。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷媒流路２６やガス流路２７、２８を形成したもの、または、冷媒流路２６、ガス流路２７、２８を形成する凹凸のある金属板またはそれを複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。
各ガス流路２７、２８は、図示例のように複数の突起により隔てられた２枚の平板の間のスペース（格子状流路）であってもよいし、互いに並行する複数のガス流路からなるガス流路群であってもよい。ただし、排水性の点から格子状流路が望ましい。
ガス流路２７、２８は、流路長、流速をかせぐためにたとえばサーペンタイン（蛇行）流路からなり、流路の折り返し部を除き流路は水平かほぼ水平、または上下方向に延び、隣接する流路は流路の折り返し部を除き仕切壁２９で仕切られていることが望ましい。
【００１０】
ガス流路２７、２８は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路２７と酸化ガスが流れる酸化ガス流路２８とからなる。燃料ガス流路２７はＭＥＡの一側に、酸化ガス流路２８はＭＥＡの他側に設けられる。したがって、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで、ＭＥＡの表裏に位置する。
セルの燃料ガス流路２７は、燃料ガス流路２７ａと、燃料ガス流路２７ａへの燃料ガス入口２７ｂと、燃料ガス流路２７ａからの燃料ガス出口２７ｃと、からなる。
同様に、セルの酸化ガス流路２８は、酸化ガス流路２８ａと、酸化ガス流路２８ａへの酸化ガス入口２８ｂと、酸化ガス流路２８ａからの酸化ガス出口２８ｃと、からなる。
【００１１】
ガス流路２７のガス入口２７ｂ、ガス出口２７ｃ以外の途中の位置に、ガス流路２７ａに溜まる水を燃料電池１０外に排出可能な排水通路３０が開口されている。同様に、ガス流路２８のガス入口２８ｂ、ガス出口２８ｃ以外の途中の位置に、ガス流路２８ａに溜まる水を燃料電池１０外に排出可能な排水通路３１が開口されている。
排水通路３０、３１は、ガス流路２７ａ、２８ａから分岐して排水マニホールド３０ｂ、３１ｂまで延びる分岐流路３０ａ、３１ａ、セル積層方向に延びて各セルの分岐流路３０ａ、３１ａを集める排水マニホールド３０ｂ、３１ｂ、および一端が排水マニホールド３０ｂ、３１ｂに接続し、他端が系外に接続または開放する排水ホース３０ｃ、３１ｃを有する。
【００１２】
排水通路３０、３１には、たとえば排水ホース３０ｃ、３１ｃには、排水通路３０、３１を開閉可能なバルブ３２が設けられており、あるタイミングでバルブ３２が開放されることにより、排水（ガスと共の排水）が実施される。排水通路３０、３１は互いに独立であるが、バルブ３２より系外側は共通でもよい。バルブ３２より系外側で排水ホース３０ｃ、３１ｃを共通とする場合は排水通路３０、３１のバルブ３２は、水素とエアまたは酸素との混じりを防止するために、時間をずらして開とするようにする。
【００１３】
燃料電池１０の運転状態に応じてバルブ３２を開閉制御するバルブ開閉制御装置３３が設けられている。バルブ開閉制御装置３３は、たとえばＥＣＵ（Electronic Control Unit)からなる。ＥＣＵは、時間（たとえば、一定時間毎に抜く）、燃料電池の運転条件、負荷（負荷が小さければ間隔を長くする）、湿度（湿度大だと水抜きのタイミングを早める）、圧力（圧力が低い方が流速が速いので水を抜きやすいので、水抜きのタイミングは長くてもよい）、温度（セル温度が低いと凝縮しやすいので、バルブ３２の開タイミングを早める）、等により、予め設定されたマップ、もしくはこれらのデータより水量を算出し、適正なタイミングでバルブ３２を開き、セパレータ面内の水を系外に排水する。
バルブ３２開によりガスも排出されるので、一瞬ガス流路２７、２８の流速が増し、それによってもガス流路２７、２８内の反応生成水が排出され、電極へのガスの供給が改善され、燃料電池１０の性能が改善される。
【００１４】
排水通路３０、３１は、燃料ガス流路２７あるいは酸化ガス流路２８のうちガスが下方から上方に流れるガス流路（ガス入口がガス出口より下にあるガス流路）に設けられる。ただし、排水通路３０、３１は、ガスが上方から下方に流れるガス流路にも設けられてもよい。
たとえば、酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路２７、２８のうち一方のガス流路ではガスが下方から上方に流れ、他方のガス流路ではガスが上方から下方に流れる場合、排水通路３０、３１はガスが下方から上方に流れるガス流路（ガス入口がガス出口より下にあるガス流路）に設けられる。
【００１５】
燃料ガス流路２７あるいは酸化ガス流路２８も上流から下流に向けて絞られている。反応生成水の生成につれて燃料ガスおよび酸化ガスが消費されるので、ガス流路では下流側にいくにしたがってガス流速が遅くなろうとするので、ガス流速の低下を少なくするかまたは逆にガス流速を増すように、ガス流路２７、２８の通路断面積が下流側に向けて徐々にまたは段階的に絞られている。この通路断面積の絞りは、ガス流路２７の幅、または深さを下流側に向けて徐々にまたは段階的に小にすることによって得られる。
【００１６】
冷媒流路２６のガスロック（冷媒流路２６で生じたまたは混入したガスにより流路が閉塞されて冷媒が流れなくなる現象）を防止するに、冷媒流路２６でガスが浮力により浮上する時に冷媒の流れがそれを妨げないように、冷媒流路２６では、冷媒が下から上に流される（冷媒入口が冷媒出口より下にある）ことが望ましい。ただし、冷媒は上から下に流されてもよい。
冷媒が下から上に流される場合、酸化ガスも下から上に流されることが望ましい。そうすることによって、酸化ガス入口と冷媒入口を対応させることができ、最も乾きやすい酸化ガス入口を低温の冷媒で冷却することができ、酸化ガス入口近傍の飽和蒸気圧を下げてその近傍の電解質膜のドライアップを抑制することができる。ただし、冷媒の流れ方向と酸化ガスの流れ方向を対向させてもよい。
【００１７】
燃料ガスと酸化ガスの流れ方向は互いに対向することが望ましい。すなわち、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となるように、燃料ガスの供給口２７ｂ、排出口２７ｃ、およびガス流路２７ａおよび酸化ガスの供給口２８ｂ、排出口２８ｃ、およびガス流路２８ａが配置されている。
また、セルの燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２８ａとは、互いに平行である。そして、セルの燃料ガス流路２７ａの上流側（燃料ガス流路２７ａの中間点より燃料ガス流れ方向上流側）と酸化ガス流路２８ａの下流側（酸化ガス流路２８ａの中間点より酸化ガス流れ方向下流側）とが対応させて設けられ、セルの燃料ガス流路２７ａの下流側（燃料ガス流路２７ａの中間点より燃料ガス流れ方向下流側）と酸化ガス流路２８ａの上流側（酸化ガス流路２８ａの中間点より酸化ガス流れ方向上流側）とが対応させて設けられる。
【００１８】
本発明の全実施例に共通または適用可能な上記構成の作用を説明する。
排水通路３０、３１を設けたので、あるタイミングでバルブ３２を開にして、排水通路３０、３１を介してガス流路２７、２８の途中の凝縮水を系外に排出でき、排水性を改善できる。これによって、燃料電池１０の出力性能のよい連続運転が可能になる。
また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、排出性がよく、セル面が水平配置される場合に起こり得るセル面全域が水分により覆われる事態は起こらない。
【００１９】
また、排水通路３０、３１にバルブ３２を設けたので、排水実行時以外はバルブ３２を閉にしておくことにより、燃料ガス、酸化ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路２７、２８におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
バルブ３２はバルブ開閉制御装置３３により燃料電池の運転状態に応じて開閉制御されるので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
【００２０】
ガスが下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けた場合、ガス流路に生じた水には重力と反対方向にガス流が作用するので、ガス流路の途中に水がたまりやすくなるが、ガス流路の途中に水がたまっても、排水通路３０、３１により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できるガス流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路を設けたことによるセル構造の複雑化（排水マニホールドをもうけなくてはならないので、ガスマニホールドや冷媒マニホールドを設けるスペースが制限され、構造が複雑化すること）を最小限にすることができる。
【００２１】
酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流した場合は、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜１１を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍（酸化ガス入口部近傍は最も乾きやすい部位である）に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止（最も湿潤過多になる酸化ガス出口部近傍のフラッディング防止）がはかられる。
【００２２】
また、ガス流路２７、２８が上流側から下流側に向けて絞られているので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路２７、２８の途中にたまった水の、該水より下流側にある、ガス出口２７ｃ、２８ｃまたは排水通路３０、３１への排水性がよくなり、湿潤過多、フラッディングが防止される。
【００２３】
また、酸化ガス流路２８で酸化ガスが下方から上方に流れ、冷媒流路２６で冷媒が下方から上方に流れる場合は、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げてその近傍の電解質膜１１を乾きにくくすることができる。また、冷媒流路２６内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。冷媒を上から入れて下に流すとガス溜まりができた時にガスロックしうるが、それを防止することができる。
【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、同じ方向からセパレータ面を見た図５に示すように、燃料ガス（水素）は燃料ガス流路２７を上から下に流れ、酸化ガス（空気）は酸化ガス流路２８を下から上に流れ、冷媒（冷却水）は冷媒流路２６を下から上に流れる。燃料ガスと酸化ガスは逆方向に流れ、酸化ガスと冷媒は同じ方向に流れる。セパレータ面は重力方向にあり、ガス流路、冷媒流路はサーペンタイン流路となっている。酸化ガス流路２８には、ガス入口とガス出口との間の流路途中部分に排水通路３１が設けられている。
この構成によって、反応生成水が酸化ガス流路２８に生じても、排水通路３１を介して水を効率よく系外に排出することができる。また、燃料ガスと酸化ガスの対向流によって、水分のセル内循環が可能になり、効率よく、酸化ガス流路のフラッディング防止、電解質膜のドライアップ防止をはかることができる。また、酸化ガスと冷媒の同方向流および下から上への流れによって、酸化ガス入口近傍の電解質膜のドライアップ防止と冷媒のガスロックの防止をはかることができる。
【００２５】
本発明の実施例２では、同じ方向からセパレータ面を見た図６に示すように、燃料ガス（水素）は燃料ガス流路２７を下から上に流れ、酸化ガス（空気）は酸化ガス流路２８を上から下に流れ、冷媒（冷却水）は冷媒流路２６を下から上に流れる。燃料ガスと酸化ガスは逆方向に流れ、燃料ガスと冷媒は同じ方向に流れる。セパレータ面は重力方向にあり、ガス流路、冷媒流路はサーペンタイン流路となっている。酸化ガス流路２８と燃料ガス流路２７の少なくとも一方には、ガス入口とガス出口との間の流路途中部分に排水通路３１が設けられている。
この構成によって、反応生成水が生じても、排水通路３１を介して水を効率よく系外に排出することができる。また、燃料ガスと酸化ガスの対向流によって、水分のセル内循環が可能になり、効率よく、酸化ガス流路のフラッディング防止、電解質膜のドライアップ防止をはかることができる。また、冷媒の下から上への流れによって、冷媒のガスロックを防止することができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、排水通路を設けたので、ガス流路途中の凝縮水を排水通路を介して排出でき、ガス流路からの排水性を改善できる。また、セパレータ面を上下方向に向けたので、たとえガス流路内に水滴が生じても、重力でガス流路を下方に流れ、セル面全域が水分により覆われることは起こらない。
請求項２の燃料電池によれば、排水通路にバルブを設けたので、排水時以外はバルブを閉にしておくことにより、ガスが排水通路を介して系外に排出されることを防止でき、かつ排水時も系外に排出されるガス量を制御でき、これらによって、ガス流路におけるガス流速低下を最小限にすることができる。
請求項３の燃料電池によれば、燃料電池の運転状態に応じてバルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けたので、燃料電池の運転状態に応じた最適な排水を行うことができる。
請求項４の燃料電池によれば、下方から上方に流れるガス流路に排水通路を設けたので、水に重力と反対方向にガス流が作用してガス流路の途中に水がたまっても、排水通路により効率よく排水することができる。また、重力とガス流が同じ方向に作用して効率よくガス出口から排水できる流路には、排水通路を必ずしも設けなくてもよく、排水通路によるセル構造の複雑化を最小限にすることができる。
請求項５の燃料電池によれば、酸化ガスと燃料ガスをＭＥＡの表裏で互いに対向させて流したので、アノード側とカソード側の反応面における湿度分布が互いに逆分布となり、水分が、電解質膜を通して、酸化ガス出口部近傍から燃料ガス入口部近傍に、さらに燃料ガス出口部近傍から酸化ガス入口部近傍に拡散、移行し、セル内を水分が循環して、水分分布の均一化、フラッディング防止がはかられる。
請求項６の燃料電池によれば、ガス流路を上流側から下流側に向けて絞ったので、ガス流速が速くなる、または水生成反応におけるガス消費によるガス流速の低減が抑制される。早められたガス流速によって、ガス流路の途中にたまった水のガス出口または排水通路への排水性がよくなる。
請求項７の燃料電池によれば、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れるので、最も乾きやすい酸化ガス流路入口近傍の温度を最も下げることができ、酸化ガス流路入口近傍の飽和蒸気圧を下げて乾きにくくすることができる。また、冷媒流路内に気泡が生じても、浮力によって上方にある冷媒出口へと向かうので、冷媒流路の気泡（ガス溜まり）によるガスロックを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池と排水システムの全体概略斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図３】本発明の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図４】本発明の燃料電池のガス流路（たとえば、酸化ガス流路）の正面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池の、燃料ガス流路と酸化ガス流路と冷媒流路とをセル面をずらして示した、正面図である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池の、燃料ガス流路と酸化ガス流路と冷媒流路とをセル面をずらして示した、正面図である。
【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 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 テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路
２７ｂ 燃料ガス流路入口
２７ｃ 燃料ガス流路出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路
２８ｂ 酸化ガス流路入口
２８ｃ 酸化ガス流路出口
２９ 仕切壁
３０、３１ 排水通路
３２ バルブ
３３ バルブ開閉制御装置
Claims (7)
- セパレータ面を上下方向に向け、セパレータの電極との接触面に酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路を設けた燃料電池において、前記ガス流路のガス入口、ガス出口以外の途中の位置に、ガスおよびガス流路に溜まる水を燃料電池外に排出可能な排水通路を開口させたことを特徴とする燃料電池。
- 前記排水通路に開閉可能なバルブを設けた請求項１記載の燃料電池。
- 燃料電池の運転状態に応じて前記バルブを開閉制御するバルブ開閉制御装置を設けた請求項２記載の燃料電池。
- 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうちガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた請求項１記載の燃料電池。
- 酸化ガスあるいは燃料ガスのガス流路のうち一方のガス流路ではガスが下方から上方に流れ、他方のガス流路ではガスが上方から下方に流れ、前記ガスが下方から上方に流れるガス流路に前記排水通路を設けた請求項４記載の燃料電池。
- ガス流路を上流から下流に向けて絞った請求項１記載の燃料電池。
- 冷媒流路を有し、酸化ガス流路ではガスが下方から上方に流れ、冷媒流路では冷媒が下方から上方に流れる請求項１記載の燃料電池。
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